(57)【要約】【課題】  光検出装置およびそれを用いた光通信システムにおいて、簡素かつコンパクトな構成により入射光の入射方向の変化に対応して光検出を行うことができるようにする。【解決手段】  光検出装置１を、光を入射する入射窓２と、入射窓２に入射する光を偏向する光偏向器３と、光偏向器３により偏向された光を集光する集光手段４と、集光手段４により集光された光を検出する受光手段５とを備える構成とする。【選択図】      図１
2007109923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を入射する入射窓と、
該入射窓に入射する光を偏向する光偏向器と、
該光偏向器により偏向された光を集光する集光手段と、
該集光手段により集光された光を検出する受光手段とを備えることを特徴とする光検出装置。
【請求項２】
前記集光手段が、少なくとも１つの自由曲面を含む正のパワーを有する光学素子からなることを特徴とする請求項１に記載の光検出装置。
【請求項３】
前記集光手段により集光される光を分岐する光分岐手段が、前記集光手段と前記受光手段との間に設けられ、
該受光手段が、前記光分岐手段により分岐されるそれぞれの光路上に配置され、
前記受光手段の少なくとも１つにおける受光面上での受光位置を検出する位置検出手段を備え、
前記光偏向器の偏向量が、前記位置検出手段の検出出力に応じて制御されることを特徴とする請求項１または２に記載の光検出装置。
【請求項４】
前記光分岐手段により分岐される光路の１つで、前記集光手段により中間像が形成され、該中間像をリレーして前記光路上の受光手段の受光面またはその近傍に結像するリレー光学系を備えることを特徴とする請求項３に記載の光検出装置。
【請求項５】
入射される光を検出して情報を受信する光通信システムであって、
請求項３または４に記載の光検出装置と、
該光検出装置を可動保持して前記入射窓の向きを可変する移動機構とを備え、
前記位置検出手段が、前記光分岐手段で分岐された２つの光路上の前記受光手段の受光面での受光位置をそれぞれ検出し、
前記位置検出手段の検出出力の１つに応じて前記光偏向器の偏向量を制御するとともに、前記位置検出手段の検出出力の他に応じて前記移動機構の移動量を制御することにより、前記入射窓に入射する光を光追尾することを特徴とする光通信システム。
【請求項６】
情報により変調された送信光を、前記集光手段から前記受光手段までの間のいずれかの光路を通して前記集光手段に入射できるように配置された送信手段を備えることを特徴とする請求項５に記載の光通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光検出装置およびそれを用いた光通信システムに関する。例えば、光を射出したり、焦点面にフォーカスを行ったりする際に好適に用いることができる光検出装置およびそれを用いた光通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、空間を伝送路とする空間光通信の技術開発が進んでおり、多岐にわたる用途に応じて種々の光検出装置、光通信システムが提案されている。
例えば、異なる複数の方向に存在する通信相手同士を中継する場合や、通信相手が広範囲に移動する移動体通信の場合、送受信可能な角度範囲をできるだけ広くすることが強く求められている。
このような従来の装置として、特許文献１には、異なる方向に向く複数の受光素子を設けることにより、受信可能な光の角度を大きく設定することができる光通信装置が記載されている。受光素子としてはピンフォトダイオードが採用されている。
また特許文献２には、赤外線の送光、受光を行う複数の送光ユニット、受光ユニットが共通の回転軸上に設けられ、送受光方向がそれぞれ独立に回転できるようにした光通信装置が記載されている。
一方、光通信速度が１００Ｍｂｐｓ以上のような高速の装置では、光を受信するフォトディテクタ（ＰＤ）の受光面積を非常に微小化しなければならないため、通信光を光電変換せずに光ファイバに結合することが有効である。
光ファイバは、外側がクラッド、内側がコアの２層構造となっており、コア内部を全反射しながら光を伝達していく。例えば、１．５μｍ用シングルモードファイバの場合には、コアの直径は１０μｍ程度のものとなり、このようなコアにレーザ光を結合するためには、高い集光能力とスポットの位置精度が要求される。もしレーザ光のスポットが４μｍ位置ずれすると、結合効率が約３ｄＢ（５０％）低下してしまう場合がある。
そのため、従来、受光を行う受光光学系の後段に、入射光を偏向して、受光素子や光ファイバなどの受光手段への入射方向を一定に保持するガルバノミラーなどを配置して結合効率を確保するとともに、受光光学系に対する入射方向の大きなずれに対しては、受光ユニットをジンバルステージなどに可動保持して、入射方向の変化に合わせて受光ユニットの方向を可変することで調整するようにした空間光通信装置が知られている。
【特許文献１】特開平８−２１３９５４号公報（図１−４、６）
【特許文献２】特開平８−２２８１７７号公報（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装置およびそれを用いた光通信システムには、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、複数の受光素子を用いることで受光可能な角度範囲を広げるので、受光角度範囲を大きくするほど多くの受光素子が必要になる。
また、光電変換する受光素子としては、例えば、波長範囲７００ｎｍ〜１μｍ程度に対してはＳｉ、波長範囲１μｍ以上の赤外光に対してはＩｎＧａＡｓなどの化合物半導体を用いることが知られており、高速の空間光通信では高速変調が可能な１．３μｍ帯から１．５μｍ帯の長波長帯が用いられる場合が多い。これらの受光素子は長波長に感度を持つほど高価である。
したがって特許文献１の技術を、高速の空間光通信に適用すると高価な装置となってしまうという問題がある。
また、各受光素子には、それぞれ駆動回路や駆動電源が必要となるので、数が増えるほど装置が大型化し、消費電力が増大するという問題がある。
また特許文献２に記載技術では、複数の受光ユニットを共通の回転軸上で独立に回転することで、複数の入射角度やある程度の入射角変動に対応できるものの、各受光ユニットを独立に回転するため、回転機構が複雑となり、回転トルクも増大する結果、装置が大型化してしまうという問題がある。また、応答速度が受光ユニットの回転慣性に制約され、高速の変動には追従することができないという問題がある。
また、回転方向が１軸回りなので、回転軸方向の入射位置変動は、受光素子や受光光学系の画角の範囲に限られて狭くなってしまうという問題がある。それぞれに多軸の回転機構を設けることも考えられるが、装置がさらに複雑化、大型化してしまうという問題がある。
また受光光学系と受光手段との間で光路を微調整するとともに受光ユニットの姿勢を可変する従来の空間光通信装置では、受光ユニットの姿勢を可変することにより受光光学系の画角が狭くても広範囲の入射画角に対応できるものの、微調整を行うため可動部である光偏向器を受光光学系と受光手段との間に配置するのでその配置スペースを確保する必要がある。そのため、受光ユニットをコンパクトに構成することができず、結果として受光ユニットを可動保持する機構も大型化して装置全体が大型化してしまうという問題がある。
【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、簡素かつコンパクトな構成により入射光の入射方向の変化に対応して光検出を行うことができる光検出装置およびそれを用いた光通信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、本発明の光検出装置は、光を入射する入射窓と、該入射窓に入射する光を偏向する光偏向器と、該光偏向器により偏向された光を集光する集光手段と、該集光手段により集光された光を検出する受光手段とを備える構成とする。
この発明によれば、入射窓に入射する光を光偏向器で偏向して集光手段に入射し、集光手段で集光された光を受光手段で検出するので、入射方向に応じて光偏向器の偏向量を変えることにより、集光手段の画角範囲を超えて入射する光を集光手段の画角範囲内に入射させ、あるいは集光手段の光軸上に入射させて、受光手段に導き、受光手段により光検出することができる。
そのため、受光手段が１つであっても広範囲の入射角度に対応することができる。
また、光偏向器の偏向量の大きさに応じて集光手段の画角を小さくすることができるので、集光手段の光学性能に負担を軽減することができ、集光手段を簡素化することができる。
また、入射方向が変動しても集光手段および受光手段を動かす必要がなく、可動部が光偏向器のみなので、入射角度の変動に高速に追従することができる。
また、可動機構である光偏向器を入射窓と集光手段との間に配置するので、集光手段と受光手段との間に光偏向器が配置される場合に比べて、集光手段の焦点距離を短縮し、集光手段を小型化することができる。
【０００６】
また、本発明の光検出装置では、前記集光手段が、少なくとも１つの自由曲面を含む正のパワーを有する光学素子からなることが好ましい。
この場合、少なくとも１つの自由曲面により、レンズ面が少ない構成で高性能な集光手段を構成することができる。
なお、自由曲面は、軸上主光線に対して偏心または傾いて配置される場合、偏心または傾きが発生する方向に対して回転非対称な自由曲面であることが好ましい。
【０００７】
また、本発明の光検出装置では、前記集光手段により集光される光を分岐する光分岐手段が、前記集光手段と前記受光手段との間に設けられ、該受光手段が、前記光分岐手段により分岐されるそれぞれの光路上に配置され、前記受光手段の少なくとも１つにおける受光面上での受光位置を検出する位置検出手段を備え、前記光偏向器の偏向量が、前記位置検出手段の検出出力に応じて制御されることが好ましい。
この場合、少なくとも１つの受光手段に入射する光の受光面上での位置が位置検出手段により検出され、その検出出力に応じて光偏向器を制御するので、集光手段へ入射する光の光路を補正することができる。
【０００８】
また、本発明の光検出装置では、前記光分岐手段により分岐される光路の１つで、前記集光手段により中間像が形成され、該中間像をリレーして前記光路上の受光手段の受光面またはその近傍に結像するリレー光学系を備えることが好ましい。
この場合、光分岐手段により分岐される光路の１つで、中間像が形成されてから、リレー光学系により受光手段の受光面またはその近傍に結像されるから、受光面までの光路長を適宜長さに延して、入射方向のずれの検出精度を向上することができる。
また、リレー光学系内で光路を分岐したり、折り返したりすることができるので、受光手段の配置レイアウトが容易となる。特に、集光手段の焦点距離が短い場合にも複数の受光手段を配置しやすくなる。
【０００９】
本発明の光検出装置を用いた光通信システムは、入射される光を検出して情報を受信する光通信システムであって、本発明の上記光分岐手段を有する光検出装置と、該光検出装置を可動保持して前記入射窓の向きを可変する移動機構とを備え、前記位置検出手段が、前記光分岐手段で分岐された２つの光路上の前記受光手段の受光面での受光位置をそれぞれ検出し、前記位置検出手段の検出出力の１つに応じて前記光偏向器の偏向量を制御するとともに、前記位置検出手段の検出出力の他に応じて前記移動機構の移動量を制御することにより、前記入射窓に入射する光を光追尾する構成とする。
この発明によれば、本発明の上記光分岐手段を有する光検出装置を備えるので、当該発明と同様の作用効果を備える。
また、位置検出手段の１つの検出出力により光偏向器の偏向量を、位置検出手段の他の検出出力に応じて移動手段の移動量をそれぞれ制御して入射窓に入射する光を光追尾するので、移動手段により広範囲を粗く追尾する粗追尾を行い、光偏向器により狭い範囲を高精度に追尾する精追尾を行うことができる。その際、移動手段と光偏向器とでは、回転慣性が異なるため、精追尾の方が高速な追尾を行うことができる。そして、集光手段の画角を一定とすると、従来技術のように光偏向器が集光手段と受光手段との間に配置される場合に比べて、実質的な画角を広げることができる。そのため、粗追尾することなく精追尾できる追尾範囲を従来技術に比べてより広くすることができるので、高速な光追尾を行うことができる。
【００１０】
また、本発明の光検出装置を用いた光通信システムでは、情報により変調された送信光を、前記集光手段から前記受光手段までの間のいずれかの光路を通して前記集光手段に入射できるように配置された送信手段を備えることが好ましい。
この場合、入射窓に入射される光と送信光とが、集光手段において同一光路に沿って進むので、受光手段により受光された光の入射方向に向けて、確実に送信光を送光することができる。そのため、このような光通信システムを互いに対向して配置することにより、互いに通信相手を追尾しながら双方向通信を行うことができる。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の光検出装置およびそれを用いた光通信システムによれば、入射窓に入射する光をその入射方向に応じて光偏向器の偏向量を変えて偏向し、集光手段へ入射させるので、簡素かつコンパクトにより入射光の入射方向の変化に対応して、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】
【００１２】
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。
【００１３】
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る光検出装置について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光検出装置の概略構成を示す構成ブロック図である。図２は、本発明の第１の実施形態に係る光検出装置に用いる集光光学系の軸上主光線を含む断面における光路図である。
図中の座標軸は、後述する数値実施例の計算に用いるＸＹＺ直交座標系を示す。光線束は、垂直方向（Ｙ軸方向）の半画角が０°、±３０°（θ０＝３０°）の場合をそれぞれ主光線と２本の従属光線とにより描いている。
【００１４】
本実施形態の光検出装置１は、画角を持って入射する入射光束５１を受光して光検出を行うためのもので、特に入射光束５１の入射方向が複数あるなどして入射画角が広範囲にわたる場合や、入射方向が変動、移動したりする場合に好適となるものである。例えば、赤外線などを利用した物体検出システムの光検出装置、赤外線やレーザ光などを用いた空間光通信装置の光アンテナ部などに好適に用いることができるものである。
光検出装置１の概略構成は、図１に実線で示すように、筐体１ａ内に、光偏向器３、集光手段４、および受光手段５が設けられてなる。
【００１５】
筐体１ａには、外部からの画角を持って入射する入射光束５１を透過させる入射窓２が設けられている。入射窓２は、入射光束５１を透過させる限り、適宜の位置、姿勢に設定することができるが、本実施形態では、入射光束５１の入射方向の基準となる基準軸が、入射窓２の中心位置で入射窓２の開口面に直交するように配置している。
入射光束５１は、平行光束に限定する必要はないが、光源からの距離が十分離れている場合には、略平行光とみなすことができるので、光路図では平行光として描いている。
【００１６】
光偏向器３は、入射窓２に入射された入射光束５１を偏向して集光手段４に導くものである。入射光束５１を偏向するために、例えば可動に設けられた反射面３ａ（図２、３参照）を備え、基準軸上に入射された入射光束５１を偏向の中立位置に配置された反射面３ａで一定方向に偏向できるようになっている。また、反射面３ａを中立位置から傾斜させて偏向量を可変することで、必要に応じて集光手段４に対する入射角を変更することができる。また、集光手段４に対する入射方向を一定に保持することができる。そのため、入射方向の変化が、反射面３ａの傾斜角の範囲内であれば、入射光束５１を軸上光束として集光手段４に入射できるようになっている。
光偏向器３としては、例えば、ガルバノミラーや光ＭＥＭＳ技術による可動ミラーを採用することができる。これらは反射面３ａの傾斜角を高速に可変して、偏向量を変更できるものである。
光偏向器３には、その偏向量を制御するための偏向制御手段６が接続されている。
【００１７】
集光手段４は、光偏向器３により偏向された入射光束５１を集光するものである。例えば、正のパワーを有するレンズ、反射ミラー、プリズムなどの光学素子を用いた集光光学系を採用することができる。これら光学素子は、複数の組合せからなっていてもよい。また、それらの光学作用面は、全体として正のパワーを備える限り、球面とは限らず、どのような光学作用面から構成されていてもよい。例えば、非球面、自由曲面、フレネル面、回折格子面など、必要に応じて適宜の光学面を採用することができる。少ない面数でより良好に収差補正を行うためには、少なくとも１つの光学作用面が自由曲面で構成されることが好ましい。
集光光学系の光軸は、基準軸を通って入射し光偏向器３により偏向の中立位置で偏向される入射光束５１の主光線に一致するように配置されている。
【００１８】
受光手段５は、集光手段４により集光された入射光束５１を光検出し、検出信号１０を送出するものである。
例えば、光を光電変換するフォトダイオード、ＰＩＮフォトダイオードなどの光検出素子、位置検出を行うための４分割ＰＤ、位置検出器（ＰＳＤ）、ＣＣＤなどの位置検出素子、光を撮像するためのＣＣＤやＣＭＯＳ素子などの撮像素子などを採用することができる。これらの場合、受光面は、それぞれの素子のセンサ面であり、検出信号１０は、輝度情報、受光位置情報、画像情報などを伝達する電気信号として送出される。
また、受光手段５として、光を直接受光して光伝送路に導く光ファイバを採用することもできる。この場合、受光面は、光ファイバのコア部の端面であり、検出信号１０は、コア部に入射した光がそのまま光信号として送出される。
【００１９】
偏向制御手段６は、検出信号１０に応じて自動または手動で発生される制御信号１１により光偏向器３の偏向量を制御する制御手段である。
例えば、受光手段５がフォトダイオードである場合、検出信号１０の強度をモニタして強度が最大となるように、自動または手動により制御信号１１を発生させることができる。
また、受光手段５が上記のような位置検出素子からなる場合、図１の２点鎖線のように、検出信号１０により入射光束５１の受光位置検出する位置検出手段７を設け、その検出出力に応じて偏向量を自動制御し、入射光束５１を受光手段５の受光面上の一定位置に制御することができる。
【００２０】
位置検出手段７は、受光手段５の種類に応じてそれぞれに好適な周知の構成を採用することができる。
例えば、受光手段５が４分割ＰＤの場合、検出信号１０が４つの光検出センサの受光量を示す信号からなるのでそれらを演算して、中心位置からのずれ量に換算し、さらに集光手段４の倍率、受光手段５の設置位置などの情報から入射方向の基準軸からの角度ずれ（以下単に、入射角度ずれと称する）に換算する構成とする。
また、受光手段５がＰＳＤの場合、検出信号１０として、２軸方向のずれ量に比例した信号が出力されるので、それぞれ受光面５ａ上での位置ずれ量に換算し、上記と同様に入射角度ずれに換算する構成とする。
また、受光手段５がＣＣＤの場合、検出信号１０として、受光スポットの画像情報が得られるので、受光中心の画素位置を算出して受光面５ａ上での位置ずれ量を算出し、上記と同様に入射角度ずれに換算する構成とする。
【００２１】
次に、集光手段４として用いることができる集光光学系として、集光レンズ１２を採用した場合の例について、図２を参照して説明する。
本実施形態では、光路に沿って順次、開口絞り２０、光偏向器３、集光レンズ１２、および受光手段５を配置する。
【００２２】
開口絞り２０は、集光光学系の入射瞳を形成するものであり、基準軸に沿って入射し光偏向器３に向かう入射光束５１に直交し、基準軸が開口絞り２０の中心を通るように配置される。
開口絞り２０は、入射窓２と兼用されていてもよいし、別部材として入射窓２と光偏向器３との間に配置されていてもよい。
【００２３】
光偏向器３の反射面３ａは、図２に示すように、偏向の中立位置において、軸上主光線５０に沿って進む入射光束５１に交差する位置に設けられている。
【００２４】
集光レンズ１２は、光偏向器３の側から、第１レンズ面１２ａ、第２レンズ面１２ｂを備える正のパワーを有する単レンズである。本実施形態の場合、第１レンズ面１２ａを非球面、第２レンズ面１２ｂを平面とした凸平レンズを採用している。
そして、集光レンズ１２の光軸が、反射面３ａの中立位置で反射された軸上主光線５０と一致するように配置されている。
【００２５】
受光手段５は、本実施形態では、集光レンズ１２により集光された軸上主光線５０上を進む入射光束５１の結像位置が、受光面５ａの中心に一致するように配置されている。
【００２６】
このような構成の光検出装置１によれば、図２に示すように、反射面３ａが中立位置にある場合、入射方向の基準軸上に沿って入射窓２から入射された入射光束５１が、開口絞り２０により整形され、反射面３ａにより偏向されて、軸上光束として集光レンズ１２に入射する。そして、集光レンズ１２を介して受光面５ａの中心位置に結像される。
また、入射光束５１が、画角を持って入射する場合、反射面３ａが中立位置のままであれば、図２に示すように、例えば半画角±θ０で入射する入射光束５１ａ、５１ｂがそれぞれ画角に応じて、受光面５ａ上で異なる像高に集光される。
例えば、受光手段５が光ファイバであって受光面５ａがコア端面であれば、半画角±θ０の範囲で入射する入射光束５１、５１ａ、５１ｂなどをすべて光ファイバに光結合することができる。
また例えば、受光手段５がＣＣＤなどの位置検出手段で受光面５ａがＣＣＤの有効画素領域であれば、受光面５ａ内でのスポットの像を取得することができる。
【００２７】
入射光束５１の入射半画角がθ＝θ０＋Δθ（ただし、Δθ＞０）になると、入射光束５１は、受光面５ａからはみ出した位置に集光される。このような状態は、受光手段５の検出信号１０をモニタすることにより検出される。
その場合、検出信号１０に応じて、偏向制御手段６を介して反射面３ａをΔθ／２だけ回動して偏向量を調整すれば、入射光束５１を受光面５ａ内に集光し、受光面５ａで全光量を受光することができる。
【００２８】
特に、受光手段５が位置検出素子の場合、例えば入射光束５１ａ、５１ｂのように受光位置がずれると、検出信号１０から位置検出手段７により入射角度ずれが算出されるので、偏向制御手段６により、反射面３ａを図示矢印のように紙面内で回動して、偏向量を制御することにより、軸上光束として集光レンズ１２に入射することができる。
この場合、一定の入射画角範囲内で入射角度ずれに追従して偏向量が制御される限り、入射光束５１は集光レンズ１２の軸上光束となり、集光レンズ１２の周辺部はほとんど使用されない。そのため、周辺部については良好に収差補正しなくてもよいので、集光レンズ１２として、例えば単レンズのような簡素かつコンパクトな構成とすることができる。
【００２９】
このように、本実施形態では光偏向器３を開口絞り２０と集光レンズ１２との間に配置することにより、集光レンズ１２に対する入射光束５１の入射方向を可変することができるため、集光レンズ１２に対する実質的な入射画角範囲を拡大することができる。
【００３０】
なお、図２では、軸上主光線５０を含む断面しか示していないが、紙面直交方向に画角を持って入射する場合の作用効果も上記と同様である。
また、上記の説明では、受光面５ａを集光レンズ１２の像面に配置した例で説明したが、受光手段５として、例えば、４分割ＰＤなどを用いて位置検出を行う場合には、受光面５ａの位置を光軸方向にずらして像面の近傍位置に設定し、受光面５ａ上で適宜径のスポット径が形成されるようにしてもよい。
【００３１】
次に、集光手段４として、上記の開口絞り２０を削除し、集光レンズ１２に代えてプリズム１３を採用した場合の例について、上記と異なる点を中心に説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る光検出装置に用いる他の集光光学系の軸上主光線を含む断面における光路図である。図４は、同じく動作説明図である。
図中の座標軸は、後述する数値実施例の計算に用いるＸＹＺ直交座標系を示す。光線束は、垂直方向（Ｙ軸方向）の半画角が０°、±２０°（θ１＝２０°）の場合をそれぞれ主光線と２本の従属光線とにより描いている。
【００３２】
この場合、開口絞り２０を削除しているが、反射面３ａは入射窓２の開口の大きさより小さくしておく。そのため、入射光束５１の一部が反射面３ａで偏向されてプリズム１３に入射する。すなわち反射面３ａが絞り面として入射瞳の大きさを規定している。
【００３３】
プリズム１３は、光偏向器３により偏向された入射光束５１を受光面５ａ上に集光する正のパワーを有する光学素子である。
本実施形態では、プリズム界面として、入射された入射光束５１を透過する正のパワーを有する第１面１３ａと、媒質内からの入射光を入射角度に応じて内部反射または透過する負のパワーを有する第２面１３ｂと、媒質内からの入射光を内部反射する正のパワーを有する第３面１３ｃとを備え、これらが光軸を含む断面で図示時計回り方向に、第１面１３ａ、第２面１３ｂ、第３面１３ｃの順に配置されている。
【００３４】
第２面１３ｂは、第１面１３ａを透過した入射光束５１が内部反射するような角度に傾斜されている。
第３面１３ｃは、第２面１３ｂに対して略対向する位置に配置され、第２面１３ｂにより内部反射された入射光束５１が第２面１３ｂに対して再入射して透過するような角度に傾斜されている。
第２面１３ｂの反射透過特性は、反射率、透過率を第２面１３ｂに対する入射角度に応じて可変する多層膜コーティングを施すことにより形成することができる。
なお、第１面１３ａから第２面１３ｂに入射する入射光束５１の、第２面１３ｂに対する入射角を十分大きくとることができる場合には、全反射を利用して内部反射させるようにしてコーティングを省略してもよい。
また、第３面１３ｃは、適宜の反射膜コーティングを施すことにより形成することができる。
【００３５】
これらの光学作用面は、いずれも軸上主光線５０に対して偏心または傾いて配置されており偏心光学系をなしている。
また本実施形態では、第１面１３ａ、第２面１３ｂ、第３面１３ｃは、いずれも回転非対称な自由曲面を採用している。自由曲面の定義式は、後述する数値実施例に示す。
【００３６】
このような構成の光検出装置１によれば、反射面３ａが中立位置にある場合、入射方向の基準軸に沿って入射窓２から入射された入射光束５１が、反射面３ａにより偏向され、軸上光束としてプリズム１３の第１面１３ａに入射し、集光されつつ媒質内部を進んで、第２面１３ｂに到達する。
第２面１３ｂに到達した入射光束５１は、第２面１３ｂにより第３面１３ｃに向けて内部反射される。このとき、第２面１３ｂから負のパワーの作用を受ける。
第３面１３ｃに到達した入射光束５１は、正のパワーにより集光されつつ、第２面１３ｂに向けて内部反射される。第２面１３ｂに再入射する入射光束５１は、第２面１３ｂを透過し、受光面５ａに向けて出射され、受光面５ａ上に結像される。
【００３７】
このように、プリズム１３は、半画角±θ１を持って入射する入射光束５１を受光面５ａ上に結像することができる。集光レンズ１２とは、結像性能と画角範囲とが異なるのみで、上記に説明したのと同様に、受光手段５の種類に応じて光検出を行うことができる。
例えば、受光手段５が高速応答性を有する位置検出素子である場合、上記と同様に、光偏向器３の偏向量を制御することにより、入射光束５１を軸上光束としてプリズム１３に入射することができるので、図４に示すように、受光面５ａ上の中心位置に結像することができる。
【００３８】
プリズム１３によれば、全体として正のパワーを有するものの、第１面１３ａと内部反射面としての第３面１３ｃとの間で正のパワーを分散し、負のパワーを有する第２面１３ｂによりコマ収差補正等を行うことができるので、例えば集光レンズ１２に比べて結像性能を向上することができるという利点がある。
特に、プリズム１３では回転非対称の自由曲面を採用しているので、入射光束５１の入射画角の変化方向に曲率を適宜設定することにより、偏心収差を良好に補正することができる。そのため入射画角が変化しても、各像高で良好な結像性能を得ることができる。
そのため、入射光束５１が軸上光束からずれても、高精度の光検出を行うことができる。
この場合、光検出の目的によっては、光偏向器３の偏向量の制御を、入射光束５１が少なくとも受光面５ａ内に結像するような制御としてもよい。このようにすれば、受光面５ａの面積は広げることで、光偏向器３として偏向範囲が狭い機構や入射角度ずれの変動に対して偏向の応答速度が遅い機構も採用することができ、簡素な構成の光偏向器３を採用することができるという利点がある。
【００３９】
また、プリズム１３により光路を折り畳むことができるので、コンパクトな光学系とすることができるという利点がある。
【００４０】
［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る光検出装置について説明する。
図５は、本発明の第２の実施形態に係る光検出装置の概略構成を示す構成ブロック図である。
【００４１】
本実施形態の光検出装置１５は、画角を持って入射する入射光束５１を追尾して光検出を行うためのもので、入射方向が変動する場合にも確実な光検出を行うことができるものである。例えば、赤外線などを利用した物体検出システムの光検出装置、赤外線やレーザ光などを用いた空間光通信装置の光アンテナ部などに好適に用いることができるものである。
【００４２】
光検出装置１５の概略構成は、図５に実線で示すように、筐体１ａ内に、光偏向器３、偏向制御手段６、集光手段４、ビームスプリッタ１６（光分岐手段）、リレー光学系１９、受光手段５Ａ、５Ｂ、および位置検出手段７、１７が設けられてなる。
ここで、筐体１ａ、光偏向器３、偏向制御手段６、集光手段４、および位置検出手段７は、第１の実施形態と同様の構成からなるので、説明を省略し、以下、第１の実施形態と異なる点を中心に説明する。
【００４３】
ビームスプリッタ１６は、集光手段４により集光される入射光束５１の光路を、ビームスプリッタ面１６ａにより透過光路と反射光路とに分岐するための部材である。以下、透過光路を進む光を検出光５１Ａ、反射光路を進む光を検出光５１Ｂと称する。
ビームスプリッタ面１６ａは、必要に応じて反射率、透過率が適宜に設定されたハーフミラー面を採用することができる。また、入射光束５１の偏光特性、波長特性によっては、偏光方向に応じて反射または透過する偏光ビームスプリッタ面や、波長により反射または透過する波長分離コーティングが施された波長分離面などを採用してもよい。
【００４４】
ビームスプリッタ１６により分岐された光路の一方、例えば透過光路における像面には、受光手段５Ａが配置されている。
受光手段５Ａは、位置検出素子であり、例えば、第１の実施形態の受光手段５のうちの位置検出素子はすべて採用することができる。
位置検出手段１７は、受光手段５Ａからの検出信号１０Ａに基づいて、受光手段５Ａの受光面５ａ上での位置ずれ量として検出し、さらに集光手段４の倍率、受光手段５Ａの設置位置などの情報から入射角度ずれに換算し、その情報を検出信号２３として出力するものである。
位置検出手段１７は、受光手段５Ａの種類に応じて、位置検出手段７と同様の構成を採用することができる。
【００４５】
ビームスプリッタ１６により分岐された光路の他方、例えば反射光路には、像面で中間像１８を形成した後に、リレー光学系１９が配置されている。
リレー光学系１９は、中間像１８をリレーして、受光手段５Ｂの受光面５ａ上に結像するための光学系である。本実施形態では、正のパワーを有する集光レンズ１９Ａ、１９Ｂを用いて、中間像１８から発散する入射光束５１を集光レンズ１９Ａにより集光して略平行光束とし、集光レンズ１９Ｂにより受光手段５Ｂ上の受光面５ａに結像するようにしている。そのため、集光レンズ１９Ａ、１９Ｂの間には射出瞳が形成されている。
受光手段５Ｂは、第１の実施形態の受光手段５のうちの位置検出素子をすべて採用することができる。
位置検出手段７は、受光手段５Ｂからの検出信号１０Ｂに基づいて、入射角度ずれに対応する検出信号２４を生成し、偏向制御手段６に送出する。
【００４６】
このような光検出装置１５の構成によれば、入射光束５１の入射角度ずれを、受光手段５Ａ、５Ｂにより光検出することができる。
そして、検出光５１Ｂの光路は、検出光５１Ａの光路に比べてリレー光学系１９を介する分だけ光路長が長くなるので、一定の入射角度ずれに対して、受光手段５Ｂの受光面５ａ上の位置ずれの方が、受光手段５Ａでの位置ずれよりも大きくなる。そのため、受光手段５Ｂの方が入射角度ずれをより高分解能で検出することができる。これに対して、受光手段５Ａでは、入射角度ずれを受光手段５Ｂに比べて広範囲に検出することができる。
【００４７】
このため、光検出装置１５を、例えばジンバルステージなどの移動機構に搭載したシステムとすれば、検出信号２３をモニタして、入射窓２の向きを調整し、受光手段５Ａの検出信号１０Ａに基づいてその受光面５ａの略中心に移動する概略の移動を行い、残存する入射角度ずれを受光手段５Ｂにより正確に検出し、受光手段５Ｂの検出信号１０Ｂに基づいて位置検出手段７から送出される検出信号２４により偏向制御手段６を介して光偏向器３の偏向量を調整して入射角度ずれを相殺することができる。すなわち、入射光束５１に入射角度ずれが発生しても、受光手段５Ｂ上の受光面５ａにおいて、一定位置で受光する追尾動作が可能となる。
【００４８】
次に、光検出装置１５の変形例について説明する。
本変形例は、図５に２点鎖線で示すように、上記第２の実施形態において、ビームスプリッタ２１（光路分岐手段）、集光レンズ２２、および受光手段５Ｃを加えたものである。
ビームスプリッタ２１は、集光レンズ１９Ａ、１９Ｂの間の光路を分岐するビームスプリッタ面２１ａを備えた光路分岐手段であり、ビームスプリッタ１６と同様な構成を採用することができる。
本実施形態では、集光レンズ１９Ａ、１９Ｂ間が略平行光束となるので、ビームスプリッタ２１はどの位置に配置してもよいが、射出瞳位置に配置すれば、ビームスプリッタ２１の大きさを小さくすることができて好都合である。
【００４９】
集光レンズ２２は、ビームスプリッタ２１により分岐された光路を進む光を集光し、受光手段５Ｃ上に導く正のパワーを有する光学素子である。
受光手段５Ｃは、位置検出以外の光検出を行うためのものであり、例えば、受光手段５のうち、位置検出素子以外の構成をすべて採用することができる。
【００５０】
ビームスプリッタ２１により分岐された光路は略平行光束となっているので、集光レンズ２２の光軸方向の配置位置、したがって受光手段５Ｃの受光面５ａの位置も、自由に設定することができる。そのため、集光レンズ２２、受光手段５Ｃのレイアウトの自由度が高くなるという利点がある。
【００５１】
本変形例によれば、受光手段５Ｂの受光面５ａ上で中心位置に追尾される入射光束５１の光路をビームスプリッタ２１で分岐し、受光手段５Ｃで受光することができる。そのため、入射光束５１を追尾しつつ、受光手段５Ｃで位置検出以外の光検出を行うことができる。
例えば、受光手段５ＣがＰＩＮフォトダイオードなどの光電変換手段である場合、光電変換して光信号を検出することができる。また、受光手段５Ｃが光ファイバであるとき、入射光束５１を光ファイバのコア上に集光して光結合することができる。
その結果、受光手段５Ｃの受光面積が小さい場合でも、受光手段５Ｃの受光面５ａ上に確実に受光することができ、入射光束５１を効率的に受光することができる。
このような受光手段５Ｃ、ビームスプリッタ２１は、必要に応じて、リレー光学系１９内の光路中に複数設けてもよい。
【００５２】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る光通信システムについて説明する。
図６は、本発明の第３の実施形態に係る光通信システムの概略構成について説明するための模式説明図である。
本実施形態の光通信システム１００は、本発明の光検出装置を用いることにより、外部からの入射光束を光検知して追尾しつつ、送信光を外部に送光することができるものであり、空間光通信装置の光アンテナを構成できるものである。
その概略構成は、図６に示すように、光アンテナ部６０とジンバルステージ４４（移動機構）とからなる。
【００５３】
光アンテナ部６０の概略構成は、筐体４３、送受光光学系７１（集光手段）、受光素子２９（受光手段）、制御装置４１（位置検出手段）、集光レンズ７２、光ファイバ４６（受光手段）、ビームスプリッタ４７、ビームスプリッタ４８（光路分岐手段）、受光素子６３（受光手段）、制御装置６３ａ（位置検出手段）、偏向制御手段６、光源４５（送信手段）、およびコリメートレンズ４９、５２、５３からなる。
送受光光学系７１は、特に図示しないが、上記第２の実施形態の光検出装置の開口絞り２０、光偏向器３、集光手段４、ビームスプリッタ１６とからなる。光偏向器３には、第２の実施形態と同様に偏向制御手段６が接続されている。
また、受光素子２９、制御装置４１、集光レンズ７２、コリメートレンズ４９、光ファイバ４６、ビームスプリッタ４８、受光素子６３、制御装置６３ａ、およびコリメートレンズ５３は、それぞれ第２の実施形態の受光手段５Ａ、位置検出手段１７、集光レンズ１９Ａ、１９Ｂ、受光手段５Ｃ、ビームスプリッタ２１、受光手段５Ｂ、位置検出手段７、および集光レンズ２２に代えて設けられたものである。したがって、特に断らない限り、それぞれ同様の構成を有し、同様の位置関係に配置されている。
また集光レンズ７２とコリメートレンズ４９とは、リレー光学系を構成している。
【００５４】
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を入射させるための入射窓４３ａが設けられている。入射窓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。
【００５５】
送受光光学系７１は、入射窓２から入射された入射光束５１を光偏向器３、集光手段４を介して集光し、その収斂光の光路を、ビームスプリッタ１６（図５参照）により分岐し、検出光５１Ａ、５１Ｂとして出射する。検出光５１Ｂは光路上に中間像１８を形成する。
ただし、上記第１の実施形態で説明した例のように、開口絞り２０は入射窓２と兼用されていてもよいし、光偏向器３が絞り面を兼ねる場合には省略してもよい。
【００５６】
受光素子２９は、入射光束５１の入射角度ずれを広範囲で検出するための受光手段であり、検出光５１Ａの像面に配置されている。本実施形態では、例えばＣＣＤを採用している。
制御装置４１は、受光素子２９の検出出力１０Ａを入力信号として、受光素子２９に集光される光束の受光位置を検出し、入射光束５１の入射角度ずれを算出して、検出信号２３を生成するものである。そして、検出信号２３を駆動制御手段４４ｄに送出して、後述するジンバルステージ４４を駆動して光アンテナ部６０の位置を移動できるようになっている。
【００５７】
集光レンズ７２は、中間像１８を形成してから発散する検出光５１Ｂを集光して略平行光にする光学素子である。集光レンズ７２で略平行光とされた検出光５１Ｂは、コリメートレンズ４９により光ファイバ４６の受光端４６ａ上に再結像される。
【００５８】
なお、受光手段５Ｃの場合と同様に、光ファイバ４６に代えて、入射光束５１から情報信号を取り出すために光電変換を行うＰＩＮフォトダイオードなどの受光素子を配置し、受光素子で光電変換された電気信号を光アンテナ部６０の外部に送出するようにしてもよい。
【００５９】
集光レンズ７２とコリメートレンズ４９との間の光路は、ミラー７３、７４により光路を屈曲されており、ミラー７４とコリメートレンズ４９との間に、ビームスプリッタ４８、４７がこの順に配置されている。
ビームスプリッタ４８、４７は、ビームスプリッタ１６と同様な構成を採用することができる。
ビームスプリッタ４８は、検出光５１Ｂの光路を分岐して受光素子６３に導くための光路分岐手段である。
受光素子６３は、検出光５１Ｂの受光位置を高分解能かつ高速に検出することができるように、受光素子２９に比べてより高感度な設定とされている。本実施形態では、４分割ＰＤが採用されている。
受光素子６３の検出出力１０Ｂは、制御装置６３ａに送出される。
制御装置６３ａは、検出信号１０Ｂから入射角度ずれを算出して検出信号２４を偏向制御手段６に送出する。
【００６０】
光源４５は、ＬＤ（半導体レーザ）からなり、図示しない出力制御装置からの信号に基づいて変調された光を出力する送信手段である。この光はコリメートレンズ５２により略平行光とされ、ビームスプリッタ４７により検出光５１Ｂの光路の光軸に沿って合成される。そして、検出光５１Ｂと逆方向に進み送受光光学系７１により拡径した略平行光とされ、入射窓４３ａから装置外部に出射される。すなわち、光源４５により出力された変調光は、送信光として入射光束５１を送光してきた通信相手側に送光される。
【００６１】
ジンバルステージ４４は、光アンテナ部６０を２軸方向に姿勢制御可能に保持する移動機構であり、ティルト駆動部４４ａおよび水平回転駆動部４４ｂが支持台４４ｃ上に保持され、ティルト駆動部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とティルト駆動部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が生成した検出信号２３に基づき、ティルト駆動部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。
【００６２】
本実施形態の光通信システム１００によれば、入射光束５１が入射窓４３ａに入射すると、受光素子２９、６３の受光面および光ファイバ４６の受光端４６ａに結像する。そして光ファイバ４６からは、入射光束５１の搬送する入力信号を光信号のまま取り出して外部に送出することができる。
その際、入射光束５１の光路が変動したり、光アンテナ部６０の向きが不適切だったりすることにより入射窓４３ａに対して入射画角を持つと、それぞれの結像位置がずれる。その場合、本実施形態では、受光素子２９上の結像位置のずれ量が制御装置４１により検出されるので、駆動制御手段４４ｄに渡される制御信号によりジンバルステージ４４が駆動され、光アンテナ部６０の姿勢を補正制御し、ジンバルステージ４４の移動精度に応じた精度で結像位置のずれを補正する。
また、受光素子２９より位置検出感度が高い受光素子６３は、結像位置の微小なずれを検出し、制御装置６３ａから検出信号２４を偏向制御手段６に送出する。それにより光偏向器３の偏向量を可変して結像位置のずれをなくすよう制御する。
このように、光通信システム１００では、ジンバルステージ４４で光アンテナ部６０の姿勢制御を行う粗追尾動作と、光偏向器３で偏向される入射光束５１を集光手段４の光軸上に位置合わせする精追尾動作とが可能となっている。
【００６３】
そして、入射光束５１を光追尾した状態で、光源４５により入射光束５１と同一光路上に送信光を入射することにより、入射光束５１を送光する通信相手側に対して正確に送信光を送光することができる。そのため、双方向の空間光通信を行うことができる。
複数の光通信システム１００を対向して配置すれば、互いに追尾し合うことにより、信頼性の高い双方向通信システムを構築することができる。
【００６４】
このように、本実施形態の光通信システム１００によれば、第２の実施形態の光検出装置と同様の作用効果を備えるとともに、入射光束を精度よく光追尾し、効率的な送受信を行うことができる。
【００６５】
なお、上記の説明では、集光手段４としてプリズム１３を用いる場合に、開口絞り２０を削除し、光偏向器３が絞り面を兼ねる構成として説明した。この場合、入射画角が同じであれば、光偏向器３の前段に開口絞り２０を設ける場合に比べて、反射面３ａの大きさを小さくするとともにプリズム１３の第１面１３ａを狭くすることができるので、集光手段４をよりコンパクトな構成とすることができる利点がある。
ただし、入射画角の補正範囲をあまり広くする必要がない場合には、光偏向器３の前段に開口絞り２０を設けてもよい。
また、集光手段４として集光レンズ１２を用いる場合に光偏向器３が絞り面を兼ねる構成としてもよい。
【００６６】
また、上記の第２の実施形態の説明では、受光手段５Ａを位置検出素子とする例で説明したが、入射画角範囲が、光偏向器３の制御により補正可能である場合など、入射角度ずれを２系統で検出する必要がない場合には位置検出素子以外の受光手段、例えば受光手段５Ｃなどを配置してもよい。すなわち、位置検出手段は、光偏向器３を制御するために少なくとも１つ設けられていればよい。
【００６７】
また、上記の第２の実施形態の説明では、ビームスプリッタ１６で分岐された光路の一方に中間像を形成するとともにリレー光学系を設けた例で説明したが、特に位置検出精度の異なる２つの位置検出素子を設ける必要がない場合には、リレー光学系を省略してもよい。例えば、検出光５１Ａの像面に受光手段５Ｃを配置し、検出光５１Ｂの中間像１８の位置に、受光手段５Ｂを配置して、それぞれにより位置検知以外の光検出と位置検出とを行うようにしてもよい。
【００６８】
また、上記の第３の実施形態の説明では、送信手段を設けることにより、双方向の光通信を行う光通信システムの例で説明したが、送信手段を省略して受信専用の光通信システムとしてもよい。
【００６９】
また、上記第３の実施形態の説明では、変調光を送受光して、空間光通信などに好適に用いることができる光通信システムの例で説明したが、送信光、受信光はレーザ光に限定されるものではない。例えば、赤外光や可視光により光通信や光検出を行う光通信システムに適用してもよい。
【００７０】
また、上記実施形態、変形例に説明した各構成要素は、技術的に可能な組合せであれば、本発明の技術的思想の範囲内において適宜組み合わせて実施することができる。
【実施例１】
【００７１】
次に、上記に説明した第１の実施形態の集光レンズ１２を用いた集光光学系（図２参照）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２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。
【００７２】
座標系は、光線追跡において、開口絞り２０の中心を反射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）、軸上主光線５０に沿う方向をＺ軸方向とし、物体側から光偏向器３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。この座標系において、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。
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。
【００７３】
本実施例に用いる非球面の形状は、すでに説明したＸＹＺ直交座標系を用いて、以下の定義式（ｂ）で与えられる回転対称非球面である。
【００７４】
【数１】
2007109923.tif 000003
【００７５】
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。下記の式（ａ）により定義される非球面式で表現される。式（ａ）のＺ軸が自由曲面の軸となる。
ただし、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ものとする（以下同じ）。
【００７６】
以下に示す構成パラメータにおいて、長さの単位は（ｍｍ）、角度の単位は（°）である。また、各偏心データは、絞り面の中心を原点としている（実施例２も同じ）。
また、データの記載されていない非球面に関する項は０である。
【００７７】
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 =  5.00
2        ∞              d2 =  0.00    偏心[1]
3        ∞              d3 = -7.00
4      非球面[1]         d4 = -7.00            n1 = 1.8061     ν1 = 40.9
5        ∞              d5 = -8.00
像  面      ∞              d6 =  0.00
非球面[1]
ｃ    -10.00
ｋ    -1.6485
Ａ    -4.0241x10-4     Ｂ     1.1883x10-6  
偏心[1] 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    0.00  
α   45.00  β    0.00  γ    0.00  
【実施例２】
【００７８】
次に、上記に説明した第１の実施形態のプリズム１３を用いた集光光学系（図３参照）の実施例である第２の数値実施例について説明する。
本実施例で用いる自由曲面の形状は、すでに説明したＸＹＺ直交座標系を用いて、下記の式（ｂ）により定義される自由曲面式で表現される。式（ｂ）のＺ軸が自由曲面の軸となる。
【００７９】
【数２】
2007109923.tif 000004
ここで、式（ｂ）の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。球面項中、Ｒは頂点の近軸曲率半径、ｋはコーニック定数（円錐定数）であり、ｒ＝√（Ｘ2 ＋Ｙ2 ）である。
【００８０】
自由曲面項は、
【数３】
2007109923.tif 000005
ただし、Ｃｊ（ｊは１以上の整数）は係数である。
【００８１】
上記自由曲面は、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、本実施形態では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となる。例えば、上記定義式（ｂ）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。
【００８２】
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    偏心[1]
2        ∞              d2 =-10.00    
3      FFS[1]            d3 =  0.00    偏心[2]  n1 = 1.5254     ν1 = 56.2
4      FFS[2]            d4 =  0.00    偏心[3]  n1 = 1.5254     ν1 = 56.2
5      FFS[3]            d5 =  0.00    偏心[4]  n1 = 1.5254     ν1 = 56.2
6      FFS[2]            d6 =  0.00    偏心[3]
像  面      ∞              d7 =  0.00    偏心[5]
ＦＦＳ[1]
Ｃ4   -1.5461x10-2     Ｃ6   -1.3491x10-2     Ｃ8   -1.4007x10-4  
ＦＦＳ[2]
Ｃ4    6.6884x10-4     Ｃ6   -1.3925x10-3     Ｃ8   -4.1277x10-5  
Ｃ10  -5.5892x10-5  
ＦＦＳ[3]
Ｃ4   -1.2721x10-2     Ｃ6   -1.3935x10-2     Ｃ8   -4.3062x10-5  
Ｃ10  -1.0559x10-4  
偏心[1] 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    0.00  
α   45.00  β    0.00  γ    0.00  
偏心[2] 
Ｘ    0.00  Ｙ    0.00  Ｚ    0.00  
α  -35.02  β    0.00  γ    0.00  
偏心[3] 
Ｘ    0.00  Ｙ    1.03  Ｚ   -5.76  
α   29.92  β    0.00  γ    0.00  
偏心[4] 
Ｘ    0.00  Ｙ    7.07  Ｚ   -3.56  
α   56.14  β    0.00  γ    0.00  
偏心[5] 
Ｘ    0.00  Ｙ   -0.99  Ｚ  -12.52  
α   66.86  β    0.00  γ    0.00  
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光検出装置の概略構成を示す構成ブロック図である。
【図２】本発明の第１の実施形態に係る光検出装置に用いる集光光学系の軸上主光線を含む断面における光路図である。
【図３】本発明の第１の実施形態に係る光検出装置に用いる他の集光光学系の軸上主光線を含む断面における光路図である。
【図４】本発明の第１の実施形態に係る光検出装置に用いる他の集光光学系の軸上主光線を含む断面における動作説明図である。
【図５】本発明の第２の実施形態に係る光検出装置の概略構成を示す構成ブロック図である。
【図６】本発明の第３の実施形態に係る光通信システムの概略構成について説明するための模式説明図である。
【符号の説明】
【００８４】
１、   １５  光検出装置
２、４３ａ  入射窓
３  光偏向器
３ａ  反射面
４  集光手段
５、５Ａ、５Ｂ、５Ｃ  受光手段
５ａ  受光面
６  偏向制御手段
７、１７  位置検出手段
１０、１０Ａ、１０Ｂ、２３、２４、２５  検出信号（検出出力）
２０  開口絞り
１２  集光レンズ（集光手段）
１３  プリズム（集光手段）
１３ａ  第１面（自由曲面）
１３ｂ  第２面（自由曲面）
１３ｃ  第３面（自由曲面）
１６  ビームスプリッタ（光分岐手段）
１８  中間像
１９  リレー光学系
１９Ａ、１９Ｂ、２２  集光レンズ
２１  ビームスプリッタ（光路分岐手段）
４１、６３ａ  制御装置（位置検出手段）
４４  ジンバルステージ（移動機構）
４４ｄ  駆動制御手段
４５  光源
４６  受光素子
４７、４８  ビームスプリッタ
４９、５２、５３  コリメートレンズ（集光素子）
５０  軸上主光線
５１、５１ａ、５１ｂ、５１ｃ、５１ｄ  入射光束
５１Ａ、５１Ｂ  検出光
６０  光アンテナ部
６３  受光素子
７１  送受光光学系
１００  光通信システム
【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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