JP3591012B2 - Optical system alignment method - Google Patents
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Description
【0001】
【産業上の利用分野】
本発明は光学系の調芯方法に関する。より詳細には、本発明は、光モジュールの光学系等の組立において、レンズ等の小型光学素子や光ファイバ等の光学部品あるいは半導体レーザ等の光素子の光軸を相互に一致させるための新規な調整方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
多くの分野で光信号の利用が拡大している。しかしながら、現状では、各種の信号処理は電気信号に変換して行われている。従って、光システムでは随所で電気/光変換器が使用されることになる。そこで、システムの構築を容易にするために、光信号の伝送媒体として代表的な光ファイバと電気/光変換素子としての発光素子とを一体にして構成された発光素子モジュールが広く利用されている。この種の発光素子モジュールでは、発光素子と光ファイバとの間に、発光素子の放射光を収束させて効率良く光ファイバに結合するために、レンズ、アイソレータ等の光学素子からなる光学系が配置されている。
【0003】
上述のような発光素子モジュールにおいては、発光素子の発生する限られた光パワーをできる限り効率良く光ファイバに結合することが求められる。一方、多くの光学部品は、入射光に対するその物理的な位置関係により結合効率あるいは透過効率等が変化する。従って、発光素子モジュールの性能は、各部材の個々の特性もさることながら、組立て時の部品相互の位置決めに大きく左右される。
【0004】
光モジュールにおけるこの種の光学部品の位置調整は、例えば、『光結合系の基礎と応用(現代光学社)』第98頁に記載されているように、以下のように行われる。まず、発光素子を動作させながら、その直後に配置されるレンズと光ファイバとの位置をそれぞれ調整し、光ファイバに結合される光パワーが最大になる位置でまずレンズを固定する。次に、この発光素子と光学系とから構成される組立体に対して光ファイバの位置を調整して固定する。尚、実際には、光ファイバ先端の位置決めについても改めて同様な調整作業が行われる。
【0005】
また、光学部品の位置調整の他の方法として、別途用意した標準光ファイバを用いる方法もある。この方法では、標準光ファイバと光学部品とを理想的な位置関係で相互に固定して組立体を構成した後、この組立体に結合される光パワーが最大になるように、発光素子と組立体の位置関係を調整して最適位置を得る。
【0006】
更に実用的な他の方法として、光モジュールを構成する各部材の機械的な精度を向上させることにより光モジュールの製造を無調整で行う方法もある。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
前述のような光学部品の固定においては10μm以下のオーダの精度が要求されるので、その位置決めは、実際には非常に時間のかかる作業であり、その作業を行う者には熟練が要求される。また、基本的に、光ファイバを用いる調整では、光ファイバがシングルモードタイプの場合はやはり10μm以下の精度が要求される。その点、高精度部品を使用した無調整の発光素子モジュールは、組立て自体は容易で作業性は高いが、そのために使用する部品の製造に要求される精度が高くなるので全工程を通じては必ずしも生産性は向上されない。
【0008】
そこで、本発明は、上記従来技術の問題点を解決し、より作業効率が高く、容易且つ確実にレンズの位置決めを行うことができる新規な調芯方法を提供することをその目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
即ち、本発明に従うと、発光素子と、該発光素子の放射光を透過させる集光系光学部品との相対的な位置決めを行う方法であって、該集光系光学部品を介して該発光素子の発光領域を撮影する撮像手段と、該集光系光学部品と該撮像手段との間に配置され該発光素子から該光学部品を介して出射された光ビームをコリメート光に変化させる光学部品とを用い、該撮像手段により表示手段上に表示される映像が該表示手段の所定の位置に表示されるように該相対位置を調節することにより前記発光素子の放射光軸に直角な方向の調芯を行い、次いで、該映像が最も小さくなるように該相対位置を調節することにより該発光素子の放射光軸方向の調芯を行うことを特徴とする光学系の調芯方法が提供される。
【0010】
【作用】
本発明に係る調芯方法は、その位置を調整すべき集光系光学部品を介して発光素子の放射光のパターンを観察しながら調整するという点にその主要な特徴がある。
【0011】
即ち、発光素子の放射光がレンズ等の集光系光学部品を通過すると、同心円状の輝線を含む所定のパターンを形成する。このパターンの像は、発光素子と光学部品との相対位置によって形状並びに大きさが変化するので、CCDカメラ等の撮像手段で観察することにより、発光素子と光学部品との相対位置の変化を知ることができる。更に、一般に、撮像手段は観察対象を拡大して撮影する光学系を備えているので、微細な素子または部品を対象とする調芯作業を容易且つ確実に行うことができる。
【0012】
更に、発光素子と固定すべきレンズの相対位置が最適になったときに得られる映像パターンの形状、寸法、表示手段上の位置等を記録しておいて次の調整作業時に記録しておいたパターンを参照することにより、特に熟練していない者が作業しても熟練者と同等の精度で調整を行うことができる。
【0013】
以下、図面を参照して本発明をより具体的に説明するが、以下の開示は本発明の一実施例に過ぎず、本発明の技術的範囲を何ら限定するものではない。
【0014】
【実施例】
図1は、本発明に係る調芯方法を実施する際の機材の構成を模式的に示す図である。
【0015】
同図に示すように、この装置は、台座上に固定された発光素子1に対して、調芯すべき被調整レンズ2を把持するチャック4と、レンズ2と共にチャック4に把持されている観察用レンズ3と、被調整レンズ2および観察用レンズ3を介して発光素子1の発光面を観察することができるCCDカメラ5と、CCDカメラ5が撮影した光ビームのパターンを映像化して表示するCRTモニタ6とから主に構成されている。但し、被調整レンズ2と観察用レンズ3とは、いずれもチャック4から個別に開放することができる。尚、発光素子1は、X、Y、Zの各方向に移動できるステージに固定されている。
【0016】
以上のように構成された装置を用いて発光素子1に対してレンズ2を位置決めする際の手順を説明する。なお、ここで行う調整は、レンズ2による結像系での物点が、発光素子1の発光部に一致するように位置決めすることを目的としている。
【0017】
本実施例では観察用レンズ3としてコリメートレンズを使用し、まず、被調整レンズ2と発光素子1との位置関係が設計値になったときにコリメート光が形成されるように、観察用レンズ3と被調整レンズ2との相対位置を決め、この相対位置を維持しつつチャック4によりこれらのレンズを固定する。尚、ここでの相対位置の位置決めはチャック4の機械的精度を頼りに行っているが、一般的なこの種の装置はこの段階での調整には充分な機械的精度を有している。
【0018】
図2は、以下の作業を行う発光素子との相対位置の調整に際してモニタ上に表される像を示す図である。
【0019】
各図中に示すように、このときモニタ上に現れる像は、光ビームそのものにより形成される明るい円形の像と、この円形の像の端部近傍の内外に形成される同心円状の複数の干渉縞とから形成された、全体としても円形の像である。
【0020】
モニタ上に上述のような像が現ると、まず、発光素子1の放射光軸と被調整レンズ2との光学軸が一致するように発光素子1を水平に移動させる。このとき、予め調べてあるモニタ上の特定の位置へ画像の中心が一致するように調芯を行うことが好ましい。
【0021】
次に、被調整レンズ2および観察用レンズ3からなる光学系と発光素子1との間の間隔を調整する。即ち、まず、モニタ6の画面上の画像7が、コリメート光を撮影したときに得られる画像と同じに、光ビーム8が一番絞られて高輝度な領域の外径が最も小さくなるように光学系の位置を調節する。
【0022】
より詳細には、発光素子1と被調整レンズ2との距離xが最適距離aよりも小さいとき、レンズ3から出射される光ビーム8は発散するので、図2(a) に示すように、モニタ上の像7は大きくなる。次いで、距離xを除々に大きくすると、光ビーム8は除々に絞られ、図2(b) に示すように、最適距離aと一致したときに最も小さくなる。更に、距離xが、最適距離aよりも大きくなると、レンズ3から出射される光ビーム8はカメラ5よりも手前に集束されることになるので、図2(c) に示すように、モニタ6上に表示される像7は再び大きくなる。
【0023】
上述のようにして被調整レンズ2が最適位置へ位置決めされたら、その位置で被調整レンズ2のみを発光素子と共通の基板等に固定した後、被調整レンズ2をチャック4から開放して調芯作業は終了する。
【0024】
従来の光ファイバを用いた調芯方法を実施した場合に1個の調芯に30分以上掛かっていたのに対して、以上述べたような本発明に係る一連の調芯作業は10分程度で終了した。
【0025】
また、実際の作業では調芯後に光調整レンズ2を固定しなければならない。この点から考えると、本発明に係る方法では、レンズ2とカメラ5との間隔を十分に大きくとることができるので、半田あるいはYAGレーザ溶接等の信頼性の高い固定方法を自由に選択して実施することができる。この点、顕微鏡等の拡大光学系に頼った方法では、精度を高くするために倍率の高い光学系を使用した場合に、被調整レンズと拡大光学系の対物レンズとの距離が非常に短くなる。このため、この種の方法では、調整の精度を上げると却って樹脂固定等の信頼性の低い固定方法で被調整レンズの固定しなければならなくなる。
【0026】
尚、本実施例では、発光素子とレンズとの調芯作業を例に挙げて説明したが、例えば、他端から光を注入したり、別途用意した光源からの光ビームを利用することにより、光ファイバとレンズあるいはレンズ同士等のように、それ自体は発光しない光学部品の調芯にも本願発明の調芯方法を適用することができる。
【0027】
また、上記の説明では、光調整レンズ2による結像系での物点と発光素子とが一致するように調整する場合について説明したが、観察用レンズ3として特性の異なるレンズを使用したり、参照する観察パターンを変更することにより、任意の位置関係で光学部品の位置決めを行うことができる。
【0028】
更に、前記のような一連の手順で最適位置に調節されたときに得られた観察画像を記録しておき、この画像をリファレンスとして用いることにより、熟練していない作業者でも熟練者と同等の精度の調芯を行うことができる他、調芯作業の自動化にも応用できる。
【0029】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明に係る調芯方法によれば、発光素子に対するレンズの位置決めを容易且つ短時間で行うことができる。また、本発明に係る方法は、熟練していない作業者でも精度の高い調整を行うことができるので、人員の確保も容易である。従って、本発明により、光モジュールの生産性は著しく改善される。
【0030】
更に、本発明に係る方法では、調芯の対象となるレンズと撮像手段との間隔を調芯精度を維持しつつ十分に広くとることができるので、半田やYAGレーザ溶接等の適切な固定方法を任意に選択して実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る方法を実施する際の機材の構成を模式的に示す図である。
【図2】本発明に係る方法を実施する際の作業を説明するための図である。
【符号の説明】
1・・・発光素子、
2・・・被調整レンズ、
3・・・観察用レンズ、
4・・・チャック、
5・・・カメラ、
6・・・モニタ、
7・・・高輝度画像、
8・・・光ビーム[0001]
[Industrial applications]
The present invention relates to an optical system centering method. More specifically, the present invention relates to a novel method for aligning the optical axes of small optical elements such as lenses, optical components such as optical fibers, and optical elements such as semiconductor lasers in assembling the optical system of an optical module. Adjustment method.
[0002]
[Prior art]
The use of optical signals is expanding in many fields. However, at present, various kinds of signal processing are performed by converting them into electric signals. Therefore, the electrical / optical converter is used everywhere in the optical system. Therefore, in order to facilitate the construction of a system, a light-emitting element module in which a typical optical fiber as a transmission medium of an optical signal and a light-emitting element as an electric / optical conversion element are integrated is widely used. . In this type of light emitting element module, an optical system including optical elements such as a lens and an isolator is arranged between the light emitting element and the optical fiber in order to converge the light emitted from the light emitting element and efficiently couple the light to the optical fiber. Have been.
[0003]
In the light emitting element module as described above, it is required to couple the limited optical power generated by the light emitting element to the optical fiber as efficiently as possible. On the other hand, coupling efficiency or transmission efficiency of many optical components changes depending on the physical positional relationship with respect to incident light. Therefore, the performance of the light-emitting element module largely depends on the positioning of the parts during assembly, not to mention the individual characteristics of each member.
[0004]
The position adjustment of this kind of optical component in the optical module is performed as follows, for example, as described in “Basics and Application of Optical Coupling System (Hyundai Kogaku)”, page 98. First, while operating the light emitting element, the positions of the lens and the optical fiber disposed immediately thereafter are adjusted, and the lens is first fixed at a position where the optical power coupled to the optical fiber becomes maximum. Next, the position of the optical fiber is adjusted and fixed to the assembly including the light emitting element and the optical system. Actually, a similar adjustment operation is performed again for the positioning of the tip of the optical fiber.
[0005]
As another method of adjusting the position of the optical component, there is a method using a standard optical fiber prepared separately. In this method, a standard optical fiber and an optical component are fixed to each other in an ideal positional relationship to form an assembly, and then assembled with a light emitting element so that the optical power coupled to the assembly is maximized. Adjust the three-dimensional positional relationship to obtain the optimal position.
[0006]
As another more practical method, there is a method in which the optical module is manufactured without adjustment by improving the mechanical accuracy of each member constituting the optical module.
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
In order to fix optical components as described above, an accuracy of the order of 10 μm or less is required. Therefore, the positioning is actually a very time-consuming operation, and the person performing the operation requires skill. . Basically, adjustment using an optical fiber also requires an accuracy of 10 μm or less when the optical fiber is a single mode type. On the other hand, non-adjustable light-emitting element modules using high-precision parts are easy to assemble and have high workability. The performance is not improved.
[0008]
Accordingly, it is an object of the present invention to solve the above-mentioned problems of the conventional art and to provide a new centering method capable of easily and reliably positioning a lens with higher working efficiency.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
That is, according to the present invention, there is provided a method of performing relative positioning between a light-emitting element and a light-collecting optical component that transmits light emitted from the light-emitting element, wherein the light-emitting element is disposed via the light-collecting optical element. Imaging means for photographing the light-emitting area of the light-emitting element, and an optical component disposed between the light-collecting system optical component and the imaging means for changing a light beam emitted from the light-emitting element through the optical component to collimated light; And adjusting the relative position so that the image displayed on the display means by the imaging means is displayed at a predetermined position on the display means, thereby adjusting the direction perpendicular to the emission optical axis of the light emitting element. Centering, and then adjusting the relative position so that the image is minimized, thereby aligning the light emitting element in the direction of the emission light axis. .
[0010]
[Action]
The main feature of the alignment method according to the present invention is that the alignment is performed while observing the pattern of the radiated light of the light emitting element via the light-collecting optical component whose position is to be adjusted.
[0011]
That is, when the radiated light of the light emitting element passes through the condensing optical components such as a lens, a predetermined pattern including concentric bright lines is formed. Since the shape and size of this pattern image change depending on the relative position between the light emitting element and the optical component, the change in the relative position between the light emitting element and the optical component can be determined by observing the image with an imaging means such as a CCD camera. be able to. Further, in general, since the imaging means is provided with an optical system for enlarging and photographing the observation target, the centering operation for fine elements or components can be easily and reliably performed.
[0012]
Further, the shape, size, position on the display means, etc. of the image pattern obtained when the relative position between the light emitting element and the lens to be fixed was optimized were recorded at the time of the next adjustment work. By referring to the pattern, the adjustment can be performed with the same accuracy as that of a skilled person even if a person who is not particularly skilled works.
[0013]
Hereinafter, the present invention will be described more specifically with reference to the drawings. However, the following disclosure is merely an example of the present invention, and does not limit the technical scope of the present invention.
[0014]
【Example】
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of equipment when the centering method according to the present invention is performed.
[0015]
As shown in FIG. 1, the apparatus includes a chuck 4 for gripping an
[0016]
A procedure for positioning the
[0017]
In this embodiment, a collimating lens is used as the observation lens 3. First, the observation lens 3 is formed so that the collimated light is formed when the positional relationship between the
[0018]
FIG. 2 is a diagram showing an image displayed on a monitor when adjusting a relative position with respect to a light emitting element for performing the following operation.
[0019]
As shown in each figure, the image appearing on the monitor at this time is composed of a bright circular image formed by the light beam itself and a plurality of concentric interference images formed inside and outside near the end of the circular image. This is a circular image as a whole formed from stripes.
[0020]
When the image as described above appears on the monitor, first, the light emitting element 1 is moved horizontally so that the emission optical axis of the light emitting element 1 and the optical axis of the
[0021]
Next, the distance between the light emitting element 1 and the optical system including the lens to be adjusted 2 and the observation lens 3 is adjusted. That is, first, the image 7 on the screen of the monitor 6 is set so that the light beam 8 is most narrowed and the outer diameter of the high-brightness area is the same as the image obtained when the collimated light is captured. Adjust the position of the optical system.
[0022]
More specifically, when the distance x between the light emitting element 1 and the lens to be adjusted 2 is smaller than the optimum distance a, the light beam 8 emitted from the lens 3 diverges, as shown in FIG. The image 7 on the monitor becomes large. Next, when the distance x is gradually increased, the light beam 8 is gradually narrowed, and becomes the smallest when it coincides with the optimum distance a as shown in FIG. Further, when the distance x is larger than the optimum distance a, the light beam 8 emitted from the lens 3 is focused before the
[0023]
When the lens to be adjusted 2 is positioned at the optimum position as described above, only the lens to be adjusted 2 is fixed to a common substrate with the light emitting element at that position, and then the
[0024]
In contrast to the conventional alignment method using an optical fiber, which took 30 minutes or more for one alignment, a series of alignment operations according to the present invention as described above took about 10 minutes. Ended with
[0025]
In actual work, the
[0026]
In the present embodiment, the alignment operation between the light emitting element and the lens has been described as an example.However, for example, by injecting light from the other end or by using a light beam from a separately prepared light source, The alignment method of the present invention can also be applied to alignment of an optical component which does not emit light itself, such as an optical fiber and a lens or between lenses.
[0027]
In the above description, the case where the object point in the imaging system by the
[0028]
Further, an observation image obtained when the position is adjusted to the optimum position in the series of procedures as described above is recorded, and by using this image as a reference, even an unskilled worker has the same quality as an expert. In addition to performing accurate alignment, it can also be applied to automation of alignment work.
[0029]
【The invention's effect】
As described above in detail, according to the alignment method according to the present invention, the positioning of the lens with respect to the light emitting element can be performed easily and in a short time. In addition, the method according to the present invention can perform highly accurate adjustment even by an unskilled worker, so that it is easy to secure personnel. Therefore, according to the present invention, the productivity of the optical module is significantly improved.
[0030]
Furthermore, in the method according to the present invention, the distance between the lens to be aligned and the image pickup means can be made sufficiently wide while maintaining the alignment accuracy, so that an appropriate fixing method such as soldering or YAG laser welding can be used. Can be arbitrarily selected.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram schematically showing a configuration of equipment when a method according to the present invention is performed.
FIG. 2 is a diagram for explaining an operation when performing a method according to the present invention.
[Explanation of symbols]
1 ... light-emitting element,
2. Adjustable lens
3 ... observation lens,
4 ... Chuck,
5 ... camera,
6 monitor
7 ... high brightness image,
8 ... Light beam
Claims (4)
該集光系光学部品を介して該発光素子の発光領域を撮影する撮像手段と、該集光系光学部品と該撮像手段との間に配置され該発光素子から該光学部品を介して出射された光ビームをコリメート光に変化させる光学部品とを用い、
該撮像手段により表示手段上に表示される映像が該表示手段の所定の位置に表示されるように該相対位置を調節することにより前記発光素子の放射光軸に直角な方向の調芯を行い、次いで、該映像が最も小さくなるように該相対位置を調節することにより該発光素子の放射光軸方向の調芯を行うことを特徴とする光学系の調芯方法。A method for performing relative positioning between a light emitting element and a light collecting system optical component that transmits emitted light of the light emitting element,
Imaging means for photographing the light-emitting region of the light-emitting element through the light-collecting system optical component; and light emitted from the light-emitting element via the optical component disposed between the light-collecting system optical component and the imaging means. Using an optical component that changes the light beam into collimated light ,
By adjusting the relative position so that the image displayed on the display means by the imaging means is displayed at a predetermined position on the display means, the alignment in the direction perpendicular to the emission optical axis of the light emitting element is performed. And adjusting the relative position of the light emitting element in the direction of the emission light axis by adjusting the relative position so that the image is minimized.
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