JP6619284B2 - 端面観察装置 - Google Patents

Description

本発明は、光コネクタの端面状態を観察する端面観察装置に関する。

光通信において、光コネクタは各種ネットワーク装置や光ファイバ間を接続するための必要不可欠な部品である。光コネクタでの損失を低減することは良好な光通信を実現する上で非常に重要である。光コネクタにおける損失要因は主に、コネクタ端面におけるゴミ、異物の付着や汚れである。そのため光コネクタの接続時にはコネクタ端面の清掃や観察が重要な作業になっている。

具体的に、光コネクタは、雄コネクタであるプラグと、雌コネクタでありネットワーク装置などでプラグの差し込み口となるレセプタクルとから構成されている。従来から、上記プラグと上記レセプタクルの夫々について、清掃や観察を行うためのクリーナや端面観察装置が提案されている。

例えば、特許文献１には、クリーナと観察装置とを一体化した端面観察装置が開示されている。同文献に開示された端面観察装置は、リング状のレンズの穴にクリーナを配置した構造を有している。この装置をレセプタクルに挿し込むことでコネクタ端面を観察することができ、更に、その状態から端面観察装置を押し込むことによってクリーナを送り出し、コネクタ端面を清掃することができる。

特開２０１５−１６９８６６号公報

しかしながら、このようなリング状のレンズを用いてコネクタ端面を観察した場合、画像が劣化するという課題があった。
本発明の目的は、画像劣化を抑制した端面観察装置を提供することにある。

本発明に係る端面観察装置（１００）は、光軸（１５）方向に貫通する貫通孔（１Ａ）を有するリング状のレンズ（１）と、レンズを介して観察対象物（２００）の端面（２２Ａ）に照射する光を発生させる光源（２）と、レンズを介して観察対象物の端面の像を受像する撮像素子（３）とを備え、レンズの外径をＤ、穴の直径をｄとしたとき、観察対象物の端面の像光の広がり角が１７°のときに、ｄ／Ｄ≦０．２８を満たすことを特徴とする。

上記端面観察装置は、レンズの貫通孔に挿入され、観察対象物の端面を操作するための構造体（４）を更に備えてもよい。

上記構造体は、観察対象物の端面を清掃するためのクリーニング機構（４１，４２）を含んでもよい。

本発明によれば、画像劣化を抑制した端面観察装置を提供することが可能となる。

図１は、本発明の一実施の形態に係る端面観察装置の構成を示す図である。 図２は、本発明の一実施の形態に係る端面観察装置のレンズの形状を示す図である。 図３は、光コネクタを端面観察装置によって観察する場合の光コネクタの端面の像光の広がり方を説明するための図である。 図４は、本発明の一実施の形態に係る端面観察装置のシミュレーション条件を説明するための図である。 図５は、本発明の一実施の形態に係る端面観察装置のシミュレーション結果を示す図である。 図６は、本発明の一実施の形態に係る端面観察装置におけるレンズの貫通孔の直径ｄと距離Ｌとの関係を示す図である。 図７は、本発明の一実施の形態に係る端面観察装置の別の構成を示す図である。

以下、本発明に係る端面観察装置の実施の形態について図を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る端面観察装置の構成を示す図である。
端面観察装置１００は、観察対象物の端面を観察するための観察機構と観察対象物の端面を操作するための構造体とが一体化した装置である。

端面観察装置１００の観察対象物は、光コネクタ２００である。光コネクタ２００としては、ＬＣコネクタ、ＭＵコネクタ、およびＳＣコネクタ等を例示することができる。
光コネクタ２００は、図１に示すように、例えば、アダプタとしてのレセプタクル２１と、レセプタクル２１内部に設けられた光ファイバから成る光コネクタプラグ２２とを備えている。例えば、光信号を送信または受信する装置の外部端子として光コネクタ２００が設けられている場合、上記装置の外側から別の光ケーブルのプラグをレセプタクル２１に挿し込むことにより、光コネクタ２００と上記光ケーブルのコネクタ同士の接続が可能となる。

端面観察装置１００は、図１に示されるように、レンズ１、５、クリーニング機構４、光源２、撮像素子３、および光学素子６を備える。端面観察装置１００は、例えば先細の筒状の筐体１０内に、上述のレンズ１、５、光源２、撮像素子３等の機能素子が配置された構造を有している。また、筐体１０内は、例えば空気で満たされている。この空気は、光が伝搬する媒体である。

端面観察装置１００による光コネクタ２００の端面２２Ａの操作および観察は、例えば、端面観察装置１００の筐体１０の先端に接続されたアダプタ１１をレセプタクル２１内部の光コネクタプラグ２２を支持する筒状の突起部２１Ａに嵌め込んだ状態で行われる。

なお、以下の説明では、図１において端面観察装置１００におけるレンズ１が配置される側を“前方”と称し、端面観察装置１００における撮像素子３が配置される側を“後方”と称する。

レンズ１は、対物レンズであり、リング状に形成されている。レンズ１は、例えば、その光軸１５が筒状の筐体１０と同軸となるように筐体１０内に配置されている。
図２に、図１の光コネクタ２００側から光軸１５の方向を見たときのレンズ１の平面形状を示す。図２に示すように、レンズ１は、その中央部に、光軸１５方向に貫通するレンズ１と同心の貫通孔１Ａを有している。貫通孔１Ａには、後述する構造体４が挿入可能となっている。詳細は後述するが、レンズ１は、レンズ１の外径Ｄとレンズ１の内径（貫通孔１Ａの直径）ｄとの比率が所定の条件を満たすように形成されている。

構造体４は、レンズ１の貫通孔１Ａ内に設けられた光コネクタ２００の端面２２Ａを操作するための器具である。構造体４としては、光コネクタ２００の端面２２Ａを清掃するためのクリーニング機構を例示することができる。本実施の形態では、一例として、構造体４がクリーニング機構であるものして説明し、構造体４を「クリーニング機構４」とも表記する。

クリーニング機構４は、その一部がレンズ１の上記の貫通孔１Ａから光コネクタ２００に向かって突き出ることが可能なように配置されている。クリーニング機構４としては、光コネクタ２００の中央にあるレセプタクル２１内部の光コネクタプラグ２２（光ファイバ）の端面２２Ａにクリーニングテープを押し付け、端面内の所定の方向にガイド機構に沿って摺動させる構造を有するものを例示することができる。

具体的には、図１に示すように、クリーニング機構４は、レンズ１の貫通孔１Ａ内に設けられたクリーナチップ４１と、クリーナチップ４１の端面の一部を覆うように配置されたクリーニングテープ４２とから構成されている。クリーニングテープ４２は、例えば、図示されない摺動機構によって、クリーナチップ４１の端面内を所定の方向に移動する。なお、図１には、クリーニングテープ４２とクリーナチップ４１の一部のみが図示されており、詳細な構造は省略している。

光源２は、レンズ１を介して光コネクタ２００における光コネクタプラグ２２の端面２２Ａに照射する照明光を発生する。光源２は、その中心を通る軸（中心軸）に対して対称な光の強度分布（輝度）を有する光源であり、例えば、ＬＥＤや半導体レーザから構成されている。光源２は、例えば、光学素子６からレンズ１の光軸１５に直交する方向に離間して配置される。

撮像素子３は、光学系、すなわちレンズ１を介して光コネクタ２００の端面２２Ａの像を撮像し、端面２２Ａの画像を生成するものである。撮像素子３は、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）やＣＭＯＳ（Ｃｏｍｐｌｅｍｅｎｔａｒｙ ｍｅｔａｌ−ｏｘｉｄｅ−ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）カメラなどを用いて構成することができる。撮像素子３は、端面観察装置１００の後方に配置されている。より具体的には、撮像素子３は、例えば、筐体１０の長手方向に垂直な断面形状に合わせて形成された円形状の板状部材（例えば基板等）の表面に搭載され、その板状部材が筐体１０の一端に配置されている。

光学素子６は、レンズ１と撮像素子３との間の光軸１５上に設けられている。光学素子６は、入射した光の一部を反射し、一部を透過させる光学部品であり、例えば、ビームスプリッタやハーフミラーである。なお、以下の説明では、一例として、光学素子６がハーフミラーであるものとし、光学素子６をハーフミラー６と表記する。ハーフミラー６による反射光と透過光との割合は、例えば１対１である。

レンズ５は、ハーフミラー６とレンズ１の間に配置されている。レンズ５は、光源２からの照明光と端面２２Ａからの反射光（像光）とで共通のレンズ系を構成している。

ここで、レンズ５、ハーフミラー６、光源２、および撮像素子３は、例えば、端面観察装置１００の光学系が共焦点光学系となるように、夫々配置されている。

本実施の形態１に係る端面観察装置１００は、観察対象物の端面を観察したときの画像の劣化を抑えるために、レンズ１の外径Ｄとレンズ１の内径（貫通孔１Ａの直径）ｄとの比率が所定の条件を満たすように構成されている。以下、レンズ１の具体的な構成について詳細に説明する。

図３は、光コネクタ２００を端面観察装置１００によって観察する場合の端面２２Ａの像光の広がり方を説明するための図である。
図３に示すように、光コネクタプラグ２２は、レセプタクル２１内に設けられていることから、光コネクタプラグ２２の端面２２Ａからの光は、レセプタクル２１の突起部２１Ａによって遮られる。具体的には、レセプタクル２１内の光コネクタプラグ２２の端面２２Ａの像光は、レセプタクル２１の形状が開口となり、広がり角が制限されて伝搬する。すなわち、端面２２Ａの像光の広がり角は、θ₁に制限される。

レセプタクル２１の形状は光コネクタの種類によってサイズが異なる。例えば、光コネクタ２００がＬＣコネクタ、ＭＵコネクタ、およびＳＣコネクタの何れかである場合には、開口数ＮＡ（＝ｓｉｎ（θ₁／２））は約０．１５となり、広がり角θ₁は約１７°となる。

したがって、端面観察装置１００によって光コネクタ２００の端面２２Ａを観察する場合に、端面２２Ａの像光がレンズ１でケラレないようにするためには、端面２２Ａの像光が撮像素子３に結像できる範囲をΦとしたとき、レンズ直径Ｄは、式（１）を満足することが望ましい。ここで、Φは、式（２）で表すことができる。

また、リング状のレンズ１は、端面２２Ａの像光が貫通孔１Ａを透過しないため、貫通孔１Ａが無いレンズに比べて端面２２Ａの画像の画質が劣化する。
ここで、レンズ１の貫通孔１Ａに相当する像光の広がり角度をθ₂としたとき、撮像素子３に結像できない範囲、すなわち貫通孔１Ａの直径（穴径）ｄは、式（３）で表すことができる。

ところで、一般に、レンズによる画質の劣化度合いは、ＭＴＦ（ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ）カーブによって評価することができる。例えば、レンズの性能を指標として、所定の空間周波数でのＭＴＦの値をもってレンズの仕様値とする場合もある。そこで、本願発明者らは、端面観察装置１００の画質の劣化の度合いを評価するために、端面観察装置１００のＭＴＦのシミュレーションを行った。

上記シミュレーションの条件は以下の通りである。
上記シミュレーションでは、図４に示すように、レンズ１，５として理想レンズ２枚を用いた共焦点光学系を構成し、観察対象の光コネクタ２００の端面２２Ａが撮像素子３上で約３倍になるようにレンズ１，５の焦点距離を設定した。具体的には、光コネクタ２００の端面２２Ａ側のレンズ１の焦点距離ｆは、光コネクタ２００の端面２２Ａとレンズ１の間の距離Ｌと等しく、撮像素子３側のレンズ５の焦点距離ｆ２は、レンズ５と撮像素子３間の距離Ｌ２と等しい。
ここで、ＬとＬ２との関係は、倍率をｍとすると、“ｍＬ＝Ｌ２”で表すことができる。
上述の条件にて行ったシミュレーション結果を図５に示す。

図５には、レンズ１の貫通孔１Ａの直径ｄをパラメータとして、光コネクタ２００の端面２２Ａとレンズ１との間の距離Ｌを変化させたときの、２μｍ幅のＬ／Ｓに相当する空間周波数におけるＭＴＦの値が示されている。
図５において、参照符号４０１は、ｄ＝０の場合の特性であり、参照符号４０２は、ｄ＝０．６２５の場合の特性であり、参照符号４０３は、ｄ＝１．２５の場合の特性であり、参照符号４０４は、ｄ＝１．８７５の場合の特性であり、参照符号４０５は、ｄ＝２．５の場合の特性であり、参照符号４０６は、ｄ＝３．１２５の場合の特性である。

図５から理解されるように、レンズ１の外径Ｄに対して貫通孔１Ａの直径ｄが大きくなるほど、ＭＴＦが低下する。このことから、貫通孔１Ａの直径ｄは小さいほど良いということが理解される。
したがって、端面観察装置１００のレンズ１の形状を決定する際には、貫通孔１Ａの直径ｄを、クリーニング機構４を配置するのに必要な最小値とし、その上で、必要な光学特性を満足するように、レンズ１の外径Ｄを決定することが望ましい。

一般的に、ＭＴＦは、各種の劣化要因のマージンを含めて、０．４以上にすることが望まれる。そこで、図５に示したグラフにおいて、ＭＴＦ＝０．４となるときの、直径ｄと距離Ｌとの関係を図６に示す。
図６に示される特性５０１から理解されるように、ＭＴＦを固定すると、貫通孔１Ａの直径ｄに相当する像光の広がり角θ₂はほぼ一定となる。図６に示される特性５０１から、広がり角θ₂を求めると、θ₂＝４．８°となる。

したがって、ＭＴＦを０．４以上にするためには、貫通孔１Ａの直径ｄを、広がり角θ₂（＝４．８°）に相当する長さよりも小さくする必要がある。すなわち、上述した式（３）より、貫通孔１Ａの直径ｄは、下記式（４）に示される条件を満足する必要がある。

この条件は、前述したように像光の広がり角θ₁が約１７度であるのに対し求めたものである。更に、一般化するため、貫通孔１Ａの直径ｄとΦとの比によって、上記式（４）の条件を記述する。すなわち、式（２）、（３）より、θ₁＝１７°とすると、式（５）を導くことができる。

また、式（２）および式（５）から、式（６）を導くことができる。

次に、レンズ１の外径Ｄとレンズ１の内径（貫通孔１Ａの直径）ｄとの比の条件を求める。端面２２Ａの像光がケラレやレンズ端での回折の影響を回避することを考慮すると、式（１）および式（５）から、式（７）を導くことができる。

したがって、レンズ１の外径Ｄと貫通孔１Ａの直径ｄの比が式（７）に示す関係を満足するようにレンズ１を設計することにより、端面観察装置１００のＭＴＦを０．４以上にすることが可能となる。

以上、本実施の形態に係る端面観察装置１００によれば、レンズ１の外径Ｄと貫通孔１Ａの直径（穴径）ｄとが上記（式７）を満たすようにレンズ１を構成することにより、０．４以上のＭＴＦを得ることができる。これにより、画像の劣化を抑えた高画質な端面観察装置を実現することが可能となる。

以上、本発明者らによってなされた発明を実施の形態に基づいて具体的に説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは言うまでもない。

例えば、上記実施の形態において、端面観察装置の本体と構造体（例えばクリーニング機構）とが一体となった端面観察装置を例示したが、これに限られない。例えば、端面観察装置の本体と上記構造体とが夫々別個に製造され、ユーザが使用する時に、端面観察装置の本体と構造体とを組み合わせることにより、本発明に係る端面観察装置を組み立ててもよい。例えば、レンズ１を有する端面観察装置１００の本体部分（端面観察装置１００のクリーニング機構４を除く部分）と、クリーニング機構４とを夫々別個に製造し、ユーザが使用するときに、レンズ１の貫通孔１Ａにクリーニング機構４を挿入することによって清掃機能を備えた端面観察装置を組み立ててもよい。

また、上記実施の形態において、ハーフミラー６およびレンズ５を設ける場合を例示したが、図７に示す端面観察装置１００Ａのように、用途や要求される性能等に応じて、ハーフミラー６やレンズ５を設けなくてもよい。また、上記実施の形態において、光源２が筐体１０内のレンズ５と撮像素子３との間に配置される場合を例示したが（図１参照）、光源２の設置場所は上記の位置に限定されない。

また、上記実施の形態において、レンズ１の貫通孔１Ａ内に設けられた光コネクタ２００の端面２２Ａを操作するための構造体としてクリーニング機構４を例示したが、これに限られず、プローバや触針装置、加工装置等を貫通孔１Ａ内に挿入し、光コネクタ２００に対して突出させるように配置することも可能である。これによれば、クリーニング機構４の場合と同様に、上記構造体による操作前後の像を観察することができるので、操作性の向上と操作時間の短縮を図ることができる。

また、上記実施の形態において、クリーニング機構４として、クリーニングテープ４２を所定の方向に摺動させる構造を有する部品を例示したが、光コネクタ２００の端面２２Ａを清掃することができるものであれば、上記構造に特に制限されない。

１００…端面観察装置、２００…光コネクタ、２１…レセプタクル、２１Ａ…突起部、２２…光コネクタプラグ、２２Ａ…光コネクタプラグの端面、１，５…レンズ、１Ａ…貫通孔、２…光源、３…撮像素子、４…構造体（クリーニング機構）、４１…クリーナチップ、４２…クリーニングテープ、６…ハーフミラー、１０…筐体、１１…アダプタ、１５…光軸、Ｄ…レンズ１の外径、ｄ…貫通孔１Ａの直径（穴径）、Ｌ…レンズ１と端面２２Ａとの距離、θ₁，θ₂…広がり角。

Claims (5)

1. 光軸方向に貫通する貫通孔を有するリング状のレンズと、
   前記レンズを介して観察対象物の端面に照射する光を発生させる光源と、
   前記レンズを介して前記観察対象物の端面の像を受像する撮像素子と、を備え、
   前記レンズの外径をＤ、前記貫通孔の直径をｄとしたとき、前記観察対象物の端面の像光の広がり角が１７°のときに、ｄ／Ｄ≦０．２８を満たす
   ことを特徴とする端面観察装置。
2. 請求項１に記載の端面観察装置において、
   前記観察対象物の端面と前記レンズとの光軸方向の距離をＬとしたとき、式（Ｂ）を満たす
   ことを特徴とする端面観察装置。
   
3. 請求項１に記載の端面観察装置において、
   前記観察対象物の開口数をｓｉｎ（θ／２）とし、前記観察対象物の端面と前記レンズとの光軸方向の距離をＬとしたとき、式（Ｃ）を満たす
   ことを特徴とする端面観察装置。
   
4. 請求項１乃至３の何れか一項に記載の端面観察装置において、
   前記レンズの前記貫通孔に挿入され、前記観察対象物の端面を操作するための構造体を更に備える、
   ことを特徴とする端面観察装置。
5. 請求項４に記載の端面観察装置において、
   前記構造体は、前記観察対象物の端面を清掃するためのクリーニング機構を含む
   ことを特徴とする端面観察装置。