JP3552891B2

JP3552891B2 - 光学装置の組立方法

Info

Publication number: JP3552891B2
Application number: JP31979097A
Authority: JP
Inventors: 隆生平原; 裕中村; 彰彦矢吹; 均小森谷; 哲男肥塚
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 1997-11-20
Filing date: 1997-11-20
Publication date: 2004-08-11
Anticipated expiration: 2017-11-20
Also published as: JPH11153729A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば双方向光通信装置において送受光を効率よく光ファイバと結合させるために使用される光学装置（コネクタ）の組立方法に関する。さらに詳細には、本発明は、発光素子及び受光素子を含む第１のユニットと、レンズを含む第２のユニットと、好ましくはミラー及びプリズムを含み、光ファイバーに接続された第３のユニットとを含む光学装置の組立方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
光ファイバを使用した双方向光通信装置の光学装置（光コネクタ）は、発光素子及び受光素子を含む第１のユニットと、レンズを含む第２のユニットと、ミラー及びプリズムを含み、光ファイバーに接続された第３のユニットとからなる。発光素子から放射された光はレンズ及びプリズムを通って光ファイバに供給され、また、光ファイバを通って送られてきた光はプリズム及びレンズを通って受光素子で受けられる。このような光学装置においては、送受光を効率よく光ファイバと結合させるために、発光素子及び受光素子に対してレンズ及びプリズムを適切な位置に位置決めし、その後で固定する必要がある。
【０００３】
第１のユニットはＬＤパッケージと呼ばれ、第２のユニットはレンズパッケージと呼ばれ、第３のユニットはプリズムパッケージと呼ばれる。
従来の組立工程においては、発光素子を実際に発光させまた受光素子に光を供給しながら、手作業で光の光路が適切となるようにレンズパッケージ及びプリズムパッケージをＬＤパッケージに対して位置決めしていた。しかし、この方法では、実際に発光させ、しかもレンズパッケージ及びプリズムパッケージを同時に動かしながら調整を行うので、面倒であり、且つ時間がかかるという問題点があった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
光通信用のデバイスや部品は今後の光ケーブル通信網の整備、拡大とともに需要の拡大が見込めるため、生産工程の自動化による大量生産への対応が要求されている。そのためには、組立時間の短縮が必要であり、従来手作業で行われていたレンズの調整工程の自動化が課題となっている。また、自動調整アルゴリズム自体もより短時間で調整が完了するのが望ましい。
【０００５】
そこで、発光素子を実際に発光させることなく光学装置を組み立てる方法が考案された。この例において、まずプリズムパッケージがない状態でレンズパッケージのみをＬＤパッケージに対して位置決めし、レンズパッケージを固定し、その後でプリズムパッケージを位置決めして固定する。このためには、各部材の位置をＣＣＤカメラ等で撮像し、画像処理しながら、レンズパッケージをＬＤパッケージに対して位置決めする。この方法では、発光素子の位置、受光素子の位置、レンズの位置、及びレンズを通った発光素子の像、及びレンズを通った受光素子の像を測定する必要がある。つまり、従来はレンズパッケージをＬＤパッケージに対して位置決めするために５つのステージで測定を行う必要があった。
【０００６】
しかし、このような測定はある回数のフィードバック制御が必要なために、調整処理全体に占める処理時間の割合が比較的に長くなり、調整時間の短縮を図る上での問題点となっていた。また、５つの測定のうちでも、受光素子の位置の測定はＳ／Ｎ比の低い画像しか得られないので焦点位置の探索失敗や誤認識が生じやすく、問題であった。
【０００７】
本発明の目的は、自動化で組立を行うことができ、且つ短時間で調整を行うことができる光学装置の組立方法を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明による光学装置の組立方法は、発光素子及び受光素子を含む第１のユニットと、レンズを含む第２のユニットとを含む光学装置の組立工程におけるレンズの調整方法において、発光素子、受光素子、レンズ、および像の位置は第１のユニットと第２のユニットを通る平面内における発光素子、受光素子、レンズ、および像の中心の位置であるとしたとき、発光素子の位置、受光素子の位置、レンズの位置、及びレンズを通った発光素子の像とレンズを通った受光素子の像との一方の像の位置を測定し、該測定結果に基づいてレンズの光軸方向の位置を計算し、該測定結果及び該計算結果に基づいて該第２のユニットの位置を調整することを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明による光学装置の組立方法は、発光素子及び受光素子を含む第１のユニットと、レンズを含む第２のユニットと、ミラー及びプリズムを含み、光ファイバーに接続された第３のユニットとを含む光学装置の組立方法において、発光素子、受光素子、レンズ、および像の位置は第１のユニットと第２のユニットを通る平面内における発光素子、受光素子、レンズ、および像の中心の位置であるとしたとき、発光素子の位置、受光素子の位置、レンズの位置、及びレンズを通った発光素子の像とレンズを通った受光素子の像との一方の像の位置を測定し、該測定結果に基づいてレンズの光軸方向の位置並びにレンズを通った発光素子の像とレンズを通った受光素子の像との他方の像の位置を計算し、該測定結果及び該計算結果に基づいて該第２のユニットの位置及び第３のユニットの位置を調整することを特徴とするものである。
【００１０】
これらの組立方法においては、発光素子の位置、受光素子の位置、レンズの中心位置、及びレンズを通った発光素子の像及びレンズを通った受光素子の像の一方の像の位置を測定する。すなわち、従来は５つの測定を行う必要があったのを、４つの測定を行うようにした。そして、これらの測定に基づいて計算を行うことにより、従来の５つ目の測定に相当する、発光素子の像及び受光素子の像の他方の像の位置を得ることができ、それによってレンズの光軸方向の位置を計算でき、該測定結果及び該計算結果に基づいて該第２のユニットの位置を調整する。これによって、光学装置の組立を自動化で短時間で行うことができる。
【００１１】
上記方法とともに、次の特徴を採用することができる。
上記測定結果及び計算結果に基づいて該第２のユニットの位置を調整し、それから該第３のユニットの位置を調整する。
該第１、第２及び第３のユニットは双方向光通信モジュールを構成する。
該レンズの焦点距離の値からレンズを通った発光素子の像及びレンズを通った受光素子の像の他方の像の位置を計算する。
【００１２】
該レンズは球面レンズであり、該レンズの予め定められた焦点距離を用いて上記計算を行う。
該レンズは非球面レンズであり、該レンズの焦点距離は計算により求め、該計算で求められた焦点距離を用いて上記計算を行う。
レンズの位置を変化させて前記一方の像の位置を２回測定し、測定された２つの像の位置からレンズの焦点距離を計算する。
【００１３】
調整前に平行光を入射した際のレンズの焦点位置を測定し、その測定値からレンズの焦点位置を計算する。
【００１４】
【発明の実施の形態】
図１は光ファイバを使用した双方向光通信装置の光学装置（光コネクタ）１０を示す図である。光学装置１０は、ＬＤパッケージ１２と、レンズパッケージ１４と、プリズムパッケージ１６とからなる。ＬＤパッケージ１２はフレーム１８に取り付けられた発光素子（ＬＤ）２０と受光素子（ＰＤ）２２とを含む。レンズパッケージ１４はフレーム（図示せず）に取り付けられたレンズ２４を含み、プリズムパッケージ１６はプリズム２６を含む。プリズム２６には、全反射ミラー２８と、ハーフミラー３０とが配置されている。光ファイバ３２がプリズムパッケージ１６に接合されている。
【００１５】
光学装置１０の作用においては、図示しない電気信号に従って発光素子２０から放射された光３４はレンズ２４及びプリズム２６を通り、全反射ミラー２８及びハーフミラー３０で反射されつつ光ファイバ３２に供給され、光信号が光ファイバ３２によって搬送される。また、光ファイバ３２を通って送られてきた光３６はプリズム２６、ハーフミラー３０及びレンズ２４を通って受光素子２２に受光される。このようにして、双方向光通信を行うことができる。レンズ２４、プリズム２６、及びミラー２８、３０は公知のように光ファイバー３２との光結合効率を高めるために設けられるものである。
【００１６】
図２は図１の光学装置１０の組立工程を示す図である。光学装置１０の組立工程においては、レンズパッケージ１４及びプリズムパッケージ１６をＬＤパッケージ１２に対して位置決めし、固定することが必要である。図２においては、そのようなパッケージは省略され、その内部の部品、すなわち、発光素子２０、受光素子２２、レンズ２４、及びプリズム２６のみが示されている。本発明では、まずプリズムパッケージ１６がない状態で、レンズパッケージ１４をＬＤパッケージ１２に対して位置決めし、固定する。従って、図２では、プリズム２６は仮想線で示されている。
【００１７】
図２においては、Ｐ_ＬＤは発光素子２０の位置を示し、Ｐ_ＰＤは受光素子２２の位置を示し、Ｏ_ＬＺはレンズ２４の中心の位置を示し、Ｉ_ＬＤはレンズ２４を通った発光素子２０の像（レンズ越しＬＤ像）の位置を示し、Ｉ_ＰＤはレンズ２４を通った受光素子２２の像（レンズ越しＰＤ像）の位置を示す。位置はそれぞれの項目の中心の位置である。従来は、これらの５つの位置をＣＣＤカメラ４０で撮像し、画像処理してそれらの位置を測定していた。本発明においても、同様のことを実施するが、ただし、測定するのは４つの位置であり、残りの１つの位置は前記測定位置に基づいて計算する。
【００１８】
図３は光学装置１０の組立装置を示す図である。ＬＤパッケージ１２を支持するＬＤ把持ステージ４２と、レンズパッケージ１４を支持するレンズ把持ステージ４４とがある。これらのステージ４２、４４はそれぞれコントローラ４２ａ、４４ａを介してコンピュータ４８によって制御されるようになっている。レンズパッケージ１４の上方にはカメラ把持ステージ４６に支持されたＣＣＤカメラ４０があり、カメラ把持ステージ４６はコントローラ４６ａを介してコンピュータ４８によって制御される。
【００１９】
ＣＣＤカメラ４０は画像処理装置５０に接続され、画像処理装置５０はコンピュータ４８に接続される。画像処理装置５０はコンピュータ４８の一部として構成されることもできる。従って、ＣＣＤカメラ４０は上記したＰ_ＬＤ、Ｐ_ＰＤ、Ｏ_ＬＺ、Ｉ_ＬＤ、Ｉ_ＰＤを撮像し、画像処理装置５０でこれらの位置を測定する。ただし、実施例においては、４つの部材の位置の測定し、レンズ２４の光軸方向の位置残りの１つの部材の位置（Ｉ_ＰＤ）は計算により求める。
【００２０】
図４は光軸５２、発光素子２０及び受光素子２２を含む平面を示す。レンズ２４の中心Ｏ_ＬＺが光軸５２上にあるときに、Ｐ_ＬＤは光軸５２からｙ_Ｌの距離にあり、Ｐ_ＰＤは光軸５２からｙ_ｐの距離にあるとする。Ｐ_ＬＤとＰ_ＰＤとの光軸５２方向の距離はｌでり、Ｐ_ＬＤとＯ_ＬＺとの光軸５２方向の距離はａ_Ｌである。レンズ２４の焦点の位置はＦであり、焦点距離はｆである。
【００２１】
そして、Ｉ_ＬＤは光軸５２からｙ_Ｌ′の距離にあり、Ｉ_ＰＤは光軸５２からｙ_ｐ′の距離にある。Ｉ_ＬＤとＯ_ＬＺとの光軸５２方向の距離はｂ_Ｌであり、Ｉ_ＰＤとＯ_ＬＺとの光軸５２方向の距離はｂ_Ｐである。
レンズに関する物体と像との関係から下記の式（１）〜（４）が成立する。式（５）は下記する通りである。
【００２２】
【数１】

【００２３】
ここで、４つの位置Ｐ_ＬＤ、Ｐ_ＰＤ、Ｏ_ＬＺ、Ｉ_ＬＤを測定すれば、ｙ_Ｌ、ｙ_ｐ、ｌ、ｙ_Ｌ′、Ｚ′が得られる。Ｚ′はＰ_ＬＤからＩ_ＬＤまでの距離であり、Ｚ′＝（ａ_Ｌ＋ｂ_Ｌ）の関係（（５）式）がある。つまり、ｙ_Ｌ、ｙ_ｐ、ｌ、ｙ_Ｌ′、Ｚ′は既知数となる。これに対して、ａ_Ｌ、ｂ_Ｌ、ｂ_Ｐ、ｆ、ｙ_ｐ′は未知数である。なお、レンズ２４の焦点距離ｆは通常は既知であるが、製造のバラツキをみこんでここでは未知数とする。
【００２４】
従って、式（１）から式（５）の５つの方程式を解けば、５つの未知数の解を得ることができる。
こうして得たａ_Ｌの値に従ってレンズ２４の位置を調整し、レンズパッケージ１４をＬＤパッケージ１２に固定することができる。それから、ｂ_Ｌ、ｂ_Ｐ、ｙ_Ｌ′、ｙ_ｐ′の値に従ってプリズム２６及びミラー２８、３０の位置を調整し、プリズムパッケージ１６をＬＤパッケージ１２及びレンズパッケージ１４に対して固定することができる。
【００２５】
このように、本発明では、ＬＤパッケージ面とレンズパッケージ面とを接触させ、接触面において２自由度をもつ位置調整を行う。それから、発光素子２０及び受光素子２２の発信／受信光の検出を行うことなく、発光素子２０及び受光素子２２の一つの外形のレンズ越し像の結像点を探索してレンズ調整を行うパッシブ調整法を採用する。即ち、発光素子２０及び受光素子２２の結像点が光ファイバー端の位置と一致するように調整を行う。結像点探索を行う際には光ファイバー付きプリズム２６は外しているので、実際にはプリズム２６による虚像位置を計算で求めてその位置に対する調整を行う。
【００２６】
発光素子２０及び受光素子２２の位置、及びレンズ越し像位置の測定には、パターンマッチング法による画像認識を用いた自動焦点合わせが行われる。レンズ中心位置の検出はレンズ枠画像を用いた画像計測処理が行われる。このようなプロセスはある回数のフィードバック制御が必要なため、調整処理全体に占める処理時間の割合が高くなり、調整時間がかかる。従来はそのような処理を５回行う必要があったが、本発明ではそのような処理を４回行えばよいので、かなりの時間短縮を達成することができる。なお、その分だけコンピュータによる計算処理が増えるが、コンピュータによる計算処理に必要な時間は画像認識に比べるとほとんど無視してもよいほどである。また受光素子２２の像の画像処理に関してはＳ／Ｎ比の低い画像になっていて、焦点距離の探索失敗や誤認識が生じやすい、という問題があったが、受光素子２２の像の画像処理を行わなくてよいようになれば、組立作業はより簡単且つ確実に行うことができるようになる。図４の実施例では、レンズ２４として球面レンズを使用した。
【００２７】
図５はレンズ２４として非球面レンズを使用する場合を示す図である。非球面レンズ２４を使用する場合には、片面側の中心Ｏ_１と反対面側の中心Ｏ_２との差に相当するレンズ中心のずれΔＯがあるために、ΔＯが未知数となり、未知数がが増えて、上記式（５）は下記式（６）になる。未知数が６の場合に、上記式（１）から式（４）及び式（６）を用いて解を出すことができない。
【００２８】
【数２】

【００２９】
そこで、本実施例では、未知数を１つ減らし、連立方程式が解をもつようにする。本実施例では、図４で未知数となっていたレンズの焦点距離ｆに着目した。この値は今回のような大量生産技術に応用する場合には製品間のバラツキを考慮して未知数とするのが妥当であるが、使用によってはバラツキは予想される範囲内に収まっているはずなので、既知数とみなして計算を行ってよい。すなわち、レンズ２４の焦点距離ｆに仕様値を用いることにすれば、既知量が５個となり、未知数が１つ減る。従って、上記式（１）から式（４）及び式（６）を用いて解を出すことができる。
【００３０】
上記式（１）から式（４）を変形してａ_Ｌ、ｂ_Ｌを消去すると、受光素子２２の像Ｉ_ＰＤの位置（ｂ_Ｐ、ｙ_Ｐ′）をあらわす式（７）、式（８）が得られる。また、ｍ＝ｙ_Ｌ′／ｙ_Ｌとすると（ｍは発光素子２０の像Ｉ_ＬＤにおけるレンズ２４の倍率）、これらの式は式（９）及び式（１０）に示されるようにさらに簡単になり、計算しやすくなる。
【００３１】
図６は本発明を使用した光学装置の組立におけるレンズ及び受光素子２２の像Ｉ_ＰＤの位置の調整のアルゴリズムを示す図である。ステップＳ１では、発光素子２０及び受光素子２２（ＬＤ、ＰＤ）の位置並びにレンズ２４の中心の位置を画像認識と焦点合わせアルゴリズムによって取得している。ステップＳ２は同様にレンズ越しＬＤ像の位置を計測し、その計測結果はステップＳ３のレンズ枠移動を行う際の移動距離を得るのに用いられている。
【００３２】
そして、ステップＳ４では移動後のレンズ越しＬＤ像の位置を認識して目標位置に移動されたかどうかを判定して、必要ならば再度レンズ移動を行う。ステップＳ５では計算式に従ってレンズ越しＰＤ像の位置計算が行われ、その計算値に基づいてステップＳ６でレンズ枠移動とステップＳ７での位置計算と判定が行われる。像位置が目標点に達した、と判定されれば調整処理が終了する。
【００３３】
ちなみに、従来手法ではステップＳ５においてもステップＳ１、２と同様な焦点合わせアルゴリズムが用いられていた。
このように、本発明を光学装置の組立における調整に採用することにより、従来手法で行われてきたレンズ越しＰＤ像の画像認識と焦点合わせアルゴリズムによる位置計測を省略することができる。よって５回行う焦点合わせが４回で済むようになり、調整処理の時間短縮が図れる。また、レンズ越しＰＤ像は画像認識が困難であったので、調整不能や誤認識が生じていたＬＤパッケージに対しても調整が可能になり、大量生産時における歩留りが向上する。
【００３４】
上記説明では非球面レンズ２４を用いた光学装置について説明したが、球面レンズを用いた場合でも焦点距離ｆを既知とすれば未知数が減って計測回数が減り、調整時間の短縮につながる、ことは明らかであろう。
また、図５の例では焦点距離ｆの値は仕様書の値を用いるので既知量である、として計算を行ったが、別の手法によってｆの値をレンズ毎に測定、計算するような手法を組み込んでもよい。
【００３５】
図７及び図８はレンズ２４の焦点距離ｆの値を計算によって求める例を示す図である。図７はレンズ２４をＺ方向（図７で水平方向）にΔａ移動させてＬＤ像の結像位置の変化を計測し、その値から焦点距離ｆを計算する手法である。焦点距離ｆは上記した式（１）〜（４）に基づいて計算することができる。例えば、ｆ＝Δａ／ｙ_Ｌ（１／ｙ_Ｌ″−１／ｙ_Ｌ′）になる。
【００３６】
図８は調整前に平行光に対する焦点位置を測定するプロセスを装置に追加し、その測定結果から焦点距離ｆを計算する手法である。このため、点光源７０及びコリメータレンズ７２によってレンズ２４に平行光を入射させ、出射光から焦点の位置を求める。それからレンズ越しＬＤ像を測定すると、焦点距離ｆはｂ_ＬとΔｂとの差として求められる。上記した式（１）〜（２）に基づいてｂ_Ｌを消去すると、ｆ＝（ｙ_Ｌ／ｙ_Ｌ′）Δｂとなる。
【００３７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、光学装置のレンズの位置調整が従来よりも短い処理時間で行われるうよになり、双方向光通信モジュールの量産化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図１】光ファイバを使用した双方向光通信装置でコネクタとして使用される光学装置を示す図である。
【図２】図１のコネクタの組立工程を示す図である。
【図３】光学装置の組立装置を示す図である。
【図４】本発明の計算の１実施例を示す図である。
【図５】レンズとして非球面レンズを使用する例において計算の１実施例を示す図である。
【図６】本発明を使用した光学装置の組立のレンズ及び受光素子の位置の調整のアルゴリズムを示す図である。
【図７】レンズの焦点距離の値を計算によって求める例を示す図である。
【図８】レンズの焦点距離の値を計算によって求める他の例を示す図である。
【符号の説明】
１０…光学装置
１２…ＬＤパッケージ
１４…レンズパッケージ
１６…プリズムパッケージ
２０…発光素子
２２…受光素子
２４…レンズ
２６…プリズム
２８…全反射ミラー
３０…ハーフミラー
３２…光ファイバ

Claims

発光素子及び受光素子を含む第１のユニットと、レンズを含む第２のユニットとを含む光学装置の組立工程におけるレンズの調整方法において、発光素子、受光素子、レンズ、および像の位置は第１のユニットと第２のユニットを通る平面内における発光素子、受光素子、レンズ、および像の中心の位置であるとしたとき、発光素子の位置、受光素子の位置、レンズの位置、及びレンズを通った発光素子の像とレンズを通った受光素子の像との一方の像の位置を測定し、該測定結果に基づいてレンズの光軸方向の位置を計算し、該測定結果及び該計算結果に基づいて該第２のユニットの位置を調整することを特徴とする光学装置の組立方法。
発光素子及び受光素子を含む第１のユニットと、レンズを含む第２のユニットと、ミラー及びプリズムを含み、光ファイバーに接続された第３のユニットとを含む光学装置の組立方法において、発光素子、受光素子、レンズ、および像の位置は第１のユニットと第２のユニットを通る平面内における発光素子、受光素子、レンズ、および像の中心の位置であるとしたとき、発光素子の位置、受光素子の位置、レンズの位置、及びレンズを通った発光素子の像とレンズを通った受光素子の像との一方の像の位置を測定し、該測定結果に基づいてレンズの光軸方向の位置並びにレンズを通った発光素子の像とレンズを通った受光素子の像との他方の像の位置を計算し、該測定結果及び該計算結果に基づいて該第２のユニットの位置及び第３のユニットの位置を調整することを特徴とする光学装置の組立方法。
上記測定結果及び計算結果に基づいて該第２のユニットの位置を調整し、それから該第３のユニットの位置を調整することを特徴とする請求項２に記載の光学装置の組立方法。
該第１、第２及び第３のユニットは双方向光通信モジュールを構成することを特徴とする請求項２に記載の光学装置の組立方法。
該レンズの焦点距離の値からレンズを通った発光素子の像とレンズを通った受光素子の像との他方の像の位置を計算することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学装置の組立方法。
該レンズは球面レンズであり、該レンズの予め定められた焦点距離を用いて上記計算を行うことを特徴とする請求項５に記載の光学装置の組立方法。
該レンズは非球面レンズであり、該レンズの焦点距離は計算により求め、該計算で求められた焦点距離を用いて上記計算を行うことをを特徴とする請求項５に記載の光学装置の組立方法。
レンズの位置を変化させて前記一方の像の位置を２回測定し、測定された２つの像の位置からレンズの焦点距離を計算することをを特徴とする請求項７に記載の光学装置の組立方法。
調整前に平行光を入射した際のレンズの焦点位置を測定し、その測定値からレンズの焦点位置を計算することを特徴とする請求項７に記載の光学装置の組立方法。