(57)【要約】  本出願は、ビーム軸を中心とする複数の角度で得られたレイリー散乱の画像を分析することによりビームパラメータを特徴付けるレーザビーム測定機器における焦点誤差の補償のための方法及び装置を開示している。レーザビームが正確に位置決めされていない場合には、これらの画像の焦点が合わないことが考えられ、機器が正確な結果を出力しないことになる。この方法及び装置は、少なくとも２つの画像におけるビーム位置を分析することによりビームの縦軸を見つけ出す。すべての画像はスライスに細分化され、それぞれのスライスについてビーム軸から焦点面までの距離が計算され、それぞれのスライスに関するアウトオブフォーカス伝達関数を得るためにこの距離が使用される。このアウトオブフォーカス伝達関数は、スライスに対して逆畳み込みを行うために、システムの変調伝達関数と組み合わされて使用される。その後、逆畳み込みされたスライスを再構築することによって形成された画像を分析して正しいビームパラメータを得ることができる。
2021530710.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像の焦点を補正するための方法であって、
少なくとも１つのサンプリング領域を伝搬する少なくとも１つの光ビームから散乱する１以上の散乱光信号の１以上の画像を取得するように構成される少なくとも１つのイメージセンサを含む少なくとも１つの撮像デバイスを用意し、
少なくとも１つの撮像デバイスを用いて少なくとも１つのインフォーカス変調伝達関数Ｈ（ξ）を有する少なくとも１つの光ビーム分析システムの少なくとも１つの焦点面の少なくとも１つの位置を決定し、
少なくとも１つの画像処理モジュールを用いて少なくとも１つの焦点が合っていない画像に対する少なくとも１つのアウトオブフォーカス伝達関数Ｇ（ξ，ｄ）を決定し、
前記撮像デバイスにより前記散乱光信号の前記焦点が合っていない画像を取得し、
前記画像処理モジュールにより前記焦点が合っていない画像の少なくとも１つの第１の軸を決定し、
前記焦点が合っていない画像の前記第１の軸の少なくとも１つの投影に沿って前記画像を１以上のスライスに分割し、前記スライスのそれぞれは少なくとも１つの中央位置を有し、
前記スライスのそれぞれの前記中央位置からそれぞれのスライスに対応する前記焦点面までの少なくとも１つの距離ｄを計算し、
前記距離ｄを用いてそれぞれのスライスに対する前記アウトオブフォーカス伝達関数Ｇ（ξ，ｄ）を決定し、
前記インフォーカス変調伝達関数Ｈ（ξ）及び前記アウトオブフォーカス伝達関数Ｇ（ξ，ｄ）を用いて前記画像のそれぞれのスライスに対して逆畳み込みを行い、
少なくとも１つの補正画像を少なくとも１つのディスプレイに出力する、
方法。
【請求項２】
前記散乱光信号は、レーザビームのレイリー散乱を介して散乱する、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記散乱光信号は、レーザビームのラマン散乱を介して散乱する、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記補正画像は、少なくとも１つのビームウェストを示す、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
さらに、前記補正画像を用いて前記ビームウェストの幅を計算する、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
さらに、前記補正画像を用いて前記レーザビームの軸に沿って前記ビームウェストの位置を計算する、請求項４に記載の方法。
【請求項７】
さらに、前記補正画像を用いて前記レーザビームのレイリー範囲を計算する、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
さらに、前記補正画像を用いて前記レーザビームのＭ2ビームパラメータ積を計算する、請求項２に記載の方法。
【請求項９】
さらに、前記補正画像を用いて前記レーザビームの軸に沿ったビーム広がりを取得する、請求項２に記載の方法。
【請求項１０】
画像の焦点を補正するための装置であって、
少なくとも１つの光ビームが伝搬できるように構成された少なくとも１つのサンプリング領域を規定する少なくとも１つのハウジングと、
前記ハウジング内に配置された１以上の光学系であって、それぞれの光学系が少なくとも１つの焦点面を規定し、前記サンプリング領域から少なくとも１つの撮像デバイスに少なくとも１つの散乱光信号を伝達するように構成される光学系であって、前記撮像デバイスは少なくとも１つのイメージセンサを含み、前記イメージセンサは、前記光学系を介して前記サンプリング領域と光学的に接続され、前記サンプリング領域からの前記散乱光信号を検知し、前記散乱光信号の少なくとも１つのビームの少なくとも１つの画像を取得するように構成されている、光学系と、
少なくとも１つの導路を介して前記ハウジングに接続される少なくとも１つの画像処理モジュールであって、１以上のディスプレイ上に少なくとも１つのビームを表示するように構成された少なくとも１つの画像処理モジュールと
を備える、装置。
【請求項１１】
前記ハウジングは、１つの撮像デバイスを含む、請求項10に記載の装置。
【請求項１２】
前記ハウジングは、２つの撮像デバイスを含む、請求項10に記載の装置。
【請求項１３】
前記イメージセンサは、CMOSイメージセンサである、請求項10に記載の装置。
【請求項１４】
前記イメージセンサは、電荷結合素子イメージセンサである、請求項10に記載の装置。
【請求項１５】
前記光ビームはレーザビームである、請求項10に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【関連出願】
【０００１】
本出願は、2018年７月20日に提出された「複数画像レーザビーム品質測定の焦点補正のための方法及び装置」という表題の米国仮特許出願第62/701,244号に対する優先権を主張するものである。当該出願の内容はその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【背景】
【０００２】
材料加工用途においては、高パワーレーザが使用されることが増えてきている。レーザビームのパラメータの性能を理解することによって、プロセス制御及びプロセス改善に重要な見識を得ることができる。この目的のためにレーザビームプロファイラが用いられる。集束レーザビームの品質を測定するために用いられる１つの手法は、ビームのレイリー散乱の画像を複数取得した後、これらの画像をデジタル的に処理してビームウェストサイズ、ビーム重心、広がり角、Ｍ2ビーム伝搬比などのパラメータを算出することである。レーザビームプロファイラ装置が、2015年３月24日に発行され、Ophir-Spiricon社に譲渡されている米国特許第8,988,673号に述べられており、この特許の内容は参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
先行技術のレーザビームプロファイラはこれまで有用なものであるとされてきたが、いくつかの欠点が特定されている。例えば、測定されるレーザビームが、レーザビームプロファイラの撮像デバイスの焦点面と完全には重ならない場合がある。これにより、誤ったビーム特性結果につながる可能性のある焦点誤差が生じ得る。このため、焦点誤差を検出及び補償する方法及び装置に対する必要性が引き続き存在している。
【概要】
【０００４】
本出願は、様々なビームパラメータを正確に算出するためにレーザビーム測定システムの少なくとも１つの画像の焦点補正を行う方法を開示している。ビームパラメータの例としては、ビームウェストのサイズ及び位置、ビーム重心、レイリー範囲、広がり角、ビームパラメータ積、及びＭ2ビーム伝搬比が挙げられる。本明細書に含まれる説明においては、焦点誤差の補正の方法が議論されるが、当業者であれば、レーザビーム測定の様々な特性を測定及び補正するために様々な方法が使用され得ることを理解するであろう。さらに、本明細書において述べられる焦点補正方法は様々な光ビームに対して使用することができる。
【０００５】
一実施形態においては、本出願は、少なくとも１つのインフォーカス変調伝達関数Ｈ（ξ）を有する少なくとも１つの焦点面の少なくとも１つの位置を決定し、少なくとも１つの画像処理モジュールを用いて少なくとも１つの焦点が合っていない画像に対する少なくとも１つのアウトオブフォーカス伝達関数Ｇ（ξ，ｄ）を決定し、少なくとも１つの撮像デバイスにより少なくとも１つの画像を取得し、当該画像を用いて少なくとも１つの光ビームに関する中心軸を決定し、当該画像を複数の１次元スライスに分割し、焦点面からそれぞれのスライスに対応する上記中心軸上の点までの少なくとも１つの距離を算出し、それぞれのスライスに関してその距離データを用いてそれぞれのスライスに対するアウトオブフォーカス伝達関数を決定し、Ｈ（ξ）Ｇ（ξ，ｄ）を用いて画像のそれぞれのスライスに対して逆畳み込みを行うステップにより焦点の合った画像に関する補正を行う方法を開示している。必要に応じて、レーザビームの少なくとも１つの補正画像が表示され得る。
【０００６】
さらに、本出願は、様々なビームパラメータを正確に算出するためにレーザビーム測定システムの少なくとも１つの画像の焦点補正を行うために使用される装置を開示している。本出願は、少なくとも１つの焦点面を規定し、少なくとも１つのインフォーカス変調伝達関数Ｈ（ξ）を有するように構成される少なくとも１つの撮像デバイスを有する装置を開示している。撮像デバイスは、さらに、少なくとも１つの散乱光信号の少なくとも１つの画像を取得するように構成されている。装置は、光信号の少なくとも１つの軸を決定し、当該画像を複数のスライスに分割するように構成された少なくとも１つの画像処理デバイスを有する。それぞれのスライスは、当該軸上の点に対応している。画像処理デバイスは、上記点から対応する焦点面までの少なくとも１つの距離ｄを計算し、当該距離ｄを用いてそれぞれのスライスに対する少なくとも１つのアウトオブフォーカス伝達関数Ｇ（ξ，ｄ）を決定し、Ｈ（ξ）Ｇ（ξ，ｄ）を用いて画像のそれぞれのスライスに対して逆畳み込みを行うように構成される。必要に応じて、レーザビームの少なくとも１つの補正画像が表示され得る。
【０００７】
開示されている多画像レーザビーム品質測定に対する焦点補正のための方法及び装置の実施形態の他の特徴及び利点は、以下の詳細な説明を考慮すると明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
多画像レーザビーム品質測定の焦点補正のための方法及び装置の様々な実施形態は、添付図面によりさらに詳細に説明される。
【０００９】
【図１】図１は、焦点補正方法とともに使用されるレーザビーム品質測定装置の実施形態を示すものである。
【００１０】
【図２】図２は、レーザビームが少なくとも２つの焦点面と交差する、図１に示される焦点補正方法とともに使用されるレーザビーム品質測定装置の実施形態の図を示すものである。
【００１１】
【図３Ａ−３Ｂ】図3A及び図3Bは、焦点補正方法とともに使用される図２に示される焦点面に対して、レーザビーム品質測定装置により取得されたレーザビームのビームコースティックの画像を示すものである。
【００１２】
【図４】図４は、レーザビームが１つの焦点面だけと交差する、図１に示されるレーザビーム品質測定装置の実施形態の別の図を示すものである。
【００１３】
【図５Ａ−５Ｂ】図5A及び図5Bは、焦点補正方法とともに使用される図４に示される焦点面に対して、レーザビーム品質測定装置により取得されたレーザビームのビームコースティックの画像を示すものである。
【００１４】
【図６】図６は、レーザビームが２つの焦点面とある角度で交差する、図１に示されるレーザビーム品質測定装置の実施形態の別の図を示すものである。
【００１５】
【図７Ａ−７Ｂ】図7A及び図7Bは、図６に示される焦点面に対して、ビーム品質測定装置により取得されたレーザビームのビームコースティックの画像を示すものである。
【００１６】
【図８Ａ−８Ｂ】図8A及び図8Bは、焦点補正方法の実施形態とともに使用される焦点面Ｐyに対してビーム画像に沿ってサンプリングされたスライスを示す図7Aに示されるビームコースティックの画像を示すものである。
【００１７】
【図９Ａ−９Ｃ】図9A〜図9Cは、焦点補正方法の実施形態により焦点面Ｐxに対してビーム画像に沿ってサンプリングされたスライスと得られる補正とを示す図7Bに示されるビームコースティックの画像を示すものである。
【００１８】
【図１０】図10は、焦点補正方法とともに使用される複数の撮像デバイスを用いたレーザビーム品質測定装置の別の実施形態を示すものである。
【００１９】
【図１１】図11は、レーザビームが２つの焦点面と交差する、図10に示されるレーザビーム品質測定装置の実施形態の図を示すものである。
【００２０】
【図１２】図12は、レーザビームが１つの焦点面と交差する、図10に示されるレーザビーム品質測定装置の実施形態の図を示すものである。
【００２１】
【図１３】図13は、レーザビームが２つの焦点面とある角度で交差する、図10に示されるレーザビーム品質測定装置の実施形態の図を示すものである。
【００２２】
【図１４】図14は、複数の位置の間で移動して複数の角度の焦点面で複数の画像を取得することが可能な単一の撮像デバイスを用いた焦点補正方法とともに使用されるレーザビーム品質測定装置の別の実施形態を示すものである。
【詳細な説明】
【００２３】
一般的に、焦点の合っていない光学系は、別個の２次元点広がり関数又は伝達関数を有している。１つの次元においてゆっくりと画像が変化する小さな点広がり関数については、１組の簡易型１次元線広がり関数又は変調伝達関数によってこれらの関数を近似することができる。以下に述べる実施形態においては、２次元点広がり関数は、一度に１枚の画像に適用され得る簡易型１次元線広がり関数によって近似されている。
【００２４】
以下に述べる実施形態においては、焦点の合っていない画像に対する変調伝達関数は、事前に数学的又は経験的に特徴付けられている場合がある。この変調伝達関数はＧ（ξ，ｄ）で表され、ξは空間周波数を表しており、ｄは焦点面から物体までの距離を表している。図示された実施形態においては、レーザビーム品質測定装置は、撮像デバイスと、種々の方法により事前に特徴付けられ得るＨ（ξ）で表される変調伝達関数を有する光学系とを含み得る。
【００２５】
以下に述べる実施形態においては、ビームの画像がスライスごとに分解される。上述した撮像デバイスにより取得された画像のそれぞれのスライスの近似式は、ｘがそれぞれのスライスにおけるピクセル位置、ｙ（ｘ）がカメラ画像の１つのスライス、ｂ（ｘ）が当該スライスに関するビームのプロファイル、ｇ（ｘ，ｄ）及びｈ（ｘ）がそれぞれＧ（ξ，ｄ）及びＨ（ξ）の空間領域等価量であり、アスタリスクが畳み込みを表しているとすると、ｙ（ｘ）＝ｂ（ｘ）＊ｇ（ｘ，ｄ）＊ｈ（ｘ）であり得る。ｂ（ｘ）の概算値を得るためには、画像の特定のスライスについてビームの焦点面からの距離を決定する必要がある。この距離ｄを用いてｇ（ｘ，ｄ）をｈ（ｘ）で畳み込むことによって合成線広がり関数を得ることができる。これがなされる場合には、得られた関数を用いてカメラ画像の特定のスライスであるｙ（ｘ）に対して逆畳み込みを行ってもよい。デジタルカメラに関しては、ｙ（ｘ）は離散的となり、ｙ（ｘ）が以下に述べるようにナイキスト周波数より低い空間周波数に効果的に帯域制限されている場合には正確な結果が得られる。実際には、ｂ（ｘ）、ｇ（ｘ，ｄ）及びｈ（ｘ）も離散的であると考えられる。逆畳み込みのために必要とされる伝達関数の別の表現は、ｇ（ｘ，ｄ）＊ｈ（ｘ）のフーリエ変換であるＧ（ξ，ｄ）Ｈ（ξ）であり得る。これにより、前述の式をＹ（ξ）＝Ｂ（ξ）Ｇ（ξ，ｄ）Ｈ（ξ）として等価的に書くことができる。他の別の方法においては、それぞれのスライスの近似式がｙ（ｘ）＝ｂ（ｘ）＊ｇ（ｘ，ｄ）*ｈ（ｘ）＋ｎ（ｘ）又はＹ（ξ）＝Ｂ（ξ）Ｇ（ξ，ｄ）Ｈ（ξ）＋Ｎ（ξ）となり得るように少なくとも１つの雑音項ｎ（ｘ）が追加され得る。
【００２６】
あるいは、逆畳み込みを２次元で実施することができ、これは、焦点補正とともに広く用いられているアプローチである。２次元点広がり関数（又はインパルス応答）ｈ（ｘ，ｙ）及びｇ（ｘ，ｙ，ｄ）は、これらの１次元変調伝達関数が既知となれば算出され得るし、これは２次元逆畳み込みのために使用され得る。一般的に、このアプローチに対する計算上の要求がかなり大きく、スライスごとに高速で変化しないレーザビームを結像するためには１次元逆畳み込みで十分な場合がある。当業者であれば、画像データを処理するために他の数多くの方法を用いてビーム焦点誤差を補正することができることを理解するであろう。
【００２７】
簡単に言えば、レーザビームの品質測定の焦点補正のための方法は、１）ビームの画像を取得し、これらから３次元上でビームの軸を決定し、２）それぞれの画像を複数のスライスに分割し、３）それぞれの画像のそれぞれのスライスについてビーム軸から焦点面までの距離を取得し、４）その距離に対応する伝達関数を用いてそれぞれのスライスに対して逆畳み込みを行い、５）逆畳み込みがなされたスライスを、ビームパラメータを算出するために使用できる画像に再構築することを含んでいる。
【００２８】
図１は、レーザビーム品質測定装置100の実施形態を示すものである。図示されているように、この装置は、少なくとも１つのハウジング101と、ハウジング101の内部に配置され、少なくとも１つのサンプリング領域130と光学的に接続される１以上の撮像デバイス104とを含み得る。１以上の光学系150は、サンプリング領域130及び撮像デバイス104と光学的に結合され得る。あるいは、レーザビーム測定装置100は、光学系150を含んでいてなくてもよい。さらに、レーザビーム品質測定装置100とともに任意の数の付加的な撮像又は測定デバイス及び／又はセンサを用いてもよい。図示されるように、少なくとも１つのレーザ源又は光源10が、少なくとも１つのビーム102をサンプリング領域130内に導入し、さらに／あるいはサンプリング領域130を通過させてもよい。当業者であれば、光源10が、発光ダイオード、スーパールミネッセントダイオード、フラッシュライトビームなどを含んでいてもよいことを理解するであろう。撮像デバイス104及び光学系150は、レーザビーム102から１以上の光信号を取得し、少なくとも１つの導路106を介してこれらを少なくとも１つの画像処理モジュール108に送るように構成されていてもよい。一実施形態においては、撮像デバイス104及び光学系150は、ビーム102からのレイリー散乱である１以上の光信号を取得するように構成されていてもよいが、当業者であれば、レーザビーム品質測定システムによってラマン散乱又は種々の散乱効果又は他の光学的現象が観測され得ることを理解するであろう。
【００２９】
再び図１を参照すると、画像処理モジュール108は、少なくとも１つの散乱光信号を処理し、１以上のディスプレイ116上に１以上の画像を表示するように構成され得る。図示されているように、ビーム102は、サンプリング領域130を伝搬する際に、１以上の焦点又はビームウェスト128を有し得る。図示された実施形態においては、ビームウェスト又は焦点128は、ビームが最も狭く集束されている位置又は領域あるいはビームの断面積が最も小さい位置又は領域あるいはビームパワー又は光学フルエンスが最も高く集中している位置又は領域として定義され得る。多くの材料加工用途においては、ユーザは、加工される材料の表面又は加工される材料内にビームウェストを位置させることがあるが、当業者であれば、ビームウェストは、加工される材料に対して様々な位置にあってもよいことを理解するであろう。一実施形態においては、ハウジング101、光学系150及び撮像デバイス104は、１以上の焦点面を規定し得る。図示された実施形態においては、ハウジング101、光学系150及び撮像デバイス104は、２つの焦点面Ｐy及びＰxと少なくとも１つの平面Ｚとを規定しているが、当業者であれば、任意の数の平面又は焦点面を規定する任意の数のハウジング又は撮像デバイスを用いてもよいことを理解するであろう。図示された実施形態においては、平面Ｚは像平面Ｐy及びＰxに実質的に直交しているが、他の実施形態においては、平面Ｚは平面Ｐy及びＰxに直交していなくてもよい。必要に応じて、オペレータは、少なくとも１つのアライメントデバイス110を用いてビーム102が焦点面Ｐx及びＰyの両方に実質的に交差するようにサンプリング領域130内でビーム102の位置合わせをしてもよいが、当業者であれば、そのようなアライメントデバイスを使用しなくてもよいことを理解するであろう。
【００３０】
図２及び図3A〜図3Bは、Ｚ平面に垂直に見たときの図１に示されるレーザビーム品質測定装置100の実施形態の様々な図を示すものである。図示されているように、ビーム102からの１以上の光信号120及び122は、光学系150を介して撮像デバイス104に導かれ得る。図示された実施形態においては、光信号120及び122はビーム102からのレイリー散乱である。当業者であれば、様々な形で散乱する光信号を任意の数だけ測定してもよいことを理解するであろう。図示された実施形態においては、光学系150及び撮像デバイス104は、互いに直交する焦点面Ｐy及びＰxを規定するが、当業者であれば、焦点面Ｐy及びＰxは互いに直交していなくてもよいことを理解するであろう。必要に応じて、光学系150及び撮像デバイス104は、単一の焦点面又は様々な角度で交差し得る２つよりも多くの焦点面を規定し得る。要するに、光学系150及び／又は撮像デバイス104によって任意の数の焦点面を規定し得る。図２に示されるように、ビーム102は、焦点面Ｐy及びＰxに交差し、紙面の平面Ｚに入射又は平面Ｚから出射するように先端をこちらに向けて示されている。光学系150は、少なくとも１つの反射面152と少なくとも１つの光学要素154とを含み得るが、当業者であれば、光学系150内で様々な光学要素及び構成要素が用いられてもよいことを理解するであろう。図示された実施形態においては、光学系150は、２つの反射面152及び156を含んでいる。図示された実施形態においては、反射面152及び156は平面鏡である。必要に応じて、反射面152，156は、誘電体ミラー、リプリケートミラー、凹面鏡、凸面鏡などであってもよい。また、反射面152，156は、エシェル格子、ホログラフィック格子、体積ホログラフィック格子、体積ブラッググレーティングなどのグレーティングであってもよい。図示された実施形態においては、光学要素154はプリズムである。必要に応じて、光学要素154は、ビームスプリッタ、ミラー、又は他の反射光学部品又は屈折光学部品であってもよい。当業者であれば、光学系150が、反射面、屈折光学部品、レンズ、コリメータ、フィルタ、空間フィルタ、絞り、ストップなどの任意の組み合わせを含んでいてもよいことを理解するであろう。図示されているように、散乱光信号120及び122は、反射面152及び156によりそれぞれ反射され、光学要素154によって撮像デバイス104に向けられる。撮像デバイス104は、内部に配置された少なくとも１つのイメージセンサ118を含み得る。図示された実施形態においては、撮像デバイス104は、内部に少なくとも１つのCMOSイメージセンサ118が配置されたカメラである。必要に応じて、イメージセンサ118は、電荷結合素子（CCD）イメージセンサ、焦点面アレイ、焦電気アレイ、スキャニングアレイ、時間遅延統合イメージャなどであってもよい。当業者であれば、装置100とともに様々なイメージセンサ、撮像デバイス又は撮像システムを用いてもよいことを理解するであろう。また、当業者であれば、単一の撮像デバイスを使用するのではなく、複数の撮像デバイスを使用してもよいこと、あるいは、撮像デバイス104が使用中に再配置可能であってもよいことを理解するであろう。また、散乱光信号120，122を撮像デバイス104に向けることが可能なファイババンドル、楕円リフレクタ、又は放物面リフレクタのような別の光学系���よって散乱光信号120及び122を集めてもよい。以下で説明する図10〜図13は、本明細書で述べられる複数の撮像デバイスを用いた別の実施形態の様々な図を示しており、同様の参照番号は同様の構成要素を表している。別の実施形態においては、図14は、単一の撮像デバイスが使用され、この撮像デバイスが第１の位置Ｔ1から第２の位置Ｔ2に再配置可能となっており、これにより、それぞれ各自の焦点面を有する複数の画像を複数の角度で取得することができる実施形態を示している。
【００３１】
図２に示されるように、撮像デバイス104は、少なくとも１つの導路106を介して少なくとも１つの画像処理モジュール108に接続されていてもよい。導路106の種類の例としては、（USB、FireWire、CAT5のような）電気ケーブル、光ファイバケーブル又はデジタル光ケーブルが挙げられるが、これらに限定されるものではない。必要に応じて、導路106は、GigE Ethernet、Bluetooth、WiFiなどのようなネットワーク又は無線通信プロトコルを含み得る。画像処理モジュール108は、少なくとも１つのディスプレイ116を含み得る。ディスプレイ116の種類の例としては、フラットスクリーン、LED又はLCDモニタなどに表示されるコンピュータグラフィックス又はグラフィカルユーザーインターフェースが挙げられるが、これらに限定されるものではない。
【００３２】
図3A及び図3Bは、ディスプレイ116上に表示された焦点面Ｐy及びＰxにそれぞれ関係する画像134a及び134bを示すものである。必要に応じて、ディスプレイ116は、単一の画像又は任意の数の画像134を表示してもよい。図２に示されるように、図示された実施形態においては、ビーム102は、焦点面ＰyとＰxの交線に沿って伝搬する。図3Aは、ビーム102がサンプリング領域130を伝搬するように位置合わせされているときに、撮像デバイス104により取得された焦点面Ｐyに関する少なくとも１つのビームコースティック126aの少なくとも１つの画像134aを示すものである。画像処理モジュール108は、１以上のカーソル124aで画像134aをスキャンすることにより画像134aの１以上のスライスを生成することができる。例えば、それぞれ１以上のカーソル位置160，162及び164でスライス170，172及び174を取得することができる。当業者であれば、画像処理モジュール108によって任意の数のスライスを生成し得ることを理解するであろう。画像134aは、サンプリング領域130の略中央に示されている少なくとも１つのビームウェスト128aを表し得る。あるいは、ビームウェスト128aは、画像134a内のどこにあってもよい。
【００３３】
図示された実施形態の図3Bは、ビームがサンプリング領域130を伝搬しているときに撮像デバイス104により取得された焦点面Ｐxに関する少なくとも１つのビームコースティック126bの少なくとも１つの画像134bを示すものである。図示された実施形態においては、画像処理モジュール108は、それぞれ１以上のカーソル位置180，182及び184において少なくとも１つのカーソル124aで画像134aをスキャンすることによりビーム画像134aの１以上のスライス190，192及び194を生成し得る。図示された実施形態においては、図3A及び図3Bに示されている画像134a及び134bは実質的に同一であり、その焦点が合っているように見え得る１以上のエッジ136a及び136bを有しているため、焦点補正は必要とされない。画像処理モジュール108は、図3A及び図3Bからの画像134a，134b及び／又はスライス170-174及び190-194を用いて、オペレータが図１に示されるレーザ又は光源10を特徴付け、その性能を制御するために使用することがあるようなビームウェストのサイズ、位置又は焦点シフト、レイリー範囲、ビーム重心、広がり角、ビームパラメータ積及びＭ2ビーム伝搬比などといった１組のビームパラメータを算出してもよい。当業者であれば、任意の数のビームパラメータ又はビーム102の特性を算出してもよいことを理解するであろう。
【００３４】
図４は、図１及び図２に示されるビーム品質測定装置の実施形態の別の図200を示しており、少なくとも１つのビーム202が、少なくとも１つのサンプリング領域230を横断し得る。少なくとも１つのビーム202は、焦点面Ｐyと交差するが焦点面Ｐxとは交差しないように配置されていてもよい。図示された実施形態においては、ビーム202は、１以上のビームウェスト228を含んでいるが、当業者であれば、ビーム202はビームウェスト228を含んでいなくてもよいことを理解するであろう。ビーム202が、一方の焦点面又は両方の焦点面からオフセットされているか、これと平行ではない場合には、ビーム202は、その一部又は全部の範囲にわたって焦点が合っていないと観察され得る。図示されているように、１以上の散乱光信号220及び222は、少なくとも１つの光学系250によって少なくとも１つの撮像デバイス204内に位置する１以上のイメージセンサ218に向けられていてもよい。上述したように、撮像デバイス204においては、多くの種類のイメージセンサ218が用いられ得る。図示された実施形態においては、光学系250は、少なくとも１つの反射面252及び少なくとも１つの光学要素254を含んでいるが、当業者であれば、光学系250において様々な光学要素及び構成要素を用いてもよいことを理解するであろう。図示された実施形態においては、光学系250は、２つの反射面252及び256を含んでいる。光学系250において使用される別の構成要素は、光学系150に関して上記で述べられている。
【００３５】
図5A及び図5Bは、撮像デバイス204により取得され、少なくとも１つの導路206によって画像処理モジュール208に向けられ、画像処理モジュール208により処理され、ディスプレイ216上に表示された画像234a及び234bを示すものである。図４及び図5Aに示されるように、ビーム202は、焦点面Ｐyと交差し得る。画像234aはその焦点が合っているように観察され得る。図5Aは、ビーム202がサンプリング領域230を伝搬しているときに撮像デバイス204により取得された焦点面Ｐyに関するビーム202の少なくとも１つのビームコースティック226aの少なくとも１つの画像234aを示すものである。図示された実施形態においては、例えば、画像処理モジュール208は、それぞれカーソル位置260，262及び264において少なくとも１つのカーソル224aで画像234aをスキャンすることにより１以上のスライス270，272及び274を生成し得る。当業者であれば、画像処理モジュール208によって任意の数のスライスを生成し得ることを理解するであろう。図示された実施形態においては、画像処理モジュール208は、少なくとも１つの軸Ｂ1を決定するために画像を分析し、そのデータを用いてそれぞれのスライスに対応するＢ1上の点からその位置が既知である焦点面Ｐxまでの距離を算出するように構成され得る。例えば、軸Ｂ1が定義されると、スライス270の中央から焦点面Ｐyまでの距離ｄが算出され、これがd270として表されている。その後、画像処理モジュール208は、それぞれのスライスでの軸Ｂ1の位置を用いて、それぞれのスライスからの距離d270，d272及びd274の値を特定する。以下に述べるように、この距離データは、その距離に対応する伝達関数を用いてそれぞれのスライスに対して逆畳み込みを行い、逆畳み込みされたスライスをビーム202の正しいビームパラメータを算出するために使用可能な画像に再構築するために使用される。
【００３６】
図示された実施形態の図４及び図5Bを参照すると、画像処理モジュール208のディスプレイ216は、ビーム202がサンプリング領域230を伝搬しているときに撮像デバイス204により取得された焦点面Ｐxに関するビーム202のビームコースティック226aの少なくとも１つの画像234aを表示している。図5Bに示されるように、画像処理モジュール208は、それぞれカーソル位置280，282及び284において少なくとも１つのカーソル224bを用いてビーム画像234bのスライス290，292及び294を生成し得る。図示された実施形態においては、ビーム202は、焦点面Ｐxからオフセットされているので、画像234b及びスライス290，292及び294はその焦点が合っていないものとして観察され得る。これにより画像234bがぼやけたものとなる。また、カーソル位置284でのスライス294で取得されたビームウェスト228bの画像は、そうであるべき大きさよりも小さく見えたり、大きく見えたりしてもよい。画像234bの外観がぼやけていることにより、レーザビーム品質測定システムが不正確なビームパラメータ結果を生成することが考えられる。しかしながら、画像処理モジュール208は、画像234aから算出される距離ｄ270，ｄ272，ｄ274などを用いて、それぞれのスライスに対する少なくとも１つのアウトオブフォーカス伝達関数Ｇ（ξ，ｄ）を決定することにより画像234bのぼやけを補正するように構成され得る。少なくとも１つのアウトオブフォーカス伝達関数Ｇ（ξ，ｄ）は、それぞれのスライスに対して逆畳み込みを行うためにシステムの既知の変調伝達関数Ｈ（ξ）とともに用いられる。逆畳み込みされたスライスを再構築することにより形成された画像は、上述した正しいビームパラメータを算出するためにその後に分析され得る。当業者であれば、ビーム測定又は処理アルゴリズムを任意に組み合わせたものを用いて装置200の焦点面と一致していないビーム202の軸により生じる焦点誤差を補正し得ることを理解するであろう。
【００３７】
図６及び図7A〜図7Bは、図１及び図２に示されるビーム品質測定装置の実施形態の別の図300の様々な画像を示しており、少なくとも１つのビーム302が、少なくとも１つのサンプリング領域330を横断し、焦点面Ｐy及びＰxのうち少なくとも一方と交差するが、これと平行ではない場合があるように配置されている。図示された実施形態においては、ビーム302は１以上のビームウェスト328を含み得るが、当業者であれば、ビーム302はビームウェスト328を有していなくてもよいことを理解するであろう。図６に示されているように、ビーム302から散乱した１以上の散乱光信号320及び322は、少なくとも１つの光学系360によって少なくとも１つの撮像デバイス304内に位置する１以上のイメージセンサ318に向けられていてもよい。上述したように、撮像デバイス304においては、多くの種類のイメージセンサ318が用いられ得る。図示された実施形態においては、光学系360は、少なくとも１つの反射面362及び少なくとも１つの光学要素364を含んでいるが、当業者であれば、光学系360において様々な光学要素及び構成要素を用いてもよいことを理解するであろう。図示された実施形態においては、光学系360は、２つの反射面362及び366を含んでいる。光学系360において使用される別の構成要素は、光学系150に関して上記で述べられている。図7Aは、ビーム302がサンプリング領域330を伝搬し、少なくとも１つの導路306によって少なくとも１つの画像処理モジュール308に向けられているときに（図６に示されている）撮像デバイス304のイメージセンサ318により取得された焦点面Ｐyに関するビーム302の少なくとも１つのビームコースティック326aの少なくとも１つの画像334aを示すものである。図示された実施形態においては、画像処理モジュール308は、それぞれカーソル位置370，372及び374において少なくとも１つのカーソル324aで画像334aをスキャンすることによりスライス380，382及び384を生成し得る。図示された実施形態においては、画像処理モジュール308は、画像を分析して焦点面Ｐxに対して角度βだけ傾いたものとして示されている軸Ｃ1を規定し得るが、そうでない場合には、画像334aはその焦点が合っているものとして観察され得る。図7Bは、撮像デバイス304により取得され、画像処理モジュール308により処理された焦点面Ｐxに関するビーム302の少なくとも１つのビームコースティック326bの画像334bを示すものである。画像処理モジュール308は、それぞれ位置340，342及び344で少なくとも１つのカーソル324bで画像334bをスキャンすることによりスライス350，352，354を生成し得る。図示された実施形態においては、ビーム302がビームウェスト328bにおいてのみ焦点面Ｐxに交差し得るので、ビームウェスト328bだけがその焦点があっているものとして観察され得る。画像334bの残りはその焦点があっていないものとして観察され得る。当業者であれば、ビーム302が焦点面Ｐy及びＰxと様々な角度で交差してもよく、あるいはビーム302が焦点面Ｐy及びＰxのいずれとも交差しないこともあることを理解するであろう。
【００３８】
図8A及び図8Bは、ディスプレイ316上に表示されるビーム302の画像334aの様々な図を示すものである。図示された実施形態においては、図8Aは、カーソル位置370〜378においてカーソル324aで画像334aをスキャンすることにより画像処理モジュール308により生成されたスライス380〜388とともに図7Aに示される画像334aを示すものである。当業者であれば、より解像度を上げるために、画像処理モジュール308によってより多くのスライスを生成し、分析してもよいことを理解するであろう。図8A及び図8Bに示されるように、画像処理モジュール304は、画像334aを分析して光軸Ｃ1を規定する。必要に応じて、画像処理モジュール304は、複数の画像を分析して任意の数の光軸を規定してもよい。例えば、図示された実施形態においては、光軸Ｃ1が規定されると、画像処理モジュール308によってそれぞれのスライス380〜388に対して光軸Ｃ1から像面Ｐx（位置は既知である）までの距離ｄ380からｄ388を計算してもよい。以下に述べるように、その後図7B及び図9Aに示される画像334bの焦点が合っていないぼやけを除去するためにこのデータを使用してもよい。当業者であれば、ビーム302の画像に様々な光学又は信号処理方法を適用することにより焦点が合っていないぼやけが補正され得ることを理解するであろう。
【００３９】
図7A〜図7B、図8A〜図8B及び図9A〜図9Cは、ディスプレイ316上に表示されている図7Bに示される画像334bがその焦点が合っていない状態から焦点の合った状態に遷移する様子を示すものである。図7Bは、撮像デバイス304により取得され、画像処理モジュール308により処理されたビームコースティック326bの画像334bを示すものである。画像処理モジュール308は、位置340〜348において少なくとも１つのカーソル324bで画像334bをスキャンすることによりスライス350〜358を生成し得る。当業者であれば、処理モジュール308は、サンプリング領域330に沿った任意の位置で任意の数のスライスを取得し得ることを理解するであろう。ビーム302は、焦点面Ｐxに平行ではないので、スライス350〜358のうち１つ以上のスライスがその焦点が合っていないように見える場合がある。この実施形態においては、カーソル位置344でのビームウェスト328bが焦点面と交差するので、ビームウェスト328bはその焦点が合っていると観察され得るが、当業者であれば、ビームウェスト328bに焦点が合っていなくてもよく、これに代えてビームの異なる位置に焦点が合っていてもよいことを理解するであろう。ビームウェストでのスライス354とは対照的に、ビームウェスト位置344から遠ざかるにつれて、例えばスライス355〜358及び353〜350の焦点が次第に合わなくなる。上述したように、図8A及び図8Bに示すスライス380〜388の中心から光軸Ｃ1までの距離ｄ380からｄ388は、その距離に対応するインフォーカス伝達関数Ｈ（ξ）とアウトオブフォーカス伝達関数Ｇ（ξ，ｄ）を用いてそれぞれのスライス380〜388に対して逆畳み込みを行い、逆畳み込みされたスライスを、上述したビーム広がりやビーム伝搬比Ｍ2のような正しいビームパラメータを算出するために用いることができるスライス390〜398を用いて図9Cに示される画像334cに再構築するために使用される。
【００４０】
図10〜図13は、複数の撮像デバイスを備えるように構成されたビーム品質測定装置400の別の実施形態の図を示すものである。図10及び図11に示されるように、レーザビーム品質測定装置400は、少なくとも１つのサンプリング領域430を伝搬する少なくとも１つのビーム402と光学的に接続され得る少なくとも２つの撮像デバイス404及び406を含み得る。撮像デバイス404及び406は、ビーム402から散乱する１以上の光信号420及び422を取得し、これらをそれぞれ少なくとも２つの導路410及び412を介して少なくとも１つの画像処理モジュール408に向けるように構成され得る。当業者であれば、単一の導路を用いてもよいことを理解するであろう。導路106の種類の例としては、（USB、FireWire、CAT5のような）電気ケーブル、光ファイバケーブル又はデジタル光ケーブルが挙げられるが、これらに限定されるものではない。必要に応じて、導路106は、GigE Ethernet、Bluetooth、WiFiなどのようなネットワーク又は無線通信プロトコルを含み得る。画像処理モジュール408は、信号420及び422を処理し、１以上のディスプレイ416上に１以上のビーム画像434を表示するように構成されていてもよい。撮像デバイス404及び406は、それぞれ少なくとも１つのイメージセンサ414及び418をさらに含んでいてもよい。図示された実施形態においては、撮像デバイス404及び406は、内部に少なくとも１つのCMOSイメージセンサ414，418が配置されたカメラである。必要に応じて、イメージセンサ414，418は、電荷結合素子（CCD）イメージセンサ、焦点面アレイ、焦電気アレイ、スキャニングアレイ、時間遅延統合イメージャなどであってもよい。当業者であれば、装置400とともに様々なイメージセンサ、撮像デバイス又は撮像システムを用いてもよいことを理解するであろう。図10に示されるように、撮像デバイス404及び406は、少なくとも１つの角度αだけ離間している。図示された実施形態においては、角度αは、90°であってもよく、これにより撮像デバイスが少なくとも１つの平面において互いに直交するようになる。あるいは、角度αは、１度から179度の間のいずれの値であってもよい。上述したように、画像処理モジュール408は、ディスプレイ416に表示されている画像434を分析して様々なビームパラメータを算出してもよい。
【００４１】
図11は、図10に示されるレーザビーム品質測定装置400の実施形態の別の図を示すものである。図示された実施形態においては、撮像デバイス406及び404は、それぞれ互いに直交する焦点面Ｐy及びＰxを規定し得るが、当業者であれば、焦点面Ｐy及びＰxが互いに直交していなくてもよいことを理解するであろう。必要に応じて、撮像デバイス404及び406は、単一の焦点面又は様々角度で交差し得る３つ以上の焦点面を規定し得る。図11に示されるように、ビーム402は、焦点面Ｐy及びＰxに交差し、紙面に入射又は紙面から出射するように先端をこちらに向けて示されている。図10及び図11に示されるように、図示された実施形態においては、ビーム402は、焦点面ＰyとＰxの交線に沿って伝搬する。ディスプレイ416は、それぞれ撮像デバイス406及び404により取得されたそれぞれ焦点面Ｐy及びＰxに関係する画像434a及び434bを表示する。必要に応じて、ディスプレイ416は、単一の画像又は任意の数の画像434を表示してもよい。図示された実施形態においては、表示装置416上に表示された画像434a及び434bは実質的に同様のものであり、それらの焦点が合っているものとして観察され得る。この実施形態においては、画像434a及び434bの焦点が合っているため、焦点補正は必要とされない。画像処理モジュール408は、画像434a及び434bを用いて、オペレータが図１に示されるレーザ又は光源10を特徴付け、その性能を制御するために使用することがあるようなビームウェストのサイズ、位置又は焦点シフト、レイリー範囲、ビーム重心、広がり角、ビームパラメータ積及びＭ2ビーム伝搬比などといった１組のビームパラメータを算出してもよい。当業者であれば、任意の数のビームパラメータ又はビーム402の特性を算出してもよいことを理解するであろう。
【００４２】
図12は、図10に示されるレーザビーム品質測定装置400の実施形態の別の図を示すものである。図示されているように、ビーム402は、少なくとも１つのサンプリング領域430を横断し得る。ビーム402は、焦点面Ｐyと交差するが焦点面Ｐxとは交差しないように配置されていてもよい。ビーム402が、一方の焦点面又は両方の焦点面からオフセットされているか、これと平行ではない場合には、ビーム402は、その一部又は全部の範囲にわたって焦点が合っていないと観察され得る。図示された実施形態においては、ディスプレイ416は、それぞれ撮像デバイス406及び404により取得され、画像処理モジュール408により処理された画像444a及び444bを表示する。図12に示されるように、ビーム402は焦点面Ｐyと交差するので、画像444aはその焦点が合っているものとして観察され得る。これに対して、ビーム402は焦点面Ｐyと交差していないので、画像444bはその焦点が合っていないものとして観察され得る。画像444bの補正の方法は、上記の図４、図5A及び図5Bに示された画像234bに適用されたものと同様のものであり得る。図示された実施形態においては、例えば、画像処理モジュール408は、画像444aに沿った様々な位置において少なくとも１つのカーソル424aで画像444aをスキャンすることにより１以上のスライス470，472及び474を生成し得る。当業者であれば、画像処理モジュール408によって任意の数のスライスを生成し得ることを理解するであろう。図示された実施形態においては、画像処理モジュール408は、少なくとも１つの軸Ｂ1を決定するために画像444a及び444bを分析し、そのデータを用いてそれぞれのスライス470〜474の中央からその位置が既知である焦点面Ｐxまでの距離ｄを算出するように構成され得る。また、画像処理モジュール408は、それぞれのスライス470〜474の中央から焦点面Ｐyまでの距離ｄを決定するように構成され得る。それぞれのスライスの中央から軸Ｐxまでの距離ｄ470，ｄ472及びｄ474の値は、当該距離に対応する伝達関数を用いてそれぞれのスライスに対して逆畳み込みを行い、逆畳み込みされたスライスを、ビーム402の正しいビームパラメータを算出するために使用可能な焦点面Ｐxに関する補正画像に再構築するために使用される。
【００４３】
図13は、図10に示されるレーザビーム品質測定装置400の実施形態の別の図を示すものである。図示されているように、上記の図６と同様に、ビーム402は、少なくとも１つのサンプリング領域430を横断し、焦点面Ｐy及びＰxのうち少なくとも一方と交差するが、これと平行ではない場合があるように配置されている。図示された実施形態においては、ディスプレイ416は、それぞれ撮像デバイス406及び404により取得され、画像処理モジュール408により処理された（焦点面Ｐyに関する）画像454aと（焦点面Ｐxに関する）画像454bを表示している。ディスプレイ416に表示されているように、画像454aは、焦点面Ｐxに対してある角度で傾いているが、その焦点は合っているように観察され得る。画像454bは、ビームウェスト428bにおいてのみ焦点が合っている。画像454bの補正の方法は、上記の図６，図7A〜図7B，図8A〜図8B及び図9A〜図9Cに示された画像334bに適用されたものと同様のものであり得る。図13に示される実施形態においては、画像処理モジュール408は、カーソル455aで画像454aをスキャンすることによりスライス480〜488を生成し得る。画像処理モジュール408は、画像を分析して軸Ｃ1を規定し得る。必要に応じて、画像処理モジュール408は、任意の数の画像を分析して任意の数の光軸を規定してもよい。画像処理モジュール408は、カーソル455bで画像454bをスキャンすることによりスライス490〜498を生成し得る。当業者であれば、ビーム402が焦点面Ｐy及びＰxと様々な角度で交差し得るか、ビーム402が焦点面Ｐy及びＰxのいずれとも交差しないこともあることを理解するであろう。図６，図7A〜図7B，図8A〜図8B及び図9A〜図9Cに関して上記で同様に述べたように、画像処理モジュール408は、スライス480〜488の中央から光軸Ｃ1までの距離ｄ480からｄ488を算出し、その距離に対応するインフォーカス伝達関数Ｈ（ξ）とアウトオブフォーカス伝達関数Ｇ（ξ，ｄ）を用いてそれぞれのスライス490〜498に対して逆畳み込みを行い、逆畳み込みされたスライスを、上述したビーム広がりやビーム伝搬比Ｍ2のような正しいビームパラメータを算出するために用いることができる図13に示される画像454cに再構築するためにそれらを用いてもよい。当業者であれば、ビーム402の画像に様々な光学又は信号処理方法を適用することにより焦点が合っていないぼやけが補正され得ることを理解するであろう。
【００４４】
図14は、単一の撮像デバイス504が第１の位置Ｔ1から第２の位置Ｔ2に再配置可能となっており、これにより、複数の画像を複数の角度の焦点面で取得することができるビーム品質測定装置500の実施形態を示すものである。図示されているように、撮像デバイス504は、少なくとも１つのサンプリング領域530を伝搬する少なくとも１つのビーム502と光学的に接続されていてもよく、この少なくとも１つのビーム502から１以上の散乱光信号520及び522を受信するように構成されていてもよい。図示されているように、撮像デバイス504は、１以上の散乱光信号520及び522を集めるために位置Ｔ1から位置Ｔ2に再配置可能となっていてもよい。撮像デバイス504は、少なくとも１つの導路506を介して散乱光信号520及び522の画像を、信号を処理し、１以上のディスプレイ516上に１以上の画像を表示するように構成され得る少なくとも１つの画像処理モジュール512に向けるように構成されていてもよい。上記の様々な実施形態において述べられているように、画像処理モジュール512は、ディスプレイ516に表示された画像を分析して様々なビームパラメータを算出してもよい。上述したように、上述した焦点補正方法は、焦点面Ｐy及びＰxに対してビームの位置が合っていないことによる焦点が合っていないビーム502の画像を補正するために使用され得る。
上記で詳細に述べた様々な実施形態及び例を参照することによりレーザ測定システムのビーム画像の焦点補正のための方法及び装置が開示されたが、本発明の範囲に属するものと意図されている改良は当業者であれば容易に考えられるので、これらの例は限定的な意味ではなく例示的な意味で説明されることを意図したものである。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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