JP2009042588A - 光軸自動調節システム - Google Patents

Abstract

【課題】 光量の損失や波面の劣化を抑え、単純な構造で光軸の自動調節を行う。
【解決手段】 ＸＹＺ三次元座標系に入射した光ビームＬ１の光軸を調節するために、反射面Ｍ１を有する鏡１０と、反射面Ｍ２を有する鏡２０と、を本体部１００に取り付け、鏡２０を反射した光ビームＬ３を、出力部２００内の鏡３０の反射面Ｍ３および鏡４０の反射面Ｍ４で反射して光ビームＬ５として射出する。鏡３０の透過光Ｌ３０をモニタした結果に基づき、鏡１０の角度αおよび鏡２０の角度βを調節する角度制御を行う。鏡４０の透過光Ｌ４０をモニタした結果に基づき、本体部１００全体をＸＹ平面に沿って平行移動させる位置制御を行う。各制御手段３１０，３３０によって、各記憶手段３２０，３４０に記憶された位置および角度の設定値に向けてのフィードバック制御が行われ、射出光Ｌ５の光軸は設定した位置・角度に維持される。
【選択図】 図８

Description

本発明は、光軸自動調節システムに関し、特に、予め設定した基準光路に沿って光ビームが存在するときに、システムへの入射光が基準光路を外れた場合にも、射出光が基準光路に沿った状態を維持するように自動光軸調節を行う技術に関する。

光ビームは、微細パターンの露光プロセス、材料の加工プロセス、情報通信など、あらゆる産業分野において広く利用されている。光ビームを利用する光学系では、光軸を調節することが重要であり、特に、レーザビームなどを利用して精密な処理を行うプロセスでは、正確な光軸調節作業が必要になる。一般的な光ビームの光軸調節装置は、反射鏡やプリズムなどの光学素子を組み合わせた装置によって構成される。たとえば、下記の特許文献１や２には、複数の反射鏡とプリズムを組み合わせた光軸調節装置が開示されている。

このような光軸調節装置を利用して、光ビームが所定の基準光路を通るように調節を行ったとしても、光源の物理的変動要因等により、光ビームが基準光路から外れてしまうことも少なくない。もちろん、このような光軸ずれが生じた場合には、再度、光軸調節を行えばよいが、毎回、手作業による光軸調節を行うことは効率的ではない。そこで、下記の特許文献３などには、入射光ビームが、予め設定した基準光路を外れた場合にも、射出光ビームが基準光路に沿った状態を維持するように、光軸をフィードバック制御によって自動調節するシステムが提案されている。
特開２００２−２２９２１６号公報 特開２００４−０７８１３１号公報 特開２００５−３３１５４１号公報

従来の一般的な光軸調節装置は、反射鏡やプリズムを組み合わせた複雑な光学系を用いているため、装置全体の構造が複雑になり、また、装置内部での反射回数が多くなるため、装置を通過する光ビームの光量に損失が生じるとともに、光学系の収差やゴミの付着などによる波面の劣化が生じるという問題があった。一方、前掲の特許文献３に開示されたシステムでは、より単純な光学系を用いた光軸調節機構が提案されているが、フィードバック制御を行うために、光ビームの一部を検出用ビームとして分岐させるビームスプリッターを用いており、このビームスプリッターの部分での光量損失や波面の劣化が避けられない。

そこで本発明は、光量の損失や波面の劣化を必要最小限に抑えつつ、単純な構造で光軸の自動調節を行うことが可能な光軸自動調節システムを提供することを目的とする。

(1) 本発明の第１の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における所定の入射点と射出点とを通る基準光路に沿って光ビームが存在するときに、入射光が基準光路を外れた場合にも、射出光が基準光路に沿った状態を維持するように自動光軸調節を行う機能をもった光軸自動調節システムにおいて、
光軸調節を行う本体部と、本体部からきた光を射出する出力部と、本体部による光軸調節動作を制御する制御部と、を設け、
本体部は、
ＸＹ平面に平行な面をＹ軸に平行な回動軸について所定角α（０°＜α＜９０°）だけ回動した反射面を有する第１の鏡と、
ＸＺ平面に平行な面をＸ軸に平行な回動軸について所定角β（０°＜β＜９０°）だけ回動した反射面を有する第２の鏡と、
第１の鏡と第２の鏡とを、入射光が少なくともこれら双方の鏡をこの順序で反射した後に出力部へ向けて射出するように、所定位置に支持する支持体と、
支持体に対して、第１の鏡をＸ軸もしくはＺ軸方向に平行移動させるとともに、第２の鏡をＹ軸もしくはＺ軸方向に平行移動させる位置調節手段と、
第１の鏡を、Ｙ軸に平行な回動軸について回動させる操作と、第２の鏡を、Ｘ軸に平行な回動軸について回動させる操作と、を行う機能をもった角度調節手段と、
を有し、
出力部は、
本体部からきた光ビームを反射させる第３の鏡と、
第３の鏡を反射した光ビームを反射させて射出する第４の鏡と、
第３の鏡および第４の鏡のうち、いずれか一方を透過した光ビームの所定基準面に対する入射角度を検出する角度検出手段と、
第３の鏡および第４の鏡のうち、前記一方ではない他方を透過した光ビームの所定基準面上への入射位置を検出する位置検出手段と、
を有し、
制御部は、
入射光が基準光路に沿った状態において角度検出手段および位置検出手段が検出した角度および位置を記憶する記憶手段と、
角度検出手段および位置検出手段が検出した角度および位置が記憶手段に記憶されている値からずれたときに、当該ずれを解消するように角度調節手段および位置調節手段を制御する制御手段と、
を有するようにしたものである。

(2) 本発明の第２の態様は、ＸＹＺ三次元座標系における所定の入射点と射出点とを通る基準光路に沿って光ビームが存在するときに、入射光が基準光路を外れた場合にも、射出光が基準光路に沿った状態を維持するように自動光軸調節を行う機能をもった光軸自動調節システムにおいて、
光軸調節を行う本体部と、本体部からきた光を射出する出力部と、本体部による光軸調節動作を制御する制御部と、を設け、
本体部は、
ＸＹ平面に平行な面をＹ軸に平行な回動軸について所定角α（０°＜α＜９０°）だけ回動した反射面を有する第１の鏡と、
ＸＺ平面に平行な面をＸ軸に平行な回動軸について所定角β（０°＜β＜９０°）だけ回動した反射面を有する第２の鏡と、
第１の鏡と第２の鏡とを、入射光が少なくともこれら双方の鏡をこの順序で反射した後に出力部へ向けて射出するように、所定位置に支持する第１の支持体と、
第１の支持体を支持する第２の支持体と、
第１の支持体を第２の支持体に対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に平行移動させる位置調節手段と、
第１の鏡を、Ｙ軸に平行な回動軸について回動させる操作と、第２の鏡を、Ｘ軸に平行な回動軸について回動させる操作と、を行う機能をもった角度調節手段と、
を有し、
出力部は、
本体部からきた光ビームを反射させる第３の鏡と、
第３の鏡を反射した光ビームを反射させて射出する第４の鏡と、
第３の鏡および第４の鏡のうち、いずれか一方を透過した光ビームの所定基準面に対する入射角度を検出する角度検出手段と、
第３の鏡および第４の鏡のうち、前記一方ではない他方を透過した光ビームの所定基準面上への入射位置を検出する位置検出手段と、
を有し、
制御部は、
入射光が基準光路に沿った状態において角度検出手段および位置検出手段が検出した角度および位置を記憶する記憶手段と、
角度検出手段および位置検出手段が検出した角度および位置が記憶手段に記憶されている値からずれたときに、当該ずれを解消するように角度調節手段および位置調節手段を制御する制御手段と、
を有するようにしたものである。

(3) 本発明の第３の態様は、上述の第１または第２の態様に係る光軸自動調節システムにおいて、
角度検出手段を、平行光線を所定の焦点に集光する集光レンズと、この集光レンズに対して焦点距離だけ離れた位置に配置された受光面を有しこの受光面上の集光位置を検出する受光素子と、によって構成したものである。

(4) 本発明の第４の態様は、上述の第１〜第３の態様に係る光軸自動調節システムにおいて、
位置検出手段を、所定の受光面上へのビームの照射位置を検出する受光素子によって構成したものである。

本発明に係る光軸自動調節システムでは、本体部内の２つの鏡を特有の位置に配置し、これら鏡を特有の方向に平行移動させるとともに特有の向きに回動させることにより光ビームの位置および角度の調節を行うようにしたため、非常に単純な構造により、光ビームの光軸調節を行うことができる。しかも、本体部内の２組の鏡と出力部内の２組の鏡という合計４組の鏡により構成することが可能であり、出力部内の２組の鏡についての透過光を検出用ビームとして利用したフィードバック制御を行うことができるので、光量の損失や波面の劣化を必要最小限に抑えつつ、単純な構造で光軸の自動調節を行うことが可能になる。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。

＜＜＜ §１．本体部に用いる２組の鏡の特有の配置 ＞＞＞
本発明に係る光軸自動調節システムの本体部内には、図１に示すように、２組の鏡からなる光学系が用いられる。本発明では、この２組の鏡を特有の位置に配置し、これら鏡を特有の方向に平行移動させるとともに特有の向きに回動させることにより、光ビームの位置および角度の調節を行うことが重要になる。そこで、ここでは、説明の便宜上、図示のとおりＸＹＺ三次元座標系を定義し、この三次元座標系上で、この２組の鏡の特有の配置とその特徴を説明することにする。この、図１に示す２組の鏡およびその位置角度調節手段（図１には示されていない）は、ＸＹＺ三次元座標系に入射した光の光軸を調節して、これを射出する機能を有する光軸調節装置ということができる。

この光軸調節装置の最も重要な構成要素は、第１の鏡１０および第２の鏡２０である。第１の鏡１０および第２の鏡２０は、図示のとおり、ＸＹＺ三次元座標系上で、その反射面が特有の位置にくるように配置されている。すなわち、第１の鏡１０の反射面Ｍ１は、ＸＹ平面に平行な面をＹ軸に平行な回動軸１１について所定角α（０°＜α＜９０°）だけ回動した位置にくるように配置されており、第２の鏡２０の反射面Ｍ２は、ＸＺ平面に平行な面をＸ軸に平行な回動軸２１について所定角β（０°＜β＜９０°）だけ回動した位置にくるように配置されている。

ここでは、このように配置された２つの鏡１０，２０からなる光学系に、Ｘ軸に平行な方向から光ビームＬ１を入射光として与えた場合を考えてみる。この場合、光ビームは、２つの鏡１０，２０によって図示のとおり反射する（図では、この光ビームの経路を一点鎖線で示す）。すなわち、光ビームＬ１が、第１の鏡１０の反射面Ｍ１の入射点Ｐ１に入射すると、反射光として、図示の例では、図のほぼ上方へと向かう光ビームＬ２が得られることになり、この光ビームＬ２が、第２の鏡２０の反射面Ｍ２の入射点Ｐ２に入射すると、反射光として、図のほぼ右方へ向かう光ビームＬ３が得られることになる。結局、入射光として与えられた光ビームＬ１は、この光学系で２回反射した後、光ビームＬ３として射出することになる。

ここに示す光軸調節装置は、上述した第１の鏡１０および第２の鏡２０の他、これらの鏡を支持する支持体と各鏡に対する位置および角度の調節手段（いずれも、図１には示されていない）によって構成される。

支持体は、２つの鏡１０，２０を上述した特有の条件を満たす位置に支持する機能をもった構成要素であれば、具体的にはどのような構造物で構成してもかまわない。たとえば、装置筐体となるフレームにより支持体を構成し、第１の鏡１０および第２の鏡２０を、このフレームに取り付けるようにしてもかまわない。ただ、位置および角度の調節手段による調節が可能となるような態様で取り付ける必要がある。

位置調節手段は、支持体に対して、各鏡１０，２０を所定軸方向に平行移動させることにより、その位置を調節する機能をもった構成要素である。本発明では、第１の鏡１０については、Ｘ軸方向もしくはＺ軸方向に平行移動させ、第２の鏡２０については、Ｙ軸方向もしくはＺ軸方向に平行移動させる必要がある。このように、所定軸に沿って鏡を移動させる機構は、たとえば、ガイドレールと摺動子を用いた機構など、種々のものが公知であるため、ここでは具体的な移動機構の説明は省略する。後述するように、この位置調節手段は、制御部からの電気的な制御信号に基づいて位置調節を行う機能を有しており、実用上は、電動による移動機構によって構成される。

続いて、この光学系を構成する各鏡１０，２０を、位置調節手段を用いて所定方向に平行移動させた場合に、光ビームの光軸がどのように変化するかを考えてみる。

図２は、図１に示す光学系において、反射面Ｍ１（第１の鏡１０）をＸ軸方向に平行移動させることによって生じる光軸変化を示すＸＺ断面図である。図に実線で示す反射面Ｍ１は移動前の位置を示し、図に破線で示す反射面Ｍ１′は移動後の位置を示す。図示のとおり、移動前は、光ビームＬ１は反射面Ｍ１上の入射点Ｐ１で反射して、光ビームＬ２として射出するが、反射面Ｍ１をＸ軸に沿って変位量ΔＭ１ｘだけ平行移動させると、反射面Ｍ１′に対する入射点はＰ１′の位置となるため、光ビームＬ１は光ビームＬ２′として射出することになる。結局、反射面Ｍ１をＸ軸方向に変位量ΔＭ１ｘだけ平行移動させると、反射光として射出される光ビームは、Ｘ軸方向に変位量ΔＬｘだけ平行移動することになる。ここで、ΔＬｘ＝ΔＭ１ｘである。

図３は、図１に示す光軸調節装置において、反射面Ｍ１（第１の鏡１０）をＺ軸方向に平行移動させることによって生じる光軸変化を示すＸＺ断面図である。やはり、図に実線で示す反射面Ｍ１は移動前の位置を示し、図に破線で示す反射面Ｍ１′は移動後の位置を示す。図示のとおり、反射面Ｍ１をＺ軸に沿って変位量ΔＭ１ｚだけ平行移動させると、反射面Ｍ１′に対する入射点はＰ１′の位置となるため、光ビームＬ１は光ビームＬ２′として射出することになる。結局、反射面Ｍ１をＺ軸方向に変位量ΔＭ１ｚだけ平行移動させると、反射光として射出される光ビームは、Ｘ軸方向に変位量ΔＬｘだけ平行移動することになる。ここで、Ｌ１がＸ軸に平行なら、ΔＬｘ＝ΔＭ１ｚ／tan αである（Ｌ１が任意の向きの場合も、所定の幾何学的関係式が成り立つ。）。

一方、図４は、図１に示す光学系において、反射面Ｍ２（第２の鏡２０）をＺ軸方向に平行移動させることによって生じる光軸変化を示すＹＺ断面図である。図に実線で示す反射面Ｍ２は移動前の位置を示し、図に破線で示す反射面Ｍ２′は移動後の位置を示す。図示のとおり、移動前は、光ビームＬ２は反射面Ｍ２上の入射点Ｐ２で反射して、光ビームＬ３として射出するが、反射面Ｍ２をＺ軸に沿って変位量ΔＭ２ｚだけ平行移動させると、反射面Ｍ２′に対する入射点はＰ２′の位置となるため、光ビームＬ２は光ビームＬ３′として射出することになる。結局、反射面Ｍ２をＺ軸方向に変位量ΔＭ２ｚだけ平行移動させると、反射光として射出される光ビームは、Ｚ軸方向に変位量ΔＬｚだけ平行移動することになる。ここで、ΔＬｚ＝ΔＭ２ｚである。

図５は、図１に示す光学系において、反射面Ｍ２（第２の鏡２０）をＹ軸方向に平行移動させることによって生じる光軸変化を示すＹＺ断面図である。やはり、図に実線で示す反射面Ｍ２は移動前の位置を示し、図に破線で示す反射面Ｍ２′は移動後の位置を示す。図示のとおり、反射面Ｍ２をＹ軸に沿って変位量ΔＭ２ｙだけ平行移動させると、反射面Ｍ２′に対する入射点はＰ２′の位置となるため、光ビームＬ２は光ビームＬ３′として射出することになる。結局、反射面Ｍ２をＹ軸方向に変位量ΔＭ２ｙだけ平行移動させると、反射光として射出される光ビームは、Ｚ軸方向に変位量ΔＬｚだけ平行移動することになる。ここで、Ｌ２がＺ軸に平行なら、ΔＬｚ＝ΔＭ２ｙ／tan βである（Ｌ２が任意の向きの場合も、所定の幾何学的関係式が成り立つ。）。

以上のとおり、図２および図３に示す結果から、第１の鏡１０の反射面Ｍ１から反射光として射出される光ビームＬ２をＸ軸方向に平行移動させるには、第１の鏡１０をＸ軸方向に平行移動させるか、Ｚ軸方向に平行移動させるか、いずれかの方法をとればよいことがわかる。また、図４および図５に示す結果から、第２の鏡２０の反射面Ｍ２から反射光として射出される光ビームＬ３をＺ軸方向に平行移動させるには、第２の鏡２０をＹ軸方向に平行移動させるか、Ｚ軸方向に平行移動させるか、いずれかの方法をとればよいことがわかる。

前述したとおり、位置調節手段は、支持体に対して、第１の鏡１０をＸ軸もしくはＺ軸方向に平行移動させる機能と、第２の鏡２０をＹ軸もしくはＺ軸方向に平行移動させる機能とを有している。前者の機能は、光ビームＬ２をＸ軸方向に平行移動させるためのものであり、後者の機能は、光ビームＬ３をＺ軸方向に平行移動させるためのものである。

結局、図１に示す光学系を有する光軸調節装置に、入射光としてＸ軸に平行な光ビームＬ１が入射した場合、位置調節手段により、この光ビームの光路を２つの独立した軸方向に平行移動させる位置調節を行うことができる。以上、図１に示す光軸調節装置の動作原理を、Ｘ軸に平行な光ビームＬ１が入射した場合について説明したが、実際には、このような位置調節機能は、Ｘ軸に平行な光ビームＬ１が入射した場合にのみ有効なわけではない。すなわち、Ｘ軸に対して多少傾斜した光ビームが入射した場合であっても、当該光ビームが、第１の鏡１０で反射した後、第２の鏡２０で反射して射出する光路を通る限り、この光ビームの光路を２つの独立した軸方向に平行移動させる位置調節を行うことができる。したがって、位置調節手段による位置調節機能により、この光軸調節装置の射出光として得られる光ビームＬ３を任意の位置に平行移動させることが可能になる。また、光路の可逆性から、光ビームＬ３と逆向きの入射光を与えた場合には、光ビームＬ１と逆向きの射出光を得ることができ、同様に光軸調節が可能である。

＜＜＜ §２．２組の鏡を同一支持体に固定する例 ＞＞＞
既に§１で述べたとおり、位置調節手段は、第１の鏡１０については、Ｘ軸もしくはＺ軸方向に平行移動させる機能をもち、第２の鏡２０については、Ｙ軸もしくはＺ軸方向に平行移動させる機能をもっていればよい。したがって、たとえば、支持体上に第１の鏡１０をＸ軸に沿って摺動させるレールもしくはＺ軸に沿って摺動させるレールを配置し、第１の鏡１０を摺動自在に支持体上に取り付けるようにし、同様に、支持体上に第２の鏡２０をＹ軸に沿って摺動させるレールもしくはＺ軸に沿って摺動させるレールを配置し、第２の鏡２０を摺動自在に支持体上に取り付けるようにすれば、これらのレールを利用して位置調節手段を構成できる。

このように、本発明を実施するにあたって、第１の鏡１０および第２の鏡２０を、それぞれ所定方向に別個独立して平行移動させる機構を設けることももちろん可能であるが、ここでは第１の鏡１０および第２の鏡２０を同一支持体に固定する実施形態を述べておく。ここで述べる実施形態では、第１の鏡１０と第２の鏡２０は、相互に図１に示すような位置関係を維持しながら、第１の支持体に固定される。そして、この第１の支持体を移動自在となるように支持する第２の支持体を用意し、位置調節手段によって、第１の支持体を第２の支持体に対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に平行移動させることができるようにする。

たとえば、図１に示す座標系ＸＹＺに完全に重なる別な座標系ｘｙｚを考え、座標系ＸＹＺを静止座標系とし、座標系ｘｙｚを移動座標系と定義しよう。図１は、この両座標系の原点Ｏが完全に重なった状態を示しているが、移動座標系ｘｙｚは、静止座標系ＸＹＺに対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に平行移動が可能な可動座標系であるものとする。ここで、可動座標系ｘｙｚの各座標軸ｘｙｚに沿った物理的なフレームにより第１の支持体が構成され、静止座標系ＸＹＺの各座標軸ＸＹＺに沿った物理的なフレームにより第２の支持体が構成されているものとしよう。第２の支持体は、後述するように、本発明に係る光軸自動調節システムの本体部の筐体として機能する構成要素である。

いま、第１の鏡１０および第２の鏡２０を、第１の支持体（可動座標軸ｘｙｚ）に固定し、第１の支持体（可動座標軸ｘｙｚ）を第２の支持体（静止座標軸ＸＹＺ）に対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に平行移動させることができる位置調節手段を設ける。このような構成にすれば、第１の鏡１０および第２の鏡２０の相互の位置関係は常に一定であるものの、静止座標系ＸＹＺに対する位置は変化する。

たとえば、位置調節手段により、第１の支持体（座標軸ｘｙｚ）をＸ軸方向にΔＸだけ平行移動させたとすると、第１の鏡１０および第２の鏡２０は、いずれも静止座標系ＸＹＺ上でＸ軸方向にΔＸだけ変位する。ここで、第１の鏡１０の変位に着目すれば、図２に示すように、この変位は光ビームＬ２をＸ軸方向にΔＬｘだけ変位させる機能を果たす。しかしながら、第２の鏡２０の変位に着目すれば、図１の斜視図を見れば明らかなように、第２の鏡２０がＸ軸方向に変位しても、光ビームＬ３の変位には寄与しない。結局、第１の支持体を第２の支持体に対してＸ軸方向に平行移動させるという位置調節操作は、図２に示すように、光ビームＬ２をＸ軸方向に変位させる独立した調節操作ということになる。

一方、位置調節手段により、第１の支持体（座標軸ｘｙｚ）をＹ軸方向にΔＹだけ平行移動させたとすると、第１の鏡１０および第２の鏡２０は、いずれも静止座標系ＸＹＺ上でＹ軸方向にΔＹだけ変位する。ここで、第２の鏡２０の変位に着目すれば、図５に示すように、この変位は光ビームＬ３をＺ軸方向にΔＬｚだけ変位させる機能を果たす。しかしながら、第１の鏡２０の変位に着目すれば、図１の斜視図を見れば明らかなように、第１の鏡１０がＹ軸方向に変位しても、光ビームＬ２の変位には寄与しない。結局、第１の支持体を第２の支持体に対してＹ軸方向に平行移動させるという位置調節操作は、図５に示すように、光ビームＬ３をＺ軸方向に変位させる独立した調節操作ということになる。

この§２で述べる実施形態の特徴は、第１の鏡１０および第２の鏡２０に対して、別個独立した位置調節操作（平行移動操作）を行う必要がなくなり、駆動系を単純化することができるという点である。すなわち、第１の鏡１０および第２の鏡２０は、第１の支持体という同一の支持体上に取り付けられており、位置調節手段により第１の支持体が第２の支持体に対して平行移動させられると、両者は一体となって同じ方向に同じ変位量だけ変位することになる。それにもかかわらず、Ｘ軸方向への平行移動が行われると、第１の鏡１０の反射光である光ビームＬ２のＸ軸方向への変位のみが生じ、Ｙ軸方向への平行移動が行われると、第２の鏡２０の反射光である光ビームＬ３のＺ軸方向への変位のみが生じることになり、この光軸調節装置からの最終的な射出光の２方向に関する位置制御を独立して行うことができることになる。

＜＜＜ §３．角度の調節機能 ＞＞＞
§１および§２では、図１に示すような特有の配置条件を満たす２組の鏡からなる光学系を用意し、各鏡を特有の方向に移動させれば、射出光として得られる光ビームを２方向に平行移動させる位置調節の機能が実現できることを示した。このように、射出光の２方向に関する位置調節を独立して行うことができれば、光ビームを任意の位置に平行移動させることができる。

本明細書では、このように、光ビームを平行移動させる光軸の調節を「位置調節」と呼んでいる。これに対して、光ビームの向きを変化させる光軸の調節を「角度調節」と呼ぶことにする。すなわち、調節前の光ビームと調節後の光ビームとが平行な関係を維持するような調節が「位置調節」であるのに対して、調節前の光ビームと調節後の光ビームとが平行な関係を維持しないような調節が「角度調節」ということになる。

射出光として得られる光ビームの位置の調節（平行移動による調節）と角度の調節（向きを変える調節）とを組み合わせた光軸調節を行うことができれば、実用上要求される全ての調節に対応することが可能になる。この§３では、図１に示す光学系についての「角度調節」の仕組を述べる。

図６は、図１に示す光学系において、反射面Ｍ１（第１の鏡１０）を所定点Ｐ１（図では、光ビームＬ１の入射点）を通りＹ軸に平行な軸（図では、入射点Ｐ１に立てた紙面に垂直な軸）まわりに回動させる方向に傾斜させることによって生じる光軸変化を示すＸＺ断面図である。図に実線で示す反射面Ｍ１は傾斜前の位置を示し、図に破線で示す反射面Ｍ１′は傾斜後の位置を示す。図示のとおり、傾斜前は、光ビームＬ１は反射面Ｍ１上の入射点Ｐ１で反射して、光ビームＬ２として射出するが、反射面Ｍ１を破線で示すように回動させると、入射角が変化することになるため、光ビームＬ１は光ビームＬ２′として射出することになる。結局、反射面Ｍ１を図のように角度δだけ回動させると、反射光として射出される光ビームの向きは、角度２δだけ変化することになる。

なお、図６には、光ビームＬ１の入射点Ｐ１が反射面Ｍ１の回動軸上の点Ｐ１に一致している例が示されているが、光ビームＬ１の入射点が反射面Ｍ１上の任意の位置であり、Ｙ軸に平行な任意の軸を回動軸として反射面Ｍ１を回動させても、光ビームＬ２の射出方向がＸＺ平面に平行な自由度に関して変化することに変わりはない。したがって、実用上は、Ｙ軸に平行な任意の軸を回動軸として、反射面Ｍ１を回動させるような角度調節機構を用意すればよい。

図７は、図１に示す光学系において、反射面Ｍ２（第２の鏡２０）を所定点Ｐ２（図では、光ビームＬ２の入射点）を通りＸ軸に平行な軸（図では、入射点Ｐ２に立てた紙面に垂直な軸）まわりに回動させる方向に傾斜させることによって生じる光軸変化を示すＹＺ断面図である。図に実線で示す反射面Ｍ２は傾斜前の位置を示し、図に破線で示す反射面Ｍ２′は傾斜後の位置を示す。図示のとおり、傾斜前は、光ビームＬ２は反射面Ｍ２上の入射点Ｐ２で反射して、光ビームＬ３として射出するが、反射面Ｍ２を破線で示すように傾斜させると、入射角が変化することになるため、光ビームＬ２は光ビームＬ３′として射出することになる。結局、反射面Ｍ２を図のように角度δだけ回動させると、反射光として射出される光ビームの向きは、角度２δだけ変化することになる。

なお、図７には、光ビームＬ２の入射点Ｐ２が反射面Ｍ２の回動軸上の点Ｐ２に一致している例が示されているが、光ビームＬ２の入射点が反射面Ｍ２上の任意の位置であり、Ｘ軸に平行な任意の軸を回動軸として反射面Ｍ２を回動させても、光ビームＬ３の射出方向がＹＺ平面に平行な自由度に関して変化することに変わりはない。したがって、実用上は、Ｘ軸に平行な任意の軸を回動軸として、反射面Ｍ２を回動させるような角度調節機構を用意すればよい。

このように、光ビームの角度調節は、第１の鏡１０を、Ｙ軸に平行な任意の回動軸について回動する操作によって行うこともできるし、第２の鏡２０を、Ｘ軸に平行な任意の回動軸について回動する操作によって行うこともできる。しかも、第１の鏡１０に対して上記回動操作を行うことによって変わる光ビームの向き調節方向（図６に示すように、光ビームの向きをＸＺ平面に平行な平面に沿って変える調節方向）と、第２の鏡２０に対して上記回動操作を行うことによって変わる光ビームの向き調節方向（図７に示すように、光ビームの向きをＹＺ平面に平行な平面に沿って変える調節方向）とは異なるため、光ビームの角度について、第１の鏡１０の回動操作と第２の鏡２０の回動操作とによって、互いに独立した２つの自由度をもった調整が可能になり、この２つの自由度をもった角度調節を組み合わせることにより、光ビームの向きを三次元空間内の任意の方向に調節することが可能になる。

また、ここで重要な点は、第１の鏡１０をＹ軸に平行な回動軸について所定量回動しても、図１に示す第１の鏡１０の固有条件、すなわち、「ＸＹ平面に平行な面をＹ軸に平行な回動軸について所定角α（０°＜α＜９０°）だけ回動した反射面Ｍ１を有する」という条件は維持され、第２の鏡２０をＸ軸に平行な回動軸について所定量回動しても、図１に示す第２の鏡２０の固有条件、すなわち、「ＸＺ平面に平行な面をＸ軸に平行な回動軸について所定角β（０°＜β＜９０°）だけ回動した反射面Ｍ２を有する」という条件は維持される。このため、入射した光ビームの光路を２つの独立した軸方向に平行移動させる位置調節機能（§１，§２で述べた位置調節機能）は、第１の鏡１０および第２の鏡２０を上記条件で回動させたとしても、何ら支障なく機能する。

なお、鏡の反射面を所定軸を回動軸として傾斜させる機構は種々のものが公知であるため、ここでは角度調節手段の具体的な傾斜機構の説明は省略する。後述するように、この角度調節手段は、制御部からの電気的な制御信号に基づいて角度調節を行う機能を有しており、実用上は、電動による傾斜機構によって構成される。

＜＜＜ §４．光軸自動調節システムの全体構成 ＞＞＞
ここでは、図１に示す光軸調節装置を利用した光軸自動調節システムの実施形態を図８のブロック図を参照しながら説明する。この光軸自動調節システムは、ＸＹＺ三次元座標系における所定の入射点Ｐｉと射出点Ｐｏとを通る基準光路に沿って光ビームが存在するときに、入射光が基準光路を外れた場合にも、射出光が基準光路に沿った状態を維持するように自動光軸調節を行う機能を有している。

たとえば、図８に示す例では、入射点Ｐｉを通る光ビームＬ１がこの光軸自動調節システムへの入射光として与えられており、射出点Ｐｏを通る光ビームＬ５として射出している。ここで、光ビームＬ１が安定した入射光である限り、入射点Ｐｉと射出点Ｐｏとを通る一定の基準光路（図に一点鎖線で示した光ビームＬ１〜Ｌ５の光路）が確保されることになる。しかしながら、レーザ光源などを用いて光ビームＬ１を発生させるような場合、レーザ光源の起動時の不安定性や経年変化などの事情により、入射光としての光ビームＬ１が基準光路からはずれ、図示の入射点Ｐｉを通らなくなる事態が生じうる。ここに示す光軸自動調節システムは、このように、入射光としての光ビームＬ１が基準光路からはずれた場合にも、射出光としての光ビームＬ５は、変わりなく基準光路に沿った状態を維持するような自動光軸調節を行うことができる。

この光軸自動調節システムの基本構成要素は、図示のとおり、光軸調節を行う本体部１００と、この本体部１００からきた光を射出する出力部２００と、本体部１００による光軸調節動作を制御する制御部３００である。

ここに示す実施形態の場合、本体部１００は、§２で述べた手法により光ビームを平行移動させて位置を調節する機構と、§３で述べた手法により各鏡を回動させて光ビームの向き（角度）を調節する機構とを備えている。以下、その構成をより詳細に説明する。

図８に示すとおり、本体部１００には、第１の支持体１１０が設けられており、この第１の支持体１１０に、第１の鏡１０および第２の鏡２０が、図１に示す相互位置関係を維持するように取り付けられている。すなわち、第１の鏡１０の反射面Ｍ１は、ＸＹ平面に平行な面をＹ軸に平行な回動軸について所定角α（０°＜α＜９０°）だけ回動した面になっており、第２の鏡２０の反射面Ｍ２は、ＸＺ平面に平行な面をＸ軸に平行な回動軸について所定角β（０°＜β＜９０°）だけ回動した面になっている。また、この例では、第１の支持体１１０は箱状の構造体であり、内部に第１の鏡１０および第２の鏡２０が収容されている。要するに、第１の支持体１１０は、第１の鏡１０と第２の鏡２０とを、入射光Ｌ１が少なくともこれら双方の鏡をこの順序で反射した後に出力部２００へ向けて射出するように、所定位置に支持する機能を有している。

第１の支持体１１０内には、角度調節手段１２０が設けられている。この角度調節手段１２０は、第１の鏡１０および第２の鏡２０を回動させて、光ビームの角度（向き）の調節を行う構成要素である。具体的には、第１の鏡１０に対しては、図６に示す例のように、Ｙ軸に平行な回動軸について回動させる操作が行われる。この回動操作により、光ビームＬ２のＸＺ平面に平行な平面への投影像の向きが調節される。また、第２の鏡２０に対しては、図７に示す例のように、Ｘ軸に平行な回動軸について回動させる操作が行われる。この回動操作により、光ビームＬ２のＹＺ平面に平行な平面上への投影像の向きが調節される。

位置調節手段１３０は、第１の支持体１１０と第２の支持体１４０との間に設けられた駆動手段である。第２の支持体１４０は、この例では、台座となる構造体からなり、第１の支持体１１０全体を支持する機能を果たす。位置調節手段１３０は、第１の支持体１１０を第２の支持体１４０に対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に平行移動させる機能を有する。この位置調節手段１３０は、たとえば、ステッピングモータによって駆動可能なＸＹステージなどによって構成することができる。

なお、このような位置調節手段１３０は、§２で述べた手法により光ビームを平行移動させて位置調節する機構を備えたものであり、第１の鏡１０および第２の鏡２０を支持している第１の支持体１１０を、第２の支持体１４０に対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に平行移動させるものであるが、位置調節手段としては、§１で述べた手法により光ビームを平行移動させて位置調節する機構を備えたものを用いてもよい。その場合、第１の鏡１０および第２の鏡２０を何らかの支持体によって支持させ、位置調節手段は、当該支持体に対して、第１の鏡１０をＸ軸もしくはＺ軸方向に平行移動させるとともに、第２の鏡２０をＹ軸もしくはＺ軸方向に平行移動させる機能を有していればよい。

一方、出力部２００は、本体部１００からきた光ビームＬ３（すなわち、第２の鏡２０からの反射光）を反射させる第３の鏡３０と、この第３の鏡３０で反射した光ビームＬ４を反射させて外部へと射出する第４の鏡４０と、第３の鏡３０の反射面Ｍ３を透過した光ビームＬ３０の角度（向き）を検出する角度検出手段２１０と、第４の鏡４０の反射面Ｍ４を透過した光ビームＬ４０の位置を検出する位置検出手段２２０と、を有している。第３の鏡３０および第４の鏡４０は、位置や角度の調節機能をもつ必要はなく、単純な固定鏡でよい。この実施例では、これらの鏡はいずれも、ＸＹ平面に平行な平面をＸ軸に平行な回動軸について回動した反射面を有している。

角度検出手段２１０は、第３の鏡３０の反射面Ｍ３を透過した光ビームＬ３０の所定基準面に対する入射角度（２つの自由度に関する角度）を電気信号として検出する機能を有している。たとえば、ＸＺ平面に平行な平面を所定基準面に設定した場合、ＸＹ平面に平行な平面上での向きを示す角度と、ＹＺ平面に平行な平面上での向きを示す角度とを検出することができる。この角度検出手段２１０を実現するための具体的な測定系については後述する。

一方、位置検出手段２２０は、第４の鏡４０の反射面Ｍ４を透過した光ビームＬ４０の所定基準面上への入射位置を検出する構成要素であり、光ビームＬ４の基準光路からのずれ位置、すなわち、平行移動の量を検出するための構成要素である。たとえば、ＸＹ平面に平行な平面を所定基準面とすれば、当該所定基準面上への光ビームＬ４０の実際の到達点の位置のＸ座標値およびＹ座標値を位置の検出値として取得することができればよい。この位置検出手段２２０を実現するための具体的な測定系については後述する。

なお、出力部２００は、第２の支持体１４０と同様に静止系の構成要素であり、実用上、出力部２００の筐体は、第２の支持体１４０に固定された状態となっていてよい。前述したように、ＸＹＺ座標系を静止座標系とすれば、出力部２００および第２の支持体１４０は、このＸＹＺ座標系上に固定された構成要素ということになる。これに対して、第１の支持体１１０は、位置調節手段１３０の調節動作により、このＸＹＺ座標系上のＸ軸方向およびＹ軸方向に移動する構成要素であり、この第１の支持体１１０上に定義されたｘｙｚ座標系は、移動座標系ということになる。

入射点Ｐｉを通る入射光の光ビームＬ１は、第１の鏡１０の反射面Ｍ１上の入射点Ｐ１で反射して光ビームＬ２となり、更に、第２の鏡２０の反射面Ｍ２上の入射点Ｐ２で反射して光ビームＬ３となる。この光ビームＬ３は、第３の鏡３０の反射面Ｍ３で反射して光ビームＬ４となり、この光ビームＬ４は、第４の鏡４０の反射面Ｍ４で反射して光ビームＬ５となり射出点Ｐｏから外部へと射出される。

もっとも、反射率が１００％となる理想的な反射面を形成することは現実的に困難であるから、実際には、各反射面Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４での反射率は１００％にはならない。一般的な鏡の場合、９９．５％程度の反射率しか得ることはできず、０．５％が透過光として反射面を透過し、光量の損失が生じる。本発明は、このように、現実的には不可避の透過光を有効利用して、角度検出および位置検出を行う構成を採っている。すなわち、第１の鏡１０の反射面Ｍ１や第２の鏡２０の反射面Ｍ２を透過した透過光は何ら利用されていないが、第３の鏡３０の反射面Ｍ３を透過した透過光Ｌ３０は、角度検出手段２１０による角度検出の用に供され、第４の鏡４０の反射面Ｍ４を透過した透過光Ｌ４０は、位置検出手段２２０による位置検出の用に供されることになる。透過光Ｌ３０もＬ４０も、本来は光量損失を招く無用な漏れ光であるが、現実的には不可避の漏れ光である。本発明では、このように不可避の漏れ光を角度検出や位置検出に有効利用しているため、光量の損失を極力抑えることが可能になる。

一方、制御部３００は、図示のとおり、位置制御手段３１０、位置記憶手段３２０、角度制御手段３３０、角度記憶手段３４０によって構成されており、実際には、演算処理機能をもったプロセッサやコンピュータにより構成される。位置記憶手段３２０および角度記憶手段３４０は、入射光として与えられた光ビームＬ１が基準光路に沿って与えられている状態において、位置検出手段２２０および角度検出手段２１０が検出した位置および角度を記憶する機能を有する。光ビームＬ１が基準光路に沿った状態で与えられているときには、光ビームＬ５も基準光路に沿った状態で射出されることになる。そこで、オペレータは、その時点で、制御部３００に対して記憶指示を与える。その結果、光ビームＬ５のその時点での位置および角度（向き）が、位置検出手段２２０および角度検出手段２１０によって検出され、位置記憶手段３２０および角度記憶手段３４０に基準値として記憶されることになる。

こうして、位置記憶手段３２０および角度記憶手段３４０に位置および角度の基準値が記憶された後は、位置制御手段３１０および角度制御手段３３０による自動制御が行われる。すなわち、位置制御手段３１０は、位置検出手段２２０が検出した位置が位置記憶手段３２０に記憶されている値からずれたときに、当該ずれを解消するように位置調節手段１３０を制御する機能を有する。位置調節手段１３０は、このような制御入力を受けると、前述したように、第１の支持体１１０をＸ軸方向もしくはＹ軸方向に平行移動させる操作を行うことになる。一方、角度制御手段３３０は、角度検出手段２１０が検出した角度が角度記憶手段３４０に記憶されている値からずれたときに、当該ずれを解消するように角度調節手段１２０を制御する機能を有する。角度調節手段１２０は、このような制御入力を受けると、前述したように、第１の鏡１０および第２の鏡２０を所定方向に回動させる操作を行うことになる。

このようなフィードバック制御により、入射光として与えられた光ビームＬ１が基準光路から外れた場合であっても、本体部１００内で光ビームの位置および角度に関する光軸調節が自動的に行われ、射出光としての光ビームＬ５は、以前の状態と同じように基準光路に沿ったものになる。

最後に、角度検出手段２１０および位置検出手段２２０の具体的な構成例を、図９および図１０を参照して述べる。まず、図９を参照して、角度検出手段２１０の具体的な測定系と、角度検出が行われる原理を説明する。この角度検出手段２１０は、図示のとおり、集光レンズ２１１と受光素子２１２によって構成されている。集光レンズ２１１は、平行光線を所定の焦点に集光する凸レンズであり、受光素子２１２は、この集光レンズ２１１に対してその焦点距離だけ離れた位置に配置された受光面（集光レンズ２１１の光軸に直交する）を有しこの受光面上の集光位置を検出する機能を有している。すなわち、この例の場合、受光素子２１２は、ＸＺ平面に平行な受光面を有しており、この受光面上の点Ｑ３１が、集光レンズ２１１の焦点位置になっている。そして、この受光面に入射する光ビームの入射角（集光レンズ２１１がなかった場合の入射角）を２つの独立した数値として検出することができる。

たとえば、図に実線で示すような光ビームＬ３１（図８に示す透過光Ｌ３０に対応）が入射光として与えられている場合を考える。この光ビームＬ３０は、集光レンズ２１１を透過して、受光素子２１２上の入射点Ｑ３１に照射される。受光素子２１２が、受光面（たとえば、ＸＺ平面に平行な面）上の入射点位置をＸＺ座標値を示す電気信号として出力する機能を有していれば、図示の入射点Ｑ３１のＸＺ座標値が、角度の検出値として出力されることになる。

ここで、光ビームＬ３１の代わりに、これを若干上方へ平行移動した光ビームＬ３２（図では、一点鎖線で示す）が与えられた場合を考えてみよう。この場合、光ビームＬ３１と光ビームＬ３２とは平行であるから、光ビームＬ３１が焦点Ｑ３１に集光するのと同様に、光ビームＬ３２も焦点Ｑ３１に集光する。したがって、受光素子２１２の出力は、光ビームＬ３１が与えられた場合も、光ビームＬ３２が与えられた場合も、焦点Ｑ３１のＸＺ座標値ということになる。

ところが、光ビームＬ３１の角度（向き）がずれて、破線で示すような光ビームＬ３３のように傾いたとしよう。すると、受光素子２１２上の入射点は点Ｑ３１から点Ｑ３３にずれる。これは、実線で示す光ビームＬ３１と破線で示す光ビームＬ３３とが平行ではないため、集光レンズ２１１による集光点がずれるからである。かくして、光ビームＬ３３が与えられた場合の受光素子２１２の出力は、集光点Ｑ３３のＸＺ座標値ということになり、当該座標値は、光ビームＬ３３の受光面に対する入射角（集光レンズ２１１がなかった場合の入射角）を２つの自由度で示す値になる。

このように、受光素子２１２が出力するＸＺ座標値は、入射光の角度に関するファクタ−のみを示すものであり、位置（平行移動）に関するファクターは含まれない。すなわち、集光レンズ２１１に入射する複数の光ビームがあったとしても、これらが互いに平行である限りは、受光素子２１２の受光面上の同一点に集光することになる。したがって、図８の光ビームＬ３０に位置の変化が生じていたとしても（すなわち、光ビームＬ３が、基準光路を平行移動させた位置にずれていたとしても）、当該位置の変化は、後述するように、位置検出手段２２０においてのみ検出されることになり、角度検出手段２１０を構成する受光素子２１２では検出されない。しかも、角度の検出結果は、Ｘ座標値とＺ座標値という２自由度をもったファクターであり、Ｘ座標値は、受光面に向かう光ビームのＸＹ平面への投影像の向きを示すものになり、Ｚ座標値は、受光面に向かう光ビームのＹＺ平面への投影像の向きを示すものになる。

したがって、角度制御手段３３０は、角度記憶手段３４０に記憶されている座標値を参照して、たとえば、受光素子２１２の受光面上のＸ座標値についてのずれが生じた場合には、第１の鏡１０に対して当該ずれを解消する方向に回動操作を行い、受光素子２１２の受光面上のＺ座標値についてのずれが生じた場合には、第２の鏡２０に対して当該ずれを解消する方向に回動操作を行えばよい。

次に、図１０を参照して、位置検出手段２２０の具体的な測定系と、位置検出が行われる原理を説明する。この位置検出手段２２０は、図示のとおり、所定の受光面上へのビームの照射位置を検出する受光素子２２１によって構成されている。ここでは、受光素子２２１の受光面がＸＹ平面に平行な平面であったとし、受光面上の入射点位置をＸＹ座標値を示す電気信号として出力する機能を有しているものとしよう。

いま、図に実線で示すような光ビームＬ４１（図８に示す透過光Ｌ４０に対応）が入射光として得られている状態を考える。この光ビームＬ４１は、図示のとおり、受光素子２２１上の入射点Ｑ４１に照射され、図示の入射点Ｑ４１のＸＹ座標値が、位置の検出値として出力されることになる。

ここで、光ビームＬ４１の代わりに、これを若干右方へ平行移動した光ビームＬ４２（図では、一点鎖線で示す）が与えられた場合を考えてみよう。この場合、光ビームＬ４２は、図示のとおり、受光素子２２１上の入射点Ｑ４２に照射され、図示の入射点Ｑ４２のＸＹ座標値が、位置の検出値として出力されることになる。かくして、受光素子２２１が出力するＸＹ座標値は、図８に示す透過光Ｌ４０の位置のずれ（光ビームＬ４の基準光路に対する平行移動量）を２つの自由度で示す値になる。すなわち、Ｘ座標値のずれはＸ軸方向への平行移動量、Ｙ座標値のずれはＹ軸方向への平行移動量を示す値になる。

したがって、位置制御手段３１０は、位置記憶手段３２０に記憶されている座標値を参照した結果、Ｘ座標値についてのずれが生じていることが確認できた場合には、第１の支持体１１０をＸ軸方向に平行移動し（図２の原理）、これにより、第１の鏡１０で反射した光ビームＬ２がＸ軸方向に平行移動するようにしてずれを解消させればよい。また、位置記憶手段３２０に記憶されている座標値を参照した結果、Ｙ座標値についてのずれが生じていることが確認できた場合には、第１の支持体１１０をＹ軸方向に平行移動し（図５の原理）、これにより、第２の鏡２０で反射した光ビームＬ３がＺ軸方向に平行移動するようにし、結果的に、第３の鏡３０で反射した光ビームＬ４がＹ軸方向に平行移動するようにして、ずれを解消させればよい。

もちろん、§１で述べた手法により光ビームを平行移動させて位置を調節する機構を採用する場合には、Ｘ座標値についてのずれが生じた場合には、第１の鏡１０をＸ軸方向に平行移動させて当該ずれを解消させるか（図２の原理）、もしくは、第１の鏡１０をＺ軸方向に平行移動させて当該ずれを解消させ（図３の原理）、Ｙ座標値についてのずれが生じた場合には、第２の鏡２０をＺ軸方向に平行移動させて当該ずれを解消させるか（図４の原理）、もしくは、第２の鏡２０をＹ軸方向に平行移動させて当該ずれを解消させればよい（図５の原理）。

ところで、図１０において、光ビームＬ４１の代わりに、これを若干傾斜させた光ビームＬ４３（図では、破線で示す）が与えられた場合を考えてみよう。この場合、光ビームＬ４３は、図示のとおり、受光素子２２１上の入射点Ｑ４３に照射され、図示の入射点Ｑ４３のＸＹ座標値が、位置の検出値として出力されることになる（本来は、角度の検出値とすべき値である）。

このように、図９に示す受光素子２１２の検出結果には、角度の変化のみが含まれているのに対し、図１０に示す受光素子２２１の検出結果には、位置の変化と角度の変化との双方の成分が含まれていることになる。このような事情から、理論的には、制御部３００によるフィードバック制御は、まず、角度を一致させるための角度制御（角度制御手段３３０による制御）を先に行い、続いて、位置を一致させるための位置制御（位置制御手段３１０による制御）を行うようにするのが好ましい。角度についての検出結果が基準値に一致すれば、受光素子２２１の検出結果から角度についての変化成分を除去することができ、位置についての変化成分のみを認識することができる。もっとも、実用上は、角度制御と位置制御とを交互に繰り返して実行することにより、検出結果を基準値に徐々に近付けてゆくフィードバック制御を行うようにすれば、角度制御と位置制御との順を厳密に考慮する必要はない。

なお、図８に示す実施例では、第３の鏡３０の裏面側に角度検出手段２１０を配置し、反射面Ｍ３を透過した光ビームＬ３０の角度（向き）を検出するとともに、第４の鏡４０の裏面側に位置検出手段２２０を配置し、反射面Ｍ４を透過した光ビームＬ４０の位置（平行移動のずれ量）を検出しているが、角度検出手段２１０と位置検出手段２２０の配置は入れ替えてもかまわない。すなわち、第３の鏡３０の裏面側に位置検出手段２２０を配置し、反射面Ｍ３を透過した光ビームＬ３０の位置（平行移動のずれ量）を検出するとともに、第４の鏡４０の裏面側に角度検出手段２１０を配置し、反射面Ｍ４を透過した光ビームＬ４０の角度（向き）を検出するようにしてもよい。

要するに、出力部２００には、本体部１００からきた光ビームＬ３を反射させる第３の鏡３０と、この第３の鏡３０を反射した光ビームＬ４を反射させて射出する第４の鏡４０とを設け、更に、第３の鏡３０および第４の鏡４０のうち、いずれか一方を透過した光ビームの所定基準面に対する入射角度を検出する角度検出手段２１０と、他方を透過した光ビームの所定基準面上への入射位置を検出する位置検出手段２２０とを設けるようにすればよい。

本発明の一実施形態に係る光軸自動調節システムの本体部内の光学系を構成する２組の鏡の配置を示す斜視図である。 図１に示す光学系において、反射面Ｍ１をＸ軸方向に平行移動させることによって生じる光軸変化を示すＸＺ断面図である。 図１に示す光学系において、反射面Ｍ１をＺ軸方向に平行移動させることによって生じる光軸変化を示すＸＺ断面図である。 図１に示す光学系において、反射面Ｍ２をＺ軸方向に平行移動させることによって生じる光軸変化を示すＹＺ断面図である。 図１に示す光学系において、反射面Ｍ２をＹ軸方向に平行移動させることによって生じる光軸変化を示すＹＺ断面図である。 図１に示す光学系において、反射面Ｍ１を、入射点Ｐ１を通りＹ軸に平行な軸まわりに回動させる方向に傾斜させることによって生じる光軸変化を示すＸＺ断面図である。 図１に示す光学系において、反射面Ｍ２を、入射点Ｐ２を通りＸ軸に平行な軸まわりに回動させる方向に傾斜させることによって生じる光軸変化を示すＹＺ断面図である。 本発明の一実施形態に係る光軸自動調節システムの基本構成を示すブロック図である。 図８に示す角度検出手段２１０による角度検出の原理を示す平面図である。 図８に示す位置検出手段２２０による位置検出の原理を示す平面図である。

符号の説明

１０：第１の鏡
１１：Ｙ軸に平行な軸
２０：第２の鏡
２１：Ｘ軸に平行な軸
３０：第３の鏡
４０：第４の鏡
１００：本体部
１１０：第１の支持体
１２０：角度調節手段
１３０：位置調節手段
１４０：第２の支持体
２００：出力部
２１０：角度検出手段
２１１：集光レンズ
２１２：受光素子
２２０：位置検出手段
２２１：受光素子
３００：制御部
３１０：位置制御手段
３２０：位置記憶手段
３３０：角度制御手段
３４０：角度記憶手段
Ｌ１，Ｌ２，Ｌ２′，Ｌ３，Ｌ３′，Ｌ４，Ｌ５：光ビーム
Ｌ３０〜Ｌ４３：検出用光ビーム
Ｍ１，Ｍ１′，Ｍ２，Ｍ２′，Ｍ３，Ｍ４：反射面
Ｏ：座標系の原点
Ｐ１，Ｐ１′，Ｐ２，Ｐ２′：入射点
Ｐｉ：入射点
Ｐｏ：射出点
Ｑ３１，Ｑ３３，Ｑ４１，Ｑ４２，Ｑ４３：入射点
α，β：角度
δ：傾斜角度
ΔＬｘ，ΔＬｚ：光ビームの変位量
ΔＭ１ｘ，ΔＭ１ｚ：反射面Ｍ１の変位量
ΔＭ２ｙ，ΔＭ２ｚ：反射面Ｍ２の変位量

Claims (4)

1. ＸＹＺ三次元座標系における所定の入射点と射出点とを通る基準光路に沿って光ビームが存在するときに、入射光が前記基準光路を外れた場合にも、射出光が前記基準光路に沿った状態を維持するように自動光軸調節を行う機能をもった光軸自動調節システムであって、
   光軸調節を行う本体部と、前記本体部からきた光を射出する出力部と、前記本体部による光軸調節動作を制御する制御部と、を備え、
   前記本体部は、
   ＸＹ平面に平行な面をＹ軸に平行な回動軸について所定角α（０°＜α＜９０°）だけ回動した反射面を有する第１の鏡と、
   ＸＺ平面に平行な面をＸ軸に平行な回動軸について所定角β（０°＜β＜９０°）だけ回動した反射面を有する第２の鏡と、
   前記第１の鏡と前記第２の鏡とを、入射光が少なくともこれら双方の鏡をこの順序で反射した後に前記出力部へ向けて射出するように、所定位置に支持する支持体と、
   前記支持体に対して、前記第１の鏡をＸ軸もしくはＺ軸方向に平行移動させるとともに、前記第２の鏡をＹ軸もしくはＺ軸方向に平行移動させる位置調節手段と、
   前記第１の鏡を、Ｙ軸に平行な回動軸について回動させる操作と、前記第２の鏡を、Ｘ軸に平行な回動軸について回動させる操作と、を行う機能をもった角度調節手段と、
   を有し、
   前記出力部は、
   前記本体部からきた光ビームを反射させる第３の鏡と、
   前記第３の鏡を反射した光ビームを反射させて射出する第４の鏡と、
   前記第３の鏡および前記第４の鏡のうち、いずれか一方を透過した光ビームの所定基準面に対する入射角度を検出する角度検出手段と、
   前記第３の鏡および前記第４の鏡のうち、前記一方ではない他方を透過した光ビームの所定基準面上への入射位置を検出する位置検出手段と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記入射光が前記基準光路に沿った状態において前記角度検出手段および前記位置検出手段が検出した角度および位置を記憶する記憶手段と、
   前記角度検出手段および前記位置検出手段が検出した角度および位置が前記記憶手段に記憶されている値からずれたときに、当該ずれを解消するように前記角度調節手段および前記位置調節手段を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする光軸自動調節システム。
2. ＸＹＺ三次元座標系における所定の入射点と射出点とを通る基準光路に沿って光ビームが存在するときに、入射光が前記基準光路を外れた場合にも、射出光が前記基準光路に沿った状態を維持するように自動光軸調節を行う機能をもった光軸自動調節システムであって、
   光軸調節を行う本体部と、前記本体部からきた光を射出する出力部と、前記本体部による光軸調節動作を制御する制御部と、を備え、
   前記本体部は、
   ＸＹ平面に平行な面をＹ軸に平行な回動軸について所定角α（０°＜α＜９０°）だけ回動した反射面を有する第１の鏡と、
   ＸＺ平面に平行な面をＸ軸に平行な回動軸について所定角β（０°＜β＜９０°）だけ回動した反射面を有する第２の鏡と、
   前記第１の鏡と前記第２の鏡とを、入射光が少なくともこれら双方の鏡をこの順序で反射した後に前記出力部へ向けて射出するように、所定位置に支持する第１の支持体と、
   前記第１の支持体を支持する第２の支持体と、
   前記第１の支持体を前記第２の支持体に対して、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に平行移動させる位置調節手段と、
   前記第１の鏡を、Ｙ軸に平行な回動軸について回動させる操作と、前記第２の鏡を、Ｘ軸に平行な回動軸について回動させる操作と、を行う機能をもった角度調節手段と、
   を有し、
   前記出力部は、
   前記本体部からきた光ビームを反射させる第３の鏡と、
   前記第３の鏡を反射した光ビームを反射させて射出する第４の鏡と、
   前記第３の鏡および前記第４の鏡のうち、いずれか一方を透過した光ビームの所定基準面に対する入射角度を検出する角度検出手段と、
   前記第３の鏡および前記第４の鏡のうち、前記一方ではない他方を透過した光ビームの所定基準面上への入射位置を検出する位置検出手段と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記入射光が前記基準光路に沿った状態において前記角度検出手段および前記位置検出手段が検出した角度および位置を記憶する記憶手段と、
   前記角度検出手段および前記位置検出手段が検出した角度および位置が前記記憶手段に記憶されている値からずれたときに、当該ずれを解消するように前記角度調節手段および前記位置調節手段を制御する制御手段と、
   を有することを特徴とする光軸自動調節システム。
3. 請求項１または２に記載の光軸自動調節システムにおいて、
   角度検出手段を、平行光線を所定の焦点に集光する集光レンズと、この集光レンズに対して焦点距離だけ離れた位置に配置された受光面を有しこの受光面上の集光位置を検出する受光素子と、によって構成したことを特徴とする光軸自動調節システム。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光軸自動調節システムにおいて、
   位置検出手段を、所定の受光面上へのビームの照射位置を検出する受光素子によって構成したことを特徴とする光軸自動調節システム。

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