JP3594706B2 - 光源位置調整装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源の位置を調整して光源の光放射方向と発光点の位置を所定の基準光軸及び基準位置に合致させる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザの組立工程では、その最終段階において、半導体レーザチップを放熱板のついたハウジングにマウントする。現時点では、ハウジングのセンターと半導体レーザチップのセンターとの相対的な位置関係を機械的に調整し、両者の位置を合致させる手法がとられている。この手法は、半導体レーザチップのセンターと発光点とが一致しており、また、発光方向が発光面に対して垂直であることを前提にしている。しかしながら、実際は、半導体レーザの発光点はハウジングのセンターよりずれており、また発光方向も発光面に対して垂直な方向からずれていることが多いため、上記の方法では精度の良い位置調整が困難であり、歩留りの低下、ひいては製造コストの上昇を招くことになる。
【０００３】
また、半導体レーザは、単独で使用されることは少なく、レンズ、ファイバなどの光学部品と同時に使用される場合が多い。この場合、半導体レーザの光放射方向及び発光位置とこの光学部品との位置関係が非常に重要で、光学系全体の性能を大きく左右する。一般に、半導体レーザと光学部品との位置調整は非常に微妙なものであり、多くの時間と労力を必要とする。
【０００４】
例えば、光ファイバが全国に張り巡らされ、光ネットワークが各家庭につながれることを想定した場合、半導体レーザ、レンズ系及び光ファイバからなる光学系が各信号発信部に必要となる。この部分のコストが大きく普及に影響を及ぼすことは簡単に想像がつく。 そこで、ファイバコネクタ内に半導体レーザを自動調芯して固定する装置が必要となる。
【０００５】
一般に、ファイバコネクタ内に半導体レーザを自動調芯して固定する装置を構成する場合、半導体レーザの光放射方向と光ファイバの光軸との角度ずれが１゜程度であり、発光点と光ファイバのコア中心との位置ずれが±０．５μｍ程度となるような精度でマウントできる装置とする必要がある。そこで、半導体レーザの発光状態（所定の基準光軸に対する光放射角度及び発光点の位置）をチップの状態で計測し、その計測データを基に半導体レーザの位置を調整する装置が考案されている。
【０００６】
半導体レーザの放射角度と発光位置を同時に測定する装置としては、特開平７−５０３２号公報に記載の半導体レーザ評価装置がある。この評価装置は、半導体レーザからの光をハーフミラーで分岐し、一方の光束に基づいて半導体レーザの像をＣＣＤカメラで撮像することにより発光点の位置ずれを求めるものである。また、この装置は、他方の光束を光センサを走査して検出することにより放射光の強度分布を計測し、その結果に基づいて光放射角度のずれを求める。
【０００７】
半導体レーザの位置調整装置としては、この半導体レーザ評価装置と多軸ステージ装置、ステージ駆動装置、及びこのステージ駆動装置に制御信号を送出する信号処理装置で構成される位置調整装置が考えられる。図９は、この位置調整装置による半導体レーザの位置調整手順を示すフローチャートである。このフローチャートを参照しながら、この位置調整装置の動作を説明する。
【０００８】
まず、半導体レーザを多軸ステージ装置に設置した後（ステップ３０１）、半導体レーザを発光させる。半導体レーザチップから出射した光は上記半導体レーザ評価装置が備える光学系に入射する。この位置調整装置では、第１のプロセスとしてＣＣＤカメラにて発光点の位置を計測し、発光点の二次元的な位置を信号処理装置に接続された表示装置の画面上にＸ，Ｙ表示する。このＸ，Ｙ値は多軸ステージ装置のＸ，Ｙ座標と等価である。信号処理装置は、ＣＣＤカメラから送られてくる撮像データに基づき発光点の位置を算出し、この発光点位置と所定の基準位置とのずれを求めて、その結果をステージ駆動装置にフィードバックする。すなわち、信号処理装置は、発光点位置を基準位置に合致させるような制御信号をステージ駆動装置に送出し、多軸ステージ装置が備えるＸ，Ｙ軸ステージの駆動を制御して、半導体レーザチップの位置を上記基準位置に合わせる（ステップ３０２〜３０４）。
【０００９】
次に、第２のプロセスとして、ハーフミラーにて反射された反射光を光センサを移動させながら検出し、放射光の２方向の光角度分布をそれぞれ１次元的に計測する。この二つのデータより放射光のビーム角度ずれθＸ 、θＹ が求まる。ここで、θＸ 、θＹ は、それぞれＸＺ平面、ＹＺ平面における所定の基準軸からの開き角度である。信号処理装置は、この角度ずれデータをステージ駆動装置にフィードバックし、ビーム角度ずれをなくすように多軸ステージが備える揺動ステージ（θＸ 軸ステージ及びθＹ 軸ステージ）を駆動させて、半導体レーザの設置角度を基準値に合わせる（ステップ３０５〜３０７）。
【００１０】
上記の半導体評価装置を用いた場合、上記の手順だけでは、θＸ 座標及びθＹ 座標の原点と半導体レーザチップの発光面とを一致させることは非常に難しい。よって、第３のプロセスとして、もう一度第１のプロセスを行い半導体レーザチップの位置を基準位置に合わせる（ステップ３０８〜３１０）。以上により、半導体レーザの位置調整が完了する（ステップ３１１）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の位置調整装置では、第２のプロセスにおいて光センサを移動させて光角度分布を計測するので、計測対象である半導体レーザに角度ずれがある場合に、単に放射角度がずれているのか、発光点が基準発光位置からずれているために結果として角度ずれが生じているのかを区別して評価できないため、位置ずれ制御のプロセスを角度ずれ制御のプロセスの前後で二度行う必要がある。このため、迅速な位置調整が困難であるという欠点がある。
【００１２】
また、光センサを移動して角度ずれを計測する方法は、光センサの移動時間を要するため、計測時間が比較的長くかかり、その結果として半導体レーザの位置調整も時間がかかるという欠点がある。また、光センサのスキャン範囲外に半導体レーザの最輝点があった場合、角度ずれの制御が不十分となるという問題点もある。
【００１３】
また、上記の半導体レーザ評価装置が備える光学系は対物レンズの前側（半導体レーザ側）にハーフミラーを配置した構成となっている。実際の装置を考えた場合、一般的な半導体レーザの場合その放射角度は半値幅で、水平、垂直それぞれ±１５、±４０°であり、Ｎ．Ａ．０．７程度の対物レンズを用いる必要がある。一般的な顕微鏡の対物レンズの使用を考えると、半導体レーザと対物レンズの間隔は、広いものでも５ｍｍとなり、ハーフミラーを挿入するスペースはなくなる。仮にハーフミラーを設置できた場合でも、光強度を計測する光センサのスキャン範囲が半導体レーザ設置部と干渉してしまい、実際の装置として実現することが困難である。
【００１４】
ハーフミラーを設置可能な対物レンズを用いようとすると、その対物レンズは巨大なものとなり装置全体も巨大かつ重量物となる。また、レンズ外径が大きくなるとレンズ自体のコストも非常に高くなるので好ましくない。さらに、対物レンズの後方にハーフミラーを配置した場合を考えても、光センサのスキャン位置は当然ハーフミラーの後方になる。また、光センサのスキャン位置は、対物レンズの後側焦点位置となる。つまり、対物レンズのバックフォーカスが長いレンズひいては焦点距離の長いレンズが必要となり、当然Ｎ．Ａ．の大きいレンズが必要となるため、大きなレンズ系が必要となる。また、焦点距離の長いレンズを必要するということは、広範囲にわたって光センサをスキャンさせる必要があるという悪条件も重なる。
【００１５】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、半導体レーザ等の光源の位置を迅速かつ好適に調整して、光源の光放射方向と発光点位置を所定の基準光軸及び基準位置に合致させる装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の光源位置調整装置は、光源の光放射方向及び発光点位置を所定の基準光軸及び基準位置に合致させる装置であって、（ａ）光源から出射した光束を拡大する拡大レンズ系と、（ｂ）拡大レンズ系から出射した光束を第１及び第２の所定光路に進行させる第１の光路設定手段と、（ｃ）第１の光路上に配置され、光源の放射角強度分布を検出する角度ずれ計測部と、（ｄ）第２の光路上に配置され、拡大レンズの結像面上に生じた光源の拡大像を検出する位置ずれ計測部と、（ｅ）光源を平行移動及び揺動させる多軸ステージ装置と、（ｆ）この多軸ステージ装置に駆動信号を送出するステージ駆動手段と、（ｇ）角度ずれ計測部の出力信号に基づいて光源の光出射方向の基準光軸からの軸ずれ角度を求めるとともに、位置ずれ計測部の出力信号に基づいて光源の発光点の基準位置からの変位量を求め、これらの結果に基づいてステージ駆動手段に制御信号を送出する制御手段とを備えている。
【００１７】
光源を多軸ステージ装置に載置した後、光源を発光させると、光源から放射された光束は拡大レンズ系に入射し、拡大しながら進行するようになる。この光束は第１の光路設定手段に入射し、第１及び第２の光路を進行するようになる。第１の光路を進行する光束は角度ずれ計測部に入射する。角度ずれ計測部は、この光束に基づいて光源の放射角強度分布を検出し、この放射角強度分布の情報を制御手段に送出する。制御手段は、この情報に基づいて光源の光放射方向の基準光軸からの軸ずれ角度を求める。一方、第１の光路設定手段を介して第２の光路に進行する光束は、位置ずれ計測部に入射する。位置ずれ計測部は、この光束に基づいて光源の拡大像を検出し、拡大像の情報を制御部に送出する。制御部は、この情報に基づいて光源の発光点の基準位置からの変位量を求める。制御部は、こうして求めた軸ずれ角度及び変位量に基づき、光放射方向や発光点のずれをなくして両者が基準光軸及び基準位置に合致するような多軸ステージの駆動方向、駆動量等を求め、この駆動情報を有する制御信号をステージ駆動手段に送出する。ステージ駆動手段は、この制御信号に応じて多軸ステージ装置に駆動信号を送出し、制御部が命令した駆動を多軸ステージ装置に行わせる。これにより、光源の光放射方向及び発光点位置が基準光軸及び基準位置にほぼ合致するようになる。
【００１８】
第１の光路設定手段は、拡大レンズ系から出射した光束を分岐し、この分岐光束を第１及び第２の光路にそれぞれ進行させるものであっても良い。この場合、角度ずれ計測部及び位置ずれ計測部の双方によって同時に光源の放射光が検出されることになる。
【００１９】
第１の光路設定手段は、拡大レンズ系から出射した光束を受光し、その出射光路を第１及び第２の光路の間で相互に切り替えるものであり、制御手段は、この光路切り替えタイミングを制御して軸ずれ角度及び変位量を求めるものであっても良い。この場合、制御手段により切り替えられた光路上に配置された計測部によって検出が行われ、その検出結果に基づいて制御部が軸ずれ角度又は変位量のいずれかを求めることになる。制御部は、一つの計測が終了した後に、光路を切り替えて他の計測を行い、軸ずれ角度及び変位量の双方を求め、これに基づいて多軸ステージの駆動を制御する。
【００２０】
なお、この光路設定手段としては、例えば、反射鏡及び反射鏡移動機構からなる装置を用いることができる。これは、光源の放射光の光路上に反射鏡を反射鏡移動機構によって挿入できるようにしておいて、反射鏡を挿入して放射光を反射する場合と反射鏡を挿入せずに放射光が直進する場合とで光路を切り替えるものである。反射鏡の挿入タイミングは、制御部が制御すると良い。
【００２１】
角度ずれ計測部は、第１の光路上に配置され、拡大レンズの後側焦点面上に生じた光源の放射角強度分布を再結像させる第１の光学系（例えば、フィールドレンズ及びリレーレンズからなるレンズ系）と、この第１の光学系によって再結像された放射角強度分布を検出する第１の光検出器（例えば、ＣＣＤカメラや固***置検出器等の二次元光検出器）とを備えるものであっても良い。この場合、第１の光路設定手段を介して第１の光路に進行する光束は、まず、第１の光学系に入射する。第１の光学系は、拡大レンズの後側焦点面上に生じている光源の放射角強度分布を第１の光検出器の受光面上に再結像させる。これにより、第１の光検出器は、光源の放射角強度分布を検出し、放射角強度分布情報を有する信号を制御部に送出する。制御部は、この信号に基づいて光源の光放射方向の軸ずれ角度を求めることになる。
【００２２】
位置ずれ計測部は、第２の光路上に配置され、拡大レンズ系の結像面上に生じた光源の拡大像を検出する第２の光検出器（例えば、ＣＣＤカメラや固***置検出器等の二次元光検出器）を備えるものであっても良い。この場合、第１の光路設定手段を介して第２の光路に進行する光束は、第２の光検出器の受光面上で結像する。第２の光検出器は、結像された光源の拡大像を検出し、その像情報を有する信号を制御部に送出する。制御部は、この信号に基づいて光源の発光点の基準位置からの変位量を求めることになる。
【００２３】
また、位置ずれ計測部は、▲１▼第２の光路上において拡大レンズ系の空中拡大像面上に配置され、拡大レンズ系から出射した光束を広範囲計測用の光路及び狭範囲計測用の光路に進行させる第２の光路設定手段と、▲２▼広範囲計測用の光路上に配置され、拡大レンズ系の許容視野全体にわたる光源の空中拡大像を検出する広範囲計測部と、▲３▼狭範囲計測用の光路上に配置され、拡大レンズ系の許容視野の一部における光源の空中拡大像を検出する狭範囲計測部とを備えるものであっても良い。この場合、第１の光路設定手段を介して第２の光路を進行する光束は、第２の光路設定手段に入射し、広範囲計測用の光路及び狭範囲計測用の光路に進行するようになる。広範囲計測部は、広範囲計測用の光路を進行する光束に基づいて拡大レンズ系の許容視野全体にわたる空中拡大像を検出し、その像情報を有する信号を制御部に送出する。制御部は、この信号に基づいて光源の発光点の基準位置からの変位量を求め、多軸ステージの駆動を制御して光源の位置を調整する。狭範囲計測部は、狭範囲計測用の光路を進行する光束に基づいて、拡大レンズ系の許容視野の一部における空中拡大像を検出し、その像情報を有する信号を制御部に送出する。制御部は、この信号に基づいて光源の発光点の基準位置からの変位量を広範囲計測部よりも詳細に求め、多軸ステージの駆動を制御して光源の位置を微調整する。このように、発光点の位置ずれを広範囲及び狭範囲の計測によりそれぞれ求め、広範囲の計測に基づき光源位置の粗調整を行い、さらに、狭範囲の計測に基づいて光源位置の微調整を行うことで、極めて高精度に光源の発光点位置を調整することができる。
【００２４】
第２の光路設定手段は、拡大レンズ系から出射した光束を分岐し、この分岐光束を広範囲計測用の光路及び狭範囲計測用の光路にそれぞれ進行させるものであっても良い。この場合は、広範囲計測部及び狭範囲計測部の双方によって同時に光源の放射光が検出されることになる。
【００２５】
また、第２の光路設定手段は、拡大レンズ系から出射した光束を受光し、その出射光路を広範囲計測用の光路及び狭範囲計測用の光路の間で相互に切り替えるものであり、制御手段は、この光路切り替えタイミングを制御して軸ずれ角度及び変位量を求めるものであっても良い。この場合、制御手段により切り替えられた光路上に配置された広範囲又は狭範囲の計測部によって検出が行われ、その検出結果に基づいて制御部が発光点位置の変位量を求めることになる。通常、制御部は、広範囲の計測を行って発光点位置の粗調整を行った後、光路を切り替えて狭範囲の計測を行い、発光点位置の微調整を行う。
【００２６】
なお、第２の光路設定手段としては、例えば、反射鏡及び反射鏡移動機構からなる装置を用いることができる。これは、第２の光路上に反射鏡を反射鏡移動機構によって挿入できるようにしておいて、反射鏡を挿入して放射光を反射する場合と反射鏡を挿入せずに放射光が直進する場合とで光路を切り替えるものである。反射鏡の挿入タイミングは、制御部が制御すると良い。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致していない。
【００２８】
実施形態１
図１は、本実施形態の光源位置調整装置の構成を示す図である。この装置は、多軸ステージ装置１０、ステージ駆動装置２０、計測光学系３０、及び制御部４０から構成されている。多軸ステージ装置１０上の光源設置部１１上には光源５０が設置されており、多軸ステージ装置１０を駆動させることで光源５０の位置を調節できるようになっている。ステージ駆動装置２０は、配線によって多軸ステージ装置１０に電気的に接続されており、ステージ制御信号を多軸ステージ装置を送出して多軸ステージ装置１０が備える複数のステージを駆動させるようになっている。計測光学系３０は、光源５０から出射した光を検出し、▲１▼発光点位置の所定の基準位置からの変位量と、▲２▼光源５０の光放射方向の軸ずれ角度を計測するものである。制御部４０は、計測光学系３０により計測したデータをフィードバックする信号をステージ駆動装置２０に送出し、多軸ステージ装置１０の駆動をフィードバック制御するものである。なお、制御部４０には、表示装置６０が接続されており、制御部４０の出力データを画面上に表示するようになっている。
【００２９】
図２は、多軸ステージ装置１０の構造を示す全体斜視図である。多軸ステージ装置１０は、平行移動用のＸ軸ステージ１２、Ｚ軸ステージ１３及びＹ軸ステージ１４と、揺動用のθＸ 軸ステージ１５及びθＹ 軸ステージ１６から構成されている。Ｘ軸ステージ１２はＸ軸方向に、Ｚ軸ステージ１３はＺ軸方向に、Ｙ軸ステージ１４はＹ軸方向にそれぞれ平行移動するものであり、θＸ 軸ステージ１５はＸＺ平面上で、θＹ 軸ステージ１６はＹＺ平面上でそれぞれ揺動する。Ｙ軸ステージ１４は、多軸ステージ装置１０の最下部に位置しており、この上にはＺ軸ステージ１３、Ｘ軸ステージ１２、θＹ 軸ステージ１６、θＸ 軸ステージ１５が順次に設置されている。θＸ 軸ステージ１５の上面には、光源設置部１１が設けられており、その上に光源５０が載置されるようになっている。
【００３０】
計測光学系３０は、対物レンズ３１、ハーフミラー３２、位置ずれ計測用撮像素子３３、フィールドレンズ３４、リレーレンズ３５、及び角度ずれ計測用撮像素子３６から構成されている。このうち、位置ずれ計測用撮像素子３３は、発光点位置の基準位置からの変位量を計測する位置ずれ計測部を構成している。また、フィールドレンズ３４、リレーレンズ３５及び角度ずれ計測用撮像素子３６は、光源５０の光放射方向の基準光軸からの軸ずれ角度を計測する角度ずれ計測部を構成している。
【００３１】
対物レンズ３１は、光源５０から出射する光を拡大する拡大レンズ系である。本実施形態では、光源５０からの光が対物レンズ３１に入射することにより対物レンズ３１の後側焦点面７０上に光源５０の空中像が形成されるように、対物レンズ３１の前側焦点付近に光源５０を配置してある。ハーフミラー３２は、入射する光の約半分を透過させ、残り半分を反射する。これにより、光源５０から放射された光について、位置ずれ計測用撮像素子３３へ向かう第１の光路と、角度ずれ計測用撮像素子３６へ向かう第２の光路が設定されることになる。位置ずれ計測用撮像素子３３及び角度ずれ計測用撮像素子３６は、受光面に入射した光の入射位置を測定する二次元光検出素子である。フィールドレンズ３４は、視野レンズともいわれるもので、対物レンズ３１の口径をリレーレンズ３５の口径上に映すためのレンズ系である。リレーレンズ３５は、対物レンズ３１の後側焦点面７０上の空中像を角度ずれ計測用撮像素子３６の受光面上に再結像させるためのレンズ系である。
【００３２】
ここで、位置ずれ計測用撮像素子３３及び角度ずれ計測用撮像素子３６として、２／３インチＣＣＤカメラ（例えば、Ｃ５９４８、Ｃ５９４０（浜松ホトニクス社製））を用い、さらに、対物レンズ３１として焦点距離が３．４９ｍｍ、Ｎ．Ａ．が０．７、倍率が６０倍のレンズを使用し、制御部４０として画素数が６４０×４８４の画像処理装置を使用した場合を考える。この場合、位置ずれ計測用撮像素子３３に撮像される領域は約１４０×１０５μｍ、画素分解能は０．２２μｍ、角度ずれ計測用撮像素子３６に撮像される領域は最大約±４５°、分解能は０．２°となる。また、リレーレンズ３５を調整し、角度ずれ計測用撮像素子３６に撮像される領域を±１５°とすると、分解能は０．０６°となる。
【００３３】
図３は、本実施形態の光源位置調整装置の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、このフローチャートと図１を参照しながら、本装置による光源５０の位置調整手順と本装置の動作を説明する。
【００３４】
まず、光源５０を光源設置部１１上に設置した後（ステップ１０１）、光源５０を発光させる。光源５０から出射した光は、対物レンズ３１によって拡大された後、ハーフミラー３２によって二光束に分岐される。分岐光束のうちハーフミラー３２で反射された光束は、フィールドレンズ３４、リレーレンズ３５及び角度ずれ計測用撮像素子３６からなる光学系に入射する。本実施形態の装置では、第１のプロセスとして、角度ずれ計測用撮像素子３６へ向かう分岐光束に基づいて光源５０の光放射角度及び光放射方向の基準光軸からの軸ずれ角度を計測し、計測結果に基づいて光源５０の設置角度を調整する（ステップ１０２〜１０４）。以下、この動作を具体的に説明する。
【００３５】
図１において符号７１、７２で示すように、光源５０から出射した光のうち任意の角度成分が集まった光束は平行光である。この様な平行光が対物レンズ３１に入射すると、対物レンズ３１の焦点面上の一点に像を結ぶ。光源５０から出射した光のうち、対物レンズ３１の光軸に対して平行な光束は対物レンズ３１の光軸上の後側焦点位置に像を結ぶ。また、光源５０よりある角度をもって出射した平行光束は、対物レンズ３１の後側焦点面上において、光源５０から出射された角度に対応した距離だけ光軸からずれた位置に、その出射方向の強度に比例した二次元的強度分布を示す空中像を形成する。この様に、対物レンズ３１の後側焦点面７０上には、光源５０の二次元の放射角特性を示す強度分布像（放射角強度分布像）が形成される。
【００３６】
なお、対物レンズ３１の後側焦点面７０上に生じた放射角強度分布像は、光源５０が半導体レーザあるいは光ファイバ出射端である場合には、各々の光源の構造に由来する発光パターンの横モードに対応した強度分布を示しており、一般にファーフィールドパターンと呼ばれるものである。
【００３７】
ハーフミラー３２で反射された分岐光束は、フィールドレンズ３４及びリレーレンズ３５を透過することで、対物レンズ３１の後側焦点面７０上の放射角強度分布像を角度ずれ計測用撮像素子３６の受光面上に必要かつ十分な大きさに結像する。すなわち、フィールドレンズ３４及びリレーレンズ３５は、その協同作業により光源５０の強度分布像を角度ずれ計測用撮像素子３６の受光面上に再結像させることになる。
【００３８】
前述のように光源５０から光軸に対しある角度をもって出射した光は、その角度に応じた距離だけ光軸からずれた位置に像を結ぶ。また、一般的に、光源から出射した光の空間的強度分布はガウス分布である。したがって、角度ずれ計測用撮像素子３６で検出される光束の空間的強度分布の最強点若しくは重心の位置を求めることにより、光源５０の光放射角度を算出することができる。本装置では、制御部４０が角度ずれ計測用撮像素子３６からの放射角信号に基いて光源５０の光放射角度を算出する（ステップ１０２）。
【００３９】
こうして計測された光放射角度は、表示装置６０の画面上に二次元的にＸ、Ｙ表示される。このＸ、Ｙ値は、光源５０の光放射方向をそれぞれＸＺ平面、ＹＺ平面における開き角度で示したものであり、θＸ 、θＹ 座標とそれぞれ等価である。制御部４０は、この計測値をステージ駆動装置２０にフィードバックして、多軸ステージ装置１０を制御する。すなわち、制御部４０は、光放射角度の計測値と所定の基準光軸のθＸ 、θＹ 座標とを一致させるような制御信号（フィードバック信号）をステージ駆動装置２０に送出して、θＸ 軸ステージ１５及びθＹ 軸ステージ１６の駆動を制御する。θＸ 軸ステージ１５及びθＹ 軸ステージ１６の駆動により、光源５０の光放射角度が所定の基準値に調整されることになる。（ステップ１０３）。なお、θＸ ＝θＹ ＝０を基準値とした場合の光放射角度の調整の様子を図４（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００４０】
この後、制御部４０は、再度、光源５０の光放射角度を計測し、基準光軸との角度ずれの有無を検査する（ステップ１０４）。このとき、角度ずれが発見された場合には、制御部４０は、光放射角度の計測値と基準光軸のθＸ 、θＹ 座標とを一致させるように再び多軸ステージ装置１０の駆動を制御する。以上の動作が繰り返されることにより、光源５０の光放射方向が極めて高精度に所定方向に調整されることになる。以上が、本装置による位置調整手順の第１のプロセスである。
【００４１】
次に、第２のプロセスについて説明する。光源５０から出射した光束のうちハーフミラー３２を透過したものは、位置ずれ計測用撮像素子３３に向かう。本装置では、第２のプロセスとして、この光束に基づいて光源５０の発光点位置及び発光点の基準位置からの変位量を計測し、その計測結果に基づいて、第１のプロセスによりあおり角度が調整された光源５０の発光点の位置ずれをなくすように光源５０の位置を調整する（ステップ１０５〜１０７）。
【００４２】
ハーフミラー３２を透過した分岐光束は、対物レンズ３１の拡大作用により、位置ずれ計測用撮像素子３３の受光面上に光源５０の１０倍〜１００倍の拡大像を結像する。この拡大像は撮像素子３３により撮像され、拡大像の画像情報を表す拡大像信号が制御部４０に送出される。この拡大像信号に基づいて拡大像を解析すれば、光源５０の発光点位置を算出し、基準位置からのずれを求めることができる（ステップ１０５）。
【００４３】
制御部４０は、この拡大像信号に基づいて表示装置６０の画面のＸＹ平面上に光源５０の拡大像を表示する。この拡大像は、Ｚ軸ステージ１３を駆動させることにより大きさが変化する。この像が最小になるように、すなわちピントが合うようにＺ軸ステージ１３の駆動を制御することによって発光点のＺ軸方向の位置ずれを低減することができる。また、表示装置６０の画面上の像位置を表すＸ、Ｙ値は、それぞれＸ軸ステージ１２、Ｙ軸ステージ１４の座標と等価である。制御部４０は、この計測値をステージ駆動装置２０にフィードバックする。すなわち、発光点位置の計測値と所定の基準発光位置のＸ、Ｙ座標とを一致させるような制御信号（フィードバック信号）をステージ駆動装置２０に送出して、Ｘ軸ステージ１２及びＹ軸ステージ１４の駆動を制御する。これにより、光源５０の発光点が所定の基準位置に合致するように光源５０の位置が調整されることになる（ステップ１０６）。なお、Ｘ＝Ｙ＝Ｚ＝０を基準位置とした場合の発光点位置の調整の様子を図４（ｃ）〜（ｅ）に示す。
【００４４】
この後、制御部４０は、再度、光源５０の発光点位置を計測し、基準位置からの位置ずれの有無を検査する（ステップ１０７）。このとき、位置ずれが発見された場合には、制御部４０は、発光点位置の計測値と基準位置とのＸＹＺ座標を一致させるように再び多軸ステージ装置１０の駆動を制御する。以上の動作が繰り返されることにより、光源５０の発光点位置が高精度に所定の位置に調整されることになる。以上が、本装置による位置調整手順の第２のプロセスである。この第２プロセスの完了をもって、本装置による光源５０の位置調整作業が終了する（ステップ１０８）。
【００４５】
以上のように、本装置では、角度ずれ及び発光点位置ずれの計測をリアルタイムで行っている。また、光源５０の放射角強度分布の計測データ内に発光点の位置情報が含まれていないので、角度ずれ計測時に先立って光源５０の設置位置を正確に合わせる必要がなく、従来よりもプロセスの少ない計測が可能である。この結果、本装置によれば、迅速な光源の位置調整が可能である。
【００４６】
また、本装置は、光源５０の発光点位置ずれ及び光放射角度ずれの計測結果を繰り返しフィードバックして多軸ステージ１０の駆動を制御するので、光源５０の発光点位置及び光放射方向を所定の位置及び方向に精度良く調整することができる。
【００４７】
このため、本装置を用いれば、光源の発光位置やあおりの高精度な制御が可能であり、光源をハウジングに精度良くマウントすることができるので、結果的に出射ビームの位置及び出射ビーム方向のばらつきの少ない発光体（例えば、半導体レーザ素子、ＳＬＤ、ＬＥＤ、光導波路、光ファイバなど）を容易に供給することができる。また、本装置を用いて光源の位置を調整することで、光源と光学素子（光ファイバ、光導波路など）を容易に効率良く接続することができる。
【００４８】
なお、本装置において、位置ずれ計測用撮像素子３３及び角度ずれ計測用撮像素子３６としてはＣＣＤカメラを用いたが、この代わりに固***置検出器を用い、光源の放射光の重心位置を求めるようにしてもよい。
【００４９】
実施形態２
図５は、本実施形態の光源位置調整装置の構成を示す図である。この装置は多軸ステージ装置１０、ステージ駆動装置２０、対物レンズ８１、ハーフミラー８２ａ及び８２ｂ、角度ずれ計測部１６０、広範囲位置ずれ計測部１６１、狭範囲位置ずれ計測部１６２、及び制御部４１から構成されている。角度ずれ計測部１６０は、フィールドレンズ８４ａ、リレーレンズ８５ａ及び角度ずれ計測用撮像素子８６から構成されている。広範囲位置ずれ計測部１６１は、フィールドレンズ８４ｂ、リレーレンズ８５ｂ及び広範囲位置ずれ計測用撮像素子８７から構成されている。狭範囲位置ずれ計測部１６２は、結像レンズ８３及び狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８８から構成されている。
【００５０】
対物レンズ８１は、光源５０の出射光を拡大する拡大レンズ系であり、光源５０から出射した光が対物レンズ８１に入射することで、対物レンズ８１の後側焦点面上に光源５０の拡大空中像が形成されるようになっている。
【００５１】
ハーフミラー８２ａは、入射する光の約半分を透過させ、残り半分を反射する。これにより、光源５０からの光についてハーフミラー８２ｂへ向かう第１の光路と、角度ずれ計測部８６へ向かう第２の光路が設定されることになる。
【００５２】
ハーフミラー８２ｂは、対物レンズ８１によって結像された空中拡大像９０の面上において、対物レンズ８１及び結像レンズ８３からなる光学系の光軸に対して鏡面の法線が４５度の角度をなすように傾けて設置されており、ハーフミラー８２ａを透過した光束の約半分を透過させ、残り半分を反射する。これにより、ハーフミラー８２ａを透過した光束について広範囲位置ずれ計測部１６１ヘ向かう光路と狭範囲位置ずれ計測部１６２へ向かう光路が設定されることになる。また、上記のようにハーフミラー８２ｂを配置することで、広範囲位置ずれ計測用撮像素子８７及び狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８８の各撮像視野における光源５０の拡大像の位置が一致する（例えば、拡大像が撮像素子８７の撮像視野の中心に位置する時は、撮像素子８８においても拡大像は撮像視野の中心に位置する）ようになる。
【００５３】
結像レンズ８３は、ハーフミラー８２ｂの後側に配置されており、対物レンズ８１によって拡大結像された空中像９０を狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８７の受光面上に必要かつ十分な大きさに拡大結像させる。なお、結像レンズ８３の倍率は、通常、５〜２０倍程度とする。
【００５４】
フィールドレンズ８４ａ及び８４ｂは、対物レンズ８１の口径をそれぞれリレーレンズ８５ａ、８５ｂの口径上に映すためのレンズ系である。リレーレンズ８５ａ及び８５ｂは、対物レンズ８１の後側焦点面上の空中像をそれぞれ角度ずれ計測用撮像素子８６、広範囲位置ずれ計測用撮像素子８８の受光面上に再結像させるためのレンズ系である。
【００５５】
角度ずれ計測用撮像素子８６、狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８７及び広範囲位置ずれ計測用撮像素子８８は、受光面に入射した光の二次元的強度分布を検出する二次元光検出素子である。
【００５６】
制御部４１は、各撮像素子８６〜８８から送られてくる撮像情報信号に基づいて光源５０の発光位置ずれ及び光放射角度ずれを算出し、その算出データに基づいてステージ駆動装置２０にフィードバック信号を送出し、多軸ステージ装置１０の駆動を制御する。制御部４１には、本装置の動作確認用の表示装置６０が接続されており、制御部４１が取得した撮像情報に基づいて、光源５０の発光位置ずれ及び光放射角度ずれの様子を画面上に表示するようになっている。
【００５７】
ここで、本実施形態の光源位置調整装置において、角度ずれ計測用撮像素子８６、狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８７及び広範囲位置ずれ計測用撮像素子８８として、２／３インチＣＣＤカメラ（例えば、Ｃ５９４８、Ｃ５９４０（浜松ホトニクス社製））を用い、さらに、対物レンズ３１として焦点距離が３．４９ｍｍ、Ｎ．Ａ．が０．７、倍率が６０倍のレンズを使用し、さらに、制御部４１として画素数が６４０×４８４の画像処理装置を使用した場合を考える。この場合、広範囲位置ずれ計測用撮像素子８８に撮像される領域は約１４０×１０５μｍ、画素分解能は０．２２μｍ、狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８７に撮像される領域は約１４×１０μｍ、画素分解能は０．０２μｍ、角度ずれ計測用撮像素子８６に撮像される領域は最大約±４５°、分解能は０．２°となる。また、リレーレンズ８５ａを調整し、角度ずれ計測用撮像素子８６に撮像される領域を±１５°とすると、分解能は０．０６°となる。
【００５８】
図６は、本実施形態の光源位置調整装置の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、このフローチャートと図５を参照しながら、本装置の動作を説明する。
【００５９】
まず、光源５０を光源設置部１１上に設置した後（ステップ２０１）、光源５０を発光させる。光源５０から出射した光は、対物レンズ８１によって拡大された後、ハーフミラー８２ａによって二光束に分岐される。分岐光束のうちハーフミラー８２ａで反射された光束は、角度ずれ計測部１６０に入射する。本装置では、第１のプロセスとして、この分岐光束に基づいて光源５０の光放射角度を計測し、その計測結果に基づいて光源５０の設置角度を調整する（ステップ２０２〜２０４）。以下、この動作を具体的に説明する。
【００６０】
ハーフミラー８２ａで反射された分岐光束は、フィールドレンズ８４ａ及びリレーレンズ８５ａを透過することで、対物レンズ８１の後側焦点面７３上の空中像を角度ずれ計測用撮像素子８６の受光面上に必要かつ十分な大きさに結像する。すなわち、フィールドレンズ８４ａ及びリレーレンズ８５ａは、その協同作業により光源５０の空中像を角度ずれ計測用撮像素子８６の受光面上に再結像させることになる。既に説明したように、対物レンズ８１の後側焦点面７３には、光源５０の二次元の放射角特性を示す放射角強度分布像が形成されていることになるから、角度ずれ計測用撮像素子８６の受光面上にも光源５０の放射角強度分布像が再結像される。そして、実施形態１で既に述べたように、角度ずれ計測用撮像素子８６で検出される空間的強度分布の最強点若しくは重心の位置を求めることにより、光源５０の光放射角度を算出することができる。本装置では、制御部４１が角度ずれ計測用撮像素子８６からの放射角信号に基いて光源５０の光放射角度を算出する（ステップ２０２）。
【００６１】
こうして計測された光放射角度は、表示装置６０の画面上に二次元的にＸ、Ｙ表示される。このＸ、Ｙ値は、θＸ 、θＹ 座標とそれぞれ等価である。制御部４１は、この計測値と所定の基準光軸のθＸ 、θＹ 座標とを一致させるような制御信号（フィードバック信号）をステージ駆動装置２０に送出して、θＸ 軸ステージ１５及びθＹ 軸ステージ１６の駆動を制御する（ステップ２０３）。これにより、光源５０の光放射角度が所定の基準値に合致するように調整される。
【００６２】
この後、制御部４１は、再度、光源５０の光放射角度を計測し、基準光軸との角度ずれの有無を検査し（ステップ２０４）、角度ずれが発見された場合には、制御部４１は、光放射角度の計測値と基準光軸のθＸ 、θＹ 座標とを一致させるように再び多軸ステージ装置１０の駆動を制御する。以上の動作が繰り返されることにより、光源５０の光放射方向が極めて高精度に所定方向に調整されることになる。以上が、本装置による位置調整手順の第１のプロセスである。
【００６３】
次に、第２及び第３のプロセスについて説明する。光源５０から出射した光束のうちハーフミラー８２ａを透過したものは、ハーフミラー８２ｂに入射する。本装置では、この光束に基づいて光源５０の発光点位置を計測し、その計測結果に基づいて、第１のプロセスによりあおり角度を調整された光源５０の発光点の位置ずれをなくすように光源５０の位置を調整する（ステップ２０５〜２１０）。
【００６４】
ハーフミラー８２ｂの中心部を透過した光束は、結像レンズ８３に入射し、その結像作用によって、対物レンズ８１により拡大結像された空中像９０を狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８８の受光面上に必要かつ十分な大きさに拡大結像する。また、ハーフミラー８２ｂによって反射された光束は、フィールドレンズ８４ｂ及びリレーレンズ８５ｂの協同作業により対物レンズ８１の許容視野全体の空中拡大像を広範囲位置ずれ計測用撮像素子８７の受光面上に再結像させる。
【００６５】
図７に示すように、狭範囲位置ずれ用撮像素子８８は、広範囲位置ずれ用撮像素子８７の撮像視野の中心部の１／５〜１／２０の範囲をその撮像視野の全体で撮像していることになる。このため、狭範囲位置ずれ計測部１６２によれば、より精密な発光点位置ずれの計測が可能となる。但し、狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８８は、１０〜２０μｍ角程度の微小な範囲を拡大計測するため、光源５０の像をその撮像視野内に配置させることが難しい。しかしながら、広範囲位置ずれ用撮像素子８７により位置ずれを計測して光源５０の位置を調整した後であれば、光源５０の像は狭範囲位置ずれ用撮像素子８８の撮像視野内に位置するようになる。
【００６６】
このことに鑑み、本装置では、まず、第２のプロセスとして、広範囲位置ずれ計測用撮像素子８７が出力する光源５０の拡大像信号に基づき、制御部４１が光源５０の発光点の位置ずれを算出する（ステップ２０５）。制御部４１は、表示装置６０の画面のＸＹ平面上に光源５０の拡大像を表示する。この拡大像が最小になるようにＺ軸ステージ１３の駆動を制御することによって発光点のＺ軸方向の位置ずれを低減することができる。また、表示装置６０の画面上の像位置を表すＸ、Ｙ値は、それぞれＸ軸ステージ１２、Ｙ軸ステージ１４の座標と等価である。制御部４１は、この計測値と所定の基準発光位置のＸ、Ｙ座標とを一致させるような制御信号（フィードバック信号）をステージ駆動装置２０に送出して、Ｘ軸ステージ１２及びＹ軸ステージ１４の駆動を制御する。これにより、光源５０の発光点が所定の基準位置に合致するように光源５０の位置が調整されることになる（ステップ２０６）。
【００６７】
この後、制御部４０は、再度、光源５０の発光点位置を計測し、基準位置からの位置ずれの有無を検査し（ステップ２０７）、位置ずれが発見された場合には、制御部４１は、発光点位置の計測値と基準位置とを一致させるように再び多軸ステージ装置１０の駆動を制御する。以上の動作が繰り返されることにより、光源５０の発光点位置が高精度に所定の位置に調整されることになる。以上が、本装置による位置調整手順の第２のプロセスである。
【００６８】
本装置では、さらに、第３のプロセスとして、狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８８が出力する拡大像信号に基づいて制御部４１が光源５０の発光点位置のずれを再度算出し、この算出結果に基づいてＺ軸ステージ１３、並びにＸ軸ステージ１２及びＹ軸ステージ１４を駆動させ、光源５０の位置を再調整する（ステップ２０８〜２１０）。狭範囲位置ずれ計測部１６２によれば、光源５０の発光点について詳細な位置情報を得ることができるので、光源５０の発光点の位置をより高い精度で調整することが可能である。この第３プロセスの完了をもって、本装置による光源５０の位置調整が終了する（ステップ２１１）。なお、狭範囲位置ずれ計測部１６２によれば、光源の放射角特性や近視野像の計測も合わせて行うことができる。
【００６９】
この様に、本装置では、広範囲位置ずれ計測部１６１の計測結果に基づく位置調整の後で、さらに狭範囲位置ずれ計測部１６２の計測結果に基づく微調整を行うので、極めて高い精度で光源５０の発光点位置を調整することができる。
【００７０】
なお、本装置では、ハーフミラー８２ｂを用いて光源５０からの光束を広範囲位置ずれ計測部１６１に向かう光束と狭範囲位置ずれ計測部１６２に向かう光束に分岐したが、代わりに、光軸上において直径１４μｍ程度の穴があいた反射鏡９１を用いることもできる。図８は、この反射鏡９１を設置した例を示す図である。この様な反射鏡９１を設置した場合でも、広範囲位置ずれ計測部１６１及び狭範囲位置ずれ計測部１６２のいずれかにより光源５０の像が検出されるので、光源５０の位置調整を行うことができる。ハーフミラーを用いる場合と異なり、各計測部１６１、１６２に向かう光束の光量が低減されないので、反射鏡を用いる方法は、光源５０の光量が小さい場合の一つの有効な手段となり得る。
【００７１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の光源位置調整装置では、軸ずれ角度の計測に先立って光源の位置を調整する必要がなく、軸ずれ角度及び発光点の基準位置からの変位量の計測をリアルタイムで迅速に行うことができるので、迅速な光源の光放射方向と発光点位置を所定の基準光軸及び基準位置に迅速に合致させることができる。このため、本装置を用いれば、光源をハウジングに精度良くマウントして出射ビーム位置及び出射ビーム方向のばらつきの少ない発光体を容易に供給することができる。また、本装置を用いれば、光源と光学素子を容易に効率良く接続することができる。
【００７２】
また、特に、位置ずれ計測部が、第２の光路設定手段、広範囲計測部及び狭範囲計測部を備えている光源位置調整装置では、広範囲計測部の検出結果に基づき光源位置の粗調整を行った後、さらに、狭範囲計測部の検出結果に基づき光源位置の微調整を行うので、極めて高い精度で光源の発光点位置を基準位置に合致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態の構成を示す平面図である。
【図２】多軸ステージ装置１０の構成を示す全体斜視図である。
【図３】本発明の一形態による位置調整手順を示すフローチャートである。
【図４】光源５０の光放射角度ずれ及び発光点位置ずれの補正を示す図である。
【図５】本発明の他の形態の構成を示す平面図である。
【図６】図５の装置による位置調整手順を示すフローチャートである。
【図７】広範囲位置ずれ用撮像素子８７及び狭範囲位置ずれ用撮像素子８８の撮像視野を示す図である。
【図８】図５の装置において、ハーフミラー８２ｂの代わりに反射鏡９１を設置した例を示す図である。
【図９】従来の位置調整装置による位置調整手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…多軸ステージ装置、２０…ステージ制御装置、３０…計測光学系、３１…対物レンズ、３２…ハーフミラー、３３…位置ずれ計測用撮像素子、３４…フィールドレンズ、３５…リレーレンズ、３６…角度ずれ計測用撮像素子、４０…制御部、５０…光源、６０…表示装置。
【発明の属する技術分野】
本発明は、光源の位置を調整して光源の光放射方向と発光点の位置を所定の基準光軸及び基準位置に合致させる技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体レーザの組立工程では、その最終段階において、半導体レーザチップを放熱板のついたハウジングにマウントする。現時点では、ハウジングのセンターと半導体レーザチップのセンターとの相対的な位置関係を機械的に調整し、両者の位置を合致させる手法がとられている。この手法は、半導体レーザチップのセンターと発光点とが一致しており、また、発光方向が発光面に対して垂直であることを前提にしている。しかしながら、実際は、半導体レーザの発光点はハウジングのセンターよりずれており、また発光方向も発光面に対して垂直な方向からずれていることが多いため、上記の方法では精度の良い位置調整が困難であり、歩留りの低下、ひいては製造コストの上昇を招くことになる。
【０００３】
また、半導体レーザは、単独で使用されることは少なく、レンズ、ファイバなどの光学部品と同時に使用される場合が多い。この場合、半導体レーザの光放射方向及び発光位置とこの光学部品との位置関係が非常に重要で、光学系全体の性能を大きく左右する。一般に、半導体レーザと光学部品との位置調整は非常に微妙なものであり、多くの時間と労力を必要とする。
【０００４】
例えば、光ファイバが全国に張り巡らされ、光ネットワークが各家庭につながれることを想定した場合、半導体レーザ、レンズ系及び光ファイバからなる光学系が各信号発信部に必要となる。この部分のコストが大きく普及に影響を及ぼすことは簡単に想像がつく。 そこで、ファイバコネクタ内に半導体レーザを自動調芯して固定する装置が必要となる。
【０００５】
一般に、ファイバコネクタ内に半導体レーザを自動調芯して固定する装置を構成する場合、半導体レーザの光放射方向と光ファイバの光軸との角度ずれが１゜程度であり、発光点と光ファイバのコア中心との位置ずれが±０．５μｍ程度となるような精度でマウントできる装置とする必要がある。そこで、半導体レーザの発光状態（所定の基準光軸に対する光放射角度及び発光点の位置）をチップの状態で計測し、その計測データを基に半導体レーザの位置を調整する装置が考案されている。
【０００６】
半導体レーザの放射角度と発光位置を同時に測定する装置としては、特開平７−５０３２号公報に記載の半導体レーザ評価装置がある。この評価装置は、半導体レーザからの光をハーフミラーで分岐し、一方の光束に基づいて半導体レーザの像をＣＣＤカメラで撮像することにより発光点の位置ずれを求めるものである。また、この装置は、他方の光束を光センサを走査して検出することにより放射光の強度分布を計測し、その結果に基づいて光放射角度のずれを求める。
【０００７】
半導体レーザの位置調整装置としては、この半導体レーザ評価装置と多軸ステージ装置、ステージ駆動装置、及びこのステージ駆動装置に制御信号を送出する信号処理装置で構成される位置調整装置が考えられる。図９は、この位置調整装置による半導体レーザの位置調整手順を示すフローチャートである。このフローチャートを参照しながら、この位置調整装置の動作を説明する。
【０００８】
まず、半導体レーザを多軸ステージ装置に設置した後（ステップ３０１）、半導体レーザを発光させる。半導体レーザチップから出射した光は上記半導体レーザ評価装置が備える光学系に入射する。この位置調整装置では、第１のプロセスとしてＣＣＤカメラにて発光点の位置を計測し、発光点の二次元的な位置を信号処理装置に接続された表示装置の画面上にＸ，Ｙ表示する。このＸ，Ｙ値は多軸ステージ装置のＸ，Ｙ座標と等価である。信号処理装置は、ＣＣＤカメラから送られてくる撮像データに基づき発光点の位置を算出し、この発光点位置と所定の基準位置とのずれを求めて、その結果をステージ駆動装置にフィードバックする。すなわち、信号処理装置は、発光点位置を基準位置に合致させるような制御信号をステージ駆動装置に送出し、多軸ステージ装置が備えるＸ，Ｙ軸ステージの駆動を制御して、半導体レーザチップの位置を上記基準位置に合わせる（ステップ３０２〜３０４）。
【０００９】
次に、第２のプロセスとして、ハーフミラーにて反射された反射光を光センサを移動させながら検出し、放射光の２方向の光角度分布をそれぞれ１次元的に計測する。この二つのデータより放射光のビーム角度ずれθＸ 、θＹ が求まる。ここで、θＸ 、θＹ は、それぞれＸＺ平面、ＹＺ平面における所定の基準軸からの開き角度である。信号処理装置は、この角度ずれデータをステージ駆動装置にフィードバックし、ビーム角度ずれをなくすように多軸ステージが備える揺動ステージ（θＸ 軸ステージ及びθＹ 軸ステージ）を駆動させて、半導体レーザの設置角度を基準値に合わせる（ステップ３０５〜３０７）。
【００１０】
上記の半導体評価装置を用いた場合、上記の手順だけでは、θＸ 座標及びθＹ 座標の原点と半導体レーザチップの発光面とを一致させることは非常に難しい。よって、第３のプロセスとして、もう一度第１のプロセスを行い半導体レーザチップの位置を基準位置に合わせる（ステップ３０８〜３１０）。以上により、半導体レーザの位置調整が完了する（ステップ３１１）。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の位置調整装置では、第２のプロセスにおいて光センサを移動させて光角度分布を計測するので、計測対象である半導体レーザに角度ずれがある場合に、単に放射角度がずれているのか、発光点が基準発光位置からずれているために結果として角度ずれが生じているのかを区別して評価できないため、位置ずれ制御のプロセスを角度ずれ制御のプロセスの前後で二度行う必要がある。このため、迅速な位置調整が困難であるという欠点がある。
【００１２】
また、光センサを移動して角度ずれを計測する方法は、光センサの移動時間を要するため、計測時間が比較的長くかかり、その結果として半導体レーザの位置調整も時間がかかるという欠点がある。また、光センサのスキャン範囲外に半導体レーザの最輝点があった場合、角度ずれの制御が不十分となるという問題点もある。
【００１３】
また、上記の半導体レーザ評価装置が備える光学系は対物レンズの前側（半導体レーザ側）にハーフミラーを配置した構成となっている。実際の装置を考えた場合、一般的な半導体レーザの場合その放射角度は半値幅で、水平、垂直それぞれ±１５、±４０°であり、Ｎ．Ａ．０．７程度の対物レンズを用いる必要がある。一般的な顕微鏡の対物レンズの使用を考えると、半導体レーザと対物レンズの間隔は、広いものでも５ｍｍとなり、ハーフミラーを挿入するスペースはなくなる。仮にハーフミラーを設置できた場合でも、光強度を計測する光センサのスキャン範囲が半導体レーザ設置部と干渉してしまい、実際の装置として実現することが困難である。
【００１４】
ハーフミラーを設置可能な対物レンズを用いようとすると、その対物レンズは巨大なものとなり装置全体も巨大かつ重量物となる。また、レンズ外径が大きくなるとレンズ自体のコストも非常に高くなるので好ましくない。さらに、対物レンズの後方にハーフミラーを配置した場合を考えても、光センサのスキャン位置は当然ハーフミラーの後方になる。また、光センサのスキャン位置は、対物レンズの後側焦点位置となる。つまり、対物レンズのバックフォーカスが長いレンズひいては焦点距離の長いレンズが必要となり、当然Ｎ．Ａ．の大きいレンズが必要となるため、大きなレンズ系が必要となる。また、焦点距離の長いレンズを必要するということは、広範囲にわたって光センサをスキャンさせる必要があるという悪条件も重なる。
【００１５】
本発明は、上記の問題点に鑑みなされたもので、半導体レーザ等の光源の位置を迅速かつ好適に調整して、光源の光放射方向と発光点位置を所定の基準光軸及び基準位置に合致させる装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明の光源位置調整装置は、光源の光放射方向及び発光点位置を所定の基準光軸及び基準位置に合致させる装置であって、（ａ）光源から出射した光束を拡大する拡大レンズ系と、（ｂ）拡大レンズ系から出射した光束を第１及び第２の所定光路に進行させる第１の光路設定手段と、（ｃ）第１の光路上に配置され、光源の放射角強度分布を検出する角度ずれ計測部と、（ｄ）第２の光路上に配置され、拡大レンズの結像面上に生じた光源の拡大像を検出する位置ずれ計測部と、（ｅ）光源を平行移動及び揺動させる多軸ステージ装置と、（ｆ）この多軸ステージ装置に駆動信号を送出するステージ駆動手段と、（ｇ）角度ずれ計測部の出力信号に基づいて光源の光出射方向の基準光軸からの軸ずれ角度を求めるとともに、位置ずれ計測部の出力信号に基づいて光源の発光点の基準位置からの変位量を求め、これらの結果に基づいてステージ駆動手段に制御信号を送出する制御手段とを備えている。
【００１７】
光源を多軸ステージ装置に載置した後、光源を発光させると、光源から放射された光束は拡大レンズ系に入射し、拡大しながら進行するようになる。この光束は第１の光路設定手段に入射し、第１及び第２の光路を進行するようになる。第１の光路を進行する光束は角度ずれ計測部に入射する。角度ずれ計測部は、この光束に基づいて光源の放射角強度分布を検出し、この放射角強度分布の情報を制御手段に送出する。制御手段は、この情報に基づいて光源の光放射方向の基準光軸からの軸ずれ角度を求める。一方、第１の光路設定手段を介して第２の光路に進行する光束は、位置ずれ計測部に入射する。位置ずれ計測部は、この光束に基づいて光源の拡大像を検出し、拡大像の情報を制御部に送出する。制御部は、この情報に基づいて光源の発光点の基準位置からの変位量を求める。制御部は、こうして求めた軸ずれ角度及び変位量に基づき、光放射方向や発光点のずれをなくして両者が基準光軸及び基準位置に合致するような多軸ステージの駆動方向、駆動量等を求め、この駆動情報を有する制御信号をステージ駆動手段に送出する。ステージ駆動手段は、この制御信号に応じて多軸ステージ装置に駆動信号を送出し、制御部が命令した駆動を多軸ステージ装置に行わせる。これにより、光源の光放射方向及び発光点位置が基準光軸及び基準位置にほぼ合致するようになる。
【００１８】
第１の光路設定手段は、拡大レンズ系から出射した光束を分岐し、この分岐光束を第１及び第２の光路にそれぞれ進行させるものであっても良い。この場合、角度ずれ計測部及び位置ずれ計測部の双方によって同時に光源の放射光が検出されることになる。
【００１９】
第１の光路設定手段は、拡大レンズ系から出射した光束を受光し、その出射光路を第１及び第２の光路の間で相互に切り替えるものであり、制御手段は、この光路切り替えタイミングを制御して軸ずれ角度及び変位量を求めるものであっても良い。この場合、制御手段により切り替えられた光路上に配置された計測部によって検出が行われ、その検出結果に基づいて制御部が軸ずれ角度又は変位量のいずれかを求めることになる。制御部は、一つの計測が終了した後に、光路を切り替えて他の計測を行い、軸ずれ角度及び変位量の双方を求め、これに基づいて多軸ステージの駆動を制御する。
【００２０】
なお、この光路設定手段としては、例えば、反射鏡及び反射鏡移動機構からなる装置を用いることができる。これは、光源の放射光の光路上に反射鏡を反射鏡移動機構によって挿入できるようにしておいて、反射鏡を挿入して放射光を反射する場合と反射鏡を挿入せずに放射光が直進する場合とで光路を切り替えるものである。反射鏡の挿入タイミングは、制御部が制御すると良い。
【００２１】
角度ずれ計測部は、第１の光路上に配置され、拡大レンズの後側焦点面上に生じた光源の放射角強度分布を再結像させる第１の光学系（例えば、フィールドレンズ及びリレーレンズからなるレンズ系）と、この第１の光学系によって再結像された放射角強度分布を検出する第１の光検出器（例えば、ＣＣＤカメラや固***置検出器等の二次元光検出器）とを備えるものであっても良い。この場合、第１の光路設定手段を介して第１の光路に進行する光束は、まず、第１の光学系に入射する。第１の光学系は、拡大レンズの後側焦点面上に生じている光源の放射角強度分布を第１の光検出器の受光面上に再結像させる。これにより、第１の光検出器は、光源の放射角強度分布を検出し、放射角強度分布情報を有する信号を制御部に送出する。制御部は、この信号に基づいて光源の光放射方向の軸ずれ角度を求めることになる。
【００２２】
位置ずれ計測部は、第２の光路上に配置され、拡大レンズ系の結像面上に生じた光源の拡大像を検出する第２の光検出器（例えば、ＣＣＤカメラや固***置検出器等の二次元光検出器）を備えるものであっても良い。この場合、第１の光路設定手段を介して第２の光路に進行する光束は、第２の光検出器の受光面上で結像する。第２の光検出器は、結像された光源の拡大像を検出し、その像情報を有する信号を制御部に送出する。制御部は、この信号に基づいて光源の発光点の基準位置からの変位量を求めることになる。
【００２３】
また、位置ずれ計測部は、▲１▼第２の光路上において拡大レンズ系の空中拡大像面上に配置され、拡大レンズ系から出射した光束を広範囲計測用の光路及び狭範囲計測用の光路に進行させる第２の光路設定手段と、▲２▼広範囲計測用の光路上に配置され、拡大レンズ系の許容視野全体にわたる光源の空中拡大像を検出する広範囲計測部と、▲３▼狭範囲計測用の光路上に配置され、拡大レンズ系の許容視野の一部における光源の空中拡大像を検出する狭範囲計測部とを備えるものであっても良い。この場合、第１の光路設定手段を介して第２の光路を進行する光束は、第２の光路設定手段に入射し、広範囲計測用の光路及び狭範囲計測用の光路に進行するようになる。広範囲計測部は、広範囲計測用の光路を進行する光束に基づいて拡大レンズ系の許容視野全体にわたる空中拡大像を検出し、その像情報を有する信号を制御部に送出する。制御部は、この信号に基づいて光源の発光点の基準位置からの変位量を求め、多軸ステージの駆動を制御して光源の位置を調整する。狭範囲計測部は、狭範囲計測用の光路を進行する光束に基づいて、拡大レンズ系の許容視野の一部における空中拡大像を検出し、その像情報を有する信号を制御部に送出する。制御部は、この信号に基づいて光源の発光点の基準位置からの変位量を広範囲計測部よりも詳細に求め、多軸ステージの駆動を制御して光源の位置を微調整する。このように、発光点の位置ずれを広範囲及び狭範囲の計測によりそれぞれ求め、広範囲の計測に基づき光源位置の粗調整を行い、さらに、狭範囲の計測に基づいて光源位置の微調整を行うことで、極めて高精度に光源の発光点位置を調整することができる。
【００２４】
第２の光路設定手段は、拡大レンズ系から出射した光束を分岐し、この分岐光束を広範囲計測用の光路及び狭範囲計測用の光路にそれぞれ進行させるものであっても良い。この場合は、広範囲計測部及び狭範囲計測部の双方によって同時に光源の放射光が検出されることになる。
【００２５】
また、第２の光路設定手段は、拡大レンズ系から出射した光束を受光し、その出射光路を広範囲計測用の光路及び狭範囲計測用の光路の間で相互に切り替えるものであり、制御手段は、この光路切り替えタイミングを制御して軸ずれ角度及び変位量を求めるものであっても良い。この場合、制御手段により切り替えられた光路上に配置された広範囲又は狭範囲の計測部によって検出が行われ、その検出結果に基づいて制御部が発光点位置の変位量を求めることになる。通常、制御部は、広範囲の計測を行って発光点位置の粗調整を行った後、光路を切り替えて狭範囲の計測を行い、発光点位置の微調整を行う。
【００２６】
なお、第２の光路設定手段としては、例えば、反射鏡及び反射鏡移動機構からなる装置を用いることができる。これは、第２の光路上に反射鏡を反射鏡移動機構によって挿入できるようにしておいて、反射鏡を挿入して放射光を反射する場合と反射鏡を挿入せずに放射光が直進する場合とで光路を切り替えるものである。反射鏡の挿入タイミングは、制御部が制御すると良い。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面の寸法比率は説明のものと必ずしも一致していない。
【００２８】
実施形態１
図１は、本実施形態の光源位置調整装置の構成を示す図である。この装置は、多軸ステージ装置１０、ステージ駆動装置２０、計測光学系３０、及び制御部４０から構成されている。多軸ステージ装置１０上の光源設置部１１上には光源５０が設置されており、多軸ステージ装置１０を駆動させることで光源５０の位置を調節できるようになっている。ステージ駆動装置２０は、配線によって多軸ステージ装置１０に電気的に接続されており、ステージ制御信号を多軸ステージ装置を送出して多軸ステージ装置１０が備える複数のステージを駆動させるようになっている。計測光学系３０は、光源５０から出射した光を検出し、▲１▼発光点位置の所定の基準位置からの変位量と、▲２▼光源５０の光放射方向の軸ずれ角度を計測するものである。制御部４０は、計測光学系３０により計測したデータをフィードバックする信号をステージ駆動装置２０に送出し、多軸ステージ装置１０の駆動をフィードバック制御するものである。なお、制御部４０には、表示装置６０が接続されており、制御部４０の出力データを画面上に表示するようになっている。
【００２９】
図２は、多軸ステージ装置１０の構造を示す全体斜視図である。多軸ステージ装置１０は、平行移動用のＸ軸ステージ１２、Ｚ軸ステージ１３及びＹ軸ステージ１４と、揺動用のθＸ 軸ステージ１５及びθＹ 軸ステージ１６から構成されている。Ｘ軸ステージ１２はＸ軸方向に、Ｚ軸ステージ１３はＺ軸方向に、Ｙ軸ステージ１４はＹ軸方向にそれぞれ平行移動するものであり、θＸ 軸ステージ１５はＸＺ平面上で、θＹ 軸ステージ１６はＹＺ平面上でそれぞれ揺動する。Ｙ軸ステージ１４は、多軸ステージ装置１０の最下部に位置しており、この上にはＺ軸ステージ１３、Ｘ軸ステージ１２、θＹ 軸ステージ１６、θＸ 軸ステージ１５が順次に設置されている。θＸ 軸ステージ１５の上面には、光源設置部１１が設けられており、その上に光源５０が載置されるようになっている。
【００３０】
計測光学系３０は、対物レンズ３１、ハーフミラー３２、位置ずれ計測用撮像素子３３、フィールドレンズ３４、リレーレンズ３５、及び角度ずれ計測用撮像素子３６から構成されている。このうち、位置ずれ計測用撮像素子３３は、発光点位置の基準位置からの変位量を計測する位置ずれ計測部を構成している。また、フィールドレンズ３４、リレーレンズ３５及び角度ずれ計測用撮像素子３６は、光源５０の光放射方向の基準光軸からの軸ずれ角度を計測する角度ずれ計測部を構成している。
【００３１】
対物レンズ３１は、光源５０から出射する光を拡大する拡大レンズ系である。本実施形態では、光源５０からの光が対物レンズ３１に入射することにより対物レンズ３１の後側焦点面７０上に光源５０の空中像が形成されるように、対物レンズ３１の前側焦点付近に光源５０を配置してある。ハーフミラー３２は、入射する光の約半分を透過させ、残り半分を反射する。これにより、光源５０から放射された光について、位置ずれ計測用撮像素子３３へ向かう第１の光路と、角度ずれ計測用撮像素子３６へ向かう第２の光路が設定されることになる。位置ずれ計測用撮像素子３３及び角度ずれ計測用撮像素子３６は、受光面に入射した光の入射位置を測定する二次元光検出素子である。フィールドレンズ３４は、視野レンズともいわれるもので、対物レンズ３１の口径をリレーレンズ３５の口径上に映すためのレンズ系である。リレーレンズ３５は、対物レンズ３１の後側焦点面７０上の空中像を角度ずれ計測用撮像素子３６の受光面上に再結像させるためのレンズ系である。
【００３２】
ここで、位置ずれ計測用撮像素子３３及び角度ずれ計測用撮像素子３６として、２／３インチＣＣＤカメラ（例えば、Ｃ５９４８、Ｃ５９４０（浜松ホトニクス社製））を用い、さらに、対物レンズ３１として焦点距離が３．４９ｍｍ、Ｎ．Ａ．が０．７、倍率が６０倍のレンズを使用し、制御部４０として画素数が６４０×４８４の画像処理装置を使用した場合を考える。この場合、位置ずれ計測用撮像素子３３に撮像される領域は約１４０×１０５μｍ、画素分解能は０．２２μｍ、角度ずれ計測用撮像素子３６に撮像される領域は最大約±４５°、分解能は０．２°となる。また、リレーレンズ３５を調整し、角度ずれ計測用撮像素子３６に撮像される領域を±１５°とすると、分解能は０．０６°となる。
【００３３】
図３は、本実施形態の光源位置調整装置の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、このフローチャートと図１を参照しながら、本装置による光源５０の位置調整手順と本装置の動作を説明する。
【００３４】
まず、光源５０を光源設置部１１上に設置した後（ステップ１０１）、光源５０を発光させる。光源５０から出射した光は、対物レンズ３１によって拡大された後、ハーフミラー３２によって二光束に分岐される。分岐光束のうちハーフミラー３２で反射された光束は、フィールドレンズ３４、リレーレンズ３５及び角度ずれ計測用撮像素子３６からなる光学系に入射する。本実施形態の装置では、第１のプロセスとして、角度ずれ計測用撮像素子３６へ向かう分岐光束に基づいて光源５０の光放射角度及び光放射方向の基準光軸からの軸ずれ角度を計測し、計測結果に基づいて光源５０の設置角度を調整する（ステップ１０２〜１０４）。以下、この動作を具体的に説明する。
【００３５】
図１において符号７１、７２で示すように、光源５０から出射した光のうち任意の角度成分が集まった光束は平行光である。この様な平行光が対物レンズ３１に入射すると、対物レンズ３１の焦点面上の一点に像を結ぶ。光源５０から出射した光のうち、対物レンズ３１の光軸に対して平行な光束は対物レンズ３１の光軸上の後側焦点位置に像を結ぶ。また、光源５０よりある角度をもって出射した平行光束は、対物レンズ３１の後側焦点面上において、光源５０から出射された角度に対応した距離だけ光軸からずれた位置に、その出射方向の強度に比例した二次元的強度分布を示す空中像を形成する。この様に、対物レンズ３１の後側焦点面７０上には、光源５０の二次元の放射角特性を示す強度分布像（放射角強度分布像）が形成される。
【００３６】
なお、対物レンズ３１の後側焦点面７０上に生じた放射角強度分布像は、光源５０が半導体レーザあるいは光ファイバ出射端である場合には、各々の光源の構造に由来する発光パターンの横モードに対応した強度分布を示しており、一般にファーフィールドパターンと呼ばれるものである。
【００３７】
ハーフミラー３２で反射された分岐光束は、フィールドレンズ３４及びリレーレンズ３５を透過することで、対物レンズ３１の後側焦点面７０上の放射角強度分布像を角度ずれ計測用撮像素子３６の受光面上に必要かつ十分な大きさに結像する。すなわち、フィールドレンズ３４及びリレーレンズ３５は、その協同作業により光源５０の強度分布像を角度ずれ計測用撮像素子３６の受光面上に再結像させることになる。
【００３８】
前述のように光源５０から光軸に対しある角度をもって出射した光は、その角度に応じた距離だけ光軸からずれた位置に像を結ぶ。また、一般的に、光源から出射した光の空間的強度分布はガウス分布である。したがって、角度ずれ計測用撮像素子３６で検出される光束の空間的強度分布の最強点若しくは重心の位置を求めることにより、光源５０の光放射角度を算出することができる。本装置では、制御部４０が角度ずれ計測用撮像素子３６からの放射角信号に基いて光源５０の光放射角度を算出する（ステップ１０２）。
【００３９】
こうして計測された光放射角度は、表示装置６０の画面上に二次元的にＸ、Ｙ表示される。このＸ、Ｙ値は、光源５０の光放射方向をそれぞれＸＺ平面、ＹＺ平面における開き角度で示したものであり、θＸ 、θＹ 座標とそれぞれ等価である。制御部４０は、この計測値をステージ駆動装置２０にフィードバックして、多軸ステージ装置１０を制御する。すなわち、制御部４０は、光放射角度の計測値と所定の基準光軸のθＸ 、θＹ 座標とを一致させるような制御信号（フィードバック信号）をステージ駆動装置２０に送出して、θＸ 軸ステージ１５及びθＹ 軸ステージ１６の駆動を制御する。θＸ 軸ステージ１５及びθＹ 軸ステージ１６の駆動により、光源５０の光放射角度が所定の基準値に調整されることになる。（ステップ１０３）。なお、θＸ ＝θＹ ＝０を基準値とした場合の光放射角度の調整の様子を図４（ａ）及び（ｂ）に示す。
【００４０】
この後、制御部４０は、再度、光源５０の光放射角度を計測し、基準光軸との角度ずれの有無を検査する（ステップ１０４）。このとき、角度ずれが発見された場合には、制御部４０は、光放射角度の計測値と基準光軸のθＸ 、θＹ 座標とを一致させるように再び多軸ステージ装置１０の駆動を制御する。以上の動作が繰り返されることにより、光源５０の光放射方向が極めて高精度に所定方向に調整されることになる。以上が、本装置による位置調整手順の第１のプロセスである。
【００４１】
次に、第２のプロセスについて説明する。光源５０から出射した光束のうちハーフミラー３２を透過したものは、位置ずれ計測用撮像素子３３に向かう。本装置では、第２のプロセスとして、この光束に基づいて光源５０の発光点位置及び発光点の基準位置からの変位量を計測し、その計測結果に基づいて、第１のプロセスによりあおり角度が調整された光源５０の発光点の位置ずれをなくすように光源５０の位置を調整する（ステップ１０５〜１０７）。
【００４２】
ハーフミラー３２を透過した分岐光束は、対物レンズ３１の拡大作用により、位置ずれ計測用撮像素子３３の受光面上に光源５０の１０倍〜１００倍の拡大像を結像する。この拡大像は撮像素子３３により撮像され、拡大像の画像情報を表す拡大像信号が制御部４０に送出される。この拡大像信号に基づいて拡大像を解析すれば、光源５０の発光点位置を算出し、基準位置からのずれを求めることができる（ステップ１０５）。
【００４３】
制御部４０は、この拡大像信号に基づいて表示装置６０の画面のＸＹ平面上に光源５０の拡大像を表示する。この拡大像は、Ｚ軸ステージ１３を駆動させることにより大きさが変化する。この像が最小になるように、すなわちピントが合うようにＺ軸ステージ１３の駆動を制御することによって発光点のＺ軸方向の位置ずれを低減することができる。また、表示装置６０の画面上の像位置を表すＸ、Ｙ値は、それぞれＸ軸ステージ１２、Ｙ軸ステージ１４の座標と等価である。制御部４０は、この計測値をステージ駆動装置２０にフィードバックする。すなわち、発光点位置の計測値と所定の基準発光位置のＸ、Ｙ座標とを一致させるような制御信号（フィードバック信号）をステージ駆動装置２０に送出して、Ｘ軸ステージ１２及びＹ軸ステージ１４の駆動を制御する。これにより、光源５０の発光点が所定の基準位置に合致するように光源５０の位置が調整されることになる（ステップ１０６）。なお、Ｘ＝Ｙ＝Ｚ＝０を基準位置とした場合の発光点位置の調整の様子を図４（ｃ）〜（ｅ）に示す。
【００４４】
この後、制御部４０は、再度、光源５０の発光点位置を計測し、基準位置からの位置ずれの有無を検査する（ステップ１０７）。このとき、位置ずれが発見された場合には、制御部４０は、発光点位置の計測値と基準位置とのＸＹＺ座標を一致させるように再び多軸ステージ装置１０の駆動を制御する。以上の動作が繰り返されることにより、光源５０の発光点位置が高精度に所定の位置に調整されることになる。以上が、本装置による位置調整手順の第２のプロセスである。この第２プロセスの完了をもって、本装置による光源５０の位置調整作業が終了する（ステップ１０８）。
【００４５】
以上のように、本装置では、角度ずれ及び発光点位置ずれの計測をリアルタイムで行っている。また、光源５０の放射角強度分布の計測データ内に発光点の位置情報が含まれていないので、角度ずれ計測時に先立って光源５０の設置位置を正確に合わせる必要がなく、従来よりもプロセスの少ない計測が可能である。この結果、本装置によれば、迅速な光源の位置調整が可能である。
【００４６】
また、本装置は、光源５０の発光点位置ずれ及び光放射角度ずれの計測結果を繰り返しフィードバックして多軸ステージ１０の駆動を制御するので、光源５０の発光点位置及び光放射方向を所定の位置及び方向に精度良く調整することができる。
【００４７】
このため、本装置を用いれば、光源の発光位置やあおりの高精度な制御が可能であり、光源をハウジングに精度良くマウントすることができるので、結果的に出射ビームの位置及び出射ビーム方向のばらつきの少ない発光体（例えば、半導体レーザ素子、ＳＬＤ、ＬＥＤ、光導波路、光ファイバなど）を容易に供給することができる。また、本装置を用いて光源の位置を調整することで、光源と光学素子（光ファイバ、光導波路など）を容易に効率良く接続することができる。
【００４８】
なお、本装置において、位置ずれ計測用撮像素子３３及び角度ずれ計測用撮像素子３６としてはＣＣＤカメラを用いたが、この代わりに固***置検出器を用い、光源の放射光の重心位置を求めるようにしてもよい。
【００４９】
実施形態２
図５は、本実施形態の光源位置調整装置の構成を示す図である。この装置は多軸ステージ装置１０、ステージ駆動装置２０、対物レンズ８１、ハーフミラー８２ａ及び８２ｂ、角度ずれ計測部１６０、広範囲位置ずれ計測部１６１、狭範囲位置ずれ計測部１６２、及び制御部４１から構成されている。角度ずれ計測部１６０は、フィールドレンズ８４ａ、リレーレンズ８５ａ及び角度ずれ計測用撮像素子８６から構成されている。広範囲位置ずれ計測部１６１は、フィールドレンズ８４ｂ、リレーレンズ８５ｂ及び広範囲位置ずれ計測用撮像素子８７から構成されている。狭範囲位置ずれ計測部１６２は、結像レンズ８３及び狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８８から構成されている。
【００５０】
対物レンズ８１は、光源５０の出射光を拡大する拡大レンズ系であり、光源５０から出射した光が対物レンズ８１に入射することで、対物レンズ８１の後側焦点面上に光源５０の拡大空中像が形成されるようになっている。
【００５１】
ハーフミラー８２ａは、入射する光の約半分を透過させ、残り半分を反射する。これにより、光源５０からの光についてハーフミラー８２ｂへ向かう第１の光路と、角度ずれ計測部８６へ向かう第２の光路が設定されることになる。
【００５２】
ハーフミラー８２ｂは、対物レンズ８１によって結像された空中拡大像９０の面上において、対物レンズ８１及び結像レンズ８３からなる光学系の光軸に対して鏡面の法線が４５度の角度をなすように傾けて設置されており、ハーフミラー８２ａを透過した光束の約半分を透過させ、残り半分を反射する。これにより、ハーフミラー８２ａを透過した光束について広範囲位置ずれ計測部１６１ヘ向かう光路と狭範囲位置ずれ計測部１６２へ向かう光路が設定されることになる。また、上記のようにハーフミラー８２ｂを配置することで、広範囲位置ずれ計測用撮像素子８７及び狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８８の各撮像視野における光源５０の拡大像の位置が一致する（例えば、拡大像が撮像素子８７の撮像視野の中心に位置する時は、撮像素子８８においても拡大像は撮像視野の中心に位置する）ようになる。
【００５３】
結像レンズ８３は、ハーフミラー８２ｂの後側に配置されており、対物レンズ８１によって拡大結像された空中像９０を狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８７の受光面上に必要かつ十分な大きさに拡大結像させる。なお、結像レンズ８３の倍率は、通常、５〜２０倍程度とする。
【００５４】
フィールドレンズ８４ａ及び８４ｂは、対物レンズ８１の口径をそれぞれリレーレンズ８５ａ、８５ｂの口径上に映すためのレンズ系である。リレーレンズ８５ａ及び８５ｂは、対物レンズ８１の後側焦点面上の空中像をそれぞれ角度ずれ計測用撮像素子８６、広範囲位置ずれ計測用撮像素子８８の受光面上に再結像させるためのレンズ系である。
【００５５】
角度ずれ計測用撮像素子８６、狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８７及び広範囲位置ずれ計測用撮像素子８８は、受光面に入射した光の二次元的強度分布を検出する二次元光検出素子である。
【００５６】
制御部４１は、各撮像素子８６〜８８から送られてくる撮像情報信号に基づいて光源５０の発光位置ずれ及び光放射角度ずれを算出し、その算出データに基づいてステージ駆動装置２０にフィードバック信号を送出し、多軸ステージ装置１０の駆動を制御する。制御部４１には、本装置の動作確認用の表示装置６０が接続されており、制御部４１が取得した撮像情報に基づいて、光源５０の発光位置ずれ及び光放射角度ずれの様子を画面上に表示するようになっている。
【００５７】
ここで、本実施形態の光源位置調整装置において、角度ずれ計測用撮像素子８６、狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８７及び広範囲位置ずれ計測用撮像素子８８として、２／３インチＣＣＤカメラ（例えば、Ｃ５９４８、Ｃ５９４０（浜松ホトニクス社製））を用い、さらに、対物レンズ３１として焦点距離が３．４９ｍｍ、Ｎ．Ａ．が０．７、倍率が６０倍のレンズを使用し、さらに、制御部４１として画素数が６４０×４８４の画像処理装置を使用した場合を考える。この場合、広範囲位置ずれ計測用撮像素子８８に撮像される領域は約１４０×１０５μｍ、画素分解能は０．２２μｍ、狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８７に撮像される領域は約１４×１０μｍ、画素分解能は０．０２μｍ、角度ずれ計測用撮像素子８６に撮像される領域は最大約±４５°、分解能は０．２°となる。また、リレーレンズ８５ａを調整し、角度ずれ計測用撮像素子８６に撮像される領域を±１５°とすると、分解能は０．０６°となる。
【００５８】
図６は、本実施形態の光源位置調整装置の動作を説明するためのフローチャートである。以下では、このフローチャートと図５を参照しながら、本装置の動作を説明する。
【００５９】
まず、光源５０を光源設置部１１上に設置した後（ステップ２０１）、光源５０を発光させる。光源５０から出射した光は、対物レンズ８１によって拡大された後、ハーフミラー８２ａによって二光束に分岐される。分岐光束のうちハーフミラー８２ａで反射された光束は、角度ずれ計測部１６０に入射する。本装置では、第１のプロセスとして、この分岐光束に基づいて光源５０の光放射角度を計測し、その計測結果に基づいて光源５０の設置角度を調整する（ステップ２０２〜２０４）。以下、この動作を具体的に説明する。
【００６０】
ハーフミラー８２ａで反射された分岐光束は、フィールドレンズ８４ａ及びリレーレンズ８５ａを透過することで、対物レンズ８１の後側焦点面７３上の空中像を角度ずれ計測用撮像素子８６の受光面上に必要かつ十分な大きさに結像する。すなわち、フィールドレンズ８４ａ及びリレーレンズ８５ａは、その協同作業により光源５０の空中像を角度ずれ計測用撮像素子８６の受光面上に再結像させることになる。既に説明したように、対物レンズ８１の後側焦点面７３には、光源５０の二次元の放射角特性を示す放射角強度分布像が形成されていることになるから、角度ずれ計測用撮像素子８６の受光面上にも光源５０の放射角強度分布像が再結像される。そして、実施形態１で既に述べたように、角度ずれ計測用撮像素子８６で検出される空間的強度分布の最強点若しくは重心の位置を求めることにより、光源５０の光放射角度を算出することができる。本装置では、制御部４１が角度ずれ計測用撮像素子８６からの放射角信号に基いて光源５０の光放射角度を算出する（ステップ２０２）。
【００６１】
こうして計測された光放射角度は、表示装置６０の画面上に二次元的にＸ、Ｙ表示される。このＸ、Ｙ値は、θＸ 、θＹ 座標とそれぞれ等価である。制御部４１は、この計測値と所定の基準光軸のθＸ 、θＹ 座標とを一致させるような制御信号（フィードバック信号）をステージ駆動装置２０に送出して、θＸ 軸ステージ１５及びθＹ 軸ステージ１６の駆動を制御する（ステップ２０３）。これにより、光源５０の光放射角度が所定の基準値に合致するように調整される。
【００６２】
この後、制御部４１は、再度、光源５０の光放射角度を計測し、基準光軸との角度ずれの有無を検査し（ステップ２０４）、角度ずれが発見された場合には、制御部４１は、光放射角度の計測値と基準光軸のθＸ 、θＹ 座標とを一致させるように再び多軸ステージ装置１０の駆動を制御する。以上の動作が繰り返されることにより、光源５０の光放射方向が極めて高精度に所定方向に調整されることになる。以上が、本装置による位置調整手順の第１のプロセスである。
【００６３】
次に、第２及び第３のプロセスについて説明する。光源５０から出射した光束のうちハーフミラー８２ａを透過したものは、ハーフミラー８２ｂに入射する。本装置では、この光束に基づいて光源５０の発光点位置を計測し、その計測結果に基づいて、第１のプロセスによりあおり角度を調整された光源５０の発光点の位置ずれをなくすように光源５０の位置を調整する（ステップ２０５〜２１０）。
【００６４】
ハーフミラー８２ｂの中心部を透過した光束は、結像レンズ８３に入射し、その結像作用によって、対物レンズ８１により拡大結像された空中像９０を狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８８の受光面上に必要かつ十分な大きさに拡大結像する。また、ハーフミラー８２ｂによって反射された光束は、フィールドレンズ８４ｂ及びリレーレンズ８５ｂの協同作業により対物レンズ８１の許容視野全体の空中拡大像を広範囲位置ずれ計測用撮像素子８７の受光面上に再結像させる。
【００６５】
図７に示すように、狭範囲位置ずれ用撮像素子８８は、広範囲位置ずれ用撮像素子８７の撮像視野の中心部の１／５〜１／２０の範囲をその撮像視野の全体で撮像していることになる。このため、狭範囲位置ずれ計測部１６２によれば、より精密な発光点位置ずれの計測が可能となる。但し、狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８８は、１０〜２０μｍ角程度の微小な範囲を拡大計測するため、光源５０の像をその撮像視野内に配置させることが難しい。しかしながら、広範囲位置ずれ用撮像素子８７により位置ずれを計測して光源５０の位置を調整した後であれば、光源５０の像は狭範囲位置ずれ用撮像素子８８の撮像視野内に位置するようになる。
【００６６】
このことに鑑み、本装置では、まず、第２のプロセスとして、広範囲位置ずれ計測用撮像素子８７が出力する光源５０の拡大像信号に基づき、制御部４１が光源５０の発光点の位置ずれを算出する（ステップ２０５）。制御部４１は、表示装置６０の画面のＸＹ平面上に光源５０の拡大像を表示する。この拡大像が最小になるようにＺ軸ステージ１３の駆動を制御することによって発光点のＺ軸方向の位置ずれを低減することができる。また、表示装置６０の画面上の像位置を表すＸ、Ｙ値は、それぞれＸ軸ステージ１２、Ｙ軸ステージ１４の座標と等価である。制御部４１は、この計測値と所定の基準発光位置のＸ、Ｙ座標とを一致させるような制御信号（フィードバック信号）をステージ駆動装置２０に送出して、Ｘ軸ステージ１２及びＹ軸ステージ１４の駆動を制御する。これにより、光源５０の発光点が所定の基準位置に合致するように光源５０の位置が調整されることになる（ステップ２０６）。
【００６７】
この後、制御部４０は、再度、光源５０の発光点位置を計測し、基準位置からの位置ずれの有無を検査し（ステップ２０７）、位置ずれが発見された場合には、制御部４１は、発光点位置の計測値と基準位置とを一致させるように再び多軸ステージ装置１０の駆動を制御する。以上の動作が繰り返されることにより、光源５０の発光点位置が高精度に所定の位置に調整されることになる。以上が、本装置による位置調整手順の第２のプロセスである。
【００６８】
本装置では、さらに、第３のプロセスとして、狭範囲位置ずれ計測用撮像素子８８が出力する拡大像信号に基づいて制御部４１が光源５０の発光点位置のずれを再度算出し、この算出結果に基づいてＺ軸ステージ１３、並びにＸ軸ステージ１２及びＹ軸ステージ１４を駆動させ、光源５０の位置を再調整する（ステップ２０８〜２１０）。狭範囲位置ずれ計測部１６２によれば、光源５０の発光点について詳細な位置情報を得ることができるので、光源５０の発光点の位置をより高い精度で調整することが可能である。この第３プロセスの完了をもって、本装置による光源５０の位置調整が終了する（ステップ２１１）。なお、狭範囲位置ずれ計測部１６２によれば、光源の放射角特性や近視野像の計測も合わせて行うことができる。
【００６９】
この様に、本装置では、広範囲位置ずれ計測部１６１の計測結果に基づく位置調整の後で、さらに狭範囲位置ずれ計測部１６２の計測結果に基づく微調整を行うので、極めて高い精度で光源５０の発光点位置を調整することができる。
【００７０】
なお、本装置では、ハーフミラー８２ｂを用いて光源５０からの光束を広範囲位置ずれ計測部１６１に向かう光束と狭範囲位置ずれ計測部１６２に向かう光束に分岐したが、代わりに、光軸上において直径１４μｍ程度の穴があいた反射鏡９１を用いることもできる。図８は、この反射鏡９１を設置した例を示す図である。この様な反射鏡９１を設置した場合でも、広範囲位置ずれ計測部１６１及び狭範囲位置ずれ計測部１６２のいずれかにより光源５０の像が検出されるので、光源５０の位置調整を行うことができる。ハーフミラーを用いる場合と異なり、各計測部１６１、１６２に向かう光束の光量が低減されないので、反射鏡を用いる方法は、光源５０の光量が小さい場合の一つの有効な手段となり得る。
【００７１】
【発明の効果】
以上、詳細に説明した通り、本発明の光源位置調整装置では、軸ずれ角度の計測に先立って光源の位置を調整する必要がなく、軸ずれ角度及び発光点の基準位置からの変位量の計測をリアルタイムで迅速に行うことができるので、迅速な光源の光放射方向と発光点位置を所定の基準光軸及び基準位置に迅速に合致させることができる。このため、本装置を用いれば、光源をハウジングに精度良くマウントして出射ビーム位置及び出射ビーム方向のばらつきの少ない発光体を容易に供給することができる。また、本装置を用いれば、光源と光学素子を容易に効率良く接続することができる。
【００７２】
また、特に、位置ずれ計測部が、第２の光路設定手段、広範囲計測部及び狭範囲計測部を備えている光源位置調整装置では、広範囲計測部の検出結果に基づき光源位置の粗調整を行った後、さらに、狭範囲計測部の検出結果に基づき光源位置の微調整を行うので、極めて高い精度で光源の発光点位置を基準位置に合致させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一形態の構成を示す平面図である。
【図２】多軸ステージ装置１０の構成を示す全体斜視図である。
【図３】本発明の一形態による位置調整手順を示すフローチャートである。
【図４】光源５０の光放射角度ずれ及び発光点位置ずれの補正を示す図である。
【図５】本発明の他の形態の構成を示す平面図である。
【図６】図５の装置による位置調整手順を示すフローチャートである。
【図７】広範囲位置ずれ用撮像素子８７及び狭範囲位置ずれ用撮像素子８８の撮像視野を示す図である。
【図８】図５の装置において、ハーフミラー８２ｂの代わりに反射鏡９１を設置した例を示す図である。
【図９】従来の位置調整装置による位置調整手順を示すフローチャートである。
【符号の説明】
１０…多軸ステージ装置、２０…ステージ制御装置、３０…計測光学系、３１…対物レンズ、３２…ハーフミラー、３３…位置ずれ計測用撮像素子、３４…フィールドレンズ、３５…リレーレンズ、３６…角度ずれ計測用撮像素子、４０…制御部、５０…光源、６０…表示装置。
Claims (5)
- 光源の光放射方向及び発光点位置を所定の基準光軸及び基準位置に合致させる光源位置調整装置であって、
前記光源から出射した光束を拡大する拡大レンズ系と、
前記拡大レンズ系から出射した光束を第１及び第２の光路に進行させる第１の光路設定手段と、
前記第１の光路上に配置され、前記光源の放射角強度分布を検出する角度ずれ計測部と、
前記第２の光路上に配置され、前記拡大レンズの結像面上に生じた前記光源の拡大像を検出する位置ずれ計測部と、
前記光源を平行移動及び揺動させる多軸ステージ装置と、
前記多軸ステージ装置に駆動信号を送出するステージ駆動手段と、
前記角度ずれ計測部の出力信号に基づいて前記光源の光出射方向の前記基準光軸からの軸ずれ角度を求めるとともに、前記位置ずれ計測部の出力信号に基づいて前記光源の発光点の前記基準位置からの変位量を求め、これらの結果に基づいて前記ステージ駆動手段に制御信号を送出する制御手段と、
を備え、
前記第１の光路設定手段は、前記拡大レンズ系から出射した光束を分岐し、この分岐光束を前記第１及び第２の光路にそれぞれ進行させるものである、光源位置調整装置。 - 光源の光放射方向及び発光点位置を所定の基準光軸及び基準位置に合致させる光源位置調整装置であって、
前記光源から出射した光束を拡大する拡大レンズ系と、
前記拡大レンズ系から出射した光束を第１及び第２の光路に進行させる第１の光路設定手段と、
前記第１の光路上に配置され、前記光源の放射角強度分布を検出する角度ずれ計測部と、
前記第２の光路上に配置され、前記拡大レンズの結像面上に生じた前記光源の拡大像を検出する位置ずれ計測部と、
前記光源を平行移動及び揺動させる多軸ステージ装置と、
前記多軸ステージ装置に駆動信号を送出するステージ駆動手段と、
前記角度ずれ計測部の出力信号に基づいて前記光源の光出射方向の前記基準光軸からの軸ずれ角度を求めるとともに、前記位置ずれ計測部の出力信号に基づいて前記光源の発光点の前記基準位置からの変位量を求め、これらの結果に基づいて前記ステージ駆動手段に制御信号を送出する制御手段と、
を備え、
前記角度ずれ計測部は、前記第１の光路上に配置され、前記拡大レンズの後側焦点面上に生じた前記光源の放射角強度分布を再結像させる第１の光学系と、前記第１の光学系により再結像された放射角強度分布を検出する第１の光検出器とを備えている、光源位置調整装置。 - 光源の光放射方向及び発光点位置を所定の基準光軸及び基準位置に合致させる光源位置調整装置であって、
前記光源から出射した光束を拡大する拡大レンズ系と、
前記拡大レンズ系から出射した光束を第１及び第２の光路に進行させる第１の光路設定手段と、
前記第１の光路上に配置され、前記光源の放射角強度分布を検出する角度ずれ計測部と、
前記第２の光路上に配置され、前記拡大レンズの結像面上に生じた前記光源の拡大像を検出する位置ずれ計測部と、
前記光源を平行移動及び揺動させる多軸ステージ装置と、
前記多軸ステージ装置に駆動信号を送出するステージ駆動手段と、
前記角度ずれ計測部の出力信号に基づいて前記光源の光出射方向の前記基準光軸からの軸ずれ角度を求めるとともに、前記位置ずれ計測部の出力信号に基づいて前記光源の発光点の前記基準位置からの変位量を求め、これらの結果に基づいて前記ステージ駆動手段に制御信号を送出する制御手段と、
を備え、
前記位置ずれ計測部は、
前記第２の光路上において前記拡大レンズ系の空中拡大像面上に配置され、前記拡大レンズ系から出射した光束を広範囲計測用の光路及び狭範囲計測用の光路に進行させる第２の光路設定手段と、
前記広範囲計測用の光路上に配置され、前記拡大レンズ系の許容視野の全体にわたる前記光源の空中拡大像を検出する広範囲計測部と、
前記狭範囲計測用の光路上に配置され、前記拡大レンズ系の許容視野の一部における前記光源の空中拡大像を検出する狭範囲計測部と、
を備えている、光源位置調整装置。 - 前記第２の光路設定手段は、前記拡大レンズ系から出射した光束を分岐し、この分岐光束を前記広範囲計測用の光路及び前記狭範囲計測用の光路にそれぞれ進行させるものである、請求項３記載の光源位置調整装置。
- 前記第２の光路設定手段は、前記拡大レンズ系から出射した光束を受光し、その光束の出射光路を前記広範囲計測用の光路及び前記狭範囲計測用の光路の間で相互に切り替えるものであり、
前記制御手段は、この光路切り替えタイミングを制御して前記軸ずれ角度及び変位量を求める、請求項３記載の光源位置調整装置。
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