補償光学(AO)キット

分解能テストターゲットの画像: (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。最も微細なラインの間隔は2 μm。

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特長

• 波面の測定と制御をすぐに開始できるコンプリートキットとソフトウェア
• 1個の可変形状ミラーを用いた製品と、2個の可変形状ミラーでWoofer-Tweeterを構成する製品をご用意
• キット内容(詳細は「部品」タブをご覧ください)
• 1個または2個の連続可変形状ミラー
• シャックハルトマン波面センサ(最大フレームレート880 fpsのCMOS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)
• 保護膜付き銀コーティングの可変形状ミラーは下記から選択可能
  
  • 140個のアクチュエータで構成されたMEMS型可変形状ミラー
  • 40個のアクチュエータで構成されたピエゾ素子型可変形状ミラー
• ミラーの種類とコーティング、および波面センサについてカスタマイズしたキットもご用意できますので、当社までご連絡ください(詳細は下記のカスタムAOキットをご参照ください)。

当社の補償光学(AO)キットは、1個または2個の可変形状ミラー(DM)、波面センサ(WFS)、制御用ソフトウェア、および組み立てに必要なオプトメカニクス部品で構成された補償光学イメージングのためのコンプリートキットです。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、網膜イメージングなどのほか、教育用としても有用です。波面歪みを補正する閉ループシステムが、波面センサ、可変形状ミラー、ソフトウェアの組み合わせによって動作する仕組みについては、上の複数のタブやホワイトペーパーAdaptive Optics 101をご覧ください。

当社では、1個のMEMS型可変形状ミラーまたはピエゾ素子型可変形状ミラーをベースにした補償光学(AO)キットのほかに、両方の可変形状ミラーを用いたキットAOKWT1/Mもご用意しております。このWoofer-Tweeter AOシステムでは、2種類の可変形状ミラーが共役面に置かれ、1つのミラー(Woofer)が低次収差、もう1つのミラー(Tweeter)が高次収差を補正します。

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。1個の可変形状ミラーを用いたAOキットには450 mm x 600 mmのブレッドボード(例：MB4560/M)、2個の可変形状ミラーを用いたAOキットには600 mm x 600 mmのブレッドボード(例：MB6060/M)をお勧めしています。キットには、光学テーブルやブレッドボードに取り付けるためのM6ネジは付属しておりませんのでご注意ください。

可変形状ミラー
下記のキットには、保護膜付き銀コーティングの施されたMEMS型可変形状ミラー(アクチュエータ数：140個)、またはピエゾ素子型可変形状ミラー(アクチュエータ数：40個)が含まれています。Woofer-Tweeterキットには両方のミラーが含まれています。MEMS型またはピエゾ素子型可変形状ミラーをカスタマイズしたキットのご注文については、当社までご連絡ください。詳細は、下記のカスタムAOキットをご参照ください。

波面センサ
下記の補償光学キットにはCMOSをベースにした高速のシャックハルトマン波面センサ(最大フレームレート：880 fps)が付属します。カスタムキットもご提供可能です。詳しくは当社までお問い合わせください。

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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。ミラーの外縁を囲んでいる3つのピエゾセラミックアームはあおり調整(チップ&チルト)に使用されます。

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に拡大されています。

可変形状ミラーの選択

収差を補正して平坦な波面を得るには、可変形状ミラーの表面は収差プロファイルを補完する形状である必要があり、しかしその振幅は収差の半分であるのが理想です。しかし、以下の要因により、可変形状ミラーで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(最大変位)と同じ意味で、通常マイクロメートル単位で表されます。アクチュエータのストロークが不十分な場合、補償できる収差の振幅は制限され、制御ループは収束せずに性能は低下します。
• アクチュエータの数によって波面制御システムの自由度が制限され、従って補正できる波面の複雑さが制限されます。
• 急速に変化する波面を修正するには、可変形状ミラーの速度が重要です。ヒステリシスを有するミラー(ピエゾ素子型可変形状ミラー)の場合、適切なミラーの変位量を得るのに必要な電圧を制御ソフトウェアで計算する必要があり、それによりミラーの速度は遅くなります。
• 対応可能な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可能な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、レーザ共振器内で使用することも可能です(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ではヒステリシスがあるため、ある電圧値における変位は、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異なります。当社のキットAOK8/Mではピエゾ素子型可変形状ミラーを使用していますが、ヒステリシスは補償しています。AOK5/MではMEMSベースの可変形状ミラーを使用しており、ヒステリシスは生じません。キットAOKWT1/Mには両タイプのミラーが1個ずつ付いています。ピエゾ素子型可変形状ミラーのヒステリシス補償は、ミラーを開ループで操作する時にはオフにすることができます。それにより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の制限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の影響を受けます。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、ミラーのアクティブ領域における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微細な波面補正はできません。ピエゾ素子型可変形状ミラーではヒステリシスが生じますが、制御ソフトウェアに組み込まれたヒステリシス補償により、その影響は最小限に抑制されています。

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Multi DM(12 x 12アクチュエータ)

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(アクティブ素子数:140)
• アクチュエータの最大変位量:3.5 μm
• 最高3.5 kHzの高速動作
• アクチュエータの中心間距離:400 μm
• 小さなアクチュエータ間クロストークにより高空間分解能を実現
• 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(BMC)社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)型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型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能な波面補償能力により、波面成形の用途では現在最も広く使われている方式です。

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MEMS型可変形状ミラーの構造

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います。取り扱いが簡単なパッケージに納められており、精密な収差補償にお使いいただけます。ミラーは140個の静電アクチュエータ(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非アクティブ)と、それにより形状が変化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)が得られます。

補償光学キットAOK5/MおよびAOKWT1/Mには、保護膜付き銀コーティング(-P01) の施されたMEMS型可変形状ミラーが入っています。アルミニウムコーティング(-UP01)ミラーまたは金コーティング(-UM01)ミラーの入ったカスタムキットのご提供も可能です(右上のMEMS Deformable Mirrors Selection Guide表をご覧ください)。いずれのミラーも400～1100 nm用広帯域ARコーティングが施された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のグラフをご覧ください。保護用ウィンドウのカスタムコーティングにも対応いたします。詳細については当社までお問い合わせください。

BMC社製のマルチDMは、別売りでもご用意しております。 詳細はこちらからご覧ください。

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ミラーDM140A-35に付いているARコーティングが施された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

40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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40個のアクチュエータ付き可変形状ミラーDMP40(/M)-P01

• ミラーの形状は、1個のピエゾセラミックディスクに付いている40の電極によって変化
  (右の表中の「Circular Keystone Array」をクリックして図を参照)
• UV域強化型アルミニウムコーティング、または保護膜付き銀コーティングミラー
  • あおり調整(チップ&チルト)付き可変形状ミラー(DMP40シリーズ)のアクティブ領域: Ø10.0 mm
  • 高ストローク可変形状ミラー(DMH40シリーズ)のアクティブ領域: Ø14.0 mm
• 組み込まれたヒステリシス補償機能
• 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機能を組み込み済み

当社では、MEMS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を用いた補償光学キットをご用意しております。これらの可変形状ミラーは、非点収差やコマ収差(詳細は「収差」タブ参照)などの一般的な波面収差による歪みを補正するのに適しています。可変形状ミラーを効果的に補償光学用として用いるには、入射ビーム径が可変形状ミラーの瞳径以上である必要があります(1/e²ビーム径を瞳径に合わせるの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瞳径は可変形状ミラーの瞳径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

このミラーアセンブリは、UV強化型アルミニウムコーティングあるいは保護膜付き銀コーティングが施された薄いガラスのディスクを、円形のピエゾセラミックディスクに接着して作られています。ディスク背面に付いている電極は、楔形を円形に配列した40個の個別のセグメントに分かれています。楔形のパターンの図は、上の表内のCircular Keystone Arrayをクリックしてご覧ください。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覧ください。各セグメントは、それぞれに印加する電圧によって個別に制御できます(DMP40シリーズミラーは0～200 V、DMH40シリーズミラーは0～300 V)。各電極に100 V(DMP40シリーズ)または150 V(DMH40シリーズ)を印加すると、ミラーの表面が平坦になるよう設計されています(下のグラフ参照)。

DMP40シリーズ可変形状ミラーには、40個のアクチュエータのほかに、ピエゾ素子ディスクの外縁に3つのアームが付いています。アームに電圧をかけるとミラーとの接続部分の高さが変化します。3つのアームを使用することで、ミラーを±2 mrad以内でどの方向にも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、位相変調に利用できます。

すべてのピエゾ素子型可変形状ミラーの動作にはヒステリシスがありますが、これらのミラー用のソフトウェアパッケージにはヒステリシスを補償してその影響を軽減する機能が組み込まれています。

補償光学キットAOK8/MおよびAOKWT1/Mには、保護膜付き銀コーティング(-P01)の施された高ストロークピエゾ素子型可変形状ミラーが含まれています。保護膜付き銀コーティングミラーは450 nm～20 µmの波長域で使用するように設計されており、アクティブ領域(瞳径)は14.0 mmです。あおり調整(チップ&チルト)用のスパイラルアームが付いたミラーや、UV強化型アルミニウムコーティング付きのミラーが含まれているカスタムキットもご提供可能です(右上のPiezoelectric Deformable Mirrors Selection Guide表をご参照ください)。

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。 詳細はこちらからご覧ください。

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UV域強化型アルミニウムコーティングの生データ(エクセル形式)はこちら からご覧いただけます。
青い網掛け領域は、UV域強化型アルミニウムコーティングを使用するうえで推奨する波長範囲です。この波長範囲の外側(特に反射率のグラフに変動や傾斜がみられる範囲)のデータはロットごとにバラツキがあり、また保証もされていません。

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保護膜付き銀コーティングの生データ(エクセル形式)はこちらからご覧いただけます。
青い網掛け領域は、保護膜付き銀コーティングを使用するうえで推奨する波長範囲です。この波長範囲の外側(特に反射率のグラフに変動や傾斜がみられる範囲)のデータはロットごとにバラツキがあり、また保証もされていません。

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このグラフはDMP40ミラーの典型的なヒステリシス曲線です。40個の全てのミラーセグメントに0～200 Vの電圧を印加して球状に変形させ、それを繰り返して取得しています。ヒステリシスの大きさは上のグラフ内に黒い線で示しています。

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このグラフはDMH40ミラーの典型的なヒステリシス曲線です。40個の全てのミラーセグメントに0～300 Vの電圧を印加して球状に変形させ、それを繰り返して取得しています。ヒステリシスの大きさは上のグラフ内に黒い線で示しています。

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補償光学キットには、感度がλ/100の高速CMOS波面センサWFS20-5C/Mが付属しています。

シャックハルトマン波面センサ

• 高速CMOSをベースにした波面センサをご用意
• 波長範囲:300 nm～1100 nmまたは400 nm～900 nm
• 波面と強度の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)光およびパルス光に対応
• データエクスポートの形式：テキストまたはエクセル形式
• TCP/IPを介したライブデータの読み出し

当社の高速シャックハルトマン波面センサは、光ビームの波面形状や強度分布を正確に測定します。 波面センサにはCMOSセンサーヘッドとマイクロレンズアレイ(MLA)が内蔵されています。補償光学(AO)キットを組み立てたときには、このセンサで波面歪みを検出し、その歪みを可変形状ミラーで補正できます。下の表のように、当社では高速タイプの波面センサをご用意しております。またマイクロレンズアレイについてはレンズレットのピッチと焦点距離が異なる3種類の選択肢があり、センサーヘッドの選択と組み合わせることで、さまざまなアプリケーションに最適な精度と波面測定のダイナミックレンジを得ることができます。

下記のAOキットには、高速CMOSをベースにしたシャックハルトマン波面センサWFS20-5C/Mが含まれています。波面センサは最高880 Hzのフレームレートで動作し、感度は最大λ/100 RMS (5.0 µm pixel pitch)です。ほかの波面センサを使用したカスタムキットのご要望については、当社までご連絡ください(波面センサの種類は下記をご覧ください)。

当社のCMOS波面センサは別売りでもご用意しております。

ソフトウェア

バージョン1.5.0

下のボタンをクリックしてソフトウェアのページをご覧ください。

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ソフトウェアのGUI

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キットには機能が完備された独立型の制御プログラムが付属しています。このプログラムはWindows^® 7、8、10に対応しています。このソフトウェアは、シャックハルトマン波面センサからの信号を解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、波面収差を最小化します。また、可変形状ミラーのアクチュエータ制御電圧、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キットをフル制御できるため、研究開発や補償光学に基づく教育パッケージの開発に適しています。カスタム仕様の用途でもお使いいただけるように、ソフトウェア開発キットが付属しています(下記参照)。

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MEMS型可変形状ミラーのコントロール画面

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MEMS型可変形状ミラーのコントロール画面

可変形状ミラーのコントロール

MEMS型可変形状ミラー

• 可変形状ミラーのアクチュエータ変位量(ミラーへの印加電圧に基づく値)のリアルタイム表示
• スプレッドシートに類似した数値インターフェイスを用いて、アクチュエータ変形量のユーザによる入力が可能
• ミラー表面形状の保存/呼び出し

MEMS型可変形状ミラー(DM)のコントロール画面には、DMの表面形状を図示するほかに、ユーザがアクチュエータの変位をnm単位で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機能があります。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。

このウィンドウから特定のミラー形状の読み込みや保存を行うことができ、それにより固有の特殊なミラー形状のライブラリを作成し、後に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コントロール画面

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コントロール画面は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。ミラー用の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。この画面の右サイドバーでは、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。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コントロール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

シャックハルトマン波面センサのコントロール

• 4つのタブによる表示
• 直接測定された波面センサのスポットフィールド
• 波面のプロット(右図は例)
• 波面の等高線プロット
• 測定されたゼルニケ係数
• 波面の拡大縮小および回転が可能
• 波面センサへのアクセスが容易、それぞれのタブの表示コントロールで設定が可能
• 測定波面、基準波面、波面差の表示
• 最小および最大の閾値設定によりちらつき(Flicker)を除去
• スポット重心や基準スポットインジケータの選択が可能(右図の例を参照)

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。瞳コントロールにより、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。スポットのカメラ画像(白の斑点)、スポットの重心位置(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。

上に述べたカメラのコントロール画面のほかに、波面を表示しているときに、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。波面プロットはあらかじめ決められた角度範囲で表示できますが、使用者が連続的に調整することも可能です。

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ゼルニケ関数の生成

ゼルニケ波面関数の生成機能

• 基準波面の制御が可能
• 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
• ユーザが取得した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次元の等高線で表示

波面発生器のコントロール画面では、スプレッドシート状のグリッドに入力された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。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。

波面発生器のコントロール画面では、測定波面を取得して、それを基準波面として設定することができます。また基準波面は保存して、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、お客様のご用途に対応できるよう、異なるプラットフォーム上でも動作する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)を有するWindows用アプリケーションソフトウェアが付属します。SDKは、補償光学の計測、制御、数学関数の機能を、お客様のシステムに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(AO)キットの構成

補償光学(AO)キットには、高速CMOSシャックハルトマン波面センサWFS20-5C/M、1個または2個の可変形状ミラー(DM)、および制御ソフトウェア(Windows 7、8、10に対応)が含まれています。さらに、キットには光源、コリメーション/イメージング用の光学素子、右の図1(可変形状ミラー1個の構成)または図2(可変形状ミラー2個の構成)のシステムを構築するのに必要な組立用ハードウェア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。可変形状ミラー1個のAOキットには450 mm x 600 mmのブレッドボード(MB4560/Mなど)、2個のAOキットには600 mm x 600 mmのブレッドボード(MB6060/Mなど)を用いて構築することをお勧めします。

図3は補償光学キットAOK5(/M) (可変形状ミラー1個の構成)を、図4はWoofer-Tweeter補償光学キットAOKWT1(/M) (可変形状ミラー2個の構成)を、それぞれ組み立てた状態を示しています。補償光学キットAOK5/MおよびAOK8/Mの基本構造は同じですが、可変形状ミラーのコーティングや入射開口に合わせてレンズやミラーが異なります。AOKWT1/Mのキットにはもう一つの可変形状ミラー用のセクションが追加されます。ここでは、可変形状ミラーが1個の補償光学キットAOK5/Mと、可変形状ミラーが2個の補償光学キットAOKWT1/Mの組立て方について記述しています。各キットに含まれている光学素子は下の表でご覧いただけます。その他の組み合わせによりカスタマイズすることも可能です。

当社の30 mmケージアセンブリは、Ø6 mmケージロッド.で連結された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の光軸が共通化されます。

可変形状ミラーが1個のキットの組立て方

可変形状ミラーが1個のキットでは、予めアライメントされている3つのセクションをお手持ちのブレッドボード上に配置します。2つの組み立て済みケージアセンブリは、それらを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セクションです。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セクションです。

キットAOK5/Mの1つ目の組立て済みケージアセンブリは、半導体レーザ光源、焦点距離50 mmのレンズ1枚、焦点距離75 mmのレンズ1枚、ビーム折り返し用ミラー2枚、およびU型ベンチで構成されています。635 nm半導体レーザーモジュールはケージプレートCP33/M(図3の①)に取付けられており、その波長635 nmにおける出力は約0.3 mWです。レーザーモジュールからの出射光は、移動レンズマウントCXY1A(図3の②)に取付けられた焦点距離50 mmのレンズLA1131-Bを通過します。その光は、次に2つの直角キネマティックミラーマウントKCB1/M(1つ目は図3の③)に取付けられた保護膜付き銀コーティングミラーPF10-03-P01を通過します。このミラーの平均反射率は450 nm～2 µmにおいて> 97%、2～20 µmにおいて > 95%です。その後、ケージプレートCP33/M(図3の④)に取付けられた焦点距離75 mmのレンズLA1608-Bにより、30 mmケージシステム用UベンチCBB1/M(図1のX、図3では⑤)の中心にビームウェストが結像されます。試料はこの像面に置くことができます。AOK8/Mにおけるこの部分のサブアセンブリは、構成は同様ですがレンズの焦点距離は30 mmと100 mmになっています。

2つ目の組立て済みケージアセンブリでは、焦点距離75 mmの2枚のレンズLA1608-B(1つは図3⑥のマウントCP33/M内、もう1つは⑦のマウントCXY1A内)を用いて、ビームウェストを可変形状ミラー(⑧)上に結像させます。ビームウェストが可変形状ミラー上にあることで、様々な収差を補正するのに必要な駆動範囲が最小化されます。AOK8/Mにおけるこの2つ目のサブアセンブリでも構成は同様ですが、レンズの焦点距離は75 mmと150 mmになっています。

可変形状ミラーによっておよそ35°の浅い角度で反射されたビームは、3つ目の組み立て済みケージアセンブリに入射します。AOK5/Mのこのセクションには、さらに2枚の焦点距離75 mmのレンズが使われていますが、これらは同じようにケージプレートCP33/M(図3の⑨)と移動レンズマウントCXY1A(図3の⑩)に取付けられています。AOK8/Mの場合には焦点距離60 mmと175 mmのレンズが使われています。これらのレンズにより、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互いに共役な面上に配置され、それによって可変形状ミラーから波面センサに像がリレーされます。この仕組みにより、単に波面を観察するだけでなく、閉ループ動作しているときのソフトウェアに対して、可変形状ミラーのアクチュエータの位置を効果的に最適化するのに必要な画像情報を供給できます。

3つ目のケージサブアセンブリの出射光は、8:92 (R:T)のペリクルビームスプリッタBP108(図3の⑪)により分割され、少量の光が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(⑫)に入射します。ビームスプリッタの透過光はビームブロック(⑬)でブロックされますが、ここではアライメントディスクSM1A7でブロックしています。このビームブロックを取り除いて、透過光を他のアプリケーション用に用いることも可能です。

可変形状ミラーが2個のキットの組立て方

ケージ部品は予めアライメントされている4つのセクションをお手持ちのブレッドボード上に配置します。2つの組み立て済みケージアセンブリは、それらを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セクションです。3つ目のアセンブリは光を2つ目の可変形状ミラー上に結像させ、4つ目の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セクションです。

AOKWT1/Mの最初の2つの組み立て済みケージアセンブリは、半導体レーザ光源、レンズ4枚、ビーム折り返し用ミラー2枚、およびU型ベンチで構成されています。635 nm半導体レーザーモジュールはケージプレートCP33/M(図4の①)に取付けられており、その波長635 nmにおける出力は約0.3 mWです。レーザーモジュールからの出射光は、移動レンズマウントCXY1A(図4の②)に取付けられた焦点距離30 mmのレンズLA1289-Bによって集光されます。その光は、次に2つの直角キネマティックミラーマウントKCB1/M (1つ目は図4の③)に取付けられた保護膜付き銀コーティングミラーPF10-03-P01を通過します。このミラーの平均反射率は450 nm～2 µmにおいて> 97%、2～20 µmにおいて > 95%です。

キット AOKWT1/Mでは、ケージプレートCP33/M(図4の④)に取付けられた焦点距離100 mmのレンズLA1509-Bを使用して、30 mmケージシステム用UベンチCBB1/M(図2のX、図4では⑤)の中心にビームウェストを結像します。試料はこの像面に置くことができます。その後、CP33/M(図の⑥と⑦)に取付けられた焦点距離75 mmのレンズLA1608-Bと焦点距離150 mmのレンズLA1433-Bを用いてビームウェストを1つ目の可変形状ミラー(⑧)上に結像させます。このミラーはWooferとして機能し、低次収差を補正します。ビームウェストが可変形状ミラー上にあることで、様々な収差を補正するのに必要な駆動範囲が最小化されます。

この1つ目の可変形状ミラーによっておよそ30° の浅い角度で反射されたビームは、3つ目の組み立て済みケージアセンブリに入射します。このセクションのアセンブリには、移動レンズマウントCXY1A(図4の⑨)に取付けられた焦点距離200 mmのレンズLA1708-B、およびケージプレートCP33/M(図4の⑩)に取付けられた焦点距離60 mmのレンズLA1134-Bが付いています。これらのレンズによりビームウェストは2つ目の可変形状ミラー(⑪)上に結像します。このミラーはTweeterとして機能し、高次収差を補正します。

2つ目の可変形状ミラーによっておよそ40°の浅い角度で反射されたビームは、4つ目の組み立て済みケージアセンブリに入射します。このアセンブリには、2つのケージプレートCP33/M(⑫と⑬)に取付けられた焦点距離75 mmの2枚のレンズLA1608-Bが付いています。これらのレンズにより、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互いに共役な面上に配置され、それによって可変形状ミラーから波面センサに像がリレーされます。この仕組みにより、単に波面を観察するだけでなく、閉ループ動作しているときのソフトウェアに対して、可変形状ミラーのアクチュエータの位置を効果的に最適化するのに必要な画像情報を供給できます。

4つ目のケージサブアセンブリの出射光は、10:90(R:T)のUV溶融石英(UVFS)製プレート型ビームスプリッタBSN10(図4の⑭)で分割され、少量の光が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(⑮)に入射します。ビームスプリッタの透過光はビームブロック(⑯)でブロックされますが、ここではアライメントディスクSM1A7でブロックしています。このビームブロックを取り除いて、透過光を他のアプリケーション用に用いることも可能です。

補償光学キットに含まれる光学素子に関する注意点:

補償光学キットAOK5/MおよびAOK8/M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。AOK8/Mでは、ピエゾ素子型可変形状ミラーの入射瞳径に対応するため、AOK5/Mよりもビームエキスパンダのセクションが長くなっています。AOKWT1/MにはMEMS型可変形状ミラーおよびピエゾ素子型可変形状ミラーの両方が含まれています。各キットに含まれるすべてのコンポーネントについては「部品」タブでご覧ください(キット内容も比較できます)。

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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