(57)【要約】【課題】光学系の光軸調整を容易にする光軸調整機能付き光源及びその光源を用いた光学系を提供する。【解決手段】発光素子１を有しその発光素子１に入射端を臨ませた光ファイバ１５を保持した光源本体２０と、前記光ファイバ１５の出射端に臨ませたレンズ１９を有し該光ファイバ１５の出射端を該レンズ１９に対して距離調節可能に保持した光源ヘッド２１とを備えた光源１１を構成する。光ファイバ１５の出射端とレンズ１９との距離調節により光断面が調整できる。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発光素子を有しその発光素子に入射端を臨ませた光ファイバを保持した光源本体と、前記光ファイバの出射端に臨ませたレンズを有し該光ファイバの出射端を該レンズに対して距離調節可能に保持した光源ヘッドとを備えたことを特徴とする光軸調整機能付き光源。
【請求項２】
前記光ファイバは、前記発光素子が出射する光の波長に合わせた偏波面保存光ファイバであることを特徴とする請求項１記載の光軸調整機能付き光源。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光軸調整機能付き光源を備え、この光源の光軸延長上に、光を集光するレンズ、色による透過特性を有するフィルタ、光の断面強度分布又は断面位相分布を変調する空間光変調器、光の断面における一部を遮断する空間フィルタのいずれか１つ以上を備えたことを特徴とする光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像処理や並列情報処理に用いる光学系に係り、特に、光学系の光軸調整を容易にする光軸調整機能付き光源及びその光源を用いた光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
画像処理に用いる画像処理光学系、並列情報処理に用いる並列情報処理光学系、ガス濃度計測などの光学計測に用いる計測光学系などの光学系においては、光軸調整を行うことが重要であり、その光軸調整においては光断面の調整を行うことが重要である。
【０００３】
図５に示されるように、従来の光学系は、光源５１、レンズ２、フィルタ３、空間光変調器４、レンズ５、空間フィルタ６、レンズ７などからなる。光源５１から広がりながら出射された光は、レンズ２で平行光にされ、フィルタ３、空間光変調器４を通過する。フィルタ３では、特定色を遮断したり、全色を一様に減衰したりする。空間光変調器４は、光の断面強度分布又は断面位相分布を変調する。空間光変調器４を通過した光は、レンズ５で集光され、焦点において空間フィルタ６によって光の断面における一部分を遮断され、レンズ７で再び平行光に戻される。この光がフォトディテクター又は画像センサ８で受光される。
【０００４】
この光学系を画像処理に用いるには、空間光変調器４からレンズ５、空間フィルタ６、レンズ７、画像センサ８までの間隔をレンズ５及びレンズ７の焦点距離の和と等しくし、非特許文献１にあるようにフーリエ変換を利用するなどの方法がある。
【０００５】
光断面径（１ｍｍ〜１００ｍｍ）は、使用する空間光変調器４の分解能や寸法の制限により、典型的には光波長（０．５μｍ〜１μｍ）の１０００倍〜１００００倍程度とされる。
【０００６】
次に、この光学系の光軸調整方法を述べる。
【０００７】
図６に示されるように、ポイントレーザ９とビームスプリッタ１０を用意する。ポイントレーザ９は、光路の最遠方でも光の断面強度分布が一点に集中していて光断面が点とみなせる光源である。ビームスプリッタ１０は、直交する２本の光路を同じ１本に合わせる機能を有する部分反射部分透過の鏡である。
【０００８】
調整手順としては、はじめに、光源５１の出射側にビームスプリッタ１０を配置してビームスプリッタ１０の入射側の光路のうちの１本の光路が光源５１に望み、残りの１本の光路がポイントレーザ９に臨むようにする。また、ビームスプリッタ１０の出射側の光路が当たるように画像センサ８を配置する。他の光学素子（レンズ２〜レンズ７）は未だ配置しない。
【０００９】
その後、画像センサ８上でのポイントレーザ光の点像位置がずれないように、レンズ２、フィルタ３、空間光変調器４、レンズ５、空間フィルタ６、レンズ７を順番に挿入していく。次に、光源５１の位置を調整し、画像センサ８上で光源５１からの光による広がりを持った像の中心とポイントレーザ光の点像位置とが合うようにする。
【００１０】
最後に、ポイントレーザ９とビームスプリッタ１０を取り除く。
【００１１】
このようにして、画像処理光学系や並列情報処理光学系などの光学系を光軸調整することで、この光学系の各部品を位置決めし、ポイントレーザ９とビームスプリッタ１０を取り除いて光学系の組み立てを完了することができる。
【００１２】
【特許文献１】
特開平１１−１４３６１号公報
【特許文献２】
特開平１０−２０９５０２号公報
【非特許文献１】
フランシスＴ．Ｓ．ユー「光情報処理の基礎と応用」森北出版、１９９８年、Ｐ．２０
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前記従来の光学系は、光軸調整方法が煩雑である。
【００１４】
また、従来の光学系は、ポイントレーザ９とビームスプリッタ１０を配置するためのスペースを光学系中に空けて確保しておかなければならない。
【００１５】
また、従来の光学系は、光軸調整完了後には、必要のなくなったビームスプリッタ１０を取り除くため、光源５１から画像センサ８に至る光路長が光軸調整中と光学系の組み立て完了後とで少し異なる。このため、完了後に、この光路長の相違を再調整することが必要になる。
【００１６】
そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、光学系の光軸調整を容易にする光軸調整機能付き光源及びその光源を用いた光学系を提供することにある。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明の光源は、発光素子を有しその発光素子に入射端を臨ませた光ファイバを保持した光源本体と、前記光ファイバの出射端に臨ませたレンズを有し該光ファイバの出射端を該レンズに対して距離調節可能に保持した光源ヘッドとを備えたものである。
【００１８】
前記光ファイバは、前記発光素子が出射する光の波長に合わせた偏波面保存光ファイバであってもよい。
【００１９】
また、本発明の光学系は、上記光源を備え、この光源の光軸延長上に、光を集光するレンズ、色による透過特性を有するフィルタ、光の断面強度分布又は断面位相分布を変調する空間光変調器、光の断面における一部を遮断する空間フィルタのいずれか１つ以上を備えたものである。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。
【００２１】
図１に示されるように、本発明に係る光源１１は、大きく分けると、光源本体２０と光ファイバ１５と光源ヘッド２１とから構成されている。
【００２２】
光源本体２０は、発光素子１とその発光素子１からの出射光を集光するレンズ１３とを筐体１２に収容し、その筐体１２の一側には後述する光ファイバフェルール１４を挿入するために光ファイバフェルール１４とほぼ同径で光軸方向に向いた穴を設けたものである。筐体１２は円柱状に形成し、その円柱の軸心位置に発光素子１、レンズ１３、穴を配置すると扱い易い。レンズ１３は、直径３ｍｍ程度の半球レンズが望ましい。
【００２３】
光ファイバ１５は、両端に光ファイバフェルール１４，１７を取り付けたものである。光ファイバ１５は、発光素子１が出射する光の波長に合わせた偏波面保存光ファイバであることが望ましい。例えば、光の波長が０．６３のときは、カットオフ波長が０．５５μｍ〜０．６２μｍの光ファイバを用いる。光ファイバフェルール１４を光源本体２０の前述した穴に挿入して固定すると、この光ファイバフェルール１４は光源本体２０に保持される。
【００２４】
光源ヘッド２１は、レンズ１９を筐体１６に収容すると共に、光ファイバフェルール１７をレンズ１９に対して距離調節可能に保持するために、筐体１６の一側には光ファイバフェルール１７とほぼ同径で光軸方向に向いた穴（溝穴）を設け、光ファイバフェルール１７を固定するために押しネジ１８を設けたものである。筐体１６の反対側は開口されている。筐体１６は円筒状に形成し、その円柱の軸心位置にレンズ１９、穴を配置すると扱い易い。レンズ１９は、直径３ｍｍ程度の半球レンズが望ましい。押しネジ１８は穴に対して直交する方向に螺進するようになっている。押しネジ１８が光ファイバフェルール１７に達しなければ、光ファイバフェルール１７を光軸方向にずらすことができ、押しネジ１８が光ファイバフェルール１７に達すると光ファイバフェルール１７は固定される。
【００２５】
この光源１１では、図１の状態のとき、光源本体２０内の発光素子１から広がりながら出射した光は、レンズ１３で集光されて光ファイバフェルール１４に入射し、光ファイバ１５に導かれる。この光は、光源ヘッド２１内の光ファイバフェルール１７から出射され、レンズ１９で広がり角を与えられて開口の方向に出射される。
【００２６】
図２のように、光ファイバフェルール１７を光軸方向にずらすことにより、光ファイバフェルール１７をレンズ１９に対して距離調節すると、光ファイバフェルール１７から出射された光をレンズ１９で平行光にすることができる。
【００２７】
図３に示されるように、本発明に係る光学系は、光源１１、レンズ２、フィルタ３、空間光変調器４、レンズ５、空間フィルタ６、レンズ７などからなる。光源１１以外は図５の光学系と同じ構成であるから、同構成部分の説明は省略する。画像センサ８も図５のものと同じである。光源１１は、前述の本発明に係る光源１１である。この光学系では、光源１１から画像センサ８までの光軸上で最大の光断面径が光波長の１０００倍以上であるものとする。
【００２８】
次に、この光学系の光軸調整方法を述べる。
【００２９】
光源１１が図１の状態にあるものとしたとき、光ファイバフェルール１７を光軸方向にずらしてレンズ１９に近付けると、図２の状態、即ち、光路の最遠方でも光断面が点とみなせる状態にすることができる。図２の状態で光ファイバフェルール１７を押しネジ１８によって仮固定する。
【００３０】
次いで、図４のように、画像センサ８の中央に光源１１からの光による点像が形成されるよう、光源１１の光軸延長上に画像センサ８を配置する。他の光学素子（レンズ２〜レンズ７）は未だ配置しない。
【００３１】
その後、画像センサ８上での点像位置がずれないように、レンズ２、フィルタ３、空間光変調器４、レンズ５、空間フィルタ６、レンズ７を順番に光源１１の光軸延長上に挿入していく。レンズ７を挿入し終えた時点で、図４の光学系が実現される。即ち、光源１１から平行光が出射され、その光がレンズ２、フィルタ３、空間光変調器４、レンズ５、空間フィルタ６、レンズ７を通って、画像センサ８の中央に点像が形成される。
【００３２】
最後に、押しネジ１８を緩め、光ファイバフェルール１７を光軸方向にずらしてレンズ１９から遠ざけていく。画像センサ８上の像が広がり、必要な大きさの光断面が得られるまで光ファイバフェルール１７の移動を続け、必要な大きさの光断面が得られたら、光ファイバフェルール１７を押しネジ１８によって本固定する。この時点では、図３の光学系における光軸調整（光断面調整）の完了した状態が実現される。即ち、光源１１から広がりのある光が出射され、画像センサ８には所望の光断面を有する光が平行光として入射する。
【００３３】
以上の光軸調整方法によれば、従来使用していたポイントレーザ９やビームスプリッタ１０などの余分な部材が必要なくなり、そのためのスペースを光学系中に空けて確保しなくてもよい。また、光軸調整完了後にこれらの部材を撤去する必要もなくなる。
【００３４】
次に、実際に行った光軸調整の具体例を説明する。
【００３５】
図１の光源１１において、発光素子１として波長６６０ｎｍの赤色半導体レーザを用い、レンズ１３，１９として直径３ｍｍの半球レンズを用い、光ファイバ１５として波長６６０ｎｍ用偏波面保存光ファイバを用いた。また、この光源１１を用いた図３の光学系において、レンズ２，５，７として焦点距離１００ｍｍ、直径２５ｍｍの平凸レンズを用いた。フィルタ３及び空間フィルタ６は省略した。空間光変調器４としては２５６×２５６正方格子の振幅変調型デバイスを用い、中心付近の直径２ｍｍの円内のみ光が透過するように設定した。画像センサ８としてはアナログ８階調白黒ＣＣＤカメラを用いた。光断面径は大きいところで平行光の部分で１０ｍｍ程度とした。
【００３６】
上記の光学系で前述の光軸調整方法に従い光断面を点にして全部の光学素子を配置し終わった後に、光ファイバフェルール１７をレンズ１９から徐々に遠ざけていったときに画像センサ８で得られた画像を距離順に図７（ａ），（ｂ），（ｃ）に示す。これらの図において、背景７１は白く示したが実際の画像センサ８の画像では光のない暗い領域であり、光の像７２，７３，７４は影で示したが実際には光の当たった明るい領域である。
【００３７】
図７（ａ）では、光源１１から平行光が出射されているため、像７２は点像となっている。図７（ｂ）では、光ファイバフェルール１７がレンズ１９から少し遠ざかったため、画像センサ８上の像が広がり、像７３は適宜な断面積を有する。図７（ｃ）では、光ファイバフェルール１７がさらに遠ざかったため、鮮明な像７３の周囲にぼやけた像７４が形成されている。像７２，７３の位置はいずれの画像においても同じである。これらの画像より、光ファイバフェルール１７の移動により、光軸中心を保ったまま、光断面を広げられたことが分かる。
【００３８】
上記の実施形態では、光源ヘッド２１に光ファイバフェルール１７を固定するために押しネジ１８を設けたが、押しネジ１８に限らず、他の部材で光ファイバフェルール１７を固定するようにしてもよい。例えば、接着剤で接着してもよい。また、発光素子１が出射する光は、赤色に限らず他の色や白色でもよい。
【００３９】
フィルタ３として、カラーフィルタやＮＤフィルタを用いてもよい。空間フィルタ６として空間光変調器やピンホール、マイクロミラーを用いてもよい。画像センサ８としてＣＭＯＳカメラを用いてもよい。
【００４０】
【発明の効果】
本発明は次の如き優れた効果を発揮する。
【００４１】
（１）光学系の光軸調整が容易になる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態を示す光源の構成図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す光源の構成図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す光学系の構成図である。
【図４】本発明の一実施形態を示す光学系の構成図である。
【図５】従来の光学系の構成図である。
【図６】従来の光学系の光軸調整時の構成図である。
【図７】本発明の光学系による光の断面図であり、（ａ）（ｂ）（ｃ）の順に光ファイバの出射端がレンズから離れている。
【符号の説明】
１  発光素子
２  レンズ
３  フィルタ
４  空間光変調器
５  レンズ
６  空間フィルタ
７  レンズ
１１  光源
１２  筐体
１３  レンズ
１４  光ファイバフェルール
１５  光ファイバ
１６  筐体
１７  光ファイバフェルール
１８  押しネジ
１９  レンズ
２０  光源本体
２１  光源ヘッド
５１  従来の光源
【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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