JP3665639B2 - 波面検出のための方法及び装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可視光及び不可視光の波面の形状を検出する方法に係り、特に、様々な用途で使用するため波面の湾曲（曲率；curvature）を直接検出する方法に関する。
【０００２】
本出願は、２０００年１月２７日に出願された仮特許出願シリアル番号６０／１７８，４１６号に関する優先権を基礎としている。
【０００３】
【従来技術】
装置によって検出された波面の収差を測定し及び／又は補正するため光波の波面を検出するための様々な方法及び装置が存在している。現存する検出及び測定の方法及び装置には、幾つかの干渉技術、シャック−ハートマン波面検出技術、及び、光学システムにより光の投影パターンを含む様々な他のシステムがある。そのような従来の技術及びシステムは、典型的に、複雑で高価であり、様々な固有の欠陥を持っている。例えば、多数のシステム及び技術は、例えば焦平面が眼球の内部にあるが故に人間の目のレンズシステムの光学収差を測定するため等、多くの用途では可能ではない波面を検出するため試験される光学システムの焦平面へのアクセスを必要としている。シャック−ハートマンの波面センサーは、焦平面へのアクセスを必要とせず、これにより、人間の目の光学収差を測定するため使用することができるが、そのようなセンサーは多くの他の欠陥を持っている。シャック−ハートマンの波面センサーは、波面の湾曲を直接測定するというよりも波面の勾配を測定するが、これは幾つかの用途に対しては完全に正確ではなく、高速修正を要求する用途において取ることができる任意の修正適応制御光学処理の速度を低下させる。また、シャック−ハートマンのシステムは、単一画像の位置を検出する光検出器のアレイを使用するが、これにより個々の検出器におけるゲイン又はバイアスが正確でない結果を生じさせる。シャック−ハートマンの装置は、周期的校正を要求する。更には、シャック−ハートマンのシステムは、最も一般的な手段に対して、例えば複数の点光源等の物体へと拡張することに正確に答えていない。幾つかの他の波面検出技術及び装置は、波面を修正しこれにより画像を修正するための適応制御光学技術に直接には適応することができず、例えば、望遠鏡のシーイングに悪影響を及ぼす大気中の連続的な変化により引き起こされる収差を修正する天体望遠鏡で使用される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、波面データ及び／又は瞳孔画像（pupil images）の任意の所望の用途のため光波の波面の湾曲を検出するための焦点がぼかされた瞳孔画像を使用する、新規な波面検出装置及び方法を提供することである。本発明の更なる目的は、検出器上で少なくとも１つの焦点がぼかされた瞳孔画像を生成するための手段と、光学手段により受信された光波の波面の湾曲を決定するため焦点がぼかされた瞳孔画像を処理するための手段と、を用いる波面センサーを提供することである。本発明のなお更なる目的は、光学手段が検出器上で２つの焦点がぼかされた瞳孔画像を生成する波面センサーを提供することであり、このとき、その２つの焦点がぼかされた瞳孔画像が、波面の湾曲を決定する際に焦点がぼかされた画像を均等に比較するため処理手段に対する対象画像平面（object image plane）の前面及び背後に等しい距離で配置されている。
【０００５】
本発明の他の及びより詳細な目的及び利点は、添付図面を参照して好ましい実施形態の詳細な説明から当業者には明らかとなろう。
【０００６】
【発明の実施の形態】
ここで、図１を参照すると、本発明の新規な波面センサー１０の簡単な形態が線図で示されている。波面センサー１０は、星から放出された光線Ｒを検出するための天体望遠鏡（図示せず）と連係されて使用されるとき、図示の星等の任意の光源Ｌからの波面を検出するため使用される。星は、光の球面波を放出するが、星からの距離が非常に大きいところでは、光の波面はあらゆる実用的な目的に対して平坦とみなすことができる。かくして、図１では、遠方の距離の星（光源Ｌ）から望遠鏡に到達した光線Ｒは、理論的には、平行となり、平坦な波面を生成するため完全に整列した状態にある。しかし、天文学者に周知されているように、地球の大気は、光線Ｒが望遠鏡に到達する前に該光線Ｒに収差を形成する。この収差は、望遠鏡が高い標高に配置されたときでさえ、大気の状態と共に、任意の時間帯に亘って急速に変動する。このため、様々な波面センサーは、該収差により引き起こされた波面内の変動を検出し、次に、星のより正確な画像を達成するため、「適応制御光学」として知られている技術において、収差を補償し修正するために使用されてきた。
【０００７】
同様に、他の光源Ｌから放出された光線Ｒは、波面センサー１０により検出することのできる波面を変化させる収差を被る。他の図面に示された本発明の他の実施形態では、光源Ｌとして、例えば、収差が結晶レンズ及び目の角膜により引き起こされるところの人間の目の網膜から反射された光等、又は、大気中の空気の運動及び空気密度の変動により収差が引き起こされた状態で建物から建物へと大気を通して差し向けられた光学データ伝播システムからの光源Ｌ等々がある。このように、図１のこの実施形態、並びに、他の図面の実施形態では、光源Ｌは、適応制御光学的補正を含むがこれに限定されない任意の目的のため検出工程を要求する、波面上の変動を被る可視的又は不可視的な光線を生成する任意型式であり得る。同一又はほぼ類似している様々な図面で示された装置の様々な実施形態の構成要素は、次の説明の同一参照番号により同定されるので、そのような構成要素を、各実施形態に対して逐一詳細には説明しないことにする。
【０００８】
光線Ｒは、レンズ１２により受け取られ、光源Ｌ（ここでは星）の画像が焦点内に存在するところの対象画像平面ＯＩＰ上に合焦される。負の分析器レンズ１６及び正の分析器レンズ１８を含む分析器レンズ群１４は、対象画像平面ＯＩＰ上に配置される。好ましくは、分析器レンズ１６及び１８は、同じ型式であるのがよいが、後述されるように、画像を分析する上の利便性のため反対方向のパワー焦点距離を各々有し、分析器レンズ１６及び１８の対は、それらの夫々の画像が画像検出器Ｄの平面に関して光軸に沿って異なる位置に合焦される限り、任意の利便的な焦点距離を持ち、及び、両方が正又は両方が負のいずれかであってもよい。更には、分析器レンズ１６及び１８の対は、例えば、レンズ群１４を往復移動させることによって、或いは、光軸Ｏに及びその外にレンズを回転させるためのレンズ車輪に分析器レンズ１６及び１９を取り付けることによって波面センサー１０の対象画像平面ＯＩＰにおける光軸Ｏに交互に位置決めされるように取り付けられる。そのようなレンズ車輪には、波面センサー１０に異なる感度を提供するため異なる焦点距離を持つ追加対の分析器レンズを備え付けてもよい。更には、調整可能な焦点距離を持つレンズ、例えばズームレンズを、分析器レンズ１６及び１８の代用にしても、又は、これらの分析器レンズに加えて設けてもよい。
【０００９】
コリメートレンズ２０は、分析器レンズ群１４と画像検出器Ｄの平面との間で光軸Ｏ上に設けられる。この光学システムにおけるこの位置は、光線を検出器Ｄに差し向けるため他の位置にすることができるとしても、分析器レンズ群１４及び検出器Ｄの両方から１つの焦点距離のところにあるのが好ましい。分析器レンズ１６及び１８が光軸Ｏから完全に離れて位置決めされた状態では、光学システムの入口瞳孔Ｐが、瞳孔画像平面ＰＩＰにおいて検出器Ｄ上に合焦される。瞳孔画像は、検出器Ｄ上で鋭く合焦することが本質的である。幾つかの用途では、検出器Ｄは、それが、分析器レンズ１６及び１８無しに瞳孔画像が鋭く合焦される瞳孔画像平面にある限り、コリメートレンズ２０から１つの焦点距離とは異なるところに配置されてもよい。この鋭く合焦される入口瞳孔画像の正確な形状が観察され、測定され、及び／又は、波面を導出する際に引き続き使用するため記録される。実際には、ほとんどの光学システムは、例えば望遠鏡、顕微鏡、人間の目等々においては、丸みを帯びた瞳孔を持つが、望遠鏡でさえ、ハワイのケック望遠鏡の六角形状等、他の瞳孔形状を持っていてもよく、人間の目の瞳孔は、必ずしも完全に円であるとは限らない。
【００１０】
波面センサー１０の作用は、対象画像平面ＯＩＰにおいて光軸Ｏ上に分析器レンズ１６及び１８を交互に位置決めし、検出器Ｄ上に形成された画像を観察し及び／又は記録する工程を含んでいる。上述されたように、分析器レンズ１６及び１８が両方とも光軸Ｏから離れて移動するとき、光源Ｌからの入口瞳孔Ｐの画像は、瞳孔画像平面上で鋭い焦点を結ぶ。図１に示されるように、負の分析器レンズ１６が光軸Ｏ上に位置決めされたとき、平面ＰＩ１で存在した焦点をぼかした瞳孔画像は、対象画像平面ＯＩＰを超えて距離ｄ１のところに間隔を隔てており、通常の瞳孔画像平面ＰＩＰにおいて焦点をぼかされた瞳孔画像として今や形成され、検出器Ｄにより検出され、当該焦点をぼかされた（焦点外）瞳孔画像は、観察され、及び／又は、記録される。引き続いて、正の分析器レンズ１８は光軸Ｏに位置しており、対象画像平面ＯＩＰの前方で距離ｄ２のところに瞳孔画像平面ＰＩ２に存在した焦点をぼかされた画像は、観察及び／又は記録のため検出器Ｄ上の第２の焦点をぼかされた瞳孔画像として形成される。説明のために、距離ｄ１及びｄ２は、各々、分析器レンズ１６及び１８の焦点距離であり、任意の所望の焦点距離であり得る。分析器レンズ１６及び１８の焦点距離は、等しいが光学的パワーが正反対であるのが好ましく、このため、距離ｄ１及びｄ２が等しく、これにより焦点をぼかされた入口瞳孔画像は、対象画像平面ＯＩＰから等しい距離のところにあって、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を便利に比較するため検出器Ｄ上に等しい画像として現れる。波面が完全に平坦でもなく均等な強度を持っていない場合には、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は異なる形状及び強度を持ち、これらは波面の湾曲を表している。焦点をぼかされた２つの瞳孔画像（又は、形状及び幾つかの検出器Ｄのための光強度）は、コンピュータ２２に伝達され、コンピュータ内でデータ圧縮ソフトウェアにより処理され、波面センサー１０の特別の用途のため適切なデータを提供する。
【００１１】
詳しくは、当該技術分野で周知されているように、波面は、形状に関するディレクレの境界条件で強度に関するポアッソン方程式を解くことによって導出され即ち再生される。反復データ減少アルゴリズム又は他の非線形適応制御技術を、開ループ系における測定において非線形性を補償するため用いることができる。幾つかの用途では、焦点をぼかした瞳孔画像、又は、分析器レンズ１６及び１８無しの合焦された瞳孔画像でさえ、例えば人間の目を検査している医者等による視覚分析のためスクリーン上で交互に又は異なる位置に、スクリーン２４上で表示されて観察されてもよい。幾つかの用途では、波面データは、波面の湾曲を修正するための適応制御光学系で使用可能である変形可能ミラー２６に供給される。例えば、図１に示された天体望遠鏡の用途では、変形可能ミラー２６が、光源Ｌ（星）から光線Ｒを受け取るためのレンズ１２の前面に光軸Ｏ上に配置されており、好ましくは、波面センサー及び／又は修正されるべき収差に共役となっている。焦点をぼかされた２つの瞳孔画像により生成され、コンピュータ２２により処理された波面データに基づいて、ミラー２６は、地球大気又は他の任意の源により引き起こされる収差を補償することによって波面を修正するため変形される。この補償は、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像が、収差の完全な修正を表し、これにより光源Ｌ（星）の修正画像を望遠鏡システムの他の箇所で観察し捕捉することができるまで繰り返される。波面センサー１０が、波面データを展開させるため焦点をぼかされた瞳孔画像を使用するので、例えば波面の幾つかの離散的スロープを検出するシャック−ハートマン波面センサーにより生成された波面勾配ではなく、波面の湾曲の直接的な分析が達成される。
【００１２】
本発明の波面センサーで使用される検出器Ｄは、特別の波面センサー用途に特に適した任意の従来型式であり得る。例えば、検出器は、ビデオカメラＣ（図１に示されるように）における従来の検出器、電荷結合素子（ＣＣＤ）のカスタムフォーマット、ＰＩＮダイオードのアレイ、光学繊維の擬似アレイに光を合焦させるレンズレットのアレイ、光検出器等々であってもよく、焦点をぼかされた瞳孔画像を通して光の強度に関する画像及び／又はデータを提供する。
【００１３】
本発明の波面センサーの様々な実施形態は、比較のため焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を使用して波面の湾曲を導出することが好ましい。しかし、該波面センサーが適用されるところの特別の用途の光学ビームにおいて照明パターンのため合理的な仮定を置くことができる場合には、波面を導出するのに十分なデータを展開するために単一の焦点をぼかされた画像を使用してもよく、これにより単一の分析器レンズ１６又は１８のみを使用することができる。このことは、図１の実施形態に関して前述したように、代替の画像を保存する必要性を無くすであろう。単一の焦点をぼかされた画像を形成するため単一の分析器を使用して導出された波面の精度は、一般に妥協されるが、この技術は、例えば簡単さ及びコストが重要な因子であるような幾つかの状況下で、有用となり得る。
【００１４】
ここで、図２を参照すると、本発明の第２の実施形態は、図１に示された、光源Ｌ、コンピュータ２２、スクリーン２４及び変形可能ミラー２６の図示を省略するため簡素化された態様で図示されていが、これらの構成要素及びその均等物若しくは置換物を、図２の波面センサー３０に含ませることができる。再び、波面センサー３０は、図１の実施形態に関して図示され、上述されているように、光源から入口瞳孔Ｐを通って光線を収集するためのレンズ１２と、コリメートレンズ２０と、瞳孔画像平面ＰＩＰに設けられた検出器Ｄと、を備えている。波面センサー３０は、２つの異なる垂直偏光軸上に、例えば方解石等の２つの異なる屈折率を有する光学エレメント３４から構成された複屈折性レンズ３２が備え付けられている。該エレメント３４は、例えばＢＫ７光学ガラス等の、エレメント３４の屈折率の一つに合致する屈折率を有する一対の光学エレメント３６の間に挟まれている。複屈折性レンズ３２若しくは該レンズの組み合わせは、偏光の１つの直交方向に正のレンズ特性、及び、偏光の他方の直交方向に負のレンズ特性を有し、これにより、検出器Ｄ上の瞳孔画像平面ＰＩＰにコリメートレンズ２０を通して提供された光線は、検出器Ｄ上に２つの焦点をぼかされた入口瞳孔画像を同時に提供する。該焦点をぼかされた瞳孔画像は、図１の実施形態では分析器レンズ１６及び１８により提供された焦点をぼかされた２つの瞳孔画像に対応している。再び、好ましくは、複屈折性レンズ３２無しに１つの焦点をぼかされた瞳孔画像は、対象画像平面ＯＩＰの前方に存在し、他方の焦点をぼかされた瞳孔画像は、対象画像平面ＰＩＰの後方に存在している。焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、複屈折性レンズ３２を偏心し、該レンズを傾斜することによって画像検出器Ｄ上で分離され得る。これにより、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、検出器Ｄ上の別々に位置で別々に検出され、コンピュータ２２により処理される。その代わりに、可変偏光エレメント３８を、複屈折性レンズ３２と検出器Ｄとの間の光軸Ｏ上に配置し、それを２つの偏光度の間で切り替えて検出器Ｄ上の同じ位置に焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を交互に印加するため使用してもよい。図２の波面センサー３０に対する更なる代替若しくは変形例として、偏光の１つの直交方向に正の光学パワーを有し偏光の他方の直交方向にはパワーを有しないが、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像が対称となり、画像は、この代替構成の精度を減少させ得る回折に関して完全にはバランスが取れなくなるような複屈折性レンズ３２を使用することによってコリメートレンズ２０を省略することができる。本発明のこの第２の実施形態の各変形における全ての実施形態及び変形に関して、光学システムは、入口瞳孔画像が、焦点をぼかしたレンズ手段（ここでは、複屈折性レンズ３２）無しに、検出器Ｄ上に瞳孔画像平面ＰＩＰで鋭く合焦するように、設計され、構成されている。図２に示された本発明のこの第２の実施形態は、例えば、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を同時に生成することや、分析器レンズを移動させる機構及び工程を回避していること等、図１の第１の実施形態を超える幾つかの利点を持っている。それでもなお、第２の実施形態は、焦点外しレンズと、検出器Ｄの瞳孔画像平面ＰＩＰとの間で同じ光学距離を維持するという基本的特徴を維持している。
【００１５】
ここで、図３Ａ及び３Ｂを参照すると、波面センサー４０が、本発明の第３の実施形態として示されている。この第３の実施形態は、波面センサー４０が、光源Ｌから光線を受け取り、瞳孔画像平面ＰＩＰにおいて検出器Ｄ上に画像を生成するためのレンズ１２を備えているという幾つかの点で上述された第１及び第２の実施形態と同じか若しくは類似している。波面センサー４０では、２つの３０度／６０度のリトロープリズム４２、４４は、光軸Ｏがリトロープリズム４２の面４２ａに垂直な状態で光線Ｒの収束ビームがリトロープリズム４２の面４２ａ上に差し向けられるように、背中合わせにケスター形態で取り付けられている。ビームスプリッター４５は、２つのリトロープリズムの当接表面に設けられている。該リトロープリズムは、入ってくる光線５０−５０を分割するため、即ち、光の半分がビームスプリッター４５を通過してプリズム４４に至り、光の他の半分がビームスプリッター４５からプリズム４２に戻るように反射させるため、プリズムの当接表面の一方にある、薄いガラスプレートのビームスプリッター又はコーティングの形態であってもよい。ビームスプリッター４５を通過する光は、表面４４ａの内側から反射して、第１の分析器レンズ１６と類似した負の分析器レンズ４６に至り、ビームスプリッター４５から反射された光は表面４２ａの内側から反射し、図１の第１の実施形態の正の分析器レンズ１８と類似した正の分析器レンズ４８を通過する。かくして、波面センサー４０は、２つの光軸Ｏ’及びＯ”を有し、該光軸に沿って、同じ源からの光は、分析器レンズ４８及び４６を各々通過して、コリメートレンズ２０に至り、次に、検出器Ｄの瞳孔画像平面ＰＩＰに至って焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成する。リトロープリズム４２、４４及びビームスプリッター４５は、厳密に同じ光及び同じ光学経路長さを持つ２つの平行な伝播ビームを形成し、コリメートレンズ１０４は、検出器Ｄ上に焦点をぼかされた入口瞳孔画像を重ね合わせる。コリメートレンズ２０は、分析器４６及び４８から１つの焦点距離、及び、瞳孔画像平面ＰＩＰから１つの焦点距離だけ離れたところに配置されるのが好ましい。図１に示され、上述された第１の実施形態に関して、分析器レンズ４６及び４８は、必ずしも必要ではないが、等しくて反対方向の焦点距離を持つのが好ましく、これにより、図１に示された好ましい実施形態では、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像が、対象画像平面ＯＩＰの前後に等しい距離で配置され、従って、検出器Ｄ上の焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、大きさが等しいが反対方向に焦点をぼかされる。再び、分析器レンズ４６、４８は、最初の設定のため、及び、合焦された瞳孔画像が波面センサー３０の特定の用途において望まれるとき、検出器Ｄ上の瞳孔画像平面において鋭く合焦された瞳孔画像を生成するため光軸Ｏ’及びＯ”から外れて移動される。第１の実施形態によれば、異なる焦点距離を持つ分析器レンズ４６、４８は、波面センサー４０の測定ダイナミックレンジを増加させるため、例えばより長いが夫々反対方向の焦点距離を使用してもよく、又は、これとは逆に、システムの感度を増大させて収差を小さくさせる、より短いが夫々反対方向の焦点距離のレンズを使用してもよい。
【００１６】
図３Ａ及び３Ｂに示されるように、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、検出器Ｄ上で瞳孔画像Ｉとして重ね合わされ、図示の単一瞳孔画像Ｉを形成する焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、２つのリトロープリズム４２、４４の間で偏光ビームスプリッター４５を使用し、次に、分析器レンズ４６又は分析器レンズ４８から焦点をぼかされた瞳孔画像を電子的に選択するため、光ビーム中に例えば液晶クリスタル又は他の切り替え可能な偏光装置等の適切な偏光器４３を配置することにより、検出器Ｄにより別々に検出されることができる。
【００１７】
ここで、図４Ａ及び４Ｂを参照すると、検出器Ｄ上で別々の焦点をぼかされた瞳孔画像を提供するための、図３Ａ、３Ｂの第３の実施形態に係る波面センサー４０の変形である波面センサー４０’が示されている。この代替実施形態では、２つのリトロープリズム４２’、４４’は、それらの先端４２ｂ、４４ｂが接触し、小さな隙間Ｇが先端４２ｂ、４４ｂとは反対方向にある当接表面に形成された状態で、互いに関して僅かに傾けられている。これにより、ビームスプリッター４５’を通過した光及び該スプリッターで反射された光が、図３Ａでは平行であった光軸Ｏ’及びＯ”とは対照的に平行ではない光軸Ｏａ及びＯｂに沿って出て行く。再び、その光は、検出器Ｄ上で焦点をぼかされた入口瞳孔画像を形成するため、分析器レンズ４６、４８及びコリメートレンズ２０を通過する。しかし、リトロープリズム４２’及び４４’が互いに対し傾斜し、光軸Ｏａ、Ｏｂが僅かに非平行であるという理由により、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像Ｉａ及びＩｂが、検出器Ｄ上に別々に形成される。かくして、検出器Ｄは、波面センサー４０により要求されたような偏光、連続的画像形成等々を要することなく、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像Ｉａ及びＩｂの画像及びデータをコンピュータ２２又は他の装置に別々に且つ同時に提供する。
【００１８】
ここで、図５Ａ及び５Ｂを参照すると、上述された第３の実施形態に係る波面センサー４０及び４０’の別の変形例である波面センサー４０”が示されている。この代替の実施形態では、ケスター形態にある一対のリトロープリズム４２”、４４”が、光軸Ｏと表面４２ａとの間の９０°ではない角度θを形成するため、それらの先端における軸線Ａの回りに小さい角度で図３Ａにより示された整列位置から一ユニットとして回転される。これは、２つの別々の光学経路Ｏａ及びＯｂ及び検出器Ｄ上に焦点をぼかされた２つの瞳孔画像Ｉａ及びＩｂを形成するという図４Ａに示された代替例と同じ効果を有する。
【００１９】
図４Ａに示されたようにリトロープリズム４２、４４を傾斜させることのない、又は、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像Ｉａ、Ｉｂを分離するため図５Ａに示されたようにリトロープリズム４２、４４を回転させることのない、波面センサー４０の光学構成に対する更に他の代替例として、光軸Ｏ’、Ｏ”を非平行にさせるため２つのリトロープリズム４２及び４４の出口面に、別々のプリズムを追加してもよく、或いは、光線を非平行関係で差し向けるように分析器レンズ４２、４８を並進移動させてもよい。これらの代替方法は、それらが有意な新たな収差を導入しないので、許容可能である。
【００２０】
ここで、図６Ａ、６Ｂ、７及び８を参照すると、本発明の第４の実施形態をなす波面センサー５０が示されている。これらの図では、前述された実施形態と同様に、レンズ１２が、光源Ｌから入口瞳孔Ｐを通ってきた光を収集し、該光を、検出器Ｄ上の瞳孔画像平面ＰＩＰにシステムを通して差し向ける。図３、３Ｂ、４Ａ及び４Ｂに示され、上述された第３の実施形態と同様に、２つのリトロープリズム５２、５４が、背中合わせに提供されている。この状態では、レンズ１２からの光軸Ｏがリトロープリズム５２の表面５２ａに垂直であり、光線がリトロープリズム５２、５４の当接表面においてビームスプリッター５５と交差し、この光の半分がリトロープリズム５４内を通過し、該光の他方の半分がリトロープリズム５２内に戻るように反射することを可能にしている。再び、ビームスプリッター５５は、２つのリトロープリズム５２、５４の一方の当接表面上の薄いガラスビームスプリッター又はコーティングであってもよい。代替例として、ビームスプリッター５５は、検出器Ｄ上で画像を分離するための偏光ビームスプリッターであってもよい。２つの光学経路における光は、２つのリトロープリズムの内側表面５２ａ及び５４aから平行の関係で反射され、これらのリトロープリズムを出て、各々、２つの６０度プリズム５６及び５８へと至る。ここで、その光は、リトロープリズム５２、５４及び６０度プリズム５６、５８の間の分離平面に平行且つ該平面上に位置した、キャビティ６２内の膜ミラー６０に向かって反射される。このキャビティ６２は、２つの６０度プリズム５６、５８及び２つの追加の６０度プリズム６４、６６の対向表面の間に形成されている（図８を参照せよ）。膜ミラー６０は、各側部上で鏡面形成された表面を有しており、このため、図６Ａに示されるように、ミラー６０が平坦な状態にあるとき、光線は、膜ミラー６０の対向側部から２つの６０度プリズム６４、６６の内側表面上へと反射され、平行な光軸経路Ｏ’及びＯ”に沿って、コリメートレンズ２０を通り、検出器Ｄの瞳孔画像平面ＰＩＰに至る。光軸Ｏ’及びＯ”は、図３Ａ及び３Ｂに示されるように、単一の重ね合わされた入口瞳孔画像を形成するため、瞳孔画像平面ＰＩＰにおいて交差してもよい。これにより、単一の検出器Ｄが上述されたように２つの瞳孔画像を分離するための適切な手段を用いて使用することができ、或いは、光軸Ｏ’及びＯ”は、図４Ａ、４Ｂ、５Ａ及び５Ｂの代替実施形態に関して示され説明されたように、分離した同時的画像Ｉａ及びＩｂを提供するため２つの異なる位置において瞳孔画像平面と交差してもよい。例えば、角度θは、検出器Ｄ上に焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成するため、図５Ａにおけるように、９０°とは異なっていてもよい。２つの光源から発して２つのリトロープリズム５２、５４を通る、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像が検出器Ｄ上で重ね合わされる場合、それらは、偏光エレメント６８と、光の偏光度を９０度電気的に回転させるための電気作用半波プレート７０とを用いて、入射光を偏光することにより、順次分離することができる。これにより偏光されたビームスプリッター５５は、光を１つの光学経路の下方に差し向け、或いは、他方をリトロープリズム５２、５４を通して差し向け、よって検出器Ｄ上に焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を順次提供する。膜ミラー６０が平坦であるとき、例えば光源の合焦された入口瞳孔画像を得るため等、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は同一となり、瞳孔画像平面ＰＩＰ上で合焦する。
【００２１】
ここで、図７及び図８をより詳しく参照すると、膜ミラー６０は、該膜ミラー６０の各エッジに沿って固定された例えば三角形状の支持ブロック７２等、任意の利便的手段により、キャビティ６２内に取り付けられている。ブロック７２は、６０度プリズム５６、５８及び６４、６６の間に形成されたコーナーに接着されてもよい。プレート７４は、キャビティを取り囲むように該キャビティ６２の両端部に配置され、６０度プリズム５６、５８、６４、６６に接着され、これによってキャビティ６２を閉じる。チューブ７６及び７８は、膜ミラー６０の両側でプレート６４の一つ内の孔に接続され、チューブ７６及び７８は、図８に示されるように、膜ミラー６０の撓みを引き起こすため膜ミラー６０の両側に空気圧力若しくは液圧を供給することのできるアクチュエータ８０に接続されている。圧力ゲージ又は制御部８２が、膜ミラー６０の一方の側若しくは両側の圧力を監視し及び／又は制御し、ひいては撓みの大きさを制御するためチューブ７６、７８の１つ若しくは両方に設けられてもよい。膜ミラー６０が撓んだとき、一方の側は凹状になり、他方の側は凸状になる。これによって、ビームスプリッター５５及びリトロープリズム５２、５４により形成された２つの光学経路Ｏ’及びＯ”に沿って伝播される２つの瞳孔画像は、一方の瞳孔画像が対象画像平面ＯＩＰの前方に位置し、他方の瞳孔画像が対象画像平面ＯＩＰの後方に位置した状態で、検出器Ｄの瞳孔画像画像平面ＰＩＰ上には合焦しないようになる。その結果、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、たとえ光線が分析器レンズ１６及び１８又は複屈折性レンズ３２等の屈折系レンズを通過しないとしても、上述した実施形態の各々において形成された焦点をぼかされた２つの瞳孔画像と同様に、検出器Ｄ上の瞳孔画像平面ＰＩＰ上に形成される。アクチュエータ８０の使用により膜ミラー６０の撓みの大きさを変動させることによって、２つの瞳孔画像の焦点外れの大きさを変化させることができ、これにより、異なる焦点距離の分析器レンズ１６及び１８に代えることに類似して、波面センサーの感度及び他の特性を変えることができる。簡素化された代替例として、ミラー６０は、固定量の焦点をぼかされた瞳孔画像を提供するように固定した凹凸形状を持っていてもよい。
【００２２】
ここで、図９Ａ、９Ｂ、１０、１１、１２及び１３を参照すると、図６Ａ、６Ｂ、７及び９に示された本発明の第４の実施形態の変形態様である波面センサー９０が示されている。この変形された波面センサー９０は、瞳孔の形状及び膜ミラーの型式を除いて、波面センサー５０及びその変形物と同様である。波面センサー９０は、例えば、ハワイにあるケック望遠鏡に存在する、六角形状の瞳孔Ｐ’（図１０を参照せよ）を持つものとして示されており、検出器Ｄ上の瞳孔画像画像平面ＰＩＰにおいて六角形状の瞳孔画像Ｉ’を形成する。更には、波面センサー９０は、電圧により制御可能に撓ませることができる所謂バイモルフ型式であるミラー９１が備え付けられている。ミラー９１は、２つの層９２及び９４から構成され、これらの層は、各層９２、９４の両側に金のコーティング９６を備えた、ＰＺＴ、ＰＭＮ若しくは他の任意の電気制限（electro-restrictive）材料を有し（図１３を参照せよ）、２つの金コーティングされた層９２、９４は一緒に接着される。２つの別々の電気ワイヤ９８、９９は、ミラー９１の両側に外側（露出された）金コーティング９６に、例えば半田付け等により接続されている。これらのワイヤは、それらが接合されるところでプレート７４の一方を通ってキャビティ６２の外方に延びている。別のワイヤ１００が、ミラー９１の一方のエッジにおいて２つの層９２、９４の間の２つのコーティング９６に電気的に接続され、プレート７４を通って延在している。２つのワイヤ９８、９９及びワイヤ１００は、夫々の電気制限層９２、９４に亘って制御電圧を印加するためアクチュエータ１０２に電気的に接続され、ミラー９１を制御された態様で撓ませる。ミラー９１は、膜ミラー６０と同じく、両側から光を反射させるが、この両側は、金コーティングに頼ることなく、反射コーティングが形成されてもよい。ミラー９１は、撓みの定常的な大きさに制御されてもよく、検出器Ｄ上の瞳孔画像平面ＰＩＰにおいて代替の焦点をぼかされた瞳孔画像を形成するためアクチュエータ１０２により印加された電圧を制御することによって振動させることができる。この交互に現れる画像を、波面を導出するため電子的に分離することができる。
【００２３】
上述された実施形態及びそれらの変形例の各々により、好ましくは通常の対象画像平面ＯＩＰの前後で同じ距離に焦点を外された、２つの分離した焦点をぼかされた瞳孔画像が、検出器Ｄに与えられ、これにより、当該焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を観察することができ、或いは、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像の形状及び該画像を通した光の強度を、本発明の波面センサーの各実施形態により検出された波面の湾曲の直接的表現を導出するためコンピュータに提供されてもよい。次に、それらの観察された焦点をぼかされた瞳孔画像又は導出された波面データを、そのような画像又は情報が望まれる任意の用途のために使用することができる。特定の構成で特定の光学エレメントを使用する、幾つかの代替例及び変形例を備えた４つの異なる特定の実施形態が図示され、説明されたが、他の実施形態、代替及び変形を、本発明の範囲内において、ほぼ同じ結果を達成する、ほぼ同じ仕方でほぼ同じ機能を実行するため使用することができるということは当業者により容易に認められ、理解されることであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、本発明の第１の実施形態に係る波面センサーの線図である。
【図２】 図２は、本発明の第２の実施形態に係る波面センサーの線図である。
【図３】 図３Ａは、本発明の第３の実施形態に係る波面センサーの線図である。
図３Ｂは、図３Ａの波面センサーにおいて検出器上で生成された焦点がぼかされた瞳孔画像を示す図である。
【図４】 図４Ａは、図３Ａの波面センサーの変形態様の線図である。
図４Ｂは、図４Ａの波面センサーの検出器上で２つの別々の焦点がぼかされた瞳孔画像を示す図である。
【図５】 図５Ａは、図３Ａの波面センサーの別の変形態様の線図である。
図５Ｂは、図５Ａの波面センサーの検出器上で２つの別々の焦点がぼかされた瞳孔画像を示す図である。
【図６】 図６Ａは、本発明の第４の実施形態に係る波面センサーの線図である。
図６Ｂは、図６Ａの波面センサーの検出器上の単一の焦点がぼかされた瞳孔画像を示す図である。
図６Ｃは、図６Ａの波面センサーの変形態様の検出器上にある２つの別々の焦点がぼかされた瞳孔画像を示す図である。
【図７】 図７は、図６Ａのライン７−７に沿って取られた破断断面図である。
【図８】 図８は、図７のライン８−８に沿って取られた破断断面図である。
【図９】 図９Ａは、本発明の第５の実施形態に係る波面センサーの線図である。
図９Ｂは、図９Ａの波面センサーの検出器上の単一の焦点がぼかされた瞳孔画像を示す図である。
【図１０】 図１０は、図９Ａのライン１０−１０に沿って取られた光学システムの瞳孔図である。
【図１１】 図１１は、図９Ａのライン１１−１１に沿って取られた一部断面図である。
【図１２】 図１２は、図１１のライン１２−１２に沿って取られた一部断面図である。
【図１３】 図１３は、図１２の円１３における拡大部分である。

Claims (46)

1. 光源からの光波により生成された波面を検出するための波面センサーであって、
   前記光源から光波を受け取って光軸に沿った２つの別々の位置に焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成するための光学手段と、
   前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成する光波を検出するため前記光学手段に対する光軸上の所定位置に配置された検出器手段であって、該焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成する前記光波は、前記光学手段を通って該検出器手段まで略同じ距離だけ移動する、前記検出器手段と、
   前記光学手段により受け取られた光波の波面の湾曲を決定するため焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を処理するための手段と、
   を含む、波面センサー。
2. 前記光学手段は、前記検出器手段上で前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を生成するため、異なる焦点距離を持つ２つの別個のレンズを備えている、請求項１に記載の波面センサー。
3. 前記光学手段は、前記光波を、交互に前記２つの別個のレンズを通過させて前記検出器手段へと至らせるための手段を備えている、請求項２に記載の波面センサー。
4. 前記２つの別個のレンズは、前記光波を交互に該２つの別個のレンズを通過させるため、該光波の経路内に物理的に移動され、及び、該経路から外方に物理的に移動させられる、請求項３に記載の波面センサー。
5. 前記光学手段は、前記光波を、前記２つの別個のレンズを通過させて前記検出器手段へと同時に且つ別々に差し向けるための手段を備えている、請求項２に記載の波面センサー。
6. 前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、前記検出器手段上で別々の位置に形成される、請求項５に記載の波面センサー。
7. 前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、前記検出器手段上で重ね合わされ、該焦点をぼかされた２つの瞳孔画像の間を識別するための手段が設けられている、請求項５に記載の波面センサー。
8. 前記識別手段は、前記光波を偏光させるための手段を備えている、請求項７に記載の波面センサー。
9. 前記識別手段は、前記２つの別個のレンズの間で前記光波の偏光を切り替えるための手段を備えている、請求項８に記載の波面センサー。
10. 前記処理手段は、前記波面の湾曲を決定する前に、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を電気的に分離するための手段を備えている、請求項５に記載の波面センサー。
11. 前記光学手段は、前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を生成するための複屈折性レンズを備えている、請求項１に記載の波面センサー。
12. 前記複屈折性レンズは、前記検出器手段上で前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を分離するため偏心されている、請求項１１に記載の波面センサー。
13. 前記光学手段は、前記複屈折性レンズにより形成された偏光画像の間で切り替えるための可変偏光エレメントを備えている、請求項１１に記載の波面センサー。
14. 前記光学手段は、前記検出器手段の前段にコリメートレンズを備えている、請求項１に記載の波面センサー。
15. 前記光学手段は、前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成するため前記検出器手段までの距離が同じである２つの光学経路に前記光波を分割するための手段を備えている、請求項１に記載の波面センサー。
16. 前記光波を分割するための手段は、２つのリトロープリズムの間にビームスプリッターを備えている、請求項１５に記載の波面センサー。
17. 前記２つのリトロープリズムは、前記検出器手段上で前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を分離するため互いに対して傾斜されている、請求項１６に記載の波面センサー。
18. 前記２つのリトロープリズムは、前記光源からの光に対して傾斜されている、請求項１６に記載の波面センサー。
19. 前記２つの光学経路が交差するところの位置に介在された反射部材を更に備えており、該反射部材は、両方とも反射面である２つの側部を有し、これらの側部の各々が前記焦点をぼかされた瞳孔画像の一つを形成するため、該側部の一方は凹状であり、該側部の他方は凸状に形成されている、請求項１５に記載の波面センサー。
20. 前記２つの光学経路内に配置された反射部材であって、該光学経路の一方が該反射部材の一方の側部と交差し、該光学経路の他方が該反射部材の他方の側部と交差する、前記反射部材と、
    前記反射部材の一方の側部から焦点をぼかされた瞳孔画像の一方を、該反射部材の他方の側部から焦点をぼかされた瞳孔画像の他方を形成するため該反射部材を歪ませるための手段と、
    を更に備える、請求項１５に記載の波面センサー。
21. 前記反射部材を、前記凹状撓み及び凸状撓みの間で振動させるための手段を更に備える、請求項２０に記載の波面センサー。
22. 前記反射部材を歪ませるための手段は、該反射部材の歪みの大きさを調整するための手段を備える、請求項２０に記載の波面センサー。
23. 前記光学手段は、前記検出器手段に対して、前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を、等しい大きさで反対方向に焦点外しさせる、請求項１に記載の波面センサー。
24. 光源からの光波により生成された波面を検出するための波面センサーであって、
    前記光源からの光波を瞳孔を通して受け取るための光学手段であって、該光学手段の光軸上の瞳孔画像平面で焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成するための手段を有し、該焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、等しい大きさで反対方向に焦点を外される、前記光学手段と、
    ２つの等しい大きさで反対方向に焦点を外された瞳孔画像として前記光波を検出するため前記瞳孔画像平面に配置された検出器手段であって、該光波は、前記光学手段を通って該検出器手段まで略同じ距離だけ移動する、前記検出器手段と、
    前記光学手段により受け取られた光波の波面の湾曲を決定するため、前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を処理するための手段と、
    を含む、波面センサー。
25. 前記光学手段は、対象画像平面の前後で等しい距離にある、光軸に沿った２つの位置において、画像から瞳孔画像平面で焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成するため、異なる焦点距離を持つ２つの別個のレンズを備えている、請求項２４に記載の波面センサー。
26. 前記光学手段は、前記光波を交互に前記２つの別個のレンズを通過させて前記検出器手段に至らせるための手段を備えている、請求項２５に記載の波面センサー。
27. 前記２つの別個のレンズは、前記光波を交互に該２つの別個のレンズを通過させるため、該光波の経路内に物理的に移動され、及び、該経路から外方に物理的に移動させられる、請求項２６に記載の波面センサー。
28. 前記光学手段は、前記光波を前記２つの別個のレンズを通過させて２つの別々の光学経路に沿って前記検出器手段に同時に且つ別々に差し向けるための手段を備えている、請求項２５に記載の波面センサー。
29. 前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、前記検出器手段上の別々の位置で検出される、請求項２８に記載の波面センサー。
30. 前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、前記検出器手段上で重ね合わされ、前記処理手段によって、該焦点をぼかされた２つの瞳孔画像の間を識別するための手段が設けられる、請求項２８に記載の波面センサー。
31. 前記識別手段は、前記光波を偏光させるための手段を備えている、請求項３０に記載の波面センサー。
32. 前記識別手段は、前記２つの別個のレンズの間で前記光波の偏光を電子的に切り替えるための手段を備えている、請求項３１に記載の波面センサー。
33. 前記処理手段は、前記波面の湾曲を決定する前に、前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を電気的に分離させるための手段を備えている、請求項２８に記載の波面センサー。
34. 前記光学手段は、前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成するための複屈折性のレンズを備えている、請求項２４に記載の波面センサー。
35. 前記複屈折性のレンズは、前記検出器手段上で前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を分離するため偏心されている、請求項２４に記載の波面センサー。
36. 前記光学手段は、前記複屈折性レンズにより形成された偏光画像の間を切り替えるための可変偏光エレメントを備えている、請求項３４に記載の波面センサー。
37. 前記光学手段は、前記検出器手段の前段にコリメートレンズを備えている、請求項２４に記載の波面センサー。
38. 前記光学手段は、前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成するため前記光学手段に到達する前に前記光波を２つの光学経路に分割するための２つのリトロープリズムを備えている、請求項２４に記載の波面センサー。
39. ビームスプリッターが前記２つのリトロープリズムの間に設けられている、請求項３８に記載の波面センサー。
40. 前記２つのリトロープリズムは、前記検出器手段上で前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を分離するため互いに対して傾斜されている、請求項３８に記載の波面センサー。
41. 前記光学手段は、前記検出器手段上で前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成するため検出手段までの距離が同じである２つの光学経路に前記光波を分割するための手段を備えている、請求項２４に記載の波面センサー。
42. 光源からの光波により生成された波面を検出するための波面センサーであって、
    前記光源から光波を受け取り、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成する光学手段であって、各々の焦点をぼかされた瞳孔画像は該光源の光軸に沿って異なる距離にある、前記光学手段と、
    各々の焦点をぼかされた瞳孔画像を形成する光波を検出するため前記光軸上で瞳孔画像平面に配置された検出器手段であって、該光波は、該焦点をぼかされた瞳孔画像の各々を形成するため前記光学手段を通って該検出器手段まで略同じ距離だけ移動する、前記検出器手段と、
    前記光学手段により受け取られた光波の波面の湾曲を決定するため各々の焦点をぼかされた瞳孔画像を処理するための手段と、
    を含む、波面センサー。
43. 前記光学手段は、焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成するため異なる焦点距離を持つ２つの別個のレンズを備える、請求項４２に記載の波面センサー。
44. 光源からの光波により形成された波面を検出する方法であって、
    ２つの異なる位置で前記光波の焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を光学的に形成し、
    前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を検出するため該焦点をぼかされた２つの瞳孔画像の前記２つの位置から間隔を隔てられた位置で、該焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成している光波を検出し、
    前記光波の波面の湾曲を決定するため、前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を処理する、各工程を含み、
    前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像の各々を形成する際の光学経路は前記検出位置まで略同じ距離である、方法。
45. 光源からの光波により生成された波面を検出する方法であって、
    光学系の瞳孔画像平面上で鋭く合焦された入口瞳孔画像を光学的に形成し、該瞳孔画像平面から所定の距離で光波の焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を形成し、
    前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を検出するため瞳孔画像平面上の所定の位置で前記焦点をぼかされた瞳孔画像の各々を形成している光波を検出し、
    前記光波の波面の湾曲を決定するため前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像を処理する、各工程を含み、
    前記焦点をぼかされた２つの瞳孔画像の各々を形成する際の光学経路は前記検出位置まで略同じ距離である、方法。
46. 焦点をぼかされた２つの瞳孔画像が検出され、該焦点をぼかされた２つの瞳孔画像は、等しい大きさで反対方向に焦点を外されている、請求項４５に記載の方法。

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