JPH0821964A

JPH0821964A - 形状可変鏡の制御法及び補償光学装置

Info

Publication number: JPH0821964A
Application number: JP6153299A
Authority: JP
Inventors: Yuji Ichinose; 祐治一ノ瀬
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1994-07-05
Filing date: 1994-07-05
Publication date: 1996-01-23

Abstract

(57)【要約】【目的】レーザの波面歪を補正する補償光学装置で、制
御速度を高速化する形状可変鏡の制御法により補償効率
を高める。【構成】波面検出器で検出する波面傾きから形状可変鏡
の駆動素子の指令値を決定する制御装置において、制御
フローチャートにより制御し波面の平均値との差を少な
くしフィードバック制御を構成する。また駆動素子の配
列方向と検出する波面傾き方向を一致させ、波面の平均
値を求める計算を簡略化する。さらに、任意に分割した
波面毎の平均値あるいは駆動素子と縦横方向が同じ波面
の平均値を求めその差を少なくする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザビーム及び光の
光学的な歪を補正する補償光学装置の形状可変鏡の制御
法に係り、特に、補償光学装置の制御速度の高速化及び
外乱に対して制御誤差を小さくする方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】補償光学装置は、光学的な歪を検出し形
状可変鏡でその歪を補正するものである。光学的な歪を
検出する波面検出器には、シャックハルトマン方式，シ
ェアリング干渉方式等があり、いずれの方式も波面の傾
き（微分値）分布を検出するものである。従って、形状
可変鏡の指令値を決定する制御装置では、形状可変鏡の
駆動信号に対する鏡面の応答行列及び波面検出器出力と
波面の関係行列を予め求めておき、波面検出器出力とそ
れら行列との行列演算により指令値を決定していた。上
述した制御法については、技術論文（Robert K. Tyso
n：“Principles ofAdaptive Optics”：ACADEMIC PRES
S,INC. p240−p255(1991)，P. Johnson, R.Trissel,L.
Cuellar, B. Amold and D. Sandler：“Real time wave
frontreconstruction for a 512 subaperture adaptive
optical system”：SPIE, vol. 1543, p460−p471(199
1)）に記載されている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】補償光学装置の性能で
は、波面歪を制御する形状可変鏡の駆動素子数に比例す
る補償効率と応答速度が重要である。時間的に変動する
波面歪を精度良く補正するには、形状可変鏡の素子数の
増加と制御系の高速化が必要となる。上記従来技術は形
状可変鏡の指令値を決定するために、形状可変鏡の素子
数を配列数とする行列を用いて演算する。このため、補
償効率をあげるため素子数を増やすと演算時間が増え応
答速度が低下するために、補償効率が低下してしまう。
このため、従来技術ではその演算時間を短縮するため、
制御装置をアレイプロセッサ化するなどのハードウェア
上の対策により対応していた。そして、制御装置の遅れ
を他の装置、特に形状可変鏡の応答速度を上げることに
より対応していた。

【０００４】従って、従来技術では形状可変鏡の素子数
の増加による演算回数の増加を抑制することに関しては
考慮されていない。また従来技術では、演算により指令
値を決定する追値制御のため、外乱，制御パラメータの
変動及び系の非線形性に対して生じる制御誤差について
は考慮されていない。さらに、形状可変鏡の駆動信号に
対する鏡面の応答行列及び波面検出器出力と波面の関係
行列を予め、測定する必要があった。

【０００５】本発明の目的は、従来に比べ少ない演算回
数で計算できる制御アルゴリズムを提供すると共に外乱
に強い制御系を提供することにより、補償効率の高い補
償光学装置を提供することにある。さらに、本制御アル
ゴリズムを用いた補償光学装置，その補償光学装置を適
用することにより性能を向上させることのできるレーザ
発振器，レーザ加工機，レーザ同位体分離装置，天体望
遠鏡及び画像処理装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】補償光学装置では、光を
形状可変鏡に入射し、その反射光を波面検出器に入力し
波面の傾きの分布を検出する。波面の傾き分布から形状
可変鏡の各指令値を決定するときに、波面の平均値と波
面との差を制御入力とし各指令値を計算する。波面検出
器出力である波面の傾きは隣り合う波面の差であるた
め、波面の平均値と各波面との差は、波面の傾き分布か
ら直接計算することができる。このとき従来技術で用い
られた形状可変鏡の駆動信号に対する鏡面の応答行列等
は必要無い。さらに、特定の領域に分割した波面あるい
は形状可変鏡の駆動素子が位置する波面の縦及び横方向
での波面の平均値との差を計算することで、計算に必要
な波面傾きの数を減らせるため演算回数を減少させるこ
とができる。

【０００７】

【作用】波面検出器は波面を任意に分割した領域の波面
毎に縦及び横方向の波面の傾きを検出する。形状可変鏡
の駆動素子の配列方向と波面検出器で検出する波面の傾
きの方向を一致させることにより、波面の平均値と形状
可変鏡の駆動素子の位置する波面との差を、波面検出器
の出力である分割された波面の傾きから積和演算により
求めることができる。この差が最小となるように全ての
駆動素子の指令値を決定すれば波面歪を補正できる。

【０００８】形状可変鏡の駆動素子の一つの指令値を、
波面全体の平均値ではなく駆動素子が位置する波面を含
む領域に分割された波面の平均値あるいは駆動素子が位
置する波面と縦及び横の位置が同じ領域の波面の平均値
との差から計算することにより、演算回数を波面の分割
数分の一あるいは駆動素子をＮ²とすれば１／Ｎに減少
させることができる。

【０００９】このように少ない演算回数で制御が可能と
なるため、補償効率を高めるために形状可変鏡の駆動素
子数を増加させても、制御装置の演算速度の低下が抑え
られるために高い補償効率の補償光学装置を提供するこ
とができる。

【００１０】

【実施例】本発明の一実施例を図１，図２を用いて説明
する。図１は形状可変鏡の駆動素子の指令値を決定する
本発明の制御フローチャートであり、図２は本発明の補
償光学装置の説明図である。まず、図２を用いて補償光
学装置の動作原理について説明する。図２において、１
ａは入射レーザビーム、１ｂは出射レーザビーム、２ａ
及び２ｂはその波面、３は複数の駆動素子４により駆動
される形状可変鏡、５はビームスプリッタ、６は波面検
出器、７は制御装置である。補償光学装置は、歪のある
波面２ａを持つレーザビーム１ａを入力し、歪のない波
面２ｂに補正したレーザビーム１ｂを出力するものであ
る。その動作を説明する。入射レーザビーム１ａを形状
可変鏡３に入射し、形状可変鏡３の複数の駆動素子４の
指令値を制御することにより形状可変鏡３のミラー面を
入射レーザビーム１ａの波面２ａと対称な凹凸面にする
ことにより、形状可変鏡３で反射されるレーザビームの
波面を補正できる。この制御をするため、形状可変鏡３
で反射されるレーザビームをビームスプリッタ５で分
け、一方は波面検出器６に入力する。波面検出器６の検
出方式は、ハルトマン方式，シェアリング干渉方式など
があり、いずれの方式も検出する波面の傾きの分布、す
なわち、波面の微分値を検出するものである。波面検出
器６で検出された波面傾きＳを制御装置７に入力し、形
状可変鏡３の複数の駆動素子４の指令値Ａを決定するこ
とにより、入射レーザビーム１ａの波面２ａの歪を補正
することができる。

【００１１】本発明の補償光学装置の制御系は、波面検
出器６に入力される波面の歪を最小化するためのフィー
ドバック制御系と成っており、本発明の一実施例である
形状可変鏡３の制御法を図１に示す制御フローチャート
を用いて説明する。まず、波面検出器６で検出された波
面傾きデータＳを入力する。ここで、波面傾きデータＳ
は、ｘｙ平面上に座標を取り波面をΦ(ｘ，ｙ)とすれ
ば、次式で示される。

【００１２】

【数１】Ｓ＝［Ｐ，Ｑ］＝［∂Φ(ｘ，ｙ)／∂ｘ，∂Φ(ｘ，ｙ)／∂ｙ］ …（数１）すなわち、波面Φ(ｘ，ｙ)のｘ方向の微分Ｐ及び波面Φ
(ｘ，ｙ)のｙ方向の微分Ｑから波面傾きデータＳはな
る。いま波面検出器６で検出する波面のｘ，ｙ方向の分
割数をＮとすれば、Ｐ及びＱは要素数Ｎ×Ｎの行列と成
り、従って波面傾きデータＳは要素数２Ｎ×Ｎの行列と
なる。この入力したＳより波面を積分演算などの手法に
よりレーザビームの波面Φ(ｘ，ｙ)を求め、さらにその
平均値Ｗを計算する。次に、形状可変鏡３の複数の駆動
素子４のｘ方向の要素数ｉ及びｙ方向の要素数ｊで示さ
れるそれぞれの駆動素子４に対応する波面の領域Φ
(ｉ，ｊ)と平均値Ｗとの差Ｇ(ｉ，ｊ)を計算する。この
差Ｇ(ｉ，ｊ)の全てが零になれば、波面は平均値Ｗとな
り歪が無くなるので、それぞれの駆動素子４毎にＧ
(ｉ，ｊ）を求め、駆動素子４の指令値Ａ(ｉ，ｊ)を、
例えば、比例，積分及び微分制御によりＧ(ｉ，ｊ)から
求めれば良い。以上説明した計算を全ての駆動素子４毎
に行い、求めた指令値Ａ(ｉ，ｊ)を形状可変鏡に出力す
る。本実施例に依れば従来技術のような形状可変鏡の駆
動信号に対する鏡面の応答行列及び波面検出器出力と波
面の関係行列を予め求めておく必要が無く、簡単な演算
のみで制御が可能であり、さらに、フィードバック制御
系が構成されているために外乱及び制御パラメータの変
化による制御誤差が発生しにくい。

【００１３】図３は本発明の一実施例におけるレーザビ
ーム１と形状可変鏡３の駆動素子４と波面検出器６にお
ける波面傾きＳの検出方向８を表したものである。点線
で示した検出方向８で形成される格子のｘ，ｙ方向の一
辺が上述の波面傾きＰ(ｉ，ｊ),Ｑ(ｉ，ｊ)の検出され
る領域を表している。従って、予め全てのＰ(ｉ，ｊ)，
Ｑ(ｉ，ｊ)の検出位置がわかっていれば、波面の傾きか
らレーザビーム１の波面Φを求めることができる。ま
た、それぞれの駆動素子４の位置も既知であるので、駆
動素子４の位置する領域の波面Φ(ｉ，ｊ)は、先に求め
た波面Φから求められる。

【００１４】次に本発明の一実施例を、図４の制御フロ
ーチャート及び図５のレーザビームと駆動素子の関係図
を用いて説明する。上述した本発明の実施例ではレーザ
ビーム１の全領域の波面の平均値を計算したのに対し、
以下に述べる実施例は全領域の波面を図５に示すよう
に、例えば、４分割し、分割した波面の平均値を用いて
制御するものである。その制御法を図４に従い説明す
る。まず、波面検出器６で検出された波面傾きデータＳ
を入力する。次に、分割したそれぞれの領域毎の波面Φ
１(ｘ，ｙ)，Φ２(ｘ，ｙ)，Φ３(ｘ，ｙ)，Φ４(ｘ，
ｙ)を求めそれらの平均値Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３，Ｗ４を計
算する。次に、形状可変鏡３のそれぞれの駆動素子４に
対応する波面の領域とその領域が含まれる４分割された
一つの波面の平均値との差Ｇ(ｉ，ｊ)を計算する。い
ま、駆動素子が波面Φ１(ｘ，ｙ)の中にある場合には、
駆動素子位置をｉ，ｊとすれば、Ｇ(ｉ，ｊ)は次式によ
り求まる。

【００１５】

【数２】Ｇ(ｉ，ｊ)＝Φ１(ｉ，ｊ)−Ｗ１ …（数２）このようにして、それぞれの駆動素子４毎にＧ(ｉ，ｊ)
を求め、駆動素子４の指令値Ａ(ｉ，ｊ)を、例えば、比
例，積分及び微分制御によりＧ(ｉ，ｊ)から求める。こ
のように駆動素子４の指令値を決定し、形状可変鏡３を
制御すれば形状可変鏡の駆動信号に対する鏡面の応答行
列及び波面検出器出力と波面の関係行列を予め求めてお
く必要が無く簡単な演算のみで制御が可能であり、さら
に、フィードバック制御系が構成されているために外乱
及び制御パラメータの変化による制御誤差が発生しにく
い。そして、本発明の第一の実施例のレーザビーム１の
全領域の波面と平均値を求める方法では波面傾きデータ
Ｓの要素数２Ｎ×Ｎとすれば計算量は要素数の２乗(４
Ｎ⁴）に比例するのにたいし、４分割した波面を計算す
る本発明の第二の実施例の場合はその計算量はＮ⁴に比
例する。このようにその計算量は、波面を分割する分割
数に反比例して減少するため、計算時間を短縮できる。
なお、本発明の制御法は、分割した波面毎に歪を補正す
るものであり、分割した波面の境界部で隣の分割した波
面に双方が影響しあうために、このような制御をすれば
全体の波面を補正することができる。このため、隣接す
る駆動素子が波面に影響する境界で、少なくとも波面を
分割する必要がある。

【００１６】次に本発明の一実施例を図６を用いて説明
する。図６はレーザビーム１と形状可変鏡３の駆動素子
４及び波面検出器６で検出する波面傾きの方向との関係
を示したものである。図６に示すように、複数の駆動素
子４を格子状に配列し、波面傾きの検出方向８を格子方
向と一致させる。このとき駆動素子４の位置する波面Φ
(ｉ，ｊ)と波面傾きＰ(ｉ，ｊ)，Ｑ(ｉ，ｊ)の関係は次
式で表される。

【００１７】

【数３】Ｐ(ｉ，ｊ)＝(Φ(ｉ，ｊ)−Φ(ｉ＋１，ｊ）)／Δｘ …（数３）

【００１８】

【数４】Ｑ(ｉ，ｊ)＝(Φ(ｉ，ｊ)−Φ(ｉ，ｊ＋１))／Δｙ …（数４）但し、ｉ：ｘ方向の波面位置ｊ：ｙ方向の波面位置 Δｘ：波面傾きを検出領域のｘ方向の間隔 Δｙ：波面傾きを検出領域のｙ方向の間隔このように、波面傾きを検出する領域の格子点に駆動素
子４を配置することにより、駆動素子４の位置の波面Φ
(ｉ，ｊ)を求める計算が簡単になる。これは、図３及び
図５の駆動素子位置では、先に波面傾きを検出する領域
の格子点での波面を求め、その波面を用いて各駆動素子
位置での波面を補間法などにより算出しなければならな
いためである。図６に示した駆動素子と波面傾きの方向
の位置関係を持つ形状可変鏡と波面検出器を用いた補償
光学装置は、本発明の一実施例である形状可変鏡の制御
法を同様に適用できる。また図６ではｘ，ｙ方向共に等
間隔に駆動素子を配列したものであるが、駆動素子４の
配列方向と波面傾きの検出方向が一致していれば、その
間隔は駆動素子ごとに変化しても良い。このことは、例
えば、図６において、全ての格子点に駆動素子４を配置
するのではなく、二つ置きの間隔(２Δｘ及び２Δｙ)で
駆動素子４を配置しても良いことを意味している。

【００１９】本発明の有効性を確認するために計算機を
用いて数値シミュレーションを行った結果について次に
説明する。図７は、レーザビームの全領域の波面の平均
値を用いて制御する本発明の制御法を適用した場合の数
値シミュレーション結果である。図７は、制御前後の出
射レーザビームの波面を示したものである。本発明の制
御法により、波面歪が補正されているのがわかる。な
お、本シミュレーションにおいて計算モデルは、形状可
変鏡の駆動素子の配列は９×９の格子状であり、波面検
出器の波面傾きの検出点は１２９×１２９の格子状とし
た。

【００２０】図８は、波面を４分割した波面領域毎にそ
れぞれ平均値を求めて制御する本発明の制御法を適用し
た場合の数値シミュレーション結果である。これも制御
前の波面の歪に比べ、制御後の波面は歪が補正されてい
る。但し、全領域の波面の平均値を用いて制御する制御
法の図７の結果と比べると、分割された波面の境界部で
の波面の差がある。

【００２１】図８は波面を４分割した場合の結果である
が、分割数を変えて制御した結果について次に説明す
る。図９は、制御回数により波面歪の変化を表したもの
であり、波面歪は波面の分散値である。図９から、制御
により波面歪は小さくなり一定値に収束しているため波
面の平均値を用いる本発明の制御法で制御可能である。
図９では、全波面の平均値で制御したものが歪が小さい
が、これは上述したように波面を分割した場合には、境
界部での波面差が生じているためである。実施例では、
波面を最初に分割して平均値を求める場合について述べ
たが、指令値を決定する形状可変鏡の駆動素子の位置を
中心にした領域の波面の平均値を求め、その平均値を用
いて制御しても良い。

【００２２】次に図１０を用いて、本発明の次の実施例
について説明する。駆動素子の配列と波面検出器の検出
方向を一致させた場合の駆動素子位置とその波面Φ
(ｉ，ｊ)を図１０は表している。波面Φ(ｉ，ｊ)の駆動
素子４の指令値を決定する制御法について、その手順を
説明する。実施例では、全波面あるいは特定の領域に分
割した領域の波面の平均値を用いていたのに対し、以下
に述べる方法はｘ，ｙ方向の平均値を求めるものであ
る。波面Φ(ｉ，ｊ)とその波面とｘ，ｙ方向の一致する
領域の波面の平均値との差Ｇ(ｉ，ｊ)は、数５となる。

【００２３】

【数５】

【００２４】数５の第１項はｘ方向の平均値と差を計算
したものであり、第２項はｙ方向の平均値と差を計算し
ている。ここで数５は数６のように書き直せる。

【００２５】

【数６】

【００２６】数６は波面Φ(ｉ，ｊ)と他の波面Φ(ｍ，
ｎ)との差の総和を表しており、数３，数４で表される
波面の傾きＰ，Ｑを用いて数６は次式のように書き直せ
る。

【００２７】

【数７】

【００２８】数７の第１，２項はｘ方向の平均値と差を
計算したものであり、第３，４項はｙ方向の平均値と差
を計算している。数７を見てわかるようにＧ(ｉ，ｊ)
は、波面検出器の出力値であるＰ，Ｑから直接計算でき
ることがわかる。数７の計算は、２(Ｎ−１)回の積和演
算で済み、形状可変鏡の駆動素子数をＭ×Ｍとすれば、
本制御法の全ての演算回数は、２(Ｎ−１)Ｍ²となる。
従来の制御法である行列演算では(Ｎ−１)²Ｍ²の演算回
数であり、本発明の制御法は２／(Ｎ−１)に演算回数を
減少させることができるため、制御演算の高速化が可能
となる。なお、波面の平均値との差Ｇ(ｉ，ｊ)を求めた
後、上述までに説明した本発明の他の実施例と同様に、
比例，積分制御などによりＧ(ｉ，ｊ)から駆動素子の指
令値Ａ(ｉ,ｊ）を決定すれば良い。このように本実施例
によれば、制御装置の演算速度が速くなるため、補償光
学装置としての制御速度が速くなり、時間変動する波面
歪を補正する補償効率を高めることができる。そして、
本発明は形状可変素子の駆動素子数が多くなればなるほ
ど、その効果は大きくなる。

【００２９】図１１はｘ，ｙ方向の平均値から制御する
本発明の制御法を用いた場合の数値シミュレーション結
果である。これより本制御法により波面歪が補正でき
る。図１２は制御回数による波面歪の変化を、全波面の
平均値を用いる制御法とｘ，ｙ方向の平均値からの制御
法とを比較したものである。ｘ，ｙ方向の平均値からの
制御法は、制御による演算回数が少ないうえに波面歪の
収束値も全波面の平均値を用いる制御法より小さく、制
御性能が優れている。

【００３０】駆動素子の配列方向と波面傾きの検出方向
が一致していれば制御演算を簡略化できる。波面検出器
の方式としてはハルトマン方式及びシェアリング干渉方
式などがあり、本発明はそれらの方式の波面検出器に適
用できる。シェアリング干渉方式では、干渉像を測定す
るＣＣＤ等の撮像素子の撮像方向を形状可変鏡の駆動素
子の配列方向と一致させれば良い。一方、ハルトマン方
式では、波面の傾きの分布を検出するために、複数のレ
ンズ９を波面内に配列する。このとき、本発明の駆動素
子の配列法は、図１３に示すように、２方法が考えられ
る。すなわち、図１３に●で示す配列と、○で示すもの
である。検出される波面の傾きの方向はレンズ９の中心
からのｘ，ｙ方向であるため、●で示す配列にする方が
良い。但し、○で示す配列にした場合でも、波面傾きの
検出値から補間法を用いて計算することにより、本発明
の制御法を適用することができる。

【００３１】本発明の形状可変鏡の制御法及び補償光学
装置について説明してきた。補償光学装置はレーザ及び
光の波面歪の補正できるために、いろいろな光学装置へ
の応用が期待されている。以下では、補償光学装置を適
用した各種装置についての本発明の実施例について説明
する。図１４は天体望遠鏡に本発明を適用した実施例で
あり、以下その動作について説明する。天体１０からの
光を天体望遠鏡１１で受光し、レンズ１２により平行光
に変換した観測光１３を補償光学装置１４に入力する。
天体１０からの光は、大気伝播中に波面に歪を生じるた
め、従来の天体望遠鏡では、その分解能が低下する問題
があった。そこで、図１４に示すように補償光学装置１
４で観測光１３の波面歪を補正し、レンズ１２を介して
観測装置１５で測定することにより、分解能の高い天体
望遠鏡を提供することができる。そして、本発明の形状
可変鏡の制御法は、制御の高速化を図れるために大気伝
播中に生じる時間的変化の早い波面歪まで補正できる。

【００３２】一般の光に比べレーザ光はコヒーレンス性
(波長の単一性，波面の一様性)が高いために、レーザ光
を応用したいろいろな装置が開発されている。そのレー
ザ光を出力するレーザ発振器にはいろいろな方式があ
り、波長の単一性と共に波面歪の無いレーザを発振する
ことが重要になっている。これを達成するには、図１５
に示すようにレーザ発振器１６から出力されるレーザビ
ーム１ａを補償光学装置１４に入力し波面歪を補正した
レーザビーム１ｂを出力すれば良い。このとき、レーザ
発振器１６としては半導体レーザ発振器，気体レーザ発
振器，固体レーザ発振器等が利用できる。

【００３３】レーザを増幅したり、発生するレーザ共振
器１９に本発明の補償光学装置を適用した場合の実施例
について次に説明する。図１６において、反射鏡１７と
形状可変鏡３との間でレーザを共振させ出力窓１８を介
してレーザ共振器１９はレーザビーム１を出力する。そ
のレーザビーム１をビームスプリッタ５を用いて波面検
出器６に入力し、制御装置７により形状可変鏡３の駆動
素子４の指令値Ａを決定することにより、レーザ共振器
１９の内部で生じる波面歪を補正することができる。レ
ーザ共振器１９の内部のレーザが伝播する媒質には、密
度分布や温度分布のために波面歪が生じやすいために、
このように補償光学装置を適用することにより波面の揃
ったレーザビームを出力することができる。以上説明し
たレーザ共振器１９は高出力のレーザビームを発生でき
るために、レーザ加工機等に利用される。波面歪が無け
ればレーザビームを回折限界まで絞ることができるため
に、より高精度のレーザ加工機が実現できる。

【００３４】レーザ発振器を複数個並べて高出力のレー
ザとして使用するアレイレーザ発振器が注目されている
が、次に本発明の実施例を図１７を用いて説明する。ア
レイレーザ発振器では、波長の同一なレーザ発振器１６
を複数個並べ、それぞれのレーザビームを合成しても、
それぞれの位相が異なるすなわち合成されたレーザビー
ムの波面に歪があると、いろいろな光学装置に適用する
場合に、レーザビームが絞れないなどの問題が生じる。
このため、図１７に示すようにそれぞれのレーザ発振器
１６に補償光学装置１４を設けレーザビームの波面歪を
補正した後、合成したレーザビームとして利用すればよ
い。また、図１８に示すように複数のレーザ発振器１６
からのレーザビームを合成したものを補償光学装置１４
に入力し、波面歪を補正することもできる。

【００３５】次に本発明の一実施例であるレーザ加工機
について説明する。図１９は本発明の一実施例であるレ
ーザ加工機であり、１６はレーザ発振器、１４は補償光
学装置、２０は凹面鏡、２１は加工材である。レーザ加
工機は、レーザエネルギによって加工材２１を切断した
り、溶接したりするものである。レーザビームは凹面鏡
２０により絞ることができるため、バイト（刃物）を用
いる従来の切断加工機と比較してより正確な加工が可能
である。そしてレーザエネルギが高いほど、加工時間は
短くて済む。ところが高出力レーザ発振器から出力され
るレーザビームに波面歪があると、凹面鏡２０によりレ
ーザビームを絞ることができなくなるため、加工材２１
に照射するレーザエネルギ密度が低下したり、切断部の
面積が大きくなるなどの問題が発生する。そこで図１９
に示すように、レーザ発振器１６から出力されたレーザ
ビーム１ａを補償光学装置１４に入射し、補償光学装置
１４でレーザ波面を補正したレーザビーム１ｂを常に凹
面鏡２０に供給できるため、高性能のレーザ加工機を実
現できる。

【００３６】次に本発明の一実施例であるレーザ同位体
分離装置について説明する。図２０にレーザ同位体分離
装置２６の基本的構成を示す。分離する同位体を含んだ
物質を容器２２の中に入れ加熱して気化させる。蒸気２
４となった物質に、分離したい同位体のみをイオン化さ
せるために特定の波長を持つレーザビーム１を照射す
る。イオン化した同位体は、回収電極２５に付着させて
抽出することができる。レーザ発振器１６から出力され
るレーザビーム１を効率良く蒸気２４に照射するため
に、折返しミラー２３を複数個用いて蒸気２４を広い領
域にわたり照射する。このときレーザビーム１が蒸気中
を伝搬するときに波面歪が生じ、レーザビーム１が拡散
したり曲がったりして伝搬させることができなくなる問
題が発生する。これを解決するためには、補償光学装置
をレーザ同位体分離装置２６に適用すれば良い。

【００３７】図２１はレーザ同位体分離装置２６に補償
光学装置を適用した本発明の一実施例を示すが、レーザ
発振器１６から出力されるレーザビーム１は形状可変鏡
３で反射され、ビームスプリッタ５を介して一方は形状
可変鏡３へ、他方は波面検出器６へ入力される。波面検
出器６で検出された波面歪により制御装置７で形状可変
鏡３の指令値を決定し、波面歪を補正する。以下同様の
動作で、形状可変鏡３により波面歪を補正することによ
り、レーザビーム１を蒸気中で伝搬させることが可能と
なる。なお、図２１の実施例では、レーザビーム１は形
状可変鏡３とビームスプリッタ５のみで折り返している
が、これらの代りにいくつの場所に折返しミラー２３を
用いても問題は無い。

【００３８】

【発明の効果】本発明によれば、波面検出器の出力より
波面の平均値を求め、それと波面の差を最小にするフィ
ードバック制御系を補償光学装置は構成するため、外乱
及び制御パラメータの変動にたいし制御誤差が小さく、
また予め形状可変鏡の応答行列等を測定する必要が無
い。

【００３９】本発明によれば、分割した波面の平均値を
制御に用いるため、全体の波面の平均値を求めるのに比
べ演算回数を分割した数に比例して減らすことができ
る。

【００４０】本発明によれば、形状可変鏡の駆動素子の
配列方向と検出する波面傾きの検出方向が同じであるた
め、波面の計算に補間法などを使用する必要が無いた
め、制御演算の数を減らせるため高速化が可能である。

【００４１】本発明によれば、形状可変鏡の駆動素子の
配列方向と検出する波面傾きの検出方向が同じで、ｘ，
ｙ方向の位置が同じ波面の平均との差から制御するた
め、制御演算が検出した波面傾きの加減算で計算でき、
波面傾きの検出点数を２Ｎ×Ｎとすれば積和演算回数を
従来法に比べ２／Ｎに減らすことができるため、制御演
算を高速化できる。

【００４２】本発明によれば、天体望遠鏡に補償効率と
信頼性の高い補償光学装置を適用できるため、分解能の
高い天体望遠鏡を提供できる。

【００４３】本発明によれば、レーザ発振器に補償光学
装置を設けるため波面歪の無いレーザビームを発生する
ことができる。

【００４４】本発明によれば、アレイレーザに補償光学
装置を設けるため、ここのレーザ発振器毎に異なる波面
を一致させ、波面歪の無いレーザビームを発生すること
ができる。

【００４５】本発明によれば、レーザ加工機に補償光学
装置を設けたため、歪の無いレーザビームは回折限界ま
でビームを絞ることができるため、高精度のレーザ加工
機を提供することができる。

【００４６】本発明によれば、レーザ同位体分離装置に
補償効率と信頼性の高い補償光学装置を適用できるた
め、レーザの照射効率の高いレーザ同位体分離装置を提
供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例を示す形状可変鏡の制御フロ
ーチャート。

【図２】本発明の一実施例を示す補償光学装置の説明
図。

【図３】本発明の一実施例を示す形状可変鏡の駆動素子
の配置と検出される波面傾きの検出位置及び方向の関係
を示した説明図。

【図４】本発明の第二実施例を示す形状可変鏡の制御フ
ローチャート。

【図５】本発明の一実施例を形状可変鏡の駆動素子の配
置と検出される波面傾きの検出位置及び方向の関係及び
分割した波面を表す説明図。

【図６】本発明の一実施例を示す形状可変鏡の駆動素子
の配置と検出される波面傾きの検出位置及び方向の関係
を示した説明図。

【図７】本発明の制御法を適用した場合の制御前後の波
面のシミュレーション結果の斜視図。

【図８】本発明の制御法を適用した場合の制御前後の波
面のシミュレーション結果の斜視図。

【図９】本発明の制御法を適用した場合の制御回数によ
る波面歪の変化を計算したシミュレーション結果の特性
図。

【図１０】本発明の第二実施例を示す形状可変鏡の駆動
素子の配置と検出される波面傾きの検出位置及び方向の
関係を示した説明図。

【図１１】本発明の制御法を適用した場合の制御前後の
波面のシミュレーション結果の斜視図。

【図１２】本発明の制御法を適用した場合の制御回数に
よる波面歪の変化を計算したシミュレーション結果の特
性図。

【図１３】本発明の一実施例を示す形状可変鏡の駆動素
子の配置とハルトマン波面検出器のレンズの配置を表す
説明図。

【図１４】本発明の一実施例を示す天体望遠鏡の説明
図。

【図１５】本発明の一実施例を示すレーザ発振器の説明
図。

【図１６】本発明の第二実施例を示すレーザ共振器の説
明図。

【図１７】本発明の一実施例を示すアレイレーザ発振器
の説明図。

【図１８】本発明の第二実施例を示すアレイレーザ発振
器のブロック図。

【図１９】本発明の一実施例を示すレーザ加工機の説明
図。

【図２０】レーザ同位体分離装置の説明図。

【図２１】本発明の一実施例を示すレーザ同位体分離装
置の説明図。

【符号の説明】

１…レーザビーム、２…波面、３…形状可変鏡、４…駆
動素子、５…ビームスプリッタ、６…波面検出器、７…
制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ハルトマン方式あるいはシェアリング干渉
方式等の波面の傾き分布を検出する波面検出器とミラー
の後面に複数の駆動素子を設け上記駆動素子を制御する
ことにより波面を操作する形状可変鏡と上記波面の傾き
分布から上記形状可変鏡の駆動素子への指令値を決定す
る制御装置とから成るレーザビーム及び光の波面歪を補
正する補償光学装置において、上記波面の傾き分布から
上記レーザビーム及び光の波面の平均値を求め上記駆動
素子値の個々が位置する領域の波面の値と上記平均値か
ら上記駆動素子の個々の指令値を決定することを特徴と
する形状可変鏡の制御法。
【請求項２】ハルトマン方式あるいはシェアリング干渉
方式等の波面の傾き分布を検出する波面検出器とミラー
の後面に複数の駆動素子を設け上記駆動素子を制御する
ことにより波面を操作する形状可変鏡と上記波面の傾き
分布から上記形状可変鏡の駆動素子への指令値を決定す
る制御装置とから成るレーザビーム及び光の波面歪を補
正する補償光学装置において、上記駆動素子の個々の指
令値を上記駆動素子と少なくとも上記駆動素子と隣りあ
う他の駆動素子を含む領域の波面の平均値と上記駆動素
子のみが位置する領域の波面の値とから決定することを
特徴とする形状可変鏡の制御法。
【請求項３】請求項１または２において、上記形状可変
鏡の複数の駆動素子を２次元の格子状に配列し、配列方
向と波面検出器で検出する波面の傾きの方向を一致させ
た補償光学装置。
【請求項４】請求項３において、形状可変鏡の複数の駆
動素子を２次元の格子状に配列した方向をｘ方向及びｙ
方向とするとき形状可変鏡の駆動素子への指令値を上記
駆動素子の位置する領域の波面と上記波面とｘ方向位置
が一致する領域の波面の平均値と上記波面とｙ方向位置
が一致する領域の波面の平均値とから決定する形状可変
鏡の制御法。
【請求項５】請求項３において、形状可変鏡の複数の駆
動素子を２次元の格子状に配列した方向をｘ方向及びｙ
方向とするとき形状可変鏡の駆動素子への指令値を上記
駆動素子の位置する領域の波面と上記波面とｘ方向位置
が一致し上記駆動素子と少なくとも上記駆動素子と隣り
あう他の駆動素子を含む領域の波面の平均値と上記波面
とｙ方向位置が一致し上記駆動素子と少なくとも上記駆
動素子と隣りあう他の駆動素子を含む領域の波面の平均
値とから決定する形状可変鏡の制御法。
【請求項６】請求項１，２，３，４または５において、
上記補償光学装置を設け観測光の波面歪を上記補償光学
装置で補正した後観測装置に入力する天体望遠鏡。
【請求項７】請求項１，２，３，４または５ににおい
て、上記補償光学装置を入力し波面を歪を補正したレー
ザビームを出力する半導体レーザ発振器。
【請求項８】請求項１，２，３，４または５において、
気体レーザ共振器の共振ミラーの代わりに形状可変鏡を
設け、気体レーザ共振器から出力されるレーザビームの
波面歪を波面検出器で検出し検出値から上記形状可変鏡
の制御法で形状可変鏡への指令値を決定する気体レーザ
共振器。
【請求項９】請求項１，２，３，４または５において、
同一のレーザ波長を持つ半導体レーザ発振器，固体レー
ザ発振器，気体レーザ発振器あるいは気体レーザ共振器
を一次元又は二次元的に配列し、上記配列した発振器の
後段に上記補償光学装置を設けたアレイレーザ発振器。
【請求項１０】請求項１，２，３，４または５におい
て、遠方に離れた二点間でレーザビームにより情報を伝
達する光データリンクの、一方あるいは双方のレーザ送
受信装置に上記補償光学装置を設けた光データリンク。
【請求項１１】請求項７，８または９において、加工材
にレーザを照射することにより上記加工材を切断あるい
は溶接するレーザ加工機に、上記半導体レーザ発振器，
固体レーザ発振器，気体レーザ発振器及びアレイレーザ
発振器のいずれかを設けたレーザ加工機。
【請求項１２】請求項７，８または９において、物質の
中に含まれている同位体を取り出すことのできるレーザ
同位体分離装置に、上記半導体レーザ発振器，固体レー
ザ発振器，気体レーザ発振器及びアレイレーザ発振器の
いずれかを設けたレーザ同位体分離装置。
【請求項１３】請求項１，２，３，４または５におい
て、物質の中に含まれている同位体を取り出すことので
きるレーザ同位体分離装置に、上記補償光学装置を設け
たレーザ同位体分離装置。
【請求項１４】請求項１，２，３，４または５におい
て、物質の中に含まれている同位体を取り出すことので
きるレーザ同位体分離装置に、レーザ発振器から出力さ
れたレーザビームを上記物質を気化したものに繰返し照
射するために形状可変鏡とビームスプリッタとミラーを
複数個設け、上記ビームスプリッタで分けられたレーザ
ビームを波面検出器に入力し、上記形状可変鏡の制御法
及び制御装置を用いたレーザ同位体分離装置。