JP3569493B2

JP3569493B2 - レンズ面の形成方法および形成装置

Info

Publication number: JP3569493B2
Application number: JP2000391126A
Authority: JP
Inventors: 啓雨徳村; 孝久實野
Original assignee: 日本非球面レンズ株式会社; 孝久實野
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2004-09-22
Anticipated expiration: 2020-12-22
Also published as: JP2002187139A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はレンズ面の形成方法に関し、例えば５〜１０ミクロン程度の細径のコアを持つ光ファイバの端部にレンズ面を形成するレンズ面の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、Ｓｉｎｇｌｅ−Ｍｏｄｅ型（ＳＭ型）のガラス光ファイバが光通信用長距離幹線系に広く利用され、この種の光ファイバを用いた情報ネットワークの構築が目標とされている。ところで、前記ＳＭ型光ファイバは、そのコア径が５〜１０ミクロンと非常に細いものであるため、光ファイバの敷設に際しては、光ファイバを高精度に接続又は分岐する手段が必要である。このような光ファイバを高精度に接続又は分岐するための光ファイバコネクタ１として、例えば、図５に示す構造のものがある。
【０００３】
同図に示す光ファイバコネクタ１は、金属又は樹脂からなる筒状コネクタ本体２の後端に光ファイバ３の端部を配置し、その端部から導出したコア４をコネクタ本体２に挿入してそのコネクタ本体２のコア部位にエポキシ樹脂等の樹脂材５を充填してコア４を埋設する。このコネクタ本体２の前端には、樹脂材５に埋設された光ファイバ３のコア４の前方にある空間部６を介して、所定形状のレンズ面７を有する微小な非球面レンズ８が嵌着され、光ファイバ３のコア先端からの出力光を非球面レンズ８により平行光としている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、図５に示す従来の光ファイバコネクタ１は、光ファイバ３の先端からの出力光を平行光とするために、コネクタ本体２の前端に微小な非球面レンズ８を嵌着させた構造を具備している。光ファイバ３のコア径が５〜１０ミクロンと極小であるため、前記非球面レンズ８には、通常、直径が数ミリ程度のものが使用される。
【０００５】
このように直径が数ミリ程度の極小径の非球面レンズ８をコネクタ本体２に嵌め込もうとした場合、そのコネクタ本体２に挿着された光ファイバ３と非球面レンズ８との光軸合わせが非常に困難で、光軸ずれによる品質、信頼性および歩留まりの低下や製品のコストアップを招来するという問題があった。
【０００６】
この問題点を解消するため、本出願人は、例えば、コア径の小さい光ファイバに適用できる高精度な光ファイバコネクタおよびその製造方法を先に提案した（特開平９−１５４４８号公報）。
【０００７】
この光ファイバコネクタ１１は、図６に示すように金属又は樹脂からなる筒状コネクタ本体１２の後端に光ファイバ１３の端部を配置し、その端部から導出したコア１４をコネクタ本体１２に挿入してそのコネクタ本体１２のコア部位にエポキシ樹脂等の樹脂材１５を充填してコア１４を埋設し、コネクタ本体１２の前端でコアの前方部位に充填された紫外線硬化樹脂材１６でレンズ面１７を一体に形成した構造を有する。
【０００８】
また、その製造方法は、図７（ａ）に示すように細径のコア１４を有する光ファイバ１３の端部から導出したコア１４をコネクタ本体１２に挿入し、そのコア導出端の前方部位に紫外線硬化樹脂材１６を注入・充填した後、レンズ転写面１９を形成した転写体２０を紫外線硬化樹脂材１６の前面に押し当てた状態で、同図（ｂ）に示すように転写体２０を透過させた紫外線ＵＶの照射により紫外線硬化樹脂材１６を硬化させ、前記レンズ転写面１９により紫外線硬化樹脂材１６の前面にレンズ面１７を転写するようにしている。
【０００９】
このようにレンズ面１７を紫外線硬化樹脂材１６によりコネクタ本体１２と一体的に形成するので、レンズ面１７の転写及びコネクタ本体１２との一体化ができてレンズ面１７の形成の簡略化および高精度化、製品の高品質化およびコスト低減化を図ることができる。
【００１０】
しかしながら、前述した製造方法では、コネクタ本体１２の端部に注入・充填された紫外線硬化樹脂材１６の前面にレンズ面１７を形成するため、レンズ転写面１９を形成した転写体２０のような専用治具が必要である。また、その転写体２０を紫外線硬化樹脂材１６の前面に押し当てる作業も必要であり、そのような作業工程が繁雑なものになるという点で改善が望まれていた。
【００１１】
そこで、本発明は前記改善点に鑑みて提案されたもので、その目的とするところは、製品の高精度化、高品質化を図るだけでなく、レンズ面形成の簡略化およびコスト低減化を図ることにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するための技術的手段として、本発明に係るレンズ面の形成方法は、光又は熱硬化性樹脂材をレンズ部材の空間部に注入してその開口部に前記樹脂材をその自重および表面張力により盛り上げてレンズ素面を形成し、そのレンズ素面を透過する光の波面収差を計測しながら、その計測により得られた透過波面に基づいて樹脂材の注入量を制御すると共に前記樹脂材を自重により流動させてレンズ素面の形状を調整することにより最適形状となった前記レンズ素面を形成する樹脂材を光又は熱の付与により硬化させることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係るレンズ面の形成装置は、光又は熱硬化性樹脂材をレンズ部材の空間部に注入してその開口部に前記樹脂材をその自重および表面張力により盛り上げてレンズ素面を形成する樹脂注入器と、前記レンズ部材の開口部前方に対向配置され、光源から出射されて前記レンズ素面を透過する光の波面収差を測定する波面計測器と、その波面計測器から出力される波面収差により得られたレンズ素面の透過波面に基づいて樹脂材の注入量を増減すると共にレンズ部材および波面計測器を姿勢制御する制御器とを具備したことを特徴とする。
【００１４】
本発明では、樹脂注入器により、光又は熱硬化性樹脂材をレンズ部材の空間部に注入してその開口部に前記樹脂材をその自重および表面張力により盛り上げてレンズ素面を形成する。このレンズ素面の形成では、レンズ部材の空間部をその開口部が上方又は下方に向くように配置すればよい。このレンズ素面の形成と共にレンズ素面を透過する光の波面収差を波面計測器により測定する。この波面収差の測定により得られたレンズ面の透過波面に基づいて、制御器により、樹脂材の注入量を増減すると共に、レンズ部材および波面計測器を姿勢制御することにより樹脂材を自重により流動させてレンズ素面の形状を調整して光軸ずれを補正する。
【００１５】
このように、波面収差の計測に基づく樹脂材の注入量の制御とレンズ部材および波面計測器の姿勢制御による光軸ずれの補正で、最適形状となった前記レンズ素面を形成する樹脂材を光又は熱の付与により硬化させることにより、最適なレンズ面が簡便に形成でき、製品のコスト低減が実現容易となる。なお、本発明は、光ファイバコネクタの製造に好適であり、その場合、前記レンズ部材は、光ファイバの端部から導出されたコアを挿入した筒状コネクタ本体となり、そのコア導出端前方に位置する空間部に前記樹脂材を注入することになる。
【００１６】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を以下に詳述する。なお、この実施形態は、光ファイバコネクタの製造に適用し、光ファイバの端部に装着された光ファイバコネクタの前端にレンズ面を形成する場合について説明する。
【００１７】
この実施形態で製作される光ファイバコネクタ２１は、図２に示すような構造を有する。つまり、金属又は樹脂からなる筒状コネクタ本体２２の後端に光ファイバ２３の端部を配置し、その端部から導出されたコア２４をコネクタ本体２２に挿入してそのコネクタ本体２２のコア部位にエポキシ樹脂等の樹脂材２５を充填してコア２４を埋設する。前記コネクタ本体２２の前端には、光ファイバ２３のコア先端面と接合するようにして充填された紫外線硬化樹脂材２６の前面にレンズ面２７を形成し、光ファイバ２３のコア先端からの出力光を図示破線矢印で示すようにレンズ面２７により平行光としている。尚、図中、２８はコネクタ本体２２の外周に一体的に形成された位置決め用フランジである。
【００１８】
この光ファイバコネクタ２１における紫外線硬化樹脂材２６のレンズ面２７は、図１に示す形成装置によって以下の要領でもって製作される。
【００１９】
この形成装置は、コネクタ本体２２をクランプした状態で、例えば鉛直方向に沿って配置する位置決め治具（図示せず）と、前記コネクタ本体２２の下方に配置された波面計測器３２と、その波面計測器３２の出力信号に基づいて制御信号を出力するパーソナルコンピュータ等の制御器３３と、その制御器３３の出力信号によりコネクタ本体２２に紫外線硬化樹脂材２６を注入する樹脂注入器３４とで主要部が構成されている。
【００２０】
前記コネクタ本体２２は、その後端に光ファイバ２３の端部が配置され、その端部から導出されたコア２４を挿入し、そのコア部位にエポキシ樹脂等の樹脂材２５を充填してコア２４を埋設した状態にあり、その開口部を下方に向けた状態で前記位置決め治具により鉛直（上下）方向に沿って固定配置されている。また、樹脂注入器３４としては、マイクロディスペンサ等の専用治具が使用可能である。その樹脂注入器３４によりコネクタ本体２２へ注入される紫外線硬化樹脂材２６は、紫外線の照射により硬化する性質を有すると共に、流動性があって狭小な空間へ注入することができる素材であることを必要とする。なお、樹脂材としては、紫外線硬化樹脂材以外に、他の光硬化性樹脂材や熱硬化性樹脂材も適用可能である。
【００２１】
レンズ素面３１の形成前においては、前記コネクタ本体２２の下端、つまり、コア導出端の下方に位置する空間部２９（図１の紫外線硬化樹脂材２６が注入される前の状態）に、紫外線硬化樹脂材２６を樹脂注入器３４により注入してその開口部に前記樹脂材２６をその自重および表面張力により盛り上げてレンズ素面３１を形成する。
【００２２】
この樹脂材２６の注入は、コネクタ本体２２の開口径が小さく空間部２９が狭隘なものであるため、樹脂材２６が空間部２９から流出することなく、前記樹脂材２６をその自重および表面張力により盛り上げてレンズ素面３１を形成することが可能であり、樹脂材２６の注入量または表面張力などの諸条件を適宜設定すればよい。例えば、注入量または表面張力の大きい樹脂材２６を使用すれば、曲率が大きい凸曲面形状となり、逆に、注入量または表面張力の小さい樹脂材２６を使用すれば、曲率が小さい凸曲面形状となる。
【００２３】
コネクタ本体２２の前端にレンズ素面３１を形成した上で、光源３５により光ファイバ２３を介して樹脂材２６に光を導入し、レンズ素面３１を透過する光の波面収差を波面計測器３２により測定する。その波面計測器３２に接続された制御器３３では、波面計測器３２からの出力信号、つまり、波面収差の測定により得られたレンズ素面３１の透過波面に基づいて樹脂材２６の注入量を制御する。
【００２４】
この樹脂材２６の注入量の制御により、樹脂材２６の自重および表面張力でもってレンズ素面３１が所望の曲率面となった時点で、そのレンズ素面３１を形成する樹脂材２６に紫外線を照射することによりその樹脂材２６を硬化させ、最適形状のレンズ面２７を形成する。これにより、最適なレンズ面２７が簡便に形成でき、製品のコスト低減が実現容易となる。
【００２５】
なお、紫外線の照射により樹脂材２６が硬化する際には、樹脂材２６の重合収縮が発生するため、その重合収縮後のレンズ面２７が最適な形状となるように波面収差をシミュレーションにより予め認知しておく必要がある。また、光ファイバ２３の前端から出射された光が樹脂材２６中を拡散する状態は、その樹脂材２６の軸方向深さ寸法により設定可能となっている。さらに、コネクタ本体２２の開口部の口径や樹脂材２６の材質によっては、制御器３３で樹脂材２６の注入量を制御するだけでなく、樹脂材２６の粘度についても最適なものを選定する必要がある。
【００２６】
波面計測器３２としては、例えば、シャックハルトマン波面計測器を利用することが可能である。このシャックハルトマン波面計測器は、原理的に、多数のマイクロレンズを配置したレンズアレイと、そのレンズアレイの各マイクロレンズによる測定光のそれぞれの結像位置を記録するカメラ等で構成される。マイクロレンズは、測定光線の形状にあわせて空間分解能の高いものやダイナミックレンジの広いものを選定すればよい。このシャックハルトマン波面計測器内のレンズアレイでは、それぞれのマイクロレンズの焦点位置に点像を結び、その出力光（測定光）の結像位置をカメラにより記録する。
【００２７】
ここで、シャックハルトマン波面計測器では、必要とするレンズ面の基準データに基づいてマイクロレンズによる結像位置が予め設定されているので、その基準データによる結像位置と測定光の結像位置との差、つまり、結像位置のずれ（ずれ量とずれ方向）は、波面の傾きに対応していることから波面を測定することができる。
【００２８】
また、光ファイバ２３とレンズ素面３１と間で光軸ずれがある場合、例えば図３（ａ）に示すように理想的なレンズ素面３１の光軸Ｎ（コネクタ本体の軸心）に対して、光ファイバ２３の光軸がずれていると、その光ファイバ２３を透過して樹脂材２６を介してレンズ素面３１から出射される平行光Ｍが理想的なレンズ素面３１の光軸Ｎと角度をなして交差する。その結果、波面計測器３２に斜め方向から入射することになる。
【００２９】
そこで、このように理想的なレンズ素面３１の光軸Ｎに対して光ファイバ２３の光軸がずれている場合には、同図（ｂ）に示すようにコネクタ本体２２および波面計測器３２を光軸Ｎに対して直交するＸＹ方向に姿勢制御することにより、レンズ素面３１を形成する樹脂材２６をその自重により流動させてその形状を調整することができる。このようにすれば、形状が調整されたレンズ素面３１から出射される平行光Ｍが理想的なレンズ素面３１の光軸Ｎと平行となる。レンズ素面３１から出射される平行光Ｍが理想的なレンズ素面３１の光軸Ｎと平行であれば、波面計測器３２に正規の方向から入射することになり、その結果、レンズ素面３１の透過波面の測定に際して、レンズ素面３１の形状を調整して光軸ずれを補正することができる。
【００３０】
なお、この実施形態では、コネクタ本体２２が微小な寸法形状のものであり、かつ、樹脂材２６の表面張力があるため、コネクタ本体２２の前端、つまり開口部を下向きにした状態で、樹脂材２６をコネクタ本体２２の前端内の空間部２９に注入していたが、コネクタ本体２２の前端にある開口部を上向きにした状態であっても、樹脂材２６の注入が可能である。この場合、コネクタ本体２２の前端を下向きにした場合は、樹脂材２６のレンズ素面３１が、コネクタ本体２２の前端にある開口部を上向きにした場合よりも、その自重により曲率が大きい凸面形状となる。したがって、曲率が大きい凸面形状のレンズ素面３１を形成する場合には、コネクタ本体２２の前端にある開口部を下向きにした状態で樹脂材２６を注入する手法が好適である。
【００３１】
なお、以上の実施形態では、光ファイバコネクタ２１の製造において、コネクタ本体２２の前端にレンズ面を形成する場合について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、光ファイバコネクタ以外の光学素子として、レンズ面を形成することも可能であり、光学レンズのみを製造する場合には、図４に示すようにリング状部材３６の内部に樹脂材２６を注入することにより、リング状部材３６の下方開口部にレンズ素面３１を自重および表面張力でもって形成し、図１に示す実施形態の場合と同様、透過光による波面収差を波面計測器３２により測定しながら、前記レンズ素面３１を最適な形状に制御することが可能である。
【００３２】
【発明の効果】
本発明によれば、光又は熱硬化性樹脂材をレンズ部材の空間部に注入してその開口部に前記樹脂材をその自重および表面張力により盛り上げてレンズ素面を形成し、そのレンズ素面を透過する光の波面収差を計測しながら、その計測により得られた透過波面に基づいて樹脂材の注入量を制御すると共に前記樹脂材を自重により流動させてレンズ素面の形状を調整することにより最適形状となった前記レンズ素面を形成する樹脂材を光又は熱の付与により硬化させることにより、最適なレンズ面が簡便に形成でき、製品のコスト低減が実現容易となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態を説明するためのもので、光ファイバコネクタの製造に適用したレンズ面の形成装置を示す概略構成図である。
【図２】本発明の形成方法により製作された光ファイバコネクタを示す断面図である。
【図３】本発明方法によりレンズ面を形成するに際して、光ファイバとレンズ面との光軸ずれを補正する手段を示し、（ａ）は光ファイバと理想的なレンズ面との間に光軸ずれがある状態を示し、（ｂ）はその光軸ずれを補正した状態を示す概略構成図である。
【図４】本発明の他の実施形態を説明するためのもので、光学レンズの製造に適用したレンズ面の形成装置を示す概略構成図である。
【図５】光ファイバコネクタの従来例を示す断面図である。
【図６】本出願人が先に提案した光ファイバコネクタを示す断面図である。
【図７】本出願人が先に提案した光ファイバコネクタの製造方法を説明するためのもので、（ａ）はコネクタ本体に紫外線硬化樹脂材を充填した状態を示す断面図、（ｂ）は転写体により紫外線硬化樹脂材の前面にレンズ面を転写する状態を示す断面図である。
【符号の説明】
２２レンズ部材（筒状コネクタ本体）
２３光ファイバ
２４コア
２６光又は熱硬化性樹脂材（紫外線硬化樹脂材）
２７レンズ面
２９空間部
３１レンズ素面
３２波面計測器
３３制御器
３４樹脂注入器

Claims

光又は熱硬化性樹脂材をレンズ部材の空間部に注入してその開口部に前記樹脂材をその自重および表面張力により盛り上げてレンズ素面を形成し、そのレンズ素面を透過する光の波面収差を計測しながら、その計測により得られた透過波面に基づいて樹脂材の注入量を制御すると共に前記樹脂材を自重により流動させてレンズ素面の形状を調整することにより最適形状となった前記レンズ素面を形成する樹脂材を光又は熱の付与により硬化させることを特徴とするレンズ面の形成方法。
前記レンズ部材は、光ファイバの端部から導出されたコアを挿入した筒状コネクタ本体であり、そのコア導出端前方に位置する空間部に前記樹脂材を注入することを特徴とする請求項１記載のレンズ面の形成方法。
光又は熱硬化性樹脂材をレンズ部材の空間部に注入してその開口部に前記樹脂材をその自重および表面張力により盛り上げてレンズ素面を形成する樹脂注入器と、前記レンズ部材の開口部前方に対向配置され、光源から出射されて前記レンズ素面を透過する光の波面収差を測定する波面計測器と、その波面計測器から出力される波面収差により得られたレンズ素面の透過波面に基づいて樹脂材の注入量を増減すると共にレンズ部材および波面計測器を姿勢制御する制御器とを具備したことを特徴とするレンズ面の形成装置。
前記レンズ部材は、光ファイバの端部から導出されたコアを挿入した筒状コネクタ本体であり、そのコア導出端前方に位置する空間部に前記樹脂材を注入することを特徴とする請求項３記載のレンズ面の形成装置。