JPH0572030A - スポツト径測定装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 短かい測定時間で高精度の測定を実現し得る
スポット径測定装置を提供する。 【構成】 回転するポリゴンミラー２１の１つの面で光
束Ｌ₁ を反射するとともに回動し、このように回動走査
される光束Ｌ₁ をスリット２３を介して光検出器２２に
入射させることにより光束Ｌ₁ の光束径を求める場合に
おいて、光検出器２２で検出した光強度分布特性上にお
ける光強度の最大値に対し半分の値以上になる期間をク
ロックパルスにより検出し、かかる半値幅の時間間隔に
基づき前記光束径を検出するようにしたものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はスポット径側測定装置に
関し、レーザビームなどのスポット径を測定する場合に
用いて有用なものである。

【０００２】

【従来の技術】レーザビームのスポット径は、高精度を
保持して迅速に測定しなければならない。従来技術に係
るこの種の測定装置としては、ナイフエッジを具備した
チョッパを走査する装置が知られている。

【０００３】図４は、従来技術に係るスポット径測定装
置を示すブロック線図、図５はレーザビーム走査出力と
チョッパのナイフエッジ位置との関係を示すグラフであ
る。

【０００４】図４に示すように、測定対象としてのレー
ザビームＩの光路上にチョッパ１のナイフエッジ２を配
置した状態で走査すると、走査の過程においてナイフエ
ッジ２により遮ぎられないレーザビームＩは、集光レン
ズ３を通過してディテクタ４に入力されるので、ナイフ
エッジ２の位置により図５に示したごとく変化する。図
５で縦軸はレーザビームＩの走査出力を表わし、走査出
力が１００％である状態とはレーザビームＩをナイフエ
ッジ２が全く遮らない場合であり、また０％である状態
とはレーザビームＩがナイフエッジ２により全て遮られ
ている状態である。また横軸Ｌはナイフエッジの位置を
示す。この場合レーザビームＩのスポット径（Ｗとす
る）は走査出力の９０％と１０％との間に相当するナイ
フエッジの差をｌとしてＷ＝０．７８ｌと定義されるの
で走査出力がそれぞれ９０％，１０％である場合のナイ
フエッジ位置Ｌ₁ ，Ｌ₂ を求めればｌ＝Ｌ₂ −Ｌ₁ で簡
単に求められる。すなわち、前述のディテクタ４からの
出力はサンプリングゲート５に入力され、サンプリング
ゲート５ではサンプリング処理が施され、一旦波形記憶
装置６に記憶されたのち処理装置７により処理される。
処理装置７による処理結果としてのレーザビームのスポ
ット径の値は表示装置８に表示されるので、レーザビー
ムのスポット径が時々刻々変化したり、あるいはレーザ
出力が変動する場合でも記録表示される。このような操
作は制御装置９によって制御される。

【０００５】かかる従来装置においてもスポット径は測
定し得るが、次のような問題点を有する。

【０００６】１） チョッパを機械的に往復運動させる
ので、光学機器に与える振動が大きい。

【０００７】２） チョッパを往復運動させているので
単位時間当たりのレーザビームをスキャンする走査回数
が少なく応答性が悪い。

【０００８】３） レーザビームパターンが単純なもの
しか精度良く測定できない。

【０００９】上述の如き問題点を解決するレーザビーム
のスポット径測定方式として特開昭５７−１９４３２１
号公報で開示された技術がある。これは、図６に示すよ
うに、被測定レーザビームＩを一次元の集光レンズ１１
を介して一方向成分のみとしてロータリーエンコーダ１
３を具備した駆動装置により回転される多面鏡１２に照
射し、この多面鏡１２により走査された反射レーザビー
ムＩ′を前面にスリット１６が配置された受光素子１５
に入射させ、この受光素子１５からの受光信号IIと、前
記ロータリーエンコーダ１３より得られる角度信号III
およびスポット径演算しきい率設定部１７により予め設
定されたしきい率IVを演算処理部１９に入力し、演算処
理部１９において受光信号Ｉの最大値としきい率IVを演
算してしきい値を求め、受光信号IIの受光値としきい値
とを比較し、受光値がしきい値以上の回転角範囲を前記
角度信号から求め、このときの回転角範囲を寸法に変換
してビームスポット径を得、これを表示部１８に表示す
るようになっている。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】図６に示すスポット径
測定方式は、振動による光学機器への悪影響が少なくな
り、精度の良い測定が可能になるという利点はあるが、
多面鏡１２の回転角度と受光素子１５が検出する光強度
に基づきスポット径を演算により検出しているため、演
算のためのカウンタの構成が複雑になり応答時間が遅く
なる分だけ測定の迅速性の点で問題が残るものとなって
いる。

【００１１】本発明は、上記従来技術に鑑み、短かい測
定時間で高精度の測定を実現し得るスポット径測定装置
を提供することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成する本発
明の構成は、

【００１３】光源から出射するスポット光の光束を反射
するとともに、反射した光束が回動するよう回転駆動さ
れる多面鏡と、多面鏡の一面で反射されて回動する光束
を検出し、この光束の光強度を最大値を記憶するととも
に、多面鏡の次の面で反射された光束の光強度が前記最
大値に対して所定の割合になる時間を記憶し、この時間
と多面鏡の回転速度とから光束の光束径を求める光束径
検出手段とを有することを特徴とする。

【００１４】

【作用】上記構成の本発明によれば、反射した光束の光
強度が、その最大値に対して所定の割合になる時間に基
づき、光強度分布特性上における前記所定割合の幅を求
めることができ、この幅に基づき前記光束の光束径を検
出する。

【００１５】

【実施例】以下本発明の実施例を図面に基づき詳細に説
明する。

【００１６】図１は本発明の実施例の構成の概略を示す
説明図である。同図に示すように、多面鏡であるポリゴ
ンミラー２１はその一面の中心を通り、しかも回転軸２
１ａの軸方向（図面の紙面に直角な方向）に沿う中心線
と、光源から照射されるスポット光である光束Ｌ₁ の中
心線とが、その回転に伴ない交叉するような位置に配設
されて回転可能に構成してある。かくして、ポリゴンミ
ラー２１は、その１つの面に入射した光束Ｌ₁ を反射し
て回動する。

【００１７】光検出器２２は、前記ポリゴンミラー２１
の一面の図中上方で、この一面の中心を通り、前記光束
Ｌ₁ の中心線と直交する線上に配設してあり、前記回転
軸２１ａの軸方向と平行に伸びるスリット２３を介して
ポリゴンミラー２１で回動する光束Ｌ₁ が入射するよう
になっている。

【００１８】光源２４、コリメートレンズ２５及び光検
出器２６は、測定のタイミングの同期をとるためのもの
である。これらのうち、光源２４及びコリメートレンズ
２５は、ポリゴンミラー２１の図中上下方向の中心線に
対し線対象となる位置にあるこのポリゴンミラー２１の
他の面の上方に配設してある。かくして、コリメートレ
ンズ２５の光軸は、ポリゴンミラー２１の前記他の面の
中心で光束Ｌ₁ の中心線と直交するようになっている。
また、光検出器２６は、その中心が光束Ｌ₁ の中心線上
にくるような位置に配設してある。かくして、光束Ｌ₁
がポリゴンミラー２１の前記一面で反射して光検出器２
２に入射する状態と等価な状態を、光源２４から出射し
た光束Ｌ₂ が、ポリゴンミラー２１の前記他の面で反射
して光検出器２６に入射することで実現し得るようにな
っている。

【００１９】図２は本実施例に係る光束径検出手段を示
すブロック線図である。この光束径検出手段は、ポリゴ
ンミラー２１で反射されて回動する光束Ｌ₁を光検出器
２２で検出し、この光束Ｌ₁ の光強度の最大値を記憶す
るとともに、ポリゴンミラー２１の次の面で反射された
光束Ｌ₁ の光強度が前記最大値に対して所定の割合（本
実施例では半分）になる時間を記憶し、この時間とポリ
ゴンミラー２１の回転速度とから光束Ｌ₁ の光束径を求
めるものであり、図１に示す光検出器２２及び同期系を
構成する光源２４、コリメートレンズ２５、光検出器２
６を含むものである。

【００２０】図２に示すように、光検出器２２は、入射
した光束Ｌ₁ を電気信号に変換し、この光束Ｌ₁ の光強
度を表わす光強度信号Ｓ₁ を、アンプ２７を介してＡ／
Ｄ変換器２８に供給する。Ａ／Ｄ変換器２８は、前記光
強度信号Ｓ₁ をディジタル信号に変換してピークホール
ド回路２９及び半値期間検出回路３０に供給する。発振
器１１は、サンプリングタイミングを規定するクロック
パルスＳ₂ をＡ／Ｄ変換器２８、ピークホールド回路２
９及び半値期間検出回路３０に供給する。かくして、ク
ロックパルスＳ₂ の立上りで光検出器２２の出力信号で
ある光強度信号Ｓ₁ がＡ／Ｄ変換器２８に取り込まれて
ディジタル信号に変換されるとともに、このディジタル
信号がピークホールド回路２９及び半値期間検出回路３
０に供給される。ピークホールド回路２９は、ポリゴン
ミラー２１による１回目の走査期間、すなわちポリゴン
ミラー２１のある一面で光束Ｌ₁ を回動する期間におけ
る光強度信号Ｓ₁ の最大値を記憶する。半値期間検出回
路３０は、ポリゴンミラー２１による次の走査期間、す
なわちポリゴンミラー２１の次の一面で光束Ｌ₁ を回動
する期間において漸増する光強度信号Ｓ₁ の最大値の半
分の値に達した時点から最大値を経て漸減し、再度、最
大値の半分の値に達した時点迄の時間を、ピークホール
ド回路２９の記憶内容を参照して検出するとともに、こ
の検出の結果得られる光強度信号Ｓ₁ の最大値の半分以
上の値である時間を表わす半値期間信号Ｓ₃ をスポット
径計算部３４に送出する。

【００２１】同期系を構成する光検出器２６は、入射し
た光束Ｌ₂ を電気信号に変換し、この光束Ｌ₂ の光強度
を表わす光強度信号に基づくトリガ信号Ｓ₃ を、アンプ
３２を介してＡ／Ｄ変換器２８及びカウンタ３３に供給
する。かくして、Ａ／Ｄ変換器２８は、例えば光束Ｌ₂
の入射を検出した時点で発生するトリガ信号Ｓ₃ の供給
により光強度信号Ｓ₁ のサンプリングを開始するととも
に、カウンタ３３はトリガ信号Ｓ₃ の供給毎に、すなわ
ち光束Ｌ₁ の走査毎にその出力状態がＨｉｇｈ若しくは
Ｌｏｗ状態となる。

【００２２】カウンタ３３の出力状態によりピークホー
ルド回路２９若しくは半値期間検出回路３０の何れか一
方が動作する。すなわち、光束Ｌ₁ のある走査期間が、
光強度信号Ｓ₁ の最大値を検出する走査期間であるか、
最大値の半値期間を検出する走査期間であるかを識別す
る必要があるが、１回の走査毎にカウンタ３３の内容を
更新し、その出力信号をスイッチング信号とすることに
より前記走査期間の何れであるかを識別してピークホー
ルド回路２９及び半値期間検出回路３０の何れか一方を
選択的に動作させている。

【００２３】ドライバ３５はモータ３６を駆動するとと
もに、このモータ３６の回転速度を表わす回転速度信号
Ｓ₄ をスポット径計算部３４に送出する。モータ３６
は、ドライバ３５により駆動されてポリゴンミラー２１
を回転させる。

【００２４】スポット径計算部３４は、半値期間信号Ｓ
₃ 及び回転速度信号Ｓ₄ に基づき光束Ｌ₁ の光束径を求
め、この光束径を表わす光束径信号Ｓ₅ を送出する。

【００２５】上記実施例によれば、光束Ｌ₁ の光強度
が、その最大値に対して半分の値になる時間に基づき、
前記光束Ｌ₁ の光強度分布特性上における半値幅を、こ
の半値幅に対応するクロックパルスＳ₂ の数として求め
ることができる。

【００２６】さらに詳言すると、光検出器２２で検出す
る光束Ｌ₁ の光強度分布特性はポリゴンミラー２１の回
転に伴ない、図３に示すような特性となる。したがっ
て、図３に示すような光強度分布特性上で光強度が最大
値の半分の値をスレッショルドとし、このスレッショル
ド以上の値になる期間である半値幅Ｗを検出して光束Ｌ
₁ の光束径を演算することができる。

【００２７】上述の如き光束径の検出は、光検出器２６
に基づくトリガ信号Ｓ₃ の立上りにより開始され、モー
タ３６により回転駆動されるポリゴンミラー２１の１つ
の面による光束Ｌ₁ の１回目の回動・走査の際、カウン
タ３３の出力状態で規定される、例えばピークホールド
期間では、光束Ｌ₁ の最大値を検出するとともに、ポリ
ゴンミラー２１の次の面による光束Ｌ₁ の２回目の回動
・走査の際には、カウンタ３３の出力状態が変化するの
で、例えば半値幅検出期間となり、半値期間検出回路１
０によりクロックパルスＳ₂ に基づき半値期間を検出し
て半値期間信号Ｓ₃ を送出する。その後、スポット径計
算部３４で、光束Ｌ₁ の光束径を演算する。

【００２８】

【発明の効果】以上実施例とともに具体的に説明したよ
うに、本発明によれば、スリットを介して入射する測定
対象である光束の光強度分布上における光強度の最大値
に対する所定割合の期間を時間間隔として検出している
ので、スポット径の所定の測定を迅速、且つ高精度に実
施し得る。

【００２９】ちなみに、図６に示す従来技術に係る装置
におけるロータリーエンコーダ１３の分割数を１８，０
００パルス／回転とすると、演算に要する電気的応答速
度範囲は、通常（１００／１８，０００）×１０³ ×６
０＝３３３（回転／分）程度となる。

【００３０】これに対し、本発明に係る装置におけるサ
ンプリング数を１０，０００点、クロック周波数を３．
２ＭＨｚとすると、（３．２×１０⁶ ／１０，０００）
×（１／８）×６０＝２，４００回転／分となり、従来
技術に較べ測定速度が飛躍的に向上することが分かる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例の構成の概略を示す説明図であ
る。

【図２】前記実施例に係る光束検出手段を示すブロック
線図である。

【図３】前記実施例において検出される光束Ｌ₁ の光強
度分布を示すグラフである。

【図４】従来技術に係るスポット径測定装置を示すブロ
ック線図である。

【図５】図４において、レーザビーム走査出力とチョッ
パのナイフエッジ位置との関係を示すグラフである。

【図６】従来技術に係る他のスポット径測定装置を示す
ブロック線図である。

【符号の説明】

２１ ポリゴンミラー ２２，２６ 光検出器 ２３ スリット Ｌ₁ 光束

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源から出射するスポット光の光束を反
   射するとともに、反射した光束が回動するよう回転駆動
   される多面鏡と、 多面鏡の一面で反射されて回動する光束を検出し、この
   光束の光強度を最大値を記憶するとともに、多面鏡の次
   の面で反射された光束の光強度が前記最大値に対して所
   定の割合になる時間を記憶し、この時間と多面鏡の回転
   速度とから光束の光束径を求める光束径検出手段とを有
   することを特徴とするスポット径測定装置。