(57)【要約】  静止面または回転面上の２点間における横揺れ角を測定するために螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスを採用する光学分度器。この分度器は、レーザ・ビームを生成する調整可能なレーザ源を含む。ＳＰＰＲデバイスは、レーザ・ビームに応答し、デバイス内においてビームを前後に反射させる対向反射面を含む。反射面の１つは、螺旋状ステップ・インデックスを含み、異なる位相を有する複数の反射ビームを結合させ、複数のビームの位相によって定められる光渦強度パターンを有する出力ビームとして、デバイスから出力する。強度パターンは、螺旋光強度線を含む。この分度器は、出力ビームをエレメント上に投射するレンズを含み、横揺れ角を測定するために強度パターンを検出する。【選択図】図１
2021520487.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレメント上の２点間における横揺れ角を測定する光学システムであって、
レーザ・ビームを生成する調整可能なレーザ源と、
前記レーザ・ビームに応答する螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスであって、当該デバイス内において前記レーザ・ビームを前後に反射させる対向反射面を含み、前記反射面の１つが、異なる位相を有する複数の反射ビームを結合させ、前記複数のビームの位相によって定められた光渦強度パターンを有する、当該デバイスからの、出力ビームとする螺旋状ステップ・インデックスを含み、前記強度パターンが、コアと、前記コアからの放射状光強度線とを含む、螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスと、
前記エレメント上に、前記横揺れ角を判定するために検出可能な前記出力ビームを投射するレンズと、
を備える、光学システム。
【請求項２】
請求項１記載の光学システムであって、更に、
前記エレメントから反射した光を検出する検出器と、
前記検出器からの、前記検出光を識別する、信号に応答するプロセッサと、
を備え、前記プロセッサが、前記エレメント上に投射された前記光渦強度パターンを含む前記信号から、画像を生成し、前記プロセッサが、前記強度線の１本が前記点の内第１のものと整列するように、前記レーザ源に前記レーザ・ビームの周波数を変化させ、次いで前記１本の強度線が前記点の内第２のものと整列するように、前記レーザ源に前記レーザ・ビームの周波数を再度変化させ、前記レーザ・ビームの周波数間の差を使用して、前記点間における角度を判定する、光学システム。
【請求項３】
請求項２記載の光学システムにおいて、前記プロセッサが、
【数１】
2021520487.tif 000007
を使用して、前記横揺れ角を判定し、
ここでφは横揺れ角であり、δｖは前記レーザ・ビームの周波数変化であり、ｖは前記レーザ・ビームの中心周波数であり、Δｈは前記螺旋状ステップ・インデックス反射面の方位方向段差の高さであり、ｈ０は前記ＳＰＰＲデバイスの高さである、光学システム。
【請求項４】
請求項１記載の光学システムにおいて、前記エレメントが回転しており、前記光学システムが、更に、前記エレメントから反射した光を検出する検出器と、前記検出器からの前記検出光を識別する信号に応答するプロセッサとを備え、前記プロセッサが、前記反射光からパワー・スペクトルを計算し、回転ドプラ効果を使用して、前記パワー・スペクトルから前記エレメントの回転速度を判定する、光学システム。
【請求項５】
請求項４記載の光学システムにおいて、前記プロセッサが、
【数２】
2021520487.tif 000008
を使用して、前記エレメントの回転速度を判定し、
ここで、Ωｒｏｔは回転速度、ｆｍｏｄはパワー・スペクトル、βは強度線の本数である、光学システム。
【請求項６】
請求項４記載の光学システムにおいて、前記プロセッサが、前記回転速度を、前記回転速度を判定した時間と乗算することによって、前記点間における横揺れ角を判定する、光学システム。
【請求項７】
請求項１記載の光学システムであって、更に、前記ＳＰＰＲデバイスからのビームを測定ビームと基準ビームとに分割するビーム・スプリッタを備え、前記測定ビームが前記エレメント上に投射され、前記基準ビームが、較正横揺れ角測定値を生成するために、較正検出器上に投射される、光学システム。
【請求項８】
請求項７記載の光学システムにおいて、前記較正検出器がＣＣＤカメラである、光学システム。
【請求項９】
請求項１記載の光学システムにおいて、前記エレメントが、前記レンズから、当該レンズの焦点距離の２倍の距離に位置付けられる、光学システム。
【請求項１０】
請求項１記載の光学システムであって、更に、前記レーザ・ビームに応答し、前記レーザ・ビームが前記ＳＰＰＲデバイスに送られる前に、前記レーザ・ビームをシングル・モード・レーザ・ビームに変換する光学部品を備える、光学システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の光学システムにおいて、前記光学部品がシングル・モード・ファイバである、光学システム。
【請求項１２】
請求項１０記載の光学システムにおいて、前記光学部品がアパーチャである、光学システム。
【請求項１３】
請求項１記載の光学システムにおいて、前記エレメントが航空宇宙用部材である、光学システム。
【請求項１４】
請求項１記載の光学システムにおいて、前記２点が前記エレメント上の基準線である、光学システム。
【請求項１５】
エレメント上の２点間における横揺れ角を測定する光学システムであって、
レーザ・ビームを生成する調整可能なレーザ源と、
前記レーザ・ビームに応答し、前記レーザ・ビームをシングル・モード・レーザ・ビームに変換する光学部品と、
前記シングル・モード・レーザ・ビームに応答する螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスであって、前記ＳＰＰＲデバイスが、当該デバイス内において前記レーザ・ビームを前後に反射させる対向反射面を含み、前記反射面の１つが、異なる位相を有する複数の反射ビームを結合させ、前記複数のビームの位相によって定められた光渦強度パターンを有する、当該デバイスからの、出力ビームとする螺旋状ステップ・インデックスを含み、前記強度パターンが、コアと、前記コアからの放射状光強度線とを含む、螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスと、
前記出力ビームを前記エレメント上に投射するレンズと、
前記エレメントから反射した光を検出する測定検出器と、
前記検出器からの前記検出光を識別する信号に応答するプロセッサであって、前記プロセッサが、前記エレメント上に投射された前記光渦強度パターンを含む前記信号から、画像を生成し、前記プロセッサが、前記強度線の１本が前記点の内第１のものと整列するように、前記レーザ源に前記レーザ・ビームの周波数を変化させ、次いで前記１本の強度線が前記点の内第２のものと整列するように、前記レーザ源に前記レーザ・ビームの周波数を再度変化させ、前記レーザ・ビームの周波数間の差を使用して、前記点間における角度を判定する、プロセッサと、
を備える、光学システム。
【請求項１６】
請求項１５記載の光学システムであって、更に、前記ＳＰＰＲデバイスからのビームを測定ビームと基準ビームとに分割するビーム・スプリッタを備え、前記測定ビームが前記エレメント上に投射され、前記基準ビームが、較正横揺れ角測定値を生成するために、較正検出器上に投射される、光学システム。
【請求項１７】
回転エレメントの回転速度および横揺れ角を測定する光学システムであって、
レーザ・ビームを生成する調整可能なレーザ源と、
前記レーザ・ビームに応答し、前記レーザ・ビームをシングル・モード・レーザ・ビームに変換する光学部品と、
前記シングル・モード・レーザ・ビームに応答する螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスであって、前記ＳＰＰＲデバイスが、当該デバイス内において前記レーザ・ビームを前後に反射させる対向反射面を含み、前記反射面の１つが、異なる位相を有する複数の反射ビームを結合させ、前記複数のビームの位相によって定められた光渦強度パターンを有する、当該デバイスからの、出力ビームとする螺旋状ステップ・インデックスを含み、前記強度パターンが、コアと、前記コアからの放射状光強度線とを含む、螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスと、
前記出力ビームを前記エレメント上に投射するレンズと、
前記エレメントから反射した光を検出する測定検出器と、
前記検出器からの前記検出光を識別する信号に応答するプロセッサであって、前記プロセッサが、前記反射光からパワー・スペクトルを計算し、回転ドプラ効果を使用して、前記パワー・スペクトルから前記エレメントの回転速度を判定し、前記回転速度と、前記回転速度を判定した時間とを乗算することによって、前記点間における横揺れ角を判定する、プロセッサと、
を備える、光学システム。
【請求項１８】
請求項１７記載の光学システムであって、更に、前記ＳＰＰＲデバイスからのビームを測定ビームと基準ビームとに分割するビーム・スプリッタを備え、前記測定ビームが前記エレメント上に投射され、前記基準ビームが、較正横揺れ角測定値を生成するために、較正検出器上に投射される、光学システム。  
【請求項１９】
レーザ・ビームに応答する螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスであって、当該デバイス内において前記レーザ・ビームを前後に反射させる対向反射面を含み、前記反射面の１つが、異なる位相を有する複数の反射ビームを結合させ、前記複数のビームの位相によって定められた光渦強度パターンを有する、当該デバイスからの、出力ビームとする螺旋状ステップ・インデックスを含み、前記強度パターンが、コアと、前記コアからの放射状光強度線とを含む、螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイス。
【請求項２０】
請求項１９記載のＳＰＰＲデバイスにおいて、前記ＳＰＰＲデバイスが、２点間における横揺れ角を測定する光学分度器の一部である、ＳＰＰＲデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]  本開示は、一般的には、表面上の２点間における横揺れ角を測定するための光学分度器に関し、更に特定すれば、静止面または回転面上における２点間における横揺れ角を測定するための光学分度器に関する。この分度器は、表面上に投射される光渦強度パターン(optical vortex intensity pattern)を生成する螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ：spiral phase plate resonator）デバイスを採用する。
【従来技術】
【０００２】
[0002]  大型宇宙航空システムの部品、３Ｄ印刷、リソグラフィ、見本部品の製作等のような、種々の部品、工具、およびシステムの製造(manufacture)ならびに生産(production)は、静止面または回転面上における横揺れ角の測定を必要とすることが多い。例えば、通信波長帯の狭帯域光学フィルタの生産中においてターン数を定量化するというように、精密部品を組み立てるときに、光学フィルタの回転速度を知ることが必要になることが多い。
【０００３】
[0003]  横揺れ角は、通例、その周囲に沿って内蔵角度ティック(angular ticks)を含む回転可能なマウント上に部品を置き、次いでマウントを回転させてこの部品の横揺れ角を判定することによって測定される。この技法は、小さい部品を組み立てる(build)ときには、通常うまく機能するが、大型または超大型の航空宇宙システムの部品を製造するときには、困難をきたす可能性がある。他の知られている横揺れ角測定技法では、機械式分度器を部品の上に載せて、２つの基準間における対象角度を判定することを含む。この技法では、機械式分度器は横揺れ角を判定するために表面と接触するが、横揺れ角の非接触測定を必要とする用途には、これは有害になる可能性がある。狭い空間において測定する角度が増々小さくなるに連れて、分度器の半径を更に大きくする（角度ティックを増やす）必要があり、または測定される角度の正確さを高める(amplify)ために、機械式分度器上にギアが必要になる。これは、高い正確さの測定のために、機械式分度器が大型化する可能性があることは確かであり、したがって狭い空間において角度を測るときに問題となる。この作業は、湾曲面上で角度を測定するときには一層困難になる。更に、クリーン・ルーム環境における３Ｄ印刷、リソグラフィ、および部品製造では、非接触の横揺れ角判定を必要とする使用が一部にあるが、機械式分度器では、測定しようとする部品と接触することになる。表面が一定速度で回転している場合、横揺れ角および回転速度を機械式分度器によって推測することはできない。
【０００４】
[0004]  表面が湾曲していても、および／または粗くても、光学システムであれば、表面上の２つの静止点または線間における横揺れ角の非接触測定を行う能力を提供することができる。表面が回転している場合、横揺れ角に加えて、表面の回転速度を推測することができる。具体的には、固有の円筒対称を有する光渦の可干渉性重畳(coherent superposition)を使用することによって、横揺れ角の非接触測定を非常に高い精度および正確さで行うことができる。光渦の可干渉性重畳の特性(property)は、それが周期的な強度変調を横揺れ角（方位角）の関数として形成することであり、角度が測定されている表面上に周期的な強度変調を投射し、検出器によって検知することができる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
[0005]  当技術分野には、光渦の可干渉性重畳を形成するための種々の方法が存在し、空間光変調器、干渉計における螺旋位相板、干渉計における螺旋位相ミラー等を使用する方法が含まれる。しかしながら、これらの方法は、光学システムの選択部分の機械的回転を生ずることなく、光渦の横揺れ角を制御することができず、このため分解能が制限される。あるいは、光学システムが、電動ステージを含む光学素子の複雑な構成(arrangement)、即ち、螺旋ミラーの場合、ｑ−プレート、螺旋位相板等を含む光学素子の複雑な構成(arrangement)から成る。空間光変調器（ＳＬＭ：spatial light modulator）を採用する方法では、ＳＬＭを制御するためにコンピュータが必要であり、角度変位の生成におけるその分解能は、ピクセル化されるＳＬＭスクリーン、およびＳＬＭの位相変化の有限範囲によって制限される。これらの難題のため、光学システムの設計を更に複雑化することなく、角度測定の正確さを最大限高めつつ、システムを微細化する明確な方法がない。
【０００６】
[0006]  螺旋位相板に基づく共振器、即ち、螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ：spiral phase plate resonator）デバイスは、微細化された光学素子であり、このデバイスから光を反射させる、またはこのデバイスに光を透過させることのいずれかによって、光渦の可干渉性重畳を、このデバイスに生成することができる。反射率が低いＳＰＰＲデバイスに対する共振器の効果を示す基礎的な科学研究があった。また、回転ドプラ・シフトに基づく回転センサの研究もあった。しかしながら、製造および生産、あるいは航空宇宙システムまたはそれ以外における基準に関する横揺れ角の判定というような、技術的用途のための完全な光学分度器システムの実証は、当技術分野では未だなされていない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
[0007]  以下の論述では、静止面または回転面上の２点間における横揺れ角を測定するために、螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスを採用する光学分度器について開示および説明する。この分度器は、レーザ・ビームを生成する調整可能なレーザ源と、レーザ・ビームに応答して、これをシングル・モード・レーザ・ビームに変換する光学部品とを含む。ＳＰＰＲデバイスは、シングル・モード・レーザ・ビームを受光し、このデバイス内においてこのビームを前後に反射させる対向反射面を含む。反射面の一方は、螺旋状ステップ・インデックス(spiral step index)を含み、異なる位相を有する複数の反射ビームを結合させ、このデバイスからの出力ビームとする。出力ビームは、光渦強度パターンを有し、この強度パターンは放射状光強度線を含む。この分度器は、出力ビームをエレメント上に投射するレンズと、エレメントから反射した光を検出する検出器と、検出器からの信号に応答するプロセッサとを含む。プロセッサは、エレメント上に投射された光渦強度パターンを含む反射光の画像を生成し、１本の強度線が前述の点の内第１のものと整列するように、レーザ源にレーザ・ビームの周波数を変化させる。次いで、プロセッサは、先の１本の強度線が前述の点の内第２のものと整列するように、レーザ源にレーザ・ビームの周波数を再度変化させる。レーザ・ビームの周波数間の差は、点間の角度を判定するために使用される。
【０００８】
[0008]  本開示の更に他の特徴は、以下の説明および添付する特許請求の範囲を添付図面と併せて検討することによって明白となろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、静止面または回転面上の２点間における横揺れ角を測定するための光学分度器の模式ブロック図である。
【図２】図２は、図１に示す光学分度器から分離した螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスの等幅図である。
【図３】図３は、ビームが反射されるＳＰＰＲデバイスの側面図である。
【図４】図４は、横揺れ角を測定するために静止面上に投射されたビームを示す一連の画像である。
【図５】図５は、横揺れ角を測定するために静止面上に投射されたビームを示す一連の画像である。
【図６】図６は、横揺れ角を測定するために静止面上に投射されたビームを示す一連の画像である。
【図７】図７は、横揺れ角を測定するために静止面上に投射されたビームを示す一連の画像である。
【図８】図８は、横揺れ角を測定するために静止面上に投射されたビームを示す画像であり、ビームは５０本のピーク放射状強度線を含む。
【図９】図９は、横揺れ角を測定するために静止面上に投射されたビームを示す画像であり、ビームは１００本のピーク放射状強度線を含む。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
[0015]  エレメント上の点間における横揺れ角を測定するためのＳＰＰＲデバイスを含む光学分度器を対象とする本開示の実施形態についての以下の論述は、本質的に単なる例示に過ぎず、開示を限定することも、その用途および使用を限定することも全く意図していない。
【００１１】
[0016]  以下で詳しく論ずるように、本開示は、静止または回転面の横揺れ角または回転速度を測定するために移動部品を使用しない、「完全に光学的な」プロセスを提供する光学システム、または光学分度器について説明する。この光学システムは、部品の横揺れ角の非接触測定が重要な、無人航空機、飛行機、空母、弾道ミサイル等のためというような、種々の部材および部品の製造および生産に応用することができ、更に航空宇宙システムにおいて基準に関する角度判定にも応用することができる。また、この光学システムは、パターン認識中に基準間の角度を判定するために、ロボットおよび自律車両におけるような、マシン・ビジョンに応用することもできる。
【００１２】
[0017]  この光学システムの鍵となる要素は螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスであり、このデバイスにおいて、特定の周波数の光ビームが複数回の往復反射移動を行い、ビームの横揺れ角の関数として、角度強度変調干渉パターンを有する出力ビームを形成する(create)。ＳＰＰＲデバイスに入射するビームの波長を正確に変化させることによって、ＳＰＰＲデバイスから出力されるビームのパターンにおいて、角度強度ピークが回転する。このビームが静止面上に投射されると、これを検出して表面上における基準線間の角度を測定することができる。ＳＰＰＲデバイスからの出力ビームの光渦状態を回転面から散乱させ、検出されたパワー・スペクトルを分析することによって、表面の回転速度も判定することができる。
【００１３】
[0018]  出力ビームにおける強度変調干渉パターンは、ＳＰＰＲデバイスから現れる選択光渦の巻数(select optical vortex winding numbers)の可干渉性重畳の結果である。ＳＰＰＲデバイスは本質的に共振器であるので、ビームの周波数のばらつきが、強度パターンを、ビームの横揺れ角の関数として回転させる。これは、強度パターンの回転を生成するために可動部品および／または恐らくは偏光光学素子を必要とした以前の方式とは異なる。従来の既製品（ＣＯＴＳ：conventional off the shelf）の光学素子を使用することによって、横揺れ角の非接触判定が行われる対象の表面上に強度パターンを投射することができる。異なる表面であれば、異なる幾何学的特性を有し、ある表面は平坦であり他の表面は多少湾曲することもあり得る。ＳＰＰＲデバイスから現れる光渦ビームの特性は、角度を測定しようとする表面に合致するように調節することができる。このようなシステム特性は、強度ピークの数を変化させることなく、ビーム・サイズ、渦のコア・サイズ、および干渉パターンにおける強度ピークの幅または形状を制御することを含む。
【００１４】
[0019]  また、表面が回転しているときも、横揺れ角を判定することができる。更に具体的には、ＳＰＰＲデバイスは、システムを回転センサとして使用できるように、巻数の可干渉性重畳(a coherent superposition of winding numbers)によって、光渦状態を生成する。回転センサの物理的効果は、回転ドプラ・シフトに基づく。回転面からの光渦状態を含む光を散乱させ、回転面からの後方散乱光のパワー・スペクトルを分析することによって、表面の回転速度も判定することができる。回転面の横揺れ角は、表面の回転速度、および回転速度の測定中に経過した時間から判定することができる。この効果は光の波長とは独立しているので、ＳＰＰＲデバイスから現れる角強度パターンの向き（および回転）に関係なく、また線形ドプラ・シフトが結果の解釈を複雑にすることにも関係なく、回転速度の長距離遠隔検知を解決することができる。光周波数における回転ドプラ・シフトを利用して回転速度を判定する従来の方式は、ＳＬＭを拠り所にした。ＳＬＭはＳＰＰＲデバイスよりも損傷閾値が低いので、ＳＬＭを利用する方式は、長距離での回転速度の判定を必要とする産業用途には限界があった。
【００１５】
[0020]  振動および温度勾配の存在というような過酷な環境下であっても、測定されている横揺れ角の高精度を確保するために、光学システムを較正する方法が必要となる。この方法は、光渦強度パターンの回転角をビームの波長に合わせて較正するステップと、ＣＣＤカメラのような検出器上で光強度パターンの基準ビームとの角変位を監視するステップとを含む。レーザ源からのビームの波長の変化、光学素子の屈折率の変化、または測定されている表面の振動というような、光学システムにおけるあらゆる偽変化は、表面上の横揺れ角の測定中に補償することができる。ＣＣＤカメラからの画像は、画像処理アルゴリズムを使用して、リアル・タイムで読み取られ、光渦の中心を発見するときの誤差、および横揺れ角の判定における他の形態のシステム誤差は低減されている。位相固定方式、振幅固定方式等のような標準的な技法を使用して、ＳＰＰＲデバイスへの入力ビームの周波数を固定し、変化させ、測定、較正、およびリアル・タイム監視のために、周波数の漸増(increments)によって強度パターンを回転させる。
【００１６】
[0021]  図１は、静止または回転面上の基準線間における横揺れ角を判定し、回転面の回転速度を判定するための、先に論じた型式の光学システム１０の模式ブロック図である。システム１０は、調整可能な狭線幅レーザ源１２を含む。このレーザ源は、例えば、可視−ＩＲ周波数範囲の可干渉性レーザ・ビームを発光し、シングル・モード光ファイバ１４に入射させる。シングル・モード光ファイバ１４は、例えば、ＴＥＭ００ガウス・モードのレーザ・ビーム１８を供給する。代替実施形態では、ＴＥＭ００ガウス・モードを供給するために、シングル・モード光ファイバ１４の代わりに、他の光学素子を採用することもできる。例えば、ビーム１８をＴＥＭ００ガウス・モードにするため、またはこの光学モードを浄化するために、しかるべく設計されたアパーチャ（図示せず）を使用することができる。ファイバ１４から放出されたビーム１８は、ファイバ１４の端部に位置付けられたコリメータ１６によって平行化され、ビーム１８が、最小限の拡散で、光学システム１０全体を伝搬することを確保する。逆反射してレーザ源１２に入る光が、レーザ・キャビティにおいてビーム・ジッタを発生し、出力レーザ・ビーム１８の強度変動、またはレーザ波長における偽周波数シフトを起こすおそれがあり、レーザ・キャビティにおけるモードの不安定の原因になり、レーザ源１２の固定が外れる原因となる可能性がある。したがって、レーザ・ビーム１８のレーザ源１２への逆反射を防止するために、コリメータ１６の出力の後ろに光アイソレータ２０を配置する。
【００１７】
[0022]  光アイソレータ２０を伝搬したシングル・モード・ビーム１８は、ＳＰＰＲデバイス２６に送られ、その有限反射率の結果、デバイス２６内で前後に反射する。図２は、システム１０から分離したデバイス２６の等幅図であり、図３はその側面図である。図３は、デバイス２６内部において前後に反射するレーザ・ビーム１８を示す。デバイス２６は、ガラスのような光透過性ブロック２８を含み、ブロック２８の入力側に、滑らかな反射材のコーティングのような、反射板３０を有する。ブロック２８は、十分に光を透過するので、コリメータ１６からのビーム１８はブロック２８を伝搬することができる。また、デバイス２６は、反射材コーティングを有するポリマー層のような、段付き螺旋反射板(step-wise spiral reflector)３２も含み、方位方向に変化する段差３６は、ブロック２８の出力側において高さΔｈを有する。また、ブロック２８は十分に光を透過するので、出力ビームはこれを伝搬し、デバイス２６から出力することができる。この設計では、ブロック２８上に反射面を設けるために、滑らかな反射材コーティングを採用するが、代わりの設計では、ブロック２８においてビーム１８の反射を可能にするために、ナノ単位の構造を使用することができる。
【００１８】
[0023]  ビーム１８が、表面反射せずに、ブロック２８を伝搬する場合、巻数が明確に定められた光渦ビームがデバイス２６の出力面上に生成され、この場合、デバイス２６は螺旋位相板(spiral phase plate)として作用する。デバイス２６の対向する両面に有限反射を設け、徐々に変化する方位方向厚さを有する反射板３２を設けることによって、デバイス２６は螺旋位相板共振器として動作し、光渦ビーム３４が、特定の正巻数によって分離された光渦の可干渉性重畳として、デバイス２６から出力される。言い換えると、デバイス２６内においてビーム１８が反射する毎に、一意の位相を有する個々の光渦ビームが形成され、デバイス２６から出力される。これは、各々異なる巻数、即ち、軌道角運動量を有する、ビームＵ１〜ＵＮとして示されている。ビーム３４は、巻数が異なり異なる軌道角運動量状態を有する全ての光渦ビームＵ１〜ＵＮの重ね合わせであり、ここでは、光渦強度パターンと呼ぶ。つまり、光渦強度パターンは、ビームＵ１〜ＵＮの位相に基づく周期的な強度干渉パターンであり、ビーム３４の横揺れ角の関数として変動する。強度パターンの回転は、ビーム１８の周波数によって制御される。
【００１９】
[0024]  低から中間域の反射デバイスの透過(transmission)Ｔは、方位角φの関数として、次のように示される。
【数１】
2021520487.tif 000003
ここで、ＵＮは、ブロック２８における反射ビームのｎ番目の波の振幅であり、ＳＰＰＲデバイス２６の出力面上の全ての振幅の可干渉性重畳から、透過関数(transmission function)が得られる。Ａ０は、ビーム透過関数のピーク値である。ｒ２はデバイス２６の表面におけるフレネル反射係数である。βは、ビーム３４における強度ピークの数であり、ビームＵ１〜ＵＮにおける個々の軌道角運動量状態（巻数）間の位相差を定量化する。φ０は、ビーム３４の強度ピークの角度位置である。
【００２０】
[0025]  ビーム３４の回転角δφの依存性は、整数β(integer β device)に対するレーザ・パラメータおよびＳＰＰＲデバイスのパラメータの関数として、次のように示される。
【数２】
2021520487.tif 000004
ここで、δｖはレーザ・ビーム１８の周波数変化であり、ｖはレーザ・ビーム１８の中心周波数であり、Δｈは螺旋反射器３２の方位方向段差の高さであり、ｈ０はブロック２８の高さである。
【００２１】
[0026]  式（２）は、Δｈ＜＜ｈ０を想定しており、これは殆どのＳＰＰ設計に対して典型的である。更に、式（２）は、ブロック２８が均一な屈折率を有することを想定する。つまり、式（２）は、ビーム１８の各周波数増分値が、増分角度に対応することを示す。光学システムの設計パラメータの適した非限定的な例には、λ＝１．５μｍ（ｖ＝１９９．８６ＴＨｚを得るための光の中心波長）、β＝５．５５、Δｈ＝２．６７μｍ、ｈ０＝６ｍｍ、およびｒ２＝０．７３（Ｒ＝Ｉｒ｜２＝０．５３の反射率を得るための反射係数）が含まれる。
【００２２】
[0027]  前述のように、ビーム３４は光渦の可干渉性重畳であり、横揺れ角の関数として角度強度変調を有する。ビーム３４における光渦の正確な回転は、レーザ源１２を調整することによって、またはＳＰＰＲデバイスのキャビティの長さを変化させることによって、ＳＰＰＲデバイス２６に入射するビーム１８の周波数を正確に変化させることによって制御することができる。ビーム・スプリッタ４６は、ビーム３４を、較正の目的に使用される基準ビーム４８と、静止面または回転面を有するエレメント４２上の基準線間における角度を判定するために使用される測定ビーム５０とに分割する。撮像レンズ４０は、デバイス２６の出力面を、測定ビーム５０によってエレメント４２上に投射し、更に基準ビーム４８によって電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラ５４上に投射する。これは、横揺れ角の高精度の測定のために、ビーム１８の波長の関数としてビーム３４における渦の回転を較正するように動作する。高速ＣＣＤ検出器または高速単一画素検出器５６は、エレメント４２から反射された光を検出し、エレメント４２上に投射される光渦強度パターンを識別する電気信号を生成する。検出器５６からの信号は、プロセッサ５８に送られ、プロセッサ５８において、これらの信号はリアル・タイムで処理されて、本明細書において説明するように、エレメント４２上の基準線間における横揺れ角を判定する。
【００２３】
[0028]  前述のように、撮像レンズ４０は、ＳＰＰＲデバイス２６の直後にビーム３４の光モードを撮像する。エレメント４２の湾曲および外形(configuration)に一層適するように、光渦強度パターンの渦コア・サイズを変化させるために、レンズ４０の焦点距離を制御することができる。これは、レンズ４０からエレメント４２に向かって異なる伝搬距離にある、測定ビーム５０内の光渦強度パターンの投射画像６０、６２、および６４によって示されている。画像６０、６２、および６４は、異なる位相を有するビームＵ１〜ＵＮの強め合う干渉および弱め合う干渉によって生ずる干渉パターン６６を示し、渦コア７０から放射する離間ピーク放射強度線６８を含み、コア７０のサイズは、画像６０、６２、６４がレンズ４０から遠ざかる程、増大する。同様に、基準ビーム４８における光渦強度パターンの投射画像７２、７４、および７６は、レンズ４０からＣＣＤカメラ５４に向かって異なる伝搬距離において示されている。この図では、画像６４および７６は、回折遠視野(diffraction far field)における光渦強度パターンであり、画像６０、６２、７２、および７４は、回折近視野における光渦強度パターンである。
【００２４】
[0029]  通例、最良の横揺れ角測定値は、最も小さいコア・サイズによって得られる。撮像レンズ４０が、光渦コア７０のサイズを小さく維持するように設定されると、ＳＰＰＲデバイス２６からレンズ４０までの距離、およびレンズ４０からエレメント４２までの距離は、各々、焦点距離の２倍となる。４焦点距離撮像システムのような、他の撮像構成を使用することもできる。あるいは、渦コアのサイズを増大させるために、角度が測定されるエレメント４２までの距離、またはＳＰＰＲデバイス２６と撮像レンズ４０との間の距離を伸ばすこともできる。
【００２５】
[0030]  シリコンまたはシリカのような１つのプラットフォーム上における選択光部材の微細加工によって、光学システム１０をより小さいサイズに縮小することができ、システム１０の他の要素をプラットフォームに融合する(fuse)ことができる。最も大きな部材は、ＣＣＤ検出器およびレーザ・ソースであると考えられる。
【００２６】
[0031]  図４〜図７は、図４に示すように、エレメント４２を表す静止面８６上に形成された第１基準線８２と第２基準線８４との間における角度φを、システム１０がどのように判定するかを例示する一連の画像８０を示す。ここで、第１線８２は角度測定の開始点を表し、第２線８４は角度測定の終点を表す。最初に、位相固定方式および／または振幅固定方式のような、標準的なレーザ固定技法を使用して、レーザ・ビーム１８を安定化させる。ビーム３４がＳＰＰＲデバイス２６による角度強度変調を獲得した後、ビーム３４の画像を表面８６上に投射し、検出器５６によって検出する。この画像は、中央の渦コア９２から放射するピーク放射強度線９０を含む光渦干渉パターン８８を有し、渦コア９２は、図５に示すように、表面８６の中心と整列する。初期状態では、第１線８２は、通常、ピーク強度線９０のいずれとも並ばない。次いで、図６に示すように、強度線９０の１つが第１線８２と並ぶまで、ビーム１８の周波数を変化させ、その周波数を記録する。図７に示すように、同じ強度線９０が第２線８４に回転するまで、ビーム１８の周波数を再度変化させ、その周波数を記録する。２つの記録した周波数間の差を角度に変換する。これは、線８２および８４間の角度φの測定値となる。式（２）を参照して先に説明したように、各増分周波数値は増分角度に対応する。したがって、任意の２本の基準間の角度は、光渦干渉パターンを使用して判定することができる。
【００２７】
[0032]  プロセッサ５８における画像処理アルゴリズムは、光渦の中心、強度ピーク線９０の位置、および光渦の回転を、高い正確さおよび精度で判定するために使用することができる。測定の間１本の強度ピーク線９０だけが基準線８２および８４と整列され、回転されるが、強度ピーク線９０の全てが同時に位置測定を行っており、したがって、測定の正確さは実質的に高くなる。
【００２８】
[0033]  代替設計では、２πラジアン角に６本よりも遙かに多い強度ピークができるように、干渉パターン８８における強度ピーク線９０の本数を増加させることができる。例えば、図８は、５０本のピーク強度線１０２を有する、即ち、ティック間の角間隔が２π／５０である光渦パターンを含む画像１００であり、図９は、１００本のピーク強度線１０４を有する、即ち、ティック間の角間隔が２π／１００である光渦パターンを含む画像１００である。次いで、コンピュータ・アルゴリズムを使用して、基準線８２および８４間にある光「角」ティック(optical "angular' ticks)の数を計数し、それらの間の角度を判定することができる。しかしながら、この場合、この設計において使用されるビームと同じサイズのビームでは、レイリー限界に遙かに速く到達する。つまり、代替手法では角測定における分解能に限界がある。本明細書において論じる横揺れ角判定プロセスは、基本的に、レイリー限界に制限されない。何故なら、対象の角度を判定するために使用されるのは、レーザ周波数のばらつきによる角変位であるからである。尚、式（２）におけるように角度を測定するために、多数の角強度ピークを回転させることができることを注記しておく。本明細書において論ずるプロセスの間における測定値読み取り誤差の原因には、光学システムにおける熱的影響および光学システムの振動が恐らく含まれる。これには、以下で論ずるしかるべきシステム較正によって対処する。
【００２９】
[0034]  周波数の変換による高い精度の角度測定値を確保するために、ＣＣＤカメラ５４を使用して、基準周波数の測定を同時に行い、論じたようなエレメント４２からの周波数測定値と比較する。同じプロセスを採用し、第１および第２基準線８２および８４をカメラ５４上に投射し、光渦干渉パターン８８における強度ピーク線９０を、第１基準線８２と整列させ、周波数を記録する。強度ピーク線９０が第２基準線８４に回転するまでビーム１８の周波数を変化させ、その周波数を記録し、これらの周波数間の差を角度に変換し、この角度を、表面８６の測定によって得られた角度と比較する。ビーム４８および５０の回転角は同じ値を有するので、ＣＣＤカメラ５４によって判定された角度から、表面８６上における基準線８２および８４の測定値と同じ周波数シフトが得られる。したがって、カメラ５４は、システムに較正機能を与えるために、角度変化増分値の各々が波長変化増分値に較正された後であっても、精度高い角度測定のための二次検証として役立つ。
【００３０】
[0035]  ２本の基準線間の角度の精度高い判定のために、カメラ５４を使用して、先に論じたのと同じようにシステム１０を較正する。この測定値から、光学システム１０の較正機能を事実上定める変換関数(transfer function)を得る。この変換関数は、光学システム１０内においてエレメントの熱的影響があっても、レーザ周波数の変化を角度変化に変換する。非常に正確な測定値を得るためには、熱膨張係数が低い材料を光学システム１０に使用することが理想的である。しかしながら、測定前または測定中における較正プロセスからのＣＣＤカメラ５４の更新によって、熱的影響および振動があっても、静止面上における角度判定を可能にする。ビーム３４の合焦(focus)後に行われる測定では、グイ位相が光ビーム３４の回転における余分なシフトの原因となる。この影響を光学システム１０の較正中に考慮するのは容易である。
【００３１】
[0036]  以上の論述では、エレメント４２が静止しているとき、即ち、回転していないときに、説明したようにビーム１８の周波数を変化させることによって、エレメント４２上の２本の基準線間において角度測定を行う。しかしながら、光学システム１０は、エレメント４２が回転しているときも、エレメント４２上の２本の基準線間の角度を測定することができ、エレメント４２の回転速度も判定することができる。この実施形態では、検出器５６は、最初にエレメント４２の回転速度を判定するために、後方散乱光を検出する。プロセッサ５８が検出器５６から受信する信号を処理し、時間ドメイン信号のフーリエ変換を行い、周波数ドメイン信号を供給し、散乱光の周波数変調を得ることによって、光のパワー・スペクトルｆｍｏｄを識別する。パワー・スペクトルｆｍｏｄによって得られる検出散乱光の周波数変調、および測定ビーム５０における２つの光渦状態Φ間の位相差がわかっている場合、回転ドプラ効果の結果として、回転面の回転速度Ωｒｏｔを以下のように決定することができる。
【数３】
2021520487.tif 000005
【００３２】
[0037]  回転ドプラ・シフトをセンサとして利用する以前の研究では、巻数Ｉ１＝１およびＩ２＝−１の光渦の可干渉性重畳を形成してΦ＝｜Ｉ１−Ｉ２｜＝２Ｉ を得るというように、逆向きの側性(opposite handednes)の光渦状態によって、値Φを推論していた。
【００３３】
[0038]  先に論じたように、ＳＰＰＲデバイス２６からのビーム３４は光渦状態Φの可干渉性重畳を含み、その全ては正の巻数を有する。式（１）における値βは、ＳＰＰＲデバイス２６からのビーム３４内における光渦の個々の巻数間における位相差を定量化するパラメータである。したがって、回転速度Ωｒｏｔを決定するための式（３）における表現を、次のように変換することができる。
【数４】
2021520487.tif 000006
【００３４】
[0039]  以上の論述から、エレメント４２の回転速度、およびエレメント４２上の基準線間の角度は、次のように判定することができる。エレメント４２からの散乱光を検出器５６によって検出し、プロセッサ５８によって処理して、パワー・スペクトルｆｍｏｄを得る。特定のＳＰＰＲデバイス設計に対して既に知られている値βを、式（４）におけるｆｍｏｄに与えることによって、エレメント４２の回転速度Ωｒｏｔを求める。エレメント４２の回転速度Ωｒｏｔと、回転速度を判定する経過時間Ｔｅとを乗算することによって、基準線間の横揺れ角φ、即ち、φ＝ΩｒｏｔＴｅを求める。
【００３５】
[0040]  以上の論述は、本開示の例示的な実施形態を開示および説明したに過ぎない。当業者であれば、以下の特許請求の範囲に定める通りの本開示の主旨および範囲から逸脱することなく、このような論述ならびに添付図面および特許請求の範囲から、種々の変更、修正、および変形も行えることは容易に認められよう。
【図１】
2021520487.tif 000009
【図２】
2021520487.tif 000010
【図３】
2021520487.tif 000011
【図４】
2021520487.tif 000012
【図５】
2021520487.tif 000013
【図６】
2021520487.tif 000014
【図７】
2021520487.tif 000015
【図８】
2021520487.tif 000016
【図９】
2021520487.tif 000017
【手続補正書】
【提出日】令和1年8月1日(2019.8.1)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
エレメント上の２点間における横揺れ角を測定する光学システムであって、
レーザ・ビームを生成する調整可能なレーザ源と、
前記レーザ・ビームに応答する螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスであって、当該デバイス内において前記レーザ・ビームを前後に反射させる対向反射面を含み、前記反射面の１つが、異なる位相を有する複数の反射ビームを結合させ、前記複数のビームの位相によって定められた光渦強度パターンを有する、当該デバイスからの、出力ビームとする螺旋状ステップ・インデックスを含み、前記強度パターンが、コアと、前記コアからの放射状光強度線とを含む、螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスと、
前記エレメント上に、前記横揺れ角を判定するために検出可能な前記出力ビームを投射するレンズと、
を備える、光学システム。
【請求項２】
請求項１記載の光学システムであって、更に、
前記エレメントから反射した光を検出する検出器と、
前記検出器からの、前記検出光を識別する、信号に応答するプロセッサと、
を備え、前記プロセッサが、前記エレメント上に投射された前記光渦強度パターンを含む前記信号から、画像を生成し、前記プロセッサが、前記強度線の１本が前記点の内第１のものと整列するように、前記レーザ源に前記レーザ・ビームの周波数を変化させ、次いで前記１本の強度線が前記点の内第２のものと整列するように、前記レーザ源に前記レーザ・ビームの周波数を再度変化させ、前記レーザ・ビームの周波数間の差を使用して、前記点間における角度を判定する、光学システム。
【請求項３】
請求項２記載の光学システムにおいて、前記プロセッサが、
【数１】
2021520487.tif 000018
を使用して、前記横揺れ角を判定し、
ここでφは横揺れ角であり、δｖは前記レーザ・ビームの周波数変化であり、ｖは前記レーザ・ビームの中心周波数であり、Δｈは前記螺旋状ステップ・インデックス反射面の方位方向段差の高さであり、ｈ０は前記ＳＰＰＲデバイスの高さである、光学システム。
【請求項４】
請求項１記載の光学システムにおいて、前記エレメントが回転しており、前記光学システムが、更に、前記エレメントから反射した光を検出する検出器と、前記検出器からの前記検出光を識別する信号に応答するプロセッサとを備え、前記プロセッサが、前記反射光からパワー・スペクトルを計算し、回転ドプラ効果を使用して、前記パワー・スペクトルから前記エレメントの回転速度を判定する、光学システム。
【請求項５】
請求項４記載の光学システムにおいて、前記プロセッサが、
【数２】
2021520487.tif 000019
を使用して、前記エレメントの回転速度を判定し、
ここで、Ωｒｏｔは回転速度、ｆｍｏｄはパワー・スペクトル、βは強度線の本数である、光学システム。
【請求項６】
請求項４記載の光学システムにおいて、前記プロセッサが、前記回転速度を、前記回転速度を判定した時間と乗算することによって、前記点間における横揺れ角を判定する、光学システム。
【請求項７】
請求項１記載の光学システムであって、更に、前記ＳＰＰＲデバイスからのビームを測定ビームと基準ビームとに分割するビーム・スプリッタを備え、前記測定ビームが前記エレメント上に投射され、前記基準ビームが、較正横揺れ角測定値を生成するために、較正検出器上に投射される、光学システム。
【請求項８】
請求項７記載の光学システムにおいて、前記較正検出器がＣＣＤカメラである、光学システム。
【請求項９】
請求項１記載の光学システムにおいて、前記エレメントが、前記レンズから、当該レンズの焦点距離の２倍の距離に位置付けられる、光学システム。
【請求項１０】
請求項１記載の光学システムであって、更に、前記レーザ・ビームに応答し、前記レーザ・ビームが前記ＳＰＰＲデバイスに送られる前に、前記レーザ・ビームをシングル・モード・レーザ・ビームに変換する光学部品を備える、光学システム。
【請求項１１】
請求項１０記載の光学システムにおいて、前記光学部品がシングル・モード・ファイバである、光学システム。
【請求項１２】
請求項１０記載の光学システムにおいて、前記光学部品がアパーチャである、光学システム。
【請求項１３】
請求項１記載の光学システムにおいて、前記エレメントが航空宇宙用部材である、光学システム。
【請求項１４】
請求項１記載の光学システムにおいて、前記２点が前記エレメント上の基準線である、光学システム。
【請求項１５】
エレメント上の２点間における横揺れ角を測定する光学システムであって、
レーザ・ビームを生成する調整可能なレーザ源と、
前記レーザ・ビームに応答し、前記レーザ・ビームをシングル・モード・レーザ・ビームに変換する光学部品と、
前記シングル・モード・レーザ・ビームに応答する螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスであって、前記ＳＰＰＲデバイスが、当該デバイス内において前記レーザ・ビームを前後に反射させる対向反射面を含み、前記反射面の１つが、異なる位相を有する複数の反射ビームを結合させ、前記複数のビームの位相によって定められた光渦強度パターンを有する、当該デバイスからの、出力ビームとする螺旋状ステップ・インデックスを含み、前記強度パターンが、コアと、前記コアからの放射状光強度線とを含む、螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスと、
前記出力ビームを前記エレメント上に投射するレンズと、
前記エレメントから反射した光を検出する測定検出器と、
前記検出器からの前記検出光を識別する信号に応答するプロセッサであって、前記プロセッサが、前記エレメント上に投射された前記光渦強度パターンを含む前記信号から、画像を生成し、前記プロセッサが、前記強度線の１本が前記点の内第１のものと整列するように、前記レーザ源に前記レーザ・ビームの周波数を変化させ、次いで前記１本の強度線が前記点の内第２のものと整列するように、前記レーザ源に前記レーザ・ビームの周波数を再度変化させ、前記レーザ・ビームの周波数間の差を使用して、前記点間における角度を判定する、プロセッサと、
を備える、光学システム。
【請求項１６】
請求項１５記載の光学システムであって、更に、前記ＳＰＰＲデバイスからのビームを測定ビームと基準ビームとに分割するビーム・スプリッタを備え、前記測定ビームが前記エレメント上に投射され、前記基準ビームが、較正横揺れ角測定値を生成するために、較正検出器上に投射される、光学システム。
【請求項１７】
回転エレメントの回転速度および横揺れ角を測定する光学システムであって、
レーザ・ビームを生成する調整可能なレーザ源と、
前記レーザ・ビームに応答し、前記レーザ・ビームをシングル・モード・レーザ・ビームに変換する光学部品と、
前記シングル・モード・レーザ・ビームに応答する螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスであって、前記ＳＰＰＲデバイスが、当該デバイス内において前記レーザ・ビームを前後に反射させる対向反射面を含み、前記反射面の１つが、異なる位相を有する複数の反射ビームを結合させ、前記複数のビームの位相によって定められた光渦強度パターンを有する、当該デバイスからの、出力ビームとする螺旋状ステップ・インデックスを含み、前記強度パターンが、コアと、前記コアからの放射状光強度線とを含む、螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスと、
前記出力ビームを前記エレメント上に投射するレンズと、
前記エレメントから反射した光を検出する測定検出器と、
前記検出器からの前記検出光を識別する信号に応答するプロセッサであって、前記プロセッサが、前記反射光からパワー・スペクトルを計算し、回転ドプラ効果を使用して、前記パワー・スペクトルから前記エレメントの回転速度を判定し、前記回転速度と、前記回転速度を判定した時間とを乗算することによって、前記点間における横揺れ角を判定する、プロセッサと、
を備える、光学システム。
【請求項１８】
請求項１７記載の光学システムであって、更に、前記ＳＰＰＲデバイスからのビームを測定ビームと基準ビームとに分割するビーム・スプリッタを備え、前記測定ビームが前記エレメント上に投射され、前記基準ビームが、較正横揺れ角測定値を生成するために、較正検出器上に投射される、光学システム。
【請求項１９】
エレメント上の２点間における横揺れ角を測定する光学分度器の一部である螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイスであって、前記ＳＰＰＲデバイスが、レーザ・ビームに応答し、前記ＳＰＰＲデバイスが、当該デバイス内において前記レーザ・ビームを前後に反射させる対向反射面を含み、前記反射面の１つが、異なる位相を有する複数の反射ビームを結合させ、前記複数のビームの位相によって定められた光渦強度パターンを有する、当該デバイスからの、出力ビームとする螺旋状ステップ・インデックスを含み、前記強度パターンが、コアと、前記コアからの放射状光強度線とを含み、前記点間における横揺れ角を測定するために前記出力ビームが前記エレメント上に投射される、螺旋位相板共振（ＳＰＰＲ）デバイス。
【国際調査報告】
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2021520487.tif 000022