JP4433136B2 - 光ビーム発生装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの発熱を効果的に放熱すると共に、レンズ系に対する温度変化の影響を抑制した光ビーム発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ビーム発生装置の光源として、半導体レーザ素子（以下、ＬＤと略記する）を使用する場合には、ＬＤの出射光を平行光線に変換するためのコリメータレンズのようなレンズ系が設けられている。このような光源にＬＤを使用する場合には、周囲温度や内部温度の変化に伴いＬＤの動作特性が変動する。このため、ペルチェ素子のような温度調整素子を設けてＬＤの発生熱を放熱している。
【０００３】
このように、温度調整素子を設けることにより、温度変動によるＬＤの動作特性の変動を抑制することができる。しかしながら、前記のようにＬＤにレンズ系を付設する場合には、レンズを支持するレンズベースが温度変化により形状変化することがある。このような場合には、ＬＤに対するレンズ位置がずれてしまい、光ビーム特性が悪化するという問題が生じる。
【０００４】
そこで、光ビーム発生装置の光源としてレンズ系を付設したＬＤを使用し、温度調整素子により温度変化によるＬＤの動作特性の変動を抑制する場合に、前記レンズ系の温度変動による影響を軽減する試みがなされている。図４は、特許文献１に記載されている例を示す概略の断面図である。図４において、光ビーム発生装置３１は、光源としてＬＤ３２を使用する。ＣＬは、ＬＤ３２の出射光の光軸である。ＬＤ３２は、アルミニウム合金のような熱伝導性が良好な材料で形成されるスペーサ３３に支持されている。
【０００５】
３４は、コリメータレンズで金属製のレンズユニットホルダ３６に保持される。レンズユニットホルダ３６は、アルミニウム合金のような熱伝導性が良好な材料で形成されるフランジ３５に取り付けられる。３７はペルチェ素子、３８はＬＤ３２の温度検知用のサーミスタ、３９は放熱フィンである。フランジ３５はスペーサ３３と密着して取り付けられており、ペルチェ素子３７による温度制御機能は、ＬＤ３２と共にコリメータレンズ３４の支持部材にもおよぶことになる。このため、ＬＤ３２とコリメータレンズ３４の支持部材との間隔が熱膨張や熱収縮により変化することを抑制することができる。
【０００６】
図５は、特許文献２に記載されている例を示す概略の断面図である。図５において、光ビーム発生装置４１は、光源としてＬＤ４２を使用する。ＣＬは、ＬＤ４２の出射光の光軸である。ＬＤ４２は、銅やアルミニウムなどの熱伝導性が良い材料からなる取付部材４３に保持される。コリメータレンズ４４は鏡胴４６に収納されている。４５は高分子系の樹脂からなる断熱材、４７はペルチェ素子、４８は銅やアルミニウムなどの熱伝導性材料からなる固定部材である。
【０００７】
図５の例では、断熱材４５を介してレンズの鏡胴４６を取付部材４３に固定している。このため、レンズ要素に対するＬＤ４２の影響を最小限に抑えることができる。また、固定部材４８に対して取付部材４３を横方向に突出させて、この取付部材４３にＬＤ４２やコリメータレンズ４４を配置しているので、レンズ系がペルチェ素子の放熱による温度の影響を受けにくい構成としている。
【０００８】
図６は、、特許文献３に記載されている例を示す概略の断面図である。図６において、光ビーム発生装置５１は、光源としてＬＤ５２を使用する。ＣＬは、ＬＤ５２の出射光の光軸である。ＬＤ５２は、銅製の第１ブロック５３、第２ブロック５４に保持される。５５はマイクロレンズ、５６はインバー型合金製のレンズホルダ、５７はペルチェ素子、５８は放熱ブロック、５９は放熱フィン結合ブロックである。放熱ブロック５８は、結合ブロック６３内で摺動自在に配置される。
【０００９】
６０はインバー型合金製の支持筒体、６１は支持筒体６０と第１ブロック５３に接している第３のブロックである。第３のブロック６１もインバー型合金製である。断熱材６２は、第１ブロック５３、第２ブロック５４、第３ブロック６１を保持する。インバー型合金は、鋼とニッケルの合金で温度の変化による変形が殆どないという特性を有している。
【００１０】
このため、支持筒体６０、レンズホルダ５６、第３ブロック６１は温度変化により変形しない。また、第１ブロック５３、第２ブロック５４は銅製であるが、ペルチェ素子５７により温度制御されるので、外気温の変化にかかわらず変形しない。ペルチェ素子５７に接する放熱ブロック５８は放熱フィン結合ブロック５９に対して摺動自在に配置されているので、第２ブロック５４が変形してもこの温度変形は吸収される。このように、図６の例ではＬＤ５２やレンズ系の光軸（Ｚ軸）ＣＬ方向の相対位置は、外気温が変化しても殆ど変化しない。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭６０−１７２００７号公報
【特許文献２】
特開昭６０−１１７８７１号公報
【特許文献３】
特開昭６２−２２６１１０号公報
【００１２】
特許文献１（図４）の例では、ペルチェ素子３７がフランジ３５から離れた位置に設置されているので、フランジ３５の熱をすべて吸収できない場合がある。この場合には、レンズユニットホルダ３６が環境温度の変化により伸縮し、レンズユニットホルダ３６に保持されたコリメータレンズ３４の、光軸ＣＬ方向の最適位置にズレが生じる可能性がある。このため、ビーム出力が低下する恐れがあるという問題があった。
【００１３】
特許文献２（図５）の例では、鏡筒４６とＬＤ４２の取付部材４３との間に断熱材４５を介在させている。このため、コリメータレンズ４４はＬＤ４２の発生熱の影響は受けないが、この例でも外気温の変化の影響を受けて光軸ＣＬ方向の最適位置にズレが生じる可能性があるという問題があった。
【００１４】
特許文献３（図６）の例では、ＬＤ５２やレンズ系の光軸（Ｚ軸）ＣＬ方向の相対位置は、外気温が変化しても殆ど変化しない構成としている。しかしながら、ＬＤ５２を保持する第１のブロック５３を介してマイクロレンズ５５にＬＤ５２の熱が伝達されやすい構成とされている。このため、ペルチェ素子５７によりＬＤ５２を急速に冷却した場合には、マイクロレンズ５５も冷却されてレンズ部に結露を発生するという問題があった。
【００１５】
次に、特許文献１の放熱フィン３９による放熱方向は、矢視Ｘａ方向である。また、特許文献２の固定部材４８からの放熱方向は、矢視Ｘｂ方向である。さらに、特許文献３の放熱フィン結合ブロック５９からの放熱方向は、矢視Ｘｃ方向である。このように、特許文献１〜特許文献３の例では、いずれも放熱方向がＬＤの光軸方向と同じ方向に設定されている。
【００１６】
このため、放熱の影響を受けるのでＬＤの光軸方向には他の部品を設置することができず、部品設置の自由度がなく設置スペースに制約を受けることになる。また、光ビーム発生装置をケースに収納する場合に、一般にＬＤの光軸方向は放熱スペースが狭いので、放熱効率が悪いという問題があった。
【００１７】
さらに、ペルチェ素子を部材間に挟みこんで配置する場合には、偏加重がペルチェ素子に加わることがある。このような場合にはペルチェ素子が故障する原因となるが、特許文献１〜特許文献３の例では、偏加重が加わらないようにすることについては記載されておらず、ペルチェ素子の故障対策がなされていないという問題があった。
【００１８】
光ビーム発生装置においては、ある部材の面を基準面にして、ＬＤから出射されるビームの高さを決定している。この場合に、基準面としてヒートシンクの使用が可能である。このような構成では、ＬＤ-ＬＤホルダ-ペルチェ素子-放熱ブロック-ヒートシンク（基準面）の配列が考えられる。しかしながら、このような構成では、ペルチェ素子の厚み公差がプラスマイナス０.２５ｍｍくらいあるので、ＬＤの高さ位置がばらつくという問題があった。特に、ペルチェ素子を複数段重ねて、冷却部と放熱部の温度差を大きくして放熱効果を上げるようにした構成の場合には、例えば、ペルチェ素子を２段に積層すると、前記厚み公差は０.５ｍｍに増大してしまうという問題があった。
【００１９】
本発明は上記のような問題に鑑み、光源からの発熱を効果的に放熱すると共に、レンズ系に対する温度変化の影響を抑制した光ビーム発生装置の提供を目的とする。
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明の光ビーム発生装置は、開口部が形成された固定部と、前記固定部の開口部内に配置された可動部とを有する放熱ブロックと、
前記固定部上に積層され、開口部が形成された断熱プレートと、
前記断熱プレートの開口部において前記可動部上に積層された温度調整素子と、
前記温度調整素子に接触して前記断熱プレート上に積層され、熱伝導性が良好な材料で形成された熱伝達部材と、
半導体発光素子からなる光源と、
前記光源を該光源の光軸が前記放熱ブロック、前記温度調整素子、前記熱伝達部材の積層方向に直交するように保持して前記熱伝達部材に取り付けられる、熱伝導性が良好な材料で形成されたホルダと、
前記光源の出射側光軸上に配置されるレンズを保持し、前記熱伝達部材上に配置されるレンズ保持具と、を備え、
前記可動部は、前記光軸と直交する方向に摺動できるように前記固定部の開口部内に配置されたことを特徴とする。このため、光源の光軸方向（出射光の進行方向とは反対側の方向）には放熱の影響が及ばないので、他の部品を配置することができる。したがって、部品配置の自由度を高めることができる。
【００２１】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記光軸方向と直交する方向は、装置設置面の下部方向であることを特徴とする。光ビーム発生装置をケースに設置する際に、一般にケースの下部面の面積は光軸方向である側面の面積よりも大きく設定されているが、光ビーム発生装置の発生熱を装置設置面の下部方向から放熱するので、放熱面積が増大して放熱効果を大きくすることができる。
【００２２】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記放熱ブロック、温度調整素子、光源のホルダ、レンズ保持具の各部材を前記光軸方向とは直交する方向に積層して配置することを特徴とする。このように、各部材を順次積層して配置しているので光ビーム発生装置の組み立てを簡単に行うことができる。また、これらの部材による放熱経路をコンパクトに構成することができる。
【００２３】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記レンズを断熱材からなる保持具で保持することを特徴とする。このため、温度変化に伴うレンズの結露を防止し、光源からの出射光がレンズで乱反射や屈折して不要な方向に進行することを防止し、出射光を有効に利用することができる。
【００２４】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記保持具の外周に、熱伝導性が良好な材料で形成された熱伝達部材が配置されることを特徴とする。このため、レンズ周囲の温度変化を熱伝達部材を介して放熱し、熱伝達部材が温度調整されるのでその形状が温度により変形することを防止できる。したがって、レンズは光軸方向の位置が変化しないという利点がある。
【００２５】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記温度調整素子を、当該温度調整素子の厚み方向に摺動可能に形成された部材に配置することを特徴とする。このように、温度調整素子は厚み方向に移動できる構成としているので、温度調整素子加工時の厚み寸法の誤差を吸収することができる。
【００２６】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記温度調整素子を摺動可能に配置する部材を断熱プレートで形成したことを特徴とする。このため、放熱経路は断熱プレートで絞られて、温度調整素子が配置されている面のみに集中する。したがって、光源の発生熱は周囲に放散することなく、温度調整素子で有効に吸収されて所定方向に放熱される。
【００２７】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記レンズの光進行方向前方に光学素子を配置し、前記断熱プレートを前記光学素子の配置位置まで延長して設置することを特徴とする。このため、他の光学素子の周辺から温度調整素子への熱伝達は遮断され、温度調整素子の消費電力を小さくして節電効果を得ることができる。
【００２８】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記放熱ブロックは、固定部と可動部で構成され、前記可動部は固定部に形成された開口部の中で光軸方向と直交する方向へのみ摺動できるように嵌合され、前記可動部の光軸方向と直交する方向への摺動により前記温度調整素子を厚み方向に摺動することを特徴とする。このため、可動部の放熱ブロックに載置される温度調整素子に対して偏加重が発生しないようにして、温度調整素子の故障を防止できる。
【００２９】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記可動部の熱伝導特性が固定部の熱伝導特性よりも良好な材料で構成したことを特徴とする。このように、温度調整素子と直接接触している可動部の熱伝導特性を大きくしているので、放熱効果を高めることができる。
【００３０】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記ホルダおよび前記レンズの保持具の外周に配置される熱伝達部材が同一の部材で形成されることを特徴とする。このため、伝熱部材の構成を簡素化することができる。
【００３１】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記温度調整素子が冷却する部材の当該温度調整素子と接していない面に断熱性のフイルムを貼り付けたことを特徴とする。このため、冷却効果が高められ、消費電力を低減することができる。
【００３２】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記光源は、半導体レーザ素子であることを特徴とする。このため、半導体レーザダイオードの温度調整を適切に行うことができ、半導体レーザダイオードの動作を安定させることができる。
【００３３】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記半導体レーザ素子は、前記断熱プレートを基準として光軸位置が調整されることを特徴とする。このように、熱的に安定している断熱プレートを基準面として半導体レーザ素子の高さを設定しているので、半導体レーザ素子の光軸位置が変化せず、精度良く光ビームを出射することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下図に基づいて本発明の実施形態について説明する。本発明の基本的な構成は、半導体レーザ素子（ＬＤ）のような半導体発光素子からなる光源を熱伝導性が良好な材料で形成されたホルダで保持し、前記光源の出射側光軸上にレンズを配置した光ビーム発生装置において、温度調整素子と、前記温度調整素子を載置する放熱ブロックとを備え、前記光源からの発生熱を光軸方向とは直交する方向に放熱して、放熱を効果的に行うものである。また、レンズは、断熱材からなるホルダで保持し、温度変化の影響を抑制している。
【００３５】
図１は、本発明が適用される装置の構成例を示す概略の断面図である。図１において、光ビーム発生装置１の光源として、半導体レーザ素子（ＬＤ）２が使用される。ＬＤ２は、真鍮のような熱伝導性が良好な材料で形成されたホルダ３により保持される。ＣＬはＬＤ２の光軸である。ＬＤ２の出射側光軸上にコリメータレンズ４を配置する。
【００３６】
コリメータレンズ４は、合成樹脂のような断熱材で形成された有底円筒状のレンズホルダ６内に保持されている。このレンズホルダ６の外周に、真鍮のような熱伝導性が良好な材料で形成されたレンズベース５を配置する。このように、真鍮はアルミニウムよりも熱伝導性が良く、摺動性にも優れ、また、銅よりもコストが安価であることから、ＬＤ２のホルダ３とレンズベース５とは、いずれも真鍮を用いている。なお、ＬＤ２のホルダ３とレンズベース５とは、図示を省略しているがねじなどにより密着して取り付けられている。このような構成としているので、ホルダ３、レンズベース５により熱伝達経路が形成される。また、コリメータレンズ４に対する温度変化はレンズホルダ６で遮断される。
【００３７】
８は断熱プレートで、レンズベース５の図示底部中央付近に適宜の開口部を形成する。この開口部に、ペルチェ素子（温度調整素子）７を配置する。ペルチェ素子７は、円形、矩形状などの任意の形状で形成される。また、ペルチェ素子７は、光軸ＣＬに対して直交する方向、すなわち図示の状態では上下方向（厚み方向）に断熱プレート８の開口部内で摺動する。このように、ペルチェ素子７は厚み方向に摺動できる構成としているので、ペルチェ素子７加工時の厚み寸法の誤差を吸収することができる。また、ペルチェ素子を複数段に配置する場合にも、加工時の厚み寸法の誤差を吸収するので、より効果的な構成とすることが可能となる。
【００３８】
光ビーム発生装置１を収納するケースなどの取り付け板１２と、前記断熱プレート８間には、第１の放熱ブロック（ヒートシンク）９を固定する。第１の放熱ブロック９のペルチェ素子７と対応する位置には開口部９ａを形成する。また、取り付け板１２にはねじ取り付け部１２ａを形成する。第１の放熱ブロック９の開口部９ａには、第２の放熱ブロック１０（ヒートシンク）を配置する。第１の放熱ブロック９は固定部、第２の放熱ブロック１０は、可動部として機能する。
【００３９】
第２の放熱ブロック１０のペルチェ素子７との接触面１０ａは、ペルチェ素子７の平面形状と同じ形状にする。また、第２の放熱ブロック１０の放熱側は、放熱効果を高めるために接触面よりも平面形状を大きくしている。ねじの取り付け部１２ａにねじ１１を螺合する。このように、取り付け部１２ａでねじ１１を回動することにより、第２の放熱ブロック１０は開口部９ａ内を矢視Ａ方向に摺動し、前記のようにペルチェ素子７を上下動させることができる。
【００４０】
第１の放熱ブロック９は、アルミニウムのような熱伝導性が良好な材料で形成される。第２の放熱ブロック１０は、アルミニウムよりもさらに熱伝導性が良好な真鍮で形成し、放熱効果を高めている。すなわち、第２の放熱ブロック１０はペルチェ素子７と直接接触している。このような第２の放熱ブロック１０の熱伝導特性を第１の放熱ブロック９の熱伝導特性よりも大きくしているので、ペルチェ素子７から第２の放熱ブロック１０への熱伝導が良好に行われ、放熱を効果的に行うことができる。
【００４１】
また、第２の放熱ブロック１０は、第１の放熱ブロック９の開口部内ではペルチェ素子７を光軸方向と直交する方向（上下方向）に摺動させるが、前後左右には移動しないような寸法精度で加工される。第２の放熱ブロック１０として真鍮を使用しているのでアルミニウムよりも摩擦係数が小さく摺動特性が良好であり、第１の放熱ブロック９の開口部内で円滑に摺動させることができる。なお、銅もアルミニウムよりは摩擦係数が小さい特性を有しているが、真鍮は銅よりもコストが安い点で優れている。前記のように、第２の放熱ブロック１０は、第１の放熱ブロック９の開口部９ａとの嵌合を適宜の嵌め合い公差となるように加工している。したがって、第２の放熱ブロック１０に載置されるペルチェ素子７に対して偏加重が発生しないようにしている。このようなペルチェ素子７の載置構成とすることにより、ペルチェ素子７の故障を防止できるという利点がある。
【００４２】
図１の例では、コリメータレンズ４は前記のように断熱材で形成されたレンズホルダ６に収納されているので、コリメータレンズ４に対する温度変化を遮断している。このため、温度変化に伴いコリメータレンズ４が結露することを防止し、ＬＤ２の出射光が乱反射や屈折により不要な方向に進行しないようにしており、出射光を有効に利用することができる。
【００４３】
また、レンズホルダ６の外周には、熱伝導性が良好な材料で形成されたレンズベース５を配置し、レンズベース５にペルチェ素子７を接触させている。このため、コリメータレンズ４に対する外気温の変化をレンズベース５を介して放熱し、温度変化の影響を受けないようにすることができる。さらに、レンズベース５が温度調整されるのでレンズベース５の形状が温度により変形することを防止できる。このため、レンズ４は光軸方向に位置が変化せずＬＤ２の出射光を誤差なく正確に進行させることができる。
【００４４】
このように、本発明においては、コリメータレンズ４を断熱材で形成されたレンズホルダ６に収納し、レンズホルダ６の外周を熱伝導性が良好な材料で形成されたレンズベース５で覆う二重構造としている。このため、コリメータレンズ４に対する直接的な温度変化の影響を遮断する一方で、コリメータレンズ４の周囲に対する温度変化はペルチェ素子７で吸収できるという特有の効果を奏するものである。
【００４５】
ＬＤ２の発生熱は、ホルダ３、レンズベース５、ペルチェ素子７、第２の放熱ブロック１０の伝熱経路を通り、取り付け板１２の方向に放熱される。すなわち、本発明の放熱構成は、ＬＤ２の光軸方向ＣＬとは直交する方向の矢視Ｙ方向になされる。このため、ＬＤ２の光軸方向（出射光の進行方向とは反対側の方向）には放熱の影響が及ばないので、他の部品を配置することができる。したがって、部品配置の自由度を高めることができる。
【００４６】
また、放熱方向がＬＤ２の光軸方向ＣＬとは直交する方向の取り付け板１２の方向、すなわち装置設置面の下部方向としている。この種の光ビーム発生装置においては、一般に収納ケースの底側（取り付け板１２）の面積が光軸方向である側面の面積よりも大きく設定されている。このため、放熱面積が増大して放熱効果を大きくすることができる。なお、取り付け板１２の上には、第１の放熱ブロック９が配置されているので、ペルチェ素子７で吸収された熱は、第２の放熱ブロック１０のみならず、第１の放熱ブロック９を通しても放熱されるので、放熱効果を一層高めることができる。
【００４７】
ペルチェ素子７は、断熱プレート８の開口部８ａに配置されている。また、ＬＤ２の発生熱が伝達されるホルダ３は、断熱プレート８の上に固定されている。このため、ホルダ３からレンズベース５を通して形成される放熱経路は、断熱プレート８で絞られて、ペルチェ素子７が配置されている面のみに集中する。したがって、ＬＤ２の発生熱は周囲に放散することなく、ペルチェ素子７で有効に吸収されて取り付け板１２の方向に放熱される。なお、ホルダ３やレンズベース５がペルチェ素子７と接していない面には断熱性のフイルムを貼り付けることができる。すなわち、ペルチェ素子が冷却する部材のペルチェ素子とは接していない面に断熱性のフイルムを貼り付ける。この場合には、ペルチェ素子７は部品の必要な部分のみを冷却するのでその冷却効果が高められ、消費電力を低減することができる。
【００４８】
前記のように、ＬＤ２、コリメータレンズ４は断熱プレート８の上部に設置されている。この断熱プレート８は、ＬＤ２からの光の出射側に配置される他の光学素子、例えばアナモルフィックプリズムなどの設置個所まで延長して配置される。このため、かかる光学系の中で、ＬＤ２とコリメータレンズ４の周辺の熱のみをペルチェ素子７で吸収して冷却し、他の光学素子の周辺からのペルチェ素子７への熱伝達は遮断している。したがって、ペルチェ素子７の消費電力を小さくして節電効果を得ることができる。
【００４９】
また、ＬＤ２のホルダ３は断熱プレート８の上に固定されている。断熱プレート８は、温度変化によって変形しないので、ＬＤ２の設置位置を安定に保つことができる。このことは、ＬＤ２の高さ位置を設定する上で大きな利点となる。すなわち、第１の放熱ブロック９の設置位置を基準としてＬＤ２の高さＨａを設定する場合よりも、断熱プレート８を基準面としてＬＤ２の高さＨｂを設定した方が熱的には安定する。このため、ＬＤ２の光軸位置が変化しないので、精度良く光ビームを出射することができる。
【００５０】
図１の例では、取り付け板１２、第１、第２の放熱ブロック９，１０、断熱プレート８、ペルチェ素子７、レンズベース５、ＬＤ２のホルダ３を光軸方向とは直交する縦方向に積層している。このため、各部品を順次積層すれば良いので光ビーム発生装置１の組み立てを簡単に行うことができる。また、これらの部品による放熱経路をコンパクトに構成することができる。
【００５１】
図１の例では、ＬＤ２のホルダ３と、レンズベース５を別部材で構成している。このため、ＬＤ２の高さ調整は、ホルダ３の位置調整で簡単に行うことができる。
本発明においては、ＬＤ２のホルダ３と、レンズベース５を一体とした同一部材とすることもできる。この場合には、伝熱部材の構成を簡素化することができる。このように、ＬＤ２のホルダ３とコリメータレンズ４のレンズベースは、別部材とするか同一部材とするかを、ユーザは状況に応じて適宜選定することができる。
【００５２】
図２は、本発明の光ビーム発生装置が適用される例を示す概略の縦断側面図である。ホルダ２１に保持されているＬＤ２０の出射光は、コリメータレンズ２２で平行光線に変換される。また、ＬＤ２０から出射されるビームは、楕円形となっているため、ビーム形状を真円に整形する目的で、コリメータレンズ２２の前方にアナモルフィックプリズム２３、２４が配置されている。
【００５３】
アナモルフィックプリズム２３、２４を位置調整することにより、使用されるＬＤのアスペクト比がどのような値であっても、安定して真円にビーム整形をすることができる。また、ビームスプリッタ２５を設けて、出射光の一部を分岐させフォトダイオード（ＰＤ）２６で分岐光を検知する。ＰＤ２６は支持具２７で支持されており、ＰＤ２６の光検知により光源のＡＰＣを行う。
【００５４】
２８は、光学装置を収納するケースの取り付け板（底板）、２９は各光学素子の支持板である。図２のような構成の光学装置に本発明の光ビーム発生装置を適用する場合には、ＬＤ２０、コリメータレンズ２２周辺の放熱構成を、図１で示したような光軸方向とは直交する方向のケース下部への放熱を行う構成とする。したがって、支持板２９は、ペルチェ素子を配置する開口部を除いて断熱材で形成される。
【００５５】
図３は、コリメータレンズの環境温度と波面収差との関係を示す特性図である。図３では、コリメータレンズのＮＡを０.３としたときの特性を示している。横軸には環境温度（℃）を設定する。また、縦軸には波面収差ｍλ（ミリラムダ）（ｒｍｓ）を設定する。
【００５６】
データＤａは、コリメータレンズのレンズベースを温度調整しない場合の特性である。データＤａから明らかなように、レンズベースを温度調整しない場合には、温度上昇と共に波面収差は直線的に増加する。例えば、環境温度が１５℃から５０℃に上昇した場合の波面収差は、２０倍程度に増加する。このため、環境温度が高温になるほどコリメータレンズによる平行光への変換の精度が低下することがわかる。
【００５７】
データＤｂは、コリメータレンズのレンズベースを温度調整した場合の特性である。この場合には、環境温度が１５℃から５０℃に上昇しても、波面収差は殆ど変化しない。すなわち、本発明の図１で説明したような構成でコリメータレンズのレンズベースを温度調整することにより、環境温度の変動にかかわらずＬＤからの出射光に対して平行光への変換の精度を維持することができる。
【００５８】
上記説明では、光ビーム発生装置の光源として半導体レーザ素子（ＬＤ）を用いている。本発明においては、光源は半導体レーザ素子に限定されず、一般的な半導体発光素子の出射光を利用する構成とすることもできる。なお、半導体発光素子として、発光層に
ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X≦１、０≦Y≦１、X+Y≦１）
を用いた窒化物系半導体発光素子を使用することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、半導体レーザ素子からなる光源の発生熱を、光源―光源を保持する熱伝導性が良好な材料で形成されたホルダー断熱材で保持されたレンズの外周に配置される熱伝導部材（レンズベース）―温度調整素子（ペルチェ素子）―放熱ブロックの経路で光軸方向とは直交する下部方向に放熱している。このため、光源の発生熱を効果的に放熱し、レンズベースの温度安定化を図ることができる。また、レンズは断熱材からなるレンズホルダに収納されているので、結露を防止し光ビームを有効に出射させることができる。
【００６０】
また、温度調整素子（ペルチェ素子）は、厚み方向に摺動できる構成としている。このため、ペルチェ素子加工時の厚み寸法の誤差を吸収することができる。なお、ペルチェ素子を載置する放熱ブロックは上下方向にのみ摺動できる構成としているので、ペルチェ素子に対して偏加重が発生しないようにして、ペルチェ素子の故障発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る構成の概略の断面図である。
【図２】本発明が適用される光学装置の例を示す概略の縦断側面図である。
【図３】コリメータレンズの特性図である。
【図４】従来例の概略の断面図である。
【図５】従来例の概略の断面図である。
【図６】従来例の概略の断面図である。
【符号の説明】
１・・・光ビーム発生装置、２・・・半導体レーザ素子（ＬＤ）、３・・・ホルダ、４・・・コリメータレンズ、５・・・レンズベース、６・・・レンズホルダ、７・・・ペルチェ素子、８・・・断熱プレート、９・・・第１の放熱ブロック（ヒートシンク）、１０・・・第２の放熱ブロック（ヒートシンク）、１１・・・ねじ、１２・・・取り付け板、２０・・・ＬＤ、２２・・・コリメータレンズ、２３、２４・・・アナモルフィックプリズム、２５・・・ビームスプリッタ、２６・・・フォトダイオード（ＰＤ）
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源からの発熱を効果的に放熱すると共に、レンズ系に対する温度変化の影響を抑制した光ビーム発生装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
光ビーム発生装置の光源として、半導体レーザ素子（以下、ＬＤと略記する）を使用する場合には、ＬＤの出射光を平行光線に変換するためのコリメータレンズのようなレンズ系が設けられている。このような光源にＬＤを使用する場合には、周囲温度や内部温度の変化に伴いＬＤの動作特性が変動する。このため、ペルチェ素子のような温度調整素子を設けてＬＤの発生熱を放熱している。
【０００３】
このように、温度調整素子を設けることにより、温度変動によるＬＤの動作特性の変動を抑制することができる。しかしながら、前記のようにＬＤにレンズ系を付設する場合には、レンズを支持するレンズベースが温度変化により形状変化することがある。このような場合には、ＬＤに対するレンズ位置がずれてしまい、光ビーム特性が悪化するという問題が生じる。
【０００４】
そこで、光ビーム発生装置の光源としてレンズ系を付設したＬＤを使用し、温度調整素子により温度変化によるＬＤの動作特性の変動を抑制する場合に、前記レンズ系の温度変動による影響を軽減する試みがなされている。図４は、特許文献１に記載されている例を示す概略の断面図である。図４において、光ビーム発生装置３１は、光源としてＬＤ３２を使用する。ＣＬは、ＬＤ３２の出射光の光軸である。ＬＤ３２は、アルミニウム合金のような熱伝導性が良好な材料で形成されるスペーサ３３に支持されている。
【０００５】
３４は、コリメータレンズで金属製のレンズユニットホルダ３６に保持される。レンズユニットホルダ３６は、アルミニウム合金のような熱伝導性が良好な材料で形成されるフランジ３５に取り付けられる。３７はペルチェ素子、３８はＬＤ３２の温度検知用のサーミスタ、３９は放熱フィンである。フランジ３５はスペーサ３３と密着して取り付けられており、ペルチェ素子３７による温度制御機能は、ＬＤ３２と共にコリメータレンズ３４の支持部材にもおよぶことになる。このため、ＬＤ３２とコリメータレンズ３４の支持部材との間隔が熱膨張や熱収縮により変化することを抑制することができる。
【０００６】
図５は、特許文献２に記載されている例を示す概略の断面図である。図５において、光ビーム発生装置４１は、光源としてＬＤ４２を使用する。ＣＬは、ＬＤ４２の出射光の光軸である。ＬＤ４２は、銅やアルミニウムなどの熱伝導性が良い材料からなる取付部材４３に保持される。コリメータレンズ４４は鏡胴４６に収納されている。４５は高分子系の樹脂からなる断熱材、４７はペルチェ素子、４８は銅やアルミニウムなどの熱伝導性材料からなる固定部材である。
【０００７】
図５の例では、断熱材４５を介してレンズの鏡胴４６を取付部材４３に固定している。このため、レンズ要素に対するＬＤ４２の影響を最小限に抑えることができる。また、固定部材４８に対して取付部材４３を横方向に突出させて、この取付部材４３にＬＤ４２やコリメータレンズ４４を配置しているので、レンズ系がペルチェ素子の放熱による温度の影響を受けにくい構成としている。
【０００８】
図６は、、特許文献３に記載されている例を示す概略の断面図である。図６において、光ビーム発生装置５１は、光源としてＬＤ５２を使用する。ＣＬは、ＬＤ５２の出射光の光軸である。ＬＤ５２は、銅製の第１ブロック５３、第２ブロック５４に保持される。５５はマイクロレンズ、５６はインバー型合金製のレンズホルダ、５７はペルチェ素子、５８は放熱ブロック、５９は放熱フィン結合ブロックである。放熱ブロック５８は、結合ブロック６３内で摺動自在に配置される。
【０００９】
６０はインバー型合金製の支持筒体、６１は支持筒体６０と第１ブロック５３に接している第３のブロックである。第３のブロック６１もインバー型合金製である。断熱材６２は、第１ブロック５３、第２ブロック５４、第３ブロック６１を保持する。インバー型合金は、鋼とニッケルの合金で温度の変化による変形が殆どないという特性を有している。
【００１０】
このため、支持筒体６０、レンズホルダ５６、第３ブロック６１は温度変化により変形しない。また、第１ブロック５３、第２ブロック５４は銅製であるが、ペルチェ素子５７により温度制御されるので、外気温の変化にかかわらず変形しない。ペルチェ素子５７に接する放熱ブロック５８は放熱フィン結合ブロック５９に対して摺動自在に配置されているので、第２ブロック５４が変形してもこの温度変形は吸収される。このように、図６の例ではＬＤ５２やレンズ系の光軸（Ｚ軸）ＣＬ方向の相対位置は、外気温が変化しても殆ど変化しない。
【００１１】
【特許文献１】
特開昭６０−１７２００７号公報
【特許文献２】
特開昭６０−１１７８７１号公報
【特許文献３】
特開昭６２−２２６１１０号公報
【００１２】
特許文献１（図４）の例では、ペルチェ素子３７がフランジ３５から離れた位置に設置されているので、フランジ３５の熱をすべて吸収できない場合がある。この場合には、レンズユニットホルダ３６が環境温度の変化により伸縮し、レンズユニットホルダ３６に保持されたコリメータレンズ３４の、光軸ＣＬ方向の最適位置にズレが生じる可能性がある。このため、ビーム出力が低下する恐れがあるという問題があった。
【００１３】
特許文献２（図５）の例では、鏡筒４６とＬＤ４２の取付部材４３との間に断熱材４５を介在させている。このため、コリメータレンズ４４はＬＤ４２の発生熱の影響は受けないが、この例でも外気温の変化の影響を受けて光軸ＣＬ方向の最適位置にズレが生じる可能性があるという問題があった。
【００１４】
特許文献３（図６）の例では、ＬＤ５２やレンズ系の光軸（Ｚ軸）ＣＬ方向の相対位置は、外気温が変化しても殆ど変化しない構成としている。しかしながら、ＬＤ５２を保持する第１のブロック５３を介してマイクロレンズ５５にＬＤ５２の熱が伝達されやすい構成とされている。このため、ペルチェ素子５７によりＬＤ５２を急速に冷却した場合には、マイクロレンズ５５も冷却されてレンズ部に結露を発生するという問題があった。
【００１５】
次に、特許文献１の放熱フィン３９による放熱方向は、矢視Ｘａ方向である。また、特許文献２の固定部材４８からの放熱方向は、矢視Ｘｂ方向である。さらに、特許文献３の放熱フィン結合ブロック５９からの放熱方向は、矢視Ｘｃ方向である。このように、特許文献１〜特許文献３の例では、いずれも放熱方向がＬＤの光軸方向と同じ方向に設定されている。
【００１６】
このため、放熱の影響を受けるのでＬＤの光軸方向には他の部品を設置することができず、部品設置の自由度がなく設置スペースに制約を受けることになる。また、光ビーム発生装置をケースに収納する場合に、一般にＬＤの光軸方向は放熱スペースが狭いので、放熱効率が悪いという問題があった。
【００１７】
さらに、ペルチェ素子を部材間に挟みこんで配置する場合には、偏加重がペルチェ素子に加わることがある。このような場合にはペルチェ素子が故障する原因となるが、特許文献１〜特許文献３の例では、偏加重が加わらないようにすることについては記載されておらず、ペルチェ素子の故障対策がなされていないという問題があった。
【００１８】
光ビーム発生装置においては、ある部材の面を基準面にして、ＬＤから出射されるビームの高さを決定している。この場合に、基準面としてヒートシンクの使用が可能である。このような構成では、ＬＤ-ＬＤホルダ-ペルチェ素子-放熱ブロック-ヒートシンク（基準面）の配列が考えられる。しかしながら、このような構成では、ペルチェ素子の厚み公差がプラスマイナス０.２５ｍｍくらいあるので、ＬＤの高さ位置がばらつくという問題があった。特に、ペルチェ素子を複数段重ねて、冷却部と放熱部の温度差を大きくして放熱効果を上げるようにした構成の場合には、例えば、ペルチェ素子を２段に積層すると、前記厚み公差は０.５ｍｍに増大してしまうという問題があった。
【００１９】
本発明は上記のような問題に鑑み、光源からの発熱を効果的に放熱すると共に、レンズ系に対する温度変化の影響を抑制した光ビーム発生装置の提供を目的とする。
【００２０】
上記目的を達成するために、本発明の光ビーム発生装置は、開口部が形成された固定部と、前記固定部の開口部内に配置された可動部とを有する放熱ブロックと、
前記固定部上に積層され、開口部が形成された断熱プレートと、
前記断熱プレートの開口部において前記可動部上に積層された温度調整素子と、
前記温度調整素子に接触して前記断熱プレート上に積層され、熱伝導性が良好な材料で形成された熱伝達部材と、
半導体発光素子からなる光源と、
前記光源を該光源の光軸が前記放熱ブロック、前記温度調整素子、前記熱伝達部材の積層方向に直交するように保持して前記熱伝達部材に取り付けられる、熱伝導性が良好な材料で形成されたホルダと、
前記光源の出射側光軸上に配置されるレンズを保持し、前記熱伝達部材上に配置されるレンズ保持具と、を備え、
前記可動部は、前記光軸と直交する方向に摺動できるように前記固定部の開口部内に配置されたことを特徴とする。このため、光源の光軸方向（出射光の進行方向とは反対側の方向）には放熱の影響が及ばないので、他の部品を配置することができる。したがって、部品配置の自由度を高めることができる。
【００２１】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記光軸方向と直交する方向は、装置設置面の下部方向であることを特徴とする。光ビーム発生装置をケースに設置する際に、一般にケースの下部面の面積は光軸方向である側面の面積よりも大きく設定されているが、光ビーム発生装置の発生熱を装置設置面の下部方向から放熱するので、放熱面積が増大して放熱効果を大きくすることができる。
【００２２】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記放熱ブロック、温度調整素子、光源のホルダ、レンズ保持具の各部材を前記光軸方向とは直交する方向に積層して配置することを特徴とする。このように、各部材を順次積層して配置しているので光ビーム発生装置の組み立てを簡単に行うことができる。また、これらの部材による放熱経路をコンパクトに構成することができる。
【００２３】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記レンズを断熱材からなる保持具で保持することを特徴とする。このため、温度変化に伴うレンズの結露を防止し、光源からの出射光がレンズで乱反射や屈折して不要な方向に進行することを防止し、出射光を有効に利用することができる。
【００２４】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記保持具の外周に、熱伝導性が良好な材料で形成された熱伝達部材が配置されることを特徴とする。このため、レンズ周囲の温度変化を熱伝達部材を介して放熱し、熱伝達部材が温度調整されるのでその形状が温度により変形することを防止できる。したがって、レンズは光軸方向の位置が変化しないという利点がある。
【００２５】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記温度調整素子を、当該温度調整素子の厚み方向に摺動可能に形成された部材に配置することを特徴とする。このように、温度調整素子は厚み方向に移動できる構成としているので、温度調整素子加工時の厚み寸法の誤差を吸収することができる。
【００２６】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記温度調整素子を摺動可能に配置する部材を断熱プレートで形成したことを特徴とする。このため、放熱経路は断熱プレートで絞られて、温度調整素子が配置されている面のみに集中する。したがって、光源の発生熱は周囲に放散することなく、温度調整素子で有効に吸収されて所定方向に放熱される。
【００２７】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記レンズの光進行方向前方に光学素子を配置し、前記断熱プレートを前記光学素子の配置位置まで延長して設置することを特徴とする。このため、他の光学素子の周辺から温度調整素子への熱伝達は遮断され、温度調整素子の消費電力を小さくして節電効果を得ることができる。
【００２８】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記放熱ブロックは、固定部と可動部で構成され、前記可動部は固定部に形成された開口部の中で光軸方向と直交する方向へのみ摺動できるように嵌合され、前記可動部の光軸方向と直交する方向への摺動により前記温度調整素子を厚み方向に摺動することを特徴とする。このため、可動部の放熱ブロックに載置される温度調整素子に対して偏加重が発生しないようにして、温度調整素子の故障を防止できる。
【００２９】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記可動部の熱伝導特性が固定部の熱伝導特性よりも良好な材料で構成したことを特徴とする。このように、温度調整素子と直接接触している可動部の熱伝導特性を大きくしているので、放熱効果を高めることができる。
【００３０】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記ホルダおよび前記レンズの保持具の外周に配置される熱伝達部材が同一の部材で形成されることを特徴とする。このため、伝熱部材の構成を簡素化することができる。
【００３１】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記温度調整素子が冷却する部材の当該温度調整素子と接していない面に断熱性のフイルムを貼り付けたことを特徴とする。このため、冷却効果が高められ、消費電力を低減することができる。
【００３２】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記光源は、半導体レーザ素子であることを特徴とする。このため、半導体レーザダイオードの温度調整を適切に行うことができ、半導体レーザダイオードの動作を安定させることができる。
【００３３】
また、本発明の光ビーム発生装置は、前記半導体レーザ素子は、前記断熱プレートを基準として光軸位置が調整されることを特徴とする。このように、熱的に安定している断熱プレートを基準面として半導体レーザ素子の高さを設定しているので、半導体レーザ素子の光軸位置が変化せず、精度良く光ビームを出射することができる。
【００３４】
【発明の実施の形態】
以下図に基づいて本発明の実施形態について説明する。本発明の基本的な構成は、半導体レーザ素子（ＬＤ）のような半導体発光素子からなる光源を熱伝導性が良好な材料で形成されたホルダで保持し、前記光源の出射側光軸上にレンズを配置した光ビーム発生装置において、温度調整素子と、前記温度調整素子を載置する放熱ブロックとを備え、前記光源からの発生熱を光軸方向とは直交する方向に放熱して、放熱を効果的に行うものである。また、レンズは、断熱材からなるホルダで保持し、温度変化の影響を抑制している。
【００３５】
図１は、本発明が適用される装置の構成例を示す概略の断面図である。図１において、光ビーム発生装置１の光源として、半導体レーザ素子（ＬＤ）２が使用される。ＬＤ２は、真鍮のような熱伝導性が良好な材料で形成されたホルダ３により保持される。ＣＬはＬＤ２の光軸である。ＬＤ２の出射側光軸上にコリメータレンズ４を配置する。
【００３６】
コリメータレンズ４は、合成樹脂のような断熱材で形成された有底円筒状のレンズホルダ６内に保持されている。このレンズホルダ６の外周に、真鍮のような熱伝導性が良好な材料で形成されたレンズベース５を配置する。このように、真鍮はアルミニウムよりも熱伝導性が良く、摺動性にも優れ、また、銅よりもコストが安価であることから、ＬＤ２のホルダ３とレンズベース５とは、いずれも真鍮を用いている。なお、ＬＤ２のホルダ３とレンズベース５とは、図示を省略しているがねじなどにより密着して取り付けられている。このような構成としているので、ホルダ３、レンズベース５により熱伝達経路が形成される。また、コリメータレンズ４に対する温度変化はレンズホルダ６で遮断される。
【００３７】
８は断熱プレートで、レンズベース５の図示底部中央付近に適宜の開口部を形成する。この開口部に、ペルチェ素子（温度調整素子）７を配置する。ペルチェ素子７は、円形、矩形状などの任意の形状で形成される。また、ペルチェ素子７は、光軸ＣＬに対して直交する方向、すなわち図示の状態では上下方向（厚み方向）に断熱プレート８の開口部内で摺動する。このように、ペルチェ素子７は厚み方向に摺動できる構成としているので、ペルチェ素子７加工時の厚み寸法の誤差を吸収することができる。また、ペルチェ素子を複数段に配置する場合にも、加工時の厚み寸法の誤差を吸収するので、より効果的な構成とすることが可能となる。
【００３８】
光ビーム発生装置１を収納するケースなどの取り付け板１２と、前記断熱プレート８間には、第１の放熱ブロック（ヒートシンク）９を固定する。第１の放熱ブロック９のペルチェ素子７と対応する位置には開口部９ａを形成する。また、取り付け板１２にはねじ取り付け部１２ａを形成する。第１の放熱ブロック９の開口部９ａには、第２の放熱ブロック１０（ヒートシンク）を配置する。第１の放熱ブロック９は固定部、第２の放熱ブロック１０は、可動部として機能する。
【００３９】
第２の放熱ブロック１０のペルチェ素子７との接触面１０ａは、ペルチェ素子７の平面形状と同じ形状にする。また、第２の放熱ブロック１０の放熱側は、放熱効果を高めるために接触面よりも平面形状を大きくしている。ねじの取り付け部１２ａにねじ１１を螺合する。このように、取り付け部１２ａでねじ１１を回動することにより、第２の放熱ブロック１０は開口部９ａ内を矢視Ａ方向に摺動し、前記のようにペルチェ素子７を上下動させることができる。
【００４０】
第１の放熱ブロック９は、アルミニウムのような熱伝導性が良好な材料で形成される。第２の放熱ブロック１０は、アルミニウムよりもさらに熱伝導性が良好な真鍮で形成し、放熱効果を高めている。すなわち、第２の放熱ブロック１０はペルチェ素子７と直接接触している。このような第２の放熱ブロック１０の熱伝導特性を第１の放熱ブロック９の熱伝導特性よりも大きくしているので、ペルチェ素子７から第２の放熱ブロック１０への熱伝導が良好に行われ、放熱を効果的に行うことができる。
【００４１】
また、第２の放熱ブロック１０は、第１の放熱ブロック９の開口部内ではペルチェ素子７を光軸方向と直交する方向（上下方向）に摺動させるが、前後左右には移動しないような寸法精度で加工される。第２の放熱ブロック１０として真鍮を使用しているのでアルミニウムよりも摩擦係数が小さく摺動特性が良好であり、第１の放熱ブロック９の開口部内で円滑に摺動させることができる。なお、銅もアルミニウムよりは摩擦係数が小さい特性を有しているが、真鍮は銅よりもコストが安い点で優れている。前記のように、第２の放熱ブロック１０は、第１の放熱ブロック９の開口部９ａとの嵌合を適宜の嵌め合い公差となるように加工している。したがって、第２の放熱ブロック１０に載置されるペルチェ素子７に対して偏加重が発生しないようにしている。このようなペルチェ素子７の載置構成とすることにより、ペルチェ素子７の故障を防止できるという利点がある。
【００４２】
図１の例では、コリメータレンズ４は前記のように断熱材で形成されたレンズホルダ６に収納されているので、コリメータレンズ４に対する温度変化を遮断している。このため、温度変化に伴いコリメータレンズ４が結露することを防止し、ＬＤ２の出射光が乱反射や屈折により不要な方向に進行しないようにしており、出射光を有効に利用することができる。
【００４３】
また、レンズホルダ６の外周には、熱伝導性が良好な材料で形成されたレンズベース５を配置し、レンズベース５にペルチェ素子７を接触させている。このため、コリメータレンズ４に対する外気温の変化をレンズベース５を介して放熱し、温度変化の影響を受けないようにすることができる。さらに、レンズベース５が温度調整されるのでレンズベース５の形状が温度により変形することを防止できる。このため、レンズ４は光軸方向に位置が変化せずＬＤ２の出射光を誤差なく正確に進行させることができる。
【００４４】
このように、本発明においては、コリメータレンズ４を断熱材で形成されたレンズホルダ６に収納し、レンズホルダ６の外周を熱伝導性が良好な材料で形成されたレンズベース５で覆う二重構造としている。このため、コリメータレンズ４に対する直接的な温度変化の影響を遮断する一方で、コリメータレンズ４の周囲に対する温度変化はペルチェ素子７で吸収できるという特有の効果を奏するものである。
【００４５】
ＬＤ２の発生熱は、ホルダ３、レンズベース５、ペルチェ素子７、第２の放熱ブロック１０の伝熱経路を通り、取り付け板１２の方向に放熱される。すなわち、本発明の放熱構成は、ＬＤ２の光軸方向ＣＬとは直交する方向の矢視Ｙ方向になされる。このため、ＬＤ２の光軸方向（出射光の進行方向とは反対側の方向）には放熱の影響が及ばないので、他の部品を配置することができる。したがって、部品配置の自由度を高めることができる。
【００４６】
また、放熱方向がＬＤ２の光軸方向ＣＬとは直交する方向の取り付け板１２の方向、すなわち装置設置面の下部方向としている。この種の光ビーム発生装置においては、一般に収納ケースの底側（取り付け板１２）の面積が光軸方向である側面の面積よりも大きく設定されている。このため、放熱面積が増大して放熱効果を大きくすることができる。なお、取り付け板１２の上には、第１の放熱ブロック９が配置されているので、ペルチェ素子７で吸収された熱は、第２の放熱ブロック１０のみならず、第１の放熱ブロック９を通しても放熱されるので、放熱効果を一層高めることができる。
【００４７】
ペルチェ素子７は、断熱プレート８の開口部８ａに配置されている。また、ＬＤ２の発生熱が伝達されるホルダ３は、断熱プレート８の上に固定されている。このため、ホルダ３からレンズベース５を通して形成される放熱経路は、断熱プレート８で絞られて、ペルチェ素子７が配置されている面のみに集中する。したがって、ＬＤ２の発生熱は周囲に放散することなく、ペルチェ素子７で有効に吸収されて取り付け板１２の方向に放熱される。なお、ホルダ３やレンズベース５がペルチェ素子７と接していない面には断熱性のフイルムを貼り付けることができる。すなわち、ペルチェ素子が冷却する部材のペルチェ素子とは接していない面に断熱性のフイルムを貼り付ける。この場合には、ペルチェ素子７は部品の必要な部分のみを冷却するのでその冷却効果が高められ、消費電力を低減することができる。
【００４８】
前記のように、ＬＤ２、コリメータレンズ４は断熱プレート８の上部に設置されている。この断熱プレート８は、ＬＤ２からの光の出射側に配置される他の光学素子、例えばアナモルフィックプリズムなどの設置個所まで延長して配置される。このため、かかる光学系の中で、ＬＤ２とコリメータレンズ４の周辺の熱のみをペルチェ素子７で吸収して冷却し、他の光学素子の周辺からのペルチェ素子７への熱伝達は遮断している。したがって、ペルチェ素子７の消費電力を小さくして節電効果を得ることができる。
【００４９】
また、ＬＤ２のホルダ３は断熱プレート８の上に固定されている。断熱プレート８は、温度変化によって変形しないので、ＬＤ２の設置位置を安定に保つことができる。このことは、ＬＤ２の高さ位置を設定する上で大きな利点となる。すなわち、第１の放熱ブロック９の設置位置を基準としてＬＤ２の高さＨａを設定する場合よりも、断熱プレート８を基準面としてＬＤ２の高さＨｂを設定した方が熱的には安定する。このため、ＬＤ２の光軸位置が変化しないので、精度良く光ビームを出射することができる。
【００５０】
図１の例では、取り付け板１２、第１、第２の放熱ブロック９，１０、断熱プレート８、ペルチェ素子７、レンズベース５、ＬＤ２のホルダ３を光軸方向とは直交する縦方向に積層している。このため、各部品を順次積層すれば良いので光ビーム発生装置１の組み立てを簡単に行うことができる。また、これらの部品による放熱経路をコンパクトに構成することができる。
【００５１】
図１の例では、ＬＤ２のホルダ３と、レンズベース５を別部材で構成している。このため、ＬＤ２の高さ調整は、ホルダ３の位置調整で簡単に行うことができる。
本発明においては、ＬＤ２のホルダ３と、レンズベース５を一体とした同一部材とすることもできる。この場合には、伝熱部材の構成を簡素化することができる。このように、ＬＤ２のホルダ３とコリメータレンズ４のレンズベースは、別部材とするか同一部材とするかを、ユーザは状況に応じて適宜選定することができる。
【００５２】
図２は、本発明の光ビーム発生装置が適用される例を示す概略の縦断側面図である。ホルダ２１に保持されているＬＤ２０の出射光は、コリメータレンズ２２で平行光線に変換される。また、ＬＤ２０から出射されるビームは、楕円形となっているため、ビーム形状を真円に整形する目的で、コリメータレンズ２２の前方にアナモルフィックプリズム２３、２４が配置されている。
【００５３】
アナモルフィックプリズム２３、２４を位置調整することにより、使用されるＬＤのアスペクト比がどのような値であっても、安定して真円にビーム整形をすることができる。また、ビームスプリッタ２５を設けて、出射光の一部を分岐させフォトダイオード（ＰＤ）２６で分岐光を検知する。ＰＤ２６は支持具２７で支持されており、ＰＤ２６の光検知により光源のＡＰＣを行う。
【００５４】
２８は、光学装置を収納するケースの取り付け板（底板）、２９は各光学素子の支持板である。図２のような構成の光学装置に本発明の光ビーム発生装置を適用する場合には、ＬＤ２０、コリメータレンズ２２周辺の放熱構成を、図１で示したような光軸方向とは直交する方向のケース下部への放熱を行う構成とする。したがって、支持板２９は、ペルチェ素子を配置する開口部を除いて断熱材で形成される。
【００５５】
図３は、コリメータレンズの環境温度と波面収差との関係を示す特性図である。図３では、コリメータレンズのＮＡを０.３としたときの特性を示している。横軸には環境温度（℃）を設定する。また、縦軸には波面収差ｍλ（ミリラムダ）（ｒｍｓ）を設定する。
【００５６】
データＤａは、コリメータレンズのレンズベースを温度調整しない場合の特性である。データＤａから明らかなように、レンズベースを温度調整しない場合には、温度上昇と共に波面収差は直線的に増加する。例えば、環境温度が１５℃から５０℃に上昇した場合の波面収差は、２０倍程度に増加する。このため、環境温度が高温になるほどコリメータレンズによる平行光への変換の精度が低下することがわかる。
【００５７】
データＤｂは、コリメータレンズのレンズベースを温度調整した場合の特性である。この場合には、環境温度が１５℃から５０℃に上昇しても、波面収差は殆ど変化しない。すなわち、本発明の図１で説明したような構成でコリメータレンズのレンズベースを温度調整することにより、環境温度の変動にかかわらずＬＤからの出射光に対して平行光への変換の精度を維持することができる。
【００５８】
上記説明では、光ビーム発生装置の光源として半導体レーザ素子（ＬＤ）を用いている。本発明においては、光源は半導体レーザ素子に限定されず、一般的な半導体発光素子の出射光を利用する構成とすることもできる。なお、半導体発光素子として、発光層に
ＩｎXＡｌYＧａ1-X-YＮ（０≦X≦１、０≦Y≦１、X+Y≦１）
を用いた窒化物系半導体発光素子を使用することができる。
【００５９】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、半導体レーザ素子からなる光源の発生熱を、光源―光源を保持する熱伝導性が良好な材料で形成されたホルダー断熱材で保持されたレンズの外周に配置される熱伝導部材（レンズベース）―温度調整素子（ペルチェ素子）―放熱ブロックの経路で光軸方向とは直交する下部方向に放熱している。このため、光源の発生熱を効果的に放熱し、レンズベースの温度安定化を図ることができる。また、レンズは断熱材からなるレンズホルダに収納されているので、結露を防止し光ビームを有効に出射させることができる。
【００６０】
また、温度調整素子（ペルチェ素子）は、厚み方向に摺動できる構成としている。このため、ペルチェ素子加工時の厚み寸法の誤差を吸収することができる。なお、ペルチェ素子を載置する放熱ブロックは上下方向にのみ摺動できる構成としているので、ペルチェ素子に対して偏加重が発生しないようにして、ペルチェ素子の故障発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る構成の概略の断面図である。
【図２】本発明が適用される光学装置の例を示す概略の縦断側面図である。
【図３】コリメータレンズの特性図である。
【図４】従来例の概略の断面図である。
【図５】従来例の概略の断面図である。
【図６】従来例の概略の断面図である。
【符号の説明】
１・・・光ビーム発生装置、２・・・半導体レーザ素子（ＬＤ）、３・・・ホルダ、４・・・コリメータレンズ、５・・・レンズベース、６・・・レンズホルダ、７・・・ペルチェ素子、８・・・断熱プレート、９・・・第１の放熱ブロック（ヒートシンク）、１０・・・第２の放熱ブロック（ヒートシンク）、１１・・・ねじ、１２・・・取り付け板、２０・・・ＬＤ、２２・・・コリメータレンズ、２３、２４・・・アナモルフィックプリズム、２５・・・ビームスプリッタ、２６・・・フォトダイオード（ＰＤ）
Claims (10)
- 開口部が形成された固定部と、前記固定部の開口部内に配置された可動部とを有する放熱ブロックと、
前記固定部上に積層され、開口部が形成された断熱プレートと、
前記断熱プレートの開口部において前記可動部上に積層された温度調整素子と、
前記温度調整素子に接触して前記断熱プレート上に積層され、熱伝導性が良好な材料で形成された熱伝達部材と、
半導体発光素子からなる光源と、
前記光源を該光源の光軸が前記放熱ブロック、前記温度調整素子、前記熱伝達部材の積層方向に直交するように保持して前記熱伝達部材に取り付けられる、熱伝導性が良好な材料で形成されたホルダと、
前記光源の出射側光軸上に配置されるレンズを保持し、前記熱伝達部材上に配置されるレンズ保持具と、を備え、
前記可動部は、前記光軸と直交する方向に摺動できるように前記固定部の開口部内に配置されたことを特徴とする、光ビーム発生装置。 - 前記可動部の前記温度調整素子との接触面は、前記温度調整素子の平面形状と同じ形状を有し、前記可動部の放熱側は、前記接触面よりも大きい平面形状を有することを特徴とする、請求項１に記載の光ビーム発生装置。
- 前記可動部の熱伝導特性が前記固定部の熱伝導特性よりも良好な材料で構成したことを特徴とする、請求項１または請求項２に記載の光ビーム発生装置。
- 前記可動部は真鍮で形成され、前記固定部はアルミニウムで形成されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の光ビーム発生装置。
- 前記温度調整素子は、複数段に積層されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の光ビーム発生装置。
- 前記レンズ保持具は、断熱材で形成されていることを特徴とする、請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の光ビーム発生装置。
- 前記熱伝達部材は、前記レンズ保持具の外周を覆うことを特徴とする、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の光ビーム発生装置。
- 前記レンズの光進行方向前方に光学素子を配置し、前記断熱プレートを前記光学素子の配置位置まで延長して設置することを特徴とする、請求項１ないし請求項７のいずれかに記載の光ビーム発生装置。
- 前記光源を保持するホルダおよび前記熱伝達部材が一体として同一の部材で形成されることを特徴とする、請求項１ないし請求項８のいずれかに記載の光ビーム発生装置。
- 前記光源は、半導体レーザ素子であることを特徴とする、請求項１ないし請求項９のいずれかに記載の光ビーム発生装置。
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