JPWO2020179049A1 - Laser beam profile measuring device - Google Patents

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Abstract

ビームプロファイラは、レーザ光が入射する入射面とレーザ光が出射する出射面とを有する、板状又はブロック状の蛍光発生素子と、蛍光発生素子内で発生し出射面から出射する蛍光を、レーザ光から分離する光分離素子と、蛍光を受けるイメージ素子と、光分離素子とイメージ素子との間の蛍光の光路内に位置するマスクとを含む。マスクは、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、レーザ光及びその迷光を遮蔽するとよい。マスクは金属板でよく、金属板は、当該中心部分を覆う遮蔽部と、遮蔽部の周囲に設けられたリム部とを有し、遮蔽部とリム部との間に穴が空けられているとよい。代替的にマスクは、透明な基材と、基材の一方の面上に形成された膜とを含むとよい。ビームプロファイラは、波長分離ミラーによって分離されないレーザ光の迷光によるゴーストの影響を除去して、高出力レーザのビームプロファイルを高精度に測定することを可能とする。The beam profiler has a plate-shaped or block-shaped fluorescence generating element having an incident surface on which the laser beam is incident and an emitting surface on which the laser beam is emitted, and a laser that emits fluorescence generated in the fluorescence generating element and emitted from the emitting surface. It includes an optical separation element that separates from light, an image element that receives fluorescence, and a mask that is located in the optical path of fluorescence between the optical separation element and the image element. The mask may be provided so as to cover the central portion including the center of the fluorescent optical path, and shield the laser beam and its stray light. The mask may be a metal plate, and the metal plate has a shielding portion that covers the central portion and a rim portion provided around the shielding portion, and a hole is formed between the shielding portion and the rim portion. It is good. Alternatively, the mask may include a transparent substrate and a film formed on one surface of the substrate. The beam profiler makes it possible to measure the beam profile of a high-power laser with high accuracy by eliminating the effect of ghosting due to stray light of the laser beam that is not separated by the wavelength separation mirror.

Description

本発明は、レーザ光のビームプロファイル測定装置に関し、特に、高光強度のレーザ光の二次元ビームプロファイルを高い位置精度で、且つ高精度に測定できるレーザ光のビームプロファイル測定装置に関するものである。 The present invention relates to a laser beam beam profile measuring device, and more particularly to a laser beam beam profile measuring device capable of measuring a two-dimensional beam profile of a laser beam having high light intensity with high position accuracy and high accuracy.

従来の100mWを超える高出力レーザ光のビームプロファイル(二次元光強度分布)を測定する方法としては、フィルタやミラーでレーザ光を減光してCCD、CMOS等のイメージセンサで観測する方法、ピンホールやスリット、ナイフエッジでビームの一部を遮光しながら透過光強度を測定し、遮光位置と透過光強度の相関から計算により求める方法、先端に小さなミラーの付いた棒あるいは先端に小さな穴の開いた導光棒をビーム内で二次元にスキャンして強度分布を測定する方法、光を散乱する板にレーザ光を照射し、その散乱光の像を後方からカメラで測定する方法等が知られていた。なお、本明細書においてカメラとは、映像を撮影するための装置全般を意味する。一般的にカメラは、その内部に、像を検出するためのイメージ素子(例えばCCD又はCMOS等のイメージセンサ)と、イメージ素子上に像を結ぶための光学系(レンズ等)とを含む。 As a conventional method for measuring the beam profile (two-dimensional light intensity distribution) of high-power laser light exceeding 100 mW, a method of dimming the laser light with a filter or a mirror and observing it with an image sensor such as CCD or CMOS, a pin. A method of measuring the transmitted light intensity while blocking a part of the beam with a hole, slit, or knife edge and calculating it from the correlation between the light blocking position and the transmitted light intensity, a rod with a small mirror at the tip or a small hole at the tip. We know how to measure the intensity distribution by scanning an open light guide rod two-dimensionally in the beam, and how to irradiate a plate that scatters light with laser light and measure the image of the scattered light from behind with a camera. Was being. In addition, in this specification, a camera means the whole apparatus for taking an image. Generally, a camera includes an image element (for example, an image sensor such as a CCD or CMOS) for detecting an image and an optical system (a lens or the like) for forming an image on the image element.

一方、レーザ光を板状の蛍光体(蛍光板)に当てて、そこから発せられる蛍光の二次元強度分布をカメラやイメージセンサで測定する方法も知られていた(例えば、特許文献1〜3、非特許文献1)。特許文献1及び2には、レーザ光を蛍光板の前方から照射し、照射された領域からの蛍光を、レーザ光を照射した蛍光板の前面、あるいは蛍光板の裏面からカメラで観測する方法が提案されている。また、特許文献3と非特許文献1には、蛍光板としてNd:YAGを用いる方法が提案され、実験の結果が報告されている。なお、非特許文献1は本発明者が共同執筆者の一人となっている過去の実験結果の報告である。 On the other hand, a method of irradiating a plate-shaped phosphor (fluorescent plate) with a laser beam and measuring the two-dimensional intensity distribution of the fluorescence emitted from the plate-shaped phosphor (fluorescent plate) with a camera or an image sensor has also been known (for example, Patent Documents 1 to 3). Non-Patent Document 1). Patent Documents 1 and 2 propose a method of irradiating a laser beam from the front of a fluorescent plate and observing the fluorescence from the irradiated region with a camera from the front surface of the irradiated fluorescent plate or the back surface of the fluorescent plate. There is. Further, Patent Document 3 and Non-Patent Document 1 propose a method of using Nd: YAG as a fluorescent plate, and report the results of experiments. Non-Patent Document 1 is a report of past experimental results in which the inventor is one of the co-authors.

図7を参照して、従来提案された蛍光を利用したビームプロファイル測定法について説明する。測定したいレーザ光(波長808nm)1103を、透明なブロック1100の一面に形成されたフィルム状の蛍光体1101に照射する。蛍光体1101に吸収されなかったレーザ光は、界面1102を透過し外部に放出される。一方、蛍光体から発生した蛍光1104は、界面1102で反射され、さらにフィルタ1105で蛍光波長以外の光が取り除かれ、カメラ1106に入射、結像される。非特許文献1もレーザ光の透過と反射の方向が逆であるだけで基本的な構成は同じである。蛍光体の例としてはNd:YAGが示されている。 A beam profile measurement method using fluorescence, which has been conventionally proposed, will be described with reference to FIG. 7. The laser beam (wavelength 808 nm) 1103 to be measured is irradiated on the film-shaped phosphor 1101 formed on one surface of the transparent block 1100. The laser light that is not absorbed by the phosphor 1101 passes through the interface 1102 and is emitted to the outside. On the other hand, the fluorescence 1104 generated from the phosphor is reflected at the interface 1102, light other than the fluorescence wavelength is removed by the filter 1105, and is incident on and imaged on the camera 1106. Non-Patent Document 1 also has the same basic configuration except that the directions of transmission and reflection of the laser beam are opposite. Nd: YAG is shown as an example of the phosphor.

前記した従来技術のうち、蛍光材料、蛍光体あるいは蛍光板(以下、まとめて「蛍光板」と称する)を用いた方法がそれ以外の測定方法に比べ優れている点を以下に説明する。まず、測定されるレーザ光のビームの光軸方向(Z軸方向)位置を、蛍光板の位置で厳密に且つ高精度に特定することができる。すなわちビームを測定したい位置に蛍光板を置くことで、その場所のビームプロファイルが忠実に蛍光強度プロファイル(蛍光像)に変換され、それをカメラで結像して観測、保存できる。蛍光板から発生する蛍光はレーザ光の波長と離れているため、ダイクロイックミラー(波長分離ミラー)等でレーザ光と容易に分離することができ、高い信号対ノイズ比(S/N)で観測できる。蛍光は蛍光板内で散乱や吸収の影響を受けることが少ないので、蛍光像はぼけを生じることなく高分解能で、高精度にカメラで計測できる。発生する蛍光の光強度は、蛍光板の材料や蛍光体濃度(吸収特性)、厚みを工夫する(薄くする)ことで、入射するレーザ光の光強度に比べ1/100以下まで弱くすることも容易である。つまり、蛍光板が一種の減光フィルタとしても機能するので、蛍光を波長分離ミラーで分離した後イメージセンサを用いて信号の飽和や破壊を起こすことなく観測できる。また、このとき蛍光板で発生する熱量も少なく抑えられるので、高出力レーザ光を直接入射しても温度上昇が抑えられ、長時間安定した測定が可能になる。加えて、蛍光はレーザ光やその散乱光と違いインコヒーレント光であるため、スペックルやフィルタ等の干渉縞の発生がなく、また開口(NA)の小さな光学系を用いてもイメージセンサ上に正確に結像できるために、光学系の自由度が高い。さらに、レンズの組み合わせにより結像の倍率も自由に設定でき、微小なビームプロファイルも拡大することで高精度に測定できる等の利点がある。 Among the above-mentioned prior arts, the method using a fluorescent material, a fluorescent substance or a fluorescent plate (hereinafter collectively referred to as “fluorescent plate”) is described below in that it is superior to other measuring methods. First, the position of the measured laser beam in the optical axis direction (Z-axis direction) can be specified exactly and with high accuracy by the position of the fluorescent screen. That is, by placing the fluorescence plate at the position where the beam is to be measured, the beam profile at that location is faithfully converted into a fluorescence intensity profile (fluorescence image), which can be imaged with a camera for observation and storage. Since the fluorescence generated from the fluorescent plate is far from the wavelength of the laser beam, it can be easily separated from the laser beam by a dichroic mirror (wavelength separation mirror) or the like, and can be observed with a high signal-to-noise ratio (S / N). Since fluorescence is less affected by scattering and absorption in the fluorescence plate, the fluorescence image can be measured with a camera with high resolution and high accuracy without causing blurring. The light intensity of the generated fluorescence can be easily reduced to 1/100 or less of the light intensity of the incident laser light by devising (thinning) the material, phosphor concentration (absorption characteristics), and thickness of the fluorescent plate. Is. That is, since the fluorescent plate also functions as a kind of dimming filter, it is possible to observe the fluorescence without causing saturation or destruction of the signal by using an image sensor after separating the fluorescence with a wavelength separation mirror. Further, since the amount of heat generated by the fluorescent plate can be suppressed to be small at this time, the temperature rise can be suppressed even if a high-power laser beam is directly incident, and stable measurement can be performed for a long time. In addition, since fluorescence is incoherent light unlike laser light and its scattered light, interference fringes such as speckles and filters do not occur, and even if an optical system with a small aperture (NA) is used, it can be seen on the image sensor. The degree of freedom of the optical system is high because the image can be accurately formed. Further, the magnification of the image formation can be freely set by combining the lenses, and there is an advantage that the measurement can be performed with high accuracy by enlarging a minute beam profile.

特開平6−221917号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 6-221917 特開2004−245778号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2004-245778 特表2008−519263号公報Japanese Patent Publication No. 2008-591263

常包正樹ほか、「新しい高精度2Dビーム形状計測法の提案」、2015年1月11日〜12日、レーザー学会学術講演会第35回年次大会、講演予稿集 12pIX03、一般社団法人レーザー学会Masaki Tsunebu et al., "Proposal of New High-precision 2D Beam Shape Measurement Method", January 11-12, 2015, Laser Society of Japan Academic Lecture 35th Annual Conference, Lecture Proceedings 12pIX03, Laser Society of Japan

しかしながら上述した蛍光板を用いた方法においては、レーザ光の透過率又は反射率100%を達成する波長分離ミラーを製作することは困難であるため、通常、1〜5%程度のエネルギーのレーザ光が、波長分離ミラーで分離されずにそこを反射又は透過する。このレーザ光(すなわちレーザ光の迷光)は、蛍光と同じ光路をたどり、イメージセンサに向かう。通常、波長分離ミラーとイメージセンサとの間に位置するフィルタは、蛍光の波長の光だけを選択的に透過するバンドパス特性を有する。かかるバンドパス特性を有するフィルタ(バンドパスフィルタ)の場合、フィルタは、蛍光の波長以外でイメージセンサが受光する波長の光を、1/100000〜1/1000000まで大幅に減衰させるように設計されている。 However, in the method using the fluorescent plate described above, it is difficult to manufacture a wavelength separation mirror that achieves the transmittance or reflectance of 100% of the laser light, so that the laser light having an energy of about 1 to 5% is usually used. , Reflects or transmits through the wavelength separation mirror without being separated. This laser beam (that is, the stray light of the laser beam) follows the same optical path as the fluorescence and heads toward the image sensor. Normally, the filter located between the wavelength separation mirror and the image sensor has a bandpass characteristic that selectively transmits only light having a wavelength of fluorescence. In the case of a filter having such a bandpass characteristic (bandpass filter), the filter is designed to significantly attenuate light having a wavelength other than the wavelength of fluorescence received by the image sensor from 1/10000 to 1/10000. There is.

波長分離ミラーを反射又は透過した、レーザ光の迷光も、バンドパスフィルタによって減衰を受けるが、蛍光板の発光特性、レーザ光の波長、蛍光の波長によっては、蛍光板から発生する蛍光の強度が非常に弱く、イメージセンサ上で、蛍光強度と減衰されたレーザ光の迷光の強度が同程度になる場合がある。その場合、イメージセンサ上に蛍光像以外にレーザ光の迷光がゴーストとして重なって観測されるため、蛍光像を正しく測定できないという問題があった。特にレーザ光と蛍光の波長(バンドパスフィルタの透過波長)が近い場合には、バンドパスフィルタの特性上、入射したレーザ光成分はバンドパスフィルタであまり減衰されない場合があり、レーザ光の迷光によるゴーストの影響を除去できないという問題があった。 The stray light of the laser light reflected or transmitted through the wavelength separation mirror is also attenuated by the bandpass filter, but the intensity of the fluorescence generated from the fluorescent plate is very high depending on the emission characteristics of the fluorescent plate, the wavelength of the laser light, and the wavelength of fluorescence. It is weak, and the fluorescence intensity and the stray light intensity of the attenuated laser light may be comparable on the image sensor. In that case, since the stray light of the laser beam is observed as a ghost on the image sensor in addition to the fluorescent image, there is a problem that the fluorescent image cannot be measured correctly. In particular, when the wavelength of the laser light and the fluorescence (transmission wavelength of the bandpass filter) are close to each other, the incident laser light component may not be attenuated so much by the bandpass filter due to the characteristics of the bandpass filter, which is caused by the stray light of the laser light. There was a problem that the influence of ghost could not be removed.

加えて、レーザ光の強度が強く、且つ細く絞られて入射した場合や、レーザ光が時間でパルス状に照射され、そのパルスの光のピーク強度が高い場合においては、波長分離ミラーを反射又は透過したレーザ光の迷光がたとえ1%であっても、中心部分は高い光強度であるため、バンドパスフィルタやカメラあるいはイメージセンサにダメージを与えるおそれがあるという問題があった。 In addition, when the intensity of the laser beam is strong and the laser beam is finely focused and incident, or when the laser beam is irradiated in a pulse shape over time and the peak intensity of the pulsed light is high, the wavelength separation mirror is reflected or Even if the stray light of the transmitted laser light is 1%, there is a problem that the band pass filter, the camera, or the image sensor may be damaged because the central portion has a high light intensity.

したがって、本発明は、このような従来技術の問題を解決しようとするものであり、波長分離ミラーによって分離されないレーザ光の迷光によるゴーストの影響を除去して、高出力レーザのビームプロファイルを高精度に測定することを可能とすることを目的とする。 Therefore, the present invention is intended to solve such a problem of the prior art, and eliminates the influence of ghost due to stray light of the laser beam that is not separated by the wavelength separation mirror, and obtains a high-power laser beam profile with high accuracy. The purpose is to make it possible to measure.

また、本発明は、レーザ光の迷光によってバンドパスフィルタやカメラあるいはイメージセンサがダメージを受けることを未然に防ぐことを目的とする。 Another object of the present invention is to prevent the bandpass filter, the camera, or the image sensor from being damaged by the stray light of the laser beam.

上記した課題を解決するために、本発明は以下の構成を有する。
本発明は、レーザ光の二次元光強度分布を測定するビームプロファイル測定装置であって、レーザ光が入射する入射面と前記レーザ光が出射する出射面とを有する、板状又はブロック状の蛍光発生素子と、前記蛍光発生素子内で発生し前記出射面から出射する蛍光を、前記レーザ光から分離する光分離素子と、前記蛍光を受けるイメージ素子と、前記光分離素子と前記イメージ素子との間の前記蛍光の光路内に位置するマスクと、を含み、前記マスクは、前記蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する。
In order to solve the above-mentioned problems, the present invention has the following configurations.
The present invention is a beam profile measuring device that measures a two-dimensional light intensity distribution of laser light, and has a plate-shaped or block-shaped fluorescence having an incident surface on which the laser light is incident and an exit surface on which the laser light is emitted. A generation element, a light separation element that separates fluorescence generated in the fluorescence generation element and emitted from the emission surface from the laser beam, an image element that receives the fluorescence, and the light separation element and the image element. The mask comprises a mask located in the light path of the fluorescence in between, and the mask is provided so as to cover a central portion including the center of the light path of the fluorescence, and shields the light having the wavelength of the laser light.

本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記光分離素子と前記イメージ素子との間に位置する結像光学系をさらに含むとよい。 In one of the preferred embodiments of the present invention, it is preferable to further include an imaging optical system located between the optical separation element and the image element.

また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、透明な基材と、前記基材の一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜とを含むとよい。 Further, in one of the preferred embodiments of the present invention, the mask includes a transparent base material and a film formed on one surface of the base material and shielding light having a wavelength of the laser light. It is good.

さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、前記結像光学系を構成するレンズの一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜を含むとよい。 Further, in one of the preferred embodiments of the present invention, the mask includes a film formed on one surface of a lens constituting the imaging optical system to block light having a wavelength of the laser light. good.

また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部を有する金属板であるとよい。 Further, in one of the preferred embodiments of the present invention, the mask may be a metal plate having a shielding portion covering the central portion.

さらに、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部と、前記遮蔽部の周囲に設けられたリム部とを有する金属板であり、前記遮蔽部と前記リム部との間に穴が空けられているとよい。 Further, in one of the preferred embodiments of the present invention, the mask is a metal plate having a shielding portion covering the central portion and a rim portion provided around the shielding portion, and the shielding portion and the shielding portion. It is good to have a hole between the rim and the rim.

また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクが、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は5つ以上の角を有する多角形のいずれかの形状であるとよい。 Further, in one of the preferred embodiments of the present invention, the mask may be in the shape of a circle, an ellipse, a straight line, a triangle, a square, a rectangle, or a polygon having five or more angles.

また、本発明の好ましい実施形態の一つにおいて、前記マスクの遮蔽部が、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は5つ以上の角を有する多角形のいずれかの形状であるとよい。 Further, in one of the preferred embodiments of the present invention, it is assumed that the shielding portion of the mask is in the shape of a circle, an ellipse, a straight line, a triangle, a square, a rectangle, or a polygon having five or more angles. good.

一般にレーザ光及びその迷光はコヒーレント光であり、強い方向性を有して光分離素子とイメージ素子との間の光路において、光路の中心での強度が最も高い。従って、光分離素子とイメージ素子との間の蛍光の光路内に位置するマスクが、その蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、レーザ光の波長の光を遮蔽するように構成することにより、レーザ光の迷光の影響が効果的に除去される。本明細書において「遮蔽」とは、レーザ光の波長の光を透過しないことを意味し、光を反射すること、拡散すること又は吸収することのいずれをも含む。 Generally, the laser beam and its stray light are coherent light, and have a strong directional property, and have the highest intensity at the center of the optical path in the optical path between the optical separation element and the image element. Therefore, a mask located in the fluorescence optical path between the optical separation element and the image element is provided so as to cover the central portion including the center of the fluorescence optical path so as to shield the light having the wavelength of the laser beam. By configuring, the influence of the stray light of the laser beam is effectively removed. As used herein, "shielding" means not transmitting light of a wavelength of laser light, and includes either reflecting, diffusing, or absorbing light.

他方、インコヒーレント光である蛍光は、方向性がなく、蛍光板を出射すると周囲に広がり、そのように広がった蛍光の一部が、光分離素子とイメージ素子との間の光路を通過する。広がった蛍光は、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられたマスクよりも大きい。従って、マスクの設置にもかかわらず、マスクの周囲を通過した蛍光がイメージ素子上に正しく結像される。これにより、ゴーストの影響を除去して、蛍光像を正しく測定することができる。このように本発明者は、レーザ光及びその迷光(コヒーレント光)と蛍光(インコヒーレント光)とで光の性質に違いがあることを利用して、レーザ光のみを遮蔽するという着想を得て本発明を完成したものである。 On the other hand, fluorescence, which is incoherent light, has no directionality and spreads to the surroundings when emitted from the fluorescent plate, and a part of the spread fluorescence passes through an optical path between the optical separation element and the image element. The spread fluorescence is greater than the mask provided to cover the central portion including the center of the fluorescence path. Therefore, despite the installation of the mask, the fluorescence that has passed around the mask is correctly imaged on the image element. As a result, the influence of ghost can be removed and the fluorescence image can be measured correctly. As described above, the present inventor has obtained the idea of shielding only the laser beam by utilizing the difference in the properties of the laser beam and its stray light (coherent light) and the fluorescence (incoherent light). The present invention has been completed.

他方で、光分離素子とイメージ素子との間の蛍光の光路内に位置するマスクが、レーザ光の迷光を遮蔽するので、レーザ光の迷光によってバンドパスフィルタやカメラあるいはイメージセンサがダメージを受けることを未然に防ぐことができるという利点もある。 On the other hand, the mask located in the optical path of fluorescence between the light separation element and the image element shields the stray light of the laser light, so that the stray light of the laser light damages the bandpass filter, the camera or the image sensor. There is also an advantage that it can be prevented.

上記した本発明の目的及び利点並びに他の目的及び利点は、以下の実施の形態の説明を通じてより明確に理解される。もっとも、以下に記述する実施の形態は例示であって、本発明はこれに限定されるものではない。 The above-mentioned objects and advantages of the present invention as well as other purposes and advantages will be more clearly understood through the description of the following embodiments. However, the embodiments described below are examples, and the present invention is not limited thereto.

本発明によるレーザビームプロファイラの一構成例を示す図である。It is a figure which shows one structural example of the laser beam profiler by this invention. レーザビームプロファイラの構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of a laser beam profiler. マスクの構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of a mask. マスクの他の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the other structural example of a mask. レーザビームプロファイラの他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of a laser beam profiler. レーザビームプロファイラの他の構成例を示す図である。It is a figure which shows the other structural example of a laser beam profiler. 蛍光を利用したビームプロファイル測定法の従来例を説明する図である。It is a figure explaining the conventional example of the beam profile measurement method using fluorescence.

以下、本発明によるレーザ光のビームプロファイル測定装置の好ましい実施の形態を、レーザ光のビームプロファイル測定装置の複数の例に言及しながら、図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, preferred embodiments of the laser beam beam profile measuring apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings with reference to a plurality of examples of the laser beam beam profile measuring apparatus.

図1−図6を参照して、本発明によるビームプロファイル測定装置の構成例の概略と機能を以下に説明する。ここで図1は、光分離素子として、レーザ光を透過し蛍光を反射する波長分離ミラーを用い、且つ金属板からなるマスクを用いた、レーザ光透過分離型ビームプロファイラの構成例を示す図、図2は、光分離素子として、レーザ光を反射し蛍光を透過する波長分離ミラーを用い、且つ金属板からなるマスクを用いた、レーザ光反射分離型ビームプロファイラの構成例を示す図である。また、図3は、金属板からなるマスクの構成例を示す模式図、図4は、金属板からなるマスクの他の構成例を示す模式図、図5は、図1に示す金属板のマスクを他のマスクに代替した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラの他の構成例を示す図、そして図6は、図1に示す金属板のマスクを他のマスクに代替した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラの他の構成例を示す図である。 The outline and function of the configuration example of the beam profile measuring apparatus according to the present invention will be described below with reference to FIGS. 1 to 6. Here, FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of a laser light transmission separation type beam profiler using a wavelength separation mirror that transmits laser light and reflects fluorescence as a light separation element and a mask made of a metal plate. FIG. 2 is a diagram showing a configuration example of a laser light reflection separation type beam profiler using a wavelength separation mirror that reflects laser light and transmits fluorescence as a light separation element and a mask made of a metal plate. 3 is a schematic diagram showing a configuration example of a mask made of a metal plate, FIG. 4 is a schematic diagram showing another configuration example of a mask made of a metal plate, and FIG. 5 is a mask of the metal plate shown in FIG. The figure shows another configuration example of the laser light transmission separation type beam profiler in which the above is replaced with another mask, and FIG. 6 shows the laser light transmission separation type in which the metal plate mask shown in FIG. 1 is replaced with another mask. It is a figure which shows the other structural example of a beam profiler.

図1に示すレーザ光透過分離型ビームプロファイラ100の例において、蛍光板1は、波長λ1のレーザ光が入射面1aから入射したとき、その一部を吸収して内部で波長λ2の蛍光を発生する。発生した蛍光13は出射面1bから、周囲に広がりながら出射する。蛍光板1は、本発明における蛍光発生素子に相当する。ここでは、レーザ光の波長λ1が808nmであり、蛍光板1で発生した蛍光のうち、蛍光像を観察しようとする蛍光の波長λ2が1064nmである場合の例について、以下に説明する。 In the example of the laser light transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. 1, when the laser light having a wavelength λ1 is incident from the incident surface 1a, the fluorescent plate 1 absorbs a part of the laser light and generates fluorescence having a wavelength λ2 internally. .. The generated fluorescence 13 is emitted from the emission surface 1b while spreading to the surroundings. The fluorescent plate 1 corresponds to the fluorescence generating element in the present invention. Here, an example in which the wavelength λ1 of the laser beam is 808 nm and the wavelength λ2 of the fluorescence for which the fluorescence image is to be observed is 1064 nm among the fluorescence generated in the fluorescent plate 1 will be described below.

蛍光板1は、支持体(図示せず)と接合、一体化された蛍光発生素子を構成してよい。例えば、蛍光発生素子は入射面が6mm角の正方形の四角柱形状を有してよい。蛍光板1の材質は、例えばNd:YAG透光性セラミックで、Nd濃度は0.7at.%、厚さは0.05mmでよい。支持体(図示せず)の材質は、例えばNdを含まないYAG透光性セラミックで、厚さは2mmでよい。蛍光板1と支持体(図示せず)の相対する面(図1において符号1bで示す)は、低温融着法により接着剤を使わず接合、一体化してよい。 The fluorescence plate 1 may form a fluorescence generation element bonded and integrated with a support (not shown). For example, the fluorescence generating element may have a square prismatic shape with an incident surface of 6 mm square. The material of the fluorescent plate 1 is, for example, Nd: YAG translucent ceramic, and the Nd concentration is 0.7 at. %, The thickness may be 0.05 mm. The material of the support (not shown) may be, for example, YAG translucent ceramic containing no Nd and a thickness of 2 mm. The facing surfaces (indicated by reference numeral 1b in FIG. 1) of the fluorescent plate 1 and the support (not shown) may be joined and integrated by a low temperature fusion method without using an adhesive.

図1に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ100において、被測定対象のレーザ光の一例として入射させた波長808nmのレーザ光12は、蛍光板1を透過し、さらに波長分離ミラー2を透過し、装置外に排出される。しかし、波長分離ミラー2は、レーザ光12の透過率100%を達成することが困難なため、レーザ光12の一部(通常1〜5%程度のエネルギーのレーザ光)が波長分離ミラー2を反射し、レーザ光の迷光14となる。ここでは波長分離ミラーのレーザ光12が透過する2つの面から反射する2つの迷光を示している。波長分離ミラー2は、本発明における光分離素子に相当する。 In the laser light transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. 1, the laser light 12 having a wavelength of 808 nm incident as an example of the laser light to be measured passes through the fluorescent screen 1 and further passes through the wavelength separation mirror 2. It is discharged to the outside of the device. However, since it is difficult for the wavelength separation mirror 2 to achieve 100% transmittance of the laser light 12, a part of the laser light 12 (usually a laser light having an energy of about 1 to 5%) uses the wavelength separation mirror 2. It is reflected and becomes stray light 14 of laser light. Here, two stray lights reflected from the two surfaces transmitted by the laser beam 12 of the wavelength separation mirror are shown. The wavelength separation mirror 2 corresponds to the optical separation element in the present invention.

他方、蛍光板1を透過する際、レーザ光12の一部は、蛍光板1のNd:YAGに吸収され、エネルギー変換されてレーザ光強度分布に比例した波長1μmを中心とする蛍光を周囲に向け発生するが、そのうちの1064nmの蛍光13は波長分離ミラー2で反射して、対物レンズ5、結像レンズ6、及びバンドパスフィルタ8を透過後、CMOSイメージセンサ3に到達する。対物レンズ5及び結像レンズ6は、例えば石英製の凸レンズであり、対物レンズ5の焦点距離は50mm、結像レンズ6の焦点距離は100mmであるとよい。対物レンズ5の焦点位置に蛍光板1、結像レンズ6の焦点位置にCMOSイメージセンサ3が配置され、蛍光板1の蛍光像はCMOSイメージセンサ3内部の受光面上(図示せず)に2倍に拡大されて結像、映像化される。CMOSイメージセンサ3は、本発明におけるイメージ素子に相当する。また、対物レンズ5及び結像レンズ6は結像光学系7に相当する。 On the other hand, when passing through the fluorescent plate 1, a part of the laser beam 12 is absorbed by Nd: YAG of the fluorescent plate 1 and converted into energy to generate fluorescence centered on a wavelength of 1 μm proportional to the laser light intensity distribution. However, the 1064 nm fluorescence 13 is reflected by the wavelength separation mirror 2, passes through the objective lens 5, the imaging lens 6, and the bandpass filter 8 and then reaches the CMOS image sensor 3. The objective lens 5 and the imaging lens 6 are, for example, convex lenses made of quartz, and the focal length of the objective lens 5 may be 50 mm and the focal length of the imaging lens 6 may be 100 mm. The fluorescent plate 1 is arranged at the focal position of the objective lens 5, and the CMOS image sensor 3 is arranged at the focal position of the imaging lens 6, and the fluorescent image of the fluorescent plate 1 is doubled on the light receiving surface (not shown) inside the CMOS image sensor 3. It is magnified and imaged and visualized. The CMOS image sensor 3 corresponds to the image element in the present invention. Further, the objective lens 5 and the imaging lens 6 correspond to the imaging optical system 7.

バンドパスフィルタ8は、1064nm以外の光がCMOSイメージセンサ3に到達しないように、1064nm以外の光を大幅に減衰するよう設計されている。バンドパスフィルタ8の1064nmにおける透過波長幅は例えば10nmである。しかし、すでに述べたように、特に、蛍光板1に入射するレーザ光の強度が強く、蛍光板1からCMOSイメージセンサ3に届く蛍光13の強度が非常に弱いときには、仮に、波長808nmのレーザ光の迷光14が、このバンドパスフィルタ8で減衰されたとしても、CMOSイメージセンサ3に到達するレーザ光の迷光14の強度が、蛍光13の強度と同程度になる場合があり、これがゴーストとして、正しい蛍光像に重なって観察されることが従来の問題となっていた。 The bandpass filter 8 is designed to significantly attenuate the light other than 1064 nm so that the light other than 1064 nm does not reach the CMOS image sensor 3. The transmission wavelength width of the bandpass filter 8 at 1064 nm is, for example, 10 nm. However, as already described, especially when the intensity of the laser beam incident on the fluorescent plate 1 is strong and the intensity of the fluorescence 13 reaching the CMOS image sensor 3 from the fluorescent plate 1 is very weak, the stray light of the laser beam having a wavelength of 808 nm is assumed. Even if 14 is attenuated by the bandpass filter 8, the intensity of the stray light 14 of the laser beam reaching the CMOS image sensor 3 may be about the same as the intensity of the fluorescence 13, which is the correct fluorescence as a ghost. Observing the image on top of it has been a conventional problem.

そこで、波長分離ミラー2とCMOSイメージセンサ3との間の蛍光13の光路内にマスク4が設けられている。マスク4は、蛍光13の光路、すなわち結像光学系の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、レーザ光の波長808nmの光を遮蔽するよう構成されている。従って、波長分離ミラー2を反射したレーザ光の迷光14は、マスク4によって遮蔽され、CMOSイメージセンサ3への到達が阻止される。 Therefore, a mask 4 is provided in the optical path of the fluorescence 13 between the wavelength separation mirror 2 and the CMOS image sensor 3. The mask 4 is provided so as to cover the optical path of the fluorescence 13, that is, the central portion including the center of the imaging optical system, and is configured to shield the light having a wavelength of 808 nm of the laser light. Therefore, the stray light 14 of the laser beam reflected from the wavelength separation mirror 2 is shielded by the mask 4 and is prevented from reaching the CMOS image sensor 3.

図3−図4を参照して、マスクの構成例を詳しく説明する。マスク4は、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆う遮蔽部41を有する金属板でよい。例えば、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、又はステンレスのいずれかからなる厚さ1mm程度の金属板に、打ち抜き加工あるいは切削加工等をして穴をあけることにより、遮蔽部41を形成することができる。 A configuration example of the mask will be described in detail with reference to FIGS. 3 and 4. The mask 4 may be a metal plate having a shielding portion 41 covering a central portion including the center of the fluorescent optical path. For example, a shielding portion 41 is formed by punching or cutting a metal plate having a thickness of about 1 mm made of aluminum, an aluminum alloy, copper, a copper alloy, or stainless steel to make a hole. Can be done.

図3を参照して、金属板のマスク4は、遮蔽部41と、遮蔽部41の周囲に設けられたリム部43とを有し、遮蔽部41とリム部43との間に穴42があけられている構成としてよい。金属板のマスク4は、遮蔽部41を支持するために、遮蔽部41とリム部43との間をつなぐブリッジ45を有してよい。図3は、遮蔽部41を支持するブリッジの異なる構成例を示しており、図3(a)は1本のブリッジ、図3(b)は2本のブリッジ、図3(c)は3本のブリッジをそれぞれ有している。 With reference to FIG. 3, the mask 4 of the metal plate has a shielding portion 41 and a rim portion 43 provided around the shielding portion 41, and a hole 42 is provided between the shielding portion 41 and the rim portion 43. It may be an open configuration. The mask 4 of the metal plate may have a bridge 45 connecting the shielding portion 41 and the rim portion 43 in order to support the shielding portion 41. 3A and 3B show different configuration examples of bridges supporting the shielding portion 41, FIG. 3A shows one bridge, FIG. 3B shows two bridges, and FIG. 3C shows three bridges. Each has a bridge.

金属板のマスク4は、最も簡便に且つ安価に製作できる点で有利である。マスク4の材料がアルミニウムである場合、さらに表面に白アルマイト処理をして光を反射させてよく、逆に黒アルマイト処理をしてレーザ光の迷光を吸収させてもよい。光を吸収させる場合、遮光部41の温度が上がるために、熱伝導率の高い材料、例えばアルミニウムや銅又は銅合金を用いるのが好ましい。 The metal plate mask 4 is advantageous in that it can be manufactured most easily and inexpensively. When the material of the mask 4 is aluminum, the surface may be further subjected to white alumite treatment to reflect light, and conversely, black alumite treatment may be performed to absorb stray light of laser light. When absorbing light, it is preferable to use a material having high thermal conductivity, for example, aluminum, copper or a copper alloy, because the temperature of the light-shielding portion 41 rises.

上述のとおり、図3に示すような金属板のマスク4は、遮蔽部41の周囲に穴42をあけて構成することができるが、この穴には空気しか存在しないため、蛍光の光路内へのマスク4の設置如何によって、結像光学系全体の光路長が変化することがない。従って、蛍光の光路内にマスク4を挿入しても光学系を再調整する必要がないという利点があることに加えて、種々の形状あるいはサイズの遮蔽部41を有する複数のマスクを用意しておき、測定対象に応じて任意にマスクを選択して挿入することもできるという利点もあり、実用性が高い。 As described above, the mask 4 of the metal plate as shown in FIG. 3 can be configured by making a hole 42 around the shielding portion 41, but since only air exists in this hole, it goes into the optical path of fluorescence. The optical path length of the entire imaging optical system does not change depending on the installation of the mask 4. Therefore, in addition to the advantage that it is not necessary to readjust the optical system even if the mask 4 is inserted in the optical path of fluorescence, a plurality of masks having shielding portions 41 having various shapes or sizes are prepared. There is also an advantage that the mask can be arbitrarily selected and inserted according to the measurement target, which is highly practical.

マスクは、蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられればよく、マスクの形状は特に限定されない。マスクの形状は、例えば、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は5つ以上の角を有する多角形のいずれかでよい。図3に示す例において、遮蔽部41の形状がマスク4の形状に対応し、これらの例においてマスクの形状は円である。リム部43の形状は、本発明におけるマスクの形状に関係しない。 The mask may be provided so as to cover the central portion including the center of the fluorescent optical path, and the shape of the mask is not particularly limited. The shape of the mask may be, for example, a circle, an ellipse, a straight line, a triangle, a square, a rectangle, or a polygon having five or more angles. In the example shown in FIG. 3, the shape of the shielding portion 41 corresponds to the shape of the mask 4, and in these examples, the shape of the mask is a circle. The shape of the rim portion 43 is not related to the shape of the mask in the present invention.

図4を参照して、マスクの他の構成例を説明する。図4(a)は遮蔽部51の形状が方形である例、図4(b)は遮蔽部53の形状が長方形である例、図4(c)は遮蔽部55の形状が直線である例をそれぞれ示している。これらの例においても、遮蔽部51、53、55の形状がマスクの形状に対応し、リム部43の形状は、本発明におけるマスクの形状に関係しない。これらの例を含め、マスクの形状が直線、方形、長方形、又は5つ以上の角を有する多角形のいずれかである場合、マスクのいずれかの一辺が、波長分離ミラー2でのp偏光方向と平行となるようアラインされているとよい。このようにマスクをアラインする構成は、波長分離ミラー2の表面と裏面で反射されるレーザ光の迷光を、効率よく除去できるので有利である。 Other configuration examples of the mask will be described with reference to FIG. FIG. 4A is an example in which the shape of the shielding portion 51 is rectangular, FIG. 4B is an example in which the shape of the shielding portion 53 is rectangular, and FIG. 4C is an example in which the shape of the shielding portion 55 is straight. Are shown respectively. Also in these examples, the shapes of the shielding portions 51, 53, 55 correspond to the shapes of the mask, and the shape of the rim portion 43 does not relate to the shape of the mask in the present invention. Including these examples, when the shape of the mask is a straight line, a square, a rectangle, or a polygon having five or more angles, one side of the mask is the p-polarization direction in the wavelength separation mirror 2. It should be aligned so that it is parallel to. Such a configuration in which the mask is aligned is advantageous because the stray light of the laser beam reflected on the front surface and the back surface of the wavelength separation mirror 2 can be efficiently removed.

一般的に、マスクの形状とサイズは、入射を予定するレーザ光12の形状、サイズ、結像光学系7のサイズ等を考慮して決めてよい。レーザ光12は、蛍光板1から広がらずにほぼ直線的に進むと考えられることから、マスク4の遮蔽部41の形状は、蛍光板1の形状(例えば円形)と同じにしてよく、遮蔽部41のサイズは、蛍光板1のサイズとほぼ同じか若干大きくてよい。 Generally, the shape and size of the mask may be determined in consideration of the shape and size of the laser beam 12 scheduled to be incident, the size of the imaging optical system 7, and the like. Since the laser beam 12 is considered to travel substantially linearly without spreading from the fluorescent plate 1, the shape of the shielding portion 41 of the mask 4 may be the same as the shape of the fluorescent plate 1 (for example, a circle), and the shielding portion 41 may have the same shape. The size may be substantially the same as or slightly larger than the size of the fluorescent screen 1.

遮蔽部41の面積は、結像光学系のレンズの面積に対して1/3以下であることが好ましい。遮蔽部41の面積が大きい方が、レーザ光の遮蔽効果は高くなるが、遮蔽部41の比率が高まるにつれ、マスク4の遮蔽部41以外の領域(例えば穴)を通り抜けて、CMOSイメージセンサ3に到達する蛍光の光量が減少するため、観測される蛍光強度分布(レーザ光強度分布)が暗くなり、S/Nが低下する。また、レーザ光12は、蛍光板1から広がらずにほぼ直線的に進むと考えられることから、波長分離ミラー2で反射されたレーザ光は、蛍光の光路の中心を含む中央部分を覆う遮蔽部41の面積をある面積(例えば、蛍光板1の面積よりも若干大きい面積)以上に大きくしても、レーザ光の遮蔽効果にあまり変化がないのに、蛍光像は逆に暗くなることに留意すべきである。 The area of the shielding portion 41 is preferably 1/3 or less of the area of the lens of the imaging optical system. The larger the area of the shielding portion 41, the higher the shielding effect of the laser light, but as the ratio of the shielding portion 41 increases, the CMOS image sensor 3 passes through a region (for example, a hole) other than the shielding portion 41 of the mask 4. Since the amount of fluorescence light reaching the area is reduced, the observed fluorescence intensity distribution (laser light intensity distribution) becomes darker and the S / N decreases. Further, since the laser light 12 is considered to travel substantially linearly without spreading from the fluorescent plate 1, the laser light reflected by the wavelength separation mirror 2 covers the central portion including the center of the fluorescent optical path 41. It should be noted that even if the area of is increased to a certain area (for example, an area slightly larger than the area of the fluorescent plate 1), the shielding effect of the laser beam does not change much, but the fluorescent image becomes darker. Is.

再び図1を参照して、図1に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ100において、マスク4は、波長分離ミラー2とCMOSイメージセンサ3との間の蛍光13の光路内のどの位置に設けてよいが、結像光学系7の前後の近い位置に設けられるのが好ましい。マスク4がCMOSイメージセンサ3に近すぎると、マスク4で遮光された部分が影となってCMOSイメージセンサ3に映り、蛍光像の計測に影響する場合がある。より好ましくは、マスク4は、蛍光13が入射する結合光学系7の直前に設けられるとよい。かかるマスク4の配置は、レーザ光の迷光14の強度が強い場合であっても、結像光学系7を構成する対物レンズ5及び結像レンズ6、バンドパスフィルタ8が、レーザ光によってダメージを受けるのを回避することができるので、より有利である。 With reference to FIG. 1 again, in the laser light transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. 1, the mask 4 is provided at any position in the optical path of the fluorescence 13 between the wavelength separation mirror 2 and the CMOS image sensor 3. However, it is preferable that the imaging optical system 7 is provided at a position close to the front and back. If the mask 4 is too close to the CMOS image sensor 3, the portion shaded by the mask 4 becomes a shadow and is reflected on the CMOS image sensor 3, which may affect the measurement of the fluorescence image. More preferably, the mask 4 is provided immediately before the coupled optical system 7 on which the fluorescence 13 is incident. In such an arrangement, even when the intensity of the stray light 14 of the laser beam is strong, the objective lens 5, the imaging lens 6, and the bandpass filter 8 constituting the imaging optical system 7 are damaged by the laser beam. It is more advantageous because you can avoid receiving it.

次に、図2を参照して、本発明によるレーザ光のビームプロファイル測定装置の他の例を説明する。図2はレーザ光反射分離型ビームプロファイラ200の構成例を示している。 Next, another example of the beam profile measuring apparatus for laser light according to the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 shows a configuration example of the laser light reflection separation type beam profiler 200.

図2に示すレーザ光反射分離型ビームプロファイラ200の例において、蛍光板21は、波長λ1のレーザ光が入射面21aから入射したとき、その一部を吸収して内部で波長λ2の蛍光を発生する。発生した蛍光13は出射面21bから、周囲に広がりながら出射する。蛍光板21は、本発明における蛍光発生素子に相当する。ここでは、レーザ光の波長λ1が808nmであり、蛍光板21で発生した蛍光のうち、蛍光像を観察しようとする蛍光の波長λ2が1064nmである場合の例について、以下に説明する。 In the example of the laser light reflection separation type beam profiler 200 shown in FIG. 2, when the laser light of wavelength λ1 is incident from the incident surface 21a, the fluorescent plate 21 absorbs a part of the laser light and generates fluorescence of wavelength λ2 internally. .. The generated fluorescence 13 is emitted from the emission surface 21b while spreading to the surroundings. The fluorescent plate 21 corresponds to the fluorescence generating element in the present invention. Here, an example in which the wavelength λ1 of the laser beam is 808 nm and the wavelength λ2 of the fluorescence for which the fluorescence image is to be observed is 1064 nm among the fluorescence generated in the fluorescent plate 21 will be described below.

蛍光板21は、支持体(図示せず)と接合、一体化された蛍光発生素子を構成してよい。例えば、蛍光発生素子は直径10mmの円筒形状を有して良い。蛍光板21の材質は、例えばNd:YAG結晶でNd濃度は1.0at.%、厚さは0.2mmでよく、支持体(図示せず)の材質は、例えばNdを含まないYAG結晶で、厚さは2mmでよい。蛍光板21と支持体(図示せず)の相対する面(図2において符号21bで示す)は、熱圧着法により接着剤を使わず接合、一体化してよい。 The fluorescence plate 21 may form a fluorescence generation element bonded and integrated with a support (not shown). For example, the fluorescence generating element may have a cylindrical shape with a diameter of 10 mm. The material of the fluorescent plate 21 is, for example, Nd: YAG crystal, and the Nd concentration is 1.0 at. %, The thickness may be 0.2 mm, and the material of the support (not shown) may be, for example, a YAG crystal containing no Nd, and the thickness may be 2 mm. The facing surfaces (indicated by reference numeral 21b in FIG. 2) of the fluorescent plate 21 and the support (not shown) may be joined and integrated by a thermocompression bonding method without using an adhesive.

図2に示したレーザ光反射分離型ビームプロファイラ200において、被測定対象のレーザ光の波長の一例として入射させた808nmのレーザ光12は、蛍光板21を透過し、波長分離ミラー22で反射して、装置外に排出される。しかし、波長分離ミラー22は、レーザ光12の反射率100%を達成することが困難なため、レーザ光12の一部(通常1〜5%程度のエネルギーのレーザ光)が波長分離ミラー22を透過し、レーザ光の迷光14となる。波長分離ミラー22は、本発明における光分離素子に相当する。 In the laser light reflection separation type beam profiler 200 shown in FIG. 2, the 808 nm laser light 12 incident as an example of the wavelength of the laser light to be measured passes through the fluorescent screen 21 and is reflected by the wavelength separation mirror 22. , Discharged to the outside of the device. However, since it is difficult for the wavelength separation mirror 22 to achieve 100% of the reflectance of the laser light 12, a part of the laser light 12 (usually a laser light having an energy of about 1 to 5%) uses the wavelength separation mirror 22. It is transmitted and becomes stray light 14 of laser light. The wavelength separation mirror 22 corresponds to the optical separation element in the present invention.

他方、蛍光板21を透過する際、レーザ光の一部は、蛍光板21のNd:YAGに吸収され、エネルギー変換されてレーザ光強度分布に比例した波長1μmを中心とする蛍光を周囲に向け発生するが、そのうちの1064nmの蛍光13は波長分離ミラー22を透過して、対物レンズ25、結像レンズ26、及びバンドパスフィルタ8を透過後、CMOSイメージセンサ3に到達する。対物レンズ25及び結像レンズ26は、例えば一般名称「BK7」で知られる光学ガラス製の凸レンズでよく、レンズの焦点距離は共に50mmであるとよい。さらに対物レンズ25の焦点位置に蛍光板21、結像レンズ26の焦点位置にCMOSイメージセンサ3が位置しており、この構成で蛍光板21の蛍光像は1:1でCMOSイメージセンサ3内の受光面上(図示せず)に結像される。 On the other hand, when passing through the fluorescent plate 21, a part of the laser light is absorbed by Nd: YAG of the fluorescent plate 21, energy is converted, and fluorescence having a wavelength of 1 μm proportional to the laser light intensity distribution is generated toward the surroundings. However, the 1064 nm fluorescence 13 passes through the wavelength separation mirror 22, passes through the objective lens 25, the imaging lens 26, and the bandpass filter 8, and then reaches the CMOS image sensor 3. The objective lens 25 and the imaging lens 26 may be, for example, a convex lens made of optical glass known by the general name “BK7”, and the focal lengths of the lenses may both be 50 mm. Further, the fluorescent plate 21 is located at the focal position of the objective lens 25, and the CMOS image sensor 3 is located at the focal position of the imaging lens 26. In this configuration, the fluorescent image of the fluorescent plate 21 is 1: 1 and the light receiving surface in the CMOS image sensor 3. Imaged above (not shown).

マスク4の構成と位置は、図1に示したレーザ光反射透過型ビームプロファイラ100の例におけるマスク4の構成と位置と同様でよい。図2に示したレーザ光反射分離型ビームプロファイラ200におけるマスク4の機能は、図1に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ100の例におけるマスク4の機能と同様であるので、ここでの詳しい説明は省略する。波長分離ミラー22によるレーザ光12及び蛍光13の反射及び透過の機能が異なる点を除いて、レーザ光反射分離型ビームプロファイラ200もまた、図1に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ100の達成する効果と同様の効果を達成することができる。 The configuration and position of the mask 4 may be the same as the configuration and position of the mask 4 in the example of the laser light reflection transmission type beam profiler 100 shown in FIG. The function of the mask 4 in the laser light reflection separation type beam profiler 200 shown in FIG. 2 is the same as the function of the mask 4 in the example of the laser light transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. The explanation is omitted. The laser light reflection separation type beam profiler 200 also achieves the laser light transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. 1, except that the functions of reflection and transmission of the laser light 12 and the fluorescence 13 by the wavelength separation mirror 22 are different. It is possible to achieve the same effect as the effect of

次に、図5を参照して、レーザ光のビームプロファイル測定装置の他の例を説明する。図5はレーザ光透過分離型ビームプロファイラ300の構成例を示している。図5に示す構成例において、図1に示した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラ100における金属板のマスク4の代替として、透明な基材61と、基材61の一方の面上に形成された、レーザ光の波長の光を遮蔽する膜63とを含むマスク4を用いている。他の構成部分は、図1に示した構成例の構成部分と同様である。 Next, another example of the beam profile measuring device of the laser beam will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a configuration example of the laser light transmission separation type beam profiler 300. In the configuration example shown in FIG. 5, as an alternative to the mask 4 of the metal plate in the laser light transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. 1, the transparent base material 61 is formed on one surface of the base material 61. Further, a mask 4 including a film 63 that shields light having a wavelength of laser light is used. Other components are the same as the components of the configuration example shown in FIG.

透明な基材61の材質としては、石英やBK7等のガラス材料、サファイア等の無機結晶材料や、アクリルなどのプラスチック等でよく、膜63は、金属膜又は誘電体膜でよい。金属膜の材質としては、金、銀、ニッケル、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金、クロム等であってよいし、これらの積層でもよい。また、誘電体膜の材質としては、TiO、Ta、HfO、Nb、ZrO、MgF、YF、SiO、Al等でよい。これらの金属材料又は誘電体材料のうち1つ又は複数を用いて、特定の厚さ(例えば0.5μm以上)の単層の薄膜、あるいは異なる材料の複数の膜を特定の厚さで積層した多層膜を形成してよい。膜63を形成する方法としては、基材61の表面で膜63を形成する部分以外の部分にマスキングをしてから、真空中で材料を加熱して基材61の表面に付着させる真空蒸着法や、材料に別のイオンをぶつけて材料を弾き飛ばし基材61の表面に付着させるスパッター法等があるが、特に限定されない。また、金属膜の場合、基材61の表面に接着剤あるいは接着フィルム等を介して貼着してもよい。The material of the transparent base material 61 may be a glass material such as quartz or BK7, an inorganic crystal material such as sapphire, a plastic such as acrylic, or the like, and the film 63 may be a metal film or a dielectric film. The material of the metal film may be gold, silver, nickel, aluminum, an aluminum alloy, copper, a copper alloy, chromium, or the like, or a laminate thereof may be used. The material of the dielectric film may be TiO 2 , Ta 2 O 5 , HfO 2 , Nb 2 O 3 , ZrO 2 , MgF 2 , YF 3 , SiO 2 , Al 2 O 3, or the like. Using one or more of these metallic or dielectric materials, a single-layer thin film of a specific thickness (eg 0.5 μm or more) or multiple films of different materials were laminated to a specific thickness. A multilayer film may be formed. As a method for forming the film 63, a vacuum vapor deposition method is performed in which a portion of the surface of the base material 61 other than the portion where the film 63 is formed is masked, and then the material is heated in a vacuum to adhere to the surface of the base material 61. Alternatively, there is a sputter method in which another ion is struck against the material to flick the material off and adhere to the surface of the base material 61, but the method is not particularly limited. Further, in the case of a metal film, it may be attached to the surface of the base material 61 via an adhesive, an adhesive film or the like.

膜63の形状及びサイズは、図1に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ100におけるマスク4の遮蔽部41又は遮蔽部51、53、55の形状及びサイズと同様でよい。図5に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ300におけるマスク4の機能は、図1に示したレーザ光透過型ビームプロファイラ100の例におけるマスク4の機能と同様であるので、ここでの詳しい説明は省略する。レーザ光透過分離型ビームプロファイラ300もまた、図1に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ100の達成する効果と同様の効果を達成することができる。透明な基材61の上に膜63を形成したマスク4を用いる場合、図3に示した金属板のマスク4と比較してブリッジ45が不要であるため、蛍光が透過する部分の面積を大きくすることができ、S/Nを改善することができる。 The shape and size of the film 63 may be the same as the shape and size of the shielding portion 41 or the shielding portions 51, 53, 55 of the mask 4 in the laser light transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. The function of the mask 4 in the laser light transmission separation type beam profiler 300 shown in FIG. 5 is the same as the function of the mask 4 in the example of the laser light transmission type beam profiler 100 shown in FIG. Is omitted. The laser light transmission separation type beam profiler 300 can also achieve the same effect as that of the laser light transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. When the mask 4 in which the film 63 is formed on the transparent base material 61 is used, the bridge 45 is not required as compared with the mask 4 of the metal plate shown in FIG. 3, so that the area of the portion through which fluorescence is transmitted is large. And the S / N can be improved.

次に、図6を参照して、レーザ光のビームプロファイル測定装置の他の例を説明する。図6はレーザ光透過分離型ビームプロファイラ400の構成例を示している。図6に示す構成例において、図1に示した、レーザ光透過分離型ビームプロファイラ100における金属板のマスク4の代替として、結像光学系7を構成する対物レンズ5の一方の面上に形成された、レーザ光の波長の光を遮蔽する膜73を含むマスク4を用いている。他の構成部分は、図1に示した構成例の構成部分と同様である。 Next, another example of the beam profile measuring device of the laser beam will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows a configuration example of the laser light transmission separation type beam profiler 400. In the configuration example shown in FIG. 6, the laser beam transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. 1 is formed on one surface of the objective lens 5 constituting the imaging optical system 7 as an alternative to the mask 4 of the metal plate. The mask 4 including the film 73 that shields the light having the wavelength of the laser light is used. Other components are the same as the components of the configuration example shown in FIG.

対物レンズ5の表面に形成される膜73は、図5に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ300における、基材61の表面に形成される膜63と同様の金属膜又は誘電体膜でよく、材質や膜の構成についての詳しい説明は省略する。また、膜73を形成する方法も、対物レンズ5の表面で膜73を形成する部分以外の部分にマスキングをしてから、真空中で材料を加熱して対物レンズ5の表面に付着させる真空蒸着法や、材料に別のイオンをぶつけて材料を弾き飛ばし対物レンズ5の表面に付着させるスパッター法等があるが、特に限定されない。さらに、金属膜の場合、対物レンズ5の表面に接着剤あるいは接着フィルム等を介して貼着してもよい。 The film 73 formed on the surface of the objective lens 5 may be a metal film or a dielectric film similar to the film 63 formed on the surface of the base material 61 in the laser beam transmission separation type beam profiler 300 shown in FIG. , Detailed explanation about the material and the composition of the film is omitted. Further, in the method of forming the film 73, after masking the portion of the surface of the objective lens 5 other than the portion forming the film 73, the material is heated in a vacuum to adhere to the surface of the objective lens 5. There are methods such as a spattering method in which another ion is struck against the material to flick the material off and adhere to the surface of the objective lens 5, but the method is not particularly limited. Further, in the case of a metal film, it may be attached to the surface of the objective lens 5 via an adhesive, an adhesive film, or the like.

レーザ光透過分離型ビームプロファイラ400もまた、図1に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ100、及び図5に示したレーザ光透過分離型ビームプロファイラ300が達成する効果と同様の効果を達成することができる。 The laser light transmission separation type beam profiler 400 also achieves the same effect as that achieved by the laser light transmission separation type beam profiler 100 shown in FIG. 1 and the laser light transmission separation type beam profiler 300 shown in FIG. be able to.

以上の例においては蛍光板1の例としてNd:YAGを媒質として挙げたが、蛍光板1の材質としてこれに限定されるものではなく、この他に、940nm、970nmの光を吸収して1030nmの蛍光を発するYb:YAG、又は蛍光寿命を下げる目的でYb:YAGにCr4+イオンを添加したCr,Yb:YAGでもよく、785nmや1.5μm近傍の光を吸収して1.6μmや2.9μmの蛍光を発するEr:YAGでもよく、780nm、785nmの光を吸収して2.01μmの蛍光を発するTm:YAGでもよく、1.9μm近傍の光を吸収して、2.01μmの蛍光を発するHo:YAGでもよく、780nm近傍の光を吸収して、2.08μmの蛍光を発するCr,Tm,Ho:YAGでもよく、350nm、450nm近傍の光を吸収して550nmの蛍光を発するCe:YAGでもよい。また、可視光領域を吸収して1μmの蛍光を発するCr3+イオンを添加したCr,Nd:YAGでもよい。以上記述した吸収波長や蛍光の波長は代表的な例であって、その媒質固有の吸収波長帯、蛍光波長の中から、個々の目的、仕様に応じて選択すればよい。検出する蛍光波長も必ずしもその媒質の蛍光ピーク波長に設定する必要はなく、蛍光ピーク波長から離れた波長で検出するようにバンドパスフィルタ8の透過波長を設定してもよい。また、以上の例では蛍光板、支持体(図示せず)の母材としてYAGを用いたが、本発明はこれに限定されるものではなく、透明な材料であれば石英やBK7のようなガラス材料でもよいし、YAGより熱伝導の高いYやLu、LuAG、YAP、Sc、GGG、GSGG、YSGG、YSO、サファイアでもよい。また、母材の結晶性としては単結晶でもよいし、透光性セラミックでもよい。蛍光板としてはさらに、以上述べた遷移金属や希土類のイオンを分散した無機材料以外に、ZnS、ZnSe、ZnTeといったII−VI族半導体ナノ粒子をガラスやプラスチック中に分散固定したものでもよい。測定したいレーザ光の波長を吸収する媒質を選べばよい。蛍光板1と支持体(図示せず)との接合は、透明な接着剤を用いても良いし、接着剤を用いず、合わせる面を互いに高精度に研磨して押し付けた光学接着(オプティカルコンタクト)でもよいが、接着強度の点では温度を上げて接着する熱圧着、拡散接合(高温融着)や低温融着がより好ましい。蛍光板1の発熱による変形を避けるためには、蛍光板1と支持体(図示せず)は膨張係数が近い、同じ母材であることがより好ましいが、発熱が小さければ支持体(図示せず)には蛍光板1とは別の母材、例えば蛍光板1の母材がYAGで支持体が熱伝導の良いサファイアであってもよい。また、蛍光板1の厚みはビームの光軸方向の測定位置精度を上げるためには薄い方が望ましい。しかし蛍光板1を薄くするとレーザ光の透過する距離が減り、発生する蛍光の強度が低下するので、蛍光板1への蛍光元素の添加量を増やすことにより所望の蛍光の強度が得られるようにするとよい。In the above example, Nd: YAG is mentioned as an example of the fluorescent plate 1, but the material of the fluorescent plate 1 is not limited to this, and in addition, it absorbs light of 940 nm and 970 nm and fluoresces at 1030 nm. Yb: YAG that emits Yb: YAG, or Cr, Yb: YAG in which Cr 4+ ions are added to Yb: YAG for the purpose of shortening the fluorescence lifetime, and 1.6 μm or 2.9 μm that absorbs light in the vicinity of 785 nm or 1.5 μm. It may be Er: YAG that emits the fluorescence of 780 nm or 785 nm, or Tm: YAG that absorbs light of 780 nm or 785 nm and emits 2.01 μm of fluorescence. Ho: YAG may be used, and Cr, Tm, Ho: YAG may be used to absorb light in the vicinity of 780 nm and emit fluorescence of 2.08 μm. Ce: YAG may be used to absorb light in the vicinity of 350 nm and 450 nm and emit fluorescence of 550 nm. But it may be. Further, Cr, Nd: YAG to which Cr 3+ ions that absorb the visible light region and emit fluorescence of 1 μm may be added. The absorption wavelength and the fluorescence wavelength described above are typical examples, and may be selected from the absorption wavelength band and the fluorescence wavelength peculiar to the medium according to the individual purpose and specifications. The fluorescence wavelength to be detected does not necessarily have to be set to the fluorescence peak wavelength of the medium, and the transmission wavelength of the bandpass filter 8 may be set so as to detect at a wavelength away from the fluorescence peak wavelength. Further, in the above examples, YAG was used as the base material of the fluorescent plate and the support (not shown), but the present invention is not limited to this, and if it is a transparent material, glass such as quartz or BK7 is used. also may a material having a high thermal conductivity than YAG Y 2 O 3 and Lu 2 O 3, LuAG, YAP , Sc 2 O 3, GGG, GSGG, YSGG, YSO, or sapphire. Further, the crystallinity of the base material may be a single crystal or a translucent ceramic. Further, as the fluorescent plate, in addition to the above-mentioned inorganic materials in which transition metals and rare earth ions are dispersed, II-VI semiconductor nanoparticles such as ZnS, ZnSe, and ZnTe may be dispersed and fixed in glass or plastic. A medium that absorbs the wavelength of the laser beam to be measured may be selected. A transparent adhesive may be used to bond the fluorescent plate 1 and the support (not shown), or optical adhesion (optical contact) in which the surfaces to be bonded are ground and pressed against each other with high precision without using an adhesive. However, in terms of adhesive strength, thermocompression bonding, diffusion bonding (high temperature fusion) and low temperature fusion are more preferable. In order to avoid deformation of the fluorescent plate 1 due to heat generation, it is more preferable that the fluorescent plate 1 and the support (not shown) are the same base material having a similar expansion coefficient, but if the heat generation is small, the support (not shown). The base material different from the fluorescent plate 1, for example, the base material of the fluorescent plate 1 may be YAG and the support may be sapphire having good heat conduction. Further, it is desirable that the thickness of the fluorescent plate 1 is thin in order to improve the measurement position accuracy in the optical axis direction of the beam. However, if the fluorescent plate 1 is made thin, the distance through which the laser beam is transmitted decreases and the intensity of the generated fluorescence decreases. Therefore, it is preferable to increase the amount of the fluorescent element added to the fluorescent plate 1 so that the desired fluorescence intensity can be obtained. ..

以上の例において、対物レンズ5と結像レンズ6に焦点距離の異なるレンズを用いて蛍光板1のイメージを1:2でイメージセンサ3上に結像する例と、対物レンズ25と結像レンズ26に焦点距離が同じレンズを用いて、蛍光板1のイメージを1:1でイメージセンサ3上に結像する例とを示した。しかし、これ以外の焦点距離の異なるレンズを用いて、蛍光板1上の像をイメージセンサ3上に拡大、あるいは縮小して投影してもよく、レンズを3枚以上用いた結像光学系であってもよく、また、簡便にレンズを1枚用いた結像光学系であってもよく、特に限定されない。また、レンズは、両面球面レンズでもよく、平凸レンズ、貼り合わせのアクロマティックレンズ、非球面レンズでもよい。 In the above example, an example in which an image of the fluorescent screen 1 is formed on the image sensor 3 at a ratio of 1: 2 using lenses having different focal lengths on the objective lens 5 and the imaging lens 6, and the objective lens 25 and the imaging lens 26 are formed. An example is shown in which an image of the fluorescent screen 1 is imaged on the image sensor 3 at a ratio of 1: 1 using a lens having the same focal length. However, other lenses having different focal lengths may be used to magnify or reduce the image on the fluorescent screen 1 and project it on the image sensor 3, which is an imaging optical system using three or more lenses. It may be an imaging optical system using one lens simply, and is not particularly limited. Further, the lens may be a double-sided spherical lens, a plano-convex lens, a bonded achromatic lens, or an aspherical lens.

さらにバンドパスフィルタ8の位置について、光の強度が最も低くなる結像光学系7の直後にこれを置く構成を上記例では示したが、かかる位置とは異なる位置に配置してもよく、結像光学系7の対物レンズ5と結像レンズ6との間に配置してもよい。又は、必要に応じて複数枚のフィルタを用いてもよい。さらに、イメージ素子として用いるCMOSあるいはCCDイメージセンサとしては、その蛍光板が発する蛍光の波長で適切な感度がある、例えばSiやGe、GaAs、InGaAs、InP等の材料が選択されるとよい。 Further, regarding the position of the bandpass filter 8, the configuration in which the bandpass filter 8 is placed immediately after the imaging optical system 7 having the lowest light intensity is shown in the above example, but it may be placed at a position different from such a position. It may be arranged between the objective lens 5 of the image optical system 7 and the imaging lens 6. Alternatively, a plurality of filters may be used as needed. Further, as the CMOS or CCD image sensor used as the image element, it is preferable to select a material such as Si, Ge, GaAs, InGaAs, or InP, which has an appropriate sensitivity in the wavelength of the fluorescence emitted by the fluorescent plate.

産業上の利用分野Industrial application field

本発明は、レーザ光のビームプロファイルを計測する機能を有する種々の装置に広く適用することができる。 The present invention can be widely applied to various devices having a function of measuring a beam profile of a laser beam.

1、21 蛍光板
1a、21a レーザ光の入射面
1b、21b レーザ光の出射面
12 レーザ光
13 蛍光
14 レーザ光の迷光
2、22 波長分離ミラー(光分離素子)
3 イメージセンサ
4 マスク
5、25 対物レンズ
6、26 結像レンズ
7 結像光学系
8 バンドパスフィルタ
41、51、53、55 遮蔽部
42 穴
43 リム部
45 ブリッジ
61 基材
63、73 膜
1, 21 Fluorescent plates 1a, 21a Incident surface of laser light 1b, 21b Emission surface of laser light 12 Laser light 13 Fluorescent 14 Stray light of laser light 2, 22 Wavelength separation mirror (light separation element)
3 Image sensor 4 Mask 5, 25 Objective lens 6, 26 Imaging lens 7 Imaging optical system 8 Bandpass filter 41, 51, 53, 55 Shielding part 42 Hole 43 Rim part 45 Bridge 61 Base material 63, 73 film

Claims (8)

レーザ光の二次元プロファイルを測定するレーザ光のビームプロファイル測定装置であって、
レーザ光が入射する入射面と前記レーザ光が出射する出射面とを有する、板状又はブロック状の蛍光発生素子と、
前記蛍光発生素子内で発生し前記出射面から出射する蛍光を、前記レーザ光から分離する光分離素子と、
前記蛍光を受けるイメージ素子と、
前記光分離素子と前記イメージ素子との間の前記蛍光の光路内に位置するマスクと、
を含み、
前記マスクは、前記蛍光の光路の中心を含む中心部分を覆うように設けられ、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する、
レーザ光のビームプロファイル測定装置。
A laser beam beam profile measuring device that measures a two-dimensional profile of laser light.
A plate-shaped or block-shaped fluorescence generating element having an incident surface on which a laser beam is incident and an emitting surface on which the laser beam is emitted.
An optical separation element that separates the fluorescence generated in the fluorescence generating element and emitted from the emitting surface from the laser beam, and
The image element that receives the fluorescence and
A mask located in the fluorescent optical path between the optical separation element and the image element,
Including
The mask is provided so as to cover a central portion including the center of the fluorescent optical path, and shields light having a wavelength of the laser light.
Laser beam profile measuring device.
前記光分離素子と前記イメージ素子との間に位置する結像光学系をさらに含む、請求項1に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。 The beam profile measuring apparatus for laser light according to claim 1, further comprising an imaging optical system located between the optical separation element and the image element. 前記マスクは、透明な基材と、前記基材の一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜とを含む、請求項1に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。 The beam profile measurement of a laser beam according to claim 1, wherein the mask includes a transparent substrate and a film formed on one surface of the substrate to shield light having a wavelength of the laser beam. Device. 前記マスクは、前記結像光学系を構成するレンズの一方の面上に形成された、前記レーザ光の波長の光を遮蔽する膜を含む、請求項2に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。 The beam profile measuring apparatus for laser light according to claim 2, wherein the mask includes a film formed on one surface of a lens constituting the imaging optical system to block light having a wavelength of the laser light. .. 前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部を有する金属板である、請求項1に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。 The beam profile measuring device for laser light according to claim 1, wherein the mask is a metal plate having a shielding portion covering the central portion. 前記マスクは、前記中心部分を覆う遮蔽部と、前記遮蔽部の周囲に設けられたリム部とを有する金属板であり、前記遮蔽部と前記リム部との間に穴が空けられている、請求項1に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。 The mask is a metal plate having a shielding portion that covers the central portion and a rim portion provided around the shielding portion, and a hole is formed between the shielding portion and the rim portion. The beam profile measuring device for laser light according to claim 1. 前記マスクの形状が、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は5つ以上の角を有する多角形のいずれかである、請求項1に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。 The beam profile measuring apparatus for laser light according to claim 1, wherein the shape of the mask is any of a circle, an ellipse, a straight line, a triangle, a square, a rectangle, or a polygon having five or more angles. 前記マスクの遮蔽部の形状が、円、楕円、直線、三角形、方形、長方形、又は5つ以上の角を有する多角形のいずれかの形状である、請求項5又は6に記載のレーザ光のビームプロファイル測定装置。 The laser beam according to claim 5 or 6, wherein the shape of the shielding portion of the mask is any of a circle, an ellipse, a straight line, a triangle, a square, a rectangle, or a polygon having five or more angles. Beam profile measuring device.
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