JP2020046455A - 光学装置及び加工装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光のフォーカス位置を高速かつ高精度に制御する。【解決手段】光学装置は、回転軸１０４を中心に回転可能であり、かつ光を反射する第１の反射面１０１と、回転軸１０４を中心に回転可能であると共に第１の反射面１０１に対向し、かつ第１の反射面１０１からの光を反射する第２の反射面１０２と、第２の反射面１０２からの光を第２の反射面１０２に戻す第３の反射面１１４と、第１及び第２の反射面１０１，１０２の相対位置関係を維持した状態で、第１及び第２の反射面１０１，１０２を回転軸１０４を中心に回転させることで、第３の反射面１１４から第２の反射面１０２を経由して第１の反射面１０１に折り返された光の光軸方向におけるフォーカス位置を制御する制御部１２０と、を備える。【選択図】図２

Description

本発明は、光学装置及び加工装置に関する。

各種光学系において、光のフォーカス位置を高速かつ高精度に制御することは、光学装置の特性の向上という観点から重要な要素の一つとなる。例えば、レーザ光を用いて、マーキング、穴あけ、溶接などの作業を行う光学装置では、レーザ発振器からの光のフォーカス位置を高速かつ高精度に制御することが当該作業の質の向上に貢献することになる。

フォーカス位置の制御は、光軸方向における制御と、光軸に垂直な方向における制御と、の２つに分けられる。
光軸方向におけるフォーカス位置の制御は、例えば、光学系内の集光レンズの位置を光軸方向にシフトさせることにより行われる。しかし、集光レンズは、重く、かつリニアステージにより駆動されるため、これを高速かつ高精度にシフトさせることは難しい。
また、光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置の制御は、例えば、いわゆるｆθレンズを用いて、ｆθレンズに入射される光の角度を変えることにより行われる。しかし、ｆθレンズは、フォーカス位置でのビーム径が当該角度に依存して変化する問題がある。

特開２０１６−１０３００７号公報

Ｄ．Ｊ．Ｃａｍｐｂｅｌｌ， Ｐ．Ａ．Ｋｒｕｇ， Ｉ．Ｓ．Ｆａｌｃｏｎｅｒ， Ｌ．Ｃ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎ， ａｎｄ Ｇ．Ｄ．Ｔａｉｔ, "Ｒａｐｉｄ ｓｃａｎ ｐｈａｓｅ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ " Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏｌ．２０， Ｉｓｓｕｅ ２， ｐｐ．３３５−３４２ （１９８１） Ｍｅｎｇ−Ｃｈａｎｇ Ｈｓｉｅｈ， Ｊｉｕｎ−Ｙｏｕ Ｌｉｎ ａｎｄ Ｃｈｉａ−Ｏｕ Ｃｈａｎｇ，"Ｕｓｉｎｇ ａ Ｈｅｘａｇｏｎａｌ Ｍｉｒｒｏｒ ｆｏｒ Ｖａｒｙｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｍａｌｌ−Ａｎｇｌｅ Ｖａｒｉａｔｉｏｎ" Ｓｅｎｓｏｒｓ ２０１６， １６， １３０１

非特許文献１は、対向する２つのミラーを回転させ、光路長を変えることで、光の位相を変える技術を開示する。しかし、非特許文献１に開示される技術は、フォーカス位置の制御に関するものではない。従って、非特許文献１に開示される光学装置は、光のビーム径を光軸方向に変化させる非コリメート光学系を備えていない。また、非特許文献１からは、フォーカス位置がずれるといった課題が発生しないため、非特許文献１に開示される技術をフォーカス位置の制御を行う光学装置に適用することは容易でない。

特許文献１は、固定された４つの複数のミラーと、回転可能な１つのミラーを用いて、レーザ加工に用いる光の光路を該光路に垂直な方向にシフトさせる技術を開示する。しかし、この技術は、少なくとも５つのミラーを必要とするため、光学装置の重量が大きくなると共に、光損失が大きくなるという問題を有する。

その他、非特許文献２は、６角形ミラーを用いて光を反射させる技術を開示するが、フォーカス位置の制御に関するものではない。また、屈折率媒体を用いて、入射光の光路を該光路に垂直な方向にシフトさせる技術が知られているが、この技術では、屈折率媒体による光損失が大きくなる。しかも、屈折率媒体を用いる場合、大きなシフト量を実現するために屈折率媒体のサイズを大きくしなければならず、結果として、高速シフト、及び重量という観点からこの技術は不利となる。

本発明は、光のフォーカス位置を高速かつ高精度に制御する点で有利な光学装置を提案することを目的とする。

本発明の例に係る光学装置は、光のフォーカス位置を制御する光学装置であって、回転軸を中心に回転可能であり、かつ前記光を反射する第１の反射面と、前記回転軸を中心に回転可能であると共に前記第１の反射面に対向し、かつ前記第１の反射面からの前記光を反射する第２の反射面と、前記第２の反射面からの前記光を前記第２の反射面に戻す第３の反射面と、前記第１及び第２の反射面の相対位置関係を維持した状態で、前記第１及び第２の反射面を前記回転軸を中心に回転させることで、前記第３の反射面から前記第２の反射面を経由して前記第１の反射面に折り返された前記光の光軸方向におけるフォーカス位置を制御する制御部と、を備える。

本発明によれば、光のフォーカス位置を高速かつ高精度に制御する点で有利な光学装置を実現できる。

フォーカス位置シフタを備えた光学装置の例を示す図である。 光軸方向のフォーカス位置を制御する原理を示す図である。 図１の光学装置の第１の例を示す図である。 図１の光学装置の第２の例を示す図である。 図１の光学装置の第３の例を示す図である。 図１の光学装置の第４の例を示す図である。 図１の光学装置の第５の例を示す図である。 図１の光学装置の第６の例を示す図である。 図１の光学装置の第７の例を示す図である。 図１の光学装置の第８の例を示す図である。 フォーカス位置シフタを備えた光学装置の例を示す図である。 光軸に垂直な方向のフォーカス位置を制御する原理を示す図である。 図１１の光学装置の第１の例を示す図である。 図１１の光学装置の第２の例を示す図である。 図１１の光学装置の第３の例を示す図である。 図１１の光学装置の第４の例を示す図である。 図１１の光学装置の第５の例を示す図である。 図１１の光学装置の第６の例を示す図である。 図１１の光学装置の第７の例を示す図である。 図１１の光学装置の第８の例を示す図である。 図１１の光学装置の第９の例を示す図である。 図１又は図１１の光学装置を用いた加工装置の例を示す図である。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。
尚、各図において、同一の部材及び要素については、同一の参照符号を付すことで、互いに重複する説明を省略する。また、以下の説明では、光軸が延びる方向を光軸方向とする。また、以下に説明する光学装置では、光のフォーカス位置を高速かつ高精度に制御するために、フォーカス位置シフタを用いる。即ち、当該光学装置は、フォーカス位置シフタから射出される光の光軸方向におけるフォーカス位置、及び当該光の光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置を制御することを特徴とする。

（光軸方向におけるフォーカス位置の制御）
まず、本実施形態のフォーカス位置シフタを用いて、光軸方向におけるフォーカス位置を制御する技術を説明する。

・ 光学装置
図１は、フォーカス位置シフタを備えた光学装置の例を示す。
図１（Ａ）は、フォーカス位置シフタ１００に入射される光の光軸と、フォーカス位置シフタ１００から射出される光の光軸と、が異なる方向である例を示す。ここで、異なる方向とは、フォーカス位置シフタ１００から射出される光の光軸が、フォーカス位置シフタ１００に入射される光の光軸に対して、４５°以上、１３５°以下の傾き（例えば、９０°の傾き）を有することを意味する。

図１（Ｂ）は、フォーカス位置シフタ２００に入射される光の光軸と、フォーカス位置シフタ２００から射出される光の光軸と、が同じ方向である例を示す。ここで、同じ方向とは、フォーカス位置シフタ２００から射出される光の光軸が、フォーカス位置シフタ２００に入射される光の光軸に対して、０°（平行）以上、４５°未満の範囲にあることを意味する。

図１（Ｃ）は、比較例を示す。比較例は、同図中、Ｘに示すように、集光レンズ１１７の位置を光軸方向にシフトさせることにより、光軸方向におけるフォーカス位置ＦＰ＿ｈ０，ＦＰ＿ｈ１，ＦＰ＿ｈ２を制御する。しかし、集光レンズ１１７は、重く、かつリニアステージにより駆動されるため、これを高速かつ高精度にシフトさせることは難しい。

図１（Ａ）及び図１（Ｂ）に示すフォーカス位置シフタ１００，２００は、集光レンズ１１７を駆動することなく、光の光路長を制御することで、光軸方向におけるフォーカス位置ＦＰ＿ｈ０，ＦＰ＿ｈ１，ＦＰ＿ｈ２を制御する。

例えば、光源３００からの光は、非コリメート光学系４００を経由して、フォーカス位置シフタ１００，２００に入射される。ここで、非コリメート光学系とは、光源３００からのコリメート光（平行光）を、光軸方向に伝搬するに従ってビーム径が変化する非コリメート光（収束光又は拡散光）に変える光学系のことである。本例では、非コリメート光学系４００は、収束光を生成する集光レンズ１１７を備えているがこの限りではなく、回折格子や、凹面（或いは凸面）ミラーでも良い。尚、光源３００は、例えば、レーザ発振器であり、光源３００からの光は、例えば、レーザビームである。

フォーカス位置シフタ１００，２００から射出される光は、フォーカスポイントを形成するための光学系５００を経由して、所定の位置にフォーカスポイントを形成する。光学系５００は、例えば、フォーカス位置シフタ１００，２００から射出される光を収束させる収束光学系である。光学系５００は、必ずしも必要ではないが、この光学系５００を設けることで、以下の利点を有することができる。

本例では、フォーカス位置シフタ１００，２００は、非コリメート光学系４００から入射される光の光路長を変えることで、フォーカス位置シフタ１００，２００から射出される光のフォーカス位置を変える。この場合、集光レンズ１１７からの光は、フォーカス位置シフタ１００，２００内を伝搬する過程でスポットを結び、収束光から拡散光に変化することが想定される。このような場合に、フォーカス位置シフタ１００，２００から射出される拡散光を再び収束光に戻すための光学系５００が必要となる。

光学系５００は、フォーカス位置シフタ１００，２００を用いて、光路長の制御による光軸方向のフォーカス位置の制御を行う場合に、フォーカス位置シフタ１００，２００から射出される光のフォーカスポイントを確実に形成するために有効である。

・ 原理
図２は、光軸方向のフォーカス位置を制御する原理を示す。
光軸方向のフォーカス位置の制御は、フォーカス位置シフタ１００により行う。フォーカス位置シフタ１００は、非コリメート光学系４００から入射される光の光路長を変えることにより、当該フォーカス位置シフタ１００から射出される光の光軸方向のフォーカス位置を制御する。

そのために、フォーカス位置シフタ１００は、第１の反射面１０１と、第１の反射面１０１に対向する第２の反射面１０２と、光を折り返す第３の反射面１１４と、光を取り出す第４の反射面１１５と、制御部１２０と、を備える。

第１の反射面１０１、第２の反射面１０２、第３の反射面１１４、及び第４の反射面１１５は、例えば、ミラーである。但し、第４の反射面１１５に関しては、非コリメート光学系４００からの光を透過すると共に、第１の反射面１０１からの光を反射する性質を備える。本例では、説明を簡単にするため、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、互いに平行であることを前提とする。しかし、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、互いに対向していれば、それらが非平行であっても問題はない。

ここで、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２が互いに対向するとは、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とのなす角度αが、０°（平行）以上、９０°未満の範囲内にあることを意味する。これは、後述するように、第１の反射面１０１からの光を第２の反射面１０２で反射可能であることが重要となるからである。

第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、共に、回転軸１０４を中心に回転可能である。また、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、両者の相対位置関係を維持した状態で、回転軸１０４を中心に回転することが必要である。そのために、フォーカス位置シフタ１００は、例えば、回転軸１０４を中心に回転可能であるステージ１０３を備える。この場合、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、ステージ１０３上に固定される。また、制御部１２０は、ステージ１０３の回転角度を変えることで、非コリメート光学系４００から入射される光の光路長を変え、フォーカス位置シフタ１００から射出される光の光軸方向のフォーカス位置を制御する。

尚、回転軸１０４は、後述するように、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の領域に存在してもよいし、又は第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間以外の領域に存在してもよい。

第１の反射面１０１は、非コリメート光学系４００からの光を反射する。第１の反射面１０１で反射された光は、第２の反射面１０２に向かい、かつ第２の反射面１０２で反射される。第３の反射面１１４は、第２の反射面１０２からの光を第２の反射面１０２に戻す。即ち、非コリメート光学系４００からの光は、光路１０９、光路１１０、及び光路１１１を順次経由して、第３の反射面１１４で折り返される。第３の反射面１１４で折り返された光は、同じ光路、即ち、光路１１１、光路１１０、及び光路１０９を順次経由して、第４の反射面１１５から射出される。

このようなフォーカス位置シフタ１００を用いれば、例えば、制御部１２０によりステージ１０３の回転角度を制御することで、フォーカス位置シフタ１００内での光の光路長を変えることができる。従って、フォーカス位置シフタ１００から射出される射出光１２２の光軸方向におけるフォーカス位置を制御できる。

フォーカス位置シフタ１００内での光路長の変化について説明する。
以下の説明では、集光レンズ１１７の中心点を光の入射点１１２とし、入射点１１２の座標を（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）とする。また、第２の反射面１０２からの光が反射される第３の反射面１１４上の点を中間点１１３とし、中間点１１３の座標を（ｘ_ｏ，ｙ_ｏ）とする。さらに、第３の反射面１１４から折り返された光が射出される点を射出点１１２’とし、入射点１１２から中間点１１３までの光路長と、中間点１１３から射出点１１２’までの光路長とは、等しいものとする。

また、回転軸１０４から第１の反射面１０１に下した垂線と第１の反射面１０１との交点１０５の座標を（ｘ_０１、ｙ_０１）とし、回転軸１０４から第２の反射面１０２に下した垂線と第２の反射面１０２との交点１０６の座標を（ｘ_０２、ｙ_０２）とする。また、回転軸１０４から第１の反射面１０１に下した垂線の長さＲと、回転軸１０４から第２の反射面１０２に下した垂線の長さＲとは、等しいものとする。即ち、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２との間隔は、２Ｒであるものとする。

また、回転軸１０４から光路（入射光軸）１０９に垂線を引いた場合に、その垂線の長さをＹとする。即ち、非コリメート光学系４００から入射される光は、回転軸１０４に対して、距離Ｙのオフセットで、第１の反射面１０１に入射される。また、第１の反射面１０１と光路（入射光軸）１０９とが平行である状態を、回転角度０°と定義する。但し、回転角度０°では、第１の反射面１０１は、第２の反射面１０２よりも、光路（入射光軸）１０９に近い側にあるものとする。

また、ステージ１０３は、回転角度０°の状態を基準とした場合、回転角度０°から左周りに角度θだけ回転するものとする。回転角度θは、例えば、０°から９０°までの範囲内で制御される。従って、ステージ１０３を回転させるモータは、ステージ１０３を左周り及び右回りに回転可能なガルバノモータであることが望ましい。但し、ステージ１０３を回転させるモータは、ステージ１０３を一方向（例えば、左周り）のみに回転可能な回転モータであってもよい。この場合、回転角度θを小さくするときは、ステージ１０３を１回転させ、回転角度０°の状態から再び回転角度θを制御すればよい。

以上の前提の下、まず、交点１０５の座標（ｘ_０１,ｙ_０１）、及び交点１０６の座標（ｘ_０２,ｙ_０２）は、それぞれ、以下の式（１）〜（４）で表される。

…（１）

…（２）

…（３）

…（４）

次に、第１の反射面１０上の座標を（ｘ_１,ｙ_１）とし、第２の反射面１０２上の座標を（ｘ_２,ｙ_２）とすると、以下の式（５）及び（６）に示す関係が得られる。

…（５）

…（６）

次に、非コリメート光学系４００からの光が反射する第１の反射面１０１上の点１０７の座標を（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）とし、第１の反射面１０１からの光が反射する第２の反射面１０２上の点１０８の座標を（ｘ_ｍ２,ｙ_ｍ２）とする。また、非コリメート光学系４００及び第１の反射面１０１間の光路１０９上のｙ座標をｙ_ＢＩとし、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の光路１１０上の座標を（ｘ_ＢＲ、ｙ_ＢＲ）とする。この場合、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の光路１１０上の座標は、以下の（７）式により記述できる。

…（７）

次に、第２の反射面１０２で反射された光の光路１１１上のｙ座標をｙ_ＢＯとする。この場合、反射点１０７の座標（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）、及び反射点１０８の座標（ｘ_ｍ２,ｙ_ｍ２）は、それぞれ、以下の式（８）〜（１１）で表される。

…（８）

…（９）

…（１０）

…（１１）

次に、光の入射点１１２の座標を(ｘ_ｉ，ｙ_ｉ)とし、光の中間点１１３の座標を(ｘ_ｏ，ｙ_ｏ)とすると、光路１０９の長さ、即ち、座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ)から（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）までの長さは、以下の式（１２）で表される。

…（１２）

また、光路１１０の長さ、即ち、座標（ｘ_ｍ１，ｙ_ｍ１)から（ｘ_ｍ２,ｙ_ｍ２）までの長さは、以下の式（１３）で表される。

…（１３）

さらに、光路１１１の長さ、即ち、座標（ｘ_ｍ２，ｙ_ｍ２)から（ｘ_ｏ,ｙ_ｏ）までの長さは、以下の式（１４）で表される。

…（１４）

従って、光の入射点１１２から中間点１１３までの光路長、即ち、座標（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）から座標（ｘ_ｏ，ｙ_ｏ）までの長さは、以下の式（１５）で表される。

…（１５）

ここで、第３の反射面１１４において、第２の反射面１０２からの光が、光軸のシフト無しに、再び、第２の反射面１０２に折り返されると仮定する。この場合、入射点１１２から中間点１１３までの光路長と、中間点１１３から射出点１１２’までの光路長とが等しいため、入射点１１２から射出点１１２’までの光路長は、以下の式（１６）で表される。

…（１６）

但し、Δは、第３の反射面１１４での光軸のシフト量である。上述のように、第３の反射面１１４での光軸のシフトが無いと仮定すれば、Δは、零である。

式（１６）から明らかなように、光路長は、ステージ１０３の回転角度θに依存して変化する。即ち、回転角度θを制御することで、フォーカス位置シフタ１００内での光の光路長を制御し、フォーカス位置シフタ１００から射出される光の光軸方向のフォーカス位置を制御できる。また、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の距離（２×Ｒ）を大きくすれば、回転角度θに対する光路長の変化量を大きくすることができる。

また、例えば、ガルバノモータを用いてステージ１０３を回転駆動することで、集光レンズ１１７をリニア駆動する場合に比べて、光軸方向における光のフォーカス位置を高速かつ高精度に制御できる。尚、第１の反射面１０１のサイズと第２の反射面１０２のサイズとは、同じであってもよいし、又は互いに異なっていてもよい。後者の場合、後述するように、第１の反射面１０１のサイズは、第２の反射面１０２のサイズよりも小さいことが望ましい。

以上の説明では、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが平行であることを前提としたが、両者が非平行であっても上述の原理を適用することが可能である。

例えば、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが角度αだけずれていると仮定すると、光路１１１における光の光軸は、光路１０９における光の光軸に対して（２×α）だけずれることになる。しかし、光路１１１における光の光軸は、回転角度θに依存しないため、回転角度θが変わっても、第２の反射面１０２からの光は、平行移動するだけである。即ち、回転角度θが変わっても、光路１１１における光の光軸が光路１０９における光の光軸に対して（２×α）だけずれる、という関係は変わらない。従って、第３の反射面１１４が入射光の光路と同じ光路に反射光を反射すれば、折り返された光は、再び、光路１０９に戻ってくる。

これは、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが非平行であっても、上述の原理を適用できることを意味する。言い換えれば、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とを平行にすることを前提とした場合であっても、その平行度を厳密に設定しなくてもよいことを意味する。また、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２の反射位置に応じた平行度のばらつきについては、第３の反射面１１４での光の反射角度により補償することが可能である。

・ 第１の例
図３は、図１の光学装置の第１の例を示す。
本例は、ステージ１０３の回転角度θを、５６°〜６３°の範囲内で、１°単位で変化させた場合の光路の例である。

第１の反射面１０１１，…１０１２，…１０１３は、回転軸１０４（座標（０，０））から２５ｍｍの位置に配置され、第２の反射面１０２１，…１０２２，…１０２３も、回転軸１０４から２５ｍｍの位置に配置される。第１の反射面１０１１及び第２の反射面１０２１は、回転角度θが５６°の場合に対応し、互いに平行に配置される。第１の反射面１０１２及び第２の反射面１０２２は、回転角度θが５９°の場合に対応し、互いに平行に配置される。第１の反射面１０１３及び第２の反射面１０２３は、回転角度θが６３°の場合に対応し、互いに平行に配置される。

第１の反射面１０１１，…１０１２，…１０１３のサイズと、第２の反射面１０２１，…１０２２，…１０２３のサイズとは、同じであり、例えば、１２０ｍｍである。本例では、第１の反射面１０１１，…１０１２，…１０１３のサイズ、及び第２の反射面１０２１，…１０２２，…１０２３のサイズは、ステージ１０３の上面に平行な方向のサイズ（横幅）であるものとする。

ここで、光路１０９における光の光軸方向をｘ軸とし、それに垂直な方向をｙ軸とする。また、集光レンズ１１７は、回転軸１０４からｘ方向に１０ｍｍ、ｙ方向に−５ｍｍの位置に配置する。第３の反射面１１４は、回転軸１０４からｘ方向に２０ｍｍの位置に配置する。第３の反射面１１４は、例えば、互いに直交する２つの反射面を有するミラーである。即ち、第２の反射面１０２１，…１０２２，…１０２３からの光は、当該２つの反射面の一方で反射した後、当該２つの反射面の他方で反射する。この後、光は、第３の反射面１１４から第２の反射面１０２１，…１０２２，…１０２３に折り返される。

上述のように、第３の反射面１１４が互いに直交する２つの反射面を有するミラーである場合、往路としての光路１０９，１１０，１１１と、復路としての光路１１１，１１０，１０９と、を多少ずらすことができる。従って、往路としての光路１０９，１１０，１１１を伝搬する光と、復路としての光路１１１，１１０，１０９を伝搬する光とが干渉する恐れがなくなる。但し、この場合、式（１６）のΔは、零でなくなるため、光軸方向におけるフォーカス位置は、Δを考慮する必要がある。

尚、第３の反射面１１４は、このような２つの反射面を有するミラーに代えて、入射光の光路と同じ光路に反射光を反射する１枚のミラーであっても構わない。

第４の反射面１１５１，１１５２は、射出光１２２を、光路１０９上の入射光の光軸と同じ方向、即ち、ｘ方向に取り出す。但し、第４の反射面１１５１，１１５２は、射出光１２２を、光路１０９上の入射光の光軸に交差する方向、例えば、ｙ方向に取り出すように配置してもよい。

また、光源３００から集光レンズ１１７にコリメート光を入射し、集光レンズ１１７の焦点距離を２００ｍｍとする。ステージ１０３は、ガルバノモータにより駆動され、回転角度θは、５６°〜６３°の範囲内で制御されるものとする。図では見えやすいように１°ずつの光路を示している。尚、ガルバノモータによるステージ１０３の回転速度は、１秒間に１回転（１Ｈｚ＝１ｒｐｓ）程度に設定可能である。

以上の条件において、光路長は、１５１．５ｍｍから１５６．５ｍｍまでの範囲内で変化可能である。また、回転角度θを５９°から６２°に変更した場合のフォーカス位置の移動速度は、５ｍｍ／（３／３６０）＝６００ｍｍ／ｍｓである。従来のリニアステージに載せたレンズの直動によるフォーカスシフトでは、フォーカス位置の移動速度は、２００ｍｍ／ｍｓ程度である。即ち、本例によれば、高速かつ高精度でフォーカス位置を制御可能となる。

また、本例では、第４の反射面１１５１は、集光レンズ１１７からｘ方向に１０ｍｍの位置に配置し、かつ第４の反射面１１５２は、第４の反射面１１５１からｘ方向に−１０ｍｍの位置に配置する。これは、フォーカス位置シフタ２００から取り出す光の光路が第１の反射面１０１１，…１０１２，…１０１３に当たらないようにする工夫である。集光レンズ１１７の焦点距離が２００ｍｍであるため、第４の反射面１１５２からｘ方向に約４５ｍｍ〜５０ｍｍの位置にフォーカスポイントが形成される。

このように、第１の例によれば、光路長の制御により、光軸方向における光のフォーカス位置を高速かつ高精度に制御できる。
尚、第３の反射面１１４として１枚のミラーを用い、第３の反射面１１４が入射光と同じ光路に反射光を反射する場合、第１の反射面１０１１，…１０１２，…１０１３の直前に、ビームスプリッタを挿入することが望ましい。

また、非コリメート光学系４００からの光を、波長板により直線偏光ビームとし、かつ偏光ビームスプリッタ及び１／４波長板により円偏光ビームとした後に、第１の反射面１０１１，…１０１２，…１０１３に入射させてもよい。この場合、第３の反射面１１４から折り返された光を、再度、１／４波長板により、偏光が９０度回転した直線偏光ビームとすることで、これを偏光ビームスプリッタにより取り出すことが可能となる。

また、ステージ１０３は、円盤としているが、軽量化などの観点から、円盤の一部分、棒状、その他の任意の形状であっても構わない。但し、いずれの形状においても、回転軸１０４と、第１及び第２の反射面１０１１，…１０１２，…１０１３，１０２１，…１０２２，…１０２３と、を物理的に繋ぐ構造が必要である。

・ 第２の例
図４は、図１の光学装置の第２の例を示す。
既に述べたように、第１の反射面１０１のサイズと、第２の反射面１０２のサイズとは、同じである必要がない。そこで、本例では、第１の反射面１０１のサイズを、第２の反射面１０２のサイズよりも小さくし、例えば、ガルバノモータにより駆動されるステージ１０３の重量を軽減する例を説明する。

この場合、ガルバノモータの負荷が軽減されるため、ステージ１０３の高速回転が可能となる。これは、フォーカス位置シフタ１００によるフォーカス位置の高速かつ高精度な制御を可能にすることを意味する。

式（８）で示す座標ｘ_ｍ１を回転角度θで微分すると、

…（１７）
となる。

制御可能な回転角度θの中心角度θ_０において、式（１７）が０となる時、ｘ_ｍ１の変位量が最も小さくなる。従って、式（１８）で表される関係式が得られる。

…（１８）

そこで、θ＝θ_０の場合に、回転軸１０４から第１の反射面１０１を含む平面に下した垂線と当該平面との交点１０５の座標（ｘ_０１,ｙ_０１）と、入射光が第１の反射面１０１で反射される点１０７の座標（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）とを一致させる。この場合、ｘ_ｍ１の変位をカバーするために、第１の反射面１０１のサイズを大きくする必要が無くなる。即ち、第１の反射面１０１のサイズを第２の反射面１０２のサイズよりも小さくして、ステージ１０３上の重量を軽減できる。また、θ＝θ_０において、交点１０５の座標（ｘ_０１,ｙ_０１）と、反射点１０７の座標（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）とが一致するため、ステージ１０３上の重心が安定し易く、これも高速なフォーカス位置の制御に貢献する。

本例の光学装置の構成は、基本的に、第１の例と同じである。但し、θ_０＝６０．５°で式（１７）が０となるように、回転軸１０４からｘ方向に−１０ｍｍ、ｙ方向に−１２．３ｍｍの位置に集光レンズ１１７を配置する。その結果、ステージ１０３の上面に平行な方向において、第１の反射面１０１のサイズ（横幅）は、４ｍｍとし、第２の反射面１０２のサイズは、１３ｍｍとすることが可能となる。

また、本例では、回転軸１０４から第１の反射面１０１を含む平面に下した垂線の長さＲ１と、回転軸１０４から第２の反射面１０２に下した垂線の長さＲ２とは、互いに異なる。この場合、交点１０５の座標（ｘ_０１,ｙ_０１）、及び交点１０６の座標（ｘ_０２,ｙ_０２）は、それぞれ、以下の式（１９）〜（２２）で表される。

…（１９）

…（２０）

…（２１）

…（２２）

この場合、光路長は、

…（２３）
となる。

式（１６）と式（２３）とを比較すると、光路長の変化は、回転軸１０４からの距離によらず、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離（２Ｒ、又はＲ１＋Ｒ２）に依存することが分かる。本例では、上述のように、第２の反射面１０２のサイズが第１の反射面１０１のサイズよりも大きい。そこで、本例では、第２の反射面１０２を、第１の反射面１０１よりも、回転軸１０４に近い位置に配置する。

以上、第２の例によれば、ガルバノモータの負荷が軽減されるため、ステージ１０３の高速回転が可能となり、フォーカス位置シフタ１００によるフォーカス位置の高速かつ高精度な制御が可能となる。

・ 第３の例
図５は、図１の光学装置の第３の例を示す。
第３の例は、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２が回転軸１０４に対して点対称に配置されない例である。

本例では、回転軸１０４から第１の反射面１０１又はそれを含む平面に下した垂線の長さは、５０ｍｍに設定する。また、回転軸１０４から第２の反射面１０２又はそれを含む平面に下した垂線の長さは、０ｍｍに設定する。即ち、回転軸１０４は、第２の反射面１０２又はそれを含む平面内に含まれる。また、集光レンズ１１７は、回転軸１０４からｘ方向に４０ｍｍ、ｙ方向に−２５ｍｍの位置に配置する。さらに、光を折り返すための第３の反射面１１４は、回転軸１０４からｘ方向に３０ｍｍの位置に配置する。

制御部１２０は、ガルバノモータによりステージ１０３を回転駆動する。制御部１２０は、５９°〜６２°の範囲内でステージ１０３の回転角度を制御する。ガルバノモータによるステージ１０３の回転速度は、例えば、１秒間に１回転（１Ｈｚ＝１ｒｐｓ）程度に設定する。

以上の条件では、光路長は、１５１．５ｍｍから１５６．５ｍｍまでの範囲内で変化可能である。例えば、回転角度θが５９°の場合、光は、第１の反射面１０１４及び第２の反射面１０２４で反射され、光路長は、１５６．５ｍｍとなる。また、回転角度θが６２°の場合、光は、第１の反射面１０１５及び第２の反射面１０２５で反射され、光路長は、１５１．５ｍｍとなる。

本例によれば、高速かつ高精度でフォーカス位置を制御可能となると共に、第１の反射面１０１のサイズ及び第２の反射面１０２のサイズをそれぞれ小さくすることができる。例えば、第１の反射面１０１のサイズ（横幅）は、４ｍｍに、第２の反射面１０２のサイズ（横幅）は、１３ｍｍに、それぞれ設定可能である。

・ 第４の例
図６は、図１の光学装置の第４の例を示す。
第４の例は、非コリメート光学系４００からの光が第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２で複数回反射する例である。

本例では、第１及び第２の反射面１０１，１０２の距離を近付ける、第１及び第２の反射面１０１，１０２が対向する面積を増やす、などの構成の変更を行うことで、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の光の反射回数を増やすことができる。

例えば、同図では、光は、第３の反射面１１４までの往路において、第１及び第２の反射面１０１，１０２でそれぞれ２回反射し、かつ第３の反射面１１４からの復路において、第１及び第２の反射面１０１，１０２でそれぞれ２回反射する。上述の第１乃至第３の例では、往路及び復路のそれぞれにおいて、第１及び第２の反射面１０１，１０２での光の反射回数は、１回のみである。即ち、本例によれば、上述の第１乃至第３の例に比べて、光路長を約２倍に増やすことができる。

これは、光路長を変化させる範囲を一定とした場合に、本例では、上述の第１乃至第３の例に比べて、ステージ１０３の回転角度θの範囲を小さくできることを意味する。即ち、本例では、小さな回転角度θにより、所望の光路長を得ることができるため、フォーカス位置の高速かつ高精度な制御にさらに貢献することとなる。

また、本例では、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離を狭め、かつ第１及び第２の反射面１０１，１０２を回転軸１０４に近い位置に配置可能なため、モータの負荷軽減による高速動作も可能である。

尚、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の光の反射回数は、２回に限られず、３回以上であってもよい。

・ 第５の例
図７は、図１の光学装置の第５の例を示す。
第５の例は、上述の第１乃至第４の例における往路及び復路を、光が複数回往復する例である。そのために、本例の光学装置は、光を折り返すための複数の折り返し反射面をさらに備える。

例えば、本例では、第１、第２、及び第３の折り返し反射面１１４１，１１４２，１１４３を備える。第１の折り返し反射面１１４１は、上述の第１乃至第４の例における第３の反射面１１４に相当する。第２の折り返し反射面１１４２は、第１の折り返し反射面１１４１により折り返され、かつ第１の反射面１０１で反射された光を第１の反射面１０１に戻す第５の反射面として機能する。また、第３の折り返し反射面１１４３は、第２の折り返し反射面１１４２により折り返され、かつ第２の反射面１０２で反射された光を第２の反射面１０２に戻す第６の反射面として機能する。

第１乃至第３の折り返し反射面１１４１，１１４２，１１４３は、それぞれ、直交する２つの反射面を有するミラーである。これにより、各折り返し反射面に入射される入射光と、各折り返し反射面から反射される反射光との光路をずらすことができる。即ち、光は、第１乃至第３の折り返し反射面１１４１，１１４２，１１４３間を、複数回往復することが可能となる。

尚、本例では、第１乃至第３の折り返し反射面１１４１，１１４２，１１４３で光をずらす方向は、ステージ１０３の上面に垂直な方向としているが、これに限られない。例えば、第１乃至第３の折り返し反射面１１４１，１１４２，１１４３で光をずらす方向は、ステージ１０３の上面に平行な方向としてもよい。

以上の構成において、ガルバノモータなどのモータ１３０によりステージ１０３を回転駆動し、ステージ１０３の回転角度θを設定する。この後、非コリメート光学系４００からの光は、第１乃至第３の折り返し反射面１１４１，１１４２，１１４３間で２往復された後、第４の反射面１１５により取り出される。

本例によれば、第４の例と同様に、光路長を長くすることができる。従って、小さな回転角度θにより、所望の光路長を得ることができ、結果として、フォーカス位置の高速かつ高精度な制御が可能となる。また、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離を狭め、かつ第１及び第２の反射面１０１，１０２を回転軸１０４に近い位置に配置して、モータの負荷軽減による高速動作も可能となる。

尚、複数の折り返し反射面間の光の往復回数は、２回に限られず、３回以上であってもよい。

・ 第６の例
図８は、図１の光学装置の第６の例を示す。
第６の例は、第１及び第２の反射面１０１，１０２の構成に関する。上述の第１乃至第５の例では、第１及び第２の反射面１０１，１０２は、例えば、互いに独立したミラーである。しかし、第１及び第２の反射面１０１，１０２は、これに限られず、所定の部材の内面であっても構わない。

例えば、同図に示すように、第１及び第２の反射面１０１，１０２は、１つの結晶（例えば、ガラス材料）内の結晶面であってもよい。即ち、結晶体１４０は、その内部に、第１及び第２の反射面１０１，１０２を有する。結晶体１４０は、ステージ１０３上に固定される。

本例によれば、第１及び第２の反射面１０１，１０２の平行度を、結晶体１４０の研磨作業により向上させることができる。即ち、第１及び第２の反射面１０１，１０２がそれぞれ独立したミラーの場合には、各ミラーをステージ１０３上に固定する際に、第１及び第２の反射面１０１，１０２の平行度を調整しなければならず、作業が複雑化する。これに対し、結晶体１４０を用いれば、第１及び第２の反射面１０１，１０２の平行度を確保する作業と、第１及び第２の反射面１０１，１０２をステージ１０３上に取り付ける作業とを別々に行える。

従って、本例によれば、光学装置を組み立てる作業が効率化できる。
尚、第１及び第２の反射面１０１，１０２として結晶体１４０を用いる場合、光が入射する端面Ｓ_ｉｎ、及び光が射出する端面Ｓ_ｏｕｔは、それぞれ、光の反射を低減するコーティングが施されていることが望ましい。

また、光路１０９，１１１上の光の光軸と、端面Ｓ_ｉｎ，Ｓ_ｏｕｔとのなす角度は、いわゆるブリュースタ角となるように、結晶体１４０をセッティングすることが望ましい。ブリュースタ角は、結晶体１４０の材料に依存するが、例えば、約６０°となる。この場合、光路１０９上の光の光軸と端面Ｓ_ｉｎとのなす角度、及び光路１１１上の光の光軸と端面Ｓ_ｏｕｔとのなす角度を、それぞれ約６０°とすることで、端面Ｓ_ｉｎ，Ｓ_ｏｕｔでの反射ロスを低減できる。

・ 第７の例
図９は、図１の光学装置の第７の例を示す。
第７の例は、集光レンズ１１７からの収束光がフォーカス位置シフタ１００内を伝搬する過程でスポットを結び、当該フォーカス位置シフタ１００から拡散光として射出される場合の例である。この場合、当該フォーカス位置シフタ１００から射出される拡散光は、光学系４００’により収束光となり、再びスポットを結ぶ。

光学系４００’は、光のビーム径を当該光の伝搬方向に沿って収束させる収束光学系である。光学系４００’は、例えば、集光レンズ１５０，１６０を備える。第４の反射面１１５から取り出された射出光１２２は、集光レンズ１５０，１６０を経由した後、スポットを結ぶ。

ここで、集光レンズ１１７によってフォーカス位置シフタ１００内に形成されたスポット位置から集光レンズ１５０までの距離をａとし、集光レンズ１５０から当該集光レンズ１５０により集光される光のスポット位置までの距離をｂとする。また、集光レンズ１５０の焦点距離をｆとする。この時、ａ＞ｆである。

また、以下の関係が成り立つ。

…（２４）

そこで、フォーカス位置シフタ１００を用いて光路長を制御する、即ち、距離ａを制御することで、距離ｂを制御可能となる。

本例では、光学系４００’を設けることで、フォーカス位置シフタ１００によりフォーカス位置を制御できると共に、フォーカス位置をフォーカス位置シフタ１００から比較的離れた位置に設定できる。このため、光軸方向におけるフォーカス位置の自由度が増えると共に、射出光１２２の方向（光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置）を制御するガルバノミラーなどのデバイスを光学系４００’内に配置できる。

以上の構成において、例えば、コリメート光（平行光）を集光レンズ１１７に入射する。集光レンズ１１７の焦点距離は、例えば、５０ｍｍである。本例では、回転軸１０４から第１の反射面１０１又はそれを含む平面に下した垂線の長さは、２０ｍｍに設定する。また、回転軸１０４から第２の反射面１０２又はそれを含む平面に下した垂線の長さは、０ｍｍに設定する。即ち、回転軸１０４は、第２の反射面１０２又はそれを含む平面内に含まれる。

ステージ１０３の回転角度θは、３８°〜４３°の範囲内で、制御する。図９では見え易いように１°ごとの光路の変化を示す。集光レンズ１１７は、回転軸１０４からｘ方向に５ｍｍ、ｙ方向に−１５ｍｍの位置に配置する。第３の反射面１１４は、ｘ方向に２５ｍｍの位置に配置する。この場合、集光レンズ１１７から第３の反射面１１４で反射され、かつフォーカス位置シフタ１００から射出される射出光１２２の光路長は、約８９．３ｍｍ〜９４．６ｍｍまでの範囲内で制御可能となる。

第４の反射面１１５により取り出された射出光１２２は、光学系４００’内の集光レンズ１５０に入射される。第４の反射面１１４から集光レンズ１５０までの距離が約１０．５ｍｍの場合、入射点１１２から射出点１１２’までの光路長は、９４．８ｍｍ〜１００．１ｍｍまでの範囲内で制御可能となる。

集光のレンズ１５０の焦点距離ｆが１５ｍｍであると仮定すると、射出側でのフォーカスポイントは、２２．５ｍｍ〜２１．４ｍｍの範囲内で制御可能となる。また、集光レンズ１５０から５０ｍｍの位置に集光レンズ１６０を配置する。この場合、集光レンズ１６０の焦点距離が２０ｍｍであると仮定すると、集光レンズ１６０から７３．３ｍｍ〜６６．７ｍｍの位置にフォーカスポイントが形成される。

尚、本例では、非コリメート光学系４００において１枚の集光レンズ１１７を使用し、収束光学系４００’において２枚の集光レンズ１５０，１６０を使用する。但し、本例の光学装置に使用するレンズの枚数は、これら３枚に限られることはない。例えば、フォーカス位置（設計値）に応じて、レンズの枚数を増減することも可能である。また、所望の開口数ＮＡで集光しながらフォーカス位置を制御する光学設計としてもよい。さらに、非コリメート光学系４００及び収束光学系４００’内に含ませるレンズは、凸レンズに限られず、凹レンズ、シリンドリカルレンズなどであってもよい。

・ 第８の例
図１０は、図１の光学装置の第８の例を示す。
第８の例は、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが非平行である場合の例である。ここで、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが非平行であるとは言っても、両者は、互いに対向している必要がある。即ち、第１の反射面１０１からの光を第２の反射面１０２で反射することが可能な配置となっている。

例えば、第１の反射面１０１（１０１６，１０１７）と第２の反射面１０２（１０２６，１０２７）とがなす角度αは、約６０°である。第１の反射面１０１６及び第２の反射面１０２６は、回転角度θが５６°の場合に対応する。また、第１の反射面１０１７及び第２の反射面１０２７は、回転角度θが６３°の場合に対応する。

また、回転軸１０４から第１の反射面１０１又はそれを含む平面に下した垂線の長さをＲ１とし、回転軸１０４から第２の反射面１０２又はそれを含む平面に下した垂線の長さをＲ２とする。この場合、交点１０５の座標（ｘ_０１,ｙ_０１）、及び交点１０６の座標（ｘ_０２,ｙ_０２）は、それぞれ、以下の式（２５）〜（２８）で表される。

…（２５）

…（２６）

…（２７）

…（２８）

また、第１の反射面１０１上の座標を（ｘ_１,ｙ_１）とし、第２の反射面１０２上の座標を（ｘ_２,ｙ_２）とすると、各座標は、以下の式（２９）及び（３０）で記述される。

…（２９）

…（３０）

ここで、非コリメート光学系４００からの光が第１の反射面１０１で反射する点を（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）とし、第２の反射面１０２で反射する点を（ｘ_ｍ２,ｙ_ｍ２）とする。また、光路１０９上のｙ座標をｙ_ＢＩとし、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の光路１１０上の座標を（ｘ_ＢＲ、ｙ_ＢＲ）とする。この場合、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の光路１１０上の座標は、式（３１）により記述できる。

…（３１）

さらに、第２の反射面１０２及び第３の反射面１１４間の光路１１１上の座標を（ｘ_ｏ，ｙ_ｏ）とすると、光路１１１上の座標は、式（３２）により記述できる。

…（３２）

以上から分かることは、光路長の変化量が、回転軸１０４から第１及び第２の反射面１０１，１０２までの距離Ｒ１，Ｒ２ではなく、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離（Ｒ１＋Ｒ２）に依存するということである。即ち、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離を短くすれば、光路長を短くでき、逆に、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離を長くすれば、光路長を長くできる。

以上の構成において、例えば、コリメート光（平行光）を、焦点距離１００ｍｍの集光レンズ１１７に入射する。ステージ１０３の回転角度θは、５６°〜６３°の範囲内で制御する。第１の反射面１０１は、回転軸１０４から５０ｍｍ（Ｒ１＝５０）の位置に配置し、第２の反射面１０２は、回転軸１０４から０ｍｍ（Ｒ２＝０）の位置に配置する。第２の反射面１０２は、第１の反射面１０１に対して、α＝−６０°だけ傾ける。

また、集光レンズ１１７は、回転軸１０４からｘ方向に３０ｍｍ、ｙ方向に−２５．７ｍｍの位置に配置する。第３の反射面１１４は、回転角度θが５６°のときに、回転軸１０４からｘ方向に３０ｍｍの位置で光を反射するようなレイアウトとする。また、第３の反射面１１４は、反射光の光路が入射光の光路と重なるように、ｙ軸に対して２α（＝１２０°）だけ傾ける。

但し、第３の反射面１１４は、反射光の光路が入射光の光路と重ならないようにレイアウトしてもよい。例えば、第３の反射面１１４は、反射光の光路が入射光の光路からｚ方向（ステージ１０３の上面に垂直な方向）に多少シフトするように、互いに直交する２つの反射面を備えてもよい。また、第３の反射面１１４は、反射光の光路が入射光の光路と重ならないように、ｚ方向に多少傾いていてもよい。

以上の構成において、光路長は、４５．２ｍｍ〜５１．４ｍｍの範囲内で変えることができる。即ち、ステージ１０３の回転角度θの制御により、光路長として、６．２ｍｍの変化量を実現できる。また、第４の反射面１１５を入射光端の直下から５ｍｍ離れた位置に配置したと仮定すると、フォーカス位置は、第４の反射面１１５から５９．８ｍｍ〜５３．６ｍｍの範囲内で制御できる。

尚、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが平行である場合、光路長は、例えば、８２．９ｍｍ〜８９．１ｍｍの範囲内で制御できる。即ち、この場合、光路長の変化量は、６．２ｍｍであり、本例と変わらない。しかし、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが平行である場合、当該変化量を実現するために必要な光路長が本例よりも９０ｍｍ程度長くなる。従って、集光レンズの焦点距離を長くするなどの工夫が必要となる。

これに対し、本例では、短い光路長で所定の変化量を得ることができるため、集光レンズの焦点距離を長くするなどの工夫無しに、光軸方向におけるフォーカス位置の制御が可能となる。

また、本例では、回転軸１０４のより近くにおいて、第２の反射面１０２での光の反射が起こるように、第２の反射面１０２のレイアウトを決定してもよい。この場合、ガルバノモータの負荷を軽減され、より高速なフォーカス位置の制御が可能となる。

（光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置の制御）
次に、本実施形態のフォーカス位置シフタを用いて、光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置を制御する技術を説明する。

・ 光学装置
図１１は、フォーカス位置シフタを備えた光学装置の例を示す。
図１１（Ａ）は、フォーカス位置シフタ６００に入射される光の光軸と、フォーカス位置シフタ６００から射出される光の光軸と、が異なる方向である例を示す。ここで、異なる方向とは、フォーカス位置シフタ６００から射出される光の光軸が、フォーカス位置シフタ６００に入射される光の光軸に対して、４５°以上、１３５°以下の傾き（例えば、９０°の傾き）を有することを意味する。

図１１（Ｂ）は、フォーカス位置シフタ７００に入射される光の光軸と、フォーカス位置シフタ７００から射出される光の光軸と、が同じ方向である例を示す。ここで、同じ方向とは、フォーカス位置シフタ７００から射出される光の光軸が、フォーカス位置シフタ７００に入射される光の光軸に対して、０°（平行）以上、４５°未満の範囲にあることを意味する。

図１１（Ｃ）は、図１１（Ａ）のフォーカス位置シフタ６００と、図１１（Ｂ）のフォーカス位置シフタ７００と、を組み合わせた例を示す。

図１１（Ｄ）及び図１１（Ｅ）は、比較例を示す。比較例は、いわゆるｆθレンズを有するガルバノスキャナ８００を用いて、光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置ＦＰ＿ｈ０，ＦＰ＿ｈ１，ＦＰ＿ｈ２を制御する。しかし、ガルバノスキャナ８００から射出される光の光軸は、フォーカス位置ＦＰ＿ｈ０，ＦＰ＿ｈ１，ＦＰ＿ｈ２に依存して、互いに平行とはならない。従って、フォーカス位置ＦＰ＿ｈ０，ＦＰ＿ｈ１，ＦＰ＿ｈ２でのビーム径は、当該フォーカス位置に応じて変化する。

図１１（Ａ）及び図１１（Ｂ）に示すフォーカス位置シフタ６００，７００は、フォーカス位置ＦＰ＿ｈ０，ＦＰ＿ｈ１，ＦＰ＿ｈ２に応じて、フォーカス位置シフタ６００，７００からの光の射出位置を変える。これにより、フォーカス位置シフタ６００，７００から射出される光の光軸は、フォーカス位置ＦＰ＿ｈ０，ＦＰ＿ｈ１，ＦＰ＿ｈ２によらず、互いに平行となる。従って、フォーカス位置ＦＰ＿ｈ０，ＦＰ＿ｈ１，ＦＰ＿ｈ２でのビーム径の変化なく、光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置を制御できる。

例えば、光源３００からの光は、例えば、コリメート光（平行光）の状態で、フォーカス位置シフタ６００，７００に入射される。フォーカス位置シフタ６００，７００では、該フォーカス位置シフタから射出される光の光路を、該光路に垂直な方向にシフトさせる制御が行われる。そして、フォーカス位置シフタ６００，７００から射出される光は、非コリメート光学系４００により、収束光となる。

ここで、本実施形態では、フォーカスポイントを形成するための収束光を発生させる非コリメート光学系４００は、フォーカス位置シフタ６００，７００の後段に配置される。これは、非コリメート光を用いて、光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置（射出位置）の制御を行うと、同時に、光路長の変化により光軸方向におけるフォーカス位置も変化してしまうからである。

即ち、本実施形態では、光の光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置（射出位置）を独立に制御することを目的とする。従って、フォーカス位置シフタ６００，７００には、コリメート光を入射し、フォーカス位置シフタ６００，７００から射出される光を非コリメート光学系４００で収束光にすることが望ましい。

但し、光の光軸方向におけるフォーカス位置の制御と、当該光の光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置の制御とを、１つのフォーカス位置シフタ６００，７００を用いて同時に制御することが望ましい場合には、この限りではない。

尚、光源３００は、例えば、レーザ発振器であり、光源３００からの光は、例えば、レーザビームである。

フォーカス位置シフタ６００，７００から射出される光の光軸は、フォーカス位置ＦＰ＿ｈ０，ＦＰ＿ｈ１，ＦＰ＿ｈ２によらず、互いに平行である。これは、以下の原理で説明するように、光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置の制御を、ｆθレンズにより行うのではなく、互いに対向し、かつ回転軸を中心に回転可能な第１及び第２の反射面の回転角度の制御により行うためである。

・ 原理
図１２は、光軸に垂直な方向のフォーカス位置を制御する原理を示す。
光軸に垂直な方向のフォーカス位置の制御は、フォーカス位置シフタ７００により行う。フォーカス位置シフタ７００は、非コリメート光学系４００から入射される光の光路をシフトさせることにより、当該フォーカス位置シフタ７００から射出される光の光軸に垂直な方向のフォーカス位置を制御する。

そのために、フォーカス位置シフタ７００は、第１の反射面１０１と、第１の反射面１０１に対向する第２の反射面１０２と、制御部１２０と、を備える。

第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、例えば、ミラーである。本例では、説明を簡単にするため、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、互いに平行であることを前提とする。しかし、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、互いに対向していれば、それらが非平行であっても問題はない。

ここで、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２が互いに対向するとは、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とのなす角度αが、０°（平行）以上、９０°未満の範囲内にあることを意味する。これは、後述するように、第１の反射面１０１からの光を第２の反射面１０２で反射可能であることが重要となるからである。

第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、共に、回転軸１０４を中心に回転可能である。また、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、両者の相対位置関係を維持した状態で、回転軸１０４を中心に回転することが必要である。そのために、フォーカス位置シフタ７００は、例えば、回転軸１０４を中心に回転可能であるステージ１０３を備える。この場合、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２は、ステージ１０３上に固定される。また、制御部１２０は、ステージ１０３の回転角度を変えることで、非コリメート光学系４００から入射される光の光路をシフトさせ、フォーカス位置シフタ１００から射出される光の光軸に垂直な方向のフォーカス位置を制御する。

尚、回転軸１０４は、後述するように、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の領域に存在してもよいし、又は第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間以外の領域に存在してもよい。

第１の反射面１０１は、非コリメート光学系４００からの光を反射する。第１の反射面１０１で反射された光は、第２の反射面１０２に向かい、かつ第２の反射面１０２で反射される。即ち、非コリメート光学系４００からの光は、光路１０９、光路１１０、及び光路１１１を順次経由して、射出点１１２’に出力される。

このようなフォーカス位置シフタ７００を用いれば、例えば、制御部１２０によりステージ１０３の回転角度を制御することで、フォーカス位置シフタ７００から射出される光の射出位置を変えることができる。従って、フォーカス位置シフタ７００から射出される射出光１２２の光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置を制御できる。

フォーカス位置シフタ７００内での光路のシフトについて説明する。
以下の説明では、レンズ１１７’の中心点を光の入射点１１２とし、入射点１１２の座標を（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）とする。また、第２の反射面１０２からの光が射出される射出点１１２’の座標を（ｘ_ｏ，ｙ_ｏ）とする。

また、回転軸１０４から第１の反射面１０１に下した垂線と第１の反射面１０１との交点１０５の座標を（ｘ_０１、ｙ_０１）とし、回転軸１０４から第２の反射面１０２に下した垂線と第２の反射面１０２との交点１０６の座標を（ｘ_０２、ｙ_０２）とする。また、回転軸１０４から第１の反射面１０１に下した垂線の長さＲと、回転軸１０４から第２の反射面１０２に下した垂線の長さＲとは、等しいものとする。即ち、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２との間隔は、２Ｒであるものとする。

また、回転軸１０４から光路（入射光軸）１０９に垂線を引いた場合に、その垂線の長さをＹとする。即ち、非コリメート光学系４００から入射される光は、回転軸１０４に対して、距離Ｙのオフセットで、第１の反射面１０１に入射される。また、第１の反射面１０１と光路（入射光軸）１０９とが平行である状態を、回転角度０°と定義する。但し、回転角度０°では、第１の反射面１０１は、第２の反射面１０２よりも、光路（入射光軸）１０９に近い側にあるものとする。

また、ステージ１０３は、回転角度０°の状態を基準とした場合、回転角度０°から左周りに角度θだけ回転するものとする。回転角度θは、例えば、０°から９０°までの範囲内で制御される。従って、ステージ１０３を回転させるモータは、ステージ１０３を左周り及び右回りに回転可能なガルバノモータであることが望ましい。但し、ステージ１０３を回転させるモータは、ステージ１０３を一方向（例えば、左周り）のみに回転可能な回転モータであってもよい。この場合、回転角度θを小さくするときは、ステージ１０３を１回転させ、回転角度０°の状態から再び回転角度θを制御すればよい。

以上の前提の下、まず、交点１０５の座標（ｘ_０１,ｙ_０１）、及び交点１０６の座標（ｘ_０２,ｙ_０２）は、それぞれ、以下の式（３３）〜（３６）で表される。

…（３３）

…（３４）

…（３５）

…（３６）

次に、第１の反射面１０上の座標を（ｘ_１,ｙ_１）とし、第２の反射面１０２上の座標を（ｘ_２,ｙ_２）とすると、以下の式（３７）及び（３８）に示す関係が得られる。

…（３７）

…（３８）

次に、非コリメート光学系４００からの光が反射する第１の反射面１０１上の点１０７の座標を（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）とし、第１の反射面１０１からの光が反射する第２の反射面１０２上の点１０８の座標を（ｘ_ｍ２,ｙ_ｍ２）とする。また、非コリメート光学系４００及び第１の反射面１０１間の光路１０９上のｙ座標をｙ_ＢＩとし、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の光路１１０上の座標を（ｘ_ＢＲ、ｙ_ＢＲ）とする。この場合、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の光路１１０上の座標は、以下の（３９）式により記述できる。

…（３９）

次に、第２の反射面１０２で反射された光の光路１１１上のｙ座標をｙ_ＢＯとする。この場合、反射点１０７の座標（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）、及び反射点１０８の座標（ｘ_ｍ２,ｙ_ｍ２）は、それぞれ、以下の式（４０）〜（４３）で表される。

…（４０）

…（４１）

…（４２）

…（４３）

ここで、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とは、互いに平行であるので、第２の反射面１０２からの光は、光路１０９に平行な光路１１１、即ち、ｙ＝ｙ_ｍ２上の光路を伝搬し、射出点１１２’に出力される。また、式（４３）で示されるように、ステージ１０３の回転角度θが変化することで、ｙ座標が変化することが分かる。また、回転軸１０４から第１の反射点１０１までの距離Ｒ、及び回転軸１０４から第２の反射点１０２までの距離Ｒを変更することで、シフト量を大きくすることが可能となる。

従って、上記原理によれば、フォーカス位置シフタ７００から射出される光の射出位置を回転角度θにより制御し、当該光の光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置を制御することができる。

以上の説明では、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが平行であることを前提としたが、両者が非平行であっても上述の原理を適用することが可能である。

例えば、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが角度αだけずれていると仮定すると、光路１１１における光の光軸は、光路１０９における光の光軸に対して（２×α）だけずれることになる。しかし、光路１１１における光の光軸は、回転角度θに依存しないため、回転角度θが変わっても、第２の反射面１０２からの光は、平行移動するだけである。即ち、回転角度θが変わっても、光路１１１における光の光軸が光路１０９における光の光軸に対して（２×α）だけずれる、という関係は変わらない。

これは、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが非平行であっても、上述の原理を適用できることを意味する。言い換えれば、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とを平行にすることを前提とした場合であっても、その平行度を厳密に設定しなくてもよいことを意味する。また、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２の反射位置に応じた平行度のばらつきについては、射出点１１２’以降に設けられる光学系で補償することが可能である。

・ 第１の例
図１３は、図１１の光学装置の第１の例を示す。
本例は、ステージ１０３の回転角度θを、８２°〜８６°の範囲内で、１°単位で変化させた場合の光路の例である。

第１の反射面１０１１’，…１０１２’は、回転軸１０４（座標（０，０））から２５ｍｍの位置に配置され、第２の反射面１０２１’，…１０２２’も、回転軸１０４から２５ｍｍの位置に配置される。第１の反射面１０１１’及び第２の反射面１０２１’は、回転角度θが８２°の場合に対応し、互いに平行に配置される。第１の反射面１０１２’及び第２の反射面１０２２’は、回転角度θが８６°の場合に対応し、互いに平行に配置される。

第１の反射面１０１１’，…１０１２’のサイズと、第２の反射面１０２１’，…１０２２’のサイズとは、同じであり、例えば、８ｍｍである。本例では、第１の反射面１０１１’，…１０１２’のサイズ、及び第２の反射面１０２１’，…１０２２’のサイズは、ステージ１０３の上面に平行な方向のサイズ（横幅）であるものとする。ここで、光路１０９における光の光軸方向をｘ軸とし、それに垂直な方向をｙ軸とする。また、レンズ１１７’は、回転軸１０４からｙ方向（図面上、下側）に−５ｍｍの位置に配置する。

また、光源３００からレンズ１１７’にコリメート光を入射し、レンズ１１７’の焦点距離を２００ｍｍとする。ステージ１０３は、ガルバノモータにより駆動され、回転角度θは、８２°〜８６°の範囲内で制御されるものとする。尚、ガルバノモータによるステージ１０３の回転速度は、１秒間に１回転（１Ｈｚ＝１ｒｐｓ）程度に設定可能である。

以上の条件において、フォーカス位置シフタ７００からの光の射出位置、即ち、射出点１１２’のｙ座標は、ｙ０（＝８．９２ｍｍ）からｙ４（＝３．７２ｍｍ）までの範囲内で変化する。ｙ０は、回転角度θが８２°のときの射出位置であり、ｙ４は、回転角度θが８６°のときの射出位置である。これは、本例のフォーカス位置シフタ７００が、光軸に垂直な方向におけるフォーカスポイント（ｙ座標）を、８．９２ｍｍ〜３．７２ｍｍの範囲内で制御できることを意味する。しかも、本例のフォーカス位置シフタ７００から射出される光の光路（光軸）１１１は、回転角度θによらず、互いに平行である。これは、各射出位置において、フォーカスポイントでのビーム径が変化しないことを意味する。

また、本例によれば、回転角度θが８２°〜８６°の範囲内において、ビームシフトの速度は、５ｍｍ／（４／３６０）＝４５０ｍｍ／ｍｓである。即ち、本例によれば、高速かつ高精度でフォーカス位置を制御可能となる。

これに対し、比較例として、特許文献１のリングシフタについてみると、光の反射回数が６回である。本例のフォーカス位置シフタ７００では、光の反射回数は、２回である。これは、本例のフォーカス位置シフタ７００が、反射面での光損失を十分に抑えた状態で、フォーカス位置の制御を行えることを意味する。

尚、本例において、ステージ１０３は、円盤としているが、軽量化などの観点から、円盤の一部分、棒状、その他の任意の形状であっても構わない。但し、いずれの形状においても、回転軸１０４と、第１及び第２の反射面１０１１’，…１０１２’，１０２１’，…１０２２’と、を物理的に繋ぐ構造が必要である。

・ 第２の例
図１４は、図１１の光学装置の第２の例を示す。
既に述べたように、第１の反射面１０１のサイズと、第２の反射面１０２のサイズとは、同じである必要がない。そこで、本例では、第１の反射面１０１のサイズを、第２の反射面１０２のサイズよりも小さくし、例えば、ガルバノモータにより駆動されるステージ１０３の重量を軽減する例を説明する。

この場合、ガルバノモータの負荷が軽減されるため、ステージ１０３の高速回転が可能となる。これは、フォーカス位置シフタ７００によるフォーカス位置の高速かつ高精度な制御を可能にすることを意味する。

式（４４）で示す座標ｘ_ｍ１を回転角度θで微分すると、

…（４４）
となる。

制御可能な回転角度θの中心角度θ_０において、式（４４）が０となる時、ｘ_ｍ１の変位量が最も小さくなる。従って、式（４５）で表される関係式が得られる。

…（４５）

そこで、θ＝θ_０の場合に、回転軸１０４から第１の反射面１０１を含む平面に下した垂線と当該平面との交点１０５の座標（ｘ_０１,ｙ_０１）と、入射光が第１の反射面１０１で反射される点１０７の座標（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）とを一致させる。この場合、ｘ_ｍ１の変位をカバーするために、第１の反射面１０１のサイズを大きくする必要が無くなる。即ち、第１の反射面１０１のサイズを第２の反射面１０２のサイズよりも小さくして、ステージ１０３上の重量を軽減できる。また、θ＝θ_０において、交点１０５の座標（ｘ_０１,ｙ_０１）と、反射点１０７の座標（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）とが一致するため、ステージ１０３上の重心が安定し易く、これも高速なフォーカス位置の制御に貢献する。

本例の光学装置の構成は、基本的に、第１の例と同じである。但し、θ_０＝８４°で式（４４）が０となるように、回転軸１０４からｙ方向に−２．１３ｍｍの位置にレンズ１１７’を配置する。その結果、ステージ１０３の上面に平行な方向において、第１の反射面１０１のサイズ（横幅）は、２ｍｍとし、第２の反射面１０２のサイズは、８ｍｍとすることが可能となる。

また、本例では、回転軸１０４から第１の反射面１０１を含む平面に下した垂線の長さＲ１と、回転軸１０４から第２の反射面１０２に下した垂線の長さＲ２とは、互いに異なる。この場合、交点１０５の座標（ｘ_０１,ｙ_０１）、及び交点１０６の座標（ｘ_０２,ｙ_０２）は、それぞれ、以下の式（４６）〜（４９）で表される。

…（４６）

…（４７）

…（４８）

…（４９）

この場合、射出位置、即ち、射出点１１２’のｙ座標（ｙ_ｍ２）は、

…（５０）
となる。

式（４３）と式（５０）とを比較すると、射出位置の変化は、回転軸１０４からの距離によらず、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離（２Ｒ、又はＲ１＋Ｒ２）に依存することが分かる。本例では、上述のように、第２の反射面１０２のサイズが第１の反射面１０１のサイズよりも大きい。そこで、本例では、第２の反射面１０２を、第１の反射面１０１よりも、回転軸１０４に近い位置に配置する。

以上、第２の例によれば、ガルバノモータの負荷が軽減されるため、ステージ１０３の高速回転が可能となり、フォーカス位置シフタ１００によるフォーカス位置の高速かつ高精度な制御が可能となる。

・ 第３の例
図１５は、図１１の光学装置の第３の例を示す。
第３の例は、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２が回転軸１０４に対して点対称に配置されない例である。

本例では、回転軸１０４から第１の反射面１０１又はそれを含む平面に下した垂線の長さは、５０ｍｍに設定する。また、回転軸１０４から第２の反射面１０２又はそれを含む平面に下した垂線の長さは、０ｍｍに設定する。即ち、回転軸１０４は、第２の反射面１０２又はそれを含む平面内に含まれる。また、レンズ１１７’は、回転軸１０４からｙ方向に−２５ｍｍの位置に配置する。さらに、第１の反射面１０１のサイズ（横幅）は、６ｍｍとし、第２の反射面１０２のサイズ（横幅）は、１０ｍｍとする。

制御部１２０は、ガルバノモータによりステージ１０３を回転駆動する。制御部１２０は、８２°〜８６°の範囲内でステージ１０３の回転角度を制御する。ガルバノモータによるステージ１０３の回転速度は、例えば、１秒間に１回転（１Ｈｚ＝１ｒｐｓ）程度に設定する。

以上の条件では、フォーカス位置シフタ７００からの光の射出位置、即ち、射出点１１２’のｙ座標は、ｙ０（＝８．９２ｍｍ）からｙ４（＝３．７２ｍｍ）までの範囲内で変化する。これは、本例のフォーカス位置シフタ７００が、光軸に垂直な方向におけるフォーカスポイント（ｙ座標）を、８．９２ｍｍ〜３．７２ｍｍの範囲内で制御できることを意味する。しかも、本例のフォーカス位置シフタ７００から射出される光の光路（光軸）１１１は、回転角度θによらず、互いに平行である。これは、各射出位置において、フォーカスポイントでのビーム径が変化しないことを意味する。

また、本例によれば、回転角度θが８２°〜８６°の範囲内において、ビームシフトの速度は、５ｍｍ／（４／３６０）＝４５０ｍｍ／ｍｓである。即ち、本例によれば、高速かつ高精度でフォーカス位置を制御可能となる。

・ 第４の例
図１６は、図１１の光学装置の第４の例を示す。
第４の例は、非コリメート光学系４００からの光が第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２で複数回反射する例である。

本例では、第１及び第２の反射面１０１，１０２の距離を近付ける、第１及び第２の反射面１０１，１０２が対向する面積を増やす、などの構成の変更を行うことで、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の光の反射回数を増やすことができる。

例えば、同図では、光は、第１及び第２の反射面１０１，１０２でそれぞれ２回反射する。上述の第１乃至第３の例では、第１及び第２の反射面１０１，１０２での光の反射回数は、１回のみである。即ち、本例によれば、上述の第１乃至第３の例に比べて、射出位置のシフト量を約２倍に増やすことができる。

これは、射出位置のシフト量を一定とした場合に、本例では、上述の第１乃至第３の例に比べて、ステージ１０３の回転角度θの範囲を小さくできることを意味する。即ち、本例では、小さな回転角度θにより、所望のシフト量だけ射出位置をシフトさせることができるため、フォーカス位置の高速かつ高精度な制御にさらに貢献することとなる。

また、本例では、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離を狭め、かつ第１及び第２の反射面１０１，１０２を回転軸１０４に近い位置に配置可能なため、モータの負荷軽減による高速動作も可能である。

尚、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の光の反射回数は、２回に限られず、３回以上であってもよい。

・ 第５の例
図１７は、図１１の光学装置の第５の例を示す。
第５の例は、上述の第１乃至第４の例において、さらに、第２の反射面１０２からの光を第２の反射面１０２に戻す第３の反射面１１４４を設けた例である。この場合、入射点１１２からの光は、第３の反射面１１４４で反射され、ほぼ同じ経路を折り返して、射出点１１２’に伝搬する。即ち、光の入射点１１２及び射出点１１２’は、ほぼ同じ位置となる。

第３の反射面１１４４は、例えば、直交する２つの反射面を有するミラーである。これにより、第３の反射面１１４４に入射される入射光と、第３の反射面１１４４で反射される反射光との光路をずらすことができる。本例では、第３の反射面１１４４で光をずらす方向は、ステージ１０３の上面に平行な方向とするが、これに限られない。例えば、後述する第９の例に示すように、第３の反射面１１４４で光をずらす方向は、ステージ１０３の上面に垂直な方向としてもよい。

このように、第３の反射面１１４４を用いて、光を１回だけ折り返せば、射出位置のシフト量は、約２倍となる。また、射出位置のシフト量を一定とした場合に、本例では、ステージ１０３の回転角度θの範囲を小さくし、ガルバノモータの負荷を低減できる。即ち、本例でも、第４の例と同様に、小さな回転角度θにより、所望のシフト量だけ射出位置をシフトできるため、フォーカス位置の高速かつ高精度な制御を可能とする。

尚、本例において、光が第３の反射面１１４４に向かう方向を往路とし、光が第３の反射面１１４４から戻ってくる方向を復路とした場合に、光は、往路及び復路を複数回往復してもよい。この場合、入射点１１２側にも、光を折り返すための新たな反射面を設ければよい。

・ 第６の例
図１８は、図１１の光学装置の第６の例を示す。
第６の例は、上述の第１乃至第４の例において、さらに、第２の反射面１０２からの光を第２の反射面１０２に戻す第３の反射面１１４５を設けた例である。この場合、入射点１１２からの光は、第３の反射面１１４５で反射され、ほぼ同じ経路を折り返して、射出点１１２’に伝搬する。即ち、光の入射点１１２及び射出点１１２’は、ほぼ同じ位置となる。

第３の反射面１１４５は、例えば、１枚の平板ミラーである。しかし、第３の反射面１１４５の表面の垂線は、第２の反射面１０２からの光の光路（光軸）１１１に対して平行ではなく、一定の角度で傾いている。このため、第３の反射面１１４５に入射される入射光と、第３の反射面１１４５で反射される反射光との光路をずらすことができる。

尚、第３の反射面１１４５で光をずらす方向は、同図に示すように、ステージ１０３の上面に平行な方向であってもよいし、これに代えて、ステージ１０３の上面に垂直な方向であってもよい。また、第３の反射面１１４５で光をずらす方向は、ステージ１０３の上面に平行でなく、かつ垂直でもない斜め方向であってもよい。

例えば、ステージ１０３の上面に平行な方向に光をずらす場合、第３の反射面１１４５の表面は、光路１１１に対して、ステージ１０３の上面に平行なｘ−ｙ方向に所定量だけ傾ければよい。また、ステージ１０３の上面に垂直な方向に光をずらす場合、第３の反射面１１４５の表面は、光路１１１に対して、ステージ１０３の上面に垂直なｚ方向に所定量だけ傾ければよい。

このように、第３の反射面１１４５を用いて、光を１回だけ折り返せば、射出位置のシフト量は、約２倍となる。また、射出位置のシフト量を一定とした場合に、本例では、ステージ１０３の回転角度θの範囲を小さくし、ガルバノモータの負荷を低減できる。即ち、本例でも、第４の例と同様に、小さな回転角度θにより、所望のシフト量だけ射出位置をシフトできるため、フォーカス位置の高速かつ高精度な制御を可能とする。

尚、本例においても、光が第３の反射面１１４５に向かう方向を往路とし、光が第３の反射面１１４５から戻ってくる方向を復路とした場合に、光は、往路及び復路を複数回往復してもよい。この場合、入射点１１２側にも、光を折り返すための新たな反射面を設ければよい。

・ 第７の例
図１９は、図１１の光学装置の第７の例を示す。
第７の例は、第１及び第２の反射面１０１，１０２の構成に関する。上述の第１乃至第６の例では、第１及び第２の反射面１０１，１０２は、例えば、互いに独立したミラーである。しかし、第１及び第２の反射面１０１，１０２は、これに限られず、所定の部材の内面であっても構わない。

例えば、同図に示すように、第１及び第２の反射面１０１，１０２は、１つの結晶（例えば、ガラス材料）内の結晶面であってもよい。即ち、結晶体１４０は、その内部に、第１及び第２の反射面１０１，１０２を有する。結晶体１４０は、ステージ１０３上に固定される。

本例によれば、第１及び第２の反射面１０１，１０２の平行度を、結晶体１４０の研磨作業により向上させることができる。即ち、第１及び第２の反射面１０１，１０２がそれぞれ独立したミラーの場合には、各ミラーをステージ１０３上に固定する際に、第１及び第２の反射面１０１，１０２の平行度を調整しなければならず、作業が複雑化する。これに対し、結晶体１４０を用いれば、第１及び第２の反射面１０１，１０２の平行度を確保する作業と、第１及び第２の反射面１０１，１０２をステージ１０３上に取り付ける作業とを別々に行える。

従って、本例によれば、光学装置を組み立てる作業が効率化できる。
尚、第１及び第２の反射面１０１，１０２として結晶体１４０を用いる場合、光が入射する端面Ｓ_ｉｎ、及び光が射出する端面Ｓ_ｏｕｔは、それぞれ、光の反射を低減するコーティングが施されていることが望ましい。

また、光路１０９，１１１上の光の光軸と、端面Ｓ_ｉｎ，Ｓ_ｏｕｔとのなす角度は、いわゆるブリュースタ角となるように、結晶体１４０をセッティングすることが望ましい。ブリュースタ角は、結晶体１４０の材料に依存するが、例えば、約６０°となる。この場合、光路１０９上の光の光軸と端面Ｓ_ｉｎとのなす角度、及び光路１１１上の光の光軸と端面Ｓ_ｏｕｔとのなす角度を、それぞれ約６０°とすることで、端面Ｓ_ｉｎ，Ｓ_ｏｕｔでの反射ロスを低減できる。

・ 第８の例
図２０は、図１１の光学装置の第８の例を示す。
第８の例は、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが非平行である場合の例である。ここで、第１の反射面１０１と第２の反射面１０２とが非平行であるとは言っても、両者は、互いに対向している必要がある。即ち、第１の反射面１０１からの光を第２の反射面１０２で反射することが可能な配置となっている。

例えば、第１の反射面１０１（１０１６’，１０１７’）と第２の反射面１０２（１０２６’，１０２７’）とがなす角度αは、約６０°である。第１の反射面１０１６’及び第２の反射面１０２６’は、回転角度θが５６°の場合に対応する。また、第１の反射面１０１７’及び第２の反射面１０２７’は、回転角度θが６３°の場合に対応する。

また、回転軸１０４から第１の反射面１０１又はそれを含む平面に下した垂線の長さをＲ１とし、回転軸１０４から第２の反射面１０２又はそれを含む平面に下した垂線の長さをＲ２とする。この場合、交点１０５の座標（ｘ_０１,ｙ_０１）、及び交点１０６の座標（ｘ_０２,ｙ_０２）は、それぞれ、以下の式（５１）〜（５４）で表される。

…（５１）

…（５２）

…（５３）

…（５４）

また、第１の反射面１０１上の座標を（ｘ_１,ｙ_１）とし、第２の反射面１０２上の座標を（ｘ_２,ｙ_２）とすると、各座標は、以下の式（５５）及び（５６）で記述される。

…（５５）

…（５６）

ここで、非コリメート光学系４００からの光が第１の反射面１０１で反射する点を（ｘ_ｍ１,ｙ_ｍ１）とし、第２の反射面１０２で反射する点を（ｘ_ｍ２,ｙ_ｍ２）とする。また、光路１０９上のｙ座標をｙ_ＢＩとし、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の光路１１０上の座標を（ｘ_ＢＲ、ｙ_ＢＲ）とする。この場合、第１の反射面１０１及び第２の反射面１０２間の光路１１０上の座標は、式（５７）により記述できる。

…（５７）

さらに、第２の反射面１０２及び第３の反射面１１４間の光路１１１上の座標を（ｘ_ｏ，ｙ_ｏ）とすると、光路１１１上の座標は、式（５８）により記述できる。

…（５８）

以上から分かることは、射出位置のシフト量が、回転軸１０４から第１及び第２の反射面１０１，１０２までの距離Ｒ１，Ｒ２ではなく、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離（Ｒ１＋Ｒ２）に依存するということである。即ち、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離を短くすれば、射出位置のシフト量を小さくでき、逆に、第１及び第２の反射面１０１，１０２間の距離を長くすれば、射出位置のシフト量を大きくできる。

以上の構成において、例えば、コリメート光（平行光）を、焦点距離１００ｍｍのレンズ１１７’に入射する。ステージ１０３の回転角度θは、５６°〜６３°の範囲内で制御する。第１の反射面１０１は、回転軸１０４から５０ｍｍ（Ｒ１＝５０）の位置に配置し、第２の反射面１０２は、回転軸１０４から０ｍｍ（Ｒ２＝０）の位置に配置する。第２の反射面１０２は、第１の反射面１０１に対して、α＝−６０°だけ傾ける。また、レンズ１１７’は、回転軸１０４からｘ方向に３０ｍｍ、ｙ方向に−２５．７ｍｍの位置に配置する。

以上の構成において、フォーカス位置シフタから射出される射出光のシフト量は、１０．５ｍｍを実現できる。即ち、ステージ１０３の回転角度θの制御により、光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置を、０ｍｍ（基準点）から１０．５ｍｍの範囲内で制御可能となる。しかも、各射出点（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）から射出される光は、互いに平行である。従って、各射出点（ｘ_ｉ，ｙ_ｉ）から射出される光は、フォーカスポイントでのビーム径が一定となり、当該フォーカス位置シフタを加工装置に用いた場合に、加工精度の向上などを実現できる。

また、本例では、回転軸１０４のより近くにおいて、第２の反射面１０２での光の反射が起こるように、第２の反射面１０２のレイアウトを決定してもよい。この場合、ガルバノモータの負荷を軽減され、より高速なフォーカス位置の制御が可能となる。

・ 第９の例
図２１は、図１１の光学装置の第９の例を示す。
第９の例は、上述の第５の例と同様に、さらに、第２の反射面１０２からの光を第２の反射面１０２に戻す第３の反射面１１４６を設けた例である。この場合、入射点１１２からの光は、第３の反射面１１４６で反射され、ほぼ同じ経路を折り返して、射出点１１２’に伝搬する。即ち、光の入射点１１２及び射出点１１２’は、ほぼ同じ位置となる。

第３の反射面１１４６は、上述の第５の例と同様に、例えば、直交する２つの反射面を有するミラーである。但し、本例では、第３の反射面１１４６で光をずらす方向は、ステージ１０３の上面に垂直な方向とする。これにより、第３の反射面１１４６に入射される入射光と、第３の反射面１１４６で反射される反射光との光路をずらすことができる。

このように、第３の反射面１１４６を用いて、光を１回だけ折り返せば、射出位置のシフト量は、約２倍となる。また、射出位置のシフト量を一定とした場合に、本例では、ステージ１０３の回転角度θの範囲を小さくし、ガルバノモータの負荷を低減できる。即ち、本例でも、第４の例と同様に、小さな回転角度θにより、所望のシフト量だけ射出位置をシフトできるため、フォーカス位置の高速かつ高精度な制御を可能とする。

尚、本例においても、光が第３の反射面１１４６に向かう方向を往路とし、光が第３の反射面１１４６から戻ってくる方向を復路とした場合に、光は、往路及び復路を複数回往復してもよい。この場合、入射点１１２側にも、光を折り返すための新たな反射面を設ければよい。

また、第５の例の場合、第３の反射面１１４４で光をずらす方向は、ステージ１０３の上面に平行な方向である。この場合、ステージ１０３の真横からみると、第３の反射面１１４４に向かう光とそこから戻る光は、互いに重なり、ステージ１０３の真上からみると、第３の反射面１１４４に向かう光とそこから戻る光は、互いに重ならない。

一方、第９の例の場合、第３の反射面１１４６で光をずらす方向は、ステージ１０３の上面に垂直な方向である。この場合、ステージ１０３の真横からみると、第３の反射面１１４６に向かう光とそこから戻る光は、互いに重ならず、ステージ１０３の真上からみると、第３の反射面１１４６に向かう光とそこから戻る光は、互いに重なる。

ここで、第５の例と第９の例を組み合わせることも可能である。即ち、第３の反射面で光をずらす方向は、ステージ１０３の上面に平行でなく、かつ垂直でもない斜め方向としてもよい。この場合、ステージ１０３の真横からみると、第３の反射面に向かう光とそこから戻る光は、互いに重ならず、かつステージ１０３の真上からみても、第３の反射面に向かう光とそこから戻る光は、互いに重ならない。

（その他の実施形態）
以上、本発明の実施形態を説明してきたが、本発明は、これらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内において様々な変更が可能である。

１． 加工装置への適用
レーザ光を用いて、マーキング、穴あけ、溶接などの作業を行う加工装置では、レーザ発振器からの光のフォーカス位置を高速かつ高精度に制御することが重要となる。上述のフォーカス位置シフタは、このような加工装置に適用することができる。

図２２は、加工装置の例を示す。
加工装置は、光源３００と、光源３００からの光が入射される非コリメート光学系４００と、非コリメート光学系４００からの光の光路長を制御するフォーカス位置シフタ１００，２００と、を備える。加工対象となる物品９０１は、ステージ９００上に配置される。物品９０１に対する光のフォーカス位置を制御することで、物品９０１に対するマーキング、穴あけ、溶接などの作業が可能となる。

２． 顕微鏡への適用
上述のフォーカス位置シフタを用いて顕微鏡を構成することが可能である。この場合、測定対象に対して、平面方向をｘ−ｙ方向とし、深さ方向をｚ方向とすると、ある特定のｘ−ｚ面で集光点を高速に走査させることができる。例えば、多光子顕微鏡、蛍光顕微鏡などでは、測定対象に照射する光のフォーカス位置に応じて、非線形効果、蛍光材による吸収などが発生する。そのため、フォーカス位置での情報を取得することで、３次元的なイメージングが可能となる。

これまで、測定対象に対して平面方向（ｘ−ｙ方向）に照射光を走査し、その後、深さ方向（ｚ方向）を変えて、またその位置平面上で照射光を走査してイメージングを行っていた。これに対して、本実施形態では、高速に深さ方向のイメージングが可能となるため、測定対象表面から深さ方向への物質の移動などの観測が可能となる。

３． 検査装置への適用
上述のフォーカス位置シフタを用いて検査装置を構成することが可能である。
例えば、物品の表面状態を検査する検査装置では、照射光の角度によるビーム径の変動を避けるために、照射光の照射角度を一定として照射する必要性がある。

しかし、いままでの検査装置は、ｆ−θレンズを用いて、光軸に垂直な方向のフォーカス位置を制御するため、フォーカスポイントでのビーム径が、どうしても変動してしまう。そこで、このような検査装置に上述のフォーカス位置シフタを用いれば、フォーカスポイントでのビーム径の変動無しに、光軸に垂直な方向のフォーカス位置を制御することが可能となる。

４． ステージについて
上述の各実施形態において、第１及び第２の反射面１０１，１０２は、互いの相対位置関係を維持した状態で、回転軸１０４を中心に回転することが重要である。そのために、本例では、ステージ１０３を設け、かつステージ１０３上に、互いに対向する第１及び第２の反射面１０１，１０２を固定する。
しかし、例えば、ステージ１０３を用いない方法により、第１及び第２の反射面１０１，１０２を、互いの相対位置関係を維持した状態で、回転軸１０４を中心に回転させることも可能である。例えば、第１の反射面１０１を駆動する第１のモータと、第２の反射面１０２を駆動する第２のモータと、を設けてもよい。但し、この場合、制御部１２０は、第１及び第２のモータをシンクロさせた状態で、回転制御することが必要である。

５． 射出位置の制御への応用
光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置の制御は、光の光路を該光路に垂直な方向にシフトさせる技術、即ち、該方向における光の射出位置の制御に応用できる。即ち、非コリメート光学系４００を有しない光学装置、又は非コリメート光学系４００を有するがフォーカス位置の制御のために射出位置を制御するのではない光学装置では、上述の各実施形態を、単に、光の光軸をシフトさせる光学装置として応用できる。

（むすび）
以上、本発明によれば、光のフォーカス位置を高速かつ高精度に制御する点で有利な光学装置を実現できる。即ち、集光レンズの移動無しに、光軸方向におけるフォーカス位置を高速かつ高精度に制御できる。また、フォーカス位置でのビーム径の変化無しに、光軸に垂直な方向におけるフォーカス位置を高速かつ高精度に制御できる。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１００，２００，６００，７００： フォーカス位置シフタ
１０１： 第１の反射面
１０２： 第２の反射面
１０３： 回転ステージ
１０４： 回転軸
１０５： 回転軸から第１の反射面に下した垂線と第１の反射面との交点
１０６： 回転軸から第２の反射面に下した垂線と第２の反射面との交点
１０７： 非コリメート光学系からの光が反射する第１の反射面上の点
１０８： 第１の反射面からの光が反射する第２の反射面上の点
１０９： 非コリメート光学系及び第１の反射面間の光路
１１０： 第１の反射面及び第２の反射面間の光路
１１１： 第２の反射面及び第３の反射面間の光路
１１２： 入射点
１１２’： 射出点
１１３： 中間点
１１４： 第３の反射面
１１５： 第４の反射面
１１７： 集光レンズ
１２０： 制御部
１２２： 射出光
３００： 光源
４００： 非コリメート光学系
５００： 収束光学系
８００： ガルバノスキャナ
９００： 加工ステージ
９０１： 物品

Claims (20)

1. 光のフォーカス位置を制御する光学装置であって、
   回転軸を中心に回転可能であり、かつ前記光を反射する第１の反射面と、
   前記回転軸を中心に回転可能であると共に前記第１の反射面に対向し、かつ前記第１の反射面からの前記光を反射する第２の反射面と、
   前記第２の反射面からの前記光を前記第２の反射面に戻す第３の反射面と、
   前記第１及び第２の反射面の相対位置関係を維持した状態で、前記第１及び第２の反射面を前記回転軸を中心に回転させることで、前記第３の反射面から前記第２の反射面を経由して前記第１の反射面に折り返された前記光の光軸方向におけるフォーカス位置を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする光学装置。
2. 光のフォーカス位置を制御する光学装置であって、
   回転軸を中心に回転可能であり、かつ前記光を反射する第１の反射面と、
   前記回転軸を中心に回転可能であると共に前記第１の反射面に対向し、かつ前記第１の反射面からの前記光を反射する第２の反射面と、
   前記第１及び第２の反射面の相対位置関係を維持した状態で、前記第１及び第２の反射面を前記回転軸を中心に回転させることで、前記第２の反射面からの前記光の該光路に垂直な方向におけるフォーカス位置を制御する制御部と、
   を備えることを特徴とする光学装置。
3. 前記回転軸を中心に回転可能であるステージをさらに備え、
   前記第１及び第２の反射面は、前記ステージに固定され、
   前記制御部は、前記ステージの回転角度を変えることで前記フォーカス位置を制御する、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記回転軸は、前記第１及び第２の反射面間の領域に存在する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
5. 前記回転軸は、前記第１及び第２の反射面間以外の領域に存在する、
   ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光学装置。
6. 前記第１の反射面のサイズと前記第２の反射面のサイズは、互いに異なる、
   ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光学装置。
7. 前記回転軸から前記第１の反射面又はそれを含む平面に下した垂線の長さと、前記回転軸から前記第２の反射面又はそれを含む平面に下した垂線の長さとは、互いに異なる、
   ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光学装置。
8. 前記第１及び第２の反射面は、前記回転軸に対して点対称に配置されない、
   ことを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の光学装置。
9. 前記光は、前記第１及び第２の反射面間を複数回往復する、
   ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の光学装置。
10. 前記第３の反射面は、入射光の光路と同じ光路に反射光を反射する、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
11. 前記第３の反射面から前記第２の反射面を経由して前記第１の反射面に折り返された前記光を取り出す第４の反射面をさらに備える、
    ことを特徴とする請求項１又は１０に記載の光学装置。
12. 前記第３の反射面により折り返され、かつ前記第１の反射面で反射された前記光を、前記第１の反射面に戻す第５の反射面をさらに備え、
    前記第３及び第５の反射面は、入射光の光路と異なる光路に反射光を反射し、
    前記第４の反射面は、前記第５の反射面から前記第１の反射面を経由して前記第２の反射面に折り返された前記光を取り出す、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の光学装置。
13. 前記光は、前記第１の反射面で反射される前に、非コリメート光学系により収束光又は拡散光となる、
    ことを特徴とする請求項１に記載の光学装置。
14. 前記光は、前記第１及び第２の反射面で反射された後に、非コリメート光学系により収束光となる、
    ことを特徴とする請求項２に記載の光学装置。
15. 前記第１及び第２の反射面は、非平行である、
    ことを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の光学装置。
16. 前記第２の反射面は、前記第１の反射面よりも前記回転軸に近い位置に配置される、
    ことを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の光学装置。
17. 前記制御部は、ガルバノモータを用いて前記第１及び第２の反射面を駆動する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光学装置。
18. 前記制御部は、一方向への回転が可能な回転モータを用いて前記第１及び第２の反射面を駆動する、
    ことを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の光学装置。
19. 回転軸を中心に回転可能であり、かつ光を反射する第１の反射面と、
    前記回転軸を中心に回転可能であると共に前記第１の反射面に対向し、かつ前記第１の反射面からの前記光を反射する第２の反射面と、
    前記第１及び第２の反射面の相対位置関係を維持した状態で、前記第１及び第２の反射面を前記回転軸を中心に回転させることで、前記第２の反射面からの前記光の光路を該光路に垂直な方向にシフトさせる制御部と、
    を備えることを特徴とする光学装置。
20. 請求項１乃至１９のいずれか１項に記載の光学装置と、
    前記光学装置に入射される前記光を発生する光源と、を備え、
    前記フォーカス位置を制御することにより、前記フォーカス位置に配置された物品を加工する、
    ことを特徴とする加工装置。

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