JP2002257531A - ビーム位置検出装置 - Google Patents

ビーム位置検出装置

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JP2002257531A
JP2002257531A JP2001056809A JP2001056809A JP2002257531A JP 2002257531 A JP2002257531 A JP 2002257531A JP 2001056809 A JP2001056809 A JP 2001056809A JP 2001056809 A JP2001056809 A JP 2001056809A JP 2002257531 A JP2002257531 A JP 2002257531A
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spectral
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central axis
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JP2001056809A
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Shigehiro Yoshiyasu
重宏 吉安
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Mitsubishi Electric Corp
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Mitsubishi Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 簡素な構成により、煩雑な作業を要せず、分
光光学部品を適切な位置及び角度に設置することができ
るビーム位置検出装置を得ること。 【解決手段】 光学部品中心軸30aの周りに2面の反
射面30b,30cを有し入射レーザビーム1を反射面
30b,30cにより分光する分光光学部品30を備え
たビーム位置検出装置であり、分光光学部品30は、各
反射面30b,30c上の、光学部品中心軸30aから
等距離の位置に、軸方向が光学部品中心軸30aと平行
となる同一開口面積を有する貫通開口部31a,31b
を設け、この各貫通開口部31a,31bの反射面30
b,30cと反対側の平面部30dに出力検出手段17
a,17bを設けるとともに、この各出力検出手段17
a,17bからの出力に基き演算を行なう演算手段7
0,71と、この演算手段70,71からの出力に基き
分光光学部品30の位置を調整するスライドホルダ50
及び角度を調整する光学部品ホルダ40とを備えたもの
である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】この発明は、ビーム位置検出
装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】以下、従来例について図に基いて説明す
る。図5は、従来の一般的な、レーザ加工システムの概
略図である。レーザ発振器10より射出した入射レーザ
ビーム1は反射鏡11を介して分光光学部品3に入射
し、その反射面によってそれぞれ分光レーザビーム2
a,2bに分光される。そして、これら分光レーザビー
ム2a,2bを、それぞれ集光光学系8a,8bを用い
て被加工物9a,9bの表面上で集光させる。
【0003】図6は、従来のビーム位置検出装置を示す
概略図であり、入射レーザビーム1の断面強度形状とし
て、例えばレーザビームプロファイル1aを有する入射
レーザビーム1を分光光学部品3によって二等分に分光
しようとする場合の、分光光学部品3の調整のための概
略の構成を示したものである。
【0004】分光光学部品3に入射した入射レーザビー
ム1は、分光光学部品3の反射面3b及び3cによって
2方向の分光レーザビーム2a及び2bに分光される。
図6に示す分光光学部品3において、その2つの反射面
3bと3cとが交わる交線を通り、その交線を含む面を
中心として2つの反射面3bと3cとが対称な位置関係
となるような面を図6において3aの一点鎖線で示し、
これを光学部品中心軸とする。この図6の例のように、
反射面が2面の場合は、その2つの反射面3bと3cと
が交わる部分は交線となるが、反射面が3面以上の場合
は、その全ての反射面が交わる部分は交点となる。この
ような場合にも、その交点を通る軸を中心として全ての
反射面がその軸と等しい角度で交差するような中心軸を
光学部品中心軸とする。
【0005】これら分光・反射された分光レーザビーム
2a,2bの進行方向の延長線上に、各々、出力検出器
7a及び7bを配置する。出力検出器7aでは分光レー
ザビーム2aの、出力検出器7bでは分光レーザビーム
2bの出力が検出される。図6では、分光レーザビーム
2a,2bを、それぞれWra,Wrbの幅を有する矢
印で示しているが、出力検出器7a及び7bによって検
出される分光レーザビーム2a,2bの出力の大小は、
単純に図6で示される幅Wra,Wrbの大きさに比例
するものではなく、それぞれが反射している部分の入射
レーザビーム1のレーザビームプロファイル1aも関係
する。
【0006】出力検出器7a,7bによって分光レーザ
ビーム2a,2bそれぞれの出力が検出され、検出され
た分光レーザビーム2aの出力(以下適宜、検出出力と
記す)Vaと分光レーザビーム2bの検出出力Vbとが
Va=Vbであれば、入射レーザビーム1の出力(パワ
ー)が分光光学部品3により正確に二等分されていると
判断されるが、図6に示す場合のように、入射レーザビ
ーム中心軸1bと分光光学部品3がもつ光学部品中心軸
3aとが一致していない場合には、Va≠Vbとなる。
このようにVa≠Vbとなる場合は、入射レーザビーム
1が正確に二等分されていない状態を示すことに他なら
ず、このような場合にはVa=Vbとなるように分光光
学部品3の設置位置と設置角度とを調整する。そして再
度、Va及びVbを測定し、Va≠Vbでなければ再び
分光光学部品3の設置位置及び設置角度を調整する。以
降、最終的にVa=Vbとなるまで、上述の調整を繰り
返す。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】従来のビーム位置検出
装置においては、以上に述べたような、分光レーザビー
ム2a,2bの出力の検出機構を用いていた。このた
め、出力検出器7a,7bが、反射された後の分光レー
ザビーム2a,2bのレーザ光路上に存在するため、本
来の照射対象物に対してレーザ光路上の障害物となって
おり、照射対象物、例えば図5に示す被加工物9a,9
bに対して実際に分光レーザビーム2a,2bを照射す
る場合には出力検出器7a,7bをレーザ光路上から取
り外さなければならないといった煩雑さがあり、この煩
雑さを解消することが課題であった。
【0008】また、分光光学部品3を調整する際に、分
光光学部品3の設置位置及び設置角度を調整する度に、
分光レーザビーム2a,2bの進行方向が変化するた
め、その都度、分光レーザビーム2a,2bの進行方向
のレーザビーム光軸の延長線上に、出力検出器7a,7
bを正確に配置し直す作業を必要とし、この煩雑な作業
をいかにして省くかといった課題があった。
【0009】この発明は、上述の課題を解決するために
なされたものであり、簡素な構成により、煩雑な作業を
要せず、分光光学部品を適切な位置及び角度に設置する
ことができるビーム位置検出装置を得るものである。
【0010】
【課題を解決するための手段】この発明に係るビーム位
置検出装置は、光学部品中心軸の周りにn個(nは2以
上の自然数)の反射面を有し入射レーザビームを前記各
反射面により異なるn方向に分光する分光光学部品を備
えたものであり、前記分光光学部品は、前記各反射面上
の前記光学部品中心軸から等距離の位置にそれぞれ凹部
を設けこれら各凹部内にそれぞれ出力検出手段を内設す
るものであるとともに、これら各出力検出手段からの出
力に基き演算を行なう演算手段と、この演算手段からの
出力に基き前記分光光学部品の位置及び角度を調整する
調整手段と、を備えたものである。
【0011】また、光学部品中心軸の周りにn個(nは
2以上の自然数)の反射面を有し入射レーザビームを前
記各反射面により異なるn方向に分光する分光光学部品
を備えたものであり、前記分光光学部品は、前記各反射
面上の前記光学部品中心軸から等距離の位置に、軸方向
が前記光学部品中心軸と平行となる貫通開口部をそれぞ
れ設け、これら貫通開口部同士は同一開口面積を有し、
前記分光光学部品の前記反射面と反対側の平面部の前記
各貫通開口部に対応した位置に出力検出手段をそれぞれ
設けるとともに、これら各出力検出手段からの出力に基
き演算を行なう演算手段と、この演算手段からの出力に
基き前記分光光学部品の位置及び角度を調整する調整手
段と、を備えたものである。
【0012】また、分光光学部品の本体部と出力検出手
段との間に断熱部材を設けたものである。
【0013】また、演算手段からの出力に基き調整手段
を駆動する駆動・制御手段を有するものである。
【0014】
【発明の実施の形態】実施の形態1.この発明の第1の
実施の形態によるビーム位置検出装置を、図1を用いて
説明する。図において、従来のものと同一または相当の
部品には、同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。
この実施の形態の分光光学部品30は、従来の分光光学
部品3とは構造が異なり、反射面30b,30cのそれ
ぞれに、光学部品中心軸30aから等距離の位置に、長
手方向(軸方向)が光学部品中心軸30aと平行となる
ように2個の貫通開口部31a,31bが設けられてい
る。
【0015】この2個の貫通開口部31a,31bは、
高精度の加工により厳密に同一の断面積となっている。
このため、分光光学部品30の、反射面と反対側の平面
部30dの貫通開口部31aの開いた位置には出力検出
器17aが、同様に、平面部30dの貫通開口部31b
の開いた位置には出力検出器17bが、それぞれ設けら
れているが、出力検出器17aと17bとの受光面の面
積が厳密に一致していない場合でも、実質的な有効受光
面の面積は、出力検出器17a,17b自体の受光面の
面積より小さい貫通開口部31a,31bの断面積によ
って規定されるので、出力検出器17aと出力検出器1
7bとの受光面自体の面積の差に起因して、検出出力V
a,Vbの比較に誤差が生じることはない。また、貫通
開口部31a,31bと光学部品中心軸30aとは平行
に形成されているため、貫通開口部31a,31bの長
手方向と平面部30dとを垂直になるよう形成すること
により、結果的に出力検出器17aと17bとの受光面
が光学部品中心軸30aに対して垂直となる。
【0016】図1は、レーザビームの断面強度形状とし
て、符号1aで示されるレーザビームプロファイルを有
する入射レーザビーム1を分光光学部品30によって二
等分に分光する場合について説明されたものであり、入
射レーザビーム中心軸1bと分光光学部品30がもつ光
学部品中心軸30aとが一致していない場合を示してい
る。また、図1において、符号1で示される入射レーザ
ビーム、及び符号2a,2bで示される分光レーザビー
ムの幅は、ある特定の値以上の強度を有する入射レーザ
ビームの部分を反射の様子を便宜的に示すものである。
また、レーザビームは一般に、中心から遠ざかるにつれ
て徐々に強度を弱めるものの、ある程度の広がりを有す
るものであり、その広がりを有する断面形状を示したの
が、レーザビームプロファイル1aである。このレーザ
ビームプロファイル1aで示される入射レーザビーム1
の、出力検出器17aへ入射している部分のレーザビー
ムの強さを図中のWaで、出力検出器17bへ入射して
いる部分のレーザビームの強さを図中のWbで示してい
る。
【0017】次に、この実施の形態の装置の動作につい
て説明する。まず、分光光学部品30に入射した入射レ
ーザビーム1は、分光光学部品30の反射面30b,3
0cによって2本に分光され、各々、分光レーザビーム
2a及び分光レーザビーム2bとなる。
【0018】一方、分光光学部品30には、上述のとお
り2個の貫通開口部31a,31bが設けられており、
分光光学部品30へ入射した入射レーザビーム1の一部
がそれぞれ貫通開口部31a,31bへ進入する。そし
て、貫通開口部31aへ進入した入射レーザビーム1の
一部が出力検出器17aへ、貫通開口部31bへ進入し
た入射レーザビーム1の一部が出力検出器17bへ到達
し、各々の検出出力Va,Vbが検出される。
【0019】ここで、分光レーザビーム2aの出力強度
としてレーザビームプロファイル1aの貫通開口部31
aへ入射する部分の強度Waを採り、同様に、分光レー
ザビーム2bの出力強度としてレーザビームプロファイ
ル1aの貫通開口部31bへ入射する部分の強度Wbを
採ることとする。出力検出器7aによる検出出力をV
a,出力検出器7bにより検出出力をVbとすると、こ
れらの間には、Wa/Wb=Va/Vbなる比例関係が
成り立つ。したがって、入射レーザビーム中心軸1bを
中心に正規分布状の強度を有する入射レーザビーム1に
対し、この入射レーザビーム1の一部を受光する出力検
出器17aと出力検出器17bとは、各反射面30b,
30c上で、分光光学部品30の中心軸30aから等距
離の位置に設けられている。このため、Va=Vbであ
ることはWa=Wbを意味し、さらにWa=Wbであれ
ば、分光レーザビーム2a全体の強度と分光レーザビー
ム2b全体の強度とが等しいということになり、入射レ
ーザビーム1が正確に二等分されていると判断すること
ができる。
【0020】図1に示したような場合は、入射レーザビ
ーム1が二等分されていないことになり、出力検出器1
7aの検出出力Vaと出力検出器17bの検出出力Vb
とがVa≠Vbとなる。このような場合には、Va=V
bとなるように分光光学部品30の設置位置及び設置角
度を調整する。そして再度、Va及びVbを測定し、V
a≠Vbでなければ再び分光光学部品30の設置位置及
び設置角度を調整する。以降、上述の調整を繰り返すこ
とにより、最終的にVa=Vbとすることが可能であ
り、分光レーザビーム2a,分光レーザビーム2bの強
度を正確に調整することができる。この結果、分光光学
部品30の極めて正確な位置及び角度の調整を行うこと
ができるとともに、さらに、分光レーザビームの進行方
向のレーザビーム伝送路の延長線上に、出力検出器を正
確に配置しなければならないといった手間が掛からない
ため、従来の装置と比較して、容易に調整作業を行うこ
とができる。
【0021】実施の形態2.この発明の第2の実施の形
態によるビーム位置検出装置を、図2を用いて説明す
る。図2に記載された分光光学部品30には、上述の第
1の実施の形態で説明したものと同様に、複数個の貫通
開口部31a,31bが設けられており、貫通開口部3
1aへ進入した入射レーザビームの一部が出力検出器1
7aへ、貫通開口部31bへ進入した入射レーザビーム
の一部が出力検出器17bへ到達し、各々の検出出力V
a,Vbが検出される。
【0022】この際、分光光学部品30の外表面及び貫
通開口部31a,31bの内部壁面は、入射レーザビー
ム1の照射にさらされることから、分光光学部品30自
体が温度上昇する可能性がある。すなわち、分光光学部
品30に温度変化が生じた場合、出力検出器17a,出
力検出器17bに熱伝導する可能性があり、出力検出器
17a,17bによる出力検出に、温度上昇による誤差
が生じるといった可能性がある。
【0023】そこで、分光光学部品30の平面部30d
と出力検出器7aとの間に断熱材32aが、同様に、平
面部30dと出力検出器7bとの間に断熱材32bが挿
入されている。これにより、分光光学部品30と出力検
出器17a,17bとの間の熱伝導を防止することがで
きる。その結果、出力検出器17a,17bによる出力
検出の精度を向上させることができ、結果的に、分光レ
ーザビーム2a,2bの強度を正確に把握することが可
能となった。
【0024】実施の形態3.この発明の第3の実施の形
態によるビーム位置検出装置を、図3,図4を用いて説
明する。図3において、分光光学部品30は光学部品ホ
ルダ40に納められており、スライドホルダ50の表面
とのなす角度を調整できるよう、調整ネジA41、調整
ネジA41を回転させる手段としての駆動装置A42、
及び、バネA43が設けられている。さらに、スライド
ホルダ50はホルダ基板60の中で図中左右方向に摺動
できるよう、調整ネジB61、調整ネジB61を回転さ
せる手段としての駆動装置B62、及び、バネB63が
設けられている。
【0025】以下、レーザビームプロファイル1aを有
する入射レーザビーム1が、不適切な位置及び角度に設
置された分光光学部品30に入射した場合、すなわち、
入射レーザビーム中心軸1bと光学部品中心軸30aと
が一致していない場合に、如何にして分光光学部品30
を適切な設置位置及び設置角度に調整するかについて説
明する。
【0026】まず、分光光学部品30に入射した入射レ
ーザビーム1は、分光光学部品30に明けられた2個の
貫通開口部31a,31bの内部へ進入し、各々、出力
検出器17a,17bへ到達する。そして、出力検出器
17a,17bから得られる検出出力Va,Vbを引算
器70へ出力し、引算器70により差:Va−Vbをと
り、これを増幅器71により増幅させる。図3に示した
ような場合では、Va>Vbとなるが、この場合は、ホ
ルダ基板60に設置されたスライドホルダ50を駆動装
置B62を用いて調整ネジB61を回転させることによ
って図中で左方向に平行移動させる。
【0027】ここで、増幅器71からの出力と、必要な
平行移動量との間には図4(a)に示す関係があり、増
幅器71からの出力が0、すなわちVa=Vbである場
合が、入射レーザビーム中心軸1bと分光光学部品30
の光学部品中心軸30aとが一致している場合に相当す
る。そうなるように、増幅器71からの出力に応じて、
駆動装置B62を用いて調整ネジB61を回転させ、分
光光学部品30を平行移動させる。図3に示すようにV
a−Vb>0の場合は、図中で左方向へスライドホルダ
50を平行移動するよう調整ネジB61を回転させれば
よい。なお、Va−Vb<0の場合は、図中で右方向へ
スライドホルダ50を平行移動するよう調整ネジB61
を逆回転させればよい。
【0028】また、出力検出器17a,17bから得ら
れる検出出力Va,Vbは、加算器72へ送られ、和:
Va+Vbを得ることができる。スライドホルダ50に
設置された光学部品ホルダ40は、駆動装置A42を用
いて調整ネジA41を回転させることによって角度調整
することができ、これによって、分光光学部品30の設
置角度を調整する。図3の場合では、分光光学部品30
が或る角度θだけ、紙面上、反時計廻り方向へ傾斜して
いるが、この場合は、分光光学部品30が取る角度θが
θ=0となった際に入射レーザビーム中心軸1bと光学
部品中心軸30aとが一致するわけである。
【0029】ここで、入射レーザビーム中心軸1bと光
学部品中心軸30aとが0ではない或る角度θを持つ場
合、貫通開口部31a,31bへ入射する、すなわち出
力検出器17a,17bが受光・検出するレーザビーム
は、その検出出力Va,VbがそれぞれVa・cos
θ,Vb・cosθとなり、入射レーザビーム中心軸1
bと光学部品中心軸30aとが一致している場合、すな
わち、出力検出器17a,17bの受光面にレーザビー
ムが垂直に入射する場合と比べて出力の和の値が小さく
なる。以上のことから明らかなように、加算器72から
の出力の値が最大になるように、駆動装置A42を用い
て調整ネジA41を回転させ、角度θを調整すればよ
い。この、加算器72からの出力と調整角度θとの間の
関係を図4(b)に示す。また、加算器72からの出力
に応じた調整だけではなく、引算器70による差が、V
a−Vb≠0の場合についても角度θの調整によって
差:Va−Vbが0に近づくように調整してもよいこと
は言うまでもない。
【0030】上述のように、スライドホルダ50の平行
移動と光学部品ホルダ40の角度調整とを交互に繰り返
すことにより、最終的に入射レーザビーム1の入射レー
ザビーム中心軸1bと分光光学部品30の光学部品中心
軸30aとを自動で正確に一致させることができる。こ
れによって、レーザビーム光学部品30によって分光さ
れた2方向の分光レーザビーム2a及び分光レーザビー
ム2bの強度が正確に二等分されるよう、調整すること
ができる。
【0031】なお、上述の各実施の形態のものでは、入
射レーザビーム1を2方向の分光レーザビーム2a及び
分光レーザビーム2bに二等分する場合について説明し
たが、分光されるレーザビームは、2方向に限定される
ものではなく、3方向以上の任意の数に分光する場合に
も、本発明は同等の効果を奏するものであることは、言
うまでもない。
【0032】さらに、上述の各実施の形態のものでは、
入射レーザビーム1を2方向の分光レーザビーム2a及
び分光レーザビーム2bに二等分、すなわち各分光の強
度が等しくなるように分光する場合について説明した
が、出力検出手段や演算手段の設定を変えることによ
り、各分光の強度を等しくせず、強度の重み付けを変え
た分光が生じるように調整するようにしてもよいこと
は、言うまでもない。
【0033】
【発明の効果】以上に述べたように、この発明によれ
ば、煩雑な作業を要せずに、分光光学部品を適切な位置
及び角度に設置することができるといった効果を奏す
る。
【0034】また、分光光学部品と出力検出器との間の
熱伝導を防止することができるため出力検出器の検出出
力の精度を向上させることができるといった効果を奏す
る。
【0035】また、分光光学部品の位置及び角度を自動
的に調整することができるといった効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】 この発明の第1の実施の形態によるビーム位
置検出装置を示す概略図。
【図2】 この発明の第2の実施の形態によるビーム位
置検出装置を示す概略図。
【図3】 この発明の第3の実施の形態によるビーム位
置検出装置を示す概略図。
【図4】 この発明の第3の実施の形態における演算器
からの出力と平行移動量との関係及び演算器からの出力
と角度調整量との関係を示す図。
【図5】 従来の一般的なレーザ加工システムの概略
図。
【図6】 従来のビーム位置検出装置を示す概略図。
【符号の説明】
1 入射レーザビーム 1a レーザビームプロファイル 1b 入射レーザビーム中心軸 2a,2b 分光レーザビーム 17a,17b 出力検出器 30 分光光学部品 30a 光学部品中心軸 30b,30c 貫通開口部 32a,32b 断熱材 40 光学部品ホルダ 41 調整ネジA 42 駆動装置A 43 バネA 50 スライドホルダ 60 ホルダ基板 61 調整ネジB 62 駆動装置B 63 バネB 70 引算器 71 増幅器 72 加算器

Claims (4)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光学部品中心軸の周りにn個(nは2以
    上の自然数)の反射面を有し入射レーザビームを前記各
    反射面により異なるn方向に分光する分光光学部品を備
    えたビーム位置検出装置において、前記分光光学部品
    は、前記各反射面上の前記光学部品中心軸から等距離の
    位置にそれぞれ凹部を設けこれら各凹部内にそれぞれ出
    力検出手段を内設するものであるとともに、これら各出
    力検出手段からの出力に基き演算を行なう演算手段と、
    この演算手段からの出力に基き前記分光光学部品の位置
    及び角度を調整する調整手段と、を備えたことを特徴と
    するビーム位置検出装置。
  2. 【請求項2】 光学部品中心軸の周りにn個(nは2以
    上の自然数)の反射面を有し入射レーザビームを前記各
    反射面により異なるn方向に分光する分光光学部品を備
    えたビーム位置検出装置において、前記分光光学部品
    は、前記各反射面上の前記光学部品中心軸から等距離の
    位置に、軸方向が前記光学部品中心軸と平行となる貫通
    開口部をそれぞれ設け、これら貫通開口部同士は同一開
    口面積を有し、前記分光光学部品の前記反射面と反対側
    の平面部の前記各貫通開口部に対応した位置に出力検出
    手段をそれぞれ設けるとともに、これら各出力検出手段
    からの出力に基き演算を行なう演算手段と、この演算手
    段からの出力に基き前記分光光学部品の位置及び角度を
    調整する調整手段と、を備えたことを特徴とするビーム
    位置検出装置。
  3. 【請求項3】 分光光学部品の本体部と出力検出手段と
    の間に断熱部材を設けたことを特徴とする請求項1また
    は請求項2のいずれかに記載のビーム位置検出装置。
  4. 【請求項4】 演算手段からの出力に基き調整手段を駆
    動する駆動・制御手段を有することを特徴とする請求項
    1乃至請求項3のいずれかに記載されたビーム位置検出
    装置。
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