KR20180087147A

KR20180087147A - 스폿 형상 검출 장치

Info

Publication number: KR20180087147A
Application number: KR1020180005182A
Authority: KR
Inventors: 게이지 노마루; 아라타 오사키; 아키마사 나카모토
Original assignee: 가부시기가이샤 디스코
Priority date: 2017-01-24
Filing date: 2018-01-15
Publication date: 2018-08-01
Also published as: US20180209783A1; JP6799470B2; CN108340071B; US10132619B2; KR102260929B1; CN108340071A; TW201837998A; DE102018200981A1; TWI741098B; JP2018118267A

Abstract

(과제) 본 발명의 해결 과제는, 단시간에 효율적으로 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저 광선의 정확한 스폿 형상을 검출하는 스폿 형상 검출 장치를 제공하는 것에 있다.
(해결 수단) 본 발명에 의하면, 레이저 발진기 (30) 로부터 발진된 레이저 광선 (LB1) 의 스폿 형상을 검출하는 스폿 형상 검출 장치 (1) 로서, 레이저 발진기 (30) 가 발진하는 레이저 광선 (LB1) 을 집광하는 집광 렌즈 (31) 와, 집광 렌즈 (31) 를 통과한 레이저 광선 (LB1) 을 반사하는 복수의 미러 (6a' ∼ 6q') 를 동심원 상에 배치 형성한 회전체 (미러 홀더 (6)) 와, 회전체를 소정의 주기로 회전시키는 구동원 (모터 (7)) 과, 회전체의 복수의 미러 (6a' ∼ 6q') 에 의해 반사되는 레이저 광선의 복귀광 (LB2) 을 분기하는 빔 스플리터 (32) 와, 빔 스플리터 (32) 에 의해 복귀광 (LB2) 이 분기되는 방향에 배치 형성되고, 복귀광 (LB2) 의 스폿 형상을 촬상하는 촬상 유닛 (33) 과, 촬상 유닛 (33) 에 의해 촬상된 화상을 복수의 미러 (6a' ∼ 6q) 에 관련지어 표시하는 표시 유닛 (m) 을 포함한다.

Description

스폿 형상 검출 장치{APPARATUS FOR DETECTING SPOT SHAPE}

본 발명은, 레이저 광선의 정확한 스폿 형상을 검출할 수 있는 스폿 형상 검출 장치에 관한 것이다.

IC, LSI, LED 등의 복수의 디바이스가 분할 예정 라인에 의해 구획되어 표면에 형성된 웨이퍼는, 웨이퍼에 대해 흡수성을 갖는 파장의 레이저 광선이 분할 예정 라인에 조사되어 애블레이션 가공을 실행하는 레이저 가공 장치에 의해 개개의 디바이스로 분할되어, 휴대전화, PC, 액정 텔레비전, 조명 기기 등의 전기 기기에 이용된다 (예를 들어, 특허문헌 1 을 참조).

또, 웨이퍼에 대해 투과성을 갖는 파장의 레이저 광선의 집광점을 분할 예정 라인의 내부에 위치 결정하여 조사하고, 개질층을 형성하여 외력을 부여함으로써 웨이퍼를 개개의 디바이스로 분할하는 레이저 가공의 기술도 제안되어, 레이저 가공 장치의 분야에 있어서 실용에 제공되고 있다 (예를 들어, 특허문헌 2 를 참조).

그리고, 상기한 레이저 가공 장치를 구성하는 레이저 발진기가 발진하는 레이저 광선의 스폿 형상이 가공 품질에 영향을 미치기 때문에, 레이저 가공시의 품질을 확보하기 위해서는, 웨이퍼에 조사되는 레이저 광선의 스폿 형상을 사용하거나, 혹은 스폿 형상으로부터 산출되는 빔 직경으로부터 레이저 광선을 평가하기 위한 지표인 M2 팩터를 산출하여 평가하는 것이 필요하고, 종래에 있어서도 스폿 형상을 검출하는 장치도 몇 가지인가 제안되어 있다 (예를 들어, 특허문헌 3 ∼ 5 를 참조). 또한, M2 팩터란, 당업자에게 있어서 일반적으로 알려져 있는 것으로, 레이저 광선을 집광하여 회석 한계까지 좁혔을 때의 빔 직경이, 이상적인 가우시안 빔을 회석 한계까지 좁혔을 때의 빔 직경의 몇 배가 되는지를 나타내는 지표값이다. 따라서, 그 지표값은 이상적인 가우시안 빔에 대한 1 이상의 비로 나타내는 것으로, 이상적인 가우시안 빔과 일치하는 경우의 M2 팩터는 1 이 된다.

일본 공개특허공보 평10-305420호 일본 특허공보 제3408805호 일본 공개특허공보 2013-022634호 일본 공개특허공보 2013-151002호 일본 특허공보 제5726999호

상기 서술한 바와 같은 스폿 형상을 검출하여 평가를 실시하기 위해서는, 다점에 있어서의 스폿 형상의 검출, 혹은 스폿의 직경 등에 기초하여 파악되는 M2 팩터의 평가를 할 필요가 있고, 스폿 형상의 검출에는 비교적 많은 시간을 필요로 하여 작업성이 나쁨과 함께, 검출하는 스폿 형상의 재현성에도 문제가 있어, 평가의 정확성을 확보하는 것에 과제가 있다.

본 발명은, 상기 사실을 감안하여 이루어진 것으로, 그 주된 기술 과제는, 단시간에 효율적으로 레이저 발진기로부터 조사되는 레이저 광선의 정확한 스폿 형상을 검출하는 스폿 형상 검출 장치를 제공하는 것에 있다.

상기 주된 기술 과제를 해결하기 위해서, 본 발명에 의하면, 레이저 발진기로부터 발진된 레이저 광선의 스폿 형상을 검출하는 스폿 형상 검출 장치로서, 레이저 발진기가 발진하는 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈와, 그 집광 렌즈를 통과한 레이저 광선을 반사하는 복수의 미러를 동심원 상에 배치 형성한 회전체와, 그 회전체를 소정의 주기로 회전시키는 구동원과, 그 회전체의 그 복수의 미러에 의해 반사되는 레이저 광선의 복귀광을 분기하는 빔 스플리터와, 그 빔 스플리터에 의해 그 복귀광이 분기되는 방향에 배치 형성되어 그 복귀광의 스폿 형상을 촬상하는 촬상 유닛과, 그 촬상 유닛에 의해 촬상된 화상을 그 복수의 미러에 관련지어 표시하는 표시 유닛을 포함하고, 그 복수의 미러는, 그 회전체를 소정의 방향으로 회전시켰을 때에 그 복수의 미러에서 순차 반사되는 레이저 광선의 복귀광의 집광점이 그 촬상 유닛의 촬상 위치에 서서히 가까워지고 그 촬상 위치에 이르러서 그 촬상 위치로부터 서서히 멀어지도록 그 회전체에 배치 형성되어 있는 스폿 형상 검출 장치가 제공된다.

그 회전체의 각 미러에 의한 레이저 광선의 반사 시기에 동기하여 그 촬상 유닛의 셔터가 작동하도록 구성되어도 된다. 또, 각 미러에 레이저 광선이 조사되어 반사하고 있는 시간을 최장으로 하여, 그 촬상 유닛의 셔터의 개방 시간이 조정되는 것에 의해 그 촬상 유닛에서 포착되는 그 레이저 광선의 복귀광의 밝기가 조정되어도 된다. 또한, 그 집광 렌즈의 앞에 감쇠 필터가 배치 형성되어도 된다.

본 발명의 스폿 형상 검출 장치는, 레이저 발진기가 발진하는 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈와, 그 집광 렌즈를 통과한 레이저 광선을 반사하는 복수의 미러를 동심원 상에 배치 형성한 회전체와, 그 회전체를 소정의 주기로 회전시키는 구동원과, 그 회전체의 그 복수의 미러에 의해 반사되는 레이저 광선의 복귀광을 분기하는 빔 스플리터와, 그 빔 스플리터에 의해 그 복귀광이 분기되는 방향에 배치 형성되어 그 복귀광의 스폿 형상을 촬상하는 촬상 유닛과, 그 촬상 유닛에 의해 촬상된 화상을 그 복수의 미러에 관련지어 표시하는 표시 유닛을 포함하고, 그 복수의 미러는, 그 회전체를 소정의 방향으로 회전시켰을 때에 그 복수의 미러에서 순차 반사되는 레이저 광선의 복귀광의 집광점이 그 촬상 유닛의 촬상 위치에 서서히 가까워지고 그 촬상 위치에 이르러서 그 촬상 위치로부터 서서히 멀어지도록 그 회전체에 배치 형성되어 있는 것에 의해, 용이하게 레이저 광선의 집광점 근방 영역에 형성되는 스폿 형상을 검출하여 표시 유닛에 표시시킬 수 있다. 보다 구체적으로는, 예를 들어, 회전체를 구성하는 미러의 수가 17 장이고 1 초 동안 50 코마의 촬영이 가능하도록 구성한 경우, 0.34 초에서 집광점을 사이에 두는 영역의 스폿 형상을 촬상하여 표시 유닛에 표시시키는 것이 가능해지고, 나아가서는, 촬상된 스폿 형상을 사용하여 스폿 직경을 특정하면, M2 팩터 등의 빔 프로파일의 평가를 용이하게 실시하는 것이 가능해진다.

도 1 은, 스폿 형상 검출 장치의 전체 사시도를 나타내는 도면이다.
도 2 는, 도 1 에 나타내는 스폿 형상 검출 장치의 광학계 수단을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3 은, 도 1 에 나타내는 스폿 형상 검출 장치의 인코더의 개략을 나타내는 개략도이다.
도 4 는, 도 1 에 나타내는 스폿 형상 검출 장치에 의해 검출된 스폿 직경과, 미러의 배치 형성 위치의 관련을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 일 실시형태에 관련된 스폿 형상 검출 장치에 대해 첨부 도면을 참조하여, 더욱 상세하게 설명한다.

도 1, 2 에는, 스폿 형상 검출 장치의 일 실시형태가 나타나 있다. 본 실시형태의 스폿 형상 검출 장치 (1) 는, 스폿 형상 검출 장치 (1) 의 주요부가 재치 (載置) 되는 기대 (2) 와, 각각에 미러가 내장되어 있는 복수의 반사공 (6a ∼ 6q) (본 실시형태에서는 17 개) 을 동심원 상에 배치 형성한 원기둥상의 회전체 (이하, 「미러 홀더 (6)」라고 한다) 와, 그 미러 홀더 (6) 의 중심축을 이루고, 그 미러 홀더 (6) 를 관통하는 회전축 (5) 과, 그 회전축 (5) 의 전단부 (51a), 후단부 (51b) 를 자유롭게 회전할 수 있도록 지지하여 그 기대 (2) 상에 세워 설치되는 지지 프레임 (3, 4) 을 구비하고 있다. 또한, 도 1 에는 나타내고 있지 않지만, 본 실시형태의 스폿 형상 검출 장치에는, 그 미러 홀더 (6) 를 소정의 주기로 회전 구동시키는 구동원인 모터와, 그 모터에 부속되어 형성되는 인코더가 구비되어 있고, 상세한 것에 대해서는, 이후에 서술한다.

미러 홀더 (6) 에는, 축 방향에 천공된 복수의 반사공 (6a ∼ 6q) 이 반시계 방향으로 구비되어 있고, 그 반사공 (6a ∼ 6q) 은, 회전축 (5) 을 중심으로 한 동일한 원주 상에 소정의 간격으로 배치 형성되어 있다. 각 반사공 (6a ∼ 6q) 의 내부에는, 도 2 에 그 개략을 나타내는 바와 같이, 외부로부터 입사한 레이저 광선을 반사하기 위한 미러 (6a' ∼ 6q') 가 내장되어 있고, 각 미러 (6a' ∼ 6q') 는, 각각 미러 홀더 (6) 의 일단면 (61) 으로부터 화살표 X 로 나타내는 방향의 거리가 상이하도록 위치 결정되어 고정된다. 각 미러 (6a' ∼ 6q') 가 배치 형성되는 위치, 및 그 위치에 기초하는 작용에 대해서는, 이후에 상세히 서술한다. 또한, 도 1 에서는, 반사공 (6k ∼ 6p) 에 대해 나타나 있지 않지만, 반사공 (6k ∼ 6p) 은, 도면 중의 지지 프레임 (3) 의 배후에 위치하고 있고, 그 밖의 반사공과 동일한 간격으로 미러 홀더 (6) 에 배치 형성되어 있다.

도 2 에 나타내는 바와 같이, 그 미러 홀더 (6) 의 중심을 관통하는 회전축 (5) 의 지지 프레임 (4) 측의 후단부 (51b), 및 그 미러 홀더 (6) 를 회전 구동시키기 위하여 배치 형성된 모터 (7) 의 회전축 (8) 의 선단부 (81) 에는, 각각 동일한 톱니 수로 형성된 톱니 부착 풀리 (52, 82) 가 고정되어 있고, 그 톱니 부착 풀리 (52, 82) 에는, 톱니 부착 벨트 (V) 가 걸쳐져 있다. 그 톱니 부착 풀리 (52, 82) 와 톱니 부착 벨트 (V) 에 의해, 그 모터 (7) 의 회전이 미끄러짐을 일으키지 않고 미러 홀더 (6) 의 회전축 (5) 에 전달되어, 그 모터 (7) 의 회전 속도를 후술하는 제어 수단 (20) 에 의해 제어함으로써, 미러 홀더 (6) 의 회전 주기를 정확하게 제어하는 것이 가능하게 되어 있다.

본 실시형태의 스폿 형상 검출 장치 (1) 에는, 상기 서술한 구성에 추가로, 도 2 에 의해 구체적으로 나타내는, 스폿 형상을 검출하기 위한 광학계 수단 (40) 이 배치 형성된다. 그 광학계 수단 (40) 은, 예를 들어, 평가 대상이 되는 레이저 발진기 (30) 와, 레이저 발진기 (30) 에서 발진된 레이저 광선 (LB1) 을 집광하는 집광 렌즈 (31) 와, 그 집광 렌즈 (31) 를 통과한 레이저 광선 (LB1) 을 반사공 (6a ∼ 6q) 이 형성된 미러 홀더 (6) 의 원주 상에 조사하여, 반사공 (6a ∼ 6q) 의 내부에 배치 형성된 미러 (6a' ∼ 6q') 에서 반사된 복귀광 (LB2) 을 반사하여 광로를 하방을 향하게 하여 변경하는 빔 스플리터 (32) 와, 그 빔 스플리터 (32) 에서 반사된 복귀광 (LB2) 의 광로 상에 배치 형성되어, 복귀광 (LB2) 의 스폿 형상을 촬상하는 촬상 소자 (33a) 를 내장한 촬상 수단 (촬상 유닛) (33) 을 구비하고 있다. 또한, 지지 프레임 (3) 에는, 빔 스플리터 (32) 를 통과하여 레이저 광선 (LB1) 을 미러 홀더 (6) 측으로 유도하는 도시되지 않은 개구부가 형성되어 있다. 또, 도 1 에는 나타나 있지 않지만, 도 2 의 광학 수단에서 점선으로 나타내는 바와 같이, 그 레이저 발진기 (30) 와, 집광 렌즈 (31) 사이에, 레이저 광선 (LB1) 을 촬상 수단 (33) 에 의해 스폿 직경을 촬상하는 데에 적합한 출력으로 조정하기 위하여 출력 조정 수단을 구비할 수도 있고, 그 출력 조정 수단으로는, 광 감쇠 필터 (34) 를 배치 형성할 수 있다.

여기서, 미러 홀더 (6) 를 회전 구동시키는 모터 (7) 에 부대 (付帶) 하여 배치 형성되는 인코더 (9) 에 대해, 도 2, 3 을 참조하면서 설명한다. 도 2, 3 에 나타내는 바와 같이 본 실시형태의 인코더 (9) 는, 모터 (7) 의 회전축 (8) 에 배치 형성되는 회전 휠 (91) 과, 그 회전 휠 (91) 의 외주부를 사이에 두도록 구성된 트리거 발생기 (92) 를 구비하고 있다. 그 트리거 발생기 (92) 에는, 도면에 나타내는 바와 같이 그 회전 휠 (91) 을 사이에 두고, 예를 들어 적외광 (IR) 을 발생시키는 발광 소자 (93), 그 적외광을 수광하는 수광 소자 (94) 가 구비되어 있다. 그 회전 휠 (91) 이 회전하여, 발광 소자 (93) 로부터 발생된 적외광이 회전 휠 (9) 의 외주에 균등 간격으로 형성된 슬릿 (91a ∼ 91q) 을 통과하여 수광 소자 (94) 에서 수광되면, 도 2 의 하방에 나타내는 바와 같은 트리거 시그널 (S) 이 출력되어, 제어 수단 (20) 으로 신호가 보내진다. 여기서, 회전 휠 (91) 에 배치 형성되는 슬릿 (91a ∼ 91q) 의 개구 폭은 91i 에서 가장 좁고, 91i 로부터 멀어질수록, 넓어지도록 설정된다. 즉, 트리거 시그널 (S) 의 신호 폭 (on 이 되는 길이) 은, 91f ∼ 91l 이 가장 작고 (짧고), 91a, 91q 측에서 가장 커 (길어) 진다. 그 트리거 시그널 (S) 이 제어 수단 (20) 에 송신되면, 트리거 시그널 (S) 에 동기하여 촬상 수단 (33) 의 셔터 (도시 생략) 가 개방되도록 제어된다. 또한, 본 실시형태에서는, 모터 (7) 의 회전 속도를 조정함으로써, 시계 방향에서 보았을 때, 슬릿 91f ∼ 91l 에 의해 셔터가 on 이 되는 시간을 1 msec, 슬릿 91c ∼ 91e, 91m ∼ 91o 에 의해 on 이 되는 시간을 2 msec, 슬릿 91p ∼ 91b 에 의해 on 이 되는 시간을 5 msec 로 설정하고 있다.

제어 수단 (20) 은, 컴퓨터에 의해 구성되고, 제어 프로그램에 따라 연산 처리하는 중앙 연산 처리 장치 (CPU) 와, 제어 프로그램 등을 격납하는 리드 온리 메모리 (ROM) 와, 검출한 검출치, 연산 결과 등을 일시적으로 격납하기 위한 판독 기록 가능한 랜덤 액세스 메모리 (RAM) 와, 입력 인터페이스, 및 출력 인터페이스를 구비하고 있다 (상세한 것에 대한 도시는 생략). 제어 수단 (20) 에는, 그 트리거 발생기 (92) 로부터의 신호뿐만 아니라, 촬상 수단 (33) 으로부터 보내지는 촬상 데이터 등이 입력되고, 그 촬상 데이터는, 랜덤 액세스 메모리 (RAM) 에 기억되어, 적절히 그 스폿 형상 검출 수단 (1) 의 근방에 설치되는 표시 수단 (표시 유닛) (m) 에 표시된다.

미러 홀더 (6) 의 반사공 (6a ∼ 6q) 내에 배치 형성되는 미러 (6a' ∼ 6q') 의 배치 형성 위치에 대해 설명한다. 반사공 (6a ∼ 6q) 내에는, 레이저 광선을 반사하는 미러가 1 개씩 배치 형성되어 있고, 미러 (6a' ∼ 6q') 의 배치 형성 위치는, 도 2 의 화살표 X 로 나타내는 방향에 있어서 상이한 위치가 되도록 배치 형성된다. 도면에 나타내는 미러 홀더 (6) 는, 설명의 형편상, 미러 홀더 (6) 내에 배치 형성된 미러의 위치를 측방으로부터 본 상태에서 투과하여 나타내는 것으로, 도면으로부터 명확한 바와 같이, 미러 (6a') 가 미러 홀더 (6) 의 일단면 (61) 으로부터의 거리가 가장 짧아지도록 일단면 (61) 측에 배치 형성되어 있고, 미러 (6b'), 미러 (6c') … 가 됨에 따라 일단면 (61) 으로부터 멀어지도록 배치 형성되어, 미러 (6q') 가 반사공의 가장 깊은 위치에 배치 형성된다.

각 미러 (6a' ∼ 6q') 의 배치 위치에 대해 더욱 구체적으로 설명한다. 상기 서술한 바와 같이, 레이저 발진기 (30) 에 의해 발진된 레이저 광선 (LB1) 은 집광 렌즈 (31) 를 개재하여 집광되어 그 미러 (6a' ∼ 6q') 에서 반사하고, 복귀광 (LB2) 이 되어 빔 스플리터 (32) 에서 반사되어, 촬상 수단 (33) 으로 유도된다. 여기서, 미러 홀더 (6) 의 도면 중 화살표 X 의 방향에 있어서 중간에 위치하는 미러 (6i) 에서 반사된 복귀광 (LB2) 이, 촬상 수단 (33) 의 촬상 소자 (33a) 상에 집광점 (P) 을 형성하도록, 즉, 촬상 수단 (33) 에 의해 촬상되는 스폿 형상이 가장 작아지도록 그 위치가 설정되어 있다. 그 집광점 (P) 은, 미러 (6i) 로부터 미러 홀더 (6) 의 일단면 (61) 측으로 미러의 위치 (반사 위치) 가 이동하는 것에 따라, 촬상 소자 (33a) 의 하방측으로 이동하고, 미러 (6i) 로부터 미러 홀더 (6) 의 일단면 (61) 으로부터 멀어지는 측으로 미러의 위치가 이동하는 것에 따라, 촬상 소자 (33a) 의 상방측으로 이동하도록 구성되어 있다. 그리고, 미러 (6i) 를 중심으로 하여, 미러 (6f' ∼ 6l') 가 화살표 X 방향에서 보았을 때 1 ㎜ 간격으로 배치되고, 미러 (6c' ∼ 6f', 6l' ∼ 6o') 는 5 ㎜ 간격으로, 미러 (6a' ∼ 6c', 6o' ∼ 6q') 는 20 ㎜ 간격으로 배치되어 있고, 레이저 광선의 회석 한계가 되는 스폿 직경이 가장 작아지는 영역 근방에서 보다 미세하게 스폿 형상을 촬상할 수 있도록 설정된다.

본 실시형태의 스폿 형상 검출 장치 (1) 는, 대체로 이상과 같이 구성되어 있고, 그 작용에 대해, 도 2 를 참조하면서 이하에 설명한다.

작업자는, 레이저 광선의 품질을 평가하기 위하여, 평가 대상이 되는 레이저 발진기 (30) 를 준비하고, 소정의 재치대 (도시 생략) 에 설치하여 조사 방향의 조정을 실시한다. 다음으로 스폿 형상의 검출을 개시하기 위하여, 제어 수단 (20) 에 대해 작업 개시의 지시를 실시하면, 모터 (7) 가 회전을 시작하여, 톱니 부착 풀리 (82), 톱니 부착 벨트 (V), 및 톱니 부착 풀리 (52) 를 개재하여 회전 구동력이 전달되어, 미러 홀더 (6) 가 소정의 회전 주기로 회전된다.

미러 홀더 (6) 의 회전 주기가 소정치에서 안정된 상태에서, 레이저 발진기 (30) 로부터 예를 들어 635 ㎚ 파장의 레이저 광선이 소정의 출력으로 발진되어, 집광 렌즈 (31) 에 조사된다. 또한, 모터의 회전축 (8) 과 함께 인코더 (9) 의 회전 휠 (91) 이 회전함으로써, 상기 서술한 바와 같이 트리거 시그널 (S) 이 출력된다. 그 슬릿 (91a ∼ 91q) 에 기초하여 발생하는 트리거 시그널 (S) 은, 레이저 광선 (LB1) 이 각 반사공 (6a ∼ 6q) 에 입사되는 타이밍에 동기하여 on 이 되도록 설정되어 있다. 예를 들어, 미러 (6a') 에서 레이저 광선 (LB1) 이 반사되고 있는 타이밍으로, 슬릿 (91a) 에 기초하여 발생하는 트리거 시그널 (S) 이 on 되면, on 되어 있는 동안만 촬상 수단 (33) 의 셔터 (도시 생략) 를 개방하여, 촬상 소자 (33a) 상에 조사되는 복귀광 (LB2) 의 스폿 형상을 기록하여 제어 수단 (20) 에 송신하여 기억한다. 또한, 미러 홀더 (6) 가 회전하여, 미러 (6b') 에서 반사된 복귀광 (LB2) 이 촬상 수단 (33) 에 도달하고 있을 때에, 슬릿 (91b) 에 기초하여 발생하는 트리거 시그널 (S) 에 기초하여 촬상 수단 (33) 의 셔터를 개방하여 촬상 소자 (33a) 상에 형성되는 스폿 형상이 촬상되고, 촬상 데이터가 제어 수단 (20) 에 송신된다. 이하, 동일하게 하여, 미러 (6c' ∼ 6q') 에서 반사하는 복귀광 (LB2) 이 촬상 수단 (33) 에 도달하고 있을 때에, 슬릿 (91c ∼ 91q) 에 기초하여 발생하는 트리거 시그널 (S) 에 기초하여 촬상 수단 (33) 의 셔터가 개방되어, 각 미러 (6c' ∼ 6q') 의 반사에 의해 촬상 소자 (33a) 상에 형성되는 스폿 형상이 제어 수단 (20) 에 기록된다.

또한, 촬상 소자 (33a) 에 집광점 (P) 의 위치가 가까울수록, 촬상 소자 (33a) 에서 수광되는 광선의 광밀도가 높기 때문에, 슬릿 (91a ∼ 91q) 에 의해 생성되는 트리거 시그널 (S) 의 on 시간은 짧게 설정되고, 집광점 (P) 이 촬상 소자 (33a) 로부터 멀어질수록, 그 on 시간은 상대적으로 길게 설정되어 있고, 촬상 소자 (33a) 의 손상을 방지하여, 촬상되는 스폿 형상이 적절히 촬상되도록, 노광 시간의 조정이 이루어진다. 이 슬릿 (91a ∼ 91q) 에 의한 on 시간은, 각 미러 (6a' ∼ 6q') 에 있어서 레이저 광선 (LB1) 이 반사되어 있는 시간에 있어서만 유효하기 때문에, 반사공 (6a ∼ 6q) 의 구멍 형상과 미러 홀더 (6) 의 회전 주기에 의해 확정되는 각 미러 (6a' ∼ 6q') 의 반사 시간을 최장으로 하여, 셔터가 개방되는 시간, 즉 셔터 속도가 조정되어, 촬상 수단 (33) 에 의해 촬상되는 스폿 형상의 밝기가 조정된다.

이상과 같이 하여, 각 미러 (6a' ∼ 6q') 에서 반사된 복귀광 (LB2) 의 스폿 형상이 촬상되어, 제어 수단 (20) 에 기록되면, 촬상된 스폿 형상을, 각 반사공 (6a ∼ 6q) 에 관련지어, 제어 수단 (20) 에 접속된 표시 수단 (m) 에 표시한다 (도 2 를 참조).

촬상된 스폿 형상이 각 반사공 (6a ∼ 6q) 에 관련지어져 표시 수단 (m) 에 표시됨과 동시에, 제어 수단 (20) 에 기억된 스폿 형상에 기초하여 촬상 수단 (33) 에 의해 포착된 스폿 형상의 스폿 직경을 산출한다. 스폿 직경의 산출은, 촬상 수단 (33) 에 의해 촬상된 화상에 기초하여 특정되는 D4σ 를 사용한다. 이 D4σ 는, 강도 분포의 표준 편차 (σ) 의 4 배로 규정되는 것이고, 레이저 광선의 빔 직경을 특정하는 수법으로서 ISO 의 국제 표준 규격에 의해 규정되어 있고, 상세한 것에 대해서는 주지되어 있기 때문에, 여기서는 그 설명을 생략한다. D4σ 에 의해 각 미러 (6a' ∼ 6q') 에서 반사된 복귀광의 스폿 직경이 검출되었다면, 각 미러 (6a' ∼ 6q') 에 관련지어져 제어 수단 (20) 에 기억된다.

도 4 에는, 세로축에, 상기 서술한 각 미러 (6a' ∼ 6q') 에서 반사된 복귀광 (LB2) 이 촬상 소자 (33a) 상에 형성한 스폿의 스폿 직경 (d) (㎛) 을 나타내고, 가로축에는 그 스폿 직경이 산출되었을 때에 레이저 광선을 반사하고 있던 미러의 위치 (㎜) 를 나타내고, 각 미러의 배치 형성 위치에 대응한 스폿 직경을 플롯하여 각 점을 연결한 선을 실선 (L1) 으로 나타내고 있다. 그 미러의 위치는, 촬상 소자 (33a) 상에 집광점 (P) 이 형성되도록 미리 설정된 미러 (6i) 의 위치를 기준점 (0) 으로 하여, 집광점 (P) 이 촬상 소자 (33a) 보다 하방 (도 2 를 참조) 측에 형성되는 측의 위치를 부 (負) 의 값이 되도록 하고, 상방에 형성되는 측의 위치를 정 (正) 의 값이 되도록 규정하고 있다. 여기서, 도 4 에는, 레이저 발진기 (30) 로부터, 이상적인 가우시안 빔이 조사된 경우에 형성되는 스폿 직경의 값을 상정하여 연결한 점선 (L2) 도 함께 나타내고 있다. 본 실시형태의 레이저 발진기 (30) 가 이상적인 가우시안 빔이었다고 가정하여, 회석 한계까지 조사되는 레이저 광선을 좁힌 경우의 스폿 직경 (d0) 은, 점선 (L2) 상에서 가장 스폿 직경이 작아지는 점 (P0) 으로 나타내는 바와 같이 42.00 ㎛ 이다. 이에 반해, 실제로 계측된 레이저 발진기 (30) 의 레이저 광선을 회석 한계까지 좁혔을 때의 스폿 직경 (d) 은, 도면에 점 (P1) 으로 나타나 있는 바와 같이 50.00 ㎛ 이고, 이들 점 (P0, P1) 으로 나타내는 스폿 직경에 기초하여 M2 팩터가 산출된다.

또한, 일반적인 M2 팩터는, 연산식：M2 = θ·d/θ0·d0 (θ0 은 이상적인 가우시안 빔의 확산각, θ 는 실제로 계측되는 레이저 광선의 확산각) 으로 구해지지만, θ 와 θ0 의 차가 작은 경우에는 θ/θ0 ≒ 1 로 간주하여 M2 = d/d0 으로 하여 연산할 수 있고, θ 가 θ0 으로 간주할 수 없는 경우에는, 확산각 θ, θ0 을 구하고, M2 팩터를 구하는 상기 연산식에 산입 (算入) 하면 된다. 이상으로부터, M2 팩터가 1 에 가까운 값일수록, 레이저 발진기 (30) 로부터 발진되는 레이저 광선의 품질이 양호하다고 평가되는 것이 이해된다.

본 발명에 기초하여 구성된 상기 실시형태는, 상기 서술한 바와 같이, 회전체에 대해 조사된 레이저 광선을 반사함으로써, 집광점 위치를 변화시키는 복수의 미러를 배치 형성하고, 그 회전체를 구동원에 의해 회전시킴으로써, 단시간에 집광점 근방의 스폿 형상을 용이하게 촬상하여, 촬상한 화상을 표시 장치에 표시할 수 있다. 그리고, 검출된 스폿 형상에 기초하여, 레이저 발진기를 용이하게 평가하는 것이 가능해진다.

본 발명은, 상기 서술한 실시형태에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 범위에 포함되는 한, 여러 가지의 변형예를 상정할 수 있다. 상기 서술한 실시형태에서는, 촬상 수단 (33) 에 의해 촬상된 스폿 형상으로부터 스폿 직경을 산출하고, M2 팩터를 구하여 레이저 광선의 평가를 실시했지만, 반드시 M2 팩터를 구하는 것에 한정되는 것은 아니다. M2 팩터를 산출하지 않고, 표시 수단 (m) 에 표시된 스폿 형상을 관찰하여 레이저 광선의 품질을 평가해도 된다. 그 경우, 촬상된 스폿 형상이 이상적인 레이저 광선인 경우에 형성되는 형상에 기초하여, 레이저 광선의 평가를 실시할 수 있다.

본 실시형태의 인코더 (9) 에서는, 회전 휠 (91) 을 모터 (7) 의 회전축 (8) 에 배치 형성하고 있지만, 이것에는 한정되지 않고, 미러 홀더 (6) 의 회전축 (5) 에 배치 형성하도록 해도 된다. 또한, 본 실시형태에서는, 스폿 직경을 D4σ 로 산출했지만, 이것에 한정되지 않고, 예를 들어, 일반적으로 사용되는 그 밖의 빔 직경의 정의 (10/90, 20/80 나이프 에지, 1/e², D86 등) 에 따라 산출하도록 해도 된다.

1：스폿 형상 검출기
2：기대
3, 4：지지 프레임
5：미러 홀더 회전축
51a：전단부
51b：후단부
52：톱니 부착 풀리
6：미러 홀더
6a ∼ 6q：반사공
6a' ∼ 6q'：미러
7：모터
8：모터 회전축
82：톱니 부착 풀리
9：인코더
91：회전 휠
91a ∼ 91q：슬릿
92：트리거 발생기
93：발광 소자
94：수광 소자
m：표시 수단 (표시 유닛)
V：톱니 부착 벨트

Claims

레이저 발진기로부터 발진된 레이저 광선의 스폿 형상을 검출하는 스폿 형상 검출 장치로서,
레이저 발진기가 발진하는 레이저 광선을 집광하는 집광 렌즈와,
그 집광 렌즈를 통과한 레이저 광선을 반사하는 복수의 미러를 동심원 상에 배치 형성한 회전체와,
그 회전체를 소정의 주기로 회전시키는 구동원과,
그 회전체의 그 복수의 미러에 의해 반사되는 레이저 광선의 복귀광을 분기하는 빔 스플리터와,
그 빔 스플리터에 의해 그 복귀광이 분기되는 방향에 배치 형성되어 그 복귀광의 스폿 형상을 촬상하는 촬상 유닛과,
그 촬상 유닛에 의해 촬상된 화상을 그 복수의 미러에 관련지어 표시하는 표시 유닛을 포함하고,
그 복수의 미러는, 그 회전체를 소정의 방향으로 회전시켰을 때에 그 복수의 미러에서 순차 반사되는 레이저 광선의 복귀광의 집광점이 그 촬상 유닛의 촬상 위치에 서서히 가까워지고 그 촬상 위치에 이르러서 그 촬상 위치로부터 서서히 멀어지도록 그 회전체에 배치 형성되어 있는, 스폿 형상 검출 장치.
제 1 항에 있어서,
그 회전체의 각 미러에 의한 레이저 광선의 반사 시기에 동기하여 그 촬상 유닛의 셔터가 작동하도록 구성된, 스폿 형상 검출 장치.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
각 미러에 레이저 광선이 조사되어 반사하고 있는 시간을 최장으로 하여, 그 촬상 유닛의 셔터의 개방 시간이 조정되는 것에 의해 그 촬상 유닛에서 포착되는 그 레이저 광선의 복귀광의 밝기가 조정되는, 스폿 형상 검출 장치.
제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
그 집광 렌즈의 앞에 감쇠 필터가 배치 형성되는, 스폿 형상 검출 장치.