DE19835902A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Einstellen der Position einer Lichtleitfaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Kopplungsvorrichtung zum Verbinden einer Lichtquelle mit einem optischen Lichtleiter bzw. einer Lichtleitfaser über eine Kopplungsoptik. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Einstellen der Position der Licht­ leitfaser relativ zu der Lichtquelle.

Es wurden bereits Laserschreibgeräte vorgeschlagen, die mit Mehrfach-Laser­ strahlen arbeiten und in denen eine Gruppe Lichtquellen aus mehreren Laserge­ neratoren und mehreren Lichtleitfasern zum Erhöhen der Aufzeichnungsge­ schwindigkeit eingesetzt werden.

Bei einem Mehrfach-Laserschreibgerät mit Lichtleitern als Lichtquellen wird der von einem Halbleiterlaser erzeugte und auf die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser fallende Laserstrahl an der Eintrittsfläche teilweise reflektiert. Wenn das reflek­ tierte Licht dann auf den Halbleiterlaser fällt, wird die Laserstrahlabgabe gestört, wodurch sich eine Intensitätsänderung der Laserstrahlen ergibt. Um dies zu ver­ meiden, wird die Eintrittsfläche des Lichtleiters längs einer gegenüber seiner zentralen Achse geneigten Ebene geschnitten, um eine geneigte Eintrittsfläche zu bilden, so daß das an ihr reflektierte Licht nicht auf den Halbleiterlaser fällt. Dies ist in Fig. 4 dargestellt.

Bei der Vorrichtung nach Fig. 4 ist eine Laserdiode (LD) 136 mit einem Halter 126 an einer Linsenfassung 116 befestigt, die eine Kopplungsoptik 156 enthält. Die Linsenfassung 116 ist mit einem Einstellring 166 versehen. Die Lichtleitfaser 20 wird mit einem Einsatz 196 so gehalten, daß ihre zentrale Achse an der Eintritts­ fläche gegenüber der optischen Achse der Kopplungsoptik 156 unter einem vor­ bestimmten Winkel geneigt ist. Der Einsatz 196 ist in den Einstellring 166 einge­ preßt, der an der Linsenfassung 116 befestigt ist. Die Eintrittsfläche 20a der Lichtleitfaser 20 ist unter einem vorbestimmten Winkel gegenüber einer Ebene senkrecht zur zentralen Achse geneigt. Die Lichtleitfaser 20 wird so gehalten, daß seine Eintrittsfläche 20a nicht normal zur optischen Achse O1 liegt.

Der Einsatz 196, der die Lichtleitfaser 20 hält, ist nicht parallel zur optischen Achse O1 der Kopplungsoptik 156 und wird in Richtung parallel zur zentralen Achse der Lichtleitfaser 20 bewegt, um die Position der Eintrittsfläche (Kernfläche) 20a der Lichtleitfaser 20 einzustellen. Da aber die Bewegungsrich­ tung der Lichtleitfaser 20 schräg zur optischen Achse O1 liegt, wenn der Einsatz 196 zum Bewegen der Eintrittsfläche 20a zum Brennpunkt der Kopplungsoptik 156 hin bewegt wird, ändert sich nicht nur der Abstand zwischen der Eintrittsflä­ che 20a und der Kopplungsoptik 156 in Richtung der optischen Achse, sondern auch der Abstand zwischen der Mitte der Eintrittsfläche 20a und der optischen Achse O1. Daher ist es schwierig, die Eintrittsfläche 20a der Lichtleitfaser 20 auf den Brennpunkt f der Kopplungsoptik 156 einzustellen.

Um eine hochgenaue Positionsbeziehung zwischen der Laserdiode 136 und der Lichtleitfaser 20 an der Verbindungsstelle zu realisieren, werden der LD-Halter 126 und der Einstellring 166 mit der Linsenfassung 116 unabhängig voneinander längs ihrer Kontaktflächen bewegt. Nach dem Einstellen werden der LD-Halter 126 und der Einstellring 166 mit der Linsenfassung 116 z. B. mit einem YAG-Laser verschweißt, um ein unbeabsichtigtes Bewegen zu verhindern.

Wenn die Position des Einstellrings 166 und der Linsenfassung 116 genau ein­ gestellt ist, kann aber während der YAG-Laserschweißung eine leichte Relativ­ bewegung (1 bis 3 µm) beider Elemente eintreten. Insbesondere nimmt der Kern­ durchmesser der Einzelmodus-Lichtleitfaser ab, wenn die Wellenlänge der La­ serstrahlen abnimmt. Tritt ein Positionsfehler nach dem Zusammenbau auf, wird also der Kopplungswirkungsgrad verschlechtert.

Ist die Kopplungsvorrichtung in eine Laserabtasteinrichtung (LSU) mit Mehr­ fach-Laserstrahlen und Lichtleitfasern eingebaut, haben Unregelmäßigkeiten der Emissionsleistung der Lichtquellen und der Stabilität einen starken Einfluß auf die Bildqualität. Daher müssen die von der Laserdiode 136 abgegebenen Laserstrah­ len stabil und effizient auf die Eintrittsfläche (Kern) 20a der Lichtleitfaser 20 tref­ fen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Kopplungseinrichtung anzugeben, die eine Lichtquelle mit einer Lichtleitfaser über eine Kopplungsoptik stabil und genau koppelt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 6. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Der Erfinder hat erkannt, daß bei einer Verringerung der Einstellempfindlichkeit während der Montage der Vorrichtung ein durch Verlagerung der Komponenten verursachter Fehler bei der Montage vermieden oder minimiert werden kann. Die Kopplungsoptik besteht aus mindestens zwei Linsenelementen, deren Position unabhängig voneinander zwischen Lichtquelle und Lichtleitfaser einstellbar ist, und ferner ist die Relativposition der Linsenelemente einstellbar. Dadurch wird die Empfindlichkeit gegenüber der Positionseinstellung eines jeden Linsenelements verringert, so daß eine genaue Positionseinstellung möglich ist. Da durch eine Positionsabweichung kein oder ein nur geringer Fehler erzeugt wird, ergibt sich eine einfache und zuverlässige Kopplungsvorrichtung zum Verbinden der Licht­ quelle mit der Lichtleitfaser.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 einen vergrößerten Längsschnitt einer Kopplungsvorrichtung als Aus­ führungsbeispiel,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Mehrfach-Laserschreibgeräts mit einer Kopplungsvorrichtung nach der Erfindung,

Fig. 3 eine perspektivische Explosionsdarstellung des Endabschnitts einer Mehrfach-Laserquelle mit Lichtleitfasern, und

Fig. 4 den vergrößerten Längsschnitt einer Kopplungsvorrichtung nach dem Stand der Technik.

In Fig. 2 und 3 ist ein Mehrfach-Laserschreibgerät dargestellt, das mit einer Vor­ richtung nach der Erfindung ausgerüstet ist.

Das in Fig. 2 gezeigte Mehrfach-Laserschreibgerät besteht aus einer Mehr­ fach-Laserquelle mit mehreren Laserquellen 10, an die Lichtleiter bzw. Lichtleitfasern 20 angeschlossen sind. Diese bilden eine Lichtleitfaseranordnung (Array). Die Lichtleitfasern 20 sind mit ihren Austrittsenden an einer Haltekonstruktion (nicht dargestellt) in einem Faserhalteblock 44 so gehalten, daß ihre Austrittsenden längs einer Linie mit gleichbleibenden Abständen angeordnet sind, die kleiner als die Abstände der übrigen Teile der Lichtleitfasern sind.

Die von den Laserquellen 10 abgegebenen Laserstrahlen werden durch die Lichtleitfasern 20 übertragen und an dem Halteblock 44 ausgegeben. Die aus dem Halteblock 44 austretenden Laserstrahlen werden über eine Sammellinse 31, einen Spiegel 33 und ein optisches Strahlformungssystem 35 auf einen drehbaren Polygonspiegel 37 geleitet. Die an dem Polygonspiegel 37 reflektierten und abge­ lenkten Laserstrahlen werden über eine fθ-Linsengruppe 39 geleitet und an einem Spiegel 41 reflektiert, wonach sie auf die Außenfläche einer lichtempfindlichen Trommel treffen, um diese abzutasten. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird der Polygonspiegel 37 durch einen Motor 38 mit konstanter Drehzahl ge­ dreht, und die Laserquellen 10 werden synchron mit einem Pixeltakt, der wieder­ um mit der Drehung des Motors 38 synchronisiert ist, und entsprechend Schreib­ daten getastet.

Wie in Fig. 3 dargestellt, haben die Austrittsenden 20b der Lichtleitfasern 20 ei­ nen vorbestimmten Abstand und sind zu einer Faseranordnung miteinander ver­ bunden, so daß die an den Austrittsenden 20b emittierten Laserstrahlen jeweils einen Punkt auf einer Zeichenfläche erreichen. Diese Punkte haben einen vor­ bestimmten Abstand zueinander in Hauptabtastrichtung und in Nebenabtastrich­ tung. Die Lichtleitfasern 20 sind in zueinander parallelen V-förmigen Nuten 45a eines Blocks 45 angeordnet und werden mit einem Halteblock 46 in diesen Nuten unter Druck festgehalten. Die Lichtleitfasern 20, der Block 45 und der Halteblock 46 sind miteinander verbunden. Die Austrittsenden 20b der Lichtleitfasern 20 sind zusammen mit den Stirnflächen 45b und 46b der Blöcke 45 und 46 an der Aus­ trittsseite so geschliffen und poliert, daß sich insgesamt eine Ebene normal zur zentralen Achse der Lichtleitfasern 20 ergibt.

Die Erfindung kann auf ein Mehrfach-Laserschreibgerät dieser Art angewendet werden. Fig. 1 zeigt einen vergrößerten Längsschnitt eines Ausführungsbeispiels.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Kopplungsoptik aus einer LD-Linse L1 und einer Lichtleitfaserlinse L2. Die LD-Linse L1 ist eine Kondensorlinse mit kleiner numerischer Öffnung (NA) und kondensiert die Laserstrahlen der Laserdi­ ode 15, die die Lichtquelle ist. Die Lichtleitfaserlinse L2 ist eine Kondensorlinse, die die Laserstrahlen aus der LD-Linse L1 auf die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser 20 konvergiert. Die Einstellempfindlichkeit der Lichtleitfaserlinse L2 ist gering, wenn die Vergrößerung nicht größer als 1 ist.

In der folgenden Beschreibung ist die Z-Achse identisch oder parallel mit der opti­ schen Achse O der Laserdiode 15 oder der Linsen L1 und L2, und die X- und die Y-Achse verlaufen in einer Ebene senkrecht zur Z-Achse und bezeichnen keine bestimmte Richtung. Die LD-Linse L1 ist an einer ersten Linsenfassung 11 und die Lichtleitfaserlinse L2 an einer zweiten Linsenfassung 12 gehalten. Die erste Linsenfassung 11 hat eine Linsenaufnahme (Vertiefung) 11a, in die die LD-Linse L1 eingesetzt ist, und eine Lichtdurchgangsöffnung 11b, durch die die Laserstrah­ len aus der LD-Linse L1 laufen. Die zweite Linsenfassung 12 hat eine Linsenauf­ nahme (Vertiefung) 12a, in die die Lichtleitfaserlinse L2 eingesetzt ist, und eine Lichtdurchgangsöffnung 12b, deren Durchmesser von der Linsenaufnahme 12a zum anderen Ende hin allmählich abnimmt. Die erste und die zweite Linsenfas­ sung 11 und 12 sind relativ zueinander verschiebbar, d. h. ihre Positionen sind in der X-Y-Ebene einstellbar, wenn sie aneinander liegen. Die Linsenfassungen 11 und 12 können durch mehrere Schrauben 14 miteinander verbunden sein.

Die Laserdiode 15 ist in einen zylindrischen LD-Halter 13 eingesetzt und darin befestigt. Der LD-Halter 13 liegt an der Stirnfläche 11c der ersten Linsenfassung 11 und kann an dieser verschoben werden, um seine Position in der X-Y-Ebene einzustellen. Die Laserdiode 15 und die LD-Linse L1 werden aufeinander ausge­ richtet, wonach die Kontaktflächen des LD-Halters 13 und der ersten Linsenfas­ sung 11 z. B. durch YAG-Laserschweißung miteinander verbunden werden.

Die Lichtleitfaser 20 ist mit gerade gerichtetem Eintrittsende in einen Einsatz 19 eingeführt. Die Stirnfläche des Einsatzes 19 und die Eintrittsfläche (Kernfläche) 20a der Lichtleitfaser 20 sind gemeinsam so geschliffen, daß sie eine unter einem vorbestimmten Winkel gegenüber der Senkrechten zur zentralen Achse O1 der in den Einsatz 19 eingesetzten Lichtleitfaser geneigte Ebene definieren. Der zylin­ drische Einsatz 19 ist in eine schräge Bohrung 18a einer Muffe 18 eingeführt und darin befestigt. Die schräge Bohrung 18a ist gegenüber der Achse der Muffe 18 geneigt. Die Muffe 18 ist in einen zylindrischen Muffenring 17 eingepreßt, der wiederum in einen Einstellring 16 eingesetzt ist.

Der zylindrische Einstellring 16 liegt an der Stirnfläche 12c des zylindrischen Teils der zweiten Linsenfassung 12 und ist daran z. B. durch YAG-Laserschweißung befestigt, nachdem die Relativposition beider Elemente eingestellt wurde.

Der Muffenring 17 ist in den Einstellring 16 parallel zur optischen Achse O einge­ setzt und an ihm z. B. durch YAG-Laserschweißung befestigt, nachdem der Ab­ stand zwischen der Eintrittsfläche 20a und der Lichtleitfaserlinse L2 eingestellt wurde (Fokuseinstellung). Die Muffe 18 ist in den Muffenring 17 eingepreßt, der in Richtung parallel zur optischen Achse O bewegbar ist. Der Einsatz 19 wird also relativ zur zweiten Linsenfassung 12 so gehalten, daß er parallel zur optischen Achse O bewegbar ist, dabei aber ein vorbestimmter Neigungswinkel der Längs­ achse O1 gegenüber der optischen Achse O beibehalten wird.

Im folgenden werden die Montage und die Einstellung eingehender beschrieben. Eines der wichtigsten Merkmale des dargestellten Ausführungsbeispiels besteht darin, daß die erste Linsenfassung 11, die die Laserdiode 15 und die LD-Linse L1 hält, und die zweite Linsenfassung 12, die die Lichtleitfaser 20 und die Lichtleitfa­ serlinse L2 hält, separat eingestellt und montiert werden, wonach die erste und die zweite Linsenfassung 11 und 12 relativ zueinander eingestellt und z. B. durch Schrauben 14 miteinander verbunden werden.

Schritt 1

Die Linsen L1 und L2 werden auf die Linsenfassungen 11 und 12 ausgerichtet und daran jeweils z. B. mit einem Klebstoff o. ä. befestigt.
Die Lichtleitfaser 20 wird in den Einsatz 19 eingeführt und darin befestigt, dessen Ausrichtung die Winkelposition der Lichtleitfaser 20 und der Längsbohrung des Einsatzes 19 bestimmt. Die Eintrittsfläche 20a der Lichtleitfaser 20 ist gemeinsam mit dem Einsatz 19 so geschliffen, daß eine ebene Fläche definiert wird, die unter einem vorbestimmten Winkel gegenüber der Senkrechten zur Längsachse O1 geneigt ist.

Schritt 2

Die Laserdiode 15 wird in den LD-Halter 13 an vorbestimmter Position einge­ preßt. Der LD-Halter 13 und die erste Linsenfassung 11 werden an einem Ein­ stellwerkzeug befestigt, um die Position der Laserdiode 15 in Richtung der X-, Y- und Z-Achse einzustellen. Nach der Einstellung werden der LD-Halter 13 und die Laserdiode 15 an ihren Kontaktflächen z. B. mit YAG-Laserschweißung verbun­ den.

Schritt 3

Der Einsatz 19 wird in die Muffe 18 eingepreßt, die in den Muffenring 17 einge­ preßt wird. Dieser wird in den Einstellring 16 eingesetzt, der zusammen mit der zweiten Linsenfassung 12 an einem Einstellwerkzeug befestigt wird. Dann wird die Position der Eintrittsfläche 20a der Lichtleitfaser 20 relativ zu der Muffe 18 in X-, Y- und Z-Richtung eingestellt.

Schritt 4

Dann wird die Positionseinstellung der Eintrittsfläche 20a der Lichtleitfaser 20 durch Bewegen des Muffenrings 17 in Z-Richtung gleichzeitig mit dem Einstellen des Einstellrings 16 in X- und Y-Richtung relativ zur zweiten Linsenfassung 12 so ausgeführt, daß der maximale Lichtfluß aus der Laserdiode 15 auf die Eintrittsflä­ che 20a der Lichtleitfaser 20 fällt. Nach dieser Einstellung werden der Muffenring 17 und der Einstellring 16 aneinander befestigt, ferner werden der Einstellring 16 und die zweite Linsenfassung 12 z. B. miteinander durch YAG-Laserschweißung verbunden.

Schritt 5

Die erste und die zweite Linsenfassung 11 und 12 werden miteinander in Kontakt gebracht und an einem Werkzeug befestigt, um ihre Relativposition in X- und Y-Richtung einzustellen. Die bei der YAG-Laserschweißung in Schritt 4 verursachte Verlagerung wird dadurch korrigiert. Dann werden die erste und die zweite Lin­ senfassung 11 und 12 durch Schrauben 14 verbunden, die dann mit einem Kleb­ stoff gesichert werden.

Anstelle der Schritte 3, 4 und 5 sind auch die folgenden Schritte möglich.

• 1. Die erste und die zweite Linsenfassung 11 und 12 werden mit den Schrau­ ben 14 befestigt, wobei die optischen Achsen der Linsen L1 und L2 ausgerichtet werden.
• 2. Der Einstellring 16, der Muffenring 17 und die zweite Linsenfassung 12 werden durch besondere Kopplungseinstellwerkzeuge gehalten, um ihre in Fig. 1 gezeigten Positionen zu realisieren.
• 3. Die Positionseinstellung des Muffenrings 17 relativ zum Einstellring 16 in Z-Richtung wird gleichzeitig mit dem Einstellen des Einstellrings 16 in X- und Y-Richtung relativ zur zweiten Linsenfassung 12 so ausgeführt, daß maximaler Lichtfluß aus der Laserdiode 15 auf die Eintrittsfläche 20a der Lichtleitfaser 20 fällt. Nach dieser Einstellung werden der Muffenring 17 und der Einstellring 16 aneinander befestigt, und der Einstellring 16 und die zweite Linsenfassung 12 werden miteinander z. B. durch YAG-Laserschweißung verbunden.
• 4. Es ist möglich, die Relativposition der ersten und der zweiten Linsenfas­ sung 11 und 12 durch Lockern der Schrauben 14 nochmals einzustellen, um jegli­ chen bei der YAG-Laserschweißung verursachten Versatz zu vermeiden bzw. zu beseitigen.

Wie vorstehend beschrieben, werden die LD-Linse L1 und Lichtleitfaserlinse L2 unabhängig voneinander eingestellt, und dadurch ist die Empfindlichkeit gegen­ über dieser Einstellung geringer als bei dem Einstellen einer einzelnen Linse, so daß sich eine genauere Positionseinstellung ergibt. Tritt eine Positionsänderung auf, so ist die Abweichung der Laserstrahlen auf der Eintrittsfläche 20a der Licht­ leitfaser infolge der geringen Einstellempfindlichkeit klein. Dadurch wird nicht nur die Zuverlässigkeit erhöht, sondern auch die Montage vereinfacht.

Wird die Laserdiode 15 beschädigt, so kann sie für jede erste Linsenfassung 11 ersetzt werden. Die Einstellung nach dem Ersatz wird gemäß Schritt 5 ausgeführt. Dadurch wird das Auswechseln der Laserdioden erleichtert.

Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel be­ schränkt. Anstelle einer Sammellinse L1 kann auch eine Zersträuungslinse einge­ setztwerden. Die Muffe 18 kann auch direkt in den Einstellring 16 eingesetzt sein.

Claims (6)

1. Vorrichtung zum Koppeln einer Lichtquelle mit einer Lichtleitfaser über eine Kopplungsoptik, gekennzeichnet durch mindestens zwei Linsen, von denen die eine das Licht der Lichtquelle sammelt oder streut und die andere das von der ersten Linse kommende Licht auf die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser konvergiert, durch eine erste Linsenfassung, die die erste Linse mit der Lichtquelle verbindet, und durch eine zweite Linsenfassung, die die zweite Linse mit der Lichtleitfaser verbindet, wobei beide Linsenfassungen relativ zueinander einstellbar verbunden sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergröße­ rung der zweiten Linse kleiner als 1 ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die er­ ste Linsenfassung aus einer die erste Linse enthaltenden Fassung und ei­ nem LD-Halter besteht, an dem eine die Lichtquelle bildende Laserdiode befestigt ist, und daß der LD-Halter mit der ersten Linsenfassung nach Ein­ stellen seiner Position relativ zur ersten Linsenfassung durch Laserschwei­ ßung verbunden ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zweite Linsenfassung aus einer die zweite Linse enthal­ tenden Fassung und einem Einstellring besteht, an dem ein das Eintritts­ ende der Lichtleitfaser haltender Einsatz befestigt ist, und daß der Einstell­ ring mit der zweiten Linsenfassung nach Einstellen seiner Position relativ zur zweiten Linsenfassung durch Laserschweißung verbunden ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die erste und die zweite Linsenfassung nach jeweiliger Positi­ onseinstellung miteinander verschraubt sind.

6. Verfahren zum Einstellen der Position einer Lichtquelle und einer Lichtleitfa­ ser in einer Kopplungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet,
daß die erste Linse und die Lichtquelle an der ersten Linsenfassung nach Einstellen ihrer Relativposition befestigt wer­ den,
daß die zweite Linse und die Lichtleitfaser an der zweiten Linsenfassung nach Einstellen ihrer Relativposition befestigt werden, und
daß die erste und die zweite Linsenfassung nach Einstellen ihrer Relativ­ position jeweils befestigt werden.