Polaris®キネマティックコリメータ

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Figure 1.1  Polaris^®キネマティックコリメータの角度調整方法は2通りあります。1つは2.0 mm六角レンチでアジャスタを調整する方法、もう1つは同じレンチまたは小さめのØ1.8 mm六角レンチをアジャスタのサイドホールに挿入する方法です。

特長

• 熱膨張係数(CTE)の小さい熱処理済みステンレススチールより機械加工
• アライメント済みのファイバーコリメータ、FC/PCコネクタ(幅2.2 mmワイドキースロットが3つ)、シングルモードパッチケーブル用
• 532、633、780、850 nm用にアライメントされたコリメータ
• 高い耐久性と滑らかな動きを実現するために、硬化処理ステンレススチール製ボールとの接点にはサファイアシートを使用
• ポスト取り付け用のM4 x 0.7ネジ付き穴
• 整合したアクチュエータ/本体のペアにより滑らかなキネマティック調整を実現
• 16 °Cの温度サイクル後の偏差は2 μrad未満を保証(詳細は「試験データタブ参照)
• 真空用および高出力レーザ共振器用に適した不動態化処理済みのステンレススチール製
• マウントの構成やアライメント波長のカスタマイズについては当社までお問い合わせください。

焦点固定のPolaris^®キネマティックコリメータは、当社の焦点固定式コリメーターパッケージの高品質なビーム出力と、Polaris^®マウントの優れた機械的特性を組み合わせた製品で、厳格な長期アライメント安定性が求められるファイバーコリメートの用途のおいてお使いいただけます。ファイバーコリメーターパッケージはFC/PCコネクタ付きファイバからの光を回折限界性能でコリメートするようにアライメントされています。色収差が存在するため、非球面レンズの有効焦点距離(EFL)は波長により変わります。アライメント波長は、最適なビーム発散角の波長で設定しています(詳細は、「グラフ」タブおよび「計算」タブをご覧ください)。

非球面レンズは、シングルモードファイバーパッチケーブルに接続したときに、アライメント波長でコリメートするように工場で調整されます。また、非球面レンズの両面には表面反射を最小にするようARコーティングが施されています(「グラフ」タブをご参照ください)。用途によっては、ARコーティング範囲内の他の波長でも使用できる場合があります。各コリメータの広がり角グラフ(理論値)をご覧いただき、ご用途に適しているかご確認ください。動作温度範囲は、-30 °C～200 °Cです。

こちらのファイバーコリメータは、シングルモードファイバーパッチケーブル用に最適化されています。性能を十分に発揮させるには、ARコーティング付きシングルモードパッチケーブルと組み合わせてご使用になることをお勧めいたします。これらのケーブルでは、透過率を向上させるとともに、ファイバと自由空間の接続面における反射損失を低減するために、ファイバの片端に反射防止(AR)コーティングが施されています。 なお、性能仕様はシングルモードファイバをご使用時のみ保証されます。

設計
熱処理済みのステンレススチールから機械加工されたPolarisマウントには、ボール接触やサファイアシートを用いて精密に整合されたアジャスタが使用されており、滑らかなキネマティック調整が可能です。「試験データ」タブでご覧いただけるように、これらのマウントは様々な試験により、高い性能が実証されています。このPolaris製品は、ビームに生じるミスアライメントの一般的な要因にすべて対応するように設計されています。詳しくは「設計の特長」タブをご覧ください。

ポストへの取り付け
マウントのキネマティック部品設計の工夫により、コリメータの前に手を置くことなく調整が可能で、またポストに取り付けるためにコリメータを取り外す必要もなくなります。各コリメータは、従来のPolarisマウントのザグリ穴とは異なり、ポスト取付用にM4 x 0.7ネジ取付用穴が2つ、M4 x 0.7キャップスクリュが1つ付いています。 また、各取付穴の周りには Ø2 mmアライメントピン用の穴が付いているため、当社のザグリ穴付きのPolaris用 Ø12.7 mm(Ø1/2インチ)またはØ25 mmポストを取付け時には、精密なアライメントが可能です。ネジ穴付きの他のポストへの取り付けも可能ですが、付属のキャップスクリュ以外を使用する場合は、ネジがコリメータ本体に接触しないよう注意が必要です。

クリーンルームおよび真空への対応
こちらのページのPolarisマウントはすべて、クリーンルーム内および真空チャンバ内での使用が可能です。詳細については「設計の特長」タブをご覧ください。

その他の製品
当社では、調整機能付きコリメーターパッケージのシリーズで、広い範囲に対応するFiberPortもご用意しています。小型の調整機能付きファイバー調整機構としてご使用いただけます。コリメートならびにカップリング用のその他の製品ついては「コリメーターガイド」タブをご覧いただくか、当社までご相談ください。

Polaris^®キネマティックコリメータの試験データ

Polarisキネマティックコリメータはすべて、その高い性能を保証するために広範囲の試験を実施しております。コリメータPF2F63をØ1インチステンレススチール製ポストPLS-C15(コリメータ1)またはPLS-P150(コリメータ2)に取り付け後、アセンブリを温度制御された環境下のステンレススチール製光学テーブルに固定しました。その後、各コリメータのビーム出力を位置センシングディテクタ(PSD)で測定しました。これらのコリメータは、ザグリ穴付きポストPLS-Cxxシリーズを使用するよう設計されていますが、ネジ穴付きのポストにもご使用いただけます。なお、付属のキャップスクリュ以外を使用する場合は、ネジがコリメータ本体に接触しないよう注意が必要です。

熱衝撃後の位置再現性

目的: この試験では、キネマティックコリメータがヒステリシス無しでミラーをどの程度確実に初期位置に戻せるかを測定します。測定結果から、光学システムのアライメントが熱衝撃の影響を受けないことを示します。

手順: 2つのキネマティックコリメータPF2F63(ザグリ穴付きポストPLS-C15に取り付けたコリメータ1と、ネジ穴付きポストPLS-P150に取り付けたコリメータ2)の温度を上昇させ、その状態を一定時間維持しました。その後、コリメータの温度を試験開始時の温度に戻しました。試験結果はFigure 4.1～4.3でご覧いただけます。

結果: igure 4.1～4.3に示すように、Polarisコリメータが初期の温度に戻ると、コリメータの角度(ピッチとヨー)は、初期位置の2.0 μrad 以内に戻りました。コリメータの性能試験として、さらに温度変化サイクルを繰り返して行いました。各サイクルの後も、コリメータの位置は初期位置の2.0 µrad以内に戻りました。

比較のための参考情報: Polarisコリメータの130 TPI アジャスタをわずか0.0655° (1回転の1/5500)回転しただけで、コリメータの角度は2.0 µrad変わります。高度な技術を有する作業者が行える微調整は0.3°(1回転の1/1200)ほどで、これはマウントの角度として9 µradの変化に相当します。

結論: Polarisキネマティックコリメータは、温度を繰り返し変化させてもコリメート光が確実に初期位置に戻る、高性能かつ高安定な製品です。従って、Polarisコリメータはアライメントの長期安定性を必要とする用途に適しています。

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Figure 4.1  グラフは、加熱・冷却サイクルを繰り返すコリメータ1(ザグリ穴付きポストPLS-C15に取り付けたPF2F63)のピッチとヨー偏差を示しています。

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Figure 4.2  グラフは、加熱・冷却サイクルを繰り返すコリメータ2(ネジ穴付きポストPLS-P150に取り付けたPF2F63)のピッチとヨー偏差を示しています。

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Figure 4.3  グラフは、コリメータPF2F63 に対して熱衝撃試験を10回連続して行ったときの、各試験後の角度偏差を表しています。コリメータ1はザグリ穴付きポストPLS-C15、コリメータ2はネジ付きポストPLS-P150に取り付けられています。温度変化(change in temperature)は各試験の開始時と終了時の温度差であり、これには室温の変動などの影響も含まれています。

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Figure 5.1   Polarisキネマティックコリメータの特長

光学系のミスアライメントには、一般にいくつかの共通要因があり、それには、光学素子の位置の温度によるヒステリシス、クロストーク、ドリフト、バックラッシュなどが上げられます。Polarisマウントは、特にこれらのミスアライメント要因を最小化するように設計されており、その結果として極めて高い安定性が実現されています。高い安定性が求められる実験に適したキネマティックマウント用の要素部品を選定するために、広範な研究、先進の設計ツールを用いた様々な設計検討、何か月にも渡る厳格な試験を実施しました。

熱ヒステリシス
多くの実験室の室内温度は、空調、室内の人数、設備の動作状況などの影響により一定ではありません。そのため、アライメントの変化に敏感な光学セットアップに使用されるマウントには、温度によるアライメントへの影響を最小化する設計が求められます。温度の影響は、ステンレススチールのような熱膨張係数(CTE)の小さい材料を選ぶことによって抑制できます。しかしCTEが小さい材料で作られたマウントであっても、元の温度に戻った時、一般に光学素子の位置は元に戻りません。Polarisキネマティックコリメータの重要部品は全て組立前に熱処理され、温度ヒステリシスの原因になりうる内部応力が除去されます。その結果、マウントの温度を元の温度に戻すと、光学系のアライメントも元に戻ります。

クロストーク
クロストークについては、マウントの前面プレートと背面プレートの寸法公差を注意深く調整し、ピッチとヨーのアクチュエータの動きを直交させることで最小化しています。さらに、3つの接触点には全てサファイアシートが使用されています。標準的な金属-金属の接触点は、時間の経過とともに摩耗します。Polarisマウントでは研磨されたサファイアシートが使用されているため、アクチュエータの硬化処理されたステンレススチール製先端との接触面は、時間が経過してもその良好な状態が保持されます。

ドリフトおよびバックラッシュ
コリメータの位置のドリフトとバックラッシュを最小化するには、アジャスタ内のあそびと潤滑剤の量を制限する必要があります。アクチュエータを調整(操作)すると、余分な潤滑剤は絞り出されて他の部位に蓄積します。この非平衡状態にある潤滑剤はゆっくりと平衡状態に戻っていきます。それにより、マウントの前面プレートが移動する場合があります。Polarisミラーマウントでは、工業規格よりも厳しい基準で本体やブッシュと整合するアジャスタを使用しているので、アジャスタの潤滑剤はほんのわずかしか必要ありません。そのため、調整後もPolarisマウントのアライメントは極めて高い安定性を示します(詳しくは「試験データ」タブをご参照ください)。また、アジャスタは滑らかに動かすことができるので、繰り返し細かい調整を行なうことができます。

真空への対応と低いアウトガス
こちらのページでご紹介しているPolarisマウントは、すべてクリーンルーム内および真空チャンバ内での使用が可能です。すべてCarpenter AAA不動態化処理による化学洗浄を行い、表面から硫黄、鉄、汚染物質などを除去しています。不動態化処理の後は、クリーンな(汚染されていない)環境下で組み立て、2重の真空バッグに入れてクリーンルームに搬入するまでの間に汚染されないようにしています。

サファイアシートとコリメーターレンズは、NASAで認証されたアウトガスの少ない手法を用いて、所定の位置に接着されています。また、アジャスタには、DuPont社製LVP高真空対応グリースKrytox(超高真空対応のアウトガスの少ないPTFEグリース)を使用しています。このような技術により、高真空への対応とアウトガスの低減を実現しています。10^-5より低い真空圧力で使用するときは、アウトガスによる汚染を最小限に止めるために、マウントを設置する前に適切なベークアウト処理を施すことを強くお勧めします。なお、Polarisマウントに付属しているM4 x 0.7キャップスクリュは、10^-5 Torr以下の真空圧力には対応していませんのでご注意ください。各部品に付属するプラスチック製キャップは真空には対応しておりません。

クリーンルームに対応した包装
真空対応のPolarisマウントは、クリーンな(汚染されていない)環境下で組み立てられた後、2重の真空バッグに封入されます。真空気密により袋が密着するためマウントが安定し、輸送時の衝撃等による前面プレートの移動も制限されます。また、密着することで袋とマウントの摩擦も最小限に抑えられるため、袋の材料が削られてクリーンなマウントを汚染することも防げます。

真空封止の工程では、水分が含まれた空気がパッケージから排出されます。そのため、乾燥剤を使用することなく、不要な表面反応を防止できます。真空バッグは、輸送および保管中の空気や埃による汚染からマウントを保護し、さらに2重であることでクリーンルームへの入室手順をシンプルで有効性の高いものにしています。クリーンルームの外で外側の袋を外し、汚染されていない内側の袋に入ったマウントをクリーンなコンテナに入れてクリーンルーム内に搬入できます。この間、真空バッグに入っているという利点は保持されています。クリーンルーム内では、マウントを内側の袋から取り出して、すぐにご使用いただくことができます。

以下の式は、ファイバーコリメータを通過して出射するビームの発散角、ビームウェストまでの最大距離、および出射ビーム径を計算するための理論近似式です。Fiber Collimator Calculatorボタンをクリックすると、これらの計算のほかに、ファイバーコリメータを使用する際に有用なその他の計算も可能なExcelマクロファイルをご利用いただけます。Web版のExcelでは一部の機能がサポートされていないため、ファイルをダウンロードして、デスクトップアプリケーションのExcelで開くことをお勧めします。このファイルでは、以下のパラメータを計算することができます。

• 発散角
• ビームウェストまでの最大距離
• 出射ビーム径
• 特定の距離におけるビーム径
• ファイバとの結合効率

Excelファイルをご利用の際はマクロを有効にする必要があります。マクロを有効にするには、ファイルを開いて、上部の黄色いメッセージバー上の「編集を有効にする」をクリックしてください。

ビームの広がり角の理論的近似値

仕様表に記載されているビームの広がり角(全角)は、ファイバーコリメータについて計算された理論値です。この広がり角は、ファイバからの光がガウス型の強度プロファイルを有する場合、下記の計算式より理論的近似値を簡単に求めることができます。この計算式はシングルモードファイバの場合にはよく当てはまりますが、非ガウス型強度プロファイルの光を出射するマルチモードファイバの場合には実際より小さい数値を算出します。

広がり角(全角、単位は°)は以下の式で求められます。

ここでMFDはモードフィールド径、fはコリメータの焦点距離です(注：この式ではMFDとfに同じ単位を使わなければなりません)。

例:

コリメータ PF2F53/M(f ≈ 10.9 mm｣とした理由は設計波長が543 nmのため)を使用して、ファイバ460HP(MFD = 3.5 µm)からの515 nmの光をコリメートする場合、広がり角の近似値は

θ ≈ (0.0035 mm / 10.9 mm) * (180 / 3.1416) = 0.018°となります。

ビームウェスト最大距離の理論的近似値

ビームウェスト最大距離、すなわちコリメーションを維持できるレンズからビームウェストまでの最大距離は、以下の式で近似値が求められます。

ここでfはコリメータの焦点距離、λは光の波長、MFDはモードフィールド径です(注：この式ではλ、 MFD,とfには同じ単位を使わなければなりません)。

例:

コリメータPF2F53/M(f = 10.9 mm)とパッチケーブルP1-460B-FC-1(MFD ≈ 4.0 µm; ：計算された近似値)を組み合わせて532 nmの光を使用した場合、ビームウェストまでの最大距離の近似値は

z_max = 10.9 mm + [(2 * (10.9 mm)² * 0.000532 mm) / (3.1416 * (0.004 mm)²)] = 2526 mmとなります。

出射ビーム径の理論的近似値

出射ビーム径の近似値は以下の式で求められます。

ここでλは光の波長、MFDはモードフィールド径、fはコリメータの焦点距離です(注：この式ではMFD とfに同じ単位を使わなければなりません)。

例:

コリメータ PF2F53/M(f = 10.9 mm)をパッチケーブルP1-405B-FC-1(MFD ≈ 3.4 µm; ：計算された近似値)を組み合わせて532 nmの光を使用した場合、出力ビーム径は

d ≈ (4 * 0.000532 mm) * [10.9 mm / (3.1416 * 0.0034 mm)] = 2.17 mmとなります。

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ファイバーコリメーターセレクションガイド

コリメータの種類または画像をクリックすると、各コリメータの詳細がご覧いただけます。　

Type		Description
焦点固定型FC、APC、SMAファイバーコリメータ		こちらのファイバーコリメーターパッケージは、FC/PC、FC/APC、またはSMAコネクタ付きファイバからの出射光をコリメートするように、予めアライメントされています。各コリメーターパッケージは、405 nm～4.55 µmの波長で回折限界性能が得られるように工場で調整されています。設計波長以外でコリメータを使用することは可能ですが、色収差が生じるため最適な性能が得られるのは設計波長においてのみです。非球面レンズの実際の焦点距離は、色収差により波長に依存します。
エアスペース型複レンズ、大径ビームコリメータ		大径ビーム(Ø5.3 mm～Ø8.5 mm)用として、FC/PC、FC/APC、SMAコネクタ付きエアスペース型複レンズコリメータをご用意しています。こちらのコリメーターパッケージは、FCやSMAコネクタ付きファイバからの出射光をコリメートし、設計波長で回折限界性能が得られるように工場で予めアライメントされています。
トリプレットレンズコリメータ		高品質なトリプレットコリメーターパッケージは、エアスペース型トリプレットレンズを使用しており、非球面レンズを用いたコリメータよりも優れたビーム品質が得られます。収差の小さいトリプレットを用いることの利点は、M2値として1(ガウシアン)に近い値が得られ、広がり角や波面エラーが小さくなることなどです。
マルチモードファイバ用アクロマティックコリメータ		高NAアクロマティックコリメータは、メニスカスレンズとアクロマティック複レンズを組み合わせることで、可視～近赤外スペクトル域において球面収差の少ない優れた性能を発揮します。高NAのマルチモードファイバ用に設計されているため、オプトジェネティクスやファイバーフォトメトリの用途に適しています。
反射型コリメータ		金属コーティング反射型コリメータは、90°軸外放物面(OAP)ミラーをベースにしています。レンズと違い、ミラーは広い波長範囲にわたり焦点距離が変化しません。この特性により、軸外放物面(OAP)ミラーを用いたコリメータは広い波長範囲に対応させるための調整が不要となるため、多色光を用いる用途に適しています。当社の反射型コリメータはシングルモードファイバからの光のコリメートには適していますが、シングルモードファイバへの結合には適していません。これらのコリメータにはUV強化型アルミニウムコーティングと保護膜付き銀コーティングの製品をご用意しており、それらにはFC/PC、FC/APCまたはSMAコネクタが取り付けられています。
コンパクト反射型コリメータ		このコンパクトな反射型コリメータには、保護膜付き銀コーティングが施された90°軸外放物面(OAP)ミラーが組み込まれています。OAPミラーの焦点距離は波長に依存しないため、多色光用として適しています。 この固定式の反射型コリメータは、シングルモードファイバやマルチモードファイバからの出射光のコリメート用、およびマルチモードファイバへの光結合用として推奨しています。 これらのコリメータは当社の16 mmケージシステムに直接取り付けられます。 光入射用として、FC/PC、FC/APCまたはSMAコネクタの取り付けられた製品をご用意しています。
調整機能付き反射型コリメータ		調整機能付き反射型コリメータは、保護膜付き銀コーティングが施された90°軸外放物面(OAP)ミラーをベースにしています。ファイバ-OAP間の距離が調整可能であり、またOAPミラーが波長によらず一定の焦点距離を有します。そのため、シングルモードまたはマルチモードファイバからの多色光をコリメートしたり、あるいは逆に多色光をそれらのファイバに結合したりすることができ、その際に最適化のための調整も可能です。これらの調整機能付きコリメータは15.0 mmまたは33.0 mmの反射焦点距離を有し、FC/PC、FC/APC、またはSMAコネクタ付きの製品をご用意しています。
Polarisキネマティックコリメータ(焦点固定)		焦点固定のPolaris®キネマティックコリメータは、当社の焦点固定のコリメーターパッケージ}の高品質なビーム出力と、Polaris®マウントの優れた機械的特性を組み合わせた製品で、厳格な長期アライメント安定性が求められるファイバーコリメートの用途のおいてお使いいただけます。ファイバーコリメーターパッケージはFC/PCコネクタ付きファイバからの光を回折限界性能でコリメートするようにアライメントされています。
FiberPort		こちらのコンパクトで極めて安定なFiberPortマイクロポジショナは、FC/PC、FC/APCまたはSMAコネクタ付き光ファイバとの光の入出射用として、安定で使いやすいプラットフォームです。シングルモード、マルチモードまたは偏波保持ファイバと組み合わせて使用することができ、ポスト、ステージ、プラットフォーム、レーザなどに取り付けることができます。組み込まれている非球面またはアクロマティックレンズのARコーティングは5種類から選択でき、また5軸のアライメント調整(3つの移動調整と2つの角度調整)が可能です。コンパクトでアライメントの長期安定性に優れたFiberPortは、ファイバへの光の結合、コリメート、組み込み用途(OEM用途)などに適しています。
調整可能型ファイバーコリメータ		このコリメータは、FC/PC、FC/APCまたはSMAコネクタに接続するよう設計されており、内部にはARコーティング付き非球面レンズが取付けられています。非球面レンズとファイバ先端との距離は、焦点距離の変化を補正したり、波長や対象までの距離に合わせて再コリメートしたりするために調整することができます。
アクロマティックファイバーコリメータ、焦点調整可能		焦点調整の可能な当社のアクロマティックファイバーコリメータは、20 mm、40 mmまたは80 mmの有効焦点距離(EFL) を有し、その光学素子のARコーティングは3種類の広帯域ARコーティングから選ぶことができます。また、接続用コネクタの種類としては、FC/PC、FC/APCまたはSMA905をご用意しています。4枚のレンズを使用したエアスペース型設計であるため、非球面レンズのコリメータに比べてビーム品質に優れ(1に近いM2)、波面誤差は小さくなっています。これらのコリメータは自由空間光のファイバへの結合や、ファイバからの出射光のコリメートなどにご使用いただけます。また、距離をとって配置した2つのコリメータを用いて光を結合させると、光が2番目のコリメータに入る前にそのビームを操作することが可能になります。
ズーム機能付きファイバーコリメータ		こちらのコリメータは、ビームをコリメートしたまま、6～18 mmの範囲で焦点距離を変えることができます。そのため、コリメートした状態でビームサイズを変更できます。このデバイスは、用途に適した固定のファイバーコリメータを探す手間を省けるという利点に加え、1つで様々な幅広い用途に対応することができます。FC/PC、FC/APCまたはSMA905コネクタが付いており、反射防止コーティングは3種類からお選びいただけます。
シングルモードファイバーピグテール付きコリメータ		シングルモードファイバーピグテール付きコリメータは、長さ1メートルのファイバとそれに対して予めアライメントされたARコーティング付き非球面レンズとで構成されており、532 nm、633 nm、780 nm、850 nm、1030 nm、1064 nm、1310 nm、1550 nmの8波長用の製品をご用意しています。コーティング波長域内のどの波長でもコリメートできますが、設計波長からずれると結合損失が増加します。
偏波保持ファイバーピグテール付きコリメータ		偏波保持ファイバーピグテール付きコリメータは、長さ1メートルのファイバとそれに対して予めアライメントされたARコーティング付き非球面レンズとで構成されており、633 nm、780 nm、980 nm、1064 nm、1550 nmの5波長用の製品をご用意しています。波長やコネクタについてはカスタム仕様も対応可能です。筐体の外側にはスロー軸と平行なラインが刻印されています。これは入射光の偏光面をアライメントする際の目安としてお使いいただけます。コーティング波長域内のどの波長でもコリメートできますが、設計波長からずれると結合損失が増加します。
GRINレンズコリメータ		GRINレンズファイバーコリメータは、630～1550 nmの範囲内の様々な波長に対してアライメントされた製品をご用意しており、FCまたはAPCコネクタ付きもしくはコネクタ無しのタイプからお選びいただけます。この有効径Ø1.8 mmのGRINレンズコリメータは、ファイバへの後方反射光を抑えるためにARコーティングが施されており、標準のシングルモードファイバまたはグレーデッドインデックス(GI)マルチモードファイバに結合されています。
GRINレンズ		この屈折率分布型(GRIN)レンズは630 nm、830 nm、1060 nm、1300 nm、または1560 nmの波長用にARコーティングが施されており、光ファイバから出射した光が自由空間の光学系を通過して再度別のファイバに入射するまでの各用途にご利用いただけます。また半導体レーザの出射光のファイバへの結合、ファイバからの出射光のディテクタへの集光、レーザ光のコリメートなどにも適しています。このGRINレンズは当社の ピグテール付きガラスフェルールやGRINレンズ/フェルール用スリーブと組み合わせてお使いいただくこともできます。