TW202011076A - 光學設備 - Google Patents

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太田健史
生田涼
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日商佳能股份有限公司
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Abstract

為了高速且高精度地控制光的焦點位置，一種光學設備包括第一反射表面(101)，其被建構為可繞著旋轉軸(104)旋轉並反射光；第二反射表面(102)，其被建構為可繞著旋轉軸(104)旋轉、面對第一反射表面(101)並反射來自第一反射表面(101)的光；第三反射表面(114)，其將來自第二反射表面(102)的光返回到第二反射表面(102)；以及，控制單元(120)，其被建構為：藉由在保持第一反射表面(101)和第二反射表面(102)之間的相對配置的狀態下使第一反射表面(101)和第二反射表面(102)繞著旋轉軸(104)旋轉來控制經由第二反射表面(102)被第三反射表面(114)返回到第一反射表面(101)的光在光軸方向上的焦點位置。

Description

光學設備
本發明涉及光學設備和處理設備。
在各種光學系統中，在提高光學設備的特性方面的一個重要因素是高速且高精度地控制光的焦點位置。例如，在使用雷射進行諸如標記、穿孔和焊接的工作的光學設備中，高速且高精度地控制來自雷射振盪器的光的焦點位置有助於提高工作的品質。
焦點位置的控制可被分類為光軸方向上的控制和垂直於光軸的方向上的控制這兩種類型。光軸方向上的焦點位置的控制例如是藉由在光軸方向上移動光學系統中的聚光透鏡的位置來實施。然而，由於聚光透鏡重並且由線性台架驅動，因此難以高速且高精度地移動聚光透鏡。垂直於光軸的方向上的焦點位置的控制例如是藉由使用所謂的fθ透鏡並改變入射在fθ透鏡上的光的角度來實施。然而，fθ透鏡具有焦點位置處的光束直徑係依據該角度而變化的問題。
文獻1(D. J. Campbell, P. A. Krug, I. S. Falconer, L. C. Robinson, and G. D. Tait, “Rapid scan phase modulator for interferometric applications” Applied Optics Vol. 20, Issue 2, pp. 335 to 342(1981))揭露了一種用於旋轉兩個面對的反射鏡、改變光程長度並改變光相位的技術。然而，揭露於文獻1中的技術與焦點位置的控制無關。因此，揭露於文獻1中的光學設備不包括一改變在光軸方向上的光束直徑的非準直光學系統。在文獻1中，由於不發生偏離焦點位置的問題，因此不容易將揭露於文獻1中的技術應用於實施焦點位置的控制的光學設備。
另一方面，日本未審查的專利公開案第2016-103007號揭露了一種使用多個四個固定式反射鏡和一個可旋轉的反射鏡來將用於雷射處理的光的光程移動於垂直於該光程的方向上的技術。然而，該技術存在的問題是，由於需要至少五個反射鏡，因此該光學設備的重量增加並且光學損耗增加。
此外，文獻2(Meng-Chang Hsieh, Jiun-You Lin and Chia-Ou Chang, “Using a Hexagonal Mirror for Varying Light Intensity in the Measurement of Small-Angle Variation” Sensors 2016,16, 1301)揭露了使用六角反射鏡反射光的技術，而且與焦點位置的控制無關。已知一種使用折射率介質來在垂直於光程的方向上移動入射光的光程的技術。然而，在該技術中，光學損耗因為該折射率介質而增加。此外，當折射率介質被使用時，折射率介質的尺寸必須大，用以實現大的移動量。因此，此技術在重量和高速移動方面是不利的。
本發明的一個態樣提出一種有利於高速且高精度地控制光的焦點位置的光學設備。
依據本發明的一個態樣，一種控制光的焦點位置的光學設備包括：第一反射表面，其被建構為能夠繞著旋轉軸旋轉並反射該光；第二反射表面，其被建構為能夠繞著該旋轉軸旋轉、面對該第一反射表面並反射來自該第一反射表面的該光；第三反射表面，其將來自該第二反射表面的該光返回至該第二反射表面；以及，控制單元，其被建構來：藉由在保持該第一反射表面和該第二反射表面之間的相對配置的狀態下使該第一反射表面和該第二反射表面繞該旋轉軸旋轉，來控制從該第三反射表面經由該第二反射表面返回到該第一反射表面的光在光軸方向上的焦點位置。
根據下面參照附圖對示範性實施例的描述，本發明的其他特徵將變得清晰。
(第一實施例)
在下文中，用於實施本發明的第一實施例將於下文中參照附圖被描述。在每一圖式中，相同的元件符號被賦予相同的構件和元件，並且重複的描述將被省略。在以下描述中，光軸延伸的方向被稱為光軸方向。在下面將被描述的光學設備中，焦點位置移動器將被用來高速且高精度地控制光的焦點位置。亦即，光學設備控制從焦點位置移動器射出的光在光軸方向上的焦點位置和在垂直於光的光軸的方向上的焦點位置。
首先，使用根據第一實施例的焦點位置移動器來控制在光軸方向上的焦點位置的技術將被描述。
圖1A至圖1C是示出包括焦點位置移動器的光學設備的第一實施例的圖式。圖1A示出了從光源300入射到焦點位置移動器100的光的光軸和從焦點位置移動器100在圖的向下方向被射出的光的光軸在不同方向上的例子。在此處，不同方向的意思是指從焦點位置移動器100被射出的光的光軸相對於入射在焦點位置移動器100上的光的光軸具有等於或大於45°且等於或小於135°(例如，90°的角度)的斜率。
圖1B示出了入射在焦點位置移動器200上的光的光軸和從焦點位置移動器200被射出的光的光軸是在相同方向的例子。在此處，相同方向的意思是指從焦點位置移動器200被射出的光的光軸相對於入射在焦點位置移動器200上的光的光軸是在等於或大於0°(平行)且小於45°的範圍內。
圖1C示出了比較例。在此比較例中，如圖中的X所示，光軸方向上的焦點位置FP_h0、FP_h1和FP_h2是藉由在光軸方向上移動聚光透鏡118的位置來控制的。然而，在這樣的配置中，由於聚光透鏡118很重並且由線性台架驅動，因此難以高速且高精度地移動聚光透鏡118。
相反地，圖1A和圖1B中所示的焦點位置移動器100和200均藉由在不驅動聚光透鏡的情況下控制光的光程長度來控制光軸方向上的焦點位置FP_h0、FP_h1和FP_h2。
例如，來自光源300的光經由非準直光學系統400進入焦點位置移動器100或200。在此處，非準直光學系統是一將來自光源300的經過準直的光((平行光)改變為光束直徑隨著光在光軸方向上傳播而變化的非準直光(被會聚光或擴散光)的光學系統。在此例子中，非準直光學系統400包括圖2中所示的產生會聚光的聚光透鏡117，但是本發明不限於此，並且衍射光柵或凹面(或凸面)鏡可被使用。光源300例如是雷射振盪器，並且來自光源300的光例如是雷射光束。
從焦點位置移動器100或200被射出的光經由形成焦點的光學系統500在預先確定的位置處形成焦點。光學系統500例如是會聚光學系統，其會聚從焦點位置移動器100或200射出的光。儘管光學系統500不是必要的，但是因為提供了光學系統500，所以光學系統500具有以下優點。
在此例子中，焦點位置移動器100或200藉由改變從非準直光學系統400入射的光的光程長度來改變從焦點位置移動器100或200被射出的光的焦點位置。在此情況下，因為在光在焦點位置移動器100或200內部傳播的過程中形成光的光點(spot of light)，所以在一些情況下，來自聚光透鏡117的光可以從會聚光改變為擴散光。在這些情況下，光學系統500是必需的，光學系統500再次會聚從焦點位置移動器100或200射出的擴散光以形成會聚光。
亦即，當光學系統500藉由使用焦點位置移動器100或200控制光程長度來實施在光軸方向上的焦點位置的控制時，光學系統500具有可靠地形成從焦點位置移動器100或200射出的光的焦點的優點。
圖2是示出在第一實施例中控制在光軸方向上的焦點位置的原理的圖式。焦點位置移動器100實施在光軸方向上的焦點位置的控制。焦點位置移動器100藉由改變從非準直光學系統400入射的光的光程長度來控制從焦點位置移動器100射出的光在光軸方向上的焦點位置。
因此，焦點位置移動器100包括第一反射表面101、面對第一反射表面101的第二反射表面102、將光返回的第三反射表面114、提取光的第四反射表面115以及控制單元120。
第一反射表面101、第二反射表面102、第三反射表面114和第四反射表面115例如是反射鏡。在此處，第四反射表面115具有透射來自非準直光學系統400的光並反射來自第一反射表面101的光的特性。在此例子中，為了方便起見，假設第一反射表面101和第二反射表面102彼此平行。然而，只要第一反射表面101和第二反射表面102彼此面對，第一反射表面101和第二反射表面102就可以不彼此平行。
在此處，如果在第一反射表面101和第二反射表面102之間形成的角度α在等於或大於0°(平行)且小於90°的範圍內的話，則第一反射表面101和第二反射表面102被認為是彼此面對的。這是因為來自第一反射表面101的光必須能夠被第二反射表面102反射，這將於下文中描述。
第一反射表面101和第二反射表面102被建構為一起圍繞旋轉軸104旋轉。第一反射表面101和第二反射表面102必須在保持第一反射表面101和第二反射表面102之間的相對配置(相對角度和相對位置)的狀態下一起圍繞旋轉軸104旋轉。因此，焦點位置移動器100包括例如能夠繞旋轉軸104旋轉的台架103。在此情況下，第一反射表面101和第二反射表面102被固定至台架103。控制單元120藉由改變台架103的轉動角度來改變從非準直光學系統400入射的光的光程長度，並控制從焦點位置移動器100射出的光在光軸方向上的焦點位置。
旋轉軸104可以位於第一反射表面101和第二反射表面102之間的區域中，或者可以位於在第一反射表面101和第二反射表面102之間的區域之外的區域中，這將於下文中描述。
第一反射表面101反射來自非準直光學系統400的光。被第一反射表面101反射的光朝向第二反射表面102前進並且被第二反射表面102反射。第三反射表面114將來自第二反射表面102的光返回到第二反射表面102。亦即，依序經由光程109、光程110和光程111之來自非準直光學系統400的光被第三反射表面114返回。被第三反射表面114返回的光依序經由相同的光程(即，光程111、光程110和光程109)被第四反射表面115反射而被射出。
藉由使用焦點位置移動器100，並且用控制單元120來控制例如台架103的轉動角度，焦點位置移動器100內的光的光程長度可被改變。因此，從焦點位置移動器100被射出的光122在光軸方向上的焦點位置可被控制。
焦點位置移動器100內的光程長度的變化將被描述。在下面的描述中，聚光透鏡117的中心點被假設是光的入射點112，其中(xi , yi )是入射點112的座標。第三反射表面114上反射來自第二反射表面102的光的點被假設是中間點113，其中(xo , yo )是中間點113的座標。此外，從第三反射表面114被返回的光被射出的點被假設是射出點112’，並且從入射點112到中間點113的光程長度被假設與從中間點113到射出點112’的光程長度相同。
此外，(x01 , y01 )是第一反射表面101與從旋轉軸104向第一反射表面101繪製的垂直線的交會點105的座標，並且(x02 , y02 )是第二反射表面102與從旋轉軸104向第二反射表面102繪製的垂直線的交會點106的座標。從旋轉軸104向第一反射表面101繪製的垂直線的長度R被假設與從旋轉軸104向第二反射表面102繪製的垂直線的長度R相同。亦即，第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離被假設為2R。
當從旋轉軸104向光程(入射光軸)109繪製垂直線時，該垂直線的長度被假設為Y。亦即，入射在非準直光學系統400上的光以距旋轉軸104一偏移距離Y的方式被入射在第一反射表面101上。第一反射表面101與光程(入射光軸)109平行的狀態被定義為轉動角度0°。在此處，在轉動角度0°處，第一反射表面101被假設比第二反射表面102更靠近光程(入射光軸)109。
當轉動角度0°的狀態被設定為基準時，台架103被假設從轉動角度0°被逆時針轉動一角度θ。該轉動的角度θ被控制在例如0°至90°的範圍內。因此，一轉動該台架103的馬達較佳地是可以將台架103逆時針或順時針轉動的電流馬達(galvano-motor)。在此處，將台架103轉動的馬達可以是旋轉馬達，其可以僅單向地(例如，逆時針方向)轉動台架103。在此情況下，當轉動的角度θ被減小時，該轉動的角度θ可以在台架103轉一圈之後從轉動角度0°的狀態再次被控制。
在上述前提下，首先，交點105的座標(x01 , y01 )和交點106的座標(x02 , y02 )被表示為下面的式子(1)至(4)。
Figure 02_image001
Figure 02_image003
Figure 02_image005
Figure 02_image007
接下來，當(x1 , y1 )是第一反射表面101上的座標並且(x2 , y2 )是第二反射表面102上的座標時，可以獲得下面式子(5)和(6)中所示的關係。
Figure 02_image009
Figure 02_image011
接下來，(xm1 , ym1 )是反射來自非準直光學系統400的光的第一反射表面101上的點107的座標，並且(xm2 , ym2 )是反射來自第一反射表面101的光的第二反射表面102上的點108的座標。yB1 是非準直光學系統400和第一反射表面101之間的光程109上的y座標，並且(xBR , yBR )是第一反射表面101和第二反射表面102之間的光程110上的座標。在此情況下，第一反射表面101和第二反射表面102之間的光程110上的座標可以如下面式子(7)所示。
Figure 02_image013
接下來，yBO 是在被第二反射表面102反射的光的光程111上的y座標。在此情況下，反射點107的座標(xm1 , ym1 )和反射點108的座標(xm2 , ym2 )係如下面式子(8)至(11)所示。
Figure 02_image015
Figure 02_image017
Figure 02_image019
Figure 02_image021
接下來，當(xi , yi )是光的入射點112的座標並且(xo , yo )是光的中點113的座標時，光程109的長度，亦即，從座標(xi , yi )到座標(xm1 , ym1 )的長度係如下面的式子(12)所示。
Figure 02_image023
光程110的長度，亦即，從座標(xm1 , ym1 )到座標(xm2 , ym2 )的長度係如下面的式子(13)所示。
Figure 02_image025
此外，光程111的長度，亦即，從座標(xm2 , ym2 )到座標(xo , yo )的長度係如下面的式子(14)所示。
Figure 02_image027
因此，從光的入射點112到中點113的光程長度，亦即，從座標(xi , yi )到座標(xo , yo )的長度係如下面的式子(15)所示。
Figure 02_image029
在此處，被假設的是，來自第二反射表面102的光藉由第三反射表面114再次返回到第二反射表面102而不移動光軸。在此情況下，由於從入射點112到中點113的光程長度等於從中點113到射出點112’的光程長度，所以從入射點112到射出點112’的光程長度係如下面的式子(16)所示。
Figure 02_image031
在此處，Δ是第三反射表面114中的光軸的移動量。如上所述，當假設第三反射表面114中沒有光軸移動時，Δ為零。
從式(16)可明瞭的是，光程長度根據台架103的轉動角度θ而改變。亦即，藉由控制轉動角度θ，可以控制光在焦點位置移動器100中的光程長度，並控制從焦點位置移動器100射出的光在光軸方向上的焦點位置。當第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離(2×R)被設定得大時，光程長度相對於轉動角度θ的變化量可被設定得大。
例如，藉由使用電流馬達轉動驅動台架103，光在光軸方向上的焦點位置能夠以比聚光透鏡117被線性地驅動時更高的速度和更高的精度來控制。第一反射表面101的尺寸和第二反射表面102的尺寸可以相同，或者可以彼此不同。在後一種情況下，如將於下文描述地，第一反射表面101在尺寸上較佳地小於第二反射表面102。
在前面的描述中，假設第一反射表面101和第二反射表面102彼此平行，但是即使當第一反射表面101和第二反射表面102彼此不平行時，上述原理亦適用。
例如，當假設第一反射表面101偏離第二反射表面102一角度α時，則一沿著光程111的光的光軸偏離沿著光程109的光的光軸(2×α)。然而，由於沿著光程111的光的光軸不取決於轉動角度θ，所以儘管轉動角度θ發生改變，來自第二反射表面102的光也平行地移動。亦即，即使當轉動角度θ被改變時，沿著光程111的光的光軸偏離沿著光程109的光的光軸(2×α)的關係也是恆定不變的。因此，當第三反射表面114將被反射的光反射至與入射光的光程相同的光程時，該被返回的光再次返回至光程109。
這意味著即使當第一反射表面101和第二反射表面102彼此不平行時上述原理仍然適用。換言之，這意味著即使假設第一反射表面101和第二反射表面102彼此平行，平行度也會不精確地設定。根據被第三反射表面114反射的光的反射角，補償第一反射表面101和第二反射表面102的反射位置處的平行度的變化是可能的。 (第二實施例)
圖3是示出作為圖1B中的光學設備200的具體例子的第二實施例的圖式。此實施例說明了當台架103的轉動角度θ在56°至63°的範圍內以1°為單位改變時的光程的例子。
第一反射表面1011、......、1012、......和1013被設置在距旋轉軸104(座標(0,0))25mm的位置處，且第二反射表面1021、......、1022、......和1023也被設置在距旋轉軸104 25mm的位置處。第一反射表面1011和第二反射表面1021對應於56°的轉動角度θ的情況並且被設置為彼此平行。第一反射表面1012和第二反射表面1022對應於59°的轉動角度θ的情況且被設置為彼此平行。第一反射表面1013和第二反射表面1023對應於63°的轉動角度θ的情況且被設置為彼此平行。
第一反射表面1011、......、1012、......和1013的尺寸與第二反射表面1021、......、1022、......和1023的尺寸相同，並且例如是120 mm。在此例子中，第一反射表面1011、......、1012、......和1013的尺寸與第二反射表面1021、......、1022、......和1023的尺寸被假設是在平行於台架103的上表面的方向上的尺寸(寬度)。
在此處，沿著光程109的光的光軸方向被稱為x軸，並且與其垂直的方向被稱為y軸。聚光透鏡117被設置為在x方向上與旋轉軸104相距10mm和y方向上與旋轉軸104相距-5mm的位置處。第三反射表面114設置為在x方向上與旋轉軸104相距20mm的位置處。第三反射表面114例如是具有彼此垂直的兩個反射表面的反射鏡。亦即，來自第二反射表面1021、......、1022、......和1023的光從兩個反射表面中的一者反射，並且隨後被這兩個反射表面中的另一者反射。之後，光從第三反射表面114返回到第二反射表面1021、......、1022、......和1023。
如上所述地，當第三反射表面114是具有彼此垂直的兩個反射表面的反射鏡時，作為向前路徑的光程109、110和111可以稍微偏離作為返回路徑的光程111、110和109。因此，不用擔心沿著作為向前路徑的光程109、110和111傳播的光與沿著作為返回路徑的光程111、110和109傳播的光之間的干涉。在此處，在此情況下，由於式子(16)的Δ不為零，因此需要考慮在光軸方向上的焦點位置處的Δ。
第三反射表面114可以是一個反射鏡(而不是具有兩個反射表面的反射鏡)，其將光反射到與入射光的光程相同的光程。
第四反射表面1151和1152提取與光程109上的入射光的光軸相同的方向(即，x方向)上的射出光122。在此處，第四反射表面1151和1152可被設置成提取與光程109上的入射光的光軸相交的方向(例如，y方向)上的射出光122。
經過準直的光從光源300入射在聚光透鏡117上且聚光透鏡117的焦距是200mm。台架103被電流馬達驅動且轉動角度θ被控制在56°至63°的範圍內。在圖中，以1°的間隔示出了光程，使得光程容易被看到。台架103被電流馬達轉動的轉速可被設定為每秒約1轉(1Hz=1rps)。
在前述條件下，光程長度可被變化於151.5mm至156.5mm的範圍內。當轉動角度θ從59°變為62°時，焦點位置的移動速度為5 mm/(3/360)=600 mm/ms。在藉由設置在線性台架上的透鏡的線性運動來實施焦點移動的現有技術中，焦點位置的移動速度約為200 mm/ms。亦即，根據此例子，以高速且高精度來控制焦點位置是可能的。
在此例子中，第四反射表面1151被設置於在x方向上與聚光透鏡117相距10mm的位置處，並且第四反射表面1152被設置於在x方向上與第四反射表面1151相距 -10mm的位置處。這是一種用於防止一從焦點位置移動器200被提取的光的光程干涉到第一反射表面1011、......、1012、......和1013的設計。由於聚光透鏡117的焦距為200mm，所以焦點被形成於在x方向上與第四反射表面1152相距約45mm至50mm的位置處。
根據第二實施例，藉由以這種方式控制光程長度，可以高速且高精度地控制光在光軸方向上的焦點位置。當一個反射鏡作為第三反射表面114並且第三反射表面114將光反射到與入射光相同的光程時，一分束器被插入到緊接在第一反射表面1011、......、1012、......和1013之前的位置。
來自非準直光學系統400的光可被一波長板轉換成一被線性地偏振的光束，可被偏振分束器和四分之一波長板轉換成一被圓形地偏振的光束，並且可隨後入射在第一反射表面1011、......、1012、......和1013上。在此情況下，藉由將從第三反射表面114返回的光用四分之一波長板將其轉換成被線性地偏振的光束(其偏振再次被旋轉90°)，可用該偏振分束器來提取該被線性地偏振的光束。
台架103是圓盤，但是，考慮到減輕重量等，台架103可以是圓盤的一部分、棒狀形狀或任何其他形狀。在此處，在任何形狀中，都需要實現旋轉軸104被物理地連接到第一反射表面1011、......、1012、......和1013以及第二反射表面1021、......、1022、......和1023的結構。 (第三實施例)
圖4是示出作為圖1A至圖1C中的光學設備的具體例子的第三實施例的圖式。如上所述，第一反射表面101的尺寸可以與第二反射表面102的尺寸不同。因此，在此例子中，第一反射表面101的尺寸被設定成小於第二反射表面102的尺寸並且例如被電流馬達驅動的台架103的重量被減輕的例子將被描述。
在此情況下，由於電流馬達上的負荷被減輕了，因此台架103可以高速被旋轉。這意味著焦點位置移動器100可以高速且高精度地控制焦點位置。
當式子(8)中顯示的座標xm1 相對於轉動角θ微分時，獲得下式。
Figure 02_image033
當式子(17)在可控旋轉角θ的中心角θ0 處為0時，xm1 的位移最小。因此，可以獲得式子(18)中所示的關係式。
Figure 02_image035
因此，當θ=θ0 時，從旋轉軸104向包括第一反射表面101的平面繪製的垂直線與該平面的交點105的座標(x01 , y01 )和點107的座標(xm1 , ym1 )一致，入射光在點107處從第一反射表面101被反射。在此情況下，增加第一反射表面101的尺寸以覆蓋xm1 的位移是不必要的。亦即，藉由使第一反射表面101的尺寸小於第二反射表面102的尺寸，可以減輕台架103的重量。由於交點105的座標(x01 , y01 )與在θ=θ0 處的反射點107的座標(xm1 , ym1 )一致，所以台架103上的重心容易被穩定，這也有助於焦點位置的高速控制。
此例子中的光學設備的構造基本上與第一實施例的構造相同。在此處，聚光透鏡117被設置一個與距旋轉軸104在x方向上相距-10mm且在y方向上相距-12.3mm的位置處，使得式(17)在θ0 =60.5°處變為0。因此，在與台架103的上表面平行的方向上，第一反射表面101的尺寸(寬度)可被設置為4mm，並且第二反射表面102的尺寸可被設置為13mm。
在此例子中，從旋轉軸104向包括第一反射表面101的平面繪製的垂直線的長度R1 不同於從旋轉軸104向第二反射表面102繪製的垂直線的長度R2 。在此情況下，交點105的座標(x01 , y01 )和交點106的座標(x02 , y02 )如下面的式子(19)至(22)所示。
Figure 02_image037
Figure 02_image039
Figure 02_image041
Figure 02_image043
在此情況下，光程長度係如下所示。
Figure 02_image045
當將式子(16)與式子(23)相比較時，可被理解的是，光程長度的變化不取決於距旋轉軸104的距離，而是取決於第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離(2R或R1 +R2 )。在此例子中，如上所述，第二反射表面102的尺寸大於第一反射表面101的尺寸。因此，在此例子中，第二反射表面102被設置在比第一反射表面101更靠近旋轉軸104的位置處。
如上所述，根據第三實施例，電流馬達上的負荷被減輕。因此，台架103可以高速被旋轉，並且焦點位置移動器100可以高速且高精度控制焦點位置。 (第四實施例)
圖5是示出作為圖1中的光學設備的特定例子的第四實施例的圖式。第四實施例是第一反射表面101和第二反射表面102未被設置成相對於旋轉軸104點對稱的例子。
在此例子中，從旋轉軸104向第一反射表面101或包括第一反射表面101的平面繪製的垂直線的長度被設定為50mm。從旋轉軸104向第二反射表面102或包括第二反射表面102的平面繪製的垂直線的長度被設定為0mm。亦即，旋轉軸104被包括在第二反射表面102中或被包括在包含第二反射表面102的平面中。聚光透鏡117被設置在一個與旋轉軸104在x方向上相距40mm和在y方向上相距-25mm的位置處。此外，將光返回的第三反射表面114被設置在一個與旋轉軸104在x方向上相距30mm的位置處。
控制單元120使電流馬達旋轉地驅動台架103。控制單元120將台架103的轉動角度控制在59°至62°的範圍內。被電流馬達驅動的台架103的旋轉速度被設定為例如約每秒1轉(1Hz=1rps)。
在上述條件下，光程長度可被改變於151.5mm至156.5mm的範圍內。例如，當該轉動角度為59°時，光從第一反射表面1014和第二反射表面1024被反射，並且光程長度為156.5mm。當轉動角度θ為62°時，光被第一反射表面1015和第二反射表面1025反射，並且光程長度為151.5mm。
在此例子中，可以高速且高精度地控制焦點位置，並且可以減小第一反射表面101的尺寸和第二反射表面102的尺寸。例如，第一反射表面101的尺寸(水平寬度)可被設置為4mm，並且第二反射表面102的尺寸(水平寬度)可被設置為13mm。 (第五實施例)
圖6是示出作為圖1中的光學設備的具體例子的第五實施例的圖式。第五實施例是來自非準直光學系統400的光被第一反射表面101和第二反射表面102多次反射的例子。
在此例子中，藉由改變第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離是靠近的結構或者第一反射表面101面對第二反射表面102的面積是增大的構造，光在第一反射表面101和第二反射表面102之間反射的次數可被增加。
例如，在圖中，光被第一反射表面101和第二反射表面102沿著第三反射表面的向前路徑反射兩次，並且從第一反射表面101和第二反射表面102沿著從第三反射表面114離開的返回路徑被反射兩次。在上述的第一實施例至第四實施例中，光被第一反射表面101和第二反射表面102沿向前路徑和返回路徑被反射的次數只有一次。亦即，根據此例子，與上述的第一實施例至第四實施例相比，光程長度可被增加大約兩倍。
這意味著，當光程長度的變化範圍是固定不變時，與上述的第一實施例至第四實施例相比，在此例子中台架103的轉動角度θ的範圍可被進一步減小。亦即，在此例子中，由於可以根據小的轉動角度θ獲得期望的光程長度，因此能夠有助於高速且高精度地控制焦點位置。
在此例子中，由於第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離窄並且第一反射表面101和第二反射表面102被設置在靠近旋轉軸104的位置處，因此馬達的負荷可被減小，因而實現高速運轉。
光在第一反射表面101和第二反射表面102之間被反射的次數不限於2次，而且可以是3次或更多。 (第六實施例)
圖7是示出作為圖1中的光學設備的具體例子的第六實施例的圖式。第六實施例是光沿著上述的第一實施例至第四實施例中的向前路徑和返回路徑往返多次的例子。因此，根據此例子的光學設備包括將光返回的多個返回反射表面。
例如，在此例子中，包括第一返回反射表面1141、第二返回反射表面1142和第三返回反射表面1143。第一返回反射表面1141等同於上述的第一實施例至第五實施例中的第三反射表面114。第二返回反射表面1142係用作為第五反射表面，其將被第一返回反射表面1141返回並且被第一反射表面101反射的光返回到第一反射表面101。第三返回反射表面1143係用作為第六反射表面，其將被第二返回反射表面1142返回並且被第二反射表面102反射的光返回到第二反射表面102。
第一返回反射表面1141、第二返回反射表面1142和第三返回反射表面1143中的每一者都是具有兩個垂直反射表面的反射鏡。因此，入射在每一返回反射表面上的入射光的光程和被每一返回反射表面反射的反射光可以被移位。亦即，光可以在第一返回反射表面1141、第二返回反射表面1142和第三返回反射表面1143之間往返多次。
在此例子中，光被第一返回反射表面1141、第二返回反射表面1142和第三返回反射表面1143移位的方向是垂直於台架103的上表面的方向，但是本發明不侷限於此。例如，光被第一返回反射表面1141、第二返回反射表面1142和第三返回反射表面1143移位的方向可以是平行於台架103的上表面的方向。
在上述構造中，諸如電流馬達的馬達130旋轉地驅動台架103用以設定台架103的轉動角度θ。之後，來自非準直光學系統400的光在第一返回反射表面1141、第二返回反射表面1142和第三返回反射表面1143之間往復兩次，隨後被第四反射表面115擷取。
根據此例子，光程長度可以如第五實施例中那樣被增加。因此，所需的光程長度可以根據小的轉動角度θ被獲得。因此，可以高速且高精度地控制焦點位置。第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離窄，並且第一反射表面101和第二反射表面102被設置在靠近旋轉軸104的位置處，因此馬達上的負荷可被減小，從而實現高速運轉。
光在多個返回反射表面之間往復的次數不限於2次，而且可以是3次或更多次。 (第七實施例)
圖8是示出作為圖1中的光學設備的具體例子的第七實施例的圖式。第七實施例係關於第一反射表面101和第二反射表面102的配置。在上述的第一實施例至第六實施例中，第一反射表面101和第二反射表面102例如是相互獨立的反射鏡。然而，第一反射表面101和第二反射表面102並不侷限於此，並且可以是一預先確定的構件的內表面。
例如，如圖所示，第一反射表面101和第二反射表面102可以是一個晶體(例如，玻璃材料)的晶體表面。亦即，晶體140中具有第一反射表面101和第二反射表面102。晶體140被固定到台架103。
在此例子中，第一反射表面101和第二反射表面102的平行度可以藉由在晶體140上的拋光工作來改善。亦即，當第一反射表面101和第二反射表面102是獨立的反射鏡並且每一反射鏡被固定到台架103時，第一反射表面101和第二反射表面102的平行度必需被調整，因此工作可能會複雜化。因此，當使用晶體140時，用於確保第一反射表面101和第二反射表面102的平行度的工作以及用於將第一反射表面101和第二反射表面102安裝在台架103上的工作可被分開來進行。
因此，根據此例子，可以有效地進行用於組裝光學設備的工作。當晶體140被用作為第一反射表面101和第二反射表面102時，光入射到其上的端面Sin 和光從其射出的端面Sout 較佳地被塗覆，以減少光的反射。
晶體140較佳地被設置為使得光在光程109和111上的光軸與端面Sin 和Sout 之間形成的角度是所謂的布魯斯特角。布魯斯特角取決於晶體140的材料，並且例如約為60°。在此情況下，藉由將光在光程109上的光軸與端面Sin 之間所形成的角度和光在光程111上的光軸與端面Sout 之間所形成的角度的每一者設定為約60°，能夠減少端面Sin 和Sout 上的反射損耗。 (第八實施例)
圖9是示出作為圖1中的光學設備的具體例子的第八實施例的圖式。第八實施例是，在光在焦點位置移動器100內部傳播的期間，來自聚光透鏡117的會聚光的斑點被形成並且光從焦點位置移動器100被射出成為擴散光的情況的例子。在此情況下，從焦點位置移動器100射出的擴散光被光學系統400’改變成為會聚光，使得光的斑點再次被限制。
光學系統400’是會聚光學系統，其促使光的光束直徑在光的傳播方向上會聚。光學系統400’包括例如聚光透鏡150和160。在射出光122通過聚光透鏡150和160之後，從第四反射表面115被擷取的射出光122的斑點被形成。
在此處，a是從被聚光透鏡117形成在焦點位置移動器100內部的斑點位置到聚光透鏡150的距離，並且b是從聚光透鏡150到被聚光透鏡150會聚的光的斑點位置的距離。另外，f是聚光透鏡150的焦距。此時，滿足a＞ f。
以下關係被建立。
Figure 02_image047
因此，光程長度是用焦點位置移動器100來控制，亦即，距離b可藉由控制距離a來控制。
在此例子中，藉由提供光學系統400’，可以促使焦點位置移動器100控制焦點位置並將焦點位置設置在相對遠離焦點位置移動器100的位置處。因此，可以提高焦點位置在光軸方向上的自由度，並且設置一用於控制射出光122在光學系統400’內部的方向(垂直於光軸的方向上的焦點位置)的裝置，譬如電流鏡。
在前述構造中，例如，經過準直的光(平行光)被入射在聚光透鏡117上。聚光透鏡117的焦距例如是50mm。在此例子中，從旋轉軸104向第一反射表面101或包括第一反射表面101的平面繪製的垂直線的長度被設定為20mm。從旋轉軸104向第二反射表面102或包括第二反射表面102的平面繪製的垂直線的長度設定為0mm。亦即，旋轉軸104被包括在第二反射表面102中或被包括在包括第二反射表面102的平面中。
台架103的轉動角度θ被控制在38°至43°的範圍內。圖9示出了以1°的間隔的光程的改變，使得光程容易被看到。聚光透鏡117被設置在在x方向上與旋轉軸104相距5mm以及在y方向上與旋轉軸104相距-15mm的位置處。第三反射表面114設置在x方向上的25mm的位置處。在此情況下，從聚光透鏡117被第三反射表面114反射並從焦點位置移動器100射出的射出光122的光程長度可被控制在約89.3mm至94.6mm的範圍內。
被第四反射表面115擷取的射出光122被入射在光學系統400’內的聚光透鏡150上。當從第四反射表面114到聚光透鏡150的距離約為10.5mm時，從入射點112到射出點112’的光程長度可被控制在94.8mm到100.1mm的範圍內。
當聚光透鏡150的焦距f被假設為15mm時，在射出側上的焦點可被控制在22.5mm至21.4mm的範圍內。聚光透鏡160被設置在距聚光透鏡150的50mm的位置處。在此情況下，當聚光透鏡160的焦距被假設為20mm時，焦點被形成在距聚光透鏡160的73.3mm到66.7mm的位置處。
在此例子中，一個聚光透鏡117被使用在非準直光學系統400中，並且兩個聚光透鏡150和160被使用在會聚光學系統400’中。在此處，使用在此例子的光學設備中的透鏡的數量不限於3個。例如，還可以根據焦點位置(設計值)增加或減少透鏡的數量。在以所需的數值孔徑NA會聚光的同時控制焦點位置的光學設計可被實現。此外，包括在非準直光學系統400和會聚光學系統400’中的透鏡不限於凸透鏡，並且可以是凹透鏡、柱面透鏡等。 (第九實施例)
圖10是示出作為圖1中的光學設備的具體例子的第九實施例的圖式。第九實施例是第一反射表面101和第二反射表面102彼此不平行的情況的例子。在此處，儘管第一反射表面101和第二反射表面102被描述為不平行，但是第一反射表面101和第二反射表面102必須彼此面對。亦即，在此配置中，來自第一反射表面101的光可被第二反射表面102反射。
例如，形成在第一反射表面101(1016和1017)與第二反射表面102(1026和1027)之間的角度α約為60°。第一反射表面1016和第二反射表面1026對應於轉動角度θ為56°的情況。第一反射表面1017和第二反射表面1027對應於轉動角度θ為63°的情況。
R1是從旋轉軸104向第一反射表面101或包括第一反射表面101的平面繪製的垂直線的長度，並且R2是從旋轉軸104向第二反射表面102或包括第二反射表面102的平面繪製的垂直線的長度。在此情況下，交點105的座標(x01 , y01 )和交點106的座標(x02 , y02 )被表示成下面的式子(25)至(28)。
Figure 02_image049
Figure 02_image051
Figure 02_image053
Figure 02_image055
當(x1 , y1 )是第一反射表面101上的座標並且(x2 , y2 )是第二反射表面102上的座標時，這些座標被描述於下面的式子(29)和(30)中。
Figure 02_image057
Figure 02_image059
在此處，(xm1 , ym1 )是來自非準直光學系統400的光被第一反射表面101反射的點，並且(xm2 , ym2 )是光被第二反射表面102反射的點。另外，yBI 是光程109上的y座標，並且(xBR , yBR )是第一反射表面101和第二反射表面102之間的光程110上的座標。在此情況下，第一反射表面101和第二反射表面102之間的光程110上的座標可被描述在式子(31)中。
Figure 02_image061
另外，當(xo , yo )是第二反射表面102和第三反射表面114之間的光程111上的座標時，光程111上的座標可被描述在式子(32)中。
Figure 02_image063
從上述可以理解的是，光程長度的變化量不取決於旋轉軸104與第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離R1 和R2 ，而是取決於第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離(R1 + R2 )。亦即，當縮短第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離時，光程長度被減小。相反地，當加長第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離時，光程長度可被增加。
在前述構造中，例如，經過準直的光((平行光)被入射在焦距為100mm的聚光透鏡117上。台架103的轉動角度θ被控制在56°至63°的範圍內。第一反射表面101被設置在距旋轉軸104的50mm(R1 =50)的位置處，並且第二反射表面102被設置在距旋轉軸104 的0mm(R2 =0)的位置處。第二反射表面102相對於第一反射表面101被傾斜α=-60°。
聚光透鏡117被設置於在x方向上與旋轉軸104相距30mm和在y方向上與旋轉軸104相距-25.7mm的位置處。第三反射表面114具有的佈局是，當轉動角度θ為56°時，光在與旋轉軸104在x方向上相距30mm的位置處被反射。第三反射表面114相對於y軸被傾斜2α(=120°)，使得反射光的光程與入射光的光程重疊。
第三反射表面114可以具有佈局，該佈局使得反射光的光程不與入射光的光程重疊。例如，第三反射表面114可以包括兩個相互垂直的反射表面，使得反射光的光程在z方向(即垂直於台架103的上表面的方向)上稍微偏離入射光的光程。第三反射表面114可以在z方向上略微傾斜，使得反射光的光程不與入射光的光程重疊。
在前述的構造中，光程長度可被變化於45.2mm至51.4mm的範圍內。亦即，藉由控制台架103的轉動角度θ，6.2mm的光程長度變化量可被實現。當第四反射表面115被假設將被設置在與入射光端的正下方相距5mm的位置處時，焦點位置可被控制在與第四反射表面115相距59.8mm至53.6mm的範圍內。
當第一反射表面101和第二反射表面102彼此平行時，光程長度可被控制在例如82.9mm至89.1mm的範圍內。亦即，在此情況下，光程長度的變化量是6.2mm並且在此例子中是固定不變的。然而，當第一反射表面101和第二反射表面102彼此平行時，實現該變化量所需的光程長度較此例子中長了約90mm。因此，需要諸如聚光透鏡的焦距增加之類的設計。
然而，在此例子中，由於預定的變化量可以利用短的光程長度來獲得，所以光軸方向上的焦點位置可以在無需增加聚光透鏡的焦距的設計下被控制。
在此例子中，第二反射表面102的佈局可被決定，使得第二反射表面102對光的反射發生在更靠近旋轉軸104的地方。在此情況下，電流馬達上的負荷被減輕，因此焦點位置可被高速地控制。 (第十實施例)
接下來，使用根據第十實施例的焦點位置移動器來控制在垂直於光軸的方向上的焦點位置的技術將被描述。
圖11A至圖11E是示出根據第十實施例的包括焦點位置移動器的光學設備的例子的圖式。圖11A示出了入射在焦點位置移動器600上的光的光軸方向與從焦點位置移動器600射出的光的光軸方向不同的例子。在此處，不同方向的意思是指從焦點位置移動器600被射出的光的光軸具有一相對於入射在焦點位置移動器600上的光的光軸等於或大於45°且等於或小於135°的傾斜度(例如，90°的傾斜度)。
圖11B示出了入射在焦點位置移動器700上的光的光軸方向與從焦點位置移動器700被射出的光的光軸方向相同的例子。在此處，相同方向的意思是指從焦點位置移動器700被射出的光的光軸相對於入射在焦點位置移動器700上的光的光軸是在等於或大於0°(平行)且小於45°的範圍內。
圖11C示出了圖11A中的焦點位置移動器600和圖11B中的焦點位置移動器700的組合例子。
圖11D和圖11E示出了比較例。在比較例中，使用包括所謂的fθ透鏡的電流掃描器800來控制在垂直於光軸的方向上的焦點位置FP_h0、FP_h1和FP_h2。然而，從電流掃描器800被射出的光的光軸取決於焦點位置FP_h0、FP_h1和FP_h2並且彼此不平行。因此，焦點位置FP_h0、FP_h1和FP_h2處的光束直徑係根據焦點位置而改變。
圖11A和圖11B中所示的焦點位置移動器600和700根據焦點位置FP_h0、FP_h1和FP_h2改變光從焦點位置移動器600和700射出的位置。因此，從焦點位置移動器600和700射出的光的光軸不取決於焦點位置FP_h0、FP_h1和FP_h2並且彼此平行。因此，焦點位置FP_h0、FP_h1和FP_h2處的光束直徑沒有被改變，並且在垂直於光軸的方向上的焦點位置可被控制。
例如，來自光源300的光是在來自光源300的光是例如經過準直的光((平行光)的狀態下入射在焦點位置移動器600和700上。焦點位置移動器600和700實施控制，使得從每個焦點位置移動器射出的光的光程被移動在垂直於光程的方向上。然後，從焦點位置移動器600和700射出的光被非準直光學系統400變成為會聚光。
在此處，在此實施例中，產生該會聚光以形成焦點的該非準直光學系統400被設置在焦點位置移動器600和700的後台架上。這是因為當使用非準直光在垂直於光軸的方向上控制焦點位置(射出位置)時，光軸方向上的焦點位置可能會由於光程長度的變化而同時改變。
亦即，此實施例的目的是在垂直於光的光軸的方向上獨立地控制焦點位置(射出位置)。因此，較佳的是經過準直的光(入射在焦點位置移動器600和700上，並且從焦點位置移動器600和700射出的光在非準直光學系統400中被變為會聚光。
較佳地使用焦點位置移動器600和700中的一者同時實施在光的光軸方向上的焦點位置的控制和在垂直於光的光軸的方向上的焦點位置的控制的情況是例外的。
光源300例如是雷射振盪器，並且來自光源300的光例如是雷射光束。
從焦點位置移動器600和700射出的光的光軸不取決於焦點位置FP_h0、FP_h1和FP_h2並且彼此平行。這是因為，如將於下文中被描述的原理那般地，垂直於光軸的方向上的焦點位置不是被fθ透鏡控制的，而是藉由控制彼此面對且能夠繞旋轉軸旋轉的第一反射表面和第二反射表面的轉動角度來控制的。
圖12是示出在第十實施例中控制垂直於光軸的方向上的焦點位置的原理的圖式。在垂直於光軸的方向上的焦點位置是被焦點位置移動器700控制。焦點位置移動器700藉由移動從非準直光學系統400入射的光的光程來控制在與從焦點位置移動器700射出的光的光軸垂直的方向上的焦點位置。
因此，該焦點位置移動器700包括第一反射表面101、面對第一反射表面101的第二反射表面102以及控制單元120。
該第一反射表面101和該第二反射表面102例如是反射鏡。在此例子中，為了便於描述，第一反射表面101和第二反射表面102被假設為彼此平行。然而，只要第一反射表面101和第二反射表面102彼此面對，第一反射表面101和第二反射表面102就可以不彼此平行。
在此處，第一反射表面101和第二反射表面102彼此面對的事實的意思是，在第一反射表面101和第二反射表面102之間的角度α是在等於或大於0°(平行)且小於90°的範圍內。這是因為重要的是第二反射表面102能夠如將於下文中描述的那樣反射來自第一反射表面101的光。
第一反射表面101和第二反射表面102都可以圍繞旋轉軸104旋轉。第一反射表面101和第二反射表面102在保持第一反射表面101和第二反射表面102之間的相對配置的狀態下繞旋轉軸104旋轉是必要的。因此，焦點位置移動器700包括例如能夠繞旋轉軸104旋轉的台架103。在此情況下，第一反射表面101和第二反射表面102被固定到台架103。控制單元120藉由改變台架103的轉動角度來移動入射在非準直光學系統400上的光的光程，並控制從焦點位置移動器100射出的光在垂直於光軸的方向上的焦點位置。
如將於下文中描述地，旋轉軸104可以位於第一反射表面101和第二反射表面102之間的區域中，或者可以位於第一反射表面101和第二反射表面102之間的區域之外的區域中。
第一反射表面101反射來自非準直光學系統400的光。被第一反射表面101反射的光朝向第二反射表面102行進並被第二反射表面102反射。亦即，來自非準直光學系統400的光依次經由光程109、110和111被輸出到射出點112’。
當焦點位置移動器700被使用時，例如，控制單元120可藉由控制台架103的轉動角度來改變從焦點位置移動器700射出的光的射出位置。因此，可以控制從焦點位置移動器700射出的被射出光122在垂直於光軸的方向上的焦點位置。
焦點位置移動器700內部的光程的移動將被描述。在下面的描述中，透鏡117’的中心點是光的入射點112，且(xi , yi )是入射點112的座標。此外，(xo , yo )是射出點112’的座標，來自第二反射表面102的光在射出點112’處被射出。
此外，(x01 , y01 )是第一反射表面101與從旋轉軸104向第一反射表面101繪製的垂直線之間的交點105的座標，且(x02 , y02 )是第二反射表面102與從旋轉軸104向第二反射表面102繪製的垂直線之間的交點106的座標。從旋轉軸104向第一反射表面101繪製的垂直線的長度R被假設與從旋轉軸104向第二反射表面102繪製的垂直線的長度R相同。亦即，第一反射表面101和第二反射表面102之間的間隔被假設為2R。
當從旋轉軸104向光程(入射光軸)109繪製垂直線時，該垂直線的長度被假設為Y。亦即，入射在非準直光學系統400上的光與旋轉軸104係被偏移距離Y地入射在第一反射表面101上。第一反射表面101與光程(入射光軸)109平行的狀態被定義為轉動角度0°。在此處，在轉動角度0°處，第一反射表面101被假設為比第二反射表面102更靠近光程(入射光軸)109。
當轉動角度0°的狀態被設定為基準時，台架103被假設為從轉動角度0°被逆時針轉動角度θ。轉動角度θ被控制在例如0°至90°的範圍內。因此，轉動該台架103的馬達較佳地是可以使台架103逆時針或順時針旋轉的電流馬達。在此處，轉動該台架103的馬達可以是僅能夠單向地(例如，逆時針方向)旋轉台架103的旋轉馬達。在此情況下，當轉動角度θ被設得很小時，可藉由轉動該台架103一次而從轉動角度0°的狀態再次控制轉動角度θ。
在上述前提下，首先，交點105的座標(x01 , y01 )和交點106的座標(x02 , y02 )被表示為下面的式子(33)至(36)。
Figure 02_image065
Figure 02_image067
Figure 02_image069
Figure 02_image071
接下來，當(x1 , y1 )是第一反射表面101上的座標並且(x2 , y2 )是第二反射表面102上的座標時，可以獲得下面的式子(37)和(38)中所示的關係。
Figure 02_image073
Figure 02_image075
接下來，(xm1 , ym1 )是反射來自非準直光學系統400的光的第一反射表面101上的點107的座標，且(xm2 , ym2 )是反射來自第一反射表面101的光的第二反射表面102上的點108的座標。假設yB1 是非準直光學系統400和第一反射表面101之間的光程109上的y座標，且(xBR , yBR )是第一反射表面101和第二反射表面102之間的光程110上的座標。在此情況下，第一反射表面101和第二反射表面102之間的光程110上的座標可被描述在下面的式子(39)中。
Figure 02_image077
接下來，yBO 是由第二反射表面102反射的光的光程111上的y座標。在此情況下，反射點107的座標(xm1 , ym1 )和反射點108的座標(xm2 , ym2 )被表示在下面的式子(40)至(43)中。
Figure 02_image079
Figure 02_image081
Figure 02_image083
Figure 02_image085
在此處，由於第一反射表面101和第二反射表面102彼此平行，因此來自第二反射表面102的光沿著平行於光程109的光程111(即，在y=ym2 上的光程)傳播，並被輸出到射出點112’。如式子(43)所示，可被理解的是，y座標係藉由改變台架103的轉動角度θ來改變。藉由改變從旋轉軸104到第一反射點101的距離R和從旋轉軸104到第二反射點102的距離R，可以增加移動量。
因此，根據前述原理，可以根據轉動角度θ來控制從焦點位置移動器700射出的光的射出位置並控制在垂直於光的光軸的方向上的焦點位置。
在前面的描述中，第一反射表面101和第二反射表面102被假設彼此平行，但是即使當第一反射表面101和第二反射表面102兩者彼此不平行時，上述原理亦適用。
例如，當假設第一反射表面101偏離第二反射表面102角度α時，沿著光程111的光的光軸偏離沿著光程109的光的光軸(2×α)。然而，由於沿著光程111的光的光軸不取決於轉動角度θ，所以儘管轉動角度θ發生變化，來自第二反射表面102的光也僅平移。亦即，即使在轉動角度θ被改變時，沿著光程111的光的光軸偏離沿著光程109的光的光軸(2×α)的關係也是恆定不變的。
這意味著即使在第一反射表面101和第二反射表面102彼此不平行時上述原理亦適用。換言之，這意味著即使在第一反射表面101和第二反射表面102被假設彼此平行時，平行度也可能不被精確地設置。安裝在射出點112’之後的光學系統可以根據第一反射表面101和第二反射表面102的反射位置補償平行度的變化。 (第十一實施例)
圖13是示出第十一實施例的圖式，第十一實施例是圖11A至圖11E中的光學設備的具體例子。此例子是當台架103的轉動角度θ在82°至86°的範圍內以1°為單位改變時的光程的例子。
第一反射表面1011’......和1012’被設置在距離旋轉軸104(座標(0,0))25mm的位置處，並且第二反射表面1021’......和1022’也被設置在距離旋轉軸104 25mm的位置處。第一反射表面1011’和第二反射表面1021’對應於82°的轉動角度θ的情況，且被設置為彼此平行。第一反射表面1012’和第二反射表面1022’對應於86°的轉動角度θ的情況且被設置為彼此平行。
第一反射表面1011’......和1012’的尺寸與第二反射表面1021’......和1022’的尺寸相同，並且例如是8mm。在此例子中，假設第一反射表面1011’......和1012’的尺寸和第二反射表面1021’......和1022’的尺寸是在平行於台架103的上表面的方向上的尺寸(水平寬度)。在此處，沿著光程109的光的光軸方向被稱為x軸，並且與之垂直的方向被稱為y軸。聚光透鏡117’被設置於在y方向上(圖中下側)與旋轉軸104相距-5mm的位置處。
準直光從光源300入射到透鏡117’上且聚光透鏡117’的焦距是200mm。台架103被電流馬達驅動且轉動角度θ被控制在82°至86°的範圍內。被電流馬達轉動的台架103的旋轉速度可被設定為每秒約1轉(1Hz=1rps)。
在上述條件下，來自焦點位置移動器700的光的射出位置(即，射出點112’的y座標)被改變於y0 (= 8.92mm)到y4 (=3.72 mm)的範圍內。在此處，y0 是轉動角度θ為82°時的射出位置，且y4 是轉動角度θ為86°時的射出位置。這意味著此例子中的焦點位置移動器700可以把在垂直於光軸的方向上的焦點(y座標)控制在8.92mm至3.72mm的範圍內。此外，在此例子中從焦點位置移動器700射出的光的光程(光軸)111不取決於轉動角度θ且是平行的。這意味著焦點處的光束直徑在每一射出位置處是不變的。
根據此例子，在從82°到86°的轉動角度θ的範圍內，光束移動的速度是5 mm/(4/360)=450 mm/ms。亦即，根據此例子，可以高速且高精度地控制焦點位置。
然而，在比較例中，在揭露於專利文獻1中的環形移動器中，光被反射的次數是6次。在根據此例子的焦點位置移動器700中，光被反射的次數是2次。這意味著焦點位置可在根據此例子的焦點位置移動器700充分地抑制反射表面上的光學損耗的狀態下被控制。
在此例子中，台架103是圓盤，但是，考慮到減輕重量等，台架可以是圓盤的一部分、棒狀形狀或任何其他形狀。在此處，在任何形狀中，都需要實現的結構是，旋轉軸104被物理地連接到第一反射表面1011’......和1012’以及第二反射表面1021’......，和1022’。 (第十二實施例)
圖14是示出第十二實施例的圖式，第十二實施例是圖11A至圖11E中的光學設備的具體例子。如上所述，第一反射表面101的尺寸可以與第二反射表面102的尺寸不同。因此，在此例子中，第一反射表面101的尺寸被設定成小於第二反射表面102的尺寸並且例如減輕被電流馬達驅動的台架103的重量的例子將被描述。
在此情況下，由於電流馬達上的負荷被減小了，因此台架103可被高速旋轉。這意味著焦點位置移動器700可以高速且高精度地控制焦點位置。
當顯示在式子(44)中的座標xm1 被相對於轉動角度θ微分時，獲得下面的式子。
Figure 02_image087
當式子(44)在可控旋轉角θ的中心角θ0 處為0時，xm1 的位移最小。因此，可以獲得式子(45)中所示的關係式。
Figure 02_image089
因此，當θ=θ0 時，從旋轉軸104向包括第一反射表面101的平面繪製的垂直線與該平面的交點105的座標(x01 , y01 )和點107的座標(xm1 , ym1 )一致，入射光在點107處從第一反射表面101被反射。在此情況下，不需要增加第一反射表面101的尺寸來涵蓋xm1 的位移。亦即，藉由讓第一反射表面101的尺寸小於第二反射表面102的尺寸，可以減輕台架103的重量。由於交點105的座標(x01 , y01 )與在θ=θ0 處的反射點107的座標(xm1 , ym1 )一致，所以台架103上的重心可被輕易地穩定，這也有助於焦點位置的高速控制。
該例子中的光學設備的構造基本上與圖12中的第十實施例的構造相同。在此處，聚光透鏡117被設置於在y方向上與旋轉軸104相距-2.13mm的位置處，使得式子(44)在θ0 = 84°時變為0。因此，在與台架103的上表面平行的方向上，第一反射表面101的尺寸(水平寬度)可被設定為2 mm，且第二反射表面102的尺寸可被設定為8 mm。
在此例子中，從旋轉軸104向包括第一反射表面101的平面繪製的垂直線的長度R1 不同於從旋轉軸104向第二反射表面102繪製的垂直線的長度R2 。在此情況下，交點105的座標(x01 , y01 )和交點106的座標(x02 , y02 )被表示在下面的式子(46)至(49)。
Figure 02_image091
Figure 02_image093
Figure 02_image095
Figure 02_image097
在此情況下，射出位置(即，射出點112’的y座標(ym2 ))係如下所示。
Figure 02_image099
當將式子(43)與式子(50)相比較時，可以理解的是，射出位置的變化不取決於距旋轉軸104的距離，而是取決於第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離(2R或R1 +R2 )。在此例子中，如上所述，第二反射表面102的尺寸大於第一反射表面101的尺寸。因此，在此例子中，第二反射表面102被設置在比第一反射表面101更靠近旋轉軸104的位置處。
如上所述，根據第十二實施例，電流馬達上的負荷被減小。因此，台架103可被高速旋轉，且焦點位置移動器100高速且高精度地控制焦點位置。 (第十三實施例)
圖15是示出第十三實施例的圖式，第十三實施例是圖11A至圖11E中的光學設備的具體例子。第十三實施例是第一反射表面101和第二反射表面102未被設置成相對於旋轉軸104點對稱的例子。
在此例子中，從旋轉軸104向第一反射表面101或包括第一反射表面101的平面繪製的垂直線的長度被設為50mm。從旋轉軸104向第二反射表面102或包括第二反射表面102的平面繪製的垂直線的長度被設為0mm。亦即，旋轉軸104被包括在第二反射表面102內或被包括在包括第二反射表面102的平面中。聚光透鏡117’被設置於在y方向上與旋轉軸104相距-25mm的位置處。此外，第一反射表面101的尺寸(水平寬度)被設為6mm，且第二反射表面102的尺寸(水平寬度)被設為10mm。
控制單元120使電流馬達旋轉地驅動台架103。台架103的轉動角度被控制單元120控制在82°至86°的範圍內。被電流馬達轉動的台架103的旋轉速度被設為例如約每秒1轉(1Hz=1rps)。
在上述條件下，來自焦點位置移動器700的光的射出位置(即，射出點112’的y座標)被改變於從y0 (= 8.92mm)到y4 (=3.72 mm)的範圍內。這意味著焦點位置移動器700此例子中可把在垂直於光軸的方向上的焦點(y座標)控制在8.92mm至3.72mm的範圍內。此外，在此例子中從焦點位置移動器700射出的光的光程(光軸)111不取決於轉動角度θ且是平行的。這意味著每一焦點處的光束直徑在各射出位置處是不變。
根據此例子，在82°到86°的轉動角度θ的範圍內，光束移動的速度是5 mm/(4/360)=450 mm/ms。亦即，根據此例子，可以高速且高精度地控制焦點位置。 (第十四實施例)
圖16是示出第十四實施例的圖式，第十四實施例是圖11A至圖11E中的光學設備的具體例子。第十四實施例是來自非準直光學系統400的光被第一反射表面101和第二反射表面102多次反射的例子。
在此例子中，藉由改變第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離是靠近的或者第一反射表面101面對第二反射表面102的面積被增大的構造，光在第一反射表面101和第二反射表面102之間被反射的次數可增加。
例如，在圖中，光被第一反射表面101和第二反射表面102反射兩次。在上述的第一實施例至第十三實施例中，光被第一反射表面101和第二反射表面102反射的次數為僅一次。亦即，根據此例子，與上述的第一實施例至第十三實施例相比，射出位置的移動量可被幾乎加倍地增大。
這意味著，當射出位置的移動量是恆定不變時，與上述的第一實施例至第十三實施例相比，在此例子中，台架103的轉動角度θ的範圍可被進一步減小。亦即，在此例子中，由於射出位置可根據小的轉動角度θ僅移動所需的移動量，因此可以有助於高速且高精度地控制焦點位置。
在此例子中，由於第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離窄並且第一反射表面101和第二反射表面102被設置在靠近旋轉軸104的位置處，因此馬達的負荷可被減小，進而實現高速運轉。
光在第一反射表面101和第二反射表面102之間被反射的次數不限於2次，而且可以是3次或更多次。 (第十五實施例)
圖17是示出第十五實施例的圖式，第十五實施例是圖11A至圖11E中的光學設備的具體例子。第十五實施例是在上述的第十實施例至第十四實施例中進一步設置將來自第二反射表面102的光返回到第二反射表面102的第三反射表面1144的例子。在此情況下，來自入射點112的光被第三反射表面1144反射並沿著實質相同的路徑返回以傳播到射出點112’。亦即，光的入射點112和射出點112’位於實質相同的位置處。
第三反射表面1144例如是具有兩個垂直反射表面的反射鏡。因此，入射在第三反射表面1144上的入射光和被第三反射表面1144反射的反射光的光程可被移位。在此例子中，光被第三反射表面1144移位的方向是平行於台架103的上表面的方向，但是本發明不限於此。例如，光被第三反射表面1144移位的方向可以是垂直於台架103的上表面的方向，如將在下面描述的第十九實施例中所述的那樣。
以此方式，當使用第三反射表面1144來使光僅返回一次時，射出位置的移動量幾乎被加倍。當射出位置的移動量是恆定不變時，在此例子中，台架103的轉動角度θ的範圍可被設得很小，並且電流馬達上的負荷可被減小。亦即，在此例子中，與第十四實施例中一樣，由於射出位置可以根據小的轉動角度θ被移動所需的移動量，因此可以高速且高精度地控制焦點位置。
在此例子中，當光朝向第三反射表面1144行進的方向被設為向前路徑並且光從第三反射表面1144返回的方向被設為返回路徑時，光可以沿著向前路徑和返回路徑往返多次。在此情況下，一將光返回的新的反射表面亦可被設置在入射點112側。 (第十六實施例)
圖18是示出第十六實施例的圖式，第十六實施例是圖11A至圖11E中的光學設備的具體例子。第十六實施例是在上述的第十實施例至第十四實施例中進一步設置用於將來自第二反射表面102的光返回到第二反射表面102的第三反射表面1145的例子。在此情況下，來自入射點112的光被第三反射表面1145反射並沿著實質相同的路徑返回以傳播到射出點112’。亦即，光的入射點112和射出點112’位於實質相同的位置處。
第三反射表面1145例如是一個平的反射鏡。然而，第三反射表面1145的表面的垂直線不平行於來自第二反射表面102的光的光程(光軸)111並且被傾斜一固定的角度。因此，入射在第三反射表面1145上的入射光和被第三反射表面1145反射的反射光的光程可被移位。
光被第三反射表面1145移位的方向可以如圖中所示地是與台架103的上表面平行的方向，或者替代地可以是垂直於台架103的上表面的方向。光被第三反射表面1145移位的方向可以是與台架103的上表面不平行也不垂直的傾斜方向。
例如，當光被移位在平行於台架103的上表面的方向上時，第三反射表面1145的表面可以相對於光程111在平行於台架103的上表面的x-y方向上被傾斜預定的量。當光被移位在垂直於台架103的上表面的方向上時，第三反射表面1145的表面可以相對於光程111在垂直於台架103的上表面的z方向上被傾斜預定的量。
以此方式，當使用第三反射表面1145使光僅返回一次時，射出位置的移動量幾乎被加倍。當射出位置的移動量是恆定不變的時，在此例子中，台架103的轉動角度θ的範圍可被設為很小，並且可以電流馬達上的負荷可被減小。亦即，在此例子中，與第十四實施例中一樣，由於射出位置能夠以小的轉動角度θ被移動所需的移動量，因此可以高速且高精度地控制焦點位置。
在此例子中，當光朝向第三反射表面1145行進的方向被設為向前路徑並且光從第三反射表面1145返回的方向被設為返回路徑時，光可以沿著向前路徑和返回路徑往返多次。在此情況下，一將光返回的新反射表面也可以被設置在入射點112側。 (第十七實施例)
圖19是示出作為光學設備的具體例子的第十七實施例的圖式。第十七實施例係關於第一反射表面101和第二反射表面102的構造。在上述的第十實施例至第十六實施例中，第一反射表面101和第二反射表面102例如是相互獨立的反射鏡。然而，第一反射表面101和第二反射表面102不限於此，並且可以是一預定的構件的內表面。
例如，如圖所示，第一反射表面101和第二反射表面102可以是一個晶體(例如，玻璃材料)的晶體表面。亦即，晶體140中具有第一反射表面101和第二反射表面102。晶體140被固定到台架103。
在此例子中，第一反射表面101和第二反射表面102的平行度可藉由晶體140上的拋光加工來改善。亦即，當第一反射表面101和第二反射表面102是獨立的反射鏡並且每一反射鏡被固定到台架103時，第一反射表面101和第二反射表面102的平行度必須被調整，因此工作可能會複雜化。因此，當使用晶體140時，用於確保第一反射表面101和第二反射表面102的平行度的工作以及用於將第一反射表面101和第二反射表面102安裝在台架103上的工作可被分別地實施。
因此，根據此例子，可以有效地進行用於組裝光學設備的工作。當晶體140被用作第一反射表面101和第二反射表面102時，把光入射到其上的端面Sin 以及光從其上射出的端面Sout 塗覆是較佳的，用以減少光的反射。
晶體140較佳地被設置為使得在光程109和111上的光的光軸與端面Sin 和Sout 之間形成的角度是所謂的布魯斯特角。布魯斯特角取決於晶體140的材料，並且例如約為60°。在此情況下，藉由將在光程109上光的光軸與端面Sin 之間形成的角度以及在光程111上的光的光軸與端面Sout 之間形成的角度中的每一者設為約60°，可以減少端面Sin 和Sout 上的反射損耗。 (第十八實施例)
圖20是示出第十八實施例的圖式，第十八實施例是圖11A至圖11E中的光學設備的具體例子。第十八實施例是第一反射表面101和第二反射表面102彼此不平行的情況的例子。在此處，儘管第一反射表面101和第二反射表面102被描述為不平行，但是第一反射表面101和第二反射表面102必須彼此面對。亦即，在這種配置中，來自第一反射表面101的光可以被第二反射表面102反射。
例如，被形成在第一反射表面101(1016’和1017’)與第二反射表面102(1026’和1027’)之間的角度α約為60°。第一反射表面1016’和第二反射表面1026’對應於轉動角度θ為56°的情況。第一反射表面1017’和第二反射表面1027’對應於轉動角度θ為63°的情況。
R1 是從旋轉軸104向第一反射表面101或包括第一反射表面101的平面繪製的垂直線的長度，並且R2 是從旋轉軸104向第二反射表面102或包括第二反射表面102的平面繪製的垂直線的長度。在此情況下，交點105的座標(x01 , y01 )和交點106的座標(x02 , y02 )被表示在下面的式子(51)至(54)中。
Figure 02_image101
Figure 02_image103
Figure 02_image105
Figure 02_image107
當(x1 , y1 )是第一反射表面101上的座標並且(x2 , y2 )是第二反射表面102上的座標時，這些座標被描述在下面的式子(55)和(56)中。
Figure 02_image109
Figure 02_image111
在此處，(xm1 , ym1 )是來自非準直光學系統400的光被第一反射表面101反射的點，並且(xm2 , ym2 )是光被第二反射表面102反射的點。此外，yBI 是光程109上的y座標，並且(xBR , yBR )是第一反射表面101和第二反射表面102之間的光程110上的座標。在此情況下，第一反射表面101和第二反射表面102之間的光程110上的座標可被描述在式子(57)中。
Figure 02_image113
此外，(xo , yo )是第二反射表面102和第三反射表面114之間的光程111上的座標，光程111上的座標可被描述在式子(58)中。
Figure 02_image115
從可以上理解的是，射出位置的移動量不取決於旋轉軸104與第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離R1 和R2 ，而是取決於第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離(R1 + R2 )。亦即，當縮短第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離時，射出位置的移動量可被減小。相反地，當加長第一反射表面101和第二反射表面102之間的距離時，射出位置的移動量可被增加。
在前述構造中，例如，經過準直的光(平行光)被入射在焦距100mm的聚光透鏡117’上。台架103的旋轉角θ被控制在56°至63°的範圍內。第一反射表面101被設置在距旋轉軸(104)50mm(R1 =50)的位置處，並且第二反射表面102被設置在距旋轉軸(104)0mm(R2 =0)的位置處。第二反射表面102相對於第一反射表面101被傾斜α=-60°。透鏡117’被於在x方向上與旋轉軸104相距300 mm和在y方向上與旋轉軸104相距-25.7 mm的位置處。
在前述構造中，從焦點位置移動器射出的射出光的移動量可被實現為10.5mm。亦即，藉由控制台架103的轉動角度θ，在垂直於光軸的方向上的焦點位置可被控制在離0mm(基準點)10.5mm的範圍內。此外，從每一射出點(xi , yi )射出的光彼此平行。因此，當從每一射出點(xi , yi )射出的光的光束直徑在焦點處是恆定不變的並且焦點位置移動器被使用在處理設備中時，處理精度等的改善可被達成。
在此例子中，第二反射表面102的佈局可被決定，使得光被第二反射表面102反射是發生在更靠近旋轉軸104的地方。在此情況下，電流馬達上的負荷可被減小，因此可以高速地控制焦點位置。 (第十九實施例)
圖21是示出第十九實施例的圖式，第十九實施例是圖11A至圖11E中的光學設備的具體例子。第十九實施例是在上述的第十五實施例中進一步設置用來將來自第二反射表面102的光返回到第二反射表面102的第三反射表面1146的例子。在此情況下，來自入射點112的光被第三反射表面1146反射並沿著實質相同的路徑返回以傳播到射出點112’。亦即，光的入射點112和射出點112’位於實質相同的位置處。
和上文描述的第十五實施例一樣地，第三反射表面1146例如是具有兩個垂直反射表面的反射鏡。在此處，在此例子中，光被第三反射表面1146移位的方向是垂直於台架103的上表面的方向。因此，入射在第三反射表面1146上的入射光和被第三反射表面1146反射的反射光的光程可被移位。
以此方式，當使用第三反射表面1146讓光僅返回一次時，射出位置的移動量幾乎被加倍。當射出位置的移動量是恆定不變的時，在此例子中，台架103的轉動角度θ的範圍可被設為很小，並且電流馬達上的負荷可被減小。亦即，在此例子中，與第十四實施例中一樣，由於射出位置可以根據小的轉動角度θ被移動所需的移動量，因此可以高速且高精度地控制焦點位置。
在此例子中，當光朝向第三反射表面1146行進的方向被設為向前路徑並且光從第三反射表面1146返回的方向被設為返回路徑時，光可以沿著向前路徑和返回路徑往返多次。在此情況下，將光返回的新反射表面也可被設置在入射點112側。
在第十五實施例中，光被第三反射表面1144移位的方向是平行於台架103的上表面的方向。在此情況下，當在台架103的橫向側觀察時，朝向第三反射表面1144行進的光和從第三反射表面1144返回的光彼此重疊，並且當在台架103的上側觀察時，朝向第三反射表面1144行進的光和從第三反射表面1144返回的光彼此不重疊。
然而，在第十九實施例的情況下，光被第三反射表面1146移位的方向是垂直於台架103的上表面的方向。在此情況下，當在台架103的橫向側觀察時，朝向第三反射表面1146行進的光和從第三反射表面1146返回的光彼此不重疊，並且當在台架103的上側觀察時，朝向第三反射表面1146行進的光和從第三反射表面1146返回的光彼此重疊。
在此處，第十五實施例和第十九實施例亦可被組合。亦即，光被第三反射表面移位的方向可以是與台架103的上表面不平行也不垂直的傾斜方向。在此情況下，當在台架103的橫向側觀察時，朝向第三反射表面1144行進的光和從第三反射表面1146返回的光彼此不重疊，並且當在台架103的上側觀察時，朝向第三反射表面1146行進的光和從第三反射表面1144返回的光彼此不重疊。 (其他實施例)
本發明的實施例已被描述，但是本發明不侷限於這些實施例，並且可以在本發明的主旨的範圍內以各種形式進行修改。
例如，在一使用雷射進行諸如標記、打孔或焊接的工作的處理設備中，重要的是高速且高精度地控制來自雷射振盪器的光的焦點位置。上述焦點位置移動器可被應用於這種處理設備。
圖22示出了處理設備的例子。該處理設備包括光源300、來自光源300的光入射在其上的非準直光學系統400、以及控制來自非準直光學系統400的光的光程長度的焦點位置移動器100或200。待處理的物品901被設置在台架900上。藉由控制物品901上的光的焦點位置，可以在物品901上進行諸如標記、打孔或焊接的工作。
此外，一顯微鏡可以用上述焦點位置移動器來建構。在此情況下，當一測量目標的平面方向是x-y方向且其深度方向是z方向時，聚光點可在特定的x-z平面上被高速掃描。例如，對於多光子顯微鏡、螢光顯微鏡等而言，非線性效應、螢光材料的吸收等係根據射出到測量目標的光的焦點位置而發生。因此，藉由獲取焦點位置處的資訊，三維成像可被實施。
到目前為止，成像係藉由在平面方向(x-y方向)上對測量目標掃描被輻射的光、隨後改變深度方向(z方向)、並且將該被輻射的光掃描到該位置處的平面上來實施。然而，在此實施例中，由於成像可在深度方向上被高速實施，因此來自該測量目標的表面的物質在深度方向上的移動等可被觀察到。
檢查設備可使用上述焦點位置移動器來建構。例如，在檢查物品的表面狀態的檢查設備中，需要以恆定的照射角來照射該被輻射的光，以避免在該被輻射的光的角度處光束直徑的改變。
然而，由於現有技術中的檢查設備使用f-θ透鏡來控制在垂直於光軸的方向上的焦點位置，因此焦點處的光束直徑可能會不可避免地改變。因此，當上述焦點位置移動器被使用在這種檢查設備中時，垂直於光軸的方向上的焦點位置可以在不改變焦點處的光束直徑的情況下被控制。
在上述的每一實施例中，重要的是在保持第一反射表面101和第二反射表面102之間的相對配置的狀態下，第一反射表面101和第二反射表面102繞著旋轉軸104旋轉。因此，在此例子中，台架103被設置且彼此面對的第一反射表面101和第二反射表面102被固定至台架103。然而，例如，依據不使用台架103的方法，第一反射表面101和第二反射表面102可以在第一反射表面101和第二反射表面102之間的相對配置被維持的狀態下繞著旋轉軸104旋轉。例如，驅動第一反射表面101的第一馬達和驅動第二反射表面102的第二馬達可被設置。在此處，在此情況下，控制單元120在第一馬達和第二馬達被同步的狀態下控制旋轉是必要的。
在垂直於光軸的方向上的焦點位置的控制可被應用至用於在垂直於光程的方向上移動光的光程(即，控制光在該方向上的射出位置)的技術上。亦即，對於不包括非準直光學系統400的光學設備或包括非準直光學系統400但不控制射出位置以控制焦點位置的光學設備而言，以上所述的每一實施例被用作為一僅僅移動光的光軸的光學設備。
依據前述實施例，可以實現有利於高速且高精度地控制光的焦點位置的光學設備。亦即，焦點位置能夠在不移動聚光透鏡的情況下在光軸方向上高速且高精度地被控制。此外，可以在不改變焦點位置處的光束直徑的情況下高速且高精度地控制在垂直於光軸的方向上的焦點位置。
雖然本發明已參照示範性實施例被描述，但應理解的是，本發明不限於被揭露的示範性實施例。下面的申請專利範圍的範圍應當被賦予最寬的解釋，以便涵蓋所有這類修改以及等效的結構和功能。
本申請案主張於2018年9月14日提交的日本專利申請第2018-172135號的權益，其全部內容藉由引用而被併入本文。
100:焦點位置移動器 200:焦點位置移動器 118:聚光透鏡 FP_h0:焦點 FP_h1:焦點 FP_h2:焦點 400:非準直光學系統 300:光源 117:聚光透鏡 500:光學系統 101:第一反射表面 102:第二反射表面 114:第三反射表面 115:第四反射表面 120:控制單元 103:台架 104:旋轉軸 109:光程 110:光程 111:光程 122:光 113:中間點 112:入射點 112’:射出點 105:交會點 106:交會點 R:長度 109:光程(入射光軸) θ:轉動角度 108:點 107:反射點 1011:第一反射表面 1012:第一反射表面 1013:第一反射表面 1021:第二反射表面 1022:第二反射表面 1023:第二反射表面 122:射出光 1151:第四反射表面 1152:第四反射表面 1014:第一反射表面 1141:第一返回反射表面 1142:第二返回反射表面 1143:第三返回反射表面 140:晶體 Sin:光入射到其上的端面 Sout:光從其射出的端面 400’:光學系統 150:聚光透鏡 160:聚光透鏡 1016:第一反射表面 1017:第一反射表面 1026:第二反射表面 1027:第二反射表面 600:焦點位置移動器 700:焦點位置移動器 800:電流掃描器 117’:聚光透鏡 1011’:第一反射表面 1012’:第一反射表面 1021’:第二反射表面 1022’:第二反射表面 1144:第三反射表面 1145:第三反射表面 1016’:第一反射表面 1017’:第一反射表面 1026’:第二反射表面 1027’:第二反射表面 1146:第三反射表面 901:物品 900:台架
圖1A至圖1C是示出第一實施例中的包括焦點位置移動器的光學設備的圖式。
圖2是示出在第一實施例中控制在光軸方向上的焦點位置的原理的圖式。
圖3是示出光學設備的第二實施例的圖式。
圖4是示出光學設備的第三實施例的圖式。
圖5是示出光學設備的第四實施例的圖式。
圖6是示出光學設備的第五實施例的圖式。
圖7是示出光學設備的第六實施例的圖式。
圖8是示出光學設備的第七實施例的圖式。
圖9是示出光學設備的第八實施例的圖式。
圖10是示出光學設備的第九實施例的圖式。
圖11A至圖11E是示出光學設備的第十實施例的圖式。
圖12是示出在第十實施例中控制在垂直於光軸的方向上的焦點位置的原理的圖式。
圖13是示出光學設備的第十一實施例的圖式。
圖14是示出光學設備的第十二實施例的圖式。
圖15是示出光學設備的第十三實施例的圖式。
圖16是示出光學設備的第十四實施例的圖式。
圖17是示出光學設備的第十五實施例的圖式。
圖18是示出光學設備的第十六實施例的圖式。
圖19是示出光學設備的第十七實施例的圖式。
圖20是示出光學設備的第十八實施例的圖式。
圖21是示出光學設備的第十九實施例的圖式。
圖22是示出使用光學設備的實施例之一的處理設備的例子的圖式。
100:焦點位置移動器
101:第一反射表面
102:第二反射表面
103:台架
104:旋轉軸
105:交會點
106:交會點
107:反射點
108:點
109:光程(入射光軸)
110:光程
111:光程
112:入射點
112’:射出點
113:中間點
114:第三反射表面
115:第四反射表面
117:聚光透鏡
120:控制單元
122:光
400:非準直光學系統
R:長度
θ:轉動角度

Claims (20)

  1. 一種控制光的焦點位置的光學設備，包含： 第一反射表面，其被建構成可繞著旋轉軸旋轉並反射光； 第二反射表面，其被建構成可繞該旋轉軸旋轉、面對該第一反射表面並反射來自該第一反射表面的光； 第三反射表面，其將來自該第二反射表面的光返回到該第二反射表面；以及 控制單元，其被建構成：藉由在保持該第一反射表面和該第二反射表面之間的相對配置的狀態下使該第一反射表面和該第二反射表面繞著該旋轉軸旋轉來控制經由該第二反射表面從該第三反射表面返回到該第一反射表面的光在光軸方向上的焦點位置。
  2. 一種控制光的焦點位置的光學設備，包含: 第一反射表面，其被建構成可繞著旋轉軸旋轉並反射光； 第二反射表面，其被建構成可著繞該旋轉軸旋轉、面對該第一反射表面並反射來自該第一反射表面的光；以及 控制單元，其被建構成：藉由在保持該第一反射表面和該第二反射表面之間的相對配置的狀態下使該第一反射表面和該第二反射表面繞著該旋轉軸旋轉來控制來自該第二反射表面的光在垂直於光程的方向上的焦點位置。
  3. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，更包含: 台架，其被建構成可繞著該旋轉軸旋轉， 其中，該第一反射表面和該第二反射表面被固定至該台架，及 其中，該控制單元藉由改變該台架的轉動角度來控制該焦點位置。
  4. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中該旋轉軸是在該第一反射表面和該第二反射表面之間的區域中。
  5. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中該旋轉軸是在該第一反射表面和該第二反射表面之間的區域以外的區域中。
  6. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中該第一反射表面的尺寸不同於該第二反射表面的尺寸。
  7. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中從該旋轉軸向該第一反射表面或包括該第一反射表面的平面繪製的垂直線的長度不同於從該旋轉軸向該第二反射表面或包括該第二反射表面的平面繪製的垂直線的長度。
  8. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中該第一反射表面和該第二反射表面沒有被設置成相對於該旋轉軸點對稱。
  9. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中該光在該第一反射表面和該第二反射表面之間往返多次。
  10. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中該第三反射表面將被反射的光反射到與入射光的光程相同的光程。
  11. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，更包含: 第四反射表面，其被建構成擷取經由該第二反射表面從該第三反射表面被返回到該第一反射表面的光。
  12. 如申請專利範圍第11項之控制光的焦點位置的光學設備，更包含: 第五反射表面，其被建構成將被該第三反射表面返回且被該第一反射表面反射的光返回到該第一反射表面， 其中，該第三反射表面和該第五反射表面將反射光反射到與入射光的光程不同的光程，及 其中，該第四反射表面擷取經由第一反射表面從第五反射表面被返回到第二反射表面的光。
  13. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中在該光被該第一反射表面反射之前，該光被非準直光學系統變成會聚光或擴散光。
  14. 如申請專利範圍第2項之控制光的焦點位置的光學設備，其中在該光被該第一反射表面和該第二反射表面反射之後，該光被非準直光學系統變成會聚光。
  15. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中該第一反射表面和該第二反射表面不平行的。
  16. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中該第二反射表面被設置成比該第一反射表面更靠近該旋轉軸。
  17. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中該控制單元使用電流馬達來驅動該第一反射表面和該第二反射表面。
  18. 如申請專利範圍第1項之控制光的焦點位置的光學設備，其中該控制單元使用可單向旋轉的旋轉馬達來驅動該第一反射表面和該第二反射表面。
  19. 一種控制光的焦點位置的光學設備，包含： 第一反射表面，其被建構成可繞著旋轉軸旋轉並反射光； 第二反射表面，其被建構成可繞著該旋轉軸旋轉、面對該第一反射表面並反射來自該第一反射表面的光；以及 控制單元，其被建構成：藉由在保持該第一反射表面和該第二反射表面之間的相對配置的狀態下使該第一反射表面和該第二反射表面繞著該旋轉軸旋轉，使得來自該第二反射表面的光的光程移動在垂直於該光程的方向上。
  20. 一種處理設備，包含: 如申請專利範圍第1、2及19項中任一項所述的光學設備；以及 光源，其被建構來產生入射在光學設備上的光， 其中，一被設置在焦點位置處的物品係藉由控制焦點位置來進行處理。
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