JP2004354994A - コンパクトで精密なビームマニピュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】 光学素子の配置を高い精度で制御することができる光学マウントを提供する。
【解決手段】 本発明の光学マウントは、開口（510）を有する取付構造体と、第一の楔（310）を有する第一の光学ホルダー（312）であって、開口（510）を通る光路を中心として回転することができるように開口（510）の第一の側に嵌め込まれている第一の光学ホルダー（312）と、第二の楔（320）を有する第二の光学ホルダー（322）であって、開口（510）を通る光路を中心として回転することができるように開口（510）の第二の側に嵌め込まれている第二の光学ホルダー（322）とからなる。
【選択図】 図３Ａ

Description

本発明は、ビームマニピュレータに関し、より詳細には、光学素子をより精度よく制御することができるコンパクトなビームマニピュレータに関する。

干渉計のような精密な光学システムでは、位置及び方向が高い精度で制御されているビームを利用することが多い。しかしながら、多くの様式の光源は、位置及び／又は方向が個々に異なるビームを放射する。光ファイバを介して離れたレーザーから伝送されたビームの位置及び方向は、例えばファイバの配向及びコリメータレンズの配置に依存する。したがって、光源を単純に機械的に位置合わせ、又は光源の単純な機械的アライメント（例えば光ファイバ）を実施しても、精密な光学システムの許容誤差範囲内の位置及び方向を持つビームを提供することはできない。よって光源が提供する位置及び方向から、高精度オプティクスが要求する位置及び方向へと、ビームを正確に移動し、又は偏向するビームマニピュレータが必要とされている。

ビームマニピュレータは、ビームを適正な角度又は方向へと偏向させるように調節することができる反射表面又は鏡面を使用する場合が多い。反射型マニピュレータがビームの方向を変えるように調節される際には、マニピュレータが調節される角度に対して、ビームはその２倍の角度だけ移動する。この角倍率及び反射型マニピュレータの安定性が、精密な光学システムにおいて最大の安定性を得る上で重要である。

またビームマニピュレータは、レーザービームの位置又は方向を制御するために透過型光学、透過型光学系を利用することもできる。図１Ａ及び図１Ｂは、ビーム130の方向を調節するために、調和する組楔110、120（時にリズレープリズムセット、組とも称される）を利用する偏向系100を示す。楔110に入射するビーム130は、２つの楔110及び120の４つの空気−ガラス界面111、112、121、122のそれぞれにおいて、スネルの法則に基づいて屈折する。

図１Ａの構成では、連続する界面112及び121は相互に平行であり、界面121におけるビーム130の角度の偏向（偏向角度）は界面112におけるビーム130の角度の偏向（偏向角度）と、大きさが等しく逆向きである。同様に、界面111及び122も相互に平行であり、界面112及び121は正味の角度の偏向を生じさせないため、界面122におけるビーム130の角度の偏向は、界面111における角度の偏向と、大きさが等しく逆向きである。したがって図１Ａの構成では、光学系又は偏向系100はビーム130に最終的な角度の偏向を生じさせない。

楔110及び120は、界面112及び121間の相対的な角度を変化させるように、相互に対して回転させることが可能である。図１Ｂは、楔120を回転させることにより、界面112及び121が互いに対して最も大きな角度を形成する場合の系100の構成を示している。図１Ｂの構成では、界面112、121及び122における屈折は、ビーム130を同じ方向へと偏向させており、これによって系100が達成し得る最大偏向角度θmaxが得られる。楔110に対する楔120の回転をより小さくすることにより、より小さな角度の偏向が得られ、それによって系100は、０〜θmax間の、ビーム130の所望の角度の偏向を得ることができる。よって楔110及び120の相対的配向は、所望の（極）角度の偏向をもたらすように設定することが可能である。また系100は、偏向の方位角を調整するように、ユニットとしてその光学軸を中心に回転させることができる。

楔角度（例えば面111と112の間の角度と、121と122の間の角度）、又は楔110及び120の屈折率を変化させることによって、系100の最大偏向角度θmaxが変化する。したがって、系100によって達成される角度範囲は、楔角度とガラスの屈折率との関数である。より大きな楔角度又は屈折率によって、ビームの偏向角度の範囲がより大きくなる系100を提供することができるが、しかし所望する角度への精細な調節がより困難となる。具体的には、系100の角度分解能は、楔110及び120の楔角度及び屈折率、ならびに楔110及び120の回転に対する精度の関数である。

ビームの位置を制御する並進機構、位置変換機構もまた、透過型光学素子のみを使用して同様に実現することができる。図２は、２つの平坦な平行面211及び212を有する光学プレート210を含む並進機構、又は位置変換器200を示す。面211及び212は平行であり、それによって面211における屈折は、面212における屈折により生じる偏向と大きさが等しく逆方向の角度だけ、ビーム230を偏向する。したがって、並進機構200はビーム230の方向は維持するが、プレート210がビーム230を変位Ｄだけ移動させるものであり、この変位はプレート210の厚みＬ及び屈折率、ならびに入射ビーム230に対するプレート210のなす角度に依存する。プレート210のピッチ角及びヨー角を調節することによって、変位Ｄの大きさ及び方向を効果的に調節することができる。

図１Ａ及び図１Ｂに示す偏向システム100、又は図２に示す並進機構200を利用する高精度の光学システムには、光学素子の配置又は位置付けを高い精度で制御することができる光学マウントが必要とされる。更に、光学マウントの温度変化により、光学素子の配置、配列が変化してはならない。費用削減が適うように、そして小型化により、利用空間が限定されている用途においても使用することができるように、光学マウントは部品数が少ないものが好ましい。

本発明の一態様によれば、コンパクトなモジュール式ビームマニピュレータが提供され、このマニピュレータには、リズレープリズムセットと平行なプレート並進器とが組み合わされ、ビームの方向と位置の両方を独立して調整することができる。光学素子は相対的な回転をもたらす光学ホルダー内に固定可能である。このホルダーは、選択された軸を中心にした、光学素子の回転を可能とする。光学ホルダーのアライメント、位置合わせ、又は回転は、手動により、又は位置合わせの精度を向上させる用具（例えば棒状工具）を利用して実施することができる。ビームの位置及び方向が所望される通りに調節されると、機械的手段（例えばプレスばめ又はクランプ）により及び／又は接着剤により光学素子を所望位置に「固定」することができる。接着剤は光学素子を光学ホルダーへと取り付けるのに使用される。接着剤は、温度、湿度及び光学素子の動きによる影響が最小となるように適用され、光学ホルダーが所定位置へクランプにより固定されると、応力によって誘導される複屈折が最小となる。

本発明の他の態様によれば、操作されているビームの方向に近い方向を有する第一の軸、ならびに第一の軸に対して、かつ相互に実質上垂直である第二の軸及び第三の軸を中心とした相対的なかつ調和した回転が可能であるように、リズレープリズムセットが取り付けられる。リズレープリズムセットに厚みの大きな楔を使用することにより、ビーム方向及びビーム位置の両方の調節が可能となり、また空間が限定されている用途において利用することができる非常にコンパクトなビームマニピュレータを提供することができる。各軸を中心とした回転は、出力ビームの方向及び位置の双方に影響を及ぼし、ビームの所望の位置及び所望の方向を達成するために、調節処理を繰り返すことが必要である。

本発明の一実施例は、ビーム方向調節と独立したビーム位置調節をもたらすビームマニピュレータである。このビームマニピュレータは、対向する平行な平面を有する光学プレートと、このプレートを介する光学経路、光路に沿う第一及び第二の光学楔と、プレートと第一及び第二の楔用の取付構造体を含む。取付構造体は一般に、光路を中心とした第一の楔の回転、光路を中心とした第二の楔の独立した回転、光路に対するプレートのピッチ角及びヨー角の調整を含む調節をもたらす。

取付構造体の例示的な配列は、基部と、プレート用の第一の光学マウントと、そして楔用の第二の光学マウントを含む。第一及び第二の光学マウントは、基部へと取り付けられており、これにより様々な光学システムに使用することができるモジュール式ビームマニピュレータを提供することができる。第一の光学マウントは、プレートに取り付けることができる光学ホルダーと、第一の軸を中心として回転可能なように、基部へ取り付けられている構造体とを含む。光学ホルダーは、第一の軸に垂直な第二の軸を中心とした光学ホルダーの回転が許容されるように構造体へ取り付けられる。第二の光学マウントは、基部へと取り付けられた構造体を含み、構造体を通る開口の第一の側に第一の楔が、そして開口の第二の側に第二の楔が取り付けられている。

本発明の他の実施例は、第一及び第二の楔と、取付構造体とを含むビームマニピュレータである。取付構造体は、ビームの光路を中心とした第一の楔の回転、光路を中心とした第二の楔の独立した回転、そして光路に対する楔の組、楔セットのピッチ角及びヨー角の調整を含む調節をもたらす。

この「トランス楔」ビームマニピュレータ用の取付構造体の一実施例には、第一及び第二の構造体が含まれる。第一の楔は第一の構造体を通じた開口の第一の側に取り付けられ、第二の楔は開口の第二の側に取り付けられている。第一の構造体のクランプは、第一及び第二の楔の回転を許容する非クランプ状態と、第一の構造体に対する第一及び第二の楔の配向を固定するクランプ状態とを有する。第二の構造体は、第一の構造体が第一の軸を中心として回転可能となる一方、第二の構造体が第二の軸を中心として回転可能となるように第一の構造体に取り付けられている。

本発明の更に他の実施例は、「トランス楔」マニピュレータを利用してビームの経路、光路を制御する方法である。この方法は、（ａ）第一の楔及び第二の楔を含む組楔、楔セットをビームの経路中に配置するステップと、（ｂ）ビーム経路を中心として第一の楔及び／又は第二の楔を回転させ、ビームをターゲットの方向へと偏向させるステップと、（ｃ）経路と、組楔を介する軸との間の角度を調節し、ビームをターゲットの位置へと移動又は平行移動させるステップとを含む。ステップ（ｃ）によりビームが、ターゲットの方向の要求される角度内に入ったかどうかが判定され、判定の結果、ビームが要求される角度の範囲の外にある場合には、ステップ（ｂ）が繰り返される。同様に、ステップ（ｂ）によりビームが、ターゲットの位置の要求される距離内に入ったかどうかが判定され、判定の結果、ビームが要求される距離の範囲の外にある場合には、ステップ（ｃ）が繰り返される。したがって、ビームがターゲットの方向及び位置へと到達するまで、ステップ（ｂ）とステップ（ｃ）とを交互に実施する繰り返しプロセスが行われる。

「トランス楔」ビームマニピュレータは、２つの楔が相互に打ち消しあう配向となる場合を除き、連動する角度及び移動（平行移動）の調節が実施される。第一の楔及び／又は第二の楔を回転させることによって、経路とターゲットの方向との間の角度の分離又は行き過ぎ（オーバーシュート）を意図的に残すことができ、それによって経路と軸の間の角度を調節することにより偏向し、ターゲットの方向へとより近づけることができる。同様に、経路と軸の間の角度を調節することによって、ビームをターゲットの位置からずれた位置に残すことができ、それによって第一の楔及び／又は第二の楔を回転することにより移動し、ターゲットの位置に近づけることができる。意図的な行き過ぎを残す回転及び調節は、ビームの方向及び／又は位置に対して比較的大きな調節を行う場合に特に有用である。

本発明は、コンパクトなビームマニピュレータ（300、600、900）に関し、このマニピュレータは、１つ又はそれ以上のリズレープリズムセットを、平行なプレート並進器（330）と組み合わせて、又は組み合わせることなく使用する。１つのビームマニピュレータには、ピッチ及びヨーを調節可能に取り付けられているプレート（330）と、回転可能に取り付けられているプリズム（310、320）が含まれる。プリズム（310、320）の回転によりビームの方向が調節され、プレート（330）の調整によりビームの位置が調節される。他のビームマニピュレータ（600）には、回転可能に、かつそのピッチ及びヨーを調節可能に取り付けられているプリズム（610、620）が含まれている。回転と、ピッチ及びヨーの調節によって、ビームの位置と方向が連動して変更され、ビームの方向を変更するプリズムの回転（610、620）とビームの位置を変更するピッチ及びヨーの調整が交互に繰り返し調節される。ビームが目標とする位置及び目標とする方向の要求される許容誤差範囲内に入ることによって、繰り返しの調節は完了する。光学ホルダー（322）に対する接着剤要素（420）によって、ストレスに起因する複屈折の影響、温度の影響、湿度の影響が最小化される。

以下の説明において、異なる図における同様の参照番号は同様又は同一の要素を表す。

本発明の一態様によれば、コンパクトなビームマニピュレータが、レーザービームのようなビームの方向及び位置の両方を調節する。本発明の一実施例においては、ビームマニピュレータはビームの方向調節とは連動しないビームの位置調節をもたらす。したがって、ビームマニピュレータの第一の調節は、光源が提供する初期方向から、光学システムが要求する最終方向へと、ビームを偏向する。さらに、ビームマニピュレータの第二の調節は、先に設定されたビームの方向を変化させることなく、ビームを所定の位置へと転置させる。本発明の他の実施例において、コンパクトなビームマニピュレータは、３つの軸を中心として回転可能なマウントに配置されているリズレープリズムセットを利用してビームの方向及び位置の両方を調節する。

図３Ａ及び図３Ｂは、ビームの位置及び方向の両方を調節することができるビームマニピュレータ300の斜視図であるが、このビームマニピュレータでは、位置調節が方向調節と連動しない。ビームマニピュレータ300は、ビームの角度調節用のリズレープリズムセットを構成する楔310及び320と、ビームの位置調節用の平坦な平行プレート330を含む。レーザー光源又は他のビーム光源（図示せず）は、入力ビームを楔310へと、又は逆方向からプレート330へと方向付けることができる。ビームが楔310、320及びプレート330をどちらの方向に移動するのかとは無関係に、リズレープリズムセット（すなわち楔310及び320）がビームの方向を調節し、そして平坦な平行光学プレート330がビームの位置を調節する。

本発明の一実施例においては、楔310及び320の各々は、円形の断面と、100 μrad〜20 mradの範囲にある物理的な楔角度を有する対向面を持つBK7ガラスのような光学材料からなるプリズムである。楔310は、楔320と同一であることが望ましく、特に、０度の角度偏向をもたらす配向を得るために、楔320と同じ楔角でなければならない。上述のように、より大きな楔角は一般に、ビームに対するより大きな角度調節範囲をもたらすものであり、より小さな楔角は一般にビーム方向を設定する上でより良好な分解能、即ち高い精度をもたらす。各楔310又は320の厚みは、ビームを偏向する際に、楔310及び320が生じるビームの転置を最少とするように、約３mm以下であることが望ましい。

プリズム310及び320は、平行面111及び122が互いに最も離れて、かつ角度の付いた面112及び121が互いに隣接させて、図１に示すように配向させることができる。代替的に、楔310及び320の平行面を互いに隣接させ、かつ角度の付いた面が互いに離れるように配向させることも可能である。ビームを偏向させるための楔310及び320の作動法は、どちらの場合にも同様である。

楔310及び320は、それぞれの光学ホルダー312及び322に配置されている。互いに実質上同一である光学ホルダー312及び322は、光学マウント340の開口の向かい合う側にそれぞれ取り付けられている。ホルダー312及び322は、ビーム方向を調節する際に、一方又は両方をマウント340中で回転させることができるように、円形である。

図４は、光学ホルダー322の一実施例を示す断面図である。図示するように、光学ホルダー322は、ほぼ環形状であり、望ましくは光学マウント340と調和する熱膨張係数を有する金属又は他の弾性材料から形成される。本発明の一実施例において、ホルダー322は、調節中に光学ホルダー322と光学マウント340の間の磨損を最小化するように硬化させることができる400系のステンレス鋼から製造されている。光学ホルダー322は、Dow Corning 6-1104のような接着剤420を利用して楔320を取り付けることができる内側レッジ410を有する。内側レッジ410を除き、ホルダー322の内径は楔320の直径よりも大きく、楔320と光学ホルダー322の熱膨張率の差により光学ホルダー322の側面に楔320が接触することがない。楔320の内側レッジ410への取り付けに可撓性の接着剤420を使用することにより、温度に起因する光学ホルダー322の変化、又は光学ホルダー322を所定位置へとクランプ留めする際のストレスに起因する変形の影響が最小化される。したがって、温度変化、湿度変化及びストレスに起因する楔320の複屈折により生じる取り付け不良、ミスアライメントは最小化される。

光学ホルダー322の外側レッジ430は、光学マウント340の側面を越えて延伸し、光学マウント340内で光学ホルダー322の回転を容易にするリッジ、隆起部のような造作を含むことがある。

図５は光学マウント340の一実施例を示す。光学マウント340は、光学ホルダー312及び322を嵌め込むための開口510を含む。開口510を、完全な円形とするかわりに、波形形状部分又は凹状部分520を有する形状とし、それによって開口510の周辺の凹状部分を分離する領域530のみが光学ホルダー312及び322に接触する。楔310及び320がビームに所望の偏向をもたらすように適正に位置合わせされると、光学マウント340の締め付けネジ342が締められ、光学ホルダー312及び322が固定位置に保持される。締め付けネジ342を緩めることによって、光学ホルダー312及び322を回転させ、位置合わせ工程を実施することが可能となり、着脱可能クリップ344が、締め付けネジ342が緩められた場合に、光学ホルダー312及び322が光学マウント340から脱落すること防止する。

図３Ａ及び図３Ｂに示すように、プレート330は凹面を有する光学ホルダー332内にあり、プレート330は、例えば接着剤を使用してこの光学ホルダー332に取り付けられている。本発明のこの実施例におけるプレート330は、高さ（厚み）約36mm及び直径約20mmのBK7のような光学品質材料の円筒形状のブロック、塊である。プレート330の寸法は用途によって異なる。光学ホルダー332は、416ステンレス鋼のような弾性材料から形成されている。

光学ホルダー332は、光学マウント350の開口へと嵌め込まれる円形部分334を有する。ネジ336は、光学ホルダー332を光学マウント350へと捕捉、固定し、ピッチの調節の間、光学ホルダー332を保持する。光学マウント350の締め付けネジ352が緩められると、プレート330のピッチを調節するために光学ホルダー332を回転させることが可能となる。マウント340の接触領域530と同様とすることができるが、光学マウント350の開口の接触領域はプレート330のピッチ用の回転軸を画定する。プレート330のピッチは、図３Ａ及び図３ＢにおけるＺ方向のビームの転置の大きさを制御する。ビームのＺ方向における所望の転置をもたらすようにプレート330のピッチが調節された後、締め付けネジ352は締められ、光学ホルダー332すなわちプレート330は所定位置に固定される。

また光学マウント350は、クランプ360に嵌合して回転軸を形成する円形の基部354を有する。保持用ネジ356は、光学マウント350を基部プレート370へ固定している。クランプ360中の締め付けネジ362が緩められると、光学マウント350は、Ｚ方向に並行となる軸を中心にして回転され、プレート330のヨー角が制御される。プレート330のヨー角は、Ｙ方向におけるビームの転置成分を制御し、Ｙ方向における所望のビームの転置が達成される調節の後、締め付けネジ362が締められて、光学マウント350が所定位置に固定される。光学マウント350に良好なクランプ固定が得られるように、クランプ360には、光学マウント340の開口510と同様な様式で凹状部分が形成され、また調節中にクランプ360及び基部プレート370と磨損を防止するように光学マウント350を硬化させることができる。

楔310及び320を含む光学マウント340と、平行プレート330を含む光学マウント350は、共通の基部370上に取り付けられている。したがってビームマニピュレータ300は、ビームの位置及び方向の両方を調節することができる統合化されたモジュールをもたらし、このモジュールは、シリコンウエハリソグラフィー計測用途での使用を含む多くの種類のレーザービーム送出システムにおいて容易に利用することができる。

楔310及び320とプレート330は、手動により、あるいは棒状工具380のような工具により位置合わせすることができる。棒状工具380をビームマニピュレータ300に使用するために、図３Ａに示すように、光学マウント350は、光学ホルダー332のノッチ又は穴のような造作に棒状工具380を係合させることができるようにする開口358を有する。棒状工具380は光学ホルダー332付近に支点を持つてことして機能し、棒状工具380の端部における比較的大きな動きにより、光学ホルダー332のＹ方向に平行な軸を中心とした小さな回転が生じる。したがって光学ホルダー332のより精密な調節が達成される。長さが約100 mmの棒状工具380は、例えば先端を支点から約2.5mmとした場合、ピッチアングル設定の分解能を40倍にまで上げることができる。

図３Ｂは、同様に、棒状工具380を基部370のノッチと係合させることができるようにした光学マウント350の切り欠き部359を示す。棒状工具380の端部における比較的大きな動きにより、マウント350のネジ356を通る軸を中心とした小さな回転が生じ、ヨー角設定の分解能を向上させることができる。

要素310、320及び330の配向に対する調節によって、ビームが所望の方向及び位置へ移動されると、光学部品310、320及び330は、締め付けネジ342、352及び362を締めることにより所定位置に「固定」される。代替的に、プレスばめ及び／又は接着剤（例えばエポキシ等）のような他の機械的手段によって、光学部品をそれぞれの光学マウント内の調節された位置に固定することも可能である。

４つの取付脚を有するものとして、基部プレート370を示している。基部プレート370は精密な配置を再現し、ひずみを軽減できるように動的な造作を含む。従来の動的な造作には、円錐、Ｖ字型及び平坦又は３つの非並行のＶ字型が含まれる。これらの種類の造作は、基部プレート370に機械加工により形成することができ、マニピュレータ300の、ビーム光源又はビームを受容する光学系に対する相対的な動きを防止する。

本発明の他の態様によれば、本明細書においては時に「トランスエッジ」と呼ばれる、厚い一対の楔によって、ビームの方向と位置の両方が調節される。厚い楔を含むマニピュレータは、楔の回転と、楔のピッチ及びヨー角の制御を通じて、ビームに所望の転置及び偏向を与える。この結果、別個の変換光学系及び関連の変換ハードウエアの必要性を排除することによって、理想的に製品コストを削減したコンパクトなビームマニピュレータが得られる。

図６Ａ及び図６Ｂには、トランス楔マニピュレータ600の一実施例を示す。トランス楔マニピュレータ600は、図４の光学ホルダー322と同じデザインとすることができる光学ホルダー612及び622のそれぞれに取り付けられている一対の厚い楔610及び620を含む。本発明の一実施例において、楔610及び620の各々は、円形の断面と、100 μrad〜20 mradの範囲にある物理的な楔角度を有する対向面を持つBK7ガラスのような光学材料からなるプリズムである。楔610及び620の各々は、所望される最大偏向能力に応じて約３mm〜約18mmの厚みとすることが好ましい。楔610及び620は、０度の角度偏向を有する構成を得る上で一般に同じ物理的な楔角度を持っていなければならないが、楔610は楔620よりも厚くても薄くても良い。通常、楔610及び620は実質上同一である。

楔610及び620間のエアギャップはできる限り小さいことが望ましい。一実施例においては、このエアギャップは約２mmである。

光学ホルダー612及び622は、クランプ630を介して開口の反対側の端部に嵌め込まれ、締め付けネジ632が緩められている場合、個々に又は単一のユニットとして一緒に回転させることができる。楔610及び620は厚いため、クランプ630中の光学ホルダー612及び622の回転により、通過するビームの偏向と転置の双方の状態を著しく変化させることができる。

ネジ642は、クランプ630をマウント640へと取り付けるものであるが、緩められている場合には、クランプ630を回転させ、クランプ630と楔610及び620のピッチを制御することができる。楔610及び620のピッチを高い精度で制御するために、マウント640は、工具380をクランプ630に嵌め込んで回転させることができるように、切り欠き部648を含む。ネジ646はマウント640を基部650に取り付け、ネジ646（ネジ646が緩められている場合）を中心としてマウント640を回転させることによって、楔610及び620のヨー角が制御される。楔610及び620のヨー角を高い精度で制御するために、マウント640は、工具380をマウント640に嵌め込んでＺ方向と平行な軸を中心に回転させることができるように切り欠き部644を含む。

楔610及び620のピッチ角及びヨー角を変化させることによって、ビームの転置のＺ成分及びＹ成分が主に変化するが、ビームの方向もまた変えることができる。同様に、楔610及び／又は620を回転させることによって、ビームの方向が主に変化するが、ビームの位置もまた変えることができる。したがってピッチ角及びヨー角の調節と、クランプ630における楔610及び620の回転は、ビームの角度及び位置の調節の両方をともに連動させている。

式１は、トランス楔600のようなトランス楔を介して角度の偏向δを得るための近似式であるが、ここでαは楔角度、ｎは楔の屈折率、そしてφは組楔の第一の光学面におけるビームの入射角である。本発明の一実施例において、楔角度αは約15mrad、屈折率ｎは約1.515である。入射角φはトランス楔マニピュレータのピッチ角及びヨー角による。入射角φが０である場合、式１の括弧で括った項の値は１となる。これは、入射ビームに対して位置決めされ、入射ビームに対するピッチ又はヨー角が自由に調節できない固定楔の場合に相当する。入射角が通常は０ではないトランス楔の場合、式１中の括弧で括られた項は１以上となる。

図７は、入射角が０度の場合のビーム偏向δ_０に対する、入射角がφの場合の角度偏向δをδ／δ_０比としてプロットしたグラフ700を示す。グラフ700は、組楔の回転が、余剰のビーム偏向を生じ、より大きな回転がより大きな偏向を生ずることを示す。この例外は、一方の楔の角度偏向が他方の楔の角度偏向を打ち消すように組楔が調節され、それによって０度の入射角におけるビーム偏向δ_０がゼロとなっている場合である。この場合、組楔は平坦な平行プレートのような挙動を示し、物理的な楔角度αへの依存性が排除される。

角度偏向δ_０が０となるように、組楔が調節されていない場合、ビームの転置及びビームの角度偏向の両方に対して入射角φを結び付けるには、ビームの位置及びビームの方向に要求される高い精度を達成するために繰り返しの調節処理が必要とされる。

図８は、楔の配向と組楔のピッチ及びヨー角の調節を行うことにより、所望のビームの位置及び方向を得るための繰り返し処理800を説明するフローチャートである。処理800はステップ810から始まるが、ここでは調節されるビームの目標とする方向及び目標とする位置を確立する。処理800を採用し得る場合の一例としては、２つのレーザービームが、同心であるように、かつ同じ方向に向かうように、2つのレーザービームを組み合わせる場合があげられる。このような場合、ビームの一方を目標を画定する基準、データとして選択することができ、処理800はトランス楔ビームマニピュレータ600を利用して、他方のビームを調節して、ビームコンバイナの出力において目標ビームの方向及び位置と一致させることができる。調節しない場合、これら２つのビームは、いくらかの初期許容範囲内で適正に位置合わせされている初期の方向と位置を有するが、これらの初期の方向と位置は、光源又はレーザービーム光源に依存する。例えば、平行化したレーザービームを生成するファイバコリメータは、取り付け表面に対して５mrad未満の角度に関する取り付け不良（角度誤差）と、約0.5mm未満の平行移動に関する取り付け不良（誤差）を有するビームをもたらす。組み合わされたビームに求められる位置合わせに関する誤差（アライメント誤差）は、このような光源によって得られるよりも小さく、例えば２μrad未満の角度のずれ（誤差）と、10 μm未満の平行移動に関するずれ（誤差）である。

目標ビームの方向及び位置が選択されると、ステップ820において、楔610及び620が個々に及び／又は一体としてともに回転され、所望の角度に関する許容誤差範囲にある目標ビームの方向が得られる。上述したように、一方の楔を他方に対して回転させることによって、楔610及び620を通る軸に対するビームの角度が変化し、楔610及び620を一体としてともに回転させることによって、楔610及び620の相対的な位置により設定される角開口を有する円錐に沿ってビームが掃引される。

ステップ830において、ステップ820での角度調節後のビームが、目標とする位置の要求許容誤差範囲内にあるかどうかが確認される。許容誤差範囲内にある場合には、調節処理800が、ビームを所望の許容誤差範囲内で、目標とする位置及び方向に調節したことになり、処理800は終了する。許容誤差範囲内に入っていない場合には、処理800は、ステップ840に移行し、組楔のピッチ角及び／又はヨー角を調節し、ビームを再配置する。

位置調節ステップ840は、ビームが目標とする位置の要求されている許容誤差範囲内に入るようにビーム位置を調節する。しかしながら、上述し、図７に示すように、この位置調節は、通常、ビームの方向をも変化させる。したがってステップ850は、位置調節ステップ840の後に、ビームの方向が要求許容誤差範囲内にあるかどうかを判定するための確認を行う。要求許容誤差範囲内にある場合には、処理800は終了する。要求許容誤差範囲にない場合には、処理800はステップ850からステップ820へ戻り、ビームの方向が再度調節される。

処理800は、一般に、必要とされる調節の大きさが過度に大きくない場合、わずかな回数の繰り返し処理で目標とするビームの方向及び目標とするビームの位置へ収束させる。入射角φが約15度未満に維持されているならば、図７に示すピッチ及びヨー角の調節により生じた角度の偏向は、楔の回転により生じた角度の偏向の約５％未満となり、目標への迅速な収束を期待することができる。本発明の実施例において、処理800は、ビームの偏向が最大約７mrad、ビームの転置が最大約0.8mmにおよぶ目標への収束を迅速に行うことができる。

大幅な角度又は位置の調節は、データを大幅に上回る、又は下回るように第一の調節（例えば楔610及び620の回転による角度調節）を実施し、第二の調節（例えばピッチ角及びヨー角の調節）でビームの位置及び方向の両方を修正することが必要な場合もある。同様に、ピッチ角及びヨー角調節を介するビームの第一の平行移動、転置が目標とする位置を大幅に上回っていても、又は下回っていても良く、この場合には、楔の回転を介する次の角度調節で、目標に向かって位置及び方向へ移動する調節を行う。

上述したように、トランス楔600は、０度の入射角付近で作動する場合に優良な平行移動と角度調節の分解能に達成し、またトランス楔600は、システムがこのような処理を許容する唯一のビームマニピュレータとなる。したがって、トランス楔は、レーザービームの角度及び位置を操作するために必要とされる空間を小さくすることを可能とし、これにより精密なビーム制御を要する光学システムの製品の重量と全体の寸法を低減することができる。またトランス楔マニピュレータは、所望のビーム操作を達成するための、比較的低コストの方法をもたらす。

単一のトランス楔マニピュレータを利用する調節処理に不都合がある場合、２つ又はそれ以上のマニピュレータを使用してシステム中の大幅な角度修正を実現することができる。図９は、第一のマニピュレータ910及び第二のトランス楔マニピュレータ920を含むマニピュレータ900の一例を示す。図３Ａ及び図３Ｂのマウント340と同じ取付構造体を含むことができる第一のマニピュレータ910は、粗い調整を行う粗楔セット（例えば約17mradの物理的な楔角度を有する）を含む。図６Ａ及び図６Ｂのトランス楔マニピュレータ600と実質上同一とすることができる第二のトランス楔マニピュレータ920は、微調整を行う高精度楔セット（例えば約250 μradの物理的な楔角度を有する）を含む。粗楔セットを含むマニピュレータ910は、入力ビームを実質的にデータ軸方向へと向け、さらに高精度楔セットを含むトランス楔マニピュレータ920が０度の入射角付近で作動可能となり、高精度な角度調節を有する利点を備える平坦な平行プレート位置変換器と同様に機能可能となり、角度分解能が向上する。

本発明を特定の実施例を参照しつつ説明して来たが、この説明は、本発明の用途の一例に過ぎず、限定的な意味を持つものではない。例えば、上述の説明には、特定の寸法及び特定の調節許容誤差範囲が含まれているが、本発明に基づくマニピュレータは、例示した特定の調節範囲又は分解能に限定されない。更に、上述したビームマニピュレータの例は、干渉計転置測定機器（interferometer displacement measuring equipment）に使用されるものを含むが、これに限定されず、いかなる寸法のビームをも取り扱うことができるように寸法を変えることが可能である。本願に開示した実施例の他の様々な変更形態及び組み合わせも、特許請求の範囲によって画定される本発明の範囲に含まれる。

ビームの方向を調節するための、リズレープリズムセットを利用する周知のビーム偏向器を示す図である。 ビームの方向を調節するための、リズレープリズムセットを利用する周知のビーム偏向器を示す図である。 ビームの位置を調節するために、平行側面を有するプレートを利用する周知のビーム位置変換器を示す図である。 ビーム方向の調節と、これと連動しないビーム位置の調節が可能な本発明の一実施例に基づくビームマニピュレータの斜視図である。 ビーム方向の調節と、これと連動しないビーム位置の調節が可能な本発明の一実施例に基づくビームマニピュレータの斜視図である。 図３Ａ及び図３Ｂのビームマニピュレータで使用されるプリズムを保持する光学ホルダーの断面図である。 図４の光学ホルダーのクランプ／取付構造体の正面図である。 ビームの方向及び位置の両方を調節するための、リズレープリズムセットを利用するビームマニピュレータの正面図である。 ビームの方向及び位置の両方を調節するための、リズレープリズムセットを利用するビームマニピュレータの斜視図である。 図６Ａ及び図６Ｂのビームマニピュレータにおける角度の偏向に対するビームの位置の依存性を説明するグラフである。 本発明の一実施例に基づくトランス楔マニピュレータの繰り返し調節処理を説明するフローチャートである。 ビーム角度の粗調節用の粗楔セットと、ビームの平行移動及びビーム角度の高精度調節用の精密なトランス楔セットを含むマニピュレータの斜視図である。

符号の説明

３１０、６１０ 第一の楔
３１２ 第一の光学ホルダー
３２０、６２０ 第二の楔
３２２ 第二の光学ホルダー
３３０ プレート
３４０ クランプ／取り付け構造体の第二の光学マウント
３５０ 取付構造体の第一の光学マウント
３７０ 取付構造体の基部
４１０ 光学ホルダーの内側レッジ
５１０ 開口
６３０ 取付構造体の第一の構造体
６４０ 取付構造体の第二の構造体

Claims (10)

1. 開口（510）を有する取付構造体と、
   第一の楔（310）を収容する第一の光学ホルダー（312）であって、前記開口（510）を通る光路を中心として回転することができるように前記開口（510）の第一の側に嵌め込まれている第一の光学ホルダー（312）と、
   第二の楔（320）を収容する第二の光学ホルダー（322）であって、前記開口（510）を通る光路を中心として回転することができるように前記開口（510）の第二の側に嵌め込まれている第二の光学ホルダー（322）と
   からなるビームマニピュレータ。
2. 前記第一の光学ホルダー（312）が、環状の形状であり、かつ前記第一の楔（310）の直径よりも大きな内径を有し、前記第一の楔（310）が前記光学ホルダー（312）の内側レッジ（410）に接着され、この内側レッジ（410）が、前記光学ホルダー（312）の内径から内向きに半径方向に延伸している請求項１に記載のビームマニピュレータ。
3. 前記取付構造体がクランプ（340）を含み、このクランプ（340）が緩められることによって、前記開口（510）の寸法が広がり、前記第一の光学ホルダー（312）及び前記第二の光学ホルダー（322）が回転可能となり、前記クランプ（340）が締められることによって、前記第一の光学ホルダー（312）及び前記第二の光学ホルダー（322）の回転が防止される請求項１又は２に記載のビームマニピュレータ。
4. 前記取付構造体が、前記光路を中心とした第一の楔（610）の回転と、
   前記第一の楔（610）の回転とは独立した、前記光路を中心とした前記第二の楔（620）の回転と、
   前記第一の楔（610）及び前記第二の楔（620）のピッチ角及びヨー角の前記光路に対する調整と
   を含む調節をもたらす請求項１〜３の何れか１項に記載のビームマニピュレータ。
5. 前記取付構造体が、貫通する開口を有する第一の構造体（630）と、
   第二の構造体（640）であって、前記第一の構造体（630）が第一の軸を中心として回転可能なように、当該第二の構造体（640）が第二の軸を中心として回転可能なように、前記第一の構造体（630）に取り付けられている第二の構造体（640）とからなる請求項１〜４の何れか１項に記載のビームマニピュレータ。
6. 対向する平行な表面を有するプレート（330）を更に含み、前記取付構造体が、前記プレート（330）のピッチ角とヨー角の前記光路に対する調整を含む調節をもたらす請求項１〜５の何れか１項に記載のビームマニピュレータ。
7. 前記取付構造体が、基部（370）と、
   前記基部（370）に取り付けられ、前記プレート（330）が取り付けられている第一の光学マウント（350）と、
   前記基部（370）に取り付けられ、前記第一の楔（310）及び前記第二の楔（320）が取り付けられている第二の光学マウント（340）とを含む請求項６に記載のビームマニピュレータ。
8. ビーム経路を制御するための方法であって、
   （ａ）第一の楔（610）及び第二の楔（620）を備える組楔を前記ビーム経路中に配置するステップと、
   （ｂ）前記第一の楔（610）及び前記第二の楔（620）のうちの少なくとも一方を、前記経路を中心として回転させ、前記ビームを目標とする方向へと偏向するステップと、
   （ｃ）前記経路と、前記組楔を介する軸との間の角度を調節し、前記ビームを目標とする位置へ移動するステップと
   を有する方法。
9. 前記ステップ（ｃ）が前記ビームを前記目標とする方向の要求される角度内に維持しているかどうかを判定し、前記ビームが前記要求される角度の外側にあった場合に前記ステップ（ｂ）を繰り返すステップと、
   前記ステップ（ｂ）が前記ビームを前記目標とする位置の要求される距離内に維持しているかどうかを判定し、前記ビームが前記要求される距離の外側にあった場合に前記ステップ（ｃ）を繰り返すステップとを更に有する請求項８に記載の方法。
10. 前記ステップ（ｂ）及び（ｃ）のうちの一方が、前記ビームと前記目標とする方向との間又は前記ビームと前記目標とする位置との間の意図的な分離を残し、前記ステップ（ｂ）及び（ｃ）のうちの他方が、前記意図的な分離を縮める請求項８又は９に記載の方法。

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