JP2014010101A - 高精度コリメータおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源またはファイバなどの光の出射端からの光を高精度な平行光束を得る高精度コリメータの組立時間を短縮できると共に調整機構を大幅に減らす。
【解決手段】光束の位置と光束径を検出する光強度分布検出装置１１０と光束の角度を検出する光軸角度検出装置１１１で同時に測定する。光束の径の大きさで光束の平行度を検出する。光軸角度検出装置で光軸の角度を検出し、レンズ１０４に対し、光ファイバ１０２先端の光の進行方向と直交する方向の位置のずれを検出する。光束の角度および位置を同時検出し、光ファイバの位置を調整することで高精度な平行光束を生成する光デバイスを作製する。
【選択図】図１

Description

本発明は平行光束を生成するコリメータおよびその製造方法に関する。具体的一例として光ファイバから出射した発散光をレンズで平行光にして位置ずれに対し緩やかになることを目的としたファイバコリメータや半導体レーザから放射された発散光をレンズで平行光にして光応用製品に組み込みやすくするデバイスに関する。

光コリメータは光ファイバや半導体デバイスなどの発光源から放射された光をレンズ作用を持つ光学部品を用いて平行光束にし、光の進行方向に各部品が位置ずれした場合でも悪影響を及ぼすことを極力抑制できる機能を持つ。この光コリメータを製造するために従来以下のような方法で組み立てていた。

光ファイバを伝播した光の出射光を凸レンズなどを透過させることで光束の径を帰ることができる。より詳細には凸レンズの焦点位置に光ファイバの出射端を配置し、光ファイバからの光の光軸とレンズの光軸とを一致させることで凸レンズを透過した光は略平行な光束を生成できる。

原理的には非常に単純であるが、高品質な平行光束を生成するためには非常に困難である。高品質な平行光束を得るためには以下の3点が重要である。

１）平行光束の特性を高精度に測定すること

２）レンズの焦点と発光点とを高精度に位置決めすること

３）レンズと光ファイバなどの端面に代表される発光点を安定的に固定すること

である。以下にそれぞれの視点での技術上の困難さを実例を示して説明する。

平行光束とは光束の径のサイズが変化せず一定であることと定義する。しかしながら、現実には発光点が理想的な点光源でないことや発光光束の光軸とレンズの光軸とが一致していないことや発光点から放射される光がガウス分布からわずかに異なっていることやレンズの曲率がわずかに設計と異なることやレンズの屈折率が部分的に一様でないなどのさまざまな要因から、平行光束の品質が劣る。

レンズとファイバや半導体レーザなどの光源とを高い位置精度で固定するためにYAGレーザなどで応力を小さくしかつ瞬時に固定する方法が採用されている。

また、レンズの焦点と発光点とを高い位置精度で位置決めするためにはステップモータに位置センサを組み込んだ自動ステージが市販されているとともにステップモータの駆動パルスを電気的に分割し、ステップモータの機械的に加工された磁極ピッチの２５６分の１など高精度な位置駆動方法が考案されており、すでに実用化されている。

しかしながら、平行光束を測定する方法として以下の方法が考案されているが、光束の出射角度の精度は０．１度程度が限界であり、通常０．５度程度である。

平行光束を使用する場合、出射した光の平行度または光束の広がり角、光束の傾き（光軸傾き）、光束の楕円率、外形との同心度または軸位置精度が実用上重要となる。

これら諸特性が劣化することで光ファイバを結合する光学系に応用した場合、損失が増加する。また、照明やセンサに応用した場合、解像度または平面の分解能の劣化が発生する。さらに、光束が進む方向（軸角度）が悪いと、応用する物体の位置や角度を調節する必要があり、応用装置に調整機構が必要になるため装置が大型化し高価になる。従って、コリメータの光束の特性を向上させることで応用装置の小型化と低コスト化に貢献できる。

そのため、従来様々な平行光束を生成するための光学デバイスや調整機構、製造総装置または検査装置が考案されている。

最も単純な例では、レンズから出射される平行光の大きさを所定の場所で測定し、さらに、レンズから離れた場所または近い場所で同様に測定し、光束の位置と径が変化していないことを確認し、平行光として判断する方法がある。

さらに、前記方法を測定器や撮像センサを用いて定量化する方法があり、具体的には図４で示す用に2次元アレイ状のCCDセンサ上に光束を照射し、光の強度分布を測定する。前記CCDセンサで作られた受光器を光軸と直交する方向に移動させ、光束径の大きさを定量的に把握することができる。

さらに精密な方法として図５に示すような製造装置が考案されている。

光源から出た光をファイバに閉じ込め、１×２光カプラを介して出射端に対向してレンズとミラーを配置する。図中X軸およびY軸方向にレンズを固定し、ファイバを相対的に動かすと、レンズを透過した光の光束の光軸はファイバの変化方向と反対の向きに移動する。ファイバ位置を調節し、レンズを透過した光の光軸がミラーの法線方向と平行になる様にする。次に、ファイバを光軸と平行方向（図３ではZ軸方向）にファイバを調節し、レンズの焦点にファイバ先端が一致すると、レンズから略平行光束が出射される。ここまではレンズとミラーとの間にスクリーンを配置し、スクリーン上の光束の大きさと向きを観察しながら調節する。

概ね平行光となるようファイバの位置と角度を調節した後、１×２カプラの光源と異なるポートに出力する光量を光パワーメータで測定する。ファイバのX,Y,Z軸方向にμｍ以下で精密に移動させ、光パワーメータが最大光量を得られる位置にファイバを調節し、レンズとファイバとを直接または間接的に固定する。

固定する方法はYAGレーザによる固定やハンダ固定、接着固定など様々な方法が検討されている。ファイバとレンズとの相対的な位置関係により平行光束がレンズより出力される。

レンズを透過した光を略平行光にし、ミラーに垂直で入射した場合、レンズを再び通り、レンズとファイバとの位置において出射光が略平行になる。

レンズから出射した光が平行光である場合、ミラーの反射面で折り返す鏡像関係が成り立ち、ファイバ先端に再び集光し、前記光カプラを透過し、受光器に入射する。受光器の光量が最大となるようレンズとファイバとの相対的位置関係と調節する。レンズを透過した光束が平行である時、受光器の出力が最大値を示す。

特開２００２-２７７３４９公報

文献１によれば、円形開口の回折パターンの中止以外のドーナツ状のパターンの本数を数えることで簡便に平行度の測定ができるが、出射する光束の角度を測定することはできない。

さらに、レンズまたは外形からの光束中心の位置ずれや同心度の測定はできない。

回折光を用いているため、パターンを読み取るための光軸方向に配置するスクリーンの位置精度は極めて厳しい。上記特許文献によれば、μｍのオーダで設定するよう明記されている。

さらに、スクリーンの移動長さは１００ｍｍから３００ｍｍである。つまり数百ｍｍスクリーンを移動させ、その位置精度はμｍオーダであり、移動範囲に対し、百万分の１もの高い位置精度が必要となる。さらに、複数の部品を繰り返し製造する場合、その位置精度の繰り返し精度も問題となり、大変困難な作業である。

一方、前記ミラーで反射させて、最大光量となるようファイバとレンズとの位置を調節する方法においては、ミラーとレンズの外形との直角度およびミラーとレンズとの距離が重要である。

レンズおよびファイバの挿抜する際の隙間で生じる角度ガタが傾きの誤差となる。ミラーとレンズとの距離が比較的短い場合、外形による光軸角度の精度が高くできにくい傾向がある。

一方、ミラーとレンズとの距離が比較的長い場合、光軸の角度精度が高くなりやすいが光束の径の広がり角を抑えることがしにくくなる傾向にある。さらに、レンズとミラーとの間の固定部材の温度分布などにより熱膨張係数に応じた機械的変位が生じ、高精度化を阻む。

さらに、同一のレンズとファイバとで鏡像の配置であるため、レンズの曲率のゆがみの個体差、ファイバのコアの偏心および屈折率歪などの個体差はすべて補償して最大結合効率が得られるよう調整する。しかしながら、ファイバとレンズとを組み合わせたデバイスでは同様のファイバとレンズとを組み合わせたデバイスと対向させて使用し、損失が小さくなる様位置調整する。しかし、ファイバやレンズの個体差があると歪みを補償出来ず、損失は大きくなる。

上記のように、同一の設計であっても使用する部材が異なると結合効率が異なるという不具合が生じる。

さらに、高出力レーザに応用する場合、レーザ光によりファイバ先端が破損することを防ぐためにガラスロッドをファイバ先端に融着する場合がある。ガラスロッドがあるとファイバから出射した光はコアからガラスロッドに入射し、拡散しつつ伝搬しエネルギー密度を下げてガラスロッドから出射する。ガラスロッドにより、エネルギー密度を下げることができる。しかし、ガラスロッドの先端を光軸に対し垂直に設定すると反射光がファイバに入射し、局所的に光の密度が高まり、温度が上昇するなどの不具合が発生する可能性がある。これを防ぐため、ガラスロッドの先端は光軸に対し斜めにすることが一般的である。

ガラスロッドの先端を斜めにすると、ガラスロッドの先端と空気との界面で光は屈折し、斜めに出射し、光軸はファイバ中心から外れる。このことから対向するコリメータの光軸のシフト量を合わせる必要もある。このシフト量の検出は従来の平行光の検査や製造方法において検出できていなかった。

本発明は、光源またはファイバなどの光の出射端からの光を高精度な平行光束を得ることができ、光を応用した製品への組立時間を短縮できると共に調整機構を大幅に減らすことができ、低コスト化と省資源化に有益である。

前記従来の課題を解決するため、本発明においては光源からの光と光を集光または発散させるレンズ作用を有する光素子と光素子を透過または反射した光の光軸の角度変化を検出する角度検出手段と前記光素子を透過または反射した光の強度および強度分布を検出する光強度検出手段とからなる光学部品組み立て装置を考案した。

次に前記光強度検出手段により光束の幅または光束の中心を測定ができることを特徴とする上記第1の光学組立装置の一部を変更した光学部品の組み立て装置

前記光学装置における角度検出手段がオートコリメータであるとする光学部品の組み立て装置

前記組立装置で組み立てる光学部品から出射する光が平行光であることの光学部品の組み立て装置

前記組み立てる光学部品が光ファイバを含む光学部品であることの光学部品の組み立て装置

本発明の第1の実施形態を図1を用いて具体的に説明する。半導体レーザ１０１から出力した光は光ファイバに図示しない集光レンズにより入射し光ファイバ中を伝搬する。半導体レーザと集光レンズと光ファイバの先端は通常1つのパッケージに実装されて市販されている。使用者はこのパッケージされたデバイスと図示しないレーザドライバ電子回路と電気的に接続するだけで良い。また、光源は半導体レーザのみならず、LEDやフィラメント型光源など発光体すべてに適応可能である。

前記半導体レーザ１０１から出た光は光ファイバ１０２中を伝搬し、フェルール103に接着固定された光ファイバの先端から放射される。前記フェルール103の外径サイズよりわずかに大きな穴が開けたファイバホルダ105に前記フェルールを挿入する。フェルールはファイバホルダに沿ってZ軸方向に移動する。光ファイバから放射された光はレンズ１０４に入射される。レンズの界面で光は屈折する。レンズ104はレンズホルダ１０６に接着固定されている。レンズの焦点付近にファイバの先端を配置するとレンズを透過した光107は略平行な光となる。略平行な光は約半分の光を反射させ同時に残り約半分の光を透過させるハーフミラーと呼ばれる光学素子である。

前記ハーフミラー108の透過光を光軸角度検出装置１１１に入射させる。前記ハーフミラー108の反射光を光強度分布検出装置110に入射させる。光軸角度検出装置と光強度分布検出装置の配置場所を替えてもよい。また、ハーフミラーの反射光量と透過光量の割合も50:50に限定するものではなく、10:90や70:30や90:10などであっても良い。光軸角度検出装置の一例としてオートコリメータがある。オートコリメータの基本原理を以下に述べる。

平行光束を入射させ、レンズ１１２で光束を集光する。集光位置にCCD１１３を配置する。前記レンズ112にレンズの光軸との角度ずれの大きさに比例し、CCDに集光する光の場所が変化する。前記レンズ112に入射する光の光軸がレンズの光軸と一致する場合、CCDの原点Oに入射するとする。レンズ112に入射する角度がθであるとき、CCD面上でΔYだけずれた位置に光が集光する。CCD上に集光する光の位置のシフト量がレンズ112に入射する光のレンズ112の光軸との角度ずれを示している。

一方、ハーフミラーを反射した光を光強度分布検出装置110に入射する。光強度分布検出装置は2次元のCCD109が内蔵されており、CCDに光を入射させる。CCDで光束の光強度分布および光束の大きさを検出する。

光強度分布および光束の幅を図2を用いて説明する。光束は一般にガウス分布の共同分布を持つ。光強度の最大光量Poの半値（P0/2）またはP0/e2の値で定義する光束の幅が所定の値となることと、光束の中心位置を検出する。P0/2の値で定義する光束の幅はWhおよびP0/e2で定義するWeが光束の幅を定義し、ファイバ先端のZ軸方向のレンズ104の焦点位置とのずれを高い精度で抑制する。

光出力レーザで使用される光コネクタやファイバ先端の構造は図3で示す構造をもつ。ファイバ先端でエネルギー密度が高いため光のためファイバ先端部が破壊されることを防ぐため、エンドキャップ121というガラスブロックを光ファイバ102と融着する。前記エンドキャップ121の先端はエンドキャップ先端からの反射により、光ファイバ102に再結合することで高出力レーザを破壊することを防止するため斜めになるように設計されている。エンドキャップ先端が斜めになっていると、ファイバから出射した光122はエンドキャップ中で拡散するが光軸の傾きは生じない。エンドキャップ121を透過する光123は、エンドキャップ先端が光軸に対し斜めになっているため光軸が屈折のため曲り、かつ屈折率がガラスの屈折率より空気の屈折率が低いため拡散する角度は広がる。前記エンドキャップの透過光123がレンズ104に入射し、レンズ作用により略平行な光が透過し、その透過光124は略平行光であるが、光ファイバ102およびエンドキャップ121およびレンズ104の中心位置からずれている。図３では上方にずれる。ファイバの延伸方向に対し斜め方向に光が出射される。斜めに出射した光をレンズによりファイバの延伸方向と平行に設定すると光束の中心は光ファイバで延伸方向と直交する方向に対し、中心にならない。この中心からのずれを光強度分布検出装置110により光束の中心位置X0を検出する。

光強度分布検出装置により光束の中心位置、光束の幅(径)を検出し、光角度検出装置により光束の出射角度の傾きを検出する。検出した光束の中心位置、光束の幅(径)、光束の出射角度の傾きを検出した値により、フェルール103をX,Y,Z方向に微調整し、YAGレーザまたは紫外線硬化樹脂などで部品を組み立てる。

フェルール103は微動ステージに固定されていて、レンズ104の位置を基準に微動ステージを移動し、フェルールをサブミクロンの微小な変位により位置調整する。

前記光強度分布測定装置によりファイバ先端がレンズの焦点と一致していてレンズを透過した光が平行になっていることを確認し、平行でない場合、光ファイバをZ軸方向に移動させて調節する。さらに、エンドキャップ121がある場合、エンドキャップ先端の斜めであることから、光軸がずれるためこのずれを前記光強度分布検出装置により光束の中心場所を検出することでずれる方向とズレ量を検出でき、エンドキャップの斜めの方向を回転することで調整できる。さらにY方向に移動ささせて、光軸のY方向のシフト量を調整する。

前記光軸角度検出装置により光軸角度を検出し、ファイバを移動させて、角度を抑制するよう調節する。

1 半導体レーザ
2 レンズ
3 平行光束
4a 第1の位置にあるCCD素子
4b 第2の位置にあるCCD素子
5 光源
6 受光器
7 光カプラ
8 レンズ
10 ミラー
101 光源
102 光ファイバ
104 レンズ
109 CCD
110 光強度分布検出装置
111 光軸角度検出装置
121 エンドキャップ

本発明の構成図 本発明の光強度分布を示す説明図 ファイバ先端にエンドキャップがある場合の光束の経路説明図 従来装置の構成概念図 他の従来装置の構成概念図

Claims (5)

1. 光源からの光と光を集光または発散させるレンズ作用を有する光素子と光素子を透過または反射した光の光軸の角度変化を検出する角度検出手段と前記光素子を透過または反射した光の強度および強度分布を検出する光強度検出手段とからなる光学部品組み立て装置
   
2. 前記光強度検出手段により光束の幅または光束の中心を測定ができることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の光学部品の組み立て装置
   
3. 前記角度検出手段がオートコリメータであることを特徴とする特許請求の範囲第1項または第2項記載の光学部品の組み立て装置
   
4. 前記組み立てる光学部品から出射する光が平行光であることを特徴する特許請求の範囲第1項または第2項記載の光学部品の組み立て装置
   
5. 前記組み立てる光学部品は光ファイバを含むことを特徴する特許請求の範囲第1項または第2項記載の光学部品の組み立て装置