JPS63256836A - レ−ザ光束の微小偏角の測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明はレーザ光源の熱的な不安定性などの原因により
レーザ光源から出射されるレーザ光束の出射角の微小変
化によってレーザ光束に生じる微小偏角、あるいは、光
偏向器で微小な偏向角で偏向されたレーザ光束の微小偏
角（ｖ１小な偏向角）を測定するために用いられるレー
ザ光束の微小偏角の測定装置に関する。

（従来の技術） レーザ光束を使用する各種の機器が多くの技術分野にお
いて実用されていることは周知のとおりであるが、周知
のようにレーザ光源から出射されるレーザ光束の出射角
は、レーザ光源の熱的な不安定性などによって変化する
から１例えばレーザ光束によって極めて微細なパターン
を形成させる機器、特に、前記の原因によって生じるレ
ーザ光束の偏角の大きさが無視できないような大きさの
偏角をレーザ光に与えることによって所定の微細なパタ
ーンを形成させるように構成されている機器においては
、その機器に所期の動作を確実に行わせるためにレーザ
光束の微小な偏角を高精度に知ることが必要とされる場
合がある。

前記したレーザ光束の微小な偏角の測定あるいは検出手
段としては、従来、例えば第６図に示すように偏角の測
定あるいは検出の対象にされているレーザ光束を集光レ
ンズ乙によって２分割光検出器ＰＤに与え、前記した２
分割光検出器ＰＤにおける２つの受光素子Ｐｄｌ、　Ｐ
ｄ２からの出力信号の差によってレーザ光束の微小な偏
角の測定または検出を行うようにしていた。

すなわち、集光レンズＬに入射したレーザ光束を集光レ
ンズＬで集光し、集光レンズＬの後焦点距離ｆだけ離隔
した位置に設置されている２分割光検出器ＰＤへ前記し
たレーザ光束による光のスポットが投射されるようにし
ておき、前記した集光レンズＬに入射されているレーザ
光束Ｐ１が、前記のレーザ光束Ｐｉに対して角度θを示
すレーザ光束Ｐ２に変化した場合に、前記したレーザ光
束Ｐ２による光のスポットが、前記したレーザ光束Ｐ１
による光のスポットの位置から２割分割光検出器ＰＤ上
においてｆ　ｔａｎθ　の距離だけずれることを利用し
、２分割光検出器ＦＤにおける２つの受光素子Ｐｄｌ、
　Ｐｄ２からの出力信号の差によってレーザ光束の微小
な偏角の測定または検出を行うようにしているのである
。

（発明が解決しようとする問題点） ところが、前記した従来法において、レーザ光。

束の偏角の測定または検出を高精度に行うためには、偏
角の測定系または偏角の検出系で使用される集光レンズ
Ｌとして焦点距離ｆの長いものが必要とされる。すなわ
ち、今、例えば、レーザ光束の偏角θが０　、１　ｍｒ
ａｄであるとし、また２分割光検出器ＰＤにおける検出
の分解能が５０ミクロンであったとすると、前記の数例
の場合のレーザ光束のＱ　、　ｌ　ｍｒａｄの偏角が測
定または検出されるためには、集光レンズＬとして焦点
距離ｆが５００ｍｍのものが必要とされる。

しかし、前記のように長い焦点距離の集光レンズＬが使
用された場合には、測定系または検出系における光路長
が長くなって、測定系または検出系が大型なものになる
ことは勿論のこと、前記の長い光路長内での空気の流れ
等の影響によってノイズが大きくなり、正確な測定結果
あるいは正確な検出結果が得難い他、従来法ではレーザ
光束の偏角が相対的にしか検出できないので、結果とし
て絶対値が必要な場合には測定系を何等かの方法によっ
て較正しなければならないが、前記の較正は微小量なた
めに、それを高精度で行うことは極めて困難である。

（問題点を解決するための手段） 本発明は、小型で、しかも高い精度で絶対値が得られる
ようなレーザ光束の微小偏角の測定装置。

すなわち、測定の対象にされているレーザ光束を集光レ
ンズに入射させ、前記の集光レンズによって集光された
光のスポットで、前記した光のスポットの径よりもピッ
チの大きな回折格子を照射する手段と、前記した回折格
子によって発生した回折光を光検出器により検出する手
段とを備えてなるレーザ光束の微小偏角の測定装置を提
供して前記した問題点を解決したものである。

（実施例） 以下、添付図面を参照して本発明のレーザ光束の微小偏
角の測定装置の具体的な内容について詳細に説明する。

第１図は本発明のレーザ光束の微小偏角の測定装置の概
略構成を示す平面図、第２図は回折格子の一部の平面図
、第３図は集光レンズに入射したレーザ光束に偏角が生
じた場合における集束点の変化を示す平面図、第４図は
本発明のレーザ光束の微小偏角の測定装置の他の実施例
の概略構成を示す斜視図である。

第１図に示されているレーザ光束の微小偏角の測定装置
において、ＰＱは偏角の測定の対象にされているレーザ
光束であり、このレーザ光束Ｐｎは偏光ビームスプリッ
タ３に入射される。前記の偏光ビームスプリッタ３を透
過したレーザ光束Ｐａはλ／４板４を透過した後に集光
レンズ５で集光されることにより、前記した集光レンズ
５の合焦面に設置されている回折格子ＤＧ上には微小な
径の光のスポットＳが投射されるが、今、レーザ光の波
長が０．６３３ミクロンで、集光レンズ５の開口数（Ｎ
　−Ａ）が０．５であるとすると、前記した回折格子Ｄ
Ｇ上の光のスポットＳの径は約１ミクロン程度のものに
なる。

第３図は、集光レンズ５に入射されるレーザ光束の入射
角が変化した場合における焦点面ＦＰ上での光のスポッ
トの位置の変化を示している図であって、この図におい
てＰρ１．ＰＱ２は、集光レンズ５への入射角にθの差
を有する２つのレーザ光束を示しており、前記したレー
ザ光束ＰＱＩは集光レンズ５の焦点面ＦＰ上に光のスポ
ットＳ１として投射され、また前記したレーザ光束ＰＱ
２は集光レンズ５の焦点面ＦＰ上に光のスポットＳ２と
して投射されるが、前記した２つの光のスポットＳＬ、
Ｓ２間の距離は、集光レンズ５の焦点距離をｆとすると
、ｆｔａｎＯとして示されるものになる。

そして、集光レンズ５に入射されるレーザ光束が第３図
中のレーザ光束ＰＱ１の位置からレーザ光束ＰΩ２の位
置まで１次第に偏角が変化するときには、レーザ光束に
よる光のスポットの位置は集光レンズ５の焦点面ＦＰ上
において、第３図中の８１の位置から８２の位置まで次
第に移って行くのである。

集光レンズ５によって集光された光のスポットＳが投射
される前記の回折格子ＤＧとしては、それの格子のピッ
チＰ（第５図参照）が、それに投射される光のスポット
Ｓの径の１．２倍〜３倍の寸法の範囲内にあるように形
成されたものが用いられるようにすると良好な分解能で
微小な偏角の測定結果が得られる。

前記した集光レンズ５と回折格子ＤＧとは、集光レンズ
５に入射されるレーザ光束ＰＱが良好な平行光の状態で
ある場合には、集光レンズ５の後焦点距離だけ集光レン
ズ５から離隔した位置に回折格子ＤＧが位置する状態と
なるようにして両者が一体化されていてもよいが、集光
レンズ５に入射するレーザ光束ＰＩ２は常に必らずしも
良好な平行光の状態であるとは限らないので、集光レン
ズ５と回折格子ＤＧとの間隔が自動焦点制御系の制御に
より可変になされるように構成されることは望ましい実
施の態様である。

なお、第１図示の実施例においては、レーザ光束の分割
を行うのに、偏光ビームスプリッタ３とλ／４板４とに
よって構成された光アイソレータが使用されているが、
レーザ光束の分割をハーフミラ−によって行うようにし
てもよいことは勿論である。

また、本発明の実施に当って使用される前記の回折格子
ＤＧとしては、位相型の回折格子でも。

あるいは振幅型の回折格子でも、そのどちらの型式のも
のでも使用できるのであり、また、実施に当って１次元
の回折格子が使用されても、あるいは２次元の回折格子
が使用されてもよいのである。

第２図は回折格子を例示した平面図であって、第２図の
（ａ）は１次元型の回折格子の一部の平面図。

第２図の（ｂ）は２次元型の回折格子の一部の平面図を
それぞれ示している。

第１図に示されている実施例では、回折格子ＤＧとして
位相型の１次元の回折格子ＤＯを使用しているものとし
て以下の説明が行われている。

第１図示のレーザ光束の微小偏角の測定装置において、
前記のようにして光のスポットＳが投射された反射型の
回折格子ＤＧから反射された回折光Ｐαｒは、集光レン
ズ５とλ／４板４とを介して偏光ビームスプリッタ３に
入射される。前記の偏光ビームスプリッタ３で反射され
た前記の回折光ＰＱｒは、レンズ６で集光されて微小な
光のスポットＳｒとして２分割光検出器ＰＤに投射され
る。

そして、前記の２分割光検出器ＰＤは、それの分割線（
２個の受光素子Ｐｄｌ、　Ｐｄ２の境界ａ）が、回折格
子ＤＧにおける格子の延長する方向（格子の方向）に平
行となるように設置されている。前記した集光レンズ５
に入射されるレーザ光束が、例えば第３図中のレーザ光
束ＰＱ１のように、集光レンズ５に対して入射角がＯの
状態で入射しているときに、回折格子ＤＧから反射した
光が、２分割光検出器ＰＤにおける２個の受光素子Ｐｄ
ｌ。

Ｐｄ２に対して等しい光量のものとして与えられるよう
にすれば、この状態における２分割光検出器ＰＤの２つ
の受光素子Ｐｄｌ、　Ｐｄ２からの出力信号の差信号は
Ｏとなり、次に、集光レンズ５に入射するレーザ光束に
偏角が生じて、集光レンズ５への入射角がＯでなくなる
と、２分割光検出器ＰＤにおける２個の受光素子Ｐｄｌ
、　Ｐｄ２に対して与えられる回折格子ＤＧからの反射
光の光量は、前記したレーザ光束の偏角の方向及び大き
さに応じて。

それぞれ異ったものになって、２分割光検出器ＰＤの２
つの受光素子Ｐｄ１．　Ｐｄ２からの出力信号の差信号
（第５図の（ｃ）参照）は、集光レンズ５に入射された
レーザ光束の偏角の方向と大きさとに応じた極性と大き
さとの変化態様が、回折格子’ＤＧのピッチＰに対応し
て変化している信号となる。

また１回折格子ＤＧが１次元型のものである場合には、
前記した２分割光検出器ＰＤにおける２つの受光素子Ｐ
ｄｌ、　Ｐｄ２の出力信号の和信号（第５図の（ｂ）参
照）は、集光レンズ５に入射されるレーザ光束の偏角の
大きさが次第に変化するのに応じて第５図の（、）に示
されているような使用されている回折格子ＤＧの格子の
ピッチＰに対応しているような変化の態様で変化する。

第１図において、前記した２分割光検出器ＰＤにおける
２つの受光素子Ｐｄｌ、　Ｐｄ２の出力信号は、加算器
ＡＤＤＩと減算器ＳＵＢとに供給されており、前記した
加算器ＡＤＤＩからは２分割光検出器ＰＤにおける２つ
の受光素子Ｐｄｌ、　Ｐｄ２の出力信号の和信号Ｓａ（
第５図の（ｂ）参照）Ｓａが出力され、また、前記した
減算器ＳＵＢからは２分割光検出器ＰＤにおける２つの
受光素子Ｐｄｌ、　Ｐｄ２の出力信号の差信号Ｓｓ（第
５図の（Ｑ）参照）が出力される。

前記した加算器ＡＤＤＩから出力された和信号Ｓａと、
減算器ＳＵＢから出力された差信号Ｓｓとは、それぞれ
使用された回折格子ＤＧにおける格子のピッチの周期と
同じ周期の交流信号となっており、かつ、前記した和信
号Ｓａと差信号ｓｂとは９０°の位相差を有するものに
なっている。

したがって、前記した和信号Ｓａにおける正波のピーク
位置と負波のピーク位置と、前記した差信号Ｓｓにおけ
る正波のピーク位置と負波のピーク位置とに、それぞれ
対応するパルスを発生させて、それらのパルスを時間軸
上に配列した場合には、時間軸上に配列されたパルスＰ
ｐ（第５図の（ｄ）参照）における隣り合うパルスＰＰ
ｖＰｐの間隔は、回折格子ＤＧにおける格子のピッチＰ
の１７４に対応しているものになる。

今、第３図中に示されているｆ　ｔａｎθが回折格子Ｄ
Ｇにおける格子のピッチＰの１／４に等しい場合を考え
ると、このときのレーザ光束の偏角θは、θ：ｔａｎ″
″１（Ｐ／４　ｆ）となるから、回折格子ＤＧにおける
格子のピッチＰを例えば１．６ミクロン。

集光レンズ５の焦点距離ｆを１０ｍｍとすると、前記し
たレーザ光束の偏角θは０．０４ミリ・ラジアンとなる
。

すなわち、前記した数例の場合には、レーザ光束の偏角
θが０．０４ミリ・ラジアン毎に、前記したパルスＰｐ
が出力されることになるから、前′記したパルスの個数
を計数すれば０．０４ミリ・ラジアンの分解能で、レー
ザ光束の偏角を容易に測定できることになる。また前記
した加算器ＡＤＤ１からの出力信号Ｓａのアナログ量の
変化の状態も用いれば、前記した２つのパルスＰ　Ｐ　
ｔ　Ｐ　９間における偏角の量も正確に知ることができ
ることはいうまでもない。

第１図において、加算器ＡＤＤＩの出力信号Ｓａが供給
されているブロックＰＰＧＩと、減算器ＳＵＢの出力信
号Ｓｓが供給されているブロックＰＰＧ２とは、それに
入力された交流信号の正負のピーク値に対応してパルス
を発生できるように構成されているパルス発生器であり
、前記した２つのパルス発生器ＰＰＧＩ、ＰＰＧ２から
発生されたパルスＰＰが加算器ＡＩ）Ｉ）２によって加
算されると、出力端子１には第５図の（ｄ）に示すよう
なパルス列、すなわち、前記した加算器ＡＤＤＩから出
力された和信号Ｓａにおける正波のピーク位置と負波の
ピーク位置とにそれぞれ対応して発生したパルスＰｐと
、前記した減算器ＳＵＢから出力された差信号Ｓｓにお
ける正波のピーク位置と負波のピーク位置とにそれぞれ
対応して発生したパルスＰＰとが出力されることになる
。この出力端子１に送出されたパルスＰｐは図示されて
いない計数器に被計数パルスとして供給される。

第１図において、ＤＣＣは微分回路であり、この微分回
路ＤＣＣでは前記した加算器ＡＤＤＩから出力された出
力信号Ｓａを微分して加算器ＡＤＤ３に供給する。前記
した加算器ＡＤＤ３には、前記した減算器ＳＵＢからの
出力信号Ｓｓも供給されているから、加算器ＡＤＤ３か
らの出力信号を検波回路ＤＥＴで検波した信号が供給さ
れる出力端子２には偏角の方向を表わすハイレベルの状
態の信号、あるいはローレベルの状態の信号が現われる
（偏角の方向とは、例えば、集光レンズ５に入射される
レーザ光束が、例えば第３図中のレーザ光束ＰＱＩのよ
うに、集光レンズ５に対して入射角が０の状態で入射し
ているときを基準とし、レーザ光束が第３図中の左上側
方から集光レンズ５に入射する場合と、レーザ光束が第
３図中の左下側方から集光レンズ５に入射する場合とに
ついて、偏角が互に逆の方向である、というように表現
したものである）。

前記した第１図示の実施例においては１回折格子ＤＧと
して反射型のものが使用されていたが、回折格子として
透過型のものを使用する場合には、第１図中の偏光ビー
ムスプリッタ３と、λ／４板４とを除去して、第１図中
の回折格子ＤＧの位置に透過型の回折格子を設置し、そ
の回折格子の背後に第１図中のレンズ６と２分割光検出
器ＰＤを配設して、回折格子を透過した回折光がレンズ
６を介して２分割光検出器ＰＤに与えれるようにすれば
よい。

また１本発明の実施に当っては光検出器として１個の受
光素子からなる構成のものが用いられてもよい。この場
合でも受光素子からの出力信号は、第１図における加算
器ＡＤＤＩからの出力信号Ｓａと同一のものであり、集
光レンズ５に入射されるレーザ光束の偏角が次第に大き
くなるのにつれて、第５図の（ｂ）に示されている信号
Ｓａのように回折格子ＤＧのピッチＰと同一の周期で変
化する信号となる。そして、前記した信号における正負
のピーク値間は使用した回折格子ＤＧのピッチＰに対応
しているから、前記した受光素子の出力信号における正
負のピーク値の個数を計数したり、受光素子の出力信号
の大きさを用いたりすることにより、レーザ光束の偏角
を正確に測定することができる。

次に、第１図示のような各構成部材の配置により２次元
方向でのレーザ光束の偏角が測定できるようにするのに
は、前記した第１図中における回折格子ＤＧとして第２
図の（ｂ）に示されているような２次元型のものを使用
し、またも第１図中で使用されている２分割光検出器Ｐ
Ｄの代わりに。

周知構成の４分割光検出器を、その４分割光検出器にお
ける直交する２本の分割線が、使用される２次元型の回
折格子における直交する格子の方向と一致するような設
置態様となるようにして使用し、前記した４個の受光素
子からの４個の出力信号から２つの差信号、すなわち、
今、４個の受光素子が第１乃至第４象限にそれぞれ位置
しているとしたときに、第１象限に配置されている受光
素子からの出力信号を８１とし、第２象限に配置されて
いる受光素子からの出力信号を８２とし、第３象限に配
置されている受光素子からの出力信号を８３とし、第４
象限に配置されている受光素子からの出力信号を８４と
して、（ＳＬ＋８２）−（Ｓ３＋８４）のような第１の
差信号と、（Ｓ１＋５４）−（Ｓ２＋８３）のような第
２の差信号との２つの差信号を発生させて、それにより
２次元方向でのレーザ光の偏角の測定結果を得るように
すればよいのである。

次に、第４図は２個の１次元型の回折格子ＤＧａ、ＤＧ
ｂを、格子の方向が互いに直交するように設置して、２
次元方向でのレーザ光束の偏角を測定するようにした本
発明のレーザ光束の微小偏角の測定装置の実施例を示す
斜視図であり、この第４図中でＨＭはハーフ・ミラーで
あり、また、３ａ、３ｂは偏光ビームスプリッタ、４ａ
、４ｂはλ／４板、５ａ、５ｂは集光レンズ、６ａ、６
ｂはレンズ、ＰＤａ、ＰＤｂは２分割光検出器。

ＤＧａ、ＤＧｂは１次元の回折格子であり、測定の対象
にされているレーザ光束ＰＱをハーフ・ミラーＨＭによ
って２つに分割して、偏光ビームスプリッタ３ａ、３ｂ
に入射させるようにしている意思外は、第４図中の２つ
の構成部分は、それぞれ既述した第１図示の構成のレー
ザ光束の微小偏角の測定装置と同様であり、前記の、２
つの２分割光検出器ＰＤａ、ＰＤｂからの出力信号は、
それぞれ第１図中に示されているのと同様な個別の電気
回路に供給されて所要の測定結果が得られるのである。

次に１本発明のレーザ光束の微小偏角の測定装置におけ
るレーザ光束の偏角測定の分解能（偏角の測定感度）に
関連する事項について記載する。

使用する回折格子ＤＧの格子のピッチＰと、集光レンズ
５によって回折格子ＤＧに集光される光のスポットＳの
径との寸法関係が、回折格子の格子のピッチＰ（第５図
参照）が、それに投射される光のスポットＳの径の１．
２倍〜３倍の寸法の範囲内にあるような関係になされて
いれば良好な分解能での微小偏角の測定が可能であるこ
とは既述したとおりである。

さて、本発明による微小偏角の測定における偏角測定の
分解能は、焦点距離ｆの大きな集光レンズ５を使用する
ことによって高めることができるが、焦点距離ｆの大き
な集光レンズ５は、開口数を同一とした場合には口径が
大きなものになるから、偏角測定の分解能の向上のため
に焦点比Ｍｆの大きな集光レンズ５を使用するとしても
、それには限度がある。

また、微小偏角の測定における偏角測定の分解能の向上
を、集光レンズ５の開口数を大にして行うこともできる
が、開口数を大きくするとレンズの焦点深度が浅くなっ
て、良好な合焦状態が得られる範囲が狭くなる。

それで１本発明の微小偏角の測定における偏角測定装置
の実施に当っては、集光レンズ５の焦点距離ｆ、開ロ数
Ｎ−Ａ、回折格子ＤＧの格子のピッチＰの３者について
のバランスを考えて最良の結果が得られるようにすれば
よい。

（発明の効果） 以上、詳細に説明したところから明らかなように、本発
明のレーザ光束の微小偏角の測定装置は測定の対象にさ
れているレーザ光束を集光レンズに入射させ、前記の集
光レンズによって集光された光のスポットで、前記した
光のスポットの径よりもピッチの大きな回折格子を照射
する手段と、前記した回折格子によって発生した回折光
を光検出器により検出する手段とを備えてなるレーザ光
束の微小偏角の測定装置であるから、この本発明のレー
ザ光束の微小偏角の測定装置では、測定系中で使用され
ている回折格子ＤＧのピッチＰに関連する周期で変化す
る信号を用いてレーザ光束の偏角を測定するようにして
いるから、較正を必要とすることもなくレーザ光束の微
小な偏角を容易に、かつ、正確に測定することができ、
また、本発明のレーザ光束の微小偏角の測定装置は小型
なものとして構成することが可能であるから、偏角測定
の分解能を向上させるために長大な焦点距離の集光レン
ズの使用が不可欠な従来法による微小偏角に際して問題
になった欠点も生じることなく、本発明によれば各種の
原因によって生じるレーザ光束の微小な偏角の測定が容
易に正確にできるから、レーザ光束により極めて微小な
パターンを形成させるようにする装置などにおいて有効
に利用することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のレーザ光束の微小偏角の測定装置の概
略構成を示す平面図、第２図は回折格子の一部の平面図
、第３図は集光レンズに入射したレーザ光束に偏角が生
じた場合における集束点の変化を示す平面図、第４図は
本発明のレーザ光束の微小偏角の測定装置の他の実施例
の概略構成を示す斜視図、第５図は動作説明用の波形図
、第６図はレーザ光の偏角を測定または検出する従来法
の説明のための平面図である。 ３．３ａ、３ｂ・・・偏光ビームスプリッタ、４・・・
λ／４板、５．５ａ、５ｂ、Ｌ−”集光レンズ、ＰＤ・
・・２分割光検出器、６・・・レンズ、ＰＲ，Ｐα１゜
Ｐ１１２．Ｐｉ、　Ｐ２・・・偏角の測定の対象にされ
ているレーザ光束、ＤＧ、ＤＧａ、ＤＧｂ−回折格子。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 測定の対象にされているレーザ光束を集光レンズに入射
   させ、前記の集光レンズによって集光された光のスポッ
   トで、前記した光のスポットの径よりもピッチの大きな
   回折格子を照射する手段と、前記した回折格子によって
   発生した回折光を光検出器により検出する手段とを備え
   てなるレーザ光束の微小偏角の測定装置