JP2022059662A - 測定装置、測定方法、制御方法、および制御プログラム - Google Patents

Abstract

【課題】位置情報の取得とビーム形状を測定する点で有利な装置を提供する。【解決手段】照射光の強度を検出する受光素子と、遮光部材と、遮光部材の境界が照射光を横切る際に受光素子で検出された照射光の強度の変化に基づいて、照射光のビーム形状と位置を算出する演算部と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、照射光を測定する測定装置等に関する。

光ビームの位置とプロファイルを測定する装置ならびに方法として、二次元センサを用いるものがある。また、特許文献１のように、回転するスリット光センサを用いて、ナイフエッジ方式によってビームプロファイルを取得する方法がある。

米国特許第３６１７７５５号明細書

しかし、二次元センサの場合、ピクセルサイズにより空間分解能が決定され、集光ビームのビームプロファイルを取得するには十分ではなかった。集光ビームのビームプロファイルを取得するために拡大光学系を挿入した場合、位置情報を広域に取得することが困難であった。

また、ナイフエッジ方式では、測定可能エリアは、ビームが受光センサに入るエリアに限定され、広域な位置情報を取得するためには受光センサを移動ステージにより移動させる必要があった。そのため、高精度な位置情報の取得のためには、移動ステージの高精度化が必要であった。

そこで、本発明では、照射光の位置情報の取得とビーム形状を測定する点で有利な装置の提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、照射光の強度を検出する受光素子と、遮光部材と、前記遮光部材の境界が前記照射光を横切る際に前記受光素子で検出された前記照射光の強度の変化に基づいて、前記照射光のビーム形状と位置を算出する演算部と、を有することを特徴とする。

本発明によれば、例えば、位置情報の取得とビーム形状を測定する点で有利な装置を提供することができる。

第１実施形態の測定装置の構成を示す概略図である。 実施例１に係る測定装置を説明する図である。 理想的なガウシアン形状のビームが照射されている場合における伝搬光の変化の一例を示す図である。 第４実施形態に係る測定装置を含む光走査装置の構成を示す概略図である。 実施例２に係る測定装置を含むレーザ加工装置の構成を示す概略図である。

以下に、本発明の好ましい実施形態を添付の図面に基づいて詳細に説明する。

＜第１実施形態＞
図１は、第１実施形態の測定装置１００の構成を示す概略図である。本実施形態では、図１に示すように伝搬光１０１（照射光）が導光されている場所（位置）に、受光素子１０２を配置する。ここでは一例として、受光素子１０２としてＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）センサを用いる。ＰＳＤセンサは、照射された光を受光し電流が発生する。発生した電流はＰＳＤセンサの平面上においてそれぞれ直交したＸとＹ方向に流れ、ＰＳＤセンサの端の出力端Ｘ１（１０３），Ｘ２（１０４）およびＹ１（１０５），Ｙ２（１０６）で電圧が生じる。そして、演算部１０７には、Ｘ１、Ｘ２およびＹ１、Ｙ２の電圧が入力され、照射された伝搬光１０１の重心位置を算出する。つまり、演算部１０７は、入力される光の強度の信号の変化に基づいて、伝搬光１０１の重心位置を算出する。なお、演算部１０７はコンピュータとしてのＣＰＵやメモリ等を内蔵しており、メモリに記憶されたプログラムに応じて算出等の演算処理を行う。

そして、伝搬光１０１を遮光する第１の遮光部１０８が、受光素子１０２の上を横切るように配置される。さらに、第１の遮光部１０８が伝搬光１０１を遮光していく移動方向と直交する方向へ、伝搬光１０１を遮光していくように構成された第２の遮光部１０９を備える。第１の遮光部１０８および第２の遮光部１０９が、伝搬光１０１を通過することで、伝搬光１０１遮光していく、あるいは透過させていく。この際に、受光素子１０２としてのＰＳＤセンサのＸ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２の電圧の総和は、ＰＳＤセンサに受光された光の光量に比例する。演算部１０７では、Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２の電圧を足し、微分する。このことで、第１と第２の遮光部材が横切る方向のビームプロファイルがそれぞれ算出される。

第１の遮光部１０８および第２の遮光部１０９が、例えば、駆動器によって一定の速度ｖで移動しているのであれば、Ｘ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２の和の時間変位を取得し、時間微分し、速度ｖで補正することでビームプロファイルの空間分布が算出される。つまり、演算部１０７は、ＰＳＤセンサで検出された伝搬光１０１の強度分布の信号の時間変化に基づいて、前記照射光のビーム形状を算出する。あるいは、エンコーダ等の、遮光部材の移動量を測定する移動量測定器を備えることで、第１および第２の遮光部材の移動量に応じたＸ１，Ｘ２，Ｙ１，Ｙ２の和の変位を取得し、微分することでビームプロファイルの空間分布が算出される。

なお、受光素子１０２は、２軸方向の光強度を検出可能な２次元のＰＳＤセンサを用いることが好ましいが、１軸方向のみの光強度を検出可能な１次元のＰＳＤセンサを１つ以上用いてもよい。この場合、遮光部は、ＰＳＤセンサが光強度を検出可能な方向と平行な方向に移動される必要がある。

本実施形態により、ＰＳＤセンサに伝搬した光の照射位置とビームプロファイルを同時に観測することが可能となる。このことで、伝搬光の位置とプロファイルを測定する際に、それぞれを測定する異なる装置を使用する必要がなくなるため、再現性の高い伝搬光測定が可能となる。

〔実施例１〕
図２を用いて実施例１を説明する。図２は、実施例１に係る測定装置を説明する図である。図２（Ａ）は、実施例１に係る測定装置を上方向（＋Ｚ方向）から見た図である。伝搬光１０１は、例えば、中心波長１０３０ｎｍであり、半導体レーザから出力される。その後、コリメートレンズにより平行光とされ、集光レンズにより集光される。集光されたビームの直径は、例えば、半値全幅で２０μｍとなる。集光位置に測定装置１００の受光素子１０２が来るように配置し観測する。なお、本実施例でも、受光素子１０２としてＰＳＤセンサを用いる。回転ディスク１２０は、第１の遮光部１２０１と第２の遮光部１２０２を有している。本実施例において、回転ディスク１２０の第１の遮光部１２０１と第２の遮光部１２０２以外の部分は、伝搬光１０１を透過する透過部となっている。つまり、回転ディスク１２０上には、遮光部（第１の遮光部１２０１と第２の遮光部１２０２）と透過部と境界が存在する。遮光部のエッジ部が該境界であるといえる。ここでは、受光素子１０２の中心から１０ｍｍ離れた位置に、回転ディスク１２０の回転中心を配置した。回転ディスクは、回転中心軸を中心として回転駆動する。また、回転ディスク１２０の半径は、ここでは一例として、１５ｍｍとする。

回転ディスク１２０は、制御部１１０によって回転が制御される。制御部１１０はコンピュータとしてのＣＰＵやメモリ等を内蔵しており、メモリに記憶されたプログラムに応じた制御を行う。回転ディスク１２０が回転することにより、第１の遮光部１０８と第２の遮光部１０９が受光素子１０２の上を横切り、伝搬光１０１を遮光する。回転ディスク１２０上で、第１の遮光部１０８は第２の遮光部１０９に対して、１８０度の位置に配置されている。つまり、第１の遮光部１０８と第２の遮光部１０９は直交する角度で配置されており、第１の遮光部１０８が有する境界と第２の遮光部１０９が有する境界は、直交する。第１の遮光部１０８と第２の遮光部１０９は伝搬光１０１を異なる方向で遮光していく。言い換えると、第１の遮光部１０８と、第２の遮光部１０９が伝搬光１０１を横切る際に、伝搬光１０１に対してそれぞれ異なる角度で横切る。

ここで、回転ディスク１２０の回転速度は、一例として、１ｒｐｓに設定されている。図２（Ｂ）に、ＰＳＤセンサで検出される信号強度変化を示す。本図において、横軸は遮光部の位置を示している。遮光部が伝搬光１０１を遮光していくと、光の強度は図２（Ｂ）の破線が示すような変化となる。そして、ＰＳＤセンサによって検出された強度変化に基づいて、演算部１０７はＸＹ方向における伝搬光１０１の強度分布を求める。図２（Ｂ）の実線は、伝搬光１０１の強度分布を示している。具体的には、先に述べたように、回転速度は１ｒｐｓであるので、ＰＳＤセンサにおいて、１秒ごとの周期で信号が得られる。得られた（検出された）強度信号（検出強度）を微分することで、ビームプロファイルを求める。ＰＳＤセンサから取得されるＸＹ位置情報から、回転ディスク１２０の回転中心からの距離Ｒを求める。距離Ｒから円周長さを求め、得られた強度信号の時間軸を時間単位から距離の単位に変換することで、ビームプロファイルの大きさ（ビーム形状）を得ることが可能である。

本実施例では、光源に半導体レーザをあげているが、光源は半導体レーザに限らず、固体レーザ（ソリッドレーザ、ディスクレーザ、スラブレーザ、ファイバレーザ）やガスレーザなどいかなるレーザや、ＬＥＤや電球などの光源でも良い。また、ＣＷレーザに限らず、パルスレーザでも良い。パルスレーザの場合は、パルスの繰返し周波数に同期し、センサ（受光素子）に照射されるタイミングに応じ遮光部材が照射光を通過するように遮光部材の移動を制御する。さらに、得られたデータを平均化しても良い。

また、本実施例では、回転ディスク１２０と遮光部材を組み合わせているが、往復運動する振動子やステージと遮光部材を組み合わせても良い。遮光部材を往復駆動させる場合、一定速度となるまでの立ち上がりと、停止するまでの立下り区間が生じる。立ち上がり立下り区間では、遮光部材の位置を取得する機構が必要である。そのために遮光部材の位置を検出する位置検出素子を追加する。

回転ディスクでは遮光部材による遮光変化だけだったものが、往復運動によって遮光量が増大する方向の変化と減少する方向の変化の情報を取得することが可能となり、平均化することでノイズ等を低減することが可能となる。

さらに、ビームの伝搬方向であるＺ方向に沿って、本実施例に係る測定装置１００を移動させることで、ビームの伝搬光軸とスポット形状の変化を測定することが可能となる。また、Ｚ方向に沿って測定装置１００の位置を制御して集光高さが異なる面での測定を行う他に、回転ディスク１２０に厚みを持たせ、回転ディスク１２０内部に回転ディスク表面から複数の異なる深さにそれぞれ遮光部を有するディスクを用いても良い。そのようなディスクを用いて、さらに遮光部の深さ情報を用いることで、ビームの伝搬方向に装置を移動することなくビームの伝搬光軸とスポット形状の変化を測定することが可能となる。

さらに、遮光部材の境界が複数あればよいため、例えば、回転ディスク１２０上に互いに直交する境界を有する扇状の遮光部を一つ設ける構成としてもよい。

上述のような構成とすることで、一つの装置で伝搬光の位置とプロファイルを測定することが可能となる。

＜第２実施形態＞
次に、第２実施形態の測定装置について説明する。本実施形態の測定装置は第１実施形態とほぼ同一の構成である。第１実施形態に加え、第１の遮光部と第２の遮光部は、受光素子としてのＰＳＤセンサのＸ軸とＹ軸の両方に対して±４５度となって移動するように構成されている。さらに、遮光部を用いて照射ビームの重心位置の変化を観測する。

図３は、理想的なガウシアン形状のビームが照射されている場合における伝搬光１０１の変化の一例を示す図である。遮光部が伝搬光１０１を遮光していくと図３の破線が示すような重心位置の変化となる。伝搬光１０１の重心位置は、伝搬光１０１の強度分布の信号変化に基づき算出することが可能である。なお、本図において、横軸は遮光部の位置を示し、実線は伝搬光の強度分布を示している。

本実施形態の測定装置では、第１の遮光部と第２の遮光部の配置角度は直交している。そのため、ビームスポットが楕円形状であって、第１の遮光部と第２の遮光部の両方に対して４５度方向に長径あるいは短径を有しているビームスポット形状の場合、Ｘ方向と、Ｙ方向とでスポット径を分離することができない。すなわち、ＰＳＤセンサのＸ軸あるいはＹ軸と楕円の長径方向が一致している場合、スポット径を分離できない。しかし、本実施形態のように、重心位置の変化を観測することで、長径、短径を観測できる。

さらに、重心位置の変位を、遮光部の位置の変化で微分すると、０から１まで変化する。数値計算によって検討したところ、微分値がおよそ０．６３１６６となる位置が、ガウスビームのスポット中心と一致することが見出された。したがって、重心位置の変化の微分から、ビームスポット中心（照射光の重心位置）の位置精度を高精度にすることが可能となる。

＜第３実施形態＞
本実施形態では、予め受光素子１０２としてのＰＳＤセンサ面に対する、遮光部材が走査される高さ方向の距離を測定しておき、その高さ情報に基づいて、ビームのＸＹ位置を補正する。

ナイフエッジ方式のビームプロファイル測定装置では、エッジ（遮光部材）が横切る光軸でのビームプロファイルを観測する。このため、受光素子と遮光部材との間に間隔があると、照射光が斜めに照射された場合、受光素子で観測されるビームの重心位置と、ビームプロファイルの観測面での位置とに差が生じる。受光素子の受光面に対する遮光部材が走査される高さをＤ、Ｘ方向における照射光の照射角度θとすると、遮光部材が走査される高さでのＸ位置Ｘ（Ｅｄｇｅ）は、ＰＳＤセンサで観測されたＸ位置Ｘ（ＰＳＤ）に対してＸ（ＰＳＤ）＋Ｄ×ｔａｎ（θ）となる。

照射光の照射角度θは、ＰＳＤセンサを移動させることで変位するＸの差分とＰＳＤセンサの移動量から算出できる。あるいは、オートコリメータ等を用いて光軸を測定した後、レーザ光源から本測定装置までに導光する光学系の変化から算出しても良い。

本実施形態により、遮光部材が横切る光軸面でのＸＹ位置を算出することが可能となる。

＜第４実施形態＞
図４を用いて、第４実施形態について説明する。図４は、第４実施形態に係る測定装置４００を含む光走査装置４１０の構成を示す概略図である。本実施形態の測定装置４００は、ビームスキャナ４０２（走査素子）を含む。光走査装置４１０において、光源４０１から射出されたビーム光（照射光）は少なくとも１軸以上のビームスキャナ４０２を伝搬し、集光光学系４０３により集光される。集光された集光光４０４は、測定装置４００の受光素子４０５によって受光される。ここで、受光素子４０５は、一例としてＰＳＤセンサを用いる。受光素子４０５上には、遮光部で囲まれた集光光を透過する窓４０６１を有する遮光板４０６が配置されている。遮光板４０６は遮光板移動ステージ４０７が備わっており、遮光板移動ステージ４０７を制御部４０８によって制御することで、窓４０６１の位置を制御することが可能である。そして、ビームスキャナ４０２を駆動して、ビーム光が複数の境界を横切るように走査される。すなわち、ビームスキャナ４０２を駆動することにより、ビーム光と窓４０６１の相対移動が制御される。これにより、窓４０６１のエッジ部でナイフエッジ方式によるビームプロファイル観測が可能となる。左右あるいは上下のエッジ部で観測できるビームプロファイルの平均値を取ることで、窓４０６１を透過する集光光の平均のスポット形状を観測することが可能となる。なお、制御部４０８はコンピュータとしてのＣＰＵやメモリ等を内蔵しており、メモリに記憶されたプログラムに応じた制御を行う。

本実施形態により、遮光部材を走査するのではなく、ビーム位置を走査することでビームプロファイルを観測可能となる。それによって、高速なビームプロファイル測定が可能となる。

さらに、窓は複数有していても良い。窓を複数にすることで、遮光板移動ステージの移動量を小さくすることが可能となる。

また、窓は光を透過する構成としたが、遮光板全体が光を透過し、窓部が光を遮光する構成としても良い。遮光板の遮光部形成のための膜の使用量を低減できる。

〔実施例２〕
図５を用いて実施例２を説明する。図５は、実施例２に係る測定装置５０６を含むレーザ加工装置５１０の構成を示す概略図である。レーザ加工装置５１０において、レーザ光源５０１から射出された射出光は、例えば、中心波長１０３０ｎｍである。コリメートレンズにより平行光となる。その後、ビーム成形器５０２を伝搬し、ビーム径およびダイバージェンス、偏光を制御された成形光となる。成形光は導光光学系５０３により、５軸スキャンヘッド５０４の入射部に導光される。５軸スキャンヘッド５０４へ入射された光は、集光点５０５のＸＹＺ位置および、光軸角度θと光軸の方位角度φを制御されて射出部より射出される。５軸スキャンヘッド５０４は、ＸＹＺθφを制御するために、光線制御デバイス１～５を含む。集光点５０５でのビームスポットサイズは、例えば、２０μｍとなる。

射出部には、第４実施形態で説明した測定装置に相当する測定装置５０６を配置する。なお、本実施形態において、５軸スキャンヘッド５０４がビームスキャナ４０２に相当する。窓５０６２は遮光板５０６１に形成されており、ここでは一例として、窓５０６２は一辺が２００μｍの正方形であり、窓と窓との間には２００μｍの遮光部がある。窓は市松状に配置され、２．５ｍｍ×２．５ｍｍの範囲内に形成されている。窓５０６２の正方形の直線（境界）が、受光素子５０６３としてのＰＳＤセンサのＸＹ軸に対して４５度傾くように遮光板５０６１を配置する。受光素子５０６３は、例えば、厚さ５００μｍのカバーガラスで覆われている。カバーガラスの屈折率は、例えば、波長１０３０ｎｍに対して１．５である。カバーガラスと遮光板５０６１との間隔は、例えば、５００μｍである。受光素子５０６３と遮光板５０６１を一体とし、Ｚ方向（受光素子５０６３と垂直方向）に移動するＺステージ５０６４で高さを制御する。Ｚステージ５０６４は、制御部５０６５によって制御される。なお、制御部５０６５はコンピュータとしてのＣＰＵやメモリ等を内蔵しており、メモリに記憶されたプログラムに応じた制御を行う。

集光点５０５は５軸スキャンヘッド５０４によってＸＹ方向に走査され、各窓５０６２での位置とスポット形状を観測する。

さらに、５軸スキャンヘッド５０４は、集光点５０５のビームスポット高さＺを基準高さに対して０ｍｍの位置でＸＹを走査し、ビームスポットサイズが最小となるような光線制御デバイス１～５の制御値を決定する。その後、ビームスポット高さＺを基準高さに対して０、－１、１ｍｍとし、さらに光軸の角度θを０、２、５、７．５、１０度、方位角度φを０、４５、９０、１３５、１８０、２２５、２７０、３１５度とし、その状態でＸＹを走査する。それぞれのθφＺの組合せと、各ＸＹ位置との情報はＰＳＤセンサ上の厚さ５００μｍのカバーガラスと遮光板との間隔５００μｍから補正されて補正位置情報に変換される。補正位置情報から、ユーザの走査指令値（Ｘ、Ｙ、Ｚ、θ、φ）に対する光線制御デバイスの制御値（走査制御パラメータ）を決定する。

本実施例によって、指令値に対する５軸スキャンヘッドの駆動制御を高精度に行うための補正を行うことが可能となる。

本実施例では５軸スキャンヘッドを用いているが、５軸に限定せず、１軸以上であれば良い。

以上、本発明の好ましい実施例について説明したが、本発明は、これらの実施例に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。

なお、本実施例における制御の一部または全部を上述した実施例の機能を実現するコンピュータプログラムをネットワーク又は各種記憶媒体を介して測定装置に供給するようにしてもよい。そしてその測定装置におけるコンピュータ（又はＣＰＵやＭＰＵ等）がそれらのプログラムを読み出して実行するようにしてもよい。その場合、そのプログラム、及び該プログラムを記憶した記憶媒体は本発明を構成することとなる。

１００，４００，５０６ 測定装置
１０１ 伝搬光
１０２，４０５，５０６３ 受光素子
１０７ 演算部
１０８，１２０１ 第１の遮光部
１０９，１２０２ 第２の遮光部
１１０，４０８，５０６５ 制御部

Claims (16)

1. 照射光の強度を検出する受光素子と、
   遮光部材と、
   前記遮光部材の境界が前記照射光を横切る際に前記受光素子で検出された前記照射光の強度の変化に基づいて、前記照射光のビーム形状と位置を算出する演算部と、を有することを特徴とする測定装置。
2. 前記演算部は、前記照射光の強度の変化に基づいて、所定の方向における前記照射光の強度分布を求め、前記方向における前記照射光の強度分布に基づいて、前記照射光のビーム形状と位置を算出することを特徴とする請求項１に記載の測定装置。
3. 前記遮光部材は、前記境界を複数有し、
   前記複数の境界が前記照射光を横切る際に、前記照射光に対してそれぞれ異なる角度で横切ることを特徴とする請求項１又は２に記載の測定装置。
4. 前記複数の境界は、直交する２つの境界を含むことを特徴とする請求項３に記載の測定装置。
5. 前記演算部は、前記遮光部材の前記境界が前記照射光を、所定の速度で横切るときの前記照射光の強度分布の信号の時間変化に基づいて、前記照射光のビーム形状を算出することを特徴とする、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の測定装置。
6. 前記演算部は、前記検出された前記照射光の強度分布の信号変化に基づき前記照射光の重心位置を算出することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の測定装置。
7. 前記演算部は、前記遮光部材と前記受光素子との距離に基づき、前記算出された前記照射光の位置を補正することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の測定装置。
8. 前記境界が前記照射光を横切る際に、前記照射光の強度分布の検出が可能な軸の方向と平行な方向に横切るように、前記照射光と前記遮光部材の相対移動を制御する制御部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の測定装置。
9. 前記受光素子は、前記照射光の少なくとも２軸方向について前記照射光の強度分布を検出可能であり、
   前記境界が前記照射光を横切る際に、前記２軸方向に対してそれぞれ所定の角度で横切るように、前記照射光と前記遮光部材の相対移動を制御する制御部を有することを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の測定装置。
10. 少なくとも１軸方向に前記照射光を走査させる走査素子を有し、
    前記遮光部材は、複数の前記境界を含み、
    前記走査素子は、前記複数の境界を横切るように前記照射光を走査させることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の測定装置。
11. 前記演算部は、前記複数の境界を横切る際に得られる前記受光素子の信号の平均値を算出することを特徴とする請求項１０に記載の測定装置。
12. 前記遮光部材の移動量を測定する移動量測定器を備えることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の測定装置。
13. 前記遮光部材は、所定の軸を中心として回転駆動されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の測定装置。
14. 前記遮光部材は、往復駆動されることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の測定装置。
15. 照射光の強度を検出する受光素子と、遮光部材と、を有する測定装置を用いた測定方法であって、
    前記遮光部材の境界が前記照射光を横切る際に前記受光素子で検出された前記照射光の強度の変化に基づいて、前記照射光のビーム形状と位置を算出することを特徴とする測定方法。
16. 光走査装置の制御方法であって、
    前記光走査装置から照射された照射光を請求項１５に記載の測定方法を用いて測定し、
    前記測定方法によって得られた前記照射光のビーム形状と位置を用いて、前記照射光を走査するための走査制御パラメータを補正することを特徴とする制御方法。

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