JP2594924B2 - 固体波面スロープセンサ及び波面スロープ検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 この発明はレーザに係り、特にレーザビームの波面ス
ロープを検出するセンサおよび方法に関する。

波面スロープセンサは、オプチカルトレインおよびま
たは中介媒体によって生成される波面歪を補償するのに
必要な補正を決定するために、例えば、適応オプチカル
システムに使用されている。すなわち、この明細書にお
いて、オプチカルトレインとは特には反射光学系アレイ
を意味し、適応オプチカルシステム、適応オプチックシ
ステムあるいは適応レーザシステムとはそれぞれ光学系
の要素の特性、機能などを対象物体、周囲の状態などの
変化に対応して変化させることにより目的とする働きを
常に高能率、高精度で実行するシステムと同義語を意味
しているものとする。多くの応用において、理想的なこ
とはビームの断面を渡る波面スロープがゼロであること
である。ノン−ゼロスロープはビームの歪および散乱を
示し、その結果はパワー配送が減少されることになる。

出力ビームは、例えば、算出されるスロープ分布の関
数として、変形可能な一次ミラーに加えられる圧力を変
化することによって予め歪ませることができる。この方
法において、適当なスロープ関連パラメータは上述のパ
ワー配送を強化するために最小化することができる。

波面スロープセンサに従う基準は信頼性、スピード、
分解能およびコストを含んで評価される。別の初歩的な
考察はパルスおよび連続波レーザの両方に使用するため
の柔軟性である。

利用し得るあるいは上述したスロープセンサの幾つか
のものは移動素子を含む。この移動体はスロープを算出
するのに必要なものとして、ビームの単一部分の多重化
検出を提供するため、あるいはビームの異なる部分をサ
ンプルするために使用される。このようなシステムは、
一般に連続波応用に対して制限を受けるということが欠
点である。また、機械的な移動体に含まれる時間がシス
テムの検出スピードを制限する。これは特に、リアルタ
イム補正が要求されるときに問題である。さらに、移動
部品群の合体は信頼性を減少すると共に、システムのコ
ストを増加する。

レーザビームをサンプリングするのに多数のサブアパ
ーチュアを用いる別のクラスの波面スロープセンサがあ
る。例えば、米国特許第4141652号明細書に開示されて
いるようなハートマン−タイプのセンサは多数のサブア
パーチュアを規定するグレーティングを使用する。各サ
ブアパーチュア内の平均スロープが検出されると、その
集合的な検出はビームのスロープ分布を提供する。

上記のグレーティングセンサによる重大な問題は高分
解能のグレーティングの製造が困難であるということで
ある。加えて、入力光が相当の割合でグレーティングに
おける反射によって失なわれてしまう。また、回折効果
がより小さなアパーチュアでみられることになる。最後
に、この機械的なアパーチュアのセンサは約３または４
倍もの膨大な計算要求をもつことに帰着する。このよう
にして、リアルタイム遂行が阻害される。

これまでに述べられ且つ利用し得るセンサは機械的移
動体によるシステムの限界と機械的グリッドのサブアパ
ーチュアによるそれらとの間に選択を提供している。必
要なのは、高分解能検出を提供し、信頼性、コスト有効
性、データを効率的に処理する高速波面検出であると共
に、連続波応用と同様にパルス化に対しても適用し得る
ことである。

発明の摘要 この発明によると、レーザビームは空間位置の連続単
調関数に従って分離され、波面スロープ分布は分離成分
の強度分布から算出される。前述したことは、適応し得
るレーザソースと波面スロープセンサとを有する適応オ
プチックシステムのコンテキストに導かれる。

上記波面スロープセンサは一つのランプフィルタと二
つの強度分布センサとを含む。このスロープセンサはま
た上記ランプフィルタにおいてレーザビームをフォーカ
シングするレンズと、上記ランプフィルタと上記各強度
分布センサとの間でビーム成分をコリメーティングする
付加的なレンズ群あるいは手段とを含む。処理器は上記
一対の強度分布から波面スロープ分布を算出する。

この発明の一つの具体化において、上記処理器は、上
記強度分布のポイントワイズ差分化（強度分布センサ上
の対応する検出点毎において差分値をとること）を遂行
する。正規化は強度分布のポイントワイズ総計（個別的
な点における検出値の各成分の和）でポイントワイズ
（個別的な点における検出値）を除算することによって
もたらされる。この結果は理論的あるいは経験的に導か
れる関数に従ってスケーリングされる。例えば、直線ラ
ンプ関数および比較的大きな空間直径の場合において、
二つの強度センサを用いるときのスケーリング関数は1/
2となる。

上記ランプフィルタは部分的に反射し且つ部分的に透
過するオプチカル素子でよい。透過率関数は連続および
単調とすべきである。二次元スロープ分布を検出するシ
ステムにおいて、二つのランプフィルタの透過率の変化
の方向は直交とするかあるいは少なくとも同一線上にな
いようにすべきである。

前述および以下の詳細な説明によると、この発明は波
面スロープセンサを提供する。移動部品群の省略および
各構成体の簡易化はローコストで高い信頼性を提供す
る。加えて、この検出は連続波応用と同様にパルス化に
も効果的である。機械的なサブアパーチュアの省略およ
び容易に入手し得る強度分布センサの使用は高分解能に
対する容易なスケーリング可能性を提供する。関連する
アルゴリズムは利用し得るセンサに使用されるアルゴリ
ズムよりもはるかに効率的であるので、リアルタイム処
理が実現される。その他の特徴および利点は以下の詳細
な説明から明らかとなる。

図面の説単な説明 第１図はこの発明に関連する適応レーザシステムを示
す図であり、 第２図は第１図のレーザシステムに組み込まれたラン
プフィルタの透過率関数を示す図である。

好ましい実施例の詳細な説明 第１図に図示されているように、適応レーザシステム
10は適応し得るレーザ12と波面スロープセンサ14とを含
んでいる。上記波面スロープセンサはランプフィルタ16
と、強度分布センサ18および20とを有している。また、
この波面スロープセンサは上記ランプフィルタにおいて
レーザビームをフォーカシングするフォーカシングレン
ズ24あるいはその他の手段を含むと共に、上記ランプフ
ィルタと上記各強度分布センサ18および20との間で上記
ビームをコリメーティングするコリメーティングレンズ
26および28あるいはその他の手段を含んでいる。

上記ランプフィルタ16は部分的に透過し且つ部分的に
反射するオプチカル素子である。図示されたシステム10
において、上記ランプフィルタ16は光学的にフラットで
あると共に、空間的に変化する透過率関数を有してい
る。特に、図示されたランプフィルタ16はある次元では
直線的に変化し且つ逆の次元では一定である透過率関数
を有している。

図示されたシステムの動作は、理想的にフラットな波
面によるレーザビームの場合について先ず述べられる。
このビームはレーザ12によって生成されると共に、上記
ランプフィルタ16の中心における一点に対してレンズ24
によってフォーカスされる。このビームは二つの等しい
成分に分割される。一つの成分は反射された後、コリメ
ーティングレンズ28によってコリメートされ、この反射
成分の強度分布は強度センサ20によって検出される。透
過成分はレンズ26によってコリメートされると共に、セ
ンサ18によって検出される。上記センサ18および20によ
って集合された強度データは処理器22に送信される。

上記処理器22は上記二つの強度分布について異なる検
出点毎にそれの差分値を算出する。このビームは理想的
であるので、差はゼロであり、且つ正規化および評価は
このゼロ測定に影響を与えない。このスロープは均一に
ゼロであるべく検出されるので、変形命令がレーザ12に
送られることはない。

歪を受けたレーザビームの場合、そのスポットは上記
ランプフィルタ16において幾分か散乱されている。従っ
て、このビームのある部分についての透過対反射の比は
1:1より大きく、ある部分についての比は1:1より小さ
く、且つビームのある部分についての比は実質的に1:1
である。結果として、各強度センサの対応するサブアパ
ーチュアの幾つかのペア群は異なる入射強度を検出す
る。この不一致は、上記処理器においてノン−ゼロ差と
して表われる。正規化および評価後に、上記処理器22は
上記レーザビームを補正するために適応レーザに対して
変形命令を送る。

多くの応用では、二次元スロープ分布が要求される。
従って、ビーム分割器は二つの直交するスロープセンサ
の各々に対してサンプルを提供するために使用すること
ができる。このスロープセンサは、それらの透過率を変
化する方向が直交しているのであれば、それらの各ビー
ムが相対的に直交するように選ばれる。

図示されたランプフィルタ16の透過率関数は、第２図
に図示されるように、それの空間直径ｄに渡って直線的
である。このようなランプフィルタは、ガラスの一部を
マスキングすると共に、部分的にマスクされたガラスの
上にアルミニウムを堆積することにより、簡易に且つ効
率的なコストで製造することができる。上記アルミニウ
ムは所望の連続単調関数を規定するために上記マスクの
下で拡散することを可能とする。このプロセスは調節さ
れるべきであり、上記空間直径は上記ランプフィルタで
の上記レーザビームの望まれるスポットサイズに比し
て、例えば４または５倍の大きさとされる。

上記直線性の仕様および空間直径については制限的で
ないものと理解すべきである。それらは、それらの理論
的に簡易化のために選択されている。しかしながら、ラ
ンプフィルタ群における重要な変更は、完成されたセン
サおよびまたはレーザシステムの経験的な較正に関係し
て適応させることができる。

図示されたレーザシステム10をより詳細に考察する
と、上記レーザ12は変形可能な一次ミラー（図示せず）
を含む。この一次ミラーは、上記処理器22によって決定
される命令に応じて圧電アクチュエータの拡張または収
縮によって変形させることができる。上記レーザ12はビ
ームを生成し、それのサンプルは上記波面スロープセン
サ14に向けられる。フォーカスシングレンズ24は上記ラ
ンプフィルタ16において上記ビームを結像する。

上記ランプフィルタ16は本来のレーザビームと相対的
に傾いた関係で示されており、それは反射成分のオプチ
カルトレインが本来のオプチカルパスに干渉しないよう
にするためである。上記図示されたランプフィルタ16は
それの空間幅に等しい長さで示されており、上部におい
て100％の透過率を有し、底部において100％の反射率を
有し、中心において50％の透過率と50％の反射率を有す
る。この図示されたフィルタ16は大きなガラス素子（図
示せず）のフィルタ16の形成部上に埋められる。

上記ランプフィルタ16の中心線に入射するレーザビー
ムのサブアパーチュアは、透過および反射オプチカルパ
ルス間で1:1に分割される。この中心より上に入射する
ビームのサブアパーチュアに関しては、より大きな成分
が透過され、上記中心より下に入射するビームのサブア
パーチュアは、より大きな成分が反射される。上記に示
されたように、上記透過および反射成分は強度センサ18
および20による検出の前にコリメーティングレンズ26お
よび28によってコリメートされる。

上記強度センサはレーザビームの結像平面に位置付け
られる。上記図示された強度センサ18および20は64×64
アレイの共通CCD検出器である。明らかに、異なるアレ
イ形状を使用することができる。その他の実施例は、レ
ーザビームを特徴付けて処理すべきデータ量にあらわれ
るトレードオフ、より高い分解能を有するセンサを利用
する。しかしながら、付加的な処理は規定されるサブア
パーチュアや検出器の数に比例することになる。各強度
センサからの読取りは上記処理器22によって要求される
ようにアナログ−デジタル変換器（図示せず）によって
バイナリ形態に変換される。

上記処理器22はポイントワイズ差分化および正規化す
るために各成分の和による除算を遂行する。0.5の評価
係数が上記図示されたシステムにおける理論的な考察下
に適用される。さらに一般化すると、上記計算は次の形
式からなる。

ｓ（ｘ）＝Ｋ｛I_t（ｘ）−I_r（ｘ）｝ ｛I_t（ｘ）＋I_r（ｘ）｝^-1 ここでｓ（ｘ）は点ｘにおけるスロープであり、I
_t（ｘ）は関連付けられる強度センサ上のｘの対応する
点における透過成分の強度であり、I_r（ｘ）は関連付け
られる強度センサ上の点ｘに対応する点における反射成
分の強度であり、且つＫは定数である。

Ｋは無限の空間直径の直線ランプフィルタの場合の1/
2倍に等しい。この係数は、上記空間直径が上記ランプ
フィルタ上における上記レーザビームスポットの空間散
乱に比較して大きいところで適用される。

加えて、処理器22は較正決定に従って入力の変換とス
ケーリングを提供する。この図示されたシステムのコン
テキストにおいて、４つの加算／減算と３つの掛算／除
算が遂行される。上記差分化、上記正規化指数の計算、
および二つの較正変換は４つの加算／減算でなされる。
上記正規化、理論的なスケーリング係数による掛算およ
び較正係数は３つの掛算を構成する。

二次元システムについて、８つの加算と６つの掛算が
サブアパーチュア毎に要求される。この指数はパルス化
されたレーザを評価することが可能な他のシステムと非
常に都合よく比較される。これらは一般にサブアパーチ
ュア毎に64の加算と18の掛算とが必要となる。また、こ
の発明は連続波検出に制限されるシステムを越えた重要
な計算的な利点を有する。

この発明は図示された実施例の多くの変更と変形を提
供する。あるシステム水準では、センサの次元付けとダ
イナミックレンズがレーザの性能およびレーザに対する
センサの関連性に従って調節することができる。このレ
ーザは全体のビームや一つのサンプルを検出するために
配置することができる。センサはレーザを退出する如く
較正するため、あるいは異常気圧のような歪の供給源の
中介を補償するためにそれの用途におけるビームを評価
するために配置することができる。若し、レーザソース
において一つのサンプルを使用するなら、そのサンプル
は主ビームパスの外に偏向されてしまう。

上記ランプフィルタの空間幅は変更することができ
る。大きい幅はより大きなダイナミックレンジのために
使用することができると共に、より大きな感度のために
選択された小さく値を使用することができる。透過率の
関数は全く直線性を必要としない。実際的に、透過率の
関数は極端な漸近に接近することができる。開示された
アルゴリズムは直線的な中心領域の正確な結果を表わし
たが、さらに大きなダイナミックレンズがより大きな歪
を取扱うために利用し得る。その他のアルゴリズムはよ
り大きな歪においてもフルレンジの正確さを達成するた
め使用することができる。

上述したように、その他の透過率関数は適切なアルゴ
リズムに適用することができる。透過率関数は直交座標
には必要でない。透過率関数は、例えば、フィルタ上の
中心点から放射状に延伸することができる。なお、上記
ランプフィルタは部分的に反射し且つ部分的に透過する
オプチカル素子によって実現されるという必要性はな
い。このランプフィルタは、分割累進配置の透過オプチ
カル素子を通してパスする各結果成分を伴うビーム分割
器により、実現することができる。

種々のフォーカシングおよびコリメーティング素子は
様々な方法によって実現することができる。同様に、こ
の発明によって組み入れることができる利用可能な広範
な強度センサがある。また、上記処理器は一般的なコン
ポーネントである。細心の較正システムにおいて、処理
機能のあるものはデジタル変換する前にアナログコンポ
ーネントによって実現することができる。例えば、上記
較正と評価は、デジタル的な差分化と規格化を遂行する
ための処理器から別れて、アナログ的に実現することが
できる。

上述によると、レーザビームの波面を検出するための
改良された方法とシステムが提供される。上述したよう
な多くの変形と変更は、次の請求の範囲によってのみ限
定されるこの発明の範囲内である。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特表 平４−506573（ＪＰ，Ａ) 米国特許4518854（ＵＳ，Ａ) 米国特許4441019（ＵＳ，Ａ)

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】レーザビームサンプルを得るための手段
   と、 上記レーザビームをフォーカシングするフォーカシング
   手段と、 上記フォーカシング手段によってフォーカシングされた
   上記レーザビームを透過成分と反射成分とに分離するた
   めに、上記レーザビームを部分的に透過する共に、部分
   的に反射するオプチカル素子からなり、透過率が空間位
   置の関数として連続的及び単調的に変化する特性を有す
   るフィルタ手段と、 上記フィルタ手段によって分離された各成分のレーザビ
   ームをコリメーティングするコリメーティング手段と、 上記コリメーティング手段によってコリメーティングさ
   れた各成分のレーザビームの空間強度分布を検出する強
   度センサ手段と、 上記強度センサ手段によって検出された各成分のレーザ
   ビームの空間強度分布に基づいて上記強度センサ手段上
   の対応する検出点毎の各成分間の差分値を算出する処理
   器手段とを具備する波面スロープセンサ。
2. 【請求項２】上記処理器手段が上記強度センサ手段上の
   対応する検出点毎の各成分間の差分値を正規化及びスケ
   ーリング可能な手段を含むことを特徴とする請求の範囲
   １に記載の波面スロープセンサ。
3. 【請求項３】上記処理器手段が上記強度センサ手段上の
   対応する検出点毎の各成分間の差分値を上記強度センサ
   手段上の対応する検出点毎の各成分の和で除算すること
   によって上記正規化を行うことを特徴とする請求の範囲
   ２に記載の波面スロープセンサ。
4. 【請求項４】レーザビームサンプルを得るためのステッ
   プと、 上記レーザビームをフォーカシングするステップと、 上記フォーカシングされた上記レーザビームをを部分的
   に透過する共に、部分的に反射するオプチカル素子から
   なり、透過率が空間位置の関数として連続的及び単調的
   に変化する特性を有するフィルタ手段によって上記レー
   ザビームを透過成分と反射成分とに分離するステップ
   と、 上記分離された各成分のレーザビームをコリメーティン
   グするステップと、 上記コリメーティングされた各成分のレーザビームの空
   間強度分布を強度センサ手段によって検出するステップ
   と、 上記検出された各成分のレーザビームの空間強度分布に
   基づいて上記強度センサ手段上の対応する検出点毎の各
   成分間の差分値を算出することによって上記レーザビー
   ムの波面スロープ検出するステップとを具備する波面ス
   ロープ検出方法。
5. 【請求項５】上記強度センサ手段上の対応する検出点毎
   の各成分間の差分値を正規化及びスケーリングするステ
   ップをさらに具備する請求の範囲４に記載の波面スロー
   プ検出方法。
6. 【請求項６】上記検出された各成分のレーザビームの空
   間強度分布に基づいて上記強度センサ手段上の対応する
   検出点毎の各成分の和を算出するステップと、 上記強度センサ手段上の対応する検出点毎の各成分間の
   差分値を上記強度センサ手段上の対応する検出点毎の各
   成分の和で除算することによって上記正規化を行うステ
   ップをさらに具備する請求の範囲５に記載の波面スロー
   プ検出方法。