JP5072479B2 - 光軸自動調節システム - Google Patents

Description

本発明は、光軸調節装置を用いた光軸自動調節システムに関し、特に、単純な光学系を用いて光ビームの光軸を調節する技術に関する。

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

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

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

そこで本発明は、光量の損失を必要最小限に抑えつつ、単純な構造で、効率的に光軸調節を行うことが可能な光軸調節装置および光軸自動調節システムを提供することを目的とする。

(1) 本発明の第１の態様は、ビーム状入射光の位置や向きが変動した場合にも、射出光が所定の基準光路に沿った状態を維持するように、光軸を自動的に調節する機能をもった光軸自動調節システムにおいて、
入射光を受ける位置に配置された第１の鏡と、
第１の鏡で反射した反射光を受ける位置に配置された第２の鏡と、
第２の鏡で反射した反射光を受ける位置に配置され、反射した光を射出光として射出する第３の鏡と、
与えられた制御信号に基づいて、第１の鏡の向きを調節する第１の向き調節機構と、
与えられた制御信号に基づいて、第２の鏡の反射面上の固定点として設定された前段基準点Ｐの位置を固定させたまま、第２の鏡の向きを調節する第２の向き調節機構と、
第２の鏡に対する光ビームの入射位置を検出する前段入射位置検出器と、
第３の鏡に対する光ビームの入射位置を検出する後段入射位置検出器と、
第１の鏡の向きが調節されるように、第１の向き調節機構に対して制御信号を与える前段制御手段と、
第２の鏡の向きが調節されるように、第２の向き調節機構に対して制御信号を与える後段制御手段と、
を設け、
入射光が、第１の鏡の反射面上の所定の反射点Ｏ、第２の鏡の反射面上の前段基準点Ｐ、第３の鏡の反射面上の所定の後段基準点Ｑを通る光路を形成しているときに得られる射出光の光路が基準光路として設定されたときに、
前段制御手段は、前段入射位置検出器が検出した入射位置と、前段基準点Ｐと、の間のずれを解消する方向に第１の鏡の向きが調節されるように、第１の向き調節機構に対して制御信号を与え、
後段制御手段は、後段入射位置検出器が検出した入射位置と、後段基準点Ｑと、の間のずれを解消する方向に第２の鏡の向きが調節されるように、第２の向き調節機構に対して制御信号を与え、
前段基準点Ｐが三次元空間上に固定された不動点となるように第２の向き調節機構による調節が行われ、かつ、後段基準点Ｑが三次元空間上に固定された不動点となるように第３の鏡の反射面が三次元空間上に固定された状態で光軸の調節が行われるようにしたものである。

(2) 本発明の第２の態様は、上述した第１の態様に係る光軸自動調節システムにおいて、
第１の向き調節機構が、互いに直交する位置もしくは互いにねじれの位置にある第１の回動軸および第２の回動軸を設定したときに、第１の鏡を第１の回動軸まわりに回動させる機構と、第１の鏡を第２の回動軸まわりに回動させる機構と、を有するようにしたものである。

(3) 本発明の第３の態様は、上述した第１の態様に係る光軸自動調節システムにおいて、
第２の向き調節機構が、前段基準点Ｐの位置において互いに直交する第１の回動軸および第２の回動軸を設定したときに、第２の鏡を第１の回動軸まわりに回動させる機構と、第２の鏡を第２の回動軸まわりに回動させる機構と、を有するようにしたものである。

(4) 本発明の第４の態様は、上述した第３の態様に係る光軸自動調節システムにおいて、
第２の向き調節機構が、
第２の鏡を、その反射面上の第１の回動軸に関して回動自在となるように、その周囲から支持する第１のフレームと、
第１のフレームを、反射面上の第２の回動軸に関して回動自在となるように、その周囲から支持する第２のフレームと、
を有するようにしたものである。

(5) 本発明の第５の態様は、上述した第１〜第４の態様に係る光軸自動調節システムにおいて、
前段入射位置検出器を、
第２の鏡の裏面側に透過してくる透過光を受けることができるように、第２の鏡の裏面側に固定された凸レンズと、
凸レンズを通った透過光を受ける受光面を有し、第２の鏡の裏面側に固定された受光素子と、
によって構成し、
凸レンズの光軸が、前段基準点Ｐの位置において第２の鏡の反射面に交差するとともに、所定の参照点Ｒにおいて受光面に交差するようにし、
凸レンズの中心点Ｃと前段基準点Ｐとの距離をａとし、凸レンズの中心点Ｃと参照点Ｒとの距離をｂとし、凸レンズの焦点距離をｆとしたときに、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）が成り立つように、凸レンズおよび受光素子を配置し、
受光素子が、受光面上に形成された輝度分布の中心位置を、第２の鏡に対する光の入射位置として出力するようにしたものである。

(6) 本発明の第６の態様は、上述した第１〜第４の態様に係る光軸自動調節システムにおいて、
後段入射位置検出器を、
第３の鏡の裏面側に透過してくる透過光を受けることができるように、第３の鏡の裏面側に固定された凸レンズと、
凸レンズを通った透過光を受ける受光面を有し、第３の鏡の裏面側に固定された受光素子と、
によって構成し、
凸レンズの光軸が、後段基準点Ｑの位置において第３の鏡の反射面に交差するとともに、所定の参照点Ｒにおいて受光面に交差するようにし、
凸レンズの中心点Ｃと後段基準点Ｑとの距離をａとし、凸レンズの中心点Ｃと参照点Ｒとの距離をｂとし、凸レンズの焦点距離をｆとしたときに、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）が成り立つように、凸レンズおよび受光素子を配置し、
受光素子が、受光面上に形成された輝度分布の中心位置を、第３の鏡に対する光の入射位置として出力するようにしたものである。

(7) 本発明の第７の態様は、上述した第５または第６の態様に係る光軸自動調節システムにおいて、
受光素子の受光面上には、それぞれ受光量に応じた電気信号を出力する画素が行列状に配置されており、
受光素子が、各画素が出力する信号値の分布についてのピーク位置を認識し、当該ピーク位置を示す信号を、鏡に対する光ビームの入射位置を示す信号として出力するようにしたものである。

本発明に係る光軸調節装置および光軸自動調節システムでは、３組の反射鏡を用い、第１の鏡を可動鏡、第２の鏡をジンバル機構を用いた可動鏡、第３の鏡を固定鏡とすることにより、第２の鏡の反射面上の基準点Ｐと第３の鏡の反射面上の基準点Ｑの２点を必ず通るように光軸調節を行うことができる。このため、光量の損失を必要最小限に抑えつつ、単純な構造で、上記基準点Ｐ，Ｑを通る基準光路に沿うように光ビームの光軸調節が可能になる。

以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。

＜＜＜ §１．光軸調節装置の基本構成 ＞＞＞
図１は、本発明に係る光軸調節装置の基本構成を示すブロック図である。図示のとおり、この光軸調節装置は、３つの反射鏡１０，２０，３０を有しており、たとえば、レーザなどの光源５から照射されるビーム状入射光についての光軸を調節する機能を有している。すなわち、光源５から、この光軸調節装置内に導かれた入射光ビームＬ１は、まず、第１の鏡１０の反射面Ｍ１で反射して反射光ビームＬ２となり、続いて、第２の鏡２０の反射面Ｍ２で反射して反射光ビームＬ３となり、最後に、第３の鏡３０の反射面Ｍ３で反射して、射出光ビームＬ４となり、この光軸調節装置から外部へと射出することになる。図に一点鎖線で示されている経路は、この光軸調節装置の内部における光ビームの光路を示している。なお、ここに示す実施例では、各鏡の反射面Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３は、いずれも平面であるものとする。

この光軸調節装置の目的は、ビーム状入射光Ｌ１の光軸を調節して、所定の基準光路ＬＬに沿った射出光Ｌ４として射出させることにある。図１は、このような光軸調節が完了した状態を示しており、射出光ビームＬ４は、基準光路ＬＬに沿った状態で出力されている。

既に述べたとおり、微細パターンの露光プロセスや材料の加工プロセスなど、レーザビーム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。ところが、レーザなどの光源５は、常に安定した動作を行っているわけではなく、様々な要因により、生成される光ビームの光軸にずれが生じることになる。図１に示す光軸調節装置は、光源５に生じた何らかの変動要因に基づいて、入射光ビームＬ１の光軸がずれた場合にも、射出光ビームＬ４を基準光路ＬＬに沿った状態で出力させるような光軸調節を容易に行うことができる。

図１に一点鎖線で示すように、この光軸調節装置内に入射した光ビームの光路は、点Ｏ、点Ｐ、点Ｑをこの順に通過している。ここで、点Ｏは、第１の鏡１０の反射面Ｍ１上の点であり、点Ｐは、第２の鏡２０の反射面Ｍ２上の点であり、点Ｑは、第３の鏡３０の反射面Ｍ３上の点である。光ビームの光路が図示のようになるように、第１の鏡１０は、入射光ビームＬ１を受ける位置に配置され、第２の鏡２０は、第１の鏡１０で反射した反射光ビームＬ２を受ける位置に配置され、第３の鏡３０は、第２の鏡２０で反射した反射光ビームＬ３を受ける位置に配置されており、第３の鏡３０が反射した光が射出光ビームＬ４として、基準光路ＬＬに沿って射出されることになる。

ここで、３つの鏡は、それぞれ固有の特徴をもっている。まず、第１の鏡１０は、可動鏡であり、反射面Ｍ１の向きを調節することが可能である。図１にブロックで示した第１の向き調節機構１１は、第１の鏡１０の向きを調節するための構成要素であり、その具体的な構成例は後述する。もっとも、第１の向き調節機構１１は、反射光ビームＬ２の向きを任意の方向に向けることができるように、第１の鏡１０を可動自在に支持する構造であれば、どのような構造のものであってもかまわない。

一方、第２の鏡２０も可動鏡であり、反射面Ｍ２の向きを調節することが可能である。図１にブロックで示した第２の向き調節機構２１は、第２の鏡２０の向きを調節するための構成要素であり、その具体的な構成例は後述する。ただ、この第２の鏡２０の向きを調節するにあたっては、ある条件が課される。すなわち、反射面Ｍ２上には、所定の基準点Ｐが定義されており、第２の鏡２０の向きを調節するにあたっては、この基準点Ｐの位置を固定させた状態にする必要がある。基準点Ｐは、たとえば、反射面Ｍ２の中心点に設定すればよい。

第２の向き調節機構２１は、基準点Ｐの位置を固定させたまま、第２の鏡２０の向きを調節する機能を有しており、その具体的な構成例は後述する。この第２の向き調節機構２１によって、第２の鏡２０の向きを任意の方向に向けることが可能であるが、どのような方向を向けたとしても、反射面Ｍ２上の１点として定義された基準点Ｐは常に不動点となり、三次元空間上の定点となる。このように、第２の鏡２０は、可動鏡ではあるが、鏡をどのように動かしたとしても、基準点Ｐが不動点となる点は重要な特徴である。なお、第１の鏡１０に関しては、このような制限はないので、第１の鏡１０を動かすことによって、反射面Ｍ１上の１点Ｏが、三次元空間上で移動することになっても問題はない。

これに対して、第３の鏡３０は固定鏡であり、その位置も向きも固定された状態を維持する。図示のとおり、この第３の鏡３０の反射面Ｍ３上にも、基準点Ｑが定義されている。反射面Ｍ３は三次元空間上に固定されているので、当然、基準点Ｑは不動点となる。

本発明の原理上、上述した２つの基準点Ｐ，Ｑが不動点になることが非常に重要である。以下、説明の便宜上、第２の鏡２０側の基準点Ｐを前段基準点と呼び、第３の鏡３０側の基準点Ｑを後段基準点と呼ぶことにする。上述したとおり、後段基準点Ｑは、第３の鏡３０自身が不動の固定鏡であることから不動点になる。これに対して、第２の鏡２０自身は可動鏡であるものの、第２の向き調節機構が、前段基準点Ｐの位置を固定させたまま、第２の鏡２０の向きを調節する機構を採用しているため、前段基準点Ｐも不動点となるのである。

さて、第２の鏡２０の反射面Ｍ２上に前段基準点Ｐが定義され、第３の鏡３０の反射面Ｍ３上に後段基準点Ｑが定義されており、これら両基準点Ｐ，Ｑが不動点であることを考えると、前段基準点Ｐから後段基準点Ｑに向かう光路も不動の光路ということになる。したがって、図１において、入射光ビームＬ１の位置や向きがずれたとしても、結果的に、前段基準点Ｐから後段基準点Ｑに向かう反射光ビームＬ３を作り出すことができれば、射出光ビームＬ４は、常に、基準光路ＬＬに沿って射出されることになる。要するに、この光軸調節装置内を通る光ビームの経路が、両基準点Ｐ，Ｑを通るように調節してやれば、入射光ビームＬ１がどのように変動したとしても、最終的な射出光ビームＬ４は、基準光路ＬＬ上を通ることになるのである。

そのような調節を行うためには、まず、第１の鏡１０で反射した反射光ビームＬ２が前段基準点Ｐに照射されるように、第１の向き調節機構１１による向き調節作業を行えばよい。上述したように、第１の向き調節機構１１は、反射光ビームＬ２の向きを任意の方向に向けることができるように、第１の鏡１０を可動自在に支持する機構である。図１では、既に反射光ビームＬ２が前段基準点Ｐに照射される状態となっているが、もし、入射光ビームＬ１の向きや位置に変動が生じると、反射光ビームＬ２の向きや位置も変動することになり、結果的に、反射光ビームＬ２の反射面Ｍ２上の入射点は、前段基準点Ｐから外れることになる。その場合には、第１の向き調節機構１１を操作して、反射光ビームＬ２の向きを変え、反射光ビームＬ２の反射面Ｍ２上の入射点が、前段基準点Ｐに一致するような調節を行えばよい。

このような調節操作を容易にするために、第２の鏡２０の裏面側（反射面Ｍ２とは反対側）に、前段入射位置検出器２２が設けられている。この前段入射位置検出器２２は、第２の鏡２０に対する光ビームＬ２の入射位置を検出する機能をもった構成要素であり、その具体的な構成例は後述する。前段入射位置検出器２２によって検出された入射位置を示す電気信号は、前段ずれ提示手段２３に与えられる。この前段ずれ提示手段２３は、前段入射位置検出器２２が検出した入射位置と、第２の鏡２０の反射面Ｍ２上の固定点として設定された前段基準点Ｐと、の間のずれを、オペレータに提示する機能をもった構成要素であり、オペレータは、この前段ずれ提示手段２３によって提示された「ずれ」を認識した上で、第１の向き調節機構１１を操作することにより、当該「ずれ」を解消する方向に、第１の鏡１０の向きを調節することができる。

このような調節作業により、前段ずれ提示手段２３によって提示される「ずれ」が０になれば、「反射光ビームＬ２が前段基準点Ｐに照射された状態」になっている。そこで今度は、第２の鏡２０で反射した反射光ビームＬ３が後段基準点Ｑに照射されるように、第２の向き調節機構２１による向き調節作業を行えばよい。上述したように、第２の向き調節機構２１は、反射光ビームＬ３の向きを任意の方向に向けることができるように、第２の鏡２０を可動自在に支持する機構である。しかも、前段基準点Ｐの位置を固定させたまま、第２の鏡２０を動かすことができるので、このような調節作業を行ったとしても、「反射光ビームＬ２が前段基準点Ｐに照射された状態」はそのまま維持される。

このような調節操作を容易にするために、第３の鏡３０の裏面側（反射面Ｍ３とは反対側）に、後段入射位置検出器３２が設けられている。この後段入射位置検出器３２は、第３の鏡３０に対する光ビームＬ３の入射位置を検出する機能をもった構成要素であり、その具体的な構成例は後述する。後段入射位置検出器３２によって検出された入射位置を示す電気信号は、後段ずれ提示手段３３に与えられる。この後段ずれ提示手段３３は、後段入射位置検出器３２が検出した入射位置と、第３の鏡３０の反射面Ｍ３上の固定点として設定された後段基準点Ｑと、の間のずれを、オペレータに提示する機能をもった構成要素であり、オペレータは、この後段ずれ提示手段３３によって提示された「ずれ」を認識した上で、第２の向き調節機構２１を操作することにより、当該「ずれ」を解消する方向に、第２の鏡２０の向きを調節することができる。

このような調節作業により、後段ずれ提示手段３３によって提示される「ずれ」が０になれば、反射光ビームＬ３は後段基準点Ｑに照射された状態になっている。このとき、反射光ビームＬ２も、前段基準点Ｐに照射された状態になっているので、前段基準点Ｐから後段基準点Ｑに向かう反射光ビームＬ３が作り出されたことになり、射出光ビームＬ４は、基準光路ＬＬに沿って射出されることになる。かくして、入射光ビームＬ１が変動したとしても、最終的な射出光ビームＬ４が、基準光路ＬＬ上を通るように光軸調節作業を行うことが可能になる。

結局、図１に示す光軸調節装置を利用して、図示のように、一旦、点Ｏ，点Ｐ，点Ｑを通る光路を形成し、このときの射出光Ｌ４の光路を基準光路ＬＬとして設定しておけば、その後、入射光ビームＬ１の向きや位置に変動が生じたとしても、オペレータは、容易に光軸調節作業（射出光Ｌ４が基準光路ＬＬを通るように調節する作業）を行うことが可能である。すなわち、入射光ビームＬ１の向きや位置に変動が生じると、変動後の光ビームは、図１に一点鎖線で示す光路から外れてしまうことになる。しかしながら、オペレータは、次のような調節作業を行うことによって、基準光路ＬＬ上を通るように光軸調節された射出光ビームＬ４を得ることが可能になる。

オペレータは、まず、前段ずれ提示手段２３によって提示された「ずれ」を認識した上で、第１の向き調節機構１１を操作することにより、当該「ずれ」を解消する方向に、第１の鏡１０の向きを調節する。そうすれば、「反射光ビームＬ２が前段基準点Ｐに照射された状態」にもってゆくことができる。もちろん、このとき、反射光ビームＬ２の反射面Ｍ２に対する入射角は、以前の状態とは異なっているであろうから、反射光ビームＬ２が前段基準点Ｐへ入射しているからと言って、反射光ビームＬ３は後段基準点Ｑに照射された状態にはなっていないであろう。

そこで、オペレータは、後段ずれ提示手段３３によって提示された「ずれ」を認識した上で、第２の向き調節機構２１を操作することにより、当該「ずれ」を解消する方向に、第２の鏡２０の向きを調節する。そうすれば、「反射光ビームＬ２が前段基準点Ｐに照射された状態」を維持しつつ、「反射光ビームＬ３が後段基準点Ｑに照射された状態」にもってゆくことができる。そうなれば、その時点での射出光ビームＬ４は、以前と同様に、基準光路ＬＬ上を通るものになる。

なお、上述の説明において、第３の鏡３０は固定鏡であり、その位置も向きも固定された状態を維持する、と述べたが、これは、図示のように、一旦、点Ｏ，点Ｐ，点Ｑを通る光路を形成し、このときの射出光Ｌ４の光路を基準光路ＬＬとして設定した後は、第３の鏡３０を固定した状態で、第１の鏡１０および第２の鏡２０のみを移動させて光軸調節を行うことを意味するものであり、「基準光路ＬＬを設定した後は、第３の鏡３０は固定される」という意味である。別言すれば、「基準光路ＬＬを設定するまで」は、第３の鏡３０を動かしてもかまわないので、第３の鏡３０として可動鏡を用いても問題はない。むしろ実用上は、第３の鏡３０として可動鏡を用い、第３の鏡３０の向きを適宜調節することにより、基準光路ＬＬを所望の位置や向きに設定できるようにしておくのが好ましい。

＜＜＜ §２．各部の具体的な構成例 ＞＞＞
前述の§１では、図１のブロック図を参照しながら、本発明に係る光軸調節装置の基本構成とその動作原理を説明した。ここでは、このブロック図に示されている各部の具体的な構成例を述べることにする。

（１） 第１の向き調節機構１１の構成例
図２は、図１に示す光軸調節装置における第１の向き調節機構１１の構成例を示す斜視図である。この第１の向き調節機構１１は、第１の鏡１０の向きを調節するための機構であるが、反射光ビームＬ２の光路を前段基準点Ｐに向かわせるように調節するためには、２つの自由度をもった方向に調節を行う必要がある。別言すれば、互いに直交した２つの面のそれぞれに沿った方向に関して、別個独立して鏡を回動させる仕組が必要である。図１において、第１の向き調節機構１１から第１の鏡１０に向けて描かれた実線矢印は、このような仕組により、第１の鏡１０の向きの調節が可能であることを示している。

図２に示す機構は、上記条件を満足する第１の向き調節機構１１を、支持フレーム１１−１を用いて構成した例を示す斜視図である。支持フレーム１１−１は、第１の鏡１０（この例では、矩形状の鏡となっている）の底部を回動軸Ａ１に関して回動自在に支持する構造を有しており、更に、この支持フレーム１１−１自体は、回動軸Ａ２に関して回動自在となるように、図示しない台座上に取り付けられている。回動軸Ａ１と回動軸Ａ２は直交する軸となっているので、回動軸Ａ１に関する回動角θおよび回動軸Ａ２に関する回動角φを所望の値に設定することにより、反射面Ｍ１を任意の向きに調節することが可能であり、反射光ビームＬ２の光路を前段基準点Ｐに向かわせることができる。

もちろん、第１の鏡を互いに独立した２つの回動軸に関して回動可能に支持することができれば、各回動軸の設定は、図２に示す実施例に限定されるものではない。たとえば、支持フレーム１１−１自体を回動させる回動軸として、回動軸Ａ２の代わりに回動軸Ａ３を用いてもかまわない。この場合、第１の鏡Ｍ１は、回動軸Ａ１と回動軸Ａ３の２つの回動軸に関して回動自在に支持された状態になる。回動軸Ａ３は、回動軸Ａ１に直交する軸Ａ２を平行移動した軸に相当するので、両回動軸Ａ１，Ａ３は、互いにねじれの位置にある。このように互いにねじれの位置にある２軸を回動軸として、第１の鏡１０を回動自在に支持する機構によって、第１の向き調節機構１１を構成することもできる。

要するに、第１の向き調節機構１１は、互いに直交する位置もしくは互いにねじれの位置にある第１の回動軸および第２の回動軸を設定したときに、第１の鏡１０を第１の回動軸まわりに回動させる機構と、第１の鏡１０を第２の回動軸まわりに回動させる機構と、を有していればよい。

（２） 第２の向き調節機構２１の構成例
図３は、図１に示す光軸調節装置における第２の向き調節機構２１の構成例を示す正面図である。この第２の向き調節機構２１は、第２の鏡２０の向きを調節するための機構であるが、反射光ビームＬ３の光路を後段基準点Ｑに向かわせるように調節するためには、２つの自由度をもった方向に調節を行う必要があり、互いに直交した２つの面のそれぞれに沿った方向に関して、別個独立して鏡を回動させる仕組が必要である。しかも、この第２の鏡２０については、更に、「前段基準点Ｐの位置を固定させたまま、向きの調節を行う」という加重条件が課されることになる。これは、第１の鏡１０の向きを調節して、反射光ビームＬ２が前段基準点Ｐに到達するようになった状態をそのまま維持しつつ、反射光ビームＬ３の光路を後段基準点Ｑに向かわせる必要があるためである。図１において、第２の向き調節機構２１から第２の鏡２０に向けて描かれた実線矢印は、このような条件を満たしつつ、第２の鏡２０の向きの調節が可能であることを示している。

図３に示す機構は、上記条件を満足する第２の向き調節機構２１を、いわゆる「ジンバル機構」を用いて構成した例を示す斜視図である。図示のとおり、この実施例では、円盤状の鏡が第２の鏡２０として用いられている。この第２の鏡２０の反射面Ｍ２の中心に前段基準点Ｐが定義され、この反射面Ｍ２に含まれる軸であって、前段基準点Ｐの位置で直交する２つの回動軸Ａ１，Ａ２が定義されている。

第２の鏡２０の左右側面には、回動シャフト２１−１が取り付けられており、この回動シャフト２１−１は、第２の鏡２０の周囲を取り囲むような円環状をした第１のフレーム２１−２によって回動自在に支持されている。回動シャフト２１−１は、回動軸Ａ１を中心軸としているため、第２の鏡２０は、第１のフレーム２１−１に対して、回動軸Ａ１に関して回動自在になる。

一方、第１のフレーム２１−２の上下側面には、回動シャフト２１−３が取り付けられており、この回動シャフト２１−３は、第１のフレーム２１−２の周囲を取り囲むような方環状をした第２のフレーム２１−４によって回動自在に支持されている。回動シャフト２１−３は、回動軸Ａ２を中心軸としているため、第１のフレーム２１−２は、第２のフレーム２１−４に対して、回動軸Ａ２に関して回動自在になる。

回動軸Ａ１と回動軸Ａ２とは、前段基準点Ｐの位置で直交しているので、回動軸Ａ１に関する回動角αおよび回動軸Ａ２に関する回動角βを所望の値に設定することにより、反射面Ｍ２を任意の向きに調節することが可能であり、反射光ビームＬ３の光路を後段基準点Ｑに向かわせることができる。しかも、両回動軸Ａ１，Ａ２は、いずれも前段基準点Ｐを通るように設定されているため、両回動軸Ａ１，Ａ２まわりの回動操作を行ったとしても、反射面Ｍ２上の中心位置に定義された前段基準点Ｐの位置は不変である。

要するに、第２の向き調節機構２１は、前段基準点Ｐの位置において互いに直交する第１の回動軸Ａ１および第２の回動軸Ａ２を設定したときに、第２の鏡２０を第１の回動軸Ａ１まわりに回動させる機構と、第２の鏡２０を第２の回動軸Ａ２まわりに回動させる機構と、によって構成すればよい。図３に示す実施例は、このような機構を、第１のフレーム２１−２と第２のフレーム２１−４とを用いて構成したものである。ここで、第１のフレーム２１−２は、第２の鏡２０を、その反射面Ｍ２上の第１の回動軸Ａ１に関して回動自在となるように、その周囲から支持するフレーム２１−２であり、第２のフレーム２１−４は、第１のフレーム２１−２を、反射面Ｍ２上の第２の回動軸Ａ２に関して回動自在となるように、その周囲から支持するフレームである。

なお、この図３に示す「ジンバル機構」は、前述した第１の向き調節機構１１に要求される条件も満足しているので、第１の向き調節機構１１としても利用可能である。

（３） 入射位置検出器の構成例
図４は、図１に示す光軸調節装置における前段入射位置検出器２２の構成例を示す側面図である。この検出器は、第２の鏡２０に対する光ビームＬ２の入射位置（反射面Ｍ２との交点位置）を検出するためのものであり、より具体的には、前段基準点Ｐに対する光ビームＬ２の入射位置のずれを検出するためのものである。

図示のとおり、この前段入射位置検出器２２は、凸レンズ２２−１と受光素子２２−２によって構成されており、第２の鏡２０の反射面Ｍ２を透過して図の右方向へ進む光の位置を検出する機能を有している。第２の鏡２０に入射した光ビームＬ２は、反射面Ｍ２で反射して、図の下方へ光ビームＬ３として射出することになるが、実際には、反射率１００％の鏡を用意することは困難であり（一般的な鏡は、反射率９９．５％程度である）、わずかな漏れ光が反射面Ｍ２を透過して、図の右方向へと進行することになる。前段入射位置検出器２２は、この漏れた透過光を検出する機能を有している。

凸レンズ２２−１は、第２の鏡２０の裏面側に透過してくる透過光を受けることができるように、第２の鏡２０の裏面側に固定されている（配置が裏面側にあり、第２の鏡２０からの透過光を受けることができればよいので、必ずしも第２の鏡２０の裏面に直接固定されている必要はない）。一方、受光素子２２−２は、凸レンズ２２−１を通った透過光を受ける受光面Ｓを有し、第２の鏡２０の裏面側に固定されている（やはり配置が裏面側にあり、第２の鏡２０からの透過光を受けることができればよいので、必ずしも第２の鏡２０の裏面に直接固定されている必要はない）。

また、凸レンズ２２−１は、その光軸Ａ（図では、破線で示す）が、前段基準点Ｐの位置において第２の鏡２０の反射面Ｍ２に交差するとともに、所定の参照点Ｒにおいて受光素子２２−２の受光面Ｓに交差する位置に配置されている。なお、図示の例では、受光面Ｓの中心に参照点Ｒが設定されており、凸レンズ２２−１の光軸Ａが、この参照点Ｒの位置において受光面Ｓに直交するような配置がなされているが、参照点Ｒは必ずしも受光面Ｓの中心に設定する必要はなく、光軸Ａは必ずしも受光面Ｓに直交する必要はない。ただ、実用上は、良好な検出を行うために、参照点Ｒを受光面Ｓの中心に設定し、光軸Ａが受光面Ｓに直交するように設定するのが好ましい。

第２の鏡２０，凸レンズ２２−１，受光素子２２−２の相互配置に関する、もうひとつの重要な条件は、凸レンズ２２−１の中心点Ｃと前段基準点Ｐとの距離をａとし、凸レンズ２２−１の中心点Ｃと参照点Ｒとの距離をｂとし、凸レンズ２２−１の焦点距離をｆとしたときに、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）が成り立つように、凸レンズ２２−１および受光素子２２−２が、第２の鏡２０の裏面側に配置されている点である。

これは、凸レンズ２２−１に関して、前段基準点Ｐと参照点Ｒとが光学的共役関係にある配置になることを意味し、前段基準点Ｐと参照点Ｒとは、互いに共役点の関係になる。このような光学的共役関係が維持されていると、前段基準点Ｐから発した光ビームは、凸レンズ２２−１を通った後、必ず参照点Ｒの位置に到達することになる。別言すれば、光ビームＬ２が、前段基準点Ｐに到達していれば、前段基準点Ｐに対してどのような入射角度で入射したとしても、受光面Ｓへの透過光の到達位置は、必ず参照点Ｒになる。したがって、第２の鏡２０の裏面側に漏れ出た透過光の受光面Ｓ上の到達位置を観測すれば、光ビームＬ２の反射面Ｍ２上の入射位置を認識することができる。

もっとも、実際には、光ビームＬ２は、幾何学的な１本の線ではなく、その光路に垂直な断面は、ほぼ円形のスポットになる。この円形スポットの光強度は、中心が最も大きく、周囲にゆくほど強度が徐々に減衰する形態をとる（通常はガウシアン分布をとる）。したがって、「光ビームＬ２が前段基準点Ｐに照射されている状態」とは、実際には、「光ビームＬ２の中心軸が前段基準点Ｐを通る状態」を意味する。結局、受光素子２２−２の受光面Ｓには、光ビームＬ２の断面に対応した輝度分布を示すほぼ円形のスポットが形成されることになる。そこで、受光素子２２−２は、受光面Ｓ上に形成された輝度分布（円形のスポット）の中心位置を、第２の鏡２０の反射面Ｍ２に対する光ビームＬ２の入射位置として出力すればよい。

図４の側面図は、「光ビームＬ２が前段基準点Ｐに照射されている状態」、すなわち、「光ビームＬ２の中心軸（図では、一点鎖線で示されている）が前段基準点Ｐを通る状態」を示している。しかも、図示の例では、光ビームＬ２の透過光の中心軸は、凸レンズ２２−１の光軸Ａ（図では、破線で示されている）に一致し、参照点Ｒを通ることになる。この場合、受光面Ｓ上に形成される円形スポットの中心位置は、参照点Ｒということになり、受光面Ｓ上には、参照点Ｒを輝度のピーク位置とする円形の輝度分布が得られる。

ところが、光ビームＬ２の反射面Ｍ２への入射位置が、前段基準点Ｐから外れると、光ビームＬ２の透過光の中心軸と受光面Ｓとの交点も、参照点Ｒから外れた位置になる（すなわち、受光面Ｓ上に形成される円形スポットの中心位置は、参照点Ｒから外れることになる）。

図５は、図４に示す受光素子２２−２の受光面Ｓを示す平面図である。この例では、参照点Ｒは、受光面Ｓの中心位置に設定されている。円形スポットＤは、光ビームＬ２の透過光によって受光面Ｓ上に形成された照射領域を示しており、この円形スポットＤの中心点Ｉは、輝度がピークを示す位置になる。そして、この中心点Ｉの位置は、現時点での光ビームＬ２の反射面Ｍ２への入射位置を示しているので、光ビームＬ２を、前段基準点Ｐへ向かう状態にするためには、中心点Ｉが参照点Ｒに一致する方向に、第１の鏡１０の向きを調節すればよい。

受光素子２２−２に、光ビームＬ２の反射面Ｍ２への入射位置を示す信号を出力させるためには、たとえば、受光面Ｓ上に、それぞれ受光量に応じた電気信号を出力する多数の画素を行列状に配置した構成をとり、各画素が出力する信号値の分布についてのピーク位置を認識し、当該ピーク位置を示す信号を、鏡に対する光ビームの入射位置を示す信号として出力するようにすればよい。たとえば、図５に示す例において、参照点Ｒの位置を原点とした二次元座標系を定義すれば、円形スポットＤ内の輝度分布のピーク位置である中心点Ｉの二次元座標値を、光ビームＬ２の反射面Ｍ２への入射位置を示す信号として出力することができる。

もっとも、第１の鏡１０の向きを調節する上では、「光ビームＬ２の反射面Ｍ２への入射位置が、前段基準点Ｐからどの方向にずれているか」という情報さえ把握できれば、「どの程度ずれているか」という正確な情報がなくても、調節作業は可能である。たとえば、「下にずれている」という情報が把握できれば、光ビームＬ２を上方へ向ける方向に鏡の調節を行えばよいし、「左にずれている」という情報が把握できれば、反射光ビームＬ２を右方へ向ける方向に鏡の調節を行えばよい。もっとも、オペレータに「調整作業完了」を判断させる上では、「ずれ」の量が所定の許容範囲内になったことを示す信号も必要である。したがって、受光素子２２−２は、必ずしも、円形スポットＤの中心点Ｉの正確な座標値を出力する必要はなく、参照点Ｒに対する「ずれの方向」と「ずれ量が許容範囲内になったか否か」を示す信号を出力する機能を有していれば足りる。

たとえば、図５に示す例において、参照点Ｒの位置を原点とし、図に破線で示す座標軸を定義すれば、受光面Ｓを第１象限Ｉ、第２象限II、第３象限III、第４象限IVの４つの領域に分割することができる。そこで、各画素からの信号値の和を、それぞれの領域ごとに求めれば、和が最も大きくなる領域に、円形スポットＤの中心点Ｉが存在すると推定することができる。あるいは、４つの領域を、それぞれ１枚の太陽電池パネルなどで構成しておき、最も出力電力量の大きなパネルの位置に、円形スポットＤの中心点Ｉが存在すると推定するようにしてもよい。このような機能をもった受光素子２２−２は、四分割センサあるいはＰＳＤ（Position Sensitive Device）なる装置として一般に市販されている。

なお、図４では、説明の便宜上、凸レンズ２２−１の光軸Ａを幾何学的な直線（図では破線）として示し、この幾何学的な直線上に前段基準点Ｐが位置する例を示したが、実際には、第２の鏡２０は、厚みをもった支持体の表面に反射面Ｍ２を形成したものであるから、前段基準点Ｐから図の右方へと向かう透過光は、第２の鏡２０の裏面を透過する際に屈折を生じることになる。したがって、厳密に図示すれば、図４に光軸Ａとして示す破線の左端付近は、第２の鏡２０の裏面を境界として若干折れ曲がったものになり、前段基準点Ｐは、この折れ曲がった破線の左端に位置していなければならない。

したがって、「凸レンズ２２−１の光軸Ａが、前段基準点Ｐの位置において第２の鏡２０の反射面Ｍ２に交差する」という条件は、厳密に言えば、幾何学的な直線としての光軸Ａではなく、第２の鏡２０の裏面における屈折を考慮した光路としての光軸について言及されるべき条件ということになる。また、凸レンズ２２−１の中心点Ｃと前段基準点Ｐとの距離ａも、厳密に言えば、幾何学的な２点間距離ではなく、屈折を考慮した光路上の距離として定義する必要がある。もっとも、「屈折を考慮した光路」の代わりに、幾何学的な直線を用いて近似しても、実用上、大きな誤差は生じない。

また、図４に示す例では、凸レンズ２２−１や受光素子２２−２が、光ビームＬ２自身の透過光を受ける位置に配置されており（すなわち、図４において、光ビームＬ２の右方への延長線上に凸レンズ２２−１や受光素子２２−２が配置されている）、受光素子２２−２には、光ビームＬ２自身の透過光が入るような構成になっているが、受光素子２２−２は、必ずしも光ビームＬ２自身の透過光を受ける必要はない。すなわち、受光素子２２−２は、光ビームＬ２の反射面Ｍ２に対する入射点からの散乱透過光を受けて、入射位置の検出を行うこともできる。

たとえば、反射面Ｍ２は、通常、アルミニウムなどの金属薄膜を基板上に形成することによって形成される。このような金属薄膜の表面に、光ビームを入射させた場合、多くの光成分は、入射点において反射して反射光として射出されるが、一部は、透過光として金属薄膜を通り抜け、また別な一部は、入射点において散乱し、四方八方へと拡散してゆく。いま、光ビームの入射点が前段基準点Ｐであったとすると、この前段基準点Ｐからの散乱光も、凸レンズ２２−１を通ることによって、受光面Ｓ上の参照点Ｒに集められる。結局、前段基準点Ｐが散乱光を発する点光源であると考えると、凸レンズ２２−１に関して、前段基準点Ｐと参照点Ｒとが光学的共役関係にあるため、当該点光源の像が参照点Ｒの位置に結像することになる。

したがって、光ビームＬ２の右方への延長線上に凸レンズ２２−１や受光素子２２−２を配置する図４のような構成を採らなかったために（たとえば、反射面Ｍ２に対して直交する直線上に凸レンズ２２−１や受光素子２２−２を配置したために）、受光素子２２−２に、光ビームＬ２自身の透過光が入らなくなったとしても、光ビームの入射点からの散乱光によって、受光面Ｓ上に入射点の像が結像することになるので、当該像の位置に基づいて、入射点の位置を把握することができる。

もっとも、このような散乱光は、光ビームＬ２自身の透過光に比べて、強度が非常に低くなるので、実用上は、図４に示す配置のように、光ビームＬ２自身の透過光が受光素子２２−２に入るような構成を採るのが好ましい。

以上、図４および図５を参照しながら、図１に示す光軸調節装置における前段入射位置検出器２２の構成例を説明したが、後段入射位置検出器３２も全く同様の構成により実現することができる。後段入射位置検出器３２は、第３の鏡３０に対する反射光ビームＬ３の入射位置（反射面Ｍ３との交点位置）を検出するためのものであり、後段基準点Ｑに対する反射光ビームＬ３の入射位置のずれを検出するためのものである。

このような後段入射位置検出器３２は、第３の鏡３０の裏面側に透過してくる透過光を受けることができるように、第３の鏡３０の裏面側に固定された凸レンズ（配置が裏面側にあればよいので、必ずしも第３の鏡３０の裏面に直接固定されている必要はない）と、この凸レンズを通った透過光を受ける受光面を有し、第３の鏡３０の裏面側に固定された受光素子（やはり配置が裏面側にあればよいので、必ずしも第３の鏡３０の裏面に直接固定されている必要はない）と、によって構成できる。ここで、凸レンズの光軸は、後段基準点Ｑの位置において第３の鏡の反射面Ｍ３に交差するとともに、所定の参照点Ｒにおいて受光面に交差するようにし、更に、凸レンズの中心点Ｃと後段基準点Ｑとの距離をａとし、凸レンズの中心点Ｃと参照点Ｒとの距離をｂとし、凸レンズの焦点距離をｆとしたときに、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）が成り立つように、凸レンズおよび受光素子が配置されるようにし、受光素子は、受光面上に形成された輝度分布の中心位置を、第３の鏡３０に対する光の入射位置として出力することができればよい。

なお、図１において、第２の鏡２０から前段入射位置検出器２２に向けて描かれた破線矢印は、上述のような手法により、第２の鏡２０に対する反射光ビームＬ２の入射位置の検出が、前段入射位置検出器２２によって行われることを示しており、第３の鏡３０から後段入射位置検出器３２に向けて描かれた破線矢印は、上述のような手法により、第３の鏡３０に対する反射光ビームＬ３の入射位置の検出が、後段入射位置検出器３２によって行われることを示している。

（４） ずれ提示手段の構成例
図１に示す前段ずれ提示手段２３は、前段入射位置検出器２２が検出した入射位置と、第２の鏡２０の反射面Ｍ２上の固定点として設定された前段基準点Ｐと、の間の「ずれ」を、オペレータに対して提示する機能をもった構成要素である。オペレータは、提示された「ずれ」を解消する方向に、第１の向き調節機構１１を操作して、光ビームＬ２の向きを調節することになる。同様に、後段ずれ提示手段３３は、後段入射位置検出器３２が検出した入射位置と、第３の鏡３０の反射面Ｍ３上の固定点として設定された後段基準点Ｑと、の間の「ずれ」を、オペレータに対して提示する機能をもった構成要素である。オペレータは、提示された「ずれ」を解消する方向に、第２の向き調節機構２１を操作して、光ビームＬ３の向きを調節することになる。

図１において、前段入射位置検出器２２から前段ずれ提示手段２３に向けて描かれた実線矢印は、前段入射位置検出器２２によって検出された入射位置が電気信号として前段ずれ提示手段２３へ引き渡されることを示しており、同様に、後段入射位置検出器３２から後段ずれ提示手段３３に向けて描かれた実線矢印は、後段入射位置検出器３２によって検出された入射位置が電気信号として後段ずれ提示手段３３へ引き渡されることを示している。

前述したように、各鏡の向きを調節する上では、「入射位置が基準点に対して、どの方向にずれているか」という情報さえ把握できればよいので、ずれ提示手段による「ずれ」の提示方法は、実用上、「前後左右」といった「ずれ」の方向と、「ずれ」の量が所定の許容範囲内になったことを提示するだけで十分である。

たとえば、図５に示す例では、前段入射位置検出器２２によって、受光面Ｓ上に形成された円形スポットＤの中心点Ｉが、座標系のどの象限に位置するかを検出する例を示した。このような検出信号を受けたずれ提示手段は、「第１象限Ｉ」との検出信号を受けた場合には「右上にずれている」ことを示し、「第２象限II」との検出信号を受けた場合には「左上にずれている」ことを示し、「第３象限III」との検出信号を受けた場合には「左下にずれている」ことを示し、「第４象限IV」との検出信号を受けた場合には「右下にずれている」ことを示す提示を行えばよい（たとえば、「ずれ」の方向を示すランプを点灯させればよい）。また、中心点Ｉと参照点Ｒとの距離が所定値以下になったときには、「ずれ」の量が所定の許容範囲内になったことをオペレータに提示して、オペレータが調節作業の完了を認識できるようにすればよい。

＜＜＜ §３．光軸自動調節システムの基本構成 ＞＞＞
さて、§１では、図１のブロック図を参照して、光軸調節装置の基本構成を示したが、この光軸調節装置は、基本的に、調節作業をオペレータの手に委ねるものであり、光軸調節に用いる光学系の構造は単純になるものの、調節作業を行うためのオペレータの労力は必要とされる。ここで述べる光軸自動調節システムは、§１で述べた光軸調節装置を更に発展させ、光軸調節の作業を自動化するものである。

図６は、この光軸自動調節システムの基本構成を示すブロック図である。図１に示す光軸調節装置と基本的に同一の構成要素については、同一符号を付して示した。すなわち、反射面Ｍ１をもった第１の鏡１０、反射面Ｍ２をもった第２の鏡２０、反射面Ｍ３をもった第３の鏡３０、第１の向き調節機構１１、第２の向き調節機構２１、前段入射位置検出器２２、後段入射位置検出器３２は、§１で述べた各構成要素と同一のものを用いてかまわない。すなわち、図６にブロックとして示す第１の向き調節機構１１、第２の向き調節機構２１、前段入射位置検出器２２、後段入射位置検出器３２の具体的な構成例は、§２で述べたとおりである。この図６に示す光軸自動調節システムでは、図１に示す光軸調節装置における前段ずれ提示手段２３の代わりに前段制御手段２４が設けられ、後段ずれ提示手段３３の代わりに後段制御手段３４が設けられている。

前段制御手段２４は、前段入射位置検出器２２が検出した入射位置と、前段基準点Ｐと、の間のずれを解消する方向に第１の鏡１０の向きが調節されるように、第１の向き調節機構１１に対して制御信号を与える処理を行う。第１の向き調節機構１１は、前段制御手段２４から与えられた制御信号に基づいて、第１の鏡１０の向きを調節する。

図６における前段入射位置検出器２２から前段制御手段２４へ向かう実線矢印は、前段入射位置検出器２２で検出された入射位置を示す電気信号が前段制御手段２４へ引き渡されることを示しており、前段制御手段２４から第１の向き調節機構１１へ向かう実線矢印は、前段制御手段２４からの電気的な制御信号が第１の向き調節機構１１へ引き渡されることを示している。

たとえば、第１の向き調節機構１１として、図２に示すような具体的な調節機構を用いた場合、回動角度θおよび回動角度φの値をステッピングモータなどで制御できるようにしておき、前段制御手段２４からは、このステッピングモータを制御するための制御信号を与えるようにすればよい。具体的には、図５に示す例のように、円形スポットＤの中心点Ｉの位置がどの象限に位置するかという位置検出信号が前段入射位置検出器２２から前段制御手段２４に与えられた場合、中心点Ｉの位置を上下に調節するには、回動角度θの調節を行い、中心点Ｉの位置を左右に調節するには、回動角度φの調節を行えばよいので、前段制御手段２４は、そのような調節を行うためのステッピングモータに対する制御信号を出力すればよい。

同様に、後段制御手段３４は、後段入射位置検出器３２が検出した入射位置と、後段基準点Ｑと、の間のずれを解消する方向に第２の鏡２０の向きが調節されるように、第２の向き調節機構２１に対して制御信号を与える処理を行う。第２の向き調節機構２１は、後段制御手段３４から与えられた制御信号に基づいて、第２の鏡２０の反射面Ｍ２上の固定点として設定された前段基準点Ｐの位置を固定させたまま、第２の鏡２０の向きを調節する。

図６における後段入射位置検出器３２から後段制御手段３４へ向かう実線矢印は、後段入射位置検出器３２で検出された入射位置を示す電気信号が後段制御手段３４へ引き渡されることを示しており、後段制御手段３４から第２の向き調節機構２１へ向かう実線矢印は、後段制御手段３４からの電気的な制御信号が第２の向き調節機構２１へ引き渡されることを示している。

結局、図６に示す光軸自動調節システムは、レーザなどの光源５から与えられるビーム状入射光Ｌ１の位置や向きが変動した場合にも、射出光Ｌ４が所定の基準光路ＬＬに沿った状態を維持するように、光軸を自動的に調節する機能を有している。

すなわち、図６に示す光軸自動調節システムを利用して、図示のように、一旦、点Ｏ，点Ｐ，点Ｑを通る光路を形成し、このときの射出光Ｌ４の光路を基準光路ＬＬとして設定しておけば、その後、入射光ビームＬ１の向きや位置に変動が生じたとしても、この光軸自動調節システムにおける自動制御機能により、射出光Ｌ４が基準光路ＬＬを通るように、第１の鏡１０および第２の鏡２０の向きが自動的に調節されることになる。

たとえば、入射光ビームＬ１の向きや位置に変動が生じると、変動後の光ビームは、図６に一点鎖線で示す光路から外れてしまうことになる。すなわち、反射光ビームＬ３の両端点のいずれか一方もしくは双方が、前段基準点Ｐおよび後段基準点Ｑから外れてしまう。

しかしながら、反射光ビームＬ２の反射面Ｍ２に対する入射位置が、前段基準点Ｐから外れると、その「ずれ」は、前段入射位置検出器２２によって検出され、当該「ずれ」を解消するような制御動作が前段制御手段２４によって行われ、第１の向き調節機構１１が、第１の鏡１０の向きを調節する。その結果、反射光ビームＬ２の反射面Ｍ２に対する入射位置は、前段基準点Ｐへと戻されることになる。

同様に、反射光ビームＬ３の反射面Ｍ３に対する入射位置が、後段基準点Ｑから外れると、その「ずれ」は、後段入射位置検出器３２によって検出され、当該「ずれ」を解消するような制御動作が後段制御手段３４によって行われ、第２の向き調節機構２１が、第２の鏡２０の向きを調節する。その結果、反射光ビームＬ３の反射面Ｍ３に対する入射位置は、後段基準点Ｑへと戻されることになる。

このような自動制御により、結局、反射光ビームＬ３の両端点は、常に前段基準点Ｐおよび後段基準点Ｑに維持されることになり、第３の鏡３０から射出される光ビームＬ４は、入射光ビームＬ１の変動にかかわらず、常に基準光路ＬＬ上を通るものになる。

＜＜＜ §４．可動反射鏡装置としての利用 ＞＞＞
以上、図１に示す光軸調節装置および図６に示す光軸自動調節システムについて説明したが、ここで用いられている第２の鏡２０、第２の向き調節機構２１、前段入射位置検出器２２からなる光学機器は、単独で利用しても、特有の作用効果を奏する光学機器として機能する。すなわち、当該光学機器は、反射面Ｍ２上に定義された基準点Ｐを固定点として、向きの調節を行うことが可能な可動反射鏡装置として機能することができ、反射面Ｍ２を、基準点Ｐの位置を動かすことなく、２つの自由度に関して任意の向きに調節することができる。しかも、反射面Ｍ２に対して外部から照射した光ビームの入射位置を検出することができるので、この検出結果を利用して、基準点Ｐの位置に入射するように、照射光ビームの向きを調節することが可能になる。要するに、この可動反射鏡装置は、不動点（基準点Ｐ）から任意の方向に光ビームを射出（反射ビームとして射出）する機能をもったジンバルミラーとして機能することになる。

このような可動反射鏡装置は、図３に示すように、表面に反射面Ｍ２が形成された反射鏡２０と、この反射鏡２０を、基準点Ｐを通り反射面Ｍ２に含まれる第１の回動軸Ａ１に関して回動自在となるように、その周囲から支持する第１のフレーム２１−２と、この第１のフレーム２１−２を、基準点Ｐにおいて第１の回動軸Ａ１と直交し反射面Ｍ２に含まれる第２の回動軸Ａ２に関して回動自在となるように、その周囲から支持する第２のフレーム２１−４と、を備え、更に、図４に示すように、反射面Ｍ２を透過してくる透過光を受けることができるように、反射鏡２０の裏面側に固定された凸レンズ２２−１と、この凸レンズ２２−１を通った透過光を受ける受光面Ｓを有し、反射鏡２０の裏面側に固定された受光素子２２−２と、を備えている。

しかも、凸レンズ２２−１の光軸Ａは、基準点Ｐの位置において反射鏡２０の反射面Ｍ２に交差するとともに、所定の参照点Ｒにおいて受光面Ｓに交差し、この凸レンズ２２−１の中心点Ｃと基準点Ｐとの距離をａとし、凸レンズ２２−１の中心点Ｃと参照点Ｒとの距離をｂとし、凸レンズ２２−１の焦点距離をｆとしたときに、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）が成り立つように、凸レンズ２２−１および受光素子２２−２が配置されており、受光素子２２−２が、受光面Ｓ上に形成された輝度分布の中心位置を、反射鏡２０に対する光の入射位置として出力する機能を有している。

この可動反射鏡装置に用いる受光素子２２−２としては、たとえば、受光面Ｓ上に、それぞれ受光量に応じた電気信号を出力する多数の画素を行列状に配置したものを用い、各画素が出力する信号値の分布についてのピーク位置を認識し、当該ピーク位置を示す信号を、光ビームの入射位置を示す信号として出力する素子を用いればよい。

本発明に係る光軸調節装置の基本構成を示すブロック図である。 図１に示す光軸調節装置における第１の向き調節機構１１の構成例を示す斜視図である。 図１に示す光軸調節装置における第２の向き調節機構２１の構成例を示す正面図である。 図１に示す光軸調節装置における前段入射位置検出器２２の構成例を示す側面図である。 図４に示す受光素子２２−２の受光面Ｓを示す平面図である。 本発明に係る光軸自動調節システムの基本構成を示すブロック図である。

符号の説明

５：光源（レーザ）
１０：第１の鏡（可動鏡）
１１：第１の向き調節機構
１１−１：支持フレーム
２０：第２の鏡（ジンバル機構を用いた可動鏡）
２１：第２の向き調節機構
２１−１：回動シャフト
２１−２：第１のフレーム
２１−３：回動シャフト
２１−４：第２のフレーム
２２：前段入射位置検出器
２２−１：凸レンズ
２２−２：受光素子
２３：前段ずれ提示手段
２４：前段制御手段
３０：第３の鏡（固定鏡）
３２：後段入射位置検出器
３３：後段ずれ提示手段
３４：後段制御手段
Ａ：凸レンズの光軸
Ａ１〜Ａ３：回動軸
ａ：凸レンズの中心点Ｃと基準点Ｐとの距離
ｂ：凸レンズの中心点Ｃと参照点Ｒとの距離
Ｃ：凸レンズの中心点
Ｄ：円形スポット
Ｉ：円形スポットＤの中心点
Ｌ１：入射光ビーム
Ｌ２：反射光ビーム
Ｌ３：反射光ビーム
Ｌ４：射出光ビーム
ＬＬ：基準光路
Ｍ１：第１の鏡の反射面
Ｍ２：第２の鏡の反射面
Ｍ３：第３の鏡の反射面
Ｏ：反射点
Ｐ：反射面Ｍ２上の基準点（ジンバル機構の固定点）
Ｑ：反射面Ｍ３上の基準点（固定鏡の所定点）
Ｒ：参照点（光軸ずれがない場合の受光面Ｓ上の像の位置）
Ｓ：受光面
α：回動軸Ａ１まわりの回動角
β：回動軸Ａ２まわりの回動角
θ：回動軸Ａ１まわりの回動角
φ：回動軸Ａ２まわりの回動角

Claims (7)

1. ビーム状入射光の位置や向きが変動した場合にも、射出光が所定の基準光路に沿った状態を維持するように、光軸を自動的に調節する機能をもった光軸自動調節システムであって、
   前記入射光を受ける位置に配置された第１の鏡と、
   前記第１の鏡で反射した反射光を受ける位置に配置された第２の鏡と、
   前記第２の鏡で反射した反射光を受ける位置に配置され、反射した光を前記射出光として射出する第３の鏡と、
   与えられた制御信号に基づいて、前記第１の鏡の向きを調節する第１の向き調節機構と、
   与えられた制御信号に基づいて、前記第２の鏡の反射面上の固定点として設定された前段基準点Ｐの位置を固定させたまま、前記第２の鏡の向きを調節する第２の向き調節機構と、
   前記第２の鏡に対する光ビームの入射位置を検出する前段入射位置検出器と、
   前記第３の鏡に対する光ビームの入射位置を検出する後段入射位置検出器と、
   前記第１の鏡の向きが調節されるように、前記第１の向き調節機構に対して制御信号を与える前段制御手段と、
   前記第２の鏡の向きが調節されるように、前記第２の向き調節機構に対して制御信号を与える後段制御手段と、
   を備え、
   前記入射光が、前記第１の鏡の反射面上の所定の反射点Ｏ、前記第２の鏡の反射面上の前記前段基準点Ｐ、前記第３の鏡の反射面上の所定の後段基準点Ｑを通る光路を形成しているときに得られる射出光の光路が基準光路として設定されたときに、
   前記前段制御手段は、前記前段入射位置検出器が検出した入射位置と、前記前段基準点Ｐと、の間のずれを解消する方向に前記第１の鏡の向きが調節されるように、前記第１の向き調節機構に対して制御信号を与え、
   前記後段制御手段は、前記後段入射位置検出器が検出した入射位置と、前記後段基準点Ｑと、の間のずれを解消する方向に前記第２の鏡の向きが調節されるように、前記第２の向き調節機構に対して制御信号を与え、
   前記前段基準点Ｐが三次元空間上に固定された不動点となるように前記第２の向き調節機構による調節が行われ、かつ、前記後段基準点Ｑが三次元空間上に固定された不動点となるように前記第３の鏡の反射面が三次元空間上に固定された状態で光軸の調節が行われることを特徴とする光軸自動調節システム。
2. 請求項１に記載の光軸自動調節システムにおいて、
   第１の向き調節機構が、互いに直交する位置もしくは互いにねじれの位置にある第１の回動軸および第２の回動軸を設定したときに、第１の鏡を前記第１の回動軸まわりに回動させる機構と、第１の鏡を前記第２の回動軸まわりに回動させる機構と、を有することを特徴とする光軸自動調節システム。
3. 請求項１に記載の光軸自動調節システムにおいて、
   第２の向き調節機構が、前段基準点Ｐの位置において互いに直交する第１の回動軸および第２の回動軸を設定したときに、第２の鏡を前記第１の回動軸まわりに回動させる機構と、第２の鏡を前記第２の回動軸まわりに回動させる機構と、を有することを特徴とする光軸自動調節システム。
4. 請求項３に記載の光軸自動調節システムにおいて、
   第２の向き調節機構が、
   第２の鏡を、その反射面上の第１の回動軸に関して回動自在となるように、その周囲から支持する第１のフレームと、
   前記第１のフレームを、前記反射面上の第２の回動軸に関して回動自在となるように、その周囲から支持する第２のフレームと、
   を有することを特徴とする光軸自動調節システム。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載の光軸自動調節システムにおいて、
   前段入射位置検出器が、
   第２の鏡の裏面側に透過してくる透過光を受けることができるように、前記第２の鏡の裏面側に固定された凸レンズと、
   前記凸レンズを通った前記透過光を受ける受光面を有し、前記第２の鏡の裏面側に固定された受光素子と、
   を備え、
   前記凸レンズの光軸は、前段基準点Ｐの位置において前記第２の鏡の反射面に交差するとともに、所定の参照点Ｒにおいて前記受光面に交差し、
   前記凸レンズの中心点Ｃと前記前段基準点Ｐとの距離をａとし、前記凸レンズの中心点Ｃと前記参照点Ｒとの距離をｂとし、前記凸レンズの焦点距離をｆとしたときに、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）が成り立つように、前記凸レンズおよび前記受光素子が配置されており、
   前記受光素子は、前記受光面上に形成された輝度分布の中心位置を、前記第２の鏡に対する光の入射位置として出力することを特徴とする光軸自動調節システム。
6. 請求項１〜４のいずれかに記載の光軸自動調節システムにおいて、
   後段入射位置検出器が、
   第３の鏡の裏面側に透過してくる透過光を受けることができるように、前記第３の鏡の裏面側に固定された凸レンズと、
   前記凸レンズを通った前記透過光を受ける受光面を有し、前記第３の鏡の裏面側に固定された受光素子と、
   を備え、
   前記凸レンズの光軸は、後段基準点Ｑの位置において前記第３の鏡の反射面に交差するとともに、所定の参照点Ｒにおいて前記受光面に交差し、
   前記凸レンズの中心点Ｃと前記後段基準点Ｑとの距離をａとし、前記凸レンズの中心点Ｃと前記参照点Ｒとの距離をｂとし、前記凸レンズの焦点距離をｆとしたときに、（１／ａ）＋（１／ｂ）＝（１／ｆ）が成り立つように、前記凸レンズおよび前記受光素子が配置されており、
   前記受光素子は、前記受光面上に形成された輝度分布の中心位置を、前記第３の鏡に対する光の入射位置として出力することを特徴とする光軸自動調節システム。
7. 請求項５または６に記載の光軸自動調節システムにおいて、
   受光素子の受光面上には、それぞれ受光量に応じた電気信号を出力する画素が行列状に配置されており、
   前記受光素子は、各画素が出力する信号値の分布についてのピーク位置を認識し、当該ピーク位置を示す信号を、鏡に対する光ビームの入射位置を示す信号として出力することを特徴とする光軸自動調節システム。

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