JPH07140403A - マルチディザー方式補償光学装置 - Google Patents

マルチディザー方式補償光学装置

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JPH07140403A
JPH07140403A JP28935093A JP28935093A JPH07140403A JP H07140403 A JPH07140403 A JP H07140403A JP 28935093 A JP28935093 A JP 28935093A JP 28935093 A JP28935093 A JP 28935093A JP H07140403 A JPH07140403 A JP H07140403A
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digital
actuator
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祐治 一ノ瀬
Hideaki Saito
英明 斉藤
Masakatsu Sugii
正克 杉井
Yasuharu Mine
康晴 嶺
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Japan Steel Works Ltd
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Japan Steel Works Ltd
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 光波の光学的な波面歪を補正するマルチディ
ザー方式補償光学装置の高性能化,小型化,高速化を図
る。 【構成】 光信号1をA/D変換器2でディジタル信号
3に変換し、複数のディジタル信号処理部4a〜4nに
より光信号1に含まれる複数の位相変調信号を夫々検出
し、各ディジタル信号処理部4a〜4nが自己に対応す
るアクチュエータ用の指令電圧5a〜5nを演算し、駆
動電源6に出力する。駆動電源6から形状可変鏡の各ア
クチュエータに駆動電圧7を出力する。ディジタル信号
処理部4で位相変調信号を検出する構成ため、アナログ
回路による検出法で生じる回路素子の経年変化による性
能劣化が低減され、複数のディジタル信号処理部4a〜
4nを設け並列的に処理するため、処理の高速化が図れ
る。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明はレーザ等の光波の等位相
面の歪み(波面歪み)を補正する補償光学装置に係り、
特に、特性の経年変化のないマルチディザー補償光学装
置に関する。
【0002】
【従来の技術】天体を望遠鏡で観測する場合、星から地
球に届いた微弱な光が大気を通過し望遠鏡にとらえられ
る。しかし、大気の密度はムラがあるために、光の波面
は揺らいでしまう。このため、像はぼけてしまい、高精
度の観測ができない。そこで、例えば米国特許第373
1103号,第3975629号,第3979585
号,第3988608号,第4016415号等のマル
チディザー方式補償光学装置が使用されることになる。
【0003】この補償光学装置では、反射面の形状を任
意形状に可変な形状可変鏡を用い、波面の揺らぎに応じ
て反射面形状を歪ませ、波面が揺らいだ入射光をこの反
射面で反射させることで、波面を揃えるようにしてい
る。形状可変鏡の反射面を変形させる制御は、反射面か
らの反射光の一部を取り出しこれを集光し、その光強度
を光検出器で検出し、この光強度から波面の揺らぎを求
めることで行う。
【0004】反射面の形状を歪ませて波面を制御するに
は、波面の揺らいだ部分の光が反射面のどの部分で反射
したかを知る必要があり、そのため、反射面を複数領域
に分割し各領域毎に異なる周波数で反射面を振動させて
反射光を位相変調し、前記の光検出器による検出データ
中の周波数成分から、反射面上での反射位置を求めてい
る。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、マル
チディザー方式補償光学装置の構成について述べられて
いるが、その制御装置は、大部分がアナログ回路により
構成されている。特に、反射面を位相変調させる回路部
分は、位相変調する周波数の特性に合わせたアナログ回
路としている。しかし、アナログ回路は回路規模が大き
く、装置全体が大型化してしまうという問題がある。し
かも、経年的に変化し、位相変調する周波数が設定周波
数からずれてしまう。このように特性の変化したアナロ
グ回路は交換する必要があり、保守・点検が面倒である
という問題もある。また、アナログ回路に設定されてい
る各々の周波数は固定であり、しかも反射面の各領域毎
に異なる周波数を使用する必要があるため、位相変調す
る周波数を別の周波数に変えて試験しようとした場合、
アナログ回路全部を交換しなければならず、装置の自由
度が小さいという問題もある。
【0006】本発明の目的は、アナログ回路における回
路素子の経年変化による性能劣化及び回路の大型化,装
置の自由度の問題を解決したマルチディザー補償光学装
置を提供することにある。
【0007】
【課題を解決するための手段】上記目的は、入射光を反
射して出射する反射面と該反射面の形状を変化させる複
数のアクチュエータとを有する形状可変鏡と、前記反射
面で反射した光波を取り込み集光した焦点強度から波形
歪みを検出し該波形歪みを補正する前記各アクチュエー
タの変位量を求めると共に各アクチュエータの各変位位
置で各アクチュエータを夫々異なる周波数で振動させ反
射光に位相変調を与える波面制御装置とを備えるマルチ
ディザー方式補償光学装置において、前記焦点強度の信
号をディジタル値に変換するアナログディジタル変換手
段と、該ディジタル値を取り込み位相変調信号を検出し
て前記各アクチュエータの変位量指令値を決定する複数
の並列処理するディジタル信号処理部とを前記波面制御
装置に設けることで、達成される。
【0008】
【作用】回路素子としての抵抗やコンデンサは経年変化
が生じ易く、制御装置に必要な同期検波器をアナログ回
路で製作すると、これらの素子を多く使用することにな
る。これに対し、ディジタル処理部で同期検波器を構成
すると、ディジタル処理のため経年変化による性能劣化
は起こりにくい。しかし、単にディジタル処理部にした
だけでは、処理が遅く、また、量子化誤差が生じてしま
う。そこで、処理を独立,並行して実行するように複数
のディジタル処理部で同期検波器を構成することで、高
速処理が可能となる。さらに、利得自動調整器付の増幅
器で光信号を増幅することにより、ディジタル信号に変
換するときに生じる量子化誤差を常に一定レベル抑える
ことができる。
【0009】
【実施例】以下、本発明の一実施例を図面を参照して説
明する。図1は、本発明の一実施例に係る波面制御装置
の構成図であり、図2は、図1に示す波面制御装置を用
いたマルチディザー方式補償光学装置の構成図である。
まず、図2に示すマルチディザー方式補償光学装置につ
いて説明する。
【0010】補償光学装置は、歪んだレ−ザ波面11a
を持つレ−ザビ−ム9を形状可変鏡15に入射させ、形
状可変鏡15で反射させることでレ−ザ波面を補正し、
レ−ザ波面の揃ったレ−ザビ−ムを出力するものであ
る。マルチディザー方式補償光学装置においては、形状
可変鏡15の反射面を複数領域に分割し、各分割領域に
対応するレ−ザビ−ムの小開口毎に、反射ビームを異な
る周波数で位相変調する。形状可変鏡15の反射光を出
射する途中にビ−ムスプリッタ11を介挿して反射光の
一部を取り出し、これをレンズ12で集光し、このレン
ズ12の焦点における光強度を光検出器14で検出す
る。
【0011】光検出器14で検出された光信号1は波面
制御装置8に入力される。波面制御装置8は、光信号1
に含まれるビ−ムの小開口の数(前記の分割領域数)と
同数の位相変調信号を分離・検出し、各位相変調信号か
ら各開口の形状可変鏡15の各開口の変位量を決定す
る。また、波面制御装置8では、形状可変鏡15で位相
変調を行うための信号(各開口毎に異なる周波数の信
号)を作り、この信号と上述の各開口の変位量を加算し
たものを指令電圧5として駆動電源6に出力し、形状可
変鏡15でのレ−ザ波面補正とレ−ザ位相変調を実現す
る。
【0012】形状可変鏡15としては、図3に示すよう
な二つのタイプの構造が提案されている。一つは、圧電
素子等のアクチュエ−タ17毎にその先端にミラ−16
を接着した分割型形状可変鏡15aであり、もう一つ
は、複数のアクチュエ−タ17の各先端に一枚の薄いミ
ラ−16を接着した一体型形状可変鏡15bである。い
ずれの方式の形状可変鏡にも後述する本発明を実施する
ことができる。マルチディザー方式補償光学装置では、
アクチュエ−タ17の数と同数の位相変調信号が発生す
るため、波面制御装置8は、アクチュエ−タ17と同数
の同期検波器が従来の技術では必要であった。反射面を
分割する数つまりアクチュエ−タ数は、多ければ多いほ
ど補償効率が向上する。しかし、波面制御装置8をアナ
ログ回路で構成する場合、アクチュエ−タ17と同数の
同期検波器を設けなければならず、構成が大規模とな
り、しかも、アナログ回路回路素子の経年変化による性
能劣化が問題となる。
【0013】そこで本発明の実施例では、アナログ回路
ではなく、ディジタル回路で同期検波回路を構成する。
この実施例に係る波面制御装置8の構成が図1である。
本実施例では、光信号1が入力してくると、A/D変換
器2によりディジタル信号3に変換する。波面制御装置
8には、アクチュエ−タ数と同数個のディジタル信号処
理部4a〜4nが設けられており、このディジタル信号
3は、夫々のディジタル信号処理部4a〜4nに入力す
る。各ディジタル信号処理部4は、詳細は後述する様
に、自己に対応するアクチュエ−タ17の指令電圧5a
〜5nを決定し、この指令電圧5a〜5nを駆動電源6
に出力する。
【0014】位相変調周波数の帯域は、数kHzから数
十kHzにも及ぶために、位相変調信号の検出をディジ
タル処理で演算するには数マイクロ秒以下で全ての演算
を処理しなければならない。従来技術の波面制御装置は
単にA/D変換器とディジタルコンピュ−タで処理する
のみで、高速演算に対する考慮はなされてない。従っ
て、一台のディジタルコンピュ−タで処理することは困
難であった。しかし、本発明実施例では、アクチュエ−
タ数と同数のディジタル信号処理部4a〜4nを設けて
あるので、高速処理が可能である。
【0015】上述の実施例では、アクチュエ−タ数と同
数のディジタル信号処理部4a〜4nで波面制御装置8
を構成したが、勿論、ディジタル信号処理部の数を演算
時間の許容値が許す範囲において減らすことは可能であ
る。このときは、一つのディジタル信号処理部で複数の
アクチュエ−タ17の夫々の指令電圧5を決定すること
なる。ディジタル信号処理部は、マイクロコンピュ−タ
やディジタルシグナルプロセッサにて実現する。
【0016】つぎに、図4を用い、ディジタル信号処理
部での処理アルゴリズムについて説明する。図4に示す
フロ−チャ−トは、アクチュエ−タ数と同数のディジタ
ル信号処理部を有する波面制御装置でのものである。
【0017】先ず、初期設定として、形状可変鏡15の
アクチュエ−タ17のバイアス電圧VBm,位相変調周波
数fm,制御ゲインkm等の設定を行う。次に、ディジタ
ル信号3を読み込む。そして次の数1に示す基準位相変
調信号を生成する。
【0018】
【数1】ψ・sinωmt 但し、 ψ:位相変調振幅 ωm:位相変調角周波数(=2πfm) t:時刻 である。
【0019】次に、ディジタル信号3に含まれる周波数
fmの位相変調信号を検出するため数2に示す計算によ
り、
【0020】
【数2】ym=(信号3)・sin(ωmt+θ) 同期検波を行う。
【0021】ここで、θは位相差を表し、ディジタル信
号処理部で生成した数1に示す基準位相変調信号と、デ
ィジタル信号3に含まれる周波数fmの位相変調信号と
の位相差に設定する。この位相差は、予め測定すること
により設定する。数2の計算結果ymの直流成分が位相
変調信号の振幅値であり、フィルタ処理にてymの余分
な高調波成分を除去する。以上が、処理アルゴリズムの
中で、位相変調信号を検出する同期検波処理の部分であ
る。
【0022】検出した位相変調信号は、位相変調した部
分のレ−ザビ−ムと他の部分レ−ザビ−ムとの位相差に
比例する。従って、全ての位相変調信号をゼロにするよ
うに制御すれば、レ−ザ波面を補正できることが分か
る。そこで、各ディジタル信号処理部で夫々検出した位
相変調信号が最小となるようフィ−ドバック制御するよ
うに制御電圧vmを計算する。この制御演算は、位相変
調信号を制御系の偏差信号として、積分制御,比例制
御,一次遅れ制御等の制御法により実現すればよい。
【0023】次に、形状可変鏡15の駆動電圧7の指令
電圧Vmを次の数3により決定する。
【0024】
【数3】Vm=vm+VBm+ψ・sinωmt ここで、VBmは初期設定したアクチュエ−タ17のバイ
アス電圧であり、(3)式の第3項は位相変調用の駆動電
圧である。以上説明した処理アルゴリズムで、マルチデ
ィザー方式補償光学装置の波面制御が可能となる。
【0025】上述した波面制御装置8でディジタル信号
処理し指令電圧5を出力する場合、ディジタル信号をア
ナログ信号に変換する必要がある。図5はその一実施例
を示したものである。この実施例では、ディジタル信号
処理回路4で演算され出力される位相変調信号21と制
御電圧22を、個々に出力するようにする。そして、夫
々の信号21,22をD/A変換器19a,19bでア
ナログ信号に変換し、その後、位相変調信号21のみを
アンプ20で例えば1/20にしてから、双方を加算し
て指令電圧5を作る。
【0026】レ−ザ波長をλとすれば、位相変調信号2
1の振幅はλ/20程度であり、これに対し制御電圧22
の駆動範囲は数λ程度に設計される。従って、ディジタ
ル信号処理回路4で演算した数3で示される指令電圧V
mを一つのD/A変換器でアナログ信号に変換する場合
には、位相変調信号21の量子化誤差を考慮して高分解
能のD/A変換器が必要となる。これに対し図5の構成
にすれば、位相変調信号21の振幅をアンプ20で調整
するため、低い分解能のD/A変換器(19a,19
b)で構成できる。
【0027】上述した実施例では、形状可変鏡15のア
クチュエ−タ17がミラ−16の駆動方向に対し一つの
場合について述べた。次に、図7に示すように、ミラ−
16を、位相変調用アクチュエ−タ17aと制御用位相
変調用アクチュエ−タ17bを重ねて駆動する形状可変
鏡を用いる実施例を、図6を用いて説明する。
【0028】この実施例では、ディジタル信号処理回路
4から出力する位相変調信号21と制御電圧22を、夫
々のD/A変換器19a,19bでアナログ信号に変換
し、駆動電源6に出力するものである。図5の実施例の
様にアンプを用いて位相変調信号21の振幅を低下させ
る代わりに、位相変調用アクチュエータ17aの長さを
制御用アクチュエータ17bより短くして、図5の実施
例と同様の効果を得ている。このような構成により本発
明を実施できる。
【0029】図8は、本発明の別実施例に係る波面制御
装置の構成図である。本実施例では、各指令電圧5を演
算するディジタル信号処理部4a〜4nの他に、これら
のディジタル信号処理部4a〜4nを管理制御するCP
U25を設けている。CPU25は、各ディジタル信号
処理部4a〜4nでの信号処理に必要な変調周波数,バ
イアス電圧等の情報をデュアルアクセスRAM23a〜
23nを介して各ディジタル信号処理部4a〜4nに転
送すると共に、各ディジタル信号処理部4a〜4nの状
態を管理する。このようなCPU25を設けることによ
り、ディジタル信号処理部4a〜4nの処理内容の変更
が容易になり、また状態を管理することにより信頼性の
高い装置が得られる。
【0030】尚、図8の実施例では、デュアルアクセス
RAM23を介して情報をディジタル信号処理部に転送
したが、各ディジタル信号処理部からバス24を介して
直接CPU25に転送することも可能である。
【0031】上述した実施例では、ディジタル信号処理
部4の個数としては、最大で形状可変鏡15のアクチュ
エ−タ17の個数と同数必要となる。ここで、例えば図
10に示す様に、ディジタル信号処理部4a〜4nを備
えるモジュールを1つのディジタル信号処理装置27と
し、図9に示す様に、このディジタル信号処理装置27
a〜27nを管理用CPU25にバス24を介して接続
する構成にすると、装置の拡張が容易となり、またディ
ジタル信号3を各ディジタル信号処理部4に転送するた
めの信号線の長さを短縮できる。
【0032】次に、本発明の更に別の実施例について図
11,図12を用いて説明する。図11において、光信
号1は、AGC付き増幅器28に入力されて最適な大き
さに増幅され、A/D変換器2に送られる。その後の動
作については上述した実施例と同様である。ディジタル
信号処理をする場合、アナログ信号をディジタル信号に
変換するときに生じる量子化誤差が問題となる。この量
子化誤差を常に最小に抑えるために、本実施例では、A
GC付き増幅器28で光信号1を増幅する。
【0033】図12は、AGC付き増幅器28の一構成
例を示す図である。光信号1はプリアンプ29で増幅さ
れ、光信号1に含まれる位相変調信号のみの周波数成分
を通過させるためのBPF(バンドパスフィルタ)を設
け、その出力信号を可変増幅器31でゲイン制御回路3
4の指令に基ずき増幅する。ゲイン制御回路34では、
自乗検波器32で検出した位相変調信号の振幅値をLP
F(ロ−パスフィルタ)で高周波成分を除去した信号と
現在の可変増幅器31のゲインから、最適なゲインを決
定する。
【0034】以上の動作により、常に一定レベル以上に
信号強度を保つことができる。尚、光信号1の強度はレ
−ザが伝搬する媒質の密度変化により変わり、さらにマ
ルチディザー方式補償光学装置では制御により光信号1
に含まれる位相変調信号が小さくなっていくため、AG
C付き増幅器28を用いて光信号1を増幅することが重
要となる。
【0035】
【発明の効果】本発明によれば、回路素子の経年変化に
よる性能劣化の影響が低減し、ディジタル信号処理速度
が向上し、装置構成の小型化及びディジタル信号処理に
よる量子化誤差を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例を示す波面制御装置の構成図
である。
【図2】本発明の一実施例を示すマルチディザー方式補
償光学装置の構成図である。
【図3】補償光学装置を構成する形状可変鏡の構造図で
ある。
【図4】本発明の一実施例を示す波面制御装置で実施す
るデジタル信号処理の処理アルゴリズムのフロ−チャ−
トである。
【図5】本発明の一実施例を示す波面制御装置の構成図
である。
【図6】本発明の一実施例を示す波面制御装置の構成図
である。
【図7】補償光学装置を構成する形状可変鏡の構造図で
ある。
【図8】本発明の一実施例を示す波面制御装置の構成図
である。
【図9】本発明の一実施例を示す波面制御装置の構成図
である。
【図10】本発明の一実施例を示すデジタル信号処理装
置の構成図である。
【図11】本発明の一実施例を示す波面制御装置の構成
図である。
【図12】本発明の一実施例を示すAGC付き増幅器の
構成図である。
【符号の説明】
1…光信号、2…A/D変換器、3…ディジタル信号、
4…ディジタル信号処理部、5…指令電圧、6…駆動電
源、7…駆動電圧、8…波面制御装置、9…入射レ−ザ
ビ−ム、10…レ−ザ波面、11…ビ−ムスプリッタ
−、12…レンズ、13…出射レ−ザビ−ム、14…光
検出器、15…形状可変鏡、16…ミラ−、17…アク
チュエ−タ、18…ディジタル信号処理回路、19…D
/A変換器、20…アンプ、21…位相変調信号、22
…制御信号、23…デュアルアクセスRAM、24…バ
ス、25…CPU、26…記憶装置、27…ディジタル
信号処理装置、28…AGC付き増幅器、29…プリア
ンプ、30…BPF、31…可変増幅器、32…自乗検
波器、33…LPF、34…ゲイン制御回路。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 杉井 正克 東京都東久留米市中央町3−20−21 (72)発明者 嶺 康晴 埼玉県草加市草加2−3−15−201

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 入射光を反射して出射する反射面と該反
    射面の形状を変化させる複数のアクチュエータとを有す
    る形状可変鏡と、前記反射面で反射した光波を取り込み
    集光した焦点強度から波形歪みを検出し該波形歪みを補
    正する前記各アクチュエータの変位量を求めると共に各
    アクチュエータの各変位位置で各アクチュエータを夫々
    異なる周波数で振動させ反射光に位相変調を与える波面
    制御装置とを備えるマルチディザー方式補償光学装置に
    おいて、前記焦点強度の信号をディジタル値に変換する
    アナログディジタル変換手段と、該ディジタル値を取り
    込み位相変調信号を検出して前記各アクチュエータの変
    位量指令値を決定する複数の並列処理するディジタル信
    号処理部とを前記波面制御装置に設けたことを特徴とす
    るマルチディザー方式補償光学装置。
  2. 【請求項2】 請求項1において、前記ディジタル信号
    処理部を前記アクチュエ−タの個数と同数だけ設けたこ
    とを特徴とするマルチディザー方式補償光学装置。
  3. 【請求項3】 請求項1または請求項2において、複数
    のディジタル信号処理部を統括管理する中央制御装置を
    設けたことを特徴とするマルチディザー方式補償光学装
    置。
  4. 【請求項4】 請求項3において、前記中央制御装置と
    前記各ディジタル信号処理部を共通バスで接続し該共通
    バスを介して情報の授受を行う構成としたことを特徴と
    するマルチディザー方式補償光学装置。
  5. 【請求項5】 請求項3において、前記中央制御装置と
    前記各ディジタル信号処理部とがデュアルアクセスRA
    Mを介して情報の授受を行う構成としたことを特徴とす
    るマルチディザー方式補償光学装置。
  6. 【請求項6】 請求項1乃至請求項5のいずれかにおい
    て、位相変調用信号と波面補正用信号を各ディジタル信
    号処理部で独立にディジタル信号で生成した後にディジ
    タルアナログ変換器でアナログ信号に夫々変換してから
    位相変調用アナログ信号の振幅を増幅器で低減してから
    両者を加算した信号にて各アクチュエータを制御する手
    段を設けたことを特徴とするマルチディザー方式補償光
    学装置。
  7. 【請求項7】 請求項1乃至請求項5のいずれかにおい
    て、各アクチュエータを波面補正用アクチュエータと該
    波面補正用アクチュエータより変位量の小さい位相変調
    用アクチュエータを重ねた構造にすると共に、位相変調
    用信号と波面補正用信号を各ディジタル信号処理部で独
    立にディジタル信号で生成した後にディジタルアナログ
    変換器でアナログ信号に夫々変換してから両者を加算し
    た信号にて各アクチュエータを制御する手段を設けたこ
    とを特徴とするマルチディザー方式補償光学装置。
  8. 【請求項8】 入射光を反射して出射する反射面と該反
    射面の形状を変化させる複数のアクチュエータとを有す
    る形状可変鏡と、前記反射面で反射した光波を取り込み
    集光した焦点強度から波形歪みを検出し該波形歪みを補
    正する前記各アクチュエータの変位量を求めると共に各
    アクチュエータの各変位位置で各アクチュエータを夫々
    異なる周波数で振動させ反射光に位相変調を与える波面
    制御装置とを備えるマルチディザー方式補償光学装置に
    おいて、前記焦点強度の信号をディジタル値に変換する
    アナログディジタル変換手段と、該ディジタル値を取り
    込み位相変調信号を検出して前記各アクチュエータの変
    位量指令値を決定する複数の並列処理するディジタル信
    号処理部とを有するディジタル信号処理装置を複数並列
    に前記波面制御装置に設けたことを特徴とするマルチデ
    ィザー方式補償光学装置。
  9. 【請求項9】 請求項8において、前記ディジタル信号
    処理装置の複数のディジタル信号処理部を管理制御する
    中央制御装置を設けたことを特徴とするマルチディザー
    方式補償光学装置。
  10. 【請求項10】 請求項9において、前記中央制御装置
    とディジタル信号処理部を共通バスで接続し該共通バス
    を介して情報の授受を行う構成としたことを特徴とする
    マルチディザー方式補償光学装置。
  11. 【請求項11】 特許請求項9において、前記中央制御
    装置とディジタル信号処理部がデュアルアクセスRAM
    を用いて情報の授受を行う構成としたことを特徴とする
    マルチディザー方式補償光学装置。
  12. 【請求項12】 請求項1乃至請求項11のいずれかに
    おいて、焦点強度の信号に含まれる位相変調信号を常に
    一定レベル以上となるように自動利得調整する増幅器を
    前記アナログディジタル変換器の前段に設けたことを特
    徴とするマルチディザー方式補償光学装置。
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