JPH0735999A

JPH0735999A - 光学装置

Info

Publication number: JPH0735999A
Application number: JP18101693A
Authority: JP
Inventors: Kenjiro Hamanaka; 賢二郎浜中; Yukihisa Kusuda; 幸久楠田; Kenichi Nakama; 健一仲間; Takashi Kishimoto; 隆岸本
Original assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Sheet Glass Co Ltd
Priority date: 1993-07-22
Filing date: 1993-07-22
Publication date: 1995-02-07

Abstract

(57)【要約】【目的】面型光デバイスアレイどうしを、アレイ対ア
レイで光接続させるマイクロレンズアレイと大口径レン
ズとを組み合わせた光学系において、収差特性に対する
要求レベルの著しく厳しいような場合に、大口径レンズ
の球面収差や軸外収差が、集光特性を劣化させる問題点
を解決するする装置を提供する。【構成】マイクロレンズアレイの個々のマイクロレン
ズに、大口径レンズの光軸からの距離に応じて、それぞ
れ異なる焦点距離と収差を与えることにより、前記光学
系が情報アレイのどの画素位置においても低い収差に抑
えられ、正確な結像が得られるような光学装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光コンピューティン
グ，光情報処理，光インターコネクション，光交換，光
通信，光計測等の分野で幅広く作製されるフリースペー
ス光学系の高解像度化技術に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体レーザアレイ，空間光変調素子，
光ディテクタアレイ，光ファイバアレイなどの面型光デ
バイスアレイどうしをアレイ対アレイで光接続させる場
合、図５のように各画素ごとにマイクロレンズアレイを
用いて行う構成や、図６のようにアレイ全体を１対のよ
り大口径のレンズで結像させる構成、あるいは図７のよ
うにマイクロレンズアレイと大口径レンズとを組み合わ
せた構成、などがあった。

【０００３】図５の構成においては、接続する面の間隔
が大きくなると、個々のマイクロレンズによるコリメー
ト光の回折により、隣接画素のあいだにクロストークが
発生するため、あまり画素密度を上げられないという問
題があった。

【０００４】また、図６の構成では、大口径レンズの軸
外収差を低く抑えることが困難であり、解像度すなわち
画素密度をあげられないという問題があった。

【０００５】そこで、図５と図６の構成を組み合わせた
図７の構成では、個々の画素から発光する光束の光束径
をマイクロレンズアレイによって小さくできるため、大
口径レンズ内の各光束径が小さくなり、大口径レンズの
収差の影響を受けにくくなっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光入出
力面としてシングルモードファイバアレイから出射した
光を、レンズを通過させた後に、再びシングルモードフ
ァイバアレイに入射させるような、収差特性に対する要
求レベルの著しく厳しいような場合には、より低収差化
が必要となってくる。すなわち、図７の構成であって
も、実際には大口径レンズが球面収差をもっているた
め、この図のような正確な結像を実現することは困難で
あった。

【０００７】例えば、大口径レンズにおいて球面収差が
ある場合、このレンズに入射する平行光束の集光位置
は、大口径レンズ表面の入射位置によって異なるという
問題が生じる。図８において、実線の光線は理想的な光
路を表している。これに対し、実際には球面収差のため
に、結果として２点鎖線で示したように正しい光接続が
できなくなってしまう。

【０００８】また、発光素子の光線発光角度が著しく大
きい場合は、マイクロレンズアレイでコリメート光にす
ることが困難である場合が多い。このような場合、マイ
クロレンズアレイを、図９に示すように、前記発光角度
を小さく変換するのに用いられる場合がある。

【０００９】このような光学系では、大口径レンズに入
射する光線は、結像光線のなかにいわゆるスキュー光線
が存在することになり、大口径レンズの軸外収差が結像
面での集光スポットを劣化させることになる。

【００１０】つまり、図８の場合では大口径レンズの球
面収差が問題となり、一方、図９の場合では大口径レン
ズの軸外収差（非点収差と像面湾曲）が問題となる。

【００１１】本発明では、図８や図９の光学系における
大口径レンズの球面収差や軸外収差が、集光特性を劣化
させるというような問題点を解決することを目的とす
る。

【００１２】

【課題を解決するための手段】そこで本発明では、１次
元または２次元に配列した光情報アレイの光情報を、他
の光デバイスの面に結像伝播させる光学装置において、
前記光情報アレイおよび前記光デバイスのそれぞれ個々
の画素に対向して、多数のマイクロレンズを備えたそれ
ぞれ第１および第２のマイクロレンズアレイと、前記光
情報アレイおよび前記光デバイスの情報面の最大径と同
等程度またはそれ以上の大きさを持ったそれぞれ第１お
よび第２の大口径レンズとを備え、前記光情報アレイの
各画素から発散光として発光した光線は、前記第１のレ
ンズアレイの前記画素に対応する個々のマイクロレンズ
で、発散角がより小さくなった発散光または略コリメー
ト光に変換され、続いて前記第１および第２の大口径レ
ンズを透過し、さらに前記第２のレンズアレイの個々の
マイクロレンズを通った後、集束光となって前記光デバ
イス面に集光して、前記各画素の像を形成し、かつ前記
第１および第２レンズアレイの個々のマイクロレンズ
は、前記第１および第２の大口径レンズの光軸からの距
離に応じて、それぞれ異なる焦点距離と収差が与えられ
ることにより、前記第１レンズアレイと前記第１の大口
径レンズ、および前記第２レンズアレイと前記第２の大
口径レンズとが構成する光学系が、前記情報アレイのど
の画素位置においても低い収差に抑えられ、正確な結像
が得られるような光学装置を作製する。

【００１３】

【作用】上述のように、マイクロレンズアレイの各マイ
クロレンズに、異なる焦点距離と収差を与えることによ
って、各マイクロレンズ位置に対応する大口径レンズの
軸外収差を補正し、光入出力面のどの位置においても、
集光特性を向上することができる。

【００１４】

【実施例】

（実施例１）図１は、本発明の一実施例の光路断面図で
ある。光学系の構成は図８と同一であるが、図１では、
マイクロレンズアレイ２５の各マイクロレンズの焦点距
離と位置が上述のように補正されており、レンズ２の球
面収差を補正するようになっている。

【００１５】以下に、図１の光学系と図８のそれを比較
しながら説明する。なおこの場合、図１のレンズ２と図
８のレンズ２とは同一の球面収差を持っているとする。

【００１６】まず、マイクロレンズアレイを補正しない
場合について述べる。図８の半導体レーザアレイ８１の
１つの画素８１１から発光した光線は、マイクロレンズ
アレイ２５のマイクロレンズ２５１によって、光軸に平
行でかつほぼコリメートされた光線になっている。

【００１７】この光線は、第１のレンズ２の光軸から離
れたレンズ面に入射しているので、レンズ２の球面収差
のため、光軸上に位置する画素８１Ｃからの光の集光点
Ｐより手前の点Ｑに集光することになる。したがって、
画素８１１に対応するマイクロレンズ２５１を工夫する
ことよって、集光点Ｑを点Ｐの位置に動かしてやる必要
がある。

【００１８】いま、図８のマイクロレンズアレイ２５の
個々のマイクロレンズの焦点距離をｆ₁、レンズ２の焦
点距離をｆ₂、ＱＰ間距離をδｚとすると、集光点Ｑを
点Ｐに移動するためには、マイクロレンズ２５１の焦点
距離を近似的に、ｆ₁＋δｆ₁＝ｆ₁＋δｚ（ｆ₁／ｆ₂）² （１）とすればよい。なお、δｆ₁は焦点距離補正量である。

【００１９】また、一般に点Ｑは光軸上になく、横方向
（光軸と垂直な面内方向）の移動もしてやる必要があ
る。画素８１１からの主光線と、点Ｐを通って光軸と垂
直な面との交点Ｑ’との、この面内の距離をδｙとすれ
ば、点Ｑ’を点Ｐに移動するためには、レンズ２５１の
位置を近似的に、 δｓ₁＝＋δｙ（ｆｎ₁／ｆ₂）（２）で決められる位置補正量δｓ₁だけ、半導体レーザの画
素Ｂに対応する位置から、図中の上方向にシフトすれば
よいことになる。なおδｙは、図８のＡ−Ａ断面図にお
いて、点Ｐから下向きの距離を正に、また点Ｐから上向
きの距離を負にとる。

【００２０】すなわち、各画素においてレンズ２の球面
収差によって、その画素からの光の集光点が（δｙ、δ
ｚ）だけずれる場合、各画素に対応する各マイクロレン
ズの位置と焦点距離を、上記式（１），（２）にしたが
って、（δｓ₁、δｆ₁）だけずらせば、全ての画素から
光の集光点が点Ｐに一致することになる。

【００２１】図１は、このような位置と焦点距離の補正
を行ったマイクロレンズアレイ２枚を用いた光学系であ
る。この場合、２枚とも同一の補正を行う。

【００２２】以上のような構成にすることによって、半
導体レーザアレイ８１と光ディテクタアレイ８３のすべ
ての画素において、デフォーカスや位置ズレのない高精
度で高分解能な光接続が可能となる。

【００２３】以下に、具体的数値例について説明する。
まず、大口径レンズ２として、レンズ径６ｍｍの球面単
レンズを用いた。このレンズのｆ₂は５ｍｍである。つ
ぎに、マイクロレンズアレイ２５は、５×５の正方配列
とし、そのピッチは１ｍｍである。さらに、個々のマイ
クロレンズのレンズ径は０．８ｍｍで、その焦点距離ｆ
₁は１．８ｍｍである。

【００２４】このとき、マイクロレンズアレイ２５に、
各レンズの位置およびその焦点距離の補正を行わない場
合の、上述したδｙとδｚは式（１）と（２）より、表
１のようになる。

【００２５】

【表１】

【００２６】なお表１では、６個のマイクロレンズの数
値についてだけ示してあるが、他のマイクロレンズにつ
いては、それと等価な位置にあるレンズと同じであるの
で省略した（図２参照）。

【００２７】

【表２】

【００２８】なお位置補正量δｓ₁は、各マイクロレン
ズの位置が光軸から遠くなる場合を＋に、その逆に近づ
く場合を−と定義する。また焦点距離補正量δｆ₁は、
各マイクロレンズの焦点距離ｆ₁を長くする場合を＋
に、逆に短くする場合を−と定義する。

【００２９】上述した補正を行ったマイクロレンズアレ
イを作製するには、上記の位置補正量δｓ₁に対して、
マスク開口の位置をδｓ₁だけずらせばよい。

【００３０】また、焦点距離補正量δｆ₁に対しては、
３２０μｍの標準のマスク開口径を若干大きくすればよ
い。この場合の開口径の例を、表２に併せて示す。この
マスク開口径の補正量は、標準開口径３２０μｍに対す
るものである。したがって、標準開口径が変わると、も
ちろんこの補正量もそれに応じて変わる必要がある。

【００３１】上述のマスクを用いて、周知のイオン交換
法により、上述の補正のなされたマイクロレンズアレイ
を作製した。（例えば、及川ほか；MICOOPTICS NEWS(微
小光学研究グループ機関誌),Vol.6,No.1,P19-24 参
照）。

【００３２】（実施例２）図３は、図９の光学系をマイ
クロレンズアレイとセルフォック（登録商標）マイクロ
レンズ（以下、ＳＭＬと記す）で構成した例である。

【００３３】半導体レーザアレイ８１から出射した光線
は、マイクロレンズアレイ２５によって小さな発散角の
光線となってＳＭＬ２１に入射し、ＳＭＬ２１によって
コリメート光として出射する。これら光線は再びＳＭＬ
２２、マイクロレンズアレイ２５を介して光ディテクタ
アレイ８３に入射する。

【００３４】このようなテレセントリックな等倍共役結
像系によって、半導体レーザアレイ８１の各画素の像
が、光ディテクタアレイ８３の各画素に結像され、信号
検出される。このとき、ＳＭＬ２１および２２において
軸外の結像光線に対しては、像高に対してほぼ２乗に比
例した非点収差と像面湾曲が発生するため、個々のマイ
クロレンズアレイには、これを補正する収差が与えられ
ており、アレイ対アレイの結像時に、アレイのどの位置
でもほぼ無収差に近い結像がされるようになっている。

【００３５】上述の非点収差と像面湾曲の補正は、ＳＭ
Ｌの光軸から離れた位置にあるマイクロレンズアレイ
に、逆の非点収差を付与することと、像面湾曲分だけ焦
点距離を変化させることによって、それぞれ行うことが
できる。

【００３６】マイクロレンズアレイに非点収差を付与す
るためには、イオン交換するときの金属マスクに楕円開
口を開けてイオン交換すればよい。また、異なる焦点距
離のレンズを１枚の基板に作製するには、個々の開口の
直径を変えてやればよい。

【００３７】図４は、このような収差補正機能を持った
マイクロレンズアレイの、その開口を用いてイオン交換
してできる各マイクロレンズの形状の平面図を模式的に
示している。各マイクロレンズは、光軸から離れるにつ
れて、その平面形状は円形から楕円となり、さらにその
距離に応じてその偏平度は大きくなっていき、非点収差
が増加するようになっている。また、焦点距離も、例え
ばＳＭＬが正の像面湾曲を持っている場合、これを補正
するため光軸から距離に応じて、焦点距離がやや長くな
るように作製する。

【００３８】

【発明の効果】光接続させようとする面型光アレイデバ
イスの、どの画素位置でもほぼ無収差の結像が可能であ
り、超高解像度のアレイ間光接続が可能になり、たとえ
ば、シングルモード光ファイバアレイを入出力とした光
学系を、高いカップリング効率で実現することができる
ようになる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例の光路断面図

【図２】マイクロレンズアレイでの球面収差補正のマス
クの説明図

【図３】ＳＭＬを用いた一実施例の光路断面図

【図４】マイクロレンズアレイに非点収差を与えたとき
の平面図

【図５】従来例のマイクロレンズアレイを用いた構成

【図６】従来例の大口径レンズを用いた構成

【図７】従来例のマイクロレンズアレイと大口径レンズ
を組み合わせた構成

【図８】図７の光学系で球面収差を説明する図（コリメ
ート光の場合）

【図９】図７の光学系で発散光の場合

【符号の説明】

１ガラス基板２大口径レンズ２１，２２ＳＭＬ２５マイクロレンズアレイ２６マイクロレンズアレイの各マイクロレンズ３光軸８１半導体レーザアレイもしくはその機能面８３光ディテクタアレイもしくはその機能面

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者岸本隆大阪府大阪市中央区道修町３丁目５番11号日本板硝子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】１次元または２次元に配列した光情報ア
レイの光情報を、他の光デバイスの面に結像伝播させる
光学装置において、前記光情報アレイおよび前記光デバ
イスのそれぞれ個々の画素に対向して、多数のマイクロ
レンズを備えたそれぞれ第１および第２のマイクロレン
ズアレイと、前記光情報アレイおよび前記光デバイスの
情報面の最大径と同等程度またはそれ以上の大きさを持
ったそれぞれ第１および第２の大口径レンズとを備え、
前記光情報アレイの各画素から発散光として発光した光
線は、前記第１のレンズアレイの前記画素に対応する個
々のマイクロレンズで、発散角がより小さくなった発散
光または略コリメート光に変換され、続いて前記第１お
よび第２の大口径レンズを透過し、さらに前記第２のレ
ンズアレイの個々のマイクロレンズを通った後、集束光
となって前記光デバイス面に集光して、前記各画素の像
を形成し、かつ前記第１および第２レンズアレイの個々
のマイクロレンズは、前記第１および第２の大口径レン
ズの光軸からの距離に応じて、それぞれ異なる焦点距離
と収差が与えられることにより、前記第１レンズアレイ
と前記第１の大口径レンズ、および前記第２レンズアレ
イと前記第２の大口径レンズとが構成する光学系が、前
記情報アレイのどの画素位置においても低い収差に抑え
られ、正確な結像が得られるようにしたことを特徴とす
る光学装置。
【請求項２】請求項１の光学装置の前記レンズアレイ
において、個々のマイクロレンズの位置を、前記第１お
よび第２の大口径レンズの光軸からの距離に対応して、
前記光情報アレイの個々の画素に対応する位置から、前
記光軸に対して遠ざけるかまたは近づけることにより、
かつ各マイクロレンズの焦点距離を、前記第１および第
２の大口径レンズの光軸からの距離に対応して、長くす
るかまたは短くするようにしたことによって、前記第１
と第２の大口径レンズの球面収差を抑えられるようにし
た光学装置。
【請求項３】請求項１の光学装置の前記レンズアレイ
において、前記第１と第２の大口径レンズの非点収差を
抑えるために、個々のマイクロレンズの形状を、前記第
１および第２の大口径レンズの光軸からの距離に対応し
て、円形から楕円に変化させることにより、個々のマイ
クロレンズに前記非点収差とは逆の非点収差を付与し、
かつ各マイクロレンズの焦点距離を、前記第１および第
２の大口径レンズの光軸からの距離に比例して、長くす
るあるいは短くするようにしたことによって、前記第１
および第２の大口径レンズの像面湾曲を抑えられるよう
にした光学装置。
【請求項４】前記レンズアレイは、ガラス基板表面近
傍に形成された略半球状の屈折率分布領域を多数個備え
た屈折率分布型マイクロレンズアレイである請求項１，
２または３に記載の光学装置。
【請求項５】前記第１および第２の大口径レンズは略
円柱形状のレンズであり、かつ円柱の回転軸に対して対
称な半径方向の屈折率分布を持つ屈折率分布型レンズで
あることを特徴とする請求項１，２または３に記載の光
学装置。
【請求項６】前記第１と第２レンズアレイの個々のマ
イクロレンズの位置は、前記情報アレイの個々の画素の
像面上での結像位置が、前記情報アレイと共役になるよ
うに、配置されていることを特徴とする請求項１に記載
の光学装置。