(57)【要約】【課題】光検出光学系および光学システムにおいて、波長の異なる複数の入射光を簡素な構成により略光量損失がない状態で分離して、それぞれの光検出を行うことができるようにする。【解決手段】波長の異なるレーザ光６、７を結像する軸上色収差を有する結像レンズ２と、結像レンズ２によるレーザ光６の結像位置近傍の光軸９の中心領域にレーザ光６を略すべて入射する開口部４ｂを、その外周領域に光検出部４ａをそれぞれ備える光検出器４を設けて、開口部４ｂを透過するレーザ光６と、光検出部４ａで受光されるレーザ光７とを分離する。そして、分離されたレーザ光６を光検出器５により受光して光検出する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長の異なる複数の入射光をそれぞれ略光軸上で異なる位置に結像する軸上色収差を有する結像光学系と、
該結像光学系による前記複数の入射光の１つの結像位置近傍において、略前記光軸上に結像する前記複数の入射光の１つを略すべて入射する中心領域と該中心領域の外側に広がる外周領域との間で、前記複数の入射光を互いに分離する分離手段と、
該分離手段により分離された光を、光検出するためにそれぞれ受光する複数の受光部とを備えることを特徴とする光検出光学系。
【請求項２】
前記結像光学系が、
パワーを有する少なくとも２つの光学素子を備え、
該少なくとも２つの光学素子が、それぞれ同傾向の軸上色収差を有することを特徴とする請求項１に記載の光検出光学系。
【請求項３】
前記結像光学系が、少なくとも１つの中間像を形成することを特徴とする請求項２に記載の光検出光学系。
【請求項４】
前記少なくとも２つの光学素子のうち少なくとも１つの光学素子の光軸方向の位置が可変とされたことを特徴とする請求項２または３に記載の光検出光学系。
【請求項５】
前記分離手段が、前記中心領域に、前記複数の入射光の１つを略すべて透過させる大きさを有する開口部からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光検出光学系。
【請求項６】
前記分離手段の前記中心領域が、前記複数の入射光の１つを略すべて光結合する光ファイバ端面からなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光検出光学系。
【請求項７】
前記分離手段が、前記外周領域に、前記複数の受光部の１つとして、前記外周領域に入射する光の位置検出を行う位置検出器を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光検出光学系。
【請求項８】
前記分離手段が、前記中心領域または前記外周領域に入射する光を前記結像光学系の光軸方向と異なる方向に反射する反射面を備えることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の光検出光学系。
【請求項９】
前記分離手段が、前記中心領域に入射する光の受光部を有する屈折率１以上の媒質からなるプリズムであり、
前記反射面が、前記プリズムの内部反射面であることを特徴とする請求項８に記載の光検出光学系。
【請求項１０】
複数の入射光として、情報を伝達する信号光と、該信号光と同軸に入射され異なる波長を有する補助検出光とを受光する請求項１〜９のいずれかに記載の光検出光学系を有する光学システムであって、
前記信号光が前記複数の入射光の１つであり、
前記補助検出光が前記複数の入射光の他であり、
前記補助検出光を受光する受光部の検出信号に応じて、前記信号光の相対的な入射状態を制御するようにしたことを特徴とする光学システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光検出光学系および光学システムに関する。例えば、２つ以上の波長の光をそれぞれ分離して検出することができる光検出光学系および光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、光検出によって、例えば高さ、長さ、大きさ、角度などの物理量や、その変化量を測定またはセンシングする種々の光学システムが知られている。
例えば、特許文献１には、光信号が、情報を含む高帯域信号からなる主信号と、主信号の周波数帯域に重ならない低周波数成分の狭帯域信号からなるパイロット信号で構成され、光信号を伝搬する光束が偏光ビームスプリッタ、光束分割ミラーにより光路を分割されて、それぞれ主信号を伝搬する光束（以下通信光と称する）を受光する受光素子、パイロット信号を伝搬する光束（以下ビーコン光と称する）を受光して受光位置を検出するＰＩＮフォトダイオードに入射され、ＰＩＮフォトダイオードで検出されたビーコン光の位置ずれに応じて可動ミラーを制御し、通信光の自動追尾を行う光空間通信装置が記載されている。また、主信号とパイロット信号とが、波長多重により重畳される構成が記載されている。
また、特許文献２には、２波長レーザ光源を用いてそれぞれの波長光を平行化レンズと対物レンズとからなる光学系を通して光ディスクに照射し、その光学系に再入射する反射光を２波長用に偏光性ホログラムと１／４波長板とからなるホログラムビームスプリッタにより分離して一方の波長光を軸外に集光し、光検出器で検出する光ヘッド装置が記載されている。
また、特許文献３には、光源か発する複合波長の光を、色収差を持つ影像光学系を介して口径を絞った開口を透過させ、波長ごとの透過光量を単一素子検出器で検出することにより、光源の局部的な変化を測定する光源変化監視方法および装置が記載されている。また、これを用いて光源の光軸に直交する方向の移動位置を検出する方法が記載されている。
【特許文献１】特開平７−１４３０６４号公報（第３−５頁、図１）
【特許文献２】特開２００１−１５５３７５号公報（第３−７頁、図１、５）
【特許文献３】特開平１０−１６０５６７号公報（第４−８頁、図１、３）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、上記のような従来の光検出光学系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、主信号を伝搬する光束が偏光ビームスプリッタ、光束分割ミラーにより分割されるので、光量損失が大きくなるという問題がある。
この場合、通信光とビーコン光とを異なる波長に設定し、これらの光分割手段をダイクロイックフィルタとすることにより、光量損失を低減することも考えられるが、このようなダイクロイックフィルタや偏光ビームスプリッタは非常に高価なので装置のコストが増大してしまうという問題がある。
また、通信光とビーコン光との光路が分割されるので、それぞれの光路長や受光位置を光学的に一致させるために、受光素子やＰＩＮフォトダイオードなどの位置合わせが必要となり、組立に手間がかかり製作コストが増大するという問題がある。
特許文献２に記載の技術では、製作の手間がかかり高価な２波長用の偏光性ホログラムと１／４波長板とを用いて、光ディスクからの反射光を分離するので、部品コストが増大してしまうという問題がある。
特許文献３に記載の技術では、異なる波長光の同一位置におけるスポット径が光学系の色収差により異なることを利用して、所定位置に開口を設け、その透過率の変化から光源の局部的な変化を観察する構成が記載されているものの、それぞれの波長光は開口により分離されないので、分光フィルタを設けて波長ごとに分離している。したがって、この構成では、異なる波長の光束を簡素に分離して検出することができないという問題がある。
【０００４】
本発明は、上記のような問題に鑑みてなされたものであり、波長の異なる複数の入射光を簡素な構成により略光量損失がない状態で分離して、それぞれの光検出を行うことができる光検出光学系および光学システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
上記の課題を解決するために、本発明の光検出光学系は、波長の異なる複数の入射光をそれぞれ略光軸上で異なる位置に結像する軸上色収差を有する結像光学系と、該結像光学系による前記複数の入射光の１つの結像位置近傍において、略前記光軸上に結像する前記複数の入射光の１つを略すべて入射する中心領域と該中心領域の外側に広がる外周領域との間で、前記複数の入射光を互いに分離する分離手段と、該分離手段により分離された光を、光検出するためにそれぞれ受光する複数の受光部とを備える構成とする。
この発明によれば、軸上色収差を有する結像光学系により、複数の入射光がそれぞれの波長に応じて略光軸上で異なる位置に結像される。そして、複数の入射光の１つの結像位置近傍では、複数の入射光の１つが結像スポット径に近い微小スポットを形成し、中心領域に略すべて入射する。また、複数の入射光の他は、複数の入射光の１つより大きな光束となって、中心領域および外周領域に入射する。そのため、中心領域と外周領域との間で複数の入射光を分離する分離手段により、複数の入射光の他が、その光束面積と中心領域との面積比に応じて分割され、外周領域において、複数の入射光の１つから分離される。
そして軸上色収差の大きさを適宜設定して複数の入射光の他の光束径の大きさを必要に応じて設定し、中心領域に入射する複数の入射光の他の光量を、複数の入射光の１つに対して相対的に低減することで、複数の入射光の１つと他とのそれぞれを実質的に分離することができる。そして、分離手段により分離されたそれぞれの光を複数の受光部により受光して光検出を行うことができる。
分離効率を向上するには、中心領域の面積が小さいほど、複数の入射光の他の光束面積が大きいほどよい。そのため、軸上色収差は大きいほど分離効率が高効率となる。
分離手段は、例えば、透過、反射、導光、屈折などの光学特性を中心領域と外周領域とに適宜組み合わせて設定することにより構成することができる。
【０００６】
また、本発明の光検出光学系では、前記結像光学系が、パワーを有する少なくとも２つの光学素子を備え、該少なくとも２つの光学素子が、それぞれ同傾向の軸上色収差を有することが好ましい。
この場合、結像光学系を少なくとも２つ以上の光学素子により構成するため、１つの光学素子のみで構成する場合に比べて、球面収差を低減することが容易となり、結像性能を向上することができる。
また、少なくとも２つの光学素子が同傾向の軸上色収差を有することにより、結像光学系としての軸上色収差を大きくすることができる。
ここで、同傾向の軸上色収差とは、複数の波長に対する光軸に沿う結像位置の相対的なずれ方向が同じであることを意味する。
また、光学素子の光学面は、適宜のパワーと軸上色収差を備えるならば、球面に限定されず、そのような光学面を採用してもよい。例えば、光学面として非球面などを採用すれば、球面に比べて球面収差を低減できるので好都合である。
【０００７】
また、本発明の同傾向の軸上色収差を有する少なくとも２つ以上の光学素子からなる結像光学系を備える光検出光学系では、前記結像光学系が、少なくとも１つの中間像を形成する構成とすることが好ましい。
この場合、少なくとも１つの光学素子により少なくとも１つの中間像を形成し、軸上色収差により波長ごとに結像位置がずれた光を同傾向の軸上色収差を有する他の光学素子で再度結像するので、１回で結像する場合に比べて結像光学系の軸上色収差を増大させることができる。
すなわち、各光学素子の軸上色収差の量を増大させることなく中間像の数に応じて結像光学系の軸上色収差が増大されるので、特定の波長に対する光学性能を劣化させることなく、軸上色収差のみを増大させることができる。
これに対して、１回の結像で軸上色収差を形成する場合、結像光学系の設計上、軸上色収差を大きくすることを優先すると、複数の波長のそれぞれに対する球面収差などの光学性能が劣化する可能性が高くなる。
【０００８】
また、本発明の同傾向の軸上色収差を有する少なくとも２つ以上の光学素子からなる結像光学系を備える光検出光学系では、前記少なくとも２つの光学素子のうち少なくとも１つの光学素子の光軸方向の位置が可変とされることが好ましい。
この場合、少なくとも１つの光学素子の光軸方向の位置を可変とすることで、光学素子間の距離や、物体からの距離あるいは像面までの距離を可変して、光学系の合成焦点距離を変えることができる。そのため、同じ物体からの光束に対して像面でのＮＡを変えることができる。
その結果、結像光学系のＮＡを受光部に固有のＮＡに合わせることができるので、受光部に入射する光の光量損失を低減することができる。例えば、受光部がＮＡの異なる光ファイバを切り替える構成とされる場合など、光ファイバのＮＡに合わせることで、光結合効率を向上することができる。
光学素子の可変機構は、例えば相対移動可能なズーム鏡枠に光学素子を固定し、ズーム鏡枠をモータやアクチュエータなどにより駆動するようにしてもよいし、単に可動鏡枠に各光学素子を固定し、必要に応じて手動移動できるようにしてもよい。
【０００９】
また、本発明の光検出光学系では、前記分離手段の前記中心領域が、前記複数の入射光の１つを略すべて透過させる大きさを有する開口部からなることが好ましい。
この場合、分離手段の中心領域が開口部からなるので、分離手段が、簡素に構成できるとともに、複数の入射光の１つの光量損失を低減することができる。
なお、開口部は、光が透過する光学的な開口部であればよく、例えば透過率が良好な透明媒質で満たされていてもよい。
【００１０】
また、本発明の光検出光学系では、前記分離手段の前記中心領域が、前記複数の入射光の１つを略すべて光結合する光ファイバ端面からなることが好ましい。
この場合、分離手段の中心領域が光ファイバ端面からなるので、複数の入射光の１つを略すべて光ファイバに光結合して、光ファイバにより導光し、光検出を行うことができる。すなわち、光ファイバは受光部の１つとなっており、受光部の１つが分離手段に含まれる構成となっている。そのため、コンパクトな構成とすることができる。
【００１１】
また、本発明の光検出光学系では、前記分離手段が、前記外周領域に、前記複数の受光部の１つとして、前記外周領域に入射する光の位置検出を行う位置検出器を設けることが好ましい。
この場合、複数の入射光の１つの略結像位置の外周領域に位置検出器を配置するので、複数の入射光の他を分離するとともに、それによりレンズなどを介することなく複数の入射光の１つと光学的に同等の位置で複数の入射光の他の位置検出を行うことができる。そのため、例えば、複数の入射光の他が複数の入射光の１つを追尾するための追尾光である場合に、簡素かつコンパクトな構成で追尾光の位置検出を行うことができる。
【００１２】
また、本発明の光検出光学系では、前記分離手段が、前記中心領域または前記外周領域に入射する光を前記結像光学系の光軸方向と異なる方向に反射する反射面を備えることが好ましい。
この場合、反射面により、中心領域または外周領域に入射する光を結像光学系の光軸方向と異なる方向に導くことにより、中心領域および外周領域に入射する光がそれぞれ分離される。そのため、それぞれの受光部を、中心領域および外周領域の一方に入射する光を結像光学系の光軸上に、それらの他方に入射する光を結像光学系の光軸外の光路上に、それぞれ設けることができる。そのため、それぞれの受光部を容易に配置することができる。
また、反射面で反射された光の光路上に、適宜の光学系、光学手段、例えば、倍率を有する光学系や、光強度を増幅する光増幅手段などを配置することも容易となる。
なお、反射面を外周領域に設ける場合、中心領域への光入射の妨げとならなければ、複数の入射光の１つの略結像位置から光軸方向にずれた位置に配置することができる。
【００１３】
また、本発明の前記分離手段が前記反射面を備える光検出光学系では、前記分離手段が、前記中心領域に入射する光の受光部を有する屈折率１以上の媒質からなるプリズムであり、前記反射面が、前記プリズムの内部反射面であることが好ましい。
この場合、分離手段が受光部と一体化されたプリズムで構成されるので、コンパクトな構成とすることができる。
また、反射面が内部反射面なので、取り扱い、経時変化、環境変化などによる反射率の変化が起こりにくいという利点がある。
【００１４】
本発明の光学システムは、複数の入射光として、情報を伝達する信号光と、該信号光と同軸に入射され異なる波長を有する補助検出光とを受光する請求項１〜９のいずれかに記載の光検出光学系を有する光学システムであって、前記信号光が前記複数の入射光の１つであり、前記補助検出光が前記複数の入射光の他であり、前記補助検出光を受光する受光部の検出信号に応じて、前記信号光の相対的な入射状態を制御するようにした構成とする。
この発明によれば、本発明の光検出光学系を有するので、本発明の光検出光学系と同様の作用効果を有する。
そして、光検出光学系の分離手段により情報を伝達する信号光の略すべてを対応する受光部で受光し、補助検出光を分離手段により分離して対応する受光部により受光し、光検出することができる。そして、補助検出光の受光部の検出信号に応じて信号光の相対的な入射状態を制御するので、信号光の光量損失を招くことなく、信号光を受光した状態で、信号光の相対的な入射状態を制御することができる。そのため簡素かつ効率的な構成により信号光の受光状態を良好に保持することができる。
ここで、補助検出光が検出する入射状態としては、信号光の位置ずれ、角度ずれ、ピントずれなどを挙げることができる。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の光検出光学系および光学システムによれば、波長の異なる複数の入射光を軸上色収差を有する結像光学系により略光軸上で異なる位置に結像し、複数の入射光の１つのの略結像位置において、複数の入射光の１つを略すべて入射する中心領域とその外側の外周領域との間で複数の入射光を分離するので、簡素な構成により略光量損失がない状態で分離して、それぞれの光検出を行うことができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下では、本発明の実施の形態について添付図面を参照して説明する。すべての図面において、実施形態が異なる場合であっても、同一または相当する部材には同一の符号を付し、共通する説明は省略する。
【００１７】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る光検出光学系について説明する。
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係る光検出光学系について説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。図１（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ入射光が光軸を進む場合および入射光が角度ずれを起こした場合の図１（ａ）のＡ視の模式説明図である
【００１８】
本実施形態の光検出光学系１は、同軸に入射される複数の波長の入射光をそれぞれの波長ごとに分離してそれぞれ異なる受光部に導くことにより、各波長光の光検出を行うことができるものである。
光検出の種類としては、受光部または受光部の後段に配置される光検出器の種類により、種々の種類が考えられる。例えば、受光量を検出して入射光の有無や光量変化を検出することにより、検出対象の高さ、長さ、大きさ、角度などの物理量、もしくは物理量の変化の検出、変調された入射光が搬送する情報信号検出、入射光による画像情報の検出などが挙げられる。
入射光の複数の波長は、３つ以上でもよく、また異なる波長領域に帯域制限された複数の狭帯域光でもよい。
【００１９】
以下では、簡単のため、図１（ａ）に示すように、それぞれの波長が波長λ１、λ２（ただし、λ１＞λ２）の略平行なレーザ光６（複数の入射光の１つ）、レーザ光７（複数の入射光の他の１つ）が同軸に入射される場合の例で説明する。
ここで、レーザ光６は、情報信号や画像情報などの情報を伝達する信号光とし、レーザ光７は、信号光の入射状態を検出可能とする補助検出光とする。
光検出光学系１の概略構成は、結像レンズ２（結像光学系）、光検出器４（分離手段）、および光検出器５（受光部）からなる。
【００２０】
結像レンズ２は、レーザ光６、７を結像するため、正のパワーを備える単レンズである。例えば、一定屈折率の硝材により形成された凸平レンズを採用することができる。
結像レンズ２は、一定屈折率の硝材から形成される単レンズのため軸上色収差を有する。すなわち、レーザ光６、７が共通の入射瞳径Ｄで入射すると、光軸９上の結像位置が一定量ずれるものである。本実施形態では、入射瞳径がＤの場合、レーザ光６は、波長λ１に対応する結像レンズ２から距離Ｌ０の位置の結像面８Ａ（複数の入射光の１つの結像位置）にスポット径ω１で結像され、レーザ光７は、波長λ２に対応する距離（Ｌ０−Ｌ１）の結像面８Ｂにスポット径ω２で結像される。距離Ｌ１は、結像レンズ２の波長λ１、λ２との間の軸上色収差に対応している。軸上色収差の大きさは、必要なスポット径ω１、ω２の大きさにより決定する。
スポット径ω１は、開口部４ｂが容易に加工できる直径ｄに対して十分小さい値とすることが好ましい。
スポット径ω２は、開口部４ｂの直径ｄに対して十分大きくする必要があり、例えば、スポット径ω２をＲＭＳ値として、ω２／ｄ≧４とすることが好ましい。また、レーザ光７を光検出器４のような位置検出器により光検出する場合には、必要な位置ずれ検出範囲に応じた大きさとする必要がある。
【００２１】
開口絞り３は、レーザ光６、７の入射瞳を設定するための部材である。光検出光学系１が光学システムの中に組み込まれていて、光検出光学系１に入射する前の光路中に入射瞳が形成される場合には省略することができる。
【００２２】
光検出器４は、レーザ光６とレーザ光７とを分離する分離手段と、レーザ光７の照射位置を検出する位置検出器としての受光部とを兼ねるもので、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、光検出部４ａと開口部４ｂとからなる。
光検出部４ａは、１つの角が開口部４ｂを形成するために切り欠かれた以外は略正方形状のされた受光素子であるＰＤ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄが、２×２の格子状に配列されたものである。そして、これらＰＤにまたがって光束が照射されたときに、それぞれの受光量から、光束の照射位置の中心位置を検出する４分割光検出器（ＱＤ）を構成している。光検出部４ａの波長感度は、レーザ光７の波長λ２に対する感度が良好となるものを採用する。
開口部４ｂは、ＰＤ４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄの切り欠かれた角部が集まる光検出器４の中心位置に形成される厚さ方向に貫通する直径ｄの円孔である。直径ｄは、レーザ光６の結像スポット径より大きい径とされ、結像されたレーザ光６が略すべて透過できる面積を有する。
そして、光検出器４は、光検出部４ａが結像面８Ａに略沿って配置されるとともに、開口部４ｂの中心が、光軸９と略一致するように配置されている。
すなわち、開口部４ｂは、結像面８Ａにおいて光軸９に沿って進むレーザ光６を略すべて入射する中心領域に配置され、光検出部４ａは、そのような中心領域の外側に広がって形成された外周領域に配置されている。
【００２３】
光検出器５は、開口部４ｂを透過したレーザ光６のスポットが拡径した状態で受光し、レーザ光６に含まれる情報の光検出を行うものである。例えば、レーザ光６が変調された信号光である場合、変調信号を検出するために応答性のよいＰＩＮフォトダイオードなどの受光素子を採用することができる。また、レーザ光６が画像情報を含む場合、ＣＣＤなどの撮像素子を採用することができる。
特に図示しないが、光検出を効率的に行うために光検出器５の前側に、集光や撮像などを行う光学素子を適宜配置してもよい。
また、図示では、レーザ光６のスポットが拡径するように、開口部４ｂから離して配置しているが、例えば変調信号を受光する受光素子のように比較的受光面積が小さくてよい場合は、開口部４ｂに近接して配置してもよい。
【００２４】
次に、光検出光学系１の作用について、光路に沿って説明する。
略平行光とされたレーザ光６、７は、開口絞り３を透過することで、光束径がＤに整形された同軸光として、結像レンズ２に入射する。
レーザ光６、７は、結像レンズ２の正パワーにより集光され、各波長に応じて、それぞれ結像面８Ａ、８Ｂに結像される。このため、レーザ光６、７は、図１（ｂ）、（ｃ）に示すように、光検出器４上では、略同心円状に広がるスポット６ａ、７ａを形成している。
【００２５】
レーザ光６、７が光軸９上を進む場合は、スポット６ａは略すべての光が、開口部４ｂを通過して、透過して光検出器５に導かれ、スポット７ａが光検出部４ａ上で受光される（図１（ｂ）参照）。このとき、スポット７ａの一部が開口部４ｂを透過して光検出器５に到達するが、結像レンズ２の軸上色収差を適宜設定することにより、スポット７ａの面積に対する開口部４ｂの開口面積の比を適宜に設定することにより、開口部４ｂを透過する光量をレーザ光６の光検知のノイズとならない程度に抑えることができる。スポット７ａの径は軸上色収差量に略比例し、スポット７ａの面積はその２乗に比例するから、軸上色収差を少し変えるだけでも、スポット７ａの面積は大きく変化するものである。
このようにして、光検出器４は、レーザ光６、７を、略光量損失なしに分離することができる。特に、本実施形態では、レーザ光６は光量損失なしに分離することができる。
【００２６】
例えば、後述する第１の数値実施例のレンズ構成により、波長λ１＝１５５０ｎｍ、波長λ２＝７８０ｎｍ、入射瞳径Ｄ＝３ｍｍ、結像レンズ２の焦点距離ｆ１をｆ１(1550nm)＝１５ｍｍ（かっこ内の数値は、焦点距離を規定する波長を示す。以下同様。）とするとき、結像レンズ２は、凸平レンズの１枚構成なので、ｎ＝１．５１６８とすれば、軸上色収差に対応してＬ１＝３００μｍとなり、スポット径ω１、ω２が、ω１＝７．２μｍ、ω２＝４８．３μｍとなる（ただし、ＲＭＳ値。以下のスポット径も同じ）。したがって、ｄ＝１０μｍとすれば、十分良好な分離特性を得ることができる。
一方、色補正したアクロマティックレンズ、例えば正パワーの両凸レンズに負のメニスカスレンズを貼り合わせた２枚構成によれば、例えば、ω１＝１μｍ、ω２＝１５．４μｍ程度となり、ｄ＝１０μｍでは分離が困難である。ω２／ｄ≧４とするには、ｄ＝３．９μｍとする必要があるが、その場合、開口部４ｂの加工が格段に難しくなる。
また、ω２＝１５．４μｍでは、例えば空間光通信装置の精追尾機構に用いる場合などには位置ずれ検出範囲が小さすぎて不都合である。
【００２７】
一方、レーザ光６、７が光軸９からずれて入射されると、図１（ｃ）に示すように、レーザ光６は開口部４ｂを透過できなくなるが、スポット７ａの光束径は相対的に大きいので、光検出部４ａ上で３つ以上のＰＤにまたがって照射される範囲において、位置ずれ量を検出できる。
そのため、光検出器４の検出信号をレーザ光６の照射位置を補正するための制御信号として用いることができる。
【００２８】
このように、光検出光学系１によれば、例えばホログラム素子や回折格子などの高価な光学素子を用いることなく、ＱＤの中央部に開口部４ｂを設けるのみの簡素な分離手段により、レーザ光６、７を効率よく分離することができる。
また、結像光学系の軸上色収差により空間的に波長分離するので、分離手段には波長分離特性を持たせる必要がないので、高価な波長分離コーティングなど施すことなく簡素かつ安価な構成とすることができるものである。
本実施形態では、レーザ光７が光検出部４ａの後側に透過しないように分離するので、分離されたレーザ光６を、光検出部４ａの後側に配置された光検出器５により受光することができる。そのため、２つの受光部を光軸９に沿って配列することができ、コンパクトなレイアウトとすることができるという利点がある。
【００２９】
なお、開口部４ｂは、適宜の開口径を有する光学的な開口であればよいので、本実施形態は、開口部４ｂに透明部材を嵌め込んだり、そのような透明部材により、レンズ、プリズム、導光路などを形成したりするように変形してもよい。
【００３０】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る光検出光学系について説明する。
図２（ａ）は、本発明の第２の実施形態に係る光検出光学系について説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。図２（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ入射光が光軸を進む場合および入射光が角度ずれを起こした場合の図２（ａ）のＢ視の模式説明図である
【００３１】
本実施形態の光検出光学系１０は、図２（ａ）に示すように、第１の実施形態に係る光検出光学系１の結像レンズ２、光検出器４に代えて、結像光学系１１（結像光学系）、光検出器１２（分離手段）を備える。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３２】
結像光学系１１は、それぞれ同傾向の軸上色収差を有する第１レンズ１１Ａ、第２レンズ１１Ｂからなる。
第１レンズ１１Ａは、例えば両凸レンズを採用することができる。
第２レンズ１１Ｂは、例えば第１レンズ１１Ａ側に凸面を有するメニスカスレンズを採用することができる。それぞれの硝材の屈折率は適宜設定することができる。
【００３３】
光検出器１２は、光検出器４の開口部４ｂに代えて、レーザ光６を受光して光電変換する受光素子１２ｂを備えたものである。受光素子１２ｂとしては、例えば波長λ１に感度特性を有するＰＩＮフォトダイオードなどを採用することができる。
受光素子１２ｂの有効受光径は、開口部４ｂと同様にして決定する。
このように、光検出器１２は、分離手段を構成するとともに、中心領域、外周領域にそれぞれ受光部を設けた例となっている。
【００３４】
このような光検出光学系１０によれば、結像光学系１１を２枚構成とすることにより、２つのレンズにパワーが分散させることができる。そして各レンズに同傾向の色収差を持たせることにより、球面収差の発生量を少なくしつつ、２枚分の軸上色収差を同方向に発生させることができる。
例えば、後述する第２の数値実施例のレンズ構成により、波長λ１＝１５５０ｎｍ、波長λ２＝７８０ｎｍ、入射瞳径Ｄ＝３ｍｍ、レンズ間距離を１ｍｍ、結像光学系１１の合成焦点距離ｆ２を、ｆ２(1550nm)＝１５ｍｍ、ｆ２(780nm)＝１４．６９ｍｍとするとき、合成軸上色収差に対応してＬ２＝２９０μｍとなり、スポット径ω１、ω２が、ω１＝１．３μｍ、ω２＝４２．９μｍとなる。したがって、ｄ＝１０μｍとすれば、十分良好な分離特性を得ることができる。
このように、２枚構成によりレーザ光６の結像性能を向上しつつ、第１の実施形態と略同等の軸上色収差を発生することができるものである。
【００３５】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る光検出光学系について説明する。
図３は、本発明の第３の実施形態に係る光検出光学系について説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。図４（ａ）、（ｂ）は、それぞれ入射光が光軸を進む場合におけるＣ視およびＤ視の模式説明図である。
【００３６】
本実施形態の光検出光学系２０は、図３に示すように、第１の実施形態に係る光検出光学系１の結像レンズ２、光検出器４に代えて、結像光学系１１、分離ミラー２１（分離手段）、集光レンズ２５、光検出器２４（受光部）を備える。以下、第１、２の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００３７】
分離ミラー２１は、分離ミラー本体２２に光ファイバ２３が一体に保持された部材である。
分離ミラー本体２２は、側面の１つにレーザ光７を略すべて反射するミラー面２２ａ（反射面）を備えた紙面垂直方向に延びる例えば三角柱状の部材であり、ミラー面２２ａの中央部に光ファイバ２３を挿入する光ファイバ挿入孔２２ｂが設けられている。
光ファイバ２３は、結像面８Ａ上に結像されたレーザ光６を光ファイバ端面２３ａ上に結合して、不図示の光検出器や光伝送路などに導光するための受光部である。そして、光ファイバ挿入孔２２ｂに挿入され、光ファイバ端面２３ａがミラー面２２ａよりわずかに突出する位置に固定されている。ただし、光ファイバ端面２３ａは、レーザ光６が光軸９に沿って入射するときにレーザ光６を光ファイバ２３に略すべて光結合できれば、ミラー面２２ａよりも分離ミラー本体２２の内側に位置していてもよい。
ここで、第１の実施形態の開口部４ｂの直径ｄに相当するのは、光ファイバ２３のＮＡであったり、空間的に規定するコア径であったりする。その大きさは、開口部４ｂの直径と同様にして決定することができる。
【００３８】
分離ミラー２１は、光ファイバ端面２３ａが結像面８Ａ上の光軸９近傍の中心領域に配置され、その外側に光軸９に沿って延びる外周領域に入射するレーザ光７を、ミラー面２２ａにより光軸９と交差する方向に反射するように配置されている。
【００３９】
集光レンズ２５は、ミラー面２２ａにより反射されたレーザ光７を集光して、光検出器２４に照射されるスポットの大きさを一定もしくは可変できるようにするための正レンズである。
光検出器２４は、集光レンズ２５で集光されたレーザ光７を受光する受光部であり、例えば、図４（ｂ）に示すように、ＰＤ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４ＤからなるＱＤを採用することができる。
そして、ＰＤ２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４ｄが接するＱＤの検出中心位置がレーザ光７の軸上主光線が通るべき光路上に位置するように配置されている。
【００４０】
このような光検出光学系２０によれば、図４（ａ）に示すように、結像光学系１１により結像面８Ａに結像されたスポット６ａは、光ファイバ端面２３ａを通して光ファイバ２３に光結合される。
また、ミラー面２２ａ上にスポット６ａより大きな範囲に広がるスポット７ｂは、分離ミラー本体２２の周りのミラー面２２ａにより光軸９に交差する方向に反射され（図３参照）、拡径しつつ集光レンズ２５に入射する。そして、集光レンズ２５により集光されて、光検出器２４上にスポット７ｃとして受光される。
【００４１】
この場合、レーザ光７はミラー面２２ａで反射して、レーザ光６の光路と分離し、分離したレーザ光７の光路中に光学素子等を配置するなど光路を自由に設定できるので、レーザ光７の受光位置や、スポット７ｃの大きさの設定自由度が高めることができるという利点がある。
例えば、レーザ光７の受光位置は、結像面８Ｂから離れるほど、レーザ光７の角度ずれを高感度に検出することができる。また、スポット７ｃは大きいほどＱＤによる位置検出分解能を向上することができる。
また、レーザ光７の受光位置に対するスポット７ｃの大きさは、集光レンズ２５によっても容易に調整することができる。例えば、集光レンズ２５の前側焦点位置を結像面８Ｂに合わせれば、レーザ光７を平行光とすることができるので、スポット径を変えずに、受光位置を可変することができ、位置検出感度を可変することができる。
【００４２】
また、本実施形態では、レーザ光６の受光部を光ファイバ２３とするので、レーザ光６の光検出部のレイアウトが容易となる。また、直接、他の光伝送路に導くこともできる。
また、光検出器２４として開口部を有しない汎用的なＱＤを採用することができるので、部品コストを低減することができる。
また、ミラー面２２ａは、レーザ光６が光ファイバ２３に光結合されて分離された後のレーザ光７のみを反射するので、単波長のみの反射膜コーティングにより形成でき、複数波長を分離するビームスプリッタなどと比べて安価な構成とすることができる。
【００４３】
［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る光検出光学系について説明する。
図５は、本発明の第４の実施形態に係る光検出光学系について説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【００４４】
本実施形態の光検出光学系３０は、図５に示すように、第１の実施形態に係る光検出光学系１の結像レンズ２、光検出器４に代えて、結像光学系３１、光ファイバ２３、光検出器２４を備える。以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４５】
結像光学系３１は、それぞれ同傾向の軸上色収差を有する第１レンズ３１Ａ、第２レンズ３１Ｂからなる。そして、第１レンズ３１Ａにより中間像を形成し、第２レンズ３１Ｂにより、その中間像をリレーして結像面８Ａ、８Ｂに再結像するものである。
第１レンズ３１Ａ、第２レンズ３１Ｂは、いずれも正パワーを有するレンズまたはレンズ群を採用することができるが、本実施形態では、非球面を有する両凸レンズを採用している。
【００４６】
光ファイバ２３は、レーザ光６を略すべて光結合できるように、光ファイバ端面２３ａがその中心を光軸９に一致させた状態で結像面８Ａ上に設置される。そして光軸９に沿って延されて光検出器２４の近傍で略Ｌ字状に屈曲され、光軸９に交差する方向に向けて配置される。
光ファイバ２３は、本実施形態では、レーザ光６の受光部であるとともに分離手段を兼ねている。
【００４７】
光検出器２４は、ＱＤの検出中心位置を光軸９上と一致させ、光ファイバ端面２３ａよりも後側の位置に配置されている。すなわち、光ファイバ端面２３ａを中心領域とすると、光検出器２４はその外周領域に設けられている。
本実施形態では、光ファイバ２３は、光検出器２４の手前で屈曲されるので、光ファイバ２３を配置するために光検出器２４に穴などを設けなくてもよい。
【００４８】
このような構成の光検出光学系３０では、結像光学系３１を用いるので、図５に示すように、レーザ光６は、第１レンズ３１Ａにより中間像面３３に中間像を形成し、さらに第２レンズ３１Ｂに入射することにより、結像面８Ａに再結像される。また、レーザ光７は、同様にして、中間像面３２に中間像を結像し、結像面８Ｂに再結像される。
このとき、いずれのレンズもレーザ光６の結像位置に対して、より短波長のレーザ光７の結像位置が物体側にずれるような傾向の軸上色収差を有する。そのため、中間像面３３が中間像面３２よりも物体側に距離Ｌ３だけずれ、そのずれた結像位置から第２レンズ３１Ｂの軸上色収差に応じて再結像されるので、結像面８Ｂは、結像面８Ａよりも物体側に距離Ｌ４（ただし、Ｌ４＞Ｌ３）だけずれる。
例えば、後述する第３の数値実施例のレンズ構成により、波長λ１＝１５５０ｎｍ、波長λ２＝７８０ｎｍ、入射瞳径Ｄ＝３ｍｍ、結像光学系３１の合成焦点距離ｆ３をｆ３(1550nm)＝１５ｍｍ、ｆ３(780nm)＝１２．８６ｍｍとするとき、合成軸上色収差に対応してＬ４＝１３００μｍとなり、スポット径ω１、ω２が、ω１＝０．００６μｍ、ω２＝２２３．４μｍとなる。したがって、スポット径ω１、ω２の差がきわめて大きく、ｄ＝１０μｍとした場合、ω２／ｄ＝２２．３となるため、非常に良好な分離特性を得ることができる。
また、ｄは、１μｍ〜５５μｍの間で変えても、ω２／ｄ≧４を満足するため、十分良好な分離性能を得ることができる。
【００４９】
本実施形態では、中間像をリレーしているので、中間像を形成しない光学系に比べて、軸上色収差の大きさの割に球面収差の劣化が少ない結像光学系とすることができるという利点がある。
そのため中間像の形成回数を３回、４回、…などの多数回としてもよく、その場合、球面収差の劣化が少ない状態で、レーザ光６、７の間にさらに大きなスポット径の差を設けることができ、分離特性を向上することができる。
なお、第１レンズ３１Ａ、第２レンズ３１Ｂの具体的な設計では、情報を含む信号光であるレーザ光６の波長λ１において、光学パラメータを最適設計し、中間像をリレーする場合にレーザ光６の収差の劣化が少なくなるようにすることが好ましい。
【００５０】
このようにして、結像面８Ａに再結像されたレーザ光６は、光ファイバ端面２３ａに入射し、光ファイバ２３に光結合される。
一方、レーザ光７は、結像面８Ｂ上に結像され、拡径しつつ距離Ｌ４だけ進んで結像面８Ａ上に至る。光軸近傍の光束の一部が光ファイバ端面２３ａに入射するものの大部分が光ファイバ２３の外周側を通って後方の光検出器２４上に照射され、光検出器２４により受光される。このようにして、レーザ光６とレーザ光７とが実質的に分離される。
【００５１】
この場合、光検出器２４を結像面８Ａの後方に配置するので、光検出器２４上のレーザ光７のスポット径を第１〜第３の実施形態の場合に比べて大きくすることができ、位置検出精度が高精度となり、検出範囲を広げることができるという利点がある。
また、レーザ光７のスポット径が大きいため、光検出器２４の近傍で光ファイバ２３が横断しても光量損失が少なくなる。そのため位置検出精度を損なうことなく、また光検出器２４に穴をあけることなく、光ファイバ２３を配置することが可能となるという利点がある。
【００５２】
次に本実施形態の第１変形例について説明する。
本変形例は、上記実施形態の結像光学系３１の、第１レンズ３１Ａ、第２レンズ３１Ｂを、不図示のズーム鏡枠に保持し、それらの少なくともいずれかの光軸方向の位置を可変できるようにしたものである。
図６（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、本発明の第４の実施形態の第１変形例に係る光検出光学系に用いる結像光学系のＮＡをそれぞれ０．１２、０．１、０．０８に変化させたときの光路説明図である。
【００５３】
本変形例の結像光学系３１によれば、第１レンズ３１Ａ、第２レンズ３１Ｂを光軸方向に可動に支持するので、結像光学系３１のＮＡを可変することができる。
例えば、図６（ａ）には、第１レンズ３１Ａと第２レンズ３１Ｂのレンズ間隔をＤ１ａ、第２レンズ３１ＢのバックフォーカスをＤ２ａとすることにより、最終像面である結像位置３１ａでのＮＡがＮＡ＝０．１２である場合の光路を示した。
そして、図６（ｂ）に示すように、第２レンズ３１Ｂを物体側に移動して、レンズ間隔をＤ１ｂ＜Ｄ１ａとすることにより、最終像面を結像位置３１ａより後側の結像位置３１ｂに移動させることができる。そのため、図６（ｂ）では、結像位置３１ｂでのＮＡは、ＮＡ＝０．１となっている。同様に、図６（ｃ）に示すように、レンズ間隔をＤ１ｃ＜Ｄ１ｂとすることで、結像位置３１ｃでのＮＡをＮＡ＝０．０８とすることができる。
【００５４】
したがって、光ファイバ２３として、ＮＡの異なる光ファイバに切り替えたり、交換したりする場合でも、それぞれのＮＡに合わせて、結像光学系３１のＮＡを可変できるものである。したがって、光ファイバのＮＡが小さい場合でも、情報の欠落を起こすことなく光検出を行うことができる。
【００５５】
次に、本発明の第４の実施形態の第２変形例について説明する。
図７は、本発明の第４の実施形態の第２変形例の光検出光学系について説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【００５６】
本変形例の光検出光学系４０は、第３の実施形態の光検出光学系２０と同様に分離手段によりレーザ光６、７の光路の方向を分離するようにした例である。
光検出光学系４０は、上記第４の実施形態の光検出光学系３０の分離手段として、分離プリズム４１を追加し、分離プリズム４１と光検出器２４との間の光路中に集光レンズ４３を配置したものである。以下、上記実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００５７】
分離プリズム４１は、分離プリズム本体４２に光ファイバ２３が一体に保持された部材である。
分離プリズム本体４２は、光ファイバ２３を光軸９上に保持するための光ファイバ挿入孔４２ｄを内部に設けた、例えば略三角柱状のプリズムである。そしてその三角柱の側面に、光ファイバ挿入孔４２ｄに略直交する光透過性の入射面４２ａと、光ファイバ挿入孔４２ｄに斜めに交差して内部反射可能とされた内部反射面４２ｂと、内部反射面４２ｂで内部反射された光を外部に透過させる光透過性の出射面４２ｃとが形成されている。
光ファイバ２３は、内部反射面４２ｂ側から挿入され、光ファイバ端面２３ａが入射面４１ａの近傍に位置するように保持されている。
内部反射面４２ｂは、反射膜コーティングにより形成することができるが、配置角度を適宜設定して全反射面を形成すればより好ましい。この場合、反射膜コーティングを省略できるので、より安価な装置とすることができる。
【００５８】
集光レンズ４３は、分離プリズム４１から射出されたレーザ光７を集光して光検出器２４上に導く光学系である。本実施形態では、レーザ光７の光検出器２４上での移動量を低減するためにスポット径を縮径するようにしているが、必要に応じて第３の実施形態の集光レンズ２５のように略平行光としてもよい。
【００５９】
このような構成により、レーザ光６は、光ファイバ端面２３ａに略すべて入射して光ファイバ２３に光結合される。また、レーザ光７は、結像面８Ａの近傍の入射面４１ａ上では光ファイバ端面２３ａの外周領域に拡径した状態となって、入射面４１ａに入射し、光ファイバ２３の外周側を光軸９に沿って進んで、内部反射面４１ｂにより内部反射され、出射面４１ｃから外部に射出され、集光レンズ４３により集光されて光検出器２４により受光される。
【００６０】
本変形例によれば、上記第４の実施形態と同様に、レーザ光７を結像面８Ａよりも後方で受光するとともに、集光レンズ４３を配置してレーザ光７の移動量やスポット径を調整できるので、位置検出条件の調整が容易となるという利点がある。
また、分離プリズム４１の内部反射面４２ｂにより、外周領域の光路を折り曲げてレーザ光７の光路を変えるので、光ファイバ２３、集光レンズ４３、光検出器２４の配置が容易となるという利点がある。
また、レーザ光７の光路を折り返す際、内部反射面を用いるので、第３の実施形態のように表面ミラーを用いる場合に比べて、取り扱い、経時変化、環境変化などによる反射率の変化が起こりにくい構成とすることができるという利点がある。
【００６１】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る光学システムについて説明する。
図８は、本発明の第５の実施形態に係る光学システムについて説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【００６２】
本実施形態の空間光通信装置１００（光学システム）は、図８に示すように、結像光学系３１と光検出器１２とを組み合わせた光検出光学系５０を備える光学システムの一例である。
空間光通信装置１００は、信号光として変調された情報信号を含むレーザ光６と、補助検出光としてレーザ光６の送光方向を追尾するためのレーザ光７を受光し、レーザ光６を受光して情報信号２００として外部に送出するとともに、レーザ光７を受光して位置検出信号２０１を検出し、レーザ光６を追尾するための装置である。レーザ光６、７の波長は、例えば、それぞれ１５５０ｎｍ、７８０ｎｍのように異なる波長とされる。
そして、光検出光学系５０の他に、レーザ光６、７を受光するとともに通信光を送光する送受光光学系５１と、レーザ光７の入射方向を相対的に大きな角度範囲で検出する粗追尾光検出機構５４と、装置本体を可動に保持する回動支持台５６と、送受光光学系５１を透過したレーザ光６、７の入射方向ずれを補正する回動ミラー５２と、回動ミラー５２の偏向制御を行う精追尾制御部５５と、回動ミラー５２で反射された光路を粗追尾光検出機構５４と光検出光学系５０とに分岐する光分岐手段５３とを備える。
【００６３】
空間光通信装置１００によれば、レーザ光６、７が略平行光として入射されると送受光光学系５１により角倍率が変換され、回動ミラー５２により偏向され、光分岐手段５３により分岐されて一部が粗追尾光検出機構５４に入射し、レーザ光７の位置ずれ量が検出される。その検出信号により回動支持台５６が駆動されて、レーザ光６、７が概略光軸に沿って入射するように粗追尾される。
その状態で、光分岐手段５３を透過した光は、結像光学系３１により波長ごとに集光され、光検出器１２によりレーザ光６、７がそれぞれ分離される。
光検出部４ａ（図２参照）に入射したレーザ光７により光軸からの位置ずれ量が検出され、位置検出信号２０１として精追尾制御部５５に送られ、レーザ光７が光軸に沿うように回動ミラー５２の回動角度が制御される。
このとき、レーザ光７と同軸に入射するレーザ光６が光軸に沿って進み、光検出器１２の受光素子１２ｂ（図２参照）に略すべて入射する状態となる。そのため、入射したレーザ光６を光量損失なしに受光され情報信号２００が検出される。
【００６４】
このように、空間光通信装置１００では、光検出光学系５０のような簡素な構成の分離手段により効率的に、レーザ光６、７を分離してそれぞれの光検出を行うことができる。
【００６５】
［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態に係る光学システムについて説明する。
図９は、本発明の第６の実施形態に係る光学システムについて説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【００６６】
本実施形態の顕微鏡１１０（光学システム）は、図９に示すように、光検出光学系５０を備える光学システムの一例である。
顕微鏡１１０は、それぞれ異なる波長を有する第１波長光６０（波長λａ）、第２波長光７０（波長λｂ。ただし、λａ＞λｂ）を対物光学系５９を介して載置台５７上の被検物５８に落射照明し、その反射光を光分岐手段６１により光路分岐して光検出光学系５０に入射せしめ、第１波長光６０、第２波長光７０をそれぞれ分離して光検出できるようにしたものである。
【００６７】
不図示の光源から適宜の光学系を介して略平行光とされた第１波長光６０、第２波長光７０は、被検物５８上の略同一の観察範囲に対物光学系５９を介して照明される。その反射光は、対物光学系５９により集光され、略平行光として光分岐手段６１により反射され、結像光学系３１に入射する。
そして、結像光学系３１の色収差に応じて、第１波長光６０は、光検出器１２の受光素子１２ｂ（図２参照）上に結像され、第２波長光７０は、光検出器１２の光検出部４ａ（図２参照）で受光され、被検物５８の凹凸など光軸方向高さやフォーカス情報を含む情報信号２００を検出する。
このとき、被検物５８の反射面に微小な傾斜があると、第１波長光６０の結像位置がずれて第１波長光６０による凹凸などの検出精度が劣化してしまうが、光検出器１２により第２波長光７０位置ずれ量を位置検出信号２０１として検出することにより、被検物５８の微小な傾きを位置検出信号２０１として検出することができる。そのため、位置検出信号２０１に基づいて不図示のモニタ上に傾き量を表示したり、載置台５７の姿勢を自動制御したりして、第１波長光６０の受光位置を最適化する操作や制御を行うことができ、簡素な構成により高精度の顕微鏡観察を行うことができる。
【００６８】
［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態の光学システムについて説明する。
図１０は、本発明の第７の実施形態に係る光学システムについて説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【００６９】
本実施形態の光ピックアップ１２０（光学システム）は、図１０に示すように、光検出光学系５０を備える光学システムの一例である。
光ピックアップ１２０は、２波長レーザ６４により発生するそれぞれ異なる波長を有する第１波長光６０（波長λａ）、第２波長光７０（波長λｂ。ただし、λａ＞λｂ）をコリメートレンズ６３により平行光として、対物レンズ６２により光ディスク６５に照射し、光ディスク６５により反射された光を光分岐手段６１により分岐して、光検出光学系５０に導いて、光検出を行うものである。
第１波長光６０は、対物レンズ６２により微小スポットに結像され、光ディスク上のピットの有無を検出する信号光である。
第２波長光７０は、同じく光ディスク６５の傾きやオフセット調整量を検出するための補助検出光である。
【００７０】
光ピックアップ１２０は、第１波長光６０を光検出器１２の受光素子１２ｂ（図２参照）で受光して情報信号２００を検出する。そして第２波長光７０を光検出器１２の光検出部４ａ（図２参照）で受光して光ディスク６５の傾きやオフセット量などの情報を検出し、位置検出信号２０１を出力する。そして、位置検出信号２０１が光ピックアップ１２０の姿勢制御を行う不図示の制御部に入力され、第１波長光６０が最適の状態で検出されるように光ピックアップ１２０の姿勢制御を行うことができる。
【００７１】
なお、上記の説明では、分離手段が複数の入射光の１つを開口部や光ファイバで透過させる例で説明したが、分離手段は複数の入射光の１つと他とを分離できればよく、例えば、外周領域の複数の入射光の他を透過し、中心領域の複数の入射光の１つを略すべて反射したり屈折させたりすることにより、それぞれを分離してもよい。
【００７２】
また、上記の説明では、中心領域の分離位置が複数の入射光の１つの結像位置に略一致する例で説明したが、中心領域の大きさを大きくしても複数の入射光の他のスポット径が大きいために良好な分離特性が得られるならば、中心領域を光軸方向にずらして結像位置の近傍に設けてもよい。
【００７３】
また、上記の説明では、中心領域に入射する複数の波長光の１つが像側の結像位置に結像する例で説明したが、スポット径の差が生じるのは、物体側の結像位置でも同様であるから、物体側の結像位置に結像する波長光を中心領域で分離してもよい。
【００７４】
また、上記の説明では、入射光が単波長光の例で説明したが、入射光が狭帯域光である場合でも、帯域中心波長光が上記単波長光に相当するとして、容易に理解される。
【００７５】
また、上記の説明では、入射光が異なる２つの波長を有する場合の例で説明したが、入射光の波長は３つ以上であってもよい。
その場合、例えば、入射光の波長の１つと入射光の波長の他を上記の説明のように分離して、入射光の波長の他同士を例えば波長フィルタなどの他の分離手段により分離することができる。
【００７６】
また、上記の説明では、結像光学系が球面レンズの組合せの例で説明したが、軸上色収差を有する光学系であれば、各光学素子は、どのような光学素子でもよい。例えば、非球面レンズを備えるようにすれば、球面収差を向上することができるので、光検出精度を向上することができる。
【００７７】
また、上記の説明では、位置検出を行う受光部として、ＱＤを用いた例で説明したが、このような受光部はＱＤに限定されるものではない。例えば、２分割ＰＤやＣＣＤなどでもよい。
【００７８】
また、上記第４の実施形態の説明では、結像光学系のＮＡが可変とされた例で説明したが、ＮＡを可変する必要がなければ、中間像を有する場合でもレンズ間距離を固定しておいてもよい。
【００７９】
また、上記の説明では、分離手段を配置する中心領域が、結像スポット径よりもわずかに大きい場合の例で説明したが、複数の入射光の他のスポット径に十分大きければ、中心領域に設ける例えば開口部などの分離手段の大きさを複数の入射光の１つの結像スポット径に比べて十分大きくしてもよい。この場合、複数の入射光の１つがある程度位置ずれしても略すべて分離されるから、入射光の入射位置ずれ範囲の許容値を広げることができるという利点がある。
【００８０】
また、上記の第５〜第７の実施形態の説明では、光検出光学系として光検出光学系５０を用いた例で説明したが、上記第１〜第４の実施形態およびそれらの構成を適宜組み合わせた構成を必要に応じて採用することができる。
【００８１】
また、上記に説明したすべての実施形態は、本発明の技術的思想の範囲で、適宜組合せを変えたり、複合させたりするなどの変形を施して実施することができる。
【実施例１】
【００８２】
次に、上記に説明した第１の実施形態の結像レンズ２用いた光検出光学系１（図１（ａ）参照）の実施例である第１の数値実施例について説明する。
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に表記されたｒｉ、ｄｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒｉ、ｄｉ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。これらの表記は以下の参照図面すべてに共通である。
以下に示す構成パラメータにおいて、長さの単位は（ｍｍ）である（他の実施例も同様）。
【００８３】
面番号    曲率半径          面間隔       偏心      屈折率        アッベ数
物体面      ∞                ∞        
1      絞り面            d1 =  0.00
2        7.51            d2 =  2.00            n1 = 1.5168     ν1 = 64.1
3        ∞              d3 = 13.58
像  面      ∞              d4 =  0.00
【００８４】
本実施例における焦点距離、スポット径、距離Ｌ１などの値は、上記第１の実施形態に記載した通りである。
【実施例２】
【００８５】
次に、上記に説明した第２の実施形態の結像光学系１１を用いた光検出光学系１０（図２（ａ）参照）の実施例である第２の数値実施例について説明する。下記にこの光学系の構成パラメータを示す。
【００８６】
面番号    曲率半径          面間隔       偏心      屈折率        アッベ数
物体面      ∞                ∞        
1      絞り面            d1 =  0.00
2       16.61            d2 =  2.00            n1 = 1.5168     ν1 = 64.1
3     -123.00            d3 =  1.00
4        8.62            d4 =  2.00            n2 = 1.5168     ν2 = 64.1
5       19.15            d5 = 12.12
6        ∞              d6 =  0.00
像  面      ∞              d7 =  0.00
【００８７】
本実施例における焦点距離、スポット径、距離Ｌ２などの値は、上記第２の実施形態に記載した通りである。
【実施例３】
【００８８】
次に、上記に説明した第４の実施形態の結像光学系３１を用いた光検出光学系３０（図５参照）の実施例である第３の数値実施例について説明する。下記にこの光学系の構成パラメータを示す。
【００８９】
本実施例で非球面形状の定義式に用いる座標系は、光線追跡において、開口絞り３の中心を結像光学系の原点Ｏとして、光軸９に沿う方向をＺ軸方向とし、物体側から像側に向かう方向を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。
本実施例に用いる非球面の形状は、このようなＸＹＺ直交座標系を用いて、以下の定義式（ａ）で与えられる回転対称非球面である。
【００９０】
【数１】
2007140013.tif 000003
【００９１】
ここで、ｈ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）であり、ｃは頂点の近軸曲率半径、ｋはコーニック定数（円錐定数）、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。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。
また、下記に記載のない係数は０である。
【００９２】
面番号    曲率半径          面間隔       偏心      屈折率        アッベ数
物体面      ∞                ∞        
1      絞り面            d1 =  0.00
2      非球面[1]         d2 =  3.50            n1 = 1.7340     ν1 = 51.0
3      非球面[2]         d3 =  5.20
4      非球面[3]         d4 =  4.00            n2 = 1.6050     ν2 = 50.4
5      非球面[4]         d5 =  9.81
像  面      ∞              d6 =  0.00
非球面[1]
ｃ    4.06
ｋ  -3.3660x10-1
Ａ  -8.4900x10-4     Ｂ  -4.7770x10-5     Ｃ  -4.9590x10-6     Ｄ   3.3740x10-9
非球面[2]
ｃ  -16.89
ｋ    0.00
非球面[3]
ｃ    2.30
ｋ  -4.5111
Ａ   4.7980x10-3     Ｂ  -1.1410x10-3     Ｃ   3.1600x10-4     Ｄ  -2.2580x10-5
非球面[4]
ｃ   -2.32
ｋ  -8.1900x10-1
Ａ   6.9970x10-3     Ｂ   4.9260x10-4     Ｃ  -1.6460x10-4     Ｄ   2.7460x10-5
【００９３】
本実施例における焦点距離、スポット径、距離Ｌ４などの値は、上記第４の実施形態に記載した通りである。
【実施例４】
【００９４】
次に、上記に説明した第４の実施形態の結像光学系３１を可動とした第１変形例（図６参照）の実施例である第４の数値実施例について説明する。下記にこの光学系の構成パラメータを示す。
【００９５】
面番号    曲率半径          面間隔       偏心      屈折率        アッベ数
物体面      ∞                ∞        
1      絞り面            d1 =  0.00
2      非球面[1]         d2 =  3.50            n1 = 1.7340     ν1 = 51.0
3      非球面[2]         Ｄ１（可変）
4      非球面[3]         d4 =  4.00            n2 = 1.6050     ν2 = 50.4
5      非球面[4]         Ｄ２（可変）
像  面      ∞              d6 =  0.00
非球面[1]
ｃ    4.05
ｋ  -3.3660x10-1
Ａ  -8.4900x10-4     Ｂ  -4.7770x10-5     Ｃ  -4.9590x10-6     Ｄ   3.3740x10-9
非球面[2]
ｃ  -17.92
ｋ    0.00
非球面[3]
ｃ    2.34
ｋ  -4.5111
Ａ   4.7980x10-3     Ｂ  -1.1410x10-3     Ｃ   3.1600x10-4     Ｄ  -2.2580x10-5
非球面[4]
ｃ   -2.27
ｋ  -8.1900x10-1
Ａ   6.9970x10-3     Ｂ   4.9260x10-4     Ｃ  -1.6460x10-4     Ｄ   2.7460x10-5
【００９６】
本実施例における焦点距離、スポット径、距離Ｌ４などの移動位置ごとの値は、下表に示す通りである。ここで、距離Ｌ４は、図６に示していないが、図５と同様に定義される。
【００９７】
【表１】
2007140013.tif 000004
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光検出光学系について説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図、および入射光の照射される様子を説明するためのＡ視の模式説明図である。
【図２】本発明の第２の実施形態に係る光検出光学系について説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図、および入射光の照射される様子を説明するためのＢ視の模式説明図である。
【図３】本発明の第３の実施形態に係る光検出光学系について説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【図４】入射光の照射される様子を説明するための図３のＣおよびＤ視の模式説明図である。
【図５】本発明の第４の実施形態に係る光検出光学系について説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【図６】本発明の第４の実施形態の第１変形例に係る光検出光学系に用いる結像光学系のＮＡを変化させたときの光路説明図である。
【図７】本発明の第４の実施形態の第２変形例の光検出光学系について説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【図８】本発明の第５の実施形態に係る光学システムについて説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【図９】本発明の第６の実施形態に係る光学システムについて説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【図１０】本発明の第７の実施形態に係る光学システムについて説明するための光軸を含む断面の模式的な光路説明図である。
【符号の説明】
【００９９】
１、１０、２０、３０、４０、５０  光検出光学系
２  結像レンズ（結像光学系）
４、１２  光検出器（分離手段）
４ａ  光検出部（受光部）
４ｂ  開口部
６ａ、７ａ  スポット
５、２４  光検出器（受光部）
６  レーザ光（複数の入射光の１つ）
７  レーザ光（複数の入射光の他の１つ）
８Ａ、８Ｂ  結像面
９  光軸（結像光学系の光軸）
１１、３１  結像光学系
１１Ａ、３１Ａ  第１レンズ
１１Ｂ、３１Ｂ  第２レンズ
１２ｂ  受光素子（受光部）
２１  分離ミラー（分離手段）
２２ａ  ミラー面
２３  光ファイバ（受光部）
２３ａ  光ファイバ端面
２５、４３  集光レンズ
３２、３３  中間像面
３１ａ、３１ｂ、３１ｃ  結像位置
４１  分離プリズム（分離手段）
４２ｂ  内部反射面
５５  精追尾制御部
６０  第１波長光（複数の入射光の１つ）
７０  第２波長光複数の入射光の他の１つ）
１００  空間光通信装置（光学システム）
１１０  顕微鏡（光学システム９
１２０  光ピックアップ（光学システム）
２００  情報信号
２０１  位置検出信号
【図１】
2007140013.tif 000005
【図２】
2007140013.tif 000006
【図３】
2007140013.tif 000007
【図４】
2007140013.tif 000008
【図５】
2007140013.tif 000009
【図６】
2007140013.tif 000010
【図７】
2007140013.tif 000011
【図８】
2007140013.tif 000012
【図９】
2007140013.tif 000013
【図１０】
2007140013.tif 000014