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特許7372968共焦点光学分度器および構造化光照明によって角度を判定するための方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-10-24
(45)【発行日】2023-11-01
(54)【発明の名称】共焦点光学分度器および構造化光照明によって角度を判定するための方法
(51)【国際特許分類】
G01B 11/26 20060101AFI20231025BHJP
【ＦＩ】
G01B11/26 H
【請求項の数】
20
(21)【出願番号】P 2021522943
(86)(22)【出願日】2019-10-24
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-14
(86)【国際出願番号】 US2019057846
(87)【国際公開番号】W WO2020086837
(87)【国際公開日】2020-04-30
【審査請求日】2022-05-27
(31)【優先権主張番号】16/171,883
(32)【優先日】2018-10-26
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(31)【優先権主張番号】16/411,921
(32)【優先日】2019-05-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(73)【特許権者】
【識別番号】520128820
【氏名又は名称】ノースロップ グラマン システムズ コーポレーション
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100173565
【弁理士】
【氏名又は名称】末松 亮太
(72)【発明者】
【氏名】ルマラ，イサ・エス
【審査官】櫻井 仁
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１５－５１４９８１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１０－５３９４９１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０１２－５０９４６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－０８０５０４（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０１４９３５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｂ １１／００－１１／３０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
エレメントの縦揺れ、偏揺れ、および横揺れ角を測定する方法であって、周波数同調可能なレーザ・ビームを供給するステップと、
ＳＰＰＲ（螺旋位相板共振器）デバイスによって前記レーザ・ビームを誘導するステップであって、前記ＳＰＰＲデバイスが、前記レーザ・ビームを当該デバイス内において前後に反射する対向反射面を含み、前記対向反射面の１つが螺旋ステップ・インデックスを含み、異なる位相を有する複数の反射振幅を組み合わせ、前記複数の反射振幅の位相によって定められる光渦強度パターンを生成させ、前記光渦強度パターンが特異点重心と半径方向光ピークとを含み、前記ＳＰＰＲデバイスが、第１ビームを反射または透過し、第２ビームを透過する、ステップと、
前記第１ビームを第１カメラに誘導するように、第１ビームを閉じたシャッタから反射させ、前記第１カメラが前記光渦強度パターンの画像を生成する、ステップと、
前記第２ビームを第２カメラに誘導し、前記第２カメラが前記光渦強度パターンの画像を生成する、ステップと、
前記第１および第２カメラによって生成された画像における前記半径方向光ピークの角度位置によって、前記レーザ・ビームの初期周波数を判定するステップと、
前記第１および第２カメラによって生成された画像間において位置合わせ(registration)を同期させるステップと、
前記第１カメラによって生成された画像における重心の位置を判定し、前記第２カメラによって生成された画像における重心の位置を判定するステップと、
前記第１カメラによって生成された画像における重心から、半径方向に沿って集計したカウントを、ビームの横揺れ角の関数として判定するステップと、
前記第１カメラによって生成された画像における前記半径方向光ピークの位置を、前記集計したカウントを使用して判定するステップと、
前記第２カメラによって生成された画像における重心から、前記半径方向に沿って前記集計したカウントを、ビームの横揺れ角の関数として判定するステップと、
前記第２カメラによって生成された画像における前記半径方向光ピークの位置を、前記集計したカウントを使用して判定するステップと、
前記シャッタを開き、前記第１ビームが前記開いたシャッタを通って前記エレメントまで伝搬し、前記エレメントから反射した第１ビームを前記第１カメラに誘導し、前記第１カメラが、前記光渦強度パターンを含む画像を再度生成するステップと、
前記第１カメラによって生成された画像において重心の位置を再度判定するステップと、
前記第１カメラによって生成された画像における重心から、前記半径方向に沿って前記集計したカウントを、ビームの横揺れ角の関数として再度判定するステップと、
前記レーザ・ビームの周波数を変化させて、前記第１カメラによって生成された画像における前記光渦強度パターンの前記半径方向光ピークを回転させるステップと、
前記光渦強度パターンを回転させた前記周波数の変化から、前記エレメントの横揺れ角を推定するステップと、
を含む、方法。
【請求項2】
請求項１記載の方法において、前記半径方向光ピークの位置を判定するステップが、非線形当てはめルーチンを使用するステップを含む、方法。
【請求項3】
請求項１記載の方法であって、更に、前記シャッタが開いているときに前記第１カメラによって生成された画像における一平面における前記光渦強度パターンのシフトによって、前記エレメントの縦揺れ角を判定するステップと、前記シャッタが開いているときに前記第１カメラによって生成された画像における前記一平面に対して直交する平面における前記光渦強度パターンのシフトによって、前記エレメントの偏揺れ角を判定するステップとを含む、方法。
【請求項4】
請求項１記載の方法において、前記ＳＰＰＲデバイスが、内部反射率が中程度から高いデバイスであり、前記第１ビームが前記ＳＰＰＲデバイスを透過し、前記半径方向光ピークが高コントラスト干渉縞を有する、方法。
【請求項5】
請求項４記載の方法において、前記第１および第２カメラによって生成された画像における前記光渦強度パターンの重心位置を判定するステップが、前記第１または第２カメラによって生成された画像を、前記半径方向光ピークの数を表す数の象限にセグメント化するステップと、各象限における前記半径方向光ピークの重心位置および幅を推定するステップと、非線形当てはめルーチンを各前記半径方向光ピークに適用するステップと、前記非線形当てはめルーチンを使用して、前記半径方向光ピークの重心位置および幅を推定するステップと、前記個々の象限における前記半径方向光ピークの前記推定した重心と幅とを使用して、前記光渦強度パターンの重心を計算するステップとを含む、方法。
【請求項6】
請求項１記載の方法において、前記ＳＰＰＲデバイスが、内部反射率が低いデバイスであり、前記第１ビームが前記ＳＰＰＲデバイスから反射し、前記半径方向光ピークが低コントラスト干渉縞を有する、方法。
【請求項7】
請求項６記載の方法において、前記第１および第２カメラによって生成された画像において前記光渦強度パターンの重心位置を判定するステップが、前記第２ビームの重心位置および幅を推定するステップと、非線形当てはめルーチンを前記第２ビームに適用するステップと、前記非線形当てはめルーチンを使用して、前記第２ビームの重心位置および幅を推定するステップと、前記レーザ・ビームの周波数を変化させ、前記第２ビームの重心位置および幅の推定を繰り返すことによって、前記第２ビームにおいて前記光渦強度パターンを回転させるステップと、非線形当てはめルーチンを前記第２ビームに適用するステップと、前記非線形当てはめルーチンを使用して、前記第２ビームの重心位置および幅を推定するステップとを含む、方法。
【請求項8】
請求項１記載の方法であって、更に、前記第１および第２カメラによって生成された画像において重心位置を判定する前に、ビーム強度検出器およびパターン方向検出器を使用して、前記レーザ・ビームの強度を安定化させるステップを含む、方法。
【請求項9】
請求項１記載の方法であって、更に、前記第１および第２カメラによって生成された画像において重心を突き止めた後、前記画像から背景を除去するステップを含む、方法。
【請求項10】
請求項１記載の方法において、前記光渦強度パターンが４つの前記半径方向光ピークを含む、方法。
【請求項11】
エレメントの縦揺れ、偏揺れ、および横揺れ角を測定する方法であって、周波数同調可能なレーザ・ビームを供給するステップと、
前記レーザ・ビームをＳＰＰＲ（螺旋位相板共振器）デバイスに誘導するステップであって、前記ＳＰＰＲデバイスが、前記レーザ・ビームを当該デバイス内において前後に反射する対向反射面を含み、前記対向反射面の１つが螺旋ステップ・インデックスを含み、異なる位相を有する複数の反射振幅を組み合わせ、前記複数の反射振幅の位相によって定められる光渦強度パターンを生成させ、前記光渦強度パターンが特異点重心と半径方向光ピークとを含む、ステップと、
前記光渦強度パターンの画像を生成するカメラ上に前記レーザ・ビームを誘導するように、前記ＳＰＰＲデバイスを伝搬した後、前記エレメントからレーザ・ビームを反射させるステップと、
前記カメラによって生成された画像において重心位置を判定するステップと、
前記カメラによって生成された画像における重心から半径方向に沿って集計したカウントを、ビームの横揺れ角の関数として判定するステップと、
前記カメラによって生成された画像における前記半径方向光ピークの位置を、前記集計したカウントを使用して判定するステップと、
前記レーザ・ビームの周波数を変化させて、前記カメラによって生成された画像における前記光渦強度パターンの前記半径方向光ピークを回転させるステップと、
前記光渦強度パターンを回転させた前記周波数の変化から、前記エレメントの横揺れ角を推定するステップと、
を含む、方法。
【請求項12】
請求項１１記載の方法において、前記半径方向光ピークの位置を判定するステップが、非線形当てはめルーチンを使用するステップを含む、方法。
【請求項13】
請求項１１記載の方法であって、更に、前記カメラによって生成された画像の一平面における前記光渦強度パターンのシフトによって、前記エレメントの縦揺れ角を判定するステップと、前記カメラによって生成された画像における前記一平面に対して直交する平面における前記光渦強度パターンのシフトによって、前記エレメントの偏揺れ角を判定するステップとを含む、方法。
【請求項14】
請求項１１記載の方法において、前記ＳＰＰＲデバイスが、内部反射率が中程度から高いデバイスであり、前記レーザ・ビームが前記ＳＰＰＲデバイスを透過し、前記半径方向光ピークが高コントラスト干渉縞を有する、方法。
【請求項15】
請求項１４記載の方法において、前記カメラによって生成された画像における前記光渦強度パターンの重心位置を判定するステップが、前記カメラによって生成された画像を、前記半径方向光ピークの数を表す数の象限にセグメント化するステップと、各象限における前記半径方向光ピークの重心位置および幅を推定するステップと、非線形当てはめルーチンを各前記半径方向光ピークに適用するステップと、前記非線形当てはめルーチンを使用して、前記半径方向光ピークの重心位置および幅を推定するステップと、前記個々の象限から推定した前記半径方向光ピークの前記重心と幅とを使用して、前記光渦強度パターンの重心を計算するステップとを含む、方法。
【請求項16】
請求項１１記載の方法において、前記ＳＰＰＲデバイスが、内部反射率が低いデバイスであり、前記レーザ・ビームが前記ＳＰＰＲデバイスから反射し、前記半径方向光ピークが低コントラスト干渉縞を有する、方法。
【請求項17】
請求項１６記載の方法において、前記カメラによって生成された画像において前記光渦強度パターンの重心位置を判定するステップが、前記レーザ・ビームの重心位置および幅を推定するステップと、非線形当てはめルーチンを前記レーザ・ビームに適用するステップと、前記非線形当てはめルーチンを使用して、前記レーザ・ビームの重心位置および幅を推定するステップと、前記レーザ・ビームの周波数を変化させ、前記レーザ・ビームの重心位置および幅の推定を繰り返すことによって、前記レーザ・ビームにおいて前記光渦強度パターンを回転させるステップと、非線形当てはめルーチンを前記レーザ・ビームに適用するステップと、前記非線形当てはめルーチンを使用して、前記レーザ・ビームの重心位置および幅を推定するステップとを含む、方法。
【請求項18】
請求項１１記載の方法であって、更に、前記カメラによって生成された画像において重心位置を判定する前に、ビーム強度検出器およびパターン方向検出器を使用して、前記レーザ・ビームの強度を安定化させるステップを含む、方法。
【請求項19】
請求項１１記載の方法において、前記光渦強度パターンが４つの前記半径方向光ピークを含む、方法。
【請求項20】
エレメントの縦揺れ、偏揺れ、および横揺れ角を測定する方法であって、周波数同調可能なレーザ・ビームを供給するステップと、
ビーム強度検出器およびパターン方向検出器を使用して、前記レーザ・ビームの強度を安定化させるステップと、
前記レーザ・ビームをＳＰＰＲ（螺旋位相板共振器）デバイスに誘導するステップであって、前記ＳＰＰＲデバイスが、前記レーザ・ビームを当該デバイス内において前後に反射する対向反射面を含み、前記対向反射面の１つが螺旋ステップ・インデックスを含み、異なる位相を有する複数の反射振幅を組み合わせ、前記複数の反射振幅の位相によって定められる光渦強度パターンを生成させ、前記光渦強度パターンが特異点重心と４つの半径方向光ピークとを含む、ステップと、
前記光渦強度パターンの画像を生成するカメラ上に前記レーザ・ビームを誘導するように、前記ＳＰＰＲデバイスを伝搬した後、前記エレメントから前記レーザ・ビームを反射させるステップと、
前記カメラによって生成された画像において重心位置を判定するステップと、
前記カメラによって生成された画像における重心から、半径方向に沿って集計したカウントを、ビームの横揺れ角の関数として判定するステップと、
前記カメラによって生成された画像における前記半径方向光ピークの位置を、前記集計したカウントを使用して判定するステップと、
前記レーザ・ビームの周波数を変化させて、前記カメラによって生成された画像における前記光渦強度パターンの前記半径方向光ピークを回転させるステップと、
前記光渦強度パターンを回転させた前記周波数の変化から、前記エレメントの横揺れ角を推定するステップと、
前記カメラによって生成された画像の一平面における前記光渦強度パターンのシフトによって、前記エレメントの縦揺れ角を判定するステップと、
前記カメラによって生成された画像において前記一平面に対して直交する平面における前記光渦強度パターンのシフトによって、前記エレメントの偏揺れ角を判定するステップと、
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願に対する相互引用
[0001] 本願は、２０１８年１０月２６日に出願され、Confocal Optical Protractor（共焦点光学分度器）と題する米国特許出願第１６／１７１，８８３号の継続出願である。
[0001] 本願は、２０１８年１０月２６日に出願され、Confocal Optical Protractor（共焦点光学分度器）と題する米国特許出願第１６／１７１，８８３号の継続出願である。
【0002】
分野
[0002] 本開示は、一般的には、エレメントの横揺れ角、縦揺れ角、および偏揺れ角を測定する方法に関し、更に特定すれば、エレメントの横揺れ角、縦揺れ角、および偏揺れ角を同時に測定する方法に関する。この方法は、強度ピークを有する光学渦パターン・ビームを生成する螺旋位相板共振器（ＳＰＰＲ：spiral phase plate resonator）デバイスを採用する。光学渦パターン・ビームは、エレメントから反射されカメラまたは検出器に入射する。
[0002] 本開示は、一般的には、エレメントの横揺れ角、縦揺れ角、および偏揺れ角を測定する方法に関し、更に特定すれば、エレメントの横揺れ角、縦揺れ角、および偏揺れ角を同時に測定する方法に関する。この方法は、強度ピークを有する光学渦パターン・ビームを生成する螺旋位相板共振器（ＳＰＰＲ：spiral phase plate resonator）デバイスを採用する。光学渦パターン・ビームは、エレメントから反射されカメラまたは検出器に入射する。
【従来技術】
【0003】
[0003] 角度、具体的には、横揺れ、偏揺れ、および縦揺れ角の非接触測定は、光学部品の製造時、航空宇宙部品の構築時、整合および追跡を含むシステム・レベルの計測用途、３Ｄプリンティング、リソグラフィ、見本部品の製作等に重要となることが多い。当技術分野において採用され角度を測定するために使用されてきた殆どの手法は、オートコリメータ、干渉計、および可動部品を含む機械的デバイスを採用する。横揺れ角は、測定するのに最も困難な角度であり、したがって横揺れ角を精度高く測定することができるシステムの数は限られている。
【0004】
[0004] オートコリメータは、高い正確度で縦揺れおよび偏揺れ角を測定するのに成功したとは言え、これらの角度を測定することができる範囲は限られている。更に、横揺れ角を測定するためには、複雑な構成(arrangement)のオートコリメータが必要となる。干渉計は、縦揺れ角および偏揺れ角を測定することができるが、複雑な構成の追加光学エレメント、例えば、偏向光学素子およびプリズムがないと、横揺れ角を測定することができない。更に、多くの自由空間光学素子は、過酷な環境における動作が制限される。機械式分度器のような機械式デバイスは、システムが小型であることが要求され、角度の非接触測定は厳しく制限される。更に、可動部品を含むシステムは、長期間にわたる動作中に故障する確率がはるかに高くなる。
【0005】
[0005] 通例、横揺れ角を測定するには、内蔵角度チック(angular tick)をその周囲に沿って含む回転可能なマウント上に部品を配置し、次いでマウントを回転させて部品の横揺れ角を判定することによって行う。この技法は、小さい部品を組み立てるときには、大抵の場合うまく作用するが、大きな部品または非常に重い宇宙航空システムの部品を製作するときには、困難を来す可能性がある。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上に載せて、２つの基準間で対象の角度を判定することを含む。この技法では、機械式分度器が表面と接触して、横揺れ角を判定するが、横揺れ角の非接触測定を必要とする用途では、弊害が生ずる可能性がある。限られた空間において増々小さくなる角度を測定するためには、分度器の半径を大きくする（角度チックを増やす）必要があり、または測定される角度の正確度を増幅するためには、機械式分度器上にギアが必要となる。このため、高正確度測定用の機械式分度器は大型化を招き易く、したがって、限られた空間において角度を測定するときに問題となる可能性がある。この作業は、湾曲表面上で角度を測定するときは、更に一層困難を来す。更に、クリーン・ルーム環境における３Ｄプリンティング、リソグラフィ、および部品製作といった用途の中には、横揺れ角の非接触判定を必要とするものもあるが、機械式分度器は、測定しようとする部品と接触する。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論することができない。
【0006】
[0006] 光学システムは、表面が湾曲するおよび／または粗いときでも、表面上における２つの静止点または２本の静止線間で、非接触角度測定を行う機能(ability)を提供することができる。具体的には、円筒対称に組み込まれた光渦の可干渉性重畳(coherent superposition)を使用することによって、非常に高い精度および正確度で非接触の角度測定を行うことができる。光渦の可干渉性重畳の特性は、横揺れ角（方位角）の関数として周期的な強度変調を形成するということであり、角度を測定している表面上にこの周期的な強度変調を投影し、検出器によって検知することができる。
【0007】
[0007] 当技術分野には、光渦の可干渉性重畳を作成するための様々な方法が存在し、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など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、分解能に限界がある光学システムの選択部分を機械的に回転させなければ、光渦の横揺れ角を制御することができない。あるいは、光学システムが、モータ駆動ステージ、即ち、螺旋ミラーの場合には、ｑ－プレート、螺旋位相板などを含む、光学エレメントの複雑な構造で構成される(consist of)ことになる。空間光変調器（ＳＬＭ）を採用する方法では、コンピュータがＳＬＭおよびその分解能を制御する必要があり、角度変位(angular displacement)の生成は、画素化されるＳＬＭスクリーンおよびＳＬＭの位相変化の有限範囲によって限定される。これらの難題があるため、光学システムの設計を更に複雑化することなく、角度測定の正確度を最大限高めつつ、システムを微細化する明確な方法がない。
【0008】
[0008] 螺旋位相板に基づく共振器、即ち、螺旋位相板共振器（ＳＰＰＲ：spiral phase plate resonator）デバイスは、光をこのデバイスから反射させることによってまたはこのデバイスを透過させることによって、光渦の可干渉性重畳を生成することができる、微細化光学エレメントである。低反射率のＳＰＰＲデバイスに対する共振器の効果を示す基礎科学的な研究がある。また、回転ドプラ・シフトに基づく回転センサの研究もある。しかしながら、製造および生産、航空宇宙システムまたはそれ以外において基準に対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。
【0009】
[0009] Optical Protractor To Measure Roll Angle On A Static Surface And Rotating Surface（静止面および回転面上で横揺れ角を測定するための光学分度器）と題し、２０１８年４月２日に出願され、本願の譲受人に譲渡された米国特許出願第１５／９４３，２４０号は、静止面または回転面上の２点間において横揺れ角を測定するために、螺旋位相板共振器（ＳＰＰＲ）デバイスを採用する光学分度器を開示する。この特許出願をここで引用したことにより、その内容が本願にも含まれるものとする。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・ビームを受信し、デバイス内においてビームを前後に反射する対向反射面(opposing relective surface)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組み合わせて、光渦強度パターンを有するデバイスからの出力ビームとする。ここで、強度パターンは放射状光強度線(radial light intensity lines)を含む。この分度器は、出力ビームをエレメント上に投影するレンズと、エレメントから反射され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、エレメント上に投影された光渦強度パターンを含む反射光の画像を生成し、強度線の１本が２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更させる。次いで、プロセッサは、この１本の強度線が、２点の内第２のものと整列するように、再度レーザ源にレーザ・ビームの周波数を変更させ、レーザ・ビームの周波数間の差を使用して、点間の角度を判定する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【0010】
[0010] 以下の論述では、エレメントの横揺れ角、縦揺れ角、および偏揺れ角を同時に測定する方法について開示および説明する。この方法は、螺旋位相板共振器（ＳＰＰＲ）デバイスによって、周波数同調可能なレーザ・ビームを誘導する。ＳＰＰＲデバイスは、このデバイス内においてレーザ・ビームを前後に反射する対向反射面を含み、反射面の一方が、螺旋ステップ・インデックスを含み、異なる位相を有する複数の反射振幅(reflected amplitudes)を組み合わせ、複数の振幅の位相によって定められる光渦強度パターンを生成させる。強度パターンは、ビームの中央における特異点重心(singularity centroid)と、半径方向光ピークとを含む。ＳＰＰＲデバイスは、第１ビームを反射または透過し、第２ビームを透過する。この方法は、光渦強度パターンの画像を生成する第１カメラに第１ビームを誘導するように、閉じたシャッタから第１ビームを反射させ、光渦強度パターンの画像を生成する第２カメラに第２ビームを誘導し、第１および第２カメラによって生成された画像における半径方向光ピークの角度位置によって、レーザ・ビームの初期周波数を判定し、第１および第２カメラによって生成された画像間における位置合わせ(registration)を同期させる。この方法は、第１カメラによって生成された画像における重心の位置を判定し、第２カメラによって生成された画像における重心の位置を判定する。更に、この方法は、第１カメラによって生成された画像における重心から半径方向に沿って集計したカウントを、ビームの横揺れ角の関数として判定し、集計カウントを使用して、第１カメラによって生成された画像における半径方向光ピークの位置を判定する。また、この方法は、第２カメラによって生成された画像における重心から半径方向に沿って集計したカウントを、ビームの横揺れ角の関数として判定し、集計カウントを使用して、第２カメラによって生成された画像における半径方向光ピークの位置を判定する。次いで、この方法は、開いたシャッタを通って第１ビームがエレメントまで伝搬するように、シャッタを開き、エレメントから反射した第1ビームを第１カメラに誘導し、第１カメラは、光渦強度パターンを含む画像を再度生成する。この方法は、再度、第１カメラによって生成された画像における重心の位置を判定し、再度、第１カメラによって生成された画像における重心から半径方向に沿って集計したカウントを、ビームの横揺れ角の関数として判定する。この方法は、レーザ・ビームの周波数を変化させて、第１カメラによって生成された画像における光渦強度パターンの半径方向光ピークを回転させ、周波数変化からエレメントの横揺れ角を推定する。
【0011】
[0011] 本開示の更に他の特徴は、以下の説明および添付した請求項を、添付図面と併せて検討することによって、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
【図1】測定ビームが螺旋位相板共振器（ＳＰＰＲ）デバイスから反射され、次いでエレメントから反射されて、エレメントの横揺れ、縦揺れ、および偏揺れ角を測定する共焦点光学分度器の模式ブロック図である。
【図3】内部で反射されるビームを示すＳＰＰＲデバイスの側面図である。
【図4】円状に配列された８つの単一画素検出器を含む単一画素検出器アレイの図である。
【図13】測定ビームをＳＰＰＲデバイスに透過させて、エレメントの横揺れ、縦揺れ、および偏揺れ角を測定する共焦点光学分度器の模式図である。
【図21】高コントラスト干渉縞を有する光渦強度プロファイル画像のビーム重心を発見するプロセスを示すフロー・チャート図である。
【図22】低コントラスト干渉縞を有する光渦強度プロファイル画像のビーム重心を発見するプロセスを示すフロー・チャート図である。
【図23】縦揺れ角および偏揺れ角を判定するプロセスを示すフロー・チャート図である。
【図24】横揺れ角を判定するプロセスを示すフロー・チャート図である。
【発明を実施するための形態】
【0013】
[0030] 本開示の実施形態についての以下の論述は、ＳＰＰＲデバイスを使用して、エレメントのロール、縦揺れ、および偏揺れ角を同時に測定する方法を対象とする。この論述は、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。
【0014】
[0031] 以下で詳しく論ずるように、本開示は、エレメントとの横揺れ、縦揺れ、および偏揺れ角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」(all optical)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、部品の縦揺れ、偏揺れ、および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る。 また、この光学システムは、パターン認識中にこれら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。
【0015】
[0032] この光学システムの主要なエレメントは、螺旋位相板共振器（ＳＰＰＲ）デバイスである。このデバイス内において、特定の周波数の光ビームが複数回の反射往復移動を行い、ビーム角(beam angle)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。このビームを静止面上に投影すると、縦揺れ、偏揺れ、および横揺れ角を測定するために検出することができる。出力ビームにおける強度変調干渉パターンは、ＳＰＰＲデバイスから出現する選択光渦巻数(winding numbers)の可干渉性重畳の結果である。
【0016】
[0033] 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、測定対象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波長の変化、光学素子の屈折率変化、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、角度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、および角度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、そして変化させ、測定、較正、およびリアル・タイム監視のために、周波数の漸増によって強度パターンを回転させる。
【0017】
[0034] 図１は、静止または回転面上の基準線間において横揺れ、縦揺れ、および偏揺れ角を同時に測定し、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、狭線幅レーザ源１２を含む。狭線幅レーザ源１２は、調整可能であり、例えば、可視光－ＩＲ周波数範囲において可干渉レーザ・ビームをシングル・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。
【0018】
[0035] 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、ビーム・スプリッタ２２によって分割され、ビーム１８の小部分が、ビーム強度を監視する高速検出器２４に送られ、ビーム１８の残り部分はＳＰＰＲデバイス２６に送られ、その有限反射率の結果として、ビーム１８はデバイス２６内において前後に反射される。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。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またはガラス層のような、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、ナノ単位の構造体(nanoscale structure)を使用することができる。
【0019】
[0036] 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（ＳＰＰＲ）として動作し、光渦ビームが、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。各ビームは、異なる巻数、即ち、軌道角運動量を有する、振幅Ｕ１～ＵＮとして示されている。ビームは、異なる巻数および異なる軌道角運動量状態を有する全ての光渦ビーム振幅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、渦ビームの角度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。
【0020】
[0037] ビーム１８の光渦強度パターンは、ＳＰＰＲデバイス２６の入力側からビーム・スプリッタ２２に向けて、反射測定ビーム４０として出力され、更に、ＳＰＰＲデバイス２６の出力側から、透過基準ビーム４２として出力され、較正の目的に使用される。この非限定的な実施形態では、ＳＰＰＲデバイス２６は、ほぼ０．０４の内部反射率を有する市販の既製品（ＣＯＴＳ）デバイスである。この反射率によって、測定ビーム４０における渦強度ピークのコントラストが高くなり、透過基準ビーム４２における渦強度ピークのコントラストが低くなる。角度測定のために反射ビーム４０を使用することによって、ピークが一層際立ち、背景光を一層容易に除去することが可能になる。
【0021】
[0038] 基準ビーム４２は、ＳＰＰＲデバイス２６から焦点距離×２に位置するレンズ５０によって、電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラ５４上にアッテネータ５６を介して撮像され、横揺れ角計算のためのビーム方向の基準を供給する。測定ビーム４０は、ビーム・スプリッタ２２によって、第２ビーム・スプリッタ６０に向けて反射され、第２ビーム・スプリッタ６０は、測定ビーム４０の小部分を検出器６２に誘導する。検出器６２は、光渦測定ビーム４０の方向、およびＳＰＰＲデバイス２６から反射されたビーム４０の強度を追跡する。検出器６２は、ＣＣＤカメラのような、多重画素検出器として示されているが、本明細書において論ずる目的に適するのであれば、いずれの検出器でも可能である。例えば、検出器６２は、図４に示すように、円環(circle ring)状に配列された８つの単一画素検出器７８を含む単一画素検出器アレイ７６とすることもできる。この円環であれば、ビーム４０の回転変位を高い正確度で測定することが可能になる(could allow for)。
【0022】
[0039] 測定ビーム４０の主要な部分は、レンズ６４または一連のレンズによって、シャッタ６８を介してプラットフォーム６６上に撮像され、レンズ６４は、共焦点撮像結合(confocal imaging geometry)でプラットフォーム６６を撮像するために、ビーム４０を平行化する。プラットフォーム６６からの反射ビームは、ビーム・スプリッタ６０によってＣＣＤカメラ７０に誘導され、ＣＣＤカメラ７０は角度測定値を供給する。ここで、レンズ６４は反射ビームをカメラ上に撮像する。カメラ７０の前に位置付けられた狭帯域フィルタ７２が、他の波長の背景光の発生源(source)を低減する。更に、レンズ６４はカメラ７０の視野（ＦＯＶ）を狭め、カメラ７０に入射する後方散乱光の量も減らす。シャッタ６８が閉じているとき、ビーム４０はビーム・スプリッタ６０を介してカメラ７０上に反射される。シャッタ６８が開いているとき、ビーム４０は、シャッタ６８を通過し、プラットフォーム６６からカメラ７０に逆反射される。また、ＣＣＤカメラ７０は、ビーム４０の内部位置を較正する役割も果たす。
【0023】
[0040] プラットフォーム６６に対してｘ－ｙ－ｚ座標系を示す。ここで、ｘ軸を中心とする回転は偏揺れ角を示し、ｙ軸を中心とする回転は縦揺れ角を示し、ｚ軸を中心とする回転は横揺れ角を示す。カメラ７０上に撮像されたときの、高コントラスト干渉縞を有する測定ビーム４０の光渦強度プロファイルを図５に示す。ここで、デバイス２６は、｜ｒ２｜２＝０．０４というような、低い内部反射率のＳＰＰＲデバイスである。ここで、ｒ２は、ＳＰＰＲデバイス２６の表面におけるフレネル反射係数である。カメラ５４上に撮像されたときの、低コントラスト干渉縞を有する基準ビーム４２の光渦強度プロファイルを図６に示す。これらの図において、陰影を付けたエリアは渦強度ピークを表す。システム１０は、この実施形態において内部反射率が高いデバイスを実装するときは上手く機能し、ＳＰＰＲデバイス２６は順方向または逆方向に面することができる。
【0024】
[0041] 高精度の角度判定のために、先に論じたのと同様に、カメラ５４を使用してシステム１０を較正する。この測定値から、光学システム１０の較正関数を事実上定める伝達関数を得る。この伝達関数は、光学システム１０においてエレメントの熱効果が存在しても、レーザ周波数の変化を角度変化に変換する。理想的には、高い正確度の測定のためには、光学システム１０において、熱膨張係数が低い材料を使用する。しかしながら、測定前または測定最中における較正プロセスからのカメラの更新により、熱効果および振動が存在しても、静止面上における角度判定を可能にする。ビーム４２の合焦後に行われる測定では、グイ位相(Gouy phase)が、基準ビーム４２の回転において、余分なシフトを生じさせる。光学システム１０の較正中に、この効果を考慮に入れるのは容易である。
【0025】
[0042] システム１０は、光渦ビームが、プラットフォーム６６を照明する目的のために、長距離にわたって平行化したままでいることを可能にする。横揺れ角を判定するために、ビーム１８の周波数をシフトさせて、角度強度プロファイルを回転させる。縦揺れ角および偏揺れ角を測定するためには、ビーム４０の重心をある点から他の点に移動させる。ＬｉＤＡＲ、ＲＡＤＡＲ等のような距離測定デバイスを使用すれば、偏揺れ角および縦揺れ角を測定するときに、距離を推定することができる。
【0026】
[0043] プロセッサ７４は、システム１０を制御し、カメラ５４および７０ならびに検出器６２から信号を受信して、本明細書における論述にしたがって横揺れ、偏揺れ、および縦揺れ角の測定値を判定するために、レーザ源１２を調整する。以下で更に詳しく論ずるが、ビーム４０は、プラットフォーム６６が基準位置にあるとき、プラットフォーム６６から反射され、プラットフォーム６６とカメラ７０との間の距離を判定し、初期ビーム・プロファイルを特定する(identify)。説明した方向における初期ビーム・プロファイルの中心点よりも上または下へのビーム・プロファイルのｙ軸に沿ったシフトは、図７および図８における光渦強度プロファイル画像によって示されるように、縦揺れ角の規準(measure)となる。更に、説明した方向における初期ビーム・プロファイルの中心点よりも左または右へのビーム・プロファイルのｘ軸に沿ったシフトは、図９および図１０における光渦強度プロファイル画像によって示されるように、偏揺れ角の規準となる。尚、プラットフォーム６６までの距離、およびカメラ７０上におけるビーム４０のシフトは、縦揺れおよび偏揺れ角を測定するために使用されることを注記しておく。図１１および図１２における光渦強度プロファイル画像によって示されるように、横揺れ角を測定するために、プラットフォーム６６上の基準（図示せず）に対してビーム４０を時計回り方向または反時計回り方向に回転させる。
【0027】
[0044] システム１０において、デバイス２６は、先に論じたように、低い内部反射率を有するので、高コントラスト干渉縞を形成するために、ＳＰＰＲデバイス２６から反射した測定ビーム４０が縦揺れ、偏揺れ、および横揺れ角を測定するために使用される。代替実施形態では、ＳＰＰＲデバイス２６を、｜ｒ２｜２＝０．５７というような、中程度の内部反射率のデバイスと置換することができ、その場合、デバイス２６を透過したビームが測定ビームとなる。図１３は、横揺れ、縦揺れ、および偏揺れ角を同時に測定するこの型式の光学システム８０の模式ブロック図であり、システム１０と同様のエレメントは、同じ参照番号で識別する。この実施形態では、ＳＰＲデバイス２６がＳＰＰＲデバイス８２と置換されている。ＳＰＰＲデバイス８２は、高内部反射率を有するカスタム・デバイスであり、検出器２４およびビーム・スプリッタ８２を除去し、ビーム・スプリッタ８４をＳＰＰＲデバイス８２の下流側に設け、デバイス８２からの渦ビームを基準ビーム４２および測定ビーム４０に分割する。
【0028】
[0045] ＳＰＰＲデバイス８２を透過したビームの光強度プロファイルを図１４に示す。システム１０について先に論じた野と同様に、ビーム４０は，プラットフォーム６６が基準位置にあるときに、プラットフォーム６６から反射され、プラットフォーム６６とカメラ７０との間の距離を判定し、初期ビーム・プロファイルを特定する。説明した方向における初期ビーム・プロファイルの中心点よりも上または下へのビーム・プロファイルのｙ軸に沿ったシフトは、図１５および図１６における光渦強度プロファイル画像によって示されるように、縦揺れ角の規準となる。更に、説明した方向における初期ビーム・プロファイルの中心点よりも上または下へのビーム・プロファイルのｘ軸に沿ったシフトは、図１７および図１８における光渦強度プロファイル画像によって示されるように、偏揺れ角の規準となる。この場合も、プラットフォーム６６までの距離およびカメラ７０上におけるビーム４０のシフトは、縦揺れおよび偏揺れ角を測定するためである。図１９および図２０における光渦強度プロファイル画像によって示されるように、横揺れ角を測定するために、プラットフォーム６６上の基準（図示せず）に対して、ビーム４０を時計回り方向または反時計回り方向に回転させる。
【0029】
[0046] 先に説明したように、システム１０および８０の共焦点光学分度器（ＣＯＰ）には、表面における反射率が低いＣＯＴＳ ＳＰＰＲデバイスまたは表面における反射率が高いカスタム製作されたＳＰＰＲデバイスを使用することができる。ＣＯＴＳ ＳＰＰＲデバイスでは、このデバイスの表面における反射率は、比較的低く、即ち、｜ｒ２｜２～｜０．２１９｜２＝０．０４７である。したがって、カメラ７０の内面上、そして対象のプラットフォーム６６上において回転位置測定を行う(be making)ことができる光子の最大数と比較すると、回転測定を行う光子の個数(counts)は約２／３少なくなる。プラットフォーム６６の反射能(albedo)によっては、カメラ７０上に撮像する光粒子は更に少なくなることもある。光学分度器のこの共焦点結合の主要な利点の１つは、ＳＰＰＲデバイスの反射率には関係なく、高コントラスト干渉縞（単一性）が存在することである。このため、信号対ノイズ比を、特にＣＯＴＳ ＳＰＰＲデバイスでは、高めることができる。ＳＰＰＲデバイスの反射率が｜ｒ２｜２＝｜０．５７７｜２＝０．３３の値まで高められると、カメラ７０上において信号対ノイズ比が高くなるために、ＳＰＰＲデバイスの透過結合において回転位置測定を行う光粒子の数が最大になる。
【0030】
[0047] ＳＰＰＲデバイス２６の透過振幅(transmission amplitude)、およびＳＰＰＲデバイス２６の反射振幅(reflection amplitude)を記述する式は、行列型式を使用して、導き出すことができる。明確さおよび簡略さを目的としてＳＰＰＲデバイス２６または８２の透過(transmission)を表すと、次の式のようになる。
ここで、Ａ、Ｂ、およびφ０は、当てはめルーチン(fit routines)を用いて振幅を推定し、背景を推定し、角度強度パターン信号の回転を追跡するために使用され、Ｔ１［φ，φ０，ｒ２，β］は、正規化された伝達関数であり、フレネル反射係数ｒ２、および方位角的に変化する強度ピークβの数と共に、ＳＰＰＲの角度位置φ０を構成する。パラメータｒ２およびβは、システム１０が構築されるときに分かっているパラメータであり、システム動作中変化しない。ＳＰＰＲデバイス２６または８２の反射率は、｜ｒ２｜２として定義される。
【数1】
【0031】
[0048] 同様に、ＳＰＰＲデバイス２６からの反射は、次のように表される。
ここで、Ｒ１［φ，φ０，ｒ２，β］は正規化された反射関数である。
【数2】
【0032】
[0049] 横揺れ角、縦揺れ角、および偏揺れ角は、カメラ７０上に外面から逆反射される光渦ビームの特定的な特性を追跡することによって測定される。これらの特性には、個々の強度ピークの重心、光渦ビーム全体の重心、および光渦強度プロファイルの回転変位が含まれる。角度を測定しようとするプラットフォーム６６の表面上に４つの強度ピークが投影される例を示す。横揺れ、縦揺れ、および偏揺れ角を測定するアルゴリズムにより、個々の強度ピークの位置および光渦の中心を、高い精度および正確度で把握することが可能になる。４つの別々の強度ピーク毎に、角度を判定するために、１つの狭い強度ピークを使用する場合と比較すると、横揺れ角、縦揺れ角、および横揺れ角の規準において、測定の正確度が４倍高くなる。この設計は４つの強度ピークを使用するが、ＳＰＰＲデバイス２６からはそれよりもはるかに多い強度ピークまたは少ない強度ピークが現れる可能性がある。
【0033】
[0050] 横揺れ角は、光渦の回転、即ち、カメラ７０上における光渦ビームの回転変位（角度変位）を追跡することによって判定される。横揺れ角の判定における分解能は 非常に高い上に、横揺れ角を測定する広い範囲を維持する。この角度は、３６０°測定範囲全体に及ぶことができる。縦揺れ角は、カメラ７０上において、外部プラットフォームからの光渦ビーム重心の垂直変位を追跡することによって判定される。同様に、偏揺れ角は、外部プラットフォームからの逆反射光渦ビームの水平変位を追跡することによって判定される。偏揺れ角および縦揺れ角は、目標までの距離、およびカメラ７０上におけるビームの変位の双方から計算される。光渦ビームがプラットフォーム６６から逆反射される前に、シャッタ６８が閉じているときに、光渦ビームがシャッタ６８から内部的に逆反射され、光渦ビーム４０の初期位置を判定する。これには、ビーム重心の初期位置、および角強度ピークの初期位置が含まれる。このプロセスは、他のシステム較正プロセスと共に順次行われる。他のシステム較正プロセスには、検出器２４を使用するレーザ強度較正およびカメラ５４を使用するレーザ周波数較正、カメラ５４および７０ならびに検出器６２上における光渦ビーム４８の内部回転の監視が含まれる。異なる実施形態では、初期角度較正のために、既知の角度の外部平面上において初期位置を判定することができる。更に、レーザ波長を光渦ビームの回転に変換する伝達関数(transfer function)が格納されている。
【0034】
[0051] 横揺れ角を測定するための角度変位、ならびに偏揺れ角および縦揺れ角を推定するための変位は、非線形当てはめルーチンから推定される。偏揺れ角および縦揺れ角は、カメラ７０のｘ軸およびｙ軸上それぞれにおける４つの強度ピークの重心の垂直および水平変位、ならびに目標までの距離から判定される。横揺れ角は、強度ピークの回転変位によって判定される。４つの個別強度ピークが、単一(unity)コントラストで、カメラ７０上に投影されるので、これらのピーク強度は個々に当てはめられる。強度ピークの位置から、ビーム全体の重心が得られる。該当する式を使用して、最初にデータから重心を計算し、次いで、これらの値を非線形当てはめルーチンにおいて初期値として使用して、対象の位置を追跡する。ビーム重心の正確な判定は、逆反射されるビームの角度変位を判定するときの第１ステップである。画像内に小斑点(speckle)がある場合、複数の画像を纏めて平均を取れば、小斑点の影響を低減することができる。
【0035】
[0052] 横揺れ、縦揺れ、および偏揺れ角の判定には、ビーム４０の絶対中心を知る必要がある。特異点がある光渦ビーム、即ち、ＳＰＰＲデバイス２６によって生成される非常に小さい光渦コア（またはコアなし）では、ビーム４０の中心は、強度ピークの全てが集まる点として定められ、これはビームの重心と同等である。ビーム４０の中心を計算するアルゴリズムについて、以下に論ずる。このアルゴリズムは、偶数の光渦強度ピーク、即ち、βが偶数であるときには正しく作用する。したがって、この場合に限って、βは４であると仮定する。しかしながら、このアルゴリズムは、奇数の強度ピークであっても正しく作用するように改変することもできる。2つの事例、即ち、カメラ７０上で撮像されたビーム４０の高コントラスト干渉縞を有する光渦強度プロファイルについての第１事例、およびカメラ７０上で撮像されたビーム４０の低コントラスト干渉縞を有する光渦強度プロファイルについての第２事例について論ずる。更に特定すれば、ＳＰＰＲデバイス２６または８２の選択に応じて、カメラ７０は高コントラストまたは低コントラスト干渉縞を受けることができる。ＳＰＰＲデバイスが低い反射率を有するとき、カメラ７０は低コントラスト干渉縞を有する画像を生成するが、中程度から高い反射率のＳＰＰＲデバイス、即ち、カスタムＳＰＰＲデバイスでは、カメラ７０は高コントラスト干渉縞を有する画像を生成する。カメラ７０は、システム１０および８０に対して、常に比較的高いコントラストの干渉縞を有する。
【0036】
[0053] 図２１は、カメラ７０上に撮像されたビーム４０の高コントラスト干渉縞を有する光渦強度プロファイルの中心を判定するプロセスを示すフロー・チャート図９０である。ボックス９２において、外面から光が来ないように、シャッタ６８を閉じるが、設計によっては、シャッタ６８を閉じることが必要でない場合もある。シャッタ６８を閉じると、ボックス９４において、ビーム４０はシャッタ６８からカメラ７０上に逆反射される。ボックス９６において、カメラ７０上の画素スクリーンを、ビーム４０における強度ピークの数を表す数の象限にセグメント化する。この例では、４つの強度ピークがあり、即ち、β＝４であり、したがって、４つの象限があり、ボックス９８において、ｘ軸およびｙ軸上で各象限を集計する(integrate)。ボックス１００において、収集したデータを使用して、各象限における強度ピークの重心および幅を推定し、これらの値を４つの象限全てについて個々に格納する。ボックス１０２において、各象限における強度ピークに非線形当てはめルーチンを適用する。ボックス１００において、当てはめルーチンにおける初期値を推定し、非限定的な一実施形態では、当てはめルーチンにおけるモデルとして、ガウス状関数を採用する。ボックス１０６において、当てはめルーチンを使用して、各強度ピークのｘおよびｙ重心位置ならびに幅を推定する。各強度ピークの重心位置の値から、ビーム４０の中心位置をサブピクセル精度で計算し、ボックス１０８においてその値を格納する。ビーム４０の中央位置を計算する１つの方法は、対角線上にある象限においてそれぞれのｘおよびｙ強度ピークの平均を取ることである。各象限における個々の強度ピークの重心および幅の値、ならびにビーム全体の重心は、シャッタ６８が閉じているまたは開いているときに、角度の判定における初期位置を形成する。
【0037】
[0054] 干渉縞のコントラストが低いのは、反射率が低いＳＰＰＲデバイス２６を光が透過する場合である。これは、システム１０における光学ハードウェアの場合であり、通例、動的較正の間に画像／フレームをカメラ５４上で監視する。一般に、光渦ビーム４０の中心の発見は、システム１０が最初に構築されるときに行われる。次いで、この手順を使用して中心点を監視し、システム動作中に中心位置には統計的に有意な偏差がないことを確保する。
【0038】
[0055] 図２２は、カメラ５４上に撮像されたビーム４２の低コントラスト干渉縞を有する光渦強度プロファイルの中心を判定するプロセスを示すフロー・チャート図１１２である。ボックス１１４において、ビーム４２をＳＰＰＲデバイス２６に透過させ、ボックス１１６において、ｘ軸およびｙ軸上の集計カウント(integrated count)を計算する。ボックス１１８において、収集したデータを使用して、ビーム４２の重心および幅を推定し、これらの値を格納する。ボックス１０２において、非線形当てはめルーチンをビーム４２に適用する。ここで、ボックス１１８において、当てはめルーチンにおける初期値を推定し、非限定的な一実施形態では、ビーム４２全体に対して当てはめルーチンにおけるモデルとして、ガウス状関数を採用する。ボックス１２４において、非線形当てはめルーチンから、ビーム４２のｘおよびｙ重心位置ならびに幅を得る。ボックス１１６から１２４までの動作は、ボックス１２６においてビーム中心（重心）位置の一貫性を確保するように、ビーム４２のレーザ周波数を変化させることによって、異なる回転角毎に繰り返す。低反射率のＳＰＰＲデバイスを使用する場合、ボックス１２８において、この値を、ビーム４２の中心位置の以前に格納した値と比較する。初期較正中に、格納された値から大きな偏差があってはならない。言い換えると、偏差はサブピクセル値以下でなければならない。
【0039】
[0056] 図２３は、プラットフォーム６６の縦揺れおよび偏揺れ角を計算するプロセスを示すフロー・チャート図１３０である。カメラ７０上に外面から光が来ないように、ボックス１３２において、シャッタ６８を閉じる。ボックス１３４において、ビーム４０はシャッタ６８（または外部較正面）から逆反射され、カメラ７０に入射する。ボックス１３６において、フロー・チャート図９０または１１２において先に論じたように、ビーム４０の重心を計算する。ボックス１３８において、シャッタ６８を開き、ボックス１４０において、逆反射したビームの重心を計算する。ボックス１４２において、カメラ７０上のビーム４０の垂直変位から、縦揺れ角を判定する。ここで、垂直変位の各値は、縦揺れ角の規準に対応する。ボックス１４４において、カメラ７０上の水平変位から、偏揺れ角を判定する。ここで、水平変位の各値は偏揺れ角に対応する。縦揺れ角および偏揺れ角が連続的に変化している場合、ボックス１４６において、カメラ７０のスクリーン上における位置の関数として、変化角を推定するために、連続測定を実行することができる。ボックス１４８において、縦揺れおよび偏揺れ角を格納する。
【0040】
[0057] 図２４は、基準に関するまたは２つ以上の点間における、プラットフォーム６６の横揺れ角を計算するプロセスを示すフロー・チャート図１５０である。ボックス１５２において、プラットフォーム６６上に光が入射しないように、シャッタ６８を閉じる。ボックス１５４において、検出器２４および６２ならびにカメラ５４を使用して、レーザ源１２の強度を安定させ、ボックス１５６において、カメラ５４および７０上の強度ピークの角度位置によって、レーザ源１２の初期周波数を判定する。ボックス１５８において、カメラ５４および７０が同時に画像フレームを受信することを確保するために、これらを同期させる。ボックス１６０において、流れ図９０または１１２において説明したように、カメラ５４および７０上におけるビーム４０の重心を推定する。非線形当てはめルーチンによって得られた値から、背景の存在を差し引く。ボックス１６２において、カメラ７０上にシャッタ６８から逆反射されたビーム４０の重心を推定する。ボックス１６４において、ビーム重心位置から開始して半径方向に沿って、カメラ５４上における横揺れ角の関数として、集計カウントを計算し、ボックス１６６において、非線形当てはめルーチンを使用して、角度強度ピークの位置を推定し、これらの値を格納する。ボックス１６８において、ビーム重心位置から開始して半径方向に沿って、カメラ７０上における横揺れ角の関数として集計カウントを計算し、ボックス１７０において、非線形当てはめルーチンを使用して、角度強度ピークの位置を推定し、これらの値を格納する。
【0041】
[0058] ボックス１７２においてシャッタ６８を開き、ボックス１７４において、ビーム４０をプラットフォーム６６上に投影し、カメラ７０上で撮像する。反射ビーム４０の初期周波数は、ビーム４０の方向がプラットフォーム６６上の基準と整列する場合の周波数に対応する。ボックス１７６において、フロー・チャート図９０または１１２を使用して、プラットフォーム６６上に撮像されたビーム４０の重心を判定する。ボックス１７８において、ビーム４０の重心から開始して、半径方向集計カウントを、横揺れ角の関数として計算する。ボックス１８０において、非線形最適化当てはめルーチンから強度ピークの位置を得る。較正プロセスにおいて、ビーム４０がシャッタ６８から逆反射され、ボックス１８２において、較正プロセスから、非線形当てはめルーチンに対する強度ピークの初期位置付け(initial positioning)を格納する。プラットフォーム６６を回転させると、光渦ビームは、レーザ・ビーム周波数の変化によって、回転を追跡し、光渦強度プロファイルの方向を回転させる。ボックス１８４において、横揺れ角を推定する。プラットフォーム６６を徐々に(in incremental steps)回転させる場合、横揺れ角を判定するために、ビーム４０の光渦パターンを徐々に回転させることができる。プラットフォーム６６の第１速度での滑らかな連続回転がある場合、回転ドプラ・シフトを使用して、横揺れ角を得ることができる。
【0042】
[0059] 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】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
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【図15】
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【図19】
【図20】
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