JP4554825B2 - 焦点調整装置 - Google Patents

Description

【０００１】
発明の属する技術分野
本発明は、特にレーザ装置用であり、一平面内で移動可能な担体上に配置された球状反射面を有する焦点調整鏡を備えた焦点調整装置に関する。
【０００２】
従来の技術
このような焦点調整装置は、レーザ装置に使用されることがしばしばあり、正確な焦点調節のために各焦点調整鏡の精密な調節が必要である。従来の焦点調整装置において、スライド又はころ軸受を備えた移動テーブル（並進又は計測テーブル）が焦点調整鏡用担体として使用されている。これらの構造用のコストは極端に高く、常に存在する軸受のクリアランスにより要素の剛性が低減されてしまう。
【０００３】
したがって、本発明の目的は、簡単で安定した構成で利する、簡単に製造することのできる、最初に規定されたタイプの焦点調整装置を提供することである。
【０００４】
発明の概要
最初に規定されたタイプの本発明の焦点調整装置は、前記移動可能な担体は、上から見て少なくともほぼＺ形状である揺動部材からなり、前記揺動部材は、横断アームへその両方の端部において関節接合されている揺動長手アームを有し、前記長手アームは、前記焦点調整鏡を担持し、前記横断アームは、前記担体の移動する前記平面に直角な回動軸線周りで回動できるように配置され、前記焦点調整鏡の前記球状反射面の湾曲の中心は、前記平面に直角でありかつ前記長手アームの幾何学的中心を通って延びている軸線のほぼ上にあることを特徴としている。
【０００５】
この焦点調整装置では、上から見た時に揺動長手アームの中心が、焦点調整鏡の球状反射面によって描かれる円の中心と一致するように寸法決められかつ配置されたＺ形状揺動部材が設けられている。Ｚ形状揺動部材が移動する場合、揺動部材はその幾何学的中心を通って延びている軸線周りで回転し、その結果、焦点整鏡が対応して回転する。しかしながら、この焦点調整鏡が湾曲の中心回りで回転し、すなわち、焦点調整鏡が「反射面に沿って回転」し、このような回転によって焦点合わせされたビームを偏向させない。それゆえ、焦点合わせされたビームは、所定の直線に沿って延び続け、焦点は単にこの直線に沿って移動する。好ましくは、前記焦点調整鏡の焦点が線に沿って移動し、前記焦点調整鏡の反射面の湾曲の中心は、入射ビームと、前記線との間の中線上にある。
【０００６】
本発明による焦点調整装置は、有利的には、特にレーザ共振器などのレーザ装置、例えば、国際出願第９８／１０４９４号に記載されたタイプのレーザ装置を用いて使用される。特に、本発明は、Herwig W. Kogelnik, Erich P. Ippen, Andrew Dienes, Charles Shankの１９７２年３月Journal of Quantum Electronics, QE-8, 第３号の「連続発振色素レーザ用の非点収差の補償されるキャビティ」に記載の非点収差補償レーザ共振器に使用することができる。このようなレーザ共振装置では、レーザ媒体、すなわち、特にチタンサファイヤレーザ水晶などのレーザ水晶が、レーザビームに関するブルースター角で、平面に平行な板の形態で配置されている。レーザビームは、焦点調整鏡によりレーザ媒体内で焦点合わせされる。しかしながら、ブルースター角で配置されたレーザ媒体内で焦点合わせすることによって非点収差がもたらされ、この非点収差は焦点調整鏡を傾斜させることによって補償される。
【０００７】
しかしながら、基本的に、本焦点調整装置は、任意の装置内できわめて一般に使用することができ、光ビーム又はレーザビームそれぞれが凹面鏡によって焦点合わせされ、焦点は正確に調節されなければならない。
【０００８】
担体及び軸受の構成については、例えば、（揺動部材の長手アームとしての）ブロックと、（「関節接合された」横断アームとしての）平坦な鋼ばねとを備えた構成の一態様が考えられる。また、強固な横断アームは長手アームに関節接続され、長手アームと反対の端部において回動可能に取り付けられている実施例が考えられる。簡単な製造のため、Ｚ形状揺動部材の長手アームと反対の横断アームの端部は、一体ヒンジとして、薄い材料領域を介して基担体へ接続されていると有利である。この場合、基担体は、好ましくは、板状の構成である。
【０００９】
同様に、前記Ｚ形状揺動部材の横断アームは、一体ヒンジとして、薄い材料領域を介して前記長手アームへ接続されていると適切である。
【００１０】
本焦点調整装置では、好ましくは、Melles Griotによるカタログの３６８頁及び３６９頁中の語「撓曲装置」に記載されているように、弾性変形可能な軸受要素を介して取り付けられている担体を用いた公知の技術を参照する。公知の装置によれば、担体は、軸受部分を弾性変形させることによって調節され、この結果、この用途には望ましくない平行な偏倚が生じる。このような平行な偏倚を避けるために、非常に複雑であるが「複合撓曲装置」と呼ばれる構造が提案されている。柔軟な取付物を備えたこの装置と比較して、このＺ形状揺動部材はかなり製造が簡単であり、さらに、操作時により安定している。
【００１１】
求められている大量生産のために、（クレーム６：参照番号なし）がさらに適切である。製造は、（例えば約２０ｍｍの厚さの）比較的に薄い開始板から開始し、開口用の各溝が、（例えば約１５ｍｍの）板の厚さの一部分にわたって例えばフライス削りで加えられる。次に、（例えば約５ｍｍの）残りの厚さは、研削によって除去され、Ｚ形状揺動部材を有する基担体を形成している板が、約１５ｍｍの厚さで形成される。溝又は開口それぞれを加えるために、当然、スパークエロージョン又はウォータートーチ切断などの他の手順を使用することもできる。
【００１２】
一体ヒンジを形成する薄い材料領域又は材料ウェブは、約０．３ｍｍ〜０．５ｍｍの厚さ、特に約０．４ｍｍの厚さである。このような寸法により、薄い材料領域が破断することなくＺ形状揺動部材の所望の弾性可動性が保証されている。驚くべきことに、より厚い材料ウェブがこのような約十分の数ｍｍの厚さの薄い材料よりも容易に破断するということが示されている。
【００１３】
一方で、要求される弾性変形能力を得るために、他方で、望まれる安定性を得るために、板状基担体とＺ形状揺動部材はアルミニウム製又はアルミニウムマグネシウム合金製であることが適切である。
【００１４】
より便利にも、Ｚ形状揺動部材の外で、特に焦点合わせされる構成要素などの焦点調整装置の他の構成要素を収容する空間を提供すると、Ｚ形状揺動部材の長手アームは上から見るとクランク形状であることが適切である。
【００１５】
前述のように、本発明はレーザ装置で有利的に使用され、したがって、特に有利な用途では、例えばレーザ水晶などのレーザ媒体は、Ｚ形状揺動部材の外部で、焦点調整鏡の焦点に配置されている。この例では、Ｚ形状揺動部材はレーザ共振器の焦点調整鏡の一つを担持している。
【００１６】
以下において、本発明は、添付図面に示されている特に好適な実施例でより詳細に説明されている。しかしながら、本発明はこの好適な実施例に限定されない。
【００１７】
発明の実施の形態
図１には、レーザ装置１が略図的に示されている。ポンプビーム２がレンズ３を介してＸに折り曲げられたレーザ共振器４に送られる。語「Ｘに折り曲げられた」は、端の反射鏡Ｍ３及びＯＣにそれぞれ向けられている二つのレーザビームアームｄ１、ｄ２が互いに交差し、「Ｘ」を形成しているという事実に由来する。
【００１８】
さらに、レーザ共振器４は二つのレーザ反射鏡Ｍ１、Ｍ２で構成され、チタンサファイヤ水晶５がこれら反射鏡Ｍ１とＭ２の間においてレーザ媒質として配置されている。この水晶は、面平行体、すなわち、平行六面体であり、例えば、光学的に非線形であり、カー要素を形成する。このレーザ水晶５は、損失を最小にするようにいわゆるブルースター角度で配置されており、レーザビームは、このレーザ水晶５内で焦点合わせされる。このブルースター角度で配置されたレーザ水晶５内での焦点合わせによって、非点収差がもたらされるが、これは、焦点調整鏡Ｍ１、Ｍ２を傾斜することによって補償される（角度β１及びβ２参照）。
【００１９】
二つの焦点調整鏡の中の一つの焦点調整鏡Ｍ２は固定され、その一方で、他方の焦点調整鏡Ｍ１は、図１中の双頭矢印６で示されているように、レーザ水晶５中で焦点を調節するように正確に調節される。なお、レンズ３と共に、レーザ水晶５は、図１中のさらなる双頭矢印７、８で示されているように、取り付けコースにおいて直線的に移動させられる。これらの移動は、図３〜５においてより詳細に説明されている。
【００２０】
図２には、Ｚに折り曲げられた四つのレーザ共振器が同様に略図的に示されており、レーザビームアームｄ２は、上方に偏向させられ、レーザビームアームｄ１は下方に偏向させられる。これら二つのビームアームｄ１、ｄ２は、二つのレーザ鏡Ｍ１、Ｍ２を接続した「Ｚ」を形成する。
【００２１】
また、図２によるレーザ装置の構造的な要素は図１のレーザ装置の構造的な要素に対応し、同じ参照番号が使用されており、さらなる説明を要しない。
【００２２】
図１及び２で説明されるレーザ共振器４は、前述の焦点調整装置の使用の例として理解されうる。本焦点調整装置は、焦点調整のために使用される球状凹面鏡を調整する時と同様に、例えば三つの鏡共振器、又は（五つ以上の鏡を有する）複数の鏡共振器において使用されうる。
【００２３】
レーザ水晶５において焦点調整鏡Ｍ１の焦点を正確に調節することができ、安定したレーザの活動のためにレーザ共振器４の安定領域を見出すために、この焦点調整鏡Ｍ１とレーザ水晶５の間のレーザビームの経路は、局地的に移動しないように、焦点調整鏡Ｍ１が移動しなければならない。このレーザビームの経路は図１及び２において９で与えられる。このレーザビームの方向を維持するために、複雑な移動テーブルが焦点調整鏡Ｍ１用担体として過去に使用されていた。この複雑な移動テーブルの代りに、図３〜５から明らかなように、上から見てほぼＺ形状揺動部材１０がここで使用され、揺動部材１０は、特定の方法で以下により詳細に記載されているように配置及び寸法決めされており、長手方向に移動する間に回転しても、ビーム９の所定の方向を維持し、焦点調整鏡Ｍ１を移動させることによって焦点Ｆ（図５参照）を単に移動させている。
【００２４】
Ｚ形状揺動部材１０は、例えば図１によるレーザ装置全体を装着する機能を有する板状基担体１１から浮き彫りにされる。したがって、図３中、レンズ３、二つのレーザ鏡Ｍ２及びＭ１、二つの端の鏡Ｍ３及びＯＣ、及びレーザ水晶５が基担体１１に取り付けられている。このように、図１によって以前に説明した、Ｘに折り曲げられた四つの鏡を有するレーザ共振器４が形成されている。
【００２５】
レーザ水晶５を備えた支持部材を双頭矢印７に従って移動させるように、調節軸１２が設けられており、調節軸１２は基板１１上の固定軸受１３に支持されており、平行に移動可能な担持要素１４と係合する。担持要素１４は、Ｚ形状揺動部材１０と同様に基担体１１から浮き彫りにされ、図３中に略図的に１５で示されているように上から見てほぼＵ字形状である。同様に、調節軸１６がレンズ３用担持要素１７及び１８において係合し、レンズ３を双頭矢印８に従って平行に移動させることができる。
【００２６】
これらの形状及び配置に関しては、Ｚ形状揺動部材１０と同様に、二つの担持要素１４、１７は、図４の上面図からより明確に見える。
【００２７】
Ｚ形状揺動部材１０を得るために、二つのスロット形状の開口１９、２０が設けられており、開口１９、２０の形状が図４に示されている。薄い材料領域又はウェブ２１、２２及び２３、２４それぞれがこれら開口１９と開口２０の間に形成され、図面の平面に直角なヒンジ軸を有する一体のヒンジを形成する。一方の材料領域２１、２２は、Ｚ形状揺動部材１０の二つの外側横断アーム２５、２６を残りの平面形状の基担体１１に接続し、その一方で、他方の材料領域２３、２４の各々は、横断アーム２５、２６の一方をＺ形状揺動部材１０の中央の揺動長手アーム２７と接続する。
【００２８】
同様に、担持要素１４、１７はスロット形状開口２８、２９及び３０、３１それぞれによって形成され、薄い材料ウェブは、同様に、３２、３３、３４、３５及び３６、３７、３８、３９それぞれにおいて形成され、一体のヒンジを形成する。このように、これら担持要素１４、１７は、図１〜３において、双頭矢印７及び８の方向に軸１２及び１６によってそれぞれに調節でき、軸１２及び１６に横断したわずかな偏倚が発生するが、この偏倚は本用途の場合には問題ない。
【００２９】
しかしながら、重要なことは、焦点調整鏡Ｍ１はＺ形状揺動部材１０によって移動させることができ、その焦点Ｆ又はＦ´それぞれが、図５中の点線に示されている同じ線４０上で、例えば量Δの移動中に移動することである。図５において、直線で略図的に示されているＺ形状揺動部材１０の開始位置は実線で示されており、開始位置に対して移動した位置は破線で１０´において示されている。
【００３０】
図３を参照すると、調節のために、調節軸４１は、４２において焦点調整鏡Ｍ１用支持手段と係合する基板１１に適切に取り付けられている。
【００３１】
図５には、球状反射面４３を有する焦点調整鏡Ｍ１の円曲線４４が示されている。図５の上面図において、焦点調整鏡Ｍ１の球状反射面４３の曲線の中心Ｍ、すなわち、円４４の中心は、Ｚ形状揺動部材１０の長手アーム２７の中心（回動軸線）と一致し（又は、より正確には、軸線が図５の図の平面に直角にこの中心まで延びている）、円４４の中心Ｍは、入射ビームｄ１と、焦点Ｆがそれに沿って移動する線４０との間の中線４６上にあるということがわかる。
【００３２】
中心Ｍの一致は重要である。というのは、Ｚ形状揺動部材１０の移動中において、揺動部材１０の長手アーム２７が例えば、図５において右に移動し、かつ同時に移動している真中の軸線Ｍの周りで回動した時に、焦点調整鏡Ｍ１が長手方向移動及び回転で移動するが、焦点調整鏡Ｍ１が長手方向に移動した中心Ｍ回りで回転するので、この焦点調整鏡Ｍ１の回りの回転により、焦点合わせされるレーザビームに有害な影響をもたらさず、ｄ１及び９それぞれを参照すると、反射面４３の球形状により、焦点Ｆ又はＦ´それぞれは図１及び２中のレーザビーム経路９に対応する前記線４０上にあるままであることが実現されるからである。この例ではレーザ水晶５で焦点合わせされる構成部分がこの焦点Ｆ又はＦ´に配置され、レーザの安定領域を調節するために移動量Δに対応する焦点Ｆ又はＦ´それぞれをレーザ水晶５の所定の位置に正確に調節することができ、又はレーザ鏡Ｍ１、Ｍ２の間の距離をそれぞれ変更できるということがわかる。
【００３３】
図５からわかるように、この調節において、レーザビームアームｄ１は、図５中のｄ１´を参照すると、長手方向コースに平行に幾分偏倚しており、このレーザビームの平行な偏倚にかかわらず、付随した端の鏡Ｍ３は、単に自身にレーザビームｄ１を反射することができるほど大きくなければならない平面鏡であるので、この平行な偏倚は問題とならない。
【００３４】
レーザ装置の構成の態様が図３に見られ、種々の構成要素が基担体１１上に配置され、調節可能な焦点調整鏡Ｍ１がこの基担体１１から浮き彫りにされているＺ形状揺動部材１０上に配置されており、極端に小型で安定しかつ強固な配置が得られ、この担体の形状は大量生産にも適している。板状の基担体１１は、アルミニウム又はアルミニウムマグネシウム合金製であり、約１５ｍｍの厚さである。基担体１１は、生産時には例えば２０ｍｍの厚さを有する適切な金属板で開始し、種々の開口１９、２０、２８、２９、３０、３１に対応した約１５ｍｍの深さの溝が特にフライス削りで形成される。次に、この例では５ｍｍである板の残りの厚さは研削によって除去され、基担体１１には厚さ全体を通して通過する開口が形成される。これにより、残りの薄い材料領域の弾性変形の下で担持要素１４、１７又はＺ形状揺動部材１０それぞれの可動性が保証される。
【００３５】
当然、以前に説明した配置及び方向からの特定の偏差については、例えば、Ｚ形状揺動部材１０の長手アーム２７の中心を通って延びている軸線から反射面４３の曲線の中心Ｍのわずかな偏差であれば許容できる。さらに、二つの横断アーム２５、２６は、長さが互いに幾分異なってもよい。図５の略図に示されているように、Ｚ形状揺動部材１０の長手アーム２７は直線である必要がなく、図４中の４５において明らかであるように、クランク状に曲げられてもよい。このように、焦点調整鏡Ｍ１と焦点調整鏡Ｍ２の間の焦点合わせされたレーザビーム９の経路内にレーザ水晶５を配置することはより容易である。
【図面の簡単な説明】
【図１】 いわゆるＸに折り曲げられた四つの鏡のレーザ共振器の略図である。
【図２】 いわゆるＺに折り曲げられた四つの鏡のレーザ共振器の同様な略図である。
【図３】 図１によるＸに折り曲げられたレーザ共振器の構成要素を備えた板状基担体の上面図であり、焦点調整鏡の一つは、基担体内で一体にされ、かつ基担体内で移動可能に取り付けられ、かつ上から見てＺ形状の揺動部材上に取り付けられている。
【図４】 レーザ装置の構成要素なしのＺ形状揺動部材を備えた図３の基板の上面図である。
【図５】 Ｚ形状揺動部材の略図であり、移動したときの動作の態様を示し、移動した位置を破線で示している。

Claims (15)

1. 一つの平面内で移動可能な担体上に配置されかつ球状反射面を有する焦点調整鏡（Ｍ１）を備えた焦点調整装置において、
   前記移動可能な担体は、上から見て少なくともほぼＺ形状である揺動部材（１０）からなり、前記揺動部材は、横断アーム（２５、２６）へその両方の端部において関節接合されている揺動長手アーム（２７）を有し、前記長手アームは、前記焦点調整鏡（Ｍ１）を担持し、前記横断アーム（２５、２６）は、前記担体の移動する前記平面に直角な回動軸線周りで回動できるように配置され、前記焦点調整鏡（Ｍ１）の前記球状反射面（４３）の湾曲の中心（Ｍ）は、前記平面に直角でありかつ前記長手アーム（２７）の幾何学的中心を通って延びている軸線のほぼ上にあることを特徴とする焦点調整装置。
2. 前記焦点調整鏡（Ｍ１）の焦点（Ｆ）が線（４０）に沿って移動し、前記焦点調整鏡（Ｍ１）の反射面（４３）の湾曲の中心（Ｍ）は、入射ビーム（ｄ１）と、前記線（４０）との間の中線（４６）上にあることを特徴とする請求項１に記載の焦点調整装置。
3. 前記Ｚ形状揺動部材（１０）の前記横断アーム（２５、２６）の端部は、一体ヒンジとして、薄い材料領域（２１、２２）を介して基担体（１１）へ接続されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の焦点調整装置。
4. 前記基担体（１１）は板状部分を有することを特徴とする請求項３に記載の焦点調整装置。
5. 前記Ｚ形状揺動部材（１０）の横断アーム（２５、２６）は、一体ヒンジとして、薄い材料領域（２３、２４）を介して前記長手アーム（２７）へ接続されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
6. 前記Ｚ形状揺動部材（１０）の横断アーム（２５、２６）は、一体ヒンジとして、薄い材料領域（２３、２４）を介して前記長手アーム（２７）へ接続されており、前記Ｚ形状揺動部材（１０）は、開口（１９、２０）を設けることによって、前記板状基担体（１１）から分離され、その一方で、前記薄い材料領域（２１、２２、２３、２４）を形成することを特徴とする請求項４に記載の焦点調整装置。
7. 前記板状基担体（１１）と前記Ｚ形状揺動部材（１０）は約１５ｍｍの厚さであることを特徴とする請求項４〜６のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
8. 前記薄い材料領域（２１、２２、２３、２４）は約０．３〜０．５ｍｍの厚さであることを特徴とする請求項３〜７のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
9. 前記薄い材料領域（２１、２２、２３、２４）は約０．４ｍｍの厚さであることを特徴とする請求項３〜８のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
10. 前記板状基担体（１１）と前記Ｚ形状揺動部材（１０）はアルミニウム製であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
11. 前記板状基担体（１１）と前記Ｚ形状揺動部材（１０）はアルミニウムマグネシウム合金製であることを特徴とする請求項６〜９のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
12. 前記Ｚ形状揺動部材（１０）の長手アーム（２７）は上から見てクランク形状であることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
13. 例えばレーザ水晶（５）などのレーザ媒体は、前記Ｚ形状揺動部材（１０）の外部で、前記焦点調整鏡（Ｍ１）の焦点（Ｆ）に配置されていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか１項に記載の焦点調整装置。
14. 前記Ｚ形状揺動部材（１０）は、レーザ共振器（４）の焦点調整鏡の一つ（Ｍ１）を担持していることを特徴とする請求項１３に記載の焦点調整装置。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の焦点調整装置を備えたレーザ装置（１）。

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