JP2009510533A - ジンバルマウント - Google Patents

Abstract

光学素子が回転台に据え付けられるジンバルマウントであって、回転台はホルダー内での回転のために装備し、言い換えると本体内での回転のために装備する。第１対の反作用調整ねじは、ホルダーを第１軸の周りで回転させるために、ホルダーの面上で作用する。第２対の反作用調整ねじは、回転台を第２軸の周りで回転させるために、回転台の面上で作用する。第１軸及び第２軸は直交する。

Description

本発明は、一般にジンバルマウントと呼ばれる光学部品に関する。ジンバルは、２個の互に直交して交差する回転軸を備えた機器であり、２方向への自由な角度移動を与える。特に本発明は、レーザ等の光学機器の光学部品を整列させるのに有用な微細固定調整装置を有するジンバルマウントに関する。

光学部品の精密な位置合わせは、レーザ及びレーザを利用する装置等の光学機器の有効な操作に欠くことができない。典型的な光学整列機器は、各光学素子の調整に所望の自由度を与えるために、合わせてボルトで固定される並進及び回転載置台である。全ての部品の正確な位置合わせを維持することは、特に熱変化が生じるならば困難である。光学マウントの慎重な調整は、光学の技術者及び科学者によって、早くから発展させられてきた技術である。

２軸上での回転調整をもたらすタイプのマウントは、キネマティックマウントである。キネマティックマウントの一例が、アーデルキネマティック（Ａｒｄｅｌ Ｋｉｎｅｍａｔｉｃ）に譲渡された特許文献１に見られる。アーデルキネマティックマウントは、マウントに保持された光学部品の幾何学中心を通過する２軸上での直角な調整を提供する。

ニューポートコーポレーション（Ｎｅｗｐｏｒｔ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）に譲渡された特許文献２も、キネマティックマウントを説明しているが、このキネマティックマウントは、位相のずれの導入を回避するために、光学素子の表面周りで枢動するものである。マウントは使用が簡単であるが、頻繁な調整を必要とする実験機器として構成されている。

光学的な位置合わせの頻繁な小さな調整は、商業製品では不可能である。例えば、レーザシステムは、眼科及び外科を含む多くの異なる医学分野に用途を見出している。
開業医は、レーザ装置の最高性能を維持するために、光学的な位置合わせの連続する小さな調整を行う技術又は要求を有さない。この理由のため、所定位置に設定及び固定され得る光学マウントを設計することが必要とされている。また、機器はこれまでにより小型且つ安価になっており、それ故、設定後に調整を必要とせず、熱安定性を有し、且つ安価な小型マウントを要求するという複雑さが加わる。

熱安定性は、幾つかのレーザ関連光学部品及び位置合わせ機器にとって、重大な問題である。非線形結晶等、通過する僅かな割合のレーザビームを吸収し、且つそれを熱に変換する光学部品は、光学性能を維持するために、安定的な温度に保たれなければならず、また光学部品からの熱は、機械的な位置合わせに変化をもたらしてはならない。温度制御機器が、光学部品及びマウントの間に必要とされるかもしれない。

別の重要な考慮すべき問題としては、光学部品の角度をなす回転が、幾何学中心点の周りで行われることである。これが達成されないならば、いかなる角度調整も、ビームが正確に光学部品に入りまた光学部品から出ることを保証するために、横方向の調整を補償することが必要である。殆どのレーザ利用では、角度調整範囲の相対的に小さな範囲のみが必要とされるが、その範囲に亘り微細な調整が必要とされ、次に位置合わせを変化させることなく固定され得る。

ジンバルマウントに対するこれらの要求が厳しい設計要件には；２面上における微細、
精確且つ固定可能な光学部品の幾何学中心周りでの角度調整、光学部品の温度安定性を維持する能力、温度制御機器を適合させる能力を含み、小型寸法及び低価格は、これまでの構成では達成されない。
米国特許第４０８８３９６号明細書 米国特許第６１９８５８０号明細書

本発明の目的は、２面上において、微細、精確且つ固定可能な直交する角度調整を可能にする光学マウントを提供することにある。
更なる目的としては、調整は光学部品の幾何学中心周りで行われる。

本発明の別の目的としては、光学部品の温度安定を維持できることにある。
更に別の目的としては、安価且つ小型の光学マウントを提供することにある。
更なる目的は、以下の説明から明らかにされる。

一形態において、唯一又は実際に最も広範な形態である必要はないが、本発明は、２軸上での光学素子の直交する角度調整をもたらす光学マウントにあり、
本体と、
本体内において、第１軸周りの回転のために装備されるホルダーと、
ホルダを第１軸の周りで回転させ、且つホルダーを固定するために、ホルダーの面上で作用する第１対の反作用調整手段と、
ホルダー内において、第２軸周りの回転のために装備されると共に、光学素子を据え付ける回転台と、
回転台を第２軸の周りで回転させ、且つ回転台を固定するために、回転台の面上で作用する第２対の反作用調整手段を含む。

適切には、第２軸は第１軸と直交する。
好適には、第１軸及び第２軸は、光学素子の幾何学中心で交差する。
反作用調整手段は、適切にはねじである。

光学マウントは更に、前記光学素子の熱調整手段を含む。
回転台及びホルダーは好適には、銅等の高い熱伝導性を備えた材料から作られるが、本体はアルミニウムから作られる。

本発明への理解を助けるために、好適な実施形態について、後の図面を参照して以下に説明する。

本発明の異なる実施形態を説明するに際して、同様な特徴を説明するために、共通の符号が用いられる。
図１を参照すると、光学マウント１の分解組立図が示されており、光学マウント１は、眼病用レーザシステムに収まる本体２を含む。図１の実施形態は、特定の機器用に構成されたマウントの細部を示す。当然のことながら、本発明は図示される特定の装置に限定されるものではなく、実際の情況における本発明の作用原理を説明するために、便利であるに過ぎない。観察を簡易にするために、図１のマウントは、図２に通常据え付け位置から逆さにされて示されている。

光学素子３は、熱調整クランプ４によって、ホルダー６内で回転可能な回転台５に固定
される。クランプ４は好適な実施形態では熱制御されるが、これは光学マウントの必須の特徴ではない。しかしながら、マウントの構成は、以下に説明する理由により、良好な熱安定性をもたらす。

回転台５の構成は、図３の分解組立図に最も明瞭に示される。回転台５は、ホルダー６の孔９の中に嵌る半円柱状軸７及び爪８を有する。軸７の外面１０及び爪８の外面１１は、孔９の直径よりも僅かに小さい直径を有する円柱面に対応する。孔９は内側円柱支持面１２を有する。爪８は軸７と共に、軸７の外面１０及び爪８の外面１１が、孔９の支持面１２上で円滑に回転するように、回転台５をホルダー６上に確実に配置させる。

支持面１０，１１，１２の慎重な機械加工により、ホルダーの回転が確実且つ安定的であるように、軸７及び爪８は孔９にとまり嵌めされる。面の間の近接接触は、後に明らかにされる理由により、良好な熱接触ももたらす。

一対の反作用調整ねじ１３，１４は、ホルダー６にねじ入れられると共に貫通して、調整面１５を押圧する。ねじ１３，１４は、ホルダー回転台５の回転が、ねじ１３，１４の微細調整によってもたらされるように、微細なねじ山を有する。図２に示すように、ねじ１３，１４は、本体２の穴３３，３４を貫通する。これは、回転台の回転の簡単な調整にとって好適である。

例えば、特に図１を見ると、ねじ１３をホルダー６まで前進させることにより、回転台５は時計方向に回転する。回転台５が正しい位置にある時に、ねじ１４は回転台５を選択された角度で固定するように締結される。同様に、ねじ１３を後退させ且つねじ１４を前進させることにより、回転台５は反時計方向に回転する。回転台５が所望位置にある時に、ねじ１３は締結される。

調整ねじ１３，１４は、光学素子３の図７に示す一次軸１７周りでの回転調整をもたらす。二次軸１６周りでの回転調整は、ホルダー６上で作用する調整ねじ１８，１９によって、上記と同様の方法でもたらされる。図７から明らかなように、光学マウントは、光学素子３の幾何学中心周りにおける、直交する角度調整を達成する。

ホルダー６の構成は、図１に最も明確に示されている。ホルダー６は、図１に示すように、本体２の孔２２の中に収まる半円柱状軸２０及び爪２１を有する。軸２０の外面２３及び爪２１の外面２４は、孔２２の直径よりも僅かに小さい直径を有する円柱面に対応する。孔２２は、内側円柱状支持面２５を有する。爪２１は軸２０と共に、軸２０の外面２３及び爪２１の外面２４が、孔２２の支持面２５上で円滑に回転するように、ホルダー６を本体２内に確実に配置する。

反作用調整ねじ１８，１９対は、本体２を通りねじ入ると共に、調整面２６を押圧する。ねじ１８，１９は、ホルダー６の微細な回転が、ねじ１８，１９の調整によってもたらされるように、微細なねじ山を有する。

例えば、特に図４を見ると、ねじ１８を本体２まで前進させることにより、ホルダー６の時計方向への回転が生じる。ホルダー６が正しい位置にある時に、ねじ１９はホルダー６を選択された角度に固定するように締結される。同様に、ねじ１８を後退させると共にねじ１９を前進させることにより、ホルダー６の反時計方向への回転が生じる。ねじ１８は、ホルダー６が所望の位置にある時に締結される。

特に図１を見ると、光学素子３の回転位置は、調整ねじ１３，１４によって一次面内で調整されると共に、ねじ１８，１９によって二次面内で調整されることがわかる。光学マ
ウント１は、光学素子がビーム経路に正しく位置決めされた状態で、レーザ等の光学機器の所定位置に固定される。正確な直交角度位置合わせは、ホルダー６及び回転台５も本体２内の所定位置に固定する調整ねじによって達成される。

上述したように、光学マウント１は、殆どの従来技術の調整光学マウントよりも良好な熱安定性をもたらす。回転台、ホルダー、及び本体間における大きな接触面面積は、光学マウントが熱平衡を保ち、マウント内における温度勾配によって生じさせられる誤整列が回避されることを意味する。また、調整ねじの連続した締結によるホルダーの固定は、軸面１０及び２３を夫々の支持面１２及び２５に挟持させる効果を有し、機械部品間における良好な伝熱を補償する。回転台５、ホルダー６及びクランプ片４は好適には、銅等の高い熱伝導性を備えた材料から作られるが、本体２はアルミニウムから作られ得る。

殆どの非線形結晶の場合のように、熱制御が必要ならば、特に図３に示すように、アクティブ素子が回転台５に組み入れられる。ペルティエチップ２７は光学素子３の下に配置されると共に、クランプ４によって所定位置に保持される。水冷却等の代替熱調整方法が、マウントに組み入れられてもよい。光学素子３は、熱伝導性エポキシ接着剤を使用して、クランプ片４及びペルティエチップ２７に接合される。アクティブ熱調整が必要とされないならば、光学素子３が確実に二次回転軸１６の中心と一列に据え付けられるように、回転台高さの適切な調整を伴い、光学素子３は回転台５に直接挟持されてもよい。異なる寸法の光学素子の使用を可能にするために、同様な調整が適用されてもよい。

光学マウントは安価な小型機器であり、２面内における光学部品の幾何学中心周りでの微細、精確且つ固定可能な直交角度調整をもたらす。光学マウントは、光学部品の熱安定性を保つと共に、温度制御機器を装着する能力を有する。

本明細書全体において、本発明を特定の代替構成の組み合わせに限定することなく、本発明を説明することが目的である。

光学マウントを示す分解組立図。 図１の光学マウントを示す略図。 図１の光学マウントの一部を示す分解組立図。 図１の光学マウントを示す前面図。 図１の光学マウントを示す底面図。 図１の光学マウントを示す上面図。 回転軸を示す図。

Claims (13)

1. ２軸周りにおける光学素子の直交角度調整をもたらす光学マウントであって、
   本体と、
   前記本体内において、第１軸を中心に回転するように装備されるホルダーと、
   前記ホルダーを前記第１軸を中心に回転させると共に、該ホルダーを固定するように、該ホルダーの面上で作用する第１対の反作用調整手段と、
   前記ホルダー内において、第２軸を中心に回転すると共に、前記光学素子を据え付けるように装備される回転台と、
   前記回転台を前記第２軸を中心に回転させると共に、該回転台を固定するように、該回転台の面上で作用する第２対の反作用調整手段と
   を含むことを特徴とする光学マウント。
2. 前記第２軸は前記第１軸と直交することを特徴とする請求項１の光学マウント。
3. 前記第１軸及び前記第２軸は、前記光学素子の幾何学中心で交差することを特徴とする請求項１の光学マウント。
4. 前記反作用調整手段はねじであることを特徴とする請求項１の光学マウント。
5. 前記光学素子の熱調整手段を更に含むことを特徴とする請求項１の光学マウント。
6. 前記光学素子を前記回転台に据え付ける熱調整クランプを更に含むことを特徴とする請求項１の光学マウント。
7. 少なくとも前記ホルダー及び回転台は、高い熱伝導率を備えた材料から作られることを特徴とする請求項１の光学マウント。
8. 前記材料は銅であることを特徴とする請求項７の光学マウント。
9. 前記本体はアルミニウムから作られることを特徴とする請求項１の光学マウント。
10. 前記ホルダーは、前記本体の孔内で回転するように配置する半円柱状軸及び爪を含むことを特徴とする請求項１の光学マウント。
11. 前記軸及び前記爪は外側支持面を有すると共に、前記孔は内側支持面を有することを特徴とする請求項１０の光学マウント。
12. 前記回転台は、前記ホルダーの孔内で回転するように配置する半円柱状軸及び爪を含むことを特徴とする請求項１の光学マウント。
13. 前記軸及び前記爪は外側支持面を有すると共に、前記孔は内側支持面を有することを特徴とする請求項１２の光学マウント。

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