DE69302006T2

DE69302006T2 - Athermalisierte Lichtquelle mit Kollimatoranordnung

Info

Publication number: DE69302006T2
Application number: DE69302006T
Authority: DE
Inventors: Michael Joseph O'brien; William Bradley Smith
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1992-12-23
Filing date: 1993-12-21
Publication date: 1996-10-24
Anticipated expiration: 2013-12-22
Also published as: JPH06215398A; EP0604335A1; US5270870A; EP0604335B1; DE69302006D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mittel zum Bewirken einer Temperaturkompensation der Brennweite in einer optischen Anordnung.
Bei bestimmten optischen Anordnungen wie sie in Laserstrahl-Lesegeräten verwendet werden ist ein von einer Strahlenquelle, zum Beispiel einer Laserdiode, abgegebener stabiler, monochromatischer, kollimierter Lichtstrahl und ein Kollimatorobjektiv erforderlich. Um eine angemessene optische Leistung zu erreichen, muß über einen breiten Umgebungstemperaturbereich eine vorgegebene Strahlenqualität der Strahlenquelle erhalten bleiben. Die relative Position zwischen dem Kollimatorobjektiv und der Strahlenquelle, die als hintere Brennweite bezeichnet wird, muß über einen beträchtlichen Bereich von Umgebungstemperaturschwankungen beibehalten werden. Die zulässige Abweichung der hinteren Brennweite hängt von der Auflösung des Lesegeräts ab. Der erfolgreiche Einsatz eines Laserstrahl-Lesegeräts mit sehr hoher Auflösung (z. B. 1.000 dpi) setzt, zum Beispiel, eine Abweichung der hinteren Brennweite von höchstens 20 Mikrozoll voraus.
Bei herkömmlichen Ansätzen zur Lösung des Problems werden die Strahlenquelle und das Objektiv in einer mechanischen Anordnung befestigt, durch die die hintere Brennweite beibehalten werden soll, während die Vorrichtung thermisch bedingten Strukturänderungen unterliegt. Die Temperaturunabhängigkeit (d. h. thermische Kompensation) der Strahlenquelle wird entweder passiv oder aktiv bewirkt.
Passive Kompensationssysteme basieren normalerweise auf den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verschiedenen Elemente des optischen Systems, so daß eine minimale Nettobrennpunktverschiebung mit der Temperatur stattfindet. Der herkömmliche Ansatz besteht in der Verwendung konzentrischer Röhrensysteme, die, wenn sie aus gewöhnlichen Materialien hergestellt werden, zu groß oder zu sperrig sind. In US-A-4,730,335 wird zum Beispiel eine Reihe verschachtelter Röhren offenbart, die jeweils ein einzelnes optisches Element eines optisch gepumpten Festkörperlasers enthalten. Die Genauigkeit eines passiven Systems hängt jedoch vom CTE der für die Konstruktion bestimmter Komponenten des Systems gewählten Materialien ab. Somit können einige passive Konstruktionen nicht hergestellt werden, weil die für die Fertigung der erforderlichen Systemkomponenten geeigneten Materialien nicht den gewünschten CTE aufweisen oder weil der gewünschte CTE nur bei instabilen Materialien gegeben ist, so daß sich eine ungenaue, instabile oder unzuverlässige Systemempfindlichkeit ergibt.
Aktive Kompensationssysteme basieren normalerweise auf einer aktiven Temperatursteuerung der Strahlenquelle, so daß die Temperatur der Strahlenquelle konstant gehalten wird. Zum Beispiel wird bei der in US-A-4,604,753 offenbarten Vorrichtung ein thermoelektrisches Kühlelement verwendet, um die Ausgangsleistung und Wellenlänge einer Laserdioden- Strahlenquelle zu stabilisieren; in US-A-4,656,635 und 4,993,801 wird eine Strahlenquelle offenbart, bei der ein thermoelektrisches Kühlelement verwendet wird, um die Betriebstemperatur des gesamten optischen Aufzeichnungskopfes zu steuern. Wie jedoch nachfolgend beschrieben wird, haben sich herkömmliche aktive Temperaturkompensationsverfahren als nicht zufriedenstellend erwiesen.
Wir haben festgestellt, daß die durch die Mehrzahl der herkömmlichen aktiven Temperaturkompensationsverfahren erreichte Temperaturunabhängigkeit dennoch eine gewisse Relativbewegung der Strahlenquelle zuläßt, die ihre Anwendung für das bereits erwähnte sehr hoch auflösende Strahlen-Lesegerät ausschließt. Insbesondere haben wir festgestellt, daß die Strahlenquelle sich von der Oberfläche der Halterung für die Strahlenquelle weg verformt oder "durchbiegt", wenn das thermoelektrische Kühlelement aktiv ist. Diese Bewegung ist auf die Tatsache zurückzuführen, daß die Strahlenquelle und die Halterung normalerweise aus Materialien mit verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) gebildet werden und während das thermoelektrische Kühlelement aktiv ist, an der Schnittstelle zwischen der Strahlenquelle und der Halterung ein hoher thermischer Gradient auftritt, wodurch eine unerwünschte mechanische Beanspruchung an der Schnittstelle bewirkt wird.
Entsprechend kann gemäß der vorliegenden Erfindung nach Anspruch 1 eine temperaturunabhängige Anordnung mit Strahlenquelle und Kollimator konstruiert werden, die ein von einer neuartigen kreisförmigen biegsamen Platte durch ein Tubuselement beabstandetes Kollimatorobjektiv aufweist. Die kreisförmige biegsame Platte umfaßt eine der Halterung für die Strahlenquelle benachbarte kreisförmige Durchbiegung, um die Strahlenquelle von der Umgebung zu isolieren und die Anordnung temperaturunabhängig zu machen. Die Halterung für die Strahlenquelle und die kreisförmige biegsame Platte können daher aus einem Material (wie zum Beispiel Kupfer) bestehen, das dieselbe Zusammensetzung und denselben CTE wie der an der Halterung für die Strahlenquelle befestigte Abschnitt der Strahlenquelle besitzt. Die Temperatur der Strahlenquelle kann dann durch ein an der Rückseite der biegsamen Platte befestigtes thermisches Element erhalten werden, ohne daß der oben beschriebene Biegeeffekt auftritt. Eine bevorzugte Ausführung einer temperaturunabhängigen Anordnung mit Strahlenquelle und Kollimator wurde so konstruiert, daß die hintere Brennweite über einen großen Bereich von Umgebungstemperaturschwankungen innerhalb von 20 Mikrozoll beibehalten wird (1 Zoll = 2,54 cm).
Die Erfindung wird im folgenden anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine vereinfachte Seitenansicht im Schnitt einer gemäß der vorliegenden Erfindung konstruierten optischen Anordnung;
Fig. 2A und 2B schematische Seitenansichten im Schnitt eines Abschnitts der Anordnung in Fig. 1, die die Änderung der Brennweite der Anordnung in Fig. 1 in Abhängigkeit von jeweils unterschiedlichen Umgebungstemperaturen veranschaulichen;
Fig. 3 eine schematische Seitenansicht im Schnitt, in der die in dem in Fig. 2B gezeigten Abschnitt der Anordnung auftretenden thermischen Gradienten dargestellt sind;
Fig. 4 ein vereinfachtes, schematisches Modell, das für die Analyse des Betriebs der Anordnung in Fig. 1 nützlich ist;
Fig. 5 eine graphische Darstellung der Veränderung des Strahlenquellenträger-Verhältnisses abhängig von Veränderungen der maximalen Differenz zwischen der Strahlenquellentemperatur und der Umgebungstemperatur (ΔºC = ΔºF/1,8).
Bevorzugte Ausführungen der vorliegenden Erfindung werden im folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in denen dieselben Komponenten durch dieselben Ziffern gekennzeichnet sind.
Wie in Fig. 1 dargestellt, kann eine bevorzugte Ausführung der vorliegenden Erfindung als temperaturunabhängige optische Anordnung 20 zum Erzeugen eines kollimierten Lichtstrahls 22 mit über einen großen Umgebungstemperaturbereich im wesentlichen konstanter Qualität ausgeführt werden. Ein im Objektivtubus 26 angeordnetes Kollimatorobjektiv 24 ist mit der optischen Achse des von einer Strahlenquelle 25 abgegebenen Lichtstrahls 22 ausgerichtet. Bei der Strahlenquelle 25 handelt es sich vorzugsweise um eine Halbleiter-Laserdiode, die in einer mit der biegsamen Platte 28 einstückig ausgebildeten Halterung 29 für die Strahlenquelle befestigt ist. Die Radial- und Winkelausrichtung des Objektivs 24 mit der Strahlenquelle 25 wird aufgrund der zylindrischen Geometrie der Kombination aus der biegsamen Platte 28 und dem Objektivtubus 26 beibehalten. Ein kinematisches Gelenk, vorzugsweise in Form einer kreisförmigen Durchbiegung 30, umfaßt die Gelenkseitenwände 32, 34, die eine kreisförmige Kerbe 36 bilden. Die kreisförmige Durchbiegung 30 ist ebenfalls einstückig mit der biegsamen Platte ausgebildet, so daß sie dem äußersten Radius der Halterung 29 für die Strahlenquelle direkt benachbart angeordnet ist. Die kreisförmige Durchbiegung 30 ist derart ausgeführt, daß eine begrenzte Verformung an der biegsamen Platte ermöglicht wird, wie im folgenden detaillierter beschrieben wird.
Die Halterung für die Strahlenquelle und damit die Strahlenquelle 25 werden zusammen durch ein thermisches Element, vorzugsweise in Form eines thermoelektrischen Kühlelement-(TEC-) Moduls 40 und einer Wärmesenke 41, derart gekühlt, daß die Temperatur der Strahlenquelle konstant gehalten wird, um optimale Leistungsfähigkeit zu erreichen. Das thermische Element ist an der Rückseite der Halterung 29 für die Strahlenquelle befestigt. Das thermische Element umfaßt einen zentralen Durchgang 42 für die Bereitstellung geeigneter Strom- und Steuersignalleiter (nicht dargestellt) zur Strahlenquelle 25.
Die Halterung für die Strahlenquelle und die kreisförmige biegsame Platte bestehen vorzugsweise aus einem Material (wie zum Beispiel Kupfer), das dem Material, aus dem der Abschnitt der Strahlenquelle besteht, der an der Halterung für die Strahlenquelle befestigt ist, in bezug auf Zusammensetzung und CTE entspricht oder im wesentlichen ähnlich ist. Die biegsame Platte 28, die kreisförmige Durchbiegung 30 und die Halterung 29 für die Strahlenquelle sind vorzugsweise in einem als Druckverformung bezeichneten Herstellungsverfahren aus einem einzigen Kupferpfropfen kaltverformt. Alternativ könnte für einige Anwendungen ein spritzgegossenes Kunststoffieil verwendet werden, abhängig von der thermischen Leitfähigkeit, die zwischen der Halterung für die Strahlenquelle und dem thermischen Element erforderlich sein kann.
Eine bevorzugte Strahlenquelle 25 ist eine Laserdiode, die im Handel als Modell HL7806G von Hitachi erhältlich ist. Das thermische Element 40, bei dem es sich vorzugsweise um ein thermoelektrisches Kühlelement-(TEC-)Modul 40 handelt, das im Handel als Modell SD1507 von Marlow Industries erhältlich ist (modifiziert durch ein Mittelloch für die Leiterverlegung), ist zwischen der Halterung 29 für die Strahlenquelle und einer Wärmesenke 41 mit schwarz eloxierten Aluminiumkühlrippen festgeklemmt. Bei dem Kollimatorobjektiv 24 handelt es sich vorzugsweise um ein Objektiv, das im Handel als Modell Q-28 der Eastman Kodak Company erhältlich ist. Abgesehen von den in dem vorliegenden Dokument enthaltenen besonderen Lehren wird die Anordnung 20 als gemäß den in dem Fachbereich bekannten optischen Techniken hergestellt, ausgerichtet und fokussiert betrachtet.
Wie anhand von Fig. 2A, 2B und 3 deutlich wird, ist es ein besonderes Merkmal der vorliegenden Erfindung, daß sich die kreisförmige Durchbiegung 30 derart verformen soll, daß nur ein vorgegebenes Maß an kontrollierter Bewegung des Objektivs 36 entlang der Strahlenachse möglich ist. Hauptzweck der biegsamen Platte 28, gemäß einem besonderen Aspekt der Funktion der kreisförmigen Durchbiegung 30, ist es, die radiale Ausrichtung der Strahlenquelle 25 beizubehalten, ihre vertikale Verschiebung zu minimieren und die mechanische Beanspruchung an der Schnittstelle 52 zwischen der Strahlenquelle 25 und der Halterung 29 für die Strahlenquelle zu minimieren. Durch diese kontrollierte Verformung wird ein "Durchbiegen" an der Schnittstelle 52 zwischen der Strahlenquelle und der Halterung für die Strahlenquelle verhindert, so daß die andernfalls auftretende Verschiebung der hinteren Brennweite ausgeschlossen wird. Es ist nur ein sehr geringes, vorgegebenes Maß an Axialbewegung des Objektivs zulässig, um die Ausdehnung des Objektivtubus 26 und die Brennpunktverschiebung des Objektivs 24 auszugleichen.
Es wurde ein Finite-Elemente-Modell des Systems analysiert, um die Axialbewegung der Strahlenquelle 25 zu bestimmen. Die entsprechende Verformungsverschiebung der biegsamen Platte ist in Fig. 2A und 2B dargestellt, und das Beharrungstemperaturprofil ist in Fig. 3 dargestellt (aus Gründen der Klarheit ist in diesen Abbildungen nur ein Abschnitt der Anordnung 20 dargestellt; da die Anordnung 20 jedoch um die Strahlenachse radial symmetrisch ist, ist die Darstellung für die übrige Anordnung repräsentativ). Fig. 2A zeigt die Konfiguration der biegsamen Platte 28, wenn die Strahlenquelle 25 inaktiv ist (und damit die Temperatur der Anordnung gleichmäßig an eine Nennumgebungstemperatur von 65ºF angepaßt ist). Nach der Aktivierung der Strahlenquelle und des thermischen Elements und nach dem Erreichen des Gleichgewichts der Anordnung bei einer Umgebungstemperatur von 100ºF findet im Objektivtubus 26 und der Durchbiegung 30 eine radiale Wärmeformänderung 54 statt (ºC = (ºF-32)/1,8).
Die Temperaturverteilung ist in Fig. 3 für eine Umgebungstemperatur von 100ºF dargestellt, wobei angenommen wird, daß das thermische Element die Halterung der Strahlenquelle (und die Strahlenquelle) konstant auf 63ºF hält. Der hohe Temperaturgradient des thermischen Elements 29 bewirkt ziemlich starke Verformungen, die (vorteilhafterweise) nicht mit der Halterung für die Strahlenquelle gekoppelt sind, wenn die Tiefe der Halterung 56 ausreichend groß ist. Darüber hinaus ist der thermische Gradient der beiden Biegeabschnitte 32, 34 gemäß eines weiteren Merkmals der vorliegenden Erfindung beinahe gleich, wodurch gleiche thermische Beanspruchungen an diesen Abschnitten bewirkt werden. Mechanische Beanspruchungen aufgrund von Ausdehnung sind ebenfalls an beiden Biegeabschnitten gleich, so daß die Strahlenquelle genau auf der Mittellinie CL der Anordnung zentriert bleibt, wodurch die gewünschte Strahlenachse ebenso auf die Mittellinie begrenzt wird.
Wichtige Abmessungen für die Steuerung der thermisch/mechanischen Wirkungsweise der Anordnung 20 sind in Fig. 4 dargestellt. Die in Fig. 4 dargestellten Parameter und die Materialeigenschaften der biegsamen Platte bestimmen den thermischen Widerstand zwischen der Strahlenquelle und der Umgebung. Das Maß an kinematischer Bewegung der kreisförmigen Durchbiegung 30 kann durch verschiedene Faktoren gesteuert, werden, wie im folgenden dargelegt wird. Die Profile der inneren und äußeren Biegeabschnitte 32, 34 werden gemäß dem gewünschten Maß an Translationsbewegung der Strahlenquelle gewählt. Da die Festigkeit der biegsamen Platte 28 am Gelenkpunkt (Kerbe 36) im Vergleich zur Festigkeit des übrigen Materials der biegsamen Platte sehr gering ist, tritt das kinematische Biegemoment hauptsächlich an der kreisförmigen Durchbiegung auf. Um die Beanspruchung an der Schnittstelle 52 zwischen der Halterung für die Strahlenquelle und der Strahlenquelle zu minimieren, wird die Halterung für die Strahlenquelle derart konfiguriert, daß sie ein Verhältnis (d. h. L/r&sub2;) besitzt, das vorzugsweise nach der in Fig. 5 dargestellten Beziehung gemäß der maximalen Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur (TA) und der Temperatur der Strahlenquelle (TD) ausgewählt wurde.
Die Länge L der Halterung für die Strahlenquelle (das zwischen dem thermischen Element und der Strahlenquelle befindliche Maß) sollte ausreichen, um die Temperaturschwankungen des thermischen Elements zu integrieren und die thermischen Beanspruchungen der Halterung für die Strahlenquelle von der Strahlenquelle zu entkoppeln. Im allgemeinen wird die Länge L der Halterung für die Strahlenquelle durch den der Anordnung 20 gemäß ihrer jeweiligen Anwendung zugeteilten physikalischen Raum bestimmt. Nachdem L festgelegt wurde, kann der Radius (r&sub2;) der Halterung für die Strahlenquelle bestimmt werden. Der Wert für r&sub3; kann abhängig von Fertigungszwängen oder dem verfügbaren Platz gewählt werden. Die Werte für r&sub5;, t&sub1; und t&sub2; werden auf derselben Grundlage gewählt.
Die Geometrie der Halterung für die Strahlenquelle wird dann gemäß den nachfolgend aufgeführten Gleichungen [1]-[4] berechnet. Um sicherzustellen, daß die thermischen Beanspruchungen an den Biegeabschnitten gleich sind, wird zuerst Gleichung [1] angewandt. Ein Wert für die Höhe (1) der Durchbiegung wird gemäß Gleichung [2] gewählt, um sicherzustellen, daß der Wärmefluß von dem Abschnitt der biegsamen Platte, der die Halterung für die Strahlenquelle umgibt, im Vergleich zu dem von der Strahlenquelle erzeugten Wärmefluß gering ist. (Die Durchbiegungshöhe sollte im allgemeinen mindestens 5 mal größer als die größte Durchbiegungsdicke (t&sub2;) sein). Die Wärmekapazitätsanforderungen an das thermische Element 40 werden mit Hilfe von Gleichung [3] bestimmt. Die thermische Zeitkonstante T wird mit Hilfe von Gleichung [4] für die endgültige Konstruktion bestimmt. Die passive Reaktion auf die Temperaturschwankungen in der Anordnung wird durch diese Zeitkonstante gesteuert und hängt von den für die elektronische Steuerung des thermischen Elements 40 festgelegten Anforderungen ab.
Entsprechend gilt
(r&sub2;²-r&sub1;²)=(r&sub4;²r&sub3;²) [1]
xk(Tn-To)+iovo [3]
wobei:
QTEC < = Wärmekapazität (Watt) des thermischen Elements
k = thermische Leitfähigkeit des Materials der Halterung für die Strahlenquelle (W/cmºC)
io = Steuerstrom der Strahlenquelle (Ampere)
vo = Steuerspannung der Strahlenquelle (Volt)
To = gewünschte Temperatur der Strahlenquelle (ºC)
TA = maximale Umgebungstemperatur (ºC)
und
T = L²ρCp/k [4]
wobei:
T = thermische Zeitkonstante der Halterung für die Strahlenquelle
CP = spezifische Wärme der Halterung für die Strahlenquelle
ρ = Massendichte der Halterung für die Strahlenquelle.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung deutlich wird, sind bestimmte Aspekte der Erfindung nicht auf die besonderen Einzelheiten der dargestellten Beispiele beschränkt, und es ist daher anzunehmen, daß für Personen mit Fachkenntnissen weitere Modifikationen und Anwendungen ersichtlich sind. Es wird folglich beabsichtigt, alle Modifikationen und Anwendungen, die nicht vom Geltungsbereich der Erfindung abweichen, durch die Ansprüche abzudecken.

Claims

1. Temperaturunabhängige optische Anordnung zum Erzeugen einer temperaturunabhängigen Kollimation eines von einer Strahlenquelle (25) abgegebenen Lichtstrahls, mit einer biegsamen Platte (28), die

a) eine Halterung (29) für die Strahlenquelle umfaßt, um diese an einer vorgegebenen Schnittstelle zu befestigen und dadurch eine optische Achse des Lichtstrahls zu bilden, und

b) ein kinematisches Gelenk in Form einer kreisförmigen Durchbiegung (30) aufweist, die der Halterung für die Strahlenquelle radial benachbart angeordnet ist,

einer Strahlenkollimationseinrichtung (24);

einem Träger (26) für die Strahlenkollimationseinrichtung, der an der biegsamen Platte befestigt ist, um die Strahlenkollimationseinrichtung aufzunehmen und sie mit der optischen Achse auszurichten, und mit

einem thermischen Element (40), das in Wirkverbindung mit der biegsamen Platte steht, eine vorgegebene thermische Empfindlichkeit hat und bezüglich der Halterung für die Strahlenquelle derart angeordnet ist, daß die Temperatur der Strahlenquelle erhalten bleibt, dadurch gekennzeichnet, daß das kinematische Gelenk derart betätigt wird, daß die hintere Brennweite der Einheit ausgewählt und die radiale Ausrichtung der Strahlenquelle und der Strahlenkollimationseinrichtung beibehalten wird und daß die mechanische Beanspruchung an der Schnittstelle zwischen der Strahlenquelle und der Strahlenkollimationseinrichtung minimiert wird.

2. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung für die Strahlenquelle, die kreisförmige Durchbiegung und die biegsame Platte einstückig ausgebildet sind.

3. Optische Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung für die Strahlenquelle und die kreisförmige Durchbiegung aus demselben Material bestehen.

4. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung für die Strahlenquelle, die kreisförmige Durchbiegung und die biegsame Platte in einem Arbeitsgang kaltverformt sind.

5. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kreisförmige Durchbiegung einen ersten und davon beabstandeten zweiten Biegeabschnitt aufweist, welche jeweils eine Festigkeit haben, die ausreichend geringer ist als die Festigkeit des übrigen Materials der biegsamen Platte, um ein hauptsächlich auf die kreisförmige Durchbiegung beschränktes kinematisches Biegemoment zu erzeugen, und daß die thermischen Gradienten der beiden Biegeabschnitte ausreichend ähnlich sind, so daß an jedem Abschnitt im wesentlichen gleiche thermische Beanspruchungen auftreten.

6. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung der Strahlenquelle eine Länge L und einen Radius r hat, die gemäß einem vorgegebenen Verhältnis (L/r) und gemäß der maximalen Temperaturdifferenz zwischen der Umgebungstemperatur (TA) und der Temperatur (TD) ausgewählt wurden, wobei das Verhältnis ausreicht, um die mechanische Beanspruchung an der Schnittstelle zwischen der Halterung der Strahlenquelle und der Strahlenquelle zu mindern.

7. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Element an der Rückseite der Halterung für die Strahlenquelle angeordnet ist.

8. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Halterung für die Strahlenquelle die Lichtquelle umfaßt.

9. Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Element Mittel zum Abstrahlen der von der Strahlenquelle abgegebenen Wärme aufweist.

10. Optische Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Abstrahlen der Wärme eine passive Wärmesenke aufweisen.