(57)【要約】  大気伝搬した光を反射する反射面（２１）と駆動部（２２）を含む第１形状可変鏡（４）と、反射面（２６）と駆動部（２７）を含む第２形状可変鏡（５）と、光路分岐部（１３）と、第１形状可変鏡と対応する反射面（５１）及び駆動部（５２）を含む第１副形状可変鏡（１４）と、第２形状可変鏡と対応する反射面（５６）及び駆動部（５７）を含む第２副形状可変鏡（１５）と、第１検出部（８）と、第２検出部（９）と、制御部を備える補償光学装置であって、制御部は、第１副形状可変鏡の駆動部を制御して第１副形状可変鏡の反射面の凹凸形状を変化させたときの第１検出部の検出値に基づき、第１形状可変鏡の駆動部を制御して第１形状可変鏡の反射面の凹凸形状を更新する第１最適化動作を実行する第１補償光学制御部（３１）と、第２副形状可変鏡の駆動部を制御して第２副形状可変鏡の反射面の凹凸形状を変化させたときの第２検出部の検出値に基づき、第２形状可変鏡の駆動部を制御して第２形状可変鏡の反射面の凹凸形状を更新する第２最適化動作を実行する第２補償光学制御部（３２）とを含む。
2018212254.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２形状可変鏡からの前記光を第１光路及び第２光路に分岐させる光路分岐部と、
前記第１光路に設けられ、前記第１形状可変鏡が有する前記反射面及び前記駆動部に対応する反射面及び駆動部を含む第１副形状可変鏡と、
前記第２光路に設けられ、前記第２形状可変鏡が有する前記反射面及び前記駆動部に対応する反射面及び駆動部を含む第２副形状可変鏡と、
前記第１形状可変鏡及び前記第１副形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する第１検出部と、
前記第２形状可変鏡及び前記第２副形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する第２検出部と、
前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１検出部の検出値に基づき、前記第１形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する第１最適化動作を実行する第１補償光学制御部と、前記第２副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第２検出部の検出値に基づき、前記第２形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する第２最適化動作を実行する第２補償光学制御部とを含む制御部と、を備える、補償光学装置。
【請求項２】
前記制御部は、前記第１最適化動作及び前記第２最適化動作を繰り返し実行する、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１最適化動作において、前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新した後、前記第１検出部が検出した前記光の光強度が所定の閾値以下であるか否かを判定し、前記第１検出部が検出した前記光の光強度が所定の閾値以下であると判定すると、前記第１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１初期化動作を実行し、且つ、前記第２最適化動作において、前記第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新した後、前記第２検出部が検出した前記光の光強度が所定の閾値以下であるか否かを判定し、前記第２検出部が検出した前記光の光強度が所定の閾値以下であると判定すると、前記第２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初期化動作を実行する、請求項２に記載の補償光学装置。
【請求項４】
前記第１形状可変鏡の複数の前記駆動素子及び前記第２形状可変鏡の複数の前記駆動素子の一方の最大変位量は、他方の最大変位量よりも小さい、請求項１乃至３の何れか一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、
前記第１検出部及び前記第２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の照射対象物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第１高出力レーザ用検出部と、
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第２高出力レーザ用検出部と、
前記第１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第１高出力レーザ光量調整部と、
前記第２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第２高出力レーザ光量調整部と、を更に備え、
前記制御部は、
前記第１高出力レーザ光量調整部及び前記第２高出力レーザ光量調整部を制御し、
前記第１最適化動作の実行中に実行され、前記第１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第１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第１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第１光量調整動作と、
前記第１光量調整動作の完了後に実行され、前記第１最適化動作において、前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１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、前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１高出力レーザ用検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１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第１切替処理と、
前記第２最適化動作の実行中に実行され、前記第２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第２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第２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第２光量調整動作と、
前記第２光量調整動作の完了後に実行され、前記第２最適化動作において、前記第２副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第２検出部による検出値に基づいて前記第２形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２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、前記第２副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第２高出力レーザ用検出部による検出値に基づいて前記第２形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２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第２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更に備え、
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形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる波面補正動作を実行する第３補償光学制御部を更に備え、
前記制御部は、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最適化動作及び前記第２最適化動作を実行し、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波面補正動作を実行する、請求項１乃至５の何れか一に記載の補償光学装置。
【請求項８】
前記第１最適化動作において前記第１補償光学制御部は、前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を所定の第１基準形状から第１形状に変化させて前記第１検出部が検出した光強度を取得し、前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記第１形状と前記第１基準形状に対して対称となる第２形状に変化させて前記第１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形状のうち前記第１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第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させて前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新し、
前記第２最適化動作において前記第２補償光学制御部は、前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を所定の第２基準形状から第３形状に変化させて前記第２検出部が検出した光強度を取得し、前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記第３形状と前記第２基準形状に対して対称となる第４形状に変化させて前記第２検出部が検出した光強度を取得し、前記第３形状及び前記第４形状のうち前記第２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第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させて前記第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する、請求項１乃至７の何れか１に記載の補償光学装置。
【請求項９】
前記第１形状は、前記第１副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最適化動作を実行する度にランダムに選択される第１形状変化量を前記第１基準形状に加算して規定される形状であり、
前記第３形状は、前記第２副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２最適化動作を実行する度にランダムに選択される第２形状変化量を前記第２基準形状に加算して規定される形状である、請求項８に記載の補償光学装置。
【請求項１０】
前記第１形状変化量は、前記第１副形状可変鏡の複数の前記駆動素子のそれぞれについて前記ランダムに選択される動作量によって規定され、
前記第２形状変化量は、前記第２副形状可変鏡の複数の前記駆動素子のそれぞれについて前記ランダムに選択される動作量によって規定される、請求項９に記載の補償光学装置。
【請求項１１】
前記第１補償光学制御部は、前記第１形状変化量を前記第１基準形状に加算して規定される前記第１副形状可変鏡の前記反射面の形状が閾値以下のチップ−チルト成分を有するように、前記第１副形状可変鏡の複数の前記駆動素子のそれぞれについてランダムに選択される動作量を規制し、
前記第２補償光学制御部は、前記第２形状変化量を前記第２基準形状に加算して規定される前記第２副形状可変鏡の前記反射面の形状が閾値以下のチップ−チルト成分を有するように、前記第２副形状可変鏡の複数の前記駆動素子のそれぞれについてランダムに選択される動作量を規制する、請求項１０に記載の補償光学装置。
【請求項１２】
前記第１補償光学制御部は、前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記第１基準形状から前記反射面がドーム状に膨らむ第５形状に変化させて前記第１検出部が検出した光強度を取得し、前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記第５形状と前記第１基準形状に対して対称となる第６形状に変化させて前記第１検出部が検出した光強度を取得し、前記第５形状及び前記第６形状のうち前記第１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第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させて前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する、デフォーカス補正動作を実行可能に構成され、
前記第１補償光学制御部は、前記デフォーカス補正動作を所定の周期で実行する、請求項８乃至１１の何れか１に記載の補償光学装置。
【請求項１３】
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の光強度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レーザ光の光強度が強くなるように前記評価用形状可変鏡の前記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最適化動作は、前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１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形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する動作である、光学システム。
【請求項１４】
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２形状可変鏡からの前記光を第１光路及び第２光路に分岐させる光路分岐部と、
前記第１光路に設けられ、前記第１形状可変鏡が有する前記反射面及び前記駆動部に対応する反射面及び駆動部を含む第１副形状可変鏡と、
前記第２光路に設けられ、前記第２形状可変鏡が有する前記反射面及び前記駆動部に対応する反射面及び駆動部を含む第２副形状可変鏡と、
前記第１形状可変鏡及び前記第１副形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する第１検出部と、
前記第２形状可変鏡及び前記第２副形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する第２検出部と、
前記第１形状可変鏡及び前記第１副形状可変鏡のそれぞれの前記駆動部を制御する第１補償光学制御部と、
前記第２形状可変鏡及び前記第２副形状可変鏡のそれぞれの前記駆動部を制御する第２補償光学制御部と、を備える補償光学装置の光波面補償方法であって、
前記第１補償光学制御部が前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１検出部の検出値に基づき、前記第１形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する第１最適化動作ステップと、
前記第２補償光学制御部が前記第２副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第２検出部の検出値に基づき、前記第２形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する第２最適化動作ステップと、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２形状可変鏡からの前記光を第１光路及び第２光路に分岐させる光路分岐部と、前記第１光路に設けられ、前記第１形状可変鏡が有する前記反射面及び前記駆動部に対応する反射面及び駆動部を含む第１副形状可変鏡と、前記第２光路に設けられ、前記第２形状可変鏡が有する前記反射面及び前記駆動部に対応する反射面及び駆動部を含む第２副形状可変鏡と、前記第１形状可変鏡及び前記第１副形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する第１検出部と、前記第２形状可変鏡及び前記第２副形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する第２検出部と、前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１検出部の検出値に基づき、前記第１形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する第１最適化動作を実行する第１補償光学制御部と、前記第２副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第２検出部の検出値に基づき、前記第２形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する第２最適化動作を実行する第２補償光学制御部とを含む制御部と、を備える。【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２形状可変鏡からの前記光を第１光路及び第２光路に分岐させる光路分岐部と、前記第１光路に設けられ、前記第１形状可変鏡が有する前記反射面及び前記駆動部に対応する反射面及び駆動部を含む第１副形状可変鏡と、前記第２光路に設けられ、前記第２形状可変鏡が有する前記反射面及び前記駆動部に対応する反射面及び駆動部を含む第２副形状可変鏡と、前記第１形状可変鏡及び前記第１副形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する第１検出部と、前記第２形状可変鏡及び前記第２副形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する第２検出部と、前記第１形状可変鏡及び前記第１副形状可変鏡のそれぞれの前記駆動部を制御する第１補償光学制御部と、前記第２形状可変鏡及び前記第２副形状可変鏡のそれぞれの前記駆動部を制御する第２補償光学制御部と、を備える補償光学装置の光波面補償方法であって、前記第１補償光学制御部が前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１検出部の検出値に基づき、前記第１形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する第１最適化動作ステップと、前記第２補償光学制御部が前記第２副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第２検出部の検出値に基づき、前記第２形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する第２最適化動作ステップと、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最適化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の光学システムの制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。
【図１０】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１１】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り、第１最適化動作を示す図である。
【図１２】図１１の光学システムの動作例を示すフローチャートであり、第２最適化動作を示す図である。
【図１３】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、及びビーコンレーザの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１４】図１３の光学システムの制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。
【図１５】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１６】図１５の光学システムの動作例を示すフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、本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、第１メトリックセンサ８と、第２メトリックセンサ９と、チルトセンサ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、第３ビームスプリッタ１３と、第１副形状可変鏡１４と、第２副形状可変鏡１５と、制御部２０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からの反射光を第１メトリックセンサ８、第２メトリックセンサ９及びチルトセンサ１０で検知可能なレベルの出力のレーザ光、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をこの順に経てチルトセンサ１０へ至る。そして、このとき第２ビームスプリッタ１２に至った光の一部は、第３ビームスプリッタ１３、第１副形状可変鏡１４をこの順に経て第１メトリックセンサ８へ至る。また、このとき第３ビームスプリッタ１３に至った光の一部は、第２副形状可変鏡１５を経て第２メトリックセンサ９へ至る。これら照射対象物Ａから第１メトリックセンサ８、第２メトリックセンサ９及びチルトセンサ１０に至るそれぞれの光路が、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、往路側の光路のうち照射対象物Ａと波長分離鏡６（第２形状可変鏡５）との間の区間の光路と、復路側の光路の同区間の光路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−チルト成分の補正動作可能に構成され、チップ−チルト制御部３３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。また、第１形状可変鏡４は、ストローク幅が大きく駆動素子数が少ない一方で応答性能が低い、すなわち長ストローク低速の形状可変鏡であり、例えば主としてレーザ光のゼルニケ多項式における比較的低次の波面誤差の補償に適用することができるように構成されている。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、第１形状可変鏡ドライバ２４は、後述する第１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。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。
【００２３】
第１副形状可変鏡(DM1s)１４は、レーザ光を反射する反射面５１と、反射面５１の凹凸形状を変化させる駆動部５２とを含み、第１形状可変鏡４と対をなす。反射面５１は、第１形状可変鏡４が有する反射面２１に対応する反射面である。駆動部５２は、第１形状可変鏡４が有する駆動部２２に対応する駆動部である。駆動部５２は、複数の駆動素子５３と第１副形状可変鏡ドライバ５４とを備える。そして、第１副形状可変鏡ドライバ５４は、後述する第１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５３を動作させる。第１副形状可変鏡１４は、第１形状可変鏡４の補償動作に必要とされる性能を備え、好ましくは第１形状可変鏡４と同一に構成される。すなわち、第１副形状可変鏡１４の各駆動素子５３は、第１形状可変鏡４の複数の駆動素子２３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副形状可変鏡１４の反射面５１の裏面に配設された各駆動素子５３の位置は、対応づけられている第１形状可変鏡４の駆動素子２３と互いに同じ位置に配置され、第１副形状可変鏡１４における駆動素子５３の分布と、第１形状可変鏡４における駆動素子２３の分布は同一に構成されている。第１副形状可変鏡１４は、復路側の光路において、後述する第１光路Ｌ１に設けられ、第２形状可変鏡５において反射され、第３ビームスプリッタ１３を経由した光を反射する。
【００２４】
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。また、第２形状可変鏡５は、ストローク幅が小さく駆動素子数が多い一方で応答性能が高い、すなわち短ストローク高速の形状可変鏡であり、例えば主としてレーザ光のゼルニケ多項式における比較的高次の波面誤差の補償に適用することができるように用いられる。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、後述する第２補償光学制御部３２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。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。
【００２５】
第２副形状可変鏡(DM2s)１５は、レーザ光を反射する反射面５６と、反射面５６の凹凸形状を変化させる駆動部５７とを含み、第２形状可変鏡５と対をなす。反射面５６は、第２形状可変鏡５が有する反射面２６に対応する反射面である。駆動部５７は、第２形状可変鏡５が有する駆動部２７に対応する駆動部である。駆動部５７は、複数の駆動素子５８と第２副形状可変鏡ドライバ５９とを備える。そして、第２副形状可変鏡ドライバ５９は、後述する第２補償光学制御部３２から受信した駆動信号に基づいて各駆動素子５８を動作させる。第２副形状可変鏡１５は、第２形状可変鏡５の補償動作に必要とされる性能を備え、好ましくは第２形状可変鏡５と同一に構成される。すなわち、第２副形状可変鏡１５の各駆動素子５８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２副形状可変鏡１５の反射面５６の裏面に配設された各駆動素子５８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２副形状可変鏡１５における駆動素子５８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。第２副形状可変鏡１５は、復路側の光路において、後述する第１光路Ｌ１とは異なる第２光路Ｌ２に設けられ、第２形状可変鏡５において反射され、第３ビームスプリッタ１３を経由した光を反射する。
【００２６】
第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、第１副形状可変鏡１４及び第２副形状可変鏡１５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、駆動素子５３、駆動素子５８）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１副形状可変鏡１４の駆動素子の数は、例えば９個であり、第２形状可変鏡５及び第２副形状可変鏡１５の駆動素子の数は、例えば３７個である。
【００２７】
また、第２形状可変鏡５の駆動部２７及び第２副形状可変鏡１５の駆動部５７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及び第１副形状可変鏡１４の駆動部５２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及び第１副形状可変鏡１４のストローク幅は、２μｍであり、第２形状可変鏡５及び第２副形状可変鏡１５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及び第１副形状可変鏡１４の反射面５１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及び第２副形状可変鏡１５の反射面５６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及び第１副形状可変鏡１４は、長ストローク低速の低次の波面歪み補正用の形状可変鏡であり、第２形状可変鏡５及び第２副形状可変鏡１５は短ストローク高速の高次の波面歪み補正用の形状可変鏡である。
【００２８】
本実施の形態において、第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、第１副形状可変鏡１４及び第２副形状可変鏡１５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。
【００２９】
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。
【００３０】
第１メトリックセンサ(MS1)（第１検出部）８は、復路側の光路において、第１形状可変鏡４及び第１副形状可変鏡１４からのレーザ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８は、復路側の光路において第３ビームスプリッタ１３によって分岐された第１光路Ｌ１上に設けられている。第１メトリックセンサ８から出力された検出値は第１補償光学制御部３１に入力される。
【００３１】
第２メトリックセンサ(MS2)（第２検出部）９は、復路側の光路において、第２形状可変鏡５及び第２副形状可変鏡１５からの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９は、復路側の光路において第３ビームスプリッタ１３によって分岐された第１光路Ｌ１と異なる光路である第２光路Ｌ２上に設けられている。第２メトリックセンサ９から出力された検出値は第２補償光学制御部３２に入力される。
【００３２】
第１メトリックセンサ８及び第２メトリックセンサ９は、それぞれ例えば集光レンズ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。なお、第１メトリックセンサ８及び第２メトリックセンサ９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。
【００３３】
チルトセンサ(TS)１０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１０から出力された検出値は、チップ−チルト制御部３３に入力される。
【００３４】
制御部２０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２０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２０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２０は、第１補償光学制御部３１と、第２補償光学制御部３２と、チップ−チルト制御部３３とを含む。第１補償光学制御部３１、第２補償光学制御部３２及びチップ−チルト制御部３３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２０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。
【００３５】
第１補償光学制御部(SPGD AO1)３１は、第１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１副形状可変鏡１４の駆動部５２を制御する。すなわち、第１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、第１補償光学制御部３１は、第１副形状可変鏡ドライバ５４を介して複数の駆動素子５３の動作を制御し、反射面５１の凹凸形状を変化させる（図３参照）。第１補償光学制御部３１は、第１最適化動作を実行可能に構成されている（詳細は後述）。第１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１副形状可変鏡１４に対する制御信号を出力する。
【００３６】
第２補償光学制御部(SPGD AO2)３２は、第２メトリックセンサ９から受信した検出値に基づき第２形状可変鏡５の駆動部２７及び第２副形状可変鏡１５の駆動部５７を制御する。すなわち、第２補償光学制御部３２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。また、第２補償光学制御部３２は、第２副形状可変鏡ドライバ５９を介して複数の駆動素子５８の動作を制御し、反射面５６の凹凸形状を変化させる（図３参照）。第２補償光学制御部３２は、第２最適化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３２は、第２形状可変鏡５に対する制御信号、及び第２副形状可変鏡１５に対する制御信号を出力する。
【００３７】
チップ−チルト制御部３３は、チルトセンサ１０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１０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。
【００３８】
第１ビームスプリッタ１１、第２ビームスプリッタ１２及び第３ビームスプリッタ１３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。
【００３９】
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）。
【００４０】
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を第３ビームスプリッタ１３に向けて出射する。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１０に入射する。
【００４１】
第３ビームスプリッタ（光路分岐部）１３は、復路側の光路において、第２形状可変鏡５からの光を第１光路Ｌ１及び第２光路Ｌ２に分岐させる。すなわち、第３ビームスプリッタ１３は、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を第１副形状可変鏡１４に向けて出射する。また、第３ビームスプリッタ１３は、その余のレーザ光を透過し、透過したレーザ光を第２副形状可変鏡１５に向けて出射する。これによって、第１副形状可変鏡１４の反射面５１の形状変化が第２メトリックセンサ９の検出値に影響することを防ぐことができ、また、第２副形状可変鏡１５の反射面５６の形状変化が第１メトリックセンサ８の検出値に影響することを防ぐことができる。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
［動作例］
次に、光学システム１００の動作例を説明する。
【００４５】
（第１最適化動作の動作例）
図４は、光学システム１００の第１最適化動作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最適化動作の動作例を示すブロック図である。
【００４６】
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、第３ビームスプリッタ１３、第１副形状可変鏡１４をこの順に経て第１メトリックセンサ８に至り、第１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。
【００４７】
そして、第１補償光学制御部３１が以下の第１最適化動作を繰り返し実行する。その結果、大気揺らぎ条件に応じて決まる大気揺らぎ状態変化の周期Ｔ（図７参照）以内に、その最適化過程が収束する。その収束周期Ｔ1（図７参照）における繰返し回数は例えば１５回と想定される。第１最適化動作は、第１副形状可変鏡１４の駆動部５２を制御して第１副形状可変鏡１４の反射面５１の凹凸形状を変化させたときの第１メトリックセンサ８の検出値に基づき、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の反射面の凹凸形状を更新する動作である。
【００４８】
すなわち、第１最適化動作において、第１補償光学制御部３１は、まず、第１副形状可変鏡１４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）。
【００４９】
次に、第１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＋＝Ｖａ＋Ｒ・ΔＶｄ  ・・・  （１）
但し、
Ｖ＋は、第１最適化動作時におけるプラス方向への摂動時の第１副形状可変鏡の駆動素子への印加電圧行列
Ｖａは、第１基準形状における第１副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、第１補償光学制御部３１は、第１副形状可変鏡１４の各駆動素子５３に、各駆動素子５３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１副形状可変鏡１４の反射面５１の凹凸形状を第１基準形状から第１形状に変化させ、第１副形状可変鏡１４の反射面５１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１副形状可変鏡１４の複数の駆動素子５３に対して、第１最適化動作を実行する度にランダムに選択される第１形状変化量を第１基準形状に加算して規定される第１副形状可変鏡１４の反射面５１の形状である。第１形状変化量は、第１副形状可変鏡１４の複数の駆動素子５３のそれぞれについてランダムに選択される動作量によって規定される。このように形状変化量をランダムに選択することによって、第１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。
【００５０】
次に、第１補償光学制御部３１は、第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、反射面５１を＋（プラス）方向に摂動させた第１副形状可変鏡１４をこの順に経て第１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）。
【００５１】
次に、第１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−＝Ｖａ−Ｒ・ΔＶｄ  ・・・  （２）
但し、
Ｖ−は、第１最適化動作時におけるマイナス方向への摂動時の第１副形状可変鏡の駆動素子への印加電圧行列
そして、第１補償光学制御部３１は、第１副形状可変鏡１４の各駆動素子５３に、各駆動素子５３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１副形状可変鏡１４の反射面５１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１副形状可変鏡１４の反射面５１の凹凸形状が第１形状と第１基準形状に対して対称となる形状である。
【００５２】
次に、第１補償光学制御部３１は、第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、反射面５１を−（マイナス）方向に摂動させた第１副形状可変鏡１４をこの順に経て第１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）。
【００５３】
次に、第１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。
【００５４】
次に、第１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（５）のＶｎ＋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の形状を更新する（ステップＳ１７）。
Ｖｎ＋１＝Ｖｎ＋Ｃ  ・・・  （５）
但し、
Ｖｎは、ｎ（ｎは１以上の整数）回目の第１最適化動作前の第１形状可変鏡への印加電圧行列
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、第１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。上記ステップＳ１１からステップＳ１７が第１最適化動作を構成する。
【００５５】
このように、第１補償光学制御部３１は、第１最適化動作において、第１副形状可変鏡１４の反射面５１の凹凸形状を第１形状及び第２形状のうち第１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１形状可変鏡４の反射面２１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１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状をｎ回目の第１最適化動作開始時の形状よりも第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１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状をｎ回目の第１最適化動作開始時の形状よりも第２形状側に変化させる値を示す。すなわち、第１補償光学制御部３１は、光強度が強くなる方向に第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を変化させるように形状変化量Ｃを算出し、第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を更新する。
【００５６】
また、上記式（３）に示すように、形状変化量Ｃの値は、第１形状可変鏡４の反射面２１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１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を適切に収束させることができる。
【００５７】
次に、第１補償光学制御部３１は、第１最適化動作を終了すると判定するまで（ステップＳ１８においてＹｅｓと判定するまで）、再びステップＳ１１にかかる動作を実行する（ステップＳ１８）。なお、ステップＳ１８における判定を行わず、再びステップＳ１１に係る動作を実行してもよい。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。第１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１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を繰り返し更新する。
【００５８】
なお、第１補償光学制御部３１は、ステップＳ１６を実行するタイミングにおいて、第１副形状可変鏡１４の初期化動作を実行してもよい。第１副形状可変鏡１４の初期化動作は、第１副形状可変鏡１４の反射面５１を第１基準形状に変化させる動作であり、第１副形状可変鏡１４の各駆動素子５３に対応するＶａの要素に係る電圧を印加することにより、第１副形状可変鏡１４の反射面５１の凹凸形状を第２形状から第１基準形状に変化させる動作である。これによって、第１最適化動作前後の第１メトリックセンサ８の検出値に、第１副形状可変鏡１４の形状変化が影響を与えることを防止することができる。
【００５９】
（第２最適化動作の動作例）
図５は、光学システム１００の第２最適化動作の動作例を示すフローチャートである。
【００６０】
また、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、第３ビームスプリッタ１３、第２副形状可変鏡１５をこの順に経て第２メトリックセンサ９に至り、第２メトリックセンサ９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。
【００６１】
そして、第１補償光学制御部３１が第１最適化動作を繰り返し実行するのと並行して、第２補償光学制御部３２が第２最適化動作を繰り返し実行する。その結果、大気揺らぎ条件に応じて決まる大気揺らぎ状態変化の周期Ｔ（図７参照）以内に、その最適化過程が収束する。その収束周期Ｔ1（図７参照）における繰返し回数は例えば７５回と想定される。第２最適化動作は、第１最適化動作と同じタイミングで収束するように構成されている。第２最適化動作は、第２副形状可変鏡１５の駆動部５７を制御して第２副形状可変鏡１５の反射面５６の凹凸形状を変化させたときの第２メトリックセンサ９の検出値に基づき、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の凹凸形状を更新する動作である。
【００６２】
すなわち、第２最適化動作において、第２補償光学制御部３２は、まず、第２副形状可変鏡１５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Ｓ２１）。
【００６３】
次に、第２補償光学制御部３２は、Ｖ＋を算出する。Ｖ＋の算出は上記式（１）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００６４】
そして、第２補償光学制御部３２は、第２副形状可変鏡１５の各駆動素子５８に、各駆動素子５８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副形状可変鏡１５の反射面５６の凹凸形状を所定の第２基準形状から第３形状に変化させ、第２副形状可変鏡１５の反射面５６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Ｓ２２）。第１最適化動作における第１形状と同様に、第３形状は、第２副形状可変鏡１５の複数の駆動素子５８に対して、第２最適化動作を実行する度にランダムに選択される第２形状変化量を基準形状に加算して規定される第２副形状可変鏡１５の反射面５６の形状である。第２形状変化量は、第２副形状可変鏡１５の複数の駆動素子５８のそれぞれについてランダムに選択される動作量によって規定される。
【００６５】
次に、第２補償光学制御部３２は、第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、反射面５６を＋（プラス）方向に摂動させた第２副形状可変鏡１５をこの順に経て第２メトリックセンサ９に至った反射光の光強度Ｊ＋を取得する（ステップＳ２３）。
【００６６】
次に、第２補償光学制御部３２は、Ｖ−を算出する。Ｖ−の算出は上記式（２）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００６７】
そして、第２補償光学制御部３２は、第２副形状可変鏡１５の各駆動素子５８に、各駆動素子５８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４形状に変化させ、第２副形状可変鏡１５の反射面５６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Ｓ２４）。第１形状と第２形状との関係と同様に、第４形状は、第２副形状可変鏡１５の反射面５６の凹凸形状が第３形状と第２基準形状に対して対称となる形状である。
【００６８】
次に、第２補償光学制御部３２は、第１形状可変鏡４、第２形状可変鏡５、反射面５６を−（マイナス）方向に摂動させた第２副形状可変鏡１５をこの順に経て第２メトリックセンサ９に至った反射光の光強度Ｊ−を取得する（ステップＳ２５）。
【００６９】
次に、第２補償光学制御部３２は、形状変化量Ｃを算出する（ステップＳ２６）。Ｖ−の算出は上記式（３）（４）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００７０】
次に、第２補償光学制御部３２は、第２形状可変鏡５の各駆動素子２８に、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Ｓ２７）。Ｖｎ＋１の算出は上記式（５）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【００７１】
第１最適化動作と同様に、第２最適化動作において、第２メトリックセンサ９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。上記ステップＳ２１からステップＳ２７が第２最適化動作を構成する。
【００７２】
このように、第２補償光学制御部３２は、第２最適化動作において、第２副形状可変鏡１５の反射面５６の凹凸形状を第３形状及び第４形状のうち第２メトリックセンサ９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。
【００７３】
次に、第２補償光学制御部３２は、第２最適化動作を終了すると判定するまで（ステップＳ２８においてＹｅｓと判定するまで）、再びステップＳ１１にかかる動作を実行する（ステップＳ２８）。なお、ステップＳ２８における判定を行わず、再びステップＳ１１に係る動作を実行してもよい。
【００７４】
なお、第２補償光学制御部３２は、ステップＳ２６を実行するタイミングにおいて、第２副形状可変鏡１５の初期化動作を実行してもよい。第２副形状可変鏡１５の初期化動作は、第２副形状可変鏡１５の反射面５６を第２基準形状に変化させる動作であり、第２副形状可変鏡１５の各駆動素子５８に対応するＶａの要素に係る電圧を印加することにより、第２副形状可変鏡１５の反射面５６の凹凸形状を第４形状から第２基準形状に変化させる動作である。これによって、第２最適化動作前後の第２メトリックセンサ９の検出値に、第２副形状可変鏡１５の形状変化が影響を与えることを防止することができる。
【００７５】
そして、第３ビームスプリッタ１３によって光路が第１光路Ｌ１及び第２光路Ｌ２に分岐されているので、第１最適化動作の上記ステップＳ１２及びステップＳ１４における第１副形状可変鏡１４の形状変化（摂動）が、第２最適化動作における第２メトリックセンサ９の検出値、すなわち最適化における評価関数に影響を与え、第２最適化動作に干渉することを防ぐことができる。同様に、第２最適化動作の上記ステップＳ２２及びステップＳ２４における第２副形状可変鏡１５の形状変化（摂動）が、第１最適化動作における第１メトリックセンサ８の検出値、すなわち最適化における評価関数に影響を与え、第２最適化動作に干渉することを防ぐことができる。
【００７６】
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。
【００７７】
そして、図７に示すように、大気揺らぎの変化の周期Ｔ以内の時間帯Ｔ１で収束するように、第１補償光学制御部３１は第１最適化動作を周期Ｔａで繰り返し実行し、第２補償光学制御部３２は第２最適化動作を周期Ｔｂで繰り返し実行する。第１最適化動作の周期Ｔａは、例えば０．３ｍｓであり、例えば１５回程度で収束する。また、第２最適化動作の周期Ｔｂは、例えば６０μｓであり、例えば７５回程度で収束する。従って、この場合、第１最適化動作及び第２最適化動作は、４．５ｍｓで第１形状可変鏡４及び第２形状可変鏡５の反射面の凹凸形状を収束させるように構成されている。この構成において、大気補償制御バンド幅は２７０Ｈｚ程度が得られる。
【００７８】
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（第１メトリックセンサ８及び第２メトリックセンサ９）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波面形状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。
【００７９】
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、最適化において、第１補償光学制御部３１が第１形状可変鏡４を制御して光波面の補償を行い、これと同時に第２補償光学制御部３２が第２形状可変鏡５を制御して行うように構成され、二つの制御ループが互いに独立して最適化を行うように構成されている。したがって、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。
【００８０】
更に、長ストローク低速の第１形状可変鏡４及び第１副形状可変鏡１４を用いた第１補償光学制御部３１による第１最適化においては、変化の遅い比較的低次の波面誤差の補償が中心に行われ、短ストローク高速の第２形状可変鏡５及び第２副形状可変鏡１５を用いた第２補償光学制御部３２による第２最適化においては、変化の早い比較的高次の波面誤差の補償を行われるので、波面誤差の補償における波面歪みの次数を効率的に分担することができ、制御速度をより向上させることができる。
【００８１】
また、第３ビームスプリッタ１３によって光路が第１光路Ｌ１及び第２光路Ｌ２に分岐されているので、第１最適化動作の上記ステップＳ１２及びステップＳ１４における第１副形状可変鏡１４の形状変化（摂動）が、第２最適化動作における第２メトリックセンサ９の検出値、すなわち最適化における評価関数に影響を与え、第２最適化動作に干渉することを防ぐことができる。同様に、第２最適化動作の上記ステップＳ２２及びステップＳ２４における第２副形状可変鏡１５の形状変化（摂動）が、第１最適化動作における第１メトリックセンサ８の検出値、すなわち最適化における評価関数に影響を与え、第２最適化動作に干渉することを防ぐことができる。
【００８２】
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。
【００８３】
＜変形例＞
なお、第１形状可変鏡４及び第１副形状可変鏡１４を高速・短ストローク、第２形状可変鏡５及び第２副形状可変鏡１５を低速・長ストロークとし、第１形状可変鏡４及び第１副形状可変鏡１４に対して第２最適化動作を実行し、第２形状可変鏡５及び第２副形状可変鏡１５に対して第１最適化動作を実行するようにしてもよい。
【００８４】
また、上記実施例においては、第１形状可変鏡４及び第１副形状可変鏡１４を用いた第１補償光学制御部３１による第１最適化動作、第２形状可変鏡５及び第２副形状可変鏡１５を用いた第２補償光学制御部３２による第２最適化動作の二つの最適化動作によって波面歪みの次数を分担させているがこれに限られるものではない。例えば、３以上の最適化動作によって波面歪みの次数を分担させてもよい。
【００８５】
（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。
【００８６】
［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、並びに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。図９は、実施の形態２に係る光学システム２００の制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。
【００８７】
実施の形態２の補償光学装置２０１は、図８及び図９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、メインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂと、第２メトリックセンサ２０９Ａと、メインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂと、チルトセンサ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、第３ビームスプリッタ２１３Ａと、メインレーザ用第３ビームスプリッタ２１３Ｂと、第１副形状可変鏡２１４Ａと、メインレーザ用第１副形状可変鏡２１４Ｂと、第２副形状可変鏡２１５Ａと、メインレーザ用第２副形状可変鏡２１５Ｂと、第１光量調整装置２２３Ａと、メインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂと、第２光量調整装置２２４Ａと、メインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂと、第１補償光学制御部２３１及び第２補償光学制御部２３２を含む制御部２２０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及び図９においては、実施の形態１のチルトセンサ１０、第２ビームスプリッタ１２、チップ−チルト制御部３３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。
【００８８】
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副形状可変鏡２１４Ａ、第１光量調整装置２２３Ａをこの順に通って、第１メトリックセンサ２０８Ａに至る。また、このとき、第３ビームスプリッタ２１３Ａに至った戻り光の一部は、第２副形状可変鏡２１５Ａ、第２光量調整装置２２４Ａをこの順に通って、第２メトリックセンサ２０９Ａに至る。
【００８９】
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、メインレーザ用第３ビームスプリッタ２１３Ｂ、メインレーザ用第１副形状可変鏡２１４Ｂ、メインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂをこの順に通って、メインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂに至る。また、このとき、メインレーザ用第３ビームスプリッタ２１３Ｂに至った戻り光の一部は、メインレーザ用第２副形状可変鏡２１５Ｂ、メインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂをこの順に通って、メインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂに至る。
【００９０】
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、わずかな光量をメインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂ、及びメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂに入射するモニタ光として利用する。
【００９１】
第１副形状可変鏡２１４Ａは、復路側のビーコンレーザの戻り光の光路において、後述する第１光路Ｌ２０１に設けられ、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であって、第３ビームスプリッタ２１３Ａを経由した光（第３ビームスプリッタ２１３Ａによって反射された光）を反射する。
【００９２】
第２副形状可変鏡２１５Ａは、復路側のビーコンレーザの戻り光の光路において、後述する第１光路Ｌ２０１とは異なる第２光路Ｌ２０２に設けられ、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であって、第３ビームスプリッタ２１３Ａを経由した光（第３ビームスプリッタ２１３Ａを透過した光）を反射する。
【００９３】
メインレーザ用第１副形状可変鏡２１４Ｂは、復路側のメインレーザの戻り光の光路において、後述するメインレーザ第１光路ＨＬ２０１に設けられ、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の戻り光であって、メインレーザ用第３ビームスプリッタ２１３Ｂを経由した光（メインレーザ用第３ビームスプリッタ２１３Ｂによって反射された光）を反射する。
【００９４】
メインレーザ用第２副形状可変鏡２１５Ｂは、復路側のメインレーザの戻り光の光路において、後述するメインレーザ第１光路ＨＬ２０１とは異なるメインレーザ第２光路ＨＬ２０２に設けられ、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の戻り光であって、メインレーザ用第３ビームスプリッタ２１３Ｂを経由した光（メインレーザ用第３ビームスプリッタ２１３Ｂを透過した光）を反射する。
【００９５】
第１メトリックセンサ(MS1)（第１検出部）２０８Ａは、第１副形状可変鏡２１４Ａを経由した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、第１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の第１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。
【００９６】
第２メトリックセンサ(MS2)（第２検出部）２０９Ａは、第２副形状可変鏡２１５Ａを経由した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２メトリックセンサ２０９Ａから出力された検出値は、第２補償光学制御部２３２に入力される。その他の第２メトリックセンサ２０９Ａの構成は、上記実施の形態１の第２メトリックセンサ９と同様であるので、その説明を省略する。
【００９７】
メインレーザ用第１メトリックセンサ(H-MS1)（第１高出力レーザ用検出部）２０８Ｂは、メインレーザ用第１副形状可変鏡２１４Ｂを経由したメインレーザの戻り光の光強度を検出し、検出値を出力する。メインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂから出力された検出値は、第１補償光学制御部２３１に入力される。その他のメインレーザ用第１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。
【００９８】
メインレーザ用第２メトリックセンサ(H-MS2)（第２高出力レーザ用検出部）２０９Ｂは、メインレーザ用第２副形状可変鏡２１５Ｂを経由したメインレーザの戻り光の光強度を検出し、検出値を出力する。メインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂから出力された検出値は、第２補償光学制御部２３２に入力される。その他のメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂの構成は、上記実施の形態１の第２メトリックセンサ９と同様であるので、その説明を省略する。
【００９９】
第１光量調整装置(OAM1)２２３Ａは、復路側のビーコンレーザの戻り光の光路において、第１副形状可変鏡２１４Ａ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２２３Ａは、第１光量調整装置２２３Ａ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。
【０１００】
第２光量調整装置(OAM2)２２４Ａは、復路側のビーコンレーザの戻り光の光路において、第２副形状可変鏡２１５Ａと第２メトリックセンサ２０９Ａ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２２４Ａは、第２光量調整装置２２４Ａを通過し、第２メトリックセンサ２０９Ａに入射するビーコンレーザの光量を調整する。
【０１０１】
メインレーザ用第１光量調整装置(H-OAM1)２２３Ｂ（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、メインレーザ用第１副形状可変鏡２１４Ｂとメインレーザ用第１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。メインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂは、メインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂを通過し、メインレーザ用第１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。
【０１０２】
メインレーザ用第２光量調整装置(H-OAM2)２２４Ｂは、復路側のメインレーザの戻り光の光路において、メインレーザ用第２副形状可変鏡２１５Ｂとメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂとの間に介在するよう設けられている。メインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂは、メインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂを通過し、第２メトリックセンサ２０９Ａに入射するメインレーザの光量を調整する。
【０１０３】
第１光量調整装置２２３Ａ、第２光量調整装置２２４Ａ、メインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂ、及びメインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂは、何れも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。
【０１０４】
制御部２２０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２２０は、第１光量調整装置２２３Ａ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。同様に、制御部２２０は、メインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂ、第２光量調整装置２２４Ａ、メインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂを制御し、対応するメトリックセンサから受信した検出値に基づいて、対応するメトリックセンサが検出したレーザ光の光強度がこのメトリックセンサのダイナミックレンジに収まるように、光量調整装置を通過し、メトリックセンサに入射するレーザ光の光量を調整する。
【０１０５】
なお、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、第１副形状可変鏡１４と第１メトリックセンサ８との間、及び第２副形状可変鏡１５と第２メトリックセンサ９との間に介在するように制御部２０によって制御される光量調整装置を設けてもよい。
【０１０６】
第１補償光学制御部２３１（第１制御部）は、第１メトリックセンサ２０８Ａ及びメインレーザ用第１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）、第１副形状可変鏡２１４Ａの駆動部５２、及びメインレーザ用第１副形状可変鏡２１４Ｂの駆動部５２を制御する。
【０１０７】
第２補償光学制御部２３２（第２制御部）は、第２メトリックセンサ２０９Ａ及びメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂ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２形状可変鏡５の駆動部２７（図３参照）、第２副形状可変鏡２１５Ａの駆動部５２、及びメインレーザ用第２副形状可変鏡２１５Ｂの駆動部５２を制御する。その他の第１補償光学制御部２３１及び第２補償光学制御部２３２の構成は、第１補償光学制御部３１及び第２補償光学制御部３２と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【０１０８】
第３ビームスプリッタ２１３Ａは、波長分離鏡６及び第１ビームスプリッタ１１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を第１光路Ｌ２０１及び第２光路Ｌ２０２に分岐させる。メインレーザ用第３ビームスプリッタ２１３Ｂは、波長分離鏡６及び光量モニタ機能付き高出力レーザ反射ミラー２１１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の戻り光をメインレーザ第１光路ＨＬ２０１及びメインレーザ第２光路ＨＬ２０２に分岐させる。
【０１０９】
［動作例］
次に、光学システム２００の動作例を説明する。
【０１１０】
図１０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。
【０１１１】
まず、制御部２２０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３ビームスプリッタ２１３Ａ、第１副形状可変鏡２１４Ａ、第１光量調整装置２２３Ａ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。また、第３ビームスプリッタ２１３Ａに至ったビーコンレーザの戻り光の一部は、第２副形状可変鏡２１５Ａ、第２光量調整装置２２４Ａをこの順に経て第２メトリックセンサ２０９Ａに至り、第２メトリックセンサ２０９Ａ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。
【０１１２】
次に、制御部２２０は、第１光量調整装置２２３Ａ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２２３Ａ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。また、制御部２２０は、第２光量調整装置２２４Ａを制御して、第２メトリックセンサ２０９Ａ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２０９Ａに入射するビーコンレーザの戻り光の光量が第２メトリックセンサ２０９Ａ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２２４Ａを通過する光量を調整し、第２メトリックセンサ２０９Ａに入射する光量を調整する（ステップＳ２０２）。
【０１１３】
そして、第１光量調整装置２２３Ａ及び第２光量調整装置２２４Ａを通過する光量の調整が終了すると、次に、第１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第１最適化動作を繰り返し実行する（ステップＳ２０３）。
【０１１４】
また、第１補償光学制御部２３１が第１最適化動作を繰り返し実行するのと並行して、第２補償光学制御部２３２が第２最適化動作を繰り返し実行する（ステップＳ２０４）。
【０１１５】
これらの第１及び第２の最適化動作は、それぞれ光強度の評価に第１メトリックセンサ８及び第２メトリックセンサ９ではなく第１メトリックセンサ２０８Ａ及び第２メトリックセンサ２０９Ａを用いることを除き、上記実施の形態１の第１最適化動作（ステップＳ１１〜ステップＳ１８）及び第２最適化動作（ステップＳ２１からステップＳ２８）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【０１１６】
次に、制御部２２０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Ｓ２０５）。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、メインレーザ用第３ビームスプリッタ２１３Ｂ、メインレーザ用第１副形状可変鏡２１４Ｂ、メインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂをこの順に経てメインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂに至り、メインレーザ用第１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。また、メインレーザ用第３ビームスプリッタ２１３Ｂに至ったメインレーザの戻り光の一部は、メインレーザ用第２副形状可変鏡２１５Ｂ、メインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂをこの順に経てメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂに至り、メインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂ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。
【０１１７】
次に、制御部２２０は、メインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂから出力された検出値に基づいて、メインレーザ用第１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メインレーザ用第１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、メインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂを通過する光量を調整し、メインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂに入射する光量を調整する（第１光量調整動作）。また、制御部２２０は、メインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂから出力された検出値に基づいて、メインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂに入射するメインレーザの戻り光の光量がメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂのダイナミックレンジに収まるように、メインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂを通過する光量を調整し、メインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂに入射する光量を調整する（第２光量調整動作）（ステップＳ２０６）。
【０１１８】
そして、制御部２２０がメインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂ及びメインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂを通過する光量を調整している間、第１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第１最適化動作を繰り返し実行し（ステップＳ２０７）、第２補償光学制御部２３２は、引き続き第２メトリックセンサ２０９Ａが検知したビーコンレーザの戻り光の光強度を用いて第２最適化動作を繰り返し実行する（ステップＳ２０８）。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。
【０１１９】
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メインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂ及びメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂのダイナミックレンジに収まるように、制御部２２０がメインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂ及びメインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂ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、第１補償光学制御部２３１及び第２補償光学制御部２３２がメインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂ及びメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂを用いて第１最適化動作及び第２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、第１補償光学制御部２３１及び第２補償光学制御部２３２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及び第２メトリックセンサ２０９Ａ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。
【０１２０】
そして、メインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂ及びメインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂを通過する光量の調整（第１光量調整動作及び第２光量調整動作）が完了すると、次に、制御部２２０の第１補償光学制御部２３１は、第１最適化動作において、第１副形状可変鏡２１４Ａの駆動部５２を制御して第１副形状可変鏡２１４Ａの反射面５１の凹凸形状を変化させたときの第１メトリックセンサ２０８Ａによる検出値に基づき、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の凹凸形状を更新する動作を、メインレーザ用第１副形状可変鏡２１４Ｂの駆動部５２を制御してメインレーザ用第１副形状可変鏡２１４Ｂの反射面５１の凹凸形状を変化させたときのメインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂによる検出値に基づき、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の凹凸形状を更新する動作に切り替える切替処理（第１切替処理）を行い、第１最適化動作を繰り返し実行する（ステップＳ２０９）。また、制御部２２０の第２補償光学制御部２３２は、第２最適化動作において、第２副形状可変鏡２１５Ａの駆動部５７を制御して第２副形状可変鏡２１５Ａの反射面５６の凹凸形状を変化させたときの第２メトリックセンサ２０９Ａによる検出値に基づき、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の凹凸形状を更新する動作を、メインレーザ用第２副形状可変鏡２１５Ｂの駆動部５７を制御してメインレーザ用第２副形状可変鏡２１５Ｂの反射面５６の凹凸形状を変化させたときのメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂによる検出値に基づき、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の凹凸形状を更新する動作に切り替える切替処理（第２切替処理）を行い、第２最適化動作を繰り返し実行する（ステップＳ２１０）。
【０１２１】
すなわち、これら切換処理後における第１及び第２の最適化動作は、上記実施の形態１においては光強度の評価に第１メトリックセンサ８及び第２メトリックセンサ９を用いていたところ、これに代えて、メインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂ及びメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂを用いる。また、上記実施の形態１においては摂動に第１副形状可変鏡１４及び第２副形状可変鏡１５を用いていたところ、これに代えて、メインレーザ用第１副形状可変鏡２１４Ｂ及びメインレーザ用第２副形状可変鏡２１５Ｂを用いる。これ以外の動作については、上記実施の形態１の第１及び第２の最適化動作（ステップＳ１１〜ステップＳ１８、ステップＳ２１〜ステップＳ２８）と同様であるので、その詳細な説明を省略する。
【０１２２】
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、第１補償光学制御部２３１及び第２補償光学制御部２３２は、メインレーザ用第１光量調整装置２２３Ｂ及びメインレーザ用第２光量調整装置２２４Ｂを通過する光量の調整が終了し次第、メインレーザ用第１メトリックセンサ２０８Ｂ及びメインレーザ用第２メトリックセンサ２０９Ｂが検知したメインレーザの光強度を用いて第１及び第２の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。
【０１２３】
（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。
【０１２４】
［動作例］
図１１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り、第１最適化動作を示す図である。
【０１２５】
図１１に示すように、本実施の形態の第１最適化動作において、光学システムの第１補償光学制御部３１は、実施の形態１の動作例におけるステップＳ１７の完了後、ステップＳ１８の開始前に以下のステップＳ３１１、Ｓ３１２を実行する。
【０１２６】
すなわち、ステップＳ１７の完了後、第１補償光学制御部３１は、第１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Ｓ３１１）。所定の閾値Ｊｔｈは、たとえば、以下の式（６）にしたがって算出される。
Ｊｔｈ＝Ｊ０・ｋａ  ・・・  （６）
但し、
Ｊ０は、最適化動作開始時に第１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。
【０１２７】
そして、第１補償光学制御部３１は、第１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Ｓ３１１においてＮｏ）、実施の形態１の動作例におけるステップＳ１８を実行する。一方、ステップＳ３１１において、第１補償光学制御部３１は、第１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（ステップＳ３１１においてＹｅｓ）、第１形状可変鏡４の初期化動作（第１初期化動作）を実行する（ステップＳ３１２）。第１形状可変鏡４の第１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（第１最適化動作開始時の形状）に更新する動作である。上述の通り、第１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、第１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、第１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、光学システムの第１補償光学制御部３１は、実施の形態１の動作例におけるステップＳ１８を実行する。
【０１２８】
図１２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り、第２最適化動作を示す図である。
【０１２９】
また、図１２に示すように、本実施の形態の第２最適化動作において、光学システムの第２補償光学制御部３２は、本実施の形態の第１最適化動作と同様に、実施の形態１の動作例におけるステップＳ２７の完了後、ステップＳ２８の開始前に以下のステップＳ３２１、Ｓ３２２を実行する。ステップＳ３２１、Ｓ３２２は、それぞれ、上記ステップＳ３１１、ステップＳ３１２と同様の処理である。
【０１３０】
（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。
【０１３１】
［構成］
図１３は、実施の形態４に係る光学システム４００の構成例、並びにビーコンレーザの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１４は、実施の形態４に係る光学システム４００の制御系統の構成例を概略的に示すブロック図である。
【０１３２】
図１３及び図１４に示すように、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。
【０１３３】
補償光学装置４０１は、第１補償光学制御部３１及び第２補償光学制御部３２に代えて第１補償光学制御部４３１及び第２補償光学制御部４３２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１３及び図１４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１０、及びチップ−チルト制御部３３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。
【０１３４】
第１補償光学制御部４３１は、第１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の第１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１副形状可変鏡１４の駆動部５２を制御する。その他の第１補償光学制御部４３１の構成は、第１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。
【０１３５】
第２補償光学制御部４３２は、第２メトリックセンサ９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の第２メトリックセンサ４０９から受信した検出値に基づき、補償光学装置４０１の第２形状可変鏡５の駆動部２７及び第２副形状可変鏡１５の駆動部５７を制御する。その他の第２補償光学制御部４３２の構成は、第２補償光学制御部３２と同様であるので、その説明を省略する。
【０１３６】
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及び第２メトリックセンサ９に代えて、第１メトリックセンサ４０８及び第２メトリックセンサ４０９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、照射対象物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の第１メトリックセンサ４０８及び第２メトリックセンサ４０９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、照射対象物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。第１メトリックセンサ４０８及び第２メトリックセンサ４０９から出力された評価量Ｊｅは、それぞれ補償結果評価装置４５０の第１補償光学制御部３１及び第２補償光学制御部３２に加え、補償光学装置４０１の第１補償光学制御部４３１及び第２補償光学制御部４３２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。
【０１３７】
［動作例］
次に、光学システム４００の動作例を説明する。
【０１３８】
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４００の外部へ出射され、大気伝搬し、照射対象物Ａに至る。
【０１３９】
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の第１メトリックセンサ８に至り、補償光学装置４０１の第１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に入射してその第１メトリックセンサ（評価用検出部）４０８に至り、この第１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。
【０１４０】
そして、補償結果評価装置４５０の第１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が第１最適化動作を実行する。この第１最適化動作は、評価量Ｊｅが改善するように、すなわち第１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の第１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第１メトリックセンサ４０８に検知させることができる。
【０１４１】
そして、上記補償結果評価装置４５０の第１最適化動作と並行して、補償光学装置４０１の第１補償光学制御部４３１が第１最適化動作を実行する。上記実施の形態１における第１最適化動作において、式（３）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（３）のゲインＧは、補償結果評価装置４５０の第１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（７）にしたがって算出される変数である。
Ｇ＝−ｄＪｅ／ｄｔ・ｋｂ＋ｋc  ・・・  （７）
但し、
ｋｂ、ｋcは所定の係数である。
【０１４２】
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の第１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（７）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の第１補償光学制御部４３１は、第１メトリックセンサ８による検出値に加えて、補償結果評価装置４５０の第１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て、第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を更新する。これによって、第１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１形状可変鏡４の形状変化量を大きくすることができ、第１形状可変鏡４の反射面２１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１形状可変鏡４の反射面２１が最適形状に収束しつつある状態においては、第１形状可変鏡４の反射面２１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２１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。
【０１４３】
また、補償光学装置４０１の第１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の第１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の第１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第１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。
【０１４４】
以上、第１最適化動作について述べたが、第２最適化動作も同様である。すなわち、上記動作例の第１形状可変鏡４、第１メトリックセンサ４０８、第１補償光学制御部４３１をそれぞれ第２形状可変鏡５、第２メトリックセンサ４０９、第２補償光学制御部４３２と読み替えることによって、第２最適化動作が説明される。
【０１４５】
（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。
【０１４６】
［構成］
図１５は、実施の形態５に係る光学システム５００の構成例、及びビーコンレーザの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。
【０１４７】
図１５に示すように、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、高出力レーザ発振器１０１と、第１メトリックセンサ８と、第２メトリックセンサ９と、チルトセンサ１０と、波面センサ５０２と、制御部５２０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１３と、第４ビームスプリッタ５１４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、高出力レーザ発振器１０１、第１メトリックセンサ８、第２メトリックセンサ９、チルトセンサ１０、第１ビームスプリッタ１１、第２ビームスプリッタ１２、及び第３ビームスプリッタ１３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。
【０１４８】
波面センサ（WFS 波面形状検出部）５０２は、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。
【０１４９】
制御部５２０は、第１補償光学制御部３１と、第２補償光学制御部３２と、第３補償光学制御部５３３と、チップ−チルト制御部３３とを含む。
【０１５０】
第１補償光学制御部(SPGD AO1 第１制御部)３１及び第２補償光学制御部(SPGD AO2第２制御部)３２は、上記実施の形態１の第１補償光学制御部３１及び第２補償光学制御部３２と同様に構成され、それぞれ第１メトリックセンサ８及び第２メトリックセンサ９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３３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。
【０１５１】
第３補償光学制御部(WFR AO)５３３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３補償光学制御部５３３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３補償光学制御部５３３は、第１形状可変鏡４に対する制御信号を出力する。その他の制御部５２０の構成は、上記実施の形態１の制御部２０と同様であるのでその詳細な説明を省略する。
【０１５２】
第４ビームスプリッタ５１４は、第１ビームスプリッタ１１、第２ビームスプリッタ１２、及び第３ビームスプリッタ１３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４ビームスプリッタ５１４は、第２ビームスプリッタ１２と第３ビームスプリッタ１３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（ビーコンレーザの戻り光）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４ビームスプリッタ５１４は、その余のレーザ光を透過し、透過したレーザ光は、第３ビームスプリッタ１３に入射する。
【０１５３】
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１０に向かう光路と、第４ビームスプリッタ５１４に向かう光路とに分岐する。更に、第４ビームスプリッタ５１４において、第３ビームスプリッタ１３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。
【０１５４】
［動作例］
次に、光学システム５００の動作例を説明する。図１６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。
【０１５５】
まず、制御部５２０は、大気揺らぎの強度に応じて第１最適化動作及び第２最適化動作を含む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５２０は、第１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）、第１最適化動作及び第２最適化動作を行う（ステップＳ５２０，Ｓ５２５）。本実施の形態における最適化動作は、上記実施の形態１の第１最適化動作及び第２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。
【０１５６】
また、制御部５２０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）、波面補正動作を行う（ステップＳ５３０）。波面補正動作において、制御部５２０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５２０の第３補償光学制御部５３３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。
【０１５７】
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第１最適化動作及び第２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。
【０１５８】
（実施の形態６）
本実施の形態において、第１補償光学制御部３１は、第１形状変化量を第１基準形状に加算して規定される第１副形状可変鏡１４の反射面５１の形状が閾値以下のチップ−チルト成分を有するように、第１副形状可変鏡１４の複数の駆動素子５３のそれぞれについてランダムに選択される動作量を規制する。
【０１５９】
すなわち、仮に、ステップＳ１１において発生させた乱数行列Ｒに基づき、ステップＳ１２及びステップＳ１４においてプラスティザ及びマイナスティザを与えた場合において、第１副形状可変鏡１４の反射面５１が閾値以下のチップ−チルト成分を有するように、第１補償光学制御部３１は乱数行列Ｒを発生させる。第１副形状可変鏡１４の反射面５１が閾値以下のチップ−チルト成分を有するか否かは、各駆動素子５３が設けられている反射面５１の各部位に、乱数行列Ｒの対応する要素に比例する力が反射面５１の法線方向に作用したと仮定した場合における反射面５１の平均傾斜を算出し、この算出した平均傾斜が閾値以下である場合に第１副形状可変鏡１４の反射面５１が閾値以下のチップ−チルト成分を有すると判定し、前記算出した平均傾斜が閾値を超える場合に第１副形状可変鏡１４の反射面５１が閾値を超えるチップ−チルト成分を有すると判定してもよい。そして、第１補償光学制御部３１は、第１副形状可変鏡１４の反射面５１が閾値を超えるチップ−チルト成分を有すると判定した場合は、この乱数行列Ｒを破棄し、発生させた乱数行列Ｒに対応する反射面５１の重心と反射面５１の中心との距離が閾値以下になるまで、乱数行列Ｒを繰り返し発生させてもよい。
【０１６０】
また、第１副形状可変鏡１４の反射面５１が閾値以下のチップ−チルト成分を有するか否かは、上記の判定方法に代えて、乱数行列Ｒの各成分を、反射面５１に対応させる際の空間的な位置を考慮した、乱数行列Ｒの重心位置計算をした場合に、この重心と反射面５１の中心との距離が閾値以下である場合に第１副形状可変鏡１４の反射面５１が閾値以下のチップ−チルト成分を有すると判定し、この重心と反射面５１の中心との距離が閾値を超える場合に第１副形状可変鏡１４の反射面５１が閾値を超えるチップ−チルト成分を有すると判定してもよい。
【０１６１】
同様に、第２補償光学制御部３２は、第２形状変化量を第２基準形状に加算して規定される第２副形状可変鏡１５の反射面５６の形状が閾値以下のチップ−チルト成分を有するように、第１副形状可変鏡１４の複数の駆動素子５３のそれぞれについてランダムに選択される動作量を規制する。
【０１６２】
なお、チップ−チルト成分の補償はチップ−チルト制御部３３が高速ステアリングミラー３を制御することによって行われる。したがって、第１補償光学制御部３１による第１最適化動作、及び第２補償光学制御部３２による第２最適化動作が分担するゼルニケ多項式における２次以上の波面誤差の補償を効果的に行うことができ、制御速度をより向上させることができる。
【０１６３】
（実施の形態７）
以下では実施の形態７に係る補償光学装置１を含む光学システム１００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。
【０１６４】
本実施の形態において、第１補償光学制御部３１は、デフォーカス補正動作を所定の周期で実行する。デフォーカス補正動作は、第１最適化動作が所定回数実行される毎に実行される。また、このとき、デフォーカス補正動作は、複数回連続して実行されてもよい。
【０１６５】
デフォーカス補正動作において、第１補償光学制御部３１は、第１副形状可変鏡１４の反射面５１の形状を第１基準形状から反射面５１の中央部がドーム状に膨らむ第５形状に変化させて第１メトリックセンサ８が検出した光強度を取得する。そして、第１補償光学制御部３１は、第１副形状可変鏡１４の反射面５１の形状を第５形状と第１基準形状に対して対称となる第６形状に変化させて第１メトリックセンサ８が検出した光強度を取得する。そして、第１補償光学制御部３１は、第５形状及び第６形状のうち第１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第１形状可変鏡４の反射面の凹凸形状を変化させて第１形状可変鏡４の反射面２１の凹凸形状を更新する。
【０１６６】
第１補償光学制御部３１は、第１副形状可変鏡１４の反射面５１の形状を第５形状とするときは、まず、ステップＳ１１において乱数行列Ｒを発生させる代わりに、予め規定され、記憶部に格納されたＲｄを記憶部から呼び出す。行列Ｒｄは、第１形状可変鏡４の反射面２１の周縁に配置された駆動素子２３に対応する行列Ｒの要素から中心に配置された駆動素子２３に向かうに従って値が大きくなり、且つ、第１形状可変鏡４の反射面２１の中心から同じ距離に配置された駆動素子２３に対応する行列Ｒの要素同士は、同一又は略同一の値である行列である。具体的には、第１形状可変鏡４が例えば３行３列のマトリクス状に配置された９つの駆動素子２３を有するとする。この場合、行列Ｒｄは、３行３列の行列とし、各要素について、その行番号及び列番号が同じ駆動素子と対応づける。そうすると、Ｒｄは、例えば以下の式（８）に示す値である。
【０１６７】
【数１】
2018212254.tif 000003
そして、ステップＳ１２において、上記行列Ｒｄに基づきＶ＋を算出し、第１補償光学制御部３１が第１副形状可変鏡１４の各駆動素子５３に各駆動素子５３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１副形状可変鏡１４の反射面５１は、第１形状に代えて、外方に向ってドーム状に膨らむ第５形状を呈する。
【０１６８】
そして、第１補償光学制御部３１は、ステップＳ１３を実行した後、ステップＳ１４において、上記行列Ｒｄに基づきＶ−を算出し、第１補償光学制御部３１が第１副形状可変鏡１４の各駆動素子５３に各駆動素子５３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１副形状可変鏡１４の反射面５１は、第２形状に代えて、内方に向ってドーム状に膨らむ第６形状を呈する。
【０１６９】
そして、第１補償光学制御部３１は、Ｒに代えてＲｄを用いてステップＳ１４〜Ｓ１７を実行することにより、ゼルニケ多項式における２次のデフォーカスの波面誤差の補償を行うことができる。その結果、比較的低次の波面誤差の補償を効果的に行うことができ、制御速度をより向上させることができる。
【０１７０】
以上、実施の形態１〜７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２形状可変鏡からの前記光を第１光路及び第２光路に分岐させる光路分岐部と、前記第１光路に設けられ、前記第１形状可変鏡が有する前記反射面及び前記駆動部に対応する反射面及び駆動部を含む第１副形状可変鏡と、前記第２光路に設けられ、前記第２形状可変鏡が有する前記反射面及び前記駆動部に対応する反射面及び駆動部を含む第２副形状可変鏡と、前記第１形状可変鏡及び前記第１副形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する第１検出部と、前記第２形状可変鏡及び前記第２副形状可変鏡からの前記光の光強度を検出する第２検出部と、前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１検出部の検出値に基づき、前記第１形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する第１最適化動作を実行する第１補償光学制御部と、前記第２副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第２検出部の検出値に基づき、前記第２形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する第２最適化動作を実行する第２補償光学制御部とを含む制御部と、を備える。
【０１７１】
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。
【０１７２】
前記制御部は、前記第１最適化動作及び前記第２最適化動作を繰り返し実行してもよい。
【０１７３】
この構成によれば、光波面の補償を適切に行うことができる。
【０１７４】
前記制御部は、前記第１最適化動作において、前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新した後、前記第１検出部が検出した前記光の光強度が所定の閾値以下であるか否かを判定し、前記第１検出部が検出した前記光の光強度が所定の閾値以下であると判定すると、前記第１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１初期化動作を実行し、且つ、前記第２最適化動作において、前記第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新した後、前記第２検出部が検出した前記光の光強度が所定の閾値以下であるか否かを判定し、前記第２検出部が検出した前記光の光強度が所定の閾値以下であると判定すると、前記第２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初期化動作を実行してもよい。
【０１７５】
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。
【０１７６】
前記第１形状可変鏡の複数の前記駆動素子及び前記第２形状可変鏡の複数の前記駆動素子の一方の最大変位量は、他方の最大変位量よりも小さくてもよい。
【０１７７】
この構成によれば、光波面の補償における波面歪みの次数を効率的に分担することができる。
【０１７８】
最大変位量の小さい形状可変鏡は、他方の形状可変鏡より駆動素子数が多くてもよい。
【０１７９】
この構成によれば、光波面の補償における波面歪みの次数を更に効率的に分担することができる。
【０１８０】
レーザ光を発振するレーザ発振器を更に備え、前記第１検出部及び前記第２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の照射対象物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は同一経路であってもよい。
【０１８１】
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し、往路側の光路を復路側の光路と正確に重ねることで、往路側に対しても同様の補償を行うことができる。
【０１８２】
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第１高出力レーザ用検出部と、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第２高出力レーザ用検出部と、前記第１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第１高出力レーザ光量調整部と、前記第２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第２高出力レーザ光量調整部と、を更に備え、前記制御部は、前記第１高出力レーザ光量調整部及び前記第２高出力レーザ光量調整部を制御し、前記第１最適化動作の実行中に実行され、前記第１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第１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第１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第１光量調整動作と、前記第１光量調整動作の完了後に実行され、前記第１最適化動作において、前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１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、前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１高出力レーザ用検出部による検出値に基づいて前記第１形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１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第１切替処理と、前記第２最適化動作の実行中に実行され、前記第２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第２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第２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第２光量調整動作と、前記第２光量調整動作の完了後に実行され、前記第２最適化動作において、前記第２副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第２検出部による検出値に基づいて前記第２形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２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、前記第２副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第２高出力レーザ用検出部による検出値に基づいて前記第２形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第２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第２切替処理と、を実行可能に構成されていてもよい。
【０１８３】
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。
【０１８４】
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更に備え、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形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させる波面補正動作を実行する第３補償光学制御部を更に備え、前記制御部は、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最適化動作及び前記第２最適化動作を実行し、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波面補正動作を実行してもよい。
【０１８５】
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。
【０１８６】
前記第１最適化動作において前記第１補償光学制御部は、前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を所定の第１基準形状から第１形状に変化させて前記第１検出部が検出した光強度を取得し、前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記第１形状と前記第１基準形状に対して対称となる第２形状に変化させて前記第１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形状のうち前記第１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第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させて前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新し、前記第２最適化動作において前記第２補償光学制御部は、前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を所定の第２基準形状から第３形状に変化させて前記第２検出部が検出した光強度を取得し、前記第２副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記第３形状と前記第２基準形状に対して対称となる第４形状に変化させて前記第２検出部が検出した光強度を取得し、前記第３形状及び前記第４形状のうち前記第２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第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させて前記第２形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新してもよい。
【０１８７】
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。
【０１８８】
前記第１形状は、前記第１副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最適化動作を実行する度にランダムに選択される第１形状変化量を前記第１基準形状に加算して規定される形状であり、前記第３形状は、前記第２副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２最適化動作を実行する度にランダムに選択される第２形状変化量を前記第２基準形状に加算して規定される形状であってもよい。
【０１８９】
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。
【０１９０】
前記第１形状変化量は、前記第１副形状可変鏡の複数の前記駆動素子のそれぞれについて前記ランダムに選択される動作量によって規定され、前記第２形状変化量は、前記第２副形状可変鏡の複数の前記駆動素子のそれぞれについて前記ランダムに選択される動作量によって規定されてもよい。
【０１９１】
この構成によれば、最適化動作を適切に構成することができる。
【０１９２】
前記第１補償光学制御部は、前記第１形状変化量を前記第１基準形状に加算して規定される前記第１副形状可変鏡の前記反射面の形状が閾値以下のチップ−チルト成分を有するように、前記第１副形状可変鏡の複数の駆動素子のそれぞれについてランダムに選択される動作量を規制し、前記第２補償光学制御部は、前記第２形状変化量を前記第２基準形状に加算して規定される前記第２副形状可変鏡の前記反射面の形状が閾値以下のチップ−チルト成分を有するように、前記第２副形状可変鏡の複数の駆動素子のそれぞれについてランダムに選択される動作量を規制してもよい。
【０１９３】
この構成によれば、制御速度をより向上させることができる。
【０１９４】
前記第１補償光学制御部は、前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記第１基準形状から前記反射面がドーム状に膨らむ第５形状に変化させて前記第１検出部が検出した光強度を取得し、前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を前記第５形状と前記第１基準形状に対して対称となる第６形状に変化させて前記第１検出部が検出した光強度を取得し、前記第５形状及び前記第６形状のうち前記第１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第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させて前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する、デフォーカス補正動作を実行可能に構成され、前記第１補償光学制御部は、前記デフォーカス補正動作を所定の周期で実行してもよい。
【０１９５】
この構成によれば、比較的低次の波面誤差の補償を効果的に行うことができ、制御速度をより向上させることができる。
【０１９６】
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の光強度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レーザ光の光強度が強くなるように前記評価用形状可変鏡の前記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最適化動作は、前記第１副形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１副形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を変化させたときの前記第１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形状可変鏡の前記駆動部を制御して前記第１形状可変鏡の前記反射面の凹凸形状を更新する動作であってもよい。
【０１９７】
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。
【０１９８】
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】
【０１９９】
Ｌ１  第１光路
Ｌ２  第２光路
１  補償光学装置
４  第１形状可変鏡
５  第２形状可変鏡
８  第１メトリックセンサ
９  第２メトリックセンサ
１３  第３ビームスプリッタ
１４  第１副形状可変鏡
１５  第２副形状可変鏡
２１  （第１形状可変鏡の）反射面
２２  （第１形状可変鏡の）駆動部
２３  （第１形状可変鏡の）駆動素子
２６  （第２形状可変鏡の）反射面
２７  （第２形状可変鏡の）駆動部
２８  （第２形状可変鏡の）駆動素子
３１  第１補償光学制御部
３２  第２補償光学制御部
５１  （第１副形状可変鏡の）反射面
５２  （第１副形状可変鏡の）駆動部
５３  （第１副形状可変鏡の）駆動素子
５６  （第２副形状可変鏡の）反射面
５７  （第２副形状可変鏡の）駆動部
５８  （第２副形状可変鏡の）駆動素子
１００  光学システム
【図１】
2018212254.tif 000004
【図２】
2018212254.tif 000005
【図３】
2018212254.tif 000006
【図４】
2018212254.tif 000007
【図５】
2018212254.tif 000008
【図６】
2018212254.tif 000009
【図７】
2018212254.tif 000010
【図８】
2018212254.tif 000011
【図９】
2018212254.tif 000012
【図１０】
2018212254.tif 000013
【図１１】
2018212254.tif 000014
【図１２】
2018212254.tif 000015
【図１３】
2018212254.tif 000016
【図１４】
2018212254.tif 000017
【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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