JP2846197B2 - 微小レンズの取付装置と取付方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光ファイバ、またはバン
ドルファイバ、イメージファイバなどの端面に微小レン
ズを取り付ける装置と方法に関するものであり、特に微
小レンズの光軸を、人手に頼らず正確かつ迅速に光ファ
イバの光軸と合致させることができる微小レンズの取付
装置と取付方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】照明、イメージ伝送、通信などの分野
で、光ファイバ、または光ファイバを複数本束ねて得ら
れるバンドルファイバ、またはバンドルファイバの入出
力端における各光ファイバの配列順序を規定したイメー
ジファイバなど（以下、これらを「光ファイバ」と総称
する）が広く用いられている。これらの光ファイバには
しばしば、集光、発散、コリメーションなどの結像機
能、または光分岐や光結合などの回路機能を実現する目
的で、光ファイバの端面に光学レンズ系が取り付けられ
る。従来の光学レンズ系の取り付けは、図３に示すよう
に、光ファイバ１の端末部の被覆１５を除去し、除去し
た部分にレンズ固定用のスリーブ１２を装着し、このス
リーブ内に光学レンズ系２を組み込む方法が一般的であ
った。

【０００３】しかし光ファイバは、人体内や細孔などに
挿入して内部を観察する目的に使用されることも多く、
この場合には可能な限り細い挿入部が求められる。例え
ば、光ファイバの挿入部の外径がｌｍｍを下回ることが
要求される場合もある。この場合には当然、端面の光学
レンズ系にも同程度の外径寸法が要求されるので、光フ
ァイバの外径より直径が大きいスリーブ１２の使用は望
ましくない。そこでこの場合は、光ファイバの端面に直
接、光ファイバの外径を上回らない微小レンズを接着す
る方法がとられる。微小レンズとしては、例えば、直径
が１ｍｍより小さいロッドレンズや球レンズなどが知ら
れている。光ファイバの端面に微小レンズを接着する場
合、光ファイバと微小レンズとのそれぞれの光軸がずれ
ると、集光の場合は焦点が出なくなり、イメージ伝送の
場合は視野内の収差が大きくなって画質が劣化するな
ど、不都合が生じるので、光軸合わせの作業は不可欠で
ある。

【０００４】従来、光ファイバの端面に微小レンズを接
着するには、図４に示すように、端面ｔを上に向けて光
ファイバ１を支持台１４に固定し、微小レンズ２をピン
セット１３などで挟んで保持し、手作業で、これを光学
用接着剤が塗布された端面ｔに載せる方法が用いられて
いた。このとき、光ファイバ１と微小レンズ２との光軸
合わせは、この双方をテレビカメラ１１によつて側方か
ら看視し、光ファイバ１と微小レンズ２との双方の位置
を目視によって確認しながら行われていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】手作業によって光ファ
イバの端面に微小レンズを接着する従来の方法には、さ
まざまな難点がある。特に、手作業で目視によって行う
上記の光軸合わせは、細心の注意を払ってもなお取付誤
差が大きく、製品の光軸精度のバラツキが大きかった。
また、この作業は、微小なレンズをピンセットによつて
作業者が直接保持し、テレビ画像を注視しながら行うの
で、熟練と集中力が要求されるばかりでなく、疲労度も
大きく、このことが作業効率を著しく低下させていた。

【０００６】本発明は上記の問題を解決するためになさ
れたものであって、その目的は、光ファイバの端面に微
小レンズを取り付けるに際して、手作業によらず、迅速
かつ正確な光軸合わせを可能とする微小レンズの取付装
置及び取付方法を提供することにある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記の課題は、光ファイ
バの端面に微小レンズを取り付ける装置であって、光フ
ァイバの微小レンズ取り付け端面を固定する台座と、微
小レンズを吸引して保持するエアーピンセットと、この
エアーピンセットを搭載して、保持された微小レンズを
直交三軸のいずれの方向にも移動し得る三軸駆動装置
と、前記光ファイバの他方の端面から光を入射する光源
と、光ファイバを透過し前記微小レンズ取り付け端面か
ら放射される光によるこの端面の影像とこの透過光が更
に前記微小レンズを透過したときに形成される影像とを
それぞれ透過光の進行方向から観察することにより前記
光ファイバと微小レンズとの相対的な光軸ずれを検出す
る光軸ずれ検出装置と、この光軸ずれ検出装置が検出し
た光軸のずれ量がゼロとなるように三軸駆動装置を駆動
する制御装置とを有してなる微小レンズの取付装置を提
供することによって解決できる。

【０００８】また上記の課題は、光ファイバの端面に微
小レンズを取り付けるに際して、光ファイバの微小レン
ズ取り付け側端面を台座に固定すると共に、微小レンズ
を、この微小レンズの光軸に直角な軸を中心に回転でき
るエアーピンセットに吸引して保持し、この光ファイバ
の他方の端面から光を入射し、光ファイバを透過し前記
微小レンズ取り付け端面から放射される光によるこの端
面の影像とこの透過光が更に前記微小レンズを透過した
ときに形成される影像とをそれぞれ透過光の進行方向か
ら観察することにより前記光ファイバと微小レンズとの
相対的な光軸ずれを検出し、次いでこのずれ量がゼロと
なるように、前記エアーピンセットに保持された微小レ
ンズを移動して、光ファイバの光軸と微小レンズの光軸
とを合致させる微小レンズの取付方法によって解決でき
る。

【０００９】

【作用】本発明では、微小レンズを光ファイバに取り付
けるに際して、微小レンズがエアーピンセット（保持
具）の吸引の開始／停止のみによって着脱自在に保持さ
れ、かつこの微小レンズはエアーピンセットが搭載され
ている三軸駆動装置によって直交三軸のいずれの方向に
も移動される。そして、この移動量と移動方向は、光軸
ずれ検出装置が検出した光ファイバと微小レンズとの光
軸のずれから算出され、制御装置によって、このずれ量
がゼロとなるように三軸駆動装置が駆動される。この一
連の動作が、固定された光ファイバに対して自動的に行
われるので、微小レンズを光ファイバに、その双方の光
軸を精密に合致させて取り付けることが可能となる。

【００１０】ここで、光ファイバとは、光ファイバ単
線、バンドルファイバ、またはイメージファイバなどを
含む総称であって、その外周部が被覆されていてもよ
い。光ファイバの外径は特に限定されるものではない
が、本発明は、比較的細い光ファイバ、例えば外径１ｍ
ｍ程度のものに有効に適用できる。この光ファイバは、
その一端が光軸に垂直な平面で切断され、この切断面が
微小レンズを取り付けるための端面を形成している。微
小レンズは外径の小さい光学レンズ系であって、ロッド
レンズ、球レンズ、円柱レンズ、球面レンズ、非球面レ
ンズなど、用途に応じていずれも使用可能である。また
その外径も特に限定されるものではないが、使用される
光ファイバの外径に近似した外径を有するものが好まし
い。

【００１１】光ファイバと微小レンズとの取り付けは、
一般的には、このいずれか一方、または双方を移動し行
うことができるが、本発明では、光ファイバの端部を台
座に固定しておき、微小レンズの方を移動する。このと
きの微小レンズの保持には保持具としてエアーピンセッ
トが用いられる。このエアーピンセットは、例えば微小
レンズの側面形状に応じたノズル状の吸引口を有してい
て、この吸引口を微小レンズの側面部に接触させ、負圧
によって微小レンズを吸引口に吸着させることができる
ものであって、吸引し続けているあいだは微小レンズを
確実に吸着保持し、吸引を停止すれば直ちに解放するこ
とができる。この形式のエアーピンセットによれば、１
個の微小レンズを、例えば微小レンズのホルダーなどか
らつまみ取り、これを所定の位置（即ち、その光軸が光
ファイバの光軸と合致する端面位置）にまで移動し、精
密な光軸合わせを行いかつ解放する一連の動作を、吸引
の開始、持続及び停止のみで行うことができる。この観
点からエアーピンセットは、微小レンズの光軸に直角な
軸を中心に回転できる機構を有するものであることが好
ましい。

【００１２】微小レンズの所定の位置までの移動は、こ
の保持具が搭載されている三軸駆動装置を駆動すること
によって行われる。ここで、三軸駆動装置とは、信号の
指示に基づき、直交するＸ，Ｙ，Ｚ三軸に沿って搭載物
を移動し得る装置であって、従来から各種の位置合わせ
などに用いられている例えばパルスステージなどが知ら
れている。この三軸駆動装置は、制御装置の指示に基づ
いて駆動される。この制御装置は、光軸ずれ検出装置に
よって得られる光ファイバと微小レンズとの光軸のずれ
量がゼロとなる方向に三軸駆動装置を駆動する。

【００１３】光軸ずれ検出装置は、例えば顕微鏡やテレ
ビカメラと画像処理装置の組合せからなり、光ファイバ
の端面と微小レンズのレンズ面とを、光ファイバを透過
した光の進行方向から観察して影像が得られるものであ
って、例えばそれらの影像の中心点の平面位置をそれぞ
れ求め、光ファイバ端面の中心点に対する微小レンズの
レンズ面の中心点の平面ずれ量（光ファイバ端面に平行
な面内のずれ量）を光軸ずれとして検出することができ
るものである。または光軸ずれ検出装置は、上記の方法
で光ファイバの端面の中心点の平面位置を求め、次いで
微小レンズによって結像された前記端面の影像をその透
過光の進行方向から観察してこの影像の中心点を求め、
これら双方の中心点の平面ずれ量を光軸ずれとして検出
するものであってもよい。

【００１４】制御装置は、例えばディスプレイを付属し
た制御用コンピュータ及び駆動装置コントローラからな
り、検出された光軸のずれ情報から、対応するベクトル
量を算出し、このベクトル（即ち、ずれの方向と量）が
ゼロとなるまで三軸駆動装置を駆動することができるも
のである。このベクトル量は、固定されている光ファイ
バの端面の光軸位置を収束点として求められる。駆動さ
れた三軸駆動装置には保持具を介して微小レンズが保持
されているから、これによって光ファイバと微小レンズ
との光軸合わせが実現される。このとき例えば光ファイ
バの端面に予め光学用接着剤を塗布しておき、この光軸
合わせと同時に、またはその後で光ファイバと微小レン
ズとの光軸合致関係を維持したまま双方を接触させ、次
いで保持具の吸引を停止すれば、微小レンズの光ファイ
バ端面への取り付けが終了する。

【００１５】

【実施例】次に本発明の実施例を説明する。図１は本発
明の一実施例を示す構成図であって、符号１は光ファイ
バを、符号２は微小レンズを示している。この実施例の
取付装置は概略、顕微鏡３、テレビカメラ４及び１１、
画像処理装置５、光源６、エアーピンセット７、三軸駆
動装置８、駆動装置コントローラ９、制御用コンピュー
タ１０、及び光ファイバの台座１４から構成されてい
る。光ファイバ１は、端面ｔを水平上向きにして、台座
１４に着脱自在に固定される。

【００１６】エアーピンセット７は、吸引によって微小
レンズ２を保持した状態で、例えば微小レンズの光軸に
直角な軸を中心に回転できる機構を有している。このエ
アーピンセット７の回転によって、光ファイバ１を台座
１４に固定したときの取付角度の誤差、または微小レン
ズ２を吸着したときの保持角度の誤差などによって、光
ファイバの端面における光軸（以下、「端面光軸」とい
う）と、保持された微小レンズ２の光軸（以下「レンズ
光軸」という）とが平行でない場合も、そのずれ角を平
行に修正できるようになる。このエアーピンセット７
は、三軸駆動装置８に搭載されている。

【００１７】この実施例で、光軸ずれ検出装置は顕微鏡
３、テレビカメラ４、及び画像処理装置５からなり、顕
微鏡３とテレビカメラ４とは一体化されて、台座１４に
固定された光ファイバ１の端面ｔの、間隔をへだてた上
方に配設されている。顕微鏡３は光ファイバ１の端面ｔ
の影像と、光軸が端面光軸と平行に保持されている微小
レンズ２のレンズ面、またはこの微小レンズ２によって
結像される端面ｔの影像との観察に用いられ、顕微鏡３
による影像は、テレビカメラ４によって電気的画像情報
に変換され、画像処理装置５に入力される。

【００１８】この光軸ずれ検出装置による光軸ずれの検
出は、例えば次の手順で行われる。まず、固定された光
ファイバ１の他方の端面から、光源６の光を入射する。
顕微鏡３の焦点を端面ｔに合わせると、透過光による端
面ｔの影像が顕微鏡３によってテレビカメラ４に結像す
る。この影像は画像処理装置５を経由して制御用コンピ
ュータ１０のディスプレイ上に表示することができる。
この画像の一例を図２に示す。ここでは、ディスプレイ
画面ｃ内に光ファイバの端面ｔが映写されている。この
画面ｃでは、光源６からの光が透過した、光ファイバ１
のコア部または画像伝送部ａのみが明部となり、クラッ
ド部ｂ及び視野周辺部は相対的に暗部となっている。こ
の明暗差を、適当な域値を設けて二値化し、二値化像を
微分すると、画像伝送部ａの輪郭像が円として得られ
る。この円の中心点ｐを、端面ｔに平行な平面（これを
「ＸＹ平面」という）における座標原点とする。この原
点ｐ（０，０）は光ファイバ１の光軸位置を示してい
る。この原点ｐを制御用コンピュータ１０に記憶させ
る。

【００１９】一方、エアーピンセット７と三軸駆動装置
８を作動し、ホルダー（図示せず）から１個の微小レン
ズ２を吸引して摘出し、これを端面ｔと顕微鏡３との間
隙、顕微鏡３の視野内に移動して保持する。このとき微
小レンズ２のレンズ光軸は、光ファイバ１の端面光軸と
平行に保持される。これは、微小レンズを格納するホル
ダーとエアーピンセット７の相対関係を調節し、またエ
アーピンセットを回転して、微小レンズ２の光軸の傾き
を微調整するなどによって実現できる。

【００２０】次に、顕微鏡３を微小レンズ２の一方のレ
ンズ面に合焦する。このとき微小レンズは、端面ｔから
放射された光で照明されているから、レンズ面全体が明
部として観察できる。この画像についても、上記の光フ
ァイバ端面ｔの場合と同様に画像処理装置５において演
算処理して微小レンズ２の輪郭線を抽出し、その中心点
のＸＹ平面における位置を求めれば、この点ｑ（ｘ，
ｙ）が、上記微小レンズの光軸位置となる。この微小レ
ンズの光軸の位置ｑ（ｘ，ｙ）と先に求めた端面ｔの光
軸位置ｐ（０，０）とのずれが、この実施例における光
軸ずれである。

【００２１】光軸ずれは、また例えば次の方法によって
も求めることができる。光ファイバの端面ｔの光軸位置
ｐ（０，０）を求めるところは上記の実施例と同様であ
る。次に、光ファイバ１と顕微鏡３との間隙に微小レン
ズ２を配置し、この微小レンズ２によって結像される端
面ｔの影像に顕微鏡３を合焦し、ここに得られた影像を
画像処理装置５において演算処理して影像の中心点位置
ｑ’（ｘ’，ｙ’）を求め、この点ｑ’と原点ｐとのＸ
Ｙ平面上のずれ量を光軸ずれとする。この第２の方法
は、ロッドレンズなどで、レンズ面の中心とレンズ光軸
とがずれている場合などには、特に有効である。

【００２２】テレビカメラ１１は、端面ｔと微小レンズ
２のレンズ面との垂直距離（これをｚとする）を検出す
るためのものであって、端面ｔと微小レンズ２との側方
からの影像情報が画像処理装置５に送られてｚ値が算出
される。

【００２３】制御装置は制御用コンピュータ１０と駆動
装置コントローラ９からなる。これらは上記のずれ量
（ｘ，ｙ）または（ｘ’，ｙ’）とｚ値から、三軸駆動
装置をＸ，Ｙ，Ｚ軸に沿って駆動するための三次元ベク
トル量を決定し、この（ｘ，ｙ，ｚ）または（ｘ’，
ｙ’，ｚ）が原点（０，０，０）に収束するように指令
して三軸駆動装置８を駆動する。一方、三軸駆動装置８
の架台には、上記の保持具、エアーピンセット７が搭載
されている。従って、エアーピンセット７に保持された
微小レンズ２は、この指令によって移動し、その光軸が
光ファイバの光軸と合致し、かつ双方が接触したとき静
止する。光ファイバの端面ｔには予め光学用エポキシ樹
脂などの接着剤を塗布しておく。従って微小レンズ２の
レンズ面が端面ｔと接触したとき、エアーピンセット７
を、その吸引を停止して引き離しても、微小レンズ２は
端面ｔの上に安定に保持されている。この状態で接着剤
が硬化すれば、光ファイバ１と微小レンズ２との取り付
けは完了する。

【００２４】この実施例の装置を用いたとき、いずれの
方法によっても、精密に光軸が合致した微小レンズ付き
の光ファイバが自動的に得られた。また、その生産性は
人手による場合と比較して高く、微小レンズと光ファイ
バとの光軸ずれのバラツキは小さかった。

【００２５】

【発明の効果】本発明は、光ファイバの端面と微小レン
ズとの光軸ずれを光軸方向から観察して検出し、この光
軸ずれをゼロとするように微小レンズを移動するもので
あるので、光ファイバと微小レンズとの光軸を自動的に
合致させることができ、手作業によらず、迅速かつ正確
な微小レンズの取り付けが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の微小レンズ取付装置の一実施例を示
す構成図である。

【図２】 本発明の一実施例における表示画像を示す。

【図３】 従来の微小レンズ取付方法の一例を示す断面
図である。

【図４】 従来の微小レンズ取付方法の一例を示す説明
図である。

【符号の説明】

１…光ファイバ、２…微小レンズ、３…顕微鏡、４…テ
レビカメラ、５…画像処理装置、７…エアーピンセッ
ト、８…三軸駆動装置、９…駆動装置コントローラ、１
０…制御用コンピュータ、１４…台座、ｔ…端面。

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平２−120815（ＪＰ，Ａ) 特開 平４−326311（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−98716（ＪＰ，Ａ) 特開 昭60−413（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−23003（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光ファイバの端面に微小レンズを取り付
   ける装置であって、 前記光ファイバの微小レンズ取り付け端面を固定する台
   座と、 前記微小レンズを吸引して保持するエアーピンセット
   と、 このエアーピンセットを搭載して、保持された微小レン
   ズを直交三軸のいずれの方向にも移動し得る三軸駆動装
   置と、 前記光ファイバの他方の端面から光を入射する光源と、 光ファイバを透過し前記微小レンズ取り付け端面から放
   射される光によるこの端面の影像とこの透過光が更に前
   記微小レンズを透過したときに形成される影像とをそれ
   ぞれ透過光の進行方向から観察することにより前記光フ
   ァイバと微小レンズとの相対的な光軸ずれを検出する光
   軸ずれ検出装置と、 この光軸ずれ検出装置が検出した光軸のずれ量がゼロと
   なるように三軸駆動装置を駆動する制御装置とを有して
   なる微小レンズの取付装置。
2. 【請求項２】 光ファイバの端面に微小レンズを取り付
   けるに際して、 光ファイバの微小レンズ取り付け側端面を台座に固定す
   ると共に、微小レンズを、この微小レンズの光軸に直角
   な軸を中心に回転できるエアーピンセットに吸引して保
   持し、 この光ファイバの他方の端面から光を入射し、 光ファイバを透過し前記微小レンズ取り付け端面から放
   射される光によるこの端面の影像とこの透過光が更に前
   記微小レンズを透過したときに形成される影像とをそれ
   ぞれ透過光の進行方向から観察することにより前記光フ
   ァイバと微小レンズとの相対的な光軸ずれを検出し、 次いでこのずれ量がゼロとなるように、前記エアーピン
   セットに保持された微小レンズを移動して、光ファイバ
   の光軸と微小レンズの光軸とを合致させることを特徴と
   する微小レンズの取付方法。