JP4566622B2 - 光軸調節装置および光軸自動調節システム - Google Patents

Description

本発明は、光軸調節装置およびこれを用いた光軸自動調節システムに関し、特に、単純な光学系を用いて光ビームの角度および位置を調節する技術に関する。

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。
特開２００２−２２９２１６号公報 特開２００４−０７８１３１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るという問題があった。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いう問題があった。

そこで本発明は、できるだけ単純な構造により、光の反射回数を低減し、光ビームの光軸調節を効率良く行うことが可能な光軸調節装置を提供することを目的とし、特に、光ビームの位置と角度とを独立して調節することが可能な光軸調節装置を提供することを目的とする。また、この光軸調節装置を用いて光軸調節を自動的に行うことができる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において、
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反射して射出するように、所定位置に支持する第１の支持体と、
この第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、
を設け、
第１の支持体を第２の支持体に対して平行移動させると、第１の鏡および第２の鏡が一体となって同じ方向に同じ変位量だけ変位するように、第１の鏡および第２の鏡を第１の支持体に固定し、
位置調節手段のＸ軸方向への平行移動操作により光ビームのＸ軸方向への光軸調整が行われ、位置調節手段のＹ軸方向への平行移動操作により光ビームのＺ軸方向への光軸調整が行われるようにしたものである。

(2) 本発明の第２の態様は、上述の第１の態様に係る光軸調節装置において、
第１の鏡を所定方向に傾斜させる操作と、第２の鏡を所定方向に傾斜させる操作と、の少なくとも一方を行う機能をもった角度調節手段を更に設け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２の態様に係る光軸調節装置において、
第１の鏡および第２の鏡のうちの一方を傾斜しない固定鏡とし、他方を傾斜する傾斜鏡とし、傾斜鏡についてのみ傾斜操作が行われるようにしたものである。

(4) 本発明の第４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を、
光軸調節を行う調節部と、光軸のずれを検出する検出部と、検出部による検出結果に基づいて調節部を制御する制御部と、によって構成し、
調節部には、
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反射して射出するように、所定位置に支持する第１の支持体と、
この第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の鏡を所定方向に傾斜させる操作と、第２の鏡を所定方向に傾斜させる操作と、の少なくとも一方を行う機能をもった角度調節手段と、を設け、
検出部には、調節部から射出された光ビームの角度および位置を検出する機能をもたせ、
制御部には、入射光が基準光路に沿った状態のときに検出部が検出した角度および位置を記憶する記憶手段と、検出部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を設け、
第１の支持体を第２の支持体に対して平行移動させると、第１の鏡および第２の鏡が一体となって同じ方向に同じ変位量だけ変位するように、第１の鏡および第２の鏡を第１の支持体に固定し、
位置調節手段のＸ軸方向への平行移動操作により光ビームのＸ軸方向への光軸調整が行われ、位置調節手段のＹ軸方向への平行移動操作により光ビームのＺ軸方向への光軸調整が行われるようにしたものである。

(5) 本発明の第５の態様は、上述の第４の態様に係る光軸自動調節システムにおいて、
第１の鏡および第２の鏡のうちの一方を傾斜しない固定鏡とし、他方を傾斜する傾斜鏡とし、傾斜鏡についてのみ傾斜操作が行われるようにしたものである。

(6) 本発明の第６の態様は、上述の第４または第５の態様に係る光軸自動調節システムにおいて、
検出部に、調節部から射出された光ビームの一部分を検出用光ビームとして取り出す第１のビーム分配手段と、この検出用光ビームを２つのビームに分配する第２のビーム分配手段と、分配された第１のビームに基づいて角度を検出する角度検出手段と、分配された第２のビームに基づいて位置を検出する位置検出手段と、を設けるようにしたものである。

(7) 本発明の第７の態様は、上述の第６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。

(8) 本発明の第８の態様は、上述の第６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。

本発明に係る光軸調節装置では、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ことにより光ビームの位置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。調節対象となる光ビームの反射回数も低減するため、装置を通過する光ビームの光量損失も最小限に抑えられる。また、鏡の角度を調節する角度調節手段を設けることにより、単純な構造でありながら、光ビームの位置と角度とを独立して調節することができる。本発明に係る光軸自動調節システムでは、このような光軸調節装置を利用することにより、光軸調節を自動的に行うことができるようになる。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。

＜＜＜ §１．本発明に係る光軸調節装置の基本構成 ＞＞＞
図１は、本発明の一実施形態に係る光軸調節装置の基本構成を示す斜視図である。上述したように、本発明の重要な特徴は、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ことにより光ビームの位置調節を行う点にある。そこで、本明細書では、説明の便宜上、ＸＹＺ三次元座標系を定義し、この三次元座標系上で、個々の鏡の配置や移動を説明することにする。結局、図１に示す光軸調節装置は、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装置ということになる。

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。

この実施形態に係る光軸調節装置は、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を移動させる位置調節手段（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、位置調節手段による位置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。もちろん、位置調節手段は、手動による移動機構によって構成しても、電動による移動機構によって構成してもかまわない。

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に示す光軸調節装置において、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に示す光軸調節装置において、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に示す光軸調節装置において、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に示すように、この光軸調節装置に、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．両方の鏡を同一支持体に固定する実施形態 ＞＞＞
上述した基本的実施形態で述べたとおり、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、これらのレールが位置調節手段としての機能を果たすことができる。

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、いわばこの光軸調節装置の装置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．角度調節機能を備えた実施形態 ＞＞＞
§１および§２で述べた実施形態のように、射出光として得られる光ビームを任意の位置に平行移動させる位置調節の機能を有する光軸調節装置は、もちろん、種々の用途に利用可能であるが、実用上は、射出光として得られる光ビームの角度の調節を行う機能を更に備えていた方が好ましい。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。そこで、実用上は、上述した実施形態に、更に、角度調節手段を付加するのが好ましい。

図６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Ｙ軸に平行な軸まわり（図では、光ビームＬ１の入射点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だけ傾斜させると、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。もちろん、第１の鏡１０を、図示していない別な方向に傾斜させれば、光ビームの傾斜方向も別な方向になる。

図７は、図１に示す光軸調節装置において、反射面Ｍ２（第２の鏡２０）をＸ軸に平行な軸まわり（図では、光ビームＬ２の入射点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だけ傾斜させると、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。もちろん、第２の鏡２０を、図示していない別な方向に傾斜させれば、光ビームの傾斜方向も別な方向になる。

このように、光ビームの角度調節は、第１の鏡１０を所定方向に傾斜させる操作によって行うこともできるし、第２の鏡２０を所定方向に傾斜させる操作によって行うこともできる。そこで、角度調節手段には、いずれか一方の鏡についての傾斜操作を行う機能を設けておけば十分である。したがって、実用上は、第１の鏡１０および第２の鏡２０のうちの一方を傾斜しない固定鏡とし、他方を傾斜する傾斜鏡とし、傾斜鏡についてのみ傾斜操作を行うことができる構成にしておくのが好ましい。なお、鏡の反射面を所定方向に傾斜させる機構は種々のものが公知であるため、ここでは具体的な傾斜機構の説明は省略する。もちろん、角度調節手段は、手動による傾斜機構によって構成しても、電動による傾斜機構によって構成してもかまわない。

＜＜＜ §４．光軸自動調節システムの実施形態 ＞＞＞
ここでは、これまで述べてきた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Ｌ３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，Ｌ２，Ｌ３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Ｌ３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、光軸調節を行う調節部１００と、光軸のずれを検出する検出部２００と、この検出部２００による検出結果に基づいて調節部１００を制御する制御部３００である。

ここで、調節部１００は、§３で述べた角度調節手段を備えた光軸調節装置によって構成されている。ここでは特に、§２で述べた実施形態に§３で述べた角度調節手段を付加した光軸調節装置を調節部１００として用いた例を示すことにするが、もちろん、それ以外の光軸調節装置を調節部１００として用いてもかまわない。

図示のとおり、調節部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。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。また、第１の鏡１０は固定鏡となっており、第１の支持体１１０内に固着されているのに対し、第２の鏡２０は傾斜鏡となっており、角度調節手段１２０によって、任意の方向に傾斜可能となるように、第１の支持体１１０内に取り付けられている。もちろん、第１の鏡１０を傾斜鏡とし、第２の鏡２０を固定鏡としてもかまわないし、第１の鏡１０および第２の鏡２０の双方を傾斜鏡として、角度調節手段１２０の角度調節の対象となるようにしてもかまわない。

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。

一方、検出部２００は、調節部１００から射出された光ビームＬ３の角度および位置を検出する機能を有する。図示の実施形態では、検出部２００は、第１のビーム分配手段２１０、第２のビーム分配手段２２０、角度検出手段２３０、位置検出手段２４０によって構成されている。第１のビーム分配手段２１０は、第２の鏡２０で反射した後の光ビームＬ３の一部分を検出用光ビームＬ３０として取り出す機能を有し、第２のビーム分配手段２２０は、この検出用光ビームＬ３０を、更に２つのビームＬ３１，Ｌ３２に分配する機能を有する。第１のビーム分配手段２１０および第２のビーム分配手段２２０としては、一般的なビームスプリッターを用いればよい。角度検出手段２３０は、第２のビーム分配手段２２０によって分配された光ビームＬ３１に基づいて角度（ビームの向き）を検出する機能を有し、位置検出手段２４０は、第２のビーム分配手段２２０によって分配された光ビームＬ３２に基づいて位置を検出する機能を有する。これら各検出手段の具体的な構成例は後述する。

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、検出部２００内の位置検出手段２４０および角度検出手段２３０が検出した角度および位置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Ｌ３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Ｌ３のその時点での位置および角度が、位置検出手段２４０および角度検出手段２３０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２４０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２３０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２の鏡２０を所定方向に傾斜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、調節部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Ｌ３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２３０および位置検出手段２４０の具体的な構成例を、図９および図１０を参照して述べる。図９は、図８に示す検出部２００による位置検出の原理を示す平面図であり、図１０は、角度検出の原理を示す平面図である。これらの図において、集光レンズ２３１および受光素子２３２は、角度検出手段２３０の具体的な構成要素であり、受光素子２４１は、位置検出手段２４０の具体的な構成要素である。すなわち、ここに示す例では、角度検出手段２３０は、平行光線を所定の焦点に集光する集光レンズ２３１と、この集光レンズ２３１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２３２と、によって構成されており、位置検出手段２４０は、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２４１によって構成されている。

まず、図９を参照して、受光素子２４１によって、位置検出が行われる原理を説明する。いま、図に実線で示すような光ビームＬ３が射出光として得られている状態を考えると、第１のビーム分配手段２１０によって、その一部が検出用光ビームＬ３０として分配される。この検出用光ビームＬ３０は、第２のビーム分配手段２２０によって、光ビームＬ３１と光ビームＬ３２に分配される。光ビームＬ３１は、集光レンズ２３１を透過して、受光素子２３２上の入射点Ｑ１０に照射され、光ビームＬ３２は、受光素子２４１上の入射点Ｑ２０に照射される。

ここで、もし、光ビームＬ３の位置がずれて、破線で示すような光ビームＬ３′の位置に平行移動したとしよう。すると、受光素子２４１上の入射点は点Ｑ２０から点Ｑ２１へずれることになる。したがって、位置検出手段２４０の構成要素である受光素子２４１は、位置のずれを検出することができる。ところが、受光素子２３２上の入射点は点Ｑ１０のままである。これは、受光素子２３２の受光面が集光レンズ２３１の焦点位置に置かれているためである。すなわち、集光レンズ２３１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２３２の受光面上の同一点に集光することになる。かくして、光ビームＬ３の位置の変化は、位置検出手段２４０を構成する受光素子２４１においてのみ検出されることになり、角度検出手段２３０を構成する受光素子２３２では検出されない。

次に、図１０を参照して、受光素子２３２によって、角度検出が行われる原理を説明する。ここでも、図に実線で示すような光ビームＬ３が射出光として得られている状態を考える。光ビームＬ３は、図示のとおり、第１のビーム分配手段２１０によって、その一部が検出用光ビームＬ３０として分配される。この検出用光ビームＬ３０は、第２のビーム分配手段２２０によって、光ビームＬ３１と光ビームＬ３２に分配される。光ビームＬ３１は、集光レンズ２３１を透過して、受光素子２３２上の入射点Ｑ１０に照射され、光ビームＬ３２は、受光素子２４１上の入射点Ｑ２０に照射される。

ここで、もし、光ビームＬ３の角度（向き）がずれて、破線で示すような光ビームＬ３′のように傾いたとしよう。すると、受光素子２３２上の入射点は点Ｑ１０から点Ｑ１１にずれる。これは、実線で示す光ビームと破線で示す光ビームとが平行ではないため、集光レンズ２３１による集光点がずれるからである。かくして、光ビームＬ３の角度の変化は、角度検出手段２３０を構成する受光素子２３２によって検出できる。ただ、このとき、受光素子２４１上の入射点も点Ｑ２０から点Ｑ２２にずれるため、このような角度の変化は、位置検出手段２４０を構成する受光素子２４１においても検出されることになる。

結局、受光素子２３２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、受光素子２４１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２４１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。

本発明の一実施形態に係る光軸調節装置の基本構成を示す斜視図である。 図１に示す光軸調節装置において、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に示す光軸調節装置において、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に示す光軸調節装置において、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に示す光軸調節装置において、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に示す光軸調節装置において、反射面Ｍ１を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に示す光軸調節装置において、反射面Ｍ２を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に示す検出部２００による位置検出の原理を示す平面図である。 図８に示す検出部２００による角度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
１００…調節部
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…検出部
２１０…第１のビーム分配手段
２２０…第２のビーム分配手段
２３０…角度検出手段
２３１…集光レンズ
２３２…受光素子
２４０…位置検出手段
２４１…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′…光ビーム
Ｌ３０，Ｌ３１，Ｌ３２…検出用光ビーム
Ｍ１，Ｍ１′，Ｍ２，Ｍ２′…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
Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ２０，Ｑ２１，Ｑ２２…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 (8)

1. 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であって、
   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反射して射出するように、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、
   を備え、
   前記第１の支持体を前記第２の支持体に対して平行移動させると、前記第１の鏡および前記第２の鏡が一体となって同じ方向に同じ変位量だけ変位するように、前記第１の鏡および前記第２の鏡が前記第１の支持体に固定されており、
   前記位置調節手段のＸ軸方向への平行移動操作により光ビームのＸ軸方向への光軸調整が行われ、前記位置調節手段のＹ軸方向への平行移動操作により光ビームのＺ軸方向への光軸調整が行われることを特徴とする光軸調節装置。
2. 請求項１に記載の光軸調節装置において、
   第１の鏡を所定方向に傾斜させる操作と、第２の鏡を所定方向に傾斜させる操作と、の少なくとも一方を行う機能をもった角度調節手段を更に備えることを特徴とする光軸調節装置。
3. 請求項２に記載の光軸調節装置において、
   第１の鏡および第２の鏡のうちの一方を傾斜しない固定鏡とし、他方を傾斜する傾斜鏡とし、前記傾斜鏡についてのみ傾斜操作が行われるようにしたことを特徴とする光軸調節装置。
4. 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、
   光軸調節を行う調節部と、光軸のずれを検出する検出部と、前記検出部による検出結果に基づいて前記調節部を制御する制御部と、を備え、
   前記調節部は、
   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反射して射出するように、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の鏡を所定方向に傾斜させる操作と、前記第２の鏡を所定方向に傾斜させる操作と、の少なくとも一方を行う機能をもった角度調節手段と、を有し、
   前記検出部は、前記調節部から射出された光ビームの角度および位置を検出する機能を有し、
   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検出部が検出した角度および位置を記憶する記憶手段と、前記検出部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、を有し、
   前記第１の支持体を前記第２の支持体に対して平行移動させると、前記第１の鏡および前記第２の鏡が一体となって同じ方向に同じ変位量だけ変位するように、前記第１の鏡および前記第２の鏡が前記第１の支持体に固定されており、
   前記位置調節手段のＸ軸方向への平行移動操作により光ビームのＸ軸方向への光軸調整が行われ、前記位置調節手段のＹ軸方向への平行移動操作により光ビームのＺ軸方向への光軸調整が行われることを特徴とする光軸自動調節システム。
5. 請求項４に記載の光軸自動調節システムにおいて、
   第１の鏡および第２の鏡のうちの一方を傾斜しない固定鏡とし、他方を傾斜する傾斜鏡とし、前記傾斜鏡についてのみ傾斜操作が行われるようにしたことを特徴とする光軸自動調節システム。
6. 請求項４または５に記載の光軸自動調節システムにおいて、
   検出部が、調節部から射出された光ビームの一部分を検出用光ビームとして取り出す第１のビーム分配手段と、この検出用光ビームを２つのビームに分配する第２のビーム分配手段と、分配された第１のビームに基づいて角度を検出する角度検出手段と、分配された第２のビームに基づいて位置を検出する位置検出手段と、を有することを特徴とする光軸自動調節システム。
7. 請求項６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。
8. 請求項６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。