JP6223734B2 - 較正可能ビーム成形システム及び方法 - Google Patents
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Description
i.第1のモジュールに向けて光路に沿って伝播する入射光ビームに対して第1の光モジュールのミスアライメントを決定するステップと、
ii.入射光ビームに対して第1の光モジュールの横方向位置を整列させ、これにより中間光ビームにおいて所望の横方向強度分布を形成するように第1のアライメントモジュールを作動させるステップと、
iii.第2の光モジュールに向けて光路に沿って伝播する中間光ビームに対して第2の光モジュールのミスアライメントを決定するステップと、
iv.中間光ビームに対して第2の光モジュールの横方向位置を整列させ、これにより出力光ビームにおいて所望の波面及び所望の横方向強度分布を形成するように第2のアライメントモジュールを作動させるステップと、
を順次的に実施するように適合させることができる。
上記の動作iにおいて、撮像素子から、第1の光モジュールの下流側で特定の光学距離にて中間光ビームの強度分布を示す第1の画像データを取得して、第1の画像データを処理し、少なくとも1つの横軸に対して及び/又は光ビームに対して第1の光モジュールのミスアライメントを示すデータを決定するように少なくとも1つの光ルーティング組立体を作動させ、
上記の動作iiiにおいて、上記撮像素子から、第2の光モジュールに対してミッドフィールド及びファーフィールドのうちの一方において上記の出力光ビームの強度分布を示す第2の画像データを取得して、第2の画像データを処理し、少なくとも1つの横軸に対して及び/又は光ビームに対して第2の光モジュールのミスアライメントを示すデータを決定するように少なくとも1つの光ルーティング組立体を作動させる、ことを実施するように構成された較正制御装置を含むことができる。
撮像素子と、
光路を通って伝播する光と制御可能に相互作用して撮像素子に少なくとも一部を配向するように構成され動作可能な少なくとも1つの光ルーティング組立体と、
第1及び第2の光モジュールそれぞれに関連した第1及び第2のアライメントモジュールに接続可能であり、上記の動作(i)及び(iii)に関連して示された較正動作を実施することにより光路において伝播する光ビームに対して第1及び第2の光モジュールのそれぞれの横方向位置を順次的に較正するように動作可能である較正制御装置と、
を有する較正モジュールを含む。
i.第1の光モジュールとの入射光ビームの相互作用により形成された中間光ビームの強度分布を監視し、第1の光モジュールの横方向のミスアライメントを示すデータを決定して、確定した光学面にて中間光ビームの所望の強度分布を形成する第1の光モジュールを整列させるように第1の横方向のアライメントモジュールを作動させるステップと、
ii.出力光ビームの波面構造体に対応する第2の光モジュールに対してミッドフィールド及びファーフィールドの少なくとも一方において出力光ビームの強度分布を監視し、これにより第2の光モジュールの横方向のミスアライメントを示すデータを決定して、所望の強度分布及び波面を有する出力光ビームを形成するため第2の光モジュールを整列させるように第2の横方向のアライメントモジュールを作動させるステップと、を順次的に実施するように構成され動作可能である。
i.第1の光モジュールとのその相互作用の後に光ビームを撮像して、第1の光モジュールの下流側の特定の光学距離にて光ビームの第1の強度分布を示す第1の画像データを取り込み、第1の強度分布を利用して第1の光モジュールの横方向に整列された位置を決定することにより、第1の光モジュールの横方向位置を較正するステップと、
ii.第1の光モジュールが横方向の整列された位置にある第1及び第2の光モジュールとの相互作用後に光ビームを撮像して、これにより第2の光モジュールから下流側で特定の位置にて光ビームの第2の強度分布を示す第2の画像データを取り込むことによって、第2の光モジュールの横方向位置を較正するステップと、を順次的に実施することを含む。次いで、第2の強度分布を利用して、第2の光モジュールの横方向に整列された位置を決定する。これにより、本方法は、所定の横方向強度分布のコヒーレント入射光ビームを成形するビーム成形モジュールを較正し、異なる横方向強度分布を有する出力光ビームを形成するためにすることを可能にする。
ここで、aはアパーチャ/光学素子の特徴的サイズ、Lはアパーチャ/光学素子からの距離、λは波長である)点に留意されたい。ミッドフィールド及びファーフィールドという用語は、フレネル数Fが1よりも小さい領域とみなすことができる(例えば、ファーフィールドは、フレネル数F<<1である領域であり、一方、ミッドフィールドはF〜1である領域である)。
i.入射光ビーム(入射ビームBC又はその一部分BCP)を撮像素子406に向けて真っ直ぐに配向する(例えば、光路に沿って撮像素子に伝播するようにビームを配向/偏向させ、及び/又はこのような光路からビーム成形光モジュール403を離れるように移動させる)。これは図5Bに示され、ビームエキスパンダ402と撮像素子との間の光路は、レトロミラーM1及びM2の適切な位置決めにより形成される。
ii.入射ビームBCの幅及び/又はコリメートを較正する(ビームエキスパンダ402のズーム及び/又はコリメートを較正する)。ビームの画像が撮像素子406から取り込まれ、光ビームの強度プロファイル(例えば、X横軸に沿った1次元の強度プロファイル)が決定される。その結果、例えば、ガウス近似を利用することにより、ビーム幅を決定することができる。次いでその後に、ビームエキスパンダのズーム状態を調節する新しい倍率値をビーム幅に基づいて、例えば、ルックアップテーブル(エキスパンダズーム対ビームエキスパンダ状態を示すLUT)又は測定されたビーム幅を所望の倍率に関連付ける式を利用して、及び/又は撮像素子406からの更なる画像処理に基づいたフィードバックによって取得することができる。特に入射ビームがガウス強度プロファイルを有する場合には、ガウスビームの幅は、形式:
のガウス分布と撮像素子406により取得されたビームの画像の強度プロファイルをフィッティングさせることにより抽出することができ、ここで、Aはガウス中心でのビーム強度、ωはガウス半値幅、xはX軸に沿った座標である。ビームの画像の強度プロファイルをこのようなガウス関数とフィッティングさせることにより、ビームの幅ωを推定することができる。
i.撮像素子406に伝播する中間ビームBM(又は、その一部分BMP)を形成するために、強度―再配分光モジュール403をビームエキスパンダ402と撮像素子406との間のビームBCの光路内に導入する(例えば、光路に光モジュール403を移動させることにより)。
ii.撮像素子406から中間ビームBMの画像を取得する。詳細には、ビーム成形システム400がガウス−平坦ビーム成形器として構成される場合、中間ビームBMの「トップハット」画像を取得する。
iii.このようにして取得したトップハット画像の対称性/平坦度パラメータを評価する(例えば、トップハット画像の非対称パラメータを決定する)。評価されるパラメータ(例えば、非対称パラメータ)は、再配分光モジュール403のミスアライメントを示している。特に、ビーム成形(例えば、1次元のビーム成形)が横軸に対して要求される場合、X軸に沿ったトップハット強度プロファイルの平坦度を以下のようにして決定することができる。
a.対象の横軸(X軸)に対してビームの強度プロファイルを表す画像の一部分/スライスを決定する。例えば、Y横軸(例えば、X軸に垂直)に沿った画像のガウス強度プロファイルを考慮して、これをガウスにフィッティングさせてそのピーク座標を抽出する。トップハット画像のスライスを計算によりY横軸に対してガウス強度プロファイルの中心付近でクロップ/取得する。この画像スライスを更にY軸に対して平均化し、X軸に対するビームの平均強度プロファイル(X強度プロファイル)を取得することができる。
b.このようにして取得したX強度プロファイルにおいて関心領域(ROI)を決定する。これは、X強度プロファイルにおいてトップハットの幅/境界を決定する(例えば、強度プロファイルの半値幅FWHMを決定する)ことを目的とする。例えば、クロップしたスライスの平均/生データは、形式:
のスーパーローレンツ型曲線でフィッティングすることができ、ここで、Aはローレンツ型曲線のスケール係数、xはX軸に沿った座標、ωはフィッティングされたローレンツ型曲線の幅である。フィッティングされたローレンツ型曲線の幅ωは、ROIの幅に対応する。
c.ROI内のトップハット成形強度プロファイルの直線性/平坦度に対応する非対称パラメータを決定する。例えば、ROI内の強度プロファイルの線形勾配を示すパラメータ/スコアを計算する。
iv.各走査位置においてサブステップii及びiiiを繰り返しながら強度再配分光モジュール403を走査/シフトさせ、ビームの取得した画像/強度―プロファイルの対称性/平坦度を決定する。各繰り返し時に、強度再配分光モジュール403を横方向のX軸に沿って僅かにシフトさせる(例えば、約0.5mmの移動範囲にわたって約10μmの走査ステップピッチでXに沿って強度再配分光モジュール403を走査/シフトさせる)。各走査位置において、非対称パラメータ/スコア(例えば、当該トップハット画像の線形勾配)をサブステップiiiにおいて決定する。非対称パラメータは、再配分光モジュール403のミスアライメントを示し、従って、異なる位置にて非対称パラメータの値を決定しながら強度再配分光モジュール403の位置を走査することにより、強度再配分光モジュール403の整列位置の決定を提供する。例えば、以下で更に説明する図5Dは、強度再配分光モジュール403の3つの異なる横方向のX位置において得られた光ビームの3つの画像と、これらの画像から抽出されるビームのX強度プロファイルを示す3つの対応するグラフとを示す。
v.次いで、強度再配分光モジュール403は、光モジュール403の全ての走査された位置から最も対称的なX強度プロファイルで結果として得られる位置(例えば、X強度プロファイルが最も平坦である及び/又は最小絶対勾配を有する位置)にその横方向のX位置を調節することによりX軸に対して横方向に整列される。
i.撮像素子406に伝播する出力ビームBE(又は、その一部分BEP)を形成するために、位相補正光モジュール404をビームBMの光路内に導入する。具体的には、撮像素子までの光路は、撮像素子が位相補正光モジュール404に対してミッドフィールド/ファーフィールドに位置するように構成することができる。例えば、図2Fに示し以下で説明するように光路内で適切なレンズを利用することによる。
ii.撮像素子406から出力ビームBEの画像を取得する。詳細には、ビーム成形システム400がガウス−平坦ビームビーム成形器として構成され、撮像素子が位相補正器404に対してミッドフィールド内に位置する場合には、出力ビームBEのトップハット画像/強度プロファイルが取得される。撮像素子が位相補正器404(例えば、レンズL1の焦点面にて得られる)に対してファーフィールド内に位置する場合、出力ビームBEの「Sinc」画像が取得される。
iii.サブステップiiにて取得された画像の非対称を評価する。画像の非対称(例えば、非対称パラメータの評価された値)は、位相補正器404のミスアライメントを示すデータである。X横軸に対する1次元のビーム成形の場合、非対称を以下のように評価することができる。(2次元のビーム成形の場合には、非対称を2つの横軸の各々について同様の原理を使用して評価することができる。)
a.対象の横軸(X軸)に対してビームの強度プロファイルを表す画像の一部分/スライスを決定/選択する。Y横軸(例えば、Xに垂直)に沿った画像のガウス強度プロファイルを考慮して、これをガウスにフィッティングし、ピーク座標を抽出するようにする。トップハット画像のスライスをY横軸に対してガウス強度プロファイルの中心付近でクロップ/取得する。このスライスをY軸に対して更に平均化し、X軸に対してビームの平均強度プロファイル(X強度プロファイル)を取得することができる。
b.このようにして取得したX強度プロファイルにおいて関心領域(ROI)を決定する。クロップしたスライスの平均/生データを対応するマッチング関数でフィッティングする。具体的には、撮像素子が位相補正器304に対してミッドフィールド内に位置する場合、X強度プロファイルは、トップハット形状を有することが予想され、従って、ステップ520サブステップiiiパートbにおいて上述したものと同様に、スーパーローレンツ型曲線
でフィッティングされる。
c.或いは、撮像素子が位相補正器404に対してファーフィールド内に位置する場合、X強度プロファイルは、Sinc形状を有することが予想され、従って、
でフィッティングされ、画像において関心領域(ROI)の幅ωを決定する。ROI内のX強度プロファイルの非対称(例えば、非対称パラメータ)を決定する。このような非対称パラメータの値は、例えば、ROI内の強度プロファイルに対称重み関数S(x)(逆対称関数)を乗算し、ROIに沿って積分して非対称パラメータを示すパラメータ/スコアを取得することにより計算することができる。幾つかの実施形態によれば、対称重み関数は、形式:
の非対称関数である。非対称パラメータ指標により、位相補正器404の公称位置において小さな絶対値(即ち、ゼロ近傍)が得られ、光路OXに対するX軸に沿った位相補正器404の正/負のミスアライメントにおいて+/−が得られる。代替として、又はこれに加えて、ミッドフィールド及び/又はファーフィールドにおいて取得された出力画像の自己相関を測定することにより、強度プロファイルの非対称性を決定することができる。
iv.各走査位置においてサブステップii及びiiiを繰り返しながら、位相補正光モジュール403を走査/シフトさせ、ビームの取得した画像/強度プロファイルの対称性/平坦度を決定する。各走査時に、補正光モジュール404は、横方向のX軸に沿って僅かにシフトさせる(例えば、約20μmの走査ステップピッチで)。各走査位置において、上記のステップiiiを繰り返して取得されたX強度プロファイル(ミッドフィールドトップハット画像又はファーフィールドSinc画像)の対称性を決定する。このステージにおいて決定された非対称パラメータの値は、光学位相補正器404のミスアライメントを示す。従って、異なる位置にて非対称パラメータの値を決定しながら位相補正器404の位置を走査することにより、位相補正器404の整列位置を決定する。以下で更に説明される図5Gは、位相補正光モジュール404の2つの横方向のX位置において取得されたビームのミッドフィールド画像の上述の処理を介して取得される光ビームの2つのX強度プロファイル(この場合、トップハットプロファイル)において)を例証する。同様に以下で説明する図5Hは、モジュール415のレンズL1の焦点面から抽出されるビームのX強度プロファイル(Sincプロファイル)を示す3つのグラフを示している。これらの画像は、位相補正光モジュール404の3つのそれぞれの横方向のX位置において取り込まれたビームの3つのファーフィールド画像の上述の処理を介して取得される。
302:ビームエキスパンダ
303:強度分布光学素子
304:位相補正光学素子
303A:アライメントモジュール
304A:アライメントモジュール
305:較正システム
308:制御装置
306:撮像組立体
Claims (14)
- ビーム成形モジュールであって、
前記ビーム成形モジュールを通って伝播する光の光路において離間した関係で収容され、入射する光にビーム成形を順次的に適用する第1及び第2の光モジュールと、
前記第1及び第2の光モジュールをそれぞれ担持し、前記光路に対して、担持されるそれぞれの前記光モジュールを横方向に位置決めするように各々が構成され、動作可能である第1及び第2のアライメントモジュールと、
前記第1及び第2のアライメントモジュールに接続可能であり、前記第1及び第2の光モジュールのそれぞれの横方向位置を順次的に較正し、前記それぞれの横方向位置を前記光路に対して整列させて、所望の波面及び所望の横方向強度分布を有する出力光ビームを形成するために所与の所定波面及び横方向強度分布の入射光ビームの成形を可能にするように構成され、動作可能である較正モジュールと、
を備える、ビーム成形モジュール。 - 前記第1の光モジュールが、前記光路と横方向に整列されたときに前記入射光ビームから、前記第1の光モジュールの下流側で前記光路に沿って特定の光学距離にて所望の横方向強度分布及び特定の中間波面を有する中間光ビームを形成し、前記第2の光モジュールが、前記光路と横方向に整列されたときに、前記中間光ビームから前記所望の波面及び前記所望の横方向強度分布を有する前記出力光ビームを形成する、請求項1に記載のビーム成形モジュール。
- 前記較正モジュールが、
i.前記第1のモジュールに向けて前記光路に沿って伝播する前記入射光ビームに対して前記第1の光モジュールのミスアライメントを決定するステップと、
ii.前記入射光ビームに対して前記第1の光モジュールの横方向位置を整列させ、これにより前記中間光ビームにおいて前記所望の横方向強度分布を形成するように前記第1のアライメントモジュールを作動させるステップと、
iii.前記第2の光モジュールに向けて前記光路に沿って伝播する前記中間光ビームに対して前記第2の光モジュールのミスアライメントを決定するステップと、
iv.前記中間光ビームに対して前記第2の光モジュールの横方向位置を整列させ、これにより前記出力光ビームにおいて前記所望の波面及び前記所望の横方向強度分布を形成するように前記第2のアライメントモジュールを作動させるステップと、
を順次的に実施するように適合されている、請求項1に記載のビーム成形モジュール。 - 前記較正モジュールが、前記第1の光モジュールの整列された位置が前記ステップiにおいて決定されるまで前記ステップi及びiiを繰り返し、前記第2の光モジュールの整列された位置が前記ステップiiiにおいて決定されるまで、前記ステップiii及びivを繰り返すように動作可能である、請求項3に記載のビーム成形モジュール。
- 前記較正モジュールが、撮像素子と、前記中間光ビーム及び出力光ビームの少なくとも一つと制御可能に相互作用して、前記撮像素子に少なくとも一部を配向するように構成され、動作可能な少なくとも1つの光ルーティング組立体とを含み、前記較正モジュールが、前記少なくとも1つの光ルーティング組立体及び前記撮像素子に接続可能な較正制御装置を含み、前記較正制御装置が、
前記ステップiにおいて、前記撮像素子から、前記第1の光モジュールの下流側で前記特定の光学距離にて前記中間光ビームの強度分布を示す第1の画像データを取得して、前記第1の画像データを処理し、少なくとも1つの横軸に対して前記第1の光モジュールのミスアライメントを示すデータを決定するように前記少なくとも1つの光ルーティング組立体を作動させ、
前記ステップiiiにおいて、前記撮像素子から、前記第2の光モジュールに対してミッドフィールド及びファーフィールドのうちの一方において前記出力光ビームの強度分布を示す第2の画像データを取得して、前記第2の画像データを処理し、前記少なくとも1つの横軸に対して前記第2の光モジュールのミスアライメントを示すデータを決定するように前記少なくとも1つの光ルーティング組立体を作動させる、
ことを実施するように構成される、請求項3に記載のビーム成形モジュール。 - 調整可能な倍率を有し、前記第1の光モジュールの上流側に前記入射光ビームの光路に沿って位置するビームエキスパンダを備え、前記較正モジュールが、前記ビームエキスパンダの倍率を制御することにより前記入射光ビームの幅を所定サイズに較正し、これにより前記入射光ビームの成形の精度が向上させるように構成され、動作可能である、請求項1に記載のビーム成形モジュール。
- 前記ビーム成形モジュールが、前記ビームエキスパンダと相互作用して撮像素子に光を制御可能に配向するように適合された光ルーティング組立体に関連付けられ、前記較正モジュールが、前記入射光ビームの幅を示す画像データを受信して、前記倍率を制御する作動命令を生成する、前記撮像素子に接続可能な較正制御装置を含む、請求項6に記載のビーム成形モジュール。
- 前記較正モジュールが、前記第1の光モジュール及び前記第2の光モジュールの位置の順次的な較正の前に前記入射光ビームの幅を較正するように構成され動作可能である、請求項7に記載のビーム成形モジュール。
- 入射光ビームと順次的に相互作用する第1及び第2の光モジュールを有するビーム成形モジュールを通る前記入射光ビームの強度及び位相を較正するのに使用される制御システムであって、
光路との前記第1及び第2の光モジュールの各々の横方向のアライメントを制御して、これにより所望の波面及び所望の横方向強度分布を有する出力光ビームを形成するために所与の所定波面及び横方向強度分布のコヒーレント入射光ビームの成形を可能にするように構成され動作可能な較正制御装置を備える、制御システム。 - 前記較正制御装置が、
i.前記第1の光モジュールとの前記入射光ビームの相互作用により形成された中間光ビームの強度分布を監視し、前記第1の光モジュールの横方向のミスアライメントを示すデータを決定して、特定の光学面にて前記中間光ビームの所望の強度分布を形成するため前記第1の光モジュールを整列させるように前記第1の横方向のアライメントモジュールを作動させるステップと、
ii.前記出力光ビームの波面構造に対応する前記第2の光モジュールに対して前記ミッドフィールド及びファーフィールドの少なくとも一方において前記出力光ビームの強度分布を監視し、これにより前記第2の光モジュールの横方向のミスアライメントを示すデータを決定して、前記所望の強度分布及び波面を有する前記出力光ビームを形成するため前記第2の光モジュールを整列させるように前記第2の横方向のアライメントモジュールを作動させるステップと、
を順次的に実施するように構成され動作可能である、請求項9に記載の制御システム。 - 前記第1及び第2の光モジュールの少なくとも一方において横方向のミスアライメントを決定することが、前記横方向のミスアライメントを示す非対称パラメータ値を決定するために前記中間光ビーム及び出力光ビームのうちの一方とそれぞれ関連する前記対応する強度分布を処理することを含む、請求項10に記載の制御システム。
- 光ビームの強度プロファイル及び波面を成形するため前記光ビームと順次的に相互作用する第1及び第2の光モジュールを含むビーム成形モジュールを較正する方法であって、前記方法が、
i.前記第1の光モジュールとの相互作用の後に前記光ビームを撮像して、前記第1の光モジュールの下流側の特定の光学距離にて前記光ビームの第1の強度分布を示す第1の画像データを取り込み、前記第1の強度分布を利用して前記第1の光モジュールの横方向に整列された位置を決定することによって、前記第1の光モジュールの横方向位置を較正するステップと、
ii.前記第1の光モジュールが前記横方向の整列された位置にある前記第1及び第2の光モジュールとの相互作用後に前記光ビームを撮像して、これにより前記第2の光モジュールから下流側で特定の位置にて前記光ビームの第2の強度分布を示す第2の画像データを取り込み、前記第2の強度分布を利用して前記第2の光モジュールの横方向に整列された位置を決定することによって、前記第2の光モジュールの横方向位置を較正するステップと、
を順次的に実施することを含み、これにより、前記ビーム成形モジュールを較正し、所定の横方向強度分布のコヒーレント入射光ビームを成形して、異なる横方向強度分布を有する出力光ビームを形成するようにする、方法。 - 前記ステップ(i)において、前記第1の画像データが取り込まれる前記特定の光学距離が、前記第1及び第2の光モジュール間の光路長に実質的に等しく、前記ステップ(ii)において、前記第2の画像データが取り込まれる前記特定の位置が、前記第2の光モジュールに対して前記ミッドフィールド/ファーフィールドにある、請求項12に記載の方法。
- 前記第1及び第2の光モジュールのうちの少なくとも1つの特定の光モジュールの横方向に整列された位置を決定することが、前記第1及び第2の強度分布の対応する特定の強度分布を処理し、前記特定の光モジュールの横方向のミスアライメントを示す前記特定の強度分布における非対称パラメータの値を決定することを含む、請求項12に記載の方法。
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