JP2009529155A - レーザビームにおいて検出された輝度の不均一性を低減するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

レーザ（３４）および光検出器（７４）を含むシステムにおけるレーザからのビーム光の検出された輝度の空間的均一性を増大させる方法に関する。一実施形態において、その方法は、レーザを用いてビーム光（３０）を生成するステップを含んでおり、ビーム光および光検出器を互いに対して移動させることにより、検出器が時間にわたってビーム光の空間的輝度を平均する。別の実施形態において、本発明は、ビーム光の輝度の検出された空間的均一性を増大させるためのシステムに関する。一実施形態において、そのシステムは、光検出器、ビーム光を生成するためのレーザ源、およびビーム光および検出器を互いに対して移動させるための手段（１０）を備えることにより、検出器が時間にわたってビーム光の輝度を平均する。

Description

（発明の分野）
本発明は、レーザに関し、特に、レーザビームにおいて検出された輝度の不均一性を低減するための改良された方法に関する。

（発明の背景）
多くの測定は、光源としてレーザの使用を必要としている。例えば、レーザは、イメージングから遺伝子配列の検出に及ぶシステムにおいて使用される。そのようなシステムにおいて、様々なタイプのレーザ（ガスレーザ、化学レーザ、エキシマレーザ、固体レーザ、半導体レーザ（ダイオードレーザを含む）、色素レーザおよび中空陰極スパッタリング金属イオンレーザを含むレーザ）が使用される。各タイプのレーザは、特定用途向けに使用される場合に、それ自身の利点および欠点の組を有する。例えば、様々なタイプのレーザの特性（パワー出力、波長、コスト、サイズ、波長可変性（ｔｕｎａｂｉｌｉｔｙ）およびビームの横断面上の輝度の均一性を含む特性）は、レーザが使用される用途によって利点または欠点のいずれかである。

ダイオードレーザは、低価格であり、比較的高いパワー出力を有し、サイズが小さい。ダイオードレーザは、非常に低いアスペクト（高さ対幅）比を有する放射領域またはファセット（ｆａｃｅｔ）を含む。すなわち、放射ファセットの高さは、その幅よりかなり小さい。半導体レーザのファセットによって作り出されたビームは、放射ファセットの全域で輝度が均一ではない。ビーム輝度における均一性の欠如のため、半導体レーザは、ビーム輝度の均一性が必要とされる用途に使用され得ない。従って、高いパワーおよび均一性が必要とされる用途において、より高価で、かなり大型の他のレーザ（例えば、ガスレーザ）が、一般に使用される。

多くの用途において、レーザのコストおよびサイズを減少させることが、全体にわたる機器コストと、それゆえに研究コストとを大いに減少させる。従って、ダイオードレーザビームの輝度において検出された不均一性を減少させる方法またはシステムは、効率を増大させ得、選択された用途において使用される機器のサイズを減少させ得る。

本発明は、レーザビーム光において検出されたビーム輝度の不均一性の問題に取り組む。

（発明の概要）
本発明は、レーザダイオードビームの検出された輝度の不均一性を低減するシステムおよび方法に関することにより、レーザダイオードが、レーザ光の均一なビームの検出を必要とする状況において実装され得る。

一局面において、本発明は、レーザおよび光検出器を含むシステムにおけるレーザからのビーム光の検出された輝度の空間的均一性を増大させる方法に関する。一実施形態において、その方法は、レーザを用いてビーム光を生成するステップを含んでおり、ビーム光および光検出器を互いに対して移動させることにより、検出器が時間にわたってビーム光の空間的輝度を平均する。別の実施形態において、ビームを移動させるステップは、２次元の再帰反射体（ｒｅｔｒｏｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）内にビーム光を通し、再帰反射体の反射壁（ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｗａｌｌ）を移動させるステップを包含する。また別の実施形態において、ビームを移動させるステップは、回転多角形（透明な多角形であり得る）内にビームを通すことを包含する。また別の実施形態において、ビームを移動させるステップは、検出器に対して光源を物理的に移動させることを包含する。

別の局面において、本発明は、ビーム光の輝度の検出された空間的均一性を増大させるためのシステムに関する。一実施形態において、そのシステムは、光検出器、ビーム光を生成するためのレーザ源、およびビーム光および検出器を互いに対して移動させるための手段を備えることにより、検出器が時間にわたってビーム光の輝度を平均する。別の実施形態において、そのシステムは、移動させる反射壁を有する再帰反射体（ビーム光をその内へと通させる）を含む。また別の実施形態において、そのシステムは、回転する透明な多角形（ビーム光を通過させる）を含む。

別の局面において、本発明は、ビーム光の輝度の検出された空間的均一性を増大させるためのシステムに関する。一実施形態において、そのシステムは、光検出器、ビーム光を生成するためのレーザ源、およびビーム光および検出器を互いに対して移動させるための平行移動装置（ｔｒａｎｓｌａｔｏｒ）を含むことにより、検出器が時間にわたってビーム光の輝度を平均する。別の実施形態において、レーザ源は、レーザダイオードである。別の実施形態において、その平行移動装置は、移動させる反射壁を有する再帰反射体（ビーム光をその内へと通させる）コーナーキューブリフレクタ（ｃｏｒｎｅｒ ｃｕｂｅ ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ）を備える。また別の実施形態において、その平行移動装置は、回転する透明な多角形（ビーム光を通過させる）を備える。別の実施形態において、その平行移動装置は、検出器に対して光源を物理的に移動させる平行移動装置を備える。

別の局面において、本発明は、ビーム光の伝搬方向と直角な方向にビーム光を移動させるための装置に関する。一実施形態において、その装置は、第１の反射面、第１の反射面に対して直角に向きを定められた第２の反射面、そして第１の反射面および第２の反射面を互いに対して移動させる平行移動装置を含む。別の実施形態において、平行移動装置は、波形発生器によって駆動される圧電変換器である。また別の実施形態において、平行移動装置は、波形発生器によって駆動されるスピーカコーンである。さらにまた別の実施形態において、スピーカコーンは、サブウーファー（ｓｕｂｗｏｏｆｅｒ）である。

これらの実施形態および本発明のその他の局面は、例示することと、本発明を制限しないこととを意図されている、以下の詳細な説明および添付の図面から容易に明らかになる。

（好適な実施形態の詳細な説明）
本発明は、以下の詳細な説明を通じてより完全に理解される。その説明は、添付された図面と関連して読み取られるべきである。この説明において、同様な数字は、本発明の様々な実施形態において同様な要素を示している。この詳細な説明において、特許請求の範囲に記載されている発明は、好適な実施形態に関して説明される。しかしながら、当業者は、本明細書中に記述された方法およびシステムが単に例示的であり、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、変更がなされ得ることを容易に理解する。

一般に、レーザからのビーム光の検出された輝度における、空間的不均一性の問題に対する解決策は、ビーム光を移動させることである。一般にビーム光は、検出器より大きく、検出器が互いに対して、ビーム光が検出器と交差するときに、検出器がビームの輝度における空間的変化を「観察し（ｓｅｅ）」、それらを平均する。そのような相対移動を作り出す１つの手法は、再帰反射体の使用によることである。

再帰反射体は、通常３つの相互に直角に交差する平らな反射面からなり、反射された入射光ビームをその起点の方向に戻す。２次元の再帰反射体の例示が、コーナーキューブリフレクタ５という形で図１において示される。コーナーキューブリフレクタ５は、互いに対して９０度に方向づけられた２つの反射面１０と２０とを含む。光源３４からの光線３０（第１の反射面１０に関して４５度で入射する）は、第２の反射面２０に向かって反射される。この第２の反射面２０は、光線３０を光源３４の方向に後戻りに反射する。光線３０の反射された部分４２は、光線３０の入射する部分３８に対して平行に反射される。光線３０の入射する部分３８と反射された部分４３との間の距離（Ｄ）は、反射面１０、２０間の距離によって決定される。

図２ａを参照すると、反射面１０、２０の位置を互いに対して調整することによって、出射光線４３が平行移動させられ得るので、光線３０の入射する部分３８と出射する部分４２との間の距離（Ｄ）が変わる。本発明の一実施形態において、第１の反射面１０は、反射面１０と直角な方向に移動可能である。第１の反射面１０の向きを第２の反射面２０に関して維持しながら、第１の反射面１０を動かすことによって、光線の入射する部分３８と光線３０の出射する部分４２との間の距離（Ｄ）が変更され得る。

従って、第１の反射面１０が動くときに、光線３０の出射する部分４２の経路に配置されたアパーチャー７０を横切って光線３０の出射する部分４２が、平行移動させられる。光線３０の出射する部分４２の変位におけるこの変化は、光線３０の出射する部分４２が、アパーチャー７０を通過して検出器７４に達し得るか否かを決定する。

より詳細な記述において、図２ａは、１つの光線３０が、第１の反射面１０から反射し、それから光線３０の出射する部分４２（光線３０の入射する部分３８に関して平行で１８０度反転されている）を作り出すように第２の反射面２０から反射することを示す。第１の反射面１０のこの位置８０において、光線３０の出射する部分４２は、アパーチャー７０を通り、検出器７４に達する。

図２ｂを参照すると、第１の反射面１０の位置８２を移すこと（矢印Ｔ）によって、光線３０の入射する部分３８と出射光線４２’との間の距離（Ｄ’）が変わる。光線３０の出射する部分４２’におけるこの変位は、光線３０に、アパーチャー７０を通り抜けないようにさせ、光線３０は、従って検出器７４によって観察されない。

図３ａを参照すると、光３０’の多くの光線（例えば、拡大された光源３４’からの光線）から作り上げられたビームが考慮される場合に、反射面１０の第１の位置８０’において再び、複数の光線が、アパーチャー７０に向かって反射され、図２ａの単一の光線３０の場合のように、ほんのわずかの光線７２が、検出器７４へと通過する。また図３ｂを参照すると、第１の反射面１０が移動される（矢印Ｔ）場合に、以前に検出器７４に達するようにアパーチャー７０を通過したそれらの光線７２’は、アパーチャー７０を横切って平行移動されず、もはや検出器７４に達しない。一方、アパーチャー７０によって当初ブロックされた、いくつかの他の光線７２’が、ここでアパーチャー７０を通過し、図２ｂの単一の光線３０で起こったように、再び検出器７４に達する。

第１の反射面１０が前後に動くときに、ビーム３０の出射する部分４２を作り上げる種々の光線は、アパーチャー７０を通過し、検出器表面上の異なる地点において検出器７４に達する。従って、ビーム４２は、その幅を横切って輝度が変化し得るけれども、移動可能な反射面１０は、アパーチャー７０と協働して、輝度の均一性がより大きな検出器７４上の平均された結果の画像（ｒｅｓｕｌｔａｎｔ ｉｍａｇｅ）を創り出す。複数画素（ｍｕｌｔｉ ｐｉｘｅｌ）検出器のすべての画素は、第１の反射面１０が露光の過程にわたって数サイクルを通して動く場合、すべてのその他の画素と略同じ平均光量を時間にわたって観察する。従って、再帰反射体５は、時間にわたって光ビームが平均される場合に、より均一な光ビームの検出を促進する状態を創り出す。

図４ａは、検出器がダイオードレーザ源を見ている場合に、検出器面を横切って観察されるような光の輝度の測定値を示す。輝度プロットにおけるピークは、ダイオードレーザのファセット中の「ホットスポット（ｈｏｔ ｓｐｏｔ）」によって引き起こされる。図４ｂは、検出器が、本発明を用いて平均されているダイオードレーザ源を見ている場合に、検出器面を横切って観察されるような光の輝度の測定値を示す。画像が検出器を横切って第１の反射体の移動によって動かされるときに、レーザ内のモード構造によって引き起こされた輝度プロットにおけるピークおよび谷が、平均される。

様々な実施形態において、反射面１０、２０は、好適には、銀めっきされたミラーであるが、任意の反射材料から構成され得る。本発明は、第１の反射面１０を表面と直角な方向に移動させる観点から記述されたけれども、別の実施形態においては、第２の反射面２０が、移動可能である。別の実施形態においては、両方の反射面が、逆方向に同時に移動可能である。

反射面は、任意の往復運動手段によって平行移動させられ得るので、ビームおよび互いの反射面に対する反射面の向きは、一定のままである。さらに、ビームを検出器の表面の両方の広がり（ｄｉｍｅｎｓｉｏｎ）にわたって均一にするために、第１の反射面１０は、回転し得るので、入射ビームの両方の軸に対して４５度の方向において、表面の地点に対して垂直であり、入射ビームと第２の表面反射体に向かって反射されたビームとの両方に対して４５度の角度に動く。

反射面は、任意の往復運動手段、例えばモータ駆動カムによって駆動され得る。別の実施形態において、第１の反射面は、サブウーファーのスピーカコーンに搭載される。他の実施形態において、反射面は、圧電変換器を使用して動かされる。一実施形態において、サブウーファーまたは圧電変換器は、正弦波によって駆動される。他の実施形態において、反射面は、その他のタイプの波形によって駆動される。別の実施形態において、第２の反射面は、第２のサブウーファーによって駆動される。さらに別の実施形態において、両方の反射面は、それぞれのサブウーファーによって駆動される。

別の実施形態において、回転多角形は、レーザビームから均一な輝度のビームを創り出すために使用され得る。図５に示されるように、２つの入射光線８０、８４は、多角形９０の表面９２と直角に、多角形９０に入り込む。例として１つの入射光線８０を用いると、入射光線８０は、空気／多角形境界面９２に垂直入射（９０度）し、それによって、透過した光線９６がまた、その境界面９２と直角になる。透過した光線９６（この段階で、多角形／空気境界面１００における入射光線）が多角形９０を出て行く場合に、入射する光線９６および透過した光線１０４は、両方とも境界面１００と直角である。従って、多角形９０に入射する光線８０と、多角形９０を介して外に透過した光線１０４とは、同じ向き（すなわち、それらは、両方とも多角形の表面と直角である）を有している。従って、垂直入射において、入射光線は、まっすぐに多角形を通過する。同じプロセスは、図５に描かれたもう一方の入射光線９２に影響を及ぼす。

図６を参照すると、多角形９０が回転するときに、空気−多角形境界面９２への入射角１０６が変化し、従って多角形９０内側の屈折角１０８を変化させる。（図６ａは、これらの角度を明瞭に示すための拡大である。）例えば、入射光線８０は、多角形表面９２および

に垂直でない角度１０６で多角形の境界面９２と交わり、多角形９０内のビーム９６’は、スネルの法則によって決定されるように、角度１０８で境界面９２の垂直１１０に向かって屈折する。光線９６’は、多角形９０を通過し、多角形−空気境界面１１０において入射光線になる。光が材料から空気へと通ることにより、入射光線９６’は、表面に対して垂直から離れるように屈折し、透過した光線１０４’を結果としてもたらす。同じプロセスは、図６に描かれたもう一方の入射光線８４に影響を及ぼす。多角形９０が回転するときに、ビームがより少なく曲折され、ついに、境界面９２がビームに対して再び直角である場合に、図５に関して上述されたように、光は、多角形を通過する。多角形が回転するときに、その結果は、透過した光線１０４および１１０が、互いを横切って移動することとなる。

図７ａを参照すると、光の多くの光線（例えば、拡大された光源３４からの光線）から作り上げられたビーム１２０が、考慮され、９０度の角度で表面９２に入射する場合に、ビーム８０は、検出器７４に対してまっすぐに多角形９０を通過する。また図７ｂを参照すると、多角形９０が回転するときに、境界面９２に関しては光線の入射角が変化し、多角形９０の向こう側の表面の屈折角および地点（ビーム１２８が出て行き、検出器７４に達する地点）を変更させる。多角形３２’が回転するときに、ビームの光線が、互いを横切って移動するので、検出器７４の各部分は、時間にわたって実質的に同じ光の輝度を検出する。従って、回転多角形９０は、ビーム１２０の幅にわたってビームの輝度を空間的に平均する手法を提供する。

多角形は、光線を透過させ得る任意の材料から構成され得る。示された実施形態において、多角形は、八角形であるが、任意の多角形が使用され得る。好適な実施形態は、約１．９より大きい屈折率を有するガラス多角形を使用する。多角形は、輝度の均一性の適切なレベルを取得するために様々な速度で回転され得る。好適な実施形態において、多角形は、露光時間の約２倍の速度で回転される。

変更、改変、および本明細書中に記述されるその他の実装は、特許請求の範囲のような本発明の精神および範囲から逸脱することなく、当業者に想起される。従って、本発明は、以上の例示的な記述によってではなく、代わって特許請求の範囲の精神および範囲によって規定されるべきである。

図１は、２次元の再帰反射体の２次元描写によって反射されている光線の図である。 図２（ａ、ｂ）は、様々な位置において反射面を有する２次元の再帰反射体に入り込んでいる光線の２次元描写である。 図２（ａ、ｂ）は、様々な位置において反射面を有する２次元の再帰反射体に入り込んでいる光線の２次元描写である。 図３（ａ、ｂ）は、様々な位置において反射面を有する２次元の再帰反射体に入り込んでいる多くの光線を含んでいるビーム光の２次元描写である。 図３（ａ、ｂ）は、様々な位置において反射面を有する２次元の再帰反射体に入り込んでいる多くの光線を含んでいるビーム光の２次元描写である。 図４ａは、ダイオード源を見ている検出器によって観察されるような、検出器面を横切る光の輝度のプロットである。 図４ｂは、本発明の実施形態によって平均されるときに、ダイオード源を見ている検出器によって観察されるような、検出器面を横切る光の輝度のプロットである。 図５は、垂直（９０度）入射における、透明な多角形に入り込んでいる２つの光線の２次元描写である。 図６は、９０度以外の入射角で透明な多角形に入り込んでいる、２つの光線の２次元描写である。 図６ａは、図６の一部分の拡大である。 図７（ａ、ｂ）は、９０度以外の入射角で透明な多角形に入り込んでいる、多くの光線を含んでいるビーム光の２次元描写である。 図７（ａ、ｂ）は、９０度以外の入射角で透明な多角形に入り込んでいる、多くの光線を含んでいるビーム光の２次元描写である。

Claims (18)

1. レーザおよび光検出器を含むシステムにおいて、該レーザからのビーム光の検出された輝度の空間的均一性を増大させる方法であって、該方法は、
   該レーザを用いてビーム光を生成するステップと、
   該ビーム光および該光検出器を互いに対して移動させるステップであって、このことにより、該検出器が時間にわたって該ビーム光の該空間的輝度を平均する、ステップと
   を包含する、方法。
2. 前記ビームを移動させるステップは、再帰反射体の内に該ビーム光を通すステップと、該再帰反射体の反射壁を移動させるステップとを包含する、請求項１に記載の方法。
3. 前記再帰反射体は、コーナーキューブリフレクタである、請求項１に記載の方法。
4. 前記ビームを移動させるステップは、前記検出器に対して光源を物理的に移動させることを包含する、請求項１に記載の方法。
5. 前記検出器は、いつでも前記ビームの一部分のみに対して露光される、請求項１に記載の方法。
6. レーザによって前記ビーム光を生成するステップは、ダイオードレーザによって該ビーム光を生成することを包含する、請求項１に記載の方法。
7. ビーム光の輝度の検出された空間的均一性を増大させるためのシステムであって、該システムは、
   光検出器と、
   該ビーム光を生成するためのレーザ源と、
   該ビーム光および該光検出器を互いに対して移動させるための手段であって、これにより、該検出器が時間にわたって該ビーム光の該輝度を平均する、手段と
   を備える、システム。
8. 前記移動させるための手段は、移動させる反射壁を有する再帰反射体を備え、該再帰反射体の内に、前記ビーム光が通される、請求項７に記載のシステム。
9. 前記移動させるための手段は、回転する透明な多角形を備え、該多角形を介して、前記ビーム光が通される、請求項７に記載のシステム。
10. ビーム光の輝度の検出された空間的均一性を増大させるためのシステムであって、該システムは、
    光検出器と、
    該ビーム光を生成するためのレーザ源と、
    該ビーム光および該光検出器を互いに対して移動させる平行移動装置であって、これにより、該検出器が時間にわたって該ビーム光の該輝度を平均する、平行移動装置と
    を備える、システム。
11. 前記レーザ源は、レーザダイオードである、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記平行移動装置は、移動させる反射壁を有する再帰反射体を備え、該再帰反射体の内に、前記ビーム光が通される、請求項１０に記載のシステム。
13. 前記平行移動装置は、回転する透明な多角形を備え、該多角形を介して、前記ビーム光が通される、請求項１０に記載のシステム。
14. 前記平行移動装置は、前記検出器に対して光源を物理的に移動させる平行移動装置を備える、請求項１０に記載のシステム。
15. ビーム光の伝搬方向と直角な方向にビーム光を移動させるための装置であって、平行移動装置は、
    第１の反射面と、
    該第１の反射面に対して直角に向きを定められた、第２の反射面と、
    該第１の反射面および該第２の反射面を互いに対して移動させる平行移動装置と
    を備える、装置。
16. 前記平行移動装置は、波形発生器によって駆動される圧電変換器である、請求項１５に記載の装置。
17. 前記平行移動装置は、波形発生器によって駆動されるスピーカコーンである、請求項１５に記載の装置。
18. 前記スピーカコーンは、サブウーファーである、請求項１７に記載の装置。

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