JP2005300769A - 光学レンズ装置及びレーザ装置、光学レンズの位置決め方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 シュリンクフィッタ2は、熱膨張係数が鏡筒1よりも大きい高分子材料で形成され、コリメータレンズ部3の径に対応した内径の接合部分を有し、鏡筒1とコリメータレンズ部3との間に設けられて、鏡筒1とコリメータレンズ部3とを半径方向に接合する。プラスチックリング4は、熱膨張係数が鏡筒1よりも大きい高分子材料で形成され、コリメータレンズ部3の他端の側の端面を光軸方向に押える。リングナット5は、プラスチックリング4を他端の側で光軸方向に固定するための、他端において鏡筒1と結合される。
【選択図】 図1
Description
図16に、従来のすきまばめで接合したコリメータレンズの構成図を示す(非特許文献1参照)。コリメータレンズは光源側から順に4枚のレンズを備え、これをレンズCL1〜CL4と呼ぶ。CL1、2とCL3、4はり合わせてあり、それぞれをはり合わせレンズCL12、CL34と呼ぶ。CL1とCL3はそれぞれCL2とCL4より外径が若干大きくなっている。この2つのはり合わせレンズをアルミ製の鏡筒にすきまばめで接合している。
また、従来のすきまばめで鏡筒に組み込む方法では、環境温度の変化や振動などの影響によりレンズの位置決め精度が悪化し、ビームスポット径の増大や、結像面の移動などの課題が生じる。
図示のように、従来のすきまばめによる接合方法では温度変化時にレンズの偏心と傾きを十分に抑えることができない場合もある。特に、レンズの光軸方向の変化によるスポット径への影響は極めて大きく、例えば、僅か2μmでもスポット径が17μmを超えて悪化する場合がある。
また、図18に結像面の移動についての説明図を示す。結像面とは、レーザダイオード内の点で示した箇所であり、レーザダイオードの光源の出射端に相当する。この結像位置が、図(a)から(b)に変化するため、平行光が射出せずレーザビームのスポット径が増大する。
そこで、本発明は、以上の点に鑑み、鏡筒に入れられたレンズの光軸方向の位置決めを行うために、プラスチック又は樹脂製のリングによりレンズを光軸方向に押えることで環境温度の変化時のレンズの光軸方向の位置決め精度の安定化を実現するための光学レンズ装置及びレーザ装置、光学レンズの位置決め方法を提供することを目的とする。また、本発明は、コリメータレンズのような部分に適用することにより、温度変化が生じても、レーザ光の平行光束を維持し、そして、コリメータレンズの性能を温度変化にかかわらずほぼ一定とすることを目的とする。
本発明の第1の解決手段によると、
光源からの光を平行光に変換するためのコリメータレンズ部と、
一端と他端を有し、前記コリメータレンズ部を内部に収容し、前記一端で直接又は間接的に前記コリメータレンズ部の端面を光軸方向に抑え、前記一端の開口部から光源からの光が入射され、前記他端から平行光を出射する鏡筒と、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、前記コリメータレンズ部の径に対応した内径の接合部分を有し、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部との間に設けられて、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部とを半径方向に接合するための接合部材と、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、前記コリメータレンズ部の前記他端の側の端面を光軸方向に押えるためのプラスチックリングと、
前記プラスチックリングを前記他端の側で光軸方向に固定するための、前記他端において前記鏡筒と結合されたリング部材と
を備えた光学レンズ装置が提供される。
上述の光学レンズ装置と、
前記光学レンズ装置の結像面に配置されたレーザ光源と、
前記光学レンズ装置から出力された平行光を走査するためのポリゴンミラーと、
走査された平行光をビームに結像するためのレンズ部と
を備えたレーザ装置が提供される。
光源からの光を平行光に変換するための光学レンズと、前記光学レンズを収容する鏡筒とを備えた光学レンズ装置において、前記鏡筒内における光学レンズの位置決め方法であって、
鏡筒の一端で直接又は間接的にコリメータレンズ部の端面を光軸方向に抑え、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、前記コリメータレンズ部の径に対応した内径の接合部分を有し、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部の間に設けられた接合部材により、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部とを半径方向に接合し、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成されたプラスチックリングにより、前記コリメータレンズ部の他端の側の端面を光軸方向に抑え、
リング部材により前記他端において前記鏡筒と結合し、前記プラスチックリングを前記他端の側で光軸方向に固定するようにした
光学レンズの位置決め方法が提供される。
光学レンズ装置10は、鏡筒1、シュリンクフィッタ(接合部材)2、コリメータレンズ部3、プラスチックリング4、リングナット(リング部材)5を備える。
鏡筒1は、一端と他端を有し、コリメータレンズ部3を内部に収容し、一端で直接又は間接的にコリメータレンズ部3の端面を光軸方向におさえ、一端の開口部から光源からの光が入射され、他端から平行光を出射する。鏡筒1は、例えばアルミニウム等の金属で形成することができる。鏡筒1の光源側の端部は一体型の縁部としてもよいし、別の縁部を鏡筒1にはめ込む又は接合するような構成としてもよい。また、一端又は他側の縁部に適宜スペーサを備えコリメータレンズ部3をおさえるようにしてもよい。
シュリンクフィッタ2は、熱膨張係数が鏡筒1よりも大きい高分子材料で形成され、コリメータレンズ部3の径に対応した内径の接合部分を有し、鏡筒1とコリメータレンズ部3との間に設けられて、鏡筒1とコリメータレンズ部3とを半径方向に接合する。
シュリンクフィッタ2及びプラスチックリング4は、熱膨張係数がアルミニウム等の金属の鏡筒1よりも大きい高分子材料又は樹脂製(プラスチック)の円筒形状の機械要素である。ここでは一例として、ポリオキシメチレン(アセタール)(POM、Poly Oxy Methylane)、耐熱高分子材料のポリイミドまたはアクリル等を材料として使用している。
さらに、コリメータレンズ部3の一端及び/又は他端に、または、プラスチックレンズ4とリングナット5の間等にさらにスペーサを適宜備えるようにしてもよい。
このように、本実施の形態では、レンズの偏心や傾きを防ぐため、コリメータレンズ部3と鏡筒1の間にシュリンクフィッタ2を用いて締りばめで組み込んだ。シュリンクフィッタ2によりレンズの締りばめが可能となる。加えて締付け圧力を一定に保つことが可能となり、温度変化によってレンズと鏡筒の隙間の発生を防ぐことができる。その際、締付け圧力が強いとレンズ面が大きく変形して光学的な性能が劣化する場合がある。そこで本実施の形態では、締付け圧力によりレンズ面がe/2を超えて変形しないよう、シメシロと最適な締め付け位置を有限要素法数値解析ソフトウェアMARC(Ver.7.3)を用い、数値解析によって求めた。
図3に、本実施の形態で使用した各部材の材質と熱膨張係数についての図を示す。
図4及び図5に、半径方向にスリットを有するシュリンクフィッタの横断面図及び縦断面図を示す。
図示のように、シュリンクフィッタ2は、レンズ群の半径方向にスリットをいれるようにしても良い。このスリットは、シュリンクフィッタを完全に分割するようにいれてもよいし、半径方向の一部を残して分割しないようにしても良い。さらに、光軸方向に完全に分割してもよいし、光軸方向の一部を残して分割しないようにしてもよい。スリットの数も適宜設定することができる。連続している部分を中央付近レンズに接合する部分以外とする等、組み立ての利便を考えて、適宜設定し得る。シュリンクフィッタ2に、半径方向に上述のようなスリットをいれ、かつ、シュリンクフィッタ2の厚みを最適にすることで、レンズの半径方向の熱膨張を有効に活用でき、シメシロの減少を防ぐことが一層可能となる。なお、半径方向の外側又は中間部分にスリットを入れてもよい。また、シメシロを大きくするとレンズの偏心は小さくなるが、レンズ球面が大きく変形して結像精度が悪化してしまう場合がある。そのため、最適な寸法設計を行えば、温度変化によらずにシメシロを一定にすることが一層可能であり、締りばめを光学部品の接合に適用することができる。このシメシロの設定は、例えば、3次元FEM解析により求めることができる。
シュリンクフィッタ2は、レンズ群を囲んでいる外周の円周方向に溝120、121を必要に応じて設けることができる。溝120及び121は、例えば、針金・ひもなどを通すことによって、レンズ群を接合しているシュリンクフィッタ2を固定するためのものである。
図7は、接合部分の部分拡大図を示す。特に、図中のレンズ16は、両面が凹面であり接合面が広いために、わずかな締め付け圧力で変形が生じやすい。このような変形を防ぐために、図示のようにレンズの外周厚より狭い接合面130を設けて、シュリンクフィッタ2とレンズ16の接合幅がレンズの厚みより小さくなるようにし、また、中心付近のレンズが変形しにくい部分に接合面を集中するようにしている。このような接合面130は、適宜の位置の適宜の形状のレンズに対して設けることができる。また、逆L字形のスペーサによりレンズの端面の凹面を押えるようにしている。このような接合面は片面が凹面のレンズで、凸レンズ等にも適当できる。
図8に、プラスチックリングの変形例の図を示す。
図示のように、プラスチックリング4は、前記コリメータレンズ部2の端面を押える断面がL字形状、逆L字形状、斜め形状、曲線形状のいずれかとしてもよい。
また、図9に、プラスチックリングにスリットを設けた変形例の図を示す。
図示のように、プラスチックリング4は、上述のようなシュリンクフィッタ2の変形例と同様に一部又は全部の厚さにわたって半径方向にスリットを備えてもよい。スリットを一部に設ける場合に、半径方向の内側、外側、中間のいずれに設けてもよい。また、スリットの数も適宜設定することができる。
図10に、レーザースキャナ光学系の概略図を示す。
このレーザ装置は、上述の光学レンズ装置10と、光学レンズ装置10の結像面に配置されたレーザ光源11と、光学レンズ装置10から出力された平行光を走査するためのポリゴンミラー12と、走査された平行光をビームに結像するためのレンズ部13とを備える。レンズ部13は、さらにfθレンズ、シュリンクフィッタ、鏡筒を有する。
レーザーダイオードから射出した光はコリメータレンズで平行な光束にされたあと、ポリゴンミラーにより走査され、fθレンズにより微細なビームに結像される。この例では走査幅80mmにわたってビームスポット径が12±5μmになるように光学系を設計した。ここで使用したコリメータレンズは2群4枚のレンズCL1〜CL4で構成されている。従来はそれらのレンズ群をアルミ製の鏡筒にすきまばめで固定している。レンズの外径および鏡筒の内径の呼び寸法は12mmである。
本実施の形態の光学レンズ装置10をこのようなレーザ装置に適用することで、レーザ装置のレンズの位置決め精度を一層高くすることができる。
従来法で接合した場合とシュリンクフィッタを用いて接合したコリメータレンズの、結像面の移動量とレンズの光軸方向の位置の変化量の測定を行った。
図11に、シュリンクフィッタを用いて接合した各種コリメータレンズの構成図を示す。
シュリンクフィッタを用いた接合は図11および図1に示す3条件で行った。ケース1はシュリンクフィッタを用いた締りばめによってレンズの傾き、偏心を抑えることを目的とした。ケース2はCL4の端面をアルミ製のリングとリングナットにより光軸方向に押えて光軸方向の伸びを抑えることを目的とした。次にケース3は本実施の形態によるもので、CL4の端面とリングナットの間は熱膨張係数が大きいPOM製のリングを挟み、温度上昇時のレンズの移動をキャンセルさせることを目的とした。これらのコリメータレンズの鏡筒の外周にヒーターを取り付け、温度を上昇させ、温度変化によるレンズの変化を調べた。
図12に、結像面の移動量の測定を行った測定装置の構成図を示す。温度は30℃から70℃まで変化させ、30℃を基準とし、10℃上昇するごとに測定を行った。
この測定装置からレーザダイオードとfθレンズ、スポットスキャンを取りはずし、コリメータレンズのCL12とCL34側にレーザ変位計を設置し、温度変化によるCL12とCL34の面間隔の変化量を測定した。非特許文献2により明らかとなった、レーザスキャナのビームスポット径が使用限界の17μm以下であるための移動量の許容値は10μmである。
コリメータレンズの性能を評価する際には環境温度が変化した場合、どのように平行光線が崩れるかを調べるべきである。今回は逆に平行光線が射出される面から平行光線を入射し、コリメータレンズの環境温度を変化させたとき、その結像面の位置の変化を調べた。本研究で設計したレーザスキャナのビームスポット径が使用限界の17μm以下であるための結像面の移動量の許容値は3μmである。仮に環境温度が変化しても結像面の位置が変化しないコリメータレンズならば、それは光源の位置にレーザダイオードを置いた場合、環境温度が変化しても平行光線が崩れないコリメータレンズといえる。
レーザーダイオードのカバーガラスとCL12の間隔が光軸方向に変化した場合と、CL12とCL34の間隔が光軸方向に変化した場合について解析した。図はカバーガラスとCL12の間隔が変化した場合と、CL12とCL34の間隔が変化した場合のX方向およびY方向のスポット径の解析結果である。カバーガラスとCL12の間隔、およびCL12とCL34の間隔が変化したときのどちらの場合もスポット径Yが大きく悪化することが分かる。スポット径Xについてはどちらの場合も変化量が100μmを超えても17μm以内だった。カバーガラスとCL12の間隔が変化した場合とCL12とCL34の間隔が変化した場合を比べてみると、カバーガラスとCL12の間隔が変化したときの方がスポット径がより大きく悪化していて、なおかつ負の向きに変化した場合では僅か2μm程度でスポット径Yが17μmを超えてしまうということが明らかになった。
なお、上述の使用限界は1例であり、レンズ位置の移動量の許容値10μm及び結像面の移動量の許容値3μmでは、一例として、このような実験により定めた。
図14に、レンズ位置の変化量の測定結果の図を示す。この図はレンズCL12とCL34の間の変位に及ぼす温度の影響を示す。また、図15に、結像面の移動量の測定結果の図を示す。この図は、結像面の変位に及ぼす温度の影響を示す。
従来のすきまばめで接合したレンズは2セットの実験を行った。それぞれをユニット1、ユニット2とした。ユニット1とユニット2に使用した鏡筒の呼び寸法は同一である。また、シュリンクフィッタを用いた場合はユニット1のレンズを使用した。
測定を行った結果、70℃におけるレンズ位置の変化量は、ケース1が31.6μmと許容値である10μmを大きく超える値となり、ケース2が6.8μm、ケース3が3.7μmと、共に許容値以下の値となった。次に結像面の移動量の測定結果は70℃のときそれぞれ、ケース1が7.9μm、ケース2が4.0μmと、許容値である3μmを超える値となり、ケース3が、許容値以内の0.4μmとなった。結果的にレンズ間隔の変化量、結像面の移動量共に、測定を行った30〜70℃においてケース1が最も大きな値となり、ケース3が最も小さな値となった。
2 シュリンクフィッタ
3 コリメータレンズ部
4 プラスチックリング
5 リングナット
10 光学レンズ装置
11 レーザ光源
12 ポリゴンミラー
13 レンズ部
Claims (11)
- 光源からの光を平行光に変換するためのコリメータレンズ部と、
一端と他端を有し、前記コリメータレンズ部を内部に収容し、前記一端で直接又は間接的に前記コリメータレンズ部の端面を光軸方向に抑え、前記一端の開口部から光源からの光が入射され、前記他端から平行光を出射する鏡筒と、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、前記コリメータレンズ部の径に対応した内径の接合部分を有し、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部との間に設けられて、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部とを半径方向に接合するための接合部材と、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、前記コリメータレンズ部の前記他端の側の端面を光軸方向に押えるためのプラスチックリングと、
前記プラスチックリングを前記他端の側で光軸方向に固定するための、前記他端において前記鏡筒と結合されたリング部材と
を備えた光学レンズ装置。 - 前記プラスチックリングの材料は、POM、ポリイミド、又は、アクリルである請求項1に記載の光学レンズ装置。
- 前記プラスチックリングは、前記コリメータレンズ部の端面を押える断面が、四角形状、L字形状、逆L字形状、斜め形状、曲線形状のいずれかであることを特徴とする請求項1又は2に記載の光学レンズ装置。
- 前記プラスチックリングは、一部又は全部の厚さにわたって半径方向にスリットを備えたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の光学レンズ装置。
- 前記コリメータレンズ部は、
第1の光学レンズ部と、
第2の光学レンズ部と、
前記第1及び第2のレンズ部の間のスペーサと
を備えた請求項1乃至4のいずれかに記載の光学レンズ装置。 - 前記第1及び第2の光学レンズ部は、複数のレンズを用いた張り合わせレンズであることを特徴とする請求項1乃至5のいずれかに記載の光学レンズ装置。
- コリメータレンズ部の前記一端及び/又は前記他端に、又は、前記プラスチック部と前記リング部材との間に、さらにスペーサを備えたことを特徴とする請求項1乃至6のいずれかに記載の光学レンズ装置。
- 前記接合部材は、一部又は全部の半径方向厚さ又は軸方向の長さにわたって半径方向にスリットを備えた請求項1乃至6のいずれかに記載の光学レンズ装置。
- 前記接合部材は、前記光学レンズをその外周の幅より狭い接合幅で接合するための接合面を備えた請求項1乃至7のいずれかに記載の光学レンズ装置。
- 請求項1乃至8のいずれかに記載の光学レンズ装置と、
前記光学レンズ装置の前記一端の開口部側に配置されたレーザ光源と、
前記光学レンズ装置から出力された平行光を走査するためのポリゴンミラーと、
走査された平行光をビームに結像するためのレンズ部と
を備えたレーザ装置。 - 光源からの光を平行光に変換するための光学レンズと、前記光学レンズを収容する鏡筒とを備えた光学レンズ装置において、前記鏡筒内における光学レンズの位置決め方法であって、
鏡筒の一端で直接又は間接的にコリメータレンズ部の端面を光軸方向に抑え、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、前記コリメータレンズ部の径に対応した内径の接合部分を有し、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部の間に設けられた接合部材により、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部とを半径方向に接合し、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成されたプラスチックリングにより、前記コリメータレンズ部の他端の側の端面を光軸方向に抑え、
リング部材により前記他端において前記鏡筒と結合し、前記プラスチックリングを前記他端の側で光軸方向に固定するようにした
光学レンズの位置決め方法。
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