各段がモジュール化された多段増幅式レーザーシステムの自動最適化システム
【課題】多数のモジュールから構成され、モジュール間の光路に光軸調整個所を有する、多段増幅式レーザーシステムなどのレーザーシステムの光軸調整作業を自動化する。
【解決手段】レーザーシステムにおいて、光軸調整個所５１，５２より後段のモジュールからの出力光の強度を検出し、強度の変化に応じて該光軸調整個所５１，５２を調整するフィードバックを設ける。さらにこれらのフィードバック制御をファジイ推論またはメタヒューリスティックなアルゴリズムを用いた制御で行う。レーザーシステムにおいて、複数の光軸調整個所５１，５２があって２つの光軸調整が独立に行えない場合は、フィードバックループの伝達関数が明確に求められないので、ファジイ推論等を用いた制御により、各光軸調整を独立に実施する。
【解決手段】レーザーシステムにおいて、光軸調整個所５１，５２より後段のモジュールからの出力光の強度を検出し、強度の変化に応じて該光軸調整個所５１，５２を調整するフィードバックを設ける。さらにこれらのフィードバック制御をファジイ推論またはメタヒューリスティックなアルゴリズムを用いた制御で行う。レーザーシステムにおいて、複数の光軸調整個所５１，５２があって２つの光軸調整が独立に行えない場合は、フィードバックループの伝達関数が明確に求められないので、ファジイ推論等を用いた制御により、各光軸調整を独立に実施する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーを一つの構成単位とするような巨大装置に対する統合調整システムに係わる発明である。
【背景技術】
【０００２】
加速器に用いる低エミッタンスの電子ビームを発生し、発生した電子ビームを安定にするため、また、電子ビームの安定な発生を維持するため、さらに発生した電子ビーム形状計測のためのＥＯサンプリング及びタイミングジッター計測などのためレーザーが使われている。
それらの目的のために、さまざまなレーザー機器および電子機器などの構成要素（モジュール）が組み合わせられている。また、モジュール間は、光路を有する。安定動作を実現するためには、それぞれのモジュールだけでなく、モジュール間光路におけるレーザーの光軸を最適な状態に設定および保持する必要がある。
【０００３】
図１は財団法人 高輝度光科学研究センター（ＳＰｒｉｎｇ−８）加速器部門にて開発中の、フォトカソードＲＦ電子銃１００の構成を示す。フォトカソードＲＦ電子銃とは、超短レーザーパルスをＲＦ空洞内のカソード面に照射し、生成された光電子をＲＦ空洞内の高電界で電子ビームが空間電荷効果で拡散しないうちに一気に加速し、低エミッタンス電子ビームを生成する装置である。レーザーパルスの品質がカソード直後の電子ビーム品質を左右するため、発生する電子ビームの特性はレーザーに依存するところが特に大きい。
【０００４】
このシステムでは、次の３つを同時に達成する必要がある。
（１）フォトカソード電子銃駆動用のレーザーパルス光源の３次元形状最適化（パルス幅１０ｐｓ程度でビーム直径は１ｍｍ程度）およびパルスエネルギーの長期安定化。
（２）Ｚ偏極電子源へ入射するレーザーパルス光源である、フェムト秒超短パルス（パルス幅１ｐｓ以下のパルス）であり、かつ円環ラジアル偏光を有するレーザービームの実現。
（３）電子ビームのパルス形状を計測するためのＥＯサンプリング用途とするプローブレーザー光に要求される２００ｐｓのパルス幅かつ、２０ｎｍのスペクトル幅を有し、さらに線形チャープを示す円環ビームの電気光学結晶への照射。
【０００５】
図１においては、モード同期チタンサファイアレーザー１０１、パルス幅伸張器１０３、再生増幅器１１１、マルチパス増幅器１１３、パルス幅圧縮器１２１、第３高調波発生手段及びパルス幅伸張器１２３、３次元形状整形手段１２５、フォトカソード電子銃１３３及びＥＯＳバンチモニター１３１が各モジュールとなる。
【０００６】
これらの各モジュールを下記に説明する。なお、モジュール間の光路には、適宜リスレープリズム対またはギンバルミラーからなる光軸調整手段５０が挿入されており、次段のモジュールへの光軸の最適化が図られる。光軸調整手段５０を用いた光軸最適化は、フィードバック制御により行われているが、図１ではフィードバック部分を省略している。
【０００７】
モード同期チタンサファイアレーザー１０１は種光源となるレーザーパルスを発生させる装置である。チタンをドープしたサファイアをゲイン媒体とするレーザーで、モード同期させることによりパルス幅１ｐｓ以下の超短パルスを発生させる。高輝度のレーザーパルス光を得るためには、発生したエネルギーの小さい超短パルスを増幅していく必要がある。このときチャープパルス増幅法（ＣＰＡ法）を用いて増幅する。
【０００８】
高輝度レーザー光が光学材料を通過する場合、強度に比例した屈折率変化が起きる。強度の強いレーザー媒質の中心の屈折率が大きくなり、レーザー光の集光が起きる。集光によってさらにレーザー強度が増すため、さらに屈折率が増大から集光という過程が繰り返されるため、レーザーは伝播にしたがって集光度を増していくことになる。そして、集光強度がある一定の値を超えるとレーザー媒質の破壊が起こる。ＣＰＡ法ではこの破壊を避けることができる。ＣＰＡ法はパルスエネルギーが大きくてもパルス幅が広ければピーク強度が高くならないので破壊が起こらないという手法である。すなわち、パルス幅伸張器でパルス幅を広くしておき、パルス幅の広くなったレーザーパルスを増幅したのちに、パルス幅を圧縮する。
【０００９】
本システムにおいては、まずパルス幅伸張器１０３によりパルス幅を広くする。つぎに、２段構成からなる増幅器でレーザーパルスを増幅する。該２段構成の増幅器は再生増幅器１１１及びマルチパス増幅器１１３からなる。再生増幅器１１１では、レーザーパルスを増幅可能な繰返し周波数に作り直して増幅する。本システムにおいては、レーザー発振器部分は約１００ＭＨｚの繰返し周波数であるが、再生増幅器１１１で増幅可能な繰返し周波数である１０Ｈｚから１ｋＨｚのパルスに切り出して増幅している。マルチパス増幅器１１３では、ポンプ光源であるＹＡＧレーザで増幅のためのチタンサファイヤ結晶を両側から励起している間に、複数回角度をつけながら再生増幅されたパルスを往復させることで増幅させる。このあとパルス幅圧縮器１２１を通して、パルス幅を圧縮し、ＣＰＡ法が完結する。
【００１０】
つぎに、第３高調波発生手段及びパルス幅伸張器１２３により、もとの光に非線型光学結晶を通過させ、３分の１の波長を作り出し、さらに、パルス幅を伸張する。３倍高調波を必要とするのは、フォトカソード電子銃のカソードには銅を用いているので、その仕事関数が４ｅＶ強であるという観点から、もとのレーザー種光源の波長に対しての３倍高調波（２６３ｎｍ、紫外領域）が必要になるからである。ここまでが、レーザーパルス発生部を構成する。
【００１１】
しかしながら、これによりレーザーパルスが高品質で発生されたとしても、そのレーザービームをＲＦ電子銃のフォトカソードに照射しても、電荷分布が均一な円筒形状を有する理想的な電子ビームが得られるとは限らない。レーザーパルスの３次元形状が電子ビームのエミッタンスを左右するからである。３次元形状整形手段１２５により３次元形状を整形する。３次元形状整形手段１２５は、縦方向の時間プロファイル整形器と横方向の空間プロファイル整形器との双方を有し、前者はＵＶ−レーザーパルス・スタッカーまたは空間位相変調器からなり、後者は補償ミラーからなる。
【００１２】
３次元形状を整形された３倍高調波のレーザーパルス４８が、フォトカソード電子銃１３３に入射し、電子ビーム４６が発生される。ＥＯサンプリング（ＥＯＳ）を用いると、発生した電子１ｐｓ以下の電子ビームに対して形状測定が測定可能である。すなわち、発生された電子ビーム４６は、ＥＯＳバンチモニター１３１に入射しそのバンチ幅が測定される。本ＥＯＳバンチモニターは、スペクトラル・デコーディングという方法をとっており、プローブ光を入射して測定する。プローブ光は、同じレーザー光源から採取された、基本波の波長を有するパルス４４を用いており、別途ＥＯＳバンチモニター１３１に入力する。
【００１３】
図１に示されたシステムは、発生したレーザー光が圧縮、伸張、増幅、高調波発生など、さまざまな装置（モジュール）で多数の処理を行っており、各装置間に、光軸調整手段５０が配置されており、光軸調整の最適化が高品質のレーザーパルスを発生するのに極めて重要である。
【００１４】
また、図１の装置を含めた、レーザーを用いたシステムにおいて、各モジュール間のビームのアライメントは、高度な調整能力を保有した熟練技術者が行っている。通常、上流側からの逐次アライメントで調整を行っているが、このような対応では限界が来ることが明らかであるため、並列調整及び調整の自動化が必要とされる。
【００１５】
さらに、モジュールが、温度管理された場所に設置される場合、人の立ち入りを回避したい場所に設置される場合、及び放射線管理区域等人の立ち入りが制限される場所に設置される場合があり、レーザー光軸最適化の自動化のほか遠隔操作化が望まれている。
【００１６】
【特許文献１】特開２００５−２２１８０７号公報
【特許文献２】特開平１１−０１４３３０号公報
【非特許文献１】冨澤 宏光、加速器の要求に堪えるレーザー光源を目指して 〜フォトカソードＲＦ電子銃用レーザー光源開発〜、加速器、日本、２００６年、第３巻第２号２５１〜２６２ページ
【非特許文献２】Hiromitsu Tomizawa, Development of reliable and sophisticated photo injector system and future plan, Proceedings of the 4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan, August 1-3, 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、これまでは自動アライメントが不可能であった、大規模レーザーシステムにおける光軸アラインメントの自動化を実現することである。とくに、従来技術のような上流から下流への逐次アラインメントのみではなく、人力では不可能であったシーケンシャル制御調整、および並列調整を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
課題を解決するために、本願発明は、
複数のモジュールから構成されたレーザーシステムであって、各モジュールの間は光路で接続され、
少なくとも２つの光路のそれぞれに光軸調整手段を有し、該光軸調整手段はフィードバック制御により光軸調整を行い、該フィードバック制御をファジイ推論またはメタヒューリスティックな制御で行うことを特徴とする。
【００１９】
さらに、前記フィードバック制御とは、フィードバック制御の対象となる光軸調整手段を通過した後のレーザー光を直接または他のモジュールを介しその出力レーザー光を光検出手段で検出し、検出結果に応じて該光軸調整手段を調整する制御を行うことを特徴とする。
【００２０】
さらに、前記複数のモジュールの少なくとも１つは、レーザー増幅器、パルス幅伸張器、パルス幅圧縮器、プロファイル整形器もしくは高調波発生手段、またはこれらの組み合わせからなることを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第１、第２及び第３のモジュールを含み、第１のモジュールとの出力と第２のモジュールの入力及び第２のモジュールの出力と第３のモジュールの入力とはそれぞれにおいて直接または少なくとも１つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第１のモジュールに入力する光路上に第１の光軸調整手段を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第３のモジュールの出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段のフィードバック制御を第２のモジュールの出力光を利用して行う、ことを特徴とする。
または、前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第１及び第２のモジュールを含み、第１のモジュールとの出力と第２のモジュールの入力とは、直接または少なくとも１つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第１のモジュールに入力する光路上に第１の光軸調整手段を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第１のモジュールの出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段のフィードバック制御を第２のモジュールの出力光を利用して行う、
ことを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記レーザーシステムは多段増幅式レーザーシステムであることを特徴とする。
【００２３】
さらに、前記光軸調整手段が、リスレープリズムの回転またはミラーの角度変化を用いたことを特徴とする。
【００２４】
さらに、前記光検出手段が、入力するレーザー光の光強度に対応した信号を出力し、前記制御手段に入力することを特徴とする。または、前記光検出手段が、入力するレーザー光のプロファイルを出力し、前記制御手段に入力することを特徴とする。
【００２５】
さらに、前記モジュール間の少なくとも１つの光路に、所望とする光路の中心軸に対しどのような状態かを検出する装置が挿入され、該検出装置が、回転体のプリズムと複数の受光素子とを備え、
該回転体のプリズムは、回転の中心軸を含む平面による断面形状が直角な頂角を形成する第１および第２の面と、前記直角な頂角と対向する第３の面とを有する直角三角形に対して、前記直角な頂角部分を、前記第３の面と平行なかつ所定広さの第４の面となるように加工した構造に相当する構造の第１の形状および、該第１の形状と同様な構造の第２の形状であって、該中心軸を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第１の面が、該中心軸と直交する平面に対し平行になるように、かつ、第１の面および第３の面がなす稜が該中心軸の側に位置するように、配置された第１および第２の形状からなる断面形状を有し、
該受光素子は、該回転体プリズムに関わる第１及び第２の形状における前記第２の面が該回転の中心軸のまわりに回転することによって得られる曲面のまわりに、受光面が該中心軸に向けて配置されたことを特徴とする。
【００２６】
さらに、前記モジュール間の少なくとも１つの光路に、ドーナッツ状の遮断板を挿入したことを特徴とする。
【００２７】
さらに、前記メタヒューリスティックな制御とは、遺伝的アルゴリズム、シミュレーティド・エボリューション、焼きなまし法、タブー探索、蟻コロニー最適化、粒子群最適化、進化戦略、進化的プログラミング、人工免疫システム及びニューラルネットワークのいずれかを用いた制御であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本願発明はフィードバックループを有する光軸調整個所を複数有しても、それらの光軸調整を同時並行に自動制御可能であるという、顕著な作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】多数のモジュールから構成されるレーザーシステムの例として、フォトカソードＲＦ電子銃を示す。
【図２】フィードバックループを有する光軸調整の構成例を示す図である。
【図３】本願発明による自動光軸調整を行うレーザーシステムの例を示す。
【図４】出力電圧値を制御装置の入力信号とした場合の構成例を示す図である。
【図５】画像解析によるレーザープロファイルの観察法の例を示す図である。
【図６】レーザープロファイルの例を示す図である。
【図７】重心と中心との差を利用したアラインメントの例を示す図である。
【図８】眞円との差を利用したアラインメントの例を示す図である。
【図９】トップハットファクターを利用したアラインメントの例を示す図である。
【図１０】ドーナツ状のビームプロファイルの例を示す図である。
【図１１】ドーナツ状のビームプロファイルに対するアラインメントの例を示す図である。
【図１２】ファジイ推論に基づく光路調整ステップの例を示すフローチャートである。
【図１３】Ｓ’に対するメンバーシップ関数の例を表す図である。
【図１４】ΔＳに対するメンバーシップ関数の例を表す図である。
【図１５】ルール１１乃至１４に基づく統合化の工程の説明に供する図である。
【図１６】ルール２１乃至２３に基づく統合化の工程の説明に供する図である。
【図１７】統合化１及び統合化２のメンバーシップ関数の論理和として、統合化３を求める工程の説明に供する図である
【図１８】ビーム遮断板の例を示す図である。
【図１９】２つのプリズムと、４つの受光素子から構成される光軸状態検出装置を示す図である。
【図２０】ドーナツ形プリズムその外円周囲に配置された受光素子から構成される光軸状態検出装置の例を示す図である。
【図２１】サドルポイントアラインメントの例を示す図である。
【図２２】アラインメントに確率的な動きを導入した例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図２以後の図において、レーザーの光路を一点破線で示し、光軸調整用信号などの信号（通常は電気信号）の経路を細線の実線で示してある。
【００３１】
本願発明は、フィードバックループを用いた光軸調整手段を複数用いたレーザーシステムにおいて、好適である。
【００３２】
光軸調整手段に適用されるフィードバックループ２９９の実施形態を図２に示す。
この図において第１のモジュール２０１、第２のモジュール２０２及び（その他の）モジュール２００は、図１におけるパルス幅伸張器１０３、再生増幅器１１１等のモジュールである。レーザー発生源は第１のモジュール２０１より前にある場合もあり、また第１のモジュールがレーザー発振源そのものである場合もある。なお、後者の場合、第１のモジュール２０１の入力のレーザービームはかならずしも必要ない。
【００３３】
第１のモジュール２０１と第２のモジュール２０２との間には光軸調整手段５０が設けられる。ここでは、光軸調整手段５０はリスレープリズム対５７を有するものとし、２つのリスレープリズムをＲ１及びＲ２とする。光軸調整手段５０はリスレープリズムでなくギンバルミラーを有することも可能である。
【００３４】
リスレープリズム対５７を有するものとした場合の動作を下記に示す。
第２のモジュール２０２からの出力レーザービームが、ビームサンプラー２０５により、その一部が光検出器２０７に入力し、レーザー光の強度に依存して電気信号である検出信号６１に変えられる。検出信号６１は、制御手段２１１に入力し、制御手段２１１は制御信号６２を出力する。制御信号６２は、モータードライバー２０９に入力し、駆動信号６３によってモーター対５８を回転させる。これにより、リスレープリズム対５７が回転し、第１のモジュール２０１と第２のモジュール２０３間の光軸の最適化を図ることができる。モーター対５８は、Ｍ１とＭ２からなり、それぞれリスレープリズムＲ１とＲ２を回転させるものとする。
【００３５】
この構成により、光軸調整手段５０から、第２のモジュール２０２、ビームサンプラー２０５，光検出器２０７，制御手段２１１，モータードライバー２０９を経由して、光軸調整手段５０へ戻るフィードバックループ２９９が形成される。
【００３６】
制御手段２１１は、制御ソフトウェアを搭載したコンピューターとすることもできる。この場合、制御ソフトウェアは、匠アルゴリズムなどのファジイ推論、またはメタヒューリスティックなアルゴリズムを基にした制御ソフトウェアとすることが好適である。
【００３７】
図３は、このような光軸調整用にフィードバックループが多数導入されたレーザーシステムの構成例を示す。
すなわち、複数のモジュール２００〜２０３から構成されたレーザーシステムであって、各モジュールの間は光路で接続され、少なくとも２つの光路のそれぞれに光軸調整手段５０〜５２を有し、該光軸調整手段はフィードバック制御により光軸調整を行うレーザーシステムである。例えば、前述のフォトカソードＲＦ電子銃のほか、多段増幅式レーザーシステムにこのような構成が採用される。
（ａ）は、このようなシステムにおいて、レーザー光の入力及び出力を有する第１のモジュール２０１及び第２のモジュール２０２を含み、第１のモジュール２０１の出力と第２のモジュール２０２の入力とは、光路が接続されている。この図の例では直接光路が接続されているが、それらの間に少なくとも１つの他のモジュールが入る場合もある。
第１のモジュール２０１に入力する光路上に第１の光軸調整手段５１を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段５２を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第１のモジュール２０１の出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段５２のフィードバック制御を第２のモジュール２０２の出力光を利用して行う。
（ｂ）は、このようなシステムにおいて、レーザー光の入力及び出力を有する第１のモジュール２０１、第２のモジュール２０２及び第３のモジュール２０３を含み、第１のモジュール２０１の出力と第２のモジュール２０２の入力及び第２のモジュール２０２の出力と第３のモジュール２０３の入力とはそれぞれにおいて光路が接続されている。この図の例では直接光路が接続されているが、それぞれにおいてそれらの間に少なくとも１つの他のモジュールが入る場合もある。
第１のモジュール２０１に入力する光路上に第１の光軸調整手段５１を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段５２を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第３のモジュール２０３の出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段５２のフィードバック制御を第２のモジュール２０２の出力光を利用して行う。
すなわち、（ａ）では、２つのフィードバックが、シーケンシャルに配置されているが、（ｂ）では、２つのフィードバックループが入れ子構造になっている。（ｃ）はそれらの複合形態である。
【００３８】
本願発明は、上記（ｂ）または（ｃ）の形態が特に効果を発揮するが、（ａ）においても有効である。それは、（ａ）のようにフィードバックをシーケンシャルに配置した例においても、上流（光源に近い側）での光軸調整が、下流（光源から遠い側）のモジュールに影響をあたえ、下流のモジュールの光軸や強度などの光の状態を変化してしまう。そのため、調整を必要とするパラメーターが変化してしまい、その変化を解析的に明確にすることが不可能に近いため、本願発明はこのような構成に対しても有効である。時間変化により、レーザー光源の温度などにより状態が変化する場合があるので、従来は、短時間に調整を行える熟練者を要した。
【００３９】
いずれの場合も、フィードバックループは図２と同様の構成である。いずれかの光軸調整手段５０はその両側のモジュール（２つのモジュールはかならずしも該光軸調整手段を挟んで隣接しているとは限らない）の間の出力ビームの光軸を調整するものである。すなわち図２のように、第２のモジュール２０２の出射光がビームサンプラー２０５によりその一部が取り出され、光検出器２０７に入力する。光検出器２０７の出力信号６１が、制御手段２１１の入力信号となる。制御手段２１１からの制御信号６２がモータードライバー２０９に入力し、これから出力する駆動信号６３によって、モーター対５８の回転動作を行わせ、これが光軸調整手段５０のリスレープリズム対５７の位置を最適化する。
【００４０】
ここで、制御手段２１１にはいる入力信号として、（１）光検出器２０７を光パワーメーターなどとし、この測定結果である、出力電圧値を入力信号とする場合、（２）レーザービームの横モードプロファイル（レーザー進行方向に対して垂直な面内での光の強度分布）をカメラ（ビームプロファイラー）で撮影し、その画像処理を行い、代表的な数値を算出したものを制御装置への入力信号とする場合がある。（１）では、光の強度と相関をもった出力電圧値が制御装置への入力信号となる。また、４象限センサーや２次元ＰＳＤなどからのＸ、Ｙの電圧信号も制御の入力信号となり得る。（２）の場合は、画像を解析した後の代表値の具体例は、重心と中心との差、眞円との差、トップハットファクター（ＴＨＦ）などがある。さらに、横モードプロファイルに限らず、各モジュールの目的にあわせて空間プロファイル、時間プロファイル、スペクトルプロファイル、群速度分散プロファイルなどのレーザー光のプロファイルを利用し代表的な数値を算出したものを制御装置への入力信号とする場合がある。このとき、本制御においては、これらの代表的な数値は、各モジュールごと、および各モジュール間で解析的に矛盾しててもかまわない。
【００４１】
パワーメーターなどからの出力電圧値を制御装置の入力信号とした場合は、図４に示すような構成になる。図４（ａ）に示すように、第１のピンホール３１１と第２のピンホール３１３とを通過したレーザービーム４０を光検出器２０７で検出して、光量を電気信号に変換する。正規の光軸からずれた場合は、光検出器２０７による受光量が減少するので、光量が最大となるように制御手段（図示せず）によりアラインメントする。
【００４２】
図４（ｂ）に他の方法を示す。これは、非線形光学結晶３１５により２倍、３倍等の高調波４７を発生させ、これらを光検出器２０７で検出し、電気信号に変換する方法である。高調波への波長変換は、ビームの非線形光学結晶３１５への入射角に強く依存する。正規の光軸で最大となるようにあらかじめ非線形光学結晶３１５を調整しておけば、正規の光軸からずれた場合、発生する高調波の光量が大幅に減少する。したがって、高感度の調整が可能となる。
【００４３】
図４（ｃ）に４象限センサーや２次元ＰＳＤ２６１を用いる例を示す。これらは、センサー上でレーザービームがあたっている位置座標（ｘ，ｙ）に依存した出力電圧の組（Ｖｘ，Ｖｙ）を発生する。目標位置座標における電圧が（Ｖｏｘ，Ｖｏｙ）であったとすると｛（Ｖｘ−Ｖｏｘ）＾２＋（Ｖｙ−Ｖｏｙ）＾２｝＾（１／２）が、ゼロに近づくようにアラインメントする。
【００４４】
一方、画像解析によるレーザープロファイルの観察法を図５に示す。
レーザービームの断面の強度分布（レーザープロファイル）を観察する方法には、大きく分けて、（１）レーザービームを直接、カメラ２６３で観察する方法（図）５（ａ）と、（２）レーザービームをターゲット２６５に当てて、ターゲット２６５から来る光をカメラ２６３で観察する方法（図５（ｂ））の２つである。
【００４５】
（２）にはさらに、２種類あり、（２−１）ターゲットから来る光が入射したレーザービームの散乱光であり、該散乱光を観察する場合と、（２−２）ターゲットそのものの蛍光性による蛍光あるいは、ターゲットの表面に塗布された蛍光材料による蛍光を観察する方法とがある。
（２−２）の場合のターゲット材は、つぎの材料が好適である。
（ａ）蛍光カソード材（紫外レーザー確認用）
（ｂ）ウランガラス（紫外レーザー確認用）
（ｃ）アップコンバージョンプレート（赤外レーザー確認用）
（ａ）は、真空中でもモニター可能という特徴がある。（ｂ）は入射レーザービームが紫外領域のとき可視領域の蛍光に変換される。（ｃ）は、入射レーザービームが赤外領域のとき可視領域の蛍光に変換される。
【００４６】
紫外レーザースポット確認用の蛍光カソードの材質には、蛍光体番号Ｐ２０と呼ばれる、成分（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇの蛍光体が好適である。この蛍光材料は発光効率が高いので、確認できるプロファイルはサチュレーションしたものになりやすくなる。そのため、プロファイルの外形（高い輝度を有する空間領域）のみの確認が可能である。レーザーの空間プロファイルは整形作業を通じて、どうしても空間周波数が高いスパイキーな構造を持ってしまう傾向があるので、サチュレーションを起こすような計測方法によると細かい構造を見ないようにすることができる。
一方、レーザープロファイラーは細かい構造まで見るので、ダイナミックレンジを取るためにはＮＤ（neutral density）フィルターを切り替えてアッテネートしながら、計測する。
【００４７】
画像解析とは、図６に示すような、カメラで取得したレーザープロファイル、すなわち、２次元座標（ｘ、ｙ）の各点に対する輝度分布を解析することである。カメラはフォトダイオード、ＣＣＤ等の感光素子を２次元マトリクスに配置したイメージセンサとすることができる。
画像解析にはつぎのような方法がある。
（１）重心と中心との差をフィードバックする方法
（２）眞円との差をフィードバックする方法
（３）トップハットファクター（ＴＨＦ）を利用する方法
（４）円環解析を利用する方法
【００４８】
重心と中心との差を利用する方法を図７を利用して下記に示す。
（１）レーザープロファイルから、その重心５１１を求める（図７における○）。
（２）一方で、レーザープロファイルにおいて特定の輝度の値を示す点（ｘ、ｙ）の外形形状５１３を求める。（図７における□の集合）。
（３）該外形形状に対して、最も一致する円であるフィッティング円５１５をもとめる。
（４）フィッティング円５１５の中心５１７と前記重心５１１との距離がもっとも小さくなるようにアラインメントする。
【００４９】
眞円との差をフィードバックする方法を図８を利用して下記に示す。
（１）レーザープロファイルから、輝度を指定し、その外形形状５１３を求める。これは前述の（２）と同じ処理である。
（２）該外形形状に対して、フィッティング円５１５をもとめる。これは前述の（３）と同じ処理である。
（３）該外形形状５１３と該フィッティング円５１５との差を求める。具体的には、Ｒｉ、ｒ及びＤｉをつぎのように定義したとき、距離の差の自乗の総和ΣＤｉを求める。
Ｒｉ：中心と外形形状の位置の差
ｒ：フィッティング円の半径
Ｄｉ：これらの差の自乗、すなわち、Ｄｉ＝（Ｒｉ−ｒ）＾２
（４）ΣＤｉが最小となるようにアライメントする
【００５０】
トップハットファクター（ＴＨＦ）を利用する方法を図９を利用して下記に示す。
ビームプロファイルの形状は、図９（ａ）に示す、トップハットの形、すなわち円柱形の強度分布となることが理想的である。すなわち、ｘ及びｙの所定の領域で一定の輝度を示し、それ以外の領域で輝度ゼロになるビームプロファイルである。
トップハット形状にどのくらい近いかを示す数値がＴＨＦであり、つぎの方法で計算する。
（１）輝度と頻度の関係を輝度が横軸に、頻度が縦軸になるようにグラフに表す（図９（ｄ））。このときの頻度とは、特定の輝度よりも高い輝度を呈する画素の総数である。例えば、特定の輝度を０とおけばすべての画素が該当するので、頻度はカメラの画素数に等しくなる。特定の輝度が増加するにつれて、頻度が減少し、最大輝度の位置で頻度はゼロになる。
（２）次に、当該グラフにおいて、輝度の最大値を１に、頻度の最大値を１に規格化する（図９（ｅ））。
（３）このときの軸と曲線で囲まれる面積ＳがＴＨＦを与える。
図９（ａ）に示された理想的プロファイルの場合の輝度と頻度との関係は図９（ｂ）で与えられる。したがって、理想的プロファイルに対しては、図９（ｃ）で示すようにＴＨＦ＝１となる。
このＴＨＦが１となるように、あるいはできるだけ１に近づくように、アラインメントする。
【００５１】
円環解析による方法を次に示す。大規模システムの一部では、レーザービームが、図１０に示すような、ドーナッツ状のビームプロファイルを呈する場合がある。図１１を参照して、このような場合のアラインメントはつぎのようになる。
（１）特定の輝度を指定して、２つの外形形状を求める。すなわち、ドーナツの内円に対する輪郭５２１と外円に対する輪郭５２３を抽出する。
（２）それぞれの輪郭に、円のフィッティングを施し、フィッティングされた円のそれぞれに対して中心をもとめる。内円の中心（図示せず）と外円の中心（図示せず）とが求まる。
（３）内円の中心と外円の中心とのずれ、あるいは、それぞれの中心と重心（前述のように、レーザープロファイルの輝度の分布の重心である）とのずれを、できるだけ小さくなるようにアライメントする。
【００５２】
（光軸調整のフローチャート）
次に、図１２に示すフローチャートを参照して光軸調整の制御方法をより詳細に説明する。光軸調整手段は、リスレープリズム対が利用されており、かつ図２に示すようなフィードバックループが構成されているものとする。ここでは、光検出器２０７は、光パワーメーターなどとし、この測定結果である、出力電圧値を制御手段２１１への入力信号とする場合を取り上げる。
【００５３】
ステップＳ−１０：このステップは、制御開始ステップである。
【００５４】
ステップＳ−１２：このステップは、光検出器２０７からの出力を制御手段２１１が取得するステップである。
【００５５】
ステップＳ−１４：このステップは、モーター対５８を順次駆動するステップである。２つのモーター（Ｍ１及びＭ２）どちらから始めてもよいが、まずそのうちの一つを選定する。最初に選択されたモーター（ここではＭ１とする。）によって、リスレープリズム対５７のうちの第１プリズムＲ１の向きを変化させることにより、変換光の強度が極大になる位置に、モーターＭ１の回転を固定して、次のモーター（Ｍ２）によって同様に第２プリズムＲ２の向きを変化させることにより、変換光の強度が極大になる位置に、モーターＭ２の回転を固定する。
【００５６】
前述のモーターＭ１及びＭ２の回転による、第１及び第２プリズムＲ１及びＲ２の向きを決定するためのモーターの回転量は、後述するファジイ推論に基づいて決定する。
【００５７】
ステップＳ−１６：このステップは、モーターＭ１及びＭ２を少しだけ回転させる、試し駆動ステップである。このステップでは、モーターの回転方向を確定するために行なう。
ステップＳ−１８：このステップは、光検出器２０７によって、変換光の強度に比例する信号を取得するステップである。
【００５８】
上述のステップＳ−１６及びＳ−１８によって、ある方向にモーターを回転させることにより光検出器２０７に受光される変換光の強度が増加することが判明すれば、その回転方向は変換光の強度が極大になる方向であることを示している。逆に光検出器２０７に受光される変換光の強度が減少することが判明すれば、この回転方向は変換光の強度が極大になる方向とは逆の方向であることを示している。
【００５９】
ステップＳ−２０：このステップは、光検出器２０７の出力信号の時間微分値、目標値（極大値）からのずれ量を計算するステップである。このステップでは、ファイジー推論において入力値として利用する出力信号の時間微分（差分）値を計算し、目標値（極大値）からのずれ量を計算する。光検出器２０７からの時刻ｔ１における出力信号の値をｓ１とし、時刻ｔ２における出力信号の大きさをｓ２とすれば、ｔ１＜ｔ２であるとして、出力信号の時間差分値Ｓ’はＳ’＝（ｓ２−ｓ１）／（ｔ２−ｔ１）で与えられる。また目標値（極大値）をｓ０とした場合にΔＳ＝（ｓ１／ｓ０）−１で与えられる目標値からのずれ量（目標値からのずれの割合）ΔＳを計算する。Ｓ’及びΔＳを用いてファジイ推論が行なわれる。
【００６０】
ステップＳ−２２：このステップは、ファジイ推論によるモーターの駆動量（回転角）を計算するステップである。このステップでは、上述のＳ’及びΔＳの値を用いて、ファジイ推論を行い、モーターの駆動量（回転角）の絶対値Ｍが計算される。
【００６１】
ステップＳ−２４：このステップは、モーターの駆動方向（回転方向）を求めるステップである。上述のステップＳ−２０で求められたＳ’の値が負であれば、モーターの駆動方向（回転方向）を反転させる必要がある。一方、Ｓ’の値が正であれば、モーターの回転方向はそのままでよいことになる。このスッテップでは、上述したモーターの回転方向を次の手順で求める。すなわち、モーターの回転方向を決めるパラメーターをαとする。αは値１または値−１を取るものとする。また、パラメーターδを次のように定める。上述のステップＳ−２０で求められたＳ’の値が負であれば、δ＝−１とし、Ｓ’の値が正であれば、δ＝１とする。そして、モーターのこの次の回転方向はα×δで与えられるものとする。すなわち、このα×δ値を次の新たなパラメーターαの値と設定することで、モーターの次の回転方向を確定する。モーターの回転方向も含めて回転量を表示するとα×Ｍと表されることとなる。
【００６２】
ステップＳ−２６：このステップは、モーターを駆動するステップであり、上述のα×Ｍだけモーターを回転させる。
【００６３】
ステップＳ−２８：このステップは、上述のステップＳ−１８と同様に、光検出器２０７によって、変換光の強度に比例する信号を取得するステップである。
【００６４】
ステップＳ−３０：このステップでは、上述のステップＳ−２８で取得された変換光の強度に比例する信号の値を基にして、これまでのステップで制御し調整したモーターの調整作業を終了して、次のモーターを制御するステップに進むか否かの判定を行なう。上述のステップＳ−２８で取得された変換光の強度に比例する信号の値が、目標値（極大値）とみなせる大きさの範囲内に収まれば、次のモーターの制御を行なうために、制御の対象となるモーターを切り替える。そして、次のステップであるステップＳ−３２に進む。一方、ステップＳ−２８で取得された変換光の強度に比例する信号の値が、目標値に達していないと判定されれば、ステップＳ−２０に戻る。
【００６５】
ステップＳ−３２：このステップは、光路調整作業を終了するか否かの判定を行なうステップである。モーターＭ１及びＭ２に対する調整作業が全て終了していることが確かめられれば、次のステップＳ−３４に進み、調整作業を終了させる。一方、終了させずにこのまま制御を続けるのであれば、上述のステップＳ−１４に戻る。上述のモーターＭ１及びＭ２に対する調整作業が全て終了していることが確かめられたとしても、経時変化に対応するため、及び、他の光路調整作業にともない、この光路がずれることにより、再度光路調整を行う必要があるという判断もあり得る。
【００６６】
ステップＳ−３４：このステップは、光路調整作業を終了させるステップである。
（ファジー推論）
【００６７】
次に、この光軸調整で実行されるファジイ推論で用いるメンバーシップ関数について説明する。出力信号の時間差分値Ｓ’と目標値に対する出力比ΔＳとを用いることが特徴である。
【００６８】
光検出器２０７が検出する出力信号の時間微分（差分）値Ｓ’に対するメンバーシップ関数の例を示す。すなわち、ファジイ推論の基礎とする、Ｓ’に対するメンバーシップ関数は、以下のルール（以後「ファジイルール」ということもある。）に従うように定義されることができる。
【００６９】
ルール１１：Ｓ’が正の値をとりその値が大きいならば、モーターの回転量の絶対値は大きい。
【００７０】
ルール１２：Ｓ’が正の値をとりその値が小さいならば、モーターの回転量の絶対値は小さい。
【００７１】
ルール１３：Ｓ’が０の値をとるならば、モーターの回転量の絶対値は０である。
【００７２】
ルール１４：Ｓ’が負の値をとるならば、モーターの回転量の絶対値は小さい。
【００７３】
図１３を参照して上述のルールを視覚的に説明する。図１３に示した（Ａ１）乃至（Ａ４）は、上述のファジイルールの、それぞれルール１１乃至１４の前件部を表している。図１３（Ａ１）乃至（Ａ４）において、横軸はＳ’を示し、縦軸は合致度合い（０から１の値の範囲をとる。）を示している。一方、図１３に示した（Ｂ１）乃至（Ｂ４）は、上述のファジイルールの、それぞれルール１１乃至１４の後件部を表している。横軸はモーターの駆動量（回転量）の絶対値Ｍを表し、縦軸は合致度合いを表している。
【００７４】
光検出器２０７の出力信号値の目標出力値が最大出力値に近い場合の出力信号の値ΔＳに対するメンバーシップ関数の例をつぎに示す。すなわち、ファジイ推論の基礎とするΔＳに関するメンバーシップ関数に対して、以下のファジイルール（新たなルール）に従うように定義することができる。
【００７５】
ルール２１：目標値（極大値）ｓ０よりも、光検出器が検出した強度信号が非常に小さい（ΔＳの値が負の値でありその絶対値が大きい。）ならば、モーターの回転角度は大きい。
【００７６】
ルール２２：目標値（極大値）ｓ０に対して、光検出器が検出した強度信号がほぼ同程度（ΔＳの値が負の値でありその絶対値が小さい。）ならば、モーターの回転角度は小さい。
【００７７】
ルール２３：光検出器が検出した強度信号が、目標値（極大値）ｓ０に達したかあるいは上回った（ΔＳの値が０より大きい。）ならば、モーターの回転角度は０である。
【００７８】
図１４を参照して上述の新たなルールを視覚的に説明する。図１４に示した（Ａ１）乃至（Ａ３）は、上述のファジイルールの、それぞれルール２１乃至２３の前件部を表している。（Ａ１）乃至（Ａ３）において、横軸はΔＳを示し、縦軸は合致度合い（０から１の値の範囲をとる。）を示している。一方、図１４に示した（Ｂ１）乃至（Ｂ３）は、上述のファジイルールの、それぞれルール２１乃至２３の後件部を表している。横軸はモーターの駆動量（回転角）の絶対値Ｍを表し、縦軸は合致度合いを表している。
【００７９】
ファジイ推論によってモーターの駆動量（回転角）を計算する手法として、ここではｍｉｎ−ｍａｘ合成重心法を利用する。光検出器によって、変換光の強度が検出されれば、その値に基づいてＳ’及びΔＳが求められる。今仮にＳ’及びΔＳの値として、Ｓ’１及びΔＳ１と求められたとして説明する。
【００８０】
図１５は、ルール１１乃至１４に基づく統合化の工程の説明に供する図である。この図１５において、ルール１１乃至１４に対応するメンバーシップ関数は、図１３に示すメンバーシップ関数と同一のものを採録してある。
【００８１】
Ｓ’＝Ｓ’１であるから、図１５に示すルール１１乃至１４に対応するメンバーシップ関数の前件部を示す図において、Ｓ’を表す横軸のＳ’１に当る位置を縦の点線によって表示してある。この図からわかるように、上述のルール１３及びルール１４において、前件部の適合度が０であるから、後件部も０である。上述のルール１１及びルール１２においては、前件部の適合度が０ではないので、その適合度に対応させて後件部のメンバーシップ関数の頭切りを行なう。その結果、ルール１１乃至１４のファジイ推論が行なわれて、これらの結果として図１５に統合化１として表されている後件部の論理和が求められる（統合化１）。なお、統合化１として表されている後件部の論理和を示す関数は、ルール１１及びルール１２の後件部の頭切りを行なったメンバーシップ関数を合成することによって求められる。
【００８２】
図１６は、ルール２１乃至２３に基づく統合化の工程の説明に供する図である。この図において、ルール２１乃至２３に対応するメンバーシップ関数は、図１４に示すメンバーシップ関数と同一のものを採録してある。
【００８３】
ΔＳ１＝ΔＳ１であるから、図１６に示すルール２１乃至２３に対応するメンバーシップ関数の前件部を示す図において、ΔＳを表す横軸のΔＳ１に当る位置を縦の点線によって表示してある。この図からわかるように、上述のルール２１の適合度が０であるから、後件部も０である。上述のルール２２及びルール２３においては、前件部の適合度が０ではないので、その適合度に対応させて後件部のメンバーシップ関数の頭切りを行なう。その結果、ルール２１乃至２３のファジイ推論が行なわれて、これらの結果として図１６に統合化２として表されている後件部の論理和が求められる（統合化２）。なお、統合化２として表されている後件部の論理和を示す関数は、上述の統合化１の場合と同様に、ルール２２及びルール２３の後件部の頭切りを行なったメンバーシップ関数を合成することによって求められる。
【００８４】
次に、ルール１１乃至１４（以後「第１ルール系列」ということもある。）に対してルール２１乃至２３（以後「第２ルール系列」ということもある。）をどれだけ重視するのか、あるいは第１及び第２系列を均等に重視するのか等の重み付けを加味した処理を行なう。上述の統合化１及び統合化２として得られた結果（図１５及び図１６にそれぞれ統合化１及び統合化２として表した、後件部の論理和として求められた合成メンバーシップ関数）を、それぞれｒ倍及び（１−ｒ）倍することによって、それぞれの関数に対して重み付けを行い、図１７（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、両者を統合化する。
【００８５】
ここで、ｒは０から１の値の範囲の実数値をとる。例えば、ｒ＝１を選択するということは、第１ルール系列のみを取り入れ、第２ルール系列は無視することに対応する。また、ｒ＝０．５を選択するということは、第１ルール系列と第２ルール系列とを同等に扱うことを意味する。また、ｒ＝０を選択するということは、第２ルール系列のみを取り入れ、第１ルール系列は無視することに対応する。
【００８６】
図１７（Ａ）乃至（Ｄ）は、上述の図１５及び図１６にそれぞれ統合化１及び統合化２として表した、後件部の論理和として求められた合成メンバーシップ関数を、統合して統合化１及び統合化２のメンバーシップ関数の論理和として、統合化３を求める工程の説明に供する図である。
【００８７】
図１７（Ａ）は、統合化１として求められた合成されたメンバーシップ関数の概略の形状であり、図１７（Ｂ）は、統合化２として求められた合成されたメンバーシップ関数の概略の形状である。図１７（Ｃ）は、統合化１として求められた合成されたメンバーシップ関数をｒ倍し、統合化２として求められた合成されたメンバーシップ関数を（１−ｒ）倍して合成した統合化３としてのメンバーシップ関数の概略の形状である。図１７（Ｄ）は、図１６（Ｃ）で与えられたメンバーシップ関数の合成重心の値を求めその合成重心の値をモーターの駆動量（回転角度）として採用する手順を説明する図である。図１７（Ｄ）において、横軸上にＭと矢印で表示してある横軸の値は、図１７（Ｃ）によって示されているメンバーシップ関数から求められた合成重心の位置であり、この位置がモーターの回転角度を示していることになる。
【００８８】
すなわち、上述したファジイ推論を行なうことによって、光軸を調整するためリスレープリズムの向きを変化させるために駆動するモーターの回転角度を求めることができることがわかる。
【００８９】
上述のファジイ推論においては、モーターの回転角度の値をｍｉｎ−ｍａｘ合成重心法を用いて求めたが、この方法に限定されず、代数積−加算重心法等ファジイ推論の方法として知られた他の方法を採用することも可能である。いずれの方法を採用するかは、ファジイ推論制御の対象となる光軸調整手段ごとに、経験等に基づき最も適した方法を採用すればよい。
【００９０】
これらのメンバーシップ関数を利用して、モーターの駆動量（回転角）を計算することができる。この制御は、明確な伝達関数を有しない特徴を有するので、光軸の調整、とくに複数の光軸の調整個所を有するレーザー使用装置に適している。
（遮蔽板）
【００９１】
さらに、大規模システムでの自動化においては、かならず誤動作が起きた場合でも安全が担保出来るシステム構築を行う必要があるので、フェイルセーフを実現するための装置を導入する。具体的には、開口部を設けた遮断（遮蔽）板（物）を導入し、逸れたビームを遮断するビームが逸れたことを検知してシステムをシャットダウンさせるようなインターロックを仕掛ける。また、室内に人が立ち入った場合などはシャットダウンさせるようなインターロックを仕掛ける。
【００９２】
すなわち、図１８（ａ）に示すように２つのモジュール間の光路に遮断板６０１を設け、光軸がずれた場合に、後段モジュールや人を保護する。遮断板の種類にはつぎのようなものがある。
【００９３】
（１）ドーナツ形遮断板
図１８（ｂ）に示すようにドーナッツ状の遮断板６０３をモジュール間の光路に導入する。この際、正しく光軸を制御されたときに、レーザービーム４０がドーナツの穴に相当する内円６１３の中心を通るように、ドーナッツ形遮断板を配置する。
内円の直径は、ここを通過できるレーザービーム４０が後段モジュールや人体に悪影響（損傷や破壊）を与えない大きさとするのが好適である。遮断板６０３の材質は、レーザーを遮断できる材質でたとえば、レーザーの波長を遮断できる有機材料や無機材料（金属、ガラス、セラミックス）が好ましい。
何らかの原因（モーターの誤動作、コンピューターの誤動作などなど）により、光軸調整を誤った場合でも、後段モジュールに悪影響を与えるような光がこの遮断板で遮断されるため、後段モジュールや人体を守ることができる。
また、ドーナッツ形遮断板の遮断部をカメラ２６３で観察することにより、遮断されたレーザーの散乱光を観察することができる。この際、画像処理を行い、自動アラインメントシステムの制御のための入力信号とすることにより、光軸を正規の位置へ戻すことが可能となる。
これは、現在、自動アラインメントシステムの制御のための入力信号は、たいていの場合、物理的な性質上、後段モジュール以降にあることが多い。しかし、その構成では、もし、遮蔽板にあたるほどずれてしまった場合は、検出器で検出できない。すなわち、制御できなくなってしまう。本ドーナッツ形遮蔽板６０３を用いると、ずれた光軸を正規の位置へ戻すことが可能であるので、制御不能を回避することができる。
【００９４】
別の実施形態では、ドーナッツ形遮断板上表面に、レーザー光の波長に対して蛍光を発する蛍光材料を塗布しておく、あるいは、蛍光材料でドーナッツ型遮断板を作製する。発生した蛍光をカメラで観察することにより、遮断されたレーザー光を観察することができる。前述の実施形態との違いは、カメラの波長感度がレーザー光の波長と一致していなくとも、蛍光の波長と一致していれば観測できる点である。例えば、レーザー光が紫外の場合、通常のカメラは感度がないので、蛍光材で、可視光領域の発光を行うようにすれば良い。
【００９５】
また、ドーナッツ型遮断板を４象限センサー、ＣＣＤ、またはＰＳＤなどで作製することもできる。通常の２次元受光素子（４象限センサー、ＣＣＤ、またはＰＳＤ）を、中に穴を開けても機能を果たすように処理したものを利用する。この場合、カメラが不要となる。
【００９６】
さらに別の形態を図１９に示す。２つのプリズムと、４つの受光素子から構成される光軸状態検出装置を用いる。該光軸状態検出装置は特開平１１−１４３３０号公報に記載されているものが好適である。
該光軸状態検出装置の構造及び光軸状態検出方法を下記に説明する。
【００９７】
（１）同じ構造を有する２つのプリズム、第一のプリズム７０１と第二のプリズム７０３を用意する。これらは直角プリズムであり、直角な頂角を形成する第１の面７１１および第２の面７１３と、前記直角な頂角と対向する第３の面７１５とを有し、前記直角な頂角部分を、前記第３の面と平行なかつ所定広さの第４の面７１７となるように加工した構造を有する。
（２）次に、これら第１および第２のプリズムを、所望の光路の中心軸７１０を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第１の面７１１が、前記光路の中心軸７１０と直交する平面に対し平行になるように、かつ、前記第１の面７１１および第３の面７１５がなす稜７１４が前記所望の光路の中心軸７１０の側に位置するように、配置する。
（３）次に、このように配置した第１および第２のプリズムの間隙を含む領域にレーザービーム４０を第１の面７１１の側から入射する。
そして、このようにビーム４０が入射された状態の第１および第２のプリズム７０１及び７０３それぞれの第２の面７１３の、第４の面７１７に近接する部分と第３の面に近接する部分とからの光出力をそれぞれ測定する。そして、これら光出力の状態に基づいて前記ビームの中心軸が前記光路の中心軸に対しどのような状態かを検出する。
【００９８】
すなわち、第一のプリズム７０１の第２の面の第４の面に近接する部分に該第２の面と対向させて配置した第１の受光素子７３１と、第２の面の第３の面に近接する部分に、該第２の面と対向させて配置した第２の受光素子７３２と、第２のプリズム７０３の第２の面の第４の面に近接する部分に、該第２の面と対向させて配置した第３の受光素子７３３と、該第２の面の第３の面に近接する部分に、該第２の面と対向させて配置した第４の受光素子７３４を設ける。受光素子はフォトダイオードやＣＣＤとすることができる。
なお、ここで直角な頂角とか、第３の面に平行な第４の面とか、光路の中心軸と直交する等の記述での直角、平行、直交という意味は、それぞれ、この発明の目的を達成出来る範囲で、ほぼ直角、ほぼ平行、ほぼ直交を含む意味である。
【００９９】
この光軸状態検出装置によれば、第１および第２のプリズムを所定配置し、これに使用予定のビームを入力する。第１および第２のプリズムそれぞれの第２の面それぞれの、第４の面に近接する部分と第３の面に近接する部分、すなわち第１および第２のプリズムでの合計４箇所の測定領域からの光出力は、所望の光路の中心軸７１０に対しビームの中心軸がいかなる状態であるかに応じて、変化する。したがって、各受光素子７３１〜７３４の受光量がそれに応じた量となる。このため、各受光素子の受光量から、ビームの中心軸が所望の光路の中心軸７１０に対し、いかなる状態であるかを把握することができる。また、受光素子を用いることにより、光軸が外れたときにのみ機能し、正規の光軸にあるときは影響を与えない。
【０１００】
さらに、前述の装置に替えて、図２０のような、ドーナツ形プリズム７４０とそのドーナツの外円周囲に配置された複数の受光素子７３０との組み合わせによる光軸状態検出装置を用いると一層有効である。この組み合わせで、前記の機能的ドーナッツ型遮断板と同様の機能を持たせることができる。
【０１０１】
図２０（ａ）は本検出装置の正面図であり、紙面に垂直でＡ−Ａを含む断面による断面図が図２０（ｂ）である。ドーナツ形プリズム７４０は、（ｂ）を断面図とし、所望の光路の中心軸でもある回転の中心軸７４２を回転の中心とした回転体である。ドーナツ形プリズム７４０はドーナツの外円の周囲の位置に複数の受光素子７３０を設ける。
【０１０２】
回転体であるドーナツ形プリズム７４０は、その回転体をなすための断面形状が図１９の平面形状に一致する。すなわち、ドーナツ形プリズム７４０は、回転の中心軸を含む平面による断面形状が、直角な頂角を形成する第１および第２の面と、前記直角な頂角と対向する第３の面とを有する直角三角形に対して、前記直角な頂角部分を、前記第３の面と平行なかつ所定広さの第４の面となるように加工した構造に相当する構造の第１の形状および、該第１の形状と同構造の第２の形状であって、該回転の中心軸７４２を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第１の面が、該回転の中心軸と直交する平面に対し平行になるように、かつ、第１の面および第３の面がなす稜が該回転の中心軸の側に位置するように配置された第１および第２の形状からなる断面形状を有する。また、複数の受光素子７３０は、該回転体プリズムに関わる第１及び第２の形状における前記第２の面が該回転の中心軸７４２のまわりに回転することによって得られる曲面のまわりに、その受光面が回転の中心軸７４２に向けて配置される。
【０１０３】
レーザービーム４０は正しく設定された状態で、その光路の中心軸が、前記回転の中心軸７４２と一致するように設定する。ドーナツ形プリズム７４０の材質は、レーザー波長を透過するものであり、反射時は、全反射条件を満たす屈折率をもつものとする。
【０１０４】
この図の例では、複数の受光素子７３０が外円の周囲に１２個、紙面と垂直な方向に２列に配列されているが、これらの数は、レーザービーム４０の径、ドーナツ形プリズム７４０の内径、外径及び受光素子７３０の受光面積により適宜設定すればよい。しかし、レーザービーム４０の光路の中心軸が前記回転の中心軸７４２からはずれドーナツ形プリズム７４０にその一部が入射した状態では、ドーナツ形プリズム７４０が凸面鏡の役目を果たすのでビームが広がるため、受光素子７３０の配置はそれほど密集度を上げる必要はない。
さらに、図１８に示したドーナッツ状の遮断板を追加すると、一層効果的である。
（メタヒューリスティックな最適化制御）
【０１０５】
以上では、フィードバック制御をファジイ推論を基にしたアルゴリズムを用いた。ファジイ推論を基にした制御では、伝達関数を明確に知っておく必要がなく、かつ競合するような複数の最適化目標を持つようなレーザーシステムでの同時多目標最適化に有効であるためである。このような制御では、ユーザーが最適化したい目標同士が競合するかどうかを事前に認識して調整する必要がない。本願発明に有効な制御は、ファジイ推論を基にした最適化制御に代えて、メタヒューリスティックな最適化制御が適用可能である。また、単純な山登り法のようなことで事足りる場合もある。メタヒューリスティックな最適化制御とは、遺伝的アルゴリズム、シミュレーティド・エボリューション、焼きなまし法、タブー探索、蟻コロニー最適化、粒子群最適化、進化戦略、進化的プログラミング、人工免疫システム及びニューラルネットワークなどを用いた制御である。
【０１０６】
それらによる最適化を用いたアラインメント方法として、サドルポイントアラインメントを用いることが可能である。これを図２１を用いて下記に説明する。
従来のアラインメント方法では、ピークの位置のみを探すようになっていた。図２１に示すように、ピーク位置がＰ１とＰ２の２つある場合、従来方法では、それらの一方のみを探索することになる。しかし、本方法では、ピーク位置Ｐ１とＰ２との間にある、サドルの位置Ｓ１を探索する。点Ｓ１に保つようなアラインメント方法により、一層安定なシステムあるいはモジュールを実現する。サドルポイントアラインメントは、チャープパルスの和混合で生成するＴＨＧパルスで矩形波を目指す場合は、有効な手段である。
【０１０７】
さらに、焼きなまし法によるアラインメントの例を示す。これは、アラインメントに確率的な動きを導入することができる、これを図２２を用いて説明する。
図２２において、現在、ノブの回転角がＸ１からＸ２へと変化させ、光強度がＰ１からＰ２へと増加したとき、さらに、光強度を増加させる回転角を探索するために、従来のアラインメント方法では、次のノブの回転はＸ１からＸ２への方向と同じ方向にあるＸ３となるようにする。
【０１０８】
これに加えて、確率的に、それとは逆の方向であるＸ４にもノブが回転をするようにアラインメントすることを特徴とする。これは、熟練者がアラインメントするときの「試し」に相当する。通常は、Ｘ３の角度に振るのが常套手段ではあるが、ある領域、特に微動領域では、熟練者は、わざとＸ４にすることがある。すなわちこれは、ときには「悪い」と思われる状態へもアラインメントすることを意味する。悪いと思われる方向へアラインメントする確率は、アラインメントが最適化に近づくにつれて低くすると一層有効である。
【０１０９】
これにより、通常では、強度が下がるはずであるが、まれに上昇する場合がある。すなわち、一層強度を増加させるための足がかりとなることがある。このように確率的な動きを導入することにより、一層有効なアラインメント方法を提供する。
【０１１０】
最後に、アラインメントにおける、シークエンスと休止の導入を示す。
従来のアラインメント方法では、複数のモーターを切り替え、目的の光量などになるようにパラメーターを設定できるようになっていた。
これに対して、状況に応じてパラメーターを変更できるようにし、シーケンスを組めるようにしたのが特徴である。すなわち、あるパラメーターのセットで調整し、条件を満たせば、次のパラメーターを次のセットに変更して調整できるようにした。
さらに、このパラメーターのなかで、モーターがまったく動かない「休止」状態も導入した。これは、実際の調整において、調整後、微動装置の回転ノブはまったく調整せず、ただ、故意に待つ、そして、ある程度待った後に、再度調整を開始する。こうしたほうがよりよい調整が行えることを経験的に知られており、これらを「休止」という形で、シーケンス内で設定できるようにした。
【０１１１】
（実験例）：実際のアライメントで、熟練者がアライメントした結果の強度を、匠アルゴリズムによるアライメントが上回ったこともある。
１つのアライメントシステムが、１人の熟練者に相当するので、複数のアライメントシステムの導入は、複数の熟練者が同時に存在することに相当する。したがって並列かつ多目的同時対応が可能になる。いままで以上に安定なシステムとなる。また、自動化が可能となる。より複雑となっても、実現が可能となる。さらに、メンテナンスが容易になる。
【０１１２】
また、つぎのようなメリットがある。
（１）モジュールＡとモジュールＢがあったとする。モジュールＡとモジュールＢの間の光軸を安定化させると、モジュールＢから出射されるレーザーの強度や光軸が安定する。よって、これらモジュールを組み合わせた結果の最終段の出力ビームも強度や光軸が安定化する。さらに、モジュールＡ−Ｂ間の光軸を最適状態にアライメントした場合、モジュールＢから出射するレーザーなどの出力強度が増加する。
（２）強度に余裕がでるため、制御が行いやすくなる。十分な強度がある場合は、減少させて利用することが可能で、次のモジュールへ一定の強度で入射させることが可能となる
【０１１３】
本発明の進歩性を下記に示す。
レーザーを用いたシステムにおける光軸調整は大変面倒な作業であり、かつ熟練した技術者による職人芸的な方法に依存していた。
また、光軸調整個所が複数ある場合、従来技術では、上流側からの順次調整しかできなかった。
【０１１４】
それはフィードバックを用いた光軸調整の自動化を図る場合、つぎのような障碍があることが背景にある。
一般的なフィードバック制御は、その伝達関数が解析的に明確になっている。しかし、大規模レーザーシステムにおいて、複数の光軸調整個所がある場合、そのときの伝達関数を現実的に求めることができない。これは、複数の光軸調整個所が独立に動作しないからである。例えば、２つの光軸調整個所に対応して、上流側のフィードバックループ＃１と下流側のフィードバックループ＃２があり、フィードバックループ＃１の結果が、＃２に影響を与えるので、＃１の状態が変われば、＃２の伝達関数が変化することが通常であるということである。つまり、フィードバックループ＃１及び＃２を同時並行して調整を行う場合、＃１の状態に合わせて＃２の制御のパラメーターを変化させる必要があった。よって、同時並行で調整にするためには、＃１の状態を十分に解析し、そのそれぞれの状態での＃２の伝達関数をさらに解析し、制御パラメーターを割り出さなければならず、これは、現実的にはできない。光軸調整個所が３つ以上となるとますます難しくなる。それ故、上流から下流へというシリアルな調整方法が行われていた。
【０１１５】
しかし、本発明では、ファジイ推論またはメタヒューリスティックなアルゴリズムを用いているので、調整個所の伝達関数が解析的に明確になっていなくても制御が実現可能という特徴がある。制御は、目的の結果が得られるように（例えば光検出素子から得られる電圧が高くなるように）フィードバック制御することにより、制御ループを作っているからである。この過程では、その伝達関数を求めていない。よって、伝達関数がどのように変化しても目的とする電圧を高くする方向に制御する。そして、前記の例では、フィードバックループ＃１の影響によるフィードバックループ＃２の状態変化を検知することを必要とせずにフィードバックループ＃２の制御を行う。
これにより、本願発明では複数のフィードバックループを同時並行に制御しても、光軸調整が自動的に実施可能になるという顕著な作用効果を有する。
本発明により、レーザーシステムにおける光軸調整と言う、熟練性を有し、かつ面倒な作業を自動的にできることが可能になった。
【０１１６】
従来、レーザーシステムにおける運転制御は物理的な条件を押さえて伝達関数を明らかにした上で、そのパラメーターをいかに精度良く設定できるかという制御しか行なわれていなかった。実際には微妙な「職人芸的な調整」は行なわれていて、それは人間が目で見て経験で判断していた。例えば、電子ビームのプロファイルなどは人間が見て経験で判断していた。こういう部分があるために、完全な自動化ができていなかった。本願発明により、全自動化が可能となった。ファジイ制御では、ある程度の許容幅をもって目的関数化できるので、競合するような複数の最適化目標を持つようなシステムでの同時多目標最適化に威力を発揮する。このような制御では、最適化したい目標同士が競合するかどうかを事前に認識して調整する必要がない。メタヒューリスティックなアルゴリズムを用いた場合でも同様である。
【０１１７】
以上本発明の実施形態を説明した。特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想から逸脱することなく、これらに変更を施すことができることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明は、レーザーを有したシステムであって光軸調整個所を複数有するシステムに利用可能である。
【符号の説明】
【０１１９】
４０：レーザービーム
４４：基本波のレーザーパルス
４６：電子ビーム
４７：高調波
４８：３倍高調波のレーザーパルス
５０：光軸調整手段
５１：第１の光軸調整手段
５２：第２の光軸調整手段
５７：リスレープリズム対
５８：モーター対
６１：検出信号
６２：制御信号
６３：駆動信号
１００：フォトカソードＲＦ電子銃
１０１：モード同期チタンサファイアレーザー
１０３：パルス幅伸張器
１１１：再生増幅器
１１３：マルチパス増幅器
１２１：パルス幅圧縮器
１２３：第３高調波発生手段及びパルス幅伸張器
１２５：３次元形状整形手段
１３３：フォトカソード電子銃
１３１：ＥＯＳバンチモニター
２００：モジュール
２０１：第１のモジュール
２０２：第２のモジュール
２０３：第３のモジュール
２０５：ビームサンプラー
２０７：光検出器
２１１：制御手段
２０９：モータードライバー
２６１：４象限センサーまたは２次元ＰＳＤ
２６３：カメラ
２６５：ターゲット
２９９：フィードバックループ
３１１：第１のピンホール
３１３：第２のピンホール
３１５：非線形光学結晶
５１１：レーザープロファイルの重心
５１３：外形形状
５１５：フィッティング円
５１７：フィッティング円の中心
５２１：内円に対する輪郭
５２３：外円に対する輪郭
６０１：遮断板
６０３：ドーナツ状の遮断板
７０１：第１のプリズム
７０３：第２のプリズム
７１０：光路の中心軸
７１１：直角な頂角を形成する第１の面
７１３：直角な頂角を形成する第２の面
７１４：第１の面及び第３の面がなす稜
７１５：第３の面
７１７：第４の面
７３０：受光素子
７３１：第１の受光素子
７３２：第２の受光素子
７３３：第３の受光素子
７３４：第４の受光素子
７４０：ドーナツ形プリズム
７４２：回転の中心軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザーを一つの構成単位とするような巨大装置に対する統合調整システムに係わる発明である。
【背景技術】
【０００２】
加速器に用いる低エミッタンスの電子ビームを発生し、発生した電子ビームを安定にするため、また、電子ビームの安定な発生を維持するため、さらに発生した電子ビーム形状計測のためのＥＯサンプリング及びタイミングジッター計測などのためレーザーが使われている。
それらの目的のために、さまざまなレーザー機器および電子機器などの構成要素（モジュール）が組み合わせられている。また、モジュール間は、光路を有する。安定動作を実現するためには、それぞれのモジュールだけでなく、モジュール間光路におけるレーザーの光軸を最適な状態に設定および保持する必要がある。
【０００３】
図１は財団法人 高輝度光科学研究センター（ＳＰｒｉｎｇ−８）加速器部門にて開発中の、フォトカソードＲＦ電子銃１００の構成を示す。フォトカソードＲＦ電子銃とは、超短レーザーパルスをＲＦ空洞内のカソード面に照射し、生成された光電子をＲＦ空洞内の高電界で電子ビームが空間電荷効果で拡散しないうちに一気に加速し、低エミッタンス電子ビームを生成する装置である。レーザーパルスの品質がカソード直後の電子ビーム品質を左右するため、発生する電子ビームの特性はレーザーに依存するところが特に大きい。
【０００４】
このシステムでは、次の３つを同時に達成する必要がある。
（１）フォトカソード電子銃駆動用のレーザーパルス光源の３次元形状最適化（パルス幅１０ｐｓ程度でビーム直径は１ｍｍ程度）およびパルスエネルギーの長期安定化。
（２）Ｚ偏極電子源へ入射するレーザーパルス光源である、フェムト秒超短パルス（パルス幅１ｐｓ以下のパルス）であり、かつ円環ラジアル偏光を有するレーザービームの実現。
（３）電子ビームのパルス形状を計測するためのＥＯサンプリング用途とするプローブレーザー光に要求される２００ｐｓのパルス幅かつ、２０ｎｍのスペクトル幅を有し、さらに線形チャープを示す円環ビームの電気光学結晶への照射。
【０００５】
図１においては、モード同期チタンサファイアレーザー１０１、パルス幅伸張器１０３、再生増幅器１１１、マルチパス増幅器１１３、パルス幅圧縮器１２１、第３高調波発生手段及びパルス幅伸張器１２３、３次元形状整形手段１２５、フォトカソード電子銃１３３及びＥＯＳバンチモニター１３１が各モジュールとなる。
【０００６】
これらの各モジュールを下記に説明する。なお、モジュール間の光路には、適宜リスレープリズム対またはギンバルミラーからなる光軸調整手段５０が挿入されており、次段のモジュールへの光軸の最適化が図られる。光軸調整手段５０を用いた光軸最適化は、フィードバック制御により行われているが、図１ではフィードバック部分を省略している。
【０００７】
モード同期チタンサファイアレーザー１０１は種光源となるレーザーパルスを発生させる装置である。チタンをドープしたサファイアをゲイン媒体とするレーザーで、モード同期させることによりパルス幅１ｐｓ以下の超短パルスを発生させる。高輝度のレーザーパルス光を得るためには、発生したエネルギーの小さい超短パルスを増幅していく必要がある。このときチャープパルス増幅法（ＣＰＡ法）を用いて増幅する。
【０００８】
高輝度レーザー光が光学材料を通過する場合、強度に比例した屈折率変化が起きる。強度の強いレーザー媒質の中心の屈折率が大きくなり、レーザー光の集光が起きる。集光によってさらにレーザー強度が増すため、さらに屈折率が増大から集光という過程が繰り返されるため、レーザーは伝播にしたがって集光度を増していくことになる。そして、集光強度がある一定の値を超えるとレーザー媒質の破壊が起こる。ＣＰＡ法ではこの破壊を避けることができる。ＣＰＡ法はパルスエネルギーが大きくてもパルス幅が広ければピーク強度が高くならないので破壊が起こらないという手法である。すなわち、パルス幅伸張器でパルス幅を広くしておき、パルス幅の広くなったレーザーパルスを増幅したのちに、パルス幅を圧縮する。
【０００９】
本システムにおいては、まずパルス幅伸張器１０３によりパルス幅を広くする。つぎに、２段構成からなる増幅器でレーザーパルスを増幅する。該２段構成の増幅器は再生増幅器１１１及びマルチパス増幅器１１３からなる。再生増幅器１１１では、レーザーパルスを増幅可能な繰返し周波数に作り直して増幅する。本システムにおいては、レーザー発振器部分は約１００ＭＨｚの繰返し周波数であるが、再生増幅器１１１で増幅可能な繰返し周波数である１０Ｈｚから１ｋＨｚのパルスに切り出して増幅している。マルチパス増幅器１１３では、ポンプ光源であるＹＡＧレーザで増幅のためのチタンサファイヤ結晶を両側から励起している間に、複数回角度をつけながら再生増幅されたパルスを往復させることで増幅させる。このあとパルス幅圧縮器１２１を通して、パルス幅を圧縮し、ＣＰＡ法が完結する。
【００１０】
つぎに、第３高調波発生手段及びパルス幅伸張器１２３により、もとの光に非線型光学結晶を通過させ、３分の１の波長を作り出し、さらに、パルス幅を伸張する。３倍高調波を必要とするのは、フォトカソード電子銃のカソードには銅を用いているので、その仕事関数が４ｅＶ強であるという観点から、もとのレーザー種光源の波長に対しての３倍高調波（２６３ｎｍ、紫外領域）が必要になるからである。ここまでが、レーザーパルス発生部を構成する。
【００１１】
しかしながら、これによりレーザーパルスが高品質で発生されたとしても、そのレーザービームをＲＦ電子銃のフォトカソードに照射しても、電荷分布が均一な円筒形状を有する理想的な電子ビームが得られるとは限らない。レーザーパルスの３次元形状が電子ビームのエミッタンスを左右するからである。３次元形状整形手段１２５により３次元形状を整形する。３次元形状整形手段１２５は、縦方向の時間プロファイル整形器と横方向の空間プロファイル整形器との双方を有し、前者はＵＶ−レーザーパルス・スタッカーまたは空間位相変調器からなり、後者は補償ミラーからなる。
【００１２】
３次元形状を整形された３倍高調波のレーザーパルス４８が、フォトカソード電子銃１３３に入射し、電子ビーム４６が発生される。ＥＯサンプリング（ＥＯＳ）を用いると、発生した電子１ｐｓ以下の電子ビームに対して形状測定が測定可能である。すなわち、発生された電子ビーム４６は、ＥＯＳバンチモニター１３１に入射しそのバンチ幅が測定される。本ＥＯＳバンチモニターは、スペクトラル・デコーディングという方法をとっており、プローブ光を入射して測定する。プローブ光は、同じレーザー光源から採取された、基本波の波長を有するパルス４４を用いており、別途ＥＯＳバンチモニター１３１に入力する。
【００１３】
図１に示されたシステムは、発生したレーザー光が圧縮、伸張、増幅、高調波発生など、さまざまな装置（モジュール）で多数の処理を行っており、各装置間に、光軸調整手段５０が配置されており、光軸調整の最適化が高品質のレーザーパルスを発生するのに極めて重要である。
【００１４】
また、図１の装置を含めた、レーザーを用いたシステムにおいて、各モジュール間のビームのアライメントは、高度な調整能力を保有した熟練技術者が行っている。通常、上流側からの逐次アライメントで調整を行っているが、このような対応では限界が来ることが明らかであるため、並列調整及び調整の自動化が必要とされる。
【００１５】
さらに、モジュールが、温度管理された場所に設置される場合、人の立ち入りを回避したい場所に設置される場合、及び放射線管理区域等人の立ち入りが制限される場所に設置される場合があり、レーザー光軸最適化の自動化のほか遠隔操作化が望まれている。
【００１６】
【特許文献１】特開２００５−２２１８０７号公報
【特許文献２】特開平１１−０１４３３０号公報
【非特許文献１】冨澤 宏光、加速器の要求に堪えるレーザー光源を目指して 〜フォトカソードＲＦ電子銃用レーザー光源開発〜、加速器、日本、２００６年、第３巻第２号２５１〜２６２ページ
【非特許文献２】Hiromitsu Tomizawa, Development of reliable and sophisticated photo injector system and future plan, Proceedings of the 4th Annual Meeting of Particle Accelerator Society of Japan and the 32nd Linear Accelerator Meeting in Japan, August 1-3, 2007
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
本発明は、これまでは自動アライメントが不可能であった、大規模レーザーシステムにおける光軸アラインメントの自動化を実現することである。とくに、従来技術のような上流から下流への逐次アラインメントのみではなく、人力では不可能であったシーケンシャル制御調整、および並列調整を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
課題を解決するために、本願発明は、
複数のモジュールから構成されたレーザーシステムであって、各モジュールの間は光路で接続され、
少なくとも２つの光路のそれぞれに光軸調整手段を有し、該光軸調整手段はフィードバック制御により光軸調整を行い、該フィードバック制御をファジイ推論またはメタヒューリスティックな制御で行うことを特徴とする。
【００１９】
さらに、前記フィードバック制御とは、フィードバック制御の対象となる光軸調整手段を通過した後のレーザー光を直接または他のモジュールを介しその出力レーザー光を光検出手段で検出し、検出結果に応じて該光軸調整手段を調整する制御を行うことを特徴とする。
【００２０】
さらに、前記複数のモジュールの少なくとも１つは、レーザー増幅器、パルス幅伸張器、パルス幅圧縮器、プロファイル整形器もしくは高調波発生手段、またはこれらの組み合わせからなることを特徴とする。
【００２１】
さらに、前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第１、第２及び第３のモジュールを含み、第１のモジュールとの出力と第２のモジュールの入力及び第２のモジュールの出力と第３のモジュールの入力とはそれぞれにおいて直接または少なくとも１つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第１のモジュールに入力する光路上に第１の光軸調整手段を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第３のモジュールの出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段のフィードバック制御を第２のモジュールの出力光を利用して行う、ことを特徴とする。
または、前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第１及び第２のモジュールを含み、第１のモジュールとの出力と第２のモジュールの入力とは、直接または少なくとも１つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第１のモジュールに入力する光路上に第１の光軸調整手段を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第１のモジュールの出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段のフィードバック制御を第２のモジュールの出力光を利用して行う、
ことを特徴とする。
【００２２】
さらに、前記レーザーシステムは多段増幅式レーザーシステムであることを特徴とする。
【００２３】
さらに、前記光軸調整手段が、リスレープリズムの回転またはミラーの角度変化を用いたことを特徴とする。
【００２４】
さらに、前記光検出手段が、入力するレーザー光の光強度に対応した信号を出力し、前記制御手段に入力することを特徴とする。または、前記光検出手段が、入力するレーザー光のプロファイルを出力し、前記制御手段に入力することを特徴とする。
【００２５】
さらに、前記モジュール間の少なくとも１つの光路に、所望とする光路の中心軸に対しどのような状態かを検出する装置が挿入され、該検出装置が、回転体のプリズムと複数の受光素子とを備え、
該回転体のプリズムは、回転の中心軸を含む平面による断面形状が直角な頂角を形成する第１および第２の面と、前記直角な頂角と対向する第３の面とを有する直角三角形に対して、前記直角な頂角部分を、前記第３の面と平行なかつ所定広さの第４の面となるように加工した構造に相当する構造の第１の形状および、該第１の形状と同様な構造の第２の形状であって、該中心軸を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第１の面が、該中心軸と直交する平面に対し平行になるように、かつ、第１の面および第３の面がなす稜が該中心軸の側に位置するように、配置された第１および第２の形状からなる断面形状を有し、
該受光素子は、該回転体プリズムに関わる第１及び第２の形状における前記第２の面が該回転の中心軸のまわりに回転することによって得られる曲面のまわりに、受光面が該中心軸に向けて配置されたことを特徴とする。
【００２６】
さらに、前記モジュール間の少なくとも１つの光路に、ドーナッツ状の遮断板を挿入したことを特徴とする。
【００２７】
さらに、前記メタヒューリスティックな制御とは、遺伝的アルゴリズム、シミュレーティド・エボリューション、焼きなまし法、タブー探索、蟻コロニー最適化、粒子群最適化、進化戦略、進化的プログラミング、人工免疫システム及びニューラルネットワークのいずれかを用いた制御であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
本願発明はフィードバックループを有する光軸調整個所を複数有しても、それらの光軸調整を同時並行に自動制御可能であるという、顕著な作用効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】多数のモジュールから構成されるレーザーシステムの例として、フォトカソードＲＦ電子銃を示す。
【図２】フィードバックループを有する光軸調整の構成例を示す図である。
【図３】本願発明による自動光軸調整を行うレーザーシステムの例を示す。
【図４】出力電圧値を制御装置の入力信号とした場合の構成例を示す図である。
【図５】画像解析によるレーザープロファイルの観察法の例を示す図である。
【図６】レーザープロファイルの例を示す図である。
【図７】重心と中心との差を利用したアラインメントの例を示す図である。
【図８】眞円との差を利用したアラインメントの例を示す図である。
【図９】トップハットファクターを利用したアラインメントの例を示す図である。
【図１０】ドーナツ状のビームプロファイルの例を示す図である。
【図１１】ドーナツ状のビームプロファイルに対するアラインメントの例を示す図である。
【図１２】ファジイ推論に基づく光路調整ステップの例を示すフローチャートである。
【図１３】Ｓ’に対するメンバーシップ関数の例を表す図である。
【図１４】ΔＳに対するメンバーシップ関数の例を表す図である。
【図１５】ルール１１乃至１４に基づく統合化の工程の説明に供する図である。
【図１６】ルール２１乃至２３に基づく統合化の工程の説明に供する図である。
【図１７】統合化１及び統合化２のメンバーシップ関数の論理和として、統合化３を求める工程の説明に供する図である
【図１８】ビーム遮断板の例を示す図である。
【図１９】２つのプリズムと、４つの受光素子から構成される光軸状態検出装置を示す図である。
【図２０】ドーナツ形プリズムその外円周囲に配置された受光素子から構成される光軸状態検出装置の例を示す図である。
【図２１】サドルポイントアラインメントの例を示す図である。
【図２２】アラインメントに確率的な動きを導入した例を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
図２以後の図において、レーザーの光路を一点破線で示し、光軸調整用信号などの信号（通常は電気信号）の経路を細線の実線で示してある。
【００３１】
本願発明は、フィードバックループを用いた光軸調整手段を複数用いたレーザーシステムにおいて、好適である。
【００３２】
光軸調整手段に適用されるフィードバックループ２９９の実施形態を図２に示す。
この図において第１のモジュール２０１、第２のモジュール２０２及び（その他の）モジュール２００は、図１におけるパルス幅伸張器１０３、再生増幅器１１１等のモジュールである。レーザー発生源は第１のモジュール２０１より前にある場合もあり、また第１のモジュールがレーザー発振源そのものである場合もある。なお、後者の場合、第１のモジュール２０１の入力のレーザービームはかならずしも必要ない。
【００３３】
第１のモジュール２０１と第２のモジュール２０２との間には光軸調整手段５０が設けられる。ここでは、光軸調整手段５０はリスレープリズム対５７を有するものとし、２つのリスレープリズムをＲ１及びＲ２とする。光軸調整手段５０はリスレープリズムでなくギンバルミラーを有することも可能である。
【００３４】
リスレープリズム対５７を有するものとした場合の動作を下記に示す。
第２のモジュール２０２からの出力レーザービームが、ビームサンプラー２０５により、その一部が光検出器２０７に入力し、レーザー光の強度に依存して電気信号である検出信号６１に変えられる。検出信号６１は、制御手段２１１に入力し、制御手段２１１は制御信号６２を出力する。制御信号６２は、モータードライバー２０９に入力し、駆動信号６３によってモーター対５８を回転させる。これにより、リスレープリズム対５７が回転し、第１のモジュール２０１と第２のモジュール２０３間の光軸の最適化を図ることができる。モーター対５８は、Ｍ１とＭ２からなり、それぞれリスレープリズムＲ１とＲ２を回転させるものとする。
【００３５】
この構成により、光軸調整手段５０から、第２のモジュール２０２、ビームサンプラー２０５，光検出器２０７，制御手段２１１，モータードライバー２０９を経由して、光軸調整手段５０へ戻るフィードバックループ２９９が形成される。
【００３６】
制御手段２１１は、制御ソフトウェアを搭載したコンピューターとすることもできる。この場合、制御ソフトウェアは、匠アルゴリズムなどのファジイ推論、またはメタヒューリスティックなアルゴリズムを基にした制御ソフトウェアとすることが好適である。
【００３７】
図３は、このような光軸調整用にフィードバックループが多数導入されたレーザーシステムの構成例を示す。
すなわち、複数のモジュール２００〜２０３から構成されたレーザーシステムであって、各モジュールの間は光路で接続され、少なくとも２つの光路のそれぞれに光軸調整手段５０〜５２を有し、該光軸調整手段はフィードバック制御により光軸調整を行うレーザーシステムである。例えば、前述のフォトカソードＲＦ電子銃のほか、多段増幅式レーザーシステムにこのような構成が採用される。
（ａ）は、このようなシステムにおいて、レーザー光の入力及び出力を有する第１のモジュール２０１及び第２のモジュール２０２を含み、第１のモジュール２０１の出力と第２のモジュール２０２の入力とは、光路が接続されている。この図の例では直接光路が接続されているが、それらの間に少なくとも１つの他のモジュールが入る場合もある。
第１のモジュール２０１に入力する光路上に第１の光軸調整手段５１を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段５２を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第１のモジュール２０１の出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段５２のフィードバック制御を第２のモジュール２０２の出力光を利用して行う。
（ｂ）は、このようなシステムにおいて、レーザー光の入力及び出力を有する第１のモジュール２０１、第２のモジュール２０２及び第３のモジュール２０３を含み、第１のモジュール２０１の出力と第２のモジュール２０２の入力及び第２のモジュール２０２の出力と第３のモジュール２０３の入力とはそれぞれにおいて光路が接続されている。この図の例では直接光路が接続されているが、それぞれにおいてそれらの間に少なくとも１つの他のモジュールが入る場合もある。
第１のモジュール２０１に入力する光路上に第１の光軸調整手段５１を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段５２を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第３のモジュール２０３の出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段５２のフィードバック制御を第２のモジュール２０２の出力光を利用して行う。
すなわち、（ａ）では、２つのフィードバックが、シーケンシャルに配置されているが、（ｂ）では、２つのフィードバックループが入れ子構造になっている。（ｃ）はそれらの複合形態である。
【００３８】
本願発明は、上記（ｂ）または（ｃ）の形態が特に効果を発揮するが、（ａ）においても有効である。それは、（ａ）のようにフィードバックをシーケンシャルに配置した例においても、上流（光源に近い側）での光軸調整が、下流（光源から遠い側）のモジュールに影響をあたえ、下流のモジュールの光軸や強度などの光の状態を変化してしまう。そのため、調整を必要とするパラメーターが変化してしまい、その変化を解析的に明確にすることが不可能に近いため、本願発明はこのような構成に対しても有効である。時間変化により、レーザー光源の温度などにより状態が変化する場合があるので、従来は、短時間に調整を行える熟練者を要した。
【００３９】
いずれの場合も、フィードバックループは図２と同様の構成である。いずれかの光軸調整手段５０はその両側のモジュール（２つのモジュールはかならずしも該光軸調整手段を挟んで隣接しているとは限らない）の間の出力ビームの光軸を調整するものである。すなわち図２のように、第２のモジュール２０２の出射光がビームサンプラー２０５によりその一部が取り出され、光検出器２０７に入力する。光検出器２０７の出力信号６１が、制御手段２１１の入力信号となる。制御手段２１１からの制御信号６２がモータードライバー２０９に入力し、これから出力する駆動信号６３によって、モーター対５８の回転動作を行わせ、これが光軸調整手段５０のリスレープリズム対５７の位置を最適化する。
【００４０】
ここで、制御手段２１１にはいる入力信号として、（１）光検出器２０７を光パワーメーターなどとし、この測定結果である、出力電圧値を入力信号とする場合、（２）レーザービームの横モードプロファイル（レーザー進行方向に対して垂直な面内での光の強度分布）をカメラ（ビームプロファイラー）で撮影し、その画像処理を行い、代表的な数値を算出したものを制御装置への入力信号とする場合がある。（１）では、光の強度と相関をもった出力電圧値が制御装置への入力信号となる。また、４象限センサーや２次元ＰＳＤなどからのＸ、Ｙの電圧信号も制御の入力信号となり得る。（２）の場合は、画像を解析した後の代表値の具体例は、重心と中心との差、眞円との差、トップハットファクター（ＴＨＦ）などがある。さらに、横モードプロファイルに限らず、各モジュールの目的にあわせて空間プロファイル、時間プロファイル、スペクトルプロファイル、群速度分散プロファイルなどのレーザー光のプロファイルを利用し代表的な数値を算出したものを制御装置への入力信号とする場合がある。このとき、本制御においては、これらの代表的な数値は、各モジュールごと、および各モジュール間で解析的に矛盾しててもかまわない。
【００４１】
パワーメーターなどからの出力電圧値を制御装置の入力信号とした場合は、図４に示すような構成になる。図４（ａ）に示すように、第１のピンホール３１１と第２のピンホール３１３とを通過したレーザービーム４０を光検出器２０７で検出して、光量を電気信号に変換する。正規の光軸からずれた場合は、光検出器２０７による受光量が減少するので、光量が最大となるように制御手段（図示せず）によりアラインメントする。
【００４２】
図４（ｂ）に他の方法を示す。これは、非線形光学結晶３１５により２倍、３倍等の高調波４７を発生させ、これらを光検出器２０７で検出し、電気信号に変換する方法である。高調波への波長変換は、ビームの非線形光学結晶３１５への入射角に強く依存する。正規の光軸で最大となるようにあらかじめ非線形光学結晶３１５を調整しておけば、正規の光軸からずれた場合、発生する高調波の光量が大幅に減少する。したがって、高感度の調整が可能となる。
【００４３】
図４（ｃ）に４象限センサーや２次元ＰＳＤ２６１を用いる例を示す。これらは、センサー上でレーザービームがあたっている位置座標（ｘ，ｙ）に依存した出力電圧の組（Ｖｘ，Ｖｙ）を発生する。目標位置座標における電圧が（Ｖｏｘ，Ｖｏｙ）であったとすると｛（Ｖｘ−Ｖｏｘ）＾２＋（Ｖｙ−Ｖｏｙ）＾２｝＾（１／２）が、ゼロに近づくようにアラインメントする。
【００４４】
一方、画像解析によるレーザープロファイルの観察法を図５に示す。
レーザービームの断面の強度分布（レーザープロファイル）を観察する方法には、大きく分けて、（１）レーザービームを直接、カメラ２６３で観察する方法（図）５（ａ）と、（２）レーザービームをターゲット２６５に当てて、ターゲット２６５から来る光をカメラ２６３で観察する方法（図５（ｂ））の２つである。
【００４５】
（２）にはさらに、２種類あり、（２−１）ターゲットから来る光が入射したレーザービームの散乱光であり、該散乱光を観察する場合と、（２−２）ターゲットそのものの蛍光性による蛍光あるいは、ターゲットの表面に塗布された蛍光材料による蛍光を観察する方法とがある。
（２−２）の場合のターゲット材は、つぎの材料が好適である。
（ａ）蛍光カソード材（紫外レーザー確認用）
（ｂ）ウランガラス（紫外レーザー確認用）
（ｃ）アップコンバージョンプレート（赤外レーザー確認用）
（ａ）は、真空中でもモニター可能という特徴がある。（ｂ）は入射レーザービームが紫外領域のとき可視領域の蛍光に変換される。（ｃ）は、入射レーザービームが赤外領域のとき可視領域の蛍光に変換される。
【００４６】
紫外レーザースポット確認用の蛍光カソードの材質には、蛍光体番号Ｐ２０と呼ばれる、成分（Ｚｎ，Ｃｄ）Ｓ：Ａｇの蛍光体が好適である。この蛍光材料は発光効率が高いので、確認できるプロファイルはサチュレーションしたものになりやすくなる。そのため、プロファイルの外形（高い輝度を有する空間領域）のみの確認が可能である。レーザーの空間プロファイルは整形作業を通じて、どうしても空間周波数が高いスパイキーな構造を持ってしまう傾向があるので、サチュレーションを起こすような計測方法によると細かい構造を見ないようにすることができる。
一方、レーザープロファイラーは細かい構造まで見るので、ダイナミックレンジを取るためにはＮＤ（neutral density）フィルターを切り替えてアッテネートしながら、計測する。
【００４７】
画像解析とは、図６に示すような、カメラで取得したレーザープロファイル、すなわち、２次元座標（ｘ、ｙ）の各点に対する輝度分布を解析することである。カメラはフォトダイオード、ＣＣＤ等の感光素子を２次元マトリクスに配置したイメージセンサとすることができる。
画像解析にはつぎのような方法がある。
（１）重心と中心との差をフィードバックする方法
（２）眞円との差をフィードバックする方法
（３）トップハットファクター（ＴＨＦ）を利用する方法
（４）円環解析を利用する方法
【００４８】
重心と中心との差を利用する方法を図７を利用して下記に示す。
（１）レーザープロファイルから、その重心５１１を求める（図７における○）。
（２）一方で、レーザープロファイルにおいて特定の輝度の値を示す点（ｘ、ｙ）の外形形状５１３を求める。（図７における□の集合）。
（３）該外形形状に対して、最も一致する円であるフィッティング円５１５をもとめる。
（４）フィッティング円５１５の中心５１７と前記重心５１１との距離がもっとも小さくなるようにアラインメントする。
【００４９】
眞円との差をフィードバックする方法を図８を利用して下記に示す。
（１）レーザープロファイルから、輝度を指定し、その外形形状５１３を求める。これは前述の（２）と同じ処理である。
（２）該外形形状に対して、フィッティング円５１５をもとめる。これは前述の（３）と同じ処理である。
（３）該外形形状５１３と該フィッティング円５１５との差を求める。具体的には、Ｒｉ、ｒ及びＤｉをつぎのように定義したとき、距離の差の自乗の総和ΣＤｉを求める。
Ｒｉ：中心と外形形状の位置の差
ｒ：フィッティング円の半径
Ｄｉ：これらの差の自乗、すなわち、Ｄｉ＝（Ｒｉ−ｒ）＾２
（４）ΣＤｉが最小となるようにアライメントする
【００５０】
トップハットファクター（ＴＨＦ）を利用する方法を図９を利用して下記に示す。
ビームプロファイルの形状は、図９（ａ）に示す、トップハットの形、すなわち円柱形の強度分布となることが理想的である。すなわち、ｘ及びｙの所定の領域で一定の輝度を示し、それ以外の領域で輝度ゼロになるビームプロファイルである。
トップハット形状にどのくらい近いかを示す数値がＴＨＦであり、つぎの方法で計算する。
（１）輝度と頻度の関係を輝度が横軸に、頻度が縦軸になるようにグラフに表す（図９（ｄ））。このときの頻度とは、特定の輝度よりも高い輝度を呈する画素の総数である。例えば、特定の輝度を０とおけばすべての画素が該当するので、頻度はカメラの画素数に等しくなる。特定の輝度が増加するにつれて、頻度が減少し、最大輝度の位置で頻度はゼロになる。
（２）次に、当該グラフにおいて、輝度の最大値を１に、頻度の最大値を１に規格化する（図９（ｅ））。
（３）このときの軸と曲線で囲まれる面積ＳがＴＨＦを与える。
図９（ａ）に示された理想的プロファイルの場合の輝度と頻度との関係は図９（ｂ）で与えられる。したがって、理想的プロファイルに対しては、図９（ｃ）で示すようにＴＨＦ＝１となる。
このＴＨＦが１となるように、あるいはできるだけ１に近づくように、アラインメントする。
【００５１】
円環解析による方法を次に示す。大規模システムの一部では、レーザービームが、図１０に示すような、ドーナッツ状のビームプロファイルを呈する場合がある。図１１を参照して、このような場合のアラインメントはつぎのようになる。
（１）特定の輝度を指定して、２つの外形形状を求める。すなわち、ドーナツの内円に対する輪郭５２１と外円に対する輪郭５２３を抽出する。
（２）それぞれの輪郭に、円のフィッティングを施し、フィッティングされた円のそれぞれに対して中心をもとめる。内円の中心（図示せず）と外円の中心（図示せず）とが求まる。
（３）内円の中心と外円の中心とのずれ、あるいは、それぞれの中心と重心（前述のように、レーザープロファイルの輝度の分布の重心である）とのずれを、できるだけ小さくなるようにアライメントする。
【００５２】
（光軸調整のフローチャート）
次に、図１２に示すフローチャートを参照して光軸調整の制御方法をより詳細に説明する。光軸調整手段は、リスレープリズム対が利用されており、かつ図２に示すようなフィードバックループが構成されているものとする。ここでは、光検出器２０７は、光パワーメーターなどとし、この測定結果である、出力電圧値を制御手段２１１への入力信号とする場合を取り上げる。
【００５３】
ステップＳ−１０：このステップは、制御開始ステップである。
【００５４】
ステップＳ−１２：このステップは、光検出器２０７からの出力を制御手段２１１が取得するステップである。
【００５５】
ステップＳ−１４：このステップは、モーター対５８を順次駆動するステップである。２つのモーター（Ｍ１及びＭ２）どちらから始めてもよいが、まずそのうちの一つを選定する。最初に選択されたモーター（ここではＭ１とする。）によって、リスレープリズム対５７のうちの第１プリズムＲ１の向きを変化させることにより、変換光の強度が極大になる位置に、モーターＭ１の回転を固定して、次のモーター（Ｍ２）によって同様に第２プリズムＲ２の向きを変化させることにより、変換光の強度が極大になる位置に、モーターＭ２の回転を固定する。
【００５６】
前述のモーターＭ１及びＭ２の回転による、第１及び第２プリズムＲ１及びＲ２の向きを決定するためのモーターの回転量は、後述するファジイ推論に基づいて決定する。
【００５７】
ステップＳ−１６：このステップは、モーターＭ１及びＭ２を少しだけ回転させる、試し駆動ステップである。このステップでは、モーターの回転方向を確定するために行なう。
ステップＳ−１８：このステップは、光検出器２０７によって、変換光の強度に比例する信号を取得するステップである。
【００５８】
上述のステップＳ−１６及びＳ−１８によって、ある方向にモーターを回転させることにより光検出器２０７に受光される変換光の強度が増加することが判明すれば、その回転方向は変換光の強度が極大になる方向であることを示している。逆に光検出器２０７に受光される変換光の強度が減少することが判明すれば、この回転方向は変換光の強度が極大になる方向とは逆の方向であることを示している。
【００５９】
ステップＳ−２０：このステップは、光検出器２０７の出力信号の時間微分値、目標値（極大値）からのずれ量を計算するステップである。このステップでは、ファイジー推論において入力値として利用する出力信号の時間微分（差分）値を計算し、目標値（極大値）からのずれ量を計算する。光検出器２０７からの時刻ｔ１における出力信号の値をｓ１とし、時刻ｔ２における出力信号の大きさをｓ２とすれば、ｔ１＜ｔ２であるとして、出力信号の時間差分値Ｓ’はＳ’＝（ｓ２−ｓ１）／（ｔ２−ｔ１）で与えられる。また目標値（極大値）をｓ０とした場合にΔＳ＝（ｓ１／ｓ０）−１で与えられる目標値からのずれ量（目標値からのずれの割合）ΔＳを計算する。Ｓ’及びΔＳを用いてファジイ推論が行なわれる。
【００６０】
ステップＳ−２２：このステップは、ファジイ推論によるモーターの駆動量（回転角）を計算するステップである。このステップでは、上述のＳ’及びΔＳの値を用いて、ファジイ推論を行い、モーターの駆動量（回転角）の絶対値Ｍが計算される。
【００６１】
ステップＳ−２４：このステップは、モーターの駆動方向（回転方向）を求めるステップである。上述のステップＳ−２０で求められたＳ’の値が負であれば、モーターの駆動方向（回転方向）を反転させる必要がある。一方、Ｓ’の値が正であれば、モーターの回転方向はそのままでよいことになる。このスッテップでは、上述したモーターの回転方向を次の手順で求める。すなわち、モーターの回転方向を決めるパラメーターをαとする。αは値１または値−１を取るものとする。また、パラメーターδを次のように定める。上述のステップＳ−２０で求められたＳ’の値が負であれば、δ＝−１とし、Ｓ’の値が正であれば、δ＝１とする。そして、モーターのこの次の回転方向はα×δで与えられるものとする。すなわち、このα×δ値を次の新たなパラメーターαの値と設定することで、モーターの次の回転方向を確定する。モーターの回転方向も含めて回転量を表示するとα×Ｍと表されることとなる。
【００６２】
ステップＳ−２６：このステップは、モーターを駆動するステップであり、上述のα×Ｍだけモーターを回転させる。
【００６３】
ステップＳ−２８：このステップは、上述のステップＳ−１８と同様に、光検出器２０７によって、変換光の強度に比例する信号を取得するステップである。
【００６４】
ステップＳ−３０：このステップでは、上述のステップＳ−２８で取得された変換光の強度に比例する信号の値を基にして、これまでのステップで制御し調整したモーターの調整作業を終了して、次のモーターを制御するステップに進むか否かの判定を行なう。上述のステップＳ−２８で取得された変換光の強度に比例する信号の値が、目標値（極大値）とみなせる大きさの範囲内に収まれば、次のモーターの制御を行なうために、制御の対象となるモーターを切り替える。そして、次のステップであるステップＳ−３２に進む。一方、ステップＳ−２８で取得された変換光の強度に比例する信号の値が、目標値に達していないと判定されれば、ステップＳ−２０に戻る。
【００６５】
ステップＳ−３２：このステップは、光路調整作業を終了するか否かの判定を行なうステップである。モーターＭ１及びＭ２に対する調整作業が全て終了していることが確かめられれば、次のステップＳ−３４に進み、調整作業を終了させる。一方、終了させずにこのまま制御を続けるのであれば、上述のステップＳ−１４に戻る。上述のモーターＭ１及びＭ２に対する調整作業が全て終了していることが確かめられたとしても、経時変化に対応するため、及び、他の光路調整作業にともない、この光路がずれることにより、再度光路調整を行う必要があるという判断もあり得る。
【００６６】
ステップＳ−３４：このステップは、光路調整作業を終了させるステップである。
（ファジー推論）
【００６７】
次に、この光軸調整で実行されるファジイ推論で用いるメンバーシップ関数について説明する。出力信号の時間差分値Ｓ’と目標値に対する出力比ΔＳとを用いることが特徴である。
【００６８】
光検出器２０７が検出する出力信号の時間微分（差分）値Ｓ’に対するメンバーシップ関数の例を示す。すなわち、ファジイ推論の基礎とする、Ｓ’に対するメンバーシップ関数は、以下のルール（以後「ファジイルール」ということもある。）に従うように定義されることができる。
【００６９】
ルール１１：Ｓ’が正の値をとりその値が大きいならば、モーターの回転量の絶対値は大きい。
【００７０】
ルール１２：Ｓ’が正の値をとりその値が小さいならば、モーターの回転量の絶対値は小さい。
【００７１】
ルール１３：Ｓ’が０の値をとるならば、モーターの回転量の絶対値は０である。
【００７２】
ルール１４：Ｓ’が負の値をとるならば、モーターの回転量の絶対値は小さい。
【００７３】
図１３を参照して上述のルールを視覚的に説明する。図１３に示した（Ａ１）乃至（Ａ４）は、上述のファジイルールの、それぞれルール１１乃至１４の前件部を表している。図１３（Ａ１）乃至（Ａ４）において、横軸はＳ’を示し、縦軸は合致度合い（０から１の値の範囲をとる。）を示している。一方、図１３に示した（Ｂ１）乃至（Ｂ４）は、上述のファジイルールの、それぞれルール１１乃至１４の後件部を表している。横軸はモーターの駆動量（回転量）の絶対値Ｍを表し、縦軸は合致度合いを表している。
【００７４】
光検出器２０７の出力信号値の目標出力値が最大出力値に近い場合の出力信号の値ΔＳに対するメンバーシップ関数の例をつぎに示す。すなわち、ファジイ推論の基礎とするΔＳに関するメンバーシップ関数に対して、以下のファジイルール（新たなルール）に従うように定義することができる。
【００７５】
ルール２１：目標値（極大値）ｓ０よりも、光検出器が検出した強度信号が非常に小さい（ΔＳの値が負の値でありその絶対値が大きい。）ならば、モーターの回転角度は大きい。
【００７６】
ルール２２：目標値（極大値）ｓ０に対して、光検出器が検出した強度信号がほぼ同程度（ΔＳの値が負の値でありその絶対値が小さい。）ならば、モーターの回転角度は小さい。
【００７７】
ルール２３：光検出器が検出した強度信号が、目標値（極大値）ｓ０に達したかあるいは上回った（ΔＳの値が０より大きい。）ならば、モーターの回転角度は０である。
【００７８】
図１４を参照して上述の新たなルールを視覚的に説明する。図１４に示した（Ａ１）乃至（Ａ３）は、上述のファジイルールの、それぞれルール２１乃至２３の前件部を表している。（Ａ１）乃至（Ａ３）において、横軸はΔＳを示し、縦軸は合致度合い（０から１の値の範囲をとる。）を示している。一方、図１４に示した（Ｂ１）乃至（Ｂ３）は、上述のファジイルールの、それぞれルール２１乃至２３の後件部を表している。横軸はモーターの駆動量（回転角）の絶対値Ｍを表し、縦軸は合致度合いを表している。
【００７９】
ファジイ推論によってモーターの駆動量（回転角）を計算する手法として、ここではｍｉｎ−ｍａｘ合成重心法を利用する。光検出器によって、変換光の強度が検出されれば、その値に基づいてＳ’及びΔＳが求められる。今仮にＳ’及びΔＳの値として、Ｓ’１及びΔＳ１と求められたとして説明する。
【００８０】
図１５は、ルール１１乃至１４に基づく統合化の工程の説明に供する図である。この図１５において、ルール１１乃至１４に対応するメンバーシップ関数は、図１３に示すメンバーシップ関数と同一のものを採録してある。
【００８１】
Ｓ’＝Ｓ’１であるから、図１５に示すルール１１乃至１４に対応するメンバーシップ関数の前件部を示す図において、Ｓ’を表す横軸のＳ’１に当る位置を縦の点線によって表示してある。この図からわかるように、上述のルール１３及びルール１４において、前件部の適合度が０であるから、後件部も０である。上述のルール１１及びルール１２においては、前件部の適合度が０ではないので、その適合度に対応させて後件部のメンバーシップ関数の頭切りを行なう。その結果、ルール１１乃至１４のファジイ推論が行なわれて、これらの結果として図１５に統合化１として表されている後件部の論理和が求められる（統合化１）。なお、統合化１として表されている後件部の論理和を示す関数は、ルール１１及びルール１２の後件部の頭切りを行なったメンバーシップ関数を合成することによって求められる。
【００８２】
図１６は、ルール２１乃至２３に基づく統合化の工程の説明に供する図である。この図において、ルール２１乃至２３に対応するメンバーシップ関数は、図１４に示すメンバーシップ関数と同一のものを採録してある。
【００８３】
ΔＳ１＝ΔＳ１であるから、図１６に示すルール２１乃至２３に対応するメンバーシップ関数の前件部を示す図において、ΔＳを表す横軸のΔＳ１に当る位置を縦の点線によって表示してある。この図からわかるように、上述のルール２１の適合度が０であるから、後件部も０である。上述のルール２２及びルール２３においては、前件部の適合度が０ではないので、その適合度に対応させて後件部のメンバーシップ関数の頭切りを行なう。その結果、ルール２１乃至２３のファジイ推論が行なわれて、これらの結果として図１６に統合化２として表されている後件部の論理和が求められる（統合化２）。なお、統合化２として表されている後件部の論理和を示す関数は、上述の統合化１の場合と同様に、ルール２２及びルール２３の後件部の頭切りを行なったメンバーシップ関数を合成することによって求められる。
【００８４】
次に、ルール１１乃至１４（以後「第１ルール系列」ということもある。）に対してルール２１乃至２３（以後「第２ルール系列」ということもある。）をどれだけ重視するのか、あるいは第１及び第２系列を均等に重視するのか等の重み付けを加味した処理を行なう。上述の統合化１及び統合化２として得られた結果（図１５及び図１６にそれぞれ統合化１及び統合化２として表した、後件部の論理和として求められた合成メンバーシップ関数）を、それぞれｒ倍及び（１−ｒ）倍することによって、それぞれの関数に対して重み付けを行い、図１７（Ａ）乃至（Ｄ）に示すように、両者を統合化する。
【００８５】
ここで、ｒは０から１の値の範囲の実数値をとる。例えば、ｒ＝１を選択するということは、第１ルール系列のみを取り入れ、第２ルール系列は無視することに対応する。また、ｒ＝０．５を選択するということは、第１ルール系列と第２ルール系列とを同等に扱うことを意味する。また、ｒ＝０を選択するということは、第２ルール系列のみを取り入れ、第１ルール系列は無視することに対応する。
【００８６】
図１７（Ａ）乃至（Ｄ）は、上述の図１５及び図１６にそれぞれ統合化１及び統合化２として表した、後件部の論理和として求められた合成メンバーシップ関数を、統合して統合化１及び統合化２のメンバーシップ関数の論理和として、統合化３を求める工程の説明に供する図である。
【００８７】
図１７（Ａ）は、統合化１として求められた合成されたメンバーシップ関数の概略の形状であり、図１７（Ｂ）は、統合化２として求められた合成されたメンバーシップ関数の概略の形状である。図１７（Ｃ）は、統合化１として求められた合成されたメンバーシップ関数をｒ倍し、統合化２として求められた合成されたメンバーシップ関数を（１−ｒ）倍して合成した統合化３としてのメンバーシップ関数の概略の形状である。図１７（Ｄ）は、図１６（Ｃ）で与えられたメンバーシップ関数の合成重心の値を求めその合成重心の値をモーターの駆動量（回転角度）として採用する手順を説明する図である。図１７（Ｄ）において、横軸上にＭと矢印で表示してある横軸の値は、図１７（Ｃ）によって示されているメンバーシップ関数から求められた合成重心の位置であり、この位置がモーターの回転角度を示していることになる。
【００８８】
すなわち、上述したファジイ推論を行なうことによって、光軸を調整するためリスレープリズムの向きを変化させるために駆動するモーターの回転角度を求めることができることがわかる。
【００８９】
上述のファジイ推論においては、モーターの回転角度の値をｍｉｎ−ｍａｘ合成重心法を用いて求めたが、この方法に限定されず、代数積−加算重心法等ファジイ推論の方法として知られた他の方法を採用することも可能である。いずれの方法を採用するかは、ファジイ推論制御の対象となる光軸調整手段ごとに、経験等に基づき最も適した方法を採用すればよい。
【００９０】
これらのメンバーシップ関数を利用して、モーターの駆動量（回転角）を計算することができる。この制御は、明確な伝達関数を有しない特徴を有するので、光軸の調整、とくに複数の光軸の調整個所を有するレーザー使用装置に適している。
（遮蔽板）
【００９１】
さらに、大規模システムでの自動化においては、かならず誤動作が起きた場合でも安全が担保出来るシステム構築を行う必要があるので、フェイルセーフを実現するための装置を導入する。具体的には、開口部を設けた遮断（遮蔽）板（物）を導入し、逸れたビームを遮断するビームが逸れたことを検知してシステムをシャットダウンさせるようなインターロックを仕掛ける。また、室内に人が立ち入った場合などはシャットダウンさせるようなインターロックを仕掛ける。
【００９２】
すなわち、図１８（ａ）に示すように２つのモジュール間の光路に遮断板６０１を設け、光軸がずれた場合に、後段モジュールや人を保護する。遮断板の種類にはつぎのようなものがある。
【００９３】
（１）ドーナツ形遮断板
図１８（ｂ）に示すようにドーナッツ状の遮断板６０３をモジュール間の光路に導入する。この際、正しく光軸を制御されたときに、レーザービーム４０がドーナツの穴に相当する内円６１３の中心を通るように、ドーナッツ形遮断板を配置する。
内円の直径は、ここを通過できるレーザービーム４０が後段モジュールや人体に悪影響（損傷や破壊）を与えない大きさとするのが好適である。遮断板６０３の材質は、レーザーを遮断できる材質でたとえば、レーザーの波長を遮断できる有機材料や無機材料（金属、ガラス、セラミックス）が好ましい。
何らかの原因（モーターの誤動作、コンピューターの誤動作などなど）により、光軸調整を誤った場合でも、後段モジュールに悪影響を与えるような光がこの遮断板で遮断されるため、後段モジュールや人体を守ることができる。
また、ドーナッツ形遮断板の遮断部をカメラ２６３で観察することにより、遮断されたレーザーの散乱光を観察することができる。この際、画像処理を行い、自動アラインメントシステムの制御のための入力信号とすることにより、光軸を正規の位置へ戻すことが可能となる。
これは、現在、自動アラインメントシステムの制御のための入力信号は、たいていの場合、物理的な性質上、後段モジュール以降にあることが多い。しかし、その構成では、もし、遮蔽板にあたるほどずれてしまった場合は、検出器で検出できない。すなわち、制御できなくなってしまう。本ドーナッツ形遮蔽板６０３を用いると、ずれた光軸を正規の位置へ戻すことが可能であるので、制御不能を回避することができる。
【００９４】
別の実施形態では、ドーナッツ形遮断板上表面に、レーザー光の波長に対して蛍光を発する蛍光材料を塗布しておく、あるいは、蛍光材料でドーナッツ型遮断板を作製する。発生した蛍光をカメラで観察することにより、遮断されたレーザー光を観察することができる。前述の実施形態との違いは、カメラの波長感度がレーザー光の波長と一致していなくとも、蛍光の波長と一致していれば観測できる点である。例えば、レーザー光が紫外の場合、通常のカメラは感度がないので、蛍光材で、可視光領域の発光を行うようにすれば良い。
【００９５】
また、ドーナッツ型遮断板を４象限センサー、ＣＣＤ、またはＰＳＤなどで作製することもできる。通常の２次元受光素子（４象限センサー、ＣＣＤ、またはＰＳＤ）を、中に穴を開けても機能を果たすように処理したものを利用する。この場合、カメラが不要となる。
【００９６】
さらに別の形態を図１９に示す。２つのプリズムと、４つの受光素子から構成される光軸状態検出装置を用いる。該光軸状態検出装置は特開平１１−１４３３０号公報に記載されているものが好適である。
該光軸状態検出装置の構造及び光軸状態検出方法を下記に説明する。
【００９７】
（１）同じ構造を有する２つのプリズム、第一のプリズム７０１と第二のプリズム７０３を用意する。これらは直角プリズムであり、直角な頂角を形成する第１の面７１１および第２の面７１３と、前記直角な頂角と対向する第３の面７１５とを有し、前記直角な頂角部分を、前記第３の面と平行なかつ所定広さの第４の面７１７となるように加工した構造を有する。
（２）次に、これら第１および第２のプリズムを、所望の光路の中心軸７１０を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第１の面７１１が、前記光路の中心軸７１０と直交する平面に対し平行になるように、かつ、前記第１の面７１１および第３の面７１５がなす稜７１４が前記所望の光路の中心軸７１０の側に位置するように、配置する。
（３）次に、このように配置した第１および第２のプリズムの間隙を含む領域にレーザービーム４０を第１の面７１１の側から入射する。
そして、このようにビーム４０が入射された状態の第１および第２のプリズム７０１及び７０３それぞれの第２の面７１３の、第４の面７１７に近接する部分と第３の面に近接する部分とからの光出力をそれぞれ測定する。そして、これら光出力の状態に基づいて前記ビームの中心軸が前記光路の中心軸に対しどのような状態かを検出する。
【００９８】
すなわち、第一のプリズム７０１の第２の面の第４の面に近接する部分に該第２の面と対向させて配置した第１の受光素子７３１と、第２の面の第３の面に近接する部分に、該第２の面と対向させて配置した第２の受光素子７３２と、第２のプリズム７０３の第２の面の第４の面に近接する部分に、該第２の面と対向させて配置した第３の受光素子７３３と、該第２の面の第３の面に近接する部分に、該第２の面と対向させて配置した第４の受光素子７３４を設ける。受光素子はフォトダイオードやＣＣＤとすることができる。
なお、ここで直角な頂角とか、第３の面に平行な第４の面とか、光路の中心軸と直交する等の記述での直角、平行、直交という意味は、それぞれ、この発明の目的を達成出来る範囲で、ほぼ直角、ほぼ平行、ほぼ直交を含む意味である。
【００９９】
この光軸状態検出装置によれば、第１および第２のプリズムを所定配置し、これに使用予定のビームを入力する。第１および第２のプリズムそれぞれの第２の面それぞれの、第４の面に近接する部分と第３の面に近接する部分、すなわち第１および第２のプリズムでの合計４箇所の測定領域からの光出力は、所望の光路の中心軸７１０に対しビームの中心軸がいかなる状態であるかに応じて、変化する。したがって、各受光素子７３１〜７３４の受光量がそれに応じた量となる。このため、各受光素子の受光量から、ビームの中心軸が所望の光路の中心軸７１０に対し、いかなる状態であるかを把握することができる。また、受光素子を用いることにより、光軸が外れたときにのみ機能し、正規の光軸にあるときは影響を与えない。
【０１００】
さらに、前述の装置に替えて、図２０のような、ドーナツ形プリズム７４０とそのドーナツの外円周囲に配置された複数の受光素子７３０との組み合わせによる光軸状態検出装置を用いると一層有効である。この組み合わせで、前記の機能的ドーナッツ型遮断板と同様の機能を持たせることができる。
【０１０１】
図２０（ａ）は本検出装置の正面図であり、紙面に垂直でＡ−Ａを含む断面による断面図が図２０（ｂ）である。ドーナツ形プリズム７４０は、（ｂ）を断面図とし、所望の光路の中心軸でもある回転の中心軸７４２を回転の中心とした回転体である。ドーナツ形プリズム７４０はドーナツの外円の周囲の位置に複数の受光素子７３０を設ける。
【０１０２】
回転体であるドーナツ形プリズム７４０は、その回転体をなすための断面形状が図１９の平面形状に一致する。すなわち、ドーナツ形プリズム７４０は、回転の中心軸を含む平面による断面形状が、直角な頂角を形成する第１および第２の面と、前記直角な頂角と対向する第３の面とを有する直角三角形に対して、前記直角な頂角部分を、前記第３の面と平行なかつ所定広さの第４の面となるように加工した構造に相当する構造の第１の形状および、該第１の形状と同構造の第２の形状であって、該回転の中心軸７４２を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第１の面が、該回転の中心軸と直交する平面に対し平行になるように、かつ、第１の面および第３の面がなす稜が該回転の中心軸の側に位置するように配置された第１および第２の形状からなる断面形状を有する。また、複数の受光素子７３０は、該回転体プリズムに関わる第１及び第２の形状における前記第２の面が該回転の中心軸７４２のまわりに回転することによって得られる曲面のまわりに、その受光面が回転の中心軸７４２に向けて配置される。
【０１０３】
レーザービーム４０は正しく設定された状態で、その光路の中心軸が、前記回転の中心軸７４２と一致するように設定する。ドーナツ形プリズム７４０の材質は、レーザー波長を透過するものであり、反射時は、全反射条件を満たす屈折率をもつものとする。
【０１０４】
この図の例では、複数の受光素子７３０が外円の周囲に１２個、紙面と垂直な方向に２列に配列されているが、これらの数は、レーザービーム４０の径、ドーナツ形プリズム７４０の内径、外径及び受光素子７３０の受光面積により適宜設定すればよい。しかし、レーザービーム４０の光路の中心軸が前記回転の中心軸７４２からはずれドーナツ形プリズム７４０にその一部が入射した状態では、ドーナツ形プリズム７４０が凸面鏡の役目を果たすのでビームが広がるため、受光素子７３０の配置はそれほど密集度を上げる必要はない。
さらに、図１８に示したドーナッツ状の遮断板を追加すると、一層効果的である。
（メタヒューリスティックな最適化制御）
【０１０５】
以上では、フィードバック制御をファジイ推論を基にしたアルゴリズムを用いた。ファジイ推論を基にした制御では、伝達関数を明確に知っておく必要がなく、かつ競合するような複数の最適化目標を持つようなレーザーシステムでの同時多目標最適化に有効であるためである。このような制御では、ユーザーが最適化したい目標同士が競合するかどうかを事前に認識して調整する必要がない。本願発明に有効な制御は、ファジイ推論を基にした最適化制御に代えて、メタヒューリスティックな最適化制御が適用可能である。また、単純な山登り法のようなことで事足りる場合もある。メタヒューリスティックな最適化制御とは、遺伝的アルゴリズム、シミュレーティド・エボリューション、焼きなまし法、タブー探索、蟻コロニー最適化、粒子群最適化、進化戦略、進化的プログラミング、人工免疫システム及びニューラルネットワークなどを用いた制御である。
【０１０６】
それらによる最適化を用いたアラインメント方法として、サドルポイントアラインメントを用いることが可能である。これを図２１を用いて下記に説明する。
従来のアラインメント方法では、ピークの位置のみを探すようになっていた。図２１に示すように、ピーク位置がＰ１とＰ２の２つある場合、従来方法では、それらの一方のみを探索することになる。しかし、本方法では、ピーク位置Ｐ１とＰ２との間にある、サドルの位置Ｓ１を探索する。点Ｓ１に保つようなアラインメント方法により、一層安定なシステムあるいはモジュールを実現する。サドルポイントアラインメントは、チャープパルスの和混合で生成するＴＨＧパルスで矩形波を目指す場合は、有効な手段である。
【０１０７】
さらに、焼きなまし法によるアラインメントの例を示す。これは、アラインメントに確率的な動きを導入することができる、これを図２２を用いて説明する。
図２２において、現在、ノブの回転角がＸ１からＸ２へと変化させ、光強度がＰ１からＰ２へと増加したとき、さらに、光強度を増加させる回転角を探索するために、従来のアラインメント方法では、次のノブの回転はＸ１からＸ２への方向と同じ方向にあるＸ３となるようにする。
【０１０８】
これに加えて、確率的に、それとは逆の方向であるＸ４にもノブが回転をするようにアラインメントすることを特徴とする。これは、熟練者がアラインメントするときの「試し」に相当する。通常は、Ｘ３の角度に振るのが常套手段ではあるが、ある領域、特に微動領域では、熟練者は、わざとＸ４にすることがある。すなわちこれは、ときには「悪い」と思われる状態へもアラインメントすることを意味する。悪いと思われる方向へアラインメントする確率は、アラインメントが最適化に近づくにつれて低くすると一層有効である。
【０１０９】
これにより、通常では、強度が下がるはずであるが、まれに上昇する場合がある。すなわち、一層強度を増加させるための足がかりとなることがある。このように確率的な動きを導入することにより、一層有効なアラインメント方法を提供する。
【０１１０】
最後に、アラインメントにおける、シークエンスと休止の導入を示す。
従来のアラインメント方法では、複数のモーターを切り替え、目的の光量などになるようにパラメーターを設定できるようになっていた。
これに対して、状況に応じてパラメーターを変更できるようにし、シーケンスを組めるようにしたのが特徴である。すなわち、あるパラメーターのセットで調整し、条件を満たせば、次のパラメーターを次のセットに変更して調整できるようにした。
さらに、このパラメーターのなかで、モーターがまったく動かない「休止」状態も導入した。これは、実際の調整において、調整後、微動装置の回転ノブはまったく調整せず、ただ、故意に待つ、そして、ある程度待った後に、再度調整を開始する。こうしたほうがよりよい調整が行えることを経験的に知られており、これらを「休止」という形で、シーケンス内で設定できるようにした。
【０１１１】
（実験例）：実際のアライメントで、熟練者がアライメントした結果の強度を、匠アルゴリズムによるアライメントが上回ったこともある。
１つのアライメントシステムが、１人の熟練者に相当するので、複数のアライメントシステムの導入は、複数の熟練者が同時に存在することに相当する。したがって並列かつ多目的同時対応が可能になる。いままで以上に安定なシステムとなる。また、自動化が可能となる。より複雑となっても、実現が可能となる。さらに、メンテナンスが容易になる。
【０１１２】
また、つぎのようなメリットがある。
（１）モジュールＡとモジュールＢがあったとする。モジュールＡとモジュールＢの間の光軸を安定化させると、モジュールＢから出射されるレーザーの強度や光軸が安定する。よって、これらモジュールを組み合わせた結果の最終段の出力ビームも強度や光軸が安定化する。さらに、モジュールＡ−Ｂ間の光軸を最適状態にアライメントした場合、モジュールＢから出射するレーザーなどの出力強度が増加する。
（２）強度に余裕がでるため、制御が行いやすくなる。十分な強度がある場合は、減少させて利用することが可能で、次のモジュールへ一定の強度で入射させることが可能となる
【０１１３】
本発明の進歩性を下記に示す。
レーザーを用いたシステムにおける光軸調整は大変面倒な作業であり、かつ熟練した技術者による職人芸的な方法に依存していた。
また、光軸調整個所が複数ある場合、従来技術では、上流側からの順次調整しかできなかった。
【０１１４】
それはフィードバックを用いた光軸調整の自動化を図る場合、つぎのような障碍があることが背景にある。
一般的なフィードバック制御は、その伝達関数が解析的に明確になっている。しかし、大規模レーザーシステムにおいて、複数の光軸調整個所がある場合、そのときの伝達関数を現実的に求めることができない。これは、複数の光軸調整個所が独立に動作しないからである。例えば、２つの光軸調整個所に対応して、上流側のフィードバックループ＃１と下流側のフィードバックループ＃２があり、フィードバックループ＃１の結果が、＃２に影響を与えるので、＃１の状態が変われば、＃２の伝達関数が変化することが通常であるということである。つまり、フィードバックループ＃１及び＃２を同時並行して調整を行う場合、＃１の状態に合わせて＃２の制御のパラメーターを変化させる必要があった。よって、同時並行で調整にするためには、＃１の状態を十分に解析し、そのそれぞれの状態での＃２の伝達関数をさらに解析し、制御パラメーターを割り出さなければならず、これは、現実的にはできない。光軸調整個所が３つ以上となるとますます難しくなる。それ故、上流から下流へというシリアルな調整方法が行われていた。
【０１１５】
しかし、本発明では、ファジイ推論またはメタヒューリスティックなアルゴリズムを用いているので、調整個所の伝達関数が解析的に明確になっていなくても制御が実現可能という特徴がある。制御は、目的の結果が得られるように（例えば光検出素子から得られる電圧が高くなるように）フィードバック制御することにより、制御ループを作っているからである。この過程では、その伝達関数を求めていない。よって、伝達関数がどのように変化しても目的とする電圧を高くする方向に制御する。そして、前記の例では、フィードバックループ＃１の影響によるフィードバックループ＃２の状態変化を検知することを必要とせずにフィードバックループ＃２の制御を行う。
これにより、本願発明では複数のフィードバックループを同時並行に制御しても、光軸調整が自動的に実施可能になるという顕著な作用効果を有する。
本発明により、レーザーシステムにおける光軸調整と言う、熟練性を有し、かつ面倒な作業を自動的にできることが可能になった。
【０１１６】
従来、レーザーシステムにおける運転制御は物理的な条件を押さえて伝達関数を明らかにした上で、そのパラメーターをいかに精度良く設定できるかという制御しか行なわれていなかった。実際には微妙な「職人芸的な調整」は行なわれていて、それは人間が目で見て経験で判断していた。例えば、電子ビームのプロファイルなどは人間が見て経験で判断していた。こういう部分があるために、完全な自動化ができていなかった。本願発明により、全自動化が可能となった。ファジイ制御では、ある程度の許容幅をもって目的関数化できるので、競合するような複数の最適化目標を持つようなシステムでの同時多目標最適化に威力を発揮する。このような制御では、最適化したい目標同士が競合するかどうかを事前に認識して調整する必要がない。メタヒューリスティックなアルゴリズムを用いた場合でも同様である。
【０１１７】
以上本発明の実施形態を説明した。特許請求の範囲に記載された発明の技術的思想から逸脱することなく、これらに変更を施すことができることは明らかである。
【産業上の利用可能性】
【０１１８】
本発明は、レーザーを有したシステムであって光軸調整個所を複数有するシステムに利用可能である。
【符号の説明】
【０１１９】
４０：レーザービーム
４４：基本波のレーザーパルス
４６：電子ビーム
４７：高調波
４８：３倍高調波のレーザーパルス
５０：光軸調整手段
５１：第１の光軸調整手段
５２：第２の光軸調整手段
５７：リスレープリズム対
５８：モーター対
６１：検出信号
６２：制御信号
６３：駆動信号
１００：フォトカソードＲＦ電子銃
１０１：モード同期チタンサファイアレーザー
１０３：パルス幅伸張器
１１１：再生増幅器
１１３：マルチパス増幅器
１２１：パルス幅圧縮器
１２３：第３高調波発生手段及びパルス幅伸張器
１２５：３次元形状整形手段
１３３：フォトカソード電子銃
１３１：ＥＯＳバンチモニター
２００：モジュール
２０１：第１のモジュール
２０２：第２のモジュール
２０３：第３のモジュール
２０５：ビームサンプラー
２０７：光検出器
２１１：制御手段
２０９：モータードライバー
２６１：４象限センサーまたは２次元ＰＳＤ
２６３：カメラ
２６５：ターゲット
２９９：フィードバックループ
３１１：第１のピンホール
３１３：第２のピンホール
３１５：非線形光学結晶
５１１：レーザープロファイルの重心
５１３：外形形状
５１５：フィッティング円
５１７：フィッティング円の中心
５２１：内円に対する輪郭
５２３：外円に対する輪郭
６０１：遮断板
６０３：ドーナツ状の遮断板
７０１：第１のプリズム
７０３：第２のプリズム
７１０：光路の中心軸
７１１：直角な頂角を形成する第１の面
７１３：直角な頂角を形成する第２の面
７１４：第１の面及び第３の面がなす稜
７１５：第３の面
７１７：第４の面
７３０：受光素子
７３１：第１の受光素子
７３２：第２の受光素子
７３３：第３の受光素子
７３４：第４の受光素子
７４０：ドーナツ形プリズム
７４２：回転の中心軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のモジュールから構成されたレーザーシステムであって、各モジュールの間は光路で接続され、
少なくとも２つの光路のそれぞれに光軸調整手段を有し、該光軸調整手段はフィードバック制御により光軸調整を行い、該フィードバック制御をファジイ推論またはメタヒューリスティックな制御で行うレーザーシステム。
【請求項２】
前記フィードバック制御とは、フィードバック制御の対象となる光軸調整手段を通過した後のレーザー光を直接または他のモジュールを介しその出力レーザー光を光検出手段で検出し、検出結果に応じて該光軸調整手段を調整する制御を行う請求項１に記載のレーザーシステム。
【請求項３】
前記複数のモジュールの少なくとも１つは、レーザー増幅器、パルス幅伸張器、パルス幅圧縮器、プロファイル整形器もしくは高調波発生手段、またはこれらの組み合わせからなる、請求項１または２に記載のレーザーシステム。
【請求項４】
前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第１、第２及び第３のモジュールを含み、第１のモジュールとの出力と第２のモジュールの入力及び第２のモジュールの出力と第３のモジュールの入力とはそれぞれにおいて直接または少なくとも１つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第１のモジュールに入力する光路上に第１の光軸調整手段を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第３のモジュールの出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段のフィードバック制御を第２のモジュールの出力光を利用して行う、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項５】
前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第１及び第２のモジュールを含み、第１のモジュールとの出力と第２のモジュールの入力とは、直接または少なくとも１つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第１のモジュールに入力する光路上に第１の光軸調整手段を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第１のモジュールの出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段のフィードバック制御を第２のモジュールの出力光を利用して行う、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項６】
前記レーザーシステムは多段増幅式レーザーシステムである、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項７】
前記光軸調整手段が、リスレープリズムの回転を用いたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項８】
前記光軸調整手段が、ミラーの角度変化を用いた、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザーシステム
【請求項９】
前記光検出手段が、入力するレーザー光の光強度に対応した信号を出力し、前記制御手段に入力する、請求項２に記載のレーザーシステム。
【請求項１０】
前記光検出手段が、入力するレーザー光のプロファイルを出力し、前記制御手段に入力する、請求項２に記載のレーザーシステム。
【請求項１１】
前記モジュール間の少なくとも１つの光路に、所望とする光路の中心軸に対しどのような状態かを検出する装置が挿入され、該検出装置が、回転体のプリズムと複数の受光素子とを備え、
該回転体のプリズムは、回転の中心軸を含む平面による断面形状が直角な頂角を形成する第１および第２の面と、前記直角な頂角と対向する第３の面とを有する直角三角形に対して、前記直角な頂角部分を、前記第３の面と平行なかつ所定広さの第４の面となるように加工した構造に相当する構造の第１の形状および、該第１の形状と同様な構造の第２の形状であって、該中心軸を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第１の面が、該中心軸と直交する平面に対し平行になるように、かつ、第１の面および第３の面がなす稜が該中心軸の側に位置するように、配置された第１および第２の形状からなる断面形状を有し、
該受光素子は、該回転体プリズムに関わる第１及び第２の形状における前記第２の面が該回転の中心軸のまわりに回転することによって得られる曲面のまわりに、受光面が該中心軸に向けて配置された、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項１２】
前記モジュール間の少なくとも１つの光路に、ドーナッツ状の遮断板を挿入した、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項１３】
前記メタヒューリスティックな制御とは、遺伝的アルゴリズム、シミュレーティド・エボリューション、焼きなまし法、タブー探索、蟻コロニー最適化、粒子群最適化、進化戦略、進化的プログラミング、人工免疫システム及びニューラルネットワークのいずれかを用いた制御である、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項１】
複数のモジュールから構成されたレーザーシステムであって、各モジュールの間は光路で接続され、
少なくとも２つの光路のそれぞれに光軸調整手段を有し、該光軸調整手段はフィードバック制御により光軸調整を行い、該フィードバック制御をファジイ推論またはメタヒューリスティックな制御で行うレーザーシステム。
【請求項２】
前記フィードバック制御とは、フィードバック制御の対象となる光軸調整手段を通過した後のレーザー光を直接または他のモジュールを介しその出力レーザー光を光検出手段で検出し、検出結果に応じて該光軸調整手段を調整する制御を行う請求項１に記載のレーザーシステム。
【請求項３】
前記複数のモジュールの少なくとも１つは、レーザー増幅器、パルス幅伸張器、パルス幅圧縮器、プロファイル整形器もしくは高調波発生手段、またはこれらの組み合わせからなる、請求項１または２に記載のレーザーシステム。
【請求項４】
前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第１、第２及び第３のモジュールを含み、第１のモジュールとの出力と第２のモジュールの入力及び第２のモジュールの出力と第３のモジュールの入力とはそれぞれにおいて直接または少なくとも１つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第１のモジュールに入力する光路上に第１の光軸調整手段を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第３のモジュールの出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段のフィードバック制御を第２のモジュールの出力光を利用して行う、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項５】
前記複数のモジュールは、レーザー光の入力及び出力を有する第１及び第２のモジュールを含み、第１のモジュールとの出力と第２のモジュールの入力とは、直接または少なくとも１つの他のモジュールを介して、光路が接続されており、
第１のモジュールに入力する光路上に第１の光軸調整手段を有し、第２のモジュールに入力する光路上に第２の光軸調整手段を有し、第１の光軸調整手段のフィードバック制御を第１のモジュールの出力光を利用して行い、第２の光軸調整手段のフィードバック制御を第２のモジュールの出力光を利用して行う、
請求項１ないし３のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項６】
前記レーザーシステムは多段増幅式レーザーシステムである、請求項１ないし５のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項７】
前記光軸調整手段が、リスレープリズムの回転を用いたことを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項８】
前記光軸調整手段が、ミラーの角度変化を用いた、請求項１ないし６のいずれか１項に記載のレーザーシステム
【請求項９】
前記光検出手段が、入力するレーザー光の光強度に対応した信号を出力し、前記制御手段に入力する、請求項２に記載のレーザーシステム。
【請求項１０】
前記光検出手段が、入力するレーザー光のプロファイルを出力し、前記制御手段に入力する、請求項２に記載のレーザーシステム。
【請求項１１】
前記モジュール間の少なくとも１つの光路に、所望とする光路の中心軸に対しどのような状態かを検出する装置が挿入され、該検出装置が、回転体のプリズムと複数の受光素子とを備え、
該回転体のプリズムは、回転の中心軸を含む平面による断面形状が直角な頂角を形成する第１および第２の面と、前記直角な頂角と対向する第３の面とを有する直角三角形に対して、前記直角な頂角部分を、前記第３の面と平行なかつ所定広さの第４の面となるように加工した構造に相当する構造の第１の形状および、該第１の形状と同様な構造の第２の形状であって、該中心軸を挟んで対称に、しかも、それぞれの前記第１の面が、該中心軸と直交する平面に対し平行になるように、かつ、第１の面および第３の面がなす稜が該中心軸の側に位置するように、配置された第１および第２の形状からなる断面形状を有し、
該受光素子は、該回転体プリズムに関わる第１及び第２の形状における前記第２の面が該回転の中心軸のまわりに回転することによって得られる曲面のまわりに、受光面が該中心軸に向けて配置された、請求項１ないし１０のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項１２】
前記モジュール間の少なくとも１つの光路に、ドーナッツ状の遮断板を挿入した、請求項１ないし１１のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【請求項１３】
前記メタヒューリスティックな制御とは、遺伝的アルゴリズム、シミュレーティド・エボリューション、焼きなまし法、タブー探索、蟻コロニー最適化、粒子群最適化、進化戦略、進化的プログラミング、人工免疫システム及びニューラルネットワークのいずれかを用いた制御である、請求項１ないし１２のいずれか１項に記載のレーザーシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図９】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図６】
【図７】
【図８】
【図１０】
【図１１】
【公開番号】特開２０１１−２１６５５２（Ｐ２０１１−２１６５５２Ａ）
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−８１１３５（Ｐ２０１０−８１１３５）
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（５９９１１２５８２）財団法人高輝度光科学研究センター (35)
【出願人】（５０４０４９７３０）株式会社光フィジクス研究所 (20)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年１０月２７日（２０１１．１０．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年３月３１日（２０１０．３．３１）
【出願人】（５９９１１２５８２）財団法人高輝度光科学研究センター (35)
【出願人】（５０４０４９７３０）株式会社光フィジクス研究所 (20)
【Ｆターム（参考）】
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