JP4853961B2 - 光束の拡がり角測定装置 - Google Patents

Description

本発明は、光束の波長毎の拡がり角測定装置に関する。例えば、光ファイババンドルまたはソーラシミュレータから出射される比較的大きな光束の波長毎の拡がり角を正確に測定することのできる光束の拡がり角測定装置に関する。

従来、レーザービームのような単色で平行度が高く小口径のビームの拡がり角を測定するための装置としては、例えば、シェアリング干渉計を利用したコリメーションチェッカーが利用されていた。その他に、光束の拡がり角測定装置に関連する技術としては、特許文献１には、マルティビームシアリング干渉を用いたビームコリメーション法およびそれを利用したレンズの焦点距離または点光源の変位測定方法が開示されている。また、特許文献２には、光学測定装置が開示されている。

特開平１１−１９０６７９号公報 特開２００５−１７２５７号公報

従来、光ファイババンドルからの光束やソーラシミュレータからの光束のように非単色光で平行度が数度の拡がりを持ち、その口径が最大で数十ｃｍに達する光束の拡がり角を測定できる装置は存在しなかった。
本発明の目的は、上記のような比較的大きい光束に対する波長毎の光束の拡がり角を測定することのできる光束の拡がり角測定装置を提供することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、次のような手段を採用した。
第１の手段は、光源から放射された白色光の光束と、該光束を透過させ単色化する複数の特性が異なるバンドパスフィルタと、該光束の光路上に設けられ、バンドパスフィルタを透過した光束の強度を複数の光束断面測定位置で測定する波長感度領域が異なる複数のピンホール付デテクタと、該ピンホール付デテクタで検出された光束の強度から前記複数の光束断面測定位置における光束幅を求め、前記複数の光束断面測定位置における光束幅間の差と前記複数の光束断面測定位置間の距離とから該白色光の成分毎に光束の拡がり角を求める拡がり角測定手段とからなることを特徴とする光束の拡がり角測定装置である。
第２の手段は、第１の手段において、前記ピンホール付デテクタを任意の位置に移動可能なＸＹＺステージを備え、前記拡がり角測定手段は、前記ＸＹＺステージへのステージ駆動信号に同期して前記ピンホール付デテクタで検出された光束の強度を取得することを特徴とする光束の拡がり角測定装置である。

本発明によれば、比較的大きな光束に対する波長毎の拡がり角を精度良く測定することができる。

以下に、本実施形態の発明に係る光束の拡がり角測定装置を図１ないし図５を用いて説明する。本発明の光束の拡がり角測定装置は、後に詳述するように、光源、バンドパスフィルタ、アパーチャ、光センサ、プリアンプ、Ａ／Ｄ変換器、トリガ信号発生回路、算出回路等から構成される。

Ｘｅランプやハロゲンランプ等の光源から出力される光束は、白色光と呼ばれ、その中には色々な波長成分が含まれている。これらの波長成分毎に、その拡がり角を求めるには、まず光束を単色化する機構が必要である。通常、単色化するための機構としては分光器が用いられるが、分光器は光束をスリットに入れる等、光束形状の加工を伴うので、光束の拡がり角を求める場合の機構としては適していない。
本発明では、適切な特性を持つバンドパスフィルタを光路中に入れることにより光束の単色光化を実現する。この方法は、光束形状に変化を与えることなく、光束を単色化(正確にはスペクトルの狭帯域化)できる特徴を有する。また光束の口径変化には、バンドパスフィルタの口径を変えることにより対応できる。これにより、比較的大きい光束について、単色化された光束が容易に得られる。

図１は、バンドパスフィルタによる光源の単色化機構を示す図である。
同図において、１はバンドパスフィルタ収納カセット機構、２はバンドパスフィルタ収納カセット機構１に収納されている個々のバンドパスフィルタ、３はバンドパスフィルタ収納カセット機構１から所望のバンドパスフィルタ４を取り出し、不図示の光源から放射された光路中に設置するバンドパスフィルタ供給用ロボット、４は光路中に設置されたバンドパスフィルタである。

図１に示すように、不図示の光源から放射される光束の光源スペクトルが広範囲の分布を持ち、その単色化に必要なバンドパスフィルタの枚数が多い場合は、バンドパスフィルタ収納カセット機構１にこれらを収納し、これらの中からバンドパスフィルタ供給用ロボット３によって、必要なバンドパスフィルタ４を選び出し光路中の指定位置に挿入することにより単色化を行なう。これに反し、光源スペクトルの分布が狭く、光源の単色化に必要なバンドパスフィルタの枚数が少ない場合は、回転ホイール上や直線上にこれらを並べ、選択したい波長用のフィルタを選べば足りる。

図２（ａ）は、アパーチャ５および光束の進行方向における光束断面測定位置Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３を示す図、図２（ｂ）は、光束断面測定位置Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３における光強度を示す図である。
これらの図において、５はバンドパスフィルタ４によって単色化された光束を入射し光束の輪郭を明確化するために設けられたアパーチャ、ＢＫiおよびＴＨiは、各々ｉ＝１，２，３とする時、高さＺiに対する、光強度のバックグランド値および光強度の閾値（光束の輪郭を規定する強度）である。
図２（ａ）に示すように、アパーチャ５は最初の光束断面測定位置Ｚ１の手前直近に設置される。アパーチャ５から出射した光束の拡がり角は高さ（図のＺ方向）によらず一様で、アパーチャ寸法が光の回折効果よりかなり大きいという条件下では、アパーチャ５からの光も元の光束と同じ拡がり角を持っている。（実際上、殆どの場合はこの条件に該当する。）

ここで、仮に光束内にアパーチャ５を設けないと、光束の強度変化はなだらかとなるため、光強度の閾値をどこにとるかによって、輪郭の値は大きく変わってしまう。従って輪郭を一義的に求めることは困難となる。更に、アパーチャ５を設けないと、バックグラウンド信号が迷光やデテクタから発生し、測定誤差を引き起こす原因となる。

これに対し、本発明のように光束内にアパーチャ５を設け、その直ぐ近くの光の強度を、後述する光センサを設けて測定すれば、光束の輪郭が明確化され、光強度のバックグランド値と閾値の大きさを正確に求めることができる。Ｚ１を測定のスタート位置とし、Ｚ２，Ｚ３と位置を遠くにずらしていくと、光強度の変化から、バックグラウンド値と閾値の大きさが分かる。これより、種々の高さにおける光路の輪郭、言い換えれば光束断面の半径を、明確に求めることが可能となる。

図３（ａ）は、ＸＹＺステージによる移動機構を備える光センサの平面図、図３（ｂ）は、ＸＹＺステージによる移動機構を備える光センサの後方側面図である。
これらの図において、６はＸＹＺステージの一部を構成しＸ方向の移動が可能な左右ステージ、７はＸＹＺステージの一部を構成しＹ方向の移動が可能な上下ステージ、８はＸＹＺステージの一部を構成しＺ方向の移動が可能な前後ステージ、９はＸＹＺステージ上に設けられる固定アーム、１０，１１，１２は各々光センサとしてのピンホール付デテクタである。
ここで例示したピンホール付デテクタ１０，１１，１２は、それぞれ波長感度領域が異なる。実際に設置されるピンホール付デテクタの数は、各ピンホール付デテクタの波長感度領域と光束の波長領域の広さによって必要な数が定まる。
光センサであるこれらのピンホール付デテクタ１０，１１，１２は、ＸＹＺステージによる移動機構により、図２に示した任意の光束断面測定位置Ｚｉに移動可能であって、任意の位置の光束断面の光強度を測定することができる。

図４は、トリガ信号発生回路から出力されるＸＹＺステージの駆動信号に同期したトリガ信号の送信時に、ピンホール付デテクタ１０（１１，１２）で光強度を検出し、検出された光強度データに基づいて光束の拡がり角を求めるための構成を示す図である。
同図において、１３はピンホール付デテクタ１０（１１，１２）で検出された光強度を増幅するプリアンプ、１４はプリアンプ１３で増幅された光強度データをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器、１５はＸＹＺステージの駆動信号に同期したトリガ信号を送信するトリガ信号発生回路、１６はＸＹＺステージの駆動信号に同期して検出された光強度データに基づいて光束の拡がり角を求める算出回路である。

同図に示すように、固定アーム９上のピンホール付デテクタ１０（１１，１２）はＸＹＺステージによって前後、左右、上下に移動可能である。ピンホール付デテクタ１０（１１，１２）で検出された光強度はプリアンプ１３で増幅され、増幅された光強度データはＡ／Ｄ変換器１４でデジタル信号に変換される。このとき、Ａ／Ｄ変換器１４は、トリガ信号発生回路１５から送信されたＸＹＺステージの駆動信号に同期したトリガ信号を受信するが、その受信トリガ信号の順番により、図２（ｂ）の横軸すなわちセンサの位置が定まる。算出回路１６では、ＸＹＺステージの駆動信号順番すなわちセンサ位置と、これに同期した光強度データを受け取り、これらに基づいて光束の拡がり角を求める。

算出回路１６において、光束の拡がり角は以下に示す関係式から求めることができる。
図２において、光束断面測定位置Ｚｉにおける光束断面の半径をＲ（Ｚｉ）と表記すると、光束の拡がり角φは、次式で与えられる。
φ＝ａｔａｎ［｛Ｒ（Ｚ２）−Ｒ（Ｚ１）｝／（Ｚ２−Ｚ１）］
または、
φ＝ａｔａｎ［｛Ｒ（Ｚ３）−Ｒ（Ｚ１）｝／（Ｚ３−Ｚ１）］

なお、本実施形態の発明では、光センサとして、図３に示すように、ピンホール付デテクタを用いたが、これに限定されず、リニアカメラや撮像カメラを用いることも可能である。
図５は、光センサとしてリニアアレイカメラ１７を用いた場合の、光束内の位置と光束強度測定のグラフを示す図である。同グラフにおいて、横軸はリニアアレイカメラ１７内の受光位置、縦軸はリニアアレイカメラ出力強度である。
リニアアレイカメラ１７が、図５（ａ）に示すように、光束断面の左端にある場合は、左端付近の位置情報得られ、図５（ｂ）に示すように、光束断面の右側にある場合は、右側付近の位置情報が得られる。その結果、左右２回の測定で１次元光強度が同時に得られ、光強度測定に要する移動回数を少なくすることができる。
さらに、光センサとして撮像カメラを用いる場合も、光束断面の左右において左右２回の測定で撮像面上の２次元強度を同時に得ることができ、光強度測定に要する移動回数を少なくすることができる。
上述のごとく、光センサとして、ピンホール付デテクタ、リニアアレイカメラ、または撮像カメラのいずれを使用しても、異なる高さでの光束断面の輪郭を把握することができ、そのデータを用いて光束の拡がり角を算出することができる。

上述のごとく、本発明の光束の拡がり角測定装置によれば、非単色光で平行度が数度の拡がりを持ち、光束の口径が最大で数十ｃｍに達する光束について、光束の拡がり角を精度良く求めることができる。

図１は、バンドパスフィルタによる光源の単色化機構を示す図である。 アパーチャ５および光束の進行方向における光束断面測定位置Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３を示す図、および光束断面測定位置Ｚ１，Ｚ２，Ｚ３における光強度を示す図である。 ＸＹＺステージによる移動機構を備える光センサの平面図およびＸＹＺステージによる移動機構を備える光センサの後方側面図である。 トリガ信号発生回路からＸＹＺステージの駆動信号に同期したトリガ信号の送信時に、ピンホール付デテクタ１０（１１，１２）で光強度を検出し、検出された光強度データに基づいて光束の拡がり角を求めるための構成を示す図である。 光センサとしてリニアアレイカメラ１７を用いた場合の、光束内の位置と光束強度測定のグラフを示す図である。

符号の説明

１ バンドパスフィルタ収納カセット機構
２ バンドパスフィルタ収納カセット機構に収納されているバンドパスフィルタ ３ バンドパスフィルタ供給用ロボット
４ 光路中に設置されたバンドパスフィルタ
５ アパーチャ
６ 左右ステージ
７ 上下ステージ
８ 前後ステージ
９ 固定アーム
１０，１１，１２ ピンホール付デテクタ
１３ プリアンプ
１４ Ａ／Ｄ変換器
１５ トリガ信号発生回路
１６ 算出回路
１７ リニアアレイカメラ

Claims (2)

1. 光源から放射された白色光の光束と、該光束を透過させ単色化する複数の特性が異なるバンドパスフィルタと、該光束の光路上に設けられ、バンドパスフィルタを透過した光束の強度を複数の光束断面測定位置で測定する波長感度領域が異なる複数のピンホール付デテクタと、該ピンホール付デテクタで検出された光束の強度から前記複数の光束断面測定位置における光束幅を求め、前記複数の光束断面測定位置における光束幅間の差と前記複数の光束断面測定位置間の距離とから該白色光の成分毎に光束の拡がり角を求める拡がり角測定手段とからなることを特徴とする光束の拡がり角測定装置。
2. 前記ピンホール付デテクタを任意の位置に移動可能なＸＹＺステージを備え、前記拡がり角測定手段は、前記ＸＹＺステージへのステージ駆動信号に同期して前記ピンホール付デテクタで検出された光束の強度を取得することを特徴とする請求項１に記載の光束の拡がり角測定装置。

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