JP5576735B2 - 有限系レンズの作動距離測定装置及び作動距離測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、光通信装置のカップリングレンズ等に使用される有限系レンズの作動距離を計測する作動距離測定装置及び作動距離測定方法に関する。

光ファイバを用いて通信を行う光通信装置は、特許文献１に記載の装置のように、レーザ光を出射するレーザダイオードと、レーザダイオードから出射されたレーザ光を集光して光ファイバの入射端に入射させるカップリングレンズとを有する。

上記通信を行うためには、搬送波であるレーザ光が確実に光ファイバの入射端で集光されるようにする必要がある。レーザ光を正確に光ファイバの入射端で集光させる為には、レーザ光の集光位置に光ファイバの入射端を正確に位置決めする必要がある。

特開平７−１９１２３７号公報

近年、光通信装置の小型化が進み、カップリングレンズと光ファイバの入射端との間隔の許容範囲は極めて狭いものとなっている。このため、光ファイバの入射端でレーザ光が集光できるようにするためには、カップリングレンズの作動距離（カップリングレンズからレーザ光の集光位置までの距離）が一定範囲内に収められる必要がある。

従って、カップリングレンズの作動距離をあらかじめ計測することは、光通信装置の生産上の歩留りを向上させるという観点から、極めて有用であるといえる。従来は、カップリングレンズのレンズ面の形状測定を行い、その測定結果に基づいて作動距離を演算していた。しかしながら、上記の測定方法による作動距離の推定には時間がかかり、また、作動距離の演算結果には、誤差が多く含まれていた。

本発明は、上記の問題に鑑み、簡便な作業で、且つ短時間で、カップリングレンズ等の有限系レンズの作動距離を正確に計測可能な作動距離測定装置及び作動距離測定方法を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため、本発明の有限系レンズの作動距離測定装置は、第１のレーザ光を集光点に集光するように出射する第１の光源と、第１のレーザ光の集光点を第１のレーザ光の光路に沿った方向に移動させる集光点移動手段と、集光点移動手段による集光点の移動距離を計測する第１の距離計測手段と、第１のレーザ光の光路と有限系レンズである被検レンズの光軸が一致するように該被検レンズを保持するレンズ保持部材と、レンズ保持部材を第１のレーザ光の光路に沿った方向に移動させるレンズ移動手段と、レンズ移動手段による被検レンズの移動距離を計測する第２の距離計測手段と、被検レンズに対して、第１の光源と反対側に配置され、第１のレーザ光の光路と光軸が一致するよう位置決めされており且つ第１の光源側に正のパワーを有するレンズユニットと、レンズユニットに対して、被検レンズと反対側から、該レンズユニットの光軸に沿った方向に平行光である第２のレーザ光を入射させる第２の光源と、レンズユニットの焦点位置にある第１又は第２のレーザ光による像を撮影する撮影手段とを有し、集光点移動手段は、レンズ保持部材に被検レンズが取り付けられていない状態で、撮像手段が第１のレーザ光による点像を得るような第１の位置に集光点を移動し、レンズ移動手段は、撮像手段が被検レンズの表面で反射してレンズユニットを通過する第２のレーザ光による点像を得るような第２の位置にレンズ保持部材を移動し、レンズ移動手段は、第２の位置から所定の距離だけ第１の光源に近い第３の位置にレンズ保持部材を移動し、集光点移動手段は、撮像手段が第１のレーザ光による点像を得るような第４の位置に集光点を移動し、第２の距離計測手段は、第２の位置から前記第３の位置までの距離を計測し、第１の距離計測手段は、第１の位置から第４の位置までの距離を計測することを特徴とする。

このような構成によって、第２の位置から前記第３の位置までの距離及び第１の位置から第４の位置までの距離を計測することにより、短時間で被検レンズの作動距離を求めることが可能となる。

また、第１のレーザ光と第２のレーザ光は、同一の波長を有するレーザ光であることが好ましい。

レンズを構成する材料の屈折率は、入射する光の波長に応じて変動するものであるため、第１のレーザ光と第２のレーザ光の波長を等しい構成とすれば、作動距離をより正確に求めることができる。

また、レンズ移動手段は、レンズ保持部材を、第１のレーザ光の光路に沿った方向を含む直交三軸方向に移動可能である構成としてもよい。

また、第１及び第２のレーザ光が赤外光であり、撮影手段は、可視光に対して高い感度を有する撮像素子と、赤外光を可視光に変換するフィルタとを有する構成としてもよい。

被検レンズが、赤外レーザ光を光ファイバに導くためのカップリングレンズのように、赤外光が入力されることを前提とするレンズである場合は、作動距離を測定するための第１及び第２のレーザ光を赤外光とすることによって、より正確に作動距離を求めることができる。シリコン系の撮像素子を内蔵した通常の（可視光用の安価な）撮影手段は、通常は赤外光による像を感度よく撮影することはできないが、本発明の上記構成のように、赤外光を可視光に変換するフィルタを設けることによって、赤外光による像を感度よく撮影することができる。

以上のように、本発明によれば、簡便且つ短時間で、カップリングレンズ等の有限系レンズの作動距離を正確に計測可能な有限系レンズの作動距離測定装置が実現される。

図１は、本発明の実施の形態の有限系レンズの作動距離測定装置のブロック図である。 図２は、光源部からレンズユニットに至る領域における本発明の実施の形態の作動距離測定装置の側面図である。 図３は、光源部からレンズユニットに至る領域における本発明の実施の形態の作動距離測定装置の側面図である。 図４は、光源部からレンズユニットに至る領域における本発明の実施の形態の作動距離測定装置の側面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は、本実施形態の作動距離測定装置のブロック図である。本実施形態の作動距離測定装置１は、主光源部１０、光源移動用ステージ２０、試料台３０、試料台移動用ステージ４０、レンズユニット５０、落射光源部６０、テレビジョンカメラ７０及び点像表示手段９０を有する。

主光源部１０は、レーザダイオード１１、コリメータレンズ１２、絞り１３及び集光レンズ１４がこの順番で一列に並べられたものである。レーザダイオード１１の仕様（レーザ光の波長）は、本実施形態の作動距離測定装置１によって作動距離が計測される被検レンズＬが実際に使用される際に被検レンズＬに入射される光の波長に応じて選択されるものである。例えば、被検レンズＬが光通信のカップリングレンズとして使用されるものであるならば、レーザダイオード１１は、光通信で使用される赤外レーザ光を出射するものが選択される。

レーザダイオード１１から出射されるレーザ光は、コリメータレンズ１２によって平行光となり、絞り１３によって一定の径に整えられ、次いで集光レンズ１４によって、被検レンズＬの手前（すなわち、主光源部１０と被検レンズＬの間）に位置する集光点Ｐ１で集光される。

レーザ光が上記のように集光点Ｐ１で集光されるようにするため、レーザダイオード１１から出射されるレーザ光の進行方向並びにコリメータレンズ１２及び集光レンズ１４の光軸は同一軸（以下、光軸ＯＡ１と称す）上に配置されている。そのため、主光源部１０を出射するレーザ光の光路は光軸ＯＡ１に沿ったものとなる。また、集光点Ｐ１も光軸ＯＡ１上に位置することになる。

主光源部１０は、光源移動用ステージ２０によって、光軸ＯＡ１に沿った方向に移動可能となっている。光源移動用ステージ２０を操作することによって、集光点Ｐ１の位置を光軸ＯＡ１上で移動させることができる。また、光源移動用ステージ２０は、主光源部１０の移動距離を求める距離測定手段としての機能をも有する。光源移動用ステージ２０は、例えば、送りねじ機構によって主光源部１０を移動させると共に、送りねじに取り付けられたロータリーエンコーダによって主光源部１０の移動距離を求めるものである。

試料台３０は、被検レンズＬを、被検レンズＬに入射するレーザ光を透過させるように保持するものである。試料台３０は、試料台移動ステージ４０によって、直交三軸方向に移動することができる。また、試料台３０は、被検レンズＬが保持された状態で被検レンズＬの光軸ＯＡ２が主光源部１０の光軸ＯＡ１に平行となるよう、被検レンズＬを保持する。さらに、試料台移動用ステージ４０は、光源移動用ステージ２０と同様、試料台３０の移動距離を求める距離測定手段としての機能をも有する。

レンズユニット５０は、試料台３０の下側（主光源部１０に対して遠位となる側）に、試料台３０に近接して配置されている。また、レンズユニット５０は、複数のレンズを組み合わせた、所謂組レンズであり、全体としては正のパワーを有する。また、レンズユニット５０は、その光軸ＯＡ３が光源部の光軸ＯＡ１に一致するように位置決めされている。

テレビジョンカメラ７０は、レンズユニット５０の下側（主光源部１０に対して遠位となる位置）に配置されている。また、テレビジョンカメラ７０の光学系の光軸ＯＡ４は、レンズユニット５０の光軸ＯＡ３と平行であり、また、光軸ＯＡ３と略等しい。なお、本実施形態のテレビジョンカメラ７０は、可視光による像を感度よく撮像可能な一般的な撮像素子を備えたものである。しかし、主光源部１０又は落射光源部６０から出射されるレーザ光が、赤外光のように上記一般的な撮像素子での感度が低いものであるならば、光軸ＯＡ４上に、赤外光を可視光に波長変換するフィルタを挿入することも可能である。このように、本実施形態においては、被検レンズＬが赤外光用のレンズであっても、赤外光用の高価なカメラを使用することなく、安価な可視光用のテレビジョンカメラ７０を用いて被検レンズＬの作動距離を計測可能である。

レンズユニット５０とテレビジョンカメラ７０の間には、ハーフミラー８１及び結像レンズ８２が配置されている。なお、ハーフミラー８１はレンズユニット５０側に、また結像レンズ８２はテレビジョンカメラ７０側に位置している。結像レンズ８２の光軸ＯＡ５は、テレビジョンカメラ７０の光軸ＯＡ４に一致する。また、結像レンズ８２は、レンズユニット５０側から光軸ＯＡ４に平行な平行光が入射した時に、テレビジョンカメラ７０が撮影した映像に点像が表示されるような位置に配置されている。

点像表示手段９０は、画像処理装置９１と、モニタ９２を有する。テレビジョンカメラ７０が撮影した映像の映像信号は、画像処理装置９１に送られる。画素処理装置９１は、テレビジョンカメラ７０から送られた映像信号を処理（例えば輝度調整処理）してモニタ９２に表示させる。この結果、モニタ９２には、テレビジョンカメラ７０が撮影した映像が表示される。

落射光源部６０は、レーザダイオード６１と、コリメータレンズ６２を有する。レーザダイオード６１は、主光源部１０のレーザダイオード１１が出射するレーザ光と同じ波長のレーザ光を出射する。レーザダイオード６１によって出射されたレーザ光は、コリメータレンズ６２によって平行光となる。落射光源部６０から出射されるレーザ光は、ハーフミラー８１に入射するようになっている。

ハーフミラー８１は、落射光源部６０から出射されたレーザ光をレンズユニット５０の光軸ＯＡ３上を進むよう屈曲すると共に、レンズユニット５０からテレビジョンカメラ７０に向かって出射されたレーザ光を透過させて結像レンズ８２の光軸ＯＡ５に沿った方向に進むレーザ光とするものである。

以上説明した本実施形態の作動距離測定装置１による、被検レンズＬの作動距離の測定手順について、図２〜図４を参照して、以下に説明する。図２〜図４は共に、主光源部１０からレンズユニット５０に至る領域における、作動距離測定装置１の側面図を示したものである。

被検レンズＬの作動距離の測定を行う前に、主光源部１０の位置の原点が設定される。具体的には、図２に示されるように、作動距離測定装置１の使用者は、試料台３０にレンズが取り付けられていない状態で主光源部１０のレーザダイオード１１（図１）を点灯し、次いで光源移動用ステージ２０を操作して主光源部１０からのレーザ光Ｂ１の集光レンズ１４（図１）による集光点が、レンズユニット５０の焦点Ｐ２に一致するような位置に主光源部１０を移動する。より詳細には、モニタ９２（図１）に、主光源部１０からのレーザ光Ｂ１による像が点像として表示されるような位置に主光源部１０を移動させる。レンズユニット５０の焦点Ｐ２で焦点を結び且つ進行方向がレンズユニット５０の光軸ＯＡ３に一致する光は、レンズユニット５０を通過すると平行光となり、モニタ９２上には点像が表示されることになる。この時の主光源部１０の位置を、光源部原点Ｐｏ０とする。

次に、作動距離測定装置１の使用者は、主光源部１０のレーザダイオード１１を消灯し、試料台３０に被検レンズＬを取り付け、落射光源部６０のレーザダイオード６１（図１）を点灯する。次いで、作動距離測定装置１の使用者は、試料台移動ステージ４０を操作して、被検レンズＬのレンズユニット５０側のレンズ面Ｒ２が被検レンズＬの光軸ＯＡ２と交差する点Ｐ３が、レンズユニット５０の焦点Ｐ２と一致するように、試料台３０を移動させる（図３）。具体的には、モニタ９２上に点像が表示されるように、作動距離測定装置１の使用者は、試料台移動ステージ４０を操作する。落射光源部６０から出射されたレーザ光はハーフミラー８１で反射され、レンズユニット５０を通過して被検レンズＬに入射する。ここで、被検レンズＬに入射するレーザ光は焦点Ｐ２上で焦点を結ぶが、焦点Ｐ２上にレンズ面Ｒ２が位置し、レンズ面Ｒ２（点Ｐ３）によって入射光が反射された場合、この反射されたレーザ光Ｂ２は、入射光と同じ光路をとることとなる。すなわち、反射されたレーザ光Ｂ２は、レンズユニット５０で平行光となり、ハーフミラー８１を通過した後、結像レンズ８２でテレビジョンカメラ７０上に結像する。従って、被検レンズＬのレンズユニット５０側のレンズ面Ｒ２が被検レンズＬの光軸ＯＡ２と交差する点Ｐ３が、レンズユニット５０の焦点Ｐ２と一致した場合、モニタ９２上には点像が表示されることになる。この時の試料台３０の位置を、試料台原点Ｐｓ０とする。

次に、作動距離測定装置１の使用者は、落射光源部６０のレーザダイオード６１を消灯し、主光源部１０のレーザダイオード１１を点灯する。次いで、作動距離測定装置１の使用者は、試料台移動用ステージ４０を操作して、被検レンズＬを設計位置（レンズユニット５０の焦点Ｐ２から被検レンズＬの点Ｐ３迄の距離が所定距離ｄ１となる位置）に移動させる（図４）。本実施形態では、被検レンズＬの点Ｐ３は、被検レンズＬが試料台３０に当接する面と同一平面上に位置するように設計されている。従って、試料台３０の試料台原点Ｐｓ０からの距離がｄ１となるように試料台３０を主光源部１０側に移動させることによって、レンズユニット５０の焦点Ｐ２から被検レンズＬの点Ｐ３迄の距離を所定距離ｄ１に設定している。そして、この時の試料台の位置をＰｓ１とする。なお、もし、被検レンズＬの点Ｐ３が、被検レンズＬが試料台３０に当接する面と同一平面上に位置しない場合には、点Ｐ３と被検レンズＬが試料台３０に当接する面との距離をオフセットして被検レンズＬを移動させればよい。

さらに、作動距離測定装置１の使用者は、光源移動用ステージ２０を操作して、主光源部１０からのレーザ光Ｂ１の被検レンズＬによる集点が、レンズユニット５０の焦点Ｐ２に一致するような位置に主光源部１０を移動する。より詳細には、モニタ９２（図１）に、主光源部１０からのレーザ光Ｂ１による像が点像として表示されるような位置に主光源部１０を移動させる。この時の主光源部１０の位置をＰｏ１とする。

前述のように、光源移動用ステージ２０は、光源部原点Ｐｏ０からの主光源部１０の移動距離を計測可能である。すなわち、位置Ｐｏ１とＰｏ０の間隔ｄ２を計測可能である。この間隔ｄ２は、この状態での主光源部１０からのレーザ光Ｂ１の焦点Ｐ４からレンズユニット５０の焦点までの間隔（物像間距離）に等しい。

被検レンズＬの作動距離Ｗｄは、レンズユニット５０の焦点Ｐ２にて集光されるような光が被検レンズＬのレンズユニット５０側のレンズ面Ｒ２に入射した時に、被検レンズＬを通過した光の集光位置と被検レンズＬのレンズ面Ｒ２の周囲のフランジ部Ｌｆとの間隔である。ここで、フランジ部Ｌｆの主光源部１０側の面Ｌｔは平面であり、面Ｌｔから点Ｐ３迄の間隔ｄ３は、あらかじめ３次元形状計測装置等を用いて計測されている。そのため、被検レンズＬの作動距離Ｗｄは、下記の数１から算出される。

以上のように、本実施形態の作動距離測定装置１を使用することによって、被検レンズＬの作動距離Ｗｄを計測することかできる。

なお、上記数１の演算は、図示しないＣＰＵ又はパーソナルコンピュータで自動的に行われる構成とするのが好ましい。

１ 作動距離測定装置
１０ 主光源部
２０ 光源移動用ステージ
３０ 試料台
４０ 試料台移動用ステージ
５０ レンズユニット
６０ 落射光源部
７０ テレビジョンカメラ

Claims (7)

1. 第１のレーザ光を射出して集光させる第１の光源と、
   前記第１のレーザ光の集光点を前記第１のレーザ光の光路に沿った方向に移動させる集光点移動手段と、
   前記集光点移動手段による前記集光点の移動距離を計測する第１の距離計測手段と、
   前記第１のレーザ光の光路と有限系レンズである被検レンズの光軸とが一致するように該被検レンズを保持するレンズ保持部材と、
   前記レンズ保持部材を前記第１のレーザ光の光路に沿った方向に移動させるレンズ移動手段と、
   前記レンズ移動手段による前記被検レンズの移動距離を計測する第２の距離計測手段と、
   前記被検レンズに対して、前記第１の光源と反対側に配置され、前記第１のレーザ光の光路と光軸が一致するよう位置決めされており且つ前記第１の光源側に正のパワーを有するレンズユニットと、
   前記レンズユニットに対して、前記被検レンズと反対側から、該レンズユニットの光軸に沿った方向に平行光である第２のレーザ光を入射させる第２の光源と、
   前記レンズユニットの焦点位置にある前記第１又は第２のレーザ光による像を撮影する撮像手段と、
   前記被検レンズの作動距離を測定する作動距離測定手段と、
   を有し、
   前記集光点移動手段は、
   前記レンズ保持部材に前記被検レンズが取り付けられていない状態で、前記撮像手段が前記第１のレーザ光による点像を得る第１の位置に前記集光点を移動させ、
   前記レンズ移動手段は、
   前記レンズ保持部材に前記被検レンズが取り付けられている状態で、前記撮像手段が該被検レンズの表面で反射して前記レンズユニットを通過する前記第２のレーザ光による点像を得る第２の位置に前記レンズ保持部材を移動させ、
   前記レンズ移動手段は、
   前記レンズ保持部材に前記被検レンズが取り付けられている状態で、前記第２の位置から所定の距離だけ前記第１の光源に近い第３の位置に前記レンズ保持部材を移動させ、
   前記集光点移動手段は、
   前記第３の位置に移動されたレンズ保持部材に前記被検レンズが取り付けられている状態で、前記撮像手段が前記第１のレーザ光による点像を得る第４の位置に前記集光点を移動させ、
   前記第２の距離計測手段は、
   前記第２の位置から前記第３の位置までの第１の距離を計測し、
   前記第１の距離計測手段は、
   前記第１の位置から前記第４の位置までの第２の距離を計測し、
   前記作動距離測定手段は、
   前記第１の距離、前記第２の距離及び前記被検レンズの前記レンズユニット側の表面と前記第１の光源に最も近い面との間隔に基づいて該被検レンズの作動距離を測定する、
   有限系レンズの作動距離測定装置。
2. 前記第１のレーザ光と前記第２のレーザ光は、
   同一の波長を有するレーザ光である、
   請求項１に記載の有限系レンズの作動距離測定装置。
3. 前記レンズ移動手段は、
   前記レンズ保持部材を、前記第１のレーザ光の光路に沿った方向を含む直交三軸方向に移動可能である、
   請求項１又は請求項２に記載の有限系レンズの作動距離測定装置。
4. 前記第１及び第２のレーザ光が赤外光であり、
   前記撮像手段は、
   可視光に対して高い感度を有する撮像素子と、
   前記赤外光を可視光に変換するフィルタと、
   を有するものである、
   請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の有限系レンズの作動距離測定装置。
5. 前記第１の距離をｄ１と定義し、前記第２の距離をｄ２と定義し、前記被検レンズの前記レンズユニット側の表面と前記第１の光源に最も近い面との間隔をｄ３と定義し、前記被検レンズの作動距離をＷｄと定義した場合に、次式
   Ｗｄ＝ｄ２-ｄ１-ｄ３
   が満たされる、
   請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の有限系レンズの作動距離測定装置。
6. 前記被検レンズの前記レンズユニット側の表面と前記第１の光源に最も近い面との間隔は、予め計測された値である、
   請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の有限系レンズの作動距離測定装置。
7. 第１のレーザ光を射出して集光させる第１の光源と、
   前記第１のレーザ光の光路と有限系レンズである被検レンズの光軸とが一致するように該被検レンズを保持するレンズ保持部材と、
   前記被検レンズに対して、前記第１の光源と反対側に配置され、前記第１のレーザ光の光路と光軸が一致するよう位置決めされており且つ前記第１の光源側に正のパワーを有するレンズユニットと、
   前記レンズユニットに対して、前記被検レンズと反対側から、該レンズユニットの光軸に沿った方向に平行光である第２のレーザ光を入射させる第２の光源と、
   前記レンズユニットの焦点位置にある前記第１又は第２のレーザ光による像を撮影する撮像手段と、
   前記被検レンズの作動距離を測定する作動距離測定手段と、
   を有する有限系レンズの作動距離測定装置を用いた有限系レンズの作動距離測定方法であって、
   前記レンズ保持部材に前記被検レンズが取り付けられていない状態で、前記撮像手段が前記第１のレーザ光による点像を得る第１の位置に前記第１のレーザ光の集光点を移動させるステップと、
   前記レンズ保持部材に前記被検レンズが取り付けられている状態で、前記撮像手段が該被検レンズの表面で反射して前記レンズユニットを通過する前記第２のレーザ光による点像を得る第２の位置に前記レンズ保持部材を移動させるステップと、
   前記レンズ保持部材に前記被検レンズが取り付けられている状態で、前記第２の位置から所定の距離だけ前記第１の光源に近い第３の位置に前記レンズ保持部材を移動させるステップと、
   前記第３の位置に移動されたレンズ保持部材に前記被検レンズが取り付けられている状態で、前記撮像手段が前記第１のレーザ光による点像を得る第４の位置に前記集光点を移動させるステップと、
   前記第２の位置から前記第３の位置までの第１の距離を計測するステップと、
   前記第１の位置から前記第４の位置までの第２の距離を計測するステップと、
   前記第１の距離、前記第２の距離及び前記被検レンズの前記レンズユニット側の表面と前記第１の光源に最も近い面との間隔に基づいて該被検レンズの作動距離を測定するステップと、
   を含む、
   有限系レンズの作動距離測定方法。

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