JP2004279404A - 時分割パルス状レーザビームの単一基準点への相互位置合せ - Google Patents

Abstract

【課題】 即時に各レーザからの出力ビームを単一の空間的な基準点に、自動的に相互位置合せする、時分割の、多数のレーザシステムのためのシステムを提供すること。
【解決手段】 多数のレーザビームをリアルタイムで単一の空間的な基準点に、相互に位置合せするための位置合せシステムである。この位置合せシステムは、多数のパルス状レーザビームをサンプリングするビームサンプラを含む。サンプリングされたレーザビームは、４分割光検出器すなわち４分割セルに向けられる。４分割セルからの出力信号は、多数のレーザのビーム経路内にある先端傾斜ミラーを駆動するための誤差信号を生成する検出器信号の積分回路に向けられる。本システムは、信号を生成したレーザに検出器信号を関連付けるための多数のレーザ及び信号の各々のためのパルストリガ信号を発生させる、ゲート・リセット・パルスＩＤ発生器を含む。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザのための位置合せシステムに関し、より具体的には、多数の時分割パルス状レーザビームをリアルタイムで単一の基準点に、相互に位置合せするための位置合せシステムに関する。

出力レーザビームを位置合せするための位置合せシステムは、当該技術分野において、周知である。こうした位置合せシステムの例は、引用によりここに組み入れられる米国特許第４，１４６，３２９号、第４，６２６，６４９号、第４，７２４，２９８号、第４，８５５，５６４号、第４，９８２，０７８号及び第４，９４１，０８２号に、開示される。こうした位置合せシステムは、通常、誤差信号を生成するためにレーザビームをサンプリングする。誤差信号は、レーザビームの空間的な位置を補正するためのレーザ光路に配置された、例えば位置合せミラーを駆動するのに、用いられる。誤差信号を生成するために様々な方法が公知である。例えば、米国特許第４，９８２，０７８号は、４分割検出器を利用している。４分割検出器はビーム経路に配置される。４分割検出器からの信号は、誤差信号を生成するのに用いられる。

複数のレーザを利用するレーザシステムを位置合せするためのシステムもまた、公知である。例えば、本出願人の所有に係る米国特許第４，８４７，４７９号には、回折格子を経由して多重送信される波長の多数のレーザ出力ビームを利用する光通信システムが、開示される。波長のずれ及び機械的な位置合せのずれを補正するために、同米国特許には、自動位置合せシステムが開示される。具体的には、システムは、出力ビームをサンプリングし、レーザ内おける機械的な位置ずれを検出するための４分割検出器を利用する。レーザビームの各々は、その波長によって識別可能であるが、その波長は、周波数においてあまりに近接し過ぎて、ビームを識別するためのフィルタ使用ができない。そのために、追跡信号が各レーザビームのために生成される。追跡信号は、レーザビームの各々に低周波数の正弦波を重ねることによって、形成することができる。各レーザビームのための追跡周波数のために異なる周波数を用いることができるか、又は、予め選択された倍率で同じ周波数を時分割方式で用いることができるか、そのいずれかである。

パルス状レーザ出力ビームが時分割であり、かつ単一の空間的な基準点に向けられるレーザシステムもまた、公知である。多数のレーザからのレーザパルスを位置合せし、こうしたパルスをリアルタイムで単一の空間的な標的に向け、相互に位置合せする位置合せシステムは、全く知られていない。このように、単一の空間的な標的へ向けられた多数の時分割パルス状レーザビームをリアルタイムで相互位置合せするための位置合せシステムが、必要とされている。

本発明は、多数のレーザビームをリアルタイムで単一の空間的な基準点に、相互に位置合せするための位置合せシステムに関する。この位置合せシステムは、多数のパルス状レーザビームをサンプリングするためのビームサンプラを含む。サンプリングされたレーザビームは、４分割光検出器すなわち４分割セルに向けられる。４分割セルからの出力信号は検出器信号の積分回路に向けられ、この積分回路が多数のレーザのビーム経路内の先端傾斜ミラーを駆動するための誤差信号を生成する。このシステムは、多数のレーザの各々についてのパルストリガ信号と、検出器信号を該信号を生成したレーザに関連づけるための信号を発生させるための、ゲート・リセット・パルスＩＤ発生器を含む。従って、各レーザからの出力ビームを、即時に単一の空間的な基準点に、自動的に相互位置合せする、時分割の多数のレーザシステムためのシステムが、提供される。

本発明の、これらの及び他の利点は、以下の明細書及び添付図面を参照することにより、容易に理解される。
本発明は、パルス状又は連続波のいずれかのレーザビームを発生させ、単一の標的に向けられ、時分割方式で作動される多数のレーザを用いるための自動位置合せシステムに関する。その位置合せシステムは、Ｎレーザについて使用されるようになっている。本発明の重要な態様は、Ｎレーザの各々が独立して制御されており、そのことにより、たとえどんな数のレーザがオン・オフ切換えされても、残存するビームの相互位置合せを可能にする、ということである。

単一の標的に向けられた３つのレーザの自動位置合せを提供する例示的なシステムが図１に示され、全体が参照番号２０で表される。図１に示されるように、位置合せシステム２０は、簡略化のため、例示的な数として３つのレーザ２２、２４及び２６について用いられる。レーザ２２、２４及び２６は、例えば、ゲインスイッチレーザ、Ｑスイッチレーザ、又はモードロックレーザでもよい。このビームの相互位置合せシステムによって、いかなるパルス状レーザでも制御することができる。先端傾斜ミラー２８、３０及び３２が、それぞれ、レーザ２２、２４および２６の各々のビーム経路内に配置される。先端傾斜ミラー２８、３０及び３２は、レーザビームの向きを集束レンズ３４へ変える。集束レンズ３４は、レーザ２２、２４、および２６からのレーザビームを、単一の基準点すなわち標的３６上に集束させる。レーザ２２、２４および２６からのビームは、集束レンズ３４と標的３６との間にあるビーム経路内に配置されるビームサンプラ３８によって、サンプリングされる。サンプリングされたビームは、結像レンズ４２を経由して、象限光検知器すなわち４分割セル４０上に結像される。当該技術分野において公知であるように、４分割セルは、４分割セルの４つの象限と関連するビームスポットの位置機能として電気的信号を提供する光検出器である。検出器信号として確認された４分割セル４０の出力は、検知器信号の積分回路４４に適用される。レーザ２２、２４及び２６が時分割であるため、レーザ２２、２４及び２６の１つからの検知器信号の１つのみが、検出器信号と積分回路４４とに、同時に適用される。以下でより詳細に述べるように、検出器信号の積分回路４４は、そのゲート・リセット・パルスＩＤ発生器４６によって制御される。ゲート及びリセット信号は、そのパルスＩＤが、検出器信号の積分回路４４に適用された検出器信号を、レーザ２２、２４及び２６のどのレーザが発生させたかを識別する間、検出器信号の積分回路を制御する。検出器信号の積分回路４４の出力は、ビーム位置信号又は誤差信号であり、先端傾斜ミラーの制御ループ回路４８に与えられる。先端傾斜ミラーの制御ループ回路４８は、先端傾斜ミラー２８、３０及び３２に与えられ、レーザ２２、２４及び２６からのビーム位置を調整する信号を発生させる。先端傾斜ミラー制御ループ４８は、誤差信号からの補正制御信号を発生させる多くの標準的フィードバック制御アルゴリズムを利用することができる。電気的には、この制御システムは、デジタル又はアナログのいずれでもよい。パルスＩＤの使用によって、各レーザの誤差信号は、対応する制御ループに向けられる。ループの各々は独立して、非同期的に作動させることができる。

多くの異なる種類のアルゴリズムが、機能することになる。こうしたアルゴリズムの一例が、比例積分差（ＰＩＤ）制御である。

これが閉鎖型ループシステムを形成する。ビーム位置信号又は誤差信号が、フィードバックとして用いられる。このシステムは、誤差信号をゼロにするように機能し、そのことにより、レーザ２２、２４及び２６からのビームが、相互に位置合せされる。

レーザ２２、２４及び２６は、レーザパルスのトリガ回路５０によって制御される。レーザパルスのトリガ回路５０は、パルストリガ信号を発生させ、このパルストリガ信号は、レーザ２２、２４及び２６の各々に与えられてレーザ２２、２４及び２６にパルス状の出力ビームを発生させる。レーザパルスのトリガ信号は、レーザの光学的パルスに先行する電気的信号である。この場合、信号の目的は、４分割検出器の積分プロセスを開始することであり、周辺光又は別のレーザからのパルスによってではなく、光学的パルスによって発生させられた電気的信号のみを捕捉することである。

能動的Ｑスイッチレーザの場合には、信号は、Ｑスイッチのポッケルスセル又は音響光学変調器用のトリガ信号とすることができる。ゲインスイッチレーザの場合には、ポンプ源（ダイオード又はフラッシュランプ）の電気的トリガを用いることができる。

レーザパルスのトリガ信号は、さらに、ゲート・リセット・パルスＩＤ発生器４６に与えられ、レーザ出力パルスを特定レーザに関連付けるためのレーザパルスＩＤ信号だけでなく、検出器信号の積分回路のための制御信号をも発生させる。

図２において、そのゲート・リセット・パルスＩＤ発生器４６が、詳細に示される。示されるように、各レーザ２２、２４及び２６からのパルストリガ信号は、複数のパルス発生器５２、５４及び５６のみならずＯＲゲート５０にも与えられる。ＯＲゲート５０の出力はまた、一対のパルス発生器５８及び６０にも与えられ、これらパルス発生器は、以下により詳細に述べられるように、積分器ゲート及び積分器リセットの信号を発生させるため、及び検出器信号の積分回路４４を制御するために用いられる。

ゲート・リセット・パルスＩＤ発生器４６の作動は、図４に示されるタイミングチャートを参照することにより、最も良く理解できる。図４を参照すると、レーザ２２，２４及び２６のためのパルストリガ信号は、参照番号６２，６４及び６６で表されるパルスである。時分割システムにおいて、レーザ２２，２４及び２６の始動及びそれに続くパルス６２、６４及び６６は、Ｔを各レーザ間の時間間隔とし、Ｎをレーザ数としたとき、一時的にＴ／Ｎだけ間隔をあけられる。したがって、パルストリガ信号６２が、ｔ＝０の時に発生すると仮定すれば、次の時分割レーザ２４についてのパルストリガ信号は、ｔ＝Ｔ／Ｎ時に発生することになる。最後のパルストリガ信号６６は、先行するパルストリガ信号６４から、またＴ／Ｎ時だけ間隔があけられることになる。

上記したように、パルストリガ信号６２，６４及び６６の各々は、ＯＲゲート５０（図２）に適用される。これらのパルストリガ信号６２，６４及び６６は、積分器のリセット信号のみならず積分器のゲート信号を発生させるのにも用いられる。図４を参照すると、パルス発生器５８によって発生させられた積分器ゲート信号は、例えば、パルストリガ信号６２、６４及び６６の前方端で開始される。積分器ゲート信号のパルス幅は、ＰＷ₁のように選択することができる。したがって、３つの積分器ゲート信号６８、７０及び７２は、パルストリガ信号６２，６４及び６６に応答して、（図２）のパルス発生器５８によって発生させられる。積分器ゲート信号６８、７０及び７２は、検出器信号積分回路５４を構成する積分器の積分期間をイネーブルにさせるようにするのに用いられる。より具体的には、以下でより詳細に述べるように、検出器信号積分回路４４は、複数の積分器、すなわちレーザ２２，２４及び２６の各々に対応する一つずつの積分器を含む。積分器リセット信号は、レーザパルストリガから一定遅延△Ｔ₂後に発生させられ、参照番号８０、８２及び８４で表される。積分器リセット信号８０、８２及び８４は、レーザパルストリガからの遅延△ｔ₂後にパルス発生器６０（図２）によって発生させられ、ＰＷ₂と同等のパルスを有するように選択することができる。以下により詳細に述べるように、積分器リセット信号は、検出器信号積分回路４４の積分器をリセットする。

検出器信号積分回路に適用される検知器信号を適当なレーザに関連付けるために、そのゲート・リセット・パルスＩＤ発生器４６は、各レーザ２２、２４及び２６のためのレーザパルスＩＤ信号を発生させる。これらのパルスＩＤ信号は、パルス発生器５２、５４及び５６（図２）によって発生させられる。図４を参照すると、パルスＩＤ信号は、参照番号８６、８８及び９０で表されるパルスである。これらのパルスＩＤ信号８６、８８及び９０は、パルストリガ信号６２、６４及び６６と関連して遅延△ｔ₃後に発生させることができる。図４に示されるように、これらのパルスＩＤ信号は、サンプルが取得され検出器信号の積分回路４４によって積分されるときにハイであり、検出器信号の積分回路４４の出力におけるビーム位置信号をレーザ２２、２４及び２６に関連付けるのを可能にする。

パルス発生器５２、５４、５６、５８及び６０は、ハードウェアかソフトウェアのいずれか、又は、その両者の組合せにより実施されて、図４に示されるタイミングチャートにおける信号を生成する。こうした実施の形態の全ては、当該技術分野における通常の技術であり、本発明の範囲内に含まれる。

検出器信号積分回路４４が、図３に示される。検出器信号積分回路４４は、４つの積分器９８、１００、１０２及び１０４を含む。積分器９８、１００、１０２及び１０４の各々は、４分割セル４０の１象限の出力信号を受信する。より具体的には、象限＋Ｘ信号が積分器９８に与えられ、象限−Ｘ信号が積分器１００に与えられる。同様に、象限＋Ｙ信号が積分されるべき１０２に与えられ、象限−Ｙ信号が積分器１０４に与えられる。上記されたように、積分器ゲート信号は、図４に示されるように、例えばＰＷ₁の期間内に、積分器９８、１００、１０２及び１０４の積分を開始する。積分器出力信号は、図３において積分＋Ｘ、積分−Ｘ，積分＋Ｙ及び積分−Ｙとして表され、ビーム位置すなわち誤差信号を形成するのに用いられる。これらの信号は、先端傾斜ミラーの制御ループ４８に与えられ、先端傾斜ミラー２８、３０及び３２を調整する。パルスＩＤ信号８６、８８及び９０（図４）はまた、ビーム位置信号をレーザ２２、２４及び２６のうちの１つに関連付けるために、先端傾斜ミラーの制御ループ４８に与えられる。先端傾斜ミラーの制御ループ４８の出力は、先端傾斜ミラー２８、３０及び３２に与えられる補正信号である。これらの誤差信号は、先端傾斜ミラー２８、３０及び３２を駆動して、レーザ２２、２４及び２６からの出力ビームの相互位置合せをもたらすように、誤差を完全にゼロにする。光学的には、レーザビームは、集束レンズと４分割検出器の組合せにより、相互位置合せされるようになる。図１に示されるように、３つのレーザビームは、重複することなく並列様式で、集束レンズ（要素３４）に向けられる。すなわち、集束レンズにおける３つのビーム断面は、空間的には、互いに重複しない。このことは、各レーザビームが有限の横断面寸法であり、各先端傾斜ミラーの有限の大きさが、集束レンズにおけるビームの重なりを防止する点で重要である。しかしながら、物理法則が示すところは、３つのビームが互いに並列であれば、それらのビームは、焦点位置において（及び焦点位置のみにおいて）真の重複点に来るようになり、したがって、相互位置合わせ状態となる、ということである。集束レンズは、焦点位置においてレーザビームの空間的フーリエ変換を効果的に生じさせ、ビームの（方向性のある）照準情報が位置情報に変換される。このようにして、４分割セルなどのビームの位置検出装置は、焦点におけるビーム位置を測定することによって、レーザビームの位置情報を得ることができる。

ビームサンプラ（要素３８）は、主ビームのごく一部を取出し、別の位置に同等の焦点を創出し、さらに所望の倍率係数による結像レンズ（要素４２）によって、焦点画像が４分割セル上に中継される。このことは、焦点の大きさがあまりに小さ過ぎて、４分割セルが所望の解像度を達成させることができない場合にしばしば生じる。

レーザビームが４分割セルの中心に集束されると、４つのセルの全てが同量の電気的信号を発生させることになり、誤差信号はゼロになる。ビームが４分割セルの中心からずれると、４つのセルから異なる強さの信号が発生することになる。制御システムは、次に、アナログ又はデジタル手段によって４つの信号を処理し、ビームのずれ量を求め、Ｘ方向及びＹ方向に誤差信号を発生させる。誤差信号は、設計によって選択されるいずれかのアルゴリズムによって制御信号を発生させるのに、用いられる。制御信号は、先端傾斜ミラー台に送られる電気的信号であり、それがミラーの向きを信号に釣り合うＸ方向及びＹ方向に変える。先端傾斜ミラーの方向変換は、レーザビームの（位置ではない）照準方向を変えさせる。ビーム照準の変化は、焦点における４分割セルによって再検出され、次に、制御ループを終了する。

上記の観点から、本発明の多くの修正及び変更が可能であることは明らかである。したがって、記載された特許請求の範囲内において、本発明は、上記で具体的に述べられたものだけでなく、他の方法でも実施できるということが理解されるべきである。

特許によって保護を求める特許請求の範囲は、別紙の通りである。

本発明による自動位置合せシステムのブロック図である。 本発明の一部を形成するゲート・リセット・パルスＩＤ発生器のブロック図である。 本発明による検出器信号の積分回路のブロック図である。 本発明による位置制御システムのためのタイミングチャートである。

符号の説明

２２、２４、２６：レーザ
２８、３０、３２：先端傾斜ミラー
３６：標的
３８：ビームサンプラ
４２：結像レンズ
４４：検出器信号積分回路
４６：ゲート・リセット・パルスＩＤ発生器
４８：制御ループ回路
５０：トリガ回路
５２、５４、５６、５８、６０：パルス発生器

Claims (9)

1. パルストリガ信号の制御に基づく多数の時分割レーザの各々のための位置合せシステムであって、
   前記多数のレーザの出力ビームをサンプリングするためのビームサンプラと、
   サンプリングされた前記出力ビームの空間的な位置の関数としての検出器信号を発生させるための、前記ビームサンプラの前記ビーム経路に配置された４つの象限出力信号を有する４分割セル光検出器と、
   前記検出器信号を受信し、ビーム位置信号を発生させる誤差信号回路と、
   前記多数のレーザの１つに前記誤差信号を関連付ける手段と、
   前記多数のレーザの各々の前記ビーム経路に１つ配置され、各々が前記誤差信号のそれぞれに対応して各レーザの前記ビーム位置を調整する複数の先端傾斜ミラーと
   からなることを特徴とする位置合せシステム。
2. 前記誤差信号回路が、４つの象限出力信号の各々に１つずつ接続された４つの積分器を含むことを特徴とする請求項１に記載の位置合せシステム。
3. 前記関連付け手段が、前記積分器を制御するための積分器ゲート及び積分器リセット信号を発生させる手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の位置合せシステム。
4. 前記発生させる手段が、各パルストリガ信号後の所定時Δｔ₁に、積分器ゲート信号を発生させる手段を含むことを特徴とする請求項３に記載の位置合せシステム。
5. 前記発生させる手段が、各パルストリガ後の所定時Δｔ₂に、積分器リセット信号を発生させる手段を含むことを特徴とする請求項４に記載の位置合せシステム。
6. 前記関連付ける手段が、前記多数のレーザの各々のためのパルスＩＤ信号を発生させる手段を含むことを特徴とする請求項１に記載の位置合せシステム。
7. 前記パルスＩＤ信号が、前記レーザパルストリガの前方端の後の所定時Δｔ₃に発生させられることを特徴とする請求項６に記載の位置合せシステム。
8. 前記パルスＩＤ信号が、パルストリガ信号の各々に応答する高出力であることを特徴とする請求項６に記載の位置合せシステム。
9. 前記発生させる手段が、前記積分器に関連するサンプルトリガ信号を発生させる手段を含み、前記ＩＤ信号が、前記レーザパルスのトリガ信号に応答する前記サンプルトリガ信号の関数として発生させられることを特徴とする請求項８に記載の位置合せシステム。

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