(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学部品の斜面の角度を測量する方法であって、
（ａ）斜面と垂直面と所定の規格とを有する標準ＧＲＩＮ（屈折率分布型）レンズを用意するステップと、
（ｂ）光学部品の斜面を、所定距離をおいて前記標準ＧＲＩＮレンズの斜面と対向させるステップと、
（ｃ）レーザビームを前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面へ照射して、前記標準ＧＲＩＮレンズの斜面における反射により第１楕円形を発生させ、かつ、光学部品の斜面における反射により第２楕円形を発生させるステップと、
（ｄ）前記光学部品の斜面の角度を、前記標準ＧＲＩＮレンズの規格および第１楕円形と第２楕円形のサイズにより決定するステップとを含むことを特徴とする光学部品の斜面角度を測量する方法。
【請求項２】
ステップ（ｃ）では、前記第１楕円形と第２楕円形がスクリーン上に発生される請求項１記載の方法。
【請求項３】
ステップ（ｄ）が、
（ｄ１）数式（１）からｘ''1およびｙ''1を座標変換して決定するステップと、
【数１】
0003542996.tif 000013
ここで、ｘ'1とｙ'1が前記標準ＧＲＩＮレンズ斜面上の一組の座標であり、θ1が前記標準ＧＲＩＮレンズの斜面の角度であり、ｘ''1，ｙ''1が前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面上の一組の座標であることと、
（ｄ２）ｘ''1およびｙ''1からｒ''1およびθ''1gを決定するステップと、ここでｒ''1がレーザビームの照射位置から前記標準ＧＲＩＮレンズの軸線までの距離であり、θ''1gが前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面上の反射レーザビームの照射角度であること、
（ｄ３）数式（２）により、前記標準ＧＲＩＮレンズ垂直面上の前記第１楕円形のｒ'''1およびθ'''1gのサイズを決定するステップと、
【数２】
0003542996.tif 000014
ここで、√Ａが前記標準ＧＲＩＮレンズの定数であり、θ''1gが前記レーザビームの照射角度であり、ｒ''1が前記レーザビームの照射位置と前記標準ＧＲＩＮレンズの軸線との間の距離であり、θ'''1gが前記レーザビームの出口角度であり、Ｎ0が前記標準ＧＲＩＮレンズの屈折率であり、Ｚが前記標準ＧＲＩＮレンズの機械長さであることと、
（ｄ４）前記スクリーン上の前記第１楕円形のサイズを、数式（２）の前記標準ＧＲＩＮレンズ垂直面上の前記第１楕円形のサイズで割って、比例値を得るステップと、
（ｄ５）前記スクリーン上の第２楕円形のサイズを前記比例値で割って、標準ＧＲＩＮレンズ垂直面上の第２楕円形のｒ'''2およびθ'''2gを得るステップと、
（ｄ６）数式（３）からｒ''2およびθ''2gを決定するステップと、
【数３】
0003542996.tif 000015
ここで、θ''2gが前記レーザビームの照射角度であり、ｒ''2が前記レーザビームの照射位置と前記標準ＧＲＩＮレンズの軸線との間の距離であり、ｒ'''2が前記レーザビームの出口位置と前記標準ＧＲＩＮレンズの軸線との間の距離であり、θ'''2gが前記レーザビームの出口角度であることと、
（ｄ７）ｒ''2およびθ''2gからｘ''2およびｙ''2を決定するステップと、ここでｘ''2およびｙ''2が斜面から前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面に変換された一組の座標であることと、
（ｄ８）数式（４）からΔθを決定するステップと、
【数４】
0003542996.tif 000016
ここで、ｘ2およびｙ2が前記光学部品の斜面上の一組の座標であり、Δθ＝｜θ1−θ2｜であることと、
（ｄ９）前記光学部品の斜面の角度であるθ2をΔθ＝｜θ1−θ2｜から決定するステップとを含むものである請求項２記載の方法。
【請求項４】
光学部品の斜面角度を測量する装置であって、
光学部品の斜面に真正面に対向する斜面と垂直面とを含み、かつ、前記光学部品から所定距離だけ離間して配置された標準ＧＲＩＮレンズと、
前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面に対向して配置されたスクリーンと、
レーザビームを前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面へ入射して、前記標準ＧＲＩＮレンズの斜面および前記光学部品の斜面でレーザビームを反射させて、前記スクリーン上に第１楕円形と第２楕円形とを発生させるレーザ光源と、
前記第１楕円形および第２楕円形のイメージを取り出して、対応する信号を出力する画像読取装置と、
前記信号を受信して、前記光学部品の斜面の角度を決定するプロセッサーとを含むことを特徴とする光学部品の斜面角度を測量する装置。
【請求項５】
さらに前記光学部品と前記標準ＧＲＩＮレンズとの間に設けられ、前記光学部品と前記標準ＧＲＩＮレンズとの間の所定距離を保持するためのキイを含む請求項４記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、光学部品の斜面角度を測量する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
傾斜した接続端面を有する光学部品は、接続端面を正確に接続調整して、傾斜端面の回転角度ディフェージングあるいは光軸のずれを防止することができる。
【０００３】
一般的に、光ファイバは溶接あるいはコネクターにより接続される。光ファイバは開口率が制限されているため、光ファイバから出射されたレーザビームは一定の拡散角を有する。レーザビームの拡散を防ぐために、ファイバコリメータは光ファイバ伝送において重要な役割を担う。ファイバコリメータはレーザビームを光ファイバまで導く。レーザビームはＧＲＩＮ（GRaded INdex：屈折率分布型）レンズを通って平行レーザビームに変換される。
【０００４】
光ファイバ中でのレーザビームの反射を減少するために、米国特許第５８０９１９３号では一列に接続された多くのフェルールを使用する。各フェルールは斜面を有する。反射の法則により、レーザビームが二つのフェルールの斜面中にある時、元のレーザビームの照射経路に沿って反射する量は減少する。ファイバコリメータ中のファイバスレッドのフェルールはさらに斜面を有する端面を含む。図１に示すように、従来のファイバコリメータは、光学ファイバ１１２が組み入れられたフェルール１１１を含むフェルール組立体１１と、フェルール１１１に結合したＧＲＩＮレンズ１３とを有する。しかしながら、従来のファイバコリメータはレーザビームの反射量を大幅に減少させていた。ファイバ製作工程において、フェルール１１１の斜面１１３は研磨により一定の傾斜角に形成される。フェルール１１１の斜面１１３の傾斜角度の正確度は、ファイバコリメータのレーザビームの出口角度に影響を与えるので、ファイバコリメータのレーザビームの出口角度を一定の許容範囲内に維持するためには、フェルール１１１の斜面１１３の角度を一定の許容範囲内に維持しなければならない。そのため、ファイバコリメータを製造する際には、正確な測量方法を使用して斜面角度を得ることが大切であった。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
そのため、本発明の目的はフェルールあるいはその他の光学部品の斜面角度を測量する装置およびその方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記問題を解決し、所望の目的を達成するために、本発明は（ａ）斜面と垂直面と所定の規格とを有する標準ＧＲＩＮ（屈折率分布型）レンズを用意するステップと、（ｂ）光学部品の斜面を、所定距離をおいて前記標準ＧＲＩＮレンズの斜面と対向させるステップと、（ｃ）レーザビームを前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面へ照射して、前記標準ＧＲＩＮレンズの斜面における反射により第１楕円形を発生させ、かつ、光学部品の斜面における反射により第２楕円形を発生させるステップと、（ｄ）前記光学部品の斜面の角度を、前記標準ＧＲＩＮレンズの規格および第１楕円形と第２楕円形のサイズにより決定するステップとを含むことを特徴とする光学部品の斜面角度を測量する方法を提供する。
【０００７】
一実施形態では、ステップ（ｃ）では第１楕円形と第２楕円形がスクリーン上に発生される。
好ましくは、ステップ（ｄ）が、（ｄ１）数式（１）からｘ''1およびｙ''1を座標変換して決定するステップと、
【０００８】
【数５】
0003542996.tif 000002
ここで、ｘ'1とｙ'1が前記標準ＧＲＩＮレンズ斜面上の一組の座標であり、θ1が前記標準ＧＲＩＮレンズの斜面の角度であり、ｘ''1，ｙ''1が前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面上の一組の座標であることと、（ｄ２）ｘ''1およびｙ''1からｒ''1およびθ''1gを決定するステップと、ここでｒ''1がレーザビームの照射位置から前記標準ＧＲＩＮレンズの軸線までの距離であり、θ''1gが前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面上の反射レーザビームの照射角度であること、（ｄ３）数式（２）により、前記標準ＧＲＩＮレンズ垂直面上の前記第１楕円形のｒ'''1およびθ'''1gのサイズを決定するステップと、
【０００９】
【数６】
0003542996.tif 000003
ここで、√Ａが前記標準ＧＲＩＮレンズの定数であり、θ''1gが前記レーザビームの照射角度であり、ｒ''1が前記レーザビームの照射位置と前記標準ＧＲＩＮレンズの軸線との間の距離であり、θ'''1gが前記レーザビームの出口角度であり、Ｎ0が前記標準ＧＲＩＮレンズの屈折率であり、Ｚが前記標準ＧＲＩＮレンズの機械長さであることと、（ｄ４）前記スクリーン上の前記第１楕円形のサイズを、数式（２）の前記標準ＧＲＩＮレンズ垂直面上の前記第１楕円形のサイズで割って、比例値を得るステップと、（ｄ５）前記スクリーン上の第２楕円形のサイズを前記比例値で割って、標準ＧＲＩＮレンズ垂直面上の第２楕円形のｒ'''2およびθ'''2gを得るステップと、（ｄ６）数式（３）からｒ''2およびθ''2gを決定するステップと、
【００１０】
【数７】
0003542996.tif 000004
ここで、θ''2gが前記レーザビームの照射角度であり、ｒ''2が前記レーザビームの照射位置と前記標準ＧＲＩＮレンズの軸線との間の距離であり、ｒ'''2が前記レーザビームの出口位置と前記標準ＧＲＩＮレンズの軸線との間の距離であり、θ'''2gが前記レーザビームの出口角度であることと、（ｄ７）ｒ''2およびθ''2gからｘ''2およびｙ''2を決定するステップと、ここでｘ''2およびｙ''2が斜面から前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面に変換された一組の座標であることと、（ｄ８）数式（４）からΔθを決定するステップと、
【００１１】
【数８】
0003542996.tif 000005
ここで、ｘ2およびｙ2が前記光学部品の斜面上の一組の座標であり、Δθ＝｜θ1−θ2｜であることと、（ｄ９）前記光学部品の斜面の角度であるθ2をΔθ＝｜θ1−θ2｜から決定するステップとを含む。
【００１２】
本発明は更に、光学部品の斜面角度を測量する装置を提供する。その装置は、光学部品の斜面に真正面に対向する斜面と垂直面とを含み、かつ、前記光学部品から所定距離だけ離間して配置された標準ＧＲＩＮレンズと、前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面に対向して配置されたスクリーンと、レーザビームを前記標準ＧＲＩＮレンズの垂直面へ入射して、前記標準ＧＲＩＮレンズの斜面および前記光学部品の斜面でレーザビームを反射させて、前記スクリーン上に第１楕円形と第２楕円形とを発生させるレーザ光源と、前記第１楕円形および第２楕円形のイメージを取り出して、対応する信号を出力する画像読取装置と、前記信号を受信して、前記光学部品の斜面の角度を決定するプロセッサーとを含む。
【００１３】
さらに前記光学部品と前記標準ＧＲＩＮレンズとの間に設けられ、前記光学部品と前記標準ＧＲＩＮレンズとの間の所定距離を保持するためのキイを含むことが好ましい。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態に従う光学素子の傾斜面の角度の測定方法及び測定装置について説明する。
【００１５】
図２において、フェルール組立体１１はフェルール１１１および光ファイバ１１２を含む。フェルール１１１が傾斜した斜面１１３を有する。
フェルール１１１の斜面１１３の傾斜角度θ2を測量するために、この発明では標準的な規格を有するＧＲＩＮレンズ２３すなわち標準部品を使用する。ＧＲＩＮレンズ２３は、光軸に直交する面に対して角度θ1だけ傾斜した斜面２３１を有する。斜面角度θ1はＧＲＩＮレンズ２３の光学特性から知ることができる。詳しくは、ＧＲＩＮレンズ２３を管状ホルダー１５の一端部に挿入して接着剤１７で固定する。管状ホルダー１５は図示しないベースに固定される。一定の長さを有するキイ２５が管状ホルダー１５中のＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１に隣接して固定される。フェルール組立体１１が管状ホルダー１５に挿入されると、キイ２５が一定の距離でフェルール１１１をＧＲＩＮレンズ２３から隔離する。測量のために可視レーザビーム２７がＧＲＩＮレンズ２３の出力端から入射される。図３に示すように、可視レーザビーム２７がＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１に当たると、斜面２３１に図３Ｂに示す円形が投影される。可視レーザビーム２７は斜面２３１で反射される。反射ビームは図３Ｃに示す楕円形をＧＲＩＮレンズ２３の垂直面２３２上に発生させる。反射ビームは拡散して、図３Ｄに示す楕円形（第１楕円形）がスクリーン２８上へ投影される。第１楕円形は画像読取装置（電荷結合素子など）２９により取り込まれ、そしてさらなるイメージ処理のためにパーソナルコンピュータ２６へ伝送される。
【００１６】
図４Ａに示すように、ＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１へあたったレーザビームの一部分は透過する。透過したレーザビームがフェルール１１１の斜面１１３へあたると、斜面１１３上に図４Ｂに示す円形が投影される。そのビームが斜面１１３で反射されて、反射ビームがＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１を透過しながら、斜面２３１上に図４Ｃに示す円形を発生させる。またその反射ビームはＧＲＩＮレンズ２３の垂直面２３２上に図４Ｄに示す楕円形を発生させる。最後に、反射ビームが拡散して図４Ｅに示す第２楕円形をスクリーン２８上に発生させる。第２楕円形は画像読取装置２９により取り込まれ、そしてさらなるイメージ処理のためにパーソナルコンピュータ２６へ伝送される。パーソナルコンピュータ２６は第１楕円形（図３Ｄ）と第２楕円形（図４Ｅ）の長軸の長さと短軸の長さをそれぞれ比較することにより、測量されたフェルール１１１の斜面１１３の傾斜角度θ2および標準ＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１の傾斜角度θ1との差値を得ることができるため、角度θ2が得られる。角度θ2の計算式は後述する。
【００１７】
ＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１とフェルール１１１の斜面１１３とスクリーン２８の表面の投影光の関係は数学的座標変換により理解される。ここではＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１の角度をθ1で表し、フェルール１１１の斜面１１３の角度をθ2で表す。可視光線がＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１上に形成する円形の座標は（ｘ'1，ｙ'1）である。ＧＲＩＮレンズ２３の端面２３２とスクリーン２８は、光軸に直交する平面であるため、反射光がＧＲＩＮレンズ２３を透過する前に、斜面２３１上の円形が垂直面上で座標（ｘ''1，ｙ''1）に変換される。図５に示すように、二つの座標の関係は、次式に示す通りである。
【００１８】
【数９】
0003542996.tif 000006
ここで、
【００１９】
【数１０】
0003542996.tif 000007
と定義し、θ''1gをＧＲＩＮレンズ２３の垂直面２３２に対する反射レーザビームの照射角度と定義する。ＧＲＩＮレンズ２３中のレーザビームの照射角度と屈折角の理論関係は次式で示される。
【００２０】
【数１１】
0003542996.tif 000008
数式（２）において、√ＡはＧＲＩＮレンズ２３に固有の定数であり、θ''1gは照射角度であり、ｒ''1は照射位置からＧＲＩＮレンズ２３の軸線までの距離であり、ｒ'''1は出口位置からＧＲＩＮレンズ２３の軸線までの距離であり、θ'''1gは出口角度であり、Ｎ0はＧＲＩＮレンズの反射率であり、ＺはＧＲＩＮレンズ２３の機械長さである。
【００２１】
出口レーザビームの拡散角度はＧＲＩＮレンズ２３の開口率から得ることができる。拡散角度によると、スクリーン２８とＧＲＩＮレンズ２３の端面２３２との間の距離と、ＧＲＩＮレンズ２３上の楕円形の座標と、スクリーン２８上の楕円形のサイズとを得ることができる。ここで注意が必要なのは、ＧＲＩＮレンズ２３の垂直面上の楕円形のサイズはスクリーン２８上の楕円形のサイズと比例することである。
【００２２】
同様に、ＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１により反射されなかったレーザビームは、反射の法則によりフェルール１１１の斜面１１３へ照射される。図４Ａに示すように、円形（ｘ2，ｙ2）が斜面１１３上上に発生する。続いて、斜面１１３からの反射光はＧＲＩＮレンズの斜面２３１（ｘ'2，ｙ'2）へ入射する。ＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１上の投影はフェルール１１１の斜面１１３上の円形反射の座標変換である。
【００２３】
フェルールの斜面角度（θ2）とＧＲＩＮレンズ２３の斜面２３１の角度（θ1）との差ΔθはΔθ＝｜θ1−θ2｜で表される。
図６を参照すると、（ｘ2，ｙ2）と（ｘ'2，ｙ'2）との座標変換は次に示す通りである。
【００２４】
【数１２】
0003542996.tif 000009
ＧＲＩＮレンズ２３上の円形の座標（ｘ'2，ｙ'2）は、反射法則、屈折法則、フェルール１１１とＧＲＩＮレンズ２３との距離をもとに得ることができる。ＧＲＩＮレンズ２３の端面２３２およびスクリーン２８は平面であるため、反射レーザビームがＧＲＩＮレンズ２３に到達する前に、斜面上の円形は垂直面上の座標（ｘ''2，ｙ''2）へ変換される。
【００２５】
【数１３】
0003542996.tif 000010
ここで、
【００２６】
【数１４】
0003542996.tif 000011
であり、θ''2gは反射レーザビームの照射角度である。そのため、ＧＲＩＮレンズ２３に出入りするレーザビームの角度は次式で示される。
【００２７】
【数１５】
0003542996.tif 000012
数式（３）において、√ＡはＧＲＩＮレンズ２３の定数であり、θ''2gはレーザビームの照射角度であり、ｒ''2は照射位置からＧＲＩＮレンズ２３の軸線までの距離であり、ｒ'''2は出口位置からＧＲＩＮレンズ２３の軸線までの距離であり、θ'''2gはレーザビームの出口角度であり、Ｎ0はＧＲＩＮレンズ２３の屈折率であり、ＺはＧＲＩＮレンズの機械長さ（mechanical length）である。
【００２８】
数式（１）および数式（２）中の全ての項は分かるか決めることができるため、画像読取装置２９を使用してスクリーン２８上の第１楕円形のサイズを読み込めば、数式（２）のサイズと比較して比例値を得ることができる。上記したように、数式（４）において、フェルール組立体１１の斜面１１３における円形投影の座標（ｘ2，ｙ2）は分かり、数式（３）中のＧＲＩＮレンズ２３の光学特性のマトリックス（右辺第１項）は分かる。加えて、スクリーン上に投影された第２楕円投影の寸法はパーソナルコンピュータ２６により算出される。すなわち、画像読取装置２９が第２楕円投影の画像を読み取り、その画像データをパーソナルコンピュータ２６に転送し、パーソナルコンピュータ２６が画像データを用いて第２楕円投影の寸法を算出する。このようにして数式（４）によりΔθが求められ、Δθ＝｜θ1−θ2｜からフェルールの斜面角度θ2が求められる。
【００２９】
本発明では、θ2を得るために次のステップを行う。
（ステップ１）数式（１）からｘ''1およびｙ''1を決定する。
（ステップ２）ｘ''1およびｙ''1からｒ''1およびθ''1gを決定する。
（ステップ３）数式（２）により、ｒ'''1およびθ'''1gを決定して、それはＧＲＩＮレンズ２３の垂直面２３２上の第１楕円のサイズを示す。
（ステップ４）画像読取装置２９で得たスクリーン２８上の第１楕円形のサイズを、数式（２）のサイズで割って比例値を得る。
（ステップ５）画像読取装置２９で得たスクリーン２８上の第２楕円形のサイズを、比例値で割ってＧＲＩＮレンズの垂直面上の第２楕円のｒ'''2およびθ'''2gを得る。
（ステップ６）数式（３）から、ｒ''2およびθ''2gを決定する。
（ステップ７）ｒ''2およびθ''2gからｘ''2およびｙ''2を決定する。
（ステップ８）数式（４）からΔθを決定する。
（ステップ９）Δθ＝｜θ1−θ2｜から、θ2を決定する。
【００３０】
【発明の効果】
上記構成により、この発明は下記のような長所を有する。
本発明は、上で述べた計算ステップと計算式から、フェルール１１１の斜面１１３の角度θ2を決定することができる。さらに本発明で述べた方法により、その他の光学部品の斜面角度をも求めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の技術にかかる典型的なファイバコリメータの断面図である。
【図２】本発明にかかる、標準キイをファイバコリメータ中に設置した時の断面図である。
【図３】（Ａ）はＧＲＩＮレンズの斜面でのレーザビームの反射を示す図である。（Ｂ）は図３ＡのレーザビームによりＧＲＩＮレンズの斜面上に発生した円形を示す図である。（Ｃ）は図３（Ａ）のレーザビームによりＧＲＩＮレンズの斜面上に発生した楕円形を示す図である。（Ｄ）は図３（Ａ）のレーザビームによりスクリーン上に発生した楕円形を示す図である。
【図４】（Ａ）はフェルールの斜面でのレーザビームの反射を示す図である。（Ｂ）は図４Ａのレーザビームによりフェルールの斜面上に発生した円形を示す図である。（Ｃ）は図４ＡのレーザビームによりＧＲＩＮレンズの斜面上に発生した円形を示す図である。（Ｄ）は図４ＡのレーザビームによりＧＲＩＮレンズの垂直面上に発生した楕円形を示す図である。（Ｅ）は図４Ａのレーザビームによりスクリーン上に発生した楕円形を示す図である。
【図５】本発明にかかる、ＧＲＩＮレンズ上に設定された一組の座標を示す断面図である。
【図６】本発明にかかる、フェルールおよびＧＲＩＮレンズ上に設定されたもう一組の座標を示す断面図である。
【符号の説明】
２３…ＧＲＩＮレンズ
２５…キイ
２６…パーソナルコンピュータ
２７…可視レーザビーム
２８…スクリーン
２９…画像読取装置
１１１…フェルール
１１３…フェルールの斜面
２３１…ＧＲＩＮレンズの斜面
２３２…ＧＲＩＮレンズの垂直面
【図１】
0003542996.tif 000017
【図２】
0003542996.tif 000018
【図３】
0003542996.tif 000019
【図４】
0003542996.tif 000020
【図５】
0003542996.tif 000021
【図６】
0003542996.tif 000022