(57)【要約】  大気伝搬した光を反射する反射面(21)と、複数の駆動素子(23)を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部(22)と、を含む第１形状可変鏡(4)と、第１形状可変鏡からの光を反射する反射面(26)と、複数の駆動素子(28)を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部(27)と、を含む第２形状可変鏡(5)と、前記第１形状可変鏡及び第２形状可変鏡からの光の光強度を検出する検出部(8)と、第１形状可変鏡及び第２形状可変鏡のそれぞれの駆動部を制御する制御部(10)と、を備え、制御部は、検出部による検出値に基づいて第１形状可変鏡及び第２形状可変鏡のうち一方の形状可変鏡の駆動部を制御して一方の形状可変鏡の反射面の凹凸形状を変化させる第１更新動作と、該第１更新動作を所定回数繰り返し実行することによる所定の初期形状からの一方の形状可変鏡の反射面の形状変化量に基づいて、第１形状可変鏡及び第２形状可変鏡のうち他方の形状可変鏡の駆動部を制御して他方の形状変化鏡の反射面の凹凸形状を変化させる第２更新動作と、を実行可能に構成されている。
2018212253.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
大気伝搬した光を反射する反射面と、複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部と、を含む第１形状可変鏡と、
前記第１形状可変鏡からの前記光を反射する反射面と、複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部と、を含む第２形状可変鏡と、
前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する検出部と、
前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のそれぞれの前記駆動部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第１更新動作と、
該第１更新動作を所定回数繰り返し実行することによる所定の初期形状からの前記一方の形状可変鏡の前記反射面の形状変化量に基づいて、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち他方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記他方の形状変化鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第２更新動作と、
を実行可能に構成されている、補償光学装置。
【請求項２】
前記一方の形状可変鏡の前記駆動素子の最大変位量は、前記他方の形状可変鏡の前記駆動素子の最大変位量よりも小さい、請求項１に記載の補償光学装置。
【請求項３】
前記制御部は、前記第２更新動作を実行するタイミングにおいて、前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記初期形状に更新する、請求項１又は２に記載の補償光学装置。
【請求項４】
前記制御部は、
前記第２更新動作を実行するタイミングにおいて、前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記初期形状に更新する第１初期化動作と、
前記第１初期化動作の実行後、前記検出部による検出値が所定の閾値以下であると判定すると、前記他方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を所定の初期形状に更新する第２初期化動作と、
を実行可能に構成されている、請求項１又は２に記載の補償光学装置。
【請求項５】
レーザ光を発振するレーザ発振器を更に備え、
前記検出部は、発振された前記レーザ光が、前記第２形状可変鏡及び前記第１形状可変鏡をこの順に経て外部へ出射され大気伝搬した光として照射対象物に至る往路側の光路と、前記照射対象物にて反射された前記レーザ光が、前記大気伝搬した光として入射し、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡をこの順に経る復路側の光路と、を通った前記レーザ光の光強度を検出し、
前記往路側の光路及び前記復路側の光路の前記第２形状可変鏡と前記照射対象物との間の区間の光路とは同一経路である、請求項１乃至４の何れか一に記載の補償光学装置。
【請求項６】
前記レーザ光よりも高出力の高出力レーザ光を発振する高出力レーザ発振器と、
前記高出力レーザ発振器から発振され、前記往路側の光路と前記復路側の光路とを通った前記高出力レーザ光の光強度を検出する高出力レーザ用検出部と、
前記高出力レーザ用検出部に入射する前記高出力レーザ光の光量を調整する高出力レーザ光量調整部と、を更に備え、
前記制御部は、
前記高出力レーザ光量調整部を制御し、
前記第１更新動作及び前記第２更新動作の少なくとも何れかの動作の実行中に実行され、前記高出力レーザ用検出部が検出した前記高出力レーザ光の光強度が前記高出力レーザ用検出部のダイナミックレンジに収まるように前記高出力レーザ用検出部に入射する前記高出力レーザ光の光量を調整する光量調整動作と、
前記光量調整動作の完了後に実行され、前記第１更新動作において、前記検出部による検出値に基づいて前記一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる動作を、前記高出力レーザ用検出部による検出値に基づいて前記一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる動作に切り替える切替処理と、
を実行可能に構成されている、請求項５に記載の補償光学装置。
【請求項７】
前記レーザ発振器から発振され、前記往路側の光路において前記第２形状可変鏡及び前記第１形状可変鏡を経た前記レーザ光の光波面を検出する波面センサを更に備え、
前記制御部は、
前記第２更新動作を実行するタイミングにおいて、前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記初期形状に更新する初期化動作と、
前記初期化動作の完了後、前記初期化動作及び前記第２更新動作の開始前に前記波面センサが検知した前記レーザ光の光波面の形状と、前記初期化動作及び前記第２更新動作の完了後に前記波面センサが検知した前記レーザ光の光波面の形状とが一致するように、前記他方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる反射面補正動作と、
を実行可能に構成されている、請求項５に記載の補償光学装置。
【請求項８】
前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡からの前記光の波面形状を検出する波面形状検出部を備え、
前記制御部は、前記波面形状検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第３更新動作を実行可能に構成され、大気揺らぎの強度が所定値以上であると判定すると前記第１更新動作及び前記第２更新動作を実行し、大気揺らぎの強度が所定値未満であると判定すると前記第３更新動作を実行する、請求項１乃至７の何れか一に記載の補償光学装置。
【請求項９】
ｎ（ｎは１以上の整数）回目の前記第１更新動作において前記制御部は、前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状をｎ回目の前記第１更新動作開始前の形状から第１形状に変化させて前記検出部が検出した光強度を取得し、前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記第１形状とｎ回目の前記第１更新動作開始時の形状に対して対称となる第２形状に変化させて前記検出部が検出した光強度を取得し、前記第１形状及び前記第２形状のうち前記検出部が検出した光強度が強い一方の形状に向かって前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させて前記一方の形状可変鏡の凹凸形状を更新する、請求項１乃至８の何れか一に記載の補償光学装置。
【請求項１０】
前記第１形状は、前記一方の形状可変鏡を構成する複数の前記駆動部に対して前記第１更新動作毎にランダムに選択される形状変化量をｎ回目の前記第１更新動作開始時の形状に加算して規定される形状である、請求項９に記載の補償光学装置。
【請求項１１】
請求項５に記載の補償光学装置と補償結果評価装置とを含む光学システムであって、
前記補償結果評価装置は、
反射面と複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部とを含む評価用形状可変鏡と、
前記照射対象物にて反射され、前記大気伝搬した光として入射し、前記評価用形状可変鏡を経る光路を通った前記レーザ光を検知し、前記補償光学装置による前記往路側の光路の大気揺らぎの補償の程度を評価する評価量を検出する評価用検出部と、
前記評価用形状可変鏡の前記駆動部を制御する評価用制御部と、を備え、
前記評価用制御部は、前記評価用検出部が検出する前記評価量が改善するように前記評価用形状可変鏡の反射面の凹凸形状を変化させる結像動作を実行可能に構成され、
前記第１更新動作は、前記検出部による検出値に加えて前記評価用検出部が検出する検出値に基づいて前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる動作である、光学システム。
【請求項１２】
大気伝搬した光を反射する反射面と、複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部と、を含む第１形状可変鏡と、
前記第１形状可変鏡からの前記光を反射する反射面と、複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部と、を含む第２形状可変鏡と、
前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する検出部と、
前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のそれぞれの前記駆動部を制御する制御部と、を備える補償光学装置の光波面補償方法であって、
前記制御部が前記検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第１更新動作ステップと、
前記制御部が該第１更新動作ステップを所定回数繰り返し実行することによる所定の初期形状からの前記一方の形状可変鏡の前記反射面の形状変化量に基づいて、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち他方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記他方の形状変化鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第２更新動作ステップと、
を有する、光波面補償方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、補償光学装置、光学システム、及び光波面補償方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から大気揺らぎに起因する光波面の歪みに対して、光波面曲率補正手段を備える衛星搭載用光通信機器が知られている（例えば特許文献１参照）。【０００３】
この光波面曲率補正手段は、光信号の波面曲率を補正する手段であり、光信号の強度と波面曲率との対応関係に基づいて補償光学ミラー（形状可変鏡）の鏡面を微小区間毎に変位させる。これによって、大気揺らぎによる影響を抑えることができる。また、波面モニタ用のセンサを用いて大気のゆらぎの影響を補償する機能を実現することもできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−６８９３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１に記載の光波面曲率補正手段は、焦点制御ループの信号を利用して、波面の曲率のみを制御する方式である。一方、波面センサを用いれば、より高次の歪みを補正できるが、大気揺らぎが強い条件下においては補償性能が得られなくなってしまう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記課題を解決するため、補償光学装置は、大気伝搬した光を反射する反射面と、複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部と、を含む第１形状可変鏡と、前記第１形状可変鏡からの前記光を反射する反射面と、複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部と、を含む第２形状可変鏡と、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する検出部と、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のそれぞれの前記駆動部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第１更新動作と、該第１更新動作を所定回数繰り返し実行することによる所定の初期形状からの前記一方の形状可変鏡の前記反射面の形状変化量に基づいて、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち他方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記他方の形状変化鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第２更新動作と、を実行可能に構成されている。【０００７】
この構成によれば、最適化手法を用いた補償光学装置の制御速度を向上させることができ、大気揺らぎが強い条件下における揺らぎの変化に追従した高次の光波面の補償に最適化手法を適用することができ、高次の光波面の補償を精度良く行うことができる。【０００８】
上記課題を解決するため、光波面補償方法は、大気伝搬した光を反射する反射面と、複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部と、を含む第１形状可変鏡と、前記第１形状可変鏡からの前記光を反射する反射面と、複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部と、を含む第２形状可変鏡と、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する検出部と、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のそれぞれの前記駆動部を制御する制御部と、を備える補償光学装置の光波面補償方法であって、前記制御部が前記検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第１更新動作ステップと、前記制御部が該第１更新動作ステップを所定回数繰り返し実行することによる所定の初期形状からの前記一方の形状可変鏡の前記反射面の形状変化量に基づいて、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち他方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記他方の形状変化鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第２更新動作ステップと、を有する。【０００９】
この構成によれば、最適化手法を用いた補償光学装置の制御速度を向上させることができ、大気揺らぎが強い条件下における揺らぎの変化に追従した高次の光波面の補償に最適化手法を適用することができ、高次の光波面の補償を精度良く行うことができる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明は、最適化手法を用いた補償光学装置の制御速度を向上させることができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】実施の形態１に係る補償光学装置を含む光学システムの構成例及びビーコンレーザ発振時におけるビーコンレーザの光路の構成例を示すブロック図である。
【図２】図１の光学システムの構成例及びメインレーザ発振時におけるメインレーザの光路の構成例を示すブロック図である。
【図３】図１の光学システムの補償光学装置の構成例を概略的に示す図である。
【図４】図１の光学システムの動作例を示すフローチャートである。
【図５】図１の光学システムの動作例を示すフローチャートである。
【図６】図１の光学システムの第１更新動作の動作例を示すブロック図である。
【図７】図１の光学システムの最適化動作の動作例を示すタイムチャートである。
【図８】実施の形態２に係る補償光学装置を含む光学システムの構成例及びビーコンレーザ発振時におけるビーコンレーザの光路の構成例を示すブロック図である。
【図９】図８の光学システムの動作例を示すフローチャートである。
【図１０】実施の形態３に係る補償光学装置を含む光学システムの動作例を示すフローチャートである。
【図１１】実施の形態４に係る補償光学装置を含む光学システムの構成例を示すブロック図である。
【図１２】実施の形態５に係る補償光学装置を含む光学システムの構成例を示すブロック図である。
【図１３】図１２の光学システムの動作例を示すフローチャートである。
【図１４】実施の形態６に係る補償光学装置を含む光学システムの構成例を示すブロック図である。
【図１５】図１４の光学システムの動作例を示すフローチャートである。
【図１６】図１４の光学システムの最適化動作の動作例を示すタイムチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下の実施の形態によって本発明が限定されるものではない。また、以下では、全ての図を通じて、同一又は相当する要素には同一の参照符号を付して、その重複する説明を省略する。
【００１３】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る補償光学装置１を含む光学システム１００の構成例及びビーコンレーザ発振時におけるビーコンレーザの光路の構成例を示すブロック図である。
【００１４】
光学システム１００は、レーザ発振器（後述するビーコンレーザ発振器７及び高出力レーザ発振器１０１）を含み、例えばレーザ光を大気中において長距離（例えば数ｋｍ以上）に亘り、地上近傍を含む領域を伝搬し、照射対象物Ａに照射する用途に用いられる。この用途においては、太陽日射によって地面が暖められると、そこからの対流が生じ、これが乱流となり、大気中において、温度分布の不均一が生じた状態、すなわち大気揺らぎが発生する。この温度分布の不均一は、この空間を伝搬する光の屈折率の不均一に対応し、光波面を歪ませ、集光度の劣化、レーザビーム到達位置の揺動等を発生させる。光学システム１００は、これら集光度の劣化、レーザビーム到達位置の揺動等を補償するための補償光学装置１を備える。照射対象物Ａとは、例えば飛行機等の高速で移動する飛翔物体である。
【００１５】
補償光学装置１は、例えば最適化手法を用いて大気揺らぎに起因する集光度の劣化、レーザビーム到達位置の揺動等を補償する装置である。最適化手法として、例えば確率的並列勾配降下法(Stochastic Parallel Gradient Descent, SPGD)を用いることができるが、これに限られるものではなく、これに代えて、例えば遺伝的アルゴリスムを用いてもよい。以下では、確率的並列勾配降下法を用いた構成について詳述する。
【００１６】
補償光学装置１は、拡大光学系２と、高速ステアリングミラー３と、第１形状可変鏡４と、第２形状可変鏡５と、波長分離鏡６と、ビーコンレーザ発振器７と、メトリックセンサ８と、チルトセンサ９と、制御部１０と、第１ビームスプリッタ１１と、第２ビームスプリッタ１２とを含む。
【００１７】
ビーコンレーザ発振器(BL)７は、レーザ光を発振する機器であり、照射対象物Ａからの反射光をメトリックセンサ８や、チルトセンサ９で検知可能なレベルの出力を有するレーザ光、すなわちビーコンレーザを発振する。そして、ビーコンレーザ発振器７から発振されたレーザ光は、第１ビームスプリッタ１１を通り、波長分離鏡６、第２形状可変鏡５、第１形状可変鏡４、高速ステアリングミラー３、拡大光学系２をこの順に経て、光学システム１００の外部へ出射され、大気伝搬した光として照射対象物Ａに至る。当該光路が、光学システム１００（補償光学装置１）における往路側の光路を構成する。
【００１８】
また、照射対象物Ａにおいて反射されたレーザ光は、大気伝搬した光として光学システム１００に入射し、拡大光学系２、高速ステアリングミラー３、第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、波長分離鏡６、第１ビームスプリッタ１１、第２ビームスプリッタ１２をこの順に経てメトリックセンサ８及びチルトセンサ９へ至る。当該光路が、光学システム１００（補償光学装置１）の復路側の光路を構成する。そして、照射対象物Ａと波長分離鏡６との間の往路側の光路と復路側の光路とは同一経路となっている。なお、レーザ光の光路における上記要素の順序は上記順序に限られるものではない。例えば、第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５の順序を入れ替えてもよい。
【００１９】
拡大光学系(LBD)２は、出射するレーザ光のビーム径を所定の寸法に拡大する機能を備え、例えば図示しない非球面形状の反射ミラー等を含む。拡大光学系２は、例えば往路側の光路における補償光学装置１の内部区間の終端位置、すなわち復路側の光路の補償光学装置１の内部区間の始端位置に配設される。
【００２０】
高速ステアリングミラー(FSM)３は、波面のチップ−チルト成分を補正動作可能に構成され、チップ−チルト制御部３２から受信した駆動信号に基づいて入射する光の反射方向を変更し、出射光の方向（レーザ光の照射方向）を制御する。これによって、高速ステアリングミラー３から出射する往路のレーザ光が大気揺らぎの影響を受けた後に、照射対象物Ａの所定位置に照射される方向に調整される。
【００２１】
図３は、補償光学装置１の構成例を概略的に示す図である。
【００２２】
第１形状可変鏡(DM1)４は、図３に示すように、レーザ光を反射する反射面２１と、反射面２１の凹凸形状を変化させる駆動部２２とを含む。第１形状可変鏡４は、反射面２１の凹凸形状を変化させることによって、レーザ光の波面誤差を補償するように用いられる。第１形状可変鏡４の反射面２１は、復路側の光路において、大気伝搬した光を反射する。また、第１形状可変鏡４の反射面２１は、往路側の光路において、第２形状可変鏡５からのレーザ光を反射する。駆動部２２は、複数の駆動素子２３と第１形状可変鏡ドライバ２４とを備える。そして、後述する補償光学制御部３１から受信した駆動信号に基づいて各駆動素子２３を動作させる。
【００２３】
第２形状可変鏡(DM2)５は、レーザ光を反射する反射面２６と、反射面２６の凹凸形状を変化させる駆動部２７とを含む。第２形状可変鏡５は、第１形状可変鏡４と同様に、反射面２６の凹凸形状を変化させることによって、レーザ光の波面誤差を補償するように用いられる。第２形状可変鏡５の反射面２６は、復路側の光路において、第１形状可変鏡４からのレーザ光を反射する。また、第２形状可変鏡５の反射面２６は、往路側の光路において、波長分離鏡６からのレーザ光、すなわち、ビーコンレーザ発振器７及び高出力レーザ発振器１０１において発振され、同一光路上に重畳されたレーザ光を反射する。駆動部２７は、駆動素子２８と第２形状可変鏡ドライバ２９とを備える。そして、後述する補償光学制御部３１から受信した駆動信号に基づいて各駆動素子２８を動作させる。
【００２４】
第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５は、例えばスタックアレイタイプの形状可変鏡であり、表面に誘電体多層膜等の高反射コーティングが施されたミラー面を構成する薄いガラス基板の裏面に複数の駆動素子（ピエゾアクチュエータ）（駆動素子２３、駆動素子２８）を接着して構成される。複数の駆動素子は、反射面の裏面に並ぶように配設されている。駆動素子は、印加する電圧に応じて反射面の法線方向（すなわち面外方向）に伸縮動作する。そして、複数の駆動素子の伸縮動作の組合せを変化させることによって、反射面の形状を変化させることができる。したがって、形状可変鏡の駆動素子の数（チャネル数）が増加するに従って、製造コストは上昇するものの複雑な凹凸形状を形成することができ、ゼルニケ多項式におけるより高次の波面誤差の補償に適用することができる。したがって、駆動素子の数は、補償する波面誤差の次数範囲に応じて選択される。本実施の形態において、第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５の駆動素子の数は、例えば同数の３７個である。
【００２５】
そして、第１形状可変鏡４の各駆動素子２３は、第２形状可変鏡５の複数の駆動素子２８の何れか１と１対１の対応関係で対応づけられている。そして、第１形状可変鏡４の反射面２１の裏面に配設された各駆動素子２３の位置は、対応づけられている第２形状可変鏡５の駆動素子２８と互いに同じ位置に配置され、第１形状可変鏡４における駆動素子２３の分布と、第２形状可変鏡５における駆動素子２８の分布は同一に構成されている。
【００２６】
また、第２形状可変鏡５の駆動部２７の最大変位量（ストローク幅）は、第１形状可変鏡４の駆動部２２の最大変位量（ストローク幅）よりも小さく構成されている。例えば、第１形状可変鏡４のストローク幅は、２μｍであり、第２形状可変鏡５のストローク幅は、８０ｎｍである。そして、単独の形状可変鏡は、ストローク幅が大きくなるに従って、ゼルニケ多項式におけるより低次の波面誤差の補償を行うことができるものの、応答性が低下する。形状可変鏡は、ストローク幅が小さくなるに従って、ゼルニケ多項式におけるより低次の波面誤差の補償を行うことが困難になる一方で、応答性が向上する。例えば、ストローク幅が大きい第１形状可変鏡４の反射面２１の形状変更動作の応答周波数は１０ｋＨｚであり、ストローク幅が小さい第２形状可変鏡５の反射面２６の形状変更動作の応答周波数は５０ｋＨｚである。このように、第１形状可変鏡４は、長ストローク低速の形状可変鏡であり、第２形状可変鏡５は短ストローク高速の形状可変鏡である。
【００２７】
本実施の形態において、第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５はスタックアレイタイプの形状可変鏡としたがこれに限られるものではない。これに代えて、バイモルフタイプ，ＭＥＭＳタイプの形状可変鏡としてもよい。
【００２８】
波長分離鏡(DCM)６は、図１に示すように、レーザ光の波長毎に反射する波長と透過する波長を選別する。すなわち、ビーコンレーザ発振器７により発振されたレーザ光（ビーコンレーザ）の波長と、高出力レーザ発振器１０１により発振されたレーザ光（メインレーザ）の波長は、異なる波長となるように選択する。それにより、例えばビーコンレーザを透過し、メインレーザを反射する波長分離鏡６とした場合、往路側において、ビーコンレーザとメインレーザを同軸に重畳させることができる。また、復路側においては、波長分離鏡６を透過する光を導光することで、メインレーザの戻り光（照射対象物Ａにおいて反射されたメインレーザ）と分離したビーコンレーザの戻り光（照射対象物Ａにおいて反射されたビーコンレーザ）を選択することができる。波長分離鏡６におけるビーコンレーザとメインレーザの各波長に対する透過と反射は、逆に構成することも可能である。
【００２９】
メトリックセンサ(MS)（検出部）８は、復路側の光路において、波長分離鏡６を経由した第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５からのレーザ光の光強度を検出し、検出値を出力する。メトリックセンサ８は、例えば集光レンズ４１及び集光レンズ４１の集光点に配置された適切な直径を有するピンホール４２を通ったレーザ光の光強度を検知するセンサ本体４３を含む。センサ本体４３は、フォトダイオード等の高速光検出素子であり、所望の入射波面状態で検出値が最大となるように構成されている。これによって、メトリックセンサ８は、レーザ光の集光性の度合いを検知するように構成されている。メトリックセンサ８から出力された検出値は、補償光学制御部３１に入力される。なお、メトリックセンサ８が検出する光は、ビーコンレーザ発振器７から発振された光に限られるものではない。
【００３０】
チルトセンサ(TS)９は、照射対象物Ａにおいて反射したレーザ光が大気揺らぎの影響を受けて光学システム１００に入射した時の光波面の傾き成分（チップ−チルト成分）に相当する集光位置の中心軸からのずれ量を検知し、これを出力する。チルトセンサ９から出力された検出値は、チップ−チルト制御部３２に入力される。
【００３１】
制御部１０は、例えばマイクロコントローラ、ＣＰＵ、ＡＳＩＣ、ＦＰＧＡ等のプログラマブルロジックデバイス（ＰＬＤ）などの演算器で構成される。制御部１０は、集中制御する単独の制御器で構成されていてもよく、互いに協働して分散制御する複数の制御器で構成されてもよい。また、制御部１０は、各種プログラム及びデータを記憶する記憶部（図示せず）を備えている。制御部１０は、補償光学制御部３１と、チップ−チルト制御部３２とを含む。補償光学制御部３１及びチップ−チルト制御部３２は、それぞれ記憶部に格納された所定の制御プログラムを制御部１０が実行することにより実現される機能ブロックとして構成してもよい。
【００３２】
補償光学制御部(SPGD AO)３１は、メトリックセンサ８から受信した検出値に基づき第１形状可変鏡４の駆動部２２及び第２形状可変鏡５の駆動部２７を制御する。すなわち、補償光学制御部３１は第１形状可変鏡ドライバ２４を介して複数の駆動素子２３の動作を制御し、反射面２１の凹凸形状を変化させる。また、補償光学制御部３１は、第２形状可変鏡ドライバ２９を介して複数の駆動素子２８の動作を制御し、反射面２６の凹凸形状を変化させる（図３参照）。
【００３３】
また、補償光学制御部３１は、第１更新動作と第２更新動作とを実行可能に構成されている（詳細は後述）。補償光学制御部３１は、第１形状可変鏡４に対する制御信号、及び第２形状可変鏡５に対する制御信号を出力する。
【００３４】
チップ−チルト制御部３２は、チルトセンサ９から受信した検出値に基づき復路におけるレーザ光が大気揺らぎの影響を受けて光学システム１００に入射した時の光波面の傾き成分（チップ−チルト成分）を算出する。そして、チルトセンサ９における光波面の傾き成分がゼロになるように、すなわち往路側が復路側と同じ傾き成分となるように高速ステアリングミラー３の動作を制御するための高速ステアリングミラー３に対する制御信号を出力する。
【００３５】
第１ビームスプリッタ１１及び第２ビームスプリッタ１２は、入射する光を部分的に反射し、その余の光を透過することによって、レーザ光を異なる光路に分岐させたり、光路の異なる複数のレーザ光の光路を一つの光路に合流（重畳）させたりする。
【００３６】
第１ビームスプリッタ１１は、復路側の光路において、波長分離鏡６から入射するレーザ光の一部を第２ビームスプリッタ１２に向かって反射する。また、第１ビームスプリッタ１１は、往路側の光路において、ビーコンレーザ発振器７から出射されたレーザ光を、波長分離鏡６から第１ビームスプリッタ１１に入射する復路側の光路と同一の光路上に載せる（重畳させる）。
【００３７】
第２ビームスプリッタ１２は、復路側の光路において、第１ビームスプリッタ１１から入射するレーザ光を部分的に反射し、反射されたレーザ光は、メトリックセンサ８に入射する。また、第２ビームスプリッタ１２は、その余のレーザ光を透過し、透過したレーザ光は、チルトセンサ９に入射する。
【００３８】
図２は、光学システム１００の構成例及びメインレーザ発振時におけるメインレーザの光路の構成例を示すブロック図である。
【００３９】
図２に示すように、光学システム１００は、高出力レーザ発振器１０１を含む。高出力レーザ発振器１０１は、レーザ光を発振する機器であり、高出力のレーザ光、すなわちメインレーザを発振する。メインレーザの波長は、ビーコンレーザの波長と異なるように構成される。そして、高出力レーザ発振器１０１から発振されたレーザ光は、波長分離鏡６、第２形状可変鏡５、第１形状可変鏡４、高速ステアリングミラー３、拡大光学系２をこの順に経て、光学システム１００の外部へ出射され、大気伝搬し、照射対象物Ａに至る。波長分離鏡６（第２形状可変鏡５）と照射対象物Ａとの間の区間の光路は、同区間におけるビーコンレーザの光路と同一経路となっている。
【００４０】
［動作例］
次に、光学システム１００の動作例を説明する。
【００４１】
図４及び図５は、光学システム１００の動作例を示すフローチャートである。図６は、光学システム１００の第１更新動作の動作例を示すブロック図である。図７は、光学システム１００の最適化動作の動作例を示すタイムチャートである。
【００４２】
まず、ビーコンレーザ発振器７がレーザ光を発振すると、発振されたレーザ光は、第１ビームスプリッタ１１を通り、波長分離鏡６、第２形状可変鏡５、第１形状可変鏡４、高速ステアリングミラー３、拡大光学系２をこの順に経て、光学システム１００の外部へ出射され、大気伝搬し、照射対象物Ａに至る。そして、照射対象物Ａにて反射されたレーザ光は、大気伝搬した光として光学システム１００に入射し、拡大光学系２、高速ステアリングミラー３、第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、波長分離鏡６、第１ビームスプリッタ１１、第２ビームスプリッタ１２をこの順に経てメトリックセンサ８に至り、メトリックセンサ８によって、大気揺らぎの影響を受けた反射光の光強度が検知される。
【００４３】
そして、補償光学制御部３１が以下の最適化動作を所定回数（例えば２５回）繰り返し実行する。そして、その後、大気揺らぎ条件に応じて設定される所定の周期Ｔ（図７参照）が経過すると、補償光学制御部３１は最適化動作を再び繰り返し実行する。
【００４４】
最適化動作において補償光学制御部３１は、まず、第１更新動作を実行する（ステップＳ１０）。第１更新動作は、メトリックセンサ８による検出値に基づいて第２形状可変鏡５の駆動部２７を制御して、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を変化させる動作である。
【００４５】
すなわち、第１更新動作において、補償光学制御部３１は、まず、第２形状可変鏡５のチャネル数と同数の成分を有する乱数行列Ｒを発生させる（ステップＳ１１）。
【００４６】
次に、補償光学制御部３１は、以下の式（１）に従ってＶ＋を算出する。
Ｖ＋＝Ｖｎ＋Ｒ・ΔＶｄ  ・・・  （１）
但し、
Ｖ＋は、第１更新動作時におけるプラス方向への摂動時の第２形状可変鏡の駆動素子への印加電圧行列
Ｖｎは、ｎ（ｎは１以上の整数）回目の第１更新動作前の第２形状可変鏡への印加電圧行列
ΔＶｄは、所定の摂動振幅に対応する所定の電圧
そして、補償光学制御部３１は、第２形状可変鏡５の各駆動素子２８に、各駆動素子２８に対応するＶ＋の要素に係る電圧を印加することにより、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状をｎ回目の第１更新動作開始前の形状から第１形状に変化させ、第２形状可変鏡５の反射面２６をプラス方向に摂動させる（プラスディザを与える）（ステップＳ１２）。上記式（１）に示すように、第１形状は、第２形状可変鏡５の複数の駆動素子２８に対して、第１更新動作毎にランダムに選択される形状変化量をｎ回目の第１更新動作開始前の形状に加算して規定される第２形状可変鏡５の反射面２６の形状である。このように繰り返し実行される第１更新動作において、動作毎に形状変化量をランダムに選択することによって、最適化動作において局所最適に陥ることを効果的に防止することができる。なお、本実施の形態において、Ｒは１又は−１のうち１をランダムに選択した行列であり、ΔＶｄは所定値である。
【００４７】
次に、補償光学制御部３１は、第１形状可変鏡４、反射面２６を＋（プラス）方向に摂動させた第２形状可変鏡５をこの順に経てメトリックセンサ８に至った反射光の光強度Ｊ＋を取得する（ステップＳ１３）。
【００４８】
次に、補償光学制御部３１は、以下の式（２）に従ってＶ−を算出する。
Ｖ−＝Ｖｎ−Ｒ・ΔＶｄ  ・・・  （２）
但し、
Ｖ−は、第１更新動作時におけるマイナス方向への摂動時の第２形状可変鏡の駆動素子への印加電圧行列
そして、補償光学制御部３１は、第２形状可変鏡５の各駆動素子２８に、各駆動素子２８に対応するＶ−の要素に係る電圧を印加することにより、第２形状に変化させ、第２形状可変鏡５の反射面２６をマイナス方向に摂動させる（マイナスディザを与える）（ステップＳ１４）。上記式（２）に示すように、第２形状は、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状が第１形状とｎ回目の第１更新動作開始前の形状に対して対称となる形状である。
【００４９】
次に、補償光学制御部３１は、第１形状可変鏡４、反射面２６を−（マイナス）方向に摂動させた第２形状可変鏡５をこの順に経てメトリックセンサ８に至った反射光の光強度Ｊ−を取得する（ステップＳ１５）。
【００５０】
次に、補償光学制御部３１は、以下の式（３）（４）に従って形状変化量Ｃを算出する（ステップＳ１６）。
Ｃ＝Ｇ・Ｒ・ΔＪ・ΔＶｄ  ・・・  （３）
ΔＪ＝Ｊ＋−Ｊ−  ・・・  （４）
但し、
Ｇはこの最適化制御におけるゲインであり、所定値である。
【００５１】
次に、補償光学制御部３１は、第２形状可変鏡５の各駆動素子２８に、各駆動素子２８に対応する以下の式（５）のＶｎ＋１の要素に係る電圧を印加することにより、第２形状可変鏡５の反射面２６の形状を更新する（ステップＳ１７）。
Ｖｎ＋１＝Ｖｎ＋Ｃ  ・・・  （５）
上記式（１）〜（５）に示すように、確率的並列勾配降下法を用いた最適化手法において、メトリックセンサ８の検出値が当該最適化手法における評価関数を構成する。
【００５２】
このように、補償光学制御部３１は、第１更新動作において、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を第１形状及び第２形状のうちメトリックセンサ８が検出した光強度が強い一方の形状に向かって変化させ、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を更新する。すなわち、光強度Ｊ＋の値が光強度Ｊ−よりも大きい時はΔＪの値は正となり、形状変化量Ｃの値は第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状をｎ回目の第１更新動作開始前の形状よりも第１形状側に変化させる値を示す。一方、光強度Ｊ＋の値が光強度Ｊ−よりも小さい時はΔＪの値は負となり、形状変化量Ｃの値は第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状をｎ回目の第１更新動作開始前の形状よりも第２形状側に変化させる値を示す。すなわち、補償光学制御部３１は、光強度が強くなる方向に第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を変化させるように形状変化量Ｃを算出し、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を更新する。
【００５３】
また、上記式（３）に示すように、形状変化量Ｃの値は、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状が収束形状に近づき、ΔＪの値が小さくなるに従って小さくなるので、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を適切に収束させることができる。
【００５４】
次に、補償光学制御部３１は、第１更新動作を所定回数実行する（ステップＳ２０）。大気揺らぎの影響によって集光度が劣化し、集光点でのビーム径が拡がると、集光点に設置されたピンホール等の微小開口を通過する光強度が弱くなる。補償光学制御部３１は、最適化手法を用いてこのレーザ光の集光点における中心部の光強度を最大値に近づけるように第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を繰り返し更新する。
【００５５】
補償光学制御部３１は、第１更新動作を所定回数実行すると、次に、第２更新動作を実行する（ステップＳ３０）。第２更新動作は、第１更新動作を所定回数繰り返し実行することによる所定の初期形状（１回目の第１更新動作開始時の形状）からの第２形状可変鏡５の反射面２６の形状変化量に基づいて、第１形状可変鏡４の駆動部２２を制御して第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を変化させて、更新する動作である。
【００５６】
すなわち、第２更新動作において、補償光学制御部３１は、第１形状可変鏡４の各駆動素子２３を動作させ、第１更新動作の開始時と終了時との間の第２形状可変鏡５の反射面２６の形状差を第１形状可変鏡４の反射面２１に加える。具体的には、補償光学制御部３１は、各第２形状可変鏡５の駆動素子２８について、駆動素子２８の第１更新動作の開始時から終了時までの動作量（移動量）を算出し、この駆動素子２８に対応する第１形状可変鏡４の駆動素子２３を算出した動作量と同じ動作量動作させる。さらに具体的には、補償光学制御部３１は、第１形状可変鏡４の各駆動素子２３に、各駆動素子２３に対応する以下の式（６）のＶ２ｎ＋１の要素に係る電圧を印加することにより、第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を更新する。
Ｖ２ｎ＋１＝Ｖ２ｎ＋Ｖｃ  ・・・  （６）
但し、
Ｖ２ｎは、ｎ回目の最適化動作前の第１形状可変鏡への印加電圧行列
Ｖｃは、第１形状可変鏡の駆動素子を第２形状可変鏡の駆動素子の第１更新動作の開始時から終了時までの動作量と同一の動作量動作させるための印加電圧の変更量の行列
これによって、第２形状可変鏡５の反射面２６の形状変化量を第１形状可変鏡４の反射面２１に精度よく転写して更新することができる。この間、補償光学制御部３１は、第１更新動作を停止するように構成されている。
【００５７】
なお、本実施の形態において、第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５のチャネル数は同数であり、第２形状可変鏡５の駆動素子２８に対応する第１形状可変鏡４の各駆動素子２３を第２形状可変鏡５の駆動素子２８の第１更新動作の開始時から終了時までの動作量と同一の動作量動作させることによって、第２形状可変鏡５の形状変化量を第１形状可変鏡４に転写している。しかし、例えば、第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５のチャネル数が異なり、第１形状可変鏡４の駆動素子２３と第２形状可変鏡５の駆動素子２８とが対応づけられていないときは、補償光学制御部３１は、第２形状可変鏡５の反射面２６の形状変化量に基づいて、第１形状可変鏡４の駆動素子２３の動作量を算出してもよい。
【００５８】
次に、補償光学制御部３１は、第２形状可変鏡５の初期化動作を実行する（ステップＳ４０）。第２形状可変鏡５の初期化動作は、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を所定の初期形状（１回目の第１更新動作開始時の形状）に更新する動作である。これによって、第２更新動作前のメトリックセンサ８の検出値と、初期化動作後のメトリックセンサ８の検出値が実質的に同一の値を示すように構成されている。これら一連の動作によって、第２形状可変鏡５の形状変化量を第１形状可変鏡４に転写することができる。
【００５９】
なお、初期化動作は、第２更新動作を実行するタイミングにおいて実行される。本実施の形態において、初期化動作は、第２更新動作の直後に行ったがこれに限られるものではなく、これに代えて第２更新動作と同時、又は第２更新動作の直前に行ってもよい。
【００６０】
そして、補償光学制御部３１は、図７に示すように、時間帯Ｔ１において第１更新動作を実行し、時間帯Ｔ２において第２更新動作を行うと共に初期化動作を行う。また、第１更新動作が実行される時間帯Ｔ１に含まれる時間帯Ｔａにおいて、補償光学制御部３１は、第２形状可変鏡５のプラス方向への摂動、マイナス方向への摂動、及び第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状の更新動作を実行する。そして、補償光学制御部３１は、再び時間帯Ｔ３において、第１更新動作を行い、時間帯Ｔ４において、第２更新動作を行うと共に初期化動作を行う。このように、補償光学制御部３１は、第１更新動作と第２更新動作及び初期化動作とを繰り返し実行する。なお、この反復動作の維持により、大気補償制御バンド幅は２７０Ｈｚ程度が得られると見積もることができる。
【００６１】
このように、本実施の形態において、ストローク幅が小さい一方で応答性能が高い第２形状可変鏡５を用いて所定回数繰り返し第１更新動作を行うよう構成されているので、最適化を高速で行うことができ、制御速度を向上させることができる。そして、所定回数第１更新動作を行った後、第２形状可変鏡５に形状変化量を転写しているので、最適化動作を繰り返し行った場合において、ストローク幅が不足することを防止することができ、高次の波面誤差の補償だけでなく低次の波面誤差の補償を適切に行うことができる。
【００６２】
以上に説明したように、補償光学装置１は、メトリックセンサ８の検出値を評価関数として形状可変鏡の反射面の凹凸形状を繰り返し変化させる最適化手法を用いて補償を行うので、大気揺らぎが強い条件下等において、位相の渦巻き状成分が生じた場合であっても、これに対する補償を精度よく行うことができる。つまり、位相の渦巻き状成分が生じ、光波面に大きな段差状成分が生じることがあるが、この段差状成分を例えば入射ビーム断面を複数のサブアパーチャに分割して、その各サブアパーチャ内の集光位置を平均波面傾斜として、全体の波面形状を再生するシャック-ハルトマン型波面センサで正しく計測することは困難であり、これを元に補償制御すると、逆に集光度を劣化させてしまう。しかし、補償光学装置１は、最適化手法により、当該段差状成分が存在したとしても、最終的に集光度が高まる形状に形状可変鏡の反射面の凹凸形状を変化させる過程を採るので、大気揺らぎが強い条件下等においても、制御速度が大気揺らぎの速度に追従できれば、補償を精度よく行うことができる。
【００６３】
ところで、最適化手法を適用した補償光学装置は、波面センサを使用する補償光学装置と比較して、同じ速度の大気揺らぎに追従させる場合、圧倒的に高い制御速度を必要とするため、これまで大気揺らぎの強い条件下で実用に値する制御速度を確保し、十分な補償を行うことが困難であった。補償光学装置１は、複数回の更新動作を経て形状可変鏡を最適形状に収束させる最適化手法を用いる場合において、単独の形状可変鏡では必要な制御速度（応答速度）及びストロークを確保することが困難な場合であっても、第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５を上述の通り協調制御することによって、補償に必要なストロークを確保すると共に、大気揺らぎの速度に追従できる制御速度を確保することができる。すなわち、大気揺らぎが強い条件下において用いられる補償光学装置に最適化手法を適用することができ、大気揺らぎが強い条件下における高次の光波面の補償を精度良く行うことができる。
【００６４】
そして、照射対象物Ａと第２形状可変鏡５との間の往路側の光路と復路側の光路とは同一経路となるように構成されているので、復路側で大気揺らぎの影響を補正する補償動作を実施することによって、往路側に対しても同様の補償を行うことができる。
【００６５】
＜変形例＞
なお、第１形状可変鏡４を高速・短ストローク、第２形状可変鏡５を低速・長ストロークとし、第１形状可変鏡４に対して第２更新動作を実行し、第２形状可変鏡５に対して第１更新動作を実行するようにしてもよい。
【００６６】
また、第１形状可変鏡４は一つに限られるものではない。例えば、第１形状可変鏡４に相当する低速・長ストロークの形状可変鏡を複数設け、第２更新動作において、補償光学制御部３１が、第１更新動作による第２形状可変鏡５の反射面２６の形状変化量に基づいて、第１形状可変鏡４に相当する複数の形状可変鏡のうち１の形状可変鏡を選択し、選択した形状可変鏡の反射面の凹凸形状を変化させて、更新してもよい。
【００６７】
（実施の形態２）
以下では実施の形態２に係る補償光学装置２０１を含む光学システム２００の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べる。
【００６８】
［構成］
図８は、実施の形態２に係る光学システム２００の構成例及びビーコンレーザ及びメインレーザの発振時におけるビーコンレーザ及びメインレーザの光路の構成例を示すブロック図である。
【００６９】
実施の形態２の補償光学装置２０１は、図８に示すように、拡大光学系２と、高速ステアリングミラー３と、第１形状可変鏡４と、第２形状可変鏡５と、波長分離鏡６と、ビーコンレーザ発振器７と、高出力レーザ発振器１０１と、第１メトリックセンサ２０８Ａと、第１光量調整装置２１３Ａと、第２メトリックセンサ２０８Ｂと、第２光量調整装置２１３Ｂと、補償光学制御部２３１を含む制御部２１０と、第１ビームスプリッタ１１と、光量モニタ機能付き高出力レーザ反射ミラー２１１とを含む。なお、図８においては、実施の形態１のチルトセンサ９、第２ビームスプリッタ１２、チップ−チルト制御部３２を省略して図示しているが、実施の形態２においても実施の形態１と同様に補償光学装置１はこれらを備え、高速ステアリングミラー３を用いた波面のチップ−チルト成分の補正が行われる。
【００７０】
光学システム２００は、復路側の光路において、波長分離鏡６を反射する光及び波長分離鏡６を透過する光をそれぞれ導光することで、メインレーザの戻り光及びビーコンレーザの戻り光（照射対象物Ａにおいて反射されたレーザ光）を分離し、互いに異なる２つの光路に分岐させている。そして、波長分離鏡６を通ったビーコンレーザの戻り光は、第１ビームスプリッタ１１、第１光量調整装置２１３Ａをこの順に通って、第１メトリックセンサ２０８Ａに至る。また、波長分離鏡６を通ったメインレーザの戻り光は、ビーコンレーザの戻り光の光路と別の光路に導光され、光量モニタ機能付き高出力レーザ反射ミラー２１１を透過して、第２光量調整装置２１３Ｂをこの順に通って、第２メトリックセンサ２０８Ｂに至る。
【００７１】
光量モニタ機能付き高出力レーザ反射ミラー２１１は、メインレーザ波長に対して非常に高い透過性を持つ合成石英等の基板材料の表面に高反射コーティングを、裏面に反射防止コーティングを施すことによって構成する。復路側の光路において、波長分離鏡６から入射するメインレーザの戻り光が、光量モニタ機能付き高出力レーザ反射ミラー２１１を反射する際に、表面の高反射コーティングを透過する、わずかな光量を第２メトリックセンサ２０８Ｂに入射するモニタ光として利用する。
【００７２】
第１メトリックセンサ(MS1)（検出部）２０８Ａは、復路側のビーコンレーザの戻り光の光路において、波長分離鏡６を経由した第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５からのビーコンレーザの戻り光の光強度を検出し、検出値を出力する。第１メトリックセンサ２０８Ａから出力された検出値は、補償光学制御部２３１に入力される。その他の第１メトリックセンサ２０８Ａの構成は、上記実施の形態１のメトリックセンサ８と同様であるので、その説明を省略する。
【００７３】
第１光量調整装置(OAM1)２１３Ａは、復路側のビーコンレーザの戻り光の光路において、波長分離鏡６と第１メトリックセンサ２０８Ａとの間に介在するよう設けられている。第１光量調整装置２１３Ａは、第１光量調整装置２１３Ａを通過し、第１メトリックセンサ２０８Ａに入射するビーコンレーザの光量を調整する。第１光量調整装置２１３Ａは、当該戻り光の波面状態を乱さない光量制御方法として、例えば、複数の反射率を持つ反射型のNDフィルターの挿入を外部制御駆動で切り替えるような調整機構である。
【００７４】
第２メトリックセンサ(MS2)（高出力レーザ用検出部）２０８Ｂは、復路側のメインレーザの戻り光の光路において、波長分離鏡６を経由した第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５からのメインレーザ光の光強度を検出し、検出値を出力する。第２メトリックセンサ２０８Ｂから出力された検出値は、補償光学制御部２３１に入力される。その他の第２メトリックセンサ２０８Ｂの構成は、第１メトリックセンサ２０８Ａと同様であるので、その説明を省略する。
【００７５】
第２光量調整装置(OAM2)２１３Ｂ（高出力レーザ光量調整部）は、復路側のメインレーザの戻り光の光路において、波長分離鏡６と第２メトリックセンサ２０８Ｂとの間に介在するよう設けられている。第２光量調整装置２１３Ｂは、第２光量調整装置２１３Ｂを通過し、第２メトリックセンサ２０８Ｂに入射するメインレーザの光量を調整する。その他の第２光量調整装置２１３Ｂの構成は、第１光量調整装置２１３Ａと同様であるので、その説明を省略する。
【００７６】
制御部２１０は、ビーコンレーザ発振器７及び高出力レーザ発振器１０１のレーザの発振を制御する。また、制御部２１０は、第１光量調整装置２１３Ａを制御し、第１メトリックセンサ２０８Ａから受信した検出値に基づいて、第１メトリックセンサ２０８Ａに入射するビーコンレーザの戻り光の光強度が第１メトリックセンサ２０８Ａのダイナミックレンジ（センサが識別可能な光量の最大値と最小値）に収まるように、通過する光量を調整する。更に、制御部２１０は、第２光量調整装置２１３Ｂを制御し、第２メトリックセンサ２０８Ｂから受信した検出値に基づいて、第２メトリックセンサ２０８Ｂに入射するメインレーザの戻り光の光強度が第２メトリックセンサ２０８Ｂのダイナミックレンジに収まるように、通過する光量を調整する。
【００７７】
実施の形態１においては光量調整装置を省略して図示しているが、本実施の形態と同様に実施の形態１においても、波長分離鏡６とメトリックセンサ８との間に介在するように制御部１０によって制御される光量調整装置を設けてもよい。
【００７８】
補償光学制御部２３１は、第１メトリックセンサ２０８Ａ及び第２メトリックセンサ２０８Ｂの一方を選択し、選択したメトリックセンサから受信した検出値に基づき第１形状可変鏡４の駆動部２２（図３参照）及び第２形状可変鏡５の駆動部２７（図３参照）を制御する。その他の補償光学制御部２３１の構成は、補償光学制御部３１と同様であるので、その説明を省略する。
【００７９】
［動作例］
次に、光学システム２００の動作例を説明する。
【００８０】
図９は、光学システム２００の動作例を示すフローチャートである。
【００８１】
まず、制御部２１０は、ビーコンレーザ発振器７がレーザ光（ビーコンレーザ）を発振する（ステップＳ２０１）。そして、ビーコンレーザは、光学システム２００の外部へ出射され、大気伝搬し、照射対象物Ａに至る。その後、対象物Ａにて反射されたビーコンレーザの戻り光は、大気伝搬した光として光学システム２００に入射し、拡大光学系２、高速ステアリングミラー３、第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、波長分離鏡６、第１ビームスプリッタ１１、第１光量調整装置２１３Ａをこの順に経て第１メトリックセンサ２０８Ａに至り、第１メトリックセンサ２０８Ａによって、大気揺らぎの影響を受けた反射光の波面状態が検知され、その検出値を出力する。
【００８２】
次に、制御部２１０は、第１光量調整装置２１３Ａを制御して、第１メトリックセンサ２０８Ａから出力された検出値に基づいて、第１メトリックセンサ２０８Ａに入射するビーコンレーザの戻り光の光量が第１メトリックセンサ２０８Ａのダイナミックレンジに収まるように、第１光量調整装置２１３Ａを通過する光量を調整し、第１メトリックセンサ２０８Ａに入射する光量を調整する（ステップＳ２０２）。
【００８３】
そして、第１光量調整装置２１３Ａを通過する光量の調整が終了すると、次に、補償光学制御部２３１は、第１メトリックセンサ２０８Ａが検知したレーザ光の光強度を用いて最適化動作を実行する（ステップＳ２０３）。この最適化動作は、光強度の評価にメトリックセンサ８ではなく第１メトリックセンサ２０８Ａを用いることを除き、上記実施の形態１の最適化動作（ステップＳ１０〜ステップＳ４０）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００８４】
次に、制御部２１０は、ビーコンレーザに加え、高出力レーザ発振器１０１がレーザ光（メインレーザ）を発振する（ステップＳ２０４）。メインレーザ及びビーコンレーザは、波長分離鏡６を通ることによって同一光路上に重畳され、光学システム２００の外部へ出射される。そして、重畳されたメインレーザ及びビーコンレーザは、光学システム２００の外部へ出射され、大気伝搬し、照射対象物Ａに至る。その後、対象物Ａにて反射されたメインレーザの戻り光は、大気伝搬した光として光学システム２００に入射し、波長分離鏡６においてビーコンレーザの光路とは別の光路に導光され、光量モニタ機能付き高出力レーザ反射ミラー２１１、第２光量調整装置２１３Ｂをこの順に経て第２メトリックセンサ２０８Ｂに至り、第２メトリックセンサ２０８Ｂによって、大気揺らぎの影響を受けた反射光の波面状態が検知され、検出値を出力する。
【００８５】
次に、制御部２１０は、第２メトリックセンサ２０８Ｂから出力された検出値に基づいて、第２メトリックセンサ２０８Ｂに入射するメインレーザの戻り光の光量が第２メトリックセンサ２０８Ｂのダイナミックレンジに収まるように、第２光量調整装置２１３Ｂを通過する光量を調整し、第２メトリックセンサ２０８Ｂに入射する光量を調整する（光量調整動作  ステップＳ２０５）。
【００８６】
そして、制御部２１０が第２光量調整装置２１３Ｂを通過する光量を調整している間、補償光学制御部２３１は、引き続き第１メトリックセンサ２０８Ａが検知したビーコンレーザの戻り光の光強度を用いて最適化動作を実行する（ステップＳ２０６）。ビーコンレーザとメインレーザとは同一光路上に重畳されているので、ビーコンレーザの戻り光の光強度を用いて光波面の補償を行うことによって、メインレーザの波面誤差の補償を行うことができる。
【００８７】
ところで、メインレーザの戻り光の光強度は、照射対象物Ａとの距離や、照射対象物Ａの表面反射率等によって変化するため、メインレーザの戻り光の光強度が第２メトリックセンサ２０８Ｂのダイナミックレンジに収まるように、制御部２１０が第２光量調整装置２１３Ｂを透過する光量をメインレーザの照射開始前に調整することは困難であり、メインレーザの照射開始時に、補償光学制御部２３１が第２メトリックセンサ２０８Ｂを用いて最適化動作を実行することは困難であった。しかし、本実施の形態において、補償光学制御部２３１は、メインレーザの照射開始時において、引き続き第１メトリックセンサ２０８Ａが検知したビーコンレーザの戻り光の光強度を用いて最適化動作を実行するので、メインレーザの照射開始時に大気揺らぎの影響によるメインレーザの波面誤差の補償を行うことができる。
【００８８】
そして、第２光量調整装置２１３Ｂを通過する光量の調整が完了すると、次に、制御部２１０の補償光学制御部２３１は、第１更新動作において、第１メトリックセンサ２０８Ａによる検出値に基づいて第２形状可変鏡５の駆動部２７を制御して、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を変化させる動作を、第２メトリックセンサ２０８Ｂによる検出値に基づいて第２形状可変鏡５の駆動部２７を制御して、第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を変化させる動作に切り替える切替処理を行って、最適化動作を実行する（ステップＳ２０７）。すなわち、この最適化動作は、光強度の評価にメトリックセンサ８ではなく第２メトリックセンサ２０８Ｂを用いることを除き、上記実施の形態１の最適化動作（ステップＳ１０〜ステップＳ４０）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００８９】
ところで、対象物Ａにて反射されたメインレーザの戻り光の光波面の乱れ方と対象物Ａにて反射されたビーコンレーザの戻り光の光波面の乱れ方とに共通性を持たせるためには、メインレーザをビーコンレーザに精度よく同一光路上に重畳させる必要があり、メインレーザの大気中の光路とビーコンレーザの大気中の光路との間のずれが大きくなるに従い、ビーコンレーザの光強度を用いたメインレーザに対する光波面の補償性能（ストレール比）が低下する。しかし、補償光学制御部２３１は、第２光量調整装置２１３Ｂを通過する光量の調整が終了し次第、第２メトリックセンサ２０８Ｂが検知したレーザ光の光強度を用いて最適化動作を実行するので、メインレーザの補償精度を高めることができる。
【００９０】
（実施の形態３）
以下では実施の形態３の光学システムの動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べる。
【００９１】
［動作例］
図１０は、実施の形態３の光学システムの動作例を示すフローチャートである。
【００９２】
本実施の形態において、光学システムの補償光学制御部３１は、まず、実施の形態１の動作例における最適化動作を実行する（ステップ３１０）。
【００９３】
次に、補償光学制御部３１は、メトリックセンサ８によって検知された光強度が所定の閾値Ｊｔｈ以下であるか否かを判定する（ステップＳ３２０）。所定の閾値Ｊｔｈは、たとえば、以下の式（７）にしたがって算出される。
Ｊｔｈ＝Ｊ０・ｋａ  ・・・  （７）
但し、
Ｊ０は、最適化動作開始時にメトリックセンサ８によって検知された光強度の値である。
ｋａは、所定の係数（例えば０．７）である。
【００９４】
そして、補償光学制御部３１は、メトリックセンサ８によって検知された光強度が所定の閾値Ｊｔｈ以上であると判定すると（ステップＳ３２０においてＮｏ）、最適化動作を継続する。一方、ステップＳ３２０において、補償光学制御部３１は、大気揺らぎの影響を受けた反射光の光強度が所定の閾値Ｊｔｈ以下であると判定すると（ステップＳ３２０においてＹｅｓ）、第１形状可変鏡４の初期化動作（第２初期化動作）を実行する（ステップＳ３３０）。第１形状可変鏡４の初期化動作は、第１形状可変鏡４の反射面２６の凹凸形状を所定の初期形状（１回目の第２更新動作開始時の形状）に更新する動作である。上述の通り、補償光学制御部３１は、確率的並列勾配降下法を用いた最適化動作を繰り返し実行することによって、大気の揺らぎの変化に追従するように形状可変鏡の反射面の凹凸形状を変化させる。しかし、最適化動作においては、局所最適に陥る、すなわち、全体最適ではないが、ある局所的な範囲においては最適となる場合があり、局所最適に陥ると、大気の揺らぎの変化に追従するように形状可変鏡の反射面の凹凸形状を変化させることができず、集光度を劣化させてしまう場合がある。しかし、本実施の形態において、補償光学制御部３１は、集光度がある程度以上劣化した場合、すなわち、メトリックセンサ８によって検知された光強度が所定の閾値Ｊｔｈ以下であると判定すると、第１形状可変鏡４の初期化動作を実行するので、局所最適に陥った状態から抜け出すことができ、集光度が劣化した状態が継続することを防止することができる。そして、補償光学制御部３１は、最適化動作を継続する。
【００９５】
（実施の形態４）
以下では実施の形態４に係る光学システム４００の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べる。
【００９６】
［構成］
図１１は、実施の形態４に係る光学システム４００の構成例を示すブロック図である。
【００９７】
光学システム４００は、補償光学装置４０１及び補償結果評価装置４５０を含む。
【００９８】
補償光学装置４０１は、補償光学制御部３１に代えて補償光学制御部４３１が設けられている他は、上記実施の形態１と同様であるのでその詳細な説明を省略する。なお、図１１においては、高出力レーザ発振器１０１、第２ビームスプリッタ１２、チルトセンサ９、及びチップ−チルト制御部３２の図示を省略しているが、上記実施の形態１と同様に構成されている。
【００９９】
補償光学制御部４３１は、メトリックセンサ８から受信した検出値に加え、後述する補償結果評価装置４５０のメトリックセンサ４０８から受信した検出値に基づき、補償光学装置４０１の第１形状可変鏡４の駆動部２２（図３参照）及び第２形状可変鏡５の駆動部２７を制御する。その他の補償光学制御部４３１の構成は、補償光学制御部３１と同様であるので、その説明を省略する。
【０１００】
補償結果評価装置４５０は、補償光学装置４０１のビーコンレーザ発振器７から発振され、光波面の補償が行われて出射された光であって、照射対象物Ａにおいて反射された光を検知し、補償光学装置４０１による往路側の光路の大気揺らぎの補償の程度を評価する評価量を検出し、出力する装置である。補償結果評価装置４５０は、ビーコンレーザ発振器７及び高出力レーザ発振器１０１を含まない。また、第１メトリックセンサ８に代えて第１メトリックセンサ４０８を備える。そして、補償の程度状態を評価する評価量とは、例えば、評価対象物Ａ上におけるビーコンレーザのビーム径である。この場合、補償結果評価装置４５０のメトリックセンサ４０８は、例えば、画像センサであってもよい。そして、この画像センサの画像出力を画像処理し、評価対象物Ａ上におけるビーコンレーザのビーム径を算出する。そして、このビーム径を評価量Ｊｅとして出力する。メトリックセンサ４０８から出力された評価量Ｊｅは、補償結果評価装置４５０の補償光学制御部３１に加え、補償光学装置４０１の補償光学制御部３１にも入力される。その他の補償結果評価装置４５０の構成は、補償光学装置４０１と同様であるので、その説明を省略する。
【０１０１】
［動作例］
次に、光学システム４００の動作例を説明する。
【０１０２】
まず、補償光学装置４０１のビーコンレーザ発振器７がレーザ光を発振すると、発振されたレーザ光は、光学システム１００の外部へ出射され、大気伝搬し、照射対象物Ａに至る。
【０１０３】
そして、照射対象物Ａにて反射されたレーザ光は、一部が大気伝搬した光として補償光学装置４０１に入射して補償光学装置４０１のメトリックセンサ８に至り、補償光学装置４０１のメトリックセンサ８によって、反射光の光強度が検知される。同時に、照射対象物Ａにて反射されたレーザ光は、一部が大気伝搬した光として補償結果評価装置４５０に入射してそのメトリックセンサ（評価用検出部）４０８に至り、このメトリックセンサ４０８によって、補償光学装置４０１による補償結果の評価量Ｊｅが検知される。
【０１０４】
そして、補償結果評価装置４５０のメトリックセンサ４０８の評価量Ｊｅを評価関数として形状可変鏡（評価用形状可変鏡）の反射面の凹凸形状を繰り返し変化させる最適化手法を用いて、補償結果評価装置４５０の補償光学制御部（評価用制御部）３１が最適化動作を繰り返し実行する。この最適化動作は、評価量Ｊｅが改善するように、すなわちメトリックセンサ４０８が検出する評価量Ｊｅであるビーム径が最小になるように形状可変鏡の反射面の凹凸形状を変化させる動作（結像動作）である。結像動作は、上記実施の形態１の最適化動作と同様であるので、その詳細な説明を省略する。これによって、補償結果評価装置４５０は、補償光学装置４０１による補償結果の評価量Ｊｅから、照射対象物Ａから補償結果評価装置４５０に至る復路側の光路の大気揺らぎによる光波面の乱れがもたらす補償結果の評価量の誤差を低減でき、復路側の光路の大気揺らぎによる光波面の乱れの影響を強く受けた場合においても、より確実に、補償結果評価装置４５０と光路の異なる補償光学装置４０１の往路側の補償結果の評価量をメトリックセンサ４０８に検知させることができる。
【０１０５】
そして、上記補償結果評価装置４５０の最適化動作と並行して、補償光学装置４０１の補償光学制御部４３１が最適化動作を実行する。上記実施の形態１における最適化動作において、式（４）のゲインＧは、所定値（定数）であった。これに対し、本実施の形態において、式（４）のゲインＧは、補償結果評価装置４５０のメトリックセンサ４０８に基づいて算出される値であり、例えば以下の式（８）にしたがって算出される変数である。
Ｇ＝−ｄＪｅ／ｄｔ・ｋｂ＋ｋc  ・・・  （８）
但し、
ｋｂ、ｋcは所定の係数である。
【０１０６】
したがって、本実施の形態において、ゲインＧは、補償結果評価装置４５０のメトリックセンサ４０８によって検知される評価量の変化量が望ましい方向に大きいときは、ゲインＧは大きい値をとり、評価量の変化量が望ましくない方向に大きいときは、ゲインＧは小さい値を取る。ここでは、評価量を照射対象物Ａ上におけるビーコンレーザのビーム径とした場合、小さくなるのが望ましい方向であるので、式（８）の第一項はマイナス符号となる。また、評価量の変化がない場合は、補償が安定化したと判断して、上記実施の形態１の式（３）に示す固定のゲイン値Ｇ＝ｋcをとる。このように、本実施の形態において、補償光学装置４０１の補償光学制御部４３１は、補償結果評価装置４５０のメトリックセンサ４０８の検出値を副次的な評価関数として用いる。これによって、最適化動作の初期段階や、短時間に大きな大気揺らぎが発生したときは、第２形状可変鏡５の形状変化量を大きくすることができ、第２形状可変鏡５の反射面２６の最適形状への収束を早めることができ、補償制御速度を向上させることができる。一方、第２形状可変鏡５の反射面２６が最適形状に収束しつつある状態においては、第２形状可変鏡５の反射面２６の形状変化量を小さくすることができ、最適形状を超えて反射面２６を変化させ、逆に集光度を劣化させてしまうことを防止することができる。
【０１０７】
また、補償光学装置４０１のメトリックセンサ８によって検知される復路側の光波面は、本来、照射対象物Ａからの点光源として到来してくれば、大気揺らぎによる波面歪みのみを検知できるが、実際は、照射対象物Ａの表面状態の異なる有限面積からの反射光の重ね合わせの波面となるため、それによって生じるスペックルパターンの影響が無視できなくなり、照射対象物Ａにおける反射の影響を含まない往路側の光波面の乱れ方と、照射対象物Ａにおける反射の影響を含む復路側の光波面の乱れ方とが大きく相違する場合がある。このような場合、補償光学装置４０１のメトリックセンサ８によって反射光を評価し、復路側の光路に対して波面歪みを補正する補償動作を実施しても、往路側の光路に対して大気揺らぎによる波面歪み影響をキャンセルするような補償を行えず、集光性を高めていくことができない場合があった。しかし、本実施の形態においては、照射対象物Ａにおける反射状態の影響を軽減する目的で、往路側の光路の大気揺らぎによる光波面の乱れの影響を補正した結果の評価量を補償結果評価装置４５０のメトリックセンサ４０８が検知し、補償光学装置４０１がこれを副次的な評価関数として用いて最適化動作を行うので、より確実にレーザ光の集光性を高めていくことができる。
【０１０８】
（実施の形態５）
以下では実施の形態５に係る補償光学装置５０１を含む光学システム５００の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べる。
【０１０９】
［構成］
図１２は、実施の形態５に係る光学システム５００の構成例を示すブロック図である。
【０１１０】
補償光学装置５０１は、拡大光学系２と、高速ステアリングミラー３と、第１形状可変鏡４と、第２形状可変鏡５と、波長分離鏡６と、ビーコンレーザ発振器７と、メトリックセンサ８と、チルトセンサ９と、波面センサ５０２と、制御部５１０と、第１ビームスプリッタ１１と、第２ビームスプリッタ１２と、第３ビームスプリッタ５１３とを含む。拡大光学系２、高速ステアリングミラー３、第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、波長分離鏡６、ビーコンレーザ発振器７、メトリックセンサ８、チルトセンサ９、第１ビームスプリッタ１１、及び第２ビームスプリッタ１２については、上記実施の形態１と同様に構成されるので、その詳細な説明を省略する。
【０１１１】
波面センサ（WFS 波面形状検出部）５０２は、レーザ光の波面形状を検出し、検出値を出力するセンサである。波面センサ５０２は、例えば、上述のシャック-ハルトマン型波面センサである。
【０１１２】
制御部５１０は、第１補償光学制御部５３１と、第２補償光学制御部５３２と、チップ−チルト制御部３２とを含む。
【０１１３】
第１補償光学制御部(SPGD AO)５３１は、上記実施の形態１の制御部１０と同様に構成され、メトリックセンサ８の検出値を評価関数として形状可変鏡の反射面の凹凸形状を繰り返し変化させる最適化手法を用いた補償を行う制御部である。また、チップ−チルト制御部３２は、上記実施の形態１と同様であるので、その詳細な説明を省略する。また、その他の制御部５１０の構成は、上記実施の形態１の制御部１０と同様であるので省略する。
【０１１４】
第２補償光学制御部(WFR AO)５３２は、波面センサ５０２から受信した波面形状に基づき、第１形状可変鏡４の駆動部２２を制御する。また、第２補償光学制御部５３２は、波面補正動作を実行可能に構成されている（詳細は後述）。第２補償光学制御部５３２は、第１形状可変鏡４に対する制御信号を出力する。
【０１１５】
第３ビームスプリッタ５１３は、第１ビームスプリッタ１１及び第２ビームスプリッタ１２と同様に、入射する光を部分的に反射し、その余の光を透過することによって、レーザ光を異なる光路に分岐させたり、光路の異なる複数のレーザ光の光路を一つの光路に合流（重畳）させたりする。第３ビームスプリッタ５１３は、上記実施の形態１における第２ビームスプリッタ１２とメトリックセンサ８との間の光路上に設けられ、復路側の光路において、第２ビームスプリッタ１２から入射するレーザ光を部分的に反射し、反射されたレーザ光は、波面センサ５０２に入射する。また、第３ビームスプリッタ５１３は、その余のレーザ光を透過し、透過したレーザ光は、メトリックセンサ８に入射する。
【０１１６】
すなわち、本実施の形態において、復路側の光路は、拡大光学系２、高速ステアリングミラー３、第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、波長分離鏡６、第１ビームスプリッタ１１をこの順に経て第２ビームスプリッタ１２に至り、第２ビームスプリッタ１２において、チルトセンサ９に向かう光路と、第３ビームスプリッタ５１３に向かう光路とに分岐する。更に、第３ビームスプリッタ５１３において、メトリックセンサ８に向かう光路と、波面センサ５０２に向かう光路とに分岐する。
【０１１７】
［動作例］
次に、光学システム５００の動作例を説明する。図１３は、光学システム５００の動作例を示すフローチャートである。
【０１１８】
まず、制御部５１０は、大気揺らぎの強度に応じて最適化動作及び波面補正動作の何れの動作を行うか決定する（ステップＳ５１０）。例えば、制御部５１０は、メトリックセンサ８の計測値から算出できるRytov number（対数振幅分散)が0.2を上回る（Rytov numberが0.2以上）ような強い大気揺らぎ条件にあると判定すると（ステップＳ５１０においてＹｅｓ）、最適化動作を行うと決定し、最適化動作を行う（ステップＳ５２０）。本実施の形態における最適化動作は、上記実施の形態１の最適化動作（ステップＳ１０〜ステップＳ４０）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【０１１９】
また、制御部５１０は、Rytov numberが0.2を下回る（Rytov numberが0.2未満）ような弱い大気揺らぎ条件にあると判定すると（ステップＳ５１０においてＮｏ）、波面補正動作（第３更新動作）を行うと決定し、波面補正動作を行う（ステップＳ５３０）。波面補正動作において、制御部５１０は、第２形状可変鏡５の反射面２６の形状を所定の初期形状にする。この所定の初期形状とは、例えば平坦面である。同時に、制御部５１０の第２補償光学制御部５３２は、第１形状可変鏡４の駆動部２２を制御して、波面センサ５０２が検出したレーザ光の波面形状に基づいて、当該波面歪みを補正するように第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を変化させる。
【０１２０】
このように、本実施の形態において、光学システム５００は、最適化手法を用いた最適化動作と、光波面の形状を直接検出し、検出した光波面歪みを補正する波面補正動作の両方の動作を状況に応じて使い分けるように構成されている。これによって、大気揺らぎが弱く、光波面に大きな段差状成分が生じるおそれのないような条件下等においては波面補正動作により、大気揺らぎの影響による波面歪みを波面センサで計測して、それを直接、形状可変鏡にフィードバックして補正するので、処理速度に余裕を持たせることができる。
【０１２１】
（実施の形態６）
以下では実施の形態６に係る補償光学装置６０１を含む光学システム６００の構成、動作について、実施の形態１との相違点を中心に述べる。
【０１２２】
［構成］
図１４は、実施の形態６に係る光学システム６００の構成例を示すブロック図である。
【０１２３】
補償光学装置６０１は、上記実施の形態１の補償光学装置１に加え、更に第１波面転写用波面センサ６０８と、第２波面転写用波面センサ６０９と、第１ビームサンプラ６１２と、第２ビームサンプラ６１３と、波面転写制御部６１０と、を備える。
【０１２４】
第１ビームサンプラ６１２は、高速ステアリングミラー３と第１形状可変鏡４との間の光路上に設けられ、第１波面転写用波面センサ６０８に向かって、往路側のビーコンレーザ光の一部を取り出す。また、第２ビームサンプラ６１３は、第１形状可変鏡４と第２形状可変鏡５との間の光路に設けられ、第２波面転写用波面センサ６０９に向かって、往路側のビーコンレーザ光の一部を取り出す。
【０１２５】
第１波面転写用波面センサ(WFS1)６０８及び第２波面転写用波面センサ(WFS2)６０９は、レーザ光の波面形状を検出するセンサであり、例えば、上述のシャック-ハルトマン型波面センサである。第１波面転写用波面センサ６０８は、第１ビームサンプラ６１２が取り出したビーコンレーザ光、すなわち、第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５を経て、第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５によって波面を変形させたビーコンレーザ光を受光し、その波面を検出し、検出値を出力する。この検知した波面から第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状に第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を重畳させた形状を算出することができる。また、第２波面転写用波面センサ６０９は、第２ビームサンプラ６１３が取り出したビーコンレーザ光、すなわち第２形状可変鏡５によって波面を変形させたビーコンレーザ光を受光し、その波面を検出し、検出値を出力する。この検知した波面から第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状を算出することができる。
【０１２６】
波面転写制御部６１０は、補償光学制御部３１から出力された第１形状可変鏡４に対する制御信号、第１波面転写用波面センサ６０８及び第２波面転写用波面センサ６０９が検知した波面に基づき第１形状可変鏡４の駆動部２２を制御する。第１形状可変鏡４の駆動部２２（図３参照）は、波面転写制御部６１０から受信した駆動信号に基づいて各駆動素子２３（図３参照）を動作させる。波面転写制御部６１０は、制御部１０の補償光学制御部３１及びチップ−チルト制御部３２と一体的に構成されていてもよい。
【０１２７】
［動作例］
次に、光学システム６００の動作例を説明する。
【０１２８】
図１５は、光学システム６００の動作例を示すフローチャートである。図１６は、光学システム６００の最適化動作の動作例を示すタイムチャートである。
【０１２９】
上記実施の形態１の光学システム１００の最適化動作と、本実施の形態の光学システム６００の最適化動作とは、ステップＳ２０以降の動作において異なる。
【０１３０】
本実施の形態において、補償光学制御部３１が第１更新動作（ステップＳ６０５）を所定回数実行すると（ステップＳ６１０においてＹｅｓ）、波面転写制御部６１０は、第２波面転写用波面センサ６０９により検出された検出値Ｖ２ｂを保存する。この検出値Ｖ２ｂは、第１更新動作前の第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状Ｓ２ａから第１更新動作後の第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状Ｓ２ｂへの形状変化量Ｓ２ｂ−Ｓ２ａを反映した値となる。同時に、波面転写制御部６１０は、第１波面転写用波面センサ６０８により検出された検出値Ｖ１ｂを保存する。この検出値Ｖ１ｂは、第１更新動作後の第２形状可変鏡５の反射面２６の凹凸形状Ｓ２ｂに、第１更新動作では変化のない第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状Ｓ１ａ＝Ｓ１ｂを重畳させた波面形状を反映した値となる（ステップＳ６１５）。
【０１３１】
次に、補償光学制御部３１は、第２形状可変鏡５の初期化動作を実行する（ステップＳ６２０）。第２形状可変鏡５の初期化動作は、上記実施の形態１の動作例における第２形状可変鏡５の初期化動作と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【０１３２】
次に、波面転写制御部６１０は、ステップＳ６１５において保存した、第１更新動作完了後の第２波面転写用波面センサ６０９の波面状態の検出値Ｖ２ｂと現状の検出値Ｖ２ｃを用いて、Ｖ２ｂ−Ｖ２ｃから第１形状可変鏡４の駆動素子２３に対して駆動指令すべき形状変形量Ｄｔに対応する駆動量を算出する（ステップＳ６２５）。ここで、第１更新動作前の第２波面転写用波面センサ６０９の波面状態の検出値Ｖ２ａと、初期化動作後の波面状態の検出値Ｖ２ｃが完全に同一であれば、前記の形状変形量Ｄｔは、Ｖ２ｂ−Ｖ２aから算出される形状変形量Ｄと同一となるが、形状可変鏡の駆動素子にはヒステリシス特性があるため、完全に一致しない場合が多い。しかし、現状のＶ２ｃを基準にした形状差である形状変形量Ｄｔを用いることによって、転写前後における波面を維持するように、波面転写を精確に実施することができる。
【０１３３】
次に、波面転写制御部６１０は、この形状変化量Ｄｔを第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状Ｓ１ｃに加えて、第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を更新する（第２更新動作  ステップＳ６３０）。具体的には、まず、補償光学制御部３１は、第１形状可変鏡４の反射面２１が更新後形状を呈するように、駆動素子２３を動作させる。
【０１３４】
次に、波面転写制御部６１０は、第１波面転写用波面センサ６０８の検出値Ｖ１ｄを取得し、これをステップＳ６１５において取得した第１波面転写用波面センサ６０８の検出値Ｖ１ｂと比較する（ステップＳ６３５）。そして、両検出値Ｖ１ｂ，Ｖ１ｄに所定の閾値を超える差異がある場合、すなわち一致しない場合（ステップＳ６３５においてＮｏ）は、検出値Ｖ１ｂと、Ｖ１ｄの差分値に基づいて、第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を補正する。そして、再度ステップＳ６３５を実行し、検出値Ｖ１ｄが検出値Ｖ１ｂと一致するまで、第１形状可変鏡４の凹凸形状Ｓ１ｄを補正する（ステップＳ６３５〜ステップＳ６４０）。
【０１３５】
そして、波面転写制御部６１０が、検出値Ｖ１ｄが検出値Ｖ１ｂと一致していると判定すると（ステップＳ６３５においてＹｅｓ）、再度ステップＳ６０５を実行する。すなわち、波面転写制御部６１０は、初期化動作及び第２更新動作の開始前の検出値Ｖ１ｂと、初期化動作及び第２更新動作の完了後の検出値Ｖ１ｄとが一致するように第１形状可変鏡４の凹凸形状を変化させる（反射面補正動作）。
【０１３６】
このように、本実施の形態において、光学システム６００は、第１波面転写用波面センサ６０８及び第２波面転写用波面センサ６０９の検出値に基づいて、第１更新動作の終了時と初期化動作終了時の間の第２形状可変鏡５の反射面２６の形状差Ｄｔを第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状Ｓ１ａに精確に加えることができる。
【０１３７】
上記の動作例に示したように、本質的には、第２形状可変鏡５による第１更新動作の波面形状変化量を、第１形状可変鏡４による形状変化で転写するための波面検出は、第１波面転写用波面センサ６０８のみでも可能である。但し、第１波面転写用波面センサ６０８による波面検出値は、第１更新動作による形状変化が蓄積されていくため、ダイナミックレンジが必要となる。一方で、第２形状可変鏡５は第１更新動作の度に初期化するので、波面の形状変化量も少なく、その直後にある第２波面転写用波面センサ６０９はダイナミックレンジを小さく抑えることができ、より精確に波面の形状変化量が検出できる。従って、第２波面転写用波面センサ６０９の検出値を元にした、初期化動作後に駆動する第１形状可変鏡４の駆動量の算出が精確となるので、より短時間で第１波面転写用波面センサ６０８の検出値Ｖ１ｄを検出値Ｖ１ｂに一致させるステップＳ６３５を完了することができ、補償動作の高速化に寄与する。
【０１３８】
以上、実施の形態１〜６において述べた通り、補償光学装置は、大気伝搬した光を反射する反射面と、複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部と、を含む第１形状可変鏡と、前記第１形状可変鏡からの前記光を反射する反射面と、複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部と、を含む第２形状可変鏡と、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する検出部と、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のそれぞれの前記駆動部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第１更新動作と、該第１更新動作を所定回数繰り返し実行することによる所定の初期形状からの前記一方の形状可変鏡の前記反射面の形状変化量に基づいて、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち他方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記他方の形状変化鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第２更新動作と、を実行可能に構成されている。
【０１３９】
この構成によれば、最適化手法を用いた補償光学装置の制御速度を向上させることができ、大気揺らぎが強い条件下における揺らぎの変化に追従した高次の光波面の補償に最適化手法を適用することができ、高次の光波面の補償を精度良く行うことができる。
【０１４０】
前記一方の形状可変鏡の前記駆動素子の最大変位量は、前記他方の形状可変鏡の前記駆動素子の最大変位量よりも小さくてもよい。
【０１４１】
この構成によれば、最大変位量を小さく設定することによって高速な動作を可能とした形状可変鏡を用いて第１更新動作を高速で繰り返し実行することができる。これによって、最適化手法を用いた光波面の補償動作速度を向上させることができる。
【０１４２】
前記制御部は、前記第２更新動作を実行するタイミングにおいて、前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記初期形状に更新してもよい。
【０１４３】
この構成によれば、第１形状可変鏡及び第２形状可変鏡を用いた光波面の補償を適切に構成することができる。
【０１４４】
前記制御部は、前記第２更新動作を実行するタイミングにおいて、前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記初期形状に更新する第１初期化動作と、前記第１初期化動作の実行後、前記検出部による検出値が所定の閾値以下であると判定すると、前記他方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を所定の初期形状に更新する第２初期化動作と、を実行可能に構成されていてもよい。
【０１４５】
この構成によれば、局所最適に陥った状態から抜け出すことができ、集光度が劣化した状態が継続することを防止することができる。
【０１４６】
レーザ光を発振するレーザ発振器を更に備え、前記検出部は、発振された前記レーザ光が、前記第２形状可変鏡及び前記第１形状可変鏡をこの順に経て外部へ出射され大気伝搬した光として照射対象物に至る往路側の光路と、前記照射対象物にて反射された前記レーザ光が、前記大気伝搬した光として入射し、前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡をこの順に経る復路側の光路と、を通った前記レーザ光の光強度を検出し、前記往路側の光路及び前記復路側の光路の前記第２形状可変鏡と前記照射対象物との間の区間の光路とは同一経路であってもよい。
【０１４７】
この構成によれば、復路側で大気揺らぎの影響を補正する補償動作を実施することによって、往路側に対しても同様の補償を行うことができる。
【０１４８】
前記レーザ光よりも高出力の高出力レーザ光を発振する高出力レーザ発振器と、前記高出力レーザ発振器から発振され、前記往路側の光路と前記復路側の光路とを通った前記高出力レーザ光の光強度を検出する高出力レーザ用検出部と、前記高出力レーザ用検出部に入射する前記高出力レーザ光の光量を調整する高出力レーザ光量調整部と、を更に備え、前記制御部は、前記高出力レーザ光量調整部を制御し、前記第１更新動作及び前記第２更新動作の少なくとも何れかの動作の実行中に実行され、前記高出力レーザ用検出部が検出した前記高出力レーザ光の光強度が前記高出力レーザ用検出部のダイナミックレンジに収まるように前記高出力レーザ用検出部に入射する前記高出力レーザ光の光量を調整する光量調整動作と、前記光量調整動作の完了後に実行され、前記第１更新動作において、前記検出部による検出値に基づいて前記一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる動作を、前記高出力レーザ用検出部による検出値に基づいて前記一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる動作に切り替える切替処理と、を実行可能に構成されていてもよい。
【０１４９】
この構成によれば、高出力レーザの照射開始時に高出力レーザの大気揺らぎの影響による波面誤差の補償を行うことができる。また、高出力レーザの補償精度を高めることができる。
【０１５０】
前記レーザ発振器から発振され、前記往路側の光路において前記第２形状可変鏡及び前記第１形状可変鏡を経た前記レーザ光の光波面を検出する波面センサを更に備え、前記制御部は、前記第２更新動作を実行するタイミングにおいて、前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記初期形状に更新する初期化動作と前記初期化動作の完了後、前記初期化動作及び前記第２更新動作の開始前に前記波面センサが検知した前記レーザ光の光波面の形状と、前記初期化動作及び前記第２更新動作の完了後に前記波面センサが検知した前記レーザ光の光波面の形状とが一致するように、前記他方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる反射面補正動作と、を実行可能に構成してもよい。
【０１５１】
この構成によれば、第１更新動作の終了時と初期化動作の終了時との間の第２形状可変鏡の反射面の形状差を第１形状可変鏡の反射面の凹凸形状に精確に加えることができる。
【０１５２】
前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡からの前記光の波面形状を検出する波面形状検出部を備え、前記制御部は、前記波面形状検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる第３更新動作を実行可能に構成され、大気揺らぎの強度が所定値以上であると判定すると前記第１更新動作及び前記第２更新動作を実行し、大気揺らぎの強度が所定値未満であると判定すると前記第３更新動作を実行してもよい。
【０１５３】
この構成によれば、大気揺らぎが弱く、光波面に大きな段差状成分が生じるおそれのないような条件下等においては波面補正動作により光波面を補償するので、処理速度に余裕を持たせることができる。
【０１５４】
ｎ（ｎは１以上の整数）回目の前記第１更新動作において前記制御部は、前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状をｎ回目の前記第１更新動作開始前の形状から第１形状に変化させて前記検出部が検出した光強度を取得し、前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記第１形状とｎ回目の前記第１更新動作開始時の形状に対して対称となる第２形状に変化させて前記検出部が検出した光強度を取得し、前記第１形状及び前記第２形状のうち前記検出部が検出した光強度が強い一方の形状に向かって前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させて前記一方の形状可変鏡の凹凸形状を更新してもよい。
【０１５５】
この構成によれば、最適化手法を用いた光波面の補償を適切に行うことができる。
【０１５６】
前記第１形状は、前記一方の形状可変鏡を構成する複数の前記駆動部に対して前記第１更新動作毎にランダムに選択される形状変化量をｎ回目の前記第１更新動作開始時の形状に加算して規定される形状であってもよい。
【０１５７】
この構成によれば、最適化手法を用いた光波面の補償において局所最適に陥ることを効果的に防止することができる。
【０１５８】
また、光学システムは、補償光学装置と補償結果評価装置とを含む光学システムであって、前記補償結果評価装置は、反射面と複数の駆動素子を有し該反射面の凹凸形状を変化させる駆動部とを含む評価用形状可変鏡と、前記照射対象物にて反射され、前記大気伝搬した光として入射し、前記評価用形状可変鏡を経る光路を通った前記レーザ光を検知し、前記補償光学装置による前記往路側の光路の大気揺らぎの補償の程度を評価する評価量を検出する評価用検出部と、前記評価用形状可変鏡の前記駆動部を制御する評価用制御部と、を備え、前記評価用制御部は、前記評価用検出部が検出する前記評価量が改善するように前記評価用形状可変鏡の反射面の凹凸形状を変化させる結像動作を実行可能に構成され、前記第１更新動作は、前記検出部による検出値に加えて前記評価用検出部が検出する検出値に基づいて前記第１形状可変鏡及び前記第２形状可変鏡のうち一方の形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記一方の形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる動作である。
【０１５９】
この構成によれば、より迅速にレーザ光の集光性を高めていくことができる。
【０１６０】
上記説明から、当業者にとっては、本発明の多くの改良や他の実施形態が明らかである。従って、上記説明は、例示としてのみ解釈されるべきであり、本発明を実行する最良の態様を当業者に教示する目的で提供されたものである。本発明の精神を逸脱することなく、その構造及び／又は機能の詳細を実質的に変更できる。
【符号の説明】
【０１６１】
１  補償光学装置
４  第１形状可変鏡
５  第２形状可変鏡
８  メトリックセンサ
１０  制御部
２１  反射面
２２  駆動部
２３  駆動素子
２６  反射面
２７  駆動部
２８  駆動素子
３１  補償光学制御部
１００  光学システム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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