JP6513811B2 - 波面センサおよびいくつかの光ビームの間に存在するピストンおよびチルトの差を決定するための方法 - Google Patents

Description

発明の詳細な説明

本発明は、干渉に基づく波面センサに関する。また、本発明は、干渉を生成可能ないくつかの光ビームの間に存在するピストンおよびチルトの差を決定するための方法に関する。

本明細書において、表現「波面（surface d'onde）」および「波面（front d'onde）」は同義であると理解される。同様に、用語「干渉パターン」および「干渉像」はまた同義として使用されている。用語「チルト」は、波面の傾きを示すために使用されており、「ピストン差」は、２つの波面の間に存在する進行の平均差を示しており、各波面の進行は、伝搬の方向において測定される。

このように規定されるピストン差は、光線のスペクトル成分に関わらず適用される。この理由のために、ピストン差は、絶対ピストン差とも呼ばれ得る。しかし、単色光線について、電磁場の空間的周期性によって、ピストン差の余剰部分のみが、静止的な性質決定（すなわち単一の瞬間に実施される性質決定）の間に利用可能である。この余剰部分は、残余のピストン差と呼ばれ、［Ｐａｒｔ＿Ｄｅｃ（Δｐ／λ）］・λに等しい。λは、単色照射線の波長を示し、Δｐは、絶対ピストン差であり、Ｐａｒｔ＿Ｄｅｃは、括弧の間に含まれている数の小数部を示す。特に、同じ波長を有している単色光線が互いに結合されるとき、２つずつ取られるビームの間に存在する余剰のピストン差のみが、重要である。しかし逆に、光線のパルス（すなわち多色光線）について、絶対ピストン差のみが、関係する。

特定の用途は、いくつかの光ビームのそれぞれの波面の間に存在するピストンおよびチルトの差の、正確な決定を必要とする。

そのような必要性は、ケック型の望遠鏡のミラーの調整のときに、特に生じる。そのようなミラーは、分離したミラー部分の並列によって構成されており、ミラー部分のそれぞれが、六角形の外周の境界を有していることが最も多い。このようにして、直径約１ｍにそれぞれ達する部分を有している、直径約１０ｍの完全なミラーを形成可能である。しかし、ミラー部分は、完全なミラーによって反射される光ビームの波面が、隣り合うミラー部分の間に存在する高さおよび傾きの差によって引き起こされる段差（すなわち傾きの突然の変化）を有しないように、互いに対して高さおよび傾きについて調整されなければならない。

上記必要性は、種々のレーザ源からの複数の光ビームが、生じる高強度ビームを得るためにコヒーレントに結合されるときに、生じる。個々のレーザ源の数は、結合ビームにおいて所望される光強度が非常に高いときに、重要であり得る。単色レーザ源の場合、複数のレーザ源から個々に由来し、かつ同一の位相値に対応する複数のビームの、個々の波面は、位相誤差なしに結合される必要がある。Universite Paris XI Orsayにおいて２００９年１１月２０に主張されている題名「La mesure d'amplitudes complexes par interferometrie a decalage multi-lateral」の、B Toulonによる論文は、６４のレーザ源の間におけるピストンおよびチルトの差を測定するために、６４のレーザ源の間におけるピストンおよびチルトの差を測定するために、干渉法に基づく方法を特に四辺形のシアリング干渉法に基づく方法を特に提案している。パルス式のレーザ源の場合、個々のパルスいくつかについて互いに大きな遅延が存在せず、伝搬の方向の間に違いがない限り、レーザ源によってそれぞれ生成される個々のパルスの結合は、個々のパルスの持続時間と同様の持続時間の、パルス自身ではない。単色の複数光ビーム（すなわち光パルス）のコヒーレントな結合の、これらの用途のために、干渉に基づく波面センサは、光学入力部、照射線スプリッタ、複数の光路、少なくとも１つの像検出器、および処理モジュールを備えている。上記光学入力部は、当該光学入力部を通って伸びている初期波面（Ｓ_０）を有している光線を受け取ることを目的としている。上記照射線スプリッタは、上記光学入力部の内側にある限られた複数の区域にそれぞれ由来する複数の光ビームから、それぞれの光ビームについていくつかのサブビームを、生成するために配列されており、それぞれの上記サブビームが対応する限られた複数の区域に存在する上記初期波面の特性を再現している。上記複数の光路は、上記光学入力部の内側にある異なる限られた区域にそれぞれ由来し、かつそれぞれが異なる光路を通過している複数のサブビームを重ね合わすために配列されている。上記少なくとも１つの像検出器は、重ね合わされた上記サブビームによって生成される複数の干渉パターンを得るために配列されている。上記処理モジュールは、重ね合わされた上記サブビームが由来する限られた上記複数の区域の間に、上記初期波面について存在する、ピストンおよびチルトの差を、上記複数の干渉パターンから決定することに適している。

その結果、上記波面センサは、複数のレーザ源によって別々に生成されている個々の複数の波面から生じている、全体の波面を性質決定するために使用される。

B. Toulonによって述べられている装置において、照射線スプリッタは、それぞれ＋１または−１に等しい２つの回折次数の結合に対応する、初期波面の４つのレプリカを生成する回折格子である。上記照射線スプリッタは、このようにして、それぞれの光ビームから４つのサブビームを生成する。上記光学入力部内にある限られた複数の区域は、並列されているレーザ源に由来する個々の光ビームの部分に対応している。これらは、個々のビームのそれぞれが平行（parallele）（すなわち平行（collimate））ビーム構造を有しているように、出力マイクロレンズを備えている。上記像検出器は、そのとき、４つのビームの、干渉像を取得し、当該干渉像から、上記光学入力部内において隣り合う２つのレーザ源の間に存在するピストンおよびチルトの差が決定され得る。光学入力部におけるレーザ源の配置の、矩形パターンに対する回折格子の方向に依存して、異なる２つの干渉モードが得られる。しかし、これらの２つのモードにおいて、干渉像のすべては、異なる種類の重複する複数の区域によって、複雑な構造を有している。この理由のために、干渉像のいずれか１つに基づくピストンおよびチルトの差の決定は、困難な課題である。

C. Bellanmger et al.による文献（タイトル「Collective phase measurement of an array of fiber lasers by quadriwave lateral shearing interferometry for coherent beam combining」、Optics Letters, 1st December 2010, vol. 35, No. 23, pp 3931-3933）は、同種の、四角波の側方シアリング干渉計に関する。

このような状況に基づいて、本発明の目的は、干渉を生じ得る複数の光ビームの個々の波面の間に存在するピストンおよびチルトの差の、より簡単な決定を可能にすることである。

この目的のために、本発明の一局面は、上述のような波面センサを提案する。しかし、当該波面センサは、マスクも備えている。当該マスクは、これらの複数の所定領域の外側にある上記初期波面を少なくとも部分的に遮断するか、または上記複数の所定領域に由来しない光ビームを少なくとも部分的に遮断しながら、上記光学入力部の内側にある分離した複数の所定領域（ＺＩ）を限られた複数の区域として、当該マスクにおける複数の開口部を用いて選択することに適している。上記複数の所定領域は、当該マスクが上記波面センサの上記光学入力部に接して置かれている場合に直接にか、または上記センサの構成を介した光学的結合を用いて、上記マスクにおける開口部によって決定され得る。そのようなマスクによって、上記像検出器の分離した複数の部分は、上記初期波面の広がり、および隣り合う２つの所定区域の間における光強度にかかわらず、上記光学入力部内の隣り合う所定領域の対のためにのために設けられている。したがって、干渉像のそれぞれのみが、他の干渉像の干渉パターンから分離され得る２つのビームによる干渉パターンを、上記像検出器の１つの部分に含んでいる。２つのビームによるこれらの干渉パターンからの、ピストン差およびチルト差の決定は、簡単であり、容易かつ迅速に実施され得る。特に、干渉像のフーリエ変換を計算する必要がない。

本発明の好ましい実施形態において、上記照射線スプリッタは、回折格子を含み得る。実際に、２つのサブビームが、回折の異なる次数について回折格子によって生成されるとき、パルス照明方式において操作しているそれぞれのサブビームにおける光子は、上記回折格子と平行な、伝搬進行の空間部分に含まれいている。同一の照射パルスのために、上記サブビームのすべての空間部分は、そのとき、上記回折格子と平行に、互いに配置されている。２つのサブビームの間における干渉が発生する、重複する領域は、このとき、より大きくあり得る。結果としての正確さは、干渉パターンから導出されるピストンおよびチルトの差の値のために、より高くなり得る。

より詳細には、上記波面センサは、上記回折格子による各ビームについて生成される複数のサブビームが、１つ以上の回折次数の数について値＋−および−１に対応するように配列され得る。そのとき、上記マスクは、すべての回折次数の数についてゼロである値を有している複数の所定区域に由来する上記複数のサブビームを遮断する。

上記マスクおよび像検出器は、光学的に結合され得ることが好ましい。この場合に、干渉が生じさせられている上記像検出器の分離した複数の部分は、上記マスクの開口部の対に対応する。同一の対の２つの開口部の、複数の像は、上記照射照射線スプリッタによって上記像検出器上において重ね合わされる。

本発明の改良によれば、上記波面センサはまた、上記光学入力部内において有効な、相似の空間スケーリングによって、上記像検出器によって取得される干渉パターンについて、上記初期波面を変換するように、上記光学出力部および像検出器の間にある照射線経路上に配置されている無限遠点系を備え得る。このとき、無限遠点系の拡大率の選択は、隣り合う複数の所定区域の間におけるチルト差に対する感度を、ピストン差の感度に対して、個別に調整可能にする。

本発明の単純な実施形態において、上記光学出力部、マスク、無限遠点光学系、照射線スプリッタ、および像検出器は、上記波面センサ内の上記照射の伝搬の方向にしたがって、この順に配列されている。この場合に、上記マスクおよび像検出器は。上記照射線スプリッタを介して上記無限遠点光学系によって、光学的に結合されている。そのような実施形態は、特に単純であり、上述の利点のすべてを同時にもたらす。

例えば、上記マスクは、上記光学入力部内にこれらの所定区域を配置する六角形の網目状にしたがって、上記複数の所定区域を選択するために適し得る。このとき、上記照射線スプリッタを形成している上記回折格子は、六角形パターンを有している二次元的であり、当該回折格子の対称な複数の軸が、上記マスクの対称な複数の軸に対して、上記波面センサの光軸について９０°である。そのような六角形の配置は、ケック型の望遠鏡のミラー部分の形状、ファイバレーザ源の密集した配列に採用されている。

好ましくは、上記マスクは、隣り合う２つの所定区域のいずれもが同一の形状および大きさを有しており、かつこれらの隣り合う２つの所定区域の間に配置されている上記マスクの遮断区域によって離されているように存在し得、この遮断区域が隣り合う２つの所定区域のそれぞれと同一の形状を収納するために十分に大きい。このとき、干渉パターンが形成されており、かつ２つの所定区域に対応する上記検出器の表面部分は、ゼロ照射の円によって囲まれている。言い換えると、複数の干渉像によって占められている、上記検出器の表面の部分は、重複することなく互いに離されており、上記検出器によって取得される全体の像における各干渉像の自動検出および自動分析を容易にしている。

本発明によれば、ピストンおよびチルトの差の決定が、単純であり、迅速に費用効率よく実施され得る。例えば、上記処理モジュールは、平行な直線の干渉縞によってそれぞれが構成されている格納されている複数の基準パターンのライブラリを含み得る。上記基準パターンのそれぞれは、ピストン差についての値およびチルト差についての値に関連付けられている。このとき、隣り合う２つの所定区域の間に存在するピストンおよびチルトの差についての値は、これらの２つの所定区域に対応する干渉パターンおよび格納されている複数の基準パターンの１つの間における最大の一致について検索することによって導出される。最大の一致に対するそのような検索は、照射強度または光強度のスケール補正を、上記干渉パターンおよび／またはそれぞれの基準パターンに適用することを含み得る。一致スコアは、それから、評価され、同じ干渉パターンについて得られ、かつ上記ライブラリからの他の基準パターンに匹敵するスコア値と比較される。

一般的に、上記処理モジュールは、隣り合う２つの所定区域の間に存在するピストン差についての値を、これらの２つの所定区域に対応する上記干渉パターンに存在する横方向の縞の変位から、導出するために適し得る。さらに、２つの所定区域の間に存在するチルトの差の値は、上記干渉パターンに存在する縞間距離から導出され得る。

さらに、本発明に係る波面センサは、上記光学入力部によって受け取られた光線の少なくとも２つのスペクトル成分を、互いから分離するために適しているスペクトル分離系も備え得る。このとき、上記波面センサは、重ね合わされたサブビームによって生成される干渉パターンを、各スペクトル成分について取得するため、およびこのスペクトル成分について取得されている干渉パターンから、各スペクトル成分のとってのピストンおよびチルトの差を決定するために適している。例えば、上記スペクトル分離系は、上記波面センサのそれぞれの分離した光路に上記スペクトル成分を方向づけるための、空間分離型であり得る。代替的に、上記スペクトル分離系は、波長、および異なる瞬間に取得される異なるスペクトル成分によって形成されている干渉パターンに応じた変化する時間−変位を有し得る。

最後に、本発明に係る波面センサの上記マスクおよび照射線スプリッタは、空間的な光変調装置によって一体に形成され得る。そのような実施形態は、その単純さ、および必要に応じて適合させられる能力のために有利である。とりわけ、上記照射線スプリッタが回折格子を含んでいるときに特に好適である。

本発明の第２の局面は、干渉を生成可能な複数の光ビームの個々の波面の間に存在するピストンおよびチルトの差を決定するために、第１の局面に係る波面センサを使用することを提案する。この目的のために、本発明の方法は、
干渉に基づく上記波面センサを用意すること；
上記波面センサの上記光学出力部において隣り合う複数の所定区域を用いて、異なる所定区域に光ビームのそれぞれを方向づけること；および
その光ビームが隣り合う所定区域に方向づけられている個々の波面の間に存在するピストンおよびチルトの差を決定するために、上記像検出器および処理モジュールを動作させることを包含している。

本発明によれば、上記光ビームの間に存在するピストンおよびチルトの差は、さらなる付加的な基準波を用いることなく、決定され得る。上記方法は、したがって、そのような基準波の生成および導入を目的とする光学的要素の必要とせず、この理由のために実施に対して単純である。

そのような方法は、ケック型の望遠鏡のミラーの部分を調整するために使用され得る。この場合に、上記光ビームは、ミラーの並列されている部分によって照射線が同時に反射されるように配置されている照射線源によって発せられている。したがって、ミラーのそれぞれの部分について、この部分によって反射される照射線の一部は、上記光学入力部の複数の所定区域の１つに方向づけられている光ビームを形成している。この用途のために、上記方法は、ミラーの隣り合う２つの部分の間に存在する、高さの差および傾きの差を算出することも包含している。高さおよび傾きのこれらの差は、対応する光ビームについて決定されるピストンおよびチルトの差について値から算出される。

本発明の第２の局面に係る方法は、分離したレーザ源によってそれぞれ発せられる光ビームの位相調整にも使用され得る。レーザ源がパルスレーザ型であるとき、上記照射線スプリッタは、回折格子を含んでいることが好ましい。この他の用途のために、上記方法は、異なる２つのレーザ源によって発せられる照射線のパルス（そのビームが隣り合う２つの所定区域に方向づけられている）の間に存在する時間差、および伝搬の方向の差を算出することも包含している。時間および伝搬の方向のこれらの差は、上記ビームについて決定されるピストンおよびチルトの差についての値から算出される。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面を参照した、非限定的な実施形態の以下の記載において明らかになる。
図１は、本発明によって導入されているマスクの機能を示す、単一の空間的な広がりにおける模式図である。
図２ａおよび２ｂは、マスク、および本発明に係る波面センサによって生成される通りの対応する像をそれぞれ表す。
図３は、いくつかのレーザ光源によって生成される光線の位相調整に使用される、本発明に係る波面センサの光学系の線図である。
図４ａおよび４ｂは、ケック型の望遠鏡のミラー部分を調整するために使用される、本発明に係るさらなる２つの波面センサの光学系の各線図である。

明確さを目的として、図面に表されている異なる要素の寸法は、実際の寸法または実際の寸法の関係に対応していない。さらに、異なる図面において付与されている同一の参照記号は、同一の要素、または同一の機能を有している要素を表している。

図１に使用されている参照記号は、以下の意味を有している。
Δ 波面センサの光軸
１０ 波面センサの光学入力部
１１ 分離した複数の開口部
１２ 回折格子
１３ 像検出器の表面
１４ 処理モジュール、ＣＰＵと表示されている
Ｆ_０ 初期光ビーム
Ｆ_１、．．．、Ｆ_４ 初期ビームＦ_０の範囲内にある選択された複数のビーム
Ｆ_１’、Ｆ_１’’ ビームＦ_１に由来するサブビーム
Ｆ_２’、Ｆ_２’’ ビームＦ_２に由来するサブビーム
Ｆ_３’、Ｆ_３’’ ビームＦ_３に由来するサブビーム
Ｆ_４’、Ｆ_４’’ ビームＦ_４に由来するサブビーム
Ｓ_０ 初期波面
ＺＩ_１、．．．、ＺＩ_４ 複数の所定区域
Ｐ_１２、Ｐ_２３、Ｐ_３４ 像検出器の表面の複数の部分
ｐ 初期波面Ｓ_０の一区域に存在するピストン
ｉ 初期波面Ｓ_０の一区域に存在するチルト。

光学入力部１０、マスク１１、回折格子１２および像検出器１３は、光軸Δに対して直交して配置されている。マスク１１は、光学入力部１０、または光軸Δに沿った光学入力部１０の後ろに配置されている。マスク１１における、互いに離されている複数の開口部は、光学入力部１０における複数の区域（複数の所定区域と呼ばれ、ＺＩ_１、．．．、ＺＩ_４と表示されている）を決定している。まず、初期ビームＦ０は、単色光であり、光軸Δと実質的に平行に伝搬することが、仮定され得る。光学入力部１０を通る初期波面Ｓ_０は、光軸Δに平行な変化するピストンおよび光軸Δに直交する平面に対する変化するチルトを有している実質的に任意の形状を有し得る。したがって、マスク１１の上記複数の開口部は、初期ビームＦ_０に由来する分離された複数のビームＦ_１、．．．、Ｆ_４に通過することを許容する。複数のビームＦ_１、．．．、Ｆ_４は、波面Ｓ_０の複数の部分（マスク１１の上記複数の開口部にそれぞれ納められている部分）を再現している。

図１における単一の広がりを有している単純な場合に、回折格子１２は、回折次数数の値＋１および−１にそれぞれ対応し、かつ対称的に回折している２つのサブビームを、複数のＦ_１、．．．、Ｆ_４のそれぞれから生成する。図１において、一方向に斜線を入れられている複数のサブビームは、回折次数＋１に対応しており、他の方向に斜線を入れられている複数のサブビームは、回折次数−１に対応している。本発明によれば、像検出器の表面１３（以下では像検出器１３と単に呼ばれる）は、マスク１１の隣り合う開口部によって決定される２つのビームに由来する回折次数＋１のサブビームおよび回折次数−１のサブビームの両方をその同じ位置において受け取るように置かれている。したがって、像検出器１３の部分Ｐ_１２は、重ね合わされているサブビームＦ_１’’およびＦ_２’を受け取る。同様に、検出器の部分Ｐ_２３は、重ね合わされているサブビームＦ_２’’およびＦ_３’を受け取り、検出器の部分Ｐ_３４は、重ね合わされているサブビームＦ_３’’およびＦ_４’を受け取る。検出器部分Ｐ_１２、Ｐ_２３およびＰ_３４が、複数の所定区域ＺＩ_１およびＺＩ_２、ＺＩ_２およびＺＩ_３、ＺＩ_３およびＺＩ_４の間にある初期ビームＳ_０の一部を受け取ることを、マスク１１は防止する。＋１を超えるか、または−１に満たない回折の系列は無視され得る。実際に、これらの系列の光強度は、回折格子１２にとっての最適な要素配置を選択することによって、著しく減衰され得るか、または相殺され得る。検出器１３の複数の部分のそれぞれにおいて、重ね合わされている２つのサブビームは、干渉オアターンを生成する。複数の所定区域ＺＩ_１、．．、ＺＩ_４の１つに含まれている初期波面Ｓ_０の各部分を、おそらく軸から外れているおそらく傾いた、光軸Δに沿う平坦な部分と比較することによって、そのとき、検出器部分Ｐ_１２、Ｐ_２３およびＰ_３４のそれぞれにおける干渉パターンは、複数の平行な縞によって構成されている。ところで、単色光である初期ビームＦ０について、かつチルトの差がゼロであるときのそれらの干渉パターンについて、複数のサブビームの光軸に対する中心縞の位相差は、Δｐ・Ｆλに等しい。ここで、λは波長であり、Δｐは、初期波面Ｓ_０の複数の部分（問題の検出器部分において干渉を生じる２つのサブビームが由来する）の間に存在するピストン差の絶対値であり、Ｆは干渉パターンの縞間距離である。しかし実際には、初期ビームＦ_０の単色性によって、ピストン差の剰余のみが、測定され得る。

検出器部分Ｐ_１２、Ｐ_２３およびＰ_３４の１つにおける干渉パターンを生成する２つのサブビームについて、チルト差Δｉは、問題の複数の所定区域に含まれている初期波面Ｓ０の２つの部分に接する複数の平面によって形成される角柱の頂点における角度である。このチルト差Δｉは、それから、上記検出器の上記部分において干渉を形成する上記複数のサブビームの傾きの差と組み合わせられる。この角度の組合せは、チルト差の角柱の頂点の方向が、上記２つのサブビームの伝搬の方向と直交するときにのみ単純である。そのとき、上記組合せは、複数の角度の加算であり、複数のサブビームの伝搬の方向を含んでいる平面の、複数の干渉縞の空間頻度の変化（検出器の表面上の痕にしたがって測定される）は、波長によって割ったチルト差Δｉに等しい。２つのサブビームの伝搬方向の平面について、チルト差の角柱の頂点の方向の任意の向きの場合に、当業者は、Ｂツーロンによる上述の論文に与えられている数式を用いる。チルトの差およびそれらの向きは、像検出器によって入手されている２つの波の複数の干渉パターンから導出され得る。また、全体としての複数の干渉パターンは、ピストンの差、チルトの差およびチルトの差の向きが決定される精度を向上させるために使用される重複性を示す。

図２ａおよび２ｂは、その通りに説明されている、本発明の動作の二次元における実施を示している。図２ａは、全体的にＺＩと示されている、Ｚ_１、．．．、Ｚ_４以外の複数の所定区域を有しているマスク１１の正面図である。複数の所定の領域ＺＩは、したがって、マスク１１を形成している不透明な板に配置されている複数の開口部によって決定されている。マスク１１が光学入力部１０に置かれているとき、複数の所定の領域は、当該マスクの複数の開口部と組み合わさっている。２つの隣り合う所定領域ＺＩは、不透明な上記マスクの中間部分によって互いに離されている。この中間部分は、２つの所定区域のそれぞれの大きさと少なくとも等しい幅を有している。好ましくは、複数の所定区域ＺＩは、規則正しい六角形の網目状に分配されており、Ａ_１１が、複数の対称な軸の１つ（すなわち、マスク１１の６整列の対称性における複数の所定区域の配列の主軸）である。複数の所定区域ＺＩは、これらの所定の区域によって生じさせられる光の回折を無視できるに十分な区域の大きさを有している円形であり得る。例えば、複数の所定区域ＺＩは、５０μｍ（マイクロメートル）の直径をそれぞれ有し得、２つの隣り合う所定区域の幾何学的中心は、１００μｍ離れ得る。この場合に、回折格子１２は、２つの軸Ａ_１１およびＡ_１２が、光軸Δに直交する同一平面に描出されているときに軸Ａ_１１に直交する対称軸Ａ_１２の１つを有している、正六角形である。

図２ｂは、図２ａにおけるマスク１１について検出器１３によって得られる完全な像（当該検出器の表面の複数の部分（隣り合う所定区域ＺＩの複数の対に対して離して設けられる）を有している）を示している。検出器の表面１３のこれらの部分は、図１を参照して個々に説明されている部分Ｐ_１２、Ｐ_２３、Ｐ_３４に加えて、全体的にＰと示されている。複数の部分Ｐのいくつかについて、平行な縞によって形成されている干渉パターンも、例示を目的として示されている。当然、類似の干渉パターンがすべての部分Ｐに存在する。２つを超える波による不要な干渉、および所定領域ＺＩのそれぞれの範囲にある初期波面Ｓ_０のチルトの変化は、無視され得る。

検出器１３によって得られる像の分析は、干渉像を含んでいる複数の部分Ｐの自動検出によって始まり得る。当該自動検出は、複数の部分Ｐが離れている（すなわち、隣り合う部分の間に重なりを有しておらず、隣り合う２つの部分Ｐの間に一切の光束を受けていない中間部分を有している）ことにいよって容易にされている。また、複数の部分Ｐの自動検出は、検出器の表面１３における複数の部分Ｐの位置および形状をあらかじめ知ることによって容易にされている。

それぞれの干渉像の個々の処理は、ピストンおよびチルトの差についての値を得るための多くの方法において実施され得る。非常に大きな処理能力を必要とせずに、特に迅速な方法は、ピストンおよびチルトの差について値が知られており、かつ初期に供給された２つの平面波による複数の干渉パターンと、部分Ｐに含まれているそれぞれの干渉像を比較することからなる。また、当該方法は、したがって、複数の像の要素の比較によって進行し、複数の平衡縞によて形成されている複数の像にとって非常に有効である。当該方法は、複数の像における人工的な影響の予想される存在（例えば、２を超える波による不要な干渉、各所定区域内のチルトの変動、不要な回折の影響）に強い。知られている手法において、像比較法は、複数の像の照度の平均値および標準偏差が比較される２つの像について同一の値に設定されている初期ステップをたいてい含んでいる。この目的のために、疑似変換が、比較される２つの像のうち少なくとも１つの照度値に適用され得る。まずそれから、ピストンの差およびチルトの差についての複数の値、ならびおそらくにチルトの差の角度方向の値によって索引の付されている、２つの波による複数の干渉パターンのライブラリが、適用される。あらかじめ準備されている当該複数の干渉パターンは、本発明の一般的な説明において基準パターンと呼ばれている。したがって、検出器１３によって得られる完全な像の干渉像のそれぞれについて、ピストンおよびチルトの差、ならびに任意にまたチルトの差の角度方向についての値は、一致スコアが最も高い、上記ライブラリに含まれている基準パターンの値である。代替的に、チルトの差の角度方向は、可変の回転が上記干渉像または基準パターンに適用されるときに、各基準パターンとの各干渉像の比較から導出され得る。

図３は、集合ファイバレーザ源１０００によって生成される複数の光ビームの干渉性結合を実現するための、本発明に係る波面センサの使用を示している。レーザ源１０００は、互いに干渉を生じさせることが可能であり、光ファイバの出力部のすべてが、光軸Δに直交する同一平面に実質的に配置されてるように、平行に配置されている。各光ファイバは、この光ファイバから生じる光ビームが平行にされるように、出力レンズを備えている。このようにして個々のレーザビームを生成する光ファイバの数は、制限されず、例えば数十万の単位であり得る。レーザ源１０００の個々のビームのすべては、光軸Δと実質的に平行な光学出力部に導かれる。マスク１１は、レーザ源１０００の数と少なくとも同じ数の開口部を有している。したがって、単一の光ファイバは、マスク１１の、専用の１つの開口部に向けられており、可能な限り、隣り合う集合されているを使用することが有利である。光ファイバの横断分布は、マスク１１および光子１２が図２ａおよび２ｂを参照して説明されている通りに使用され得るように、六角形の網目状であり得る。したがって、光ファイバに由来する複数のレーザビームは、これまでに紹介されているＦ_１、．．．、Ｆ_４複数の光ビームに個々に対応している。参照記号１０１および１０２は、それぞれｆ_１およびｆ_２によって示されている焦点長を有している２つのカバーレンズを示している。それらは、参照記号１００によって示されている無限遠点光学系をともに形成するために配置されている。言い換えると、レンズ１０１の像焦点は、レンズ１０２の第一焦点に重ね合わされている。２つのレンズ１０１および１０２は、複数の光ファイバに由来するすべてのビームを収めるために十分な横方向の広がりを有している。さらに、像検出器の表面１３は、２つのレンズ１０１および１０２を介してマスク１１と光学的に結合されるために、光軸Δに沿って置かれている。例えば、マスク１１は、レンズの第一焦点の高さに置かれ得、像検出器の表面１３は、レンズ１０２の像焦点の高さに置かれ得る。回折格子１２は、レンズ１０２および像検出器の表面１３の間に挿入され得る。それの、光軸Δに沿った正確な位置は、検出器１３の複数の部分Ｐがそれぞれ、マスク１１の隣り合う２つの開口部の像の重ね合わせであるように調整される。波面センサのこのような配置において、複数の位置Ｐは、複数の空洞を有している六角形の網目状を形成しており、当該複数の空洞は、マスク１１における複数の開口部の複数の像が、回折格子１２の存在しないときにある複数の位置と一対一に対応している。図２ａおよび２ｂは、そのような対応関係を示している。本発明に係る波面センサそのような実施は、このようにして、すべてのファイバレーザ源１００が、１つの共通する波長を有している単色性であるときの、隣り合う光ファイバの間に存在するピストンの差および傾きの差を決定することを可能にする。

さらに、無限遠点光学的１００の拡大率は、ピストンの差に対する感度を変更することなしに、チルトの差に対する、波面センサの感度を調整するこｔこを可能にする。チルトの差に対する感度のこの変動は、グイの定理から生じる。無限遠点光学系１００の拡大率についての低い値（特に１未満の拡大率）の選択は、チルトの差を正確に測定するためにより適している波面センサを得ることを可能にする。

図３の実施の特定の場合は、レーザ源１０００が、例えばピコ秒以下のオーダーの、非常に短い放射パルスをそれぞれが伝えるための、パルス型である。異なるレーザ源に由来する複数のパルスの間に存在し得るチルトの差は、他の場所において補正されるか、または修正されることが、仮定されている。縞間距離が回折格子を使用する実施のための波長に依存することによって、検出器１３の複数の部分Ｐの１つの範囲にあるそれぞれの干渉パターンは、決まった縞間距離にしたがって離されている複数の縞から依然として形成される。分析の波長のそれぞれについて、ピストン差の剰余は、対応する干渉パターンの中央縞の側方へのずれから導出され得る。しかし、パルス方式に対する本発明のそのような適用の目的は、複数のパルスの伝搬の共通方向において測定される、異なる源に由来する複数のパルスの間に存在するピストン差の絶対値を見出すことにある。隣り合う源に由来する２つのパルスにおいて、源の間に存在するピストン差の絶対値は、検出に使用される各波長について決定されるピストン差の剰余＋検出波長の整数倍に等しい。そのような不確定性は、少なくとも２つの異なる波長について同時にピストン差を測定することによって解消され得る。ピストン差の絶対値は、隣り合うレーザ源に由来する２つのパルスの間において決定され得、その値が大きいほど、複数の干渉パターンを形成するために使用されている波長が互いにより近い。２つの異なる波長の周囲において非常に狭いスペクトル間隔の使用は、最も多くの場合において十分である。

いくつかの波長におけるそのような測定値は、異なるスペクトル間隔に一致する照射線の成分を選択するために適切なスペクトルフィルタリングすること、および波面センサの分離した経路に照射線の各成分を方向づけることによって取得され得る。代替的な方法は、パルスを構成しているスペクトル成分の周波数に応じて変化する時間−変化を生じさせることによって、長期にわたって各パルスを記録することからなり得る。そのようなスペクトル時間記録法は、当業者に知られている。本発明に係る波面分析は、記録されるパルスの長期の範囲にある異なる瞬間に実現されるとき、異なる波長において実施され得る。この目的のために、波面センサの分離したいくつかの経路は、平行に設けら得、異なる瞬間に動作され得る。

図４ａおよび４ｂは、ケック型の望遠鏡のミラーのうち隣り合う部分の間に存在し得る高さおよび傾きの差を測定するための、本発明に係る波面センサの他の使用を示している。このようにして測定される差に依存して、ミラーの複数の部分の相対位置は、全体のミラーにおける反射によって生成される波面が、段差（すなわち傾斜における突然の変化）のないように、再調整され得る。

図４ａにおいて、参照記号１０１および１０２は、第１の無限遠点光学系を形成している２つの収束レンズをさらに示している。同時に、レンズ１０１は、その焦点長がｆ_３と示されている収束照明レンズ１０３を有している第２の無限遠点光学系を形成している。ビームスプリッタ１０４は、同一の試験路と、照明路および出力路を結合することを可能にする。照明路は、レーザ源２１００およびレンズ１０３を備えている。源２１００によって生成される光ビームＦ_０は、ビームスプリッタ１０４を通って光学試験路に方向付けられる。当該光学試験路は、レンズ１０１、マスク１１、発散レンズ２２００、および参照記号２０００によって示されている試験ミラーを備えている。ミラー２０００は、並列されているミラー部分２００１、２００２、２００３などのすべてによって構成されている。これらのミラー部分は、上述されている通りにマスクおよび回折格子を使用するために、六角形の網目状に並列されている。発散レンズ２２００は、個々の部分２００１、２００２、２００３などの相対位置における一切の不具合が考慮されないときに平面鏡に等しい光学機能をそれらと共同して生じるように、ミラー２００に対して選択され、配置されている。本発明のこの用途の目的は、相対位置におけるこれらの不具合を決定することからなる。ミラー２０００に依存して、発散レンズ２２００は、部分的に円筒系であり得る。出力経路は、レンズ１０２、回折格子１２および像検出器１３を備えている。

図４ａにおける波面センサにおいて、マスク１１は、レンズ１０１およびレンズ２２００の間に置かれている。それは、それぞれの中央ミラー区域２００１、２００２、２００３などから由来している光ビームＦ_１、Ｆ_２などを選択する複数の開口部を有しているため、およびミラー２０００の隣り合う部分の間に存在す分離したる間隙を照明する光ビームＦ０の複数の部分を遮断するために設計されている。実際に、波面センサのそのような実現のために、光学入力部１０は、上記ミラーのすべての部分によって反射されており、かつ図４ａにおける右から左まで伝搬するビームＦ０の複数の部分のために、マスク１１の高さに置かれていることが、考慮され得る。そのとき、光学試験路および出力路は、図３に示されていると同様な波面センサアッセンブリをともに構成している。

検出器１３の各部分Ｐに含まれている干渉像にとっての縞間距離の測定は、対応する光ビームＦ_１、Ｆ_２などの間におけるチルトの差を与え、それから、対応するミラー部分の隣り合う複数の対を基準にしてミラー部分２００１、２００２などの間に存在する傾きの差を与える。源２１００が単色性であるとき、各干渉像の中央縞の位置は、隣り合う２つのミラー部分によって反射される複数の光ビームの間に存在するピストン差の余剰を決定可能にする。また、少なくとも２つの異なる波長は、ピストンの絶対差を取得すること、およびそれから隣り合うミラー部分の複数の対を基準にしてミラー２０００にすべての部分の間に存在する高さの差を決定することを可能にする。

図４ｂにおける線図は、ケック型の望遠鏡の配置部位に基づいて実施され得る、本発明の用途を実現するための、図４ａの変形である。参照記号２０００は、ミラー部分２００１、２００２、２００３などを有している、ケック型の望遠鏡の１次ミラーを示している。参照記号３０００は、２つのミラーを有している望遠鏡の例に採用される場合における、望遠鏡の２次ミラーを示している。レンズ１０５は、視準機能を有しており、波面センサの光学出力部を形成している。波面センサのこの変形において、マスク１１および回折格子１２は、一体であり得、無限遠点系１００を介して像検出器１３と光学的に結合され得る。それらはまた、ミラー２０００と光学的に結合されている。そのとき、ミラー部分２００１、２００２、２００３などの高さおよび傾きの差の特徴を示すために使用される照射線は、星Ｅに直接に由来する光ビームＦ_０であり得、１次ミラー２０００に達する。マスク１１は、隣り合うミラー部分の間における中間の間隙、および複数のミラー部分の複数の端部における１次ミラー２０００の高さに到達する、ビームＦ_０の部分を遮断するために、さらに設計されている。

以上の説明に関する具体化の多くの詳細を変更し、かつ上述の利点の少なくとも一部を依然として維持しつつ、本発明は、再現され得ることが理解される。予想される変更のなかでも、以下が限定することなく説明される。
−照射線スプリッタは、回折格子の代わりに複数のミラーにうよって構成され得る。
−マスクによって規定されている複数の所定区域の分布構造は、六角形の代わりに、四角形などであり得る。回折格子のパターンは、これに適合され得る。
−光学的な均等物に関して、波面センサを構成している光学要素の順序は、変更され得る。特にマスク、回折格子および無限遠点光学系は、波面センサ内における照射線の伝搬方向にしたがいつつ、異なる順序に配置され得る。
−無限遠点光学系は、２つのカバーレンズを有している説明されている構造と異なる構造を有し得る。
−電界効果の深度によって、マスクは、得られる像においてほぼ同一に維持する作用を保持しながら、波面センサの光軸に沿って大きくずらされ得る。
−本発明に係る波面センサは、説明されている用途以外の多くの用途に使用され得る。

本発明によって導入されているマスクの機能を示す、単一の空間的なひろがりにおける模式図である。 マスクを表す。 本発明に係る波面センサによって生成される通りの対応する像を表す。 いくつかのレーザ光源によって生成される光線の位相調整に使用される、本発明に係る波面センサの光学系の線図である。 ケック型の望遠鏡のミラー部分を調整するために使用される、本発明に係るさらなる波面センサの光学系の線図である。 ケック型の望遠鏡のミラー部分を調整するために使用される、本発明に係るさらなる波面センサの光学系の線図である。

Claims (15)

1. 光学入力部（１０）；照射線スプリッタ；複数の光路；少なくとも１つの像検出器；および処理モジュール（１４）を備えており、
   上記光学入力部（１０）が、当該光学入力部を通って伸びている初期波面（Ｓ_０）を有している光線を受け取ることを目的としており、
   上記照射線スプリッタが、上記光学入力部（１０）の内側にある限られた複数の区域にそれぞれ由来する複数の光ビーム（Ｆ_１、Ｆ_２）から、それぞれの上記光ビームについて少なくとも２つのサブビーム（Ｆ_１’、Ｆ_１’’、Ｆ_２’、Ｆ_２’’）を、生成するために配列されており、それぞれの上記サブビームが、対応する限られた区域に存在する上記初期波面（Ｓ_０）の性質を再現しており、
   上記複数の光路が、上記光学入力部（１０）の内側にある異なる２つの限られた区域にそれぞれ由来し、かつそれぞれが異なる光路を通過している２つのサブビーム（Ｆ_１’’、Ｆ_２’）を重ね合わすために配列されており、
   上記少なくとも１つの像検出器（１３）が、重ね合わされた複数の上記サブビーム（Ｆ_１’’、Ｆ_２’）によって生成される複数の干渉パターンを得るために配列されており、
   上記処理モジュール（１４）が、重ね合わされた複数の上記サブビームが由来する限られた上記複数の区域の間に、上記初期波面（Ｓ_０）について、存在するピストン（ｐ）およびチルト（ｔ）の差を、上記複数の干渉パターンから決定することに適している、
   干渉に基づく波面センサであって、
   当該波面センサは、マスク（１１）も備えており、かつ当該マスクは、上記像検出器（１３）の離れた複数の部分（Ｐ）が、上記光学入力部の内側にある隣り合う複数の所定区域の、それぞれの対のために設けられるように、これらの複数の所定領域の外側にある上記初期波面（Ｓ_０）を少なくとも部分的に遮断することによって、または上記複数の所定領域に由来しない光ビームを少なくとも部分的に遮断することによって、上記光学入力部（１０）の内側にあるつながっていない複数の所定領域（ＺＩ）を、当該マスクにおける複数の開口部を用いて、限られた複数の区域として選択することに適しており、
   上記処理モジュール（１４）が、隣り合う２つの所定区域（ＺＩ）に間に存在するピストン差（ｐ）についての値を、当該２つの所定区域に対応する上記干渉パターンに存在する横方向の縞の変位から導出することに適しており、かつ
   隣り合う２つの所定区域（ＺＩ）の間に存在するチルトの差（ｉ）についての値を、当該２つの所定区域に対応する上記干渉パターンに存在する横方向の縞の変位から導出することに適していることを特徴とする波面センサ。
2. 上記照射線スプリッタが回折格子（１２）を含んでいる、請求項１に記載の波面センサ。
3. それぞれのビーム（Ｆ_１、Ｆ_２）にとっての上記回折格子（１２）によって生成されている複数の上記サブビーム（Ｆ_１’、Ｆ_１’’、Ｆ_２’、Ｆ_２’’）が、１つ以上の回折次数について値＋１および−１に対応するように配列されている、請求項２に記載の波面センサ。
4. 上記マスク（１１）および像検出器（１３）が、光学的に結合されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の波面センサ。
5. 上記光学入力部の内側にある有効な相似の空間スケーリングによって、上記像検出器によって得られる上記複数の干渉パターンに上記初期波面（Ｓ_０）を、変換するように、上記光学入力部（１０）および像検出器（１３）の間における照射線の進路上に配列されている無限遠点光学系（１００）も備えている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の波面センサ。
6. 上記光学入力部（１０）、マスク（１１）、無限遠点光学系（１００）、照射線スプリッタ、および像検出器（１３）が、上記波面センサの内部にある照射線の伝搬の方向にしがってこの順に配列されており、上記マスクおよび像検出器が、上記照射線スプリッタを介して、上記無限遠点光学系によって光学的に結合されている、請求項４および５に記載の波面センサ。
7. 上記マスクおよび照射線スプリッタが、空間的な光モジュレータによって一体に形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の波面センサ。
8. 上記マスク（１１）が、複数の所定区域（ＺＩ）を、上記光学入力部（１０）の内側にある当該複数の所定区域の、六角形の網目状配置にしたがって選択するために適しており、上記回折格子（１２）が、六角形パターンを有している二次元であり、かつ上記波面センサの光軸（Δ）について、当該回折格子の対称軸が上記マスクの対称軸に対して９０°にある方向に置かれている、請求項２を含めた、請求項１〜７のいずれか１項に記載の波面センサ。
9. 上記マスク（１１）は、任意の、隣り合う２つの所定区域（ＺＩ）が、同一の形状および大きさを有しており、かつ当該隣り合う２つの所定区域の間に置かれている当該マスクの遮断区域によって分離されているように、存在しており、
   当該遮断区域が、当該隣り合う２つの所定区域のそれぞれと同一の、当該隣り合う２つの所定区域と同じ大きさの形状を収納するために十分に大きい、請求項１〜８のいずれか１項に記載の波面センサ。
10. 上記処理モジュール（１４）が、複数の平行な干渉縞によってそれぞれが構成されている記憶されている複数の参照パターンのライブラリを含んでおり、参照パターンのそれぞれが、ピストン差についての値、およびチルト差についての値と関連付けられており、
    隣り合う２つの所定区域（ＺＩ）の間に存在するピストンおよびチルトの差についての値が、当該隣り合う２つの所定区域に対応する上記干渉パターン、および上記記憶されている複数の参照パターンの１つの間における最大の一致を検索することによって導出される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の波面センサ。
11. 上記光学入力部（１０）によって受け取られる上記光線の少なくとも２つのスペクトル成分において互いを分離することに適しているスペクトル分離系も含んでおり、
    上記波面センサは、重ね合わされた複数の上記サブビーム（Ｆ_１’’、Ｆ_２’）によって生成される上記複数の干渉パターンを、それぞれのスペクトル成分に分離して得ること、およびそれぞれのスペクトル成分についてのピストン（ｐ）およびチルト（ｉ）の差を、上記スペクトル成分について得られる複数の干渉パターンから決定することに適している、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の波面センサ。
12. 複数の干渉を生成可能な複数の光ビーム（Ｆ_１、Ｆ_２）の個々の波面の間におけるピストン（ｐ）およびチルト（ｉ）の差を決定する方法であって、
    以下のステップ：
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の干渉に基づく波面センサを準備すること；
    上記波面センサの上記光学入力部（１０）において隣り合う異なる所定区域（ＺＩ）に、それぞれの光ビーム（Ｆ_１、Ｆ_２）を方向づけること；ならびに
    上記光ビーム（Ｆ_１、Ｆ_２）が隣り合う所定区域（ＺＩ）に方向づけられた個々の波面の間に存在するピストン（ｐ）およびチルト（ｉ）の差を決定するために、上記像検出器（１３）および処理モジュール（１４）を動作させること
    を包含していることを特徴とする、方法。
13. 上記光ビーム（Ｆ_１、Ｆ_２）は、ミラー（２０００）の近接して配置されている部分（２００１、２００２）によって上記照射線が同時に反射されるように配列されている線源（２１００）によって生成され、
    上記ミラーのそれぞれの部分（２００１、２００２）について、ミラーの当該部分によって反射される上記照射線の一部は、上記光学入力部（１０）の上記複数の所定区域（ＺＩ）の１つに方向づけられている上記光ビーム（Ｆ_１、Ｆ_２）を形成しており、
    上記方法は、対応する上記光ビームについて決定されるピストン（ｐ）およびチルト（ｉ）の差について値から、上記ミラーの隣り合う２つの部分（２００１、２００２）の間に存在する高さの差および傾きの差を算出することも包含している、請求項１２に記載の方法。
14. 上記光ビーム（Ｆ_１、Ｆ_２）が、分離した複数のレーザ源（１０００）、特にファイバレーザ源によってそれぞれ生成される、請求項１２に記載の方法。
15. 上記レーザ源（１０００）がパルスレーザ型であり、上記波面センサが請求項２に基づいており、
    上記方法は、その複数のビームが隣り合う２つの所定区域（ＺＩ）に方向づけらており、かつ異なる２つのレーザ源によって生成される、照射線のパルスの間に存在する時間の差、および伝搬の方向の差を、上記複数のビームについて決定されるピストン（ｐ）およびチルト（ｉ）の差についての値から算出することも包含している、請求項１４に記載の方法。

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