JP3799773B2 - 光ビームの制御システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ビームの制御システムに関し、特に、レーザビームの波面（ｗａｖｅ ｆｒｏｎｔ）形状を修正するシステムに関する。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
レーザビームの品質は、フラッシュランプ又はダイオードによるレーザロッドの不均一なポンピングに起因する熱レンズ効果によって乱される。光源から伝達されるレート及び平均パワーがいかなるものであっても、レーザビームの品質を回折限界にできるだけ近付くように維持することは重要である。
【０００３】
本発明の目的は、２Ｄ位相変調器の役割を完全に果たす液晶セルから非常に高品質の波を伝達可能な連続光源アーキテクチャ又はパルス光源アーキテクチャを提案することにある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、制御すべき光ビームの通路上に配置されており、この光ビームから測定ビームを抽出するビームスプリッタと、測定ビームを受け取り、測定ビームの波面形状を測定する検出装置と、制御すべき光ビームの通路上に配置されており、上述の検出装置によって作動せしめられ、制御すべき光ビームの波面形状を修正する波面形状修正装置とを備えており、上述の検出装置が、光空間変調器と、測定ビームの異なる部分を受け取る合焦装置と、一連の光検出器と、光の波を検出し特定された光検出器の関数として波面形状を計算する、単数又は複数の光検出器を特定するための装置とを備えており、一連の光検出器が合焦装置の合焦平面内に配置されており、光空間変調器が測定ビームの複数の部分を選択的に透過し、測定ビームの他の部分を遮断するべく、各画素が光の通過を阻止するか又は光を透過させるように作動するマトリクス制御付の液晶変調器である光ビームの制御システムが提供される。
【０００５】
【発明の実施の形態】
本発明の種々の目的及び構成は、添付の図面及び以下の記載から明らかとなるであろう。
【０００６】
図１ａは本発明のシステムの一般的な構成を示すブロック図である。このシステムでなすべきことは、光ビームＦ１の波面形状を制御する、より特定的には、その位相歪を修正することである。
【０００７】
ビームスプリッタ５は、光ビームＦ１の通路上に配置されており、このビームの小部分を検出装置２へ伝達するために取り出す。この検出装置は、波面の形状、特に波面の位相シフトを解析する。
【０００８】
波形修正装置（波面修正装置）１は、ビームスプリッタ５に関して上流の、光ビームＦ１の通路上に配置されている。この修正装置１は、検出装置２によって制御される。この修正装置１は、検出された波面の異なる点に属する異なる位相の関数として位相シフトを空間的に誘起するために、従って波面形状を修正するために使用される。
【０００９】
本発明によれば、この種の装置は、低エネルギ発振器６と１つ又はそれ以上の高ゲイン増幅器４とを備えたレーザ源（図１ｂ）に一体化される。ビーム修正装置１は、発振器６と増幅器４との間に配置される。ビームスプリッタ５は、増幅器４の出力側に配置される。
【００１０】
この種の装置は、従って光ビームの位相歪を修正するため及び修正された平面波を提供するために使用される。
【００１１】
波面修正装置１は、好ましくは、各画素に印加される電圧によって位相シフトを発生する２Ｄ空間変調器である。従って検出装置によって、波の位相から、空間変調器１の異なる画像素子に位相シフト発生用電圧を印加することができる。このように空間変調器１により入射波が先行して歪まされているため、位相修正されたビームが得られる。入射波は低エネルギ波であるが、増幅器を通過した後には強いビームが得られる。ビームの品質は、位相の収差（ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）に、特に増幅器による収差に影響を受けない。
【００１２】
換言すれば、提案したシステムは、増幅器から入る収差を有する波の共役波を伝送中に発生する電気光学位相板と等価である。
【００１３】
このシステムの実施形態が、図２及び図３によって示される。図２は本発明の一実施形態における波面形状検出装置を示す図であり、図３は図２の実施形態における波面形状修正装置を示す図である。
【００１４】
収差を有する波の位相の測定
この位相測定は、電気光学シャッタ網と同じ機能を有するＮ×Ｎの液晶スクリーン２０を用いてなされる。
【００１５】
変調器上で選択された各アパーチャについて、点Ｍ_i で合焦された素平面波が検出される。ＣＣＤカメラ２２上のこの点の座標は、シャッタ網の各画素についての波面の傾斜θ_x 及びθ_y を決定する。その結果、Ｎ×Ｎ画素マトリクスの連続的スキャニングにより、増幅器の前に置かれた空間変調器で発生する位相関係−φ_i （ｘ，ｙ）が回路２３において計算することによって求まる。
【００１６】
増幅前の共役波を発生するための位相空間変調器
この機能を実現するため、本発明では図３に示す空間変調構造を用いる。ここでは、次の２つの液晶変調器を用いる。
・マトリクス制御付の、小型ＴＶ液晶スクリーン型のアクティブマトリクス１０、
・レーザビームの位相を関係−φ_i （ｘ，ｙ）で変調するように設計された光導電体によってアドレスされる液晶バルブ又はセル１２。
【００１７】
図３において、光導電体のスペクトル感度領域内で放射するコンパクトな非コヒーレント光源（ハロゲンランプ、エレクトロルミネッセントダイオード又はこれに類するもの）１３及び対物レンズによって、アクティブマトリクス１０は、セル１２の光導電体上に投影される。レーザビーム上の位相規則−φ_i （ｘ，ｙ）は、以下の処理の結果として得られる。
・光導電体上へ投影される強度Ｉ_i （ｘ，ｙ）を伴う空間分布のアクティブマトリクス上での発生、
・光学アドレッシングセル１２による、位相関係−φ_i （ｘ，ｙ）の発生。位相は、光導電体の局所的な照明Ｉ_i （ｘ，ｙ）によって誘起される電圧分布Ｕ（ｘ，ｙ）によって変調される。
【００１８】
この２Ｄ空間変調構造が効率よく動作するには、アクティブマトリクスの各画素のアドレッシング電圧の関数として誘起される位相シフトを伴う、装置の時間関数の正確な校正能力が必要である。さらに、光導電体への照明の関係をスムーズにするために、セル上に投影されるアクティブマトリクスの像がわずかに焦点からずれていることが非常に重要である。これにより、レーザ波面はアクティブマトリクスの「画素化（ｐｉｘｅｌｉｚｅｄ）」構造の像によって、乱されない。光導電体は、アクティブマトリクスからの照明波長によってのみ光学的に活性化されるように選択され、修正されるべきビーム（Ｆ１）の波長には、透明性を有する。
【００１９】
具体的構成例
光源は、ｎｓモードで動作するＭＯＰＡ型ｎｄ−ＹＡＧレーザであり得る。
【００２０】
位相測定は、１０² ×１０² 点で行われる。
【００２１】
マトリクスアドレッシング付の強誘電体液晶空間変調器の選択、画素計算時間が１０μｓ、画素寸法が２００×２００μｍ² （標準フォーマットのＣＣＤカメラ）。
【００２２】
位相修正装置は、位相変調用の平行配置した光導電体／ネマチック液晶セルを備えている。その一例として、ＢＳＯ−液晶又はＣｄＳｅ−液晶の構造を有する。記録波長はλ＝４５０〜５５０ｎｍ、再生波長はλ＞８００ｎｍであり、印加電圧はＵ＝２０ボルト、５０Ｈｚであり、誘起される位相シフト（Δφ＝２πｄΔｎ／λ）はΔφ≒８πである。ただし、ｄ＝２０μｍ、Δｎ＝０．２、λ＝１．０６μｍ。光導電体は、ハロゲン光源、アークランプ、光放出ダイオード等により例えば青又は緑の波長領域で光を放出する非コヒーレント光源によって照明される。
【００２３】
アクティブマトリクス１０は、標準テレビジョンフォーマットを有する液晶アクティブマトリクス型であり、照明されかつ光導電体セル１２上に投影される。この液晶マトリクスは、例えば５０μｍの寸法と、６２０×４８０画素とを有している。
【００２４】
回路３は、検出装置２の検出器平面の各点における最大強度位置の測定を通して位相φ（ｘ，ｙ）を計算する計算回路である。
【００２５】
さらに、レーザビームを光導電体／液晶セルの寸法及び幾何学的形状に整合するための手段が備えられている。図３はこれら手段をレンズ１６及び１７で表している。変調器１０を照明するためのビームの断面は、レンズ１４及び１５によってセル１２の表面に整合せしめられている。さらに、セル１２の出力側では、レンズ１８及び１９がビームの断面を増幅器４の寸法に適合させている。
【００２６】
本システムによる効果
提案した光源アーキテクチャは、その技術がディスプレイ適用対象によって良好に制御される液晶素子を供給する。
【００２７】
同じタイプの素子及び技術は、可視領域又は赤外領域における連続の又はパルス状のレーザ源に適用される。従って、位相制御モジュール用及び波面の測定用として非常に多様に使用することができる。
【００２８】
波面は、「画素化」効果の影響を受けない。
【００２９】
２重アドレッシング構造は、「画素化」されておらず（光導電体／液晶セルの電極は均一である）、その結果、標準のマトリクス制御構造によるいかなる寄生的な回折効果をも発生させない。
【００３０】
位相は、典型的には３２×３２→１０² ×１０² という多数の点で制御されるであろう。位相の偏差は、液晶の厚さ及び方向に応じて０→２π（又は多分４π若しくは６π）である。
【００３１】
波面修正器用のセル型均一構造の光束の作用は、「画素化」スクリーンの場合より優れている。
【００３２】
素子の組は、画像レートで動作し、ディスプレイ技術を満足させる。
【００３３】
収差波面の解析構造は、特に、適応光学用に開発された標準ＨＡＲＴＥＭＡＮＮ技術と異なり、レーザ構造に良好に適合する。この技術は、マイクロレンズアレイを不要とし、ＴＶの解像度を有する標準のＣＣＤカメラを使用する。
【００３４】
ビームの全体の制御システムは、可視領域又は赤外領域における連続の又はパルス状の光源に適用される。液晶は、可視から１０μｍまでの赤外領域で透明性を有する電気光学材料である。この実施形態では、光学セル１及び波面の解析セル２は、赤外領域に対して透明性を有する基板で形成されるであろう。非線形相互作用によって共役波の発生に採用される材料が、変形した状態で適用分野を持たないことに注意すべきである。Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎｓセルはｎｓモードで動作し、光屈折結晶が連続光源用に可視領域で用いられるであろう。
【００３５】
図４は、位相修正装置が透過モードの代わりに屈折モードで動作する、本発明の他の実施形態を示している。このシステムは、修正すべきビームの方向に対して傾斜した液晶スクリーンを有している。このスクリーンは、２つの透明板１２．０及び１２．１を有しており、これら透明板の間に液晶１２．２が配置されている。透明板１２．０は、反射性誘電材料（ダイエレクトリックミラー）１２．４によって覆われた光導電材料１２．３を有している。液晶スクリーンは、裏側から光導電材料１２．３上で、この光導電材料の導電率を局部的に変化させ修正すべきビームに位相変調をもたらすことを可能にする制御ビームを受け取る。
【００３６】
図５は、位相修正がレーザビームの増幅後に行われる、本発明のさらに他の実施形態を示している。単一の増幅器又は複数の増幅器４、４′による増幅の後、光ビームは歪を含んでいるかもしれない。スプリッタ５は、このビームの小部分を取り出し、この取り出した一部は波面修正装置を制御する波面検出装置２によって解析される。例えば、図５において、波面修正装置は反射モードで動作し、位相修正された波面を供給する。
【００３７】
以上述べた実施形態は全て本発明を例示的に示すものであって限定的に示すものではなく、本発明は他の種々の変形態様及び変更態様で実施することができる。従って本発明の範囲は特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】本発明によるレーザアーキテクチャを示すブロック図である。
【図１ｂ】本発明によるレーザアーキテクチャを示すブロック図である。
【図２】本発明の一実施形態における波面形状検出装置を示す図である。
【図３】図２の実施形態における波面形状修正装置を示す図である。
【図４】本発明の他の実施形態を示す図である。
【図５】本発明のさらに他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１ 波面修正装置
２ 波面検出装置
３ 計算回路
４、４′ 増幅器
５、１１ ビームスプリッタ
６ レーザ
１０ アクティブマトリクス
１２ 液晶セル
１２．０、１２．１ 透明板
１２．２ 液晶
１２．３ 光導電材料
１２．４ 反射性誘電材料
１３ 光源
１４、１５、１６、１７、１８、１９ レンズ

Claims (10)

1. 制御すべき光ビームの通路上に配置されており、該光ビームから測定ビームを抽出するビームスプリッタと、
   該測定ビームを受け取り、該測定ビームの波面形状を測定する検出装置と、
   制御すべき光ビームの通路上に配置されており、前記検出装置によって作動せしめられ、前記制御すべき光ビームの波面形状を修正する波面形状修正装置とを備えており、
   前記検出装置が、光空間変調器と、前記測定ビームの異なる部分を受け取る合焦装置と、一連の光検出器と、光の波を検出し特定された光検出器の関数として波面形状を計算する、単数又は複数の光検出器を特定するための装置とを備えており、
   前記一連の光検出器が前記合焦装置の合焦平面内に配置されており、前記光空間変調器が前記測定ビームの複数の部分を選択的に透過し、該測定ビームの他の部分を遮断するべく、各画素が光の通過を阻止するか又は光を透過させるように作動するマトリクス制御付の液晶変調器であることを特徴とする光ビームの制御システム。
2. 前記波面形状修正装置は、前記ビームスプリッタに関して上流の、制御すべき光ビームの通路上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
3. 前記波面形状修正装置は、前記ビームスプリッタに関して下流の、制御すべき光ビームの通路上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のシステム。
4. 前記検出装置は前記測定ビームの断面の種々の点における該測定ビームの位相を測定するように構成されており、前記波面形状修正装置は制御すべき光ビームの異なる点における波面の位相を制御するように構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のシステム。
5. 光増幅器へ光波を放出する発振器を備えており、前記波面形状修正装置は該発振器と該光増幅器との間に配置されており、前記ビームスプリッタは該光増幅器の出力側に配置されていることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載のシステム。
6. 前記一連の光検出器はＣＣＤマトリクスであることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のシステム。
7. 前記波面形状修正装置は、
   前記検出装置によって作動せしめられる、マトリクス制御付の第１の光空間変調器と、
   制御すべき光ビームの通路上に配置されており、光導電体材料の層を含む第２の光空間変調器と、
   前記マトリクス制御を備えた第１の光空間変調器を照明する光源とを備えており、
   該第１の光空間変調器は変調されたビームを前記第２の光空間変調器の前記光導電体材料の層へ伝達するように構成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のシステム。
8. 前記第１の光空間変調器の照明ビームの断面を前記第２の変調器の面に整合するための第１の光学装置と、
   制御すべきビームの断面を前記第２の変調器の面に整合するための第２の光学装置と、
   前記第２の光空間変調器によって伝達されるビームの断面を前記増幅装置の入力面に整合するための第３の光学装置とを備えていることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
9. 像の合焦ずれを与えることにより、前記第１の光空間変調器が前記第２の光空間変調器内で画像形成されることを特徴とする請求項８に記載のシステム。
10. 前記第２の光空間変調器は制御すべき光ビームに対して反射体として動作し、前記光導電体材料の層は変調されたビームを制御すべきビームの傾斜方向に対して空間変調器の裏側で受け取るように構成されていることを特徴とする請求項７に記載のシステム。

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