JPS606293A - 光線の焦点を対象物に合せる方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、光線を照射する対象物に、光線、特にレーザ
光線の焦点を合わせる方法および装置に関する。

〔発明の目的〕

レーザ光線による二［作物の加工か、ますます重要にな
ってきた。これに関連する最も本質的な問題点の１つは
、一方においては、加工しようとする表面にレーザ光線
の焦点を最良に合わせることであり、他方においては、
この最良の焦点調節状態を常に維持し、対応して追従制
御することである。（以下余白）（ぎ） その場合、一方において高速性、高感度性および高精密
性、他方において長期安定性が本質的に要求される。

本発明の目的は、冒頭に定義した種類のこの要求が満足
される方法および適応する装置を提独立の特許請求の範
囲に記載されている。特に合理的で好適な構成および今
後の発展性はＫＬＡしＴｔｉ許鰭ボ、ｚ約１１１＝θ目
禾さへて端）。

従って、本発明は、光線またはレーザ光線が投射される
対象物上のビームスポットから反射された光線を検出し
て評価し全く異なった規準によって動作する２つの異な
る焦点調節方法の組合せを基本としている。この２つの
測定方法を適当に選択することによって、それぞれの固
有の欠点および欠陥が補償され、または大きな誤りが生
じないよう互に補正される。

〔従来の技術〕

実際に行われている焦点調節および焦点追従制御は、ド
イツ連邦共和国特許第２０３４３４１号。

アメリカ合衆国特許第３６８９１５９号、ドイツ連邦共
和国特許第２４５３３６４号、フランス特許第９４８７
１号またはアメリカ合衆国特許第３６１４４５６号公報
に記載の方法が使用され、この方法において、ビームス
ポットは、焦面に対して異なる距離に置かれるか又は焦
面に対して振動する２個又はそれ以上の絞りに、映像対
物レンズを介して映像され、絞りによって遮光されない
光線が評価される。この場合、さらに広く詳しく説明す
る本発明の構成による方法が、特に合理的で好適である
。

精度合わせ（Ｃａ１ｉｂｒａｔｉｏｎ　）を行なうには
、干渉性光線の場合に生じる、いわゆる゛斑点″（ビー
ムスポットから反射する光線の粒状床）の現象を利用す
る後に詳細に説明する方法が特に適している。パ斑点″
の物理現象は、例えば次の文献に記載されている。

Ｒ，に、Ｅｒｆ：　”斑点度量衝学（Ｓｐｅｃｋｌｅ　
Ｍｅｔｒｏｌｏｇｙ）”Ａｃａｄｅｍｉｃ　Ｐｒｅｓｓ
（１９７８）Ｊ、Ｃ，Ｄａｉｎｔｙ：　”レーザ斑点お
よび関連現象（Ｌａｓｅｒ　５ｐｅｃｋｌｅ　ａｎｄ　
ＲｅｌａｔｅｄＰｈｅｎｏｍｅｎａ）”Ｓｐｒｉｎｇｅ
ｒ出版社（１，９７５） Ｋ、Ａ、５ｔｅｔｓｏｎ：　”斑点写真および干渉の概
説（Ａ　Ｒｅｖｉｅｗ　ｏｒ　５ｐｅｃｋｌｅ　Ｐｈｏ
ｔｏ９ｒａｐｈｙａｎｄ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒ
ｙ）”Ｏｐｔ、Ｅｎｇ。

１、ｇｓ２（ｔｃ＋７５） Ｊ、Ｃ，Ｄａｉｎｔｙ：　”Ｐｒｏｇｒｅｓｓ　ｉｎ　
０ｐｔｉｃｓ”第１４巻、　３−４６頁（１９７６）に
掲載の゛斑点模様の統計学（Ｔｈｅ　５ｔａｔｉｓｔｉ
ｃｓｏｆ　５ｐｅｃｋｌｅ　Ｐａｔｔｅｒｎｓ）”゛斑
点′″方法の従来がら知られた主要な用途は、表向の特
性づげ、および試験対象物の変形および変位の測定であ
る。しかしながら、レーザ光線の焦点調節に関しては、
従来がら言及されていない。

゛斑点″方法による焦点調節の主要な利点は、この方法
が、光学的な構成要素の調節に対しては完全に影響を受
けない点である。

これらの焦点調節方法は、そういう理由で、これらに関
するより限界的な焦点調節方法に迄より広くとり上げら
れ理想的に捕捉されている。

〔発明の構成及び実施例〕

次に、本発明を図によって一層詳細に説明する。

第９図に概略的に示されたレーザ加工装置は、例えば冒
頭に述べたアメリカ合衆国特許第３６８９１５９号公報
に記載されているような従来の技術によるものと基本的
な構造では一致しているため、以下の説明は本発明の本
質的な部分だけに集中する。

図示の装置はレーザ光源１を包含し、このレーザ光源は
、半透明の鏡２および集光レンズ３を介して、加工しよ
うとする工作物または対象物４にレーザ光線を投射し、
そこに集光状態に応じて大小の大きさをもつビームスポ
ットＬＦを生じる。このビームスポットから反射された
レーザ光線ＬＲは、集光レンズ３および半透明鏡２およ
び光線分割鏡２′を介し、対応する電子評価装置および
サーブ装置ＡＳＰおよびＡＢに接続された２つの焦土検
出装置ＢＳおよびｓｐｓに達する。後者のサーブ装置は
、矢印ＰＩ　、Ｐ２およびＰ３で示された接続によって
対象物４および／または集光レンズ３および必要な場合
にはレーザ源自体にも作用し、制御回路を閉じている。

焦点、検出装置ＢＳの構造および動作に関する詳細は、
第１図ないし第８図の以下の説明から理解されよう。

第１図に示す装置は、判り易くするため焦点調節装置だ
けを示している。図示の装置はレーザ光源１を包含し、
この光源は半透明鏡２および集光レンズ３を介して、加
工しようとする工作物または対象物４にレーザ光線りを
投射し、そこに焦点調節状態に応じて大小の大きさのビ
ームスポットＬＦを生じる。このビームスポットから反
射されたレーザ光線Ｔ、　Ｒば、集光レンズ３および半
透明鏡２を経て、回折格子（線繊格子）５およびシリン
ダレンズ６からなる光学系に達し、この光学系は、光線
通路を３つの部分に分割し、同時にビームスポットＬＦ
を、側方および光学軸Ａ（Ｚ軸）の反対方向に互に変位
した、３つのこ〜ではｉ直な線または帯Ｓ　ａ　’＋ｓ
ｂおよびＳｃが３つの測定絞りＭ　ａ　、　Ｍ　ｂおよ
びＭｃに投影している。測定絞りを通過し、これによっ
て遮光されない光線は、３つの別のシリンダレンズ７ａ
、７１）および７ｃによって３つの受光装置８ａ、８ｂ
および８ｃに投射され、この受光装置によって測定され
る。夫々の測定された光の強度Ｉａ、ＩｂおよびＩｃに
相当する電気信号は焦点調整度によって評価手段９に供
給され、この評価手段９は、これによって夫々の焦点調
節状態の特性に応じた修正信号Ｉｋを発生する。この信
号は、サーボドライノ々１１およびサーボ駆動装置１２
からなる制御装置によって、最良の焦点調節が達成され
るまで、集光レンズ３と相対的にＺ軸の方向に工作物４
を移動させるのに使用される。集光レンズを工作物と相
対的に変位させることも可能なことば勿論である。

第２図は、第１図に示す装置の本発明にとって重要な部
分を平面図で示しており、簡単化するためシリンダレン
ズ７　ａ　、　７１）　、　７　ｃは省かれている。知
見されるように、３つの測定絞りＭ　ａ　、　Ｍ　＋）
　、　Ｍ　ｃは、横方向の変位を除くと、２方向すなわ
ち装置の光学的な軸の方向の反対方向に移動する。レー
ザ光線りの焦点が、正確に、または最良の状態で対象物
４に合わされた場合、ビームスポット■、Ｆの像が生じ
る装置の焦面ＦＰに、丁度、測定絞りＭａが認められこ
の焦面ＦＰの位置を、以後目標位置と呼ぶことにする。

測定絞りＭｂは、測定絞りＭａまたは目標位置ＦＰの少
し後方にあり、測定絞りＭＣは、これより前方に、これ
と対称的位置にある。

３つの測定絞りＭａ　、Ｍｂ　、Ｍｅの作用のし方が、
第３３図ないし第３ｄ図に示されている。

各測定絞りは、ビームスボッｌ−Ｌ　Ｆの対応する像Ｓ
ａ、Ｓｌ）、Ｓｃと対称的に設けられたＶ字状の絞り開
口部１３を備えている。第３ａ図ないし第３ｃ図は、最
良の状態に焦点が調節された関係を示している。ビーム
スポットＬＦの像Ｓａは、正確に絞りＭａの位置に生じ
、実際上、理壱的な線状をなし、従ってこれは測定絞り
によって実際的に遮光されない。従って、受光装置８ａ
の対応する測定信号Ｉａは最大である。

他の２つの測定絞りＭ　＋）およびＭＣは、正確な焦面
の外側（（あるため、ビームスボッ）ＬＦの像ｓｂおよ
びＳｃば、比較的幅の広い帯としての像に表われている
。従って、絞り開口部１３の形状に基づき、帯の幅が増
大するに伴って、ますます光線の多くの部分が遮光され
、対応する受光装置の測定信号ＩｂおよびＩｃが、これ
に対応して小さくなる。

レーザ光線りが工作物４に焦点が充分台わされていない
場合も情況は同じである。この場合、ビームスポットＬ
Ｆの３つの像Ｓ　ａ　、Ｓｂ、Ｓｃは、正確に目標位置
ＦＰに生ぜず、その前方または後方に生ずる。これに対
応して、３つの受光装置８ａ、８ｂ、８ｃの測定信号Ｉ
　ａ、Ｉｂ。

ＩＣは、可能な最大値の間の何らかの中間値をとる。第
３ｄ図において、３つの測定信号Ｉａ。

Ｉ　ｌ）　、　ＩＣの経路は、目標位置ＦＰに対する３
つのビームスポット像の実際の焦面の変位および焦点調
節状態に依存して表われる。横座標点Ｐｃ、Ｐａおよび
ｐｂは、３つの測定絞りＭＣ。

ＭｂおよびＭａの位置を示している。

上述の事項から、３つの測定信号Ｉａ、Ｉｂ。

Ｉｃの大きさによってそれぞれの焦点調節状態を推量す
ることが可能になる。ＩＣがＩｂより大きい場合には、
対象物４は集光レンズ３から遠く離れ過ぎている。これ
と反対にＩ　＋）がＩＣより大きい場合には、対象物４
は集光レンズ３に近過ぎている。２つの測定信号Ｍｂお
よびＭｃが同じ大きさで、測定信号Ｍａが最大の場合に
は、この点は最良に集光されている。方向および量によ
って、最良の焦点からの変位を決定するには、原理的に
は２つの測定絞りだけで充分であることは明らかである
。しかしながら、目標位置における第３の測定絞りを使
用することによって、特性勾配を改良し、光線出力また
は対象物４０表面特性の変化などの何らかの外乱を補償
することができる。

評価手段９において、焦点調節状態に対して特性づげら
れる修正信号Ｉｋは、２つの測定絞りＭｂ、Ｍｃを使用
する場合には、おおよそ式Ｉｋ　＝　Ｉｂ　−Ｉｃ　に
よって計算され、すべての３つの測定絞りＭ　ａ　、　
Ｍ　ｂ　、　Ｍ　ｃを使用する場合には、おおよそ式Ｉ
ｋ　＝（Ｉｂ−Ｉｃ　）　／　Ｉａによって計算される
。

第３ｄ図が示すように、第３ａ図ないし第３Ｃ図に示す
■形測定絞りを使用する場合における測定信号と焦点調
節状態との間の関係は、最良に焦点が調節された立の近
傍において、はｇ直線状になる。修正信号についても同
じであり、その場合、焦点の近傍における酸度および感
度は、測定絞りを適当な形状にすることによって、実際
の要求に合致させることができる。測定絞りに適当な形
状を与え光学的形状（例えば球形レンズ）を選択するこ
とによって、非線形特性曲線にすることが可能なことは
当然である。

第４８図ないし第４ｃ図において、測定絞りに対する別
の実施例が示されている。第４ａ図に示す測定絞りＭｄ
は、菱形の絞り開口部１４を有し、前述の説明によるＶ
形測定絞りの２倍の酸度の時特性曲線が得られる。第４
１］図に示す測定絞りＭｅについても同様であるが、最
良の焦点調節状態からの成る程度の最小変位まで、調整
の効かない死域を有する点が異なっている。

最後に、第４ｃ図に示す測定絞りＭｆは、凹形の縁部（
（よって区画された絞り孔１６を備え、最良の焦点の近
傍で特に急峻な彎曲した特性曲線が得られる。

今までは単に投射光の測定絞りについて記述した。反射
光の測定絞りも本発明に適したものであることは明らか
である。さらに、当然のことであるが、測定絞りは、受
光装置の適当な形状を呈した投射窓または受光装置自体
の適当な構造および配置または何らかの光伝導装置など
によっても、実現することができる。後者の光伝導装置
は例として第５ａ図および第５ｂ図に示されている。こ
の図において、それは、光導線束２０から成立っており
すべての個々の導線の投光面が１つの平面にあり、例え
ば第５ｂ図に示す配置を有している。これらの光導線の
他端部は、受光装置８ｄに接続されている。どの光導線
装置は、第４ａ図に示す測定絞りとは！等価である。

最後に、絞りは、適当な幾何学的形状をなした光束を制
限するフィルタに置換えることができる。

さらに、反射レーザ光線ＬＲの３つの光線路への分割は
、回折格子によっては絶対に行なってはならないことは
明らかである。これについては、分光器またはプリズム
などの他の手段も使用されることは自明である。そのほ
か、ビームスボッ）ＬＦは、必ずしも線または帯の形状
に映像する必要はなく、任意の他の形状にすることも可
能である。しかしながら、線としての映像は、全体の装
置の制御動作に関して特に合理的であることが判った。

ビームスボッ）ＬＦを映像する特に有利で洗練された形
式は、ホログラムまたはホログラフィ−光学要素を使用
することにある。ホログラムは多くの光学的な動作を同
時に行なうことができるため、この装置は特に小形に構
成することができる。第６図において、僅か２つの受光
装置によって構成された実施例によって、本発明による
装置が示されている。

ビームスポットから反射された光線ＬＲは、図示されて
いない集光レンズ３および鏡２を介してホログラフィ−
光学要素ＨＯＥに達する。

このホログラフィ−光学要素ＨＯＥは光線を変調し、そ
の際にビームスポットの線状または帯状の２つの像を生
じる。この像は１つの平面に映像することができ、その
場合第１図および第２図の場合のように、軸方向に変位
した測定絞りによって処理する必要がある。しかしなが
ら、第６図の例において、２つの映像は反対方向に変位
しており、２つの測定絞りＭｇおよびＭｈは、ビームス
ポットの２つの映像面の間の面にある。２つの測定絞り
から透過した光線は、２つの受光装置８ｇおよび８ｈに
当り、その測定信号ＩｇおよびＩｈは、前述のように処
理される。

基ログラフイー光学要素またはホログラムＨＯＥの助け
によって、測定絞りが極めて簡単に構成されるか又は全
（省かれるよう、ビームスポットの像の幾何学的形状が
調節され、選択される。これは、第７図に例示されてお
り、その場合、ビームスポット像ＬＦＢは、はｇ星形の
形状をなし、測定絞りＭＫの絞り開口部２１は円形であ
る。

ホログラムの製作は、一般的な方法によって行なうこと
ができ、軸方向（およびこれと直角な方向）に変位した
２つの焦点用として作られたホログラムを、第８図によ
って次に説明する。

空間に配置された２つの焦点Ｐ＋およびＰ−をもつホロ
グラムをつくるには、単に、この２つの点Ｐ＋およびＰ
−から出発する球面波Ｕ＋およびＵ−の干渉・ξターン
を、平らな基準波Ｕ、と共に、感光記録材が塗布された
板Ｈの上に記録するだけでよい。２つの球面波Ｕ十およ
びＵ−は、焦点としての点Ｐ＋およびＰ−をもつ２つの
レンズ３１および３２によって、レーザ光線３３かもつ
くられる。同様に、平らな基準波Ｕｒは、光線拡張器３
４によってレー７ザ光線３３から導き出されろ。

写真技術によって現像され定着されたホログラム板Ｈは
、第６図の装置においてホログラフィ−光学要素ＨＯＥ
として使用され、反対側（第８図では左側）から照射し
た場合、ビームスポットの２つの所望の映像を得ること
ができる。

第１１図ないし第１３図は、本発明装置に使用され、゛
斑点″の物理現象を利用する第２の焦点調節方法を示し
ている。

第１１図に示す最も簡単な装置において、処理しようと
する対象物または工作物４ば、集光レンズ３によって集
光されたレーザ光線りによって投射され、対象物表面４
ａから後方散乱された光線ＬＲが側方に設けられたスク
リーン５０に集められる。

第１２図に示す実施例において、レーザ光線りは、半透
明鏡２および集光レンズ３を経て対τ′ニー称物の表面
４ａに達し、後方散乱された光線ＬＲが、同じく鏡２を
通ってスクリーン５０に投射される。

対象物４の照射された点から後方散乱された光線のスク
リーン上に観察される強度分布は、統計的に分散された
明暗点による粒状斑を有している。一般に英語の表現で
°’　５ｐｅａｋｌｅ　’”または’　Ｓｐｅｃｋｌｉ
ｎｇ　”と呼ばれてイル粒状斑ハ、対象物４の実際上酸
る程度の（光学的）挑さをもつ表面４ａが原因となって
おり、これは照射される光波の位相を統計的に立体変調
（゛°光学的ノイズ′）する。個々の明暗点の大きさお
よび粒状斑の粗さ又は細かさは、対象物表面の照射点の
大きさに依存し、照射面が小さい程、大きく（粒状斑が
よ・り粗く）なる。

本発明は、この現象を焦点調節用の指針としての斑点構
造に関係づけることによって、この現象を利用している
。照射点の細かさは、直接に焦点調節度に関係（理想的
な焦点調節１２スポツト径最小）するため、本発明によ
ってスクリーン５０の上の粒状斑または斑点を観察する
ことによって、粒状斑が最も粗くなるまで、焦点調節度
が調整される。勿論この調整中に、工作物表面４ａの好
ましくない加工が行われないよう、レーザ光線の強度お
よび出力が減少される。

可視光線を使用した場合、スクリーン５０の上の斑点を
直接に視覚より観察することは充分可能であるが、光電
式の手段により観察し、その際に生じる電気信号を連続
して評価することが一般的で効果的である。第１３図は
、これに適した装置を概略的に示している。

レーザ光線ＬＲは、集光レンズ３を通って工作物の表面
４ａに投射され、そこで後方散乱される。散乱光線、４
は、テレビジョンモニター８０および評価装置９０に接
続されたテレビジョンカメラ７０によって受像される。

このテレビジョンカメラ７０は、対物レンズのない市販
の形式であり、従って、散乱光線はテレビジョン受像管
に直接に投射される。対物レンズを全くなくする代りに
、場合によっては、対物レンズの焦点を著しくぼかすこ
とが好ましい場合がある。

カメラ７０は、照射された点から生じる斑点模様を１行
づつ走査し、その他の同期・ξルスを付加的に包含した
対応するビデオ信号を発生する。カメラ７０によって撮
影された斑点像は、光学的（（制御するためモニター８
０で見られるようにされる。

評価装置９０ば、最良な焦点調節状態を探知し、指示器
１００に適切な方法で指示される対応する出力信号を発
生するため、カメラから生じたビデオ信号を直接利用す
る。

斑点像の粗さを示す量としては、例えば走査線毎の明暗
変化数が使用される。従って、焦点を合わせるには、こ
の変化数を測定し、集光レンズ３（または工作物４）を
適当に移動することによって最小にするだけでよい。

この意味でビデオ信号を評価するには、先ず同期・ξル
スが除去され、次に、振幅信号が、シュミット・トリガ
回路によって、１本または数本の走査線上の信号平均値
から得られて連続的＋Ｃプロットされた基準レベルと比
較される。その場合、シュミット・トリガ回路から得ら
れた矩形信号は、これに対応する電圧に変換されて指示
され、その際、電圧最小値は焦点が最も良く合わされた
状態に相当する。信号を適当な伝達要素（帯域フィルタ
、微分要素）によって、シュミット・トリガ回路より前
の段階で変換することによって、評価の正確度および安
全性を高めることかで・きる。

今までは単に、光電式の斑点観察および評価の単なる可
能性だけについて説明した。斑点像の分析は、他の多く
の方法で行なうことが可能なことは勿論である。例えば
斑点像の走査をテレビジョン受像管または一般の２次元
の平坦に配置された受像器によらずに、例えば線形フォ
トダイオード装置または極端な場合には単一のフォトダ
イオードだけによって、単一の走査線に沿って走査する
ことが明らかに可能である。

焦点調節状態によって変化する散乱光線の空間的な強度
変化を、何らかの方法によって数量化し、場合によって
は指示することだけが重要である。さらに、最も粗い斑
点模様が現われるまで、直接焦点調節塵を変えるのでは
なく、多くの焦点調整時における斑点模様の粗さの経過
を追跡し、それから計算手段によって最良の調節焦点を
見出し、次に手動又は自動により調整するとともできる
。

便利で゛特に正確な斑点の観察を度外視すれば、光電式
の評価は、レーザ光線の波長をスペクトルの可視範囲に
する必要がないという利点を有している。さらに、調整
装置１１０を備えた評価装置９０を、全自動焦点調整用
の密閉された調整回路内に組入れられるようになる。

第９図（（概略的に示されたレーザ加工装置は、前述の
ように、２つの焦点調整装置ＢＳおよびＳＰＳを有して
いる。一方の装置ＢＳは、第１図ないし第８図に示す固
定された測定絞りによって動作し、評価装置およびサー
ボ装置ＡＢと共に、焦点を連続して制御および調節する
のに使用される。他方の装置ｓｐｓは、第１３図に示す
斑点装置であり、測定絞り装置ＢＳの精度合わせ（Ｃａ
１ｉｂｒａｔｉｏｎ　）に使用される。マイクロプロセ
ッサとして構成された評価装置ＡＳＰは、最良の焦点を
見出した後に測定絞り装置を自動的に精度合わせするよ
う構成され、評価装置ＡＢと協同して動作する。

第１０図には、双方の焦点調整装置を実際に実現するた
めの特に合理的で小形の光学装置が示されている。これ
は、中央の測定絞りの代りに、斑点検出装置の受光装置
７０が備えられていることを除けば第２図の装置と本質
的には同じである。零次の回折模様は斑点検出装置にも
投射され、高い次数の回折模様は、測定絞りによって評
価に使用されろ。

この図には、２つの焦点調整装置だけが示されている。

この光学装置は、例えば異なる次数のビームスポットの
回折模様が、異なる規準によって評価する数個の焦点調
整装置を備えることができることは勿論である。

〔発明の効果〕

１μｍ以下から１　ｍｍ以上までの広い調整範囲におい
て高度の正確度を特徴とする上述の装置は、偏光および
光線の角分布と無関係に、外部のノイズに影響されず、
平面のほかに実際において任意の特性をもつ平らでない
表面にも適しており、付加的な補助光源を必要とせず、
集光レンズの前に付加的な要素を有しておらず、比較的
に簡単かつ小形に構成される。

最高の感度および安定度を得るためには、焦点調整装置
の個々の光学的通路が、外乱に関して可及的に均一に構
成されることが最も重要である。回折格子または適当な
ホログラフィ−要素による本発明の反射光線の分割は、
これを最高度に保証する。このようにして、個々の光学
的通路の高度の均一性および対称性が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明装置を構成する焦点調節システムの確定
した測定絞りのレーザ光線による仕事の手順を示す概略
の説明図、第２図は第１図に示す装置の本質的な部分を
理解するための他の図面、第３ａ図ないし第３ｃ図は第
１図および第２図に示す測定絞りの構成を示す正面図、
第３ｄ図は測定絞りの動作を示す特性曲線図、第４ａ図
ないし第４０図は可能な測定絞りの別の形式を示す正面
図、第５ａ図および第５ｂ図は測定絞りのさらに別の実
施例を示す側面図および正面図、第６図は第１図に示す
装置のさらに別の実施例を示す説明図、第７図は測定絞
りの詳細説明図、第８図は第６図に示す装置を構成する
ホログラフィ−光学要素（ＨＯＥ）の調整の原理図、第
９図は本発明装置の２つの焦点調節シス乎ムの全体の構
成を示す説明図、第１０図は第９図に示す装置の独特な
機能的な変化の詳細を示す説明図、第１１図ないし第１
２図は斑点方法による焦点調節法の光学的配置を示す２
つの実例の原理図、第１３図はこれの一層広い変形の実
例の原理図である。 １・・・・・・レーザ光源、２・・・・・・半透明鏡、
２′・・・・・・光線分割鏡、　３・・・・・・集光レ
ンズ、４・・・・・・対象物、　４ａ・・・対象物表面
、５・・・・・・回折格子、　６・・・・・・シリンダ
レンズ、７ａ、７１）、７Ｃ・・・シリンダレンズ、８
ａ、８ｂ、８ｃ・・・受光装置（光電手段）、９・・・
・・・評価装置（光電手段）、１１・・・サーゼドライ
バー（制御手段）、１２・・・サーボモータ（制御手段
）、１３．１４，１６．２１・・・絞り開口部、２０・
・・光導線、　３１．３２・・・レンズ、３３・・・レ
ーザ光線、　３４・・・光線拡張器、５０・・・スクリ
ーン、 ７０・・・テレビジョンカメラ、 ９０・・・評価装置、　１００・・・指示器、１１０・
・・調整装置、ＡＢ・・・サーゼ装置、ＡＳＰ・・・評
価装置（自動精度合わせ装置）、ＢＳ・・・絞り焦点検
出装置、 ＦＰ・・・目標位置（焦面）、 ＨＯＥ・・・ホログラフィ−光学要素、Ｉｋ・・・信号
、　ＬＦ・・・ビームスポット、Ｍａ　、Ｍｂ　、Ｍｃ
　、Ｍｄ　、Ｍｅ　、Ｍ　ｆ　、Ｍｇ　、Ｍｈ−測定絞
り、Ｓａ、Ｓｂ、Ｓｃ　−像、 ｓｐｓ・・・斑点焦点検出装置。 特許出願人

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）　ビームスポットから対象物に反射された光線を観
   察することによって光線、特にレーザー光線の焦点を対
   象物に合わせる過程において、一方の方法は光線の焦点
   を連続的に調節する技術であり、もう一方は、前者の調
   節技術を周期的に精度合わせをする２つの相補的な焦点
   調節技術を組み合わせたことを特徴とする光線の焦点調
   節方法。 ２）上記一方の焦点調節方法において、光学系によって
   対象物の上に少くとも２つのビームスポットの像を生じ
   、その夫々の像には、最良に焦点が合わされたときのビ
   ームスポットの像の目標位置に対して異った位置に測定
   絞りが組み合わされ、これらの絞りによって遮光されな
   い光線の強度を評価し、それによって焦点が調節される
   ことを特徴とする特許請求の範囲第１項記載の方法。 ３）ビームスポットの少なくとも２つの像が、回折格子
   又はこれと等価のホログラフィ光学要素によって形成さ
   れることを特徴とする特許請求の範囲第２項記載の方法
   。 ４）ビームスポットが、シリンダーレンズによって焦点
   の状態に応じて幅が変化する光の帯状の形で測定絞りに
   映像されることを特徴とする特許請求の範囲第３項記載
   の方法。 ５）対象物の上の光線束の焦点状態に従ってビームスポ
   ットの映像の寸法と形状が変化することを特徴とする特
   許請求の範囲第２項記載の方法。 ６）ビームスポットの３つの像が生ずる段階において夫
   々の測定絞りがビームスポットの像の最も良く焦点が合
   わされた目標位置に対し１つの絞りは目標位置の前方に
   配置され１つの絞りははｙ目標位置に配置されも５ｚつ
   の絞りは、目標位置の後方に配置されることを特徴とす
   る特許請求の範囲第２項記載の方法。 ７）ビームスポットの３つの像が生ずる段階において夫
   々の測定絞りが、ビームスポットの像の最も良く焦点が
   合わされた目標位置に対し１つの絞りは目標位置の前方
   に配置され、１つの絞りはは寸目標位置に配置され、も
   う１つの絞りは目標位置の後方に配置されることを特徴
   とする特許請求の範囲第３項記載の方法。 ８）ビームスポットの３つの像が生ずる段階において夫
   々の測定絞りがビームスポットの像の最も良く焦点が合
   わされた目標位置に対し１つの絞りは前方に配置され、
   １つの絞りははｙ目標位置に配置され、もう１つの絞り
   は目標位置の後方に配置されることを特徴とする特許請
   求の範囲第４項記載の方法。 ることを包含する特許請求の範囲第１項記載のもう一方
   の方法。 １０　）対象物の表面から後方に散乱した光線の粒状後
   を評価し、粒状後の粗さによって焦点を調節することを
   包含する特許請求の範囲第２項記載のもう一方の方法。 １１）対象物の表面から後方に散乱した光線の粒状後を
   評価し、粒状後の粗さによって焦点を調節することを包
   含する特許請求の範囲第３項記載のもう一方の方法。 １２）対象物の表面から後方に散乱した光線の粒状後を
   評価し、粒状後の粗さによって焦点を調節することを包
   含する特許請求の範囲第５項記載のもう一方の方法。 １３）焦点が粒状後の最大粗さにセットされていること
   を特徴とする特許請求の範囲第９項記載の方法。 １４）粒状後の粗さの変化に応じて最大粗さにセットさ
   れた焦点の精度合わせがなされ、それに従って焦点がセ
   ットされろことを特徴とする特許請求の範囲第９項記載
   の方法。 １５）後方散乱光線が受光装置によって走査され、それ
   に対応する電気信号に変換され、そして、その電気信号
   が焦点を任意に自動的に調節するために評価されること
   を特徴とする特許請求の範囲第９項記載の方法。 １６）後方散乱光線が受光装置によって走査され、それ
   に対応する電気信号に変換され、そしてその電気信号が
   焦点を任意に自動的に調節するために評価されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１３項記載の方法。 １７）後方散乱光線が受光装置によって走査され、それ
   に対応する電気信号に変換され、そしてその電気信号が
   焦点を任意に自動的に調節するために評価されることを
   特徴とする特許請求の範囲第１４項記載の方法。 １８）光線束が投射される対象物上において一方の焦点
   調節システムは連続的に焦点の調節および再調節をおこ
   ない他方の焦点調節システムは最初のシステムの周期的
   な精度合わせをおこなう、ビームスポットから対象物の
   上に反射された光線を、焦点の状態を決定する独自の判
   定基準を保持することによって評価する、互に補い合う
   ２つの焦点調節システムを組み合わせたことを特徴とす
   る、光線束特にレーザ光線の焦点調節装置。 １９）対象物の上にビームスポットの少くとも２つの像
   が生じる光学系を包含する最初の焦点調節システムは、
   それぞれの像に組み合わされた２つの測定絞りと、最良
   に焦点が合わされたビームスポットの像の目標位置に対
   して異った位置に配列され、測定絞りによって遮光され
   ない光線を計測する光電手段とその光電手段によって発
   生する焦点の状態を特徴づける信号とを包含するシステ
   ムであることを特徴とする特許請求の範囲第１８項記載
   の装置０ ２０）その光学系は、回折格子又はそれと等価のホログ
   ラフィ−光学要素を含むものであることを特徴とする特
   許請求の範囲第１９項記載の装置。 ２１）その光学系は、焦点の状態によって変化する光帯
   の幅の広さを測定絞りの上にビームスポットの光帯の形
   として映像することを特徴とする特許請求の範囲第１９
   項記載の装置。 ２２）その光学系は、焦点の状態によって変化する光帯
   の幅の広さを測定絞りの上にビームスポットの光帯の形
   として映像することを特徴とする特許請求の範囲第２０
   項記載の装置。 ２３）光電手段によって生じた特性信号と調和して、対
   象物の焦点調節を自動的に最良の状態に調節することを
   包含する特許請求の範囲第１９項記載の装置。 ２４）光電手段によって生じた特性信号と調和して、対
   象物の焦点調節を自動的に最良の状態に調節することを
   包含する特許請求の範囲第２２項記載の装置。 ２５）３つの測定絞りがあって、夫々の測定絞りがビー
   ムスポットの像の最も良く焦点が合わされた目標位置に
   対し１つの測定絞りは目標位置の前方に、１つの絞りは
   はｙ目標位置にもう１つの絞りは目標位置の後方に配置
   されることを特徴とする特許請求の範囲第１９項（“６
   ａ） 記載の装置。 ２６）前記もう一方の焦点調節システムは、対象物の表
   面からの反射光線が投射される受光装置を包含し、その
   受光装置は、後方散乱光線の粒状斑の粗さに対応する出
   力信号を発する電子評価装置に接続されることを特徴と
   する特許請求の範囲第１８項に記載の装置。 ２７）光線束の焦点の調節を、後方散乱光線の粒状斑が
   最大粗さになるようにセットされた評価装置と協同動作
   する調整装置とを備えることによって行うことを特徴と
   する特許請求の範囲第２６項記載の装置。 ２８）２次元に配列された受光装置は多数のフォトダイ
   オード又はビデオカメラのようなものであることを特徴
   とする特許請求の範囲第２６項に記載の装置。 ２９）受光装置は、後方散乱光線を線から線へ走査する
   ものであることを特徴とする特許請求の範囲第２６項に
   記載の装置。 ３０）評価装置は、粒状斑の最大粗さに対応する（もｂ
   ） 粗さの変化から調節焦点を算出するものであることを特
   徴とする特許請求の範囲第２６項に記載の装置。 ３１）前記もう一方の焦点調節システムによって決めら
   れた最良の焦点調節状態を維持する最初の自動焦点調節
   システムは、自動精度合わせ装置によって精度合わせさ
   れたものであることを特徴とする特許請求の範囲第１８
   項に記載の装置。 ３２）前記もう一方の焦点調節システムによって決めら
   れた最良の焦点調節状態を維持する最初の自動焦点調節
   システムは、自動精度合わせ装置によって精度合わせさ
   れたものであることを特徴とする特許請求の範囲第１９
   項に記載の装置。 ３３）前記もう一方の焦点調節システムによって決めら
   れた最良の焦点調節状態を維持する最初の自動焦点調節
   システムは、自動精度合わせ装置によって精度合わせさ
   れたものであることを特徴とする特許請求の範囲第２６
   項に（６ｃ） 記載の装置。 ３４）前記もう一方の焦点調節システムは、対象物の表
   面から後方散乱された光線が投射する受光装置を包含し
   、その受光装置は、後方散乱光線の粒状斑の粗さに対応
   する出力信号を発する電子評価装置に接続されており、
   もう一方の焦点調節システムはよって決められた最適の
   焦点調節状態を維持するために最初の焦点調節システム
   を自動的に精度合わせする自動精度合わせ装置を包含し
   たものであることを特徴とする特許請求の範囲第１９項
   記載の装置。 ３５）対象物の上に少（とも２つのビームスポットの像
   を生じる光学系を含む最初の焦点調節システムの全体は
   、それぞれの像の１つと連動する２つの測定絞りと、ビ
   ームスポットの最良に焦点が合わされた像の目標位置に
   関し異った位置に配列され、測定絞りによって遮光され
   ない光線を測定し焦点の状態を特徴づける信号を発する
   光電装置とビームスポットの少（とも３・つの像を生ず
   る回折格子又はこれと等価のホログラフィ−光学要素と
   、前記３つの像のうちの少くとも１つの光を伴う前記も
   う一方の焦点調節システムの受光装置を包含したもので
   あることを特徴とする特許請求の範囲第２６項記載の装
   置。 ３６）回折格子又はホログラフィ−光学要素は、零次の
   １つの回折模様と、１次の２つ１０回折模様を生じ、前
   記もう一方の焦点調節システムの受光装置は、零次の回
   折模様の光の照射を受けることを特徴とする特許請求の
   範囲第３５項記載の装置。