WO2020085224A1 - 赤外線レーザのビームプロファイルの測定方法及び測定システム - Google Patents

赤外線レーザのビームプロファイルの測定方法及び測定システム Download PDF

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WO2020085224A1
WO2020085224A1 PCT/JP2019/041026 JP2019041026W WO2020085224A1 WO 2020085224 A1 WO2020085224 A1 WO 2020085224A1 JP 2019041026 W JP2019041026 W JP 2019041026W WO 2020085224 A1 WO2020085224 A1 WO 2020085224A1
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pixel value
image sensor
peak
exposure time
infrared laser
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PCT/JP2019/041026
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孝之 沼田
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国立研究開発法人産業技術総合研究所
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    • G—PHYSICS
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    • H01L27/14—Devices consisting of a plurality of semiconductor or other solid-state components formed in or on a common substrate including semiconductor components sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation
    • H01L27/144—Devices controlled by radiation
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range

Definitions

  • the present invention relates to a technique for measuring the beam profile of an infrared laser.
  • a CCD (Charge Coupled Device) image sensor or a CMOS (Complementary Metal-Oxide Semiconductor) image sensor is irradiated with the laser to be measured, and the intensity distribution of the pixel values output from the image sensor causes Beam profile such as diameter can be obtained.
  • Patent Document 1 has a description as to whether the beam diameter of an infrared laser can be measured by a CCD or a CMOS image sensor. However, in general, measurement cannot be performed unless wavelength conversion or the like is performed, and Patent Document 1 does not describe any specific means for measuring the beam diameter or the like of an infrared laser with a CCD or CMOS image sensor.
  • an object of the present invention is, as one aspect, to provide a technique for enabling a beam profile of an infrared laser to be measured by an inexpensive image sensor.
  • the measuring method comprises (A) a step of irradiating an image sensor for visible light measurement with an infrared laser, and (B) a peak specified from pixel values measured by the image sensor at a certain exposure time. A step of determining whether or not the pixel value is within a predetermined value range; and (C) a pixel measured by the image sensor when the peak pixel value is determined to be within the predetermined value range. Calculating the beam profile of the infrared laser based on the values.
  • the measurement system includes (A) an image sensor for measuring visible light that irradiates an infrared laser, and (B) a pixel value of a peak specified from pixel values measured by the image sensor at a certain exposure time. Is determined to be within a predetermined range, if the peak pixel value is determined to be within a predetermined range, based on the pixel value measured by the image sensor, the infrared laser And an information processing device for calculating a beam profile.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an experimental result.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the laser irradiation time and the thermally excited carrier generation rate per unit time.
  • FIG. 3 is a diagram for schematically explaining the relationship between the peak pixel value and the target range.
  • FIG. 4 is a diagram showing an outline of the measurement system according to the first embodiment.
  • FIG. 5 is a diagram showing a flow of the measuring method according to the first embodiment.
  • FIG. 6 is a diagram for schematically explaining the adjustment of the thermally excited carrier generation rate per unit time.
  • FIG. 7 is a diagram showing an outline of the measurement system according to the second embodiment.
  • FIG. 8 is a diagram showing a table showing adjustment policies of adjustment parameters.
  • FIG. 9 is a diagram for explaining the outline of the third embodiment.
  • FIG. 1 is a diagram showing an example of an experimental result.
  • FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the laser irradiation time and the thermally excited carrier generation rate per unit
  • FIG. 10 is a diagram showing an outline of the measurement system according to the third embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram showing a flow of the measuring method according to the third embodiment.
  • FIG. 12 is a diagram showing a flow of the measuring method according to the third embodiment.
  • FIG. 13 is a diagram schematically showing an example of sharing a visible light laser.
  • FIG. 14 is a diagram for explaining the wavelength characteristic of the alignment filter.
  • FIG. 15 is a diagram for explaining the action of the filter.
  • FIG. 16 is a diagram for explaining wavelength characteristics of a filter for processing visible light and infrared laser.
  • FIG. 17 is a cross-sectional view for explaining a cover added to the image sensor.
  • FIG. 18 is a block diagram of a computer device.
  • an image sensor for visible light measurement (more specifically, an image sensor for monochrome measurement, which may be CCD or CMOS) is used to measure a beam profile of an infrared laser that is not an object of measurement. To do.
  • the temperature distribution on the surface of the image sensor is spatially discretized and visualized by measuring the signal (that is, dark current) by the carrier thermally excited by the infrared laser, not the signal by the photoexcited carrier. , Get the beam profile of the infrared laser.
  • Figure 1 shows an example of the experimental results.
  • the horizontal axis of FIG. 1 represents the position on a certain straight line that crosses the image sensor, and the vertical axis represents the signal level.
  • the signal levels represented by the lines are all measured at the same exposure time (shutter
  • the peaks on the 5s and 10s lines are too low to be suitable for estimating the beam diameter.
  • the peaks of the 40s, 50s, and 60s lines are too high to reach the saturation level, which is inappropriate for estimating the beam diameter.
  • the peak is neither too high nor too low, and is suitable for estimating the beam diameter.
  • the laser irradiation time [s] and the thermally excited carrier generation rate V (T) [e ⁇ / s] per unit time have a relationship as shown in FIG. . That is, the thermally-excited carrier generation rate per unit time initially sharply increases, but thereafter gradually increases, and becomes almost constant at a certain laser irradiation time.
  • the electronic shutter exposure time the image sensor is built (shutter speed, operating time, also referred to as a shutter time) by adjusting the t a, thermally excited carriers to recover from the image sensor Adjust the amount of.
  • region A, region B, as shown in each of the areas C, by setting the different t a it can be adjusted to recover the amount of thermally excited carriers in accordance with the curve of V (T).
  • the recovery amount (V (T) area in the following areas) becomes V (T) * t a.
  • the recovery amount of the thermally excited carrier corresponds to the pixel value if it is within the measurable range, but cannot be properly measured if it is not within the measurable range.
  • the pixel value S i of the pixel i is the largest value among all the pixels.
  • the pixel values of the other pixels are also within the appropriate range. Therefore, the beam profile such as the beam diameter can be calculated from all pixel values output from the image sensor.
  • the pixel values of some or all of the pixels are The saturation level is reached or the noise level is reached, which is not suitable for calculating the beam profile such as the beam diameter as a whole.
  • the exposure time of the electronic shutter incorporated in the image sensor is adopted as the adjustment parameter, and the exposure time is adjusted so that the peak pixel value (peak pixel value) falls within the target range.
  • the peak pixel value may simply be the maximum pixel value, but since there is a problem of noise, various determination methods may be adopted. For example, a method may be adopted in which, for each pixel, the adequacy as a peak is determined by including the pixel values of the peripheral pixels of the pixel, and if it is appropriate, the pixel value of the pixel is adopted. Alternatively, an average value or the like may be calculated from a predetermined number of upper pixel values and used.
  • an appropriate range shall be determined in advance by experiments.
  • the measurement system includes an image sensor 100 for visible light measurement (with a built-in electronic shutter), and an information processing device 200 that is, for example, a personal computer that performs calculation and control.
  • the information processing device 200 includes a data acquisition unit 210, a determination unit 220, a calculation unit 230, a control unit 240, and a data storage unit 250.
  • the data acquisition unit 210 acquires the pixel value that is the measurement result from the image sensor 100 and stores it in the data storage unit 250.
  • the determination unit 220 identifies the peak pixel value and executes a process of determining whether or not the peak pixel value is within the target range.
  • the calculation unit 230 executes a process of calculating a beam profile such as a beam diameter from the pixel value, and stores the processing result in the data storage unit 250. Or output to an output device such as a display device.
  • the control unit 250 controls the electronic shutter built in the image sensor 100 based on the determination result of the determination unit 220.
  • control unit 240 of the information processing device 200 sets an initial value to the adjustment parameter (exposure time of the electronic shutter in the image sensor 100 in this embodiment) (step S1).
  • the exposure time of the electronic shutter it is preferable to initially set a long value (for example, the maximum value) and then shorten the value.
  • the measurer starts the irradiation of the infrared laser on the image sensor 100 (step S3).
  • the data acquisition unit 210 of the information processing device 200 acquires the pixel value of each pixel (that is, the dark current signal) from the image sensor 100 and stores it in the data storage unit 250 (step S5).
  • the determination unit 220 specifies the peak pixel value from the acquired pixel value as described above, and determines whether the peak pixel value is within the target range (step S7). That is, it is determined whether the peak pixel value is less than or equal to the upper limit of the target range and greater than or equal to the lower limit of the target range.
  • step S9 the control unit 240 changes and sets the value of the adjustment parameter (step S9).
  • the peak pixel value exceeds the upper limit of the target range, the exposure time of the electronic shutter is set to be shortened.
  • the peak pixel value is below the lower limit value of the target range, the exposure time of the electronic shutter is set to be extended.
  • the measurement result acquired in step S5 is discarded. Then, the process returns to step S5 after a predetermined time, for example.
  • the degree of change is predetermined, there may be a limit depending on the image sensor 100.
  • the range that can be set is determined depending on the image sensor 100, if the range must be changed beyond that range, the fact that measurement is impossible is output and the measurement is stopped. Even if it is within the settable range, if the peak pixel value does not fall within the target range even if it is changed a predetermined number of times, the fact that the measurement is impossible may be output and the measurement may be stopped.
  • the calculation unit 230 calculates the beam profile of the infrared laser, stores it in the data storage unit 250, and outputs it to an output device such as a display device (step S11). ).
  • Gaussian distribution approximation well-known Gaussian fitting is performed on the distribution of pixel values to calculate the 1 / e 2 width (distance between two points that becomes 0.135 times the maximum intensity), and The beam diameter can be obtained by making a correction using the obtained calibration coefficient.
  • Other distributions may be envisioned.
  • each pixel temperature and the pixel value of the image sensor 100 is obtained in advance, and the pixel temperature is calculated with respect to the pixel value which is the measurement result of each pixel, so that the temperature distribution on the image sensor 100 is calculated. You may get it.
  • An arbitrary incident beam shape can be estimated by performing deconvolution of the point spread function on the image showing such temperature distribution.
  • the shape of the incident beam can also be estimated by performing heat conduction analysis or the like.
  • the calculation unit 230 may also perform such processing.
  • Temp i E g / ⁇ 2k * log (-B * t a / (A-S i )) ⁇ Temp i represents the temperature of pixel i, A represents the offset, B represents the device coefficient, S i represents the pixel value, E g represents the bandgap energy, k represents the Boltzmann constant, and t a Represents the exposure time of the electronic shutter.
  • the temperature distribution may be obtained by obtaining a polynomial of another characteristic curve.
  • step S13 Yes route
  • step S15 the measurer stops the irradiation of the infrared laser
  • the exposure time of the electronic shutter incorporated in the image sensor 100 is adjusted so that the peak pixel value falls within the target range, so that an appropriate measurement result is continuously obtained. You will be able to get it.
  • step S11 the individual beam diameters obtained in step S11 may be output as they are, but also the average value of the beam diameters calculated within the predetermined time may be calculated for each predetermined time.
  • control unit 240 performs the setting of the initial value of the adjustment parameter and the subsequent change
  • the measurer may perform the setting in accordance with an instruction from the information processing apparatus 200 or the like.
  • the temperature of the image sensor 100 may become too high depending on the intensity of the laser, so that continuous and stable measurement can be performed.
  • At least one of attenuating the incident laser power to the image sensor 100 and cooling the image sensor 100 is dealt with.
  • the exposure time of the electronic shutter is constant.
  • FIG. 2 in the first embodiment has a form as shown in FIG. That is, when the incident laser power is not attenuated, the thermally excited carrier generation rate per unit time changes as shown by the solid curve in FIG. 6, but if the incident laser power is attenuated to some extent, 6 is a long dotted curve, and if the incident laser power is further attenuated, a short dotted curve in FIG. 6 is obtained. Similarly, if the image sensor 100 is not cooled, the thermal excited carrier generation rate per unit time changes as shown by the solid curve in FIG. 6, but if the image sensor 100 is cooled to some extent, 6 becomes a long dotted curve, and when the image sensor 100 is further cooled, it becomes a short dotted curve in FIG.
  • a fixed exposure time t a, width area height in the same is different D, area E, region F is obtained, the area of these regions correspond to the recovery of thermally excited carriers.
  • Appropriately adjusting the recovery amount of the thermally excited carriers is the same as in the first embodiment. That is, by adjusting the degree to which the incident laser power is attenuated and the degree to which the image sensor 100 is cooled, the height of the curve of the thermally excited carrier generation rate per unit time is adjusted, and the resulting peak pixel value is Control so that it falls within the target range.
  • the measurement system includes an image sensor 100, an attenuation mechanism 300 provided on the infrared laser incident side of the image sensor 100, a cooling mechanism 400 added to the image sensor 100, and an information processing device 200b. .
  • the attenuation mechanism 300 has a function of adjusting the incident laser power of the infrared laser, and is realized by a variable filter, a continuous shutter, or the like.
  • the cooling mechanism 400 has a function of cooling the image sensor 100, and is a Peltier element or the like.
  • FIG. 7 shows an example in which both the damping mechanism 300 and the cooling mechanism 400 are provided, but either one may be provided.
  • the information processing device 200b is substantially the same as the information processing device 200 according to the first embodiment, but the control unit 240b controls at least one of the damping mechanism 300 and the cooling mechanism 400. The parts are different.
  • the measuring method according to the present embodiment is almost the same as that shown in FIG.
  • the adjustment parameter is the degree of damping when the damping mechanism 300 is adopted, and is the degree of cooling when the cooling mechanism 400 is adopted. It should be noted that, as the initial value, it is preferable to reduce the degree of attenuation and the degree of cooling so that the peak pixel value falls within the target range early.
  • the control unit 240b increases the attenuation degree of the attenuation mechanism 300 and the cooling degree of the cooling mechanism 400 in step S9.
  • the control unit 240b lowers the damping degree of the damping mechanism 300 and lowers the cooling degree of the cooling mechanism 400.
  • Adjustment range of attenuation degree and cooling degree is set in advance. When the attenuation degree or the cooling degree is changed to exceed the settable range, the measurement may be stopped.
  • the peak pixel value can be kept within the target range, and the beam profile such as the beam diameter can be calculated appropriately.
  • step S9 adjustment parameters are adjusted according to the policy shown in FIG.
  • FIG. 8 only shows the above description in a tabular form, it is not necessary to change the exposure time, the attenuation degree, and the cooling degree of the electronic shutter. For example, you may make it change in order according to the priority set beforehand.
  • the degree of attenuation of the attenuation mechanism 300 is maximized to avoid damage to the image sensor 100 due to laser entry. 2.
  • the exposure time of the electronic shutter is maximized while the attenuation degree of the attenuation mechanism 300 is reduced, and the increase in the amount of thermally excited carriers recovered is accelerated. 3.
  • the degree of attenuation of the attenuating mechanism 300 is increased and the degree of cooling of the cooling mechanism 400 is also increased to avoid the temperature rise of the image sensor 100. 4.
  • the cooling by the cooling mechanism 400 is continued for a certain period of time even after the laser irradiation is stopped to accelerate the cooling of the image sensor 100 to prepare for the next measurement.
  • the exposure time of the electronic shutter of the image sensor 100, the degree of attenuation of the incident laser power, and the degree of cooling of the image sensor 100 are set so that the irradiation time can be increased. Although it was controlled, in some cases it may be sufficient to measure only for a short time.
  • the distribution of pixel values becomes a noise level in some pixel values as shown by a short dotted curve as schematically shown in FIG. It is not suitable for calculating the beam profile such as the beam diameter.
  • the peak pixel value comes to fall within the target range, which is a preferable state for calculating the beam profile such as the beam diameter.
  • the peak pixel value or the like reaches the saturation level as shown by the solid curve, which is not preferable for calculating the beam profile such as the beam diameter.
  • the measurement system according to the present embodiment has a functional configuration as shown in FIG.
  • the measurement system according to the present embodiment has an image sensor 100 and an information processing device 200c.
  • the information processing apparatus 200c is almost the same as the information processing apparatus 200 in the first embodiment, but a part of the processing of the data acquisition unit 210c is different, a part of the determination processing of the determination unit 220c is different, and the control is performed. The difference is that part 240 is not included.
  • the data acquisition unit 210c acquires a background signal from the image sensor 100 and outputs it to the determination unit 220c (FIG. 11: step S21).
  • the background signal may have a pixel value of any pixel, an average value of all pixel values, or the like. Further, for example, it may be a pixel value of a specific pixel in the outer edge portion of the image sensor 100, and may be a pixel value of a pixel or the like that is not irradiated with an infrared laser due to a cover or the like.
  • the determination unit 220c determines whether or not the background signal is below a preset reference level (step S23). This step is performed to determine if the image sensor 100 is cold enough.
  • the process returns to step S21 after a predetermined time, for example.
  • the measurement may be stopped instead of returning.
  • the measurer starts irradiation of the image sensor 100 with the infrared laser (step S25).
  • the data acquisition unit 210c acquires the pixel value of each pixel (that is, the dark current signal) from the image sensor 100 and stores it in the data storage unit 250 (step S27). Then, the determination unit 220c identifies the peak pixel value from the acquired pixel value as described above, and determines whether the peak pixel value is less than the lower limit of the target range (step S29). If the peak pixel value is less than the lower limit of the target range, it means that the recovery amount of the thermally excited carriers is too small at present, and therefore the process returns to step S27.
  • the process shifts to the process of FIG. Then, the determination unit 220c determines whether or not the peak pixel value is equal to or less than the upper limit value of the target range (FIG. 12: step S31). If this condition is not satisfied, the peak pixel value is too high, that is, the collection amount of thermally excited carriers has become too large, so the measurer is urged to stop irradiation of the infrared laser, and the process is Control goes to step S35.
  • Step S33 This process is similar to step S11.
  • the measurer stops the irradiation of the infrared laser (step S35). After that, if the measurement is to be continued, the process returns to step S27 of FIG. On the other hand, when the measurement ends, the process ends here.
  • the beam profile such as the beam diameter can be appropriately calculated when the peak pixel value is within the target range.
  • the process may end without being able to measure even once, and in such a case, an instruction or the like may be output to the measurer to set the exposure time shorter.
  • the image sensor 100 for visible light measurement is used, if there is ambient light including visible light even during measurement of the infrared laser, it will react to it. Therefore, it is preferable to provide a visible light blocking portion (for example, a Ge window) on the surface of the image sensor 100 to block visible light.
  • a visible light blocking portion for example, a Ge window
  • this visible light blocking unit is provided instead of the filter of FIG. 15 shown below.
  • a heat-sensitive sheet (combustible material) and a fluorescent plate (separately using an excitation light source) that are sensitive to infrared rays were used.
  • FIG. 14 it has a certain transmittance (visible transmittance) in a band including the wavelength of the visible light laser in the visible light region and a high transmittance (infrared transmittance) in the infrared region.
  • a filter to have is provided.
  • FIG. 14 also shows that the photoexcitation sensitivity is high in the visible light and the thermal excitation sensitivity is present in the infrared region.
  • ultraviolet is, for example, a region where the light wavelength is shorter than about 0.4 ⁇ m
  • visible is, for example, a region where the light wavelength is about 0.4 ⁇ m to 0.8 ⁇ m
  • infrared is, for example, a light wavelength of 0.8 ⁇ m. It is an area longer than the degree.
  • a region in which the sensitivity due to photoexcitation substantially exists is a visible light region with a wavelength corresponding to the bandgap energy of the material of the image sensor 100 (about 1.1 ⁇ m in Si single crystal) as a boundary,
  • the region of longer wavelength, which has little sensitivity to photoexcitation, is defined as the infrared region.
  • a filter having such characteristics is provided, for example, outside or inside the attenuation mechanism 300 to allow visible laser light and infrared laser light having a specific wavelength to pass therethrough, By blocking the ambient light, it becomes possible to show the incident position G of the visible laser light and the incident position H of the infrared laser light on the output device such as the display device of the information processing device 200d.
  • Such a filter is realized, for example, by forming a visible bandpass filter made of a dielectric multilayer film on the surface of the ZnSe window.
  • a filter having a visible light transmission characteristic and a filter having an infrared light transmission characteristic may be separately attached and detached, and the wavelength characteristic may be adjusted by the measurer.
  • the pixel value of each pixel is stored in the data storage unit 250 in each of the information processing devices 200 to 200c, so that it is output to an output device such as a display device.
  • an output device such as a display device.
  • the incident position of the infrared laser on the image sensor 100 can be visualized. Therefore, it may be less likely to use a visible light laser for alignment, but it is expected that processing will be performed using both a visible light laser and an infrared laser.
  • the filter need not have a certain transmittance only in the band including the wavelength of the visible light laser. For example, a filter having the characteristics shown in FIG. 16 can be adopted. In the example of FIG.
  • the filter transmittance is low and is substantially flat, so weak ambient light is cut off, but in the region of the infrared laser targeted in the present embodiment.
  • V uv-vis the photoexcitation sensitivity
  • V ir the thermal excitation sensitivity
  • the spectral characteristic of the filter transmittance is set to an inverted similar shape to a shape obtained by adding the photoexcitation sensitivity and the thermal excitation sensitivity. Then, a beam profiler having sensitivity in the ultraviolet region to the infrared region can be realized.
  • the intensity of the infrared laser in the present embodiment is higher than the intensity of the laser with which the image sensor 100 for visible light measurement has hitherto been irradiated.
  • the intensity of the infrared laser in the present embodiment is higher than the intensity of the laser with which the image sensor 100 for visible light measurement has hitherto been irradiated.
  • the image sensor 100 is provided with a cover (protection mechanism) that shields pixels and peripheral circuits (including the substrate) at the outer edge of the sensor element included in the image sensor 100.
  • wiring extends from the outer edge portion of the sensor element to the left and right of the circuit on the circuit board, but the pixels and peripheral circuits (including the substrate) at the outer edge portion of the sensor element.
  • a cover 110 is provided to shield the above.
  • a cooling mechanism 400 is provided below the sensor element.
  • the size of the opening for the infrared laser is smaller than the size of the sensor element, and the infrared laser is not irradiated to the pixels at the outer edge of the sensor element.
  • the peripheral circuit is not irradiated with the infrared laser, it is possible to avoid damage to the image sensor 100.
  • the pixel value of the pixel that is not irradiated by the infrared laser may be used as the background signal.
  • the present invention has been described above, but the present invention is not limited to this.
  • the functional configuration example of the information processing devices 200 to 200c is an example, and may not match the program module configuration.
  • the processing flow as long as the processing result does not change, the order of the steps may be exchanged, or a plurality of steps may be executed in parallel.
  • the information processing devices 200 to 200d described above are computer devices, and as shown in FIG. 18, a memory 2501, a CPU (Central Processing Unit) 2503, and a hard disk drive (HDD) 2505.
  • a display control unit 2507 connected to the display device 2509, a drive device 2513 for the removable disk 2511, an input device 2515, a communication control unit 2517 for connecting to a network, and peripheral devices (image sensor 100, damping mechanism 300, cooling mechanism).
  • a peripheral device connection unit 2521 for connecting to a peripheral device connection unit 2521 (including 400 and the like) is connected by a bus 2519.
  • the HDD may be a storage device such as a solid state drive (SSD).
  • An operating system (OS) and application programs for executing the processes in the embodiments of the present invention are stored in the HDD 2505, and are read from the HDD 2505 to the memory 2501 when executed by the CPU 2503. .
  • the CPU 2503 controls the display control unit 2507, the communication control unit 2517, and the drive device 2513 in accordance with the processing content of the application program to cause a predetermined operation.
  • the data being processed is mainly stored in the memory 2501, but may be stored in the HDD 2505.
  • the application program for performing the above-described processing is stored in the computer-readable removable disk 2511 and distributed, and installed in the HDD 2505 from the drive device 2513. It may be installed in the HDD 2505 via a network such as the Internet and the communication control unit 2517.
  • the hardware such as the CPU 2503 and the memory 2501 described above and the programs such as the OS and the application program cooperate organically to realize the various functions described above. .
  • the image sensor and the information processing device may be provided as an integrated measurement system (for example, a portable measuring instrument).
  • the measurement method includes (A) a step of irradiating an image sensor for visible light measurement with an infrared laser, and (B) a pixel value (that is, a dark current signal) measured by the image sensor at a certain exposure time. ) Determining whether or not the pixel value of the peak identified from the above is within a predetermined value range, and (C) if it is determined that the pixel value of the peak is within the predetermined value range, the image sensor Calculating the beam profile of the infrared laser based on the pixel values measured in.
  • the peak pixel value As a reference in this way, it becomes possible to measure the infrared laser using an inexpensive image sensor for visible light measurement while ensuring the validity of the measurement. Note that there are various variations in the pixel value of the peak, and even when the pixel value of a certain one pixel is adopted, the value calculated from the pixel values of a plurality of pixels may be used.
  • the processing returns to the above determination step.
  • the amount of thermally excited carriers recovered can be controlled by the exposure time, and it becomes possible to shift to a valid measurement state.
  • the processing returns to the above determination step.
  • the generation rate of thermally excited carriers can be adjusted, so that it becomes possible to control the recovery amount of thermally excited carriers and it becomes possible to shift to an appropriate measurement state. .
  • the attenuation of the incident power of the infrared laser to the image sensor is increased.
  • the pixel value of the peak is below a predetermined value range, the attenuation of the incident power of the infrared laser to the image sensor may be controlled to be reduced. In this case, the subsequent processing returns to the above determination step.
  • the measurement system includes (A) an image sensor for visible light irradiation that irradiates an infrared laser, and (B) a pixel of a peak specified from a pixel value measured by the image sensor at a certain exposure time. If the determination unit determines whether the value is within the predetermined range, and the determination unit determines that the peak pixel value is within the predetermined range, the pixel value measured by the image sensor And an information processing device having a calculation unit for calculating the beam profile of the infrared laser.
  • the image sensor and information processing device can automatically execute the measurement method described above.
  • a control unit is further provided for setting an exposure time longer than the certain exposure time as the new certain exposure time. You may do it. It will be possible to measure continuously at a low cost.
  • the measurement system described above may further include a cooling mechanism (Cooler) for cooling the image sensor.
  • a cooling mechanism Cooler
  • the information processing apparatus described above lowers the temperature of the image sensor when the pixel value of the peak is not within the predetermined range and when the pixel value of the peak exceeds the predetermined range.
  • the cooling mechanism may be controlled as described above, and when the peak pixel value falls below a predetermined value range, a control unit that controls the cooling mechanism to raise the temperature of the image sensor may be further included. By using the cooling mechanism, it becomes possible to carry out the measurement more stably and continuously.
  • the measurement system described above may further include an attenuation mechanism (Optical Attenuator) that attenuates the incident power of the infrared laser to the image sensor.
  • an attenuation mechanism Optical Attenuator
  • the information processing apparatus described above when the pixel value of the peak is not within the predetermined range, when the pixel value of the peak exceeds the predetermined range, the incident power of the infrared laser
  • An attenuation mechanism is controlled so as to increase the attenuation, and when the pixel value of the peak is below a predetermined value range, a control unit for controlling the attenuation mechanism so as to reduce the attenuation of the incident power of the infrared laser is further provided. You may If the attenuating mechanism is used, the image sensor can be protected and more stable and continuous measurement can be performed.
  • the measurement system described above cuts off the light in the infrared region by blocking any light other than a specific wavelength in the visible light region for the image sensor or the visible light blocking unit (Visible Light Shutter). You may make it further have a filter which transmits.
  • the visible light blocking portion By providing the visible light blocking portion, the influence of the ambient light can be suppressed, and by providing the filter, the influence of the ambient light can be suppressed and, for example, a visible light laser having a specific wavelength can be measured.
  • the image sensor described above may be provided with a cover that shields the pixels at the outer edge of the pixels included in the sensor element of the image sensor and the peripheral portion of the image sensor. This makes it possible to avoid a situation where the invisible infrared laser damages a circuit or the like around the sensor element.
  • a program for causing a computer to execute the processing of the information processing apparatus described above can be created, and the program is stored in various storage media.

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Abstract

赤外線レーザのビームプロファイルを安価なイメージセンサにて測定できるようにするため、本測定システムは、（Ａ）赤外線レーザを照射する可視光測定用のイメージセンサと、（Ｂ）ある露光時間にて上記イメージセンサにより測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定し、上記ピークの画素値が所定の値域内であると判定された場合には、上記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、赤外線レーザのビームプロファイルを計算する情報処理装置とを有する。

Description

赤外線レーザのビームプロファイルの測定方法及び測定システム
　本発明は、赤外線レーザのビームプロファイルの測定技術に関する。
　可視光レーザについては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサに測定対象のレーザを照射することよって、イメージセンサから出力される画素値の強度分布から、ビーム径などのビームプロファイルが得られる。
　一方、赤外線レーザについては、従来では、可視光測定用のＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサに対して直接照射して測定することはできず、赤外光を可視光に変換するイメージコンバータを用いる方法、ＣＣＤイメージセンサ等に代わって焦電型イメージセンサを用いる方法などが実用化されている。しかしながら、コスト面やイメージセンサに含まれる画素のサイズ等の問題がある。
　なお、特許文献１には、赤外線レーザのビーム径等をＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサにて測定できるかのような記載がある。しかし、一般的には、波長変換などを行わなければ測定できず、赤外線レーザのビーム径等をＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサで測定する具体的手段については、特許文献１には何らの記載もない。
特開２００８－１２２２０２号公報
　従って、本発明の目的は、一側面として、赤外線レーザのビームプロファイルを安価なイメージセンサにて測定できるようにするための技術を提供することである。
　本発明に係る測定方法は、（Ａ）赤外線レーザを可視光測定用のイメージセンサに照射するステップと、（Ｂ）ある露光時間にて上記イメージセンサにより測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定するステップと、（Ｃ）上記ピークの画素値が所定の値域内であると判定された場合には、上記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、赤外線レーザのビームプロファイルを計算するステップとを含む。
　本発明に係る測定システムは、（Ａ）赤外線レーザを照射する可視光測定用のイメージセンサと、（Ｂ）ある露光時間にて上記イメージセンサにより測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定し、上記ピークの画素値が所定の値域内であると判定された場合には、上記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、赤外線レーザのビームプロファイルを計算する情報処理装置とを有する。
図１は、実験結果の一例を示す図である。 図２は、レーザ照射時間と単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートの関係を示す図である。 図３は、ピーク画素値と目標範囲との関係を模式的に説明するための図である。 図４は、第１の実施の形態に係る測定システムの概要を示す図である。 図５は、第１の実施の形態に係る測定方法の流れを示す図である。 図６は、単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートの調整を模式的に説明するための図である。 図７は、第２の実施の形態に係る測定システムの概要を示す図である。 図８は、調整パラメータの調整方針を表すテーブルを示す図である。 図９は、第３の実施の形態の概要を説明するための図である。 図１０は、第３の実施の形態に係る測定システムの概要を示す図である。 図１１は、第３の実施の形態に係る測定方法の流れを示す図である。 図１２は、第３の実施の形態に係る測定方法の流れを示す図である。 図１３は、可視光レーザを共用する例を模式的に示す図である。 図１４は、アライメント用のフィルタの波長特性を説明するための図である。 図１５は、フィルタの作用を説明するための図である。 図１６は、可視光及び赤外線レーザ加工用のフィルタの波長特性を説明するための図である。 図１７は、イメージセンサに付加するカバーを説明するための断面図である。 図１８は、コンピュータ装置のブロック構成図である。
［本発明の実施の形態に係る着想］
　本発明の実施の形態では、可視光測定用のイメージセンサ（より具体的にはモノクロ測定用イメージセンサ。ＣＣＤでもＣＭＯＳでもよい）を用いて、本来は測定対象ではない赤外線レーザのビームプロファイルを測定する。
　このため、光励起されたキャリアによる信号ではなく、赤外線レーザによって熱励起されたキャリアによる信号（すなわち暗電流）を測定することで、イメージセンサ表面における温度分布を空間的に離散化して可視化することで、赤外線レーザのビームプロファイルを得ることにする。
　しかしながら、熱励起を用いるため、イメージセンサの温度上昇による信号レベル（すなわち画素値）の変化により問題が発生する。
　実験結果の一例を図１に示す。図１の横軸はイメージセンサを横切るある直線上での位置を表し、縦軸は信号レベルを表す。ここでは、赤外線レーザを照射する前における信号レベルを繋ぐライン（０ｓ）、赤外線レーザを照射して５秒後における信号レベルを繋ぐライン（５ｓ）、赤外線レーザを照射して１０秒後における信号レベルを繋ぐライン（１０ｓ）、赤外線レーザを照射して２０秒後における信号レベルを繋ぐライン（２０ｓ）、赤外線レーザを照射して３０秒後における信号レベルを繋ぐライン（３０ｓ）、赤外線レーザを照射して４０秒後における信号レベルを繋ぐライン（４０ｓ）、赤外線レーザを照射して５０秒後における信号レベルを繋ぐライン（５０ｓ）、赤外線レーザを照射して６０秒後における信号レベルを繋ぐライン（６０ｓ）が示されている。なお、各ラインで表される信号レベルは、全て同じ露光時間（電子シャッタのシャッタスピード）で測定されている。
　図１から分かるように、５ｓや１０ｓのラインではピークが低すぎてビーム径を推定するには不適切である。また、４０ｓ、５０ｓ及び６０ｓのラインではピークが高すぎて、飽和レベルに達してしまっている部分もあり、ビーム径を推定するには不適切である。一方、２０ｓや３０ｓのラインでは、ピークが高すぎず且つ低すぎず、ビーム径を推定するのに適している。
　このように実際に測定を行う場合には、信号レベル、特にピークの信号レベルに留意しないと、妥当性のある測定結果を得ることができない。
　以下、このような実態を踏まえた具体的な測定方法について説明する。
［実施の形態１］
　本実施の形態で用いるようなイメージセンサについて、レーザ照射時間［ｓ］と単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートＶ（Ｔ）［ｅ-／ｓ］とは、図２に示すような関係がある。すなわち、単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートは、当初急激に増加するが、その後は緩やかに増加するようになり、ある程度のレーザ照射時間になるとほぼ一定となる。
　このような場合に、本実施の形態では、イメージセンサが内蔵する電子シャッタの露光時間（シャッタースピード、稼働時間、シャッタ時間とも呼ぶ）ｔaを調整することで、イメージセンサから回収する熱励起キャリアの量を調整する。図２の例では、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃの各々で示すように、異なるｔaを設定すれば、Ｖ（Ｔ）のカーブに応じた熱励起キャリアの回収量を調整できる。時刻Ｔにおいて露光時間ｔaで熱励起キャリアを回収すると、その回収量（Ｖ（Ｔ）以下の領域の面積）はＶ（Ｔ）＊ｔaとなる。熱励起キャリアの回収量は、測定可能な範囲に入っていれば画素値に対応するが、測定可能な範囲に入っていなければ、適切に測定できない。
　例えば、画素ｉの画素値Ｓiが全画素のなかで最も大きい値となっているものとする。図３において実線で模式的に示すように、Ｓiが、予め定めておく目標範囲（ハッチング部分）内に入っていれば、他の画素の画素値も、適切な範囲内に入っていることが推定できるため、ビーム径などのビームプロファイルを、イメージセンサから出力される全画素値から算出できる。しかしながら、図３において２本の点線で模式的に示すように、Ｓiが目標範囲の上限値を超える場合や目標範囲の下限値を下回る場合には、一部又は全部の画素の画素値が飽和レベルに達したり、雑音レベルになってしまったりして、全体としてビーム径等のビームプロファイルを算出するのに適していない。
　このため、本実施の形態では、調整パラメータとしてイメージセンサに内蔵される電子シャッタの露光時間を採用して、ピークとなる画素値（ピーク画素値）が目標範囲内になるように露光時間を調整するものとする。なお、ピーク画素値については、単純に最大画素値としてもよいが、雑音の問題もあるので、様々な決定方法を採用してもよい。例えば、各画素について、その画素の周辺画素の画素値を含めてピークとしての妥当性を判断し、妥当であればその画素の画素値を採用する、といった方法を採用してもよい。また、上位所定個の画素値から平均値等を算出して採用するようにしてもよい。
　また、目標範囲については、実験により妥当な範囲を予め決定しておくものとする。
　次に、本実施の形態に係る測定システムの機能構成例を図４を用いて説明する。
　本実施の形態に係る測定システムは、可視光測定用のイメージセンサ１００（電子シャッタ内蔵）と、演算及び制御を行う例えばパーソナルコンピュータである情報処理装置２００とを含む。情報処理装置２００は、データ取得部２１０と、判定部２２０と、演算部２３０と、制御部２４０と、データ格納部２５０とを有する。
　データ取得部２１０は、イメージセンサ１００から測定結果である画素値を取得し、データ格納部２５０に格納する。判定部２２０は、ピーク画素値を特定し、ピーク画素値が目標範囲に入っているか否かを判定する処理を実行する。演算部２３０は、ピーク画素値が目標範囲に入っていると判定された場合に、画素値からビーム径などのビームプロファイルを演算する処理などを実行し、処理結果をデータ格納部２５０に格納したり、表示装置などの出力装置に出力する。制御部２５０は、判定部２２０の判定結果に基づきイメージセンサ１００に内蔵される電子シャッタの制御を行う。
　次に、図５を用いて、本実施の形態に係る測定方法について説明する。
　まず、情報処理装置２００の制御部２４０は、調整パラメータ（本実施の形態ではイメージセンサ１００における電子シャッタの露光時間）に初期値を設定する（ステップＳ１）。電子シャッタの露光時間の場合、初期的には長めの値（例えば最大値）を設定して、その後短くすることが好ましい。
　その後、測定者は、イメージセンサ１００に対する赤外線レーザの照射を開始させる（ステップＳ３）。
　そして、情報処理装置２００のデータ取得部２１０は、イメージセンサ１００から各画素の画素値（すなわち暗電流信号）を取得し、データ格納部２５０に格納する（ステップＳ５）。そうすると、判定部２２０は、取得した画素値から上で述べたようにピーク画素値を特定し、当該ピーク画素値が目標範囲内に入っているか否かを判定する（ステップＳ７）。すなわち、ピーク画素値が、目標範囲の上限以下で且つ目標範囲の下限以上となっているか否かを判定する。
　ピーク画素値が目標範囲外である場合には、制御部２４０は、調整パラメータの値を変更して設定する（ステップＳ９）。ピーク画素値が、目標範囲の上限を超えている場合には、電子シャッタの露光時間を短縮するように設定する。一方、ピーク画素値が目標範囲の下限値を下回っている場合には、電子シャッタの露光時間を延ばすように設定する。なお、ステップＳ５で取得された測定結果は破棄する。そして処理は例えば所定時間後にステップＳ５に戻る。変更の程度については、あらかじめ定めておくが、イメージセンサ１００によっては制限がある場合がある。また、イメージセンサ１００によっては設定可能な範囲が決まっているので、その範囲を超えて変更しなければならない場合には、測定不能ということを出力して測定を中止する。設定可能な範囲内であっても、所定回数変更してもピーク画素値が目標範囲内に収まらない場合には、測定不能ということを出力して測定を中止するようにしてもよい。
　一方、ピーク画素値が目標範囲内である場合には、演算部２３０は、赤外線レーザのビームプロファイルを計算し、データ格納部２５０に格納すると共に、表示装置などの出力装置に出力する（ステップＳ１１）。
　例えば、ガウス分布近似する場合には、画素値の分布に対して周知のガウシアンフィッティングを行って１／ｅ2幅（最大強度の０．１３５倍になる二点間の距離）を算出し、予め求めておいた校正係数を用いて補正すれば、ビーム径が得られる。他の分布を想定してもよい。
　さらに、イメージセンサ１００の各画素温度と画素値との対応関係を予め求めておき、各画素の測定結果である画素値に対して画素温度を計算することで、イメージセンサ１００上の温度分布を得るようにしてもよい。このような温度分布を表す画像に対して、点像分布関数のデコンボリューションを行えば、任意の入射ビーム形状を推定できる。また、熱伝導解析などを実行しても、入射ビームの形状を推定できる。このような処理も演算部２３０で行うようにしてもよい。
　なお、熱励起過程を記述するアレニウス則を表す下記の式の各係数を予め算出しておけば、画素値から画素温度を算出できる。
Tempi＝Ｅg／｛２ｋ＊log（－Ｂ＊ｔa／（Ａ－Ｓi））｝
　Tempiは、画素ｉの温度を表し、Ａはオフセットを表し、Ｂは装置係数を表し、Ｓiは画素値を表し、Ｅgはバンドギャップエネルギを表し、ｋはボルツマン定数を表し、ｔaは、電子シャッタの露光時間を表す。
　なお、他の特性曲線の多項式を求めておいて、それを用いて温度分布を得るようにしてもよい。
　図５の説明に戻って、測定を継続する場合には（ステップＳ１３：Ｙｅｓルート）、処理はステップＳ５に戻る。一方、測定を継続しない場合には（ステップＳ１３：Ｎｏルート）、測定者は、赤外線レーザの照射を停止させる（ステップＳ１５）。そして処理は終了する。
　以上のように、本実施の形態では、イメージセンサ１００に内蔵される電子シャッタの露光時間を調整して、ピーク画素値が目標範囲内に収まるようにするので、継続的に妥当な測定結果を得ることができるようになる。
　なお、ステップＳ１１で得られた個々のビーム径をそのまま出力するだけではなく、所定時間毎に、その所定時間内で算出されたビーム径の平均値などを算出するようにしてもよい。
　また、上では、調整パラメータの初期値の設定や後の変更を、制御部２４０が行う場合を示したが、測定者が、情報処理装置２００からの指示などに応じて行うようにしてもよい。
［実施の形態２］
　第１の実施の形態では、レーザの照射時間が長くなると、レーザの強度によってはイメージセンサ１００の温度が高くなりすぎる場合もあるので、より継続的に且つ安定的に測定を行うことができるようにすることを考える。
　本実施の形態では、イメージセンサ１００に対する入射レーザパワーを減衰させること、イメージセンサ１００を冷却することの少なくともいずれかにて対処する。なお、電子シャッタの露光時間については一定とする。
　そうすると、第１の実施の形態における図２は、図６に示すような形になる。すなわち、入射レーザパワーを減衰させない場合には、図６における実線カーブで表されるような、単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートの変化となるが、入射レーザパワーをある程度減衰させれば、図６における長い点線のカーブとなり、入射レーザパワーをさらに減衰させれば、図６における短い点線のカーブとなる。同様に、イメージセンサ１００を冷却しなければ、図６における実線カーブで表されるような、単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートの変化となるが、イメージセンサ１００をある程度冷却させれば、図６における長い点線のカーブとなり、イメージセンサ１００をさらに冷却させれば、図６における短い点線のカーブとなる。
　一定の露光時間ｔaであれば、幅は同一で高さが異なる領域Ｄ、領域Ｅ、領域Ｆが得られ、これらの領域の面積が熱励起キャリアの回収量に対応する。熱励起キャリアの回収量を適切に調整することは、第１の実施の形態と同様である。すなわち、入射レーザパワーを減衰させる度合い、イメージセンサ１００を冷却する度合いを調整することで、単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートのカーブの高さを調整して、結果として得られるピーク画素値が目標範囲に入るように制御する。
　本実施の形態に係る測定システムの機能構成例を図７を用いて説明する。
　本実施の形態に係る測定システムは、イメージセンサ１００と、イメージセンサ１００の赤外線レーザ入射側に設けられる減衰機構３００と、イメージセンサ１００に付加される冷却機構４００と、情報処理装置２００ｂとを有する。
　減衰機構３００は、赤外線レーザの入射レーザパワーを調整する機能を有しており、可変フィルタや連続シャッタなどによって実現される。
　冷却機構４００は、イメージセンサ１００を冷却する機能を有しており、ペルチェ素子などである。
　図７では、減衰機構３００と冷却機構４００とが両方設けられている例を示しているが、いずれか一方であってもよい。
　情報処理装置２００ｂは、ほぼ第１の実施の形態に係る情報処理装置２００と同じであるが、制御部２４０ｂは、制御対象が減衰機構３００と冷却機構４００との少なくともいずれかであるので、この部分が異なっている。
　本実施の形態に係る測定方法も、ほぼ図５に示したものと同様である。
　但し、調整パラメータは、減衰機構３００を採用する場合には減衰度合いであり、冷却機構４００を採用する場合には冷却度合いとなる。なお、ピーク画素値が目標範囲に早期に入るように、初期値としては、減衰度合いを低くし、冷却度合いも低くすることが好ましい。
　そして、ピーク画素値が目標範囲の上限値を超えている場合には、ステップＳ９において、制御部２４０ｂは、減衰機構３００の減衰度合いを上げ、冷却機構４００の冷却度合いを上げる。一方、ピーク画素値が目標範囲の下限値を下回る場合には、ステップＳ９において、制御部２４０ｂは、減衰機構３００の減衰度合いを下げ、冷却機構４００の冷却度合いを下げる。
　減衰度合い及び冷却度合いの調整幅については、予め設定しておく。減衰度合いや冷却度合いについて設定可能な範囲を超えるように変更することになった場合には、測定を中止すればよい。
　他の部分は、第１の実施の形態と同様である。
　このようにすれば、第１の実施の形態と同様に、ピーク画素値を目標範囲内に収めることができ、適切にビーム径などのビームプロファイルを算出できるようになる。
　第１の実施の形態と第２の実施の形態とは、熱励起キャリアの回収量を調整する点において同じであるから、第１の実施の形態と第２の実施の形態とを組み合わせて図５に示す手順を実行してもよい。
　その際、ステップＳ９では、図８に示すような方針に従って調整パラメータの調整を行う。図８は、上で述べたことを表形式で表しただけであるが、電子シャッタの露光時間、減衰度合い及び冷却度合いの変更をすべて行わなければならないわけではない。例えば、予め設定された優先度に応じて、順番に変更してゆくようにしてもよい。
　例えば、以下のような精緻な制御を行うと、より好ましいと考えられる。
１．レーザ照射開始時は、減衰機構３００の減衰度合いを最大化し、レーザ突入によるイメージセンサ１００のダメージを回避する。
２．レーザ照射開始直後は、減衰機構３００の減衰度合いを下げつつ電子シャッタの露光時間を最大化し、熱励起キャリアの回収量の増加を高速化させる。
３．長時間に渡る測定では、信号レベルを維持しつつ、減衰機構３００の減衰度合いを高くし冷却機構４００の冷却度合いも高くしてイメージセンサ１００の温度上昇を回避する。
４．測定終了時は、レーザ照射停止後も冷却機構４００による冷却を一定時間継続し、イメージセンサ１００の冷却を促進して、次の測定に備える。
［第３の実施の形態］
　第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、照射時間が長くなっても対処できるようにイメージセンサ１００の電子シャッタの露光時間、入射レーザパワーの減衰度合い、イメージセンサ１００の冷却度合いを制御するものであったが、短い時間のみ測定できれば良い場合もある。
　例えば、電子シャッタの露光時間は固定として測定を始めると、図９に模式的に示すように、画素値の分布は、短い点線のカーブで示すように一部の画素値が雑音レベルになってしまい、ビーム径などのビームプロファイルを計算するのに適さない。その後長い点線のカーブで示すように、ピーク画素値が目標範囲内に入るようになって、ビーム径などのビームプロファイルを計算するのに好ましい状態になる。しかし、さらに時間が経過すれば、実線カーブで示すように、ピーク画素値などが飽和レベルに達してしまい、ビーム径などのビームプロファイルを計算するのに好ましくない状態になる。
　このような特性に鑑みて、本実施の形態に係る測定システムは、図１０に示すような機能構成となる。本実施の形態に係る測定システムは、イメージセンサ１００と、情報処理装置２００ｃとを有する。情報処理装置２００ｃは、第１の実施の形態における情報処理装置２００とほぼ同じであるが、データ取得部２１０ｃの処理の一部が異なる点、判定部２２０ｃの判定処理が一部異なる点、制御部２４０が含まれない点で異なる。
　次に、図１１及び図１２を用いて、本実施の形態に係る測定方法を説明する。
　まず、赤外線レーザの照射前に、データ取得部２１０ｃは、イメージセンサ１００から背景信号を取得して、判定部２２０ｃに出力する（図１１：ステップＳ２１）。赤外線レーザの照射が行われていない状態であるから、背景信号は、どのような画素の画素値であってもよいし、全画素値の平均値等であってもよい。また、例えば、イメージセンサ１００の外縁部における特定の画素の画素値であり、カバーなどにより赤外線レーザの照射が行われない画素等の画素値であってもよい。
　そして、判定部２２０ｃは、背景信号が予め設定されている基準レベル以下であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。このステップは、イメージセンサ１００が十分に冷えているか否かを判定するために実行される。
　もし、背景信号が予め設定されている基準レベルを超えている場合には、処理は例えば所定時間後にステップＳ２１に戻る。なお、戻るのではなく、測定を中止するようにしてもよい。
　一方、背景信号が予め設定されている基準レベル以下であれば、測定者は、イメージセンサ１００に対する赤外線レーザの照射を開始する（ステップＳ２５）。
　そうすると、データ取得部２１０ｃは、イメージセンサ１００から各画素の画素値（すなわち暗電流信号）を取得し、データ格納部２５０に格納する（ステップＳ２７）。そして、判定部２２０ｃは、取得した画素値から上で述べたようにピーク画素値を特定し、当該ピーク画素値が目標範囲の下限未満であるか否かを判定する（ステップＳ２９）。ピーク画素値が目標範囲の下限未満である場合には、現状では熱励起キャリアの回収量が少なすぎるということになるので、処理はステップＳ２７に戻る。
　一方、ピーク画素値が目標範囲の下限値以上である場合には、処理は端子Ａを介して図１２の処理に移行する。そうすると、判定部２２０ｃは、ピーク画素値が目標範囲の上限値以下であるか否かを判定する（図１２：ステップＳ３１）。この条件を満たさない場合には、ピーク画素値が高くなりすぎている、すなわち熱励起キャリアの回収量が多すぎる状態になってしまったので、測定者に赤外線レーザの照射停止を促し、処理はステップＳ３５に移行する。
　一方、ピーク画素値が目標範囲の上限値以下である場合には、演算部２３０は、赤外線レーザのビームプロファイルを計算し、データ格納部２５０に格納すると共に、表示装置などの出力装置に出力する（ステップＳ３３）。この処理はステップＳ１１と同様である。
　そして、測定者は、赤外線レーザの照射を停止させる（ステップＳ３５）。この後、測定を継続する場合には、処理は端子Ｂを介して図１１のステップＳ２７に戻る。一方、測定を終了する場合には、ここで処理終了となる。
　このような測定方法を採用した場合でも、ピーク画素値が目標範囲内に入っている状態においては、適切にビーム径などのビームプロファイルを算出できる。
　なお、一度も測定できずに処理終了となることもあるので、そのような場合には、露光時間を短く設定するように測定者に対して指示などを出力するようにしてもよい。
［他の技術的事項Ａ］
　可視光測定用のイメージセンサ１００を用いているので、赤外線レーザの測定中でも可視光を含む環境光があれば、それに反応してしまう。従って、イメージセンサ１００表面に、可視光を遮断するための可視光遮断部（例えばＧｅ窓）を設けることが好ましい。
　なお、この可視光遮断部は、以下で示す図１５のフィルタの代わりに設けられる。
［他の技術的事項Ｂ］
　不可視の赤外線レーザを利用する現場では、ミラーなどの光軸調整をし易くするため、可視光のレーザをガイドとしてビームに重畳（同じ光路を通らせる）させることが一般的で、重畳の精度は赤外線レーザのアライメントに大きく影響する。
　そのため図１３に模式的に示すように、ビーム重畳の度合いを確認するため、赤外線に感度のある感熱シート（可燃物）や蛍光板（別途励起光源を使用）などを利用していた。
　そこで、図１４に示すように、可視光領域において可視光レーザの波長を含む帯域においてある程度の透過率（可視透過率）を有し、赤外領域においても高い透過率（赤外透過率）を有するようなフィルタを設けるようにする。図１４では参考までに、可視光では光励起感度が高く、赤外領域においては熱励起感度が存在することも示してある。なお、紫外は、例えば光の波長が0.4μm程度よりも短い領域であり、可視は、例えば光の波長が0.4μm～0.8μm程度の領域であり、赤外は、例えば光の波長が0.8μm程度よりも長い領域である。本実施の形態では、イメージセンサ１００の材料のバンドギャップエネルギに相当する波長（Si単結晶ではおよそ1.1μm）を境に、光励起による感度が実質的に存在している領域を可視光領域とし、光励起による感度がほとんどなく波長の長い方の領域を赤外領域としている。
　すなわち、図１５に模式的に示すように、このような特性を有するフィルタを、例えば減衰機構３００より外側又は内側に設けて、特定の波長を有する可視レーザ光及び赤外線レーザ光については透過させ、環境光については遮断させることで、情報処理装置２００ｄの表示装置などの出力装置には、可視レーザ光の入射位置Ｇ、赤外線レーザ光の入射位置Ｈを示すことができるようになる。
　このようなフィルタは、例えばＺｎＳｅ窓の表面に誘電体多層膜による可視バンドパスフィルタを形成することで実現される。
　また、可視光透過特性を有するフィルタと赤外光透過特性を有するフィルタを個別に着脱可能とし、測定者が波長特性を調整してもよい。
　なお、第１乃至第３の実施の形態によれば、情報処理装置２００乃至２００ｃにおけるデータ格納部２５０には、各画素の画素値が格納されるので、それを表示装置などの出力装置に出力することで、イメージセンサ１００上における赤外線レーザの入射位置を可視化できる。そのためアライメントのために可視光のレーザを用いることは少なくなるかもしれないが、可視光レーザと赤外線レーザとを両方用いて加工を行う場面も想定される。この場合、可視光レーザのパワーは大きいことが想定されるので、可視光レーザの波長を含む帯域のみにある程度の透過率を有するようなフィルタでなくても良い場合もある。例えば図１６に示すような特性を有するようなフィルタを採用し得る。図１６の例では、紫外線領域、可視領域においては、フィルタ透過率は低いレベルでおおよそフラットであるから、弱い環境光などはカットされるが、本実施の形態で対象とする赤外線レーザの領域においては、高い透過率が設定されている。例えば、イメージセンサ１００の光励起感度（短い点線）をＶuv-vis（λ）とし、熱励起感度（長い点線）をＶir（λ）とすると、本実施の形態に係るイメージセンサのグローバルな感度は、Ｖglov＝Ｖuv-vis（λ）＋Ｖir（λ）と表される。そして、フィルタ透過率の設定（実線）は、Ｔglov（λ）∝１／Ｖglovとする。すなわち、フィルタ透過率の分光特性を、光励起感度と熱励起感度とを足し合わせた形状の反転相似形状とする。そうすれば、紫外線領域から赤外線領域まで感度を有するビームプロファイラが実現されるようになる。
［他の技術的事項Ｃ］
　本実施の形態における赤外線レーザの強度は、これまで可視光測定用のイメージセンサ１００に照射されていたレーザの強度よりも高いことが想定されている。特に、不可視の赤外線レーザの場合、測定開始時点では、赤外線レーザのビームがイメージセンサ１００に適切に入射されているか知るすべがなく、暗電流信号が検出されるまで、ビームの入射状態を把握できない。よって、イメージセンサ１００の周辺の配線や回路基板を損傷させてしまう可能性が高くなる。
　このため、本実施の形態では、イメージセンサ１００に含まれるセンサ素子の外縁部における画素と周辺回路（基板を含む）とを遮蔽するカバー（保護機構）をイメージセンサ１００に付加する。
　例えば図１７において模式的な断面図で示すように、センサ素子の外縁部から配線が回路基板上の回路に左右に伸びているが、センサ素子の外縁部の画素及び周辺回路（基板を含む）を遮蔽するためのカバー１１０が設けられている。なお、センサ素子の下部には、冷却機構４００が設けられている。
　このように、赤外線レーザに対する開口部のサイズは、センサ素子のサイズよりも小さくなっており、センサ素子の外縁部の画素には赤外線レーザが照射されない。また、周辺回路にも赤外線レーザが照射されないので、イメージセンサ１００の損傷を回避することができるようになる。
　なお、赤外線レーザが照射されない画素の画素値を、背景信号として採用する場合もある。
　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、情報処理装置２００乃至２００ｃの機能構成例は一例であり、プログラムモジュール構成とは一致しない場合もある。また、処理フローについても、処理結果が変わらない限り、ステップの順番を入れ替えたり、複数ステップを並列に実行するようにしてもよい。
　また、実施の形態の組み合わせや、各実施の形態における任意の技術的特徴の組み合わせは、その目的に応じて随時なされるものである。
　なお、上で述べた情報処理装置２００乃至２００ｄは、コンピュータ装置であって、図１８に示すように、メモリ２５０１とＣＰＵ（Central Processing Unit）２５０３とハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）２５０５と表示装置２５０９に接続される表示制御部２５０７とリムーバブル・ディスク２５１１用のドライブ装置２５１３と入力装置２５１５とネットワークに接続するための通信制御部２５１７と周辺機器（イメージセンサ１００、減衰機構３００、冷却機構４００などを含む）と接続するための周辺機器接続部２５２１とがバス２５１９で接続されている。なお、ＨＤＤはソリッドステート・ドライブ（ＳＳＤ：Solid State Drive）などの記憶装置でもよい。オペレーティング・システム（ＯＳ：Operating System）及び本発明の実施の形態における処理を実施するためのアプリケーション・プログラムは、ＨＤＤ２５０５に格納されており、ＣＰＵ２５０３により実行される際にはＨＤＤ２５０５からメモリ２５０１に読み出される。ＣＰＵ２５０３は、アプリケーション・プログラムの処理内容に応じて表示制御部２５０７、通信制御部２５１７、ドライブ装置２５１３を制御して、所定の動作を行わせる。また、処理途中のデータについては、主としてメモリ２５０１に格納されるが、ＨＤＤ２５０５に格納されるようにしてもよい。例えば、上で述べた処理を実施するためのアプリケーション・プログラムはコンピュータ読み取り可能なリムーバブル・ディスク２５１１に格納されて頒布され、ドライブ装置２５１３からＨＤＤ２５０５にインストールされる。インターネットなどのネットワーク及び通信制御部２５１７を経由して、ＨＤＤ２５０５にインストールされる場合もある。このようなコンピュータ装置は、上で述べたＣＰＵ２５０３、メモリ２５０１などのハードウエアとＯＳ及びアプリケーション・プログラムなどのプログラムとが有機的に協働することにより、上で述べたような各種機能を実現する。
　なお、上ではイメージセンサと情報処理装置とが別々の装置として提供される例を示したが、それらが一体となった測定システム（例えばポータブルな計測器）として提供される場合もある。
　以上述べた実施の形態をまとめると以下のようになる。
　本実施の形態に係る測定方法は、（Ａ）赤外線レーザを可視光測定用のイメージセンサに照射するステップと、（Ｂ）ある露光時間にてイメージセンサにより測定された画素値（すなわち暗電流信号）から特定されるピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定するステップと、（Ｃ）上記ピークの画素値が所定の値域内であると判定された場合には、イメージセンサにて測定された画素値に基づき、赤外線レーザのビームプロファイルを計算するステップとを含む。
　このようにピークの画素値を基準にすることで測定の妥当性を担保しつつ、安価な可視光測定用のイメージセンサを用いて赤外線レーザの測定を行うことができるようになる。なお、ピークの画素値については、様々なバリエーションがあり、ある一つの画素の画素値を採用する場合も、複数の画素の画素値から算出される値を用いるようにしてもよい。
　また、上で述べたピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、上記ある露光時間より短い露光時間を新たな上記ある露光時間として設定し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、上記ある露光時間より長い露光時間を新たな上記ある露光時間として設定するようにしてもよい。この場合、その後、処理は上記判定するステップに戻る。
　このようにすれば、熱励起キャリアの回収量を露光時間にて制御でき、妥当性のある測定状態に移行させることができるようになる。
　また、上で述べたピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、イメージセンサの温度を下げるように制御し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、イメージセンサの温度を上げるように制御するようにしてもよい。この場合、その後、処理は上記判定するステップに戻る。
　このような制御を行えば、熱励起キャリアの発生レートを調整することができるため、熱励起キャリアの回収量を制御できるようになり、妥当性のある測定状態に移行させることができるようになる。
　さらに、上で述べたピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、イメージセンサへの赤外線レーザの入射パワーの減衰を増加させるように制御し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、イメージセンサへの赤外線レーザの入射パワーの減衰を減少させるように制御するようにしてもよい。この場合、その後の処理は上記判定するステップに戻る。
　このような制御を行うことでも、イメージセンサの温度調整と同様に、熱励起キャリアの発生レートを調整できるようになる。
　本実施の形態に係る測定システムは、（Ａ）赤外線レーザを照射する可視光測定用のイメージセンサと、（Ｂ）ある露光時間にてイメージセンサにより測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定する判定部と、ピークの画素値が所定の値域内であると判定部により判定された場合には、イメージセンサにて測定された画素値に基づき、赤外線レーザのビームプロファイルを計算する計算部とを有する情報処理装置とを有する。
　イメージセンサと情報処理装置により、上で述べた測定方法を自動的に実行できるようになる。
　なお、上で述べた情報処理装置が、上記ピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、上記ある露光時間より短い露光時間を新たな上記ある露光時間として設定し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、上記ある露光時間より長い露光時間を新たな上記ある露光時間として設定する制御部をさらに有するようにしてもよい。少ないコストで継続して測定できるようになる。
　また、上で述べた測定システムは、イメージセンサを冷却するための冷却機構（Cooler）をさらに有するようにしてもよい。この場合、上で述べた情報処理装置は、上記ピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、イメージセンサの温度を下げるように冷却機構を制御し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、イメージセンサの温度を上げるように冷却機構を制御する制御部をさらに有するようにしてもよい。冷却機構を用いることで、より安定的に継続して測定を行うことができるようになる。
　さらに、上で述べた測定システムは、イメージセンサへの赤外線レーザの入射パワーを減衰させる減衰機構（Optical Attenuator）をさらに有するようにしてもよい。この場合、上で述べた情報処理装置は、上記ピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、赤外線レーザの入射パワーの減衰を増加させるように減衰機構を制御し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、赤外線レーザの入射パワーの減衰を減少させるように減衰機構を制御する制御部をさらに有するようにしてもよい。減衰機構を用いれば、イメージセンサの保護も図れ、さらに安定的に継続して測定を行うことができるようになる。
　また、上で述べた測定システムは、イメージセンサに対する可視光遮断部（Visible Light Shutter）、又は、イメージセンサに対して可視光領域において特定の波長の光以外を遮断し、赤外領域の光を透過させるフィルタをさらに有するようにしてもよい。可視光遮断部を設けることで、環境光の影響を抑制でき、フィルタを設けることで、環境光の影響を抑制できると共に例えば特定の波長の可視光レーザをも測定できるようになる。
　さらに、上で述べたイメージセンサに、当該イメージセンサのセンサ素子に含まれる画素のうち外縁部の画素とイメージセンサの周辺部分とを遮蔽するカバーが付されるようにしてもよい。これにより、不可視の赤外線レーザがセンサ素子の周辺にある回路などを損傷させるような事態を回避できるようになる。
　以上述べた情報処理装置の処理をコンピュータに実行させるためのプログラムを作成することができて、そのプログラムは、様々な記憶媒体に記憶される。


 

Claims (11)

  1. 　赤外線レーザを可視光測定用のイメージセンサに照射するステップと、
    　ある露光時間にて前記イメージセンサにより測定された画素値から特定されるピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定するステップと、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域内であると判定された場合には、前記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、前記赤外線レーザのビームプロファイルを計算するステップと、
    　を含む測定方法。
  2. 　前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記ある露光時間より短い露光時間を新たな前記ある露光時間として設定し、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記ある露光時間より長い露光時間を新たな前記ある露光時間として設定し、
    　前記判定するステップに戻る
    　請求項１記載の測定方法。
  3. 　前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記イメージセンサの温度を下げるように制御し、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記イメージセンサの温度を上げるように制御し、
    　前記判定するステップに戻る
    　請求項１記載の測定方法。
  4. 　前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記イメージセンサへの前記赤外線レーザの入射パワーの減衰を増加させるように制御し、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記イメージセンサへの前記赤外線レーザの入射パワーの減衰を減少させるように制御し、
    　前記判定するステップに戻る
    　請求項１記載の測定方法。
  5. 　赤外線レーザを照射する可視光測定用のイメージセンサと、
    　ある露光時間にて前記イメージセンサにより測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定する判定部と、前記ピークの画素値が前記所定の値域内であると前記判定部により判定された場合には、前記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、前記赤外線レーザのビームプロファイルを計算する計算部とを有する情報処理装置と、
    　を有する測定システム。
  6. 　前記情報処理装置は、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記ある露光時間より短い露光時間を新たな前記ある露光時間として設定し、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記ある露光時間より長い露光時間を新たな前記ある露光時間として設定する制御部
    　をさらに有する請求項５記載の測定システム。
  7. 　前記イメージセンサを冷却するための冷却機構をさらに有し、
    　前記情報処理装置は、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記イメージセンサの温度を下げるように前記冷却機構を制御し、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記イメージセンサの温度を上げるように前記冷却機構を制御する制御部
    　をさらに有する請求項５記載の測定システム。
  8. 　前記イメージセンサへの前記赤外線レーザの入射パワーを減衰させる減衰機構をさらに有し、
    　前記情報処理装置は、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記赤外線レーザの入射パワーの減衰を増加させるように前記減衰機構を制御し、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記赤外線レーザの入射パワーの減衰を減少させるように前記減衰機構を制御する制御部
    　をさらに有する請求項５記載の測定システム。
  9. 　前記イメージセンサに対する可視光遮断部、又は
    　前記イメージセンサに対して可視光領域において特定の波長の光以外を遮断し、赤外領域の光を透過させるフィルタ
    　をさらに有する請求項５乃至８のいずれか１つ記載の測定システム。
  10. 　前記イメージセンサに、当該イメージセンサのセンサ素子に含まれる画素のうち外縁部の画素と前記イメージセンサの周辺部分とを遮蔽するカバーが付されていることを特徴とする
    　請求項５乃至９のいずれか１つ記載の測定システム。
  11. 　赤外線レーザが照射された可視光測定用のイメージセンサによりある露光時間にて測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定するステップと、
    　前記ピークの画素値が前記所定の値域内である場合には、前記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、前記赤外線レーザのビームプロファイルを計算するステップと、
    　を、コンピュータに実行させるためのプログラム。


     
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