JPS6134430A

JPS6134430A - アクテイブミラ−波面センサ

Info

Publication number: JPS6134430A
Application number: JP7914585A
Authority: JP
Inventors: ピーター　モシユチヤンスキー　リヴイングストン; ジーン　クリストフアー　シエルトン
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
Priority date: 1984-04-13
Filing date: 1985-04-12
Publication date: 1986-02-18
Also published as: JPH0460538B2; EP0158505B1; EP0158505A2; EP0158505A3; DE3571501D1

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】本発明は一般的にはアクティブオプティカルシステムに
、特定的には光波面の収差の測定及び補償に用いられる
干渉計に係るものである。「アクティブオプティックス
」という語は、実際の動作中に光波面を制御するために
特性が調整される光学素子を意味する。「光線」という
語は放射の伝播の方向を表わし、また「波面」は放射源
から出た（光）線のファミリに直交する一定光路長の三
次元表面である。放射の点源の像を形成させるためには
、ファミリ内の全ての（光）線が同一光路長を持たなけ
ればならない。一定の屈折率の媒体内では、これは球形
波面を発生させることによって、或はもし点源が無限遠
に所在しているのであれば平面波面を発生させることに
よって達成される。光線及び波面のこれらの幾何学的概
念が現実に物理的に存在することはないが、これらはオ
プティカルシステムを設計及び理解する上で極めて有用
であり、この明細書においても用いることにする。

レンズ及び鏡の通常機能は、所望波面を発生させるよう
に光路長を調整することである。ズームレンズのような
オプティカルシステムをリアルタイムで変化させるため
にレンズ或は鏡を互に他に対して移動させることはでき
るが、このようにしても容易に得ることができない若干
の波面変化が存在している。多くの応用においては、通
常の球形酸は平面波面は可変収差を受ける。例えば、大
気を通して光を受ける天体望遠鏡は、望遠鏡に到達する
波面を歪ませるような時間的に変化する大気状態にさら
される。同様に、レーザデバイスが発生する光は、デバ
イスのレージング空胴内の可変状態によって収差を生ず
るようになる。従って波面が時間的に変化する重大な収
差を受けるようなオプティックスの応用においてはこれ
らの収差を検出する必要があり、若干の場合にはそれら
を・、ｉリアルタ・イームで補償する即に収差が全く存在しない
かの如くオプティカルシステムが連続的に機能できるよ
うに直ちに収差の効果を除去する必要がある。

近年、この型の問題に解決を与えるべく多くのアクティ
ブオプティカルシステムが開発されて来た。アクティブ
オプティックスの分野は比較的新らしいが、この領域に
おいて遂行された業績の詳細に関する多くの発表がなさ
れている。１９７８年現在でこの分野を良く調査すると
、１９７８年６月のＩＥＥＥ会報第６６巻第６号の６５
１〜９７頁にジョンＷ、ハープイーの論文「アクティブ
芳ブティックス：光制御のための新しいテクノロジ」を
見出すことができる。この分野、特に波面検知技術にお
けるより新しい発展は、１９８２年８月の国際光工学学
会５ＰＩＥ会報第３５１巻、波面検知として刊行された
文書に記載されている。

多くの先行技術アクティブオプティカルシステムは、波
面歪の尺度を得るために分割式干渉計を用いている。分
割式干渉計は、測定すべき波面を振巾で２つの成分に分
割し、相互に変位させ、その後再混合して干渉パターン
を発生させるクラスの機器である。横方向分割干渉計に
おいては、２つの成分を互に他方に対して横方向に変位
させ、波面を横切る一定の単方向シェアを発生させる。

その結果得られる干渉パターンは波面のシェア方向の勾
配の指示を与える。典型的な横方向分割式システムにお
いては、波面は直交方向にも分割され、この直交方向に
おける波面勾配の尺度が求められる０次で２つの直交方
向の勾配データを用いて、通常はデジタル処理技術によ
って、波面が復元される。ハープイーの論文に述べられ
ているように、２０Ｘ２０の相差のアレーによって波面
を復元するためには約３００の連立方程式を解かなけれ
ばならない。より大きい直径の光ビームの場合には、効
果的なリアルタイム波面制御を行うのに比較的高速で大
容量の計算デバイスを使用しなければならないことから
、波面復元は重大な実行上の問題を持つことになる。

アクティブオプティカルシステムに用いれられる他の型
の干渉計には、交流結合回転式ロンチ格　・子干渉計、
多重揺動干渉計、滑り参照式干渉計、及び交流結合ハー
トマン板デバイスが含まれる。

これらは全ての固有の複雑さ及び欠点を有している。多
重揺動干渉計の基本原理及び限界は、上述のハープイー
の論文に述べられている。前述のように、全ての分割式
干渉計は波面復元の際の複雑さと計算時間の故に帯域中
制限を受ける。ハートマンデバイスも重大なアラインメ
ント問題を有しており、また回転素子を用いる何れのデ
バイスも固有の狭帯域中を有している。

若干のアクティブオプティカルシステムは、１９１６年
頃に開発され光学関係の多くのテキストに記載されてい
るトワイマン・グリーン干渉計と同じ一般の型の干渉計
を用いている。例えば、１９８０年刊行のマックスポー
ン、エ調整ルウォルフ著「オプティックスの原理」第６
版の３０４ページには図７．４１を参照してトワイマン
・グリーン干渉計が説明されている。トワイマン・グリ
ーン装置の基本技術は公知のマイケルソン干渉計を変形
したものであって、半反射鏡を用いて光ビームを２つの
成分に分割し、各成分を平面鏡から反射させ、そしてこ
れらの成分を再混合して干渉パターンを発生させるよう
になっている。パターンは２つの成分内の光線がたどっ
た通路長に依存し、一方の平面鏡を運動させることによ
って一方の通路長を変化させることができる。トワイマ
ン・グリ−ン渉計においては、鏡或はレンズのような被
試験光学素子は２つの光路に一方の中に挿入され、得ら
れる干渉パターンは被試験成分が受ける収差の型を表わ
す。

トワイマン・グリーン干渉計は、例えば１９８２年８月
の国際光工学学会５ＰＩＥ会報第３５１巻、波面検知の
１４１〜４７ページに所載のＮ、Ａ。

マツシー等の論文「並列６４チヤンネルヘテロダイン干
渉計を用いた流れ場試験」において提案されている技術
に用いられている。この論文及びその中に述べられてい
る文献にはヘテロダイン干渉計と呼ばれるデバイスが記
載されている。ヘテロダイン干渉計は、波面において測
定されつつある位相角差がシステメに導入された高周波
数の「揺動」信号によって運ばれるような技術である。

こ　　　　　　１れらの位相角差は同期検波段階におい
て抽出することができる。ヘテロダイン干渉計の主長所
は、位相角測定の精度を低下させる雑音信号に殆んど感
応しないことである。

以上のような多くの開発にも拘らず、波面歪を測定し、
そして若干の応用に対しては、この歪をリアルタイムで
補償するための簡単で、信願でき、そして高速な技術が
未だに望まれている。理想的には、波面センサは先行技
術のものより複雑でなくすべきであり、また比較的大き
い光ビームへの応用を可能ならしめるために複雑な数値
計算を行うことなく波面歪の尺度を与え得るようにすべ
きである。本発明はこの要望を満足するものであり、先
行技術により波面検知デバイスよりも優れた付加的長所
をも提供するものである。

本発明は、その広い面において、大面積即ち大きいビー
ム断面に亘る素波面位相差信号を発生することができる
単体の波面センサに係っている。

要約すれば、そして一般的に述べれば、零発胡の装置は
、入力ビームを参照辺ビームとサンプルビームとに分割
するビーム分割手段、参照辺ビームから無収差参照ビー
ムを発生する手段、及びサン、プルビームと参照ビーム
とを再混合して干渉パターンを発生させる手段を備えて
いる。本発明はまた、参照ビームを高周波数の揺動信号
で変調する手段、干渉パターンを表わす電気信号を発生
するように位置ぎめさ′れている多素子検出手段、及び
各検出手段にそれぞれ接続されている複数の電気回路を
も含んでいる。各電気回路は、揺動周波数成分を除去す
るための同期検波器手段、及び位相差信号を発生す乏積
分手段を含んでいる。更に、装置は、サンプルビームに
波面変化を与えるように位置ぎめされている変形可能な
素鏡手段、及び位相差信号を変形可能な鏡手段に結合す
る手段をも含んでいる。変形可能な鏡手段の各素子はサ
ンプルビームと参照ビームとの間の位相差を実際的に０
に維持するように自動的に調整される。

本発明のデバイスは波面を復元するのに複雑な数値計算
を必要としないから、先行技術の干渉計システムに比し
て大きい価格的な長所、並びにデバイスに困難なく比較
的大きい光ビームを処理させ得る重要な速さの長所を有
している。横方向分割干渉計は２つの直交ディメンショ
ン内の少なくとも２組の勾配測定を必要とするから、本
発明は成分部品の数において少なくとも２対１の長所を
も提供することになる。更に、本装置は周波数マルチプ
レクシングを用いていないので、若干の多重揺動システ
ムのように、装置が駆動できる鏡アクチュエータの数が
制限されることはない。

光学的波面を検知する方法に関しては、本発明は、入力
ビームを参照辺ビームとサンプルビームとに分割し、参
照辺ビームから無収差参照ビームを発生させ、そしてサ
ンプルビームと参照ビームとを混合して干渉パターンを
発生させる段階を含んでいる。更に本方法は、参照ビー
ムを高周波揺動信号で変調し、複数の検出器によって干
渉パターンを検出し、そして干渉パターンを表わす複数
の電気信号を発生させる段階をも含んでいる。本方法の
残りの段階は、揺動周波数成分を除去することによって
複数の各電気信号内の位相差信号を同期検波し、位相補
正信号を変形可能な素鏡に結合し、それによって変形可
能な鏡の各素子を自動的に調整してサンプルビームと参
照ビームとの間の位相差を実際的にＯに維持する段階で
ある。

最も簡単な形状では、本発明は、入力ビームの素領域に
おける波面歪を表わす出力信号のアレーを発生するスタ
ンドアロン干渉計として機能する。

干渉計の好ましい１実施例においては、参照ビームを発
生する手段は、参照辺ビームを集束するレンズ、ピンホ
ール空間フィルタ、及び鈍なアルミニウム錐の形状の鏡
を含んでいる。鏡から反射した光はレンズを通って戻さ
れ、近似平面波面を有する参照ビームを発生する。この
実施例では、揺動信号は電気音響トランスジューサを通
して鏡に印加される。

スタンドアロン干渉計においては、サンプルビームは、
電気音響トランスジューサを用いてサンプルビームの軸
に沿って独立的に運動するように取付けられている平面
鏡のアレーに向けられる。

各素検出器はそれぞれ電気回路の１つを通して関連する
素手面鏡に結合されている。電気回路は、鏡を適切に運
動させることによって位相差信号を自動的に０ならしめ
るような閉じたフェーズ・ロックドループを形成してい
る。干渉計は入力ビームの収差を正確に追尾し、実際的
に一定の干渉パターンを検出器に発生させる。平面鏡を
制御するように帰還される電気信号は入力ビーム内の収
差の程度を表わしており、入力ビームの波面を制御する
のに用いることができる。

本発明の干渉針は、レーザビームのような大出力ビーム
を制御するシステム内に組込むことができる。この応用
に対しては、干渉計の成分はスタンドアロン機器と同一
であるが、可動の素鏡を単一の平面鏡に置換することが
例外である。干渉計からの位相補正信号は入力ビームの
通路内の変形可能な鏡に供給され、ビームは干渉計内で
発生した補正信号に従って液面補償を受ける。位相補正
された入力ビームの一部は別のビーム分割器でサンプル
され、干渉計への入力ビームとなる。

本発明は、干渉計内において参照ビームを発生する別の
新しい配列にも係っている。この別の技術は大出力レー
ザビームの制御に最も有用である。

入力ビームの振巾分割された成分は、位相共役戻りビー
ムを発生する性質を有しているチタン酸バリウム（Ｂａ
ＴｉＯｓ）結晶上に集束される。入力ビームに何等かの
波面収差があると戻りビームに精密に反映されるが、逆
の、即ち共役位相特性になる。

この戻りビームを参照ビームとして用いると、平面波面
参照ビームで得られるものの２倍の位相差信号が得られ
る。事実、制御ループの利得、従って帯域巾は共役参照
ビームを用いることによって２倍になる。しかし、フェ
ーズ・ロックドループが位相差を０に駆動し、検出器に
おいて干渉する両ビームが平面波面を持つような状態に
するので、機器の操作に変化は生じない。この別のアプ
ローチの別の長所は、参照ビームのパワーが入力ビーム
の歪の量に無関係であり、制御システムの帯域巾が２倍
になることである。

本発明の干渉計は、例えば天体望遠鏡と組合せて像修復
デバイスの一部として使用することもできる。この配列
では、干渉計は大出力ビーム制御応用と同じように形成
され、複数の可動鏡の代りに平面鏡を用いる。望遠鏡で
受けた光は変形可能な鏡から観測者に向けて反射され、
その一部がサンプルされて干渉計への入力ビームとなる
。干渉計の電気回路からの位相補正信号は変形可能な鏡
へ帰還され、実質的に平らな波面が得られるまで入力ビ
ーム内の収差が補償される。

以上の説明から、本発明がアクティブオプティカルシス
テムの分野に大きな前進をもたらすものであることが理
解されたであろう。即ち、本発明は簡単ではあるが信頼
できる構造の交流結合へテロゲイン干渉計を提供し、本
干渉計においては入力ビームからサンプルされた波面の
素部分が参照ビームと比較され、複雑な数値波面復元技
術に頬ることなく実質的に平面波面が得られるように調
整される。本発明の干渉計は、強力ビーム源の制御に用
いる、或はリアルタイム像修復に用いる波面補償装置内
に都合よく組込むことが可能である。

本発明の他の面及び長所は以下の添付図面を参照しての
説明から明白になるであろう。

例示のための添付図面に示すように、本発明は波面収差
を検知し、補償するためのアクティブオプティカルシス
テムに係っている。波面検知、即ち光源からの波面内の
収差の程度の決定は、従来は主として波面復元技術に頬
っていた。これらの技術は、典型的には波面検知装置と
組合せて用いられるディジタル計算機による複雑な数値
計算を必要とする。これらの技術は、望遠鏡に用いられ
るようになって来た、或は提案されているような比較的
大きい直径のビーム及び大出力レーザシステムの波面収
差を検知するのには役立たない。

本発明によれば、波面検知は、新らしい構造内に互に結
合されているマイケルソン型の複数の素干渉計を備えて
いる波面センサによって迅速且つ簡易に遂行される。各
素干渉計は、サンプルビームの位相を参照ビームの位相
に一致させるべく変化させるように自動的に制御される
。素干渉計を制御するのに用いられる電気制御信号は元
のビームの素収差を連続的に表わし、゛収差を補正する
のに用いることができる。

背景説明として、マイケルソン干渉計を第１図に示す。

参照番号１０で示す入力ビームは半反射ビームスプリッ
タ１２上に衝突する。入力ビームの一部はビームスプリ
ッタ１２を通過して平面参照鏡工４に達し、一方残りの
部分は９０°方向に反射して可動平面鏡１６に達する。

参照鏡１４から反射した光は再びビームスプリッタ１２
において反射され、視野レンズ１８を通って観測面２０
に到達する。同様に、可動鏡１６から反射した光はビー
ムスプリッタ１２を通過した後に参照鏡１４からの光と
混合され、視野レンズ１８を通って観測面２０に達する
。観測面２０に到達する光の２つのビームは異なる光路
を通って来たものであり、一般的には異なる相対位相を
有している。

元のマイケルソン干渉針では、鏡１６はマイクロメータ
ねしによって運動させることが可能であり、観測面２０
内Φ干渉縞を用いて辺間の光路差を０に（白米源）、或
はこの波長の倍数（コヒーレント源）に調整することが
できる。マイケルソン干渉計のこの波長比較の面が本発
明の干渉計に用いられている。

本発明の干渉計は、第２図に示す新らしい構造の中にマ
イケルソンの原理を用いている。入力ビーム２４はビー
ムスプリッタ２６に４５°で入射し、サンプルビーム２
８と参照辺ビーム３０とに分割される。参照辺ビーム３
０はレンズ３２によってピンホール空間フィルタ３４を
通して鏡３６上に集束される。本発明の１実施例におい
て番よ、鏡３６は金属円錐の純黒（ｂｌｕｎｔ　ｐｏｉ
ｎｔ）の形状である。鏡の直径は、λを光の波長とし、
Ｆ＃をレンズ３２のＦ数として２．４４λＦ＃である。

空間フィルタ３４を通して戻される反射光は無収差であ
り、無限遠に位置する点源から発したように見做せる。

この反射ビームが参照源となり、近似平面波面を有して
いる。参照ビームを発生させる別のアプローチは、参照
辺ビームを顕微鏡対物レンズのような小さいレンズ系を
通して小さい平面鏡表面上に集束させることである。何
れの場合も、戻りの参照ビームはレンズ３２によって平
行化され、一部はビームスブリック２６によって９０”
方向に反射される。

サンプルビーム２８は可動平面鏡４０のアレーに向かい
、複数の素サンプルビームはビームスプリッタ２６に向
って反射される。ビームス１１月ツタ２６はこれらのビ
ームの大部分を透過させ、参照ビームと再混合させる。

素サンプルビーム及び参照ビームは検出器アレー４２に
衝突し、そこに干渉パターンを発生させる。各可動鏡４
０は、第２図に斜線でハツチした領域で示すように、サ
ンプルビーム２８の小さいペンシルビームを受ける。

同様に、与えられた素領域に対する参照ビームは図示の
ように小さいペンシルビームと考えることができる。検
出器４２は対応する電気信号を出力ライン４４上に発生
する光電トランスジューサであり、これらの信号は電子
モジュール４６に供給される。モジュール４６はライン
４８を通して可動鏡４０に伝送される補正信号を計算す
る。

各素鏡４０は、入力ビーム２４の対応案位置における波
面の収差を補償するように位置ぎめされている。従って
、ライン４８上の端位置ぎめ信号は入力ビームの種々の
素領域の波面収差を表わしている。第２図に示されてい
る装置はライン４８から入力ビーム波面の歪或は収差を
表わす出力信号を供給するスタンドアロン干渉計として
機能する。後述するように、第２図に示す干渉計は波面
゛収差を能動的に補償するための装置に効果的に用いる
ことができる。

第２図の干渉計の残りの且つ重要な面を説明する必要が
ある。参照ビームを発生するのに用いられる鏡３６も軸
方向に運動可能である。１００ＫＨｚの発生器から導か
れるように図示しである位相揺動信号がライン５２から
供給され、適切な圧電トランスジューサによって鏡３６
をその光軸に沿って振動させる。これは、この構造のヘ
テロダインの面である。鏡３６が揺動するので、参照ビ
ームは入力ビーム周波数と揺動周波数との和及び差を表
わす周波数成分を含むことになる。以下に機運するよう
に、揺動成分は発生器５０からライン５４を通してモジ
ュールに伝送される電気揺動信号を用いる同期検波段階
によって電子モジュール内において除去される。干渉計
のヘテロダイン動作の主長所は、収差信号が揺動周波数
搬送波上に効果的に変調され、システムが本質的に雑音
に対して不惑となるとと１である。　　　　　　　　″
第３図は可動鏡４０のアレーの典型的な構造番示すもの
である。各端４０は電気的に並列に接続されている圧電
トランスジューサのスタック６０上に取付けられている
。これらのウェーハは、電圧の印加に応答して１つのデ
ィメンション方向に伸長するような特性を有している。

ウェーハは機械的に直列に積重おられているから、鏡は
相当な距離に亘って軸方向に運動することができる。各
スタック　６０は角度的に調整可能なマウント６２上に
取付けられ、これらの１マウントは空隙６４によって互
に分離されている。マウント６２は音響絶縁用材料を含
んでいてもよい。

第４図は電子モジュール４６の成分のための′１つの素
チャンネルを示すものである。これらの成分はプリアン
プ７０．バンドパスフィルタ７２、同期検波器７４、積
分回路７６、及び関連可動鏡４０を駆動する増巾器７８
を含んでいる。検出器４２から得られた電気信号は先ず
プリアンプ７０において増巾され、次でバンドパスフィ
ルタ７２において濾波されて低周波雑音成分が除かれる
。

次の段階は同期検波段階であって、入力信号は同期揺動
周波数信号と混合され、特定のサンプル位　　　　　　
　　　□置におけるサンプルビームと参照ビームとの間
の検出された位相差に比例讐る出力信号を検波器からの
ライン８０上に発生する。揺動信号は発生器５０から可
変移相回路８２を通して導かれる。移相回路８２は較正
の目的で用いられ、ライン８４を通して揺動周波数信号
ｉ検波器７４に伝送する。

積分回路はライン８６を通して位相補正信号を増巾器７
８に供給する。増巾器７８の出力は圧電トランスジュー
サ８８に印加されて関連可動鏡４０を軸方向に運動させ
る。積分回路７６が存在していると鏡の運動の速さをラ
イン８０上の位相誤差信号に比例させるようになる。図
示のサーボ回路は、いわゆるヒルクライミングサーボル
ープである。この回路は２つの干渉ビームの位相を迅速
にロックさせ、サンプルビームを参照ビームとを同相に
ロックさせ続ける適切な補正信号を発生する。任意時刻
における補正信号は、特定の素干渉計の位置における入
力ビーム内の位相収差を表わしている。

ライン８０から積分回路７６へ伝送される信号は素サン
プル位置における参照ビームとサンプルビームとの間の
位相差に比例している。即ち、ｖｉＦ＋ｔｃｂ　−にθ
　　　　　　　　　　　（１）ここにθはラジアンで表
わした位相差であり、Ｋは同期検波器利得係数であって
次のように表わすことができる。

Ｋ＝８／π（Ｊｔ（ａ）ｎＲｔＡｄ（１’ｍｔｒ　Ｉｓ
＋Ｇ）””πＧ／ＲＣ）　（２１ここでＪ、＝第１種の
ベッセル関数（ａ＝１．８３に対して＝０．５３）、ａ＝光学的ラジアンで表わした揺動振巾、ｎ＝検出器応
答性（アンペア／ワット）、Ｒｔ−検波器負荷抵抗、Ａｄ　＝サンプルされる波面面積（ｃｄ）、１１１ＥＦ
−参照ビーム強度（ワンド／ｃｄ）、■８、＝サンプル
ビーム強度（ワット／ｃＩＡ）π　＝圧電伸張係数（ラ
ジアン／ボルト）、Ｇ＝検波器トランスインピーダンス
を除く回路利得、そしてＲＣ−積分回路時定数（秒）である。

（２）式からループ利得係数がサンプルビームと参照ビ
ームの強さの積の平方根に依存することが解る。

鏡の運動の速さは検出された位相誤差に一致するように
制御されるから、また各端は制限された運動能力しか有
していないから、サーボ回路は積分回路７６と共に動作
するステンプバック回路９０を含んでいなければならな
い。鏡４０に印加される変位信号が鏡をその走行の終端
まで駆動するようであることをステップバック回路が検
知すると、変位信号からオフセット信号が差引かれて鏡
を波長の整数倍だけ移動させ、その走行範囲内に引戻す
。検出器４２は１波長以下の位相差を測定する。従って
波長の整数倍だけ鏡４０が突然移動しても制御サーボ回
路に瞬時的な効果を与えるだけである。

第２図に示す干渉計は、既知の質の波面の入力ビームを
準備し、所望り干渉パターンが得られるまで各電気回路
を調整することによって較馬する必要がある。再較正の
頻度は吟用の種類に依存する。勿論計測の目的では屡々
較正する必要がある。

第５図は、光学素子を番号９４で示しである第２図の干
渉針を、どのようにして大出力ビームの波面補償システ
ム内に組込むことができるかを示すものである。干渉計
９４の素子は基本的に（ま第２図に示すものと同一であ
るが、可動鏡４０は単一の固定平面鏡４０′と置換しで
ある。波面収差を受けたビーム９６は変形可能な鏡９８
に向けられ、そこでサンプリングビームスブリソタ１０
０に向って反射される。ビームのパワーの殆んどはビー
ムスプリッタ１００を透過し位相補正されたビーム１０
２として進むが、サンプルは反射され干渉計９４の人力
ビームとなる。電子モジュール４６′は位相補正信号を
発生し、ライン４８′を通して変形可能な鏡９８に伝え
られる。鏡９８はビーム９６に素波面補正を施し、干渉
計９４の参照ビームの波面に一致させる。

変形可能な鏡９８は複数の反射性素子を有しており、各
素子はそれぞれ自体のトランスジューサによって個別の
運動可能である。マサチュセソツ州レキシントンのアイ
テックオプテイカルシステムズはＭＰＭ　（モノリシッ
ク圧電鏡）と名付けられた直径１０ｃｍまでの、３５０
個までの鏡素子を有する適当な鏡を製造している。

第６図は入力望遠鏡１１０と共に用いられている第５図
と類似形状を示す。望遠鏡１１０に受けられた光は狭帯
域フィルタ１１２において濾波され、変形可能な鏡９８
′に向かう。残余の成分は第５図に示すものと殆んど同
じであるが、位相補正されたビームはレンズ系１１４を
通って１１６で示す観測者の眼に到達するようになって
いる。

他の唯一の′差違は、干渉計９４がビームスプリッタ２
６と平面鏡４０′との間に補償用ウェッジ１１８をも含
んでいることである。

第７図は参照ビームを発生させるだめの別のアブローチ
を示すものである。前述のように、参照ビームは理想的
には平面波面を有しており、サンプルされる各素点にお
いてサンプルビーム波面と位相比較される。第２図に示
す自己干渉法の欠陥は、入力ビームに大きい収差がある
と得られる参照ビームのパワーが大巾に減少することで
ある。

参照ビームのパワーが低下すると前述の式（２）から明
白なように制御システムのループ利得が低下するように
なる。参照ビームを発生する別のアプローチにおいては
、結局は平面波面は発生しない。

その代り、参照ビームは入力ビームと同し大きさに、し
かも共役即ち逆のセンスに収差される。このような共役
ビームは、もし参照辺ビームを１２０で図式的に示す適
切に配向されたチタン酸バリウム（ＢａＴｉ０３）の結
晶上に集束させれば得ることが可能である。この結晶は
入射ビームに対して位相収差が共役の内部反射ビームを
発生する特性を有している。

参照ビームがサンプルビームと位相共役であるから、得
られる位相差信号は平面参照波面の場合の２倍となる。

それでも位相誤差は、前述のしかしサーボループの利得
及び帯域中が２倍となったサーボ回路の動作によって迅
速に０に向って駆動されるので、性能に相応の改善がも
たらされる。

このアプローチは大出力ビームの位相補正に、即ち第５
図の形状で用いるのに適している。しかし揺動周波数で
のＢａＴｉ０＊結晶の振動が信頼性の問題を惹起し、従
って第５図の形状は揺動信号を例えば別の光学成分を振
動させることによる等信の方法で印加するように変形す
べきである。

以上の説明から、本発明がアクティブオプティックスの
分野に重要な前進をもたらすことが明白になったであろ
う。即ち、本発明は波面復元に複雑且つ高価な数値計算
機器を必要とすることなく波面収差の程度を測定するた
めの簡単で効果的な干渉計を提供している。更に、本発
明の干渉計は、局部的に発生させた大出力ビームであっ
ても、或は望遠鏡から受けた光ビームであっても、波面
の位相補正のための装置と共に用いることができる。

本発明の若干の実施例を例示として説明したが、本発明
の思想及び範囲から逸脱することなく種々変形が可能で
あることを理解されたい。

【図面の簡単な説明】

第１図はマイケルソン干渉計の原理を示す簡易概要図で
あり、第２図は本発明によるアクティブミラー波面センサの簡
易概要図であり、第３図は第２図の波面センサ内に用いられる型の複数の
可動素焼の斜視図であり、第４図は第２図の波面センサ内に用いられる電気光サー
ボ回路の回路図であり、第５図は大出力ビームの制御系内に本発明の波面センサ
を組込んだ位相共役システムの簡易概要図であり、第６図は本発明の波面センサを組込んだ傷修復・システ
ムの簡易概要図であり、そして第７図は入力ビームに対
して共役収差を有する参照ビームを発生させるために変
形配列を用いていることを示す部分図である。１０．２４・・・入力ビーム、１２．２Ｇ、１００・・
・半反射性ビームスプリッタ、１４・・・平面参照鏡、
１６・・・可動平面鏡、１８・・・視野レンズ、２０・
・・観測面、２８・・・サンプルビーム、３０・・・参
照辺ヒ−Ｌ、３２・・・レンズ、３４・・・ピンホール
空間フィルタ、３６・・・鏡、４０・・・可動平面鏡、
４０′・・・固定平面鏡、４２・・・検出器アレー、４
６．４６′・・・電子モジュール、５０・・・１００Ｋ
Ｈｚ発生器、６０・・・圧電トランスジューサのスタッ
ク、６２・・・角度調整可能なマウント、６４・・・空
隙、７０・・・プリアンプ、７２・・・バンドパスフィ
ルタ、７４・・・同期検波器、７６・・・積分回路、８
２・・・可変移相回路、８８・・・圧電トランスジュー
サ、９０・・・ステップバック回路、９４・・・干渉計
、９６・・・波面収差を受けたビーム、９８．９８′・
・・変形可能な鏡、１０２・・・位相補正されたビーム
、１１０・・・入力望遠鏡、１１２・・・狭帯域フィル
タ、１１４・・・レンズ系、１１６・・・観測者の眼、
１１８・・・補償用ウェッジ、１２０・・・チタン酸バ
リウム結晶。図面の浄＆（ｉ　’ｌ　７？に変更なし）ｄ’ｃ、　／ＩＪＩＱ、３疏、２Ａ榎、４゜昭和　　年　　月　　日

Claims

【特許請求の範囲】

（１）入力ビームを参照辺ビームとサンプルビームとに
分割するビームスプリッティング手段；参照辺ビームから参照ビームを発生する手段；サンプル
ビームと参照ビームとを再混合して干渉パターンを発生
させる手段；参照ビームを高周波揺動信号で変調する手段；干渉パタ
ーンを表わす電気信号を発生するように位置ぎめされて
いる多素子検出手段；それぞれが各検出手段に接続され、それぞれが揺動周波
数成分を除去するための同期検波手段、及び位相補正信
号を発生するための積分手段を含む複数の電気回路；サンプルビームに波面変化を生じさせるように位置ぎめ
されている変形可能な素鏡手段；及び位相補正信号を変形可能な鏡手段に結合し、サンプルビ
ームと参照ビームとの間の位相差を実質的に０に維持す
るように変形可能な鏡手段の各素子を自動的に調整する
手段を具備するアクティブミラー波面センサ。
（２）前記変形可能な鏡手段がサンプルビームを反射し
てビームスプリッティング手段へ戻すように位置ぎめさ
れており；前記参照ビーム発生手段が参照辺ビームを反射してビー
ムスプリッティング手段へ戻す鏡を含んでおり；前記ビームスプリッティング手段が参照ビームとサンプ
ルビームとを再混合する手段としても機能することを特徴とする特許請求の範囲（１）に記載のアクテ
ィブミラー波面センサ。
（３）前記参照ビームを揺動信号で変調する手段が、揺
動周波数信号発生器；及び揺動周波数信号発生器に結合されていて、参照ビームを
発生させるのに用いられている鏡を振動させる電気音響
トランスジューサ手段を含んでいることを特徴とする特許請求の範囲（２）に
記載のアクティブミラー波面センサ。
（４）入力ビーム内の波面収差を検出するためのアクテ
ィブミラー波面センサであって；入力ビームからサンプルビームを得る手段；サンプルビ
ームを素サンプルビームゾーンに分割する可動鏡アレー
；入力ビームから参照ビームを発生する手段；各素サンプ
ルビームゾーンと参照ビームとを混合して干渉パターン
素の対応アレーを発生する手段；干渉パターン素を検知し、検出器アレーにおける位相差
を表わす対応位相差信号を発生するように位置ぎめされ
ている検出器アレー；及び位相差信号から鏡位置補正信
号を発生し、補正信号を可動鏡アレーに結合して各素サ
ンプルビームゾーンと参照ビームとの間の位相差を精密
に０に維持するようにアレー内の各鏡を自動的に調整す
る電気回路手段を具備し；前記鏡位置補正信号が入力ビーム内の位相収
差の程度を表わすようになっていることを特徴とするセ
ンサ。
（５）前記入力ビームから参照ビームを発生する手段が
、入力ビームの参照部分を得るためのビームスプリッタ；ビームの参照部分を集束させるレンズ；ビームの参照部分を通過させるピンホール空間フィルタ
；及びビームの参照部分の若干を実質的に平面波面の参照ビー
ムとしてピンホール空間フィルタを通して戻すように反
射する鏡を含んでいることを特徴とする特許請求の範囲（４）に
記載のアクティブミラー波面センサ。
（６）前記参照ビームを発生する手段が、ビームの参照
部分が空間フィルタから出た後に該部分を平行化するコ
リメーティングレンズをも含み；そして前記ビームの参照部分を反射する鏡が平面鏡であることを特徴とする特許請求の範囲（５）に記載のアクテ
ィブミラー波面センサ。
（７）前記センサが、揺動周波数発生器、及び参照ビー
ム発生手段内の鏡に揺動周波数で軸方向運動を印加する
手段をも含み；そして前記電気回路手段が位相差信号を復調する同期検波器手
段、及び位相差信号の時間積分としての位相補正信号を
発生する積分手段を含んでいることを特徴とする特許請
求の範囲（５）に記載のアクティブミラー波面センサ。
（８）前記センサが、揺動周波数発生器、及び参照ビー
ム発生手段内の鏡に揺動周波数で軸方向運動を印加する
手段をも含み；そして前記電気回路手段が、位相差信号を復調する同期検波手
段、及び位相差信号の時間積分としての位相補正信号を
発生する積分手段を含んでいることを特徴とする特許請
求の範囲（６）に記載のアクティブミラー波面センサ。
（９）前記入力ビームから参照ビームを発生する手段が
、入力ビームの参照部分を得るためのビームスプリッタ；ビームの参照ビームを集束させるレンズ；ビームの参照部分の集束された部分の通路内に配置され
ていて、入力ビームに対して共役位相収差を有する戻り
参照ビームを発生するチンタ酸バリウムの結晶を含み；
前記位相差信号が平面参照ビームを用いて得られるもの
の２倍となるようにしたことを特徴とする特許請求の範
囲（４）に記載のアクティブミラー波面センサ。
（１０）前記センサが、揺動周波数で参照ビームをヘテ
ロダインする手段；及び電気回路手段内にあって位相差信号を同期検波する手段をも含んでいることを特徴とする特許請求の範囲（４）
に記載のアクティブミラー波面センサ。
（１１）入力ビームを参照辺ビームとサンプルビームと
に分割するビームスプリッティング手段；ピンホール空
間フィルタ、及び参照ビームをフィルタを通してビーム
スプリッティング手段に戻すように反射させるレトロミ
ラーを含み、参照辺ビームから参照ビームを発生する手
段；サンプルビームの通路内に位置ぎめされていてサン
プルビームを複数の素サンプルビームとしてビームスプ
リッティング手段に戻すように反射させる軸方向に運動
可能な鏡のアレーを具備し；前記ビームスプリッティング手段が素サンプ
ルビームと参照ビームとを再混合して干渉パターンを発
生させるようにも機能し；更に参照ビームを高周波揺動信号で変調するようにレトロミ
ラーを振動させる手段；再混合された素サンプルビームと参照ビームとを受け、
得られた干渉パターンを表わす電気信号を発生する多素
子検出手段；それぞれが各検出手段に接続され、それぞれが揺動周波
数成分を除去するための同期検波手段、及び位相補正信
号を発生するための積分手段を含む複数の電気回路；及
び位相補正信号を運動可能な鏡のアレーに結合し、関連素
サンプルビームと参照ビームとの間の位相差を実質的に
０に維持するように各運動可能な鏡を自動的に調整する
手段をも具備するアクティブミラー波面センサ。
（１２）収差のある放射ビーム内の波面歪を補償するた
めの装置であって；収差のあるビームの波面に素位相変化を与えることがで
きる多素子の変形可能な光学デバイス；収差のあるビームが変形可能な光学デバイスから出た後
に該ビームからサンプルビームを得るためのビームサン
プラ；サンプルビームを受けて該ビームから素サンプルビーム
と平面参照ビーム波面との間の素位相差を表わす電気信
号を誘導し、該信号を変形可能な光学デバイスに結合し
て収差のあるビームの波面歪を補償する波面検知干渉計
を具備し、該波面検知干渉計が；サンプルビームから参照ビームを発生する手段；参照ビームとサンプルビームの素部分とを混合してサン
プルビーム内の位相収差を表わす干渉パターンを発生さ
せる手段；参照ビームに揺動周波数成分を印加する手段；干渉パタ
ーンに応答するように位置ぎめされていて素位相差信号
を発生する素検出器のアレー；及び位相差信号が位相補正信号を発生して変形可能な光学デ
バイスに印加する電気手段を含み；それによって各素サンプルビームの波面が位相
補正され、従って収差のあるビーム全体が波面収差に対
して補正されるようにしたことを特徴とする装置。
（１３）前記サンプルビームから参照ビームを発生する
手段が、サンプルビームの参照部分を得るためのビームスプリッ
タ；ビームの参照部分を集束させるレンズ；ビームの参照部分を通過させるピンホール空間フィルタ
；及びビームの参照部分の若干を実質的に平面波面の参照ビー
ムとしてピンホール空間フィルタを通して戻すように反
射する鏡を含んでいることを特徴とする特許請求の範囲（１２）
に記載の装置。
（１４）前記参照ビームを発生する手段が、ビームの参
照部分が空間フィルタから出た後に該部分を平行化する
レンズをも含み；そして前記ビームの参照部分を反射する鏡が平面鏡であることを特徴とする特許請求の範囲（１３）に記載の装置
。
（１５）前記参照ビームに揺動周波数成分を印加する手
段が、揺動周波数発生器、及び参照ビーム発生手段内に
含まれている鏡に揺動周波数で軸方向運動を印加する手
段を含み；そして前記電気手段が、位相差信号を復調する同期検波器手段
、及び位相差信号の時間積分としての位相補正信号を発
生する積分手段を含んでいることを特徴とする特許請求
の範囲（１３）に記載の装置。
（１６）前記参照ビームに揺動周波数成分を印加する手
段が、揺動周波数発生器、及び参照ビーム発生手段内に
含まれている鏡に揺動周波数で軸方向運動を印加する手
段を含み；そして前記電気手段が、位相差信号を復調する同期検波器手段
、及び位相差信号の時間積分としての位相差信号を発生
する積分手段を含んでいることを特徴とする特許請求の
範囲（１４）に記載の装置。
（１７）前記サンプルビームから参照ビームを発生する
手段が、サンプルビームの参照部分を得るためのビームスプリッ
タ；ビームの参照部分を集束させるレンズ；ビームの集束された参照部分の通路内に配置されていて
、サンプルビームに対して共役位相収差を有する戻り参
照ビームを発生するチタン酸バリウムの結晶を含み；前
記位相差信号が平面参照ビームを用いて得られるものの
２倍となるようにしたことを特徴とする特許請求の範囲
（１２）に記載の装置。
（１８）前記変形可能な光学デバイスが多素子鏡であり
、そして前記収差のあるビームがレーザビームであることを特徴
とする特許請求の範囲（１２）に記載の装置。
（１９）前記変形可能な光学デバイスが多素子鏡であり
、そして前記収差のあるビームが望遠鏡で受けた光から誘導した
ものであることを特徴とする特許請求の範囲（１２）に
記載の装置。
（２０）前記サンプルビームから参照ビームを発生する
手段が、ビーム分割用半反射性鏡を含み；前記参照ビー
ムと素サンプルビームとを混合する手段が、半反射性鏡
から受けた素サンプルビームを半反射性鏡へ戻すように
反射する平面鏡を含み、該半反射性鏡が参照ビームを反
射し、平面鏡から反射したサンプルビームを透過させる
ことによって参照ビームとサンプルビームとを混合する
ようにも機能することを特徴とする特許請求の範囲（１２）に記載の装置
。
（２１）入力ビームを参照辺ビームとサンプルビームに
分割し；参照辺ビームから参照ビームを発生させ；サンプルビームと参照ビームとを混合して干渉パターン
を発生させ；参照ビームを高周波数揺動信号で変調し；干渉パターンを複数の検出器を用いて検出して干渉パタ
ーンを表わす複数の電気信号を発生させ；複数の各電気信号内の位相差信号を揺動周波数成分を除
去することによって同期検波し；検波した信号を積分し
て位相補正信号を発生させ；そして位相補正信号を変形可能な素鏡に印加してサンプルビー
ムと参照ビームとの間の位相差が実質的に０を維持する
ように変形可能な鏡の各素子を自動的に調整する諸段階からなる光学波面検知方法。
（２２）前記変形可能な素鏡が干渉計機器内に配置され
ており、位相補正信号が入力ビームの収差の尺度を与え
ることを特徴とする特許請求の範囲（２１）に記載の方
法。
（２３）前記変形可能な素鏡が位相補正される収差のあ
るビームの通路内に配置され；そして位相補正される収差のあるビームを該ビームが変形可能
な鏡から反射した後にサンプリングして入力ビームを得
る段階をも含み；それによって入力ビーム及びサンプルビームを位相補償
し、参照ビームと収差のあるビームとの間の位相差を０
ならしめることを特徴とする特許請求の範囲（２１）に記載の方法
。