特許 6629537 光学部品の解析方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6629537

(24)【登録日】2019年12月13日

(45)【発行日】2020年1月15日

(54)【発明の名称】光学部品の解析方法

(51)【国際特許分類】

   G01M 11/00 20060101AFI20200106BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20200106BHJP

【ＦＩ】

   G01M11/00 L

   G02B5/30

【請求項の数】2

【全頁数】10

(21)【出願番号】特願2015-138913(P2015-138913)

(22)【出願日】2015年7月10日

(65)【公開番号】特開2017-20905(P2017-20905A)

(43)【公開日】2017年1月26日

【審査請求日】2018年6月1日

(73)【特許権者】

【識別番号】000208765

【氏名又は名称】株式会社エンプラス

(74)【代理人】

【識別番号】110002952

【氏名又は名称】特許業務法人鷲田国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】坂本 泰之

【審査官】 伊藤 裕美

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００４−１０６５３０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−０５２４７２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−３２６３８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−１８７９４１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００１−２７７３２３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０８−１１０２６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−１５７３４９（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｍ １１／００−１１／０８

Ｇ０２Ｂ ５／３０

Ｂ２９Ｃ ４５／７６

Ｂ２９Ｄ １１／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光軸を屈曲させる反射面を含む光学部品の解析方法であって、
前記光学部品の形状の情報を含む計算モデルを準備する工程と、
前記光学部品に含まれる偏光状態を変化させる面による偏光状態の変化についての変換データベースを準備する工程と、
前記計算モデルにおける、入射面、反射面および出射面を経由する光軸を設定する工程と、
前記計算モデルを複数の微小要素に分割する工程と、
前記複数の微小要素における応力をそれぞれ算出し、前記応力に基づいて前記複数の微小要素における複屈折をそれぞれ算出する工程と、
前記変換データベースを用いて前記光軸上における偏光状態を変化させつつ、前記光軸上の前記微小要素における複屈折を積分してリタデーションを算出する工程と、
を有する、光学部品の解析方法。

【請求項2】

前記出射面から出射される透過光の強度を算出する工程をさらに含む、請求項１に記載の光学部品の解析方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光軸を屈曲させる反射面を含む光学部品の解析方法に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、レンズやプリズムなどの光学部品として、軽量化や低コスト化の観点から、例えば射出成形により製造される樹脂製の光学部品が、ガラス製の光学部品に代わって使用されている。しかしながら、樹脂製の光学部品は、複屈折を生じさせる場合があるため、設計通りに製造しても所望の性能が得られないおそれがある。

【0003】

所望の性能に近い樹脂製の光学部品を製造するために、光学部品における複屈折を解析する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載の複屈折の解析方法は、光学部品の計算モデルを微小要素に分割する工程と、各微小要素の複屈折を算出する工程と、各微小要素の複屈折を所定の一の方向に積分する工程とを有する。特許文献１に記載の複屈折の解析方法では、直線状の光軸に沿って各微小要素の複屈折を積分することで、光学部品における複屈折を算出している。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特開２００４−１０６５３０号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

しかしながら、特許文献１に記載の複屈折の解析方法では、一の方向についてのみ複屈折を積分しているため、光軸が屈曲する光学部品における複屈折を適切に算出できないという問題があった。

【0006】

そこで、本発明の目的は、光軸（光路）が屈曲する場合であっても適切に光軸上の複屈折を算出できる、光学部品の解析方法を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

本発明に係る光学部品の解析方法は、光軸を屈曲させる反射面を含む光学部品の解析方法であって、前記光学部品の形状の情報を含む計算モデルを準備する工程と、前記計算モデルにおける、入射面、反射面および出射面を経由する光軸を設定する工程と、前記計算モデルを複数の微小要素に分割する工程と、前記複数の微小要素における応力をそれぞれ算出し、前記応力に基づいて前記複数の微小要素における複屈折をそれぞれ算出する工程と、前記光軸上の前記微小要素における複屈折を積分してリタデーションを算出する工程と、を有する。

【発明の効果】

【0008】

本発明に係る光学部品の解析方法は、光学部品内において光軸が屈曲する場合であっても、適切に光軸上の複屈折を算出できる。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】図１は、実施の形態１において解析対象とする光レセプタクルの断面図である。

【図2】図２は、実施の形態１に係る光学部品の解析方法のフローチャートである。

【図3】図３は、実施の形態１において解析対象とする別の光レセプタクルの断面図である。

【図4】図４は、実施の形態２において解析対象とする光レセプタクルの断面図である。

【図5】図５は、実施の形態２に係る光学部品の解析方法のフローチャートである。

【図6】図６は、複数の光軸を有する光学部品の斜視図である。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。

【0011】

本実施の形態に係る光学部品の解析方法は、光軸を屈曲させる反射面を含む光学部品における、光軸全長に亘る複屈折の総和（リタデーション）をシミュレーションする方法である。以下の各実施の形態では、光学部品として光レセプタクルを解析対象とした例について説明する。しかしながら、本発明に係る光学部品の解析方法における解析対象となる光学部品の種類は、光軸を屈曲させる反射面を含む光学部品であれば特に限定されない。解析対象となる光学部品の他の例には、プリズムなどが含まれる。

【0012】

［実施の形態１］
（解析対象の光レセプタクル）
まず、解析対象の光レセプタクルについて説明する。光レセプタクルは、光通信において、垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）などの発光素子またはフォトダイオードなどの受光素子と、光ファイバーなどの光伝送体とを光学的に結合させるための光学部品である。

【0013】

図１は、本実施の形態において解析対象とする光レセプタクル１００の断面図である。なお、図１では、光レセプタクル１００内の光軸（光路）を示すために、ハッチングを省略している。また、以下の説明では、図１における紙面上下方向を光レセプタクル１００の上下方向として説明する。

【0014】

図１に示されるように、実施の形態１における光レセプタクル１００は、第１光学面１２０と、反射面１４０と、第２光学面１６０とを有する。

【0015】

第１光学面１２０は、光伝送体と対向すべき面であり、光伝送体からの光Ｌを光レセプタクル１００の内部に入射させるか、光レセプタクル１００の内部を進行した光Ｌを外部に出射させる光学面である。本実施の形態では、第１光学面１２０は、光伝送体からの光Ｌを光レセプタクル１００の内部に入射させる。また、本実施の形態では、第１光学面１２０は、外部に向かって凸状の凸レンズ面であり、光レセプタクル１００の側面に配置されている。

【0016】

反射面１４０は、第１光学面１２０で入射した光Ｌを第２光学面１６０に向けて反射させるか、第２光学面１６０で入射した光Ｌを第１光学面１２０に向けて反射させる。本実施の形態では、反射面１４０は、第１光学面１２０で入射した光Ｌを第２光学面１６０に向けて反射させる。反射面１４０は、光レセプタクル１００の下面から上面に向かうにつれて第１光学面１２０から離れるように、光レセプタクル１００の下面側に配置されている。

【0017】

第２光学面１６０は、受光素子または発光素子と対向すべき面であり、光レセプタクル１００の内部を進行した光Ｌを受光素子に向けて外部に出射させるか、発光素子からの光Ｌを光レセプタクル１００の内部に入射させる光学面である。本実施の形態では、第２光学面１６０は、光レセプタクル１００の内部を進行した光Ｌを受光素子に向けて外部に出射させる。また、本実施の形態では、第２光学面１６０の形状は、外部に向かって凸状の凸レンズ面であり、光レセプタクル１００の上面に配置されている。

【0018】

図１に示されるように、受信用に用いられている光レセプタクル１００では、第１光学面１２０で入射した光伝送体からの光は、反射面１４０で第２光学面１６０に向かって反射され、第２光学面１６０から受光素子に向けて外部に出射される。このように、光レセプタクル１００では、反射面１４０によって光Ｌの光軸ＯＡが屈曲（変化）する。

【0019】

光レセプタクル１００は、光通信に用いられる波長の光に対して透光性を有する材料を用いて製造される。光レセプタクル１００の材料の例には、ポリエーテルイミド（ＰＥＩ）や環状オレフィン樹脂などの透明な樹脂が含まれる。

【0020】

光レセプタクル１００は、例えば、射出成形により製造される。具体的には、まず、金型を型締めする（型締め工程）。型締めされた金型の内部には、光レセプタクル１００の設計形状と相補的な形状のキャビティーが形成される。次いで、溶融させた樹脂（組成物）を金型内のキャビティーに充填する（充填工程）。そして、キャビティー内に溶融させた樹脂を充填させた状態で保圧しながら自然冷却する（保圧工程）。最後に、型締めされた金型を型開きして、金型から光レセプタクル１００を離型する（型開き工程）。以上の工程により、射出成形により光レセプタクル１００を製造できる。

【0021】

（光学部品の解析方法）
次に、本実施の形態に係る光学部品（リタデーション）の解析方法について説明する。図２は、本実施の形態に係る光学部品の解析方法のフローチャートである。図２に示されるように、本実施の形態に係る光学部品の解析方法は、計算モデルを準備する工程（Ｓ１１０）と、光軸を設定する工程（Ｓ１２０）と、計算モデルを複数の微小要素に分割する工程（Ｓ１３０）と、複数の微小要素における複屈折を算出する工程（Ｓ１４０）と、光軸上の微小要素における複屈折を積分する工程（Ｓ１５０）と、を有する。本実施の形態に係る光学部品の解析方法は、例えば、所定のプログラムがインストールされたコンピューターにより実行されうる。以下、各工程について説明する。

【0022】

計算モデルを準備する工程（Ｓ１１０）では、解析対象の光学部品（光レセプタクル１００）についての各種情報に基づき、計算モデルを準備する。計算モデルには、光学部品の形状や材料、射出成形の条件などの情報が含まれる。光学部品の形状についての情報は、例えば３Ｄ ＣＡＤなど用いて作成される。

【0023】

光軸を設定する工程（Ｓ１２０）では、計算モデル（仮想の光レセプタクル１００）における、入射面、反射面および出射面を経由する光軸ＯＡを３次元的に設定する。光軸ＯＡは、例えば３Ｄ ＣＡＤなどを用いて設定されうる。なお、光軸ＯＡは、光線の太さを考慮して設定されてもよい。なお、「光線の太さ」は、実際の伝搬光より太い径を適宜設定する。また、光レセプタクル１００において、「入射面」は第１光学面１２０であり、「反射面」は反射面１４０であり、「出射面」は第２光学面１６０である。また、本実施の形態では、入射面（第１光学面１２０）から反射面１４０までの第１光軸ＯＡ１と、反射面１４０から出射面（第２光学面１６０）までの第２光軸ＯＡ２とにより、光軸ＯＡが設定される。

【0024】

微小要素に分割する工程（Ｓ１３０）では、計算モデル（仮想の光レセプタクル１００）を複数の微小要素に分割する。なお、この工程では、少なくとも光軸を設定する工程で設定された光軸ＯＡを含む部分を微小要素に分割すればよく、計算モデル全体を複数の微小要素に分割する必要はない。

【0025】

複屈折を算出する工程（Ｓ１４０）では、微小要素に分割する工程で分割された各複数の微小要素における複屈折を算出する。たとえば、各微小要素における応力をそれぞれ算出し、当該応力に基づいて各微小要素における複屈折を算出する。

【0026】

応力の算出では、まず、計算モデルに含まれる射出成形の条件と、樹脂のレオロジー物性データベースと、金型の物性データベースとから、金型の内表面温度の変化と、金型内に充填される溶融樹脂の速度、温度および圧力の変化と、樹脂粘度の変化と、流動応力の変化とを算出する。固化収縮における応力の変化は、樹脂のpvt特性、実験により得た収縮特性を用いて算出する。なお、流動応力における応力の変化および固化収縮における応力の変化は、応力緩和効果を含めて演算してもよい。また、計算方法は、計算コスト、計算の安定性などを勘案して適宜選択できる。

【0027】

複屈折の算出では、前述の手順で求められた各微小要素における応力の値から３つの主応力（σ_１、σ_２、σ_３）を算出する。なお、この３つの主応力は、直交座標系におけるＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸に対応する。複屈折（Δｎ_ｉｊ）は、式（１）〜式（３）に示されるように、光弾性係数（Ｃ）と主応力差（σ_ｉ―σ_ｊ）との積により算出される。なお、３つの主応力のうち、どの主応力を用いるかは、光軸ＯＡの向きに基づいて決定する。
Δｎ_１２＝Ｃ×（σ_１−σ_２） ・・・（１）
Δｎ_２３＝Ｃ×（σ_２−σ_３） ・・・（２）
Δｎ_１３＝Ｃ×（σ_１−σ_３） ・・・（３）

【0028】

ここで、光弾性係数（Ｃ）は、樹脂の溶融時（流動時）と、固化時とで異なることが知られている。そこで、流動応力に適用する光弾性係数と、固化収縮力に適用する光弾性係数とを別々に定義してもよい。なお、上記微小要素に分割する工程および複屈折を算出する工程は、市販のプログラムを用いても実行することができる。市販のプログラムの例には、東レ株式会社の３次元樹脂流動解析ソフトウェア「３Ｄ ＴＩＭＯＮ（登録商標）」、オートデスク株式会社のプラスチック射出成形シミュレーションソフトウェア「Moldflow（登録商標）」、Core Tech System Co.,Ltdの３次元樹脂流動解析プログラム「Moldex3D」などが含まれる。

【0029】

複屈折を積分する工程（Ｓ１５０）では、光軸ＯＡ上の微小要素における複屈折を積分する。より具体的には、光軸を設定する工程で設定した光軸ＯＡに沿って、複屈折を算出する工程で得られた各微小要素における複屈折を積分する（リタデーションを得る）。なお、複屈折（リタデーション）は、光軸ＯＡ上の一箇所の出力としてもよいし、光軸を設定する工程（Ｓ１２０）で設定した光線における分布を出力としてもよい。

【0030】

以上の手順により、光学部品（光レセプタクル１００）が光軸を屈曲させる反射面を含んでいても、光軸全長に亘る複屈折の総和（リタデーション）を算出することができる。

【0031】

なお、このように得られた光軸全長に亘る複屈折の総和（リタデーション）を用いて、光学部品から出射された光Ｌ（透過光）の強度を求めることにより、光学部品の直交ニコル法による測定結果をシミュレーションできる。透過光の強度は、以下の式（４）および式（５）により見積もることができる。
Ｉ＝ｓｉｎ^２２θｓｉｎ^２（φ／２） ・・・（４）
φ＝２πＲ／λ ・・・（５）
（上記式において、Ｉは透過光の強度を示し、θは入射する光Ｌの偏光面と応力主軸の方向とのなす角度を示し、φは位相差を示し、Ｒはリタデーションを示し、λは光の波長を示す。）

【0032】

なお、光学部品の複屈折を直交ニコル法で測定するためには、光学部品における光入射面側に検光子を配置し、出射面側に偏光子を配置する。そして、検光子を介して光Ｌを入射させ、偏光子介して出射された光の像を検出する。

【0033】

（変形例）
図３は、実施の形態１の変形例において解析対象とする光レセプタクル１００’の断面図である。なお、図３では、光レセプタクル１００’内の光軸（光路）を示すために、ハッチングを省略している。

【0034】

図３に示されるように、光レセプタクル１００’は、複数の反射面１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃを有していてもよい。

【0035】

そして、光学部品の解析方法における光軸を設定する工程（Ｓ１２０）では、第１光学面１２０から反射面１４０ａまでの第１光軸ＯＡ１と、反射面１４０ａから反射面１４０ｂまでの第２光軸ＯＡ２と、反射面１４０ｂから反射面１４０ｃまでの第３光軸ＯＡ３と、反射面１４０ｃから第２光学面１６０までの第４光軸ＯＡ４との合計の経路を光軸ＯＡとして設定する。そして、光レセプタクル１００’に対応する計算モデルを微小要素に分割し（Ｓ１３０）、前述したように複屈折を求めればよい（Ｓ１４０およびＳ１５０）。

【0036】

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る光学部品の解析方法によれば、計算モデルにおける、光学部品の内部を進行する光の経路（光軸ＯＡ）に沿って複屈折を算出するため、光軸ＯＡが屈曲していても、光学部品の複屈折やリタデーションなどを適切に解析できる。これにより、複屈折やリタデーションなどを考慮して光学部品の設計を行うことにより、所望の性能を有する光学部品を製造できる。

【0037】

［実施の形態２］
（解析対象の光レセプタクル）
実施の形態２において解析対象とする光レセプタクル２００は、反射面２４０で光Ｌの偏光状態が変化する点においてのみ実施の形態１における光レセプタクル１００と異なる。そこで、実施の形態１における光レセプタクル１００と同一の構成要素については、同一の符号を付してその説明を省略する。

【0038】

図４は、実施の形態２において解析対象とする光レセプタクル２００の断面図である。なお、図４では、光レセプタクル２００内の光軸（光路）を示すために、ハッチングを省略している。図４に示されるように、実施の形態２における光レセプタクル２００は、第１光学面１２０と、反射面２４０と、第２光学面１６０とを有する。反射面２４０は、入射した光Ｌを反射させるときに、入射した光Ｌの偏光状態を変化させる。反射面２４０の例には、平面アルミ全反射ミラー、誘導体全反射ミラーなどが含まれる。ここで「偏光状態を変化させる」とは、例えば、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とを相互に変化させることや、円偏光を楕円偏光に変化させること、直線偏光を楕円偏光に変化させることを意味する。

【0039】

（光学部品の解析方法）
次に、本実施の形態に係る光学部品の解析方法について説明する。本実施の形態に係る光学部品の解析方法は、変換データベースを準備する工程をさらに有する点と、複屈折を積分する工程において前記変換データベースを用いる点とにおいて実施の形態１に係る光学部品の解析方法と異なる。そこで、実施の形態１に係る光学部品の解析方法と同一の工程については、同一の符号を付してその説明を省略する。

【0040】

図５は、本実施の形態に係る光学部品の解析方法のフローチャートである。図５に示されるように、実施の形態２に係る光学部品の解析方法は、計算モデルを準備する工程（Ｓ１１０）と、光軸を設定する工程（Ｓ１２０）と、計算モデルを複数の微小要素に分割する工程（Ｓ１３０）と、複数の微小要素における複屈折を算出する工程（Ｓ１４０）と、変換データベースを準備する工程（Ｓ１４５）と、光軸上の微小要素における複屈折を積分する工程（Ｓ２５０）と、を有する。

【0041】

変換データベースを準備する工程（Ｓ１４５）では、光学部品に含まれる偏光状態を変化させる面による偏光状態の変化についての変換データベースを準備する。本実施の形態では、光レセプタクル２００の反射面２４０による偏光状態の変化についての変換データベースを準備する。なお、変換データベースは、解析毎に準備する必要はなく、あらかじめ準備されていてもよい。

【0042】

変換データベースに含まれる偏光状態の変化についての情報としては、実測値を用いてもよいし、ＦＤＴＤ（Finite difference time domain method）などによるマクスウェルの方程式を用いたシミュレーションで求めた値を用いてもよい。反射面での反射前後における偏光状態の変化を実測する方法は、特に限定されない。たとえば、偏光状態の変化は、位相差測定装置（KOBRAシリーズ；王子計測機器株式会社）を用いて測定できる。

【0043】

複屈折を積分する工程（Ｓ２５０）では、工程Ｓ１４５で準備した変換データベースを用いて偏光状態を変化させつつ、光軸ＯＡ上の微小要素における複屈折を積分する。より具体的には、第１光学面１２０から反射面２４０までの第１光軸ＯＡ１における微小要素の複屈折は、実施の形態１と同様に積分する。また、反射面２４０から第２光学面１６０までの第２光軸ＯＡ２における微小要素の複屈折は、工程Ｓ１４５で準備した変換データベースを用いて偏光状態を変化させた状態で積分する。

【0044】

（効果）
以上のように、本実施の形態に係る光学部品の解析方法によれば、実施の形態１に係る光学部品の解析方法による効果に加え、反射面２４０で光の偏光状態が変化する場合であっても、光軸ＯＡにおける複屈折やリタデーションを適切に解析できる。

【0045】

図６は、複数の光軸ＯＡを有する光レセプタクル３００の斜視図である。図６に示されるように、光軸ＯＡは複数であってもよい。この場合の光レセプタクル３００は、複数の第１光学面３２０と、反射面３４０と、複数の第２光学面３６０と有する。そして、光学部品の解析方法では、光軸ＯＡを設定する工程において複数の光軸ＯＡを設定すればよい。この場合も光軸ＯＡ１（ＯＡ２）は、光線の太さを考慮して設定してもよい。そして、各光軸ＯＡ１（ＯＡ２）について、微小要素に分割し、複屈折を算出し、複屈折を積分してリタデーションを算出すればよい。これにより、光軸ＯＡ１（ＯＡ２）と、他の光軸ＯＡ１（ＯＡ２）との複屈折（リタデーション）の差異を容易に確認できる。

【産業上の利用可能性】

【0046】

本発明に係る光学部品（複屈折）の解析方法は、光軸を屈曲させる反射面を含む光学部品における複屈折を適切に解析できるため、光レセプタクルなどの光が複雑な経路を通る光学部品の設計において有効に利用されうる。

【符号の説明】

【0047】

１００、１００’、２００、３００ 光レセプタクル
１２０、３２０ 第１光学面
１４０、１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、２４０、３４０ 反射面
１６０、３６０ 第２光学面
ＯＡ１ 第１光軸
ＯＡ２ 第２光軸
ＯＡ３ 第３光軸
ＯＡ４ 第４光軸
ＯＡ 光軸

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】