(57)【要約】  赤外線レーザのビームプロファイルを安価なイメージセンサにて測定できるようにするため、本測定システムは、（Ａ）赤外線レーザを照射する可視光測定用のイメージセンサと、（Ｂ）ある露光時間にて上記イメージセンサにより測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定し、上記ピークの画素値が所定の値域内であると判定された場合には、上記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、赤外線レーザのビームプロファイルを計算する情報処理装置とを有する。
2020085224.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
赤外線レーザを可視光測定用のイメージセンサに照射するステップと、
ある露光時間にて前記イメージセンサにより測定された画素値から特定されるピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定するステップと、
前記ピークの画素値が前記所定の値域内であると判定された場合には、前記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、前記赤外線レーザのビームプロファイルを計算するステップと、
を含む測定方法。
【請求項２】
前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記ある露光時間より短い露光時間を新たな前記ある露光時間として設定し、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記ある露光時間より長い露光時間を新たな前記ある露光時間として設定し、
前記判定するステップに戻る
請求項１記載の測定方法。
【請求項３】
前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記イメージセンサの温度を下げるように制御し、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記イメージセンサの温度を上げるように制御し、
前記判定するステップに戻る
請求項１記載の測定方法。
【請求項４】
前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記イメージセンサへの前記赤外線レーザの入射パワーの減衰を増加させるように制御し、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記イメージセンサへの前記赤外線レーザの入射パワーの減衰を減少させるように制御し、
前記判定するステップに戻る
請求項１記載の測定方法。
【請求項５】
赤外線レーザを照射する可視光測定用のイメージセンサと、
ある露光時間にて前記イメージセンサにより測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定する判定部と、前記ピークの画素値が前記所定の値域内であると前記判定部により判定された場合には、前記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、前記赤外線レーザのビームプロファイルを計算する計算部とを有する情報処理装置と、
を有する測定システム。
【請求項６】
前記情報処理装置は、
前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記ある露光時間より短い露光時間を新たな前記ある露光時間として設定し、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記ある露光時間より長い露光時間を新たな前記ある露光時間として設定する制御部
をさらに有する請求項５記載の測定システム。
【請求項７】
前記イメージセンサを冷却するための冷却機構をさらに有し、
前記情報処理装置は、
前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記イメージセンサの温度を下げるように前記冷却機構を制御し、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記イメージセンサの温度を上げるように前記冷却機構を制御する制御部
をさらに有する請求項５記載の測定システム。
【請求項８】
前記イメージセンサへの前記赤外線レーザの入射パワーを減衰させる減衰機構をさらに有し、
前記情報処理装置は、
前記ピークの画素値が前記所定の値域内ではない場合であって、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を超える場合には、前記赤外線レーザの入射パワーの減衰を増加させるように前記減衰機構を制御し、
前記ピークの画素値が前記所定の値域を下回る場合には、前記赤外線レーザの入射パワーの減衰を減少させるように前記減衰機構を制御する制御部
をさらに有する請求項５記載の測定システム。
【請求項９】
前記イメージセンサに対する可視光遮断部、又は
前記イメージセンサに対して可視光領域において特定の波長の光以外を遮断し、赤外領域の光を透過させるフィルタ
をさらに有する請求項５乃至８のいずれか１つ記載の測定システム。
【請求項１０】
前記イメージセンサに、当該イメージセンサのセンサ素子に含まれる画素のうち外縁部の画素と前記イメージセンサの周辺部分とを遮蔽するカバーが付されていることを特徴とする
請求項５乃至９のいずれか１つ記載の測定システム。
【請求項１１】
赤外線レーザが照射された可視光測定用のイメージセンサによりある露光時間にて測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定するステップと、
前記ピークの画素値が前記所定の値域内である場合には、前記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、前記赤外線レーザのビームプロファイルを計算するステップと、
を、コンピュータに実行させるためのプログラム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、赤外線レーザのビームプロファイルの測定技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
可視光レーザについては、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）イメージセンサやＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）イメージセンサに測定対象のレーザを照射することよって、イメージセンサから出力される画素値の強度分布から、ビーム径などのビームプロファイルが得られる。【０００３】
一方、赤外線レーザについては、従来では、可視光測定用のＣＣＤイメージセンサやＣＭＯＳイメージセンサに対して直接照射して測定することはできず、赤外光を可視光に変換するイメージコンバータを用いる方法、ＣＣＤイメージセンサ等に代わって焦電型イメージセンサを用いる方法などが実用化されている。しかしながら、コスト面やイメージセンサに含まれる画素のサイズ等の問題がある。【０００４】
なお、特許文献１には、赤外線レーザのビーム径等をＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサにて測定できるかのような記載がある。しかし、一般的には、波長変換などを行わなければ測定できず、赤外線レーザのビーム径等をＣＣＤやＣＭＯＳイメージセンサで測定する具体的手段については、特許文献１には何らの記載もない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００８−１２２２０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、一側面として、赤外線レーザのビームプロファイルを安価なイメージセンサにて測定できるようにするための技術を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る測定方法は、（Ａ）赤外線レーザを可視光測定用のイメージセンサに照射するステップと、（Ｂ）ある露光時間にて上記イメージセンサにより測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定するステップと、（Ｃ）上記ピークの画素値が所定の値域内であると判定された場合には、上記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、赤外線レーザのビームプロファイルを計算するステップとを含む。【０００８】
本発明に係る測定システムは、（Ａ）赤外線レーザを照射する可視光測定用のイメージセンサと、（Ｂ）ある露光時間にて上記イメージセンサにより測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定し、上記ピークの画素値が所定の値域内であると判定された場合には、上記イメージセンサにて測定された画素値に基づき、赤外線レーザのビームプロファイルを計算する情報処理装置とを有する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実験結果の一例を示す図である。
【図２】図２は、レーザ照射時間と単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートの関係を示す図である。
【図３】図３は、ピーク画素値と目標範囲との関係を模式的に説明するための図である。
【図４】図４は、第１の実施の形態に係る測定システムの概要を示す図である。
【図５】図５は、第１の実施の形態に係る測定方法の流れを示す図である。
【図６】図６は、単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートの調整を模式的に説明するための図である。
【図７】図７は、第２の実施の形態に係る測定システムの概要を示す図である。
【図８】図８は、調整パラメータの調整方針を表すテーブルを示す図である。
【図９】図９は、第３の実施の形態の概要を説明するための図である。
【図１０】図１０は、第３の実施の形態に係る測定システムの概要を示す図である。
【図１１】図１１は、第３の実施の形態に係る測定方法の流れを示す図である。
【図１２】図１２は、第３の実施の形態に係る測定方法の流れを示す図である。
【図１３】図１３は、可視光レーザを共用する例を模式的に示す図である。
【図１４】図１４は、アライメント用のフィルタの波長特性を説明するための図である。
【図１５】図１５は、フィルタの作用を説明するための図である。
【図１６】図１６は、可視光及び赤外線レーザ加工用のフィルタの波長特性を説明するための図である。
【図１７】図１７は、イメージセンサに付加するカバーを説明するための断面図である。
【図１８】図１８は、コンピュータ装置のブロック構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
［本発明の実施の形態に係る着想］
本発明の実施の形態では、可視光測定用のイメージセンサ（より具体的にはモノクロ測定用イメージセンサ。ＣＣＤでもＣＭＯＳでもよい）を用いて、本来は測定対象ではない赤外線レーザのビームプロファイルを測定する。
【００１１】
このため、光励起されたキャリアによる信号ではなく、赤外線レーザによって熱励起されたキャリアによる信号（すなわち暗電流）を測定することで、イメージセンサ表面における温度分布を空間的に離散化して可視化することで、赤外線レーザのビームプロファイルを得ることにする。
【００１２】
しかしながら、熱励起を用いるため、イメージセンサの温度上昇による信号レベル（すなわち画素値）の変化により問題が発生する。
【００１３】
実験結果の一例を図１に示す。図１の横軸はイメージセンサを横切るある直線上での位置を表し、縦軸は信号レベルを表す。ここでは、赤外線レーザを照射する前における信号レベルを繋ぐライン（０ｓ）、赤外線レーザを照射して５秒後における信号レベルを繋ぐライン（５ｓ）、赤外線レーザを照射して１０秒後における信号レベルを繋ぐライン（１０ｓ）、赤外線レーザを照射して２０秒後における信号レベルを繋ぐライン（２０ｓ）、赤外線レーザを照射して３０秒後における信号レベルを繋ぐライン（３０ｓ）、赤外線レーザを照射して４０秒後における信号レベルを繋ぐライン（４０ｓ）、赤外線レーザを照射して５０秒後における信号レベルを繋ぐライン（５０ｓ）、赤外線レーザを照射して６０秒後における信号レベルを繋ぐライン（６０ｓ）が示されている。なお、各ラインで表される信号レベルは、全て同じ露光時間（電子シャッタのシャッタスピード）で測定されている。
【００１４】
図１から分かるように、５ｓや１０ｓのラインではピークが低すぎてビーム径を推定するには不適切である。また、４０ｓ、５０ｓ及び６０ｓのラインではピークが高すぎて、飽和レベルに達してしまっている部分もあり、ビーム径を推定するには不適切である。一方、２０ｓや３０ｓのラインでは、ピークが高すぎず且つ低すぎず、ビーム径を推定するのに適している。
【００１５】
このように実際に測定を行う場合には、信号レベル、特にピークの信号レベルに留意しないと、妥当性のある測定結果を得ることができない。
【００１６】
以下、このような実態を踏まえた具体的な測定方法について説明する。
【００１７】
［実施の形態１］
本実施の形態で用いるようなイメージセンサについて、レーザ照射時間［ｓ］と単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートＶ（Ｔ）［ｅ-／ｓ］とは、図２に示すような関係がある。すなわち、単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートは、当初急激に増加するが、その後は緩やかに増加するようになり、ある程度のレーザ照射時間になるとほぼ一定となる。
【００１８】
このような場合に、本実施の形態では、イメージセンサが内蔵する電子シャッタの露光時間（シャッタースピード、稼働時間、シャッタ時間とも呼ぶ）ｔaを調整することで、イメージセンサから回収する熱励起キャリアの量を調整する。図２の例では、領域Ａ、領域Ｂ、領域Ｃの各々で示すように、異なるｔaを設定すれば、Ｖ（Ｔ）のカーブに応じた熱励起キャリアの回収量を調整できる。時刻Ｔにおいて露光時間ｔaで熱励起キャリアを回収すると、その回収量（Ｖ（Ｔ）以下の領域の面積）はＶ（Ｔ）＊ｔaとなる。熱励起キャリアの回収量は、測定可能な範囲に入っていれば画素値に対応するが、測定可能な範囲に入っていなければ、適切に測定できない。
【００１９】
例えば、画素ｉの画素値Ｓiが全画素のなかで最も大きい値となっているものとする。図３において実線で模式的に示すように、Ｓiが、予め定めておく目標範囲（ハッチング部分）内に入っていれば、他の画素の画素値も、適切な範囲内に入っていることが推定できるため、ビーム径などのビームプロファイルを、イメージセンサから出力される全画素値から算出できる。しかしながら、図３において２本の点線で模式的に示すように、Ｓiが目標範囲の上限値を超える場合や目標範囲の下限値を下回る場合には、一部又は全部の画素の画素値が飽和レベルに達したり、雑音レベルになってしまったりして、全体としてビーム径等のビームプロファイルを算出するのに適していない。
【００２０】
このため、本実施の形態では、調整パラメータとしてイメージセンサに内蔵される電子シャッタの露光時間を採用して、ピークとなる画素値（ピーク画素値）が目標範囲内になるように露光時間を調整するものとする。なお、ピーク画素値については、単純に最大画素値としてもよいが、雑音の問題もあるので、様々な決定方法を採用してもよい。例えば、各画素について、その画素の周辺画素の画素値を含めてピークとしての妥当性を判断し、妥当であればその画素の画素値を採用する、といった方法を採用してもよい。また、上位所定個の画素値から平均値等を算出して採用するようにしてもよい。
【００２１】
また、目標範囲については、実験により妥当な範囲を予め決定しておくものとする。
【００２２】
次に、本実施の形態に係る測定システムの機能構成例を図４を用いて説明する。
【００２３】
本実施の形態に係る測定システムは、可視光測定用のイメージセンサ１００（電子シャッタ内蔵）と、演算及び制御を行う例えばパーソナルコンピュータである情報処理装置２００とを含む。情報処理装置２００は、データ取得部２１０と、判定部２２０と、演算部２３０と、制御部２４０と、データ格納部２５０とを有する。
【００２４】
データ取得部２１０は、イメージセンサ１００から測定結果である画素値を取得し、データ格納部２５０に格納する。判定部２２０は、ピーク画素値を特定し、ピーク画素値が目標範囲に入っているか否かを判定する処理を実行する。演算部２３０は、ピーク画素値が目標範囲に入っていると判定された場合に、画素値からビーム径などのビームプロファイルを演算する処理などを実行し、処理結果をデータ格納部２５０に格納したり、表示装置などの出力装置に出力する。制御部２５０は、判定部２２０の判定結果に基づきイメージセンサ１００に内蔵される電子シャッタの制御を行う。
【００２５】
次に、図５を用いて、本実施の形態に係る測定方法について説明する。
【００２６】
まず、情報処理装置２００の制御部２４０は、調整パラメータ（本実施の形態ではイメージセンサ１００における電子シャッタの露光時間）に初期値を設定する（ステップＳ１）。電子シャッタの露光時間の場合、初期的には長めの値（例えば最大値）を設定して、その後短くすることが好ましい。
【００２７】
その後、測定者は、イメージセンサ１００に対する赤外線レーザの照射を開始させる（ステップＳ３）。
【００２８】
そして、情報処理装置２００のデータ取得部２１０は、イメージセンサ１００から各画素の画素値（すなわち暗電流信号）を取得し、データ格納部２５０に格納する（ステップＳ５）。そうすると、判定部２２０は、取得した画素値から上で述べたようにピーク画素値を特定し、当該ピーク画素値が目標範囲内に入っているか否かを判定する（ステップＳ７）。すなわち、ピーク画素値が、目標範囲の上限以下で且つ目標範囲の下限以上となっているか否かを判定する。
【００２９】
ピーク画素値が目標範囲外である場合には、制御部２４０は、調整パラメータの値を変更して設定する（ステップＳ９）。ピーク画素値が、目標範囲の上限を超えている場合には、電子シャッタの露光時間を短縮するように設定する。一方、ピーク画素値が目標範囲の下限値を下回っている場合には、電子シャッタの露光時間を延ばすように設定する。なお、ステップＳ５で取得された測定結果は破棄する。そして処理は例えば所定時間後にステップＳ５に戻る。変更の程度については、あらかじめ定めておくが、イメージセンサ１００によっては制限がある場合がある。また、イメージセンサ１００によっては設定可能な範囲が決まっているので、その範囲を超えて変更しなければならない場合には、測定不能ということを出力して測定を中止する。設定可能な範囲内であっても、所定回数変更してもピーク画素値が目標範囲内に収まらない場合には、測定不能ということを出力して測定を中止するようにしてもよい。
【００３０】
一方、ピーク画素値が目標範囲内である場合には、演算部２３０は、赤外線レーザのビームプロファイルを計算し、データ格納部２５０に格納すると共に、表示装置などの出力装置に出力する（ステップＳ１１）。
【００３１】
例えば、ガウス分布近似する場合には、画素値の分布に対して周知のガウシアンフィッティングを行って１／ｅ2幅（最大強度の０．１３５倍になる二点間の距離）を算出し、予め求めておいた校正係数を用いて補正すれば、ビーム径が得られる。他の分布を想定してもよい。
【００３２】
さらに、イメージセンサ１００の各画素温度と画素値との対応関係を予め求めておき、各画素の測定結果である画素値に対して画素温度を計算することで、イメージセンサ１００上の温度分布を得るようにしてもよい。このような温度分布を表す画像に対して、点像分布関数のデコンボリューションを行えば、任意の入射ビーム形状を推定できる。また、熱伝導解析などを実行しても、入射ビームの形状を推定できる。このような処理も演算部２３０で行うようにしてもよい。
【００３３】
なお、熱励起過程を記述するアレニウス則を表す下記の式の各係数を予め算出しておけば、画素値から画素温度を算出できる。
Tempi＝Ｅg／｛２ｋ＊log（−Ｂ＊ｔa／（Ａ−Ｓi））｝
Tempiは、画素ｉの温度を表し、Ａはオフセットを表し、Ｂは装置係数を表し、Ｓiは画素値を表し、Ｅgはバンドギャップエネルギを表し、ｋはボルツマン定数を表し、ｔaは、電子シャッタの露光時間を表す。
【００３４】
なお、他の特性曲線の多項式を求めておいて、それを用いて温度分布を得るようにしてもよい。
【００３５】
図５の説明に戻って、測定を継続する場合には（ステップＳ１３：Ｙｅｓルート）、処理はステップＳ５に戻る。一方、測定を継続しない場合には（ステップＳ１３：Ｎｏルート）、測定者は、赤外線レーザの照射を停止させる（ステップＳ１５）。そして処理は終了する。
【００３６】
以上のように、本実施の形態では、イメージセンサ１００に内蔵される電子シャッタの露光時間を調整して、ピーク画素値が目標範囲内に収まるようにするので、継続的に妥当な測定結果を得ることができるようになる。
【００３７】
なお、ステップＳ１１で得られた個々のビーム径をそのまま出力するだけではなく、所定時間毎に、その所定時間内で算出されたビーム径の平均値などを算出するようにしてもよい。
【００３８】
また、上では、調整パラメータの初期値の設定や後の変更を、制御部２４０が行う場合を示したが、測定者が、情報処理装置２００からの指示などに応じて行うようにしてもよい。
【００３９】
［実施の形態２］
第１の実施の形態では、レーザの照射時間が長くなると、レーザの強度によってはイメージセンサ１００の温度が高くなりすぎる場合もあるので、より継続的に且つ安定的に測定を行うことができるようにすることを考える。
【００４０】
本実施の形態では、イメージセンサ１００に対する入射レーザパワーを減衰させること、イメージセンサ１００を冷却することの少なくともいずれかにて対処する。なお、電子シャッタの露光時間については一定とする。
【００４１】
そうすると、第１の実施の形態における図２は、図６に示すような形になる。すなわち、入射レーザパワーを減衰させない場合には、図６における実線カーブで表されるような、単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートの変化となるが、入射レーザパワーをある程度減衰させれば、図６における長い点線のカーブとなり、入射レーザパワーをさらに減衰させれば、図６における短い点線のカーブとなる。同様に、イメージセンサ１００を冷却しなければ、図６における実線カーブで表されるような、単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートの変化となるが、イメージセンサ１００をある程度冷却させれば、図６における長い点線のカーブとなり、イメージセンサ１００をさらに冷却させれば、図６における短い点線のカーブとなる。
【００４２】
一定の露光時間ｔaであれば、幅は同一で高さが異なる領域Ｄ、領域Ｅ、領域Ｆが得られ、これらの領域の面積が熱励起キャリアの回収量に対応する。熱励起キャリアの回収量を適切に調整することは、第１の実施の形態と同様である。すなわち、入射レーザパワーを減衰させる度合い、イメージセンサ１００を冷却する度合いを調整することで、単位時間当たりの熱励起キャリア発生レートのカーブの高さを調整して、結果として得られるピーク画素値が目標範囲に入るように制御する。
【００４３】
本実施の形態に係る測定システムの機能構成例を図７を用いて説明する。
【００４４】
本実施の形態に係る測定システムは、イメージセンサ１００と、イメージセンサ１００の赤外線レーザ入射側に設けられる減衰機構３００と、イメージセンサ１００に付加される冷却機構４００と、情報処理装置２００ｂとを有する。
【００４５】
減衰機構３００は、赤外線レーザの入射レーザパワーを調整する機能を有しており、可変フィルタや連続シャッタなどによって実現される。
【００４６】
冷却機構４００は、イメージセンサ１００を冷却する機能を有しており、ペルチェ素子などである。
【００４７】
図７では、減衰機構３００と冷却機構４００とが両方設けられている例を示しているが、いずれか一方であってもよい。
【００４８】
情報処理装置２００ｂは、ほぼ第１の実施の形態に係る情報処理装置２００と同じであるが、制御部２４０ｂは、制御対象が減衰機構３００と冷却機構４００との少なくともいずれかであるので、この部分が異なっている。
【００４９】
本実施の形態に係る測定方法も、ほぼ図５に示したものと同様である。
【００５０】
但し、調整パラメータは、減衰機構３００を採用する場合には減衰度合いであり、冷却機構４００を採用する場合には冷却度合いとなる。なお、ピーク画素値が目標範囲に早期に入るように、初期値としては、減衰度合いを低くし、冷却度合いも低くすることが好ましい。
【００５１】
そして、ピーク画素値が目標範囲の上限値を超えている場合には、ステップＳ９において、制御部２４０ｂは、減衰機構３００の減衰度合いを上げ、冷却機構４００の冷却度合いを上げる。一方、ピーク画素値が目標範囲の下限値を下回る場合には、ステップＳ９において、制御部２４０ｂは、減衰機構３００の減衰度合いを下げ、冷却機構４００の冷却度合いを下げる。
【００５２】
減衰度合い及び冷却度合いの調整幅については、予め設定しておく。減衰度合いや冷却度合いについて設定可能な範囲を超えるように変更することになった場合には、測定を中止すればよい。
【００５３】
他の部分は、第１の実施の形態と同様である。
【００５４】
このようにすれば、第１の実施の形態と同様に、ピーク画素値を目標範囲内に収めることができ、適切にビーム径などのビームプロファイルを算出できるようになる。
【００５５】
第１の実施の形態と第２の実施の形態とは、熱励起キャリアの回収量を調整する点において同じであるから、第１の実施の形態と第２の実施の形態とを組み合わせて図５に示す手順を実行してもよい。
【００５６】
その際、ステップＳ９では、図８に示すような方針に従って調整パラメータの調整を行う。図８は、上で述べたことを表形式で表しただけであるが、電子シャッタの露光時間、減衰度合い及び冷却度合いの変更をすべて行わなければならないわけではない。例えば、予め設定された優先度に応じて、順番に変更してゆくようにしてもよい。
【００５７】
例えば、以下のような精緻な制御を行うと、より好ましいと考えられる。
１．レーザ照射開始時は、減衰機構３００の減衰度合いを最大化し、レーザ突入によるイメージセンサ１００のダメージを回避する。
２．レーザ照射開始直後は、減衰機構３００の減衰度合いを下げつつ電子シャッタの露光時間を最大化し、熱励起キャリアの回収量の増加を高速化させる。
３．長時間に渡る測定では、信号レベルを維持しつつ、減衰機構３００の減衰度合いを高くし冷却機構４００の冷却度合いも高くしてイメージセンサ１００の温度上昇を回避する。
４．測定終了時は、レーザ照射停止後も冷却機構４００による冷却を一定時間継続し、イメージセンサ１００の冷却を促進して、次の測定に備える。
【００５８】
［第３の実施の形態］
第１の実施の形態及び第２の実施の形態では、照射時間が長くなっても対処できるようにイメージセンサ１００の電子シャッタの露光時間、入射レーザパワーの減衰度合い、イメージセンサ１００の冷却度合いを制御するものであったが、短い時間のみ測定できれば良い場合もある。
【００５９】
例えば、電子シャッタの露光時間は固定として測定を始めると、図９に模式的に示すように、画素値の分布は、短い点線のカーブで示すように一部の画素値が雑音レベルになってしまい、ビーム径などのビームプロファイルを計算するのに適さない。その後長い点線のカーブで示すように、ピーク画素値が目標範囲内に入るようになって、ビーム径などのビームプロファイルを計算するのに好ましい状態になる。しかし、さらに時間が経過すれば、実線カーブで示すように、ピーク画素値などが飽和レベルに達してしまい、ビーム径などのビームプロファイルを計算するのに好ましくない状態になる。
【００６０】
このような特性に鑑みて、本実施の形態に係る測定システムは、図１０に示すような機能構成となる。本実施の形態に係る測定システムは、イメージセンサ１００と、情報処理装置２００ｃとを有する。情報処理装置２００ｃは、第１の実施の形態における情報処理装置２００とほぼ同じであるが、データ取得部２１０ｃの処理の一部が異なる点、判定部２２０ｃの判定処理が一部異なる点、制御部２４０が含まれない点で異なる。
【００６１】
次に、図１１及び図１２を用いて、本実施の形態に係る測定方法を説明する。
【００６２】
まず、赤外線レーザの照射前に、データ取得部２１０ｃは、イメージセンサ１００から背景信号を取得して、判定部２２０ｃに出力する（図１１：ステップＳ２１）。赤外線レーザの照射が行われていない状態であるから、背景信号は、どのような画素の画素値であってもよいし、全画素値の平均値等であってもよい。また、例えば、イメージセンサ１００の外縁部における特定の画素の画素値であり、カバーなどにより赤外線レーザの照射が行われない画素等の画素値であってもよい。
【００６３】
そして、判定部２２０ｃは、背景信号が予め設定されている基準レベル以下であるか否かを判定する（ステップＳ２３）。このステップは、イメージセンサ１００が十分に冷えているか否かを判定するために実行される。
【００６４】
もし、背景信号が予め設定されている基準レベルを超えている場合には、処理は例えば所定時間後にステップＳ２１に戻る。なお、戻るのではなく、測定を中止するようにしてもよい。
【００６５】
一方、背景信号が予め設定されている基準レベル以下であれば、測定者は、イメージセンサ１００に対する赤外線レーザの照射を開始する（ステップＳ２５）。
【００６６】
そうすると、データ取得部２１０ｃは、イメージセンサ１００から各画素の画素値（すなわち暗電流信号）を取得し、データ格納部２５０に格納する（ステップＳ２７）。そして、判定部２２０ｃは、取得した画素値から上で述べたようにピーク画素値を特定し、当該ピーク画素値が目標範囲の下限未満であるか否かを判定する（ステップＳ２９）。ピーク画素値が目標範囲の下限未満である場合には、現状では熱励起キャリアの回収量が少なすぎるということになるので、処理はステップＳ２７に戻る。
【００６７】
一方、ピーク画素値が目標範囲の下限値以上である場合には、処理は端子Ａを介して図１２の処理に移行する。そうすると、判定部２２０ｃは、ピーク画素値が目標範囲の上限値以下であるか否かを判定する（図１２：ステップＳ３１）。この条件を満たさない場合には、ピーク画素値が高くなりすぎている、すなわち熱励起キャリアの回収量が多すぎる状態になってしまったので、測定者に赤外線レーザの照射停止を促し、処理はステップＳ３５に移行する。
【００６８】
一方、ピーク画素値が目標範囲の上限値以下である場合には、演算部２３０は、赤外線レーザのビームプロファイルを計算し、データ格納部２５０に格納すると共に、表示装置などの出力装置に出力する（ステップＳ３３）。この処理はステップＳ１１と同様である。
【００６９】
そして、測定者は、赤外線レーザの照射を停止させる（ステップＳ３５）。この後、測定を継続する場合には、処理は端子Ｂを介して図１１のステップＳ２７に戻る。一方、測定を終了する場合には、ここで処理終了となる。
【００７０】
このような測定方法を採用した場合でも、ピーク画素値が目標範囲内に入っている状態においては、適切にビーム径などのビームプロファイルを算出できる。
【００７１】
なお、一度も測定できずに処理終了となることもあるので、そのような場合には、露光時間を短く設定するように測定者に対して指示などを出力するようにしてもよい。
【００７２】
［他の技術的事項Ａ］
可視光測定用のイメージセンサ１００を用いているので、赤外線レーザの測定中でも可視光を含む環境光があれば、それに反応してしまう。従って、イメージセンサ１００表面に、可視光を遮断するための可視光遮断部（例えばＧｅ窓）を設けることが好ましい。
【００７３】
なお、この可視光遮断部は、以下で示す図１５のフィルタの代わりに設けられる。
【００７４】
［他の技術的事項Ｂ］
不可視の赤外線レーザを利用する現場では、ミラーなどの光軸調整をし易くするため、可視光のレーザをガイドとしてビームに重畳（同じ光路を通らせる）させることが一般的で、重畳の精度は赤外線レーザのアライメントに大きく影響する。
【００７５】
そのため図１３に模式的に示すように、ビーム重畳の度合いを確認するため、赤外線に感度のある感熱シート（可燃物）や蛍光板（別途励起光源を使用）などを利用していた。
【００７６】
そこで、図１４に示すように、可視光領域において可視光レーザの波長を含む帯域においてある程度の透過率（可視透過率）を有し、赤外領域においても高い透過率（赤外透過率）を有するようなフィルタを設けるようにする。図１４では参考までに、可視光では光励起感度が高く、赤外領域においては熱励起感度が存在することも示してある。なお、紫外は、例えば光の波長が0.4μm程度よりも短い領域であり、可視は、例えば光の波長が0.4μm〜0.8μm程度の領域であり、赤外は、例えば光の波長が0.8μm程度よりも長い領域である。本実施の形態では、イメージセンサ１００の材料のバンドギャップエネルギに相当する波長（Si単結晶ではおよそ1.1μm）を境に、光励起による感度が実質的に存在している領域を可視光領域とし、光励起による感度がほとんどなく波長の長い方の領域を赤外領域としている。
【００７７】
すなわち、図１５に模式的に示すように、このような特性を有するフィルタを、例えば減衰機構３００より外側又は内側に設けて、特定の波長を有する可視レーザ光及び赤外線レーザ光については透過させ、環境光については遮断させることで、情報処理装置２００ｄの表示装置などの出力装置には、可視レーザ光の入射位置Ｇ、赤外線レーザ光の入射位置Ｈを示すことができるようになる。
【００７８】
このようなフィルタは、例えばＺｎＳｅ窓の表面に誘電体多層膜による可視バンドパスフィルタを形成することで実現される。
【００７９】
また、可視光透過特性を有するフィルタと赤外光透過特性を有するフィルタを個別に着脱可能とし、測定者が波長特性を調整してもよい。
【００８０】
なお、第１乃至第３の実施の形態によれば、情報処理装置２００乃至２００ｃにおけるデータ格納部２５０には、各画素の画素値が格納されるので、それを表示装置などの出力装置に出力することで、イメージセンサ１００上における赤外線レーザの入射位置を可視化できる。そのためアライメントのために可視光のレーザを用いることは少なくなるかもしれないが、可視光レーザと赤外線レーザとを両方用いて加工を行う場面も想定される。この場合、可視光レーザのパワーは大きいことが想定されるので、可視光レーザの波長を含む帯域のみにある程度の透過率を有するようなフィルタでなくても良い場合もある。例えば図１６に示すような特性を有するようなフィルタを採用し得る。図１６の例では、紫外線領域、可視領域においては、フィルタ透過率は低いレベルでおおよそフラットであるから、弱い環境光などはカットされるが、本実施の形態で対象とする赤外線レーザの領域においては、高い透過率が設定されている。例えば、イメージセンサ１００の光励起感度（短い点線）をＶuv-vis（λ）とし、熱励起感度（長い点線）をＶir（λ）とすると、本実施の形態に係るイメージセンサのグローバルな感度は、Ｖglov＝Ｖuv-vis（λ）＋Ｖir（λ）と表される。そして、フィルタ透過率の設定（実線）は、Ｔglov（λ）∝１／Ｖglovとする。すなわち、フィルタ透過率の分光特性を、光励起感度と熱励起感度とを足し合わせた形状の反転相似形状とする。そうすれば、紫外線領域から赤外線領域まで感度を有するビームプロファイラが実現されるようになる。
【００８１】
［他の技術的事項Ｃ］
本実施の形態における赤外線レーザの強度は、これまで可視光測定用のイメージセンサ１００に照射されていたレーザの強度よりも高いことが想定されている。特に、不可視の赤外線レーザの場合、測定開始時点では、赤外線レーザのビームがイメージセンサ１００に適切に入射されているか知るすべがなく、暗電流信号が検出されるまで、ビームの入射状態を把握できない。よって、イメージセンサ１００の周辺の配線や回路基板を損傷させてしまう可能性が高くなる。
【００８２】
このため、本実施の形態では、イメージセンサ１００に含まれるセンサ素子の外縁部における画素と周辺回路（基板を含む）とを遮蔽するカバー（保護機構）をイメージセンサ１００に付加する。
【００８３】
例えば図１７において模式的な断面図で示すように、センサ素子の外縁部から配線が回路基板上の回路に左右に伸びているが、センサ素子の外縁部の画素及び周辺回路（基板を含む）を遮蔽するためのカバー１１０が設けられている。なお、センサ素子の下部には、冷却機構４００が設けられている。
【００８４】
このように、赤外線レーザに対する開口部のサイズは、センサ素子のサイズよりも小さくなっており、センサ素子の外縁部の画素には赤外線レーザが照射されない。また、周辺回路にも赤外線レーザが照射されないので、イメージセンサ１００の損傷を回避することができるようになる。
【００８５】
なお、赤外線レーザが照射されない画素の画素値を、背景信号として採用する場合もある。
【００８６】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、情報処理装置２００乃至２００ｃの機能構成例は一例であり、プログラムモジュール構成とは一致しない場合もある。また、処理フローについても、処理結果が変わらない限り、ステップの順番を入れ替えたり、複数ステップを並列に実行するようにしてもよい。
【００８７】
また、実施の形態の組み合わせや、各実施の形態における任意の技術的特徴の組み合わせは、その目的に応じて随時なされるものである。
【００８８】
なお、上で述べた情報処理装置２００乃至２００ｄは、コンピュータ装置であって、図１８に示すように、メモリ２５０１とＣＰＵ（Central Processing Unit）２５０３とハードディスク・ドライブ（ＨＤＤ：Hard Disk Drive）２５０５と表示装置２５０９に接続される表示制御部２５０７とリムーバブル・ディスク２５１１用のドライブ装置２５１３と入力装置２５１５とネットワークに接続するための通信制御部２５１７と周辺機器（イメージセンサ１００、減衰機構３００、冷却機構４００などを含む）と接続するための周辺機器接続部２５２１とがバス２５１９で接続されている。なお、ＨＤＤはソリッドステート・ドライブ（ＳＳＤ：Solid State Drive）などの記憶装置でもよい。オペレーティング・システム（ＯＳ：Operating System）及び本発明の実施の形態における処理を実施するためのアプリケーション・プログラムは、ＨＤＤ２５０５に格納されており、ＣＰＵ２５０３により実行される際にはＨＤＤ２５０５からメモリ２５０１に読み出される。ＣＰＵ２５０３は、アプリケーション・プログラムの処理内容に応じて表示制御部２５０７、通信制御部２５１７、ドライブ装置２５１３を制御して、所定の動作を行わせる。また、処理途中のデータについては、主としてメモリ２５０１に格納されるが、ＨＤＤ２５０５に格納されるようにしてもよい。例えば、上で述べた処理を実施するためのアプリケーション・プログラムはコンピュータ読み取り可能なリムーバブル・ディスク２５１１に格納されて頒布され、ドライブ装置２５１３からＨＤＤ２５０５にインストールされる。インターネットなどのネットワーク及び通信制御部２５１７を経由して、ＨＤＤ２５０５にインストールされる場合もある。このようなコンピュータ装置は、上で述べたＣＰＵ２５０３、メモリ２５０１などのハードウエアとＯＳ及びアプリケーション・プログラムなどのプログラムとが有機的に協働することにより、上で述べたような各種機能を実現する。
【００８９】
なお、上ではイメージセンサと情報処理装置とが別々の装置として提供される例を示したが、それらが一体となった測定システム（例えばポータブルな計測器）として提供される場合もある。
【００９０】
以上述べた実施の形態をまとめると以下のようになる。
【００９１】
本実施の形態に係る測定方法は、（Ａ）赤外線レーザを可視光測定用のイメージセンサに照射するステップと、（Ｂ）ある露光時間にてイメージセンサにより測定された画素値（すなわち暗電流信号）から特定されるピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定するステップと、（Ｃ）上記ピークの画素値が所定の値域内であると判定された場合には、イメージセンサにて測定された画素値に基づき、赤外線レーザのビームプロファイルを計算するステップとを含む。
【００９２】
このようにピークの画素値を基準にすることで測定の妥当性を担保しつつ、安価な可視光測定用のイメージセンサを用いて赤外線レーザの測定を行うことができるようになる。なお、ピークの画素値については、様々なバリエーションがあり、ある一つの画素の画素値を採用する場合も、複数の画素の画素値から算出される値を用いるようにしてもよい。
【００９３】
また、上で述べたピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、上記ある露光時間より短い露光時間を新たな上記ある露光時間として設定し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、上記ある露光時間より長い露光時間を新たな上記ある露光時間として設定するようにしてもよい。この場合、その後、処理は上記判定するステップに戻る。
【００９４】
このようにすれば、熱励起キャリアの回収量を露光時間にて制御でき、妥当性のある測定状態に移行させることができるようになる。
【００９５】
また、上で述べたピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、イメージセンサの温度を下げるように制御し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、イメージセンサの温度を上げるように制御するようにしてもよい。この場合、その後、処理は上記判定するステップに戻る。
【００９６】
このような制御を行えば、熱励起キャリアの発生レートを調整することができるため、熱励起キャリアの回収量を制御できるようになり、妥当性のある測定状態に移行させることができるようになる。
【００９７】
さらに、上で述べたピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、イメージセンサへの赤外線レーザの入射パワーの減衰を増加させるように制御し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、イメージセンサへの赤外線レーザの入射パワーの減衰を減少させるように制御するようにしてもよい。この場合、その後の処理は上記判定するステップに戻る。
【００９８】
このような制御を行うことでも、イメージセンサの温度調整と同様に、熱励起キャリアの発生レートを調整できるようになる。
【００９９】
本実施の形態に係る測定システムは、（Ａ）赤外線レーザを照射する可視光測定用のイメージセンサと、（Ｂ）ある露光時間にてイメージセンサにより測定された画素値から特定されたピークの画素値が所定の値域内であるか否かを判定する判定部と、ピークの画素値が所定の値域内であると判定部により判定された場合には、イメージセンサにて測定された画素値に基づき、赤外線レーザのビームプロファイルを計算する計算部とを有する情報処理装置とを有する。
【０１００】
イメージセンサと情報処理装置により、上で述べた測定方法を自動的に実行できるようになる。
【０１０１】
なお、上で述べた情報処理装置が、上記ピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、上記ある露光時間より短い露光時間を新たな上記ある露光時間として設定し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、上記ある露光時間より長い露光時間を新たな上記ある露光時間として設定する制御部をさらに有するようにしてもよい。少ないコストで継続して測定できるようになる。
【０１０２】
また、上で述べた測定システムは、イメージセンサを冷却するための冷却機構（Cooler）をさらに有するようにしてもよい。この場合、上で述べた情報処理装置は、上記ピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、イメージセンサの温度を下げるように冷却機構を制御し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、イメージセンサの温度を上げるように冷却機構を制御する制御部をさらに有するようにしてもよい。冷却機構を用いることで、より安定的に継続して測定を行うことができるようになる。
【０１０３】
さらに、上で述べた測定システムは、イメージセンサへの赤外線レーザの入射パワーを減衰させる減衰機構（Optical Attenuator）をさらに有するようにしてもよい。この場合、上で述べた情報処理装置は、上記ピークの画素値が所定の値域内ではない場合であって、上記ピークの画素値が所定の値域を超える場合には、赤外線レーザの入射パワーの減衰を増加させるように減衰機構を制御し、上記ピークの画素値が所定の値域を下回る場合には、赤外線レーザの入射パワーの減衰を減少させるように減衰機構を制御する制御部をさらに有するようにしてもよい。減衰機構を用いれば、イメージセンサの保護も図れ、さらに安定的に継続して測定を行うことができるようになる。
【０１０４】
また、上で述べた測定システムは、イメージセンサに対する可視光遮断部（Visible Light Shutter）、又は、イメージセンサに対して可視光領域において特定の波長の光以外を遮断し、赤外領域の光を透過させるフィルタをさらに有するようにしてもよい。可視光遮断部を設けることで、環境光の影響を抑制でき、フィルタを設けることで、環境光の影響を抑制できると共に例えば特定の波長の可視光レーザをも測定できるようになる。
【０１０５】
さらに、上で述べたイメージセンサに、当該イメージセンサのセンサ素子に含まれる画素のうち外縁部の画素とイメージセンサの周辺部分とを遮蔽するカバーが付されるようにしてもよい。これにより、不可視の赤外線レーザがセンサ素子の周辺にある回路などを損傷させるような事態を回避できるようになる。
【０１０６】
以上述べた情報処理装置の処理をコンピュータに実行させるためのプログラムを作成することができて、そのプログラムは、様々な記憶媒体に記憶される。
【図１】
2020085224.tif 000003
【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】
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【図８】
2020085224.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2020085224.tif 000015
【図１４】
2020085224.tif 000016
【図１５】
2020085224.tif 000017
【図１６】
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【図１７】
2020085224.tif 000019
【図１８】
2020085224.tif 000020
【国際調査報告】
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2020085224.tif 000022
2020085224.tif 000023
2020085224.tif 000024
2020085224.tif 000025
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