JP2003207416A - 回折型光学部品の光学特性測定装置及び測定方法 - Google Patents
回折型光学部品の光学特性測定装置及び測定方法Info
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 回折型光学部品の光学特性、中でもレーザビ
ームの回折効率や分岐均一性などの高精度測定を可能な
らしめる。 【解決手段】 レーザ光源からのレーザビームをビーム
サンプラなどの分割手段５で分割して、分割したビーム
のパワーＱを第１検知器６で測定する。また、ＤＯＥを
外してピンホールを通過した光のパワーｑ1 を第２検知
器１２で測定しパワー比α＝ｑ1 ／Ｑを求める。次に、
ＤＯＥをセットし、このときの分岐光パワーｑk と上記
Ｑの比βk ＝ｑk ／Ｑを求め、前記αを基準にしてβk
を評価する。
ームの回折効率や分岐均一性などの高精度測定を可能な
らしめる。 【解決手段】 レーザ光源からのレーザビームをビーム
サンプラなどの分割手段５で分割して、分割したビーム
のパワーＱを第１検知器６で測定する。また、ＤＯＥを
外してピンホールを通過した光のパワーｑ1 を第２検知
器１２で測定しパワー比α＝ｑ1 ／Ｑを求める。次に、
ＤＯＥをセットし、このときの分岐光パワーｑk と上記
Ｑの比βk ＝ｑk ／Ｑを求め、前記αを基準にしてβk
を評価する。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】この発明は、フレネルレン
ズ、ハイブリッドレンズや分岐回折型光学部品（以下、
これ等をＤＯＥと称す）の光学特性、特に、レーザビー
ムの回折効率や分岐均一性などを高精度に測定できる測
定装置と測定方法に関する。
ズ、ハイブリッドレンズや分岐回折型光学部品（以下、
これ等をＤＯＥと称す）の光学特性、特に、レーザビー
ムの回折効率や分岐均一性などを高精度に測定できる測
定装置と測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】多点一括孔明けなどを行うレーザ加工機
用のＤＯＥを開発するに当って、加工機の性能を左右す
るＤＯＥの光学特性、即ち、回折効率や分岐均一性など
を高精度に評価することが必要になってきている。図９
を参照して、その評価に関する説明を行う。
用のＤＯＥを開発するに当って、加工機の性能を左右す
るＤＯＥの光学特性、即ち、回折効率や分岐均一性など
を高精度に評価することが必要になってきている。図９
を参照して、その評価に関する説明を行う。
【０００３】被検物即ち、ＤＯＥにパワーＰinのレーザ
ビームが入射し、それが複数（図では７つ）に分岐され
てレンズＬで像面上の各位置に集光される。このとき、
各分岐光のパワーＰk の和と入射パワーＰinとの比を回
折効率という。これは、ＤＯＥを使う場合のエネルギー
利用効率を表すもので、通常は０．６〜０．９程度（つ
まり回折効率６０〜９０％）の値を取り、残りの１−η
はロスでノイズとして周辺に散逸する。また、各分岐光
のパワーＰk の均一性については、標準偏差δや最大、
最小の幅Ｒなどで表す。同図に回折効率η、標準偏差
δ、最小、最大幅Ｒの算出式を併記する。式中のＮS は
分岐数、
ビームが入射し、それが複数（図では７つ）に分岐され
てレンズＬで像面上の各位置に集光される。このとき、
各分岐光のパワーＰk の和と入射パワーＰinとの比を回
折効率という。これは、ＤＯＥを使う場合のエネルギー
利用効率を表すもので、通常は０．６〜０．９程度（つ
まり回折効率６０〜９０％）の値を取り、残りの１−η
はロスでノイズとして周辺に散逸する。また、各分岐光
のパワーＰk の均一性については、標準偏差δや最大、
最小の幅Ｒなどで表す。同図に回折効率η、標準偏差
δ、最小、最大幅Ｒの算出式を併記する。式中のＮS は
分岐数、
【０００４】
【外１】
【０００５】はＰk の平均を意味する。
【０００６】上記の定義によれば、入射するレーザビー
ムのパワーＰinをパワーメータで測定し、また各分岐光
のパワーＰk についても適当な大きさのピンホールを配
置してそれぞれの分岐スポット毎にパワーを測定すれ
ば、回折効率と分岐均一性が求められることになる。
ムのパワーＰinをパワーメータで測定し、また各分岐光
のパワーＰk についても適当な大きさのピンホールを配
置してそれぞれの分岐スポット毎にパワーを測定すれ
ば、回折効率と分岐均一性が求められることになる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】上述した評価方法に
は、以下に列挙する測定精度上の問題がある。
は、以下に列挙する測定精度上の問題がある。
【０００８】パワーメータの精度によって測定精度が
決まる。回折効率を高精度に測定するには、入射ビーム
のパワーＰinと分岐光のパワーＰk を高い「絶対値精
度」で測定することが必須となる。例えば、レーザビー
ムの分岐数が１００を越える場合、上記のＰk はＰinに
比べて２桁以上も小さい値となるため、パワーメータの
絶対値精度が極めて重要になる。また、分岐均一性につ
いては、繰り返し測定精度が重要となる。これに対し、
市販のパワーメータの絶対値精度（確度）は±３〜５％
程度であり、不十分である。
決まる。回折効率を高精度に測定するには、入射ビーム
のパワーＰinと分岐光のパワーＰk を高い「絶対値精
度」で測定することが必須となる。例えば、レーザビー
ムの分岐数が１００を越える場合、上記のＰk はＰinに
比べて２桁以上も小さい値となるため、パワーメータの
絶対値精度が極めて重要になる。また、分岐均一性につ
いては、繰り返し測定精度が重要となる。これに対し、
市販のパワーメータの絶対値精度（確度）は±３〜５％
程度であり、不十分である。
【０００９】レーザビームのパワー安定性の影響を大
きく受ける。レーザパワーが不安定であると、ＰinとＰ
k の測定値がばらついて測定精度が低下する。市販の炭
酸ガスレーザのパワー安定性は、標準的には±５〜１０
％程度であり、この面も十分ではない。
きく受ける。レーザパワーが不安定であると、ＰinとＰ
k の測定値がばらついて測定精度が低下する。市販の炭
酸ガスレーザのパワー安定性は、標準的には±５〜１０
％程度であり、この面も十分ではない。
【００１０】分岐光を通すピンホールのサイズによっ
て測定結果が左右される。各分岐光のパワーＰk を正確
に測定するには、最適サイズのピンホール選定が不可欠
であるが、各スポットの強度分布は裾野を引いて広がっ
ているので、ピンホールサイズの選定は非常に難しい。
そのサイズが小さいとパワーの拾い残しが生じてＰk が
過小評価され、逆に大きすぎると周囲のノイズや隣接す
る分岐光のパワーも取り込まれてＰk が過大評価され
る。このようにピンホールサイズが変わることで測定結
果が変動し、信頼性に欠ける。
て測定結果が左右される。各分岐光のパワーＰk を正確
に測定するには、最適サイズのピンホール選定が不可欠
であるが、各スポットの強度分布は裾野を引いて広がっ
ているので、ピンホールサイズの選定は非常に難しい。
そのサイズが小さいとパワーの拾い残しが生じてＰk が
過小評価され、逆に大きすぎると周囲のノイズや隣接す
る分岐光のパワーも取り込まれてＰk が過大評価され
る。このようにピンホールサイズが変わることで測定結
果が変動し、信頼性に欠ける。
【００１１】レーザビームの品質の影響が大きい。レ
ーザビームの横モード特性や波面収差で集光スポットが
大きくなり、歪んだ形状になると上記したピンホールサ
イズの選定が益々難しくなる。
ーザビームの横モード特性や波面収差で集光スポットが
大きくなり、歪んだ形状になると上記したピンホールサ
イズの選定が益々難しくなる。
【００１２】測定系中のレンズ特性の影響が大きい。
各分岐光のパワーＰk の値は使用するレンズの透過率の
影響を受ける。透過率が低いと回折効率の測定値がその
分低くなる。また、レンズの収差はレーザ品質と同様光
スポットを歪ませる。軸外の収差は入射角度依存性があ
るので、入射角度が大きい高次分岐になるほどＰk の値
が低下すると云う問題も生じさせる。
各分岐光のパワーＰk の値は使用するレンズの透過率の
影響を受ける。透過率が低いと回折効率の測定値がその
分低くなる。また、レンズの収差はレーザ品質と同様光
スポットを歪ませる。軸外の収差は入射角度依存性があ
るので、入射角度が大きい高次分岐になるほどＰk の値
が低下すると云う問題も生じさせる。
【００１３】この発明は、これ等の問題点を無くして高
精度測定を可能ならしめることを課題としている。
精度測定を可能ならしめることを課題としている。
【００１４】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、この発明においては、レーザ光源、その光源からの
レーザビームを分割するビーム分割手段、分割レーザビ
ームのパワー又はエネルギーを計測する第１測定手段、
ＤＯＥ、ＤＯＥによって複数に分岐されるビームの分岐
光を通すマスク、少なくとも光軸と垂直な面内で２軸方
向にマスクを変位させ得るマスク移動手段、マスクを通
過したビームのパワー又はエネルギーを計測する第２測
定手段、及び第１、第２測定手段で測定したパワー又は
エネルギーの比率を算出する演算手段を備えて成る回折
型光学部品の光学特性測定装置を提供する。
め、この発明においては、レーザ光源、その光源からの
レーザビームを分割するビーム分割手段、分割レーザビ
ームのパワー又はエネルギーを計測する第１測定手段、
ＤＯＥ、ＤＯＥによって複数に分岐されるビームの分岐
光を通すマスク、少なくとも光軸と垂直な面内で２軸方
向にマスクを変位させ得るマスク移動手段、マスクを通
過したビームのパワー又はエネルギーを計測する第２測
定手段、及び第１、第２測定手段で測定したパワー又は
エネルギーの比率を算出する演算手段を備えて成る回折
型光学部品の光学特性測定装置を提供する。
【００１５】この装置は、ＤＯＥによってはそのＤＯＥ
の後方に集光用のｆｓｉｎθレンズや単レンズを設置す
る。
の後方に集光用のｆｓｉｎθレンズや単レンズを設置す
る。
【００１６】その場合、ＤＯＥは集光用レンズの前側焦
点位置に配置するのが好ましい。
点位置に配置するのが好ましい。
【００１７】この発明では、かかる装置を使用し、以下
の２つの過程を経てＤＯＥの光学特性を測定する。 第１ステップ：ＤＯＥ無しで基準となるパワー比α＝ｑ
1 ／Ｑを求める。Ｑは第１測定手段で測定した入射レー
ザ光のパワー、ｑ1 はマスクを通過した光のパワーであ
る。 第２ステップ：ＤＯＥをセットして各分岐光についてパ
ワー比βk ＝ｑk ／Ｑを求める。ｑk は、ＤＯＥによっ
て分岐された光のパワーである。
の２つの過程を経てＤＯＥの光学特性を測定する。 第１ステップ：ＤＯＥ無しで基準となるパワー比α＝ｑ
1 ／Ｑを求める。Ｑは第１測定手段で測定した入射レー
ザ光のパワー、ｑ1 はマスクを通過した光のパワーであ
る。 第２ステップ：ＤＯＥをセットして各分岐光についてパ
ワー比βk ＝ｑk ／Ｑを求める。ｑk は、ＤＯＥによっ
て分岐された光のパワーである。
【００１８】これ等のパワー比α、βk の各測定値か
ら、各分岐光の強度、ＤＯＥの回折効率と分岐均一性を
求めることができる。
ら、各分岐光の強度、ＤＯＥの回折効率と分岐均一性を
求めることができる。
【００１９】なお、第１、第２ステップでは、光のパワ
ーではなく入射ビームとマスクを通過した光のエネルギ
ーを測定してその比を求めてもよい。
ーではなく入射ビームとマスクを通過した光のエネルギ
ーを測定してその比を求めてもよい。
【００２０】また、ＤＯＥによっては集光用レンズが不
要な場合がある。その集光用レンズの無い測定装置の場
合、第１ステップでは、ＤＯＥに代わるＤＯＥと同一焦
点距離の参照レンズをセットし、その参照レンズで分岐
した光のパワーやエネルギーを第２測定手段で測定す
る。
要な場合がある。その集光用レンズの無い測定装置の場
合、第１ステップでは、ＤＯＥに代わるＤＯＥと同一焦
点距離の参照レンズをセットし、その参照レンズで分岐
した光のパワーやエネルギーを第２測定手段で測定す
る。
【００２１】
【発明の実施の形態】図１に、この発明の方法の測定原
理を示す。ＤＯＥが適当な位置、サイズにビームを集光
できないもの、例えばフーリエ型ＤＯＥ（焦点距離が無
限大）、負焦点距離のフレネル型ＤＯＥ、正の長焦点距
離のフレネル型ＤＯＥである場合には、集光用レンズ９
が必須であるが正の適当な焦点距離を有するフレネル型
ＤＯＥの測定では集光用レンズ９は無くてもよい。ま
た、図示のレンズ９は複数のレンズから成るｆｓｉｎθ
レンズであるが、単レンズを用いてもよい。
理を示す。ＤＯＥが適当な位置、サイズにビームを集光
できないもの、例えばフーリエ型ＤＯＥ（焦点距離が無
限大）、負焦点距離のフレネル型ＤＯＥ、正の長焦点距
離のフレネル型ＤＯＥである場合には、集光用レンズ９
が必須であるが正の適当な焦点距離を有するフレネル型
ＤＯＥの測定では集光用レンズ９は無くてもよい。ま
た、図示のレンズ９は複数のレンズから成るｆｓｉｎθ
レンズであるが、単レンズを用いてもよい。
【００２２】図のように、レーザ光源からの入射レーザ
ビームをビームスプリッタやサンプラなどのビーム分割
手段５で一部分離し、第１検知器６のパワーメータでパ
ワーＱを測定できるようにしておく。また、ＤＯＥによ
って分岐されたビーム（分岐光）のパワーｑk を、マス
ク１０に設けたピンホールを通して第２検知器１２のパ
ワーメータで測定できるようにしておく。
ビームをビームスプリッタやサンプラなどのビーム分割
手段５で一部分離し、第１検知器６のパワーメータでパ
ワーＱを測定できるようにしておく。また、ＤＯＥによ
って分岐されたビーム（分岐光）のパワーｑk を、マス
ク１０に設けたピンホールを通して第２検知器１２のパ
ワーメータで測定できるようにしておく。
【００２３】さらに、マスク１０は、水冷ダンパ１１と
共に光軸と垂直な面内で少なくとも２軸方向に移動可能
とし、各分岐光のパワーｑk をそれぞれに第２検知器１
２のパワーメータで測定できるようにしておく。
共に光軸と垂直な面内で少なくとも２軸方向に移動可能
とし、各分岐光のパワーｑk をそれぞれに第２検知器１
２のパワーメータで測定できるようにしておく。
【００２４】そして、第１ステップとしてＤＯＥ無しで
測定を行い、マスク１０のピンホールを通過して検知器
１２に測定された光のパワーｑ1 と検知器６で測定した
パワーＱの比α＝ｑ1 ／Ｑを求める。
測定を行い、マスク１０のピンホールを通過して検知器
１２に測定された光のパワーｑ1 と検知器６で測定した
パワーＱの比α＝ｑ1 ／Ｑを求める。
【００２５】また、第２ステップではＤＯＥをセット
し、各分岐光についてＱとのパワー比βk ＝ｑk ／Ｑを
求める。
し、各分岐光についてＱとのパワー比βk ＝ｑk ／Ｑを
求める。
【００２６】ここで、集光用レンズ９を用いる場合、そ
のレンズ９の前側焦点部にＤＯＥを配置すると、像側テ
レセントリックとなり、ＤＯＥからの大きな回折角のビ
ームが集光用レンズに入射しても集光ビームが垂直にピ
ンホールに入射し、各分岐光のパワー測定条件が安定し
て好ましい。
のレンズ９の前側焦点部にＤＯＥを配置すると、像側テ
レセントリックとなり、ＤＯＥからの大きな回折角のビ
ームが集光用レンズに入射しても集光ビームが垂直にピ
ンホールに入射し、各分岐光のパワー測定条件が安定し
て好ましい。
【００２７】こうしてパワー比αとβk を測定すると、
下式を用いて各分岐光の強度及びＤＯＥの回折効率とビ
ームの分岐均一性を求めることができる。
下式を用いて各分岐光の強度及びＤＯＥの回折効率とビ
ームの分岐均一性を求めることができる。
【００２８】
【数１】
【００２９】この測定方法の特徴は、第１ステップで、
基準となるパワー比αを求めることにある。このパワー
比αは、値そのものは何の意味も持たないが、ＤＯＥ以
外のレーザ、ビームスプリッタ、レンズ、ピンホール、
検知器のすべての特性を含む測定系固有の値として求め
られる。つまり、測定系に固有のパワー比αを基準とし
て、ＤＯＥを挿入した場合のパワー比βk を評価するの
で、誤差要因をできる限り排除してＤＯＥ単独の特性を
評価することにつながる。
基準となるパワー比αを求めることにある。このパワー
比αは、値そのものは何の意味も持たないが、ＤＯＥ以
外のレーザ、ビームスプリッタ、レンズ、ピンホール、
検知器のすべての特性を含む測定系固有の値として求め
られる。つまり、測定系に固有のパワー比αを基準とし
て、ＤＯＥを挿入した場合のパワー比βk を評価するの
で、誤差要因をできる限り排除してＤＯＥ単独の特性を
評価することにつながる。
【００３０】この測定方法を用いた場合、前述の問題点
〜は下記のように解決または改善される。
〜は下記のように解決または改善される。
【００３１】パワーメータの精度：パワー比を測定す
るので、パワーメータの絶対値精度は必要ない（繰り返
し精度やリニアリティーが測定精度を左右する）。１０
０分岐以上の多分岐になると、測定の第１ステップでは
レーザ装置のパワーを低めに設定し、逆に第２ステップ
ではそれを高めにすれば、検知器で測定しなければなら
ないパワーの範囲を小さく抑えることができる。そうす
れば、パワーメータのリニアリティー誤差も大きな問題
とはならない。
るので、パワーメータの絶対値精度は必要ない（繰り返
し精度やリニアリティーが測定精度を左右する）。１０
０分岐以上の多分岐になると、測定の第１ステップでは
レーザ装置のパワーを低めに設定し、逆に第２ステップ
ではそれを高めにすれば、検知器で測定しなければなら
ないパワーの範囲を小さく抑えることができる。そうす
れば、パワーメータのリニアリティー誤差も大きな問題
とはならない。
【００３２】レーザの安定性：レーザのパワーが不安
定であっても、測定されるパワー比は原理上変化しない
ので、測定精度を低下させる要因とはならない。但し、
パワーメータの応答速度を超えるレーザパワー変動があ
った場合には、測定精度が低下すると予測される。
定であっても、測定されるパワー比は原理上変化しない
ので、測定精度を低下させる要因とはならない。但し、
パワーメータの応答速度を超えるレーザパワー変動があ
った場合には、測定精度が低下すると予測される。
【００３３】ピンホールのサイズ：ピンホールサイズ
が変わってもパワー比αやβk の値は一定の割合で増減
するだけであるので測定結果への影響が小さい。ピンホ
ールサイズは、隣り合う分岐光やノイズを拾わない範囲
で大きくできるし、逆に集光スポットサイズより小さく
することも可能である。
が変わってもパワー比αやβk の値は一定の割合で増減
するだけであるので測定結果への影響が小さい。ピンホ
ールサイズは、隣り合う分岐光やノイズを拾わない範囲
で大きくできるし、逆に集光スポットサイズより小さく
することも可能である。
【００３４】レーザの品質：レーザのモードや波面収
差により集光スポットのサイズや形状が予想と反するも
のになっても、上記同様の理由で測定結果に対する影響
は小さい。
差により集光スポットのサイズや形状が予想と反するも
のになっても、上記同様の理由で測定結果に対する影響
は小さい。
【００３５】レンズの特性：測定系中のレンズの透過
率が低くても、その影響はパワー比αにもβk にも含ま
れるので、測定結果に影響しない。軸上収差による集光
スポットの歪みも問題ないが、軸外の収差、すなわち入
射角度依存性がある場合は少し工夫がいる。この場合
は、予めそのレンズの入射角度依存性を測定しておき、
それを補正係数としてβk の値を補正すればよい。その
補正は、集光用レンズの手前にＤＯＥに代わる反射ミラ
ーを配置し、その反射ミラーで集光用レンズに入射する
レーザビームの角度θを変えながらパワー比の入射角度
依存性α（θ）＝ｑ1 ／Ｑを測定し、これをθ＝０°の
ときのパワー比α（０）で正規化して補正係数γ（θ）
＝α（θ）／α（０）を得る。次に、ＤＯＥをセットし
て求めた各分岐光のパワー比βk ＝ｑk ／Ｑを各分岐光
の回折角度θk に応じた補正係数γ（θk ）で割ると、
補正したパワー比βk’＝βk ／γ（θk ）を求めるこ
とができる。
率が低くても、その影響はパワー比αにもβk にも含ま
れるので、測定結果に影響しない。軸上収差による集光
スポットの歪みも問題ないが、軸外の収差、すなわち入
射角度依存性がある場合は少し工夫がいる。この場合
は、予めそのレンズの入射角度依存性を測定しておき、
それを補正係数としてβk の値を補正すればよい。その
補正は、集光用レンズの手前にＤＯＥに代わる反射ミラ
ーを配置し、その反射ミラーで集光用レンズに入射する
レーザビームの角度θを変えながらパワー比の入射角度
依存性α（θ）＝ｑ1 ／Ｑを測定し、これをθ＝０°の
ときのパワー比α（０）で正規化して補正係数γ（θ）
＝α（θ）／α（０）を得る。次に、ＤＯＥをセットし
て求めた各分岐光のパワー比βk ＝ｑk ／Ｑを各分岐光
の回折角度θk に応じた補正係数γ（θk ）で割ると、
補正したパワー比βk’＝βk ／γ（θk ）を求めるこ
とができる。
【００３６】同様に、透過率の入射角度依存性がある場
合も補正が可能である。高入射角度用として設計、製作
されたｆｓｉｎθレンズを用いる場合は、大きな回折角
度のビームに対しても収差補正がなされているので収差
の問題は生じない。このｆｓｉｎθレンズはスポットの
位置精度が高く、理想的なレンズである。
合も補正が可能である。高入射角度用として設計、製作
されたｆｓｉｎθレンズを用いる場合は、大きな回折角
度のビームに対しても収差補正がなされているので収差
の問題は生じない。このｆｓｉｎθレンズはスポットの
位置精度が高く、理想的なレンズである。
【００３７】図２に測定装置の全体の概要の一例を示
す。図の装置は、電源を含むＣＯ2 レーザ光源１、ガイ
ド光切替用のシャッタ２、光源及びシャッタの制御盤
３、レーザビームの向きを変えるミラーボックス４、ビ
ーム分割手段（ビームサンプラ）５、第１検知器６、ズ
ームエキスパンダ７、２枚のベントミラー８、集光用レ
ンズ９（図のそれはｆｓｉｎθレンズ）、ピンホール付
きマスク１０、マスク１０を装着した水冷ダンパ１１、
第２検知器１２、その第２検知器１２とダンパ１１とマ
スク１０を動かす３軸自動ステージ１３、そのステージ
用のコントローラ１４、測定パワーの表示器１５、及び
インターフェイスボード１６を伴うパソコン（パーソナ
ルコンピュータ）１７を備えて成る。
す。図の装置は、電源を含むＣＯ2 レーザ光源１、ガイ
ド光切替用のシャッタ２、光源及びシャッタの制御盤
３、レーザビームの向きを変えるミラーボックス４、ビ
ーム分割手段（ビームサンプラ）５、第１検知器６、ズ
ームエキスパンダ７、２枚のベントミラー８、集光用レ
ンズ９（図のそれはｆｓｉｎθレンズ）、ピンホール付
きマスク１０、マスク１０を装着した水冷ダンパ１１、
第２検知器１２、その第２検知器１２とダンパ１１とマ
スク１０を動かす３軸自動ステージ１３、そのステージ
用のコントローラ１４、測定パワーの表示器１５、及び
インターフェイスボード１６を伴うパソコン（パーソナ
ルコンピュータ）１７を備えて成る。
【００３８】図において、ＣＯ2 レーザ光源１から出射
されたレーザビームは、試料室１８内に導かれ、ビーム
サンプラ５でメインビームとサンプルビームに分けら
れ、サンプルビームのパワーが第１検知器６によって計
測される。また、メインビームは、ズームエキスパンダ
７によりビーム径が拡大され、２枚のベントミラー８を
通った後ＤＯＥに入射し、集光用レンズ９（これは単レ
ンズも可）で集光される。３軸自動ステージ１３によっ
てマスク１０を走査し、各分岐光についてマスクのピン
ホールを通過したパワーを第２検知器１２で計測する。
自動ステージ１３及び検知器のパワーメータはパソコン
１７で制御するようにしており、ステージの移動、パワ
ー計測を含めて自動測定を実施できる。また、自動測定
では、後述するように、ピンホールの自動調芯測定がな
されるようにしている。
されたレーザビームは、試料室１８内に導かれ、ビーム
サンプラ５でメインビームとサンプルビームに分けら
れ、サンプルビームのパワーが第１検知器６によって計
測される。また、メインビームは、ズームエキスパンダ
７によりビーム径が拡大され、２枚のベントミラー８を
通った後ＤＯＥに入射し、集光用レンズ９（これは単レ
ンズも可）で集光される。３軸自動ステージ１３によっ
てマスク１０を走査し、各分岐光についてマスクのピン
ホールを通過したパワーを第２検知器１２で計測する。
自動ステージ１３及び検知器のパワーメータはパソコン
１７で制御するようにしており、ステージの移動、パワ
ー計測を含めて自動測定を実施できる。また、自動測定
では、後述するように、ピンホールの自動調芯測定がな
されるようにしている。
【００３９】自動測定では、測定したい分岐スポットの
像面上の座標を指定すると、まずその位置を中心に所定
の範囲でピンホールを縦横ともに所定ピッチ（例えば１
０μｍピッチ）で移動して各位置でパワー比を測定す
る。その中で最大のパワー比となった位置について、更
に光軸方向にマスクを走査し最大パワー比となる光軸方
向の座標を求め、結果をリストに出力する。この走査を
各分岐位置について自動で繰り返し実施する。
像面上の座標を指定すると、まずその位置を中心に所定
の範囲でピンホールを縦横ともに所定ピッチ（例えば１
０μｍピッチ）で移動して各位置でパワー比を測定す
る。その中で最大のパワー比となった位置について、更
に光軸方向にマスクを走査し最大パワー比となる光軸方
向の座標を求め、結果をリストに出力する。この走査を
各分岐位置について自動で繰り返し実施する。
【００４０】本測定装置の精度を検証するために、ＤＯ
Ｅ無しでパワー比αを測定した結果を図３に示す。第２
検知器１２のパワー値が０．１〜２０Ｗとなる範囲でレ
ーザ装置のパワー設定を変更し、各パワー値でαの値を
１０回繰り返し測定し、その平均値をプロットした。第
２検知器１２は、最大３０Ｗまで測定できるタイプＡと
最大２ＷのタイプＢの両方を用いてテストした。本測定
では、レーザの出力を数１００ｍＷ〜２０Ｗ以上までの
広い範囲で調整したため、パワー変動が大きくなり、第
１、第２検知器の測定値は±１０〜３０％も変動した
が、図３に示すように、測定されたパワー比αは、タイ
プＡ、Ｂとも各パワー値でほぼ一定の値となった。各パ
ワーで１０回測定したαの全測定値の平均とそのバラツ
キ（２δ値）は、タイプＡでα＝１９１．７±３．７
％、タイプＢでα＝１２５．８±３．１％となり、目標
の精度±５％以下をクリアした。ここで、タイプＡ、Ｂ
でαの値が異なるのは、検知器の構造上の違い（受光面
の大きさ、ピンホールからの距離など）によるものであ
る。この結果から、本測定装置が十分に高い測定精度を
実現していることが確認された。
Ｅ無しでパワー比αを測定した結果を図３に示す。第２
検知器１２のパワー値が０．１〜２０Ｗとなる範囲でレ
ーザ装置のパワー設定を変更し、各パワー値でαの値を
１０回繰り返し測定し、その平均値をプロットした。第
２検知器１２は、最大３０Ｗまで測定できるタイプＡと
最大２ＷのタイプＢの両方を用いてテストした。本測定
では、レーザの出力を数１００ｍＷ〜２０Ｗ以上までの
広い範囲で調整したため、パワー変動が大きくなり、第
１、第２検知器の測定値は±１０〜３０％も変動した
が、図３に示すように、測定されたパワー比αは、タイ
プＡ、Ｂとも各パワー値でほぼ一定の値となった。各パ
ワーで１０回測定したαの全測定値の平均とそのバラツ
キ（２δ値）は、タイプＡでα＝１９１．７±３．７
％、タイプＢでα＝１２５．８±３．１％となり、目標
の精度±５％以下をクリアした。ここで、タイプＡ、Ｂ
でαの値が異なるのは、検知器の構造上の違い（受光面
の大きさ、ピンホールからの距離など）によるものであ
る。この結果から、本測定装置が十分に高い測定精度を
実現していることが確認された。
【００４１】次に、図２の測定装置を用いて、ＤＯＥの
回折効率、分岐均一性を測定した結果を説明する。
回折効率、分岐均一性を測定した結果を説明する。
【００４２】まず、７分岐ＤＯＥ（２段階位相）につい
て測定した結果を示す。この装置では、焦点距離５イン
チ（１２７ｍｍ）、直径２インチ（５０．８ｍｍφ）の
メニスカス非球面レンズを用いた。この場合、多分岐ス
ポットのピッチは０．５ｍｍである。他の条件は、エキ
スパンダ倍率２倍、ピンホール径２８０μｍφとし、検
知器２はタイプＡを用いた。５回の測定結果と解析結果
（微細加工時に発生した線幅誤差と段差誤差の影響をシ
ミュレーションした結果）を図４に示す。この棒グラフ
は、７つの分岐強度をプロットしたものである。５回の
測定値が、バラツキなくほぼ一致しているのがわかる。
また、解析値とも傾向が良く一致している。特に、中央
の０次光の強度が他の分岐光よりも低いのは、線幅誤差
によるものとシミュレーションで予測されたが、この現
象を測定値からも確認することができる。回折効率は、
解析値７４．３％に対し、測定値は７２．７％±０．３
％であった。また、分岐の均一性（δ値）は解析値１．
７％に対し、測定値はやや大きめの３．０％であった。
て測定した結果を示す。この装置では、焦点距離５イン
チ（１２７ｍｍ）、直径２インチ（５０．８ｍｍφ）の
メニスカス非球面レンズを用いた。この場合、多分岐ス
ポットのピッチは０．５ｍｍである。他の条件は、エキ
スパンダ倍率２倍、ピンホール径２８０μｍφとし、検
知器２はタイプＡを用いた。５回の測定結果と解析結果
（微細加工時に発生した線幅誤差と段差誤差の影響をシ
ミュレーションした結果）を図４に示す。この棒グラフ
は、７つの分岐強度をプロットしたものである。５回の
測定値が、バラツキなくほぼ一致しているのがわかる。
また、解析値とも傾向が良く一致している。特に、中央
の０次光の強度が他の分岐光よりも低いのは、線幅誤差
によるものとシミュレーションで予測されたが、この現
象を測定値からも確認することができる。回折効率は、
解析値７４．３％に対し、測定値は７２．７％±０．３
％であった。また、分岐の均一性（δ値）は解析値１．
７％に対し、測定値はやや大きめの３．０％であった。
【００４３】７×７＝４９分岐ＤＯＥ（１６段階位相）
についても上記７分岐と同様の条件で測定したところ、
各分岐光強度のバラツキ傾向が解析値（段差誤差と線幅
誤差を考慮）と測定値で非常に良く一致していた。回折
効率は、解析値が８８．５％であったのに対し、測定値
は８７．８％であった。また、分岐の均一性（δ値）は
解析値５．３％に対し、測定値は８．０％であった。
についても上記７分岐と同様の条件で測定したところ、
各分岐光強度のバラツキ傾向が解析値（段差誤差と線幅
誤差を考慮）と測定値で非常に良く一致していた。回折
効率は、解析値が８８．５％であったのに対し、測定値
は８７．８％であった。また、分岐の均一性（δ値）は
解析値５．３％に対し、測定値は８．０％であった。
【００４４】次に、分岐光強度のピンホールサイズ依存
性について調べた。ピンホールサイズを直径６０μｍ、
１００μｍ、１４０μｍ、１８０μｍ、２８０μｍとし
たときの分岐光強度の測定結果を図５に示す。これから
わかるように、ピンホールサイズを変えても測定値は変
わらなかった。
性について調べた。ピンホールサイズを直径６０μｍ、
１００μｍ、１４０μｍ、１８０μｍ、２８０μｍとし
たときの分岐光強度の測定結果を図５に示す。これから
わかるように、ピンホールサイズを変えても測定値は変
わらなかった。
【００４５】図６は、非球面形状と鋸歯状の微細凹凸形
状を併せ持ち、屈折と回折の両作用を有するハイブリッ
ドレンズを示している。焦点距離１２７ｍｍ、レンズ直
径５０．８ｍｍ、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）製のこのハ
イブリッドレンズについて以下の手順で回折効率の測定
を行った。 第１ステップ：ハイブリッドレンズ（ＤＯＥ）と同一焦
点距離（１２７ｍｍ）の非球面レンズ（参照レンズ）を
図１０のように測定装置にセットして基準パワー比α＝
ｑ1 ／Ｑを測定。 第２ステップ：非球面レンズをハイブリッドレンズに入
れ替えて各分岐光のパワー比β1 ＝ｑ1 ／Ｑを測定。 上記のように、本測定では集光レンズ９を用いない。ま
た本ハイブリッドレンズは集光用であって、分岐機能は
無いので、第２ステップで測定されるパワー比はβ1 の
みである。つまり、本測定装置及び測定方法は分岐ＤＯ
Ｅを主な測定対象としてはいるが、上記のように分岐機
能の無い集光ＤＯＥ（フレネルレンズ、ハイブリッドレ
ンズ等）の測定も当然可能である。
状を併せ持ち、屈折と回折の両作用を有するハイブリッ
ドレンズを示している。焦点距離１２７ｍｍ、レンズ直
径５０．８ｍｍ、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）製のこのハ
イブリッドレンズについて以下の手順で回折効率の測定
を行った。 第１ステップ：ハイブリッドレンズ（ＤＯＥ）と同一焦
点距離（１２７ｍｍ）の非球面レンズ（参照レンズ）を
図１０のように測定装置にセットして基準パワー比α＝
ｑ1 ／Ｑを測定。 第２ステップ：非球面レンズをハイブリッドレンズに入
れ替えて各分岐光のパワー比β1 ＝ｑ1 ／Ｑを測定。 上記のように、本測定では集光レンズ９を用いない。ま
た本ハイブリッドレンズは集光用であって、分岐機能は
無いので、第２ステップで測定されるパワー比はβ1 の
みである。つまり、本測定装置及び測定方法は分岐ＤＯ
Ｅを主な測定対象としてはいるが、上記のように分岐機
能の無い集光ＤＯＥ（フレネルレンズ、ハイブリッドレ
ンズ等）の測定も当然可能である。
【００４６】第１、第２ステップの測定値を用いて回折
効率η＝β1 ／αを調べたところ、サンプル１について
は η＝９７．３％、サンプル２についてはη＝９８．
６％の結果が得られた。いわゆるフレネルレンズ（平面
上に鋸歯状微細形状を持つ）についても、同様にして回
折効率を測定可能である。
効率η＝β1 ／αを調べたところ、サンプル１について
は η＝９７．３％、サンプル２についてはη＝９８．
６％の結果が得られた。いわゆるフレネルレンズ（平面
上に鋸歯状微細形状を持つ）についても、同様にして回
折効率を測定可能である。
【００４７】図２の測定装置を用いてフレネル型ＤＯＥ
の光学特性測定も行った。フレネル型ＤＯＥは、図７に
示すように、分岐と集光の２つの機能を有する。評価を
行ったフレネル型ＤＯＥは、焦点距離２５４ｍｍ、集光
スポット数７×７＝４９、スポットピッチ１ｍｍ、Ｚｎ
Ｓｅ製である。
の光学特性測定も行った。フレネル型ＤＯＥは、図７に
示すように、分岐と集光の２つの機能を有する。評価を
行ったフレネル型ＤＯＥは、焦点距離２５４ｍｍ、集光
スポット数７×７＝４９、スポットピッチ１ｍｍ、Ｚｎ
Ｓｅ製である。
【００４８】図２の装置のｆｓｉｎθレンズ９を図８に
示すようにメニスカス非球面集光レンズ１９に代え、そ
のレンズ１９の前側焦点位置に参照レンズ或いはフレネ
ル型ＤＯＥを配置する。測定は以下の手順で行った。 第１ステップ：フレネル型ＤＯＥと同一焦点距離（２５
４ｍｍ）のＺｎＳｅ製平凸レンズ（参照レンズ）をセッ
トして基準パワー比α＝ｑ1 ／Ｑを測定。 第２ステップ：平凸レンズをフレネル型ＤＯＥと入れ替
え、各分岐光のパワー比βk ＝ｑk ／Ｑを測定。
示すようにメニスカス非球面集光レンズ１９に代え、そ
のレンズ１９の前側焦点位置に参照レンズ或いはフレネ
ル型ＤＯＥを配置する。測定は以下の手順で行った。 第１ステップ：フレネル型ＤＯＥと同一焦点距離（２５
４ｍｍ）のＺｎＳｅ製平凸レンズ（参照レンズ）をセッ
トして基準パワー比α＝ｑ1 ／Ｑを測定。 第２ステップ：平凸レンズをフレネル型ＤＯＥと入れ替
え、各分岐光のパワー比βk ＝ｑk ／Ｑを測定。
【００４９】この過程を経た後、前掲の式（１）〜
（４）に基いて回折効率ηや分岐均一性δを算出した。
その結果、サンプル１は、η＝７１．７％、δ＝３．９
％であり、サンプル２はη＝７２．１％、δ＝３．７％
であった。なお、このフレネル型ＤＯＥは集光の機能も
持っているので、図１０のように集光レンズを用いない
測定も実施可能である。
（４）に基いて回折効率ηや分岐均一性δを算出した。
その結果、サンプル１は、η＝７１．７％、δ＝３．９
％であり、サンプル２はη＝７２．１％、δ＝３．７％
であった。なお、このフレネル型ＤＯＥは集光の機能も
持っているので、図１０のように集光レンズを用いない
測定も実施可能である。
【００５０】ここではＣＯ2 レーザを用いたＣＯ2 レー
ザ用ＤＯＥの光学特性測定のみを例に挙げたが、他のレ
ーザ（ＹＡＧレーザ他）用のＤＯＥについても、当該レ
ーザとそれ用の光学部品（ミラー、集光レンズなど）を
用いて例示の装置と同様の測定装置を構築し、同様の方
法で特性測定を行うことができ、その場合にもこの発明
の効果が発揮される。
ザ用ＤＯＥの光学特性測定のみを例に挙げたが、他のレ
ーザ（ＹＡＧレーザ他）用のＤＯＥについても、当該レ
ーザとそれ用の光学部品（ミラー、集光レンズなど）を
用いて例示の装置と同様の測定装置を構築し、同様の方
法で特性測定を行うことができ、その場合にもこの発明
の効果が発揮される。
【００５１】
【発明の効果】以上述べたように、この発明の測定装置
及び測定方法では、基準となる測定系固有のパワー比α
を求め、そのパワー比αを基準にしてＤＯＥを挿入した
ときのパワー比βk を評価するので、パワーメータの精
度、レーザの安定性、ピンホールのサイズ、レーザの品
質、測定系中のレンズの特性の影響を受けるところが少
なく、ＤＯＥの光学特性、中でも特に重要な回折効率、
分岐均一性、分岐位置精度を高精度に測定できる。
及び測定方法では、基準となる測定系固有のパワー比α
を求め、そのパワー比αを基準にしてＤＯＥを挿入した
ときのパワー比βk を評価するので、パワーメータの精
度、レーザの安定性、ピンホールのサイズ、レーザの品
質、測定系中のレンズの特性の影響を受けるところが少
なく、ＤＯＥの光学特性、中でも特に重要な回折効率、
分岐均一性、分岐位置精度を高精度に測定できる。
【００５２】なお、集光用レンズを設けたものは、適当
な位置、サイズにビームを集光できないＤＯＥについて
も特性評価が行える。
な位置、サイズにビームを集光できないＤＯＥについて
も特性評価が行える。
【００５３】また、ＤＯＥを集光用レンズの前側焦点部
に配置するものは、ＤＯＥからの大きな回折角のビーム
も垂直にピンホールに入射し、各分岐光の測定条件が安
定して測定精度がより良くなる。
に配置するものは、ＤＯＥからの大きな回折角のビーム
も垂直にピンホールに入射し、各分岐光の測定条件が安
定して測定精度がより良くなる。
【００５４】さらに、集光用レンズとしてｆｓｉｎθレ
ンズを用いたものは、収差による誤差の問題が起こら
ず、スポットの位置精度も高くてより良い測定結果が望
める。
ンズを用いたものは、収差による誤差の問題が起こら
ず、スポットの位置精度も高くてより良い測定結果が望
める。
【００５５】このほか、集光用レンズの特性に入射角依
存性があっても、測定値に与える影響を補正によって除
去でき、この場合も高精度測定が行える。
存性があっても、測定値に与える影響を補正によって除
去でき、この場合も高精度測定が行える。
【図１】この発明の装置及び方法の測定原理を示す図
【図２】測定装置の全体の概要の一例を示す図
【図３】パワー比の測定精度の検証結果を示す図
【図４】７分岐ＤＯＥの測定結果とシミュレーション解
析値を示す図
析値を示す図
【図５】分岐光強度のピンホールサイズ依存性の調査結
果を示す図
果を示す図
【図６】ハイブリッドレンズの概要を示す図
【図７】フレネル型ＤＯＥの分岐、集光状態を示す図
【図８】フレネル型ＤＯＥの特性測定状態を示す図
【図９】評価方法の従来例を示す図
【図１０】ハイブリッドレンズの特性測定状態を示す図
１ ＣＯ2 レーザ光源
５ ビーム分割手段
６ 第１検知器
９、１９ 集光用レンズ
１０ ピンホール付きマスク
１２ 第２検知器
１３ ３軸自動ステージ
ＤＯＥ 被検物
Claims (7)
- 【請求項１】 レーザ光源、その光源からのレーザビー
ムを分割するビーム分割手段、分割レーザビームのパワ
ー又はエネルギーを計測する第１測定手段、被検物、被
検物によって複数に分岐されるビームの分岐光を通すマ
スク、少なくとも光軸と垂直な面内で２軸方向にマスク
を変位させ得るマスク移動手段、マスクを通過したビー
ムのパワー又はエネルギーを計測する第２測定手段、及
び第１、第２測定手段で測定したパワー又はエネルギー
の比率を算出する演算手段を備えて成る回折型光学部品
の光学特性測定装置。 - 【請求項２】 被検物の後方に集光用レンズを配置した
請求項１に記載の回折型光学部品の光学特性測定装置。 - 【請求項３】 被検物を集光用レンズの前側焦点位置に
配置した請求項２に記載の回折型光学部品の光学特性測
定装置。 - 【請求項４】 集光用レンズとしてｆｓｉｎθレンズを
用いた請求項２又は３に記載の回折型光学部品の光学特
性測定装置。 - 【請求項５】 請求項１の測定装置を用い、その装置の
被検物に代わる被検物と同一焦点距離の参照レンズをセ
ットしてそのときの第１測定手段による測定パワーＱと
第２測定手段による測定パワーｑ1 の比α＝ｑ1 ／Ｑを
求める過程と、被検物をセットしてこのときの第２測定
手段による分岐光の測定パワーｑk とパワーＱとの比β
k ＝ｑk ／Ｑを各分岐光について求める過程を経る回折
型光学部品の光学特性測定方法。 - 【請求項６】 請求項２、３又は４の測定装置を用い、
その装置の被検物が無いとき、又は被検物に代わる被検
物と同一焦点距離の参照レンズをセットしたときの第１
測定手段による測定パワーＱと第２測定手段による測定
パワーｑ1 の比α＝ｑ1 ／Ｑを求める過程と、被検物を
セットしてこのときの第２測定手段による分岐光の測定
パワーｑk とパワーＱとの比βk ＝ｑk ／Ｑを各分岐光
について求める過程を経る回折型光学部品の光学特性測
定方法。 - 【請求項７】 請求項２、３又は４の測定装置を用い、
その装置の集光用レンズの手前に被検物に代わる反射ミ
ラーを配置し、その反射ミラーで集光用レンズに入射す
るレーザビームの角度θを変えながらパワー比の入射角
度依存性α（θ）＝ｑ1 ／Ｑを測定し、これをα（０）
で正規化して補正係数γ（θ）＝α（θ）／α（０）を
得る過程、 被検物が無いとき、又は被検物に代わる被検物と同一焦
点距離の参照レンズをセットしたときの第１測定手段に
よる測定パワーＱと第２測定手段による測定パワーｑ1
の比α＝ｑ1 ／Ｑを求める過程、 測定装置に被検物をセットしてこのときの第２測定手段
による分岐光の測定パワーｑk とパワーＱとの比βk ＝
ｑk ／Ｑを各分岐光について測定し、これを、各分岐光
の回折角度θk に応じた補正係数γ（θk ）で割り、補
正したパワー比βk’＝βk ／γ（θk ）を求める過程
を経る回折型光学部品の光学特性測定方法。
Priority Applications (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002007599A JP3578144B2 (ja) | 2002-01-16 | 2002-01-16 | 回折型光学部品の光学特性測定装置及び測定方法 |
| CA2416026A CA2416026C (en) | 2002-01-16 | 2003-01-10 | Apparatus and method of measuring optical properties of diffractive optical element |
| US10/340,620 US6937327B2 (en) | 2002-01-16 | 2003-01-13 | Apparatus and method of measuring optical properties of diffractive optical element |
| EP03000669A EP1329703B1 (en) | 2002-01-16 | 2003-01-16 | Apparatus and method of measuring optical properties of diffractive optical element |
| DE60312406T DE60312406T2 (de) | 2002-01-16 | 2003-01-16 | Apparat und Verfahren zur Messung von optischen Eigenschaften eines diffraktiven optischen Elements |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2002007599A JP3578144B2 (ja) | 2002-01-16 | 2002-01-16 | 回折型光学部品の光学特性測定装置及び測定方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003207416A true JP2003207416A (ja) | 2003-07-25 |
| JP3578144B2 JP3578144B2 (ja) | 2004-10-20 |
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
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| JP2002007599A Expired - Lifetime JP3578144B2 (ja) | 2002-01-16 | 2002-01-16 | 回折型光学部品の光学特性測定装置及び測定方法 |
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|---|---|
| US (1) | US6937327B2 (ja) |
| EP (1) | EP1329703B1 (ja) |
| JP (1) | JP3578144B2 (ja) |
| CA (1) | CA2416026C (ja) |
| DE (1) | DE60312406T2 (ja) |
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| JP2014170002A (ja) * | 2014-04-01 | 2014-09-18 | Fujikura Ltd | 溶接観察装置及びアーク溶接機 |
| CN105921893A (zh) * | 2016-07-07 | 2016-09-07 | 大族激光科技产业集团股份有限公司 | 一种硬脆材料的激光钻孔系统 |
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|---|---|---|---|---|
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| WO2008017097A1 (en) * | 2006-08-10 | 2008-02-14 | Merck Patent Gmbh | Method for isolating cells |
| GB0809003D0 (en) * | 2008-05-17 | 2008-06-25 | Rumsby Philip T | Method and apparatus for laser process improvement |
| CN102243137B (zh) * | 2011-06-21 | 2013-04-10 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 光束整形元件光学性能的检测装置和检测方法 |
| DE102012010960A1 (de) * | 2012-05-30 | 2013-12-05 | Fresnel Optics Gmbh | Anordnung zur optischen Charakterisierung vonFresnellinsen |
| CN103934577B (zh) * | 2014-03-12 | 2017-02-15 | 苏州福唐智能科技有限公司 | 切宽可调的无杂光激光加工系统 |
| CN104977156B (zh) * | 2015-08-03 | 2017-08-25 | 中国工程物理研究院应用电子学研究所 | 一种用于CCD远场法光束质量β因子测量的校准系统 |
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