(57)【要約】【課題】偏心光学系、送光装置、受光装置および光学システムにおいて、入力光が受光面に到達するまでの光量損失が低減でき、小型であり、さらに受光面に結像する光が高い解像力を有する高機能化可能なものとし、高精度かつ高効率の光捕捉追尾が行えるようにする。【解決手段】偏心光学系１を、偏心配置された反射ミラー３、４、６と、集光手段１０、受光器１１で構成する。反射ミラー３、４、６で、光路を折り畳み回転非対称な反射面により収差補正しつつ、反射ミラー４と反射ミラー６との間に中間像を作る。反射ミラー６の反射光は略平行光束とし射出瞳７を形成する。集光手段１０により受光面１１ａに結像する。この偏心光学系１を光捕捉追尾装置、光学システムに用いて、受光像の位置検出を行い光捕捉追尾する。【選択図】      図１
2005003804.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
略平行な光束を入力光とする偏心光学系であって、
前記入力光の光路に沿う順に、正のパワーを有する第１の光学素子と、前記入力光の光軸から偏心または傾いて配置された回転非対称な偏心反射面を有する第２の光学素子と、少なくとも一つの正のパワーを有する光学作用面が形成された第３の光学素子とを備え、
これら第１、２の光学素子により中間像と、第１〜３の光学素子により射出瞳とが形成され、
該射出瞳を通過した光束を少なくとも一つの受光面に集光する集光手段が設けられ、
前記射出瞳に入射する軸上光束の主光線と従属光線とのなす角度をθとするとき、次式を満足することを特徴とする偏心光学系。
−６°≦θ≦８°                                      ・・・（１）
【請求項２】
請求項１に記載の偏心光学系において、
入射瞳径Ｄと、前記入力光の入射瞳への入射画角ω１と、該入力光が前記射出瞳に入射する際の主光線の入射角度ω２とが次式を満足することを特徴とする偏心光学系。
０．５（ｍｍ）≦Ｄ・（ω１／ω２）≦１５（ｍｍ）      ・・・（２）
【請求項３】
請求項１または２に記載の偏心光学系において、
前記第３の光学素子の最も像側の光学作用面から前記射出瞳位置までの光軸に沿う距離Ｌ１と、入射瞳径Ｄとが、次式を満足することを特徴とする偏心光学系。
０．０５≦（Ｌ１／Ｄ）≦３                            ・・・（３）
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の偏心光学系において、
前記中間像が形成される位置から前記第３の光学素子の最も物体側の光学作用面までの光軸に沿う距離Ｌ２と、入射瞳径Ｄとが、次式を満足することを特徴とする偏心光学系。
０．０３≦（Ｌ２／Ｄ）≦１．５                        ・・・（４）
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の偏心光学系において、
前記第２の光学素子の前記偏心反射面から前記中間像が形成される位置までの光軸に沿う距離Ｌ３と、入射瞳径Ｄとが、次式を満足することを特徴とする偏心光学系。
０．３≦（Ｌ３／Ｄ）≦３                              ・・・（５）
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の偏心光学系において、
前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との近軸合成焦点距離ｆ１と、前記第３の光学素子の近軸焦点距離ｆ２とが、次式を満足することを特徴とする偏心光学系。
４≦（ｆ１／ｆ２）≦６０                              ・・・（６）
【請求項７】
請求項１〜６のいずれかに記載の偏心光学系において、
前記射出瞳近傍の光路上に回動可能な反射面が配置されたことを特徴とする偏心光学系。
【請求項８】
請求項７に記載の偏心光学系において、
前記回動可能な反射面がガルバノミラーにより形成されることを特徴とする偏心光学系。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれかに記載の偏心光学系において、
前記射出瞳の像側に少なくとも一つの第１光路分岐手段が配置され、
前記第１光路分岐手段で分岐された光路のそれぞれに前記受光面が配置されたことを特徴とする偏心光学系。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれかに記載の偏心光学系において、
前記第２の光学素子の前記偏心反射面と前記第３の光学素子の前記正のパワーを有する光学作用面との間の光路中に、該光路を分岐する第２光路分岐手段が設けられたことを特徴とする偏心光学系。
【請求項１１】
請求項１０に記載の偏心光学系において、
前記第２光路分岐手段を前記中間像が形成される位置の物体側に設けることにより、前記分岐された光路上に他の中間像が形成され、
該他の中間像の像面位置に中間像受光面が配置されたことを特徴とする偏心光学系。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれかに記載の偏心光学系と、略平行光束を放射する光源部とを含むことを特徴とする送光装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の送光装置において、
前記光源部から射出される前記略平行光束を前記射出瞳に入射するための光路合成手段を備えることを特徴とする送光装置。
【請求項１４】
請求項１〜１１のいずれかに記載の偏心光学系を備え、前記受光面の少なくとも一つが位置検出センサにより構成されていることを特徴とする受光装置。
【請求項１５】
請求項１〜１１のいずれかに記載の偏心光学系と、該偏心光学系の受光面に設けられた受光器と、該受光器に接続された入力信号制御手段とを備えることを特徴とする受光装置。
【請求項１６】
略平行光を射出する送光装置と、前記送光装置と離れて対向して配置された前記略平行光を入力光として受光する受光装置とを含む光学システムであって、
前記受光装置が請求項１〜１１のいずれかに記載の偏心光学系を備えることを特徴とする光学システム。
【請求項１７】
請求項１６に記載の光学システムにおいて、
前記受光装置の前記受光面の少なくとも一つが位置検出センサにより構成され、前記位置検出センサからの位置信号に基づき、光捕捉追尾することを特徴とする光学システム。
【請求項１８】
請求項１６または１７の光学システムにおいて、
前記送光装置には出力信号制御手段を有し、前記受光装置には入力信号制御手段を有しており、通信信号を変調して送受信することにより空間光通信が行えることを特徴とする光学システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏心光学系、送光装置、受光装置および光学システムに関する。特に、焦点面にフォーカスを行う際に好適に用いることができる偏心光学系、送光装置、受光装置および光学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、適用分野によっては、反射光学系は屈折光学系に比べて優れた特性を有することが知られている。
反射光学系の長所としては、色収差が発生しないため、反射分光特性が許容できる反射素材、反射膜であれば、非常に広い帯域をカバーすることができること、光路が折り畳まれて光学系全体をコンパクトに構成しやすいこと、同じ曲率であればパワーが屈折面の４倍になるため曲率を小さくできるので収差の発生が抑えられること、などがある。
反射光学系として、例えば天文学分野などでは、主鏡と副鏡の組み合わせを用いたカセグレン型、グレゴリ型などの反射光学系が有名であるが、これらのミラーは共軸上に配置されているため、副鏡部分が遮蔽されてしまい、光量のロスが発生していた。
この点を改良するために、複数の反射面を互いに偏心、傾斜させて組み合わせたタイプの偏心光学系である反射型光学系が種々考案されている。
例えば、特許文献１には、物体側から３つの反射面で構成され、順番に凹反射面、凸反射面、凹反射面を配置し、各々の近軸曲率半径をｒ１、ｒ２、ｒ３とするとき、
０．９＜ｒ２／ｒ１＋ｒ２／ｒ３＜１．１
と設定した反射光学系が記載されている。
また、特許文献２には、物体側から正パワーの第１凹面鏡と負パワーの凸面鏡を軸外しに配置してアフォーカル光学系を形成し、さらに正の第２凹面鏡を配置し、３つの面形状を非球面とした軸外し反射光学系が記載されている。
また、特許文献３、４には、互いに偏心、傾斜した正、負、正パワーを有する３枚のミラーによって構成される光学系が記載されている。そして、それら光学系内部に一度中間像を形成し、像面の近傍に射出瞳を形成するとともに、射出瞳位置の前後で光束が収束光となる光学系とされている。
また、特許文献５には、互いに偏心、傾斜した正、負、正パワーを有する３枚のミラーと略無倍率の補正ミラーによって構成された光学系が記載されている。
これらの偏心光学系は、送光装置、受光装置および光学システムなどとして用いられている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−１４６４４２号公報（第２−５頁、図２）
【特許文献２】
特開２０００−１９９８５２号公報（第２−６頁、図１、４）
【特許文献３】
米国特許第４２６５５１０号明細書（図１、３）
【特許文献４】
米国特許第４８３４５１７号明細書（図２、４、６）
【特許文献５】
特許第３１７７１１８号公報（第２−３頁、図２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来の偏心光学系、送光装置、受光装置および光学システムには、以下のような問題があった。
特許文献１に記載の技術では、凹反射面、凸反射面、凹反射面がそれぞれ回転対称非球面の共軸光学系を構成しており、共軸関係にある３つの反射面間を物体からの光束が折り畳まれて進む。したがって、より大きな入射光束径とするためには、最初に入射する凹反射面への入射光束が凸反射面と干渉しないように、凸反射面を小さくする必要があり、そのために最初の凹反射面の曲率半径を小さくする必要があった。ところが、最初の凹反射面の曲率半径を小さくすると最初の凹反射面の有効径が小さくなるので、いずれにしても光束のケラレが生じ、入射光束の有効利用ができないという問題があった。
また３つの反射面は共軸関係に配置され、像面湾曲の少ない構成とされているものの、２つの凹反射面は光軸に対してそれぞれ片側面のみが使用されているので、光軸基準で考えると偏心した反射面と略等価と考えられる。したがって、軸上においても非点収差、コマ収差が発生し、画角が大きい場合にはディストーション（像歪み）が偏心による台形や弓形の形状となり、結像性能の劣ったものとなるという問題があった。
特許文献２に記載の技術では、入射瞳を透過した光束は第１凹面鏡で反射され、その後入射角に対して倍率の乗じた発散角を有する光束となって像側に導かれる。このため凸面鏡の像側に絞りを設けるには大きな絞りが必要となる。また、絞りを小さくするために凸面鏡の近傍に配置してもそこから発散角を有する平行光束となるため、第２凹面鏡が大きくなり、光学系全体が大型化するという問題があった。
特許文献３〜５に記載の技術では、中間像をリレーして結像させる構成となっているが、射出瞳に入射する光束が収束光となるため、瞳位置がミラーから離れ、最終像位置の近くになってしまうものである。したがって、射出瞳位置が像面や２番目のミラーと近接する。その結果、射出瞳位置に、例えば反射ミラーなどの光学素子を配置する場合に、製造誤差や取付誤差などによって光束のケラレなどが起こりやすくなるという問題があった。そのため射出瞳が形成されていてもそれを利用して光学系を高機能化するといったことができないという問題があった。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、画角を持って入射する略平行な光束の入力光を少なくとも一つの受光面に集光させる光学系において、入力光が受光面に到達するまでの光量損失が低減でき、小型であり、さらに受光面に結像する光が高い解像力を有する高機能化可能な偏心光学系を提供することを目的とする。
また、それを用いて高精度かつ高効率な光捕捉追尾が行える送光装置、受光装置および光学システムを提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、略平行な光束を入力光とする偏心光学系であって、前記入力光の光路に沿う順に、正のパワーを有する第１の光学素子と、前記入力光の光軸から偏心または傾いて配置された回転非対称な偏心反射面を有する第２の光学素子と、少なくとも一つの正のパワーを有する光学作用面が形成された第３の光学素子とを備え、これら第１、２の光学素子により中間像と、第１〜３の光学素子により射出瞳とが形成され、該射出瞳を通過した光束を少なくとも一つの受光面に集光する集光手段が設けられ、前記射出瞳に入射する軸上光束の主光線と従属光線とのなす角度をθとするとき、次式を満足する構成とする。
−６°≦θ≦８°                                      ・・・（１）
ここで、符号は、入射光の従属光線が像面に向かって進む場合に軸上主光線に対して広がる方向を正、その逆を負とする。
この発明によれば、第２の光学素子を偏心または傾いて配置した偏心反射面とするので、光束と光学素子が干渉しない構成の偏心光学系とすることができるため、光量損失が発生しないようにすることができる。また第２の光学素子を反射面で構成しているため、光路が折り畳まれ、装置全体をコンパクトにすることができる。また、反射面では色収差が発生しないため結像性能の向上を図ることができる。特に光学系のすべての光学作用面で構成した場合は、色収差が全く発生しない光学系とすることができる。
また、上述したように光量損失を発生させないよう折り曲げられた光軸を含む面内において光軸から光学素子を偏心または傾けて配備した偏心光学系としているが、第２の光学素子に回転非対称な偏心反射面を設けているため、有効径の大きい第１の光学素子に回転非対称な面を設ける場合に比べ、製造コストを抑えることができ、第３の光学素子に回転非対称な面を設ける場合に比べ、有効径が十分大きいので収差補正上有利であり、コストと効果のバランスを取ることができる。ただし、第１の光学素子、第３の光学素子が回転非対称な面を有していることは収差補正上より望ましい。
さらに、収差補正が十分であるため構成光学素子の数の削減ができる。また、第１および２の光学素子の２つの光学素子のみで、中心ばかりでなく軸外収差も良好に補正された中間像を形成することができ、第１〜３の光学素子の３つの光学素子のみで軸上から軸外まで略平行な光束を射出瞳の形成を実現できる。
また、射出瞳に入射する光線を上記条件式の範囲を満たす略平行光束となるよう第１〜３の光学素子による偏心光学系の構成としたことにより、望遠鏡用撮影光学系や空間光通信、または光無線と呼ばれる通信装置の光アンテナ用光学系など高機能化に対応したものとすることができる。具体的には略瞳位置に分岐面を配置し機能を増やす場合や、ガルバノミラーなどの偏向素子を配置し、その後に配置した位置検出素子などにより光捕捉追尾する場合など、その後に続く光学素子の有効径を略射出瞳径とすればよく高機能化に対応しやすい光学系とすることができる。
【０００７】
第１の光学素子は透過素子でも反射素子でもよい。透過素子で構成される場合は、第１の光学素子の透過側に比較的長い光路長を形成することができ、反射素子で構成される場合は、光路が折り畳まれるためコンパクトな構成とすることができる。
第２の光学素子は、回転非対称の偏心反射面とするため、第１の光学素子の偏心量に応じて偏心反射面の形状を非対称に形成することにより偏心収差を補正または低減することができる。
特に負のパワーを有する場合には、第１の光学素子で発生する球面収差およびコマ収差を補正することができる。また、軸外光束に対してペッツバール和を改善することができるため、入射光束の画角が増大する場合にも優れた結像性能とすることができる。
またこのように第２の光学素子に負のパワーを持たせて良好に収差補正が行えるようにすることにより、第２、第３の光学素子の間に、結像性能に優れた中間像を形成することができる。
【０００８】
なお、本明細書では、光学作用面は、物体表面や媒質の境界面などの面に適宜の処理を施し、マクロに見て、光束に対して反射、屈折、干渉、偏光などの光学作用をなさしめるようにした面を意味する。すなわち、当業者が、例えば反射面、透過面、屈折面、レンズ面、フレネルレンズ面、プリズム面、フィルタ面、偏光面、光学面などと称している面状の光学要素の総称である。
【０００９】
請求項２に記載の発明では、請求項１に記載の偏心光学系において、請求項１に記載の偏心光学系において、入射瞳径Ｄと、前記入力光の入射瞳への入射画角ω１と、該入力光が前記射出瞳に入射する際の主光線の入射角度ω２とが次式を満足する構成とする。
０．５（ｍｍ）≦Ｄ・（ω１／ω２）≦１５（ｍｍ）      ・・・（２）
条件式（２）を満たすことにより、偏心光学系の入射光束径の大きさと角倍率または射出瞳径を適正な範囲とすることができる。
【００１０】
請求項３に記載の発明では、請求項１または２に記載の偏心光学系において、前記第３の光学素子の最も像側の光学作用面から前記射出瞳位置までの光軸に沿う距離Ｌ１と、入射瞳径Ｄとが、次式を満足する構成とする。
０．０５≦（Ｌ１／Ｄ）≦３                            ・・・（３）
条件式（３）を満たすことにより、第３の光学素子の正のパワーを有する光学作用面と干渉することなしに射出瞳に反射面などを配置して高機能化する適正な範囲とすることができる。
【００１１】
請求項４に記載の発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の偏心光学系において、前記中間像が形成される位置から前記第３の光学素子の最も物体側の光学作用面までの光軸に沿う距離Ｌ２と、入射瞳径Ｄとが、次式を満足する構成とする。
０．０３≦（Ｌ２／Ｄ）≦１．５                        ・・・（４）
この発明によれば、距離Ｌ２と入射瞳径Ｄとが上記条件式（４）を満たすことにより、第３の光学素子によって形成される平行光束の光束径を最適な範囲にすることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれかに記載の偏心光学系において、前記第２の光学素子の前記偏心反射面から前記中間像が形成される位置までの光軸に沿う距離Ｌ３と、入射瞳径Ｄとが、次式を満足する構成とする。
０．３≦（Ｌ３／Ｄ）≦３                              ・・・（５）
この発明によれば、距離Ｌ３と入射瞳径Ｄとが上記条件式（５）を満たすことにより、良好な収差が得られ、第２の光学素子の偏心反射面から中間像までの距離を最適な範囲とすることができる。
【００１３】
請求項６に記載の発明では、請求項１〜５のいずれかに記載の偏心光学系において、前記第１の光学素子と前記第２の光学素子との近軸合成焦点距離ｆ１と、前記第３の光学素子の近軸焦点距離ｆ２とが、次式を満足する構成とする。
４≦（ｆ１／ｆ２）≦６０                              ・・・（６）
この発明によれば、近軸合成焦点距離ｆ１と、近軸焦点距離ｆ２とが上記条件式（６）を満たすことにより、比（ｆ１／ｆ２）が表す射出瞳に入射するまでの光学系の角倍率を適切な範囲にすることができる。また射出瞳に入射する略平行光束の光束径を適切な値にすることができる。
【００１４】
請求項７に記載の発明では、請求項１〜６のいずれかに記載の偏心光学系において、前記射出瞳近傍の光路上に回動可能な反射面が配置された構成とする。
この発明によれば、回動可能な反射面により、射出瞳から射出される略平行光束を偏向することができる。そして集光手段への入射角を可変させ、受光面上の結像位置を移動させることができる。その際、回動可能な反射面が射出瞳近傍の光路上に配置されることにより、反射面の有効面を小さくすることができる。
【００１５】
請求項８に記載の発明では、請求項７に記載の偏心光学系において、前記回動可能な反射面がガルバノミラーにより形成される。
この発明によれば、ガルバノミラーを用いるので、高速かつ高精度に光偏向を行うことができる。
【００１６】
請求項９に記載の発明では、請求項１〜８のいずれかに記載の偏心光学系において、前記射出瞳の像側に少なくとも一つの第１光路分岐手段が配置され、前記第１光路分岐手段で分岐された光路のそれぞれに前記受光面が配置された構成とする。
この発明によれば、少なくとも第１光路分岐手段により射出瞳の像側の略平行光束の光路を分岐してそれぞれの光路に受光面を配置するので、複数の受光面が形成され、それらを多目的に用いることができる。
【００１７】
請求項１０に記載の発明では、請求項１〜９のいずれかに記載の偏心光学系において、前記第２の光学素子の前記偏心反射面と前記第３の光学素子の前記正のパワーを有する光学作用面との間の光路中に、該光路を分岐する第２光路分岐手段が設けられた構成とする。
この発明によれば、第２光路分岐手段により、偏心反射面と第３の光学素子の正のパワーを有する光学作用面との間で光路を分岐するので、射出瞳を形成する前の光束を分岐して多目的に利用することが可能となる。
【００１８】
請求項１１に記載の発明では、請求項１０に記載の偏心光学系において、前記第２光路分岐手段を前記中間像が形成される位置の物体側に設けることにより、前記分岐された光路上に他の中間像が形成され、該他の中間像の像面位置に中間像受光面が配置された構成とする。
この発明によれば、第２光路分岐手段により分岐された光路上で他の中間像が形成され、その像面位置に中間像受光面が配置されるので、集光手段により集光される受光面とは別の受光面を設けることができる。また、このような他の中間像は、第２の光学素子の像側に設けられているので、分岐されない光路中の中間像と同様に第１および第２の光学素子により高精度に収差補正されたものとなっている。
【００１９】
請求項１２に記載の発明では、送光装置において、略平行光束を放射する光源部とを含む構成とする。
この発明によれば、請求項１〜１１のいずれかに記載の発明と同様な作用効果を有する送光装置とすることができる。
【００２０】
請求項１３に記載の発明では、請求項１２に記載の送光装置において、前記光源部から射出される前記略平行光束を前記射出瞳に入射するための光路合成手段を備える。
この発明によれば、光路合成手段を設けるので、光源部から出射される略平行光束を射出瞳に容易に入射することができ、偏心光学系の第１の光学素子から略平行光束を出射できる。
【００２１】
請求項１４に記載の発明では、請求項１〜１１のいずれかに記載の偏心光学系を備え、前記受光面の少なくとも一つが位置検出センサにより構成されている。この発明によれば、位置検出センサにより受光面における受光位置を検出することができる。
【００２２】
請求項１５に記載の発明では、受光装置において、請求項１〜１１のいずれかに記載の偏心光学系と、該偏心光学系の受光面に設けられた受光器と、該受光器に接続された入力信号制御手段とを備える。
この発明によれば、請求項１〜１１のいずれかに記載の発明と同様な作用効果を有する受光装置とすることができる。
【００２３】
請求項１６に記載の発明では、略平行光を射出する送光装置と、前記送光装置と離れて対向して配置された前記略平行光を入力光として受光する受光装置とを含む光学システムであって、前記受光装置が請求項１〜１１のいずれかに記載の偏心光学系を備える。
この発明によれば、請求項１〜１１のいずれかに記載の発明と同様な作用効果を有する光学システムとすることができる。
【００２４】
請求項１７に記載の発明では、請求項１６に記載の光学システムにおいて、前記受光装置の前記受光面の少なくとも一つが位置検出センサにより構成され、前記位置検出センサからの位置信号に基づき、光捕捉追尾するようにする。
この発明によれば、受光面に位置検出センサを設けるので、高精度な光捕捉追尾を行うことができる。
【００２５】
請求項１８に記載の発明では、請求項１６または１７の光学システムにおいて、前記送光装置には出力信号制御手段を有し、前記受光装置には入力信号制御手段を有しており、通信信号を変調して送受信することにより空間光通信が行える構成とする。
この発明によれば、光量のロスが少ない空間光通信が行える。特に、光捕捉追尾するようにすれば、より安定した高信頼性の空間光通信を行うことができる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、実施形態が異なる場合でも、同一または相当する部材には同一符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系の一例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。なお、光路は、入射画角０°と紙面垂直軸回りの入射画角±ω１の場合について、それぞれの光束を主光線と２本の従属光線により描かれている。
本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系１について説明する。
偏心光学系１は、略平行光束である入射光束５１（入力光）を入射して受光面１１ａに結像するためのもので、その概略構成は、開口絞り２、反射ミラー３（第１の光学素子）、反射ミラー４（第２の光学素子）、反射ミラー６（第３の光学素子）、集光手段１０および受光器１１からなる。
【００２７】
開口絞り２は、入射光束５１の光束径を規制するためのもので、偏心光学系１の入射瞳をなしている。本実施形態では、直径Ｄの円孔絞りとしている。軸上主光線５０は、主光線のうち、開口絞り２の中心Ｏを通り、受光面の中心に入射する光線である。また軸上主光線に一致した光路を光軸とする。
なお、本実施形態では、図示の紙面垂直方向に入射画角を有していてもよい。しかし、以下では説明を簡単にするために、軸上主光線５０の光路を含む平面内の２次元光路について説明し、必要に応じて３次元光路について説明する。特に断らなければ、２次元光路について述べることは３次元光路にも容易に拡張できる。
【００２８】
反射ミラー３は、開口絞り２を透過した入射光束５１を反射して光路を折り畳むとともに集光するための光学素子で、反射面３ａが、正のパワーを有する回転非対称な曲面からなる自由曲面により構成されている。そして、反射面３ａは、反射光を物体の入射光束５１の光束外に導くため、入射光束５１の光軸に対して図示の紙面垂直軸から見て反時計回り（後述する座標系のＸ軸回り正方向）に偏心して配置されている。
反射面３ａの形状は、通常発生する収差の他にも、反射面３ａを偏心させたことにより発生する特殊な偏心収差、例えば軸上における非点収差、コマ収差、偏心収差独特の弓形や台形の形状になるディストーション（像歪み）などを補正するような形状とする。そのためには、図示の紙面に一致する平面（後述する座標系におけるＹ−Ｚ平面）のみを対称面とするような回転非対称な曲面とすることが好ましい。
反射ミラー３は、最も物体側の光学素子として、偏心光学系１の主たるパワーを担う光学素子とされている。
【００２９】
ここで、本実施形態において回転非対称面を表現するための座標系と自由曲面式について説明する。
座標系は、図１に示したように、物体側から開口絞り２、反射ミラー３に向う光線追跡で、入射側光軸を、軸上主光線５０のうち絞り面を形成する開口絞り２の中心に直交しプリズム１の透過面３の中心に至る光線として定義する。そして光線追跡において、開口絞り２の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点Ｏとして（ただし、図示の座標軸は光路との重なりを避けるために原点位置をずらしている）、入射側光軸に沿う方向をＺ軸方向とし、物体側から偏心光学系の開口絞り２に向かう方向をＺ軸正方向とし、紙面をＹ−Ｚ平面とし、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。
【００３０】
傾き角は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心とする傾き角をそれぞれα、β、γとしたとき、傾き角αとβの正はそれぞれＸ軸、Ｙ軸の正方向に対して反時計回りを、傾き角γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りの角度と定義する。
そして、各光学作用面を座標系で表す場合、軸上主光線５０を物体から像面に向かう方向で順光線追跡し、光学作用面と軸上主光線５０が交差する点を原点として、Ｘ軸を紙面垂直方向に保って、Ｚ軸が軸上主光線５０に一致するように、Ｙ、Ｚ軸を回転させたローカル座標系で表す。
なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。
【００３１】
本実施形態で用いられる回転非対称非球面の形状は、例えば、下記の式（ａ）により定義される自由曲面式で表現される。式（ａ）のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００３２】
【数１】
2005003804.tif 000003
【００３３】
ここで、（ａ）式の第１および２項は球面項、第３項は自由曲面項である。球面項中、Ｒは頂点の曲率半径、ｋはコーニック定数（円錐定数）であり、ｒ＝√（Ｘ２  ＋Ｙ２  ）である。また、ａ、ｂ、ｃ、ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次の非球面係数である。
自由曲面項は、
【００３４】
【数２】
2005003804.tif 000004
ただし、Ｃｊ（ｊは１以上の整数）は係数である。
【００３５】
式（ａ）で表される自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、Ｘの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面を形成することができる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ２  、Ｃ５  、Ｃ７  、Ｃ９  、Ｃ１２、Ｃ１４、Ｃ１６、Ｃ１８、Ｃ２０、Ｃ２３、Ｃ２５、Ｃ２７、Ｃ２９、Ｃ３１、Ｃ３３、Ｃ３５・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。
【００３６】
反射ミラー４は、反射ミラー３で反射された光束を反射して、反射ミラー３と干渉しない領域に光路を折り畳むとともに、反射ミラー３で発生する偏心収差を補正しながら、像側の所定位置の中間像面５に中間像を結ばせるための光学素子である。そのために、反射面４ａ（偏心反射面）が、負のパワーを有する回転非対称な曲面からなる自由曲面により構成され、Ｘ軸回りに偏心して配置される。反射面４ａの形状は、通常発生する収差の他にも、反射面３ａを偏心させたことにより発生する特殊な偏心収差、例えば軸上における非点収差、コマ収差、偏心収差独特の弓形や台形の形状になるディストーション（像歪み）などを補正するような形状とする。そのためには、Ｙ−Ｚ平面のみを対称面とするような回転非対称な曲面とすることが好ましい。
【００３７】
また、中間像面５の位置は、反射面３ａ、４ａの面形状を適宜組み合わせることにより、反射面４ａから中間像面５までの光軸に沿う距離が、距離Ｌ３となる位置に形成される。
【００３８】
反射ミラー６は、反射ミラー４で反射され中間像面５に中間像を形成した後の光束を反射して、他の光学素子と干渉しない領域に光路を折り畳むとともに、中間像面５から像側に向けて発散する光束を集光して略平行光束とするための光学素子である。そのために、反射面６ａ（正のパワーを有する光学作用面）が、正のパワーを有する回転非対称な曲面からなる自由曲面により構成され、Ｘ軸回りに偏心して配置される。
反射面６ａの形状は、反射面６ａが偏心配置されることによる偏心収差を良好に補正できるように、Ｙ−Ｚ平面のみを対称面とするような回転非対称な曲面とすることが好ましい。
反射ミラー６の配置位置は、中間像面５から反射面６ａまでの光軸に沿う距離が、距離Ｌ２となる位置とされる。
【００３９】
反射ミラー３、４、６は、中間像を形成して略平行な入射光束５１を略平行光束として射出する実質的なアフォーカル光学系を構成する。したがって、反射ミラー６の像側には、反射面６ａから光軸に沿う距離が、距離Ｌ１となる位置に射出瞳７が形成される。
【００４０】
集光手段１０は、射出瞳７の像側に、偏心して設けられ、反射ミラー６で反射された略平行光束を受光面１１ａに集光するための正のパワーを有する光学素子である。本実施形態では、物体側から順に球面の凹面８ａ、凸面８ｂが形成された正のパワーを有するレンズ８と、その像側に、物体側から順に球面の凸面９ａ、凹面９ｂが形成された正のパワーを有するレンズ９とからなる。
【００４１】
受光器１１は、集光手段により集光された光を受光する受光面１１ａを有する素子である。そして、この素子として光ファイバ、フォトダイオード（以下ＰＤ）、４分割ＰＤ（以下ＱＤ）、位置検出受光器（以下ＰＳＤ）、電子撮像素子（以下ＣＣＤ）などを配置することができる。
光ファイバを用いる場合、途中光電変換を必要としないので、もっとも理想的な効率のよい光伝送が行われる。ＰＤを用いる場合は、光信号を受光面で光電変換するので光ファイバに直接カップリングするより面積を広くすることができ、光ファイバに比べ精度を必要としない。上記２つは、信号を搬送する光の受光素子として用いられる。
ＱＤを用いる場合、受光面が４分割されているので、４つの領域の信号強度を演算することにより、受光位置を検出する。また、受光光の強度変化から信号を取り出せば、そのまま光信号の受光素子と兼用することができる。ＰＳＤを用いれば、２次元の集光位置を検出できる。
ＣＣＤを用いた場合は、受光した画像を観察したり、集光位置から画像処理、演算により位置検出を行うことができる。
【００４２】
本実施形態では、反射ミラー６により反射される略平行光束は、射出瞳７に入射する光束の拡がりまたは収斂を抑え、射出瞳７での光束径の大きさを略一定に保つために、軸上光束の主光線と従属光線とのなす角度をθとするとき、次式を満足するものである。
−６°≦θ≦８°                                      ・・・（１）
角度θが、上限値より大きい場合、光束の拡がり角が大きくなりすぎ射出瞳を通過した後の集光手段１０が大きくなり、光学系全体が大型化する。
また下限値より小さい場合、射出瞳７から集光手段１０までの距離が短くなるため、集光手段１０のＮＡが小さくなり、高い解像を得ることが難しくなる。
また条件式（１）は、射出瞳面で光束を反射し、屈曲する場合に、反射、屈曲以後の光路で安定した高機能化を行うことが可能な範囲でもある。
【００４３】
より径の変動の少ない射出瞳７を形成するためには、角度θが条件式（１）の範囲より狭い範囲にあることが好ましい。
−５°≦θ≦７．５°                                ・・・（１ａ）
とすることが好ましい。
さらに、
−３°≦θ≦７°                                    ・・・（１ｂ）
とすることが一層好ましい。
【００４４】
なお、本実施形態において、下記の諸条件のいずれか、またはそれらの適宜の組み合わせを満足する構成とすることが好ましい。
収差補正が容易となって良好な結像性能を得られるようにするとともに、光学系が大型化しないようにするためには、入射光束５１の入射瞳への入射画角ω１と、入射光束５１が射出瞳７に入射する際の主光線の入射角度ω２と、入射瞳径Ｄとが次式を満足することが好ましい。
０．５（ｍｍ）≦Ｄ・（ω１／ω２）≦１５（ｍｍ）      ・・・（２）
射出瞳径が、上限値より大きい場合、射出瞳７に入射する光束径が大きくなり射出瞳７の像側にある集光手段１０が大型化する。
また、下限値より小さい場合、１０ｍｍ以上の十分な入射瞳径を有する入力光では、角倍率が大きくなりすぎて収差補正不足となり、受光面１１ａでの良好な結像が困難になる。
【００４５】
射出瞳径をより適切な値とし、より結像性能に優れた偏心光学系とするためには、Ｄ・（ω１／ω２）の値は、条件式（２）より狭い範囲とすることが好ましい。
０．８（ｍｍ）≦Ｄ・（ω１／ω２）≦９（ｍｍ）        ・・・（２ａ）
とすることが好ましい。
さらに、
１．２（ｍｍ）≦Ｄ・（ω１／ω２）≦７．５（ｍｍ）    ・・・（２ｂ）
とすることが一層好ましい。
【００４６】
射出瞳７の形成される位置が反射面６ａから離れすぎないようにするために、距離Ｌ１、入射瞳径Ｄが、次式を満足することが好ましい。
０．０５≦（Ｌ１／Ｄ）≦３                            ・・・（３）
比（Ｌ１／Ｄ）が、上限値より大きい場合、反射ミラー６から射出瞳７までの距離が長くなるので、偏心光学系１が大型化する。
また、下限値より小さい場合、反射ミラー６から射出瞳７までの距離が短すぎ、例えば射出瞳７に反射光学素子などを配置して高機能化を図る場合に、反射ミラー６と干渉してそのような光学素子を配置することが困難になる。
【００４７】
よりコンパクトな光学系としつつ、射出瞳位置近傍のスペースに余裕を持たせるためには、比（Ｌ１／Ｄ）は、条件式（３）より狭い範囲とすることが好ましい。
０．１≦（Ｌ１／Ｄ）≦１．５                          ・・・（３ａ）
とすることが好ましい。
さらに、
０．１５≦（Ｌ１／Ｄ）≦１                            ・・・（３ｂ）
とすることが一層好ましい。
【００４８】
反射ミラー６で反射された後の略平行光束を適切な光束径とするためには、距離Ｌ２と入射瞳径Ｄとが、次式を満足することが好ましい。
０．０３≦（Ｌ２／Ｄ）≦１．５                        ・・・（４）
比（Ｌ２／Ｄ）が上限値より大きい場合、中間像から第３の光学系までの距離が長くなり、角倍率が小さくなり、射出瞳７に入射する光束径が大きくなるので、装置が大型化する。
また、下限値より小さい場合、中間像面５と反射ミラー６が近づきすぎるので、射出瞳７も近接して形成される。そのために、例えば射出瞳７で反射、屈曲を行うために光学素子などを配置する場合に、反射ミラー６との干渉が起こりやすくなる。
【００４９】
射出瞳７に入射する光束径をより適切な大きさにしつつ、射出瞳７近傍のスペースに余裕を持たせるためには、比（Ｌ２／Ｄ０）は、条件式（４）より狭い範囲とすることが好ましい。
０．０７≦（Ｌ２／Ｄ）≦１．０                      ・・・（４ａ）
とすることが好ましい。
さらに、
０．０９≦（Ｌ２／Ｄ）≦０．５                      ・・・（４ｂ）
とすることが一層好ましい。
【００５０】
中間像面５の位置は、反射面３ａ、４ａの面形状を適宜組み合わせることにより距離Ｌ３を可変して配置することができる。
距離Ｌ３は、反射面４ａに入射する光束径が適切な大きさとなり、中間像を偏心光学系１が大型化しないようにするために、入射瞳Ｄに対して次式を満足することが好ましい。
０．３≦（Ｌ３／Ｄ）≦３                              ・・・（５）
比（Ｌ３／Ｄ０）が、上限値より大きい場合、反射面４ａから中間像面５までの距離が長くなりすぎ、反射面４ａの有効径が大きくなり、装置が大型化する。また下限値より小さい場合、反射面４ａの有効径が小さくなりすぎて、高次の球面収差およびコマ収差の補正が十分に行われない。
【００５１】
反射ミラー４に入射する光束径をより適切な大きさとし、反射面４ａの収差補正能力をより高める大きさとするためには、比（Ｌ３／Ｄ）は、条件式（５）より狭い範囲とすることが好ましい。
０．４≦（Ｌ３／Ｄ）≦２．５                        ・・・（５ａ）
とすることが好ましい。
さらに、
０．５≦（Ｌ３／Ｄ）≦２．０                        ・・・（５ｂ）
とすることが一層好ましい。
【００５２】
射出瞳７に入射するまでの光学系の角倍率を適切な範囲とし、射出瞳７に入射する略平行光束の光束径を適切な値にするにするために、反射ミラー３と反射ミラー４との近軸合成焦点距離ｆ１と反射ミラー６の近軸焦点距離ｆ２とが、次式を満たすことが好ましい。
４≦（ｆ１／ｆ２）≦６０                              ・・・（６）
比（ｆ１／ｆ２）が上限値より大きい場合、光学系の角倍率が大きくなりすぎ収差補正不足になる。
また、下限値より小さい場合、射出瞳径が大きくなり、装置が大型化する。
【００５３】
より収差補正を良好にし、装置のコンパクト化を図るためには、比（ｆ１／ｆ２）は、条件式（６）より狭い範囲とすることが好ましい。
５≦（ｆ１／ｆ２）≦４０                            ・・・（６ａ）
とすることが好ましい。
さらに、
６≦（ｆ１／ｆ２）≦３０                            ・・・（６ｂ）
とすることが一層好ましい。
【００５４】
本実施形態の偏心光学系１の作用について説明する。
図１に示したように、入射光束５１は、開口絞り２に入射することにより、光束径が入射瞳径Ｄに規制されて反射ミラー３に向けて進む。そして反射面３ａに到達すると、反射面３ａの正のパワーにより集光されつつ、反射面３ａの偏心方向（Ｘ軸回り正方向）に応じて、光路が折り畳まれ、反射ミラー３に到達するまでの入射光束５１や開口絞り２に干渉しない位置に配置された反射ミラー４に導かれる。その際、反射面３ａを回転非対称な面形状、特にＹ−Ｚ平面のみを対称面とする回転非対称な自由曲面とすれば、偏心収差を良好に補正することができる。
反射ミラー４では、反射面４ａが、Ｘ軸回り正方向に偏心され、回転非対称な負のパワーを有する偏心反射面とされているので、反射ミラー３に到達するまでの入射光束５１や反射ミラー３に干渉しない位置に光路を折り畳むことができる。さらに、正のパワーを有する反射ミラー３で反射された光束の通常の収差や偏心収差を、Ｚ軸からＹ方向の正負方向の従属光線に向かう側に沿う反射面４ａの形状をそれぞれ偏心収差の発生量に応じて曲率や傾きを変えることにより、良好に収差補正することができる。
【００５５】
そして、反射ミラー４で反射されて収差補正された光束は、さらに収斂し、反射ミラー４から距離Ｌ３の位置である中間像面５に中間像を形成する。
中間像を形成した光束は次第に発散して、距離Ｌ２進んだ位置に配置された反射ミラー６に到達し、反射面６ａにより反射される。その際、反射面６ａの正のパワーにより、入射した発散光束が式（１）を満足する略平行光束となる。
反射面６ａは、Ｘ軸回り正方向に偏心されているので、反射光が中間像面５や反射ミラー４に干渉しない位置に光路を折り畳むことができる。したがって、反射ミラー３、４、６により、ケラレなどによる光量損失が発生することなく、光路を略Ｗ字状に折り畳むことができ、コンパクトな光学系を構成することができる。
【００５６】
そして、像側に距離Ｌ１進んだ位置に射出瞳７が形成されるので、偏心光学系１に光学素子を加えて高機能を付加する場合、射出瞳７の近傍に光学素子を配置することにより光学素子の有効径を小さくすることができる。すなわち、配置する光学素子を安価に製作し容易に配置することができる。したがって、偏心光学系１に高機能を付け加えた光学装置を小型で安価に製作できるという利点がある。
そのような光学素子の例として、反射ミラー６で反射された略平行光束を偏向するガルバノミラーが挙げられる。反射面の有効径が小さくて済むためにガルバノミラーを小型化でき、より高速に偏向することができるという利点がある。
また、別の光学素子の例として、フィルタ素子やハーフミラーなどが挙げられる。これらでは有効径が小さくて済むため、部品精度を上げたり、高価なコーティングを施したりしても安価に製作することができるという利点がある。
【００５７】
また、本実施形態では、射出瞳７から射出された略平行光束を集光手段１０により集光して受光面１１ａに導くようにしたので、集光手段１０を光軸方向の自由な位置に配置できるから、偏心光学系１を用いた光学装置のレイアウトが容易となるという利点がある。
すなわち、平面ミラーで光路を折り畳んで、受光器１１を好都合な位置に配置することができる。
また、略平行光束の光路中に例えばビームスプリッタなどの光路を分岐する手段（第１光路分岐手段）を設けることにより、光路を分岐し、分岐後の光路中に別の集光手段１０、受光器１１を配置し、複数の受光器１１で受光することができる。その際、それぞれの受光面１１ａまでの光路長を変えることにより、入射画角に対する受光面１１ａ上の光束の移動量を容易に変えることができる。その際、複数の受光器１１は、同一種類の素子とする必要はなく、機能や感度特性などが異なるものを採用してもよい。そうすれば、多目的な受光が可能となるという利点がある。
【００５８】
なお、上記の説明では、入射光束５１を受光面１１ａに受光する受光光学系の場合について、偏心光学系１の物体側から像面に至る作用を説明したが、これらの光路を逆進すれば開口絞り２から出射する送光光学系となっていることは言うまでもない。すなわち、受光面１１ａに相当する位置に発散光源を配置したり、射出瞳７の像側から略平行光束を入射したりすることにより、光路を逆進させ、反射ミラー３で反射して、開口絞り２から物体側に略平行光束を射出することができる。
その際、上記に説明した光路を分岐する手段は、光路逆進時は、光路合成手段として用いることができる。
［第１変形例］
偏心光学系１の第１変形例について説明する。
図２は、本実施形態の第１変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
本変形例は、上記実施形態の反射ミラー３、４、６および集光手段１０に代えて、それぞれ反射ミラー１２（第１の光学素子）、反射ミラー１３（第２の光学素子）、反射ミラー１４（第３の光学素子）および反射ミラー１５（集光手段）を設けたものである。ここで、反射ミラー１２、１３、１４は、反射面３ａ、４ａ、６ａとそれぞれ対応する反射面１２ａ、反射面１３ａ（偏心反射面）、反射面１４ａ（正のパワーを有する光学作用面）の自由曲面式の係数や偏心量がわずかに異なるだけで、略同様の機能を有するため説明は省略する。
本変形例は、上記実施形態でレンズ系により構成された集光手段１０を、反射光学素子である反射ミラー１５を用いて構成した点に特徴を有する例である。
反射ミラー１５は、回転非対称な曲面からなる正のパワーを有する反射光学素子であり、反射ミラー１４の像側に形成される射出瞳７の像側にＸ軸回りの正方向に偏心して配置される。
【００５９】
本変形例によれば、射出瞳７を射出された略平行光束が集光されつつ折り畳まれて受光面１１ａに導かれるので、より自由度の高い構成とすることができるという利点がある。
また集光手段として回転非対称な曲面からなる偏心反射面を用いるので、レンズ光学系に比して、色収差が発生しないので良好な結像性能を持たせることができるという利点がある。また部品点数を減らすことができるので、コストを低減することができる。
【００６０】
［第２変形例］
偏心光学系１の第２変形例について説明する。
図３は、本実施形態の第２変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
本変形例は、上記実施形態の反射ミラー３、４、６および集光手段１０に代えて、それぞれ反射ミラー２０（第１の光学素子）、反射ミラー２１（第２の光学素子）、反射ミラー２２（第３の光学素子）および反射ミラー２３（集光手段）を設け、さらにビームスプリッタ６４（第２光路分岐手段）および受光器１１を追加したものである。ここで、反射ミラー２０、２１、２２は、反射面３ａ、４ａ、６ａとそれぞれ対応する反射面２０ａ、反射面２１ａ（偏心反射面）、反射面２２ａ（正のパワーを有する光学作用面）の自由曲面式の係数や偏心量が異なるだけで、略同様の機能を有するため説明は省略する。
本変形例は、上記実施形態ではレンズ系により構成された集光手段１０を、反射光学素子である反射ミラー２３を用いた点では、第１変形例と同様だが、その配置位置に特徴を有し、さらにビームスプリッタ６４を用いた光路分岐に特徴を有する例である。
【００６１】
反射ミラー２３は、凹球面からなる正のパワーを有する反射面２３ａを備えた反射光学素子であり、射出瞳７で反射面２３ａが略重なる位置に配置される。そして、入射する略平行光束を反射して集光しつつ折り畳み、受光面１１ａに導く。
ビームスプリッタ６４は、反射ミラー２１と中間像面５との間の光路中に配置され、光路を分岐して、ビームスプリッタ６４を透過する光路や、他の光路、他の光学素子と重ならない位置に、中間像面５を折り返し、別の中間像（他の中間像）を形成する。そして、その像面に受光面１１ａが位置するように受光器１１を配置する。ここに配置される受光器１１は、必要に応じて射出瞳７を透過した像面に配置される受光器１１とは異なる種類の素子を採用してもよい。
【００６２】
本変形例によれば、射出瞳７に略重なる位置に反射面２３ａを配置するので、入射光束５１の入射画角が大きい場合でも、反射面２３ａ上で光束がほとんど移動することがなく、反射面２３ａの有効径を小さくすることができ、コンパクトで安価な偏心光学系とすることができる。
このように反射面２３ａを比較的小さくすることができるので、反射ミラー２３をガルバノミラーなどの回動可能な反射面とする場合、高速で偏向できるものになるという利点がある。
またビームスプリッタ６４により、良好に収差補正された中間像を受光器１１上で受光することができるので、反射ミラー２３側の受光面１１ａにおける受光像の他に高解像度の受光像を得ることができ、これら複数の受光像を多目的に利用することが可能となるという利点がある。
【００６３】
［第３変形例］
偏心光学系１の第３変形例について説明する。
図４は、本実施形態の第３変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
本変形例は、上記実施形態の反射ミラー３、４、６および集光手段１０に代えて、それぞれ反射光学素子１６（第１の光学素子）、反射ミラー１７（第２の光学素子）、反射ミラー１８（第３の光学素子）および反射ミラー１９（集光手段）を設けたものである。ここで、反射ミラー１７、１８は、反射面４ａ、６ａと対応する反射面１７ａ（偏心反射面）、反射面１８ａ（正のパワーを有する光学作用面）の自由曲面式の係数や偏心量が異なるだけで、略同様の機能を有するため説明は省略する。同じく回転非対称な曲面からなる反射面１９ａを有する反射ミラー１９は、第１変形例の反射ミラー１５と略同様の機能を有するため説明は省略する。
反射光学素子１６は、正のパワーを有するフレネル反射面１６ａを備え、Ｘ軸回りの正方向に偏心して配置されたものである。フレネル反射面１６ａは、偏心光学系１の主たるパワーを担いつつ収差を低減するために、軸対称非球面と等価な構成を採用することが好ましい。
【００６４】
本変形例によれば、偏心光学系１において、最も大口径となる第１の光学素子として、フレネル反射面１６ａを備える反射光学素子１６を用いるから、第１の光学素子を軽量かつ薄型の光学素子とすることができる。したがって、入射瞳径が大きい場合でも、軽量で比較的小型の偏心光学系を構成することができるという利点がある。
【００６５】
［第４変形例］
偏心光学系１の第４変形例について説明する。
図５は、本実施形態の第４変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
本変形例は、上記実施形態の反射ミラー３、４、６および集光手段１０に代えて、それぞれフレネルレンズ２４（第１の光学素子）、反射ミラー２５（第２の光学素子）、反射ミラー２６（第３の光学素子）およびフレネルレンズ２７（集光手段）を設けたものである。ここで、反射ミラー２５は、反射面４ａと対応する反射面２５ａ（偏心反射面）の自由曲面式の係数や偏心量が異なるだけで、略同様の機能を有するため説明は省略する。同じく回転非対称な曲面からなる反射面２６ａ（正のパワーを有する光学作用面）を有する反射ミラー２６は、第１変形例の反射ミラー１５と略同様の機能を有するため説明は省略する。
フレネルレンズ２４は、入射光束５１を収斂光として後方に導くため、物体側から正のパワーを有するフレネルレンズ面２４ａと平面２４ｂとを備える略平板状の透過型光学素子ある。そして、フレネルレンズ面２４ａは軸対称非球面と等価な構成とされ、像側の偏心反射面である反射ミラー２５、２６による収差発生を低減するために、Ｙ軸方向の負方向に偏心して配置されている。
フレネルレンズ２７は、射出瞳７から射出された略平行光束を受光面１１ａに集光するために、物体側から正のパワーを有するフレネルレンズ面２７ａと平面２７ｂとを備える平板状の透過型光学素子である。そして、フレネルレンズ面２４ａは軸対称非球面と等価な構成とされ、Ｘ軸回り正方向に偏心して配置されている。
【００６６】
本変形例によれば、偏心光学系１において、最も大口径となる第１の光学素子として、フレネルレンズ面２４ａを備えるフレネルレンズ２４を用いるから、第１の光学素子を軽量かつ薄型の光学素子とすることができる。したがって、入射瞳径が大きい場合でも、軽量で小型の偏心光学系を構成することができるという利点がある。
また、本変形例によれば、フレネルレンズ２４を軸上主光線５０に対して傾斜させないので、傾斜させることによる偏心収差が発生しないから、像側の反射ミラー２５、２６の収差補正負荷を著しく低減でき、偏心光学系１に優れた結像性能を持たせることができる利点がある。
本変形例では折り畳み回数は比較的少ないが、肉厚の薄いフレネルレンズ２４に大きな正のパワーを持たせることができるので、図５に示したように、フレネルレンズ２４を透過して反射ミラー２５に向かう光束の側方の３角形状スペースを比較的大きく空けることができる。したがってそのスペースを利用してコンパクトに光路を折り畳むことが可能となる。
また、集光手段としてフレネルレンズ２７を用いるので、比較的大きな有効径を容易に形成することができるから、入射画角が大きい場合でも容易に集光できるという利点がある。
【００６７】
［第５変形例］
偏心光学系１の第５変形例について説明する。
図６は、本実施形態の第５変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
本変形例は、上記実施形態の反射ミラー３、４、６および集光手段１０に代えて、それぞれレンズ２８（第１の光学素子）、反射ミラー２９（第２の光学素子）、反射ミラー３０（第３の光学素子）およびレンズ３１（集光手段）を設けたものである。これはまた、第４変形例のフレネルレンズ２４、２７に代えてそれぞれレンズ２８、３１を設けたものと略同様の構成となっている。
反射面２９ａ（偏心作用面）を有する反射ミラー２９と、反射面３０ａ（正のパワーを有する光学作用面）を有する反射ミラー３０とは、それぞれ第４変形例の反射ミラー２５、２６と、それぞれ対応する反射面の自由曲面式の係数や偏心量が異なるだけで、略同様の機能を有するため説明は省略する。
レンズ２８は、入射光束５１を収斂光として後方に導くため、物体側から凸面２８ａと凸面２８ｂとを備え、正のパワーを有する軸対称レンズである。そして、後段の偏心反射面である反射ミラー２９、３０による収差発生を低減するために、わずかに偏心して配置されている。
レンズ３１は、射出瞳７を射出された略平行光束を受光面１１ａに集光するために、物体側から凸面３１ａとレンズ３１とを備え、正のパワーを有する軸対称レンズである。そしてレンズ３１は軸上主光線５０に対して偏心して配置されている。
なお、より収差を低減し、反射ミラー２９、３０の曲面形状を製作容易にするためには、レンズ２８、３１の光学作用面のうち少なくとも一方は、軸対称非球面とすることが好ましい。
【００６８】
本変形例によれば、偏心光学系１において、最も大口径となる第１の光学素子として、軸対称レンズであるレンズ２８を用い、さらに集光手段として軸対称レンズであるレンズ３１を用いるから、偏心光学系１内の複雑な曲面形状が低減され、製作が容易となり安価な光学系を構成することができる。
さらに、レンズ２８、３１に軸対称非球面を用いる場合は、レンズ枚数を増やすことなく収差を向上することができ、安価で結像性能に優れた光学系を構成することができる。
【００６９】
［第６変形例］
偏心光学系１の第６変形例について説明する。
図７は、本実施形態の第６変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
本変形例は、上記実施形態の反射ミラー３、４、６および集光手段１０に代えて、それぞれ反射ミラー３２（第１の光学素子）、反射ミラー３３（第２の光学素子）、反射ミラー３４（第３の光学素子）および集光手段３８を設け、さらにビームスプリッタ６４（第２光路分岐手段）、可動反射素子３５（光偏向手段）および受光器１１を追加したものである。ここで、反射ミラー３２、３３、３４は、反射面３ａ、４ａ、６ａとそれぞれ対応する反射面３２ａ、反射面３３ａ（偏心反射面）、反射面３４ａ（正のパワーを有する光学作用面）の自由曲面式の係数や偏心量が異なるだけで略同様の機能を有するため説明は省略する。
【００７０】
ビームスプリッタ６４は、第２変形例と同様に第２の光学素子と中間像面５の間に配置され、追加した受光器１１の受光面１１ａ上にもう一つの中間像（他の中間像）を形成するものである。
可動反射素子３５は、２軸方向に回動可能とされた平面の反射面３５ａを備えた光学素子で、例えば、アクチュエータなど適宜の回動駆動手段により駆動されるガルバノミラー、光ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）などが採用できる。そして、反射面３５ａは、回動可反射ミラー３４の像側に形成される射出瞳７に略重なる位置に配置されている。
集光手段３８は、レンズ３６とレンズ３７とからなる。レンズ３６は物体側の凹面３６ａが非球面形状とされ、像側に凸面３６ｂを備える正のパワーを有する軸対称レンズである。レンズ３７は物体側から、凹面３７ａ、凸面３７ｂを備える正のパワーを有する球面レンズである。
【００７１】
本変形例によれば、反射ミラー３４で反射された略平行光光束は、可動反射素子３５により偏向され、受光面１１ａ上の結像位置が可変できる。その結果、入射光束５１の入射画角が変わっても、入射画角に応じて可動反射素子３５の偏向角を変えることにより、受光面１１ａ上で受光像の位置を一定に保つようにすることができる。
【００７２】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る光捕捉追尾装置について説明する。本実施形態の光捕捉追尾装置は、受光装置部分と送光装置部分とからなる。
図８は、本発明の第２の実施形態に係る光捕捉追尾装置の一例の概略構成について説明するための断面模式図である。
本発明の第２の実施形態に係る光追尾装置１００（光捕捉追尾装置）について説明する。光追尾装置１００は、略平行な入力光を追尾可能に送受光する装置であって、特に空間光通信分野において好適に用いることができる装置である。
まず光追尾装置１００の受光装置部分について説明する。
光追尾装置１００の受光装置部分の概略構成は、筐体４３（装置外装）、偏心光学系４０、制御装置４１、偏向制御手段５６、可動反射素子３５、入力信号制御手段４２およびジンバルステージ４４（追尾移動機構）からなる。
【００７３】
筐体４３は、後述する各部材を一体に保持する保持部材と外装部材とを兼ねた部材であり、例えば、箱形などの適宜形状とされている。そして、その外表面の一部に入射光束５１の入射瞳となる開口部である開口絞り４３ａが設けられている。すなわち、通常の使用状態において入射光束５１が筐体４３に照射されたとき、最初に入射光束５１の光束径を規制する実質的な絞りとして設けられており、第１の実施形態に係る偏心光学系における開口絞り２を具現化する部材となっている。
開口絞り４３ａは、筐体４３と別部材で形成されてもよく、また厳密に筐体４３の外表面に設ける必要もない。例えば、通常の使用状態において入射光束５１を遮る恐れのない形状であれば、フレア光の入射を防止するフードなどが開口絞り４３ａの回りに設けられていてもよい。
また、開口絞り４３ａは、光学的に開口していればよく、例えば集光に必要な波長光を透過させるカバーガラスなどで覆ってもよい。
【００７４】
偏心光学系４０は、第１の実施形態に係る偏心光学系が採用できる。その際、開口絞り４３ａが上記の開口絞り２の位置となるように筐体４３に適宜の支持部材（不図示）を介して固定される。
偏心光学系４０について、図８に示した例で説明する。
偏心光学系４０は、第１の実施形態の第７変形例の偏心光学系において、反射ミラー３４に代えて、同様に集光可能な正のパワーを有するレンズ３４Ａ（集光手段）を設け、ビームスプリッタ６４とその分岐後の光路上に設けられた受光器１１とを省略し、可動反射素子３５と集光手段３８との間に物体側からビームスプリッタ５２Ａ、５２Ｂ（第１光路分岐手段）を配置し、それぞれで分岐された光路上に、それぞれ集光レンズ５３Ａ（集光手段）、受光器５４Ａおよび集光レンズ５３Ｂ（集光手段）、受光器５４Ｂを設けたものである。以下、第１の実施形態の第７変形例と異なる構成を中心に説明する。
【００７５】
ビームスプリッタ５２Ａ、５２Ｂは、可動反射素子３５で反射された略平行光束の光路をそれぞれ分岐する光学素子である。例えばハーフミラーコーティングを施したビームスプリッタプリズム、ハーフミラーや、偏光特性により光路を分岐する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や、波長特性により光路を分岐する光学素子などが採用できる。
集光レンズ５３Ａ（５３Ｂ）は、ビームスプリッタ５２Ａ（５２Ｂ）で分岐された略平行光束を受光器５４Ａ（５４Ｂ）の受光面５４ａ（５４ｂ）上に集光するための光学素子である。
【００７６】
受光器５４Ａ、５４Ｂは、入射光束５１の入射方向のずれ量を検出するためのもので、例えば、ＣＣＤ、ＰＳＤ、４分割ＰＤなどの結像位置を検出可能な位置検出センサが採用できる。そして、それぞれの位置検出感度が異なる構成とされている。ここでは、受光器５４Ａが受光器５４Ｂよりも広範囲の位置検出を行うとして説明する。例えば、集光レンズ５４Ａ、５３Ｂの焦点距離や配置位置を変えて、入射画角が変化したときの受光面５４ａ上での光束の移動量が受光面５４ｂ上の移動量よりも小さくなる構成を採用できる。
そして受光器５４Ａ、５４Ｂには、それらの検出信号を信号処理などして光束の結像位置情報または位置ずれ量を算出するための入射方向検出手段５５Ａ、５５Ｂが接続されている。入射方向検出手段５５Ａ、５５Ｂは、その算出結果を入射光束５１の入射方向に換算し、適切な入射方向に合わせて筐体４３の位置を制御するための制御信号（位置信号）を出力できるようになっている。
入射方向のずれ量に対して感度の高い入射方向検出手段５５Ｂは、検出量に基づく制御信号１０４を、制御装置４１を経由して可動反射素子３５の偏向角を制御するための偏向制御手段５６に入力できるようになっている。そして、偏向制御手段５６が制御信号１０４によって制御される。
【００７７】
制御装置４１は、入射方向検出手段５５Ａ、５５Ｂが出力する制御信号に基づいて、筐体４３の方向を適宜移動させるための制御信号１０２を生成するための装置である。
入力信号制御手段４２は、受光面１１ａに結像され、光電変換された電気信号に適宜の信号処理を施し、装置外部に入力信号１０１を送出するための装置である。特に空間光信号伝送における受光部として用いるためには、受光光束から情報信号を含む変調光を取り出すための変調光検出手段を備える構成とする。
【００７８】
ジンバルステージ４４は、筐体４３を２軸方向に姿勢制御可能に保持する移動機構であり、垂直回転駆動部４４ａおよび水平回転駆動部４４ｂが支持台４４ｃ上に保持され、垂直回転駆動部４４ａと水平回転駆動部４４ｂとの移動量を制御するための駆動制御手段４４ｄを備えてなる。
水平回転駆動部４４ｂと垂直回転駆動部４４ａは、それぞれ鉛直軸回りの回転と水平軸回りの所定角の回転とが可能とされ、それぞれの回転角制御可能な制御モータ（不図示）などによる機構により、駆動可能とされる。
駆動制御手段４４ｄは、制御装置４１が生成した制御信号に基づき、垂直回転駆動部４４ａ、水平回転駆動部４４ｂの回転駆動量を算出して、所定の回転駆動を行うための手段である。
【００７９】
本実施形態の光追尾装置１００の受光装置部分によれば、入射光束５１の入射方向が適切な範囲にあれば、入射光束５１が開口絞り４３ａに入射する。入射光束５１は、開口絞り４３ａに比べて大きな光束径を有しており、通常の使用範囲では入射画角が変動しても開口絞り４３ａが光束径の内部に位置する。そこで、開口絞り４３ａに入射した入射光束５１は、偏心光学系４０内の光路をたどって受光面１１ａに結像する。そして受光器１１の検出出力が入力信号制御手段４２に送られ、入力信号１０１が装置外部に送出される。ここで、初期状態では、可動反射素子３５の偏向角を軸上主光線が受光面１１ａの中心に到達する中立位置に固定しておく。
また、ビームスプリッタ５２Ａ（５２Ｂ）で分岐された略平行光束は、集光レンズ５３Ａ（５３Ｂ）により集光されて受光器５４Ａ（５４Ｂ）に到達する。そして、受光位置に応じた検出出力が入射方向検出手段５５Ａ（５５Ｂ）に送られる。
【００８０】
一方、入射光束５１の光路が変動したり、筐体４３の位置が不適切であったりする場合、つまり、開口絞り４３ａに対して入射画角を持つ場合、それぞれの受光面上の位置がずれる。
そこで、入射方向検出手段５５Ｂは、偏心光学系４０の光学特性から定まる入射光束５１の入射方向と受光面５４ｂ上の受光位置との関係に基づいて可動反射素子３５の回動量（偏向量）を演算し、制御装置４１および偏向制御手段５６に制御信号１０４として送る。そして可動反射素子３５を制御して追尾を行う。その際、常に入射画角が入射方向検出手段５５Ｂの検出可能範囲となるように、制御装置４１によりジンバルステージ４４の移動量が制御される。
また、入射方向検出手段５５Ａは、偏心光学系４０の光学特性から定まる入射光束５１の入射方向と受光面５４ａ上の受光位置との関係に基づいて筐体４３の移動量を演算し、駆動制御手段４４ｄおよび制御装置４１に制御信号１０２として送る。入射方向検出手段５５Ａは、検出範囲の一定領域を超えた場合はその旨を制御装置４１に通知する。入射方向検出手段５５Ａは広い検出範囲を有しており、入射方向検出手段５５Ａからの信号によりジンバルステージ４４を制御することにより常に位置検出を行うことを可能としている。
【００８１】
制御装置４１は、入射方向検出手段５５Ａ、５５Ｂから制御信号を受け取ると、駆動制御手段４４ｄに制御信号１０２を送る。制御信号１０２は、筐体４３の移動目標位置を定めるものである。移動目標位置は、入射光束５１の光軸と偏心光学系４０の入射光軸が所定の範囲で一致するように設定される。
この場合、ジンバルステージ４４が高精度な移動が可能であれば、入射方向検出手段５５Ｂのより高分解能の位置情報に基づいて移動量を制御するようにしてもよいが、高速に移動するためには、入射方向検出手段５５Ａのより広範囲の位置情報に基づいて、概略目標位置まで移動させるように制御信号１０２を生成することができる。概略目標位置は少なくとも受光器５４Ｂに検出出力が発生する程度に正確な目標値とする。
【００８２】
そのような概略目標値まで移動したら、ジンバルステージ４４を停止して位置を保持する。そして、制御装置４１から偏向制御手段５６に送られる制御信号に基づいて、可動反射素子３５を回動させ、受光面１１ａ上で受光位置が一定位置となるように偏向角制御行う。ただし、入射光の入射角が連続的に変化し続ける場合は、ジンバルステージ４４と可動反射素子３５が連携して常に最適な受光状態を維持するよう制御を行う。
【００８３】
例えば、光通信分野においては、通信速度が高速化するにつれて受光面１１ａの面積が微小化している。特に、受光面１１ａが光ファイバ端面である場合には、例えばコア径１０μｍ以下のきわめて細径化されている受光面に、微小スポット径の光束を結合することが要求されている。
このような微動制御をジンバルステージ４４のみで行う場合には、きわめて高い精度が要求される。その場合は、可動反射素子３５（ガルバノミラー）にて高精度の追尾を行うことが望ましい。
【００８４】
次に、第２の実施形態に係る光捕捉追尾装置の送光装置部分について説明する。
光追尾装置１００の送光装置部分は、光源部７０、出力信号制御手段６３、ハーフミラー６０（光路合成手段）を設けることにより、送光機能を備えるようにしたものである。
光源部７０は、半導体レーザ６２と、半導体レーザ６２の発散光束を平行な出力光とするためのコリメートレンズ６１とを備える。
出力信号制御手段６３は、送光される光束で搬送する出力信号１０３に応じて半導体レーザ６２を駆動制御するための手段である。
ハーフミラー６０は、可動反射素子３５とビームスプリッタ５２Ａとの間の光路中に配置され、その光路内において物体側から入射する光束を略透過させ、光源部７０から射出される出力光の光軸を物体側へ反射するための光学素子である。ハーフミラー６０は、例えば、ビームスプリッタ５２Ａに好適に用いることができる光学素子を同様に採用することができる。
【００８５】
光追尾装置１００の送光装置部分は、光源部７０からの配置位置をハーフミラー６０に対して調整し、光源部７０が射出する出力光の光軸と、可動反射素子３５とビームスプリッタ５２Ａとの間の軸上主光線に一致させるように入射させる。その結果、出力光は、偏心光学系４０の光路を逆進して、可動反射素子３５、レンズ３４Ａ、反射ミラー３３、反射ミラー３２に到達し、反射ミラー３２で反射されて筐体４３の外部に射出される。
その際、可動反射素子３５の偏向角は、入射光束５１を受光面１１ａの所定位置に結像させるように制御されるので、その光路内の軸上主光線は一定となるから、出力光の射出方向を制御するために光源部７０の位置を可変することなく、固定した状態で常に正確な方向に向けて出力光を射出することができる。すなわち、出力光が、入力光の通る光路を逆進して装置外部に射出される送光機能を備える。
【００８６】
このように、光追尾装置１００の受光装置部分においては、入射画角が変動しても、光捕捉追尾可能な受光装置とすることができ、受光光量変動の少ない安定した受光を行うことができる。そして、概略の粗動移動はジンバルステージ４４で行い、より高速な制御が必要な微動制御は、光束の偏向角を可動反射素子３５で制御することにより行うので、例えば、空間光通信のように高精度かつ高速応答性が求められる場合にきわめて好適な光捕捉追尾装置とすることができる。
【００８７】
このような光追尾装置１００の送光装置部分においては、偏心光学系４０の主要部を送光時にも兼用するので、少ない部品点数で装置を構成することができるとともにコンパクトな装置とすることができるという利点がある。また、入力光を光捕捉追尾するのみで、出力光を正確に射出できるので、簡素な構成とすることができ、安価な装置とすることができる利点がある。
【００８８】
したがって、本実施形態の光追尾装置１００によれば、第１の実施形態の偏心光学系の作用効果を備えるとともに、入力光に高精度かつ高効率に光捕捉追尾して安定した送受光を行うことができる光捕捉追尾装置とすることができる。
【００８９】
なお、光捕捉追尾装置を２台距離を隔てて対向させて配置すれば、互いに送光装置部分と受光装置部分の両方を有し、かつ、光捕捉追尾可能な構成としているので、相対位置が変化しても追尾により安定して双方向の送受光を行うことのできる空間光通信用光学システムとすることができる。
また、一方を受光装置部分の偏心光学系以外の受光専用部分を省略し、出力信号制御手段と略平行光束を放射する光源部と偏心光学系とで構成された送光装置とする。そして、対向して離れた位置に配置された他の一方を偏心光学系以外の送光装置部分を省略し、例えば、偏心光学系４０、可動反射素子３５、集光手段５３Ａ、５３Ｂ、受光器５４Ａ、５４Ｂ、入射方向検出手段５５Ａ、５５Ｂ、制御装置４１、偏向制御手段５６で構成された光捕捉追尾可能な受光装置とする。これにより、光捕捉追尾を行う１方向の空間光通信用光学システムとすることができる。
さらに、送光装置の出力信号制御手段により信号変調のされていない光を搬送するビーコン光とし、受光器１１や受光装置の入力信号制御手段４２を省略すれば、空間光通信には限らない光捕捉追尾用光学システムとすることができる。
また、双方向、一方向の空間光通信用光学システムにおいて、送光側、受光側のそれぞれに偏心光学系の光軸とアラインメントのとれた偏心光学系とは別の光学系を配置して、空間光通信の信号光を送受信するようにすれば、追尾と送受光の光学系が別体の空間光通信用光学システムとすることもできる。
また、ビーコン光の送光装置部分だけを偏心光学系の光軸とアラインメントのとれた、偏心光学系とは別の光学系とすることもできる。
また、ビル間などの相対的位置変化のない場合、受光装置（部分）の追尾に関するものを省略することにより、固定の偏心光学を備えた双方向、一方向の空間光通信用光学システムとすることができる。
【００９０】
なお、上記第１の実施形態およびその変形例の説明では、第１の光学素子が、回転非対称な偏心反射面を有する反射光学素子、フレネルレンズおよび軸対称レンズからなる例で説明したが、正のパワーを有する光学素子であれば、どのようなものでもよい。例えば、反射型回折格子面を有する反射光学素子や、透過型回折格子などであってもよい。これらによれば、フレネルレンズと同様に薄型の光学素子とすることができるので、コンパクトな偏心光学系とすることができる利点がある。
【００９１】
また、上記第１の実施形態の第４変形例では、フレネルレンズからなる第１の光学素子をＹ軸方向に偏心させて配置した例で説明したが、フレネルレンズ面の構成や各光学素子の配置の都合によっては、Ｘ軸回りに傾いて偏心配置してもよいことは言うまでもない。
【００９２】
また、上記第１の実施形態およびその変形例の説明では、第２の光学素子の回転非対称な偏心反射面として、回転非対称な自由曲面やフレネル反射面を採用した例で説明したが、例えば反射型回折格子面などにより構成してもよい。
【００９３】
また、上記第１の実施形態およびその変形例の説明では、第３の光学素子の正のパワーを有する光学作用面として、回転非対称な自由曲面を採用した例で説明したが、例えば他の反射光学素子として、反射型回折格子面やフレネル反射面などを有するものでもよい。また、透過光学素子として、正のパワーを有するレンズ、フレネルレンズ、透過型回折格子などから構成してもよい。
【００９４】
また、上記第１の実施形態およびその変形例の説明では、集光手段として、回転非対称な自由曲面による偏心反射面、凹面反射ミラー、フレネルレンズ、軸対称レンズからなる例で説明したが、正のパワーを備える光学作用面を有するものであれば、例えば、フレネル反射面、透過型および反射型の回折格子面を備えるものであってもよく、さらに、それらの光学素子や光学作用面を複合した光学系により構成してもよい。
【００９５】
また、上記第２の実施形態の説明では、偏心光学系４０を第１の実施形態の第７変形例の偏心光学系により構成する例で説明したが、特に第７変形例に限定されるものではない。
第１の実施形態の偏心光学系は、いずれも射出瞳を有し、射出瞳と集光手段との間は略平行光束とされているので、いずれの場合であっても、射出瞳と集光手段との間の光路長を自由にとることができるから、その間に光路分岐手段や光路合成手段を配置することは容易である。
【００９６】
また、上記第２の実施形態の説明では、入射方向検出手段に用いる受光面の出力を、第１光路分岐手段により分岐された光路上の受光面の検出出力を用いる例で説明したが、第２光路分岐手段により光路を分岐して形成された他の中間像の像面を受光面としてその検出出力を用いてもよい。
【００９７】
また、上記第２の実施形態の説明では、光路合成手段を回動可能な反射面と第１光路分岐手段との間に設けた例で説明したが、射出瞳より像側であれば、どこに配置してもよい。
例えば、光路分岐手段同士の間や、像側でもよい。
また例えば、集光手段の像側に配置してもよい。この場合、光源部は集光手段の光学素子を、平行光束化するための光学素子として兼用してもよい。
【００９８】
また、上記第２の実施形態の説明では、偏心光学系が装置外装に収められ、装置外装ごと追尾移動機構で移動される例で説明したが、追尾移動するのは偏心光学系のみでよい。したがって、開口絞り４３ａを装置外装に設けず、装置外装の内部に偏心光学系を保持する光学ユニットを設け、その光学ユニットを追尾移動機構で移動するようにしてもよい。その際、入射方向検出手段、回動制御手段などの偏心光学系以外のものは光学ユニット外に設けることができる。そうすれば、追尾移動機構が移動させる慣性が軽減されるので、より高速に光捕捉追尾を行うことができる。
【００９９】
［実施例１］
次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心光学系の第１の数値実施例を、図１を参照して説明する。
下記に第１の数値実施例の、光学系の構成パラメータを示す。図１（ａ）に表記されたｒｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒｉ、ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。
座標系などは上記に説明しているので説明は省略する。偏心の表示におけるα、β、γは、それぞれ上記に傾き角の方向として説明した方向の角度を示す。長さの単位は（ｍｍ）、角度の単位は（°）である。また、偏心の原点および回転中心は、データ中に適宜注記している。
また自由曲面（ＦＦＳ面）、非球面は、上記に説明した式（ａ）で与えられる。なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。
【０１００】
2005003804.tif 000005
2005003804.tif 000006
【０１０１】
［実施例２］
次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心光学系の第１変形例に対応する第２の数値実施例を、図２を参照して説明する。
下記に第２の数値実施例の、光学系の構成パラメータを示す。図３に表記されたｒｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒｉ、ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。
座標系その他は実施例１と同様である。
【０１０２】
2005003804.tif 000007
2005003804.tif 000008
【０１０３】
［実施例３］
次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心光学系の第２変形例に対応する第３の数値実施例を、図３を参照して説明する。ただし、ビームスプリッタ６４とその分岐後の光路については省略している。
下記に第３の数値実施例の、光学系の構成パラメータを示す。図３に表記されたｒｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒｉ、ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。
座標系その他は実施例１と同様である。
【０１０４】
2005003804.tif 000009
2005003804.tif 000010
【０１０５】
［実施例４］
次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心光学系の第３変形例に対応する第４の数値実施例を、図４を参照して説明する。
下記に第４の数値実施例の、光学系の構成パラメータを示す。図４に表記されたｒｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒｉ、ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。
座標系その他は実施例１と同様である。
【０１０６】
2005003804.tif 000011
2005003804.tif 000012
【０１０７】
［実施例５］
次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心光学系の第４変形例に対応する第５の数値実施例を、図５を参照して説明する。
下記に第５の数値実施例の、光学系の構成パラメータを示す。図５に表記されたｒｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒｉ、ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。
座標系その他は実施例１と同様である。
【０１０８】
2005003804.tif 000013
2005003804.tif 000014
【０１０９】
［実施例６］
次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心光学系の第５変形例に対応する第６の数値実施例を、図６を参照して説明する。
下記に第６の数値実施例の、光学系の構成パラメータを示す。図６に表記されたｒｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒｉ、ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。
座標系その他は実施例１と同様である。
【０１１０】
2005003804.tif 000015
2005003804.tif 000016
【０１１１】
［実施例７］
次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心光学系の第６変形例に対応する第７の数値実施例を、図７を参照して説明する。
下記に第７の数値実施例の、光学系の構成パラメータを示す。図７に表記されたｒｉ、ｎｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒｉ、ｎｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。
座標系その他は実施例１と同様である。
【０１１２】
2005003804.tif 000017
2005003804.tif 000018
【０１１３】
以上に説明した実施例１〜７における条件式（１）〜（６）に関する計算値を以下にまとめて示す。なお、すべての実施例について、入射瞳径Ｄ、水平方向の入射画角ωＸ、垂直方向の入射画角ω１は以下の値とする。
Ｄ＝４０（ｍｍ）、ωＸ＝０．５（°）、ω１＝０．５（°）
2005003804.tif 000019
この結果から分かるように、実施例１〜７はすべて、条件式（１）〜（６）を満足している。また、それらより狭い範囲である条件式（１ｂ）〜（６ｂ）をも満足している。
【０１１４】
【発明の効果】
以上に述べたように、本発明に係る偏心光学系によれば、回転非対称な自由曲面を有する偏心反射面を用いることにより、画角を持って入射する略平行な光束の入力光を少なくとも一つの受光面に集光させる光学系において、入力光が受光面に到達するまでのケラレなどによる光量損失を防止でき、小型であり、さらに受光面に結像する光が高い解像力を有する高機能化可能な偏心光学系とすることができるという効果を奏する。
また、本発明に係る送光装置、受光装置および光学システムによれば、本発明に係る偏心光学系を用いることにより、高精度かつ高効率の光捕捉追尾が行える送光装置、受光装置および光学システムを構築することができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系の一例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
【図２】本発明の第１の実施形態の第１変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
【図３】本発明の第１の実施形態の第２変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態の第３変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
【図５】本発明の第１の実施形態の第４変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
【図６】本発明の第１の実施形態の第５変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
【図７】本発明の第１の実施形態の第６変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面の光路図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係る光捕捉追尾装置の一例の概略構成について説明するための断面模式図である。
【符号の説明】
１  偏心光学系
２、４３ａ  開口絞り（入射瞳）
３、１２、２０、３２  反射ミラー（第１の光学素子）
３ａ、１２ａ、１５ａ、１９ａ、２０ａ、２３ａ、３２ａ、３５ａ  反射面
４、１３、１７、２１、２５、２９、３３  反射ミラー（第２の光学素子）
４ａ、１３ａ、１７ａ、２１ａ、２５ａ、２９ａ、３３ａ  反射面（偏心反射面）
５  中間像面
６、１４、１８、２２、２６、３０、３４  反射ミラー（第３の光学素子）
６ａ、１４ａ、１８ａ、２２ａ、２６ａ、３０ａ、３４ａ  反射面（正のパワーを有する光学作用面）
７  射出瞳
１０、３８  集光手段
１１、５４Ａ、５４Ｂ  受光器
１１ａ、５４ａ、５４ｂ  受光面
１５、１９、２３  反射ミラー（集光手段）
１６  反射光学素子（第１の光学素子）
１６ａ  フレネル反射面
２４  フレネルレンズ（第１の光学素子）
２４ａ、２７ａ  フレネルレンズ面
２７  フレネルレンズ（集光手段）
２８  レンズ（第１の光学素子）
３１  レンズ（集光手段）
３４Ａ  レンズ（第３の光学素子）
３５  可動反射素子（光偏向手段）
３５ａ  反射面（回動可能な反射面）
４０  偏心光学系
４１  制御装置
４２  入力信号制御手段
４３  筐体（装置外装）
４４  ジンバルステージ（追尾移動機構）
４４ｄ  駆動制御手段
５０  軸上主光線
５１  入射光束（入力光）
５２Ａ、５２Ｂ  ビームスプリッタ（第１光路分岐手段）
５３Ａ、５３Ｂ  集光レンズ（集光手段）
５５Ａ、５５Ｂ  入射方向検出手段
５６  偏向制御手段
６０  ハーフミラー（光路合成手段）
６１  コリメートレンズ
６２  半導体レーザ
６３  出力信号制御手段
６４  ビームスプリッタ（第２光路分岐手段）
７０  光源部
１００  光追尾装置（光捕捉追尾装置）
１０１  入力信号
１０２  制御信号
１０３  出力信号
１０４  制御信号
【図１】
2005003804.tif 000020
【図２】
2005003804.tif 000021
【図３】
2005003804.tif 000022
【図４】
2005003804.tif 000023
【図５】
2005003804.tif 000024
【図６】
2005003804.tif 000025
【図７】
2005003804.tif 000026
【図８】
2005003804.tif 000027