JP4698035B2

JP4698035B2 - Optical axis adjustment device

Info

Publication number: JP4698035B2
Application number: JP2001028354A
Authority: JP
Inventors: 重彦小松; 利秀伊藤; 哲也松山; 剛柏木; 健治植田
Original assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd; SIGMAKOKI Co Ltd
Current assignee: Dai Nippon Printing Co Ltd; SIGMAKOKI Co Ltd
Priority date: 2001-02-05
Filing date: 2001-02-05
Publication date: 2011-06-08
Anticipated expiration: 2021-02-05
Also published as: JP2002228908A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光軸調節装置に関し、特に、光軸調節が既に完了している光学系に挿入することにより、動作の不安定要素や経年変化などに起因して光軸にずれが生じる現象を防止することができる光軸調節装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
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。一般に、光ビームの光軸調節は、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行われ、作業者が目視手作業によって調節を行う場合もあれば、光ビームの位置センサからの出力信号に基く自動制御によって調節が行われる場合もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような光軸調節を行うために、これまでに様々な光軸調節装置が用いられている。このような従来利用されている光軸調節装置は、光源から発せられた光ビームを、ターゲットの所定位置に導くための調節を行うことを目的としたものであり、光学系を新たに設置するような場合の光軸調節には十分な効果を発揮することができる。しかしながら、光軸調節が既に完了している光学系について、動作の不安定要素や経年変化などに起因して光軸にずれが生じる現象を防止する用途には必ずしも適していない。別言すれば、従来の光軸調節装置は、光ビームを積極的に所望の光路に誘導させるための調節を行う目的で設計されており、既存の光路を通る光ビームが存在するときに、当該光路を安定維持させる目的で利用するのには不適当である。
【０００４】
そこで本発明は、既存の光路を通る光ビームを安定維持させるのに適した光軸調節装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
(1) 本発明の第１の態様は、図１１を参照して、後述する§２で説明する実施形態Ａに係る光軸調節装置に関するものであり、光ビームを迂回光路へ導いた後、まず、角度調節を行い、続いて位置調節を行うような構成をもった光軸調節装置に関するものである。すなわち、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、入射点と射出点との間に配置することにより、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光軸調節を行う機能をもった光軸調節装置において、
基準光路上に配置され、照射された光の一部を反射、一部を透過させる光分配面をもち、入射光を、反射した一部からなる入射光反射光と、透過した一部からなる入射光透過光と、に分配するビーム分配手段と、
入射点とビーム分配手段との間に配置され、入射光を透過させる第１の機能と、入射光の向きを所定の迂回光路に向けて変化させ、迂回光として射出する第２の機能と、の２つの機能を選択的に実行可能な光路切換手段と、
迂回光の向きを所定の設定角度だけ変化させて角度調節光として射出する角度調節手段と、
角度調節光を入射し、この角度調節光に対して平行で、所定の設定変位量だけずれた位置を通る位置角度調節光を、ビーム分配手段の光分配面に向けて射出することにより、この位置角度調節光が、反射した一部からなる調節光反射光と、透過した一部からなる調節光透過光と、に分配されるようにする位置調節手段と、
光路切換手段が第１の機能を実行しているときには、光分配面における入射光反射光の位置および向きを検出し、光路切換手段が第２の機能を実行しているときには、光分配面における調節光透過光もしくは調節光反射光の位置および向きを検出する検出手段と、
光路切換手段が第１の機能を実行しているときに、検出手段によって検出された位置および向きを基準情報として記憶する記憶手段と、
光路切換手段が第２の機能を実行しているときに、検出手段によって検出される位置および向きが、記憶手段に記憶されている基準情報の位置および向きに近付くように、角度調節手段による設定角度および位置調節手段による設定変位量を制御する機能をもった制御手段と、
を設けたものである。
【０００８】
(2) 本発明の第２の態様は、図１２を参照して、後述する§２で説明する実施形態Ｂに係る光軸調節装置に関するものであり、光ビームを迂回光路へ導いた後、上述の第３の態様とは逆に、まず、位置調節を行い、続いて角度調節を行うような構成をもった光軸調節装置に関するものである。すなわち、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、入射点と射出点との間に配置することにより、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光軸調節を行う機能をもった光軸調節装置において、
基準光路上に配置され、照射された光の一部を反射、一部を透過させる光分配面をもち、入射光を、反射した一部からなる入射光反射光と、透過した一部からなる入射光透過光と、に分配するビーム分配手段と、
入射点とビーム分配手段との間に配置され、入射光を透過させる第１の機能と、入射光の向きを所定の迂回光路に向けて変化させ、迂回光として射出する第２の機能と、の２つの機能を選択的に実行可能な光路切換手段と、
迂回光を入射し、この迂回光に対して平行で、所定の設定変位量だけずれた位置を通る位置調節光を射出する位置調節手段と、
位置調節光の向きを所定の設定角度だけ変化させることにより得られる位置角度調節光を、ビーム分配手段の光分配面に向けて射出することにより、この位置角度調節光が、反射した一部からなる調節光反射光と、透過した一部からなる調節光透過光と、に分配されるようにする角度調節手段と、
光路切換手段が第１の機能を実行しているときには、光分配面における入射光反射光の位置および向きを検出し、光路切換手段が第２の機能を実行しているときには、光分配面における調節光透過光もしくは調節光反射光の位置および向きを検出する検出手段と、
光路切換手段が第１の機能を実行しているときに、検出手段によって検出された位置および向きを基準情報として記憶する記憶手段と、
光路切換手段が第２の機能を実行しているときに、検出手段によって検出される位置および向きが、記憶手段に記憶されている基準情報の位置および向きに近付くように、角度調節手段による設定角度および位置調節手段による設定変位量を制御する機能をもった制御手段と、
を設けたものである。
【０００９】
(3) 本発明の第３の態様は、図１３を参照して、後述する§２で説明する実施形態Ｃに係る光軸調節装置に関するものであり、上述の第３の態様に係る光軸調節装置において、光路切換手段と角度調節手段との双方を兼ねる手段を用いるようにした点に特徴がある。すなわち、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、入射点と射出点との間に配置することにより、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光軸調節を行う機能をもった光軸調節装置において、
基準光路上に配置され、照射された光の一部を反射、一部を透過させる光分配面をもち、入射光を、反射した一部からなる入射光反射光と、透過した一部からなる入射光透過光と、に分配するビーム分配手段と、
入射点とビーム分配手段との間に配置され、入射光を透過させる第１の機能と、入射光の向きを所定の設定角度だけ変化させることにより得られる角度調節光を、所定の迂回光路に沿って射出する第２の機能と、の２つの機能を選択的に実行可能な光路切換角度調節手段と、
角度調節光を入射し、この角度調節光に対して平行で、所定の設定変位量だけずれた位置を通る位置角度調節光を、ビーム分配手段の光分配面に向けて射出することにより、位置角度調節光が、反射した一部からなる調節光反射光と、透過した一部からなる調節光透過光と、に分配されるようにする位置調節手段と、
光路切換角度調節手段が第１の機能を実行しているときには、光分配面における入射光反射光の位置および向きを検出し、光路切換角度調節手段が第２の機能を実行しているときには、光分配面における調節光透過光もしくは調節光反射光の位置および向きを検出する検出手段と、
光路切換角度調節手段が第１の機能を実行しているときに、検出手段によって検出された位置および向きを基準情報として記憶する記憶手段と、
光路切換角度調節手段が第２の機能を実行しているときに、検出手段によって検出される位置および向きが、記憶手段に記憶されている基準情報の位置および向きに近付くように、光路切換角度調節手段による設定角度および位置調節手段による設定変位量を制御する機能をもった制御手段と、
を設けたものである。
【００１０】
(4) 本発明の第４の態様は、図１４を参照して、後述する§２で説明する実施形態Ｄに係る光軸調節装置に関するものであり、上述の第４の態様に係る光軸調節装置において、光路切換手段と位置調節手段との双方を兼ねる手段を用いるようにした点に特徴がある。すなわち、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、入射点と射出点との間に配置することにより、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光軸調節を行う機能をもった光軸調節装置において、
基準光路上に配置され、照射された光の一部を反射、一部を透過させる光分配面をもち、入射光を、反射した一部からなる入射光反射光と、透過した一部からなる入射光透過光と、に分配するビーム分配手段と、
入射点とビーム分配手段との間に配置され、入射光を透過させる第１の機能と、入射光を入射し、この入射光もしくはこの入射光の向きを変えることにより得られる迂回光に対して平行で、所定の設定変位量だけずれた位置を通る位置調節光を、所定の迂回光路に沿って射出する第２の機能と、の２つの機能を選択的に実行可能な光路切換位置調節手段と、
位置調節光の向きを所定の設定角度だけ変化させることにより得られる位置角度調節光を、ビーム分配手段の光分配面に向けて射出することにより、この位置角度調節光が、反射した一部からなる調節光反射光と、透過した一部からなる調節光透過光と、に分配されるようにする角度調節手段と、
光路切換位置調節手段が第１の機能を実行しているときには、光分配面における入射光反射光の位置および向きを検出し、光路切換位置調節手段が第２の機能を実行しているときには、光分配面における調節光透過光もしくは調節光反射光の位置および向きを検出する検出手段と、
光路切換位置調節手段が第１の機能を実行しているときに、検出手段によって検出された位置および向きを基準情報として記憶する記憶手段と、
光路切換位置調節手段が第２の機能を実行しているときに、検出手段によって検出される位置および向きが、記憶手段に記憶されている基準情報の位置および向きに近付くように、角度調節手段による設定角度および光路切換位置調節手段による設定変位量を制御する機能をもった制御手段と、
を設けたものである。
【００１１】
(5) 本発明の第５の態様は、上述の第１〜第４の態様に係る光軸調節装置において、
ビーム分配手段を、光分配面として機能するハーフミラーが形成された光学素子によって構成するようにしたものである。
【００１２】
(6) 本発明の第６の態様は、上述の第１〜第５の態様に係る光軸調節装置において、
光路切換手段、光路切換角度調節手段、または、光路切換位置調節手段を、入射光を迂回させる機能を有する光学素子と、この光学素子を基準光路上に着脱自在に支持する支持機構と、によって構成し、光学素子を基準光路上から脱離させることにより第１の機能が実行され、光学素子を基準光路上に装着することにより第２の機能が実行されるようにしたものである。
【００１３】
(7) 本発明の第７の態様は、上述の第１〜第６の態様に係る光軸調節装置において、
角度調節手段または光路切換角度調節手段を、反射面を有する光学素子と、この反射面上で直交する２つの回転軸に関してこの光学素子を回転させることにより角度調節を行う角度調節機構と、によって構成するようにしたものである。
【００１４】
(8) 本発明の第８の態様は、上述の第１〜第７の態様に係る光軸調節装置において、
位置調節手段または光路切換位置調節手段を、コーナリフレクタもしくはコーナキューブプリズムを有する光学素子と、この光学素子を所定平面に沿って平行移動させる位置調節機構と、によって構成するようにしたものである。
【００１５】
(9) 本発明の第９の態様は、上述の第１〜第８の態様に係る光軸調節装置において、
検出手段を、光分配面からの検出用ビームを２つのビームに分配する検出用ビーム分配器と、分配された第１のビームに基いて位置を検出する位置検出器と、分配された第２のビームに基いて向きを検出する向き検出器と、によって構成するようにしたものである。
【００１６】
(10) 本発明の第１０の態様は、上述の第９の態様に係る光軸調節装置において、
位置検出器を、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するようにしたものである。
【００１７】
(11) 本発明の第１１の態様は、上述の第９の態様に係る光軸調節装置において、
向き検出器を、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、によって構成するようにしたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を図示する実施形態に基いて説明する。
【００２１】
§１．本発明の基本原理
はじめに、本発明の基本原理を簡単に説明する。本発明の主眼は、光軸調節が既に完了している光学系について、動作の不安定要素や経年変化などに起因して光軸にずれが生じる現象を防止するような用途に適した光軸調節装置を提供することにあり、既存の光路を通る光ビームを安定維持させる機能をもった光軸調節装置を提供することにある。
【００２２】
いま、図１に示すように、ビーム源１００からターゲット２００の目標点Ｑに対して、光ビームを照射する場合を考える。ここで、ビーム源１００は、光ビームを発生させる光源と、この光ビームに対する光軸調節を行う光学系（光軸調節装置）とを内蔵しているものとし、光ビームに対する光軸調節は、この内蔵の光学系を調節することにより行われるものとする。このように、従来の一般的な光軸調節装置は、光ビームの照準を所定の目標点に合致させるための積極的な位置調節を行うことを目的としており、このビーム源１００に内蔵された光軸調節装置を利用した光軸調節作業により、光ビームをターゲット２００上の目標点Ｑに到達させることが可能になる。このような光軸調節作業が完了すると、ビーム源１００から発せられた光ビームは、入射点Ｑinから射出点Ｑout へ向かう基準光路Ｓ（図では、一点鎖線で示す）に沿って進行し、目標点Ｑに到達する。
【００２３】
この図１に示すように、一旦、光軸調節作業が完了してしまえば、理論的には、ビーム源１００から照射された光ビームは、常に、基準光路Ｓ上を通って目標点Ｑへと導かれることになるが、実際には、ビーム源１００自身の動作の不安定要素や経年変化などに起因して、調節済みの光軸にずれが生じる現象が発生する。たとえば、長期間にわたって使用していると、ビーム源１００に対する振動などの影響により、ビーム源１００自身の取付位置に変位が生じることがある。すると図２に示すように、ビーム源１００から発せられた光ビームＢは、入射点Ｑinの位置に正しく入射しなくなり、基準光路Ｓから外れたものとなる。このため、光ビームＢは、ターゲット２００上の目標点Ｑから外れてしまう。もちろん、ビーム源１００自身の取付位置に変位が生じていなくても、ビーム源１００の内部の光学系を構成する個々の光学素子に位置変位が生じても同様の結果となる。また、光学系自身に変位が生じていなくても、光源に固有の不安定要素に基いて、光ビームＢに変動が生じる可能性もある。たとえば、レーザ光源などを用いた場合、起動直後のしばらくの間、動作が不安定になる場合も少なくない。また、電源電圧の変動などの外乱により、光ビームＢに変動が生じることもある。
【００２４】
本発明の狙いは、図１に示す例のように、入射点Ｑinから射出点Ｑout へ向かう所定の基準光路Ｓが既に設定されており、この基準光路Ｓに沿って進む光ビームが存在するときに、何らかの事情で将来、入射光がこの基準光路Ｓを外れた場合にも、射出光が基準光路Ｓに沿った状態を維持することができるような自動光軸調節を行うことにある。別言すれば、本発明の狙いは、図３に示すように、既に所定の基準光路Ｓが設定されている状態において、本発明に係る光軸調節装置３００を、入射点Ｑinと射出点Ｑout との間に挿入して設置しておくことにより、将来、何らかの事情で光軸調節装置３００への入射光に変動が生じた場合にも、光軸調節装置３００からの射出光をもとの状態に維持することができるようにする点にある。すなわち、ビーム源１００からの光ビームに対して、基準光路Ｓに沿った正しい光軸調節がなされている状態において、図３に示すように、本発明に係る光軸調節装置３００を基準光路Ｓ上に挿入しておけば、図４に示すように、ビーム源１００側の光軸に変動が生じ、光ビームＢの光軸調節装置３００に対する入射条件が変化したとしても、光軸調節装置３００からの射出光は以前と同じ条件を維持するような自動的な光軸調節が行われることになる。以下、このような自動光軸調節を行うための基本原理を説明する。
【００２５】
いま、図５に示すように、入射点Ｑinから射出点Ｑout へ向けて基準光路Ｓが設定されている場合に、この基準光路Ｓ上に光分配面ξを配置したとする。この光分配面ξは、照射された光の一部を反射、一部を透過させる性質をもった面である。実際には、ハーフミラーなどからなる光分配面ξを有するビーム分配手段を、基準光路Ｓ上に配置すればよい。このようなビーム分配手段を基準光路Ｓ上に配置すると、入射点Ｑinに、基準光路Ｓに沿って入射してきた光ビームＢは、このビーム分配手段によって２つの光ビームに分配されることになる。すなわち、一部は光分配面ξをそのまま透過して透過光Ｂｔとなり、一部は光分配面ξで反射して反射光Ｂｒとなる。このとき、透過光Ｂｔは、基準光路Ｓに沿って光分配面ξ上の位置Ｐ０を透過して射出点Ｑout から射出する光になるが、反射光Ｂｒは、光分配面ξ上の位置Ｐ０において向きを変えて図の上方へと向かう光となる。ここで、光分配面ξ上の位置Ｐ０に立てた法線をＮとすれば、光ビームＢの入射角と反射角とは等しく、いずれも角度α０になる。
【００２６】
そこで、このときに得られる反射光Ｂｒについて、光分配面ξ上での位置Ｐ０および向き（たとえば、反射角α０）を測定し、この測定結果を基準情報として取得しておく。図示の基準情報取得手段１は、このような基準情報Ｉ（Ｐ０，α０）を取得する機能をもった構成要素（具体的な構成例については後述する）である。このような基準情報の取得作業は、光ビームＢが、基準光路Ｓに沿って正しく光軸調整されている状態（別言すれば、透過光Ｂｔが基準光路Ｓに沿って、所定の目標点にまで到達する状態）で行っておく必要がある。
【００２７】
本発明を実施する上では、図６に示すように、この系に、光路迂回調節手段２を追加する必要がある。図では便宜上、この光路迂回調節手段２を単なるブロックとして示すが、実際には、この光路迂回調節手段２は複数の光学素子によって構成される。この光路迂回調節手段２は、必要に応じて作業者の操作により、入射光の光ビームＢを基準光路Ｓとは異なる迂回光路Ｄへ誘導し、この誘導された光ビームの位置および向きを調節して光分配面ξへ照射する機能を有する。図示の例では、この迂回光路Ｄは、光路Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３によって構成されており、いずれも二点鎖線で示してある。迂回光路Ｄへ誘導された光ビームに対しては、光路迂回調節手段２によって、位置および向きの調節が行われる。ここで、「位置の調節」とは、光ビームの光路を所定の設定変位量だけ平行移動させる処理であり、「向きの調節」とは、光ビームの光路を所定の設定角度だけ変化させる処理である。もちろん、迂回光路Ｄ上で、このような位置および向きの調節が行われると、迂回光路Ｄ自身が変化することになる。したがって、本願における「迂回光路Ｄ」とは、ある定まった特定の経路を意味するわけではなく、位置および向きの調節処理によって様々に変化する不定形態の経路を意味している。なお、この「位置の調節」および「向きの調節」については、後に具体例を挙げて詳述する。
【００２８】
こうして、迂回光路Ｄを経由した光ビームは、光分配面ξに照射されることになるが、光分配面ξのどの位置にどのような向きで照射されるかは、迂回光路Ｄ上において施された位置および向きの調節次第である。ここでは、迂回光路Ｄにおいて行われた位置および向きの調節の結果、図６の光路Ｄ３に沿った光ビームが、光分配面ξ上の位置Ｐに照射されたものとしよう。前述したように、光分配面ξは、照射された光の一部を反射、一部を透過させる性質をもった面であり、迂回光路Ｄを経由した光ビームは、この光分配面ξによって２つの光ビームに分配されることになる。すなわち、一部は光分配面ξをそのまま透過して透過光Ｂｔとなり、一部は光分配面ξで反射して反射光Ｂｒとなる。このとき、位置Ｐに立てた法線をＮとすれば、透過光Ｂｔと法線Ｎとのなす角と、反射光Ｂｒと法線Ｎとのなす角とは、互いに等しい角度αになる（もちろん、光路Ｄ３と法線Ｎとのなす角も角度αになる）。
【００２９】
続いて、このときに得られる透過光Ｂｔについて、光分配面ξ上での位置Ｐおよび向き（たとえば、反射角α）を測定する。もちろん、この測定結果は、通常、図５に示す基準情報取得手段１によって予め取得された基準情報Ｉ（Ｐ０，α０）とは異なっている（図５と図６とを比較すればわかるように、位置Ｐと位置Ｐ０とは一致せず、角度αと角度α０とは一致しない）。そこで、この測定結果が基準情報Ｉ（Ｐ０，α０）に近付くように、光路迂回調節手段２を制御することにする。図６に示す制御手段３は、透過光Ｂｔについて、光分配面ξ上での位置および向きを測定し、この測定結果が基準情報Ｉ（Ｐ０，α０）に近付くように、光路迂回調節手段２を制御する機能をもった構成要素である。前述したように、光路迂回調節手段２は、迂回光路Ｄ上において、光ビームの位置および向きを調節する機能を有しているので、制御手段３による測定結果が基準情報Ｉ（Ｐ０，α０）に一致するようなフィードバック制御を行うことが可能である。
【００３０】
制御手段３によるフィードバック制御により、測定結果が基準情報Ｉ（Ｐ０，α０）に完全に一致するところまで到達した状態を図７に示す。光路迂回調節手段２によって導かれる迂回経路Ｄａは、光路Ｄ１ａ，Ｄ２ａ，Ｄ３ａから構成されており、図６に示す迂回光路Ｄとは異なっている。その結果、迂回光路Ｄａを経由した光ビームの光分配面ξへの照射位置Ｐは、図５に示す位置Ｐ０に一致した状態となり、透過光Ｂｔについての光分配面ξ上での位置Ｐおよび向き（たとえば、反射角α）は、基準情報Ｉ（Ｐ０，α０）に完全に一致する（Ｐ＝Ｐ０，α＝α０）。図５と図７とを比較してみれば、図５における反射光Ｂｒが図７における透過光Ｂｔと完全に一致し、図５における透過光Ｂｔが図７における反射光Ｂｒに完全に一致していることがわかる。ここで重要な点は、図５に示す反射光Ｂｒおよび透過光Ｂｔは、基準光路Ｓ上を経た光ビームを分配することによって得られた光ビームであるのに対し、図７に示す透過光Ｂｔおよび反射光Ｂｒは、迂回光路Ｄａ上を経た光ビームを分配することによって得られた光ビームである、という点である。ここで、図５に示す透過光Ｂｔが、射出点Ｑout から基準光路Ｓに沿った光ビームとして射出されるのと全く同様に、図７に示す反射光Ｂｒが、射出点Ｑout から基準光路Ｓに沿った光ビームとして射出されることを考えれば、光路迂回調節手段２による迂回が行われているにもかかわらず、「射出点Ｑout から基準光路Ｓに沿った射出光が得られる」という点に関しては、図７の状態は図５の状態に比べて何ら変化がないことになる。
【００３１】
これは、図１に示すように、所定の基準光路Ｓが設定されている状態において、図３に示すように、この基準光路Ｓ上に本発明に係る光軸調節装置３００を挿入し、この光軸調節装置３００の内部において、入射してきた光ビームを光路迂回調節手段２によって迂回光路へと迂回させるようにしても、光軸調節装置３００から基準光路Ｓに沿って目標点Ｑへ向かう光ビームを射出することが可能であることを意味している。より具体的に手順を説明すれば、図３に示すように、光軸調節装置３００を基準光路Ｓ上に挿入したら、まず、光路迂回調節手段２による迂回を行わせずに、図５に示すように、入射してきた光ビームＢをそのまま光分配面ξへと導き、基準情報取得手段１によって基準情報Ｉ（Ｐ０，α０）を取得する作業を行う。続いて、光路迂回調節手段２による迂回を行わせ、入射してきた光ビームＢを迂回光路Ｄへと導く。このように、入射してきた光ビームＢの経路を迂回光路Ｄに切り換えた当初には、図６に示すように、光分配面ξからの反射光Ｂｒは基準光路Ｓに沿った光ビームにはならないため、光軸調節装置３００から射出される光ビームは、基準光路Ｓから外れた状態になる。しかしながら、上述したフィードバック制御が行われるため、やがて迂回光路Ｄは図７に示すような迂回光路Ｄａへと変遷し、光分配面ξからの反射光Ｂｒは基準光路Ｓに沿った光ビームになり、光軸調節装置３００から射出される光ビームは、基準光路Ｓに沿ったものになる。
【００３２】
結局、図３に示すように、本発明に係る光軸調節装置３００を、既存の基準光路Ｓ上に挿入すると、光ビームの経路を迂回光路Ｄへ切り換えた当初は、ビーム源１００からの光ビームがターゲット２００上の目標点Ｑから外れた状態になるが、フィードバック制御系が安定した状態になれば、光ビームはもとどおり目標点Ｑに照射された状態に戻る。したがって、本発明に係る光軸調節装置３００を、既に光軸調節が完了している既存の基準光路Ｓに挿入したとしても、一時的な光軸の変動は生じるものの、すぐにもとの状態に復帰するので、ビーム源１００からターゲット２００に至る全体の系は、そのまま使用することができる。しかも、光軸調節装置３００を挿入することにより、将来、何らかの事情で光軸調節装置３００への入射光に変動が生じた場合にも、光軸調節装置３００からの射出光をもとの状態に維持する自動光軸調節が行われることになる。すなわち、図４に示すように、ビーム源１００側の光軸に変動が生じ、光ビームＢの光軸調節装置３００に対する入射条件が変化したとしても、光軸調節装置３００からの射出光は以前と同じ条件を維持するような自動的な光軸調節が行われることになる。
【００３３】
これは、次のようなフィードバック制御が行われるためである。たとえば、本来は、図７に示すように、入射点Ｑinに対して基準光路Ｓに沿った光ビームＢが与えられるべきであったのに、何らかの事情で、図８に示すように、光ビームＢの入射条件が変動してしまったとしよう。このような変動が生じると、制御手段３によって測定される透過光Ｂｔの位置Ｐおよび向きαの測定結果が、予め取得しておいた基準情報Ｉ（Ｐ０，α０）に一致しなくなるので、両者を一致させる方向にフィードバックが働くことになる。その結果、図７に示す迂回光路Ｄａは、図８に示す迂回光路Ｄｂ（光路Ｄ１ｂ，Ｄ２ｂ，Ｄ３ｂから構成されている）のように変更され、再び、透過光Ｂｔについての光分配面ξ上での位置Ｐおよび向き（たとえば、反射角α）が、基準情報Ｉ（Ｐ０，α０）に完全に一致するようになる（Ｐ＝Ｐ０，α＝α０）。かくして、光ビームＢの入射条件が変動してしまったとしても、フィードバック制御系が安定した状態になれば、光分配面ξからの反射光Ｂｒは、再び、基準光路Ｓに沿って射出される状態に戻ることになる。
【００３４】
以上が、本発明の基本原理であり、このような基本原理により、既存の光路を通る光ビームを安定維持させる機能をもった光軸調節装置を提供することができる。
【００３５】
なお、これまで述べた例では、迂回光路から光分配面ξに照射された光ビームの透過光Ｂｔについての位置および向きを制御手段３で測定するようにしているが、透過光Ｂｔではなく反射光Ｂｒについての位置および向きを制御手段３で測定するような構成を採ることも可能である。たとえば、図６に示した例では、迂回光路Ｄからの光ビームの透過光Ｂｔについての測定を制御手段３で行っているが、図９に示すような光路Ｄ４〜Ｄ７からなる迂回光路を設定した場合には、迂回光路からの光ビームの反射光Ｂｒについての測定を制御手段３で行うことになり、透過光Ｂｔはターゲット２００へ向けて射出される光ビームということになる。もちろん、この図９は、フィードバック制御の過渡状態を示しており、制御系が安定した状態では、図１０に示すような光路Ｄ４ａ〜Ｄ７ａからなる迂回光路が設定され、ターゲット２００へ向けて射出される透過光Ｂｔは、基準光路Ｓに沿ったものになる。
【００３６】
図６および図７に示す第１の構成例と図９および図１０に示す第２の構成例との相違は、基準情報取得時に基準光路Ｓに沿って入射してきた光ビームＢが光分配面ξに照射される側と、迂回光路からの光ビームが光分配面ξに照射される側とが、第１の構成例では反対であるのに対し、第２の構成例では同じになる点だけである。このため、制御手段３による測定対象は、第１の構成例では、迂回光路からの光ビームの透過光Ｂｔとなるのに対し、第２の構成例では、迂回光路からの光ビームの反射光Ｂｒとなる。
【００３７】
なお、これまでの原理説明は、二次元平面上の図面を用いた説明であったため、位置や向きの自由度を制限した説明を行ったが、実際には、光ビームの光路は三次元空間内に形成され、当然、位置や向きの自由度は、この三次元空間に応じたものになる。たとえば、図６に示す例では、光分配面ξは一次元の線分として示され、この光分配面ξ上の位置Ｐは、この線分上を移動する一次元の自由度しかもたないように描かれているが、実際には、位置Ｐは、図の紙面に垂直な方向にも移動する二次元の自由度を有していることになる。同様に、図６に示す例では、各光ビームの向きを、二次元平面上における角度αで表現しているが、実際には、各光ビームの向きはこの二次元平面上に限定されるわけではなく、三次元空間内の任意の方向を向くことができるので、角度で表現した場合には、たとえば、ＸＺ平面に対する角度αxyとＹＺ平面に対する角度αyzのような２通りの角度パラメータで表現されることになる。したがって、光路迂回調節手段２は、光ビームの位置および向きを、三次元空間内の自由度をもって調節する機能を有し、制御手段３は、このような自由度を考慮したフィードバック制御を行う機能を有する。
【００３８】
§２．基本的な実施形態
続いて、本発明の基本的な実施形態を４通りについて述べることにする。
（Ａ）図１１は、本発明の基本的な実施形態Ａに係る光軸調節装置の構成を示すブロック図である。この光軸調節装置の特徴は、光ビームを迂回光路へ導いた後、まず、角度調節（向きの調節）を行い、続いて位置調節を行う点にある。
【００３９】
既に§１で述べたように、この光軸調節装置は、入射点Ｑinと射出点Ｑout とを通る基準光路Ｓに沿って光ビームが存在するときに、入射点Ｑinと射出点Ｑout との間に配置することにより、入射光が基準光路を外れた場合にも、射出光が基準光路Ｓに沿った状態を維持するように光軸調節を行う機能を有する。この光軸調節装置の基本構成要素は、図示のとおり、ビーム分配手段１０、光路切換手段２０、角度調節手段３０、位置調節手段４０、検出手段５０、記憶手段６０、制御手段７０である。§１の基本原理で説明した各構成要素との関係では、ビーム分配手段１０は、たとえばハーフミラーを有するプリズムなどの光学素子（いわゆるビームスプリッター）によって構成され、基準光路Ｓ上に光分配面ξを配置する機能を果たし、光路切換手段２０、角度調節手段３０、位置調節手段４０は、光路迂回調節手段２としての機能を果たす。また、検出手段５０、記憶手段６０、制御手段７０は、基準情報取得手段１および制御手段３としての機能を果たす。以下、これら各手段の機能を個々に説明する。なお、図において一点鎖線は基準光路Ｓ、二点鎖線は迂回光路、破線は検出用光路、実線は電気信号の経路を示す。
【００４０】
まず、ビーム分配手段１０は、光分配面ξを基準光路Ｓ（図の一点鎖線）上に配置する役割を果たす。光分配面ξは、既に述べたように、照射された光の一部を反射、一部を透過させる機能をもった面であり、たとえば、図の右側から入射してきた入射光Ｌ１がこのビーム分配手段１０に照射されると、光分配面ξにおいて、透過光と反射光とに分けられる。ここでは、入射光Ｌ１に基いて生じた透過光（図においてビーム分配手段１０から左方向に射出される光）を入射光透過光Ｌ２と呼び、入射光Ｌ１に基いて生じた反射光（図においてビーム分配手段１０から上方向に射出される光）を入射光反射光Ｌ３と呼ぶことにする。
【００４１】
光路切換手段２０は、入射点Ｑinとビーム分配手段１０との間に配置され、入射光Ｌ１の光路を切り換えるための構成要素である。すなわち、光路切換手段２０は、入射光Ｌ１をそのまま透過させてビーム分配手段１０へと導く第１の機能と、入射光Ｌ１の向きを所定の迂回光路（図の二点鎖線）に向けて変化させ、迂回光Ｌ４として射出する第２の機能と、の２つの機能を選択的に実行することができる。角度調節手段３０は、この迂回光Ｌ４の向きを所定の設定角度θだけ変化させて角度調節光Ｌ５として射出する機能を果たし、位置調節手段４０は、この角度調節光Ｌ５を入射し、この角度調節光Ｌ５に対して平行で（図示の例の場合、平行で進行方向が逆向き）、所定の設定変位量ｄだけずれた位置を通る位置角度調節光Ｌ６（任意の設定変位量ｄに基く位置調節と、任意の設定角度θに基く角度調節との双方が施された光）を、ビーム分配手段１０の光分配面ξに向けて射出する機能を果たす。
【００４２】
ビーム分配手段１０に照射された位置角度調節光Ｌ６は、光分配面ξによって透過光と反射光とに分配される。ここでは、位置角度調節光Ｌ６に基いて生じた透過光（図においてビーム分配手段１０から上方向に射出される光）を調節光透過光Ｌ７と呼び、位置角度調節光Ｌ６に基いて生じた反射光（図においてビーム分配手段１０から左方向に射出される光）を調節光反射光Ｌ８と呼ぶことにする。結局、光路切換手段２０が第１の機能を実行しているときには、ビーム分配手段１０から入射光透過光Ｌ２および入射光反射光Ｌ３が得られ、光路切換手段２０が第２の機能を実行しているときには、ビーム分配手段１０から調節光透過光Ｌ７および調節光反射光Ｌ８が得られることになる。
【００４３】
検出手段５０は、このビーム分配手段１０から図の上方へと進行する入射光反射光Ｌ３または調節光透過光Ｌ７の位置および向きを検出する機能を有する。別言すれば、検出手段５０は、光路切換手段２０が第１の機能を実行しているときには、光分配面ξにおける入射光反射光Ｌ３の位置および向きを検出し、光路切換手段２０が第２の機能を実行しているときには、光分配面ξにおける調節光透過光Ｌ７の位置および向きを検出する。なお、図９および図１０に示す構成を採る場合、すなわち、角度調節手段３０および位置調節手段４０の配置を図示の配置とは変えることにより、位置角度調節光Ｌ６が光分配面ξの逆側に照射されるような構成を採る場合には、調節光透過光が図の左方向のターゲットに向けて射出する光となり、調節光反射光が図の上方の検出手段５０に向けて射出する光となるので、この場合には、検出手段５０によって調節光反射光の位置および向きを検出する必要がある。
【００４４】
記憶手段６０は、§１で述べた基準情報を記憶する構成要素である。すなわち、光路切換手段２０が第１の機能を実行しているときに、検出手段５０によって検出された位置および向き（入射光反射光Ｌ３の位置および向き）を基準情報として記憶する機能を果たす。もちろん、このような基準情報を記憶する処理は、入射光Ｌ１が基準光路Ｓに沿って正しく入射してきており、ビーム分配手段１０から射出される入射光透過光Ｌ２が、ターゲット上の目標点Ｑに正しく照射されている状態で行うことになる。
【００４５】
制御手段７０は、光路切換手段２０が第２の機能を実行しているときに、検出手段５０によって検出される位置および向き（図示の例の場合、調節光透過光Ｌ７の位置および向き）が、記憶手段６０に記憶されている基準情報の位置および向きに近付くように、角度調節手段３０による設定角度θおよび位置調節手段４０による設定変位量ｄを制御する機能を果たす。§１で述べたように、このような制御はフィードバック制御となり、制御系が安定した状態になった時点で、検出手段５０によって検出される位置および向きが、基準情報の位置および向きに一致することになり、ビーム分配手段１０からターゲットに向けて射出される調節光反射光Ｌ８は、基準光路Ｓに沿った光ビームとなる。もちろん、このようなフィードバック制御は、入射光Ｌ１の入射条件に変動が生じた場合にも有効であり、入射光Ｌ１が基準光路Ｓから外れた状態で入射してくるようになったとしても、制御手段７０によるフィードバック制御により、ビーム分配手段１０から射出される調節光反射光Ｌ８は、基準光路Ｓに沿った光ビームとなるように調節される。
【００４６】
なお、このようなフィードバック制御では、制御対象となる量が、設定角度θ（向きの制御）と設定変位量ｄ（位置の制御）との２つになるので、これら２つの量を同時に制御しようとすると、制御動作が複雑になる。そこで、実用上は、設定角度θの制御と設定変位量ｄの制御とを、交互に繰り返して行うようにし、検出手段５０による測定結果が記憶手段６０に記憶されている基準情報に徐々に近付いてゆくようにするのが好ましい。
【００４７】
（Ｂ）図１２は、本発明の基本的な実施形態Ｂに係る光軸調節装置の構成を示すブロック図である。この実施形態Ｂの特徴は、光ビームを迂回光路へ導いた後、まず、位置調節を行い、続いて角度調節（向きの調節）を行う点にある。図１１に示す実施形態Ａとの相違点は、角度調節と位置調節との実施順が逆転しているだけであり、具体的な構成の相違は、角度調節手段３０と位置調節手段４０との位置関係が逆転している点だけである。
【００４８】
すなわち、光路切換手段２０の第２の機能により、入射光Ｌ１が迂回光路へと導かれ、迂回光Ｌ４として射出されたら、まず、位置調節手段４０による位置調節が行われる。この位置調節の結果、迂回光Ｌ４は、所定の設定変位量ｄだけずれた位置を通る位置調節光Ｌ９（図示の例の場合、迂回光Ｌ４と位置調節光Ｌ９とは平行で進行方向も同じ）として射出される。続いて、この位置調節光Ｌ９に対して、角度調節手段３０による設定角度θの調節が行われ、位置角度調節光Ｌ６が得られる。この位置角度調節光Ｌ６が、ビーム分配手段１０へと照射された後に関与する各構成要素については、図１１に示す実施形態Ａと全く同様であり、また、この光軸調節装置の動作も、図１１に示す実施形態Ａの動作と全く同様である。
【００４９】
（Ｃ）図１３は、本発明の基本的な実施形態Ｃに係る光軸調節装置の構成を示すブロック図である。この実施形態Ｃの特徴は、図１１に示す実施形態Ａに係る光軸調節装置において、光路切換手段２０と角度調節手段３０とを、その双方を兼ねる機能をもった光路切換角度調節手段３５に置き換えた点にある。光路切換角度調節手段３５は、入射点Ｑinとビーム分配手段１０との間に配置され、入射光Ｌ１を透過させる第１の機能と、入射光Ｌ１の向きを所定の設定角度θだけ変化させることにより得られる角度調節光Ｌ５を、所定の迂回光路に沿って射出する第２の機能と、の２つの機能を選択的に実行することができる。この第２の機能を実行する際の設定角度θは、制御手段７０による制御対象となり、この設定角度θを制御することにより、角度調節光Ｌ５を、たとえば図に破線で示したＬ５^＊のような向きに調節することが可能である。その他の構成要素や動作については、図１１に示す実施形態Ａと同様である。
【００５０】
（Ｄ）図１４は、本発明の基本的な実施形態Ｄに係る光軸調節装置の構成を示すブロック図である。この実施形態Ｄの特徴は、図１２に示す実施形態Ｂに係る光軸調節装置において、光路切換手段２０と位置調節手段４０とを、その双方を兼ねる機能をもった光路切換位置調節手段４５に置き換えた点にある。光路切換位置調節手段４５は、入射点Ｑinとビーム分配手段１０との間に配置され、入射光Ｌ１を透過させる第１の機能と、入射光Ｌ１の向きを変えることによって得られる迂回光Ｌ４の位置を所定の設定変位量ｄだけ変化させることにより得られる位置調節光Ｌ９を、所定の迂回光路に沿って射出する第２の機能と、の２つの機能を選択的に実行することができる。この第２の機能を実行する際の設定変位量ｄは、制御手段７０による制御対象となり、この設定変位量ｄを制御することにより、位置調節光Ｌ９を、たとえば図に破線で示したＬ９^＊のような位置に調節することが可能である。図１４において、光路切換位置調節手段４５を示すブロックから下方に向かう３本の二点鎖線のうち、迂回光Ｌ４が通る二点鎖線は、入射光Ｌ１の進行方向を単に曲げた光路に相当し（ｄ＝０の場合）、その左右に位置する二点鎖線は、所定の設定変位量だけ平行移動させた光路に相当する。この光軸調節装置のその他の構成要素や動作については、図１２に示す実施形態Ｂと同様である。なお、迂回光Ｌ４を所定の設定変位量ｄだけ平行移動する代わりに、入射光Ｌ１を直接、図示の設定変位量ｄｄだけ平行移動することにより、左水平方向を向いた位置調節光Ｌ９を得るようにしてもかまわない。
【００５１】
§３．具体的な実施形態
上述の§２では、発明の基本的な実施形態を４通り説明したが、ここでは、これら４通りのうちの実施形態Ｂおよび実施形態Ｃについて、より具体的な実施形態を述べる。
【００５２】
図１５は、上述の実施形態Ｃについてのより具体的な実施形態を示す図（光学的要素については平面図、電気的要素および機械的要素についてはブロック図として示す）であり、部品点数が少ないため、コストの低減を図る上では、最も理想的な構成と思われる実施形態である。
【００５３】
光反射素子８１は、入射光を反射させることができる反射面ηを有する光学素子であり、この反射面ηで反射した光ビームは、図に二点鎖線で示す光路Ｄ１を経て、コーナリフレクタ８２へと入射し、更に、光路Ｄ２，Ｄ３を経て、ビーム分配器８３へと入射する。ビーム分配器８３は、§２で述べたビーム分配手段１０として機能する光学素子であり、ハーフミラーなどからなる光分配面ξを有している。また、検出用ビーム分配器８４も、ハーフミラーなどからなる光分配面μを有しており、ビーム分配器８３の光分配面ξから図の上方に向かって進行してきた検出用光ビームを２つのビームに分配する機能を有する。光分配面μによって分配された第１のビーム（この例の場合、透過光）は、受光素子８５によって受光され、分配された第２のビーム（この例の場合、反射光）は、集光レンズ８６を経て受光素子８７によって受光される。受光素子８５および受光素子８７は、二次元平面状の受光面を有し、この受光面上への光ビームの照射位置を示す検出信号を発生させる機能を有している。具体的には、ＰＳＤ（Position Sensing Detector ）素子やＣＣＤ（Charge Coupled Device ）素子を用いて構成すればよい。集光レンズ８６は、平行光線を所定の焦点に集光するレンズであり、受光素子８７の受光面は、この集光レンズ８６からその焦点距離だけ離れた位置に配置されている。したがって、受光素子８７は、受光面上に集光された位置を検出する機能を有する。
【００５４】
後述するように、受光素子８５は、光分配面ξからの検出用光ビームについての位置を検出する位置検出器として機能し、集光レンズ８６および受光素子８７は、光分配面ξからの検出用光ビームについての向きを検出する向き検出器として機能する。結局、検出用ビーム分配器８４、受光素子８５、集光レンズ８６、受光素子８７は、図１３に示す実施形態Ｃにおける検出手段５０に対応する構成要素ということになる。受光素子８５および受光素子８７からの検出信号は、記憶装置９１および制御装置９２に与えられる。ここで、記憶装置９１および制御装置９２は、図１３に示す実施形態Ｃにおける記憶手段６０および制御手段７０に対応する構成要素であり、実際には、メモリやマイクロプロセッサなどを備えたコンピュータにより構成することができる。
【００５５】
角度調節機構９３は、光反射素子８１の向き（反射面ηの向き）を調節する機構であり、より具体的には、この反射面η上で直交する２つの回転軸ω１（基準光路Ｓと反射面ηとの交点Ａを通り図の紙面に垂直な軸）およびω２に関して、光反射素子８１を回転させる機能をもった機構である。実際には、高精度のステッピングモータなどを用いた機構により実現されることになるが、ここではその構造についての詳細な説明は省略する。一方、位置調節機構９４は、コーナリフレクタ８２の位置を調節する機構であり、ここに示す例の場合、コーナリフレクタ８２をＸ軸方向（図において、＋Ｘおよび−Ｘと示した左右方向）およびＹ軸方向（図の紙面に垂直な方向）の二軸方向にそれぞれ独立して平行移動させる機能を有している。別言すれば、位置調節機構９４は、コーナリフレクタ８２を所定平面（ＸＹ平面）に沿って平行移動させる機能を有していることになる。このような位置調節機構９４も、実際には、高精度のステッピングモータなどを用いた機構により実現されることになるが、ここではその構造についての詳細な説明は省略する。
【００５６】
ここで、光反射素子８１についての説明を更に補足すると、この光反射素子８１は、入射点Ｑinとビーム分配器８３との間の基準光路Ｓ上に着脱自在に配置することができるようになっている。すなわち、光反射素子８１は、図にハッチングを施して示した支持機構８８によって取り付けられているが、支持機構８８は、光反射素子８１を着脱自在に支持する機能を有している。この支持機構８８は、たとえば、光反射素子８１を支持するレールなどの単純な機械的構造物によって構成すればよい。この場合、作業者が光反射素子８１を抜き差しすることにより、光反射素子８１を配置したり、除去したりすることができる。もちろん、支持機構８８を電動駆動機能を備えた機構によって構成し、作業者の操作指示に基いて、自動的に基準光路Ｓ上に配置されたり、基準光路Ｓ上から除去されたりするようにしてもかまわない。要するに、光反射素子８１を、基準光路Ｓ上に配置しない第１の状態と、基準光路Ｓ上に配置した第２の状態と、を選択的に採ることができ、かつ、この光反射素子８１を基準光路Ｓ上に配置した場合に、入射光を所望の方向に反射させることができるように反射面ηの角度調節が可能な構成になっていれば、支持機構８８としてどのような機械的構造物を用いてもかまわない。
【００５７】
このように、光反射素子８１を支持機構８８で支持することにより、この光反射素子８１は、図１３に示す実施形態Ｃにおける光路切換角度調節手段３５として機能することになる。すなわち、光反射素子８１を基準光路Ｓ上から脱離させた第１の状態にすれば、入射光をそのままビーム分配器８３へと導く第１の機能が実行されることになり、光反射素子８１を基準光路Ｓ上に配置した第２の状態にすれば、入射光を所定の迂回光路へと導くとともに、所定の設定角度θに応じた角度調節を行う第２の機能が実行されることになる。
【００５８】
図１６は、このような角度調節を行う原理を示すものである。いま、図１６の実線で示されている向きに光反射素子８１が設置されており、この光反射素子８１の反射面ηに対して実線で示す入射光Ｌinが図のような向きに照射され、その結果、図のような向きに実線で示す射出光Ｌout が反射している状態を考える。この状態で、光反射素子８１を紙面上で反時計回りにθ／２だけ回転させて図の破線で示されている状態にし、反射面ηの向きを変えたとすると、射出光は図に破線で示すＬout ^＊のように変化する。ここで、射出光Ｌout とＬout ^＊とのなす角はθである。結局、光ビームの向きを角度θだけ変化させるような調節を行いたい場合には、光反射素子８１を角度θ／２だけ回転させるような制御を行えばよいことになる。
【００５９】
一方、コーナリフレクタ８２は、図１３に示す実施形態Ｃにおける位置調節手段４０として機能する光学素子であり、光反射素子８１からの反射光（図１５の光路Ｄ１を通って入ってくる光ビーム）を入射し、これに平行な逆向光（図１５の光路Ｄ３を通って出て行く光ビーム）を射出する機能を有している。一般に、コーナリフレクタは、立方体を構成する６面のうち、同一頂点Ｃを含む３面の内側を反射面とした光学素子であり、これら反射面内の任意の位置に、任意の向きで入射光を照射すると、必ずこの入射光に平行で逆向きの射出光が得られるという光学的な性質を有する。図１５に示す例では、光路Ｄ１に沿った入射光が反射面ρ１上の入射点Ｃinに入射すると、光路Ｄ２に沿った反射光となり、更に、この光路Ｄ２に沿った反射光が反射面ρ２上の射出点Ｃout で反射して、光路Ｄ３に沿って射出することになる。この場合、入射点Ｃinの位置や入射角度にかかわらず、光路Ｄ１に沿った入射光と光路Ｄ３に沿った射出光とは、必ず平行で逆向きの光となる。なお、このような性質をもった光学素子としては、コーナリフレクタの他にも、コーナキューブプリズムが知られており、位置調節手段としては、コーナリフレクタの代わりにコーナキューブプリズムを用いてもかまわない。
【００６０】
図１７は、コーナリフレクタ８２を用いた位置調節を行う原理を示すものである。いま、図１７の実線で示されている位置にコーナリフレクタ８２が設置されており、このコーナリフレクタ８２に対して実線で示す入射光Ｌinが図のような向きに照射され、その結果、図のような向きに実線で示す射出光Ｌout が射出されている状態を考える。この状態で、コーナリフレクタ８２を紙面上で右方向（＋Ｘ方向）に距離ｄ／２だけ移動させて図の破線で示されている状態にしたとすると、射出光は図に破線で示すＬout ^＊のように変化する。ここで、射出光Ｌout とＬout ^＊との間の変位量はｄである。結局、光ビームの位置を変位量ｄだけ変化させるような調節を行いたい場合には、コーナリフレクタ８２を変位量ｄ／２だけ移動させるような制御を行えばよいことになる。
【００６１】
続いて、図１５に示す光軸調節装置における検出器、すなわち、検出用ビーム分配器８４、受光素子８５、集光レンズ８６、受光素子８７の機能について説明する。この検出器は、光反射素子８１を基準光路Ｓ上に配置しない第１の状態において、ビーム分配器８３の光分配面ξから反射されてきた検出用光ビームについて、光分配面ξ上での位置および向きを検出する第１の機能と、光反射素子８１を基準光路Ｓ上に配置した第２の状態において、ビーム分配器８３の光分配面ξを透過してきた検出用光ビームについて、光分配面上での位置および向きを検出する第２の機能と、を備えている。いずれの機能を実施する場合にも、検出の基本原理は同じであり、光分配面ξからの検出用光ビームについての位置Ｐと向きとを測定することができればよい。そして、第１の機能によって検出された位置および向きは、基準情報として記憶装置９１に記憶されることになり、第２の機能によって検出された位置および向きは、制御装置９２へと与えられ、この検出結果が記憶装置９１に記憶されている基準情報に近付くように、角度調節機構９３および位置調節機構９４に対するフィードバック制御が行われる。
【００６２】
既に述べたように、検出用光ビームは、検出用ビーム分配器８４によって、２つのビームに分配され、受光素子８５によって位置の検出が、受光素子８７によって向きの検出が行われることになる。図１５に示す例では、受光素子８５の受光面上では、点Ｑ１０の位置にビームが照射されており、受光素子８７の受光面上では、点Ｑ２０の位置にビームが照射されており、これら点Ｑ１０および点Ｑ２０の受光面上での位置が、それぞれ検出用光ビームの光分配面ξ上での位置Ｐおよび向きに対応する情報になる。
【００６３】
図１８は、受光素子８５によって、位置検出が行われる原理を説明する図である。いま、図に実線で示すような検出用光ビームＬ１０が、光分配面ξの位置Ｐから検出用ビーム分配器８４の光分配面μを透過して受光素子８５まで到達したとすると、受光面上での照射点は点Ｑ１０になる。このとき、光分配面μから反射して集光レンズ８６で集光され、受光素子８７まで到達した検出用光ビームの集光点は点Ｑ２０になる。ここで、もし、検出用光ビームの光分配面ξ上での位置だけが、ＰからＰ１にずれたとすると（向きは同じであったとする）、検出用光ビームＬ１１は破線に示すような光路を通って、受光素子８５および受光素子８７に照射されることになる。すなわち、受光素子８５の受光面上での照射点は点Ｑ１１となり、もとの点Ｑ１０からずれることになる。一方、受光素子８７の受光面上での集光点は点Ｑ２１となり、もとの点Ｑ２０と同一の点になる。これは、受光素子８７の受光面が集光レンズ８６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８６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８７の受光面上の同一点に集光することになる。かくして、光分配面ξからの検出用光ビームＬ１０に生じた位置の変化は、位置検出器として機能する受光素子８５においてのみ検出されることになり、向き検出器として機能する受光素子８７では検出されない。
【００６４】
これに対して、図１９は、受光素子８７によって、向き検出が行われる原理を説明する図である。いま、図に実線で示すような検出用光ビームＬ１０が、光分配面ξの位置Ｐから検出用ビーム分配器８４の光分配面μを透過して受光素子８５まで到達したとすると、受光面上での照射点は点Ｑ１０になる。このとき、光分配面μから反射して集光レンズ８６で集光され、受光素子８７まで到達した検出用光ビームの集光点は点Ｑ２０になる。ここで、もし、検出用光ビームＬ１０の光分配面ξに対する向きだけがずれたとすると（検出用光ビームの光分配面ξ上の位置Ｐは同じであったとする）、検出用光ビームＬ１２は破線に示すような光路を通って、受光素子８５および受光素子８７に照射されることになる。すなわち、受光素子８５の受光面上での照射点は点Ｑ１２となり、もとの点Ｑ１０からずれることになる。一方、受光素子８７の受光面上での集光点は点Ｑ２２となり、やはりもとの点Ｑ２０からずれることになる。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８６による集光点がずれるからである。かくして、光分配面ξからの検出用光ビームＬ１０に生じた向きの変化は、向き検出器として機能する受光素子８７によって検出できる。ただ、このような向きの変化は、受光素子８５においても検出されることになる。
【００６５】
結局、受光素子８７の検出結果には、向きの変化のみが含まれているのに対し、受光素子８５の検出結果には、位置の変化と向き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、図１５に示す光軸調節装置では、制御装置９２によるフィードバック制御は、まず、向きを一致させるための角度制御（角度調節機構９３に対する制御）を先に行い、続いて、位置を一致させるための位置制御（位置調節機構９４に対する制御）を行うようにするのが好ましい。向きについての検出結果が基準情報に一致すれば、受光素子８５の検出結果から向き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、検出結果を基準情報に徐々に近付けてゆくフィードバック制御が行われることになるので、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。
【００６６】
続いて、この光軸調節装置による自動光軸調節動作の一例を示す。たとえば、図２０に示すように、入射点Ｑinから射出点Ｑout へ向かう基準光路Ｓ（一点鎖線）が形成されている状態において、この基準光路Ｓ上に、この光軸調節装置を挿入したとしよう。この場合、まず、光反射素子８１を基準光路Ｓ上から取り外し、基準光路Ｓに沿って入射してくる入射光をビーム分配器８３の光分配面ξへと導き、この光分配面ξから反射してきた検出用光ビーム（図の破線に示す光路を進む）についての位置Ｐおよび向きを検出する。具体的には、受光素子８５上の点Ｑ１０の位置が、「位置Ｐを示す情報」として検出され、受光素子８７上の点Ｑ２０の位置が、「向きを示す情報」として検出され、これらの情報が基準情報として記憶装置９１（図２０では図示省略）に記憶される。次に、基準光路Ｓ上に光反射素子８１を配置した状態にし、入射光を反射面η上の点Ａで反射させて迂回光路（二点鎖線）へと導き、光分配面ξから透過してきた検出用光ビームについての位置および向きを検出し、これらの検出結果が、記憶装置９１に記憶されている基準情報に一致するようなフィードバック制御を行う。このようなフィードバック制御により、検出用光ビームは、受光素子８５の点Ｑ１０および受光素子８７の点２０に照射された状態となり、ビーム分配器８３からは基準光路Ｓに沿った射出光が射出点Ｑout へ向けて射出されることになる。いわば、図３に示すような状態が得られたことになる。なお、このような状態において、「迂回光路を経てターゲット方向へ射出される光ビーム強度」が、「検出用ビーム分配器８４へと導かれる検出用光ビームの強度」に比べて十分に大きくなるようにするためには、ビーム分配器８３内の光分配面ξを、反射率９９％、透過率１％程度のハーフミラーによって構成しておくようにすればよい。
【００６７】
さて、ここで、何らかの原因により、この光軸調節装置への入射光の入射条件が変動し、図２０に実線で示すような入射光Ｌ１５が与えられるようになったとしよう。すなわち、これまでは、基準光路Ｓに沿った入射光が与えられていたのに、この入射光の位置が若干変動したことになる（ここでは、入射光の向きについての変動はなかったものとしよう）。すると、迂回光路は、図の二点鎖線で示す光路から、図の実線で示す光路へと変化し、光ビームは光分配面ξにおける位置Ｐ１５に照射されることになる。その結果、ビーム分配器８３から図の左方へ射出される光ビームは、基準光路Ｓから外れることになり、その最終照射位置は、ターゲット上の目標点Ｑから外れてしまう。
【００６８】
このような光軸変動は、受光素子８５および受光素子８７によって検出される。すなわち、受光素子８５上の照射点は点Ｑ１０から点Ｑ１５へと変動し、受光素子８７上の集光点は点Ｑ２０から点Ｑ２５へと変動する。もっとも、この例では、入射光の向きについての変動はなかったので、点Ｑ２０と点Ｑ２５とは同一点となり、向きについての調節を行う必要はないことが認識される。そこで、制御手段７０（図２０では図示省略）は、位置についての変動量ｄ（点Ｑ１０と点Ｑ１５との距離）を相殺すべく、位置調節機構９４（図２０では図示省略）に対して制御信号を送り、図２１に破線で示すように、コーナリフレクタ８２を距離ｄ／２だけ図の左方向へシフトさせる。すると、入射光Ｌ１５は、図に実線で示す迂回光路を通って、光分配面ξの「変動が生じる前の位置Ｐ」へと導かれるような位置調節が行われることになり、受光素子８５上の照射点は点Ｑ１０へ戻り、受光素子８７上の集光点は点Ｑ２０となる。かくして、ビーム分配器８３から図の左方へ射出される光ビームは、基準光路Ｓ上の位置に戻され、その最終照射位置は、ターゲット上の目標点Ｑに戻される。
【００６９】
以上、入射光について位置変動が生じた場合を述べたが、向きの変動が生じた場合には、光反射素子８１の角度が調節され、同様の自動光軸調節が行われることになる。
【００７０】
最後に、もうひとつの具体的な実施形態を述べておく。図２２は、上述の実施形態Ｂについてのより具体的な実施形態を示す図（光学的要素については平面図、電気的要素および機械的要素についてはブロック図として示す）である。この図２２に示す光軸調節装置の構成および動作は、図１５に示す光軸調節装置の構成および動作とほぼ同じであるため、ここでは両者の相違点のみを述べておく。両者の根本的な相違点は、図１３に示す実施形態Ｃと図１２に示す実施形態Ｂとの相違に基く。すなわち、図２２に示す光軸調節装置では、図１５に示す光反射素子８１が光反射素子９５に置き換えられており、更に、新たに光反射素子９６が追加されている。これは、図１５の光反射素子８１が、図１３の光路切換角度調節手段３５に相当する構成要素であるのに対し、図２２の光反射素子９５および９６が、それぞれ図１２の光路切換手段２０および角度調節手段３０に相当する構成要素であるためである。
【００７１】
要するに、光反射素子９５は、入射光を反射面η１上の点Ａで反射させることにより、迂回光路Ｄ１へと導く機能を有しているものの、角度の調節機能は有しておらず、角度の調節は光反射素子９６によって行うようにしているのである。コーナリフレクタ８２が位置調節機能を果たす点は、図１５の光軸調節装置と同様である。結局、この図２２に示す光軸調節装置では、光反射素子９５によって光路Ｄ１へと迂回させられた光ビームに対して、まず、コーナリフレクタ８２による位置調節が施され、続いて、光反射素子９６による角度調節が施されることになる。光反射素子９６は、反射面η２上で直交する二軸ω３およびω４を回転軸として回転する構造となっており、角度調節機構９３によって向きの制御が行われる。
【００７２】
なお、この光軸調節装置においても、基準情報を得て記憶装置９１に記憶させる作業を行うために、基準光路Ｓに沿って入射してきた入射光を、そのままビーム分配器８３まで導くことができるような構造にしておく必要があるので、光反射素子９５を支持機構９７によって着脱自在に支持し、光反射素子９６を支持機構９８によって着脱自在に支持するようにしてある。基準情報を得る作業を行う際には、光反射素子９５，９６をともに基準光路Ｓ上から除去し、基準光路Ｓに沿った入射光をそのままビーム分配器８３へと導けばよい。もっとも、光反射素子９６を透明材料で構成しておき、反射面η２を完全な反射面ではなく、光の一部を透過する面にしておけば、光反射素子９６の内部を通じて、基準光路Ｓに沿った入射光をビーム分配器８３まで導くことができるので、光反射素子９６は必ずしも着脱自在な形で配置する必要はない。また、光反射素子９６の配置を工夫して、基準光路Ｓを妨げないような位置に配置することが可能であれば、光反射素子９６を着脱自在にする必要はない。
【００７３】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、既存の光路を通る光ビームを安定維持させるのに適した光軸調節装置を実現することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る光軸調節装置により光軸を安定させる対象となる光学系の構成を示す図である。
【図２】図１に示す光学系におけるビーム源の変動要因に基いて、光軸ずれが生じた状態を示す図である。
【図３】図１に示す光学系における基準光路Ｓ上に本発明に係る光軸調節装置を挿入した状態を示す図である。
【図４】本発明に係る光軸調節装置の機能により、光軸が安定維持される状態を示す図である。
【図５】本発明に係る光軸調節装置における基準情報取得の原理を説明する図である。
【図６】本発明に係る光軸調節装置において形成される迂回光路を示す図である。
【図７】図６に示す光軸調節装置によるフィードバック制御の結果を示す図である。
【図８】図６に示す光軸調節装置によるフィードバック制御により、光源側に変動が生じた場合にも、光軸が安定維持される状態を示す図である。
【図９】本発明に係る光軸調節装置において形成される迂回光路の別な態様を示す図である。
【図１０】図９に示す光軸調節装置によるフィードバック制御の結果を示す図である。
【図１１】本発明の基本的な実施形態Ａに係る光軸調節装置の構成を示すブロック図である。
【図１２】本発明の基本的な実施形態Ｂに係る光軸調節装置の構成を示すブロック図である。
【図１３】本発明の基本的な実施形態Ｃに係る光軸調節装置の構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明の基本的な実施形態Ｄに係る光軸調節装置の構成を示すブロック図である。
【図１５】本発明の基本的な実施形態Ｃに対応した具体的な光軸調節装置の構成を示す図である。
【図１６】図１５に示す光軸調節装置における光反射素子による角度調節の原理を示す図である。
【図１７】図１５に示す光軸調節装置におけるコーナリフレクタによる位置調節の原理を示す図である。
【図１８】図１５に示す光軸調節装置における位置変動の検出原理を示す図である。
【図１９】図１５に示す光軸調節装置における角度変動の検出原理を示す図である。
【図２０】図１５に示す光軸調節装置において、入射光に位置変動が生じた状態を示す図である。
【図２１】図１５に示す光軸調節装置において、入射光に位置変動が生じた場合に行われる自動光軸調節を示す図である。
【図２２】本発明の基本的な実施形態Ｂに対応した具体的な光軸調節装置の構成を示す図である。
【符号の説明】
１…基準情報取得手段
２…光路迂回調節手段
３…制御手段
１０…ビーム分配手段
２０…光路切換手段
３０…角度調節手段
３５…光路切換角度調節手段
４０…位置調節手段
４５…光路切換位置調節手段
５０…検出手段
６０…記憶手段
７０…制御手段
８１…光反射素子
８２…コーナリフレクタ（コーナキューブプリズム）
８３…ビーム分配器
８４…検出用ビーム分配器
８５…受光素子
８６…集光レンズ
８７…受光素子
８８…支持機構
９１…記憶装置
９２…制御装置
９３…角度調節機構
９４…位置調節機構
９５，９６…光反射素子
９７，９８…支持機構
１００…ビーム源
２００…ターゲット
３００…本発明に係る光軸調節装置
Ａ…光ビームの入射位置
Ｂ…光ビーム
Ｂｒ…光分配面ξからの反射光
Ｂｔ…光分配面ξからの透過光
Ｃ…コーナリフレクタの頂点
Ｃin…入射点
Ｃout …射出点
Ｄ，Ｄａ，Ｄ１〜Ｄ７，Ｄ１ａ〜Ｄ７ａ，Ｄ１ｂ〜Ｄ３ｂ…迂回光路
ｄ，ｄｄ…位置の変位量
Ｉ（Ｐ０，α０）…基準情報
Ｌ１…入射光
Ｌ２…入射光透過光
Ｌ３…入射光反射光
Ｌ４…迂回光
Ｌ５，Ｌ５^＊…角度調節光
Ｌ６…位置角度調節光
Ｌ７…調節光透過光
Ｌ８…調節光反射光
Ｌ９，Ｌ９^＊…位置調節光
Ｌ１０，Ｌ１１，Ｌ１２…検出用光ビーム
Ｌ１５…変動した光ビーム
Ｌin…入射光
Ｌout ，Ｌout ^＊…射出光
Ｎ…光分配面ξ上の法線
Ｐ，Ｐ１…検出対象となる光ビームの位置
Ｐ０…基準情報となる位置
Ｑ…目標点
Ｑin…入射点
Ｑout …射出点
Ｑ１０，Ｑ１１，Ｑ１２，Ｑ１５…照射点
Ｑ２０，Ｑ２１，Ｑ２２，Ｑ２５…集光点
Ｓ…基準光路
α…検出対象となる光ビームの射出角度
α０…基準情報となる角度
η，η１，η２…反射面
θ…調節角度
μ…反射面
ξ…光分配面
ρ１，ρ２…反射面
ω１〜ω４…回転軸[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present inventionOptical axis adjustment deviceIn particular, by inserting the optical system into the optical system in which the optical axis adjustment has already been completed, it is possible to prevent a phenomenon in which the optical axis shifts due to an unstable element of operation or aging.Optical axis adjustment deviceAbout.
[0002]
[Prior art]
The light beam is widely used in various industrial fields such as a fine pattern exposure process, a material processing process, and information communication. In an optical system using a light beam, it is important to adjust the optical axis. In particular, in a process of performing precise processing using a laser beam or the like, an accurate optical axis adjustment operation is required. In general, the optical axis of a light beam is adjusted by a device that combines optical elements such as a reflecting mirror and a prism. The operator may adjust the optical axis manually, or the output signal from the position sensor of the light beam. In some cases, the adjustment is performed by automatic control.
[0003]
[Problems to be solved by the invention]
In order to perform the optical axis adjustment as described above, various optical axis adjustment devices have been used so far. Such a conventionally used optical axis adjusting device is intended to perform adjustment for guiding a light beam emitted from a light source to a predetermined position of a target, and newly installs an optical system. In such a case, a sufficient effect can be exhibited for adjusting the optical axis. However, an optical system for which optical axis adjustment has already been completed is not necessarily suitable for use in preventing a phenomenon in which the optical axis shifts due to unstable elements of operation or aging. In other words, the conventional optical axis adjusting device is designed for the purpose of making an adjustment to actively guide the light beam to a desired optical path, and when there is a light beam passing through the existing optical path, It is unsuitable for use for the purpose of maintaining the optical path stably.
[0004]
  Therefore, the present invention is suitable for stably maintaining the light beam passing through the existing optical path.Optical axis adjustment deviceThe purpose is to provide.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
  (1) The first aspect of the present invention is:Referring to FIG. 11, the optical axis adjusting apparatus according to Embodiment A described in §2 to be described later. After guiding the light beam to the detour optical path, first, angle adjustment is performed, and then position adjustment is performed. The present invention relates to an optical axis adjustment device having a configuration to be performed. That is, when there is a light beam along the reference optical path that passes through the incident point and the exit point, the light beam is arranged between the incident point and the exit point so that the incident light exits the reference optical path. In the optical axis adjustment device having the function of adjusting the optical axis so that the light is maintained along the reference optical path,
  Arranged on the reference optical path, has a light distribution surface that reflects part of the irradiated light and transmits part of the light, and consists of reflected part of incident light and part of transmitted light. Incident light transmitted light, beam distribution means for distributing to,
  A first function that is disposed between the incident point and the beam distribution means, and transmits incident light; and a second function that changes the direction of the incident light toward a predetermined detour light path and emits the detour light as a detour light; Optical path switching means capable of selectively executing the two functions;
  Angle adjusting means for changing the direction of the bypass light by a predetermined set angle and emitting it as angle adjusting light;
  The angle adjustment light is incident, and the position angle adjustment light passing through the position parallel to the angle adjustment light and shifted by a predetermined set displacement amount is emitted toward the light distribution surface of the beam distribution means. A position adjusting means for distributing the position angle adjusting light to the reflected adjusting light reflected light composed of a part and the transmitted adjusted light transmitted light composed of a part transmitted;
  When the optical path switching means is performing the first function, the position and direction of the incident light reflected light on the light distribution surface are detected, and when the optical path switching means is performing the second function, Detecting means for detecting the position and orientation of the adjusting light transmitted light or the adjusting light reflected light;
  Storage means for storing the position and orientation detected by the detection means as reference information when the optical path switching means is executing the first function;
  Setting by the angle adjustment means so that the position and orientation detected by the detection means approach the position and orientation of the reference information stored in the storage means when the optical path switching means is executing the second function. Control means having a function of controlling the amount of displacement set by the angle and position adjusting means;
  Is provided.
[0008]
  (2) The second aspect of the present invention is:Referring to FIG. 12, the present invention relates to an optical axis adjustment device according to Embodiment B described in §2 to be described later, and after guiding the light beam to the detour optical path, The present invention relates to an optical axis adjusting device having a configuration for adjusting the position and subsequently adjusting the angle. That is, when there is a light beam along the reference optical path that passes through the incident point and the exit point, the light beam is arranged between the incident point and the exit point so that the incident light exits the reference optical path. In the optical axis adjustment device having the function of adjusting the optical axis so that the light is maintained along the reference optical path,
  Arranged on the reference optical path, has a light distribution surface that reflects part of the irradiated light and transmits part of the light, and consists of reflected part of incident light and part of transmitted light. Incident light transmitted light, beam distribution means for distributing to,
  A first function that is disposed between the incident point and the beam distribution means, and transmits incident light; and a second function that changes the direction of the incident light toward a predetermined detour light path and emits the detour light as a detour light; Optical path switching means capable of selectively executing the two functions;
  Position adjusting means for entering detour light and emitting position adjustment light passing through a position parallel to the detour light and shifted by a predetermined set displacement amount;
  By emitting the position angle adjustment light obtained by changing the direction of the position adjustment light by a predetermined setting angle toward the light distribution surface of the beam distribution means, the position angle adjustment light is reflected from a part of the reflected light. Angle adjusting means for distributing the adjusting light reflected light and the adjusting light transmitted light consisting of the transmitted part,
  When the optical path switching means is performing the first function, the position and direction of the incident light reflected light on the light distribution surface are detected, and when the optical path switching means is performing the second function, Detecting means for detecting the position and orientation of the adjusting light transmitted light or the adjusting light reflected light;
  Storage means for storing the position and orientation detected by the detection means as reference information when the optical path switching means is executing the first function;
  Setting by the angle adjustment means so that the position and orientation detected by the detection means approach the position and orientation of the reference information stored in the storage means when the optical path switching means is executing the second function. Control means having a function of controlling the amount of displacement set by the angle and position adjusting means;
  Is provided.
[0009]
  (3) The third aspect of the present invention is:Referring to FIG. 13, the present invention relates to an optical axis adjustment device according to Embodiment C described in §2, which will be described later. In the optical axis adjustment device according to the third aspect described above, an optical path switching means, an angle adjustment means, There is a feature in that means that serves as both of these is used. That is, when there is a light beam along the reference optical path that passes through the incident point and the exit point, the light beam is arranged between the incident point and the exit point so that the incident light exits the reference optical path. In the optical axis adjustment device having the function of adjusting the optical axis so that the light is maintained along the reference optical path,
  Arranged on the reference optical path, has a light distribution surface that reflects part of the irradiated light and transmits part of the light, and consists of reflected part of incident light and part of transmitted light. Incident light transmitted light, beam distribution means for distributing to,
  A first function that is disposed between the incident point and the beam distribution means and transmits incident light, and angle adjustment light obtained by changing the direction of the incident light by a predetermined set angle are provided in a predetermined bypass optical path. An optical path switching angle adjusting means capable of selectively executing the two functions of: a second function of emitting along;
  The position adjustment light is incident on the beam distribution means, and the position adjustment light passing through the position that is parallel to the angle adjustment light and shifted by a predetermined set displacement amount is emitted toward the light distribution surface of the beam distribution means. Position adjusting means for distributing the angle adjusting light to the reflected reflected adjusting light reflected from the reflected part and the transmitted adjusted light transmitted from the transmitted part;
  When the optical path switching angle adjusting means is executing the first function, the position and direction of the incident light reflected light on the light distribution surface is detected, and when the optical path switching angle adjusting means is executing the second function, Detection means for detecting the position and orientation of the adjusting light transmitted light or adjusting light reflected light on the light distribution surface;
  Storage means for storing, as reference information, the position and orientation detected by the detection means when the optical path switching angle adjustment means is executing the first function;
  When the optical path switching angle adjusting means is performing the second function, the optical path switching angle is such that the position and orientation detected by the detecting means approaches the position and orientation of the reference information stored in the storage means. Control means having a function of controlling the set angle by the adjusting means and the set displacement amount by the position adjusting means;
  Is provided.
[0010]
  (4) The fourth aspect of the present invention is:Referring to FIG. 14, the present invention relates to an optical axis adjustment apparatus according to Embodiment D described in §2, which will be described later. In the optical axis adjustment apparatus according to the fourth aspect described above, an optical path switching means, a position adjustment means, There is a feature in that means that serves as both of these is used. That is, when there is a light beam along the reference optical path that passes through the incident point and the exit point, the light beam is arranged between the incident point and the exit point so that the incident light exits the reference optical path. In the optical axis adjustment device having the function of adjusting the optical axis so that the light is maintained along the reference optical path,
  Arranged on the reference optical path, has a light distribution surface that reflects part of the irradiated light and transmits part of the light, and consists of reflected part of incident light and part of transmitted light. Incident light transmitted light, beam distribution means for distributing to,
  The first function that is disposed between the incident point and the beam distribution means and transmits the incident light, and the detour light obtained by entering the incident light and changing the direction of the incident light or the incident light. Optical path switching position adjusting means capable of selectively executing two functions: a second function of emitting position adjusting light passing through a position parallel and shifted by a predetermined set displacement amount along a predetermined detour optical path When,
  By emitting the position angle adjustment light obtained by changing the direction of the position adjustment light by a predetermined setting angle toward the light distribution surface of the beam distribution means, the position angle adjustment light is reflected from a part of the reflected light. Angle adjusting means for distributing the adjusting light reflected light and the adjusting light transmitted light consisting of the transmitted part,
  When the optical path switching position adjusting means is executing the first function, the position and direction of the incident light reflected light on the light distribution surface is detected, and when the optical path switching position adjusting means is executing the second function, Detection means for detecting the position and orientation of the adjusting light transmitted light or adjusting light reflected light on the light distribution surface;
  Storage means for storing the position and orientation detected by the detection means as reference information when the optical path switching position adjustment means is executing the first function;
  The angle adjusting means so that the position and orientation detected by the detecting means approach the position and orientation of the reference information stored in the storage means when the optical path switching position adjusting means performs the second function. Control means having a function of controlling the set angle by the optical path switching position adjusting means and the set displacement amount by the optical path switching position adjusting means;
  Is provided.
[0011]
  (5) The fifth aspect of the present invention is the first to fourth aspects described above.In the optical axis adjustment device according to
  The beam distribution means is constituted by an optical element on which a half mirror functioning as a light distribution surface is formed.
[0012]
  (6) The sixth aspect of the present invention is the first to fifth aspects described above.In the optical axis adjustment device according to
  The optical path switching means, the optical path switching angle adjusting means, or the optical path switching position adjusting means is composed of an optical element having a function of bypassing incident light and a support mechanism that detachably supports the optical element on the reference optical path. The first function is executed by detaching the optical element from the reference optical path, and the second function is executed by mounting the optical element on the reference optical path.
[0013]
  (7) The seventh aspect of the present invention is the first to sixth aspects described above.In the optical axis adjustment device according to
  The angle adjusting means or the optical path switching angle adjusting means includes an optical element having a reflecting surface and an angle adjusting mechanism for adjusting the angle by rotating the optical element with respect to two rotation axes orthogonal to each other on the reflecting surface. It is what you do.
[0014]
  (8) The eighth aspect of the present invention is the first to seventh aspects described above.In the optical axis adjustment device according to
  The position adjusting means or the optical path switching position adjusting means is configured by an optical element having a corner reflector or a corner cube prism, and a position adjusting mechanism for translating the optical element along a predetermined plane.
[0015]
  (9) The ninth aspect of the present invention is the first to eighth aspects described above.In the optical axis adjustment device according to
  The detection means includes a detection beam distributor for distributing the detection beam from the light distribution surface into two beams, a position detector for detecting a position based on the distributed first beam, and a distributed second And a direction detector for detecting the direction based on the beam.
[0016]
  (10) The tenth aspect of the present invention is the ninth aspect described above.In the optical axis adjustment device according to
  The position detector is constituted by a light receiving element that detects the irradiation position of the beam onto a predetermined light receiving surface.
[0017]
  (11) The eleventh aspect of the present invention is the ninth aspect described above.In the optical axis adjustment device according to
  The direction detector has a condensing lens for condensing parallel light rays at a predetermined focal point, and a condensing position on the light receiving surface, the light receiving surface being disposed at a focal distance from the condensing lens. And a light receiving element for detecting the above.
[0020]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described based on the illustrated embodiments.
[0021]
§1. Basic principle of the present invention
First, the basic principle of the present invention will be briefly described. The main point of the present invention is an optical axis suitable for an application that prevents a phenomenon in which an optical axis shifts due to an unstable element of operation or a secular change in an optical system in which optical axis adjustment has already been completed. It is to provide an adjusting device, and to provide an optical axis adjusting device having a function of stably maintaining a light beam passing through an existing optical path.
[0022]
Consider a case where a light beam is irradiated from a beam source 100 to a target point Q of a target 200 as shown in FIG. Here, the beam source 100 includes a light source that generates a light beam and an optical system (optical axis adjusting device) that adjusts the optical axis of the light beam. This is done by adjusting this built-in optical system. As described above, the conventional general optical axis adjusting device aims at positively adjusting the position of the light beam to match a predetermined target point, and is incorporated in the beam source 100. By the optical axis adjustment operation using the optical axis adjustment device, the light beam can reach the target point Q on the target 200. When such an optical axis adjustment operation is completed, the light beam emitted from the beam source 100 travels along the reference optical path S (indicated by a one-dot chain line in the figure) from the incident point Qin to the exit point Qout. Point Q is reached.
[0023]
As shown in FIG. 1, once the optical axis adjustment operation is completed, theoretically, the light beam emitted from the beam source 100 always passes along the reference optical path S to the target point Q. In reality, however, a phenomenon occurs in which the adjusted optical axis is deviated due to an unstable element of the operation of the beam source 100 itself or a secular change. For example, when used for a long period of time, a displacement may occur in the mounting position of the beam source 100 due to the influence of vibration or the like on the beam source 100. Then, as shown in FIG. 2, the light beam B emitted from the beam source 100 does not correctly enter the position of the incident point Qin and deviates from the reference optical path S. For this reason, the light beam B deviates from the target point Q on the target 200. Of course, even if there is no displacement in the mounting position of the beam source 100 itself, the same result can be obtained even if a positional displacement occurs in the individual optical elements constituting the optical system inside the beam source 100. Even if the optical system itself is not displaced, there is a possibility that the light beam B will fluctuate based on an unstable element inherent to the light source. For example, when a laser light source or the like is used, the operation may become unstable for a while immediately after startup. In addition, fluctuations in the light beam B may occur due to disturbances such as fluctuations in the power supply voltage.
[0024]
The aim of the present invention is when a predetermined reference optical path S from the entrance point Qin to the exit point Qout has already been set and there is a light beam traveling along the reference optical path S as in the example shown in FIG. In addition, there is an automatic optical axis adjustment so that the emitted light can maintain the state along the reference optical path S even when the incident light deviates from the reference optical path S in the future for some reason. In other words, as shown in FIG. 3, the aim of the present invention is to set the optical axis adjusting device 300 according to the present invention to the incident point Qin and the exit point Qout in a state where a predetermined reference optical path S is already set. If the incident light to the optical axis adjusting device 300 is changed for some reason in the future, the light emitted from the optical axis adjusting device 300 is changed to the original. The point is that it can be maintained in a state. That is, in the state where the correct optical axis adjustment along the reference optical path S is performed on the light beam from the beam source 100, the optical axis adjustment apparatus 300 according to the present invention is installed in the reference optical path S as shown in FIG. If inserted above, as shown in FIG. 4, even if the optical axis on the beam source 100 side fluctuates and the incident condition of the light beam B with respect to the optical axis adjustment device 300 changes, the optical axis adjustment device 300. The light emitted from the light beam is automatically adjusted to maintain the same conditions as before. The basic principle for performing such automatic optical axis adjustment will be described below.
[0025]
Now, as shown in FIG. 5, when the reference optical path S is set from the incident point Qin to the exit point Qout, it is assumed that the light distribution surface ξ is arranged on the reference optical path S. This light distribution surface ξ is a surface having a property of reflecting a part of irradiated light and transmitting a part thereof. Actually, the beam distribution means having the light distribution surface ξ composed of a half mirror or the like may be arranged on the reference optical path S. When such a beam distribution unit is arranged on the reference optical path S, the light beam B incident on the incident point Qin along the reference optical path S is distributed into two light beams by the beam distribution unit. . That is, part of the light is transmitted through the light distribution surface ξ as it is to be transmitted light Bt, and part of the light is reflected by the light distribution surface ξ to be reflected light Br. At this time, the transmitted light Bt passes through the position P0 on the light distribution surface ξ along the reference optical path S and becomes light emitted from the exit point Qout, but the reflected light Br is the position P0 on the light distribution surface ξ. The direction of the light is changed and the light goes upward in the figure. Here, if the normal line standing at the position P0 on the light distribution surface ξ is N, the incident angle and the reflection angle of the light beam B are equal, and both are α0.
[0026]
Therefore, for the reflected light Br obtained at this time, the position P0 and direction (for example, the reflection angle α0) on the light distribution surface ξ are measured, and the measurement result is obtained as reference information. The reference information acquisition means 1 shown in the figure is a component (a specific configuration example will be described later) having a function of acquiring such reference information I (P0, α0). Such a reference information acquisition operation is performed in a state where the optical axis of the light beam B is correctly adjusted along the reference optical path S (in other words, the transmitted light Bt is aligned with the predetermined target point along the reference optical path S). It is necessary to go in a state to reach to).
[0027]
In practicing the present invention, it is necessary to add an optical path detour adjustment means 2 to this system as shown in FIG. In the figure, for convenience, the optical path detour adjustment unit 2 is shown as a simple block, but actually, the optical path detour adjustment unit 2 is constituted by a plurality of optical elements. The optical path detour adjustment unit 2 guides the light beam B of the incident light to the detour optical path D different from the reference optical path S and adjusts the position and direction of the guided light beam as required by the operator's operation. And has a function of irradiating the light distribution surface ξ. In the example shown in the figure, this detour optical path D is constituted by optical paths D1, D2 and D3, both of which are indicated by two-dot chain lines. The position and orientation of the light beam guided to the detour optical path D are adjusted by the optical path detour adjustment means 2. Here, “position adjustment” is a process of translating the optical path of the light beam by a predetermined set displacement amount, and “direction adjustment” is a process of changing the optical path of the light beam by a predetermined set angle. It is. Of course, when such a position and orientation adjustment is performed on the bypass optical path D, the bypass optical path D itself changes. Therefore, the “detour optical path D” in the present application does not mean a specific path, but an indefinite form that changes variously according to position and orientation adjustment processing. The “position adjustment” and “direction adjustment” will be described in detail later with specific examples.
[0028]
Thus, the light beam that has passed through the bypass optical path D is irradiated onto the light distribution surface ξ. Which position of the light distribution surface ξ is irradiated in what direction is determined on the bypass optical path D. Depending on the adjusted position and orientation. Here, it is assumed that the light beam along the optical path D3 in FIG. 6 is irradiated to the position P on the light distribution surface ξ as a result of the adjustment of the position and orientation performed in the detour optical path D. As described above, the light distribution surface ξ is a surface having a property of reflecting a part of the irradiated light and transmitting a part thereof, and the light beam passing through the detour optical path D is transmitted by the light distribution surface ξ. It will be distributed to two light beams. That is, part of the light is transmitted through the light distribution surface ξ as it is to be transmitted light Bt, and part of the light is reflected by the light distribution surface ξ to be reflected light Br. At this time, if the normal line standing at the position P is N, the angle formed between the transmitted light Bt and the normal line N and the angle formed between the reflected light Br and the normal line N become the same angle α ( Of course, the angle formed by the optical path D3 and the normal N is also the angle α).
[0029]
Subsequently, the position P and the direction (for example, the reflection angle α) on the light distribution surface ξ are measured for the transmitted light Bt obtained at this time. Of course, this measurement result is usually different from the reference information I (P0, α0) acquired in advance by the reference information acquisition means 1 shown in FIG. 5 (as can be seen by comparing FIG. 5 and FIG. 6). , Position P and position P0 do not match, and angle α and angle α0 do not match). Therefore, the optical path detour adjustment unit 2 is controlled so that the measurement result approaches the reference information I (P0, α0). The control means 3 shown in FIG. 6 measures the position and orientation of the transmitted light Bt on the light distribution plane ξ, and the optical path detour adjustment means 2 so that the measurement result approaches the reference information I (P0, α0). It is a component with a function to control As described above, since the optical path detour adjustment means 2 has a function of adjusting the position and direction of the light beam on the detour optical path D, the measurement result by the control means 3 is the reference information I (P0, α0). It is possible to perform feedback control that matches the above.
[0030]
FIG. 7 shows a state in which the measurement result has reached a point where it completely matches the reference information I (P0, α0) by feedback control by the control means 3. The detour path Da guided by the optical path detour adjustment means 2 includes optical paths D1a, D2a, and D3a, and is different from the detour optical path D shown in FIG. As a result, the irradiation position P of the light beam on the light distribution surface ξ via the detour optical path Da coincides with the position P0 shown in FIG. 5, and the position P on the light distribution surface ξ with respect to the transmitted light Bt and The direction (for example, the reflection angle α) completely matches the reference information I (P0, α0) (P = P0, α = α0). Comparing FIG. 5 and FIG. 7, the reflected light Br in FIG. 5 completely matches the transmitted light Bt in FIG. 7, and the transmitted light Bt in FIG. 5 completely matches the reflected light Br in FIG. You can see that The important point here is that the reflected light Br and the transmitted light Bt shown in FIG. 5 are light beams obtained by distributing the light beam that has passed through the reference optical path S, whereas the transmitted light shown in FIG. Bt and reflected light Br are light beams obtained by distributing the light beam that has passed through the detour optical path Da. Here, just as the transmitted light Bt shown in FIG. 5 is emitted as a light beam along the reference optical path S from the emission point Qout, the reflected light Br shown in FIG. 7 is changed from the emission point Qout to the reference optical path S. Considering that the light is emitted as a light beam along the optical path detouring means 2, “the light exiting along the reference optical path S can be obtained from the exit point Qout” even though the detouring by the optical path detour adjustment means 2 is performed. As for the state of FIG. 7, there is no change compared to the state of FIG.
[0031]
As shown in FIG. 1, in a state where a predetermined reference optical path S is set, as shown in FIG. 3, an optical axis adjusting device 300 according to the present invention is inserted on the reference optical path S, and this Even if the incident light beam is diverted to the detour optical path by the optical path detour adjustment means 2 inside the optical axis adjuster 300, the light traveling from the optical axis adjuster 300 to the target point Q along the reference optical path S It means that the beam can be emitted. More specifically, as shown in FIG. 3, when the optical axis adjustment device 300 is inserted on the reference optical path S, as shown in FIG. 3, first, the optical path detour adjustment means 2 does not perform detouring, and the process is shown in FIG. As described above, the incident light beam B is directly guided to the light distribution surface ξ, and the reference information acquisition unit 1 acquires the reference information I (P0, α0). Subsequently, the optical path detour adjustment unit 2 performs detouring, and the incident light beam B is guided to the detour optical path D. Thus, at the beginning of switching the path of the incident light beam B to the bypass optical path D, the reflected light Br from the light distribution surface ξ is not reflected in the light beam along the reference optical path S as shown in FIG. Therefore, the light beam emitted from the optical axis adjusting device 300 is out of the reference optical path S. However, since the feedback control described above is performed, the detour optical path D eventually changes to the detour optical path Da as shown in FIG. 7, and the reflected light Br from the light distribution surface ξ becomes a light beam along the reference optical path S. The light beam emitted from the optical axis adjusting device 300 is along the reference optical path S.
[0032]
After all, as shown in FIG. 3, when the optical axis adjustment device 300 according to the present invention is inserted into the existing reference optical path S, the light from the beam source 100 is initially switched to the detour optical path D. Although the beam deviates from the target point Q on the target 200, when the feedback control system becomes stable, the light beam returns to the state where the target point Q is irradiated as before. Therefore, even if the optical axis adjusting device 300 according to the present invention is inserted into the existing reference optical path S in which the optical axis adjustment has already been completed, a temporary change in the optical axis occurs, but the state immediately Therefore, the entire system from the beam source 100 to the target 200 can be used as it is. In addition, when the optical axis adjusting device 300 is inserted and the incident light to the optical axis adjusting device 300 is changed for some reason in the future, the light emitted from the optical axis adjusting device 300 is in its original state. The automatic optical axis adjustment is maintained to maintain the above. That is, as shown in FIG. 4, even if the optical axis on the beam source 100 side fluctuates and the incident condition of the light beam B with respect to the optical axis adjusting device 300 changes, the light emitted from the optical axis adjusting device 300 is Thus, automatic optical axis adjustment is performed so as to maintain the same conditions as in FIG.
[0033]
This is because the following feedback control is performed. For example, originally, as shown in FIG. 7, the light beam B along the reference optical path S should have been given to the incident point Qin, but for some reason, as shown in FIG. Suppose that the incident condition of B has changed. When such a variation occurs, the measurement result of the position P and the direction α of the transmitted light Bt measured by the control unit 3 does not coincide with the reference information I (P0, α0) acquired in advance. Feedback will work in the direction to match. As a result, the detour optical path Da shown in FIG. 7 is changed to the detour optical path Db (comprising the optical paths D1b, D2b, and D3b) shown in FIG. The position P and the direction (for example, the reflection angle α) in FIG. 4 completely coincide with the reference information I (P0, α0) (P = P0, α = α0). Thus, even if the incident condition of the light beam B fluctuates, the reflected light Br from the light distribution surface ξ is again emitted along the reference optical path S if the feedback control system becomes stable. It will return to the state.
[0034]
The above is the basic principle of the present invention. By such a basic principle, it is possible to provide an optical axis adjusting device having a function of stably maintaining a light beam passing through an existing optical path.
[0035]
In the example described so far, the position and direction of the transmitted light Bt of the light beam irradiated from the detour optical path to the light distribution surface ξ are measured by the control means 3, but the reflected light is not reflected but transmitted. It is also possible to adopt a configuration in which the control means 3 measures the position and orientation of the light Br. For example, in the example shown in FIG. 6, the measurement of the transmitted light Bt of the light beam from the bypass optical path D is performed by the control means 3, but the bypass optical path consisting of the optical paths D4 to D7 as shown in FIG. 9 is set. In this case, the control unit 3 performs measurement on the reflected light Br of the light beam from the detour optical path, and the transmitted light Bt is a light beam emitted toward the target 200. Of course, FIG. 9 shows a transient state of feedback control. When the control system is stable, a bypass optical path composed of optical paths D4a to D7a as shown in FIG. 10 is set and emitted toward the target 200. The transmitted light Bt is along the reference optical path S.
[0036]
The difference between the first configuration example shown in FIGS. 6 and 7 and the second configuration example shown in FIGS. 9 and 10 is that the light beam B incident along the reference optical path S when the reference information is acquired is the light distribution surface. The side irradiated with ξ and the side irradiated with the light beam from the detour optical path are opposite in the first configuration example, but are the same in the second configuration example. Only. Therefore, the measurement object by the control unit 3 is the transmitted light Bt of the light beam from the detour optical path in the first configuration example, whereas the reflected light of the light beam from the detour optical path is the second configuration example. Br.
[0037]
In addition, since the explanation of the principle so far has been an explanation using a drawing on a two-dimensional plane, the explanation has been made with a restriction on the degree of freedom of position and orientation. Naturally, the degree of freedom of position and orientation is in accordance with this three-dimensional space. For example, in the example shown in FIG. 6, the light distribution surface ξ is shown as a one-dimensional line segment, and the position P on the light distribution surface ξ has only one-dimensional degree of freedom to move on this line segment. However, in practice, the position P has a two-dimensional degree of freedom of movement in a direction perpendicular to the drawing sheet. Similarly, in the example shown in FIG. 6, the direction of each light beam is represented by an angle α on the two-dimensional plane, but in reality, the direction of each light beam is limited to this two-dimensional plane. However, since it can be directed in any direction in the three-dimensional space, when expressed in an angle, it is expressed by two angle parameters such as an angle αxy with respect to the XZ plane and an angle αyz with respect to the YZ plane. Will be. Therefore, the optical path detour adjustment unit 2 has a function of adjusting the position and direction of the light beam with a degree of freedom in the three-dimensional space, and the control unit 3 has a function of performing feedback control in consideration of the degree of freedom. Have
[0038]
§2. Basic embodiment
Subsequently, four basic embodiments of the present invention will be described.
(A) FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of an optical axis adjusting apparatus according to basic embodiment A of the present invention. The optical axis adjusting device is characterized in that after the light beam is guided to the detour optical path, angle adjustment (orientation adjustment) is performed first, and then position adjustment is performed.
[0039]
As already described in §1, this optical axis adjusting device is arranged between the incident point Qin and the exit point Qout when a light beam exists along the reference optical path S passing through the incident point Qin and the exit point Qout. With this arrangement, the optical axis is adjusted so that the emitted light maintains the state along the reference optical path S even when the incident light deviates from the reference optical path. The basic components of this optical axis adjustment device are a beam distribution means 10, an optical path switching means 20, an angle adjustment means 30, a position adjustment means 40, a detection means 50, a storage means 60, and a control means 70, as shown. In relation to each component described in the basic principle of §1, the beam distribution means 10 is constituted by an optical element (so-called beam splitter) such as a prism having a half mirror, for example, and is arranged on the reference optical path S with the light distribution surface ξ. The optical path switching means 20, the angle adjusting means 30, and the position adjusting means 40 function as the optical path detour adjusting means 2. The detection unit 50, the storage unit 60, and the control unit 70 serve as the reference information acquisition unit 1 and the control unit 3. Hereinafter, the function of each of these means will be described individually. In the figure, a one-dot chain line indicates a reference optical path S, a two-dot chain line indicates a detour optical path, a broken line indicates a detection optical path, and a solid line indicates an electric signal path.
[0040]
First, the beam distribution means 10 plays a role of arranging the light distribution surface ξ on the reference optical path S (the one-dot chain line in the figure). As described above, the light distribution surface ξ is a surface having a function of reflecting a part of the irradiated light and transmitting a part thereof. For example, the incident light L1 incident from the right side of the figure is the beam. When the distribution means 10 is irradiated, the light distribution surface ξ is divided into transmitted light and reflected light. Here, the transmitted light generated based on the incident light L1 (light emitted from the beam distribution means 10 in the left direction in the figure) is referred to as incident light transmitted light L2, and the reflected light generated based on the incident light L1 (FIG. In this case, the light emitted upward from the beam distribution means 10 is referred to as incident light reflected light L3.
[0041]
The optical path switching means 20 is disposed between the incident point Qin and the beam distribution means 10 and is a component for switching the optical path of the incident light L1. In other words, the optical path switching means 20 changes the direction of the incident light L1 toward a predetermined detour optical path (two-dot chain line in the figure) by transmitting the incident light L1 as it is and guiding it to the beam distribution means 10. And the second function of emitting as the bypass light L4 can be selectively executed. The angle adjusting means 30 performs a function of changing the direction of the bypass light L4 by a predetermined set angle θ and emitting it as the angle adjusting light L5. The position adjusting means 40 receives the angle adjusting light L5, and this angle is adjusted. Position angle adjustment light L6 (based on an arbitrary set displacement amount d) that is parallel to the adjustment light L5 (in the illustrated example, parallel and the direction of travel is opposite) and passes through a position shifted by a predetermined set displacement amount d. The light that has been subjected to both position adjustment and angle adjustment based on an arbitrary set angle θ is emitted toward the light distribution surface ξ of the beam distribution unit 10.
[0042]
The position angle adjustment light L6 irradiated to the beam distribution means 10 is distributed into transmitted light and reflected light by the light distribution surface ξ. Here, transmitted light (light emitted upward from the beam distribution means 10 in the figure) generated based on the position angle adjusting light L6 is referred to as adjusting light transmitted light L7, and generated based on the position angle adjusting light L6. The reflected light (light emitted in the left direction from the beam distribution means 10 in the figure) will be referred to as adjustment light reflected light L8. Eventually, when the optical path switching means 20 is executing the first function, the incident light transmitted light L2 and the incident light reflected light L3 are obtained from the beam distribution means 10, and the optical path switching means 20 executes the second function. In this case, the adjusting light transmitted light L7 and the adjusting light reflected light L8 are obtained from the beam distribution means 10.
[0043]
The detecting means 50 has a function of detecting the position and orientation of the incident light reflected light L3 or the adjusting light transmitted light L7 that travels upward from the beam distributing means 10 in the figure. In other words, the detecting means 50 detects the position and orientation of the incident light reflected light L3 on the light distribution surface ξ when the optical path switching means 20 is executing the first function, and the optical path switching means 20 When the function 2 is executed, the position and direction of the adjusting light transmitted light L7 on the light distribution surface ξ are detected. 9 and 10, that is, by changing the arrangement of the angle adjustment means 30 and the position adjustment means 40 from the arrangement shown in the figure, the position angle adjustment light L6 is opposite to the light distribution surface ξ. When the configuration is adopted, the adjustment light transmitted light becomes light emitted toward the target in the left direction in the figure, and the adjustment light reflected light is emitted toward the detection means 50 in the upper part of the figure. Therefore, in this case, it is necessary to detect the position and orientation of the adjustment light reflected light by the detection means 50.
[0044]
The storage unit 60 is a component that stores the reference information described in §1. That is, when the optical path switching unit 20 is executing the first function, the position and direction detected by the detection unit 50 (position and direction of the incident light reflected light L3) are stored as reference information. Of course, in the process of storing such reference information, the incident light L1 is correctly incident along the reference optical path S, and the incident light transmitted light L2 emitted from the beam distribution means 10 is converted into the target point Q on the target. It will be performed in the state where it is irradiated correctly.
[0045]
When the optical path switching unit 20 is executing the second function, the control unit 70 detects the position and orientation detected by the detection unit 50 (in the illustrated example, the position and orientation of the adjustment light transmitted light L7). In addition, it functions to control the set angle θ by the angle adjusting means 30 and the set displacement d by the position adjusting means 40 so as to approach the position and orientation of the reference information stored in the storage means 60. As described in §1, such control is feedback control, and the position and orientation detected by the detection means 50 coincide with the position and orientation of the reference information when the control system becomes stable. Therefore, the adjustment light reflected light L8 emitted from the beam distribution means 10 toward the target becomes a light beam along the reference optical path S. Of course, such feedback control is also effective when the incident condition of the incident light L1 varies, and even if the incident light L1 enters the state deviating from the reference optical path S, By the feedback control by the control means 70, the adjustment light reflected light L8 emitted from the beam distribution means 10 is adjusted so as to be a light beam along the reference optical path S.
[0046]
Note that in such feedback control, there are two amounts to be controlled: a set angle θ (direction control) and a set displacement amount d (position control), so control these two amounts simultaneously. Then, the control operation becomes complicated. Therefore, in practice, the control of the set angle θ and the control of the set displacement d are repeatedly performed alternately, and the measurement result by the detection means 50 gradually approaches the reference information stored in the storage means 60. It is preferable to keep going.
[0047]
(B) FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of an optical axis adjusting apparatus according to a basic embodiment B of the present invention. The feature of the embodiment B is that after the light beam is guided to the detour optical path, the position is adjusted first, and then the angle is adjusted (adjustment of the direction). The only difference from the embodiment A shown in FIG. 11 is that the execution order of the angle adjustment and the position adjustment is reversed, and the specific difference between the angle adjustment means 30 and the position adjustment means 40 is that It is only the point that the positional relationship is reversed.
[0048]
That is, when the incident light L1 is guided to the detour light path and emitted as the detour light L4 by the second function of the optical path switching unit 20, the position adjustment by the position adjustment unit 40 is first performed. As a result of this position adjustment, the bypass light L4 passes through a position shifted by a predetermined set displacement amount d (in the example shown, the bypass light L4 and the position adjustment light L9 are parallel and travel in the same direction). ). Subsequently, the setting angle θ is adjusted by the angle adjusting unit 30 with respect to the position adjusting light L9, and the position angle adjusting light L6 is obtained. The components involved after the position angle adjusting light L6 is irradiated onto the beam distribution means 10 are the same as those in the embodiment A shown in FIG. 11, and the operation of the optical axis adjusting device is also as follows. The operation is the same as that of the embodiment A shown in FIG.
[0049]
(C) FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of an optical axis adjusting apparatus according to a basic embodiment C of the present invention. The feature of this embodiment C is that, in the optical axis adjusting apparatus according to embodiment A shown in FIG. 11, the optical path switching means 20 and the angle adjusting means 30 are combined with the optical path switching angle adjusting means 35 having the function of both. It is in the point of replacement. The optical path switching angle adjusting means 35 is disposed between the incident point Qin and the beam distributing means 10 and changes the first function of transmitting the incident light L1 and the direction of the incident light L1 by a predetermined set angle θ. It is possible to selectively execute the two functions of the second function of emitting the angle adjusting light L5 obtained by the above along a predetermined detour optical path. The set angle θ at the time of executing the second function is a control object by the control means 70, and by controlling the set angle θ, the angle adjusting light L5 is, for example, L5 indicated by a broken line in the figure.^*It is possible to adjust to such a direction. Other components and operations are the same as those in the embodiment A shown in FIG.
[0050]
(D) FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of an optical axis adjusting apparatus according to a basic embodiment D of the present invention. The feature of the embodiment D is that the optical path switching device 20 and the position adjusting device 40 in the optical axis adjusting device according to the embodiment B shown in FIG. It is in the point of replacement. The optical path switching position adjusting unit 45 is disposed between the incident point Qin and the beam distributing unit 10, and has a first function of transmitting the incident light L1, and the bypass light L4 obtained by changing the direction of the incident light L1. The two functions of the second function of emitting the position adjusting light L9 obtained by changing the position by a predetermined set displacement amount d along a predetermined detour optical path can be selectively executed. The set displacement amount d when executing the second function is a control target by the control means 70, and by controlling the set displacement amount d, the position adjusting light L9 is, for example, L9 indicated by a broken line in the figure.^*It is possible to adjust to such a position. In FIG. 14, out of the three two-dot chain lines directed downward from the block indicating the optical path switching position adjusting means 45, the two-dot chain line through which the detour light L4 passes corresponds to an optical path obtained by simply bending the traveling direction of the incident light L1. (When d = 0), the two-dot chain lines located on the left and right correspond to an optical path translated by a predetermined set displacement amount. Other components and operations of the optical axis adjusting device are the same as those in the embodiment B shown in FIG. Instead of translating the detour light L4 by the predetermined set displacement amount d, the incident light L1 is directly translated by the set displacement amount dd shown in the figure, thereby obtaining the position adjustment light L9 directed in the left horizontal direction. It doesn't matter if you do.
[0051]
§3. Specific embodiments
In the above-mentioned §2, four basic embodiments of the invention have been described. Here, more specific embodiments will be described with respect to the embodiments B and C among the four methods.
[0052]
FIG. 15 is a diagram showing a more specific embodiment of the above-described embodiment C (optical elements are shown as a plan view, electrical elements and mechanical elements are shown as a block diagram), and the number of parts is small. Therefore, this embodiment is considered to be the most ideal configuration in terms of cost reduction.
[0053]
The light reflecting element 81 is an optical element having a reflecting surface η that can reflect incident light, and a light beam reflected by the reflecting surface η passes through an optical path D1 indicated by a two-dot chain line in the drawing, and is a corner reflector 82. And then enters the beam distributor 83 via the optical paths D2 and D3. The beam distributor 83 is an optical element that functions as the beam distribution means 10 described in Section 2, and has a light distribution surface ξ composed of a half mirror or the like. The detection beam distributor 84 also has a light distribution surface μ made of a half mirror or the like, and two detection light beams traveling upward from the light distribution surface ξ of the beam distributor 83 in the figure. It has the function of distributing to one beam. The first beam (transmitted light in this example) distributed by the light distribution surface μ is received by the light receiving element 85, and the distributed second beam (reflected light in this example) is condensed. Light is received by the light receiving element 87 through the lens 86. The light receiving element 85 and the light receiving element 87 have a two-dimensional planar light receiving surface, and have a function of generating a detection signal indicating a light beam irradiation position on the light receiving surface. Specifically, a configuration using a PSD (Position Sensing Detector) element or a CCD (Charge Coupled Device) element may be used. The condensing lens 86 is a lens that condenses parallel light rays at a predetermined focal point, and the light receiving surface of the light receiving element 87 is arranged at a position away from the condensing lens 86 by the focal length. Therefore, the light receiving element 87 has a function of detecting the position condensed on the light receiving surface.
[0054]
As will be described later, the light receiving element 85 functions as a position detector for detecting the position of the detection light beam from the light distribution surface ξ, and the condenser lens 86 and the light receiving element 87 are detected from the light distribution surface ξ. It functions as a direction detector that detects the direction of the optical beam. After all, the detection beam distributor 84, the light receiving element 85, the condensing lens 86, and the light receiving element 87 are constituent elements corresponding to the detecting means 50 in the embodiment C shown in FIG. Detection signals from the light receiving elements 85 and 87 are given to the storage device 91 and the control device 92. Here, the storage device 91 and the control device 92 are components corresponding to the storage means 60 and the control means 70 in the embodiment C shown in FIG. 13, and are actually configured by a computer having a memory, a microprocessor, and the like. can do.
[0055]
The angle adjusting mechanism 93 is a mechanism that adjusts the direction of the light reflecting element 81 (the direction of the reflecting surface η), and more specifically, two rotation axes ω1 (reference light path S and This is a mechanism having a function of rotating the light reflecting element 81 with respect to the axis ω2 passing through the intersection A with the reflecting surface η and perpendicular to the drawing sheet. Actually, this is realized by a mechanism using a high-precision stepping motor or the like, but detailed description of the structure is omitted here. On the other hand, the position adjusting mechanism 94 is a mechanism that adjusts the position of the corner reflector 82. In the example shown here, the corner reflector 82 is moved in the X-axis direction (left and right directions indicated as + X and -X in the drawing) and Y It has a function to translate independently in two axial directions in the axial direction (perpendicular to the drawing sheet). In other words, the position adjusting mechanism 94 has a function of translating the corner reflector 82 along a predetermined plane (XY plane). Such a position adjustment mechanism 94 is also actually realized by a mechanism using a high-precision stepping motor or the like, but detailed description of the structure is omitted here.
[0056]
Here, further supplementing the description of the light reflecting element 81, the light reflecting element 81 can be detachably disposed on the reference optical path S between the incident point Qin and the beam distributor 83. ing. That is, the light reflecting element 81 is attached by a support mechanism 88 shown hatched in the figure, but the support mechanism 88 has a function of detachably supporting the light reflecting element 81. The support mechanism 88 may be configured by a simple mechanical structure such as a rail that supports the light reflecting element 81, for example. In this case, the light reflecting element 81 can be arranged or removed by inserting and removing the light reflecting element 81 by the operator. Of course, the support mechanism 88 is configured by a mechanism having an electric drive function, and is automatically arranged on the reference optical path S or removed from the reference optical path S based on an operation instruction from the operator. It doesn't matter. In short, the first state in which the light reflecting element 81 is not arranged on the reference optical path S and the second state in which the light reflecting element 81 is arranged on the reference optical path S can be selectively adopted, and the light reflecting element 81 can be taken. If the angle of the reflecting surface η can be adjusted so that incident light can be reflected in a desired direction, the support mechanism 88 can be any mechanical type. A structure may be used.
[0057]
Thus, by supporting the light reflecting element 81 by the support mechanism 88, the light reflecting element 81 functions as the optical path switching angle adjusting means 35 in the embodiment C shown in FIG. That is, if the light reflecting element 81 is brought into the first state where it is detached from the reference optical path S, the first function of guiding the incident light directly to the beam distributor 83 is executed. If the second state in which 81 is placed on the reference optical path S is set, the second function of guiding incident light to a predetermined detour optical path and adjusting the angle according to a predetermined set angle θ is executed. become.
[0058]
FIG. 16 shows the principle of performing such angle adjustment. Now, the light reflecting element 81 is installed in the direction shown by the solid line in FIG. 16, and the incident light Lin shown by the solid line is irradiated in the direction shown in the figure to the reflecting surface η of the light reflecting element 81. As a result, a state is considered in which the emitted light Lout indicated by a solid line is reflected in the direction shown in the figure. In this state, if the light reflecting element 81 is rotated counterclockwise by θ / 2 on the paper surface to the state shown by the broken line in the drawing and the direction of the reflecting surface η is changed, the emitted light is broken in the drawing. Lout indicated by^*It changes as follows. Here, the emitted light Lout and Lout^*Is the angle θ. Eventually, when it is desired to make adjustments that change the direction of the light beam by the angle θ, it is only necessary to control the light reflecting element 81 to rotate by the angle θ / 2.
[0059]
On the other hand, the corner reflector 82 is an optical element functioning as the position adjusting means 40 in the embodiment C shown in FIG. 13, and the reflected light from the light reflecting element 81 (light beam entering through the optical path D1 in FIG. 15). And reverse light (light beam exiting through the optical path D3 in FIG. 15) parallel to this is emitted. In general, a corner reflector is an optical element having a reflecting surface on the inside of three surfaces including the same vertex C among six surfaces constituting a cube, and incident light in an arbitrary direction at an arbitrary position in these reflecting surfaces. , It has an optical property that an emitted light parallel to and opposite to the incident light can be obtained. In the example shown in FIG. 15, when the incident light along the optical path D1 enters the incident point Cin on the reflecting surface ρ1, it becomes reflected light along the optical path D2, and further, the reflected light along the optical path D2 is reflected on the reflecting surface ρ2. The light is reflected at the upper emission point Cout and emitted along the optical path D3. In this case, regardless of the position and incident angle of the incident point Cin, the incident light along the optical path D1 and the emitted light along the optical path D3 are always parallel and opposite light. In addition to the corner reflector, a corner cube prism is known as an optical element having such properties, and a corner cube prism may be used instead of the corner reflector as the position adjusting means. .
[0060]
FIG. 17 shows the principle of position adjustment using the corner reflector 82. Now, the corner reflector 82 is installed at the position shown by the solid line in FIG. 17, and the incident light Lin shown by the solid line is irradiated to the corner reflector 82 in the direction shown in the figure. Consider a state in which emitted light Lout indicated by a solid line is emitted in such a direction. In this state, if the corner reflector 82 is moved rightward (+ X direction) by a distance d / 2 on the paper surface to be in the state indicated by the broken line in the figure, the emitted light is Lout indicated by the broken line in the figure.^*It changes as follows. Here, the emitted light Lout and Lout^*The amount of displacement between and is d. Eventually, when it is desired to make an adjustment that changes the position of the light beam by the displacement amount d, it is only necessary to perform a control that moves the corner reflector 82 by the displacement amount d / 2.
[0061]
Next, functions of the detectors in the optical axis adjustment apparatus shown in FIG. 15, that is, the detection beam distributor 84, the light receiving element 85, the condensing lens 86, and the light receiving element 87 will be described. In the first state where the light reflecting element 81 is not arranged on the reference optical path S, the detector detects the detection light beam reflected from the light distribution surface ξ of the beam distributor 83 on the light distribution surface ξ. In the first function for detecting the position and orientation, and in the second state in which the light reflecting element 81 is arranged on the reference optical path S, the light beam for detection transmitted through the light distribution surface ξ of the beam distributor 83 And a second function of detecting the position and orientation on the distribution surface. Regardless of which function is implemented, the basic principle of detection is the same, and it is sufficient that the position P and direction of the detection light beam from the light distribution surface ξ can be measured. The position and orientation detected by the first function are stored in the storage device 91 as reference information, and the position and orientation detected by the second function are given to the control device 92. Feedback control is performed on the angle adjustment mechanism 93 and the position adjustment mechanism 94 so that the detection result approaches the reference information stored in the storage device 91.
[0062]
As described above, the detection light beam is distributed into two beams by the detection beam distributor 84, the position is detected by the light receiving element 85, and the direction is detected by the light receiving element 87. In the example shown in FIG. 15, the beam is irradiated to the position of the point Q10 on the light receiving surface of the light receiving element 85, and the beam is irradiated to the position of the point Q20 on the light receiving surface of the light receiving element 87. The positions of the point Q10 and the point Q20 on the light receiving surface are information corresponding to the position P and the direction of the detection light beam on the light distribution surface ξ, respectively.
[0063]
FIG. 18 is a diagram for explaining the principle that position detection is performed by the light receiving element 85. Now, assuming that the detection light beam L10 as indicated by the solid line in the figure passes from the position P of the light distribution surface ξ through the light distribution surface μ of the detection beam distributor 84 and reaches the light receiving element 85, the light reception surface. The irradiation point above is point Q10. At this time, the condensing point of the detection light beam reflected from the light distribution surface μ and condensed by the condenser lens 86 and reaching the light receiving element 87 is a point Q20. Here, if only the position of the detection light beam on the light distribution plane ξ is shifted from P to P1 (assuming the direction is the same), the detection light beam L11 has an optical path as indicated by a broken line. Then, the light receiving element 85 and the light receiving element 87 are irradiated. That is, the irradiation point on the light receiving surface of the light receiving element 85 is the point Q11, which is deviated from the original point Q10. On the other hand, the condensing point on the light receiving surface of the light receiving element 87 is the point Q21, which is the same point as the original point Q20. This is because the light receiving surface of the light receiving element 87 is placed at the focal position of the condenser lens 86. That is, even if there are a plurality of light beams incident on the condensing lens 86, the light beams are condensed at the same point on the light receiving surface of the light receiving element 87 as long as they are parallel to each other. Thus, the change in position generated in the detection light beam L10 from the light distribution surface ξ is detected only by the light receiving element 85 functioning as a position detector, and is detected by the light receiving element 87 functioning as a direction detector. Not.
[0064]
On the other hand, FIG. 19 is a diagram for explaining the principle in which the direction detection is performed by the light receiving element 87. Now, assuming that the detection light beam L10 as indicated by the solid line in the figure passes from the position P of the light distribution surface ξ through the light distribution surface μ of the detection beam distributor 84 and reaches the light receiving element 85, the light reception surface. The irradiation point above is point Q10. At this time, the condensing point of the detection light beam reflected from the light distribution surface μ and condensed by the condenser lens 86 and reaching the light receiving element 87 is a point Q20. Here, if only the direction of the detection light beam L10 with respect to the light distribution surface ξ is deviated (assuming that the position P of the detection light beam on the light distribution surface ξ is the same), the detection light beam L12 is The light receiving element 85 and the light receiving element 87 are irradiated through an optical path as indicated by a broken line. That is, the irradiation point on the light receiving surface of the light receiving element 85 is the point Q12, which is deviated from the original point Q10. On the other hand, the condensing point on the light receiving surface of the light receiving element 87 is a point Q22, which is also deviated from the original point Q20. This is because the light beam indicated by the solid line and the light beam indicated by the broken line are not parallel, and the condensing point by the condensing lens 86 is shifted. Thus, the change in direction generated in the detection light beam L10 from the light distribution surface ξ can be detected by the light receiving element 87 functioning as a direction detector. However, such a change in orientation is also detected by the light receiving element 85.
[0065]
In the end, the detection result of the light receiving element 87 includes only the change in direction, whereas the detection result of the light receiving element 85 includes both components of the change in position and the change in direction. It will be. In theory, in the optical axis adjusting device shown in FIG. 15, the feedback control by the control device 92 is performed first by angle control for controlling the orientation (control for the angle adjusting mechanism 93) first. Subsequently, it is preferable to perform position control (control for the position adjusting mechanism 94) for matching the positions. If the detection result for the direction matches the reference information, the change component for the direction can be removed from the detection result of the light receiving element 85, and only the change component for the position can be recognized. However, in practice, feedback control that gradually brings the detection result closer to the reference information is performed by alternately and repeatedly executing the angle control and the position control. There is no need to strictly consider the order.
[0066]
Next, an example of an automatic optical axis adjustment operation by this optical axis adjustment device will be shown. For example, suppose that the optical axis adjusting device is inserted on the reference optical path S in a state where the reference optical path S (one-dot chain line) from the incident point Qin to the exit point Qout is formed as shown in FIG. . In this case, first, the light reflecting element 81 is removed from the reference light path S, and the incident light incident along the reference light path S is guided to the light distribution surface ξ of the beam distributor 83, and reflected from the light distribution surface ξ. The position P and direction of the detection light beam (which travels along the optical path indicated by the broken line in the figure) are detected. Specifically, the position of the point Q10 on the light receiving element 85 is detected as “information indicating the position P”, and the position of the point Q20 on the light receiving element 87 is detected as “information indicating the direction”. Information is stored in the storage device 91 (not shown in FIG. 20) as reference information. Next, the light reflecting element 81 is placed on the reference optical path S, the incident light is reflected at the point A on the reflecting surface η, guided to the detour optical path (two-dot chain line), and transmitted from the light distribution surface ξ. The position and orientation of the detected light beam are detected, and feedback control is performed so that these detection results match the reference information stored in the storage device 91. By such feedback control, the detection light beam is irradiated to the point Q10 of the light receiving element 85 and the point 20 of the light receiving element 87, and the light emitted from the beam distributor 83 along the reference optical path S is emitted. It will be injected towards Qout. In other words, the state shown in FIG. 3 is obtained. In such a state, “the intensity of the light beam emitted toward the target via the detour optical path” is sufficiently larger than “the intensity of the detection light beam guided to the detection beam distributor 84”. In order to do so, the light distribution surface ξ in the beam distributor 83 may be constituted by a half mirror having a reflectivity of 99% and a transmittance of about 1%.
[0067]
Now, suppose that the incident light incident condition on the optical axis adjusting device fluctuates for some reason, and incident light L15 as shown by a solid line in FIG. 20 is given. That is, until now, incident light along the reference optical path S has been given, but the position of this incident light has changed slightly (here, there was no change in the direction of incident light). Try). Then, the detour optical path changes from the optical path indicated by the two-dot chain line in the figure to the optical path indicated by the solid line in the figure, and the light beam is irradiated to the position P15 on the light distribution surface ξ. As a result, the light beam emitted from the beam distributor 83 to the left in the figure deviates from the reference optical path S, and its final irradiation position deviates from the target point Q on the target.
[0068]
Such optical axis fluctuation is detected by the light receiving element 85 and the light receiving element 87. That is, the irradiation point on the light receiving element 85 varies from the point Q10 to the point Q15, and the condensing point on the light receiving element 87 varies from the point Q20 to the point Q25. However, in this example, since there was no change in the direction of incident light, it is recognized that the point Q20 and the point Q25 are the same point, and there is no need to adjust the direction. Therefore, the control means 70 (not shown in FIG. 20) controls the position adjusting mechanism 94 (not shown in FIG. 20) to cancel out the fluctuation amount d (the distance between the points Q10 and Q15) of the position. A signal is sent to shift the corner reflector 82 to the left in the figure by a distance d / 2, as indicated by the broken line in FIG. Then, the incident light L15 passes through the detour optical path indicated by the solid line in the drawing, and the position adjustment is performed such that the incident light L15 is guided to the “position P before fluctuation” of the light distribution surface ξ. The upper irradiation point returns to the point Q10, and the condensing point on the light receiving element 87 becomes the point Q20. Thus, the light beam emitted from the beam distributor 83 to the left in the drawing is returned to the position on the reference optical path S, and the final irradiation position is returned to the target point Q on the target.
[0069]
As described above, the case where the position variation occurs with respect to the incident light is described. However, when the direction variation occurs, the angle of the light reflecting element 81 is adjusted, and the same automatic optical axis adjustment is performed.
[0070]
Finally, another specific embodiment will be described. FIG. 22 is a diagram showing a more specific embodiment of the above-described embodiment B (optical elements are shown as a plan view, and electrical elements and mechanical elements are shown as a block diagram). The configuration and operation of the optical axis adjusting device shown in FIG. 22 are almost the same as the configuration and operation of the optical axis adjusting device shown in FIG. 15, and only the differences between them will be described here. The fundamental difference between the two is based on the difference between the embodiment C shown in FIG. 13 and the embodiment B shown in FIG. That is, in the optical axis adjusting device shown in FIG. 22, the light reflecting element 81 shown in FIG. 15 is replaced with the light reflecting element 95, and a light reflecting element 96 is newly added. This is because the light reflecting element 81 in FIG. 15 is a component corresponding to the optical path switching angle adjusting means 35 in FIG. 13, whereas the light reflecting elements 95 and 96 in FIG. 22 are respectively optical path switching means in FIG. This is because it is a component corresponding to 20 and the angle adjusting means 30.
[0071]
In short, the light reflecting element 95 has a function of guiding incident light to the detour optical path D1 by reflecting the incident light at the point A on the reflecting surface η1, but does not have an angle adjusting function. This adjustment is performed by the light reflecting element 96. The point that the corner reflector 82 performs the position adjusting function is the same as that of the optical axis adjusting device of FIG. Eventually, in the optical axis adjusting device shown in FIG. 22, the position of the light beam diverted to the optical path D1 by the light reflecting element 95 is first adjusted by the corner reflector 82, and then the light reflecting element The angle is adjusted by 96. The light reflecting element 96 has a structure that rotates about two axes ω3 and ω4 orthogonal to each other on the reflecting surface η2, and the direction of the light reflecting element 96 is controlled by the angle adjusting mechanism 93.
[0072]
Also in this optical axis adjusting device, in order to obtain the reference information and store it in the storage device 91, the incident light incident along the reference optical path S can be directly guided to the beam distributor 83. Since it is necessary to have such a structure, the light reflecting element 95 is detachably supported by the support mechanism 97, and the light reflecting element 96 is detachably supported by the support mechanism 98. When performing the operation of obtaining the reference information, both the light reflecting elements 95 and 96 are removed from the reference optical path S, and the incident light along the reference optical path S may be guided to the beam distributor 83 as it is. However, if the light reflecting element 96 is made of a transparent material and the reflecting surface η2 is not a perfect reflecting surface but a surface that transmits a part of the light, the reference light path S passes through the inside of the light reflecting element 96. Therefore, the light reflecting element 96 is not necessarily arranged in a detachable manner. Further, if the arrangement of the light reflecting element 96 can be devised so that the light reflecting element 96 can be arranged at a position that does not obstruct the reference optical path S, the light reflecting element 96 does not need to be detachable.
[0073]
【The invention's effect】
  As described above, according to the present invention, it is suitable for stably maintaining a light beam passing through an existing optical path.Optical axis adjustment deviceCan be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an optical system that is a target for stabilizing an optical axis by an optical axis adjusting device according to the present invention.
2 is a diagram showing a state in which an optical axis shift has occurred based on a variation factor of a beam source in the optical system shown in FIG. 1. FIG.
3 is a view showing a state where an optical axis adjusting device according to the present invention is inserted on a reference optical path S in the optical system shown in FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a diagram illustrating a state in which the optical axis is stably maintained by the function of the optical axis adjusting device according to the present invention.
FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of reference information acquisition in the optical axis adjustment apparatus according to the present invention.
FIG. 6 is a diagram showing a detour optical path formed in the optical axis adjusting apparatus according to the present invention.
7 is a diagram showing a result of feedback control by the optical axis adjusting device shown in FIG. 6. FIG.
8 is a diagram illustrating a state in which the optical axis is stably maintained even when fluctuation occurs on the light source side by feedback control by the optical axis adjustment device illustrated in FIG. 6;
FIG. 9 is a diagram showing another aspect of the detour optical path formed in the optical axis adjusting apparatus according to the present invention.
10 is a diagram showing a result of feedback control by the optical axis adjusting device shown in FIG. 9; FIG.
FIG. 11 is a block diagram showing a configuration of an optical axis adjusting apparatus according to a basic embodiment A of the present invention.
FIG. 12 is a block diagram showing a configuration of an optical axis adjusting apparatus according to a basic embodiment B of the present invention.
FIG. 13 is a block diagram showing a configuration of an optical axis adjusting apparatus according to a basic embodiment C of the present invention.
FIG. 14 is a block diagram showing a configuration of an optical axis adjusting apparatus according to a basic embodiment D of the present invention.
FIG. 15 is a diagram showing the configuration of a specific optical axis adjusting device corresponding to the basic embodiment C of the present invention.
16 is a diagram showing the principle of angle adjustment by a light reflecting element in the optical axis adjustment apparatus shown in FIG. 15;
17 is a diagram showing the principle of position adjustment by a corner reflector in the optical axis adjustment apparatus shown in FIG.
18 is a diagram showing the principle of detection of position variation in the optical axis adjusting device shown in FIG.
FIG. 19 is a view showing the principle of detection of angle fluctuations in the optical axis adjusting device shown in FIG. 15;
20 is a diagram showing a state in which position variation has occurred in incident light in the optical axis adjusting apparatus shown in FIG.
FIG. 21 is a diagram showing automatic optical axis adjustment that is performed when a positional variation occurs in incident light in the optical axis adjustment apparatus shown in FIG. 15;
FIG. 22 is a diagram showing the configuration of a specific optical axis adjusting device corresponding to the basic embodiment B of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... Standard information acquisition means
2 ... Optical path detour adjustment means
3. Control means
10: Beam distribution means
20: Optical path switching means
30. Angle adjustment means
35. Optical path switching angle adjusting means
40. Position adjusting means
45. Optical path switching position adjusting means
50. Detection means
60. Storage means
70: Control means
81 ... Light reflecting element
82 ... Corner reflector (corner cube prism)
83 ... Beam distributor
84 ... Beam distributor for detection
85. Light receiving element
86 ... Condensing lens
87. Light receiving element
88 ... Support mechanism
91 ... Storage device
92 ... Control device
93 ... Angle adjustment mechanism
94: Position adjustment mechanism
95, 96 ... Light reflecting element
97, 98 ... support mechanism
100: Beam source
200 ... Target
300 ... Optical axis adjusting device according to the present invention
A: Incident position of light beam
B ... Light beam
Br: Reflected light from the light distribution surface ξ
Bt: Transmitted light from the light distribution surface ξ
C: The top of the corner reflector
Cin ... Incident point
Cout ... injection point
D, Da, D1 to D7, D1a to D7a, D1b to D3b ... Detour optical path
d, dd ... displacement amount of the position
I (P0, α0) ... reference information
L1 ... Incident light
L2: Incident light transmitted light
L3: Incident light reflected light
L4 ... Detour light
L5, L5^*... angle adjustment light
L6: Position angle adjustment light
L7 ... Adjusting light transmitted light
L8 ... Adjusting light reflected light
L9, L9^*... Position adjustment light
L10, L11, L12 ... Light beam for detection
L15 ... Fluctuating light beam
Lin ... Incident light
Lout, Lout^*... emission light
N ... Normal on light distribution surface ξ
P, P1 ... the position of the light beam to be detected
P0: Position used as reference information
Q ... Target point
Qin ... Incident point
Qout ... injection point
Q10, Q11, Q12, Q15 ... Irradiation point
Q20, Q21, Q22, Q25 ... Focusing point
S ... Reference optical path
α: Light beam emission angle to be detected
α0 ... An angle used as reference information
η, η1, η2 ... reflective surface
θ ... Adjustment angle
μ… Reflecting surface
ξ: Light distribution surface
ρ1, ρ2 ... Reflecting surface
ω1 to ω4: rotation axis

Claims

When a light beam is present along a reference optical path that passes through the incident point and the exit point, by arranging the light beam between the incident point and the exit point, even when the incident light deviates from the reference optical path, An optical axis adjustment device having a function of adjusting an optical axis so that emitted light maintains a state along the reference optical path,
A light distribution surface that is disposed on the reference optical path and reflects part of the irradiated light and transmits part of the light, and part of the incident light reflected from the reflected part of the incident light. Incident light transmitted light consisting of, beam distribution means for distributing to,
A first function that is disposed between the incident point and the beam distribution unit, transmits the incident light, changes a direction of the incident light toward a predetermined detour optical path, and emits second light as detour light. And an optical path switching means capable of selectively executing the two functions:
Angle adjusting means for changing the direction of the bypass light by a predetermined set angle and emitting it as angle adjusting light;
The angle adjusting light is incident, and position angle adjusting light passing through a position parallel to the angle adjusting light and shifted by a predetermined set displacement amount is emitted toward the light distribution surface of the beam distribution means. The position angle adjusting means for distributing the position angle adjusting light into the reflected adjustment light reflected light composed of a part and the transmitted adjusted light transmitted light composed of a part of the position angle adjusting light,
When the optical path switching means is executing the first function, the position and direction of the incident light reflected light on the light distribution surface is detected, and the optical path switching means is executing the second function. Sometimes detecting means for detecting the position and orientation of the adjusting light transmitted light or the adjusting light reflected light on the light distribution surface;
Storage means for storing, as reference information, the position and orientation detected by the detection means when the optical path switching means is executing the first function;
When the optical path switching unit is executing the second function, the position and orientation detected by the detection unit approach the position and orientation of the reference information stored in the storage unit. Control means having a function of controlling a set angle by the angle adjusting means and a set displacement amount by the position adjusting means;
An optical axis adjusting device comprising:

When a light beam is present along a reference optical path that passes through the incident point and the exit point, by arranging the light beam between the incident point and the exit point, even when the incident light deviates from the reference optical path, An optical axis adjustment device having a function of adjusting an optical axis so that emitted light maintains a state along the reference optical path,
A light distribution surface that is disposed on the reference optical path and reflects part of the irradiated light and transmits part of the light, and part of the incident light reflected from the reflected part of the incident light. Incident light transmitted light consisting of, beam distribution means for distributing to,
A first function that is disposed between the incident point and the beam distribution unit, transmits the incident light, changes a direction of the incident light toward a predetermined detour optical path, and emits second light as detour light. And an optical path switching means capable of selectively executing the two functions:
Position adjusting means for emitting the position adjusting light that enters the detour light and is parallel to the detour light and passes through a position shifted by a predetermined set displacement amount;
The position angle adjustment light is reflected by emitting the position angle adjustment light obtained by changing the direction of the position adjustment light by a predetermined setting angle toward the light distribution surface of the beam distribution means. An angle adjusting means for distributing the adjusting light reflected light comprising a part and the transmitted adjusting light transmitted light comprising a part;
When the optical path switching means is executing the first function, the position and direction of the incident light reflected light on the light distribution surface is detected, and the optical path switching means is executing the second function. Sometimes detecting means for detecting the position and orientation of the adjusting light transmitted light or the adjusting light reflected light on the light distribution surface;
Storage means for storing, as reference information, the position and orientation detected by the detection means when the optical path switching means is executing the first function;
When the optical path switching unit is executing the second function, the position and orientation detected by the detection unit approach the position and orientation of the reference information stored in the storage unit. Control means having a function of controlling a set angle by the angle adjusting means and a set displacement amount by the position adjusting means;
An optical axis adjusting device comprising:

When a light beam is present along a reference optical path that passes through the incident point and the exit point, by arranging the light beam between the incident point and the exit point, even when the incident light deviates from the reference optical path, An optical axis adjustment device having a function of adjusting an optical axis so that emitted light maintains a state along the reference optical path,
A light distribution surface that is disposed on the reference optical path and reflects part of the irradiated light and transmits part of the light, and part of the incident light reflected from the reflected part of the incident light. Incident light transmitted light consisting of, beam distribution means for distributing to,
A first function that is disposed between the incident point and the beam distribution unit and transmits the incident light, and an angle adjusting light obtained by changing the direction of the incident light by a predetermined setting angle, An optical path switching angle adjusting means capable of selectively executing the two functions: a second function of emitting along the detour optical path of
The angle adjusting light is incident, and position angle adjusting light passing through a position parallel to the angle adjusting light and shifted by a predetermined set displacement amount is emitted toward the light distribution surface of the beam distribution means. The position angle adjusting means for distributing the position angle adjusting light into the reflected adjustment light reflected light composed of a part and the transmitted adjusted light transmitted light composed of a part of the position angle adjusting light,
When the optical path switching angle adjusting means performs the first function, the position and direction of the incident light reflected light on the light distribution surface is detected, and the optical path switching angle adjusting means performs the second function. Detecting means for detecting the position and orientation of the adjusting light transmitted light or the adjusting light reflected light on the light distribution surface when executing,
Storage means for storing, as reference information, the position and orientation detected by the detection means when the optical path switching angle adjustment means is executing the first function;
When the optical path switching angle adjusting means performs the second function, the position and orientation detected by the detecting means are close to the position and orientation of the reference information stored in the storage means. Control means having a function of controlling a set angle by the optical path switching angle adjusting means and a set displacement amount by the position adjusting means;
An optical axis adjusting device comprising:

When a light beam is present along a reference optical path that passes through the incident point and the exit point, by arranging the light beam between the incident point and the exit point, even when the incident light deviates from the reference optical path, An optical axis adjustment device having a function of adjusting an optical axis so that emitted light maintains a state along the reference optical path,
A light distribution surface that is disposed on the reference optical path and reflects part of the irradiated light and transmits part of the light, and part of the incident light reflected from the reflected part of the incident light. Incident light transmitted light consisting of, beam distribution means for distributing to,
A first function that is disposed between the incident point and the beam distribution means and transmits the incident light, and a detour obtained by entering the incident light and changing the direction of the incident light or the incident light. An optical path capable of selectively executing two functions: a second function for emitting position adjusting light that is parallel to the light and passes through a position shifted by a predetermined set displacement amount along a predetermined detour optical path Switching position adjusting means;
The position angle adjustment light is reflected by emitting the position angle adjustment light obtained by changing the direction of the position adjustment light by a predetermined setting angle toward the light distribution surface of the beam distribution means. An angle adjusting means for distributing the adjusting light reflected light comprising a part and the transmitted adjusting light transmitted light comprising a part;
When the optical path switching position adjusting means performs the first function, the position and direction of the incident light reflected light on the light distribution surface is detected, and the optical path switching position adjusting means performs the second function. Detecting means for detecting the position and orientation of the adjusting light transmitted light or the adjusting light reflected light on the light distribution surface when executing,
Storage means for storing the position and orientation detected by the detecting means as reference information when the optical path switching position adjusting means is executing the first function;
When the optical path switching position adjusting means performs the second function, the position and orientation detected by the detecting means are close to the position and orientation of the reference information stored in the storage means. A control unit having a function of controlling a set angle by the angle adjusting unit and a set displacement amount by the optical path switching position adjusting unit;
An optical axis adjusting device comprising:

In the optical axis adjustment device according to any one of claims 1 to 4,
An optical axis adjusting device, wherein the beam distribution means is constituted by an optical element on which a half mirror functioning as a light distribution surface is formed.

In the optical axis adjustment device according to any one of claims 1 to 5,
The optical path switching means, the optical path switching angle adjusting means, or the optical path switching position adjusting means is composed of an optical element having a function of bypassing incident light and a support mechanism that detachably supports the optical element on the reference optical path. The first function is executed by detaching the optical element from the reference optical path, and the second function is executed by mounting the optical element on the reference optical path. An optical axis adjusting device characterized.

In the optical axis adjustment device according to any one of claims 1 to 6,
The angle adjusting means or the optical path switching angle adjusting means includes an optical element having a reflecting surface and an angle adjusting mechanism for adjusting the angle by rotating the optical element with respect to two rotation axes orthogonal to each other on the reflecting surface. An optical axis adjusting device characterized by that.

In the optical axis adjustment device according to any one of claims 1 to 7,
An optical axis characterized in that the position adjusting means or the optical path switching position adjusting means is constituted by an optical element having a corner reflector or a corner cube prism, and a position adjusting mechanism for translating the optical element along a predetermined plane. Adjusting device.

In the optical axis adjustment device according to any one of claims 1 to 8,
The detection means includes a detection beam distributor that distributes the detection light beam from the light distribution surface into two beams, a position detector that detects a position based on the distributed first beam, and a distributed first detector. And an orientation detector that detects the orientation based on the two beams.

The optical axis adjusting device according to claim 9, wherein
An optical axis adjusting device, wherein the position detector is constituted by a light receiving element that detects a beam irradiation position on a predetermined light receiving surface.

The optical axis adjusting device according to claim 9, wherein
The direction detector has a condensing lens for condensing parallel light rays at a predetermined focal point, and a condensing position on the light receiving surface, the light receiving surface being disposed at a focal distance from the condensing lens. An optical axis adjusting device comprising: a light receiving element that detects light.