JP2019518214A - 波長可変レーザを用いる精密位置決めシステム - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書で開示される方法及びシステムは、掃引源を用いて産業用超高精度DMI用途を可能にする。掃引源は、帯域幅を有する波長可変レーザであり、その帯域幅にわたって高速掃引が行われ得る。高速掃引は、波長の滑らかな連続変動であり得るか、又は帯域幅内の異なる離散周波数のシーケンスを含み得る。
光周波数の決定
実施形態の数学的な詳細が以下で説明される。最初に、簡単にするために、全てのキャビティは、ファブリペローの誘電体キャビティであると仮定され、ファブリペローの誘電体キャビティは、2つの誘電体表面から形成される。しかしながら、一般に、適切なモデルが適用される限り、いかなるキャビティも使用され得る。
M基準キャビティのシステムは、光周波数モニタ(OFM)と総称される。OFMの性能は、M及びそれらのギャップの値に敏感に依存する。一実施形態において、1つのキャビティのみが用いられる。次に、波長は、強度測定のみから決定される。強度測定のみから縞次数を確立するために、波長は、基準キャビティの自由スペクトル範囲(FSR : free spectral range)の1/2内でアプリオリ(a priori)に既知でなければならない。FSRは、往復伝搬が2πの位相変化に帰着する光周波数の変化である。式(5)は、
図3は、WDLを最小化するように構成された超安定固定ギャップ共焦点キャビティ300の概略図である。キャビティ300を照明するファイバ302(例えば、シングルモードファイバ)の端部は、基準戻りを提供するために、(ファイバが光学軸に対して適切に角度を付けられている場合に角度研磨も用いられ得る)平坦に磨かれる一方、第2の面は、回折ビームの波面(wavefront)と一致し、且つ同時に名目ギャップGを提供する球形304である。ファイバ302は、ベース306に接合され、ベース306は、例えば、シリコンボンド308を用いて熱擾乱を最小化するためにゼロデュア(Zerodur)で作ることができる。Gより小さい長さLを有するスペーサ310は、キャビティ300のギャップを提供するために用いられる。研磨面304を有する第2のベース312もZerodurで作ることができる。この構成は、色収差のない利点を提供するが、他のキャビティタイプも使用され得る。キャビティ300の名目ギャップGは、例えば、10mmであり得る。
監視及び較正を通してシステムバイアスを補償することは有利であり得る。これらの較正の幾つかは、チャネル依存性であり得る。例えば、1つのチャネルは、高速レーザ強度変動を補償するために、掃引中のレーザ出力を直接測定するために用いることができる。レーザが共通で全てのチャネルと同期し、且つ測定されたキャビティのいずれよりも長いコヒーレンス長を有するため、レーザ出力変動は、共通モードである。
本明細書で開示される方法及びシステムは、多様な解析選択肢に対応し、それらの解析選択肢の幾つかは、掃引特徴及びキャビティ速度の予想される範囲に依存する特定の測定に一層よく適し得る。最適な解析モードを推定するための有用なメトリックは、キャビティ速度及び掃引期間の積Γである。好都合には、この単一のメトリックは、掃引期間及びキャビティ速度の両方の依存性を捕捉する。掃引期間は、掃引源レーザがその波長帯域幅を通して循環するために取る時間である。Γは、距離を定義し、その距離がシステムの解像限界より小さい場合、速度情報は、単一の掃引から確実に導き出すことができない。解像限界は、システム依存性であり、Γも同じである。Γが増加するにつれて、光周波数における変化に対する干渉周波数の依存性がより非線形になる。幾つかの実施形態において、単一の掃引から速度を推定する代わりに、速度は、隣接する掃引間のギャップサイズにおける変化を用いて有限差分で推定することもできる。
1.1)掃引強度信号に較正補正を適用する。以下の図4A及び4Bは、以下の実例となる実装形態で説明される補正の結果を示す。
1.3)ギャップを正確にし且つ速度を決定するためにモデル(例えば、式7及び9)を用いる。
2.2)AC、DC及び絶対的なギャップの推定値を取得するフーリエ解析。
2.4)ギャップ及び速度を正確にするためにモデル(例えば、式7及び9)を用いる。
第3のシーケンスは、フーリエ解析を回避し、ギャップ及び速度に走行するフィルタを適用する。速度推定は、有限差分を用いて行われる。キャビティの運動特徴の優れたアプリオリな知識により、このシーケンスは、計算的に一層速くすることができる。第3のシーケンスは、中〜高キャビティ速度を備えた準線形掃引に適している。
3.2)走行するギャップ及び速度フィルタを用いてギャップ及び速度を推定する。
3.4)走行するギャップ及び速度フィルタを更新する。
フィルタは、この追加情報と一致するように値を抑制するために、ギャップ運動に関するアプリオリな情報を用いる。例えば、加速及び速度のプロファイルの範囲が既知であるサーボシステムにセンサが装着される場合、フィルタは、それらの境界内に留まるように解決法を抑制する。第4のシーケンスは、非線形掃引に適しており、且つモデル解析のみを用いる。このシーケンスは、ほぼいかなるギャップ運動にも対応することができるが、計算集約的であり、測定速度に強い影響を与える可能性がある。
4.2)走行するギャップ及び速度フィルタを用いてギャップ及び速度を推定する。このステップは、任意選択であるが、しかし、それは、探索されるギャップ及び速度空間をかなり低減することができる。
4.5)走行するギャップ及び速度フィルタを更新する。このステップは、任意選択であるが、しかし、それは、探索されるギャップ及び速度空間をかなり低減することができる。
実例となる実装形態
これらの原理の幾つかを試験するために、4チャネルシステムを用いる測定が、20kHz及び10mWの光学出力において、1570nmを中心とした91nmの範囲にわたる名目線形掃引を提供する商用掃引レーザを用いて行われた。190nmのギャップ分離を備えた2つの名目11mm共焦点キャビティ(図3に示されたものに類似している)含む2チャネルOFMが構成された。1つのチャネルは、強度監視のために取っておかれ、最後のチャネルは、上記の手順を用いて第3の固定長共焦点キャビティの未知のギャップを測定するために用いられた。各干渉信号掃引は、5000の強度サンプルを含み、サンプルは、100MHzで取得され、14ビットにデジタル化された。
1.上記の方法に従って、掃引における各ポイント(即ち5000ポイントのそれぞれ)における光周波数を決定するためのOFMデータの解析。
Claims (23)
- 試験キャビティの特徴を決定するための方法であって、
波長可変レーザの帯域幅内の複数の光周波数のそれぞれについて、前記試験キャビティからの干渉信号及び既知の特徴を有する基準キャビティからの干渉信号を測定すること、
前記基準キャビティの測定された干渉信号及び前記基準キャビティの既知の特徴から前記複数の光周波数の値を決定すること、
前記複数の光周波数の決定された値を用いて前記試験キャビティの特徴を決定すること、を備える方法。 - 前記干渉信号を測定することは、
時間の関数として、前記波長可変レーザの帯域幅内の複数の光周波数を通して掃引すること、
複数の異なる時刻のそれぞれにおける前記試験キャビティ及び基準キャビティの測定された信号が、前記波長可変レーザの帯域幅内の複数の光周波数の異なる光周波数に対応するように、前記掃引中に前記複数の異なる時刻のそれぞれについて前記試験キャビティ及び前記基準キャビティの両方の干渉信号を測定すること、を含む、請求項1に記載の方法。 - 第2の既知の特徴を有する第2の基準キャビティからの干渉信号を測定することを更に備え、
前記複数の光周波数の値を決定することは、
前記波長可変レーザの帯域幅内の複数の光周波数のそれぞれについて取得された前記基準キャビティ及び前記第2の基準キャビティの測定された干渉信号を前記基準キャビティ及び前記第2の基準キャビティの既知の特徴に基づいて数学的モデルに適合させることを含み、
前記基準キャビティ及び前記第2の基準キャビティは、異なるギャップサイズを有する、請求項1に記載の方法。 - 前記基準キャビティ及び前記第2の基準キャビティの測定された干渉信号を適合させることは、
数学的モデルに合わせて前記干渉信号の回帰分析を用いて、前記複数の光周波数の値を決定することを含む、請求項3に記載の方法。 - 前記数学的モデルは、解析関数を含む、請求項4に記載の方法。
- 前記複数の光周波数の値を決定することは、
ガウス−ニュートン最適化を用いることを含む、請求項4に記載の方法。 - 前記複数の光周波数の値を決定することは、
ガウス−ニュートン最適化を用いること、
解析関数に基づいて、前記光周波数に対する前記測定された干渉信号の偏導関数のヤコビ行列式を決定すること、を含む、請求項4に記載の方法。 - 前記複数の光周波数の値を決定することは、
前記複数の光周波数のための初期推定に基づく、請求項1に記載の方法。 - 単一の基準キャビティが使用され、及び前記複数の光周波数は、前記基準キャビティの自由スペクトル範囲の半分内で既知である、請求項8に記載の方法。
- 前記複数の光周波数の値における不安定性によって引き起こされる前記試験キャビティの決定された特徴における誤差は、低減される、請求項1に記載の方法。
- 前記特徴は、前記試験キャビティ内のギャップサイズを含み、
前記基準キャビティは、固定基準キャビティを含み、
前記基準キャビティの既知の特徴は、前記固定基準キャビティのギャップサイズを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記試験キャビティの第2の特徴を決定することを更に備え、
前記第2の特徴は、前記試験キャビティの速度を含む、請求項1に記載の方法。 - 前記複数の光周波数の初期値は、前記基準キャビティの自由スペクトル範囲の半分内で既知であり、
前記複数の光周波数の値は、前記基準キャビティの干渉信号から直接的に決定される、請求項1に記載の方法。 - 前記複数の光周波数の決定された値を用いて前記試験キャビティの特徴を決定することは、
前記複数の光周波数内の複数のオーバーラップするセグメントの位相解析を用いることを含み、
各セグメントは、前記波長可変レーザの帯域幅内の複数の光周波数の一部をカバーするデータポイントを含む、請求項1に記載の方法。 - 前記試験キャビティの速度は、前記セグメントにおける前記データポイントのサンプリング内で一定である、請求項14に記載の方法。
- 試験キャビティを特徴付けるための干渉システムであって、
既知の特徴を有する基準キャビティと、
帯域幅内の複数の光周波数を有する波長可変レーザと、
前記波長可変レーザの帯域幅内の複数の光周波数のそれぞれを前記試験キャビティ及び前記基準キャビティに導く光学素子と、
前記複数の光周波数のそれぞれにおいて前記基準キャビティ及び前記試験キャビティからの測定された干渉信号を受信するために前記波長可変レーザと同期されるように構成された取得システムと、
前記干渉信号を受信するために前記取得システムに結合され、且つ測定された干渉信号及び前記既知の特徴から前記複数の光周波数の値を決定するように構成された電子プロセッサと、を備える干渉システム。 - 前記電子プロセッサは、前記試験キャビティの測定された干渉信号に基づいて前記試験キャビティの特徴を決定するように更に構成される、請求項16に記載の干渉システム。
- 既知の特徴を有する1つ又は複数の追加の基準キャビティを更に含む、請求項16に記載のシステム。
- 前記波長可変レーザにおける高速レーザ強度変動を補償する強度モニタを更に含む、請求項18に記載のシステム。
- 波長可変レーザからの光を前記基準キャビティ及び前記試験キャビティに分配するように構成されたファイバ分配器を更に備え、
前記試験キャビティは、前記ファイバ分配器から遠隔に配置される、請求項18に記載のシステム。 - 前記基準キャビティは、分配を最小化するための共焦点構造を有する、請求項16に記載のシステム。
- 前記電子プロセッサによって決定される前記複数の光周波数の値は、約350MHzの二乗平均平方根光周波数変動を有する波長可変レーザについて20MHz未満の不安定性を有する、請求項16に記載のシステム。
- 前記電子プロセッサは、前記複数の光周波数の決定された値と、前記複数の光周波数内の複数のオーバーラップするセグメントのデータから抽出された位相とを用いて、前記試験キャビティの特徴を決定するように構成され、
各セグメントは、前記波長可変レーザの前記帯域幅内の前記複数の光周波数の一部をカバーするデータポイントを含む、請求項16に記載のシステム。
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