JP2012194455A

JP2012194455A - レンズアレイ

Info

Publication number: JP2012194455A
Application number: JP2011059516A
Authority: JP
Inventors: Kazutaka Shibuya; 和孝渋谷
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2011-03-17
Filing date: 2011-03-17
Publication date: 2012-10-11
Also published as: WO2012124433A1; TWI525347B; EP2687876A4; CN103430057B; EP2687876A1; US9007690B2; US20140002906A1; CN103430057A; TW201245773A

Abstract

【課題】凹形状のレンズ面のエッジを高精度に形成することができ、ひいては、レンズ面の位置測定の精度を向上させることができるレンズアレイを提供すること。
【解決手段】複数のレンズ面７の外周端部７ａは、これらを一端とするとともに所定の面２上に形成された各外周端部７ａにそれぞれ対向する複数の開口部２ａを他端とした各レンズ面７ごとの筒状の段差面１２を介して、所定の面２よりも面頂部側の位置に形成されていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、レンズアレイに係り、特に、金型を用いた製造に好適なレンズアレイに関する。

近年、通信の高速化および通信デバイスの小型化のニーズを反映して、マルチチャンネルの光通信をコンパクトな構成で実現するのに有効な光学部品として、複数のレンズが並列配置されたレンズアレイの需要が益々高まりつつある。

この種のレンズアレイは、複数の発光素子（例えば、ＶＣＳＥＬ：Vertical Cavity Surface Emitting Laser）と複数の光ファイバとを光学的に結合することによるマルチチャンネルの光送信や、複数の光ファイバと複数の受光素子（例えば、フォトディテクタ）とを光学的に結合することによるマルチチャンネルの光受信が可能とされていた。また、このような利用形態に止まらず、光導波路への適用等、レンズアレイの光通信の分野における有用性は今後も更に高まり、これにともなって、設計の自由度も更に広がると予想される。

このようなレンズアレイは、凸形状のレンズ面を備えたものが多いが、得るべき光束形状や満たすべき光束径、製品寸法等によっては、凹形状のレンズ面が必要とされる場合もあった（例えば、特許文献１参照）。

特開２００３−１２１６１５号公報

ところで、この種のレンズアレイは、そのコンパクトな構成上、金型を用いた樹脂成形によって効率的かつ低コストに製造されることが主流とされており、このような傾向は今後も続くと予想される。

しかるに、凹形状のレンズ面を備えたレンズアレイを金型を用いて製造する場合には、レンズ面の凹形状に起因して、次のような問題点が指摘されていた。

すなわち、レンズアレイの製品検査においては、通常は、レンズ面のエッジ（外周端部）をレンズ面の撮像画像に基づいて目視確認することによって、レンズ面の位置を測定することが行われているが、この際に、金型を用いて成形された凹形状のレンズ面の場合には、エッジを正確に確認することができない場合があった。ここで、エッジの確認は、このエッジ上の複数の代表点（座標）に基づいたレンズ面の中心点（座標）の算出によるレンズ面の位置測定を行うために必要不可欠である。したがって、エッジを正確に確認することができない場合には、個々のレンズ面の位置の測定精度が悪くなるばかりでなく、各レンズ面同士で測定精度にばらつきが生じてしまい、レンズアレイの効率的な製造といった金型を用いることによる利点が著しく低減してしまう結果となっていた。

このように、凹形状のレンズ面のエッジを正確に確認することができない理由は、凹形状のレンズ面を成形する金型の加工精度が悪く、エッジの成形自体を高精度に行うことができないからである。

このことを、凸形状のレンズ面の場合と比較して説明すると、まず、図１０（ａ）に示すように、レンズアレイ１として、これの所定の平面２上に複数の凸形状のレンズ面３が整列形成されたものを成形するためには、図１０（ｂ）に示すように、各レンズ面３の面形状に応じた（反転させた）凹形状の転写面３’と、平面２の転写面２’とを備えた金型４を用いることになる。このような金型４は、金型加工機によってバイト（刃）を用いて加工する際に、レンズ面３の転写面３’が凹形状であることによって、レンズ面３の転写面３’と平面２の転写面２’との境界線をバイトによって高精度に加工することができる。そして、この境界線は、成形品においてレンズ面３のエッジとなって現われることになる。図１０（ｃ）は、このような凸形状のレンズ面３の位置測定の際におけるＣＣＤカメラ等によるレンズ面３の撮像結果を示す写真画像である。図１０（ｃ）に示すように、凸形状のレンズ面３は、エッジが鮮明であり、正確に視認できることが分かる。

一方、図１１（ａ）に示すように、レンズアレイ５として、これの所定の平面２上に複数の凹形状のレンズ面７が整列形成されたものを成形するためには、図１１（ｂ）に示すように、各レンズ面７の面形状に応じた凸形状の転写面７’と、平面２の転写面２’とを備えた金型８を用いることになる。このような金型８は、加工の際に、レンズ面７の転写面７’の凸形状が邪魔して、レンズ面７の転写面７’と平面２の転写面２’との境界部分を高精度に加工することができず、バイトの先端の形状を反映したＲ形状が形成されてしまう。図１１（ｃ）は、このような凹形状のレンズ面７の位置測定の際におけるレンズ面７の撮像結果を示す写真画像である。図１１（ｃ）に示すように、凹形状のレンズ面７は、エッジがぼやけていて、正確な視認が困難であることが分かる。

そこで、本発明は、このような点に鑑みなされたものであり、凹形状のレンズ面のエッジを高精度に形成することができ、ひいては、レンズ面の位置測定の精度を向上させることができるレンズアレイを提供することを目的とするものである。

前述した目的を達成するため、本発明の請求項１に係るレンズアレイの特徴は、金型を用いて形成され、レンズアレイ本体における所定の面に、所定の整列方向に沿って整列するように形成された複数のレンズ面を備え、前記複数のレンズ面は、外周端部よりも面頂部が前記所定の面から離間されるようにして前記所定の面に対して凹入された凹形状のレンズ面とされたレンズアレイであって、前記複数のレンズ面の前記外周端部は、これらを一端とするとともに前記所定の面上に形成された各外周端部にそれぞれ対向する複数の開口部を他端とした各レンズ面ごとの筒状の段差面を介して、前記所定の面よりも前記面頂部側の位置に形成されている点にある。

そして、この請求項１に係る発明によれば、凹形状のレンズ面の外周端部を段差面を介して所定の面よりも面頂側に位置させることによって、金型加工時に、外周端部の転写部を、所定の面の転写面よりも突出させた状態でバイトを用いて高精度に加工することができるので、外周端部を高精度に成形することが可能となる。この結果、レンズ面の位置測定の際には、外周端部を正確に確認することができるので、位置測定を高精度に行うことが可能となる。

また、請求項２に係るレンズアレイの特徴は、請求項１において、更に、前記複数のレンズ面の外周端部は、前記所定の面から互いに同一の距離だけ前記面頂部側にずれた位置に形成されている点にある。

そして、この請求項２に係る発明によれば、レンズ面の外周端部の所定の面からのずれ量を各レンズ面同士で統一することができるので、レンズ面の位置測定を効率的に行うことが可能となる。

さらに、請求項３に係るレンズアレイの特徴は、請求項１または２において、更に、前記各レンズ面ごとの段差面における前記開口部には、前記金型の加工に用いたバイトの先端部の形状を反映したＲ形状が形成されている点にある。

そして、この請求項３に係る発明によれば、金型加工上回避が困難なＲ形状を、外周端部の確認の際に開口部との混同を防止する手段として活用することができるので、レンズ面の位置測定をさらに効率的に行うことが可能となる。

本発明によれば、凹形状のレンズ面のエッジを高精度に形成することができ、ひいては、レンズ面の位置の測定精度を向上させることができる。

本発明に係るレンズアレイの実施形態において、（ａ）は、レンズアレイの概略構成図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応する金型の概略構成図である。本発明に係るレンズアレイの実施形態において、変形例を示す要部拡大図本発明に係るレンズアレイの第１実施例を示す上方側斜視図図３の下方側斜視図図３のレンズアレイによって実現される光路の一例を示す模式図第１実施例の比較例を示す模式図本発明に係るレンズアレイの第２実施例を示す断面図図７のレンズアレイによって実現される光路の一例を示す模式図第２実施例の比較例を示す模式図（ａ）は、凸形状のレンズ面を備えたレンズアレイの概略構成図であり、（ｂ）は、（ａ）に対応する金型の概略構成図であり、（ｃ）は、（ａ）のレンズ面の撮像画像である。従来の凹形状のレンズ面を備えたレンズアレイの問題点を説明するための説明図

以下、本発明に係るレンズアレイの実施形態について、図１〜図９を参照して説明する。

なお、従来と基本的構成が同一もしくはこれに類する箇所については、同一の符号を用いて説明する。

本実施形態におけるレンズアレイは、樹脂材料の射出成形法等の金型を用いた製造方法によって製造されるようになっている。樹脂材料としては、ポリエーテルイミドや環状オレフィン樹脂等を適宜選択することができる。

図１（ａ）に示すように、本実施形態におけるレンズアレイ１１は、レンズアレイ１１（レンズアレイ本体）における所定の面としての平面２に、所定の整列方向（図１における横方向）に沿って整列するように形成された互いに同一寸法の平面円形状の複数のレンズ面７を備えている。各レンズ面７は、図１１（ａ）において示した従来のものと同様に、外周端部７ａ（エッジ）よりも面頂部（レンズ面７の光軸ＯＡとの交点）が平面２から離間されるようにして平面２に対して面法線方向（換言すれば、光軸ＯＡ方向）に凹入された凹形状のレンズ面（凹レンズ面）とされている。

ただし、本実施形態におけるレンズ面７は、従来とは異なり、各レンズ面７の外周端部７ａが、平面２よりも面頂部側の位置に形成されている。より具体的には、図１（ａ）に示すように、各レンズ面７と平面２との間には、光軸ＯＡ方向に所定の厚みを有する筒状の段差面１２が、各レンズ面７ごとにそれぞれ介在されている。各段差面１２は、各レンズ面７の外周端部７ａを一端とするとともに、平面２上に各外周端部７ａに対向するように形成された複数の円形の開口部２ａを他端としている。このようにして、各レンズ面７の外周端部７ａは、段差面１２を介して平面２よりも面頂部側に位置されている。

このようなレンズアレイ１１を成形するためには、図１（ｂ）に示すように、各レンズ面７の面形状に応じた（反転させた）凸形状の転写面７’と、平面２の転写面２’とに加えて、段差面１２の転写面１２’を備えた金型１４を用いる。このような金型１４は、金型加工機によってバイトを用いて加工する際に、レンズ面７の転写面７’が図１１（ｂ）に示した従来の金型８のように凸形状であるものの、この転写面７’の端部と平面２の転写面２’との境界部分が、従来のように平面２の転写面２’と同一平面上にあるのではなく、平面２の転写面２’よりも突出した位置にある。このような金型１４は、隣接するレンズ面７の転写面７’同士の間に凹部があることと同様であるので、図１０（ｂ）に示した凸形状のレンズ面３の転写面３’（凹部）を形成する場合と同様に、凹部の端部に相当するレンズ面７の転写面７’と段差面１２の転写面１２’との境界線をバイトを用いて高精度に加工することができる。なお、このような金型１４の加工には、レンズ面７の転写面７’の加工と、平面２の転写面２’の加工と、段差面１２の転写面１２’の加工とを、ワンチャックで同時加工（同一工程加工）することが可能な金型加工機を用いることが望ましい。このような金型加工機としては、例えば、旋盤加工機やフライス加工機を用いてもよい。

このようにして、本実施形態によればレンズ面７の転写面７’と段差面１２の転写面１２’との境界線すなわちレンズ面７の外周端部の転写部を高精度に加工することができるので、凹形状のレンズ面７の外周端部７ａを金型１４を用いて高精度に成形することが可能となる。したがって、レンズ面７の位置測定の際には、レンズ面７の外周端部７ａを正確に確認することができるので、位置測定を高精度に行うことができる。

上記構成に加えて、さらに、本実施形態において、各レンズ面７の外周端部７ａは、平面２から互いに同一の距離だけ面頂部側にずれた位置に形成されている。換言すれば、各レンズ面７ごとの段差面１２の厚みは互いに同一とされている。

そして、このような構成によれば、レンズ面７の外周端部７ａの平面２からのずれ量を各レンズ面７同士で統一することができるので、レンズ面７の位置測定を効率的に行うことが可能となる。

また、各レンズ面７ごとの段差面１２における開口部２ａには、図２に示すように、金型１４の加工に用いたバイトの先端部の形状を反映したＲ形状（同図における符号Ｒ）が形成されていてもよい。このように構成すれば、金型加工上回避が困難な形状を成形品の形状として許容できるばかりでなく、開口部２ａがシャープなエッジに形成されると仮定した場合に比べて、開口部２ａとレンズ面７の外周端部７ａとが混同されることを確実に防止することができるので、レンズ面７の位置測定を更に効率的に行うことが可能となる。

さらに、各レンズ面７は、球面であってもよいし、または、非球面であってもよい。また、段差面１２は、設計の容易性を考慮して円筒形状に形成してもよいし、または、金型からの離型性を考慮して、外周端部７ａ側から開口部２ａ側に向かって内径が漸増する円錐面（テーパ面）状に形成してもよい。

次に、図３は、本実施形態のレンズアレイ１１の第１実施例を示す斜視図であり、図４は、図３の上下を反転させた斜視図である。図３に示すように、本実施例におけるレンズアレイ１１は、全体形状が上下に所定の厚みを有する平面長方形状の板状に形成されており、凹形状のレンズ面７が形成された平面２が、レンズアレイ１１の上端面１１ａよりも凹入された上端面１１ａと平行な凹入面に形成されている。また、平面２に対してレンズ面７の整列方向における両外側位置には、一対の円形の貫通孔１５が穿設されている。これらの貫通孔１５は、例えば、レンズアレイ１１に光電変換装置（ＶＣＳＥＬやフォトディテクタ等）や光伝送体（光ファイバや光導波路等）を取り付ける際に、光電変換装置／光伝送体側に配設されたピンを挿入させることによって、光電変換装置／光伝送体の位置決めに用いられるようになっている。

一方、図４に示すように、レンズアレイ１１の下端面１１ｂには、各凹形状のレンズ面７にそれぞれ対応する同数の凸形状のレンズ面３が整列形成されている。これらの凸形状のレンズ面３は、レンズアレイ１１の下端面１１ｂよりも凹入された平面１６上に形成されている。

このような本実施例におけるレンズアレイ１１は、例えば、図５の模式図に示すように、凹形状のレンズ面（非球面）７を光の入射側、凸形状のレンズ面（非球面）３を光の出射側とした上で、出射側においてΦ０．２５ｍｍのコリメート光を得るために用いることができる。具体的には、このような光束径のコリメート光は、凹形状のレンズ面７に対して光軸ＯＡ上における０．１５ｍｍの位置をレンズ面７に向けた光の出射位置に設定し、また、凹形状のレンズ面７の有効径をΦ０．０６ｍｍに設定し、さらに、凸形状のレンズ面３の有効径をΦ０．２５ｍｍに設定し、さらにまた、レンズアレイ１１内部における中心光の光路長（レンズ中心厚）を０．４ｍｍに設定することによって実現することができる。なお、光の出射位置には、例えば、ＶＣＳＥＬの発光点や光ファイバの端面等が配置されてもよい。また、コリメート光は、例えば、光導波路によって受光されるようにしてもよい。

一方、図６に示すように、図５のレンズアレイ１１と同一の光束径のコリメート光を、平凸のレンズアレイ１７によって得ようとする場合には、入射側の平レンズ面１８に対して光軸上における０．３２ｍｍの位置に、平レンズ面１８に向けた光の出射位置を設定し、また、レンズアレイ１７内部における中心光の光路長を０．５ｍｍに設定することが必要となる。

このようなことから、凹レンズ面７を用いる場合には、所望の光束径のコリメート光を得ようとする場合における装置の光路長の短縮化およびレンズ厚の薄型化に有利であると言える。

次に、図７は、本実施形態のレンズアレイ１１の第２実施例を示す断面図である。図７に示すように、本実施例におけるレンズアレイ１１は、凹形状のレンズ面７が形成された平面２が、レンズアレイ１１の前端面１１Ａよりも凹入された前端面１１Ａと平行な凹入面に形成されている。また、レンズアレイ１１の下端面１１Ｂには、第１実施例と同様の複数の凸形状のレンズ面３が整列形成されている。本実施例においては、各凹形状のレンズ面７と各凸形状のレンズ面３との間に、これらを結ぶ光路を形成するための全反射面１９が形成されている。この全反射面１９は、凹形状のレンズ面７上における光軸ＯＡおよび凸形状のレンズ面３上における光軸ＯＡの双方に対して４５°の角度をなしている。

このような本実施例におけるレンズアレイ１１は、例えば、図８に示すように、凹形状のレンズ面（非球面）７を光の入射側、凸形状のレンズ面（非球面）３を光の出射側とした上で、出射側においてΦ０．２５ｍｍのコリメート光を得るために用いることができる。具体的には、このような光束径のコリメート光は、凹形状のレンズ面７に対して光軸ＯＡ上における０．１ｍｍの位置をレンズ面７に向けた光の出射位置に設定し、また、凹形状のレンズ面７の有効径をΦ０．０４ｍｍに設定し、さらに、凸形状のレンズ面３の有効径をΦ０．２５ｍｍに設定し、さらにまた、レンズアレイ１１内部における中心光の光路長を０．８５ｍｍに設定することによって実現することができる。

一方、図９に示すように、図５のレンズアレイ１１と同一の光束径のコリメート光を、平凸のレンズアレイ２０によって得ようとする場合には、入射側の平レンズ面１８に対して光軸上における０．１８ｍｍの位置をレンズ面１８に向けた光の出射位置に設定することが必要となる。

このようなことから、本実施例においても、、凹レンズ面７を用いる場合には、所望の光束径のコリメート光を得ようとする場合における装置の光路長の短縮化に有利であると言える。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の特徴を損なわない限度において種々変更することができる。例えば、実施例において説明した具体的な数値は、一例に過ぎないものであり、これ以外にも、コンセプトに応じた種々の好適な数値を選択してもよいことは勿論である。

２平面
２ａ開口部
７レンズ面
７ａ外周端部
１１レンズアレイ
１２段差面

Claims

金型を用いて形成され、レンズアレイ本体における所定の面に、所定の整列方向に沿って整列するように形成された複数のレンズ面を備え、
前記複数のレンズ面は、外周端部よりも面頂部が前記所定の面から離間されるようにして前記所定の面に対して凹入された凹形状のレンズ面とされたレンズアレイであって、
前記複数のレンズ面の前記外周端部は、これらを一端とするとともに前記所定の面上に形成された各外周端部にそれぞれ対向する複数の開口部を他端とした各レンズ面ごとの筒状の段差面を介して、前記所定の面よりも前記面頂部側の位置に形成されていること
を特徴とするレンズアレイ。
前記複数のレンズ面の外周端部は、前記所定の面から互いに同一の距離だけ前記面頂部側にずれた位置に形成されていること
を特徴とする請求項１に記載のレンズアレイ。
前記各レンズ面ごとの段差面における前記開口部には、前記金型の加工に用いたバイトの先端部の形状を反映したＲ形状が形成されていること
を特徴とする請求項１または２に記載のレンズアレイ。