JPH0670592B2

JPH0670592B2 - コンパクト連続波波面センサー

Info

Publication number: JPH0670592B2
Application number: JP63504235A
Authority: JP
Inventors: ウイーラー，ブリース・エー; クック，ラシイ・ジー
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1987-05-26
Filing date: 1988-04-18
Publication date: 1994-09-07
Anticipated expiration: 2009-09-07
Also published as: EP0315663B1; DE3878402T2; IL86197A; EP0315663A1; JPH01503330A; WO1988009488A1; DE3878402D1; US4824243A

Description

【発明の詳細な説明】発明の背景 1.発明の技術分野本発明は光収差を決めるための装置、特に入力ビームに
存在する光学パスエラーあるいは位相エラーを決めるた
めの波面センサーに関する。

2.関連技術の説明波面勾配センサーは、例えば適合光学システムに用いら
れ、光学設備及び／または介在手段によって生成される
波面の歪みを補償するために必要な調節を決定する。多
くの適用例ではビームの断面全体にわたる波面勾配が０
であることが理想的である。勾配が０でないということ
はビームに歪み及び分散があるということであり、その
結果伝送パワーが減少するか、あるいはイメージ生成能
力が低下する。

出力ビームは、例えば変形可能な第１のミラーに測定さ
れた分布の関数としてかけられる圧力を変えることによ
って予め歪ませることができる。このようにしてパラメ
ータに関連した適切な勾配を減少して、送られたパワー
あるいは受け取られたイメージの質を促進することがで
きる。

波面勾配センサーを評価する基準には、信頼性、速度、
分解能およびコストがある。さらにパルス波モード及び
連続波モードのいずれの場合も使用できるような柔軟性
も主な考慮点となる。

いくつか用いられている勾配センサーには移動部材が具
備されている。移動することによってビームの異なった
部分をサンプル化し、すなわち勾配の計算に必要なビー
ムの単一部分の多重計測を行なっている。このようなシ
ステムは一般的に連続波に適用することが制限されると
いう欠点がある。又機械的な運動に関連する時間によっ
て、システムの計測速度が限定される。これは特に実時
間処理が必要とされる場合に問題となる。さらに運動す
る部分を伴うことによって、システムの信頼性が低下し
またコストも増大する。

波面をサンプリングする多重副開口部を用いる別の波面
勾配センサーがある。例えばいくつかのハートマン型セ
ンサーでは多重副開口部を限定する格子が用いられてい
る。各副開口部の範囲内の平均勾配が決定され、集合的
な決定によって勾配分布ビームが与えられる。

格子センサーに伴う主な問題は、高分解能格子の製造が
困難であるということである。さらに入射光の可成の割
合のものが反射によって、或は格子における散乱によっ
て失われてしまう可能性がある。又開口部が小さいと回
折による影響がより深刻なものとなる。最後に機械的な
開口センサーでは約３乃至４倍の計算が必要である。従
ってリアルタイムでの実行が損なわれる。上記の使用可
能なセンサーによって、機械的な運動を伴うシステムの
限界と機械的なグリッド、すなわち副開口部に伴うシス
テムの限界との間で選択が行なわれる。そのために効率
的にデータを処理し、高分解能を感知し、連続波の場合
と同じようにパルスに適用可能な、信頼性のある低コス
トの高速波面感知が必要となる。

発明の概要従って本発明は先行技術の欠点を克服するものである。
本発明は必要なイメージコンポーネントを生成するため
の単一検出アレイ及びイメージ方向装置を用いた波面セ
ンサーを提供している。本発明は又ビームを方向付け、
分割し、フィルタにかけて必要なイメージコンポーネン
トを生成するための種々のプリズム装置を使用する。さ
らに、本発明ではコンパクトな１つのユニット内で機能
光学の映像化と光学的な調節を行なっている。本発明で
は又電子プロセッサを波面センサーと関連づけて入力ビ
ーム上にある位相エラーを決定している。

本願発明の波面センサーは、入力ビームサンプルを得る
手段と、このビームを２つのコンポーネントビームに分
割する第１のビーム分割手段と、この２つのコンポーネ
ントビームを４つのコンポーネントビームに分割する第
２のビーム分割手段とを具備し、第２のビーム分割手段
は位置によってビームの分割率が直線的に変化するラン
プビーム分割装置であり、さらに４つのコンポーネント
ビームの強度分布を検出する手段を具備していることを
特徴とする。

一般的に入力ビームを２つのコンポーネントビームに分
割する機構は、一定の空間関数のビーム分割要素を有す
るプリズムから構成されている。ビーム分割要素はプリ
ズムの一部を通してビームエネルギー強度の約半分を反
射し、プリズムの別の一部を通してビームエネルギー強
度の約半分を送る。２つのコンポーネントビームを４つ
のコンポーネントビームに分割する第２の機構は一般的
に、イメージ平面に位置される直線的に変化するランプ
（ramp）伝達関数のビーム分割器を有するプリズムから
構成される。ランプビーム分割器はビームエネルギー強
度のいくらか、約半分をプリズムの一部を通して反射
し、ビームエネルギー強度の幾らか、約半分をプリズム
の別の一部を通して送る。一般的にプリズムから放出さ
れる２つ及び４つのビームコンポーネントは相互に予め
決められた距離で空間的に分離されている。

さらに入力ビームの位相エラーあるいは収差を決定する
方法が開示されている。一定の空間関数ビーム分割器に
よってビームを２つのビームコンポーネントに均一に分
割するための機構に入力ビームを投射する。２つのビー
ムコンポーネントを線形ランプ関数ビーム分割器によっ
て４つのビームコンポーネントに分割するために、２つ
のビームコンポーネントを機構中に投射する。この４つ
のビームコンポーネントを機構に投射して４つのビーム
コンポーネントの強度分布を検出する。この４つのビー
ムコンポーネントの強度分布から入力ビームの位相エラ
ーを決定する。

この方法では又入力ビーム、２つのビームコンポーネン
ト、４つのビームコンポーネントをビームとして方向付
ける手段が具備されており、ビームコンポーネントはそ
れぞれの機構を通して各々のコンポーネントを生成す
る。さらに、基準光源及びシステムを通しての基準ビー
ムのパスがビームの整列のための設けられ、応答能力、
ドリフト及び較正のために検出器が具備されている。

下記の添付図面を参照した説明及び請求の範囲から、本
発明のその他の目的及び利点は当該分野の専門家には明
確であろう。

図面の簡単な説明第１図は本発明に従った光学線の概略図であり、第２図
は第１図に示されたは面センサーの拡大斜視図である。

発明の詳細な説明図面を参照すると、波面センサーが参照番号10で示され
ている。一般的に入力ビーム16は入口瞳孔12に導入さ
れ、ここには操作鏡を設けることができ、その半径は約
1cmである。そして入力ビーム16は２素子の望遠インタ
ーフェイス14を通過し、それは望ましいｆ番号（ｆ／12
0が望ましい）を有しており、入力ビーム16を波面セン
サー10に向ける。波面センサー10は入力ビーム16を２つ
のビームコンポーネントに分割する機構18を備えてい
る。２つのビームコンポーネントを受け取る機構20は機
構18に近接して設けられている。機構20は２つのビーム
コンポーネントを４つのビームコンポーネントに分割す
る。４つのビームコンポーネント58,60,62及び64は機構
22に向けられ、この機構はビームコンポーネントを調節
し中央に集め、ビームを発散して前記入口瞳孔12を再映
像化する。４つのビームコンポーネント58,60,62及び64
は機構24を通過して４つのビームコンポーネントの像を
増強する。４つのビームコンポーネントの強度分布を検
出するための機構26は増強機構24に近接して設けられて
いる。検出機構26は入力ビームの位相エラーを決める電
子プロセッサ（図示されていない）と関連している。

第２図には波面センサー10の拡大図が示されており、理
解が容易になっている。一般的に入力ビーム16は視線調
節機構28を通り、この機構によって適切に方向付けら
れ、傾斜が与えられ、横方向にシフトされ、入力ビーム
16を整列し、そして分割機構18中に投射される。視線調
節機構28は入力ビームを適切な方向に位置させる働きを
する。一般的に視線調節機構28としては視差プレートま
たは集束レンズが使用される。レンズ34はまた入力ビー
ム16の投射線に配置されて、システム後方の入口瞳孔12
の正しい位置づけを可能にしている。

基準ビーム30は周期的にシステムを通って投射される。
基準ビーム30によって検出器に沿ったシステムの整列、
応答性及びドリフト、較正の周期的なチェックができ
る。基準ビーム30は視線調節機構32を通ることもでき
る。基準ビーム30は以下説明するように入力ビームと似
た様式でシステムを通過する。

分割機構18は一般的に１つのプリズムから構成されてい
る。このプリズムにはビーム分割面38があり、プリズム
を通して入力ビーム16を透過及び反射している。ビーム
分割面38は一般的にビームエネルギー強度の約50％がビ
ーム分割面38を通して伝達され、残りの約50％のエネル
ギーが反射されるようになっている。

一般的にプリズム18及びビーム分割面38は以下のように
働く。入力ビーム16はプリズムの１つの面40に入り、ビ
ーム分割面38に向かって入る。入った入力ビーム16がビ
ーム分割面38に当たると、入力ビーム16の約50％のエネ
ルギーがビーム分割面38を通ってプリズム18の第２の面
42に伝達される。入力ビーム16は面42から反射してプリ
ズム18から出る。入力ビーム16の約50％のエネルギーは
ビーム分割面38に当ってビーム分割面38によってプリズ
ム18の第３の面44に反射される。入力ビーム16は面44か
ら反射してプリズム18から出る。一般的にプリズム18は
ビームをビーム分割面38で反射する五角形プリズム、お
よびビーム分割面38を通過したビームのための単一の反
射プリズムである。このようにして形成された２つのコ
ンポーネントビーム46及び48は相互に予め決められた空
間的な距離でプリズム18から投射される。選択された距
離は、コンポーネントビーム46及び48が適切な間隔を保
持して第２の分割機構20に入るような距離である。

２つのコンポーネントビーム46及び48は分割機構18から
分割機構20に投射される。分割機構20はプリズム20内の
焦点面52に線形ランプ（ramp）ビーム分割器を備えた第
２のプリズムである。線形ランプビーム分割器はよく知
られているようにビーム入射位置の変化と共にその反射
率（したがってその透過率）が直線的に変化し、したが
ってビーム分割率がビーム入射位置の変化と共に直線的
に変化するビーム分割器である。２つのビームコンポー
ネント46及び48は第１のプリズム面51を通して焦点面52
上に投射され、ここでコンポーネントビーム46及び48が
再び分割される。焦点面52には１対の線形ランプビーム
分割器53及び55が備えられ、コンポーネントビーム46及
び48がプリズム20を通過及び反射する。線形ランプビー
ム分割器53及び55には２つのコンポーネントビーム46及
び48をプリズム20を通して適切に伝達し反射するための
予め決められた方向付け及び形がある。プリズム20はま
ず２つのビームを55で反射させ、次に面56から反射させ
る五角形プリズムであり、かつ、プリズム20は２つのビ
ームを55を通して面54から反射させる単一の屈折プリズ
ムである。一般的に線形ランプビーム分割器55及び53に
よって、ビームエネルギーのいくらかは焦点面52を通過
し、残りのエネルギーは焦点面52から反射される。ビー
ムエネルギー強度の50％は焦点面52を通って直接にプリ
ズム20の第２の面54に伝達される。ビームは第２の面54
から反射されてプリズム20から出る。ビームエネルギー
強度の50％は焦点面52から反射し、プリズム20の第３の
面56に向かう。このビームはプリズムを通って第３の面
56から反射されてプリズムから出る。従って２つのコン
ポーネントビーム46及び48は上記のように直接に線形ラ
ンプビーム分割器53及び55に導かれて分割され、４つの
コンポーネントビーム58,60,62及び64を形成する。４つ
のコンポーネントビームは相互に予め決められた望まし
い距離で配置され、ビームが検出機構26に投射されると
きビームの強度分布を決めることができる。プリズム20
はビームを分割するにあたり以下説明するように再度ビ
ームを方向付ける。

４つのビームコンポーネント58,60,62及び64は調節、集
中、発散機構22に向けて投射される。調節、集中、発散
機構22は複数の４つのレンズ66,68,70及び72から構成さ
れ、各々のレンズは４つのコンポーネントビーム58,60,
62,64の１つを集中させ、調節し、発散させることで、
４つのコンポーネントビームが適切に集中して入口瞳孔
12の像が適切に検出機構26に投影される。

４つのコンポーネントビーム58,60,62及び64は調節、集
中及び発散機構22を通って投射され、それぞれ強度増強
機構24の出口瞳孔74,76,78及び80に集められる。強度増
強機構24は一般的に幾何学的な寸法倍率が１でビーム強
度を増大させる像増強器である。像増強器は４つのコン
ポーネントビーム58,60,62,62の強度を大きく増加さ
せ、ビームの強度分布が検出機構26によって容易に判断
できるようにする。

４つのコンポーネントビーム58,60,62及び64が像増強器
24を通過した後、ビームは最小ギャップで検出機構26に
向けられる。そのため検出機構26は従来の方法により像
増強器24に接合されることが好ましい。検出機構26は４
つのコンポーネントビームの強度分布を判断するための
単一検出アレイチップである。検出アレイチップは一般
的に４つの副開口部82,84,86,88を備え、各々に特定の
方向パターンを保持し４つのコンポーネントビームの強
度分布を判断する。

第２図に示されているように、説明を判り易くするため
に、副開口部82,84,86及び88には識別記号X₁,X₂,Y₁,Y₂
がつけられている。各々の副開口部には１対の参照番号
90及び92が備えられている。参照番号90には円形部分94
及び線部分96が含まれる。参照番号92には矢印部分98及
び線部分100が含まれる。参照番号90及び92の色色な位
置は、４つのコンポーネントビームの強度分布がどのよ
うに読みとられるかを説明している。コンポーネントビ
ームの読み取りは以下のようである。ビームは円形部分
94から線部分96へ読みとられ、副開口部の線部分100の
端部から矢部分98へ矢の方向に順次サンプリングされ
る。

例えばX₁の副開口部88に投射された強度分布が副開口部
の右側にある円形部分94から、線部分96の端部、すなわ
ち左に読みとられ、強度は矢98の方向で線100の端部か
ら矢98の点に、すなわち副開口部88の底部から頂部に順
次サンプリングされる。残りの副開口部の強度分布も同
様にして読みとられる。すなわち円形部94から線96の端
部まで読み取りそして順次矢の方向のビームを線100の
端部から矢98の点にサンプリングする。このようにし
て、検出アレイ26は入力ビーム上の点の強度分布を検出
器26の副開口部の各々に沿って同時に入力ビーム上の対
応する点に関して読みとる。例えば１つの副開口部での
読み取りがこの開口部の円形部分94で行なわれると、残
りの３つの副開口部はこれら開口部上の円形部分94にお
ける各々のビームコンポーネントの強度分布を判断す
る。次にコンポーネントビームは線96を通して読みとら
れ、符号90に沿ったビームの同時読み取りが、４つの副
開口部の各々において同時にすべての符号90に沿った同
じ位置で行なわれるように、矢98の方向で線100の端部
から矢98の点に順次サンプリングされる。

そして検出アレイ26からの信号は電子プロセッサによっ
て変換され、電子プロセッサは検出アレイ26上の強度分
布から得られる情報からの入力ビーム16の位相エラーを
計算し決定する。

別のアレイ形態をとることも明らかに可能である。他の
実施例ではセンサーの分解能がより大きく、レーザビー
ムを特徴付ける際にデータ量の交換が行なわれる。しか
し追加される処理は検出器、すなわち限定された副開口
部の数に比例する。各強度センサーからの読み取りはプ
ロセッサの要求によってアナログ／デジタルコンバータ
（図示されていない）によって二進形態に変換される。

プロセッサは一点ごとに差を検査し、合計で除算して正
規化する。図示されたシステムでは理論上0.5ずつの目
盛りが適用される。さらに一般的には計算式は以下のよ
うである。

ｓ（Ｘ）＝Ｋ［I_t（Ｘ）−I_r（Ｘ）］［I_t（Ｘ）＋I_r(X)]^-1 ここでｓ（Ｘ）は点X1,X2,Y1,Y2における傾斜であり、I
_t(X)はそれぞれ関連するセンサー上の各開口部X1,X2,Y
1,Y2における対応する点の透過されしたコンポーネント
ビームの強度であり、一方I_r（Ｘ）はそれぞれセンサー
上の各開口部X1,X2,Y1,Y2における対応する点における
反射されたコンポーネントビームの強度であり、Ｋは定
数である。

Ｋは無限大の空間的直径の線形ランプフィルタの場合の
半分に等しい。この係数は空間的直径が線形ランプフィ
ルタ上のレーザビームのスポットの空間分散に対して十
分に大きい場合に適用することができる。

さらにプロセッサは較正による決定にしたがって入力の
変換およびスケーリングを行う。図示されたシステムの
内容では、４回の加算／減算および３回の乗算／除算が
行われる。差の計算、正規化値の計算、および２つの較
正のための変換は４回の加算／減算を必要とする。

２次元システムの場合には、各副開口部ごとに８回の加
算および６回の減算が必要とされる。これをパルス状入
力を評価することのできる他の従来のシステムと比較す
れば、本発明のすぐれていることは明白である。すなわ
ち従来のシステムでは各副開口部ごとに64回の加算およ
び18回の乗算を必要とするのが普通である。本発明はま
たパルス状入力ではなく、連続波測定に使用される従来
のシステムに比較しても計算が簡単になる利点がある。

波面センサー10は一般的に以下のように作用する。入力
ビーム16が調節機構28及びレンズ34を通して、ビームが
分割機構プリズム18に投射されるように向けられる。ビ
ーム16は、ビームエネルギー強度の約50％がビーム分割
面38を通してプリズムの面に直接伝達され、プリズムを
通して反射されるように分割される。ビームエネルギー
強度の約50％はビーム分割面38によってプリズム面に反
射され、プリズムを通して反射される。

記号90及び92から成る交差形状記号102は分割機構プリ
ズム18に入るビーム16の方向を示す。ビームが分割機構
プリズム18に投射されそれを通過すると、ビームコンポ
ーネント46及び48の方向はプリズム28を出る時に交差形
状記号104及び106によって決定される。

コンポーネントビーム46及び48は分割機構プリズム20に
入る。分割機構プリズム20は一般的に焦点面52に設けら
れた線形ランプビーム分割器38である。コンポーネント
ビーム46及び48が焦点面52に入ると、ビームは４つのコ
ンポーネントビーム58,60,62,64に分割される。２つの
コンポーネントビーム46及び48のエネルギー強度の約50
％は焦点面52を通してプリズムの面に伝達され、プリズ
ムを通って反射される。２つのコンポーネントビームの
エネルギー強度の約50％は焦点面52によってプリズム面
に反射されてプリズムを通して反射される。

ここで２つのコンポーネントビーム46及び48は、プリズ
ム20を出た４つのコンポーネントビーム58,60,62,64が
入力ビーム16からのエネルギー強度のそれぞれ約25％に
なるように分割される。２つのコンポーネントビーム46
及び48のビームエネルギー強度の約50％は焦点面52を通
して伝達され、約50％は焦点面52から反射される。分割
機構プリズム20も又交差形状記号108,110,112,114によ
って示されるように、コンポーネントビーム58,60,62,6
4を再度方向付けする。交差形状記号108,110,112,114は
記号90及び92とともに適切な方向にあって検出機構26に
読みとられる。従ってビームがビーム分割器18及び20を
通過して、検出機構26によって読みとられるように適切
な方向にある。

４つのコンポーネントビーム58,60,62及び64は調節、集
中及び発散機構22のレンズ66,68,70,72を通過して、そ
こで焦点が結ばれ像増強器24上に集中される。像増強器
24は４つのコンポーネントビームが検出機構26によって
容易に判断されるようにビームコンポーネントの強度を
増大する。検出機構26は４つのコンポーネントビーム5
8,60,62,64の強度分布を判断し、その情報を電子プロセ
ッサに伝達する。プロセッサは検出機構26からの情報を
処理して入力ビーム16に位相エラー、すなわち収差エラ
ーがあるかどうかを決める。一般的にこれは上記の勾配
法を用いて行なう。ゼロ勾配、またはゼロエラーが発見
されると、入力ビームを訂正する必要はない。しかしゼ
ロ勾配でないこと、すなわちエラーが発見されると、プ
ロセッサが適応光学部材（記載されていない）によって
入力ビームを調節するための命令を送る。

本発明では入力ビーム上の位相エラーを決めるのに用い
られるコンパクトなハードウエア装置による技術が提供
される。本発明は、米国特許出願第793941号（1985年11
月１日出願、名称“ソリッド‐ステート波面勾配決
定”、この明細書の記載は参考のために本明細書に導入
されている。）に記載されたシステムに用いられてい
る。

上記のようにして位相差を決定するための改善された波
面センサーが提供される。すでに記載したように添付の
請求の範囲の技術的範囲を変更することなく、本発明を
変形、変更することができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入力ビームサンプルを得る手段と、このビームを２つのコンポーネントビームに分割する第
１のビーム分割手段と、前記２つのコンポーネントビームを４つのコンポーネン
トビームに分割する第２のビーム分割手段とを具備し、前記第２のビーム分割手段は位置によってビームの分割
率が直線的に変化するランプビーム分割装置であり、さらに前記４つのコンポーネントビームの強度分布を検
出する手段を具備していることを特徴とする波面センサ
ー。
【請求項２】分割のための前記第１のビーム分割手段が
ビーム分割器を備えており、このビーム分割器はこの分
割器を通して直接に前記ビームエネルギー強度の約半分
を前記ビーム分割手段の第１の面に反射させ、前記ビー
ムエネルギー強度の約半分を前記ビーム分割手段の第２
の面にビーム分割器を通過して直接伝送する請求の範囲
第１項記載の波面センサー。
【請求項３】前記第２のビーム分割手段は焦点面を有
し、前記ビームエネルギー強度の約半分がこの焦点面か
ら前記第２のビーム分割手段の第１の面に反射され、前
記ビームエネルギー強度の約半分が前記焦点面を通して
前記第２のビーム分割手段の第２の面に直接伝達される
ように構成されている請求の範囲第２項記載の波面セン
サー。
【請求項４】入力ビームサンプルを得るための手段と、前記ビームを２つのコンポーネントビームに分割するた
めの第１のビーム分割手段と、前記２つのコンポーネントビームを４つのコンポーネン
トビームに分割するための第２のビーム分割手段ととを
具備し、前記第２のビーム分割手段は位置によってビームの分割
率が直線的に変化するランプビーム分割装置であり、さらに前記４つのコンポーネントビームの強度分布を検
出する手段と、前記強度分布から前記入力ビームの位相エラーを決定す
る手段とを具備している入力ビームの位相エラー決定装
置。
【請求項５】分割のための前記第１のビーム分割手段が
ビーム分割器を備えており、このビーム分割器はこの分
割器を通して直接に前記ビームエネルギー強度の約半分
を前記ビーム分割手段の第１の面に反射させ、前記ビー
ムエネルギー強度の約半分を前記ビーム分割手段の第２
の面にビーム分割器を通過して直接送っている請求の範
囲第４項記載の波面センサー。
【請求項６】前記第２のビーム分割手段は焦点面を有
し、前記ビームエネルギー強度の約半分がこの焦点面か
ら前記第２のビーム分割手段の第１の面に反射され、前
記ビームエネルギー強度の約半分が前記焦点面を通過し
て前記第２のビーム分割手段の第２の面に直接伝達され
るように構成されている請求の範囲第５項記載の波面セ
ンサー。
【請求項７】入力ビームを与え、前記ビームを第１のビーム分割手段に投射してこのビー
ムを２つのコンポーネントビームに分割し、前記２つのコンポーネントビームを第２のビーム分割手
段に投射してこの２つのコンポーネントビームを４つの
コンポーネントビームに分割し、前記第２のビーム分割手段は位置によってビームの分割
率が直線的に変化するランプビーム分割装置であり、さらに、前記４つのコンポーネントビームをこのビーム
の強度分布を検出する手段に投射し、前記強度分布から前記入力ビームの位相エラーを決定す
る過程を含む入力ビームの位相エラー決定方法。
【請求項８】前記入力ビームを前記第１のビーム分割手
段に投射する前に方向付けを行う請求の範囲第７項記載
の方法。
【請求項９】前記第１のビーム分割手段から投射される
前記２つのコンポーネントビームを方向付けて間隔をあ
ける請求の範囲第８項記載の方法。