JPH09152373A

JPH09152373A - 光量計測装置

Info

Publication number: JPH09152373A
Application number: JP7313965A
Authority: JP
Inventors: Kajiro Ushio; 嘉次郎潮
Original assignee: Nikon Corp
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1995-12-01
Filing date: 1995-12-01
Publication date: 1997-06-10

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】広域にわたる光量範囲及び／または波長範囲
の光にかかる光量計測を可能とした光量計測装置を提供
する。【解決手段】音響発生部材１７に光を断続的に照射し
たときの光吸収に起因する該部材の体積変化により発生
する音響信号を計測することにより、前記光の光量を計
測する光量計測装置であり、少なくとも、前記音響発生
部材１７、前記光の光源１０、該光源１０からの光を前
記音響発生部材１７に集光して照射する集光光学系１
６、前記音響発生部材１７が音響整合をとられた状態に
て保持されるホルダー、及び該ホルダーまたは前記音響
発生部材１７に音響整合をとられた状態にて設けられた
音響検知素子２０を備えた光量計測装置において、前記
音響発生部材１７を複数個の光吸収部材の中から前記光
の光量範囲及び／または波長範囲に応じて選択される一
つの光吸収部材とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光量計測装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】様々な光応用技術の進展に伴い、光学計
測の要求は益々高度化している。特に近年の傾向として
は、可視光に比べて波長が非常に長い、或いは短い光の
利用に関心が集まっていることが挙げられる。特に超短
波長の光では、各種エキシマレーザ等が微細加工やリソ
グラフィに用いられ、そのための計測評価が不可欠にな
りつつある。

【０００３】各種光学的計測のうち、光量計測は最も基
本的なものの一つである。一般的な光量計測方法として
は、フォトダイオード等の半導体タイプのセンサや光電
子増倍管（いわゆるフォトマル）を用いた計測方法があ
る。これらは基本的に、光照射により固体中あるいは真
空中に励起生成された光電子をカウントする方式による
計測方法である。

【０００４】これらの計測方法とは別に、照射光吸収に
よる受光部の温度変化を計測する方法も存在し、ワット
メータやジュールメータ等の光量測定機において使用さ
れている。この計測方法では、熱に変換された吸収光が
熱起電力として計測されたり（サーモパイル型、サーモ
ディスク型）、焦電効果による生成電荷として計測され
る（パイロ型）。

【０００５】前記の各計測方法はそれぞれ特徴を有し、
場合に応じて使い分けられている。一般に、応答速度、
感度などに優れているのが光電子検出による計測方法で
あり、また広帯域な波長対応、対応エネルギーレンジの
大きさ、耐久性、安定性などに優れているのが熱変換に
よる計測方法である。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上述したように、光量
計測の各方法はそれぞれ、原理的なものに起因する特徴
を有し、それぞれ使われる場面が異なっている。フォト
ダイオードやフォトマルを用いた光電子検出による計測
方法は、最も一般的な計測方法であり、応答性、感度に
おいて優れた方法であるが、問題点も存在する。

【０００７】即ち、特に波長が非常に短くなると、波長
感度がなくなったり、リニアリティ（光強度と出力の線
形関係）の範囲が小さくなることなどに起因して計測が
困難になる場合が多いという問題点がある。フォトマル
を用いた計測方法では、出力の長期安定性が良くないと
いう問題点がある。また、各種加工用に用いられるパル
スレーザーなど、大きなエネルギーの光が照射される
と、光学タイプの受光部は劣化をおこしやすく、所定の
性能を保持できない場合があり問題点となっている。

【０００８】光強度が大きいときには、何らかの減光を
行なって受光部へ入力される強度を低下させているが、
その場合には、減光手段であるフィルタ等の安定性が悪
いことがあり問題点となっている（特に、よく用いられ
るインコネル膜やクロム膜の透過率が強い光の照射によ
り変動することは知られている）。一方、熱変換型の素
子を用いた計測方法では、吸収による熱生成を利用した
計測であるため、波長感度域は広く（短波長域でも感度
があり）、波長による変化を小さくすることができ、較
正も容易である。

【０００９】また、受光部の耐久性は一般に大きく、エ
キシマレーザ等の高出力にも減光なしで対応でき、計測
できるエネルギーレンジも広い。さらに、長期にわたっ
て出力の安定性も得やすいという利点もある。しかし、
熱に変換するという計測方法であるため、応答速度は光
電子検出による計測方法と比較して遅く、特にサーモパ
イル型やサーモディスク型では数秒になる（このこと
は、単発のパルス形状の照射計測には不適当である）と
いう問題点がある。また、感度の点でも劣ることは否め
ず問題点となっている。しかも、半導体タイプの受光ヘ
ッドと比較して高価であるという問題点がある。

【００１０】さらに、上記すべての計測方法に対して言
えることであるが、受光部は計測光をほぼ１００％吸収
して検出する。このことは、光量計測をしながら、計測
光を用いて別の操作（加工、測定など）を行なう必要が
ある場合には、光路を分岐して計測する必要があるとい
うことを示す。しかし、光路を分岐するには、分岐のた
めに用いる光学部品の安定性にも留意しなければなら
ず、煩雑になるという問題点がある。

【００１１】このように、従来の計測方法はそれぞれ問
題点をかかえており、適宜性能のバランスを図りながら
用いられている。しかるに、十分に満足のいく性能が得
られない場合も多い。例えば、現在要請が増大している
エキシマパルスレーザーの光量計測に際しては、熱変換
による計測方法が主に用いられているが、上述したよう
に、サーモパイル、サーモディスクタイプにおいては、
その応答速度の遅さ故、ワンパルス毎の計測は困難であ
り、平均光量の計測（ワットメータ）にならざるを得な
いという問題点がある。

【００１２】また、パイロタイプの場合は、パルス計測
が可能になるが、精度が劣るという問題点がある。さら
に、未だに双方とも高価であることも、問題点と言え
る。以上の問題点を解決すべく我々は、物質の光音響を
計測することにより光量を計測する装置を発明して出願
した（特願平７- ２４５７９４、未公開）。この光量計
測装置は、音響発生部材に光を断続的に照射したときの
照射光吸収に起因する該部材の体積変化により発生する
音響信号を計測することにより、前記照射光の光量を計
測するものであり、比較的高精度で、高速の光量計測が
安価に実現できるという利点を有する。

【００１３】本発明は、比較的高精度で、高速の光量計
測が安価に実現できる前記光量計測装置の性能をさらに
向上させて、広域にわたる光量範囲及び／または波長範
囲の光にかかる光量計測を可能とした光量計測装置を提
供することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】そのため、本発明は第一
に「音響発生部材に光を断続的に照射したときの光吸収
に起因する該部材の体積変化により発生する音響信号を
計測することにより、前記光の光量を計測する光量計測
装置であり、少なくとも、前記音響発生部材、前記光の
光源、該光源からの光を前記音響発生部材に集光して照
射する集光光学系、前記音響発生部材が音響整合をとら
れた状態にて保持されるホルダー、及び該ホルダーまた
は前記音響発生部材に音響整合をとられた状態にて設け
られた音響検知素子を備えた光量計測装置において、前
記音響発生部材を複数個の光吸収部材の中から前記光の
光量範囲及び／または波長範囲に応じて選択される一つ
の光吸収部材とし、前記複数個の光吸収部材の各光吸収
率を前記光量範囲及び／または波長範囲に対応させて、
それぞれ異なる値に設定し、かつ前記光量範囲及び／ま
たは波長範囲に応じて、前記音響発生部材として選択さ
れるすべての光吸収部材の前記音響検知素子に対する音
響伝搬条件を一定にしたことを特徴とする光量計測装置
（請求項１）」を提供する。

【００１５】また、本発明は第二に「前記音響発生部材
として選択されるすべての光吸収部材に対する前記光の
照射位置を、前記音響検知素子に対して音響伝搬的に等
価な位置に設定したことを特徴とする請求項１記載の光
量計測装置（請求項２）」を提供する。また、本発明は
第三に「前記複数個の光吸収部材は、それぞれ別体であ
り、前記光量範囲及び／または波長範囲に応じて、前記
音響発生部材として選択された一つの光吸収部材が前記
ホルダーにより保持されてなり、かつ、該光吸収部材に
対する音響伝搬条件が一定となるように、該ホルダーま
たは光吸収部材に前記音響検知素子が設けられているこ
とを特徴とする請求項１または２記載の光量計測装置
（請求項３）」を提供する。

【００１６】また、本発明は第四に「前記複数個の光吸
収部材は一体の部材に形成され、該一体の部材が前記ホ
ルダーに保持されてなり、各光吸収部材に対する音響伝
搬条件が一定となるように、該一体の部材またはホルダ
ーに前記音響検知素子が設けられ、かつ、前記光量範囲
及び／または波長範囲に応じて、前記音響発生部材とし
て選択する一つの光吸収部材に前記光が照射されるよう
に位置制御する機構が更に設けられていることを特徴と
する請求項１または２記載の光量計測装置（請求項
４）」を提供する。

【００１７】また、本発明は第五に「前記複数個の光吸
収部材のそれぞれは、基板上に形成した薄膜であること
を特徴とする請求項３または４記載の光量計測装置（請
求項５）」を提供する。また、本発明は第六に「前記複
数個の光吸収部材のそれぞれは、同一材料及び同一形状
の基板上に形成した薄膜であることを特徴とする請求項
３記載の光量計測装置（請求項６）」を提供する。

【００１８】また、本発明は第七に「前記複数個の光吸
収部材に対応する各薄膜は、その膜厚がそれぞれ異なる
他は、同一材料を用いて同一成膜条件で形成されてなる
ことを特徴とする請求項５または６記載の光量計測装置
（請求項７）」を提供する。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、本発明にかかる、光量計測
の原理を説明する。物質に光が照射されて吸収される
と、無輻射遷移の結果、熱が生成する。断続光が照射さ
れた場合には、加熱と冷却により、その物質の膨張およ
び緩和が音響波を形成する。

【００２０】音響波の強度や位相により、物質の無輻射
遷移に関する様々な情報を得ることができる。この情報
から光を照射した物質の物性を解析する方法は光音響法
と呼ばれる。音響は、マイクロフォンや、サンプル又は
そのホルダーにとりつけた圧電素子トランスデューサ
（音響検知素子の一例）などにより、電気信号に変換し
て検出する。この音響信号から、各物質材料の光吸収量
を算出する吸収計測が提案されており、この方法は比較
的簡便に行なえ、計測感度も高いことから、液体、粉
体、薄膜材料などに広く試みられている。

【００２１】音響波信号の大きさと光吸収量の関連は、
様々なケースで理論的に計算が試みられている（例えば
論文J.Appl.Phys, vol.47,No1, pp64. J.Appl.Phys, vo
l.51,No6, pp3343. Can.J.Phys,vol.64,pp147 など）
が、低吸収の領域においては、音響信号（圧力信号）
と、吸収され（熱に変換され）た光量とは比例関係にあ
るというのが、一般的に共通した結果であり、このこと
は実験的にも観察されている。

【００２２】ここでいう低吸収の領域とは、音響発生に
関わる諸物性定数である比熱、膨張係数などが光強度に
依存せず、一光子吸収が支配的であるような部分であ
る。この範囲は、物質によって異なるが、通常、光強度
として４桁以上の範囲で音響信号のリニアリティを持つ
ことが知られている（Rev.Sci.Instrum.57(11)p2754(19
86) など）。

【００２３】この原理を用いて光強度（光量）を計測す
るには、例えば図１に示すように、計測すべき光の照射
位置に音響発生部材２を配置して、その音響を計測すれ
ばよい。この例では、部材２のホルダー１に取り付けた
音響検知素子４により音響を検知計測している。音響強
度を大きくとり、パルス光源による音響をも測定するに
は、このような接触音響計測が適している。接触にあた
っては、音響マッチング材６を用いて適切に音響整合を
とっている。

【００２４】音響信号を評価する方法は様々であるが、
音響信号を時間的にみたときの、あるピーク値に注目し
た計測や、波長分解したときの特定周波数における強度
の観察（波長成分観察）などが一般的である。なお、ノ
イズ低減の点では、波長成分観察が好ましい。いずれの
信号（評価値）も光強度に比例するので、予め比例係数
を与えておけば、評価値から光強度（光量）を即座に知
ることができる。音響信号は、熱緩和と同程度のオーダ
（ｐｓｅｃオーダ）で発生し、音響伝搬の時間を考慮し
ても数μｓｅｃ〜数十μｓｅｃでの計測が可能であり、
他の熱変換計測方法と比較して高速の計測が可能にな
る。特にパルス光の計測に有効である。

【００２５】また、感度の点では、機械的音響雑音や電
磁雑音の点で注意を要するが、これを除去できれば、熱
雑音の影響などについては熱変換計測方法より有利であ
り、これらよりも優れた感度を達成できる。なお、機械
的音響雑音や電磁雑音の除去は、信号取込み時間の適切
な設定、計測周波数の適切な選別により可能であること
を我々は確認している。

【００２６】本発明にかかる音響による光量検出を用い
た光量計測装置によれば、比較的簡単な装置構成が可能
である。その結果、装置が安価である。また、応答速度
がはやく、しかも高精度の光量測定が可能である。本発
明にかかる光量計測は、多くの半導体タイプより幅広い
光量レンジでの計測が可能ではあるが、より正確かつ安
定に光量を計測するために、音響発生部材を適時変更す
ることが好ましい。

【００２７】これは、計測光に対する音響発生部材の光
吸収率が大きすぎると、光吸収量と音響信号の間の線形
関係が崩れたり、様々の材料劣化を起こしやすくなっ
て、計測にあたっての不都合が起こるからである。そこ
で、広域にわたる光量範囲及び／または波長範囲の光に
かかる光量計測にあたっては、一種類の音響発生部材だ
けではなく、前記光量範囲及び／または波長範囲に応じ
て、それぞれ異なる光吸収率を有する音響発生部材を複
数個用意することが好ましい。

【００２８】即ち、計測対象光の光量範囲及び／または
波長範囲に応じて、どのような材料を音響源（音響発生
部材）として用いるかが重要であり、計測対象光に対し
てできるだけ安定で、しかもある程度の強さの音響を発
生する材料が好ましい。例えば、強い光を計測する場合
には光吸収率の小さな音響発生部材を、弱い光を計測す
る場合には光吸収率の大きな音響発生部材をそれぞれ使
用することが好ましい。また、光の波長によっても材料
（音響発生部材）の光吸収率は変化するので、異なる波
長の光の計測においても、音響発生部材を交換すること
が好ましい。

【００２９】これらは、従来の光量計測において、適切
な減光手段を講ずる（例えばフィルタ挿入など）ことに
対応する。異なる波長の光の計測にあたっても同様であ
る。しかしながら、音響発生部材を交換して行うかかる
光量計測の場合には、異なる音響発生部材による各音響
信号値の較正が必要となり、計測が煩雑になる。例え
ば、音響発生部材を交換する度に毎回、音響検知素子
や、音響検知素子が固定されたホルダーに対する音響整
合をとりながら、音響発生部材のセッティングを行うと
すれば、その度に音響信号値を光量値に較正しなおす手
間が必要になる。

【００３０】そこで、本発明の光量計測装置において
は、音響発生部材を複数個の光吸収部材の中から照射光
の光量範囲及び／または波長範囲に応じて選択される一
つの光吸収部材とし、前記複数個の光吸収部材の各光吸
収率を前記光量範囲及び／または波長範囲に対応させ
て、それぞれ異なる値に設定し、かつ、前記光量範囲及
び／または波長範囲に応じて、前記音響発生部材として
選択されるすべての光吸収部材の前記音響検知素子に対
する音響伝搬条件を一定にした（請求項１）。

【００３１】本発明の光量計測装置では、照射光の光量
範囲及び／または波長範囲に応じて、複数個の光吸収部
材の中から音響発生部材として適切な光吸収部材が選択
され、また選択されるすべての光吸収部材の前記音響検
知素子に対する音響伝搬条件が一定である。そのため、
本発明の光量計測装置によれば、前記複数個の光吸収部
材の中から照射光の光量範囲及び／または波長範囲に応
じて適切な光吸収部材を選択して、該光吸収部材に光を
照射することにより、広域にわたる光量範囲及び／また
は波長範囲の光にかかる光量計測を簡便に行うことがで
きる。

【００３２】音響発生部材として選択されるすべての光
吸収部材の前記音響検知素子に対する音響伝搬条件を一
定とするために、本発明の光量計測装置においては、音
響発生部材として選択されるすべての光吸収部材に対す
る光の照射位置を、音響検知素子に対して音響伝搬的に
等価な位置に設定することが好ましい（請求項２）。ま
た、本発明の光量計測装置において、前記複数個の光吸
収部材は、それぞれ別体であり、前記光量範囲及び／ま
たは波長範囲に応じて、前記音響発生部材として選択さ
れた一つの光吸収部材が前記ホルダーにより保持されて
なり、かつ、該光吸収部材に対する音響伝搬条件が一定
となるように、該ホルダーまたは光吸収部材に前記音響
検知素子が設けられいることが好ましい（請求項３）。

【００３３】複数個の光吸収部材がそれぞれ別体の場合
には、例えば、特願平7-160312（本出願人による出願、
未公開）や図４のように、ホルダー内の液中に光吸収部
材を保持する機構とすれば、細かな調節（音響信号をモ
ニタしながら音響マッチングをとっていくなど）を行わ
なくても光吸収部材を交換する際の音響伝搬条件の再現
性が非常に良好となるので好ましい。

【００３４】さらに、前記複数個の光吸収部材がそれぞ
れ別体の場合には、例えば、音響検知素子とそれぞれ音
響整合的に接続固定され、音響信号と光量の関係が一定
既知の光吸収部材を複数個用意しておけば、光吸収部材
を交換する際の音響伝搬条件の再現性が非常に良好とな
るので好ましい。異なる音響源（光吸収部材）に対する
音響伝搬を一定にすることは、このように各音響源に接
続固定した別々の音響検知素子により行なうことができ
るが、音響検知素子が一個の場合でも可能であり、この
方が安価である。

【００３５】これは、音響検知素子に対する音響源（光
吸収部材）の光照射位置の幾何的配置を対称にし、音響
源と音響検知素子またはホルダーとの接触条件を同じに
することにより可能である。例えば、図１に示すよう
に、金属製ホルダー１に接着剤５により音響検知素子４
を固定し、適切なマッチング材料６を介して該ホルダー
１に、薄膜を形成した同一形状の複数の基板（複数の光
吸収部材の一例）２を音響検知素子４に対して等距離に
セッティングする。

【００３６】この図の例では、材料及び光吸収率がそれ
ぞれ異なる薄膜を形成した円形ペレット状の基板を４枚
セットした形になっている。ホルダー１の厚みは一定で
あり、また音響検知素子４が、ホルダー端面からの反射
波もあわせて計測する場合も考慮して、ホルダー１の端
面形状も音響検知素子４に対して対称にしている。ホル
ダー１と基板２の接合をとるに際しては、音響を計測し
ながら調整して音響的な接合条件が同じになるようにす
る。具体的にはマッチング材（グリースなどが一般的）
６の量や押さえ付け圧力などを調節する。

【００３７】このようにして、同じ音響伝搬条件におか
れた複数個の音響源からの信号は波形が同じになり、直
接比較ができるので、その光吸収率をあらかじめ知って
おけば、ただちに光量に換算することができる。また、
本発明の光量計測装置において、前記複数個の光吸収部
材は一体の部材に形成され、該一体の部材が前記ホルダ
ーに保持されてなり、各光吸収部材に対する音響伝搬条
件が一定となるように、該一体の部材またはホルダーに
前記音響検知素子が設けられ、かつ、前記光量範囲及び
／または波長範囲に応じて、前記音響発生部材として選
択する一つの光吸収部材に前記光が照射されるように位
置制御する機構が更に設けられていることが好ましい
（請求項４）。

【００３８】複数個の光吸収部材が一体の部材に形成さ
れていれば、個々の光吸収部材のセッティングをそれぞ
れ調整しながら行なう必要はなく、音響検知素子に対し
て幾何的に等価に薄膜を配置することのみにより、音響
伝搬条件一定が実現できる。計測の際には、前記光量範
囲及び／または波長範囲に応じて、前記音響発生部材と
して選択する一つの光吸収部材に前記光が照射されるよ
うに位置制御する機構が機能する。

【００３９】かかる位置制御機構としては、例えば、図
１に示すような、並進移動８の機構、回転移動９の機
構、及び位置ぎめ機構が使用できる。このような位置制
御機構を設けることにより、光を照射する光吸収部材
（音響発生源）を変更する度に位置あわせを行なう必要
がなくなり、簡便な計測が可能となる。

【００４０】本発明にかかる前記複数個の光吸収部材の
それぞれは、基板上に形成した薄膜であることが好まし
い（請求項５）。また、本発明にかかる前記複数個の光
吸収部材のそれぞれは、同一材料及び同一形状の基板上
に形成した薄膜であることが好ましい（請求項６）。さ
らに、本発明にかかる前記複数個の光吸収部材に対応す
る各薄膜は、その膜厚がそれぞれ異なる他は、同一材料
を用いて同一成膜条件で形成されてなることを好ましい
（請求項７）。

【００４１】音響発生源（光吸収部材）が基板上の薄
膜、即ち十分に薄い材料であると、音響発生にあたって
は瞬時におこる薄膜内での熱発生のみを考えればよく
（これは非常に吸収の大きな材料の表面部分でのみ熱が
発生することでも同様である）、長距離にわたっての熱
伝導は影響がなくなり、より再現性のよい計測が可能に
なるので好ましい。

【００４２】基板が同一の形状及び材料であれば、音響
信号の周波数や強度は、その薄膜の材料が何であれ、薄
膜の光吸収量のみに依存することが知られている。即
ち、複数個の音響発生源（光吸収部材）を同一形状、同
一材料の基板上に形成した薄膜とすれば、異なる発生源
からの音響信号強度は波形が同じになり、直接比較がで
きるため、その光吸収率をあらかじめ知っておけば、た
だちに光量に換算することができる。

【００４３】複数個の光吸収部材に対応する各薄膜の材
料としては、異なる物質を用いてもよいが、その膜厚が
それぞれ異なる他は、同一材料を用いて同一成膜条件で
形成したものであると、その作製がより簡便となり、ま
た光の吸収量は厚さに応じて計算できる。そのため、一
つの成膜材料、一つの成膜条件による複数個の光吸収部
材の設計及び製作が可能となる。

【００４４】音響発生部材に光が入射すると、一部は反
射し、一部は吸収され、残りは透過する。計測する光学
系によっては、音響発生部材からの戻り光が迷光とし
て、悪影響を及ぼすことがある。このような場合には、
音響発生部材からの反射が光学系に影響しないように、
光路を曲げることの他に、音響発生部材自身から光を反
射しないようにすることが有効であり、音響発生部材に
照射光（計測光）に対する反射防止層を設けることが好
ましい。

【００４５】なお、音響発生部材を基板上の薄膜とする
場合は、基板上に形成した反射防止層（薄膜層）を音響
発生部材として兼用できるので好ましい。音響による光
強度（光量）計測の有利な点の一つに、透過モードでの
計測が簡単にできるということがある。透明基板に薄膜
を形成した音響発生部材を用い、透過率を大きく（例え
ば９９％以上）設定しても、数ｍＪ程度のパルス光は十
分観測可能である。

【００４６】透過モードでの光量計測法を用いれば、例
えばエキシマレーザ加工機、露光機、または光学測定装
置における光量モニタにおいて、特別に光路の分岐を設
ける必要なく、光路上に配置するだけで、極く僅かの光
量損失で同時モニターが可能となる。このような際にも
反射防止層を設けることは、非常に有効である。さら
に、加工機、測定機などにおける光量モニタにおいて
は、これらの系で用いられる光学系の部材をそのまま音
響発生源として利用することもできる。

【００４７】例えば、集光用またはビーム整形用のレン
ズに形成した反射防止薄膜を音響発生源とし、該レンズ
またはそのホルダーに良好な音響整合をとって取り付け
た音響検知素子により音響信号を計測することにより、
何ら特別な光学系の変更なく、光量のモニタを行なうこ
とができる。この場合も、音響の効率的な検出のために
は、レンズとホルダーまたは音響検知素子との間で、音
響整合がとられていることが好ましい。また、ミラーが
用いられている光学系において、そのミラーを音響源と
して用いてもよい。

【００４８】本発明の光量計測装置によれば、比較的高
精度で、高速の光量計測が安価に実現できる他、広域に
わたる光量範囲及び／または波長範囲の光にかかる光量
計測を簡便に行うことが可能となった。以下、本発明を
実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこの例に
限定されるものではない。

【００４９】

【実施例１】図２に本実施例の光量計測装置の概略構成
図を示す。光源は、ArF エキシマレーザ（波長１９３n
m）１０であり、パルス幅約２０nsecのものを用いた。
光はレンズ光学系１１を通して、ホルダーに保持された
音響発生部材１７に集光照射する。照射面での光の径は
約３mmΦである。

【００５０】光学系１１に挿入したズームレンズにより
光強度を調節している他、さらに大きく光量を変化させ
るために、Ｃｒの薄膜を形成した石英ガラス基板（透過
率約１０％、１％、0.1 ％）１２を、フィルターとして
適時挿入した。光強度は、石英ガラス１３の表面反射を
用いた分岐光路において、光センサ（バイプラナ型フォ
トマルチプライヤ）１４によりモニタされている。音響
発生部材１７を透過した光はもどりを防ぐため、吸収体
１５によりブロックされる。計測光は、酸素中では僅か
に吸収されるので、計測系は全体として窒素パージされ
た雰囲気チャンバー１６内に配置されている。

【００５１】前記音響発生部材としては、３０ｍｍφで
厚さ２ｍｍの円形ペレット状の石英ガラス基板（計測波
長光透過）に、薄膜を１μｍ以下に形成したもの（光吸
収部材）を数種類用意した。薄膜は真空蒸着法により形
成し、同じ材料（弗化物）を同一ロットで成膜して、厚
さを変えたものである。厚さの変更は、成膜ごとに蒸着
時のシャッター開閉の時間を制御することにより行なっ
た。

【００５２】光吸収部材は３種類用意し、それぞれ計測
光の吸収率が約５０％、１０％、１％とした。各光吸収
部材２５を図３のような輪帯状の溝を設けたＡｌ製の円
盤型ホルダー２４に、音響マッチングをとる材料として
のグリース２６を介して設置した。音響信号は、圧電材
料であるＰＺＴ（ジルコン酸チタン酸鉛）に、アルミナ
の受信板を付けた形のセンサ（音響検知素子の一例）２
０により検出した。センサ２０はホルダー２４に接着剤
２７により良好な音響整合をとって固定した。

【００５３】センサ２０は、ホルダー２４の中心部に固
定され、各光吸収部材２５はセンサ２０に対してそれぞ
れ対称な位置に配置した。各光吸収部材２５は、ホルダ
ー２４にセッティングするにあたり、光照射を行いなが
ら、グリース２６の量や押さえつけの圧力を変化させる
ことにより、それぞれの音響信号波形が同一になるよう
にした。また、信号強度が最大になるように調節した。

【００５４】このようにしてから、計測レーザ光を照射
した。ズームレンズを駆動して光強度を変えながら、光
照射を行ない、センサ２０の出力（電圧）を計測した。
信号は適当なフィルタリングを行ない（電磁ノイズや振
動ノイズを除いて）デジタルオシロスコープで観察し
た。光吸収部材２５の光吸収による光音響信号発生は、
照射後約８μｓｅｃであり、照射直後の信号や音響到達
後しばらくたってからの信号には、光吸収部材２５の光
吸収以外の雑音信号がのっているので、これを取り除い
て信号を記録し、さらにこの系の共振周波数付近を選択
して（ＦＦＴ２１による）波長成分信号強度も計測し
た。

【００５５】ズームレンズを制御しているパーソナルコ
ンピュータ２２を用いて、モニタしている光強度信号と
連動させて、１パルス照射ごとに計測、記録されるよう
にした。ホルダー２４は、軸回転機構２８により回転さ
せることが可能であり、光照射される光吸収部材２５を
順次変化させることができる。ホルダー２４にはガイド
穴２９が設けてある。そして、このガイド穴９に止め治
具３０が掛かることにより位置ぎめがされ、常に光吸収
部材２５の一定位置、即ちセンサ２０に対して音響伝搬
的に等価な位置に照射スポット３１がくるようになって
いる。

【００５６】各光吸収部材２５における計測毎に、ズー
ムレンズを変化させ、またＣｒ膜フィルターを適時挿入
して、音響信号を計測した結果、いずれの光吸収部材で
も音響波形は一定で、光強度と音響信号強度はオフセッ
トがなく、十分な線形性のあることが確かめられた。ま
た、信号強度は、それぞれの光吸収部材２５の光吸収率
に比例した。光量として、１０⁶以上の範囲（例：数十
マイクロジュール〜数十ジュール）の計測が、照射サン
プルに何等のダメージを与えることなく（１０⁹回以上
照射）可能になることが確認された。

【００５７】

【実施例２】図４は本実施例の光量計測装置に用いる音
響発生部材としての光吸収部材２５、該部材を保持する
ホルダー３２、該ホルダーに良好な音響整合をとって接
着剤２７により接合されたセンサ２０を示す概略構成図
である。本実施例の光量計測装置は、ホルダー３２を図
４に示すような、液体３５を満たしたＶ字状の溝３３を
有する部材とした他は、実施例１と同一の光量計測装置
である。

【００５８】光吸収部材２５（実施例１と同一）は、ネ
ジ３４によりホルダー３２の一定位置に固定される。本
実施例では、光吸収部材２５の一部が液体３５中に配置
され、液体３５が音響マッチング材として機能し、セン
サ２０に音響を伝える。ホルダー３２に各光吸収部材２
５を順次セッティングして光量の計測を行なった。

【００５９】いずれの光吸収部材を用いても、波形は一
定であり、光量−音響信号の線形性と良好な再現性が確
認され、結果的に、１０⁶以上の範囲（例：数十マイク
ロジュール〜数十ジュール）の光強度での光量計測が可
能になった。本実施例によれば、光吸収部材２５の取り
替え（交換）３６が非常に簡便であるだけでなく、再現
性のよい音響計測が可能であり、しかも何等の信号較正
を要することなく信号評価ができた。

【００６０】

【実施例３】図５は本実施例の光量計測装置に用いる音
響発生部材としての光吸収部材３７、該部材３７を保持
する円環状ホルダー３９、ホルダー３９を回転可能に保
持する円環枠４０、光吸収部材３７に良好な音響整合を
とって接着剤２７により接合されたセンサ２０を示す概
略構成図である。

【００６１】本実施例の光量計測装置は、図５に示した
構成の他は、実施例１と同一の光量計測装置である。音
響発生部材としての光吸収部材は、一枚の円形ペレット
状石英ガラス基板（６０ｍｍφ ３ｍｍ厚）３７上に円
形状の薄膜（１７ｍｍφ）３８を３種類形成したものと
した（薄膜材料と成膜条件は実施例１と同一）。

【００６２】基板中央部にセンサ（音響検知素子）２０
が接合され、薄膜はこの位置から対称となるように配置
されている。基板３７は円環状のホルダー３９に取り付
けられ、ホルダー３９はホルダー回転用レバー４１によ
り円環枠４０内で回転させることができる。ホルダー３
９には切れ込み４２が設けてあり、これが円環枠４０の
スプリング４３とかみあうことにより位置ぎめがされ、
常に薄膜３８の一定位置、即ちセンサ２０に対して音響
伝搬的に等価な位置に照射スポット３１がくるようにな
っている。

【００６３】いずれの薄膜３８を用いても、波形は一定
であり、光量−音響信号の線形性と良好な再現性が確認
され、結果的に、１０⁶以上の範囲（例：数十マイクロ
ジュール〜数十ジュール）の光強度での光量計測が可能
になった。

【００６４】

【発明の効果】以上の通り、本発明の光量計測装置によ
れば、比較的高精度で、高速の光量計測が安価に実現で
きる他に、広域にわたる光量範囲及び／または波長範囲
の光にかかる光量計測を簡便に行うことが可能となっ
た。

【図面の簡単な説明】

【図１】は、本発明にかかる音響発生部材としての複数
の光吸収部材２、該部材のホルダ１、音響検知素子４の
各例を示す概略構成図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）
が断面図である。

【図２】は、実施例１の光量計測装置の概略構成図であ
る。

【図３】は、実施例１の光量計測装置における、複数の
光吸収部材２５、該部材のホルダ２４、センサ２０等を
示す概略構成図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が断面
図である。

【図４】は、実施例２の光量計測装置における、複数の
光吸収部材２５、該部材のホルダ３２、センサ２０等を
示す概略構成図であり、（ａ）が正面図（一部断面
図）、（ｂ）が断面図である。

【図５】は、実施例３の光量計測装置における、光吸収
部材３７、該部材のホルダ３９、センサ２０等を示す概
略構成図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が断面図であ
る。

【符号の説明】

１…ホルダー２…光吸収部材（例えば、薄膜を形成した基板）３…計測光スポット４…センサ（音響検知素子の一例）５…接着剤６…音響マッチング材７…計測光８…ホルダーの並進移動を示す９…ホルダーの回転移動を示す１０…ＡｒＦエキシマレーザ光源（計測光光源の一例）１１…ズームレンズを備えた光学系１２…Ｃｒ膜フィルタ１３…石英ガラス板１４…光量モニタ（バイプラナ型センサ）１５…光吸収体（ビームトラップ）１６…対物レンズ１７…光吸収部材（音響発生部材の一例）１８…窒素パージチャンバー１９…レーザビーム（計測光の一例）２０…圧電素子センサ（音響検知素子の一例）２１…アンプ、周波数選別装置（ＦＦＴ）２２…パーソナルコンピュータ２３…ズームレンズ制御を示す２４…Ａｌ製ホルダー２５…薄膜を形成した基板（光吸収部材の一例）２６…グリース（音響マッチング材の一例）２７…接着剤２８…軸回転機構（位置制御機構の一例）２９…ガイド穴（位置制御機構の一例）３０…位置ぎめ止め治具（位置制御機構の一例）３１…レーザスポット３２…液体保持ホルダー３３…Ｖ字型溝３４…固定ねじ（位置制御機構の一例）３５…マッチング液３６…音響源薄膜（光吸収部材）の入れ替えを示す３７…薄膜を形成した基板（音響発生部材の一例）３８…薄膜部分３９…円環型ホルダー４０…回転枠（位置制御機構の一例）４１…回転用レバー（取っ手、位置制御機構の一例）４２…位置決め切れ込み（位置制御機構の一例）４３…ガイドスプリング（位置制御機構の一例）以上

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】音響発生部材に光を断続的に照射したと
きの光吸収に起因する該部材の体積変化により発生する
音響信号を計測することにより、前記光の光量を計測す
る光量計測装置であり、少なくとも、前記音響発生部
材、前記光の光源、該光源からの光を前記音響発生部材
に集光して照射する集光光学系、前記音響発生部材が音
響整合をとられた状態にて保持されるホルダー、及び該
ホルダーまたは前記音響発生部材に音響整合をとられた
状態にて設けられた音響検知素子を備えた光量計測装置
において、前記音響発生部材を複数個の光吸収部材の中から前記光
の光量範囲及び／または波長範囲に応じて選択される一
つの光吸収部材とし、前記複数個の光吸収部材の各光吸収率を前記光量範囲及
び／または波長範囲に対応させて、それぞれ異なる値に
設定し、かつ前記光量範囲及び／または波長範囲に応じ
て、前記音響発生部材として選択されるすべての光吸収
部材の前記音響検知素子に対する音響伝搬条件を一定に
したことを特徴とする光量計測装置。
【請求項２】前記音響発生部材として選択されるすべ
ての光吸収部材に対する前記光の照射位置を、前記音響
検知素子に対して音響伝搬的に等価な位置に設定したこ
とを特徴とする請求項１記載の光量計測装置。
【請求項３】前記複数個の光吸収部材は、それぞれ別
体であり、前記光量範囲及び／または波長範囲に応じ
て、前記音響発生部材として選択された一つの光吸収部
材が前記ホルダーにより保持されてなり、かつ、該光吸
収部材に対する音響伝搬条件が一定となるように、該ホ
ルダーまたは光吸収部材に前記音響検知素子が設けられ
ていることを特徴とする請求項１または２記載の光量計
測装置。
【請求項４】前記複数個の光吸収部材は一体の部材に
形成され、該一体の部材が前記ホルダーに保持されてな
り、各光吸収部材に対する音響伝搬条件が一定となるよ
うに、該一体の部材またはホルダーに前記音響検知素子
が設けられ、かつ、前記光量範囲及び／または波長範囲
に応じて、前記音響発生部材として選択する一つの光吸
収部材に前記光が照射されるように位置制御する機構が
更に設けられていることを特徴とする請求項１または２
記載の光量計測装置。
【請求項５】前記複数個の光吸収部材のそれぞれは、
基板上に形成した薄膜であることを特徴とする請求項３
または４記載の光量計測装置。
【請求項６】前記複数個の光吸収部材のそれぞれは、
同一材料及び同一形状の基板上に形成してなる薄膜であ
ることを特徴とする請求項３記載の光量計測装置。
【請求項７】前記複数個の光吸収部材に対応する各薄
膜は、その膜厚がそれぞれ異なる他は、同一材料を用い
て同一成膜条件で形成されてなることを特徴とする請求
項５または６記載の光量計測装置。