JP4332744B2 - ファイバ光学プレートの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、ＣＣＤセンサ、ＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子の検査に用いられ
る光源装置に用いて好適なファイバ光学プレートおよびその製造方法に関し、特に光ファイバを加熱融着して形成したファイバ光学プレートおよびその製造方法に関するものである。

従来、ＣＣＤ（電荷結合素子）センサやＣＭＯＳ（相補正金属酸化膜半導体）センサ等
の固体撮像素子の検査では光源装置を用いて、被検査対象である固体撮像素子に既知の色
や光量の光を照射し、固体撮像素子から出力された電気信号をモニタするものがある。そして、ファイバ光学プレートを用いた光源装置の先行技術としては例えば特許文献１，２等に示されたものがある。

特開平２−９０６４５号公報 特開２００２−３１４０５４号公報

図５はＮＡ制限絞りを用いた従来の光源装置の要部構成図である。図５の構成と動作について簡単に説明する。
ハロゲンランプ１から出射した光は、レンズ２に入射して平行光もしくはわずかに収束する光束となる。ＮＤ（ニュートラルデンシティ）フィルタ部３は、モータ３ａで回転する円盤上に透過率が異なるＮＤフィルタ３ｂが配置されたもので、レンズ２からの光がこのＮＤフィルタ３ｂを通過する。

カラーフィルタ部４は、モータ４ａで回転する円盤上に色の異なるカラーフィルタ４ｂが配置されており、ＮＤフィルタ部３を通った光を通過させる。
照度均一化素子５は、カラーフィルタ部４を通った光を入射し、光束をほぼ同一照度分布として出射する。

輝度補正フィルタ６は、一般的に中央部の透過率が低く設定されており、周辺にかけて透過率を高くしたセンターＮＤタイプの部分透過率補正フィルターが用いられている。この輝度補正フィルタ６は、照度均一化素子５から出射された光を入射し輝度ムラを改善する。レンズ７はその光を入射し平行光とする。

ＮＡ（開口数）制限絞り部８は、モータ８ａで回転する円盤上に開口数が異なる絞り８ｂが設けられたもので、レンズ７からの光が絞り８ｂを通過する。
ＮＡ制限絞り部８からの光はレンズ９により結像し、この結像した光が被検査対象のＣＣＤセンサ１０に照射され、図示しないＩＣテスタによりＣＣＤセンサ１０の試験が行われる。

上述の従来例においては、ハロゲンランプ１を用いた装置では輝度ムラがあるため、ハロゲンランプ１の像を直接ＣＣＤセンサ１０に結像させずに、照度均一化素子５を用いて均一光を得ている。しかし、照度均一化素子５内では反射回数が少なく十分な均一性が得られない。

そこで、照度均一化素子５の前に拡散板やレンズなどを入れて、平行性を乱し照度均一
化素子５内での多重反射回数を増やすことで、質の高い均一性を得ることが考えられる。
ところが、完全拡散状態となった光は照度均一化素子５の出口で四方八方に発散すること
になり、ＣＣＤセンサ１０に与える光量が著しく低くなってしまう。

そこで、本出願人は、光量の低下を抑制しつつ均一な光が得られ、小型化を図った光源装置を提案している（特願２００５−０１５０２３として特許出願中・・・本出願時において未出願公開）。
図６は上記未出願公開の光源装置の要部構成図である。図６の構成と動作について簡単に説明する。

図６において、光源２０を構成する基板２１には複数の色度の異なるＬＥＤ（発光素子）２２が搭載されており、ＬＥＤ２２の光を拡散板２３に照射する。拡散板２３は、例えば擦りガラスまたは乳白色のアクリル、ビーム成形ディフューザ等で形成されており、ＬＥＤ２２からの光束を入射し、入射した光を拡散して出射する。

出射した拡散光は照度均一化素子２４に入射し照度が均一化されて、ファイバ光学プレート２５に出射する。照度均一化素子２４は、例えば研磨したガラスの円柱や角柱のようないわゆるライトパイプ、高反射率を有する表面反射鏡などで周囲を囲った中空の角管、円柱管等で形成されている。

ファイバ光学プレート２５は開口数を制限して光を透過させ、照明エリア規制パターン２６が照明エリアを規制して、ＣＣＤセンサ２７に光を照射する。ファイバ光学プレート２５は光ファイバを複数束ねた状態で一体的に形成されている。照明エリア規制パターン２６は、ファイバ光学プレート２５からの光の照明エリアを規制する。ＣＣＤセンサ２７は被検査対象で、照明エリア規制パターン２６を透過した光が照射される。
図７は上述のファイバ光学プレート２５の詳細を示すもので、コア２５１の外周にクラ
ッド２５２、その外側に吸収体２５３が形成された光ファイバ２５０が数万本以上一体的に熱融され、精度よく研磨して板材またはブロックに形成されている。

ＣＣＤセンサ２７に照射される光は、図８に示すように、ＣＣＤセンサ２７の照射エリアのどこでも主光線が垂直に落射される。また、ファイバ光学プレート２５は、周辺部と中心部の区別がないため、均一な光量がＣＣＤセンサ２７にあてられる。そして、図示しないＩＣテスタにより、ＣＣＤセンサ２７の試験が行われる。

このような装置によれば、従来の装置と比較して、２０倍以上に明るく照射でき、ファイバ光学プレート２５が拡散光をほぼ平行光としてＣＣＤセンサ２７に照射するので、光量の低下を抑制しつつ、均一な光を得ることができる。また、ファイバ光学プレート２５により、複雑な光学系を用意せずに、拡散光からほぼ平行光が得られるので、小型化を図ることができる。

ところで、撮像素子検査に用いられる光源は、周辺光量が均一で輝度、色ムラが無い平行光で、被検査素子に最終的に照射することになるレンズのＦ値より明るいことが求められる。しかし、上述の図７に示す光ファイバを加熱融着した素子は開口絞りがコア材とクラッド材の屈折率に依存するため、所望のＦ値を得ることができないという問題があった。

光ファイバを加熱融着した素子を用いて所望のＦ値を得るためには、光ファイバの素線から製作する必要があるが、光ファイバは用途に応じてＮＡの異なる光ファイバはあるもののその用途に特化されている。
光ファイバは大きく分けてＮＡが小さい通信用のもの、ＮＡが大きいライトガイドなど導光を目的としたものの２通りあり、ＮＡが大きい光ファイバを複数融着してファイバプレートとして用いている。しかし、光ファイバのＮＡを連続的に広範囲に選択することはできない。

図６に示す光源装置のファイバ光学プレートの実験に用いた光ファイバのＮＡは、ＮＡ０．５６やＮＡ０．３（Ｆ値に変換するとＦ０．８−１．６）で、検査用光源としては十分明るい。しかし、あまりＦ値が明る過ぎても実際に撮像素子と組み合わされるレンズモジュールと実態が合わず、検査光源としては必ずしも結像レンズより明るければよいものではない。

Ｆ値が大きくなれば拡散光に近くなり、撮像素子の検査として検出しなければならない微少キズなどが見難くなるなどの不都合も生じる。従って、検査光は結像レンズのＦ値と同等かそれより僅かに明るい検査光が好ましい。

そのため、ＮＡの小さな光ファイバが求められるが、通信用に用いられるＮＡの小さい光ファイバは、コア径が小さくクラッドの肉厚が厚いため、ＮＡ制限された光を透過するファイバプレートとして用いた場合、コア材の面積比が小さくなってしまい透過率が低くなるとともに、クラッド内部を透過してきたＮＡ制限されない光も多く含まれることになりその目的を達成できない。

光ファイバのガラスの種類は純度が高く透明度の高い二酸化シリコン、またはシリカが使われる。これらの材料にゲルマニューム、燐などを混ぜると屈折率が大きくなり、ホウ素やフッ素を混ぜると屈折率は小さくなる。このようにコアとクラッドの屈折率の差から臨界角を任意に作ることは技術的には概ね可能であるが、使用量の少ないファイバ光学プレート用にガラス素材を調合して光ファイバに線引きするのでは経済的に不利である。

従って、本発明の目的は、既存の光ファイバを用いて任意にＮＡ制限が可能なファイバ光学プレートの製造方法を実現することにある。

本発明は上記問題点を解決するためになされたもので、請求項１記載の発明は、
複数の光ファイバが束ねられ、光ファイバの軸心が平行に形成された第１平板と、
複数の光ファイバが束ねられ、光ファイバの軸心が平行に形成された第２平板と、
からなり、前記第１,第２平板を貼り合わせて平板単体でのＮＡ制限値よりＮＡの小さな方向に所望のＮＡを得るようにし、前記第１，第２平板を構成する光ファイバは、コア径が大きくクラッドおよび吸収体は薄く形成された光ファイバを用い、
前記第１，第２平板の少なくとも一方の平板の一面は光ファイバ軸に対して斜め方向に傾斜して形成され、前記第１,第２平板を貼り合わせたファイバ光学プレートを一組として、その一組を２組用い、いずれか一組のファイバ光学プレートを平面上で９０度回転させて配置したファイバ光学プレートの製造方法であって、前記第１、第２平板は下記の工程により作成したことを特徴とするファイバ光学プレートの製造方法。
記
１)複数の光ファイバを束ねて加熱融着若しくは接着剤を用いて光ファイバの軸心がそれぞれ平行な棒状の光ファイバ束を形成する工程と、
２）前記光ファイバ束をスライスして各光ファイバの軸心が平行な少なくとも２枚の平板を形成する工程と、
３）前記平板の少なくともひとつの一面に所定の傾きを形成する工程と、
４）前記傾きを形成した平板の一面と他の平板の一面を合わせて固定する工程、
を含んでいる。

以上説明したことから明らかなように本発明によれば、次のような効果がある。請求項１の発明によれば、
第１，第２平板を貼り合わせるので、貼り合わせ面に傾斜を設けることによりＮＡの小さなファイバ光学プレートを得ることができ、コア径が大きくクラッドおよび吸収体は薄く形成された光ファイバを用いたので、コア材の面積比が大きく透過率のよいファイバ光学プレートを得ることができる。
また、第１，第２平板のうち傾斜面はすくなくとも一面にあればよいので加工工数が少なくてすみ、第１,第２平板を貼り合わせたファイバ光学プレートを一組として、その一組を２組用い、いずれか一組のファイバ光学プレートを平面上で９０度回転させて配置したので、検査光源のファイバ光学プレーとして用いた場合、光ファイバの軸心に対し全方向に均一にＮＡ制限ができる。さらに、光源からの光を透過させ固体撮像装置の検査に用いたので、光源の高出力化がはかれ、均一な光を落射させることができるとともに、ファイバ光学プレートを簡単な方法で製造することができる。

はじめに図６で用いたファイバ光学プレートについて図７を用いて簡単に説明する。
図７に示すように、ファイバ光学プレート２５は、数万本以上の光ファイバ２５０が隙間なく熱融着して形成され、精度よく研磨して板材またはブロックにされる。光ファイバ２５０は、線径が数μｍ〜数百μｍで、図９に示すように、屈折率ｎ１のコアガラス２５１の外周に、屈折率ｎ２（＜ｎ１）のクラッドガラス２５２が形成され、クラッドガラス２５２の外周に光を吸収する吸収体２５３が形成される。

そして、入射角をθ１、屈折角（出射角）をθ２とすると、スネルの法則により、
ｎ１・sinθ１＝ｎ２・sinθ２
となる。この式で、sinθ２が”１”になっとき、全反射となる。小さい開口数（臨界角が小さい）のファイバを得ようとすれば、コアガラス２５１の屈折率（ｎ１）とクラッドガラス２５２の屈折率が比較的小さいものを選択する。これにより、透過させたい光の広がりが制限可能となる。

図１は本発明のファイバ光学プレートの一実施例を示す断面図、図２は光ファイバ１本同士が所定の角度（α）で接続している状態を示す拡大断面図である。
図１のファイバ光学プレートの断面図において、第１平板３０と第２平板３１は接触面Ｚが所定の角度αに傾斜して形成されており、矢印ａ方向から入射した光が矢印ｂ方向に出射している状態を示している。なお、第１平板３０と第２平板３１の表面の形状（図示せず）は矩形，円形，多角形を含めて任意であり、その表面は精度よく研磨されている。

ここで、図２における光の伝播挙動について説明する。
光ファイバに臨界角以下で入射した光は内部損失無く全反射を繰り返して出口へと向かう。出口では同じ屈折率の２段目の光ファイバと接続されるため、接合の境界面でも光はそのまま直進して２段目の光ファイバのコア・クラッド境界面Ａに到達する。

図２において、１段目光ファイバの臨界角ぎりぎりで通過してきた光Ｂは、光ファイバ相対角αだけ臨界角を越えることになるので、全反射することなくクラッド２５２に進んでその先の吸収体２５３に吸収される。ここで、初段の臨界角をθ１、光ファイバ相対角をαとすれば、所望の臨界角はθ１−αとして算出できる。

ＮＡと入射角の関係式は、sinθ＝ＮＡから求めることができるので、第１平板３０と第２平板３１の表面同士をどの角度で組み合わせればよいか容易に算出可能である。つまり光ファイバ相対角αを調整することで、所望の臨界角が得られることになり、ファイバ光学プレートとして自在にＮＡを変えることが可能となる。
つまり光ファイバ相対角αを調整することで、所望の臨界角が得られることになり、ファイバ光学プレートとして自在にＮＡを変えることが可能となる。

図１では第１平板３０と第２平板３1の双方とも斜めに切り出した上で向きを反転して組み合わせ、組み合わせ後のプレートがほぼ平行となる例を示したが、α度傾けて切り出した２つのプレートの切り出し方は特に制限は無く、組み合わせ後のプレートが平行でなくてもかまわない。全域にわたって相対的にα度傾くように組み合わせた光ファイバが図２に示すように２本のα度傾いた光ファイバで中継される構造であれば良い。接合の方法は光学的に透明な接着剤で接合しても、光ファイバ径に対して十分近傍といえる距離以下（光ファイバの直径が数十μなのでそれ以下の間隔）で機械的に結合しても良い。

次に、このようなファイバ光学プレートの製造方法について説明する。
はじめに、工程１において、図３ａに示すように複数(数万本以上)の光ファイバを束ねて加熱融着若しくは接着剤を用いて光ファイバの軸心がそれぞれ平行な棒状の光ファイバ束３２を形成する。
次に、図３ｂに示すように光ファイバ束３２をスライスして各光ファイバの軸心が平行な複数の平板３３を形成する。
３）次に、図３ｃに示すように平板３３の少なくともひとつの一面に所定の傾斜（α）を形成する。
４）最後に、図３ｄに示すように傾斜を形成した平板３３の一面と他の平板３３の一面を合わせて固定し、第１平板３０，第２平板３１からなるファイバ光学プレートを作製する。
なお、光ファイバはコア径が大きくクラッドおよび吸収体は薄く形成されたライトガイドなどの導光を目的として作製された光ファイバを用いる。

本発明のファイバ光学プレートを図６に示すような光源からの光を透過させ固体撮像装置の検査に適用する場合は、図４に示すように第１,第２平板３０，３１を貼り合わせたファイバ光学プレートを２組用い、平面上で９０度回転させて配置するものとする。
これは図２に示すように光ファイバをα度傾けた方向へは出射光はＮＡ制限を受けるが平面方向へはＮＡ制限を受けないためである。即ち一組だけの場合は出射光は楕円状となるので２組を用いることにより円状の出射光を得ることができる。
なお、傾きを有する光ファイバ（第１平板３０）で傾きのない光ファイバ（第２平板３１）をサンドイッチ状に挟んだ状態で３枚で構成してもよい。また、図では貼り合わせる前の状態を示している。

なお、以上の説明は、本発明の説明および例示を目的として特定の好適な実施例を示したに過ぎない。従って本発明は、上記実施例に限定されることなく、その本質から逸脱しない範囲で更に多くの変更、変形を含むものである。

本発明の一実施例を示すファイバ光学プレートの断面図である。 本発明のファイバ光学プレートの原理を説明するための図である。 本発明のファイバ光学プレートの製作工程を示す図である。 光源装置のファイバ光学プレートとして使用する場合の組み合わせ説明図である。 従来の光源装置の要部構成を示す図である。 他の従来例の要部構成を示す図である。 図６の従来例で用いるファイバ光学プレートの説明図である。 ファイバ光学プレートから出射した主光線がＣＣＤセンサに垂直に落射している状態を示す図である。 光ファイバ内を光が屈折して伝播する様子を示す説明図である。

符号の説明

２０ 光源
２３ 拡散板
２４ 照度均一化素子
２５ ファイバ光学プレート
２７ ＣＣＤセンサ
３０ 第１平板
３１ 第２平板

Claims (1)

1. 複数の光ファイバが束ねられ、光ファイバの軸心が平行に形成された第１平板と、
   複数の光ファイバが束ねられ、光ファイバの軸心が平行に形成された第２平板と、
   からなり、前記第１,第２平板を貼り合わせて平板単体でのＮＡ制限値よりＮＡの小さな方向に所望のＮＡを得るようにし、前記第１，第２平板を構成する光ファイバは、コア径が大きくクラッドおよび吸収体は薄く形成された光ファイバを用い、
   前記第１，第２平板の少なくとも一方の平板の一面は光ファイバ軸に対して斜め方向に傾斜して形成され、前記第１,第２平板を貼り合わせたファイバ光学プレートを一組として、その一組を２組用い、いずれか一組のファイバ光学プレートを平面上で９０度回転させて配置したファイバ光学プレートの製造方法であって、前記第１、第２平板は下記の工程により作成したことを特徴とするファイバ光学プレートの製造方法。
   記
   １)複数の光ファイバを束ねて加熱融着若しくは接着剤を用いて光ファイバの軸心がそれぞれ平行な棒状の光ファイバ束を形成する工程と、
   ２）前記光ファイバ束をスライスして各光ファイバの軸心が平行な少なくとも２枚の平板を形成する工程と、
   ３）前記平板の少なくともひとつの一面に所定の傾きを形成する工程と、
   ４）前記傾きを形成した平板の一面と他の平板の一面を合わせて固定する工程、
   を含んでいる。

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