JP2005274997A - 光学系及び光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 温度変化によって光学特性が変化するレンズを使用したような場合でも、温度変化に対する特性の変化が少ない光学系を提供する。
【解決手段】 温度が上昇すると、この光学系の状態は図１（ａ）の状態から（ｂ）のように変化する。すなわち、コレクタレンズ３の焦点距離が長くなり、集光位置が図１（ａ）に示す位置より図の右側に移動している。それと同時に、伸縮部材７が熱膨張し、摺動部材８が右側に摺動し、光ファイバ４の端面位置が、図の右側に移動した前記集光位置に一致するようになっている。すなわち、温度変化によりコレクタレンズ３の焦点距離が変化し、その結果集光位置が変化しても、常にその集光位置に光ファイバ４の端面が位置するようになるように、伸縮部材７の熱膨張率と長さが決定されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レンズ作用を持つ光学系の焦点距離が温度変化により変化しても、その光学特性の変化が少ない光学系、及びこの光学系を使用した光学装置に関するものである。

近年、レンズとしてその製造が容易で安価である樹脂製レンズが使用されるようになってきており、例えば光通信において、発光ダイオードやＶＣＳＥＬからの光を光ファイバーの端面に集光させるような用途に用いられている。

このような用途に用いられる光学系の例を図４（ａ）に示す。筐体２１の中には、発光ダイオード２２が嵌め込まれており、そこから射出される光がコレクタレンズ２３により、光ファイバ２４の端面に集光されるようになっている。コレクタレンズ２３、光ファイバ２４も、発光ダイオード２２と同様に筐体２１に嵌め込まれている。

コレクタレンズ２３は、平板状のガラス２６の両面に曲面を有する樹脂２５を接合したものであり、樹脂２５により凸レンズの作用を有している。コレクタレンズ２３の全体を樹脂で形成してもよいが、この例の場合は、平板状のガラス２６を樹脂２５の間に挟むことにより、温度が変化しても、平板状のガラス２６の平面方向（図の上下及び紙面に垂直な方向）の樹脂２５の変形を抑えるようにしている。

以上説明したように、樹脂で製造されたレンズは、製造が容易であり安価であるという特徴を有するが、その一方で、温度変化により光学特性が変化するという問題点を有している。光学特性が変化する第１の理由は、樹脂の屈折率が温度により変化することである。第２の理由は、樹脂の寸法が温度により変化し、その結果、樹脂で製造されたレンズ表面の曲率が変化することである。

一般的な樹脂においては、屈折率は温度の上昇につれて低下する。一方、表面の曲率は温度の上昇につれて増大する。従って、温度が上昇したときには、焦点距離は、屈折率の変化の影響では長くなる傾向にあり、表面の曲率の変化による影響では短くなる傾向にある。結局、樹脂の材質と樹脂表面の当初の曲率との関係で、焦点距離は、温度の上昇につれて長くなったり短くなったりする。

図４（ｂ）は、図４（ａ）に示す光学素子において、温度変化の影響により、コレクタレンズ２３が変形し、焦点距離が長くなった状態を示す。図に示すように、この場合、光ファイバ２４の端面に光が集光しなくなり、その分だけ光ファイバ２４のコア中に入射する光量が減少するという問題が生じる。

図４に示す例では、平板状のガラス２６が樹脂２５の間に挟まっており、その分平板状のガラス２６の平面方向の変形を防止することができるが、光軸方向の変形と屈折率の変化は防ぐことができず、上記のような現象が発生することが避けられない。特に、高精度の光通信に使用される光コネクタ等においては、２０〜７０℃にわたる温度変化に対して、光学特性の変化が規定値にはいることが要求されるが、従来の樹脂製レンズは、このような要求に応えることができなかった。

よって、従来は、樹脂製レンズは、光学特性が多少変化してもよい場合のみに使用され、高精度の光伝送系等には、高価な石英レンズ等を使用せざるを得ないという問題点があった。

また、温度変化により生ずるレンズ焦点距離の変化は、その大小には差があるが、どのような材料を用いていても、ある程度生じることが避けられなかった。さらに、レンズに限らず、回折光学素子等においても、温度変化によりパターン間隔が変化してしまうという問題を有していた。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、温度変化により焦点位置が変化するような光学素子を使用したような場合でも、温度変化に対する特性の変化が少ない光学系、及びこの光学系を使用した光学装置を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、レンズ作用を有する第１の光学部材と、前記第１の光学部材から出射する光を受光する第２の光学部材を有し、温度の変化により前記第１の光学部材の焦点距離が変化したとき、その焦点距離の変化が光学系の特性に及ぼす影響を補償する距離だけ、前記第１の光学部材と第２の光学部材の距離を変化させる距離調節部を有することを特徴とする光学系（請求項１）である。

本手段においては、温度変化により第１の光学部材の焦点距離が変化しても、距離調節部により、第１の光学部材と第２の光学部材の距離が変化させられることにより、前記焦点距離の変動が光学系の特性に及ぼす影響が補償される。よって、例えば第１の光学部材として、樹脂製レンズを使用した場合においても、温度変化による光学系の特性変化が小さくなり、温度が変化しても高精度の特性を要求される光学系においても、樹脂製レンズを使用することが可能となる。

前記課題を解決するための第２の手段は、レンズ作用を有する第１の光学部材と、前記第１の光学部材に光を投射する第２の光学部材を有し、温度の変化により前記第１の光学部材の焦点距離が変化したとき、その焦点距離の変化が光学系の特性に及ぼす影響を補償する距離だけ、前記第１の光学部材と第２の光学部材の距離を変化させる距離調節部を有することを特徴とする光学系（請求項２）である。

本手段においては、第２の光学部材が、第１の光学部材に光を投射するものである点が、第１の手段と異なるだけであり、作用効果は、前記第１の光学系と同様なものである。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記距離調節部は、前記第１の光学部材の焦点距離が温度の変化により変化したとき、その焦点距離の変化が光学系の特性に及ぼす影響を補償する距離だけ、熱膨張・収縮により長さが変化する伸縮部材の一端と前記第２の光学部材とが結合され、前記第２の光学部材が、前記伸縮部材の熱膨張・収縮に従って移動可能とされており、前記伸縮部材の他の一端は、前記第１の光学部材との温度変化による相対距離変動が無視できるような位置に固定されているものであることを特徴とするもの（請求項３）である。

本手段は、伸縮部材の熱膨張と熱収縮により、第１の部材と第２の部材との間の距離の変化を発生させている。よって、非常に簡単な機構で、前記第１の手段又は第２の手段を実現することができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段又は第２の手段であって、前記距離調節部は、前記第１の光学部材の焦点距離が温度の変化により変化したとき、その焦点距離の変化が光学系の特性に及ぼす影響を補償する距離だけ、熱膨張・収縮により長さが変化する伸縮部材の一端と前記第１の光学部材とが結合され、前記第１の光学部材が、前記伸縮部材の熱膨張・収縮に従って移動可能とされており、前記伸縮部材の他の一端は、前記第２の光学部材との温度変化による相対距離変動が無視できるような位置に固定されているものであることを特徴とするもの（請求項４）である。

前記第３の手段においては、第１の光学部材が筐体等に固定され、第２の光学部材が可動となっていたが、本手段においては、第２の光学部材が筐体等に固定され、第１の光学部材が可動となっている点が異なるだけであり、本手段は前記第３の手段と同等の作用効果を奏する。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかであって、前記第１の光学部材が、少なくともその一部が樹脂で構成されたレンズであることを特徴とするもの（請求項５）である。

前述のように、少なくともその一部が樹脂で構成されたレンズは、温度変化による焦点距離変動が大きいので、前記第１の手段から第４の手段を適用すると、特に効果があり、安価なレンズにより、温度変化の影響が少ない高精度の光学系を実現することができる。

前記課題を解決するための第６の手段は、光線を集光する光学素子と、前記光学素子の光学特性により定められた位置に設置された光学部材と、前記光学索子及び前記光学部材を保持する筐体とからなる光学装置であって、前記光学素子は温度変化により集光位置が変化する特性を有し、前記筐体は、前記温度変化に応じて、前記光学素子と光学部材との間隔を変更する機能を有することを特徴とする光学装置（請求項６）である。

本手段においては、温度変化による光学素子の集光位置の変化に伴う特性の変化を、筐体に光学素子と光学部材との間隔を変更する機能を持たせることにより補償することができるので、温度変化の影響が少ない光学装置とすることができる。

以上説明したように、本発明によれば、安価な樹脂製レンズを使用したような場合でも、温度変化に対する特性の変化が少ない光学系、及びこの光学系を使用した光学装置を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の第１の例である光学系を示す図である。筐体１の中には、発光ダイオード２が嵌め込まれており、そこから射出される光がコレクタレンズ３により、光ファイバ４の端面に集光されるようになっている。コレクタレンズ３も、発光ダイオード２と同様に筐体１に嵌め込まれている。

コレクタレンズ３は、平板状のガラス６の両面に曲面を有する樹脂５を接合したものであり、樹脂５により凸レンズの作用を有している。コレクタレンズ３の全体を樹脂で形成してもよいが、この例の場合は、平板状のガラス６を樹脂５の間に挟むことにより、温度が変化しても、平板状のガラス６の平面方向（図の上下及び紙面に垂直な方向）の樹脂５の変形を押さえるようにしている。

筐体１の内部には、円筒状の伸縮部材７が、その一端７ａを筐体１に固定された状態で嵌め込まれている。円筒状の伸縮部材７は熱膨張率の大きな材質の部材であり、筐体１の内壁面とは摺動可能に嵌め込まれており、その熱膨張・収縮により、その一端７ａを基準位置として筐体１の内壁面に沿って摺動が可能とされている。

又、筐体１の内部には円筒状の摺動部材８が摺動可能に嵌め込まれており、その一端８ａは、伸縮部材７と接合されている。よって、円筒状の摺動部材８は、伸縮部材７の熱膨張・収縮に伴って、筐体１の内部を摺動する。そして、光ファイバ４は、摺動部材８に固定されている。

図１（ａ）に示す状態では、発光ダイオード２から放出された光は、コレクタレンズ３により光ファイバ４の端面に集光されるようになっている。この状態から温度が上昇すると、この光学系の状態は図１（ｂ）のように変化する。すなわち、コレクタレンズ３の樹脂５の熱膨張によるコレクタレンズ３の表面形状の変化と、樹脂５の屈折率の変化により、この場合、コレクタレンズ３の焦点距離が長くなり、集光位置が図１（ａ）に示す位置より図の右側に移動している。

それと同時に、伸縮部材７が熱膨張し、摺動部材８が右側に摺動し、光ファイバ４の端面位置が、図の右側に移動した前記集光位置に一致するようになっている。すなわち、温度変化によりコレクタレンズ３の焦点距離が変化し、その結果集光位置が変化しても、常にその集光位置に光ファイバ４の端面が位置するようになるように、伸縮部材７の熱膨張率と長さが決定されている。すなわち、温度１℃あたりの集光位置変化量をｘ[mm]とし、伸縮部材７の線膨張率をα[１／℃]とすると、伸縮部材７の長さをｘ／α[mm]とすればよい。

例えば、図１（ａ）の状態でコレクタレンズ３から伸縮部材７の端面までの距離が、温度が２０℃のとき５[mm]で、温度が７０℃のとき5.05[mm]となったとすると、１℃当たりの焦点位置変化量は、0.001[mm]である。伸縮部材７としてマグネシウムを使用することにすると、その線膨張率は256[ppm／℃]であるので、1000/256=3.9[mm]の長さのものを使用すればよい。

なお、厳密に言うと、筐体１の寸法も熱膨張により変わるが、筐体１としては、伸縮部材７に比べて熱膨張率が無視できるような材料を使用すればよく、又、伸縮部材７の熱膨張率と長さを決定する際に、筐体１の熱膨張を勘案して決定するようにしてもよい。

図２は、本発明の実施の形態の第２の例である光学系を示す図である。この実施の形態の基本的構成は、第１の実施の形態と同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付し、第１の実施例と異なる部分のみを以下に説明する。

筐体１の内部には、円筒状の伸縮部材７が、その一端７ｂを筐体１に固定された状態で嵌め込まれている。伸縮部材７は熱膨張率の大きな材質の部材であり、筐体１の内壁面とは摺動可能に嵌め込まれており、その熱膨張・収縮により、その一端７ｂを基準位置として筐体１の内壁面に沿って摺動が可能とされている。

又、筐体１の内部には円筒状の摺動部材８が摺動可能に嵌め込まれており、その断面がＬ字状になった端部の一面８ｂは、伸縮部材７と接合されている。よって、摺動部材８は、伸縮部材７の熱膨張・収縮に伴って、筐体１の内部を摺動と共に、伸縮部材７の内面とも摺動可能とされている。そして、光ファイバ４は、摺動部材８に固定されている。

図２（ａ）に示す状態では、発光ダイオード２から放出された光は、コレクタレンズ３により光ファイバ４の端面に集光されるようになっている。この状態から温度が上昇すると、この光学系の状態は図２（ｂ）のように変化する。すなわち、コレクタレンズ３の樹脂５の熱膨張によるコレクタレンズ３の表面形状の変化と、樹脂５の屈折率の変化により、この場合、コレクタレンズ３の焦点距離が短くなり、集光位置が図１（ａ）に示す位置より図の左側に移動している。

それと同時に、伸縮部材７が熱膨張し、摺動部材８が左側に摺動し、光ファイバ４の端面位置が、図の左側に移動した前記集光位置に一致するようになっている。すなわち、温度変化によりコレクタレンズ３の焦点距離が変化し、その結果集光位置が変化しても、常にその集光位置に光ファイバ４の端面が位置するようになるように、伸縮部材７の熱膨張率と長さが決定されている。すなわち、温度１℃あたりの集光位置変化量をｘ[mm]とし、伸縮部材７の線膨張率をα[１／℃]とすると、伸縮部材７の長さをｘ／α[mm]とすればよい。

以上説明した例においては、伸縮部材７としてマグネシウムを使用しているが、他の金属や樹脂を、伸縮部材７の寸法が適当な範囲になるように、適宜使用することができる。又、光源としては発光ダイオードを使用しているが、ＶＣＳＥＬ等の他の光源を使用してもよいことは言うまでもない。

次に本発明の実施の形態の第３の例を図３を用いて説明する。この実施の形態の基本的構成は、第１の実施の形態と同じであるので、同じ構成要素には同じ符号を付し、第１の実施例と異なる部分のみを以下に説明する。

この実施の形態においては、筐体が二つに分かれ、それぞれ異なる熱膨張係数を有する筐体１ａと筐体１ｂとで筐体が構成されている。筐体１ａの材質は第１の例の筐体１と同じ材質を用いている。一方、筐体１ｂは、温度変化により、熱膨張・収縮を伴って、コレクタレンズ３と光ファイバー４の端面の距離を調整する。したがって、図３（ａ）に示す状態から、温度が変化し、図３（ｂ）に示すようにコレクタレンズ３の集光位置が変わっても、筐体１ｂが膨張を起こすので、集光位置は光ファイバ４の端面と同じ位置に位置するようになる。なお、この筐体１ｂの寸法については、コレクタレンズ３から光ファイバ４端面までの長さについて、伸縮部材７と同様な方法で決定すればよい。

又、以上説明した例では、筐体１に対して発光ダイオード２とコレクタレンズ３を固定し、温度変化に応じて光ファイバ４を移動させているが、筐体１に対してコレクタレンズ３と光ファイバ４とを固定し、温度変化に応じて発光ダイオード２を移動させるようにしてもよい。

図１、図２に示すような場合には、筐体１に対して発光ダイオード２と光ファイバ４を固定し、温度変化に対してコレクタレンズ３を移動させてもあまり効果はないが、例えば、平行光をコレクタレンズ３により光ファイバ４の端面に集光させるような場合には、光ファイバ４を筐体１に対して固定し、温度変化に応じてコレクタレンズ３の位置を移動させるようにしてもよい。さらに、発光ダイオード２からの光をコレクタレンズ３により、平行光に変えるような場合にも、発光ダイオード２を筐体１に対して固定し、温度変化に応じてコレクタレンズ３の位置を移動させるようにしてもよい。

また、光源と光ファイバ間に本光学系を適用する以外にも、光ファイバと光ファイバの間に本光学系を配置し、光ファイバから射出された光を別の光ファイバに導入するための光学系として使用することも可能である。

本発明の実施の形態の第１の例である光学系を示す図である。 本発明の実施の形態の第２の例である光学系を示す図である。 本発明の実施の形態の第３の例である光学系を示す図である。 従来の光学系の例を示す図である。

符号の説明

１…筐体、２…発光ダイオード、３…コレクタレンズ、４…光ファイバ、５…樹脂、６…ガラス、７…伸縮部材、７ａ、７ｂ…伸縮部材の端部、８…摺動部材、８ａ…摺動部材の端部、８ｂ…摺動部材の端部の端部

Claims (6)

1. レンズ作用を有する第１の光学部材と、前記第１の光学部材から出射する光を受光する第２の光学部材を有し、温度の変化により前記第１の光学部材の焦点距離が変化したとき、その焦点距離の変化が光学系の特性に及ぼす影響を補償する距離だけ、前記第１の光学部材と第２の光学部材の距離を変化させる距離調節部を有することを特徴とする光学系。
2. レンズ作用を有する第１の光学部材と、前記第１の光学部材に光を投射する第２の光学部材を有し、温度の変化により前記第１の光学部材の焦点距離が変化したとき、その焦点距離の変化が光学系の特性に及ぼす影響を補償する距離だけ、前記第１の光学部材と第２の光学部材の距離を変化させる距離調節部を有することを特徴とする光学系。
3. 請求項１又は請求項２に記載の光学系であって、前記距離調節部は、前記第１の光学部材の焦点距離が温度の変化により変化したとき、その焦点距離の変化が光学系の特性に及ぼす影響を補償する距離だけ、熱膨張・収縮により長さが変化する伸縮部材を有し、当該伸縮部材の一端と前記第２の光学部材とが結合され、前記第２の光学部材が、前記伸縮部材の熱膨張・収縮に従って移動可能とされており、前記伸縮部材の他の一端は、前記第１の光学部材との温度変化による相対距離変動が無視できるような位置に固定されているものであることを特徴とする光学系。
4. 請求項１又は請求項２に記載の光学系であって、前記距離調節部は、前記第１の光学部材の焦点距離が温度の変化により変化したとき、その焦点距離の変化が光学系の特性に及ぼす影響を補償する距離だけ、熱膨張・収縮により長さが変化する伸縮部材を有し、当該伸縮部材の一端と前記第１の光学部材とが結合され、前記第１の光学部材が、前記伸縮部材の熱膨張・収縮に従って移動可能とされており、前記伸縮部材の他の一端は、前記第２の光学部材との温度変化による相対距離変動が無視できるような位置に固定されているものであることを特徴とする光学系。
5. 前記第１の光学部材が、少なくともその一部が樹脂で構成されたレンズであることを特徴とする請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の光学系。
6. 光線を集光する光学素子と、前記光学素子の光学特性により定められた位置に設置された光学部材と、前記光学索子及び前記光学部材を保持する筐体とからなる光学装置であって、前記光学素子は温度変化により集光位置が変化する特性を有し、前記筐体は、前記温度変化に応じて、前記光学素子と光学部材との間隔を変更する機能を有することを特徴とする光学装置。
   
   

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