JP5051745B2 - 光伝送路の光軸調整方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、種々の光学部品を含む光伝送路の光軸調整方法および装置に関し、特に光学部品としてレンズ、発光素子、受光素子、半導体レーザ、ミラーなどを含む光伝送路の光軸調整方法及び装置に関する。

一般に、光通信、光計測、レーザ加工等に用いられる装置またはシステムの光伝送路では、半導体レーザ、ミラー等の光学部品が数多く接続される。このため、光学部品相互における光軸調整の高速化、高精度化が重要な課題となっている。例えば、図１９に例示するような、光ファイバ１０と受光素子１１を含む光伝送路での光軸調整においては、光ファイバ１０の光軸８の自由度は、光軸８の垂直方向に２自由度（ｘ、ｙ）、その軸回りの回転方向に２自由度（θｘ、θｙ）、光軸方向に１自由度（ｚ）となり、合計５自由度となる。

このような光軸調整においては、光軸の自由度を変数として、光伝送路通過後の光強度の最大値を、与えられた探索アルゴリズムにしたがって求める（以下では、前記変数を光軸座標値と呼ぶことにする）。この探索アルゴリズムとしては、従来山登り法が用いられている。この山登り法を図１９の伝送路に用いた従来の光軸調整方法について、図２０を参照して説明する。
まず、一光軸方向に、所定の送りピッチで、光ファイバを受光素子に対して相対移動し、移動したそれぞれの位置で受光素子の受光強度を比較しピークの得られる位置を探索する。これを、Ｘ，Ｙ，Ｚの三軸についてそれぞれ独立に同様の手順を受光強度が増加する限り繰り返す。また、特許文献１に示すように、探索時間を短縮するために送りピッチを数段階に設定し、祖調整、微調整の順で行う場合もある。

図２１は、受光強度が単調増加の分布ではなく、局所ピークをもつ場合を表した図である。このような局所ピークが存在すると局所ピークで探索が終了するため従来の山登り法では真のピークに到達できない。特に、半導体レーザ、レンズ、光ファイバの複数部品の一つの光軸に沿って多段に直列に並べて光学部品を接続する場合のように、調整すべき光軸の自由度が大きい場合は、局所ピークが多数存在するために、十分な受光強度を得るまえに、探索が終了してしまうという問題点がある。

山登り法以外にも、例えば特許文献２に示す、ベクトル探索を用いたものもある。これは、探索に勾配測定を応用し、ベクトル的な探索を試みたものである。しかし、従来の山登り法に比べて移動回数を少なくできるものの、ピークを確認する手段がなく、山登り法同様局所的ピークにとどまる可能性があるという問題点がある。

さらに、特許文献３或いは特許文献４に記載されているように、受光強度分布にある一定の形状を仮定して、計測結果からその形状パラメータを推定し、探索時間を短縮する手法もある。しかし、これらの手法においても、依然として局所的ピークにとどまる可能性があり、また対象とする伝送光の強度分布が仮定より大幅に異なる場合は、新たにアルゴリズムを追加したり変更しないかぎり、有効な探索ができなくなるという問題点もある。

以上のように、従来の光部品の光軸調整技術では、探索に時間がかかる場合や、局所的ピークに捕われて、十分な受光強度が得られないという問題がある。とくに、光ファイバに受光素子、発光素子などが複数接合された光モジュールを製造する場合、光軸調整に長時間を要するため、製造工数が大きくなり生産性が低下し、製造コストが増大するという問題点がある。

また上記の説明は、光ファイバと他の光学部品との光軸調整に関するものであるが、光伝送路中に、空気中を伝播させる部分を含む場合にも同様の問題が発生する。たとえば、各種装置の可動部と固定の制御部との間の制御信号や映像信号をレーザ光を用いて伝送する光伝送路においては、発光ユニットから受光ユニットに対してレーザ光を発射する。その場合、発光ユニットでは図１９の場合と同様に５自由度の光軸調整が必要であり、光軸調整に大変な手間と時間を要するという問題があった。

さらに、空気中を伝播させる光伝送路に、複数のミラーを組み合わせて伝送光を反射させる光路を含む場合もあり、そのミラー位置調整においても、同様の問題が発生する。たとえば、レーザ加工等において、被加工物の目標照射位置まで正確にレーザ光を伝送する場合などである。このような場合、ミラー位置を目視で確認しながら、手動でミラーの角度調整を行う方法が一般的である。しかしながら、放射線環境下や、高温環境下のように人が近づけない場合や、遠隔地から調整しなければならない場合は、ＣＣＤカメラ等のセンサを用いて自動調整する必要があり、この場合には、複数ミラーの多自由度の調整をする必要がある。

そのような調整において、直径が数十ｃｍのミラーの位置調整が必要な場合があり、その場合の大きな問題点は、ミラーの一つの光軸の変位が重力によるたわみなどによって他の光軸の変位にも影響を及ぼすことである。たとえば、可変ミラーのＸ軸を変位させた場合、本来は変位しないはずの他の軸（たとえばＹ軸）も同時に変位が発生してしまう。そのため、光軸変位量と、目標位置からのずれ量の関係が単調にならず、山登り法を用いて自動調整した場合、調整が局所的なピークにとらわれて、目標位置から大きくずれてしまうという問題があった。

そこで、本件発明者は、先に、複数の光学部品の接続等において、位置合わせする箇所と自由度が多い場合にも実用的な時間で自動的に位置合わせを行うことが可能な位置合わせ技術を提供するため、遺伝的アルゴリズムや焼きなまし法を用いた光軸調整方法を提案している。（特許文献５参照。）
特開平９−３１１２５０号公報 特開昭６２−７５５０８号公報 特開平６−２２６４１５号公報 特開平７−６２８２３号公報 特開２００２−１２２７５８号公報 特開２００６−１０５８６７号公報

前述した遺伝的アルゴリズムを用いた光軸調整方法においては、探索が局所解に陥るのを避けるために、突然変異等の大域的探索動作を行っている。これにより、探索が局所的なピークにとらわれ難くなるが、探索の終盤においても大域的探索動作を行うと、ステップモータ等の駆動に要する時間が増加するので、そのまま調整時間の増大につながるという問題があった。

また光軸調整時に、外部からの機械的な雑音、振動等によって光軸ずれが生じたり、空気のゆらぎ等によって光の評価値に雑音がのる場合が多く、そのような場合、評価値に誤差が生じ、その結果、時として誤った個体を選択・置換してしまい、調整アルゴリズムの収束が遅くなると共に、時には収束しないといった問題が生じていた。

一方前述した焼きなまし法を用いた光軸調整方法においては、基本的な動作は山登り法であるが、探索が局所解に陥るのを避けるために、受容関数の値に応じた大域的探索動作を行っている。しかし、局所最適解の数が多い場合は、結局局所的なピークにとらわれてしまい十分な調整精度が得られないという問題があった。光の評価値に雑音がのる場合においても、雑音の効果によって、みかけ上局所最適解の数がふえてしまい、結局十分な調整精度が得られないことが多かった。

本発明は、これらの従来手法の欠点を無くし、二分探索手法を応用した確率的探索手法を光軸調整アルゴリズムに取り入れて、前記従来と同様に光伝送路の光軸調整において、調整の自由度が多く、光の評価値に雑音がのる場合にも、熟練した作業者による介入を必要とすることなく、低コストで高精度な光軸調整を行うことが可能な技術を提供することを目的とする。

本発明の光伝送路の光軸調整方法及び装置は、光軸座標値を調整することによりレーザ光の光軸を調整する光軸調整機構と、該光軸調整機構を介して伝送されたレーザ光の目標照射位置からのずれ量を検出する光位置ずれ量計測装置と、そのずれ量を評価する信号に基づき、光軸座標の最適値を探索し、光軸座標値を設定する制御信号を前記光軸調整機構に出力する調整装置とを備えて、レーザ光の光軸を調整する。探索方法を選択するための遷移関数Ｐ(t)を演算して、この遷移関数Ｐ(t)に従って、光軸座標の最適値を探索する大域探索か局所探索のいずれを行うかの判断をし、大域探索による次の探索点の決定、または、局所探索による次の探索点の決定をする。遷移関数Ｐ(t)に従って大域探索を行うフェーズから局所探索を行うフェーズに確率的に徐々に遷移させることにより光軸の調整時間を短縮させる。光位置ずれ量の計測をして、位置ずれが所定値内におさまったときに、調整処理を終了し、かつ前記決定した次の探索点に基づく調整処理を、一定回数繰り返して行っても所定値内におさまる光軸座標値が得られない場合には、調整対象の光伝送路は不良品と判断する。

本発明によれば、調整の自由度が多く、光の評価値に雑音がのる場合にも、熟練した作業者による介入を必要とすることなく、低コストで高精度な光軸調整を行うことを可能にする。本発明は、遷移関数Ｐ(t)に従って徐々に大域探索から局所探索のフェーズに移行していくので、探索終盤での調整効率が改善され、短時間で光軸調整を完了することができる。大域探索ではそれまでに探索していない領域から探索を優先的に行うので、探索空間を少ない探索回数で効率良く、まんべんなく探索を行うことが可能となる。局所探索ではランダムに選出された組の中から有望点を決定し、有望点の周辺を探索するため、最も有望な領域だけではなく、複数の有望な領域の中から、より良い探索点を見つけることが可能となる。

以下に、この発明の実施の形態を、例示に基づき詳細に説明する。図１は、本発明の光軸調整方法を実施するために構成した光伝送路の光軸調整システムを示す。図１中、７Ｌがレーザ光源、８がレーザ光である。１３Ａおよび１３Ｂは自動調整ミラーであり、ミラー微調整機構４Ａおよび４Ｂによって、光軸が微調整できるようになっている。６Ｂは光位置ずれ量計測装置であり、自動調整ミラーを介して伝送されたレーザ光８の目標照射位置からのずれを検出する装置で、その結果を評価信号３として調整装置５に引き渡す。調整装置５は、本発明の方法に従って制御信号をミラー微調整機構４Ａおよび４Ｂに出力して自動調整ミラーの光軸座標値を調整する。なお、本明細書及び図面で同じ参照符号を付したものは同じもの又は相当するものを意味している。

図１において、レーザ光源７Ｌおよび光位置ずれ量計測装置６Ｂの配置、および自動調整ミラー１３Ａおよび１３Ｂの配置は、その概念を示す例示であり、実際には光伝送路の設計により決められる。自動調整ミラー１３Ａおよび１３Ｂは、本発明の方法で光軸座標値が調整される光学部品であり、他の方法、たとえば光伝送路を設置した直後の粗調整など、人手や従来手法による調整を行うようにしても良い。

自動調整ミラーの光軸座標値は、Ｘ軸を中心とした回転の量θｘ、Ｙ軸を中心とした回転の量θｙの２自由度となり、ふたつのミラー１３Ａ、１３Ｂで合計４自由度となる。光軸座標系の原点は、伝送路設置時の初期位置とする。なお、ミラーそれぞれの変位量が互いに独立ではなく依存関係にあってもよい。一般的に、それぞれの変位量が独立になるように自動調整ミラーおよびミラー微調整機構を設計するのは非常に難しく時間がかかり、また剛性の高い部品を使用するために製造コストもかかる。しかし、本発明によれば、変位量が依存関係にあっても、確率的探索手法により調整が可能であるから、設計時間および製造コストを削減することができる。

ミラー微調整機構４Ａおよび４Ｂは、ステップモータあるいはピエゾ素子あるいはガルバノメータ等による精密駆動機構を用いれば良い。光位置ずれ量計測装置６Ｂでは、ＰＳＤ（Position Sensitive Detectors）素子あるいは分割型フォトダイオード素子を用いた光位置検出素子や、ＣＣＤカメラによる撮像と画像処理を組み合わせた光位置検出装置を用いて、目標照射位置からのずれを算出する。

本実施形態では、光伝送路を通過した光の評価値は、光位置ずれ量計測装置６Ｂによる光位置ずれ量の出力をそのまま用いる。たとえば、光位置ずれ量計測装置６Ｂの出力が、８．９μｍであったとき、評価値は８．９となる。この場合の探索問題は、この評価値が小さければ小さいほどよい、最小化問題である。

調整装置５は、評価信号３を読み取り、後述の確率的探索手法に従って、自動調整ミラー１３Ａおよび１３Ｂの光軸座標の最適値を探索し、座標値を設定する制御信号を出力する。ミラー微調整機構４Ａおよび４Ｂは、この制御信号に従って、自動調整ミラー１３Ａおよび１３Ｂの光軸座標値を変更する。なお、調整装置５は、パーソナルコンピュータあるいはマイクロコンピュータ等の読み取り可能な記録媒体／記録媒体の読み取り装置を具備した電子計算機により構成することが可能である。

上記の電子計算機に於いては、後述の確率的探索手法による調整プログラムがハードディスク、ＲＯＭ（読みだし専用メモリ）、光ディスク、光磁気ディスク、フレキシブルディスク、磁気ディスク、フラッシュメモリ、強誘電体を利用したメモリ、磁性体を利用したＭＲＡＭ、バックアップ機能をもつ半導体メモリ、等の記録媒体に格納されている。また、上記の調整を行うプログラムは、ネットワークを経由して伝送・配信されるものであってもよい。

調整対象となる自動調整ミラー１３Ａおよび１３Ｂは、上述のように４自由度をもっており、従来手法を用いた場合、図２１に例示したように、局所的なピークに捕われて探索が終了してしまう場合が多い。それゆえ、本発明に基づく確率的探索手法を用いた以下で説明する調整手法が非常に有効である。

上記光伝送路が設置された後、調整工程で、図１に示すように、レーザ光源７Ｌ、調整装置５、自動調整ミラー１３Ａおよび１３Ｂ、光位置ずれ量計測装置６Ｂがそれぞれ配置される。そして、図２に示したフローチャートに従い光軸調整を行う。この処理手順では、まずステップＳ１で、光源を動作させ人手もしくは従来手法により自動調整ミラー１３Ａおよび１３Ｂの粗調整を行い、さらに調整装置５や光位置ずれ量計測装置６Ｂを初期化する。なお、粗調整後の各光軸座標値を、以下の調整では基準点（θAx0、θAy0、θBx0、θBy0）に設定する。次のステップＳ２で、光位置ずれ量計測装置６Ｂでのずれ量を観測してその評価値を調整装置５に送り、次のステップＳ３で、調整装置５が、位置ずれが所定値内におさまったか否かを判定する。

ここで所定値内におさまっていない場合には、ステップＳ４で、調整装置５が、確率的探索手法に従って光軸座標値を変更するための制御信号を出力し、次のステップＳ５で、ミラー微調整機構４Ａおよび４Ｂが停止するまで一定時間待機し、次のステップＳ６で、終了条件（具体的には後述する。）をみたしたか否かを判断し、終了条件をみたしていればステップＳ７で不良品処理を行った後に当該処理を終了するが、終了条件をみたしていなければステップＳ２へ戻る、という一連の処理が繰り返し実行される。そして上記ステップＳ３で、位置ずれが所定値を満たすものとなったとの判定が得られた場合には、当該処理を終了する。

ここで、光位置ずれ量は、自動調整ミラー１３Ａおよび１３Ｂの光軸座標値を引数とする関数Ｆで表すことができる。光位置ずれ量を最小にすることは、関数Ｆの最適解を求めることと等価である。本発明者はこの点に注目し、自動調整ミラー１３Ａおよび１３Ｂの光軸調整に、二分探索法を応用した調整方法を考案した。

図３は、本実施形態における確率的探索手法を用いた調整装置５の処理手順を示すフローチャートである。なお、この図３の処理は、図２のステップＳ２〜ステップＳ６の処理を具体的に示すものである。
まずステップＳ２１で、確率的探索手法の探索の初期位置（t:=0）として、基準位置（θAx0、θAy0、θBx0、θBy0）を設定する。その状態において、光位置ずれ量計測装置６Ｂから送られてきた評価信号３（評価値）と、基準位置座標を１組みとしてデータベース５ＤＢに記憶する。このデータベース５ＤＢは、図４に示すように、調整装置５が保持しているデータベースで、それまでに探索した、光軸座標値と評価値の組を、すべて記憶している。

つぎに、ステップＳ２２の遷移関数Ｐ(t)(後述する）の計算、ステップＳ２３のＰ(t)に従った大域探索か局所探索のいずれを行うかの判断、ステップＳ２４の大域探索による次の探索点の決定、または、ステップＳ２５の加重平均値g(x)の算出、Ｓ２６のg(x)に基づいた局所探索による次の探索点の決定、Ｓ２７の光軸座標値を変更することで光の状態を変化させる光軸の変化（後述の［００５０］参照）、Ｓ２８の評価値の計測、ステップＳ２９のデータベース５ＤＢの探索履歴の更新、を行って、順次探索を行う。本手法においては、遷移関数Ｐ(t)に従って、大域探索を行うフェーズから局所探索を行うフェーズに確率的に徐々に遷移していくことが大きな特徴である。これにより、探索終盤に大域探索を行わなくなり、光軸の調整時間を大幅に短縮することが可能となる。本発明でいう大域探索とは、探索空間内でまだ一度も探索されていない最も広い領域から探索を行うことであり、局所探索とは、これまでに得られた探索点の中から決定された有望点の周辺の領域から探索を行うことである。従来の焼きなまし法では、ほとんど局所探索しか行わず、従来の遺伝的アルゴリズムでは、大域探索と局所探索を行うが、どちらの探索方法を行うかは一定の確率で定められており、探索の序盤も終盤においてもその確率は変化しない。

しかして、ステップＳ３０での判断で位置ずれが所定値内におさまったときに、調整処理は終了するが、ステップＳ３１でt:=t+1として、一定回数繰り返して調整処理をおこなっても所定値内におさまる光軸座標値が得られない場合には、調整対象の光伝送路は不良品と判断され、図２のステップＳ７で不良品としての処理を行う。

上記ステップＳ２２の遷移関数は探索方法を選択するための関数であり、Ｐ(t)の値は大域探索が行われる確率となる。探索の序盤はＰ(t)の値が大きいので大域探索を行い、探索が進むにつれ徐々にＰ(t)の値は減少し行われる探索方法は大域探索から局所探索へ遷移し、探索の終盤ではＰ(t)の値は小さくなるので局所探索を行うことになる。この関数はたとえばシグモイド関数を用いて以下の式で記述される。

式中のｔは、現時点での探索の繰り返し回数である。Ｃは大域探索を行う最小確率、σは大域探索から局所探索に移行する速さ、Ｋは変曲点の位置、Ｎは上述した調整の打ち切り回数（繰り返し回数ｔの上限値）である。Ｃ＝０．０２、σ＝０．０５、Ｋ＝０．１、Ｎ＝５００とした場合を、図５に例示する。なお遷移関数は、シグモイド関数に限らず、指数関数や多項式関数など、繰り返し回数ｔに対して単調減少する関数を用いてもよい。

ステップＳ２３においては、遷移関数Ｐ(t)に従った確率で、大域探索を行うか、局所探索を行うか、確率的に判断する。例えば、Ｐ(t)の値が０．９であれば、９０％の確率で大域探索を行い、１０％の確率で局所探索を行うと判断する。例えば、０から１の範囲で任意に発生させた乱数の値をｒとしたとき、Ｐ(t)の値が０．９の場合は、ｒが０．９より小さかった場合には大域探索を行い、逆にｒが０．９以上の場合では局所探索を行う。ステップＳ２３において、大域探索を行うと判断した場合は、ステップＳ２４に進み、次の探索点を決定する。ステップＳ２３において、局所探索を行うと判断した場合は、ステップＳ２５、Ｓ２６に進み、次の探索点を決定する。

次の探索点を決定した際、探索領域を２分割することで次に決定される探索領域を限定することを本発明の大きな特徴とする。そこでデータベース５ＤＢは図６で示す二分木５Ｔにより探索履歴を管理する。二分木５Ｔは、探索領域の分割過程をツリー状に示したデータ構造であり、この二分木５Ｔにおいて、ノードは領域の各座標軸ｉにおける始点と終点、領域の大きさを表す超体積（例えば探索空間が２次元ならば面積、３次元ならば体積、ｎ次元ならばｎ個の軸に対する辺の長さをかけて求めた値）、領域内の探索点を保持する。あるノードの領域に探索点が決定されその領域が２分割されたとき、分割された２つの領域のノードが子ノードとして追加される。

領域の分割例を図７で示す。あるノードの領域Ａに探索点Ｐが決定されその領域Ａが探索点Ｐで２分割されたとき、二分木５Ｔでは図８で示すように分割された２つの領域Ａ_１、Ａ_２のノードが領域Ａのノード（ノード２）の子ノード（ノード１０，ノード１１）として追加される。
ステップＳ２４では、データベース５ＤＢの探索履歴である二分木５Ｔを用いて、探索空間内で、これまで一度も探索されていない一番広い領域内に、次の探索点（θAx、θAy、θBx、θBy）を設定する。以下に詳細を説明する。

図９は大域探索における探索点の決定方法を示したフローチャートであり、図３のステップＳ２４の処理を具体的に示すものである。まずステップＳ３２において、二分木５Ｔの中からいままでに一度も探索されていない領域を選出する。いままでに探索されたことがあるかないかは、二分木５Ｔのあるノードに子ノードが存在するかしないかによって判断される。つまり、子ノードが存在しない（探索点情報がない）ノードの領域は一度も探索されていない領域とする。

ステップＳ３３では、選出された複数の探索されていない領域の中から最も超体積が大きい領域を探し、大域探索領域とする。次にステップＳ３４において、ステップＳ３３で決定された領域内に探索点（θAx、θAy、θBx、θBy）を決定する。探索点は、各座標軸に対して乱数に従い決定される。乱数は一様乱数や正規乱数などを用いることができるが、探索点が領域の端に偏るのを防ぐために本実施形態では正規乱数を用いる。例えば、各座標軸に対して領域の中心をμ、領域の中心から領域の端（始点または終点）までの長さをＬとしたとき、正規乱数Ｎ(μ, （Ｌ/４）²)に従いθAx、θAy、θBx、θByそれぞれを決定する。

ステップＳ３５において、二分木５Ｔを更新する。具体的には、探索点が決定された領域のノードに対して、ステップＳ３４で決定された探索点情報が付加される。
ステップＳ３６〜ステップＳ３８では、ステップＳ３４で決定された探索点を基準とし、ステップＳ３３で決定された領域（探索空間）をある座標軸に対して２分割する。本実施形態では、調整は４自由度のため探索空間は４次元となるので、領域を２分割する方法は４通り存在する。つまり、θAx軸に対して２分割するか、θAy軸に対して２分割するか、θBx軸に対して２分割するか、θBy軸に対して２分割するか、の４通りである。

ステップＳ３６では、これら４通りすべてに対して、以下の超立方体性算出式を用いて分割後の領域の超立方体性の度合いＨを算出する。

式中のd_maxは分けられた２つの領域のもっとも長い辺の長さ，d_minはもっとも短い辺の長さであり、Ｈが１に近いほどより超立方体に近い領域となる。分割した２つの領域が超立方体に近い領域となれば、それらの領域の超体積の差は小さくなり、領域を二等分することと同等となるため、少ない探索回数でも領域をまんべんなく探索することが可能となる。

ステップＳ３７においては、ステップＳ３６において算出された４通りのＨの値のうち、最もＨの値が小さくなる座標軸を選ぶ。つづくステップＳ３８において、ステップＳ３３で決定された領域を、ステップＳ３４で決定された探索点を基準として、ステップＳ３８で決定された座標軸に対して２分割する。上記の大域探索を繰り返し行った結果を図１０に例示する。図は４次元の探索空間の一部である２次元空間を示しており、図中のＰは探索点を表している。

ステップＳ３８においては、具体的には二分木５Ｔの更新を行う。更新により探索領域のノードの下位に２つの分割領域の範囲、超体積が挿入される。このように、本実施形態の大域探索ではそれまでに探索していない領域から探索を優先的に行うので、探索空間を少ない探索回数で効率良く、まんべんなく探索を行うことが可能となる。

一方局所探索を行うステップＳ２５では、データベース５ＤＢの探索履歴を用いて、これまでに探索された履歴のなかで、有望そうな点の周辺に、次の探索点（θAx、θAy、θBx、θBy）を設定し、局所的な探索を行う。なお、その局所探索を行う際に、データベース５ＤＢの探索履歴を用いて、評価値の加重平均値を算出することで、評価値の誤差に影響されにくくする。以下に詳細を説明する。

図１１は局所探索における探索点の決定方法を示したフローチャートである。なお、このフローチャートは図３のステップＳ２５、Ｓ２６の詳細な処理を示したものである。ステップＳ４１でデータベース５ＤＢの探索履歴の中からランダムにＮ_ｐ個の組を重複しないように選出する。このＮ_ｐに関して、値が大きすぎると局所解に陥りやすくなり、逆に小さすぎると収束が遅くなるので、例えばＮ_ｐ＝１０などが良い。

次にステップＳ４２において、選択されたＮ_ｐ個それぞれの組の評価値である光位置ずれ量の加重平均値g(x)を算出する。加重平均値g(x)の算出には以下の２つの式を用いる。

式中のg(x)は組x＝（θAx、θAy、θBx、θBy）の光位置ずれ量の加重平均値であり、f(x)はデータベース５ＤＢで保持される組ｘの評価値である。f_tはデータベース５ＤＢの探索履歴のt番目の探索点の評価値、d_tは探索履歴のt番目の探索点とxとの距離であり、kは距離d_tの２乗に対してどのくらい評価値が減衰するかを表した比例定数である。ｔの値は、二分木５Ｔのノード番号に相当する。

ステップＳ４３においては、ステップＳ４２で算出された加重平均値を基準に、１０個の中から最もg(x)の値が良い点ｘを有望点として選択する。次にステップＳ４４で選択された有望点を中心とし、各座標軸に対し２d_pの広さの局所領域を作成する。図１２にこの局所領域の作成を例示する。

ステップＳ４５においては、この局所領域と交わるすべての領域を二分木５Ｔを用いて選出する。なお、あるノードがいずれかの座標軸において次の２つの式どちらか一方でも満たすとき、２つの領域は交わっていないことを示し、そのノードより下位のノードについて交わっているかどうかの判別は無視できる。

式中のＡ_ｉＬ, Ａ_ｉＨは二分木５Ｔのあるノードにおいて、座標軸iでの領域の範囲の始点と終点を示す。Ｐ_ｉは探索点の座標軸ｉでの値である。

図１３は交差判別を行った際の二分木の様子を例示し、図１４はそのときの４次元の探索空間の一部である２次元空間を示している。このとき局所領域と領域Ａは交差条件式の一方を満たしているので、領域Ａを分割してできた領域Ａ_１、Ａ_２と局所領域の交差判別は無視できる。このようにして、交差判別のための計算量を削減することが可能である。

ステップＳ４６でそれらの中から一度も探索されていない一番超体積の大きい領域を決定する。決定された領域に対して、ステップＳ２４と同様にステップＳ４７〜Ｓ５１で探索点を決定し、領域を２分割し、二分木５Ｔを更新する。

このように局所探索ではランダムに選出された組の中から有望点を決定し、有望点の周辺を探索するため、最も有望な領域だけではなく、複数の有望な領域の中から、より良い探索点を見つけることが可能となる。また、加重平均値を算出し評価値とすることで頑健な探索が可能となる。

上述したステップＳ２４もしくはステップＳ２６において、次の探索点が決定されるので、ステップＳ２７においては、決定された探索点に光軸座標値を変化させる。つまり調整装置５から、制御信号２をミラー微調整機構４Ａおよび４Ｂに対して出力し、自動調整ミラー１３Ａおよび１３Ｂの光軸座標値を変更する。

つぎのステップＳ２８においては、光軸座標値が変化した後の光位置ずれ量を、光位置ずれ量計測装置６Ｂが計測する。計測した値は評価信号３として、調整装置５に送信される。ステップＳ２９では、調整装置５において、計測された光位置ずれ量を変更後の光軸座標値x＝（θAx、θAy、θBx、θBy）に対する評価値f(x)とし、光軸座標値ｘと組にしてデータベース５ＤＢに記憶する。具体的には、ステップＳ３５もしくはステップＳ４８において更新された、二分木５Ｔのノードに、探索点の光軸座標値ｘと組にしてf(x)が保持される。
ステップＳ３０において前述した終了条件を満たさなかった場合は、ステップＳ３１に進み、繰り返し回数ｔに１を加算して、ステップＳ２２に戻る。

以下に、本実施形態の確率的探索手法を用いた調整方法を適用した場合の実験結果について示す。この実験では、レーザ光源７Ｌとしては、JDS Unipase社製のHe-Neガスレーザー（光スポット径２ｍｍ）を、光位置ずれ量計測装置６Ｂとしては、浜松フォトニクス社製の２次元ＰＳＤを、ミラー微調整機構４Ａおよび４Ｂには、0.075μｍ/step精度のステップモータを用いた。本実験では、調整を開始する初期状態としては、各光軸が理想的な位置よりも最大で５ｍｍずれた状態をランダムに発生させた。また、遷移関数Ｐ(t)は、図５に示したものを用いた。また比較対象として、特開２００２−１２２７５８号公報にて開示された遺伝的アルゴリズムを用いた調整手法による実験も行った。

図１５に実験結果を示す。横軸に調整にかかる時間、縦軸に評価値をプロットした。実験は、乱数の種を変えて１０試行行ったので、１０試行分の平均値がプロットしてある。図１５より、従来の遺伝的アルゴリズムを用いた調整手法では、２６．１分かかっていた調整が、本実施形態の方法により、１０．６分に短縮された。これは、遷移関数Ｐ(t)に従い大域探索から局所探索に徐々に移行したことで、探索終盤での探索効率を改善できたためである。また調整後の位置ずれ量の平均値は、従来の遺伝的アルゴリズムを用いた調整方法は、４３．５μｍであったのに対し、本実施形態の方法では、１８．８μｍであった。これは、探索履歴を用いた加重平均による評価値を採用することで、調整方法が観測誤差や位置制御誤差の影響をうけにくくなったためである。この実験により、本実施形態の調整方法の有効性が確認出来た。

本実施形態の方法によれば、自動調整ミラー１３Ａ、１３Ｂの光軸座標を、目標照射位置からの光位置ずれ量が最小となるように確率的探索手法に従って探索する。従って、熟練者による精度の高い手動の調整を必要とすることなく、さらには局所的なピークにとらわれることなく多自由度の光軸を自動的に調整することができる。また、遷移関数Ｐ(t)に従って徐々に大域探索から局所探索のフェーズに移行していくので、探索終盤での調整効率が改善され、短時間で光軸調整を完了することができる。さらに、放射線環境下や、高温環境下のように人が光伝送路に近づけない場合や、遠隔地から調整しなければならない場合においても、自動調整をすることができるので、光伝送路の設置工程において、作業性を著しく向上させることを意味する。

また、ミラーのサイズが大きい場合など、ミラーの光軸変位量が軸間で互いに独立でない場合においても、評価関数の局所的なピークを避けて調整をすることができる。さらに、光軸調整時に、外部からの機械的な雑音、振動等によって光軸ずれが生じたり、空気のゆらぎ等によって光の評価値に雑音がのる場合においても、データベース内履歴の加重平均値を評価値として用いることで有効で頑健な探索をすることができる。つまり、一般的な勾配を用いる探索方法では、雑音により勾配値が大きく変化し、探索が誤った方向に進んだまま収束しなくなってしまう。一方、本実施形態の方法によれば探索に勾配を用いていないので誤った方向に進みにくく、さらに加重平均値を用いることで、安定した精度の良い探索を行える。

次に、本発明の第２実施形態を説明する。図１６に示すように、第２実施形態の構成では、図１に示した第１実施形態の光位置ずれ量計測装置６Ｂの構成だけが異なる。第２実施形態では、光位置ずれ量計測装置６Ｂのかわりに光位置ずれ量・光入射角ずれ量計測装置６Ｃを用いる。光位置ずれ量・光入射ずれ量計測装置６Ｃとしては、特許文献６に開示されたような光軸検出センサを用いることができる。また、光位置ずれ量を計測する装置と光入射ずれ量を計測する装置をひと組にして、光位置ずれ量・光入射ずれ量計測装置６Ｃとしてもよい。

光位置ずれ量・光入射角ずれ量計測装置６Ｃからは、評価信号３として、ふたつの評価値が調整装置５に送信される。ひとつは、光位置ずれ量、もうひとつは光入射角ずれ量である。このような計測装置６ＣをステップＳ２８で用いることで、光位置ずれと、光の入射角ずれの二つの評価値を同時に最適化することを本実施形態の目的とする。

本実施形態の調整方法では、実施形態１と同様に、図２、図３のフローチャートに従って調整が行われる。実施形態１と異なるのは、ステップＳ２５、ステップＳ２６、ステップＳ２９のみである。以下に詳細を説明する。
ステップＳ２９では、調整装置５において、計測された光位置ずれ量ならびに光入射角度ずれ量それぞれを、光軸変更後の光軸座標値x＝（θAx、θAy、θBx、θBy）に対する評価値f1(x)、f2(x)とし、光軸座標値ｘと組にしてデータベース５ＤＢに記憶する。具体的には、ステップＳ３５もしくはステップＳ４８において更新された、二分木５Ｔのノードに、探索点の光軸座標値ｘと組にしてf1(x)、f2(x)が保持される。

実施形態２におけるステップＳ２５の詳細な処理のフローチャートを図１７に示す。まずステップＳ６１でデータベース５ＤＢの探索履歴からＮ_ｐ個を重複しないようにランダムに選出し、ステップＳ６２で光位置ずれ量f1(x)と光入射角度ずれ量f2(x)それぞれの加重平均値g1(x)、g2(x)を実施形態１と同様に算出する。

次に、ステップＳ６３において加重平均値に従いＮ_ｐ個に優劣をつけ、ステップＳ６４で非劣位解を選出する。優劣の関係は、ある組の光位置ずれg1(x)と光入射角ずれg2(x)が共に他の組のそれらより良いとき、その組は優越しているという。図１８に示すように、ある組に対して優越した組がひとつも存在しないときに、その組を非劣位解と呼ぶ。

ステップＳ６５においては、ステップＳ６３で選出された非劣位解の中からランダムに１組を選択しそれを有望点とする。その後の処理は実施形態1のステップＳ２６と同様に、有望点を基準とする局所領域の作成、局所領域と交わる領域から一番広い領域の決定、領域内で探索点の決定、探索点を基準に領域の分割を行う。

以上の処理を行うことで、光位置ずれ量と光入射角ずれ量の両方において優れた複数の解を見つけることが可能となる。従来手法では、光位置ずれ量と光入射角ずれ量の複数の評価値を、重みパラメータを用いて単一の評価値に変換していたが、本実施形態の方法によれば重みパラメータが不要となる。従来手法では、重みパラメータの設定に試行錯誤が必要であったが、その設定も不要となる。

本実施形態の方法によれば、自動調整ミラー１３Ａ、１３Ｂの光軸座標を、目標照射位置からの光位置ずれ量が最小となるように、かつ、目標照射角度かれのずれ量が最小となるように、確率的探索手法に従って探索する。従来技術では、位置ずれと角度ずれの二つの目的を同時に自動調整することは困難であったが、本実施形態の方法により、熟練者による精度の高い手動の調整を必要とすることなく、さらには局所的なピークにとらわれることなく多自由度の光軸を自動的に調整することができる。また、実施形態１の効果と同様に、探索終盤での調整効率が改善され、短時間で光軸調整を完了することができる。さらに、実施形態１の効果と同様に、光軸調整時に、外部からの機械的な雑音、振動等によって光軸ずれが生じたり、空気のゆらぎ等によって光の評価値に雑音がのる場合においても、有効で頑健な探索をすることができる。

本発明は、いうまでもなく、複数の光学部品を含んだ光伝送路の全体、一部、あるいは複数の部分の何れにも適応可能であり、光伝送路の規模を問わず、それらの応用は本発明の範囲から除外されるものではない。
以上、図示例に基づき説明したが、この発明は上述の例に限定されるものでなく、特許請求の範囲の記載の範囲内で当業者が容易に改変し得る他の構成をも含むものである。

本発明の光軸調整方法の第１実施形態の構成を例示する説明図である。 本発明の光軸調整方法の第１実施形態の処理手順の概略を示すフローチャートである。 上記実施形態の方法における確率的探索手法を用いた処理手順を示すフローチャートである。 上記実施形態の方法における確率的探索手法で用いる調整装置５の構成を例示する説明図である。 上記実施形態の方法における確率的探索手法で用いる遷移関数Ｐ(t)を例示する説明図である。 上記実施形態の方法における確率的探索手法で用いるデータベースの二分木を例示する説明図である。 上記実施形態の方法における確率的探索手法による探索空間の分割を例示する説明図である。 上記実施形態の方法における確率的探索手法で用いるデータベースの二分木の更新を例示する説明図である。 上記実施形態の方法における確率的探索手法の大域探索処理の詳細な処理手順を示すフローチャートである。 上記実施形態の方法における確率的探索手法を用いた大域探索における探索空間の分割を例示する説明図である。 上記実施形態の方法における確率的探索手法の局所探索処理の詳細な処理手順を示すフローチャートである。 上記実施形態の方法における確率的探索手法の局所探索処理における局所領域の作成を例示する説明図である。 上記実施形態の方法における確率的探索手法で用いるデータベースの二分木における交差判別を例示する説明図である。 上記実施形態の方法における確率的探索手法における局所領域と探索領域の交差判別を例示する説明図である。 上記実施形態の方法における確率的探索手法を適用した調整実験の結果を示すグラフである。 本発明の光軸調整方法の第２実施形態の構成を例示する説明図である。 上記第２実施形態の方法における確率的探索手法の局所探索処理の詳細な処理手順を示すフローチャートである。 上記第２実施形態の方法における確率的探索手法における組の優劣関係を例示する説明図である。 光ファイバの座標系を説明するための説明図である。 従来例の山登り法を説明するための説明図である。 従来例の山登り法の問題点を説明するための説明図である。

符号の説明

２ 制御信号
３ 評価信号
４Ａ、４Ｂ ミラー微調整装置
５ 調整装置
５ＤＢ データベース
５Ｔ 二分木
６Ｂ 光位置ずれ量計測装置
６Ｃ 光位置ずれ量・入射角計測装置
７Ｌ レーザ光源
８ 伝送光
１３Ａ、１３Ｂ 自動調整ミラー

Claims (9)

1. 光軸座標値を調整することによりレーザ光の光軸を調整する光軸調整機構と、該光軸調整機構を介して伝送されたレーザ光の目標照射位置からの光位置ずれ量を検出する光位置ずれ量計測装置と、その光位置ずれ量を評価する信号に基づき、光軸座標の最適値を探索し、光軸座標値を設定する制御信号を前記光軸調整機構に出力して前記探索結果を探索履歴として記憶する調整装置とを備えて、レーザ光の光軸を調整する光伝送路の光軸調整方法において、
   探索方法を選択するための単調に減少する遷移関数Ｐ(t)（０≦Ｐ≦１，tは繰り返し回数）を演算して、この遷移関数Ｐ(t)に従って、光軸座標の最適値を探索する大域探索か局所探索のいずれを行うかを確率的に判断し、
   前記大域探索による、または、局所探索による次の探索点を前記探索履歴に基づいて決定し、
   前記決定された次の探索点に光軸座標値を変化させ、
   光軸の変化及び評価値の計測をして、光位置ずれ量が所定値内におさまったときに、調整処理を終了し、
   大域探索を行うフェーズから局所探索を行うフェーズに確率的に徐々に遷移させることにより光軸の調整時間を短縮させることから成る光伝送路の光軸調整方法。
2. 前記光位置ずれ量を検出する光位置ずれ量計測装置は、光位置ずれ量と共に光入射ずれ量角を計測し、前記調整装置に送る評価信号として、光位置ずれ量と光入射角ずれ量の２つの評価値を用いて、この２つの評価値を同時に最適化する請求項１に記載の光伝送路の光軸調整方法。
3. 光軸座標値を調整することによりレーザ光の光軸を調整する光軸調整機構と、該光軸調整機構を介して伝送されたレーザ光の目標照射位置からの光位置ずれ量を検出する光位置ずれ量計測装置と、その光位置ずれ量を評価する信号に基づき、光軸座標の最適値を探索し、光軸座標値を設定する制御信号を前記光軸調整機構に出力して前記探索結果を探索履歴として記憶する調整装置とを備えて、
   レーザ光の光軸を調整する光伝送路の光軸調整装置において、
   探索方法を選択するための単調に減少する遷移関数Ｐ(t)（０≦Ｐ≦１，tは繰り返し回数）を演算して、この遷移関数Ｐ(t)に従って、光軸座標の最適値を探索する大域探索か局所探索のいずれを行うかを確率的に判断する手段と、
   前記大域探索による、または、局所探索による次の探索点を前記探索履歴に基づいて決定し、
   前記決定された次の探索点に光軸座標値を変化させる手段と、
   光軸の変化及び評価値の計測をして、光位置ずれ量が所定値内におさまったときに、調整処理を終了する手段と、を備え、
   大域探索を行うフェーズから局所探索を行うフェーズに確率的に徐々に遷移させることにより光軸の調整時間を短縮させることから成る光伝送路の光軸調整装置。
4. 前記光軸調整機構は、前記光軸座標値としてＸ軸を中心とした回転の量θｘ及びＹ軸を中心とした回転の量θｙを調整することによりレーザ光の光軸をそれぞれ調整する２つのミラー微調整機構から構成される請求項３に記載の光伝送路の光軸調整装置。
5. 前記大域探索または局所探索による次の探索点を決定した際、探索領域を２分割することで次に決定される探索領域を限定する請求項３に記載の光伝送路の光軸調整装置。
6. 前記大域探索は、一度も探索されていない領域を選出し、かつ、選出された複数の探索されていない領域の中から最も超体積が大きい領域を探して大域探索領域とし、この領域内に探索点を決定する請求項５に記載の光伝送路の光軸調整装置。
7. 前記局所探索における探索点の決定は、探索履歴の中からランダムにＮ_ｐ個の組を重複しないように選択し、選択されたＮ_ｐ個それぞれの組の評価値である光位置ずれ量の加重平均値g(x)に基づき決定される請求項５に記載の光伝送路の光軸調整装置。
8. 前記光位置ずれ量を検出する光位置ずれ量計測装置は、光位置ずれ量と共に光入射ずれ量角を計測し、前記調整装置に送る評価信号として、光位置ずれ量と光入射角ずれ量の２つの評価値を用いて、この２つの評価値を同時に最適化する請求項３に記載の光伝送路の光軸調整装置。
9. 前記調整装置は、光位置ずれ量と光入射角ずれ量の２つの評価値に関する複数の非劣位解を求める請求項８に記載の光伝送路の光軸調整装置。

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