JP4452800B2 - 光軸検出センサ - Google Patents
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Description
光軸を調整するためには、その光軸の評価を正確に行う必要がある。下記特許文献1で出願した、遺伝的アルゴリズムなどを用いた光軸調整方法により、下記特許文献2で出願した光学ホルダを用いて、レーザキャビティにおける励起光源の光軸を自動調整する場合には、その光軸の入射位置と入射角度(平行性)を正確に評価する必要がある。そのためには、光軸の評価において、位置の検出と角度の検出を行う必要がある。
従来、位置検出用のセンサは、PSD(Position Sensitive Detector:位置検出素子)や4分割型フォトダイオードなどがあるが、そのどれも同時に角度を検出する機能を有していない。
以下、光軸検出に関する技術を説明する。
(光軸の自動調整システム)
このことから、光軸の一般的な調整システムとして、図10に示すような自動調整システムが考えられる。
自動調整システム100は、光学系101と、制御装置102と、評価装置103と、パーソナルコンピュータ(PC)104とからなる。光学系101は、光軸調整用ミラーホルダ107に支持されたミラーM1(105)とミラーM2(106)が反射系を形成し、入射した光源のレーザ光を評価装置103へ導くように光路を形成する。各ミラー毎の光軸調整用ミラーホルダ107は、それぞれ制御装置102からの制御信号により制御される。評価装置103の出力はPC104へ取り込まれ、PC104において所定のプログラムに基づく処理を行った後、制御装置102へ出力される。制御装置102は評価装置103の出力に基づいてミラーの角度を最適に調節する。
光軸の位置と平行性を調整するためには2自由度調整可能なミラー2枚(計4自由度)が必要となる。そこで、図2に示したシステムでは、2自由度調整可能なミラー105とミラー106と、ミラー105とミラー106を制御する制御装置102と、光軸の位置と平行性を同時に評価する評価装置103と、計算機であるPC104でシステム100を構成している。
(従来の自動調整方法とその問題点)
この理由として次の2つがあげられる。
1つ目は、調整が4自由度になると、従来手法である山登り法では局所解に陥りやすいため、最適な調整が不可能になるためである。
2つ目は、ユーザの選好(好み)を反映して2つの目的関数(位置と角度)のトレードオフを満足させるために、多目的から単目的の変換(重みパラメータの設定など)に試行錯誤が伴うためである。
その結果、従来手法では一般的に調整目的を位置だけに絞り、自由度を2自由度に減らし調整を行っている。
従来の図2における自動調整方法の例を図11を用いて説明する。この方法では、光軸は平行光であると仮定している。光軸の位置のずれを補正するためにミラーM1を矢印e又は矢印fの向きに動かす。ミラーM1とミラーM2は連動して、ミラーM1の移動に合わせて光軸の平行性を失わないようにミラーM2を矢印e又は矢印fの向きに移動させる。このように調整を行うことで光軸の位置のずれを補正し、平行なレーザ光を供給することが可能である。しかしながら、光軸が大きくずれて、ミラーM1へ入射されるレーザ光が平行性を失った状態では、平行性を調整することができないので平行光を供給することが不可能となる。
(光軸の位置および平行性の同時検出センサ)
本発明の目的は、上記問題点に鑑み、メンテナンスフリーで光軸調整の自動化を行うために、光軸の位置と角度の評価を1つのセンサで行うことのできる、光軸検出センサを提供することにある。
図1に示すように、本発明の光軸検出センサ1は、位置検出素子の位置検出フォトディテクタ2と、実質的な光透過孔6を設けたNDフィルタ(減光透過フィルタ)3を組み合わせたことにより、1つのセンサによって位置と角度(平行性)を同時に検出するものである。前記「実質的」な光透過孔6は、光が透過するようになった開孔、例えば、内部に空気だけがある開孔又は内部に透明体を設けた開孔をいう。
NDフィルタ3は、半透明体で構成され、入射した光が吸収されながらも透過する特性を有する。そのため、半透明体のNDフィルタ3を透過した光は、位置検出フォトディテクタ2で検出される。
実質的な光透過孔を設けたNDフィルタ3を配置することにより、光ビームの受光位置検出に加え、フィルタ3の実質的な光透過孔を通過した光ビームの光強度を検出することで角度(平行性)を評価する(図10参照)。
このような構成を採用したので、NDフィルタ3の開孔6を透過し光軸の傾きなく直接位置検出フォトディテクタ2に入射した光が最も光量の大きい光として検出される。
光軸の傾きが大きくなり、NDフィルタ3を透過して位置検出フォトディテクタ2に入射した光は、NDフィルタ3を透過するときに減光し、前記光量より減少した光量として位置検出フォトディテクタ2で検出される。位置検出フォトディテクタ2への光の入射位置は光量により検出する。
具体的には、以下のようになる。
(2) 上記(1)記載の光軸検出センサは、前記位置検出素子と前記NDフィルタを、前記NDフィルタの前記光透過孔を透過した光を直接前記位置検出素子で受光できるように配置したことを特徴とする。
(3) 上記(1)又は(2)記載の光軸検出センサは、前記光透過孔が半透明な部材に設けた穴として構成されたことを特徴とする。
(4) 上記(1)乃至(3)のいずれか1項記載の光軸検出センサは、前記光透過孔が半透明な部材に設けた透明な物質の部材として構成されたことを特徴とする。
(5) 上記(1)乃至(4)のいずれか1項記載の光軸検出センサは、前記位置検出素子をフォトトランジスタとしたことを特徴とする。
(7) 上記(1)乃至(5)のいずれか1項記載の光軸検出センサは、前記筐体が、2分割され、相互に螺合して、前記位置検出素子と前記NDフィルタの距離を調節するようにしたことを特徴とする。
(8) 上記(1)乃至(5)のいずれか1項記載の光軸検出センサは、前記位置検出素子を位置検出素子固定ホルダに設け、前記位置検出素子固定ホルダを筐体内で検出素子駆動用ネジにより移動するように設けたことを特徴とする。
本発明の光軸検出センサは、レーザシステムにおける励起光源の光軸調整に用いることにより、安定したレーザシステムを実現することが出来る。例えば、半導体リソグラフィ・マスク計測などに用いられるレーザシステムでは、マスク検査の行程において常に安定したレーザ光の供給が重要である。そのため、本発明の光軸検出検査を用いることで、監査行程におけるリアルタイムな光軸最適調整を可能とし、信頼度の高い安定した検査を実現する。また、切断や穴あけ、精密加工用のYAGレーザ加工機などの加工用レーザシステムにおいても、均一な出力ビーム強度を得るための励起光源の安定化は必要不可欠であり、本発明センサによる効果が期待される。以上のように、本発明センサは、レーザシステムの光源という最も基盤技術を安定化し、産業応用におけるレーザ光の信頼度を向上させるブレイクスルーとなる。
本発明の光軸検出センサと特開2002−122758号公報記載の技術,特願2003−37939号記載の技術を組み合わせることで、励起光源の光軸自動調整を行い、前記安定性の問題を解決したメンテナンスフリーのレーザシステムを実現する。
具体的には、位置と平行性の2つを同時に1つのセンサで検出する新たな光センサを開発した。
図2は図1に示す光軸検出センサの検出機能を説明する説明図である。
図1に示すように、本発明の光軸検出センサ1は、位置検出素子、例えば位置検出フォトディテクタ2と、実質的な光透過孔を設けたNDフィルタ(減光透過フィルタ)3を組み合わせたことにより、1つのセンサによって光軸5を備えたレーザビームの位置と角度(平行性)を同時に検出するものである。
即ち、実質的な光透過孔を設けたNDフィルタ3を配置することにより、光透過孔に入射するレーザビームは、入射角度と単位面積あたりのビーム光量とがコントロールされる。前記コントロールされたレーザビームは、位置検出フォトディテクタ2で入射位置とビーム光量が検出される。位置検出フォトディテクタ2の検出出力は、電気信号出力リード4を介して電圧計等の評価装置(図示省略)へ出力される。
位置検出素子は、光の特性量を検出することができるフォトトランジスタ、太陽電池、CdS(硫化カドミウム)セル、CdSe(カドミウムーセレン)、PbS(硫化鉛)、光電管、光電子倍増管等の任意の検出素子を用いることができる。
また、NDフィルタ3は、実質的に光が透過する光透過孔、例えば、半透明な部材に設けた穴(何も無い空間)、半透明な部材に設けた透明な物質の部材、等で構成した実質的な孔を有する。
以下で説明する検証実験および実施例では、平行性を評価する光強度は、センサの電圧値(最大36V)を12bit分割した値として出力される。また、光軸の位置は、PSDの幅(X軸座標)および高さ(Y軸座標)を12bit分割した値として出力される。なお、この実験で用いたPSDの一辺は5.7mmであるので、12bit=0〜4065なので、センサの出力値の位置分解能は1.39μmとなる。これにより、光軸の位置と平行性を同時検出可能な光センサを低コストで実現できる。
開発した光軸検出センサの実施例を示す。
(開発したセンサの有効性検証実験)
この検証実験結果を図3に示す。図3において、横軸は角度(°)、縦軸は光強度(電圧値mV)を示す。特性は、フィルタなし、フィルタあり、試作センサ(光軸検出センサ)の3種類示す。
光軸検出センサの値は光軸の入射角が0°(平行光)の時、光強度が最大となり、センサとミラーのなす角度が大きくなり光軸が平行性を失うにつれ徐々に光強度が減衰している。入射光がNDフィルタの開孔を透過するか、NDフィルタの半透明体を透過するかにより、光強度が変化する。
この結果より、PSDの光強度から光軸の平行性を検出することが可能である。さらに、光軸の位置はPSDの電圧値により検出可能であるため、開発した光センサは光軸の位置と平行性の同時検出において有効であることが確認できた。
(実験システム)
実際に組んだ自動調整システムを図4に示す。図4において、横軸は距離(μm)、縦軸は光強度(電圧値mV)を示す。
実験では、光軸の評価を開発した光軸検出センサによって行い、遺伝的アルゴリズムを用いて(例えば、特開2002−122758号公報参照)PC上で光軸を動かすミラーの位置を計算し、ミラーホルダ(例えば、特願2003−37939号参照)により光軸を動かして調整を行った。この自動調整システムにより、光軸の位置(目標位置とのユークリッド距離)と平行性(光強度(電圧値mV))を最適に調整した。
(実施例1の結果)
また、表1に調整終了時の結果を示している。これは、10試行の最大値,最小値、平均値である。平行度においては、図3と比べると、約±1°以内,位置では、分解能が1.39μmであることから、平均で約12μm以内に調整されていることがわかる。
図6では、光軸センサ10は、カップ状の筐体12と、前記筐体12の底部の所定位置に固定した位置検出素子13と、前記位置検出素子13の出力を取り出す出力ケーブル14と、前記筐体12の開口に装着されるNDフィルタ11からなる。前記NDフィルタ11は、中心に開孔15又は該開孔15に相当する透明部分を有する。前記NDフィルタ11の前記開孔15又は該開孔15に相当する透明部分を除く他の部分は、光反射又は光吸収の遮光構造に構成されている。
測定時、NDフィルタ11の開孔15を透過し、位置検出素子に入射したレーザ光の入射位置および光量を検出することにより、光軸を検出する。
図7では、光軸センサ20は、一端側にねじ部27を形成した円筒状の筐体22と、一端側に前記ねじ部27に螺合するねじ部28を有するカップ状の筐体23と、前記筐体23の底部の所定位置に固定した位置検出素子24と、前記位置検出素子24の出力を取り出す出力ケーブル25と、前記筐体22の開口に装着されるNDフィルタ21からなる。前記NDフィルタ21は、中心に開孔26又は該開孔26に相当する透明部分を有する。前記NDフィルタ21の前記開孔26又は該開孔26に相当する透明部分を除く他の部分は、光反射又は光吸収の遮光構造に構成されている。
光軸センサ20は、筐体22と筐体23が互いのねじ部の螺合の程度により、NDフィルタ21と位置検出素子24の距離を可変にできる。例えば、筐体22に筐体23をねじ込む量を調節して位置検出素子24に入射可能な光の角度範囲と検出角度分解能を調節する。
測定時、NDフィルタ11の開孔15を透過し、位置検出素子に入射したレーザ光の入射位置および光量を検出することにより、光軸を検出する。
図8では、光軸センサ30は、カップ状の筐体32と、前記筐体32の内部に該筐体32の長さ方向に向くように固定した駆動用ガイド36と、前記筐体32の内部に該筐体32の長さ方向に向くように回転可能に係止した調節ネジ35付の検出素子駆動用ネジ34と、前記駆動用ガイド36を挿通する開孔と前記検出素子駆動用ネジ34と螺合する雌ネジを有する位置検出素子固定ホルダ37と、位置検出素子固定ホルダ37に設けた位置検出素子33と、位置検出素子33の出力を引き出す出力ケーブル38と、筐体32の開口に装着されるNDフィルタ31からなる。前記NDフィルタ31は、中心に開孔39又は該開孔39に相当する透明部分を有する。前記NDフィルタ31の前記開孔39又は該開孔39に相当する透明部分を除く他の部分は、光反射又は光吸収の遮光構造に構成されている。
調節ネジ35を回すことにより、検出素子駆動用ネジ34を回転し、該検出素子駆動用ネジ34に螺合する雌ネジを有する位置検出素子固定ホルダ37を筐体32の長さ方向に移動させ、位置検出素子33をNDフィルタ31に近接又は離間させ、予め入射可能な光の角度範囲と検出角度分解能の調節を行う。
測定時、NDフィルタ31の開孔39を透過し、位置検出素子33に入射したレーザ光の入射位置および光量を検出することにより、光軸を検出する。
2 位置検出フォトディテクタ
3、11、21、31 孔あきNDフィルタ
4 電気信号出力リード
5 光軸
6 開孔
12、32 筐体
13、24、33 位置検出素子
14、25、38 出力ケーブル
22 筐体A
23 筐体B
34 検出素子駆動用ネジ
35 調節ネジ
36 駆動用ガイド
37 位置検出素子固定ホルダ
Claims (8)
- 光軸の光量を検出する位置検出素子と、実質的に前記光軸が透過する光透過孔を有し、入射した前記光軸の光が吸収されながらも透過する特性を有する半透明のNDフィルタからなり、前記位置検出素子と前記NDフィルタは、前記光透過孔又は前記光透過孔及び前記半透明のNDフィルタを透過した前記光軸の光を用いて光軸の位置と角度もしくは平行性を検出することができるように配置されていることを特徴とする光軸検出センサ。
- 前記位置検出素子と前記NDフィルタを、前記光軸の光が前記NDフィルタの前記光透過孔のみを透過して前記位置検出素子で受光できるように配置したことを特徴とする請求項1記載の光軸検出センサ。
- 前記光透過孔を開孔として構成したことを特徴とする請求項1記載の光軸検出センサ。
- 前記光透過孔を内部に透明体を設けた開孔として構成したことを特徴とする請求項1記載の光軸検出センサ。
- 前記位置検出素子をフォトトランジスタとしたことを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項記載の光軸検出センサ。
- 前記位置検出素子をカップ状の筐体内に配置し、前記筐体の開口に前記NDフィルタを装着したことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の光軸検出センサ。
- 前記筐体は、2分割され、相互に螺合して、前記位置検出素子と前記NDフィルタの距離を調節するようにしたことを特徴とする請求項6記載の光軸検出センサ。
- 前記位置検出素子を位置検出素子固定ホルダに設け、前記位置検出素子固定ホルダを筐体内で検出素子駆動用ネジにより移動するように設けたことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項記載の光軸検出センサ。
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