(57)【要約】【課題】  実用的な速度と精度と実効可動範囲を実現する揺らぎ補正光学系を提供する。【解決手段】  被写体からの光ビームを該被写体よりも縮小して結像させる結像光学系と、可動レンズまたは可動曲面鏡と、該可動レンズまたは該可動曲面鏡からの光ビームを受光する受光器と、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡からの光ビームの一部を検出する検出器と、からなる光学系において、前記検出器からの信号を解析する演算処理装置と、その解析結果に基づく該演算処理装置からの指示信号により、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡の動きを制御する駆動ユニットと、からなり、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡は、前記結像を拾い上げるようにその共役点を一致させながら、前記駆動ユニットにより動かされ、前記被写体からの光ビームの揺らぎを補正する構成とする。【選択図】  図５
2005316026.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被写体からの光ビームを、該被写体よりも縮小して、結像させる結像光学系と、
可動レンズまたは可動曲面鏡と、
該可動レンズまたは該可動曲面鏡からの光ビームを受光する受光器と、
前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡からの光ビームの一部を検出する検出器と、
からなる光学系において、
前記検出器からの信号を解析する演算処理装置と、その解析結果に基づく該演算処理装置からの指示信号により、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡の動きを制御する駆動ユニットと、からなり、
前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡は、前記結像を拾い上げるようにその共役点を一致させながら、前記駆動ユニットにより、動かされ、前記被写体からの光ビームの揺らぎを補正する
ことを特徴とする可動レンズまたは可動曲面鏡を用いた揺らぎ補正光学系。
【請求項２】
請求項１に記載の可動レンズまたは可動曲面鏡を用いた揺らぎ補正光学系において、
前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡が実際に微小変位動いたことにより、前記結像を増幅するように、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡の可動範囲及び配置を限定した
ことを特徴とする可動レンズまたは可動曲面鏡を用いた揺らぎ補正光学系。
【請求項３】
請求項２に記載の可動レンズまたは可動曲面鏡を用いた揺らぎ補正光学系において、
前記結像の精度と、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡が動いた微小変位の幅たる視野の広さと、のバランスを自在に設定できるように、
前記増幅の倍率が所定値の範囲内に設定可能である
ことを特徴とする可動レンズまたは可動曲面鏡を用いた揺らぎ補正光学系。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光宇宙通信、空間光通信、天文観測、光測位、光計測としての干渉計やレーザー光学装置の安定化などに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光宇宙通信、空間光通信、天文観測、光測位、光計測としての干渉計やレーザー光学装置の安定化など、揺らぎ補正装置として有名なものに、ガルバノ電流計で平面鏡を旋廻させ光ビームを偏向させるガルバノミラー、また、圧電素子や静電圧を用いて反射鏡面を自在に弾性変形させる可変形状鏡がある。
【０００３】
ガルバノミラーによる光ビームの偏向の例を図１に示す。入射する光ビームに対して、Ｘ軸方向の偏向を制御するコイルとＹ軸方向の偏向を制御するコイルとで、ガルバノミラーの傾き角度を制御することにより、出射する光ビームを自在に偏向させる。
【０００４】
可変形状鏡による光ビームの反射の例を図２に示す。図２（ａ）は、金属膜鏡面の背面から制御端子に電圧を印加し、静電引力を生じさせ、当該金属膜鏡面の形状を変形させることにより、偏向させる様子の模式断面図を示している。図２（ｂ）は、圧電アクチュエータで鏡面を背面から動かして、偏向させる様子の模式断面図を示している。
【０００５】
更に、ガルバノミラーのような鏡面の回転を用いる代わりに、図３に示すように可動レンズや可動曲面鏡を駆動させ、その結果生じる焦点の移動により、焦点が変化するようにしている「手振れ防止機能付きカメラ」（特許文献１）や、出射（透過または反射）ビームの方向を変えている「カメラの手振れ防止装置」（特許文献２）、その他、「観察光学系及びそれを有した観察装置」（特許文献３）、「球面収差補正光学系、球面収差補正光学装置、及び該補正光学系又は該補正装置を備える光学観察装置」（特許文献４）、「画像振れ防止装置」（特許文献５）などの先行技術などが開示されている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−０６６４４７号公報
【特許文献２】特開平１１−３１６３９８号公報
【特許文献３】特開２０００−１１１８０２号公報
【特許文献４】特開２００１−２６４６３７号公報
【特許文献５】特開平５−２３６３３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、現実にレンズや曲面鏡を変位させる場合、例えば精度や速度を優先すれば変位の大きさに限界が生じ、可動レンズ単体や可動曲面鏡単体では、実用的なビーム偏向幅や焦点調整幅あるいは速度や精度を得ることは難しいと言う問題が有った。
【０００８】
本発明はこのような従来の技術の問題点に鑑みてなされたものであり、実用的な速度と精度と実効可動範囲をもつ光学系を提供することを目的とする。
【０００９】
一方、可変形状鏡は、自由な揺らぎ補正が可能である反面、制御が複雑になると言う問題が有った。
【００１０】
そこで、本発明ではこのような従来の技術の問題点に鑑み、可変形状鏡の役割のうち大きな割合を占める波面曲率の制御に対し、それと等価な焦点ずれを直接制御できる光学系を提供することをもうひとつの目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、前記課題を解決するために、以下の手段を採用した。
【００１２】
請求項１に記載の可動レンズまたは可動曲面鏡を用いた揺らぎ補正光学系は、被写体からの光ビームを、該被写体よりも縮小して、結像させる結像光学系と、可動レンズまたは可動曲面鏡と、該可動レンズまたは該可動曲面鏡からの光ビームを受光する受光器と、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡からの光ビームの一部を検出する検出器と、からなる光学系において、前記検出器からの信号を解析する演算処理装置と、その解析結果に基づく該演算処理装置からの指示信号により、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡の動きを制御する駆動ユニットと、からなり、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡は、前記結像を拾い上げるようにその共役点を一致させながら、前記駆動ユニットにより、動かされ、前記被写体からの光ビームの揺らぎを補正することを特徴とする。
【００１３】
請求項２に記載の可動レンズまたは可動曲面鏡を用いた揺らぎ補正光学系は、請求項１に記載の可動レンズまたは可動曲面鏡を用いた揺らぎ補正光学系において、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡が実際に微小変位動いたことにより、前記結像を増幅するように、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡の可動範囲及び配置を限定したことを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の可動レンズまたは可動曲面鏡を用いた揺らぎ補正光学系は、請求項２に記載の可動レンズまたは可動曲面鏡を用いた揺らぎ補正光学系において、前記結像の精度と、前記可動レンズまたは前記可動曲面鏡が動いた微小変位の幅たる視野の広さと、のバランスを自在に設定できるように、前記増幅の倍率が所定値の範囲内に設定可能であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明では、前述のような可動レンズまたは可動曲面鏡の配置を工夫し、微小な変位が前後の固定レンズにより増幅されるようにすることで、高い精度を保ちつつ広い範囲を制御できた。
【００１６】
本発明は、可変形状鏡のような自在の変形こそできないものの、可変形状鏡やガルバノミラーのどちらよりも小型で可動素子も単一で扱いやすいと言う利点を有している。
【００１７】
本発明を望遠鏡など結像光学系に組み込んだ場合、大気や望遠鏡の振動による揺らぎの補正が、高精度、且つ、広視野に渡り、小型の光学系で実現できた。
【００１８】
また、空間光通信（光無線）の光アンテナに組み込んだ場合、受信光の揺らぎの補正が見込めると共に、送信側のビームを予め揺らぎに対応して補正し、その後に送信することで、指向性が良好になった。
【００１９】
また、揺らぎの減少により受光器の開口径を狭め、入力容量が抑制され、高速通信が可能になり、送信電力の節約になった。
【００２０】
本発明が干渉計など光計測に用いられた場合、光路上の揺らぎや計測装置の位置揺らぎの補正により、余計な干渉縞やスペックルが減少した。
【００２１】
レンズや曲面鏡を用いること自体に独自性があり、それに加え、ガルバノミラーと比較して、焦点の補正が可能であるので有用性が高い。
【００２２】
また、可変形状鏡を含めた従来の技術との比較でも、本発明に係る装置が小型で、接眼レンズにも組み込めるという利点を有している。
【００２３】
更に、小型であるばかりではなく、高精度かつ広視野（変位幅）が得られ、前後の光学系の倍率を適正化することで、それら精度と視野のバランスも自在に設定できた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明は、図４に示すように、被写体の移動による入射角のずれによる像面におけるその像のずれを、可動レンズを変位させることで像センサに入射する被写体の像の入射角を補正するものである。
【００２５】
図５は、可動レンズが高精度と広視野を両立させながら被写体を追尾する機構をなす光学系を示す。先ず、被写体の懐中電灯６から出射した光ビームが、ｘ−ｙ−ｚ３軸マイクロステージに搭載されたピンホール段階における顕微鏡対物（縮小された結像）３を経由して可動レンズ・ユニット２に入射する。ここで懐中電灯６は、説明のために被写体として用いており、装置の一部を構成するものではない。
【００２６】
このとき、前記結像と前記可動レンズの共役点が常に一致するように、前記ｘ−ｙ−ｚ３軸マイクロステージを微調させる。
【００２７】
その後、前記光ビームは、可動レンズ・ユニット２の中の分波器（ビームスプリッタ）により、大部分は受光器のＣＣＤ（荷電結合素子）４に照射され、一部分は検出器のＱＰＤ（４分割ホトダイオード）およびアンプ・ユニット１に分配される。
【００２８】
レンズ駆動ユニット５の中の駆動コイルが、可動レンズ・ユニット２の中の可動レンズを駆動する。
【００２９】
この際、可動レンズ・ユニット２に入射する光ビームの光軸に対して、垂直な平面内に前記可動レンズが動くようになっている。
【００３０】
可動レンズ・ユニット２の中の分波器によって後方散乱した一部の光ビームを、ＱＰＤおよびアンプ・ユニット１の中の縦横に４分割されたホトダイオードが検出し、該ホトダイオードの分割された各感知部分の光検出量の微妙な変化を、演算処理装置を介し、レンズ駆動ユニット５の中の駆動コイルに、可動レンズの駆動方向および駆動変位の指図まで反映した電気信号として、帰還（フィードバック）する。
【００３１】
ＱＰＤおよびアンプ・ユニット１からのフィードバック信号に基づき、可動レンズを駆動し続けることにより、振動する被写体の懐中電灯６を可動レンズが追尾することができる。
【００３２】
図６は、基板に固定された対象物以外の部品を、可動レンズ・ユニット２付近の配置関係として示している。
【００３３】
可動レンズ付近の拡大された図６には示されていないが、顕微鏡対物（Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ）３の後ろで縮小像を拾うレンズ駆動ユニット５の中の小型可動レンズに、駆動コイルが設置され電磁的に駆動されるようになっている。
【実施例１】
【００３４】
図６に示す光学系を１．５Ｍ望遠鏡に接眼光学系として設置し、図５に示した光学系と同様に、実像への効果を確認したところ、１μラジアンより良い精度と数ミリラジアンの偏向角が実現できた。
【００３５】
天体を用いた実験から大気の揺らぎや望遠鏡の粗追尾後の残差補正に効果が見られた。
【００３６】
また、安定性も良好で、実際に曇天化の実験で雲間から現れた国際宇宙ステーションを瞬時に捕捉した。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明は、小型簡略で高信頼性を有すること自体も多くの画期的な応用がある。例えば、小型高信頼性への要求の高い衛星への搭載には殊更に有効である。
【００３８】
その他の応用製品としては、分光装置やカメラなど、測定機側のレンズの一部を可動式として、組み込んで利用することがある。
【００３９】
また、本発明は、追尾装置に利用できる。地上からの衛星等への大気を通した光学追尾において、大気の揺らぎにより望遠鏡やそれに接続された光学装置の性能が十分に発揮できない場合があるため、また、衛星や航空機などは、それ自体静止せず常に移動するものであるため、広い視野を高速で追尾し、同時に光通信回線に接続を行う場合など、特に高精度で捕捉し続ける必要がある。
【００４０】
それら揺らぎのうち特に影響の大きい位置の変位に相当するものやレンズの焦点ずれに相当するものについて、小型で可動式のレンズあるいは曲面鏡を光学系に組み込むことで容易に補正を行うことができる。
【００４１】
また、望遠鏡を用いた捕捉追尾に関しては、衛星などの人工天体、航空機や飛行船などの追尾、飛翔体などの追尾、陽炎下での像や照準の補正をする装置に利用できる。更に、自然の天体について用いた場合も、大気の揺らぎの補正により小型で高性能を得ることができる。
【００４２】
結像光学系における像揺らぎ補正のほかに、干渉計など高精度光計測装置に用いれば、位相の傾斜や曲率による不要な縞の消去が期待され、高精度化を図ることができる。
【００４３】
また、光測位に用いた場合も、横位置の精度及びそれら揺らぎに起因したノイズの影響を軽減できる。
【００４４】
また、地上設置光アンテナに用いた場合、送受信を同軸で用いることで、小型高性能の大気揺らぎ補正システムの構築が可能となる。
【００４５】
また、レーザー発振装置の安定化への利用可能性もある。地上用途のみではなく、衛星側への搭載も軽量で高信頼性を有することから有用である。この場合、通信用光送受信器は勿論のこと、衛星搭載重力干渉計など超高精度が要求される干渉計においても精度の面で有用性が生じ得る。特に、軽量で構造が単純なことから高信頼性が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】従来のガルバノミラーによる光ビームの偏向を示した模式断面図。
【図２】従来の可変形状鏡による光ビームの偏向を示した模式断面図。
【図３】従来の可動レンズによる光学系を示した概略模式断面図。
【図４】本発明の可動レンズ周辺の光ビームの偏向を示した一連の側面図。
【図５】本発明を実施するための最良の形態の光学系を示した全体模式断面図。
【図６】本発明を実施するための最良の形態の主要部たる接眼光学系を示した模式断面図。
【符号の説明】
【００４７】
１  ＱＰＤ（４分割ホトダイオード）およびアンプ・ユニット
２  可動レンズ・ユニット
３  ピンホール段階における顕微鏡対物（縮小された結像）
４  ＣＣＤ（荷電結合素子）
５  レンズ駆動ユニット
６  懐中電灯
【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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