JPS63293427A

JPS63293427A - 光ビ−ム位置および径の測定装置

Info

Publication number: JPS63293427A
Application number: JP12818087A
Authority: JP
Inventors: Hiroyasu Sasaki; 博康佐々木; Naoki Takahashi; 直紀高橋
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1987-05-27
Filing date: 1987-05-27
Publication date: 1988-11-30

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、光ビームを発生する機器における、光ビーム
中心位置とビーム径とを測定する、光ビーム位置および
径の測定装置に関するものである。

〔従来の技術〕

レーザビームのように集中した光ビームの中心位置を測
定する第１の方法として、レーザ発光器と光検出器との
間の光路中に、ピンホールまたはスリットを介在させた
器具を用いて、上記光検出器の出力を測定しつつ、ピン
ホールまたはスリットを光軸に垂直に移動させ、上記光
検出器の出力が最大になる位置を元ビームの中心位置と
する方法がある。上記方法は比較的容易に測定を可能に
するが、ピンホールまたはスリットを移動させる機械部
分が必要で、測定に時間を要する。第２の中心位置測定
方法として、複数の画素からなる半導体イメージセンサ
に光を入射させ、最大出力を得た画素のアドレスによっ
て、ビームの中心位置を測定する方法がある。上記方法
は、極めて短時間の測定を可能にする特徴がある。とこ
ろが、光ビームの中心近傍での光強度分布が、ピークの
広がりをもつ高原状である場合には、最大値に近い信号
を出力する画素が多数となり、最大値判別器の分解能の
制約や雑音によって、上記最大値を出力する画素を精度
よ（決められず、誤差が大きくなることがある。

イメージセンサを用いる別のビーム中心位置測定方法と
して、特開昭６１−７１３０３号に述べられている方法
がある。上記方法は、イメージセンサの信号出力の立上
りと立下りの画素アドレスの中点を求めて、光ビーム中
心位置とする方法であり、光ビームのピークが高原状で
あっても精度よ（測定できる。しかし、位置を決定する
ためのデータが、立上りと立下りとの２点であるため、
迷光や雑音などの異常値の影響を受けやすく、かつ、測
定分解能がイメージセンサの画素ピッチ程度になる。

光ビーム径を測定する第１の方法としては、特開昭５６
−１０３３２９号に記されているように、発光器と光検
出器との間の光路中に、光軸に垂直に移動可能なピンホ
ールまたはスリットを介在させた器具を用いて、ピンホ
ールまたはスリットを移動させながら、光検出器の出力
を測定・記憶し、出力が最大となるピンホールまたはス
リットの位置を基準として、光検出器出力が最大値のあ
る定数（二α１８９）倍となるピンホールまたはスリッ
トの位置を求め、上記位置と基準位置との差をもってビ
ーム半径とする方法がある。上記方法は、機械的な移動
を必要とするため測定に時間を要する。第２のビーム径
測定方法としてはイメージセンサを用いる方法がある。

イメージセンサの出力信号から最大値を記憶し、その最
大値のある定数（二α１８９）倍をしきい値として、壷
号の立上りで上記しきい値をとれた最初の画素アドレス
を、信号の立下りで上記しきい値以下となった最初の画
素アドレスとから、ビーム径を求める。上記方法は、極
めて短時間に測定が行える。しかし、値を決定するデー
タが、立上りと立下り時点の２点でしかないため、迷光
や雑音の影響を受けやすい。

また、測定分解能はイメージセンサＯ画素ピッチ程度で
ある。

〔発明が解決しようとする問題点〕

上記の半導体イメージセンサを用いた元ビーム中心位置
と径の測定方法は、測定を短時間で実現できるが、迷光
や雑音の影響を受けやすい。測定の分解能がイメージセ
ンサの画素ピッチで制約されるという理由のために、測
定精度の向上が困難であった。

本発明の目的は、迷光やノイズの影響を受けにくく、分
解能をイメージセンサの画素ピッチよりもかなり小さく
（数分の１以下）できる元ビーム位置および径の測定装
置を得ることにある。

〔問題点を解決するための手段〕

上記目的は、半導体イメージセンサの出力と画素アドレ
ス信号を、複数の加算累計器・乗算器などの信号演算器
で構成される信号処理装置に入力し、加算累計を中心と
した統計的な演算処理を行って、光ビーム中心位置や径
を求めることにより達成される。

〔作用〕統計演算の主たる操作は加算累計である。上記加算累計
器は複数の信号データを平均化するように働き、雑音の
ような異常値があってもその影響を小さくすることを可
能にする。また、複数のデータを演算に用いることで、
個々のデータに含まれる誤差成分（例えば、画素が離散
的であることに起因する位置の量子化誤差）の影響を小
さくすることができる。統計学によれば、データをＮ個
用いることによって、誤差による影響を１へに小さくす
ることができる。

〔実施例〕

つぎに本発明の実施例を図面とともに説明する。

第１図は本発明による光ビーム位置および径の測定装置
の第１実施例を示すブロック図、第２図は上記実施例の
動作を説明する信号波形図、第３図は上記実施例に用い
たブロック・ユニットの説明図、第４図は本発明の第２
実施例を示すブロック図、第３図は本発明の第３実施例
を示すブロック図、第６図は本発明の第４実施例を示す
ブロック図である。第１図において、レーザ光源１から
の光ビーム２は半導体イメージセンサ３に入射される。

上記イメージセンサ５は多数の個別受光素子（画素）よ
り構成され、個々の画素の信号は時間軸上で連続的に出
力される。画素アドレス信号発生器１１は、上記イメー
ジセンサ３から連続的に出力される画素信号と同期し、
上記信号が何番目の画素の出力であるかを示す画素のア
ドレス信号を出力する。イメージセンサ６の出力は信号
処理ブロック１０に入力され、上記信号処理ブロック１
０で増幅やＡＤ変換などの必要な信号処理が行われる。

信号処理ブロック１ｏの出力と画素アドレス信号発生器
１１の出力は、加算累計器などの複数の演算ユニットで
構成される光ビーム位置演算ブロック２０に加えられる
。該演算ブロック２゜の中で、信号処理ブロック１０の
出力は加算累計器２１と乗算器２２に入力される。画素
アドレス信号発生器１１の出力は、信号処理ブロック１
゜の出力とともに乗算器２２に入力され、その出力は加
算累計器２３に入力される。上記加算累計器２１の出力
と加算累計器２５との出力は除算器２４に入力され、上
記除算器２４の出力が端子７において光ビーム位置を示
すものとなる。第３図は上記第１図に示した各ブロック
・ユニットの意味をそれぞれ示したものである。

つぎに上記第１実施例に示す元ビーム位置と径測定装置
の動作を説明する。画素アドレス信号発生器１１からの
出力をＸ、信号処理ブロック１０からの出力（情報とし
てはセンサ５からの出力と同等）をＶ　（Ｘ）とする。

加算累計器２１はΣＶ　（Ｘ）を演算し、乗算器２２と
加算累計器２３とはΣＶ　（Ｘ）・Ｘを演算する。これ
より除算器２４の出力、すなわちビーム位置は次式のよ
うに与えられる。

上記（１）式を数学的に解釈するを、第２図に示すよう
にＸ軸上で分布Ｖ（Ｘ）の重心を求めることに相当する
。一般に光ビームの強度分布はガラス形で。

中心に対して対称であるから、上記（１）式によってビ
ームの中心位置を得ることができる。

第４図は本発明の第２実施例で、光ビーム径測定装置の
一例を示すブロック図である。図中における個々のブロ
ック・ユニットの意味は第３図に示しである。第４図に
おいて、レーザ光源１からの光ビーム２はイメージセン
サ３に入射され、上記センサ３の出力は信号処理ブロッ
ク１ｏに入力され、増幅やＡＤ変換などの必要な演算処
理がなされる。演算処理ブロック１０の出力と画素アド
レス信号発生器１１の出力は、加算累計器などの複数の
演算ユニットで構成される光ビーム径演算ブロック６０
に入力される。上記光ビーム径演算ブロック６０の中で
、信号処理ブロック１０の出力は、加算累計器５１と乗
算器５２、乗算器３７に入力される。画素アドレス信号
発生器１１からの出力は１乗算器３２ならびに乗算器３
６に入力される。特に、乗算器５６へは自乗演算が行わ
れるよ５に入力される。乗算器３６の出力は乗算器３７
へ入力され、その出力は加算累計器３８に入力される。

乗算器３２の出力は加算累計器３３に入力され、その出
力は自乗演算が行われるように乗算器３４に入力される
。加算累計器３１の出力は除算器３５と除算器４０とに
入力される。乗算器３４の出力は除算器５５に入力され
、その出力は加算累計器３８の出力とともに減算器３９
に入力される。減算器３９の出力は加算累計器３１の出
力とともに除算器４０に入力され、その出力は開平演算
器４１に入力され、上記開平演算器４１の出力が端子８
＆Ｃおいてビーム径を示すものになる。

つぎにその動作を説明する。画素アドレス信号発生器１
１の出力をＸ、信号処理ブロック１０からの出力をＶ　
（Ｘ）とする。加算累計器３１はΣｙ　（ｘ）を演算し
１乗算器３２、加算累計器３３１乗算器３４が結合した
ブロックで　（ΣＶ　（Ｘ）・Ｘ）２ｔ−演算し、乗算
器５６１乗算器５７、加算累計器５Ｂが結合したブロッ
クでΣＶ（Ｘ）・ｘ２を演算する。

除算器３５、減算器３９、除算器４０％開平演算器４１
＆Ｃよって最終的に次式で与えられる出力が得られる。

上記（２）式は数学的には第２図に示すようなＸ軸上に
おける分布Ｖ（Ｘ）の標準偏差を求めることに相当する
。光ビームの強度分布は通常ガウス形であるから、（２
）式はビームの広がり、すなわち、径を表わす指標とな
るものである。実際ＩＣは上記（２）式にある定数を乗
じた値を径とする。

第３図は本発明の第３実施例を示すブロック図であり、
上記第１図に示す第１実施例と第４図に示す第２実施例
とにおいて、演算ブロック内に共通する演算ユニットが
あるのに着目し、上記演算ユニットの共有化をはかり、
単に上記２種の測定装置を合わせた場合の装置よりも、
演算ユニットを少ない個数で構成している。第３図中の
光ビーム位置・径の演算ブロック５０は、第４図に示す
元ビーム径演算ブロック５０に対して、第１図に示す光
ビーム位置演算ブロック中の除算器２４を加えたものに
なっている。加えられた除算器２４に対応するのが第３
図における除算器６２である。

第３図の演算ブロック５０の構成および動作は、第１図
に示す第１実施例と第４図に示す第２実施例とを合わせ
たものと同じであるため省略する。

第６図は本発明の第４実施例を示すブロック図で、光ビ
ーム位置１径測定装置である。上記第３実施例との相違
は、第３実施例が１次元のイメージセンサを用いており
、測定座標が１次であったのに対し、本実施例は２次元
のイメージセンサを用い、測定座標を２次としたことに
ある。したがって、画素アドレス信号発生器はＸとＹと
の２つのアドレスを出力し、光ビーム位置・径演算ブロ
ック７０内では２つの座標に対応した演算ユニットを有
する。出力端子７はＸ方向の元ビーム位置を出力し、出
力端子６はＹ方向の光ビーム位置を出力し、出力端子８
は光ビーム径を出力する。各出力は演算ブロック７０内
で次式のような演算を行った結果である。

・・・・・・　（光ビームのＸ位置）・・・・・・　（光ビームのＸ位置）上記（３）、１４）、　＋！５１式は、数学的にはＸＹ
２次元座標系における分布ｖ（ｘ、ｙ）の重心位置と標
準偏差を求めることに相当する。

上記第１〜第４実施例において、加算系計器以降の演算
を専用の演算ユニットを用いて実現しているが、上記演
算は加算累計が終了したのちに行うので、加算累計およ
びそれ以前に実行される演算はど高速に行う必要はない
。したがって、加算累計以降の演算を、マイクロコンピ
ュータ等の計算器を用いて行うことが可能である。上記
のような構成の場合も、本発明の一変形実施例となりう
る。何故ならば、本発明の特徴は、加算累計という統計
的演算を用いることにあるからである。

〔発明の効果〕

上記のように本発明による光ビーム位置および径の測定
装置は、元ビームを受光するイメージセンサを、該イメ
ージセンサを構成する個々の受光素子（画素）に対応し
て設定されたアドレス発生器を、上記イメージセンサか
らの映像信号の総和を演算する第１の加算累計器を、上
記映像信号とアドレスとの積を演算する乗算器を、該乗
算器の出力の総和を演算する第２の加算累計器を、第２
の加算累計器の出力を上記第１の加算累計器出力で割る
除算器とを備えたことにより、および、上記映像信号と
アドレスとの積を演算する第１の乗算器を、該乗算器の
結果の総和を求める第２の加算累計器を、該第２加算累
計器の結果の自乗を演算する第２乗算器を、上記アドレ
スを自乗演算する第３乗算器を、該第３乗算器の結果と
上記映像信号との積を演算する第４乗算器を、該第４乗
算器の結果の総和を演算する第３の加算累計器を、上記
第２乗算器の結果を第１の加算累計器の結果で割る第１
除算器を、上記第３の加算累計器の結果から上記第１除
算器の結果を減じる減算器と。

該減算器の結果を上記第１の加算累計器の結果で除す第
２除算器を、該第２除算器の結果を開平演算する開平器
とを備えたことにより、純電子的な光ビームの位置およ
び径の測定を行う装置を実現できるので、高速な測定が
可能になる。測定時間はイメージセンサの全画素信号を
出力する時間となり、例えば１次元の測定の場合には数
ミリ秒、２次元の測定の場合には１／３０秒または１／
６０秒という値になる。また、複数のデータを加算累計
するという演算処理により、雑音のような異常値の影響
や、個々の画素信号に含まれる誤差成分の影響を小さく
することができる。例えば、光が入射する画素の個数を
６４個とするを、個々の画素信号に含まれる誤差成分の
影響は１　／８　（＝１ｆ６４）になる。これを画素の
位置の量子化誤差にあてはめるを、分解能が８倍に向上
したことに相当する。

上記のように本発明によれば、光ビームの位置および径
の測定を高速かつ高精度で行うことができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による元ビーム位置および径の測定装置
の第１実施例を示すブロック図、第２図は上記実施例の
動作を説明する信号波形図、第３図は上記実施例に用い
たブロック・ユニットの説明図、第４図は本発明の第２
実施例を示すブロック図、第３図は本発明の第３実施例
を示すブロック図、第６図は本発明の第４実施例を示す
ブロック図である。２・・・光ビーム、５・・・イメージセンサ、１１・・
・アドレス発生器、２１，５１，５１・・・第１加算累
計器、２２・・・乗算器、２３．３３．５５・・・第２
加算累計器、２４・・・除算器、５２．５２・・・第１
の乗算器、３４・・・第２の乗算器、３５．５５・・・
第１除算器、５６，５６・・・・・・第３乗算器、３７
．５７・・・第４乗算器、３８．５８・・・第３加算累
計器、４０゜６０・・・第２除算器、４１．６１・・・
開平器。・−一）／、１゜（″・）、　、、、、／′

Claims

【特許請求の範囲】１、光ビームを受光するイメージセンサと、該イメージ
センサを構成する個々の受光素子（画素）に対応して設
定されたアドレス発生器と、上記イメージセンサからの
映像信号の総和を演算する第１の加算累計器と、上記映
像信号とアドレスとの積を演算する乗算器と、該乗算器
の出力の総和を演算する第２の加算累計器と、第２の加
算累計器の出力を上記第１の加算累計器出力で割る除算
器とを備えた光ビーム位置の測定装置。２、光ビームを受光するイメージセンサと、該イメージ
センサを構成する個々の受光素子（画素）に対応して設
定されたアドレス発生器と、上記イメージセンサからの
映像信号の総和を演算する第１の加算累計器と、上記映
像信号とアドレスとの積を演算する第１の乗算器と、該
乗算器の結果の総和を求める第２の加算累計器と、該第
２の加算累計器の結果の自乗を演算する第２乗算器と、
上記アドレスを自乗演算する第３乗算器と、該第３乗算
器の結果と上記映像信号との積を演算する第４乗算器と
、該第４乗算器の結果の総和を演算する第３の加算累計
器を、上記第２乗算器の結果を第１の加算累計器の結果
で割る第１除算器と、上記第３の加算累計器の結果から
上記第１除算器の結果を減じる減算器と、該減算器の結
果を上記第１の加算累計器の結果で除す第２除算器と、
該第２除算器の結果を開平演算する開平器とを備えた光
ビーム径の測定装置。３、上記第１除算器は、上記第２の加算累計器の結果を
第１の加算累計器の結果で除算することを特徴とする特
許請求の範囲第２項に記載した光ビーム径の測定装置。