曲率可変ミラーを用いた波面変化特性の測定と評価
電子工学科 植田研究室

水野克彦

1. 研究背景レーザー、光の世界においてはいろいろな分野に補正することが現実的かつ最適だと考えらに関する研究がすすめられてきた。しかし、どれていることもわかっている。の分野の研究においてもどうしても避けるこ

本研究では曲率可変ミラーを用いて収差補正とができない問題点がある。それは、空気や光ではなく光波面の曲率を操作することを試みの性質そのものによる光の質、つまりクオリテた。使用した曲率可変ミラーは下図のようになィの低下である。この原因となるのが空気の対っている。

流による光の波面の乱れや使用する光学機器による収差の存在である。これらの乱れを完全にゼロにすることはできない。収差だけを考えると、無収差レンズを使用すれば収差ゼロで光を透過することができる。しかし、空気による乱れは空気を取り除く以外にゼロにする方法がない。また、空気は対流しているため刻一刻とその乱れに変化がある。これでは、いくら収差を補正しようと精度のよい光学機器を使用しても意味がない。そこで、これらの乱れをできるだけ小さくする方法が考えられた。空気や光学機器による乱れなら、反対の効果を光に与えれば効果が打ち消しあうはずである。

反射面はシリコンに金コーティングを施されここで考えられたのがその乱れの変化に対応たのが用いられ、φ30 となっていて O リングする光学機器である。空気による乱れの変化にで挟むようになっている。

伴って、光学機器を変化させればいいのである。 また、そのミラーの後部にオプトマイクがついその変化に対応する光学機器で考えられていていて、モーターが回転することによってピスるのが可変ミラーである。そして、その可変ミトンが前後する仕組みとなっている。このピスラーを用いての波面コントロールの研究が行トンを使い、ミラーとの間に力の伝達のためにわれるようになったのである。

いれたエタノールを介してミラーの曲率を変化させるのである。ピストンの移動量とミラー

2. 曲率可変ミラー
前述したように、可変ミラーを用いれば収差、空気の擾乱を補正することが可能になると考の曲率半径の関係式は次のようになる。
L=

1 2
1R 2 − r12 )( 2 R 2 − 2 R R 2 − r12 − r12 )( R+233r2

L : ピストンの移動距離えられる。また、収差の補正については、複数

r1 : ミラーの半径 ,存在する収差のその複合量が小さくなるよう

2 : ピストン断面の半径CCD 上で点を結ぶようにし、最初に flat ミラ
3. 曲率可変ミラーの特性測定ーを使用してその点の位置をモニター上にマークをつけ、他の曲率のミラーや曲率可変ミラーを使用するときに集光点が基準となる flat ミ
ラーと同じ位置にくるように調節する。このようにすれば、どんなときでもアイリスを通る光はコリメートされた光ということになる。つまり、ミラーの角度、高さを操作することによってアイリスを通る光を flat ミラーで反射した光と同じにしてしまうということである。この光を測定する CCD カメラの画面内に入るように実験系は上図のようになっている。

すれば、比較できる画面を映し出すことができリファレンス用として、凹面の R=200、500、る。そのコリメートされた光の近辺は反射ミラ

flat を用意した。これらのミラーは曲率可変ミーの形状の特徴がでているからである。

ラーから距離 R の位置に置き、測定位置におけ

このようにした光をマイクロレンズアレイにる反射光の波面が曲率可変ミラーの位置で凸通し、CCD カメラで映像を撮った。市販のミ面ミラー反射したものと同じになるようにしラーを使用したときの結果と、曲率可変ミラーた。の結果を次に示す。
（上：市販ミラー、下：曲測定方法として、マイクロレンズアレイを用い率可変ミラー）て、それぞれの位置のレンズを通った光を集光させ、その集光点を CCD カメラで撮影した。
ここで、レーザー光をビームエキスパンダーで広げた（直径 25ｍｍ以上の円）ことにより、ビーム幅より CCD カメラの受光部（縦 3.6ｍｍ、横 4.8ｍｍ）が小さくなってしまうという問題が生じてしまった。
このままでは、ビームの異なる部分を測定することになってしまい、CCD カメラに入射してくる光の入射角度が変わってしまうことになる。ミラーは理想的には中心から放射状に等価的に変化しているので、中心からの距離によって波面の変化が異なるということになる。これ
では測定結果を互いに比較することはできない。本研究では flat ミラーを基準として使用することにより、その解決を試みた。CCD カメラをもう１台使用し、アイリスで絞った光がピストンの移動距離が大きくなるほど曲率半リングを押しつぶす力、ミラーの平行移動、不径が短くなることを考慮にいれると、これらの完全な円のミラー変形になっていると考えら

結果より、両方とも曲率半径が短くなるほど光れるということである。つまり、理論ではピス軸方向に点が集まっていることがわかる。

トンの力はすべてミラーの曲率を綺麗に円形

ここで問題になってくるのが、ピストンの移動に変化させる力になっているが、実験では移動量と曲率半径の関係である。まず、市販のミラ

距離が短いうちはその力がミラーの変形以外ーを使用したときの曲率半径とポイント間距にも働いていると考えられるというわけであ離の関係式を求めると次のようになる。

る。その差がこのグラフ上でピストンの移動距1離が小さい部分にあらわれていると考えられ∆l = 23.831*137

R + 3402る。

この式を用いて曲率可変ミラーのポイント間距離から曲率半径を求める。求めた曲率半径と4. マイクロレンズアレイ

ピストンの移動距離の関係を右上図に示す。青

先ほど、どちらの場合も曲率半径が短くなるほい曲線は理論曲線を示す。

ど光軸にポイントが集まっていると記述した。
しかし、次の点を考えると反対の現象が起こっているということになる。それはレンズに対して斜めに波面が入射したときに集光点がどのようになるのかという点についてである。
このような場合、次ように集光することがわかっている。

この結果のピストンの移動距離が小さい区間

本研究の場合では、マイクロレンズアレイをマに注目すると、明らかにピストンが移動して力イクロレンズの集まりだと考えると、それぞれを加えているのにミラーの曲率に変化が小さのマイクロレンズにレンズ方向からある角度いことがわかる。これは、ミラーをはさむよう斜めになった波面が入射したと考えられ、上図にして置いた O リングが影響しているからだのように集光すると考えられる。しかし、実験と考えられる。確かにピストンの移動距離が小結果はそれとは反対の光軸方向に集光点が集さいときもミラー方向に力が働いている。 しまっている。

かし、その力がミラーの曲率変化には働かず O

このことから、マイクロレンズアレイには他の現象をもたらす原因があるということが考えつの結果を比較すると計算結果と測定結果がられる。

非常に似ていることがわかる。よって、このママイクロレンズアレイに入る波面の曲率と集イクロレンズアレイは f1=3.3mm、f2=2.5mm

光点距離の関係を調べたところ、曲率半径が短の組み合わせレンズと同じ働きをすることがくなるほど集光点がレンズに近づくことがわわかった。

かった。このことから曲率半径が短くなるほどこの計算では光の集光に寄与するのは２枚のCCD カメラ上では、光がより集まっているとマイクロレンズのみで、マイクロレンズアレイ考えられる。この原因の１つとして、マイクロ内は一様という条件で行っている。また、マイレンズアレイ内で１回光が集光している、といクロレンズアレイの表面に直接曲率がなくてうことが挙げられる。

も、マイクロレンズアレイ内に同等の働きをするような屈折率分布が存在していても、このような動作をする。
これらは光がマイクロレンズアレイ内で１回集光しているという仮定のもとで行った理論である。つまり、実験結果と条件付きの理論計算が似ているというわけである。
この結果の妥当性を確認するためにはマイクロレンズアレイのレンズの曲率を測定しなけ

このような現象が起こっていると考えたときにマイクロレンズアレイのレンズの焦点距離がいくつなのかを見積もってみる。R=100mm
ミラーのときのマイクロレンズアレイに入射する光の波面の曲率半径は R=390mm となる。
実験結果から y=11.58pixel。
1pixel=7.3μm より y=0.0845mm となる。また、L=6mm とし、z=30mm ということを考慮に入れて計算をすると、f1=3.3mm、f2=2.5mmとなる。それぞれ、入射側、出射側レンズの焦点距離である。但し、これはマイクロレンズアレイ内が屈折率ｎの物体で満たされているときである。この結果を使って他の曲率半径を持つミラーの場合にどうなるかを計算する。すると、R=200 のとき y=0.074mm=10.12pixel、R=500 のとき y=0.0534mm=7.31pixel と求まった。実験より R=200 のとき y=10.17pixel、R=500 のとき y=7.576pixel となった。この２ればならない。
以上のように考えれば理論的に説明できることがわかった。しかし、この考え方が妥当なのかを調べることが課題として残っている。
5. まとめ、今後の課題
実験結果より、曲率可変ミラーを使用することにより、ある曲率を持つミラーで反射した光と同等の光をつくることができることがわかった。また、平面波をある一定範囲であるが、任意の曲率をもつ波面に変化することができることがわかった。
今後の計画としては、マイクロレンズアレイの曲率の測定、曲率を持つ光を任意の曲率を持つ波面(平面波など)へ変化できるようにする。また、同時にコンピュータ制御することである。