JP2012027431A

JP2012027431A - 鏡筒一体型レンズ

Info

Publication number: JP2012027431A
Application number: JP2010205124A
Authority: JP
Inventors: Eiji Tanaka; 映治田中; Kazuo Morioka; 一夫森岡
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2010-06-22
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2012-02-09

Abstract

【課題】本発明は、光通信システムに用いられる鏡筒とコリメートレンズを一体化した鏡筒一体型レンズに関し、光通信システムの大容量高速通信化に適応した生産性の良い鏡筒一体型レンズを提供することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するために、鏡筒１とコリメートレンズ２を一体化した鏡筒一体型レンズにおいて、コリメートレンズ２は、開口数ＮＡを０．７≦ＮＡ≦０．９、コリメートレンズ２の屈折率ｎを１．８以下、焦点距離ｆを１．０ｍｍ以下、フロントフォーカスＦｆを５０μｍ以上、コリメートレンズ２の物体側の曲率半径ｒ１と像側の曲率半径ｒ２の比を０．３０≦｜ｒ２／ｒ１｜≦０．５５としたのである。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信システムに用いられる鏡筒とコリメートレンズを一体化した鏡筒一体型レンズに関する。

一般に光通信システムにおけるレーザ光源から射出された発散光束を平行光束に変換し対物レンズを介して光ファイバに集光させる光学素子は、図１に示すように筒状の鏡筒１の内周部分にコリメートレンズ２を一体化した構造（以下、鏡筒一体型レンズと称す）が知られている。

そして、昨今、光通信システムの大容量高速通信化が進められる中、鏡筒一体型レンズによる結合効率の最大化を目的としてコリメートレンズ２の高ＮＡ化が進められている。

具体的には、コリメートレンズ２としては当初ＮＡが０．２程度のボールレンズを使用していたが近年ではＮＡが０．６程度の非球面両凸レンズが使用されるようになり、現在では、更なるＮＡが０．７以上の高ＮＡ化が要望されている。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。

特開２００３−２３２０１号公報

しかしながら、鏡筒一体型レンズは図２に示されるように鏡筒１の内周部分に硝材３を配置し成形金型４でプレス成形することで鏡筒１の内周部分にコリメートレンズ２を圧接一体化する構造であるため、コリメートレンズ２の形状に対する制約条件が鏡筒なしのものに比べ厳しい。

すなわち、鏡筒１の内周部分で硝材３をプレス成形する場合、プレス成形により変形した硝材３の外周端が鏡筒１の内周面を圧接し一体化する構造となり、この鏡筒１の内部におけるコリメートレンズ２を挟んだ像側と物体側との気密性を確保するため当接部分の厚みｔ（以後、コバ厚みと称す）を確保する必要がある。また、鏡筒１の内周部分で硝材３をプレス成形するため硝材径Ｄが鏡筒１の内径Ｗ（コリメートレンズ２の外径に等しい）により制約される。また、コリメートレンズ２を高ＮＡ化する場合には、像側あるいは物体側のレンズ面の曲率半径ｒ１，ｒ２の少なくとも一方を小さくする必要がある。

しかしながら、コリメートレンズ２における曲率半径ｒ１，ｒ２が高ＮＡ化により小さくなる方向であるのに対して、コリメートレンズ２において鏡筒１との当接面積を大きくするにはコバ厚みｔを大きくし、硝材３の体積を大きくする必要があり、これは硝材径Ｄを大きくする方向となる。

この結果、高ＮＡコリメートレンズ２のプレス成形する成形金型４の成形面の曲率半径（対物レンズの曲率半径ｒ１，ｒ２と同等）に対して硝材半径（硝材径Ｄ／２）が大きくなり過ぎると、成形金型４と硝材３の間の空隙５が大きくなってしまいプレス成形におけるエアー溜まりの原因となってしまうことから、鏡筒１内でのプレス成形が非常に困難なものとなってしまう。なお、コリメートレンズ２において鏡筒１とのコバ厚みｔを大きくするにしても鏡筒１の内径Ｗにより硝材径Ｄが制約される。

そこで、本発明はこのような問題を解決し光通信システムの大容量高速通信化に適応する鏡筒とコリメートレンズを一体化した鏡筒一体型レンズの生産性を高めることを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、鏡筒とコリメートレンズを一体化した鏡筒一体型レンズにおいて、コリメートレンズは、開口数ＮＡを０．７≦ＮＡ≦０．９、コリメートレンズの屈折率ｎを１．８以下、焦点距離ｆを１．０ｍｍ以下、フロントフォーカスＦｆを５０μｍ以上、コリメートレンズの物体側の曲率半径ｒ１と像側の曲率半径ｒ２の比を０．３０≦｜ｒ２／ｒ１｜≦０．５５としたのである。

この構造により本発明は、コリメートレンズと鏡筒を一体化した鏡筒一体型レンズの生産性を高めることが出来るのである。

本発明に係る光通信システムのレーザ光源部分を示す断面図同レーザ光源部分を構成する鏡筒一体型レンズの成形方法を示す模式図

以下、本発明の一実施の形態における鏡筒とコリメートレンズを一体化した鏡筒一体型レンズについて図を用いて説明する。

図１は光通信システムのレーザ光源部分を示した断面図であり、半導体チップを有するレーザ光源６と、このレーザ光源６から射出された光束を平行光に変換する鏡筒一体型レンズと、この鏡筒一体型レンズから射出された平行光束を光ファイバ７に集光させる対物レンズ８で構成されている。

鏡筒一体型レンズは、ステンレスからなる筒状の鏡筒１の内周部分にコリメートレンズ２を一体化したもので、鏡筒１の一端がレーザ光源６に取り付ける基準面となっている。また、鏡筒一体型レンズは図２に示すように、筒状の鏡筒１の内周部分に球状の硝材３を配置し硝材３の温度を熱転移点以上のプレス成形可能な温度に昇温させ成形金型４でプレス成形する。そして、プレス変形により鏡筒１の内周部分に広がった硝材３が鏡筒１の内周側面を圧接することで一体化される構造となっている。

また、このような鏡筒一体型レンズで光通信システムの大容量高速通信に対応するためには上述したようにコリメートレンズ２の開口数ＮＡが０．７以上であることが必要であるが開口数ＮＡが０．９を超えると焦点深度があまりにも小さくなるためレーザ光源６とコリメートレンズ２の位置あわせが非常に難しくなることから好ましくない。

また、コリメートレンズ２の焦点距離ｆは大きくすると所定のＮＡに対するレンズ有効径が大きくなり過ぎることから焦点距離ｆは１．０ｍｍ以下とすることが好ましく、レーザ光源６からコリメートレンズ２までの距離であるフロントフォーカスＦｆはレーザ光源６に鏡筒１を接続固定する際にコリメートレンズ２がレーザ光源６と接触しないよう取り付けマージンとして５０μｍ以上を確保することが好ましい。

また、高ＮＡのコリメートレンズ２を設計する上でプレス成形に有利となるようコリメートレンズ２の曲率半径ｒ１，ｒ２をできるだけ大きくするため、屈折率ｎが１．６以上といった屈折率の大きい硝材３を用いるが、屈折率ｎを大きくし過ぎるとコリメートレンズ２を厚くしないと軸外特性が悪くなるため屈折率ｎは１．８以下であることが好ましい。

また、コリメートレンズ２における物体側（レーザ光源６側）の曲率半径ｒ１と像側（光ファイバ７側）の曲率半径ｒ２との比を０．３０≦｜ｒ２／ｒ１｜≦０．５５とすることが好ましく、｜ｒ２／ｒ１｜が０．３０未満であると像側と物体側のレンズ面のパワー配分が一方に偏り曲率半径が小さくなってしまいプレス成形が困難になってしまうため好ましくなく、｜ｒ２／ｒ１｜が０．５５を超えると像側・物体側の両レンズ面の曲率半径ｒ１，ｒ２がともに或る程度のパワーを有しディセンタ特性が敏感になってしまい生産性が悪くなるため好ましくない。

つまり、光通信システムの大容量高速通信化に対応する鏡筒一体型レンズにおいては、開口数ＮＡを０．７≦ＮＡ≦０．９、コリメートレンズ２の使用波長における屈折率ｎを１．８以下、焦点距離ｆを１．０ｍｍ以下、フロントフォーカスＦｆを５０μｍ以上、コリメートレンズ２の物体側の曲率半径ｒ１と像側の曲率半径ｒ２の比を０．３０≦｜ｒ２／ｒ１｜≦０．５５とすることで生産性を高められるのである。

（実施例）
次に、本発明の大容量高速通信化対応可能な鏡筒一体型レンズの具体例として、コリメートレンズ２がレーザ光源６から射出された発散光を光ファイバ７に集光させる有限系の設計例を実施例１を挙げるとともにこの比較対象として比較例１，２を合わせて説明する。

（表１）において、λは使用波長、ＮＡは開口数、ｎは使用波長における硝材３の屈折率、ｒ１は物体側の曲率半径、ｒ２は像側の曲率半径、ｆは焦点距離、Ｆｆはコリメートレンズ２とレーザ光源６との距離、Ｗはコリメートレンズ２の外径（または鏡筒１の内径）、ｔはコバ厚み、Ｄは硝材径とする。

なお、コリメートレンズ２における非球面形状は、（数１）で与えられる。

但し、Ｘ（ｈ）は光軸からの高さｈにおける非球面上の点から非球面頂点の接平面までの距離、ｈは光軸からの高さ、Ｃｊはコリメートレンズ２の第ｊ面の非球面頂点の曲率（Ｃｊ＝１／ｒｊ）、Ｋｊはコリメートレンズ２の第ｊ面の円錐定数、Ａｊ，ｎはコリメートレンズ２の第ｊ面のｎ次の非球面係数とする。

次に、各コリメートレンズ２の非球面データを（表２）に示す。

これらに示したように、実施例１及び比較例１，２の鏡筒一体型レンズは、それぞれ大容量高速通信に対応するための基本条件となる開口数ＮＡ（０．７≦ＮＡ≦０．９）、屈折率ｎ（１．８以下）、焦点距離ｆ（１．０ｍｍ以下）、フロントフォーカスＦｆ（５０μｍ以上）の条件を満たし、また、対物レンズの厚みはいずれも１．３ｍｍとするとともに、鏡筒１の内部における気密性を確保するためコバ厚みｔを１ｍｍ以上に設定している。

なお、実施例１の設計ではコリメートレンズ２の物体側の曲率半径ｒ１と像側の曲率半径ｒ２の比が０．３０≦｜ｒ２／ｒ１｜≦０．５５を満たす設計であるのに対し、比較例１の対物レンズでは上限値を上回る設計となり、比較例２では下限値を下回る設計となっている。

また、これらの鏡筒一体型レンズにおける光学特性を軸外収差で評価し、生産性をコリメートレンズ２における像側と物体側のレンズ面が光軸と直交する方向に５μｍ偏芯した時の収差（５μｍディセンタ特性）および曲率半径が小さい像側の成形金型４と硝材３の間の空隙５の高さで評価する。なお、軸外収差は０．０２λｒｍｓ以下であれば実用上問題なく、５μｍディセンタ特性は０．０５λｒｍｓ以下であれば生産上問題なく、空隙５の高さは０．２ｍｍ以下であれば生産上問題ない。

そして、実施例１及び比較例１，２において軸外収差は０．０１１λｒｍｓ〜０．０１６λｒｍｓというように大きな差がなく、実施例１のものは｜ｒ２／ｒ１｜の値も０．４９と範囲内の設計であることから５μｍディセンタ特性および空隙５の高さについても生産上問題ない設計となっている。

一方、比較例１のものは｜ｒ２／ｒ１｜の値が条件を上回っていることから実施例１のものに比べて物体側の曲率半径ｒ１が小さくなり像側の曲率半径ｒ２が大きくなる方向でありディセンタ特性が０．０６５λｒｍｓというように実用上問題のない範囲を超え敏感な設計となり生産性が悪いものであることが判る。また、比較例２のものは｜ｒ２／ｒ１｜の値が条件を下回っているため物体側の曲率半径ｒ１が大きくなり像側の曲率半径ｒ２が小さくなるのでディセンタ特性は０．０１１と優れるものの、空隙５の高さの値が０．２４６というように生産上問題のない範囲を超えたものであることが判る。

本発明は、鏡筒とコリメートレンズを一体化した鏡筒一体型レンズの生産性を高められるという効果を有し、特に大容量高速通信に適応した光通信システムに用いる高ＮＡの鏡筒一体型レンズにおいて有用となる。

１鏡筒
２コリメートレンズ
３硝材
６レーザ光源
７光ファイバ
８対物レンズ

Claims

レーザ光源から出力された発散光束を平行光に変換し対物レンズを介して光ファイバに集光させる光通信用の鏡筒一体型レンズであって、前記鏡筒一体型レンズは鏡筒とこの鏡筒の内周部分で硝材をプレス成形により一体化されたコリメートレンズからなり、以下の条件を満たすことを特徴とした鏡筒一体型レンズ。
０．７≦ＮＡ≦０．９
ｎ≦１．８
ｆ≦１．０ｍｍ
Ｆｆ≧５０μｍ
０．３０≦｜ｒ２／ｒ１｜≦０．５５
ただし、ＮＡはコリメートレンズの物体側の開口数、ｎはコリメートレンズの使用波長における屈折率、ｆはコリメートレンズの焦点距離、Ｆｆはコリメートレンズのフロントフォーカス、ｒ１はコリメートレンズの物体側の曲率半径、ｒ２はコリメートレンズの像側の曲率半径とする。