光学素子保持構造及びこの構造を用いた光学システム
【課題】光学素子の回転中心を一致させ、光学素子とほとんどサイズが変わらない大きさの光学素子保持具によって保持具の厚さを小さくして占有体積を極小化するとともに、光学素子間の距離を短くし、また保持具のガタやずれの発生を防止することが可能な光学素子保持構造、この構造を使用した光学システムを提供する
【解決手段】光学素子１を保持する、光学素子１とほとんどサイズが変わらない大きさの光学素子保持具２と、この光学素子保持具２の球面部６を移動可能に受ける球面部受け具３を備えた光学素子保持構造において、光学素子保持具２は内部に光学素子１を保持する光学素子保持部１０が形成されるとともに、外周面に球面状の球面部６が形成され、球面部受け具３は内部に前記光学素子保持具２を保持する光学素子保持具保持部１２が形成されるとともに、内周面に球面部６と同じ半径であって球面部６を摺合わせ可能に受ける球面くぼみ７が形成されている
【解決手段】光学素子１を保持する、光学素子１とほとんどサイズが変わらない大きさの光学素子保持具２と、この光学素子保持具２の球面部６を移動可能に受ける球面部受け具３を備えた光学素子保持構造において、光学素子保持具２は内部に光学素子１を保持する光学素子保持部１０が形成されるとともに、外周面に球面状の球面部６が形成され、球面部受け具３は内部に前記光学素子保持具２を保持する光学素子保持具保持部１２が形成されるとともに、内周面に球面部６と同じ半径であって球面部６を摺合わせ可能に受ける球面くぼみ７が形成されている
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー共振器などの光学システムに用いられる光学素子を支持する光学素子保持構造及びこの構造を用いた光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー共振器などの光学システムは、ビーム状の光の伝搬する光軸にそって、光学素子を配列して構成される（特許文献１〜３参照）。例えば、レーザー共振器は、光の波長や直進性により、位置精度は１ミクロン〜１００ミクロン、角度精度１／１０００度〜１／１０度での調整が必要であるため、微少ピッチのネジあるいはマイクロメーターといった高精度送り機構と可動部を利用した高精度な光学位置合わせ機器、角度合わせ機器を複数並べて固定し、軸合わせという調整過程を行ってレーザー発振や増幅を得る。
【０００３】
光学システムでは方向合わせあるいは角度合わせにおいて、各軸ごとに移動機構を分解して、それぞれに精度を持たせる手法が用いられており、位置移動に関してはレールと「高精度送り機構」の組み合わせが、角度移動に関してはボールポイントとバネ等を利用した蝶番と高精度送り機構が、あるいは回転ステージと「高精度位置送り機構」の組み合わせが各軸ごとに実装される。
【０００４】
図１０に従来の小型の位置決め装置の実例を示す。１０１はＸＹＺ位置を調整するＸＹ位置調整保持具であり光学素子は保持されず、高さは３０ｍｍ程度である。３つの位置調整機構は独立しており、天板サイズ（１５ｍｍ×１５ｍｍ）に対して、大きな体積を必要とし、位置決めする対象の位置が位置決め中心にはこないのが通例である。
【０００５】
１０２は、光学素子１０３をはめ込んでθ，φ，ψ角度を調整する光学素子保持具である。このように１つの光学素子の位置調整では最大三軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、向き・角度においても最大三軸（θ，φ，ψ）の最大６つ以下の調整機構が必要である。
【０００６】
図１１は、６軸調整可能な最小の固定具の実例である。ＸＹＺθφ位置調整保持具１１２は５軸調整が可能であるが、厚さ２０ｍｍ、高さ３４ｍｍで、３ｍｍ径までの光学素子が光学素子設置穴１１４に取り付けられる。θφψ角度を調整する光学素子保持具１１２は光学素子設置穴１１５に１２．７ｍｍのサイズまでの光学素子が取り付けられるが、高さは５５ｍｍで光学素子中心部の高さは約４０ｍｍとなる。なお、１１３，１１６は調整ネジである。
【０００７】
図１２において、前記の保持具を利用して光学素子を並べるとき、光学素子間の相互位置関係を高精度に保つため、剛性の高い基盤１２１を用意して、その上に保持具１２２，１２３，１２４，１２５を並べていく。なお、１２６は保持具１２５のＸＹＺθφ位置調整具、１２７は保持具１２５とＸＹＺθφ位置調整具１２６の固定具、１２８は高さ調整用スペーサーである。
【０００８】
図１２，図１３において、４つの光学素子が並べられ、保持具１２２にｘｙｚθφ調整可能なレンズ１３１を、保持具１２３にθφψ調整可能なレーザー結晶１３２を、保持具１２４にθφ調整可能なミラー１３３を、保持具１２５にｘｙｚθφ調整可能な光学結晶１３４をそれぞれ保持して並べた例である。剛性を保つため大きめの基盤１２１の上にネジなどで保持具を固定する必要がある。光がたどる光軸１２９，１３５が光学素子１３１〜１３４の中心を通るように並べる必要がある。しかし、光学素子中心が保持具１２２〜１２５のどこにあるかが各自ばらばらとなるため、保持具の高さ方向や水平方向（光軸に対しての垂直）に保持具１２２〜１２５をそれぞれずらして光軸１２９，１３５に合わせる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１７１３５０号公報
【特許文献２】特開２００５−３４０７６３号公報
【特許文献３】特開２０００−１２９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１３において、光学素子保持具を並べ、光学素子を保持して光学システムを構成するための最小サイズは、理論的には１３７の枠のサイズであるが、実際には調整・固定具の大きさにより１３６に示す枠までサイズが増大している。図１３は横方向からみた断面であり、他の観点では図１３の光学結晶１３４を支える図１２のＸＹＺ調整保持具１２５などもシステムの肥大化に関与している。図１２の１２２もＸＹＺの機構を持つために必要とされるが、余分な高さ調整などで光学システムのサイズを大きくしており、コストも高くなっている。
【００１１】
さらに問題は保持具の光軸方向の厚さが大きいことである。図１３のレーザー結晶１３２，ミラー１３３の光学素子サイズはそれぞれ５ｍｍ，３ｍｍ厚であるが、保持具の厚さは１５ｍｍで、光軸の調整機構部によって厚さが増している。並べる場合には図１３のように向きを工夫して近接させることも可能であるが、１３８の距離で示す空間の様に調整機構部１３９があるためにどうしても近づけられない部分が現れる。図１３ではレンズ１３１とレーザー結晶１３２の距離を１ｍｍにしたいが、実際には１０ｍｍ以下に近づけることができない。
【００１２】
前項の問題を解決するため、図１３の１３８の距離を縮めるために延長治具を設置した例があるが、延長治具の角度を変えるとレンズが上下に動いたり、ミラーが光軸方向に前後したりした結果、光軸からずれたり結晶間でぶつかったりする。この様に角度調整で位置が動いてしまうと、それが微少であっても本来の位置にもう一度戻すように補正しないといけなくなるため、調整が難しくなり、時には不可能になる。さらに、こうした小型調整具は調整できる距離や角度の許容範囲が狭いため、補正できる範囲も狭い。このように回転中心と光学素子の距離がある、従来の固定具の方法は小型の光学システムに向いていない。
【００１３】
さらに、これらの機構は複雑であるため高価であり、且つ空きスペースが多いため、振動に弱い。また、剛性や精度の問題で、ガタが発生しやすい。同時に固定作業の締め込みでわずかに固定位置がずれる「ずれ」も発生しやすくなる。さらに機構が大きいことと、光学素子と基盤の距離も長くなることが多いことから、温度変化による金属や材料の熱膨張に起因するずれが大きくなりやすく、高精度が要求されるレーザーなどでは温度の影響も受けやすい。
【００１４】
そこで、本発明は、光学素子の回転中心を一致させ、光学素子とほとんどサイズが変わらない大きさの光学素子保持具によって保持具の厚さを小さくして占有体積を極小化するとともに、光学素子間の距離を短くし、また保持具のガタやずれの発生を防止することが可能な光学素子保持構造、この構造を使用した光学システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、小型の光学素子を調整し、特定の位置・角度で固定する機構の内、角度を保持して固定する機構を独立させ、これを小型化した光学素子保持構造とすることで、前記課題を解決した。本発明は、球面受けを利用した３軸角度自由度を持つ光学素子保持構造が保持する光学素子自身とほとんどサイズが変わらない、角度自由度の高い、回転可能且つ固定可能な球面受けのアダプターを使用して一般の光学素子の外寸にそろえることができるような小型化を行ったものである。
【００１６】
具体的には、本発明は、光学素子を保持する光学素子保持具と、この光学素子保持具の球面部を移動可能に受ける球面部受け具を備えた光学素子保持構造において、光学素子保持具は、光学素子保持具は、光学素子とほとんどサイズが変わらない大きさであり、内部に光学素子を保持する光学素子保持部が形成されるとともに、外周面に球面状の球面部が形成され、球面部受け具は内部に前記光学素子保持具を保持する光学素子保持具保持部が形成されるとともに、内周面に前記球面部と同じ半径であって球面部を摺合わせ可能に受ける球面くぼみが形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
球面受けを利用した３軸角度自由度を持つ光学素子保持構造が保持する光学素子自身とほとんどサイズが変わらない、角度自由度の高い、回転可能且つ固定可能な球面受けのアダプターを使用して一般の光学素子の外寸にそろえることができるような小型化の実現が可能となる。
【００１８】
従来の光学システムのサイズを大きくする問題に対しては、３軸角度自由度を持つ光学素子保持構造を単純に一つの円筒スリーブに内に固定するだけで、ほぼ、図４に示すような光学素子部のみのサイズと同等のサイズで光学システムを保持することができるようになる。また、前述の延長治具の先端に球面受け保持具を取り付けることで、従来の延長治具における衝突や軸ずれの課題を解決できる。この延長治具が有効になることで従来の延長治具では光学素子間の距離が縮まらないという課題も解決できる。
【００１９】
レールを利用しない微少体積のＸＹＺ調整可能な機構を小型化し、光学素子保持構造と組み合わせるあるいは単独で利用することで、前述の従来のＸＹＺ調整機構を追加することにより光学システムの全体サイズが徒に大きくなる課題を解決する。具体的には、外周と内周円の中心をずらした円筒状の軸外し保持具により、ＸＹＺの３つの方向に対する調整自由度を提供する小型の固定具とした。２つのＸＹ方向の調整については円筒の外周と内周円の中心をわずかにずらした軸外し保持具を二重に組み合わせて、別の円筒を最外側あるいは最内側に組み込んだ３重円筒構造を用いる。軸外し保持具を備えた光学素子保持構造の最内側の円筒内に光学素子を組み込む構造により、光学素子のＸＹ方向の調整を可能としつつ、外形サイズは保持対象の光学素子をわずかに大きくしたサイズに押さえることが出来る。さらに、円筒をＺ軸方向にスライドさせることで、Ｚ方向の調整機構を追加してＸＹＺ調整・保持機構の提供が可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の光学素子保持構造は、光学素子の調整に必要な最大６軸の可動構造を最小の部品数と最小の体積の追加で実施できるため、複数の素子を０．１〜１０ｍｍの距離で並べる必要がある、マイクロチップレーザー発振器やファイバー結合機構などの光学システムの小型化に効果的である。特に光学素子の保持機構で可動となる軸の数を増やしたときに、従来の保持具が邪魔をして光学素子の距離があいてしまうという課題が起きない。
【００２１】
本発明の光学素子保持構造は、光学素子を保持した光学素子保持具の球面部と同じ半径の球面くぼみを持つ球面部受け具にこれを内包させ、球面部受け具を円筒に挿入して、光学素子保持具が球面部受け具の中で回転することにより、θφψの３つの角度に対し、光学結晶のほぼ中心を回転中心として回転できる自由度を持つことになる。また、同時に光軸の方向にも球面部受け具を円筒の中で滑らせることで対応できるため、４軸の自由度を持つ可動機構となる。
【００２２】
本発明の光学素子保持構造は、ベアリングなどの複雑な機構がないため、光学素子保持具、球面部受け具、円筒を薄い金属で作っても比較的高い固定強度を持つことができるため、全体のサイズを小さくすることが可能である。
【００２３】
さらに、本発明の光学素子保持構造は、光学素子と光軸が常に光学素子保持構造の中心にあるため、従来の固定具のようなサイズを大きくする問題が起きない。また、円筒が筒状であることで基盤よりも肉薄であっても強度を得ることが可能であり、ここでもサイズを小さくすることが可能である。
【００２４】
また、本発明の光学素子保持構造は、光学素子の光軸方向厚さとほぼ同じ厚さで作製することが容易である。光学素子の回転中心はほぼ光学素子の中心と一致するため、光学素子を複数並べる場合にそれらを近接配置しやすく、角度調整によっても光学素子の位置が動かないため、衝突や軸ずれの問題を回避できる。
【００２５】
本発明は、さらに、円筒からネジなどで球面部受け具を締め付けることで間接的に光学素子保持具を全体的に締めて固定することができ、光学素子も間接的に締めることができる。また、軽く締めることで、調整時のガタをほぼ無くしたり、可動部の固さを調整したりできる。さらに固定時は結果的に、３つの回転軸（θ，φ，ψ）とＺ軸を同時に固定することができる。
【００２６】
さらに、軸外し保持具で小型化することで、図１にしめす従来のようなＸＹＺ調整機構に比べて大幅に光学素子と支持基盤の距離を短くすることができ、保持に必要な金属の量も減ることから、振動、ずれ、がたつき、温度に起因する課題を解決することができる。また、軸外し量を調整することで、ＸＹ方向の調整精度を目的に合わせて調整できる。
【００２７】
さらに軸外し保持具に光学素子保持具を内包することで６軸の自由度を持つ固定具を小体積で組み込むことが可能である。また、非常に小さいサイズに収まっており、光軸方向の厚さが光学素子のそれと同じであることにより、素子同士をほぼくっつけていても６軸の調整自由度を確保でき、しかも何個の素子でも連続的に近接して並べることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】小型光学素子をθφψの３軸の角度の自由度を与えつつ保持できる小型の光学素子保持構造を示す図である。
【図２】（ａ）は小型光学素子を保持し、ｘｙｚの３軸の位置の調整を可能にしつつ保持できる小型の軸外し保持具、（ｂ）は組み立て後横から見た図である。
【図３】小型光学素子を保持し、ｘｙｚの３軸の位置の調整とθφψの３軸の角度の自由度を可能にしつつ、これらを固定できる小型の保持具の例を示す図である。
【図４】（ａ）は図１３に示す３つの光学素子を用いる従来の保持具で保持した光学システム、（ｂ）は本発明の光学素子保持構造により光学素子を保持した光学システムを示す図である。
【図５】本発明による角度固定具を用いて光学システムを構成した場合に、その微調整を外部の補助調整具で行う場合の模式図である。
【図６】本発明による角度固定具と従来の角度調整具を組み合わせた光学システムを示した図である。
【図７】本発明の光学素子保持具と軸外し保持具を利用して構成した半導体レーザー励起固体レーザーの光学システムを示した図である。
【図８】本発明による光学素子保持構造と位置調整・固定具とフレクシャーマウントの角度調整具を組み合わせた光学システムを示した図である。
【図９】図８の光学システムの組み立てと構造を説明するための図である。
【図１０】従来の位置決め調整固定装置と角度調整装置と光学素子の実例図である。
【図１１】ＸＹＺの三軸位置決め固定具とθφψの三軸角度調整・固定具の実例図である。
【図１２】従来の固定具を利用して複数の小型光学素子を並べて作った光学システムの例を示す図である。
【図１３】従来の固定具を利用して複数の小型光学素子を並べて作った光学システムの例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２９】
光学素子を保持する球面を備えた本発明の光学素子保持構造は、３つの回転軸（θ，φ，ψ）に対する調整自由度と固定機能を最小の体積で提供することが可能となる。図１で小型の光学素子１として例えば光学結晶（３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍ）を内包させる例について説明する。
【００３０】
光学素子保持構造は、光学素子保持具２、球面部受け具３で構成される。光学素子保持具２の内部には、保持する光学素子１のサイズにくりぬいた穴からなる光学素子保持部１０が形成されている。光学素子保持穴１０は、光学素子１よりわずかに小さな穴に形成し、一部を切り欠いた隙間９を有している。光学素子１を光学素子保持具２にセットする際、隙間を広げてから光学素子１を挿入する方式とすることにより光学素子１を自然に挟み込むことができるとともに、容易に保持することが可能となる。なお、隙間を設けることなく締めネジで保持するようにしてもよい。さらに、光学素子保持具２の外周には、球面状をした球面部６が形成されている。
【００３１】
球面部受け具３の内部には光学素子保持具２の球面部６を移動可能に受けて光学素子保持具２を保持する円筒状の光学素子保持具受け部１２が形成されている。
【００３２】
受け部１２球面部受け具３の受け部１２の内周面には、光学素子保持具２の球面部６と同じ半径の球面くぼみ７が形成される。光学素子保持具２が球面部受け具３に挿入されると、球面部受け具３の球面くぼみ７と光学素子保持具２の球面部６が摺合わせられて自由に回転可能となる。光学素子保持具２を球面部受け具３にセットするときも、球面部受け具３の一部を切り欠いた隙間１１を広げておいて、光学素子保持具２を内部に挿入してから、球面部受け具３を閉じることでセットできる。球面部受け具３は円筒４に挿入する。
【００３３】
光学素子保持具２が球面部受け具３の中で回転することで、θφψの３つの角度に対し、光学素子のほぼ中心を回転中心として回転できる自由度をもつことになる。同時に光軸の方向にも球面部受け具３を円筒４の中で滑らせることで対応できるため、４軸の自由度を持つ可動機構となる。
【００３４】
円筒４から止めネジ５で複数方向から球面部受け具３を締め付けて縮むようにすることで間接的に光学素子保持具２の球面部６を全体的に締められて光学素子１も間接的に締められ、結果的に、３つの回転軸（θ，φ，ψ）とＺ軸を同時に固定することができる。
【実施例２】
【００３５】
図２で、本発明の軸外し保持具について説明する。軸外し保持具は、外周と内周円の中心をずらして軸外しした軸外し内側円筒２２、外周と内周円の中心をずらして軸外しした軸外し外側円筒２３、円筒２４で構成される。軸外し内側円筒２２の中心に、例えば２ｍｍ直径の小型レンズの光学素子２１がセットされる。軸外し内側円筒（２）は軸外し外側円筒２３に挿入され、軸外し外側円筒２３は円筒２４に挿入され、軸外し内側円筒２２をカニ穴２５により軸外し外側円筒２３内で回すことにより、角度調整後、ネジ６で固定される。
【００３６】
図２（ｂ）において、２８は組み立て後横から見た断面であり、２９は組み立て後の中心にあるレンズを示し、２１０は最も軸を外した場合の例で、レンズ２１が中心より下に来ている。２１１はレンズ中心を左下にずらした例である。
【実施例３】
【００３７】
本実施例では、軸外し保持具に光学素子保持具を保持した球面部受け具を内包することで６軸の自由度を持つ固定具を小体積で組み込むことか可能である。図３（ａ）において、実施例1と同様の光学素子保持具３１に例えば３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍの光学結晶３４が保持される。光学素子保持具３１にはカニ穴３５が形成されている。
【００３８】
光学素子保持具３１は、球面受けを有する外周と内周円の中心をずらして軸外しした円筒の第1の軸外し保持具３２に保持される。軸外し保持具３２にはカニ穴３６が形成されている。軸外し保持具３２は、外周と内周円の中心をずらして軸外しした第２の軸外し保持具３３に挿入される。第２軸外し保持具３３の軸外し距離は第1の軸外し保持具３２の逆になっており、通常は第２の軸外し保持具３３の中心に光学結晶３４の中心が重なる。
【００３９】
組み立て順を横から見た図３（ｂ）、正面から見た図３（ｃ）において、軸外し保持具３２と軸外し保持具３３の間で球面受け３７が構成されるため、θφψの３軸の自由な変更と保持か可能となり、四つのカニ穴３５，３６は光学素子保持具３１と軸外し保持具３２の回転を行うときに用いる。軸外し保持具３２と軸外し保持具３３の軸外し二重円筒により、ＸＹ方向の調整が可能である。Ｚ方向については、止めネジ３８の外側の保持具３３内での移動で行う。この外径は１２．７ｍｍと非常に小さいサイズに収まっており、光軸方向の厚さは、光学素子のそれと同じ、５ｍｍである。これにより、素子同士をほぼくっつけていても６軸の調整自由度を確保でき、しかも何個の光学素子でも連続的に近接して並べることができる。なお、３９は外筒である。
【実施例４】
【００４０】
本実施例は、ＸＹＺ軸調整の必要がない光学システム全体の最小化を目指した例である。図４（ａ）は図１０〜１３に示す従来の保持具で３つの光学素子を保持した光学システムであり、（ｂ）は本発明の球面受け保持具により３つの光学素子を保持した光学システムを示す図である。
【００４１】
本発明の球面受け保持具２及び球面部受け具３により、図１３に示した光学システムの最小のサイズ１３４７にほぼ等しいサイズで光学素子を固定することが可能となる。
【００４２】
４３はミラー、４４は内部にホールドしている光学結晶のサイズが２ｍｍ直径の円筒、４５は凸面ミラーで、レーザーの不安定共振器を構成している。
【００４３】
図４（ａ）の従来の光学システムと図４（ｂ）の本発明の光学システムとの間では、システムのサイズに大きな違いがある。本発明では図１に示す光学素子保持具２の内部の穴を変えるだけで対応することができる。粗調整は光学素子保持具２の穴に調整ピンを入れて行うことができる。三つの保持具は一つの円筒４６に直列に収まっており、互いの距離は、図１３に示す最小のサイズ１３４７の円筒部内の固定ネジで決まるが、円筒部は小型化しても剛性が落ちにくいため、光学素子のみより一回り大きいサイズだけで光学システムを保持できる。本実施例では、球面受け保持具２及び球面部受け具３の面摺合わせによるθφψの角の自由度、球面部受け具３による破線で示す光軸方向Ｚへの自由度が得られる。
【実施例５】
【００４４】
図４（ｂ）に示した本発明の光学システムの微調整方法について説明する。
【００４５】
図５において、１０〜２５ｍｍ離れた位置を中心として回転できるゴニオステージ５４とこれに取り付けた調整ピン５３を本発明の保持具５１の調整ピン挿入穴５２に差し込んで最内固定部品を回転させて調整することができる。微調整であれば、横方向にあけたスリットを使って調整することも可能である。また、調整治具５５により、２〜４個のネジで最内固定具部品を押して回転させることで粗調整を行う。調整後は各固定部を締めネジで固定し、調整具を取り外す。
【実施例６】
【００４６】
図４（ｂ）に示す本発明の光学システムの微調整方法において、他の微調整固定具製品との同時利用する方法について説明する。
【００４７】
前記の図５に示すような外部にゴニオステージ５４、調整ピン５３、調整具５５を用意すると、しばしば再調整が必要となる高精度レーザー共振器などでは、不便なことがある。そこで、本発明の球面受け保持具を汎用の調整・固定治具などの光学素子固定穴に取り付ける実施例を図６により説明する。
【００４８】
凸面ミラー６６を保持する保持具６２は図４（ａ）の凸面ミラー４５微調整固定具製品の様に逆さまにつり下げたりせずに、同一基盤６８に固定して、延長用筒６７を兼用した本発明の保持具を利用して凸面ミラー３６を結晶６５に近づけている。延長用筒６７が通常の延長アダプターであれば、前述の従来の延長治具に起因する問題が起こるが、図６の方法では凸面ミラーを包む角度粗調整可能な球面受け保持具６６により保持具６２での調整は微調整のみになり、問題が起きない。同様に結晶６４，結晶６５においても大きく角度を変える調整は結晶６４，結晶６５自体の保持具の自由度を利用して行い、角度微調整固定具（１），（２）による調整は微少範囲にできるため、結晶がぶつかったり距離が変わってしまったりする問題が起きない。本実施例は、光学システムの小型化よりも、自由な再調整機構を確保しながら、小型の光学システムに起きやすい素子間の衝突や軸外れなどの問題を回避した実施例である。
【実施例７】
【００４９】
本実施例は、光ファイバー、レンズを追加して再調整可能なレーザー共振器を組んだ例で、図７は光学素子保持具と軸外し保持具を利用して構成した半導体レーザー励起固体レーザーの光学システムである。
【００５０】
レーザーにエネルギーを投入する光ファイバー７１の光を集光レンズ７３で集光して、結晶７６に入射するとレーザーが出力され、結晶７１１で色が変換された光が得られる。各光学素子に必要な調整軸が光ファイバー７１はθφ，集光レンズ７３はθφｘｙｚ 、結晶７６はθφψ，出力ミラー７８はθφ，光変換結晶７１１はθφψとなる。また、結晶７６と光変換結晶７１１は大きな回転角調整が必要である。そこで、レンズ（３）には軸外し保持具７２が、球面受け角度固定具７５と結晶７１１には光学素子保持具７２が通常のθφ微調整ホルダーの球面受け角度固定具７７，結晶角度微調整調整ホルダー７１２とともに組み込まれている。
【００５１】
まず、光ファイバーとコネクタ７１とファイバー角度微調整ホルダー７４はＺ方向以外は固定されている。光ファイバー７１とレンズ７３は相互のＸＹＺ関係が重要であり、これを光学素子保持具７２で調整している。光ファイバー７１、軸外し保持具７２、レンズ７３は一体化して全体のθφがファイバー角度微調整ホルダー７４で調整され、結晶に最適な条件で光が導入されることで、レーザーの出力が最大化できる。結晶７６と出力ミラー７８は高精度で平行でなければならないが、球面受け角度固定具７５で粗調整、球面受け角度固定具７７で微調整することで、レンズ７３−結晶７６間の距離や結晶７６−出力ミラー７８間の距離を変えずに平行度を微調整できる。さらに光変換結晶７１１は出力ミラー７８に近接していながら、θφの粗調整・微調整をともに必要とするため、延長用円筒を有する固定具７１０で固定されている。全体の固定は基盤７１４で行えるため、全体が小型化できている。
【実施例８】
【００５２】
本実施例は、フレクシャーマウント（ｓｉｓｋｉｙｏｕ社製 ＩＸＦ．５０型など）と組み合わせて最も小型化した例である。実施例６で示した手法にフレクシャーマウントを使って小型化すると同時に、レーザー光軸をシステムの中心に持ってきた実施例を図８に示す。
【００５３】
図８（ａ）はフレクシャーマウント８１の外観である。アルミ等の金属の塊から削り出ししており、三つの板が２カ所一体型の板バネ８２でつながった構造をもっている。角度調整はフレクシャーマウント８１に見える二つのネジで板バネ８２に逆らって隙間を押し広げることで行なう。可動範囲は小さいが構造が単純化できている。
【００５４】
図８（ｂ）の断面図に示すように、フレクシャーマウントは、中央がくりぬかれており、その両端にミラーなどを固定できる穴８４（本例では０．５インチ直径）があるため、一つの固定具に二つのミラーを取り付け、基盤を利用しなくても二つの光学素子の角度調整ができる。
【００５５】
図８（ｃ）の正面図において、板バネが場所をとらないため、光学素子は中央の保持穴８５に保持される。また、左上と右下のネジ穴を利用して、フレクシャーマウントは２個以上を直列につないでいくことができるため、基盤なしで数珠つなぎに光学素子を並べていくことができる。
【００５６】
図８（ｄ）には、内包された光学素子が並ぶ様子が示されている。符号８６はレーザー共振器を動作させる半導体レーザーからの光ファイバー入力コネクタである。光ファイバー先端に近接して、マイクロレンズ８７を配置し、ＸＹＺ調整を行うことで集光した光を、光学素子保持具８８に内包されたレーザー結晶に結合している。ここで、光ファイバー８６の出口とレンズ８７の位置関係はＸＹＺの微調整後は、高精度で固定保持されながら、レンズ８７と光学素子保持具８８の関係はθφＺで調整する必要がある。このために大きめの光学素子保持具８８を最左部に組み込んでいる。光学素子保持具８８は出射ミラー８１０との平行を出すため、光学素子保持具８８で粗調整、フレクシャーマウント８９で微調整を行う。一般に、光学素子保持具８８が利用できないと、フレクシャーマウント８９のみの機構では調整範囲が狭いため調整が容易ではない。二つのフレクシャーマウント８９を直列にしていることで、光学結晶８１１についてもθφψとＺの粗調整とθφの微調整が必要となる。
【００５７】
図８（ｅ）に示す正面図において、真ん中に光学結晶が配置され、どの方向にも出っ張りがない、小型化が可能な構造になっていることが分かる。８１８は光学結晶などの光軸位置である。
【００５８】
図９は図８の細部を理解するために、組み立て工程を示す図である。
【００５９】
まず、工程（ａ）において、結晶９１を挿入した光学素子保持具９２を球面部受け具９３に挿入し、延長筒（４）に固定する。
【００６０】
工程（ｂ）では、組み上げた結晶保持具９６をフレクシャーマウント９７に挿入して固定する。９８はφ方向の可動性を与える板バネ、９９はθ方向の可動性を与える板バネであり、フレクシャーマウント９７は三つの板がつながった構造の真ん中に穴がくりぬかれた構造となっている。
【００６１】
工程（ｃ）では、フレクシャーマウントの右側からレーザーミラー９１２を固定化し、結晶の固定具９１３の調整によりレーザーミラー９１２−結晶９１３で共振器を構成する。また、フレクシャーマウントの隙間から、必要に応じて可飽和吸収体を挿入する。挿入する隙間はθの調整結果では閉じてしまうため、固定具９１３にある光学素子保持具で隙間ができるように調整することが必要であり、光学素子保持具なしでは挿入する隙間を確保するのが困難となる。
【００６２】
次に工程（ｄ）で、レーザー結晶ホルダー９６の空洞に入る軸外し保持具を有するマイクロレンズホルダーを組み立てる。９１５はマイクロレンズ、９１６は軸外し保持具を先端に持つ光ファイバー接続機構である。９１４の工程の組み立て部品をフレクシャーマウントに挿入して光学素子保持具でθφＺの調整を可能とする。球面受け９１９を球面部９１８で挟み込むことで、球面軸受けと同じ機構を提供し、内部に軸外し円筒調整・固定具を含む円筒を挿入することでＺを調整可能とする。θφとＺが独立に固定できることも調整手順上重要な機能である。
【００６３】
さらに工程（ｅ）では二つ目のフレクシャーマウント９２１を固定しておく。
【００６４】
工程（ｆ）では光ファイバーコネクター９２３の取り付けと、工程（ｄ）で組み上げた部品の調整、本体への挿入をしめしている。逆方向から、波長変換結晶９２６を先端の光学素子保持具にセットした結晶ホルダー９２５を挿入し、θφψとＺの調整を行う。
【００６５】
（ｇ）の完成した断面図に示されるように、四つの光学素子が近接した状態で且つθφなど必要な自由度の元を用いつつ高いに密接に、最小の体積に金属で保持されている。２８）はレーザー出力である。共振器内に空間が少なく、光学素子は上下左右で保持具と密着しているため、保持具の金属は剛性があまり高くなくても良い。そのために小型化が可能であり、それが放熱なども改善する効果を発現している。図９において、波長変換結晶９２６のさらに右側に複数の結晶を設置し、θφの調整を行うことも可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１：光学素子
２：光学素子保持具
３：球面部受け具
６：球面部
７：球面くぼみ
９：隙間
１０：光学素子保持部
１１：隙間
１２：光学素子保持具保持部
３１：光学素子保持具
３２：第1の軸外し保持具
３３：第２軸外し保持具
４３〜４６：光学素子
４６：円筒
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザー共振器などの光学システムに用いられる光学素子を支持する光学素子保持構造及びこの構造を用いた光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
レーザー共振器などの光学システムは、ビーム状の光の伝搬する光軸にそって、光学素子を配列して構成される（特許文献１〜３参照）。例えば、レーザー共振器は、光の波長や直進性により、位置精度は１ミクロン〜１００ミクロン、角度精度１／１０００度〜１／１０度での調整が必要であるため、微少ピッチのネジあるいはマイクロメーターといった高精度送り機構と可動部を利用した高精度な光学位置合わせ機器、角度合わせ機器を複数並べて固定し、軸合わせという調整過程を行ってレーザー発振や増幅を得る。
【０００３】
光学システムでは方向合わせあるいは角度合わせにおいて、各軸ごとに移動機構を分解して、それぞれに精度を持たせる手法が用いられており、位置移動に関してはレールと「高精度送り機構」の組み合わせが、角度移動に関してはボールポイントとバネ等を利用した蝶番と高精度送り機構が、あるいは回転ステージと「高精度位置送り機構」の組み合わせが各軸ごとに実装される。
【０００４】
図１０に従来の小型の位置決め装置の実例を示す。１０１はＸＹＺ位置を調整するＸＹ位置調整保持具であり光学素子は保持されず、高さは３０ｍｍ程度である。３つの位置調整機構は独立しており、天板サイズ（１５ｍｍ×１５ｍｍ）に対して、大きな体積を必要とし、位置決めする対象の位置が位置決め中心にはこないのが通例である。
【０００５】
１０２は、光学素子１０３をはめ込んでθ，φ，ψ角度を調整する光学素子保持具である。このように１つの光学素子の位置調整では最大三軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、向き・角度においても最大三軸（θ，φ，ψ）の最大６つ以下の調整機構が必要である。
【０００６】
図１１は、６軸調整可能な最小の固定具の実例である。ＸＹＺθφ位置調整保持具１１２は５軸調整が可能であるが、厚さ２０ｍｍ、高さ３４ｍｍで、３ｍｍ径までの光学素子が光学素子設置穴１１４に取り付けられる。θφψ角度を調整する光学素子保持具１１２は光学素子設置穴１１５に１２．７ｍｍのサイズまでの光学素子が取り付けられるが、高さは５５ｍｍで光学素子中心部の高さは約４０ｍｍとなる。なお、１１３，１１６は調整ネジである。
【０００７】
図１２において、前記の保持具を利用して光学素子を並べるとき、光学素子間の相互位置関係を高精度に保つため、剛性の高い基盤１２１を用意して、その上に保持具１２２，１２３，１２４，１２５を並べていく。なお、１２６は保持具１２５のＸＹＺθφ位置調整具、１２７は保持具１２５とＸＹＺθφ位置調整具１２６の固定具、１２８は高さ調整用スペーサーである。
【０００８】
図１２，図１３において、４つの光学素子が並べられ、保持具１２２にｘｙｚθφ調整可能なレンズ１３１を、保持具１２３にθφψ調整可能なレーザー結晶１３２を、保持具１２４にθφ調整可能なミラー１３３を、保持具１２５にｘｙｚθφ調整可能な光学結晶１３４をそれぞれ保持して並べた例である。剛性を保つため大きめの基盤１２１の上にネジなどで保持具を固定する必要がある。光がたどる光軸１２９，１３５が光学素子１３１〜１３４の中心を通るように並べる必要がある。しかし、光学素子中心が保持具１２２〜１２５のどこにあるかが各自ばらばらとなるため、保持具の高さ方向や水平方向（光軸に対しての垂直）に保持具１２２〜１２５をそれぞれずらして光軸１２９，１３５に合わせる必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００６−１７１３５０号公報
【特許文献２】特開２００５−３４０７６３号公報
【特許文献３】特開２０００−１２９３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図１３において、光学素子保持具を並べ、光学素子を保持して光学システムを構成するための最小サイズは、理論的には１３７の枠のサイズであるが、実際には調整・固定具の大きさにより１３６に示す枠までサイズが増大している。図１３は横方向からみた断面であり、他の観点では図１３の光学結晶１３４を支える図１２のＸＹＺ調整保持具１２５などもシステムの肥大化に関与している。図１２の１２２もＸＹＺの機構を持つために必要とされるが、余分な高さ調整などで光学システムのサイズを大きくしており、コストも高くなっている。
【００１１】
さらに問題は保持具の光軸方向の厚さが大きいことである。図１３のレーザー結晶１３２，ミラー１３３の光学素子サイズはそれぞれ５ｍｍ，３ｍｍ厚であるが、保持具の厚さは１５ｍｍで、光軸の調整機構部によって厚さが増している。並べる場合には図１３のように向きを工夫して近接させることも可能であるが、１３８の距離で示す空間の様に調整機構部１３９があるためにどうしても近づけられない部分が現れる。図１３ではレンズ１３１とレーザー結晶１３２の距離を１ｍｍにしたいが、実際には１０ｍｍ以下に近づけることができない。
【００１２】
前項の問題を解決するため、図１３の１３８の距離を縮めるために延長治具を設置した例があるが、延長治具の角度を変えるとレンズが上下に動いたり、ミラーが光軸方向に前後したりした結果、光軸からずれたり結晶間でぶつかったりする。この様に角度調整で位置が動いてしまうと、それが微少であっても本来の位置にもう一度戻すように補正しないといけなくなるため、調整が難しくなり、時には不可能になる。さらに、こうした小型調整具は調整できる距離や角度の許容範囲が狭いため、補正できる範囲も狭い。このように回転中心と光学素子の距離がある、従来の固定具の方法は小型の光学システムに向いていない。
【００１３】
さらに、これらの機構は複雑であるため高価であり、且つ空きスペースが多いため、振動に弱い。また、剛性や精度の問題で、ガタが発生しやすい。同時に固定作業の締め込みでわずかに固定位置がずれる「ずれ」も発生しやすくなる。さらに機構が大きいことと、光学素子と基盤の距離も長くなることが多いことから、温度変化による金属や材料の熱膨張に起因するずれが大きくなりやすく、高精度が要求されるレーザーなどでは温度の影響も受けやすい。
【００１４】
そこで、本発明は、光学素子の回転中心を一致させ、光学素子とほとんどサイズが変わらない大きさの光学素子保持具によって保持具の厚さを小さくして占有体積を極小化するとともに、光学素子間の距離を短くし、また保持具のガタやずれの発生を防止することが可能な光学素子保持構造、この構造を使用した光学システムを提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、小型の光学素子を調整し、特定の位置・角度で固定する機構の内、角度を保持して固定する機構を独立させ、これを小型化した光学素子保持構造とすることで、前記課題を解決した。本発明は、球面受けを利用した３軸角度自由度を持つ光学素子保持構造が保持する光学素子自身とほとんどサイズが変わらない、角度自由度の高い、回転可能且つ固定可能な球面受けのアダプターを使用して一般の光学素子の外寸にそろえることができるような小型化を行ったものである。
【００１６】
具体的には、本発明は、光学素子を保持する光学素子保持具と、この光学素子保持具の球面部を移動可能に受ける球面部受け具を備えた光学素子保持構造において、光学素子保持具は、光学素子保持具は、光学素子とほとんどサイズが変わらない大きさであり、内部に光学素子を保持する光学素子保持部が形成されるとともに、外周面に球面状の球面部が形成され、球面部受け具は内部に前記光学素子保持具を保持する光学素子保持具保持部が形成されるとともに、内周面に前記球面部と同じ半径であって球面部を摺合わせ可能に受ける球面くぼみが形成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
球面受けを利用した３軸角度自由度を持つ光学素子保持構造が保持する光学素子自身とほとんどサイズが変わらない、角度自由度の高い、回転可能且つ固定可能な球面受けのアダプターを使用して一般の光学素子の外寸にそろえることができるような小型化の実現が可能となる。
【００１８】
従来の光学システムのサイズを大きくする問題に対しては、３軸角度自由度を持つ光学素子保持構造を単純に一つの円筒スリーブに内に固定するだけで、ほぼ、図４に示すような光学素子部のみのサイズと同等のサイズで光学システムを保持することができるようになる。また、前述の延長治具の先端に球面受け保持具を取り付けることで、従来の延長治具における衝突や軸ずれの課題を解決できる。この延長治具が有効になることで従来の延長治具では光学素子間の距離が縮まらないという課題も解決できる。
【００１９】
レールを利用しない微少体積のＸＹＺ調整可能な機構を小型化し、光学素子保持構造と組み合わせるあるいは単独で利用することで、前述の従来のＸＹＺ調整機構を追加することにより光学システムの全体サイズが徒に大きくなる課題を解決する。具体的には、外周と内周円の中心をずらした円筒状の軸外し保持具により、ＸＹＺの３つの方向に対する調整自由度を提供する小型の固定具とした。２つのＸＹ方向の調整については円筒の外周と内周円の中心をわずかにずらした軸外し保持具を二重に組み合わせて、別の円筒を最外側あるいは最内側に組み込んだ３重円筒構造を用いる。軸外し保持具を備えた光学素子保持構造の最内側の円筒内に光学素子を組み込む構造により、光学素子のＸＹ方向の調整を可能としつつ、外形サイズは保持対象の光学素子をわずかに大きくしたサイズに押さえることが出来る。さらに、円筒をＺ軸方向にスライドさせることで、Ｚ方向の調整機構を追加してＸＹＺ調整・保持機構の提供が可能となる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の光学素子保持構造は、光学素子の調整に必要な最大６軸の可動構造を最小の部品数と最小の体積の追加で実施できるため、複数の素子を０．１〜１０ｍｍの距離で並べる必要がある、マイクロチップレーザー発振器やファイバー結合機構などの光学システムの小型化に効果的である。特に光学素子の保持機構で可動となる軸の数を増やしたときに、従来の保持具が邪魔をして光学素子の距離があいてしまうという課題が起きない。
【００２１】
本発明の光学素子保持構造は、光学素子を保持した光学素子保持具の球面部と同じ半径の球面くぼみを持つ球面部受け具にこれを内包させ、球面部受け具を円筒に挿入して、光学素子保持具が球面部受け具の中で回転することにより、θφψの３つの角度に対し、光学結晶のほぼ中心を回転中心として回転できる自由度を持つことになる。また、同時に光軸の方向にも球面部受け具を円筒の中で滑らせることで対応できるため、４軸の自由度を持つ可動機構となる。
【００２２】
本発明の光学素子保持構造は、ベアリングなどの複雑な機構がないため、光学素子保持具、球面部受け具、円筒を薄い金属で作っても比較的高い固定強度を持つことができるため、全体のサイズを小さくすることが可能である。
【００２３】
さらに、本発明の光学素子保持構造は、光学素子と光軸が常に光学素子保持構造の中心にあるため、従来の固定具のようなサイズを大きくする問題が起きない。また、円筒が筒状であることで基盤よりも肉薄であっても強度を得ることが可能であり、ここでもサイズを小さくすることが可能である。
【００２４】
また、本発明の光学素子保持構造は、光学素子の光軸方向厚さとほぼ同じ厚さで作製することが容易である。光学素子の回転中心はほぼ光学素子の中心と一致するため、光学素子を複数並べる場合にそれらを近接配置しやすく、角度調整によっても光学素子の位置が動かないため、衝突や軸ずれの問題を回避できる。
【００２５】
本発明は、さらに、円筒からネジなどで球面部受け具を締め付けることで間接的に光学素子保持具を全体的に締めて固定することができ、光学素子も間接的に締めることができる。また、軽く締めることで、調整時のガタをほぼ無くしたり、可動部の固さを調整したりできる。さらに固定時は結果的に、３つの回転軸（θ，φ，ψ）とＺ軸を同時に固定することができる。
【００２６】
さらに、軸外し保持具で小型化することで、図１にしめす従来のようなＸＹＺ調整機構に比べて大幅に光学素子と支持基盤の距離を短くすることができ、保持に必要な金属の量も減ることから、振動、ずれ、がたつき、温度に起因する課題を解決することができる。また、軸外し量を調整することで、ＸＹ方向の調整精度を目的に合わせて調整できる。
【００２７】
さらに軸外し保持具に光学素子保持具を内包することで６軸の自由度を持つ固定具を小体積で組み込むことが可能である。また、非常に小さいサイズに収まっており、光軸方向の厚さが光学素子のそれと同じであることにより、素子同士をほぼくっつけていても６軸の調整自由度を確保でき、しかも何個の素子でも連続的に近接して並べることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】小型光学素子をθφψの３軸の角度の自由度を与えつつ保持できる小型の光学素子保持構造を示す図である。
【図２】（ａ）は小型光学素子を保持し、ｘｙｚの３軸の位置の調整を可能にしつつ保持できる小型の軸外し保持具、（ｂ）は組み立て後横から見た図である。
【図３】小型光学素子を保持し、ｘｙｚの３軸の位置の調整とθφψの３軸の角度の自由度を可能にしつつ、これらを固定できる小型の保持具の例を示す図である。
【図４】（ａ）は図１３に示す３つの光学素子を用いる従来の保持具で保持した光学システム、（ｂ）は本発明の光学素子保持構造により光学素子を保持した光学システムを示す図である。
【図５】本発明による角度固定具を用いて光学システムを構成した場合に、その微調整を外部の補助調整具で行う場合の模式図である。
【図６】本発明による角度固定具と従来の角度調整具を組み合わせた光学システムを示した図である。
【図７】本発明の光学素子保持具と軸外し保持具を利用して構成した半導体レーザー励起固体レーザーの光学システムを示した図である。
【図８】本発明による光学素子保持構造と位置調整・固定具とフレクシャーマウントの角度調整具を組み合わせた光学システムを示した図である。
【図９】図８の光学システムの組み立てと構造を説明するための図である。
【図１０】従来の位置決め調整固定装置と角度調整装置と光学素子の実例図である。
【図１１】ＸＹＺの三軸位置決め固定具とθφψの三軸角度調整・固定具の実例図である。
【図１２】従来の固定具を利用して複数の小型光学素子を並べて作った光学システムの例を示す図である。
【図１３】従来の固定具を利用して複数の小型光学素子を並べて作った光学システムの例の断面図である。
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００２９】
光学素子を保持する球面を備えた本発明の光学素子保持構造は、３つの回転軸（θ，φ，ψ）に対する調整自由度と固定機能を最小の体積で提供することが可能となる。図１で小型の光学素子１として例えば光学結晶（３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍ）を内包させる例について説明する。
【００３０】
光学素子保持構造は、光学素子保持具２、球面部受け具３で構成される。光学素子保持具２の内部には、保持する光学素子１のサイズにくりぬいた穴からなる光学素子保持部１０が形成されている。光学素子保持穴１０は、光学素子１よりわずかに小さな穴に形成し、一部を切り欠いた隙間９を有している。光学素子１を光学素子保持具２にセットする際、隙間を広げてから光学素子１を挿入する方式とすることにより光学素子１を自然に挟み込むことができるとともに、容易に保持することが可能となる。なお、隙間を設けることなく締めネジで保持するようにしてもよい。さらに、光学素子保持具２の外周には、球面状をした球面部６が形成されている。
【００３１】
球面部受け具３の内部には光学素子保持具２の球面部６を移動可能に受けて光学素子保持具２を保持する円筒状の光学素子保持具受け部１２が形成されている。
【００３２】
受け部１２球面部受け具３の受け部１２の内周面には、光学素子保持具２の球面部６と同じ半径の球面くぼみ７が形成される。光学素子保持具２が球面部受け具３に挿入されると、球面部受け具３の球面くぼみ７と光学素子保持具２の球面部６が摺合わせられて自由に回転可能となる。光学素子保持具２を球面部受け具３にセットするときも、球面部受け具３の一部を切り欠いた隙間１１を広げておいて、光学素子保持具２を内部に挿入してから、球面部受け具３を閉じることでセットできる。球面部受け具３は円筒４に挿入する。
【００３３】
光学素子保持具２が球面部受け具３の中で回転することで、θφψの３つの角度に対し、光学素子のほぼ中心を回転中心として回転できる自由度をもつことになる。同時に光軸の方向にも球面部受け具３を円筒４の中で滑らせることで対応できるため、４軸の自由度を持つ可動機構となる。
【００３４】
円筒４から止めネジ５で複数方向から球面部受け具３を締め付けて縮むようにすることで間接的に光学素子保持具２の球面部６を全体的に締められて光学素子１も間接的に締められ、結果的に、３つの回転軸（θ，φ，ψ）とＺ軸を同時に固定することができる。
【実施例２】
【００３５】
図２で、本発明の軸外し保持具について説明する。軸外し保持具は、外周と内周円の中心をずらして軸外しした軸外し内側円筒２２、外周と内周円の中心をずらして軸外しした軸外し外側円筒２３、円筒２４で構成される。軸外し内側円筒２２の中心に、例えば２ｍｍ直径の小型レンズの光学素子２１がセットされる。軸外し内側円筒（２）は軸外し外側円筒２３に挿入され、軸外し外側円筒２３は円筒２４に挿入され、軸外し内側円筒２２をカニ穴２５により軸外し外側円筒２３内で回すことにより、角度調整後、ネジ６で固定される。
【００３６】
図２（ｂ）において、２８は組み立て後横から見た断面であり、２９は組み立て後の中心にあるレンズを示し、２１０は最も軸を外した場合の例で、レンズ２１が中心より下に来ている。２１１はレンズ中心を左下にずらした例である。
【実施例３】
【００３７】
本実施例では、軸外し保持具に光学素子保持具を保持した球面部受け具を内包することで６軸の自由度を持つ固定具を小体積で組み込むことか可能である。図３（ａ）において、実施例1と同様の光学素子保持具３１に例えば３ｍｍ×３ｍｍ×５ｍｍの光学結晶３４が保持される。光学素子保持具３１にはカニ穴３５が形成されている。
【００３８】
光学素子保持具３１は、球面受けを有する外周と内周円の中心をずらして軸外しした円筒の第1の軸外し保持具３２に保持される。軸外し保持具３２にはカニ穴３６が形成されている。軸外し保持具３２は、外周と内周円の中心をずらして軸外しした第２の軸外し保持具３３に挿入される。第２軸外し保持具３３の軸外し距離は第1の軸外し保持具３２の逆になっており、通常は第２の軸外し保持具３３の中心に光学結晶３４の中心が重なる。
【００３９】
組み立て順を横から見た図３（ｂ）、正面から見た図３（ｃ）において、軸外し保持具３２と軸外し保持具３３の間で球面受け３７が構成されるため、θφψの３軸の自由な変更と保持か可能となり、四つのカニ穴３５，３６は光学素子保持具３１と軸外し保持具３２の回転を行うときに用いる。軸外し保持具３２と軸外し保持具３３の軸外し二重円筒により、ＸＹ方向の調整が可能である。Ｚ方向については、止めネジ３８の外側の保持具３３内での移動で行う。この外径は１２．７ｍｍと非常に小さいサイズに収まっており、光軸方向の厚さは、光学素子のそれと同じ、５ｍｍである。これにより、素子同士をほぼくっつけていても６軸の調整自由度を確保でき、しかも何個の光学素子でも連続的に近接して並べることができる。なお、３９は外筒である。
【実施例４】
【００４０】
本実施例は、ＸＹＺ軸調整の必要がない光学システム全体の最小化を目指した例である。図４（ａ）は図１０〜１３に示す従来の保持具で３つの光学素子を保持した光学システムであり、（ｂ）は本発明の球面受け保持具により３つの光学素子を保持した光学システムを示す図である。
【００４１】
本発明の球面受け保持具２及び球面部受け具３により、図１３に示した光学システムの最小のサイズ１３４７にほぼ等しいサイズで光学素子を固定することが可能となる。
【００４２】
４３はミラー、４４は内部にホールドしている光学結晶のサイズが２ｍｍ直径の円筒、４５は凸面ミラーで、レーザーの不安定共振器を構成している。
【００４３】
図４（ａ）の従来の光学システムと図４（ｂ）の本発明の光学システムとの間では、システムのサイズに大きな違いがある。本発明では図１に示す光学素子保持具２の内部の穴を変えるだけで対応することができる。粗調整は光学素子保持具２の穴に調整ピンを入れて行うことができる。三つの保持具は一つの円筒４６に直列に収まっており、互いの距離は、図１３に示す最小のサイズ１３４７の円筒部内の固定ネジで決まるが、円筒部は小型化しても剛性が落ちにくいため、光学素子のみより一回り大きいサイズだけで光学システムを保持できる。本実施例では、球面受け保持具２及び球面部受け具３の面摺合わせによるθφψの角の自由度、球面部受け具３による破線で示す光軸方向Ｚへの自由度が得られる。
【実施例５】
【００４４】
図４（ｂ）に示した本発明の光学システムの微調整方法について説明する。
【００４５】
図５において、１０〜２５ｍｍ離れた位置を中心として回転できるゴニオステージ５４とこれに取り付けた調整ピン５３を本発明の保持具５１の調整ピン挿入穴５２に差し込んで最内固定部品を回転させて調整することができる。微調整であれば、横方向にあけたスリットを使って調整することも可能である。また、調整治具５５により、２〜４個のネジで最内固定具部品を押して回転させることで粗調整を行う。調整後は各固定部を締めネジで固定し、調整具を取り外す。
【実施例６】
【００４６】
図４（ｂ）に示す本発明の光学システムの微調整方法において、他の微調整固定具製品との同時利用する方法について説明する。
【００４７】
前記の図５に示すような外部にゴニオステージ５４、調整ピン５３、調整具５５を用意すると、しばしば再調整が必要となる高精度レーザー共振器などでは、不便なことがある。そこで、本発明の球面受け保持具を汎用の調整・固定治具などの光学素子固定穴に取り付ける実施例を図６により説明する。
【００４８】
凸面ミラー６６を保持する保持具６２は図４（ａ）の凸面ミラー４５微調整固定具製品の様に逆さまにつり下げたりせずに、同一基盤６８に固定して、延長用筒６７を兼用した本発明の保持具を利用して凸面ミラー３６を結晶６５に近づけている。延長用筒６７が通常の延長アダプターであれば、前述の従来の延長治具に起因する問題が起こるが、図６の方法では凸面ミラーを包む角度粗調整可能な球面受け保持具６６により保持具６２での調整は微調整のみになり、問題が起きない。同様に結晶６４，結晶６５においても大きく角度を変える調整は結晶６４，結晶６５自体の保持具の自由度を利用して行い、角度微調整固定具（１），（２）による調整は微少範囲にできるため、結晶がぶつかったり距離が変わってしまったりする問題が起きない。本実施例は、光学システムの小型化よりも、自由な再調整機構を確保しながら、小型の光学システムに起きやすい素子間の衝突や軸外れなどの問題を回避した実施例である。
【実施例７】
【００４９】
本実施例は、光ファイバー、レンズを追加して再調整可能なレーザー共振器を組んだ例で、図７は光学素子保持具と軸外し保持具を利用して構成した半導体レーザー励起固体レーザーの光学システムである。
【００５０】
レーザーにエネルギーを投入する光ファイバー７１の光を集光レンズ７３で集光して、結晶７６に入射するとレーザーが出力され、結晶７１１で色が変換された光が得られる。各光学素子に必要な調整軸が光ファイバー７１はθφ，集光レンズ７３はθφｘｙｚ 、結晶７６はθφψ，出力ミラー７８はθφ，光変換結晶７１１はθφψとなる。また、結晶７６と光変換結晶７１１は大きな回転角調整が必要である。そこで、レンズ（３）には軸外し保持具７２が、球面受け角度固定具７５と結晶７１１には光学素子保持具７２が通常のθφ微調整ホルダーの球面受け角度固定具７７，結晶角度微調整調整ホルダー７１２とともに組み込まれている。
【００５１】
まず、光ファイバーとコネクタ７１とファイバー角度微調整ホルダー７４はＺ方向以外は固定されている。光ファイバー７１とレンズ７３は相互のＸＹＺ関係が重要であり、これを光学素子保持具７２で調整している。光ファイバー７１、軸外し保持具７２、レンズ７３は一体化して全体のθφがファイバー角度微調整ホルダー７４で調整され、結晶に最適な条件で光が導入されることで、レーザーの出力が最大化できる。結晶７６と出力ミラー７８は高精度で平行でなければならないが、球面受け角度固定具７５で粗調整、球面受け角度固定具７７で微調整することで、レンズ７３−結晶７６間の距離や結晶７６−出力ミラー７８間の距離を変えずに平行度を微調整できる。さらに光変換結晶７１１は出力ミラー７８に近接していながら、θφの粗調整・微調整をともに必要とするため、延長用円筒を有する固定具７１０で固定されている。全体の固定は基盤７１４で行えるため、全体が小型化できている。
【実施例８】
【００５２】
本実施例は、フレクシャーマウント（ｓｉｓｋｉｙｏｕ社製 ＩＸＦ．５０型など）と組み合わせて最も小型化した例である。実施例６で示した手法にフレクシャーマウントを使って小型化すると同時に、レーザー光軸をシステムの中心に持ってきた実施例を図８に示す。
【００５３】
図８（ａ）はフレクシャーマウント８１の外観である。アルミ等の金属の塊から削り出ししており、三つの板が２カ所一体型の板バネ８２でつながった構造をもっている。角度調整はフレクシャーマウント８１に見える二つのネジで板バネ８２に逆らって隙間を押し広げることで行なう。可動範囲は小さいが構造が単純化できている。
【００５４】
図８（ｂ）の断面図に示すように、フレクシャーマウントは、中央がくりぬかれており、その両端にミラーなどを固定できる穴８４（本例では０．５インチ直径）があるため、一つの固定具に二つのミラーを取り付け、基盤を利用しなくても二つの光学素子の角度調整ができる。
【００５５】
図８（ｃ）の正面図において、板バネが場所をとらないため、光学素子は中央の保持穴８５に保持される。また、左上と右下のネジ穴を利用して、フレクシャーマウントは２個以上を直列につないでいくことができるため、基盤なしで数珠つなぎに光学素子を並べていくことができる。
【００５６】
図８（ｄ）には、内包された光学素子が並ぶ様子が示されている。符号８６はレーザー共振器を動作させる半導体レーザーからの光ファイバー入力コネクタである。光ファイバー先端に近接して、マイクロレンズ８７を配置し、ＸＹＺ調整を行うことで集光した光を、光学素子保持具８８に内包されたレーザー結晶に結合している。ここで、光ファイバー８６の出口とレンズ８７の位置関係はＸＹＺの微調整後は、高精度で固定保持されながら、レンズ８７と光学素子保持具８８の関係はθφＺで調整する必要がある。このために大きめの光学素子保持具８８を最左部に組み込んでいる。光学素子保持具８８は出射ミラー８１０との平行を出すため、光学素子保持具８８で粗調整、フレクシャーマウント８９で微調整を行う。一般に、光学素子保持具８８が利用できないと、フレクシャーマウント８９のみの機構では調整範囲が狭いため調整が容易ではない。二つのフレクシャーマウント８９を直列にしていることで、光学結晶８１１についてもθφψとＺの粗調整とθφの微調整が必要となる。
【００５７】
図８（ｅ）に示す正面図において、真ん中に光学結晶が配置され、どの方向にも出っ張りがない、小型化が可能な構造になっていることが分かる。８１８は光学結晶などの光軸位置である。
【００５８】
図９は図８の細部を理解するために、組み立て工程を示す図である。
【００５９】
まず、工程（ａ）において、結晶９１を挿入した光学素子保持具９２を球面部受け具９３に挿入し、延長筒（４）に固定する。
【００６０】
工程（ｂ）では、組み上げた結晶保持具９６をフレクシャーマウント９７に挿入して固定する。９８はφ方向の可動性を与える板バネ、９９はθ方向の可動性を与える板バネであり、フレクシャーマウント９７は三つの板がつながった構造の真ん中に穴がくりぬかれた構造となっている。
【００６１】
工程（ｃ）では、フレクシャーマウントの右側からレーザーミラー９１２を固定化し、結晶の固定具９１３の調整によりレーザーミラー９１２−結晶９１３で共振器を構成する。また、フレクシャーマウントの隙間から、必要に応じて可飽和吸収体を挿入する。挿入する隙間はθの調整結果では閉じてしまうため、固定具９１３にある光学素子保持具で隙間ができるように調整することが必要であり、光学素子保持具なしでは挿入する隙間を確保するのが困難となる。
【００６２】
次に工程（ｄ）で、レーザー結晶ホルダー９６の空洞に入る軸外し保持具を有するマイクロレンズホルダーを組み立てる。９１５はマイクロレンズ、９１６は軸外し保持具を先端に持つ光ファイバー接続機構である。９１４の工程の組み立て部品をフレクシャーマウントに挿入して光学素子保持具でθφＺの調整を可能とする。球面受け９１９を球面部９１８で挟み込むことで、球面軸受けと同じ機構を提供し、内部に軸外し円筒調整・固定具を含む円筒を挿入することでＺを調整可能とする。θφとＺが独立に固定できることも調整手順上重要な機能である。
【００６３】
さらに工程（ｅ）では二つ目のフレクシャーマウント９２１を固定しておく。
【００６４】
工程（ｆ）では光ファイバーコネクター９２３の取り付けと、工程（ｄ）で組み上げた部品の調整、本体への挿入をしめしている。逆方向から、波長変換結晶９２６を先端の光学素子保持具にセットした結晶ホルダー９２５を挿入し、θφψとＺの調整を行う。
【００６５】
（ｇ）の完成した断面図に示されるように、四つの光学素子が近接した状態で且つθφなど必要な自由度の元を用いつつ高いに密接に、最小の体積に金属で保持されている。２８）はレーザー出力である。共振器内に空間が少なく、光学素子は上下左右で保持具と密着しているため、保持具の金属は剛性があまり高くなくても良い。そのために小型化が可能であり、それが放熱なども改善する効果を発現している。図９において、波長変換結晶９２６のさらに右側に複数の結晶を設置し、θφの調整を行うことも可能である。
【符号の説明】
【００６６】
１：光学素子
２：光学素子保持具
３：球面部受け具
６：球面部
７：球面くぼみ
９：隙間
１０：光学素子保持部
１１：隙間
１２：光学素子保持具保持部
３１：光学素子保持具
３２：第1の軸外し保持具
３３：第２軸外し保持具
４３〜４６：光学素子
４６：円筒
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学素子を保持する光学素子保持具と、この光学素子保持具の球面部を移動可能に受ける球面部受け具を備えた光学素子保持構造において、
光学素子保持具は、光学素子とほとんどサイズが変わらない大きさであり、内部に光学素子を保持する光学素子保持部が形成されるとともに、外周面に球面状の球面部が形成され、
球面部受け具は内部に前記光学素子保持具を保持する光学素子保持具保持部が形成されるとともに、内周面に前記球面部と同じ半径であって球面部を摺合わせ可能に受ける球面くぼみが形成されていることを特徴とする光学素子保持構造。
【請求項２】
前記光学素子保持具の球面部の回転中心が保持した光学素子の中心部と一致するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子保持構造。
【請求項３】
光学素子保持部は光学素子より小さな穴に形成し、光学素子を挿入する際に拡げる、一部を切り欠いた隙間を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子保持構造。
【請求項４】
光学素子保持具保持部は光学素子保持具より小さな穴に形成し、光学素子保持具を挿入する際に拡げる、一部を切り欠いた隙間を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子保持構造。
【請求項５】
光学素子が保持される請求項1〜４のいずれかに記載の光学素子保持構造と、
この光学素子保持構造を保持する外周に球面受けを有する外周と内周円の中心をずらした第１の軸外し保持具と、
第１の軸外し保持具を保持する外周と内周円の中心をずらした第２の軸外し保持具を備えたことを特徴とする光学素子保持構造。
【請求項６】
前記軸外し保持具と前記軸外し円筒どうしがＺ方向にスライド可能であることを特徴とする請求項３記載の光学素子保持構造。
【請求項７】
光学素子が請求項１〜６のいずれかに記載されている光学素子保持構造に保持されて直列、並列あるいは角度付きで配置されていることを特徴とする光学システム。
【請求項１】
光学素子を保持する光学素子保持具と、この光学素子保持具の球面部を移動可能に受ける球面部受け具を備えた光学素子保持構造において、
光学素子保持具は、光学素子とほとんどサイズが変わらない大きさであり、内部に光学素子を保持する光学素子保持部が形成されるとともに、外周面に球面状の球面部が形成され、
球面部受け具は内部に前記光学素子保持具を保持する光学素子保持具保持部が形成されるとともに、内周面に前記球面部と同じ半径であって球面部を摺合わせ可能に受ける球面くぼみが形成されていることを特徴とする光学素子保持構造。
【請求項２】
前記光学素子保持具の球面部の回転中心が保持した光学素子の中心部と一致するように形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光学素子保持構造。
【請求項３】
光学素子保持部は光学素子より小さな穴に形成し、光学素子を挿入する際に拡げる、一部を切り欠いた隙間を有していることを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子保持構造。
【請求項４】
光学素子保持具保持部は光学素子保持具より小さな穴に形成し、光学素子保持具を挿入する際に拡げる、一部を切り欠いた隙間を有していることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光学素子保持構造。
【請求項５】
光学素子が保持される請求項1〜４のいずれかに記載の光学素子保持構造と、
この光学素子保持構造を保持する外周に球面受けを有する外周と内周円の中心をずらした第１の軸外し保持具と、
第１の軸外し保持具を保持する外周と内周円の中心をずらした第２の軸外し保持具を備えたことを特徴とする光学素子保持構造。
【請求項６】
前記軸外し保持具と前記軸外し円筒どうしがＺ方向にスライド可能であることを特徴とする請求項３記載の光学素子保持構造。
【請求項７】
光学素子が請求項１〜６のいずれかに記載されている光学素子保持構造に保持されて直列、並列あるいは角度付きで配置されていることを特徴とする光学システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【公開番号】特開２０１１−１０７５２２（Ｐ２０１１−１０７５２２Ａ）
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−２６４０２３（Ｐ２００９−２６４０２３）
【出願日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【出願人】（５０９３２０７１５）
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年６月２日（２０１１．６．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【出願人】（５０９３２０７１５）
【Ｆターム（参考）】
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