JP3578144B2 - 回折型光学部品の光学特性測定装置及び測定方法 - Google Patents
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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。
【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。
【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、
【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。
【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。
【０００８】
▲１▼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。
【０００９】
▲２▼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Ｐｋ 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】
▲３▼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。
【００１１】
▲４▼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。
【００１２】
▲５▼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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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＝ｑ１ ／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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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１２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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【００３０】
この測定方法を用いた場合、前述の問題点▲１▼〜▲５▼は下記のように解決または改善される。
【００３１】
▲１▼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）。１００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】
▲２▼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。
【００３３】
▲３▼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。
【００３４】
▲４▼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。
【００３５】
▲５▼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。
【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。
【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。
【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。
【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１０μｍ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、ＤＯＥ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。
【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。
【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。
【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。
【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ＤＯＥ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。
【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、ＺｎＳｅ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（２５４ｍｍ）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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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
【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
【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
【符号の説明】
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
【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。
【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。
【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、
【０００４】
【外１】
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。
【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。
【０００８】
▲１▼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。
【０００９】
▲２▼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Ｐｋ 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】
▲３▼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。
【００１１】
▲４▼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。
【００１２】
▲５▼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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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＝ｑ１ ／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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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１２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。
【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。
【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。
【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。
【００２８】
【数１】
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。
【００３０】
この測定方法を用いた場合、前述の問題点▲１▼〜▲５▼は下記のように解決または改善される。
【００３１】
▲１▼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）。１００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】
▲２▼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。
【００３３】
▲３▼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。
【００３４】
▲４▼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。
【００３５】
▲５▼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。
【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。
【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。
【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。
【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１０μｍ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、ＤＯＥ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。
【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。
【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。
【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。
【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ＤＯＥ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。
【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、ＺｎＳｅ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（２５４ｍｍ）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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【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。
【図面の簡単な説明】
【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
【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
【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
【符号の説明】
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 (2)
- 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及び被検物の後方に配置した集光用レンズを備え、前記集光用レンズとしてｆｓｉｎθレンズを用いた回折型光学部品の光学特性測定装置。
- 請求項１に記載の測定装置を用い、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）＝ｑ 1 ／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ｑ 1 の比α＝ｑ 1 ／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ｑ K とパワーＱとの比β K ＝ｑ K ／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θ K に応じた補正係数γ（θ K ）で割り、補正したパワー比β K ' ＝β K ／γ（θ K ）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。
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