JP4739806B2

JP4739806B2 - 光ビーム測定装置および方法

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Publication number: JP4739806B2
Application number: JP2005128344A
Authority: JP
Inventors: 宗濤 ▲葛▼; 隆行齋藤; 実黒瀬
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2004-06-07
Filing date: 2005-04-26
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2025-04-26
Also published as: JP2006023279A

Description

本発明は、光ビームの波面測定と該光ビームの集光スポットにおける各種の測定とを行う光ビーム測定装置および方法に関するものである。

従来、測定対象とされる光ビームをＣＣＤ等の撮像面上に点状に結像させてスポット像を形成し、そのスポット像の形状や大きさ、あるいは強度分布や重心座標等の測定（以下、これらを総称して「光ビームスポットの特性測定」という）を行なう装置（ビームプロファイラとも称される）が知られている（下記特許文献１参照）。

一方、光ビームの波面測定を行なう装置としては、図８に示すようなマッハツェンダ型干渉計の光学系配置を備えた波面測定用干渉計装置が知られている。

図８に示された波面測定用干渉計装置では、光源部１０１から出射された光ビームが、ビームスプリッタ１０２により２つの光束に分離される。この２つの光束の一方は、収束レンズ１０３により収束せしめられ、その収束点に配置されたピンホール１０４に入射する。このピンホール１０４は収束した光束の回折限界よりも小径に構成されており、ピンホール１０４の裏面側からは波面整形された理想的な球面波が射出されるようになっている。この球面波はコリメータレンズ１０５に入射して平面波に変換され、その後ミラー１０６により直角に反射されて、基準光としてビームスプリッタ１０７に入射する。

上記ビームスプリッタ１０２で分離された他方の光束は、ミラー１０８により直角に反射された後、収束レンズ１０９により収束されるが、その収束点にピンホールは配置されていない。このため波面整形は行なわれず、収束レンズ１０９を透過した光束は一旦収束した後に発散しながらコリメータレンズ１１０に入射して平行光とされ、その後ビームスプリッタ１０７に被検光として入射する。

上記基準光と上記被検光とがビームスプリッタ１０７において合波されることにより干渉光が得られ、この干渉光が結像レンズ１１１を介して撮像カメラ１１２内に取り込まれる。この撮像カメラ１１２により撮像された干渉縞に基づき、上記光ビームの波面測定が行なわれるようになっている。

上述したようなピンホールは理想的な球面波を形成する機能を備えているが、形成された球面波はピンホールの裏面側に射出されるようになっている。これに対し、入射光束の一部を理想的な球面波に変換して、これを入射方向と逆向きに反射させる機能を備えたもの（以下、「反射回折部」と称する）も知られている。このような反射回折部は、反射型ピンホール等とも称され、ガラス基板上に微小な反射領域を形成したものや、針状部材の先端に微小な反射領域を形成したもの（下記特許文献２参照）、あるいは通常のピンホールの裏面側直近に反射面を配置したもの（下記特許文献３参照）などが知られている。

特開２００４−４５３２７号公報特開２０００−９７６１２号公報特開昭５８−６０５９０号公報

上述したような従来のマッハツェンダ型の波面測定用干渉計装置は、ビームスプリッタやミラー等の光学素子の配置が対称的であり、干渉させる２つの光束はこれらの光学素子をそれぞれの光路において対称的に１回ずつ通過するようになっているため、対称配置される光学素子の光学特性を揃えれば、各々が有する収差等が測定結果に悪影響を及ぼし難いという特徴を有している。このため、マッハツェンダ型の波面測定用干渉計装置は、光ビームの波面測定において汎用性の高い測定装置として一般的に用いられている。

しかしながら、マッハツェンダ型の波面測定用干渉計装置は、光学系の部品点数が多く調整箇所も多岐にわたるため、光学系の調整が非常に難しいという問題がある。また、基準光の光路と被検光の光路を空間的に離して配置しなければならないため、装置が大型化するという問題もある。また、基準光と被検光が別々の光路を通過する構成のため振動の影響を受けやすいことや、位相シフト機構の設置が難しいなどの問題もある。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、構成簡易でコンパクトな光学系を備え、かつ光学系の調整を容易に行なうことが可能な実用性の高い波面測定用干渉計装置を提供することを第１の目的とする。

また、これまで光ビームの波面測定と光ビームスポットの特性測定を、同時に実施し得る測定装置は知られていない。２つの測定を１つの測定装置を用いて同時に行なうことができれば、２つの測定結果をリアルタイムで比較して分析したり、測定コストを大幅に低減したりすることが可能になるなど多くの利点がある。

本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、光ビームの波面測定と光ビームスポットの特性測定とを同時に行なうことが可能な光ビーム測定装置および方法を提供することを第２の目的とする。

上記第１および第２の目的を達成するため本発明の光ビーム測定装置は、測定対象とされる光ビームを、波面測定用と光ビームスポットの特性測定用との２つの光束に分離するビームスプリッター、前記ビームスプリッターにより分離された波面測定用の光束の一部を、被検光束として入射方向と逆向きに反射する半透過反射面、前記半透過反射面を透過した透過光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズの収束点に配置された微小な反射回折部とを有してなり、前記半透過反射面より入射した前記透過光束の一部を波面整形された基準光束に変換し、該基準光束を前記半透過反射面に向けて射出する基準光生成手段、前記基準光束と前記被検光束とが合波されてなる干渉光を第１の検出面に導き、該第１の検出面上に干渉縞を形成する第１の結像部、および前記ビームスプリッターにより分離された光ビームスポットの特性測定用の光束を第２の検出面上にスポット像として結像させる第２の結像部を備え、前記第１の検出面上に形成された前記干渉縞に基づき前記光ビームの波面測定を行なうとともに、前記第２の検出面上に形成された前記スポット像に基づき光ビームスポットの特性測定を行なうように構成されていることを特徴とする。

上記「微小な反射回折部」とは、該反射回折部に集光（収束）する収束光束の回折限界により大きさが決められ（望ましくは回折限界よりも小さく構成され）、該収束光束の少なくとも一部を波面整形された球面波として反射する機能を有するものをいう。このような反射回折部としては、種々の構成のものを用いることが可能であるが、具体的態様として例えば、基板上に微小な反射領域を形成したもの、針状部材の先端に微小な反射領域を形成したもの、あるいはピンホールの裏面側直近に反射面を配置したものなどを挙げることができる。

なお、このような反射回折部の周辺領域は、前記収束レンズを介して該周辺領域に入射した前記透過光束を前記収束レンズ外へ向けて反射させる曲面形状にしておくことが好ましい。

また、本発明の光ビーム測定装置において、前記干渉光が前記ビームスプリッタを介して前記第１の検出面に導かれるように構成したり、前記半透過反射面および前記基準光生成手段の少なくとも一方を光軸方向に移動させることにより、これらの間の光学距離を調整する光路長調整手段を備えたりすることができる。

また、半透過反射面と基準光生成手段との間の光路を遮断する遮光手段を備えたり、前記反射回折部を光路から外れた位置に移動し得るように構成したり、基準光生成手段が互いに大きさの異なる複数の反射回折部を保持し、それらのうちの１つを選択的に前記収束点に配置し得るように構成したり、前記光源部から出射される光ビームの光強度を測定するパワーメータを備えたりすることもできる。

また、前記干渉縞を解析して前記光ビームの波面測定結果を得る第１の解析手段と、前記スポット像を解析して前記光ビームの光ビームスポットの特性測定結果を得る第２の解析手段と、を備えるようにすることもできる。

また、本発明の光ビーム測定方法は、測定対象とされる光ビームの波面測定と該光ビームのスポットの特性測定との双方の測定が可能な光ビーム測定方法であって、前記光ビームを波面測定のための被検光束と基準光束作成用光束との２つの光束に分離し、前記基準光束作成用光束を波面整形して基準光束に変換した後、前記被検光束と前記基準光束とを干渉させて該被検光束の波面情報を担持した干渉縞を結像させる干渉縞生成手順と、前記被検光束と前記基準光束作成用光束との２つの光束に分離される前の前記光ビームの一部をビームスプリッターによりスポット像作成用光束として分離し、該スポット像作成用光束をスポット像として結像させるスポット像生成手順と、前記干渉縞を解析して前記光ビームの波面測定結果を得る第１の解析手順と、前記スポット像を解析して前記光ビームの光ビームスポットの特性測定結果を得る第２の解析手順と、を行なうことを特徴とするものである。

本発明によれば、従来のマッハツェンダ型のものにおいては、２つのビームスプリッタがそれぞれ担っていた別個の機能、すなわち光源部からの光ビームを基準光と被検光とに分波する機能と、これらを合波する機能とを１つの半透過反射面が担っているため、光学系を構成簡易かつコンパクトに配置することが可能であり、また光学系の調整も容易に行なうことができる。したがって、レーザ光等のコヒーレント光に対してその波面測定を容易に実施することができるとともに、装置の設置スペースの確保が容易であるなど実用性が極めて高い。

また、本発明によれば、光ビームの波面測定と光ビームスポットの特性測定とを同時に行なうことが可能である。

また、被検／基準光束分離手段を半透過反射面により構成したものでは、光学系を構成簡易かつコンパクトに配置することが可能であり、光学系の調整も容易に行なうことができる。

〈波面測定用干渉計装置〉
以下、本発明に係る波面測定用干渉計装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は本発明の一実施形態に係る波面測定用干渉計装置の概略構成図である。

図１に示す波面測定用干渉計装置１０は、光源部１１から出射される光ビームの波面測定を実施するものであり、光源部１１より図中右方に延びる光路上に配置された、ビームスプリッタ１３，半透過反射板１５，基準光生成手段２３、ビームスプリッタ１３の図中下方に配置された結像レンズ２５，撮像カメラ２７を備えている。また、波面測定用干渉計装置１０は、撮像カメラ２７からの画像信号に基づき各種解析を行なうコンピュータ３３，該コンピュータ３３による解析結果や画像を表示する表示装置３４，およびキーボードやマウス等からなる入力装置３５を備えている。なお、本実施形態においては、ビームスプリッタ１３，結像レンズ２５，撮像カメラ２７により、本発明における結像部が構成されている。

また、本実施形態において上記光源部１１は、固体レーザや半導体レーザまたはガスレーザ等からなる光源本体１１ａと、ビームエクスパンダ，コリメータレンズ，シリンドリカルレンズ等のいくつかを適宜に組み合わせてなる（単独で用いることが可能なものについては、単独で用いる場合を含む）ビーム光学系１１ｂとを備え、単一縦モードやマルチ縦モードの光ビームを平行光として図中右方に出射するように構成されている。なお、光源本体１１ａとして、例えば、固体レーザ等からのレーザ光を、光ファイバを介して出力するように構成されたものを用いることもできる。また、この光源部１１は、レーザ光出力装置として各種装置に組み込まれて用いられるものであり、光ビーム測定装置１０の構成要素ではない。

以下、上述した波面測定用干渉計装置１０の構成要素の詳細について説明する。上記半透過反射板１５は、光路長調整手段としてのフリンジスキャンアダプタ３６に保持されている。このフリンジスキャンアダプタ３６は、ホルダ３７および圧電素子３８からなり、該圧電素子３８の駆動により上記半透過反射板１５を光軸方向に移動させ、該半透過反射板１５と上記基準光生成手段２３との間の光学距離を調整するように構成されている。なお、上記圧電素子３８の駆動はドライバ３９を介してコンピュータ３３により制御されるようになっている。

また、上記基準光生成手段２３は、図中左方より入射した平行光束を１点に収束させる収束レンズ１７と、この収束レンズ１７の収束点に配置された反射回折部１９とを備えてなる。この反射回折部１９は、例えば、基板２１上に蒸着等により形成された、金，アルミニューム，クロム等の金属膜からなり、反射回折部１９の大きさは、入射する収束光束の回折限界よりも小さく構成されている。

以下、波面測定用干渉計装置１０の測定時における作用を説明する。上記光源部１１から図中右方に射出された光ビームの一部は、上記ビームスプリッタ１３を介して半透過反射板１５に向かい、該半透過反射板１５の半透過反射面１５ａにおいて、入射方向と逆向きに反射される被検光束と、該半透過反射板１５を透過して上記基準光生成手段２３に向かう透過光束とに分離され、該透過光束は上記基準光生成手段２３の上記収束レンズ１７に入射する。

この収束レンズ１７に入射した上記透過光束は、該収束レンズ１７により収束せしめられ、その収束点に配置された上記反射回折部１９に入射する。この反射回折部１９に入射した上記透過光束の一部は、該反射回折部１９において波面整形された球面波に変換され、上記収束レンズ１７に向けて反射される。この球面波は、収束レンズ１７において平面波に変換され、基準光束として上記半透過反射板１５に向けて射出される。

この基準光束が半透過反射板１５を透過し、上記半透過反射面１５ａで反射された上記被検光束と合波されることにより干渉光が得られる。この干渉光は、上記ビームスプリッタ１３を介して上記結像レンズ２５に入射し、該結像レンズ２５を介して上記撮像カメラ２７に取り込まれる。この撮像カメラ２７は、例えばＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成される検出面２７ａを備えており、上記結像レンズ２５を介して該検出面２７ａ上に形成された干渉縞を撮像するように構成されている。撮像された干渉縞の画像情報は上記コンピュータ３３に入力され、この画像情報に基づき上記光ビームの波面測定が行なわれる。なお、上記フリンジスキャンアダプタ３６により上記半透過反射面１５ａを光軸方向に微動させ、上記基準光束と上記被検光束との光路長差を少しずつ変動させながら干渉縞を撮像する、いわゆるフリンジスキャン測定を実施することにより、より詳細な波面測定結果を得ることができる。

上述したように本実施形態の波面測定用干渉計装置１０によれば、従来のマッハツェンダ型のものにおいては、２つのビームスプリッタがそれぞれ担っていた別個の機能、すなわち光源部からの光ビームを基準光と被検光とに分波する機能と、これらを合波する機能とを１つの半透過反射面が担っているため、光学系を構成簡易かつコンパクトに配置することが可能であり、また光学系の調整も容易に行なうことができる。したがって、上記光源部１１から出射されるレーザ光等のコヒーレント光に対してその波面測定を容易に実施することができるとともに、装置の設置スペースの確保が容易である。

また、これまで可干渉距離の極めて短いマルチ縦モードレーザ光の波面測定は、基準光束および被検光束の２つの光束の光路長差を高精度に調整しなければ、コントラストが良好な干渉縞を得ることができないため、光学系の調整が難しい従来の波面測定用干渉計装置による実施が困難であった。これに対し、上記波面測定用干渉計装置１０では、フリンジスキャンアダプタ３６を用いて半透過反射面１５ａの位置を変えることにより、２つの光束の光路長差の調整を容易に行なうことができる。このため、マルチ縦モードレーザ光の波面測定も高精度に実施することが可能である。

なお、図１に示す態様では、ビームスプリッタ１３の紙面内右側に半透過反射板１５および基準光生成手段２３が配置され、光源部１１からビームスプリッタ１３に入射した光ビームのうち分離面１３ａを透過した光束が半透過反射面１５ａに向かうように構成されているが、ビームスプリッタ１３の紙面内上側に半透過反射板１５および基準光生成手段２３を配置して、光源部１１からビームスプリッタ１３に入射した光ビームのうち分離面１３ａで直角に反射された光束が半透過反射面１５ａに向かうように構成してもよい。

〈光ビーム測定装置（第１の実施形態）〉
次に、本発明に係る光ビーム測定装置の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図２は本発明の第１の実施形態に係る光ビーム測定装置の概略構成図である。

図２に示す光ビーム測定装置１０Ａは、測定対象とされる光ビームの波面測定と該光ビームのスポットの特性測定との双方の測定が可能な光ビーム測定装置であって、波面測定部とスポット特性測定部とを備えてなる。

波面測定部は、光源部１１より出射された光ビームを波面測定のための被検光束と基準光束作成用光束との２つの光束に分離する被検／基準光束分離手段（１５）と、基準光束作成用光束を波面整形して基準光束に変換する基準光生成手段（２３）と、被検光束と基準光束とを干渉させて該被検光束の波面情報を担持した干渉縞を結像させる干渉縞生成手段（２５）と、干渉縞の結像面に設けられた第１の光検出器（２７ａ）とを有してなる。

一方、スポット特性測定部は、被検／基準光束分離手段（１５）に入射する前の光ビームの一部を、スポット作成用光束として分離するスポット作成用光束分離手段（１３）と、該スポット作成用光束分離手段（１３）により分離されたスポット作成用光束をスポット像として結像させるスポット像生成手段（２９）と、スポット像の結像面に設けられた第２の光検出器（３１ａ）とを有してなる。

より具体的には、光ビーム測定装置１０Ａは、光源部１１より図中右方に延びる光路上に配置された、光束分離手段としてのビームスプリッタ１３，被検／基準光束分離手段としての半透過反射板１５，遮光板１６，基準光生成手段２３、ビームスプリッタ１３の図中下方に配置された第１の結像レンズ２５，第１の撮像カメラ２７、およびビームスプリッタ１３の図中上方に配置された第２の結像レンズ２９，第２の撮像カメラ３１を備えている。また、光ビーム測定装置１０は、第１および第２の撮像カメラ２７，３１からの画像信号に基づき各種解析を行なうコンピュータ３３，該コンピュータ３３による解析結果や画像を表示する表示装置３４，およびキーボードやマウス等からなる入力装置３５を備えている。コンピュータ３３は、干渉縞を解析して光ビームの波面測定結果を得る第１の解析手段と、スポット像を解析して前記光ビームの光ビームスポットの特性測定結果を得る第２の解析手段とを、メモリ等に格納されたプログラムや該プログラムを実行する演算回路等として備えている。

なお、本実施形態においては、ビームスプリッタ１３，第１の結像レンズ２５，第１の撮像カメラ２７により、第１の結像部が構成され、ビームスプリッタ１３，第２の結像レンズ２９，第２の撮像カメラ３１により、第２の結像部が構成されている。

また、図２に示す光ビーム測定装置１０Ａにおいて、図１に示す波面測定用干渉計装置１０と共通の構成要素については共通の番号を用いており、これらについては重複を避けるため詳細な説明は省略し、以下では異なる点についてのみ詳細に説明する。

本実施形態において上記光源部１１は、図１に示すものと同様に構成されており、また上記波面測定用干渉計装置１０と同様、レーザ光出力装置として各種装置に組み込まれて用いられるものであり、光ビーム測定装置１０Ａの構成要素ではない。

上記遮光板１６は開閉可能なシャッタ等からなり、光学系の調整を行なう際に上記半透過反射板１５と上記基準光生成手段２３との間の光路を遮断し、測定時には該光路を開放するように構成されている。なお、この遮光板１６の開閉は電動モータ４１により行なわれ、該電動モータ４１の駆動はドライバ４３を介してコンピュータ３３により制御されるようになっている。

以下、光ビーム測定装置１０Ａの測定時における作用を説明する。上記光源部１１から図中右方に射出された光ビームは、上記ビームスプリッタ１３の分離面１３ａにおいて、上記半透過反射板１５に向かう光束と、上記第２の結像レンズ２９に向かう光束（スポット像作成用光束）との２つの光束に分離される。２つの光束のうち上記半透過反射板１５に向かう一方の光束は、該半透過反射板１５の半透過反射面１５ａにおいて、入射方向と逆向きに反射される被検光束と、該半透過反射板１５を透過して上記基準光生成手段２３に向かう透過光束（基準光束作成用光束）とに分離される。なお、測定時において上記遮光板１６は開放されており、上記透過光束は該遮光板１６に遮られることなく、上記基準光生成手段２３の上記収束レンズ１７に入射する。

この基準光束が半透過反射板１５を透過し、上記半透過反射面１５ａで反射された上記被検光束と合波されることにより干渉光が得られる。この干渉光は、上記ビームスプリッタ１３を介して上記第１の結像レンズ２５に入射し、該第１の結像レンズ２５を介して上記第１の撮像カメラ２７内の第１の検出面２７ａに結像されて干渉縞が撮像される。撮像された干渉縞の画像情報は上記コンピュータ３３に入力され、この画像情報に基づき上記光ビームの波面測定が行なわれる。

一方、上記ビームスプリッタ１３において分離された２つの光束のうち、上記第２の結像レンズ２９に向けて射出された光束は、該第２の結像レンズ２９を介して上記第２の撮像カメラ３１内の第２の検出面３１ａ（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成される）に集光せしめられ、該第２の検出面３１ａ上に上記光ビームのスポット像を形成する。第２の撮像カメラ３１は、形成されたスポット像を撮像して、その画像情報を上記コンピュータ３３に出力するように構成されている。そして、コンピュータ３３に入力されたスポット像の画像情報に基づき、光ビームスポットの強度分布や半値幅、断面形状や輝度分散等の各種の特性測定が行なわれる。

なお、上記光ビーム測定装置１０Ａにおける光学系の調整は、まず、上記遮光板１６により上記半透過反射板１５と上記基準光生成手段２３との間の光路が遮断された状態で行なわれる。この状態で、上記光源部１１から光ビームを出射し、上記ビームスプリッタ１３を経由して上記第２の撮像カメラ３１に至る光路上に配される各光学部材の調整と、上記光源部１１から上記ビームスプリッタ１３を経由して上記半透過反射面１５ａに至り、該半透過反射面１５ａで反射され再びビームスプリッタ１３を経由して上記第１の撮像カメラ２７に至る光路上に配される各光学部材の調整とが行なわれる。この調整後、上記遮光板１６が開放され、上記基準光生成手段２３の調整が行なわれる。

上述したように第１の実施形態に係る光ビーム測定装置１０Ａによれば、上記光源部１１から出射される光ビームの波面測定と光ビームスポットの特性測定とを同時に行なうことが可能である。また、フィゾー型の光学系配置を採用しているので、構成が簡易かつコンパクトであり、光学系の調整も容易に行なうことが可能である。

なお、図２に示す態様では、ビームスプリッタ１３の図中右側に半透過反射板１５，遮光板１６および基準光生成手段２３が配置され、ビームスプリッタ１３の図中上側に第２の結像レンズ２９および第２の撮像カメラ３１が配置されているが、これらの配置位置を交換する、すなわち、ビームスプリッタ１３の右側に第２の結像レンズ２９および第２の撮像カメラ３１を配置し、ビームスプリッタ１３の上側に半透過反射板１５，遮光板１６および基準光生成手段２３を配置するようにしてもよい。

また、図２に示す態様では、半透過反射板１５側から戻る干渉光がビームスプリッタ１３を介して第１の結像レンズ２５に導かれるように構成されているが、ビームスプリッタ１３と半透過反射板１５との間に他のビームスプリッタを配置しておき、半透過反射板１５側から戻る干渉光が、この他のビームスプリッタを介して第１の結像レンズ２５に導かれるように構成してもよい。

また、図２に示す態様では、光学系の調整を行なう際に、基準光生成手段２３より半透過反射板１５に光束が戻らないようにするために、半透過反射板１５と基準光生成手段２３との間の光路を遮断する遮光板１６を備えているが、このような遮光板を備える代わりに、反射回折部を光路から外れた位置に移動（傾動を含む）し得るように構成し、反射回折部１９を光路から外れた位置に移動させることによって、基準光生成手段２３より半透過反射板１５に光束が戻らないようにしてもよい。反射回折部１９を光軸から外れた位置に移動させる態様としては、基準光生成手段２３全体を光路外に移動させる態様や、反射回折部１９のみを光路外に移動させる態様などがあるが、反射回折部１９を図６に示す態様のもの（詳しくは後述する）に替えるようにした場合には、その基板２１Ａを回転させることにより、容易に反射回折部１９Ａ〜１９Ｄを光路外に移動させることができる。

〈光ビーム測定装置（第２の実施形態）〉
次に、本発明に係る光ビーム測定装置の第２の実施形態について説明する。図３は本発明の第２の実施形態に係る光ビーム測定装置１０Ｂの概略構成図である。なお、図３に示す光ビーム測定装置１０Ｂにおいて、図２に示す光ビーム測定装置１０Ａと共通の構成要素については共通の番号を用いており、これらについては重複を避けるため詳細な説明は省略し、以下では異なる点についてのみ詳細に説明する。

図３に示す光ビーム測定装置１０Ｂは、図２に示す光ビーム測定装置１０Ａの構成要素に加えて、以下の構成要素を備えている。すなわち、図３に示すように光ビーム測定装置１０Ｂは、光源部１１から出射される光ビームの光強度を測定する際に、光源部１１とビームスプリッタ１３との間の光路上に配置され、該光ビームを平行光束状態のまま図中下方に直角に反射させて導く反射ミラー５１と、該反射ミラー５１からの光ビームの光強度を測定するパワーメータ５２とを備えている。このパワーメータ５２は、光検出面５２ａを備えており、該光検出面５２ａに略平行光束状態で入射した光ビームの強度を測定し、その測定情報を上記コンピュータ３３に出力するように構成されている。なお、反射ミラー５１とパワーメータ５２との間の光路上にビームエクスパンダを配設して、パワーメータ５２に入射する平行光束の径の大きさを必要に応じて変えるようにしてもよい。また、上記反射ミラー５１は、光ビームの光強度を測定する際のみ光路上に配置されるものであり、通常時すなわち光ビームの波面測定と光ビームスポットの特性測定とを行なう際には光路上から退避されるように構成されている。

また、光ビーム測定装置１０Ｂは、光源部１１とビームスプリッタ１３との間において、光源部１１から出射される光ビームの一部を、図中下方に直角に反射させて導くビームスプリッタ５３と、該ビームスプリッタ５３により導かれた光ビームの光路上に配されたアライメント用の結像レンズ５４と、同じくアライメント用の撮像カメラ５５とを備えている。結像レンズ５４は、入射した上記光ビームを上記撮像カメラ５５内の検出面５５ａ（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成される）に集光させ、該検出面５５ａ上に光ビームのスポット像を形成する。撮像カメラ５５は、形成されたスポット像を撮像して、その画像情報を上記コンピュータ３３に出力するように構成されている。

上記撮像カメラ５５により撮像された上記スポット像は、上記光源部１１の傾き等をアライメントするために利用される。すなわち、コンピュータ３３に入力されたスポット像の上記検出面５５ａ上での位置情報に基づき、上記光源部１１のアライメント調整が行なわれるようになっている。

また、光ビーム測定装置１０Ｂは、上記ビームスプリッタ１３と上記半透過反射板１５との間において、上記半透過反射面１５ａから反射される光ビームの一部を、図中下方に直角に反射させて導くビームスプリッタ５６と、該ビームスプリッタ５６により導かれた光ビームの光路上に配されたアライメント用の結像レンズ５７と、同じくアライメント用の撮像カメラ５８とを備えている。結像レンズ５７は、入射した上記光ビームを上記撮像カメラ５８内の検出面５８ａ（例えば、ＣＣＤやＣＭＯＳ等の固体撮像素子で構成される）に集光させ、該検出面５８ａ上に光ビームのスポット像を形成する。撮像カメラ５８は、形成されたスポット像を撮像して、その画像情報を上記コンピュータ３３に出力するように構成されている。

上記撮像カメラ５８により撮像された上記スポット像は、上記半透過反射板１５および上記基準光生成手段２３の傾き等をアライメントするために利用される。すなわち、コンピュータ３３に入力されたスポット像の上記検出面５５ａ上での位置情報に基づき、上記半透過反射板１５および上記基準光生成手段２３のアライメント調整が行なわれるようになっている。

なお、このアライメント調整は、まず、上記遮光板１６により上記半透過反射板１５と上記基準光生成手段２３との間の光路が遮断された状態で行なわれる。この状態で、上記半透過反射板１５のアライメント調整が行なわれ、この調整後、上記遮光板１６が開放され、上記基準光生成手段２３のアライメント調整が行なわれる。

また、光ビーム測定装置１０Ｂは、上記ビームスプリッタ１３の図中上方位置において、アライメント用の光束を出力するアライメント用光源６１と、該アライメント用光源６１から図中右方に出力された発散光束をコリメートするコリメータレンズ６２と、後述する平行平板状の光学素子をアライメントする際に、上記ビームスプリッタ１３と上記第２の結像レンズ２９との間の光路上に配置され、上記コリメータレンズ６２からの平行光束を図中下方に直角に反射させて上記ビームスプリッタ１３に導く反射ミラー６３とを備えている。

上記アライメント用光源６１は、上記光源部１１と上記ビームスプリッタ５３との間に上記平行平板状の光学素子（例えば、カバーガラスや各種フィルタ。図示略）が配されるような場合において、該光学素子の傾き等をアライメント調整する際に利用される。すなわち、上記光学素子のアライメント調整をする際に、上記ビームスプリッタ１３と上記第２の結像レンズ２９との間の光路上に上記反射ミラー６３が配置され、アライメント用光源６１から出力されたアライメント用の光束が、上記コリメータレンズ６２および上記反射ミラー６３を介して上記ビームスプリッタ１３に導かれる。該ビームスプリッタ１３に導かれたアライメント用の平行光束は、該ビームスプリッタ１３の分離面１３ａにおいて、その一部が図中左方に直角にされて上記光学素子に導かれる。

この、光学素子に導かれたアライメント用の平行光束は、該光学素子においてその一部が反射され、その反射光束の一部が上記ビームスプリッタ５３により図中下方に直角に反射され、さらに上記結像レンズ５４により、上記撮像カメラ５５内の検出面５５ａに集光されて該検出面５５ａ上にそのスポット像が形成される。このスポット像は、撮像カメラ５５により撮像され、その画像情報が上記コンピュータ３３に出力される。そして、コンピュータ３３に入力されたスポット像の上記検出面５５ａ上での位置情報に基づき、上記光学素子のアライメント調整が行なわれるようになっている。

なお、上述した反射ミラー５１およびパワーメータ５２は、所定の集光レンズ（例えば、光ピックアップレンズ）の光透過率や、該集光レンズを介して出力された光ビームの光強度を測定する場合にも利用することが可能である。図４に、このような光ピックアップレンズの透過率を測定するために用いられる測定ユニット７０を示す。

図４に示す測定ユニット７０は、測定対象とされる光ピックアップ用の第１レンズ７１と、該第１レンズ７１に図中左方より入射し該第１レンズ７１により収束、発散せしめられた光ビームをコリメートする第２レンズ（光透過率が既知のもの）とを、互いに所定距離を置いて保持するように構成されている。この測定ユニット７０は、本願出願人により提案されている光透過率測定方法（特願２００４−３７９４４９号明細書、特願２００４−３７９４５０号明細書参照）を用いて、第１レンズ７１の光透過率や該第１レンズ７１を介して出力された上記光ビームの光強度を測定する際に、図３に示す光源部１１と反射ミラー５１との間の光路上に配置される。

すなわち、図３に示す光源部１１と反射ミラー５１との間の光路上に上記測定ユニット７０が配置された状態で、光源部１１から測定ユニット７０を介して出力された光ビームの最大光量データを上記パワーメータ５２により求め、これを、測定ユニット７０が配置されない状態で測定された光源部１１からの光ビームの光量データと比較、演算することにより、上記第１レンズ７１の光透過率および該第１レンズ７１のみを介して出力された際の光ビームの光強度を求めることができる（詳細は、上記各明細書参照）。

また、第２レンズの光透過率が既知で無い場合でも、上記第１および第２レンズ７１，７２の他に第３のレンズを被測定レンズに加え、これら３つのレンズにより、３つの異なるレンズペアを構成し、これらのレンズペアについて順次最大光量データを求め、各レンズの光透過率を未知数とした３元連立方程式を演算することによって、各被測定レンズの光透過率を求めるようにしてもよい。

なお、第１レンズ７１の光透過率等を測定する際には、図３に示す被検用の光源部１１に替えて、より高い波面精度を持つ光ビームを出力し得る測定用の基準光源（図示略）を用いることが好ましい。

上述したように第２の実施形態に係る光ビーム測定装置１０Ｂによれば、上記光源部１１から出射される光ビームの波面測定と光ビームスポットの特性測定とを同時に行なうことが可能であるとともに、光源部１１から出射される光ビームの光強度測定や光ピックアップレンズの光透過率等の測定等も行なうことが可能である。また、アライメント用の光学系を備えているので、システム全体の調整もさらに容易に行なうことが可能である。

なお、図３に示す態様では、半透過反射板１５（被検／基準光束分離手段）に入射する前の光ビームの一部を、ビームスプリッタ１３（光束分離手段）によりスポット作成用光束として分離するようにしているが、半透過反射板１５（被検／基準光束分離手段）により分離された後の被検光束の一部を、ビームスプリッタ５６によりスポット作成用光束として分離するようにしたり、半透過反射板１５と基準光生成手段２３との間に他のビームスプリッタを設置し、波面整形される前の基準光束作成用光束の一部を、スポット作成用光束として分離するようにしてもよい。

〈光ビーム測定方法〉
以下、本発明の一実施形態に係る光ビーム測定方法について説明する。この光ビーム測定方法は、上述した光ビーム測定装置１０Ａまたは１０Ｂを用いて行われる。

すなわち、まず、測定対象とされる光ビーム（光源部１１から出射される光ビーム）を、半透過反射面１５ａにおいて、波面測定のための被検光束と基準光束作成用光束との２つの光束に分離し、分離された基準光束作成用光束を、基準光生成手段２３により、波面整形して基準光束に変換した後、被検光束と基準光束とを干渉させて該被検光束の波面情報を担持した干渉縞を、第１の撮像カメラ２７内の第１の検出面２７ａに結像させる（干渉縞生成手順）。

一方、被検光束と基準光束作成用光束との２つの光束に分離される前の光ビームの一部を、ビームスプリッタ１３によりスポット作成用光束として分離し、分離されたスポット作成用光束を、第２の撮像カメラ３１内の第１の検出面３１ａにスポット像として結像させる（スポット像生成手順）。

そして、コンピュータ３３において、干渉縞を解析して光ビームの波面測定結果を得る（第１の解析手順）とともに、スポット像を解析して光ビームの光ビームスポットの特性測定結果を得る（第２の解析手順）。

〈態様の変更〉
図２に示す光ビーム測定装置１０Ａ、および図３に示す光ビーム測定装置１０Ｂは、干渉縞を得るための光学系の配置がフィゾー型とされているが、フィゾー型に替えて、マイケルソン型の光学系配置を採ることも可能である。その場合、上述のようにフィゾー型の光学系配置を採用したものにおける特徴、すなわち光学系の構成が簡易かつコンパクトであり、光学系の調整が容易であるという特徴は低下するが、干渉縞を得るための被検光束と基準光束との光路長が互いに略等しくなるように設定することができるので、波面測定の対象とされる光ビームが低可干渉性の光束である場合でも、測定が可能となるという利点がある。

また、図３に示す光ビーム測定装置１０Ｂの反射ミラー５１およびパワーメータ５２を、図１に示す波面測定用干渉計装置１０に設けることにより、この波面測定用干渉計装置１０において、光ビームの光強度測定等を行なえるように構成することも可能である。その場合は、光源部１１とビームスプリッタ１３との間の光路上に、反射ミラー５１を出し入れ可能に配置すればよい。さらに、図４に示す測定ユニット７０を用いることにより、図１に示す波面測定用干渉計装置１０において、光ピックアップレンズの光透過率等の測定を行なえるように構成することも可能である。

また、図１に示す波面測定用干渉計装置１０、図２および図３に示す光ビーム測定装置１０Ａ，１０Ｂにおいて共通に用いられている反射回折部１９の態様を種々に変更することも可能である。

以下、反射回折部１９の態様の変形例について、図５〜図７を参照しながら説明する。図５に示す反射回折部１９Ｅは、例えば、球面等の曲面状に形成された基板２１Ｂ上に蒸着等により形成された金属膜からなる。この態様のものでは、基板２１Ｂが曲面状に形成されていることにより、図中左方に配置される収束レンズ（図示略）から該基板２１Ｂ上に入射した収束光束が上記収束レンズに向けて反射されることを抑制し得るようになっており、これによりノイズ光発生の抑制が図られている。

図６に示す反射回折部１９Ａ〜１９Ｄは、例えば、円板状に形成された基板２１Ａ上に蒸着等により形成された金属膜からなり、各反射回折部１９Ａ〜１９Ｄの大きさが互いに異なるように構成されている。また、基板２１Ａは回転軸４４を中心として紙面に沿って回転可能に構成されている。この態様のものでは、紙面手前側に配置される収束レンズのＮＡ等に応じて、該収束レンズの収束点に上記反射回折部１９Ａ〜１９Ｄのうちの１つを選択的に配置し得るようになっている。

図７に示す反射回折部１９Ｆは、入射する収束光束の回折限界よりも小さく形成されたピンホール４５と、該ピンホール４５の裏面側直近に配置された反射面４７とから構成されている。この態様のものでは、ピンホール４５と反射面４７との相対的位置を該反射面４７に沿ってずらしても波面整形の機能が変わらない。このため、反射面４７の、ピンホール４５から臨む部分が破損してその機能が損なわれた場合に、ピンホール４５と反射面４７とを相対的にずらすことにより、容易に機能の修復が図れるという利点がある。

本発明に係る波面測定用干渉計装置の一実施形態を示す図本発明に係る光ビーム測定装置の第１の実施形態を示す図本発明に係る光ビーム測定装置の第２の実施形態を示す図光透過率測定用の測定ユニットを示す図反射回折部の変形例を示す図反射回折部の他の変形例を示す図反射回折部のその他の変形例を示す図従来の波面測定用干渉計装置の概略構成図

符号の説明

１０波面測定用干渉計装置
１０Ａ，１０Ｂ光ビーム測定装置
１１，１０１光源部
１１ａ光源本体
１１ｂビーム光学系
１３ビームスプリッタ（光束分離手段、スポット作成用光束分離手段）
５３，５６，１０２，１０７ビームスプリッタ
１３ａ分離面
１５半透過反射板（被検／基準光束分離手段）
１５ａ半透過反射面
１７，１０３，１０９収束レンズ
１６遮光板
１９，１９Ａ〜１９Ｆ反射回折部
２１，２１Ａ，２１Ｂ基板
２３基準光生成手段
２５結像レンズ（第１の結像レンズ、干渉縞生成手段）
２７撮像カメラ（第１の撮像カメラ）
２７ａ検出面（第１の検出面、第１の光検出器）
２９第２の結像レンズ
３１第２の撮像カメラ
３１ａ第２の検出面（第２の光検出器）
３３コンピュータ
３４表示装置
３５入力装置
３６フリンジスキャンアダプタ
３７ホルダ
３８圧電素子
３９，４３ドライバ
４１電動モータ
４４回転軸
４５，１０４ピンホール
４７反射面
５１，６３反射ミラー
５２パワーメータ
５２ａ光検出面
５４，５７アライメント用の結像レンズ
５５，５８アライメント用の撮像カメラ
５５ａ，５８ａ検出面
６１アライメント用光源
６２，１０５，１１０コリメータレンズ
７１第１レンズ
７２第２レンズ
１０６，１０８ミラー
１１１結像レンズ
１１２撮像カメラ

Claims

測定対象とされる光ビームを、波面測定用と光ビームスポットの特性測定用との２つの光束に分離するビームスプリッター、
前記ビームスプリッターにより分離された波面測定用の光束の一部を、被検光束として入射方向と逆向きに反射する半透過反射面、
前記半透過反射面を透過した透過光束を収束させる収束レンズと、該収束レンズの収束点に配置された微小な反射回折部とを有してなり、前記半透過反射面より入射した前記透過光束の一部を波面整形された基準光束に変換し、該基準光束を前記半透過反射面に向けて射出する基準光生成手段、
前記基準光束と前記被検光束とが合波されてなる干渉光を第１の検出面に導き、該第１の検出面上に干渉縞を形成する第１の結像部、
および前記ビームスプリッターにより分離された光ビームスポットの特性測定用の光束を第２の検出面上にスポット像として結像させる第２の結像部を備え、
前記第１の検出面上に形成された前記干渉縞に基づき前記光ビームの波面測定を行なうとともに、前記第２の検出面上に形成された前記スポット像に基づき光ビームスポットの特性測定を行なうように構成されていることを特徴とする光ビーム測定装置。
前記干渉光が前記ビームスプリッターを介して前記第１の検出面に導かれるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の光ビーム測定装置。
前記半透過反射面および前記基準光生成手段の少なくとも一方を光軸方向に移動させることにより、これら半透過反射面および基準光生成手段の間の光学距離を調整する光路長調整手段を備えていることを特徴とする請求項１または２記載の光ビーム測定装置。
前記基準光生成手段が、互いに大きさの異なる複数の反射回折部を保持し、これら複数の反射回折部のうちの１つを選択的に前記収束点に配置し得るように構成されていることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか１項記載の光ビーム測定装置。
前記半透過反射面と前記基準光生成手段との間の光路を遮断する遮光手段を備えていることを特徴とする請求項１〜４のうちいずれか１項記載の光ビーム測定装置。
前記反射回折部を光路から外れた位置に移動し得るように構成されていることを特徴とする請求項１〜５のうちいずれか１項記載の光ビーム測定装置。
前記反射回折部の周辺領域が、前記収束レンズを介して該周辺領域に入射した前記透過光束を前記収束レンズ外へ向けて反射させる曲面形状であることを特徴とする請求項１〜６のうちいずれか１項記載の光ビーム測定装置。
前記光ビームの光強度を測定するパワーメータを備えていることを特徴とする請求項１〜７のうちいずれか１項記載の光ビーム測定装置。
前記干渉縞を解析して前記光ビームの波面測定結果を得る第１の解析手段と、前記スポット像を解析して前記光ビームの光ビームスポットの特性測定結果を得る第２の解析手段と、を備えていることを特徴とする請求項１〜８のうちいずれか１項記載の光ビーム測定装置。
測定対象とされる光ビームの波面測定と該光ビームのスポットの特性測定との双方の測定が可能な光ビーム測定方法であって、
前記光ビームを波面測定のための被検光束と基準光束作成用光束との２つの光束に分離し、前記基準光束作成用光束を波面整形して基準光束に変換した後、前記被検光束と前記基準光束とを干渉させて該被検光束の波面情報を担持した干渉縞を結像させる干渉縞生成手順と、
前記被検光束と前記基準光束作成用光束との２つの光束に分離される前の前記光ビームの一部をビームスプリッターを用いてスポット像作成用光束として分離し、該スポット像作成用光束をスポット像として結像させるスポット像生成手順と、
前記干渉縞を解析して前記光ビームの波面測定結果を得る第１の解析手順と、
前記スポット像を解析して前記光ビームの光ビームスポットの特性測定結果を得る第２の解析手順と、
を行なうことを特徴とする光ビーム測定方法。