JP4289729B2 - 光出力装置および光合波装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、光出力装置あるいは光合波装置において、レンズと発光素子あるいは合波器との距離および光軸を正確に合わせるための技術に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば各種光学機器の光源として使用されるレーザ光出力装置は、機器組み込に便利なように最小限度に小型化された筐体内に、レーザダイオードやそのレーザダイオードから出射されたレーザ光を平行光に収束して出射させるためのレンズ等の部品がマウントされている。
【0003】
このようなレーザ光出力装置では、レーザダイオードの出射光軸とレンズの光軸の平衡度を一致させるだけでなく、レーザダイオードをレンズに対して最適結合効率が得られる所定距離の位置に正確に配置する必要がある。
【0004】
このレーザダイオードとレンズと間に正確な距離を与えるために、従来では、図8に示すように組立てを行っていた。
【0005】
即ち、図8の(a)に示すように、光学部品を組み込むための基板10の両縁に予め平行に立設されている一対のガイド11、12に直方体状の一対の突き当てブロック13、14をそれぞれ沿わせた状態で基板10上にハンダ付け固定する。
【0006】
そして、図8の(b)のように、レーザダイオード部品15を、その前面が2つの突き当てブロック13、14の前端面に当接した状態で基板10上にハンダ付け固定し、さらに、図8の(c)のように、レンズ16を保持している板状のレンズ保持体17の一面側を2つの突き当てブロック13、14の後端面に当接させた状態でレンズ保持体17を突き当てブロック13、14に溶接止めしていた。
【0007】
このように予め基板10上に平行に並ぶように固定された突き当てブロック13、14を前後から挟むようにレーザダイオード部品15とレンズ保持体17を固定することにより、レーザダイオード部品15とレンズ16と間を一定の距離に保つことができ、突き当てブロック13、14の長さを予めレンズ16に対して所定長さに設定しておくことで、レーザダイオード部品15とレンズ16との距離を最適結合効率が得られる距離に一致させることができる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記のような工程で組立てた従来のレーザ光出力装置では、レーザダイオード部品15とレンズ16の光軸の一致精度が低いという問題があった。
【0009】
即ち、基板10に突き当てブロック13、14をハンダ固定する場合、互いの平行度はガイド11、12によって十分確保することができるが、突き当てブロック13、14の前端位置および後端位置を完全に揃えることは困難であり、図9のように、2つの突き当てブロック13、14の端面間にどうしても段差Eが発生する。
【0010】
このように段差Eがある状態で基板10上に固定された突き当てブロック13、14に対してレーザダイオード部品15とレンズ保持体17を位置決めして固定した場合、図9に示しているように、レーザダイオード部品15の光軸線Aとレンズ16の光軸線Bとの間にずれが生じ、また、レーザダイオード部品15とレンズ16との間の距離も、突き当てブロック13、14の長さとは異なってしまう。
【0011】
本発明の発明者らは、このレーザダイオード部品15とレンズ16の僅かな光軸ずれが、レンズ16から出力されるレーザ光の出力レベルを大きく低下させることを実験によって確認した。
【0012】
図10はその実験結果を示したものであり、製造元(F社、G社、H社)が異なる3つの同一仕様のレンズ16について、その光軸のずれ量に対する出力レベルの変化を調べたものである(レーザダイオード部品15はアンリツ社製)。
【0013】
この特性から明らかなように、いずれのレンズを用いた場合でも、最大出力が得られる位置(光軸が一致した位置)から僅かに±1μmずれただけで、出力は3dB以上、即ち、パワーで半分以下に低下している。
【0014】
したがって、許容されるレベルの低下を1dB以内とするためには、光軸ずれを±0.5μm以内にしなければならず、このような寸法精度が得られるように2つの突き当てブロック13、14を基板10上にハンダ付け固定することは従来の技術では極めて困難であった。
【0015】
これを解決するために、レーザダイオード部品15を基板10上に一旦固定した後に、レーザダイオード部品15からレーザ光をレンズ16に出射させ、レンズ16を通過して出射されたレーザ光の強度を調べ、所定以上の強度が得られない場合には、再度基板10を加熱してレーザダイオード部品15の位置をずらして固定してから再度レーザ光の強度を調べるという工程を繰り返して、光軸を合わせることも考えられる。
【0016】
しかし、このように基板10に対する加熱を繰り返すと、半導体であるレーザダイオードに対してダメージを与え、最悪の場合破損してしまう。
【0017】
本発明は、この問題を解決し、発光素子や合波器を破損させることなく、発光素子や合波器とレンズの光軸と距離とを正確に合わせることができる光出力装置および光合波装置を提供することを目的としている。
【0018】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の光出力装置は、
支持体上に配置された発光素子から出射された光を通過させるレンズと、
前記レンズを保持するレンズ保持部と、該レンズ保持部と一体で該レンズ保持部から前記レンズの光軸線に沿って前記発光素子に対向する前記レンズの表面を越える位置まで延びた一対の突き当て部とを有するレンズホルダーとを含み、
前記レンズホルダーは、前記一対の突き当て部の先端を前記発光素子の支持体に当接させて前記光軸線と垂直な平面内で前記発光素子と前記レンズとの光軸が合うように位置決めして固着させるようになっている。
また、本発明の光合波装置は、
合波器と、
前記合波器を囲んで保持するとともに、該合波器に光を入射させるあるいは該合波器からの光を出射させるための窓を有する支持体と、
前記合波器に向かって光ファイバからの光を通過させるあるいは光ファイバに向かって前記合波器からの光を通過させるレンズと、
前記レンズを保持するレンズ保持部と、該レンズ保持部と一体で該レンズ保持部から前記レンズの光軸線に沿って前記合波器に対向する前記レンズの表面を越える位置まで延びた一対の突き当て部とを有するレンズホルダーとを含み、
前記レンズホルダーは、前記一対の突き当て部の先端を前記合波器の支持体に当接させて前記光軸線と垂直な平面内で前記合波器と前記レンズとの光軸が合うように位置決めして固着させるようになっている。
【0019】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図1〜図4は、本発明を実施の形態の光学系装置としてのレーザ光出力装置20を示している。
【0020】
これらの図に示しているように、レーザ光出力装置20の筐体21は、略長方形の底板22と、底板22の上面の前後に対向するように立設された前板23および後板24と、前板23の左右の縁と後板の左右の縁の間を連結するようにして底板22上に立設された側板25、26とによって構成されている。
【0021】
なお、底板22は側板25、26よりも長く形成され、その前端および後端には、筐体21を他の部材に固定するためのフランジ部27が形成されている。
【0022】
前板23の中央にはレーザ光を出射させるための出射口28が設けられており、側板25、26の上部には、リード端子ブロック29が設けられている。
【0023】
リード端子ブロック29は、筐体21の側板25、26の上部側において、側板25、26を貫通するように取り付けられた絶縁体からなる端子基板29aと、この端子基板29aを水平に貫通して一端側を筐体21内に突出させ、他端側を筐体21の側方に延びるように突出させた複数のリード端子29bによって構成されている。
【0024】
底板22の上面22aのほぼ中央には、矩形で偏平なペルチェ素子等の電子冷却素子30がその下面側を底板22の上面22aに接合させた状態でハンダ付け固定されている。
【0025】
電子冷却素子30の上面側には第1の基板35がハンダ付け固定されている。第1の基板35は、電子冷却素子30の外形寸法とほぼ一致する略矩形状に形成されており、その後端側にはU字状の切欠き36が設けられている。
【0026】
第1の基板35は、電子冷却素子30と互いの四隅部分を一致させるように重なり合った状態で電子冷却素子30の上にハンダ付け固定されており、電子冷却素子30の上面のうち、第1の基板35の切欠き36の部分だけが露出している。
【0027】
第1の基板35の上面側の前部には、光学部品としてレーザダイオード部品40がハンダ付け固定されている。レーザダイオード部品40は、上面と下面とが平行で前面が上面および下面に対して垂直な横長角柱状の支持体40aを有し、この支持体40aの上面の中央前端にレーザダイオード40bがチップ形成されている。レーザダイオード40bの出射光軸は、支持体40aの上面に平行で且つ支持体40aの前面を延長した面に直交する向きに設定されている。
【0028】
レーザダイオード部品40の支持体40aの前面側には、レンズホルダー41が溶接固定されている。
【0029】
レンズホルダー41は、レンズ保持部41aと一対の突き当て部41b、41cとを有している。
【0030】
レンズ保持部41aは、矩形平板状に形成されており、その前面側中央には背面側へ円形に所定の探さで陥没する第1の保持穴42が設けられ、背面側中央には、前面側へ円形に所定の深さで陥没する第2の保持穴43が設けられている。両保持穴42、43は、その中央を貫通する穴44によって連続している。
【0031】
レンズ保持部41aの第1の保持穴42には円筒状のレンズ45が挿着されている。レンズ45は、レーザダイオード40bから出射されたレーザ光を平行光に収束させて後述する光アイソレータ47側に出射するためのものであり、その光軸線がレンズ保持部41aの前面および背面と直交する状態でレンズ保持部41aに固定されている。
【0032】
一方、一対の突き当て部41b、41cは同一長で、レンズ保持部41aの両側部からレンズ45の光軸線に沿ってレンズ45のレーザダイオード部品40に対向する表面を所定距離だけ越える位置まで平行に延びており、その先端面41d、41eは、レンズ45の光軸線と直交する面に平行となるように形成されている。
【0033】
レンズホルダー41は、この一対の突き当て部41b、41cの先端面41d、41eを、レーザダイオード部品40の支持体40aの前面に当接させ、レンズ45の光軸線と垂直な平面内でレンズ45とレーザダイオード40bの光軸線とが一致するように位置決めされた状態で、その先端外縁と支持体40aの前面両縁との間を側方から溶接止めされている。
【0034】
なお、突き当て部41b、41cの先端外縁はそのエッジに向かうほど薄くなっており、この薄い部分をレーザ溶接するので、パワーの小さなレーザでも確実に溶接固定することができ、また、溶接時に発生する煤による光学系への悪影響も最小限にすることができる。
【0035】
また、このレンズホルダー41は、一つの金属材からレンズ保持部41aと突き当て部41b、41cとが一体に連続する形状に削り出して形成したものの他に、レンズ保持部41aと突き当て部材41b、41cとをそれぞれ独立に加工形成し、これを精密な組立て治具を用いて溶接固定したものであってもよい。
【0036】
レンズホルダー41の第2の保持穴43には、レンズ45から出射口28方向へ出射されるレーザ光を低い損失で通過させるとともに、出射口28側からの光の入射を阻止する円柱状の光アソレータ47が挿着されている。
【0037】
第1の基板35の上面側の後部には、切欠き36を覆うようにして、第2の基板50が溶接固定されている。
【0038】
第2の基板50の上には、レーザダイオード40bからレンズ45側に出射されるレーザ光の強度をモニタするための光部品として、レーザダイオード40bからレンズ45と反対側に漏出されるレーザ光を受光するフォトダイオード部品55が固定されている。
【0039】
フォトダイオード部品55は、前面側が傾斜した台形状の支持体55aを有しており、支持体55aの傾斜した前面には、この前面に沿って傾斜した受光面を有するフォトダイオード55bがチップ形成されている。
【0040】
電子冷却素子30、レーザダイオード40bおよびフォトダイオード55bは、筐体21内においてリード端子ブロック29の各リード端子29bにボンディングワイヤー(図示せず)を介して接続されている。なお、筐体21の上面側は矩形平板状のカバー60によって覆われている。
【0041】
次に、このレーザ光出力装置20の組立て方法について説明する。
始めに、図5の(a)に示すように、レンズホルダー41の保持穴42、43にレンズ45、光アイソレータ47を挿着する。
【0042】
次に、図5の(b)のように、このレンズホルダー41の突き当て部41b、41cの先端面41d、41eをレーザダイオード部品40の支持体40aの前面に当接させる。
【0043】
ここで、前記したように、レーザダイオード40bの光軸は支持体40aの前面を延長した面に直交する向きに設定され、レンズホルダー41の突き当て部41b、41cの先端面41d、41eは、レンズホルダー41に固定されたレンズ45の光軸線と直交する面に平行となるように形成されている。
【0044】
したがって、レーザダイオード部品40bの支持体40aの前面にレンズホルダー41の突き当て部41b、41cの先端面41d、41eを当接させたとき、レーザダイオード40bの光軸線とレンズ45の光軸線とは平行となる。
【0045】
そして、この当接状態のままで、レーザダイオード40bの光軸線とレンズ45の光軸線とが、その光軸線と直交する面上で一致するようにレーザダイオード部品40とレンズホルダー41との相対的な位置を決定して、突き当て部41b、41cの先端外縁と支持体40aの前面両縁との間を例えば図6に示すように、側方から2箇所Pa、Pbずつレーザ溶接する。
【0046】
なお、レーザダイオード部品40に対するレンズホルダー41の位置決めは、図示しない位置決め用装置と、レンズ45から光アイソレータ47を介して出射されるレーザ光の強度を検出する手段とを用意し、位置決め用装置によって、レンズホルダー41の突き当て部41b、41cの先端面41d、41eがレーザダイオード部品40の支持体40aの前面に当接した状態で、レーザダイオード部品40を固定しレンズホルダー41の位置を微動させながら、レンズ45から出射されるレーザ光の強度を検出し、その強度が所定値以上で最大となる位置を見つけるようにしている。
【0047】
このようにレーザダイオード部品40とレンズホルダー41とを他の部品を介さずに直接固定しているため、レーザダイオード40bとレンズ45との光軸線の一致精度は、主に、レーザダイオード部品40、レンズホルダー41およびレンズ45の寸法や形状の精度に依存することになり、これら各部品の寸法や形状の精度を個別に高くすることで、レーザダイオード40bとレンズ45との光軸線を極めて高い精度で一致させることができる。
【0048】
また、レーザダイオード40bとレンズ45までの距離も、突き当て部41b、41cの長さ精度で正確に合わせることができる。
【0049】
そして、このようにレンズホルダー41と一体化されたレーザダイオード部品40を、図5の(c)のように、第1の基板35の上面側前部の所定位置にハンダ付けする。
【0050】
次に、レンズホルダー41およびレーザダイオード部品40と一体化された第1の基板35を、図4に示しているように、筐体21の底板22上に予めハンダ付け固定された電子冷却素子30の上に重なり合うように載置し、電子冷却素子30の表面のうち第1の基板35の切欠き36部分から露出している部分を図示しない押さえ部材で上方から押さえ付けて、底板22の下面側から加熱するとともに、第1の基板35を前後に小刻みに揺すりながら(スクラブ操作という)、電子冷却素子30側に押し付ける。
【0051】
この加熱とスクラブ操作により、電子冷却素子30の上面側のハンダ層(図示せず)が溶けてハンダ層表面の酸化膜を外側に押し出しながら、第1の基板35の下面と電子冷却素子30の上面の間を埋めつくすようにして濡れ広がる。
【0052】
このとき、電子冷却素子30の下面と底板22との間のハンダも溶け、電子冷却素子30はスクラブ操作による前後方向の力を受けるが、押さえ部材によって上方から底板22側に押さえ付けられているので、最初に固定された位置から移動することはない。
【0053】
この状態で加熱を停止すると、第1の基板35と電子冷却素子30の間のハンダおよび電子冷却素子30と底板22との間のハンダが固まり、第1の基板35は電子冷却素子30の上面に固定される。
【0054】
なお、底板22の下面から加熱を受けたときに、第1の基板35とレーザダイオード部品40との間のハンダが溶けて、レーザダイオード部品40の位置がずれる可能性があるが、レーザダイオード部品40を基板10に対して押さえつけておけばこの位置ずれを防止できる。また、多少の位置ずれが発生してもレンズホルダー41はレーザダイオード部品40に直接固定されているので、レーザダイオード40bとレンズ45との光軸ずれは発生しない。
【0055】
レンズホルダー41およびレーザダイオード部品40と一体化された第1の基板35を電子冷却素子30上に固定した後に、予めフォトダイオード部品55が上面側に固定されている第2の基板50を第1の基板35の上面側の後部に溶接固定する。
【0056】
この第2の基板50を固定する際には、レーザダイオード部品40のレーザダイオード40bからレンズ45と反対方向に出射されるレーザ光が、フォトダイオード部品55のフォトダイオード55bの受光面に入射されるように位置決めしてから溶接固定する。
【0057】
このようにして第2の基板50を第1の基板35上に固定した後、リード端子ブロック29を筐体21の側板25、26に固定し、電子冷却素子30、レーザダイオード40bおよびフォトダイオード55bと各リード端子29bとの間をボンディング接続してから、筐体21の上面側を覆うようにカバー60を固定して、このレーザ光出力装置20を完成させる。
【0058】
以上のようにして組み立てられたレーザ光出力装置20は、レンズ45を保持するレンズ保持部41aと、このレンズ保持部41aと一体でレンズ保持部41aからレンズ45の光軸線に沿ってレーザダイオード部品40に対向するレンズ45の表面を所定距離越える位置まで延びた突き当て部41b、41cとを有するレンズホルダー41が、突き当て部41b、41cの先端をレーザダイオード部品40に当接させてレンズ45の光軸線と垂直な平面内でレーザダイオード部品40とレンズ45との光軸が一致するように位置決めされてレーザダイオード部品40に固着されるようになっている。
【0059】
このため、レーザダイオード部品40とレンズ45の光軸線のずれを、主にレーザダイオード部品40、レンズホルダー41およびレンズ45の寸法精度のバラツキ程度に抑えることができ、これらの各部品の寸法精度を高く維持することでレーザダイオード部品40とレンズ45の光軸線の一致精度を極めて高くすることができ、また、両者の間隔も正確に合わせることができる。
【0060】
また、光軸のずれを修正するためにレーザダイオード部品40を繰り返し加熱する必要がないので、レーザダイオード部品を劣化させたり破損する恐れもない。
【0061】
なお、上記したレンズホルダー41では、レンズ保持部41aに対して一対の突き当て部41b、41cが設けられていたが、これは本発明を限定するものでなく、突き当て部を1つあるいは3つ以上にしてもよい。
【0062】
また、本発明は、レーザ光を出射するレーザ光出力装置以外の光学系装置についても適用することができる。
【0063】
例えば、図7に示すように光合波装置70にも適用できる。
この光合波装置70では、合波器71と、この合波器71を支持する支持体72とからなる合波部品の外側に、前記したレンズホルダーと同様に構成された3つのレンズホルダー81が固着され、各レンズホルダー81にはレンズ85が支持されている。
【0064】
支持体72は矩形に形成され、その3つの外周面72a、72b、72cには、合波器71に光を入射させるあるいは合波器71からの光を出射させるための窓73〜75が設けられている。合波器71は、窓73から外周面72aに直交する光軸で入射された光を透過させてこの窓73と対向する窓75へ出射し、窓74から外周面72bに直交する光軸で入射された光を90°の角度で反射して窓75へ出射する。このため、窓73から入射された光と窓74から入射された光を合成した光が窓75から外周面72cに直交する光軸で出射されることになる。
【0065】
各レンズホルダー81は、前記したレンズホルダー41と同様に、レンズ85を保持するレンズ保持部81aと、レンズ保持部81aからレンズ85の光軸線に沿って合波器71に対向するレンズ85の表面から所定距離越えた位置まで延びた一対の突き当て部81b、81cとで一体に形成されている。
【0066】
各レンズ81の突き当て部81b、81cの先端面81d、81eは、レンズ保持部81aに保持したレンズ85の光軸線に直交する平面と平行となるように形成され、突き当て部81b、81cの先端部は、外縁に向かう程薄くなるように形成されている。
【0067】
各レンズホルダー81は、突き当て部81b、81cが支持体72の各窓73〜75を跨ぎ、先端面81d、81eが支持体72の外周面72a〜72cに密着した状態で、レンズ85の光軸線に直交する平面上でレンズ85の光軸と合波器71の入出射光軸とが一致するように位置決めされて、前記同様に突き当て部81b、81cの先端外縁と支持体72の外周面72a〜72cの両縁部との間がレーザ溶接されて、支持体72に固着されている。
【0068】
なお、各レンズホルダー81には、レンズ85の反対側に光アイソレータ86がそれぞれ取り付けられ、各光アイソレータ86には、光ファイバ87がそれぞれ接続されている。
【0069】
このように構成された光合波装置70の場合でも、レンズ85を保持するレンズ保持部81aと、このレンズ保持部81aと一体でレンズ保持部81aからレンズ85の光軸線に沿って合波部品に対向するレンズ85の表面を所定距離越える位置まで延びた突き当て部81b、81cとを有するレンズホルダー81が、突き当て部81b、81cの先端を合波部品に当接させてレンズ85の光軸線と垂直な平面内で合波部品とレンズ85との光軸が一致するように位置決めされて固着されるようになっている。
【0070】
このため、合波部品とレンズ85の光軸ずれを、合波部品、レンズホルダー81およびレンズ85の寸法精度のバラツキ程度に抑えることができ、これらの各部品の寸法精度を高く維持することで、合波部品とレンズ85の光軸の一致精度を極めて高くすることができ、また、合波部品とレンズ85の距離を所定距離に正確に合わせることができる。
【0072】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の光出力装置および光合波装置は、支持体に支持された発光素子あるいは合波器に対して光を出射あるいは入射するためのレンズと、そのレンズを保持するレンズ保持部と、このレンズ保持部と一体でレンズ保持部からレンズの光軸線に沿って発光素子あるいは合波器に対向するレンズの表面を所定距離越える位置まで延びた一対の突き当て部とを有するレンズホルダーが、一対の突き当て部の先端を発光素子あるいは合波器の支持体に当接させてレンズの光軸線方向と垂直な平面内で光軸が一致するように位置決めされて固着されるようになっている。
【0073】
このため、発光素子あるいは合波器に対するレンズの光軸が高い精度で一致し、且つその間隔を高い精度で所定距離に設定することができ、レンズと発光素子あるいは合波器との結合効率を高くすることができる。
【0074】
また、発光素子あるいは合波器の支持体をハンダ付けによって基材に固定するような場合でも、発光素子あるいは合波器とレンズの光軸のずれを修正するために繰り返し加熱する必要がないので、発光素子あるいは合波器を破損する恐れもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態の斜視図
【図2】実施形態の平面図
【図3】図2のA−A線断面図
【図4】実施形態の要部の分解斜視図
【図5】実施形態の組立て方法を説明するための概略平面図
【図6】実施形態の組立て方法を説明するための概略側面図
【図7】他の光学系装置に本発明を適用した例を示す概略平面図
【図8】従来装置の組立て方法を説明するための概略平面図
【図9】従来装置の光軸ずれを説明するための拡大平面図
【図10】光軸のずれと出射光の強度の変化との関係を示す図
【符号の説明】
20 レーザ光出力装置
21 筐体
30 電子冷却素子
35 第1の基板
40 レーザダイオード部品
41 レンズホルダー
41a レンズ保持部
41b、41c 突き当て部
42、43 保持穴
45 レンズ
47 光アイソレータ
50 第2の基板
55 フォトダイオード部品
60 カバー
70 光合波装置
71 合波器
72 支持体
81 レンズホルダー
81a レンズ保持部
81b、81c 突き当て部
85 レンズ
Claims (2)
- 支持体上に配置された発光素子から出射された光を通過させるレンズと、
前記レンズを保持するレンズ保持部と、該レンズ保持部と一体で該レンズ保持部から前記レンズの光軸線に沿って前記発光素子に対向する前記レンズの表面を越える位置まで延びた一対の突き当て部とを有するレンズホルダーとを含み、
前記レンズホルダーは、前記一対の突き当て部の先端を前記発光素子の支持体に当接させて前記光軸線と垂直な平面内で前記発光素子と前記レンズとの光軸が合うように位置決めして固着させるようになっている光出力装置。 - 合波器と、
前記合波器を囲んで保持するとともに、該合波器に光を入射させるあるいは該合波器からの光を出射させるための窓を有する支持体と、
前記合波器に向かって光ファイバからの光を通過させるあるいは光ファイバに向かって前記合波器からの光を通過させるレンズと、
前記レンズを保持するレンズ保持部と、該レンズ保持部と一体で該レンズ保持部から前記レンズの光軸線に沿って前記合波器に対向する前記レンズの表面を越える位置まで延びた一対の突き当て部とを有するレンズホルダーとを含み、
前記レンズホルダーは、前記一対の突き当て部の先端を前記合波器の支持体に当接させて前記光軸線と垂直な平面内で前記合波器と前記レンズとの光軸が合うように位置決めして固着させるようになっている光合波装置。
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