(57)【要約】【課題】被測定光の強度にかかわらず集光状態を正確に計測することができる光ビーム計測装置を提供する。【解決手段】本発明による光ビーム計測装置は、光強度測定器１と通過パターン制御装置２とを備える。光強度測定器１は、入射する被測定光の強度を測定する。また、通過パターン制御装置２は、セラミックスからなる遮蔽部材２１と制御部２２とを有し、制御部２２で制御される遮蔽部材２１が光強度測定器１に入射する被測定光の一部又は全部を遮蔽することによって、被測定光の通過パターンを制御する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の強度を測定する光強度測定手段と、
前記光強度測定手段に所定の伝播方向に沿って入射する光の一部または全部を焦点面近傍において遮蔽するためのセラミックスからなる遮蔽部材を有し、前記遮蔽部材を光の前記伝播方向と略直交する所定面内で移動させることにより、前記遮蔽部材によって遮蔽されずに前記光強度測定手段へと通過する光の通過パターンを制御する通過パターン制御手段と、
を備えることを特徴とする光ビーム計測装置。
【請求項２】
前記遮蔽部材と前記光強度測定手段との間に設けられ、前記光強度測定手段に入射する光の強度を減衰させる光強度減衰手段を備えることを特徴とする請求項１に記載の光ビーム計測装置。
【請求項３】
前記遮蔽部材は、遮蔽される光と通過する光との境界となる端部が直線状に形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の光ビーム計測装置。
【請求項４】
前記遮蔽部材は、前記所定面内において、回転方向を含めた複数の方向に移動可能であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の光ビーム計測装置。
【請求項５】
相異なる前記通過パターンに対応して前記光強度測定手段により測定された複数の光強度情報に基づいて、前記所定面における光強度分布を再構成するための計算をする計算手段を備えることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の光ビーム計測装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光の集光状態を計測する光ビーム計測装置に関し、特に、高強度の光に対しても正確に計測することが可能な光ビーム計測装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、光を用いた加工技術および反応制御技術が発展している。これらの応用に際しては、光の集光状態、すなわち集光された光ビームのビーム径、光密度、強度分布などを評価することが非常に重要である。集光状態は、例えばナイフエッジ法と呼ばれる方法によって計測することができる。この方法は、計測対象となる光ビームに対してナイフエッジを走査することによって、光が通過するパターンを変化させつつ通過光強度を測定し、所定の計算により集光状態を算出するものである（非特許文献１，２）。
【０００３】
【非特許文献１】
「最新・レーザ技術資料集−３−レーザ計測」、初版、株式会社経営システム研究所、昭和６０年１２月１６日、ｐ．４６−４８
【非特許文献２】
「第１１回レーザ安全スクール（テキスト）§３レーザ応用機器の安全」、財団法人  光産業技術振興協会、平成８年１０月２１日、ｐ．２８−３５
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
昨今、加工や反応制御等に利用される光の強度は、高強度化の傾向にある。そして、高強度の光の集光状態を計測した結果によると、集光が必ずしも均一ではないこと、また、集光の際の絞られ方が光強度に依存することが示されている。それに伴い、集光された光には、フィラメントと呼ばれる光強度が大きい状態で光が伝播している線状の領域が生じることもある。このような均一に集光していない光を加工等に用いれば、集光状態が加工の品質や光と物質との相互作用に影響を与えることは明らかである。したがって、高強度の光を加工等に利用するに際しては、集光状態の評価が特に重要である。
【０００５】
しかしながら、高強度の光の集光状態を上述したナイフエッジ法によって計測しようとすると、ナイフエッジ自体が光の照射により加工され、損傷を受けてしまうという問題がある。
【０００６】
一方、このような問題を避けるために、ナイフエッジに照射される光の強度を減衰するＮＤフィルタ（Ｎｅｕｔｒａｌ  Ｄｅｎｓｉｔｙ  ｆｉｌｔｅｒ）等をナイフエッジの手前に設けることが考えられる。ところが、この場合、集光状態は光強度に依存するため、実際に加工等に利用する強度における集光状態を正確に計測することができないという問題がある。
【０００７】
本発明は、以上の問題点を解決するためになされたものであり、光の強度にかかわらず集光状態を正確に計測することができる光ビーム計測装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本願発明者は、上記問題点について鋭意検討を行った結果、従来注意を払われていなかったナイフエッジ法に用いられる遮蔽部材の材質の選択が重要であることを見出し、本発明に到達した。すなわち、本発明による光ビーム計測装置は、（１）光の強度を測定する光強度測定手段と、（２）光強度測定手段に所定の伝播方向に沿って入射する光の一部または全部を焦点面近傍において遮蔽するためのセラミックスからなる遮蔽部材を有し、遮蔽部材を光の伝播方向と略直交する所定面内で移動させることにより、遮蔽部材によって遮蔽されずに光強度測定手段へと通過する光の通過パターンを制御する通過パターン制御手段と、を備えることを特徴とする。
【０００９】
上記した光ビーム計測装置においては、光強度測定手段に入射する光の通過パターンを通過パターン制御手段によって制御することができる。これにより、ナイフエッジ法を適用して、光の集光状態を計測することができる。
【００１０】
また、通過パターン制御手段が有する遮蔽部材はセラミックスからなるので、高強度の光を計測対象としても遮蔽部材が加工されにくい。このため、遮蔽部材の手前に光強度減衰手段を設ける必要がないので、所望の強度における集光状態を計測することができる。したがって、本光ビーム計測装置によれば、高強度の光に対しても集光状態を正確に計測することができる。
【００１１】
光ビーム計測装置は、遮蔽部材と光強度測定手段との間に設けられ、光強度測定手段に入射する光の強度を減衰させる光強度減衰手段を備えることを特徴としてもよい。この場合、光強度測定手段に入射する光の強度を減衰することができる。
【００１２】
遮蔽部材は、遮蔽される光と通過する光との境界となる端部が直線状に形成されていることを特徴としてもよい。この場合、ナイフエッジ法を適用して集光状態を好適に計測することができる。
【００１３】
遮蔽部材は、上記所定面内において、回転方向を含めた複数の方向に移動可能であることを特徴としてもよい。この場合、光ビームに対して様々な方向から遮蔽部材を走査することが可能であるため、光ビームの集光状態を詳細に計測することができる。
【００１４】
光ビーム計測装置は、相異なる通過パターンに対応して光強度測定手段により測定された複数の光強度情報に基づいて、上記所定面における光強度分布を再構成するための計算をする計算手段を備えることを特徴としてもよい。この場合、光の強度分布が計算手段によって再構成されるため、集光状態を簡易かつ迅速に求めることができる。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、図面とともに本発明による光ビーム計測装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面においては、同一要素には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。
【００１６】
図１は、本発明による光ビーム計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。光ビーム計測装置は、被測定光となる光が所定の伝播方向に沿って集光される光学系上において、焦点面近傍を通過する光ビームの空間パターンを変化させつつ通過光の強度を測定することによって、被測定光の焦点面近傍における集光状態を計測するものである。例えば、集光状態として、ビーム径、光密度、及び強度分布などを計測することができる。本光ビーム計測装置は、光強度測定器１、及び通過パターン制御装置２を備える。
【００１７】
光強度測定器１は、入射光をその強度に応じた電気信号に変換することによって、入射光の強度を測定する光強度測定手段である。この光強度測定器１は、被測定光の伝播方向に沿って焦点面の下流側に設けられている。
【００１８】
通過パターン制御装置２は、入射する光の一部または全部を遮蔽するための遮蔽部材２１、及びこの遮蔽部材２１の位置の設定及び移動を制御する制御部２２を有して構成される。この通過パターン制御装置２は、遮蔽部材２１によって遮蔽されずに光強度測定器１へと通過する光の空間パターン（通過パターン）を制御する通過パターン制御手段である。
【００１９】
遮蔽部材２１は、長方形のセラミックス板からなり、光を透過させない性質をもつ。このセラミックス板は、長方形の１つの辺が鋭角をなすエッジ２１ａとなるように、ナイフエッジ状に形成されている。また、遮蔽部材２１は、光の伝播方向と略直交し、光の焦点面近傍となる所定の光遮蔽面Ｓ上に設けられている。本実施形態においては、光遮蔽面Ｓは、被測定光の焦点面に一致している。
【００２０】
この遮蔽部材２１において、直線状に形成されているエッジ２１ａは、被測定光のうちで遮蔽される光と、通過する光との境界となる端部である。すなわち、遮蔽部材２１のエッジ２１ａが光ビームの一部に掛かると、エッジ２１ａを境界として遮蔽部材２１側を通る光は遮蔽され、一方、その反対側を通る光は光強度測定器１へと通過する。
【００２１】
また、遮蔽部材２１は、光遮蔽面Ｓ内において、回転方向を含めた複数の方向に移動可能に設置されている。具体的には例えば、遮蔽部材２１は、光の伝播方向の光軸に直交するとともにエッジ２１ａに直交する直線方向、及び光軸を中心とする回転方向の２つの方向に移動可能に設置される。
【００２２】
制御部２２は、光遮蔽面Ｓ内で遮蔽部材２１を移動させ、所定の光の通過パターンに応じた位置に設定する。複数の通過パターンを用意しておくことにより、それぞれの通過パターンに対応して光強度測定器１により測定された複数の光強度情報を得ることができる。これらの通過パターンは、制御部２２のメモリに予め記憶させておくことができる。あるいは、遮蔽部材２１を移動させる度に、測定者が、所望の通過パターンを計算機等を介して制御部２２に入力することとしてもよい。
【００２３】
遮蔽部材２１と光強度測定器１との間の光軸上には、光強度減衰フィルタ３が設けられている。光強度減衰フィルタ３は、光強度測定器１に入射する光の強度を減衰させる光強度減衰手段である。この光強度減衰フィルタ３としては、例えばＮＤフィルタを用いることができる。
【００２４】
光強度測定器１及び制御部２２に対して、計算機４が接続されている。計算機４は、光遮蔽面Ｓにおける光の強度分布を再構成するための計算をする計算手段である。この計算機４は、光強度測定器１で測定された光強度情報を入力するとともに、制御部２２によって設定された通過パターンの情報を入力する。そして、計算機４は、これらの情報に基づいて、所定の計算を行うことにより光の強度分布を再構成する。
【００２５】
本実施形態による光ビーム計測装置の効果を説明する。図１に示した光ビーム計測装置においては、光強度測定器１に入射する光の通過パターンを、通過パターン制御装置２によって制御することができる。これにより、ナイフエッジ法を適用して、光遮蔽面Ｓにおける光の集光状態を計測することができる。
【００２６】
また、遮蔽部材２１はセラミックスからなるので、高強度の光を計測対象とする場合であっても、遮蔽部材２１が加工されにくい。このため、本光ビーム計測装置によれば、高強度の光に対しても集光状態を計測することができる。さらに、遮蔽部材２１に高強度の光を照射することができるため、遮蔽部材２１の手前にＮＤフィルタ等の光強度減衰手段が設ける必要がない。これにより、所望の強度における集光状態を計測することができる。このため、高強度の光に対しても集光状態を正確に計測することができる。
【００２７】
また、遮蔽部材２１と光強度測定器１との間に光強度減衰フィルタ３が設けられている。これにより、光強度測定器１に入射する光の強度を適当な強度まで減衰することができる。例えば、遮蔽部材２１を通過した光を直接に入射すると光強度測定器１が飽和するような場合に、飽和を防ぐことができる。
【００２８】
また、遮蔽部材２１は、遮蔽される光と通過する光との境界となるエッジ２１ａが直線状に形成されている。このため、ナイフエッジ法を適用して好適に集光状態を計測することができる。さらに、遮蔽部材２１は、光遮蔽面Ｓ内において回転方向を含めた複数の方向に移動可能に設けられている。これにより、光ビームに対して様々な方向から遮蔽部材２１を走査することが可能であるため、集光状態を詳細に計測することができる。ただし、光遮蔽面Ｓ内での遮蔽部材２１の移動については、例えば光軸に直交する一方向のみに移動可能な構成としてもよい。
【００２９】
また、光の強度分布を再構成するための計算手段として計算機４が設けられている。これにより、光の強度分布が計算機４によって再構成されるため、集光状態を簡易かつ迅速に求めることができる。この計算機４と、通過パターン制御装置２の制御部２２とは、単一のコンピュータによって構成してもよい。あるいは、それぞれを別々のコンピュータによって構成してもよい。
【００３０】
次に、遮蔽部材２１として用いられるセラミックスについて説明する。セラミックスは、原料を焼成または結晶成長させて作られる。このようにして作られるセラミックスは、一般に硬くて熱に強いので、高強度の光の照射を受けても熱的、化学的な変化をほとんど起こさない。このため、セラミックスからなる遮蔽部材２１は、特に光強度の大きい焦点面近傍において光を遮蔽するための部材として適している。ただし、実際の使用にあたっては、光の集光状態を計測する間に遮蔽部材２１に少しでも損傷があってはいけないというわけではない。つまり、焦点面近傍を遮蔽部材２１が走査される間においてエッジ２１ａの損傷が充分に小さければ良く、この損傷に対する光強度の閾値が大きいほど、高強度の光ビームを計測できる。
【００３１】
セラミックスとしては、例えば、珪酸塩（炭化珪素、窒化珪素など）を主原料とする岩石鉱物の粉末を成型し、乾燥後適当な温度で焼成したものを用いることができる。具体的には、土器、陶質土器、陶器、あるいは磁器などである。
【００３２】
土器とは、粘土を材料として釉薬をかけずに焼成したものをいう。この土器は、多孔質で吸水性がある。陶質土器とは、有色土を材料として釉薬をかけずに焼成したものをいう。その素地は、吸水性がなく不透明である。陶器とは、粘土質原料に石英、長石等を加えたものをいう。その素地は、多孔質で若干の吸水性があり、一方で、透光性はほとんどない。磁器とは、良質の粘土、石英、長石および陶石を材料として高温で溶化するまで充分に焼き締めたものである。この磁器は、ガラス質で吸水性はなく、一方で、透光性はある。
【００３３】
また、セラミックスとしては、特殊陶磁器を用いることもできる。この特殊陶磁器は、上記の陶器とは異なり、主に非金属無機質固体を原料に用いたものであり、ニューセラミックスと呼ばれる。特に原料を微紛化して用いた場合には、ファインセラミックスと呼ばれる。なお、非金属無機質固体としては、例えばアルミナ、チタン酸バリウム、ジルコニア、ホウ化チタン、及び窒化アルミニウムなどがある。
【００３４】
図２は、セラミックスあるいは金属に対して高強度のレーザ光を照射して両者の損傷の程度を比較した際の実験配置を示す概略図である。この実験では、図２に示すように、試料６１、レーザ光源６２、及び集光レンズ６３を用いた。
【００３５】
試料６１は、損傷の比較対象となるセラミックスあるいは金属からなる部材を図１の遮蔽部材２１と同じ形状に形成したものである。また、レーザ光源６２は、試料６１に照射するレーザ光を供給するための光源である。そのレーザ光の光軸上に集光レンズ６３を配置した。この集光レンズ６３は、レーザ光源６２からのレーザ光を集光する焦点距離２００ｍｍの単レンズである。その焦点面上に、試料６１を、レーザビームの略半分を覆うようにして配置した。したがって、レーザ光束のうち最も光密度の高い中央部分がエッジ６１ａ付近に照射されることとなるので、試料６１のエッジ６１ａが最も損傷を受けやすい状況下での実験となっている。
【００３６】
この実験でのレーザ光の照射条件は、強度６００ｍＷ、パルス幅４５ｆｓ、周波数１ｋＨｚとした。このレーザ光を試料６１のエッジ６１ａの部分に６０秒間照射した。レーザ光照射後のエッジ６１ａの顕微鏡写真を図３〜図７に示す。写真の横方向のフルスケールは、各図ともに１．５ｍｍである。各図において、上側にみえる略水平の境界線がエッジ６１ａに対応している。
【００３７】
図３及び図４は、金属を試料６１とした場合の写真である。図３では銅を、図４ではステンレスを試料６１とした。いずれにおいても、エッジ６１ａに対応する境界線の中央付近から、図の下向きに延びる大きな亀裂がみられる。したがって、試料６１が非常に大きな損傷を受けたことがわかる。一方、図５〜図７は、セラミックスを試料６１とした場合の写真である。図５では素焼きの陶器を、図６では磁器を、また図７ではアルミナを試料６１とした。いずれにおいても、図３及び図４と比較して明らかに損傷が小さいことがわかる。
【００３８】
このように、金属は高強度の光の照射により非常に損傷を受けやすいため、従来のように金属を遮蔽部材として用いたのでは、高強度の光に対して集光状態を正しく計測することが困難である。これに対し、セラミックスは高強度の光の照射を受けても損傷しにくいため、セラミックスを遮蔽部材として用いれば、高強度の光に対しても集光状態を正しく計測することができる。したがって、セラミックスは、遮蔽部材としての用途に非常に適している。
【００３９】
次に、光ビームの集光状態の計測に用いられるナイフエッジ法について説明する。なお、以下に説明する強度分布等を求める計算は、図１に示した構成では、計算機４において行うことができる。図８は、ナイフエッジ法の計測原理を説明するための図である。この図は、焦点面近傍に設定された光遮蔽面（図１参照）を示しており、また、光遮蔽面における光ビームの範囲を円形として、符号８１によって示している。また、図８において、ｘ軸は、計測対象である光ビーム８１の光軸に直交し、遮蔽部材による走査方向となる軸である。
【００４０】
ナイフエッジ法においては、まず遮蔽部材のエッジ（ナイフエッジ）が光ビームに掛からない状態で光強度を測定することによって、全通過光強度Ｐ０を求める。次に、ナイフエッジをｘ軸の正の方向に走査することにより通過パターンを変化させつつ通過光強度を測定し、通過光強度がＰ０の９０％になるときのナイフエッジの位置８２Ａの座標ｘ１、及び通過光強度がＰ０の１０％になるときのナイフエッジの位置８２Ｂの座標ｘ２を求める。このｘ１とｘ２を用いて、光遮蔽面上における光ビーム８１の直径ａｇ（ｅ−２）を次式、
【００４１】
ａｇ（ｅ−２）＝１．５６×（ｘ２−ｘ１）
【００４２】
により算出することができる。ここで、ａｇ（ｅ−２）は、光ビーム８１のピーク強度に対してｅ−２倍まで強度が落ちる位置までの光ビーム８１の直径である。
【００４３】
ナイフエッジ法において、より詳細に集光状態を計測したい場合には、ナイフエッジの位置座標ｘの関数として通過光強度を測定してプロットする方法が用いられる。このように通過光強度のデータ点をプロットした例を図９のグラフに黒丸で示す。図９の横軸はナイフエッジの位置座標ｘ（ｍｍ）を、縦軸は通過光強度（任意スケール）を示している。また、図９には、これらのデータ点に対するフィッティング曲線９１を示している。ここでは、フィッティング曲線９１として２次元ガウシアン関数の積分関数が用いられている。このフィッティング曲線９１から光ビーム８１の断面プロファイル９２を求めることができる。断面プロファイル９２のピーク位置９３はｘ＝０．０２８９（ｍｍ）、標準偏差はσ＝０．０１３３（ｍｍ）である。これより、光ビーム８１の直径ａｇ（ｅ−２）を、４σ＝０．０５３２（ｍｍ）と見積もることができる。
【００４４】
また、ナイフエッジを一方向に走査して得られるプロット曲線（図９では、フィッティング曲線９１）を微分すれば、光遮蔽面における光ビームの２次元強度分布をナイフエッジの走査方向と垂直な方向に積分投影した１次元強度分布が得られる。さらに、このような１次元強度分布を複数の走査方向に対して求めることにより、光ビームの２次元強度分布についての情報を得ることが可能である。すなわち、光ビームに対して様々な方向からナイフエッジを走査し、各走査方向について得られる上記の１次元強度分布を逆投影することによって、光遮蔽面における光ビームの２次元強度分布を再構成することができる。
【００４５】
本発明による光ビーム計測装置は、上述した実施形態に限られるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、図１に示した光ビーム計測装置においては、遮蔽部材２１が設けられる光遮蔽面Ｓは、被測定光の焦点面に一致する必要はなく、焦点面近傍にあってもよい。ただし、この場合であっても、光強度測定器１は、被測定光の伝播方向に沿って光遮蔽面の下流側に設けられる。
【００４６】
また、光強度減衰フィルタ３については、不要であれば設置しない構成としても良い。また、光強度分布の計算等については、計算機４を設けず、光ビーム計測装置とは別に設けられた計算機によって行うこととしてもよい。
【００４７】
【発明の効果】
本発明による光ビーム計測装置においては、光強度測定手段に入射する光の通過パターンを通過パターン制御手段によって制御することができる。これにより、ナイフエッジ法を適用して、光の集光状態を計測することができる。
【００４８】
また、通過パターン制御手段が有する遮蔽部材はセラミックスからなるので、高強度の光を計測対象としても遮蔽部材が加工されにくい。このため、遮蔽部材の手前に光強度減衰手段を設ける必要がないので、所望の強度における集光状態を計測することができる。したがって、本光ビーム計測装置によれば、高強度の光に対しても集光状態を正確に計測することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による光ビーム計測装置の一実施形態の概略構成を示す模式図である。
【図２】セラミックスあるいは金属に対して高強度のレーザ光を照射して両者の損傷の程度を比較した際の実験配置を示す概略図である。
【図３】銅を試料とした場合の図２における実験結果を示す写真である。
【図４】ステンレスを試料とした場合の図２における実験結果を示す写真である。
【図５】素焼きの陶器を試料とした場合の図２における実験結果を示す写真である。
【図６】磁器を試料とした場合の図２における実験結果を示す写真である。
【図７】アルミナを試料とした場合の図２における実験結果を示す写真である。
【図８】ナイフエッジ法の計測原理を説明するための図である。
【図９】ナイフエッジ法による集光状態の解析例を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・・光強度測定器、２・・・通過パターン制御装置、３・・・光強度減衰フィルタ、４・・・計算機、２１・・・遮蔽部材、２２・・・制御部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004294239.tif 000009
【図８】
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【図９】
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