JPH1114464A - 高エネルギーレーザー焦点センサー - Google Patents
高エネルギーレーザー焦点センサーInfo
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- JPH1114464A JPH1114464A JP10157250A JP15725098A JPH1114464A JP H1114464 A JPH1114464 A JP H1114464A JP 10157250 A JP10157250 A JP 10157250A JP 15725098 A JP15725098 A JP 15725098A JP H1114464 A JPH1114464 A JP H1114464A
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Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
- B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L21/00—Processes or apparatus adapted for the manufacture or treatment of semiconductor or solid state devices or of parts thereof
- H01L21/02—Manufacture or treatment of semiconductor devices or of parts thereof
- H01L21/027—Making masks on semiconductor bodies for further photolithographic processing not provided for in group H01L21/18 or H01L21/34
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
- G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B7/00—Mountings, adjusting means, or light-tight connections, for optical elements
- G02B7/28—Systems for automatic generation of focusing signals
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Abstract
(57)【要約】
【課題】エネルギーレーザービームにおける焦点シフト
を感知するために用いられる干渉測定装置及び対応方法
を有するセンサーを提供する。 【解決手段】本発明の好ましい形態では、基準ビームが
ディザーされサンプルビームと再結合され、干渉パター
ンは、検知された干渉パターンを表す電気信号を作り出
す検知器上に、レンズによって焦点合わせされる。電気
信号はディザー周波数成分を取り除くために同期的に検
知され、積分され、そして焦点シフト修正信号を発生さ
せるために増幅される。焦点シフト修正信号は軸調整可
能レンズに流され、基準ビーム波面の位相曲率を変えて
サンプルビームのそれらと整合させる。センサーにより
作り出される焦点シフト修正信号は、高エネルギーレー
ザービーム焦点シフトを表し、焦点シフトを修正する目
的で利用することができる。
を感知するために用いられる干渉測定装置及び対応方法
を有するセンサーを提供する。 【解決手段】本発明の好ましい形態では、基準ビームが
ディザーされサンプルビームと再結合され、干渉パター
ンは、検知された干渉パターンを表す電気信号を作り出
す検知器上に、レンズによって焦点合わせされる。電気
信号はディザー周波数成分を取り除くために同期的に検
知され、積分され、そして焦点シフト修正信号を発生さ
せるために増幅される。焦点シフト修正信号は軸調整可
能レンズに流され、基準ビーム波面の位相曲率を変えて
サンプルビームのそれらと整合させる。センサーにより
作り出される焦点シフト修正信号は、高エネルギーレー
ザービーム焦点シフトを表し、焦点シフトを修正する目
的で利用することができる。
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、広くはアクティブ光学
システムに、中でも特に、高パワー光学列加熱とその結
果としての高出力ビーム波面歪みによる焦点シフトの測
定に利用される干渉測定センサーに関わる。
システムに、中でも特に、高パワー光学列加熱とその結
果としての高出力ビーム波面歪みによる焦点シフトの測
定に利用される干渉測定センサーに関わる。
【０００２】
【発明の背景】「アクティブ光学」という語は、その性
質が、実際の作動中、光学波面を制御するため調節され
る光成分素子に対して使用される。「光線」という語
は、放射伝搬の方向を指し、また「波面」は、放射源か
ら放射される光線群と直交する一定の光路長の立体的表
面を表す。放射ソース点の像を形成するためには、群中
の全ての光線が同一の光路長を有していなければならな
い。一定の屈折率を媒介として、球状波面を作り出すこ
とにより、若しくはソース点が無限大に位置する場合は
平面波面を作り出すことによってこのことが実現され
る。光線と波面の幾何学的コンゼプトは実際の物理的存
在を有しないが、それらは光学システムの設計及び理解
に当たり非常に貴重であり、本明細書で使用されてい
る。
質が、実際の作動中、光学波面を制御するため調節され
る光成分素子に対して使用される。「光線」という語
は、放射伝搬の方向を指し、また「波面」は、放射源か
ら放射される光線群と直交する一定の光路長の立体的表
面を表す。放射ソース点の像を形成するためには、群中
の全ての光線が同一の光路長を有していなければならな
い。一定の屈折率を媒介として、球状波面を作り出すこ
とにより、若しくはソース点が無限大に位置する場合は
平面波面を作り出すことによってこのことが実現され
る。光線と波面の幾何学的コンゼプトは実際の物理的存
在を有しないが、それらは光学システムの設計及び理解
に当たり非常に貴重であり、本明細書で使用されてい
る。
【０００３】高出力、若しくは高エネルギーレーザービ
ーム、専門用語はどちらでも構わないのだが、そのアプ
リケーションにおいては、光学素子によるレーザービー
ム吸収及びそれに伴う歪みは、高出力ビームの波面に基
本的には焦点のシフトを伴う歪みを引き起こす。この焦
点シフトこそが本質であり、この焦点シフトを検知及び
修正するための手段無くしては、レーザー装置の利用価
値は著しく減じることになる。高エネルギーレーザー光
学システムは、約１００万ワットのエネルギー出力を備
えているが、比較的最近生まれたもので、産業用アプリ
ケーションにはまだ広く利用されてはいない。当然、先
行技術で、高エネルギーレーザービーム焦点シフトの問
題点を直接的に述べているものはない。開発の可能性を
秘めた産業用アプリケーションには、自動生産、衣料及
びマイクロエレクトロニクス産業、そして他の精密レー
ザー溶接や製造産業にいたるまで種々の産業界で一般に
採用されているレーザー溶接や切断等が含まれている。
ーム、専門用語はどちらでも構わないのだが、そのアプ
リケーションにおいては、光学素子によるレーザービー
ム吸収及びそれに伴う歪みは、高出力ビームの波面に基
本的には焦点のシフトを伴う歪みを引き起こす。この焦
点シフトこそが本質であり、この焦点シフトを検知及び
修正するための手段無くしては、レーザー装置の利用価
値は著しく減じることになる。高エネルギーレーザー光
学システムは、約１００万ワットのエネルギー出力を備
えているが、比較的最近生まれたもので、産業用アプリ
ケーションにはまだ広く利用されてはいない。当然、先
行技術で、高エネルギーレーザービーム焦点シフトの問
題点を直接的に述べているものはない。開発の可能性を
秘めた産業用アプリケーションには、自動生産、衣料及
びマイクロエレクトロニクス産業、そして他の精密レー
ザー溶接や製造産業にいたるまで種々の産業界で一般に
採用されているレーザー溶接や切断等が含まれている。
【０００４】電気的計算を用いて波面収差修正する焦点
検知装置が、米国特許４，７４８，３２１に開示されて
いる。この装置は、波面収差修正のために複雑な電子的
数値計算を利用しているが、焦点シフトを感知するとい
う単一の目的のためには不必要に複雑である。更に、波
面収差を補正するため検知器に接続された干渉測定シス
テムが米国特許４，６８２，０２５に開示されている。
しかしながら、これらの装置は、入り組んだ検知器配列
と多数の柔軟性のある鏡要素を使用しており、これもま
た高エネルギーレーザービームでの焦点シフトだけを感
知するという目的のためには不必要に複雑である。確認
できる限りにおいて、既知のどのシステムも本発明の特
徴と利点を全て組み入れているわけではない。ヘテロダ
イン干渉測定は、幾つかの周知のシステムで利用されて
いる技術である。この技術では、波面で測定される位相
角差が、システム上に載せられた高周波「ディザリン
グ」信号により伝送される。位相角差は、その後、同期
検知段階で抽出される。ヘテロダイン干渉測定の主要利
点は、位相角度測定の精度をひずませてしまうようなノ
イズ信号に対し感度が非常に低いことである。ＳＰＩＥ
−国際光学技術協会の１９８２年８月版、３５１巻、
「波面感知」１４１ページから１４７ページのＮ．Ａ．
マッシー他により著された「６４平行チャンネルヘテロ
ダイン干渉測定装置を用いた流界試験」と題された論
文、及びその中で引用された他論文では、ヘテロダイン
干渉測定装置として言及されている装置の一つの型が開
示されている。しかし、他のビームシステムは、この技
術を単純な設計の干渉測定センサーに取り込んでいな
い。
検知装置が、米国特許４，７４８，３２１に開示されて
いる。この装置は、波面収差修正のために複雑な電子的
数値計算を利用しているが、焦点シフトを感知するとい
う単一の目的のためには不必要に複雑である。更に、波
面収差を補正するため検知器に接続された干渉測定シス
テムが米国特許４，６８２，０２５に開示されている。
しかしながら、これらの装置は、入り組んだ検知器配列
と多数の柔軟性のある鏡要素を使用しており、これもま
た高エネルギーレーザービームでの焦点シフトだけを感
知するという目的のためには不必要に複雑である。確認
できる限りにおいて、既知のどのシステムも本発明の特
徴と利点を全て組み入れているわけではない。ヘテロダ
イン干渉測定は、幾つかの周知のシステムで利用されて
いる技術である。この技術では、波面で測定される位相
角差が、システム上に載せられた高周波「ディザリン
グ」信号により伝送される。位相角差は、その後、同期
検知段階で抽出される。ヘテロダイン干渉測定の主要利
点は、位相角度測定の精度をひずませてしまうようなノ
イズ信号に対し感度が非常に低いことである。ＳＰＩＥ
−国際光学技術協会の１９８２年８月版、３５１巻、
「波面感知」１４１ページから１４７ページのＮ．Ａ．
マッシー他により著された「６４平行チャンネルヘテロ
ダイン干渉測定装置を用いた流界試験」と題された論
文、及びその中で引用された他論文では、ヘテロダイン
干渉測定装置として言及されている装置の一つの型が開
示されている。しかし、他のビームシステムは、この技
術を単純な設計の干渉測定センサーに取り込んでいな
い。
【０００５】これらの開発にもかかわらず、高エネルギ
ーレーザービームの焦点シフトを感知し測定するための
迅速、簡素且つ信頼のおける技術が、いまだ必要とされ
ている。理想的には、焦点シフトセンサーは、最低限の
可動パーツを備えた単純な計器であって、信頼でき検証
済みの技術に基づいており、迅速且つ信頼性の高い測定
を可能にする有害環境に耐える丈夫な設計であるのがよ
い。更に、高エネルギーレーザー焦点センサーは、他の
既存干渉測定システムより複雑ではなく、込み入った数
値計算をしなくとも焦点シフトの測定を可能にすべきで
ある。本発明はこれらの必要性を満たし、その上さらに
既存の装置を上回る付加的利点を提供する。
ーレーザービームの焦点シフトを感知し測定するための
迅速、簡素且つ信頼のおける技術が、いまだ必要とされ
ている。理想的には、焦点シフトセンサーは、最低限の
可動パーツを備えた単純な計器であって、信頼でき検証
済みの技術に基づいており、迅速且つ信頼性の高い測定
を可能にする有害環境に耐える丈夫な設計であるのがよ
い。更に、高エネルギーレーザー焦点センサーは、他の
既存干渉測定システムより複雑ではなく、込み入った数
値計算をしなくとも焦点シフトの測定を可能にすべきで
ある。本発明はこれらの必要性を満たし、その上さらに
既存の装置を上回る付加的利点を提供する。
【０００６】
【発明の概要】本発明は、最も広義的意味においては、
高エネルギレーザービーム、例えば、出力１００万ワッ
ト以上を備えたレーザービーム、に対して焦点シフト修
正信号を与えることのできる内蔵型焦点センサーを提供
する。しかしながら、以下の議論で明らかにされるよう
に、本発明は出力１００万ワット級のレーザービームに
限定されるわけではない。鏡やレンズは、それらに向け
られたパワー（ワット）ではなく、放射照度（ワット／
ｃｍ）に比例して歪む。従って、小さな光学器を用いた
より小さいレーザーは、著しい歪み問題を抱えることに
なる。これは、すなわち光学列における放射照度が大で
あるからにほかならない。逆に言えば、巨大光学器を備
えた百万ワットクラスのレーザーには、歪みの問題が全
く起こらないことになる。しかしながら、もし、直径が
数十センチメートル大の光学器を備えた百万ワットレー
ザーが要求されたなら、今度は要素材の歪みが問題とな
ることであろう。実用的なアプリケーションは全て、光
学要素材が比較的小さなサイズになることを要求するの
で、焦点制御が欠かせなくなるのである。
高エネルギレーザービーム、例えば、出力１００万ワッ
ト以上を備えたレーザービーム、に対して焦点シフト修
正信号を与えることのできる内蔵型焦点センサーを提供
する。しかしながら、以下の議論で明らかにされるよう
に、本発明は出力１００万ワット級のレーザービームに
限定されるわけではない。鏡やレンズは、それらに向け
られたパワー（ワット）ではなく、放射照度（ワット／
ｃｍ）に比例して歪む。従って、小さな光学器を用いた
より小さいレーザーは、著しい歪み問題を抱えることに
なる。これは、すなわち光学列における放射照度が大で
あるからにほかならない。逆に言えば、巨大光学器を備
えた百万ワットクラスのレーザーには、歪みの問題が全
く起こらないことになる。しかしながら、もし、直径が
数十センチメートル大の光学器を備えた百万ワットレー
ザーが要求されたなら、今度は要素材の歪みが問題とな
ることであろう。実用的なアプリケーションは全て、光
学要素材が比較的小さなサイズになることを要求するの
で、焦点制御が欠かせなくなるのである。
【０００７】簡単に言えば、一般的には、本発明の装置
は、入力ビームを基準アームビームとサンプルビームに
スプリットする手段、基準アームビームから均一な位相
面を持った基準ビームを発生させる手段、干渉パターン
を生み出すためサンプルビームと基準ビームを再結合さ
せる手段、及び干渉パターンを検知器上に焦点合わせす
る手段から成っている。本発明には又、干渉測定器内に
送られてきた入力ビームをセンタリングするための傾斜
修正手段、基準ビームを高周波ディザー信号で変調させ
る手段、干渉パターンの強度を示す電気信号を提供する
ために設けられる検知手段、及び焦点シフト修正信号を
発生させるために検知手段に接続された電気回路も含ま
れる。傾斜修正システムは、ステアリングミラー、ビー
ムスプリッターピックオフ、そしてクワドセル検知器を
備えている。ステアリングミラーは、入力ビームの傾き
を変えるよう連続的に調整できる可動反射鏡であり、一
方、半反射ビームスプリッターピックオフは、ステアリ
ングミラーからの入力ビームの一部をクワドセル検知器
の方向へ向ける。クワドセル検知器は、クワドセル検知
器表面上だけに入射する光量に比例する信号を発生さ
せ、この信号を利用してステアリングミラーを作動させ
信号がゼロになるようにする。
は、入力ビームを基準アームビームとサンプルビームに
スプリットする手段、基準アームビームから均一な位相
面を持った基準ビームを発生させる手段、干渉パターン
を生み出すためサンプルビームと基準ビームを再結合さ
せる手段、及び干渉パターンを検知器上に焦点合わせす
る手段から成っている。本発明には又、干渉測定器内に
送られてきた入力ビームをセンタリングするための傾斜
修正手段、基準ビームを高周波ディザー信号で変調させ
る手段、干渉パターンの強度を示す電気信号を提供する
ために設けられる検知手段、及び焦点シフト修正信号を
発生させるために検知手段に接続された電気回路も含ま
れる。傾斜修正システムは、ステアリングミラー、ビー
ムスプリッターピックオフ、そしてクワドセル検知器を
備えている。ステアリングミラーは、入力ビームの傾き
を変えるよう連続的に調整できる可動反射鏡であり、一
方、半反射ビームスプリッターピックオフは、ステアリ
ングミラーからの入力ビームの一部をクワドセル検知器
の方向へ向ける。クワドセル検知器は、クワドセル検知
器表面上だけに入射する光量に比例する信号を発生さ
せ、この信号を利用してステアリングミラーを作動させ
信号がゼロになるようにする。
【０００８】電気回路は、トランスインピーダンス増幅
器と、ディザー周波数成分要素を取り除くための同期検
知器手段と、入力高エネルギーレーザービームにおける
焦点シフトを表すエラー信号を提供するための積分手段
と、焦点シフト修正信号を出力するドライビング増幅器
と、焦点シフト修正信号を、基準波面ビームの位相曲率
を変えるのに使われる軸調節可能レンズにつなぐための
手段とを備えている。調節可能レンズは、基準ビーム波
面の位相の曲率を変化させ、サンプルビームのそれに整
合させるために、サーボループ電気回路により自動調整
される。本発明の装置は、ビーム焦点シフトを感知する
ために複雑な数値計算を必要ともしなければ、検知器の
配列、若しくは多数の柔軟性のある鏡やレンズ要素材の
ような数多くの可動成分要素を採用してもいないので、
より安価で、より単純で従ってより頑丈な設計なのであ
る。
器と、ディザー周波数成分要素を取り除くための同期検
知器手段と、入力高エネルギーレーザービームにおける
焦点シフトを表すエラー信号を提供するための積分手段
と、焦点シフト修正信号を出力するドライビング増幅器
と、焦点シフト修正信号を、基準波面ビームの位相曲率
を変えるのに使われる軸調節可能レンズにつなぐための
手段とを備えている。調節可能レンズは、基準ビーム波
面の位相の曲率を変化させ、サンプルビームのそれに整
合させるために、サーボループ電気回路により自動調整
される。本発明の装置は、ビーム焦点シフトを感知する
ために複雑な数値計算を必要ともしなければ、検知器の
配列、若しくは多数の柔軟性のある鏡やレンズ要素材の
ような数多くの可動成分要素を採用してもいないので、
より安価で、より単純で従ってより頑丈な設計なのであ
る。
【０００９】高エネルギーレーザービーム焦点シフトを
感知するための方法という観点から見ると、本発明は、
どんな入力ビームの傾きも修正し、入力ビームを基準ア
ームビームとサンプルビームにスプリットし、基準アー
ムビームから基準ビームを発生させ、結果的にレンズに
より検知器上に焦点合わせされる干渉パターンを提供す
るためにサンプルビームと基準ビームを組み合わせると
いう初期段階から成っている。サンプルビームは、マイ
ケルソンタイプ干渉測定装置の一方の区間に置かれた反
射鏡に向けられるが、光子減衰が必要な場合は減衰フィ
ルターを通して方向づけすることもできる。更に、本発
明は、基準信号を高周波ディザー信号で変調し検知器面
上に時間で変動する信号を生みだす段階を設けている。
検知器は次に時間で変動する信号に応じて正弦波電気信
号を発生させる。
感知するための方法という観点から見ると、本発明は、
どんな入力ビームの傾きも修正し、入力ビームを基準ア
ームビームとサンプルビームにスプリットし、基準アー
ムビームから基準ビームを発生させ、結果的にレンズに
より検知器上に焦点合わせされる干渉パターンを提供す
るためにサンプルビームと基準ビームを組み合わせると
いう初期段階から成っている。サンプルビームは、マイ
ケルソンタイプ干渉測定装置の一方の区間に置かれた反
射鏡に向けられるが、光子減衰が必要な場合は減衰フィ
ルターを通して方向づけすることもできる。更に、本発
明は、基準信号を高周波ディザー信号で変調し検知器面
上に時間で変動する信号を生みだす段階を設けている。
検知器は次に時間で変動する信号に応じて正弦波電気信
号を発生させる。
【００１０】本方式の残りの段階には、検知された信号
の積分をディザー高周波成分素子を取り去ることで復調
させ、焦点シフト修正信号を復調された正弦波電気信号
の時間積分として発生させる検知器の正弦波電気信号の
同期検知が含まれているが、ここで焦点シフト修正信号
は、ビーム焦点シフトを表し、また焦点シフト修正信号
を軸調整可能レンズに結合させるが、これによってこの
調整レンズは自動的に調整され、基準ビーム波面の位相
の曲率が、サンプルビームのそれに整合するよう変化さ
せる。焦点シフト修正信号は、高エネルギーレーザービ
ームの焦点シフトを排除、又は修正するために、ビーム
スプリッターの下流で使用される。前述の説明から、本
発明がアクティブ光学システムの分野において著しく抜
きん出た存在であるということが正しく認識されるであ
ろう。特に、本発明は、入力ビームがサンプル取りされ
基準ビームと比較される、簡素にして信頼性の高い構造
を持つ傾斜修正型ヘテロダイン干渉測定装置を提供す
る。そして、基準ビームは軸調整可能レンズを使って調
整され、位相曲率をサンプルビームのそれと合せられ
る。軸調整可能レンズは、本発明独自の利点である。基
準ビーム調整の結果としての信号は、ここで、高エネル
ギーレーザービーム中のあらゆる焦点シフトを修正する
ために利用される。本発明のその他の態様及び利点は、
添付図と関連付けてこれより述べる、より詳細な説明か
ら明らかになるであろう。
の積分をディザー高周波成分素子を取り去ることで復調
させ、焦点シフト修正信号を復調された正弦波電気信号
の時間積分として発生させる検知器の正弦波電気信号の
同期検知が含まれているが、ここで焦点シフト修正信号
は、ビーム焦点シフトを表し、また焦点シフト修正信号
を軸調整可能レンズに結合させるが、これによってこの
調整レンズは自動的に調整され、基準ビーム波面の位相
の曲率が、サンプルビームのそれに整合するよう変化さ
せる。焦点シフト修正信号は、高エネルギーレーザービ
ームの焦点シフトを排除、又は修正するために、ビーム
スプリッターの下流で使用される。前述の説明から、本
発明がアクティブ光学システムの分野において著しく抜
きん出た存在であるということが正しく認識されるであ
ろう。特に、本発明は、入力ビームがサンプル取りされ
基準ビームと比較される、簡素にして信頼性の高い構造
を持つ傾斜修正型ヘテロダイン干渉測定装置を提供す
る。そして、基準ビームは軸調整可能レンズを使って調
整され、位相曲率をサンプルビームのそれと合せられ
る。軸調整可能レンズは、本発明独自の利点である。基
準ビーム調整の結果としての信号は、ここで、高エネル
ギーレーザービーム中のあらゆる焦点シフトを修正する
ために利用される。本発明のその他の態様及び利点は、
添付図と関連付けてこれより述べる、より詳細な説明か
ら明らかになるであろう。
【００１１】
【実施例】説明用の図面に示されているように、本発明
は高エネルギーレーザービーム焦点シフトを感知するた
めのアクティブ光学システムの利用に関する。焦点シフ
ト感知は、従来は原理的に波面再構築技術に依存してい
た。これらの技術は、複雑な数字計算処理、及び／又
は、サーボループ制御下での柔軟性のある鏡のような複
雑な光学成分要素を必要としている。これらの技術は、
高エネルギーレーザービームアプリケーションにおいて
焦点シフトを感知することはできても、複雑で数多い成
分要素と制御機構を必要としている点で、不必要に高価
で扱い難く、且つ信頼性が劣る。本発明は、迅速で信頼
度の高い焦点シフト測定を提供すべく、非常に簡素で頑
丈な設計を使用している。
は高エネルギーレーザービーム焦点シフトを感知するた
めのアクティブ光学システムの利用に関する。焦点シフ
ト感知は、従来は原理的に波面再構築技術に依存してい
た。これらの技術は、複雑な数字計算処理、及び／又
は、サーボループ制御下での柔軟性のある鏡のような複
雑な光学成分要素を必要としている。これらの技術は、
高エネルギーレーザービームアプリケーションにおいて
焦点シフトを感知することはできても、複雑で数多い成
分要素と制御機構を必要としている点で、不必要に高価
で扱い難く、且つ信頼性が劣る。本発明は、迅速で信頼
度の高い焦点シフト測定を提供すべく、非常に簡素で頑
丈な設計を使用している。
【００１２】本発明によると、マイケルソンタイプの干
渉測定装置を有する焦点シフトセンサーという手段によ
って、焦点シフト感知作業が速やかに且つ簡単に行われ
る。干渉測定装置は、基準ビームの位相の曲率をサンプ
ルビームのそれに対応し変化させるような方法で自動的
に制御される。干渉測定装置を制御するために採用され
る電気制御信号は、サンプル入力ビームの焦点シフトを
表し、高エネルギーレーザービームの焦点シフトを修正
するために利用することができる。技術的背景を説明す
るため、マイケルソン干渉測定装置を図１に示す。符号
１０で表示される入力ビームは、半反射ビームスプリッ
ター１２に突き当たる。入力ビームの一部は、ビームス
プリッター１２を通過し平面基準ミラー１４に至るが、
残りの部分は角度９０度で反射して可動平面ミラー１６
に至る。基準ミラー１４で反射された光の内のいくらか
は、再度ビームスプリッターで反射され、フィールドレ
ンズ１８を通過して観測面２０に至る。同様に、可動ミ
ラー１６で反射された光の内のいくらかは、ビームスプ
リッター１２を通過し、基準ミラー１４からの光と組み
合わされた後、フィールドレンズ１８を通って観測面２
０に至る。観測面２０に到達した２つのビーム光は、異
なる光路をたどってきており、通常、異なる相対位相を
持つ。元々のマイケルソン干渉測定装置では、ミラー１
６は測微ねじという手段で動かすことができ、観測面２
０に生じた干渉縞を使って、アームからゼロ間の（白色
光ソース）或いはアームから多くの当該波長（コヒーレ
ントソース）間の光路差を調整することができる。
渉測定装置を有する焦点シフトセンサーという手段によ
って、焦点シフト感知作業が速やかに且つ簡単に行われ
る。干渉測定装置は、基準ビームの位相の曲率をサンプ
ルビームのそれに対応し変化させるような方法で自動的
に制御される。干渉測定装置を制御するために採用され
る電気制御信号は、サンプル入力ビームの焦点シフトを
表し、高エネルギーレーザービームの焦点シフトを修正
するために利用することができる。技術的背景を説明す
るため、マイケルソン干渉測定装置を図１に示す。符号
１０で表示される入力ビームは、半反射ビームスプリッ
ター１２に突き当たる。入力ビームの一部は、ビームス
プリッター１２を通過し平面基準ミラー１４に至るが、
残りの部分は角度９０度で反射して可動平面ミラー１６
に至る。基準ミラー１４で反射された光の内のいくらか
は、再度ビームスプリッターで反射され、フィールドレ
ンズ１８を通過して観測面２０に至る。同様に、可動ミ
ラー１６で反射された光の内のいくらかは、ビームスプ
リッター１２を通過し、基準ミラー１４からの光と組み
合わされた後、フィールドレンズ１８を通って観測面２
０に至る。観測面２０に到達した２つのビーム光は、異
なる光路をたどってきており、通常、異なる相対位相を
持つ。元々のマイケルソン干渉測定装置では、ミラー１
６は測微ねじという手段で動かすことができ、観測面２
０に生じた干渉縞を使って、アームからゼロ間の（白色
光ソース）或いはアームから多くの当該波長（コヒーレ
ントソース）間の光路差を調整することができる。
【００１３】本発明の干渉測定装置は、図２に示される
新しい構造にマイケルソン原理を利用している。本発明
は、その全体が２５で示されている傾斜修正システムを
利用して、干渉測定装置に送られてきた入力ビームが確
実にセンタリングされるようにしている。傾斜修正シス
テム２５は、ステアリングミラー３０、ビームスプリッ
ターピックオフ３２、そしてクワドセル検知器３６から
成る。干渉測定装置入力ビーム４０は５０−５０ビーム
スプリッター４２に角度４５度で突き当たり、当該ビー
ムはサンプルビーム４４と基準アームビーム５０に分轄
される。基準アームビーム５０は、ピンホール空間フィ
ルター５４を通りレンズ５２によって焦点合わせをさ
れ、レンズ５６によりミラー５８上に再度コリメートさ
れる。ミラー５８に反射された光は、レンズ５６により
焦点合わせをされピンホール空間フィルター５４を通
り、レンズ５２により５０ー５０ビームスプリッター上
に再度コリメートされる。空間フィルター５４を通過し
返射され、５０−５０ビームスプリッター４２上に再コ
リメートされた光は、空間フィルター５４を通る重複通
路により作り出される均等な位相面を有し、無限の距離
に位置する点ソースから放射されているようにみえる。
この反射されたビームは基準ビーム５０を成し、平面様
の波面を有し、そして少なくとも部分的には５０−５０
ビームスプリッター４２により角度９０度で反射され検
知器６４に向けられる。
新しい構造にマイケルソン原理を利用している。本発明
は、その全体が２５で示されている傾斜修正システムを
利用して、干渉測定装置に送られてきた入力ビームが確
実にセンタリングされるようにしている。傾斜修正シス
テム２５は、ステアリングミラー３０、ビームスプリッ
ターピックオフ３２、そしてクワドセル検知器３６から
成る。干渉測定装置入力ビーム４０は５０−５０ビーム
スプリッター４２に角度４５度で突き当たり、当該ビー
ムはサンプルビーム４４と基準アームビーム５０に分轄
される。基準アームビーム５０は、ピンホール空間フィ
ルター５４を通りレンズ５２によって焦点合わせをさ
れ、レンズ５６によりミラー５８上に再度コリメートさ
れる。ミラー５８に反射された光は、レンズ５６により
焦点合わせをされピンホール空間フィルター５４を通
り、レンズ５２により５０ー５０ビームスプリッター上
に再度コリメートされる。空間フィルター５４を通過し
返射され、５０−５０ビームスプリッター４２上に再コ
リメートされた光は、空間フィルター５４を通る重複通
路により作り出される均等な位相面を有し、無限の距離
に位置する点ソースから放射されているようにみえる。
この反射されたビームは基準ビーム５０を成し、平面様
の波面を有し、そして少なくとも部分的には５０−５０
ビームスプリッター４２により角度９０度で反射され検
知器６４に向けられる。
【００１４】干渉測定装置のもう一方の区間では、サン
プルビーム４４が、減衰フィルター４６を通過して平面
鏡４８に至る。次に、サンプルビーム４４は減衰フィル
ター４６を通過して、５０−５０ビームスプリッター４
２に向かうが、ここでは当該ビームの基本的部分が通過
し基準ビームと再結合する。再結合されたサンプルビー
ム４４と基準ビーム５０はレンズ６２に突き当たり、そ
こで干渉パターンが作成される。サンプルビーム４４と
基準ビーム５０はレンズ６２により検知器６４上に焦点
合わせされる。検知器６４は、対応する電気信号を出力
ライン６８上に作り出す光電変換器であるが（図３参
照）、この変換器は、入力ビーム焦点シフトを表す焦点
シフト修正信号を計算する電子モジュールに連結され、
この焦点シフト修正信号をライン８４（図３参照）を通
して軸調整可能レンズ５２に伝送する。
プルビーム４４が、減衰フィルター４６を通過して平面
鏡４８に至る。次に、サンプルビーム４４は減衰フィル
ター４６を通過して、５０−５０ビームスプリッター４
２に向かうが、ここでは当該ビームの基本的部分が通過
し基準ビームと再結合する。再結合されたサンプルビー
ム４４と基準ビーム５０はレンズ６２に突き当たり、そ
こで干渉パターンが作成される。サンプルビーム４４と
基準ビーム５０はレンズ６２により検知器６４上に焦点
合わせされる。検知器６４は、対応する電気信号を出力
ライン６８上に作り出す光電変換器であるが（図３参
照）、この変換器は、入力ビーム焦点シフトを表す焦点
シフト修正信号を計算する電子モジュールに連結され、
この焦点シフト修正信号をライン８４（図３参照）を通
して軸調整可能レンズ５２に伝送する。
【００１５】傾斜修正システム２５のステアリングミラ
ー３０は、干渉測定装置に送られる干渉測定装置の入力
ビーム４０の傾きを変更させるための連続的に調整でき
る可動反射鏡であり、一方半反射ビームスプリッターピ
ックオフ３２は、ステアリングミラー３０から反射され
る入力ビーム２８の一部分をクワドセル検知器３６の方
向に向ける。ビームスプリッターピックオフ３２は、入
射波面が傾いているかどうか決定するために使用される
傾斜サンプルビーム３４を作り出す。傾斜サンプルビー
ム３４はクワドセル検知器３６に向けられる。クワドセ
ル検知器３６は標準的パイ型検知器であり、入射光を検
知して、検知器表面６４に差動的に入射する光量に比例
して差動検知器信号３８を作り出すことができる。反射
された入力ビーム２８の波面が傾いている場合、クワド
セル３６は、クワドセル３６の相対する検知器要素間の
不均衡を検知し、差動検知器信号３８を発生させ、これ
を使ってステアリングミラー３０を作動させ、差動検知
器信号３８をゼロにする。本発明のクワドセルシステム
３６により作り出される差動検知器信号３８は、反射入
力ビーム２８の波面の傾斜度を推断するために利用さ
れ、傾斜はここで修正することができる。
ー３０は、干渉測定装置に送られる干渉測定装置の入力
ビーム４０の傾きを変更させるための連続的に調整でき
る可動反射鏡であり、一方半反射ビームスプリッターピ
ックオフ３２は、ステアリングミラー３０から反射され
る入力ビーム２８の一部分をクワドセル検知器３６の方
向に向ける。ビームスプリッターピックオフ３２は、入
射波面が傾いているかどうか決定するために使用される
傾斜サンプルビーム３４を作り出す。傾斜サンプルビー
ム３４はクワドセル検知器３６に向けられる。クワドセ
ル検知器３６は標準的パイ型検知器であり、入射光を検
知して、検知器表面６４に差動的に入射する光量に比例
して差動検知器信号３８を作り出すことができる。反射
された入力ビーム２８の波面が傾いている場合、クワド
セル３６は、クワドセル３６の相対する検知器要素間の
不均衡を検知し、差動検知器信号３８を発生させ、これ
を使ってステアリングミラー３０を作動させ、差動検知
器信号３８をゼロにする。本発明のクワドセルシステム
３６により作り出される差動検知器信号３８は、反射入
力ビーム２８の波面の傾斜度を推断するために利用さ
れ、傾斜はここで修正することができる。
【００１６】軸調整可能レンズ５２は、基準ビーム５０
の位相曲率を変更してサンプルビーム４４のそれと一致
させるために動かされる。ある実施例では、レンズ５２
はウォームギアにより軸調整される。したがって、ライ
ン６８（図３参照）上の検知器電気信号は入力ビーム２
２の焦点シフトを表している。図２に示す計器は独立型
干渉測定センサーとして働き、ライン８４（図３参照）
上に入力ビーム２２の焦点シフトを表す焦点シフト修正
信号を流す。図２に示す干渉測定装置は、高エネルギー
レーザービーム装置において、焦点シフトをアクティブ
に補正するため効果的に使用することができる。図２の
干渉測定装置のさらなる特徴についてこれから述べる。
基準ビーム５０を作り出す際に使用されるミラー５８も
軸可動である。ジェネレーター７４から発せられる位相
ディザー信号は、ライン８６上に伝送され、適当な圧電
変換器という手段により、その光学軸に沿ってミラー５
８を加振する（図３参照）。振動周波数は、典型的に１
／ｆノイズを回避するように選択されるので、ディザー
周波数は約１０ＫＨｚになる。これが、ヘテロダイン型
の構造特徴である。ミラー５８のディザーリングのせい
で、基準ビーム５０は、入力ビーム周波数とディザー周
波数の合計及び両周波数間の差異を表す周波数成分を含
んでいる。
の位相曲率を変更してサンプルビーム４４のそれと一致
させるために動かされる。ある実施例では、レンズ５２
はウォームギアにより軸調整される。したがって、ライ
ン６８（図３参照）上の検知器電気信号は入力ビーム２
２の焦点シフトを表している。図２に示す計器は独立型
干渉測定センサーとして働き、ライン８４（図３参照）
上に入力ビーム２２の焦点シフトを表す焦点シフト修正
信号を流す。図２に示す干渉測定装置は、高エネルギー
レーザービーム装置において、焦点シフトをアクティブ
に補正するため効果的に使用することができる。図２の
干渉測定装置のさらなる特徴についてこれから述べる。
基準ビーム５０を作り出す際に使用されるミラー５８も
軸可動である。ジェネレーター７４から発せられる位相
ディザー信号は、ライン８６上に伝送され、適当な圧電
変換器という手段により、その光学軸に沿ってミラー５
８を加振する（図３参照）。振動周波数は、典型的に１
／ｆノイズを回避するように選択されるので、ディザー
周波数は約１０ＫＨｚになる。これが、ヘテロダイン型
の構造特徴である。ミラー５８のディザーリングのせい
で、基準ビーム５０は、入力ビーム周波数とディザー周
波数の合計及び両周波数間の差異を表す周波数成分を含
んでいる。
【００１７】図３について短く記すと、ジェネレーター
７４から電子モジュール９０に伝送される電気ディザー
信号７６を利用した同期検知により、ディザー成分は電
子モジュール９０で取り除かれる。干渉測定装置のヘテ
ロダイン型操作の主要な利点は、焦点シフト信号がディ
ザー周波数キャリアー上に効果的に変調され、システム
がノイズに対して本質的に感受性を持たないということ
である。図３は、電子モジュール９０の構成要素を示
す。構成要素の中には、トランスインピーダンス増幅器
７０、同期検知器７２、積分器７８、及び軸調節可能レ
ンズ５２を駆動するドライビング増幅器８２が含まれ
る。検知器６８から得られる電気信号は、最初にトラン
スインピーダンス増幅器７０で増幅される。トランスイ
ンピーダンス増幅器７０は、インピーダンス整合を目的
として、一般的に光検知器と共に用いられるタイプの前
置増幅器であり、検知器６４のローディングを回避させ
るために用いられる。増幅の後、検知器６８から得られ
る電気信号７１は、同期的に検知され（７２）積分器７
８へ送られる。積分器７８は標準型で、レジスター９
２、キャパシタ９４、及び演算増幅器９６から成る。積
分器７８からライン８０上に放射されるのは、焦点シフ
ト修正信号８４を出力するためにドライビング増幅器８
２で増幅されるエラー信号である。焦点シフト修正信号
８４の符号は移動方向を決め、その大きさは移動速度を
決定する。ある実施例では、焦点シフト修正信号８４
は、軸調整可能レンズ５２を駆動させるために用いられ
る電気駆動のウォームギアに連結されている。焦点シフ
トの測定には、基準ビーム５０とサンプルビーム４４の
間の波面位相曲率の差に比例してライン７３上に復調さ
れる出力信号を得るため、増幅された検知器電気信号７
１を同期基準ディザー周波数信号７６と結合させること
が含まれている。復調された出力信号７３は、次に焦点
シフト修正信号を発生させるために積分されるが、この
焦点シフト修正信号は復調された出力信号７３の時間積
分である。発振器７４で発生するディザー周波数信号も
またライン８６を経てミラー５８へ伝送される。図示さ
れるサーボループ回路は、いわゆるナルシーキングサー
ボループである。方程式６によると、エラー特性は、焦
点距離差の符号に相当する符号を有しΔｆ＝０の時ゼロ
になる。それは、干渉するサンプルビーム４４と基準ビ
ーム５０の位相を素早くロックして、基準ビーム５０の
位相をサンプルビーム４４の位相に固定しておく焦点シ
フト修正信号８４を発生させる。焦点シフト修正信号８
４は入力ビーム２２の焦点シフトを表することになる。
７４から電子モジュール９０に伝送される電気ディザー
信号７６を利用した同期検知により、ディザー成分は電
子モジュール９０で取り除かれる。干渉測定装置のヘテ
ロダイン型操作の主要な利点は、焦点シフト信号がディ
ザー周波数キャリアー上に効果的に変調され、システム
がノイズに対して本質的に感受性を持たないということ
である。図３は、電子モジュール９０の構成要素を示
す。構成要素の中には、トランスインピーダンス増幅器
７０、同期検知器７２、積分器７８、及び軸調節可能レ
ンズ５２を駆動するドライビング増幅器８２が含まれ
る。検知器６８から得られる電気信号は、最初にトラン
スインピーダンス増幅器７０で増幅される。トランスイ
ンピーダンス増幅器７０は、インピーダンス整合を目的
として、一般的に光検知器と共に用いられるタイプの前
置増幅器であり、検知器６４のローディングを回避させ
るために用いられる。増幅の後、検知器６８から得られ
る電気信号７１は、同期的に検知され（７２）積分器７
８へ送られる。積分器７８は標準型で、レジスター９
２、キャパシタ９４、及び演算増幅器９６から成る。積
分器７８からライン８０上に放射されるのは、焦点シフ
ト修正信号８４を出力するためにドライビング増幅器８
２で増幅されるエラー信号である。焦点シフト修正信号
８４の符号は移動方向を決め、その大きさは移動速度を
決定する。ある実施例では、焦点シフト修正信号８４
は、軸調整可能レンズ５２を駆動させるために用いられ
る電気駆動のウォームギアに連結されている。焦点シフ
トの測定には、基準ビーム５０とサンプルビーム４４の
間の波面位相曲率の差に比例してライン７３上に復調さ
れる出力信号を得るため、増幅された検知器電気信号７
１を同期基準ディザー周波数信号７６と結合させること
が含まれている。復調された出力信号７３は、次に焦点
シフト修正信号を発生させるために積分されるが、この
焦点シフト修正信号は復調された出力信号７３の時間積
分である。発振器７４で発生するディザー周波数信号も
またライン８６を経てミラー５８へ伝送される。図示さ
れるサーボループ回路は、いわゆるナルシーキングサー
ボループである。方程式６によると、エラー特性は、焦
点距離差の符号に相当する符号を有しΔｆ＝０の時ゼロ
になる。それは、干渉するサンプルビーム４４と基準ビ
ーム５０の位相を素早くロックして、基準ビーム５０の
位相をサンプルビーム４４の位相に固定しておく焦点シ
フト修正信号８４を発生させる。焦点シフト修正信号８
４は入力ビーム２２の焦点シフトを表することになる。
【００１８】焦点シフト修正信号は、エラー特性を評価
すれば分析的に定量化することができる。サンプル波Ｅ
s 、基準波Ｅref とすれば以下の関係が成り立つ。
すれば分析的に定量化することができる。サンプル波Ｅ
s 、基準波Ｅref とすれば以下の関係が成り立つ。
【００１９】
【数１】 ここで、ａとｂは複素定数、ｆ１とｆ２は問題の二つの
焦点距離、そしてη、θは高周波数ディザーミラー５８
のエクステンションとその周波数を角度の式で表現した
もので、ラジアン周波数と時間の積である。方程式
（１）で示されるように、ビームスプリッター４２で、
二つのフィールドが組み合わさる。この合算フィールド
はレンズ６２を通過し、検知器６４上に結像される。検
知器６４の遠界は、レンズ開口６２を満たすフィールド
のフーリエ変換である。レンズ６２の半径を無限大に近
ずけ、変換の分析的計算を可能にして、レンズ６２の直
径が波長の何倍もあると仮定することにより、変換が近
似される。
焦点距離、そしてη、θは高周波数ディザーミラー５８
のエクステンションとその周波数を角度の式で表現した
もので、ラジアン周波数と時間の積である。方程式
（１）で示されるように、ビームスプリッター４２で、
二つのフィールドが組み合わさる。この合算フィールド
はレンズ６２を通過し、検知器６４上に結像される。検
知器６４の遠界は、レンズ開口６２を満たすフィールド
のフーリエ変換である。レンズ６２の半径を無限大に近
ずけ、変換の分析的計算を可能にして、レンズ６２の直
径が波長の何倍もあると仮定することにより、変換が近
似される。
【００２０】
【数２】 この変換を使えば、方程式１におけるフィールドの定
義、レンズ６２の焦点距離ｆ３、検知面６４の放射照度
は、次のように記述される。
義、レンズ６２の焦点距離ｆ３、検知面６４の放射照度
は、次のように記述される。
【００２１】
【数３】 ここで、φは基準ビーム５０とサンプルビーム４４の間
の任意の位相角度である。放射照度は、直径ｄを有する
検知器開口６４を満たす或いはあふれさせる。したがっ
て、検知器電流Ｉは、開口域上のＩの積分である。
の任意の位相角度である。放射照度は、直径ｄを有する
検知器開口６４を満たす或いはあふれさせる。したがっ
て、検知器電流Ｉは、開口域上のＩの積分である。
【００２２】
【数４】 ここで、ζは検知器量子効率、ｈはプランク定数、λは
作動波長である。方程式（４）の電流に比例する電流
は、７２で同期的に検知され、７８で積分される。数学
的には、ディザージェネレーター出力７６は、上記方程
式で示される電流を掛け、ディザー時間中の結果を平均
化させる。
作動波長である。方程式（４）の電流に比例する電流
は、７２で同期的に検知され、７８で積分される。数学
的には、ディザージェネレーター出力７６は、上記方程
式で示される電流を掛け、ディザー時間中の結果を平均
化させる。
【００２３】
【数５】 このゆえに、Ｖe は、非真性ゲイン定数乗数とは別の、
焦点シフト修正信号８４を表示できる所要のエラー電圧
である。定数κは、量子効率、電子チャージ、プランク
定数などのようなすべての次元的因子をまとめたもので
ある。括弧内の最初の項はΔｆ／λの偶関数で、第二の
項は奇関数であることが分かる。実際、φというゼロで
ない数値は、サーボが固定されるように零交叉をバイア
スオフするであろうが、ゼロでないということは、サン
プルビーム４４と基準ビーム５０の波面間の位相が違う
ことを意味する。この位相角度は、適切に構築された干
渉測定装置では慎重に合わせられる。したがって、エラ
ー特性に対する的確な最終関数式は以下のようになる。
焦点シフト修正信号８４を表示できる所要のエラー電圧
である。定数κは、量子効率、電子チャージ、プランク
定数などのようなすべての次元的因子をまとめたもので
ある。括弧内の最初の項はΔｆ／λの偶関数で、第二の
項は奇関数であることが分かる。実際、φというゼロで
ない数値は、サーボが固定されるように零交叉をバイア
スオフするであろうが、ゼロでないということは、サン
プルビーム４４と基準ビーム５０の波面間の位相が違う
ことを意味する。この位相角度は、適切に構築された干
渉測定装置では慎重に合わせられる。したがって、エラ
ー特性に対する的確な最終関数式は以下のようになる。
【００２４】
【数６】 エラー特性が、前置増幅器７０、積分器７８、ドライバ
ー増幅器８２を通過する全体ゲインと同様に、Δｆの大
きさと符号及びディザーの大きさに比例していることは
明らかである。エラー特性はドライバー増幅器８２を焦
点シフト修正信号として出て行くが、焦点シフト修正信
号は基準ビーム５０の位相曲率をサンプルビーム４４の
それと整合させるのに適した軸調整可能レンズ５２に連
結される。以上、本発明の特定の要素、実施例及びアプ
リケーションについて例示し、論じてきたが、特に既述
の教示に照らして当業者は変更を加え得るであろうか
ら、本発明は、当然、上記説明に限定されないというこ
とは理解され得るであろう。従って、本発明は本書の請
求の範囲により、本発明の精神と範囲の及ぶそれら特徴
を含む、そのような変更を網羅するものである。
ー増幅器８２を通過する全体ゲインと同様に、Δｆの大
きさと符号及びディザーの大きさに比例していることは
明らかである。エラー特性はドライバー増幅器８２を焦
点シフト修正信号として出て行くが、焦点シフト修正信
号は基準ビーム５０の位相曲率をサンプルビーム４４の
それと整合させるのに適した軸調整可能レンズ５２に連
結される。以上、本発明の特定の要素、実施例及びアプ
リケーションについて例示し、論じてきたが、特に既述
の教示に照らして当業者は変更を加え得るであろうか
ら、本発明は、当然、上記説明に限定されないというこ
とは理解され得るであろう。従って、本発明は本書の請
求の範囲により、本発明の精神と範囲の及ぶそれら特徴
を含む、そのような変更を網羅するものである。
【図１】マイケルソン干渉測定装置の原理を示す概略図
である。
である。
【図２】本発明による高エネルギーレーザー焦点センサ
ーの概略図である。
ーの概略図である。
【図３】図２の高エネルギーレーザー焦点センサーで使
用される電気光学サーボ回路の線図である。
用される電気光学サーボ回路の線図である。
２２ 入力ビーム ２５ 傾斜修正システム ３０ ステアリングミラー ３２ ビームスプリッターピックオフ ３４ 傾斜サンプルビーム ３６ クワドセル検知器 ３８ 差動検知器信号 ４０ 入力ビーム ４２ ビームスプリッター ４４ サンプルビーム ４６ 減衰フィルター ４８ 平面鏡 ５０ 基準（アーム）ビーム ５２ 軸調整可能レンズ ５４ ピンホール空間フィルター ５６ レンズ ５８ ミラー ６２ レンズ ６４ 検知器 ６８ 検知器 ７０ トランスインピーダンス増幅器 ７１ 電気信号 ７２ 同期検知器 ７３ 復調された出力信号 ７４ 発振器 ７６ 電気ディザー信号 ７８ 積分器 ８４ 焦点シフト修正信号
Claims (32)
- 【請求項１】 入力ビームの傾きを修正するための傾斜
修正手段と、入力ビームを基準アームビームとサンプル
ビームに分割するためのビーム分割手段と、基準アーム
ビームから基準ビームを発生させるための手段と、基準
ビームを高周波数ディザー信号で変調させるための手段
と、基準ビームに波面変化を起こさせるための軸調整可
能レンズ手段と、干渉パターンを作り出すためサンプル
ビームと基準ビームを再結合させる手段と、干渉パター
ンを表す電気信号を発生させるための検知手段と、ディ
ザー周波数成分を電気信号から取り除くための同期的検
知器手段及び焦点シフト修正信号を電気信号から提供さ
せるための手段とを含む、検知手段に接続されている電
気回路と、焦点シフト修正信号を軸調整可能レンズに接
続し、調整可能レンズ手段を自動的に調整して基準ビー
ム波面の位相曲率をサンプルビームのそれに合わせるよ
うにする手段とから成ることを特徴とする高エネルギー
レーザー焦点センサー。 - 【請求項２】 上記傾斜修正手段が入力ビームをピック
オフビームスプリッターに向けて反射させるステアリン
グミラーを含み、上記ピックオフビームスプリッターが
検知要素を有するクワドセル検知器に向けて傾斜サンプ
ルビームを方向付け、上記クワドセル検知器が検知器要
素間のいかなる不均衡にも反応して差動検知器信号を発
生させ、上記差動検知器信号が差動検知器信号をゼロに
するためステアリングミラーを作動させることを特徴と
する、上記請求項１に記載の高エネルギーレーザー焦点
センサー。 - 【請求項３】 上記基準ビームを発生させる手段が基準
ビームをビーム分割手段に返射させるミラーから成り、
上記軸調整可能レンズ手段が基準ビームをビーム分割手
段に戻す方向に向けるために配置され、上記ビーム分割
手段が基準ビームとサンプルビームを再結合させること
を特徴とする、上記請求項１に記載の高エネルギーレー
ザー焦点センサー。 - 【請求項４】 上記基準ビームを高周波ディザー信号で
変調させるための手段が ディザー周波数信号発生器
と、基準ビームを発生させるために使用されるミラーを
加振するためにディザー周波数信号発生器に連結された
変換器手段とから成ることを特徴とする、上記請求項３
に記載の高エネルギーレーザー焦点センサー。 - 【請求項５】 入力ビーム中の焦点シフトを検知するた
めの高エネルギーレーザー焦点センサーにおいて、その
センサーが、入力ビームの傾斜を修正する傾斜修正手段
と、入力ビームからサンプルビームを得るための手段
と、入力ビームから基準ビームを発生させるための手段
と、対応する干渉パターンを作り出すためにサンプルビ
ームと基準ビームを結合させる手段と、干渉パターンを
感知するよう配置され、干渉パターンを表す対応する電
気信号を発生させる検知器上に干渉パターンを焦点合わ
せする手段と、検知器電気信号から焦点シフト修正信号
を発生させ、その焦点シフト修正信号を軸調整可能レン
ズに連結して、それによりレンズを自動的に調整して基
準ビーム波面の位相曲率をサンプルビームのそれと合う
ように変え、且つその焦点シフト修正信号が入力ビーム
の焦点シフトの度合いを表すようにする電気回路手段と
から成ることを特徴とするセンサー。 - 【請求項６】 上記傾斜修正手段が入力ビームをピック
オフビームスプリッターに向けて反射させるステアリン
グミラーを含み、上記ピックオフビームスプリッターが
検知器要素を有するクワドセル検知器に向けて傾斜サン
プルビームを方向付け、上記クワドセル検知器が検知器
要素間のいかなる不均衡にも反応して差動検知器信号を
発生させ、上記差動検知器信号がその差動検知器信号を
ゼロにするためステアリングミラーを作動させることを
特徴とする、上記請求項５に記載の高エネルギーレーザ
ー焦点センサー。 - 【請求項７】 上記入力ビームから基準ビームを発生さ
せるための手段が、入力ビームの基準部分を得るための
ビームスプリッターと、軸調整可能レンズにより焦点合
わせされた入力ビームの基準部分を受けるよう配置され
たピンホール空間フィルターと、基準ビームが均一な位
相面を有することができるよう、当ビームの基準部分を
ピンホール空間フィルターを通して返射させるためのミ
ラーとから成ることを特徴とする、上記請求項５に記載
の高エネルギーレーザー焦点センサー。 - 【請求項８】 上記基準ビームを発生させるための手段
が、ピンホール空間フィルターから放射されるビームの
基準部分を再度コリメートするためのリコリメートレン
ズを更に含み、上記軸調整可能レンズがリコリメートレ
ンズとして機能し、上記ビームの基準部分を反射させる
ためのミラーが平面ミラーであることを特徴とする、上
記請求項７に記載の高エネルギーレーザー焦点センサ
ー。 - 【請求項９】 ディザー周波数発生器及び基準ビームを
発生させるための手段においてディザー周波数でミラー
を軸移動させる手段と、検知器電気信号を復調させるた
めの同期検知器手段を内包する電気回路手段及び変調さ
れた検知器電気信号の時間積分として焦点シフト修正信
号を発生させる積分手段とを更に含むことを特徴とす
る、上記請求項８に記載の高エネルギーレーザー焦点セ
ンサー。 - 【請求項１０】 ディザー周波数で基準ビームをヘテロ
ダインするための手段と電気回路手段の範囲内で検知器
電気信号を同期的に検知するための手段とを更に含むこ
とを特徴とする、上記請求項５に記載の高エネルギーレ
ーザー焦点センサー。 - 【請求項１１】 入力ビームの傾きを修正するための傾
斜修正手段と、入力ビームを基準アームビームとサンプ
ルビームに分割するためのビーム分割手段と、ピンホー
ル空間フィルター、リコリメーティングレンズ、及び基
準ビームを空間フィルターを通しビーム分割手段へ返射
するミラーを含む、基準アームビームから基準ビームを
発生させるための手段と、サンプルビームと基準ビーム
を再結合させて干渉パターンを作り出すビーム分割手段
へサンプルビームを返射するよう位置づけられたサンプ
ルビームミラーと、基準ビームを高周波数ディザー信号
で変調させるために基準ビームミラーを振動させるため
の手段と、再結合されたサンプルビームと基準ビームを
受け取り、合成的干渉パターンを表示する検知器電気信
号を提供するために配置された検知手段と、ディザー周
波数成分を取り除くための同期的検知器手段、及び電気
信号から焦点シフト修正信号を提供するための手段を内
包した、検知手段に接続された電気回路と、焦点シフト
修正信号を軸調節可能レンズに連結し、リコリメーティ
ングレンズとしても機能する調節可能レンズを自動的に
調節して基準ビーム波面の位相曲率をサンプルビームの
それに合うように変えるための手段とから成ることを特
徴とする、高エネルギーレーザー焦点センサー。 - 【請求項１２】 上記傾斜修正手段が入力ビームをピッ
クオフビームスプリッターに向けて反射させるステアリ
ングミラーを含み、上記ピックオフビームスプリッター
が傾斜サンプルビームを検知器要素を有するクワドセル
検知器に向けて方向づけし、上記クワドセル検知器が検
知器要素間のいかなる不均衡にも反応して差動検知器信
号を発生させ、上記差動検知器信号が、その差動検知器
信号をゼロにするためステアリングミラーを作動させる
ことを特徴とする、上記請求項１１に記載の高エネルギ
ーレーザー焦点センサー。 - 【請求項１３】 入力ビームを基準アームビームとサン
プルビームに分割する段階と、基準アームビームから基
準ビームを発生させる段階と、基準ビームを高周波数デ
ィザー信号で変調させる段階と、干渉パターンを作り出
すためにサンプルビームと基準ビームを結合させる段階
と、レンズを使って干渉パターンを検知器上に焦点合わ
せし、干渉パターンを表す電気信号を発生させる段階
と、ディザー周波数成分を取り除くことにより検知器電
気信号を同期的に検知する段階と、焦点シフト修正信号
を提供するために同期的に検知された電気信号を積分す
る段階と、焦点シフト修正信号を軸調整可能レンズに流
し、調整可能レンズを自動的に調整して基準ビーム波面
の位相曲率をサンプルビームのそれに合うように変える
段階とから成ることを特徴とする、高エネルギーレーザ
ービーム焦点シフトを感知するための方法。 - 【請求項１４】 ステアリングミラー、ピックオフビー
ムスプリッター、クワドセル検知器を用いて傾きに関し
て入力ビームを修正する段階を更に含み、上記ステアリ
ングミラーがピックオフビームスプリッターに向けて入
力ビームを反射し、上記ピックオフビームスプリッター
が傾斜サンプルビームを検知器要素を有するクワドセル
検知器に向けて方向づけ、上記クワドセル検知器が検知
器要素間のいかなる不均衡にも反応して差動検知器信号
を発生させ、上記差動検知器信号がその差動検知器信号
をゼロにするためステアリングミラーを作動させること
を特徴とする、上記請求項１３に記載の方法。 - 【請求項１５】 軸調整可能レンズを干渉測定センサー
内に配置する段階と、焦点シフト修正信号を利用して、
入力ビーム中の焦点シフト測定を行う段階とを更に含む
ことを特徴とする、上記請求項１３に記載の方法。 - 【請求項１６】 入力ビームの傾きを修正するための傾
斜修正手段と、入力ビームから基準ビームとサンプルビ
ームを発生させるための手段と、高周波数ディザー信号
を用いて基準ビームを変調させるための手段と、干渉パ
ターンを作り出すために基準ビームとサンプルビームを
結合させる手段と、干渉パターンを表す電気信号を提供
するため配置される検知手段と、基準ビームの波面を変
化させるための軸調整可能レンズ手段と、検知器電気信
号から焦点シフト修正信号を引き出すために検知手段に
接続された電気回路とから成り、その電気回路におい
て、焦点シフト修正信号が軸調節可能レンズ手段に連結
され、調節可能レンズを自動的に調節して基準ビーム波
面の位相曲率をサンプルビームのそれに合うように変え
るようになっており、それにより調整可能レンズ手段に
連結された焦点シフト修正信号が入力ビームの焦点シフ
トを表すようになっていることを特徴とする、高エネル
ギーレーザー焦点センサー。 - 【請求項１７】 上記傾斜修正手段が入力ビームをピッ
クオフビームスプリッターに向けて反射させるステアリ
ングミラーを含み、上記ピックオフビームスプリッター
が傾斜サンプルビームを検知器要素を有するクワドセル
検知器に向けて方向づけし、上記クワドセル検知器が検
知器要素間のいかなる不均衡にも反応して差動検知器信
号を発生させ、上記差動検知器信号がその差動検知器信
号をゼロにするためステアリングミラーを作動させるこ
とを特徴とする、上記請求項１６に記載の高エネルギー
レーザー焦点センサー。 - 【請求項１８】 入力ビームからサンプルビームと基準
ビームを引き出す段階と、基準ビームを高周波数ディザ
ー信号で変調させる段階と、干渉パターンを作り出すた
めにサンプルビームと基準ビームを結合させる段階と、
干渉パターンを検知器で検知し、干渉パターンを表す電
気信号を発生させる段階と、検知器電気信号から焦点シ
フト修正信号を引き出す段階と、軸調整可能レンズに焦
点シフト修正信号を流し、それにより調整可能レンズを
自動的に調整して基準ビーム波面の位相曲率をサンプル
ビームのそれと合うように変え、それによって焦点シフ
ト修正信号が入力ビーム中の焦点シフトの度合いを表す
ようにする段階とから成ることを特徴とする、高エネル
ギーレーザービーム焦点シフトを感知する方法。 - 【請求項１９】 ステアリングミラー、ピックオフビー
ムスプリッター、クワドセル検知器を用いて傾きに関し
て入力ビームを修正する段階を更に含み、上記ステアリ
ングミラーがピックオフビームスプリッターに向けて入
力ビームを反射し、上記ピックオフビームスプリッター
が傾斜サンプルビームを検知器要素を有するクワドセル
検知器に向けて方向づけ、上記クワドセル検知器が検知
器要素間のいかなる不均衡にも反応して差動検知器信号
を発生させ、上記差動検知器信号がその差動検知器信号
をゼロにするためステアリングミラーを作動させること
を特徴とする、上記請求項１８に記載の方法。 - 【請求項２０】 入力ビームの傾きを修正するための傾
斜修正手段と、入力ビームを基準アームビームとサンプ
ルビームに分割するためのビーム分割手段と、基準アー
ムビームから基準ビームを発生させるための手段と、基
準ビームを振動性ディザー信号で変調させるための手段
と、干渉パターンを作り出すためのにサンプルビームと
基準ビームを再結合させる手段と、干渉パターンを表す
電気信号を提供するために配置された検知手段と、ディ
ザー周波数成分を検知器電気信号から取り除くための同
期的検知手段及び電気信号から焦点シフト修正信号を提
供させるための手段とを含む、検知手段に接続されてい
る電気回路と、基準ビームの波面変更を行うために配置
されている軸調整可能レンズと、焦点シフト修正信号を
軸調整可能レンズ手段に連結し、調整可能レンズを自動
的に調整して基準ビーム波面の位相曲率をサンプルビー
ムのそれに合うように変える手段とから成ることを特徴
とする高エネルギーレーザー焦点センサー。 - 【請求項２１】 上記傾斜修正手段が入力ビームをピッ
クオフビームスプリッターに向けて反射させるステアリ
ングミラーを含み、上記ピックオフビームスプリッター
が傾斜サンプルビームを検知器要素を有するクワドセル
検知器に向けて方向づけし、上記クワドセル検知器が検
知器要素間のいかなる不均衡にも反応して差動検知器信
号を発生させ、上記差動検知器信号がその差動検知器信
号をゼロにするためステアリングミラーを作動させるこ
とを特徴とする、上記請求項２０に記載の高エネルギー
レーザー焦点センサー。 - 【請求項２２】 上記軸調整可能レンズ手段が基準ビー
ムをビーム分割手段に戻すように方向づけるため配置さ
れ、しかも軸調整可能レンズがリコリメーティングレン
ズとしても機能し、上記基準ビームを発生させるための
手段が、基準ビームをビーム分割手段に向けて返射する
ミラー上に基準ビームを方向づけるリコリメーティング
レンズを含んでおり、上記ビーム分割手段が基準ビーム
とサンプルビームを再結合させる手段としても機能する
ことを特徴とする、上記請求項２０に記載の高エネルギ
ーレーザー焦点センサー。 - 【請求項２３】 上記基準ビームを振動性ディザー信号
で変調させる手段が、 ディザー周波数信号発生器と、
基準ビームを発生させるのに使用されるミラーを振動さ
せるため、ディザー周波数信号発生器に連結された変換
器手段とを更に含むことを特徴とする、上記請求項２２
に記載の高エネルギーレーザー焦点センサー。 - 【請求項２４】 入力ビームの焦点シフトを検知するた
めの高エネルギーレーザー焦点センサーにおいて、その
センサーが、入力ビームの傾斜を修正する傾斜修正手段
と、入力ビームからサンプルビームを得るための手段
と、入力ビームから基準ビームを発生させるための手段
と、干渉パターンを作り出すためにサンプルビームと基
準ビームを結合させる手段と、干渉パターンを感知する
よう配置され、干渉パターンを表す対応する電気信号を
発生させる検知器と、検知器電気信号から焦点シフト修
正信号を発生させ、その焦点シフト修正信号を軸調整可
能レンズに連結させて、軸調整可能レンズを自動的に調
整して基準ビーム波面の位相曲率をサンプルビームのそ
れと合うように変え、焦点シフト修正信号が入力ビーム
の焦点シフトを表すようにする電気回路手段とから成る
ことを特徴とするセンサー。 - 【請求項２５】 上記傾斜修正手段が入力ビームをピッ
クオフビームスプリッターに向けて反射させるステアリ
ングミラーを含み、上記ピックオフビームスプリッター
が検知器要素を有するクワドセル検知器に向けて傾斜サ
ンプルビームを方向づけし、上記クワドセル検知器が検
知器要素間のいかなる不均衡にも反応して差動検知器信
号を発生させ、上記差動検知器信号がその差動検知器信
号をゼロにするためステアリングミラーを作動させるこ
とを特徴とする、上記請求項２４に記載の高エネルギー
レーザー焦点センサー。 - 【請求項２６】 上記入力ビームから基準ビームを発生
させるための手段が、入力ビームの基準部分を得るため
のビームスプリッターと、入力ビームの基準部分が、リ
コリメーティングレンズとしても機能する軸調整可能レ
ンズにより、これを通して焦点合わせされるピンホール
空間フィルターと、基準ビームが均一な位相面を有する
ことができるように入力ビームの基準部分を反射させる
ミラーとを更に含むことを特長とする、上記請求項２４
に記載の高エネルギーレーザー焦点センサー。 - 【請求項２７】 上記ビームの基準部分を反射するミラ
ーが平面鏡であり、基準ビームを発生させる手段が更に
リコリメーティングレンズを含んでいることを特徴とす
る、上記請求項２６に記載の高エネルギーレーザー焦点
センサー。 - 【請求項２８】 ディザー周波数発生器、及びディザー
周波数で基準ビームを発生させるための手段においてミ
ラーを軸移動させる手段と、検知器電気信号を復調させ
るための同期的検知手段を内包する電気回路手段、及び
変調された検知器電気信号の時間積分として焦点シフト
修正信号を発生させる積分手段とを更に含むことを特徴
とする、上記請求項２６に記載の高エネルギーレーザー
焦点センサー。 - 【請求項２９】 ディザー周波数で基準ビームをヘテロ
ダインするための手段と、電気回路手段の範囲で、検知
器電気信号を同期的に検知するための手段とを更に含む
ことを特徴とする、上記請求項２４に記載の高エネルギ
ーレーザー焦点センサー。 - 【請求項３０】 入力ビームからサンプルビームを発生
させる段階と、同じ入力ビームから基準ビームを発生さ
せる段階と、基準ビームを振動性ディザー信号で変調さ
せる段階と、干渉パターンを作り出すためにサンプルビ
ームと基準ビームを結合させる段階と、検知器を用いて
干渉パターンを検知し、干渉パターンを表す電気信号を
発生させる段階と、ディザー周波数成分を取り除くこと
で、検知器電気信号中の位相相違信号を同期的に検知す
る段階と、焦点シフト修正信号を提供するために検知さ
れた電気信号を積分する段階と、軸調整可能レンズに焦
点シフト修正信号を流し、調整可能レンズを自動的に調
整して基準ビーム波面の位相曲率をサンプルビームのそ
れと合うように変える段階とから成ることを特徴とする
光学焦点シフトを感知する方法。 - 【請求項３１】 ステアリングミラー、ピックオフビー
ムスプリッター、クワドセル検知器を用いて傾きに関し
て入力ビームを修正する段階を更に含み、上記ステアリ
ングミラーがピックオフビームスプリッターに向けて入
力ビームを反射し、上記ピックオフビームスプリッター
が傾斜サンプルビームを検知器要素を有するクワドセル
検知器に向けて方向づけ、上記クワドセル検知器が検知
器要素間のいかなる不均衡にも反応して差動検知器信号
を発生させ、上記差動検知器信号がその差動検知器信号
をゼロにするためステアリングミラーを作動させること
を特徴とする、上記請求項３０に記載の方法。 - 【請求項３２】 入力ビームからサンプルビームと基準
ビームを引き出す段階と、干渉パターンを作り出すため
にサンプルビームと基準ビームを結合させる段階と、基
準ビームを高周波数ディザー信号で変調させる段階と、
干渉パターンをレンズを用いて検知器上に焦点合わせ
し、干渉パターンを表す電気信号を発生させる段階と、
電気信号から焦点シフト修正信号を引き出す段階と、軸
調整可能レンズに焦点シフト修正信号を流し、調整可能
レンズを自動的に調整して基準ビーム波面の位相曲率を
サンプルビームのそれと合うように変え、それによって
焦点シフト修正信号がサンプルビーム波面中の焦点シフ
トの度合いを表すようにする段階とから成ることを特徴
とする光学焦点シフトを感知する方法。
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