2020 Fiscal Year Research-status Report
光渦を利用した極限精度の波面センシングに関する研究
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19K22137
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| Research Institution | Hokkaido University |
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Principal Investigator |
村上 尚史 北海道大学, 工学研究院, 講師 (80450188)
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2019-06-28 – 2022-03-31
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| Keywords | 波面センシング / 補償光学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
光波の揺らぎ計測は、その光波が伝搬してきた屈折率揺らぎや、光学面の形状を測定するために欠かすことのできない技術である。これまでに、多くの波面センシング技術（光波面の揺らぎを計測する技術）が提案され、多方面で活用されている。
本研究の目的は、極限精度の波面センシングの実現を目指し、「光渦コロナグラフ」という天文観測技術を応用した新たな計測法を提案することである。提案する計測法により、目標とするλ/10000（λは光の波長）という極限精度が実現できれば、光学計測、天文学、医学、生物学など多岐にわたる分野で大きなインパクトを与えられると期待している。
光渦コロナグラフとは、系外惑星（太陽以外の恒星を公転する惑星）探査のために提案された観測技術であり、光渦（らせん状の波面をもつ光）の性質を利用することで、観測の障害となるまぶしい恒星光を強力に除去する。光渦コロナグラフは原理上、恒星光が平面波であれば完全に除去することができるが、わずかでも揺らぎがあるとスペックル状の残留光が現れ惑星探査の障害となってしまう。提案する手法は、光渦コロナグラフが揺らぎに敏感であるという弱点を逆手に取り、測定対象の平面波成分を除去して揺らぎ成分のみを測定することで、測定精度の向上を目指している。
2019年度は主に、理想化された状況における揺らぎ計測の計算機シミュレーションを実施し、波面復元ソフトウェアの作成や、単一ゼルニケモード計測による基礎評価などを実施するとともに、室内実証試験にも着手した。それを受けて2020年度は、室内試験における現実的な状況（測定における絞りサイズの影響、平面波成分の推定法の検討など）を考慮した波面復元のシミュレーションや、揺らぎ成分測定の室内実証などを実施した。詳細は下欄に記載する。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
提案する波面センシング技術は、2重回折結像系のフーリエ面に渦位相マスク（光渦を発生させる素子）を設置する。これにより、入力波の平面波成分は出力面において観測領域外部へ除外される。平面波成分をしぼりで除去したのちに揺らぎ成分のみの電場を計測し、その計測データを解析することで、入力面での光波面揺らぎを測定することができる。2020年度は、2019年度の活動を進展させ、より現実的な状況を考慮した波面復元のシミュレーションを実施した。
平面波成分を除去するしぼりは、原理上は観測領域と完全に等しいサイズとしなければならない。しかし現実的には、光学システムの調整誤差や収差などの影響により、若干小さなサイズとする必要がある。そこで、さまざまな絞りサイズを仮定して波面復元のシミュレーションを実施した。その結果、波面復元精度は絞りサイズにより大きく劣化することないことを確かめた。
データ解析による波面復元において、計測システムにより除去した平面波成分を推定する必要がある。そこで、計測システムからコロナグラフ効果を取り除いた（渦位相マスクを取り外した）測定データから、平面波成分を推定する手法を検討した。その結果、計算機上で高い精度での波面復元が実証でき、本手法の有用性の見通しが得られた。
揺らぎ成分の測定には、自己コヒーレンスカメラ法の導入を検討している。これは、除去した平面波成分から参照光波を生成し、測定対象と干渉させることで、フーリエ解析により電場を復元する手法である。2020年度は、本手法の実証実験に向けた光学パラメータの設計を行った。また将来は、提案する波面センシング技術を多波長および偏光計測へと拡張することを検討している。将来のこのような機能拡張に向けて、自己コヒーレンスカメラ法を多波長および偏光計測へ応用するための手法を提案し、その実証試験を実施した。
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| Strategy for Future Research Activity |
2020年度は上述のように、より現実的な状況を想定した技術開発を推し進めた。2019年度より着手している実証実験については、渦位相マスクコロナグラフの前段に空間光変調器(SLM)を導入した試験機の整備が完了している。SLMは、センシングの誤差要因となる計測装置内部の揺らぎを低減するための光波面補正および、波面復元性能を評価するために既知の揺らぎを入力するために用いる。計測装置内部の揺らぎがあると、検出面では上述のようにスペックル状のノイズが発生する。そこで、系外惑星探査において開発されているダークホール技術を応用する。これは、スペックルノイズの逆電場を発生させ、打ち消しあう干渉により除去する手法である。ダークホール技術を提案する波面センシング技術に応用することにより、計測精度の向上が期待される。今後は、ダークホール技術の導入までを行った光波面センシングの実証試験を推進することを計画している。
また実際の計測では、光波面の位相揺らぎの他に振幅揺らぎも存在する。揺らぎの位相成分と振幅成分の影響は、計測において縮退してしまい、揺らぎ情報を正しく復元できない可能性がある。そこで今後は、実験室レベルでの高精度揺らぎ復元を目指して、振幅揺らぎの影響を詳細に調査し、位相・振幅揺らぎの両方が存在する状況下での波面センシングアルゴリズムの確立を目指していく。
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| Causes of Carryover |
ほぼ計画通り執行したが、119,677円の次年度使用額が生じた。次年度使用額が生じた理由は、実証試験用の光源まわりの遠隔制御化のための自動ステージなどの検討がやや遅れたためである。2021年3月の時点で検討は完了しており、当該物品はすでに購入手続きを終えている。
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Research Products
(6 results)
