JP2010533880A - 同軸の光線束生成のための異波長光ビーム結合装置 - Google Patents

Abstract

本発明は同軸の光線束（１２）を形成するために個々の光ビーム（７、８、９、１０）を結合する装置に関する。この際、前記装置（１）は、複数の結合入力位置（３、４、５、６）と、前記同軸の光線束（１２）用に少なくとも一つの結合出力位置（１１）とを備え、前記結合入力位置の数は光ビーム（７、８、９、１０）の数に対応する。該装置は、特に、デジタル画像生成に用いられる多色光源として平行光線束を生成するのに適している。本発明による装置（１）は、前記光ビーム（７、８、９、１０）用の結合入力位置（３、４、５、６）及び前記光線束（１２）用の結合出力位置（３、４、５、６）を伴う装置ベース本体（２）と、前記光線束（１２）のビーム方向に対して前記個々の光ビーム（７、８、９、１０）を同軸上に配向するための調節器具（１４、１６、１８、２０）とを備える。前記同軸の光線束（１２）は、必要に応じて、前記結合出力位置（１１）において自由な光ビームとして出力することができ、あるいは接続要素を介して光導波路内に出力することができる。

Description

本発明は、個々の光ビームのためのいくつかの結合入力位置と、同軸の光線束に結合される光ビームのための少なくとも一つの結合出力位置とを備える装置に関する。本発明の装置は前記個々の光ビームを高精度に重ね合わせ、かつ１０μｒａｄ未満の角度誤差で前記同軸の光線束を角度位置調整する点で優れており、特に、デジタル画像生成に用いる多色光源として平行光線束を生成するのに適している。

光波長の異なるいくつかのレーザビームを同軸の光線束に結合する装置は、実は従来技術において周知である。このような装置によって生成された光線束は、例えば、顕微鏡撮像、特にレーザ走査顕微鏡においてＲＧＢ多色光源として用いられる。このような応用例において、同軸の光線束の角度位置調整はしばしば、その角度誤差が１０μｒａｄ未満である必要がある。

これらの要求を満足する従来の装置は複雑なプロセスで比較的多くの構成部品から製造されるとともに、個々の光ビームを光線束に精度よく結合するためには複雑な調節を必要とし、かつ、光ビームを供給するための個々の光導波路を変更することは多くの時間とコストがかかるため、取り扱いが困難である。

さらに、従来の装置は、使用時の温度変動がビーム経路の調節に悪影響を及ぼすという正確性に対する負の効果を伴う本質的な欠点を有する。

このような観点から、本発明は個々の光ビームを同軸の光線束に高精度に結合するための装置を開発する問題に基づき、該装置は手頃な費用で製造され得る最も単純な技術的手段によって実装可能であるとともに、変化する外部状況、特に温度が変動する状況において正確に、かつ確実に作動する。

この問題は、個々の光ビームを同軸の光線束に高精度に結合する装置によって解決され、該装置は、前記光ビームのためのいくつかの結合入力位置及び前記光線束のための結合出力位置を備える装置の本体と、前記個々の光ビームを前記光線束のビーム方向に対して同軸上に整合するための調節器具とからなる。

望ましくは、光導波路、特にシングルモード光ファイバが前記個々の光ビームを案内するために設けられ、接続要素が前記結合入力位置において前記光導波路を前記装置に結合するために設けられる。前記同軸の光線束は選択的に、前記結合出力位置において自由な（案内されない）ビームとして出力されるか、接続要素を介して光導波路に入力されることができる。

前記光ビームを生成するために、異なる光波長で放射するレーザ放射源を有利に用いることができる。
前記調節器具の数は前記結合入力位置の数に対応しており、各調節器具は各結合入力位置に関連付けられている。前記各調節器具には、各位置において結合させる光ビームの光波長を反射し、かつ貫通させる光ビームの光波長を透過するダイクロイックミラーが設けられている。

前記装置の本体内に、前記ダイクロイックミラーは連続して配置され、この配置の方向は前記同軸の光線束の方向に対応する。各ダイクロイックミラーは、入射された前記光ビームが前記光線束の中心に向って反射されるように、前記光ビームの方向に対して整合される。

この目的のため、前記ダイクロイックミラーは結合される前記光ビームに対してほぼ４５度傾斜し、前記同軸の光線束に対してほぼ４５度傾斜している。前記各ダイクロイックミラーは前記反射の方向を調節可能とするようにジョイントに連結されている。これらのジョイントは、望ましくは、弾性ヒンジとして設計され、各弾性ヒンジは、前記反射方向を変更し、かつ調節可能とする一つ以上の操作器に連結される。

本発明の装置の各種実施形態において、調節ネジ又は回転可能なウェッジプレート等の手動用の前記操作器が設計され、あるいは前記操作器は、制御指令を発する制御ユニットに接続された制御可能な電気機械的駆動ユニットに連結される。

前記装置の本体は、ガラス、ガラスセラミック、セラミックス、プラスチック、又は金属製の一体型本体として製造され、望ましくは、ステンレス鋼又は陽極酸化アルミニウム製である。前記調節器具は前記装置の本体と同一の材料の弾性ヒンジを含んでいることが推奨される。

本発明の装置のさらなる発展形において、前記個々の光ビームには、前記ビームに影響を与えるための平行光学系、あるいは一枚又は複数枚レンズの望遠鏡の機構が設けられ、これらは前記結合入力位置に配置されることが望ましい。

前記光導波路を前記結合入力位置において前記装置本体と接続するために、特に高精度なファイバ接続器が設けられ得る。これらのファイバ接続器には、接続要素が設けられ、該接続要素は、前記光導波路側及び前記装置本体側に、互いに対応するとともに、前記装置本体及び前記各ダイクロイックミラーに対する前記光導波路の正確、かつ再現性ある整合を保証する基準面を有する。

これに関連して、本発明の装置の特に好適な実施形態において、前記装置本体は、前記ファイバ接続器を受け入れるための基準面として機能する領域を伴って、研磨された外面を有する。センタリングカラーは前記ファイバ接続器及び前記光導波路を前記装置本体の各ダイクロイックミラーに対して整合するための補助手段として機能し、各センタリングカラーは前記各領域上に配置され、かつ固定される。各センタリングカラーには、前記センタリングカラーの形状に適合するバネ座金が取付けられる。

これにより、前記光導波路を変更したり、接続し直したりする際に、該光導波路の前記装置に対する速くて問題のない整合が可能となる。
前記領域の材料は、前記装置本体を構成する残りの材料より硬質であることが望ましい。この目的のために、前記装置本体の材料は（その種類に応じて）、硬化されたり、前記装置本体のこれらの領域に硬質な被覆を設けたり、あるいはより硬質な層が前記装置本体の材料内に埋め込まれたりする。

さらに、前記結合出力位置において前記同軸の光線束中に、例えばビーム拡大、又は前記光線束の焦点合わせ等のビーム形状を整えるための手段を設けることは、本発明の範囲を逸脱しない。

以下では、図面を参照し、例示的実施形態に基づいて本発明をより詳細に説明する。
結合される光ビームと同軸の光線束との光軸線に沿った断面図であり、本発明の装置の原理を示す。 本発明の装置の図１に示す構成の底面図であり、装置の本体に組込まれた調節器具を示す。 図１の一部として、結合入力される光ビーム及び同軸の光線束のためのビーム案内オリフィスに沿った断面における調節器具の一つを示す。 本発明の装置の斜視図であり、光ビームが結合される結合入力位置を示す。

図１は本発明の装置１の断面図を示す。該装置１は実質的に本体２からなり、該本体２には個々の光ビーム７、８、９、１０のための結合入力位置３、４、５、６と、同軸の光線束１２が出力される一つの結合出力位置１１とが設けられ、該本体２において前記光ビーム７、８、９、１０は結合される。

前記光ビーム７、８、９、１０は、望ましくは、異なる光波長のレーザビームであり、光導波路（図示せず）によって前記装置１に供給される。例えば、「赤」の波長帯域の光が光ビーム７によって前記装置１内で結合される。他の光ビーム８、９、１０は「緑」、「青」、及び「紫外線」の帯域の光波長とする。

前記光導波路を前記装置本体２と接続するため、即ち前記光ビーム７、８、９、１０を前記装置１内で結合するために、ファイバ接続器１３が設けられている。
ここで選択される例示的実施形態において、前記同軸の光線束１１が自由な光ビームとして出力される。また、前記結合出力位置１１にもファイバ接続器１３を配置することや、前記装置１から撮像装置まで光導波路で前記同軸の光線束１２を案内することも可能である。

調節器具１４が前記結合入力位置３に関連付けられ、該調節器具１４はダイクロイックミラー１５を支持する。同様に、ダイクロイックミラー１７を伴う調節器具１６が結合入力位置４に関連付けられ、ダイクロイックミラー１９を伴う調節器具１８が結合入力位置５に関連付けられ、ダイクロイックミラー２１を伴う調節器具２０が結合入力位置６に関連付けられている。

前記ダイクロイックミラー１５、１７、１９、２１は、結合される前記各光ビーム７、８、９、１０に対してほぼ４５度の角度で整合され、かつ前記装置本体２内を通る前記同軸の光線束１２に対してほぼ４５度の角度で整合されている。ここでの「ほぼ」という単語は、判断基準が厳密な４５度の傾斜ではなく、むしろ、前記各光ビーム７、８、９、１０がそれぞれ関連付けられている前記ダイクロイックミラー１５、１７、１９、２１に衝突する際に反射される方向であることを意味する。この方向は、可能な限り偏差を最小とするように、前記装置本体２内で前記同軸の光線束１２の中心に沿った方向に対応すべきである。

これを達成するために、前記調節器具１４、１６、１８、２０の各々には弾性ヒンジ２３が設けられている。該弾性ヒンジ２３によって、前記ダイクロイックミラー１５、１５、１９、２１の傾斜が上述の要求を満たすために必要な量だけ調節される。この調節の設備について、図３を参照して以下でより詳細に述べる。

前記個々の光ビームの間のビーム方向に沿った僅かな差を設定するために前記調節が用いられたとしても、本発明の範囲を逸脱しない。
前記ダイクロイックミラー１５は光ビーム７の光波長を反射し、かつ光ビーム８、９、１０の光波長を透過するように設計される。同様に、前記ダイクロイックミラー１７は、光ビーム８を反射し、かつ光ビーム９及び１０を透過するように設計され、前記ダイクロイックミラー１９は、光ビーム９を反射し、かつ光ビーム１０を透過するように設計され、前記ダイクロイックミラー２１は光ビーム１０を反射するように設計される。

前記同軸の光線束１２が図１に示す方向に結合出力されるように、鏡２４が前記装置本体２内に設けられ、該鏡は結合入力される全ての光ビーム７、８、９、１０の波長を反射するように設計され、前記同軸の光線束１２に結合された前記光ビーム７、８、９、１０は、前記装置本体２内で、鏡２４によって前記結合出力位置１１へ偏向される。

また、本発明の範囲を逸脱することなく、鏡２４を使用せず、前記結合出力位置１１を位置２５に変更することも可能である。また、前記光線束１２を自由なビームとして出力すること、あるいは別のファイバ接続器１３によって光導波路内へ接続することも可能である。

前記鏡２４の代わりに偏光ビームスプリッタを用いること、かつ前記同軸の光線束１２を該光線束１２と垂直で、異なる波長の光の束となり得る別の光ビームに結合することがさらに可能である。

図１に示すように、前記調節器具１４、１６、１８、２０は、例えばネジ２２等のネジ連結によって前記装置本体２に固定される。
前記光ビーム７、８、９、１０がＮＡ≒０．１の光ファイバによって前記ダイクロイックミラー１５、１７、１９、２１へ案内される場合、前記光ビーム７、８、９、１０中に（望ましくは、前記結合入力位置３、４、５、６において）、例えばｆ＝４ｍｍの焦点距離を有し、かつ前記光ビーム７、８、９、１０を約１ｍｍのビーム直径で前記ダイクロイックミラー１５、１７、１９、２１に衝突させるコリメータレンズが配置される。

同様に、前記結合出力位置１１において前記同軸の光線束１２中に光学要素を配置することができ、該光学要素は前記光線束１２の使用目的に応じたビーム直径まで前記光線束１２を拡大する。

前記装置本体２は、例えば、低い膨張係数のステンレス鋼製であり得る。温度変動による前記装置１への外部からの影響と、ビームを案内する際の精度偏差とを最小にするために、前記弾性ヒンジ２３を含む前記調節器具１４、１６、１８、２０は同一のステンレス鋼製であるべきである。

図１に示す構成の底面図である図２は前記装置の本体に組込まれた調節器具を示す。前記結合入力位置３、４、５、６において前記装置本体２に挿入される前記調節器具１４、１６、１８、２０と、前記調節器具１４、１６、１８、２０を前記装置本体２に固定する平ネジ２２とが備えられている。

前記結合出力位置１１に、前記鏡２４用の保持具３１が設けられ、該保持具は三つの平ネジ２６によって装置本体２に固定される。
図３は例示的に図１より詳細に前記調節器具１４を示す。図において、前記同軸の光線束１２のための前記ダイクロイックミラー１５及びオリフィス２８が備えられている。

前記調節器具１４を前記装置本体２に固定する前記平ネジ２２用の孔２９と、弾性ヒンジ２３として機能する材料断面の低減部分と、前記調節器具１４のネジ孔を貫通する調節ネジ３０とが備えられている。

図２に関連して図３に示される前記位置において、四組の前記調節ネジ３０の各々が前記調節器具１４の他に、前記他の調節器具１６、１８、２０にそれぞれ関連付けられている。前記調節ネジ３０を操作し、それによる前記各弾性ヒンジ２３の作用によって、前記結合入力される光ビーム７が所望の方向、即ち前記同軸の光線束１２の方向に精度よく整合されるまで、前記ダイクロイックミラー１５の整合が変化する。

前記弾性ヒンジ２３、あるいは一体型の設計の場合には、前記弾性ヒンジ２３を含む前記装置本体２を構成する材料の性質に応じて、前記ダイクロイックミラー１５の整合は、前記操作で生じる塑性又は弾性変形によってなされる。

本発明の装置のさらなる実施形態は、前記結合入力される光ビーム７、８、９、１０の角度整合用であって、前記調節器具１４、１６、１８、２０の形式の手段だけでなく、以下で説明するように、前記結合入力される光ビーム７、８、９、１０を前記ビーム方向に垂直に移動可能な手段にも特徴を有する。

図４に示すように、前記装置本体２には、高度な平面性を有する研磨された外面３１が設けられ、該外面は四つの領域３２、３３、３４、３５を有する。前記領域３２、３３、３４、３５は前記ファイバ接続器１３を配置するため、及び正確かつ再現性のある整合のための基準面として機能する。

本発明によると、前記装置本体２に連結される際に前記ファイバ接続器１３を整合するためにセンタリングカラー３６が設けられ、各センタリングカラー３６は前記領域３２、３３、３４、３５の上にそれぞれ配置され、かつ固定される。図４に示すように、例として、前記結合入力位置６には、前記センタリングカラー３６が平ネジ３７によって前記装置本体２に固定される。

バネ座金３８が各センタリングカラー３６に取付けられ、かつその形状に適合し、該バネ座金は、例えば、八本の平ネジ３９で固定される。
前記四つの領域３２、３３、３４、３５の材料は、前記装置本体２を構成する他の材料より硬質であることが望ましい。このために、前記装置本体２の材料の種類に応じて、該材料の表面を硬化したり、硬質な被覆を設けたり、あるいは、前記装置本体２の材料内に硬質な材料の層を埋め込んだりされる。

１…装置、２…装置本体、３，４，５，６…結合入力位置、７，８，９，１０…光ビーム、１１…結合出力位置、１２…同軸の光線束、１３…ファイバ接続器、１４，１６，１８，２０…調節器具、１５，１７，１９，２１…ダイクロイックミラー、２２…平ネジ、２３…弾性ヒンジ、２４…鏡、２５…位置、２６…平ネジ、２７…配置面、２８…オリフィス、２９…孔、３０…調節ネジ、３１…外面、３２，３３，３４，３５…領域、３６…センタリングカラー、３７…平ネジ、３８…バネ座金、３９…平ネジ。

Claims (18)

1. 個々の光ビーム（７、８、９、１０）を同軸の光線束（１２）に結合するための装置（１）であって、
   該装置は前記光ビーム（７、８、９、１０）のためのいくつかの結合入力位置（３、４、５、６）及び前記光線束（１２）のための結合出力位置（１１）を伴う装置本体（２）を備え、前記個々の光ビーム（７、８、９、１０）の光波長は互いに異なり、前記結合入力位置（３、４、５、６）にダイクロイックミラー（１５、１７、１９、２１）が関連付けられ、各ミラーは結合入力される光ビーム（７、８、９、１０）の各々の光波長を反射する前記装置において、
   前記個々の光ビーム（７、８、９、１０）を前記光線束（１２）のビーム方向に対して同軸状に整合するために、調節器具（１４、１６、１８、２０）が設けられ、
   前記ダイクロイックミラー（１５、１７、１９、２１）の各々は、前記光線束（１２）の方向に反射され、かつ偏向される前記光ビーム（７、８、９、１０）の方向に影響を与えるためのジョイントに接続されることを特徴とする装置。
2. 前記光ビーム（７、８、９、１０）及び前記光線束（１２）を案内するための光導波路が設けられ、かつ前記光導波路を接続するための接続要素が前記結合入力位置（３、４、５、６）、及び／又は前記結合出力位置（１１）に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. レーザ放射源が前記光ビーム（７、８、９、１０）を生成する、請求項１又は２に記載の装置。
4. 前記調節器具（１４、１６、１８、２０）の数は前記結合入力位置（３、４、５、６）の数に対応し、各結合入力位置（３、４、５、６）は調節器具（１４、１６、１８、２０）に関連付けられることを特徴とする、請求項１から３のいずれか一項に記載の装置。
5. 前記ダイクロイックミラー（１５、１７、１９、２１）は、前記光ビーム（７、８、９、１０）が前記光線束（１２）の光軸線内に反射されるように、前記光ビーム（７、８、９、１０）の方向に沿って整合される、請求項１から４のいずれか一項に記載の装置。
6. 前記ダイクロイックミラー（１５、１７、１９、２１）の各々は、前記各光ビーム（７、８、９、１０）に対してほぼ４５度傾斜し、かつ結合出力される前記光線束（１２）に対してほぼ４５度傾斜するように配置されている、請求項５に記載の装置。
7. 前記ジョイントは弾性ヒンジ（２３）として構成され、各弾性ヒンジ（２３）は前記反射される光ビーム（７、８、９、１０）の反射方向に影響を与えるための操作器に連結される、請求項１から６のいずれか一項に記載の装置。
8. 前記操作器は、前記反射される光ビーム（７、８、９、１０）の反射方向に手動で影響を与えるための調節ネジ又は回転可能なウェッジプレートの形式で構成される、請求項７に記載の装置。
9. 前記操作器は、前記反射される光ビーム（７、８、９、１０）の反射方向に影響を与えるための制御可能な電気機械的駆動ユニットに連結される、請求項７に記載の装置。
10. 前記駆動ユニットは制御指令を発するように設計された制御ユニットに接続される、請求項９に記載の装置。
11. 前記装置本体（２）は一体型であり、かつガラス、ガラスセラミック、セラミックス、プラスチック、又は金属製であるが、望ましくは、ステンレス鋼又は陽極酸化アルミニウム製である、請求項１から１０のいずれか一項に記載の装置。
12. 前記弾性ヒンジ（２３）は前記調節器具（１４、１６、１８、２０）の一部であり、該弾性ヒンジ（２３）及び前記調節器具（１４、１６、１８、２０）は前記装置本体（２）を構成する材料と同一の材料からなる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の装置。
13. 前記ビームに影響を与える光学系、望ましくは、コリメータレンズ、あるいは一枚又は複数枚レンズの望遠鏡機構が、前記個々の光ビーム（７、８、９、１０）のビーム経路中に前記結合入力位置（３、４、５、６）において設けられる、請求項１から１２のいずれか一項に記載の装置。
14. 前記光導波路を前記装置本体（２）に接続するために、ファイバ接続器（１３）が前記結合入力位置（３、４、５、６）に設けられる、請求項１から１３のいずれか一項に記載の装置。
15. 前記装置本体（２）は前記ファイバ接続器（１３）及び前記光導波路を前記装置本体（２）の前記各ダイクロイックミラー（１５、１７、１９、２１）に対して配置し、かつ、整合するための基準面として機能する領域（３２、３３、３４、３５）を伴う研磨された外面（３１）を有する、請求項１４に記載の装置。
16. センタリングカラー（３６）が前記ファイバ接続器（１３）を整合するための補助手段として設けられ、各センタリングカラー３６は前記各領域（３２、３３、３４、３５）上にそれぞれ配置され、かつ固定される、請求項１４又は１５に記載の装置。
17. 前記同軸の光線束（１２）の結合出力位置（１１）においてビーム形状を整えるための手段が設けられる、請求項１から１６のいずれか一項に記載の装置。
18. 前記ビーム形状を整えるための手段は一枚又は複数枚レンズの望遠鏡機構である、請求項１７に記載の装置。

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