補償光学(AO)キット

分解能ターゲットを画像化:(a)平面ミラー使用時(b)最適化された可変形状ミラー使用時。
最小のライン間隔は2 μm。

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特長

• 波面測定と制御に必要なすべての部品が含まれた完全キットとソフトウェア
• キット内容(詳細は「部品」タブをご覧ください)
• 連続可変形状ミラー
• シャックハルトマン波面センサ
• 半導体レーザーモジュール(635 nm)
• すべてのイメージング用光学素子とそれらの取付け用部品
• フル機能を備えた独立型制御ソフトウェア、Windows対応
• エンドユーザ向けカスタムアプリケーションソフトウェア開発キット(SDK)
• 880 Hz(最大値)CMOSセンサ
• 3種類の可変形状ミラー
  
  • アルミニウムコーティング付きMEMS型可変形状ミラー
    140個のアクチュエータ
  • 金コーティング付きMEMS型可変形状ミラー
    140個のアクチュエータ
  • 銀コーティング付きピエゾ素子型可変形状ミラー
    (43個のアクチュエータ(ミラーにアクチュエータが40個、あおり調整(チップ&チルト)用に独立したアクチュエーターアームが3個)

当社の補償光学(AO)キットには、可変形状ミラー(DM)、波面センサ(WFS)、制御用ソフトウェア、そして組み立てに必要なオプトメカニクス部品が含まれた完全な補償光学イメージングソリューションです。この精密波面制御デバイスは、ビーム成形、顕微鏡、レーザ通信、網膜イメージングの用途で使用されています。波面歪みを補正する閉ループシステムとして波面センサ、可変形状ミラー、ソフトウェアがどのように動作するか詳細については、上のタブをクリックするかホワイトペーパーAdaptive Optics 101をご覧ください。

可変形状ミラー
まず金コーティングかアルミニウムコーティングで140個のアクチュエータが付いたMEMS型可変形状ミラー、もしくは銀コーティングで43個のアクチュエータが付いたピエゾ素子型可変形状ミラー(ミラーにアクチュエータが40個、あおり調整用に独立したアクチュエーターアームが3個)の中から可変形状ミラーをお選びください。保護膜銀コーティング付きMEMS型可変形状ミラーDM140A-35-P01や、UV域強化アルミニウムコーティング付きピエゾ素子型可変形状ミラーDMP40-F01が付属するカスタムキットのご注文は当社までご連絡ください。 適切な可変形状ミラーを選択するための情報は「可変形状ミラー」のタブでご覧いただけます。

波面センサ
下記の補償光学キットには、CMOSベースのシャックハルトマン波面センサ(高速タイプ、Max880Hz)が付属します。標準タイプ、大開口タイプ、または高速タイプの波面センサで構成したカスタムキットもご提供可能ですので、ご要望を当社までご連絡ください。

• Ø10 mm入射瞳径内のミラー表面における最大のPeak-to-Valley (PV)ストローク値。 波面の振幅は2倍となります。収差の最大補正値は、同時にほかの収差が補正されていないと仮定しています。 2種類以上の収差が同時に補正されている場合には、この値は減少します。

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回路基板に取り付けられたピエゾ素子型可変形状ミラー。ミラー縁の周りに見える3つのピエゾセラミックアームがあおり調整(チップ&チルト)を補正します。

MEMS型可変形状ミラーの電気接続部。チップのワイヤが見えるよう拡大しています。

可変形状ミラーの選択

収差を補正し、平坦な波面の実現に適した可変形状ミラーの最適形状は、収差を含んだ波面プロファイルに対して、ミラーの表面形状がフィットし、かつ、ミラーの収差振幅が波面プロファイルの半分である必要があります。ただし、以下の要因により、可変形状ミラーが実際に補正できる波面の範囲は制限されます。

• アクチュエータのストロークは、可変形状ミラーアクチュエータのダイナミックレンジ(つまり、アクチュエータの最大変位)と同じ意味で、通常ミクロン単位で測定されます。アクチュエータのストロークが不十分な場合、補正できる収差振幅は制限され、制御ループは収束せずに、性能は下がってしまいます。
• アクチュエータの数は、波面制御システムの自由度、すなわち補正できる波面の複雑度を制限します。
• 可変形状ミラーの速度は、変動が速い波面の補正には重要です。ヒステリシスを示すミラーの場合(つまりピエゾ素子型可変形状ミラー)、制御ソフトウェアにより適切な印加電圧を計算を行う必要がありますが、これによりミラーの速度は遅くなります。
• 対応する光パワーもミラーのコーティングやアクチュエータの設計により異なります。当社のミラーでは、ピエゾ素子型可変形状ミラーはMEMSシステムに比べて対応する光パワーが大幅に高くなります[最大1 J/cm² (1064 nm、10 ns、10 Hz、Ø10 mm)]。カスタムコーティングを施し、レーザ共振器内で動作させることも可能です(詳細は当社までお問い合わせください)。
• ピエゾ素子型可変形状ミラーにおけるヒステリシスとは、ある電圧値に設定する場合、高い電圧値から近づけた場合と低い電圧値から近づけた場合で、ミラーセグメントの変位量が異なることを意味しています。当社のAOK7/MならびにAOK9/Mシリーズのキットはピエゾ素子型可変形状ミラーを使用しているため、ヒステリシス補償も組み込んでいます。MEMS型可変形状ミラーを使用するAOK1ならびにAOK5シリーズのキットにはもともとヒステリシスは生じません。ピエゾ素子型可変形状ミラーのヒステリシス補償は、ミラーを開ループ制御で操作時にはオフにすることができます。オフにすることで速度は速くなります。

上記の要因のうち、最初の4つは可変形状ミラー自体の物理的な制限によるものですが、ヒステリシスは、制御ソフトウェアとミラー自体の物理的な制限の両方またはそのどちらかによるものです。また、可変形状ミラーコーティングとミラーヘッドに取り付けられた保護ウィンドウの波長範囲が、使用用途に適している必要があります。

比較

当社のピエゾ素子型可変形状ミラーはストロークが大きいため、MEMS型可変形状ミラーと比べてより大きい波面偏差を補正できます。しかし、ミラー検出部のアクチュエータの密度がMEMS型可変形状ミラーより低いため、MEMS型可変形状ミラーほど(面内の)細かな波面偏差補正はできません。ピエゾ素子型可変形状ミラーにはヒステリシスが起きますが、制御ソフトウェアに組み込まれたヒステリシス補償がこの影響を最小限に留めています。

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12 x 12のアクチュエータ Multi-DM

12 x 12のMEMS型可変形状ミラー

• 12 x 12のアクチュエーターアレイ(140アクティブ型)
• アクチュエータの最大移動量:3.5 μm
• 最高3.5 kHzの高速駆動
• アクチュエータの間隔:400 μm
• アクチュエータ間の低いクロストークにより高空間分解能が実現
• ヒステリシスのないアクチュエータ動作
• 14ビット駆動回路によるナノメートルレベル以下の再現性
• ベンチトップまたはOEM製品への組み込みに適した、高電圧電源内蔵の小型駆動回路

Boston Micromachines社(BMC)とのパートナ提携によって、当社では補償光学キットの一部としてBMCのマルチ微小電子機械(MEMS)可変形状ミラーをご提供しています。これらの可変形状ミラー(DM)は高度な光波面制御に適しており、歪みの大きい波面の単色収差(球面、コマ、非点、像面湾曲、歪み)を補正することができます。MEMS可変形状ミラーによる波面補償は、その多様性や技術の完成度および高分解な波面補償能力のため、波面成形の用途で現在最も広く使われている方式です。

MEMS型可変形状ミラーの構造
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こちらの可変形状ミラーはポリシリコン表面を微細加工して製造されており、取り扱いが簡単なパッケージに納められた状態で精密な収差補償を行います。ミラーは140個の静電アクチュエータ(つまり12 x 12のアクチュエーターアレイ、四隅のアクチュエータは不活性)により形状が可変するミラー膜で構成されています。これらのアクチュエータはヒステリシス無しで3.5 μmのストローク(波長632.8 nmにおいて11波長)を提供します。

ミラーは金(-M01)またはアルミニウム(-P01)の反射コーティングでご用意しております(上の表をご覧ください)。いずれのミラーも400～1100 nm用広帯域ARコーティング付き6°のウェッジウィンドウで保護されています。詳細は下のコーティング曲線グラフをご覧ください。保護膜付きウィンドウはカスタムコーティングでご提供可能です。当社までお問い合わせください。

BMC社製のマルチDMも別途ご用意しております。詳細はこちらをクリックしてご覧ください。

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ミラーDM140A-35のARコーティング付き6°ウェッジウィンドウの反射率

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金属コーティング付きミラーDM140A-35の反射率

43個のアクチュエータ付きピエゾ素子型可変形状ミラー

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43個のアクチュエータ付き可変形状ミラーDMP40(/M)-P01

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可変形状ミラーDMP40(/M)-P01の扇形状のアクチュエーターアレイとバイモルフアーム

• ミラーは、ピエゾ素子セラミックディスクに付いている40の電極によって形状可変
  (右の図参照)
• ミラーの縁に付いている3つのアームがあおり調整(チップ&チルト)を補正
• 有効エリアがØ10 mmの保護膜付き銀コーティング付きミラー
• 1組み込まれたヒステリシス補償
• 最大アップデートレート:4 kHz
• ミラーヘッドには高電圧ドライバが内蔵
• ミラー制御用ソフトウェアプログラムにヒステリシス補償を組み込み済み

当社では、MEMS型ミラーよりも大きなストロークが必要な用途向けに、ピエゾ素子型可変形状ミラーDMP40/M-P01が付属する補償光学キットをご用意しております。保護膜付き銀コーティングミラーは450 nm～20 µmの波長の光に対応する設計で、有効エリア(入射瞳径)は10 mmです。このタイプの可変形状ミラーは、非点収差やコマ収差(詳細は「収差の種類」参照)など一般的に起こる波面収差による歪みの補正に適しており、あおり調整(チップ&チルト)用に別の機構も付いています。可変形状ミラーを効果的に補償光学用途に用いるためには、入射ビーム径が可変形状ミラーの入射瞳径以上ある必要があります(1/e²ビーム径を入射瞳径に合わせることが一般的な方法です)。また、波面センサ用ソフトウェアで定義する入射瞳径が可変形状ミラーの入射瞳に合うよう調整する必要があります。

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ピエゾ素子型可変形状ミラーの構造

ミラーアセンブリは、保護膜付き銀コーティングが施された薄型のガラスディスクが円形のピエゾセラミックディスクに接着剤で接着されている構成です。ディスク背面に付いている電極は40のセグメントに分かれ、扇形状のパターンに配列されています。扇形状パターンは右の図、ミラー、ピエゾセラミックディスク、電極の断面については左の図をご参照ください。各セグメントは0～200 Vの電圧を印加することによりそれぞれ単体で制御されます。電極に100 Vを印加すると表面が平坦になる設計です(右下の図をご覧ください)。

40個のアクチュエータのほかに、ピエゾ素子ディスクの縁には3個のアームが付いています。アームに電圧をかけると接続部分のミラーの高さが変化します。アームを3つ使用することにより、ミラーをどの方向にも±2 mrad以内で傾けることができます。各アームに同じ電圧を印加するとミラーはチルト角度を保ちながら表面に対して平行に移動するので、位相変調に使用できます。

ピエゾ素子型可変形状ミラーはすべてヒステリシスが起こりますが、ミラー用のソフトウェアパッケージにはヒステリシス補償が組み込まれており、影響を最小に留めています。

これらの可変形状ミラーは別売りでもご提供しております。詳細はこちらをクリックしてご覧ください。

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保護膜付き銀コーティングのエクセル形式データ
青い領域は、保護膜付き銀コーティングをご使用になる際に推奨する波長範囲です。この帯域の外側(特に反射率のグラフに変動や傾斜がみられる範囲)は品質管理の面で厳密に測定されたものではなく、ロット毎にバラつきがある可能性があります。

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グラフは40個のミラーセグメントすべてに0～200 Vの電圧を印加し、変形させた時の、DMP40の典型的なヒステリシス曲線です。上のグラフでヒステリシスは黒線で示されています。

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λ/100の高感度・高速CMOS波面センサ

シャックハルトマン波面センサ

• CCD波面センサ、または高速CMOS波面センサ
• 波長範囲：300～1100 nm
• 波面ならびに強度分布をリアルタイムで測定
• 回折限界に近いスポットサイズ
• 連続(CW)光源ならびにパルス光源用
• 柔軟性のあるデータエクスポートオプション(テキストまたはエクセル形式)
• TCP/IPを介したデータのライブ読み出し

当社のAOキットにはCCD波面センサ WFS150-5C または高速CMOS波面センサWFS20-5C/Mが付属しています。 これらのシャックハルトマン波面センサを用いて波面の歪みを検出することができ、検出された歪みは可変形状ミラーで修正できます。波面センサは、最大λ/100 RMS(5.0 µmピクセルピッチ)の波面感度を有し、880 Hzのフレームレートで動作します。このセンサは、AOキットAOK5ならびにAOK9に付属しています。

CMOS波面センサは別途お買い求めいただくことも可能です。

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アプリケーションソフトウェア

製品が届いた時点で直ぐにお使いいただけるように、このAOキットには完全な機能を備えた独立型制御用のプログラムが付属しています。このプログラムは、Windows 7、8または10に対応しています。ソフトウェアでは、シャックハルトマン波面センサからの信号を分析して可変形状ミラーに印加する電圧を生成することで、波面収差を最小化することができます。 また、可変形状ミラーのアクチュエータの制御電圧、波面の補償、強度分布をリアルタイムでモニタすることができます。 このアプリケーションソフトウェアは、AOキットのフル制御機能を提供することから、研究開発や、補償光学に基づく教育パッケージを開発するために適したツールとなります。 カスタム仕様の用途でお使いいただくために、ソフトウェア開発キットも付属しています(下記参照)。

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可変形状ミラー制御

可変形状ミラー制御

MEMS型可変形状ミラー

• 可変形状ミラーのアクチュエータの変位量のリアルタイム表示(ミラーに対する印加電圧に基づく)
• スプレッドシートに類似したわかりやすい数値インターフェイスにより、アクチュエータの変形数値をお客様側で入力可能
• ミラー表面形状の保存・呼び出し

MEMS型可変形状ミラー(DM)制御では、アクチュエータの変位をnm単位でユーザ入力できるスプレッドシート状の数値インターフェイスに加え、DMの表面形状を図形で表示することもできます。 アクチュエータの変形量は、個別に、または選択したグループ毎に変更できます。 DMの実際の形状は隣接するアクチュエータからの影響により、設定値と僅かに異なることがあります。

特定のミラー形状の読み込みと保存を行うことができ、これにより固有で特定のミラー形状のライブラリを作成し、後でボタンをクリックするだけで呼び出すことができます。

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ピエゾ素子型可変形状ミラーの制御

ピエゾ素子型可変形状ミラー

• ミラー変形の視認と制御用のGUIインターフェイス
• 各セグメントの電圧制御、またはミラー表面全体へのゼルニケ多項式の適用
• ミラー表面のあおり調整(チップ&チルト)

ピエゾ素子型可変形状ミラー用の制御画面は5つのセクションに分かれています。メインのセクションではミラーセグメントとアームがグラフィック表示され、印加電圧に応じて色分けされます。ミラーの40個のバイモルフ型ピエゾアクチュエータは放射状に配置され、ゼルニケ多項式による形状をミラー表面に適用できるようになっています。この画面右のサイドバーでは、Z₄～Z₁₅のゼルニケ項を独立に適用して制御することができます。可変形状ミラーの図の上部にあるSegment Controlセクションでは、各ミラーセグメントの電圧を調整することができます。またこのミラーディスクのエッジ部分には3つのスパイラルアーム状のバイモルフ素子が付いており、これによりミラー表面全体のあおり調整(チップ&チルト)を行います。この調整はTip/Tilt Controlsで行うことができます。

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シャックハルトマンスポットフィールド

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シャックハルトマン波面

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シャックハルトマンスポット重心位置、基準位置、偏差

シャックハルトマン制御

• 4つのタブ表示
• 直接測定された波面センサのスポットフィールド
• 測定波面(右図)
• 波面頂面の等高線プロット
• 測定されたゼルニケ係数
• 測定波面は拡大縮小、回転可能
• 波面センサへのアクセスが容易、それぞれのタブで表示制御
• 測定波面、基準波面、波面差の表示
• 最小および最大閾値の設定によりちらつきを除去
• スポット重心や基準スポットの表示を選択可能(右図の例を参照のこと)

スポットフィールドのウィンドウ(右端の図)では、カメラの露光時間と利得を設定できます。 瞳制御により、ユーザ定義の円形瞳内で波面データの解析を行うことができます。 右端および右下の図に示されているように、スポットのカメラ画像(白い斑点)、スポット重心位置(赤の×印)、基準位置(黄色の×印)、偏差(赤と黄色の×印の間の白線)、および輝度レベルが簡単にスポットフィールドのウィンドウに表示されます。

上に述べたカメラ制御に加えて、波面表示で、測定した波面、基準波面、またはこれら2つの波面間の差を表示するオプションがあります。 波面プロット用には事前に規定された視野角がありますが、お客様側で調整することもできます。

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ゼルニケ関数の生成

ゼルニケ波面の生成機能

• 基準波面を制御可能
• 瞳径と位置をサンプリングしてゼルニケ係数を定義
• ゼルニケ多項式の最初の36項を用いて基準波面を定義
• 現在の測定波面を基準波面として設定可能
• 3次元の表面形状または2次元の等高線イメージ

波面発生器の制御プログラムは、ゼルニケ多項式の最初の 36 項を組み合わせて、基準波面を作成することができます。ゼルニケ係数は、スプレッドシート状のグリッドに入力されます。 作成された波面の画像表示には、波面の最小値、最大値、および 波面差分の最大値が示されます。

波面生成制御ウィンドウでは、現在の測定波面を表示し、これを基準波面として設定することができます。 これらの基準波面を保存して、後で呼び出すこともできます。

ソフトウェア開発キット

補償光学(AO)キットには、お客様の用途に対応できるよう、異なるプラットフォームと互換性のある柔軟なダイナミックリンクライブラリ(DLL)形式のソフトウェ ア開発キット(SDK)、および使いやすいグラフィカルユーザーインターフェイス(GUI)のWindows用アプリケーションソフトウェアが含まれております。 SDKは、お客様のシステムに、補償光学の計測、制御、数学関数を簡単に統合できるように設計されていますので、研究、開発、教育用途などにお使いいただけます。 アプリケーションソフトウェアによって、補償光学キットの可変形状ミラーとシャックハルトマン波面センサの直接的に相互作用が成立します。また、GUIにより所望の機能の詳細情報に関するポップアップツールチップを提供します。

SDKメモリ管理
SDKのユニークな特長は汎用性の高いメモリ構造にあります。 SDKには、C言語、Visual Basic、LabVIEW、また標準のDLLのインターフェイスが可能な他の言語などの幅広いプログラミング環境と互換性があります。 これらの言語は、それぞれの方法でデータメモリを割り当てます。 プラットフォーム間の互換性とパフォーマンスを最大限にするために、SDK自身のデータ領域とユーザーソフトウェアが割り当てたデータ領域とを容易に使用できるように、SDKは柔軟なメモリ構造を採用しています。

補償光学キットには、WFS150-5CのCCD型またはWFS20-5Cの高速CMOS型シャックハルトマン波面センサ、ピエゾ素子型またはMEMS型可変形状ミラー、そして制御用ソフトウェア(Windows 7、8、10対応)のほかにも光源、コリメート/イメージング用光学素子、ならびに右図1に描かれているレイアウトを構築するために必要な取付け用部品がすべて含まれています。なおブレッドボードは含まれておりませんのでご注意ください。

下の図2は、組み立て済みの補償光学キットAOK5-UM01を別々の方向から見た写真です。他の補償光学キットも同様のレイアウトになりますが、部品が若干異なります。部品のリストは「部品」タブ内の表をご覧ください。ケージ部品は3つのアライメント済みサブアセンブリに分けてあり、お客様にご用意いただくブレッドボードに配置する必要があります。2つの組み立て済みケージアセンブリは、組み合わせてビームウェストを可変形状ミラーの表面上に結像させるためのユニットで、3つ目の組み立て済みケージアセンブリは、ビームウェストをシャックハルトマン波面センサの表面に結像させるためのユニットです。

当社の30 mmケージアセンブリは、Ø6 mmケージロッドで連結されているケージシステムに対応する部品類から構成されています。この設計により、ケージシステム内の光学素子は共通の光軸を持つことができます。

補償光学キットの基本構造はすべて同じですが、異なるレンズやミラーを使用では可変形状ミラーのコーティングや入射開口が異なります。ここではAOK5-UM01のレイアウトを説明しています。各キットに含まれる光学素子は下の表でご覧いただけます。

AOK5-UM01のはじめの2つの組み立て済みケージアセンブリには、半導体レーザ光源、焦点距離75 mmのレンズが4つ、90°偏向ミラーが2つ、そしてU型ベンチが使用されています。635 nm半導体レーザーモジュール(図2の①)は波長635 nmでおよそ0.3mWの光を出力しますが、これはケージプレートCP02(図2の②)の中に納められています。このモジュールから出た光は、金コーティング付きミラーPF10-03-M01が収納された2つの直角キネマティックケージマウントKCB1(1つ目は図2の④のマウント)に向かって進みます。このミラーの平均反射率は800 nm～20 µmの帯域において＞96%となっています。

AOK5-UM01は2つの75 mm焦点距離レンズLA1608-B(1つ目のレンズは図2 ③の移動レンズマウントCXY1の中、2つ目は図2の⑤のケージプレートCP02の中に納められています)を使用し、ビームウェストを30 mmケージシステム用U型ベンチCB1(図1ではX、右の図2では⑥)の中心に結像させています。試料はこの像面に置くことになります。さらに2つのレンズLA1608-B(1つは図2⑧のマウントCXY1の中、もう1つは⑦のマウントCP02の中)がビームウェストを可変形状ミラー(⑨)上で結像させるために使われます。ビームウェストが可変形状ミラー上にあることで、収差を補正する場合においても必要となる駆動領域が最小化できます。

この可変形状ミラーによっておよそ35°の浅い角度で反射したビームは3つ目の組み立て済みのケージに入射します。このケージ部分には、さらに2つの焦点距離75 mmのレンズが使われていますが、これらも前述の場合と同じようにケージプレートCP02(図2の⑩)と移動レンズマウントCXY1(図2の⑪)に納められています。これらのレンズは、可変形状ミラーと、シャックハルトマン波面センサのマイクロレンズアレイが共役な平面上に設置されるために使われます。このように構成することで、補償光学キットのソフトウェアにより可変形状ミラーのアクチュエータの動作を最適化できます。

3つ目のケージサブアセンブリの後に続くのは、92:8のペリクルビームスプリッタ(図2の⑫)で、これが光の一部を補償光学キットの最後の主要部品であるシャックハルトマン波面センサ(⑬)に導く役割を果たします。ビームスプリッタの透過光の一部は、ビームブロック(⑭)でブロックすることができます。このブロックはアライメントディスクSM1A7を使用しています。用途にしたがって、ビームブロックを取り除けば別の光学系に入射することができます。

補償光学キットに含まれる光学素子に関する注意点:
すべての補償光学キットには同様の光学部品や機械部品が入っています。キットによって異なる光学素子のリストは下の表に記載されています。

光学的イメージ形成システムでは、1つの点光源に対して1つの像点が生成されることが理想です。このガウシアン光学(近軸光学または1次光学ともいう)の理想形からの逸脱が収差であり、収差は大きく分けて2種類あります。1つは単色収差で、もう1つは色収差(複数の波長が存在する)です。収差が存在する場合は、ピーク強度が減少し、ターゲットに到達する画像やレーザービームにボケが生じます。下記では7種類の主な収差を説明していますが、5つは単色収差で、残りの2つは色収差です。可変形状ミラーは、波面から全ての種類の単色収差を取り除くことが可能で、回折限界性能を持つ光学素子が光学系に用いられない場合においても、理想的な回折限界の画像を生成します。

単色収差

単色収差には、主な収差が5種類があり、さらに画像を劣化させる収差(球面収差、コマ収差、非点収差)と、画像を歪ませる収差(像面湾曲と歪曲)の2つのサブグループに分類させることができます。これらの収差は、光線が主軸に対し小さな角をなすことを仮定する1次理論(sinθ≈θ)から逸脱した直接的な結果です。sinθ≈θのステートメントは近軸光学の基礎を形成するものですが、レンズ周縁部への入射光においては、このステートメントは有効ではなく、下記展開式の他の項も考慮する必要が出てきます。

5つの単色収差を最初に研究したLudwig von Seidel氏により、これらの収差をザイデル収差(Seidel Aberrations)とも呼びます。sinθの展開は、無限和であるので、収差は下記で言及されている5つの単色収差に限定されるものではなく、他にも画像劣化への影響は比較的小さいながらも、さらに高次の収差があることは念頭に置いておく必要があります。可変形状ミラーでは表面形状を変えることができるので、このような種類の単色収差には全て対応できるようになります。

1)球面収差

入射する平行光線にとって理想的なレンズは、図1aにあるように光軸上に焦点を結ぶもので、理想的な条件下において光軸上の点光源の像は、薄い円環に囲まれ た明るい円盤状になります図1bで図示されている像で、エアリー回折パターンと呼ばれます。しかしながら、実際には球面状の凸レンズの光軸から遠い位置で入射した光は、光軸に近い位置で入射した光と比べてレンズに近い位置で収束します(図1c)。結果的に、光は単一の焦点に収束することができずに、画像はぼやけてしまい、殆どの光が中心の明るい円形の領域に集中するエアリー回折パターンは生成されず、球面収差が中心の円盤状の領域から周囲の円環へと一部の光が散らばるので(図1d)、画像のコントラスト比が小さくなります。球面収差が生じる場合、非補正のレンズにとって最適な焦点は、周縁部と近軸光線の焦点面の間となります。なお、球面収差は点光源が光軸上にある状況でのみ起こる点にご留意ください。

2)コマ収差

コマ或いはコマ収差は、点光源の像を劣化させる収差で、点光源がわずかでも光軸外にずれた時に発生します。光軸外の光がレンズに入射するとき、光のレンズ上の入射位置によって光の屈折量は異なります(図2a)。結果的に各光の環帯は、像面上に少しずつ異なる高さとスポットサイズで焦点を結び(図2b)、横方向への拡大倍率が異なる結果となります。点光源の像は、上の図1bのエアリー回折パターンとは大きく異なる図2cのような複雑で非対称の回折パターンとなります。この像では中心が明るく、三角形のフレアがあります。コマ収差の「コマ」は、このような長い光の尾を持った彗星(コメット)のような形状に由来しているといわれています。コマ収差がマイナスかプラスかによって、その光の尾が光軸に向かって出るか、その反対の方向に出るかが決まります。コマ収差は、像に非対称を引き起こすので、多くの場合、最も悪い種類の収差と考えられています。

3)非点収差

非点収差は、コマ収差と同様に、点光源が光軸から離れた位置にあるときに生じます。このような条件下では、光の入射円錐はレンズに斜めに入射し、2つの基本曲率で表される屈折波面により、2つの異なる集光点が生じます。図3aで見られるように、タンジェンシャル面正接面(メリディオナル子午面ともよばれます)と、サジタル面矢状面がありますが、タンジェンシャル面は主光線(点光源が発するレンズ中心を通る光線)と光軸で決定され、サジタル面は、主光線を含むタンジェンシャル面に対して垂直な面です。図3aでは、主光線に加え、さらに2つの軸外の光線が図示されています。1つの光線はタンジェンシャル面を通り、もう1つの光線はサジタル面を通っています。複雑で複数の素子を含むレンズシステムの場合(顕微鏡用対物レンズやASOMシステムなど)では、タンジェンシャル面はそのシステムの端から端にわたって単一面ですが、通常はレンズシステムの中の様々な種類の部品が主光線の伝搬方向を変化させるので、サジタル面の傾きは、そのレンズシステム内で変化することになります。その結果、一般的には、これらの面ごとに焦点距離が異なることとなります(図 3b参照)。サジタル面の焦点とタンジェンシャル面の集光点が一致している場合においては、点光源はレンズの軸上にあり、非点収差は存在しないということになります。しかしながら、非点収差の度合いが大きい場合は、この2つの焦点間の距離は増大し、画像の輪郭がぼやけることになります。理想的には点画像が生成される場合において非点収差があると、ぼやけて複雑な一方向に伸びた回折パターンが生じて線のような像が得られることになります(図 3cと3d参照)。

4)像面湾曲

殆どの光学システムでは、像は平面に生成される必要があります。しかし現実には、軸外収差がないレンズは、ペッツヴァル局面とよばれる曲面に結像します。ぺッツヴァル曲率とよばれるこの表面上の曲面は、レンズの半径の逆数と一致します。正レンズにおいて、曲面は光源面に向けて湾曲しており、負レンズにおいて曲面は光源面にから遠ざかるように湾曲しています。像面湾曲収差は、本来曲面上に生成されている画像を無理に平面上に映し出そうとすることが原因で生じます。像面湾曲がある場合、画像の中心と周縁部の両方においてシャープな画像を得ることは不可能です。焦点面がペッツヴァル曲線の頂点(図4における位置A)に移動すると、画像の中心部分にピントが合って周縁部がぼけるので、外側の画像詳細の判別が不可能になります。これとは逆に、焦点面がペッツヴァル曲線の外縁部(図4における位置B)に移動すると、反対の結果が得られます。つまり画像の周縁部にピントが合って中心部がぼけるわけです。このように極端な画像となることを避けるために最適な妥協案は、像面をペッツヴァル曲線の頂点と周縁部の中間のどこかに設定することですが、いずれの位置であっても画像が視野内全部でシャープ且つはっきりした画像を得ることはできません。

5)歪曲収差

5つめのザイデル収差が歪曲収差です。この収差には各点では焦点がきっちりと合っていても画像全体が歪むという特徴があり、他の全ての単色収差がないときに簡単に識別できる収差です。通常のレンズの異なる場所では、焦点距離や拡大率が異なりますが、歪曲収差はその影響で生じます。レンズシステムで歪曲収差が存在しない時、結像は対象物の完全な相似形となります(図5b参照)。しかしながらこの収差が生じるとき、軸外点は像側において通常より遠く又は近い距離で投影され、それぞれ糸巻型(ピンクッション型)の画像(図5a参照)、または樽型の画像になります(図5c参照)。

色収差

上で説明した全ての単色収差は、当社の補償光学キットに含まれている可変形状ミラーを使うことで補正できます。しかしながら、広帯域光源を使用する際は、色収 差が発生する場合があります。色収差は可変形状ミラーでは補正はできないので、この収差ついては簡単な説明に留めます。色収差には2種類あり(横収差と縦収差)、これは入射光の波長によってレンズにおける屈折率が異なることが原因で起こります。青色光の方が赤色光より大きく屈折する傾向があるので、レンズは全ての色を同じ焦点に結ぶことができません。この結果、各色について画像サイズや焦点にわずかなバラツキが発生し、画像の周りにハロー(光輪)が生じます。一般的には、ヒトの目はスペクトル中の緑色光に最も敏感であるので、レンズの焦点をその領域に合わせるようにします。この条件下で像面をレンズに近づける(あるいはレンズから遠ざける)と、ぼやけた画像の周縁部は微かに赤み(あるいは青み)を帯びます。　

はじめに
軸外走査技術は光コヒーレンストモグラフィ(OCT)、共焦点顕微鏡法や走査型補償光学顕微鏡法(ASOM)等、様々なイメージング分野で多く採用されています。 補償光学素子がなければ、このようなイメージング技術を使用して得られた画像は「収差」のタブでご説明した軸外収差の悪影響を受けることになり、分解能、あるいは視野範囲のいずれかを犠牲にする選択を迫られます。しかし、可変形状ミラーによってこの問題は解決できるようになりました。補償光学システムにおける可変形状ミラーの役割については、「AOチュートリアル」のタブをご参照ください。

図1. 左：当社のASOMシステムの概略図で、カスタム仕様の走査レンズ、高速ステアリングミラー、12 x 12個の静電アクチュエータを使用した4.4 mm x 4.4 mmのDM 、そしてCCDカメラで構成されています。右：ASOMシステムの写真。

例: ASOM
右の図1にある当社の走査型補償光学顕微鏡(ASOM)を一例としてあげます。この顕微鏡では、 高速ステアリングミラー、広い開口部を持つ走査レンズ、そして微小電気機械システム技術(MEMS)を用いた可変形状ミラーを合わせて使用することで、 分解能(全視野範囲にわたって 1.5 μm)と高速の画像取得能力(30 fps)の両方を維持しながら、広い視野範囲(Ø40 mm)が確保されています。試料上の画像取得領域の変化（高速ステアリングミラーの方向を変えて変更します）に合わせて、可変形状ミラーが走査レンズによる軸外収差を補正します。その結果、広範囲で合成された視野範囲の全体に渡って、回折限界の1.5 μm の分解能が保証されます。

ASOM は、小さくて連続した空間的に分離された画像を高速で続けて取得し、それをつなぎ合わせて大きな合成画像を生成します。過去においても モザイク手法は、分解能を維持しながら視野範囲を広げる目的で採用されてきましたが、それを可能にするには移動ステージが必要でした。それに対してASOMでは、高速の2Dミラー、特別設計の走査レンズアセンブリ、可変形状ミラーと追加の光学素子を組み合わせてこの問題を解決しています。

図2で示されているASOM用の走査レンズアセンブリ (SLA)は、平面に結像しなければならない従来の顕微鏡用対物レンズと異なり、曲面の視野(レンズに固有の視野形状。詳細については「収差」 のタブ中にある像面湾曲の項目を参照)に対応しています。このことで、光学システムの設計がシンプルになり、必要となるレンズ素子の数も減りました。この図には、4つの異なる走査角度の位置が示されています。青い線が、軸上走査時の光路で、緑、赤と黄色の線は異なる軸外走査角度での光路を示しています。図示されているそれぞれの走査角度について、波面センサのイメージタイルの中心からの直線的な変位の関数としての波面収差が示されています。

図 2. 走査型補償光学顕微鏡(ASOM)では、曲面の視野を利用するので、図示されているように走査レンズの組立てが非常に単純になります。青、緑、赤と黄色の光路は、様々な軸外走査角度 (それぞれ0^o、2 ^o、4 ^oと6 ^oの 時)の結果を表しており、各走査角度で形成される波面収差も図示しました。グラフでは、(光波の)収差を波面センサタイル上の位置の関数として表しています。なお、走査角度と関係なく、いずれの場合でも収差はイメージタイルの中心点の上にはありません。図に示した収差は、全種類の収差を含みます。

このシステムにおいて、開口の大きな走査レンズとシステムの全体レイアウトは、像面湾曲に対応するために特別に設計されましたが、コマ収差や非点収差等その他の全ての軸外収差(詳細な説明は「収差」のタブ内参照)はASOMシステム内に依然として存在しています。これらの収差は、走査範囲全体に渡って各視野位置に関して可変形状ミラーで補償されます。図3では、高速ステアリングミラーの任意の角度位置に対する可変形状ミラーの最適形状を示しています。

図 3. 2Dステアリングミラーの角度位置が観察可能な視野位置を決定します。ここでは様々なミラー位置に関して、Y軸に沿った5つの点上での像を表示しています。(a) で図示されている高速ステアリングミラーの角度位置に対して、適切な可変形状ミラーの形が(b)で図示されています。なお、各視野位置で画像を修正する上で必要なDMのトポロジ(位相幾何学)は自明ではありません。

図 4. 画像化したAir force target： (a)平面鏡使用時、(b)最適化された可変形状ミラー使用時。最短のラインの間隔は2 μm。

可変形状ミラーの優れた波面補正能力が図4で図示されています。Air force targetイメージを(a)平面鏡を使って取得した場合、(b)可変形状ミラーで取得した場合、を比較しています。(a)の画像は完全にぼやけていて、殆ど図形を認識することができません。これに対して(b)の画像では、間隔がわずか 2 μmの最も小さなラインでさえはっきりと認識できます。

Adaptive Optics Enhances Multiphoton Retinal Images

Featured Researchers: J. M. Bueno, E. J. Gualda, and P. Arta

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