JP2004006641A

JP2004006641A - レーザダイオードコリメータシステム

Info

Publication number: JP2004006641A
Application number: JP2003018131A
Authority: JP
Inventors: Grahame Bradburn; グレアム　ブラッドバーン; Tsunehisa Takada; 高田　倫久
Original assignee: FFEI Ltd
Current assignee: FFEI Ltd
Priority date: 2002-01-28
Filing date: 2003-01-28
Publication date: 2004-01-08
Also published as: US20030142720A1; EP1331709A1; DE60210010T2; EP1331709B1; US6873640B2; DE60210010D1

Abstract

【課題】レーザダイオードからの出射光を円形の平行光に変換する。
【解決手段】レーザダイオードＬＤは、レーザビームを発生させ、略平行ビームが得られるように位置決め及び整合される高ＮＡコリメータレンズＬ１に供給される。低ＮＡ球面レンズＬ２及び円柱レンズＣＹＬ１は、レーザダイオードの速軸補正（ｆａｓｔ　ａｘｉｓ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）のための光学エキスパンダを構成する。Ｌ２及び他の円柱レンズＣＹＬ２は、遅軸補正のための光学エキスパンダを構成する。アパーチャＡ１は、レジデュアル・エリプティシティ（ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｅｌｌｉｐｔｉｃｉｔｙ）の補償のために光路の端部に配置され、従って、レーザビームを円形にする。円柱レンズＣＹＬ１及びＣＹＬ２の円柱軸は、相互に直交するように位置決めされる。両焦点はＦで略一致する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レーザダイオードコリメータシステム（レーザダイオード平行光学系）に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
レーザダイオードを用いて、円形にされ平行にされたレーザ出力を発生させるレーザビームモジュールは、バイオレットレーザダイオードからの高品質（僅かな焦点異常、低い非点収差（ａｓｔｉｇｍａｔｉｓｍ）、低いサイドロード（ｓｉｄｅｌｏｄｅ））で高効率の円形ビームを要求するバイオレットプレートＣＴＰ（コンピュータ対プレート）記録装置に特に適している。
【０００３】
レーザダイオードビーム形成に関して多くの方法が提案されてきたが、そのいずれもがこの目的のための要件を充足していない。
【０００４】
１つの方法は、レーザビームを円形にするだけのためにアパーチャ及びコリメータレンズを用いる。アパーチャは、伝達効率を低下させ、回折効果によって起きる大きなサイドロードを発生させる。或る供給業者は、マイクロオプティクスをレーザダイオード『カン』（ｔｈｅ　ｌａｓｅｒ　ｄｉｏｄｅ　”ｃａｎ”）の中に配置することによって略円形にされたレーザダイオードを発生させ、其のようなレーザダイオードは、この方法に好都合である。効率は問題でないが、コリメータレンズの位置は、焦点位置に密接に関係しており、極めて高精度に制御されねばならない。また、補助的な要素ないし手段は、レーザダイオードに固有の非点収差を補正するために必要である。
【０００５】
第２の方法は、コリメータレンズ及びプリズム対を用いる。プリズムは、様々なレーザダイオードからのビームを効率良く円形にできるが、レンズは、コリメーション（平行化）を決定し、従って、極めて正確に整合されねばならない。加えて、非点収差を補正するために、或る別の方法が採用されねばならない。ビーム寸法を減少させるために、追加の光学系が要求される。小さな円形にされるビームの寸法（例えば、直径１　ｍｍ）を要求する応用に関して、プリズムは、合理的な光学的効率を保証するためにビーム寸法を大きくする（減少させない）ために一般的に使用されるので、必ずしも好適な選択肢ではない。従って、要求される光学系は、複雑化し易い。
【０００６】
代替方法は、コリメータレンズ及び２つの円柱レンズを用いる。レンズは、遅軸ビーム寸法変換のために用いることができるが、小さな円形にされるビーム出力（例えば、直径１　ｍｍ）のために用いねばならない。この方法は、制限的なアスペクト比レーザダイオードのビーム矯正及びコリメーションに役立ち、ビーム円形化は、光学的効率損失が殆ど又は全く誘発されることなくビーム経路にアパーチャを配設することで促進できる。
【０００７】
円柱レンズ軸に沿う非点収差は容易に補正できるが、コリメータレンズの整合は其れほど容易ではない。その理由は、レーザダイオードの遅軸に関するダイバージェンス（ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）がコリメータレンズの位置によって決定され、焦点のこの位置に極めて敏感であり、従って、高精度に整合されねばならないからである。
【０００８】
このデザインは、コリメータレンズ感度の懸念を除いて、合理的な可能性を有しているように思われるが、光学系の整合異常や面形状異常によりよく起きる得る軸外の非点収差を補正するための機能がない。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に従い、レーザダイオードコリメータシステムは、使用時にレーザダイオードからレーザビームを受けるためのコリメータレンズと；速軸方向及び遅軸方向のレーザビームのダイバージェンス及び／又はコンバージェンスに概ね独立して作動すると共に略共通する焦点面を有するように位置決めされ、レーザビームが通過する直交配置された第１及び第２円柱レンズと；前記共通焦点面に存在する焦点を有し、レーザビームが通過する凸レンズと；を含む。
【００１０】
本発明は、上記問題を克服でき、良好な光学的な伝達効率を具えた高品質の円形にされ平行化されたビームを発生させる。
【００１１】
円柱レンズ及び凸レンズは、多数の異なる構成で配列できるが、好適な構成にあっては、円柱レンズがコリメータレンズ及び凸レンズの間に配置されるか又は円柱レンズがコリメータレンズ及び凸レンズの下流側に配置されるかである。
【００１２】
多くの場合、要求される円形度はレンズのみで達成されるが、或る場合には、最終的な補正を提供するために、全レンズの下流側にアパーチャを設けることができる。
【００１３】
望ましくない光（例えば、レーザダイオードからの（均等拡散）散乱光や蛍光）の量を減らすために、そして、空間フィルタとして機能するために、共通焦点面には、アパーチャが位置決めされ得る。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係るレーザダイオードコリメータシステムの幾つかの例を添付図面に関連して説明する。
【００１５】
図１〜７の各々において、（Ａ）図は、速軸（ｆａｓｔ　ａｘｉｓ）方向の構成要素を示し、（Ｂ）図は、遅軸（ｓｌｏｗ　ａｘｉｓ）方向の構成要素を示しており、速軸及び遅軸は、関連するレーザダイオードに一般的な形式で関係する。
【００１６】
図１（Ａ）及び図１（Ｂ）から理解されるように、レーザダイオードＬＤは、レーザビームを発生させ、該レーザビームは、略平行ビームが得られるように位置決め及び整合される高ＮＡコリメータレンズＬ１に供給される。低ＮＡ球面レンズＬ２及び円柱レンズＣＹＬ１は、レーザダイオードの速軸補正（ｆａｓｔ　ａｘｉｓ　ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ）のための光学エキスパンダを構成する。Ｌ２及び他の円柱レンズＣＹＬ２は、遅軸補正のための光学エキスパンダを構成する。アパーチャＡ１は、レジデュアル・エリプティシティ（ｒｅｓｉｄｕａｌ　ｅｌｌｉｐｔｉｃｉｔｙ）の補償のために光路の端部に配置され、従って、レーザビームを円形にする。円柱レンズＣＹＬ１及びＣＹＬ２の円柱軸は、相互に直交するように位置決めされる。
【００１７】
図１において、円柱レンズＣＹＬ１及びＣＹＬ２の焦点面は、図示のようにＦで略一致する、ということに留意すべきである。
【００１８】
図２の例において、レンズＬ２は、円柱レンズＣＹＬ１及びＣＹＬ２の上流に配置されるが、他の光学的構成は同じであり、円柱レンズのための共通する焦点面Ｆを有する。
【００１９】
これらの構成は幾つかの利点を有する。Ｌ１単独では、出力ビームのダイバージェンス（ｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅ）が決まらず、粗整合される必要がある。ダイバージェンスは、Ｌ２を用いて容易に制御できる。Ｌ１の出力のダイバージェンス（又はコンバージェンス（ｃｏｎｖｅｒｇｅｎｃｅ））を制御することによって、レーザモジュールからの平行レーザビームの直径は調整できる。この方法を用いて、レーザビームの速軸又は遅軸は、様々のレーザダイオードから所望の寸法に調整できる。
【００２０】
別の形態において、Ｌ１は高ＮＡのために望ましい設計条件からのエラーに敏感である。例えば、波長の変化又はレーザダイオードのウインドウ厚（ｃａｎ　ｗｉｎｄｏｗ　ｔｈｉｃｋｎｅｓｓ）によって、異常事態が引き起こされる。其のような異常は、Ｌ１及びＬ２の好適な整合によって最小限に抑えることができる。レーザダイオードによって生じる遅軸及び速軸ダイバージェンスは、ＣＹＬ１及びＣＹＬ２の個別の整合によって制御でき、従って、非点収差は完全に補償できる。ＣＹＬ１及びＣＹＬ２要素の軸は標準的には直交する。この直交に関する異常は、４５°非点収差を引き起こす。この非点収差の量は回転角度の関数である。従って、円柱レンズの回転角度を調整することによって、４５°非点収差は完全に相殺できる。
【００２１】
好ましくは円柱レンズは、製造の困難性のために一重項（ｓｉｎｇｌｅｔｓ）であり、従って、起き得る異常を最小限にするために小ＮＡで使用されるべきである。しかしながら、解決策は、各レンズの焦点距離を増大させ、従って、レーザモジュールの全長がより長くなる。球面レンズＬ２は、マルチエレメント又は非球面レンズにでき、従って、レンズは円柱レンズ要素によって生じ得る異常を補償できるし、或いは、最初のコリメータレンズＬ１によって生じるレジデュアル・アベレイション（ｒｅｓｉｄｕａｌ　ａｂｅｒｒａｔｉｏｎ）ですら補償できる。この解決策によれば、極めてコンパクトなレーザダイオードモジュールが得られる。アパーチャＡ２は、レーザモジュールの焦点位置に位置決めでき、空間フィルタとして機能すると共に、望ましくない光（即ち、蛍光又はレーザからの（均等拡散）散乱光）の量を低減させる。アパーチャＡ２によって、レーザダイオードＬＤの変調のオン／オフ時におけるレーザモジュールの改善された減衰率がもたらされる。更に、最終のアパーチャＡ１は、ビームを円形にするために用いられるが、このポイントにおけるビームがいずれの場合でも殆ど円形にされているので、このアパーチャでのパワーロス及び回折効果は僅かである。
【００２２】
図３〜６は、一方又は双方の円柱レンズＣＹＬ１、ＣＹＬ２が負のカーブを有するような別の４つの構成を示す。
【００２３】
図６のより詳細な機械的な図解図は図７Ａ及び７Ｂに示される。ベースプレート１上には、構成要素が取り付けられる。レーザダイオードＬＤは、レーザマウント２内に押し入れられる。高ＮＡコリメータレンズ３、好ましくは、ガラス成形された非球面レンズは、レンズホルダ４の中に圧入される。熱電クーラ５は、コリメータレンズ及びレーザダイオードの温度を制御するために用いられる。レーザダイオードは、偏光軸（ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ　ａｘｉｓ）の整合のために回転でき、ダイオードの放出ポイントをコリメータレンズ軸に整合させるためにＸ及びＹ方向に位置的に変位できる。コリメータレンズ３は、ダイバージェンス状態を調整するためにダイオードの位置に対して前後に調整できる。
【００２４】
各々のマウント６〜８上のレンズＬ２（球面）とＣＹＬ１及びＣＹＬ２（円柱レンズ要素）は、変位及び焦点の異常の補正のためにレーザダイオードの位置に対してＸ、Ｙ、Ｚ方向に変位できる。ＣＹＬ１及びＣＹＬ２レンズ要素は、それらの軸をレーザのダイバージェンス軸に整合させるためにレーザビーム軸に平行に回転できる。ＣＹＬ１又はＣＹＬ２の補助的な微調整は、軸外の非点収差を補償するために実行可能である。
【００２５】
最初のアパーチャ１０は、望ましくない光を排除するために焦点位置に配置される。第２のアパーチャ１１は、モジュール端部に配置される。アパーチャ寸法は、所望のビーム寸法を得るために予め選択される。アパーチャは、ジンバルマウント１２に取付けられ、レジデュアル・エリプティシティの補正のために２軸傾動できる。ビームスプリッタを画成するガラスプレート１３は、フィードバック制御によるパワー安定化のために用いられる光検出器（図示せず）に向かって平行光の一部分を反射させるためにブルースター角の側に配置される。
【００２６】
図８から理解できるように、レンズホルダ４は、２つの（ホルダ）パーツ４Ａ及び４Ｂから形成されており、ホルダパーツ４Ａは、ホルダパーツ４Ｂの中に押し入れられる。レンズ及びＬＤの間の距離が一度調整されると、ネジで固定される。
【００２７】
大抵そうであるが、良好な熱伝導性と価格のためにホルダ４のパーツがアルミニウムである場合、ホルダパーツ４Ａは、実用温度範囲にわたる平行化（コリメート）状態を維持するために異なる材料で形成される。これは以下に説明することができる。
【００２８】
ホルダパーツ４Ａ、４Ｂが共にアルミニウムであった場合、温度での焦点位置ｄｆの変化は次のようになる。
【００２９】
Ｄｆ　＝　（ｆｔ　−　ｆ＊ａ）＊ｔ
ｆ：レンズの焦点距離
ａ：ホルダパーツ４Ａ及びホルダパーツ４Ｂの熱膨張
ｆｔ：摂氏温度当たりのレンズ焦点距離変化
ｔ：（摂氏）温度差
平行化状態は、ｆ＊ａ　＝　ｆｔでない場合に、著しく変化する。例えば、ａ　＝　２３　ｘ　１０ｅ−６、ｆ　＝　４　ｍｍ、ｆｔ　＝　１５０　ｘ　１０ｅ−６　ｍｍ／ｄｅｇならば、ｄｆ　＝　５８　ｘ　１０ｅ−６　ｍｍ／ｄｅｇである。
【００３０】
もし異なる材料がホルダパーツ４Ａのために用いられるならば、式は次のようになる。
【００３１】
ｄｆ　＝　（ｆｔ　−　ｆ＊ａ　−　ｌ＊（ａ　−　ｂ））＊ｔ
ｂ：ホルダパーツ４Ａ材料の熱膨張
ｌ：ホルダパーツ４Ａの寸法
この場合、ホルダパーツ４Ａ材料の材質及び長さは、ｆｔ　−　ｆ＊ａ　＝　ｌ＊（ａ　−　ｂ）であるように選択できる。例えば、ｌ　＝　５　ｍｍのシルバー・スチール（ｂ　＝　１１　ｘ　１０ｅ−６）でホルダパーツ４Ａが形成されたならば、ｄｆ　＝　−２　ｘ　１０ｅ−６　ｍｍ／ｄｅｇである。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１（Ａ）は、本発明に係るシステムの一態様を示す図であり、図１（Ｂ）は、本発明に係るシステムの別の態様を示す図である。
【図２】図２（Ａ）は、本発明に係るシステムの更に別の態様を示す図であり、図２（Ｂ）は、本発明に係るシステムの他の態様を示す図である。
【図３】図３（Ａ）は、本発明に係るシステムの更に他の態様を示す図であり、図３（Ｂ）は、本発明に係るシステムの異なる態様を示す図である。
【図４】図４（Ａ）は、本発明に係るシステムの更に異なる態様を示す図であり、図４（Ｂ）は、本発明に係るシステムの異なる他の態様を示す図である。
【図５】図５（Ａ）は、本発明に係るシステムの更に異なる他の態様を示す図であり、図５（Ｂ）は、本発明に係るシステムの更に異なる別の態様を示す図である。
【図６】図６（Ａ）は、本発明に係るシステムの他の異なる態様を示す図であり、図６（Ｂ）は、本発明に係るシステムの他の更に異なる態様を示す図である。
【図７】図７（Ａ）は、図６（Ａ）及び（Ｂ）の構成を具体化して成る組立構造の平面図であり、図７（Ｂ）は、図６（Ａ）及び（Ｂ）の構成を具体化して成る組立構造の側面図である。
【図８】レーザダイオードを保持する組立体の横断面図である。

Claims

使用時にレーザダイオードからレーザビームを受けるためのコリメータレンズと、
速軸方向及び遅軸方向のレーザビームのダイバージェンス及び／又はコンバージェンスに概ね独立して作動すると共に略共通する焦点面を有するように位置決めされ、レーザビームが通過する直交配置された第１及び第２円柱レンズと、
前記共通焦点面に存在する焦点を有し、レーザビームが通過する凸レンズと、
を含むことを特徴とするレーザダイオードコリメータシステム。
円柱レンズの各々は、同符号の集束パワーを有することを特徴とする請求項１記載のシステム。
円柱レンズは、コリメータレンズ及び凸レンズの間に配置されることを特徴とする請求項１又は２記載のシステム。
円柱レンズは、コリメータレンズ及び凸レンズの下流側に配置されることを特徴とする請求項１又は２記載のシステム。
コリメータレンズは、凸レンズよりも高い開口数（ＮＡ）を有することを特徴とする上記請求項のいずれかに記載のシステム。
前記共通焦点面の面内又は近傍に配置される第１のアパーチャを更に含むことを特徴とする上記請求項のいずれかに記載のシステム。
最終的なエリプティシティ補正を行うために全レンズの下流側の第２のアパーチャを更に含むことを特徴とする上記請求項のいずれかに記載のシステム。
第２アパーチャは、第２アパーチャが直交２軸に傾動し得るようにサポートに取付けられることを特徴とする請求項７記載のシステム。
コリメータレンズは、０．２５よりも大きなＮＡを有することを特徴とする上記請求項のいずれかに記載のシステム。
凸レンズは、０．１よりも小さなＮＡを有することを特徴とする上記請求項のいずれかに記載のシステム。
コリメータレンズは、選んだ２つの異なる構成要素を含むマウント上に支持され、レーザダイオード及びコリメータレンズの間の寸法は、使用時に実用温度範囲にわたって一定に維持され得ることを特徴とする上記請求項のいずれかに記載のシステム。