JP6867646B2 - 補償光学システムおよび補償光学方法 - Google Patents

Description

本発明は補償光学システムおよび補償光学方法に関し、例えば、大気揺らぎによる光の波面乱れを補償する補償光学システムおよび補償光学方法に好適に利用できるものである。

光が大気を伝搬する際、大気の揺らぎによって、光の波面が乱れる場合がある。天体観測においては、このような現象が原因で、望遠鏡が本来有する解像力が十分に発揮されず、観測される画像がぼやけてしまう場合が往々にしてある。

このような問題を解決するために、補償光学と呼ばれる技術が開発されている。これは、大気を伝搬する光の波面を波面センサで測定し、この測定の結果に基づいて調整される可変形鏡を用いて波面を補正する技術である。

補償光学技術の適用例として、国立天文台すばる望遠鏡のレーザーガイドスター補償光学装置が知られている。

従来は、天体などの、ほとんど移動しない目標の観測が、補償光学技術の主な適用先であった。しかし、近年では、移動体との光空間通信や、宇宙デブリの除去作業などの、移動する物体に対する大気中からのレーザー光照射が必要となるアプリケーションが提案されており、また研究されている。

レーザー光が大気中を伝搬する際、大気の揺らぎによってレーザー光の波面が乱れる。その結果、レーザー光が曲がったり、拡散したりする場合がある。このような現象を防止するためには、レーザー光の波面を予め補正してから目標に向けて照射することが有効となる。また、目標が移動することに起因する問題もある。

以上に関連して、特許文献１（特開２０１６−４２５５０号公報）には、レーザ照射装置に係る記載が開示されている。このレーザ照射装置は、移動体にレーザ光を照射する。このレーザ照射装置は、第１の可変形鏡と、第２の可変形鏡と、レーザ照射部とを備える。ここで、第１の可変形鏡は、移動体と、レーザ照射装置との間の距離の変化に基づいた焦点位置の補正を行う。第２の可変形鏡は、大気の揺らぎに基づいた補正を行う。レーザ照射部は、第１の可変形鏡と、第２の可変形鏡とを介して、移動体にレーザ光を照射する。

特開２０１６−４２５５０号公報

高速に移動する目標にレーザー光を照射する場合でも大気揺らぎに由来する波面乱れを光学的に補償出来る補償光学システムを提供する。その他の課題と新規な特徴は、本明細書の記述および添付図面から明らかになるであろう。

以下に、（発明を実施するための形態）で使用される番号を用いて、課題を解決するための手段を説明する。これらの番号は、（特許請求の範囲）の記載と（発明を実施するための形態）との対応関係を明らかにするために付加されたものである。ただし、それらの番号を、（特許請求の範囲）に記載されている発明の技術的範囲の解釈に用いてはならない。

一実施形態による補償光学システム（１）は、光源（２）と、駆動光学系（３）と、波面センサ（７）と、演算装置（９３）と、制御装置（９）とを具備する。光源（２）は、レーザー光（２２）を生成する。駆動光学系（３）は、光源（２）からレーザー光（２２）を入射し、所定の目標（１０）に向けて出射する。波面センサ（７）は、目標（１０）から届く参照光（１０１）の波面（７０）を観測し、観測の結果を示す波面観測情報信号（７１）を生成する。演算装置（９３）は、波面観測情報信号（７１）を受信し、波面の乱れを近似するＺｅｒｎｉｋｅ多項式を算出する。制御装置（９）は、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式として算出される複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数に応じて複数の制御信号（９０）を生成する。複数の制御信号（９０）は、第１制御信号と、第２制御信号と、第３制御信号とを含む。第１制御信号は、複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、波面の乱れの傾き成分を示す第１次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて生成される。第２制御信号は、複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、前記波面の乱れのフォーカスシフト成分を示す第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて生成される。第３制御信号は、複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、前記波面の乱れの第３次成分を示す第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて生成される。駆動光学系（３）は、第１制御信号で駆動する第１駆動鏡（３１）と、第２制御信号で駆動する第２駆動鏡（３２）と、第３制御信号で駆動する第３駆動鏡（３３）とを具備する。

一実施形態による補償光学方法は、レーザー光を生成することと、レーザー光を所定の目標に向けて出射することと、目標から届く参照光の波面を観測することと、観測の結果を示す波面観測情報信号を生成することと、波面観測情報信号から、波面の乱れを近似するＺｅｒｎｉｋｅ多項式を算出することと、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式として算出される複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数に応じて複数の制御信号を生成することとを具備する。複数の制御信号を生成することは、複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、波面の乱れの傾き成分を示す第１次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて第１制御信号を生成することと、複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、波面の乱れのフォーカスシフト成分を示す第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて第２制御信号を生成することと、複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、波面の乱れの第３次成分を示す第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて第３制御信号を生成することとを具備する。出射することは、第１制御信号で駆動する第１駆動鏡でレーザー光を反射することと、第２制御信号で駆動する第２駆動鏡でレーザー光を反射することと、第３制御信号で駆動する第３駆動鏡でレーザー光を反射することとを具備する。

前記一実施の形態によれば、高速に移動する目標にレーザー光を照射する場合でも大気揺らぎに由来する波面乱れを光学的に補償することが出来る。

図１Ａは、一実施形態による補償光学システムの一構成例を示す図である。 図１Ｂは、一実施形態による制御装置の一構成例を示すブロック回路図である。 図２は、一実施形態による補償光学方法の一構成例を示すフローチャートである。 図３Ａは、一実施形態による補償光学システムの一構成例を示す図である。 図３Ｂは、一実施形態による制御装置の一構成例を示すブロック回路図である。 図４は、一実施形態による補償光学方法の一構成例を示すフローチャートである。 図５は、一実施形態による補償光学システムの一構成例を示す図である。

添付図面を参照して、本発明による補償光学システムおよび補償光学方法を実施するための形態を以下に説明する。

本発明のより良い理解のために、まず、従来技術について説明する。特許文献１（特開２０１６−４２５５０号公報）では、移動体へのレーザー照射を行う際に、可変形鏡を用いることで、照射するレーザー光の波面補正を行っている。さらに、別の可変形鏡を用いて、目標との距離の変化に基づいた焦点補正を行うことによって、波面補正および焦点補正の両立を提案している。

しかしながら、目標の移動速度が高速化した場合に要求される、高速補正、高分解能および大補正量を同時に実現することや、目標の位置の高精度追尾および補償光学の両立などについて、特許文献１は有効な解決手段を提示していない。

（第１実施形態）
図１Ａを参照して、一実施形態による補償光学システム１について説明する。図１Ａは、一実施形態による補償光学システム１の一構成例を示す図である。

図１Ａの補償光学システム１の構成要素について説明する。補償光学システム１は、光源２と、駆動光学系３と、対物光学系４と、ハーフミラー５と、波面センサ７と、制御装置９とを備える。駆動光学系３は、第１駆動鏡３１と、第２駆動鏡３２と、第３駆動鏡３３とを備える。第１駆動鏡３１は、第１反射面３１０と、図示しない第１駆動装置とを備える。第２駆動鏡３２は、第２反射面３２０と、図示しない第２駆動装置とを備える。第３駆動鏡３３は、第３反射面３３０と、図示しない第３駆動装置とを備える。

図１Ａの構成要素の接続関係について説明する。第１駆動鏡３１において、第１駆動装置は、第１反射面３１０に、第１反射面３１０の方向を調整出来るように接続されている。第２駆動鏡３２において、第２駆動装置は、第２反射面３２０に、第２反射面３２０の曲面形状を調整できるように接続されている。第３駆動鏡３３において、第３駆動装置は、第３反射面３３０に、第３反射面３３０の曲面形状を調整できるように接続されている。

図１Ａの構成要素の光学的な接続関係について説明する。光源２と、第３駆動鏡３３と、第２駆動鏡３２と、第１駆動鏡３１と、対物光学系４とは、この順番に、光学的に接続されている。ここで、光源２から出射されたレーザー光２２が、駆動光学系３を介して目標１０に向かう光路において、第２駆動鏡３２は第３駆動鏡３３より後段に配置されており、第１駆動鏡３１は第２駆動鏡３２より後段に配置されている。

言い換えれば、光源２から出射されるレーザー光２２は、駆動光学系３に入射すると、まず、第３駆動鏡３３の第３反射面３３０で反射する。第３反射面３３０で反射したレーザー光２２は、次に、第２駆動鏡３２の第２反射面３２０で反射する。第２反射面３２０で反射したレーザー光２２は、次に、第１駆動鏡３１の第１反射面３１０で反射する。第１反射面３１０で反射したレーザー光２２は、次に、ハーフミラー５を透過し、対物光学系４を介して出射され、大気中を伝搬し、目標１０に照射される。

また、対物光学系４と、ハーフミラー５と、波面センサ７の受光部とは、この順番に、光学的に接続されている。

言い換えれば、目標１０から届く参照光１０１は、まず、大気中を伝搬し、対物光学系４を通った後、ハーフミラー５で反射する。ハーフミラー５で反射した参照光１０１は、次に、波面センサ７の受光部に入射される。

図１Ａの構成要素の電気的な接続関係について説明する。波面センサ７と、制御装置９と、駆動光学系３とは、電気的に接続されている。

より具体的には、波面センサ７の出力部と、制御装置９の入力部とは、電気的に接続されている。すなわち、波面センサ７が生成する波面観測情報信号７１は、波面センサ７と、制御装置９との間で、電気的に送受信される。また、制御装置９が生成する制御信号９０は、制御装置９と、第１駆動装置、第２駆動装置および第３駆動装置との間で、電気的に送受信される。

図１Ｂを参照して、一実施形態による補償光学システム１について説明する。図１Ｂは、一実施形態による制御装置９の一構成例を示すブロック回路図である。

図１Ｂの制御装置９の構成要素について説明する。制御装置９は、バス９１と、入力装置９２と、演算装置９３と、記憶装置９４と、出力装置９５と、外部記憶装置９６とを備える。

図１Ｂの構成要素の接続関係について説明する。バス９１は、入力装置９２、演算装置９３、記憶装置９４、出力装置９５および外部記憶装置９６のそれぞれと、電気的に接続さている。言い換えれば、入力装置９２、演算装置９３、記憶装置９４、出力装置９５および外部記憶装置９６は、バス９１を介して電気信号を相互に送受信する。

外部記憶装置９６は、着脱可能な記録媒体９６１に対してデータの読み書きを行う。入力装置９２は、波面センサ７に、波面観測情報信号７１を受信できるように接続されていることが好ましい。出力装置９５は、駆動光学系３に、制御信号９０を送信できるように接続されていることが好ましい。

図２を参照して、一実施形態による補償光学システム１の動作、すなわち一実施形態による光学的補償方法について説明する。図２は、一実施形態による光学的補償方法の一構成例を示すフローチャートである。

図２のフローチャートは、第０ステップＳ１００乃至第４ステップＳ１０４の、合計５のステップを含む。図２のフローチャートは、第０ステップＳ１００から開始する。第０ステップＳ１００の次には、第１ステップＳ１０１が実行される。

第１ステップＳ１０１において、補償光学システム１が目標１０に対してレーザー光２２を照射する。より具体的には、まず、光源２がレーザー光２２を生成する。ここで、生成されたレーザー光２２の波面２１は、駆動光学系３に入射される前の時点においては、例えば、球面や平面などの、目標１０に到達した際に集束しやすい形状を有していることが好ましい。次に、生成されたレーザー光２２が、駆動光学系３および対物光学系４を介して目標１０に到達するように、駆動光学系３および対物光学系４の位置および方向は予め適宜に設定されていることが好ましい。この初期的な設定は、あくまでもレーザー光２２が目標１０に到達することを目的としており、本実施形態の目的である補償光学を行う必要はまだ無い。第１ステップＳ１０１の次には、第２ステップＳ１０２が実行される。

第２ステップＳ１０２において、目標１０から届く参照光１０１の波面を、波面センサ７が観測する。ここで、観測される波面を、波面２１と区別するために観測波面７０と呼ぶ。観測波面７０は、対物光学系４と、目標１０との間に存在する大気の揺らぎの影響を受けて乱れている。

なお、参照光１０１は、目標１０から補償光学システム１に届く光を意味する。参照光１０１は、補償光学システム１の光源２で生成されたレーザー光２２が目標１０で反射して補償光学システム１に戻る反射光であっても良いし、他の光源で生成された任意の光が目標１０で反射して補償光学システム１に届く反射光であっても良いし、目標１０自身から出射されて補償光学システム１に届く任意の光であっても良い。

波面センサ７は、例えば、シャックハルトマン型の波面センサであっても良い。シャックハルトマン型の波面センサは、外部から入射する光を、平面状に配置された複数のレンズを介して受光して、複数のレンズで結像する複数の像を１つの撮像センサなどで撮影する。シャックハルトマン型の波面センサは、撮影された複数の像の配置を検出することで、入射光の波面の観測結果を表す電気信号を生成することが出来る。波面センサ７は、観測波面７０を観測し、この観測の結果を示す波面観測情報信号７１を生成する。波面センサ７は、生成した波面観測情報信号７１を、制御装置９に向けて送信する。第２ステップＳ１０２の次には、第３ステップＳ１０３が実行される。

第３ステップＳ１０３において、制御装置９が、受信した波面観測情報信号７１に基づいて、駆動光学系３を制御するための制御信号９０を生成する。

制御装置９は、図１Ｂに示したとおり、プログラムとして記憶装置９４に格納された各種の指示を演算装置９３が実行する計算機であっても良い。この場合、制御装置９は、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式算出プログラム９４１を実行してＺｅｒｎｉｋｅ多項式を算出する演算装置として動作する一方で、制御信号生成プログラム９４２を実行して制御信号を生成する制御装置としても動作する。

制御装置９がＺｅｒｎｉｋｅ多項式を算出する動作について説明する。記憶装置９４には、予めＺｅｒｎｉｋｅ多項式算出プログラム９４１が格納されていることが好ましい。このＺｅｒｎｉｋｅ多項式算出プログラム９４１は、例えば、予め記録媒体９６１に格納されていて、外部記憶装置９６によって読み出されて、バス９１を介して記憶装置９４に書き込まれたものであっても良い。

演算装置９３は、記憶装置９４からＺｅｒｎｉｋｅ多項式算出プログラム９４１を読み出して実行する。Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式算出プログラム９４１を実行する演算装置９３は、入力装置９２およびバス９１を介して、波面観測情報信号７１を受信する。受信された波面観測情報信号７１は、記憶装置９４に格納されても良い。

演算装置９３は、受信した波面観測情報信号７１が表す観測波面７０の乱れを近似するＺｅｒｎｉｋｅ多項式を算出する。この近似は、例えば、最小二乗法を利用して算出されても良い。

Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式は、波面乱れを、それぞれに独立した成分に分解し、それぞれの成分を互いに直交する項として表現する式である。ここで、それぞれの項は、それぞれに次数が設定されている２つの変数と、係数との積として表現される。このような係数を、以降、「Ｚｅｒｎｉｋｅ係数」と呼ぶ。Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式を算出することは、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式に含まれる複数の項または複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数を算出することに等しい。

制御装置９が制御信号９０を生成する動作について説明する。記憶装置９４には、予め制御信号生成プログラム９４２が格納されていることが好ましい。この制御信号生成プログラム９４２は、例えば、記録媒体９６１に格納されていて、外部記憶装置９６によって読み出され、バス９１を介して記憶装置９４に書き込まれたものであっても良い。

演算装置９３は、記憶装置９４から制御信号生成プログラム９４２を読み出して実行する。制御信号生成プログラム９４２を実行する演算装置９３は、記憶装置９４に格納されている各Ｚｅｒｎｉｋｅ係数を読み出して、読み出した各Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じた制御信号９０を生成する。このように生成される複数の制御信号９０の全てまたは一部を総称して単に制御信号９０とも呼ぶ。

より具体的には、制御装置９は、制御信号９０として、第１次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に対応する第１制御信号と、第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に対応する第２制御信号と、第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に対応する第３制御信号とを生成する。

第１次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数および第１制御信号について説明する。第１次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数は、実際には２つの成分を含む。これら２つの成分のうち、第１成分は、第１方向における傾き成分であり、第２成分は、第２方向における傾き成分である。ここで、第１方向は、光軸方向に対して直交している。また、第２方向は、光軸方向に対して直交し、かつ、第１方向に対しても直交している。

第１制御信号は、これら２つの傾き成分に応じて生成される。すなわち、第１制御信号で駆動する第１駆動鏡３１によって、観測波面７０の乱れのうち、第１方向および第２方向の傾き成分が補正されるように、第１制御信号は生成される。したがって、第１制御信号は、実際には２つの制御信号を含んでいても良い。

第１駆動鏡３１は、その表面が平らで変形しない第１反射面３１０と、この第１反射面３１０を傾ける第１駆動装置とを備える。第１駆動装置は、第１反射面３１０を第１方向に傾ける第１サーボモータと、第１反射面３１０を第２方向に傾ける第２サーボモータとを備えていても良い。第１駆動装置は、第１制御信号に応じて、第１反射面３１０が観測波面７０の乱れのうち傾き成分を補正する方向に、第１反射面３１０を傾ける。第１駆動鏡３１は、例えば、このように動作するチップチルト鏡であっても良い。

第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数および第２制御信号について説明する。第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数は、実際には３つの成分を含む。これら３つの成分のうち、第１成分は、第１方向および第２方向における第１非点収差成分であり、第２成分は、フォーカスシフトの成分であり、第３成分は、第３方向および第４方向における第２非点収差成分である。ここで、第３方向は、光軸方向に対して直交しており、かつ、第１方向および第２方向に対して４５度で交差している。第４方向は、光軸方向に対して直交しており、かつ、第３方向に対しても直交している。

第２制御信号は、フォーカスシフトの成分に応じて生成される。すなわち、第２制御信号で駆動する第２駆動鏡３２によって、観測波面７０の乱れのうち、フォーカスシフトの成分が補正されるように、第２制御信号は生成される。

第２駆動鏡３２は、例えば、バイモルフ型可変形鏡であっても良い。バイモルフ型可変形鏡は、その反射面の曲面形状が複数の圧電素子の伸縮によって変形するように構成されている。ここで、複数の圧電素子は、印加される電圧に応じて伸縮する方向に平行な平面に平行に並べて配置されている。ただし、複数の圧電素子のうち、一部は反射面の表面側に配置されており、残りは反射面の裏面側に配置されている。バイモルフ型可変形鏡は、反射面の表面側および裏面側で、圧電素子の伸縮が逆になるように電圧を印加することで、自身を含む光学系の焦点距離を調整することが可能である。このようにして、第２駆動鏡３２は、自身を含む駆動光学系３全体としての焦点距離、さらにはこの駆動光学系３を含む補償光学システム１全体としての焦点距離を、制御することが可能である。

なお、第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数のうち、第１非点収差成分および第２非点収差成分については、フォーカスシフトの成分と合わせて、第２駆動鏡３２で補正しても良い。この場合は、第２制御信号は、フォーカスシフトの成分に加えて、第１非点収差成分および第２非点収差の成分にも応じて生成される。もしくは、第１非点収差成分および第２非点収差の成分については、後述する第３駆動鏡３３で補正しても良い。

第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数および第３制御信号について説明する。第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数は、実際には４つの成分を含む。これら４つの成分には、第１方向における３次のコマ収差の成分や、第２方向における３次のコマ収差の成分などが含まれる。

第３制御信号は、第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数の各成分に応じて生成される。すなわち、第３制御信号で駆動する第３駆動鏡３３によって、観測波面７０の乱れのうち、第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に対応する成分が補正されるように、第３制御信号は生成される。

第３駆動鏡３３は、例えば、フェースシート型可変形鏡であっても良い。フェースシート型可変鏡は、その反射面の曲面形状が複数の圧電素子によって変形するように構成されている。ここで、複数の圧電素子は、印加される電圧に応じて伸縮する方向に直交する平面の方向に並べて配置されている。

なお、第１非点収差成分および第２非点収差の成分を、第３駆動鏡３３で補正する場合は、第３制御信号を、第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数の各成分に加えて、第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数のうち第１非点収差成分および第２非点収差成分にも応じて生成される。

第３ステップＳ１０３の次には、第４ステップＳ１０４が実行される。

第４ステップＳ１０４において、第１駆動鏡３１、第２駆動鏡３２および第３駆動鏡３３が、それぞれ、第１制御信号、第２制御信号および第３制御信号で駆動する。

すなわち、第１駆動鏡３１の第１駆動装置が第１制御信号で駆動し、観測波面７０の乱れのうち、第１次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数が示す傾き成分を補正するように、第１駆動鏡３１の第１反射面３１０の方向を調整する。

同様に、第２駆動鏡３２の第２駆動装置が第２制御信号で駆動し、観測波面７０の乱れのうち、第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数が示すフォーカスシフト成分を補正するように、第２駆動鏡３２の第２反射面３２０の曲面形状を調整し、駆動光学系３の焦点距離を調整する。

同様に、第３駆動鏡３３の第３駆動装置が第３制御信号で駆動し、観測波面７０の乱れのうち、第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数が示す第３次成分を補正するように、第３駆動鏡３３の第３反射面３３０の曲面形状を調整する。

その結果、駆動光学系３から目標１０に向けて出射されるレーザー光２２の波面は、観測波面７０に対して共役の関係を有する形状を有することになる。この波面を、区別のために共役波面３０と呼ぶ。ここで、共役の関係とは、２つの波面を組み合わせることで、球面または平面の波面が合成されることを意味する。したがって、共役波面３０を有するレーザー光２２が、対物光学系４および大気を介して目標１０に到達する際、大気の揺らぎの影響を受けることで、光源２から出射された際に有していた球面または平面の波面２１を有する理想的な状態で集束することになる。

言い換えれば、レーザー光２２が有する球面または平面の波面２１が目標１０に到達する際に、大気の揺らぎによって観測波面７０に変化する場合に、この観測波面７０と共役の関係にある共役波面３０を駆動光学系３で生成することによって、この共役波面３０を有するレーザー光２２に、目標１０に到達する際に球面または平面の波面２１を持たせることが可能となる。

本実施形態による補償光学システム１は、以上のような動作を行うことによって、大気の揺らぎによるレーザー光２２の波面乱れを補償することが出来る。

なお、大気の揺らぎ具合は時間で変動するので、第４ステップＳ１０４が完了した後も、第２ステップＳ１０２〜第４ステップＳ１０４を繰り返し実行することが好ましい。その意味では、第４ステップＳ１０４の次に、図２のフローチャートを第２ステップＳ１０２から再度実行しても良い。

また、参照光１０１を得るために照射されるレーザー光２２は、本来の目的を達成するためのレーザー光２２とは、強度などの観点から異なる場合がある。その意味では、第４ステップＳ１０４の次に、レーザー光２２の生成条件を変更した上で、図２のフローチャートを第１ステップＳ１０１から再度実行しても良い。

（第２実施形態）
上述したように、大気の揺らぎ具合は時間で変動する。その一方で、駆動鏡の駆動速度には物理的な限界がある。したがって、大気の揺らぎ具合の変化が速過ぎて、各駆動鏡の駆動が、特に第３駆動鏡３３の駆動が、間に合わない場合が考えられる。これは、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式は、高次の項ほど、対応する波面乱れを補正するために可変形鏡の反射面が取るべき曲面形状が複雑になるからである。言い換えれば、各駆動鏡の反射面に求められる分解能や、駆動装置への負荷などが増加し、結果的に補正の精度が低下してしまうからである。

一般的に、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式は、低次の項ほど、対応する波面乱れに影響する割合が大きい。したがって、第１次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて制御される第１駆動鏡３１と、第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて制御される第２駆動鏡３２とについては、駆動光学系３による補正量を最大化する観点から、第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて制御される第３駆動鏡３３よりも優先的に駆動することが好ましい。なお、同様の理由から、より低次のＺｅｒｎｉｋｅ係数に応じて制御される駆動鏡ほど、光源２から目標１０に向かう光路においてはより後段に配置されていることが好ましい。

そこで、本実施形態では、大気揺らぎ具合の変化速度の大きさに応じて第３駆動鏡３３の駆動量を減らすように、第１実施形態による第３制御信号の生成方法に変更を加える。具体的には、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式として算出する第３次以降のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、実際に算出するＺｅｒｎｉｋｅ係数の総数を、参照光１０１の照度の変化速度に応じて増減する。これは、大気の揺らぎ具合の変化速度と、この大気を通過する参照光１０１の照度の変化速度との間に、十分に有意な相関関係が認められるからである。ここで、光の照度は、観測側から見たその光の強度と同様の意味を有する。

図３Ａを参照して、一実施形態による補償光学システム１について説明する。図３Ａは、一実施形態による補償光学システム１の一構成例を示す図である。

図３Ａの補償光学システム１は、図１Ａの補償光学システム１に、ハーフミラー６および照度センサ８を追加したものである。図３Ａの補償光学システム１の構成のうち、主に図１Ａと異なる部分について説明する。

ハーフミラー６および照度センサ８の、他の構成要素に対する光学的な接続関係について説明する。ハーフミラー６は、ハーフミラー５と、波面センサ７との間に配置されている。すなわち、ハーフミラー５で反射された参照光１０１のうち、一部の参照光１０１はハーフミラー６で反射して照度センサ８に入射し、残りの参照光１０１はハーフミラー６を透過して波面センサ７に入射する。

照度センサ８の、他の構成要素に対する電気的な接続関係について説明する。照度センサ８の出力は、制御装置９の入力に接続されている。より具体的には、照度センサ８が生成する照度観測情報信号８１は、照度センサ８および制御装置９の間で、電気的に送受信される。ここで、照度観測情報信号８１は、照度センサ８に入射する参照光１０１の照度を照度センサ８が観測した結果を示す信号である。

図３Ａのその他の構成については、図１Ａの場合と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。

図３Ｂを参照して、一実施形態による制御装置９の構成について説明する。図３Ｂは、一実施形態による制御装置９の一構成例を示すブロック回路図である。

図３Ｂの制御装置９は、図１Ｂの制御装置９に、閾値テーブル９４３を追加したものである。閾値テーブル９４３は、記憶装置９４に格納されている。この閾値テーブル９４３は、例えば、予め記録媒体９６１に格納されていて、外部記憶装置９６によって読み出されて、バス９１を介して記憶装置９４に書き込まれたものであっても良い。

閾値テーブル９４３は、所定の閾値を示すデータを備えている。この閾値は、後述するように、参照光１０１の強度の変化速度と、第３駆動鏡３３の第３駆動装置の駆動速度とを、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式の項の総数の観点から比較するために用いる閾値である。閾値テーブル９４３は、このような閾値を複数含んでいても良い。

図４を参照して、一実施形態による補償光学システム１の動作、すなわち一実施形態による光学的補償方法について説明する。図４は、一実施形態による光学的補償方法の一構成例を示すフローチャートである。図４のフローチャートは、第０ステップＳ２００乃至第８ステップＳ２０８の合計９のステップを備える。図４のフローチャートは、第０ステップＳ２００で開始する。第０ステップＳ２００の次には、第１ステップＳ２０１が実行される。

第１ステップＳ２０１において、補償光学システム１が目標１０に対してレーザー光２２を照射する。図４の第１ステップＳ２０１は、図２の第１ステップＳ１０１と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。第１ステップＳ２０１の次には、第２ステップＳ２０２が実行される。

第２ステップＳ２０２において、目標１０から届く参照光１０１の観測波面７０を、波面センサ７が観測する。図４の第２ステップＳ２０２は、図２の第２ステップＳ１０２と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。第２ステップＳ２０２の次には、第３ステップＳ２０３が実行される。

第３ステップＳ２０３において、制御装置９が、受信した波面観測情報信号７１に基づいて、駆動光学系３を制御するための制御信号９０を生成する。図４の第３ステップＳ２０３は、図２の第３ステップＳ１０３とほぼ同様であるが、以下の点で異なる。すなわち、後述するように、制御装置９は照度観測情報信号８１と、閾値テーブル９４３の閾値との間で比較を行い、この比較の結果に応じて、制御装置９がＺｅｒｎｉｋｅ多項式算出プログラム９４１を実行して算出するＺｅｒｎｉｋｅ係数の総数を増減する。その結果、第３次以降のＺｅｒｎｉｋｅ係数に基づいて生成される第３制御信号の内容も変化する。第３ステップＳ２０３の次には、第４ステップＳ２０４が実行される。

第４ステップＳ２０４において、第１駆動鏡３１、第２駆動鏡３２および第３駆動鏡３３が、それぞれ、第１制御信号、第２制御信号および第３制御信号で駆動する。図４の第４ステップＳ２０４は、図２の第４ステップＳ１０４と同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。第４ステップＳ２０４の次には、第５ステップＳ２０５が実行される。

第５ステップＳ２０５において、照度センサ８が、参照光１０１の強度を観測する。より具体的には、照度センサ８が、参照光１０１の照度の変化速度を観測し、この観測結果を示す照度観測情報信号８１を生成する。生成された照度観測情報信号８１は、制御装置９に向けて送信される。第５ステップＳ２０５の次には、第６ステップＳ２０６が実行される。

第６ステップＳ２０６において、制御装置９が、参照光１０１の強度の変化速度と、記憶装置９４に格納されている閾値との間で比較を行う。ここで、制御装置９は、参照光１０１の強度の変化速度を、照度センサ８から受信した照度観測情報信号８１から読み出す。また、制御装置９は、比較対象となる閾値を、記憶装置９４に格納されている閾値テーブル９４３から読み出す。

閾値テーブル９４３の閾値は、第３駆動鏡３３の第３駆動装置の駆動速度に基づいて予め算出されていることが好ましい。すなわち、参照光１０１の強度の変化速度がどのような範囲に収まっていれば、Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式の幾つの項に応じて生成した第３制御信号に応じて第３駆動装置が駆動できるのか、その組み合わせの羅列を、実測や理論計算などにより予め用意しておき、これらの組み合わせを表す閾値を予め記憶装置９４に格納しておくことが好ましい。したがって、参照光１０１の強度の変化速度との比較対象として、閾値テーブル９４３には複数の閾値が用意されていることが好ましい。

比較の結果、参照光１０１の強度の変化速度が閾値以上である場合（ＹＥＳ）は、第６ステップＳ２０６の次に、第７ステップＳ２０７が実行される。反対の場合（ＮＯ）は、第６ステップＳ２０６の次に、第８ステップＳ２０８が実行される。

第７ステップＳ２０７において、制御装置９が、複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、補正する項の数を減らす。ただし、駆動光学系３に求められる必要最低限の補正能力を鑑みて、補正する項の数は所定の下限を越えないように制御されることが好ましい。例えば、第１駆動鏡３１を駆動する第１制御信号と、第２駆動鏡３２を駆動する第２制御信号とは最低でも生成されるように、補正する項の数には所定の下限値が用意されることが好ましい。第７ステップＳ２０７の次には、図４のフローチャートが第２ステップＳ２０２から再度実行される。なお、第１ステップＳ２０１で参照光１０１を得るために照射されたレーザー光２２が、本来の目的を達成するためのレーザー光２２と異なる場合には、第７ステップＳ２０７の次に、光源２がレーザー光２２を生成する条件を変更した上で、図４のフローチャートを第１ステップＳ２０１から再度実行しても良い。

第８ステップＳ２０８において、制御装置９が、複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、補正する項の数を増やす。ただし、演算装置９３の演算能力の上限を鑑みて、補正する項の数は所定の上限を超えないように制御されることが好ましい。第８ステップＳ２０８の次には、図４のフローチャートが第２ステップＳ２０２から再度実行される。なお、第１ステップＳ２０１で参照光１０１を得るために照射されたレーザー光２２が、本来の目的を達成するためのレーザー光２２と異なる場合には、第８ステップＳ２０８の次に、光源２がレーザー光２２を生成する条件を変更した上で、図４のフローチャートを第１ステップＳ２０１から再度実行しても良い。

本実施形態による補償光学システム１は、以上のように動作することで、駆動鏡の負荷を低減し、補正速度を向上させ、補正効果を最大化することが出来る。

（第３実施形態）
Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式は、高次の項ほど、対応する波面乱れ成分が複雑であり、この波面乱れ成分を補正する可変形鏡の曲面形状も複雑である。したがって、第１実施形態および第２実施形態の第３駆動鏡３３のように、一枚の可変形鏡で複数の高次項を合成した波面乱れ成分を補正しようとすると、この合成した波面乱れ成分を補正するための曲面形状はさらに複雑になり、第３駆動装置の負荷が大きくなる。

そこで、本実施形態では、観測波面７０の乱れのうち、第３次以降の複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数にそれぞれ対応する複数の乱れ成分を、第３以降の複数の高次駆動鏡３３〜３Ｎでそれぞれ補正する。言い換えれば、本実施形態では、駆動鏡の総数を３より大きくする。

図５を参照して、一実施形態による補償光学システム１の構成について説明する。図５は、一実施形態による補償光学システム１の一構成例を示す図である。

図５の補償光学システム１は、図１Ａの補償光学システム１に、第４駆動鏡３４、第５駆動鏡３５および第Ｎ駆動鏡３Ｎを追加したものである。ここで、Ｎは任意の整数であって、第５駆動鏡３５および第Ｎ駆動鏡３Ｎの間には図示を省略された駆動鏡がさらにあっても良い。

第４駆動鏡３４乃至第Ｎ駆動鏡３Ｎは、第３駆動鏡３３と同様に構成されており、それぞれの駆動鏡が反射面および駆動装置を備える。すなわち、第４駆動鏡３４は、第４反射面３４０および図示しない駆動装置を備え、第５駆動鏡３５は、第５反射面３５０および図示しない駆動装置を備え、第Ｎ駆動鏡３Ｎは、第Ｎ反射面３Ｎ０および図示しない駆動装置を備える。

本実施形態による補償光学システム１の動作は、図２に示した第１実施形態の場合と、駆動鏡、制御信号９０および算出されるＺｅｒｎｉｋｅ係数の総数が増加した点で異なるが、その他については同様であるので、さらなる詳細な説明を省略する。

本実施形態によれば、複数の高次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に一対一対応する複数の駆動鏡を用意することで、それぞれの駆動鏡がその反射面の曲面形状を調整するための負荷を低減することが出来る。その結果、補正速度が向上する。

以上、発明者によってなされた発明を実施の形態に基づき具体的に説明したが、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変更可能であることはいうまでもない。また、前記実施の形態に説明したそれぞれの特徴は、技術的に矛盾しない範囲で自由に組み合わせることが可能である。

１ 補償光学システム
１０ 目標
１０１ 参照光
２ 光源
２１ 波面
２２ レーザー光
３ 駆動光学系
３０ 共役波面
３１ 駆動鏡
３１０ 反射面
３２ 駆動鏡
３２０ 反射面
３３ 駆動鏡
３３０ 反射面
３４ 駆動鏡
３４０ 反射面
３５ 駆動鏡
３５０ 反射面
３Ｎ 駆動鏡
３Ｎ０ 反射面
４ 対物光学系
５ ハーフミラー
６ ハーフミラー
７ 波面センサ
７０ 観測波面
７１ 波面観測情報信号
８ 照度センサ
８１ 照度観測情報信号
９ 制御装置
９０ 制御信号
９１ バス
９２ 入力装置
９３ 演算装置
９４ 記憶装置
９４１ Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式算出プログラム
９４２ 制御信号生成プログラム
９４３ 閾値テーブル
９５ 出力装置
９６ 外部記憶装置
９６１ 記録媒体

Claims (7)

1. レーザー光を生成する光源と、
   前記光源から前記レーザー光を入射し、所定の目標に向けて出射する駆動光学系と、
   前記目標から届く参照光の波面を観測し、前記波面の観測結果を示す波面観測情報信号を生成する波面センサと、
   前記波面観測情報信号から、前記波面の乱れを近似するＺｅｒｎｉｋｅ多項式を算出する演算装置と、
   前記Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式として算出される複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数に応じて複数の制御信号を生成する制御装置と
   を具備し、
   前記複数の制御信号は、
   前記複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、前記波面の乱れの傾き成分を示す第１次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて生成される第１制御信号と、
   前記複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、前記波面の乱れのフォーカスシフト成分を示す第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて生成される第２制御信号と、
   前記複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、前記波面の乱れの第３次成分を示す第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて生成される第３制御信号と
   を含み、
   前記駆動光学系は、
   前記第１制御信号で駆動する第１駆動鏡と、
   前記第２制御信号で駆動する第２駆動鏡と、
   前記第３制御信号で駆動する第３駆動鏡と
   を具備し、
   前記光源から前記駆動光学系を介して前記目標に向かう光路において、前記第１駆動鏡は前記第２駆動鏡よりも後段に配置されており、前記第２駆動鏡は前記第３駆動鏡よりも後段に配置されている
   補償光学システム。
2. 請求項１に記載の補償光学システムにおいて、
   前記第３制御信号は、前記Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式として算出され、前記波面の乱れの第４次以降の成分を示す第４次以降のＺｅｒｎｉｋｅ係数にさらに応じて生成される
   補償光学システム。
3. 請求項１または２に記載の補償光学システムにおいて、
   前記第１駆動鏡は、平らな第１反射面を有し、前記第１制御信号に応じて前記第１反射面の方向を調整可能に駆動し、
   前記第２駆動鏡は、可変形の第２反射面を有し、前記第２制御信号に応じて前記第２反射面の曲面形状を調整することで前記駆動光学系の焦点距離を調整するように駆動し、
   前記第３駆動鏡は、可変形の第３反射面を有し、前記第３制御信号に応じて前記第３反射面の曲面形状を調整するように駆動する
   補償光学システム。
4. 請求項１に記載の補償光学システムにおいて、
   前記複数の制御信号は、
   前記Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式として算出され、前記波面の乱れの第４次以降の成分を示す第４次以降の複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数に応じてそれぞれ生成される複数の高次制御信号
   をさらに含み、
   前記駆動光学系は、
   前記複数の高次制御信号にそれぞれ応じて駆動する複数の高次駆動鏡
   をさらに具備する
   補償光学システム。
5. 請求項４に記載の補償光学システムにおいて、
   前記第１駆動鏡は、平らな第１反射面を有し、前記第１制御信号に応じて前記第１反射面の方向を調整可能に駆動し、
   前記第２駆動鏡は、可変形の第２反射面を有し、前記第２制御信号に応じて前記第２反射面の曲面形状を調整することで前記駆動光学系の焦点距離を調整するように駆動し、
   前記第３駆動鏡は、可変形の第３反射面を有し、前記第３制御信号に応じて前記第３反射面の曲面形状を調整するように駆動する
   前記複数の高次駆動鏡のそれぞれは、可変形の反射面を有し、前記複数の高次制御信号のそれぞれに応じて前記反射面の曲面形状を調整するように駆動する
   補償光学システム。
6. 請求項１〜５のいずれか一項に記載の補償光学システムにおいて、
   前記参照光の照度を観測し、前記照度の観測結果を示す照度観測情報信号を生成する照度センサと、
   複数の閾値を格納する記憶装置と
   をさらに具備し、
   前記演算装置は、前記照度観測情報信号が示す照度の変化速度と、前記複数の閾値とを比較し、前記複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち算出するＺｅｒｎｉｋｅ係数の総数を、前記比較の結果に応じて増減する
   補償光学システム。
7. レーザー光を生成することと、
   前記レーザー光を所定の目標に向けて出射することと、
   前記目標から届く参照光の波面を観測することと、
   前記観測の結果を示す波面観測情報信号を生成することと、
   前記波面観測情報信号から、前記波面の乱れを近似するＺｅｒｎｉｋｅ多項式を算出することと、
   前記Ｚｅｒｎｉｋｅ多項式として算出される複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数に応じて複数の制御信号を生成することと
   を具備し、
   前記複数の制御信号を生成することは、
   前記複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、前記波面の乱れの傾き成分を示す第１次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて第１制御信号を生成することと、
   前記複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、前記波面の乱れのフォーカスシフト成分を示す第２次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて第２制御信号を生成することと、
   前記複数のＺｅｒｎｉｋｅ係数のうち、前記波面の乱れの第３次成分を示す第３次Ｚｅｒｎｉｋｅ係数に応じて第３制御信号を生成することと
   を具備し、
   前記出射することは、
   前記第１制御信号で駆動する第１駆動鏡で前記レーザー光を反射することと、
   前記第２制御信号で駆動する第２駆動鏡で前記レーザー光を反射することと、
   前記第３制御信号で駆動する第３駆動鏡で前記レーザー光を反射することと
   を具備し、
   前記光源から前記駆動光学系を介して前記目標に向かう光路において、前記第１駆動鏡は前記第２駆動鏡よりも後段に配置されており、前記第２駆動鏡は前記第３駆動鏡よりも後段に配置されている
   補償光学方法。
   

Images