(57)【要約】  高い精度で簡単に位置決めを実施することのできる、光学素子を提供する。光学素子は、集光レンズのレンズ面と像形成レンズのレンズ面とを備えた第１の面と、第２の面とを備え、該集光レンズの主軸と該像形成レンズの主軸とが平行であるように構成され、該集光レンズに到達した光が第２の面から射出した後に集光するように構成されている。
2020100287.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
集光レンズのレンズ面と像形成レンズのレンズ面とを備えた第１の面と、第２の面とを備え、該集光レンズの主軸と該像形成レンズの主軸とが平行であるように構成され、該集光レンズに到達した光が第２の面から射出した後に集光するように構成された光学素子。
【請求項２】
該像形成レンズの物体側の焦点距離が0.1ミリメートルから1.0ミリメートルの範囲である請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
該第１の面と平行な対向面をさらに備え、該対向面上に、該像形成レンズのレンズ主軸と該対向面との交点及び該集光レンズのレンズ主軸と該対向面との交点を結ぶ直線を示すマークを備えた請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
該集光レンズは、該集光レンズに入射した光を、該第２の面に接続される光ファイバに集光するように構成された請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
集光レンズのレンズ面と像形成レンズのレンズ面とを備えた第１の面と、第２の面とを備え、該集光レンズの主軸と該像形成レンズの主軸とが平行であるように構成され、該集光レンズに到達した光が第２の面から射出した後に集光するように構成された光学素子の、基板の面上のターゲットに対する位置を定める位置決め方法であって、
該像形成レンズのレンズ面が、該第１の面が該基板の面に平行な状態で該ターゲットに向き合うように該光学素子を配置して、該像形成レンズによって作成される該ターゲットの像の画像を取得するステップと、
該画像を使用して、該ターゲットの像があらかじめ定めた位置となるように該光学素子の位置を修正するステップと、
該修正された位置における該像形成レンズのレンズ主軸の位置に、該集光レンズのレンズ主軸が位置するように、該光学素子を移動させるステップと、を含む位置決め方法。
【請求項６】
該ターゲットの該像形成レンズによる像の横倍率が1.0から4.0の範囲である請求項５に記載の位置決め方法。
【請求項７】
該光学素子は、該第１の面と平行な対向面をさらに備え、該対向面上に、該像形成レンズのレンズ主軸と該対向面との交点及び該集光レンズのレンズ主軸と該対向面との交点を結ぶ直線を示すマークを備えており、該光学素子を移動させるステップにおいて、該マークの画像を使用して該光学素子を移動させる請求項５または６に記載の位置決め方法。
【請求項８】
該ターゲットの像の画像を取得するステップの前に、該像形成レンズのレンズ面が、該第１の面が該基板の面に平行な状態で該ターゲットに向き合うように該光学素子を配置して、該光学素子の画像を求め、該該光学素子の画像を使用して該光学素子の粗い位置決めを行うステップを含む請求項５から７のいずれかに記載の位置決め方法。
【請求項９】
画像を取得する際にＣＮＣ画像測定機を使用する請求項５から８のいずれかに記載の位置決め方法。
【請求項１０】
該ターゲットが発光素子であり、該集光レンズは、該発光素子から発せられ、該集光レンズに入射した光を、該第２の面に接続される光ファイバに集光するように構成された請求項５から９のいずれかに記載の位置決め方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信モジュールなどの光学素子及び該光学素子の位置決め方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
光通信の分野において、たとえば、発光素子が生成した光信号を光ファイバへ導く光通信モジュールなどの光学素子が使用される。このような光学素子を設置する際に、発光素子に対して光学素子を高い精度で位置決めすることが要求される。【０００３】
図３３は、光学素子の機能を説明するための図である。従来技術の光学素子１００Ａは、第１の面１２１Ａと、第２の面１２３Ａと、第３の面１２５Ａとを備える。第１の面１２１Ａと第２の面１２３Ａとは互いに直交するように構成されている。第１の面１２１Ａには、集光レンズの第１のレンズ面１１１Ａが備わり、第２の面１２３Ａには集光レンズの第２のレンズ面１１３Ａが備わる。光ファイバ３００は、集光レンズの第２のレンズ面１１３Ａに位置合わせされた状態で光学素子１００Ａに固定されている。【０００４】
基板２００上に設置された発光素子２０１から発した光は、集光レンズの第１のレンズ面１１１Ａを通過し、プリズム面である第３の面１２５Ａによって反射され、集光レンズの第２のレンズ面１１３Ａを通過し、光ファイバ３００に集光される。【０００５】
一般的に、発光素子に対して光学素子を位置決めする方法には、発光素子及び受光素子（たとえば、光ファイバ）を動作状態で実施するアクティブな方法（たとえば、特許文献１）と発光素子及び受光素子を非動作状態で実施するパッシブな方法がある。アクティブな方法によれば高精度で位置決めを実施することができるが、発光素子及び受光素子を動作状態とするための設備が必要であり、また、位置決めの手順が煩雑となる。パッシブな方法によれば、比較的簡単に位置決めを実施することができるが、高い精度で位置決めを実施することができない。【０００６】
このように、高い精度で簡単に位置決めを実施することのできる、光学素子及び光学素子の位置決め方法は開発されていない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開2015-197643号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、高い精度で簡単に位置決めを実施することのできる、光学素子及び光学素子の位置決め方法に対するニーズがある。本発明の課題は、高い精度で簡単に位置決めを実施することのできる、光学素子及び光学素子の位置決め方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の第１の態様による光学素子は、集光レンズのレンズ面と像形成レンズのレンズ面とを備えた第１の面と、第２の面とを備え、該集光レンズの主軸と該像形成レンズの主軸とが平行であるように構成され、該集光レンズに到達した光が第２の面から射出した後に集光するように構成されている。【００１０】
本態様の光学素子において、像形成レンズによって作成されるターゲットの像の位置が所定の位置となるように、ターゲットに対する像形成レンズの位置を定め、つぎに、像形成レンズの主軸の位置に集光レンズの主軸が配置されるように光学素子を移動することによってターゲットに対する集光レンズの主軸の位置が適切に定めることができる。【００１１】
本発明の第１の態様の第１の実施形態の光学素子においては、該像形成レンズの物体側の焦点距離が0.1ミリメートルから1.0ミリメートルの範囲である。【００１２】
本発明の第１の態様の第２の実施形態の光学素子は、該第１の面と平行な対向面をさらに備え、該対向面上に、該像形成レンズのレンズ主軸と該対向面との交点及び該集光レンズのレンズ主軸と該対向面との交点を結ぶ直線を示すマークを備えている。【００１３】
本実施形態の光学素子において、該マークを使用することによって、像形成レンズの主軸の位置に集光レンズの主軸が配置されるように光学素子を移動させることが容易になる。【００１４】
本発明の第１の態様の第３の実施形態の光学素子は、該集光レンズは、該集光レンズに入射した光を、該第２の面に接続される光ファイバに集光するように構成されている。【００１５】
本実施形態の光学素子において、集光レンズに入射した光が確実に光ファイバに到達するように光学素子を位置決めすることができる。【００１６】
本発明の第２の態様による位置決め方法は、集光レンズのレンズ面と像形成レンズのレンズ面とを備えた第１の面と、第２の面とを備え、該集光レンズの主軸と該像形成レンズの主軸とが平行であるように構成され、該集光レンズに到達した光が第２の面から射出した後に集光するように構成された光学素子の、基板の面上のターゲットに対する位置を定める位置決め方法であって、該像形成レンズのレンズ面が、該第１の面が該基板の面に平行な状態で該ターゲットに向き合うように該光学素子を配置して、該像形成レンズによって作成される該ターゲットの像の画像を取得するステップと、該画像を使用して、該ターゲットの像があらかじめ定めた位置となるように該光学素子の位置を修正するステップと、該修正された位置における該像形成レンズのレンズ主軸の位置に、該集光レンズのレンズ主軸が位置するように、該光学素子を移動させるステップと、を含む。【００１７】
本態様の位置決め方法において、像形成レンズによって作成されるターゲットの像の位置があらかじめ定めた位置となるように、ターゲットに対する像形成レンズの位置を定めるので、ターゲットに対する像形成レンズの主軸の位置が適切に定められる。つぎに、像形成レンズの主軸の位置に集光レンズの主軸が配置されるように光学素子を移動させるので、ターゲットに対する集光レンズの主軸の位置が適切に定められる。このようにして、光学素子を適切に位置決めすることができる。【００１８】
本発明の第２の態様の第１の実施形態の位置決め方法において、該ターゲットの該像形成レンズによる像の横倍率が1.0から4.0の範囲である。【００１９】
本発明の第２の態様の第２の実施形態の位置決め方法において、該光学素子は、該第１の面と平行な対向面をさらに備え、該対向面上に、該像形成レンズのレンズ主軸と該対向面との交点及び該集光レンズのレンズ主軸と該対向面との交点を結ぶ直線を示すマークを備えており、該光学素子を移動させるステップにおいて、該マークの画像を使用して該光学素子を移動させる。【００２０】
本実施形態の位置決め方法において、該マークを使用することによって、像形成レンズの主軸の位置に集光レンズの主軸が配置されるように光学素子を移動させることが容易になる。【００２１】
本発明の第２の態様の第３の実施形態の位置決め方法において、該ターゲットの像の画像を取得するステップの前に、該像形成レンズのレンズ面が、該第１の面が該基板の面に平行な状態で該ターゲットに向き合うように該光学素子を配置して、該光学素子の画像を求め、該該光学素子の画像を使用して該光学素子の粗い位置決めを行うステップを含む。【００２２】
本実施形態の位置決め方法において、粗い位置決めとより精密な位置決めとを別個に実施することにより、より効率的に位置決めを実施することができる。【００２３】
本発明の第２の態様の第４の実施形態の位置決め方法において、画像を取得する際にＣＮＣ画像測定機を使用する。【００２４】
本発明の第２の態様の第５の実施形態の位置決め方法において、該ターゲットが発光素子であり、該集光レンズは、該発光素子から発せられ、該集光レンズに入射した光を、該第２の面に接続される光ファイバに集光するように構成されている。【００２５】
本実施形態の位置決め方法において、発光素子から発せられ、集光レンズに入射した光が確実に光ファイバに到達するように光学素子を位置決めすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態による位置決め方法を説明するための流れ図である。
【図２】本発明の一実施形態による位置決め方法及び本発明の一実施形態による光学素子を説明するための図である。
【図３】本発明の一実施形態による位置決め方法及び本発明の一実施形態による光学素子を説明するための図である。
【図４】図１のステップＳ１０２０を説明するための流れ図である。
【図５】像形成レンズによって生成される像の横倍率が１の場合に、物体と像の関係を説明するための図である。
【図６】像形成レンズによって生成される像の横倍率が１の場合に、物体と像の関係を説明するための図である。
【図７】像形成レンズによって生成される像の横倍率が２の場合に、物体と像の関係を説明するための図である。
【図８】像形成レンズによって生成される像の横倍率が２の場合に、物体と像の関係を説明するための図である。
【図９】実施例１の像形成レンズを通過する光線の光路図を示す図である。
【図１０】実施例１の像形成レンズの像面湾曲を示す図である。
【図１１】実施例１の像形成レンズの歪曲収差を示す図である。
【図１２】実施例１の像形成レンズのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）曲線を示す図である。
【図１３】実施例２の像形成レンズを通過する光線の光路図を示す図である。
【図１４】実施例２の像形成レンズの像面湾曲を示す図である。
【図１５】実施例２の像形成レンズの歪曲収差を示す図である。
【図１６】実施例２の像形成レンズのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）曲線を示す図である。
【図１７】実施例３の像形成レンズを通過する光線の光路図を示す図である。
【図１８】実施例３の像形成レンズの像面湾曲を示す図である。
【図１９】実施例３の像形成レンズの歪曲収差を示す図である。
【図２０】実施例３の像形成レンズのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）曲線を示す図である。
【図２１】比較例の集光レンズを通過する光線の光路図を示す図である。
【図２２】比較例の集光レンズの像面湾曲を示す図である。
【図２３】比較例の集光レンズの歪曲収差を示す図である。
【図２４】比較例の集光レンズのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）曲線を示す図である。
【図２５】本発明の他の実施形態による位置決め方法を説明するための流れ図である。
【図２６】像形成レンズの第２のレンズ面の、第３の面に垂直な断面を示す図である。
【図２７】レンズ面の端部に平面と垂直または垂直に近い角度の別の面を設けた丸型のレンズ面を示す図である。
【図２８】レンズ面の端部に平面と垂直または垂直に近い角度の別の面を設けた、円弧および直線の境界を有するレンズ面を示す図である。
【図２９】レンズ面の端部に平面と垂直または垂直に近い角度の別の面を設けた四角型のレンズ面を示す図である。
【図３０】光学素子がｚ軸方向にずれている場合の従来技術の位置決め方法を説明するための図である。
【図３１】光学素子がｘ軸方向にずれている場合の従来技術の位置決め方法を説明するための図である。
【図３２】光学素子がｙ軸方向の軸の周りに回転している場合の従来技術の位置決め方法を説明するための図である。
【図３３】従来技術の位置決め方法及び従来技術の光学素子を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図１は本発明の一実施形態による位置決め方法を説明するための流れ図である。
【００２８】
図２及び図３は、本発明の一実施形態による光学素子及び本発明の一実施形態による位置決め方法を説明するための図である。
【００２９】
図２及び図３において、光学素子１００は、第１の面１２１、第２の面１２３、第３の面１２５及び第４の面１２７を備える。第１の面１２１は、像形成レンズの第１のレンズ面１０１及び集光レンズの第１のレンズ面１１１を備える。第２の面１２３は、集光レンズの第２のレンズ面１１３を備える。また、第２の面１２３には光ファイバ３００が位置合わせされた状態で固定されている。第４の面１２７は、像形成レンズの第２のレンズ面１０３を備える。本実施形態において、光学素子１００は、第１の面１２１及び第２の面１２３が互いに直交し、第１の面１２１及び第４の面１２７が互いに平行であるように構成されている。本実施形態において、像形成レンズの主軸と集光レンズの主軸とは互いに平行である。本実施形態において、光学素子１００の材料は、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）である。
【００３０】
図２は、像形成レンズの第１のレンズ面１０１が、基板２００の面に平行な状態で発光素子２０１に向き合うように光学素子１００が配置された状態を示す図である。像形成レンズによって、発光素子２０１の像２０３が生成される。
【００３１】
図３は、光学素子１００の動作中の状態を示す図である。基板２００上の発光素子２０１から発せられた光は、集光レンズの第１のレンズ面１１１を通過し、プリズム面である第３の面１２５で反射され、集光レンズの第２のレンズ面１１３を通過して光ファイバ３００に集光される。このように、光学素子１００は、発光素子２０１から発せられた光を光ファイバ３００に導き、発光素子２０１と光ファイバ３００とを光学的に接続するように機能する。
【００３２】
図２において、発光素子２０１の中心を通り、基板２００の面に垂直なｚ軸を定める。ｚ軸に垂直な平面内において互いに直交するｘ軸及びｙ軸を定める。ここで、ｘ軸が紙面に含まれるように定める。図２及び図３において、ｘ軸及びｚ軸の方向を図示している。
【００３３】
図１のステップＳ１０１０において、図２に示すように、像形成レンズの第１のレンズ面１０１が、基板２００の面に平行な状態で発光素子２０１に向き合うように光学素子１００を配置して、像形成レンズ１０１及び１０３によって作成される発光素子２０１の像の画像を、一例として、ｘｙ面に平行な画像を採取するように設置されたＣＮＣ（Computer Numerical Control）画像測定機によって取得する。この場合、ＣＮＣ画像測定機は、その撮像光学系の光軸がｘｙ平面と垂直となるように設置される。本実施形態において、発光素子２０１が特許請求の範囲に記載のターゲットに相当する。
【００３４】
図１のステップＳ１０２０において、取得した画像を使用して、像形成レンズの第１のレンズ面１０１の発光素子２０１に対する位置を修正する。
【００３５】
図４は図１のステップＳ１０２０を説明するための流れ図である。
【００３６】
図４のステップＳ２０１０において、発光素子２０１の像形成レンズによる像の位置は適切かどうか判断する。像の位置が適切であれば処理を終了する。像の位置が適切でなければステップＳ２０２０に進む。適切な像の位置とは、ｚ座標を変化させずに、像を形成した際の像形成レンズの主軸の位置に集光レンズの主軸が位置するように光学素子１００を移動させた場合に発光素子２０１から発せられた光が光ファイバ３００に適切に集光される位置である。上記の適切な像の位置はあらかじめ求めておく。
【００３７】
ここで、発光素子２０１の像の位置を定める方法について説明する。ＣＮＣ画像測定機によって採取された画像は、ｘｙ面に平行な画像であるので、画像上の像２０３の点の位置はｘ、ｙ座標に対応する。像２０３の各点のｚ軸方向の位置は、一例として、ＣＮＣ画像測定機のオートフォーカス機能によってコントラストを最大とするように定めてもよい。このようにして、発光素子２０１の像２０３の、ｘ、ｙ及びｚ軸方向の位置が定められる。
【００３８】
図４のステップＳ２０２０において、像形成レンズの第１のレンズ面１０１の発光素子２０１に対する位置を修正する。その後、ステップＳ２０１０に戻る。像形成レンズ１０１の発光素子２０１に対する位置の修正は、像２０３が上記の適切な像の位置になるように、光学素子１００の位置をｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向に修正することによって実施する。
【００３９】
本実施形態において、一例として、像２０３上の点の位置がｘ、ｙ及びｚ軸方向にそれぞれΔｘ、Δｙ及びΔｚずれている場合には、光学素子１００を、上記のずれ量及び像の横倍率で定まる量だけ移動させればよいので光学素子１００の位置の修正が容易である。なお、像の横倍率については後で説明する。
【００４０】
図１のステップＳ１０３０において、光学素子１００の面１２７の画像を取得する。
【００４１】
図１のステップＳ１０４０において、取得した像形成レンズの画像を使用して、集光レンズの主軸が像形成レンズの修正された位置における主軸の位置に移動するように、ｚ座標を変化させずに光学素子１００をｘ軸及びｙ軸方向に移動させる。像形成レンズは、後で説明するように画像においてその外縁の位置が把握しやすいように形成する。画像において、像形成レンズの外縁の位置を把握することによって像形成レンズの基準位置、たとえば中心を定めることができる。また、光学素子１００の面１２７において、たとえば、像形成レンズのレンズ主軸と面１２７との交点及び集光レンズのレンズ主軸と面１２７との交点を結ぶ直線を示すマークを備えておく。該マークは上記の直線の一部、または上記の直線上の複数の点を示すものであってもよい。画像において、像形成レンズの中心の位置、ならびに像形成レンズの中心及び集光レンズの中心を結ぶ直線は把握できる。また、像形成レンズの中心と集光レンズの中心との間の所定の距離は既知である。したがって、像形成レンズの中心が、集光レンズの中心へ向かう方向と反対の方向に上記の所定の距離だけ移動するように光学素子１００をｘ軸及びｙ軸方向に移動させれば、集光レンズの主軸を像形成レンズの修正された位置における主軸の位置に移動させることができる。
【００４２】
なお、ここで、光学素子の面１２１及び面１２７と基板２００の面とは平行な状態が維持されるものとする。
【００４３】
本実施形態においては、像形成レンズによって作成されるターゲット、すなわち発光素子２０１の像の位置が所定の位置となるように、ターゲットに対する像形成レンズの位置を定めるので、ターゲットに対する像形成レンズの主軸の位置が適切に定められる。つぎに、像形成レンズの主軸の位置に集光レンズの主軸が配置されるように光学素子を移動させるので、ターゲットに対する集光レンズの主軸の位置が適切に定められる。このようにして、一例として、発光素子２０１からの光が確実に光ファイバ３００に到達するように光学素子１００を位置決めすることができる。
【００４４】
像形成レンズによって生成される像の横倍率について説明する。
【００４５】
図５は、像形成レンズによって生成される像の横倍率が１の場合に、物体と像の関係を説明するための図である。物体の高さｈと像の高さｈ’は同じである。
【００４６】
図６は、像形成レンズによって生成される像の横倍率が１の場合に、物体と像の関係を説明するための図である。物体がｚ軸方向にΔｚ移動すると、像はｚ軸方向にΔｚ’移動する。物体の移動距離Δｚ及び像の移動距離Δｚ’はほぼ等しい。
【００４７】
図７は、像形成レンズによって生成される像の横倍率が２の場合に、物体と像の関係を説明するための図である。像の高さｈ’は物体の高さｈの２倍である。
【００４８】
図８は、像形成レンズによって生成される像の横倍率が２の場合に、物体と像の関係を説明するための図である。物体がｚ軸方向にΔｚ移動すると、像はｚ軸方向にΔｚ’移動する。像の移動距離Δｚ’は物体の移動距離Δｚのほぼ２倍である。このように横倍率を大きくするとより高精度の位置調整が可能となる。
【００４９】
一般的に、像形成レンズによって生成される像の横倍率は、1.0から4.0の範囲であるのが好ましい。
【００５０】
図２６は、像形成レンズの第２のレンズ面１０３の、第４の面１２７に垂直な断面を示す図である。ＣＮＣ画像測定機は、ｘｙ面に平行な画像を採取するように設置され、ｘｙ面に垂直な光が照射される。光線Ｌ１及びＬ２は、ｘｙ面に垂直であり、第４の面１２７にもほぼ垂直である。光線Ｌ１は、第４の面１２７にほぼ垂直に入射し、ｘｙ面にほぼ垂直な方向に反射されるのでＣＮＣ画像測定機に到達する。光線Ｌ２は、第２のレンズ面１０３に反射されＣＮＣ画像測定機に到達に到達しない。したがって、ＣＮＣ画像測定機による画像において、レンズ面１０３と第４の面１２７との境界が明確となり、レンズ面１０３の位置を定めるのに都合がよい。
【００５１】
像形成レンズの第１のレンズ面１０１の、第１の面１２１についても同様である。
【００５２】
一般的に、平面上に設置されたレンズ面の外縁上の点における接平面と平面とのなす角度が10度から90度の範囲であれば、レンズ面と平面との境界が明確となり、レンズ面の位置を定めるのに都合がよい。代替的に、レンズ面の外縁に隣接してレンズ面の外縁上の点における接平面となす角度が10度から90度の範囲である別の面を設けてもよい。要約すると、レンズ面の外縁上の点における接平面と、レンズ面の外縁に隣接する面との角度が10度から90度の範囲であれば、レンズ面の外縁の位置が明確となり、レンズ面の中心の位置など基準の位置を定めるのに都合がよい。
【００５３】
図２７は、レンズ面の端部に平面と垂直または垂直に近い角度の別の面を設けた丸型のレンズ面を示す図である。
【００５４】
図２８は、レンズ面の端部に平面と垂直または垂直に近い角度の別の面を設けた、円弧および直線の境界を有するレンズ面を示す図である。
【００５５】
図２９は、レンズ面の端部に平面と垂直または垂直に近い角度の別の面を設けた四角型のレンズ面を示す図である。
【００５６】
また、上述のように、レンズ面とは別に、一例として、第４のレンズ面１２７上に、像形成レンズの第１のレンズ面１０１の頂点及び集光レンズの第１のレンズ面１１１の頂点を結ぶ直線に対応する線分をマークとして形成してもよい。
【００５７】
像形成レンズの実施例及び比較例について説明する。レンズの各面は以下の式によって表せる。
【数１】
2020100287.tif 000003
レンズの両面の曲率中心を結ぶ線をｚ軸とする。zはそれぞれのレンズ面とｚ軸との交点を基準とし、像側を正とした、レンズ面上の点のｚ軸方向の位置を示す座標である。ｒはｚ軸からレンズ面上の点までの距離を示す。Ｒはレンズ面の頂点における符号付きの曲率半径、すなわち符号付きの中心曲率半径である。Ｒの絶対値は、レンズ面の頂点における曲率半径、すなわち中心曲率半径であり、符号は、レンズ面が物体側に凸である場合に正、レンズ面が像側に凸である場合に負である。ｋはコーニック定数である。Ａiは非球面係数である。iは整数である。
【００５８】
実施例１
図９は、実施例１の像形成レンズを通過する光線の光路図を示す図である。像形成レンズの主軸を光軸とする。図９において光軸を一点鎖線で示す。光軸に沿って物体から第１のレンズ面１０１までの距離をｄ１、光軸に沿って第１のレンズ面１０１から第２のレンズ面１０３までの距離をｔ、光軸に沿って第２のレンズ面１０３から像までの距離をｄ２で表す。
【００５９】
表１は実施例１の像形成レンズのレンズデータなどを示す表である。λは光の波長、ｎはレンズの材料の屈折率、βは横倍率を表す。Ｒ１は第１のレンズ面１０１の中心曲率半径、ｋ１は第１のレンズ面１０１の式（１）のコーニック定数、Ｒ２は第２のレンズ面１０３の中心曲率半径、ｋ２は第２のレンズ面１０３の式（１）のコーニック定数を表す。また、Ａiは第１のレンズ面１０１及び第２のレンズ面１０３の式（１）の非球面係数を表す。実施例１の像形成レンズの横倍率は１倍である。
【表１】
2020100287.tif 000004
【００６０】
図１０は、実施例１の像形成レンズの像面湾曲を示す図である。図１０の横軸は光軸方向の位置を表す。単位はミリメータである。図１０の縦軸は物体の高さを表す。単位はミリメータである。図１０において実線はタンジェンシャル像面の位置を示し、点線はサジタル像面の位置を示す。
【００６１】
図１１は、実施例１の像形成レンズの歪曲収差を示す図である。図１１の横軸は歪曲収差の大きさを表す。単位はパーセントである。図１１の縦軸は物体の高さを表す。単位はミリメータである。
【００６２】
表２は実施例１の像形成レンズの焦点距離、像面湾曲の最大値及び歪曲収差の最大値を示す表である。
【表２】
2020100287.tif 000005
【００６３】
タンジェンシャル像面の位置偏差の最大値Tanの絶対値とサジタル像面の位置偏差の最大値Sagの絶対値との和と焦点距離の絶対値との比をεで表す。実施例１の像形成レンズにおいて、ε＝0.110である。
【００６４】
図１２は、実施例１の像形成レンズのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）曲線を示す図である。図１２の横軸は空間周波数を示す。単位は１ミリメータ当たりの線対（line pair）の数である。図１２の縦軸はコントラスト再現度、すなわち、物体コントラストに対する像コントラストの比を示す。単位はパーセントである。図１２において、実線は光軸上の点のＭＴＦ曲線、二点鎖線はタンジェンシャル像面の最大像高の点のＭＴＦ曲線、一点鎖線はサジタル像面の最大像高の点のＭＴＦ曲線を示す。
【００６５】
実施例２
図１３は、実施例２の像形成レンズを通過する光線の光路図を示す図である。像形成レンズの主軸を光軸とする。図１３において光軸を一点鎖線で示す。光軸に沿って物体から第１のレンズ面１０１までの距離をｄ１、光軸に沿って第１のレンズ面１０１から第２のレンズ面１０３までの距離をｔ、光軸に沿って第２のレンズ面１０３から像までの距離をｄ２で表す。
【００６６】
表３は実施例２の像形成レンズのレンズデータなどを示す表である。λは光の波長、ｎはレンズの材料の屈折率、βは横倍率を表す。Ｒ１は第１のレンズ面１０１の中心曲率半径、ｋ１は第１のレンズ面１０１の式（１）のコーニック定数、Ｒ２は第２のレンズ面１０３の中心曲率半径、ｋ２は第２のレンズ面１０３の式（１）のコーニック定数を表す。また、Ａiは第１のレンズ面１０１及び第２のレンズ面１０３の式（１）の非球面係数を表す。実施例２の像形成レンズの横倍率は２倍である。
【表３】
2020100287.tif 000006
【００６７】
図１４は、実施例２の像形成レンズの像面湾曲を示す図である。図１４の横軸は光軸方向の位置を表す。単位はミリメータである。図１４の縦軸は物体の高さを表す。単位はミリメータである。図１４において実線はタンジェンシャル像面の位置を示し、点線はサジタル像面の位置を示す。
【００６８】
図１５は、実施例２の像形成レンズの歪曲収差を示す図である。図１５の横軸は歪曲収差の大きさを表す。単位はパーセントである。図１５の縦軸は物体の高さを表す。単位はミリメータである。
【００６９】
表４は実施例２の像形成レンズの焦点距離、像面湾曲の最大値及び歪曲収差の最大値を示す表である。
【表４】
2020100287.tif 000007
【００７０】
実施例２の像形成レンズにおいて、ε＝0.162である。
【００７１】
図１６は、実施例２の像形成レンズのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）曲線を示す図である。図１６の横軸は空間周波数を示す。単位は１ミリメータ当たりの線対（line pair）の数である。図１６の縦軸はコントラスト再現度、すなわち、物体コントラストに対する像コントラストの比を示す。単位はパーセントである。図１６において、実線は光軸上の点のＭＴＦ曲線、二点鎖線はタンジェンシャル像面の最大像高の点のＭＴＦ曲線、一点鎖線はサジタル像面の最大像高の点のＭＴＦ曲線を示す。
【００７２】
実施例３
図１７は、実施例３の像形成レンズを通過する光線の光路図を示す図である。像形成レンズの主軸を光軸とする。図１７において光軸を一点鎖線で示す。光軸に沿って物体から第１のレンズ面１０１までの距離をｄ１、光軸に沿って第１のレンズ面１０１から第２のレンズ面１０３までの距離をｔ、光軸に沿って第２のレンズ面１０３から像までの距離をｄ２で表す。
【００７３】
表５は実施例３の像形成レンズのレンズデータなどを示す表である。λは光の波長、ｎはレンズの材料の屈折率、βは横倍率を表す。Ｒ１は第１のレンズ面１０１の中心曲率半径、ｋ１は第１のレンズ面１０１の式（１）のコーニック定数、Ｒ２は第２のレンズ面１０３の中心曲率半径、ｋ２は第２のレンズ面１０３の式（１）のコーニック定数を表す。また、Ａiは第１のレンズ面１０１及び第２のレンズ面１０３の式（１）の非球面係数を表す。実施例３の像形成レンズの横倍率は４倍である。
【表５】
2020100287.tif 000008
【００７４】
図１８は、実施例３の像形成レンズの像面湾曲を示す図である。図１８の横軸は光軸方向の位置を表す。単位はミリメータである。図１８の縦軸は物体の高さを表す。単位はミリメータである。図１８において実線はタンジェンシャル像面の位置を示し、点線はサジタル像面の位置を示す。
【００７５】
図１９は、実施例３の像形成レンズの歪曲収差を示す図である。図１９の横軸は歪曲収差の大きさを表す。単位はパーセントである。図１９の縦軸は物体の高さを表す。単位はミリメータである。
【００７６】
表６は実施例３の像形成レンズの焦点距離、像面湾曲の最大値及び歪曲収差の最大値を示す表である。
【表６】
2020100287.tif 000009
【００７７】
実施例３の像形成レンズにおいて、ε＝0.366である。
【００７８】
図２０は、実施例３の像形成レンズのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）曲線を示す図である。図２０の横軸は空間周波数を示す。単位は１ミリメータ当たりの線対（line pair）の数である。図２０の縦軸はコントラスト再現度、すなわち、物体コントラストに対する像コントラストの比を示す。単位はパーセントである。図２０において、実線は光軸上の点のＭＴＦ曲線、二点鎖線はタンジェンシャル像面の最大像高の点のＭＴＦ曲線、一点鎖線はサジタル像面の最大像高の点のＭＴＦ曲線を示す。
【００７９】
比較例
比較例として従来技術の光学素子の集光レンズの例を示す。
【００８０】
図２１は、比較例の集光レンズを通過する光線の光路図を示す図である。集光レンズの主軸を光軸とする。図２１において光軸を一点鎖線で示す。光軸に沿って物体から第１のレンズ面１１１Ｂまでの距離をｄ１、光軸に沿って第１のレンズ面１１１Ｂからプリズム面の反射点までの距離をｔ１、プリズム面の反射点から第２のレンズ面１１３Ｂまでの距離をｔ２、光軸に沿って第２のレンズ面１１３Ｂから像までの距離をｄ２で表す。
【００８１】
表７は比較例の集光レンズのレンズデータなどを示す表である。λは光の波長、ｎはレンズの材料の屈折率、βは横倍率を表す。Ｒ１は第１のレンズ面１１１Ｂの中心曲率半径、ｋ１は第１のレンズ面１１１Ｂの式（１）のコーニック定数、Ｒ２は第２のレンズ面１１３Ｂの中心曲率半径、ｋ２は第２のレンズ面１１３Ｂの式（１）のコーニック定数を表す。また、Ａiは第１のレンズ面１１１Ｂ及び第２のレンズ面１１３Ｂの式（１）の非球面係数を表す。比較例の像形成レンズの横倍率は１倍である。
【表７】
2020100287.tif 000010
【００８２】
図２２は、比較例の集光レンズの像面湾曲を示す図である。図２２の横軸は光軸方向の位置を表す。単位はミリメータである。図２２の縦軸は物体の高さを表す。単位はミリメータである。図２２において実線はタンジェンシャル像面の位置を示し、点線はサジタル像面の位置を示す。
【００８３】
図２３は、比較例の集光レンズの歪曲収差を示す図である。図２３の横軸は歪曲収差の大きさを表す。単位はパーセントである。図２３の縦軸は物体の高さを表す。単位はミリメータである。
【００８４】
表８は比較例の集光レンズの焦点距離、像面湾曲の最大値及び歪曲収差の最大値を示す表である。
【表８】
2020100287.tif 000011
【００８５】
比較例の集光レンズにおいて、ε＝4.903である。
【００８６】
図２４は、比較例の集光レンズのＭＴＦ（Modulation Transfer Function）曲線を示す図である。図２４の横軸は空間周波数を示す。単位は１ミリメータ当たりの線対（line pair）の数である。図２４の縦軸はコントラスト再現度、すなわち、物体コントラストに対する像コントラストの比を示す。単位はパーセントである。図２４において、実線は光軸上の点のＭＴＦ曲線、二点鎖線はタンジェンシャル像面の最大像高の点のＭＴＦ曲線、一点鎖線はサジタル像面の最大像高の点のＭＴＦ曲線をしめす。
【００８７】
実施例１-３の最大像面湾曲及び最大歪曲収差は、比較例の最大像面湾曲及び最大歪曲収差と比較してはるかに小さい。また、実施例１-３において、タンジェンシャル像面及びサジタル像面の最大像高の点のＭＴＦは、光軸上のＭＴＦとほぼ同じであるが、比較例において、タンジェンシャル像面及びサジタル像面の最大像高の点のＭＴＦは、光軸上のＭＴＦより大幅に小さくなる。このように、実施例１-３の像形成レンズは、比較例の集光レンズと比べて、結像性能がはるかに優れている。このことは、集光レンズが、像形成を目的としておらず、たとえば光ファイバへの集光を目的としているので当然である。
【００８８】
本明細書及び特許請求の範囲において、像形成レンズとは、εが０．５より小さい像形成用のレンズを意味し、集光レンズとは、εが０．５より大きい集光用のレンズを意味する。εは、上述のようにタンジェンシャル像面の位置偏差の最大値Tanの絶対値とサジタル像面の位置偏差の最大値Sagの絶対値との和と焦点距離の絶対値との比である。
【００８９】
一般的に、本発明で使用される像形成レンズの焦点距離は、0.1ミリメートルから1.0ミリメートルの範囲である。
【００９０】
図２５は本発明の他の実施形態による位置決め方法を説明するための流れ図である。
【００９１】
図２５のステップＳ３０１０において、像形成レンズの第１のレンズ面１０１が、基板２００の面に平行な状態で発光素子２０１に向き合うように光学素子１００を配置して、光学素子１００の面１２７の画像を、一例として、ｘｙ面に平行な画像を採取するように設置されたＣＮＣ（Computer Numerical Control）画像測定機によって取得する。
【００９２】
図２５のステップＳ３０２０において、取得した画像を使用して、光学素子１００の基板２００に対する位置を定める。その際に、面１２７に備わるレンズ面１０３の外縁の位置を使用して光学素子１００の基板２００に対する位置を定めてもよい。あるいは、面１２７に備えた適切なマークを使用して光学素子１００の基板２００に対する位置を定めてもよい。
【００９３】
図２５のステップＳ３０３０において、光学素子１００の基板２００に対する位置は適切であるかどうか判断する。位置が適切であれば、ステップＳ３０５０に進む。位置が適切でなければ、ステップＳ３０４０に進む。光学素子１００の基板２００に対する適切な位置は、像形成レンズの中心が、集光レンズの中心へ向かう方向と反対の方向に、像形成レンズの中心と集光レンズの中心との間の所定の距離だけ移動するように光学素子１００をｘ軸及びｙ軸方向に移動させた時に集光レンズ１００が発光素子２０１に対して適切に配置される位置を粗い位置決めの目標としてあらかじめ定めておく。
【００９４】
図２５のステップＳ３０４０において、光学素子１００の基板２００に対する位置を修正する。その後、ステップＳ３０３０に戻る。
【００９５】
図２５のステップＳ３０５０において、像形成レンズによって作成される発光素子２０１の像の画像を、一例としてｘｙ面に平行な画像を採取するように設置されたＣＮＣ（Computer Numerical Control）画像測定機によって取得する。本実施形態において、発光素子２０１が特許請求の範囲に記載のターゲットに相当する。
【００９６】
図２５のステップＳ３０６０において、取得した画像を使用して、像形成レンズの第１のレンズ面１０１の発光素子２０１に対する位置を定める。像形成レンズの第１のレンズ面１０１の発光素子２０１に対する位置は、図４の流れ図にしたがって発光素子２０１の像２０３が適切な位置になるように、光学素子１００の位置を修正することによって定める。適切な像の位置は、図４に関して説明した。適切な像の位置は、精密な位置決めの目標としてあらかじめ定めておく。
【００９７】
図２５のステップＳ３０７０において、光学素子１００の面１２７の画像を、一例として、ｘｙ面に平行な画像を採取するように設置されたＣＮＣ（Computer Numerical Control）画像測定機によって取得し、取得した像形成レンズの画像に基づいて、集光レンズが像形成レンズの修正された位置に移動するように光学素子１００を、ｚ座標を変化させずにｘ軸及びｙ軸方向に移動させる。
【００９８】
本実施形態においては、最初に、基板２００に対して光学素子１００の位置を定め、その後、発光素子２０１、すなわちターゲットに対する、像形成レンズの第１のレンズ面１０１の位置を定める。このように、粗い位置決めとより精密な位置決めとを別個に実施することにより、より効率的に位置決めを実施することができる。
【００９９】
ここで、本発明と対比するために、従来技術の光学素子１００Ａの位置決めについて説明する。
【０１００】
図３０乃至図３２は、従来技術の位置決め方法を説明するための図である。
【０１０１】
図３０乃至図３２において、光学素子１００Ａは、第１の面１２１Ａ、第２の面１２３Ａ及び第３の面１２５Ａを備える。第１の面１２１Ａは、集光レンズの第１のレンズ面１１１Ａを備える。第２の面１２３Ａは、集光レンズの第２のレンズ面１１３Ａを備える。また、第３の面１２３には光ファイバ３００が固定されている。本実施形態において、光学素子１００Ａは、第１の面１２１Ａ及び第２の面１２３Ａが互いに直交するように構成されている。
【０１０２】
図３０乃至図３２において、発光素子２０１の中心を通り、基板２００の面に垂直なｚ軸を定める。ｚ軸に垂直な平面内において互いに直交するｘ軸及びｙ軸を定める。ここで、ｘ軸が紙面に含まれるように定める。図３０乃至図３２において、ｘ軸及びｚ軸の方向を図示している。
【０１０３】
図３０は、光学素子１００Ａがｚ軸方向にずれている場合の従来技術の位置決め方法を説明するための図である。光学素子１００Ａがｚ軸方向にずれることによって、集光レンズによる集光位置は、本来の位置２０５から位置２０５’へずれる。すなわち、集光レンズによる集光位置は、ｘ軸方向及びｚ軸方向へずれる。したがって、従来技術の位置決めは、本発明の位置決めと比較して煩雑となる。
【０１０４】
図３１は、光学素子１００Ａがｘ軸方向にずれている場合の従来技術の位置決め方法を説明するための図である。光学素子１００Ａがｘ軸方向にずれることによって、集光レンズによる集光位置は、本来の位置２０５から位置２０５’’へずれる。すなわち、集光レンズによる集光位置は、ｘ軸方向及びｚ軸方向へずれる。したがって、従来技術の位置決めは、本発明の位置決めと比較して煩雑となる。
【０１０５】
図３２は、光学素子１００Ａがｙ軸方向の軸の周りに回転している場合の従来技術の位置決め方法を説明するための図である。光学素子１００Ａがｙ軸方向の軸の周りに回転することによって、集光レンズによる集光位置は、本来の位置２０５から位置２０５’’’へずれる。すなわち、集光レンズの光軸が上記の軸の周りに回転する。したがって、従来技術の位置決めは、本発明の位置決めと比較して煩雑となる。
【０１０６】
要約すると、従来技術の光学素子１００Ａの位置決めにおいては、発光素子に対する集光レンズの主軸の位置決めを実施するのが容易ではない。
【図１】
2020100287.tif 000012
【図２】
2020100287.tif 000013
【図３】
2020100287.tif 000014
【図４】
2020100287.tif 000015
【図５】
2020100287.tif 000016
【図６】
2020100287.tif 000017
【図７】
2020100287.tif 000018
【図８】
2020100287.tif 000019
【図９】
2020100287.tif 000020
【図１０】
2020100287.tif 000021
【図１１】
2020100287.tif 000022
【図１２】
2020100287.tif 000023
【図１３】
2020100287.tif 000024
【図１４】
2020100287.tif 000025
【図１５】
2020100287.tif 000026
【図１６】
2020100287.tif 000027
【図１７】
2020100287.tif 000028
【図１８】
2020100287.tif 000029
【図１９】
2020100287.tif 000030
【図２０】
2020100287.tif 000031
【図２１】
2020100287.tif 000032
【図２２】
2020100287.tif 000033
【図２３】
2020100287.tif 000034
【図２４】
2020100287.tif 000035
【図２５】
2020100287.tif 000036
【図２６】
2020100287.tif 000037
【図２７】
2020100287.tif 000038
【図２８】
2020100287.tif 000039
【図２９】
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【図３０】
2020100287.tif 000041
【図３１】
2020100287.tif 000042
【図３２】
2020100287.tif 000043
【図３３】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年4月2日(2019.4.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と第２の面とを備える光学素子であって、該第１の面は、集光レンズの入射側レンズ面と像形成レンズの入射側レンズ面とを備え、該第２の面は該集光レンズの射出側レンズ面を備え、該第１の面における該集光レンズの主軸と該像形成レンズの主軸とが平行であるように構成された光学素子。
【請求項２】
第３の面と第４の面とをさらに備え、該第３の面は、該集光レンズの該入射側レンズ面から入射した光を反射させて該第２の面上の該集光レンズの該射出側レンズ面から射出させるように構成され、該第４の面は、該第１の面と平行であり、該像形成レンズの該入射側レンズ面から入射した光を射出させる該像形成レンズの射出側レンズ面を備える請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
該像形成レンズの物体側の焦点距離が0.1ミリメートルから1.0ミリメートルの範囲である請求項１または２に記載の光学素子。
【請求項４】
該第４の面上に、該像形成レンズのレンズ主軸から該第１の面における該集光レンズのレンズ主軸への方向を示すマークを備えた請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
【請求項５】
該集光レンズは、該集光レンズに入射した光を、該第２の面に接続される光ファイバに集光するように構成された請求項１から４のいずれかに記載の光学素子。
【請求項６】
該像形成レンズのタンジェンシャル像面の位置偏差の最大値の絶対値とサジタル像面の位置偏差の最大値の絶対値との和と焦点距離の絶対値との比をε1で表し、該集光レンズのタンジェンシャル像面の位置偏差の最大値の絶対値とサジタル像面の位置偏差の最大値の絶対値との和と焦点距離の絶対値との比をε2で表して、
ε1 < 0.5
ε2 > 0.5
を満たす請求項１から５のいずれかに記載の光学素子。
【請求項７】
第１の面と第２の面とを備える光学素子であって、該第１の面は集光レンズの入射側レンズ面と像形成レンズの入射側レンズ面とを備え、該第２の面は該集光レンズの射出側レンズ面を備え、該第１の面における該集光レンズの主軸と該像形成レンズの主軸とが平行であるように構成された光学素子の、基板の面上のターゲットに対する位置を定める位置決め方法であって、
該像形成レンズの入射側レンズ面が、該第１の面が該基板の面に平行な状態で該ターゲットに向き合うように該光学素子を配置して、該像形成レンズによって形成される該ターゲットの像の画像を取得するステップと、
該画像を使用して、該ターゲットの像があらかじめ定めた位置となるように該光学素子の位置を修正するステップと、
該修正された位置における該像形成レンズのレンズ主軸の位置に、該集光レンズのレンズ主軸が位置するように、該光学素子を移動させるステップと、を含む位置決め方法。
【請求項８】
該光学素子は、第３の面と第４の面とをさらに備え、該第３の面は、該集光レンズの該入射側レンズ面から入射した光を反射させて該第２の面上の該集光レンズの該射出側レンズ面から射出させるように構成され、該第４の面は、該第１の面と平行であり、該像形成レンズの該入射側レンズ面から入射した光を射出させる該像形成レンズの射出側レンズ面を備える請求項７に記載の位置決め方法。
【請求項９】
該ターゲットの該像形成レンズによる像の横倍率が1.0から4.0の範囲である請求項７または８に記載の位置決め方法。
【請求項１０】
該光学素子は、該第４の面上に、該像形成レンズのレンズ主軸から該第１の面における該集光レンズのレンズ主軸への方向を示すマークを備えており、該光学素子を移動させるステップにおいて、該マークの画像を使用して該光学素子を移動させる請求項７から９のいずれかに記載の位置決め方法。
【請求項１１】
該ターゲットの像の画像を取得するステップの前に、該像形成レンズのレンズ面が、該第１の面が該基板の面に平行な状態で該ターゲットに向き合うように該光学素子を配置して、該光学素子の画像を求め、該該光学素子の画像を使用して該光学素子の粗い位置決めを行うステップを含む請求項７から１０のいずれかに記載の位置決め方法。
【請求項１２】
画像を取得する際にＣＮＣ画像測定機を使用する請求項７から１１のいずれかに記載の位置決め方法。
【請求項１３】
該ターゲットが発光素子であり、該集光レンズは、該発光素子から発せられ、該集光レンズに入射した光を、該第２の面に接続される光ファイバに集光するように構成された請求項７から１２のいずれかに記載の位置決め方法。
【請求項１４】
該像形成レンズのタンジェンシャル像面の位置偏差の最大値の絶対値とサジタル像面の位置偏差の最大値の絶対値との和と焦点距離の絶対値との比をε1で表し、該集光レンズのタンジェンシャル像面の位置偏差の最大値の絶対値とサジタル像面の位置偏差の最大値の絶対値との和と焦点距離の絶対値との比をε2で表して、
ε1 < 0.5
ε2 > 0.5
を満たす請求項７から１３のいずれかに記載の位置決め方法。
【国際調査報告】
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