CN1877270A - 光束测量装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光束测量装置，该光束测量装置(1A)具备波前测量部(10A)和光斑特性测量部(10B)，该波前测量部(10A)成为具有反射型波前整形单元(20)、光束分离/合成面(15)、反射板(17)和光程长调整机构的迈克逊型光学系统配置。通过使从光束分离/合成面经由反射面(17a)而返回到光束分离/合成面的第1光程长、与从光束分离/合成面经由反射型波前整形单元(20)而返回到光束分离/合成面的第2光程长大约相互一致，能够进行可干涉性低的光束的波前测量和光束的光斑特性测量这2种测量。从而，获得也能适应于可干涉性低的光束的波前测量、并且能够容易进行光学系统的调整和相移机构的设置的光束测量装置。

Description

光束测量装置
技术领域
本发明涉及对成为测量对象的光束进行波前测量或在该光束的聚光斑(spot)中进行各种测量的光束测量装置，特别涉及一种适于对可干涉性低的光束进行测量的光束测量装置。
背景技术
以往，一直公知的是，使进行测量的光束在CCD等的摄像面上以点状成像而形成点像，对该点像的形状和大小、或强度分布(点像强度分布)和重心坐标等进行测量(将这些总称为「光斑(spot)特性测量」)的装置(也称为「光束轮廓仪(beam profiler)」)(参照以下的专利文献1)。
另外，作为对光束的波前进行测量的装置，至今一般公知的是，具备马赫-曾德尔型干涉仪(Mach-Zehnder interferometer)的光学系统配置的装置，但是近年来，本发明申请人提出了具备斐佐型干涉仪(Fizeauinterferometer)的光学系统配置的装置的方案，并由专利局进行了公开(参照以下专利文献2)。
相对在马赫-曾德尔型波前测量装置中，通过使从被检光束所分离的基准光束作成用光束的一部分，透过针孔(pinhole)而进行波前整形，在斐佐型波前测量装置中，利用了使基准光束作成用光束的一部分逆着入射方向反射而进行波前整形的光学元件(以下称为「反射衍射部」)。一直公知的是，此类反射衍射部也被称为反射型针孔等，在玻璃基板上形成微小的反射区域，与在针状部件的前端形成微小的反射区域(参照以下专利文献3)，或在紧靠通常的针孔的背面侧配置反射面(参照专利文献4)等。
【专利文献1】特开2004-45327号公报
【专利文献2】特願2004-168965号说明书
【专利文献3】特开2000-97612号公报
【专利文献4】特开昭58-60590号公报
所述的光束轮廓仪或波前测量装置，例如，应用在光拾取(pickup)装置的输出光的测量中。在该光拾取装置之中，将高次谐波重叠的可干涉性低的半导体激光光作为照射光束而利用，为了对这样的可干涉性低的光束进行波前测量，需要使被检光束的光程(optical path)长与基准光束的光程长相互大致一致。
由于前面记载的专利文献2所公开的斐佐型波前测量装置，以被检光束和基准光束的各光程长相互不同的方式进行了设定，因此，在进行测量的光束是可干涉性低的光束的情况下，存在着难以实施波前测量的问题。
另一方面，由于马赫-曾德尔型的波前测量装置可使被检光束和基准光束的各光程长相互大致一致，所以，也能适应于可干涉性低的光束的波前测量，但是，由于光学系统的部件数量较多，且调整之处也涉及多方面，所以，存在着光学系统的调整非常困难的问题。而且，也存在着易受振动的影响、或设置相移(phase shift)机构较难等的问题。
另外，在所述光拾取装置中，在其制造阶段，进行了照射激光光的波前测量和光斑特性测量这2种测量，但是，以往这2种测量是分别利用其他的测量装置独立地进行的。因此，为了进行2种测量，存在着需要较多时间的问题。
发明内容
本发明借鉴该事例，其第1目的在于，提供一种能适应于可干涉性低的光束的波前测量，并且，能够简单地进行光学系统的调整与相移机构的设置的波前测量用的光束测量装置。
另外，本发明的第2目的在于，提供一种能适应于可干涉性低的光束的波前测量，并且，也能够进行光束的光斑特性测量的光束测量装置。
为达成所述第1目的，本发明的光束测量装置构成如下。即，本发明所涉及的光束测量装置具有：被检/基准光束分离机构，其将成为测量对象的光束分离为被检光束和基准光束作成用光束；波前整形机构，其对所述基准光束作成用光束进行波前整形，将其转换为基准光束；合成机构，其将所述被检光束和所述基准光束相互地合成来获得干涉光；和干涉条纹成像/摄像机构，其通过获得的所述干涉光使携带有所述光束波前信息的干涉条纹成像并进行摄像，其特征在于，
所述波前整形机构由反射型波前整形单元构成，该反射型波前整形单元具有：使所述基准光束作成用光束汇聚的汇聚透镜、和在该汇聚透镜的汇聚点所配置的微小反射衍射部，其将入射的所述基准光束作成用光束的一部分进行波前整形，转换为所述基准光束，并将该基准光束朝向所述被检/基准光束分离机构射出；
所述被检/基准光束分离机构以及所述合成机构由光束分离/合成面构成，该光束分离/合成面不仅使与所述基准光束作成用光束分离后的所述被检光束入射到反射面，而且使从该反射面返回的所述被检光束与来自所述波前整形机构的所述基准光束合成；
还具备光程长调整机构，其至少在所述光束是可干涉性低的光束的情况下，使从所述光束分离/合成面经由所述反射面而返回到所述光束分离/合成面的第1光程长、与从所述光束分离/合成面经由所述反射型波前整形单元而返回到所述光束分离/合成面的第2光程长大约相互一致。
另外，为了达成所述第2目的，优选本发明的光束测量装置具备：光斑作成用光束分离机构，其将入射到光束分离/合成面之前的光束、通过光束分离/合成面分离之后的被检光束、或进行波前整形之前的基准光束作成用光束中任意一个的一部分作为光斑作成用光束进行分离；和点像成像/摄像机构，其通过光斑作成用光束使光束的点像成像并进行摄像。
在本发明中，可以具备对干涉条纹进行分析来获得光束的波前测量结果的第1分析机构。另外，在具备光斑作成用光束分离机构和点像成像/摄像机构的装置中，优选在第1分析机构的基础上，还具备对点像进行分析来获得光束的光斑特性测量结果的第2分析机构。
所述“微小反射衍射部”是指，其大小通过汇聚在该反射衍射部的汇聚光束的衍射极限决定(优选比衍射极限小)，并具有使该汇聚光束的至少一部分作为波前整形后的球面波而反射的功能的部件。作为这样的反射衍射部可以利用各种构成，但是作为具体的实施方式，例如可以列举出：在基板上形成微小反射区域的部件；在针状部件的前端形成微小反射区域的部件；或在紧靠针孔的背面侧配置反射面的部件等。
根据本发明所涉及的光束测量装置，由于具备由反射型波前整形单元构成的波前整形机构、和由光束分离/合成面构成的被检/基准光束分离机构以及合成机构，可以采用迈克逊(Michelson)型光学系统配置，所以，与现有的马赫-曾德尔型装置相比，能够容易地进行光学系统的调整与相移机构的设置。
此外，由于具备光程长调整机构，可使被检光束与基准光束的各光程长大约相互一致，所以，能够适应于可干涉性低的光束的波前测量。
另外，根据具备光斑作成用光束分离机构、和点像成像/摄像机构而构成的实施方式，能够进行光束的波前测量和光束的光斑特性测量的这2种测量。
附图说明
图1是本发明第1实施方式所涉及的光束测量装置的概略构成图。
图2是图1所示的分析装置的概略构成图。
图3是本发明第2实施方式所涉及的光束测量装置的概略构成图。
图中：1A-光束测量装置(第1实施方式)，1B-光束测量装置(第2实施方式)，10A、10A’-波前测量部，10B-光斑(spot)特性测量部，11、52-准直仪透镜，12-光束分离面(光斑作成用光束分离机构)，13、18-成像透镜，14-第2摄像照相机，14a、19a-摄像面，15-光束分离/合成面(被检/基准光束分离机构)，16-遮光机构，17-反射板，17a-反射面，20-反射型波前整形单元，21-汇聚透镜，22-反射衍射部，23-基板，31-分析装置，32-显示装置，33-输入装置，34-图像生成部，35-条纹分析部(第1分析机构)，36-点像分析部(第2分析机构)，37-点像强度分布运算部，38-比较分析部，50-光拾取组件(pickup module)，51-半导体激光器，53-聚光透镜。
具体实施方式
<第1实施方式>
下面，参照附图，对本发明所涉及的光束测量装置的实施方式详细地进行说明。图1是本发明第1实施方式所涉及的光束测量装置的概略构成图；图2是图1所示的分析装置的概略构成图。
图1所示的光束测量装置1A，是进行光拾取组件50所输出的光束的波前测量和光斑特性测量双方的装置，首先，对该光拾取组件50进行说明。
图1所示的光拾取组件50具备：半导体激光器51，其输出高次谐波重叠的可干涉性低的光束；准直仪透镜52，其使由该半导体激光器51作为发散光而输出的光束平行；和聚光透镜53，其使由该准直仪透镜52使其平行的光束聚光，其构成为使作为测量对象的可干涉性低的光束朝向图中右方射出。另外，该光拾取组件50是搭载在未图示的光拾取装置上而被使用的部件，而并非是光束测量装置1A的构成要素。
接着，对光束测量装置1A进行说明。图1所示的光束测量装置1A大致划分为：由在图中点划线所示的光轴上所配置的各种光学部件构成的光学系统部分、和以分析装置31为中心构成的测量分析系统部分；该光学系统部分还可划分为：将来自所述光拾取组件50的光束引导至光学系统内的准直仪透镜11、用于对所被引导的光束进行波前测量的波前测量部10A、和用于对所被引导的光束进行光斑特性测量的光斑特性测量部10B。
首先，对所述光学系统部分进行说明。所述波前测量部10A具有：被检/基准光束分离机构15，其将被引导的光束分离为用于波前测量的被检光束和基准光束作成用光束；波前整形机构20，其对所述基准光束作成用光束进行波前整形而转换为基准光束；合成机构15，其将所述被检光束和所述基准光束相互地合成而获得干涉光；和干涉条纹成像/摄像机构18、19，其通过获得的所述干涉光使携带有光束的波前信息的干涉条纹成像并进行摄像。
更具体而言，所述波前整形机构由反射型波前整形单元20构成。该反射型波前整形单元20具有：使基准光束作成用光束汇聚的汇聚透镜21、和在该汇聚透镜21的汇聚点所配置的微小的反射衍射部22，其将入射的基准光束作成用光束的一部分进行波前整形，转换为所述基准光束，并将该基准光束朝向所述被检/基准光束分离机构射出。
所述反射衍射部22，例如是通过蒸镀等形成在基板23上的由金、铝、铬等的金属膜构成，其大小比作为汇聚光束入射的光束的衍射极限小。而且，其构成为使作为汇聚光束入射的基准光束作成用光束的一部分，作为波前整形后的理想球面波而进行反射。另外，对基板23的与汇聚透镜21相对的面，施行了与光束的波长对应的防反射敷涂(coat)处理，使的未进行波前整形的基准光束作成用光束不返回到汇聚透镜21。
另外，所述被检/基准光束分离机构以及所述合成机构由光束分离/合成面15构成。该光束分离/合成面15由立方棱镜(cube prism)型的分束器或板状的半反射镜(half mirror)等形成，不仅使与基准光束作成用光束分离的被检光束入射到反射板17的反射面17a(被高精度平滑处理以使入射光束的波前得以维持)，而且使从该反射面17a返回的被检光束与来自所述反射型波前整形单元20的基准光束进行合成。
在所述反射板17上设置有：保持该反射板17可沿光轴方向(图中上下方向)移动的1轴架；和具有压电元件等而形成的凸缘扫描转接器(fringescan adapter)(皆省略其图示)。这些部件是使从光束分离/合成面15经由反射面17a而返回到光束分离/合成面15的第1光程长、与从光束分离/合成面15经由反射型波前整形单元20而返回到光束分离/合成面15的第2光程长相互大约一致的光程长调整机构。另外，凸缘扫描转接器是构成相移机构的部件，例如，其在利用相移法进行亚条纹(subfringe)计测等之际，通过驱动压电元件使反射板17沿光轴方向产生微动。
另外，所述干涉条纹成像/摄像机构由成像透镜18和第1摄像照相机19构成。成像透镜18构成为，使通过来自光束分离/合成面15的干涉光而获得的干涉条纹成像在第1摄像照相机19的摄像面19a(例如，由CCD或CMOS等的摄像面构成)上；第1摄像照相机19构成为，对成像在摄像面19a上的干涉条纹进行摄像，并将其图像信号输出。
另外，在所述光束分离/合成面15和所述反射型波前整形单元20之间的光路上，配置有遮光机构16。该遮光机构16由可开关的光阑等构成，其构成为，在后述的通过运算求取光束的点像强度分布之际，将光束分离/合成面15和反射型波前整形单元20之间的光路隔断，在波前测量时将该光路打开。
另一方面，所述光斑特性测量部10B具有：光斑作成用光束分离机构12，其将入射到所述光束分离/合成面15之前的光束的一部分作为光斑作成用光束而进行分离；和点像成像/摄像机构13、14，其通过被分离的光斑作成用光束而使光束的点像成像并进行摄像。
更具体而言，所述光斑作成用光束分离机构由立方棱镜型的分束器或板状的半反射镜等所形成的光束分离面12构成；所述点像成像/摄像机构由成像透镜13和第2摄像照相机14构成。即，光束分离面12构成为，将从准直仪透镜11射出的光束的一部分作为光斑作成用光束进行分离，并引导至成像透镜13；成像透镜13构成为，将由光斑作成用光束而生成的点像成像在第2摄像照相机14的摄像面14a(由CCD或CMOS等的摄像面构成)上。另外，第2摄像照相机14构成为，对成像在摄像面14a上的点像进行摄像，并将其图像信号输出。
接着，对所述测量分析系统部分进行说明。该测量分析系统部分具备：分析装置31，其基于来自第1以及第2摄像照相机19、14的图像信号进行各种分析；显示装置32，其显示该分析装置31的分析结果和图像；和输入装置33，其由键盘和鼠标等构成。
所述分析装置31由计算机等构成，如图2所示，具备：图像生成部34，其基于来自第1以及第2摄像照相机19、14的图像信号，生成干涉条纹的图像数据以及点像的图像数据；作为第1分析机构的条纹分析部35，其对干涉条纹的图像数据进行分析来获得光束的波前测量结果；和作为第2分析机构的点像分析部36，其对点像的图像数据进行分析，来获得光束斑(beam spot)的形状和大小、或点像强度分布和重心坐标等的光斑特性测量结果。
而且，该分析装置31具备：点像强度分布运算部37，其通过运算求得光束的点像强度分布；和比较分析部38，其对通过该点像强度分布运算部37以及所述点像分析部36分别求得的2个点像强度分布结果进行相互比较分析。另外，具体而言，这些各部34～38是由存储在存储器等中的处理程序、和执行该处理程序的运算电路等构成。
所述点像强度分布运算部37构成为，在图1所示的遮光机构16将光束分离/合成面15和反射型波前整形单元20之间的光路隔断之际，通过对基于来自第1摄像照相机19的图像信号而在所述图像生成部34中生成的、表示光束的平行波前强度分布的图像数据，进行傅立叶变换运算，来求得光束的点像强度分布。这样，作为从光束的平行波前的强度分布求取该点像强度分布的方法，一直公知的是例如记载于以下文献(1)、(2)中的方法。
(1)Warren J.Smith：Optical Engineering.SPIE Press，McGraw-Hill 3rdEdition
(2)Max Born & Emil Wolf：Principle of Optics，Pergamon Press 6thEdition
这样，在光束测量装置1A中，光束的点像强度分布能够通过2种方法求得，即，该2种方法分别是：基于通过光斑特性测量部10B以及图像生成部34获得的光束的点像，在点像分析部36中求取点像强度分布的方法，和基于通过波前测量部10A以及图像生成部34获得的光束的平行波前强度分布，在点像强度分布运算部37中求取点像强度分布的方法。由于这2种点像强度分布，是通过1台光束测量装置1A获得的，所以，可较易获取相互间的相关性(利用各自的测量装置获得了2种点像强度分布，要获取它们的相关性是极难的)。因此，有可能将通过所述比较分析部38而获得的比较分析结果，在通过光束测量装置1A而获得的波前测量结果和光斑特性测量结果的精度判断中进行利用，或在求取光束测量装置1A所具有的像差等系统误差上进行利用。
以下，对所述光束测量装置1A在测量时的作用进行说明。
如图1所示，从所述光拾取组件50朝图中右方射出的可干涉性低的光束，在由准直仪透镜11将其转换为平行光束之后，在光束分离面12处分离为朝图中右方的波前测量用的光束、和朝图中下方的光束斑作成用光束。
分离后的光束斑作成用光束经由成像透镜13而汇聚在第2摄像照相机14内的摄像面14a，在该摄像面14a上形成光束的点像。所形成的点像被第2摄像照相机14摄像，并将其图像信号输出到分析装置31。基于所输出的图像信号，在分析装置31的图像生成部34中生成点像的图像数据，并在点像分析部36中对该点像的图像数据进行分析，来获得光束斑的点像强度分布和半宽度、截面形状与亮度色散(dispersion)等各种的光斑特性测量结果。
另一方面，从光束分离面12朝图中右方的波前测量用光束入射到光束分离/合成面15，在该光束分离/合成面15处分离为：朝图中上方反射的被检光束、和透过该光束分离/合成面15朝向反射型波前整形单元20的基准光束作成用光束，基准光束作成用光束通过处于打开状态的遮光机构16，入射到汇聚透镜21。
入射到该汇聚透镜21的基准光束作成用光束，通过该汇聚透镜21而被汇聚，入射到在该汇聚点上所配置的反射衍射部22。入射到该反射衍射部22的基准光束作成用光束的一部分，在该反射衍射部22中被转换为经过波前整形后的球面波，并朝向汇聚透镜21反射。该球面波在汇聚透镜21中被转换为平面波，作为基准光束朝光束分离/合成面15射出。并且，该基准光束的一部分在光束分离/合成面15处朝图中下方反射。
另一方面，从光束分离/合成面15朝图中上方反射的被检光束，在反射板17的反射面17a处朝相反方向反射，返回到光束分离/合成面15，其一部分透过光束分离/合成面15，朝图中下方射出。
通过使该被检光束与光束分离/合成面15所反射的基准光束合成来获得干涉光。该干涉光经由成像透镜18入射到第1摄像照相机19内的摄像面19a，在该摄像面19a上形成携带有光束的波前信息的干涉条纹像。所形成的干涉条纹像由第1摄像照相机19摄像，将其图像信号输出到分析装置31。基于所输出的图像信号，在分析装置31的图像生成部34中生成干涉条纹像的图像数据，并在条纹分析部35中对该干涉条纹像的图像数据进行分析，来获得光束的波前测量结果。
根据所述的光束测量装置1A，由于其不仅具备波前测量部10A和光斑特性测量部10B，而且波前测量部10A采用具有反射型波前整形单元20、光束分离/合成面15、反射板17、和光程长调整机构的迈克逊型的光学系统配置，所以，在能够进行可干涉性低的光束的波前测量和光束的光斑特性测量这2种测量的同时，与现有的马赫-曾德尔型的波前测量装置相比，能够使光学系统的调整和相移机构的设置较易进行。
<第2实施方式>
接着，对本发明所涉及的光束测量装置的第2实施方式进行说明。图3是本发明第2实施方式所涉及的光束测量装置1B的概略构成图。另外，在图3所示的光束测量装置1B中，对与图1所示的光束测量装置1A相同的构成要素采用共同的标识，并为了避免重复而省略其详细的说明，下面，仅对不同点来详细地进行说明。
图3所示的光束测量装置1B是对从光拾取组件50输出的光束进行波前测量的装置，与图1所示的光束测量装置1A不同的不同点在于，其不具备光斑特性测量部。另外，不具备光斑特性测量部，也就省略了图1所示的遮光机构16、图2所示的点像分析部36、点像强度分布运算部37以及比较分析部38等。
另外，图3所示的波前测量部10A’由具有反射型波前整形单元20、光束分离/合成面15、和反射板17的迈克逊型光学系统配置构成，并且，反射板17在具有由1轴架和凸缘扫描转接器构成的光程长调整机构的方面，与先前的第1实施方式相同。
因此，根据该光束测量装置1B，能够对可干涉性低的光束进行波前测量，并且，与现有的马赫-曾德尔型的波前测量装置相比，使光学系统的调整与相移机构的设置能够较容易进行。
<实施方式的变更>
以上，对本发明的实施方式详细地进行了说明，但是，本发明并非限定于这些实施方式，其实施方式可作各种变更。
例如，在所述的实施方式中，为了使进行测量的光束的波长不变化，反射型波前整形单元20仅为1种，但是，也可以是进行测量的光束为多个，以能对应这些波长相互不同的情况，而针对各波长具备各自对应的多种反射型波前整形单元，在进行测量的光束波长变化之际，可相互切换而使用。
而且，在图1所示的实施方式中，将入射到所述光束分离/合成面15(被检/基准光束分离机构)之前的光束的一部分，作为光斑作成用光束通过光束分离面12(光斑作成用光束分离机构)进行了分离，但是，也可以在光束分离/合成面15和反射板17之间设置其他的光束分离面，将通过光束分离/合成面15分离后的被检光束的一部分，作为光斑作成用光束进行分离，或者在光束分离/合成面15和波前整形单元20之间设置其他的光束分离面，将进行波前整形之前的基准光束作成用光束的一部分，作为光斑作成用光束进行分离。
此外，在所述的实施方式中，为了将从光拾取组件50输出的光束作为测量对象，与通常的干涉计装置不同，不具备作为构成要素的光源装置，但是，也可以具备可输出具有高精度波前的基准光束的基准光源装置。在具备这样的基准光源装置的情况下，使来自基准光源装置的基准光束，经由成为测量对象的被检透镜而输出，并通过对其波前进行测量，而可以计测被检透镜的折射率分布等。
另外，波前整形单元20中所使用的反射衍射部22，也可以利用上述专利文献2所公开的各种实施方式的反射衍射部。

Claims (4)

1、一种光束测量装置，具有：被检/基准光束分离机构，其将成为测量对象的光束分离成被检光束和基准光束作成用光束；波前整形机构，对所述基准光束作成用光束进行波前整形，将其转换为基准光束；合成机构，将所述被检光束和所述基准光束相互合成来获得干涉光；和干涉条纹成像/摄像机构，通过获得的所述干涉光使携带有所述光束波前信息的干涉条纹成像并进行摄像；
所述波前整形机构由反射型波前整形单元构成，该反射型波前整形单元具有：使所述基准光束作成用光束汇聚的汇聚透镜、和在该汇聚透镜的汇聚点所配置的微小反射衍射部，其对入射的所述基准光束作成用光束的一部分进行波前整形，转换为所述基准光束，并将该基准光束朝向所述被检/基准光束分离机构射出；
所述被检/基准光束分离机构以及所述合成机构由光束分离/合成面构成，该光束分离/合成面不仅使与所述基准光束作成用光束分离后的所述被检光束入射到反射面，而且使从该反射面返回的所述被检光束与来自所述波前整形机构的所述基准光束合成；
具备光程长调整机构，其至少在所述光束是可干涉性低的光束的情况下，使从所述光束分离/合成面经由所述反射面而返回到所述光束分离/合成面的第1光程长、与从所述光束分离/合成面经由所述反射型波前整形单元而返回到所述光束分离/合成面的第2光程长大约相互一致。
2、根据权利要求1所述的光束测量装置，其特征在于，具备：
光斑作成用光束分离机构，其将入射到光束分离/合成面之前的光束、通过光束分离/合成面分离之后的被检光束、或进行波前整形之前的所述基准光束作成用光束中任意一个的一部分作为光斑作成用光束进行分离；和
点像成像/摄像机构，其通过光斑作成用光束使所述光束的点像成像并进行摄像。
3、根据权利要求1所述的光束测量装置，其特征在于，具备：
第1分析机构，其对所述干涉条纹进行分析来获得所述光束的波前测量结果。
4、根据权利要求2所述的光束测量装置，其特征在于，具备：
第1分析机构，其对所述干涉条纹进行分析来获得所述光束的波前测量结果；和
第2分析机构，其对所述点像进行分析来获得所述光束的光斑特性测量结果。
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