JP2860741B2 - 光学系の構成方法および光学系構造体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は光通信や光コンピュータ
などの光情報処理で必要となる光学系の構成方法および
光学系構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、三次元空間にある物体の位置お
よび姿勢を調整する場合、調整の機構や方法に関係なく
直交する三軸（Ｘ，Ｙ，Ｚ）と、これらの軸を中心とす
る三つの回転軸（α，β，γ）の六軸を調整（物体の形
状が回転対象といった特殊な場合などでは、一つか二つ
の回転角調整が不要になることもある）しなければなら
ない。これに対して従来の光学系の構成では、光部品の
形状に合わせた種々の形状を有するホルダを用いて光部
品を保持し、かつ各光部品の位置や姿勢を調整してそれ
ぞれの光軸を一致させるために、機械的な調整機構を設
けたホルダを用いて、これらのホルダを光学定盤の上に
並べた構成法が採られている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな従来の光学系の構成作業は暗い環境の中で光ビーム
を当てながら、光学定盤上の光部品を個別に六軸調整し
なければならず作業が煩雑で、しかも光学系の実現に長
時間を要するという問題があった。また、光学部品が位
置や角度を調整する機構の付いたホルダに保持されてい
て、そのホルダが光学定盤の上に並べられているだけで
一体構造になっていないため、光学系全体の小型化が困
難となり、運搬移動することができず使用場所が限定さ
れるという欠点もある。さらに構成部品に変更があると
光学系全体を再調整しなければならず、光学系の設計変
更に対する柔軟性がないことも問題で、これは従来の構
成法では類似の光学系に対する汎用性がないため、個々
の光学系について個別に対応しなければならず、その結
果、光学系自体が非常に高価なものになることが避けら
れない。このようにホルダと光学定盤を用いる従来の光
学構成法には、多くの問題があり、このままでは実用的
な光学系とはならない。

【０００４】したがって、本発明は上記したような従来
の問題点に鑑みてなされたもので、その目的とするとこ
ろは、光部品の位置、姿勢調整に関する作業性の向上、
光学系全体の小型化と可搬性の向上、光学系の設計変更
に対する柔軟性の向上、汎用性の向上により光学システ
ム自体の低コスト化等を図るようにした光学系の構成方
法および光学系構造体を提供することにある。

【０００５】これらの課題を解決するための本発明の基
本的な考え方は以下の通りである。 （１）光部品の位置姿勢調整作業の高能率化について
は、光部品の六軸調整を１回の作業で行なうのではな
く、２回以上の複数回に分けて１回当たりの調整軸の数
を減らし、またホルダの形状などを工夫して調整作業を
簡単にする。さらに光学定盤という限定場所ではなく、
作業し易い環境下で行なう。 （２）光学系全体の小型化と可搬性については、光部品
を保持するホルダ部と調整機構部を分離し、調整の後は
ホルダ部だけを残して小型化を図り、各ホルダをハウジ
ング枠で固定して一体構造とすることにより可搬性を確
保する。 （３）光学系の設計変更に対する柔軟性については、あ
る機能を実現するために必要な部品群をブロック化し、
このブロックを単位として光学系に追加したりあるいは
除いたりして、移動調整する個数を減らすと共に、ブロ
ック端面の接触と簡単な調整だけで光学的接続が得られ
るようにする。 （４）非汎用性に由来する光学系自体の高コスト化につ
いては、ガイドフレームという規格化された部品を用い
ることにより、組立対象である各種光学部品を規格化
し、生産段階での取り扱いを容易にすることで、生産コ
ストの減少を図る。 以上の考え方を実現する方法として、本発明では光部品
の形状や寸法に影響されることなく高精度で任意の光部
品を固定保持できるガイドフレームを用い、単数または
複数のガイドフレームからなるブロックを構成し、これ
らのブロックをハウジング枠によって機械的に固定して
全体が一体構造となる光学系の構成方法および光学系構
造体を発明した。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る光学系の構成方法は、光部品搭載用のガ
イドフレームと、光部品を所定の間隔に保つスペーサフ
レームを用いて、１つの光部品を１つのガイドフレーム
に固定し、これら光部品搭載済ガイドフレーム単体と少
なくとも１つのスペーサフレームを介して２つ以上の光
部品搭載済ガイドフレームを組合わせてブロックを構成
し、当該ブロックにおける光軸に垂直な平面上にある面
を相互に接触させることで前記光部品を所定の位置に位
置決めし、さらに前記ブロックをハウジングを構成する
枠に固定して全体を一体構造とするものである。また、
本発明に係る光学系構造体は、上記光学系の構成方法に
したがって作成された、光部品、ガイドフレーム、スペ
ーサフレーム、ハウジングを構成する枠等から構成され
ていて、全体が一体構造をなすものである。

【０００７】

【作用】本発明による光学系の構成方法は、光部品搭載
用ガイドフレームと少なくとも１つのスペーサフレーム
を用いて１つの光部品を保持するブロックを構成する。
ガイドプレームとスペーサフレームは当該ブロックにお
ける光軸に垂直な平面上にある面が相互に接触すること
で前記光部品を所定の位置に位置決めする。ブロックと
ハウジングを構成する枠は一体的に結合固定されること
で光学系を構成する。本発明による光学系構造体は、上
記発明にしたがって作成されるものであって、光部品、
ガイドフレーム、スペーサフレーム、ハウジングを構成
する枠等からなり、全体が一体構造をなす。

【０００８】

【実施例】以下、本発明を図面に示す実施例に基づいて
詳細に説明する。図１は本発明に係る光学系の構成方法
の手順を示す図である。同図において、本発明による光
学系の構成方法は、ガイドフレーム、スペーサフレー
ム、ブロック構造枠、ハウジング枠等の構成部品を作成
する工程１、ガイドフレームに光部品を搭載し、位置決
め、接着固定する工程２、光部品搭載ガイドフレームと
スペーサフレームを交互に並べて所定の機能を有するブ
ロックを構成する工程３と、これらの機能ブロックにつ
いて光軸に垂直な平面上にある面が相互に接触するよう
に並べ、光部品をハウジング枠を利用して所定の位置に
整列させ、最後にハウジング枠で機械的に固定し、全体
を一体構造の光学系とする工程４からなっている。

【０００９】図２は光部品搭載ガイドフレーム１０を上
述の工程２により作成する際の模式図である。ここでは
ガイドフレーム５の中心６と光部品７の光軸９を一致さ
せることが目的である。これによって以後の調整作業を
大幅に簡単にすることができる。具体的には、ガイドフ
レーム５の外形を基準として決まる機械的中心軸６（形
状の中心軸に対する光部品７の疑似光軸８（光部品の形
状中心軸で、真の光軸９はこの近傍に存在すると仮定）
を合わせることにより、機械的中心軸６と真の光軸９が
平行（２軸のアオリ角調整）になり、さらにビーム基準
で真の光軸９と機械的中心軸６を一致（ＸＹ軸調整）さ
せ、続いてガイドフレーム５と光部品７との両者の形状
から決まるＸＹ面上の回転角γを調整する。この段階
で、光部品間の距離を規定するＺ軸以外の５軸調整が終
了したことになる。

【００１０】図３は上記工程３で作成される機能ブロッ
ク構成図である。まず、ブロック構成枠１２に対して光
部品搭載ガイドフレーム１０とスペーサフレーム１１の
外形が接触するように、２種類のフレームを必要数交互
に積み重ねる。ここで、ガイドフレーム１０とスペーサ
フレーム１１が組み合わされることでＺ軸調整が終了し
三次元空間に存在する物体の位置と姿勢を決定するに必
要な６軸調整が全て完了する。同時にガイドフレーム１
０上に搭載されている複数の光部品７の真の光軸９が一
致し、以降の光学系構成操作では角度と並行移動調整が
不要の機能ブロックが形成できたことになる。

【００１１】ここで用いるガイドフレーム１０の特徴
は、その外形寸法や平行度、平坦度は高精度であるが、
内部の中空穴１０ａの形状は保持する光部品７の形状や
大きさによって変えることができ、寸法精度も必要とし
ないものである。一方、スペーサフレーム１１ではガイ
ドフレーム１０と接触して光部品相互の距離を規定する
前後２つの面の平行度、平坦度および長さの寸法精度が
重要である。ただし、スペーサフレーム１１の長さは光
部品７の組合せによって決まるため、あるスペーサフレ
ームは特定の光部品間でのみ使用する。

【００１２】図４は上記工程４で作成される機能ブロッ
クをハウジング枠上に並べて全体が一体構造になった光
学系を示す図である。各ブロック１３，１４の光軸はブ
ロックの外周を基準として決まっているので、ハウジン
グ枠１５上に並べるだけで真の光軸が一致する。続い
て、各ブロック１３，１４をハウジング枠１５に機械的
に固定して全体を一体構造とする。このハウジング枠１
５については光学系全体を一体構造に保持できる構造
と、外力に対して光軸が変形しないだけの機械的強度が
あれば十分である。また、光学系の設計変更によって光
学系構成の一部を変える必要が生じた場合には、変更内
容に応じて該当するブロックを抜いたり、他のブロック
と置き換えたり、あるいは新しいブロックを追加するこ
とになるが、いずれの場合にも図４に示した光学系を構
成するため接続操作を実行すればよい。このとき変更し
たブロックとその前後のブロックとの間隔調整が問題に
なるが、これには所定の間隔を確保したスペーサフレー
ムを用いる。

【００１３】以上説明したように、本発明のポイントは
形状や大きさの異なる光部品を仕様が同じガイドフレー
ムに搭載することによる部品レベルでの規格化と、複数
の部品を一つにしたブロック化による機能レベルでの規
格化を実現したことで、この結果、実用的な新しい光学
系の構成が可能になった。以下、本発明の効果を実施例
に沿って詳細に説明する。

【００１４】図５はサバール板を用いたレンズの収差測
定用光学系を示す図である。２０，２１はコンデンサレ
ンズ、２２は干渉フィルタ、２３はピンホール、２４は
被検レンズ、２５，２６は９０°ずれた偏光子、２７は
サバール板、２８は結像レンズで、照明ランプ２９を除
いて９個の光部品からなっているが、機能的には光源集
光部３０、測定対象物３１、検出部３２、観察部３３の
４つの機能ブロックにまとめられる。

【００１５】これらの光部品を搭載するガイドフレー
ム、およびスペーサフレームの作製法を図６（ａ）、
（ｂ）に示す。まず４枚の金属板３４，３５，３６，３
７で中空の箱を構成し（ａ）、４隅の角度が直角になる
ように外周４面を研磨してから、一定の厚さの額縁状の
枠を多数切り出す（ｂ）。続いて、これら額縁枠の切り
出し面を一括で研磨して、平坦度、平行度および寸法の
揃った同一形状のガイドフレーム３８を多数作製する。
このときガイドフレーム３８の寸法は、光学系構成光部
品の中で最大のものより大きくする。フレームには金属
以外に、セラミックスやガラスなどの硬質材料を使うこ
とも可能である。スペーサフレームもガイドフレームと
基本的には同じ方法で作製するが、スペーサフレームの
寸法について、面の大きさは外周部がガイドフレームと
同じで、内周部は最大の光学部品よりも大きくし、長さ
は光部品の組合せによって異なるため、光学系の設計で
求まる部品間距離とガイドフレーム３８の厚さを考慮し
て求める。

【００１６】図７（ａ），（ｂ），（ｃ）はガイドフレ
ームに光部品を搭載するための操作方法を示す図であ
る。一般に光部品４３をガイドフレーム４２に搭載する
場合、Ｈｅ−Ｎｅレーザの基準ビーム３９に対して、は
じめにガイドフレーム４２の機械的中心軸を一致させ、
次に光部品４３の疑似光軸を合わせ、最後に基準ビーム
３９の垂直面上での回転角ずれ（γ）を調整する、とい
う順序で行なう。しかし、実際の光部品４３は形状や光
学的性質から、このうちいくつかの調整操作を省略する
ことができる。ここでは、コンデンサレンズと偏光子に
ついて、具体的な調整方法を説明する。他の光部品につ
いても同様に構成することができる。

【００１７】基準ビーム３９とレンズ４３の機械的中心
軸の合わせ方は、ガイドフレーム４２にガラス製のスク
リーン４０を載せ、ガイドフレーム４２の外周基準から
幾何学的に求まる機械的中心軸線をマークし、このマー
ク４１と基準ビーム３９が一致するようにガイドフレー
ム４２をＸＹ方向に移動調整して固定する（ａ）。この
後、機械的中心軸マーク４１と基準ビーム３９を一致さ
せた状態でガラス製スクリーン４０を上方に移す。基準
ビーム３９とレンズ４３の疑似光軸の合わせ方は、まず
レンズ４３の形状中心として求まる疑似光軸について、
粘着性の着色透明フィルム４４に小さな穴４５を開け、
この穴４５がレンズ４３の形状中心にくるように着色透
明フィルム４４をレンズ表面に貼る。そして、このレン
ズ４３をガイドフレーム４２上で位置調整し、基準ビー
ム３９と小さい穴４５が合えば疑似光軸が見つかったこ
とになる（ｂ）。ここで、着色透明フィルム４４を用い
ると、基準ビーム３９が穴４５に直接当たらなくてもフ
ィルム４４上のビーム位置が識別できて、調整操作が容
易である。この後の基準ビーム３９とレンズ４３の真の
光軸の合わせ方は簡単である。レンズ４３に貼った着色
透明フィルム４４を剥がし、レンズ４３を通過した基準
ビーム３９がガラス製スクリーン４０の機械的中心軸マ
ーク４１と一致するようにＸＹ方向にレンズ４３の位置
を調整する。ここでは疑似光軸と真の光軸が近くに存在
することが判っているので、レンズ４３の移動量は少な
く簡単である。この段階で機械的中心軸と真の光軸が一
致したことになる（ｃ）。コンデンサレンズは光軸に対
して回転対象であるため、角度ずれ（γ）は存在せず、
これで調整操作は終了し、後は接着剤でガイドフレーム
４２上に固定する。一方、偏光子はレンズのように明確
な光軸は存在しないが、光軸の垂直面において偏光子に
方向性がある。そこで偏光子のガイドフレーム４２上へ
の搭載では、偏光子の中心とガイドフレーム４２の機械
的中心軸を大まかに合わせてから、偏光方向をガイドフ
レーム４２の枠と平行になるように接着、固定する。

【００１８】図８は４つの光部品搭載ガイドフレームと
３つのスペーサで構成した光源集光用の機能ブロックを
示す図である。このブロックでは、２つのコンデンサレ
ンズ２０とピンホールの真の光軸を合わせることが目的
で、その操作は直角を有するブロック構成枠４６に対し
て、フレームの２面が接触するようにピンホールフレー
ム４７，スペーサフレーム４８，コンデンサレンズ４
９，スペーサフレーム５０，干渉フィルタフレーム５
１，スペーサフレーム５２，コンデンサフレーム５３の
順に重ねて全ガイドフレームとスペーサフレームをブロ
ック構成枠４６に固定する。ここの操作では、図９
（ａ），（ｂ），（ｃ）に示すように、ガラス製スクリ
ーン５４，５６をそれぞれ搭載した２枚のガイドフレー
ム５５，５７を上下方向に離して並べ、それぞれのスク
リーン５４，５６上の機械的中心軸マーク５８，５９と
基準ビーム６０を合わせる。次に、２枚のスクリーン付
きガイドフレーム５５，５７にブロック構成枠６１を接
触させて、基準ビーム６０に対するブロック構成枠６１
の方向と距離を補正した状態（ブロック構成枠６１を位
置決め用治具として用いる）で、１枚ずつガイドフレー
ムを積み重ねていくと、各光部品の真の光軸が一致して
いることを確認しながらブロックを構成することができ
る。

【００１９】図１０は機能ブロックからなる光学系を示
す図である。ここでは各ブロックの光軸が一致するよう
に配列し、この後ハウジング枠６２に、光源集光ブロッ
ク６３、被測定物ブロック６４、検出ブロック６５、観
察ブロック６６の各ブロックを着脱可能な機械的方法で
固定（２つのブロックに挟まれているスペーサフレーム
６７，６８，６９は固定しない）して、全体を一体構造
にして光学系の構成が終了する。ブロックの配列操作は
前述のガイドフレームによるブロック化の操作と同じ
で、ブロックの２面をハウジング枠６２に接触させて並
べるだけで、各ブロックの光軸を一致させることができ
る。

【００２０】このようにして、当該光学系について実際
に組み立てを行なった結果、従来の定盤上に構成する光
学系と比較して、大きさについては１／１０以下、調整
作業時間も半分以下に解消された。また、位置ずれ等に
由来する光学系自体の損失については、入力−出力比を
計測した結果、従来のものと変わらない性能を得ること
が確認できた。

【００２１】

【発明の効果】以上説明したように本発明に係る光学系
の構成方法および光学系構造体によれば、以下に列挙す
る効果が期待できる。 種々の光部品に対してガイドフレームとスペーサフレ
ームによって形状的、寸法的に規格化できるので、光学
系を構成するための操作はＸＹ方向の２軸調整だけと簡
単にあり、自動化にも有利である。 光学系全体の寸法はガイドフレームとスペーサフレー
ムの大きさによって決まるが、これらは接触して並び空
間的に無駄がないので光学系の小型化が可能で、また一
体構造になっているので運搬が容易で、可搬性に優れて
いる。 単数または複数のガイドフレームを１つにしたブロッ
ク化により、機能的規格化ができるので、光学系の設計
変更に対し柔軟に対応できる。これらの結果として、光
学系の低コスト化を図ることができ、さらには光通信シ
ステム、光情報処理システム等を安価に提供することが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】光学系構成法の手順を示す流れ図である。

【図２】光部品搭載ガイドフレームを説明する模式図で
ある。

【図３】機能ブロックの構成図である。

【図４】一体構造化した光学系の組立図である。

【図５】レンズ収差測定用光学系の模式図である。

【図６】（ａ），（ｂ）はスペーサおよびガイドフレー
ムの作成法を示す模式図である。

【図７】（ａ），（ｂ），（ｃ）はガイドフレームに光
部品を搭載する工程を示す模式図である。

【図８】集光用機能ブロックの組立図である。

【図９】（ａ），（ｂ），（ｃ）ブロック構成の光軸調
整法を示す模式図である。

【図１０】機能ブロックによるレンズ収差測定光学系の
構成図である。

【符号の説明】

５ ガイドフレーム ６ ガイドフレームの機械的中心軸 ７ 光部品 １０ ガイドフレーム １１ スペーサフレーム １２ ブロック構成枠 １３ 機能ブロック １４ 機能ブロック １５ ハウジング枠 ２０ コンデンサレンズ ２１ コンデンサレンズ ２５ 偏光子 ２７ サバール板 ３８ ガイドフレーム ４３ レンズ ４４ 着色透明フィルム ４６ ブロック枠

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G02B 7/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光部品搭載用のガイドフレームと、光部
   品を所定の間隔に保つスペーサフレームを用いて、１つ
   の光部品を１つのガイドフレームに固定し、これら光部
   品搭載済ガイドフレーム単体と少なくとも１つのスペー
   サフレームを介して２つ以上の光部品搭載済ガイドフレ
   ームを組合わせてブロックを構成し、当該ブロックにお
   ける光軸に垂直な平面上にある面を相互に接触させるこ
   とで前記光部品を所定の位置に位置決めし、さらに前記
   ブロックをハウジングを構成する枠に固定して全体を一
   体構造とすることを特徴とする光学系の構成方法。
2. 【請求項２】 請求項１記載の光学系の構成方法にした
   がって作成された光学系構造体であって、この光学系構
   造体は、光部品、ガイドフレーム、スペーサフレーム、
   ハウジングを構成する枠等から構成されていて、全体が
   一体構造をなすことを特徴とする光学系構造体。