JP2005189260A - 光源ユニットの調整方法及び光学ユニットの調整方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】 半導体レーザとコリメータレンズ等のカップリングレンズとで主に構成される光源ユニットを光学ユニットに搭載したときに、光学ユニット側の光学素子の加工誤差等の影響を排除し、光学ユニットの結像位置が像面に正確に合うように光源ユニットを調整可能な光源ユニットの調整方法及び光学ユニットの調整方法を提供する。
【解決手段】 この光源ユニットの調整方法は、半導体レーザとカップリングレンズとで構成される光源ユニットからの光ビームを集光レンズで集光し、その集光点近傍の結像状態を観察することによって半導体レーザとカップリングレンズとの間隔を調整する際に、調整がおおよそ済んでいる基準の光源ユニットを、調整対象の光源ユニットを使用する光学ユニットに搭載して像面付近の結像状態を観察し、その結果に基づいて調整対象の光源ユニットの調整基準を算出し、その調整基準に基づいて調整対象の光源ユニットの半導体レーザとカップリングレンズとの間隔を調整する。
【選択図】 図2
【解決手段】 この光源ユニットの調整方法は、半導体レーザとカップリングレンズとで構成される光源ユニットからの光ビームを集光レンズで集光し、その集光点近傍の結像状態を観察することによって半導体レーザとカップリングレンズとの間隔を調整する際に、調整がおおよそ済んでいる基準の光源ユニットを、調整対象の光源ユニットを使用する光学ユニットに搭載して像面付近の結像状態を観察し、その結果に基づいて調整対象の光源ユニットの調整基準を算出し、その調整基準に基づいて調整対象の光源ユニットの半導体レーザとカップリングレンズとの間隔を調整する。
【選択図】 図2
Description
本発明は、半導体レーザとカップリングレンズとで構成される光源ユニットの調整方法及び光学ユニットの調整方法に関する。
レーザ光を発生する光学ユニットは、半導体レーザ及びコリメータレンズ等から構成される光源ユニットを含んでおり、レーザイメージャやレーザプリンタ等の画像形成装置や画像読取装置等に広く用いられているが、光源ユニットは半導体レーザとコリメータレンズとの間隔の調整が必要である。
下記特許文献1は、ビーム発生ユニットを構成するビーム整形レンズの焦点深度より小さな調整誤差で半導体レーザとビーム整形レンズとの光軸方向における間隔を調整するビーム発生ユニットの調整方法を開示する。この調整方法は、光源ユニット調整冶具でコリメート度(コリメータレンズから出射される光ビームの平行度)を精度よく調整しようとするものである。即ち、図7のように、集光レンズ460の後側主点と観察光学系の観察点との間に平行平面板(非点収差発生素子)500が配置され、平行平面板500を透過した光ビームが非点光束となり、その非点光束が対物レンズ470を介してCCDカメラ480の撮像面に導かれ、集光点近傍の拡大像IGがTVモニタ490に表示されるが、その観察像は、半導体レーザ110とコリメートレンズ130との間隔が設定値のとき最小錯乱円となる一方、その間隔がわずかにずれるだけでも、楕円形状に変化する。観察像が最小錯乱円となる位置をビーム発生ユニット100の調整目標位置とし、観察像を観察しながら半導体レーザ110およびコリメートレンズ130のうち少なくとも一方を光軸方向zに移動させてビーム発生ユニット100を高精度に調整する。
しかし、画像形成等のための光学ユニット上のレンズ・ミラー等に加工誤差(例えば、レンズの焦点距離誤差やミラーの平面度誤差等)があると、上記のようにコリメート度を精度良く調整済みの光源ユニットを光学ユニットに搭載しても、像面上にピントが合わず画像品質が低下するという問題がある。光学ユニットにおいてレンズ・ミラーの枚数が多いほど、加工誤差の影響は顕著となる。
特開平06−230315号公報
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、半導体レーザとコリメータレンズ等のカップリングレンズとで主に構成される光源ユニットを光学ユニットに搭載したときに、光学ユニット側の光学素子の加工誤差等の影響を排除し、光学ユニットの結像位置が像面に正確に合うように光源ユニットを調整可能な光源ユニットの調整方法及び光学ユニットの調整方法を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明による光源ユニットの調整方法は、半導体レーザとカップリングレンズとで構成される光源ユニットからの光ビームを集光レンズで集光し、その集光点近傍の結像状態を観察することによって前記半導体レーザと前記カップリングレンズとの間隔を調整する調整方法において、前記調整がおおよそ済んでいる基準の光源ユニットを、調整対象の光源ユニットを使用する光学ユニットに搭載して像面付近の結像状態を観察し、その結果に基づいて前記調整対象の光源ユニットの調整基準を算出し、その調整基準に基づいて前記調整対象の光源ユニットの半導体レーザとカップリングレンズとの間隔を調整することを特徴とする。
この光源ユニットの調整方法によれば、調整対象の光源ユニットを使用する光学ユニットにおけるレンズやミラー等の光学素子の誤差を考慮に入れて、光源ユニットの調整基準を得ることができるので、調整対象の光源ユニットにおいてその調整基準を目標にして半導体レーザとコリメータレンズとの間隔を調整することで、その調整対象の光源ユニットを実際に用いる光学ユニットにおいて結像位置が像面に正確に合う。
本発明による光源ユニットの別の調整方法は、半導体レーザとカップリングレンズとで構成される光源ユニットからの光ビームを集光レンズで集光し、その集光点近傍の結像状態を観察することによって前記半導体レーザと前記カップリングレンズとの間隔を調整する調整方法において、前記調整がおおよそ済んでいるとともに僅かに前記調整状態がそれぞれ異なる複数の基準の光源ユニットを、順次、調整対象の光源ユニットを使用する光学ユニットに搭載して像面付近の結像状態を観察し、それらの結果に基づいて前記調整対象の光源ユニットの調整基準を算出し、その調整基準に基づいて前記調整対象の光源ユニットの半導体レーザとカップリングレンズとの間隔を調整することを特徴とする。
この光源ユニットの調整方法によれば、複数の基準の光源ユニットを用いて、調整対象の光源ユニットを使用する光学ユニットにおけるレンズやミラー等の光学素子の誤差を考慮に入れて、光源ユニットの調整基準を得ることができるので、調整対象の光源ユニットにおいてその調整基準を目標にして半導体レーザとコリメータレンズとの間隔を調整することで、その調整対象の光源ユニットを実際に用いる光学ユニットにおいて結像位置が像面に正確に合う。
上記光源ユニットの各調整方法において、前記基準の光源ユニットを光源ユニット調整冶具に搭載し、前記基準の光源ユニットからの光ビームを集光レンズで集光し、その集光点近傍の結像状態を観察した結果を前記調整基準の算出に用いることができる。
本発明による光学ユニットの調整方法は、上記光源ユニットの各調整方法により半導体レーザとカップリングレンズとの間隔が調整された光源ユニットを光学ユニットに搭載することを特徴とする。
この光学ユニットの調整方法によれば、調整対象の光源ユニットは光学ユニットで結像位置が像面に精度よく合うように上述の調整基準を目標にして半導体レーザとコリメータレンズとの間隔が調整されているので、その光源ユニットが搭載された光学ユニットにおいて結像位置を像面に簡単に精度よく合わせることができ、調整が極めて簡単になる。
本発明の光源ユニットの調整方法及び光学ユニットの調整方法によれば、半導体レーザとカップリングレンズとで主に構成される光源ユニットを光学ユニットに搭載したときに、光学ユニット側の光学素子の加工誤差等の影響を排除し、光学ユニットの結像位置が像面に正確に合うように光源ユニットを調整できる。
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図1は、本実施の形態による光源ユニットの調整方法を説明するための図であり、基準の光源ユニットを光源ユニット調整冶具にセットした状態を模式的に示す平面図(a)、基準の光源ユニットを実際に使用する光学ユニットにセットした状態を模式的に示す平面図(b)及び調整対象の光源ユニットを実際に使用する光学ユニットにセットした状態を模式的に示す平面図(c)である。
図1(a)のように、基準の光源ユニットSは半導体レーザ1からの光ビームをコリメートレンズ2で平行光にして出射し、光軸方向Xにおける半導体レーザ1とコリメートレンズ2との間隔を調整し、コリメート(平行度)調整がされるが、おおよそのコリメート調整は済んでいる。
また、光源ユニット調整冶具Jは、コリメートレンズ2からの平行光を集光レンズ3で像面4に結像するが、基準の光源ユニットSを所定位置に位置決めて搭載してから像面4で結像位置を確認する。この結像位置の確認のために、光源ユニット調整冶具Jはビーム径測定器8を備える。ビーム径測定器8は、光軸方向Xに前後移動可能なCCD等の位置検出素子5と、ビーム径及びビーム位置を測定する測定回路6と、ビームを表示するビーム表示器7とから主に構成され、位置検出素子5の検出面が像面4に対応する。このようなビーム径測定器は例えば特開平06−317464号公報から公知である。
図1(b)のように、基準の光源ユニットSを実際に使用する光学ユニット10に所定位置に位置決めて搭載する。光学ユニット10は、例えば走査光学系を構成し、光源ユニットからの平行光をfθレンズ11で像面12に結像するが、方向Yに結像光を主走査するためにfθレンズ11にポリゴンミラー13が前置され、fθレンズ11と像面12との間にミラー14が配置されている。
図1(c)のように、調整した光源ユニット20を実際に使用する光学ユニット10に所定位置に位置決めて搭載する。光源ユニット20は、基準の光源ユニットSと同様に、半導体レーザ21からの光ビームをコリメートレンズ22で平行光にして出射し、光源ユニット調整治具J上で光軸方向Xにおける半導体レーザ1とコリメートレンズ2との間隔Lを調整することで、コリメート(平行度)調整が行われる。
〈第1の実施の形態〉
第1の実施の形態による光源ユニットの調整方法は基準の光源ユニットを1台用いるが、この調整方法を図1,図2を参照して説明する。図2は第1の実施の形態による光源ユニットの調整方法を説明するためのフローチャートである。
図2を参照して、まず、図1(a)のように、光源ユニット調整冶具Jで、おおよそのコリメート調整が済んでいる基準の光源ユニットSの結像位置をビーム径測定器8により像面4で確認し(S01)、結果aを得る。
次に、図1(b)のように、基準の光源ユニットSを実際に使用する光学ユニット10に搭載して像面12での結像位置を確認し(S02)、結果bを得る。
次に、上記結果a、bから、調整対象となる光源ユニット(光学ユニット10に搭載される光源ユニット)20の調整基準を算出する(S03)。
上記調整基準の算出について説明する。上記結果a、bについて次式(1)、(2)が成立する。また、次式(3)が成立する。
a=Δ(Col)*j*(−1) ・・・(1)
b=Δ(露)+Δ(Col)*k*(−1) ・・・(2)
Δ(露)*(−1)=Δ(Col’)*k*(−1) ・・・(3)
b=Δ(露)+Δ(Col)*k*(−1) ・・・(2)
Δ(露)*(−1)=Δ(Col’)*k*(−1) ・・・(3)
但し、Δ(Col):基準の光源ユニットSの半導体レーザ1とコリメートレンズ2との間隔Lの誤差
Δ(露):光学ユニット10のfθレンズ11やミラー13,14の加工誤差による走査光学系の像側主点のズレ
Δ(Col’):調整対象の光源ユニット20の半導体レーザ21とコリメートレンズ22との間隔Lの誤差
j:光源ユニット調整冶具J全体の縦倍率
k:光学ユニット10全体の縦倍率
Δ(露):光学ユニット10のfθレンズ11やミラー13,14の加工誤差による走査光学系の像側主点のズレ
Δ(Col’):調整対象の光源ユニット20の半導体レーザ21とコリメートレンズ22との間隔Lの誤差
j:光源ユニット調整冶具J全体の縦倍率
k:光学ユニット10全体の縦倍率
上記式(1)からΔ(Col)を求め、上記式(2)からΔ(露)を求める。更に、上記式(3)からΔ(Col’)を求める。これらより、調整対象の光源ユニット20の光源ユニット調整冶具Jでの目標集光位置Tを次式(4)から求める。
T=Δ(Col’)*j*(−1) ・・・(4)
なお、式(2)、(3)において走査光学系の像側主点ズレと焦点距離ズレの和を、像側主点ズレのみと置き換えて計算しても誤差が少ない。但し、像側主点ズレと焦点距離ズレが、光学ユニット上のレンズの焦点距離に対して1/50程度以下の場合である。
次に、上記の目標集光位置Tを目標として、図1(c)の調整対象の光源ユニット20における半導体レーザ21とコリメートレンズ22の間隔Lを光源ユニット調整治具J上で調整する(S04)。
上述のようにして、間隔Lを調整した光源ユニット20を図1(c)のように、実際に使用する光学ユニット10に所定位置に位置決めて搭載することで、光学ユニット10に適合するように調整された光源ユニット20を光学ユニットに搭載できる。
以上のように、第1の実施の形態の光源ユニットの調整方法によれば、光学ユニットのレンズやミラーの加工誤差を考慮して、光源ユニットのコリメート度を調整するので、その光源ユニットを実際に使用する光学ユニットに搭載した場合、結像位置を像面に正確に合わせることができる。従って、加工誤差により結像位置が像面が合わず、光学ユニットを搭載した画像形成装置等において画像品質が低下するという問題はなくなる。
また、光学ユニットにおいて、半導体レーザの劣化等の不具合が発生し、光源ユニットを交換する場合は、 他の光源ユニットで上記ステップS04を実施し、その光源ユニットを不具合が発生した光学ユニットに載せ替えるだけで像面上に結像位置が合うので、光学ユニットの調整が極めて簡単になる。従来、画像形成装置等においてこのような不具合が発生した場合は光学ユニットの交換となっていたが、上記方法のように光源ユニットを交換だけで不具合が解消すれば、手間がかからなくよく、メンテナンス性が向上する。
〈実施例1〉
次に、第1の実施の形態による光源ユニットの調整方法について実施例1により更に具体的に説明する。
図1(a)の光源ユニット調整冶具Jの集光レンズ3の焦点距離は200mmであり、コリメートレンズの焦点距離を6.25mm、光学ユニット10のfθレンズ11の焦点距離を255mmとした。
図2のステップS01において、光源ユニット調整冶具Jで、おおよそコリメート調整が済んでいる基準の光源ユニットSの結像位置を確認すると、光源ユニットSの結像位置は196.85mm(設計値に対して−3.15mm=a)であった。これは、コリメートレンズ2のパワーの誤差、半導体レーザ1とコリメートレンズ2との間隔Lの調整誤差により、結像位置が設計値からずれているためである。
次に、ステップS02で、基準の光源ユニットSを光学ユニット10に搭載して像面12での結像位置を確認すると、光学ユニット10の結像位置は設計値に対して−8.12mm(=b)であった。これは、コリメートレンズ2のパワーの誤差、半導体レーザ1とコリメートレンズ2との間隔Lの調整誤差、光学ユニット10の他のレンズ・ミラーの加工誤差により結像位置が設計値からずれているためである。
次に、ステップS03で、上記a,bの結果から上記式(1)乃至(4)から調整対象の光源ユニット20の調整基準を算出すると、目標集光位置T=+1.82mmであり、これが調整対象の光源ユニット20の調整基準と分かる。図3に光源ユニット調整冶具J上の結像位置と光学ユニット10上の結像位置との関係により調整前位置及び調整目標位置(調整基準)を示す。
次に、ステップS04で、上記の目標集光位置Tを狙って、調整対象の光源ユニット20の半導体レーザ21とコリメートレンズ22との間隔Lを調整し、+1.81mmに調整できた。
上述のようにして調整した光源ユニット20を図1(c)のように光学ユニット10に搭載し、結像位置を確認したところ、結像位置は設計値に対して−0.15mmで目標範囲内であった。
〈第2の実施の形態〉
第2の実施の形態による光源ユニットの調整方法は基準の光源ユニットを複数台用いるが、この調整方法を図1,図4,図5を参照して説明する。
図4は第2の実施の形態による光源ユニットの調整方法を説明するためのフローチャートである。図5は第2の実施の形態で調整基準を求める方法を説明するために光源ユニット調整冶具J上の結像位置と光学ユニット10上の結像位置とを示す図である。
図4を参照して、まず、図1(a)のように、光源ユニット調整冶具Jで、おおよそのコリメート調整が済んでいる基準の光源ユニットSの結像位置をビーム径測定器8により像面4で確認する(S11)。かかる結像位置の確認を調整状態がそれぞれ異なる複数台について行い、結果Aを得る。
次に、図1(b)のように、基準の光源ユニットSを実際に使用する光学ユニット10に搭載して像面12での結像位置を確認する(S12)。かかる結像位置の確認を上記複数台について行い、結果Bを得る。
次に、上記結果A,Bを図5のようにグラフにプロットし、近似曲線mを描く。そして、図5の近似曲線mから光学ユニット10の結像位置が0となる、光源ユニット調整冶具Jの結像位置を図の破線のように求め、これが調整対象の光源ユニット20の調整基準であり、目標集光位置である(S13)。
次に、上記の目標集光位置を目標として、図1(c)の調整対象の光源ユニット20における半導体レーザ21とコリメートレンズ22の間隔Lを光源ユニット調整治具J上で調整する(S14)。
上述のようにして、間隔Lを調整した光源ユニット20を図1(c)のように、実際に使用する光学ユニット10に所定位置に位置決めて搭載することで、光学ユニット10に適合するように調整された光源ユニット20を光学ユニットに搭載できる。
以上のように、第2の実施の形態の光源ユニットの調整方法によれば、光学ユニットのレンズやミラーの加工誤差を考慮して、光源ユニットのコリメート度を調整するので、その光源ユニットを実際に使用する光学ユニットに搭載した場合、結像位置を像面に正確に合わせることができる。従って、加工誤差により結像位置が像面が合わず、画像品質が低下するという問題がなくなる。
また、光学ユニットにおいて、半導体レーザの劣化等の不具合が発生し、光源ユニットを交換する場合は、 他の光源ユニットで上記ステップS14を実施し、その光源ユニットを不具合が発生した光学ユニットに載せ替えるだけで像面上に結像位置が合う。従来、画像形成装置等においてこのような不具合が発生した場合は光学ユニットの交換となっていたが、上記方法のように光源ユニットを交換だけで不具合が解消すれば、手間がかからなくよく、メンテナンス性が向上する。
〈実施例2〉
次に、第2の実施の形態による光源ユニットの調整方法について実施例2により更に具体的に説明する。
図1(a)の光源ユニット調整冶具Jの集光レンズ3の焦点距離は200mmであり、コリメートレンズの焦点距離を6.25mm、光学ユニット10のfθレンズ11の焦点距離を255mmとした。また基準の光源ユニットSを2台とし、第1の光源ユニット及び第2の光源ユニットとする。
図4のステップS11において、光源ユニット調整冶具Jで、おおよそコリメート調整が済んでいる基準の光源ユニットSの結像位置を確認した。その結果、第1の光源ユニットの結像位置が196.64mm(設計値に対して−3.36mm)であり、第2の光源ユニットの結像位置が204.19mm(設計値に対して+4.19mm)であった。第1の光源ユニット及び第2の光源ユニットともに、コリメートレンズ2のパワーの誤差、半導体レーザ1とコリメートレンズ2との間隔Lの調整誤差により、結像位置が設計値からずれている。
次に、ステップS12で、基準の光源ユニットSを光学ユニット10に搭載して像面での結像位置を確認した。その結果、第1の光源ユニットを用いた場合の結像位置が設計値に対して−8.45mmであり、第2の光源ユニットを用いた場合の結像位置が設計値に対して+3.62mmであった。第1の光源ユニット及び第2の光源ユニットともに、コリメートレンズ2のパワーの誤差、半導体レーザ1とコリメートレンズ2との間隔Lの調整誤差、光学ユニット10上の他のレンズやミラーの加工誤差により結像位置が設計値からずれている。
次に、ステップS13で、図6のように上記結果をグラフにプロットし、近似曲線を描き、図で光学ユニット10上の結像位置が0となる光源ユニット調整冶具J上の結像位置を求め、これが光学ユニット10に搭載する光源ユニット20の調整基準となり、+1.92mmが目標集光位置と分かった。
次に、ステップS14で、上記の目標集光位置を狙って、調整対象の光源ユニット20の半導体レーザ21とコリメートレンズ22との間隔Lを調整し、+1.93mmに調整できた。
上述のようにして調整した光源ユニット20を図1(c)のように光学ユニット10に搭載し、結像位置を確認したところ、結像位置は設計値に対して+0.04mmで目標範囲内であった。
以上の第1及び第2の光源ユニットの調整方法によれば、光学系ユニット上のレンズの焦点距離誤差やミラー等の平面度誤差を考慮に入れて、光源ユニットのコリメート度(光源ユニット調整冶具上での結像位置)を規定する調整基準を求め、その調整基準を目標にして半導体レーザとコリメータレンズとの間隔を調整するので、従来技術よりも更に光学ユニット上でのピントを精度よく合わせることができる。
以上のように本発明を実施するための最良の形態について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図1の光源ユニットは、半導体レーザとコリメータレンズとにより平行光を出射する構成であるが、半導体レーザとカップリングレンズとにより発散光または収束光を出射するような構成であってもよく、同様の調整方法を適用できる。
また、図1(a)の光源ユニット調整冶具は、集光レンズによる結像位置を正確に測定できればよく、図示のようなビーム測定器に限定されず、例えば図7のような非点収差素子及びCCDカメラ等を用いた観察光学系を用いてもよい。
J 光源ユニット調整冶具
S 基準の光源ユニット
1 半導体レーザ
2 コリメートレンズ
3 集光レンズ
4 像面
8 ビーム径測定器
10 光学ユニット
11 fθレンズ
12 像面
13 ポリゴンミラー
14 ミラー
20 光源ユニット
21 半導体レーザ
22 コリメートレンズ
L 半導体レーザとコリメートレンズとの光軸方向における間隔
X 光軸方向
Y 光軸方向に対し垂直な方向、主走査方向
S 基準の光源ユニット
1 半導体レーザ
2 コリメートレンズ
3 集光レンズ
4 像面
8 ビーム径測定器
10 光学ユニット
11 fθレンズ
12 像面
13 ポリゴンミラー
14 ミラー
20 光源ユニット
21 半導体レーザ
22 コリメートレンズ
L 半導体レーザとコリメートレンズとの光軸方向における間隔
X 光軸方向
Y 光軸方向に対し垂直な方向、主走査方向
Claims (4)
- 半導体レーザとカップリングレンズとで構成される光源ユニットからの光ビームを集光レンズで集光し、その集光点近傍の結像状態を観察することによって前記半導体レーザと前記カップリングレンズとの間隔を調整する調整方法において、
前記調整がおおよそ済んでいる基準の光源ユニットを、調整対象の光源ユニットを使用する光学ユニットに搭載して像面付近の結像状態を観察し、その結果に基づいて前記調整対象の光源ユニットの調整基準を算出し、その調整基準に基づいて前記調整対象の光源ユニットの半導体レーザとカップリングレンズとの間隔を調整することを特徴とする光源ユニットの調整方法。 - 半導体レーザとカップリングレンズとで構成される光源ユニットからの光ビームを集光レンズで集光し、その集光点近傍の結像状態を観察することによって前記半導体レーザと前記カップリングレンズとの間隔を調整する調整方法において、
前記調整がおおよそ済んでいるとともに僅かに前記調整状態がそれぞれ異なる複数の基準の光源ユニットを、順次、調整対象の光源ユニットを使用する光学ユニットに搭載して像面付近の結像状態を観察し、それらの結果に基づいて前記調整対象の光源ユニットの調整基準を算出し、その調整基準に基づいて前記調整対象の光源ユニットの半導体レーザとカップリングレンズとの間隔を調整することを特徴とする光源ユニットの調整方法。 - 前記基準の光源ユニットを光源ユニット調整冶具に搭載し、前記基準の光源ユニットからの光ビームを集光レンズで集光し、その集光点近傍の結像状態を観察した結果を前記調整基準の算出に用いることを特徴とする請求項1または2に記載の光源ユニットの調整方法。
- 請求項1,2または3に記載の光源ユニットの調整方法により半導体レーザとカップリングレンズとの間隔が調整された光源ユニットを光学ユニットに搭載することを特徴とする光学ユニットの調整方法。
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