DE69322186T2

DE69322186T2 - Optisches Gerät zur Ausstrahlung von Licht

Info

Publication number: DE69322186T2
Application number: DE69322186T
Authority: DE
Inventors: Jun C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Azuma; Fumio C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Ichikawa; Masatoshi C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Kato; Yozo C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Tobo; Hideaki C/O Canon Kabushiki Kaisha Ohta-Ku Tokyo Uemura
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1992-02-14
Filing date: 1993-02-12
Publication date: 1999-07-08
Anticipated expiration: 2013-02-13
Also published as: US5351264A; DE69322186D1; EP0555872B1; EP0555872A3; JPH08136781A; EP0555872A2; JP3260795B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine optische Apparatur zur Lichtemission, beispielsweise eine Laserstrahl-Kollimatoreinheit, die in einer Bildaufzeichnungsapparatur dazu dient, ein Bild aufzuzeichnen, in dem ein entsprechend einem Bildsignal modulierter Laserstrahl über ein Aufzeichnungsmedium geführt wird, oder eine Abnehmeeinheit für eine optische Platte unter Verwendung einer Halbleiterlaser-Lichtquelle.

Zugehöriger Stand der Technik

In den vergangenen Jahren wurden in großem Umfang Bildaufzeichnungsvorrichtungen wie z. B. Laserstrahldrucker (LBPs) zum Aufzeichnen eines Bildes durch Abtasten mit einem Laserstrahl verwendet. Eine Laserabtastapparatur, die in der Bildaufzeichnungsvorrichtung eingesetzt wird, wird im folgenden anhand der Fig. 15 erläutert.
Eine Halbleiterlaser-Lichtquelle 1X, eine Kollimatorlinse 2X, ein optisches Abbildungssystem 3X, ein Polygonspiegel 4X als Ablenkeinheit, eine fθ-Linse 5X aus einer sphärischen, einer torischen oder ähnlichen Linse, und eine photoempfindliche Drum 6X als Aufzeichnungsmedium sind in der genannten Folge entlang in einem optischen Weg angeordnet. Ein entsprechend einem Bildsignal modulierter Laserstrahl, der von der Halbleiterlaser-Lichtquelle 1X abgegeben wird, wird von der Kollimatorlinse 2X kollimiert und der kollimierte Strahl wird durch das optische Abbildungssystem 3X geschickt. Anschließend wird der Strahl von dem Polygonspiegel 4X abgelenkt und in einer Abtastbewegung geführt, um mit der fθ- Linse 5X ein Bild auf der photoempfindlichen Trommel 6X zu erzeugen. Auf diese Weise wird grundsätzlich Ausgangslicht von der Halbleiterlaser-Lichtquelle 1X radial von dem Lichtemissionspunkt abgelenkt. Wenn daher die Laserlichtquelle beispielsweise in einem LBP eingesetzt wird, dient eine optische Vorrichtung zum Emittieren von Licht (eine Lasereinheit) zum Kollimieren von Ausgangslicht unter Verwendung einer Kollimatorlinse 2X.
Fig. 16 ist eine Längsschnittansicht einer herkömmlichen optischen Apparatur für die Lichtemission (Lasereinheit) dieser Art. Die Halbleiterlaser-Lichtquelle 1X wird von einer elektrischen Schaltungsplatine 9X und einer Feder 11X gegen eine Basis 7X gedrückt. Die elektrische Schaltungsplatine 9X ist mit einer Schraube 13X an der Basis 7X fixiert. Ein hohler Halter 6X hat etwa konvexe Form und nimmt in sich eine Linsenfassung 10X auf, die eine Kollimatorlinse 2X beinhaltet.
Bei Einstellung der Fokussierposition und der Ausstrahlposition wird die Linsenfassung 10X in Richtung der optischen Achse (Richtung des Pfeils A in Fig. 16) bewegt und anschließend an einer Stelle festgehalten, an der der Durchmesser eines durch die Kollimatorlinse 2X gelangten Laserstrahls einen Minimumwert aufweist. Anschließend wird über ein Loch 14X ein (nicht gezeigter) Klebstoff in den Halter 8X gefüllt, um die Linsenfassung 10X an dem Halter 8X zu fixieren und damit die Fokussierstellung festzulegen. Anschließend wird die Basis 7X der Halbleiterlaser-Lichtquelle 1X zweidimensional in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse der Lichtquelle 1X bewegt, so daß die Mittelachse der Linsenfassung 10X mit der optischen Achse der Lichtquelle 1X zusammenfällt. Nach der Justierung der Stellung wird die Ba sis 7X an dem Halter 8X mit der Schraube 12X befestigt, um dadurch die Aufstrahlposition einzustellen.
Nach Einstellung der Aufstrahlposition wird für den Fall, daß sich die Fokussierstellung in Richtung der optischen Achse z. B. aufgrund einer Verformung des Halters 8X verschiebt, die optische Apparatur zur Lichtemission als defektes Produkt ausgesondert. Alternativ wird der Klebstoff entfernt, und die Linsenfassung 10X wird erneut in Richtung der optischen Achse bewegt, um die Verschiebung der Fokusstellung zu korrigieren. Anschließend wird ein (nicht gezeigter) Klebstoff über das Loch 14X in den Halter 8X eingefüllt, um die Linsenfassung 10X an dem Halter 8X zu fixieren.
Allerdings gibt es bei der konventionellen optischen Vorrichtung zur Lichtemission, wie sie oben erläutert wird folgende Probleme (1), (29 und (3).
(1) Da die Fokusstellung und die Aufstrahlposition durch Bewegen verschiedener Teile eingestellt werden, verschiebt sich die Fokusposition in Richtung der Scharfeinstellung leicht, wenn die Einstellung der Aufstrahlposition nach der Einstellung der Fokusstellung erfolgt. Deshalb muß möglicherweise die Fokusstellung erneut justiert werden.
(2) Nach Einstellung der Aufstrahlposition kommt es leicht zu einer Positionsverschiebung, da die Basis, welche die Halbleiterlaser-Lichtquelle trägt, mit einer Schraube an dem Halter fixiert ist, so daß jene Einstellung viel Zeit und Geschick erfordert.
(3) Da der Halter als Glied zum Einstellen der Fokussierposition in Richtung der optischen Achse fungiert und die Basis als Glied zum Einstellen der Aufstrahlposition in einer Richtung senkrecht zu der optischen Achse erforderlich ist, ist die Anzahl von Bauteilen hoch, was zu einer Kostensteigerung führt.
Die oben angesprochenen Probleme 1) und 3) im Stand der Technik werden zumindest teilweise überwunden durch die optische Apparatur zur Lichtemission der Art, wie sie in der JP-A-1 238 612 offenbart ist, wonach zwei diametral gegenüberliegende Einspritzöffnungen die Linsenfassung durchsetzen, um den Klebstoff aufzunehmen, der die Kollimatorlinse und die Linsenfassung an den Fixierhalter festlegen. Diese Einspritzöffnungen liegen auf einer Achse, die senkrecht zur Richtung der optischen Achse verläuft.
Die EP-A-0 094 274 offenbart eine Einstellvorrichtung zum Einstellen der Fokussier- und Aufstrahlpositionen einer optischen Apparatur.
Die DE-A-34 13 748 offenbart ein optisches System, bestehend aus einem Halbleiterlaser und einer Optik zum Kollimieren des von dem Laser abgestrahlten Lichts. Der Laser und die Optik sind in getrennten Fixierungshaltern untergebracht, die sich zueinander in der Weise justieren lassen, daß ein Kriterium bezüglich des Laserlichts optimal erfüllt ist. Beide Fixierungshalter werden miteinander im Anschluß an eine erfolgreiche Justierung verbunden.

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung wurde im Hinblick auf die dem Stand der Technik anhaftenden Probleme gemacht, und es ist Ziel der Erfindung, eine optische Apparatur zur Lichtemission der im Oberbegriff des Anspruchs 1 anzugeben, welche die Positionsverschiebung der Kollimatorlinse nach Bestrahlung von unter Bestrahlung aushärtendem Klebstoff minimiert und den Klebstoff gleichförmig ausfüllt.
Gelöst wird diese Aufgabe durch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruchs 1. Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist im Anspruch 2 angegeben.
Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird bei der obigen Ausgestaltung dann, wenn ein Strom in die Halbleiterlaser-Lichtquelle eingespeist wird, damit diese Licht emittiert, ein von der Halbleiterlaser-Lichtquelle emittierter Laserstrahl durch die Kollimatorlinse, die in die Linsenfassung inkorporiert ist, im wesentlichen kollimiert. Bei Einstellung von Fokus- und Ausstrahlposition wird die Linsenfassung in Richtung der optischen Achse bewegt, indem die Bünde der Linsenfassung, die die Kollimatorlinse hält, gehalten werden, und die Linsenfassung an einer Position gehalten wird, an der der Durchmesser des Laserstrahls Aluminiumwert aufweist, um dadurch die Fokusposition einzustellen. Anschließend wird die Linsenfassung zweidimensional in einer Ebene senkrecht zu der Richtung der optischen Achse bewegt, um dadurch die Aufstrahlposition einzustellen. Anschließend wird aus der Ultraviolettlicht-Strahlvorrichtung zum Aushärten eines unter UV-Licht aushärtenden Klebstoffs ein Ultraviolett-Strahl auf die Linsenfassung gestrahlt, um dadurch die Linsenfassung an dem Fixierungshalter zu fixieren.
Wie oben erläutert, lassen sich erfindungsgemäß die Fokussier- und Aufstrahlposition einstellen, indem nur die Linsenfassung als Einstellglied bewegt wird. Die Linsenfassung ist aus einem transparenten Material hergestellt, welches den einfachen Durchgang des Ultraviolett-Strahls ermöglicht, damit der unter Ultraviolettlicht aushärtende Klebstoff rasch aushärtet. Darüber hinaus erstrecken sich Schlitze in Richtung der optischen Achse an einem Aufnahmeabschnitt der Linsenfassung an dem Fixierungshalter, um die Aushärtungszeit zu verkürzen und dadurch eine Positionsverschiebung der Kollimatorlinse zu minimieren, die durch thermische Verformung der Linsenfassung bei Bestrahlung mit dem Ultraviolettlicht veranlaßt wird, und damit den Klebstoff gleichförmig ausfüllt. Um außerdem die Fokusposition in Richtung der optischen Achse und die Ausstrahlposition in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse einzustellen, ist zwischen der Außenfläche des Fixierungshalters und der Innenfläche der Linsenfassung eine Lücke vorhanden, und die Linsenfassung besitzt Bündel als Glieder zum Halten der Linsenfassung bei der Einstellung dieser Positionen.
Gemäß einen weiteren Aspekt der Erfindung steuert, wenn festgestellt wird, daß die Aufstrahlposition eines durch die Kollimatorlinse gelangten Laserstrahls in einen spezifizierten Wertebereich fällt, eine Steuereinrichtung den dreidimensionalen Positioniermechanismus, bis die zweite Positionsdetektoreinrichtung feststellt, daß der Außendurchmesser und die Aufstrahlposition des Laserstrahls einen Minimumwert bzw. die richtige Aufstrahlposition erreicht haben. Damit wird die Linsenfassung von dem dreidimensionalen Positioniermechanismus in Richtung der optischen Achse bewegt, ferner in zweidimensionalen Richtungen in der Ebene senkrecht zur optischen Achse, und sie wird in der richtigen dreidimensionalen Position gehalten, wodurch die Einstellung von Fokus- und Aufstrahlposition beendet werden.
Wird hingegen festgestellt, daß die Aufstrahlposition eines durch die Kollimatorlinse gelangten Laserstrahls aus dem spezifizierten Wertebereich herausfällt, steuert die Steuereinrichtung den Antrieb des dreidimensionalen Positioniermechanismus, bis die Aufstrahlposition des Laserstrahls in den spezifizierten Wertebereich fällt. Somit wird die Linsenfassung von dem dreidimensionalen Positioniermechanismus in zweidimensionale Richtungen auf einer Ebene senkrecht zur optischen Achse bewegt, und die Aufstrahlposition des Laserstrahls fällt in den spezifizierten Wertebereich. Anschließend steuert die Steuereinrichtung den Antrieb des dreidimensionalen Positioniermechanismus, bis der Außendurchmesser und die Aufstrahlposition des Laserstrahls einen Minimumwert bzw. die richtige Aufstrahlposition erreichen. Damit wird die Linsenfassung von dem dreidimensionalen Positioniermechanismus in Richtung der optischen Achse bewegt, ferner in zweidimensionale Richtungen innerhalb einer Ebene senkrecht auf der optischen Achse, und sie wird in der richtigen dreidimensionalen Stellung gehalten, wodurch die Einstellung von Fokus- und Aufstrahlposition beendet wird.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer optischen Apparatur zur Lichtemission gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Teilausschnitt aus Fig. 1;
Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer in Fig. 1 und 2 gezeigten Linsenfassung;
Fig. 4 ist eine schematische Vorderansicht der optischen Apparatur zur Lichtemission nach Fig. 1 und 2, und einer Apparatur zum Einstellen von Fokus- und Aufstrahlposition in der optischen Apparatur zur Lichtemission;
Fig. 5 ist eine vergrößerte Frontansicht der optischen Apparatur zur Lichtemission und eines dreidimensionalen Positioniermechanismus gemäß Fig. 4;
Fig. 6 ist eine vergrößerte Frontansicht einer in Fig. 4 gezeigten Vergrößerungsoptik;
Fig. 7 ist ein Steuer-Blockdiagramm der Apparatur zum Einstellen der Fokus- und Aufstrahlposition in der optischen Apparatur zur Lichtemission nach Fig. 4;
Fig. 8 ist ein Flußdiagramm zum Erläutern er ersten Hälfte einer Operation der Vorrichtung zum Einstellen von Fokus- und Aufstrahlposition in der optischen Apparatur zur Lichtemission gemäß Fig. 4;
Fig. 9 ist ein Flußdiagramm zum Erläutern der letzteren Hälfte der Operation der Vorrichtung zum Einstellen von Fokus- und Aufstrahlposition in der optischen Apparatur zur Lichtemission nach Fig. 4;
Fig. 10 ist ein Flußdiagramm, welches eine Aufstrahlpositions-Berechnungsroutine veranschaulicht;
Fig. 11 ist eine Ansicht zum Erläutern der Aufstrahlposition-Berechnung;
Fig. 12 ist ein Flußdiagramm, welches eine Routine zum Berechnen des äußeren Strahldurchmessers veranschaulicht;
Fig. 13 ist eine Ansicht zum Erläutern der Berechnung des äußeren Strahldurchmessers;
Fig. 14 ist eine graphische Darstellung zum Erläutern einer Messung der Lichtmenge eines Laserstrahls in Verbindung mit der Apparatur zum Einstellen von Fokus- und Aufstrahlposition in der optischen Apparatur zur Lichtemission gemäß der Erfindung;
Fig. 15 ist eine perspektivische schematische Ansicht, die eine Laserabtastvorrichtung mit einer konventionellen Optik zur Lichtemission (Lasereinheit) zeigt; und
Fig. 16 ist eine Längsschnittansicht der herkömmlichen Optik zur Lichtemission (Lasereinheit).
Die in den Fig. 4 bis 14 dargestellte und im folgenden detailliert beschriebene Einstellvorrichtung ist im Schutzumfang des Anspruchs 1 nicht enthalten.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Im folgenden werden anhand der beigefügten Zeichnungen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung beschrieben.
Fig. 1 ist eine Seitenansicht einer optischen Apparatur zur Lichtemission gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 ist eine Draufsicht auf einen Teilausschnitt aus Fig. 1, und Fig. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer in Fig. 1 und 2 gezeigten Linsenfassung.
Wie in den Fig. 1, 2 und 3 gezeigt ist, enthält eine optische Apparatur 23 zur Lichtemission gemäß dieser Ausführungsform einen Fixierungshalter 8 aus Metall, der integriert eine Fixierungsplatte 8a in seinem unteren Bereich, eine an einem zylindrischen Teil des Fixierungshalters 8 gelagerte Linsenfassung 10 aus transparentem Material und eine elektrische Schaltungsplatine 9 aufweist, die an einer Seitenplatte des Fixierungshalters 8 befestigt ist.
Ein Positionierungsloch 22, ein Positionierungs-Langloch 21 und ein Fixierungsschraubenloch 20 (das später beschrieben wird) sind in der Fixierungsplatte 8a des Fixierungshalters 8 ausgebildet. Unter Druck ist in einem Endbereich des zylindrischen Teils des Fixierungshalters 8 eine Halbleiterlaser-Lichtquelle 1 eingesetzt, und drei Anschlüsse 1a, 1b und 1c der Halbleiterlaser-Lichtquelle 1 sind durch Löten mit der elektrischen Schaltungsplatine 9 verbunden. Wenn in die Laserlichtquelle 1 über die Anschlüsse 1a, 1b und 1c Strom eingespeist wird, wird von der Halbleiterlaser-Lichtquelle 1 in Pfeilrichtung Z Licht emittiert (Fig. 1 und 2).
Die Linsenfassung 10 umgibt und hält eine Kollimatorlinse 2 und eine Apertur 16 in einem Endbereich. Der andere Endbereich der Linsenfassung 10 ist an dem anderen Endbereich des zylindrischen Teils des Fixierungshalters 8 angesetzt. Die Linsenfassung 10 ist auf transparentem Harzmaterial, beispielsweise Polysulfon, hergestellt, damit sie leicht Ultraviolettstrahlen durchläßt (was später beschrieben wird). Zwei Bünde 17a und 17b sind als Halteteile integral angeformt, so daß sie von der Außenumfangsfläche der Linsenfassung 10 abstehen. In Richtung der optischen Achse (in Pfeilrichtung Z) sind in gleichmäßigen Winkelabständen an dem Aufnahmeteil der Linsenfassung 10 am Fixierungshalter 8, d. h. einem Teil abgewandt der Kollimatorlinse 2 bezüglich der zwei Bünde 17a und 17b, sechs Schlitze 15a, 15b und 15c ausgebildet (die übrigen drei Schlitze sind nicht dargestellt). Ein Ringspalt 19 ist zwischen der Innenumfangsfläche des Aufnahmeteils der Linsenfassung 10 und der Außenumfangsfläche des zylindrischen Teils des Fixierungshalters 8 definiert, und in den Spalt 19 ist ein unter Ultraviolettlicht aushärtender Klebstoff 18 eingefüllt. Bevor der UV- aushärtende Klebstoff 18 ausgehärtet wird, ist die Linsenfassung 10 bezüglich des Fixierungshalters 8 in Richtung der optischen Achse Z in zweidimensionalen Richtungen (Pfeilrichtungen X und Y in Fig. 1 und 2) innerhalb einer Ebene senkrecht zur Richtung der optischen Achse beweglich.
Ein von der Halbleiterlaser-Lichtquelle 1 emittierter Laserstrahl wird von der Kollimatorlinse 2 kollimiert und der kollimierte Strahl wird durch die Apertur 16 in eine zylindrische Strahlform gebracht. Bei Einstellung der Fokus- und Aufstrahlpositionen wird die Linsenfassung 10 in Richtung der optischen Achse Z bewegt und an derjenigen Position angehalten, an der der Durchmesser des Laserstrahls 12 den Minimumwert aufweist, um so die Fokusposition einzustellen. Anschließend wird die Linsenfassung 10 in zweidimensionalen Richtungen (in Richtung der Pfeile X und Y) in der Ebene senkrecht zur optischen Achsrichtung Z bewegt, so daß die optische Achse der Halbleiterlaser-Lichtquelle 1 mit derjenigen der Linsenfassung 10 zusammenfällt, um so die Aufstrahlposition einzustellen. Anschließend wird von einem (nicht gezeigten und unten beschriebenen) UV-Licht-Abstrahlgerät ein Ultraviolett-Strahlenbündel auf den Aufnahmeteil der Linsenfassung 10 aufgestrahlt, um den UV-aushärtenden Klebstoff 18 auszuhärten und damit die Linsenfassung 10 an dem Fixierungshalter 8 zu fixieren.
Um die Aushärtungszeit des UV-aushärtenden Klebstoffs 18 zu verkürzen, um eine Positionsverschiebung der Kollimatorlinse 2 aufgrund der wärmebedingten Verformung der Linsenfassung 10 bei Bestrahlung mit dem UV-Licht zu minimieren, und um den Klebstoff gleichmäßig zu verteilen, sind in der Umfangsfläche der Linsenfassung 10 die sechs Schlitze 15a, 15b und 15c ausgebildet, wie oben erläutert wurde. Um eine Wärmeableitung der durch die Halbleiterlaser-Lichtquelle 1 erzeugten Wärme zu erreichen, enthält außerdem der Fixierungshalter 8 ein Metallteil.
Die automatische Einstellvorrichtung zum Einstellen von Fokus- und Aufstrahlposition der optischen Apparatur zur Lichtemission dieser Ausführungsform wird im folgenden erläutert.
Fig. 4 ist eine schematische Frontansicht der optischen Apparatur zur Lichtemission gemäß Fig. 1 und 2, und die automatische Einstellvorrichtung zum Einstellen von Fokus-Aufstrahlposition der optischen Apparatur zur Lichtemission, Fig. 5 ist eine vergrößerte Frontansicht, die die optische Apparatur zur Lichtemission und einen dreidimensionalen Positioniermechanismus gemäß Fig. 4 zeigt, Fig. 6 ist eine vergrößerte Frontansicht einer Vergrößerungsoptik gemäß Fig. 4, Fig. 7 ist ein Steuer-Blockdiagramm für die automatische Einstellvorrichtung zum Einstellen von Fokus-Aufstrahlposition der optischen Apparatur zur Lichtemission gemäß Fig. 4, Fig. 8 ist ein Flußdiagramm zum Erläutern der ersten Hälfte der Operation der automatischen Einstellvorrichtung zum Einstellen von Fokus- und Aufstrahlposition der optischen Apparatur zur Lichtemission gemäß Fig. 4, und Fig. 9 ist ein Flußdiagramm zum Erläutern der letzteren Hälfte der Operation.
Wie in Fig. 4 gezeigt ist, enthält die automatische Einstellvorrichtung zum Einstellen von Fokus- und Aufstrahlposition der optischen Apparatur zur Lichtemission gemäß dieser Ausführungsform die optische Apparatur 23 zum Emittieren von Licht (Fig. 1 und 2), die an einer Positionier-Fixierlehre 41 einer Trägerbahn 29 fixiert ist, einem dreidimensionalen Positioniermechanismus 4 mit einer Klemmeinrichtung zum Festklemmen der Linsenfassung 10 der optischen Apparatur 23 zur Lichtemission, um die Linsenfassung 10 dreidimensional zu bewegen und zu positionieren, eine erste Positionsdetektoreinrichtung 14 und eine Vergrößerungsoptik 44 als zweite Positionsdetektoreinrichtung.
Wie in Fig. 4 und 5 gezeigt ist, ist die Positionier-Fixierlehre 41 an der Oberseite der Trägerbasis 39 befestigt, um die optische Apparatur zur Lichtemission 23, zu lagern. Der Fixierungshalter 8 (vgl. Fig. 1 und 2) ist in der Positionier-Fixierlehre 41 durch Einsetzen von (nicht gezeigten) Stiften der Positionier-Fixierlehre 41 in das Positionierloch 22 und das Positionier-Langloch 21 des Fixierungshalters 8 der optischen Apparatur 23 zur Lichtemission positioniert. Der Fixierungshalter 8 ist an der Positionier-Fixierungslehre 41 durch eine (nicht gezeigte) Fixierschraube befestigt, die sich durch das Fixierschraubenloch 20 (vgl. Fig. 1) erstreckt. Ein Ende eines im wesentlichen L-förmigen Druckglieds 31a ist mit der Ausgangswelle eines Druckluftzylinders 31 gekoppelt, der an der Trägerbahn 29 gelagert ist. Der zylindrische Teil des Fixierungshalters 8 wird von dem anderen Ende des Gliedes 31a in Richtung der Positionier-Fixierungslehre 41 gedrückt. In diesem Zustand ist der unter UV-Licht aushärtende Klebstoff (vgl. Fig. 1) in der Linsenfassung 10 noch nicht ausgehärtet. Eine Ultraviolett-Strahlungseinrichtung 3 enthält drei Quarzfasern 30a und 30b (eine Quarzfaser ist nicht dargestellt), und an der Trägerbasis 39 ist eine Ultraviolettstrahlung-Erzeugungsquelle gelagert. Ein Leistungsmesser 53 mißt die Lichtmenge des Laserstrahls 12, und der Meßwert wird von einem (nicht gezeigten) Personal-Computer aufgenommen, was unten noch beschrieben wird.
Der bekannte dreidimensionale Positioniermechanismus 4 enthält eine Z-Einstellbühne 24, die in Richtung der Z-Achse von einem Z-Achsen-Impulsmotor 50 positioniert wird. Einer Y-Achsen-Einstellbühne 25, die auf der Z-Achsen-Einstellbühne 24 gelagert ist und in Richtung der Y-Achse von einem Y-Achsen-Impulsmotor 6 bewegt und positioniert wird, eine X- Achsen-Einstellbühne 26, die auf der Y-Achsen-Einstellbühne 25 gelagert ist und von einem X-Achsen-Impulsmotor 7 in Richtung der X-Achse bewegt und positioniert wird. Die X- Achsen-Einstellbühne 26 des dreidimensionalen Positioniermechanismus 4 trägt zwei Klemm-Luftzylinder 28a und 28b als Klemmeinrichtung, die weiter unten beschrieben wird. Klemmklauen 29a (eine Klemmklaue ist nicht dargestellt) zum An klemmen und Halten der beiden Flansche 17a und 17b (vgl. Fig. 1) der Linsenfassung 10 sind an den Aufgangswellen der Klemm-Luftzylinder 28a und 28b angebracht.
Die erste Positionsdetektoreinrichtung 14 enthält eine Trägerbasis 11, die seitlich bezüglich des dreidimensionalen Positioniermechanismus 4 angeordnet ist, einen an der Trägerbasis 11 gelagertes Gleitstück 42, welches von einem nicht gezeigten Luftzylinder in Richtung der Y-Achse bewegt wird, einen Strahlaufspalter 35 und einen Positionsdetektorfühler 34, die an dem Gleitstück 42 gelagert sind. Der Positionsdetektorfühler 34 enthält eine PSD (Handelsbezeichnung, verfügbar von Hamamatsu Photonics (K. K.)). In der ersten Positionsdetektoreinrichtung 14 trifft, wenn von dem (nicht gezeigten) Luftzylinder der Strahlaufspalter 35 zusammen mit dem Gleitstück 42 in eine Position der optischen Achse des Laserstrahls 12 bewegt wird, der von der Halbleiterlaser- Lichtquelle 1 (vgl. Fig. 1) emittierte Laserstrahl 12 auf den Strahlaufspalter 35, und die Lage der optischen Achse des reflektierten (nicht gezeigten) Lichts des Laserstrahls 12 wird von dem Positionsdetektorfühlers 24 erfaßt, um dadurch die Position an der optischen Achse in Richtungen der Pfeile X und Y des auftreffenden Laserstrahls 12, d. h. die Aufstrahlposition des Laserstrahls 12 zu ermitteln. Anstelle des Strahlaufspalters 35 kann ein reflektierender Spiegel verwendet werden.
Wie in den Fig. 4 und 6 gezeigt ist, enthält die Vergrößerungsoptik 44 als zweite Positionsdetektoreinrichtung eine Optik-Bewegungsbühne 27, die von einem Impulsmotor 51 in Richtung des Pfeils Z bewegt und positioniert wird, eine Linsenfassung 37 zum Halten eines Vergrößerungsobjektivs 36, und einer Kamera 38, die an der Optik-Bewegungsbühne 27 mit Hilfe einer Trägerbasis 40 gelagert sind. In der Vergrößerungsoptik 44 trifft der Laserstrahl 12 auf das Objektiv 36 und wird vergrößert. Das Abbild des Laserstrahls 12 wird in vergrößertem Maßstab von der Kamera 38 fotografiert, und die photographische Aufnahme des Laserstrahls 12 wird von einer Bildverarbeitungsvorrichtung 38 (siehe Fig. 7) aufgenommen. Die Bildverarbeitungsvorrichtung 38 führt eine Bildverarbeitung des fotografierten Bilds des Laserstrahls 12 durch, um den Außendurchmesser des Laserstrahls und dessen Mittelstelle (Aufstrahlposition) in zweidimensionalen Richtungen der Pfeile X und Y zu ermitteln. Diese Nachweiswerte werden an einen (nicht gezeigten; unten beschriebenen) Rechner übertragen, und es wird festgestellt, ob der ermittelte Außendurchmesser einen Minimumwert hat oder nicht, und ob die ermittelte Mittelstellung die optimale Position, d. h. die Mittelposition eines Bildes ist.
Im folgenden wird anhand der Fig. 4 bis 6 und 7 eine Steuereinrichtung für die oben erläuterte automatische Einstellvorrichtung zum Einstellen von Fokussier-Aufstrahlposition der optischen Apparatur zur Lichtemission erläutert.
Eine von einem Personal-Computer 50 gesteuerte Laser-Energiequelle 49 liefert an die Anschlüsse 1a, 1b und 1c (siehe Fig. 1) der Halbleiterlaser-Lichtquelle 1 einen Strom.
Die Aufstrahlposition in den zweidimensionalen Richtungen des Laserstrahls 12, die von dem Positionsdetektor 34 erfaßt wird, wird von einem A/D-Wandler 47 in einen Digitalwert umgesetzt, und der Digitalwert wird in den Personal-Computer 50 eingegeben. Z-, Y und X-Achsen-Impulsmotorsteuerungen 45a, 45b bzw. 45c steuern den Antrieb durch die Z-, Y- und X-Achsen-Impulsmotoren 5, 6 und 7 des dreidimensionalen Positioniermechanismus 4, und eine Impulsmotorsteuerung 51a steuert den Antrieb durch den Impulsmotor 51 der Vergrößerungsoptik 44. Der Personal-Computer 50 steuert automatisch die Steuerungen 45a, 45b, 45c und 51a zum dreidimensionalen Bewegen der Aufstrahlposition des Laserstrahls 12 und der Linsenfassung 10, und steuert ferner automatisch die oben erläuterte Bildverarbeitungsvorrichtung 48. Darüber hinaus steuert der Personal-Computer 50 den Betrieb der Steuerung 45a, 45b und 45c auf der Grundlage des Außendurchmessers und der Mittenposition des Laserstrahls 12, wie dies von der Bildverarbeitungsvorrichtung 48 mit Hilfe der Kamera 38 gemessen wird, so daß der Außendurchmesser und die Mittenposition des Laserstrahls 12 einen Minimumwert bzw. eine optimale Positions einnehmen und damit automatisch Fokussier- und Aufstrahlposition eingestellt, wie weiter unten noch erläutert wird. Ein digitaler E/A 46 gibt ein Öffnen-/Schließen-Signal eines Elektromagnetventils 52a für jeden Luftzylinder EIN/AUS, ferner einen Nachweiswert eines Vorwärts/- Rückwärts-Detektors 52b für jeden Luftzylinder.
Im folgenden wird anhand der Flußdiagramme der Fig. 8 und 9 die Arbeitsweise der automatischen Einstellvorrichtung zum Einstellen von Fokus- und Aufstrahlposition erläutert.
Die optische Apparatur 23 zur Lichtemission wird an der Positionier-Fixierungslehre 41 durch Einsetzen von zwei (nicht gezeigten) Stiften in das Positionier-Langloch 21 und das Positionierloch 22 der Fixierplatte 8a des Fixierungshalters 8 positioniert, um anschließend daran mit einer (nicht gezeigten) Schraube befestigt zu werden (Schritt 60). Der Druck-Luftzylinder 31 wird angetrieben, so daß die optische Apparatur 23 zur Lichtemission von dem Druckglied 31a gestoßen und an der Positionier-Fixierungslehre 41 befestigt wird (Schritt 61). In diesem Zustand wird das bei UV-Licht aushärtende Klebmaterial, welches vorab in die Linsenfassung 10 eingeführt wurde, noch nicht ausgehärtet. Das Gleitstück 42 und mithin der Strahlaufspalter 35 der ersten Positionsdetektoreinrichtung 14 befindet sich in Bereitschaftsstellung, und die Z-, Y- und X-Achsen-Einstellbühnen 24, 25 und 26 sowie die Optik-Bewegungsbühne 27 stehen ebenfalls in vorbestimmten Bereitschaftsstellungen.
Die beiden Klemm-Luftzylinder 28a und 28b werden angetrieben, um die beiden Klemmklauen zu schließen, damit sie die zwei Flansche 17a und 17b der Linsenfassung 10 klemmen und halten (Schritt 62). Ein Leitungsmesser 53 wird von einem (nicht gezeigten) Zylinder nach vorn bewegt, so daß er sich an der optischen Ausgangsachse der Halbleiterlaser-Lichtquelle befindet (Schritt 63). Ein Kontaktstift-Bewegungs- Luftzylinder 32 wird bewegt, um die Kontaktstifte 43 in Kontakt mit vorbestimmten Stellen der elektrischen Schaltungsplatinen 9 der optischen Apparatur 23 zur Lichtemission zu bringen (Schritt 64), und nach und nach wird von der Laserenergiequelle 49 Strom in die Halbleiterlaser-Lichtquelle 1 entsprechend einem Befehl vom Personal-Computer 50 eingespeist, wodurch die Halbleiterlaser-Lichtquelle 1 Licht emittiert (Schritt 65). Die Lichtmenge des von der Halbleiterlaser-Lichtquelle 1 emittierten Laserstrahls 12 wird von dem Leistungsmesser 53 gemessen (Schritt 66), und der Meßwert wird von dem Personal-Computer 50 über den A/D-Wandler 47 aufgenommen. Erreicht die Laserleistung einen spezifizierten Wert, wird die Erhöhung des Stroms angehalten (Schritt 67), und anschließend wird der Leistungsmesser 53 nach hinten bewegt (Schritt 68). Der Ausgangs-Laserstrahl 12 wird von der Kollimatorlinse 2, die in die Linsenfassung 10 eingesetzt ist, im wesentlichen kollimiert und von der Apertur 16 in eine zylindrische Strahlform gebracht. Der Strahl wird anschließend von einer Formlinse 33 fokussiert und trifft auf das Objektiv 36 der Vergrößerungsoptik 44.
Vor der Einstellung der Aufstrahlposition der Linsenfassung 10 kann jedoch die Lage der Linsenfassung 10 in Richtungen der Pfeile X und Y häufig stark verschoben werden, so daß möglicherweise der Laserstrahl 12 nicht auf das Objektiv 36 der Vergrößerungsoptik 44 auftreffen kann. In diesem Fall wird das Gleitstück 42 der ersten Positionsdetektoreinrichtung 14 von einem (nicht gezeigten) Luftzylinder angetrieben und der Strahlaufspalter 35 an dem Gleitstück 42 wird solange nach vorn bewegt, bis er eine Stellung auf der optischen Achse des Laserstrahls 12 erreicht (Schritt 69). Die Aufstrahlposition in Richtungen der Pfeile X und Y des (nicht gezeigten) reflektierten Lichts des Laserstrahls 12, der von dem Strahlabspalter 35 reflektiert wird, wird von dem Positionsdetektor 34 erfaßt (Schritt 70). Der Positionsdetektor 34 gibt als Analogwerte die Positionen der Schwerpunkte in Richtung der Pfeile X und Y der Lichtmenge des Laserstrahls 12 an den A/D-Wandler 47, und diese Werte werden über den A/D-Wandler 47 von dem Personal-Computer 50 aufgenommen.
Noch einmal auf Fig. 8 bezugnehmend: Wenn die Differenz zwischen der Position des Schwerpunkts des Laserstrahls 12 und dem Aufstrahlpositions-Ursprungspunkt auf einem spezifizierten Bereich herausfällt (Schritt 71), steuert der Personal-Computer 50 den Antrieb durch Y- und X-Achsen-Impulsmotorsteuerungen 45b und 45c basierend auf dem Berechnungswert, um dadurch die Y- und die X-Achsen-Einstellbühnen 25 und 26 in Pfeilrichtung X und Y solange zu bewegen, bis der Meßwert der Aufstrahlposition in den spezifizierten Bereich fällt. Auf diese Weise wird die Aufstrahlposition grob eingestellt, so daß der Laserstrahl 12 auf die Vergrößerungsoptik 44 fällt.
Das Gleitstück 42 wird von dem (nicht gezeigten) Luftzylinder zurückbewegt, und der Strahlaufspalter an dem Gleitstück 42 wird in seine Bereitschaftsposition zurückbewegt (Schritt 72).
Die Z-Achsen-Impulsmotorsteuerung 45a wird gesteuert, um entsprechend einem Befehl von dem Personal-Computer 50 angetrieben zu werden, und die Z-Achsen-Einstellbühne 24 und damit die Linsenfassung 10 wird in Richtung des Pfeils Z innerhalb eines Bereichs von etwa ±0,6 mm der bestmöglichen Fokusposition bewegt, wie sie abgeschätzt wird aus den Außenabmessungen der Lasereinheit. Dann werden der Bewegungshub der Linsenfassung 10, die Aufstrahlposition und der Strahldurchmesser aufgenommen. Die Aufstrahlposition wird folgendermaßen gemessen: Wie in den Fig. 10 und 11 zu sehen ist, führt der Personal-Computer 50 eine Bildverarbei tung der aufgenommenen Laserstrahldaten durch und bildet Histogramme in Richtung der Pfeile X und Y, in dem die Fehler- Ausgangssignale aufgezeichnet werden. Der Quotient, Erhalten durch Dividieren eines Spitzenwerts Vp jedes Histogramms durch exp2, ist als Begrenzungspegel definiert, und die Positionen der Schwerpunkte in den Richtungen Pfeile X und Y werden von dem Personal-Computer gemäß nachstehender Formel (1) für Daten berechnet, die den Begrenzungspegel übersteigen. Der Bewegungshub der Linsenfassung 10 wird gemessen, indem die Bewegungsbefehl-Impulse der Z-Achsen-Einstellbühne 24 von dem Personal-Computer 50 gezählt werden.
Schwerpunkt =
[ ((Vi - Vp/exp2)xi)]/[ (Vi - Vp/exp2)] ... (1)
Der Strahldurchmesser wird folgendermaßen gemessen: Wie in den Fig. 12 und 13 gezeigt wird, werden in den Richtungen der Pfeile X und Y auf der Grundlage eines von der Kamera 38 wie im Fall der Aufstrahlposition aufgenommenen Bildes Histogramme erstellt, und es werden deren Spitzenwerte ermittelt. Basierend auf jedem nachgewiesenen Spitzenwert Vp wird mit Hilfe der Formel (2) ein Begrenzungspegel SL ermittelt und die Anzahl von Pixeln des Laserstrahldurchmessers wird anhand der Kreuzungspunktkoordinaten c und d zwischen dem Begrenzungspegel SL und dem Histogramm errechnet. Der berechnete Wert wird multipliziert mit der Auflösung der Kamera 38, um den Laserstrahldurchmesser zu erhalten (Schritt 73).
SL = Vp/e² ...(2)
wobei e die Basis für den natürlichen Logarithmus ist.
Die Bewegungsstellung der Linsenfassung 10, die erhalten wird, wenn der Außendurchmesser des Bildes des Laserstrahls 12 einen Minimumwert aufweist, entspricht der exakten Fokus position. Die Bewegungsstellung der Linsenfassung 10 zu dieser Zeit wird von dem Personal-Computer 50 berechnet, und die Aufstrahlposition zu dieser Zeit wird ebenfalls berechnet (Schritt 74).
Anschließend steuert der Personal-Computer 50 den Antrieb der Z-, Y- und X-Achsen-Impulsmotorsteuerungen 45a, 45b und 45c auf der Grundlage der Berechnungsergebnisse, und die Z-, Y- und X-Achsen-Einstellbühnen 24, 25 und 26 werden sequentiell bewegt und eingestellt, damit die Linsenfassung dreidimensional an der richtigen Fokusposition und der optimalen Aufstrahlposition angeordnet wird (Schritte 75 und 76).
Auf der UV-Licht-Aufstrahleinrichtung 3 wird über die Quarzfasern 30a und 30b (es gibt drei Fasern, obschon eine Faser nicht gezeigt ist) zum Aushärten des unter Ultraviolettlicht aushärtenden Klebstoffs 18 (vgl. Fig. 1) UV-Licht auf die Linsenfassung aufgestrahlt, um dadurch die Linsenfassung 10 an dem Halter 8 zu fixieren (Schritt 77). Anschließend werden die beiden Klemmklauen 29a gelöst (Schritt 78), und die Impulsmotorsteuerung 51a wird gesteuert, um entsprechend einem Befehl von dem Personal-Computer 50 angetrieben zu werden. Damit wird die Vergrößerungsoptik 44 in Pfeilrichtung X von der Optik-Bewegungsbühne 27 bewegt. Die Bewegungsstellung der Vergrößerungsoptik 44 wird von dem Personal-Computer 50 aufgenommen, und die Aufstrahlposition des Bildes sowie der von der Bildverarbeitungsvorrichtung 48 gemessene Strahldurchmesser des Laserstrahls 12 werden ebenfalls wie bei der oben erläuterten Einstellung von dem Personal-Computer 50 aufgenommen. Der Personal-Computer 50 bestätigt, daß Fokussier- und Aufstrahlposition in die spezifizierten Bereiche fallen (Schritt 79). Damit ist die Einstellung abgeschlossen. Schließlich wird der Druck-Luftzylinder nach hinten bewegt und die Schraube wird entfernt (Schritt 80), um die optische Vorrichtung 23 zur Lichtemission als Lasereinheit von der Positionier-Fixierungslehre 41 abzunehmen (Schritt 81). Dann wird die nächste Probe an der Lehre 41 befestigt (Schritt 60), und die Vorgänge der Schritte 61 bis 81 werden wiederholt.

(Weitere Ausführungsform)

Bei der oben beschriebenen Ausführungsform wird die Fokussierposition auf der Grundlage des Laserstrahldurchmessers gemessen. Allerdings ist die Erfindung nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Fokusposition basierend auf dem Spitzenwert der Lichtmenge des Laserstrahls gemessen werden. Anhand der Fig. 14 wird ein Verfahren zum Messen der Lichtmenge des Laserstrahls erläutert.
Die Linsenfassung 10 wird allmählich von der Z-Achsen-Einstellbühne 24 in Pfeilrichtung Z bewegt, und die Position der Linsenfassung 10 wird gemessen durch Zählen der Bewegungsimpulse durch den Personal-Computer 50. Gleichzeitig wird der Spitzenwert der Lichtmenge des Laserstrahls 12, der auf die Kamera 38 auftrifft (in der Praxis der Spitzenwert des gesamten Gesichtsfeldes der Kamera) von dem Personal- Computer 50 über die Bildverarbeitungsvorrichtung 48 aufgenommen. Wenn gemäß Fig. 14 die Bewegungsposition durch t dargestellt, und der Spitzenwert der Lichtmenge durch p dargestellt ist, erhält man Daten (t&sub1;, p&sub1;), (t&sub2;, p&sub2;), ..., (ti, pi), ..., (tn, pn). In diesem Fall wird der Bewegungs-Druchschnittswert berechnet, um eine Rauschkomponente der Lichtmenge auszuscheiden. Das heißt: die Bewegungsstellung und der Spitzenwert der Lichtmenge werden dargestellt durch (ti, ((pi-1) + (pi) + (p&sub1;&sbplus;&sub1;))/3). Der Maximalwert sämtlicher Spitzenwerte der Lichtmenge wird berechnet, und als Begrenzungspegel wird ein Wert von 90% des Maximalwerts definiert. Wenn die Bewegungspositionen der Linsenfassung 10 an den Kreuzungspunkten zwischen dem Begrenzungspegel und einem Histogramm der Lichtmenge dargestellt werden durch ta und tb, drückt sich die korrekte Fokusposition aus durch (ta + tb)/2.
Wie oben beschrieben, läßt sich erfindungsgemäß die Einstellzeit verkürzen und die Ausbeute bei der Einstellung verbessern, da die Fokus- und Aufstrahlpositionen der optischen Vorrichtung zur Lichtemission gleichtzeitig durch bloßes Bewegen der Linsenfassung eingestellt werden können. Darüber hinaus läßt sich eine billige und kompakte Vorrichtung realisieren, wenn die Anzahl von Komponenten verringert ist.
Da die Fokus- und Aufstrahlposition automatisch durch Bewegen der Linsenfassung eingestellt werden, wird eine hochpräzise Einstellung gewährleistet, außerdem läßt sich die Zuverlässigkeit der Einstellung verbessern.

Claims

1. Optische Apparatur zur Lichtemission, umfassend

- eine Halbleiterlaser-Lichtquelle (1);

- einen Fixierungshalter (8) zum Halten der Halbleiterlaser-Lichtquelle (1);

- eine Kollimatorlinse (2) zum Kollimieren eines von der Halbleiterlaser- Lichtquelle (1) emittierten Laserstrahlenbündels; und

- eine im wesentlichen als Hohlglied zur Aufnahme und Halterung der Kollimatorlinse (2) vorliegende Linsenfassung (10), die auf der Außenfläche in einem mittleren Teil derselben versehen ist mit einem Flansch (17a, 17b), der mit sich ändernder Breite ausgebildet ist und dadurch zwei Vorsprünge definiert,

wobei die Kollimatorlinse (2) am einen Ende der Linsenfassung (10) angeordnet ist,

wobei ferner die Linsenfassung (10) an dem Fixierungshalter (8) positioniert und fixiert ist durch Härten eines Klebstoffs (18), der in einen Spalt (19) eines Paßteils zwischen Linsenfassung (10) und Fixierungshalter (8) eingefüllt ist,

wobei ferner der Fixierungshalter (8) im wesentlichen tubenförmig und mit seinem einen Ende von der Fassung (10) aufgenommen ist und die Laser- Lichtquelle an seinem anderen Ende angeordnet ist und

wobei die Linsenfassung (10) so konstruiert ist, daß sie vor der Härtung des Klebstoffs (18) beweglich ist in Richtung der optischen Achse sowie in zweidimensionalen Richtungen in einer Ebene senkrecht zur Richtung der optischen Achse,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Linsenfassung (10)

- gebildet ist aus einem transparenten Material,

- versehen ist mit Schlitzen (15a, 15b, 15c), die sich auf einem der Kollimatorlinse (2) bezüglich des Flansches (17a, 17b) gegenüberliegenden Teil in Richtung der optischen Achse (Z) erstrecken und

- befestigt ist auf dem Fixierungshalter (8) bei dem Paßteil, wo die Schlitze (15a, 15b, 15c) gebildet sind, wobei sich das Paßteil von jenem Ende der Linsenfassung (10), welches dem die Kollimatorlinse (2) aufnehmenden Ende gegenüberliegt, erstreckt.

2. Apparatur nach Anspruch 1, bei dem die Linsenfassung (10) und der Teil des Fixierungshalters (8), auf dem die Linsenfassung (10) befestigt ist, je im wesentlichen zylindrische Gestalt haben.