光學裝置、光學裝置的調整方法及存儲了程序的存儲媒體的製作方法
2023-05-31 00:30:36 2
專利名稱：光學裝置、光學裝置的調整方法及存儲了程序的存儲媒體的製作方法
存儲了程序的存儲媒體本發明涉及具有調整光學單元和光學元件的調整裝置的光學裝置，所述光學單元包含某個光學元件的調整將影響其他光學元件的調整結果的多個光學元件，涉及其調整方法及保存執行該調整方法程序的存儲媒體，作為使用被調整的光學單元的光學裝置，其又涉及雷射、波面控制器以及望遠鏡。
作為提高利用光學裝置實現的功能的狀態使之達到規定目標值的方法，傳統上採用(1)利用熟練人員進行光學元件的調整；(2)採用高精度的光學元件。
但是，在(1)的利用熟練人員調整光學元件的方法中，需要在設置該光學裝置的場所進行調整，如果調整一個光學元件，則需要調整相關連的其他光學元件，在調整時間上需要很多的時間。而且，有時即使是熟練人員也未必能獲得良好的調整效果，同時也無法客觀地判斷光學裝置的調整結果是否為最佳。此外，還存在因需要熟練人員而存在的調整成本高的問題。
為了確實減小上述(1)中的利用熟練人員調整光學元件帶來的負擔，可以使用(2)中的採用高精度光學元件的方法。但高精度光學元件一般很貴，且存在難以穩定地供貨的問題，從而也使光學裝置的製造變得困難。
因此，傳統的方法存在有光學裝置的製造成本高，需要由熟練人員進行調整且調整時間較長的缺點。
在上述調整方法中，一般認為如果可以自動地調整則無需熟練人員且可高效，但是，在(1)的調整之處的調整中，一般地如圖2所示，由於對調整之處光學元件的功能的影響對每一個調整之處不是獨立的，所以，自動調整非常困難，在其調整中仍需要熟練人員。
在光學裝置的調整之處是多個的正常情況下，多數場合這些調整之處具有相互依存關係。圖2例示的是在調整之處和調整結果(調整量)上具有橫跨調整之處的依存關係(相關關係)情況的說明圖。例如，把第1個調整之處調整為光學裝置的功能最佳，接著，把第二個調整之處調整為光學裝置的功能最佳。此時，第一個調整之處的調整結果會因進行了第二個調整之處的調整而造成其不再是最佳的狀態，即若進行再度調整則與先前不同的調整結果成為最佳狀態。
以雷射裝置的諧振器為例說明相互的依存關係。雷射裝置的諧振器一般由3個以上的反射鏡及稜鏡構成，光路呈閉合狀態。在此，當改變某一個反射鏡的位置或朝向時，光路全體將發生變化。為此，其他的所有反射鏡的最佳位置及朝向也發生了變化。這種現象表明，如果改變作為調整之處的反射鏡及稜鏡的位置及方向之一，則其他的所有的調整之處的最佳調整結果也隨之改變。
由於在上述這樣的多個調整之處的調整不是獨立的情況下，其調整範圍的大小與連帶調整之處的個數是相同的維數，所以，因調整搜索空間按調整之處數目的指數型增長，而導致組合數爆炸，調整需要難以估計的時間，甚至出現不可調整的情況。作為例子，如果考慮有10個每個用8位的設定信號調整的調整之處完全連帶的情況，則調整的搜索空間成為2801024(10的24次方)這樣巨大數目的組合，在傳統方法中，用有限的時間進行調整是不可能的。
傳統產業用雷射裝置由反射鏡、雷射晶體(光學晶體)、分散元件(稜鏡)等光學部件和這些部件的保持部件構成。在由這些部件構成的雷射諧振器中，光學部件的配置要求以微米的精度設置。對於反射鏡需要縱向、橫向、高度方向、橫向反射方向、高度反射方向5個方向的調整。在雷射諧振器內部，設置有2個以上的反射鏡及其保持機構。在雷射裝置實施增大輸出功率、短脈衝化等功能的提高時，反射鏡、分散元件等光學部件數達6個以上。它們的保持部件的調整之處則多達30個位置以上。
另一方面，由於在雷射諧振器內部光的強度強，由克爾鏡效應而誘發非線性現象，雷射輸出光的功率、波長、橫模等產生變動。從而，由非線性現象也導致光學部件的最佳配置條件變化。脈衝雷射裝置的情況下，對最短脈衝條件和最大輸出條件光學部件的最佳配置不同。
最佳配置條件的搜索一般由熟練的技術人員進行。在光學部件數是6個左右時，典型情況下，熟練人員需要一周左右、非熟練人員需要一個月以上的調整時間。進而，在上述的調整中，因光學部件的保持部件的位置隨時間發生偏離而導致雷射裝置的光輸出與時間一起變動，故調整進一步困難。
通過把雷射裝置的光輸出的信息反饋給雷射裝置，可以進行雷射裝置的最佳化。作為光輸出的信息，包括功率(輸出光強)、光路位置、方向、波長、相位、波面、脈衝寬度等。在空間上分割雷射束並分別對這些信息進行評價時，可獲得多個評價值。這些評價值是相互從屬的，其相關關係依存於雷射裝置的動作條件。存在2個以上這樣的評價值的情況是極其普通的。
但是，在現有技術中，一般地對光輸出的信息中的功率只進行激發光強度的控制，對光輸出的信息中光路的位置、方向，只進行可以控制位置/方向的反射鏡的位置/方向的控制。
這些方法的特徵在於找出對評價值影響強烈的單一的光學元件並對其進行反饋控制。在這些方法中，由於只最佳化單一的元件，所以，沒有進行雷射裝置整體的最佳化。
很多情況下這些評價值具有非線性的強相關，這種情況存在光學裝置整體的調整之處最佳化困難，同時調整效率非常惡劣的問題。
在波面控制器中，由於要準確地計算波面各點處的相位值需要花費難以估計的時間，所以，要使波面控制器的功能具有良好特性將很困難。
在望遠鏡中，在用大凹面鏡將觀測對象成像到成像面上時，由於凹面鏡的反射面的位置/形狀偏離理想的位置/形狀，故像的解析度降低。
另外，光學裝置因移動或搬運時的振動或衝擊導致構成要素的配置變動，從而存在裝置性能劣化的問題。
因而，在光學裝置中，需要多個光學元件的位置、方向、光學特性等(以下稱為參數)的綜合調整。
鑑於上述各點，本發明的目的是提供即使是在被調整的光學元件的參數在多個光學元件存在相互從屬的非線性相關時，也不需要傳統上必需的熟練人員，使用低於傳統的精度的光學元件自動地獲得比用傳統技術調整時更高功能、更高性能的光學裝置及其調整方法，進而還提供改善因光學裝置的移動、搬運、歷時變化等原因造成的光學裝置的功能、性能降低的方法。
為達成上述目的，(權利要求1所記載的)本發明的光學裝置是一個具備包含多個光學元件的光學單元和調整裝置的光學裝置，其特徵在於輸出變更上述光學元件內特定的多個光學元件的參數的控制信號的上述調整裝置，以及上述調整裝置按照概率搜索方法輸出變更上述特定的多個光學元件的參數以使上述光學裝置的功能滿足規定的規格的控制信號。
此外，(權利要求10所記載的)本發明的光學裝置的調整方法的特徵是在控制多個光學元件的光學裝置的調整方法中，按照概率搜索的方法依次輸出控制信號，變更上述多個光學元件內特定的多個光學元件的參數，以搜索出使光學裝置的功能滿足規定規格的最佳值。
按照本發明的光學裝置及其調整方法，因實現規定功能的光學裝置的多個光學元件中特定的多個光學元件由對應控制信號所示之值使元件參數變化的光學元件構成，調整裝置通過驅動機構，按照概率搜索的方法，變更給予這些特定的多個光學元件的多個控制信號的值以使光學裝置的功能能夠滿足所規定的規格，所以，在需要調整實現上述規定功能的光學元件的參數時，可以不需要熟練人員而自動地對應其功能獲得比用傳統技術調整時更高的功能、更高的性能。而且還可以改善光學裝置的移動或搬運、以致於歷時變化起因的光學裝置功能、性能的降低。
這裡，光學裝置的性能一般地可以用以該光學裝置具有的可調整的多個光學元件的各種參數為變量的函數F來表示。讓光學裝置的功能滿足規定的規格等價於求函數F的最佳解。本發明人著眼於該點，發現了以遺傳算法為主的概率搜索方法可適用於光學裝置的調整。
遺傳算法是概率搜索方法之一，是一種(1)有效作用於廣域搜索、(2)在評價函數F以外不需要導數值等派生的信息、(3)且具有簡單的實用安裝性的算法。因此，在本發明中，如權利要求2及權利要求11所記載的那樣，可以在利用上述調整裝置變更多個控制信號值的過程中使用遺傳算法。
另外，在上述評價函數F滿足特殊的條件時，也可以代替遺傳算法，使用也是概率搜索方法之一的模擬退火法算來提高搜索效率。因此，在本發明中，如權利要求3及權利要求12所記載的那樣，可以在利用上述調整裝置變更的多個控制信號值的過程中使用模擬退火算法。這種做法與遺傳算法相比，儘管調整所獲得的性能較低，但可以縮短調整時間。
進而，在本發明中，如權利要求4及權利要求13所記載的那樣，在調整裝置搜索最佳值時，也可以使用加權累計上述光學裝置1的多個評價結果的評價函數。
在本發明中，如權利要求5及權利要求14所記載的那樣，也可以測量基於控制信號調整光學元件的參數過程中的參數值，將其與此時輸出光的觀測值成組保存在存儲器中，再從其組中把評價值最大的組的元件參數值作為局部的最佳值。採用這種做法可以改善搜索效率，大幅度地縮短調整時間。
上述所述的本發明之光學裝置，如權利要求6及權利要求15所記載的那樣，也可以是雷射裝置。
進而，上述所述的本發明之光學裝置，如權利要求7及權利要求16所記載的那樣，可以是使用了可變形反射鏡的裝置，或者如權利要求8及權利要求17所記載的那樣，也可以是波面控制器。此外，還可以如權利要求9及權利要求18所記載的那樣是望遠鏡。
上述的光學裝置以及光學裝置的調整方法中的上述調整裝置也可以如權利要求19所記載的那樣由電子計算機來構成，採用這種做法，可以在短時間內簡單而準確地按照概率搜索方法進行使光學裝置的功能滿足所規定的規格的搜索多個元件參數的處理。
權利要求20所記載的本發明的存儲媒體的特徵是該存儲媒體是保存了權利要求19所記載的電子計算機運行的、按照概率搜索方法進行使光學裝置的功能滿足所規定的規格的搜索多個元件參數的處理程序的媒體。
利用本發明的存儲媒體，可以記錄並保存用於本發明的光學裝置、以及本發明的光學裝置的調整方法的電子計算機運行的處理程序，並可以進行在任意場所的光學裝置的調整。
本發明的其他目的、其他特徵將在根據附圖進行的以下所述的詳細說明中申明。
圖1是說明本發明之光學裝置及本發明之光學裝置的調整方法的原理圖，也是例示第1實施例的構成圖。
圖2是說明調整之處的依存關係而產生的問題之圖。
圖3是表示本發明之調整裝置的構成圖。
圖4是表示用於本發明之光學裝置的、進行平移的驅動機構之一例的構成圖。
圖5是表示本發明之調整裝置的構成圖。
圖6是表示用於本發明之光學裝置的、進行單軸旋轉的驅動機構之一例的構成圖。
圖7是表示用於本發明之光學裝置的、進行二軸旋轉的驅動機構之一例的構成圖。
圖8是表示用於本發明之光學元件及驅動機構的可變形反射鏡之一例的構成圖。
圖9是表示上述可變形反射鏡的電極配置之一例的構成圖。
圖10是表示用於本發明之光學元件及驅動機構的可變形反射鏡的其他構成例的構成圖。
圖11是表示可變的元件參數為透過率或吸收係數的本發明之光學元件及驅動機構之一例的構成圖。
圖12是表示可變的元件參數為偏振的本發明之光學元件及驅動機構之一例的構成圖。
圖13是表示可變的元件參數為相位及光強的本發明之光學元件及驅動機構之一例的構成圖。
圖14是表示可變的元件參數為分配比的本發明之光學元件及驅動機構之一例的構成圖。
圖15是表示可變的元件參數為調製率的本發明之光學元件及驅動機構之一例的構成圖。
圖16是表示可變的元件參數為波長特性的本發明之光學元件及驅動機構之一例的構成圖。
圖17所示是本發明之光學裝置調整方法第1實施例處理程序概要的流程圖。
圖18所示是經典遺傳算法程序的概要的流程圖。
圖19是例示在遺傳算法中使用的染色體的說明圖。
圖20所示是在上述實施例的方法中使用了遺傳算法的處理程序的流程圖。
圖21是在上述實施例方法的遺傳算法中所使用的染色體以及由此確定的寄存器值及元件參數值的說明圖。
圖22所示是用上述實施例方法中的遺傳算法進行的選擇淘汰處理的程序的流程圖。
圖23所示是用上述實施例方法中的遺傳算法進行的雜交處理的程序的說明圖。
圖24所示是用上述實施例方法中的遺傳算法進行的變異處理的程序的說明圖。
圖25所示是用上述實施例方法中的遺傳算法進行的局部學習的程序的流程圖。
圖26是例示上述局部學習方法的動作的說明圖。
圖27所示是上述實施例光學裝置的一變形例的構成圖。
圖28是例示本發明之光學裝置及本發明之光學裝置的調整方法的第2實施例的說明圖。
圖29是說明用於上述實施例之光學裝置的光學元件的位置及方向的說明圖。
圖30是表示作為利用上述實施例的方法產生的上述實施例的光學裝置的調整實驗結果的評價函數值與遺傳算法中的代數的關係的特性圖。
圖31所示是在本發明之光學裝置及其調整方法的第3實施例中的使用了模擬退火算法的處理程序的流程圖。
圖32是表示作為利用上述實施例的方法產生的上述實施例的光學裝置的調整實驗結果的評價函數值與模擬退火算法中的迭代次數的關係的特性圖。
圖33所示是例示本發明之光學裝置及其調整方法的第4實施例中波面控制器的構成的構成圖。
圖34所示是例示上述實施例中波面控制器的其他構成的構成圖。
圖35所示是例示本發明之光學裝置及其調整方法的第5實施例的構成的構成圖。
圖36所示是能夠在本發明之光學裝置及其調整方法中使用的寄存器的其他構成的構成圖。
下面，利用實施例，根據圖面詳細說明本發明的實施形態。
本發明可適用於多種光學裝置。即，可以在調整對象的光學裝置中設置多個調整之處，並可以用本發明之方法調整該調整之處。在下面的第1個實施例(實施形態)中，對適用本發明的普通光學裝置的情況進行敘述。
光學裝置作為構成要素通常具有多個叫做反射鏡、透鏡、稜鏡的光學元件。一般情況下，在光學裝置中，作為其構成要素的光學元件在光學裝置內的位置或方向因製造誤差或者給予光學裝置的振動或者衝擊而較設計標準有較大的偏離，所以，要滿足光學裝置的要求標準，調整必不可缺。
圖1是應用本實施例的光學裝置的一構成例。圖1中，1是實現規定功能的光學單元，光學元件2、3是上述光學單元1的構成要素，光學元件2是對應控制信號(調整信號)CS的值可以使元件的參數變化的可調整的元件，光學元件3是不進行調整的元件。4是連接在可調整的光學元件2的、用於對應控制信號CS所示的值使可調整的光學元件2的參數變化的驅動機構。5是用於按照本發明之方法調整光學單元1的調整裝置，6是用於觀測光學單元1(光學裝置)的光輸出的狀態的觀測裝置。在本實施例中，調整裝置5及觀測裝置6為光學單元1的外部裝置。
圖1中的8、9分別是輸入光學裝置的光(輸入光)以及從光學裝置輸出的光(輸出光)。
圖1中7是調整光產生裝置，其產生調整光學單元1所使用的調整光。該調整光產生裝置7在不進行調整時停止並作為輸入光8輸入普通的輸入光。該調整光根據來自調整裝置5的信號5T產生，並作為光學裝置1的輸入光8輸入到光學裝置1。調整光是光強的波長分布及空間分布一定的連續光或脈衝光，是作為調整光學裝置1時的基準的光。該調整光也可以切換多種類的光，此時，其按照信號5T切換。
調整光產生裝置7除了是按照來自調整裝置5的信號5T產生調整光的裝置外，也可以是不通過調整裝置5而獨自產生調整光的裝置。進而，也可以省略調整光產生裝置7，代之調整光，把通常輸入到光學裝置的輸入光看作調整光。當然也可以把輸入光的光源內置於光學裝置內。
圖1中，有關光學元件2及光學元件3的配置，以及所用的光學元件的光路是其概念性的例示，實際中應由光學裝置的設計來決定。同樣，輸入到驅動機構4的控制信號CS的數量對應在光學元件的調整中所需要的參數的數量來確定。
可調整的光學元件2以及不進行調整的光學元件3是由反射鏡、透鏡、光學濾光片、稜鏡、衍射光柵、偏振鏡件、電光元件、聲光元件、光學晶體(雷射晶體)、狹縫以及由這些光學元件的複合而構成的光學元件等等，其作為光學單元1的構成要素髮揮功能。即，在光學裝置中，可調整的光學元件2以及不進行調整的光學元件3在光學單元1中被設置於所使用的光的光路上，進行把該光反射到其他方向、聚光、分割/合成光路、根據波長的篩選、衰減、按照波長的光路分類、按照偏振的光的篩選、調製、波長變換等。
在上面，可調整的光學元件2是用本發明之方法進行調整的光學元件，不進行調整的光學元件3雖然是不進行利用本發明的方法做調整的光學元件，但其也可以利用其他的方法，進行如在光學裝置組裝後馬上粗調等利用傳統的方法進行的調整。
所謂光學元件2的元件參數(參數)，是光學單元1內的光學元件2的位置、方向、光學特性，位置方面是如正交座標系X軸、Y軸、Z軸各自的方向的位移量x、y、z，方向方面是如以X軸為中心的旋轉量θx、以Y軸為中心的旋轉量θy、以Z軸為中心的旋轉量θz。所謂的調整的光學特性是指如反射率、透過率、吸收係數、放大係數、波長轉換效率、折射率、偏振特性(延遲)、傳遞特性(相位、光強、橫模等)、分配比、調製率，以及上述的這些波長特性、聚光條件(焦點的形狀、象差)、相干性、光路條件。
作為調整對象的光學單元1如上述那樣，由可調整的光學元件2和不可調整的光學元件3構成，在該實施例中，認為在製造後或者在因光學裝置的移動等受到振動或衝擊後通過微調整可調整的光學元件2的參數，可以使光學特性滿足要求標準。但是，如圖2所例示的那樣，由於該光學裝置是某個光學元件2的某個參數的調整會對其他的幾乎所有的參數的調整結果帶來影響的光學裝置，所以，在許多情況下，調整搜索空間將產生組合爆炸。因此，使用基於本發明的遺傳算法的後述的調整方法非常有效。
在本實施例中，可調整光學元件2的參數使光學裝置的功能滿足規定的標準。調整裝置5的一構成例示於圖3。圖中，5R是保持數據的寄存器，5RG是具備調整之處數量的寄存器5R的寄存器組。5A是按照本發明之方法執行調整程序的調整算法運行裝置，5F是計算光學裝置功能的評價值的評價函數器。圖中，4是驅動機構，4C是比較電路，4D是驅動變更光學元件的參數的驅動裝置4的電機驅動電路(後面說明)。
在本實施例的調整中，上述驅動機構4根據對應於保持在示於圖3的調整裝置5內的寄存器5R上的數字值的控制信號CS，變更要調整的調整元件2的參數。該控制信號CS是一一對應了寄存器5R的數據的模擬信號或者數位訊號。這裡僅設置與光學元件2的調整之處的總數相一致的個數的寄存器5R。寄存器5R在把保持的數字值輸出給驅動機構的同時，可以通過調整裝置5內的調整算法執行裝置5A變更所保持的值。
上述的調整算法執行裝置5A按照遺傳算法，搜索最佳值作為多個寄存器5R的保持值。調整裝置5可由個人計算機或者微機等的具備有可讀取的存儲媒體/存儲媒體的讀出裝置的電子計算機來構成，也可以使用日本特開平9-294069號專利公開的可編程LSI，或利用梶谷等的論文《利用遺傳算法的神經網絡的構造學習電路的實現》(日本神經電路學會雜誌，Vol.5,No4,pp.145～153,1998年)所刊載的電路構成。
在上述的電子計算機中，實現調整算法執行裝置5A及評價函數器5F的功能的程序保存在硬碟、ROM(讀出專用存儲器)、光碟、光磁碟、軟磁碟、磁碟、快閃記憶體存儲器、利用鐵電介質的存儲器、利用磁性體的MRAM、具有備份功能的半導體存儲器等存儲媒體中。同樣地，也可以在電子計算機上實現後述的驅動機構控制裝置5C的功能，涉及用於此目的的調整方法的程序(進行調整的程序)同樣地保存在上述的存儲媒體中。
此外，也可以通過網絡傳遞、發送進行上述調整的程序。
觀測裝置6輸入光學裝置(光學單元1)的輸出光並分析該輸入光，在變換成電信號後，傳遞給調整裝置5。調整裝置5通過評價函數器5F計算對應於調整光的光學裝置1的輸出是怎樣的理想程度的評價值。該評價值被傳遞給調整裝置5內的調整算法執行裝置5A。調整算法執行裝置5A如後述的那樣，用本發明之方法搜索最佳的調整結果。
在本實施例，輸入光及輸出光的光路數分別各為一個，但在本發明中，光學裝置1的輸入光8以及輸出光9的光路數可以是包含多個情況的任意場合，此外，如象內置激發光源的雷射器那樣，也可以是沒有輸入光8的情況。還可以是在雙方向上處理光的光學裝置的情況。在該情況下，由於對應於信號的方向輸入光8和輸出光9發生變化，所以要交換調整光發生器7和觀測裝置6的連接來實施本發明的調整。
用於本發明的調整的輸出光9不僅僅是光學裝置1原來的輸出光，也可以從光學裝置的內部(光學單元1)取出。
光學單元1中的光學元件2的調整之處的總數是多個，如圖2例示的那樣，在光學元件2的調整之處，某個調整之處的調整會影響到其他的所有調整之處的調整結果，對調整搜索空間的組合產生爆炸的情況，本發明尤其有效。
本實施例的光學單元1以利用帶有寄存器組5RG的調整裝置5調整按照電信號的調整信號利用驅動機構4調整的光學元件2為最大特徵。下面，進行本實施例的光學裝置的動作說明。
光學元件2是由反射鏡、透鏡、光學濾光片、稜鏡、波導型光學元件(光纖、波導型調製器、光纖光柵)、半導體光學部件(半導體反射鏡、半導體吸收調製器)、衍射光柵、偏振鏡件、電光元件、聲光元件、光學晶體(雷射晶體)、狹縫以及由這些光學元件的複合而構成的光學元件等等，是可以對應於調整裝置5輸出的控制信號CS利用驅動機構4改變其位置、方向、光學特性的參數的光學元件。
進而，本實施例以所用的光學元件2的調整之處的個數是多個為特徵。調整之處是多個的情況下光學元件2的個數也可以是1個。光學元件2是多個時，不問其是否是同一種類的光學元件。另外，通常驅動機構4的數量與光學元件2的調整之處的個數相同。但是驅動機構之一部分，如使電流流過電機的電路等也可以一體化。
光學元件2是利用驅動機構4使其參數變化的元件。可變的參數如上述那樣，是任意座標系中的位置、方向、光學特性，某一個調整之處的變更，即，通過某一個驅動機構4的動作來變化的參數不限於是1個，以下示出驅動裝置4的構成例。
圖4所示是一可在一個方向上平移的光學元件2的驅動機構4的構成例。圖4中，401是該驅動裝置的基臺。402是被驅動做平移的載荷臺，設置有可在基臺401上沿一個方向運動的軌道(沒有圖示)。在該載荷臺402上安裝有光學元件2。403是螺杆，404是固定在基臺401上的螺母。405是用於轉動螺杆403的電機，406是用於檢測螺杆403的旋轉量(旋轉角)的測位計。407是彈簧，用於防止由螺杆403和螺母404之間的間隙產生的位置的不確定性，此外，其還發揮使螺杆403的移動量和載荷臺402的移動量一樣的功能。
在該驅動機構中，利用電機405轉動螺杆403，由於螺母404固定在基臺401上，故螺杆403在其中心軸的方向上移動。該移動量的大小比例於螺杆403的旋轉角。螺杆403旋轉一周(旋轉角360度)時，該移動量與螺杆403的螺紋齒的節距相等。載荷臺402與螺杆403進行一樣的移動。
4C是用於輸入控制信號CS和測位計所示的旋轉角信號(PS)並比較對應於控制信號CS的旋轉角和測位計所示的旋轉角的比較電路。4D是根據比較電路4C的輸出輸出用於驅動電機405的電流(MD)的電機驅動電路，其輸出在讓作為比較電路輸出的對應控制信號CS的旋轉角和測位計所示的旋轉角變小的方向上轉動電機的電流。
根據以上的操作，該驅動機構使安裝在該驅動機構上的光學元件2平移到對應於控制信號CS所示的值的位置。即，該驅動機構對應控制信號CS所示的值使光學單元1內的光學元件2的參數發生變化。
也可以將圖4構成例中的比較電路4C及電機驅動電路4D裝入調整裝置5內。圖5所示為該一構成例。圖5中的5C是驅動機構控制裝置，輸入來自測位計406的信號並具有同圖4的比較電路4C及電機驅動電路4D一樣的功能。在此，具有與圖3相同參考符號的部位表示是同一部件或與之相當的部件。
除了直流電機外，電機405也可以使用利用壓電效應的壓電電機。此外，由於在電機405是步進電機時可以對應流過步進電機的電流的狀態控制電機的旋轉角度，故此時可以省略測位計406及比較電路4C。該情況下，電機驅動電路4D中輸入控制信號CS。
如果要在光學元件2進行二方向的平移，可以2層重疊使用上述圖4構成的驅動機構4。即，在重疊為2層的驅動機構中，可以採用下層的載荷臺402和上層的基臺401相互固定或二者一體的構成。此時，下層的載荷臺402與上層的基臺401的朝向關係既可以平行，也可以垂直。當然還可以是任意的一定角度。
如果要在光學元件2進行三方向的平移，可以和上述二方向的平移情況同樣地3層重疊使用上述圖4構成的驅動機構4。即，在重疊為3層的驅動機構4中，可以採用下層的載荷臺402和中央段的基臺401相互固定或二者一體的構成，也可以採用中央段的載荷臺402和上層的基臺401相互固定或二者一體的構成。此時，各層的基臺401與載荷臺402的朝向關係同樣地既可以是平行的，也可以是垂直的，還可以是任意的一定角度的。
圖6所示是對光學元件2進行單軸旋轉的驅動機構4的一構成例。圖6中，401是該驅動機構的基臺。402是被驅動做平移的載荷臺，其以用410表示的支點為中心旋轉。在該載荷臺402上安裝有光學元件2。403是螺杆，404是固定在基臺401上的螺母。405是用於轉動螺杆403的電機，406是用於檢測螺杆403的旋轉量(旋轉角)的測位計。407是彈簧，用於防止由螺杆403和螺母404之間的間隙產生的位置的不確定性，此外，其還具有獲得與螺杆403的移動量一一對應的載荷臺402的轉動量的功能。
在該驅動機構中，由電機405轉動螺杆403，由於螺母404固定在基臺401上，故螺杆403在其中心軸的方向上移動。該移動量的大小比例於螺杆403的旋轉角。當螺杆403旋轉一周(旋轉角360度)時，該移動量與螺杆403的螺紋齒的節距相等。4C是用於比較對應於控制信號CS的旋轉角和測位計所示的旋轉角的比較電路。
4D是根據比較電路4C的輸出輸出用於驅動電機405的電流的電機驅動電路，其輸出在讓作為比較電路輸出的對應控制信號CS的旋轉角和測位計所示的旋轉角變小的方向上轉動電機的電流。通過螺杆403的移動，載荷臺402進行以支點410為中心的旋轉。通過以上的動作，該驅動機構使安裝在該驅動機構上的光學元件2轉動到對應控制信號CS所示值的方向來。即，該驅動機構對應控制信號CS所示之值使該光學元件2的參數發生變化。
除了直流電機外，電機405也可以使用利用壓電效應的壓電電機。此外，由於在電機405為步進電機時可以對應流過步進電機的電流的狀態控制電機的旋轉角度，故此時可以省略測位計406及比較電路4C。此時，在電機驅動電路4D上輸入控制信號CS。
如果要在光學元件2上進行二軸的旋轉，可以使用2組上述圖6構成的驅動機構。進而，也可以共用支點410、彈簧407，採用示於圖7的構成。在圖7中，403a、403b是用於獲得對應2個軸的旋轉的螺杆，410是共同的支點、407是共同的彈簧。圖7中省略了對螺杆403a、403b的移動所需要的其他構成要素的記載。螺杆403a、403b各自獨立平移行到對應控制信號CS的位置的移動，獲得2個軸的獨立的旋轉。
如果要在光學元件2上進行三軸的旋轉，則和上述二軸旋轉的情況同樣地使用3組上述圖6構成的驅動機構即可。
在1個光學元件2的可變化的參數是平移和旋轉的複合時，可以組合上述的平移時的構成例和旋轉時的構成例來實現。
在光學元件2是可變形反射鏡時，可以進行對處理的光的波面的控制。圖8及圖9所示是可變形反射鏡的光學元件2及其驅動機構4的一構成例。圖8所示是該可變形反射鏡的構成例的斷面，圖9所示是該可變形反射鏡構成例的電極配置平面圖。
在圖8中，201是對應控制信號CS所示之值變形的反射鏡，202是反射鏡的支撐構造，203是若干個電極。4AM是對應控制信號CS之值輸出電壓的放大器。在本構成例，由1個可變形反射鏡構成的光學元件2和多個驅動機構4為一整體構成。
該變形反射鏡201由導電性物質構成，為方便起見設其為接地電位。多個電極203接近並面向該反射鏡201且等距離地設置。此時，如果在電極203上施加電壓，則由於靜電引力，接近電極203的反射鏡201的部分將被拉近電極。其結果是，該反射鏡201發生變形。在此，電極203及放大器4AM起著驅動機構4的作用。
由於電極203是多個，所以對應施加到各自電極上的電壓，各自的電極附近的反射鏡將被拉近。此時，反射鏡201的變形的自由度與電極203的個數相同。電極203如圖9所示那樣配置。在上述構成例中，一個可變形反射鏡的電極個數、反射鏡201的變形的自由度、調整之處的個數都是37。
即，該反射鏡201具有和輸入的控制信號CS同一數目的參數，以與其相同數目的自由度變形。這裡，鄰接某個電極203的其他電極203上的電壓對對應該電極203的位置的反射鏡201的變形量有很大影響。為此，多個被調整的參數如圖2所示，將對該參數的調整結果相互產生影響。
關於可變形反射鏡的其他構成例，圖10示出其斷面。圖10中，4PZ是壓電元件，204是絕緣體的支撐構造。此外，與圖8的情況相同的部位均附加有相同的符號。電極203的配置和圖9所示的構成例一樣。
即，輸入的控制信號4CS被放大器4AM放大，並把對應該控制信號CS的電壓施加到壓電元件上。這樣，壓電元件發生機械性的變形，從而反射鏡201變形。因此，和上述的構成例同樣地，可以對應控制信號CS所示之值改變反射鏡的形狀。在該構成例中，由於反射鏡201是通過壓電元件4PZ、電極203、以及支撐構造204機械性地固定，所以，在希望減小來自外部的振動所產生的影響的場合非常有效。
作為可變形反射鏡的另外的構成例，也可以把圖10中的壓電元件4PZ用壓電元件和產生機械性位移的驅動機構的複合構成。在該驅動機構中，可以使用圖4中示出的驅動機構。該情況下，通過用該驅動機構使反射鏡形狀產生的大的位移，利用壓電元件進行位移的微調整，可以以高的精度獲得大的位移。
圖11示出可變的元件參數是透過率或吸收係數時的光學元件的一構成例。圖11中，210是半導體結型元件，211是輸入光，212是輸出光，213是電極，4AM是放大器，對應於本發明中的驅動機構。控制信號CS被輸入放大器4AM，對應其控制信號CS的電壓通過電極213，作為半導體結型元件210的反向偏置電壓施加到該半導體結型元件上。此時，半導體結型元件210內部的物理參數發生變化，光的透過率或者吸收係數發生變化。
在可變的元件參數是反射率時，可以採用在圖11的構成中形成一個在半導體結型元件210的與光路相垂直的一個面上形成反射膜的構成。該情況下，入射光和反射光的光路同一，利用控制信號CS所示的值變化反射率。
圖12示出可變的元件參數是復折射率時的光學元件的一構成例。圖12中，220是液晶，221是偏振鏡，222是相位調整器。對其他的與圖11同樣的構成要素附加有相同的符號。液晶220利用施加的電壓改變復折射率。元件220也可以代替液晶使用具有復折射率的電光晶體。相位調整器222是1/2λ片(波長板)或1/4λ片(波長板)。該構成例也同上述的可變透過率的情況一樣，把對應控制信號CS的電壓施加到液晶220上，改變液晶的復折射率，使傳過該光學元件的光的偏振特性(延遲)發生變化。
圖13示出可變的元件參數是傳遞特性(相位/光強)時的光學元件的一構成例。圖13中，230是電光晶體，231是分波器，232是合波器，233是反射鏡，221是偏振鏡。對其他的與圖11同樣的構成要素附加有相同的符號。電光晶體230也可以是液晶等。分波器以及合波器是例如偏振分束器。輸入光211被分波器231分為2份，一份光通過電光晶體230對應控制電壓所示之值改變相位。該光和來自分波器231的光被合波器232合成。此時，對應控制信號CS該光學元件的輸出光的光強發生變化。
圖14示出可變的元件參數是分配比時的光學元件的一構成例。圖14中，230是控制偏振的電光晶體，231是分波器，如是偏振分束器。221是偏振鏡。212a、212b是被分配成二束的輸出光。對其他的與圖11同樣的部件上附加有相同的參考符號。同上述的光學元件一樣地，輸入光211通過電光晶體230對應控制電壓所示之值改變偏振的狀態。該光由分波器231對應偏振的狀態進行分配。其結果是對應控制信號CS光學元件的分配比發生變化。
圖15示出可變的元件參數是調製率時的光學元件的一構成例。圖15中，4VA是電信號的可變增益放大器，230是電光晶體。此外的其他與圖11同樣的構成要素上附加有相同的符號。輸入光211在電光晶體230被調製信號調製。此時，通過利用控制信號CS改變可變增益放大器4VA的增益，可對應控制信號CS改變該光學元件的調製率。
圖16示出可變的元件參數是振幅、相位特性的波長依存性(波長特性)時的光學元件的一構成例。圖16中，250是利用多個控制信號CS控制其透過特性的液晶板，251是衍射元件，252是透鏡。衍射元件251可以是衍射光柵或稜鏡。輸入光211由衍射元件251及透鏡252按波長分開光路。進而，液晶板250對應多個控制信號CS所示之值改變多個光路的振幅、相位特性。其結果是逐個波長地改變光的振幅、相位。然後，通過透鏡252及衍射元件251把波長不同的光路合成為一個光路。其結果是對應多個控制信號CS該光學元件的振幅、相位特性的波長依存性發生變化。
上述的可改變光學特性的光學元件雖然只是可電子地改變其光學特性的元件，但也有可光學地改變光學元件2的光學特性的情況。
在可光學地改變光學元件2的光學特性的元件中，包括有波長變換晶體，光放大介質，光調製器，光開關元件。波長變換晶體是光學晶體，是利用基於偏振振動的非線性的非線性光學現象的材料。光放大介質包括有雷射晶體，有機色素(染料)，半導體，光放大波導。
雷射晶體形成雷射能級(產生雷射迭代的可能的能級)的反轉分布並利用受激發射放大光。有機色素(染料)在有機色素中形成雷射能級的反轉分布並利用受激發射放大光。光放大波導是把鉺等具有雷射能級的元素添加到波導中而成的器件，如添加鉺的光纖。
可聲學地改變光學元件2的光學元件的光學特性的元件是聲光元件，例如，把超聲波施加到設置在光學元件的光路上的介質上，利用由該超聲波的駐波引起的介質的物理參數的變化來改變光學元件的光學特性。
此外，光學元件2也可以是上述光學元件2的複合而成的元件。
下面，對用於調整上述光學裝置的本發明之調整方法的第1實施例進行說明。
上述光學裝置生產出來後，在調整工序中，如圖1所示的那樣，在該光學裝置上分別配置有光學單元1、調整裝置5、觀測裝置6以及調整光產生裝置7。調整光產生裝置7將調整光8a輸入光學裝置，調整裝置5按照圖17所示的處理程序，進行寄存器組5RG的寄存器值的設定。
在該處理程序中，首先在步驟S1，利用人工進行粗調並讓光學裝置動作，並測量此時的各光學元件的元件參數值，再把該值作為初始設定值寫入寄存器5R，讓其作為寄存器值來保持，在步驟S2，調整光產生裝置7輸出調整光，相對於該調整光讓光學裝置動作，然後在步驟S3用觀測裝置6觀測該光學裝置的光輸出，並把其結果送入調整裝置5，接著在步驟S4，調整裝置5使用送來的觀測值判斷光學裝置的性能是否在滿足規定標準的允許範圍內。
這裡，不在允許範圍時，在步驟S5，調整裝置5變更寄存器組5RG中保持著的寄存器值，接著在步驟S6，等待一定的時間直到驅動機構4停止為止，然後在步驟S7判斷是否滿足了結束條件(具體後述)，如果已滿足結束條件，則在步驟S8在進行了不合格品處理後結束目前的處理，如果沒有滿足結束條件，則返回步驟S2，反覆執行上述的一系列的處理。進而在上述步驟S4，當得到了光學裝置的性能已達到滿足規定標準的性能的判定時，則結束目前的處理。
關於由上述的初始設定值變更寄存器值的方法，可以使用若干種方法，下面示出其例。即，第1方法是對在假定的寄存器值的範圍內的所有的組合，按適當的順序逐個替換設定值的方法，第2方法是使之隨機地產生設定值的方法。而第3方法則是把人工的粗調結果作為初始設定值，然後從該初始設定值向正方向和負方向變化設定值的方法。
在作為調整對象的光學單元1內被調整的光學元件2的數目少，不產生寄存器值的組合爆炸時，可以使用第1、第2方法。但是，因為本實施例是考慮被調整的光學元件2的數目多，在要調整的元件參數的調整搜索空間產生組合爆炸的情況，所以，使用第3種方法。此時，使用被稱為遺傳算法的方法。下面，對使用了遺傳算法的光學裝置的調整方法進行說明。
作為上述遺傳算法的參考文獻，有如ADDISON-WESLEYPUBLISHING COMPANY,INC.出版社1989年出版的DavidE.Goldberg著的《Genetic Algorithms in Search,Optimization,andMachine Learing》。本發明所說的遺傳算法稱為演化算法，是一個包含演化策略(Evolution Strategy:ES)的方法的算法。作為演化策略的參考文獻，有如John WilySons出版社1995年出版的、H.P.Schwefel著的《Evolution and Optimum Seeking》。
光學裝置的性能可以用以多個元件參數值為變量的評價函數F來表示。這樣，使光學裝置的性能滿足所規定的標準便等價於求解最適於評價函數F的參數值。本發明人著眼於此點，發現了可適用於光學裝置的調整的上述遺傳算法。調整裝置5按照該遺傳算法變更寄存器組5RG的寄存器值。
在遺傳算法中，首先設定具有遺傳基因的假想的群體，那些適應預先確定的環境的個體具有多的機會產生子體。進而，按被稱為遺傳操作的程序讓子體繼承父代的遺傳基因。通過進行這樣的世代交替並讓遺傳基因及群體進化，使具有高適應值的個體在群體中佔優勢。作為此時的遺傳操作，可使用在實際生物的生殖中也發生的遺傳基因的雜交、以及變異等。
圖18是表示所使用的遺傳算法的概要程序的流程圖，這裡，最初在步驟S11確定個體的染色體。即，確定在世代交替時以怎樣的形式把怎樣內容的數據從父代傳遞給子體。染色體例示於圖19。這裡，設用M個記號Ai(i=1、2、..M)的序列表示作為對象的最佳化問題的變量矢量x，並將之看作是由M個遺傳基因構成的染色體。各個記號Ai是遺傳基因，這些可獲得的值是等位基因。圖19中，Ch表示染色體，Gs表示基因，遺傳基因座的個數M是5。作為對立遺傳基因，相應於問題來確定某個整數組、某個範圍的實數值、簡單的記號序列等。在圖19的例中，字母a～e是對立遺傳基因。這樣被記號化的遺傳基因的集合便是個體的染色體。
在上述步驟S11中，接著確定表示各個個體是怎樣程度地適應著環境的適應值的計算方法。此時的設計為，作為對象的最佳化問題的評價函數的值越高的變量或者越低的變量，與之對應的個體的適應值越高。另外，在此後進行的世代交替中，適應值越高的個體，其生存的概率或留下子代的概率比其他的適應值低的個體要更高。反之，適應值低的個體被視為不能很好地適應環境的個體，使之消亡。這是反映進化論的自然淘汰法則的方法。即，從生存的可能性方面看，適應值是表現各個個體怎樣程度優越的尺度。
在遺傳算法中，當開始搜索時，作為求解的問題一般還是完全的「黑匣子(未知數)」，什麼樣的個體理想還完全不清楚。因此，通常初始的群體是使用隨機數讓其隨機地產生。從而，這裡的程序也一樣，在步驟S12開始處理後的步驟S13，使用隨機數隨機地產生初始的群體。而在對搜索空間有某種預備知識時，有時也進行以被認為評價值高的部分為中心來產生群體等的處理。這裡，把所產生的個體的總數稱為群體的個體數。
下面，在步驟S14，根據在前面的步驟S11確定的計算方法計算群體中各個個體的適應值。如果對各個個體求出了適應值，則在步驟S15，從群體中選擇淘汰作為下一代的個體的基礎的個體。但是，如果只進行選擇淘汰，則只是在此時具有最高適應值的個體在群體中所佔的比例變高，並不產生新的搜索點。為此，要進行下面所述的被稱為雜交和變異的操作。
即，在下一步驟S16，從利用選擇淘汰生成的下一代的個體中按規定的發生頻率隨機地選擇二個個體進行配對，組合變換染色體並創造子染色體(雜交)。這裡，把發生雜交的概率稱為雜交率。由雜交生成的子代個體是繼承了來自於相當於父代的個體各自的性狀的個體。通過該雜交處理，個體的染色體的多樣性升高並產生進化。
雜交處理後，在下一步驟S17，按一定的概率讓個體的遺傳基因變化(變異)。這裡，發生變異的概率稱為變異率。以低概率改變遺傳基因的內容的現象，是一種在實際生物的遺傳基因中也能看到的現象。但是，如果變異率過大，則雜交產生的父代性狀的遺傳特徵可能消失，因其與隨機地搜索搜索空間中的情況一樣而需要加以注意。
利用以上的處理可以確定下一代的群體，這裡，在下一步驟S18，檢查所生成的下一代的群體是否滿足用於結束搜索的評價基準。該評價基準依賴於具體問題，但代表性的有以下幾種。
·群體中的最大適應值比某個閾值大。
·群體全體的平均適應值比某個閾值大。
·群體的適應值的增加率在某個閾值以下的世代延續一定的期間以上。
·世代交替的次數已經達到了預先確定的次數。
對滿足了象上述這樣的某一個結束條件(評價基準)的情況，程序將進入步驟S19並結束搜索，把該時刻群體中適應值最高的個體作為所求的最佳化問題的解。在不滿足結束條件時，返回到步驟S14的各個個體的適應值的計算處理並繼續搜索。通過這樣的世代交替的反覆，可以在保持群體的個體數一定的同時，提高個體的適應值。以上是遺傳算法的概要。
上面所述的遺傳算法的框架是沒有規定實際編程細則的寬鬆的結構，並非是相對於各個問題規定詳細的算法的框架。為此，要把遺傳算法應用於本實施例的光學裝置的調整，需要在光學裝置的調整使用中實現以下項目。
(a)染色體的表示方法(b)個體的評價函數(c)選擇淘汰方法(d)雜交方法(e)變異方法(f)搜索結束條件圖20所示是使用了本實施例中的遺傳算法的調整裝置5的處理程序的流程圖。該圖20的處理具體地表示圖17的步驟S3～步驟S5的處理。本實施例的最大特徵是作為遺傳算法的染色體直接使用寄存器5的寄存器值，由此，可以省略用於把染色體的信息變換成寄存器值的處理等。
以圖21為例具體地說明該問題。該圖是調整圖4及圖6所示的驅動裝置時的例子，寄存器5R保持著+4.32、-15.67、+3.47、-9.71等值。串聯地連接這些值的結構是染色體，對本例情況，染色體中的各遺傳基因為取+4.32、-15.67、+3.47、-9.71等值。由於寄存器5R的值對應著驅動機構4內的測位計406的值，所以，可控制光學元件2使測位計406的值成為用寄存器5R所指示的值。因為測位計406的值和元件參數的值一一對應，故遺傳算法的遺傳基因的值亦和元件參數的值一一對應。
作為在圖20的處理中使用的遺傳算法的個體的評價函數F，使用的是在用個體的染色體所表現的寄存器值設定光學單元後讓其動作，並表現利用觀測裝置6觀測到光輸出何種程度接近理想的輸出的函數。
為了用於圖20所示的處理，先在圖17的步驟S1，作為遺傳算法的初始群體，使用同樣的隨機數作成多個個體。也就是說，這意味著該情況下初始群體的各染色體的各遺傳基因的值取的是上限值和下限值之間的隨機的實數值。但是，當對元件參數的誤差傾向具有某種預備知識時，可以把被認為是適應值更高的個體作為初始群體來生成。
根據觀測裝置6送來的觀測結果，由評價函數器5F使用上述評價函數來計算適應值。此後，利用調整算法運行裝置5A在步驟S23判斷光學裝置1的性能是否在滿足所規定的標準的允許範圍內，當不在允許範圍內時，進行步驟S24的選擇淘汰、步驟S25的雜交、步驟S26的變異以及步驟S27、步驟S28的局部學習的處理(後述)，並作出下一代的個體的群體(解的候補群體)。
而在步驟S23的判斷中光學裝置的性能滿足了所規定的標準時，調整處理將結束，但對即使是反覆一定世代數進行調整處理也不能獲得滿足標準的染色體(寄存器值)的情況，則判定作為調整對象的光學裝置為不合格品，在圖17的步驟S8進行作為不合格品的處理。在規定的標準中存在有儘可能地增大或減小如輸出光的強度等評價值的指示時，則在步驟S23作為結束調整處理的條件，使用代數是否超過一定數目之類的條件，不進行不合格品處理。
上述步驟S24的選擇淘汰處理，使用的是圖22所示的流程圖的方法。該方法首先在步驟S31及步驟S32從群體中隨機地選擇兩個個體A、B，接著，在步驟S33至步驟S35把該兩個個體A、B中的具有大的適應值的個體作為讓之存留到下一代的個體。進而，從步驟S36返回到步驟S31並反覆其操作，直到存留的個體數達到群體的個體數。在該方法中，雖然適應值大的個體被選作為下一代的個體的可能性高，但因為是隨機地選擇個體A、B，故即便是適應值低的個體也殘存有被選作為下一代的個體的可能性。這樣做的結果是，如果只剩下適應值高的個體，則群體易於過早收斂，調整將陷入局部最佳解。
上述步驟S25的雜交處理使用的是圖23所示的說明圖中的方法。這是在隨機的位置上部分地調換染色體的操作，是一種被稱為1點雜交的做法。在圖23,Ch1及Ch2是作為選擇淘汰結果殘存的父代A、B的染色體，在這裡的雜交處理中，在隨機地選擇的雜交位置CP處切斷這些染色體。在圖23的例中，以從左邊起的第2個遺傳基因和第3個遺傳基因間為雜交位置。進而，通過調換切斷的部分的遺傳基因型，生成分別具有染色體Ch3及Ch4的子體A′、子體B′，並用它們置換原來的個體A、B。
接著步驟S25的雜交而運行的上述步驟S26的變異，是在各染色體的遺傳基因上加上按照高斯分布N(0、σ)產生的正態隨機數的操作。圖24示出變異的例子。在該圖中，對染色體Ch5，加上按照高斯分布產生的正態隨機數N並變更為染色體Ch6。
在結束了步驟S26的變異後，將所獲得的染色體的值寫入寄存器組5RG。此後，驅動機構控制裝置5C控制驅動機構4使元件參數的值成為對應寄存器值的值。在沒有驅動機構控制裝置5C時，位於驅動裝置內的比較器4C及電機驅動電路4D進行使元件參數成為對應寄存器值的值的控制。在該控制中，與觀測裝置6在觀測輸出光的狀態時所需要的時間相比，該控制一般需要10倍到100倍的時間。
因此，本發明發明了在進行該控制的過程中也讓觀測裝置6動作，並使用其觀測值來高效地進行搜索的調整方法。我們把該方法稱之為局部學習，在步驟S27、步驟S28運行。在進行局部學習時，使用示於圖5的調整裝置5。在觀測裝置6觀測輸出光的狀態所需要的時間較控制元件參數所需要時間大時，不進行該局部學習而只進行步驟S27。
上述步驟S28的局部學習處理使用的是圖25所示的說明圖的方法。該方法是首先在對應於圖20的步驟S27的圖25的步驟S41變更寄存器值，並讓圖5的驅動機構控制裝置5C動作，在步驟S42利用觀測裝置6觀測光學裝置的輸出光，與此同時，驅動機構控制裝置5C在步驟S43測量元件參數的值。在步驟S44，驅動機構控制裝置5C及函數評價器5F把在步驟S42和步驟S43獲得的輸出光的觀測值和元件參數的值送入調整算法運行裝置5A，調整算法運行裝置5A以它們為組保存到存儲器5M。
進而在步驟S45，由驅動機構控制裝置5C反覆步驟S42～步驟S44，一直到判定元件參數的值已成為了對應寄存器值的值為止。在步驟S46，在判定元件參數的值已成為對應寄存器值的值後，在調整算法運行裝置5A中，選出保存在存儲器5M中的輸出光觀測值和元件參數的值的組中評價函數F的值為最大的組，即局部的最佳解。最後在步驟S47，使用在步驟S46選出的組的元件參數值，求解與之對應的寄存器值並用該值換寫染色體。
在上述局部學習處理中，使用圖26說明作為調整對象的元件參數是2個時的動作例。首先，在步驟S41，設變更寄存器值之前的元件參數的值是(XS、YS)。進而，設對應在步驟S41變更的寄存器值的元件參數的值是(XE、YE)。此時，在從步驟S42到步驟S45的循環中，元件參數的值通過驅動機構控制裝置5C被緩慢地從(XS、YS)變化到(XE、YE)。同在此時，通過步驟S44，把變更途中的元件參數的值和與該值對應的觀測結果的組保存到多個存儲器中。
而後，在步驟S46，選出保存在存儲器中的上述元件參數值和觀測值的組中按照觀測結果計算出來的評價函數F的值(適應值)為最大的組。該例的情況，由於元件參數在(XM、YM)時取評價函數值最大的FM，故在步驟S46選擇(XM、YM)的組。最後在步驟S47，染色體的值被換寫為對應元件參數(XM、YM)的值。
圖26的例的情況，即不進行局部學習的情況，由於僅在元件參數為(XS、YS)時和(XE、YE)時的二種情況進行搜索(觀測)，故不可能發現評價函數值為FM的元件參數(XM、YM)。但在進行局部學習時，因為在元件參數變更的過程中也進行觀測，即在(XS、YS)(XE、YE)以外的多個元件參數值(大致從10到100個左右)中進行搜索，所以可以發現(XM、YM)。進而，由於用對應於該(XM、YM)的寄存器值換寫染色體，故可大幅度地改善搜索效率。
如上所述的這樣，在本實施例的光學裝置中，對多個光學元件使用可變更元件參數的元件2，並搜索這些光學元件2的元件參數以使之更有益於光學裝置的性能。從而，不需要由熟練人員進行手動調整及高精度的光學元件，另外，也不需要高精度的驅動裝置，並能夠自動地把光學裝置調整到使之滿足規定的標準。這意味著可以用比傳統技術調整時少的工時獲得比傳統技術調整時高的性能。
下面，對本發明之第1實施例的光學裝置的一個變形例進行說明。在先前的實施例中，把被調整的光學元件2安裝在光學裝置內，而調整裝置5及觀測裝置6作為外部裝置可以裝卸地連接在光學單元1上。但在本發明中，也可以構成為把相當於調整裝置5或觀測裝置6的功能作為調整機構裝入光學單元1的裝置。
這樣構成的變形例示於圖27。這裡，在光學裝置1A內被組入了光學單元1、相當於調整裝置5及觀測裝置6的功能。
即，圖27的光學裝置的例子在光學裝置1A的輸入光8及輸出光9的光路部分上設置了利用反射鏡的切換開關13。該切換開關13如圖示的例那樣，既可以設置在光學裝置1A內，也可以設置在光學裝置1A外。這裡，如果操作切換開關13，則在光學單元1的輸出光被輸入到觀測裝置6的同時，調整裝置5、調整光產生裝置7開始動作，進行設定值的調整。如果設定結束，則通過切換開關13的操作把光學單元1的輸出光切換到本來的輸出光路側。在該例中，設置有在不能獲得滿足標準的解(寄存器值)時發出警告顯示的顯示器14。
按照該變形例，不但可以進行組裝後的光學裝置1A的調整，而且在用戶購買了裝入有光學裝置1的產品後，用戶自己也可以隨時進行光學裝置1A的調整。這樣一來，即便是在移動搬運了光學裝置1A時，或者在放置光學裝置1A的環境的溫度及其他發生了變化時引起光學裝置的性能特性產生變化，也可以補償其變化，進而，其還有可以改善因光學元件的元件參數的偏離而引起的光學裝置的功能·性能降低的優點。切換開關13不僅限於手動，也可以採用在光學裝置1A起動時自動切換的構成。
另外，作為調整裝置5，通過使用先前的梶谷等的論文記載的遺傳算法運行電路等，該變形例還適合於小型化。
由於利用該變形例，用戶可以進行隨時調整，故光學元件的支撐物或光學單元1的基臺(光學平臺)的剛性可以是比傳統情況低的物體。作為結果，可以獲得使光學單元1大幅度地輕量化、小型化乃至於降低成本之類的效果。
下面，給出作為本發明之光學裝置的第2實施例的超短脈衝雷射裝置(所產生的光脈衝的寬度從飛秒級到10皮秒級的雷射裝置)的一個實施例。圖28例示的是作為本發明之光學裝置的第2實施例的超短脈衝雷射裝置的構成圖。
超短脈衝雷射裝置具有所產生的光脈衝的脈衝寬度達飛秒級的非常之短，且所產生的光脈衝的強度的尖點值(峰值)非常之大的特點，因此，其不僅在以超高速採樣測量技術為代表的測量技術中，而且在光通信技術、醫療技術、加工技術中超短脈衝雷射裝置也有很高的實用性。
超短脈衝雷射裝置以激發光源、光學晶體、構成諧振器(諧振腔)的多個反射鏡及稜鏡等光學元件為該雷射裝置的主要的構成要素。而且在超短脈衝雷射的功能中，人們所期望的特性是所產生的光脈衝的強度儘可能的高，脈衝的寬度儘可能的短，光脈衝強度的峰值儘可能的大，而所需要的激發光的強度則儘可能的小。
在實際製造的超短脈衝雷射裝置中，由於製造工序中的加工、裝配精度的限制，移動、搬運時的振動或衝擊，設計上的誤差等引起的該光學元件的位置或方向(參數)的誤差，致使光學元件的作用不完全，其結果是造成光脈衝的強度降低，脈衝的寬度變長，光脈衝強度的峰值降低，所需要的激發光的強度升高之類的功能的降低。
因此，在該第2實施例中，設定構成超短脈衝雷射裝置的光學元件中的多個光學元件的參數可變，並使用遺傳算法進行調整以提高該雷射的功能。圖28示出了該第2實施例的超短脈衝雷射裝置的構成，該超短脈衝雷射裝置(以下稱為「雷射裝置」)1L相當於第1實施例中的光學單元1。進而，對與圖1中所使用的一樣的部件附加有與其相同的參考符號。
圖28是應用了本發明之光學單元的超短脈衝雷射裝置的一個構成例，在該實施例中，調整裝置5及觀測裝置6為外部裝置。在雷射裝置1L，從2M1到2M4是作為對應控制信號CS所示之值讓參數變化的光學元件的、可以使參數變化的反射鏡，2P1及2P2也是作為對應控制信號CS所示之值讓參數變化的光學元件的、可以使參數變化的稜鏡。3M1及3M2是作為本發明之方法中的不進行調整的光學元件的反射鏡，3C也是作為本發明之方法中的不進行調整的光學元件的光學晶體(雷射晶體)。
7PB是產生雷射裝置的激發光的光源(激發光源)，激發光源7PB對應於實施例1(圖1)中的調整光產生裝置，是一種內置於作為調整對象的光學裝置即雷射裝置1L的構成。而光學晶體3C及從2M1到2M4的部分構成用於讓光往返於2M1和2M4之間的諧振器(諧振腔)。設該諧振器為2R，我們將如後述的那樣利用本發明之方法調整該諧振器2R。
另外，圖28中，4是驅動機構，該驅動機構4把對應於保持在作為保持電路的寄存器5R上的數字值的電信號作為控制信號CS，提供給作為光學元件的從2M1到2M2，以及2P1、2P2。這裡，驅動機構4及寄存器5R只設置有相當於調整之處的個數的數目(圖28的構成中是14)。
上述驅動機構4可以利用在實施例1中使用的圖4到圖7所示的構成。各自的調整之處的參數，對應於寄存器5R的32位的數據電機405旋轉，使得測位計406所示的值能夠達到對應於該數據的值，由此改變光學元件2的位置或者方向。
圖28中，8是由激發光源產生的激發光，9是雷射裝置1L的輸出光。6是觀測雷射裝置1L的輸出光9並輸出計算了光強度、脈衝強度、或者與脈衝強度關連的量(如由雷射脈衝光引起的在化合物半導體中因雙光子吸收而產生的電流值)等、或者它們的組合而得到的結果的裝置。
5是調整裝置，按照遺傳算法，用和第1實施例中詳述的同樣的方法，搜索最佳的值作為多個寄存器5R的保持值。
上述反射鏡2M1是平面反射鏡，其反射入射到該反射鏡的光的一部分，並透過其反射了的光的剩餘部分。上述反射鏡2M2是凹面反射鏡，在凹面側反射並會聚入射的光的一部分，此外，從背面透過輸入的光的一部分。上述反射鏡2M3是凹面反射鏡，其反射並會聚入射到凹面側的光。上述反射鏡2M4是平面反射鏡，其反射入射到該反射鏡上的光的一部分。上述稜鏡2P1及2P2利用光的折射作用以依存於光的波長的角度折曲光路。反射鏡2M1到2M2、以及稜鏡2P1、2P2設置在可以利用驅動機構4控制位置及方向的圖4至圖7的載荷臺402上。
上述反射鏡3M1、3M2是平面反射鏡，其反射入射到該反射鏡上的光。上述光學晶體3C是添加了鈦的藍寶石晶體，吸收並蓄積入射光的能量，通過受激輻射現象進行光的放大。所使用的反射鏡及光學晶體在組裝雷射1時，有時也進行位置或方向的調整，以獲得合適的光路，但在本實施例中，可以不進行利用本發明的調整方法的調整。
所使用的2M1到2M4、以及稜鏡2P1及2P2是用本發明之方法進行調整的光學元件，根據控制信號CS所示之值改變光學元件的參數，即，位置及方向，或者方向。由此，改變諧振器2R的特性並改變雷射的特性。
使用附圖對上述的被調整的光學元件的位置和方向進行說明。圖29是為方便起見用平板表示了光學元件的圖，21是需要調整的光學元件。這裡，為方便起見設作為光學元件21的基準的軸為X軸，定義如下。即，在光學元件21是反射鏡時，設通過反射鏡的中心並垂直於面的線為X軸；在光學元件21是凹面反射鏡時，設連結焦點和凹面反射鏡的中心的線為X軸；在光學元件21是稜鏡時，設作為稜鏡中平均光路中心的線為X軸。為方便起見，設光學元件21的其他軸為Y軸，定義如下。即，在光學元件21是稜鏡時，設在由入射光的光路和出射光的光路構成的平面上與該X軸垂直的線為Y軸；在光學元件21是平面反射鏡或凹面反射鏡時，設與X軸垂直的任意一條線為Y軸。進而，定義與該X軸和該Y軸垂直的線為Z軸。X軸、Y軸、及Z軸的符號的朝向(正的方向)的定義任意。這裡，當光學元件21被驅動機構4改位移置時，設X軸方向的移動量為x,Y軸方向的移動量為y,Z軸方向的移動量為z。
關於光學元件21的方向，當以平行於Y軸的某條直線為軸利用驅動機構4使光學元件21隻轉動角度θy時，為方便起見，稱之為Y軸方向的旋轉。同樣地，以平行於Z軸的某條直線為軸只使其轉動角度θz時，為方便起見稱之為Z軸方向的旋轉。
在本實施例中，也可以適用實施例1的由圖4到圖7所示的方法，利用驅動機構4變化光學元件21的位置及/或方向。關於每一個被調整的光學元件，表1示出被調整的內容及參數。
表1光學元件被調整的內容 被調整的參數2M1Y軸方向旋轉，Z軸方向旋轉 θy,θz2M2X軸方向移動，Y軸方向旋轉、Z軸方向旋轉 x,θy,θz2M3X軸方向移動，Y軸方向旋轉、Z軸方向旋轉 x,θy,θz2M4Y軸方向旋轉，Z軸方向旋轉 y,θz2P1Y軸方向移動，Z軸方向旋轉 y,θz2P2Y軸方向移動，Z軸方向旋轉 y,θz適用於上述的光學元件的驅動機構4及該光學裝置的構成，具體地，可是如下的構成。反射鏡2M1及2M4分別是安裝在圖7所示構成的驅動機構的載荷臺402上的構成。反射鏡2M2及2M3是分別使用示於圖4的構成及示於圖7的構成的組合，且圖4中的載荷臺402是作成在圖7沒有圖示的基臺的驅動機構的構成，是將該反射鏡安裝在圖7的載荷臺402上的構成。稜鏡2P1及2P2分別使用示於圖4的構成及示於圖6的構成的組合，且圖4中的載荷臺402是作成在圖6中的基臺401的驅動機構的構成，是將該稜鏡安裝在圖6的載荷臺402上的構成。
激發光源7PB是使用四氧化釔釩晶體(YVO4)並產生波長為530nm的連續光的雷射裝置。
在激發光源7PB產生的光，經由反射鏡3M1及3M2，且其光的一部分透過反射鏡2M2照射到光學晶體3C上。在光學晶體3C上，吸收並蓄積該照射的光能量，向反射鏡2M2方向及反射鏡2M3方向發射與該照射的光波長相異的光RL。在由反射鏡M1到M4、稜鏡P1、P2、光學晶體3C組成的諧振器2R中，該光RL以由光路的長度所決定的時間周期往復於作為諧振器的兩端的反射鏡2M1和2M4之間。利用該光的往復可獲得雷射振蕩。因為反射鏡2M1透過光的一部分，故可獲得輸出光9。
理想的情況是上述的光學元件的位置及方向和雷射裝置設計上的位置及方向完全一致，此時，雷射裝置的特性良好(如該雷射裝置的輸出光的強度高，脈衝寬度短，脈衝的峰值強度高，需要的激發光的強度低的狀態)。
但是，在實際製造的超短脈衝雷射裝置中，由於製造工序中的加工、裝配精度的限制、移動、搬運時的振動或衝擊、設計上的誤差等引起的該光學元件的位置或方向(參數)的誤差，致使光學元件的作用不完全，其結果是造成雷射裝置的性能降低。
因此，在該實施例的雷射裝置1L中，通過調整作為諧振器2R構成要素的反射鏡2M1到2M4以及稜鏡2P1、2P2的位置或方向(參數)，可以使雷射裝置達到性能高的狀態，即，光脈衝的強度高，脈衝寬度短，強度的峰值高，所需要的激發光的強度低。
下面敘述適用於圖28所示的實施例中雷射裝置1L的本發明的第2實施例的調整方法。這裡，為方便起見，作為所期望的雷射裝置的性能，在例中說明光脈衝的強度高的情況。
該雷射裝置1L的要求標準之一例如下。
(1)在激發光的功率為3W(瓦特)時輸出光的平均功率為250mW以上。
(2)輸出光的平均功率儘可能地大。
該雷射裝置1L的性能可以用以多個光學元件2M1～2M4及2P1、2P2的元件參數為變量的評價函數F來表示。使雷射裝置1L的性能儘可能地高等價於求使評價函數F最佳化的參數值。
在本實施例中，因為是被調整的光學元件2的數目多達6個及被調整的元件參數的個數為14個因而會產生組合爆炸的情況，所以，調整裝置5使用評價函數F，按照遺傳算法變更寄存器組5RG的值。
光諧振器內的光學元件的調整同第1實施例的情況一樣，按照圖17及圖20所示的流程圖進行。本實施例的最大特徵是直接使用寄存器組5RG的值作為遺傳算法的染色體。因此，不需要用於把染色體的信息變換成寄存器值的處理等。
即，本實施例中染色體如圖21所示的那樣，由對應14個元件參數值的14個寄存器5R的寄存器值構成。而且對應各個元件參數的各個寄存器5R為32位的浮動小數點值。因此，寄存器長(=染色體長)是448比特(位)。所以，上述實施例的光學裝置1的調整搜索空間的大小是2448近似於10135(10的135次方)，不用說要進行基於窮舉搜索的調整是不可能的。
各寄存器值的上限值及下限值依存於初始設定時的人工粗調整的精度，對應於粗調整後所需要的光學元件2的移動量、旋轉量所確定的移動範圍、旋轉範圍而定。該寄存器值的上限值及下限值也可以隨著調整裝置5所進行的調整進度來縮小上限值和下限值的寬度。此外，在調整裝置5所進行的調整過程獲得的寄存器值頻繁出現與上限值或者下限值相等的情況時，即使是在調整過程中也可以加寬下限值和上限值的寬度。在本實施例中，各寄存器值的上限值設為從初始設定值增加32.0，下限值為從初始設定值減少32.0。
作為圖20的處理中使用的遺傳算法的個體的評價函數F，使用的是在用個體的染色體表現的寄存器值設定了雷射裝置1L後讓其動作，並表示利用觀測裝置所觀測到的光輸出是何種程度接近理想的輸出的函數。具體地，在本實施例的實驗例中，使用功率計作為觀測裝置，以其所觀測到的功率的評價值作為個體的適應值。
上述的評價函數F規定為雷射裝置1L輸出的平均功率越大則雷射裝置1L越理想。例如，如果設用某個染色體表現的寄存器值所設定的光學裝置的光輸出功率是6.8mW，則此時的評價函數F的值變為6.8。
為了用於圖20所示的處理，先在圖17的步驟S1使用一樣的隨機數生成多個個體作為遺傳算法的初始群體。也就是說，這意味著在該情況下初始群體各染色體的各遺傳基因的值取上限值和下限值之間的隨機的實數值。在本實施例，群體的個體數為50。
確定完後，用各個個體表現的寄存器值使雷射裝置1L動作，使用在步驟S3用觀測裝置6所觀測的觀測結果，在步驟S4由調整裝置5利用上述評價函數計算適應值。此後，順序地在步驟S24進行選擇淘汰、在步驟S25進行雜交、在步驟S26進行變異、在步驟S28進行局部學習的處理，作出下一代的個體的群體(解的候補群體)。在本實施例中，作為在全部個體數中進行雜交的個體數的比例的雜交率為0.5，在變異之際所加算的正態隨機數的高斯分布的σ用的是3.2。
在步驟S4，判斷雷射裝置1L的性能是否滿足如前所述那樣的規定規格，在滿足了規定規格時，結束調整處理。而在不管怎樣反覆一定世代數進行調整處理也不能獲得滿足規格的染色體(寄存器值)時，則判定作為調整對象的雷射裝置1L為不合格品，在步驟S8進行作為不合格品的處理。在本實施例中，中斷循環的代數取為30。
下面給出關於圖28所示的雷射裝置1L(具體地說是該光學裝置1內的雷射諧振器2R)應用了使用本實施例的遺傳算法的調整方法時的實驗結果。在該實驗中，調整光使用的是功率3.0W、波長530nm的YVO4雷射光，用功率計觀測透過透過率為2.0％的平面耦合器的輸出光。所使用的功率計對應於觀測裝置6，其觀測結果正比於雷射裝置1L的輸出光的平均強度，並把該值作為評價函數值使用。
上述的實驗結果因在人工粗調整中功率計上僅得到了4.37mW功率，而在對雷射裝置利用使用了本實施例的遺傳算法的方法進行了調整時則得到了9.96mW(實際的光輸出是9.96/2.0％=498mW)的功率，所以可以滿足上述的規格。圖30示出實驗中每一代中的最優個體的評價函數值F與代數的關係。可以看出，隨著遺傳算法的代數的增加，雷射輸出光的功率值增加，評價值得到改善。例如，要獲得9.96mW的功率，利用傳統技術，即使是熟練人員也需要一周以上的長時間，且最後還不能得到這樣的性能，而利用本發明的方法，則能夠自動地在短時間(在本實驗中約3個小時)獲得比傳統技術好得多的結果。因此，通過本實驗可以確認本實施例的調整方法的有效性。
如上所述的這樣，在本實施例的雷射裝置1L中，對多個光學元件使用可變更元件參數的元件3M1～4、3P1、3P2，搜索這些光學元件3的元件參數使得雷射裝置1L的性能最佳。因此，不需要熟練人員的手動調整及高精度的光學元件，此外，也不需要高驅動精度的驅動裝置，可以自動地調整雷射裝置1L使之滿足規定的規格。這意味著可以用比傳統技術調整時少的成本及工時來獲得比傳統技術調整時高的性能。
另外，按照本發明，對因移動、搬運雷射裝置1L、或歷時變化或溫度變化等造成元件參數值偏離最佳值的情況，也能夠自動地、用比傳統技術調整時少的成本及工時調整出比用傳統技術調整時高的性能。
還有，在雷射1L的諧振器2R具有稜鏡時，由於相同元件參數之間的非線性相關比沒有稜鏡時強，所以，本實施例特別適用。
對於本實施例，可以實施以下的變形例。
(1)在進行調整時，用觀測裝置6測定的雷射裝置1L的輸出光的測定項目不僅僅是光脈衝的強度這一種，也可以使用光脈衝的脈衝寬度、光脈衝的強度的峰值、進而如光脈衝的光譜寬度、光脈衝的光譜對稱性、光脈衝的穩定性、光脈衝的噪聲成分的量等中的若干個，對應要求規格來使測定項目多種類化，這樣一來，既可以對應多種要求規格，也可以進一步提高調整精度。
(2)在上述實施例中，設反射鏡M1到M4、稜鏡P1、P2的參數為可變的，進而，也可以設反射鏡3M1、3M2的參數為可變的。
(3)如果在雷射裝置1L的輸出光的光路上設置使用了可以改變參數的可變形反射鏡的波面控制器，利用後述的第4實施例的方法，結合調整該波面控制器，可以獲得更高的特性。
在上述(1)的測定項目為多個種類時，可以使用例如下面(1)式這樣的評價函數。
F=∑wi|Xi-Ai|(1)fitness=1/(1+F)，其中i是測定項目這裡，F是評價函數值，wi是對應測定項目的加權係數，Xi是關於測定項目i的觀測結果值，Ai是關於測定項目i的理想值。fitness是遺傳算法中的適應值。該測定項目是如輸出光的平均強度、光脈衝的脈衝寬度、光脈衝的強度的峰值、光脈衝的光譜寬度、光脈衝的光譜對稱性、光脈衝的穩定性、光脈衝的噪聲成分的量等。測定項目最好是用於評價光學裝置的功能(作為光學裝置所追求的光學裝置的功能/動作並由設計確定的內容)是否滿足規定規格(是逐一項目列舉的光學裝置的必需的功能、動作、特性等，該項目除了是可以用數值表示的項目外，還可以是如儘可能地大/小，儘可能地高/低之類的項目)所需要的足夠的項目。
在上述的第1、第2實施例中，對於從寄存器組5RG的初始設定值出發來變更寄存器值的方法使用了遺傳算法。但是，遺傳算法中的適應值，亦即，在表示寄存器的設定值是何種程度地接近理想的解的評價函數F中，對局部的最佳解的個數少的情況(大致為1位數)，可以使用被稱為模擬退火法的算法來代替遺傳算法。另外，即使是在局部的最佳解的個數多的場合，模擬退火法與遺傳算法相比，雖然作為調整結果獲得的性能降低，但卻可以高速地搜索。
模擬退火法的詳細介紹，希望參考JOHN WILEYSONS在1989年出版的E.Aarts and J.Korst著的《Simulated Annealing andBoltzmann Machines》。模擬退火算法是登山法的一種，是一種添加了利用被稱為溫度的控制參數，使搜索不受局部的最佳解束縛的算法。
在下面敘述的本發明第3實施例的雷射裝置及其調整方法中，如圖28所示那樣，在與先前的第2實施例一樣的構成中，由調整裝置5根據該模擬退火算法變更寄存器組5RG的值。在本實施例中特別地，最大的特徵是直接使用寄存器組5RG的值作為模擬退火算法中的預備解。採用這種做法，可以和第2實施例一樣地省略用於把預備解的信息變換成寄存器值的處理等。在此，準備有表示預備解怎樣程度地接近理想解的評價函數F。
即，在本實施例的方法中，讓雷射裝置1L動作，如圖31所示那樣，使用步驟S51中觀測裝置6所觀測的結果並在步驟S52由調整裝置5利用上述評價函數F計算預備解的評價函數值。此後，在步驟S54，比較該評價函數值與前一循環中的評價函數值並判斷值是否得到了改善。
對得到了改善的情況，把此時刻的寄存器值作為下一個寄存器預備值，前進到步驟S57，對該寄存器預備值實施使其預備值的一部分變化的操作。該操作被稱為迭代。在本實施例中，作為模擬退火算法的迭代，使用的是和用圖24說明的遺傳算法中的變異法一樣的方法。
在步驟S54，對值沒有得到改善的情況，在步驟S55計算被稱為接收函數的、值域是0以上1以下的後述的函數的值。比較該函數值和在0～1間產生的正態隨機數的實數值，在隨機數值一方小時，作為接收迭代結果的函數前進到上述的步驟S57。在該情況下，暫時在評價函數變壞的方向進行搜索。對接收函數值比隨機數值側大的情況，在步驟S56把寄存器預備值返回到前一循環中的寄存器值後，前進到步驟S57。
循環k中的接收函數值用下面的(2)式記述。
exp{[F(k)-F(k-1)]/T(k)}(2)這裡，F(k-1)是前一循環中的評價函數值，F(k)是現循環中的評價函數值。T(k)是被稱為溫度的參數，溫度越高接收函數值越接近1。亦即，溫度越高，搜索越向評價函數的變壞方向前進。這是以避免搜索受到局部最佳解的束縛為目的而進行的動作。由此，在搜索的初始階段把溫度設高，通過隨著搜索的進行而溫度慢慢地降低下去，來期待最終達到真正最佳解。所使用的操作被稱為模擬退火或者Simulated Annealing。
模擬退火算法在雷射裝置1L的性能和光學元件2的關係比較簡單，雷射裝置1L的評價函數F不具有多個局部最佳解時，可以進行較遺傳算法高效的搜索。但是，在評價函數具有多個最佳解時，在實際的時間內因受局部最佳解的束縛，而不能獲得如遺傳算法那樣的性能。但是，其還是有達到收斂所需要的時間短的優點。
此後在步驟S58，變更寄存器值使之將寄存器預備值作為寄存器值，在步驟S59，進行用圖25所說明的使用了遺傳算法的局部學習處理。通過反覆上述的操作進行雷射裝置1L的調整，直到評價函數值升高並獲得滿意的解(雷射裝置1L的特性滿足規定的規格)為止。
在全部搜索了設定值的可取值的組合時，或迭代一定的時間進行處理都不能獲得滿意的解的情況，判斷作為調整對象的雷射裝置1L為不合格品，進行作為不合格品的處理。
下面給出關於圖28所示的雷射裝置1L(具體地說是該光學裝置1內的光諧振器2R)應用使用了本實施例的模擬退火算法的調整方法時的實驗結果。在該實驗中，和實施例2的實驗條件一樣地，調整光使用的是功率3.0W、波長530nm的YVO4雷射光，用功率計觀測透過透過率為2.0％的平面耦合器的輸出光。
這裡，讓溫度按下面的(3)式變化。
T(k)=0.1/(k+1) (3)上述的實驗結果因在人工粗調整中功率計上僅得到了4.14mW功率，而在對雷射裝置利用使用了本實施例的模擬退火算法的方法進行了調整時則得到了6.01mW(實際的光輸出是6.01/2.0％=301mW)的功率。圖32示出實驗中的評價函數值F與迭代次數的關係。可以看出，隨著迭代的前進，雷射輸出的功率值增加，評價值得到改善。與遺傳算法的結果相比，獲得4.14÷9.97×100％=60.3％的性能。另一方面，關於搜索時間，只用了不到遺傳算法的1代程度的時間就完成了收斂。通過本實驗可以確認本實施例的調整方法的有效性。
利用上述的模擬退火算法，雖然與遺傳算法相比所得到的性能較低，但卻可以高速地進行雷射裝置1L的調整。本實施例雖然舉例說明了光學單元使用的是第2實施例所示的雷射裝置的情況，但不用多講，光學單元當然也可以是第1實施例所示的普通的光學元件，同樣的做法，雖然與遺傳算法相比所得到的性能較低，但卻可以高速地進行光學單元1的調整。
下面給出作為本發明的光學裝置的第4實施例的波面控制器主要構成部的一個構成例。波面控制器是控制輸入光的空間相位的元件，是具有可以去除相位的空間不均勻性並獲得波面(等位面)一致的輸出光功能的元件。作為構成進行正確的波面控制所必要的裝置的構成要素，該波面控制器使用半導體製造中的曝光裝置(板印裝置)、波長變換器、幹涉計，分光測量儀、光放大器等。
圖33示出該第4實施例中波面控制器的主要構成部的一例，圖33中，1C是波面控制器，該波面控制器1C是代替第1實施例的光學單元使用波面控制器1C而構成的。即，是在把圖1的光學裝置換成圖33所示的波面控制器後的圖1的構成。在該實施例中，調整裝置5及觀測裝置6為外部裝置。在該波面控制器1C內，2MD是通過變更所輸入的電信號來改變作為參數的鏡面的形狀的可變形的反射鏡(可變形反射鏡)，並利用圖中的控制信號CS來調整參數。8、9分別是輸入光、輸出光，波面(等相位面)用虛線來表示。
可變形反射鏡2MD如實施例1的圖8所示那樣構成，對應於控制信號CS所示之值改變鏡面201的形狀。在本實施例中，其調整之處是37處。因此，在本實施例中，使用37個控制信號CS和37組保持該控制信號的寄存器5R。波面控制器1C利用可變形反射鏡2DM的鏡面201的形狀的變更來改變輸出光9的波面(相位特性)。因為所使用的波面控制器的具體的構成方法已眾所周知，故省略其詳細的說明，以下，對本實施例中所使用的波面控制器的動作進行說明。
即，在這裡，通過調整施加到可變形反射鏡2DM的37處電極203上的電壓，可以使輸出光9的波面空間模式特性成高斯狀態，進而，可降低波面空間模式中的高次模式。但是，如果改變施加到某個電極203上的電壓，則關於上述的波面的空間模式的調整最佳值也隨之改變。因此，要把波面控制器1C調整到特性滿足規定規格的最好的狀態，則必需綜合地調整可變形反射鏡2MD的37處調整之處。
我們對用於調整上述波面控制器1C的、本發明的調整方法的第4實施例進行說明。該實施例的調整方法，基本上和先前的第1實施例的調整方法相同。
在波面控制器被實際安裝在需要其功能的部位後，在檢查工序，調整裝置5、觀測裝置6及調整光產生裝置7分別被連接到該波面控制器1C，調整光產生裝置7輸入調整光作為波面控制器1C的輸入光8。觀測裝置6把所觀測的如輸出光的波面空間模式特性、以及波面的空間模式中的高次模式的結果作為用於評價函數的值給予調整裝置5，調整裝置5利用在上述多個觀測結果上加了權重的評價函數進行評價。調整裝置5按照與圖18所示的同樣的處理程序，進行波面控制器1C的可變形反射鏡2DM的調整值的設定。
按照本實施例的方法，波面控制器1C(光學裝置)內的光學元件使用參數可變的光學元件2DM，搜索該光學元件的特性以使光學裝置的功能為最佳。因此，無需利用熟練人員的手動調整及高精度的光學元件，此外，也不需要高精度的驅動裝置，可以自動地調整波面控制器1C使之滿足所規定的規格。這意味著用比傳統技術調整時少的成本及工時可以獲得比用傳統技術調整時高的性能。
雖然本實施例中設定了可變形反射鏡的調整之處數為37處，但在本發明中，不言而喻可不問該調整之處的個數多少。此外，本實施例還特別適合于波面控制器1C用具有多個調整之處的可變形反射鏡構成的情況。當通過可變形反射鏡的調整能夠獲得的最大變形量與所處理的光的波長是相同程度的長度時效果最佳。
雖然在本實施例中是假定如圖33所示的那樣，輸出光9沒有被聚光，但相反地，如圖34所示的那樣，對輸出光被聚光時的變形例也同樣有效。圖34是會聚了圖33的輸出光的情況，與圖33一樣的部件上附加有一樣的參考符號。
在來自波面控制器1C的輸出光被聚光時，也和上述的實施例完全一樣地來調整該波面控制器1C。在該變形例中，對輸出光9被聚光到波長變換晶體或光放大介質上的情況特別有效。
本實施例還具有可自由地控制反射鏡的形狀的效果，也有效於為獲得理想的反射鏡的形狀而進行的調整。該情況下的實施例示於下面的第5實施例。
圖35所示是作為本發明的光學裝置的第5實施例的望遠鏡的一個構成例。圖35中，1T表示作為光學裝置(單元)的望遠鏡，該望遠鏡1T作為成為調整對象的光學元件，備有凹面的可變形反射鏡2DM2。另外，在圖35中，與圖1所示相同的部分附加有同一的符號。8是對望遠鏡的輸入光，即，是來自用望遠鏡1T所觀測的對象的光。CCD是設置在望遠鏡成像面上的攝像裝置，這裡，假定攝像裝置CCD固有的解析度足夠的高。另外，作為攝像裝置的輸出的電信號(圖像信號)是該望遠鏡的輸出。用於調整的觀測裝置6及調整裝置5是裝入到望遠鏡1T的內部裝置。
望遠鏡1T由發揮凹面鏡功能的可變形反射鏡2DM2反射、會聚作為來自觀測對象的光的輸入光8，該被會聚的光由攝像裝置CCD變換成電的圖像信號。在本實施例中，代替在實施例1中的光輸出使用電的圖像信號進行評價、進行調整。由此可知，作為本發明的光學裝置的輸出的9，不僅僅是光，還可以是電信號等光以外的信息。
作為望遠鏡所期望的特性，是用儘可能高的解析度來攝取觀測對象。為了得到這樣的特性，需要儘可能地集中上述反射鏡2DM2的焦點於一點，並調整成像面使之能與攝像裝置CCD的位置一致。但是，因望遠鏡的製造誤差、望遠鏡的移動或溫度變化等影響，作為理想成像面的設計上的攝像裝置CCD的位置和實際的攝像裝置CCD的位置並不完全一致。為此，需要調整可變形反射鏡2DM2的特性使之適合望遠鏡1T的特性，具體地是調整可變形反射鏡2DM2的各個調整之處的變形量。
反射鏡2DM2可以是和實施例1的圖10及實施例4的圖34的情況一樣的構成。採用與實施例1及實施例4相同的做法，在本實施例中也是對應控制信號CS所示之值改變參數即反射鏡2DM2的形狀。
來自調整裝置5的控制信號CS使示於圖10的可變形反射鏡的電極203的電壓發生變化，從而讓可變形反射鏡2DM2的形狀發生變化。由此，望遠鏡的成像的狀態發生變化，且解析度發生變化。其結果是可以對應寄存器組5RG的寄存器值改變並提高望遠鏡的解析度。
我們對用於調整該望遠鏡1T的、本發明之調整方法的第5實施例進行說明。該實施例的方法基本上也同先前的第1實施例的調整方法一樣。
在望遠鏡1T製造或者被移動後，或者使用望遠鏡的環境溫度等條件發生了變化後，調整光被作為輸入光8輸入到望遠鏡1T。該調整光也可以代替調整光產生裝置所產生的光，使用隨時間的變化少的實際的觀測對象。理想的調整光最好是對比度高的像，且是在與望遠鏡的觀測對象同樣距離處產生的光。因此，作為調整光，可以使用已知的細密的像，如置於遠方的細密的市松花紋，或者來自月球面的光。
在可變形反射鏡2DM2的形狀偏離理想的形狀時，來自攝像裝置CCD的輸出變成解析度降低的圖像。因此，調整裝置5可以在評價函數中使用觀測裝置6輸出的攝像裝置CCD的像的解析度、具體地如使用圖像信號頻譜中的高頻成分的比例。
在本實施例的方法中，如上所述通過在評價函數中使用望遠鏡得到的解析度來進行調整。調整裝置5按照和第1實施例的方法的情況同樣的處理程序，進行可變形反射鏡2DM2的參數的設定。
即，在本實施例中，使用反射鏡形狀可變的光學元件(可變形反射鏡2DM2)，搜索該反射鏡的形狀(光學元件2DM2的參數)以使作為光學裝置的望遠鏡的功能(特性)最佳。因此，按照本實施例，可以吸收由在望遠鏡1T的製造工序中處理不均勻、部件的材質不均勻、設計上的誤差，進而由移動、搬運產生的振動、溫度變化、歷時變化等原因造成的光學元件的特性的誤差，調整望遠鏡1T使之具有滿足規定規格的功能。
如上述這樣，本發明對下述情況也有效，即作為直接的調整對象的光學元件(可變形反射鏡2DM2)的調整，是通過補償與其迴路共同工作而構成光學裝置的其他要素(攝像元件CCD)的特性(位置)來進行的情況。
在本實施例中，不用說，當然不問可變形反射鏡2DM2的調整之處的個數。另外，本實施例更適合於構成望遠鏡的反射鏡的尺寸非常大的情況。
在本發明中還可以使用下述方法，即，當讓光學裝置動作的條件是多個，且對每一個條件光學裝置的最佳的調整結果不同時，對應各光學元件，準備多組寄存器組5RG，逐個條件地切換寄存器組5RG的方法。
另外，由於存在光學裝置的動作特性因其裝置的溫度而發生變化的情況，所以，存在最佳調整結果也隨溫度一起變化的情況。進而，還存在需要從最初的規格改變光學裝置的規格(如雷射輸出脈衝的光譜的形狀)的特性的情況。
圖36給出逐一條件地切換寄存器組5RG時的一個構成例。在此，設條件數為k。SEL是對應於條件切換對應的寄存器組5RG的選擇器，5-1至5-k是k個寄存器組5RG。這裡，為方便起見，把5-i中的i稱為寄存器序號。
使用了該構成時的調整方法，可以如下面這樣進行。在即使光學裝置的溫度變化也希望該裝置的特性一定時，事先讓溫度與寄存器序號相對應，在檢查工序，用對應各自寄存器序號的溫度進行利用本發明的方法的調整，並把調整結果保存在寄存器組5RG-1～5RG-k中。進而，在使用光學裝置時，利用選擇器SEL檢測出電路的溫度並選擇所對應的寄存器序號。
在上述的調整方法中，也可以省略用對應於若干個寄存器序號的溫度進行的調整，該情況下，也可以把根據其他被調整的寄存器值通過插值而推定的寄存器值保存在這些寄存器中。作為插值的方法，可以使用線性近似、樣條函數等。
也可以對應多個規格條件來切換光學裝置的特性。在該情況下，讓規格條件和寄存器序號相對應，在檢查工序，用對應各自寄存器序號的規格條件進行利用本發明的方法的調整，並把調整結果保存在寄存器組5RG-1至5RG-k中。進而，在使用光學裝置時，利用選擇器SEL選擇對應規格條件的寄存器序號。
同上述的調整方法中一樣地，也可以省略用對應若干個寄存器序號的規格條件進行的調整，並把根據其他被調整的寄存器值通過插值而推定的寄存器值保存在這些寄存器中。
另一方面，本發明的光學裝置中的驅動機構4，也可以採用其一部分可以拆裝的構成。在該情況下，在利用本發明的方法調整了光學裝置後，可以把驅動機構4的一部分再利用於其他的光學裝置。即，調整後，可以用粘接劑或者螺釘等固定作為驅動機構4的可動部分的載荷臺402和作為固定部分的基臺401，而使其以外的該驅動機構的部分可以拆裝。
按照該構成例，因為驅動機構4的一部分可以拆裝，故在結束了調整的光學裝置1中可以省略驅動機構4的一部分，由此能實現光學裝置的輕量化或降低成本。
當然，本發明可以適用於使用光學單元的光學裝置的整體、一部分、或者多個部分的任何一種，不管光學單元的規模。
以上根據圖示例進行了說明，但本發明不限於上述的例子，也包括在權利要求範圍所記載的範圍內本領域人員能夠容易地改變的其他的構成。
權利要求
1．一種光學裝置，具備包含多個光學元件的光學單元和調整裝置，其特徵在於所述調整裝置依次輸出變更上述光學元件內特定的多個光學元件的參數的控制信號，其按照概率搜索算法變更上述特定的多個光學元件的參數，使該參數成為使上述光學裝置的功能滿足規定的規格的參數。
2．權利要求1所記載的光學裝置，其特徵在於該調整裝置通過按照遺傳算法依次變更、搜索控制信號的值，變更特定的多個光學元件的參數，使其成為光學裝置的功能達到滿足所規定的規格的狀態的最佳值。
3．權利要求1所記載的光學裝置，其特徵在於該調整裝置通過按照模擬退火算法依次變更、搜索控制信號的值，變更特定的多個光學元件的參數，使其成為光學裝置的功能達到滿足所規定的規格的狀態的最佳值。
4．權利要求1至3所記載的光學裝置，其特徵在於作為該調整裝置評價光學裝置的功能狀態的函數，使用加權累計多個評價結果的評價函數。
5．權利要求1至4所記載的光學裝置，其特徵在於測量基於控制信號調整光學元件的參數過程中的參數值，將其與此時輸出光的觀測值成組保存到存儲器，並把該組中評價值最大的組的元件參數值作為局部的最佳值。
6．權利要求1至5所記載的光學裝置，其特徵在於所述包含光學元件的光學單元是雷射器。
7．權利要求1至5所記載的光學裝置，其特徵在於所述光學元件含有可變形反射鏡。
8．權利要求7所記載的光學裝置，其特徵在於所述包含光學元件的光學單元是波面控制器。
9．權利要求7所記載的光學裝置，其特徵在於所述包含光學元件的光學單元是望遠鏡。
10．權利要求1所記載的光學裝置，其特徵在於所述調整裝置包括一個電子計算機和該電子計算機能夠讀取的存儲媒體。
11．權利要求1所記載的光學裝置，其特徵在於所述特定的多個光學元件中的一個光學元件的多個參數是可調整的。
12．一種控制多個光學元件的光學裝置的調整方法，其特徵在於按照概率搜索算法依次輸出控制信號，變更上述多個光學元件內的特定的多個光學元件的參數，搜索光學裝置的功能滿足所規定的規格的最佳值。
13．權利要求12所記載的光學裝置的調整方法，其特徵在於該輸出的控制信號的值，按照遺傳算法依次變更控制信號的值並搜索出最佳值。
14．權利要求12所記載的光學裝置的調整方法，其特徵在於該輸出的控制信號的值，按照模擬退火算法依次變更控制信號的值並搜索出最佳值。
15．權利要求14所記載的光學裝置的調整方法，其特徵在於作為評價該光學裝置的功能狀態的函數，使用加權累計多個評價結果的評價函數。
16．權利要求12至15所記載的光學裝置的調整方法，其特徵在於測量基於該控制信號調整光學元件的參數過程中的參數值，將其與此時輸出光的觀測值成組保存到存儲器，並把該組中評價值最大的組的元件參數值作為局部的最佳值。
17．權利要求12至16所記載的光學裝置的調整方法，其特徵在於調整在雷射器中使用的光學單元的光學元件的參數。
18．權利要求12至16所記載的光學裝置的調整方法，其特徵在於作為該光學元件，調整包含可變形反射鏡的光學元件的參數。
19．權利要求18所記載的光學裝置的調整方法，其特徵在於調整在波面控制器中使用的光學單元的光學元件的參數。
20．權利要求18所記載的光學裝置的調整方法，其特徵在於調整在望遠鏡中使用的光學單元的光學元件的參數。
21．一種調整裝置，其特徵在於利用具備電子計算機和可在該電子計算機上讀取的存儲媒體的調整裝置，進行權利要求12至20所記載的方法的調整。
22．一種存儲媒體，其特徵在於保存有進行權利要求12至20所記載的調整的調整程序。
23．權利要求12所記載的光學裝置的調整方法，其特徵在於所述特定的多個光學元件中的一個光學元件的多個參數是可調整的。
全文摘要
一種具備包含多個光學元件的光學單元1的光學裝置,調整裝置5內置或連接在外部,利用上述調整裝置輸出的控制信號CS來變更上述光學元件內特定的多個光學元件2的參數,上述調整裝置按照概率搜索算法變更上述特定的多個光學元件的參數,以使上述光學裝置的功能滿足規定的規格。由此,能夠用較少的調整工時在光學裝置上獲得比傳統調整技術調整時更高的功能，更高的性能。
文檔編號G06F15/18GK1306220SQ0010477
公開日2001年8月1日 申請日期2000年3月28日 優先權日2000年1月17日
發明者河西勇二, 村川正宏, 板谷太郎, 樋口哲也 申請人:通商產業省工業技術院長, 河西勇二, 村川正宏, 板谷太郎, 樋口哲也