(57)【要約】【課題】開口数が大きな光学素子を備えていても、簡易な構成でレンズ収差を小さく抑えることができる光学系及び光学装置の提供を課題とする。【解決手段】０．１より大きな開口数を有する光出射手段１２と、一部が球面形状とされ、光出射手段１２に光出射手段１２から出射された出射光を制御可能に設けられた光学素子１４と、を有する光学系１０とする。そして、その光学系１０を備えた光学装置２０とする。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．１より大きな開口数を有する光出射手段と、
一部が球面形状とされ、前記光出射手段に該光出射手段から出射された出射光を制御可能に設けられた光学素子と、
を有することを特徴とする光学系。
【請求項２】
前記光学素子の中心は、前記光出射手段の光出射領域の中心と一致していることを特徴とする請求項１に記載の光学系。
【請求項３】
０．１より大きな開口数を有する光入射手段と、
一部が球面形状とされ、前記光入射手段に該光入射手段へ入射される入射光を制御可能に設けられた光学素子と、
を有することを特徴とする光学系。
【請求項４】
前記光学素子の中心は、前記光入射手段の光入射領域の中心と一致していることを特徴とする請求項３に記載の光学系。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の光学系と、
前記光学系から出射された光を平行光化するコリメーターレンズと、
前記コリメーターレンズによって平行光化された光を入射させる光学部品と、
を有することを特徴とする光学装置。
【請求項６】
請求項３又は請求項４に記載の光学系を有することを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学系及び光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学素子からの出射光を伝達する方法としては、コリメーターレンズと集光レンズを用いた光学系が一般的に知られている。このような光学系において、開口数の大きな光学素子が含まれる場合には、レンズの収差が無視できなくなり、伝達特性が劣化する（結合効率が低下する）。
【０００３】
一方、多波長（４波長）が合成された入力光を、波長分散を小さく抑えた光学系により平行光化し、各々の波長に対応した出射ファイバーに結合させる光学系が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この光学系では、色収差、球面収差を小さくする設計のレンズを用いることで、出射特性の向上を図るようにしている。すなわち、開口数が大きな出射ファイバーからの出射光でも、レンズの設計（アプラナートレンズを用いるなど）により、そのレンズ収差を小さく抑えるようにしている。
【０００４】
しかしながら、開口数の大きな（発散角の大きな）光学素子を使用した場合で、レンズ収差が小さくなるようにレンズを設計することには限界がある。つまり、このような光学系でレンズの収差が小さくなるように設計することは、全体的に複雑になり、コスト面でもあまり好ましくない。
【特許文献１】特表２００５−５３６７７９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
そこで、本発明は、開口数が大きな光学素子を備えていても、簡易な構成でレンズ収差を小さく抑えることができる光学系及び光学装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記の目的を達成するために、本発明に係る請求項１に記載の光学系は、０．１より大きな開口数を有する光出射手段と、一部が球面形状とされ、前記光出射手段に該光出射手段から出射された出射光を制御可能に設けられた光学素子と、を有することを特徴としている。
【０００７】
そして、請求項２に記載の光学系は、請求項１に記載の光学系において、前記光学素子の中心が、前記光出射手段の光出射領域の中心と一致していることを特徴としている。
【０００８】
請求項１及び請求項２に記載の発明によれば、光出射手段から出射される出射光を、その光出射手段に設けられた光学素子によって制御することができる。つまり、開口数の大きな光出射手段から出射された出射光でも、空間へ出射するところで、可能な限り、その開口数を小さく抑えることができる。したがって、レンズ収差を小さく抑えることができる。また、光学素子を光出射手段に設けるだけで良いため、構造が簡易であり、性能面、コスト面において、従来よりも優位となっている。
【０００９】
また、本発明に係る請求項３に記載の光学系は、０．１より大きな開口数を有する光入射手段と、一部が球面形状とされ、前記光入射手段に該光入射手段へ入射される入射光を制御可能に設けられた光学素子と、を有することを特徴としている。
【００１０】
そして、請求項４に記載の光学系は、請求項３に記載の光学系において、前記光学素子の中心が、前記光入射手段の光入射領域の中心と一致していることを特徴としている。
【００１１】
請求項３及び請求項４に記載の発明によれば、光入射手段へ入射される入射光を、その光入射手段に設けられた光学素子によって制御することができる。つまり、開口数の大きな光入射手段へ入射される入射光を、入射するところで、可能な限り、その開口数を小さく抑えることができる。したがって、レンズ収差の影響を小さく抑えることができる。また、光学素子を光入射手段に設けるだけで良いため、構造が簡易であり、性能面、コスト面において、従来よりも優位となっている。
【００１２】
また、本発明に係る請求項５に記載の光学装置は、請求項１又は請求項２に記載の光学系と、前記光学系から出射された光を平行光化するコリメーターレンズと、前記コリメーターレンズによって平行光化された光を入射させる光学部品と、を有することを特徴としている。
【００１３】
請求項５に記載の発明によれば、低収差な領域を前提に光学部品の設計ができるので、光学部品の特性が良好に得られる。
【００１４】
また、請求項６に記載の光学装置は、請求項５に記載の光学装置において、請求項３又は請求項４に記載の光学系を有することを特徴としている。
【００１５】
請求項６に記載の発明によれば、光入射手段へ入射される入射光の結合効率を向上させることができる。
【発明の効果】
【００１６】
以上、本発明によれば、開口数が大きな光学素子を備えていても、簡易な構成でレンズ収差を小さく抑えることができる光学系及び光学装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下、本発明の最良な実施の形態について、図面に示す実施例を基に詳細に説明する。図１（Ａ）は光出射手段を示す概略側面図であり、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）は本実施形態に係る光学系を示す概略側面図である。図１（Ｂ）で示すように、本実施形態に係る光学系１０は、０．１より大きな開口数を有する光出射手段としてのマルチモード光ファイバー１２と、一部に球面形状を有する光学素子としての半球状レンズ１４とを備えている。
【００１８】
すなわち、半球状レンズ１４は、その平面部１５がマルチモード光ファイバー１２の先端面に当接するように隙間無く配置され（光学的に接続され）、その中心がマルチモード光ファイバー１２の出射領域の中心と一致している。また、この半球状レンズ１４の半径は、マルチモード光ファイバー１２の出射領域が充分小さいとみなせる程度に大きくされている。具体的には、マルチモード光ファイバー１２の出射領域の直径をＤとし、半球状レンズ１４の半径をｒとするとき、ｒ＞１００×Ｄ（少なくともｒ＞１０×Ｄ）とされている。
【００１９】
さて、通常のマルチモード光ファイバー１２の場合（半球状レンズ１４が配置されていない場合）、図１（Ａ）で示すように、屈折率ｎ１のマルチモード光ファイバー１２の内部での角度θ１の光を、空間（空気領域）に出射させると、その出射光は、角度θ２（θ２＝発散角の半角）で出射される。つまり、屈折率ｎ２（ｎ２＜ｎ１）が「１」の空気領域に出射される角度θ２は、スネルの法則に従い（ｎ１ｓｉｎθ１＝ｎ２ｓｉｎθ２）、角度θ１より拡大され、開口数（発散角の半角の正弦:ｓｉｎθ２)は大きくなる。
【００２０】
しかし、マルチモード光ファイバー１２の先端面に半球状レンズ１４が隙間無く配置されていると（光学的に接続されていると）、図１（Ｂ）で示すように、出射光は、角度θ１（θ１＜θ２）で出射される。つまり、半球状レンズ１４の光出射側が球面状になっているため、出射光は屈折することなく、空気領域に出射される。
【００２１】
このように、開口数の大きなマルチモード光ファイバー１２から出射された出射光でも、空間（空気領域）へ出射するところで、可能な限り開口数を小さく抑えることができるので、レンズ収差の小さな光学系を実現することができる（レンズ収差を小さく抑えることができる）。なお、図１（Ｃ）で示すように、半球状レンズ１４は、実際に必要な部分だけあれば充分である。
【００２２】
次に、以上のような光学系１０を備えた光学装置２０について説明する。図２には、開口数が０．１より大きいマルチモード光ファイバー１２から半球状レンズ１４を介して出射された光を平行光化するコリメーターレンズ２２と、コリメーターレンズ２２によって平行光化された光を入射させる波長フィルターなどの光学部品２４と、光学部品２４を透過した光が集光される集光レンズ２６と、集光レンズ２６で集光した光を入射させる光入射手段としてのマルチモード光ファイバー２８と、を光学系１０の他に備えた光学装置２０が示されている。
【００２３】
一般に、開口数が０．１より大きいマルチモード光ファイバー１２では、上記したように、コリメーターレンズ２２や集光レンズ２６による収差が大きくなり、マルチモード光ファイバー２８への結合効率が低下する。つまり、レンズ収差が大きな状態では、波長フィルターなどの光学部品２４を配置しても良好な特性が得られない。
【００２４】
しかし、本実施形態に係る光学系１０では、半球状レンズ１４をマルチモード光ファイバー１２の先端面に隙間無く配置しているので、出射光をコリメーターレンズ２２へ向けて出射するところで、可能な限りその開口数を小さく抑えることができる（コリメーターレンズ２２への入力段階で、大きな開口数のまま光を入射させないようにできる）。よって、低収差な領域を前提に光学部品２４の設計が可能となり、光学部品２４の特性が良好に得られる。
【００２５】
このように、本実施形態に係る光学系１０を備えた光学装置２０によれば、半球状レンズ１４をマルチモード光ファイバー１２の先端面に設けるだけという簡易な構成でありながら、光学部品２４の特性が良好に得られ、かつ、接続された次の光学素子、この場合は光入射手段としてのマルチモード光ファイバー２８への結合効率を向上させることができる。したがって、従来よりも性能面、コスト面において優位となっている。
【００２６】
なお、図３で示すように、マルチモード光ファイバー２８の入射側先端面に半球状レンズ１４（図示のものは図１（Ｃ）で示すタイプ）を隙間無く配置してもよい。このような構成にすると、レンズ収差の影響を更に小さく抑えることができるとともに、光入射手段としてのマルチモード光ファイバー２８への結合効率を更に向上させることができる。
【００２７】
また、図４、図５には、第１の光出射手段であるマルチモード光ファイバー１２Ａから半球状レンズ１４Ａを介して出射された光を平行光化するコリメーターレンズ２２Ａと、第２の光出射手段であるマルチモード光ファイバー１２Ｂから半球状レンズ１４Ｂを介して出射された光を平行光化するコリメーターレンズ２２Ｂと、コリメーターレンズ２２Ａによって平行光化された光を透過し、コリメーターレンズ２２Ｂによって平行光化された光を反射させる光学部品としてのダイクロイックミラー２５と、ダイクロイックミラー２５を透過及び反射して合波された光が集光される集光レンズ２６と、集光レンズ２６で集光した光を入射させる光入射手段であるマルチモード光ファイバー２８と、を光学系１０の他に備えた光学装置２０が示されている。
【００２８】
なお、当然ながら、第１の光出射手段であるマルチモード光ファイバー１２Ａから出射される出射光と、第２の光出射手段であるマルチモード光ファイバー１２Ｂから出射される出射光は、その波長が互いに異なっている。また、図４で示すダイクロイックミラー２５の設置角度αは４５度とされているが、図５で示すダイクロイックミラー２５の設置角度αは６０度とされている。ダイクロイックミラー２５に対する設計を緩和するためには、ダイクロイックミラー２５に対する光の入射角度を小さくする方（図５で示す方）が好ましい。このような光学装置２０にしても、レンズ収差を小さく抑えることができる。
【００２９】
また、図６には、光学系１０を備え、離れた２点間で光束を空間伝送する光学装置としての空間伝送装置３０が示されている。すなわち、この空間伝送装置３０は、光学系１０の他に、信号変調手段３２と、発光素子制御手段３４と、開口部を有する半導体レーザーなどの発光素子３６と、その発光素子３６の開口部に接続された（光学的に結合された）マルチモード光ファイバー１２から半球状レンズ１４を介して出射された光を平行光化して伝送するコリメーターレンズ３８と、伝送された光を集光する集光レンズ４０と、集光レンズ４０で集光した光を入射させる光入射手段としての受光素子４２と、受光素子制御手段４４と、信号復調手段４６とを備えている。
【００３０】
高効率で、より遠くに光束を伝達させるためには、レンズ収差の影響が少ない平行光を実現する必要がある。本実施形態に係る光学系１０を備えた空間伝送装置３０によれば、出射光をコリメーターレンズ３８へ向けて出射するところで、可能な限りその開口数を小さく抑えることができるため、コリメーターレンズ３８への入力段階で、大きな開口数のまま光を入射させないようにでき、これによって、レンズ収差を小さく抑えることができる。なお、半球状レンズ１４は、発光素子３６の開口部に直接配置する構成にしてもよく、この場合は、発光素子３６が光出射手段となる。
【００３１】
また、図７で示すように、図１で示す半球状レンズ１４とは異なる屈折率を有する半球状レンズ１６、１８を、半球状レンズ１４と同様にマルチモード光ファイバー１２の先端面に隙間なく配置してもよい。すなわち、図７（Ａ）で示すように、軸対象の屈折率分布を有する半球状レンズ１６を使用したり、図７（Ｂ）で示すように、光の進行方向に屈折率分布を有する半球状レンズ１８を使用してもよい。
【００３２】
半球状レンズ１６、１８のような屈折率分布を持たせると、０．１より大きな開口数を有するマルチモード光ファイバー１２に光学的に接続させる際の特性（設計値）を向上させることができる。つまり、半球状レンズの屈折率を適切に選択すれば、その半球状レンズの球面に対して、ほぼ垂直に光を進ませる（出射光を制御する）ことが可能になるので、空間（空気領域）との境界面で大きく屈折させることなく、透過させることが可能となる。よって、このような半球状レンズ１６、１８を光学装置２０、空間伝送装置３０に使用すれば、更にそのレンズ収差を小さく抑えることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】（Ａ）マルチモード光ファイバーからの出射光の発散角を示す概略側面図、（Ｂ）マルチモード光ファイバーと半球状レンズとを備えた光学系を示す概略側面図、（Ｃ）マルチモード光ファイバーと別の半球状レンズとを備えた光学系を示す概略側面図
【図２】光学系とコリメーターレンズと光学部品とを備えた光学装置を示す説明図
【図３】光入射側の光学素子を示す概略側面図
【図４】光学系とコリメーターレンズとダイクロイックミラーとを備えた光学装置を示す説明図
【図５】光学系とコリメーターレンズとダイクロイックミラーとを備えた光学装置を示す説明図
【図６】光学系を備えた空間伝送装置を示す説明図
【図７】（Ａ）マルチモード光ファイバーと屈折率の異なる半球状レンズとを備えた光学系を示す概略側面図、（Ｂ）マルチモード光ファイバーと屈折率の異なる半球状レンズとを備えた光学系を示す概略側面図
【符号の説明】
【００３４】
１０  光学系
１２  マルチモード光ファイバー（光出射手段）
１４  半球状レンズ（光学素子）
１６  半球状レンズ（光学素子）
１８  半球状レンズ（光学素子）
２０  光学装置
２２  コリメーターレンズ
２４  光学部品
２５  ダイクロイックミラー（光学部品）
２６  集光レンズ
２８  マルチモード光ファイバー（光入射手段）
３０  空間伝送装置（光学装置）
３６  発光素子（光出射手段）
４２  受光素子（光入射手段）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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