JP2017181038A - Wavefront sensor - Google Patents
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Abstract
【課題】簡素な構造で大きな計測角度範囲を有するレーザ光の波面センサの提供。
【解決手段】波面センサは、入射角度に応じて反射率が異なる角度選択フィルタと、該角度選択フィルタを介して到来する光を受光する光検出器と、を含む。
【選択図】図1A laser beam wavefront sensor having a simple structure and a large measurement angle range is provided.
A wavefront sensor includes an angle selection filter having a different reflectance according to an incident angle, and a photodetector that receives light arriving through the angle selection filter.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、とりわけレーザ光の波面形状の測定に用いられる、波面センサに関する。本発明は、更に、そのような波面センサを含む光空間通信装置に関する。 The present invention relates to a wavefront sensor that is used in particular for measuring the wavefront shape of laser light. The present invention further relates to an optical space communication device including such a wavefront sensor.
近年、人工衛星や航空機を用いた上空からの地上観測に対する要求高度化に伴い、それらに搭載された測定器から出力される測定データのボリュームが増加している。このため、必然的に、人工衛星や飛行機と地上との通信能力の増強が必要となっている。しかしながら、周波数資源に制約を持つ従来のマイクロ波通信では今後伝送容量を大幅に拡大することは困難であり、新しい技術の登場が強く望まれている。 In recent years, with the increasing demand for ground observation from the sky using artificial satellites and aircraft, the volume of measurement data output from measuring instruments mounted on them has increased. For this reason, it is inevitable that communication capacity between artificial satellites and airplanes and the ground should be increased. However, it is difficult to greatly increase the transmission capacity in the future in the conventional microwave communication with restrictions on frequency resources, and the appearance of a new technology is strongly desired.
光空間通信技術は無線伝送容量を大幅に拡大する技術として期待されるものの1つである。この技術は、変調した信号光を自由空間へ出射する送信器と、伝搬してきた信号光を集光し受信する受信器を利用する。高速な光空間通信の実現には、これまで地上の光ファイバ通信システムで培われてきた光送信技術の使用、例えば低雑音の光増幅技術やコヒーレント検波を用いた高感度受信技術の利用は特に有効である。これらの技術は信号光がシングルモード光ファイバ内にあることを前提としているため、光空間通信においてこれらの技術を使用するには、受信器において自由空間を伝搬してきた信号光をシングルモード光ファイバへ結合させることが必要である。 The optical space communication technology is one of the technologies expected to greatly increase the wireless transmission capacity. This technique uses a transmitter that emits modulated signal light to free space and a receiver that collects and receives the propagated signal light. In order to realize high-speed optical space communication, the use of optical transmission technology cultivated in terrestrial optical fiber communication systems, such as low-noise optical amplification technology and high-sensitivity reception technology using coherent detection, is particularly It is valid. Since these technologies are based on the premise that signal light is in a single-mode optical fiber, in order to use these technologies in optical space communication, signal light that has propagated through free space in a receiver is transmitted to a single-mode optical fiber. It is necessary to bind to.
シングルモード光ファイバのコア径は10ミクロン程度と非常に小さい。このため、受光した信号光を高効率で結合させるためには、信号光であるレーザ光を集光したビームスポットを、光ファイバのコア部に高い精度で位置合わせすることが必要である。ここで、受信器を地上に設置する場合、地表付近の大気によりレーザ光の伝搬方向や波面形状が時々刻々と変化し、これにより、通信の不安定性、いわゆる大気ゆらぎによるフェードが生じるという重大な問題が生じる。伝搬方向の変化は、レーザ光を集光したビームスポットが光ファイバのコア部から位置ずれする要因となる。また、波面形状の変化は、ビームスポットの集光性を劣化させ、レーザ光とシングルモード光ファイバの結合効率が低下する要因となる。 The core diameter of the single mode optical fiber is as small as about 10 microns. For this reason, in order to combine the received signal light with high efficiency, it is necessary to align the beam spot obtained by condensing the laser light, which is the signal light, with the core portion of the optical fiber with high accuracy. Here, when the receiver is installed on the ground, the propagation direction and wavefront shape of the laser light change from moment to moment due to the atmosphere near the ground surface, which causes a serious instability of communication, fading due to so-called atmospheric fluctuations. Problems arise. The change in the propagation direction becomes a cause for the position of the beam spot that condenses the laser light to be displaced from the core of the optical fiber. In addition, the change in the wavefront shape deteriorates the light condensing property of the beam spot, and becomes a factor of reducing the coupling efficiency between the laser beam and the single mode optical fiber.
そのような問題を解決する1つの方策として、高速駆動する平面ミラーや、反射面の形状を任意に変化させることができる可変形状ミラーを用いて、レーザ光の指向方向や波面のゆがみを補正する、アダプティブオプティクス(AO、適用光学)と呼ばれる技術がある。このAOシステムは、レーザ光の波面を補正するミラーの制御量を決定するために、レーザ光の波面形状を測定する波面センサを用いる。ここで、AOシステムが光ファイバを用いた光空間通信装置に使用された場合について説明する。信号光であるレーザ光の波面の傾きは、平面ミラーによる指向方向の制御で除去され、ビームスポットの集光位置が光ファイバのコア部に高精度に調整される。平面ミラーでは補正できない高次の波面のゆがみは、そのゆがみを打ち消すように反射面形状が変形された可変形状ミラーによって補正され、ビームスポットの集光性を高めることで光ファイバとの結合効率を改善する。 As one measure for solving such a problem, the direction of the laser beam and the distortion of the wavefront are corrected by using a plane mirror that is driven at high speed and a deformable mirror that can arbitrarily change the shape of the reflecting surface. , There is a technique called adaptive optics (AO, applied optics). This AO system uses a wavefront sensor that measures the wavefront shape of a laser beam in order to determine a control amount of a mirror that corrects the wavefront of the laser beam. Here, a case where the AO system is used in an optical space communication apparatus using an optical fiber will be described. The inclination of the wavefront of the laser beam, which is the signal light, is removed by controlling the directing direction with a plane mirror, and the converging position of the beam spot is adjusted with high accuracy to the core of the optical fiber. Higher-order wavefront distortion that cannot be corrected by a flat mirror is corrected by a deformable mirror whose reflection surface has been deformed so as to cancel out the distortion. Improve.
従来の波面センサとして、シャックハルトマン波面センサがある(例えば、非特許文献1“ヘクト 光学I−基礎と幾何光学−”, Eugene Hecht著, 尾崎・朝倉訳, pp.343-348)。シャックハルトマン波面センサは、マイクロレンズアレイとそれぞれのマイクロレンズに対応するように区画が分割されたエリアセンサアレイからなる。波面センサに入射したレーザ光は、マイクロレンズアレイによって複数の光束に分割されたのち、マイクロレンズの焦点面に設置されたエリアセンサアレイ上で複数のビームスポットに集光される。レーザ光の波面が理想的な平面であれば、複数のビームスポットは個々のエリアセンサの中心部に集光される。一方、マイクロレンズの開口内で波面に傾きがある場合は、エリアセンサ上のスポット位置に中心部からの“ずれ”が生じる。そのずれ量と、マイクロレンズの焦点距離の比から、マイクロレンズ開口範囲内での波面の傾き量を検出することができる。同様に、2次元に配列されたマイクロレンズアレイで形成されるエリアセンサアレイ上のビームスポットの分布から、レーザ光全体の波面形状を測定することができる。
As a conventional wavefront sensor, there is a Shack-Hartmann wavefront sensor (for example, Non-Patent
波面形状を測定する手段として提案された、シャックハルトマン波面センサ以外の波面センサとしては、例えば、特許文献1に記載された波面検出装置がある。この波面検出装置は、基板に形成された複数のダブルモード導波路と、それぞれのダブルモード導波路の出射端に設置された、光の非対称性を検出する手段からなる。複数のダブルモード導波路には、入射した波面の傾斜による位相の非対称性に応じて2つのモード光が励振される。このため、検出手段は、それぞれのダブルモード導波路の位置における波面の傾斜を検出する。
As a wavefront sensor other than the Shack-Hartmann wavefront sensor proposed as means for measuring the wavefront shape, for example, there is a wavefront detection device described in
以下の分析は、本発明によって与えられたものである。なお、上記各先行技術文献の全開示内容はその引用を以って本書に繰り込み記載されているものとする。 The following analysis is given by the present invention. It should be noted that the entire disclosure of each of the above prior art documents is incorporated herein by reference.
シャックハルトマン波面センサはマイクロレンズアレイを用いているため以下のような問題がある。一つ目は、測定可能な波面形状が制限されることである。波面傾きが大きくなるとビームスポットの変位量が大きくなり、隣接するエリアセンサにまたがることがある。このとき、エリアセンサはどのマイクロレンズで集光されたビームスポットであるかを判断することができず、波面形状の測定ができない。また、波面を測定する空間分解能は、マイクロレンズのアレイ数で決定される。このように、シャックハルトマン波面センサは、検出可能な波面の傾き量及び空間分解能がマイクロレンズアレイの光学特性によって制限される。二つ目は、マイクロレンズアレイや光学系全体を高精度に製造する必要があるため、構造が複雑で高価になることである。 The Shack-Hartmann wavefront sensor has the following problems because it uses a microlens array. The first is that the measurable wavefront shape is limited. When the wavefront inclination increases, the amount of displacement of the beam spot increases, and it may span adjacent area sensors. At this time, the area sensor cannot determine which microlens is the focused beam spot, and cannot measure the wavefront shape. The spatial resolution for measuring the wavefront is determined by the number of microlens arrays. As described above, in the Shack-Hartmann wavefront sensor, the detectable amount of wavefront inclination and spatial resolution are limited by the optical characteristics of the microlens array. Secondly, since it is necessary to manufacture the microlens array and the entire optical system with high accuracy, the structure is complicated and expensive.
特許文献1に記載の波面検出装置は、簡素な構造で波面形状の2次元分布を測定可能であるが、以下のような問題がある。一つ目は、空間分解能を得るためには基板に多数のダブルモード導波路を形成する必要があり、それに対応するだけの検出装置が必要になる。二つ目は、検出する波面の面積に対して導波路の開口面積が小さいため、測定できるエネルギーが小さいことである。
The wavefront detection device described in
本発明は、上記事情に鑑みなされたものであり、簡素な構造で大きな計測角度範囲を有するレーザ光の波面センサを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object thereof is to provide a laser beam wavefront sensor having a simple structure and a large measurement angle range.
本発明の第1の視点により、入射角度に応じて反射率が異なる角度選択フィルタと、該角度選択フィルタを介して到来する光を受光する光検出器と、を含む波面センサが提供される。 According to a first aspect of the present invention, there is provided a wavefront sensor including an angle selection filter having a different reflectance according to an incident angle, and a photodetector that receives light arriving through the angle selection filter.
本発明の第2の視点により、入射する光の伝搬方向を制御する可動ミラーと、入射する光の波面形状を制御する可変形状ミラーと、該可動ミラー又は該可変形状ミラーから到来する光を分割するビームスプリッタと、該ビームスプリッタによって分割された光の一方を受光する本発明の波面センサと、を含む光空間通信装置が提供される。 According to the second aspect of the present invention, the movable mirror that controls the propagation direction of the incident light, the deformable mirror that controls the wavefront shape of the incident light, and the light coming from the movable mirror or the deformable mirror are divided. An optical space communication device is provided that includes a beam splitter that receives the light beam and the wavefront sensor of the present invention that receives one of the light beams divided by the beam splitter.
本発明の第3の視点により、入射する光の伝搬方向を制御する可動ミラーと、入射する光の波面形状を制御する可変形状ミラーと、入射角度に依存して入射する光を分離する角度選択フィルタと、を含む光空間通信装置の制御方法であって、該光空間通信装置に入射し、該可動ミラー及び該可変形状ミラーを介して到来する外部空間からの外部光を前記角度選択フィルタで分離すること、該角度選択フィルタで分離された複数の分離光の信号強度を求めること、該角度選択フィルタの(予め記憶された)光学特性と、該複数の分離光の信号強度に基づいて該可動ミラーと該可変形状ミラーの制御量を求めること、該制御量に基づいて該可動ミラーの指向方向と該可変形状ミラーの反射面形状を変更すること、を含む制御方法が提供される。 According to the third aspect of the present invention, a movable mirror that controls the propagation direction of incident light, a deformable mirror that controls the wavefront shape of incident light, and an angle selection that separates incident light depending on the incident angle. And a method of controlling the optical space communication device including the filter, the external light from the external space incident on the space optical communication device and arriving through the movable mirror and the deformable mirror by the angle selection filter Separating, obtaining signal intensities of a plurality of separated lights separated by the angle selection filter, based on optical characteristics (stored in advance) of the angle selection filter and the signal intensities of the plurality of separated lights. There is provided a control method including determining a control amount of the movable mirror and the deformable mirror, and changing a directivity direction of the movable mirror and a reflecting surface shape of the deformable mirror based on the control amount.
本発明の第4の視点により、入射角度に依存して光を分離する角度選択フィルタによって入射光を複数の分離光に分離すること、該複数の分離光の信号強度を比較すること、を含む、入射光の波面形状の決定方法が提供される。 According to a fourth aspect of the present invention, the method includes separating incident light into a plurality of separated lights by an angle selection filter that separates light depending on an incident angle, and comparing signal strengths of the plurality of separated lights. A method for determining the wavefront shape of incident light is provided.
本発明の第5の視点により、入射する光の伝搬方向を制御する可動ミラーと、入射する光の波面形状を制御する可変形状ミラーと、入射角度に依存して入射する光を分離する角度選択フィルタと、を含む光空間通信装置に入射する外部空間からの外部光の波面の補正方法であって、該光空間通信装置に入射し、該可動ミラー及び該可変形状ミラーを介して到来する外部空間からの外部光を前記角度選択フィルタで分離すること、該角度選択フィルタで分離された複数の分離光の信号強度を求めること、該角度選択フィルタの(予め記憶された)光学特性と、該複数の分離光の信号強度に基づいて該可動ミラーの指向方向と該可変形状ミラーの反射面形状を変更すること、を含む補正方法が提供される。 According to a fifth aspect of the present invention, a movable mirror that controls the propagation direction of incident light, a deformable mirror that controls the wavefront shape of incident light, and an angle selection that separates incident light depending on the incident angle. And a filter for correcting a wavefront of external light from an external space incident on an optical space communication device, the external light entering the optical space communication device and arriving via the movable mirror and the deformable mirror Separating external light from the space with the angle selection filter, obtaining signal intensities of a plurality of separated lights separated by the angle selection filter, optical characteristics (stored in advance) of the angle selection filter, and There is provided a correction method including changing a directivity direction of the movable mirror and a reflecting surface shape of the deformable mirror based on signal intensities of a plurality of separated lights.
本発明の第1の視点により、簡素な構造で大きな計測角度範囲を有する波面センサを提供することができる。更に、本発明の第2の視点により、信号光の波面に傾きや歪みがあっても安定した大容量通信を可能にする光空間通信装置を提供することができる。 According to the first aspect of the present invention, a wavefront sensor having a simple measurement structure and a large measurement angle range can be provided. Furthermore, according to the second aspect of the present invention, it is possible to provide an optical space communication device that enables stable large-capacity communication even when the wavefront of signal light is inclined or distorted.
本発明の基本的実施形態の概要について説明する。なお、概要に付記する図面参照符号は専ら理解を助けるためのものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。 An outline of a basic embodiment of the present invention will be described. It should be noted that the reference numerals of the drawings attached to the outline are only for the purpose of assisting understanding, and are not intended to limit the present invention to the illustrated embodiment.
本発明の基本的実施形態の波面センサは、当該波面センサに入射する光を受光する角度選択フィルタと、角度選択フィルタを介して到来する光を受光する光検出器とを含む。なお、本書において、「光」は、とりわけ「レーザ光」を意味するが、これに限定されない。また、本書において、「レーザ光」は、波面に傾きや歪みが生じ得る光の一例に過ぎない。 The wavefront sensor according to the basic embodiment of the present invention includes an angle selection filter that receives light incident on the wavefront sensor, and a photodetector that receives light arriving via the angle selection filter. In this document, “light” particularly means “laser light”, but is not limited thereto. In addition, in this document, “laser light” is merely an example of light that can cause tilt or distortion in the wavefront.
この角度選択フィルタは、入射角度に応じて反射率が異なり、例えば図2に示した反射率の入射角度依存性(以下「反射率入射角度特性」ともいう)を有する。なお、図2の角度選択フィルタは、入射角度が44度以下の光をすべて透過し、46度以上の光をすべて反射し、44度から46度までの光を入射角度に応じて透過成分と反射成分に連続的に変化する分離比で分離する。 This angle selection filter has different reflectivity depending on the incident angle, and has, for example, the dependency of the reflectivity shown in FIG. 2 on the incident angle (hereinafter also referred to as “reflectance incident angle characteristic”). The angle selection filter in FIG. 2 transmits all light with an incident angle of 44 degrees or less, reflects all light with an angle of 46 degrees or more, and transmits light from 44 degrees to 46 degrees as a transmission component according to the incident angle. Separation is performed with a separation ratio that continuously changes to the reflection component.
更に、例えば図1に示したように、角度選択フィルタ20に入射する光10の透過成分100及び反射成分101を夫々受光する光検出器30及び31を該角度選択フィルタ20に後置する。角度選択フィルタ20として図2に示した特性を有する角度選択フィルタを使用し、波面に傾きが無い状態の光が角度選択フィルタ20に対し45度の角度で入射するよう角度選択フィルタ20を配向する。角度選択フィルタ20によって分離された光を受光した光検出器30及び31の信号を比較する。入射光10の波面の傾きはこれらの信号強度の大小関係によって決定することができる。また、この傾きの絶対値はこれらの信号強度の比率から決定することができる。かくして、入射光10の波面形状を求めることができる。なお、本書において、角度選択フィルタによって透過成分と反射成分が1:1で分離される入射角度を「理想的な角度」とも称する。例えば、図2の特性を有する角度選択フィルタの場合では、「理想的な角度」は45度である。また、理想的な角度で角度選択フィルタに入射する光であって、波面に傾きが無い状態の光(レーザ光等を含む)を「理想的な光」とも称する。そして、理想的な角度に対する傾きを「波面の傾き」とも称する。また、「AをBに後置する」とは、光の進行方向に関し、AをBの下流側に配置することをいい、「AをBに前置する」とは、光の進行方向に関し、AをBの上流側に配置することをいう。
Further, for example, as shown in FIG. 1,
更に、例えば図1に示した波面センサにおいて、角度選択フィルタ20として例えば図2に示した反射率入射角度特性を有する角度選択フィルタを使用し、角度選択フィルタ20を例えば入射光10の光軸の周りで回転可能に構成することも可能である。そして角度選択フィルタをその回転軸の周りで180度回転させることにより、光検出器30及び31の何れか一方を省いても即ち1つの角度選択フィルタに1つの光検出器を割り当てるだけでも、入射光10の波面形状を求めることができる。例えば、図1に示した状態において、入射光10の波面の傾きをαとする。角度選択フィルタ20をその回転軸の周りで180度回転した場合、角度選択フィルタの反射面の法線方向が入射面内で90度回転する。そのため、波面の傾きは−αとなり、この配向状態の角度選択フィルタ20の透過成分は図1の配向状態の角度選択フィルタ20の反射成分に対応する。このため、この回転前後の角度選択フィルタ20の透過成分を光検出器30で受光し、これらの信号を比較すれば、入射光10の波面形状を求めることができる。従って、光検出器31を省いても、即ち、角度選択フィルタ20に光検出器30のみを割り当てるだけでも、入射光10の波面形状を求めることができる。或いは、1つの光検出器を例えば図1に示した光検出器30及び31のための2つの位置の間で移動可能にすることによっても、1つの角度選択フィルタに1つの光検出器を割り当てるだけで、入射光の波面形状を求めることができる。
Further, for example, in the wavefront sensor shown in FIG. 1, for example, the angle selection filter having the reflectance incident angle characteristic shown in FIG. 2 is used as the
なお、入射光10の波面の傾き及びその絶対値の決定は、演算部40(図1参照)で行うことができる。演算部40は波面センサ自体が備えることができる。或いは、波面センサと演算部40とを含む波面センサユニットを構成することも可能である。或いは、波面センサと、演算部40をその構成要素又はその機能として含む制御装置等を組み合わせた波面センサシステムを構成することも可能である。
Note that the slope of the wavefront of the
かくして、本発明の基本的実施形態によれば、入射光の波面形状を求めるために使用される光を、角度選択フィルタを介して、光検出器が受光することにより、マイクロレンズアレイを使用するシャックハルトマン波面センサ等と比べて、簡素な構造及び大きな計測角度範囲で、入射光の波面形状を求めることができる。 Thus, according to the basic embodiment of the present invention, the light used for obtaining the wavefront shape of the incident light is received by the photodetector through the angle selection filter, thereby using the microlens array. Compared with a Shack-Hartmann wavefront sensor or the like, the wavefront shape of incident light can be obtained with a simple structure and a large measurement angle range.
以下に、本発明の具体的実施形態を、図面を参照して詳細に説明する。なお、以下の実施形態に付記する図面参照符号は専ら理解を助けるためのものであり、本発明を図示の態様に限定することを意図するものではない。 Specific embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. Note that the reference numerals of the drawings attached to the following embodiments are only for helping understanding, and are not intended to limit the present invention to the illustrated embodiments.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態による波面センサの模式図である。この波面センサは、波面センサに入射するレーザ光10を受光する角度選択フィルタ20と、角度選択フィルタ20を介して到来するレーザ光を受光する2つの光検出器30及び31とを有する。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a schematic diagram of a wavefront sensor according to the first embodiment. This wavefront sensor includes an
角度選択フィルタ20は、理想的なレーザ光が当該角度選択フィルタ20に対し45度の角度で入射するよう配向されており、レーザ光10(ないしその波面)の入射角度に応じて透過成分100と、反射成分101とに分離する。透過成分100は光検出器30によって受光され、反射成分101は光検出器31によって受光される。光検出器30及び31の測定データは演算部40が受け取る。演算部40は、これらの測定データに基づいてレーザ光の波面の傾きを計算する。
The
光検出器30及び31に光を供給する角度選択フィルタ20は、更に、図2に示した反射率入射角度特性を有する。
The
図2は、第1実施形態の角度選択フィルタ20の反射率入射角度特性即ち角度選択フィルタ20に入射する光の入射角度と該角度選択フィルタ20の反射率の関係を示す。なお、図2において、横軸は角度選択フィルタ20に対する光の入射角度を示し、縦軸は反射率を示す。
FIG. 2 shows the reflectance incident angle characteristic of the
図2に示されているように、角度選択フィルタ20は、入射角度が44度以下の光はすべて透過し、46度以上の光はすべて反射し、44度超46度未満の光は入射角度に応じて透過成分と反射成分に連続的に変化する分離比で分離する。
As shown in FIG. 2, the
角度選択フィルタ20によって分離された透過成分100及び反射成分101は夫々対応する光検出器30及び31において受光される。光検出器30及び31は、受光した光のエネルギーを電気信号に変換して演算部40に伝送する。なお、このような光電変換を行う素子としてはPD(Photodiode)等がある。
The
入射光(ないしその波面)の入射角度が44度超46度未満の場合、演算部40は、光検出器30及び31から得た信号を比較し、これらの信号強度の大小に基づいて波面の傾きの方向を決定し、これらの信号強度の比率から傾きの絶対値を決定する。これに対し、入射光(ないしその波面)の入射角度が44度以下又は46度以上の場合であっても、入射光が角度選択フィルタ及び光検出器の有効範囲内にあれば、演算部40は、絶対値の決定はできないものの、波面の傾きの方向は、どちらの光検出器が受光しているかで判定することができる。このため、本発明の波面センサは、簡素な構造で波面の傾きを大きな範囲で計測できるのみならず、シャックハルトマン波面センサのように測定可能な波面の傾き量が制限されている波面センサの補助的な役割を果たすこともできる。
When the incident angle of the incident light (or its wavefront) is greater than 44 degrees and less than 46 degrees, the
[角度選択フィルタ]
角度選択フィルタ20は、レーザ光が入射する領域全体において、正確に波面の入射角度に応じて透過成分と反射成分とに分離することができ、コーティング面積はスケーラビリティを有する。レーザ光の入射面積を大きくすると、エネルギー密度が低下するため、検出感度の高い光検出器が必要となる。しかしながら、これにより、開口面積の大きい波面センサが実現可能になる。また、誘電体多層膜による光の吸収は、コーティングの膜総数にも依存するがおおむね1%程度と小さい。このため、誘電体多層膜を有する角度選択フィルタを使用することにより、エネルギーロスの少ない高効率な波面センサを実現することができる。
[Angle selection filter]
The
角度選択フィルタ20のような、入射角度に対して透過成分と反射成分に分離する光学特性を実現する手段としては、例えば、誘電体多層膜や、基板表面にナノ〜マイクロオーダーの微細周期構造を形成した回折光学素子がある。
As a means for realizing the optical characteristic of separating the transmission component and the reflection component with respect to the incident angle, such as the
本発明の波面センサでは、レーザ光が入射する領域の面内の光学特性の均質性が重要なパラメータとなる。これに関し、誘電体多層膜により光学フィルタをコーティングする場合、真空蒸着法やスパッタ方式を用いることで広範囲に均質にコーティングを形成する技術が実用化されている。 In the wavefront sensor of the present invention, the homogeneity of the in-plane optical characteristics of the region where the laser light is incident is an important parameter. In this regard, when an optical filter is coated with a dielectric multilayer film, a technique for forming a uniform coating over a wide range by using a vacuum deposition method or a sputtering method has been put into practical use.
なお、図2に示した光学特性は、理解の容易化のために、角度選択の幅を2度とし、入射角度依存性が直線的になるように設定した。しかしながら、光学フィルタの光学特性は膜の設計によって微細に調整することができる。例えば、レーザ光の波面の微小な入射角度の変化を検出するための、急峻な入射角度依存性を実現することもできる。かくして、本発明の波面センサは、アプリケーションごとに要求される光学特性に従って、角度選択フィルタ設計のカスタマイズが可能である。 The optical characteristics shown in FIG. 2 are set so that the angle selection width is 2 degrees and the incident angle dependency is linear for easy understanding. However, the optical characteristics of the optical filter can be finely adjusted by the design of the film. For example, a steep incident angle dependency for detecting a minute change in the incident angle of the wavefront of the laser beam can be realized. Thus, the wavefront sensor of the present invention allows customization of the angle selective filter design according to the optical characteristics required for each application.
また、角度選択フィルタは、上述したものと同様の効果が得られるものであればよく、図示の平行平板に限定されない。従って、角度選択フィルタは、例えば、三角プリズムを2つ貼り合わせたプリズムとして構成することも可能である。 Further, the angle selection filter is not limited to the illustrated parallel plate as long as the same effect as described above can be obtained. Therefore, the angle selection filter can be configured as, for example, a prism formed by bonding two triangular prisms.
更に、角度選択フィルタの角度選択の幅は図2に示した2度に限定されず、角度選択フィルタに対する理想的な角度も図2に示した45度に限定されない。 Furthermore, the angle selection width of the angle selection filter is not limited to 2 degrees shown in FIG. 2, and the ideal angle with respect to the angle selection filter is not limited to 45 degrees shown in FIG.
[光検出器]
光検出器は、空間分解能を有するエリアセンサ、例えばCCD(Charge Coupled Device)、として構成することも可能である。
[Photodetector]
The photodetector can also be configured as an area sensor having spatial resolution, for example, a CCD (Charge Coupled Device).
以下に、図1に示す第1実施形態の波面センサの光検出器が空間分解能を有する場合に得られる結果について、具体的な波面形状の例を挙げて説明する。ここで、光検出器で測定されるエネルギーの空間分布の取り扱いに関する注意点を述べる。光検出器31が受光するレーザ光は角度選択フィルタでの反射成分のため、波面の空間分布が入射面方向で反転する。そのため、光検出器30及び31を受光するレーザ光の伝搬方向に対して同じ軸方向で配置し、光検出器分解能の範囲内で波面の傾きを計算するためには、光検出器30と31の同じ画素を比較するのではなく、演算部40において何れか一方の光検出器の空間分布を角度選択フィルタ20の入射面方向で反転する必要がある。ここでは、理解の容易化のために、光検出器31の空間分布を入射面方向である紙面に平行方向で反転した結果を図示する。
Hereinafter, results obtained when the photodetector of the wavefront sensor according to the first embodiment shown in FIG. 1 has spatial resolution will be described with reference to specific examples of wavefront shapes. Here, the precautions regarding the handling of the spatial distribution of energy measured by the photodetector will be described. Since the laser beam received by the
(1)波面が傾いた平面波
レーザ光が、その波面は凹凸のない平面であるが、理想的な角度に対してその波面が傾いている場合について説明する。図3は、波面が傾いている平面波の光検出器の測定データ及びレーザ光の波面の傾きを計算した結果を示す概略図である。レーザ光の波面の傾きを示す図中の破線は、理想的な角度を示しており、この破線と測定結果の実線の差分からレーザ光の形状が決定される。角度選択フィルタに入射するレーザ光の波面の傾きは、角度選択フィルタ全面で等しくなるため、光検出器30及び31が受光するエネルギー分布は一定となる。しかし、透過成分と反射成分のエネルギーは角度選択フィルタの入射角度依存性にしたがって分離されるため、光検出器の強度の比率を計算することによってレーザ光の波面の傾きを検出できる。
(1) Plane wave whose wavefront is inclined The case where the wavefront of a laser beam is a flat surface without unevenness, but the wavefront is inclined with respect to an ideal angle will be described. FIG. 3 is a schematic diagram showing measurement data of a plane wave photodetector having a wavefront tilt and a calculation result of the tilt of the wavefront of the laser beam. The broken line in the figure showing the inclination of the wavefront of the laser beam indicates an ideal angle, and the shape of the laser beam is determined from the difference between this broken line and the solid line of the measurement result. Since the inclination of the wavefront of the laser light incident on the angle selection filter is equal throughout the angle selection filter, the energy distribution received by the
(2)曲率をもつ発散又は収束球面波
レーザ光の波面に曲率がある場合は、レーザ光が発散波か収束波のいずれかであり、曲率の符号によって区別される。図4は、波面が曲率を持つ球面波の場合の光検出器の測定データ及びレーザ光の波面の傾きを計算した結果を示す概略図である。レーザ光の波面の傾きを示す図中の破線は、理想的な角度を示しており、この破線と測定結果の実線の差分からレーザ光の形状が決定される。曲率を持つ波面が角度選択フィルタに入射すると、入射角度はレーザ光が入射する領域で連続的に変換する。したがって、透過成分と反射成分に分離される比率が空間的に連続的に変化し、光検出器が検出するエネルギー分布は単純増加、もしくは単純減少となる。その傾き量は波面の曲率の大きさに依存し、傾きが大きい場合は曲率が大きく、傾きが小さい場合はより平面波に近い。また、曲率の方向、つまり発散波か収束波であるかは、光検出器の空間分布の傾きの符号から判定することができる。
(2) Divergence or convergent spherical wave with curvature When the wavefront of laser light has a curvature, the laser light is either a divergent wave or a convergent wave, and is distinguished by the sign of curvature. FIG. 4 is a schematic view showing the measurement data of the photodetector and the result of calculating the inclination of the wavefront of the laser beam when the wavefront is a spherical wave having a curvature. The broken line in the figure showing the inclination of the wavefront of the laser beam indicates an ideal angle, and the shape of the laser beam is determined from the difference between this broken line and the solid line of the measurement result. When a wavefront having a curvature is incident on the angle selection filter, the incident angle is continuously converted in a region where the laser light is incident. Accordingly, the ratio of separation between the transmission component and the reflection component changes spatially continuously, and the energy distribution detected by the photodetector simply increases or decreases. The amount of inclination depends on the magnitude of the curvature of the wavefront. When the inclination is large, the curvature is large, and when the inclination is small, it is closer to a plane wave. The direction of curvature, that is, whether the wave is a divergent wave or a convergent wave, can be determined from the sign of the slope of the spatial distribution of the photodetector.
(3)凹凸を含む波面形状
レーザ光の波面が空間的に複雑な形状の場合であっても、光検出器が空間分解能を有していることで微小領域内の波面の傾きの方向及び絶対値を検出することができる。図5は、波面が凹凸を含む波面歪みを有する場合の光検出器の測定データ及びレーザ光の波面の傾きを計算した結果を示す概略図である。レーザ光の波面の傾きを示す図中の破線は、理想的な角度を示しており、この破線と測定結果の実線の差分からレーザ光の形状が決定される。
(3) Wavefront shape including irregularities Even if the wavefront of the laser beam has a spatially complex shape, the direction of the wavefront inclination in the minute region and the absolute value can be obtained because the photodetector has spatial resolution. The value can be detected. FIG. 5 is a schematic view showing the measurement data of the photodetector and the result of calculating the inclination of the wavefront of the laser light when the wavefront has a wavefront distortion including irregularities. The broken line in the figure showing the inclination of the wavefront of the laser beam indicates an ideal angle, and the shape of the laser beam is determined from the difference between this broken line and the solid line of the measurement result.
(4)エネルギー分布を有する波面
上記(1)〜(3)の波面の傾きの計算結果は、レーザ光のエネルギー分布が一定であることを前提としている。そのため、どちらかの検出器の空間分布と波面の入射角度が同じ分布となり、2つの検出器を用いるメリットはないように見える。しかしながら、実際の使用状況においてはレーザ光の面内のエネルギー分布が一定でないこともある。図6は、エネルギー分布が正規分布の球面発散波が入射したときの測定データ及びレーザ光の波面の傾きを計算した結果を示す概略図である。レーザ光の波面の傾きを示す図中の破線は、理想的な角度を示しており、この破線と測定結果の実線の差分からレーザ光の形状が決定される。光検出器30及び31では、レーザ光のエネルギー分布の影響が球面波による空間分布特性に重畳していることがわかる。このため、光検出器30単独で波面形状を計算しても、球面であるとは判定できない。参考として、光検出器30及び31の計測データを足し合わせると、レーザ光のエネルギー分布である正規分布が得られる。このように、本発明の波面センサではレーザ光のエネルギー分布が一定でない場合であっても、角度選択フィルタの透過成分と反射成分をどちらも測定して波面形状を計算するため、波面形状を正しく測定することが可能である。したがって、大気の影響でレーザ光の面内が不均一になったとしても、高精度の波面形状の計測が可能である。
(4) Wavefront having energy distribution The calculation results of the wavefront slopes of (1) to (3) above are based on the assumption that the energy distribution of the laser beam is constant. For this reason, the spatial distribution of either detector and the incident angle of the wave front are the same distribution, and there appears to be no merit of using two detectors. However, in the actual use situation, the in-plane energy distribution of the laser beam may not be constant. FIG. 6 is a schematic diagram showing the measurement data obtained when a spherical divergent wave having a normal energy distribution is incident and the result of calculating the inclination of the wavefront of the laser beam. The broken line in the figure showing the inclination of the wavefront of the laser beam indicates an ideal angle, and the shape of the laser beam is determined from the difference between this broken line and the solid line of the measurement result. In the
(5)波面形状計算の空間分解能の調整
本発明では、波面センサに要求される波面の空間的な解像度に応じて波面を計算するときの空間分解能を変更することができる。図7は、波面形状の空間分布の空間分解能による波面形状計測結果の差を示す概略図である。レーザ光の波面の傾きを示す図中の破線は、理想的な角度を示しており、この破線と測定結果である実線の差分からレーザ光の形状が決定される。また、実線が分解能の高い波面の傾きの計算結果で、一点鎖線が分解能の低い波面の傾きの計算結果である。波面を測定する領域内での波面形状の変化に対して適切な分解能を設定することで、計算プロセスの過剰な負荷を避けることができる。もっとも単純にレーザ光の波面全体の傾きを検出する場合は、光検出器の受光したエネルギーの合計値を比較することで演算部での波面計算プロセスは波面形状の空間分布を計算する場合と比較して簡略化され、高速な波面の傾き計測が可能となる。また、波面の形状をより詳細に計測する必要がある場合は、演算部において光検出器の測定結果をより細かく区画し波面を計算することで、高精細な波面形状を得ることができる。このように、本発明の波面センサは、簡便な構成でありながらアプリケーションの要求によって幅広い波面計測特性を得ることができる。
(5) Adjustment of spatial resolution of wavefront shape calculation In the present invention, the spatial resolution when calculating the wavefront can be changed according to the spatial resolution of the wavefront required for the wavefront sensor. FIG. 7 is a schematic diagram showing the difference in the wavefront shape measurement result according to the spatial resolution of the spatial distribution of the wavefront shape. The broken line in the figure showing the inclination of the wavefront of the laser beam indicates an ideal angle, and the shape of the laser beam is determined from the difference between this broken line and the solid line that is the measurement result. Also, the solid line is the calculation result of the wavefront inclination with high resolution, and the alternate long and short dash line is the calculation result of the wavefront inclination with low resolution. By setting an appropriate resolution with respect to the change of the wavefront shape in the region where the wavefront is measured, an excessive load on the calculation process can be avoided. The simplest way to detect the inclination of the entire wavefront of the laser light is to compare the total energy received by the photodetector, so that the wavefront calculation process in the computing unit is compared with the case of calculating the spatial distribution of the wavefront shape. Thus, the wavefront inclination can be measured at high speed. When the wavefront shape needs to be measured in more detail, a high-definition wavefront shape can be obtained by dividing the measurement result of the photodetector more finely and calculating the wavefront in the calculation unit. As described above, the wavefront sensor of the present invention can obtain a wide range of wavefront measurement characteristics according to application requirements while having a simple configuration.
[波面センサに入射するレーザ光の偏光の制御]
第1実施形態の波面センサにおいて、角度選択フィルタに偏光制御部を前置することも可能である。偏光制御部は、レーザ光の偏光を、設計時の角度選択フィルタの偏光に一致させることができる。
[Control of polarization of laser light incident on wavefront sensor]
In the wavefront sensor of the first embodiment, a polarization control unit can be placed in front of the angle selection filter. The polarization control unit can make the polarization of the laser light coincide with the polarization of the angle selection filter at the time of design.
一般的に、誘電体多層膜の光学フィルタは偏光依存性を有するため、入射するレーザ光の偏光を限定することで、反射率の入射角度依存性をより高精度に設計することができる。 In general, an optical filter of a dielectric multilayer film has polarization dependency. Therefore, by limiting the polarization of incident laser light, the incident angle dependency of reflectance can be designed with higher accuracy.
[第2実施形態]
図8は、第2実施形態による波面センサの模式図である。
[Second Embodiment]
FIG. 8 is a schematic diagram of a wavefront sensor according to the second embodiment.
第2実施形態の波面センサは、ビームスプリッタ50と、ビームスプリッタ50に後置された第1の角度選択フィルタ21及び第2の角度選択フィルタ22と、第1の角度選択フィルタ21に割り当てられた2つの光検出器32及び33と、第2の角度選択フィルタ22に割り当てられた2つの光検出器34及び35と、を有する。なお、第1及び第2の角度選択フィルタ21、22及び光検出器32、33、34、35としては、第1実施形態について説明した角度選択フィルタ及び光検出器を使用することができる。また、第1の角度選択フィルタ21及び/又は第2の角度選択フィルタ22には、第1実施形態について説明した偏光制御部を前置することができる。
The wavefront sensor according to the second embodiment is assigned to the
波面センサに入射したレーザ光10は、ビームスプリッタ50によって透過成分102と反射成分103とに分割される。ビームスプリッタ50の透過成分102は、第1の角度選択フィルタ21によって透過成分104と反射成分105とに分離される。ビームスプリッタ50の反射成分103は、第2の角度選択フィルタ22によって透過成分106と反射成分107とに分離される。第1の角度選択フィルタ21によって分離された透過成分104及び反射成分105は夫々光検出器32及び33によって受光される。第2の角度選択フィルタ22によって分離された透過成分106及び反射成分107は夫々光検出器34及び35によって受光される。光検出器32、33、34、35の測定データは演算部40が受け取る。演算部40は、これらの測定データに基づいてレーザ光10の波面の傾き量を決定する。
The
ビームスプリッタ50は、理想的なレーザ光10が当該ビームスプリッタ50に対し45度の角度で入射するよう配向されている。更に、ビームスプリッタ50は、レーザ光10の波面形状に影響を与えることなくエネルギーのみを分割し、この分割比が50:50の時はいわゆるハーフミラーとして機能する。
The
第1の角度選択フィルタ21は、ビームスプリッタ50の理想的な透過光102が当該第1の角度選択フィルタ21に対し45度の角度で入射するよう配向されている。第2の角度選択フィルタ22は、ビームスプリッタ50の理想的な反射光103が当該第2の角度選択フィルタ22に対し45度の角度で入射するよう配向されている。第1及び第2の角度選択フィルタ21及び22は、図2に示す反射率入射角度特性を有する。
The first
第1の角度選択フィルタ21と第2の角度選択フィルタ22は、更に、レーザ光10の波面の傾きが直交する2つの方向(例えば、図8の紙面に対し平行な方向と垂直な方向)において検出可能になるよう、これらの入射面が互いに交差する方向に配向されるよう、配置されている。この配置は、とりわけ、第1の角度選択フィルタ21と第2の角度選択フィルタ22がそれらの入射面が互いに対し平行に配向された状態において、第1の角度選択フィルタ21及び第2の角度選択フィルタ22の何れか一方を、これに入射する理想的な光の光軸の周りで90度回転することによって、実現することができる。例えば、図8では、ビームスプリッタ50の入射面に対し第1の角度選択フィルタ21の入射面を並行に配向しかつビームスプリッタ50の入射面に対し第2の角度選択フィルタ22の入射面を並行に配向した状態において、第2の角度選択フィルタ22が、ビームスプリッタ50の理想的な反射光103の光軸の周りで時計回りに90度回転されている。この意味で、第1の角度選択フィルタ21(ないしその入射面)と第2の角度選択フィルタ22(ないしその入射面)は直交すると理解することができる。なお、ビームスプリッタ50、第2の角度選択フィルタ22、光検出器34、35の位置関係を明確にするために、図8の波面センサの一部を図8とは異なる角度から見た模式図を図9に示した。
The first
かくして、第1の角度選択フィルタ21は、図8の紙面に対し平行な方向の波面の傾きに応じて、ビームスプリッタ50の透過成分102を透過成分104と反射成分105に分離する。同様に、第2の角度選択フィルタ22は、図8の紙面と垂直方向の波面の傾きに応じて、ビームスプリッタ50の反射成分103を透過成分106と反射成分107に分離する。
Thus, the first
光検出器32、33、34、35の測定データは演算部40が受け取る。演算部40は、光検出器32及び33の測定データを比較して、紙面と平行な方向の波面の傾きを決定するとともに、光検出器34及び35の測定データを比較して、紙面と垂直な方向の波面の傾きを決定する。
The
このように、第2実施形態の波面センサはレーザ光10の波面の傾きを、互いに直交する2つの方向(例えば図8の紙面に対して平行な方向と垂直な方向)においてそれぞれ検出することができるため、レーザ光の波面の傾きをより高精度に計測できる。
As described above, the wavefront sensor of the second embodiment can detect the inclination of the wavefront of the
更に、第1の角度選択フィルタ21と光検出器32及び33の構成は、光軸を中心に90度回転させると、第2の角度選択フィルタ22と光検出器34及び35の構成と一致し、第1の角度選択フィルタ21と第2の角度選択フィルタ22に求められる光学特性も同一である。このため、部品種類の増加によるコストの増加を回避することができる。
Further, the configurations of the first
更に、第2実施形態においても、基本的実施形態において説明したように、角度選択フィルタをその回転軸の周りで回転可能に構成することもできる。そして、角度選択フィルタをその回転軸の周りで180度回転させることにより、1つの角度選択フィルタに1つの光検出器を割り当てるだけで、所望の結果を得ることができる。 Furthermore, also in the second embodiment, as described in the basic embodiment, the angle selection filter can be configured to be rotatable around its rotation axis. Then, by rotating the angle selection filter by 180 degrees around the rotation axis, a desired result can be obtained only by assigning one photodetector to one angle selection filter.
更に、その回転軸の周りで回転可能に構成された角度選択フィルタを該回転軸の周りで90度回転させ、その透過成分と反射成分を検出すると、該回転前の波面の傾きの方向と垂直な方向の波面の傾きを決定することができる。この構成は、例えば、図8において、第1角度選択フィルタ21と光検出器33をこれらの相対的位置関係を維持したまま90度回転させるか、又は、光検出器33のこの回転されるべき位置に追加の光検出器を設けかつ第1角度選択フィルタ21のみを回転させることによって実現することができる。その結果、図8において、第2角度選択フィルタ22、2つの光検出器33、35を省略することができる。かくして、1つの角度選択フィルタを用いるだけで、レーザ光10の波面の傾きを、互いに直交する2つの方向においてそれぞれ検出し、以って、レーザ光の波面の傾きをより高精度に計測することができる。
Further, when the angle selection filter configured to be rotatable around the rotation axis is rotated 90 degrees around the rotation axis and the transmission component and the reflection component are detected, the angle selection filter is perpendicular to the direction of the wavefront inclination before the rotation. Can determine the slope of the wavefront in any direction. For example, in FIG. 8, the first
[第3実施形態]
図10は、第2実施形態の波面センサを搭載する光空間通信装置の模式図である。なお、波面センサとしては、第2実施形態の波面センサに限定されず、例えば第1実施形態の波面センサを使用することも可能である。
[Third Embodiment]
FIG. 10 is a schematic diagram of an optical space communication device equipped with the wavefront sensor of the second embodiment. The wavefront sensor is not limited to the wavefront sensor of the second embodiment, and for example, the wavefront sensor of the first embodiment can be used.
第3実施形態の光空間通信装置は、入射する光の伝搬方向を制御する可動ミラー2と、入射する光の波面形状を制御する可変形状ミラー3と、可動ミラー2又は可変形状ミラー3から到来する光を分割するビームスプリッタ4と、ビームスプリッタ4によって分割された光の一方を受光する波面センサ6を有する。光空間通信装置は、更に、自由空間を伝搬して光空間通信装置に到達する信号光を受信する光アンテナ1と、ビームスプリッタ4によって分割された光の他方を受光する光受信部5を有する。なお、図10では、可変形状ミラー3が可動ミラー2に後置されているが、可動ミラー2が可変形状ミラー3に後置されてもよい。
The space optical communication apparatus of the third embodiment arrives from a movable mirror 2 that controls the propagation direction of incident light, a deformable mirror 3 that controls the wavefront shape of incident light, and the movable mirror 2 or the deformable mirror 3. A beam splitter 4 that splits the light to be transmitted, and a
波面センサ6は、ビームスプリッタ50と、ビームスプリッタ50に後置された第1の角度選択フィルタ21及び第2の角度選択フィルタ22と、第1の角度選択フィルタ21に割り当てられた2つの光検出器32及び33と、第2の角度選択フィルタ22に割り当てられた2つの光検出器34及び35と、を有する。なお、図10では、波面センサ6ないし光空間通信装置はその構成要素又はその機能として演算部40を含んでいる。しかしながら、演算部40は、例えば、光空間通信装置の外部の制御装置等にその構成要素又はその機能として含まれることも可能である。
The
自由空間を伝搬して光空間通信装置に到達した信号光であるレーザ光10は、光アンテナ1によって受信されたのち、装置内部の光学系の有効径に合わせてビーム径が縮小され、レーザ光11に変換される。レーザ光11は可動ミラー2と可変形状ミラー3で反射されたのち、ビームスプリッタ4によって光受信部5で信号光として受信される成分と、波面センサ6で波面形状を計測される成分とに分割される。光受信部5は、信号光を高感度に受信する光ファイバ通信システムに信号光を結合する。演算部40は、測定した波面形状に基づいて可動ミラー2の偏向角度と可変形状ミラー3の反射面形状の制御量を決定し、可動ミラー2と可変形状ミラー3に制御信号を伝送する。可動ミラー2と可変形状ミラー3は、演算部40からの制御信号に基づいて夫々偏向角度と反射面形状を変化させることにより、レーザ光11の伝搬方向及び波面のゆがみを補正することができる。この補正された信号光13が光受信部5に供給される。
このように構成された光空間通信装置に大気中を伝搬して波面のゆがんだ信号光が入射すると、その一部12はビームスプリッタ4で反射されて波面センサ6に入射する。分割されたレーザ光12はビームスプリッタ50によってさらに分割されたのち、第2実施形態で示したように、レーザ光のエネルギー分布と、直交する2つの方向(例えば、図10の紙面に対し平行な方向と垂直な方向)の波面形状とが測定される。演算部40は、レーザ光12の波面形状の計測結果から、光受信部5の受光エネルギーが最大となるようにレーザ光11の波面を略平面に補正するための制御信号を生成し、この制御信号を可動ミラー2と可変形状ミラー3に伝送する。
When signal light having a distorted wavefront is incident on the optical space communication apparatus configured as described above, a
平坦な反射面を有する可動ミラー2の制御量は、図10の紙面に平行方向の偏向角度(紙面に垂直な回転軸に関する回転角度)と垂直方向の偏向角度(紙面に平行な回転軸に関する回転角度)である。平行方向の波面の傾き量は、光検出器32及び33が受光したエネルギー総量(ないしその信号強度)を比較することにより、第1の角度選択フィルタ21の予め記憶された反射率入射角特性のデータから求められ、垂直方向の波面の傾き量は、光検出器34及び35が受光したエネルギー総量(ないしその信号強度)を比較することにより、第2の角度選択フィルタ22の予め記憶された反射率入射角特性のデータから求められる。そして、可動ミラー2の制御量は、これらの求められた傾き量が打ち消されるように決定される。可変形状ミラー3は、可動ミラー2では除去できない高次の波面のゆがみを打ち消すように演算部40で計算された制御信号によって、反射面形状を変化させる。このように反射面形状が変化された可変形状ミラー3によって反射されたレーザ光13はその波面が平面に補正され、平面波13として光受信部5に供給される。このような波面計測と波面補正のプロセスは通信システムが稼働している期間継続して実行される。
The control amount of the movable mirror 2 having a flat reflecting surface is such that the deflection angle in the direction parallel to the paper surface in FIG. 10 (rotation angle with respect to the rotation axis perpendicular to the paper surface) and the deflection angle in the vertical direction (rotation with respect to the rotation axis parallel to the paper surface). Angle). The amount of inclination of the wavefront in the parallel direction is obtained by comparing the total amount of energy received by the
このように、第3実施形態の光空間通信装置は、波面センサ6で計測した波面の傾きとゆがみを逐次補正するため、光受信部5における受光エネルギーが安定する。従って、大気中を伝搬したレーザ光10を信号光として用いる通信システムであっても、この光空間通信装置を使用することにより、安定した大容量通信を行うことができる。
As described above, the optical space communication apparatus according to the third embodiment sequentially corrects the inclination and distortion of the wavefront measured by the
以下に、本明細書、図面に開示した本発明に関する好ましい形態を付記する。
[形態1]
入射角度に応じて反射率が異なる角度選択フィルタと、
該角度選択フィルタを介して到来する光を受光する光検出器と、
を含む波面センサ。
[形態2]
前記光検出器は、前記角度選択フィルタで分離された光を受光する複数の光検出器として構成される、
形態1に記載の波面センサ。
[形態3]
前記角度選択フィルタに前置されるビームスプリッタを含み、
該角度選択フィルタは、該ビームスプリッタを透過した光を受光する第1の角度選択フィルタ及び該ビームスプリッタを反射した光を受光する第2の角度選択フィルタとして構成され、
前記複数の光検出器は、該第1の角度選択フィルタで分離された光を受光する第1の光検出器及び該第2の角度選択フィルタで分離された光を受光する第2の光検出器として構成され、
該第1の角度選択フィルタと該第2の角度選択フィルタは、該第1の角度選択フィルタの入射面と該第2の角度選択フィルタの入射面が互いに交差する方向に配向されるよう、配置される、
形態2に記載の波面センサ。
[形態4]
前記第1の光検出器は、前記第1の角度選択フィルタで分離された光を受光する複数の光検出器として構成され、及び、
前記第2の光検出器は、前記第2の角度選択フィルタで分離された光を受光する複数の光検出器として構成される、
形態3に記載の波面センサ。
[形態5]
前記光検出器は空間分解能を有する、
形態1乃至4の何れかに記載の波面センサ。
[形態6]
前記角度選択フィルタに入射する光の偏光を特定の偏光状態に変換する偏光制御素子を含む、
形態1乃至5の何れかに記載の波面センサ。
[形態7]
前記角度選択フィルタは、当該角度選択フィルタに入射する光の光軸の周りで回転可能に、とりわけ90度及び/又は180度回転可能に、構成される、
形態1乃至6の何れかに記載の波面センサ。
[形態8]
前記光検出器の測定データに基づいて当該波面センサに入射する光の波面形状を求める演算部を含む
形態1乃至7の何れかに記載の波面センサ。
[形態9]
前記演算部は、前記波面形状を求めるために、同じ角度選択フィルタから得られる複数の測定データを比較する、
形態8に記載の波面センサ。
[形態10]
前記同じ角度選択フィルタから得られる複数の測定データは、該角度選択フィルタの透過成分を受光した光検出器の信号強度と該角度選択フィルタの反射成分を受光した光検出器の信号強度である、
形態9に記載の波面センサ。
[形態11]
前記演算部は、前記透過成分を受光した光検出器の信号強度と前記反射成分を受光した光検出器の信号強度の大小関係により波面センサの入射光の波面の傾きを決定し、及び、これらの信号強度の比率から該傾きの絶対値を決定する、
形態10に記載の波面センサ。
[形態12]
入射する光の伝搬方向を制御する可動ミラーと、
入射する光の波面形状を制御する可変形状ミラーと、
該可動ミラー又は該可変形状ミラーから到来する光を分割するビームスプリッタと、
該ビームスプリッタによって分割された光の一方を受光する形態1乃至7の何れかに記載の波面センサと、
を含む、
光空間通信装置。
[形態13]
前記波面センサの角度選択フィルタの(予め記憶された)光学特性と該波面センサの光検出器の複数の測定データに基づいて前記可動ミラーの指向方向と前記可変形状ミラーの反射面形状を制御する演算部を含む、
形態12に記載の光空間通信装置。
[形態14]
前記光検出器の複数の測定データは、同じ角度選択フィルタから得られる複数の測定データである、
形態13に記載の光空間通信装置。
[形態15]
前記同じ角度選択フィルタから得られる複数の測定データは、該角度選択フィルタの透過成分を受光した光検出器の信号強度と該角度選択フィルタの反射成分を受光した光検出器の信号強度である、
形態14に記載の光空間通信装置。
[形態16]
前記透過成分を受光した光検出器の信号強度と前記反射成分を受光した光検出器の信号強度の大小関係により波面センサの入射光の波面の傾きが決定され、及び、これらの信号強度の比率から該傾きの絶対値を決定される、
形態15に記載の光空間通信装置。
[形態17]
当該光空間通信装置に入射する光を受光し、該光を前記可動ミラー又は前記可変形状ミラーに供給する光アンテナを含む、
形態12乃至16の何れかに記載の光空間通信装置。
[形態18]
前記信号光を光ファイバ通信システムに結合する光受信部を含む、
形態12乃至17の何れかに記載の光空間通信装置。
[形態19]
入射する光の伝搬方向を制御する可動ミラーと、入射する光の波面形状を制御する可変形状ミラーと、入射角度に依存して入射する光を分離する角度選択フィルタと、を含む光空間通信装置の制御方法であって、
該光空間通信装置に入射し、該可動ミラー及び該可変形状ミラーを介して到来する外部空間からの外部光を前記角度選択フィルタで分離すること、
該角度選択フィルタで分離された複数の分離光の信号強度を求めること、
該角度選択フィルタの(予め記憶された)光学特性と、該複数の分離光の信号強度に基づいて該可動ミラーと該可変形状ミラーの制御量を求めること、
該制御量に基づいて該可動ミラーの指向方向と該可変形状ミラーの反射面形状を変更すること
を含む、制御方法。
[形態20]
前記可動ミラーの制御量は、前記角度選択フィルタの(予め記憶された)光学特性と前記複数の分離光の信号強度の比較により求められる前記外部光の波面の傾きが打ち消されるように該可動ミラーの指向方向を変更するよう求められ、
前記可変形状ミラーの制御量は、該可動ミラーの指向方向の変更によっては除去されない前記外部光の波面の歪みが打ち消されるように該可変形状ミラーの反射面形状を変更するよう求められる、
形態19に記載の制御方法。
[形態21]
前記複数の分離光は、前記角度選択フィルタの透過成分と反射成分である、
形態19又は20に記載の制御方法。
[形態22]
入射角度に依存して光を分離する角度選択フィルタによって入射光を複数の分離光に分離すること、
該複数の分離光の信号強度を比較すること
を含む、
入射光の波面形状の決定方法。
[形態23]
前記複数の分離光の信号強度の大小関係により入射光の波面の傾きを決定し、及び、これらの信号強度の比率から該傾きの絶対値を決定する
形態22に記載の方法。
[形態24]
前記複数の分離光は、前記角度選択フィルタの透過成分と反射成分である、
形態22又は23に記載の方法。
[形態25]
入射する光の伝搬方向を制御する可動ミラーと、入射する光の波面形状を制御する可変形状ミラーと、入射角度に依存して入射する光を分離する角度選択フィルタと、を含む光空間通信装置に入射する外部空間からの外部光の波面の補正方法であって、
該光空間通信装置に入射し、該可動ミラー及び該可変形状ミラーを介して到来する外部空間からの外部光を前記角度選択フィルタで分離すること、
該角度選択フィルタで分離された複数の分離光の信号強度を求めること、
該角度選択フィルタの(予め記憶された)光学特性と、該複数の分離光の信号強度に基づいて該可動ミラーの指向方向と該可変形状ミラーの反射面形状を変更すること
を含む、補正方法。
[形態26]
前記可動ミラーの指向方向は、前記角度選択フィルタの(予め記憶された)光学特性と前記複数の分離光の信号強度の比較により求められる前記外部光の波面の傾きが打ち消されるように変更され、
前記可変形状ミラーの反射面形状は、該可動ミラーの指向方向の変更によっては除去されない前記外部光の波面の歪みが打ち消されるように変更される、
形態25に記載の補正方法。
[形態27]
前記複数の分離光は、前記角度選択フィルタの透過成分と反射成分である、
形態25又は26に記載の補正方法。
In the following, preferred forms relating to the present invention disclosed in the present specification and drawings are appended.
[Form 1]
An angle selection filter with different reflectivity according to the incident angle;
A photodetector for receiving light coming through the angle selection filter;
Including wavefront sensor.
[Form 2]
The photodetector is configured as a plurality of photodetectors that receive light separated by the angle selection filter.
The wavefront sensor according to
[Form 3]
A beam splitter placed in front of the angle selection filter;
The angle selection filter is configured as a first angle selection filter that receives light transmitted through the beam splitter and a second angle selection filter that receives light reflected from the beam splitter,
The plurality of photodetectors include a first photodetector that receives the light separated by the first angle selection filter and a second light detection that receives the light separated by the second angle selection filter. As a container
The first angle selection filter and the second angle selection filter are arranged so that the incident surface of the first angle selection filter and the incident surface of the second angle selection filter are oriented in a direction crossing each other. To be
The wavefront sensor according to the second aspect.
[Form 4]
The first photodetector is configured as a plurality of photodetectors that receive the light separated by the first angle selection filter, and
The second photodetector is configured as a plurality of photodetectors that receive the light separated by the second angle selection filter.
The wavefront sensor according to the third aspect.
[Form 5]
The photodetector has spatial resolution;
5. The wavefront sensor according to any one of
[Form 6]
A polarization control element that converts the polarization of light incident on the angle selection filter into a specific polarization state;
6. The wavefront sensor according to any one of
[Form 7]
The angle selection filter is configured to be rotatable about an optical axis of light incident on the angle selection filter, in particular, to be rotatable by 90 degrees and / or 180 degrees.
The wavefront sensor according to any one of
[Form 8]
The wavefront sensor according to any one of
[Form 9]
The calculation unit compares a plurality of measurement data obtained from the same angle selection filter in order to obtain the wavefront shape.
The wavefront sensor according to aspect 8.
[Mode 10]
The plurality of measurement data obtained from the same angle selection filter are the signal intensity of the photodetector that has received the transmission component of the angle selection filter and the signal intensity of the photodetector that has received the reflection component of the angle selection filter.
The wavefront sensor according to the ninth aspect.
[Form 11]
The calculation unit determines the inclination of the wavefront of the incident light of the wavefront sensor according to the magnitude relationship between the signal intensity of the photodetector that receives the transmission component and the signal intensity of the photodetector that receives the reflection component, and these Determining the absolute value of the slope from the ratio of the signal strengths of
The wavefront sensor according to
[Form 12]
A movable mirror that controls the propagation direction of incident light;
A deformable mirror that controls the wavefront shape of the incident light; and
A beam splitter for splitting light coming from the movable mirror or the deformable mirror;
The wavefront sensor according to any one of
including,
Optical space communication device.
[Form 13]
Based on optical characteristics (stored in advance) of the angle selection filter of the wavefront sensor and a plurality of measurement data of the photodetector of the wavefront sensor, the pointing direction of the movable mirror and the shape of the reflecting surface of the deformable mirror are controlled. Including the arithmetic unit,
The optical space communication apparatus according to
[Form 14]
The plurality of measurement data of the photodetector is a plurality of measurement data obtained from the same angle selection filter.
The optical space communication apparatus according to
[Form 15]
The plurality of measurement data obtained from the same angle selection filter are the signal intensity of the photodetector that has received the transmission component of the angle selection filter and the signal intensity of the photodetector that has received the reflection component of the angle selection filter.
The optical space communication apparatus according to Form 14.
[Form 16]
The inclination of the wavefront of the incident light of the wavefront sensor is determined by the magnitude relationship between the signal intensity of the photodetector that has received the transmission component and the signal intensity of the photodetector that has received the reflection component, and the ratio of these signal intensities The absolute value of the slope is determined from
The optical space communication apparatus according to Form 15.
[Form 17]
Including an optical antenna that receives light incident on the optical space communication device and supplies the light to the movable mirror or the deformable mirror;
The optical space communication apparatus according to any one of
[Form 18]
Including an optical receiver for coupling the signal light to an optical fiber communication system;
The optical space communication apparatus according to any one of
[Form 19]
An optical space communication device including a movable mirror that controls a propagation direction of incident light, a deformable mirror that controls a wavefront shape of incident light, and an angle selection filter that separates incident light depending on an incident angle. Control method,
Separating the external light from the external space incident on the optical space communication device and arriving through the movable mirror and the deformable mirror with the angle selection filter;
Obtaining signal intensities of a plurality of separated lights separated by the angle selection filter;
Obtaining control amounts of the movable mirror and the deformable mirror based on optical characteristics (stored in advance) of the angle selection filter and signal intensity of the plurality of separated lights;
Changing the directivity direction of the movable mirror and the reflecting surface of the deformable mirror based on the control amount.
[Mode 20]
The control amount of the movable mirror is such that the inclination of the wavefront of the external light obtained by comparing the optical characteristics (prestored) of the angle selection filter and the signal intensity of the plurality of separated lights is canceled out. Asked to change the orientation of
The control amount of the deformable mirror is required to change the reflection surface shape of the deformable mirror so as to cancel the distortion of the wavefront of the external light that is not removed by changing the directivity direction of the movable mirror.
The control method according to the nineteenth aspect.
[Form 21]
The plurality of separated lights are a transmission component and a reflection component of the angle selection filter,
The control method according to
[Form 22]
Separating the incident light into a plurality of separated lights by an angle selection filter that separates the light depending on the incident angle;
Comparing the signal intensities of the plurality of separated lights,
A method for determining the wavefront shape of incident light.
[Form 23]
The method according to
[Form 24]
The plurality of separated lights are a transmission component and a reflection component of the angle selection filter,
The method according to
[Form 25]
An optical space communication device including a movable mirror that controls a propagation direction of incident light, a deformable mirror that controls a wavefront shape of incident light, and an angle selection filter that separates incident light depending on an incident angle. A method for correcting the wavefront of external light from external space incident on
Separating the external light from the external space incident on the optical space communication device and arriving through the movable mirror and the deformable mirror with the angle selection filter;
Obtaining signal intensities of a plurality of separated lights separated by the angle selection filter;
Changing the pointing direction of the movable mirror and the reflecting surface of the deformable mirror based on the optical characteristics (prestored) of the angle selection filter and the signal intensity of the plurality of separated lights .
[Form 26]
The directivity direction of the movable mirror is changed so as to cancel the inclination of the wavefront of the external light obtained by comparing the optical characteristics (prestored) of the angle selection filter and the signal intensity of the plurality of separated lights,
The shape of the reflecting surface of the deformable mirror is changed so as to cancel the distortion of the wavefront of the external light that is not removed by changing the direction of the movable mirror.
The correction method according to Form 25.
[Form 27]
The plurality of separated lights are a transmission component and a reflection component of the angle selection filter,
The correction method according to Form 25 or 26.
本発明の全開示(特許請求の範囲及び図面を含む)の枠内において、さらにその基本的技術思想に基づいて、実施形態の変更・調整が可能である。また、本発明の特許請求の範囲の枠内において種々の開示要素(各請求項の各要素、各実施例の各要素、各図面の各要素等を含む)の多様な組み合わせないし選択が可能である。すなわち、本発明は、特許請求の範囲及び図面を含む全開示、技術的思想にしたがって当業者であればなし得るであろう各種変形、修正を含むことは勿論である。特に、本書に記載した数値範囲については、当該範囲内に含まれる任意の数値ないし小範囲が、別段の記載のない場合でも具体的に記載されているものと解釈されるべきである。 Within the scope of the entire disclosure (including claims and drawings) of the present invention, the embodiments can be changed and adjusted based on the basic technical concept. Various combinations or selections of various disclosed elements (including each element of each claim, each element of each embodiment, each element of each drawing, etc.) are possible within the scope of the claims of the present invention. is there. That is, the present invention naturally includes various modifications and changes that could be made by those skilled in the art according to the entire disclosure including the claims and the drawings, and the technical idea. In particular, with respect to the numerical ranges described in this document, any numerical value or small range included in the range should be construed as being specifically described even if there is no specific description.
1 光アンテナ
2 可動ミラー
3 可変形状ミラー
4 ビームスプリッタ
5 光受信部
6 波面センサ
10 外部から到来するレーザ光
11 光アンテナ1で縮径されたレーザ光
12 レーザ光11のビームスプリッタ4で反射された成分
13 波面が補正されたレーザ光
20 角度選択フィルタ
21 第1の角度選択フィルタ
22 第2の角度選択フィルタ
30 光検出器
31 光検出器
32 光検出器
33 光検出器
34 光検出器
35 光検出器
40 演算部
50 ビームスプリッタ
100 角度選択フィルタ20の透過成分
101 角度選択フィルタ20の反射成分
102 ビームスプリッタ50の透過成分
103 ビームスプリッタ50の反射成分
104 第1の角度選択フィルタ21の透過成分
105 第1の角度選択フィルタ21の反射成分
106 第2の角度選択フィルタ22の透過成分
107 第2の角度選択フィルタ22の反射成分
DESCRIPTION OF
Claims (10)
該角度選択フィルタを介して到来する光を受光する光検出器と、
を含む波面センサ。 An angle selection filter with different reflectivity according to the incident angle;
A photodetector for receiving light coming through the angle selection filter;
Including wavefront sensor.
請求項1に記載の波面センサ。 The photodetector is configured as a plurality of photodetectors that receive light separated by the angle selection filter.
The wavefront sensor according to claim 1.
該角度選択フィルタは、該ビームスプリッタを透過した光を受光する第1の角度選択フィルタ及び該ビームスプリッタを反射した光を受光する第2の角度選択フィルタとして構成され、
前記複数の光検出器は、該第1の角度選択フィルタで分離された光を受光する第1の光検出器及び該第2の角度選択フィルタで分離された光を受光する第2の光検出器として構成され、
該第1の角度選択フィルタと該第2の角度選択フィルタは、該第1の角度選択フィルタの入射面と該第2の角度選択フィルタの入射面が互いに交差する方向に配向されるよう、配置される、
請求項2に記載の波面センサ。 A beam splitter placed in front of the angle selection filter;
The angle selection filter is configured as a first angle selection filter that receives light transmitted through the beam splitter and a second angle selection filter that receives light reflected from the beam splitter,
The plurality of photodetectors include a first photodetector that receives the light separated by the first angle selection filter and a second light detection that receives the light separated by the second angle selection filter. As a container
The first angle selection filter and the second angle selection filter are arranged so that the incident surface of the first angle selection filter and the incident surface of the second angle selection filter are oriented in a direction crossing each other. To be
The wavefront sensor according to claim 2.
前記第2の光検出器は、前記第2の角度選択フィルタで分離された光を受光する複数の光検出器として構成される、
請求項3に記載の波面センサ。 The first photodetector is configured as a plurality of photodetectors that receive the light separated by the first angle selection filter, and
The second photodetector is configured as a plurality of photodetectors that receive the light separated by the second angle selection filter.
The wavefront sensor according to claim 3.
請求項1乃至4の何れかに記載の波面センサ。 The photodetector has spatial resolution;
The wavefront sensor according to any one of claims 1 to 4.
請求項1乃至5の何れかに記載の波面センサ。 A polarization control element that converts the polarization of light incident on the angle selection filter into a specific polarization state;
The wavefront sensor according to claim 1.
請求項1乃至6の何れかに記載の波面センサ。 A calculation unit for obtaining a wavefront shape of light incident on the wavefront sensor based on measurement data of the photodetector;
The wavefront sensor according to claim 1.
請求項7に記載の波面センサ。 The calculation unit compares a plurality of measurement data obtained from the same angle selection filter in order to obtain the wavefront shape.
The wavefront sensor according to claim 7.
入射する光の波面形状を制御する可変形状ミラーと、
該可動ミラー又は該可変形状ミラーから到来する光を分割するビームスプリッタと、
該ビームスプリッタによって分割された光の一方を受光する請求項1乃至6の何れかに記載の波面センサと、
を含む、
光空間通信装置。 A movable mirror that controls the propagation direction of incident light;
A deformable mirror that controls the wavefront shape of the incident light; and
A beam splitter for splitting light coming from the movable mirror or the deformable mirror;
The wavefront sensor according to any one of claims 1 to 6, which receives one of the lights divided by the beam splitter;
including,
Optical space communication device.
請求項9に記載の光空間通信装置。 An arithmetic unit that controls a directivity direction of the movable mirror and a reflection surface shape of the deformable mirror based on optical characteristics of the angle selection filter of the wavefront sensor and a plurality of measurement data of a photodetector of the wavefront sensor;
The optical space communication apparatus according to claim 9.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2016063168A JP2017181038A (en) | 2016-03-28 | 2016-03-28 | Wavefront sensor |
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| JP2016063168A JP2017181038A (en) | 2016-03-28 | 2016-03-28 | Wavefront sensor |
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|---|---|
| JP2017181038A true JP2017181038A (en) | 2017-10-05 |
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ID=60005841
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| JP2016063168A Pending JP2017181038A (en) | 2016-03-28 | 2016-03-28 | Wavefront sensor |
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| Country | Link |
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Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2007506984A (en) * | 2002-10-17 | 2007-03-22 | エイオプティクス テクノロジーズ,インク. | Compound wavefront sensor and data detector for free-space optical communication systems using adaptive optics |
| JP2009150813A (en) * | 2007-12-21 | 2009-07-09 | National Institutes Of Natural Sciences | Wavefront sensor |
| US20120074294A1 (en) * | 2010-09-26 | 2012-03-29 | Raytheon Company | Discrete wavefront sampling using a variable transmission filter |
-
2016
- 2016-03-28 JP JP2016063168A patent/JP2017181038A/en active Pending
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