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JP4074033B2 - Wavefront error detection apparatus and wavefront error detection method - Google Patents

Wavefront error detection apparatus and wavefront error detection method Download PDF

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JP4074033B2
JP4074033B2 JP20185099A JP20185099A JP4074033B2 JP 4074033 B2 JP4074033 B2 JP 4074033B2 JP 20185099 A JP20185099 A JP 20185099A JP 20185099 A JP20185099 A JP 20185099A JP 4074033 B2 JP4074033 B2 JP 4074033B2
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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、波面誤差検出装置及び波面誤差検出方法に関し、特に、衛星と地上間のレーザ光を用いた光通信において、大気の揺らぎにより乱れるレーザ光の波面の誤差を検出するための波面誤差検出装置及び波面誤差検出方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
衛星と地上間の通信伝送(フィーダリンク)には現在のところ電波が用いられているが、将来においてはレーザ光を用いた光通信により行うことが要求されている。しかしながら、レーザ光を用いた衛星−地上間の伝送能力は伝播路上に存在する大気の揺らぎにより大きく影響を受ける。つまり光アンテナにより受信したレーザ光の波面は大気の揺らぎによって乱れており、これを結像させても集光スポットは広がり受信効率を著しく低下してしまう。従って、光アンテナで集光したレーザ光を効率良くシングルモードファイバに結合するための機構(ファイバカプラ)が必要である。
【0003】
図13及び図14は、例えば、U.A.Johann et al.による“A novel optical fiber based conical scan tracking device”:SPIE Vol.1522(1991)pp.243-251に示された、従来のファイバカプラを示す正面図及び側面図である。図13及び図14に示された従来のファイバカプラにおけるトラッキング方法は、可動範囲を残して固定された光ファイバの端面を高速に振動させてファイバに入射した受信光の振幅変動から誤差信号を抽出し空間トラッキングを実現させる。これらの図において、60は側面を金で蒸着したシングルモードファイバ(光ファイバ)であり、片持ち式に固定されているため、固定されていない側の端面は、図13の二点鎖線Aの範囲内に可動である。61及び62は、シングルモードファイバ60の端面付近に設置された電極であり、電極61及び62は互いに直交位置に設置されている。
【0004】
動作について説明する。側面を金で蒸着したシングルモードファイバ60とその端面付近に設置した電極61との間に電位を加えるとクーロン力によりファイバは光軸と垂直方向に変位する。電極62を電極61の直交位置に設置することで2次元の変位制御が可能である。電極61に正弦波、電極62に余弦波の信号を同振幅で加えることにより円状(二点鎖線A)にファイバを走査させることができる。図15にファイバ位置と検出光強度の関係を示す。電極に走査信号を印加しない場合にファイバ中心と光信号のピーク位置とが一致する状態においては、電極に走査信号を印加しても検出される光強度63は一定値となる。一方、ファイバ中心とピーク位置が一致しない場合、検出信号64は走査周期に従って変化する。同期検波法によりこの光強度信号変化64を誤差信号として抽出し、誤差信号を最小化するようにファイバの回転中心位置を制御するのがこの手法であり、若干の受信光のレベル変動を許容した上で最適な結合効率の達成を目指すものである。
【0005】
一方、光通信用途ではないが、高出力レーザ光のビーム歪を補正するためのマルチディザー方式補償光学技術も受信光のトラッキングのための手段として利用できる可能性が極めて高い。従来例として、一ノ瀬らによる「マルチディザー方式補償光学系における波面制御性の解析およびシミュレーション結果」:光学、第21巻第10号(1992)pp.714-719について図16に基づき説明する。図において、65はレーザ光、66は領域毎に独立に形状を可変できる可変形状鏡、67は可変形状鏡66により反射されたレーザ光65を集光する集光レンズ、68は集光レンズ67の焦点面に設置された対象物、69は対象物68からの反射光強度を検出する点検出器、70は点検出器69からの信号を受けて波面制御を行う波面制御部である。
【0006】
動作について説明する。図16に示す従来のマルチディザー方式補償光学系は、レーザ光の微小領域毎に個別の周波数で位相変調し、ビームの集光点の光強度信号から各周波数成分を分離検出し、間接的に波面を検出する方法である。まずレーザ光65を、領域毎に独立に形状を可変できる可変形状鏡66に入射させる。可変形状鏡66には振幅が微小で一定値をとる正弦波信号(ディザー信号)を可変形状鏡66の面で領域毎に異なる周波数を割り当てて入力する。このディザー信号の直流成分が波面補償の制御パラメータとなる。次に集光レンズ67の焦点面に設置した対象物68からの反射光強度を点検出器69により検出する。検出された光強度信号は波面制御部70に送られ、同期検波法により各周波数成分毎に分離検出される。検出信号には元の波面のずれと可変形状鏡66に入力した正弦波の直流成分との差の成分が含まれ、この値が元の波面とのずれを表す。従って波面を揃えるための条件は、光強度の各周波数成分の値を零とする場合である。すなわち、波面制御部70において、光強度の各周波数成分の値を最小にするようにディザー信号の直流成分を制御することで波面誤差が補償され、レーザ光65の対象物68上でのスポットの広がりを最小化することが可能となる。波面検出用の検出器が単素子の点検出器で十分なこと、波面検出と補償のための特別な演算を必要としないため高速であることが特長である。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
従来の光通信用ファイバカプラ技術は図13及び図14のように構成されており、次のような課題があった。まず、光ファイバ60を機械的に回転させるため時間的応答性が損なわれることや共鳴振動が発生することである。これにより波面誤差検出の精度が低下する。また、ファイバの回転にクーロン力を用いているため電極とファイバ間の放電やファイバ表面への粉塵の付着といった課題があった。さらに、含まれる波面誤差の種類によっては誤差信号を零とする回転中心位置が存在しない場合がある。例えば、コマ収差が含まれる場合、形成させる光強度スポット形状は焦点面上で非対称形となるからである。従って、光ファイバ60を回転させずに波面誤差を検出し、受信光信号を光ファイバコアにトラッキングする方法が要求される。
【0008】
一方、図16の従来のマルチディザー方式補償光学系を用いたトラッキング方法は、電極とファイバ間の放電やファイバ表面への粉塵の付着といった上記課題を解決する方法となり得るが、次のような課題が依然存在する。すなわち、検出・補償できる波面の領域が可変形状鏡66の分割数によって決定されるため高次の波面誤差補償のためには分割数を増大させる必要があり、可変形状鏡66の製造コスト増加が避けられない。また、分割数増加に伴い各領域に割り当てるディザー周波数の種類も増加するため、同期検波部を含めた処理系をディザー周波数分だけ設置する必要があり、コスト増加が不可避である。一方、可変形状鏡66は有限な周波数応答特性を有するため、ディザー信号として使用可能な周波数はこの範囲に制限される。さらに、可変形状鏡66内の隣接する領域間を異なる周波数で振動させるため、連成振動の発生が避けられず、これに伴う系の安定限界値低下の克服が課題であった。
【0009】
従って、ディザー方式に基づく補償光学系を用いて受信光信号のトラッキングを行う場合には、可変形状鏡の分割数とディザー周波数の種類を低減させ、かつ、連成振動の影響の少ないディザー入力手段を備えた波面検出と補償方法を確立することが強く要求されている。
【0010】
この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、電極とファイバ間の放電やファイバ表面への粉塵の付着もなく、一種類のディザー周波数のみで波面誤差の分離検出が可能で、コスト低減が可能で、かつ、可変形状鏡上の連成振動も発生しない波面誤差検出装置及び波面誤差検出方法を得ることを目的としている。
【0011】
【課題を解決するための手段】
この発明は、波面収差を受けた光を導入するためのアンテナ手段と、上記アンテナ手段により導入した上記光に任意の波面収差を任意の周波数で重畳するための可変形状鏡と、上記可変形状鏡により波面収差が重畳された光を集光するための集光手段と、上記集光手段の後側焦点面近傍に集光した光の強度を光軸上とその周囲の複数点において独立に検出するための複数の検出器を有する光強度検出手段と、上記光強度検出手段で検出された各々の光強度信号からその直流成分と交流成分を分離するとともに、各々の振幅を算出する算出手段と、上記算出手段により得られた複数個の振幅を成分とするベクトルに対して任意の要素をもつ行列を乗算する行列乗算手段と、上記行列乗算手段により算出された結果を可変形状鏡に加えるためのインターフェイス手段と、を備え、上記行列乗算手段における上記行列の行数が波面収差を多項式で展開した場合の展開次数に対応するとともに、上記行列の列数が上記光強度検出手段の上記検出器の個数の2倍に対応し、かつ、上記行列の行ベクトル同士が互いに直交関係をなす波面誤差検出装置である。
【0012】
また、可変形状鏡においてツェルニケ(Zernike) 多項式で展開可能な任意の波面収差を任意の周波数と任意の振幅とで重畳可能である。
【0013】
また、集光手段の焦点面上から離間して光強度検出手段が設けられ、集光手段と光強度検出手段との間に、集光手段により集光された集光光を光強度検出手段に導入するための光伝送手段が設けられている。
【0014】
また、光伝送手段が、光軸上に設けられたシングルモードファイバと、光軸の周辺部に設けられた複数のマルチモードファイバとから構成されている。
【0015】
また、光伝送手段の各マルチモードファイバの中心を光軸を中心とした正6角形の頂点に一致させ、かつ、マルチモードファイバを最密に配置している。
【0016】
また、算出手段において、光強度検出手段で検出された各々の光強度信号から、直交復調方式により、直流成分と交流成分を分離して、かつ、各々の振幅を算出する。
【0017】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を上記行列乗算手段が用いる。
【0018】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を行列乗算手段が用いる。
【0019】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例する量を、要素の一部とする行列を行列乗算手段が用いる。
【0020】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例する量を、要素の一部とする行列を行列乗算手段が用いる。
【0021】
また、この発明は、波面収差を受けた光を導入するための光導入工程と、光導入工程で導入した光に焦点外れに関する波面収差を任意の周波数で重畳するための重畳工程と、重畳工程で波面収差が重畳された光を集光するための集光工程と、集光工程で集光した光の強度を光軸上とその周囲の複数点において複数の検出器により独立に検出する光強度検出工程と、光強度検出工程で検出された各々の光強度信号からその直流成分と交流成分を分離するとともに、各々の振幅を算出する算出工程と、算出工程により得られた複数個の振幅を成分とするベクトルに対して任意の要素をもつ行列を乗算する行列乗算工程と、算出工程により算出された結果に基づき焦点外れに関する波面収差を重畳するように制御する制御工程と、を備え、行列乗算工程における行列の行数が波面収差を多項式で展開した場合の展開次数に対応するとともに、行列の列数が光強度検出工程の検出器の個数の2倍に対応し、かつ、行列の行ベクトル同士が互いに直交関係をなす波面誤差検出方法である。
【0022】
また、重畳工程においてツェルニケ(Zernike) 多項式で展開可能な任意の波面収差を任意の周波数と任意の振幅とで重畳可能である。
【0023】
また、集光工程と光強度検出工程との間に、集光工程により集光された集光光を光強度検出工程に導入するための光伝送工程をさらに備えている。
【0024】
また、光伝送工程が、光軸上に設けられたシングルモードファイバと、光軸の周辺部に設けられた複数のマルチモードファイバとを用いて光伝送を行う。
【0025】
また、各マルチモードファイバの中心を光軸を中心とした正6角形の頂点に一致させて配置し、かつ、マルチモードファイバを最密に配置して、光伝送を行う。
【0026】
また、算出工程において、光強度検出工程で検出された各々の光強度信号から、直交復調方式により、直流成分と交流成分を分離して、かつ、各々の振幅を算出する。
【0027】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いる。
【0028】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いる。
【0029】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例する量を、要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いる。
【0030】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例する量を、要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いる。
【0031】
【発明の実施の形態】
実施の形態1.
本発明による波面誤差検出装置及び波面誤差検出方法の一実施の形態を図1に示す。装置の構成と波面検出・補償方法は、図16の従来のマルチディザー方式補償光学系と類似しているが、次の3点が異なる。すなわち、1点で検出していた光強度を光軸上及びその周囲の複数点で検出すること、複数の周波数で与えていたディザー信号を単一周波数で与えること、そして、可変形状鏡の各領域で割り当てていたディザー信号周波数を特定の波面収差の種類(後述する焦点外れ)に割り当てることである。以下に具体的な実施の形態を説明する。
【0032】
図1において、1は大気の揺らぎによって乱れ波面収差を受けたレーザ光波面(大気擾乱)、2はレーザ光1を導入するための光アンテナ、3は光アンテナ2により導入された揺らぎを受けた波面、4は光アンテナ2により導入した光3に焦点外れに関する波面収差を任意の周波数で重畳する可変形状鏡、5は可変形状鏡4により反射された光を後述する集光レンズ6に導入するためのダイクロイックビームスプリッタ、6は可変形状鏡4により波面収差が重畳された光を集光するための集光レンズ、7は集光レンズ6の後側焦点面に集光した光を光軸上とその周囲の複数点において独立に伝送する光ファイバアレイ、8は光ファイバアレイ7により伝送された各々の光の強度を独立に検出する複数の検出器からなる光強度検出器、9は、光強度検出器8により検出された各々の光強度信号からその直流成分と交流成分を分離してかつ各々の振幅(実効値)を算出するとともに、それらの複数個の振幅を成分とするベクトルに対して任意の要素をもつ行列を一回あるいは複数回乗算する波面誤差演算部、10は波面誤差演算部9により算出された結果を可変形状鏡4に加えるためのインターフェイス手段を有する可変形状鏡制御部である。11は揺らぎが補償された波面である。
【0033】
図1に示すように、本発明の波面誤差検出装置は、光アンテナ2、可変形状鏡4、集光レンズ6、光ファイバアレイ7、光強度検出器8からなる光学系と、波面誤差演算部9及び可変形状鏡制御部10から構成されている。なお、図1は空間光通信を行うための装置構成を示しているため、光通信を行うための光受信機12、ダイクロイックビームスプリッタ5、光送信機13ならびに送信用レーザ光源14も併せて記載している。
【0034】
次に動作について説明する。図1において、大気の揺らぎによって乱れたレーザ光波面1は光アンテナ2により受信され、可変形状鏡4により既知の波面誤差が重畳される。つぎに、ダイクロイックビームスプリッタ5を介して、集光レンズ6により集光される。波面誤差の影響は集光スポットの広がりとして現れる。このスポットの広がりを検知するため、集光レンズ6の後側焦点位置光軸付近に複数個のマルチモードファイバを備えた光ファイバアレイ7を設置し、且つ、それに対応した光強度検出器8を接続する。図2に、光ファイバアレイ7の配置図を示す。受信信号中に含まれる波面収差の影響は各検出器で検出される光強度の割合の変化として現れる。
【0035】
図2に示すように、光ファイバアレイ7は、光軸上にシングルモードファイバ16に配置し、その周辺部に複数のマルチモードファイバ17〜22を配置している。マルチモードファイバ17〜22は、光軸を中心とした正6角形の頂点と各マルチモードファイバ17〜22の中心とを一致させ、かつ、各ファイバ16〜22は互いに密接して最密に配置されている。また、各ファイバ16〜22は、円管状の外装7a内に収納されている。光ファイバアレイ7は、以上のように構成されて、集光レンズ6の焦点面上から離れた位置に配置した光強度検出器8に集光光を導入するための光伝送手段を構成している。なお、波面誤差検出に用いるのは、光軸周辺部のファイバ及びそれに対応した検出器のみが望ましく、光軸上(中心部)は光強度変動による推定誤差軽減の目的とした観測強度規格化の際に用いる。
【0036】
次に、既知の波面誤差を有する波面が入射した場合における各検出器(マルチモードファイバ17〜22)での信号強度変化を説明する。波面誤差は次式(1)のようにツェルニケ(Zernike)多項式で級数展開した形式で表される。
【0037】
【数1】

Figure 0004074033
【0038】
ここで、Φは動径多項式であり、次式(2)〜(7)で表される。
【0039】
【数2】
Figure 0004074033
【0040】
【数3】
Figure 0004074033
【0041】
【数4】
Figure 0004074033
【0042】
【数5】
Figure 0004074033
【0043】
【数6】
Figure 0004074033
【0044】
【数7】
Figure 0004074033
【0045】
ツェルニケ(Zernike)多項式は直交関数系であるので、各項の係数値Apq,Bpqは独立に決定でき、各項は光学収差に対応している。さらに、rに対して低次の項はザイデル収差に対応し、第二項はティルト、第三項は焦点外れ、第四項は非点収差、第五項はコマ収差を表す。以降で各項をツェルニケ(Zernike)モードあるいは単にモードと総称する。今、波面誤差の中でも特に支配的な項となる第四項まで(2次まで)で近似できるものと仮定する。従って、本発明においては、可変形状鏡4において、ツェルニケ(Zernike)多項式で展開可能な任意の波面収差を任意の周波数と任意の振幅とで重畳可能である。
【0046】
図3は、上式(1)の第二項のティルトに関する係数値A11を横軸に検出光強度(検出光強度の直流成分振幅(Normalized Optical Power))を縦軸にとって検出光強度のツェルニケ(Zernike)係数依存性を表したものである。検出光強度は各検出器の位置(マルチモードファイバ17〜22に対応)により異なり、23は、マルチモードファイバ17(位置a)の検出器出力を、24は、マルチモードファイバ18(位置b)及び22(位置f)の検出器出力、25は、マルチモードファイバ19(位置c)及び21(位置e)の検出器出力、そして、26は、マルチモードファイバ20(位置d)の検出器出力を示す。各出力とも原点に関して非対称な特性を持ち、また原点付近では傾きが一定な直線となることが特徴である。原点付近の傾きに関してファイバの幾何学的な配置によりファイバ19及び21(位置cとe)、及び、ファイバ18及び22(位置bとf)とは各々同じ特性を持ち、またファイバ17と20(位置aとd)、ならびに、ファイバ18,22(位置b, f)とファイバ19,21(位置c, e)とは大きさが等しく反対符号の関係となる。従って、これらの傾きは、2種類の定数α,βを使って表すことができ、ファイバ17〜22(位置a, b, c, d, e, f)のそれぞれの出力の原点付近での傾きは、(α, β, −β, −α, −β, β)とベクトル的に表現できる。
【0047】
図4は、上式(1)の第二項のA11と直交方向のティルトに関する係数値B11を横軸に検出光強度(検出光強度の直流成分振幅(Normalized Optical Power))を縦軸にとって表したものである。27、28、29はそれぞれ、ファイバ17及び20(位置aとd)、ファイバ18及び19(位置bとc)、そして、ファイバ21及び22(位置eとf)の検出器出力を表し、A11と同様に原点に関して非対称な特性を持つことが特徴である。位置a〜fの原点付近での検出器出力の傾きベクトルは1種類の定数γを用いて(0, γ, γ, 0, −γ, −γ)と表すことができる。A11 、B11の場合において原点での各傾きベクトルに関して内積演算を実行すると0となる。このことは、A11、B11の場合において各検出器出力が直交関係にあることを意味している。
【0048】
図5は、上式(1)の第三項の焦点外れに関する係数値A20を横軸に検出光強度(検出光強度の直流成分振幅(Normalized Optical Power))を縦軸に表したもので、全てのファイバの検出器出力30が位置によらず等しい特性を持つことを示している。各位置a〜fの検出器出力とも原点に関して対称な特性を持ち、さらに、原点付近では傾きベクトルが(0, 0, 0, 0, 0, 0)となることが特徴である。
【0049】
図6は、上式(1)の第四項の非点収差に関する係数値A22を横軸に検出光強度(検出光強度の直流成分振幅(Normalized Optical Power))を縦軸に表したもので、検出器出力31は位置a及びdのファイバ(検出器)17及び20、検出器出力32は、位置b, c, e, fのファイバ(検出器)による特性を示す。31及び32はファイバ(検出器)の位置により異なる特性を示すものの、全てが原点に関して対称な特性を持ち、図5の場合と同様に原点付近では傾きが0となることが特徴である。
【0050】
図7は、上式(1)の第四項のA22と直交する方向の非点収差に関する係数値B22を横軸に検出光強度(検出光強度の直流成分振幅(Normalized Optical Power))を縦軸に表したものである。特性33は位置a及びdの検出器出力、特性34は位置b, c, e, fにおける検出器出力を示す。図6と同様に、2種類の特性33及び34はいずれも原点に関して対称な特性を持ち、原点付近では傾きが0となることが特徴である。
【0051】
従って、原点付近の傾きベクトルに着目すると、ティルトの波面誤差を分離することができる。すなわち、波面誤差が十分に小さい領域では上記傾きベクトルを各ファイバ(検出器)からの光強度信号を成分に持つベクトルとの内積演算することでティルト成分を分離することが可能となる。
【0052】
しかしながら、このままでは各係数変化に対して、対称に強度変化する焦点外れ成分、及び、非点収差成分を分離することはできない。この課題解決のため外部から周期的で且つ微小振幅の正弦波信号(ディザー信号)を特定の既知波面収差に割り当てて重畳する。この既知波面収差として焦点外れ成分を割り当てる場合、波面誤差の焦点外れ項成分、非点収差項の直交二成分を分離できる。以下にその原理を説明する。
【0053】
まず、焦点外れ成分に関するディザー信号を可変形状鏡(図1の4)を介して重畳する。これにより光強度信号は重畳信号に応じて変化する。次にこの光強度信号の振幅を同期検波法により取り出す。取り出した信号、すなわち、振幅は、焦点外れ量を微小に変化させた時の光強度変化の実効値を表す。この操作を波面誤差の係数値を連続的に変化させながら実行し、波面誤差係数値−光強度変化の実効値特性を得る。このとき、各ファイバ(検出器)毎の光強度変動分の原点付近の傾きを要素に持つベクトルを考える。連続的に変化させる波面誤差係数の種類毎に得られる各ベクトルはティルト以外の波面誤差成分に関して互いに直交関係となる。すなわち、波面誤差が十分に小さい領域では上記変動分の傾きベクトルを各検出器からの光強度変動の実効値信号に乗算することで、焦点外れ、非点収差の成分を分離することが可能となる。
【0054】
図8は既知波面収差として焦点外れに関するディザー信号を重畳した状態で焦点外れに関する係数値A20を連続的に変化させた場合の検出光強度変動の実効値(検出光強度の交流成分振幅 (Amplitude of Power Oscillations))を縦軸に係数値A20を横軸にとって表したものである。検出器の位置a〜fによらず光強度変動は全て等しい特性35となる。原点に関して反対称の特性を持ち原点付近での傾きは近似的に定数値となり、この値をηとする。光強度変動分の原点付近での傾きは、検出器a〜fの順序を持つ要素をもつ強度変動の傾きベクトル (η, η, η, η, η, η)として表すことが可能である。
【0055】
図9は焦点外れのディザー信号を入力した状態で非点収差に関する係数値A22を横軸に、検出光強度変動の実効値(検出光強度の交流成分振幅(Amplitude of Power Oscillations))を縦軸にとって表したもので、ファイバ(検出器)17及び20(位置a及びd)の出力変動36は常に0であり、原点付近の傾きは0となる。その他のファイバ(検出器)の出力変動特性37及び38は全て直線的に変化し、傾きの絶対値が等しく符号の異なる2種類の特性であらわされる。すなわち、ファイバ(検出器)18及び21(位置bとe)の傾きをεとするとファイバ(検出器)19及び22(位置cとf)の傾きは−εとなる。強度変動の傾きベクトルは (ε,−ε/2,−ε/2, ε,−ε/2,−ε/2)として表される。このベクトルと焦点外れに関する係数値A20を連続的に変化させた場合の強度変動の傾きベクトル (η, η, η, η, η, η)との内積演算を行うと0になる。このことはこれらのベクトルが直交していることを意味する。
【0056】
同様に、図10は、非点収差に関する係数値B22を横軸に、検出光強度変動の実効値(検出光強度の交流成分振幅(Amplitude of Power Oscillations))を縦軸にとって表したもので、傾きの絶対値が等しく符号の異なる2種類の特性39及び40で表される。強度変動の傾きベクトルは(0, ζ, −ζ, 0, ζ, −ζ)となり、図8、図9の傾きベクトルと直交することが分かる。一方、波面誤差内にティルト成分のみが存在する場合、光強度変動の実効値は係数値の変化に対して常に0となる。
【0057】
従って、波面誤差が十分に小さい領域では上記変動分の傾きベクトルを各検出器からの光強度変動の実効値信号に乗算することで、焦点外れの波面誤差成分と非点収差の波面誤差成分とを分離することが可能となる。
【0058】
以上では2種類の傾きベクトル要素の特徴の違いを用いることでZernike波面誤差成分を分離できることを示した。このベクトルを合成して12×5行列とし、その逆行列(5×12行列)を求めれば、この逆行列を用いてZernike波面誤差係数を推定することができる。以下にZernike誤差係数推定法を説明する。
【0059】
まず、6個の光強度の傾き要素と6個の光強度変動の傾き要素をあわせて12要素のベクトルとし、さらにこの12要素のベクトルを行ベクトルとして、ティルト、焦点外れ、非点収差の5種類のZernike波面誤差モード毎に列方向に並べて[12×5]行列を構成する。この12×5行列を以下ではObservation Matrix(オブザベーション行列)[O(12,5)]と総称し、次式(8)のように定義する。
【0060】
【数8】
Figure 0004074033
【0061】
実際に観測される信号は次のように定義する。すなわち焦点外れに関するディサー信号を重畳した状態で6個の各検出器により得られた光強度信号から、6個の直流成分(pa, pb, pc, pd, pe, pf)と6個の変動実効値成分(oa, ob, oc, od, oe, of)を取り出し次式(9)のような12元ベクトルで表す。以降ではこのベクトルをMeasurement Vector (観測信号ベクトル)[M(12,1)]と総称する。
【0062】
【数9】
Figure 0004074033
【0063】
一方、波面に含まれる波面誤差をZernike Error Vector(ツェルニケエラーベクトル(波面誤差成分))[Z(1,5)]として定義し、次式(10)のように表す。
【0064】
【数10】
Figure 0004074033
【0065】
すると、次のような関係が成り立つ。
【0066】
【数11】
Figure 0004074033
【0067】
[O]は計算によって予め算出できるので、波面誤差[Z]の推定を行うためには実測値[M]に[O]の逆行列を左側から乗算すればよいことが分かる。しかしながら、[O]は12×5の要素を持ち正方行列ではないためそのままでは逆行列が存在しない。このため次のような手順を考える。
【0068】
まず、[O]の転置行列[Ot]を式(8)の両辺に左から乗算する。
【0069】
【数12】
Figure 0004074033
【0070】
式(12)右辺の{[Ot][O]}部分は次式(13)で表される5×5の正方行列になる。
【0071】
【数13】
Figure 0004074033
【0072】
この正方行列の行列式は次式(14)のように計算できる。
【0073】
【数14】
Figure 0004074033
【0074】
この行列式がゼロで無い値をとるとき、式(13)の逆行列は次のように計算できる。
【0075】
【数15】
Figure 0004074033
【0076】
次にこの逆行列を式(12)の両辺に左から乗算すると
【0077】
【数16】
Figure 0004074033
【0078】
となり、波面収差量を算出できることが分かる。
【0079】
今、式(16)左辺の{[Ot][O]}-1[O]tをEstimation Matrix (エスティメーション行列)E(5,12)として次のように定義する。
【0080】
【数17】
Figure 0004074033
【0081】
ここで、各要素は次のように書き表せる。
【0082】
【数18】
Figure 0004074033
【0083】
【数19】
Figure 0004074033
【0084】
【数20】
Figure 0004074033
【0085】
【数21】
Figure 0004074033
【0086】
【数22】
Figure 0004074033
【0087】
【数23】
Figure 0004074033
【0088】
このEstimation Matrixを用いれば、式(24)で示すように1回の行列演算で波面収差を5つのツェルニケモード別に推定できることがわかる。
【0089】
【数24】
Figure 0004074033
【0090】
式(18)〜式(23)をみると各要素は傾きベクトルα〜ζの逆数に比例することが分かる。従って、式(24)の演算を要素毎に見れば、各ファイバからの検出光強度の直流成分、ならびに、変動成分のそれぞれに対して、先に求めた傾きベクトルα〜ζの逆数に比例した量を乗算することで波面誤差を5種類のツェルニケモード毎に分離して推定できることを意味する。以降では、Estimation Matrix をツェルニケ(Zernike)モード分離用の行列(図11)として用いる。なお、Estimation Matrixの行ベクトル間で内積をとると全ての組み合わせでゼロとなり、各々のフィルタは完全に直交していることが分かる。
【0091】
図12に、上記の波面誤差成分の分離方法を実現するために必要な演算部分の構成を示す。図において、141は局部発振器、42は可変形状鏡(図1の4)の電極に対する電位分配係数(Actuator Matrix (13×5))、43はDA変換器、44はAD変換器、45は光強度信号の直流成分、46は光強度変動の変動成分、47は観測信号ベクトル(Measurement DATA (12×1))、48は積算器、149は局部発振正弦波信号、150は遅延器、151は積算器、56はツェルニケ(Zernike)モード分離用の行列(Estimation Matrix (5×12))、57は波面誤差算出値(Zernike Error Vector (5×1))、58は増幅器(State Estimator)、59は補償信号である。
【0092】
動作について説明する。焦点外れに関するディザー信号を重畳するために、局部発振器41により単一の周波数の正弦波49を発生させる。この正弦波49は制御対象となる可変形状鏡(図1の4)の電極に対する分配係数42を乗算した後、DA変換器43によりアナログ信号に変換して可変形状鏡(図1の4)へと送られる。分配係数42は可変形状鏡の構造や材質により決定され、ツェルニケ(Zernike)モードの焦点外れ成分のみを変化させるような複数電極への電圧分配比に設定しておく。次に光強度検出器(図1の8)により得られた複数の光強度信号をAD変換器44によりディジタル信号に変換してさらに、直流成分45と変動成分46とを分離抽出した後、観測ベクトル47を生成する。なお、直流成分45はAD変換後の信号を積算器48を用いて積算平均することで得ることができる。また、変動成分46は直交復調方式により抽出する。すなわち、局部発振器141により周波数が可変形状鏡駆動用周波数と等しい正弦波149を発生させ、遅延器150で位相調整した局部発振信号をAD変換後の観測信号に乗算し、積算器151を用いて積算平均する。これにより変動成分の実効値を抽出することができる。ここで、遅延器150は局部発振信号と観測信号との間の位相ずれを補正するために設けられる。このように演算し、光強度検出器(図1の8)により得られた複数の光強度信号から、直流成分と交流成分とを分離して、かつ、各々の振幅(実効値)を算出する。
【0093】
こうして生成された観測ベクトル47にツェルニケ(Zernike)モード分離用の行列56を乗算することによりツェルニケ(Zernike)モード毎に分離された波面誤差成分57が取り出される。算出されたツェルニケ(Zernike)モード毎の波面誤差成分57は増幅器58により利得が調整されて補償信号59となる。補償信号59は、可変形状鏡(図1の4)の電極の電位分布への変換行列である分配係数行列42が乗算された後、DA変換器43によりアナログ信号に変換されて可変形状鏡(図1の4)へと送られる。この分配係数行列42は実測値により予め準備可能であり、ツェルニケ(Zernike)モード分離用の行列56と予め乗算したものを用意し、1回の乗算で可変形状鏡に送信する補償信号を算出することも可能である。以上の操作を連続的に繰り返すことで波面誤差の検出と補償を行うことができる。
【0094】
本発明は、以上のように構成されているので、図13及び図14に示した従来のファイバカプラで発生していたような電極とファイバ間の放電やファイバ表面への粉塵の付着もなく、一種類のディザー周波数のみで波面誤差の分離検出が可能となるため、コスト低減が図れるとともに、可変形状鏡の応答周波数に対する要求を緩和でき、また、可変形状鏡面上の連成振動も発生しない。従って、図16の従来のマルチディザー方式補償光学系の課題を解決する有力な方法となる。この結果、衛星と地上間の空間光通信において光アンテナにより受信したレーザ光を集光する際のスポットの広がりを最小化でき、効率良くシングルモードファイバに結合させることが可能となる。
【0095】
【発明の効果】
この発明は、波面収差を受けた光を導入するためのアンテナ手段と、上記アンテナ手段により導入した上記光に任意の波面収差を任意の周波数で重畳するための可変形状鏡と、上記可変形状鏡により波面収差が重畳された光を集光するための集光手段と、上記集光手段の後側焦点面近傍に集光した光の強度を光軸上とその周囲の複数点において独立に検出するための複数の検出器を有する光強度検出手段と、上記光強度検出手段で検出された各々の光強度信号からその直流成分と交流成分を分離するとともに、各々の振幅を算出する算出手段と、上記算出手段により得られた複数個の振幅を成分とするベクトルに対して任意の要素をもつ行列を乗算する行列乗算手段と、上記行列乗算手段により算出された結果を可変形状鏡に加えるためのインターフェイス手段と、を備え、上記行列乗算手段における上記行列の行数が波面収差を多項式で展開した場合の展開次数に対応するとともに、上記行列の列数が上記光強度検出手段の上記検出器の個数の2倍に対応し、かつ、上記行列の行ベクトル同士が互いに直交関係をなす波面誤差検出装置であるので、電極とファイバ間の放電やファイバ表面への粉塵の付着もなく、一種類のディザー周波数のみで波面誤差の分離検出が可能となるため、コスト低減が図れるとともに、可変形状鏡の応答周波数に対する要求を緩和でき、また、可変形状鏡面上の連成振動も発生しないという効果が得られる。
【0096】
また、可変形状鏡においてツェルニケ(Zernike) 多項式で展開可能な任意の波面収差を任意の周波数と任意の振幅とで重畳可能であるため、単一周波数で波面誤差検出を行うことができる。
【0097】
また、集光手段の焦点面上から離間して光強度検出手段が設けられ、集光手段と光強度検出手段との間に、集光手段により集光された集光光を光強度検出手段に導入するための光伝送手段が設けられているので、集光スポットの広がりとして現れる波面誤差の影響を容易に検知することができる。
【0098】
また、光伝送手段が、光軸上に設けられたシングルモードファイバと、光軸の周辺部に設けられた複数のマルチモードファイバとから構成されているので、波面検出のためにマルチモードファイバを通常用いて、シングルモードファイバは光強度変動による推定誤差軽減の目的とした観測強度規格化の際に用いることができ、効率よく、波面誤差検出を行うことができる。
【0099】
また、光伝送手段の各マルチモードファイバの中心を光軸を中心とした正6角形の頂点に一致させ、かつ、マルチモードファイバを最密に配置しているので、幾何学的な配置に各ファイバが設けられているので、ファイバに対応して設けられた検出器のそれぞれの出力の原点付近での傾きをを2種類以下の定数を用いて示すことができ、演算を容易にすることができる。
【0100】
また、算出手段において、光強度検出手段で検出された各々の光強度信号から、直交復調方式により、直流成分と交流成分を分離して、かつ、各々の振幅を算出するようにしたので、簡易な演算部により構成することができ、演算時間を短縮することができるとともに、演算部の製造コストも安価に抑えることができる。
【0101】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を上記行列乗算手段が用いるようにしたので、容易にティルトの波面誤差を分離することができる。
【0102】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を行列乗算手段が用いるようにしたので、容易に焦点外れ成分及び非点収差成分を分離することができる。
【0103】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例した量を要素の一部とする行列を上記行列乗算手段が用いるようにしたので、容易にティルトの波面誤差を分離することができる。
【0104】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例した量を要素の一部とする行列を行列乗算手段が用いるようにしたので、容易に焦点外れ成分及び非点収差成分を分離することができる。
【0105】
また、この発明は、波面収差を受けた光を導入するための光導入工程と、光導入工程で導入した光に焦点外れに関する波面収差を任意の周波数で重畳するための重畳工程と、重畳工程で波面収差が重畳された光を集光するための集光工程と、集光工程で集光した光の強度を光軸上とその周囲の複数点において複数の検出器により独立に検出する光強度検出工程と、光強度検出工程で検出された各々の光強度信号からその直流成分と交流成分を分離するとともに、各々の振幅を算出する算出工程と、算出工程により得られた複数個の振幅を成分とするベクトルに対して任意の要素をもつ行列を乗算する行列乗算工程と、算出工程により算出された結果に基づき焦点外れに関する波面収差を重畳するように制御する制御工程と、を備え、行列乗算工程における行列の行数が波面収差を多項式で展開した場合の展開次数に対応するとともに、行列の列数が光強度検出工程の検出器の個数の2倍に対応し、かつ、行列の行ベクトル同士が互いに直交関係をなす波面誤差検出方法であるので、電極とファイバ間の放電やファイバ表面への粉塵の付着もなく、一種類のディザー周波数のみで波面誤差の分離検出が可能となるため、コスト低減が図れるとともに、可変形状鏡の応答周波数に対する要求を緩和でき、また、可変形状鏡面上の連成振動も発生しないという効果が得られる。
【0106】
また、重畳工程においてツェルニケ(Zernike) 多項式で展開可能な任意の波面収差を任意の周波数と任意の振幅とで重畳可能であるので、単一周波数で波面誤差検出を行うことができる。
【0107】
また、集光工程と光強度検出工程との間に、集光工程により集光された集光光を光強度検出工程に導入するための光伝送工程をさらに備えているので、集光スポットの広がりとして現れる波面誤差の影響を容易に検知することができる。
【0108】
また、光伝送工程が、光軸上に設けられたシングルモードファイバと、光軸の周辺部に設けられた複数のマルチモードファイバとを用いて光伝送を行うようにしたので、波面検出のためにマルチモードファイバを通常用いて、シングルモードファイバは光強度変動による推定誤差軽減の目的とした観測強度規格化の際に用いることができ、効率よく、波面誤差検出を行うことができる。
【0109】
また、各マルチモードファイバの中心を光軸を中心とした正6角形の頂点に一致させて配置し、かつ、マルチモードファイバを最密に配置して、光伝送を行うようにしたので、幾何学的な配置に各ファイバが設けられているので、ファイバに対応して設けられた検出器のそれぞれの出力の原点付近での傾きをを2種類以下の定数を用いて示すことができ、演算を容易にすることができる。
【0110】
また、算出工程において、光強度検出工程で検出された各々の光強度信号から、直交復調方式により、直流成分と交流成分を分離して、かつ、各々の振幅を算出するようにしたので、簡易な演算部により構成することができ、演算時間を短縮することができるとともに、演算部の製造コストも安価に抑えることができる。
【0111】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いるようにしたので、容易にティルトの波面誤差を分離することができる。
【0112】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いるようにしたので、容易に焦点外れ成分及び非点収差成分を分離することができる。
【0113】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例した量を要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いるようにしたので、容易にティルトの波面誤差を分離することができる。
【0114】
また、ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例した量を要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いるようにしたので、容易に焦点外れ成分及び非点収差成分を分離することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の波面誤差検出装置の構成を示す構成図である。
【図2】 本発明の波面誤差検出装置に設けられた光ファイバアレイの構成を示した側面図である。
【図3】 本発明における検出光強度のティルトに関するツェルニケ(Zernike)係数(A11)に対する依存性を示したグラフである。
【図4】 本発明における検出光強度のティルトに関するツェルニケ(Zernike)係数(B11)に対する依存性を示したグラフである。
【図5】 本発明における検出光強度の焦点外れに関するツェルニケ(Zernike)係数(A20)に対する依存性を示したグラフである。
【図6】 本発明における検出光強度の非点収差に関するツェルニケ(Zernike)係数(A22)に対する依存性を示したグラフである。
【図7】 本発明における検出光強度の非点収差に関するツェルニケ(Zernike)係数(B22)に対する依存性を示したグラフである。
【図8】 本発明における焦点外れに関するディザー信号を重畳した状態における検出光強度変動のツェルニケ(Zernike)係数(A20)に対する依存性を示したグラフである。
【図9】 本発明における焦点外れに関するディザー信号を重畳した状態における検出光強度変動のツェルニケ(Zernike)係数(A22)に対する依存性を示したグラフである。
【図10】 本発明における焦点外れに関するディザー信号を重畳した状態における検出光強度変動のツェルニケ(Zernike)係数(B22)に対する依存性を示したグラフである。
【図11】 本発明におけるツェルニケ(Zernike)モード分離用の[12×5]行列を示した説明図である。
【図12】 波面誤差成分のツェルニケ(Zernike)モード毎の分離法を行う演算部の構成を示したブロック図である。
【図13】 光ファイバ端面の高速回転に基づく従来のファイバカプラの正面図である。
【図14】 光ファイバ端面の高速回転に基づく従来のファイバカプラの側面図である。
【図15】 従来のファイバカプラにおける光ファイバ位置と検出光強度の関係を示したグラフである。
【図16】 従来のマルチディザー方式補償光学系の構成を示した説明図である。
【符号の説明】
1 大気擾乱、2 光アンテナ、3 揺らぎを受けた波面、4 可変形状鏡、5ダイクロイックビームスプリッタ、6 集光レンズ、7 光ファイバアレイ、8 光強度検出器、9 波面誤差演算部、10 可変形状鏡制御部、11 揺らぎ補償された波面、12 光受信機、13 光送信機、14 送信用レーザ光源、15 コリメートレンズ、16 光軸上に設置されるシングルモードファイバ、17 光軸周辺(位置a)に設置されるマルチモードファイバ、18 光軸周辺(位置b)に設置されるマルチモードファイバ、19 光軸周辺(位置c)に設置されるマルチモードファイバ、20 光軸周辺(位置d)に設置されるマルチモードファイバ、21 光軸周辺(位置e)に設置されるマルチモードファイバ、22 光軸周辺(位置f)に設置されるマルチモードファイバ、23 位置aの検出器の出力、24 位置b及び位置fの検出器の出力、25 位置c及び位置eの検出器の出力、26 位置dの検出器の出力、27 位置a及び位置dの検出器の出力、28 位置b及び位置cの検出器の出力、29 位置e及び位置fの検出器の出力、30 位置a〜fの検出器の出力、31 位置a及び位置dの検出器の出力、32 位置b, c, e, fの検出器の出力、33 位置a及び位置dの検出器の出力、34 位置b, c, e, fの検出器の出力、35 位置a〜fの検出器の出力変動の実効値、36 位置a及び位置dの検出器の出力変動の実効値、37 位置b及び位置eの検出器の出力変動の実効値、38 位置c及び位置fの検出器の出力変動の実効値、39 位置a及び位置dの検出器の出力変動の実効値、40 位置b, c, e, fの検出器の出力変動の実効値、42 可変形状鏡の電極に対する電位分配係数、43 DA変換器、44 AD変換器、45 光強度信号の直流成分、46 光強度変動の変動成分、47 観測信号ベクトル、48 積算器、56 ツェルニケ(Zernike)モード分離用の行列、57 波面誤差算出値、58 増幅器、59 補償信号、60 側面を金蒸着したシングルモードファイバ、61 走査用電極、62 走査用電極、63 ファイバ回転中心と光軸が一致した場合の光強度変化、64 ファイバ回転中心と光軸が一致しない場合の光強度変化、65 レーザ光、66 可変形状鏡、67 集光レンズ、68 対象物、69 光強度点検出器、70 波面制御部、141 局部発振器、149 局部発振正弦波信号、150 遅延器、151 積算器。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a wavefront error detection device and a wavefront error detection method, and in particular, in optical communication using laser light between a satellite and the ground, wavefront error detection for detecting a wavefront error of a laser beam disturbed by atmospheric fluctuations. The present invention relates to an apparatus and a wavefront error detection method.
[0002]
[Prior art]
Radio waves are currently used for communication transmission (feeder link) between the satellite and the ground, but in the future, it is required to perform optical communication using laser light. However, the transmission capability between the satellite and the ground using laser light is greatly affected by fluctuations in the atmosphere existing on the propagation path. In other words, the wavefront of the laser beam received by the optical antenna is disturbed by fluctuations in the atmosphere, and even if this is imaged, the focused spot spreads and the reception efficiency is significantly reduced. Therefore, a mechanism (fiber coupler) for efficiently coupling the laser beam condensed by the optical antenna to the single mode fiber is required.
[0003]
FIGS. 13 and 14 are front views showing a conventional fiber coupler shown in, for example, “A novel optical fiber based conical scan tracking device”: SPIE Vol.1522 (1991) pp.243-251 by UA Johann et al. It is a figure and a side view. The tracking method in the conventional fiber coupler shown in FIG. 13 and FIG. 14 extracts an error signal from the fluctuation of the amplitude of the received light incident on the fiber by vibrating the end face of the fixed optical fiber at a high speed leaving a movable range. Realize spatial tracking. In these drawings, reference numeral 60 denotes a single mode fiber (optical fiber) whose side surface is vapor-deposited with gold, and is fixed in a cantilever manner. Therefore, the end surface on the non-fixed side is indicated by a two-dot chain line A in FIG. It is movable within range. 61 and 62 are electrodes installed in the vicinity of the end face of the single mode fiber 60, and the electrodes 61 and 62 are installed at positions orthogonal to each other.
[0004]
The operation will be described. When a potential is applied between the single mode fiber 60 whose side surface is vapor-deposited with gold and the electrode 61 installed in the vicinity of the end face, the fiber is displaced in the direction perpendicular to the optical axis by Coulomb force. Two-dimensional displacement control is possible by installing the electrode 62 at a position orthogonal to the electrode 61. By applying a sine wave signal to the electrode 61 and a cosine wave signal to the electrode 62 with the same amplitude, the fiber can be scanned in a circular shape (two-dot chain line A). FIG. 15 shows the relationship between the fiber position and the detected light intensity. When the scanning signal is not applied to the electrode and the fiber center coincides with the peak position of the optical signal, the detected light intensity 63 is a constant value even when the scanning signal is applied to the electrode. On the other hand, when the fiber center does not coincide with the peak position, the detection signal 64 changes according to the scanning period. This technique is to extract this light intensity signal change 64 as an error signal by the synchronous detection method, and to control the position of the rotation center of the fiber so as to minimize the error signal. The aim is to achieve the optimum coupling efficiency.
[0005]
On the other hand, although not for optical communication, there is a very high possibility that multi-dither system compensation optical technology for correcting beam distortion of high-power laser light can be used as means for tracking received light. As a conventional example, “Analysis and simulation results of wavefront controllability in a multi-dither compensation optical system” by Ichinose et al .: Optics, Vol. 21, No. 10 (1992) pp. 714-719 will be described with reference to FIG. In the figure, 65 is a laser beam, 66 is a deformable mirror whose shape can be varied independently for each region, 67 is a condensing lens for condensing the laser beam 65 reflected by the deformable mirror 66, and 68 is a condensing lens 67. , 69 is a point detector that detects the intensity of reflected light from the object 68, and 70 is a wavefront controller that receives the signal from the point detector 69 and performs wavefront control.
[0006]
The operation will be described. The conventional multi-dither type compensation optical system shown in FIG. 16 performs phase modulation at individual frequencies for each minute region of the laser light, separates and detects each frequency component from the light intensity signal at the beam condensing point, and indirectly. This is a method for detecting a wavefront. First, the laser beam 65 is incident on a deformable mirror 66 whose shape can be varied independently for each region. A sine wave signal (dither signal) having a small amplitude and a constant value is input to the deformable mirror 66 by assigning different frequencies for each region on the surface of the deformable mirror 66. The direct current component of the dither signal is a control parameter for wavefront compensation. Next, the reflected light intensity from the object 68 placed on the focal plane of the condenser lens 67 is detected by the point detector 69. The detected light intensity signal is sent to the wavefront control unit 70 and separated and detected for each frequency component by the synchronous detection method. The detection signal includes a difference component between the original wavefront deviation and the DC component of the sine wave input to the deformable mirror 66, and this value represents the deviation from the original wavefront. Therefore, the condition for aligning the wavefront is when the value of each frequency component of the light intensity is zero. That is, the wavefront controller 70 compensates the wavefront error by controlling the DC component of the dither signal so as to minimize the value of each frequency component of the light intensity, and the spot of the spot on the object 68 of the laser beam 65 is compensated. The spread can be minimized. The feature is that a single-element point detector is sufficient as a detector for wavefront detection, and that it does not require special computations for wavefront detection and compensation, and is high-speed.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
Conventional fiber coupler technology for optical communication is configured as shown in FIGS. 13 and 14, and has the following problems. First, since the optical fiber 60 is mechanically rotated, the time responsiveness is impaired and resonance vibration is generated. This reduces the accuracy of wavefront error detection. In addition, since the Coulomb force is used to rotate the fiber, there are problems such as discharge between the electrode and the fiber and adhesion of dust to the fiber surface. Further, depending on the type of wavefront error included, there may be no rotation center position where the error signal is zero. For example, when coma is included, the light intensity spot shape to be formed is asymmetric on the focal plane. Therefore, a method for detecting a wavefront error without rotating the optical fiber 60 and tracking the received optical signal to the optical fiber core is required.
[0008]
On the other hand, the tracking method using the conventional multi-dither compensation optical system of FIG. 16 can be a method for solving the above-mentioned problems such as discharge between the electrode and the fiber and adhesion of dust to the fiber surface. Still exists. That is, since the wavefront region that can be detected and compensated is determined by the number of divisions of the deformable mirror 66, it is necessary to increase the number of divisions in order to compensate for higher-order wavefront errors, which increases the manufacturing cost of the deformable mirror 66. Inevitable. In addition, since the types of dither frequencies assigned to each area increase with an increase in the number of divisions, it is necessary to install a processing system including a synchronous detection unit for the dither frequency, and an increase in cost is inevitable. On the other hand, since the deformable mirror 66 has a finite frequency response characteristic, the frequency that can be used as a dither signal is limited to this range. Furthermore, since the adjacent regions in the deformable mirror 66 are vibrated at different frequencies, the generation of coupled vibration is unavoidable, and the problem of overcoming the decrease in the stability limit value of the system associated therewith is a problem.
[0009]
Therefore, when tracking the received optical signal using a compensation optical system based on the dither method, the dither input means reduces the number of divisions of the deformable mirror and the type of the dither frequency and is less affected by the coupled vibration. There is a strong demand to establish a wavefront detection and compensation method with
[0010]
The present invention has been made to solve such a problem, and can separate and detect a wavefront error with only one type of dither frequency without discharge between the electrode and the fiber and adhesion of dust to the fiber surface. An object of the present invention is to obtain a wavefront error detection device and a wavefront error detection method that can reduce costs and that do not generate coupled vibration on a deformable mirror.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
The present invention comprises an antenna means for introducing light subjected to wavefront aberration, the above Introduced by antenna means the above A deformable mirror for superimposing an arbitrary wavefront aberration on light at an arbitrary frequency; the above Condensing means for condensing the light on which the wavefront aberration is superimposed by the deformable mirror; the above A light intensity detecting means having a plurality of detectors for independently detecting the intensity of the light collected near the rear focal plane of the light collecting means at a plurality of points on and around the optical axis; the above A calculation means for separating the direct current component and the alternating current component from each light intensity signal detected by the light intensity detection means, and calculating each amplitude; the above Matrix multiplication means for multiplying a vector having a plurality of amplitude components obtained by the calculation means by a matrix having an arbitrary element; Matrix multiplication means Interface means for adding the result calculated by the step to the deformable mirror, the above In matrix multiplication means the above The number of rows in the matrix corresponds to the expansion order when the wavefront aberration is expanded with a polynomial, the above The number of columns in the matrix the above Of light intensity detection means the above Corresponds to twice the number of detectors, and the above This is a wavefront error detection device in which matrix row vectors are orthogonal to each other.
[0012]
In addition, an arbitrary wavefront aberration that can be developed by a Zernike polynomial in a deformable mirror can be superimposed at an arbitrary frequency and an arbitrary amplitude.
[0013]
Further, a light intensity detecting means is provided apart from the focal plane of the light collecting means, and the light intensity collected by the light collecting means is collected between the light collecting means and the light intensity detecting means. An optical transmission means is provided for introduction into the network.
[0014]
The optical transmission means is composed of a single mode fiber provided on the optical axis and a plurality of multimode fibers provided on the periphery of the optical axis.
[0015]
Further, the center of each multimode fiber of the optical transmission means is made to coincide with the apex of a regular hexagon with the optical axis as the center, and the multimode fibers are arranged in a close-packed manner.
[0016]
Further, the calculation means separates the direct current component and the alternating current component from each light intensity signal detected by the light intensity detection means by an orthogonal demodulation method, and calculates each amplitude.
[0017]
Further, the above matrix is a matrix in which the slope of the origin near the horizontal axis when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is on the horizontal axis and the amplitude of the DC component of the detected light intensity is on the vertical axis is part of the above elements Used by multiplication means.
[0018]
Also, matrix multiplication is performed with a matrix whose slope is near the origin on the horizontal axis when the Zernike polynomial expansion coefficient value is on the horizontal axis and the AC component amplitude of the detected light intensity is on the vertical axis. Means.
[0019]
Also, an amount proportional to the reciprocal of the slope near the origin of the horizontal axis when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is plotted on the horizontal axis and the DC component amplitude of the detected light intensity is plotted on the vertical axis The matrix multiplication means uses a matrix as a part.
[0020]
Also, an amount proportional to the reciprocal of the slope near the origin of the horizontal axis when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is plotted on the horizontal axis and the amplitude of the AC component of the detected light intensity is plotted on the vertical axis The matrix multiplication means uses a matrix as a part.
[0021]
The present invention also includes a light introducing step for introducing light subjected to wavefront aberration, a superimposing step for superimposing wavefront aberration relating to defocusing on the light introduced in the light introducing step at an arbitrary frequency, and a superimposing step. A light collecting step for collecting the light with wavefront aberration superimposed on it, and light for detecting the intensity of the light collected in the light collecting step independently by a plurality of detectors at a plurality of points on and around the optical axis. An intensity detection step, a calculation step for separating the DC component and the AC component from each light intensity signal detected in the light intensity detection step, and calculating each amplitude, and a plurality of amplitudes obtained by the calculation step A matrix multiplying step of multiplying a vector having a component as a component by a matrix having an arbitrary element, and a control step of controlling to superimpose wavefront aberration related to defocus based on the result calculated by the calculating step, Matrix multiplication The number of rows in the matrix corresponds to the expansion order when the wavefront aberration is expanded by a polynomial, the number of columns in the matrix corresponds to twice the number of detectors in the light intensity detection step, and the matrix row vector This is a wavefront error detection method in which they are orthogonal to each other.
[0022]
In addition, any wavefront aberration that can be developed with a Zernike polynomial in the superimposing step can be superimposed with any frequency and any amplitude.
[0023]
Moreover, the optical transmission process for introduce | transducing the condensing light condensed by the condensing process to a light intensity detection process is further provided between the condensing process and the light intensity detection process.
[0024]
In the optical transmission step, optical transmission is performed using a single mode fiber provided on the optical axis and a plurality of multimode fibers provided on the periphery of the optical axis.
[0025]
In addition, the center of each multimode fiber is arranged so as to coincide with the apex of a regular hexagon centered on the optical axis, and the multimode fibers are arranged closest to each other to perform optical transmission.
[0026]
In the calculation step, the direct current component and the alternating current component are separated from each light intensity signal detected in the light intensity detection step by the orthogonal demodulation method, and each amplitude is calculated.
[0027]
In addition, the above matrix is a matrix in which the horizontal axis represents the Zernike polynomial expansion coefficient value and the vertical axis represents the amplitude of the DC component of the detected light intensity. Used in the multiplication step.
[0028]
In addition, the above matrix is a matrix in which the horizontal axis is the Zernike polynomial expansion coefficient value and the amplitude of the AC component of the detected light intensity is the vertical axis, and the slope near the origin is part of the element. Used in the multiplication step.
[0029]
Also, an amount proportional to the reciprocal of the slope near the origin of the horizontal axis when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is plotted on the horizontal axis and the DC component amplitude of the detected light intensity is plotted on the vertical axis The matrix used as a part is used in the matrix multiplication step.
[0030]
Also, an amount proportional to the reciprocal of the slope near the origin of the horizontal axis when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is plotted on the horizontal axis and the amplitude of the AC component of the detected light intensity is plotted on the vertical axis The matrix used as a part is used in the matrix multiplication step.
[0031]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiment 1 FIG.
FIG. 1 shows an embodiment of a wavefront error detection device and a wavefront error detection method according to the present invention. The configuration of the apparatus and the wavefront detection / compensation method are similar to those of the conventional multi-dither compensation optical system shown in FIG. 16, except for the following three points. That is, the light intensity detected at one point is detected at a plurality of points on and around the optical axis, the dither signal given at a plurality of frequencies is given at a single frequency, and each of the deformable mirrors The dither signal frequency assigned in the region is assigned to a specific wavefront aberration type (defocus described later). Specific embodiments will be described below.
[0032]
In FIG. 1, 1 is a laser light wavefront (atmospheric turbulence) subjected to turbulent wavefront aberration due to atmospheric fluctuations, 2 is an optical antenna for introducing laser light 1, and 3 is subjected to fluctuations introduced by the optical antenna 2. A wavefront 4 is a deformable mirror that superimposes a wavefront aberration related to defocusing on the light 3 introduced by the optical antenna 2 at an arbitrary frequency, and 5 is a light reflected by the deformable mirror 4 that is introduced into a condenser lens 6 described later. A dichroic beam splitter 6 for condensing the light on which wavefront aberration is superimposed by the deformable mirror 4, and 7 for focusing the light collected on the rear focal plane of the condensing lens 6 on the optical axis. And an optical fiber array for transmitting independently at a plurality of points around it, 8 is a light intensity detector comprising a plurality of detectors for independently detecting the intensity of each light transmitted by the optical fiber array 7, and 9 is a light A DC component and an AC component are separated from each light intensity signal detected by the degree detector 8 and each amplitude (effective value) is calculated, and a vector having the plurality of amplitudes as components is calculated. A wavefront error calculating unit that multiplies a matrix having an arbitrary element once or a plurality of times, and 10 is a deformable mirror control unit having interface means for adding the result calculated by the wavefront error calculating unit 9 to the deformable mirror 4 It is. Reference numeral 11 denotes a wavefront in which fluctuation is compensated.
[0033]
As shown in FIG. 1, the wavefront error detection apparatus of the present invention includes an optical system including an optical antenna 2, a deformable mirror 4, a condensing lens 6, an optical fiber array 7, and a light intensity detector 8, and a wavefront error calculation unit. 9 and the deformable mirror control unit 10. Since FIG. 1 shows an apparatus configuration for performing spatial optical communication, an optical receiver 12, a dichroic beam splitter 5, an optical transmitter 13, and a transmission laser light source 14 for performing optical communication are also described. is doing.
[0034]
Next, the operation will be described. In FIG. 1, a laser wavefront 1 disturbed by atmospheric fluctuations is received by an optical antenna 2 and a known wavefront error is superimposed by a deformable mirror 4. Next, the light is condensed by the condenser lens 6 via the dichroic beam splitter 5. The effect of the wavefront error appears as the spread of the focused spot. In order to detect the spread of the spot, an optical fiber array 7 having a plurality of multimode fibers is installed near the rear focal position optical axis of the condenser lens 6 and a corresponding light intensity detector 8 is provided. Connecting. FIG. 2 shows a layout of the optical fiber array 7. The influence of wavefront aberration included in the received signal appears as a change in the ratio of the light intensity detected by each detector.
[0035]
As shown in FIG. 2, the optical fiber array 7 is arranged on a single mode fiber 16 on the optical axis, and a plurality of multimode fibers 17 to 22 are arranged on the periphery thereof. The multimode fibers 17 to 22 are arranged such that the regular hexagonal apex centered on the optical axis coincides with the centers of the multimode fibers 17 to 22, and the fibers 16 to 22 are arranged in close proximity to each other. Has been. Moreover, each fiber 16-22 is accommodated in the tubular exterior 7a. The optical fiber array 7 is configured as described above, and constitutes an optical transmission means for introducing the condensed light into the light intensity detector 8 arranged at a position away from the focal plane of the condenser lens 6. Yes. Note that it is desirable to use only the fiber around the optical axis and the detector corresponding to it for wavefront error detection, and the observation intensity standardization for the purpose of reducing the estimation error due to the fluctuation of the optical intensity is on the optical axis (center part). Used when.
[0036]
Next, a change in signal intensity at each detector (multimode fibers 17 to 22) when a wavefront having a known wavefront error is incident will be described. The wavefront error is expressed in the form of series expansion with a Zernike polynomial as shown in the following equation (1).
[0037]
[Expression 1]
Figure 0004074033
[0038]
Here, Φ is a radial polynomial and is expressed by the following equations (2) to (7).
[0039]
[Expression 2]
Figure 0004074033
[0040]
[Equation 3]
Figure 0004074033
[0041]
[Expression 4]
Figure 0004074033
[0042]
[Equation 5]
Figure 0004074033
[0043]
[Formula 6]
Figure 0004074033
[0044]
[Expression 7]
Figure 0004074033
[0045]
Since the Zernike polynomial is an orthogonal function system, the coefficient values Apq and Bpq of each term can be determined independently, and each term corresponds to an optical aberration. Further, a low-order term with respect to r corresponds to Seidel aberration, the second term is tilt, the third term is out of focus, the fourth term is astigmatism, and the fifth term is coma. In the following, each term will be collectively referred to as Zernike mode or simply mode. Now, it is assumed that the wavefront error can be approximated up to the fourth term (up to the second order), which is a particularly dominant term. Therefore, in the present invention, in the deformable mirror 4, any wavefront aberration that can be developed by the Zernike polynomial can be superimposed at any frequency and any amplitude.
[0046]
FIG. 3 shows a Zernike (Zernike) of the detected light intensity with the coefficient value A11 relating to the tilt of the second term of the above equation (1) as the horizontal axis and the detected light intensity (DC component amplitude of the detected light intensity (Normalized Optical Power)) as the vertical axis. Zernike) represents the coefficient dependency. The detected light intensity varies depending on the position of each detector (corresponding to the multimode fibers 17 to 22), 23 is the detector output of the multimode fiber 17 (position a), and 24 is the multimode fiber 18 (position b). And 22 (position f) detector output, 25 is the detector output of multimode fiber 19 (position c) and 21 (position e), and 26 is the detector output of multimode fiber 20 (position d). Indicates. Each output has an asymmetric characteristic with respect to the origin, and is characterized by a straight line having a constant slope near the origin. Fibers 19 and 21 (positions c and e) and fibers 18 and 22 (positions b and f) have the same characteristics, respectively, and fibers 17 and 20 ( The positions a and d), and the fibers 18 and 22 (positions b and f) and the fibers 19 and 21 (positions c and e) are equal in size and have opposite signs. Therefore, these inclinations can be expressed by using two types of constants α and β, and the inclinations of the respective outputs of the fibers 17 to 22 (positions a, b, c, d, e, and f) near the origin. Can be expressed in vector form as (α, β, −β, −α, −β, β).
[0047]
FIG. 4 is a graph in which the horizontal axis represents the coefficient value B11 relating to the tilt in the direction orthogonal to the second term A11 of the above equation (1), and the detected light intensity (normalized optical power) is plotted on the vertical axis. It is a thing. 27, 28 and 29 represent the detector outputs of fibers 17 and 20 (positions a and d), fibers 18 and 19 (positions b and c), and fibers 21 and 22 (positions e and f), respectively. It is characterized by having an asymmetric characteristic with respect to the origin as in the case of. The inclination vector of the detector output near the origin of the positions a to f can be expressed as (0, γ, γ, 0, −γ, −γ) using one kind of constant γ. In the case of A11 and B11, when the inner product calculation is executed for each inclination vector at the origin, it becomes 0. This means that in the case of A11 and B11, the detector outputs are in an orthogonal relationship.
[0048]
FIG. 5 is a graph in which the horizontal axis represents the coefficient value A20 related to defocusing in the third term of the above equation (1), and the detected light intensity (DC component amplitude of the detected light intensity (Normalized Optical Power)) is represented on the vertical axis. It shows that the detector output 30 of all fibers has the same characteristics regardless of position. The detector outputs at the respective positions a to f have characteristics symmetrical with respect to the origin, and further, the inclination vector is (0, 0, 0, 0, 0, 0) near the origin.
[0049]
FIG. 6 shows the coefficient value A22 related to astigmatism in the fourth term of the above equation (1) on the horizontal axis and the detected light intensity (DC component amplitude of the detected light intensity (Normalized Optical Power)) on the vertical axis. The detector output 31 shows the characteristics of the fibers (detectors) 17 and 20 at the positions a and d, and the detector output 32 shows the characteristics of the fibers (detectors) at the positions b, c, e, and f. Although 31 and 32 show different characteristics depending on the position of the fiber (detector), all have symmetrical characteristics with respect to the origin, and the feature is that the inclination is zero near the origin as in the case of FIG.
[0050]
FIG. 7 shows the detected light intensity (DC component amplitude of the detected light intensity (Normalized Optical Power)) with the coefficient value B22 relating to astigmatism in the direction orthogonal to A22 in the fourth term of the above equation (1) as the horizontal axis. It is represented on the axis. Characteristic 33 indicates the detector output at positions a and d, and characteristic 34 indicates the detector output at positions b, c, e, and f. Similar to FIG. 6, the two types of characteristics 33 and 34 are both symmetric with respect to the origin, and the inclination is zero near the origin.
[0051]
Therefore, focusing on the tilt vector near the origin, the tilt wavefront error can be separated. That is, in a region where the wavefront error is sufficiently small, the tilt component can be separated by calculating the inner product of the tilt vector with a vector having the light intensity signal from each fiber (detector) as a component.
[0052]
However, it is impossible to separate an out-of-focus component and an astigmatism component whose intensity changes symmetrically with respect to each coefficient change. In order to solve this problem, a sine wave signal (dither signal) having a periodic and minute amplitude from the outside is assigned to a specific known wavefront aberration and superimposed. When an out-of-focus component is assigned as this known wavefront aberration, the defocus term component of the wavefront error and the two orthogonal components of the astigmatism term can be separated. The principle will be described below.
[0053]
First, the dither signal related to the out-of-focus component is superimposed via the deformable mirror (4 in FIG. 1). As a result, the light intensity signal changes according to the superimposed signal. Next, the amplitude of the light intensity signal is extracted by the synchronous detection method. The extracted signal, that is, the amplitude represents the effective value of the change in light intensity when the amount of defocus is minutely changed. This operation is executed while continuously changing the coefficient value of the wavefront error to obtain the effective value characteristic of the wavefront error coefficient value-light intensity change. At this time, a vector having an inclination near the origin corresponding to the light intensity fluctuation for each fiber (detector) as an element is considered. The vectors obtained for each type of wavefront error coefficient to be continuously changed are orthogonal to each other with respect to wavefront error components other than tilt. In other words, in a region where the wavefront error is sufficiently small, it is possible to separate out-of-focus and astigmatism components by multiplying the effective value signal of the light intensity fluctuation from each detector by the inclination vector for the fluctuation. Become.
[0054]
FIG. 8 shows the effective value of the fluctuation in the detected light intensity (Amplitude of the detected light intensity (Amplitude of amplitude) when the coefficient value A20 relating to the defocus is continuously changed with the dither signal relating to the defocus as the known wavefront aberration superimposed. Power Oscillations)) is plotted on the vertical axis and the coefficient value A20 on the horizontal axis. Regardless of the detector positions a to f, the light intensity fluctuations all have the same characteristic 35. It has antisymmetric characteristics with respect to the origin, and the slope near the origin is approximately a constant value, and this value is η. The inclination of the light intensity fluctuation near the origin can be expressed as an intensity fluctuation inclination vector (η, η, η, η, η, η) having elements having the order of detectors a to f.
[0055]
FIG. 9 shows the coefficient value A22 relating to astigmatism in the state where an out-of-focus dither signal is input, and the effective value of detected light intensity fluctuation (Amplitude of Power Oscillations) on the vertical axis. The output fluctuation 36 of the fibers (detectors) 17 and 20 (positions a and d) is always 0, and the inclination near the origin is 0. The output fluctuation characteristics 37 and 38 of other fibers (detectors) all change linearly, and are expressed by two kinds of characteristics having the same absolute value of inclination and different signs. That is, if the inclination of the fibers (detectors) 18 and 21 (positions b and e) is ε, the inclination of the fibers (detectors) 19 and 22 (positions c and f) is −ε. The gradient vector of the intensity fluctuation is expressed as (ε, −ε / 2, −ε / 2, ε, −ε / 2, −ε / 2). When the inner product operation of this vector and the gradient vector (η, η, η, η, η, η) of the intensity fluctuation when the coefficient value A20 relating to defocusing is continuously changed, 0 is obtained. This means that these vectors are orthogonal.
[0056]
Similarly, FIG. 10 shows the coefficient value B22 related to astigmatism on the horizontal axis and the effective value of detected light intensity fluctuation (Amplitude of Power Oscillations) on the vertical axis. It is represented by two types of characteristics 39 and 40 having the same absolute value of inclination and different signs. The gradient vector of the intensity fluctuation is (0, ζ, −ζ, 0, ζ, −ζ), which is found to be orthogonal to the gradient vectors of FIGS. On the other hand, when only the tilt component exists in the wavefront error, the effective value of the light intensity fluctuation is always 0 with respect to the change of the coefficient value.
[0057]
Therefore, in an area where the wavefront error is sufficiently small, the effective value signal of the fluctuation of the light intensity from each detector is multiplied by the fluctuation gradient vector, thereby defocusing the wavefront error component and astigmatism wavefront error component. Can be separated.
[0058]
The above shows that the Zernike wavefront error component can be separated by using the difference in the characteristics of the two types of gradient vector elements. If this vector is combined into a 12 × 5 matrix and its inverse matrix (5 × 12 matrix) is obtained, the Zernike wavefront error coefficient can be estimated using this inverse matrix. The Zernike error coefficient estimation method will be described below.
[0059]
First, the six light intensity gradient elements and the six light intensity fluctuation gradient elements are combined into a 12-element vector. Further, the 12-element vector is used as a row vector, and tilt, defocus, and astigmatism 5 are obtained. A [12 × 5] matrix is formed by arranging in the column direction for each type of Zernike wavefront error mode. Hereinafter, this 12 × 5 matrix is collectively referred to as an Observation Matrix [O (12,5)] and is defined as the following equation (8).
[0060]
[Equation 8]
Figure 0004074033
[0061]
The actually observed signal is defined as follows. That is, from the light intensity signals obtained by each of the six detectors with the dither signal related to defocusing superimposed, six DC components (p a , p b , p c , p d , p e , p f ) And six variable RMS components (o a , o b , o c , o d , o e , o f ) And is represented by a 12-element vector as in the following equation (9). Hereinafter, this vector is collectively referred to as Measurement Vector (observation signal vector) [M (12,1)].
[0062]
[Equation 9]
Figure 0004074033
[0063]
On the other hand, the wavefront error included in the wavefront is defined as Zernike Error Vector (Zernike error vector (wavefront error component)) [Z (1,5)] and is expressed as the following equation (10).
[0064]
[Expression 10]
Figure 0004074033
[0065]
Then, the following relationship is established.
[0066]
## EQU11 ##
Figure 0004074033
[0067]
Since [O] can be calculated in advance by calculation, it can be seen that in order to estimate the wavefront error [Z], the actually measured value [M] is multiplied by the inverse matrix of [O] from the left side. However, since [O] has 12 × 5 elements and is not a square matrix, there is no inverse matrix as it is. Therefore, consider the following procedure.
[0068]
First, the transposed matrix [O] of [O] t ] From both sides of the equation (8).
[0069]
[Expression 12]
Figure 0004074033
[0070]
{[O on the right side of Formula (12) t ] [O]} is a 5 × 5 square matrix expressed by the following equation (13).
[0071]
[Formula 13]
Figure 0004074033
[0072]
The determinant of this square matrix can be calculated as the following equation (14).
[0073]
[Expression 14]
Figure 0004074033
[0074]
When this determinant takes a non-zero value, the inverse matrix of equation (13) can be calculated as follows.
[0075]
[Expression 15]
Figure 0004074033
[0076]
Next, multiply this inverse matrix from both sides of equation (12) from the left.
[0077]
[Expression 16]
Figure 0004074033
[0078]
Thus, it can be seen that the amount of wavefront aberration can be calculated.
[0079]
Now, the {[O t ] [O]} -1 [O] t Is defined as the following: Estimation Matrix E (5, 12).
[0080]
[Expression 17]
Figure 0004074033
[0081]
Here, each element can be expressed as follows.
[0082]
[Formula 18]
Figure 0004074033
[0083]
[Equation 19]
Figure 0004074033
[0084]
[Expression 20]
Figure 0004074033
[0085]
[Expression 21]
Figure 0004074033
[0086]
[Expression 22]
Figure 0004074033
[0087]
[Expression 23]
Figure 0004074033
[0088]
Using this Estimation Matrix, it can be seen that the wavefront aberration can be estimated for each of the five Zernike modes by a single matrix calculation as shown in Equation (24).
[0089]
[Expression 24]
Figure 0004074033
[0090]
It can be seen from the equations (18) to (23) that each element is proportional to the reciprocal of the inclination vectors α to ζ. Therefore, when the calculation of Expression (24) is seen for each element, it is proportional to the reciprocal of the inclination vectors α to ζ obtained previously for each of the direct current component and the fluctuation component of the detected light intensity from each fiber. This means that the wavefront error can be estimated separately for each of the five types of Zernike modes by multiplying the quantity. In the following, the Estimation Matrix is used as a matrix for Zernike mode separation (FIG. 11). Note that if the inner product is calculated between the row vectors of the estimation matrix, it becomes zero in all combinations, and it can be seen that the filters are completely orthogonal.
[0091]
FIG. 12 shows a configuration of a calculation portion necessary for realizing the above-described wavefront error component separation method. In the figure, 141 is a local oscillator, 42 is a potential distribution coefficient (Actuator Matrix (13 × 5)) for electrodes of the deformable mirror (4 in FIG. 1), 43 is a DA converter, 44 is an AD converter, and 45 is a light. The direct current component of the intensity signal, 46 is the fluctuation component of the light intensity fluctuation, 47 is the observation signal vector (Measurement Data (12 × 1)), 48 is the integrator, 149 is the local oscillation sine wave signal, 150 is the delay device, 151 is An integrator 56 is a matrix for separating Zernike mode (Estimation Matrix (5 × 12)), 57 is a wavefront error calculation value (Zernike Error Vector (5 × 1)), 58 is an amplifier (State Estimator), 59 Is a compensation signal.
[0092]
The operation will be described. In order to superimpose a dither signal related to defocusing, a local oscillator 41 generates a single frequency sine wave 49. The sine wave 49 is multiplied by a distribution coefficient 42 for the electrodes of the deformable mirror (4 in FIG. 1) to be controlled, and then converted into an analog signal by the DA converter 43 to the deformable mirror (4 in FIG. 1). Sent. The distribution coefficient 42 is determined by the structure and material of the deformable mirror, and is set to a voltage distribution ratio to a plurality of electrodes that changes only the defocus component in the Zernike mode. Next, a plurality of light intensity signals obtained by the light intensity detector (8 in FIG. 1) are converted into digital signals by the AD converter 44, and the DC component 45 and the fluctuation component 46 are separated and extracted, and then observed. A vector 47 is generated. The DC component 45 can be obtained by integrating and averaging the signal after AD conversion using the integrator 48. The fluctuation component 46 is extracted by an orthogonal demodulation method. That is, a local oscillator 141 generates a sine wave 149 having a frequency equal to the frequency for driving a deformable mirror, a local oscillation signal whose phase is adjusted by a delay unit 150 is multiplied by an observation signal after AD conversion, and an integrator 151 is used. Accumulated average. Thereby, the effective value of the fluctuation component can be extracted. Here, the delay device 150 is provided to correct a phase shift between the local oscillation signal and the observation signal. Thus, the direct current component and the alternating current component are separated from a plurality of light intensity signals obtained by the light intensity detector (8 in FIG. 1), and the amplitude (effective value) of each is calculated. .
[0093]
A wavefront error component 57 separated for each Zernike mode is extracted by multiplying the Zernike mode separation matrix 56 by the observation vector 47 thus generated. The gain of the wavefront error component 57 for each calculated Zernike mode is adjusted by an amplifier 58 to become a compensation signal 59. The compensation signal 59 is multiplied by a distribution coefficient matrix 42, which is a conversion matrix into the potential distribution of the electrodes of the deformable mirror (4 in FIG. 1), and then converted into an analog signal by the DA converter 43, thereby transforming the deformable mirror ( It is sent to 4) in FIG. This distribution coefficient matrix 42 can be prepared in advance based on actually measured values. A matrix 56 for separating the Zernike mode is preliminarily multiplied, and a compensation signal to be transmitted to the deformable mirror is calculated by one multiplication. It is also possible. The wavefront error can be detected and compensated by repeating the above operation continuously.
[0094]
Since the present invention is configured as described above, there is no discharge between the electrode and the fiber and adhesion of dust to the fiber surface as occurred in the conventional fiber coupler shown in FIGS. Since the wavefront error can be separated and detected with only one kind of dither frequency, the cost can be reduced, the requirement for the response frequency of the deformable mirror can be relaxed, and the coupled vibration on the deformable mirror does not occur. Therefore, this is an effective method for solving the problems of the conventional multi-dither type compensation optical system of FIG. As a result, it is possible to minimize the spread of the spot when condensing the laser beam received by the optical antenna in the spatial optical communication between the satellite and the ground, and it is possible to efficiently couple to the single mode fiber.
[0095]
【The invention's effect】
The present invention comprises an antenna means for introducing light subjected to wavefront aberration, the above Introduced by antenna means the above A deformable mirror for superimposing an arbitrary wavefront aberration on light at an arbitrary frequency; the above Condensing means for condensing the light on which the wavefront aberration is superimposed by the deformable mirror; the above A light intensity detecting means having a plurality of detectors for independently detecting the intensity of the light collected near the rear focal plane of the light collecting means at a plurality of points on and around the optical axis; the above A calculation means for separating the direct current component and the alternating current component from each light intensity signal detected by the light intensity detection means, and calculating each amplitude; the above Matrix multiplication means for multiplying a vector having a plurality of amplitude components obtained by the calculation means by a matrix having an arbitrary element; Matrix multiplication means Interface means for adding the result calculated by the step to the deformable mirror, the above In matrix multiplication means the above The number of rows in the matrix corresponds to the expansion order when the wavefront aberration is expanded with a polynomial, the above The number of columns in the matrix the above Of light intensity detection means the above Corresponds to twice the number of detectors, and the above Since the wavefront error detector is a matrix whose row vectors are orthogonal to each other, there is no discharge between the electrode and the fiber, and no dust adheres to the fiber surface, making it possible to detect and detect wavefront errors using only one type of dither frequency. As a result, the cost can be reduced, the demand for the response frequency of the deformable mirror can be relaxed, and the coupled vibration on the deformable mirror surface can be prevented.
[0096]
In addition, since any wavefront aberration that can be developed by a Zernike polynomial in the deformable mirror can be superimposed at any frequency and any amplitude, wavefront error detection can be performed at a single frequency.
[0097]
Further, a light intensity detecting means is provided apart from the focal plane of the light collecting means, and the light intensity collected by the light collecting means is collected between the light collecting means and the light intensity detecting means. Since the optical transmission means for introduction into the light source is provided, it is possible to easily detect the influence of the wavefront error that appears as the spread of the focused spot.
[0098]
Further, since the optical transmission means is composed of a single mode fiber provided on the optical axis and a plurality of multimode fibers provided on the periphery of the optical axis, the multimode fiber is used for wavefront detection. Normally used, the single mode fiber can be used for normalizing the observation intensity for the purpose of reducing the estimation error due to the fluctuation of the light intensity, and the wavefront error can be detected efficiently.
[0099]
In addition, since the center of each multimode fiber of the optical transmission means coincides with the apex of a regular hexagon centered on the optical axis, and the multimode fibers are arranged in the closest packing, Since the fiber is provided, the inclination of the output of each detector provided corresponding to the fiber near the origin can be indicated using two or less constants, which facilitates the calculation. it can.
[0100]
Further, in the calculation means, the direct current component and the alternating current component are separated from each light intensity signal detected by the light intensity detection means by the orthogonal demodulation method, and each amplitude is calculated. The calculation unit can be configured to shorten the calculation time, and the manufacturing cost of the calculation unit can be reduced.
[0101]
Further, the above matrix is a matrix in which the slope of the origin near the horizontal axis when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is on the horizontal axis and the amplitude of the DC component of the detected light intensity is on the vertical axis is part of the above elements Since the multiplication means is used, the tilt wavefront error can be easily separated.
[0102]
Also, matrix multiplication is performed with a matrix whose element is the slope near the origin of the horizontal axis when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is on the horizontal axis and the AC component amplitude of the detected light intensity is on the vertical axis. Since the means is used, the defocus component and astigmatism component can be easily separated.
[0103]
In addition, when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is on the horizontal axis and the amplitude of the DC component of the detected light intensity is on the vertical axis, an amount proportional to the reciprocal of the slope near the horizontal axis origin is part of the element Since the matrix multiplication means uses the matrix, the tilt wavefront error can be easily separated.
[0104]
In addition, when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is plotted on the horizontal axis, and the amplitude of the AC component of the detected light intensity is plotted on the vertical axis, an amount proportional to the reciprocal of the inclination near the horizontal axis origin is part of the element. Since the matrix multiplication means uses the matrix, the defocus component and astigmatism component can be easily separated.
[0105]
The present invention also includes a light introducing step for introducing light subjected to wavefront aberration, a superimposing step for superimposing wavefront aberration relating to defocusing on the light introduced in the light introducing step at an arbitrary frequency, and a superimposing step. A light collecting step for collecting the light with wavefront aberration superimposed on it, and light for detecting the intensity of the light collected in the light collecting step independently by a plurality of detectors at a plurality of points on and around the optical axis. An intensity detection step, a calculation step for separating the DC component and the AC component from each light intensity signal detected in the light intensity detection step, and calculating each amplitude, and a plurality of amplitudes obtained by the calculation step A matrix multiplying step of multiplying a vector having a component as a component by a matrix having an arbitrary element, and a control step of controlling to superimpose wavefront aberration related to defocus based on the result calculated by the calculating step, Matrix multiplication The number of rows in the matrix corresponds to the expansion order when the wavefront aberration is expanded by a polynomial, the number of columns in the matrix corresponds to twice the number of detectors in the light intensity detection step, and the matrix row vector Because it is a wavefront error detection method in which they are orthogonal to each other, there is no discharge between the electrode and the fiber and adhesion of dust to the fiber surface, so it is possible to detect and detect the wavefront error with only one type of dither frequency, The cost can be reduced, the requirement for the response frequency of the deformable mirror can be relaxed, and the coupled vibration on the deformable mirror surface is not generated.
[0106]
Further, since any wavefront aberration that can be developed by a Zernike polynomial can be superimposed at any frequency and any amplitude in the superimposing step, wavefront error detection can be performed at a single frequency.
[0107]
Moreover, since the light transmission process for introduce | transducing the condensing light condensed by the condensing process to a light intensity detection process is further provided between a condensing process and a light intensity detection process, The influence of the wavefront error that appears as a spread can be easily detected.
[0108]
In addition, since the optical transmission process uses a single mode fiber provided on the optical axis and a plurality of multimode fibers provided on the periphery of the optical axis, the optical transmission process is performed for wavefront detection. In general, a multimode fiber is normally used, and a single mode fiber can be used for normalization of observation intensity for the purpose of reducing an estimation error due to fluctuations in light intensity, and wavefront error can be detected efficiently.
[0109]
In addition, the center of each multimode fiber is arranged so as to coincide with the apex of a regular hexagon centered on the optical axis, and the multimode fibers are arranged closest to each other so as to perform optical transmission. Since each fiber is provided in a geometrical arrangement, the slope of the output of each detector provided corresponding to the fiber can be indicated using the constants of two or less types. Can be made easier.
[0110]
In the calculation process, the direct current component and the alternating current component are separated from each light intensity signal detected in the light intensity detection process by the orthogonal demodulation method, and each amplitude is calculated. The calculation unit can be configured to shorten the calculation time, and the manufacturing cost of the calculation unit can be reduced.
[0111]
Further, the above matrix is a matrix in which the slope of the origin near the horizontal axis when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is on the horizontal axis and the amplitude of the DC component of the detected light intensity is on the vertical axis is part of the above elements Since it is used in the multiplication step, the tilt wavefront error can be easily separated.
[0112]
In addition, the above matrix is a matrix in which the horizontal axis is the Zernike polynomial expansion coefficient value and the amplitude of the AC component of the detected light intensity is the vertical axis, and the slope near the origin is part of the element. Since it is used in the multiplication step, the defocus component and astigmatism component can be easily separated.
[0113]
In addition, when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is on the horizontal axis and the amplitude of the DC component of the detected light intensity is on the vertical axis, an amount proportional to the reciprocal of the slope near the horizontal axis origin is part of the element Is used in the matrix multiplication step, the tilt wavefront error can be easily separated.
[0114]
In addition, when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is plotted on the horizontal axis, and the amplitude of the AC component of the detected light intensity is plotted on the vertical axis, an amount proportional to the reciprocal of the inclination near the horizontal axis origin is part of the element. Is used in the matrix multiplication step, the defocus component and astigmatism component can be easily separated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram showing a configuration of a wavefront error detection device of the present invention.
FIG. 2 is a side view showing a configuration of an optical fiber array provided in the wavefront error detection device of the present invention.
FIG. 3 is a graph showing the dependency of the detected light intensity on the Zernike coefficient (A11) with respect to the tilt of the detected light in the present invention.
FIG. 4 is a graph showing the dependence of the detected light intensity on the Zernike coefficient (B11) regarding the tilt of the detected light in the present invention.
FIG. 5 is a graph showing the dependence of the detected light intensity on the Zernike coefficient (A20) regarding the defocusing of the detected light intensity in the present invention.
FIG. 6 is a graph showing the dependence of the detected light intensity on the Zernike coefficient (A22) regarding astigmatism in the present invention.
FIG. 7 is a graph showing the dependence of the detected light intensity on the Zernike coefficient (B22) regarding astigmatism in the present invention.
FIG. 8 is a graph showing the dependence of detected light intensity fluctuation on the Zernike coefficient (A20) in a state where a dither signal related to defocusing is superimposed in the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the dependency of detected light intensity fluctuation on the Zernike coefficient (A22) in a state where a dither signal related to defocusing is superimposed in the present invention.
FIG. 10 is a graph showing the dependency of detected light intensity fluctuation on the Zernike coefficient (B22) in a state where a dither signal related to defocusing is superimposed in the present invention.
FIG. 11 is an explanatory diagram showing a [12 × 5] matrix for Zernike mode separation in the present invention.
FIG. 12 is a block diagram illustrating a configuration of a calculation unit that performs a separation method for each Zernike mode of wavefront error components.
FIG. 13 is a front view of a conventional fiber coupler based on high-speed rotation of an optical fiber end face.
FIG. 14 is a side view of a conventional fiber coupler based on high-speed rotation of an optical fiber end face.
FIG. 15 is a graph showing a relationship between an optical fiber position and a detected light intensity in a conventional fiber coupler.
FIG. 16 is an explanatory diagram showing a configuration of a conventional multi-dither type compensation optical system.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Atmospheric turbulence, 2 Optical antenna, 3 Wave surface which received fluctuation, 4 Variable shape mirror, 5 Dichroic beam splitter, 6 Condensing lens, 7 Optical fiber array, 8 Light intensity detector, 9 Wavefront error calculating part, 10 Variable shape Mirror control unit, 11 fluctuation-compensated wavefront, 12 optical receiver, 13 optical transmitter, 14 transmitting laser light source, 15 collimating lens, 16 single mode fiber installed on the optical axis, 17 optical axis periphery (position a ), Multimode fiber installed around 18 optical axis (position b), 19 multimode fiber installed around optical axis (position c), 20 around optical axis (position d) Multimode fiber installed, 21 Multimode fiber installed around the optical axis (position e), 22 Multimode fiber installed around the optical axis (position f) 23, output of detector at position a, 24 output of detector at position b and f, 25 output of detector at position c and e, 26 output of detector at position d, 27 position a and position d 28, output of detectors at positions b and c, 29 output of detectors at positions e and f, 30 output of detectors at positions a to f, 31 detector at positions a and d 32, outputs of detectors at positions b, c, e, f, 33 outputs of detectors at positions a and d, 34 outputs of detectors at positions b, c, e, f, 35 positions a to f The effective value of the output fluctuation of the detector at 36, the effective value of the output fluctuation of the detector at the position a and the position d, 37 The effective value of the output fluctuation of the detector at the position b and the position e, and the detection of the 38 position c and the position f Effective value of output fluctuation of detector, 39 Effective value of output fluctuation of detector at position a and position d, 40 Effective value of output fluctuation of detector at positions b, c, e, f, 42 Variable shape mirror Potential distribution coefficient for the electrodes, 43 DA converter, 44 AD converter, 45 DC component of light intensity signal, 46 Fluctuation component of light intensity fluctuation, 47 Observation signal vector, 48 integrator, 56 For Zernike mode separation Matrix, 57 wavefront error calculation value, 58 amplifier, 59 compensation signal, 60 single-mode fiber with gold-deposited side, 61 scanning electrode, 62 scanning electrode, 63 Light intensity when fiber rotation center and optical axis coincide Change, 64 Light intensity change when fiber rotation center and optical axis do not match, 65 Laser light, 66 Deformable mirror, 67 Condensing lens, 68 Object, 69 Light intensity point detector, 70 Wavefront controller, 141 Local Oscillator, 149 Local oscillation sine wave signal, 150 delay device, 151 integrator.

Claims (20)

波面収差を受けた光を導入するためのアンテナ手段と、
上記アンテナ手段により導入した上記光に任意の波面収差を任意の周波数で重畳するための可変形状鏡と、
上記可変形状鏡により波面収差が重畳された光を集光するための集光手段と、
上記集光手段の後側焦点面近傍に集光した光の強度を光軸上とその周囲の複数点において独立に検出するための複数の検出器を有する光強度検出手段と、
上記光強度検出手段で検出された各々の光強度信号からその直流成分と交流成分を分離するとともに、各々の振幅を算出する算出手段と、
上記算出手段により得られた複数個の振幅を成分とするベクトルに対して任意の要素をもつ行列を乗算する行列乗算手段と、
上記行列乗算手段により算出された結果を可変形状鏡に加えるためのインターフェイス手段と、
を備え、
上記行列乗算手段における上記行列の行数が波面収差を多項式で展開した場合の展開次数に対応するとともに、上記行列の列数が上記光強度検出手段の上記検出器の個数の2倍に対応し、かつ、上記行列の行ベクトル同士が互いに直交関係をなす
ことを特徴とする波面誤差検出装置。
Antenna means for introducing light subjected to wavefront aberration;
A deformable mirror for superimposing an arbitrary wavefront aberration at an arbitrary frequency on the light introduced by the antenna means;
Condensing means for condensing the light on which the wavefront aberration is superimposed by the deformable mirror;
A light intensity detecting means having a plurality of detectors for independently detecting the intensity of the light collected near the rear focal plane of the light collecting means at a plurality of points on and around the optical axis;
A calculation means for separating the direct current component and the alternating current component from each light intensity signal detected by the light intensity detection means, and calculating each amplitude;
Matrix multiplication means for multiplying a vector having a plurality of amplitude components obtained by the calculation means by a matrix having an arbitrary element;
Interface means for adding the result calculated by the matrix multiplication means to the deformable mirror;
With
The number of rows of the matrix in the matrix multiplication means corresponds to the expansion order when the wavefront aberration is expanded by a polynomial, and the number of columns of the matrix corresponds to twice the number of detectors of the light intensity detection means. A wavefront error detection apparatus, wherein the row vectors of the matrix are orthogonal to each other.
上記可変形状鏡においてツェルニケ(Zernike) 多項式で展開可能な任意の波面収差を任意の周波数と任意の振幅とで重畳可能であることを特徴とする請求項1記載の波面誤差検出装置。  2. The wavefront error detecting device according to claim 1, wherein an arbitrary wavefront aberration that can be developed by a Zernike polynomial can be superimposed at an arbitrary frequency and an arbitrary amplitude in the deformable mirror. 上記集光手段の焦点面上から離間して上記光強度検出手段が設けられ、
上記集光手段と上記光強度検出手段との間に、上記集光手段により集光された集光光を上記光強度検出手段に導入するための光伝送手段が設けられている
ことを特徴とする請求項1または2に記載の波面誤差検出装置。
The light intensity detecting means is provided apart from the focal plane of the light collecting means,
An optical transmission means is provided between the light collecting means and the light intensity detecting means for introducing the condensed light collected by the light collecting means into the light intensity detecting means. The wavefront error detection apparatus according to claim 1 or 2.
上記光伝送手段が、
光軸上に設けられたシングルモードファイバと、
上記光軸の周辺部に設けられた複数のマルチモードファイバと
から構成されていることを特徴とする請求項3記載の波面誤差検出装置。
The optical transmission means is
A single mode fiber provided on the optical axis;
The wavefront error detection device according to claim 3, comprising: a plurality of multimode fibers provided in a peripheral portion of the optical axis.
上記光伝送手段の各上記マルチモードファイバの中心を上記光軸を中心とした正6角形の頂点に一致させ、かつ、上記マルチモードファイバを最密に配置したことを特徴とする請求項4記載の波面誤差検出装置。  The center of each said multimode fiber of the said optical transmission means is made to correspond to the vertex of the regular hexagon centering on the said optical axis, and the said multimode fiber is arrange | positioned closest. Wavefront error detection device. 上記算出手段において、上記光強度検出手段で検出された各々の光強度信号から、直交復調方式により、直流成分と交流成分を分離して、かつ、各々の振幅を算出することを特徴とする請求項1ないし5のいずれかに記載の波面誤差検出装置。  The calculating means is characterized in that the direct current component and the alternating current component are separated from each light intensity signal detected by the light intensity detecting means by an orthogonal demodulation method and each amplitude is calculated. Item 6. The wavefront error detection device according to any one of Items 1 to 5. ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を上記行列乗算手段が用いることを特徴とする請求項1ないし6のいずれかに記載の波面誤差検出装置。  The matrix multiplication means described above is a matrix in which the Zernike polynomial expansion coefficient value is on the horizontal axis and the slope of the origin of the detected light intensity on the vertical axis is a part of the element near the horizontal axis origin. The wavefront error detection device according to claim 1, wherein the wavefront error detection device is used. ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を上記行列乗算手段が用いることを特徴とする請求項1ないし7のいずれかに記載の波面誤差検出装置。  The matrix multiplication means described above is a matrix in which the Zernike polynomial expansion coefficient value is on the horizontal axis and the AC axis amplitude of the detected light intensity is on the vertical axis, and the slope near the origin of the horizontal axis is part of the element. The wavefront error detection device according to claim 1, wherein the wavefront error detection device is used. ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例する量を、要素の一部とする行列を上記行列乗算手段が用いることを特徴とする請求項1ないし8のいずれかに記載の波面誤差検出装置。  The amount proportional to the reciprocal of the slope near the origin of the horizontal axis when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is plotted on the horizontal axis and the amplitude of the DC component of the detected light intensity is plotted on the vertical axis. 9. The wavefront error detection apparatus according to claim 1, wherein the matrix multiplication means uses a matrix to be used. ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例する量を、要素の一部とする行列を上記行列乗算手段が用いることを特徴とする請求項1ないし9のいずれかに記載の波面誤差検出装置。  The amount proportional to the reciprocal of the slope near the origin of the horizontal axis when the expansion coefficient of the Zernike polynomial is plotted on the horizontal axis and the AC component amplitude of the detected light intensity is plotted on the vertical axis 10. The wavefront error detection apparatus according to claim 1, wherein the matrix multiplication means uses a matrix to be processed. 波面収差を受けた光を導入するための光導入工程と、
上記光導入工程で導入した上記光に焦点外れに関する波面収差を任意の周波数で重畳するための重畳工程と、
上記重畳工程で波面収差が重畳された光を集光するための集光工程と、
上記集光工程で集光した光の強度を光軸上とその周囲の複数点において複数の検出器により独立に検出する光強度検出工程と、
上記光強度検出工程で検出された各々の光強度信号からその直流成分と交流成分を分離するとともに、各々の振幅を算出する算出工程と、
上記算出工程により得られた複数個の振幅を成分とするベクトルに対して任意の要素をもつ行列を乗算する行列乗算工程と、
上記算出工程により算出された結果に基づき上記焦点外れに関する波面収差を重畳するように制御する制御工程と、
を備え、
上記行列乗算工程における上記行列の行数が波面収差を多項式で展開した場合の展開次数に対応するとともに、上記行列の列数が上記光強度検出工程の上記検出器の個数の2倍に対応し、かつ、上記行列の行ベクトル同士が互いに直交関係をなす
ことを特徴とする波面誤差検出方法。
A light introduction process for introducing light subjected to wavefront aberration;
A superimposing step for superimposing wavefront aberration related to defocusing on the light introduced in the light introducing step at an arbitrary frequency;
A condensing step for condensing the light on which the wavefront aberration is superimposed in the superimposing step;
A light intensity detection step of independently detecting the intensity of the light collected in the light collection step by a plurality of detectors at a plurality of points on and around the optical axis;
A calculation step for separating the direct current component and the alternating current component from each light intensity signal detected in the light intensity detection step, and calculating each amplitude;
A matrix multiplication step of multiplying a vector having a plurality of amplitude components obtained by the calculation step by a matrix having an arbitrary element;
A control step of controlling to superimpose the wavefront aberration related to the defocus based on the result calculated by the calculation step;
With
The number of rows of the matrix in the matrix multiplication step corresponds to the expansion order when the wavefront aberration is expanded by a polynomial, and the number of columns of the matrix corresponds to twice the number of detectors in the light intensity detection step. A wavefront error detection method, wherein the row vectors of the matrix are orthogonal to each other.
上記重畳工程においてツェルニケ(Zernike) 多項式で展開可能な任意の波面収差を任意の周波数と任意の振幅とで重畳可能であることを特徴とする請求項11記載の波面誤差検出方法。  12. The wavefront error detection method according to claim 11, wherein an arbitrary wavefront aberration that can be developed by a Zernike polynomial can be superimposed at an arbitrary frequency and an arbitrary amplitude in the superimposing step. 上記集光工程と上記光強度検出工程との間に、上記集光工程により集光された集光光を上記光強度検出工程に導入するための光伝送工程をさらに備えた
ことを特徴とする請求項11または12に記載の波面誤差検出方法。
The method further comprises a light transmission step for introducing the condensed light collected by the light collecting step into the light intensity detecting step between the light collecting step and the light intensity detecting step. The wavefront error detection method according to claim 11 or 12.
上記光伝送工程が、
光軸上に設けられたシングルモードファイバと、上記光軸の周辺部に設けられた複数のマルチモードファイバとを用いて光伝送を行うことを特徴とする請求項13記載の波面誤差検出方法。
The optical transmission process is
14. The wavefront error detection method according to claim 13, wherein optical transmission is performed using a single mode fiber provided on the optical axis and a plurality of multimode fibers provided in the periphery of the optical axis.
各上記マルチモードファイバの中心を上記光軸を中心とした正6角形の頂点に一致させて配置し、かつ、上記マルチモードファイバを最密に配置して、上記光伝送を行うことを特徴とする請求項14記載の波面誤差検出方法。  The optical transmission is performed by arranging the centers of the multimode fibers so as to coincide with the vertices of a regular hexagon centered on the optical axis, and arranging the multimode fibers in the closest arrangement. The wavefront error detection method according to claim 14. 上記算出工程において、上記光強度検出工程で検出された各々の光強度信号から、直交復調方式により、直流成分と交流成分を分離して、かつ、各々の振幅を算出することを特徴とする請求項11ないし15のいずれかに記載の波面誤差検出方法。  In the calculation step, the direct current component and the alternating current component are separated from each light intensity signal detected in the light intensity detection step by an orthogonal demodulation method, and each amplitude is calculated. Item 16. The wavefront error detection method according to any one of Items 11 to 15. ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いることを特徴とする請求項11ないし16のいずれかに記載の波面誤差検出方法。  The matrix multiplication step described above is a matrix in which the Zernike polynomial expansion coefficient value is on the horizontal axis and the slope of the detected light intensity DC component is on the vertical axis, and the slope near the origin of the horizontal axis is part of the element. The wavefront error detection method according to any one of claims 11 to 16, wherein the wavefront error detection method is used. ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きを要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いることを特徴とする請求項11ないし17のいずれかに記載の波面誤差検出方法。  The matrix multiplication step described above is a matrix in which the Zernike polynomial expansion coefficient value is plotted on the horizontal axis and the AC axis amplitude of the detected light intensity is plotted on the vertical axis, and the slope near the origin of the horizontal axis is part of the element. The wavefront error detection method according to claim 11, wherein the wavefront error detection method is used in the method. ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の直流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例する量を、要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いることを特徴とする請求項11ないし18のいずれかに記載の波面誤差検出方法。  The amount proportional to the reciprocal of the slope near the origin of the horizontal axis when the expansion coefficient value of the Zernike polynomial is plotted on the horizontal axis and the amplitude of the DC component of the detected light intensity is plotted on the vertical axis. The wavefront error detection method according to claim 11, wherein a matrix to be used is used in the matrix multiplication step. ツェルニケ(Zernike)多項式の展開係数の値を横軸に、検出光強度の交流成分の振幅を縦軸にとった場合の横軸原点付近の傾きの逆数に比例する量を、要素の一部とする行列を上記行列乗算工程において用いることを特徴とする請求項11ないし19のいずれかに記載の波面誤差検出方法。  The amount proportional to the reciprocal of the slope near the origin of the horizontal axis when the expansion coefficient of the Zernike polynomial is plotted on the horizontal axis and the AC component amplitude of the detected light intensity is plotted on the vertical axis 20. The wavefront error detection method according to claim 11, wherein a matrix to be used is used in the matrix multiplication step.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108988952A (en) * 2018-08-20 2018-12-11 中国科学院上海技术物理研究所 A kind of laser transmitting-receiving optical communication terminal of visual field separate type

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4581111B2 (en) * 2001-04-16 2010-11-17 独立行政法人情報通信研究機構 Optical space communication device
CN102680090A (en) * 2012-05-16 2012-09-19 常州第二电子仪器有限公司 Light radiation detecting device
WO2014041839A1 (en) * 2012-09-14 2014-03-20 日本電気株式会社 Wavefront compensation device and wavefront compensation method
WO2014148027A1 (en) * 2013-03-19 2014-09-25 日本電気株式会社 Light control device, spatial light communication device using same, and light control method
CN104034434B (en) * 2014-06-19 2017-12-26 中国科学院光电技术研究所 Wavefront phase sensor based on self-adaptive fiber coupler array
US10673525B2 (en) * 2015-07-15 2020-06-02 The Secretary, Department Of Electronics And Information Technology Free space optical communication system, apparatus and a method thereof
JPWO2018070206A1 (en) 2016-10-12 2019-08-29 日本電気株式会社 Spectroscopic apparatus and imaging apparatus
JP6556179B2 (en) * 2017-03-22 2019-08-07 キヤノン株式会社 Aberration measuring apparatus and method
JP6701466B2 (en) * 2018-03-01 2020-05-27 三菱電機株式会社 Spatial optical communication receiver
CN113051523B (en) * 2021-03-16 2023-02-24 深圳前海黑顿科技有限公司 Optical device for fast calculating matrix multiplication
CN114088348B (en) * 2021-09-02 2022-09-09 北京理工大学 Multidirectional Slope and Curvature Hybrid Wavefront Reconstruction Method for Higher-Order Truncation Errors
CN114861734B (en) * 2022-05-26 2024-04-16 东南大学 Matrix operation three-dimensional structure unit based on light scattering

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108988952A (en) * 2018-08-20 2018-12-11 中国科学院上海技术物理研究所 A kind of laser transmitting-receiving optical communication terminal of visual field separate type

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