(57)【要約】  ビームからレイリー散乱された光上で行われた測定を使った、レーザービームを特徴付けするための新しいシステム。レイリー散乱された光の画像を使ったビームプロファイリングのためと、積分されたレイリー散乱された光を使ったレーザービームパワー測定のために、異なる実装が使われる。測定はビーム自体中へのいかなるエレメントの挿入も要求せず、むしろ通過するビームから横向きに散乱された光に依存するので、それらの実装の両方が高パワーを有するレーザービームに適用されることができる。測定はよって、ビーム中に挿入されたエレメントを要求する従来技術方法とは対照的に、「非接触」測定と呼ばれることができる。システムは、測定のために特別な散乱チェンバーまたは液体を要求しないように、周囲の空気を通して通過するレーザービームからのレイリー散乱を使う。散乱から生じる光を埃粒子から識別するために、特別なキャンセレーションアルゴリズムまたはフィルターが使われる。
2013522651.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを特徴付けするための方法であって、
前記光ビームがサンプリング領域を通して周囲の空気中を伝播している間に前記光ビームを撮像することで、前記ビーム伝播の方向と概ね横の方向に前記サンプリング領域から散乱された光の画像を取得することができるようにすることと、
前記画像と関連付けられた画像データをパルス識別器で処置して、前記画像データについての予め決められたパラメータから外れる強度、空間または時間的特性の少なくとも１つを有するデータ信号を前記画像から除去することと、
前記処置された画像データを処理して、前記サンプリング領域中の少なくとも１つの位置における前記光ビームの特性を決定することと、
を含む方法。
【請求項２】
前記処理は、前記特性が前記光ビームの強度プロファイルであるように、前記光ビームに跨った位置の関数としての散乱された光の強度の決定を含む、請求項１による方法。
【請求項３】
前記サンプリング領域中の前記少なくとも１つの点における前記ビームの幅の決定を更に含む、請求項２による方法。
【請求項４】
前記ビームの空間的画像がその伝播経路に沿って取得されるように、前記ビームに沿った複数の位置における前記ビーム幅の決定を更に含む、請求項３による方法。
【請求項５】
ビームウエストが、前記ビームの前記空間的画像からその伝播経路に沿って決定される、請求項４による方法。
【請求項６】
前記処理は、前記特性が前記光ビームのパワー測定であるように、前記光ビームに跨って取得された散乱された光の強度と関連付けられた画像データの、前記ビーム経路の予め決められた長さに渡る積分を含む、請求項１による方法。
【請求項７】
前記パルス識別器はローパスフィルターであり、予め決められたレベルよりも短い持続時間のパルスがフィルター除去されるようになっている、請求項１−６のいずれかによる方法。
【請求項８】
前記パルス識別器は閾値リミッタ−であり、予め決められたレベルよりも高い強度のパルスがフィルター除去されるようになっている、請求項１−７のいずれかによる方法。
【請求項９】
前記ビームの伝播経路を下って前記ビーム特性の空間的表現が取得されるように、ビーム経路を下った複数の位置について前記ビーム特性を計算することを更に含む、請求項１−８のいずれかによる方法。
【請求項１０】
前記パルス識別器は、前記ビームの伝播経路を下った前記散乱された光の撮像された強度における変化の空間的幅を決定し、予め決められた幅よりも狭い空間的幅のパルスをフィルター除去するためのアルゴリズムを含む、請求項９による方法。
【請求項１１】
前記光ビームの経路における粒子的汚染が削減されるように、前記光ビームに跨ってフィルターされたガスの層流を通過させることを更に含む、請求項１−１０のいずれかによる方法。
【請求項１２】
前記光ビームの前記撮像は、前記光ビームの軸の周りの複数の方向で行われる、請求項１−１１のいずれかによる方法。
【請求項１３】
前記光ビームの軸の周りの複数の方向での前記撮像は、異なる放射状方向から散乱された光を単一の撮像装置による撮像のための１つの共通の方向に反射することによって行われる、請求項１２による方法。
【請求項１４】
前記光ビームの軸の周りの複数の方向での前記撮像は、異なる放射状方向から散乱された光を、単一の撮像装置中に向けられた、別々のファイバー光学装置に集光することによって行われる、請求項１２による方法。
【請求項１５】
前記光ビームはレーザービームであり、前記方法は、ビームがビーム経路中のいかなるエレメントとも接触する必要無しに、前記ビームが特徴付けられることを可能とする、請求項１−１４のいずれかによる方法。
【請求項１６】
光ビームを特徴付けするためのシステムであって、
前記光ビームの経路がそれを通して通過する空気中のサンプリング領域と、
前記光ビームの経路の方向と概ね横の方向に散乱された光を撮像するように、前記サンプリング領域の少なくとも一部上にフォーカスされた撮像装置と、
前記画像データについての予め決められたパラメータから外れる強度、空間または時間的特性の少なくとも１つを有するデータ信号を前記画像から除去するパルス識別器と、
前記パルス識別器による処置の後の画像信号上で動作する画像プロセッサであって、該画像プロセッサは、前記サンプリング領域中の少なくとも１つの位置における前記光ビームの特性を決定するものと、
を含むシステム。
【請求項１７】
前記画像プロセッサは、前記特性が前記光ビームの強度プロファイルであるように、前記光ビームに跨った位置の関数としての散乱された光の強度の決定のためのプロファイル生成器を含む、請求項１６によるシステム。
【請求項１８】
前記プロファイル生成器は、前記サンプリング領域中の前記少なくとも１つの位置における前記ビームの幅を決定する、請求項１７によるシステム。
【請求項１９】
前記ビーム幅の決定は、前記ビームの空間的画像がその伝播経路に沿って取得されるように、前記ビームに沿った複数の位置において行われる、請求項１８によるシステム。
【請求項２０】
前記ビームの前記空間的画像からビームウエストの位置を決定する、請求項１９によるシステム。
【請求項２１】
前記画像プロセッサは、前記特性が前記光ビームのパワー測定であるように、前記光ビームに跨って取得された散乱された光の強度と関連付けられた画像データを、前記ビーム経路の予め決められた長さに渡って積分する、請求項１６によるシステム。
【請求項２２】
前記パルス識別器はローパスフィルターであり、予め決められたレベルよりも短い持続時間のパルスがフィルター除去されるようになっている、請求項１６−２１のいずれかによるシステム。
【請求項２３】
前記パルス識別器は閾値リミッタ−であり、予め決められたレベルよりも高い強度のパルスがフィルター除去されるようになっている、請求項１６−２１のいずれかによるシステム。
【請求項２４】
前記画像プロセッサは、前記ビームの伝播経路を下って前記ビーム特性の空間的表現が取得されるように、ビーム経路を下った複数の位置について前記ビーム特性を決定する、請求項１６−２１のいずれかによるシステム。
【請求項２５】
前記パルス識別器は、前記ビームの伝播経路を下った前記散乱された光の撮像された強度における変化の空間的幅を決定し、予め決められた幅よりも狭い空間的幅のパルスをフィルター除去するためのアルゴリズムを含み得る、請求項２４によるシステム。
【請求項２６】
前記光ビームの経路における粒子的汚染が削減されるように、前記光ビームに跨ってフィルターされたガスを流すための層流システムを更に含む、請求項１６−２５のいずれかによるシステム。
【請求項２７】
前記撮像装置は、前記光ビームの軸の周りの複数の方向に散乱された光を撮像するように適応されている、請求項１６−２６のいずれかによるシステム。
【請求項２８】
少なくとも１つの異なる放射状方向から散乱された光を前記撮像装置中に反射するための少なくとも１つの反射器を更に含む、請求項２７によるシステム。
【請求項２９】
複数のファイバー光学装置を更に含み、異なる放射状方向から散乱された光が、別々のファイバー光学装置によって集光され、前記撮像装置中に撮像のために向けられる、請求項２７によるシステム。
【請求項３０】
前記光ビームはレーザービームであり、前記システムは、ビームがビーム経路中のいかなるエレメントとも接触する必要無しに、前記ビームが特徴付けられることを可能とする、請求項１６−２９のいずれかによるシステム。
【請求項３１】
光ビームのパワーを測定するための装置であって、
それを通して前記光ビームの経路が通過する空気中のサンプリング領域からの光で、検出平面に向けて、前記ビーム経路に対して放射状に配置された方向に散乱されたものを向き付けする集光エレメントと、
前記集光エレメントからそれの方に向け付けされた前記光を測定するように、前記検出平面に配置された光検出器と、
前記光検出器の出力から前記光ビームのパワーを決定する出力モジュールと、
を含む装置。
【請求項３２】
前記ビームの前記パワーは、前記装置のための予め決められた校正ファクターに従って決定される、請求項３１による光ビームのパワーを測定するための装置。
【請求項３３】
前記光ビームの経路中の粒子状破片から散乱されることにより生成された光信号を除去するための識別システムを更に含む、請求項３１による光ビームのパワーを測定するための装置。
【請求項３４】
前記集光エレメントは楕円形プロファイルを有する反射器を含み、該反射器は、前記光ビームの前記経路が前記楕円形プロファイルの１つの焦点を通して通過し、前記検出平面が前記楕円形プロファイルの第２の焦点を含むように配置されている、請求項３１−３３のいずれかによる光ビームのパワーを測定するための装置。
【請求項３５】
前記集光エレメントが、
放物線状プロファイルを有する反射器であって、該反射器は、前記光ビームの前記経路がその焦点を通して通過するように配置されているものと、
前記光ビームから散乱され前記放物線状反射器から反射された光と、前記光ビームから散乱されそこから直接受け取られた光を集光するように、前記反射器の前に配置されたフォーカシングレンズと、を含み、
前記フォーカシングレンズは、前記検出平面からその焦点距離に等しい距離において配置されている、請求項３１−３３のいずれかによる光ビームのパワーを測定するための装置。
【請求項３６】
前記集光エレメントが、
前記光ビームの前記経路がその第１の焦点を通して通過するように配置された第１のレンズで、前記光ビームから散乱された光が該第１のレンズによってコリメートされるようになっているものと、
前記コリメートされた光を受け取る第２のレンズで、それを該第２のレンズの焦点に向けてフォーカスするものと、を含み、
前記第２のレンズは、前記検出平面からその焦点距離に等しい距離において配置されている、請求項３１−３３のいずれかによる光ビームのパワーを測定するための装置。
【請求項３７】
前記集光エレメントが、
前記光ビームの前記経路がその曲率の中心を通して通過するように配置されたレンズで、前記光ビームから散乱された光が該レンズによって集光され、その曲率の共役中心においてフォーカスされるようになっているもの、を含み、
前記レンズは、前記検出平面がその曲率の共役中心を含むように配置されている、請求項３１−３３のいずれかによる光ビームのパワーを測定するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願］この出願は、２０１０年３月２３日に出願されJeffrey L. Guttmanを筆頭発明者として掲載し“Laser beam profile by air scattering”と題された米国仮出願番号61/340,786の優先権を主張する。
【０００２】
本発明は、特にビームプロファイル測定およびビームパワー測定のための、レーザービームの経路における空気分子のレイリー散乱を使ったレーザービーム測定の分野に関する。
【背景技術】
【０００３】
全てのレーザービームに関してだが特に材料処理の応用で使われるものについて、ユーザが測定する必要が有り得る２つの主なビームパラメータは、総ビームパワーとビームの空間的プロファイルである。総ビームパワーは、レーザーパワーメーターによって測定され、それには多くの種類が市場に存在する。レーザービームプロファイラーは、ビームを特徴付けするためにレーザービームの空間的放射照度分布を測定する。関心のあるビームパラメータには、直径、ピーク位置、中心軌跡位置、ビームの一様性が含まれる。その他の派生したビームパラメータには、角発散とＭ２ビーム伝播比が含まれる。
【０００４】
カメラでレーザービームプロファイルを測定する従来の方法は、レーザービームを多くの桁数で減衰させることと、それがカメラの焦点面上に直接突き当たることを許容することを含み、減衰が入射する放射をカメラの測定レンジにまで持ち込む。代替策として、ビームの小さな部分を取り出すのにビームスプリッターまたは出力カプラ−が使われることができ、それはそれからカメラ中に向けられる。カメラでレーザービームプロファイルを測定する別の方法は、レーザービームを拡散散乱器上に向けることと、拡散散乱器の表面における画像をカメラで測定することを含む。それらの方法の全てで、ビームは、カメラ焦点面あるいはビーム出力カプラ−または散乱器の平面の位置においてのみ測定される。カメラはアナログまたはデジタルの動画出力を生成し、データ取得システムが、処理、分析、表示等のためにカメラ動画を記録する。
【０００５】
高パワーレーザービームについては、高パワービームが、ビームプロファイル測定の場合には光学減衰器、ビームスプリッター／出力カプラ−または拡散スクリーンを損傷し得るため、またパワー測定の場合にはビーム吸収器表面を損傷し得るため、そのような方法は非実用的であるかまたは実装するのが困難であり得る。
【０００６】
Annals of Optics, Vol. 5, XXVI ENFMC (Brazilian National Meeting of Condensed Matter Physics), May 2003に出版されたK.C. Jorge et al.による“Laser Beam Characterization by Using Rayleigh Scattering”と題された文献では、ビーム経路に対して横向きに放出されたレイリー散乱によって伝播するビームを視認可能にするために、フォーカスされたレーザービームを水性アニリン溶液で満たされたチェンバーを通して通過させる方法が記載されている。この横向きに散乱された光は、ＣＣＤカメラを使って撮像され、ビーム経路に沿った点における散乱強度は、それらの点におけるビーム強度の表現であるが、Ｍ２の値が取得されることを可能とする。
【０００７】
しかしながら、その文献に記載された装置は、液体で満たされたチェンバーの使用を要求し、それは装置を構築するのが煩雑で複雑なものにする。更には、その文献はどのようにビームパワーが測定され得るのかについて言及も示唆もしていない。
【０００８】
従って、レーザービームの様々な特性を測定するためのシステムで、従来技術のシステムおよび方法の不利点の少なくともいくつかを克服するものの必要が存在する。
【０００９】
明細書のこのセクションおよびその他のセクションで言及される出版物の各々の開示は、各々その全体が、ここで引用によって組み込まれる。
【発明の概要】
【００１０】
本開示は、ビームからレイリー散乱された光上で行われた測定を使った、レーザービームを特徴付けするための新しい例示的システムを記載する。レイリー散乱された光の画像を使った実用的なビームプロファイラー、または積分されたレイリー散乱された光を使ったレーザービームパワーメーターを構築するために、この技術の異なる実装が使われることができる。レイリー散乱に基づいた測定はビーム自体中へのいかなるエレメントの挿入も要求せず、むしろ通過中のビームから横向きに散乱された光に依存するので、それらの異なる実装の両方が非常に高いパワーを有するレーザービームに適用されることが可能である。この点では、測定は、測定を行うためにビーム中に挿入されたエレメントを要求する従来技術方法とは対照的に、「非接触」測定と呼ばれることができる。本開示の例示的システムは、測定のために特別な散乱チェンバーまたは液体を要求しないように、周囲の空気を通して通過するレーザービームからのレイリー散乱を使う。システムは携帯可能であり、あらゆる環境で、レーザー機械加工工場でさえ、それらがセットアップされることを可能とする多数の特徴を有する。
【００１１】
ビームプロファイリング測定については、空気中を伝播しているレーザービームからレイリー散乱された光が、カメラレンズによってその焦点面上に直接結像されるか、またはレンズシステムによって集光され、光をカメラに転送する光ファイバー束上に結像される。
【００１２】
レイリー散乱のレベルは非常に小さいので、測定感度は高くなくてはならず、よって測定視野中の破片または埃の粒子からの散乱のような光の外部ソースからの、または背景ソースから来る照射の、干渉に影響され易い。埃粒子散乱から来る信号は、測定することが望まれるレイリー散乱を構成する空気分子からの弾性散乱から生じる信号とは非常に異なる。埃で散乱された信号は、レイリー散乱された信号よりも何桁も大きく、空間的および時間的の両方で非常に局所化された性質のものである。この開示の例示的システムは、最も好都合にはパルス高識別またはパルス幅識別によって、埃および粒子から散乱されたそのような信号を同定するデータ処理アルゴリズムを使用し、よってレーザービーム画像中のそのような領域からのデータを却下できる。ローパスフィルターが、埃粒子散乱による鋭い強度パルスを排除するのに効果的に使われることができる。加えて、粒子的干渉からの更なる免疫を提供するために、フィルターされた層状空気流システムが組み込まれることができ、それはレーザービームの経路における空気中のそのような粒子のレベルを削減する。背景除去のための背景は、取得されたカメラ画像自体から直接決定される。
【００１３】
層流システムの使用への代替策として、埃汚染問題は、ガスで満たされたチェンバーを通しての通過中にビームを測定することで避けることができる。但し、専用のチェンバーのそのような使用は、装置をより複雑で嵩張るものにし得て、端部窓の必要は、そのような実装を、その周囲経路中のビームに単純に適用される非接触測定システムの利点から逸脱したものにする。一方、二酸化炭素レーザービームについてのような、レイリー散乱効果が非常に低い波長における測定については、そこからの１０．６μｍにおけるレイリー散乱が弱い通常の大気圧における周囲の空気の代りに、レイリー散乱について高い断面を有するガスでの高圧ガス充填の使用は有利であり得る。
【００１４】
いくつかの直径方向に跨ったビームプロファイルを提供するために、多数の横方向からのレイリー散乱された光を撮像することによって、複数のビーム軸測定が行われることができる。
【００１５】
レイリー散乱された光を使ってビームパワーを測定するために、ビームプロファイリングのために使われたのと同じシステムが使われることができる。但し、背景散乱された光からの干渉を削減するために、それを通してビームが１つの開口から別の開口に通過するところの取り囲まれた装置を使うことがより好ましいであろう。１つのそのような例示的装置は、楕円形状の内部ミラー表面を有するキャビティからなるものとして記載され、そこでは測定されるべきビームは、ミラー表面と平行にキャビティを通しておよび楕円焦点の１つの位置を通して通過する。検出器が第２の焦点に配置され、これが、検出器上に直接ビームによって放出されたレイリー散乱された光と、またその他の方向に放出されたが第２の焦点において検出器上に楕円形ミラーによってフォーカスされたあらゆるレイリー散乱された光、を検出する。検出器はよって、ビームからレイリー散乱された光の全てを実効的に積分するが、それでもビームを物理的に傍受することは全くない。検出器における信号は増幅されて処理され、レイリー散乱が線形効果であるので、信号はレーザービームのパワーに比例する。ビーム軸の周りの大きな角方向からのレイリー散乱された光を集光するその他のシステムには、検出器上にフォーカスするためにコリメートされた光ビームを生成する放物線状ミラーと、同様の結果を達成するための正レンズの配置が含まれる。
【００１６】
１つの例示的実装は、光ビームを特徴付けするための方法であって、
（ｉ）光ビームがサンプリング領域を通して周囲の空気中を伝播している間に光ビームを撮像することで、ビーム伝播の方向と概ね横の方向にサンプリング領域から散乱された光の画像を取得することができるようにすることと、
（ｉｉ）画像と関連付けられた画像データをパルス識別器で処置して、画像データについての予め決められたパラメータから外れる強度、空間または時間的特性の少なくとも１つを有するデータ信号を画像から除去することと、
（ｉｉｉ）処置された画像データを処理して、サンプリング領域中の少なくとも１つの位置における光ビームの特性を決定することと、
からなる方法が関与する。
【００１７】
そのような方法において、処理は、特性が光ビームの強度プロファイルであるように、光ビームに跨った位置の関数としての散乱された光の強度の決定からなっていても良い。この方法はそれから更に、サンプリング領域中の前述した少なくとも１つの点におけるビームの幅の決定からなっていても良い。加えて、方法は更に、ビームの空間的画像がその伝播経路に沿って取得されるように、ビームに沿った複数の位置におけるビーム幅の決定からなっていても良い。ビームウエストがよって、ビームの空間的画像からその伝播経路に沿って決定されても良い。
【００１８】
上記の方法の代替的実装では、処理は、特性が光ビームのパワー測定であるように、光ビームに跨って取得された散乱された光の強度と関連付けられた画像データの、ビーム経路の予め決められた長さに渡る積分からなっていても良い。
【００１９】
これらの方法のいくつかの実装では、パルス識別器はローパスフィルターであり、予め決められたレベルよりも短い持続時間のパルスがフィルター除去されるようになっていても良い。代替的に、パルス識別器は閾値リミッタ−であり、予め決められたレベルよりも高い強度のパルスがフィルター除去されるようになっていても良い。方法は更に、ビームの伝播経路を下ってビーム特性の空間的表現が取得されるように、ビーム経路を下った複数の位置についてビーム特性を計算することが関与しても良い。そのような場合には、パルス識別器は、ビームの伝播経路を下った散乱された光の撮像された強度における変化の空間的幅を決定し、予め決められた幅よりも狭い空間的幅のパルスをフィルター除去するためのアルゴリズムであっても良い。
【００２０】
更に別の例の実装は、光ビームの経路における粒子的汚染が削減されるように、光ビームに跨ってフィルターされたガスの層流を通過させることを利用する方法が関与する。
【００２１】
もっと更なる実装では、光ビームの撮像は、光ビームの軸の周りの複数の方向で行われても良い。この方法は、異なる放射状方向から散乱された光を単一の撮像装置による撮像のための１つの共通の方向に反射することによってか、または異なる放射状方向から散乱された光を、単一の撮像装置中に向けられた、別々のファイバー光学装置に集光することによってのどちらかで実行されることができる。
【００２２】
最後に、そのような方法は、もし光ビームがレーザービームであれば、方法が、ビームがビーム経路中のいかなるエレメントとも接触する必要無しに、ビームが特徴付けられることを可能とするようなものであっても良い。
【００２３】
更なる例の実装は、
（ｉ）光ビームの経路がそれを通して通過する空気中のサンプリング領域と、
（ｉｉ）光ビームの経路の方向と概ね横の方向に散乱された光を撮像するように、サンプリング領域の少なくとも一部上にフォーカスされた撮像装置と、
（ｉｉｉ）画像データについての予め決められたパラメータから外れる強度、空間または時間的特性の少なくとも１つを有するデータ信号を画像から除去するパルス識別器と、
（ｉｖ）パルス識別器による処置の後の画像信号上で動作する画像プロセッサであって、画像プロセッサは、サンプリング領域中の少なくとも１つの位置における光ビームの特性を決定するものと、
からなるシステムが関与する。
【００２４】
そのようなシステムでは、画像プロセッサは、特性が光ビームの強度プロファイルであるように、光ビームに跨った位置の関数としての散乱された光の強度の決定のためのプロファイル生成器からなっていても良い。プロファイル生成器は、サンプリング領域中の前述した少なくとも１つの位置におけるビームの幅を決定しても良い。加えて、ビーム幅の決定は、ビームの空間的画像がその伝播経路に沿って取得されるように、ビームに沿った複数の位置において行われても良い。システムはよって、ビームの空間的画像からビームウエストの位置を決定しても良い。
【００２５】
上記のシステムの代替的実装では、画像プロセッサは、特性が光ビームのパワー測定であるように、光ビームに跨って取得された散乱された光の強度と関連付けられた画像データを、ビーム経路の予め決められた長さに渡って積分しても良い。
【００２６】
これらのシステムのいくつかの実装では、パルス識別器はローパスフィルターであり、予め決められたレベルよりも短い持続時間のパルスがフィルター除去されるようになっていても良い。代替的に、パルス識別器は閾値リミッタ−であり、予め決められたレベルよりも高い強度のパルスがフィルター除去されるようになっていても良い。システムは更に、画像プロセッサが、ビームの伝播経路を下ってビーム特性の空間的表現が取得されるように、ビーム経路を下った複数の位置についてビーム特性を決定するようなものであっても良い。そのような場合には、パルス識別器は、ビームの伝播経路を下った散乱された光の撮像された強度における変化の空間的幅を決定し、予め決められた幅よりも狭い空間的幅のパルスをフィルター除去するためのアルゴリズムを含んでいても良い。
【００２７】
更に別の例の実装は、ここに上述された通りのシステムであって、更に、光ビームの経路における粒子的汚染が削減されるように、光ビームに跨ってフィルターされたガスを流すための層流システムからなるものが関与する。
【００２８】
もっと更なる実装では、撮像装置は、光ビームの軸の周りの複数の方向に散乱された光を撮像するように適応されていても良い。システムはそれから更に、少なくとも１つの異なる放射状方向から散乱された光を撮像装置中に反射するための少なくとも１つの反射器からなるか、または複数のファイバー光学装置からなり、異なる放射状方向から散乱された光が、別々のファイバー光学装置によって集光され、撮像装置中に撮像のために向けられるかのどちらかであることができる。
【００２９】
最後に、そのようなシステムは、もし光ビームがレーザービームであれば、システムが、ビームがビーム経路中のいかなるエレメントとも接触する必要無しに、ビームが特徴付けられることを可能とするようなものであっても良い。
【００３０】
更に別の例の実装は、光ビームのパワーを測定するための装置であって、
（ｉ）それを通して光ビームの経路が通過する空気中のサンプリング領域からの光で、検出平面に向けて、ビーム経路に対して放射状に配置された方向に散乱されたものを向き付けする集光エレメントと、
（ｉｉ）集光エレメントからそれの方に向け付けされた光を測定するように、検出平面に配置された光検出器と、
（ｉｉｉ）光検出器の出力から光ビームのパワーを決定する出力モジュールと、
からなる装置が関与する。
【００３１】
そのような装置では、ビームのパワーは、装置のための予め決められた校正ファクターに従って決定されても良い。加えて、装置は更に、光ビームの経路中の粒子状破片から散乱されることにより生成された光信号を除去するための識別システムからなっていても良い。
【００３２】
そのような上記の装置のいずれにおいても、集光エレメントは楕円形プロファイルを有する反射器からなり、反射器は、光ビームの経路が楕円形プロファイルの１つの焦点を通して通過し、検出平面が楕円形プロファイルの第２の焦点を含むように配置されていても良い。
【００３３】
代替的に、集光エレメントが、放物線状プロファイルを有する反射器であって、反射器は、光ビームの経路がその焦点を通して通過するように配置されているものと、光ビームから散乱され放物線状反射器から反射された光と、光ビームから散乱されそこから直接受け取られた光を集光するように、反射器の前に配置されたフォーカシングレンズとからなり、フォーカシングレンズは、検出平面からその焦点距離に等しい距離において配置されていても良い。
【００３４】
更なる例示的実装では、集光エレメントが、光ビームの経路がその第１の焦点を通して通過するように配置された第１のレンズで、光ビームから散乱された光が第１のレンズによってコリメートされるようになっているものと、コリメートされた光を受け取る第２のレンズで、それを第２のレンズの焦点に向けてフォーカスするものとからなり、第２のレンズは、検出平面からその焦点距離に等しい距離において配置されていても良い。代替的に、集光エレメントが、光ビームの経路がその曲率の中心を通して通過するように配置されたレンズで、光ビームから散乱された光がレンズによって集光され、その曲率の共役中心においてフォーカスされるようになっているものからなり、レンズは、検出平面がその曲率の共役中心を含むように配置されていても良い。
【００３５】
ここに請求された発明は、図面との関係でとられたときに以下の詳細な記載からより完全に理解され評価されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】図１は、レイリー散乱測定を使った、例示的レーザービーム特徴付けシステムを概略的に描く。
【図２】図２は、図１のものと同様のレーザービーム特徴付けシステムだが、ビームを２つの直交する方向から見ることが可能なものを描く。
【図３】図３は、干渉性光ファイバー束を使ってビーム軸の周りの異なる角方向を有する２つのサイドからビームプロファイルを見る代替的な例示的方法を描く。
【図４】図４は、図１に記載されたようなシステムで、その中でそれが撮像されている領域中のレーザービームに跨ってクリーンなフィルターされた空気を吹かせているフィルターされた層流システムの追加をもったものを示す。
【図５Ａ】図５Ａは、図１のシステムの画像処理およびプロファイル生成プログラムから撮られたスクリーン画像の再現を描く。
【図５Ｂ】図５Ｂは、図１のシステムの画像処理およびプロファイル生成プログラムから撮られたスクリーン画像の再現を描く。
【図５Ｃ】図５Ｃは、図１のシステムの画像処理およびプロファイル生成プログラムから撮られたスクリーン画像の再現を描く。
【図６Ａ】図６Ａは、図５Ａと同様だが、レイリー散乱測定を使ってどのようにビームパワーが計算されることができるかも描く。
【図６Ｂ】図６Ｂは、図５Ｂと同様だが、レイリー散乱測定を使ってどのようにビームパワーが計算されることができるかも描く。
【図６Ｃ】図６Ｃは、図５Ｃと同様だが、レイリー散乱測定を使ってどのようにビームパワーが計算されることができるかも描く。
【図７】図７は、楕円形状を有する反射器キャビティを使った、ビームからのレイリー散乱された光を使ったレーザービームパワーの非接触測定のための、例示的センサーヘッドの断面概略図を描く。
【図８】図８は、放物線状反射器レイリー散乱パワーメーターセンサーヘッドを概略的に描く。
【図９】図９は、パワー測定のための、横切るビームからのレイリー散乱された光を集光するための二重レンズフォーカシング配置を示す。
【図１０】図１０は、単一の正レンズを使った、図９のヘッドに示されたものの簡略化されたバージョンである、別の例示的な光学的配置を概略的に描く。
【図１１】図１１は、図７に断面で示された楕円形キャビティヘッドの概略的等角描写である。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
ここで図１を参照すると、それは、この開示に記載されるタイプの、レイリー散乱測定を使った、例示的レーザービーム特徴付けシステムを概略的に描いている。レーザービーム１０は、関心のあるサンプリング領域を通して向き付けられており、それはビームが測定されるべき位置に存在している周囲の空気であることができる。レーザービームの経路中の空気分子は、レーザービームの光を全ての方向にレイリー散乱する。サンプリング領域は、ビーム経路方向に沿った視野の極限１５によって示されるように、ビームのサンプリング領域をカバーするようにデザインされたレンズ１３をもったＣＣＤカメラ１２のような撮像装置によって、好ましくはビーム経路の方向と垂直に、撮像される。ビーム直径よりも実質的に長いビーム経路のセクションを撮像することが通常望まれるので、レンズは有利なことに部分的に円筒形のデザインのものであることができ、各画像フレームはビームと垂直によりもビームの長さに沿ってはるかに多くの画像ピクセルを有する。散乱媒体は光学的に薄いので、レイリー散乱された光の画像はビームの直径に跨ったビーム強度の忠実な表現であり、レイリー散乱された光の画像の強度プロファイルからビームのプロファイルを取得することができるようになっている。ＣＣＤカメラはよって、ビームの非接触プロファイリングを行うことができる。
【００３８】
ＣＣＤカメラ１２からの信号は、画像処理モジュール１７中に向けられ、そこで望ましいビーム特性を抽出するために画像のデータが分析される。埃粒子散乱から生じる偽の散乱された強度を排除するために、信号はまたパルス識別器１８を通して向けられ、それは、最も好都合にはこの開示の概要セクションで言及された方法の１つによって、測定されるべき信号からそのようなパルスを差し引く。そのように処理された後、信号はプロファイル生成部１９に導かれ、それは、それがサンプリング領域を横切るにつれてのビームの変化する直径と、撮像カメラの視野の方向と垂直な平面中のビームの強度プロファイルを、計算し、プロットし、表示することができる。
【００３９】
関心のあるサンプリング領域中のビームによって放出されたレイリー散乱の画像を取り扱うようにシステムがプログラムされている特定のやり方は、システムから取得することが望まれるビーム特性に依存する。画像自体は、ビームから横向きに放出されたレイリー散乱された光によって規定される通りの、ビーム焦線の側面図からなる。従って、画像の視認によるかまたはコンピューターに基づくビューは、ビーム幅をビーム経路を下る距離の関数として決定することができる。よって、画像自体から、例えばビームウエストの位置が直接観察されることができる。ビームプロファイルは、一方で、撮像されたビームの幅に跨ったレイリー散乱の強度の分析を要求する。これは、ピクセル毎の、またはピクセルのグループ毎の、画像の信号処理によって有利に得られる。まず最初に、瞬間的測定がなされているところのビーム経路を下った位置と、ビーム経路のどれくらい長いセクションに渡ってこの測定がなされているか、を規定する必要がある。加えて、ビームの全幅を決定するためにそれに渡って画像データが測定されるところの、ビームのどちらか側の距離（それは、図１の配置では、ビームの上かまたは下を意味する）を規定する必要がある。それらの選択は、その寸法が測定されるべき画像のセクションの大きさに従って設定された可変幅で可変高のサンプリングボックスを使うことによって達成されても良い。よって、ビーム焦線に沿った高解像度測定のために、単一ピクセルの幅しかないサンプルが恐らく使われても良く、ビームの幅は、ビームに跨った垂直方向のわずかなピクセルに渡って測定されても良い。各サンプリングされた位置において、ピクセル読み出し値が画像処理プログラムへの入力であり、完全な格納された画像データファイルがそれからパルス識別部１８によって埃干渉の存在について分析されても良く、あらゆるそのような存在がソフトウェアプログラム中で抽出されても良い。このデータから、ビームプロファイルのプロットがそれから生成されることができる。
【００４０】
システムは、ＣＷおよびパルス化レーザービームの両方を測定するのに使われることができる。但し、パルス化ビームについては、パルスＯＮ期間の間だけ測定するようにそれがゲートされることができるように、十分に高速な応答時間を有する検出器を使うことが重要である。
【００４１】
空気分子からのレイリー散乱された光の強度は非常に低いので、その他の方向に散乱された光の、ビームの近傍のその他の粒子からの反射によるもののような、全ての光の外部背景ソースを排除することが非常に重要である。従来のビームプロファイリング方法は、測定下のレーザーを切ったデータの画像フレームを撮ることを含む背景除去を使用する。しかしながら、レイリー散乱されたレーザー光自体が「背景」を生成するものなので、この方法は、本開示の機器で使われるレイリー散乱技術のために使われることができない。より特定には、レイリー散乱されたレーザー光は、近傍の全ての物体を照射して、二次的散乱を生成し、撮像カメラは直接散乱に対してと同じようにこの二次的散乱に対して敏感であり、よって直接散乱されたレーザー光と共にそれも測定する。方法は、非反射吸収性表面１１の使用を通して散乱された背景を削減するのに使われることができる。背景散乱の効果を最小化するために光学的バッフルが採用されることもできる。但し、残存する二次的散乱の存在するレイリー散乱プロファイリングについては、
プロファイルデータフレームから導出された、現場での背景補正を行うことが必要である。１つの方法は、カメラに入る反射された背景散乱された光のレベルにおける変化を指し示すものとなるであろう、レベルにおけるあらゆる変化を検出するために、ビーム経路上ではない位置において受け取った背景照射のレベルを検査することである。ビーム位置自体の外側の平均レベルはそれから、真のレベルを提供するためにビーム自体のその他の強度読み出し値から差し引かれるべき、平均背景レベルの典型としてとられることができる。これはリアルタイム背景補正の１つの推奨された方法に過ぎず、背景のレベルと一様性に依存して、全体的背景を削減するのに使われることができるあらゆるその他のデータ操作方法が全く同様に使われても良いことが理解されるべきである。
【００４２】
図１に示された実装は、レーザービームのサイド、この場合には図面の平面中のもの、からの単一の方向からビームプロファイルまたは直径を見るのに好適である。しかしながら、ビームは非対称な形であり得るので、ビーム軸と垂直な多数の角度的に異なる方向からビームの直径またはそのプロファイルを決定することが重要であり得る。これは、２つの望ましい方向から見るための２つの別々のカメラを使うことによって達成されることができる。但し、ここで図２を参照すると、それは、単一のカメラを使って２つの直交する方向においてビームプロファイルと直径が決定されることができる１つの例示的方法を描いている。図２は、図面中で水平方向である方に発されたレイリー散乱された光の画像を生成する撮像カメラ１２での、ビーム軸１０を下ったビューを示し、それにより図面中で垂直方向である方のビームプロファイルと直径を決定している。反射表面２０がビームの上に配置され、それが直接撮像されたものに対して９０°で放出されたレイリー散乱された光をカメラの視野中に反射するようになっている。ミラーは、（図面の座標の感覚で）垂直に放出された光が対物レンズ１３を通してカメラ１２中に反射されるように、角度を付けて揃えられている。カメラはよって、２つの直交して配置された方向からビームを見ており、画像処理プログラムが、それらの方向の両方からビームを分割されたスクリーン上に示すように、およびそれらの画像の両方からパラメータを独立して計算するように、適応されることができる。
【００４３】
レーザービーム１０における撮像レンズ１３から光のソースまでの距離は、直接散乱された光経路についてよりも反射された散乱された光経路についての方がより長いので、従来使われたカメラは、一般的にそれらのビューの両方について適正にフォーカスされてはいないであろう。ビーム測定は従って、レイリー散乱された光の両方の分布を適正に表示して測定するために、大きな深さの視野をもった撮像カメラ１２を要求する。これは、ほぼピンホールの画像を形成するためのアイリス開口を使うこと、またはテレセントリックレンズを使うことによって達成されることができる。代替策として、反射された散乱された光経路のより長い経路長を補償するために、空気のそれよりも高い屈折率を有するガラスのブロックのような補償ブロック２１が、２つのビームの実効的経路長を等しくするために、反射された光経路中に挿入される。
【００４４】
反射表面２０が、カメラの視野方向と直交するもの以外の角度からのレイリー散乱された光を反射するように配置されることもできる。
【００４５】
ここで図３を参照すると、それは、ビーム軸の周りの異なる角方向を有する２つのサイドからビームプロファイルを見る代替的な例示的方法を描いている。図３では、レイリー散乱された光をビーム１０からカメラ３６に転送するために、干渉性ファイバー束のような光学的パイプが使われている。図３では、レンズ３１、３２が、２つの異なる方向から放出されたレイリー散乱された光を、それぞれ２つのファイバー束３４、３５の端部上に結像させるのに使われ、それらは光画像をカメラ３６に転送し、それはファイバー光学画像データを受け取るように適応されている。背景吸収層１１がそれから、そのような反射された背景光が撮像レンズ３１、３２に入ることを可能とするであろう方向からの光反射をそれが削減するように、空間的に配置されるべきである。２つのファイバー光学ビームガイドだけが図３に示されているが、この実装は２つの方向での光集光の使用に限定されることは意図されておらず、２つより多くの方向からビームをサンプリングして見るためにより多くのファイバー束が使われることができるものであることが理解されるべきである。更には、図３中の２つのファイバー光学ビームガイドは直交して配置されるように示されているが、この実装は直交する方向に限定されることは意図されておらず、あらゆる望ましい方向が選ばれることができるものであることが理解されるべきである。
【００４６】
ここで上述した光ビームの非接触測定を使ったシステムは、非常に高パワーのレーザービームが切断、溶接および熱処理のような材料処理のために使われるレーザー機械加工工場における使用のために特に有利であり得る。そのような応用では、ビームモードが行われた材料処理の品質上に強い影響を有し得て、従ってビームプロファイルを連続的にモニターすることが重要であり得る。但し、正にこの種の環境において、行われている処理の性質そのものから生じる、多量の埃および破片が周囲の空気中にある可能性が高い。ここで図４を参照すると、それは、ここで上述したシステムを使って、ビーム測定上への空中の埃および破片の効果を削減するための更なる可能な実装を描いている。図４に示されているのは、そのビーム特性を決定するための、直接見られたレーザービーム１０である。フィルターされた層流囲い込みシステム４０が含まれており、それはその中でそれが撮像されている領域中のレーザービーム１０に跨ってクリーンなフィルターされた空気を吹かせ、それにより埃および破片をレーザービーム経路から掃き出している。この追加の特徴は、レーザー機械加工工場でのように、激しい埃および破片汚染が見つかり得るところで特に有用である。図４に示されたシステムは、前述した埃干渉を削減するための信号処理手順に追加してか、またはそれの代替策としてのどちらかで適用できることが理解されるべきである。
【００４７】
ワークの表面においてレーザーの振舞いをモニタリングする時のように、レーザー材料処理応用におけるワークピースの近くで測定をする時には、レーザー波長におけるバンドパスフィルターが、ワークピースとのレーザーの相互作用から放出されたあらゆるプラズマ光をフィルター除去するために使われることができる。
【００４８】
ここで上述したシステムは、サンプリングされているビームの多数の特性を決定するために使われることができる。ビームを撮像するために典型的に使われるＣＣＤカメラは、ビーム焦線に沿って撮像するために１０００以上のピクセルを有し得て、ビーム直径とプロファイルが高い解像度で測定されることができるようになっている。San Jose, CAのPhoton Inc.によって提供されたBeamPro測定システムと共に使われる１つの例示的カメラは、サンプリングされているビームの長さに沿って水平方向に１３９２ピクセルを有する。システムは、ビームが下方にフォーカスされた時に、ビーム直径と最小ビームウエストの位置を測定することができる。加えて、ビームプロファイルが、ビーム焦線に沿って多数の位置において同時に測定されることができ、それらの位置におけるビームのスリットスキャンと同等な出力を提供する。これは、システムが、Ｍ２ビーム品質パラメータをリアルタイムで測定することを可能とする。
【００４９】
ここで図５Ａから５Ｃを参照すると、それらは、ビームとその特性の計算と表示のために好適な表示および制御部で使われる、画像処理およびプロファイル生成プログラムから撮られたスクリーン画像の再現を描いている。図５Ａから５Ｃは、６ｋＷのＮｄ：ＹＡＧレーザービーム上で記録された。図５Ａは、図１のＣＣＤカメラ１２に記録された通りの撮像されたビームを示している表示されたビーム軌跡の再現である。ビームのプロファイルは、ビームの中心において強度が最大であり、エッジに向けて落ちることを示している。ビームは、表示部の水平カーソル上を中心としている。垂直カーソルは、画像処理ソフトウェアがそこでその特定の領域においてビームの特性を計算するための画像ピクセル情報を収集している位置を示している。カーソルは、ビーム画像の長さ全体に渡ってスキャンされることができるので、ビームの強度プロファイルがビーム焦線全体に渡って生成されることができる。長方形のボックスは、行われたデータ収集の限界を示す。ボックスがより狭いほど、画像データ処理のために撮られた画像ピクセルの数がより少ない。ボックスの高さが低いほど、背景補償のために撮られたビームの外側の背景の領域がより少ない。図５Ａに示されたスクリーン軌跡では、カーソルボックスはビームウエストに配置されている。軌跡の左手側近くの３つの明るいスポットは、ビーム自体中の３つの埃粒子を表し、それは、粒子から散乱する直接ビームによってにせよ、高パワーレーザービームの場合には粒子の燃焼によってにせよ、高レベルの光を放出する。これらは埃干渉に典型的であり、画像処理モジュールのパルス識別ソフトウェアが可能な限りキャンセルしようと試みるものである。ビーム経路から外れた位置においてその他のよりぼんやりした埃干渉強度点があっても良く、それは誤った背景補償を避けるために対処される必要がある。
【００５０】
ここで図５Ｂは、処理された画像データから観察された通りの、ビームウエストの周りのビーム焦線の軌跡を示す。軌跡の横座標はビーム経路に沿った距離であり、縦座標は各選択されたピクセル処理位置において計算された通りのビーム幅である。ビームウエストは、表示された軌跡中にはっきりと示されている。右手縦座標上に示された計算されたフィットは、ＩＳＯ標準１１３９４に従ったフィットされた伝播焦線である。フィットは、いくつかの点における悪いデータのために多くの場所でそれほど良くない。図５Ｂでは、軌跡の左手側における先駆点は、図５Ａ中のビーム焦線の左手側において見られる埃粒子について行われた補正から生じる。データは埃粒子について完全には補正されておらず、図５Ｂ中に見られる擾乱を残している。より良いフィルタリングでは、これらの摂動ですら実質的に削減されることができる。
【００５１】
図５Ｃは、図５Ａ中のカーソルの位置におけるビームの断面、即ち、カーソルボックスを下った垂直距離の関数としての図５Ａに示されたカーソルボックス中に含まれたピクセルにおいて撮像された強度、の計算されたプロットである。この場合における横座標は、マイクロメートルでのビーム幅である。ビームの近似的モード性質が、このプロットから推定されることができる。
【００５２】
上記の実装では、ビームプロファイル、ビームウエスト位置、Ｍ２、およびビームパラメータと関連付けられたその他のパラメータのような、様々なビーム特性を測定することが示されていた。ここで図６Ａから６Ｃを参照すると、それらは、図５Ａから５Ｃに示されたものと同様であるが、レイリー散乱測定を使ってどのようにビームパワーが決定されることができるかも描いている。図５Ａについての前と同様に、図６Ａは、図１のＣＣＤカメラ１２に記録された通りの撮像されたビームを示している表示されたビーム軌跡の再現である。エネルギー保存の法則から、ビームが伝播するにつれて非常に小さな損失しかないので、画像に跨った全ての点における総強度のピクセル合計は近似的に一定であるべきである。従って、ビーム経路を下って各点において計算された通りの、ビームの幅に跨ったピクセルの全ての積分された総強度のプロットは、近似的に一定のプロットに結果としてなるべきであり、ビームのパワーを指し示す。これは、図６Ｂのプロットに示されている、２つのより下の、淡い灰色の軌跡に見ることができ、そこではビームを下った各点における積分されたビーム強度が、ビームを下った位置の関数としてプロットされている。より下の淡い灰色の軌跡はゼロレベルである一方、より上の淡い灰色の軌跡はビームを下った各位置における瞬間的パワーを示す。示されている平均値は約６０００であり、それは相対的パワー値である。データ中のスパイクは、図６Ａのビーム自体の画像中にも見られる通りの、ビーム中の粒子からの散乱によるものである。これらのピークは、ここに上述されたフィルタリングまたはパルス識別方法のいずれかによって差し引かれることができる。
【００５３】
前と同様に、図６Ｃは、図６Ａ中のカーソルの位置におけるビームの断面の計算されたプロットである。
【００５４】
ビームパワーを測定するための図６Ａから６Ｃに示された方法は、環境的散乱の測定上への効果のためにエラーの影響を受ける。背景からのそのような環境的散乱は、測定することが試みられているレイリー散乱と同じほど大きくなることができる。そのような環境的効果が考慮に入れられた時、レイリー散乱から期待された通りに、測定技術はパワーと線形であることが見つけられた。これは、絶対的測定を得るために単一のパワーレベルにおいて容易に校正されることができる、レーザーの相対的パワーの非接触測定を可能とする。
【００５５】
但し、そのような環境的背景効果を削減するために、何らかの種類の光遮蔽配置を使用することが好ましい。ここで図７を参照すると、それは、ビームからのレイリー散乱された光を使ったレーザービームパワーのそのような非接触測定のためのもので、背景照射干渉を削減するジオメトリーを含んだ、例示的ヘッドの断面概略図を描いている。図７に示された実装では、測定ヘッドは、楕円形状７０を有する反射器キャビティからなり、それはビーム１０が楕円形状の第１の焦点ｆ１を通して通過するように配置されている。この位置は、例えばキャビティの端面、即ち図面の平面中のものを、各々が焦点ｆ１と共線状に配置された開口を有するプレート（図面の明瞭さを削減することを避けるために図７には示されていない）で覆うことによって確かなものとすることができる。もしビームがそれらの開口を通して入力及び出力されれば、それは焦点ｆ１を通して通過する。反射器の楕円形状のために、第１の焦点ｆ１からあらゆる方向に放出された光は、第２の焦点ｆ２に突き当たる。信号検出器７２は、第２の焦点ｆ２がその吸収または検出表面上かまたはその近くに横たわるように置かれる。従って、レーザービーム１０によって放出されたあらゆるレイリー散乱された光は、それが楕円形ミラー表面７０上で反射を経験するにせよ、それが反射無しで直接検出器表面に達するにせよ、検出器７２に突き当たる。ヘッドはよって、レイリー散乱によってビームから散乱された光の全てを集光する、光学的積分装置として動作する。検出器７２はプリアンプ７３に接続され、サンプリング点におけるビームのパワーを表示するように、出力信号７５は更なる電子増幅および信号処理回路に入力される。測定ヘッドは閉じたキャビティであるので、背景反射と干渉の効果はかなり削減される。但し、空気中の埃および破片粒子から散乱された光は、偽の読み出し値を引き起こすので、埃等からの散乱に起因するパルスの除去のためにここに上述された方法もこのパワー測定技術で採用される必要があり得る。但し、ビームサンプリング領域がビーム入口および出口開口を除いて取り囲まれているという事実は、あらゆる粒子的干渉のレベルの削減に貢献する。
【００５６】
図７は、ビームの軸の周りの大きな角度レンジからのレイリー散乱された光が検出器の方に向けられるパワー測定ヘッドの一例に過ぎない。ここで図８と９を参照すると、それらは、それによりこれが達成されることができる更なる例を概略的に描いている。図８では、測定されるべきビーム１０がその焦点を通して通過するように配置された放物線状反射器表面８１が示されており、それが放物線を横切る方向にビームによって放出されたレイリー散乱された光の全てが放物線状反射器の中心軸と平行なコリメートされた方向に反射されるようになっている。放物線状反射器開口部の前に配置されたレンズ８２は、このコリメートされた光をレンズの焦点に向けてフォーカスし、前と同様に、検出器８３は、焦点がその平面中に横たわるように配置されている。この構造はよってまた、ビームの周りの３６０°に近づく角方向からのレイリー散乱された光が検出器上に突き当たり測定されることを確かなものとする。
【００５７】
ここで図９を参照すると、それは、パワー測定のために、複数の放射状方向から、ビームからのレイリー散乱された光を集光するための更に別の例示的方式を描いている。この方式では、散乱された光は、ビーム経路位置からその焦点距離において位置する、第１の正レンズ９０の開口によって集光される。このレンズの出力において生成されるコリメートされた平行光はそれから、検出器９３がその焦点に位置している第２の正のレンズ９１によってフォーカスされ、二重レンズ配置が第１のレンズ９０によって集光された光の全てを検出器９３中に転送するようになっている。光学的配置全体は、それを外部散乱された光から遮蔽するようにキャビティ中に取り囲まれることができる。この配置は、図７および８の実装と同じように角度の大きな範囲からのレイリー散乱された光を集光しないが、それは図１に示された直接システムよりもかなり高い照射レベルを提供する。
【００５８】
ここで図１０を参照すると、それは、図９のヘッドに示されたものの簡略化されたバージョンである、別の例示的な光学的配置を概略的に描いている。図１０の実装では、レーザービーム１０から散乱された光を検出器表面１０３上に結像するために、単一の正レンズ１００が使われる。光の最適な集光および転送を得るために、ビーム経路から検出器までの距離は４ｆであるべきで、ここでｆはレンズの焦点距離であり、レンズはレーザービーム１０と検出器表面１０３の中間に配置されるべきである。
【００５９】
ここで図１１を参照すると、それは、図７に断面で示された楕円形キャビティヘッドの概略的等角描写である。図１１は、どのように楕円形キャビティが、レーザービーム１０の入口および出口のための開口１１１をもったエンドプレート１１０を有するかを示している。これにより、環境からの望ましくない周囲背景散乱の侵入が最小に削減される。背景散乱は、もしそれらの開口が共通して揃えられた開口付きプレートのスタックがヘッドの入口および出口開口１１１において配置されれば、もっと多く削減されることができ、それによりあらゆる背景放射の侵入角度を更に制限する。
【００６０】
更には、図７から１１に示された実装のいずれにおいても、内部平行バッフルアレイの使用が、当該技術で既知のように、迷走する散乱された光からの測定の免疫を高めるために有利であり得る。バッフルは、検出器の入口面においてかまたはその近くに位置し、ヘッド中のビーム経路に垂直でヘッドの測定軸に沿っているべきである検出された光の入射の平均方向と平行になるように配置される。バッフルプレートのこの位置は、検出器の視野を、その上に垂直にかまたは垂直に近く突き当たる光に制約し、よってヘッドのサイドにおけるビーム開口からの背景光の入射をもっとより効果的に削減する。
【００６１】
本発明は、ここで上に特定に示され記載されたものによって限定はされないことが当業者には理解される。むしろ本発明の範囲は、上の記載を読んだ際に当業者に起こるであろうもので従来技術にはないものである、ここで上に記載された様々な特徴の組み合わせおよびサブ組み合わせの両方およびそれらへの変形および変更を含む。
【図１】
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【図２】
2013522651.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
2013522651.tif 000009
【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
2013522651.tif 000018
2013522651.tif 000019
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