JP3908178B2

JP3908178B2 - 光モジュールの調整装置

Info

Publication number: JP3908178B2
Application number: JP2003028788A
Authority: JP
Inventors: 昌▲照▼ 岩本; 康弘市原; 隆司塩谷
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2007-04-25
Anticipated expiration: 2023-02-05
Also published as: JP2004240133A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、レンズ調整を必要とする光モジュール、例えば、レーザダイオードモジュール（ＬＤモジュール）等に対して、パッシブによる光モジュールの調整方法及び調整装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図２１はＬＤモジュールの構成図である。図２１（ａ）に示すように、ＬＤモジュールは、ＬＤ素子２が収容されたＬＤ−ＰＫＧ４、レンズ６を支持するレンズホルダ８、スリーブ１０及びファイバ１２を支持するフェルール１４から構成される。図２１（ｂ）に示すように、レンズホルダ８の底面がＬＤ−ＰＫＧ４の上面に固定されている。スリーブ１０の底面がレンズホルダ８の上面に固定されている。フェルール１４がスリーブ１０に挿入されて固定される。レンズ６は、ＬＤ素子２からの出射光を集光して、ファイバ１２へ結合させる。モジュールの調整方法は、▲１▼ＬＤ−ＰＫＧ４−レンズ６の調整、▲２▼ファイバ１２の調整の２ステップある。ＬＤ−ＰＫＧ４−レンズ６調整では、ＬＤ−ＰＫＧ４に対してレンズ６を所定の位置へ調整する。ファイバ１２の調整では、レンズ６で集光されたＬＤビームを三次元的に探索し、光出力のピーク位置へ収束させている。ここで、ＬＤ−ＰＫＧ４−レンズ６調整における精度が悪いと、ＬＤ出射光収束位置のバラツキが大きくなり、その結果ファイバ調整時間が増大し、また、ファイバ結合ロスや、ＬＤ素子２への戻り光による影響も懸念されるため、高精度なレンズ調整が要求されている。以下、従来のレンズ調整方法について説明する。レンズ調整方法の例として、実際にＬＤ素子２を発光させて調整するアクティブアライメント法について説明する。
【０００３】
図２２はレンズ調整装置の構成図である。
【０００４】
▲１▼ ＬＤ−ＰＫＧ４をＬＤ固定治具２１にセットする。
【０００５】
▲２▼ ＬＤ素子２の電極をＤＣ電源に接続して作動させる。
【０００６】
▲３▼ ＬＤ−ＰＫＧ４傾き補正
Ｚ軸ステージ２６Ｚを移動して、赤外線カメラ（カメラと略す）２４を光軸方向へ一定量移動させ、移動前後にカメラ２４により撮像されるＬＤ出射光のスポットの三次元位置情報からカメラ軸に対する出射光の傾きを算出する。撮像されるスポットが撮像画像の原点に来るように、ＬＤＸ軸ゴニオステージ，ＬＤＹ軸ゴニオステージ２０ＸＹをＸＹ方向に煽り、傾きを補正する。
【０００７】
▲４▼ レンズ６をＬＤ−ＰＫＧ４上に載せて、レンズ固定治具２２によりレンズ６をチャックする。
【０００８】
▲５▼ レンズ調整
Ｘ軸，Ｙ軸ステージ２６Ｘ，２６Ｙを移動させて、カメラ２４を所定位置に移動させる。カメラ２４の焦点をＬＤ出射光のレンズ６による集光スポットに合わせる。カメラ２４を光軸方向へ一定量移動させて、移動前後のＬＤ出射光の２点の三次元位置情報を得る。設定角度になるまでＬＤ−ＰＫＧ４をＸＹ方向にシフトさせる。
【０００９】
▲６▼ ＬＤ−ＰＫＧ４とレンズホルダ８を溶接固定させる。
【００１０】
また、従来、先行技術文献としては、以下の特許文献１〜３があった。
【００１１】
特許文献１は、半導体レーザ（ＬＤ）素子をマウント（基板）へ位置合わせする際に、測定対象物への投光手段として同軸落射光源を内蔵したＣＣＤカメラを使用することを開示している。
【００１２】
特許文献２は、レンズの反射像を利用し、レンズ製造工程に起因するレンズ光軸と機械軸との偏心を測定することを開示している。
【００１３】
特許文献３は、ファインダー光学系と視線検出光学系との光軸を簡単な構成で高精度に位置合わせをすることを開示している。
【００１４】
【特許文献１】
特開平１１−１４９０１９号公報
【００１５】
【特許文献２】
特開平１１−２１１６１１号公報
【００１６】
【特許文献３】
特開平６−１３８３６９号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のアクティブアライメント法によるレンズ調整では以下の問題点があった。
【００１８】
（１）設備が高価
光通信分野で使用するＬＤは赤外光であるため、赤外光を撮像できるカメラを使用しなけれならないが、赤外撮像用カメラは高価でサイズが大きい。また、アクティブであるため、ＬＤ駆動用のＤＣ電源も必要となりコストが高くなる。このように、コスト面、設置スペースの面で制約される。
【００１９】
（２）ビーム重心位置測定時の誤差
一般に、カメラ２４により２０〜３０°の角度でＬＤ素子２からの出射光を撮像したビームの断面強度分布はガウス分布である。ＬＤ素子２の出射光集光位置とカメラ２４の焦点位置との距離（スパン）を長くすると、ビームスポットの面積が広がるが輪郭が不明瞭となる。また、ガウス分布をせずに、複数のピークを持つレーザ光もあり、その重心位置と実際のＬＤ光軸とに少なからず誤差が発生する。
【００２０】
（３）ＬＤ光軸測定時の誤差
集光光学系を成すＬＤモジュールの場合、レンズ６を通ったビームは集光系であり、小型モジュール程、焦点距離が短いため集光角度が大きくなる。また、ＬＤ単体においてもビーム発散角が上述したように通常２０〜３０°程度と大きい。そのため、ビーム角度を測定する際、精度を得るためにはある程度のスパンを必要とするが、スパンを大きくとるとビームの輪郭が不明瞭になることから、精度が得られない。
【００２１】
（４）ビーム収束位置の探索機能が必要
光ビームの収束位置はレンズの把持位置の誤差に影響され、カメラの実視野からビームがはずれることがあるため、ビーム収束位置の探索機能が必要となる。また、ビーム角度測定の際、所定の角度になるまでレンズシフトを繰り返す必要がある。これにより調整時間が増大する。
【００２２】
また、文献１は、測定対象がＬＤ素子及び基板のパターンであることから、レンズや光ファイバの調整に適用することができず、本願の課題を解決することはできない。
【００２３】
文献２は、レンズ製造工程に起因するレンズ光軸と機械軸との偏心を測定するものであり、本願発明のように光モジュールのアセンブリ工程に関するものでないため、アセンブリ工程におけるレンズや光ファイバの調整に適用することができず、本願の課題を解決することはできない。
【００２４】
文献３は、角膜の曲率中心を受光レンズの光軸に軸対象に配置した２つのＬＤを利用して測定しており、さらに光軸と直交する面内の位置情報しか測定しておらず、カメラに内蔵した同軸落射照明のみの照明でレンズ第一面の曲率中心の３次元情報を取得することができず、本願の課題を解決することはできない。
【００２５】
本発明は、上記課題を鑑みてなされたものであり、パッシブレンズ調整方法により、コストの低減化、装置スペースの縮小化、調整時間の短縮化を図ることのできる光モジュールの調整方法及び調整装置を提供することを目的とする。
【００２６】
【課題を解決するための手段】
本発明の一側面によれば、発光素子を収容したパッケージと当該パッケージ上にレンズを支持するレンズホルダとを有する光モジュールの調整装置において、照明光源の出射光をカメラ鏡筒に導くライトガイドと当該ライトガイドによりカメラ鏡筒に導かれた光を上方から照射する光学系とを含むカメラと、前記パッケージを支持する素子固定冶具を水平方向に移動するステージと、前記光学系により上方から前記レンズに照射したとき、前記素子固定冶具により支持された前記パッケージの上面に載置された前記レンズホルダに収容された前記レンズの第一凸面及び第ニ凸面による前記ライトガイドの端面を含む開口絞り部の第一及び第ニ像の撮像画像に基づく第一及び第二重心座標並びに前記第一及び第二像の光路差に基づいて、前記第一及び第二凸面の曲率半径の中心を結ぶレンズ光軸の垂直方向からの傾きを算出するレンズ傾き算出部と、前記傾き、前記第一又は第二重心座標並びに前記第一凸面の曲率半径に基づいて、前記レンズ光軸を算出するレンズ光軸算出部と、前記レンズ光軸に基づいて、前記発光素子の発光部が前記レンズ光軸を通過するように、前記ステージを制御して、前記発光素子を移動するレンズ傾き補正部とを具備したことを特徴とする光モジュールの調整装置が提供される。
【００２７】
好ましくは、前記レンズ光軸に基づいて、前記発光素子の発光部が前記レンズ光軸から一定距離離間するように、前記ステージを制御して、前記発光素子を移動するオフセット補正部を更に具備する。
【００２８】
更に、好ましくは、前記ライトガイドの端面の重心を含む領域に前記照明光源からの出射光を遮断する遮光マスクを設ける。
【００２９】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明をする前に本発明の原理の説明をする。図１はレンズ傾き算出方法を示す図である。図２及び図３はレンズ光軸の位置情報算出方法を示す図である。図１中の左上及び右上はレンズ５０の垂直方向の断面画を示し、左下はレンズ５０の上面図を示す。図１及び図２に示すレンズ５０は、図２２と同様に、素子固定治具に支持されたＬＤ−ＰＫＧの上面に載置されたレンズホルダに支持される。このとき、レンズ５０が水平面から傾くことにより、レンズ光軸８２がカメラ軸６７に一致せずに傾くことがある。そこで、レンズ５０の傾きを以下のようにして算出する。
【００３０】
図２に示すように、カメラ鏡筒６２に同軸照明（カメラ軸６７に平行に通過する照明光による照明）を導入して、カメラ対物レンズ６４を通して、レンズ５０に照射する。レンズ５０は、第一面７０及び第ニ面７２により、ＬＤ−ＰＫＧに収容された発光素子からの光を集光する。ここで、第一面７０及び第二面７２が凸球面であるとしている。同軸落射照明をレンズ５０に照射すると、レンズ５０付近において２つの像が結像する。カメラ鏡筒６２に照明光源からの照明光を導くライトガイドの端面の像が結像したものである。
【００３１】
一方は、レンズ第一面７０による結像（第一像）７４である。対物レンズ６４から入射する照明の周辺光線は、照明光軸（Ｚ軸）６７を中心軸として、対物レンズ６４のＮＡで規定される入射角θ（θ＝arcsin（ＮＡ／ｎ），ｎ：対物レンズ６４と被撮像物間の媒質の屈折率）で第１面７０の第一面曲率中心７８に向かう。第一像７４は、第一面７０が反射鏡として作用した結果結像したものである。よって、結像位置は、曲率中心７８から第一面７０の曲率半径の１／２である。他方は、レンズ第一面７０を透過した照明光線がレンズ第ニ面７２で反射し、その後結像した像（第二像７６）である。第二像７６は第一像７４に対して倒立像である。
【００３２】
そこで、まず、同軸落射照明をレンズ５０に照射した状態で、カメラ対物レンズ６４の焦点を第一像７４に合わせて、第一像７４を撮像する。例えば、図１に示すように、第一像７４の形状が円であるとする。第一像７４の重心（Ｘ１，Ｙ１）を撮像画像により求める。次に、同軸落射照明をレンズ５０に照射した状態で、カメラ対物レンズ６４の焦点を第二像７６に合わせて、第二像７６を撮像する。例えば、図１に示すように、第二像７６の形状は第一像７４と同様に円であるとする。第二像７６の重心（Ｘ２，Ｙ２）を撮像画像により求める。これらの２つの像に対し、図１中の左下の図に示すように、重心のＸ座標の差δｘ（＝Ｘ１−Ｘ２），重心のＹ座標の差δＹ（＝Ｙ１−Ｙ２）、図１中の右上に示すように、第一像７４から第二像７６までの光路長をδＺとすると、レンズ５０のＸ軸に垂直な平面における照明光軸６７に対する傾きθｘ，Ｙ軸に垂直な平面における照明光軸６７に対する傾きθｙは、次式（１），（２）のようになる。
【００３３】
θｘ＝arctan（δＸ／δＺ）（１）
θｙ＝arctan（δＹ／δＺ）（２）
図４及び図５は光路長δＺの算出方法を示す図である。光路長δＺは以下のようにして算出される。ステップＳ１００において、レンズ表面へカメラ６０の焦点を合わせ、レンズトップＺ座標（Ｚｔ）を取得する。ステップＳ１０２において、第一像７４のＺ座標（Ｚ１）を取得する。ステップＳ１０４において、既知のレンズ５０の厚み（ｔｇ）より、第一像焦点位置〜レンズ裏面トップ間距離Ｚｄ１＝Ｚｔ＋ｔｇ−Ｚ１を算出する。ステップＳ１０６において、カメラ６０の焦点を第ニ像結像位置へ移動させ、第ニ像７６の焦点合致Ｚ座標（Ｚ２）を取得する。ステップＳ１０８において、既知のレンズ５０の厚み（ｔｇ）より、第ニ像焦点位置〜レンズ裏面トップ間距離Ｚｄ２＝Ｚｔ＋ｔｇ−Ｚ２を算出する。ステップＳ１１０において、δＺ＝Ｚｄ１＋Ｚｄ２を算出する。ここでレンズの製造品質が高精度であるためδＺは事前測定のみで、同種のレンズである限り、δＺの値は不変とみなせる。
【００３４】
レンズ５０の傾きからレンズ光軸の位置情報を得る方法を次に述べる。レンズ調整に必要な情報として、図２に示すように、第一面７０，第二面７２の曲率中心を結ぶ直線で定義されるレンズ５０のレンズ光軸８２がある。上述したように、レンズ光軸８２の照明光軸６７に対する傾きθｘ，θｙが算出されているので、レンズ光軸８２上の一点の位置が分かれば調整できる。ここでは、第一面７０の曲率中心を求める方法を述べる。
【００３５】
図３に示すように、ライトガイド６６から発散する照明はコンデンサレンズ６７で集光し、ハーフミラー６９で反射して、対物レンズ６４の射出瞳位置で結像した後、対物レンズ６４を通り、レンズ５０に照射する。レンズ５０の第一面７０は凸面鏡として作用することから次式（３），（４），（５）が成り立つ。
【００３６】
１／ｆ１＝１／ｐ＋１／ｑ・・・（３）
但し、ｆ１は第一面７０の凸面鏡としての焦点距離、ｐ（ｐ＞０）は対物レンズ６４の射出瞳位置と第一面７０のトップ表面との距離、ｑ（ｑ＞０）は第一面７０のトップ表面と第一像結像位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）との距離である。
【００３７】
ｆ１＝Ｒ１／２・・・（４）
但し、Ｒ１は第一面７０の曲率半径である。
【００３８】
ｐ＋ｑ＝Ｐ．Ｌ．・・・（５）
但し、Ｐ．Ｌ．はレンズ５０のカタログに記載された同焦距離である。
【００３９】
式（３）〜（５）及びｑを事前測定することにより、Ｒ１は次式（６）で表される。
【００４０】

従って、第一像結像位置（Ｚ１）から計算される第一面７０の曲率中心位置Ｚｃは次式（７）で表される。
【００４１】
Ｚｃ＝Ｚ１＋（Ｒ１−ｑ）・・・（７）
ｐはｑに比べて、通常、２桁大きな値であり、式（４），（５）により、ｑ≒ｆ１＝Ｒ１／２となる。周辺光線は、カメラ対物レンズ６４のＮＡで規定される入射角でレンズ第一面７０の曲率中心に向かう。これにより、図２に示すように、曲率中心の座標は（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１＋Ｒ１／２）で得られる。よって、曲率中心を通るＺ軸からレンズ傾き角度だけ傾く直線をレンズ光軸として計算できる。上述したように、レンズ５０のレンズ光軸８２が傾いていることから、以下のようにしてレンズ傾き補正をする。
【００４２】
図６はレンズ補正方法を示す図である。図６（ａ）はレンズ補正前、図６（ｂ）はレンズ補正後、図６（ｃ）は図６（ｂ）中のＡ部拡大図である。レンズ補正とは、レンズ光軸８２が発光素子の発光部の中心（発光点）を通過するように補正することである。レンズ補正前は、図６（ａ）に示すように、第一面曲率半径位置（Ｘ１，Ｙ１，Ｚｃ）と発光素子の発光点（Ｘ０，Ｙ０，Ｚ０）を照明光軸６７に同軸配置する。レンズ光軸８２の傾きθｘ，θｙにより傾き補正をする。例として、Ｘ方向の傾き補正計算を示す。図６（ｂ）に示すように、レンズ光軸８２が発光部の中心を通過するよう補正がなされたとき、補正前の発光部の中心位置と補正後の発光部の中心位置との距離ΔＡ、ΔＡのＸ成分（Ｘ方向の補正量）をΔＸａ、第一曲率中心半径位置と発光部の中心の垂直距離（Ｚ０−Ｚｃ）をＺｃ０とする。図６（ｃ）に示すように、ΔＡ，ΔＸａは次式（８），（９）で表される。
【００４３】

同様に、Ｙ方向に関しては、式（８），（９）中のθｘａをθｙａとすることにより、Ｙ方向の補正量ΔＹａが求められる。これにより、補正前から発光素子をＸ，Ｙ方向にそれぞれΔＸａ，ΔＹａ移動することにより、レンズ傾き補正を行うことができる。
【００４４】
ファイバから発光素子への戻り光を無くすために、ファイバへ結合されるビームに角度を持たせる場合がある。レンズシフトとは、その所望のビーム角度を得るためにレンズ５０と発光素子を相対的にズラす作業である。レンズシフトは、既知のレンズパラメータであるレンズ５０の焦点距離を利用する。
【００４５】
図７はレンズシフト方法を示す図である。図７（ａ）はレンズシフト前、図７（ｂ）はレンズシフト後、図７（ｃ）は図７（ｂ）中のＡ部拡大図である。Ｘ方向にθｘｓ（レンズ光軸８２と発光点からのレンズ光軸８２に平行な光線がレンズにより屈折された光線とのなすＸ方向の角度）だけ曲げたい場合、Ｘ方向のシフト量ΔＸｓは次式（１０），（１１）以下のようになる。
【００４６】

Ｙ方向のシフト量は式（１０），（１１）中のθｘｓ，θｘａをθｙｓ，θｙａに変えることによりΔＹｓを得ることができる。よって、レンズ傾き補正後に、発光素子をＸ方向にΔＸｓ、Ｙ方向にΔＹｓシフトすればよい。
【００４７】
ファイバ調整工程では、光モジュール毎の発光素子からの出射光のレンズ５０による収束位置情報（ビーム収束位置情報）が必要となる。その際、レンズ５０の倍率ｍに関する情報を得る必要がある。
【００４８】
図８は、ビーム収束位置算出方法を示す図である。前焦点距離ｄ１とは、発光点と第一主面９０との距離をいう。後焦点距離ｄ２は第ニ主面９２と発光点からの光のレンズ５０によるビーム収束位置までの距離をいう。レンズ５０の倍率ｍは次式（１２）で与えられる。
【００４９】
ｍ＝ｄ２／ｄ１・・・（12）
よって、ｄ２＝ｍ×ｄ１により、出射光収束位置情報が得られる。
【００５０】
また、レンズ５０の焦点距離ｆ，前焦点距離ｄ１，後焦点距離ｄ２の間には次式（１３）が成り立つ。
【００５１】
１／ｆ＝１／ｄ１＋１／ｄ２・・・（13）
式（１３）からｄ２を消去して、式（１２）に代入すると、次式（１４）が得られる。
【００５２】
ｍ＝ｆ／（ｄ１−ｆ）・・・（14）
既知のレンズパラメ―タが、焦点距離ｆ、第一主面９０とレンズ裏面トップ間の距離Ｚｐ１、第ニ主面９２とレンズ表面トップ間の距離Ｚｐ２であり、第一像７４のＺ座標Ｚ１（第ニ像７６のＺ座標又は既知の点のＺ座標）及び発光点のＺ座標Ｚ０が測定されると、第一像７４と第一主面９０との間の距離Ｚｓ１及び第一像７４のＺ座標Ｚ１を算出することにより、第一主面９０のＺ座標が算出されることから前焦点距離ｄ１が算出され、発光点と第ニ主面９２のＺ座標との間の距離Ｚｓ２を算出することにより、第ニ主面９２のＺ座標が算出されることからビーム収束位置が算出される。
【００５３】
図９及び図１０はＺｓ１及びＺｓ２の算出方法を示す図である。ステップＳ２００において、レンズ表面へカメラ６０の焦点を合わせ、レンズトップのＺ座標（Ｚｔ）を取得する。ステップＳ２０２において、カメラ６０を第一像結像位置まで下降させ、第一像７４の焦点合致Ｚ座標（Ｚ１）を取得する。ステップＳ２０４において、既知のレンズ厚（ｔｇ）より、第一像焦点位置〜レンズ裏面トップ間距離Ｚｄ１＝Ｚｔ＋ｔｇ−Ｚ１を算出する。ステップＳ２０６において、既知のレンズ裏面トップ〜第一主面９０間距離（Ｚｐ１）よりＺｓ１＝Ｚｄ１−Ｚｐ１を算出する。ステップＳ２０８において、既知のレンズ表面トップ〜第一主面９０間距離（Ｚｐ２）よりＺｓ２＝Ｚ１−Ｚｔ−Ｚｐ２を算出する。光ファイバの先端部がビーム収束位置に位置するようにフェルールを調整する。これにより光ファイバの調整が容易になる。
【００５４】
第１実施形態
図１１は本発明の第１実施形態によるレンズ調整装置の構成図である。図１１に示すように、レンズ調整装置は、制御用ＰＣ１００、ＹＡＧレーザ溶接機１０２、カメラ同軸照明光源１０４、ステージドライバ１０６、ＹＡＧレ―ザ出射光学部１１０、ＣＣＤカメラ１２０、ステージ１４０、素子固定冶具１５０及びレンズ固定治具１５２を具備する。制御用ＰＣ１００は、次の機能がプログラムの実行により実現されるパーソナルコンピュータである。▲１▼ＧＰ−ＩＢ１０８を通して、ＹＡＧレーザ溶接機１０２を制御して、ＹＡＧレーザ出射光学部１１０よりＹＡＧレーザを出射して、ＬＤ−ＰＫＧ４とレンズホルダとを溶融により固定する。▲２▼レンズ調整時に、ＧＰ−ＩＢ１０８を通して、カメラ同軸照明光源１０４の光量を調整する。▲３▼ステージドライバ１０６を制御して、カメラ１２０、素子固定冶具１５０及びレンズ固定冶具１５２をそれぞれ所定位置に移動し、後述するレンズ傾きを算出して、レンズ補正及びオフセット移動を行う。
【００５５】
ＹＡＧレーザ溶接機１０２は、制御用ＰＣ１００により制御されて、ＹＡＧレザを出射する。カメラ同軸照明光源１０４は、制御用ＰＣ１００により光量が制御される白色光源等の光源であり、光源からの光が照明ファイバ１３０に光結合されている。ここで、赤外線ではなく白色光源等を用いているのは、パッシブ調整であるため赤外光を使用する必要がなく、ＣＣＤカメラ１２０によるカメラのコストダウンとカメラの縮小化が可能であることからである。ステージドライバ１０６は、制御用ＰＣ１００により駆動が制御されて、Ｘ，Ｙ，Ｚステージ１４０を駆動するドライバである。
【００５６】
図１２は図１１中のＣＣＤカメラ１２０の構成図である。図１２に示すように、ＣＣＤカメラ１２０は、カメラ鏡筒１２２、ハーフミラー１２４、対物レンズ１２８、ライトガイド１３２、開口絞り１３６及びコンデンサレンズ１３５を含む。カメラ鏡筒１２２は、カメラ１２０の鏡筒である。ハーフミラー１２４は、ライトガイド１３２からの出射光を対物レンズ１２８の方向へ反射し、被撮像物の反射光を透過するミラーである。対物レンズ１２８を通った光束は、被撮像物に集光する。ライトガイド１３２は、カメラ同軸照明光源１０４からの出射光を導入して、カメラ鏡筒１２２に導くものである。コンデンサレンズ１３５はライトガイド１３２からの光を集光する。凹レンズ１３７はハーフミラー１２４からの光を拡大する。
【００５７】
図１３は図１２中のライトガイド１３２の端面を示す図である。図１３に示すように、ライトガイド１３２の端面１３３の照明出射面（例えば、口径６ｍｍ程度）の重心を含む領域に光を透過しない遮光マスク１３９が形成されている。
【００５８】
図１４は図１３中の遮光マスク１３９を示す図である。図１４に示すように、遮光マスク１３９は、遮光するものであり、材質は問わないが、例えば、黒色テープ等である。遮光マスク１３９は、方向性（例えば、図１４では水平方向）を持つ欠損部１３９ａを有する円形状のものである。円形状としているのは、上述の第一像，第二像が、この遮光部１３９が結像したものであることから、第一像，第二像の重心の位置が円の中心を算出することにより求められるからである。また、欠損部１３９ａに方向性を持たせているのは、第一像と第ニ像が倒立（１８０°回転）関係にあることから、第一像と第二像を容易に識別可能であるからである。
【００５９】
遮光マスク１３９を設けているのは、以下の理由による。レンズ調整精度を向上するべく高倍率の対物レンズ１２８を使用した場合、レンズ１２８のＮＡが増大するため、像径も増大する。像径が増大すると、画像認識時において像がＣＣＤ撮像範囲を超えてしまう場合があり、カメラの自動ステージを移動させねばならず、精度悪化の要因となる。第一像，第二像は開口絞り１３６が結像したものであることから、ライトガイド端面１３３にライトガイド端面部の開口径より小さな遮光マスク１３９を設けたのである。遮光マスク１３９の大きさにより像径を可変できるため、対物レンズ１２８の倍率に制約させない高精度な角度測定が可能であるからである。
【００６０】
尚、像径を縮小する方法として、照明の絞り１３６（機械的なアパーチャー）を制約する方法もあるが、照明のＮＡを縮小すると、焦点深度が増大してしまうため、像面位置で鋭敏にフォーカス位置を特定できなくなる他、照明光量が減少する。絞りを大きく開き、ライトガイド１３２の端面の重心位置に遮光マスク１３９を設ける方法は、焦点深度を維持し、且つ照明光量もほぼ維持できるという利点がある。ステージ１４０は、ステージドライバ１０６により駆動されて、ＣＣＤカメラ１２０をＸ，Ｙ，Ｚ方向に移動し、素子固定治具１５０及びレンズ固定冶具１５２をＸ，Ｙ方向に移動する。
【００６１】
以下、図１１に示すレンズ調整装置を用いてレンズ調整方法の説明をする。図１５はレンズ調整方法を示すフローチャートである。ステップＳ３００において、レンズの種類等に応じた調整プログラムの選択や光モジュールの製造番号等の製造情報を制御用ＰＣ１００に入力する。レンズパラメータは各調整プログラムに予め格納されている。ステップＳ３０２において、製品取付け位置へ各ステージ１４０を移動する。ステップＳ３０４において、ＬＤ−ＰＫＧ４を素子固定冶具１５０にセットする。ステップＳ３０６において、ＬＤ−ＰＫＧ４を認識するためにカメラ１２０を移動する。ステップＳ３０８において、ＬＤ−ＰＫＧ４に収容されたＬＤの発光部をカメラ１２０の撮像画像により画像認識（ＬＤ発光部位置取得）できたかを判別する。ＬＤ発光部位置取得できたならば、ステップＳ３１０に進む。
【００６２】
ステップＳ３１０において、カメラ１２０をＺ軸方向に上昇する。ステップＳ３１２において、レンズチャックステージ１４０をＹ軸方向（レンズチャックセット位置）に移動する。ステップＳ３１４において、レンズホルダに収容されたレンズをレンズ固定治具１５０により固定（レンズセット）する。このとき、レンズが以下の理由により水平方向から傾く。
【００６３】
▲１▼ ＬＤ−ＰＫＧ４をＬＤステージ１４０に固定するときにＬＤ−ＰＫＧ４自体が傾くため。
【００６４】
▲２▼ ＬＤ−ＰＫＧ４とレンズの接触面に塵埃等が存在したり、ＬＤ−ＰＫＧ４の上面が平坦でなく、凸凹がある場合、レンズホルダにバリがある場合等により、レンズが傾くため。
【００６５】
▲３▼ レンズメーカにおいて、レンズがレンズホルダに対して多少傾いて接着されることがあるため。
【００６６】
ステップＳ３１６において、レンズ第一像付近へカメラ１２０を移動する。ステップＳ３１８において、カメラ１２０による撮像画像により画像認識して第一像の重心位置取得できたか否かを判断する。重心位置が取得できたならば、ステップＳ３２０に進む。重心位置が取得できていないならば、ステップＳ３１８を繰り返す。ステップＳ３２０において、カメラステージ１４０をＺ軸方向（例えば、０．５ｍｍ程度）へ移動して、レンズ第二像付近へカメラ１２０を移動する。
【００６７】
ステップＳ３２２において、カメラ１２０による撮像画像により画像認識して第ニ像の重心位置が取得できたか否かを判断する。重心位置が取得できたならば、ステップＳ３２４に進む。重心位置が取得できていないならば、ステップＳ３２２を繰り返す。ステップＳ３２４において、第一像，第ニ像の重心位置、第一像と第ニ像の光路長を元に上述した方法により、レンズ傾斜角度θｘ，θｙ及びレンズ第一面曲率中心位置（Ｘ，Ｙ，Ｚ）を算出する。ステップＳ３２６において、ＬＤ発光部をレンズ第一面曲率中心位置（Ｘ，Ｙ）へ移動する。ステップＳ３２８において、上述したように、ＬＤステージ１４０をＸ軸方向にΔＸａ、Ｙ軸方向にΔＹａを移動することにより、レンズの傾き補正を行う。
【００６８】
図１６は傾き補正によるビーム収束位置を示す図である。図１６（ａ）はカメラ軸６７とビーム収束位置との距離を示す図、図１６（ｂ）は事前測定パラメータを示す図である。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示すように、レンズの傾き補正によるカメラ軸６７とビーム収束位置までのＸ方向の距離ΔＸｆａは次式（１６）〜（１８）に示すようになる。
【００６９】
ｄ１＝Ｚｃ０×ｃｏｓθｘ＋Ｒ１−ｑ−Ｚｓ１・・・(16)
ｄ２＝ｆ／（１−（ｆ／ｄ１））・・・(17)
ΔＸｆａ＝（ｄ２＋Ｒ１−Ｚｐ２）×ｓｉｎθｘ・・・(18)
同様に、カメラ軸６７とビーム収束位置とのＹ軸方向の距離ΔＹｆａは、式（１６）〜（１８）において、ＸをＹに変えれば良い。
【００７０】
ステップＳ３３０において、上述したように、ＬＤステージ１４０をＸ軸方向にΔＸｓ、Ｙ軸方向にΔＹｓを移動することにより、レンズシフトを行う。
【００７１】
レンズシフトによるカメラ軸６７とビーム収束位置までのＸ方向の距離ΔＸｆｓは、次式（１９），（２０）に示すようになる。
【００７２】
ｍ＝１／（（ｄ１／ｆ）−１）・・・(19)
ΔＸｆｓ＝−ｍ×ΔＸｓ・・・(20)
同様に、カメラ軸６７とビーム収束位置とのＹ軸方向の距離ΔＹｆｓは、式（１６）〜（１８）において、ＸをＹに変えれば良い。また、ビーム収束位置のＺ座標も図１６（ａ）より算出することができることから、レンズシフトによるビ―ム収束位置を予測することができる。
【００７３】
図１５中のステップＳ３３２において、制御用ＰＣ１００は、ＹＡＧレーザ溶接機１０２を制御して、レンズホルダをＬＤ−ＰＫＧ４にレーザ溶接する。ステップＳ３３４において、カメラステージ１４０をＺ軸方向に移動して、カメラ１２０を退避位置へ上昇する。ステップＳ３３６において、レンズ固定冶具１５２のレンズチャックを開放する。ステップＳ３３８において、部材取り外し位置へ素子固定冶具１５０を移動して、部材を取り外す。
【００７４】
第２実施形態
図１７は本発明の第２実施形態のファイバ調整装置の構成図であり、図１１中の構成要素と実質的に同一の構成要素には同一の符号を附している。このファイバ調整装置は、図１１に示したレンズ調整装置の機能に加えて、ファイバ調整機能を有する。制御用ＰＣ２００は、上述のレンズ調整の制御機能に加えて、ＬＤ駆動電源２０２、光パワーメータ２０４を制御することにより、後述するファイバ調整機能を有する。ＬＤ駆動電源２０２は、制御用ＰＣ２００の制御により、ＬＤ−ＰＫＧ４にＬＤ駆動電源電圧を供給する。光パワーメータ２０４は光ファイバの出力光のパワーを測定して、ＧＰ−ＩＢ１０８を通して、測定結果を制御用ＰＣ２００に通知する。
【００７５】
図１８は、ファイバ調整方法を示すフローチャートである。図１５に示したステップ３００〜Ｓ３２６を実行する。ステップＳ４００において、図１５中のステップＳ３２８と同様にレンズの傾き補正を行う。ステップＳ４０２において、図１５中のステップＳ３３０と同様にレンズシフトをする。ステップＳ４０４において、レンズホルダをＬＤ−ＰＫＧ４にレーザ溶接をする。ステップＳ４０６において、カメラ１２０を退避位置へ移動する。ステップＳ４０８において、レンズチャックをはずしてクランプする。
【００７６】
ステップＳ４１０において、レンズホルダにスリーブをセットする。ステップＳ４１２において、スリーブ固定治具１５２を下降させてスリーブを押える。ステップＳ４１４において、フェルールアセンブリ（Ａｓ）をセットする。ステップＳ４１６において、ＬＤ電源駆動２０４を駆動して、ＬＤを発光させる。ステップＳ４１８において、レンズ調整の際に算出したビーム収束位置のカメラ軸（Ｚ軸）からΔＸｆｓ，ΔＹｆｓ付近にファイバ先端が位置するようにフェルールの位置を調整する。
【００７７】
ステップＳ４２０において、制御用ＰＣ２００の光軸調整プログラムにより光ピークパワー探索して、光軸調整を行う。ステップＳ４２２において、光パワーメータ２０２により光ファイバの光パワーを測定して、制御用ＰＣ２００に出力する。ステップＳ４２４において、ピークパワーであるか否かを判断する。ピークパワーでなければ、ステップＳ４２０に戻り、光ピークパワーの探索をする。ピークパワーであれば、ステップＳ４２６に進む。このとき、ファイバがレンズ調整の際に算出したビーム収束位置近辺にセットされているので、光ピークパワーの探索時間が従来と比較して短縮される。ステップＳ４２６において、フェルールをスリーブにレーザ溶接する。
【００７８】
ステップＳ４２８〜Ｓ４３０において、以下に示す溶接固定による光軸ズレを補正する。ステップＳ４２８において、再光軸調整を行う。ステップＳ４３０において、光出力測定する。ステップＳ４３２において、ピークパワーであるか否かを判断する。ピークパワーでなければ、ステップＳ４２８に戻る。ピークパワーであれば、ステップＳ４３４に進む。ステップＳ４３４において、スリーブとレンズホルダ（ＬＤＡｓ）とをレーザ溶接により固定する。ステップＳ４３６において、光出力測定する。ステップＳ４３８において、ファィバチャックを開放する。ステップＳ４４０において、スリーブ押えを開放する。ステップＳ４４２において、モジュールを取り出す。
【００７９】
第３実施形態
図１９は本発明の第３実施形態によるレンズ調整方法を示す図である。図１９中、左上がレンズホルダ及びレンズの平面図、右上が側面図及び左下が正面図である。図１９の横方向がＸ軸、縦方向がＹ軸である。第１実施形態では、レンズが第一面及び第ニ面が凸形状であったので、第一像，第二像を結像することができた。しかし、図１９に示すように、レンズ３００の第一面３１０が平面、第二面３１２が凸（平凸レンズ）では、レンズ３００の第一面の平面側から観察した場合には、レンズ第一面３１０の曲率半径が無限大であるため、第一像が結像しない。そこで、以下のようにして、レンズ傾き角及びレンズ中心を測定する。
【００８０】
図１９に示すように、レンズホルダ３０２のレンズ枠３０４の内壁３点Ａ，Ｂ，Ｃをカメラにより認識し、座標（Ｘ_A，Ｙ_A，Ｚ_A），（Ｘ_B，Ｙ_B，Ｚ_B），（Ｘ_C，Ｙ_C，Ｚ_C）を取得する。δＺｘ＝Ｚ_A−Ｚ_B、δＸ＝Ｘ_A−Ｘ_Bとすると、レンズ傾きθｘ＝arctan(δＺx／δＸ）となる。また、δＺｙｘ＝Ｚ_C−Ｚ_B、δＹ＝Ｙ_C−Ｙ_Bとすると、レンズ傾きθｙ＝arctan(δＺｙ／δＹ）となる。これにより、レンズ傾きθｘ，θｙが算出される。レンズ光軸は、レンズ中心を通り、Ｚ軸よりレンズ傾きθｘ，θｙだけ傾斜する直線により算出することができる。レンズ光軸が算出されると、第１実施形態と同様にして、レンズ傾き補正及びレンズシフトを行う。
【００８１】
実施形態では自動レンズ調整装置と自動レンズ・ファイバ調整装置を挙げたが、以下のアプリケーションが考えられる。
【００８２】
▲１▼ レンズホルダ内へ装着したレンズの傾き評価
例えば、レンズメーカにおいて、レンズをホルダにマウントする際、レンズがホルダへ傾き無くマウント（一般には接着固定）するのは難しく、許容値をオーバしてしまうものがある。そこで、レンズマウント後のホルダに対するレンズ自体の傾きを安価且つ簡易的に検査するものとして本発明を利用することができる。
【００８３】
▲２▼ レンズ多段接続を必要とするレンズ組立
図２０は本発明の他の適用例を示す図であり、直列にレンズを多段接続する場合を示している。図２０に示すように、顕微鏡の対物レンズやコリメータレンズ等には、レンズの収差補正等のために複数のレンズ４００ａ，４００ｂ，…，が直列に接続されているが、これらのレンズ位置の調整にも利用することができる。即ち、カメラから遠方のレンズから順に調整／固定していく方法で本発明を利用することができる。
【００８４】
本発明は以下の付記を含むものである。
【００８５】
（付記１）発光素子を収容したパッケージと当該パッケージ上にレンズを支持するレンズホルダとを有する光モジュールの調整装置において、
照明光源の出射光をカメラ鏡筒に導くライトガイドと当該ライトガイドによりカメラ鏡筒に導かれた光を上方から照射する光学系とを含むカメラと、
前記パッケージを支持する素子固定冶具を水平方向に移動するステージと、
前記カメラの前記光学系により上方から前記レンズに照射したとき、前記素子固定冶具により支持された前記パッケージの上面に載置された前記レンズホルダに収容された前記レンズの第一凸面及び第ニ凸面による前記ライトガイドの端面の第一及び第ニ像の撮像画像に基づく第一及び第二重心座標並びに前記第一及び第二像の光路差に基づいて、前記第一及び第二凸面の曲率半径の中心を結ぶレンズ光軸の垂直方向からの傾きを算出するレンズ傾き算出部と、
前記傾き、前記第一又は第二重心座標並びに前記第一凸面の曲率半径に基づいて、前記レンズ光軸を算出するレンズ光軸算出部と、
前記レンズ光軸に基づいて、前記発光素子の発光部が前記レンズ光軸を通過するように、前記ステージを制御して、前記発光素子を移動するレンズ傾き補正部と、
を具備したことを特徴とする光モジュールの調整装置。
【００８６】
（付記２）前記レンズ光軸に基づいて、前記発光素子の発光部が前記レンズ光軸から一定距離離間するように、前記ステージを制御して、前記発光素子を移動するオフセット補正部を更に具備したことを特徴とする付記１記載の光モジュールの調整装置。
【００８７】
（付記３）前記ライトガイドの端面の重心を含む領域に前記照明光源からの出射光を遮断する遮光マスクを設けたことを特徴とする付記１記載の光モジュールの調整装置。
【００８８】
（付記４）前記第一又は第二重心座標、前記レンズの焦点距離、前記レンズの前記第ニ凸面による第一レンズ主点と前記レンズの裏面トップとの間の距離、前記第二凸面による第ニレンズ主点と前記レンズの表面トップとの間の距離及び前記発光部と前記第一レンズ主点との間の距離である前焦点距離に基づいて、前記第ニレンズ主点と前記発光部からの光の前記レンズによる結像位置までの後焦点距離を算出する後焦点距離算出部を更に具備したことを特徴とする付記１記載の光モジュールの調整装置。
【００８９】
（付記５）前記レンズの焦点距離をｆ、前記前焦点距離をｄ１、前記後焦点距離をｄ２としたとき、ｄ２＝ｄ１×ｆ／（ｄ１−ｆ）であることを特徴とする付記４記載の光モジュールの調整装置。
【００９０】
（付記６）前記第一重心座標（Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１）、第二重心座標（Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２）、前記光路長δＺとしたとき、Ｘ軸に垂直な平面における前記レンズ光軸のＺ軸からの傾きθｘ、Ｙ軸に垂直な平面における前記レンズ光軸のＺ軸からの傾きθｙとしたとき、θｘ＝arctan((X2-X1)/δＺ)，θｙ＝arctan((Y2-Y1)/δＺ)であることを特徴とする付記１記載の光モジュールの調整装置。
【００９１】
（付記７）前記遮光マスクは光を透過する欠損部が一定方向に形成されていることを特徴とする付記３記載の光モジュールの調整装置。
【００９２】
（付記８）発光素子を収容したパッケージとレンズを支持する前記パッケージ上に固定されたレンズホルダと光ファイバを収容するフェルールを支持する前記レンズホルダ上に固定されたスリーブとを含む光モジュールの調整方法において、
前記パッケージを素子固定冶具により支持するステップと、
照明光源の出射光をカメラ鏡筒に導くライトガイドと当該ライトガイドによりカメラ鏡筒に導かれた光を上方から照射する光学系とを含むカメラにより撮像した前記発光素子の撮像画像に基づいて、前記発光素子の発光部の座標を取得するステップと、
前記パッケージの上面に前記レンズホルダを載置するステップと、
前記光学系により上方より前記レンズホルダに支持されたレンズに照射して、当該レンズの第一凸面及び第ニ凸面による前記ライトガイドの端面の第一及び第ニ像の撮像画像に基づく第一及び第二重心座標並びに前記第一及び第二像の光路差に基づいて、前記第一及び第二凸面の曲率半径の中心を結ぶレンズ光軸の垂直方向からの傾きを算出するステップと、
前記傾き及び前記第一又は第二重心座標に基づいて、前記レンズ光軸を算出するステップと、
前記傾き、前記第一又は第二重心座標並びに前記第一凸面の曲率半径に基づいて、前記レンズ光軸を算出するステップと、
前記レンズ光軸に基づいて、前記発光素子の発光部が前記レンズ光軸を通過するよう前記発光素子を移動するステップと、
前記レンズ光軸に基づいて、前記発光素子の発光部が前記レンズ光軸から一定距離離間するよう前記発光素子を移動するステップと、
前記レンズホルダを前記パッケージに固定するステップと、
を含むことを特徴とする光モジュールの調整方法。
【００９３】
（付記９）前記第一又は第二重心座標、前記レンズの焦点距離、前記第ニ凸面の第一主点と前記レンズの裏面トップとの間の距離、前記第一凸面の第二主点と前記レンズの表面トップとの間の距離及び前記発光部と前記第一主点との間の垂直方向の距離である前焦点距離に基づいて、前記発光部からの出射光の光の前記レンズによる結像位置を算出するステップと、前記レンズホルダ上にスリーブ固定冶具により前記スリーブを固定するステップと、前記後焦点距離に基づいて、前記結像位置に前記光ファイバの先端部が位置するように前記スリーブに前記フェルールを挿入するステップとを更に含むことを特徴とする付記８記載の光モジュールの調整方法。
【００９４】
【発明の効果】
以上説明した本発明によれば、簡単な構成・方法により短時間にレンズ調整を実現することができ、モジュール組立の低コスト化を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】レンズ傾き算出方法を示す図である。
【図２】レンズ光軸の位置情報算出方法を示す図である。
【図３】レンズ光軸の位置情報算出方法を示す図である。
【図４】光路長算出方法を示す図である。
【図５】光路長算出方法を示す図である。
【図６】レンズ補正方法を示す図である。
【図７】レンズシフト方法を示す図である。
【図８】ビーム収束位置算出方法を示す図である。
【図９】Ｚｓ１及びＺｓ２算出方法を示す図である。
【図１０】Ｚｓ１及びＺｓ２算出方法を示す図である。
【図１１】本発明の第１実施形態によるレンズ調整装置を示す図である。
【図１２】図１１中のＣＣＤカメラを示す図である。
【図１３】図１２中のライトガイド端面を示す図である。
【図１４】図１３中の遮光マスクを示す図である。
【図１５】本発明の実施形態によるレンズ調整方法を示す図である。
【図１６】傾き補正によるビーム収束位置を示す図である。
【図１７】本発明の第２実施形態によるファイバ調整装置を示す図である。
【図１８】本発明の実施形態によるファイバ調整方法を示す図である。
【図１９】本発明の第３実施形態によるレンズ調整方法を示す図である。
【図２０】本発明の適用例を示す図である。
【図２１】光モジュールを示す図である。
【図２２】従来のレンズ調整装置を示す図である。
【符号の説明】
２ＬＤ発光部
４ＬＤ−ＰＫＧ
１００制御用ＰＣ
１０４カメラ同軸照明光源
１２０ＣＣＤカメラ
１３２ライトガイド
１４０ステージ
１５０素子固定冶具

Claims

発光素子を収容したパッケージと当該パッケージ上にレンズを支持するレンズホルダとを有する光モジュールの調整装置において、
照明光源の出射光をカメラ鏡筒に導くライトガイドと当該ライトガイドによりカメラ鏡筒に導かれた光を上方から照射する光学系とを含むカメラと、
前記パッケージを支持する素子固定冶具を水平方向に移動するステージと、
前記光学系により上方から前記レンズに照射したとき、前記素子固定冶具により支持された前記パッケージの上面に載置された前記レンズホルダに収容された前記レンズの第一凸面及び第ニ凸面による前記ライトガイドの端面の第一及び第ニ像の撮像画像に基づく第一及び第二重心座標並びに前記第一及び第二像の光路差に基づいて、前記第一及び第二凸面の曲率半径の中心を結ぶレンズ光軸の垂直方向からの傾きを算出するレンズ傾き算出部と、
前記傾き、前記第一又は第二重心座標並びに前記第一凸面の曲率半径に基づいて、前記レンズ光軸を算出するレンズ光軸算出部と、
前記レンズ光軸に基づいて、前記発光素子の発光部が前記レンズ光軸を通過するように、前記ステージを制御して、前記発光素子を移動するレンズ傾き補正部と、
を具備したことを特徴とする光モジュールの調整装置。
前記レンズ光軸に基づいて、前記発光素子の発光部が前記レンズ光軸から一定距離離間するように、前記ステージを制御して、前記発光素子を移動するオフセット補正部を更に具備したことを特徴とする請求項１記載の光モジュールの調整装置。
前記ライトガイドの端面の重心を含む領域に前記照明光源からの出射光を遮断する遮光マスクを設けたことを特徴とする請求項１記載の光モジュールの調整装置。