JP2005181452A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】より簡易に光の強度分布、位置、角度を変換する。
【解決手段】光学プリズム１０は、入射光３０の入射する入射側境界面２５と、光学プリズム１０の内部を進む光の一部を透過、一部を反射させるスプリッター面２４と、スプリッター面２４を透過した光が出射する第１出射面２６と、スプリッター面２４で反射された光の第２出射面２８とを有する。入射側境界面２５は、入射光３０の光軸に対して傾斜している。スプリッター面２４は、入射光３０の光軸と平行である。第１出射面２６は入射側境界面２５と平行であり、第２出射面２８はスプリッター面２４を中心として第１出射面２６と面対称である。
【選択図】図２

Description

本発明は、光の位置、角度、強度分布を変換する光学装置に関する。

従来から、レーザー光のような光を用いた測定機器が種々提案されている。例えば、移動体の直進性を測定するための直線度測定器や、ナイフエッジ法により測定対象物の変位量を測定する光変位計などが知られている。これら測定機器について簡単に説明すると、直線度測定器は、直進移動する移動体に設けられた光電検出器とこの光電検出器に向かって照射されるレーザー光とを有する。そして、移動体を移動させた際のレーザー光と光電検出器との相対的な位置変化に基づいて、移動体の直進性を測定するものである。

また、光変位計は、集光させた光を測定対象物に照射し、その反射光の集光状態から光源と測定対象物との距離を測定する。この反射光の集光状態を知る手段としてナイフエッジ法が用いられている。これは、反射光の半分をナイフエッジで遮って得られる半遮蔽光の状態から集光状態を判別するものである。この集光状態は、半遮蔽光の光強度の重心位置などから判別される。

このような光を利用した種々の測定機器においては、光を所望の位置や角度、強度分布で照射させることが重要となる。例えば、直線度測定器では、光電検出器に照射されるレーザー光の光軸の位置を一定に保つ必要がある。しかし、光源装置から照射されたレーザー光は、光源装置から発生する熱や空気の揺らぎによってその位置や角度が変化する場合がある。このような場合、その位置・角度変化を矯正して照射しなければならない。

また、光変位計では、照射される光の強度分布を外側ほど強くなるように変換することが望ましい。通常、照射される光は、中心ほど強度の強いガウシャン形の強度分布であることが多い。しかし、半遮蔽光の光強度の重心位置をより精度よく得るためには、光の強度分布を外側ほど強い逆ガウシャン形であるほうがよいからである。

さらに、測定機器のほか、レーザー光を利用した加工装置や、光ファイバー間を光結合する場合などにおいても、光を所望の位置や角度、強度分布で照射させることが重要となる。そのため、従来から、照射された光の位置や角度、強度分布を変換させるための光学装置が多数提案されている。

例えば、特許文献１、特許文献２、特許文献３などには、ミラーやプリズムなどの複数の分離部材である光学部材をそれぞれ所定の位置に配置し、光の強度分布を均一に変換する技術が開示されている。また、非特許文献１には、照射された光の光軸の位置を一定に保つための複数の光学部材（ケスタープリズム）が開示されている。

特開平１−１３９７２７号公報 特開平５−１２１８００号公報 特開平７−１９９００４号公報 Ｗerkstatt レーザによる直線度検査装置、機械設計、１４巻第１２号 Ｐ６１〜Ｐ６３

しかしながら、これらは、いずれも、複数の分離部材から構成されている。したがって、各光学部材の配置関係を考慮する必要があり、設計や製造の際に面倒であった。

そこで、本発明では、より簡易に光の強度分布や位置、角度を変換できる光学部材を提供することを目的とする

本発明の光学装置は、所定の屈折率を備えた光学装置であって、平行光の入射する面であって、光の光軸に対して傾斜した入射側境界面と、光学装置の内部を進む光の一部を透過、一部を反射させるスプリッター面であって、入射光の光軸と平行なスプリッター面と、入射側境界面と平行であって、スプリッター面を透過した光が出射する第１出射面と、スプリッター面で反射された光の出射面であって、スプリッター面を中心として第１出射面と面対称である第２出射面と、を有することを特徴とする。

好適な態様では、入射側境界面と第１出射面は、入射側境界面と第１出射面との距離をｔ、入射光線の光軸と出射光線の光軸との距離をｄ、光学部材の屈折率をｎ、入射角度をｉ、屈折角度をθとすると、
（数２）
ｄ＝ｔ・ｓｉｎ（ｉ）｛１−ｃｏｓ（ｉ）／（ｎ／ｃｏｓθ）｝
を満たす位置関係であって、入射位置は、スプリッター面から光の入射位置の高さをｈとすると、ｄ≧ｈを満たす位置にある。

別の好適な態様では、スプリッター面は、反射する光と透過する光の割合が等しい。別の好適な態様では、光学装置は、互いに空間を介さず配された１以上の光学部材からなる。

なお、入射側境界面は、一つの傾斜面でなく、スプリッター面を中心として面対称の２つの傾斜面であってもよい。

他の本発明の光学装置は、入射される光の光軸を含む基準面を中心として面対称の２つの傾斜面からなる入射側境界面と、光学部材の中を透過した光束が出射する出射面であって、基準面を中心として面対称、かつ、入射側境界面を反転した形状の２つの傾斜面からなる出射面とを有する。

本発明によれば、より簡易に光の強度分布、位置、角度を変換することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。以下で説明する光学プリズムは、いずれも、適宜、その形状や入射位置を変更することで、種々の光を利用した測定器や加工機、光ファイバーの光結合などに利用することができる。

図１（Ａ）に本発明の第１の実施の形態である光学プリズム１０の正面図を、図１（Ｂ）にその側面図を、図１（Ｃ）にその斜視図を示す。

光学プリズム１０は、所定の屈折率ｎを備えた２つの台形プリズム１２，１４の底面を互いに貼り合わせることにより形成される。したがって、光学プリズム１０全体としては、六角柱形状となっている。そして、互いに対向する２面（例えば、面１６と面２２、面１８と面２０など）は平行となっており、貼り合わせ面２４を中心として上下対称の形状となっている。この貼り合わせ面２４、すなわち、台形プリズム１２，１４の底面は、照射された光のうち半分を透過、半分を反射させるビームスプリッター面２４となっている。

この光学プリズム１０の幅Ｌ、および、高さＨは、それぞれ所定の値に設定されている。この幅Ｌおよび高さＨは、後述するように、光学プリズム１０の屈折率ｎや光の照射高さｈ、入射角度ｉなどにより決定される。

次に、この光学プリズム１０に対して平行光である入射光３０を照射した場合について図２を用いて説明する。図２（Ａ）は、光学プリズム１０に入射光３０を照射した際の正面図、図２（Ｂ）はその側面図、図２（Ｃ）は光学プリズム１０から出射された２種類の出射光３４，３２を示す図である。なお、入射光３０は一束の光束であるが、図２（Ｂ）においては、説明の便宜上、その光束に含まれる３本の光線のみを示す。また、３本の光線のうち、強い強度の光を実線で、弱い強度の光を破線で示している。

平行光である入射光３０は、光学プリズム１０の左上側面１６（光源側かつ上側の側面）に照射される。したがって、この左上側面１６が入射側境界面２５となる。この入射光３０は、ビームスプリッター面２４とほぼ平行な光軸を有している。言い換えれば、入射側境界面２５は、入射光３０に対して所定の傾斜を有していることになる。また、入射光３０の強度分布は、中心ほど強く、外側ほど弱いガウシャン形となっている。

光学プリズム１０の左上側面１６である入射側境界面２５から入射された入射光３０は、光学プリズム１０内部への入射の際に、所定の角度で屈折する。この屈折角度は、光学プリズム１０の屈折率ｎにより決定される。

屈折した入射光３０は、光学プリズム１０内を透過し、ビームスプリッター面２４に到達する。そして、入射光３０のうち半分はビームスプリッター面２４を透過し、残り半分は反射する。

透過した光である第１出射光３２は、光学プリズム１０の右下側面２２である第１出射面２６から外部に出射する。この出射の際には、やはり、所定の角度で屈折する。ここで、この第１出射面２６は、上述したように、対向する面である入射側境界面２５（左上側面１６）と平行となっている。したがって、入射側境界面２５と平行な第１出射面２６から出射する第１出射光３２の光軸は、入射光３０の光軸と平行となる。

一方、ビームスプリッター面２４で反射された第２出射光３４は、光学プリズム１０の右上側面２０である第２出射面２８から外部に出射する。ビームスプリッター面２４での反射角と入射角は等しい。また、第２出射面２８は、ビームスプリッター面２４を中心として第１出射面２６と面対称の傾斜面である。したがって、第２出射光３４は、ビームスプリッター面２４を中心として第１出射光３２と面対称の光路をとる。すなわち、第２出射光３４は、第１出射光３２と面対称の位置から出射し、その光軸は入射光３０の光軸と平行となる。

このように、光学プリズムが所定の位置・角度関係を有する入射側境界面、第１出射面、第２出射面、および、ビームスプリッター面を有することにより、入射された光を２つの光に変換させることができる。

ところで、上述のような光の透過、屈折により、入射光を２つに変換させるためには、光学プリズム１０の高さＨ、幅Ｌを所定の範囲内に設定しなければならない。この高さＨ，幅Ｌの範囲について図３、図４を用いて説明する。図３は、平行平面の光学ガラス４０に入射された平行光の光路を示す図である。また、図４は、図３で示される原理を光学プリズム１０に適用した場合を示す図である。

はじめに、図３に示すように、平行光である入射光３０が光学ガラス３８に、入射角ｉ（光学ガラス３８の垂線と入射光３０の光軸とが成す角度）で照射された場合を考える。ここで光学ガラス３８の屈折率をｎ、厚さをｔ、光学ガラス３８内の光線の長さをｓとすると、入射光３０と出射光３６との垂直方向（光軸に対して直交方向）のシフト量ｄ（入射光線の光軸と出射光線の光軸との距離）は、式１で表される。

（数３）
ｓ＝ｔ／ｃｏｓθ
ｄ＝ｓ・ｓｉｎ（ｉ−θ）
ｄ＝（ｓｉｎ（ｉ）・ｃｏｓθ−ｃｏｓ（ｉ）・ｓｉｎθ）・ｔ／ｃｏｓθ
ｄ＝ｔ・ｓｉｎ（ｉ）｛１−ｃｏｓ（ｉ）／（ｎ・ｃｏｓθ）｝・・・（式１）

これを上述の光学プリズム１０に置き換えて考える（図４参照）。光学ガラスの板厚ｔは、光学プリズム１０では、入射側境界面２５と出射面２６との距離とおくことができる。したがって、第１出射面２６から第１出射光３２を出射させるためには、入射側境界面２５と第１出射面２６とは、式１を満たす位置関係である必要がある。

また、第２出射面２８から第２出射光３４を出射させるためには、入射された光をビームスプリッター面２４で反射させなければならない。ここで、入射光３０のビームスプリッター面からの入射高さをｈ（以下、ｈを「「入射高さｈ」という）とおくと、入射光３０をビームスプリッター面２４で反射させるためには、シフト量ｄ≧ｈでなければならない。

入射側境界面２５と出射面２６との距離ｔに替えて、光学プリズム１０の幅Ｌを用いて式（ｄ≧ｈ）を表すと、光学プリズム１０の幅Ｌと入射高さｈとの関係は式２で表される。

（数４）
ｔ＝Ｌ・ｃｏｓ（ｉ）
ｄ＝Ｌ・ｃｏｓ（ｉ）・ｓｉｎ（ｉ）｛１−ｃｏｓ（ｉ）／（ｎ・ｃｏｓθ）｝
ｈ≦ｄ
ｈ≦Ｌ・ｃｏｓ（ｉ）・ｓｉｎ（ｉ）｛１−ｃｏｓ（ｉ）／（ｎ・ｃｏｓθ）｝
Ｌ≧ｈ／［ｃｏｓ（ｉ）・ｓｉｎ（ｉ）｛１−ｃｏｓ（ｉ）／（ｎ・ｃｏｓθ）｝］・・・（式２）

さらに、式１を満たす位置に第１出射面を設けるためには、（ｄ−ｈ）≦Ｈ／２でなければならない。したがって光学プリズム１０の高さＨは式３で表される。

（数５）
（ｄ−ｈ）≦Ｈ／２
Ｈ≧２・（ｄ−ｈ）・・・（式３）

したがって、入射光３０の光軸と平行で、ビームスプリッター面２４を中心として面対称の２つの出射光３２，３４を得るためには、光学プリズム１０の幅Ｌと高さＨとを式２、式３を満たす範囲内に設定することが必要である。なお、その前提条件として、入射側境界面２５と第１出射面２６とが平行であること、ビームスプリッター面２４が入射光３０の光軸と平行であること、第２出射面２８がビームスプリッター面を中心として第１出射面２６と面対称であることが必要であることはもちろんである。

ところで、入射光３０は、光源装置から発生する熱や空気の揺らぎ（屈折率変化）によりその光軸角度や位置が変化することがある。このような、光軸の位置や角度がずれた入射光３０が光学プリズム１０に入射した場合について図５を用いて説明する。図５（Ａ）は、入射光３０の光軸位置がずれた場合の、図５（Ｂ）は入射光３０の光軸角度がずれた場合の出射光３２，３４の様子を示す図である。図５では、本来の入射光３１ａ、出射光３２ａ，３４ａを破線で、実際の（位置や角度がずれた場合の）入射光３０、出射光３２，３４を実線で示す。

はじめに、入射光３０の光軸位置が本来より上方にずれた場合について図５（Ａ）を用いて説明する。入射光３０の光軸位置が本来より上方にずれた場合、ビームスプリッター面２４を透過して出射する第１出射光３２の光軸位置も上方（ビームスプリッター面２４側）にずれる。ただし、その光軸角度は、本来の第１出射光３２ａと同じく、水平（入射光３０と平行）となっている。

一方、ビームスプリッター面２４で反射された第２出射光３４は、その光軸位置は本来の第２出射光３４ａに比べて下方（ビームスプリッター面２４側）にずれる。言い換えれば、第１出射光のずれ方向（上方）とは反対方向（下方）にずれる。このずれ量は、第１出射光３２、第２出射光３４ともに同じ量である。

つまり、入射光３０の光軸位置がずれると、第１出射光３２と第２出射光３４とは、互いに、生じたずれを相殺する方向にずれる。したがって、入射光３０の光軸位置がずれても、その第１出射光３２と第２出射光３４とからなる出射光全体３６の光軸位置は変動することなく、ビームスプリッター面２４と同じ高さに保たれる。

つまり、本実施の光学プリズムによれば、入射光の光軸位置が光源の発生熱や空気の揺らぎによりずれても、出射光全体の光軸位置は変化しない。また、出射光全体の強度分布は、常に、ビームスプリッター面２４を中心として対称に保たれる。

次に、入射光３０の光軸角度が変化した場合について図５（Ｂ）を用いて説明する。この場合も、入射光３０の角度変化にともなって、第１出射光３２の出射位置と出射角度は本来の第１出射光３２ａに比べ変化する。ただし、第１出射光３２と入射光３０との光軸は平行である。

ビームスプリッター面２４で反射された第２出射光３４の位置および角度も変化する。この変化は、第１出射光３２の変化と逆方向の変化である。すなわち、第１出射光の変化を相殺する変化である。そのため、結果として、入射光３０の光軸角度が変化しても、出射光全体３６の光軸位置および角度は変化しない。また、出射光全体の強度分布は、常に、ビームスプリッター面２４を中心として対称に保たれる。

以上、説明したように、本実施の形態の光学プリズム１０によれば、入射光３０の光軸位置や角度に変化が生じても、第１出射光３２と第２出射光３４は、互いに逆方向に変化し、対称な位置関係を保つ。したがって、入射光３０の光軸位置や角度が変化しても、出射光３２，３４全体の光軸位置及び角度は変化しない。また、その強度分布は常に対称に保たれる。したがって、この光学プリズム１０を、例えば、照射した光と光電検出器との相対的な位置関係の変化から移動体の直進性を測定する直線度測定器などに用いればより信頼性のある結果を得ることができる。

また、２つの台形プリズム１２，１４は、互いに空間を介することなく配されており、一つの光学部材として取り扱うことができる。したがって、光学プリズム全体の小型化を図ることができる。また、全体の部品点数を押さえることができる。

さらに、光学プリズムは、入射光と水平な面（上面および底面）を有しているため、種々の場所への取り付けを容易に行うことができる。また、場合によっては、光の屈折、透過、反射に関係ない部分、例えば、光学プリズムの上面や底面を設置場所や他の部品との関係に基づいて種々の形状にしてもよい。

次に、他の実施の形態について図６、図７を用いて説明する。この光学プリズム１０は、第１の実施の形態と同じ形状であるが、入射光３０の入射位置が異なる。なお、図７（Ａ）においては、入射光３０は、多数の光線からなる一束の光束であるが（図６（Ａ）参照）、説明の便宜上、その光束に含まれる数本の光線のみを示す。本実施の形態では、入射光３０は、図６（Ａ）、図７（Ａ）に示すように、その光軸がビームスプリッター面２４と同じ高さになるように入射される（入射高さｈ＝０）。言い換えれば、入射光３０は、光学プリズム１０の左上側面１６と左下側面１８との両面から入射される。つまり、左上側面１６と左下側面１８との２面が入射側境界面２５となる。

このような条件で入射光３０を入射した場合について説明する。入射光３０の光束の一部である左上側面１６から入射した光３０ａは、所定の角度で屈折してプリズム１０内に入射する。入射した光の一部は、ビームスプリッター面２４を透過し、右下側面２２から出射する。また、残りの一部は、ビームスプリッター面２４で反射し、右上側面２０から出射する。この透過した光と反射した光の光路は、ビームスプリッター面２４を中心として上下対称である。この光路は、第１の実施の形態と同じである。

一方、入射光３０の光束の一部である左下側面１８から入射した光３０ｂは、左上側面１６から入射した光３０ａと上下対称の動きをする。すなわち、ビームスプリッター面２４を透過した光が右上側面２０から出射し、反射した光が右下側面２２から出射する。

つまり、右上側面２０と右下側面２２の２面は、いずれも、ビームスプリッター面２４を透過した光を出射させる第１出射面であると同時に、ビームスプリッター面２４で反射した光を出射させる第２出射面として機能する。この２つの出射面２６は、上述したように、ビームスプリッター面２４を中心として上下対称となっている。

そして、得られる出射光３６は、ビームスプリッター面２４を中心として常に面対称となる。したがって、第１の実施形態と同様に入射光３０の位置や角度が変化しても、得られる出射光３６の光軸位置および角度は変化しない。また、強度分布は、常に対称に保たれる。したがって、本実施の形態であっても、直進度測定器などの測定機器の信頼性を向上させることができる。

ところで、入射される入射光３０の強度分布は、図６（Ａ）、図６（Ｂ）で示すようにガウシャン形、すなわち、中心ほど強く、外側ほど弱い強度分布となっている。このようなガウシャン形の強度分布を有した入射光３０を入射高さｈ＝０で入射すると、図７に示すように、光強度分布が変換される。入射光３０の中心付近の強い光（実線）は出射する際には外側（ビームスプリッター面２４から離れた位置）から出射される。また、入射光３０の外側の弱い光（破線）は出射する際には中心付近（ビームスプリッター面２４から近い位置）から出射する。したがって、得られる出射光３６は、その強度分布が、図７（Ｂ），図７（Ｃ）に示すように、中心ほど弱く、外側ほど強い逆ガウシャン形となる。

このような外側の強度が強い光は、例えば、次のような場合に利点がある。例えば、ナイフエッジ法を利用した光変位計は、集光した光を測定対象物に照射し、その反射光の集光状態から測定対象物の変位を計測している。具体的には、反射光の半分をナイフエッジで遮り、その半分遮られた半遮蔽光の重心位置の変化から変位を計測している。この重心位置は、通常、光強度の積分により算出される。したがって、反射光がガウシャン形の場合、重心位置は、中心近傍として検出されやすい。しかし、集光状態が変化しても中心近傍はその影響を受けにくい。そのため、中心ほど強度の強いガウシャン形の光では、重心位置の変化を精度良く検出することが困難である。そこで、本実施例のように、ガウシャン形の光を外側ほど強度が強くなるように変換すると、わずかな集光状態の変化も精度良く検出することができる。したがって、より高精度の光変位計などの測定器を得ることができる。

以上、説明したように、本実施の形態のように入射側境界面を面対称の２つの傾斜面としても、光軸位置、角度が変動しにくい出射光を得ることができる。したがって、本実施例によれば、直進度測定器などの測定機器の信頼性を向上させることができる。

また、入射光の光軸とスプリッター面との高さを揃えて入射させることにより光強度分布を逆ガウシャン形に変換できる。そして、光の集光状態などから位置や変位を計測する光変位計等の測定機器をより高精度にすることができる。

次に、他の実施の形態について図８を用いて説明する。図８（Ａ）は他の実施の形態である光学プリズム１０の正面図を、図８（Ｂ）はその側面図を、図８（Ｃ）は得られる出射光３２，３４を示す図である。

本実施の形態の光学プリズム１０は、円筒形状のプリズム４０の両端に円錐形プリズム４２を設けたものである。また、その中心平面には、光の一部を透過、一部を反射させるビームスプリッター面２４が設けられている。この透過と反射の割合は等しい。

この光学プリズム１０の左上側面１６、すなわち、円錐形プリズム４２の側面に入射光３０を照射した場合について説明する。この場合、第１の実施の形態と同様に、ビームスプリッター面２４を透過した光は右下側面２２である第１出射面２６から、ビームスプリッター面２４で反射した光は右上側面２０である第２出射面２８から、それぞれ出射する。このときの光路は、ビームスプリッター面２４を中心として対称である。したがって、得られる２つの出射光３２，３４も、常に対称となる。したがって、入射光３０の位置や角度がずれても出射光全体３６の光軸位置および角度は変化しない。また、強度分布は常に対称となっている。したがって、本実施例の光学プリズム１０であっても、直進度測定器のような測定機器の信頼性を向上させることができる。

なお、得られる出射光３２，３４は、図８（Ｃ）に示すように円錐の中心点を中心として点対称となっている。これは、一見、第１の実施形態で得られる出射光（図２（Ｃ）参照）と似ている。しかし、本実施形態での出射光３２，３４は、円錐の頂点を中心として点対称であることが異なる。

また、ここでは、入射光３０を左上側面１６のみから入射した例を示しているが、左下側面１８のみから入射、あるいは、左上側面１６と左下側面１８との両面から入射してもよい。さらに、入射光３０の光軸とスプリッター面２４との高さを揃えて入射してもよい。その場合は、外側が強くなる強度分布の出射光が得られるため、光の重心位置変化から変位量などを測定する種々の測定器の精度を向上させることができる。

次に、他の実施の形態について、図９を用いて説明する。なお、図９においても説明の便宜上、数本の光線のみを図示しているが、入射光３０は一束の光線である。これは、直方体のプリズム４４の両端にフレネルレンズ４６，４８を設けたものである。このフレネルレンズ４６，４８には、所定の傾斜の側面を有した複数の直線状の溝４９が形成されている。また、このフレネルレンズ４６，４８は、上下対称の形状となっている。すなわち、溝４９の傾斜角度が上下で反転している。さらに、２つのフレネルレンズ４６，４８は互いに反転した形状となっている。したがって、互いに対向するフレネルレンズ４６，４８の溝４９の側面は、平行となっている。

このフレネルレンズ４６，４８を有する光学プリズム１０に入射光３０が入射した場合、図９（Ｂ）に示すような光路をとる。すなわち、フレネルレンズ４６に入射した入射光３０は、溝４９の傾斜面で所定角度に屈折して入射する。そして、中心平面に設けられたビームスプリッター面２４で透過、または、反射する。透過、反射した光は、それぞれ、右側のフレネルレンズ４８に設けられた溝４９傾斜面から出射する。このとき、出射する出射光３６は、ビームスプリッター面２４を中心として上下対称、かつ、入射光と平行である。

したがって、出射光３６の光軸位置および角度は常に一定に保たれる。また、出射光全体３６の強度分布は、常にビームスプリッター面を中心として面対称となっている。つまり、本実施の形態のように、入射側境界面、出射面をフレネルレンズで構成しても、出射光の光軸位置および角度が変化しにくく、強度分布が上下対称に保たれる。したがって、直進度測定器などの信頼性を向上されることができる。

また、入射光３０の光軸とビームスプリッター面２４との高さを揃えて（入射高さｈ＝０）入射光３０を入射すると、得られる出射光３６の強度分布は外側ほど強く、中心ほど弱い逆ガウシャン形となる。したがって、光変位計などの測定機器の精度を向上させることができる。

以上、説明したように、本実施の形態によれば、光軸位置および角度が常に一定の出射光を得ることができるため直進度測定器などの信頼性を向上されることができる。また、入射位置を調整することにより逆ガウシャン形の出射光を得ることができる。したがって、光変位計などの測定機器の精度を向上させることができる。さらに、フレネルレンズで入射側境界面、出射面を構成しているため、光学プリズム全体を小型化することが可能となる。

なお、本実施の形態では、直方体プリズムの両端にフレネルレンズを設けたが、いずれか一方のみをフレネルレンズとし、他方を傾斜面で構成してもよい。すなわち、入射側境界面、出射面のいずれか一方のみをフレネルレンズで構成し、他方を通常の傾斜面で構成してもよい。また、本実施の形態では、直線状の溝を複数設けたフレネルレンズを用いたが、図１０に示すように同心円状に複数の溝を形成したフレネルレンズ５０，５２を設けてもよい。この場合、間に円筒形プリズム５４を配する。

次に、他の実施例について図１１を用いて説明する。図１１は、本実施例の光学プリズム１０の正面図、側面図、出射光を示す図である。この光学プリズム１０は、第２の実施形態の光学プリズムと似ている。したがって、入射光の光軸を含む面を基準面とした場合、基準面を中心として面対称の２つの傾斜面１６，１８からなる入射側境界面２５と、入射側境界面２５を反転させた形状の２つの傾斜面２０，２２からなる出射面２６を有している。ただし、この光学プリズム１０は、その中心平面にビームスプリッター面を有していない。

この光学プリズム１０に入射光３０を照射した場合について説明する。入射光３０は、その光軸が入射側境界面２５の頂点５８と同じ高さになるように入射される。したがって、入射光３０がガウシャン形の強度分布を有する場合、最も強い光が入射側境界面２５の頂点５８付近から入射する。この頂点５８付近から入射した光は、屈折して出射面２６（傾斜面２０，２２）から出射する。このときの出射位置は、図１１から明らかなように、出射面２６の頂点６０から離れた位置となる。一方、入射光３０の外側にある弱い光は、入射側境界面２５の頂点５８から離れた位置から入射し、それぞれ、出射面２６の頂点６０近傍から出射する。

したがって、得られる出射光３６の強度分布は、中心ほど弱く、外側ほど強い逆ガウシャン形となっている。そのため、この光学プリズムを用いることにより、光変位計のような光の重心位置変化に基づいて測定する測定機器の精度を向上させることができる。また、ビームスプリッター面を設ける必要がないため、単一のプリズムで構成できる。そのため、より簡易に製造することができる。

なお、当然ながら、面対称の２つの傾斜面からなる入射側境界面、および、入射側境界面を反転させた出射面とを有するものであれば、他の形状のプリズムであってもよい。例えば、円筒プリズムの両端に円錐プリズムを設けたものや、直方体または円筒プリズムの両端にフレネルレンズを設けたものでもよい（図１２，１３参照）。この場合であっても、図１２，１３に示すようにそれぞれ、入射された光は上下で対称の光路をとるため逆ガウシャン形状の出射光を得ることができる。

本発明の実施の形態である光学プリズムを示す図である。 光学プリズムに光を照射したときの様子を示す図である。 光学ガラスに入射された平行光の光路を示す図である。 図３で示される原理を光学プリズムに適用した場合を示す図である。 入射光の光軸位置および角度が変化した場合を示す図である。 他の実施の形態である光学プリズムに入射される光を示す図である。 他の実施の形態である光学プリズムに光を入射した場合を示す図である。 他の実施の形態の光学プリズムを示す図である。 他の実施の形態の光学プリズムを示す図である。 他の実施の形態の光学プリズムを示す図である。 他の実施の形態の光学プリズムを示す図である。 他の実施の形態の光学プリズムを示す図である。 他の実施の形態の光学プリズムを示す図である。

符号の説明

１０ 光学プリズム、２４ ビームスプリッター面、２５ 入射側境界面、２６，２８ 出射面、３０ 入射光、３２，３４，３６ 出射光、４４ プリズム、４６，４８，５０，５２ フレネルレンズ、ｄ シフト量、ｈ 入射高さ、ｉ 入射角度、ｎ 屈折率、θ 屈折角度。

Claims (9)

1. 所定の屈折率を備えた光学装置であって、
   平行光の入射する面であって、光の光軸に対して傾斜した入射側境界面と、
   光学装置の内部を進む光の一部を透過、一部を反射させるスプリッター面であって、入射光の光軸と平行なスプリッター面と、
   入射側境界面と平行であって、スプリッター面を透過した光が出射する第１出射面と、
   スプリッター面で反射された光の出射面であって、スプリッター面を中心として第１出射面と面対称である第２出射面と、
   を有することを特徴とする光学装置。
2. 請求項１に記載の光学装置であって、
   入射側境界面と第１出射面は、入射側境界面と第１出射面との距離をｔ、入射光の光軸と出射光の光軸との距離をｄ、光学部材の屈折率をｎ、入射角度をｉ、屈折角度をθとすると、
   （数１）
   ｄ＝ｔ・ｓｉｎ（ｉ）｛１−ｃｏｓ（ｉ）／（ｎ／ｃｏｓθ）｝
   を満たす位置関係であって、
   光の入射位置は、スプリッター面から入射位置までの距離をｈとすると、ｄ≧ｈを満たす位置であることを特徴とする光学装置。
3. 請求項１または２に記載の光学装置であって、
   スプリッター面は、反射する光と透過する光の割合が等しいことを特徴とする光学装置。
4. 請求項１から３のいずれか１に記載の光学装置であって、
   光学装置は、互いに空間を介さず配された１以上の光学部材からなることを特徴とする光学装置。
5. 請求項１から３のいずれか１に記載の光学装置であって、
   入射側境界面は、スプリッター面を中心として面対称の２つの傾斜面であることを特徴とする光学装置。
6. 請求項１から４のいずれか１に記載の光学装置であって、
   光学部材は、六角柱形状のプリズムであって、その中心にスプリッター面を設けたプリズムであることを特徴とする光学装置。
7. 請求項１から４のいずれか１に記載の光学装置であって、
   光学部材は、円筒の両端に円錐を設けたプリズムであって、その中心にスプリッター面を設けたプリズムであることを特徴とする光学装置。
8. 請求項１から４のいずれか１に記載の光学装置であって、
   入射側境界面、および、第１出射面の少なくとも１方は、所定の角度で傾斜した側面を有する複数の溝から構成されるフレネルレンズ面であることを特徴とする光学装置。
9. 所定の屈折率を備えた光学装置であって、
   入射される光の光軸を含む基準面を中心として面対称の２つの傾斜面からなる入射側境界面と、
   光学部材の中を透過した光束が出射する出射面であって、基準面を中心として面対称、かつ、入射側境界面を反転した形状の２つの傾斜面からなる出射面と、
   を有することを特徴とする光学装置。

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