JP2017072642A - 光学製品の製造方法および光学製品の製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光ファイバに対するレンズの調整方向を把握することができる光学製品の製造方法および光学製品の製造装置を提供する。【解決手段】光ファイバの第１端部にレンズを配置し、所定の方向にレンズを移動させた場合の２箇所において、撮影装置を用いて光ファイバの第２端からレンズを撮影し、２箇所での撮影結果におけるレンズの端部の位置を用いて、撮影装置の座標に対するレンズの座標の相違角度を算出し、相違角度を基に、レンズの調整方向を算出する。【選択図】図５

Description

本件は、光学製品の製造方法および光学製品の製造装置に関する。

内視鏡などの光学製品では、光ファイバの第１端にレンズが配置され、第２端にカメラなどの撮影装置が配置されている。このような光学製品では、レンズを介して得られる像をカメラで正しく認識できることが好ましい。そこで、光学製品の製造工程において、光学部品と光ファイバとの調芯を行う技術が望まれる（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２３０１９号公報

しかしながら、特許文献１の技術では、光ファイバに対するレンズの調整方向を把握することが困難である。

１つの側面では、本件は、光ファイバに対するレンズの調整方向を把握することができる光学製品の製造方法および光学製品の製造装置を提供することを目的とする。

１つの態様では、光学製品の製造方法は、光ファイバの第１端部にレンズを配置し、所定の方向に前記レンズを移動させた場合の２箇所において、撮影装置を用いて前記光ファイバの第２端から前記レンズを撮影し、当該２箇所での撮影結果における前記レンズの端部の位置を用いて、前記撮影装置の座標に対する前記レンズの座標の相違角度を算出し、前記相違角度を基に、前記レンズの調整方向を算出する。

光ファイバに対するレンズの調整方向を把握することができる。

（ａ）〜（ｃ）は比較例に係るパッシブ調芯を例示する図である。 （ａ）は光ファイバの模式的断面図であり、（ｂ）はレンズと光ファイバとの径差を例示する図である。 （ａ）および（ｂ）は黒い欠けについて例示する図である。 実施例１に係る製造装置の全体構成を表す概略図である。 製造装置の動作の詳細を例示するフローチャートである。 （ａ）〜（ｊ）はレンズの調整方向の算出を例示する図である。 （ａ）〜（ｃ）はレンズの調整方向の算出を例示する図である。 他のハードウェア構成を例示する図である。

実施例の説明に先立って、比較例について説明する。図１（ａ）〜図１（ｃ）は、比較例に係るパッシブ調芯を例示する図である。図１（ａ）で例示するように、調整ステージ１０１を用いて、レンズ１０２を把持するハンド１０３の位置および姿勢を調整する。この調整の際に、センサ１０４を用いて、レンズ１０２の下端面の高さを調整する。また、カメラ１０５の撮影結果を用いて、レンズ１０２の外形位置を調整する。

次に、図１（ｂ）で例示するように、光ファイバ１０６の位置を調整する。この調整の際に、センサ１０４を用いて光ファイバ１０６の第１端面の高さを調整する。また、カメラ１０７の撮影結果を用いて、光ファイバ１０６の外形位置を調整する。次に、図１（ｃ）で例示するように、光ファイバ１０６の第２端面からカメラ１０８を用いて光ファイバ１０６の実装位置を確認しつつ、光ファイバ１０６をレンズ１０２に対して固定する。このようなパッシブ調芯によって、光ファイバ１０６を実装することができる。

しかしながら、光ファイバ１０６の偏肉精度や光ファイバ１０６とレンズ１０２との径差などに起因して、実装位置が所望の位置からずれることがある。特に、レンズ１０２および光ファイバ１０６が小型化されると、実装位置を所望の位置に合わせることは困難である。以下、その理由について説明する。

図２（ａ）は、光ファイバ１０６の模式的断面図である。図２（ａ）で例示するように、光ファイバ１０６は、複数の心線を束ねて被覆した構造を有する。例えば、光ファイバ１０６は、厚さが０．０１５μｍで径が０．３５μｍのガラスなどの被覆材１０９に、径が０．３５μｍの心線１１０が１００００本程度被覆された構造を有している。このような構造では、心線同士が互いに固定されないため、被覆材１０９内において心線が偏ることがある。それにより、偏肉精度が±５μｍ程度と大きくなる。その結果、光ファイバ１０６の端面における外形認識による位置合わせでは、光ファイバ１０６の外形誤差を吸収することは困難となる。

また、図２（ｂ）で例示するように、レンズ１０２の径と、光ファイバ１０６の径との間に差がある場合がある。例えば、レンズ１０２の径が０．３５＋０／−０．０１μｍで、光ファイバ１０６の径が０．３２７±０．０１５μｍである場合、直径差が０．０２３μｍ程度となる。このような場合、例えば、０．０１１μｍ程度のズレが生じた場合でも、光ファイバ１０６の逆端面から実装位置を確認することは困難である。以上のことから、レンズ１０２に対する光ファイバ１０６の実装位置が所望の位置からずれることがある。

そこで、光ファイバ１０６の第２端からカメラで撮影しながら、第１端側のレンズ１０２の位置を調整することが考えられる。しかしながら、光ファイバ１０６にねじれが生じている場合には、レンズ１０２の座標とカメラの座標との間に相違が生じる。それにより、第２端で得られる画像が、当該ねじれの分だけ回転してしまう。したがって、光ファイバ１０６に対するレンズ１０２の調整方向を把握することは困難である。この理由について、図３を参照しつつ説明する。

例えば、図３（ａ）で例示するように、第１端において光ファイバ１０６がレンズ１０２に対してずれていた場合、第２端での撮影で得られる画像では黒い欠けが生じる。具体的には、レンズ１０２と光ファイバ１０６とが重ならない部分において黒い欠けが生じることになる。しかしながら、光ファイバ１０６にねじれ（例えば９０°）が生じている場合、図３（ｂ）で例示するように、第２端で認識される画像においては、黒い欠けが異なる箇所で生じてしまう。これは、光ファイバ１０６のねじれに起因して、レンズ１０２の座標とカメラの座標との間に相違が生じるからである。それにより、第２端で認識される画像における黒い欠けが生じる方向は、第１端において光ファイバ１０６がレンズ１０２に対してずれている方向と、必ずしも一致しない。以上のことから、光ファイバ１０６に対するレンズ１０２の調整方向を把握することは困難である。

なお、光学通信装置等における調芯の手法を用いることも考えられる（例えば、特許文献１）。しかしながら、特許文献１の手法では、光出力などの光特性に基づく調芯であるため、光ファイバの第２端に配置された撮影装置を用いて、第１端に配置されたレンズを介して像を正しく認識することは困難である。

そこで、以下の実施例では、光ファイバに対するレンズの調整方向を把握することができる、光学製品の製造方法および光学製品の製造装置について説明する。

図４は、実施例１に係る製造装置１００の全体構成を表す概略図である。製造装置１００は、内視鏡などの光学製品の製造装置である。一例として、製造装置１００は、光ファイバ固定治具６０に固定された光ファイバ７０をレンズ８０に固定する工程について説明する。図４で例示するように、製造装置１００は、調整ステージ１０ａ、モータコントローラ１０ｂ、ハンド２０、接触検知機構３０ａ、荷重コントローラ３０ｂ、カメラ４０ａ、画像コントローラ４０ｂ、主コントローラ５０などを備える。

調整ステージ１０ａは、レンズ８０を把持するハンド２０のＸ軸方向の移動、Ｙ軸方向の移動、Ｚ軸方向の移動、および回転の動作を行う。なお、本実施例においては、ＸＹ平面がレンズ８０の第１端面および第２端面と平行をなし、Ｚ軸方向がレンズ８０の第１端面および第２端面と垂直をなす。調整ステージ１０ａは、各動作を行うためのモータを備える。モータコントローラ１０ｂは、主コントローラ５０の指示に従い、調整ステージ１０ａの各動作を行うためのモータを制御することで、調整ステージ１０ａの動作を制御する。それにより、レンズ８０の位置および姿勢が調整される。

接触検知機構３０ａは、光ファイバ７０の第１端面に対するレンズ８０の接触を検知し、検知結果を荷重コントローラ３０ｂに送る。荷重コントローラ３０ｂは、接触検知機構３０ａの検知結果に基づいて、光ファイバ７０の第１端面に対するレンズ８０の荷重を算出し、主コントローラ５０に送る。主コントローラ５０は、荷重コントローラ３０ｂから受け取る荷重が所望の荷重となるようにモータコントローラ１０ｂを制御する。

カメラ４０ａは、光ファイバ７０の第２端面を撮影するように配置されている。画像コントローラ４０ｂは、主コントローラ５０の指示に従い、カメラ４０ａに光ファイバ７０の第２端面を撮影させ、その撮影結果から第２端面の画像を生成し、主コントローラ５０に送る。主コントローラ５０は、画像コントローラ４０ｂから受け取った画像を用いてレンズ８０の補正位置を算出し、当該補正位置が実現されるようにモータコントローラ１０ｂを制御する。

図５は、製造装置１００の動作の詳細を例示するフローチャートである。図５で例示するように、主コントローラ５０は、ハンド２０にレンズ８０を把持させる（ステップＳ１）。次に、主コントローラ５０は、ハンド２０の位置に基づいて、光ファイバ７０の第１端面における中心位置Ｐ０を認識する（ステップＳ２）。次に、主コントローラ５０は、レンズ８０が光ファイバ７０の第１端面に対する実装位置に移動するようにモータコントローラ１０ｂを制御する。さらに、主コントローラ５０は、レンズ８０がＺ軸のプラス方向（光ファイバ７０の第１端面から離れる方向）に規定量だけ移動するようにモータコントローラ１０ｂを制御する（ステップＳ３）。なお、ステップＳ３実行時点では、光ファイバ７０の第１端面の中心とレンズ８０の中心との間に相違が生じていてもよい。

図６（ａ）および図６（ｂ）は、ステップＳ３の実行後のレンズ８０の位置を例示する。図６（ａ）は上面図であり、図６（ｂ）は正面図である。図６（ｂ）で例示するように、レンズ８０は、光ファイバ７０の第１端面に対し、＋Ｚ方向に上記規定量だけ離間している。ただし、ステップＳ３の実行後の段階ではレンズ８０の位置が正確ではないため、図６（ａ）および図６（ｂ）で例示するように、レンズ８０の中心位置と光ファイバ７０の第１端面の中心位置Ｐ０との間にズレが生じている。

次に、主コントローラ５０は、レンズ８０が−Ｘ方向に規定量だけ移動するように、モータコントローラ１０ｂを制御する（ステップＳ４）。図６（ｃ）および図６（ｄ）は、ステップＳ４の実行後のレンズ８０の位置を例示する。図６（ｃ）は上面図であり、図６（ｄ）は正面図である。図６（ｃ）および図６（ｄ）で例示するように、レンズ８０は、光ファイバ７０の第１端面に対し、−Ｘ方向に規定量だけ移動している。

また、図６（ｅ）は、ステップＳ４の実行後においてカメラ４０ａが生成した画像である。なお、図６（ｅ）のＸＹ軸は、調整ステージ１０ａのＸＹ軸に相当している。図６（ｅ）で例示するように、レンズ８０が光ファイバ７０の第１端面に対して規定量だけ移動している。また、移動方向と反対側に黒い欠けが生じる。なお、光ファイバ７０にねじれが生じていると、画像においてレンズ８０の移動方向は必ずしも−Ｘ方向にならない。図６（ｅ）の例では、レンズ８０が光ファイバ７０の第１端面に対して規定量だけ移動しているが、移動方向は−Ｘ方向と一致していない。

次に、主コントローラ５０は、画像コントローラ４０ｂから受け取った画像において、レンズ８０の中心位置ａ（ｘａ，ｙａ）を算出する（ステップＳ５）。図７（ａ）で例示するように、黒い欠けの内周がレンズ８０の端部に相当する。したがって、中心位置ａ（ｘａ，ｙａ）は、黒い欠けの内周の複数点（認識ポイント）を用いて得られた疑似円の中心に相当する。なお、黒い欠けについては、カメラ４０ａの第２端面の領域に相当する探索範囲において二値化を行うなどして検出することができる。

次に、主コントローラ５０は、レンズ８０が＋Ｘ方向に規定量だけ移動するように、モータコントローラ１０ｂを制御する（ステップＳ６）。図６（ｆ）および図６（ｇ）は、ステップＳ６の実行後のレンズ８０の位置を例示する。図６（ｆ）は上面図であり、図６（ｇ）は正面図である。図６（ｆ）および図６（ｇ）で例示するように、レンズ８０は、光ファイバ７０の第１端面に対し、＋Ｘ方向に規定量だけ移動している。

また、図６（ｈ）は、ステップＳ６の実行後においてカメラ４０ａが生成した画像である。なお、図６（ｈ）のＸＹ軸は、調整ステージ１０ａのＸＹ軸に相当している。図６（ｈ）で例示するように、レンズ８０が光ファイバ７０の第１端面に対して規定量だけ移動している。また、移動方向と反対側に黒い欠けが生じる。なお、光ファイバ７０にねじれが生じていると、画像においてレンズ８０の移動方向は必ずしも＋Ｘ方向にならない。図６（ｈ）の例では、レンズ８０が光ファイバ７０の第１端面に対して規定量だけ移動しているが、移動方向は＋Ｘ方向と一致していない。

次に、主コントローラ５０は、画像コントローラ４０ｂから受け取った画像において、レンズ８０の中心位置ｂ（ｘｂ，ｙｂ）を算出する（ステップＳ７）。中心位置ｂ（ｘｂ，ｙｂ）は、黒い欠けの内周の複数点（認識ポイント）を用いて得られた疑似円の中心に相当する。

次に、主コントローラ５０は、位置ａおよび位置ｂを用いて、Ｘ軸およびＹ軸に対する、画像におけるＸ軸およびＹ軸（以下、Ｘ´軸およびＹ´軸と称する）の相違角度θを算出する（ステップＳ８）。Ｘ´Ｙ´座標は、カメラ４０ａの座標に相当する。まず、主コントローラ５０は、図７（ｂ）で例示するように、位置ａおよび位置ｂを通る線を得る。この線がＸ´軸である。次に、主コントローラ５０は、位置ａおよび位置ｂを繋ぐ線分の垂直二等分線を得る。この線がＹ´軸である。相違角度θは、下記式（１）に従って算出することができる。相違角度θを算出することで、レンズ８０の調整方向を把握することができる。
θ＝ｔａｎ^−１｛（ｙｂ−ｙａ）／（ｘｂ−ｘａ）｝ （１）

次に、主コントローラ５０は、カメラ４０ａの座標を調整ステージ１０ａの座標に変換した場合の位置ｂ（以下、位置ｂ´（ｘｂ´，ｙｂ´）と称する）を求める（ステップＳ９）。位置ｂ´は、下記式（２）および下記式（３）に従って算出することができる。図７（ｃ）は、位置ｂ´を例示する。
ｘｂ´＝ｘｂ・ｃｏｓ（−θ）−ｙｂ・ｓｉｎ（−θ） （２）
ｙｂ´＝ｘｂ・ｓｉｎ（−θ）＋ｙｂ・ｃｏｓ（−θ） （３）

次に、主コントローラ５０は、図７（ｃ）で例示するように、位置ｂ´が光ファイバ７０の中心位置Ｐ０に移動するように、モータコントローラ１０ｂを制御する（ステップＳ１０）。それにより、図６（ｉ）および図６（ｊ）で例示するように、レンズ８０の中心位置と光ファイバ７０の中心位置とが一致するようになる。次に、主コントローラ５０は、ステップＳ１０の実行後にカメラ４０ａが生成した画像において、黒い欠けが生じているか否かを判定する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１で黒い欠けが生じていると判定された場合、ステップＳ４から再度実行される。ステップＳ１１で黒い欠けが生じていないと判定された場合、主コントローラ５０は、紫外線照射装置などを用いて、レンズ８０を光ファイバ７０に固定するための接着剤を硬化させる（ステップＳ１２）。以上の処理により、調芯が完了する。

本実施例によれば、光ファイバ７０の第１端部にレンズ８０が配置され、光ファイバ７０の第２端部にカメラ４０ａが配置されている。ハンド２０は、所定の方向にレンズ８０を移動させる。この場合の２箇所において、カメラ４０ａで撮影を行い、当該撮影結果におけるレンズ８０の端部の位置を用いて、カメラ４０ａの座標に対するレンズ８０の座標の相違角度θが算出され、当該相違角度θを基に、レンズ８０の調整方向が算出されている。このような構成により、レンズ８０の調整方向を正確に把握することができる。なお、２箇所での撮影に限定されるものではなく、２箇所以上での撮影結果を用いて相違角度θを算出してもよい。また、本実施例では、＋Ｘ方向と−Ｘ方向とにレンズ８０を移動させているが、光ファイバ７０の第１端とレンズ８０との重なりがずれる方向であればよい。したがって、Ｙ軸方向の移動成分が含まれていてもよい。また、レンズ８０をＸＹ平面内だけで移動させる必要はなく、ＸＹ軸のいずれかの移動成分が含まれていれば、Ｚ軸方向の移動が含まれていてもよい。また、上記例では、レンズ８０を２回移動させているが、レンズ８０の最初の位置において黒い欠けを認識できれば、当該最初の位置においてレンズ８０の端部の位置を検出することができる。この場合、レンズ８０を１回移動させれば、黒い欠けを移動させることができる。

また、カメラ４０ａの撮影結果における黒い欠けの位置および形状から疑似円を得ることで、レンズ８０の中心位置を容易に算出することができる。それにより、レンズ８０の調整方向を容易に算出することができる。また、特に、複数の心線を束ねて被覆した光ファイバ７０では偏肉精度が大きくなってしまうことから、本実施例の適用が効果的である。

上記実施例において、カメラ４０ａが、光ファイバの第１端部に配置されたレンズを光ファイバの第２端から撮影する撮影装置の一例として機能する。調整ステージ１０ａが、所定の方向にレンズを移動させる移動装置の一例として機能する。主コントローラ５０が、移動装置によってレンズを移動させた場合の２箇所において、撮影装置によって得られた撮影結果におけるレンズの端部の位置を用いて、撮影装置の座標に対するレンズの座標の相違角度を算出し、相違角度を基にレンズの調整方向を算出する算出部の一例として機能する。

（他の例）
図８は、モータコントローラ１０ｂ、荷重コントローラ３０ｂ、画像コントローラ４０ｂおよび主コントローラ５０の他のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。図８で例示するように、モータコントローラ１０ｂ、荷重コントローラ３０ｂ、画像コントローラ４０ｂおよび主コントローラ５０は、ＣＰＵ２０１、ＲＡＭ２０２、記憶装置２０３、インタフェース２０４などを備える。これらの各機器は、バスなどによって接続されている。ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）２０１は、中央演算処理装置である。ＣＰＵ２０１は、１以上のコアを含む。ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）２０２は、ＣＰＵ２０１が実行するプログラム、ＣＰＵ２０１が処理するデータなどを一時的に記憶する揮発性メモリである。記憶装置２０３は、不揮発性記憶装置である。記憶装置２０３として、例えば、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、フラッシュメモリなどのソリッド・ステート・ドライブ（ＳＳＤ）、ハードディスクドライブに駆動されるハードディスクなどを用いることができる。ＣＰＵ２０１が記憶装置２０３に記憶されているプログラムを実行することによって、製造装置１００にモータコントローラ１０ｂ、荷重コントローラ３０ｂ、画像コントローラ４０ｂおよび主コントローラ５０が実現される。なお、モータコントローラ１０ｂ、荷重コントローラ３０ｂ、画像コントローラ４０ｂおよび主コントローラ５０の一部だけがプログラムの実行によって実現されてもよい。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は係る特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

１０ａ 調整ステージ
１０ｂ モータコントローラ
２０ ハンド
３０ａ 接触検知機構
３０ｂ 荷重コントローラ
４０ａ カメラ
４０ｂ 画像コントローラ
５０ 主コントローラ
６０ 光ファイバ固定治具
７０ 光ファイバ
８０ レンズ
１００ 製造装置

Claims (6)

1. 光ファイバの第１端部にレンズを配置し、
   所定の方向に前記レンズを移動させた場合の２箇所において、撮影装置を用いて前記光ファイバの第２端から前記レンズを撮影し、
   当該２箇所での撮影結果における前記レンズの端部の位置を用いて、前記撮影装置の座標に対する前記レンズの座標の相違角度を算出し、
   前記相違角度を基に、前記レンズの調整方向を算出する、ことを特徴とする光学製品の製造方法。
2. 前記２箇所での撮影結果における欠けの位置および形状に基づいて、前記相違角度を算出することを特徴とする請求項１記載の光学製品の製造方法。
3. 前記光ファイバは、複数の心線を束ねて被覆した構造を有することを特徴とする請求項１または２記載の光学製品の製造方法。
4. 光ファイバの第１端部に配置されたレンズを前記光ファイバの第２端から撮影する撮影装置と、
   所定の方向に前記レンズを移動させる移動装置と、
   前記移動装置によって前記レンズを移動させた場合の２箇所において、前記撮影装置によって得られた撮影結果における前記レンズの端部の位置を用いて、前記撮影装置の座標に対する前記レンズの座標の相違角度を算出し、前記相違角度を基に前記レンズの調整方向を算出する算出部と、を備えることを特徴とする光学製品の製造装置。
5. 前記算出部は、前記２箇所での撮影結果における欠けの位置および形状に基づいて、前記相違角度を算出することを特徴とする請求項４記載の光学製品の製造装置。
6. 前記光ファイバは、複数の心線を束ねて被覆した構造を有することを特徴とする請求項４または５記載の光学製品の製造装置。

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