JP2020076875A - Lens alignment device and lens alignment method - Google Patents
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Abstract
Description
本願は、レンズ調芯装置およびレンズ調芯方法に関わる。 The present application relates to a lens alignment device and a lens alignment method.
レーザーダイオード(以下、LDと略記することもある)は、レンズ等の光学部品と組みわせることで、発散光が平行光もしくは、集光光に変換され、様々な機器に用いられている。ここで、LDとレンズ等の光学部品の光軸調整は、レンズ通過後の光ビーム像をカメラ等で観測した際に、観測された像が最適位置あるいは最適形状となるようレンズ位置を調整している。 A laser diode (hereinafter sometimes abbreviated as LD) is combined with an optical component such as a lens to convert divergent light into parallel light or condensed light, and is used in various devices. Here, the optical axes of the LD and the optical components such as the lens are adjusted by adjusting the lens position so that the observed image has an optimum position or an optimum shape when the light beam image after passing through the lens is observed by a camera or the like. ing.
LDを発振させながらレンズ調芯する場合、特に高出力レーザーを調芯する場合においては、迷光等によりレンズ把持部の温度が上昇、熱膨張する。
レンズ把持部が熱膨張によりその設置位置が移動した場合、光ビームが照射方向に設置した観測カメラの視野範囲から外れ光ビームが見えなくこともあり、光軸の調芯フローに従い調芯ができなくなる。
When aligning the lens while oscillating the LD, particularly when aligning a high-power laser, the temperature of the lens gripping portion rises and thermally expands due to stray light or the like.
If the installation position of the lens gripper moves due to thermal expansion, the light beam may be out of the field of view of the observation camera installed in the irradiation direction, and the light beam may not be visible, so alignment can be performed according to the optical axis alignment flow. Disappear.
調芯の際には、レーザー光のビーム幅、位置、輝度およびビームの重なり(LDバーの各エミッタ同士のビームの重なり)具合を精度よく合わせる必要がある。そのためには、LDレンズユニット(LDにレンズを取り付けたもの)から照射される光ビームをイメージセンサなどを用いて光ビームを取得しながら、LDレンズユニットのレンズ位置を6軸ステージで調整することにより調芯を行う。高精度に調芯(位置調整)した後は、このレンズをLDに対して位置ズレが起きないよう接着剤等で固定する。 At the time of alignment, it is necessary to accurately match the beam width, position, brightness, and beam overlap (beam overlap between the emitters of the LD bar) of the laser light. For that purpose, the lens position of the LD lens unit is adjusted by the 6-axis stage while acquiring the light beam emitted from the LD lens unit (lens attached to the LD) using an image sensor or the like. Align with. After highly accurate centering (position adjustment), the lens is fixed with an adhesive or the like so as not to be displaced with respect to the LD.
ところが、近年のLD、あるいはLDバーの高出力化に伴い、光ビームを照射しながら、高精度なレンズの調芯を行う際、特にレンズの調芯の初期(開始直後)において、レンズには入射しない光ビームの迷光等の割合が高いために、この迷光がレンズ把持部に当たり、レンズ把持部の温度上昇が起きる。この温度上昇により発生した熱が、レンズ調芯中にレンズ把持部から、その外部に伝導していくことにより、レンズ把持機構全体の温度が上昇するとともに熱膨張が起きる。この熱膨張により、レンズ把持部の位置が変動するので、その変動量が大きい場合には、LD、あるいはLDバーから照射されている光ビームが、光ビームを観測しているイメージセンサの撮像可能範囲から外れてしまい、レンズ調芯を行えない状態になることがあった。 However, with the recent increase in the output power of LDs or LD bars, when performing highly accurate lens alignment while irradiating a light beam, especially in the initial stage (immediately after the start) of the alignment of the lens, Since the proportion of stray light or the like of the light beam that does not enter strikes the lens grip portion, the temperature of the lens grip portion rises. The heat generated by this temperature rise is conducted to the outside from the lens holding portion during the lens alignment, so that the temperature of the entire lens holding mechanism rises and thermal expansion occurs. Due to this thermal expansion, the position of the lens grip changes, so if the amount of change is large, the light beam emitted from the LD or LD bar can be imaged by the image sensor observing the light beam. There were cases where the lens was out of the range and the lens alignment could not be performed.
本願は、上記のような課題を解決するための技術を開示するものであり、断熱材を用いることで、レンズ把持部付近からの熱がレンズ把持部の外側部分に伝導するのを防いでイメージセンサで認識された光ビーム位置の変化量を少なくすることにより、光ビームがイメージセンサ外へ到達することを防ぎ、短時間で容易に調芯作業を完了できるレンズ調芯装置及びレンズ調芯方法を実現することを目的とする。 The present application discloses a technique for solving the above-mentioned problems, and by using a heat insulating material, it is possible to prevent heat from the vicinity of the lens grip portion from being conducted to the outer portion of the lens grip portion. By reducing the amount of change in the light beam position recognized by the sensor, the light beam is prevented from reaching the outside of the image sensor, and the centering work can be easily completed in a short time. The purpose is to realize.
本願に開示されるレンズ調芯装置は、
レーザーダイオードからの光ビームを平行光もしくは集光光に変換するためのレンズと、
前記レンズを把持するレンズ把持部と、
前記レンズ把持部を支持するとともに、前記レンズを調芯するため当該レンズ把持部の設定位置を変化させる6軸ステージと、
変換された光ビームの位置を認識し記憶するビーム位置取得部と、
前記6軸ステージの構成部品である各ステージを独立に駆動制御するステージコントローラと、
前記レンズ把持部から前記6軸ステージへの熱移動、あるいは前記6軸ステージの構成部品間の熱移動を遮断する断熱材と、を備え、
前記ビーム位置取得部の光ビームの位置情報並びにビーム形状及び輝度情報を基に、前記ステージコントローラを駆動制御させることにより、前記レンズ把持部の位置を変化させて、前記レンズの調芯を行うことを特徴とするものである。
The lens alignment device disclosed in the present application,
A lens for converting the light beam from the laser diode into parallel light or condensed light,
A lens gripper for gripping the lens,
A 6-axis stage that supports the lens gripping portion and changes the setting position of the lens gripping portion in order to align the lens;
A beam position acquisition unit that recognizes and stores the position of the converted light beam,
A stage controller for independently driving and controlling each stage, which is a component of the 6-axis stage,
A heat insulating material for blocking heat transfer from the lens gripping portion to the 6-axis stage or heat transfer between components of the 6-axis stage;
Adjusting the position of the lens gripper to align the lens by driving and controlling the stage controller based on the position information of the light beam of the beam position acquisition unit and the beam shape and brightness information. It is characterized by.
本願に開示されるレンズ調芯装置によれば、断熱材を用いることで、レンズ把持部付近からの熱がレンズ把持部の外側部分に伝導するのを防いでイメージセンサで認識された光ビーム位置の変化量を少なくすることにより、光ビームがイメージセンサ外へ到達することを防ぎ、短時間で容易に調芯作業を完了できるレンズ調芯装置及びレンズ調芯方法を実現できる。 According to the lens alignment device disclosed in the present application, by using the heat insulating material, it is possible to prevent heat from the vicinity of the lens gripping portion from being conducted to the outer portion of the lens gripping portion, and to detect the light beam position recognized by the image sensor. It is possible to realize a lens aligning device and a lens aligning method that prevent the light beam from reaching the outside of the image sensor and can easily complete the aligning work in a short time by reducing the amount of change.
実施の形態1.
実施の形態1のレンズ調芯装置の一例について、以下図を用いて説明する。
図1は、レーザーダイオードパッケージ14に対して、レンズ23に接してレンズを直接支持するタブ部25を介して、位置調整されて調芯されたレンズ23が、接着層24により固定されている状態を説明するための図である。ここで、LDパッケージ14は、LD本体13(LDもしくはLDバーで構成。以下同様)、LD本体13への電流通電用のワイヤ、もしくはリボン等の導線(図示せず)、およびLD本体冷却用のLDヒートシンク12を有している。また、図1(a)は、レンズ調芯後の状態を示す平面図、図1(b)はレンズ調芯後の状態を示す正面図である。なお、この図1(b)より判るように、LD本体から出射したレーザー光が、レンズ23のほぼ形状中心を通過するよう調芯された位置でレンズは固定されることが多い(ただし用途による)。
An example of the lens alignment device according to the first embodiment will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 shows a state in which the
図2は、実施の形態1によるLD本体13にレンズ23を調芯するためのレンズ調芯装置の一例を示す正面図である。
図3は実施の形態1によるLD本体にレンズを調芯するためのレンズ調芯装置の一例を示す側面図である。
FIG. 2 is a front view showing an example of a lens centering device for centering the
FIG. 3 is a side view showing an example of a lens centering device for centering a lens on the LD body according to the first embodiment.
図2、図3に示すようにLDパッケージ14は、その構成部品として、光源となるLD本体13(すなわち、LDあるいはLDバーで構成)、LD本体13に電流を通電するための(図示しない)ワイヤ、もしくはリボン等の導線、及びLD本体13を冷却するためのLDヒートシンク12を有している。このLD本体13はLDヒートシンク12の上側に実装された状態でLD台座11上に設置されている。レンズ23は、レンズチャック21によりタブ部25が把持され、その位置を、LD本体13から出射される光ビームの形状と位置を確かめながら最適位置へ調芯する位置調整を行った後、最終的にUVランプ50を用いて、接着層24を硬化し、LDヒートシンク12に固定する。
As shown in FIGS. 2 and 3, the
レンズ調芯装置は光ビームを出射しながらレンズを調整するため、ゴミ等があると、光ビームでゴミ等が燃焼する可能性があるので、ゴミ等が入り難いように装置全体を覆う必要がある。そこで、図2、図3に示すように、装置全体を定盤カバー51で覆うようにした。
また、レンズ調芯中に振動があると、光ビームの位置が変動して調芯が困難となってしまうため、レンズ調芯装置の各構成部品は、全体が除震台である定盤10の上に設置されている。
このように、レンズ調芯装置は、風の影響、あるいは外部からの振動の影響を防ぐ構造を備えたものである。
Since the lens alignment device adjusts the lens while emitting the light beam, dust and the like may be burned by the light beam.Therefore, it is necessary to cover the entire device to prevent dust and the like from entering. is there. Therefore, as shown in FIGS. 2 and 3, the entire apparatus is covered with a
Further, if there is vibration during the lens alignment, the position of the light beam changes and alignment becomes difficult. Therefore, each of the components of the lens alignment device is a
As described above, the lens centering device has a structure for preventing the influence of wind or the influence of vibration from the outside.
次に、レンズ調芯装置の詳細について以下説明する。レンズ調芯装置は、図2、図3に示す構成となっている。これらの図に示すように、レンズ調芯装置は、θyステージ41、θzステージ42、θxステージ43、yステージ44、zステージ45、xステージ46等で構成される6軸ステージ40と、ステージ固定用Lブラケット32と、レンズチャック21、エアチャック機構22、およびレンズ把持用Lブラケット31とで構成されるレンズ把持部20と、スクリーン61、レンズ群62、イメージセンサ(ここでは、例えばCCDカメラで用いられるものを想定。以下同様)63で構成されるビーム位置取得部64と、UVランプ50からなる。ここで、LD本体からの出射光はレーザー光路LBに沿って、スクリーン61、レンズ群62、イメージセンサ63などに到達する。
Next, details of the lens alignment device will be described below. The lens alignment device has the configuration shown in FIGS. 2 and 3. As shown in these drawings, the lens alignment device includes a 6-
上記6軸ステージ40の先端部には、エアチャックで開閉するレンズ把持部20があり、このレンズ把持部20により、レンズ23が把持される。また、6軸ステージ40には、図示しないモータ、アクチュエータが備えられ、ステージコントローラに接続されている。この6軸ステージ40を用いることにより、レンズ23をx、y、z方向に直進移動するとともに、θx、θy、θz方向に回転移動させることで、レンズの位置調整が可能である。なお、6軸の調整は各ステージを使って独立に調整可能である。
At the tip of the 6-
ここで、軸の方向はレンズの接着層が表面にあるLDヒートシンク面を基準とし、その面上で互いに直交する方向がx、y方向で、z方向は、これらx、y方向に直交する方向であり、θx、θy、θz方向は、これらx、y、z方向をそれぞれ示す軸であるx軸、y軸、z軸を中心にして、それぞれ、これらの各軸の周りに回転する方向に設定されている。 Here, the directions of the axes are based on the LD heat sink surface having the adhesive layer of the lens as a reference, and the directions orthogonal to each other on the surface are x and y directions, and the z direction is a direction orthogonal to these x and y directions. And the θx, θy, and θz directions are the directions of rotation around these axes about the x-axis, the y-axis, and the z-axis, which are axes indicating the x, y, and z directions, respectively. It is set.
6軸ステージ40の構成部品間に断熱材70がない場合には、LDを発光させ、その光をレンズに通し、ビームの形状と位置を確認しながら、6軸ステージ40によりレンズの位置を移動させて調芯を開始すると、開始直後は特にレンズを透過しない光ビームによって、レンズチャック21等が暖められ、その熱が伝わりレンズ調芯装置全体が暖まることによって膨張することがあり、特に、100W以上の高出力LDを光源として使用した場合に、その頻度が高まることが想定される。
When there is no heat insulating material 70 between the components of the 6-
そこで、本実施の形態では、6軸ステージ40を構成するzステージ45とxステージ46を繋げる部分に配置されているステージ固定用Lブラケット32を利用して、zステージ45とステージ固定用Lブラケット32の間に例えば断熱材70aを挿入する。
Therefore, in the present embodiment, the z-
このように、断熱材70(ここでは断熱材70a)を入れた場合には、レンズ調芯装置全体の膨張、特にy方向の変位を防ぐ効果が期待できる。特に、サイズ効果により熱膨張した時にy方向に大きく変位するステージ固定用Lブラケット32に対し、熱が伝わるのを防ぐ効果があり、断熱材70を挿入することで、特にレンズチャック21部分が熱の影響により位置が変化する量を少なくできるので、調芯手順に沿ったレンズの位置調整が可能になる。
As described above, when the heat insulating material 70 (here, the
以上において、断熱材70を挿入する箇所は、調芯装置の構成によって効果が大きい場所であれば、どこでもよく、図2に示した設置箇所にこだわらない。また、挿入する箇所も上述の1箇所に固定されるものではなく、例えば、θyステージ41とレンズ把持用Lブラケット31の間に挿入してもよい(ここでは断熱材70bを挿入)。また、断熱材の挿入箇所も1箇所だけに絞る必要はなく、上述の断熱材70aと断熱材70bを2つとも、それぞれ上述の箇所に同時に挿入してもよい。なお、この詳しい理由については後述する。
In the above, the heat insulating material 70 may be inserted in any place where the effect is great depending on the configuration of the aligning device, and is not limited to the installation place shown in FIG. Further, the place to be inserted is not fixed to the above-mentioned one place, but may be inserted, for example, between the
以上説明したように、断熱材70を用いることで、レンズ把持部付近からの熱移動がレンズ把持部以外の他の部分に伝導するのを防ぎ、レンズの位置変化量を少なくできる。
ただし、レンズ23に近すぎる位置(例えば、レンズ把持用Lブラケットよりレンズ23に近い位置)では、かえってこのレンズ把持部に熱がこもる状態を引き起こす可能性があるため、ここへの断熱材70の配置は避けた方がよい。
As described above, by using the heat insulating material 70, it is possible to prevent heat transfer from the vicinity of the lens gripping part from being conducted to other parts other than the lens gripping part, and to reduce the amount of lens position change.
However, at a position that is too close to the lens 23 (for example, a position closer to the
以上において、断熱材70、70a、70bの主材料としては、ホウ酸塩系バインダ、リン酸塩系バインダ、耐熱性エポキシ樹脂、イソ系不飽和ポリエステル、セメント、ガラス繊維等が挙げられる。
In the above, as a main material of the
次に、レンズの調芯において、断熱材を用いた経緯について以下説明する。
実際の調芯においては、LDパッケージ14に電力を供給し、光ビームを出射して行う。光ビームを出射すると、レンズ23の初期位置にも依るが、LD本体13から出た光の半分以上はレンズ23に入ることになり、残りの光はLD周辺部に拡散し、その拡散光が、特に、レンズチャック21に当たることで、この拡散光が当たった部分の温度が上昇する。また図に示すように、調芯装置は防塵等のため定盤カバー51で覆われているので、定盤カバー内の空気も同時に温まることになり、装置全体の温度も少しずつ上昇する。
Next, the process of using the heat insulating material in the centering of the lens will be described below.
In the actual alignment, power is supplied to the
この場合、レンズチャック21部分の温度が上昇すると、その熱がレンズ調芯装置の他の部分に伝わり、その部分の温度が徐々に上がっていく。
In this case, when the temperature of the
その後、レンズ23の位置を、6軸ステージ40を使用し調芯手順に沿って、1軸ずつ調整して、最適位置へ移動させていく。
この調整を行っている間に、レンズ調芯装置全体の温度が上昇するために熱膨張が起き、レンズチャック21の位置が動く。そうすると、各軸を最適位置に調整し、次の軸の調整を始めても、この熱膨張の影響によりレンズチャック21の位置が変動するため、最適な調整位置からレンズ23の位置が外れることに繋がる。
After that, the position of the
During this adjustment, the temperature of the entire lens centering device rises, so that thermal expansion occurs and the position of the
これでは、レンズ調芯の手順に従い光ビームの形状と位置が最適となるように調整しても、各軸が熱膨張により変位しているため、結果的に各軸が最適位置に収束しないことになり、調芯作業が終了しない。
そこで熱膨張の影響が、特にレンズチャック21に及ばないようにする必要があり、そのために断熱材70を使用する。
With this, even if the shape and position of the light beam are adjusted to the optimum according to the procedure of lens alignment, each axis is displaced by thermal expansion, and as a result, each axis does not converge to the optimum position. And the alignment work is not completed.
Therefore, it is necessary to prevent the
ところで、レンズの調整においては、LDからの出射光をモニタとして用いるが、実際には、LDパッケージ14に電力を供給し、LD本体から発光する矩形状の光ビームを1つもしくは、LDバーに搭載されているLDのエミッタの数の分だけz方向に出射する方法を採用している。
By the way, in the adjustment of the lens, the light emitted from the LD is used as a monitor. In practice, however, electric power is supplied to the
レンズの調整においては、上記光ビームの形状と位置を確認する必要がある。このため、図3に示すように、光ビームが照射されるz方向に、スクリーン61、レンズ群62、イメージセンサ63をこの順に設置する。このとき、イメージセンサの形状中心位置は、目標とする光ビーム位置とその位置からの外れ量が分かりやすくなるよう、位置調整後の光ビームの最適位置に設置する。スクリーン61の代わりに、NDフィルタなどの減光手段を用いて、光ビームをイメージセンサに結像させてもよい。
In adjusting the lens, it is necessary to confirm the shape and position of the light beam. Therefore, as shown in FIG. 3, the
また、図2において、UVランプ50は、接着層24全体に均等に紫外線が照射されるように設置されている。この紫外線を用いて、レンズ23を最適位置へ調整した後に、接着層24を硬化させ、タブ部25を介して、レンズ23をLDヒートシンク12に固定する。そして、レンズ23の固定後にレンズチャック21は、レンズ23のエアチャックを解除する。
Further, in FIG. 2, the
次に、レンズ調芯手順の概要について以下に説明する。また、この場合のレンズ調芯方法について、図4に示すフローチャートにより説明する。このフローチャートは、LDバーからの光を効率よく集光するため、LDの速軸方向をコリメートするシリンドリカルレンズであるFACレンズ(FACはfast axis collimationの略)を用いた場合の手順の一例である(その他のレンズを使用する場合は、異なるフローチャートとなる)。レンズ調芯に使用するレンズとしては、LDの高出力に耐えられるもの(例えば硝材、コーティングを施したもの)であればよい。以下、このFACレンズの使用を前提として調芯する場合の工程を順に説明する。 Next, the outline of the lens alignment procedure will be described below. The lens alignment method in this case will be described with reference to the flowchart shown in FIG. This flowchart is an example of the procedure when using a FAC lens (FAC is an abbreviation for fast axis collimation) which is a cylindrical lens that collimates the LD in the fast axis direction in order to efficiently collect light from the LD bar. (If using other lenses, the flow chart will be different). The lens used for lens alignment may be one that can withstand the high output of the LD (for example, a glass material or a coated one). Hereinafter, steps for aligning the FAC lens on the assumption that the FAC lens is used will be sequentially described.
まず、レンズ23に接してレンズを直接支持するタブ部25をレンズチャック21のエアチャック機構22で把持する。
その後、レンズ23を調芯開始位置へ移動する。
First, the
Then, the
次に、レンズ23のy方向位置は、yステージ44を用いて、レンズ23の外形形状から光学中心と想定される位置に、LD本体13のエミッタがくるようにする。この理由は、LDには厚みがあり活性層が発光するので、このエミッタ部分が、光が広がる起点となる。そのため、この部分にレンズ中心をおけば、ほぼ全ての発光した光がレンズに入ることになり、迷光を減らすことができるためである。
また、レンズの形状中心位置とLDの形状中心位置を合わせるため、レンズ23のx方向位置は、xステージ46を用いて、レンズ23のx方向の外形中心位置に、LD本体13のx方向の外形中心位置を合わせるように配置する。
Next, with respect to the y-direction position of the
Further, in order to match the shape center position of the lens with the shape center position of the LD, the position of the
さらに、レンズ23のz方向位置は、zステージ45を用いて、LD前端面13a(図1参照)からレンズ23の焦点距離(使用するレンズにも依るが数10μm程度)だけ離れた場所(実際には、この場所からさらに10μm程度離れた場所)にくるように設置する。この理由は、調芯作業中に誤って、LD端面にレンズが衝突することを防ぐためである。
なお、θxは、θxステージ43を用いて、レンズ23の曲率半径の円弧の接線がLD本体13の前端面と平行となるように調整する。
ここで、レンズ23の外形とLD本体の外形は、目視で確認してもいいし、(図示しない)CCDカメラ等で画像を確認しながら初期位置へ移動させてもよい。
Further, the position of the
It should be noted that θx is adjusted by using the
Here, the outer shape of the
次に、LDパッケージに電力を供給し、光ビームを照射する。レンズの位置調整が終わっていない時に、大電流(LD本体に入力可能な電流の8割程度の電流値。例えば150A〜220A。以下同様)を流すと、光ビームがあらぬ方向へ進み、予期せぬ場所が熱せられる可能性があるので、まずは、小電流(LD本体が発振を開始する最小の閾値電流値相当より、1割程度大きい値。例えば30Aから50A。以下同様)を流し、光ビームがスクリーン61とレンズ群62を通過した後の、イメージセンサ63で得られたビーム画像を基に、レンズ位置を調整する。
Next, the LD package is supplied with power and irradiated with a light beam. If a large current (a current value of about 80% of the current that can be input to the LD body. For example, 150 A to 220 A. The same applies below) is passed when the position adjustment of the lens is not completed, the light beam advances in a direction that is not expected. Since there is a possibility that a place not to be heated may be heated, first, a small current (a value that is about 10% larger than the minimum threshold current value at which the LD body starts oscillating, for example, 30 A to 50 A. The same applies below), The lens position is adjusted based on the beam image obtained by the
そして、イメージセンサ63で得たビーム画像から、ビーム幅、輝度、およびビーム位置に応じて、調芯フローでその後の軸の調芯を始めるかどうかを決定する。なお、LD本体13がLDバーの場合、すなわち複数のエミッタがある場合には、ビーム幅、輝度、およびビーム位置に加えて各エミッタの光ビーム分布と位置も確認する。
Then, from the beam image obtained by the
イメージセンサ63で得た画像を基に、1個の光ビーム位置、もしくは各エミッタの光ビーム位置が、中心からみて、複数のエミッタビームが左右で異なる位置にある場合、つまり直線状に光ビームが分布している状態で、その直線が基準線に対して傾いた状態になっている場合には、θzステージ42を用いて、θzの角度を調整して、中心からみて、複数エミッタビームの位置に差がない状態にする。なお、LD本体13で光ビームがエミッタの個数分だけ分布している場合には、左右両端の光ビーム位置を確認し、その位置に差がなく同じ位置にくる状態にする。
Based on the image obtained by the
次に、θyの角度調整に進む。イメージセンサ63で得た画像で見た時にビーム幅が左右異なる場合には、θyステージ41を用いて、θyの角度を調整し(回転させた時にLD前端面に当たらない範囲)、左右のビーム幅を同じにする。なお、LD本体13で光ビームがエミッタの個数分だけ分布している場合、左右両端に分布している光ビームのビーム幅が左右均等で同じ幅となる状態にする。
Next, the angle of θy is adjusted. When the left and right beam widths are different when viewed from the image obtained by the
次に、z方向位置の調整に進む。zステージ45を用いて、イメージセンサ63で得た画像で見た時に光ビームの輝度が高く、ビーム幅が最も狭くなる位置にz方向位置を調整する(前後に動かしながら最適位置まで移動させる)。なお、LD本体13で光ビームがエミッタの個数分だけ分布している場合、その個数分だけの光ビーム(全部の光ビーム)のビーム輝度が平均値として最も高く、ビーム幅が平均値として最も狭くなる位置となる状態にする。
これで全6軸の調整が完了し、上述の小電流の場合においては、狙った位置に光ビームがきている状態となっている(図のステップS1〜ステップS6参照)。
Next, the process proceeds to the adjustment of the z-direction position. Using the
This completes the adjustment of all 6 axes, and in the case of the above-mentioned small current, the light beam is in the target position (see step S1 to step S6 in the figure).
そこで、次に、LD本体13に上述の大電流を流し、実際にこのLDパッケージが組み込まれる光学系に光ビームを出射する。
この場合、大電流をLD本体に流すことで、LD本体13の発熱量は増加するので、LD本体が接触しているLDヒートシンク12、LD台座11も発熱し、膨張することになる。また、LD本体の発光が増すので、迷光も増える。これらの効果により、小電流でレンズを調整したとしても、大電流を流すことにより、LD本体13の位置とレンズ把持部の位置が変動することになるので、再度の調整が必要になる。
Therefore, next, the above-mentioned large current is passed through the
In this case, the amount of heat generated by the
よって、イメージセンサ63で得た画像で光ビーム像を確認しながら、もしくは、実際にLDパッケージが組み込まれる光学系で必要な条件を満足するように、レンズ23の6軸を再調芯する(図のステップS7〜ステップS15参照)。
Therefore, the six axes of the
しかし、この再調芯している時に、レンズ23を動かすので、迷光の量とビーム集光位置が変化するため、レンズ把持部の位置が熱の影響で調整中に変位する。また、大電流で光軸調整している時間が延びると、調芯装置全体の温度が上がり、その熱により徐々にレンズ23とLD本体13の位置が移動することになる。
However, since the
これらの影響により、調芯による軸調整で意図的に移動を行う分とは別に、レンズ23とLD本体13の位置が変位する可能性があるので、調芯を完了させることが困難になる。また光ビーム像をモニタするモニタの画面内から光ビーム像が外れてしまう可能性があるため、注意が必要である。
Due to these influences, the positions of the
そこで、この熱の影響によるレンズ把持部の膨張により、イメージセンサで取得した光ビーム画像が写し出されるはずのモニタ84の画面から、光ビーム像が消失してしまうことを防ぐため、レンズ把持部とLD台座に(図示しない)温度センサを取り付けることで、レンズの調芯調整の作業前に、レンズ把持部とLDパッケージ14が載置されているLD台座11の温度変化に対する移動方向と移動量を求め、これらのデータを使ってフィードバック制御することにより、レンズ把持部の熱膨張による位置変位とLD台座11とLDヒートシンク12の位置変位をそれぞれキャンセルする方向に移動させる方法をさらに追加して調芯することを考える。
Therefore, in order to prevent the light beam image from disappearing from the screen of the
具体的には、イメージセンサ63で得た画像情報を画像処理ボード81で処理して処理された画像情報をモニタ84に出力するとともに、温度センサからのデータを配線91と配線92を通じて受け取る、データロガー82からの出力が入力され、前記処理した画像情報と温度センサのデータとを基に、レンズ把持部の変位量とLD台座の変位量を演算して求め、ステージコントローラ83(後述)に求めた変位量を出力する演算装置80と、6軸ステージ40の構成要素である各ステージを、他のステージとは独立に、所定の移動方向へ移動させることが可能なステージコントローラ83と、演算装置80からの画像情報を表示するモニタ84と、上記データロガー82とを、定盤カバー51の外側に設置して使用する。なお、上記演算装置80と、ステージコントローラ83と、データロガー82とを合わせて、以下では制御装置と呼ぶ(図2、図3参照)。
Specifically, the image information obtained by the
ここで、上記の制御装置によりレンズ把持部を移動させるフィードバック制御は、先に説明した6種類の各ステージ構成要素を使ったレンズ調芯のフローの中に含めて行えるようにする。このフィードバック制御により、調芯時に迷光等により生ずる装置の温度上昇により発生する熱膨張による影響を、温度に応じて容易に防ぐことが可能となる。 Here, the feedback control for moving the lens gripper by the above control device can be performed by being included in the flow of the lens alignment using the six types of stage constituent elements described above. By this feedback control, it is possible to easily prevent the influence of thermal expansion caused by the temperature rise of the device caused by stray light or the like during the centering according to the temperature.
LD本体13に大電流を流した時のレンズ23の調芯方法としては、その光学系で求められる条件を満たすように、6軸ステージの各調芯手順に沿って、ビーム径、あるいはビーム位置、パワー等を見ながら調整していく。
As a method of aligning the
レンズ23がFACレンズの場合は、先ほどの手順と同じ順でレンズの調芯を行う際、各軸の調整へ移る時に先ほどの熱による変位量をキャンセルするためのフィードバック制御を行う。
When the
このため、まず、熱の影響がどの程度あるか、また断熱材の挿入による効果を調べるため、シミュレーションによる検討を行った。すなわち、LDに大電流を通電した場合の、調芯中のレンズの位置変位量に及ぼす断熱材の影響を調べた。その結果を図5に示す。
この図に示すように、大電流を通電した場合のレンズのx方向の位置変位量を縦軸に、LDへの通電時間(LDへの通電を開始してからの経過時間。レンズ把持部への加熱時間に相当)を横軸にとっている。
Therefore, first, a simulation study was conducted to examine the effect of heat and the effect of inserting a heat insulating material. That is, the influence of the heat insulating material on the positional displacement amount of the lens during alignment when a large current was passed through the LD was investigated. The result is shown in FIG.
As shown in this figure, the amount of positional displacement of the lens in the x direction when a large current is applied is plotted on the vertical axis, and the energization time to the LD (the elapsed time from the start of energization to the LD. (Corresponding to the heating time) is on the horizontal axis.
具体的には、断熱材を入れない場合(図中の実線で示した曲線を参照)、断熱材70bをレンズ把持用Lブラケット31とθyステージ41の間に配置した場合(図中の破線で示した曲線を参照)、断熱材70aをzステージ45とステージ固定用Lブラケット32の間に配置した場合(図中の一点鎖線で示した曲線を参照)、断熱材70aをzステージ45とステージ固定用Lブラケット32の間に配置し、かつレンズ把持用Lブラケット31を、常温付近(具体的には常温±3℃)で鉄などより線膨張係数の低い材料、例えばインバーとした場合(図中の二点鎖線で示した曲線を参照)の4種類のモデルを用いた場合のレンズ変位量をシミュレーションし、その結果を示した。
Specifically, when the heat insulating material is not inserted (see the curve shown by the solid line in the figure), when the
この図より、断熱材がないと、レンズ23の変位量が特に大きくなることが分かる。実際に、断熱材がない場合は、調芯途中にCCDカメラで撮った光ビーム像が、モニタ画面内からはみ出てしまい、調芯不能な状況になることを確認した。また、断熱材を各ステージ構成要素とその支持部品間に挿入することで、レンズ23の移動量を減らすことができ、モニタ画面を使ったレンズ調芯が可能であることを、実際に確認した。
From this figure, it can be seen that the displacement amount of the
また、上記シミュレーション結果からは、特に、断熱材のみではなく、断熱材とレンズ把持部の材質を線膨張係数の小さいものを組み合わせて使用することで、熱膨張による影響を、断熱材を単独で使用する場合より効果的に抑制できるため、レンズの位置変化量をより少なくできることが期待できる。 In addition, from the above simulation results, in particular, not only the heat insulating material but also the heat insulating material and the material of the lens gripping portion having a small linear expansion coefficient are used in combination, so that the influence of the thermal expansion can be prevented by the heat insulating material alone. Since it can be suppressed more effectively than when it is used, it can be expected that the amount of positional change of the lens can be further reduced.
以上説明したように、断熱材70aなどを挿入して、レンズ23の位置変化量を減らすことにより、調芯途中での光ビーム像をモニタ画面内に収めることができるので、上述の調芯フローに従って、目的とする位置へのレンズ調芯を完了することが可能となる。
そして、この調芯フローに従ってレンズ位置の調整を行い、最終的にレンズ23の位置調整が完了した後には(ここで、大電流をLD本体に流した場合、図4のフローチャートで右側の手順であるステップS8〜ステップS14までの手順を1回のみ実施しただけでは調芯が完了しない場合がある。この場合には、調芯が完了するまで、上記ステップS8〜ステップS14のステップを繰り返し実施する)、UVランプ50によりUV光を照射して接着層24を硬化させ、上述のタブ部25を介して、レンズ23をLDヒートシンク12に固定する。
このようにして、レンズ23の固定が完了したら、レンズチャック21のエアチャック機構22のチャックを外す。
これにより、最初に説明した図1に示すLDパッケージに調芯されたレンズが固定されている状態になる。
As described above, by inserting the
Then, the lens position is adjusted according to this alignment flow, and after the position adjustment of the
In this way, when the fixing of the
As a result, the centered lens is fixed to the LD package shown in FIG. 1 described first.
なお、本願は、例示的な実施の形態が記載されているが、実施の形態に記載された様々な特徴、態様、及び機能は、これら記載されたものに限られるものではなく、単独で、または様々な組み合わせで実施の形態として適用可能である。例えば、断熱材と低線膨張材の双方の適用に加え、LDパッケージの温度を測定する温度センサをさらに備えることにより、測定した温度データをもとに装置の温度を換算して求め、その温度上昇により発生する熱膨張量を算出し、その熱膨張量をステージの位置変位量に換算した量をフィードバックしてレンズ調芯を行うようにしてもよい。このようにすることで、さらに調芯の精度を上げることが可能となる。 Note that the present application describes exemplary embodiments, but the various features, aspects, and functions described in the embodiments are not limited to those described, and independently, Alternatively, various combinations can be applied as the embodiment. For example, in addition to applying both a heat insulating material and a low linear expansion material, a temperature sensor for measuring the temperature of the LD package is further provided, and the temperature of the device is converted based on the measured temperature data to obtain the temperature. The amount of thermal expansion generated by the rise may be calculated, and the amount obtained by converting the amount of thermal expansion into the position displacement amount of the stage may be fed back to perform the lens alignment. By doing so, it becomes possible to further improve the alignment accuracy.
10 定盤、11 LD台座、12 LDヒートシンク、13 LD本体、13a LD前端面、14 LDパッケージ、20 レンズ把持部、21 レンズチャック、22 エアチャック機構、23 レンズ、24 接着層、25 タブ部、31 レンズ把持用Lブラケット、32 ステージ固定用Lブラケット、40 6軸ステージ、41 θyステージ、42 θzステージ、43 θxステージ、44 yステージ、45 zステージ、46 xステージ、50 UVランプ、51 定盤カバー、61 スクリーン、62 レンズ群、63 イメージセンサ、64 ビーム位置取得部、70、70a、70b 断熱材、80:演算装置、81 画像処理ボード、82 データロガー、83 ステージコントローラ、84 モニタ、91、92 配線、LB レーザー光路 10 surface plate, 11 LD pedestal, 12 LD heat sink, 13 LD body, 13a LD front end surface, 14 LD package, 20 lens gripping part, 21 lens chuck, 22 air chuck mechanism, 23 lens, 24 adhesive layer, 25 tab part, 31 lens holding L bracket, 32 stage fixing L bracket, 40 6-axis stage, 41 θy stage, 42 θz stage, 43 θx stage, 44 y stage, 45 z stage, 46 x stage, 50 UV lamp, 51 surface plate Cover, 61 screen, 62 lens group, 63 image sensor, 64 beam position acquisition unit, 70, 70a, 70b heat insulating material, 80: arithmetic unit, 81 image processing board, 82 data logger, 83 stage controller, 84 monitor, 91, 92 wiring, LB laser optical path
Claims (5)
前記レンズを把持するレンズ把持部と、
前記レンズ把持部を支持するとともに、前記レンズを調芯するため当該レンズ把持部の設定位置を変化させる6軸ステージと、
変換された光ビームの位置を認識し記憶するビーム位置取得部と、
前記6軸ステージの構成部品である各ステージを独立に駆動制御するステージコントローラと、
前記レンズ把持部から前記6軸ステージへの熱移動、あるいは前記6軸ステージの構成部品間の熱移動を遮断する断熱材と、を備え、
前記ビーム位置取得部の光ビームの位置情報並びにビーム形状及び輝度情報を基に、前記ステージコントローラを駆動制御させることにより、前記レンズ把持部の位置を変化させて、前記レンズの調芯を行うことを特徴とするレンズ調芯装置。 A lens for converting the light beam from the laser diode into parallel light or condensed light,
A lens gripper for gripping the lens,
A 6-axis stage that supports the lens gripping portion and changes the setting position of the lens gripping portion in order to align the lens;
A beam position acquisition unit that recognizes and stores the position of the converted light beam,
A stage controller for independently driving and controlling each stage, which is a component of the 6-axis stage,
A heat insulating material for blocking heat transfer from the lens gripping portion to the 6-axis stage or heat transfer between components of the 6-axis stage;
Adjusting the position of the lens gripper to align the lens by driving and controlling the stage controller based on the position information of the light beam of the beam position acquisition unit and the beam shape and brightness information. A lens aligning device.
前記レンズを把持するレンズ把持部と、
前記レンズ把持部を支持するとともに、前記レンズを調芯するため当該レンズ把持部の設定位置を変化させる6軸ステージと、
前記6軸ステージの各構成部品を独立に駆動制御するステージコントローラと、
前記レンズを通過後の前記光ビームの位置を認識し記憶するビーム位置取得部と、
前記レンズ把持部から前記6軸ステージへの熱移動、あるいは前記6軸ステージの各構成部品間の熱移動を遮断する断熱材と、
レーザーダイオード本体とレーザーダイオードヒートシンクを構成要素として含むレーザーダイオードパッケージ、および前記レンズ把持部の温度を計測する温度センサと、
UV光を発光するUVランプと、
を、備えたレンズ調芯装置を用いて前記レンズの調芯を行うレンズ調芯方法であって、
前記レンズの外形形状を基準に前記6軸ステージの各構成部品のうち、x方向位置を調整するxステージ、y方向位置を調整するyステージ、z方向位置を調整するzステージ、およびx軸周りの回転角度を調整するθxステージによる調整を行って、レンズ把持部の位置を移動する工程と、
前記レーザーダイオードに通常よりも低い電流を通電する工程と、
前記ビーム位置取得部により得られた画像を基に、z軸周りの回転角度を調整するθzステージ、y軸周りの回転角度を調整するθyステージ、およびz方向位置を調整するzステージによる調整を行ってレンズ把持部の位置を移動する工程と、
前記レーザーダイオードに通常よりも高い電流を通電する工程と、
前記ビーム位置取得部により得られた画像、および計測した前記レーザーダイオードパッケージと前記レンズ把持部の温度を基に、z軸周りの回転角度を調整するθzステージによる調整、前記計測した温度によるレンズ把持部の位置の調整、y軸周りの回転角度を調整するθyステージによる調整、およびz方向位置を調整するzステージによる調整を行って、レンズ把持部の位置を設定完了後、UVランプにより前記レンズの位置を固定する工程と、
を含むことを特徴とするレンズ調芯方法。 A lens for converting the light beam from the laser diode into parallel light or condensed light,
A lens gripper for gripping the lens,
A 6-axis stage that supports the lens gripping portion and changes the setting position of the lens gripping portion in order to align the lens;
A stage controller for independently driving and controlling each component of the 6-axis stage;
A beam position acquisition unit that recognizes and stores the position of the light beam after passing through the lens,
A heat insulating material that blocks heat transfer from the lens gripping portion to the 6-axis stage or between each component of the 6-axis stage;
A laser diode package including a laser diode body and a laser diode heat sink as a component, and a temperature sensor for measuring the temperature of the lens grip portion,
A UV lamp that emits UV light,
A lens aligning method for aligning the lens using a lens aligning device provided,
Among the respective components of the 6-axis stage based on the outer shape of the lens, an x-stage for adjusting the position in the x-direction, a y-stage for adjusting the position in the y-direction, a z-stage for adjusting the position in the z-direction, and around the x-axis. And a step of moving the position of the lens gripper by adjusting the θx stage for adjusting the rotation angle of
Energizing the laser diode with a lower current than usual,
Based on the image obtained by the beam position acquisition unit, the θz stage for adjusting the rotation angle around the z axis, the θy stage for adjusting the rotation angle around the y axis, and the z stage for adjusting the z direction position are adjusted. And a step of moving the position of the lens gripper,
Energizing the laser diode with a higher current than usual,
Based on the image obtained by the beam position acquisition unit and the measured temperatures of the laser diode package and the lens holding unit, adjustment by a θz stage that adjusts a rotation angle around the z axis, lens holding by the measured temperature The position of the lens gripper is adjusted by the θy stage that adjusts the rotation angle around the y-axis, and the z stage that adjusts the z-direction position. Fixing the position of
A method for aligning a lens, comprising:
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