JPH06232511A - 光学アセンブリの能動・受動合成断熱化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 簡単な構成で、高い動作精度及び広い調整範
囲をもつ断熱光学アセンブリを安価に提供する。 【構成】 レーザダイオード３８は、支持ベースプレー
ト２８から熱的に分離された熱電気冷却器モジュール４
０に取り付けられている。レンズ３６は、対偶ヒンジを
有するたわみ板３０上に取り付けられている。たわみ板
３０は、異種物質から成る同心状の内部補償リング２４
及び外部補償リング２６により支持されている。両リン
グ２４、２６は、ベース上所定距離でたわみ板を支持す
るように構成されている。各補償リングの熱膨張係数の
差は、たわみ板３０の対偶ヒンジが、レンズ３６のレー
ザダイオード３８に対する径方向及び角度位置決めを維
持しつつシステム焦点長における熱シフトをほぼ補償す
るよう受動的に作用するよう選択されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本特許出願は、１９９２年８月３
１日付オブリエン他名義の共同発明であり、本願に参考
文献として記載した米国特許出願番号第８６０，９３６
号（発明の名称「小型受動断熱光学アセンブリ」）の関
連出願である。

【０００２】本発明は、光学アセンブリにおける焦点距
離の温度補償を行うための手段に関する。

【０００３】

【従来の技術】レーザ出力スキャナなどで見られるよう
なある種の光学アセンブリは、レーザダイオード及び平
行化レンズによって供給される安定単色平行化光ビーム
を必要とする。適切な光学的機能を得るためには、ビー
ム源は幅広い温度範囲にわたって所定のビーム品質を維
持しなければならない。従来の装置では、ビーム源及び
レンズは、装置が熱により誘起された構造変化を受けて
いる間、ビーム焦点距離を維持するよう働く機械的構造
内に取り付けられる。従って、断熱化（すなわち、温度
補償）は受動的または能動的に行われる。

【０００４】受動的補償システムは、通常は光学系にお
ける種々の素子の熱膨張係数の相違に依存し、従って温
度による正味焦点移動は最小限に抑制される。たとえ
ば、従来の方法は、同心管系を使用するものであった
が、この構成では、同一物質で構成された場合には大型
でかさばるものになる。米国特許第４，７３０，３３５
号には、一連の連動管構造が開示されている。各管は、
光ポンプ個体レーザの単一光学素子を担持している。能
動補償系は、通常、光学系における種々の素子の能動温
度制御に依存する。これにより、温度変化は最小とな
る。例えば、熱電気冷却器は、米国特許第４，６０４，
７５３号に開示の装置では、レーザダイオードビーム源
の出力パワー及び波長を安定化させるために使用されて
いる；米国特許第４，６５６，６３５号及び４，９９
３，８０１号には、ヘッド全体の作動温度を制御するた
めに熱電気冷却器が使用されたビーム源が開示されてい
る。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、受動シ
ステムの精度は、システムのある種の部品構造のために
選択された素材のＣＴＥ（熱膨張係数）に依存する。従
って、必要なシステム部品の製造に適した素材によって
所望のＣＴＥが示されないだけのため、あるいはＣＴＥ
は得られるが不安定であるためなどによって、いくつか
の受動構造が製造できなくなる。更に、周知の能動シス
テムの精度は、許容度を正確に設定するための複雑な部
品の構造に依存することが少なくない。従って、上記の
方法は、ある種の装置に対する希望のレベルよりも、費
用がかかりすぎると共に複雑化し、且つ得られる精度が
低く、調整範囲も狭いということが明らかとなった。

【０００６】

【課題を解決するための手段及び作用】本発明によれ
ば、改善された断熱光学アセンブリの好適な実施例は、
能動温度補償構造体内に一体的に取り付けられたレーザ
ダイオードやコリメータレンズなどのレーザビーム源を
含むように構成される。レーザダイオード源は、アセン
ブリ取付面として機能する支持ベースプレートから熱的
に分離されたビーム源マウント内に取り付けられてい
る。平行化レンズは、対偶ヒンジを有するたわみ板上に
取り付けられている。たわみ板は、ベース上方の所定距
離においてたわみ板を支持するよう配置された異種物質
の同心状内部及び外部補償リングによって支持されてい
る。各補償リングの熱膨張係数（ＣＴＥ）差は、たわみ
板の対偶ヒンジが、レーザダイオード源に対するレンズ
の径方向及び角度位置決めを維持しつつ、システム焦点
距離における熱シフトに対する近似補償を行うように受
動的に作用するよう、選択される。これにより、平行化
レンズの軸方向移動を制御することができる。ビーム源
マウントに機能接続された第１熱素子、及び外部補償リ
ングに機能接続されると共に内部補償リングから熱的に
分離された第２熱素子は、内部補償リング、外部補償リ
ング、及びレンズバレル温度に従って制御される。熱素
子は、内部及び外部補償リング温度を能動的に調整し、
これによって対偶ヒンジの受動的作用によって可能とな
る動作精度または動作範囲のあらゆる不全を取り替えま
たは補正することができる。従って、受動及び能動断熱
作用の合成により、受動または能動システム作用単独で
得られる場合よりも、より正確な熱誘起焦点シフトに対
する補償を行うことが可能となる。

【０００７】本発明、その目的、及び効果は、以下に述
べた好適な実施例の詳細な説明において、一層明瞭とな
ろう。

【０００８】

【実施例】以下、図面に基づき本発明の好適な実施例を
説明する。各図を通じ、同一符号は同等の構成要素を示
す。

【０００９】図１に示すように、本発明の好適な実施例
は、幅広い作用温度にわたり、本質的に一定の品質の平
行化レーザビームを発生するために使用される断熱光学
アセンブリ２０として構成されている。温度補償構造
は、それぞれがベースプレート２８とたわみ板３０との
間に固定された内部及び外部補償リング２４、２６を含
む。好適にはたわみ板内における円形ノッチ３２、３４
の形態をとる対偶ヒンジにより、プレート３０の一また
は複数の部分におけるたわみ板における局部変形が行わ
れる。ベースプレート２８は、十分な厚さ及び剛性を有
しており、従ってそれらに生じる変形は、たわみ板３０
に生じる変形に比べると取るに足らない。たわみ板３０
内に配置された平行化レンズ３６は、光ビーム２２の光
学軸と位置決めされている。ビーム源は、好適にはベー
スプレート２８内に固定されたレーザダイオード３８の
形態を取る。レンズ３６のダイオード３８に対する径方
向及び角度位置決めは、構造体２３の円柱状ジオメトリ
によって維持されている。アセンブリは、当該技術分野
の周知技術によって製造されている間、初期位置決め及
び収束されていることが観察される。

【００１０】補償リング２４、２６の温度シフトに対す
る観察された受動応答は、その後ビーム源に対するレン
ズ３６の軸方向移動を生成し、これによってそうでなけ
れば生じるであろう焦点距離シフトをほぼ補正すること
ができる。補償リング２４、２６に対する素材は、異な
る熱膨張係数（α１及びα２）を持つように選択され、
これによって各補償リングは、温度が変化するに従って
高さが変化する。対偶ヒンジは上部たわみ板３０内で小
さな歪に対して作用可能であるので、レンズ３６は、内
部補償リング２４の頂部に配置された支点４０を中心と
した「てこ」の作用によって、軸方向に移動することと
なる。

【００１１】内部補償リング２４は、レーザダイオード
取付ブロック３９の一体部として形成されている。これ
らは、好ましくは熱電気冷却器（ＴＥＣ）モジュール４
０及び吸熱器４１の形態の第１熱素子によって一緒に冷
却される。外部補償リング２６は、その外壁上の一体径
方向吸熱器と隣接しているか、あるいは該吸熱器を形成
するように延設されている。好適には電気ヒータ４３の
形態をとる第２熱素子は、外部補償リング２６の内壁に
機能接続されている。たわみ板３０は、その低熱伝導性
のために選択された物質から形成され、これによって内
部及び外部補償リング２４、２６を熱的に分離する。内
部補償リング２４及びダイオードマウント３９は、熱分
離スペーサ４４によってベースプレート２８から熱的に
分離されている。絶縁体４８は、内部補償リングと外部
補償リングとの間のキャビテイを充填するように配置さ
れている。サーミスタ４６は、それらの部品の温度をモ
ニタするため、内部補償リング、外部補償リング、及び
レンズバレル上に配置されている。

【００１２】アセンブリ２０の熱／機械的作用をモデリ
ングするための重要な寸法を図２に示す。平行化レンズ
の力学的動作の度合いは、いくつかの因子によって制御
可能である。たわみ板３０のヒンジ部の寸法及び内部及
び外部補償リング２４、２６の位置を変化させることに
よって、所定の外部補償リング高さに対して種々の温度
補償効果が得ることができる。ヒンジ点（ノッチ３２、
３４）におけるたわみ板の剛性は、たわみ板の残部にお
けるバルク物質の合成に比して極めて低いので、径方向
レベルアーム入力及び出力値は、それぞれ径方向量Ｒ４
及びＲ３によって設定される。支点位置４０は、Ｒ３と
Ｒ４との間の所定点において、内部補償リング半径Ｒ１
を選択することによって設定される。このレベリング構
成により、（Ｒ４−Ｒ１）：（Ｒ１−Ｒ３）の比に依存
する機械的移動が増幅または減少する。対偶ヒンジ作用
は、外部補償リング半径Ｒ２から独立している。理由
は、たわみ板３０バルク厚は、曲げモーメントがＲ４で
ヒンジ領域へ直接伝達されるからである。また、補償リ
ング２４、２６は異なる熱膨張係数（α１及びα２）を
有し、てこシステムへの入力は、内部及び外部補償リン
グ長Ｌ１及びＬ２、ＣＴＥ差（α１−α２）、及び及び
構造が受ける温度変化ＤＴに比例する。

【００１３】内部及び外部補償リング長Ｌ１，Ｌ２、熱
膨張係数（α１及びα２）、及びベースのＣＴＥ（α
３）は変化し、光学系焦点長（光学的及び機械的）の温
度による変化Ｄｆが決定され、Ｌ１、Ｌ２，α１、α
２、及びα３は次の関係によって最適化される： Ｄｆ＝Ｌ１・α１・［（Ｒ１−Ｒ３）／（Ｒ４−Ｒ１）］ ・［Ｌ２・（α２−α３）＋Ｌ１・（α３−α１）］ … （１） ここで、 Ｌ１＝内部補償リング長 Ｌ２＝外部補償リング長 Ｒ１＝内部補償リング半径 Ｒ３＝内部ヒンジ半径 Ｒ４＝外部ヒンジ半径 １＝内部補償リングＣＴＥ ２＝外部補償リングＣＴＥ ３＝ベース物質ＣＴＥ 内部補償リングと外部補償リングとが同じ長さである場
合（Ｌ１＝Ｌ２＝Ｌ０）： Ｄｆ＝Ｌ０［α１ −（α２−α１）＊（Ｒ１−Ｒ３）／（Ｒ４−Ｒ１）］… （２） 通常、上記熱係数は、アセンブリ製造時に選択された物
質及び製造方法によって定められる。Ｒ３、Ｒ４及びＬ
２は、通常はレンズ特性及び使用可能スペースによって
定められ、Ｌ１及びＲ１は所望の温度補償度を設定でき
るよう選択可能としている。さらに、製造許容差を低減
するには、次のことを実行すればよいと考えられる： ａ．（Ｒ４−Ｒ３）／（Ｒ１−Ｒ３）を最大化する； ｂ．（α２）／（α１）を最大化する； ｃ．（Ｒ４−Ｒ３）／（Ｒ１−Ｒ３）＝（α２）／（α
１）にセットする； 部品の幾何学的関係より、総レンズ移動量は次のように
演算される： δ＝［（Ｒ１−Ｒ３）／（Ｒ４−Ｒ１）］ ・［α２・（Ｔ２−Ｔ０）−α１・（Ｔ１−Ｔ０）］・Ｌ０ … （３） ここで、 Ｔ０＝システムの初期アセンブリにおける名
目システム温度 Ｔ１＝内部補償リングの温度 Ｔ２＝外部補償リングの温度 システム焦点長のＤｆの変化は、温度に正比例し、次の
ように表される： Ｄｆ＝Ｆｏ・Ｋ・（Ｔ３−Ｔ０） … （４） ここで、Ｔ３＝レンズ温度； Ｋ＝レンズに対する測定
された焦点シフト；及びＦｏはアセンブリにおける初期
焦点距離である（ユニットは、一定初期温度で組み立て
られ、収束されなければならない）。外部補償リング温
度Ｔ２は制御されなければならず、他のシステムパラメ
ータは固定されなければならないので、制御方程式は次
のようになる： Ｔ２＝Ｔ０＋（α１／α２）［Ｔ１−Ｔ０］＋［（ＦｏＫ）／（Ｒα２Ｌ ｏ）］［Ｔ３−Ｔｏ］ … （５） 当業者であれば、上記各パラメータを変化させることに
よって構造２３の幾何を最適化し、これによって製造公
差に対する感度を最小化できる。光学アセンブリの一実
施例は、α２がα１より大きくなるように設定され、こ
れによって環境温度の上昇と共に、焦点距離が増大する
こととなる。光学アセンブリ２０の第２の他の実施例
は、環境温度の増大とともに焦点距離を減少させるよう
作用する。他の実施例では、たわみ板応答は、その径方
向寸法に従って変化する剛性を有するたわみ板を使用す
ることによって非線形化することができる。

【００１４】図３は、素材の適切な選択、適切な構造、
及びアセンブリ２０の作用によって実効される焦点シフ
トの例を示すものである。コリメータの焦点距離の温度
に対する非補償応答は、ライン（Ａ）で示されている。
このライン（Ａ）は、レンズ焦点長さ及び相対ビーム源
位置の変化作用によって、システムの光学焦点長さの非
補償シフトとして反映される。アセンブリの純受動応答
性は、ライン（Ｂ）によって示されている。従来の受動
断熱構成では、ライン（Ａ）及び（Ｂ）は、完全補償に
対する等しくかつ逆の傾きを有するものと予測される。
しかし、本発明の従来技術の説明の欄で示したように、
製造に適した物質からのα１及びα２の制限された選択
により、これまではライン（Ｃ）で示されるように全体
の応答性は所望のレベルに達しなかった。しかし、本発
明の特徴によれば、正確な断熱効果を得るために必要な
残存補正は、内部及び外部補償リングを制御することに
よって得られ、これによってライン（Ｄ）の傾きすなわ
ち能動システム焦点シフトがライン（Ｃ）の傾きと等し
くかつ逆向きとなる。この結果得られる（補償された）
システム全体の応答性をライン（Ｅ）で示す。ライン
（Ｅ）は、効果的なシステム焦点長さがより正確に断熱
化される（すなわち、温度に対して一定）ことを示して
いる。さらに、ライン（Ｅ）によって示される応答性
は、α１及びα２が全ての有用な受動補償を行うように
選択された時に最も安定であることが理解される。これ
により、内部及び外部補償リング温度差（Ｔ２−Ｔ１）
の制御により、所用能動補償量を最小限に抑制できるこ
ととなる。システムの能動断熱化応答は、これにより受
動断熱化応答の欠点を補うことができる。

【００１５】高解像度出力ライターに使用される、本発
明に従って構成された断熱化光学ヘッドアセンブリ６０
の特定の好適な実施例を図４に示す。ビーム源３８は、
ヒタチモデルＨＬ７８０６Ｇレーザダイオードとして市
販されているレーザダイオードである。内部冷却された
ダイオードマウント３９及び内部補償リング２４は、黄
銅から形成されている。熱電気冷却器（ＴＥＣ）モジュ
ール４０（マーロウインダストリーズモデルＳＤ１５０
７として市販）が付属吸熱器４１と共にダイオードマウ
ント３９に固定されており、これによってビーム源３８
及び内部補償リング２４を一定温度に保持することがで
きる。熱電気冷却器（ワイヤルーテイングのための中心
孔を有するように改良）４０は、ダイオードマウント３
９と黒陽極化アルミニウム径方向フィン吸熱器４１との
間にクランプされている。内部補償リング／ダイオード
アセンブリはベースプレート２８に取り付けられ、かつ
内部補償リング２４とほぼ同じＣＴＥをもつ１５％ガラ
ス充填ポリカーボネート分離ワッシャ４４でそれから熱
的に分離されている。熱電気クーラモジュール４０は、
これによってダイオードマウント３９及び内部保証リン
グ２４のみからの熱を除去するために必要となる。

【００１６】たわみ板３０は、好適には２０％ガラス充
填ポリカーボネートからモールドされ、これによって外
部補償リング２６から内部補償リング２４への熱伝導を
最小限に抑制することができる。内部補償リング２４及
び外部補償リング２６は、たわみ板の下側に適切な接着
剤によってセメントされている。たわみ板３０内のボア
は、平行化レンズ３６Ａ（イーストマンコダックカンパ
ニーよりモデルＱ−２８として市販）を保持するように
構成されている。

【００１７】外部補償リング２６もまた、ベースプレー
ト２８へセメントされている。図示したように、外部補
償リング２６は、好適には外部補償リング２６の内壁に
そって非誘起的に巻回された電気的に分離されたニクロ
ムヒーティングでフィン型アルミシリンダとして形成さ
れることが望ましい。ファイバグラスウールは、内部補
償リング２４と外部補償リング２６との間の空洞を充填
する絶縁体４８として使用される。線形化サーミスタ４
６は、内部補償リング壁の中央及びレンズバレル上のた
わみ板近傍における関連温度を測定するために使用され
る。イエロースプリングズインストルメンツからモデル
ＹＳ−４４０１８として市販されているサーミスタ４６
は、ロクタイトＯＵＴＰＵＴ３８４として市販されてい
る熱誘起性接着剤などで取り付けることが好適である。
また、アセンブリは、最終レンズ位置決め前に不活性ガ
スで充填することができ、これによって機械的保護及び
ビーム源に対する密封環境の双方が達成される。

【００１８】

【発明の効果】本発明に従って構成された断熱光学アセ
ンブリによれば、以下の及び他の利点及び効果を提供す
ることができる。アセンブリの部品は容易に製造でき、
且つ製造公差に対する部品感度を最小限に抑制するよう
確実に設計可能である。アセンブリは、それ以外では補
償できない幅広い焦点長さシフトをアドレスするのに適
している。従来技術の受動補償構成では補償に使用可能
パラメータ数が少ないのに対し、本発明によれば、３組
の受動制御パラメータ（Ｌ，Ｒ，α）及び２個の能動制
御パラメータ（内部補償リング２４及び外部補償リング
２６の温度Ｔ１及びＴ２）を変化させることによって最
適の温度補償を行うことができる。さらに、受動断熱に
おける任意の第２非線形性は、能動断熱の適切な制御に
よって補正可能である。従って、観察された光学アセン
ブリによれば、極めて正確な断熱作用が得られ、その一
つは純粋な受動構成によって得られるものよりも、遥か
に正確である。

【００１９】本発明は、特にその好適な実施例について
説明してきたが、種々の変更及び改良例が本発明の精神
及び範囲から逸脱することなく、実施可能であることが
理解される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に従って構成された光学アセンブリの簡
略化側断面図である。

【図２】図１のアセンブリの作用の分析に有用な簡略化
モデルを示す図である。

【図３】環境温度に従って、図１のアセンブリの焦点距
離の変化を示すグラフ図である。

【図４】図１のアセンブリの特定の好適な実施例の側断
面図である。

【符号の説明】

２０ 断熱光学アセンブリ ２２ 平行化レーザビーム ２４ 内部補償リング ２６ 外部補償リング ２８ ベースプレート ３０ たわみ板 ３６ レンズ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ビーム源マウントを含み、ビーム源を該
   マウント上部の所定位置に支持し、これによって光ビー
   ム光学軸を定める手段であって、前記ビーム源マウント
   は膨張率α１を有すると共に前記支持手段から熱的に分
   離されている支持手段と、 光学軸上のビーム平行化手段位置でビーム平行化手段を
   位置決めし、光学軸に沿って平行化手段を移動させるよ
   う動作可能な対偶ヒンジを有するたわみ板と、 対偶ヒンジの能動及び受動動作を合成して平行化手段を
   移動させるよう、対偶ヒンジに取り付けられた温度補償
   手段と、 を含むビーム平行化手段によってビームの断熱平行化を
   行う装置において、 ａ）ビーム源マウントと温度的に一体化され、光学軸か
   ら第１所定半径Ｒ１において支持手段とたわみ板との間
   に機能接続され、膨張率α１を有する内部補償リング
   と、 ｂ）内部補償リング及びビーム源マウントに機能接続さ
   れ、その内部を第１温度Ｔ１に設定する第１熱素子手段
   と、 ｃ）光学軸から第２所定半径Ｒ２において支持手段とた
   わみ板との間に機能接続され、選択された膨張率α２を
   有する外部補償リングと、 外部補償リングに機能接続され、その内部を第２温度Ｔ
   ２に設定する第２熱素子手段と、 を含むことを特徴とするビーム断熱平行化装置。