JPS592848B2 - ビ−ム径測定装置 - Google Patents

ビ−ム径測定装置

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JPS592848B2
JPS592848B2 JP11090677A JP11090677A JPS592848B2 JP S592848 B2 JPS592848 B2 JP S592848B2 JP 11090677 A JP11090677 A JP 11090677A JP 11090677 A JP11090677 A JP 11090677A JP S592848 B2 JPS592848 B2 JP S592848B2
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JP
Japan
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circuit
output
knife edge
photodetector
amount
Prior art date
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JP11090677A
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JPS5444581A (en
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護俊 安藤
弘之 池田
雅人 中島
勝美 藤原
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Fujitsu Ltd
Original Assignee
Fujitsu Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、レーザビーム径の測定を自動的に、正確に、
種々の方向から容易に行なえるようにしたビーム径測定
装置に関する。
近年、レーザビームを被加工物に照射して穿孔するなど
レーザ利用技術が鋭意開発されつゝあるが、この場合照
射レーザビームの径が重要な要素となることが多く、従
つてビーム径を正確に、しかも迅速に測定できる装置が
望まれている。
ところでレーザビームをレーザ装置から直接あるいはレ
ンズを介して取出すと、そのビーム断面でのエネルギー
分布は第1図に示す如きガウス分布となる。この図で横
軸はスポット中心からの距離1を、縦軸はビームの強さ
つまり照射エネルギーEを示す。一般にビーム径は、最
大照射エネルギーEmの1/e2即ち約13%程度の照
射エネルギーとなる点P4、P2間の幅10として求め
られる。このビーム径10を測定するには次のような方
法が採られる。即ち、先ずレーザ発振器からのレーザビ
ームを受光する光検知器を設け、該発振器と光検知器と
の間に直線運動する遮光部材を配置し、この遮光部材を
前進させて光検知器へ照射されるレーザビームを一方向
から順次遮断し、この間の光検知器の出力をXYレコー
ダに入力する。第2図はこの場合の、遮光部材移動量に
対する光検知器の受光量を示す。この図は横軸に遮光部
材移動量Lを、縦軸に光検知器の受光量Iを取つてある
。このようなグラフが得られたら次は光検知器の受光量
Iが総受光量Imの90%から10%まで低下する時の
遮光部材移動量L。を測定する。この移動量L。に一定
の係数1.56を掛ければ、必要とするビーム径を求め
ることができる。なおこの係数1.56はガウス分布の
性質から積分計算によつて求められる値である。本発明
はかゝるビーム径測定を手作業ではなく自動的に、かつ
迅速、正確に多方向から容易に行なうことができ、その
径が正確に測定できる装置を提供しようとするものであ
る。
本発明は遮光部材を移動させて光ビームのビーム径を測
定する装置において、光ビームを受光する光検知器と、
モータにより定速移動し該ビームを横切り、該光検知器
に入射する光量を変化させる遮光部材と、該光検知器か
らの出力を第1の基準値および第2の基準値と比較し、
該出力がこれらの基準値の間にある期間の遮光部材の移
動量を求める回路と、該移動量に定数を乗じてビーム径
を算出する定数掛算回路とを備えることを特徴とするが
、以下図面に丞す実施例を参照しながら本発明を詳細に
説明する。第3図は、本発明に係るビーム径測定装置の
構成を示す。
1はレーザビームS1を遮断する遮光部材本例ではナイ
フエツジおよび該ナイフエツジ等を搭載する回転板等か
らなるナイフエツジ・ステージ系、2はレーザビームS
1を電気信号に変換する光検知器等の光電変換系、3は
ナイフエツジ移動用のパルスモータで、パルス発生器1
1の出力を受けるパルスモータドライバ12の出力によ
り駆動され、ナイフエツジを前進、後退させる。
このナイフエツジ移動用パルスモータは直流モータでも
よいが、この場合はオープン制御ができないので、帰還
信号発生用位相検知器あるいはナイフエツジ移動距離セ
ンサーなどが必要である。第4図はこれらのナイフエツ
ジ・ステージ系1、光電変換系2、ナィフエツジ移動用
パルスモータ3を1つにまとめた本発明装置の機構部分
を示す。この図で1aはナイフエツジ、2aは光検知器
、3はパルスモータで、これらは左右いずれの方向にも
360℃回転できる回転板1bに取付けられる。21ぱ
レーザビーム遮断用のシヤツタ一であり回転板1bの前
方のレーザ光源側適所に設けられる。
このシャツタ一は、後述の光検知出力の規格化のための
調整に便利である。また図示しないが、光検知器のダイ
ナミツクレンジを調整するため、シャツタ一の近傍適所
に光濃度フイルタを設けるとよい。22および23はナ
イフエツジ並進移動の始点・終点検知器例えばマイクロ
スイツチであり、やはり回転板1bに取付けられ、パル
スモータ3の起動、停止、回転方向制御を行ない、また
後述のナイフエツジ移動方向信号S3を出力する。
図示しないが回転板1bは第3図の機構回転系4により
回転する。第3図の光電変換系2には、ナイJャGツジ1
aがレーザビームS1に当らないときの光検知器の最大
出力をメーター7がフルスケール1.0(または100
%)になるようにゲイン調整する増幅器5、およびナイ
フエツジ1aがレーザビームS1を完全に遮断した時の
光検知器の最小出力をメーター7が零指示になるように
するオフセツト調整器6が接続される。
これらの出力端には、増幅器5および調整器6によつて
規格化された光検知出力と基準値0.1とを比較して光
検知出力が大きい場合に出力するコンパレータ8と、同
様に基準値0.9より光検知出力が大きい場合に出力す
るコンバレータ9とが接続され、これらのコンパレータ
8,9の出力は計側回路10に加えられる。計側回路1
0VCはナイフエツジ・ステージ系1、パルス発生器1
1およびカウンタ回路13が接続されている。カウンタ
回路13には定数掛算回路14が接続され、該定数掛算
回路14にはデイスプレイ表示装置等の出力系15が接
続される。第3図の回路の動作について説明する。
まず機構回転系4により回転板1bを回転させ、ナイフ
エツジ1aがレーザビームS1を横切る方向を決定する
。次にパルス発生器11からのパルスをパルスモータド
ライバ12に送り、パルスモータ3を回転させる。この
パルスモータ3の回転により遮光部材を移動させる。遮
光部材1aの移動に従つて光電変換系2に入射するレー
ザ光の光量が変化する。光電変換系2からは入射光量に
応じた大きさの信号が得られ、この信号は増幅器5及び
オフセツト調整器6を介してコンパレータ8,9に入力
される。コンパレータ8は入力信号が基準値0.1を越
えると信号S1を発生し、コンパレータ9は入力信号が
基準値0.9を越えると信号S2を発生する。信号Sl
,S2は計測回路10に入力される。計測回路10では
後述する回路構成により、信号S,の立ち上り時点から
信号S2の立ち上りの時点の間だけパルス発生器11か
らの信号S5を取り出し信号S。としてカウンタ回路1
3に入力する。カウンタ回路13では信号S。のパルス
数をカウントし、定数掛算回路14に入力する。定数掛
算回路14ではカウンタ回路13からの出力に1.56
を掛け、ビーム径として出力系15に出力する。以上の
動作は、遮光部材1aがマィクロスイツチを動作させた
時点で停止する。第5図は、上記の計測回路10の具体
的回路例を示す。
排他的オア回路EOR,の入力端t1は上記のコンパレ
ータ8の出力端に接続され、排他的オア回路EOR2の
入力端T2は上記のコンパレータ9の出力端に接続され
、更に排他的オア回路EORl,EOR2の他方の入力
端に共通に接続された入力端T3はナイフエツジ・ステ
ージ系1に接続される。排他的オア回路EORlの出力
端はフリツプフロツプFFlに接続され、該フリツプフ
ロツプの出力端は排他的オア回路EOR3の一人力端に
接続される。また排他的オア回路EOR2の出力端はフ
リツプフロツプFF2に接続され、該フリツプフロツプ
の出力端は排他的オア回路EOR3の他の入力端に接続
される。更に排他的オア回路EOR3の出力端はアンド
回路AG,の一人力端に接続される。また該アンド回路
の他の入力端T5にはパルス発生器11が接続され、該
アンド回路の出力端T。はカウンタ回路13に接続され
る。なおフリツプフロツプFFl,FF2のりセツト用
共通人力端T4は、本発明のビーム径測定装置のスター
トスイツチ(図示しない)に接続され、りセツト信号S
4を受ける。次にこの計測回路10の動作を第4図およ
び第6図を参照しながら説明する。
第6図イのaほ、第4図においてナィフェツジ1aが矢
印F1の方向、即ち遮断を解いてレーザビームSlを通
過させる方向に並進移動する際の、ナイフエツジ移動量
Lに対する光検知器2aの受光量1(相対値)の関係を
示す図であり、同図イのbはその時の計測回路10の各
部の入出力信号を示す。ナイフエツジ1aがレーザビー
ム遮断状態からスタートSTして矢印F1方向に移動を
始め、レーザビーム完全開放で停止SPするまで、ナイ
JャGツジ移動方向を示す信号S3は図示の如くあるレベ
ル本例ではL(口ー)レベルにある。ナイフエツジの移
動につれて光検知出力は第6図イのaに示す如く立上り
、ビーム径測定に用いる第1の基準点0.1を越えると
信号S1はLレベルからH(ハイ)レベルに変る。一般
に光検知出力はなだらかには増減せず細かに変動するの
が普通であるので、図では微細な振動でこれを表わして
いる。やがて光検知出力は0.9の第2の基準点をも越
え、こ匁で信号S2はLレベルからHレベルに変る。こ
れらの信号を受ける排他的オア回路EORl,EOR2
の出力は第6図イのbのSA,SBとなり、これらの出
力の波形には図示の如くその立上り点に振動成分があつ
て測定の妨げになるのでフリツプフロツプFFl,FF
2によりこれを除去する。即ち出力SA,S3はその最
初の立上りでこれらのフリツプフロツプをセツトし、従
つてこれらのフリツプフロツプの出力はSc,SOの如
くなる。回路EOR3でこれらの信号の排他的オアをと
るとその出力ぱ矩形波SEとなり、図示の如く、信号S
l,S2の各立上り点間の間隔を示す。そこでこの信号
SEでアンドゲートAG,を開き、該信号の巾の期間だ
けパルス発生器11の出力パルスS5を通過させる。次
にアンドゲートAGlの出力パルスSOをカウンタ回路
13で計算すれば、該計数値と、1パルス当りのパルス
モータのステツプ量すなわちナイフエツジの移動量とか
ら、信号Sl,S2各発生時点間にパルスモータ3がス
デツプした量つまりナイフエツジ1aの移動量が求まる
。そして該移動量信号S。に定数掛算回路14で1.5
6を掛れば求めるビーム径が得られ、これを出力系15
で表示もしくは記録する。実際にはレーザビームはその
エネルギーが時間的にかなり変動しており、またビーム
断面形状も真円からずれていることが多い。
そこで測定は1回だけでなく、多数回行なつてその平均
値をとり、またビーム開閉態様も変えるとよい。本装置
ではパルスモータを逆転させてビームを徐々に遮断する
際のビーム径測定も行なえ、その測定方法を第6図bを
参照して以下説明する。ナイフエツジ1aをレーザビー
ムからは離して該ビームを全量光検知器2へ投射してい
る状態からパルスモータを駆動して矢印F2方向へ移動
する該ナイフエツジでレザービームを遮蔽してゆくと、
光検知器2の出力は第6図口のaに示す如く漸減する。
光検知出力が0.9の第2の基準点以下になると信号S
2はHレベルからLレベルに変り、次いで0.1の第1
の基準点以下になると信号S,がHレベルからLレベル
になり、これらの出力を受けて排他的オア回路EORl
,EOR2の出力SA,SBlフリツプフロツプ回路F
Fl,FF2の出力Sc,SDl排他的オア回路EOR
3の出力SElアンド回路AG,の出力S。は図示の如
くなり、やはり信号Sl,S2間の巾を示すパルス出力
S。が得られる。第7図は、本発明の第2の実施例を示
す。
本例において光電変換系2からコンパレータ8,9まで
の接続、およびパルス発生器11からナイフエツジ1a
までの接続は第3図と同じであるが、コンパレータ8の
出力端はアンド回路AG3の一人力端に接続され、コン
パレータ9の出力端はインバータInを介してアンド回
路AG3の他の入力端に接続される。パルス発生器11
の他の出力端はアンド回路AG2の一人力端に接続され
、該アンド回路の他の入力端はナンド回路NGlとNG
2で構成されるフリツプフロツプ回路の出力端が接続さ
れる。またナンド回路NGlの一人力端とアース間には
スタートスイツチ畠Vが接続され、ナンド回路NG2の
一人力端には第4図のマィクロスィツチ22,23等を
含むステージ端検知系16が接続される。そしてアンド
回路AG2の出力端はアンド回路AG3の残りの入力端
に接続され、アンド回路AG3の出力端はカウンタ13
に接続され、以下第3図と同じく定数掛算回路14、出
力系15の順に接続される。次にこのビーム径測定装置
の動作を第8図を参照しながら説明する。
第8図のaは、第6図イのaと同じくナイフエツジ1a
が矢印F1の方向、即ち遮断を解いてレーザビームSl
を通過させる方向に尚進移動する際の、ナイフエッジ移
動量tに対する光検知器2aの受光量1の関係を示す図
であり、同図bはその時のビーム径測定装置の各部の入
出力信号を示す。スタートスイツチSWを押すとナンド
回路NGl,NG2からなるフリツプフロツプの゛1゛
出力がアンド回路AG2を開き、パルス発生器11の出
力パルスS5を通過させ、アンド回路AG3に入力する
。また出力パルスS5はパルスモータ1駆動系17に入
力してパルスモータを回転させ、ナイフエツジ1aを矢
印F1方向に移動させる。このナイフエツジ1aの移動
につれて光検知出力は第8図aに示す如く立ち上り、第
1の基準点0.1を越えると信号S,はLレベルからH
レベルに変る。やがて光検知出力が第2の基準点0.9
を越えると信号S2はLレベノレからHレベノ宅変るが
、この信号S2をインノく一タ1nによつて信号S′2
に反転させアンド回路AG3に入力する。この結果アン
ド回路AG3は矩形波SEで示される期間だけ開いて出
力パルスS5を通過させる。この時通過したパルス即ち
S。をカウンタ13で計数し、以下は前述の如くしてナ
イフエツジ1aの移動量を求め、定数掛算回路14で1
.56を掛ければビーム径を測定でき、次いでこれを出
力系15で表示もしくは記録する。なおナイフエツジ1
aを矢印F2方向に移動させ、レーザビームを遮蔽して
ゆく場合についても図示して説明しないが、第1の実施
例と同様に測定することができる。このようなナイフエ
ツジを前進および後退させてのビーム径測定を回転板1
bのある位置で行なつたら、次は該回転板を所定角度回
転させ、その位置でナイフエツジを前後進させて測定を
行ない、以下同様にして回転、ナイフエツジ移動を行な
い、必要に応じて最大3600に亘る各方向から、そし
てビーム遮断時、および開放時の各ビーム径測定を行な
う。以上詳細に説明したように本発明によればビーム径
を自動的に各種態様で、簡単正確に測定することができ
る。
【図面の簡単な説明】
第1図はビーム断面のエネルギー分布を示すグラフ、第
2図はナイフエツジ移動量に対する光検知器の受光量を
示すグラフ、第3図および第7図は本発明の第1、第2
の実施例の構成を示すプロック図、第4図は本発明装置
の機構部分を示す斜視図、第5図は計測回路の具体例を
示す回路図、第6図イ,口のA,bは第3図に示すビー
ム径測定装置の動作説明用の波形図、第8図A,bは第
7図に示すビーム径測定装置の動作説明用の波形図であ
る。 図で1aは遮光部材、1bは回転板、2aは光検知器、
3はパルスモータ、5はゲイン調整用増幅器、6はオフ
セツト調整器、7はメーター、8,9はコンパレータ、
10は計測回路、13はカウンタ回路、14は定数掛算
回路である。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 1 遮光部材を移動させて光ビームのビーム径を測定す
    る装置において、光ビームを受光する光検知器と、モー
    タにより定速移動して該ビームを横切り、該光検知器に
    入射する光量を変化させる遮光部材と、該光検知器から
    の出力を第1の基準値および第2の基準値と比較し、該
    出力がこれらの基準値の間にある期間の遮光部材の移動
    量を求める回路と、該移動量に定数を乗じてビーム径を
    算出する定数掛算回路とを備えることを特徴とするビー
    ム径測定装置。
JP11090677A 1977-09-14 1977-09-14 ビ−ム径測定装置 Expired JPS592848B2 (ja)

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JPS5444581A JPS5444581A (en) 1979-04-09
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