JP4452800B2 - 光軸検出センサ - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光等の光の受光量と受光位置から光軸を検出する光軸検出センサに関する。

広く用いられているレーザシステムは、レーザ光の源となる励起光源とその励起光源からのレーザ光を増幅するレーザキャビティで一般的に構成されている。そのため、励起光源はレーザキャビティに安定してレーザ光を供給する必要があり、特にレーザキャビティへ入射されるレーザ光の位置と平行性（光軸に対する）が非常に重要となる。
光軸を調整するためには、その光軸の評価を正確に行う必要がある。下記特許文献１で出願した、遺伝的アルゴリズムなどを用いた光軸調整方法により、下記特許文献２で出願した光学ホルダを用いて、レーザキャビティにおける励起光源の光軸を自動調整する場合には、その光軸の入射位置と入射角度（平行性）を正確に評価する必要がある。そのためには、光軸の評価において、位置の検出と角度の検出を行う必要がある。
従来、位置検出用のセンサは、ＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：位置検出素子）や４分割型フォトダイオードなどがあるが、そのどれも同時に角度を検出する機能を有していない。
以下、光軸検出に関する技術を説明する。
（光軸の自動調整システム）

光軸を調整する際の光軸の自由度を図９に示す。まず、光軸の位置の自由度は、図９（ａ）のように縦方向ａの移動と横方向ｂの移動の２自由度である。また、光軸の角度の自由度は、図９（ｂ）のように縦方向ｃの入射角と横方向ｄの入射角の２自由度である。よって、光軸の自由度は計４自由度である。このことから光軸の調整では、光軸の位置と角度の２つを調整する必要があり、そのためには４自由度の調整が必要となる。
このことから、光軸の一般的な調整システムとして、図１０に示すような自動調整システムが考えられる。
自動調整システム１００は、光学系１０１と、制御装置１０２と、評価装置１０３と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）１０４とからなる。光学系１０１は、光軸調整用ミラーホルダ１０７に支持されたミラーＭ１（１０５）とミラーＭ２（１０６）が反射系を形成し、入射した光源のレーザ光を評価装置１０３へ導くように光路を形成する。各ミラー毎の光軸調整用ミラーホルダ１０７は、それぞれ制御装置１０２からの制御信号により制御される。評価装置１０３の出力はＰＣ１０４へ取り込まれ、ＰＣ１０４において所定のプログラムに基づく処理を行った後、制御装置１０２へ出力される。制御装置１０２は評価装置１０３の出力に基づいてミラーの角度を最適に調節する。
光軸の位置と平行性を調整するためには２自由度調整可能なミラー２枚（計４自由度）が必要となる。そこで、図２に示したシステムでは、２自由度調整可能なミラー１０５とミラー１０６と、ミラー１０５とミラー１０６を制御する制御装置１０２と、光軸の位置と平行性を同時に評価する評価装置１０３と、計算機であるＰＣ１０４でシステム１００を構成している。
（従来の自動調整方法とその問題点）

このシステムを用いた従来の自動調整方法では、あらかじめ光軸を平行光と仮定して、位置だけを調整する単目的自動調整方法が一般的である。
この理由として次の２つがあげられる。
１つ目は、調整が４自由度になると、従来手法である山登り法では局所解に陥りやすいため、最適な調整が不可能になるためである。
２つ目は、ユーザの選好（好み）を反映して２つの目的関数（位置と角度）のトレードオフを満足させるために、多目的から単目的の変換（重みパラメータの設定など）に試行錯誤が伴うためである。
その結果、従来手法では一般的に調整目的を位置だけに絞り、自由度を２自由度に減らし調整を行っている。
従来の図２における自動調整方法の例を図１１を用いて説明する。この方法では、光軸は平行光であると仮定している。光軸の位置のずれを補正するためにミラーＭ１を矢印ｅ又は矢印ｆの向きに動かす。ミラーＭ１とミラーＭ２は連動して、ミラーＭ１の移動に合わせて光軸の平行性を失わないようにミラーＭ２を矢印ｅ又は矢印ｆの向きに移動させる。このように調整を行うことで光軸の位置のずれを補正し、平行なレーザ光を供給することが可能である。しかしながら、光軸が大きくずれて、ミラーＭ１へ入射されるレーザ光が平行性を失った状態では、平行性を調整することができないので平行光を供給することが不可能となる。
（光軸の位置および平行性の同時検出センサ）

光軸の位置と平行性を調整するには光軸の位置と平行性を同時に検出する必要がある。しかし、従来の各種光センサでは光軸の平行性を検出できないので、これら２つを１つのセンサで同時に検出することは難しい。そのため、従来では光軸の位置と平行性を検出するために図１２に示す同時検出システムを用いている。ビームスプリッタ（ＢＳ１〜４）は入射光を反射光と透過光に２分割する。光源からのレーザ光Ｌ１を位置センサＳ１で評価することで光軸の位置を検出し、ＢＳ１とＢＳ２で分割したレーザ光Ｌ２とＬ３の位置ずれをセンサＳ２で評価することで、光軸が平行光であるかないかを検出する。しかしながらこの方法では、センサやビームスプリッタが複数必要となり、調整システムが複雑になるうえに、コストがかかり実用的とはいえない。
特開２００２−１２２７５８号公報 特願２００３−０３７９３９号

上記のように、位置の検出と角度の検出を行う際には、少なくとも２つ以上のセンサによって評価する必要があり、そのための評価系システムを作成すると、評価装置の数が多くなり、またそのためのスペースを必要とするため、コスト削減や小型化の妨げとなるため実用的ではない。
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、メンテナンスフリーで光軸調整の自動化を行うために、光軸の位置と角度の評価を１つのセンサで行うことのできる、光軸検出センサを提供することにある。

図１は本発明の光軸検出センサの概念図である。
図１に示すように、本発明の光軸検出センサ１は、位置検出素子の位置検出フォトディテクタ２と、実質的な光透過孔６を設けたＮＤフィルタ（減光透過フィルタ）３を組み合わせたことにより、１つのセンサによって位置と角度（平行性）を同時に検出するものである。前記「実質的」な光透過孔６は、光が透過するようになった開孔、例えば、内部に空気だけがある開孔又は内部に透明体を設けた開孔をいう。
ＮＤフィルタ３は、半透明体で構成され、入射した光が吸収されながらも透過する特性を有する。そのため、半透明体のＮＤフィルタ３を透過した光は、位置検出フォトディテクタ２で検出される。
実質的な光透過孔を設けたＮＤフィルタ３を配置することにより、光ビームの受光位置検出に加え、フィルタ３の実質的な光透過孔を通過した光ビームの光強度を検出することで角度（平行性）を評価する（図１０参照）。
このような構成を採用したので、ＮＤフィルタ３の開孔６を透過し光軸の傾きなく直接位置検出フォトディテクタ２に入射した光が最も光量の大きい光として検出される。
光軸の傾きが大きくなり、ＮＤフィルタ３を透過して位置検出フォトディテクタ２に入射した光は、ＮＤフィルタ３を透過するときに減光し、前記光量より減少した光量として位置検出フォトディテクタ２で検出される。位置検出フォトディテクタ２への光の入射位置は光量により検出する。
具体的には、以下のようになる。

（１） 光軸検出センサは、光を検出する位置検出素子と、実質的に光が透過する光透過孔を有するＮＤフィルタから構成することを特徴とする。
（２） 上記（１）記載の光軸検出センサは、前記位置検出素子と前記ＮＤフィルタを、前記ＮＤフィルタの前記光透過孔を透過した光を直接前記位置検出素子で受光できるように配置したことを特徴とする。
（３） 上記（１）又は（２）記載の光軸検出センサは、前記光透過孔が半透明な部材に設けた穴として構成されたことを特徴とする。
（４） 上記（１）乃至（３）のいずれか１項記載の光軸検出センサは、前記光透過孔が半透明な部材に設けた透明な物質の部材として構成されたことを特徴とする。
（５） 上記（１）乃至（４）のいずれか１項記載の光軸検出センサは、前記位置検出素子をフォトトランジスタとしたことを特徴とする。

（６） 上記（１）乃至（５）のいずれか１項記載の光軸検出センサは、前記位置検出素子をカップ状の筐体内に配置し、前記筐体の開口に前記ＮＤフィルタを装着したことを特徴とする。
（７） 上記（１）乃至（５）のいずれか１項記載の光軸検出センサは、前記筐体が、２分割され、相互に螺合して、前記位置検出素子と前記ＮＤフィルタの距離を調節するようにしたことを特徴とする。
（８） 上記（１）乃至（５）のいずれか１項記載の光軸検出センサは、前記位置検出素子を位置検出素子固定ホルダに設け、前記位置検出素子固定ホルダを筐体内で検出素子駆動用ネジにより移動するように設けたことを特徴とする。

本発明の光軸検出センサは、位置検出フォトディテクタと、実質的な光透過孔を設けたＮＤフィルター（減光透過フィルター）を組み合わせたことにより、１つのセンサによって位置と角度（平行性）を同時に検出することができる。
本発明の光軸検出センサは、レーザシステムにおける励起光源の光軸調整に用いることにより、安定したレーザシステムを実現することが出来る。例えば、半導体リソグラフィ・マスク計測などに用いられるレーザシステムでは、マスク検査の行程において常に安定したレーザ光の供給が重要である。そのため、本発明の光軸検出検査を用いることで、監査行程におけるリアルタイムな光軸最適調整を可能とし、信頼度の高い安定した検査を実現する。また、切断や穴あけ、精密加工用のYAGレーザ加工機などの加工用レーザシステムにおいても、均一な出力ビーム強度を得るための励起光源の安定化は必要不可欠であり、本発明センサによる効果が期待される。以上のように、本発明センサは、レーザシステムの光源という最も基盤技術を安定化し、産業応用におけるレーザ光の信頼度を向上させるブレイクスルーとなる。

現在、産業応用において使用されているレーザシステムには、必ず励起光源が使用されており、その安定性に問題があり、光軸調整の自動化が期待されている。
本発明の光軸検出センサと特開２００２−１２２７５８号公報記載の技術，特願２００３−３７９３９号記載の技術を組み合わせることで、励起光源の光軸自動調整を行い、前記安定性の問題を解決したメンテナンスフリーのレーザシステムを実現する。
具体的には、位置と平行性の２つを同時に１つのセンサで検出する新たな光センサを開発した。

図１は本発明の光軸検出センサの概念図である。
図２は図１に示す光軸検出センサの検出機能を説明する説明図である。
図１に示すように、本発明の光軸検出センサ１は、位置検出素子、例えば位置検出フォトディテクタ２と、実質的な光透過孔を設けたＮＤフィルタ（減光透過フィルタ）３を組み合わせたことにより、１つのセンサによって光軸５を備えたレーザビームの位置と角度（平行性）を同時に検出するものである。
即ち、実質的な光透過孔を設けたＮＤフィルタ３を配置することにより、光透過孔に入射するレーザビームは、入射角度と単位面積あたりのビーム光量とがコントロールされる。前記コントロールされたレーザビームは、位置検出フォトディテクタ２で入射位置とビーム光量が検出される。位置検出フォトディテクタ２の検出出力は、電気信号出力リード４を介して電圧計等の評価装置（図示省略）へ出力される。
位置検出素子は、光の特性量を検出することができるフォトトランジスタ、太陽電池、ＣｄＳ（硫化カドミウム）セル、ＣｄＳｅ（カドミウムーセレン）、ＰｂＳ（硫化鉛）、光電管、光電子倍増管等の任意の検出素子を用いることができる。
また、ＮＤフィルタ３は、実質的に光が透過する光透過孔、例えば、半透明な部材に設けた穴（何も無い空間）、半透明な部材に設けた透明な物質の部材、等で構成した実質的な孔を有する。

図２に示すように、光軸の位置と光強度が検出可能なＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ：位置検出素子）の前に穴の開いた透過率５０％のＮＤフィルタを配置することで、光軸の位置と平行性の同時検出を可能とする。ＰＳＤは受光面上での光軸の位置座標Ｘ，Ｙを電圧値により検出可能である。また、光軸が平行な場合、フィルタの穴を通過するため検出される光強度は強い。一方光軸が平行でない場合、光がフィルタを通過するために検出される光強度は弱くなる。このようにしてＰＳＤで検出した光強度を評価することで光軸の平行性を検出することが可能となる。
以下で説明する検証実験および実施例では、平行性を評価する光強度は、センサの電圧値（最大３６Ｖ）を１２ｂｉｔ分割した値として出力される。また、光軸の位置は、ＰＳＤの幅（Ｘ軸座標）および高さ（Ｙ軸座標）を１２ｂｉｔ分割した値として出力される。なお、この実験で用いたＰＳＤの一辺は５．７mmであるので、１２ｂｉｔ＝０〜４０６５なので、センサの出力値の位置分解能は１．３９μｍとなる。これにより、光軸の位置と平行性を同時検出可能な光センサを低コストで実現できる。
開発した光軸検出センサの実施例を示す。
（開発したセンサの有効性検証実験）

開発した光センサが光軸の位置と平行性を同時検出可能か検証するため、図２に示すように−５°〜＋５°の角度から光を開発センサに入射し光軸の位置と平行性の評価を行った。
この検証実験結果を図３に示す。図３において、横軸は角度（°）、縦軸は光強度（電圧値ｍＶ）を示す。特性は、フィルタなし、フィルタあり、試作センサ（光軸検出センサ）の３種類示す。
光軸検出センサの値は光軸の入射角が０°（平行光）の時、光強度が最大となり、センサとミラーのなす角度が大きくなり光軸が平行性を失うにつれ徐々に光強度が減衰している。入射光がＮＤフィルタの開孔を透過するか、ＮＤフィルタの半透明体を透過するかにより、光強度が変化する。
この結果より、ＰＳＤの光強度から光軸の平行性を検出することが可能である。さらに、光軸の位置はＰＳＤの電圧値により検出可能であるため、開発した光センサは光軸の位置と平行性の同時検出において有効であることが確認できた。
（実験システム）

実施例１として構成した光軸自動調整システムは、図１０のようなシステム構成になっている。本発明の光軸検出センサを、実際に光軸自動調整システムに組み込み、特開２００２−１２２７５８「光軸調整方法およびその調整プログラムを記録した記録媒体」および，特願２００３−３７９３９「部品ホルダ調整装置」を用いたシステムにより、光軸の多目的自動調整を行った。
実際に組んだ自動調整システムを図４に示す。図４において、横軸は距離（μｍ）、縦軸は光強度（電圧値ｍＶ）を示す。
実験では、光軸の評価を開発した光軸検出センサによって行い、遺伝的アルゴリズムを用いて（例えば、特開２００２−１２２７５８号公報参照）ＰＣ上で光軸を動かすミラーの位置を計算し、ミラーホルダ（例えば、特願２００３−３７９３９号参照）により光軸を動かして調整を行った。この自動調整システムにより、光軸の位置（目標位置とのユークリッド距離）と平行性（光強度（電圧値ｍＶ））を最適に調整した。
（実施例１の結果）

実施例１の結果を図５および表１に示す。図５では、調整終了時（最終世代）において、光強度（平行性）が高く，目標位置との誤差（位置）が少ない場所に調整されていることがわかる。図５では、その調整段階における、各調整目的（位置・平行性）の推移状況を示したものである。これにより、開発した検出センサが有効に働いていることがわかる。
また、表１に調整終了時の結果を示している。これは、１０試行の最大値，最小値、平均値である。平行度においては、図３と比べると、約±１°以内，位置では、分解能が１．３９μｍであることから、平均で約１２μｍ以内に調整されていることがわかる。

図６は光軸検出センサの実施例２の斜視図である。
図６では、光軸センサ１０は、カップ状の筐体１２と、前記筐体１２の底部の所定位置に固定した位置検出素子１３と、前記位置検出素子１３の出力を取り出す出力ケーブル１４と、前記筐体１２の開口に装着されるＮＤフィルタ１１からなる。前記ＮＤフィルタ１１は、中心に開孔１５又は該開孔１５に相当する透明部分を有する。前記ＮＤフィルタ１１の前記開孔１５又は該開孔１５に相当する透明部分を除く他の部分は、光反射又は光吸収の遮光構造に構成されている。
測定時、ＮＤフィルタ１１の開孔１５を透過し、位置検出素子に入射したレーザ光の入射位置および光量を検出することにより、光軸を検出する。

図７は光軸検出センサの実施例３の斜視図である。
図７では、光軸センサ２０は、一端側にねじ部２７を形成した円筒状の筐体２２と、一端側に前記ねじ部２７に螺合するねじ部２８を有するカップ状の筐体２３と、前記筐体２３の底部の所定位置に固定した位置検出素子２４と、前記位置検出素子２４の出力を取り出す出力ケーブル２５と、前記筐体２２の開口に装着されるＮＤフィルタ２１からなる。前記ＮＤフィルタ２１は、中心に開孔２６又は該開孔２６に相当する透明部分を有する。前記ＮＤフィルタ２１の前記開孔２６又は該開孔２６に相当する透明部分を除く他の部分は、光反射又は光吸収の遮光構造に構成されている。
光軸センサ２０は、筐体２２と筐体２３が互いのねじ部の螺合の程度により、ＮＤフィルタ２１と位置検出素子２４の距離を可変にできる。例えば、筐体２２に筐体２３をねじ込む量を調節して位置検出素子２４に入射可能な光の角度範囲と検出角度分解能を調節する。
測定時、ＮＤフィルタ１１の開孔１５を透過し、位置検出素子に入射したレーザ光の入射位置および光量を検出することにより、光軸を検出する。

図８は光軸検出センサの実施例４の斜視図である。
図８では、光軸センサ３０は、カップ状の筐体３２と、前記筐体３２の内部に該筐体３２の長さ方向に向くように固定した駆動用ガイド３６と、前記筐体３２の内部に該筐体３２の長さ方向に向くように回転可能に係止した調節ネジ３５付の検出素子駆動用ネジ３４と、前記駆動用ガイド３６を挿通する開孔と前記検出素子駆動用ネジ３４と螺合する雌ネジを有する位置検出素子固定ホルダ３７と、位置検出素子固定ホルダ３７に設けた位置検出素子３３と、位置検出素子３３の出力を引き出す出力ケーブル３８と、筐体３２の開口に装着されるＮＤフィルタ３１からなる。前記ＮＤフィルタ３１は、中心に開孔３９又は該開孔３９に相当する透明部分を有する。前記ＮＤフィルタ３１の前記開孔３９又は該開孔３９に相当する透明部分を除く他の部分は、光反射又は光吸収の遮光構造に構成されている。
調節ネジ３５を回すことにより、検出素子駆動用ネジ３４を回転し、該検出素子駆動用ネジ３４に螺合する雌ネジを有する位置検出素子固定ホルダ３７を筐体３２の長さ方向に移動させ、位置検出素子３３をＮＤフィルタ３１に近接又は離間させ、予め入射可能な光の角度範囲と検出角度分解能の調節を行う。
測定時、ＮＤフィルタ３１の開孔３９を透過し、位置検出素子３３に入射したレーザ光の入射位置および光量を検出することにより、光軸を検出する。

本発明の光軸検出センサの実施例１の概念図である。 図１に示す光軸検出センサの検出機能を説明する説明図である。 本発明の光軸検出センサの検証実験結果を示すグラフである。 本発明の実際に組んだ自動調整システムの外観図である。 本発明の実施例１の評価特性グラフである。 本発明の光軸検出センサの実施例２の斜視図である。 本発明の光軸検出センサの実施例３の斜視図である。 本発明の光軸検出センサの実施例４の斜視図である。 光軸の自由度を示す説明図である。 自動調整システムの構成図である。 従来の自動調整方法の説明図である。 光軸の位置および平行性の同時検出システムの構成図である。

符号の説明

１、１０、２０、３０ 光軸検出センサ
２ 位置検出フォトディテクタ
３、１１、２１、３１ 孔あきＮＤフィルタ
４ 電気信号出力リード
５ 光軸
６ 開孔
１２、３２ 筐体
１３、２４、３３ 位置検出素子
１４、２５、３８ 出力ケーブル
２２ 筐体Ａ
２３ 筐体Ｂ
３４ 検出素子駆動用ネジ
３５ 調節ネジ
３６ 駆動用ガイド
３７ 位置検出素子固定ホルダ

Claims (8)

1. 光軸の光量を検出する位置検出素子と、実質的に前記光軸が透過する光透過孔を有し、入射した前記光軸の光が吸収されながらも透過する特性を有する半透明のＮＤフィルタからなり、前記位置検出素子と前記ＮＤフィルタは、前記光透過孔又は前記光透過孔及び前記半透明のＮＤフィルタを透過した前記光軸の光を用いて光軸の位置と角度もしくは平行性を検出することができるように配置されていることを特徴とする光軸検出センサ。
2. 前記位置検出素子と前記ＮＤフィルタを、前記光軸の光が前記ＮＤフィルタの前記光透過孔のみを透過して前記位置検出素子で受光できるように配置したことを特徴とする請求項１記載の光軸検出センサ。
3. 前記光透過孔を開孔として構成したことを特徴とする請求項１記載の光軸検出センサ。
4. 前記光透過孔を内部に透明体を設けた開孔として構成したことを特徴とする請求項１記載の光軸検出センサ。
5. 前記位置検出素子をフォトトランジスタとしたことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の光軸検出センサ。
6. 前記位置検出素子をカップ状の筐体内に配置し、前記筐体の開口に前記ＮＤフィルタを装着したことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の光軸検出センサ。
7. 前記筐体は、２分割され、相互に螺合して、前記位置検出素子と前記ＮＤフィルタの距離を調節するようにしたことを特徴とする請求項６記載の光軸検出センサ。
8. 前記位置検出素子を位置検出素子固定ホルダに設け、前記位置検出素子固定ホルダを筐体内で検出素子駆動用ネジにより移動するように設けたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の光軸検出センサ。