(57)【要約】【課題】小型化、薄型化しても、接着強度を確保することができる光学素子を提供すること。【解決手段】発光素子から射出された光の角度を変換する光学素子１００であって、光学機能を有するレンズ部１１と、レンズ部１１の周囲に延在するフランジ部１２と、を備え、フランジ部１２の外形が角型形状であり、以下の条件式（１）〜（３）を満たす。  ｆ≦０．７（ｍｍ）    …    （１）  ０．６≦ｄ／ｆ≦１．６５    …    （２）  Ａ≧０．３５（ｍｍ）    …    （３）ただし、ｆは光学素子１００の焦点距離であり、ｄは光学素子１００の軸上厚であり、Ａはフランジ部１２の平坦距離である。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子から射出された光の角度を変換する光学素子であって、
光学機能を有するレンズ部と、
前記レンズ部の周囲に延在するフランジ部と、
を備え、
前記フランジ部の外形が角型形状であり、
以下の条件式を満たすことを特徴とする光学素子。
ｆ≦０．７（ｍｍ）
０．６≦ｄ／ｆ≦１．６５
Ａ≧０．３５（ｍｍ）
ただし、
ｆ：光学素子の焦点距離
ｄ：光学素子の軸上厚
Ａ：前記フランジ部の平坦距離
【請求項２】
以下の条件式を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
ＮＡ＞０．４
ただし、
ＮＡ：光学素子の開口数
【請求項３】
前記フランジ部の外形が四角柱状であることを特徴とする請求項１及び２のいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項４】
前記レンズ部は、一対の光学面を有し、
前記フランジ部は、前記一対の光学面のうち少なくとも１つの光学面より光軸方向に突出していることを特徴とする請求項１から３までのいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項５】
前記フランジ部は、前記一対の光学面から外側にそれぞれ延びる一対のフランジ面を有し、
前記一対のフランジ面のうち少なくとも一方のフランジ面の外側に隣接するフランジ側面との境界に対応する角部は、面取り形状を有することを特徴とする請求項１から４までのいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項６】
前記フランジ部の側面で組み付けのために固定されることを特徴とする請求項１から５までのいずれか一項に記載の光学素子。
【請求項７】
前記フランジ部の側面から延びるゲート部を備えることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発光や受光のような光学的動作を行うデバイス等とともに使用される光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子には、用途に応じた種々の輪郭形状を有するものが提案されている。その中で、例えば外形が角型の光学素子がある（例えば、特許文献１参照）。光学素子の外形を角型にすることにより、他の器具等を用いることなく角型をなす四角形の端面又は側面で基板に直接設置し固定することができる。また、角型の光学素子は、複数の光学素子を並べるようなモジュールにおいて、集積しやすく、モジュールとして小型化しやすくなる。
【０００３】
上記のような光学素子をＬＤ（Laser Diode）等が配置された基板上に設置する場合、光学素子の倒れ防止、取扱いやすさ、接着強度の確保等を実現するうえで、光学素子のフランジ部の側面にある程度の幅を確保する必要がある。一方で、モジュールをより小型化しようとする場合、光学素子もより小径化する必要がある。光学素子の開口数（ＮＡ）を維持したままで小型化するには焦点距離を短くするという手法が有効である。しかしながら、特許文献１のような光学素子において焦点距離を短くした場合に、例えばＬＤと光学素子との間の距離を確保するうえで光学素子の軸上厚を薄くすることになり、結果としてフランジ部の側面の幅が確保しづらくなるという問題がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−２８６２１１号公報
【発明の概要】
【０００５】
本発明は、小型化、薄型化しても、接着強度を確保することができる光学素子を提供することを目的とする。
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明に係る光学素子は、発光素子から射出された光の角度を変換する光学素子であって、光学機能を有するレンズ部と、レンズ部の周囲に延在するフランジ部と、を備え、フランジ部の外形が角型形状となっている。ここで、角型形状とは、光軸方向及び光軸に垂直な方向から見て略四角形（例えば、正方形、長方形、台形等）であることを意味する。また、光学素子は、以下の条件式（１）〜（３）を満たす。
ｆ≦０．７（ｍｍ）    …    （１）
０．６≦ｄ／ｆ≦１．６５    …    （２）
Ａ≧０．３５（ｍｍ）    …    （３）
ただし、ｆは光学素子の焦点距離であり、ｄは光学素子の軸上厚であり、Ａはフランジ部の平坦距離である。
【０００７】
上記光学素子では、光学素子を基板に直接搭載するモジュールにおいて、条件値Ａ等の設定により十分な接着面を確保することができるため、光学素子を他の部材に固定する際に接着強度を確保することができる。また、条件値ｄ／ｆ等の設定により光学素子の光学特性の１つである画角特性が抑えられた光学素子となる。また、条件値ｄ／ｆ等の設定により光学素子の成形が良好となる。
【０００８】
本発明の具体的な側面では、上記光学素子は、以下の条件式（４）を満たす。
ＮＡ＞０．４    …    （４）
ただし、ＮＡは光学素子の開口数である。この場合、開口数ＮＡを明るくすると、光学素子の有効径が大きくなるが、上述の光学素子を用いれば十分な接着強度を確保することができる。
【０００９】
本発明の別の側面では、フランジ部の外形が四角柱状である。
【００１０】
本発明のさらに別の側面では、レンズ部は、一対の光学面を有し、フランジ部は、一対の光学面のうち少なくとも１つの光学面より光軸方向に突出している。この場合、フランジ部によって光学面を保護することができる。
【００１１】
本発明のさらに別の側面では、フランジ部は、一対の光学面から外側にそれぞれ延びる一対のフランジ面を有し、一対のフランジ面のうち少なくとも一方のフランジ面の外側に隣接するフランジ部のフランジ側面との境界に対応する角部は、面取り形状を有する。ここで、面取り形状とは、フランジ部の角部にＲ面を設ける場合だけでなく、テーパー面を設けて角の当たりを少なくした状態も含む。この場合、製造段階で光学素子をコートヤトイ等のホルダーに入れやすくなり、傷を防止することができる。
【００１２】
本発明のさらに別の側面では、フランジ部の側面で組み付けのために固定される。
【００１３】
本発明のさらに別の側面では、フランジ部の側面から延びるゲート部を備える。この場合、ゲート部をハンドリング部として機能させ、光学素子の搬送、載置、位置決め等を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】（Ａ）は、本発明の第１実施形態に係る光学素子の側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の第２光学面から見た平面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）のＥ−Ｅ矢視断面図である。
【図２】光学素子の画角特性を説明する図である。
【図３】（Ａ）は、光学素子を組み込んだ光通信モジュールの一部を拡大した図であり、（Ｂ）は、光通信モジュールを説明する概念図である。
【図４】（Ａ）及び（Ｂ）は、図１（Ａ）等に示す光学素子を基板に組み付ける工程及び組み付け後を説明する斜視図である。
【図５】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第２実施形態に係る光学素子の側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の第２光学面から見た平面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）のＦ−Ｆ矢視断面図である。
【図６】（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第３実施形態に係る光学素子の側面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）の第２光学面から見た平面図であり、（Ｃ）は、（Ｂ）のＧ−Ｇ矢視断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔第１実施形態〕
以下、図面を参照しつつ本発明に係る光学素子の具体的な実施形態について詳細に説明する。
【００１６】
光学素子１００は、光通信用又はプロジェクター用の光源装置その他の光学系に組み込まれる部品であり、発光素子から射出された光の角度を変換、具体的には発散する光を平行化するコリメーターレンズ又は集光するカップリングレンズである。例えば、光学素子１００がコリメーターである場合、プリズム、波長板等を挿入しても平行光であるため、後述する光通信モジュール２００内での光の引き回しに有利となっている。この光学素子１００は、光透過性を有するガラス製の成形品であり、金型を利用したプレス成形によって形成される。
【００１７】
図１（Ａ）〜１（Ｃ）に示すように、光学素子１００は、比較的肉厚であり、ブロック状の輪郭を有する。光学素子１００は、円形のレンズ部１１と枠状のフランジ部１２とを有する。レンズ部１１は、光学機能を有する例えば両凸の光学レンズであり、第１光学面１１ａと第２光学面１１ｂとを有する。第２光学面１１ｂの外径は、第１光学面１１ａよりも小さくなっている。本実施形態において、第２光学面１１ｂは、光入射面であり、第１光学面１１ａは、光射出面となっている。フランジ部１２は、レンズ部１１から光軸ＡＸ方向に垂直な側方の外側に延在しており、光軸ＡＸ方向から見て内側で円形であり外側で矩形（具体的には正方形）となっている。つまり、フランジ部１２の外形は、角型形状、具体的には四角柱状となっている。フランジ部１２は、レンズ部１１の第１及び第２光学面１１ａ，１１ｂを囲んで平行に延びる２つの第１及び第２フランジ面１２ａ，１２ｂと、両フランジ面１２ａ，１２ｂ間に延在する平坦で矩形の４つの第１〜第４フランジ側面１２ｃ〜１２ｆとを有する。第２フランジ面１２ｂの外側に隣接する第１〜第４フランジ側面１２ｃ〜１２ｆとの境界に対応する角部１２ｇは、面取り形状を有している。この面取り形状は、Ｒ形状やそれに準ずる丸みを有するものとなっている。本実施形態のように光学面が小さい方、つまり、第２光学面１１ｂ又は第２フランジ面１２ｂ側の角部１２ｇがＲ形状を有することが好ましい。フランジ部１２の角部１２ｇが面取り形状を有することにより、製造段階で光学素子１００をコートヤトイ等のホルダーに入れやすくなり、傷を防止することができる。なお、第１フランジ面１２ａの外側に隣接する第１〜第４フランジ側面１２ｃ〜１２ｆとの境界に対応する角部１２ｈも、上述の角部１２ｇより小さいが、面取り形状を有している。さらに、第１〜第４フランジ側面１２ｃ〜１２ｆの境界も面取り形状を有している。結果的にフランジ部１２のコーナーは、全てＲ形状を有する。これにより、成形が容易になり、かつ搬送等に際して破損や傷を防ぐことができる。
【００１８】
第１〜第４フランジ側面１２ｃ〜１２ｆは、その第１フランジ面１２ａ寄りに平坦部Ｓａをそれぞれ有する。平坦部Ｓａは、例えば鏡面とすることができるが、巨視的な平坦性を損なわない程度であれば微視的に粗面化することもできる。第１〜第４フランジ側面１２ｃ〜１２ｆのうち１つのフランジ側面（本実施形態では、第３フランジ側面１２ｅの平坦部Ｓａ）は、光学素子１００を他の部材の支持部（後述する基板７０）に対して接着によって固定するための部分となっている。つまり、光学素子１００の固定に用いられる第３フランジ側面１２ｅに設けられた平坦部Ｓａは、光学素子１００の固定に際して支持部に接着される面となっている。なお、図１（Ｂ）に示すように、光学素子１００は、第１フランジ面１２ａのうち第１光学面１１ａ寄りに平坦部Ｓｂを有し、第２フランジ面１２ｂのうち第２光学面１１ｂ寄りにも平坦部Ｓｂを有する。
【００１９】
以下、図１（Ａ）を参照して、光学素子１００の特徴的な寸法関係について説明する。
光学素子１００は、以下の条件式（１）〜（３）を満たす。
ｆ≦０．７（ｍｍ）    …    （１）
０．６≦ｄ／ｆ≦１．６５    …    （２）
Ａ≧０．３５（ｍｍ）    …    （３）
ただし、ｆは光学素子１００の焦点距離であり、ｄは光学素子１００の軸上厚であり、Ａはフランジ部１２の平坦距離である。平坦距離Ａは、フランジ部１２から角部１２ｇ，１２ｈの面取り領域等を除いた平坦部Ｓａの距離、すなわち平坦部Ｓａの光軸ＡＸに平行な方向の距離である。
【００２０】
なお、条件式（１）、（２）の値ｆ、Ａは、具体的には、以下の範囲を満たすことが望ましい。
０．４（ｍｍ）≦ｆ≦０．７（ｍｍ）    …    （１）'
０．３５（ｍｍ）≦Ａ≦０．５（ｍｍ）    …    （３）'
【００２１】
また、光学素子１００は、以下の条件式（４）を満たす。
ＮＡ＞０．４    …    （４）
ただし、ＮＡは光学素子１００の開口数である。開口数ＮＡを大きくして明るくすると、光学素子１００の有効径が大きくなるものの、本実施形態の光学素子１００は十分な接着強度を確保することができる。
【００２２】
以下、光学素子１００の性能について説明する。
図２は、光学素子１００の画角特性を説明する図であり、具体的には、画角２°のｄ／ｆと波面収差との関係を示す図である。図２に示すように、条件式（２）を満たす範囲において、波面収差の極小値が現われている。図示の例では、極小値又はこれに近い値を取る値ｄ／ｆを満たす寸法を有する光学素子１００がよりよいものとなる。つまり、具体的には、値ｄ／ｆが約１．２を中心として、０．５程度の幅を有することが望ましい。
【００２３】
以下、光学素子１００を用いた光通信モジュール２００について説明する。図３（Ａ）及び３（Ｂ）に示すように、光通信モジュール２００は、基板７０の平坦面７０ａ上に発光素子であるレーザーダイオード８０と、光学素子１００と、ハウジング９０とを有する。ハウジング９０は、レーザーダイオード８０及び光学素子１００を覆うように設けられている。ハウジング９０には、その一側面から突出したファイバー固定部６０が形成されている。ファイバー固定部６０には、光ファイバー６１が固定されている。
【００２４】
レーザーダイオード８０は、正面中央に光射出部又は発光点８１を有している。この発光点８１からレーザー光が出力される。光学素子１００は、その光軸ＡＸが基板７０を基準としてレーザーダイオード８０の発光点８１と同じ高さになるように配置される。レーザーダイオード８０の発光点８１から出射されたレーザー光は発散光であり、レーザー光が光学素子１００のレンズ部１１に入射し、わずかな収束光となって出射される。出射された光は、光ファイバー６１の端面に結合される。なお、光学素子１００によってレーザー光を平行化してもよい。この場合、光ファイバー６１の前に追加のレンズが必要になる。
【００２５】
図４（Ａ）及び４（Ｂ）を参照して、光学素子１００の組み付けについて説明する。図４（Ａ）に示す状態では、基板７０の平坦面７０ａ上には既に２つの光学素子１００が固定されている。ここでは、３つ目の光学素子１００の固定について説明する。なお、基板７０の奥側には、発光素子である３つのレーザーダイオード８０（図３（Ａ）参照）が３つの光学素子１００の配列に対応して取り付けられている。
【００２６】
図４（Ａ）に示すように、基板７０上の目標領域Ａ３の適所にＵＶ硬化樹脂ＵＡを予め塗布しておく。その後、不図示の保持具を利用して光学素子１００を把持することによって、光学素子１００をトレー等から搬出するとともに基板７０の上方まで搬送し、図４（Ｂ）に示すように、光学素子１００を基板７０の平坦面７０ａ上に設定した目標領域Ａ３上に略正確に載置する。次に、保持具（不図示）を利用して基板７０上で光学素子１００を２次元的に微動させることによって、レーザーダイオード８０（図３（Ａ）及び３（Ｂ）参照）に対してアライメントを行う。この際、光学素子１００を水平なＣＤ方向やＥＦ方向に並進移動させるだけでなく、ＣＤ方向及びＥＦ方向に垂直な鉛直軸のまわりに回転させることもできる。また、アライメントに際しては、レーザーダイオード８０を発光させて光学素子１００を通過する光線の状態を確認することもできる。アライメントが完了した段階で、ＵＶ光を光学素子１００越しにＵＶ硬化樹脂ＵＡに照射することでＵＶ硬化樹脂ＵＡを硬化させる。これにより、光学素子１００の第３フランジ側面１２ｅと基板７０上の平坦面７０ａとが密着するように近接して固定される。なお、光学素子１００は、吸着によって搬送等をしてもよい。
【００２７】
本実施形態の光学素子１００によれば、光学素子１００を基板７０に直接搭載する光通信モジュール２００において、上述した条件値Ａ等の設定により十分な接着面を確保することができる。これにより、レーザーダイオード８０から光学素子１００までの間の距離を確保しつつ、光学素子１００を基板７０に固定する際に接着強度を確保することができる。また、上述した条件値ｄ／ｆ等の設定により光学素子１００の光学特性の１つである画角特性が抑えられた光学素子１００となる。また、上述した条件値ｄ／ｆ等の設定により光学素子１００の成形が良好となる。
【００２８】
〔実施例１〕
以下、本発明の実施例１について説明する。
実施例１において、光学素子１００に対して使用される波長は、１５５０ｎｍである。また、実施例１の光学素子１００では、軸上厚ｄが０．８２ｍｍであり、焦点距離ｆが０．５ｍｍであり、条件式（２）の値ｄ／ｆが１．６４となる。フランジ部１２の平坦距離Ａは０．３５ｍｍである。光学素子１００の開口数ＮＡは０．６である。光学素子１００の作動距離ＷＤは０．１７ｍｍである。
【００２９】
〔実施例２〕
以下、本発明の実施例２について説明する。
実施例２において、光学素子１００に対して使用される波長は、１５５０ｎｍである。また、実施例２の光学素子１００では、軸上厚ｄが０．８２ｍｍであり、焦点距離ｆが０．５ｍｍであり、条件式（２）の値ｄ／ｆが１．６４となる。フランジ部１２の平坦距離Ａは０．４０８ｍｍである。光学素子１００の開口数ＮＡは０．６である。光学素子１００の作動距離ＷＤは０．１７ｍｍである。
【００３０】
〔実施例３〕
以下、本発明の実施例３について説明する。
実施例３において、光学素子１００に対して使用される波長は、１５５０ｎｍである。また、実施例３の光学素子１００では、軸上厚ｄが０．６０ｍｍであり、焦点距離ｆが０．５ｍｍであり、条件式（２）の値ｄ／ｆが１．２となる。フランジ部１２の平坦距離Ａは０．３５ｍｍである。光学素子１００の開口数ＮＡは０．６である。光学素子１００の作動距離ＷＤは０．１７ｍｍである。
【００３１】
〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態の光学素子について説明する。第２実施形態の光学素子は、第１実施形態の光学素子を部分的に変更したものであり、特に説明しない事項は、第１実施形態の光学素子と同様である。
【００３２】
図５（Ａ）〜５（Ｃ）に示すように、第２実施形態の光学素子１００は、フランジ部１２のフランジ側面（本実施形態では、第１フランジ側面１２ｃ）から延びるゲート部２０を有する。光学素子１００は、光透過性を有する樹脂製の成形品であり、金型を利用した射出成形によって成形される。光学素子１００は、成形時に不可避的に形成されるゲート部２０が完全に除去されずに残っている。つまり、レンズ部１１とフランジ部１２とで構成される素子本体１０１とゲート部２０とは一体化されている。
【００３３】
ゲート部２０は、ブロック状の輪郭を有し、光軸ＡＸ方向から見たフランジ部１２の輪郭の一辺の中央であって、フランジ部１２の１つのフランジ側面（本実施形態では第１フランジ側面１２ｃ）に対応する側壁部分から突起している。ゲート部２０の端部２０ａは、成形直後に存在したゲート又はランナーから切り離されたものである。ゲート部２０の側面２０ｂ，２０ｃは、全体がハンドリング部２１としての機能も有しており、光学素子１００を搬送、載置、位置決め等する取扱い時に、ピンセットその他の保持具、ロボットハンド等の取扱い器具によって把持されてもよい。
【００３４】
〔第３実施形態〕
以下、第３実施形態の光学素子について説明する。第３実施形態の光学素子は、第１及び第２実施形態の光学素子を部分的に変更したものであり、特に説明しない事項は、第１及び第２実施形態の光学素子と同様である。
【００３５】
図６（Ａ）〜６（Ｃ）に示すように、第３実施形態の光学素子１００の場合、フランジ部１２がレンズ部１１の第２光学面１１ｂより光軸ＡＸ方向に突出している。具体的には、フランジ部１２は、第２光学面１１ｂ側に光軸ＡＸに平行に延びる環状の脚部１２ｋを有する。これにより、第２光学面１１ｂを保護することができる。なお、第１光学面１１ａ側にも光軸ＡＸに平行に延びる脚部を設けてもよい。
【００３６】
以上、実施形態の光学素子について説明したが、本発明に係る光学素子は上記のものに限定されるものではなく、様々な変形が可能である。例えば、レンズ部１１の形状は単なる例示であり、用途や仕様に応じてレンズ部１１の光学面の形状等を適宜変更することができる。
【００３７】
また、上記実施形態において、第２フランジ面１２ｂに隣接するフランジ部１２の角部１２ｇ等に面取り形状を設けたが、設けないようにしてもよい。また、角部１２ｇ等にＲ面の代わりにテーパー面を設けて角の当たりを少なくしてもよい。
【００３８】
また、上記実施形態において、発光素子としてレーザーダイオード８０を用いているが、これをＬＥＤやＶＣＳＥＬやフォトダイオード等に置き換えることができる。
【符号の説明】
【００３９】
ＡＸ…光軸、  Ｓａ，Ｓｂ…平坦部、  １２ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１２ｆ…フランジ側面、  １１…レンズ部、  １１ａ，１１ｂ…光学面、  １２…フランジ部、  １２ａ，１２ｂ…フランジ面、  １２ｇ，１２ｈ…角部、  ２０…ゲート部、  ６０…ファイバー固定部、  ７０…基板、  ８０…レーザーダイオード、  ９０…ハウジング、  １００…光学素子、  １０１…素子本体、  ２００…光通信モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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