(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の光学レンズ部と、第２の光学レンズ部と、前記第１及び第２のレンズ部の間のスペーサとを備え、光源からの光を平行光に変換するためのコリメータレンズ部と、
一端と他端を有し、前記コリメータレンズ部を内部に収容し、前記一端で直接又は間接的に前記コリメータレンズ部の端面を光軸方向に抑え、前記一端の開口部から光源からの光が入射され、前記他端から平行光を出射する鏡筒と、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、全部の半径方向の厚さで且つ一部の軸方向の長さにわたって、又は、一部の半径方向の厚さで且つ一部の軸方向の長さにわたって半径方向にスリットを備え、前記コリメータレンズ部の径に対応した内径の接合部分を有し、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部との間に設けられて、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部とを半径方向に接合し、前記コリメータレンズ部の第１及び第２の光学レンズ部を半径方向に締めつけ、締りばめにより前記コリメータレンズ部の第１及び第２の光学レンズ部の偏心及び傾きを防ぐための接合部材と、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、前記コリメータレンズ部の端面を押える断面が、Ｌ字形状、逆Ｌ字形状、斜め形状、曲線形状のいずれかであり、一部又は全部の厚さにわたって半径方向にスリットを備え、前記接合部材により締りばめされた前記コリメータレンズ部の前記他端の側の端面を光軸方向に押え、前記鏡筒の熱膨張による第１及び第２の光学レンズ部間の隙間の増大を押さえ込むためのプラスチックリングと、
前記プラスチックリングを前記他端の側で光軸方向に固定し、前記プラスチックリングにより前記鏡筒の熱膨張による第１及び第２の光学レンズ部間の隙間の増大を押さえ込むための、前記他端において前記鏡筒と結合されたリング部材と
を備えた光学レンズ装置。
【請求項２】
前記プラスチックリングの材料は、ＰＯＭ、ポリイミド、又は、アクリルである請求項１に記載の光学レンズ装置。
【請求項３】
前記第１及び第２の光学レンズ部は、複数のレンズを用いた張り合わせレンズであることを特徴とする請求項１乃至２のいずれかに記載の光学レンズ装置。
【請求項４】
コリメータレンズ部の前記一端及び／又は前記他端に、又は、前記プラスチック部と前記リング部材との間に、さらにスペーサを備えたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の光学レンズ装置。
【請求項５】
前記接合部材は、前記光学レンズをその外周の幅より狭い接合幅で接合するための接合面を備えた請求項１乃至４のいずれかに記載の光学レンズ装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光学レンズ装置と、
前記光学レンズ装置の前記一端の開口部側に配置されたレーザ光源と、
前記光学レンズ装置から出力された平行光を走査するためのポリゴンミラーと、
走査された平行光をビームに結像するためのレンズ部と
を備えたレーザ装置。
【請求項７】
第１の光学レンズ部と、第２の光学レンズ部と、前記第１及び第２のレンズ部の間のスペーサとを備え、光源からの光を平行光に変換するためのコリメータレンズ部と、前記コリメータレンズ部を収容する鏡筒とを備えた光学レンズ装置において、前記鏡筒内における光学レンズの位置決め方法であって、
鏡筒の一端で直接又は間接的に前記コリメータレンズ部の端面を光軸方向に抑え、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、全部の半径方向の厚さで且つ一部の軸方向の長さにわたって、又は、一部の半径方向の厚さで且つ一部の軸方向の長さにわたって半径方向にスリットを備え、前記コリメータレンズ部の径に対応した内径の接合部分を有し、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部の間に設けられた接合部材により、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部とを半径方向に接合し、前記コリメータレンズ部の第１及び第２の光学レンズ部を半径方向に締めつけ、締りばめにより前記コリメータレンズ部の第１及び第２の光学レンズ部の偏心及び傾きを防ぎ、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、前記コリメータレンズ部の端面を押える断面が、Ｌ字形状、逆Ｌ字形状、斜め形状、曲線形状のいずれかであり、一部又は全部の厚さにわたって半径方向にスリットを備えたプラスチックリングにより、前記接合部材により締りばめされた前記コリメータレンズ部の他端の側の端面を光軸方向に抑え、前記鏡筒の熱膨張による第１及び第２の光学レンズ部間の隙間の増大を押さえ込み、
リング部材により前記他端において前記鏡筒と結合し、前記プラスチックリングを前記他端の側で光軸方向に固定し、前記プラスチックリングにより前記鏡筒の熱膨張による第１及び第２の光学レンズ部間の隙間の増大を押さえ込むようにした
光学レンズの位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学レンズ装置及びレーザ装置、光学レンズの位置決め方法に係り、特に、シュリンクフィッタを用いたコリメータレンズの温度補償のための光学レンズ装置及びレーザ装置、光学レンズの位置決め方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、コリメータレンズは、レーザスキャナ光学系において半導体レーザから射出されるレーザ光線を、平行光線束にするために使用されている。高精度のレーザスキャナではコリメータレンズの高い位置決め精度が要求される。
図１６に、従来のすきまばめで接合したコリメータレンズの構成図を示す（非特許文献１参照）。コリメータレンズは光源側から順に４枚のレンズを備え、これをレンズＣＬ１〜ＣＬ４と呼ぶ。ＣＬ１、２とＣＬ３、４はり合わせてあり、それぞれをはり合わせレンズＣＬ１２、ＣＬ３４と呼ぶ。ＣＬ１とＣＬ３はそれぞれＣＬ２とＣＬ４より外径が若干大きくなっている。この２つのはり合わせレンズをアルミ製の鏡筒にすきまばめで接合している。
【０００３】
また、本発明者等の研究（非特許文献２参照）により、レンズの光軸方向への移動とレンズの傾きがビームスポット径の増大に大きな影響を与えることが明らかになった。そこで本発明者等は、シュリンクフィッタを用いた高精度な締りばめ接合法（非特許文献３、４、特許文献１参照）をコリメータレンズと鏡筒の接合に適用することで、組み込み時のレンズの偏心と傾きの防止を検討した。
【０００４】
【非特許文献１】Aness Ahmad:HANDBOOK of MECHANICAL  ENGINEERING 、CRC Press(1997)、152-153
【非特許文献２】新田、菅野、小俣、五十嵐：北陸信越学生会  第３２回学生員卒業研究発表講演会（金沢）講演論文集
【非特許文献３】新田、菅野、刈田、小俣、白井：精密工学会誌、６７、１０（２００１）、１６１５
【非特許文献４】Isami、N.、Akihiro、K.、Kimio、K.、Satoshi、I. New joining method for laserscanner lenses by using a shrink fitter 、2001/6/19 5th International conferenceon computational methods in contact mechanics 、Saville 、(Spain) 、2001
【非特許文献５】新田、菅野、小俣：日本機械学会講演論文集、５、９（２００２）、１６７
【非特許文献６】新田、菅野、小俣：光アライアンス、１３、７（２００２）、４７
【特許文献１】特許第３４２２７１０号  公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般に、レーザ顕微鏡のような装置では観察対象の表面でレーザを微細に絞ることが必要である。そのためには、コリメータレンズでレーザをある直径を持つ平行光束に保つ必要がある。しかし、わずかの温度変化によりコリメータレンズを構成する複数枚のレンズの光軸上の位置決め精度が悪化すると、平行光束の平行度が変化してしまう結果となっていた。
また、従来のすきまばめで鏡筒に組み込む方法では、環境温度の変化や振動などの影響によりレンズの位置決め精度が悪化し、ビームスポット径の増大や、結像面の移動などの課題が生じる。
【０００６】
図１７に、レンズ面間隔の変化についての説明図を示す。
図示のように、従来のすきまばめによる接合方法では温度変化時にレンズの偏心と傾きを十分に抑えることができない場合もある。特に、レンズの光軸方向の変化によるスポット径への影響は極めて大きく、例えば、僅か２μｍでもスポット径が１７μｍを超えて悪化する場合がある。
また、図１８に結像面の移動についての説明図を示す。結像面とは、レーザダイオード内の点で示した箇所であり、レーザダイオードの光源の出射端に相当する。この結像位置が、図（ａ）から（ｂ）に変化するため、平行光が射出せずレーザビームのスポット径が増大する。
そこで、本発明は、以上の点に鑑み、鏡筒に入れられたレンズの光軸方向の位置決めを行うために、プラスチック又は樹脂製のリングによりレンズを光軸方向に押えることで環境温度の変化時のレンズの光軸方向の位置決め精度の安定化を実現するための光学レンズ装置及びレーザ装置、光学レンズの位置決め方法を提供することを目的とする。また、本発明は、コリメータレンズのような部分に適用することにより、温度変化が生じても、レーザ光の平行光束を維持し、そして、コリメータレンズの性能を温度変化にかかわらずほぼ一定とすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従来、レンズの光軸方向の位置決めは金属製のリングを用いて行われていたが、このリングの代わりに、プラスチック製のリングを用いることで、熱膨張の量を調整し、位置決め精度を向上させる。
本発明の第１の解決手段によると、
第１の光学レンズ部と、第２の光学レンズ部と、前記第１及び第２のレンズ部の間のスペーサとを備え、光源からの光を平行光に変換するためのコリメータレンズ部と、
一端と他端を有し、前記コリメータレンズ部を内部に収容し、前記一端で直接又は間接的に前記コリメータレンズ部の端面を光軸方向に抑え、前記一端の開口部から光源からの光が入射され、前記他端から平行光を出射する鏡筒と、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、全部の半径方向の厚さで且つ一部の軸方向の長さにわたって、又は、一部の半径方向の厚さで且つ一部の軸方向の長さにわたって半径方向にスリットを備え、前記コリメータレンズ部の径に対応した内径の接合部分を有し、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部との間に設けられて、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部とを半径方向に接合し、前記コリメータレンズ部の第１及び第２の光学レンズ部を半径方向に締めつけ、締りばめにより前記コリメータレンズ部の第１及び第２の光学レンズ部の偏心及び傾きを防ぐための接合部材と、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、前記コリメータレンズ部の端面を押える断面が、Ｌ字形状、逆Ｌ字形状、斜め形状、曲線形状のいずれかであり、一部又は全部の厚さにわたって半径方向にスリットを備え、前記接合部材により締りばめされた前記コリメータレンズ部の前記他端の側の端面を光軸方向に押え、前記鏡筒の熱膨張による第１及び第２の光学レンズ部間の隙間の増大を押さえ込むためのプラスチックリングと、
前記プラスチックリングを前記他端の側で光軸方向に固定し、前記プラスチックリングにより前記鏡筒の熱膨張による第１及び第２の光学レンズ部間の隙間の増大を押さえ込むための、前記他端において前記鏡筒と結合されたリング部材と
を備えた光学レンズ装置が提供される。
【０００８】
本発明の第２の解決手段によると、
上述の光学レンズ装置と、
前記光学レンズ装置の結像面に配置されたレーザ光源と、
前記光学レンズ装置から出力された平行光を走査するためのポリゴンミラーと、
走査された平行光をビームに結像するためのレンズ部と
を備えたレーザ装置が提供される。
【０００９】
本発明の第３の解決手段によると、
第１の光学レンズ部と、第２の光学レンズ部と、前記第１及び第２のレンズ部の間のスペーサとを備え、光源からの光を平行光に変換するためのコリメータレンズ部と、前記コリメータレンズ部を収容する鏡筒とを備えた光学レンズ装置において、前記鏡筒内における光学レンズの位置決め方法であって、
鏡筒の一端で直接又は間接的に前記コリメータレンズ部の端面を光軸方向に抑え、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、全部の半径方向の厚さで且つ一部の軸方向の長さにわたって、又は、一部の半径方向の厚さで且つ一部の軸方向の長さにわたって半径方向にスリットを備え、前記コリメータレンズ部の径に対応した内径の接合部分を有し、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部の間に設けられた接合部材により、前記鏡筒と前記コリメータレンズ部とを半径方向に接合し、前記コリメータレンズ部の第１及び第２の光学レンズ部を半径方向に締めつけ、締りばめにより前記コリメータレンズ部の第１及び第２の光学レンズ部の偏心及び傾きを防ぎ、
熱膨張係数が前記鏡筒よりも大きい高分子材料で形成され、前記コリメータレンズ部の端面を押える断面が、Ｌ字形状、逆Ｌ字形状、斜め形状、曲線形状のいずれかであり、一部又は全部の厚さにわたって半径方向にスリットを備えたプラスチックリングにより、前記接合部材により締りばめされた前記コリメータレンズ部の他端の側の端面を光軸方向に抑え、前記鏡筒の熱膨張による第１及び第２の光学レンズ部間の隙間の増大を押さえ込み、
リング部材により前記他端において前記鏡筒と結合し、前記プラスチックリングを前記他端の側で光軸方向に固定し、前記プラスチックリングにより前記鏡筒の熱膨張による第１及び第２の光学レンズ部間の隙間の増大を押さえ込むようにした
光学レンズの位置決め方法が提供される。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によると、鏡筒に入れられたレンズの光軸方向の位置決めを行うために、プラスチック又は樹脂製のリングによりレンズを光軸方向に押えることで環境温度の変化時のレンズの光軸方向の位置決め精度の安定化を実現することができる。また、本発明を、コリメータレンズのような部分に適用することにより、温度変化が生じても、レーザ光の平行光束を維持し、そして、コリメータレンズの性能を温度変化にかかわらずほぼ一定とすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
図１は、光学レンズ装置の縦断面図を示す。ここでは一例としてコリメータレンズについて説明するが、これに限定されるものではなく、様々なレーザー応用装置等の光学装置に適用することもできる。また、図中の寸法は、一例を示すものであり、これに限定されない。
光学レンズ装置１０は、鏡筒１、シュリンクフィッタ（接合部材）２、コリメータレンズ部３、プラスチックリング４、リングナット（リング部材）５を備える。
鏡筒１は、一端と他端を有し、コリメータレンズ部３を内部に収容し、一端で直接又は間接的にコリメータレンズ部３の端面を光軸方向におさえ、一端の開口部から光源からの光が入射され、他端から平行光を出射する。鏡筒１は、例えばアルミニウム等の金属で形成することができる。鏡筒１の光源側の端部は一体型の縁部としてもよいし、別の縁部を鏡筒１にはめ込む又は接合するような構成としてもよい。また、一端又は他側の縁部に適宜スペーサを備えコリメータレンズ部３をおさえるようにしてもよい。
シュリンクフィッタ２は、熱膨張係数が鏡筒１よりも大きい高分子材料で形成され、コリメータレンズ部３の径に対応した内径の接合部分を有し、鏡筒１とコリメータレンズ部３との間に設けられて、鏡筒１とコリメータレンズ部３とを半径方向に接合する。
【００１２】
コリメータレンズ部３は、光源からの光を平行光に変換する。コリメータレンズ部３は、光学レンズＣＬ１及びＣＬ２を有する第１のはり合わせレンズＣＬ１２とレンズＣＬ３及びＣＬ４を有する第２のはり合わせレンズＣＬ３４と、はり合わせレンズ間のスペーサとを備える。各レンズＣＬ１〜ＣＬ４は、この図では複数個備えられているが、個数は適宜変えることができ、また、ひとつの場合でもよい。コリメータレンズ部３を構成する各レンズＣＬ１〜ＣＬ４は、鏡筒１内でシュリンクフィッタ２により接合されている。また、各レンズＣＬ１〜ＣＬ４の径は、異径でも同径でもよく、さらには、各レンズＣＬ１〜ＣＬ４の形は、凸または凹等適宜の形状とすることもできる。
【００１３】
プラスチックリング４は、熱膨張係数が鏡筒１よりも大きい高分子材料で形成され、コリメータレンズ部３の他端の側の端面を光軸方向に押える。リングナット５は、プラスチックリング４を他端の側で光軸方向に固定するための、他端において鏡筒１と結合される。ここでは、説明の都合上リングナットを用いているが，プラスチックリングを他端の側で光軸方向に固定できればナットに限定されず、適宜のリング部材を用いることができる。
シュリンクフィッタ２及びプラスチックリング４は、熱膨張係数がアルミニウム等の金属の鏡筒１よりも大きい高分子材料又は樹脂製（プラスチック）の円筒形状の機械要素である。ここでは一例として、ポリオキシメチレン（アセタール）（ＰＯＭ、Ｐｏｌｙ  Ｏｘｙ  Ｍｅｔｈｙｌａｎｅ）、耐熱高分子材料のポリイミドまたはアクリル等を材料として使用している。
【００１４】
シュリンクフィッタ２とプラスチックリング４との間は、膨張の程度を考慮して、半径方向及び／又は光軸方向の隙間を設けてもよいし、接触してもよい。プラスチックリング４とシュリンクフィッタ２の材料は、同一でも異なってもよい。また、レンズＣＬ１〜ＣＬ４をひとつのシュリンクフィッタ２で対応していたが、複数に分離して、ＣＬ１及びＣＬ２と、ＣＬ３及びＣＬ４をそれぞれ接合するようにしてもよい。
さらに、コリメータレンズ部３の一端及び／又は他端に、または、プラスチックレンズ４とリングナット５の間等にさらにスペーサを適宜備えるようにしてもよい。
【００１５】
図２に、シュリンクフィッタの熱膨張についての説明図を示す。この例では、シュリンクフィッタ２は半径方向のスリットで分割されている。
このように、本実施の形態では、レンズの偏心や傾きを防ぐため、コリメータレンズ部３と鏡筒１の間にシュリンクフィッタ２を用いて締りばめで組み込んだ。シュリンクフィッタ２によりレンズの締りばめが可能となる。加えて締付け圧力を一定に保つことが可能となり、温度変化によってレンズと鏡筒の隙間の発生を防ぐことができる。その際、締付け圧力が強いとレンズ面が大きく変形して光学的な性能が劣化する場合がある。そこで本実施の形態では、締付け圧力によりレンズ面がｅ／２を超えて変形しないよう、シメシロと最適な締め付け位置を有限要素法数値解析ソフトウェアＭＡＲＣ（Ｖｅｒ.７.３）を用い、数値解析によって求めた。
図３に、本実施の形態で使用した各部材の材質と熱膨張係数についての図を示す。
【００１６】
２．シュリンクフィッタの変形
図４及び図５に、半径方向にスリットを有するシュリンクフィッタの横断面図及び縦断面図を示す。
図示のように、シュリンクフィッタ２は、レンズ群の半径方向にスリットをいれるようにしても良い。このスリットは、シュリンクフィッタを完全に分割するようにいれてもよいし、半径方向の一部を残して分割しないようにしても良い。さらに、光軸方向に完全に分割してもよいし、光軸方向の一部を残して分割しないようにしてもよい。スリットの数も適宜設定することができる。連続している部分を中央付近レンズに接合する部分以外とする等、組み立ての利便を考えて、適宜設定し得る。シュリンクフィッタ２に、半径方向に上述のようなスリットをいれ、かつ、シュリンクフィッタ２の厚みを最適にすることで、レンズの半径方向の熱膨張を有効に活用でき、シメシロの減少を防ぐことが一層可能となる。なお、半径方向の外側又は中間部分にスリットを入れてもよい。また、シメシロを大きくするとレンズの偏心は小さくなるが、レンズ球面が大きく変形して結像精度が悪化してしまう場合がある。そのため、最適な寸法設計を行えば、温度変化によらずにシメシロを一定にすることが一層可能であり、締りばめを光学部品の接合に適用することができる。このシメシロの設定は、例えば、３次元ＦＥＭ解析により求めることができる。
【００１７】
図６に、外周の円周方向に溝を有するシュリンクフィッタの説明図を示す。
シュリンクフィッタ２は、レンズ群を囲んでいる外周の円周方向に溝１２０、１２１を必要に応じて設けることができる。溝１２０及び１２１は、例えば、針金・ひもなどを通すことによって、レンズ群を接合しているシュリンクフィッタ２を固定するためのものである。
図７は、接合部分の部分拡大図を示す。特に、図中のレンズ１６は、両面が凹面であり接合面が広いために、わずかな締め付け圧力で変形が生じやすい。このような変形を防ぐために、図示のようにレンズの外周厚より狭い接合面１３０を設けて、シュリンクフィッタ２とレンズ１６の接合幅がレンズの厚みより小さくなるようにし、また、中心付近のレンズが変形しにくい部分に接合面を集中するようにしている。このような接合面１３０は、適宜の位置の適宜の形状のレンズに対して設けることができる。また、逆Ｌ字形のスペーサによりレンズの端面の凹面を押えるようにしている。このような接合面は片面が凹面のレンズで、凸レンズ等にも適当できる。
【００１８】
３．プラスチックリングの変形
図８に、プラスチックリングの変形例の図を示す。
図示のように、プラスチックリング４は、前記コリメータレンズ部２の端面を押える断面がＬ字形状、逆Ｌ字形状、斜め形状、曲線形状のいずれかとしてもよい。
また、図９に、プラスチックリングにスリットを設けた変形例の図を示す。
図示のように、プラスチックリング４は、上述のようなシュリンクフィッタ２の変形例と同様に一部又は全部の厚さにわたって半径方向にスリットを備えてもよい。スリットを一部に設ける場合に、半径方向の内側、外側、中間のいずれに設けてもよい。また、スリットの数も適宜設定することができる。
【００１９】
４．レーザ装置
図１０に、レーザースキャナ光学系の概略図を示す。
このレーザ装置は、上述の光学レンズ装置１０と、光学レンズ装置１０の結像面に配置されたレーザ光源１１と、光学レンズ装置１０から出力された平行光を走査するためのポリゴンミラー１２と、走査された平行光をビームに結像するためのレンズ部１３とを備える。レンズ部１３は、さらにｆθレンズ、シュリンクフィッタ、鏡筒を有する。
レーザーダイオードから射出した光はコリメータレンズで平行な光束にされたあと、ポリゴンミラーにより走査され、ｆθレンズにより微細なビームに結像される。この例では走査幅８０ｍｍにわたってビームスポット径が１２±５μｍになるように光学系を設計した。ここで使用したコリメータレンズは２群４枚のレンズＣＬ１〜ＣＬ４で構成されている。従来はそれらのレンズ群をアルミ製の鏡筒にすきまばめで固定している。レンズの外径および鏡筒の内径の呼び寸法は１２ｍｍである。
本実施の形態の光学レンズ装置１０をこのようなレーザ装置に適用することで、レーザ装置のレンズの位置決め精度を一層高くすることができる。
【００２０】
５．比較
従来法で接合した場合とシュリンクフィッタを用いて接合したコリメータレンズの、結像面の移動量とレンズの光軸方向の位置の変化量の測定を行った。
図１１に、シュリンクフィッタを用いて接合した各種コリメータレンズの構成図を示す。
シュリンクフィッタを用いた接合は図１１および図１に示す３条件で行った。ケース１はシュリンクフィッタを用いた締りばめによってレンズの傾き、偏心を抑えることを目的とした。ケース２はＣＬ４の端面をアルミ製のリングとリングナットにより光軸方向に押えて光軸方向の伸びを抑えることを目的とした。次にケース３は本実施の形態によるもので、ＣＬ４の端面とリングナットの間は熱膨張係数が大きいＰＯＭ製のリングを挟み、温度上昇時のレンズの移動をキャンセルさせることを目的とした。これらのコリメータレンズの鏡筒の外周にヒーターを取り付け、温度を上昇させ、温度変化によるレンズの変化を調べた。
図１２に、結像面の移動量の測定を行った測定装置の構成図を示す。温度は３０℃から７０℃まで変化させ、３０℃を基準とし、１０℃上昇するごとに測定を行った。
【００２１】
５−１.レンズ位置の変化量の測定
この測定装置からレーザダイオードとｆθレンズ、スポットスキャンを取りはずし、コリメータレンズのＣＬ１２とＣＬ３４側にレーザ変位計を設置し、温度変化によるＣＬ１２とＣＬ３４の面間隔の変化量を測定した。非特許文献２により明らかとなった、レーザスキャナのビームスポット径が使用限界の１７μｍ以下であるための移動量の許容値は１０μｍである。
【００２２】
５−２.結像面の移動量の測定
コリメータレンズの性能を評価する際には環境温度が変化した場合、どのように平行光線が崩れるかを調べるべきである。今回は逆に平行光線が射出される面から平行光線を入射し、コリメータレンズの環境温度を変化させたとき、その結像面の位置の変化を調べた。本研究で設計したレーザスキャナのビームスポット径が使用限界の１７μｍ以下であるための結像面の移動量の許容値は３μｍである。仮に環境温度が変化しても結像面の位置が変化しないコリメータレンズならば、それは光源の位置にレーザダイオードを置いた場合、環境温度が変化しても平行光線が崩れないコリメータレンズといえる。
【００２３】
図１３は、光軸方向の変化とスポットサイズについての関係を示す図である。
レーザーダイオードのカバーガラスとＣＬ１２の間隔が光軸方向に変化した場合と、ＣＬ１２とＣＬ３４の間隔が光軸方向に変化した場合について解析した。図はカバーガラスとＣＬ１２の間隔が変化した場合と、ＣＬ１２とＣＬ３４の間隔が変化した場合のＸ方向およびＹ方向のスポット径の解析結果である。カバーガラスとＣＬ１２の間隔、およびＣＬ１２とＣＬ３４の間隔が変化したときのどちらの場合もスポット径Ｙが大きく悪化することが分かる。スポット径Ｘについてはどちらの場合も変化量が１００μｍを超えても１７μｍ以内だった。カバーガラスとＣＬ１２の間隔が変化した場合とＣＬ１２とＣＬ３４の間隔が変化した場合を比べてみると、カバーガラスとＣＬ１２の間隔が変化したときの方がスポット径がより大きく悪化していて、なおかつ負の向きに変化した場合では僅か２μｍ程度でスポット径Ｙが１７μｍを超えてしまうということが明らかになった。
なお、上述の使用限界は１例であり、レンズ位置の移動量の許容値１０μｍ及び結像面の移動量の許容値３μｍでは、一例として、このような実験により定めた。
【００２４】
５−３．測定結果及び考察
図１４に、レンズ位置の変化量の測定結果の図を示す。この図はレンズＣＬ１２とＣＬ３４の間の変位に及ぼす温度の影響を示す。また、図１５に、結像面の移動量の測定結果の図を示す。この図は、結像面の変位に及ぼす温度の影響を示す。
従来のすきまばめで接合したレンズは２セットの実験を行った。それぞれをユニット１、ユニット２とした。ユニット１とユニット２に使用した鏡筒の呼び寸法は同一である。また、シュリンクフィッタを用いた場合はユニット１のレンズを使用した。
測定を行った結果、７０℃におけるレンズ位置の変化量は、ケース１が３１．６μｍと許容値である１０μｍを大きく超える値となり、ケース２が６．８μｍ、ケース３が３．７μｍと、共に許容値以下の値となった。次に結像面の移動量の測定結果は７０℃のときそれぞれ、ケース１が７．９μｍ、ケース２が４．０μｍと、許容値である３μｍを超える値となり、ケース３が、許容値以内の０．４μｍとなった。結果的にレンズ間隔の変化量、結像面の移動量共に、測定を行った３０〜７０℃においてケース１が最も大きな値となり、ケース３が最も小さな値となった。
【００２５】
ケース１ではシュリンクフィッタを用いレンズを締りばめで鏡筒に組み込むことで偏心、傾きを防いだが、光軸方向には従来法よりも伸びる結果となり、位置決め精度の悪化はより著しいものとなった。これは単純に樹脂の光軸方向の熱膨張によるものと考えられる。そこでケース２ではレンズの端面をアルミ製のリングでリングナットによって押さえ、光軸方向の伸びを防ぐことにした。しかし、アルミ製の鏡筒も熱膨張により光軸方向に伸びるため、温度上昇によって隙間が増大し、まだレンズの光軸方向の移動を止めることはできなかった。図において、ケース２はすきまばめによってレンズを組み込んだユニット１と似た挙動を示している。これは、ケース２のレンズは鏡筒が伸びた分、レンズが移動したためだと考えられる。最後にケース３で鏡筒の熱膨張によるレンズ間の隙間の増大を防ぐためレンズとリングナットの間に熱膨張係数の大きいＰＯＭのリングを挟み、鏡筒の熱膨張によって増大した隙間をＰＯＭの熱膨張により押さえ込む形にした。結果としてケース３が最もレンズの光軸方向の移動を押さえ込むことができ、今回測定を行った温度範囲内において、レンズ位置の変化量と結像面の移動量が共に許容値を超えることはなかった。
【００２６】
以上のように、コリメータレンズはレンズの傾きや光軸方向の位置誤差により、レーザスキャナのスポット径に大きく影響を及ぼす。本実施の形態ではコリメータレンズをシュリンクフィッタで締付けることで傾きと偏心を低減させた。さらにＰＯＭ製のリングにより、温度上昇時の光軸方向の位置変化をキャンセルさせる機構を考案し、その温度変化による位置決め精度の悪化に対しての有効性を実験により明らかにした。本法による接合では３０℃〜７０℃の温度範囲においてレンズ間距離の変化が３．７μｍ、結像面の移動量が０．４μｍと許容値を大幅に下回り、位置決め精度が飛躍的に改善された。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、コリメータレンズ、レーザ顕微鏡などのレーザ利用測定装置の性能を格段に向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】光学レンズ装置の縦断面図。
【図２】シュリンクフィッタの熱膨張についての説明図。
【図３】本実施の形態で使用した各部材の材質と熱膨張係数についての図。
【図４】半径方向にスリットを有するシュリンクフィッタの横断面図。
【図５】半径方向にスリットを有するシュリンクフィッタの縦断面図。
【図６】外周の円周方向に溝を有するシュリンクフィッタの説明図。
【図７】接合部分の部分拡大図。
【図８】プラスチックリングの変形例の図。
【図９】プラスチックリングにスリットを設けた変形例の図。
【図１０】レーザースキャナ光学系の概略図。
【図１１】シュリンクフィッタを用いて接合した各種コリメータレンズの構成図。
【図１２】結像面の移動量の測定を行った測定装置の構成図。
【図１３】光軸方向の変化とスポットサイズについての関係を示す図。
【図１４】レンズ位置の変化量の測定結果の図。
【図１５】結像面の移動量の測定結果の図。
【図１６】従来のすきまばめで接合したコリメータレンズの構成図。
【図１７】レンズ面間隔の変化についての説明図。
【図１８】結像面の移動についての説明図。
【符号の説明】
【００２９】
１  鏡筒
２  シュリンクフィッタ
３  コリメータレンズ部
４  プラスチックリング
５  リングナット
１０  光学レンズ装置
１１  レーザ光源
１２  ポリゴンミラー
１３  レンズ部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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