JP7379765B2

JP7379765B2 - ビーム形状計測用光学系およびビーム形状計測装置

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Publication number: JP7379765B2
Application number: JP2018235154A
Authority: JP
Inventors: 学安川; 孝飯塚; 快成松井
Original assignee: シナジーオプトシステムズ株式会社
Priority date: 2018-12-17
Filing date: 2018-12-17
Publication date: 2023-11-15
Anticipated expiration: 2038-12-17
Also published as: JP2020098102A

Description

本発明は、ビーム形状計測用光学系およびビーム形状計測装置、特に光源の品質に関連するビーム形状を計測するためのビーム形状計測用光学系およびビーム形状計測装置に関する。

光源の品質を表すパラメータを測定する装置として、例えば特許文献１に開示されたＭ^２測定装置が知られている。特許文献１に係るＭ^２測定装置は、被測定光源のレーザを集光する集光レンズと、これをビームの光軸方向に移動させる一軸ステージと、ビーム集光位置より後方に配置される対物レンズと、その後ろ側焦点面より後方に配置され、光を２方向に分岐するハーフミラーと、分岐された一方の光軸上に配置され、後ろ側焦点面の光像を結像するリレーレンズと、その結像画像を撮像する撮像素子と、分岐された他方の光軸上に配置され、集光位置のビーム像を拡大投影する拡大レンズと、その投影画像を撮像する撮像素子と、撮像素子の撮像画像からビームの広がり角度を検出し、集光レンズを移動させながら撮像素子の撮像画像からビームウェスト径を求め、これらを基にＭ^２値を算出する制御処置部と、を備えている。Ｍ^２（ビーム伝搬率）とは、ビームがシングルモードビームにどの程度近いかを示す値であり、どの程度小さなビームウエストに集光できるかを評価することができる。

また、特許文献２に開示されたレーザアライメント計測装置も知られている。特許文献２に開示されたレーザアライメント計測装置は、対物レンズと接眼レンズによってケブラー型像転送光学系を形成し、かつ、接眼レンズの多重反射集光位置に撮像素子を配置し、さらに、この撮像素子で受光した近視野像と遠視野像とを同時に表示する受像器を備えたことを特徴とする。

ところで、近年半導体レーザ、ＬＥＤ（ＬｉｇｈｔＥｍｉｔｔｉｎｇＤｉｏｄｅ）等の光源、特に高出力光源の用途が拡大しつつある。具体的な用途としては例えば、車載品分野、セキュリティ分野、医療分野、精密加工分野、照明分野等を挙げることができる。例えば車載分野での具体的用途としては、ＬｉＤＡＲ（ＬｉｇｈｔＤｅｔｅｃｔｉｏｎａｎｄＲａｎｇｉｎｇ）が例示される。ＬｉＤＡＲとは、光を応用したリモートセンシング技術に属し、レーザ照射に対する散乱光を測定して物体までの距離や対象の性質をセンシングする技術である。

また最近台頭しつつある技術として、レーザヘッドライトも例示される。レーザヘッドライトはより遠方への照射が可能になる点が最大のメリットとされ、きめ細かい配光制御が可能となり、高度なＡＤＢ（ＡｄａｐｔｉｖｅＤｒｉｖｉｎｇＢｅａｍ）技術、すなわち、先行車や対向車を検出して配光を制御する技術の実現が可能になるとされている。その他、生体認証（顔認証）システム、レーザディスプレイ等、高出力光源の用途として様々な分野を挙げることができる。

特開平１１－２８１４７３号公報特開昭６２－６２２２６号公報

上述したように、近年、光源、特に高出力光源は、多岐に亘る新たな分野への進出が期待されている。その際、用途の性質から高品質、高性能、安全性、信頼性、量産性、コスト等を考慮した高出力光源の開発、製造が要求されると考えられる。一方、このような高出力光源の開発・製造では、出力光の高品質を維持するため、あるいはシステムの安定な動作を確保するために高精度な光ビームの品質評価方法が必須となると考えられる。

光ビームの品質の一例として、例えばビームの形状が挙げられる。さらに、ビームの形状を評価するための手段として、上記のＭ^２の他に、ＮＦＰ（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＰａｔｔｅｒｎ：近視野像）、あるいはＦＦＰ（ＦａｒＦｉｅｌｄＰａｔｔｅｒｎ：遠視野像）が挙げられる。ＮＦＰとは、例えば半導体レーザの出力端近傍で計測したビームの進行方向に垂直な面内のビームの形状をさし、ＦＦＰとは、出力端から無限遠の位置におけるビームの形状をさす。光源のＮＦＰとＦＦＰとで形状が異なり、光源の特性の精密な評価には両者の計測が欠かせないが、両者の計測が同じ計測装置で行えれば至便である。また、このような計測装置は光デバイス等の製造工程において使用される場合もあり、簡略な構成でしかも低コストであることが求められている。

この点特許文献１に係るＭ^２測定装置は、ビームの形状の測定に関連した測定装置であるが、主としてビームの品質を数値化することを目的とした装置であり、ビームの進行方向に垂直な面内のビームの形状を問題とするものではない。また、特許文献２に係るレーザアライメント計測装置は近視野像と遠視野像とを同時に表示する受像器を備えているが、その目的はあくまでレーザアライメントの計測にある。

本発明は、上記問題を解決すべくなされたものであり、本発明の目的は、簡易な構成で様々な態様のビーム形状が計測可能なビーム形状計測用光学系およびビーム形状計測装置を提供することにある。

本開示では以下の態様を開示する。

本開示の第１態様は、複数のビームを発生する対象物の前記ビームの像を結像する第１の結像系と、前側焦点位置を前記第１の結像系の後側焦点位置とされた第２の結像系と、前側焦点位置を前記第２の結像系の後側焦点位置とされた第３の結像系と、含み、前記第１の結像系は、前側焦点位置を前記対象物の計測位置とされた第１の対物レンズ、および前側焦点位置を前記第１の対物レンズの後側焦点位置とされた第１の結像レンズを備え、前記第２の結像系は、前側焦点位置を前記第１の結像レンズの後側焦点位置とされた第２の対物レンズ、および前側焦点位置を前記第２の対物レンズの位置よりも下流側とされた第２の結像レンズを備え、前記第３の結像系は、前側焦点位置を前記第２の対物レンズの後側焦点位置とされた第３の結像レンズを備え、前記第１の結像系に配置され前記第１の結像系を通過するビームのパワーを減衰させる減衰部であって、Ｓ偏光及びＰ偏光の一方の偏光による光を分岐する第１偏光分岐ミラー、および前記第１偏光分岐ミラーで分岐されたビームを吸収する第１ビームダンパを含む第１の減衰部、並びに前記Ｓ偏光及び前記Ｐ偏光の他方の偏光による光を分岐する第２偏光分岐ミラー、および前記第２偏光分岐ミラーで分岐されたビームを吸収する第２ビームダンパを含む第２の減衰部を備え、前記第１偏光分岐ミラーと前記第２偏光分岐ミラーとの相互の位置関係が、前記第１偏光分岐ミラーおよび前記第２偏光分岐ミラーの偏光依存性が低減される位置関係とされた前記減衰部と、前記第１の結像レンズの後側焦点位置に配置された前記対象物からの複数のビームの一部を選択する空間フィルタとをさらに備え、前記第２の結像系によって前記空間フィルタによって選択されたビームの第１の形状が結像され、前記第３の結像系によって前記空間フィルタによって選択されたビームの第２の形状が結像されるビーム形状計測用光学系を含む。
当該第１態様は、前記ビーム形状計測用光学系と、第２の結像系の後側焦点位置に撮像面が配置された第１の撮像部と、第３の結像系の後側焦点位置に撮像面が配置された第２の撮像部と、を含み、第１の形状が近視野像であり、第２の形状が遠視野像である、ビーム形状計測装置、である。

第２態様は、第１態様に記載のビーム形状計測用光学系において、前記第２の結像レンズの前側焦点位置が前記第２の対物レンズの後側焦点位置とされる。

第３態様は、第１態様または第２態様に記載のビーム形状計測用光学系において、前記第３の結像レンズが結像倍率を調整する２組のレンズから構成される。

第４態様は、第１態様から第３態様のいずれか１態様に記載のビーム形状計測用光学系において、前記第３の結像系は、前記第３の結像レンズより上流側に配置されるとともに前記第２の対物レンズの後側焦点位置より下流側に配置され、前記第２の結像系を通過するビームの一部を分岐する第１の分岐ミラーを備え、前記第２の対物レンズの後側焦点位置から前記第１の分岐ミラーを介して前記第３の結像レンズに至る経路長が前記第３の結像レンズの焦点距離と等しくされる。

第５態様は、第４態様に記載のビーム形状計測用光学系において、前記第３の結像系は、第２の結像系の経路上に配置された第２の分岐ミラーをさらに備え、前記第１の分岐ミラーと前記第２の分岐ミラーの相互の位置関係が、前記第１の分岐ミラーおよび前記第２の分岐ミラーの偏光依存性が低減される位置関係とされ、前記第２の結像系は、第３の結像系の経路上に配置された第３の分岐ミラーをさらに備え、前記第１の分岐ミラーと前記第３の分岐ミラーの相互の位置関係が、前記第１の分岐ミラーおよび前記第３の分岐ミラーの偏光依存性が低減される位置関係とされる。

前記ビーム形状計測用光学系では、前記第１の結像レンズの後側焦点位置に配置された前記対象物からのビームの一部を選択する空間フィルタをさらに含んでいる。

第６態様は、第５態様に記載のビーム形状計測用光学系において、前記空間フィルタは、前記ビームの一部を通過させる１つまたは複数の開口部を備える。

ビーム形状計測用光学系は、前記第１の結像系に配置され前記第１の結像系を通過するビームのパワーを減衰させる減衰部であって、前記第１の結像系を通過するビームの一部を分岐する分岐ミラー、および前記分岐ミラーで分岐されたビームを吸収するビームダンパを含んで構成される減衰部をさらに含む。

前記減衰部は、第４の分岐ミラーを含む第１の減衰部、および第５の分岐ミラーを含む第２の減衰部を備え、前記第４の分岐ミラーと前記第５の分岐ミラーとの相互の位置関係が、前記第４の分岐ミラーおよび前記第５の分岐ミラーの偏光依存性が低減される位置関係とされる。

本開示のビーム形状計測装置は、上記いずれか１態様に記載のビーム形状計測用光学系と、前記第２の結像系の後側焦点位置に撮像面が配置された第１の撮像部と、前記第３の結像系の後側焦点位置に撮像面が配置された第２の撮像部と、を含み、前記第１の形状が近視野像であり、前記第２の形状が遠視野像であるビーム形状計測装置である。

本開示によれば、簡易な構成でビーム形状が計測可能なビーム形状計測用光学系およびビーム形状計測装置を提供することができる、という効果を奏する。

実施の形態に係るビーム形状計測装置の構成の一例を示す図である。実施の形態に係るビーム形状計測用光学系の構成の一例を示す図である。実施の形態に係るビーム形状計測用光学系の作用を説明する図である。実施の形態に係る、（ａ）は第１対物レンズの結像を説明する図、（ｂ）は空間フィルタの一例を示す図、（ｃ）は分岐ミラーセットの作用を説明する図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下の実施の形態では、本発明に係るビーム形状計測用光学系およびビーム形状計測装置につき、計測するビーム形状としてＮＦＰ、ＦＦＰを適用した場合について説明する。また、以下の実施の形態では、計測の対象（本発明に係る「対象物」）を半導体レーザを想定して説明する。
しかしながら、本実施の形態に係るビーム形状計測装置の対象物は半導体レーザに限定されず、固体レーザ、ＬＥＤ等他の光源であってもよい。また、本実施の形態に係る対象物は能動素子に限られず、受動素子の出射端面、例えば光ファイバの出射端面、光導波路の出射端面等であってもよい。

まず、図１を参照して、本実施の形態に係るビーム形状計測装置１の全体構成について説明する。図１（ａ）はビーム形状計測装置１の正面図を、図１（ｂ）は平面図を、図１（ｃ）は側面図を、各々示している。

図１に示すように、ビーム形状計測装置１は筐体２に後述するビーム形状計測用光学系１０、および撮像部３２、３４を配置して構成されている。本実施の形態に係るビーム形状計測装置１はＮＦＰとＦＦＰの両者を１台で計測する装置である。図１に示すように半導体レーザのサンプル１００（対象物）を配置すると、撮像部３２にＮＦＰ像、撮像部３４にＦＦＰ像が結像される。すなわち、撮像部３２にはサンプル１００の出力端近傍におけるビーム形状が映し出され、撮像部３４にはサンプル１００の出力端からの出射角度に応じた出射角度のビーム形状が写し出される。

本実施の形態に係るビーム形状計測用光学系１０は、第１対物レンズ１８、第１結像レンズ２０、第２対物レンズ２２、第２結像レンズ２４、ＦＦＰ第１結像レンズ２６、およびＦＦＰ第２結像レンズ２８を含んで構成されている。また、本実施の形態に係るビーム形状計測用光学系１０は、付加的な構成として空間フィルタ３０、ビームダンパ３６、３８、および分岐ミラー４０、４２、４４、４６、４８を備えている。

撮像部３２、３４は、各々結像されたＮＦＰ、ＦＦＰを撮像し表示するカメラであり、撮像素子としてＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ等を用いたカメラを特に限定することなく用いることができる。

次に図２から図４を参照して、本実施の形態に係るビーム形状計測用光学系１０について説明する。図２に示すように、ビーム形状計測用光学系１０は、光軸Ｍ１上に配置された第１対物レンズ１８、第１結像レンズ２０、第２対物レンズ２２、第２結像レンズ２４、空間フィルタ３０、および分岐ミラー４０、４２、４４、４６、光軸Ｍ２とＭ３の分岐位置に配置された分岐ミラー４８、光軸Ｍ３上に配置されたＦＦＰ第１結像レンズ２６、ＦＦＰ第２結像レンズ２８、およびビームダンパ３６、３８を含んで構成されている。

図２では第１対物レンズ１８の焦点距離をａ、第１結像レンズ２０の焦点距離をｂ、第２対物レンズ２２の焦点距離をｃ、第２結像レンズ２４の焦点距離をｄ、ＦＦＰ第１結像レンズ２６の焦点距離をｅ、ＦＦＰ第２結像レンズ２８の焦点距離をｇとしている。なお、以下ではビーム形状計測用光学系１０を構成する各レンズの焦点位置のうち、光路上サンプル１００に近い方の焦点位置を「前側焦点位置」、サンプル１００から遠い方の焦点位置を「後側焦点位置」という。また、光路上の位置において相対的にサンプル１００に近い位置を「上流」、遠い位置を「下流」という場合がある。なお、分岐ミラー４０、４２、ビームダンパ３６、３８、空間フィルタ３０は本実施の形態に係るビーム形状計測用光学系１０およびビーム形状計測装置１のＮＦＰ、ＦＦＰの計測という基本機能と直接関係しないが、併せて説明する。

図３を併せて参照し、ビーム形状計測用光学系１０の構成についてより詳細に説明する。図３は図２に示すビーム形状計測用光学系１０からビームダンパ３６、３８、分岐ミラー４０、４２、４４、４６、４８を除いて簡略化した図である。図３に示すようにビーム形状計測用光学系１０は、第１対物レンズ１８、第１結像レンズ２０を備える第１結像系１２、第２対物レンズ２２、第２結像レンズ２４を備える第２結像系１４、ＦＦＰ第１結像レンズ２６、ＦＦＰ第２結像レンズ２８を備える第３結像系１６を含んで構成されている。なお、以下ではビーム形状計測用光学系１０を構成する各結像系（第１結像系１２、第２結像系１４、第３結像系１６）の焦点のうち、光路上サンプル１００に近い方の焦点位置を「前側焦点位置」、サンプル１００から遠い方の焦点位置を「後側焦点位置」という。

図３に示すように、第１結像系１２を構成する第１対物レンズ１８と第１結像レンズ２０とは、第１対物レンズ１８の後側焦点位置と第１結像レンズ２０の前側焦点位置とを焦点位置Ｆ１で重ねて配置され、第２結像系１４を構成する第２対物レンズ２２と第２結像レンズ２４とは、第２対物レンズ２２の後側焦点位置と第２結像レンズ２４の前側焦点位置とを焦点位置Ｆ３で重ねて配置される。また、第１結像レンズ２０と第２対物レンズ２２とが、第１結像レンズ２０の後側焦点位置と第２対物レンズ２２の前側焦点位置とを焦点位置Ｆ２で重ねて配置されることにより、第１結像系１２と第２結像系１４とが連結されている。そして、空間フィルタ３０は、第１結像系１２と第２結像系１４とが連結される位置である焦点位置Ｆ２に配置される。一方、第３結像系１６は、ＦＦＰ第１結像レンズ２６の前側焦点位置を焦点位置Ｆ３に配置して第２結像系１４と接続される。

図３において、ＮＦＰ像は実線で示す光路で集光される。すなわち、サンプル１００から出射した出射光は第１結像系１２により焦点位置Ｆ２に結像される。焦点位置Ｆ２に結像されたＮＦＰ像は第２結像系１４によりリレー（中継）され、撮像部３２の受光面に結像される。一方、ＦＦＰ像は破線で示す光路で集光される。すなわち、まず第１対物レンズ１８により焦点位置Ｆ１に結像され、次に第１結像レンズ２０および第２対物レンズ２２によって焦点位置Ｆ３に結像される。焦点位置Ｆ３に結像したＦＦＰ像はさらに第３結像系１６により中継され撮像部３４の受光面に結像される。換言すれば、第１結像系１２によって第１焦点位置Ｆ２に結像されたＮＦＰの像は、第２結像系１４によって中継され、撮像部３２に導かれる。一方第１結像系１２、第２対物レンズ２２によって焦点位置Ｆ３結像されたＦＦＰの像は、第３結像系１６によって中継され、撮像部３４に導かれる。

本実施の形態に係るビーム形状計測用光学系１０は基本的に上記のように構成するが、各結像系の特性に応じて配置を変えてもよい。例えば、図２に示すビーム形状計測用光学系１０では、第２結像レンズ２４の前側焦点位置が第２対物レンズ２２の後側焦点位置と焦点位置Ｆ３で重なっていない。これは、図３に示すように、第２結像レンズ２４の位置ではＮＦＰを結像する光束が平行光になっており、また第２結像レンズ２４はＦＦＰの結像に関与しないため、焦点位置Ｆ３から第２結像レンズ２４の焦点距離ｄの長さの範囲においてどこに配置しても作用が変わらないためである。なお、図２において、焦点位置Ｆ３からＦＦＰ第１結像レンズ２６までの光路上の長さは、ＦＦＰ第１結像レンズ２６の焦点距離ｅと等しくなっており、第３結像系１６と第２結像系１４との接続関係は図３に示す関係が保たれている。

次に図４も併せて参照し、ビーム形状計測用光学系１０の作用についてより詳細に説明する。図２に示すようにサンプル１００の出力端面は第１対物レンズ１８の前側焦点位置に配置される。そのためサンプル１００から発光して形成された光束は平行光となって第１対物レンズ１８から出射される。この際、第１対物レンズ１８の後側焦点位置（焦点位置Ｆ１）には、図４（ａ）で示すように、サンプル１００からの出射光の出射角度に依存した発光像が結像する。この発光像がすなわちサンプル１００のＦＦＰ像である。

すなわち、図４（ａ）に示すように、第１対物レンズ１８の前側焦点位置に配置されたサンプル１００の出力端から角度θ１で出射されるビームは、第１対物レンズ１８の後側焦点位置においてＦＦＰとして結像されるが、この際の中心からの距離ｈは第１対物レンズ１８の焦点距離ａを用いて、ｈ＝ａ・ｔａｎ（θ１）で表される。すなわち、第１対物レンズ１８の後側焦点位置に結像される像はサンプル１００から出射された光束の角度情報を含む。この角度情報を含む空中像がすなわちＦＦＰである。この時、第１対物レンズ１８の特性がｈ＝ａ・θ１なる特性を持つように設計すれば、後の計測処理が簡易となる。

第１対物レンズ１８より出射された光束は、サンプル１００の出力端面の空中像を、第１結像レンズ２０の後側焦点位置（焦点位置Ｆ２）に結像する。その際の倍率は、第１対物レンズ１８の焦点距離のａと第１結像レンズ２０の焦点距離ｂとの比ａ／ｂとなる。この空中像がすなわちＮＦＰの像である。第１結像レンズ２０の後側焦点位置に結像された空中像を、第２対物レンズ２２の前側焦点位置（焦点位置Ｆ２）に配置することにで、空中像の各位置の光束は平行光となる。この際、第１対物レンズ１８と第１結像レンズ２０の位置関係が引き継がれているので、第２対物レンズ２２の後側焦点位置（焦点位置Ｆ３）には、サンプル１００の発光の角度に依存した発光像（ＦＦＰ像）が再結像される。この再結像された像は、第１対物レンズ１８の後側焦点位置にできた像が、第２対物レンズ２２の焦点距離ｃと第１結像レンズ２０の焦点距離ｂの比ｂ／ｃの倍率で再結像されたものである。

第２対物レンズ２２より出射された光束は分岐ミラー４４で２分岐される。分岐ミラー４４を透過した光束は、偏光依存性を解消するように配置された分岐ミラー４６を透過して第２結像レンズ２４に入射し、第２結像レンズ２４の後側焦点位置（すなわち撮像部３２の受光面の位置）に空中像を結像する。この結像の際の空中像は、焦点位置Ｆ２に結像された像が、第２対物レンズ２２の焦点距離ｃと第２結像レンズ２４の焦点距離ｄの比ｃ／ｄの倍率で結像された像である。第１対物レンズ１８、第１結像レンズ２０、第２対物レンズ２２、第２結像レンズ２４にて結像された像は、上述したようにサンプル１００の出力端面の発光像であり、いわゆるＮＦＰ像である。

一方、分岐ミラー４４で反射した光束は、偏光依存性を解消するように配置された分岐ミラー４８で反射され、前側焦点位置が第２対物レンズ２２の後側焦点位置となるように配置されたＦＦＰ第１結像レンズ２６と、ＦＦＰ第１結像レンズ２６の下流に配置されたＦＦＰ第２結像レンズ２８により、ＦＦＰ第２結像レンズ２８の後側焦点位置（すなわち、撮像部３４の受光面の位置）に結像される。ここで結像された像は、第２対物レンズ２２の後側焦点位置にできた像を、ＦＦＰ第１結像レンズ２６の焦点距離ｅと、ＦＦＰ第２結像レンズ２８の焦点距離ｇの比ｅ／ｇで結像した像である。このＦＦＰ第２結像レンズ２８の後側焦点位置に結像された像は、上述したようにサンプル１００の発光角度分布を画像化した像であり、いわゆるサンプル１００のＦＦＰ像である。

以上詳述したように、本実施の形態に係るビーム形状計測用光学系１０およびビーム形状計測装置１は３つの単純な結像系を結合しただけで構成されているので、比較的簡易な構成となっており、本実施の形態に係るビーム形状計測用光学系およびビーム形状計測装置によれば、簡易な構成で様々な態様のビーム形状が計測可能になるという効果を奏する。

ここで、本実施の形態に係るビーム形状計測用光学系１０およびビーム形状計測装置１は上記のような基本的な機能の他に、以下のような付加的機能を備えている。

１つめの付加機能は、ＮＦＰの空中像が結像されている位置（焦点位置Ｆ２）に配置された空間フィルタ３０によるサンプル１００からの光束の選択（制限）機能である。すなわち、例えばサンプル１００が複数の出力端（発光端）を備えた半導体レーザアレイ素子であった場合に、空間フィルタ３０によって該半導体レーザアレイの出力端を選択することができる。本実施の形態に係る空間フィルタ３０は図４（ｂ）に示す構成を有している。

すなわち、空間フィルタ３０は複数（図４（ｂ）では３個の場合を例示している）の開口部３０Ａを備え、開口部３０Ａは絞りと同様の作用を奏する。つまり、空間フィルタ３０の位置を調整し、特定の開口部３０Ａの位置を変えることによって計測する半導体レーザアレイの出力端を選択することが可能である。あるいは、空間フィルタ３０の位置は変えずに、複数の開口部３０Ａのうち用いない開口部３０Ａを遮光することによって半導体レーザアレイの出力端を選択してもよい。なお、本実施の形態では焦点位置Ｆ２に空間フィルタ３０が配置されているため、空間フィルタ３０で選択される像は半導体レーザアレイの出力端のＮＦＰ像である。

また、ビーム形状計測用光学系１０において、意図しない反射等による迷光などが発生した場合も、同様に空中像の位置に空間フィルタ３０を配置することにより該迷光を除去することが可能である。迷光を除去するとより明瞭なビーム形状の計測が可能となる。

２つめの付加機能は、ビームダンパ３６、３８、分岐ミラー４０、４２から構成されるサンプル１００からの出力光の光量（光パワー）低減機能（以下、「減衰機能」）である。サンプル１００が例えば高出力半導体レーザ等である場合に好適に用いることができる。ビームダンパとは入射された光束のエネルギーを吸収し光束を終端させる（消滅させる）デバイスであり、例えば黒色体等から構成される。ビーム形状計測用光学系１０によるＮＦＰ、ＦＦＰの測定では、サンプル１００からの光束の光パワー（すなわち計測光の光パワー）としては比較的低いパワーで足り、逆に一定程度以上の光パワーは光学系に悪影響を及ぼす可能性もある。このような場合には本減衰機能によってビーム形状計測用光学系１０に入射される光パワーを低減させることができる。

より詳細には、本実施の形態に係る分岐ミラー４０、４２は、大部分（例えば９９％）の光を反射させ、残り（例えば１％）の光を透過させる分岐ミラーとされ、サンプル１００からの光束が平行光とされた領域（第１結像系１２の内部）に配置されている。そして、サンプル１００からの光束の一部は分岐ミラー４０によってビームダンパ３６に導かれ、分岐ミラー４０からの透過光の一部は分岐ミラー４２によってビームダンパ３８に導かれる。分岐ミラー４０、４２が９９％反射ミラーであった場合、本減衰機能によってサンプル１００からの光束の光パワーは１／１００００に減衰させることができる。

なお、本減衰機能で分岐ミラー４０と４２の２つの分岐ミラーを用いているのは、本実施の形態では分岐ミラー４０と４２とで偏光依存性を抑制するための光学系である分岐ミラーセットを構成しているからである。図４（ｃ）を参照して、本実施の形態に係る分岐ミラーセットについて説明する。

光は電磁波の振動方向が異なる偏光を含み光軸と入射面との関係でＰ／Ｓの偏光が決定する。また、単体の分岐ミラーの特性は偏光依存性を有することも知られている。例えば、単体の分岐ミラーの反射率、透過率は偏光（Ｓ偏光、Ｐ偏光）ごとに異なる波長依存性を示す。つまり、単体の分岐ミラーでは、偏光方向によって反射率、あるいは透過率が変化するので、例えば、分岐ミラーを介した光の光パワーを測定する場合に、一定の光パワーであるにもかかわらず偏光方向が変化すると光パワーが変わってしまうという問題がある。

本実施の形態に係るビーム形状計測用光学系１０でも、ビーム形状計測用光学系１０の内部を通過する光の偏光方向が変動する場合がある。そこで、本実施の形態では、入射された光に対して異なる偏光状態で透過するように配置された分岐ミラーセットを用いている。

図４（ｃ）は、分岐ミラーセットを構成する分岐ミラー４０と４２との角度関係について説明するための図である。図４（ｃ）に示すように、分岐ミラー４２は分岐ミラー４０を光軸に対して９０度回転させて、分岐ミラー４０を透過するＰ偏光成分が分岐ミラー４２ではＳ偏光成分、また分岐ミラー４０を透過するＳ偏光成分が分岐ミラー４２ではＰ偏光成分となるように配置し、分岐ミラー４０および４２の作用によって偏光に対する依存性をキャンセル（相殺）させている。むろん、サンプル１００の偏光依存をあまり考慮しなくてよい場合は、本分岐ミラーセットを省略してもよい。

図２に示す分岐ミラー４４、４６、４８も上記同様に偏光依存性を抑制する分岐ミラーセットで構成されている。すなわち、分岐ミラー４４、４６で１つの分岐ミラーセットが構成され、分岐ミラー４４および分岐ミラー４８で他の１つの分岐ミラーセットを構成されており、光分岐用の光学系の偏光依存性を抑制するようにされている。

なお、上記実施の形態では特に制御系について言及していないが、別途ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等から構成される制御部を設け、該制御部により撮像部３２、３４で撮像された画像を処理したり、空間フィルタ３０の開口部３０Ａの位置を制御したりしてもよい。

また、上記実施の形態ではＮＦＰ、ＦＦＰの双方を計測するビーム形状計測用光学系およびビーム計測装置について記載したが、むろんいずれか一方を計測するビーム形状計測用光学系およびビーム計測装置としてもよい。

１ビーム形状計測装置
２筐体
１０ビーム形状計測用光学系
１２第１結像系
１４第２結像系
１６第３結像系
１８第１対物レンズ
２０第１結像レンズ
２２第２対物レンズ
２４第２結像レンズ
２６ＦＦＰ第１結像レンズ
２８ＦＦＰ第２結像レンズ
３０空間フィルタ
３０Ａ開口部
３２、３４撮像部
３６、３８ビームダンパ
４０、４２、４４，４６、４８分岐ミラー
１００サンプル
Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３焦点位置
Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３光軸

Claims

複数のビームを発生する対象物の前記ビームの像を結像する第１の結像系と、
前側焦点位置を前記第１の結像系の後側焦点位置とされた第２の結像系と、
前側焦点位置を前記第２の結像系の後側焦点位置とされた第３の結像系と、
を含み、
前記第１の結像系は、前側焦点位置を前記対象物の計測位置とされた第１の対物レンズ、および前側焦点位置を前記第１の対物レンズの後側焦点位置とされた第１の結像レンズを備え、
前記第２の結像系は、前側焦点位置を前記第１の結像レンズの後側焦点位置とされた第２の対物レンズ、および前側焦点位置を前記第２の対物レンズの位置よりも下流側とされた第２の結像レンズを備え、
前記第３の結像系は、前側焦点位置を前記第２の対物レンズの後側焦点位置とされた第３の結像レンズを備え、
前記第１の結像系に配置され前記第１の結像系を通過するビームのパワーを減衰させる減衰部であって、Ｓ偏光及びＰ偏光の一方の偏光による光を分岐する第１偏光分岐ミラー、および前記第１偏光分岐ミラーで分岐されたビームを吸収する第１ビームダンパを含む第１の減衰部、並びに前記Ｓ偏光及び前記Ｐ偏光の他方の偏光による光を分岐する第２偏光分岐ミラー、および前記第２偏光分岐ミラーで分岐されたビームを吸収する第２ビームダンパを含む第２の減衰部を備え、前記第１偏光分岐ミラーと前記第２偏光分岐ミラーとの相互の位置関係が、前記第１偏光分岐ミラーおよび前記第２偏光分岐ミラーの偏光依存性が低減される位置関係とされた前記減衰部と、
前記第１の結像レンズの後側焦点位置に配置された前記対象物からの複数のビームの一部を選択する空間フィルタとをさらに備え、
前記第２の結像系によって前記空間フィルタによって選択されたビームの第１の形状が結像され、
前記第３の結像系によって前記空間フィルタによって選択されたビームの第２の形状が結像される
ビーム形状計測用光学系と、
前記第２の結像系の後側焦点位置に撮像面が配置された第１の撮像部と、
前記第３の結像系の後側焦点位置に撮像面が配置された第２の撮像部と、を含み、
前記第１の形状が近視野像であり、
前記第２の形状が遠視野像である
ビーム形状計測装置。
前記第２の結像レンズの前側焦点位置が前記第２の対物レンズの後側焦点位置とされた請求項１に記載のビーム形状計測装置。
前記第３の結像レンズが結像倍率を調整する２組のレンズから構成される
請求項１または請求項２に記載のビーム形状計測装置。
前記第３の結像系は、前記第３の結像レンズより上流側に配置されるとともに前記第２の対物レンズの後側焦点位置より下流側に配置され、前記第２の結像系を通過するビームの一部を分岐する第１の分岐ミラーを備え、
前記第２の対物レンズの後側焦点位置から前記第１の分岐ミラーを介して前記第３の結像レンズに至る経路長が前記第３の結像レンズの焦点距離と等しくされた
請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のビーム形状計測装置。
前記第３の結像系は、第２の結像系の経路上に配置された第２の分岐ミラーをさらに備え、前記第１の分岐ミラーと前記第２の分岐ミラーの相互の位置関係が、前記第１の分岐ミラーおよび前記第２の分岐ミラーの偏光依存性が低減される位置関係とされ、
前記第２の結像系は、第３の結像系の経路上に配置された第３の分岐ミラーをさらに備え、前記第１の分岐ミラーと前記第３の分岐ミラーの相互の位置関係が、前記第１の分岐ミラーおよび前記第３の分岐ミラーの偏光依存性が低減される位置関係とされた
請求項４に記載のビーム形状計測装置。
前記空間フィルタは、前記ビームの一部を通過させる１つまたは複数の開口部を備える請求項１に記載のビーム形状計測装置。