JP2008519263A - 集光ビームを測定する為の方法および装置 - Google Patents

集光ビームを測定する為の方法および装置 Download PDF

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Abstract

波長λを含む光ビームをプロファイルする為の方法及び装置が提供される。光ビームは、受け取られる。二次光は、受け取られた光ビームで材料の蛍光を発生させることにより、波長λと異なる波長λ’で発生される。二次光は、受け取られた光ビームから分離される。分離された二次光は、光学的に光学上センサに向けられる。

Description

関連出願の相互参照
[0001]本願は、Timothy N. Thomas氏により2004年10月28日に提出された「集光ビームを測定する為の方法および装置」と題する米国特許仮出願第60/623,720号の出願の利益を主張する、正規の出願であり、付録を含む全てが参考の為に本願に組み込まれる。米国特許仮出願第60/623,720号は、公開されたPCT出願WO03/089,184号に対応しており、本願では「熱流束処理出願」として呼ぶ。
発明の背景
[0002]一定のレーザにより提供されるもののように、集光ビーム(concentratedlight beams)は、さまざまな異なる用途に使用される。これら様々な用途において価値がある、そのような光ビームの一つの特徴は、高精度な位置、サイズ、高輝度レベルの分布を提供する平行光ビームとして、高い集光出力ビームを送る能力である。しかし、この性能の質は、光ビームの質が劣化することにより損なわれる場合があり、例えば、構成部品の寿命、レーザ媒体の振動、衝撃、劣化、熱ドリフト、貧弱な光学配列、様々なコンポーネントの非線形性から生じる。
光ビームの輝度プロファイルの変化は、ビームの全出力に変化がなくても、性能上、著しい不利な結果を有する場合がある。
[0003]これらの懸念事項のため、輝度プロファイルが評価されるように周期的に光ビームがプロファイルされることが有用である。非常に高い出力移動はプロファイル装置を損傷することから、そのようなプロファイリングを実行するときの難題は、ビーム自身の輝度である。ビーム出力密度アプローチが1平方センチメートル当たり何千ワットのオーダーで評価するとき、特に、数多くの従来のビームプロファイリングシステムは、障害に直面する。
[0004]したがって、集光ビームのプロファイリングを可能にする方法及び装置が、技術的に一般的に必要である。
発明の概要
[0005]本発明の実施形態は、プロファイルされるべき光ビームの波長とは異なる波長で光を放射する蛍光材料を使用し、この放射された光を用いて光ビームを評価する。そのため、一部の実施形態では、一定の波長λを含むビームをプロファイルする為の方法が提供されている。光ビームが受け取られる。二次光は、受け取られた光ビームで材料に蛍光を発生させることにより、波長λとは異なる波長λ'で発生される。二次光は、受け取られた光ビームから分離される。分離された二次光は、光学的にセンサに向けられる。
[0006]一部の実施形態において、蛍光材料は、受け取られた光ビームの一部の中に配置され、光ビームは、蛍光材料に対し移動される。たとえば、光ビームの入射方向に対し実質的に直交する軸を有する円筒に光ビームが入射され、その円筒を軸周りに回転させることにより蛍光材料に対し光ビームを移動させてもよい。他の例において、光ビームの入射方向に対し実質的に平行な軸を有する円盤上に光ビームが入射され、軸周りに円盤を回転させることにより、蛍光材料に対し光ビームが移動される。また、センサは、円盤の軸周りに回転されてもよい。向けられた分離された二次光は、センサに焦点が合わせられてもよい。それに加えて、向けられた分離された二次光は、フィルタにかけられ、一定波長λで光が遮断されてもよい。一実施形態において、波長λは、およそ808nmであり、波長λ'は、およそ1064nmである。一実施形態において、光ビームは、実質的に単色でもよい。
[0007]他の実施形態において、波長λを含む光ビームをプロファイルする為の装置が提供されている。この装置は、本体、蛍光材料、光センサ、光学アレンジメント(配列)を備える。蛍光材料は、光ビームを受け取るように配向された本体の表面に近く配置される。蛍光材料は、光ビームによる励起に応じて、波長λと異なる波長λ'で放射し、本体は、波長λ、λ'に対し実質的に透過性を有する。光学アレンジメントは、波長λ'で光を光ビームから分離させ、波長λ'で光を光センサに向けるように適合されている。
[0008]蛍光材料は、本体の表面上に配置されてもよく、例えば、一実施形態において、蛍光材料は、本体の表面にわたり堆積された膜により構成されてもよいし、本体の表面の下方に本体内に配置されてもよい。光学アレンジメントは、波長λおよびλ’のうち一方の波長を有する光を実質的に伝送し、これらの波長λおよびλ’のうち他方の波長を有する光を実質的に反射する、本体内の表面を含んでもよい。一実施形態において、光学アレンジメントは、光センサに向けられた光の焦点を光センサに合わせる為に配置されたレンズを含む。光学アレンジメントは、光センサに焦点が合わされた光にフィルタをかける為に配置された、波長λを有する光の伝送を遮断する伝送特性を有するフィルタを更に含んでもよい。異なる実施形態において、光センサは、光検出器を備えてもよく、カメラを備えてもよい。一実施形態において、波長λは1000nm未満であり、蛍光材料は、Nd:YAGを備える。
[0009]本体に対し異なる構造が適用されてもよい。一実施形態において、本体は、光ビームの入射方向に対し実質的に直交する軸を有する中空円筒を備える。光学アレンジメントは、波長λおよびλ’のうち一方の波長を有する光を実質的に伝送し、これらの波長λおよびλ’のうち他方の波長を実質的に反射する中空円筒の中空部分の内部に表面を含む。本体に結合されたモータは、軸の周りで中空円筒を回転させてもよい。他の実施形態において、本体は、光ビームの入射方向に対し実質的に平行な軸を有する円盤を備える。本体内で結合されたモータは、軸の周りに光学アレンジメントと円盤を回転させてもよい。
[0010]本発明の特性および利点を更に理解する為に、本願明細書の残部および図面を参照する。
発明の詳細な説明
[0017]本発明の実施形態は、集光ビームにより提供されたエネルギ流に応じて蛍光を発生させる材料を使用する。本発明者により熱流束処理出願に詳述された一例のように熱処理システムにおける作業の過程で開発された発明は、そのような用途に限定されないが、他の用途に使用される集光ビームをプロファイルするときに一般的に使用されてもよい。熱流束処理出願で説明された熱処理システムにおいて、集光ビームは、連続波放射源により提供され、光学アレンジメントにより平行化され、半導体装置製造用処理の一部として、基板表面にわたって伸びる放射線に焦点が合わされる。集光によりターゲットの表面で発生される熱は、拡散を防止するのに十分に短い時間フレームにおけるアニーリングに有用な高い数値まで温度を上昇させる。本発明の実施形態は、熱流束出願で説明された一例のような連続波光源と共に使用するのに適しているが、他の実施形態は、バースト、パルス、フラッシュのように提供される集光をプロファイルする為に使用されてもよい。さらに、熱流束処理出願で説明された光学アレンジメントは光の焦点を線に合わせる為に使用されているが、本発明の異なる実施形態は、集光の他の幾何学的構成をプロファイルする為に使用されてもよい。
[0018]多くの実施形態において、集光ビームは、実質的に単色である。シリコン製基板が使用された、熱流束処理出願で説明された特定用途において、集光は、約190nmから950nmの間の波長を有し、波長808nmの波長を有する光の具体例が説明されている。以下の一部の検討において、この実施例も、例示の目的なので、本発明は、集光の具体的波長に限定されるものではない。さらに、本発明は、単色光ビームのプロファイリングに限定されるものではなく、実施形態は、安定したスペクトルを有する他のビームに提供可能である。
[0019]蛍光材料を用いた集光ビームの相互作用により発生される蛍光は、著しく減じられた全輝度さらに異なる波長以外で、一般的に、集光ビームと同一輝度のプロファイルを有する。たとえば、一部の実施形態において、蛍光材料は、波長1064nmで蛍光を発生させることにより、808nmの光ビームに応答するネオジム(イットリウム・アルミニウム・ガーネット)(“Nd:YAG”)から構成される。光学アレンジメントは、808nmと1064nmとの光の結果的な組合せを分離する為に使用され、高輝度の808nm光を導き、808nm光を消失させ、低輝度の1064nm光をセンサに導く。低輝度の1064nmの光が、検出器から得られた結果を用いてプロファイルされ、高輝度の808nmの光のプロファイルの指標として使用される。低輝度の光を用いてプロファイルが実行されるので、測定センサが溶け、蒸発し、或いは、光の輝度により損傷を受ける温度までセンサを加熱する著しい危険性がある。
[0020]図1は、本発明の異なる実施形態を一般化した全体像を提供する。ブロック104では、集められた、一定波長を有する光ビームが、プロファイリング装置に向けられる。ブロック108で使用される光ビームは、異なる波長λ’で蛍光源から二次光を発光するために使用される。波長λおよびλ’で結合された光は、ブロック112で、スペクトル・セパレータに向けられ、光は個々の波長要素に分離される。プロファイリング装置の光学的構造は、ブロック116で示されるように、波長λの光を消失させ、波長λ’の光を測定用センサに向けさせる。
[0021]プロファイリング装置の為の具体的な実施形態は、図2に概略的に示されている。プロファイリング装置は、ガラスのようなブロック204の材料を備え、これは、波長λおよびλ’の光に対し一般的に透過性を有する。ブロック204は、中間面208を備えてもよく、中間面208は、2つの波長のうち一方の波長で実質的に反射し、2つの波長のうち他方の波長で実質的に伝わる。たとえば、光学ブロック204は、所望の伝送/反射特性を有する光学被覆で表面の一つがコーティングされた後、それぞれの斜辺に沿って接合された矩形プリズムの半分を備えてもよい。具体的な図において、光学被膜は、プロファイリング装置に入射する光ビームの波長である波長λで伝送し、蛍光源224により発生される二次光の波長である波長λ’で反射する。図2の実施形態において、蛍光源224は、点のような構造として与えられているが、様々な異なる幾何学的形状パターンが(線構造、複数の分離された点のような構造、線と点のような構造の組合せ、他の幾何学的パターンを含む)他の実施形態で使用可能である。蛍光源224は、本体の表面近くに位置決めされ、入射光228は、蛍光源224と衝突し、二次光を発生させる。蛍光源224は、本体204の表面上に配置されてもよいが、本体の表面の下に植え込まれてもよい。
[0022]二次光236は、光学アレンジメントの他の部品により、センサ220に焦点が合わされる。図2に示された具体的実施形態は、光の焦点を合わせる為にレンズ216を使用するが、レンズ及び/又は反射面のアレンジメント(ミラーなど)を焦点合わせを達成する為に使用可能である。一部の実施形態において、到来する放射線の収集を増やす為に設計された光学部品(例えばウィンストン円すい)も使用可能である。光学アレンジメントは、また、都合良く、フィルタ212を備えてもよく、フィルタ212は、どのような迷光も初期ビーム228からセンサ220に導かれないことを確実にするため、二次光236の光路に沿って、波長λで不透明性を有するが波長λ’では伝送性がある。フィルタ212は、レンズ216と衝突する前に二次光212に衝突するように配置されて示されているが、衝突の順序は、逆でもよく、二次光236はフィルタ212と衝突する前にレンズに衝突してもよい。センサ220は、技術的に知られるタイプの光検出器を備えてもよい。例えば、プリズムブロック204、レンズ216,フィルタ212,センサ220を協調させて移動させることのように、ビームまたは光学アレンジメントを移動させることにより、センサ220の出力は、入射ビーム228の光輝度プロファイルを示す。
[0023]図3には、他の実施形態が示され、ブロック304の材料も同様に使用し、この材料は、波長λ及びλ’で実質的に輝き、中間面308を含むが、中間面308は、これらの波長のうち一方の波長で実質的に反射し、これらの波長のうち他の波長で実質的に伝送する。蛍光材料の別々のソースまたは他の幾何学的パターンを備える代わりに、ブロック304は、蛍光材料の膜320或いは蛍光材料でコーティングされている。プロファイリング装置は、他の方法で、図2との関連でなされた説明と同様に機能し、光324の入射光は、二次光332を発生させる為に蛍光の膜320と相互作用する。波長λの当初の光と波長λ’の二次光は、中間面308との相互作用により異なる方向に導かれる。前述したとおり、どの波長が反射され、どの波長が伝送するかは問題ではないが、図3は、波長λ’の反射、波長λの伝送という具体的な場合を例示している。二次光は、作像のためにセンサに向けられている。
[0024]図3は、また、センサという形式で更なる変形例を例示するが、ブロック304の表面全体で作像された光を検出できるカメラ316として提供可能である。このように、完全な入射ビーム324は、ビーム324又は光学アレンジメントを移動させることなく、プロファイル可能である。波長λ’の光を伝送するが波長λの光で実質的に不透明性を有するフィルタ312が、都合良く二次光の光路に沿って位置決めされ、波長λの迷光がカメラ316に到達することを妨げてもよい。カメラ316は、異なる実施形態において、電荷結合素子または他の種類のカメラでもよい。
[0025]全入射ビームをプロファイルする為に使用される動きを達成する為の他のアレンジメントが図4A−図5Bに例示されており、図4A−図4Cは一実施形態を例示し、図5A−図5Bは他の実施形態を例示する。これらの実施形態の各々において、検出器に二次光の焦点を合わせる光学アレンジメントの一部の為に、同一の全体的構造が例示されている。この構造は、波長λの光を伝送し、波長λ’の光を伝送しないフィルタと、焦点レンズとを備えるものとして示されているが、光ビームの収集を増やす為にウィンストン円すいのような付加的あるいは代替的光学部品を含んでもよい。
[0026]図4Aから図4Cに例示された実施形態は、図4Aで側面図、図4Bで端面図、図4Cで等角投影図が示されている。この実施形態は、波長λおよびλ’で透過性を有し、透過性円筒404内に配置された光学アレンジメントの少なくとも一部を備える。円筒404内に配置された光学アレンジメントの一部の位置決めは、円筒404が中空円筒として備えられ光学アレンジメントが中空部分の中に置かれるとき、単純化される。円筒404は、軸440の周りに円筒を回転させるように構成されたモータ(図示せず)に結合されている。そのような回転は、円筒404の表面上で幾何学的パターン内に配置される蛍光材料408を、異なる位置へと移動させるが、回転位置は、蛍光材料の場所と同期している。円筒404に入射する波長λの光ビーム428は、蛍光材料に波長λ’で二次光を放射させる。結合光は、センサ420に向けられる二次光を導く光学部品で分離され、レンズ416で焦点が合わされ、他の実施形態との関連で前述されたように、おそらく追加的にフィルタ412でフィルタがかけられる。結合光の分離は、前述された類似の構造を使用することにより、達成可能されてもよい。特に、光学部品424は、波長λで透過性を有するブロック材料であり、波長λ’の光を反射し、波長λの光を伝送するコーティングにより覆われている。代替実施形態において、反射性または伝送性という特性は、逆でもよく、波長λ’の二次光が伝送され、その後、焦点が合わされ光を感知する光学アレンジメントの一部に導かれる。
[0027]更なる変形例が図5A,図5Bに例示されているが、それぞれ、回転円盤504を使用する実施形態の側面図と同形の投射図を提供する。円盤504は、波長λ及びλ’の光に対し透過性を有する材料から形成され、前述されたような幾何学的形状パターンで円盤504の表面上に配置された蛍光材料508を含む。光学アレンジメントは、図4Aから図4Cの関連で説明されたものに類似しており、光学部品512は、波長λ及びλ’のうち一方の波長の光を反射し、他方の波長を伝送するように提供されている。円盤504の入射光ビーム528は、蛍光材料508に二次光536を発生させ、二次光536は、おそらくフィルタ516にかけられ迷光がセンサ524に到達することを妨げられてレンズ520でセンサ524に焦点が合わされる。円盤404と光学アレンジメントは、軸540の周りに回転させるモータ(図示せず)に結合され、入射ビーム528の異なる部分がセンサ524により連続的に作像可能である。
[0028]更なる代替案は、回転円盤604を使用する他の実施形態の平面図を提供する図6で例示されている。蛍光材料の複数の点612は、螺旋パターンで円盤の周りに分布されており、円盤604は軸616の周りに回転するとき、点612のうち異なる点が軸616から異なる半径距離でビーム608に曝される。一部の実施形態において、円盤604は、急速に回転されるので、点612の各々は、比較的に短時間の間隔であることを別にして反復してビーム608に曝される。そのような例において、単一の検出器が、二次光を収集する為に使用可能であり、画素間のクロストークは、最小になる。円盤を急速にスピンさせることから生じる追加の利点は、以下のとおりである。すなわち、ビームから吸収される熱が比較的に広い体積にわたって分布されるが、それは、点のデューティサイクルに関連するので、使用可能な出力密度を最大に増加することである。例示の目的のため、本発明者は、直径12cmの円盤が低速軸および高速軸で限定された点サイズにおいて、約4μmの解像度を生じ得ることを算出した。
[0029]前述された具体的な実施形態は、異なる態様の発明を例示すること目的としており、特に、波長λ及びλ’の結合光を分離し、二次光をセンサに導くときに使用可能な代替案は数多く存在する。たとえば、光の分離は、複数の波長のうち一つの波長の光を伝送し、これらの波長のうち他の波長の光を反射するコーティングを使用する実施形態の各々において説明されてきた。そのような構造は、特に、光学アレンジメントがウィンストン円すいのような光収集を改善するように設計された部品をも備えるとき、二次光の実質的に全輝度が保持され、センサに導かれるという点で利点がある。しかし、他の実施形態において、実質的に二色光を分離する他の技術は、たとえその技術が二次光の輝度で幾分かの消失が生じさせても、使用可能である。例えば、二色性の光が最初に焦点が合わされ、スプリッタに導かれ、スプリッタの一つの出力が更に、波長λ’の光だけを通過させるフィルタに導かれるアレンジメントは、二次光を収集するのに使用可能であろう。これと他の同様のアレンジメントは、図2−図6との関連で説明された他の構造と組み合わせてもよい。
[0030]さらに、他の代替的実施形態において、蛍光材料の使用は、入射ビームの波長の光を散乱するように作用し、それにより、センサによりサンプリング可能な輝度を著しく減じる散乱特徴を提供することにより、避けることが可能である。そのような散乱特徴は、前述された透過性構造204,304,404,504の表面、あるいは、これらに埋め込まれた表面上に置かれてもよい。その後、光の検出は、入射光の波長で伝送を遮断するフィルタを含むことなく、実行可能である。
[0031]幾つかの実施形態を説明したが、当業者は、更なる変形例、代替構成、均等物が、本発明の精神から逸脱することなく使用可能であることが分かるであろう。したがって、上記説明は、本発明の範囲を限定するものではなく、発明の範囲は請求項により限定される。
図1は、一定の実施形態における発明に係る方法をまとめたフローチャートである。 図2は、一実施形態において、集光ビームを測定する為の装置の概略図である。

図3は、他の実施形態において、集光ビームを測定する為の装置の概略図である。 図4Aは、別の実施形態において、集光ビームを測定する為の装置の概略側面図である。 図4Bは、別の実施形態において、集光ビームを測定する為の装置の概略端面図である。 図4Cは、別の実施形態において、集光ビームを測定する為の装置の概略等角投射図である。 図5Aは、更に別の実施形態において、集光ビームを測定する為の装置の概略側面図である。 図5Bは、更に別の実施形態において、集光ビームを測定する為の装置の概略同形投射図である。 図6は、追加の実施形態において、集光ビームを測定する為の装置の平面図である。
符号の説明
204…光学ブロック、本体、208…中間面、212…フィルタ、216…レンズ、220…センサ、224…蛍光源、228…入射光、236…二次光、304…ブロック、308…中間面、312…フィルタ、316…カメラ、320…膜、324…入射ビーム、光、332…二次光、404…円筒、408…蛍光材料、412…フィルタ、416…レンズ、420…センサ、424…光学部品、428…光ビーム、440…軸、504…円盤、508…、512…光学部品、516…フィルタ、520…レンズ、524…センサ、528…入射ビーム、536…二次光、540…軸、604…円盤、608…ビーム、612…点、616…軸

Claims (25)

  1. 波長λを含む光ビームをプロファイルする方法において:
    光ビームを受け取るステップと;
    受け取った光ビームで蛍光材料の蛍光を発生させることにより、波長λと異なる波長λ’で二次光を発生させるステップと;
    受け取った光ビームから前記二次光を分離するステップと;
    分離された前記二次光を光学的にセンサに向けるステップと;
    を備える方法。
  2. 受け取った光ビームの一部の中に前記蛍光材料が配置され、前記光ビームと前記蛍光材料を互いに移動させるステップを更に備える、請求項1に記載の方法。
  3. 前記光ビームは、前記光ビームの入射方向に対し実質的に直交する軸を有する円筒に入射され;
    前記光ビームと前記蛍光材料を互いに移動させるステップは、前記円筒を前記軸の周りに回転させるステップを備える、請求項2に記載の方法。
  4. 前記光ビームは、前記光ビームの入射方向に対し実質的に平行な軸を有する円盤に入射され;
    前記光ビームと前記蛍光材料を互いに移動させるステップは、前記円盤を前記軸の周りに回転させるステップを備える、請求項2に記載の方法。
  5. 前記光ビームと前記蛍光材料を互いに移動させるステップは、前記円盤の前記軸の周りに前記センサを回転させるステップを更に備える、請求項4に記載の方法。
  6. 前記蛍光は、前記円盤の周りに螺旋状に配列された一連の不連続点として分布される、請求項4に記載の方法。
  7. 向けられた分離された二次光の焦点を前記センサに合わせるステップを更に備える、請求項1に記載の方法。
  8. 向けられた分離された二次光にフィルタをかけ、波長λで光を遮断するステップを更に備える、請求項1に記載の方法。
  9. 波長λは、およそ808nmであり、波長λ’は、およそ1064nmである、請求項1に記載の方法。
  10. 前記光ビームは、実質的に単色である、請求項1に記載の方法。
  11. 光ビームをプロファイルする装置において:
    本体と;
    前記光ビームを受け取るように配向された前記本体の表面近くに配置された蛍光材料と;
    光センサと;
    前記光ビームから波長λ’で光を分離させ、波長λ’で前記光を前記光センサに向けるように適合された光学アレンジメントと;
    を備え、
    前記蛍光材料は、前記光ビームによる励起に応じて波長λと異なる波長λ’で光を放射し;
    前記本体は、前記波長λおよびλ’に対し実質的に透過性を有する、前記装置。
  12. 前記蛍光材料は、前記本体の前記表面に配置されている、請求項11に記載の装置。
  13. 前記蛍光材料は、前記本体の前記表面にわたり堆積された膜により構成される、請求項12に記載の装置。
  14. 前記蛍光材料は、前記本体の前記表面の下方で前記本体内に配置されている、請求項11に記載の装置。
  15. 前記光学アレンジメントは、波長λおよびλ’のうち一つの波長を有する光を実質的に送り、前記波長λおよびλ’のうち他の波長を有する光を実質的に反射する前記本体内の表面を含む、請求項11に記載の装置。
  16. 前記光学アレンジメントは、前記光センサに向けられる光を前記光センサに焦点を合わせるように配置されたレンズを含む、請求項11に記載の装置。
  17. 前記光学アレンジメントは、前記光センサに焦点が合わされた光にフィルタをかけるように配置された、波長λを有する光の伝送を遮断する伝送特性を有するフィルタを更に含む、請求項16に記載の装置。
  18. 前記光センサは、光検出器を備える、請求項11に記載の装置。
  19. 前記光センサは、カメラを備える、請求項11に記載の装置。
  20. 前記本体は、前記光ビームの入射方向に対し、実質的に直交する軸を有する中空円筒を備え;
    前記光アレンジメントは、前記中空円筒の中空部分内に表面を含み、これが、波長λおよびλ’のうち一方の波長を有する光を実質的に伝送し、前記波長λおよびλ’のうち他方の波長を有する光を実質的に反射し;
    前記装置は、前記軸周りに前記中空円筒を回転させるように前記本体に結合されたモータを更に備える、請求項11に記載の装置。
  21. 前記本体は、前記光ビームの入射方向に対して実質的に平行な軸を有する円盤を備え;
    前記装置は、前記軸の周りに前記円盤及び前記光学アレンジメントを回転させるように結合されたモータを更に備える、請求項11に記載の装置。
  22. 前記蛍光は、前記円盤の周りに螺旋状に配置された一連の不連続点として分布される、請求項10に記載の装置。
  23. 前記波長λは、1064nm未満であり、前記蛍光材料は、Nd:YAGを備える、請求項11に記載の装置。
  24. 前記波長λは、1064nm未満であり、前記蛍光材料は、ガラスに埋め込まれたNdイオンを備える、請求項11に記載の装置。
  25. 前記光ビームは、実質的に単色である、請求項10に記載の装置。
    濃縮した光ビームを測るための方法と装置
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