WO2004083924A1

WO2004083924A1 - 光コリメータ

Info

Publication number: WO2004083924A1
Application number: PCT/JP2004/003840
Authority: WO
Inventors: Hirokazu Tanaka; Nobuo Funabiki
Original assignee: Nippon Electric Glass Co., Ltd.
Priority date: 2003-03-20
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2004-09-30
Also published as: US20060256446A1

Abstract

光コリメータ２１は、円柱部２３ａの両端に曲率中心が同じ透光球面２３ｂを有するガラス製部分球面レンズ２３と、中心に端面２５ａが傾斜した光ファイバ２５を保持したガラスまたは結晶化ガラス製の毛細管２４と、部分球面レンズ２３及び毛細管２４を挿着する内孔２２ａを有するガラスまたは結晶化ガラス製の偏心スリーブ２２とを備え、平行光２７の光軸Ｚが偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂを中心とする半径０．０２ｍｍ以内の範囲にあり、且つ偏心スリーブ２２の外周面の中心軸Ｂに対して０．２°以内の角度範囲にある。

Description

明細書光コリメ一夕技術分野

本発明は、光通信用の光フアイパを中心に保持した毛細管と球レンス' を円柱状に加工した部分球面レンズとこれらを軸合わせする偏心スリ一フ'とを使用した光コリメ一夕に関する。背景技術

高速大容量の光ファイバ通信システムを構築する際には多くの光デバイスが使用されており、その中には複数の波長が多重化された光信号から任意波長の光信号を取り出すものや、光信号の位相を合わせるための光学結晶体を用いるもの等があり、光ファイバから出射されて広がった光信号を平行光にする、あるいは平行光を光フアイバへ集光させる多数の光コリメ一夕が用いられる。

また、回転軸に取りつけてその動きを検出する口一夕リ一エンコーダなどの光パルスを検出する方式の各種センサに、光コリメ一夕を用いる場合がある。

従来の部分球面レンズ 3を用いた光コリメ一夕 1は、図 9に示すように、同心構造のスリープ 2の内孔 2 aに、部分球面レンズ 3と、内部に光ファイバ 5を保持し、その端面 5 aからの反射戻り光を防止するために斜め研磨面 4 aを有する同心構造の毛細管 4とを挿入し、光コリメ一夕 1 として正しく作動するように光学的に適切な位置関係になるように調心を行い、接着剤 6で固着することにより作製している。

このような光学系に関する従来技術の文献として特許文献 1には、部分球面レンズを用いた光コリメ一夕の中心軸に対して入射/出射する平行光の偏心を無くすために、斜研磨光学素子により解決を図る方法が開示されている。特許文献 2には、レンズから出射するビームの光軸が光フアイバの光軸と平行であるコリメ一夕が開示されており、特許文献 3 には、レンズの中心に対して光ファイバの光軸を偏心させ、レンズの中心とレンズに入射する光ビームの中心がほぼ一致するような光ファイクコリメ一夕が開示されている。さらに、特許文献 4には、管状ハウジングの中心が球レンズを経て出る平行な光ビームの中心線として定義された光コネクタが開示されている。また、特許文献 5には、端部を斜め研磨したファィバの斜め研磨角度に応じて、光ファイバとレンズの中心軸に並進ズレを持たせ、平行ビーム結合する光コリメ一夕が開示されてい。

【特許文献 1】特開 2 0 0 1— 5 6 4 1 8号公報

【特許文献 2】特開平 5 - 1 5 7 9 9 2号公報

【特許文献 3】特開 2 0 0 2— 1 9 6 1 8 0号公報

【特許文献 4】特開平 2 - 1 1 1 9 0 4号公報

【特許文献 5】特開昭 6 2— 2 3 5 9 0 9号公報上記のような従来の構造では、同心構造のスリーブ 2を用いているので、図 9に示すように、内部に光ファイバ 5を保持し、その端面 5 aからの反射戻り光を防止するために斜め研磨面 4 aを有する同心構造の毛細管 4を用いると、光ファイバ 5の端面 5 aから屈折の法則に従って光コリメ一夕 1の中心軸 Aに対して斜め方向に光が出射し、その結果、光コリメ一夕 1から出射される平行光 7には、その平行光 7の光軸 Zと光コリメ一夕 1の中心軸 Aとの間に偏心 5が発生するという問題点があるまた、図 1 0に示すように、従来の構造の光コリメ一夕 1 と光機能素子 8 aを用いて光機能部品 8を組立てる場合には、平行光 7が光コリメ —夕 1の中心軸 Aに対して偏心しているため、それそれの光コリメ一夕 1の偏心方向を正確に一致させる必要があり、作業性が非常に悪くなるという問題点もある。さらに、図 1 1に示すように、平行光 1 7が光コリメータ 1 1の中心軸 Aから入射/出射するように、光ファイバ 1 5を内部に保持し、端面 1 4 aに斜め研磨が施されていない同心構造の毛細管 1 4と同心構造のスリープ 1 2を用いて解決を試みた場合、斜め研磨の効果による反射減衰量が得られなくなるので、光ファイバ 1 5の端面 1 5 a、および部分球面レンズ 1 3の透光球面部 1 3 bからの反射戻り光が非常に大きくなり、その表面にそれそれ反射防止膜を施したとしても、反射戻り光を充分阻止することはできない。この反射戻り光がレーザ一光源などに悪影響を及ぼすので、髙速大容量の光ファイバ通信システムを構築する際には実用上大きな問題点となる。

また、特許文献 1の方法によっても、両端面が平行に斜め研磨された斜研磨光学素子を用いる場合（第 5頁、第 1図）は、平行光が光コリメ —夕の中心軸に対して入射出射するように精密な調心作業が必要となり、作業性が非常に悪くなる。また光路中に斜研磨光学素子を挿入するので光コリメ一夕の挿入損失が増大し、高速大容量の光ファイバ通信システムを構築する際には、この増大した挿入損失が問題点となる。

さらに、内径の中心を外径の中心からずらした金属などを切削により作製した軸外し円筒状ホルダーを用いる場合（第 7頁、第 9図）も、外径と内径の中心を僅かにずらせるという精密な加工を必要とする欠点もある。また、金属製の軸外し円筒状ホルダ一と、光ファイバを内部に保持する毛細管、および部分球面レンズとの間には熱膨張係数差があるので、その差が大きい場合には、使用時の温度変化によって個々の構成要素の膨張量あるいは収縮量が異なるため、光学的特性に狂いが生じる恐れがある。特に、このような膨張差が生じることにより部分球面レンズに応力が集中した場合には、屈折率や分散などの光学的特性の狂いに起因するトラプルが増大し、光学系としての安定性に問題点がある。

このため、高温時や低温時等のように室温と大幅に異なる温度条件の下では、スリーブと毛細管および部分球面レンズとの接着部に剥離が生じて本質的な部品特性が阻害されるばかりでなく、部分球面レンズに歪が生じて透過光量が変化したり、偏波特性が変化したり、或いは安定したコリメート光が得られなくなる等の不具合を招く。その結果、この種の光通信用デバイスの使用環境が限られてしまうことになり、特に屋外での使用が大幅に制限されると共に、光デバイスに組込む際には高精度な光学的特性が要求されるため、使用可能な温度範囲が極めて狭小になり、使用時におせる制限が一層厳格になるという問題を有している。

また、特許文献 2に開示されているとおり、レンズから出射するビームは入力側マウントの軸と平行ではあるが、一致することはなく、入力側マウントの軸とある距離を有する平行ビームにしかならない（第 5頁. 第 3図）ので、マウントの軸を中心に回転させながら、光コリメ一夕どうしの調心を行う必要がある。

また、特許文献 3に開示されているとおり、屈折率分布型口ッドレンズの中心に対して光フアイバの光軸を偏心させ、屈折率分布型口ッドレンズの中心と、そのレンズに入射する光ビームの中心がほぼ一致するように構成されている（第 5頁、第 1図）が、屈折率分布型ロッドレンズの代わりに球レンズを用いた場合、レンズの中心に対して光ファイバの光軸を偏心させているため、出射される光ビームは光ファイバの光軸と一致しない。

-また、特許文献 4に閧示されているとおり、光フアイバのコア中心線と光ビームの光軸が一致していない（第 6頁、第 2図）ので、例えば、光検出器を用いて光ビームの光軸と機械軸を一致させた上で、管状ハウジングを機械加工する（第 6頁、第 3図）必要がある。また、所望の寸法を有する平らな面を有する球レンズを用いる場合（第 6頁、第 4図）は、組立時に、その平らな面と光ファイバから出射したビームの光軸とのなす角度を厳密に調心しなければならない。

また、特許文献 5に開示されているとおり、端部を斜め研磨した光フアイパの斜め研磨角度に応じて、光ファイバとレンズの中心軸に並進ズレを持たせ、平行ビーム結合する光コリメ一夕の場合（第 4頁、第 1 図）は、出射する平行ビームの光軸が光ファイバの中心軸と一致しないため、光コリメ一夕どうしの調心作業に労力を費やすこととなる。

さらに、従来の光コリメ一夕 1を用いて光コリメ一夕 1どうしの調心作業を行う場合、光コリメ一夕 1の中心軸 Aと平行光 7の光軸 Z との間に偏心《が発生するため、例えば、 1本の精密な V溝上に光コリメ一夕 1をそれらの作動距離となる位置で、かつ、各スリ一プ 2の外周面の中心軸 Bが相互に一致した状態に対向させただけでは、一方の光ファィバ 5 から光を導入した際に、他方の光ファイバ 5から十分な光の応答が得られないので、光軸の自動調心装置などが使用可能となるように、光の十分な応答が得られる状態まで手動で調心作業を行う必要がある。

また、光コリメ一夕を構成する各部材に金属を用いた場合、 I T e s l a以上、即ち l O O O O G a u s s以上の高磁場中で用いると電磁誘導の影響を受け、金属中に強力な渦電流が流れることで、金属部品が破損する恐れがある。さらに、金属部品自体が高磁場から引力を受けることで、金属部品内部の応力で形状に歪みが発生し、光コリメ一夕としての光学特性を維持することが困難になる。発明の開示

本発明の目的は、光機能部品などの組立を行う際に、従来の同心構造のスリーブを用いた光コリメ一夕のように、入射/出射する平行光の偏心方向を一致させるための調心作業を必要とせず、平行光が光コリメ一夕の中心軸に対して入射/出射する光コリメ一夕を提供することである本発明の他の目的は、温度条件が多種にわたる使用時における偏心スリーブと部分球面レンズ及び毛細管との熱膨張係数差に起因する光学的特性の悪化を可及的に低減させると共に、 1 T e s 1 a以上の高磁場中でも電磁誘導の悪影響を受けない光コリメ一夕を提供することである。本発明に係る光コリメ一夕は、円筒状の偏心スリープと、該偏心スリ ―ブ内に円柱部が挿着され、円柱部の両端に曲率中心が略同一の透光球面を有する部分球面レンズと、該偏心スリープ内に挿着され、中心に光ファイバを保持して傾斜している端面を部分球面レンズに向けた毛細管とを備えた光コリメ一夕であって、前記偏心スリ一プがガラスまたは結晶化ガラスからなることを特徴とする。

光コリメ一夕に使用する偏心スリーブが、金属製であると周囲の温度変化に対して大きく膨張収縮を起こすので、それに伴い光路長も変化し安定した光学性能が得られない。また、高精度の金属製の偏心スリープを作製するには、精密円筒研削機等を使用して一本毎にマイクロメートル精度の研削加工が必要となり、供給能力及び製造コストの点で、支障がある。さらに、近年、光通信に使用される光デバイスの小型化 ·高密度実装化の進展に伴い、小型の光コリメ一夕が要求されているが、シングルモ一ド光フアイバ等を使用する光通信デバイスに用いられるような小型でかつ高精度な金属製偏心スリーブを作製すること自体がほとんど不可能に近いというのが現実である。本発明の光コリメ一夕に使用する偏心スリーブとしては、従来よりも小型で高精度な偏心スリーブを連続的に精密成形が可能で、供給能力及び製造コストの点で有利なガラスまたは結晶化ガラスからなることが重要である。

具体的には、光コリメ一夕 2 1は、図 1 ( A ) 、 ( B ) こ示すように. 屈折率が略均一なガラスからなる円柱部 2 3 aの両端に曲率中心が略同一の透光球面 2 3 bを有する部分球面レンズ 2 3と、中心に端面 2 5 a が傾斜している光ファイバ 2 5を保持した毛細管 2 4と、ガラスまたは結晶化ガラスからなり、光軸に対して略垂直な部分球面レンズ 2 3の直径及び毛細管 2 4の外径よりも僅かに大きい内孔 2 2 aを有する円筒状の偏心スリーブ 2 2とを備え、部分球面レンズ 2 3の透光球面 2 3 bから入射/出射する平行光 2 7の光軸 Zが、偏心スリーブ 2 2の外周面の中心軸 Bを中心とする半径 0 . 0 2 m m以内の範囲にあり、且つ偏心スリーブ 2 2の外周面の中心軸 Bに対して 0 . 2。以内の角度範囲内にあることが好ましい。

また、本発明の光コリメ一夕 2 1は、一対の前記光コリメ一夕 2 1をそれらの作動距離となる位置で、かつ、各偏心スリーブ 2 2の外周面の中心軸 Bが相互に一致した状態で対向配置させ、一方の光ファィバ 2 5から光信号を導入したとき、他方の光ファイバ 2 5から入力に対して一 3 0 d B以上の光の応答が得られるものであることを特徴とする。

図 1に示す本発明の光コリメ一夕 2 1は、図 3に示す屈折率が略均一なガラスからなる円柱部 2 3 aの両端に曲率中心が略同一の透光球面 2 3 bを有する部分球面レンズ 2 3 と、図 2に示す内部に光ファイノ 2 5 を保持している同心構造の毛細管 2 4を、平行光 2 7が光コリメ一夕 2 1の中心軸 Aに対して偏心しないように、図 4に示す予め偏心させた偏心スリーブ 2 2の内孔 2 2 aへ挿入し、光コリメ一夕 2 1 として正しく作動するように光学的に適切な位置となるように固定されてなるものであり、平行光 2 7の光軸 Zが偏心スリ一プの外周面の中心軸 Bに対して 0 . 0 2 m m以内の範囲から 0 . 2 ° 以内の角度で入射/出射することが可能なものである。

本発明の光コリメ一夕 2 1を構成する同心構造の毛細管 2 4は、図 2 に示すように、光ファイバ 2 5が毛細管 2 4の外周面の中心軸 Y上に固定されているので、図 3に示す部分球面レンズ 2 3 と光ファイノ 2 5を内部に保持した同心構造の毛細管 2 4を、平行光 2 7の光軸 Zが光コリメ一夕 2 1の中心軸 Aに対して偏心しないように、図 4に示す偏心スリ —プ 2 2の外周面の中心軸 Bと偏心スリーブ 2 2の内.孔 2 2 aの中心軸 Cとを予め 5偏心させた偏心スリープ 2 2の内孔 2 2 aに光コリメ一夕 2 1 として正しく作動するように光学的に適切な位置に固定すれば、図 1に示すように平行光 2 7が光コリメ一夕 2 1の中心軸 Aから入射出射する光コリメ一夕 2 1が得られる。また、本発明の光コリメ一夕 2 1を構成する部分球面レンズ 2 3は、図 3に示すように、屈折率が略均一なガラスからなる円柱部 2 3 aの両端に曲率中心が略同一の反射防止膜が施された透光球面 2 3 bを有し、部分球面レンズ 2 3の外周面の中心軸 Xが光軸となっている。

これに対して、先出の図 9に示すように、光軸が外周面の中心軸 Xにある部分球面レンズ 3 と、内部に光ファイバ 5を保持した同心構造の毛細管 4を、同心構造のスリーブ 2の内孔 2 aへ挿入し光コリメ一夕 1に組立てると、平行光 7は光コリメ一夕 1の中心軸 Aから入射/出射しない。

本発明で使用する部分球面レンズ 2 3としては、屈折率が略均一な光学ガラス等からなり、真球状に加工することにより高い焦点精度を有する球レンズが作製できる材料であれば使用可能であり、光コリメ一夕 2 1の小型化、細径化のため、高い真球度を有する球レンズの周囲を研削して作製した部分球面レンズ 2 3が適している。部分球面レンズ 2 3に用いるガラスとしては、光学ガラスの B K 7、 K 3、 T a F 3、 L a F 0 1、 L a S F 0 1 5等を用いることが望ましい。

また、本発明で使用する平行光 2 7の光軸 Zが光コリメ一夕 2 1の中心軸 Aに対して偏心しないように、偏心スリーブ 2 2の外周面の中心軸 Bと偏心スリープ 2 2の内孔 2 2 aの中心軸 Cとを予め d偏心させた偏心スリーブ 2 2は、図 4に示すように、ガラスあるいは結晶化ガラスからなり、ドロ一ィング法により高精度に安定して効率よく安価に作製することができる。さらに、軟化状態のガラスを延伸するドローイング法により作製しているので、偏心スリーブの表面はフアイャ一ポリッシュされている。

図 1に示す光コリメ一夕 2 1を構成する光学ガラス L a S F O 1 5製の部分球面レンズ 2 3の熱膨張係数を 74 X 1 0—⁷/ K、硼珪酸ガラス製のスリ一プ 2 2の熱膨張係数を 5 1 x 1 0— ⁷/Κ、および結晶化ガラス製の毛細管 2 4の熱膨張係数を 2 7 X 1 0— ⁷/Κとすると、環境温度が 6 0 °C変動した時、相互の熱膨張係数差に起因する光コリメ一夕 2 1の中心軸 Aに対する平行光 2 7の光軸 Zの偏心量 (5の変化は、 0 000 3 mm ( 0. 3 m) 以下となる。また、平行光 27の出射偏角 (ビーム傾き角）の変化は、 0. 0 1 ° 以下である。

一方、偏心スリープ 2 2として、一般的なステンレス鋼である SU S 304 (熱膨張係数： 1 84 1 0 - ⁷ / K ) を用いた場合、相互の熱膨張係数差が 1 0 0 x 1 0— 7 / K以上となり、これに起因する光コリメ一夕 1 1の中心軸 Aに対する平行光 2 7の光軸 Zの偏心量の変化は、 0. 000 9 mm ( 0. 9〃m) 程度、平行光 2 7の出射偏角（ビーム傾き角）の変化は、 0. Ό 3 ° 程度と、.それそれ硼珪酸ガラス製のスリ —ブ 2 2を用いた場合と比較すると 3倍程度悪化する。

したがって、相互の熱膨張係数差が 5 0 x 1 0— 7/K以内の部材を用いて光コリメ一夕を作製することが、環境温度の変化に対して安定した光学特性を有する光コリメ一夕 2 1を作製する上で重要である。

また、本発明の光コリメ一夕 2 1は、電気絶縁体のガラスまたは結晶化ガラスからなる部分球面レンズ、毛細管、及び偏心スリープにより作製され、 1 T e s 1 a以上の高磁場中で電磁誘導による渦電流を実質的に起こさないことを特徴とする。

偏心スリーブ 2 2として、マルテンサイト系ステンレス鋼である S U S 4 1 0やフェライト系ステンレス鋼である S U S 43 0を l T e s l a以上、即ち l O O O O Gau s s以上の高磁場中で用いた場合、電磁誘導の影響を受け、偏心スリーブ 22中に強力な渦電流が流れ、偏心スリーブ 2 2が破損する恐れがある。さらに、偏心スリーブ 2 2自体が高磁場から引力を受けることで、応力により形状に歪みが発生し、光コリメータとしての光学特性を維持することが困難になる恐れがある。そのため、本発明の光コリメ一夕 2 1には、 1 T e s 1 a以上、即ち 1 0 0 00 G a u s s以上の高磁場中でも、渦電流などの電磁誘導の影響を受けない、電気絶縁体のガラスまたは結晶化ガラスからなる、部分球面レンズ 2 3、毛細管 2 4、及び偏心スリーブ 2 2を用いることが重要である。

本発明の光コリメ一夕は、円筒状の偏心スリーブと、該偏心スリーブ内に円柱部が揷着され、円柱部の両端に曲率中心が略同一の透光球面を有する部分球面レンズと、該偏心スリープ内に揷着され、中心に光ファィパを保持して傾斜している端面を部分球面レンズに向けた毛細管とを備えた光コリメ一夕であって、前記偏心スリーブがガラスまたは結晶化ガラスからなるので、小さい寸法の光コリメ一夕を作製する際に、ガラスの精密成形技術が使用可能であることから、金属製のものに比べて高精度でかつ安価な偏心スリ一プが得られ、従来にない小さい寸法で高密度に実装可能な光コリメ一夕を実現することができる。

具体的には、光コリメ一夕 2 1は、屈折率が略均一なガラスからなる円柱部 2 3 aの両端に曲率中心が略同一の透光球面 2 3 bを有する部分球面レンズ 2 3 と、内部に光フアイバ 2 5を保持している同心構造の毛細管 2 4を、平行光 2 7の光軸 Zが光コリメ一夕 2 1の中心軸 Aに対して偏心しないように、偏心スリーブ 2 2の外周面の中心軸 Bと偏心スリープ 2 2の内孔 2 2 aの中心軸 Cとを予め（5偏心させた偏心スリーブ 2 2の内孔 2 2 aへ揷入し、光コリメ一夕 2 1 として正しく作動するように光学的に適切な位置に固定されてなるので、光機能部品 8などの組立を行う際に、先記した従来の ·同心構造のスリ一プ 2を用いた光コリメ一夕 1のように、入射/出射する平行光 7の光軸 Zの偏心方向を一致させるための調心作業を必要とせず、平行光 2 7の光軸 Zが光コリメ一夕 2 1の中心軸 Aに対して入射/出射する光コリメ一タ 2 1を作製することができると共に、温度条件が多種にわたる使用時における偏心スリーブ 2 2と部分球面レンズ 2 3および毛細管 2 4との熱膨張係数差に起因する光学的特性の悪化を最小限に留めた光コリメ一夕 2 1を作製することができる。そのため、高い信頼性を有する光機能部品や各種センサなどを作製することが可能となる。本発明の光コリメ一夕 2 1は、一対の前記光コリメ一夕 2 1をそれらの作動距離となる位置で、かつ、各偏心スリ一ブ 2 2の外周面の中心軸 B が相互に一致した状態で対向配置させ、一方の光ファイバ 2 5から光信号を導入したとき、他方の光フアイパ 2 5から入力に対して一 3 0 d B 以上の光の応答が得られるものであるので、煩わしい手動での調心作業を行う必要がなく、光軸の自動調心装置などを用いて対向配置させた光コリメ一夕対の光軸調心を簡単に行うことができ、光デパイスの組立を従来に無い高い効率で実現可能となる。

本発明の光コリメ一夕 2 1は、偏心スリーブ 2 2が、ガラスまたは結晶化ガラスからなるので、高精度の円筒度、および偏心量（軸外し量とも称す）をドロ一イング法で達成することがで'き、且つ、安定して効率よく大量に作製することが可能である。さらに、偏心スリープ 2 2の表面はフアイヤーポリッシュされており、表面を研磨する必要が無いので安価に作製できる効果を有する。

本発明の光コリメ一夕 2 1は、毛細管 2 4が、ガラスまたは結晶化ガラスからなるので、偏心スリープ 2 2 と同様に、高精度の円筒度をドロ —イング法で達成することが可能であると同時に、表面がフアイャ一ポリツシュされているので、表面を研磨する必要がなく、安定して効率よく安価に作製できる効果を有する。

本発明の光コリメ一夕 2 1は、偏心スリープ 2 2、部分球面レンズ 2 3及び毛細管 2 4の相互の熱膨張係数差が 5 0 X 1 0— 7 / K以内であるので、偏心スリープ 2 2、部分球面レンズ 2 3及び毛細管 2 4の相互の熱膨張係数差に起因する光学的特性の悪化を最小限に留め、環境温度の変化に対して安定した性能を維持可能な光コリメ一夕 2 1を実現することができ、実用上優れた効果を奏するものである。

本発明の光コリメ一夕 2 1は、部分球面レンズ 2 3、毛細管 2 4、及び偏心スリーブ 2 2が、電気絶縁体のガラスまたは結晶化ガラスからなるので、 l T e s l a以上、即ち l O O O O G a u s s以上の高磁場中でも電磁誘導の影響を受けないので、電磁誘導に起因する光学特性の悪化を受けない光コリメ一夕 2 1を実現することができる。

一般的に、光は真空中では静磁場による影響は受けないが、物質中や物質の表面で反射された光は、磁場 (物質中の磁束) の影響を受けることが知られており、これらはファラデー効果や磁気力一効果と呼ばれる物質の磁気的性質が光の偏り（以下偏光）に及ぼす作用があるが、ファラデー効果は、物質に直線偏光を通すと磁場の強さと共に光の偏光面が回転する現象であり、磁気カー効果は、物質に直線偏光が入射したとき、主軸の向きが入射直線偏光の向きから傾いた楕円偏光が反射する現象で、どちらの効果も、偏光に作用するのみであり、回転軸に取りつけてその動きを検出するロータリーエンコーダなどの光パルスを検出する方式の各種センサ用途としては、光学特性上問題となることはない。

また、本発明の光コリメ一夕 2 1は、最大直径が 2 m m未満であることを特徴とし、最大直径が 1 . 5 m m未満であることが好ましい。

本発明で光コリメ一夕 2 1は、その偏心スリーブ 2 2の外径等の最大直径が 2 m m未満であると、光コリメ一夕 2 1を使用する光デバイスの小型化、及び光コリメ一夕 2 1の高密度な配列が可能となる。図面の簡単な説明

図 1は本発明の光コリメ一夕の説明図であって、図 1 ( A ) は光軸に対して平行な方向の断面図、図 1 ( B ) は光軸に対して垂直な方向の断面図、図 1 ( C ) は V溝上に光コリメ一夕を対向させた性能評価の説明図である。

図 2は本発明の光コリメ一夕に使用する内部に光ファイバを保持した毛細管の説明図であって、図 2 ( A ) は光軸に対して平行な方向の断面図、図 2 ( B ) は光軸に対して垂直な方向の断面図である。図 3は本発明の光コリメ一夕に使用する部分球面レンズの説明図であつて、図 3 ( A ) は光軸に対して平行な方向の断面図、図 3 ( B ) は光軸に対して垂直な方向の断面図である。

図 4は本発明の光コリメ一夕に使用する偏心スリーブの説明図であつて、図 4 ( A ) は光軸に対して平行な方向の断面図、図 4 ( B ) は光軸に対して垂直な方向の断面図である。

図 5は本発明の長作動距離を有する光コリメ一夕の説明図であって、図 5 ( A ) は光軸に対して平行な方向の断面図、図 5 ( B ) は光軸に対して垂直な方向の断面図である。

図 6は光コリメ一夕を用いたロータリーエンコーダの説明図である。図 7は光コリメ一夕を用いた回転方向を検出可能な口一夕リーェンコーダの説明図である。

図 8は口一タリーエンコーダの相および/?相の信号処理の説明図である。

図 9は従来の光コリメ一夕の説明図であって、図 9 ( A ) は光軸に対して平行な方向の断面図、図 9 ( B ) は光軸に対して垂直な方向の断面図である。

図 1 0は従来の光コリメ一夕を用いた光機能部品の断面図である。図 1 1は光フアイバ端面に斜め研磨を施さない場合の光コリメ一夕の断面図である。発明を実施するための最良の形態

本発明の実施の形態について図を参照して説明する。

[実施例 1 ]

図 1は、本発明の一例を示す光コリメ一夕 2 1の説明図である。図中 2 2は偏心スリーブとしてガラス製の偏心チューブを、 2 3は部分球面レンズを、 2 6は接着剤を、 2 4は同心構造の毛細管を、 2 5は光ファィバをそれそれ示している。

図 1中の光コリメ一夕 2 1を構成する偏心スリーブ 2 2を予め偏心させる量 Sは、

n X ：光フアイノ 2 5のコァ部の屈折率

n 2 ：大気中の場合は空気の屈折率

n₃ ：部分球面レンズ 2 3の屈折率

r ：部分球面レンズ 2 3の曲率半径

Θ ：光ファイバ 2 5の端面 2 5 aの斜め研磨角度

とすると、以下のように表される。

【数 1】 δ = Θ

表 1に部分球面レンズ 2 3の硝材として光学ガラス L a S F 0 1 5を使用した光コリメ一夕 2 1の各パラメ一夕の例を示す。

上記の各パラメ一夕を用いて数 1により偏心量 5を計算すると 0. 1 3 m mとなる。したがって、図 1に示す構造の光コリメ一夕 2 1に用いる偏心スリ一ブ 2 2の偏心量 5は、表 1に示すパラメ一夕の場合、 0. 1 3 mmとすればよい。

本発明の光コリメ一夕 2 1は、図 1 (A) 、 (B) に示すように、偏心スリープ 2 2の外周面の直径が 1. 4 m mで偏心スリープ 2 2の内孔 2 2 aの直径が 1. 0 m mとなる、偏心スリープ 2 2の外周面の中心軸 Bと偏心スリープ 2 2の内孔の中心軸 Cとの偏心量 5 (軸外し量）が 0 1 3 mmの全長が 5. 0 m mのガラス製の偏心スリープ 2 2 と、偏心スリ一プ 2 2の内孔 2 2 aに固定され屈折率が略均一な光学ガラス L a S F 0 1 5からなり、円柱部 2 3 aの両端に曲率中心が略同一の透光球面 2 3 bを有する曲率半径 rが 1. 7 5 mmの部分球面レンズ 2 3 と、偏心スリーブ 2 2の内孔 2 2 aに部分球面レンズ 2 3を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤 2 6を備えている。部分球面レンズ 2 3の透光球面 2 3 bには光信号の反射を低減するために、図示しない反射防止膜が形成されている。また、外周面の直径が 1 . 0 mmで全長が 4. 3 mm の同心構造の毛細管 2 4は、内部に保持した光ファイバ 2 5の端面 2 5 aからの反射戻り光を低減するために、毛細管 2 4の外周面の中心軸 Y に垂直な平面に対して 8 ° に斜め研磨し、且つ端面 2 5 aに図示しない反射防止膜が形成されており、偏心スリーブ 2 2の内孔 2 2 aに同心構造の毛細管 2 4を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤 2 6を備えている。

本発明の光コリメ一夕 2 1は、光ファイバ 2 5の端面 2 5 aと部分球面レンズ 2 3の透光球面 2 3 bが、光コリメ一夕 2 1 として正しく作動するように光学的に適切な距離 0. 2 5 mmとなる位置にエポキシ系樹脂からなる接着剤 2 6により固定されているものである。

次に、光コリメ一夕 2 1の挿入損失、反射減衰量（リターンロス）、平行光 2 7の出射偏角 (ビーム傾き角）、及ぴ光コリメ一夕 2 1の中心軸 Aに対する平行光 2 7の光軸 Zの偏心量（光軸偏心）の例を表 2に示す。表 2

これらの測定には波長 1 5 5 0 nmの光を用い、また、挿入損失については、光コリメ一夕 2 1を 2個用いて作動距離が 1 7. 5 mmとなるように対向配置した状態で測定を行う。ここで作動距離とは、光コリメ —夕 2 1を対向配置した際に、それそれの部分球面レンズ 2 3の外側の透光球面 2 3 b間の空間の距離のことである。

表 2のように、挿入損失および反射減衰量は従来品と同等あるいはそれ以上の性能を発揮しており、実用上何ら問題は無い。

また、出射偏角は 0. 1。以下と従来品と比較すると非常に良い値となっている。 .さらに、光コリメ一夕 2 1の中心軸 Aに対する平行光 2 7 の光軸 Zの偏心量が 0. 0 1 5 mm以下となっているので、例えば、図 1 ( C ) に示すように、 V溝基板 2 8の V溝 2 8 a上に光コリメ一タ 2 1をそれらの作動距離となる位置で、かつ、各偏心スリーブ 2 2の外周面の中心軸 Bが相互に一致した状態で対向させて搭載すると、無調心の状態でも光信号の応答が得られるので、光コリメ一夕 2 1 どうしの調心作業が必要な光機能部品を自動調心装置 ¾どを用いて組^てる際、従来品に比べて、作業効率が著しく向上する。例えば、波長 1 5 5 0 nmの光を用い、光コリメ一夕 2 1を 2個用いて作動距離が 1 7. 5 mmとなるように 1本の V溝上に対向配置させ、無調心の状態で挿入損失を測定した。その際の挿入損失の値は 1. 5 d B程度であった。

このように、 1本の V溝に無調心の状態で搭載するだけで、自動調心装置が作動する— 3 0 d B以上の光信号の応答、即ち、このような光学系で種々の光学系で測定したところ、殆どのもので一 1 0 d B以上の光信号の応答が得られ、通常に加工されたものでは入力信号に対して一 5 d B〜一 1 d Bの範囲の十分な光信号の応答が得られるものであった。このように簡単に十分な光信号の応答が得られるので、従来品にない性能を発揮している。

次に、光コリメ一夕 2 1の組立方法について説明する。

まず、相似形の母材を加熱 ·延伸成形すること等により、外周面の直径が 1 . 0 m m未満で、光ファイバ 2 5の直径よりも僅かに大きい内径を有する長尺の毛細管を作製する。次に、長尺の毛細管を適度な長さに切断し、図 2に示すように、毛細管 2 4の内孔に光ファイバ 2 5を揷入 ·接着した後、毛細管 2 4の外周面の中心軸 Yに垂直な平面に対して 8 ° に研磨し、さらに光ファイバ 2 5の端面 2 5 aに図示しない反射防止膜を形成することで外周面の直径が 1 . 0 m m未満で全長が 4 . 3 m mの毛細管 1 4の外周面の中心軸 Yが光軸となる毛細管 2 4を作製するなお、毛細管 2 4の外周面には、光ファイバ 2 5の端面 2 5 aへ施した 8 ° 研磨の方向を表示するマ一キングまたはオリフラ加工部（図示省略）が施されている。

また、図 3の破線で示すような、真球度が高く安価に入手が可能な球レンズを材料として使用し、図示しない研削機で円柱状に研削する。このようにして直径が 1 . 0 m m未満で屈折率が略均一なガラスからなる円柱部 2 3 aの両端に曲率中心が同一で曲率半径 rが 1 . 7 5 m mの透光球面 2 3 bを有し、且つ部分球面レンズ 2 3の外周面の中心軸 Xが光軸となる部分球面レンズ 2 3を作製する。

次に、相似形の母材を加熱 ·延伸成形すること等により、図 4に示すような偏心スリーブ 2 2の外周面の中心軸 Bと偏心スリープ 2 2の内孔 2 2 aの中心軸 Cとの偏心量 (5が 0 . 1 3 m mで、偏心スリーブ 2 2の外周面の直径が 1 . 4 m m、偏心スリ一ブ 2 2の内孔 2 2 aの直径が 1 0 m mの透明なガラス製の偏心スリ一プ 2 2を作製する。この偏心スリ —プ 2 2の外周面に、偏心スリーブ 2 2の外周面の中心軸 Bと偏心スリ —ブ 2 2の内孔 2 2 aの中心軸 Cとの偏心方向を合わせるマ一キングまたはォリフラ加工部（図示省略）が施されていると光コリメ一夕 2 1の組立が容易になる。

次いで、偏心スリーブ 2 2の内孔 2 2 aに部分球面レンズ 2 3を揷入し、接着剤 2 6で固着する。接着剤 2 6が完全に硬化した後に、毛細管

2 を挿入し、互いのマーキングを合わせて位置決めを行い、光フアイバ 2 5の端面 2 5 aと部分球面レンズ 2 3の透光球面 2 3 bとの距離が 0. 2 5 mmとなる位置に観察 ·測定しながら位置決めして固定し接着剤 2 6で固着することにより、図 1のような偏心スリープ 2 2の外周面の中心軸 Bが平行光 2 7の光軸 Zとなる光コリメ一夕 2 1が完成する。

[実施例 2 ]

図 5は、本発明の他の例を示す長作動距離を有する光コリメ一夕 3 1 の説明図である。図中 3 2は偏心スリーブとしてガラス製のチューブを

3 3は部分球面レンズを、 3 6は接着剤を、 3 4は毛細管を、 3 5は光ファイバをそれそれ示している。本例は、偏心スリーブ 3 2 としてガラス製のチューブを用いた場合であるが、相互の熱膨張係数差が 5 0 x 1 0一⁷/ K以内ならば、他の材料でもよい。

図 5中の光コリメ一夕 3 1を構成する偏心スリ一プ 3 2の外周面の中心軸 Bと偏心スリ一プ 3 2の内孔 3 2 aの中心軸 Cとを予め偏心させる偏心量 5は、

rii ：光ファイバ 3 5のコア部の屈折率

n₂ ：大気中の場合は空気の屈折率 '

n₃ ：部分球面レンズ 3 3の屈折率

r ：部分球面レンズ 3 3の曲率半径

(9 : 光ファイバ 3 5の端面 3 5 aの斜め研磨角度

とすると、先出の数 1のように表される。表 3に部分球面レンズ 3 3の硝材として光学ガラス L a S F O -1 5を使用した長作動距離を有する光コリメ一夕 3 1の各パラメ一夕の例を示す。

表 3

上記の各パラメ一夕を用いて数 1により偏心量 (5を計算すると 0. 2 O mmとなる。したがって、図 5に示す構造の長作動距離を有する光コリメータ 3 1に用いる偏心スリーブ 3 2の外周面の中心軸 Bと偏心スリ. —ブ 3 2の内孔 3 2 aの中心軸 Cとの偏心量は、表 3に示すパラメ一夕の場合、 0. 2, 0 mmとすればよい。

本発明の長作動距離を有する光コリメ一夕 3 1は、偏心スリーブ 3 2 の外周面の直径が 1. 8 mmで、内孔の直径が 1 . 2 5 mmとなる全長が 8. O mmで、偏心スリーブ 3 2の外周面の中心軸 Bと偏心スリープ 3 2の内孔 3 2 aの中心軸 Cとの偏心量 dが 0. 2 O mmのガラス製チュ一ブと、偏心スリーブ 3 2の内孔 3 2 aに固定され屈折率が略均一な光学ガラス L a S F 0 1 5からなり、円柱部 3 3 aの両端に曲率中心が略同一の透光球面 3 3 bを有し、偏心スリーブ 3 2の内孔 3 2 aに部分球面レンズ 3 3を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤 3 6を備えている。部分球面レ.ンズ 3 3の透光球面 3 3 bには光信号の反射を低減するために、図示しない反射防止膜が形成されている。また、外周面の直径が 1 . 2 5 mmで全長が 4. 3 mmの毛細管 3 4は、内部に保持した光ファイバ 3 5の端面 3 5 aからの反射戻り光を低減するために、毛細管 34の外周面の中心軸 Yに垂直な平面に対して 8 ° に斜め研磨し、且つ端面 3 5 aに図示しない反射防止膜が形成されており、偏心スリーブ 32の内孔 3 2 aに毛細管 34を接着するエポキシ系樹脂からなる接着剤 3 6を備えている。

本発明の長作動距離を有する光コリメ一夕 3 1は、光ファイバ 3 5の端面 3 5 aと部分球面レンズ 3 3の透光球面 3 3 bが、光コリメ一夕として正しく作動するように光学的に適切な距離 0. 40mmとなる位置にエポキシ系樹脂からなる接着剤 3 6により固定されているものである次に、長作動距離を有する光コリメ一夕 3 1の挿入損失、反射減衰量 (リターンロスとも称す）、平行光 3 7の出射偏角（ビーム傾き角とも称す）、及び長作動距離を有する光コリメ一夕 3 1の中心軸 Aに対する平行光 37の光軸 Zの偏心量（光軸偏心とも称す）の例を表 4に示す。

表 4

これらの測定には波長 1 5 5 0 nmの光を用い、また、挿入損失については、長作動距離を有する光コリメ一夕 3 1を 2個用いて作動距離が 1 5 Ommとなるように対向配置した状態で測定を行う。

挿入損失および反射減衰量は従来品と同等あるいはそれ以上の性能を発揮しており、実用上何ら問題は無い。

また、出射偏角は 0. 1 ° 以下と長作動距離を有する光コリメ一夕の従来品と比較す ¾と非常に良い値となっている。さらに、長作動距離を有する光コリメ一夕 3 1の中心軸 Aに対する平行光 3 7の光軸 Zの偏心量が 0. 0 1 5mm以下となっているので、例えば先記の図 1 (C) と同様に、精密な V溝上に長作動距離を有する光コリメ一夕 3 1を所定の作動距離となる位置で、かつ、各偏心スリーブ 3 2の外周面の中心軸 Bが相互に一致した状態で対向させて搭載すると、無調心の状態でも入力に対して数 d B程度の挿入損失で光信号の応答が得られるので、長作動距離を有する光コリメータ 3 1 どうしの調心作業が必要な光機能部品を自動調心装置などを用いて組立てる際、長作動距離を有する従来の光コリメータを用いたものに比べて作業効率が著しく改善する。

実際に、波長 1 5 5 O n mの光を用い、光コリメ一夕 3 1を 2個用いて作動距離が 1 5 0 m mとなるように V溝上に対向配置させ、無調心の状態で挿入損失を測定した。その結果、入力に対して 1 . 5 d B程度の挿入損失で光信号の応答が得られ、従来品にない性能を発揮している。

さらに、図 5に示す本発明の光コリメ一夕 3 1は、 1 5 O m mもの長作動距離を有するにもかかわらず、部分球面レンズ 3 3の外周面の直径を 1 . 2 5 m mに細径化することで、外周面の直径が 1 . 8 m mの光学特性に優れた光コリメ一夕 3 1を実現した。

[実施例 3 ]

図 6は、本発明の光コリメ一夕 2 1を用いたインクリメンタル型の口 —夕リ一エンコーダ 4 0の一例を示す説明図である。口一タリ一ェンコ —ダ 4 0とは、回転角度や回転角速度を検出するセンサの一つで、図 6 に示すように回転軸に信号用スリット 4 1 aを持つスケール 4 1が直接取り付けてあり、信号用スリット 4 1 aを通過する光コリメータ 2 1の平行光 2 7のパルス信号で回転角を検出するセンサである。得られた回転角度を時間で微分すれば、回転角速度を検出することも可能である。

しかしながら、図 6の構造では回転角度の検出はできるが、どちらの向きに回転しているのかを検出することができない。そこで、多くの口 —夕リ一エンコーダにおいては、光コリメ一夕 2 1を複数個用いることで、どちらの向きに回転しているのかを検出すると共に、開始点を検出する構造となっている。図 7に示すとおり、最低 3対（ 6個）の光コリメータ 2 1を用いることで、回転方向と開始点を検出することができる図 7の受光側の光コリメ一夕 2 1から検出されるパルス信号、およびその信号処理を図 8に示す。ひ相と/?相は互いに位相が 1 8 0度ずれて検出されるように配置されているが、このままでは回転角度の分解能が龃いので、相のパルス信号と 5相パルス信号に対して排他的論理和をとることで、分解能を 2倍にすることができる。

排他的論理和とは、本件発明の光コリメ一夕 2 1を用いたィンクリメン夕ル型口一タリ一エンコーダ 4 0において、 α'相のパルス信号と /5相のパルス信号の入力が違う場合に 0 Νの信号を、それ以外は 0 F Fとなる演算のことである。相のパルス信号と /?相のパルス信号による排他的論理和の処理結果を表 5に示す。

表 5

さらに、相のパルス信号と/?相のパルス信号の排他的論理和を微分した結果と、 α相のパルス信号と/?相のパルス信号の排他的論理和の Ν 0 Τを微分した結果の排他的論理和をとると回転角の分解能を 4倍に高めることができる。

図 7に示す本発明の光コリメ一夕 2 1を用いたインクリメンタル型の口一タリ一エンコーダ 4 0において、回転軸が正回転なのか逆回転なのかを判定するには、ひ相のパルス信号が立ち上がる時に、 ^相の信号が O Nか O F Fかを検出することで、正回転か逆回転かを判定することができる。

図 7に示したようなインクリメンタル型の口一タリーエンコーダ 4 0 は、産業用ロボットなどに多く使用されているが、本発明の光コリメ一夕 2 1は、電気絶縁体のガラスまたは結晶化ガラスからなる、部分球面レンズ 2 3、毛細管 2 4、偏心スリーブ 2 2、及び光フアイバ 2 5を用いて作製されており、金属部材を全く用いていないため、 l T e s l a 以上、即ち l O O O O G a u s s以上の高磁場中でも電磁誘導の影響を受けることがなく、例えば M R I (磁気共鳴画像）のような超伝導磁石を用いる超高磁場においても使用することができる。

図 7に示したスケール 4 1や回転軸を非金属、例えば樹脂やガラスなどを用いて作製することで、非金属材料のみで構成されたィンクリメンタル型の口一タリ一エンコーダ 4 0を実現することができ、高磁場にさらされる機器中においても電磁誘導の影響を受けることなく、インクリメン夕ル型の口一夕リーエンコーダ 4 0を利用することができる。

図 7に示したインクリメン夕ル型の口一夕リ一エンコーダ 4 0は本発明の光コリメ一夕 2 1で構成され、得られたパルス信号を電気絶縁体の光ファイバ 2 5により、高磁場の影響を受けない遠距離に設置されたパルス信号処理機器まで低損失で伝送することが可能'である。

一般的に、光は真空中では静磁場による影響は受けないが、物質中や物質の表面で反射された光は、磁場（物質中の磁束）の影響を受けることが知られており、これらはファラデー効果や磁気カー効果と呼ばれる物質の磁気的性質が光の偏り（以下偏光）に及ぼす作用があるが、ファラデー効果は、物質に直線偏光を通すと磁場の強さと共に光の偏光面が回転する現象であり、磁気力一効果は、物質に直線偏光が入射したとき、主軸の向きが入射直線偏光の向きから傾いた楕円偏光が反射する現象で、どちらの効果も、偏光に作用するのみであり、回転軸に取りつけてその動きを検出するロータリ一エンコーダ 4 0などの光パルスを検出する方式の各種センサ用途としては、学特性上問題となることはない実施例 3では光コリメ一夕 2 1を用いて説明したが、もちろん実施例 2に示した長作動距離を有する光コリメ一夕 3 1を用いて、インクリメン夕ル型の口一夕リーエンコーダ 4 0を構成しても良い。

Claims

請求の範囲

1 . 円筒状の偏心スリープと、該偏心スリープ内に円柱部が揷着され、円柱部の両端に曲率中心が略同一の透光球面を有する部分球面レンズと、該偏心スリープ内に揷着され、中心に光ファイバを保持して傾斜している端面を部分球面レンズに向けた毛細管とを備えた光コリメ一夕であって、

前記偏心スリープがガラスまたは結晶化ガラスからなることを特徴とする光コリメ一夕。

2 . 前記部分球面レンズの透光球面から出射する平行光の光軸が、前記スリーブの外周面の中心軸を中心とする半径 0 . 0 2 m m以内の範囲にあり、且つ前記スリープの外周面の中心軸に対して 0 . 2 ° 以内の角度範囲内にあることを特徴とする請求の範囲 1に記載の光コリメ一夕

3 . 一対の前記光コリメータをそれらの作動距離となる位置で、かつ、前記各偏心スリーブの外周面の中心軸が相互に一致した状態で対向配置させ、一方の光ファイバから光を導入したとき、他方の光ファイバから入力に対して— 3 0 d B以上の光の応答が得られるものであることを特徴とする請求の範囲 1又は 2に記載の光コリメ一夕。

4 . 前記偏心スリーブが、ドロ一イング法により作製されたものであることを特徴とする請求の範囲 1から 3の何れかに記載の光コリメ一夕。

5 . 前記毛細管が、ガラスまたは結晶化ガラスからなることを特徴とする請求の範囲 1から 4の何れかに記載の光コリメ一夕。

6. 前記部分球面レンズ、毛細管、及び偏心スリーブの相互の熱膨張係数差が 5 0 X 1 0— 7/K以内であることを特徴とする請求の範囲

1から 5の何れかに記載の光コリメ一夕。

7. 前記部分球面レンズが電気絶縁体のガラスまたは結晶化ガラスからなり、 I T e s l a以上の高磁場中で電磁誘導による渦電流を実質的に起こさないことを特徴とする請求の範囲 5又は 6に記載の光コリメ —夕。

8. 最大直径が 2 mm未満であることを特徴とする請求の範囲 1から 7の何れかに記載の光コリメ一夕。