JP2017501385A - ランダム波長計測器 - Google Patents

Abstract

光を散乱させることでランダム化させ、スペックルパターンを生成するための、複数のランダムに配置された散乱体を有するランダマイザと、前記スペックルパターンを検出して光の少なくとも１つの特性及び／又は光の少なくとも１つの特性における変化を求めるための検出器と、備える光学系。【選択図】図１

Description

本発明は、分光計や干渉計を含む波長計等の光学系、及び波長選択の方法に関する。

時間依存の無秩序媒体又はランダム媒体を通る光の伝播は、一般的に、初期ビームに含まれる全ての情報を破壊する、光フィールドのランダム化工程とみなされている。しかし、固定のランダム媒体を伝播するコヒーレントビームは、確定的なスペックルパターンを生じさせつつ、その空間的・時間的コヒーレンスを維持する。このような作用は、複数の新規な光学装置の設計に利用されており、例えば、計算機ホログラムを用いて焦点を作り出すことや、微粒子を捕捉し、コヒーレントに、プラズモンナノ構造体に向けることに利用されている。

時間依存の無秩序媒体又はランダム媒体に基づく装置の鍵は、光フィールドの情報内容がランダム媒体を透過する際に維持されることにある。このため、固定の波面ランダム化工程は、散乱前の光フィールドの状態を検出するのに用いることができる。

光通信学において、波長計の使用は広く普及している。そのような装置の小型化は非常に有益である。非特許文献１及び非特許文献２に記載されているように、波面のランダム化を引き起こし、分光計として機能させるのに、マルチモードファイバを使用することができる。しかし、隣接する２本のレーザライン間で８ｐｍの分解能を達成するためには、摂動のないファイバを２０ｍ要するところ、現実的には、これを実現することは困難である。また、これとは別に、ランダム媒体の透過マトリクスを用いて、スペクトル分光分析測定を行い得ることも確認されている（非特許文献３参照）。

Ｂ．Ｒｅｄｄｉｎｇ氏、Ｓ．Ｍ．Ｐｏｐｏｆｆ氏、Ｈ．Ｃａｏ氏によるＯｐｔ．Ｅｘｐｒｅｓｓ２１，６５８４（２０１３） Ｂ．Ｒｅｄｄｉｎｇ氏、Ｈ．Ｃａｏ氏によるＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．３７，３３８４（２０１２） Ｔ．Ｗ．Ｋｏｈｌｇｒａｆ−Ｏｗｅｎｓ氏、Ａ．Ｄｏｇａｒｉｕ氏によるＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．３５，２２３６（２０１０）

ラボオンチップ用途においては、小型の一体型波長検出器を要する。これを実現する１つの方法として、特別に設計されたフォトニック結晶からなるスーパープリズム等の周期構造体を介して光を伝播させることが挙げられる。これらの結晶の光分散は、１．５μｍの波長にて、０．４ｎｍの分解能を提供し得る。しかし、これらの装置は面外検出及び自由空間伝播に依存するため、完全に一体型のオンチップ装置ではない。

本発明は、光をランダム化し、スペックルパターンを生じさせるためのランダムに配置された粒子を含むランダマイザと、ランダム化された光を検出、分析し、光の１つ以上の特性を求めるための検出器と、を備える光学系又は機器を提供する。好適には、ランダマイザは透過型である。

光の１つ以上の特性は、波長、偏光状態、コヒーレンス及びビーム形状パラメータから選択することができる。

本発明における光学系又は機器は、波長計、分光器又は干渉計とすることができる。

好適には、ランダマイザは薄層又は薄フィルムを備える。薄層又は薄フィルムの厚さは、１００μｍ未満とすることができ、理想的には５０μｍ未満である。

本発明は、一般化された干渉計として機能し、それぞれの異なる入射ビームにつき、異なるスペックルパターンをもたらす波面混合工程（ｗａｖｅｆｒｏｎｔ ｍｉｘｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ）を提供する。この特性は、例えば、ラゲール・ガウスビームの方位角モードと半径方向モードとを同時に測定するのに用いることができる。偏光状態や波長等の光フィールドにおける他の重要な特性を測定するのに、同様の手法を用いることができる。

ランダマイザは、スペックルパターンの生成を引き起こす、アルミニウム粒子等のランダムに配置された粒子のフィルムの層を備えることができる。

ランダマイザは、ランダムに配置され、マトリクスに懸濁する粒子を含むことができる。マトリクスは、バルク材を含むことができ、また薄い平坦層とすることができる。

ランダマイザは、アルミニウム粒子等のランダムに配置された粒子の層を備ることができる。ランダマイザは、生体物質の層又は片、例えば生体組織片を備えることができる。ランダマイザは、光源からの光路の前方又は該光路上に配置することができる薄いフィルムとして設けることができる。

ランダマイザは、ファブリペロー・キャビティ等の光学キャビティに配置することができる。

ランダマイザは反射型のものとすることができる。ランダマイザは、光を内部反射させ、ランダム化させてスペックルパターンを生成するための中空要素を備えることができる。ランダマイザは、積分球等の中空球体又は中空管を備えることができる。

シングルモード光をランダマイザに透過させるために、シングルモードファイバを備えることができる。こうすることで、ビームサイズ合わせや入射ビーム寸法の問題を回避することができる。

ランダム化された光を分析し、光の波長を求めるのに、主成分分析（ＰＣＡ）を用いることができる。

ランダマイザに入射する光を変化させるために、ランダマイザの前方に、可変光学素子又は装置を設けることができる。可変光学素子又は装置は、光の振幅及び／又は位相を変化させるように動作可能とすることができる。可変光学素子又は装置は、可変形ミラー、液晶空間光変調器等の空間光変調器、及びデジタルマイクロミラーの少なくとも１つを備えることができる。

複数のランダマイザを備えることができる。ランダマイザは、周期的間隔をあけて配置することができる。ランダマイザは、特定の波長で最も効率がよいスペックルパターンを提供するように配置することができる。

本発明の別の態様は、制御可能なレーザ源と、該制御可能なレーザ源からの光をランダム化してスペックルパターンを生成するためのランダマイザと、該スペックルパターンを検出、分析して光の１つ以上の特性を求めるための検出器と、求められた光の１つ以上の特性に基づいて制御可能なレーザ源を制御するためのコントローラと、を備えるレーザを提供する。

好適には、ランダマイザは、光を散乱させることでランダム化させ、スペックルパターンを生成するための、複数のランダムに配置された散乱体を備える。ランダマイザは、ランダムに配置された粒子の薄層又は薄フィルムを備えることができる。ランダマイザは、ランダムに配置された粒子が懸濁されたマトリクスを備えることができる。ランダマイザは、バルク材を備えることができる。

ランダマイザは、反射型のものとすることができる。ランダマイザは、光を内部反射させ、ランダム化させてスペックルパターンを生成するための中空要素を備えることができる。ランダマイザは、積分球等の中空球体又は中空管を備えることができる。

本発明のさらに別の態様は、制御可能なレーザ源の出力を安定させるためのレーザ安定システムであって、制御可能なレーザ源からの光をランダム化してスペックルパターンを生成するためのランダマイザと、スペックルパターンを検出、分析して光の１つ以上の特性を求めるための検出器と、求められた光の１つ以上の特性に基づいて制御可能なレーザ源を制御するためのコントローラと、を備えるレーザ安定システムを提供する。好適には、ランダマイザは、光を散乱させることでランダム化させ、スペックルパターンを生成するための、複数のランダムに配置された散乱体を備える。ランダマイザは、ランダムに配置された粒子の薄層又は薄フィルムを備えることができる。ランダマイザは、ランダムに配置された粒子が懸濁されたマトリクスを備えることができる。ランダマイザは、バルク材を備えることができる。

複数の検出器を備えることができ、スペックルパターンの少なくとも一部は、該複数の検出器に入射する。スペックルパターンの異なる部分は、異なる検出器に入射してもよい。光の異なる特性を求めるのに、異なる検出器を動作可能とすることができる。光の異なる特性を同時に求めるのに、異なる検出器を動作可能とすることができる。

本発明のさらに別の態様は、光をランダム化してスペックルパターンを生成するためのランダマイザと、スペックルパターンを検出、分析して光の１つ以上の特性を求めるための少なくとも１つの検出器と、ランダマイザに入射する光を変化させるために、ランダマイザの前方に配置された可変光学素子又は装置と、を備える光学系を提供する。可変光学素子又は装置は、光の振幅及び／又は位相を変化するように動作可能とすることができる。可変光学素子又は装置は、可変形ミラー、液晶空間光変調器等の空間光変調器、及びデジタルマイクロミラーのうち少なくとも１つを備えることができる。複数の検出器、及びスペックルパターンを該複数の検出器に案内又は偏向させるための手段を備えることができる。案内又は偏向の手段は、スペックルパターンの異なる部分を異なる検出器に案内するように動作可能とすることができる。案内又は偏向の手段は、１つ以上の光学装置又は素子を備えることができる。例えば、案内又は偏向の手段は、可変形ミラー、空間光変調器、デジタルマイクロミラー等の制御可能なビーム整形装置を備えることができる。

本発明のさらに別の態様は、光をランダム化してスペックルパターンを生成するためのランダマイザと、スペックルパターンを検出、分析して光の１つ以上の特性を求めるための複数の検出器と、スペックルパターンを該複数の検出器に案内又は偏向させるための手段と、を備える光学系を提供する。案内又は偏向の手段は、スペックルパターンの異なる部分を、異なる検出器に案内するように動作可能とすることができる。案内又は偏向の手段は、１つ以上の光学装置又は素子を備えることができる。例えば、案内又は偏向の手段は、可変形ミラー、空間光変調器、デジタルマイクロミラー等の制御可能なビームの整形装置を備えることができる。ランダマイザに入射する光を変化させるために、可変光学素子又は装置をランダマイザの前方に備えることができる。

極めて簡単な、細いディフュ―ザの散乱性を用いて、単色ビームの波長を、ピコメートル精度で検出することができる。この手法は、ランダム化媒体の周辺に配置した光学キャビティの使用による、さらなる高分解能化にまで広げることができる。これにより、超小型分光計及びスペックルフィールドの分析に基づいた新たなレーザ／ビーム安定化方法が可能となる。

スペックルパターン分光計（ｓｐｅｃｋｌｅ ｐａｔｔｅｒｎ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）の概略図である。 図２（ａ）は、７８５．１ｎｍから７８５．６ｎｍの間で変動するレーザ波長の関数として、検出されたスペックルパターンのＰＣＡ分解を示す図である。図２（ｂ）は、７８５．２３４ｎｍにて観察されたファーフィールドのスペックルパターンの一例を示す図である。図２（ｃ）〜（ｄ）は、スペックルパターンによって検出し得る最初の３つの自由度に対応する最初の３つの主成分ＰＣ_１，ＰＣ_２及びＰＣ_３を示す図である。 アルミナの場合における、測定波長の誤差分布を示す図である。 ファブリペロー・キャビティ内におけるランダムディフューザのスペックルパターンの変動に関する見本を示す図である。 レーザパラメータを制御するのにスペックルパターン検出を用いるレーザ安定システムの模式図である。 積分球を含む波長分光計の模式図である。 波長分光計の、管を基礎とするアセンブリの模式図である。 スペックルパターン分光計の操作における様々な段階の模式図である。 別のレーザ安定システムの模式図である。 第１の方法を用いたレーザシステムの高分解能訓練及び高分解能検証を示す図である。 第２の方法を用いたレーザシステムの高分解能訓練及び高分解能検証を示す図である。

本発明のあらゆる態様について、単に例として、添付図面を参照しながら説明する。本発明では、コヒーレント光からスペックルパターンを生成するのにランダム散乱体（ｒａｎｄｏｍ ｓｃａｔｔｅｒｅｒｓ）を使用し、波長、偏光状態、及びコヒーレンス等の光の特性を測定する。ランダム散乱体を通過した光は、主成分分析によって分析される。散乱体通過前のコヒーレントビームは、多くのビームレットの重ね合わせに見える場合がある。ランダム散乱体を介した伝播の後、変化した方向、スポットサイズ、及び相対的位相をそれぞれ有するビームレット成分間で、干渉パターンが観察される。

図１は、波長可変光をシングルモードファイバに出力する波長可変レーザ光源を有する分光計を示す。ファイバから放出された光は、スペックルパターンを形成する透過型のランダマイザに入射する。ランダマイザを通過した光はＣＣＤカメラ（Ｐｉｋｅ、アライドビジョンテクノロジー社、ピクセルサイズ：７．４μｍ×７．４μｍ）に入射する。検出器にて検出されたスペックルパターンは波長依存型であり、光源からの光の波長を求めるのに用いることができる。

図１の分光計をテストするのに２つの光源、すなわち、波長可変の、線幅の狭いリットマン・キャビティ・ダイオード・レーザシステム（Ｓａｃｈｅｒ Ｌａｓｅｒｔｅｃｈｎｉｋ社、７８５ｎｍ、線幅＜１ＭＨｚ、ＴＥＣ−５１０−０７８０−１００）及びチタンサファイアレーザ（Ｓｐｅｃｔｒａ−Ｐｈｙｓｉｃｓ社、線幅０．５ＧＨｚ、波長可変７００ｎｍ１０００ｎｍ、型３９００Ｓ）を用いた。各波長可変のレーザ光の独立較正には、ＨｉｇｈＦｉｎｅｓｓｅ／Ａｎｇｓｔｒｏｍ社製のＷＳ７超精密波長計を用いた。ダイオードレーザ源は狭波長領域の調査（約０．５ｎｍ）に用いられ、チタンサファイアレーザ源は、より大きな波長領域での検査を可能とした。レーザ調整の際のレーザビーム変動を排除するために、いずれのレーザビームも、その出力をシングルモードファイバに結合することで、フィルタリングされた。

ランダマイザについては、２つの異なる形状を検討した。第１のアプローチにおいて、ランダムなアルミニウム粒子の薄層を用いた。この層は、ガラス基板にのせた、平均粒径５μｍのアルミナ粒子と脱イオン水とからなる市販の溶液の小滴（約５μｌ）を用いて形成した。厚さ１６０μｍのスライドガラスを、超音波槽にてアセトン及びイソプロパノールに５分間浸漬して洗浄した後、１００Ｗにて酸素系プラズマアッシングを行った。乾燥する滴の表面（図１（ａ）（ｂ）参照）がカールすることを最小限に抑えるため、脱イオン水を緩やかに蒸発させるよう注意が払われた。乾燥される滴は、厚さ４０μｍ±１０μｍとなるように測定した。第２のアプローチにおいて、ランダム化されたファブリペロー・キャビティを作成するのに、ランダムディフュ―ザが挿入された、２枚の高反射レーザキャビティミラーを用いた。

所定のスペックルパターンに対応する波長を求めるのに、ランダム波長計を較正する必要がある。較正は、検出する各波長のスペックルパターンを記録することにより行う。より正確には、パターンの数Ｎを測定し、ここで各スペックルパターンはＣＣＤカメラによって測定された強度に対応する２次元配列によって定義する。こうすることで、カメラによって測定された強度に対応する、高次の配列Ａ_ｉｊｋが得られ、ここで下付きのｉ及びｊはカメラのピクセル座標であり、ｋは異なる測定値を区別する指数である。これらの異なる測定値は、異なる波長λ、又は同一の波長を有するが光学系の変動をプロービングする多重露光に対応する。図２（ｂ）は、実験の較正部において用いられたスペックルパターンの例を示す。

較正が完了した後、異なるスペックルパターン間の最大のばらつきを、多変量主成分分析（ＰＣＡ）により測定した。第１段階において、測定された全ての画像から平均スペックル画像が差し引かれる。すなわち、Ａ＾_ｉｊｋ＝Ａ_ｉｊｋ−＜Ａ＞_ｉｊであり、＜・＞は指数ｋの平均を表す。強度配列のピクセル座標部分は平坦化される（例えば、２×画像は、ピクセル（１，１）を１、ピクセル（１，２）を２、ピクセル（２，１）を３、そしてピクセル（２，２）を４として、それぞれ平坦化される）。この平坦化工程が、高次の配列を通常の配列ａ_ｍｋ＝Ａ＾_ｉｊｋに変換し、ここで指数ｍ＝１．．Ｎは、（ｉ，ｊ）の組から線形指数ｍへの一意のマッピングに対応する。主成分は、行列Ｍ＝ａａ^Ｔの固有ベクトルを計算することによって得られ、ここで、上付のＴは行列転置を表す。共分散行列ＭはＮ×Ｎの大きさを有する。各固有ベクトルはＮ要素を有し、線形指数ｍを組の指数（ｉ，ｊ）に変換することで、画像形式で書き直すことができる。最大の固有値を有する固有ベクトルを第１主成分、２番目に大きな固有値を有する固有ベクトルを第２主成分と称し、以下同様である。

固有値の分布により、波長が変化するにつれてスペックルパターンがアクセスできる自由度を求めることができる。この数値を計算する１つの方法は、合計が９０パーセントとなる固有値の数又は全ての固有値の合計と類似の閾値を求めることである。この数が大きいほど、所定の波長変動のスペックルパターンの変動性も大きい。ランダム分光計の波長分解能が高いほど、自由度が大きい。

主成分を求めることにより、主成分空間におけるスペックルパターンの抽出が可能となる。測定された各スペックルパターンは、静止背景（平均スペックルパターン）及び大部分の変形をなす少数の主成分の加重和に分解することができる。図２（ｃ）、（ｄ）は、スペックルパターンによって検出し得る最初の３つの自由度に対応する最初の３つの主成分ＰＣ１、ＰＣ２及びＰＣ３を示す図である。これら３つのパターンは互いに類似している。しかし、その固有ベクトルの原点が原因でこれらのパターンは互いに直交しており、それぞれが個別の自由度に対応している。実際、作図によれば、行列Ｍは、半正定値対称行列であり、その固有ベクトルは互いに直交する。

分解後、各スペックルパターンは、主成分空間におけるポイントの座標に対応する少数の振幅によって表すことができる。ここで、各パターンを表すのに、最初の８つの主成分が用いられている。図２は、アルミナランダマイザを用いて、直接照明によって実験的に測定した波長を示す。図２（ａ）は、７８５．１ｎｍから７８５．６ｎｍの間で変動するレーザ波長の関数としての、検出されたスペックルパターンのＰＣＡ分解を示す。図２（ｂ）は、７８５．２３４ｎｍにて観察したファーフィールドスペックルパターンの例を示す。

図２(ａ)は、波長が０．５ｎｍの範囲で変動する際の、スペックルパターンによる、主成分空間におけるパラメトリック曲線（部分空間は最初の３つの主成分によって規定）を示す。ここで、パラメトリック曲線は、波長の関数として、一定の長さ変化を有しない。この効果は、本発明のアプローチにおける波長分解能の均一性に対して、悪影響をもたらす。図２(ａ)には、分解の最初の３つの主成分のみが示されている。図２（ｃ）から（ｅ）は、分解において使用した最初の３つの主成分を示す。各スペックルパターンにつき、さらに５つの分解係数がある。全８つの主成分分解係数を考慮に入れることで、上記効果が大幅に低減され、主成分分析法がいかにして高分解能を提供するかが明らかになる。

波長計を較正した後、未確認の波長のスペックルパターンが記録される。このパターンは、事前に較正された主成分空間にて分解される。波長は、例えば、ニアレストネイバー法、マハラノビス距離法、又は線形回帰分類法（ｌｉｎｅａｒ ｒｅｇｒｅｓｓｉｏｎ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｍｅｔｈｏｄ）を用いて確立することができる。検出された波長が較正集合の一部の場合には、これらの分類方法はいずれも完璧な結果（誤差なし）をもたらす。

図３は、直接照明下のアルミナ滴の場合における測定波長の誤差分布を示す。棒グラフにおいて、ＰＬＳ回帰の誤差分布（棒グラフ）及びニアレストネイバー分類の誤差分布（赤い曲線）を示す。ＰＬＳ回帰では１３ｐｍの標準誤差偏差があった。ニアレストネイバー分類では誤差は生じなかった。この完璧な結果は、波長分類におけるアプローチを検討することで理解することができる。実際、スペックルパターンの訓練事例集合に用いられるステップサイズよりも小さなスペックルパターン変動においては、分類によるアプローチは、常に一切の誤差なく、基準となる分類の波長を提供する。

主成分空間におけるパラメトリック曲線が滑らかで、連続しており、局部線形の場合には、主成分空間において、例えばＰＬＳ回帰を用いて未確認波長を測定することも可能である。ＰＬＳ回帰は、未確認波長が較正集合の一部とは限らない場合に、波長を検出し、その標準誤差偏差を求めるのに用いる。図３は、誤差の標準偏差が約１３ｐｍであることを示す。これは、各訓練ステップ間の直線変化から局所的に小さな偏差をもたらす、訓練事例集合におけるより小さな波長ステップを検討することにより、向上させることができる。

光フィードバック機構を備えることにより、ランダマイザの感度を向上させる手段がある。これは、ランダムな散乱媒体をファブリペロー・キャビティに埋め込むことで実現できる。２つの装置の主な違いは、ファブリペローベースの装置を介した、はるかに低い透過強度及びその結果生じるＣＣＤ検出器の露出時間の増加の必要性にある。この特定のファブリペロー・キャビティを用いた場合には、分解能の向上は観察されなかった。

図４は、周期数を増加させた、すなわち反射率を増大させた、２つの分布ブラッグ反射器からなるファブリペロー・キャビティ内のランダムディフュ―ザのスペックルパターンの変動の見本を示す。異なる色は、異なる入射波長に対応する。図４は、この構成の潜在的な利点、すなわちキャビティによるフィードバックの提供に伴い、スペックルパターン対波長の変化の変動が増加することを示す。この改善は、究極的には伝達効率の低減により制限されている。

訓練方法を一般化し、単一パラメータの検出の他、複数のパラメータを同時に測定するようにすることができる。これには、ビーム形状パラメータのみならず、偏光状態及び複数の同時の波長のパラメータも含む。後者は、小型の特定用途の分光計の構築を可能にする。また、複数のビームパラメータにおける変化の同時検出により、いずれも光学ビームの透過に影響のある複数の光学現象についての見通しが得られる。これらのパラメータの微小な変化は、ランダムディフュ―ザにおける複数の散乱によって増幅され、高感度で検出され得る。

図１の光学系が単一のランダマイザを示すところ、このようなランダマイザを複数備えることもできる。複数備えることは、特定の波長にて感度を向上するのに役立つ。各層の位置は、特定の波長にて最も効率的な干渉パターンを提供するように選択される。実際、複数の層は１方向に周期的であり、２方向にランダムであって、そのため、１方向にフォトニック結晶として、他の２方向にランダム散乱体として作用する。

本発明の光学系の感度、コントラスト、及び精度は、光フィールドの振幅又は位相を制御することができる少なくとも１つの制御可能装置の使用を通じて調節し得る。かかる制御可能装置には、可変形ミラー、液晶空間光変調器、及びデジタルマイクロミラーが含まれる。制御可能装置はランダマイザの入力に配置されている。かかる装置を用いながら、同一のビームから複数のパターンを生成することができる。これにより、同時に測定することができる情報量が増加する。

本発明は、波長の検出のみならず、適切な訓練を用いることで、入射ビームの偏光状態及び／又は形状の検出に使用することができる点で包括的なものである。このため、ランダム分光計が訓練されている自由度を制限することが重要である。ここで、シングルモードファイバ（ＳＭＦ）は、光学系を、単一の可変の波長を制限するのに用いられてきた。実際、ＳＭＦは、モノクロメータにおける入力スリットとして機能し、モノクロメータにおける出力において、波長の変化のみが強度変化を生成することを確実にする。しかし、ＳＭＦをマルチモードファイバ又はピンホールで置き換えると、スペックルパターンの波長の可変性に、ビーム形状による変化が加わることになる。

本発明に従い単純ランダム媒体を用いることで、ピコメートル分解能を有する波長計が得られ、この無秩序媒体を介した光透過と関連する大きな自由度が利用される。波長計を実装することにより、１３ｐｍの分解能及び１０ｎｍの帯域幅が、８００ｎｍの波長で実現された。このコンセプトは、キャビティ内のランダム媒体に広げることができる。そうすることで、透過強度の犠牲の下、波長計の波長感度を向上させることができる。このコンセプトは、専用分光計の開発及びレーザ安定のための使用に広げることができる。

図５は、レーザ特性を安定させるのにスペックルパターン検出を用いるレーザ安定システムを示す。このシステムは、レーザやＬＥＤ等のコンピュータ制御された光源を有し、この光源は、光路に沿って出力ビームを放出し、スペックルパターンを生成するように構成された透過型のランダマイザを通過させる。ランダマイザの出力には、スペックルパターンを検出するために検出器が設けられており、これにより出力ビームの１つ以上の特性が求められる。求められた特性に関するデータは、レーザのコンピュータ制御システムにフィードバックされ、該システムがレーザの１つ以上の動作パラメータを変化させて所望の出力を実現する。例えば、イントラ／エクストラキャビティの格子を変化させることができ、同様に、キャビティ長さ、動作温度及びポンプ電流も変化させることができる。実際、任意の制御可能な動作パラメータを、検出器からのフィードバックに基づき、所望の出力が実現されるまで、変化させることができる。

場合によって、データ取得速度が重要なのであれば、主成分分析の一部を光領域にて実現できる。このために、可変形ミラー、空間光変調器、デジタルマイクロミラー等の制御可能なビーム整形装置が、ランダマイザの出力に配置されている。制御可能なビーム整形装置は、その後、スペックルパターンの特定部分を異なる検出器に方向付けるように構成される。これらの新たなビームの強度は、主成分と対応する。検出器は、単一の光検出器、４分割光検出器、バランス型検出器、又はこれらの検出器を１つ以上含む配列とすることができる。複数の検出器に対して光電流を加算し、又は減算し、適切な補正係数を適用することで、高速なデータ取得のための主成分係数が得られる。これは、フィードバックループを実行するのに典型的に必要とされ、同様に、図５のレーザ安定システムにも必要とされる。

図６は、ランダマイザの別の例を示す。この例は、レーザ光を積分球に照射するためのファイバと、該積分球によって生成されたスペックルパターンを捕捉するためのカメラと、を有する。ファイバはシングルモードファイバであり、このシングルモードファイバは波長の変化がビーム形状に影響を及ぼさないことを確実にする。積分球は、低損失で、入力光フィールドの空間ランダム化をもたらすように構成されている。

積分球は、その内面に、関心波長にて反射性が高い被膜を有する。被膜は、上述した細いディフュ―ザと似た態様で光を拡散するが、これを反射によって行う。光は、最終的に出力ポートにて、カメラ又は検出器の配列によって検出されるまで、球の中で前後に反射する。球の中には、入力ポートと出力ポートとの間の直接の光路を遮るために、複数の被膜付バッフル（図示なし）が設けられている。球の素材は、小さな温度のばらつきの結果として光学的特性を変化させることがないように、高い熱安定性を有することが理想的である。球は、熱電ペルチェ素子等を用いることによっても、温度について安定させることができる。さらに、温度の安定は、恒温液体槽にて積分球を冷却することによっても実現できる。積分球の内面は、高い拡散反射率を確保するように処理されている。積分球の撮像部は、積分球の出力ポートに対応する。このポートには、これ以上の光学部品は不要であるが、スペックルパターンを拡大又は縮小するのに１つ以上の光学素子を使用することもできる。

測定又は安定されることとなるレーザビームは、シングルモードファイバに光学的に結合されている。シングルモードファイバから出る光は、そのビームプロファイルを、波長の変化に伴い変化させない。ファイバからの出力光は、積分球の入力ポートを照らすのに用いられる。積分球は、非常に波長センシティブなスペックルパターンを生成する。このことは、出力ポート及びカメラに到達する前に、フィールドが生成する、球の中の多くの拡散反射を通して実現される。実際、カメラは、光が球の中でたどる多くの経路の間の干渉によって生成されるスペックルパターンを測定する。球の中での連続する拡散反射の間の距離が大きければ、このスペックルパターンは小さな波長変化に対して高い感度を有している。一般に、スペックル波長分解能／感度は、スペックル生成装置の中の光路の長さに比例する。

図７は、中空の反射型ランダマイザの別の例を示す。この場合には、ランダマイザは、低損失高安定光学装置を作り出すための、複数の平行なディフュ―ザ（例えば、前述したようなディフュ―ザ）を内部に備えた反射筒である。図７は２つのディフュ―ザを示すが、より多くのディフュ―ザを用いて、カスケード接続された連なりを形成してもよいことが理解されるであろう。任意で、筒の内面を、積分球において記載したような反射性の高い拡散性材料によって被覆することができる。前述したように、レーザ光を反射型ランダマイザに照射するのにファイバが用いられ、反射型ランダマイザによって生成されたスペックルパターンを捕捉するのにカメラが備えられている。ファイバは、シングルモードファイバであり、このシングルモードファイバは波長の変化がビーム形状に影響を及ぼさないことを確実にする。筒ランダマイザは、低損失で、安定性の高い入力光フィールドの空間ランダム化をもたらすように構成されている。

図６及び７に示す例においては、カメラを検出器として用いる。しかし、任意の適切な検出器、例えば、４分割フォトダイオード（ＱＰＤ）検出器の配列のような検出器の配列を使用することもできる。また、球や筒等の中空のリフレクタの形状及び大きさは、異なる波長感度及び耐環境安定度（温度等）を実現するように、変化又は設計することができる。

図８は、波長が周期的に変調されたレーザビームの平均波長変化を測定するための方法を示す。前半期間は主成分方法を用いてスペックルパターンを訓練（較正）するのに用いられ、その後の後半期間は訓練を検証（ダブルチェック）するのに用いられる。この場合において、較正工程及び検証工程では、スペックルパターンを較正するのに用いることができる確かな波長測定のために、外部の波長計を要する。検証工程においては、外部の波長計は、スペックル波長計によって検出された波長を検証するのに用いられる。左の図は、スペックル分光計によって検出された波長によりスーパーインポーズされた標準波長計によって測定された時間の関数としての波長の変化を示す。右の図は、レーザビーム、ランダマイザ、カメラ及び検出されたスペックルパターンによって構成される機構の構成図を示す。図８の下部は、主成分訓練のアプローチを示す。４つのパネルは、検出されたスペックルパターンの主成分への投影と対応する。これらは順に、第１主成分対第２主成分、第１主成分対第３主成分、第２主成分対第３主成分、そして第２主成分対第４主成分である。

図８に記載の方法は、較正にあたり、外部の波長計の使用を要する。別のアプローチにおいて、外部の波長計の必要性を回避することができる。この場合、１つ以上の光学要素は、レーザ出力、例えば波長に周期的な振動を起こすような態様で、変化させられる。これらの周期的な振動は、最初のいくつかの主成分における周期的な振動として検出することができる。振動振幅を知ることは、事前の較正なしにフィードバックループを生成するのに用いることができる相対波長変化の測定及び検出を可能にする。このアプローチは、高周波の周期的波長振動を観察することにより熱ドリフトの効果を最少化するのに用いることができる。波長変調の周波数が熱揺らぎの帯域幅よりも大きいと、スペックルパターン生成装置の熱ドリフトのあらゆる妨害を回避し得る短い時間で、レーザビームの波長ドリフトを測定することができる。

図９は、本発明に係る波長安定システムを備えたレーザを示す。これは、２つのリフレクタで画定されたレーザキャビティを備えており、リフレクタの１つは一定程度の光の出力を提供する。キャビティ内には、利得媒体と、イントラキャビティ素子とが備えられている。レーザの出力には、スペックルパターン波長計が備えられている。図示の例において、スペックルパターン波長計は、積分球と、コントローラに接続されたカメラ／検出器と、を備える。しかし、本明細書に記載した、他のいずれのスペックルパターン波長計を使用してもよい。コントローラは、第１ミラー、利得媒体、及びイントラキャビティ素子に接続されている。これら３つの要素はそれぞれコントローラによって制御し、レーザ出力における波長を変化させることができる。それ故、レーザ出力は複数のチャネルを介して影響を受け得る。ミラーの位置を変化させることで、キャビティ長さを変化させることができる。利得材料に対して印加する電位を変化させることで、レーザ利得を変化させることができる。フィルタやビーム整形器のようなイントラキャビティの能動素子を変化させること、例えばそれらを光路の内外に移動させることによってもまたレーザ出力を変化させることができる。これらのレーザ制御チャネルはそれぞれレーザビーム特性に変化を作り出すのに用いることができ、この変化はランダマイザの後、変化するスペックルパターンとして検出することができる。

図９のシステムは、外部の波長計を用いることなく、相対波長変化を補うように較正することができる。例として、レーザを制御する入力チャネルは、既知の高周波（上述の熱ノイズ）にて変調することができる。各チャネルは、異なる周波数で変調することができる。その後、各変調周波数におけるスペックルパターンの変化が求められる。これらの変化は、主成分分析や特異値分解のようなリアルタイムの多変量解析を用いて求めることができる。これらの振動を観察することでレーザシステムにおけるあらゆるドリフトを検出することができる。その後、これらはレーザ制御チャネルを介して打ち消すことができる。

図１０及び図１１は、２つのアプローチによる結果を示す。図１０は、１０ｐｍで分解する外部の波長計を用いた高分解能の訓練及び検証を示す。図１０において、左の図は訓練のデータであり、右の図は検証のデータである。図１１は、第２のアプローチ、すなわち関連特性を用いて、較正のための外部の波長計の必要性を回避したアプローチを用いた高分解能の訓練及び検証を示す。図１１において、訓練のデータは上の図表に示されている。訓練は特異値分解を用いて継続的に行われる。これは、新たなスペックルパターンを取得するにつれ、訓練が古いスペックルパターンを徐々に忘却していくことを意味する。検証のデータは図１１の下の図表に示されている。ここで、分解能は２０ＭＨｚ（約０．１ｐｍ）であり、レーザ変調振幅によって制限されている。

レーザにおいて、レーザキャビティ内の能動利得媒体の光学特性は温度に強く依存する。通常、利得媒体は、例えば熱電対を用いて利得媒体の温度を測定するサーモスタットの使用を通じて温度安定化される。本発明に従い、スペックルパターンの変化を観察することで、利得材料の温度変化による出力への影響を観察することができ、例えば駆動電流を変化させること等によって、利得媒体の光学特性を直接安定化するのにフィードバックループを用いることができる。

レーザを安定させるための使用に加えて、本発明は光センサ等の他の光学要素を安定させるのに用いることができる。具体的には、本発明のスペックルパターンは、温度に依存する出力を有する光学要素を安定化、制御又は観察するのに用いることができる。温度依存性は、熱膨張、熱収縮、及び温度による屈折率変化に起因するものことが考えられる。実際には、これらの変化の一部は微細なものである。しかし、スペックルパターンの変化は、これらの微細な変化を検出し、光学系における温度変化を測定するのに用いることができる。この温度変化は、その後、観察するか、温度に影響を与える１つ以上のパラメータを制御するように構成されたフィードバックループにて用いることができる。温度依存の光学変化は、波長の変化にのみ関連するものではない場合もあり、ビームの形状及び偏光状態も変化し得る。この場合、スペックルパターン装置は、波長の変化のみを検出するときに用いられる、入力に備えられたシングルモードファイバを含まない。

上述した全ての例において、検出器は、スペックルパターンを分析し、光の１つ以上のパラメータ及び／又はそのようなパラメータにおける変化を求めるためにプロセッサ又はアナライザを備えることができる。あるいは、プロセッサ又はアナライザは、全ての検出素子とは別に設けることができる。また、全ての場合において、複数の検出器又は検出器の配列を備えることができ、スペックルパターンの少なくとも一部は複数の検出器に入射するようにすることができる。スペックルパターンの異なる部分は異なる検出器に入射するようにすることができる。光の異なる特性を求めるのに、異なる検出器を動作可能とすることができる。光の異なる特性を同時に求めるのに、異なる検出器を動作可能とすることができる。

本発明は高分解能の、高感度スペックルパターン波長計を提供する。これにより、任意に選択された波長におけるレーザ波長の固定が可能となる。さらに、連続波における超安定光源及びレーザ装置のパルス動作方法が可能となる。レーザ装置の一時的な、スペクトルの、空間的な振幅変動を打ち消すことができるからである。また、特徴づけられたスペックルパターンは、画像処理用途の構造化照明の「ダイヤルオンデマンド」スペックルパターンとして用いることができる。

当業者であれば、本発明の範囲を逸脱することなく、本明細書に記載した構成を変形し得ることを理解するであろう。例えば、分析技術については主成分分析に基づいて記載されているが、他のパターン検出方法も用い得ることが理解されるであろう。また、具体的な実施例においては、ランダム化された入力ビームをフィルタリングするのに、シングルモードファイバを使用するものの、これは必須ではない。波長に影響を受けやすいのに加えて、スペックルパターンはビーム形状及び光フィールドの偏光状態にも影響を受けやすい。これらのパラメータの情報が必要な場合には、シングルモードファイバを使用しない。従って、具体的な実施例についての上記記載は、例としてのみ記載されたものであり、限定目的のものではない。当業者にとっては、記載された操作を大きく変更することなく、軽度の修正を加え得ることは明らかである。

Claims (48)

1. 光を散乱させることでランダム化させ、スペックルパターンを生成するための、複数のランダムに配置された散乱体を有するランダマイザと、前記スペックルパターンを検出して光の少なくとも１つの特性及び／又は光の少なくとも１つの特性における変化を求めるための検出器と、備える光学系。
2. 前記１つ以上の特性は、光の波長、光の偏光、及び空間モードのうち１つ以上を含む、請求項１に記載の光学系。
3. 前記ランダマイザは、アルミニウム粒子等のランダムに配置された粒子を備える、請求項１又は２に記載の光学系。
4. 前記ランダマイザは、薄フィルム又は薄層にランダムに配置された粒子を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の光学系。
5. 前記ランダマイザは、ランダムに配置され、マトリクスに懸濁する粒子を備える、請求項１から４のいずれか一項に記載の光学系。
6. 前記ランダマイザは、ランダムに配置された散乱体を含む生体物質を備える、請求項１から５のいずれか一項に記載の光学系。
7. 前記生体物質は生体組織を含む、請求項６に記載の光学系。
8. 前記ランダマイザは光学キャビティ内にある、請求項１から７のいずれか一項に記載の光学系。
9. 前記光学キャビティはファブリペロー・キャビティである、請求項８に記載の光学系。
10. シングルモード光を前記ランダマイザに透過させるためのシングルモードファイバを備える、請求項１から９のいずれか一項に記載の光学系。
11. 前記検出器は、ランダム化された光を分析し、光の波長を求めるのに、主成分分析（ＰＣＡ）を用いるように構成されている、請求項１から１０のいずれか一項に記載の光学系。
12. 前記ランダマイザは、１００μｍ未満、好適には５０μｍ未満のフィルムの層を備える、請求項１から１１のいずれか一項に記載の光学系。
13. 前記ランダマイザは透過型である、請求項１から１２のいずれか一項に記載の光学系。
14. 前記ランダマイザは反射型である、請求項１から１３のいずれか一項に記載の光学系。
15. 前記ランダマイザは、光を内部反射させ、ランダム化させてスペックルパターンを生成するための中空要素を備える、請求項１４に記載の光学系。
16. 前記ランダマイザは積分球等の中空球体又は中空管を備える、請求項１５に記載の光学系。
17. 前記ランダマイザに入射する光を変化させるために、前記ランダマイザの前方に配置された可変光学素子又は装置をさらに備える、請求項１から１６のいずれか一項に記載の光学系。
18. 前記可変光学素子又は装置は、光の振幅及び／又は位相を変化するように動作可能である、請求項１７に記載の光学系。
19. 前記可変光学素子又は装置は、可変形ミラー、液晶空間光変調器等の空間光変調器、及びデジタルマイクロミラーの少なくとも１つを備える、請求項１７又は１８に記載の光学系。
20. 複数の検出器、及びスペックルパターンを前記複数の検出器に案内するための手段を備える、請求項１から１９のいずれか一項に記載の光学系。
21. 前記案内の手段は、スペックルパターンの異なる部分を異なる検出器に案内するように動作可能である、請求項２０に記載の光学系。
22. 前記案内の手段は、可変形ミラー、空間光変調器、デジタルマイクロミラー等の制御可能なビーム整形装置を備える、請求項２０又は２１に記載の光学系。
23. 波長計、分光器又は干渉計として構成された、請求項１から２２のいずれか一項に記載の光学系。
24. 複数のランダマイザを備える、請求項１から２３のいずれか一項に記載の光学系。
25. レーザを備え、時間の関数としてスペックルパターンを観察することで、レーザ出力における変化を観察するように適応させた、請求項１から２４のいずれか一項に記載の光学系。
26. 制御可能なレーザ源と、該制御可能なレーザ源からの光をランダム化してスペックルパターンを生成するためのランダマイザと、前記スペックルパターンを検出して光の１つ以上の特性及び／又は光の１つ以上の特性における変化を求めるための検出器と、求められた光の１つ以上の特性及び／又は光の１つ以上の特性における変化に基づいて制御可能なレーザ源を制御するためのコントローラと、を備えるレーザ。
27. 前記ランダマイザは、光を散乱させることでランダム化させ、スペックルパターンを生成するための、複数のランダムに配置された散乱体を備える、請求項２６に記載のレーザ。
28. 前記ランダマイザは透過型である、請求項２６又は２７に記載のレーザ。
29. 前記ランダマイザは反射型である、請求項２６から２８のいずれか一項に記載のレーザ。
30. 前記ランダマイザは、光を内部反射させ、ランダム化させてスペックルパターンを生成するための中空要素を備える、請求項２９に記載のレーザ。
31. 前記ランダマイザは積分球等の中空球体又は中空管を備える、請求項３０に記載のレーザ。
32. 前記コントローラは、レーザキャビティ及びレーザ利得媒体の長さのうち少なくとも一方を制御又は変化するように動作可能である、請求項２６から３１のいずれか一項に記載のレーザ。
33. 前記コントローラは、イントラキャビティ素子の少なくとも１つの特性を制御又は変化するように動作可能である、請求項２６から３２のいずれか一項に記載のレーザ。
34. 制御可能な光源又はレーザ源の出力を安定させるためのレーザ安定システムであって、前記制御可能な光源又はレーザ源からの光をランダム化してスペックルパターンを生成するためのランダマイザと、スペックルパターンを検出して光の１つ以上の特性及び／又は光の１つ以上の特性における変化を求めるための検出器と、求められた光の１つ以上の特性及び／又は光の１つ以上の特性における変化に基づいて制御可能なレーザ源を制御するためのコントローラと、を備えるレーザ安定システム。
35. 複数の検出器を備え、スペックルパターンの少なくとも一部は、前記複数の検出器に入射する、請求項３４に記載のシステム。
36. スペックルパターンの異なる部分は異なる検出器に入射する、請求項３５に記載のシステム。
37. 光の異なる特性を求めるのに、異なる検出器が動作可能である、請求項３５又は３６に記載のシステム。
38. 光の異なる特性を同時に求めるのに、異なる検出器が動作可能である、請求項３７に記載のシステム。
39. 光をランダム化してスペックルパターンを生成するためのランダマイザと、スペックルパターンを検出して光の１つ以上の特性を求めるための少なくとも１つの検出器と、ランダマイザに入射する光を変化させるために、ランダマイザの前方に配置された可変光学素子又は装置と、を備える光学系。
40. 前記可変光学素子又は装置は、光の振幅及び／又は位相を変化するように動作可能である、請求項３９に記載の光学系。
41. 前記可変光学素子又は装置は、可変形ミラー、液晶空間光変調器等の空間光変調器、及びデジタルマイクロミラーのうち少なくとも１つを備える、請求項３９又は４０に記載の光学系。
42. 複数の検出器、及びスペックルパターンを前記複数の検出器に案内するための手段を備える、請求項３９から４１のいずれか一項に記載の光学系。
43. 前記案内の手段は、スペックルパターンの異なる部分を異なる検出器に案内するように動作可能である、請求項４２に記載の光学系。
44. 前記案内の手段は、可変形ミラー、空間光変調器、デジタルマイクロミラー等の制御可能なビーム整形装置を備える、請求項４２又は４３に記載の光学系。
45. 光をランダム化してスペックルパターンを生成するためのランダマイザと、スペックルパターンを検出して光の１つ以上の特性を求めるための複数の検出器と、前記スペックルパターンを前記複数の検出器に案内するための手段と、を備える光学系。
46. 前記案内の手段は、スペックルパターンの異なる部分を、異なる検出器に案内するように動作可能である、請求項４５に記載の光学系。
47. 前記案内の手段は、可変形ミラー、空間光変調器、デジタルマイクロミラー等の制御可能なビームの整形装置を備える、請求項４５又は４６に記載の光学系。
48. 前記ランダマイザに入射する光を変化させるために、可変光学素子又は装置をランダマイザの前方に備える、請求項４５から４７のいずれか一項に記載の光学系。

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