JPH11295152A

JPH11295152A - 波面センサー

Info

Publication number: JPH11295152A
Application number: JP10097041A
Authority: JP
Inventors: Jiro Suzuki; 二郎鈴木
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 1998-04-09
Filing date: 1998-04-09
Publication date: 1999-10-29
Anticipated expiration: 2018-04-09
Also published as: JP3431828B2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】波面センサーにおいて、大きな波面の傾きを
計測できるようにダイナミックレンジを広げ、また、小
さな波面の傾きを高精度で計測できるようにする。【解決手段】マイクロレンズアレー４と二次元検出器
５を用いて擾乱波面の位相分布を計測する構成におい
て、等価倍率または等価焦点距離を可変にする可変倍率
レンズ３と、二次元検出器５の検出結果に基づいて上記
可変倍率レンズ３の倍率を制御する倍率制御装置１０１
とを備えた。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、光波の波面の位
相分布を計測する波面センサーに関するもので、特に、
広い範囲で高精度な波面計測を可能とするものである。

【０００２】

【従来の技術】光学望遠鏡による天体観測においては、
観測対象の星から到来する位相分布の乱れのない平面波
を、ぼけなく結像することができる理想的な光学系が得
られたとしても観測場所が地上である場合には、観測波
面が揺らぎのある大気中を伝搬した結果、その位相分布
が乱れ（以下、この位相分布の乱れた波面を擾乱波面と
いう）、光学望遠鏡による像が動いたり、ぼけたりす
る。これを解決する手段として、反射面の形状を自在に
変形させることができる可変形ミラーを光学望遠鏡の光
学系に組み込み、前記擾乱波面の位相分布を補償する補
償光学系がある。ここで述べる波面センサーは、例え
ば、上述補償光学系において、擾乱波面の位相分布を計
測し、可変形ミラーの制御量を決定する目的で用いられ
るものである。

【０００３】従来、この主の波面センサーとして図５に
示すようなものがあった。この図は、“Ｄｅｓｉｇｎ
ａｎｄＰｅｒｆｏｒｍａｎｃｅＡｎａｌｙｓｉｓ
ｏｆＡｄａｐｔｉｖｅＯｐｔｉｃａｌＴｅｌｅｓ
ｃｏｐｅｓＵｓｉｎｇＬａｓｅｒＧｕｉｄｅＳ
ｔａｒｓ”，ＰＲＯＣＥＥＤＩＮＧＯＦＩＥＥＥ，Ｖ
ＯＬ．７８，Ｎｏ．１１，ＮＯＶＥＭＢＥＲ，１９９
０，ｐ１７２０〜ｐ１７４３に示されたものである。図
５において、１は擾乱波面、２は基準平面、３はマイク
ロレンズ、４はレンズアレー、５は二次元検出器、６は
Ａ／Ｄ変換器、１０は信号処理装置である。

【０００４】上述したように、擾乱波面１は、位相分布
の乱れのない平面波が揺らぎのある大気中を伝搬した結
果、位相分布が乱れた波面である。基準平面２は、擾乱
波面１の位相分布の基準となる平面である。レンズアレ
ー４は、平面上に配置された複数の集光レンズ（以下、
マイクロレンズ３という）で構成されたものであり、１
つのマイクロレンズ３は、擾乱波面１の局所領域（以
下、ローカル波面という）を、マイクロレンズ３の焦点
位置におかれた二次元検出器５上に集光する。二次元検
出器５は、光電変換器を格子状に多数並べた、例えば、
ＣＣＤのようなものであり、レンズアレー４によって集
光された多数の集光スポットが配列した画像を電気信号
に変換し、Ａ／Ｄ変換器６に出力する。Ａ／Ｄ変換器６
は、二次元検出器５の出力である画像を表すこの電気信
号を、デジタル化した画像データに変換して信号処理装
置１０に出力する。信号処理装置１０は、画像データ記
憶手段と、基準スポット位置記憶手段と、演算処理手段
とを備えており、Ａ／Ｄ変換器６の出力である前記画像
データを内部の画像データ記憶手段に取り込み、後述す
る一連の演算処理を行うことにより擾乱波面１の位相分
布を求める。

【０００５】次に、この波面センサーの動作について説
明する。擾乱波面１は、レンズアレー４に入射する。図
６は、レンズアレー４を構成するマイクロレンズ３の１
つに入射したローカル波面が、二次元検出器５上に集光
する様子を示すものである。図において、１１はマイク
ロレンズ３に入射するローカル波面である。ローカル波
面１１は、基準平面２に対し角度θをもってマイクロレ
ンズ３に入射する平面波に近似して考えることができ
る。この平面波の入射角θと二次元検出器５上の集光ス
ポット変位ΔＸとの関係は、次の式（１）で表すことが
できる。 ΔＸ＝Ｘ１−Ｘ０＝ｆ・ｔａｎθ （１）但し、Ｘ０は位相分布が基準平面２に等しい波面がマイ
クロレンズ３に入射したときの集光スポットの座標位置
（以下、基準スポット位置という）、Ｘ１はローカル波
面１１がマイクロレンズ３に入射したときの集光スポッ
トの座標位置（以下、計測スポット位置という）、ｆは
マイクロレンズ３の焦点距離である。式（１）を変形す
ると、次の式（２）となる。 θ＝ａｒｃｔａｎ（ΔＸ／ｆ）（２）従って、式（２）より、集光スポット変位ΔＸが求まれ
ば、ローカル波面１１の入射角θが判る。各マイクロレ
ンズ３毎に異なった範囲のローカル波面１１が対応して
おり、これらローカル波面１１の入射角θが判るので、
結果として擾乱波面１の波面傾きの分布（位相分布の微
分）が取得できる。この波面傾きの分布を積分すること
で、波面の位相分布を取得することができる。

【０００６】次に、集光スポット変位ΔＸを求める方法
を述べる。レンズアレー４によって集光された多数の集
光スポットが配列した画像は、二次元検出器５によって
電気信号に変換され、Ａ／Ｄ変換器６に出力される。こ
のＡ／Ｄ変換器６は、二次元検出器５の出力である前記
電気信号をデジタル画像データに変換して信号処理装置
１０に出力する。図７は、この信号処理装置１０の構成
とここで行う一連の処理を示す図である。この図におい
て、７は画像データ記憶手段、８は基準スポット位置記
憶手段、９は演算処理手段である。Ａ／Ｄ変換器６の出
力である前記デジタル画像データは、画像データ記憶手
段７に記憶される。ステップ１２では、この画像データ
記憶手段７に記憶されている多数の集光スポットが配列
した前記デジタル画像データから個々の集光スポットを
抽出し、それらの１つ１つに対し重心演算を行う画像範
囲を決定する。このステップ１２で行う処理は、例え
ば、エッジ抽出等の一般的な画像処理を行うことで実現
できる。ステップ１３では、ステップ１２で決定した前
記デジタル画像データの重心演算を行う範囲において、
集光スポット各々の重心座標を演算し、これを計測スポ
ット位置として出力する。

【０００７】基準スポット位置記憶手段８は、マイクロ
レンズ３の各々に対応する基準スポット位置を、それら
がどのマイクロレンズ３に対応するものかが分かるよう
な符号をつけて記憶している。ステップ１４では、ステ
ップ１３の出力である前記計測スポット位置が、基準ス
ポット位置記憶手段８に記憶されている前記基準スポッ
ト位置のどれと対応するかを判別する処理（以下、対応
付けという）を行い、対応する基準スポット位置と計測
スポット位置とを対にして出力する。対応付けは、任意
基準スポット位置と、これと距離が最も近い計測スポッ
ト位置とが対応すると判断することで行う。ステップ１
５では、ステップ１４の出力である前記基準スポット位
置と、計測スポット位置とから集光スポット変位ΔＸを
求める。ステップ１６では、前記したように、ステップ
１５の出力である前記集光スポット変位ΔＸと式（２）
より擾乱波面１の波面傾きの分布を求め、これを積分す
ることで擾乱波面１の位相分布を求める。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】従来の波面センサー
は、以上のように構成されているので、ステップ１４に
おいて、任意の基準スポット位置と、これと距離が最も
近い計測スポット位置とが対応すると判断することで対
応付けを行っていた。そのため、ローカル波面１１の大
きな傾きに対して、集光スポット変位ΔＸが制限を越え
て大きくなると、隣接する集光スポット同志が識別でき
なくなるので、計測できる波面傾きダイナミックレンジ
が制限されるという課題があった。

【０００９】一方、式（１）より、マイクロレンズ３の
等価焦点距離ｆを小さくすることで、集光スポット位置
変位ΔＸを小さくし、ダイナミックレンジを拡大できる
が、二次元検出器５やＡ／Ｄ変換器６の電気雑音や量子
化雑音に起因する集光スポット位置検出の分解能の限界
から、波面傾きの計測精度は逆に劣化するという課題が
あった。

【００１０】この発明は、上記した課題を解決するため
になされたもので、波面センサーにおいて、大きな波面
の傾きを計測できるようにダイナミックレンジを広げ、
また、小さな波面の傾きを高精度で計測できるようにす
ることを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】この発明に係る波面セン
サーは、マイクロレンズアレーと二次元検出器を用いて
擾乱波面の位相分布を計測する構成において、等価倍率
または等価焦点距離を可変にする可変倍率レンズと、二
次元検出器の検出結果に基づいて上記可変倍率レンズの
倍率を制御する倍率制御装置とを備えた。

【００１２】また更に、可変倍率レンズは、アフォーカ
ル光学系とした。

【００１３】また更に、アフォーカル光学系は、液晶凸
レンズと、液晶凹レンスで構成するようにした。

【００１４】また更に、可変倍率レンズは、マイクロレ
ンズアレーを兼ね、かつ液晶で構成した。

【００１５】

【発明の実施の形態】実施の形態１．ダイナミックレン
ジの拡大と計測精度の向上を図るために、等価倍率また
は等価焦点距離を対応して可変にした波面センサーを説
明する。図１は、この発明の実施の形態１におけるセン
サーの構成図である。図において、図５と同一の符号の
要素は、同一または同等ものもである。図において、新
規な要素である１００は倍率可変アフォーカル光学系、
１０１は倍率可変制御装置であり、１０２は、説明のた
めの共役擾乱波面である。マイクロレンズ３は、この場
合は倍率可変アフォーカル光学系で複数のレンズから構
成され、その間隔を変化することで結像倍率が可変であ
るアフォーカル光学系である。倍率制御装置１０１は、
倍率可変アフォーカル光学系の倍率を任意値に制御する
制御装置である。共役擾乱波面１０２は、擾乱波面１が
倍率可変アフォーカル光学系３の結像倍率に従って変倍
された波面である。

【００１６】アフォーカル光学系は、無限遠の点光源を
無限遠に結像する働きがあり、天体望遠鏡の補償におい
ては、直径数メートルに及ぶ開口に入射した波面を、マ
イクロレンズ３と二次元検出器５に入射できるサイズに
縮小するために使用する。図１において、倍率可変アフ
ォーカル光学系１００の結像倍率がＭ倍であるとする。
このとき、レンズアレー３に入射するローカル波面の傾
きはＭ倍となる。従って、式（２）は、次の式（３）と
表される。Ｍθ＝ａｒｃｔａｎ（ΔＸ／ｆ）（３）近軸においては、ｒａｄで計った角度でθ≒ｔａｎθと
なり、従って、次の式（４）が得られる。 θ＝ΔＸ／（Ｍｆ）（４）即ち、式（２）に対し、等価焦点距離ｆに等価倍率Ｍが
乗算されることになる。計測されるΔＸには、二次元検
出器５の電気雑音やＡ／Ｄ変換器６の量子化雑音等によ
り、誤差ΔΔＸが存在するとする。このとき、計測され
るθの計測誤差Δθは、式（４）より、次の式（５）と
なる。 Δθ＝ΔΔＸ／（Ｍｆ）（５） Δθ、はＭに反比例することが判る。従って、計測精度
は、倍率可変アフォーカル光学系１００の結像倍率（等
価倍率）Ｍを可変することによって、反比例して可変に
できる。

【００１７】図２は、倍率可変アフォーカル光学系１０
０の倍率可変方法を説明する図である。２０１は倍率可
変アフォーカル系２を構成する正の屈折力をもったレン
ズであり、被写体を一定の倍率で結像するフォーカシン
グレンズ、２０９は倍率可変アフォーカル光学系１００
を構成する負の屈折力をもったレンズであり、フォーカ
シングレンズ２０１が結像した像を自身の像空間に大き
さを変えて結像するバリエータ、２０３は倍率可変アフ
ォーカル光学系１００を構成する正の屈折力をもつレン
ズであり、バリエータ２０２の結像した像を無限遠に結
像するコンペンセータである。

【００１８】以下、各レンズは屈折力Φをパラメータと
して持つ薄肉レンズに近似し、近軸領域において説明す
る。今、点光源が無限遠にある場合を考える。フォーカ
シングレンズ２０１は、その焦点面に点光源の像を結像
する。また、バリエータ２０２は、フォーカシングレン
ズ２０１の結像した像を自身の像空間に結像する。バリ
エータ２０２に関するニュートンの結像式は、次の式
（６）で表される。ＸＸ’＝−ｆ² （６）但し、Ｘはバリエータ２０２の前側焦点から物体面まで
の距離、Ｘ’はバリエータ２０２の後ろ側焦点から像面
までの距離、ｆはバリエータ２０２の焦点距離である。
このとき、結像の倍率は、次の式（７）で表される。ｍ＝−Ｘ’／ｆ（７）従って、フォーカシングレンズ２０１とバリエータ２０
２の間隔を変化させれば、式（２）のＸが変化し、倍率
ｍが変化する。次に、コンペンセータ２０３の前側焦点
をバリエータ２０２の像面位置に一致させるように、バ
リエータ２０２とコンペンセータ２０３との間隔を変化
させれば、倍率可変なアフォーカル系とすることができ
る。

【００１９】倍率制御装置１０１は、倍率可変アフォー
カル光学系１００の倍率を設定すると同時に、信号処理
装置１０にその結像倍率Ｍを伝達する。信号処理装置１
０は、式（３）に従ってθのローカル波面の傾きθを求
め、波面の位相分布に変換する。

【００２０】以上述べた構成により、倍率可変アフォー
カル光学系１００の結像倍率を自由に変化させることが
できるので、式（４）より等価倍率Ｍを小さくすること
で、同じΔＸのダイナミックレンジに対し、θのダイナ
ミックレンジを大きくすることができる。一方、式
（５）より、ローカル波面の傾きθが小さい場合は、等
価倍率Ｍを大きくすることで、同じΔΔＸに対し、計測
誤差Δθを小さくする効果が得られる。

【００２１】実施の形態２．本実施の形態では、倍率可
変アフォーカル光学系１００の具体的な機構を説明す
る。図３は、その例を示す倍率可変アフォーカル光学機
構を示す図である。図３において、３００は液晶凸レン
ズ、３０１は液晶凹レンズである。

【００２２】液晶凸レンズ３００は、フレネルレンズの
硝材を液晶でおきかえた外観をもち、両面にほどこした
透明電極により任意の電界を印加することができるよう
に構成されている。液晶凸レンズ３００の等価焦点距離
ｆは、次の式（８）で表される。ｆ＝（ｎ−１）／Ｒ（８）ここで、ｎは液晶の屈折率、Ｒは曲率半径である。液晶
は印加された電解の大きさに依存して、屈折率ｎが変化
する性質がある。従って、液晶凸レンズ３００，３０１
に印加する電解を制御することにより、焦点距離を可変
にすることができる。

【００２３】この液晶フレネルレンズを使用すること
で、倍率可変アフォーカル光学系が得られる。液晶凸レ
ンズ３００，３０１の間隔をｄ、液晶凸レンズ３００の
焦点距離をｆ１、液晶凸レンズ３００の焦点距離をｆ２
とする。ｄ，ｆ１，ｆ２の関係は、次の式（９）で表さ
れる。ｄ＝ｆ１＋ｆ２（９）また、倍率可変アフォーカル光学系の等価倍率Ｍは、以
下の式（１０）で表される。Ｍ＝ｆ１／ｆ２（１０）倍率制御装置１０１は、式（７），（８）を満足するよ
うに、ｆ１，ｆ２を制御する。このように構成すること
で、倍率可変アフォーカル光学系の等価倍率Ｍを任意値
に制御することができる。

【００２４】実施の形態３．本実施の形態では、擾乱波
面１に対して直接レンズアレー４が集光し、その際の等
価焦点距離を可変にする機構を説明する。図４は、この
発明の実施の形態３における波面センサーの構成図であ
る。図において、４００は液晶マイクロレンズアレー、
４０１は倍率可変制御装置である。液晶マイクロレンズ
アレー４００は、通常のガラス平板とレンズアレー状の
凹みを設けたガラス平板との間に液晶を封入したもの
を、透明電極で挟んだものである。倍率可変制御装置４
０１は、液晶マイクロレンズアレー４００の焦点距離
と、二次元検出器５の位置を制御する。

【００２５】液晶マイクロレンズアレー４００は、図３
に示した液晶凸レンズ３００，３０１と同様の原理で、
焦点距離が任意に可変にできる。倍率可変制御装置４０
１は、液晶マイクロレンズアレー４００の等価焦点距離
ｆを波面の測定波面の代小に依存して制御し、また、二
次元検出器５をマイクロレンズアレー４００の焦点位置
に設置する。式（２）より、近軸においては、次の式
（１１）で表される。 θ＝ΔＸ−ｆ（１１）となり、また、雑音等による誤差ΔΔＸとθの計測誤差
Δθの関係は、式（９）より、 Δθ＝ΔΔＸ／ｆ（１２）となる。式（９）より等価焦点距離ｆを小さくすること
で、同じΔＸに対しθのダイナミックレンジを大きくす
ることができる。一方、式（１０）より、ローカル波面
の傾きθが小さい場合は、等価焦点距離ｆを大きくする
ことで、同じΔΔＸに対し計測誤差Δθを小さくする効
果が得られる。

【００２６】なお、マイクロレンズアレーの焦点距離を
可変できる手段があれば、他の手段を用いても同じ効果
得られることは言うまでもない。例えば、液晶マイクロ
レンズアレー４００の代わりに、焦点距離の異なる複数
のマイクロレンズアレーをターレット式に装備し、計測
波面の傾きに応じて交換するようにしても、同様な効果
が得られる。

【００２７】

【発明の効果】以上のようにこの発明によれば、可変倍
率レンズと倍率制御装置とを備えたので、測定対象の擾
乱波面の状態に対応して等価倍率または等価焦点距離を
変更して、測定ダイナミックレンジの拡大か、または測
定精度の向上に選択制御できる効果がある。

【００２８】また更に、可変倍率レンズを用いるので、
焦点距離固定のマイクロレンズアレーのシステムに対し
ても、レンジ拡大または精度向上を図れる効果がある。

【００２９】また更に、可変倍率レンズを用いるので、
倍率制御を機械制御をなくして電気的に行い、信頼性を
向上できる効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の実施の形態１における波面センサ
ーの構成図である。

【図２】実施の形態１における倍率可変アフォーカル
光学系の倍率可変方法を説明する図である。

【図３】この発明の実施の形態２における液晶を用い
た倍率可変アフォーカル光学系の構成図である。

【図４】この発明の実施の形態３における波面センサ
ーの構成図である。

【図５】従来の波面センサーの構成を示す構成図であ
る。

【図６】従来の波面センサーにおけるマイクロレンズ
による波面傾き計測方法を説明する図である。

【図７】波面センサーにおける演算処理装置の構成と
装置が行う処理を示すフローチャート図である。

【符号の説明】

１擾乱波面、３マイクロレンズ、４マイクロレン
ズアレー、５二次元検出器、６Ａ／Ｄ変換器、１０
信号処理装置、１００倍率可変アフォーカル光学
系、１０１倍率可変制御装置、３００液晶凸レン
ズ、３０１液晶凹レンズ、４００液晶マイクロレン
ズアレー、４０１倍率可変制御装置。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】マイクロレンズアレーと二次元検出器を
用いて擾乱波面の位相分布を計測する構成において、等価倍率または等価焦点距離を可変にする可変倍率レン
ズと、上記二次元検出器の検出結果に基づいて上記可変倍率レ
ンズの倍率を制御する倍率制御装置とを備えたことを特
徴とする波面センサー。
【請求項２】可変倍率レンズは、アフォーカル光学系
としたことを特徴とする請求項１記載の波面センサー。
【請求項３】アフォーカル光学系は、液晶凸レンズ
と、液晶凹レンスで構成されることを特徴とする請求項
２記載の波面センサー。
【請求項４】可変倍率レンズは、マイクロレンズアレ
ーを兼ね、かつ液晶で構成したことを特徴とする請求項
１記載の波面センサー。