JP5451979B2 - 波面センサ、および光位相分布制御装置 - Google Patents

Description

この発明は，例えば、マイクロミラーをアレイ状に配列した空間光変調器のように、複数の反射鏡を配列して位相面を形成する光位相分布制御装置、及び光位相分布制御装置において、光波の空間位相分布を計測する波面センサに関する。

地上の天体望遠鏡による天体観測において、大気ゆらぎによる像ボケを改善する装置として、ＡＯ（Ａｄａｐｔｉｖｅ Ｏｐｔｉｃｓ）装置が知られている。ＡＯ装置は、空間位相分布を計測する装置（波面センサ）により、動的に変化する波面歪をリアルタイムに検出し、波面歪を打ち消すように物理的な補正を行なう装置（光位相分布制御装置）である。

ＡＯ装置に用いられる位相分布を補正するデバイスとしては、形状可変鏡が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ＡＯ装置に用いられる波面センサとしては、Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎセンサが知られている（例えば、非特許文献１参照）。

Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎセンサは、レンズレットアレイによって集光した多数の集光スポット像の像位置が、入射する波面の部分的傾斜に依存して変位することを利用して、空間位相分布を求める装置である。形状可変鏡とＳｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎセンサを用いたＡＯ装置において、Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎセンサは、形状可変鏡により反射された光波を計測し、形状可変鏡に補正信号を出力する。

従来の波面センサ、および光位相分布制御装置は、このように構成されているため、波面歪を動的に所望の空間位相分布となるように制御することが可能である。また、Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎセンサは、波面傾斜が連続的に変化する光波の場合に、有効な計測が可能である。一方、形状可変鏡の代わりにピストン駆動するマイクロミラーアレイを用いることも考えられる（例えば、非特許文献２参照）。

特開平５-３３３２７４号公報 B. C. Platt and R. Shack, "History and principles of Shack-Hartmann wavefront sensing," J. Refract. Surg. 17, S573-S577 (2001). Hao Zhu他、"Design and fabrication of reflective spatial light modulators for high-dynamic-range wavefront control", Proc. of SPIE Vol. 5553, P39-P45

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。
形状可変鏡の代わりにピストン駆動するマイクロミラーアレイを用いる場合には、マイクロミラーアレイが未制御な状態であるため、隣接したマイクロミラー間で、ある程度のピストン位相差があることが考えられる。このような場合には、Ｓｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎセンサでは、このピストン位相差を計測することができないという問題があった。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、マイクロミラーアレイのようなピストン駆動するセグメント反射素子をアレイ状に配列した空間位相分布制御デバイスによって反射された波面の空間位相分布を計測可能な波面センサ、およびマイクロミラーアレイと波面センサを組み合わせた空間位相分布制御装置を得ることを目的とする。

本発明に係る波面センサは、ピストン駆動可能な複数のマイクロミラーを２次元アレイ状に配列したマイクロミラーアレイによって反射された光波の空間位相分布を計測する波面センサであって、マイクロミラーアレイによって反射された光波を集光する集光レンズ系と、集光レンズ系により集光された集光スポット像の強度分布を検出する２次元検出器と、２次元検出器で検出された強度分布に基づいて光波の空間位相分布を示す２次元マップを演算する信号処理部とを備え、集光レンズ系は、マイクロミラーアレイを構成する各マイクロミラーによって反射された光波に対応するセグメント波面からなる２次元平面に対して、第１の方向に隣接するセグメント波面の光波を集光する第１のレンズレットアレイと、第１の方向とは異なる第２の方向に隣接するセグメント波面の光波を集光する第２のレンズレットアレイとを有し、信号処理部は、第１のレンズレットアレイおよび第２のレンズレットアレイにより集光された集光スポット像の強度分布の変化を利用して隣接するセグメント波面間のピストン位相差を演算し、ピストン位相差から前記２次元マップを演算するものである。

本発明によれば、第１の方向に隣接するセグメント波面の光波の集光結果と、第２の方向に隣接するセグメント波面の光波の集光結果からピストン位相差を求めることにより、マイクロミラーアレイのようなピストン駆動するセグメント反射素子をアレイ状に配列した空間位相分布制御デバイスによって反射された波面の空間位相分布を計測可能な波面センサ、およびマイクロミラーアレイと波面センサを組み合わせた空間位相分布制御装置を得ることができる。

以下、本発明の波面センサ、および光位相分布制御装置の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１における波面センサ、および空間位相分布制御装置の構成図である。図１における空間位相分布制御装置は、位相分布制御対象である光波１、マイクロミラーアレイ２、像転送光学系３、像転送光学系を構成するレンズ３ａ、３ｂ、第１のレンズレットアレイ４、第２のレンズレットアレイ５、２次元検出器６、および信号処理部７で構成される。ここで、本実施の形態１における集光レンズ系は、第１のレンズレットアレイ４および第２のレンズレットアレイ５に相当する。

マイクロミラーアレイ２は、例えば、特許文献１に記載されるμＳＬＭ（Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ）と同様の構造により実現されるものである。図１では、マイクロミラーアレイ２を５×５素子のマイクロミラーで構成した場合を例示しているが、この数に限定されるものでなく、素子数は自由である。

第１のレンズレットアレイ４は、４×５素子のレンズレットを２次元アレイ状に配置して構成され、第２のレンズレットアレイ５は、４素子のレンズレットをリニアアレイ状に配置して構成されている。

第１のレンズレットアレイ４と第２のレンズレットアレイ５を構成するレンズレットは、ともに焦点距離が等しく、焦点面に２次元検出器６の検出面が一致するように配置されている。２次元検出器６は、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）を用いて実現する。像転送光学系３は、アフォーカル光学系であり、マイクロミラーアレイ２の反射面と、第１のレンズレットアレイ４および第２のレンズレットアレイ５のレンズ入射面とが光学的に共役となるように配置されている。

信号処理部７は、例えば、画像キャプチャーボードを拡張スロットに装着したパーソナルコンピュータに相当する。そして、この信号処理部７は、画像信号を内部のＲＡＭに格納して信号処理し、その結果に応じて、マイクロミラーアレイ２に制御指令を与えるものである。

図２は、本発明の実施の形態１における第１のレンズレットアレイ４および第２のレンズレットアレイ５と、これらに入射する光波１との位置関係の説明図である。図２において、図１と同じ数字は同一の部分であり、説明を省略する。

図２中の符号１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄは、光波１がマイクロミラーアレイ２を構成するマイクロミラー１素子によってピストン位相を変化させられた一部分であるセグメント波面に相当する。すなわち、図２では、１素子のマイクロミラーに対応する１つのセグメント波面を白い正方形枠で区切って図示している。

第１のレンズレットアレイ４を構成する１個のレンズレット（図２中にハッチングで図示した部分）は、例えば、水平方向に隣接するセグメント波面１０ａと１０ｂの境界上に配置されている。第１のレンズレットアレイ４を構成する他のレンズレットも、同様に、水平方向に隣接するセグメント波面の境界上に配置されている。

一方、第２のレンズレットアレイ５を構成するレンズレットは、第１のレンズレットアレイ４の右側の垂直方向に配列される。これらレンズレットの１個は、例えば、垂直方向に隣接するセグメント波面１０ｃと１０ｄの境界上に配置されている。第２のレンズレットアレイ５を構成する他のレンズレットも、同様に、垂直方向に隣接するセグメント波面の境界上に配置されている。

次に、動作について説明する。１個のレンズレットで集光された集光スポットの輝度分布は、隣接するセグメント波面間のピストン位相差に応じて変化する。信号処理部７の第１の機能は、この輝度分布の変化を利用して隣接するセグメント波面間のピストン位相差を演算するものである。

図３は、本発明の実施の形態１におけるセグメント波面間のピストン位相差によって集光スポット像の輝度分布が変化する説明図である。図３（ａ）は、隣接するセグメント波面間のピストン位相差がないときの集光スポット像を示している。また、図３（ｂ）は、隣接するセグメント波面の左側が他方より進んでいるときの集光スポット像を示している。さらに、図３（ｃ）は、隣接するセグメント波面の左側が他方より遅れているときの集光スポット像を示している。

この図３の（ａ）と（ｂ）を比較すると、（ａ）に比べて（ｂ）のピーク輝度が低くなっており、また、（ｂ）のピーク輝度の位置が右側にシフトしていることがわかる。また、（ａ）と（ｃ）を比較すると、（ａ）に比べて（ｃ）のピーク輝度が低くなっており、また、（ｃ）のピーク輝度の位置が左側にシフトしていることがわかる。以上の関係を用いて、信号処理部７は、以下に示す手順により、隣接するセグメント波面のピストン位相差を演算する。

第１に、信号処理部７は、集光スポットのピーク輝度の輝度値Ｐと座標（ＸＰ、ＹＰ）を検出する。第２に、信号処理部７は、集光スポットの全強度Ｉを、画素の輝度値を積分することで算出する。第３に、信号処理部７は、輝度値Ｐと全強度Ｉの比Ｐ／Ｉを演算する。第４に、信号処理部７は、Ｐ／Ｉと、先の図３での位置関係を用いて、ピストン位相差の絶対値を推定する。

この推定処理は、シミュレーション計算や、実験により定められたＰ／Ｉと、ピストン位相差との関数関係を、例えば、処理テーブルとしてあらかじめ信号処理部７に格納しておき、呼び出すことで容易に実現できる。第５に、信号処理部７は、座標（ＸＰ、ＹＰ）と、先の図３の位置関係を用いて、セグメント波面間のピストン位相差の正負を決定する。

また、信号処理部７の第２の機能は、上述の手順で求められた隣接するセグメント波面間のピストン位相差から、空間位相分布を示す２次元マップを演算することである。この演算は、例えば、以下の手順で実現する。

第１に、信号処理部７は、第１のレンズレットアレイ４による集光スポットから求めた隣接セグメント波面間のピストン位相差を、左端のセグメント波面に対する相対位相差に変換する。すなわち、セグメント波面の縦横の配列に対し、（Ｐ＝１、２、３、４、５、Ｑ＝１、２、３、４、５）と番号をつけると、（Ｐ＝１、Ｑ＝ｎ）のセグメント波面と、（Ｐ＝ｋ、Ｑ＝ｎ）のセグメント波面のピストン位相差は、下式で求められる（ただし、ｋ、ｎは、ともに１から５までの整数である）。

第２に、信号処理部７は、同様の方法で、第２のレンズレットアレイ５による集光スポットから求めた隣接セグメント波面間のピストン位相差を、右上端のセグメント波面に対する相対位相差に変換する。

第３に、信号処理部７は、第１の手順から求めた水平方向のマッピングと、第２の手順で求めた垂直方向のマッピングとを総合して、全てのセグメント波面を右上端のセグメント波面に対する相対位相差に変換する。以上により、信号処理部７は、空間位相分布の２次元マップを演算することができる。

以上のように、実施の形態１によれば、集光レンズ系は、マイクロミラーアレイを構成する各マイクロミラーによって反射された光波に対応するセグメント波面からなる２次元平面に対して、第１の方向である水平方向に隣接するセグメント波面の光波を集光する第１のレンズレットアレイと、第２の方向である垂直方向に隣接するセグメント波面の光波を集光する第２のレンズレットアレイとを有している。このような構成を有することにより、マイクロミラーアレイで反射された光波であっても、波面の空間位相分布を計測することが可能となる。

実施の形態２．
隣接するセグメント波面の相対位相差を、集光スポットの輝度分布から求める信号処理方法としては、先の実施の形態１で説明した方法以外の別の方法を用いても実現可能である。先の図３を参照すると、隣接するセグメント波面間にピストン位相差がある場合には、ピストン位相差がない場合と比較して、輝度分布の最大ピーク値が低下すると同時に、２番目に高いピーク値が増大することがわかる。

また、左側のセグメント波面の位相が右側のセグメント波面の位相よりも進んでいる場合には、最大ピーク輝度の座標が２番目に高いピーク輝度の座標の右側となる。一方、左側のセグメント波面の位相が右側のセグメント波面の位相よりも遅れている場合には、最大ピーク輝度の座標が２番目に高いピーク輝度の座標の左側となる。以上の関係を用いて、信号処理部７は、以下に示す手順により、隣接するセグメント波面のピストン位相差を演算する。

第１に、信号処理部７は、集光スポットの最大ピーク輝度の輝度値Ｐ１と座標（ＸＰ１、ＹＰ１）を検出する。第２に、信号処理部７は、集光スポットの２番目に高いピーク輝度（２次ピーク輝度）の輝度値Ｐ２と座標（ＸＰ２、ＹＰ２）を検出する。第３に、信号処理部７は、Ｐ１とＰ２の比Ｐ２／Ｐ１を演算する。第４に、信号処理部７は、Ｐ２／Ｐ１と先の図３の位置関係を用いて、ピストン位相差の絶対値を推定する。

この推定処理は、シミュレーション計算や、実験により定められたＰ２／Ｐ１とピストン位相差との関数関係を、例えば、処理テーブルとしてあらかじめ信号処理部７に格納しておき、呼び出すことで容易に実現できる。第５に、信号処理部７は、座標（ＸＰ１、ＹＰ１）および（ＸＰ２、ＹＰ２）と、先の図３の位置関係を用いて、セグメント波面間のピストン位相差の正負を決定する。

以上のように、実施の形態２によれば、先の実施の形態１と同様に、マイクロミラーアレイで反射された光波であっても、波面の空間位相分布を計測することが可能となる。さらに、最大ピーク輝度の座標と２番目に高いピーク輝度の座標の相対的な位置関係から、セグメント波面の相対位相差の符号を決定できるので、絶対的な座標計測が不要であり、処理の信頼性を高めることができる。

実施の形態３．
図４は、本発明の実施の形態３における波面センサ、および空間位相分布制御装置の構成図である。図４における空間位相分布制御装置は、位相分布制御対象である光波１、マイクロミラーアレイ２、像転送光学系３、像転送光学系を構成するレンズ３ａ、３ｂ、光波位置可変手段２０、共用レンズレットアレイ２１、２次元検出器６、および信号処理部７で構成される。

ここで、本実施の形態３における集光レンズ系は、光波位置可変手段２０および共用レンズレットアレイ２１に相当する。先の実施の形態１における集光レンズ系は、第１のレンズレットアレイ４と第２のレンズレットアレイによる２つの独立のレンズレットアレイを含んでいた。これに対して、本実施の形態３における集光レンズ系は、光波が入射する光波入射位置を可変とする光波位置可変手段２０と、共用レンズレットアレイ２１を用いて、先の実施の形態１における集光レンズ系と同様の機能を実現する。

次に、動作について説明する。光波位置可変手段２０は、平行平板ガラスであり、図示されない、例えば、電動ステージによって光波１の伝搬する光路に挿入、退避できるように構成されている。図５は、本発明の実施の形態３における光波位置可変手段２０の挿入、退避によって、光波位置が変化する作用を示す説明図である。

図５において、光線２２は、光波位置可変手段２０に入射する光波１を代表する光線を示している。また、光路２３は、光線２２が光波位置可変手段２０の退避時に伝播する光路を示している。さらに、光路２４は、光線２２が光波位置可変手段２０の挿入時に伝播する光路を示している。

光波位置可変手段２０は、光線２２に対し、直角からある角度をもつように光路に挿入される。この結果、ガラスの屈折作用により、光路２３から光路２４に光線２２の伝搬する光路の位置を変化させることが可能である。

図６は、本発明の実施の形態３における光波位置可変手段２０によって、共用レンズレットアレイ２１に入射する位置が変化する様子を示す説明図である。図６において、図２、図４と同じ数字は、同等の部分を示し、説明を省略する。光波位置可変手段２０の挿入、退避によって、光波１の共用レンズレットアレイ２１に入射する位置は、図６（ａ）,（ｂ）のように変化する。

より具体的には、（ａ）の状態において、２次元検出器６で撮像した画像から信号処理部７によって水平方向に隣接した２つのセグメント波面間のピストン位相差を演算する。すなわち、（ａ）の状態において、共用レンズレットアレイ２１は、先の実施の形態１における第１のレンズレットアレイ４と同等の機能を発揮することとなる。

また、（ｂ）の状態において、２次元検出器６で撮像した画像から信号処理部７によって垂直方向に隣接した２つのセグメント波面間のピストン位相差を演算する。すなわち、（ｂ）の状態において、共用レンズレットアレイ２１は、先の実施の形態１における第２のレンズレットアレイ５と同等の機能を発揮することとなる。

演算処理部７におけるピストン位相差の演算方法は、先の実施の形態１、２に示した方法と同様であり、説明を省略する。次に、演算処理部７において、垂直、水平方向の隣接するセグメント波面間のピストン位相差を用いて、１つのセグメント波面を基準とした全セグメント波面の相対ピストン位相差を、先の実施の形態１、２に示した方法と同様の方法で求める。

以上のように、本実施の形態３では、光波位置可変手段および共用レンズレットアレイにより、集光レンズ系を構成している。このような構成においても、先の実施の形態１、２と同様に、マイクロミラーアレイで反射された光波であっても、波面の空間位相分布を計測することが可能となる。さらに、１種類の配列のレンズレットアレイを共用する構成とすることができ、製作が容易となる効果も得られる。

本発明の実施の形態１における波面センサ、および空間位相分布制御装置の構成図である。 本発明の実施の形態１における第１のレンズレットアレイおよび第２のレンズレットアレイと、これらに入射する光波１との位置関係の説明図である。 本発明の実施の形態１におけるセグメント波面間のピストン位相差によって集光スポット像の輝度分布が変化する説明図である。 本発明の実施の形態３における波面センサ、および空間位相分布制御装置の構成図である。 本発明の実施の形態３における光波位置可変手段の挿入、退避によって、光波位置が変化する作用を示す説明図である。 本発明の実施の形態３における光波位置可変手段によって、共用レンズレットアレイに入射する位置が変化する様子を示す説明図である。

符号の説明

１ 光波、２ マイクロミラーアレイ、３ 像転送光学系、４ 第１のレンズレットアレイ、５ 第２のレンズレットアレイ、６ ２次元検出器、７ 信号処理部、１０ａ〜１０ｄ セグメント波面、２０ 光波位置可変手段、２１ 共用レンズレットアレイ。

Claims (9)

1. ピストン駆動可能な複数のマイクロミラーを２次元アレイ状に配列したマイクロミラーアレイによって反射された光波の空間位相分布を計測する波面センサであって、
   前記マイクロミラーアレイによって反射された前記光波を集光する集光レンズ系と、
   前記集光レンズ系により集光された集光スポット像の強度分布を検出する２次元検出器と、
   前記２次元検出器で検出された前記強度分布に基づいて前記光波の空間位相分布を示す２次元マップを演算する信号処理部と
   を備え、
   前記集光レンズ系は、前記マイクロミラーアレイを構成する各マイクロミラーによって反射された光波に対応するセグメント波面からなる２次元平面に対して、第１の方向に隣接するセグメント波面の光波を集光する第１のレンズレットアレイと、前記第１の方向とは異なる第２の方向に隣接するセグメント波面の光波を集光する第２のレンズレットアレイとを有し、
   前記信号処理部は、前記第１のレンズレットアレイおよび前記第２のレンズレットアレイにより集光された集光スポット像の強度分布の変化を利用して隣接するセグメント波面間のピストン位相差を演算し、前記ピストン位相差から前記２次元マップを演算する
   ことを特徴とする波面センサ。
2. 請求項１に記載の波面センサにおいて、
   前記集光レンズ系において、
   前記第１のレンズレットアレイは、２次元アレイ状に配列されて構成され、
   前記第２のレンズレットアレイは、２次元アレイ状あるいはリニアアレイ状に配列されて構成され、
   前記第１のレンズレットアレイおよび前記第２のレンズレットアレイは、独立したレンズレットアレイとして構成される
   ことを特徴とする波面センサ。
3. 請求項２に記載の波面センサにおいて、
   前記第１のレンズレットアレイは、構成要素である個々のレンズレットに対し、前記マイクロミラーアレイにおける第１の方向に隣接する２つのマイクロミラーが反射した光波の部分波面を入射させるように配置され、
   前記第２のレンズレットアレイは、構成要素である個々のレンズレットに対し、前記マイクロミラーアレイにおける前記第１の方向とは異なる第２の方向に隣接する２つのマイクロミラーが反射した光波の部分波面を入射させるように配置される
   ことを特徴とする波面センサ。
4. 請求項１に記載の波面センサにおいて、
   前記集光レンズ系は、
   前記マイクロミラーアレイによって反射された前記光波が入射する光波入射位置を可変とする光波位置可変手段と、
   ２次元アレイ状に配列され、前記光波位置可変手段により入射位置の異なる光波を入射することにより、前記第１のレンズレットアレイおよび前記第２のレンズレットアレイの役目を果たす共用レンズレッドアレイと
   により構成されることを特徴とする波面センサ。
5. 請求項４に記載の波面センサにおいて、
   前記光波位置可変手段は、前記共用レンズレッドアレイの構成要素である個々のレンズレットに対し、前記マイクロミラーアレイにおける第１の方向に隣接する２つのマイクロミラーが反射した光波の部分波面を入射させる位置に相当する第１の光波入射位置と、前記マイクロミラーアレイにおける前記第１の方向とは異なる第２の方向に隣接する２つのマイクロミラーが反射した光波の部分波面を入射させる位置に相当する第２の光波入射位置とを切り替えることを特徴とする波面センサ。
6. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の波面センサにおいて、
   前記信号処理部は、前記２次元検出器で検出された前記強度分布に基づいてピーク輝度値Ｐおよび全強度Ｉを求め、あらかじめ定められたＰ／Ｉとピストン位相差との関係から、隣接するセグメント波面間のピストン位相差を演算することを特徴とする波面センサ。
7. 請求項１ないし５のいずれか１項に記載の波面センサにおいて、
   前記信号処理部は、前記２次元検出器で検出された前記強度分布に基づいて、ピーク輝度値Ｐ１および座標（ＸＰ１、ＹＰ１）と、２次ピーク輝度値Ｐ２および座標（ＸＰ２、ＹＰ２）とを求め、あらかじめ定められたＰ２／Ｐ１とピストン位相差との関係、および両座標の位置関係から、隣接するセグメント波面間のピストン位相差を演算することを特徴とする波面センサ。
8. 請求項１ないし７のいずれか１項に記載の波面センサにおいて、
   前記信号処理部は、隣接するセグメント波面間のピストン位相差に基づいて、前記第１の方向における相対位相差のマッピングと、前記第２の方向における相対位相差のマッピングとを求めることで、空間位相分布に相当する前記２次元マップを演算することを特徴とする波面センサ。
9. ピストン駆動可能な複数のマイクロミラーを２次元アレイ状に配列したマイクロミラーアレイを有し、前記マイクロミラーアレイによって光波を反射することにより、光波の空間位相分布を任意に形成する光位相分布制御装置であって、
   請求項１〜８に記載の波面センサを有し、
   前記波面センサに含まれる前記信号処理部は、前記２次元マップとして得られた前記空間位相分布が所望の分布を示すように、前記複数のマイクロミラーをピストン駆動して光波の反射方向を制御する
   ことを特徴とする光位相分布制御装置。

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