JP2004053525A

JP2004053525A - 集光レーザ光束測定方法および装置

Info

Publication number: JP2004053525A
Application number: JP2002214186A
Authority: JP
Inventors: Hajime Okuie; 奥家　一; Yasushi Takahashi; 高橋　靖; Kenichi Sato; 佐藤　健一
Original assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Current assignee: Ricoh Optical Industries Co Ltd
Priority date: 2002-07-23
Filing date: 2002-07-23
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】集光性のレーザ光束の、基準軸に対する光軸傾き角、光軸ずれ、光束径、ビームウエスト位置の測定のうち、少なくとも光軸傾き角と光軸ずれを同時に測定する。
【解決手段】レーザ光束放射装置１０から放射されて集光位置に集光した後の発散性の集光レーザ光束を、焦点距離：ｆ_１を持つコリメート手段１３により平行光束化し、ビームスプリット手段２１により２光束に分割し、一方の光束をコリメート手段から距離：ｆ_１だけ離れた位置の位置検出手段３７に入射させて光束の最大強度位置の基準軸からのずれ量：Ｘを検出し、Ｘと焦点距離：ｆ_１とから、光軸傾き角：θを、演算：θ＝ｔａｎ^−１（Ｘ／ｆ_１）により算出し、他方の平行光束を、焦点距離：ｆ_２を持つ集光手段４１Ａを介して位置検出手段４１Ｂ上に結像させ、結像位置の基準軸からのずれ量：Ｙを検出し、Ｙと焦点距離：ｆ_１、ｆ_２とにより、光軸ずれ：ξを演算：ξ＝Ｙ・ｆ_１／ｆ_２により算出する。
【選択図】　　　　　　　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、集光レーザ光束測定方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
レーザ光源装置として集光レーザ光束を放射するものが多い。例えば、光走査装置などのように、レーザ光のスイッチング（強度変調）をＡＯ素子で行う場合、集光レーザ光束を「ＡＯ素子による音響光学効果を受ける部分」に集光するように、レーザ光源装置から集光レーザ光束を放射することが行われる。
【０００３】
このようなレーザ光源装置の組立や調整段階、製品検査段階において、放射される集光レーザ光束の「光束光軸の基準軸に対する光軸ずれ、基準軸に対する光軸傾き角や光束径、ビームウエスト位置」を測定する必要が生じる。「光束径」は集光レーザ光束の集光部の径、即ち、集光されたレーザ光束の「ビームウエスト径」であり、ビームウエスト位置は「ビームウエストが形成される位置」である。
【０００４】
従来このような測定は、レーザ光源装置から放射される理想上の光軸を基準軸とし、この基準軸上に角度測定器を配置して「基準軸に対する光軸傾き角」を測定できるようにする一方、放射される集光レーザ光束の集光位置に、位置検出器と光束径測定器とを選択的に配置できるようにし、位置検出器による「基準軸に対する光軸ずれ」の測定と、ビーム径測定器による「光束径」の測定、ビームウエスト位置測定器によるビームウエスト位置の測定を順次選択的に行っていた。
【０００５】
このため、基準軸に対する光軸傾き角、光軸ずれ、光束径、ビームウエスト位置の２以上の測定を同時に行うことができず、測定能率に問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、上記基準軸に対する光軸傾き角、光軸ずれ、光束径、ビームウエスト位置の測定のうち、少なくとも「光軸傾き角と光軸ずれ」とを同時に測定できる新規な集光レーザ光束測定方法および装置の実現を課題とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１記載の集光レーザ光束測定方法は「レーザ光束放射装置から放射された集光性のレーザ光束の、光束光軸の基準軸に対する光軸ずれ、基準軸に対する光軸傾き角、光束径、ビームウエスト位置のうちの、少なくとも光軸ずれと光軸傾き角とを同時に測定する方法」であって、以下の特徴を有する。
【０００８】
即ち、レーザ光束放射装置から放射されて、集光位置に集光した後の発散性のレーザ光束を、焦点距離：ｆ_１を持つコリメート手段により平行光束化するとともに、平行光束化されたレーザ光束をビームスプリット手段により２光束に分割する。
【０００９】
そして、分割された一方の光束を、コリメート手段から距離：ｆ_１だけ離れた位置に配置した第１の位置検出手段に入射させ、第１の位置検出手段により検出される「光束の最大強度位置の基準軸からのずれ量：Ｘ」と焦点距離：ｆ_１とから、光軸傾き角：θを、演算：θ＝ｔａｎ^−１（Ｘ／ｆ_１）により算出する。
【００１０】
さらに、ビームスプリット手段により２分割された他方の平行光束を、焦点距離：ｆ_２の集光手段を介して、第２の位置検出手段上に結像させ、第２の位置検出手段により検出される結像位置の基準軸からのずれ量：Ｙと、焦点距離：ｆ_１、ｆ_２により、光軸ずれ：ξを演算：ξ＝Ｙ・ｆ_１／ｆ_２により算出する。
【００１１】
測定対象となる集光レーザ光束は、ビームスプリット手段により２光束に分割され、第１・第２の位置検出手段に導光されるので、光軸ずれ：ξと光軸傾き角：θとを同時に測定することが可能である。
【００１２】
請求項１記載の集光レーザ光束測定方法において「コリメート手段により平行光束化されたレーザ光束の一部を分岐させてビームウエスト測定系へ導き、このビームウエスト測定系により集光レーザ光束の光束径（レーザ光束放射装置から放射される集光レーザ光束の集光位置におけるビームウエスト径）：Ｄを測定する」ことができる（請求項２）。
【００１３】
この請求項２記載の集光レーザ光束測定方法によれば、光軸ずれ：ξと、光軸傾き角：θと、光束径：Ｄとを同時に測定できる。
【００１４】
上記請求項１または２記載の集光レーザ光束測定方法において、コリメート手段により平行光束化されたレーザ光束の一部を分岐させてビームウエスト測定系へ導き、このビームウエスト測定系により、集光レーザ光束のビームウエスト位置：δを測定することができる（請求項３）。
【００１５】
即ち、この請求項３記載の測定方法によれば、光軸ずれ：ξと、光軸傾き角：θ、ビームウエスト位置：δを同時に測定でき、さらには光束径：Ｄの測定も可能である。
【００１６】
請求項４記載の集光レーザ光束測定装置は請求項１記載の集光レーザ光束測定方法を実施する装置であって、保持具と、コリメート手段と、ビームスプリット手段と、第１の位置検出手段と、集光手段と、第２の位置検出手段と、演算手段とを有する。
【００１７】
「保持具」は、測定対象となる集光性のレーザ光束を放射する「レーザ光束放射装置」を保持する。レーザ光束放射装置を保持具により保持すると、保持されたレーザ光束放射装置は「測定系に対して所定の位置関係」に置かれる。
【００１８】
「コリメート手段」は、レーザ光束放射装置から放射されて、集光位置に集光した後の発散性のレーザ光束を平行光束化するべく焦点距離：ｆ_１を持つ。即ち、レーザ光束放射装置から放射された集光性のレーザ光束は集光位置に集光した後の発散性の状態でコリメート手段に入射して平行光束に変換される。
【００１９】
「ビームスプリット手段」は、コリメート手段により平行光束化されたレーザ光束を２光束に分割する手段であり、例えば「ハーフミラー」が用いられる。
【００２０】
「第１の位置検出手段」は、コリメート手段からビームスプリット手段を介して距離：ｆ_１だけ離れた位置に配置され、ビームスプリット手段により分割された一方の光束を受光し、「光束の最大強度位置」の基準軸からのずれ量：Ｘを検出する。
【００２１】
「集光手段」は、焦点距離：ｆ_２を有し、ビームスプリット手段により２分割された他方の平行光束を集光させる。
「第２の位置検出手段」は、集光手段により集光される光束の結像位置の、基準軸からのずれ量：Ｙを検出する。
【００２２】
「演算手段」は、第１の位置検出手段により検出されるずれ量：Ｘと焦点距離：ｆ_１とから、光軸傾き角：θを演算：θ＝ｔａｎ^−１（Ｘ／ｆ_１）により算出し、第２の位置検出手段により検出されるずれ量：Ｙと焦点距離：ｆ_１、ｆ_２により、光軸ずれ：ξを演算：ξ＝Ｙ・ｆ_１／ｆ_２により算出する。
【００２３】
コリメート手段や集光手段としては、通常のコリメートレンズや集光レンズを好適に用いることができるが、所望により、凹面鏡を用いることもできる。凹面鏡には色収差がないので、測定対象となる集光レーザ光束の波長に拘わらず、コリメートあるいは集光を良好に行うことができる。
【００２４】
第１、第２の位置検出手段としては、例えばエリアセンサを用いることができるが、低コストな手段として「ＰＳＤ（ポジション・センサ・ダイオード）」を用いることができる。
「演算手段」としては、マイクロコンピュータやＣＰＵを用いることができる。
【００２５】
請求項４記載の集光レーザ光束測定装置の上記構成に加え、コリメート手段により平行光束化されたレーザ光束の一部を分岐させる「光路分岐手段」と、この光路分岐手段により分岐されたレーザ光束を集束させた集束レーザ光束に基づき、集光レーザ光束の光束径：Ｄおよび／またはビームウエスト位置：δを測定するビームウエスト測定系を有し、請求項２または３記載の集光レーザ光束測定方法を実施できる（請求項５）。
【００２６】
即ち「ビームウエスト測定系」は、集束レーザ光束のビームウエスト位置および／またはビームウエスト径を測定する機能を持つ。
【００２７】
集光レーザ光束に基づき、集光レーザ光束の光束径：Ｄおよび／またはビームウエスト位置：δを測定する「ビームウエスト測定系」を有することにより、請求項２または３記載の集光レーザ光束測定方法を実施できる（請求項５）。光束径：Ｄの測定、ビームウエスト位置：δの測定に必要な演算は、上記「演算手段」が行う。
【００２８】
請求項５記載の集光レーザ光束測定装置における「光路分岐手段」は、コリメート手段とビームスプリット手段との間に配置することができる（請求項６）が、勿論、光路分岐手段を「ビームスプリット手段よりも後段」に配置することもできる。
【００２９】
上記請求項４または５または６記載の集光レーザ光束測定装置はまた、コリメート手段の直後に「偏光子と１／４波長板とによる戻り光束遮断手段」を有することができ（請求項７）、請求項４〜７の任意の１に記載の集光レーザ光束測定装置は、「測定される集光レーザ光束における光強度を調整するＮＤフィルタ手段」を有することができる（請求項８）。
【００３０】
上記「保持具」がレーザ光束放射装置を保持すると、保持されたレーザ光束放射装置は「測定系に対して所定の位置関係」に置かれ、このように保持された状態で測定された「光軸ずれ、光軸傾き角」が０であれば、レーザ光束放射装置は光軸ずれ・光軸傾きに関しては「所望の状態」にあり、この状態で測定された光束径あるいはビームウエスト位置の測定値が所望の値を有するとき、レーザ光束放射装置は「適正な状態」にある。
【００３１】
従って、この発明の集光レーザ光束測定装置は「レーザ光束放射装置」を保持した状態で、光軸ずれや光軸傾き角、さらにはこれらと光束径やビームウエスト位置を測定しつつ、レーザ光束放射装置を「適正な状態」に調整する手段として用いることができる。
【００３２】
【発明の実施の形態】
図１に「集光レーザ光束測定装置」の実施の１形態を示す。
図１において、符号１０は「レーザ光束放射装置」、符号１１は「保持具」、符号１３は「コリメート手段」としてのコリメートレンズ、符号１５は「偏光子」、符号１７は「１／４波長板」、符号１９は「光路分岐手段」としてのハーフミラー、符号２１は「ビームスプリット手段」としてのハーフミラー、符号２３は反射鏡、符号２５はアパーチュア、符号２７、３５、３９はＮＤフィルタ、符号２９はフォーカスレンズ、符号３１はビームウエスト測定手段、符号３７は「第１の位置検出手段としてのＰＳＤ」、符号４１は「光軸ずれ検出器」、符号４３は制御手段を示している。
【００３３】
保持具１１は、測定装置の他の部分である測定系と同一の架台に装荷され、レーザ光束放射装置１０を「測定系に対して一定の態位」となるように保持する。
【００３４】
説明の具体性のため、レーザ光束放射装置は「ＡＯによる光スイッチングを受ける光走査用の光源装置」で、前述したように「ＡＯ素子による音響光学効果を受ける部分」に集光するように、集光性のレーザ光束を放射するものとする。レーザ光束放射装置１０は、放射するレーザ光束を集光させるための「集束用レンズ」を有し、この集束用レンズを調整することにより、光軸ずれ、光軸傾き角、光束径あるいはビームウエスト位置を調整できるようになっており、図１の集光レーザ光束測定装置は「集束用レンズによる調整で、レーザ光束放射装置１０を適正な状態に調整する補助手段」として用いられる。
【００３５】
図１のようにレーザ光束放射装置１０を保持具１１に保持させた状態で集光性のレーザ光束を放射させる。この集光レーザ光束は集光位置Ｐに集光した後、発散性の光束となってコリメートレンズ１３に入射し、コリメートレンズ１３の作用により平行光束化される。この際、前述した「集束用レンズ」を光軸方向へ位置調整し、集光レーザ光束が、コリメートレンズ１３の略物体側焦点位置に集光するようにする。
【００３６】
コリメートレンズ１３により平行光束化されたレーザ光束は、偏光子１５を透過して直線偏光状態となり、さらに１／４波長板１７を透過して円偏光状態となる。偏光子１５と１／４波長板１７とは「戻り光束遮断手段」を構成する。
【００３７】
戻り光束遮断手段を通過した円偏光状態の平行光束は、ハーフミラー１９に入射し、一部はハーフミラー１９を透過し、一部はアパーチュア２５の側へ光路分岐される。ハーフミラー１９を透過した平行光束は、さらにハーフミラー２１に入射して２分割される。
【００３８】
光路分岐された平行光束は、アパーチュア２５を介してＮＤフィルタ２７を透過する。ＮＤフィルタ２７は回転式で「回転角に応じて透過率がグラデーションをなして変化する」ようになっており、回転角の調整により「光束径測定に適した光強度」を実現する。他のＮＤフィルタ３５、３９も同様である。
【００３９】
このようにＮＤフィルタ２７、３５、３９を用いることにより、放射光強度の異なる種々のレーザ光束放射装置に対し、適正な測定を行うことができる。
【００４０】
ＮＤフィルタ２７を透過した平行光束はフォーカスレンズ２９で絞り込まれつつ、ビームウエスト測定手段３１に入射する。アパーチュア２５とフォーカスレンズ２９とビームウエスト測定手段３１とは「ビームウエスト測定系」を構成する。
【００４１】
フォーカスレンズ２９で集束された集束レーザ光束は、ビームウエスト測定手段３１内で集束して集束位置に「ビームウエスト」を形成する。ビームウエスト測定手段３１は、このビームウエストの位置（フォーカスレンズ２９からの距離）と、ビームウエスト径（コリメートレンズ１３の焦点距離：ｆ_１と、フォーカスレンズ２９の焦点距離：Ｆ（この実施の形態においては２００ｍｍに設定されている）により定まる）とを測定する。このような「ビームウエスト測定手段」は、従来から、ダブルスリット法やダブルナイフ法等、種々の方式のものが知られており、これらを適宜に利用できる。
【００４２】
アパーチュア２５は、分岐されたレーザ光束の光路に対して出入可能であり、ビームウエスト位置：δの測定を行うとき上記光路上にセットされ、ビームウエスト位置測定における「収差の影響によるダブルスリット波形の乱れを防ぎ、前記レーザ光束放射装置の集束用レンズを光軸方向へ変位させたときの、ダブルスリット波形の変化のレスポンスを最適にする。光束径：Ｄの測定の際には、アパーチュア２５は分岐されたレーザ光束の光路から退避される。
【００４３】
ビームウエスト測定手段３１は、マイクロコンピュータ等である制御手段４３により制御され、その出力は制御手段４３に取り込まれる。制御手段４３は、ビームウエスト測定手段３１の出力（レーザ光束放射装置から放射された集束性の集光レーザ光束が、コリメートレンズ１３の焦点位置に形成するビームウエスト径、即ち、測定対象の「光束径：Ｄ」やビームウエスト位置：δと相関関係がある）に応じ、上記相関関係に基づく理論式の演算で光束径：Ｄやビームウエスト位置：δを演算算出する。
【００４４】
コリメートレンズ１３とフォーカスレンズ２９とはアフォーカル系を構成するので、その横倍率：βは「Ｆ／ｆ_１」である。そうすると、集光位置Ｐに集光したレーザ光束の光束径（ビームウエスト径）：Ｄは、ビームウエスト測定手段３１の出力する「フォーカスレンズ２９により集束されたレーザ光束の形成するビームウエスト径：ｄ」と、ｄ＝β・Ｄ＝Ｆ・Ｄ／ｆ_１の関係にある。
【００４５】
即ち、レーザ光束の波長をλとすると、コリメートレンズ１３によりコリメートされた平行レーザ光束の光束径をΔとして、Δ＝ｆ_１・λ／（π・Ｄ）であり、ｄ＝Ｆ・λ／（π・Δ）であるから、ｄ＝Ｆ・λ／（π・｛ｆ_１・λ／（π・Ｄ）｝）＝Ｆ・Ｄ／ｆ_１が得られる。
【００４６】
従って、ビームウエスト測定手段３１により測定されたビームウエスト径：ｄが知られれば演算：Ｄ＝（ｆ_１／Ｆ）ｄにより光束径：Ｄを知ることができる。
【００４７】
コリメートレンズ１３とフォーカスレンズ２９とはアフォーカル系であるので、集光レーザ光束の集光位置Ｐが、正しく「コリメートレンズ１３の物体側焦点位置」にあれば、ビームウエスト測定手段３１により検出される集束レーザ光束のビームウエスト位置は、フォーカシングレンズ２９の像側焦点位置にある。
【００４８】
上記集光位置Ｐが、コリメートレンズ１３の物体側焦点位置から「δ」だけずれたとすると、ビームウエスト測定手段３１が検出する「集束レーザ光束のビームウエスト位置のずれ量：ΔＳ」は、アフォーカル系の縦倍率：β^２によりδとΔＳ＝β^２・δ＝（Ｆ／ｆ_１）^２・δの関係を満足する。
【００４９】
従って、集光位置Ｐ（ビームウエスト位置）のずれ量であるビームウエスト位置：δは、δ＝（ｆ_１／Ｆ）^２ΔＳとなり、ビームウエスト測定手段３１によりΔＳを求めれば、上記演算によりビームウエスト位置：δを特定できる。これら演算は、制御手段４３において行う。
【００５０】
ハーフミラー２１により２分割された一方の平行光束（ハーフミラー２１により反射された成分）は、ＮＤフィルタ３５を透過して光強度を適正に調整され、ＰＳＤ３７に入射する。
ハーフミラー２１により２分割された他方の光束（ハーフミラー２１を透過した成分）は、反射鏡２３により光路を折り曲げられ、ＮＤフィルタ３９により光強度を調整されて光軸ずれ検出器４１に入射する。
【００５１】
図２を参照して、ＰＤＳ３７による「光軸傾き角」の測定を説明する。
【００５２】
図２は、コリメートレンズ１３とＰＳＤ３７の位置関係を、両者間の光路を直線的に展開した状態で示している。図２において、コリメートレンズ１３からＰＳＤ３７に至る距離：Ｚ_１は、コリメートレンズ１３の焦点距離：ｆ_１に等しく設定されている。
【００５３】
平行光束としての集光レーザ光束は、その光軸上の強度を最大とするガウス分布型の強度分布を有しており、ＰＳＤ３７は、これに入射してくる平行光束における最大強度位置の基準軸（コリメートレンズ１３の光軸に合致する）ＡＸに対するずれ量：Ｘを検出して出力する。
【００５４】
図２に示すように、コリメートレンズ１３に図の左方から入射するレーザ光束（発散光束）の光軸が、コリメートレンズ１３の光軸（上記基準軸）ＡＸに対して平行にずれている場合（図２に破線で示す）には、平行光束の強度が最大となる光軸光線はＰＳＤ３７上の基準軸ＡＸ上に入射するので、ずれ量：Ｘは、コリメートレンズ１３へ入射する集光レーザ光束の「基準軸に平行なずれ」には影響されない。
【００５５】
一方、図２に実線で示すように、コリメートレンズ１３に入射する集光レーザ光束の光軸が、基準軸ＡＸに対して傾き角：θで傾いていると、集光レーザ光束の光軸はＰＳＤ３７において、基準軸ＡＸからずれ量：Ｘだけずれた位置に入射する。従って、ずれ量：Ｘは集光レーザ光束の「光軸傾き角：θ」に対応する。
【００５６】
図１において、ＰＳＤ３７は制御手段４３の制御を受け、その出力は制御手段４３に取り込まれる。制御手段４３は、取り込んだずれ量：Ｘに基づき、集光レーザ光束の光軸傾き角：θを算出する。
【００５７】
図２から明らかなように、光軸傾き角：θと、ずれ量：Ｘの間には、
ｆ_１・ｔａｎθ＝Ｘ
の関係があるので、演算手段４３により
θ＝ｔａｎ^−１（Ｘ／ｆ_１）
の右辺を演算することにより、光軸傾き角：θを算出できる。
【００５８】
次に、図１における光軸ずれ検出器４１による「光軸ずれ」の検出と、光軸の基準軸からのずれ量：ξの演算を説明する。図１に示すように、光軸ずれ検出器４１は、集光レンズ４１Ａと、第２の位置検出手段としてのＰＳＤ４１Ｂとを有している。
【００５９】
図３を参照すると、図３において、符号１３はコリメートレンズ、符号４１Ａは光軸ずれ検出器４１における「集光レンズ」を示している。集光レンズ４１Ａは、ビームスプリット手段２１により２分割された他方の平行光束を集光させる「集光手段」で焦点距離：ｆ_２を有する。
【００６０】
図１において、光軸ずれ検出器４１に入射する集光レーザ光束は、コリメートレンズ１３により平行光束化されているので、集光レンズ４１Ａに入射したレーザ光束は「集光レンズ４１Ａの焦点面」上に集光する。ＰＳＤ４１Ｂは、その受光面を集光レンズ４１Ａの焦点面に合致させて配置されている。ＰＳＤ４１Ｂは制御手段４３の制御を受け、その出力は制御手段４３に取り込まれる。
【００６１】
図３に示すように、集光レンズ４１Ａは焦点距離：ｆ_２を有する。コリメートレンズ１３と集光レンズ４１Ａとは「アフォーカル系」を構成し、第２の位置検出手段としてのＰＳＤ４１Ｂ（図３には図示されていない）が検出する「集光レンズ４１Ａにより集光される光束の結像位置の基準軸ＡＸからのずれ量：Ｙ」は、コリメートレンズ１３に入射するレーザ光束の光軸の基準軸ＡＸからのずれ量：ξと以下の関係にある。
【００６２】
ｆ_２・ξ＝ｆ_１・Ｙ
従って、求めるずれ量：ξは、
ξ＝（ｆ_１／ｆ_２）Ｙ
の右辺を演算することで得ることができ、制御手段４３はこの演算を行う。
【００６３】
制御手段４３による演算で算出された光束径：Ｄ、ビームウエスト位置：δ（コリメートレンズ１３の物体側焦点位置との差）、光軸傾き角：θ、光軸ずれ量：ξは、図１に図示されない「表示ディスプレイ」に表示される。
【００６４】
上記測定が行われる間、測定系における反射光が戻り光束としてレーザ光束放射装置１０に戻ると測定に影響するが、このような戻り光束は偏向し１５と１／４波長板１７による「戻り光束遮断手段」によりレーザ光束放射装置１０に対して遮断される。
【００６５】
このようにして測定されたＤ、δ、θ、ξに基づき、レーザ光束放射装置１０における前述の「集束用レンズ」の光軸方向の位置や傾きの調整により、レーザ光束放射装置１０を適正な状態に調整できる。
【００６６】
即ち、図１〜図３に即して実施の形態を説明した集光レーザ光束測定装置は、測定対象となる集光性のレーザ光束を放射するレーザ光束放射装置１０を保持する保持具１１と、レーザ光束放射装置１０から放射されて、集光位置Ｐに集光した後の発散性のレーザ光束を平行光束化するべく焦点距離：ｆ_１を持つコリメート手段１３と、コリメート手段１３により平行光束化されたレーザ光束を２光束に分割するビームスプリット手段２１と、コリメート手段１３からビームスプリット手段２１を介して距離：ｆ_１だけ離れた位置に配置され、ビームスプリット手段２１により分割された一方の光束を受光し、光束の最大強度位置の基準軸からのずれ量：Ｘを検出する第１の位置検出手段３７と、焦点距離：ｆ_２を有しビームスプリット手段２１により２分割された他方の平行光束を集光させる集光手段４１Ａと、この集光手段により集光される光束の結像位置の、基準軸からのずれ量：Ｙを検出する第２の位置検出手段４１Ｂと、第１の位置検出手段３７により検出されるずれ量：Ｘと焦点距離：ｆ_１とから、光軸傾き角：θを演算：θ＝ｔａｎ^−１（Ｘ／ｆ_１）により算出し、第２の位置検出手段４１Ｂにより検出されるずれ量：Ｙと、焦点距離：ｆ_１、ｆ_２とにより、光軸ずれ：ξを演算：ξ＝Ｙ・ｆ_１／ｆ_２により算出する演算手段４３とを有する（請求項４）。
【００６７】
上記集光レーザ光束測定装置はまた、コリメート手段１３により平行光束化されたレーザ光束の一部を分岐させる光路分岐手段１９と、この光路分岐手段１９により分岐されたレーザ光束に基づき、集光レーザ光束の光束径：Ｄおよび／またはビームウエスト位置：δを測定するビームウエスト測定系２５、２９、３１を有する（請求項５）。
【００６８】
また、光路分岐手段１９は、コリメート手段１３とビームスプリット手段２１との間に配置され（請求項６）、コリメート手段１３の直後に、偏光子１５と１／４波長板１７とによる「戻り光束遮断手段」を有する（請求項７）。
【００６９】
さらに、測定される集光レーザ光束における光強度を調整するＮＤフィルタ手段２７、３５、３９を有する（請求項８）。
【００７０】
従って、上記実施の形態の集光レーザ光束測定装置によれば、レーザ光束放射装置１０から放射された集光性の集光レーザ光束の、光束光軸の基準軸ＡＸに対する光軸ずれ、基準軸に対する光軸傾き角、光束径、ビームウエスト位置のうちの、少なくとも光軸ずれと光軸傾き角とを同時に測定する方法であって、レーザ光束放射装置１０から放射されて集光位置に集光した後の発散性の集光レーザ光束を、焦点距離：ｆ_１を持つコリメート手段１３により平行光束化するとともに、平行光束化されたレーザ光束をビームスプリット手段２１により２光束に分割し、分割された一方の光束を、コリメート手段１３から距離：ｆ_１だけ離れた位置に配置した第１の位置検出手段３７に入射させ、第１の位置検出手段３７により検出される光束の最大強度位置の基準軸からのずれ量：Ｘと焦点距離：ｆ_１とから、光軸傾き角：θを演算：θ＝ｔａｎ^−１（Ｘ／ｆ_１）により算出し、ビームスプリット手段２１により２分割された他方の平行光束を、焦点距離：ｆ_２を持つ集光手段４１Ａを介して、第２の位置検出手段４１Ｂ上に結像させ、第２の位置検出手段４１Ｂにより検出される結像位置の基準軸からのずれ量：Ｙと、焦点距離：ｆ_１、ｆ_２とにより、光軸ずれ：ξを、演算：ξ＝Ｙ・ｆ_１／ｆ_２により算出する集光レーザ光束測定方法（請求項１）が実施される。
【００７１】
また、上記集光レーザ光束測定方法とともに、コリメート手段１３により平行光束化されたレーザ光束の一部を分岐させてビームウエスト測定系２５、２９、３１へ導き、この測定系により、集光レーザ光束の光束径：Ｄおよび／またはビームウエスト位置：δを測定する集光レーザ光束測定方法（請求項２、３）が実施される。
【００７２】
上の説明においては、コリメートレンズ１３とフォーカスレンズ２９との組合せ、コリメートレンズ１３と集光レンズ４１Ａとの組合せが、それぞれ「アフォーカル系」をなすとして説明を行ったが、コリメートレンズ１３により平行光束化されたレーザ光束は光束径が大きいので、上記の各組合せは、厳密なアフォーカル系である必要は無く、上記の演算が近似的に成り立つ範囲の「実質的なアフォーカル系」であれば良い。
【００７３】
【発明の効果】
以上に説明したように、この発明によれば新規な集光レーザ光束測定方法および装置を実現できる。この発明の方法・装置によれば、レーザ光束放射装置から放射された集光性のレーザ光束の、光束光軸の基準軸に対する光軸ずれ、基準軸に対する光軸傾き角、光束径、ビームウエスト位置のうちの、少なくとも光軸ずれと光軸傾き角とを同時に測定することができ、測定の効率が良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】集光レーザ光束測定装置の実施の１形態を説明するための図である。
【図２】図１の測定装置における光軸傾き角の測定を説明するための図である。
【図３】図１の測定装置における光軸ずれの測定を説明するための図である。
【符号の説明】
１０　　　レーザ光束放射装置
１１　　　保持具
１３　　　コリメートレンズ
１９、２１　　　ハーフミラー
３７　　　ＰＳＤ
４１　　　光軸ずれ検出器

Claims

レーザ光束放射装置から放射された集光性のレーザ光束の、光束光軸の基準軸に対する光軸ずれ、上記基準軸に対する光軸傾き角、光束径、ビームウエスト位置のうちの、少なくとも上記光軸ずれと光軸傾き角とを同時に測定する方法であって、
レーザ光束放射装置から放射されて集光位置に集光した後の発散性のレーザ光束を、焦点距離：ｆ_１を持つコリメート手段により平行光束化するとともに、平行光束化されたレーザ光束をビームスプリット手段により２光束に分割し、
分割された一方の光束を、上記コリメート手段から距離：ｆ_１だけ離れた位置に配置した第１の位置検出手段に入射させ、第１の位置検出手段により検出される、光束の最大強度位置の基準軸からのずれ量：Ｘと上記焦点距離：ｆ_１とから、光軸傾き角：θを演算：θ＝ｔａｎ^−１（Ｘ／ｆ_１）により算出し、
上記ビームスプリット手段により２分割された他方の平行光束を、焦点距離：ｆ_２を持つ集光手段を介して、第２の位置検出手段上に結像させ、第２の位置検出手段により検出される結像位置の基準軸からのずれ量：Ｙと、上記焦点距離：ｆ_１、ｆ_２とにより、光軸ずれ：ξを演算：ξ＝Ｙ・ｆ_１／ｆ_２により算出することを特徴とする集光レーザ光束測定方法。
請求項１記載の集光レーザ光束測定方法において、
コリメート手段により平行光束化されたレーザ光束の一部を分岐させてビームウエスト測定系へ導き、このビームウエスト測定系により、集光レーザ光束の光束径：Ｄを測定することを特徴とする集光レーザ光束測定方法。
請求項１または２記載の集光レーザ光束測定方法において、
コリメート手段により平行光束化されたレーザ光束の一部を分岐させてビームウエスト測定系へ導き、このビームウエスト測定系により、集光レーザ光束のビームウエスト位置を測定することを特徴とする集光レーザ光束測定方法。
請求項１記載の集光レーザ光束測定方法を実施する装置であって、
測定対象となる集光性のレーザ光束を放射するレーザ光束放射装置を保持する保持具と、
上記レーザ光束放射装置から放射されて、集光位置に集光した後の発散性のレーザ光束を平行光束化するべく、焦点距離：ｆ_１を持つコリメート手段と、
このコリメート手段により平行光束化されたレーザ光束を２光束に分割するビームスプリット手段と、
上記コリメート手段から上記ビームスプリット手段を介して距離：ｆ_１だけ離れた位置に配置され、上記ビームスプリット手段により分割された一方の光束を受光し、光束の最大強度位置の基準軸からのずれ量：Ｘを検出する第１の位置検出手段と、
焦点距離：ｆ_２を有し、上記ビームスプリット手段により２分割された他方の平行光束を集光させる集光手段と、
この集光手段により集光される光束の結像位置の、基準軸からのずれ量：Ｙを検出する第２の位置検出手段と、
第１の位置検出手段により検出されるずれ量：Ｘと上記焦点距離：ｆ_１とから、光軸傾き角：θを演算：θ＝ｔａｎ^−１（Ｘ／ｆ_１）により算出し、第２の位置検出手段により検出されるずれ量：Ｙと、上記焦点距離：ｆ_１、ｆ_２とにより、光軸ずれ：ξを演算：ξ＝Ｙ・ｆ_１／ｆ_２により算出する演算手段とを有することを特徴とする集光レーザ光束測定装置。
請求項４記載の集光レーザ光束測定装置において、
コリメート手段により平行光束化されたレーザ光束の一部を分岐させる光路分岐手段と、
この光路分岐手段により分岐された上記レーザ光束の一部を集束させた集束レーザ光束に基づき、集光レーザ光束の光束径：Ｄおよび／またはビームウエスト位置を測定するビームウエスト測定系を有し、請求項２または３記載の集光レーザ光束測定方法を実施する集光レーザ光束測定装置。
請求項５記載の集光レーザ光束測定装置において、
光路分岐手段が、コリメート手段とビームスプリット手段との間に配置されることを特徴とする集光レーザ光束測定装置。
請求項３または４または５または６記載の集光レーザ光束測定装置において、
コリメート手段の直後に、偏光子と１／４波長板とによる戻り光束遮断手段を有することを特徴とする集光レーザ光束測定装置。
請求項３〜７の任意の１に記載の集光レーザ光束測定装置において、
測定されるレーザ光束における光強度を調整するＮＤフィルタ手段を有することを特徴とする集光レーザ光束測定装置。