JP2022116365A - 光学素子、光源装置および光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の集光特性を有する複数の光ビーム束を出射できる光学素子、光源装置および光学装置を提供する。【解決手段】光学素子１０は、入射面２０に入射した光を光軸ＯＡに沿って伝送し、光軸ＯＡに対して集束、平行化または発散した光を出射面２１，２２から出射する。光学素子１０は、光軸ＯＡに沿った長手方向ＤＬ、および長手方向ＤＬに対して直交する横断方向ＤＴを有し、光軸ＯＡから横断方向ＤＴに沿って屈折率が低下する屈折率分布を有する。第１出射面２１が、長手方向ＤＬにおいて第１位置に設けられ、第２出射面２２が、長手方向ＤＬにおいて第１位置とは異なる第２位置に設けられる。【選択図】図１

Description

本発明は、複数の集光特性を有する複数の光ビーム束を出射できる光学素子、こうした光学素子を用いた光源装置、およびこうした光源装置を用いた光学装置に関する。

従来、石英製光ファイバの端部をエッチングによって凹部を形成し、凹レンズ機能を付与することが開示されている（例えば、特許文献１）。

特開２００４－６１５３３号公報 特開平４－６６８７３号公報 国際公開第２０１５／１７０７５８号公報 特許第６２５８６１８号公報 特開２０１２－１３７６８８号公報

特許文献１の手法では、光ファイバ端面から出射される光ビーム全体の集光性が変更可能になるだけに過ぎず、単一の光ビームしか得られない。

本発明の目的は、複数の集光特性を有する複数の光ビーム束を出射できる光学素子を提供することである。また本発明の目的は、こうした光学素子を用いた光源装置を提供することである。また本発明の目的は、こうした光源装置を用いた光学装置を提供することである。

本発明の一態様に係る光学素子は、入射面に入射した光ビームを光軸に沿って伝送し、前記光軸に対して集束、平行化または発散した光ビームを出射面から出射する光学素子であって、
前記光学素子は、前記光軸に沿った長手方向、および該長手方向に対して直交する横断方向を有し、前記光軸から前記横断方向に沿って屈折率が低下する屈折率分布を有し、
第１出射面が、前記長手方向において第１位置に設けられ、
第２出射面が、前記長手方向において前記第１位置とは異なる第２位置に設けられる。

本発明の他の態様に係る光源装置は、光ビームを発生する光源と、上記の光学素子とを備える。

本発明の他の態様に係る光学装置は、上記の光源装置と、前記光源装置から出射される光ビームが照射されるサンプルを保持するホルダとを備える。

本発明に係る光学素子によれば、光軸に対して異なる集光特性を有する複数の光ビーム束を出射することが可能になる。

図１（Ａ）は、本発明の実施形態１に係る光学素子の一例を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、光が進行する経路を示す説明図である。図１（Ｃ）は、光軸に対する光の出射角度の定義を示す説明図である。 図２（Ａ）は、ＧＩ型の屈折率分布を有するコア内での光線の経路を示す説明図である。図２（Ｂ）は、屈折率分布を示すグラフである。 角柱状のコアを有する光学素子の一例を示す斜視図である。 光源において複数の発光部が２次元状に配列した様子を示す説明図であり、図４（Ａ）は発光部のＸＹ座標テーブルを示し、図４（Ｂ）は概略斜視図を示す。 光学素子の寸法の一例を示す側面図である。 光学素子の寸法の一例を示す斜視図である。 ターゲットにおける光ビームの分布の一例を示す説明図である。 第２出射面が横断方向に対して傾斜した場合を例示しており、図８（Ａ）は光の臨界角の説明図、図８（Ｂ）は第２出射面が横断方向に対して出射側に傾斜した説明図、図８（Ｃ）は第２出射面が横断方向に対して入射側に傾斜した説明図である。 光学素子の製造方法の一例を示す説明図である。 本発明の実施形態２に係る光学装置を示す構成図である。 本発明の実施形態３に係る光学装置を示す構成図である。

本発明の一態様に係る光学素子は、入射面に入射した光ビームを光軸に沿って伝送し、前記光軸に対して集束、平行化または発散した光ビームを出射面から出射する光学素子であって、
前記光学素子は、前記光軸に沿った長手方向、および該長手方向に対して直交する横断方向を有し、前記光軸から前記横断方向に沿って屈折率が低下する屈折率分布を有し、
第１出射面が、前記長手方向において第１位置に設けられ、
第２出射面が、前記長手方向において前記第１位置とは異なる第２位置に設けられる。

この構成によれば、光学素子は、光軸から横断方向に沿って屈折率が低下する屈折率分布を有するため、光学素子を通過する光ビームの軌跡は、光軸からの距離が周期的に変化する曲線を示す。第１出射面は、長手方向において第１位置に設けられ、第２出射面は、長手方向において第１位置とは異なる第２位置に設けられる。これにより光学素子は、光軸に対して異なる集光特性を有する複数の光ビーム束を出射することが可能になる。

前記光学素子を通過する光ビームの軌跡は、前記光軸からの距離が周期的に変化する曲線を示し、該曲線は、光ビームが前記光軸に最も接近する節と、光ビームが前記光軸から最も遠くなる腹と、該節から該腹に至る発散領域と、該腹から該節に至る集束領域とを含み、
前記第１位置は、前記節、前記発散領域及び前記集束領域のいずれかに設定され、
前記第２位置は、前記節、前記発散領域及び前記集束領域のいずれかにおいて、前記第１位置とは異なる位置に設定されてもよい。

この構成によれば、第１出射面から出射される光ビーム束の集光特性と、第２出射面から出射される光ビーム束の集光特性とを互いに異ならせることが可能になる。

前記光学素子を通過する光ビームの軌跡は、前記光軸からの距離が周期的に変化する曲線を示し、該曲線は、光ビームが前記光軸に最も接近する節と、光ビームが前記光軸から最も遠くなる腹と、該節から該腹に至る発散領域と、該腹から該節に至る集束領域とを含み、
前記第１出射面は、前記集束領域内の第１位置に設けられ、
前記第２出射面は、前記腹および前記集束領域内のいずれかの第２位置に設けられてもよい。

この構成によれば、第１出射面は、光軸に対して集束性の光ビーム束を出射することが可能になり、第２出射面は、光軸に対して平行または集束性の光ビーム束を出射することが可能になる。

前記光学素子を通過する光ビームの軌跡は、前記光軸からの距離が周期的に変化する曲線を示し、該曲線は、光ビームが前記光軸に最も接近する節と、光ビームが前記光軸から最も遠くなる腹と、該節から該腹に至る発散領域と、該腹から該節に至る集束領域とを含み、
前記第１出射面は、前記集束領域内の第１位置に設けられ、
前記第２出射面は、前記腹および前記発散領域内のいずれかの第２位置に設けられてもよい。

この構成によれば、第１出射面は、光軸に対して集束性の光ビーム束を出射することが可能になり、第２出射面は、光軸に対して平行または発散性の光ビーム束を出射することが可能になる。

前記光学素子は、円柱状または角柱状であり、
前記第１出射面は、前記光軸を含む中央に設けられ、
前記第２出射面は、前記第１出射面の外側に環状に設けられてもよい。

この構成によれば、光軸を中心として回転対称に分布する複数の光ビーム束を容易に実現できる。

前記第１出射面は、前記第２出射面から前記長手方向に沿って突出した突出部の端面に設けられてもよい。

この構成によれば、第１出射面および第２出射面の位置決めが容易になる。

前記第１出射面および前記第２出射面は、前記横断方向に対して平行でもよい。

この構成によれば、第１出射面および第２出射面の加工が比較的容易になる。

前記第１出射面は、前記横断方向に対して平行であり、
前記第２出射面は、前記横断方向に対して傾斜してもよい。

この構成によれば、第２出射面が出射する光ビームの進行方向を調整することが可能になる。

前記第１出射面及び前記第２出射面は、前記入射面での１つ目の腹から２つ目の腹までの位置に設けられてもよい。

この構成によれば、光ビームの分散誤差が比較的小さいうちに出射できるとともに、光学素子の小型化が図られる。

前記屈折率分布は、前記光軸からの距離に関して屈折率が２次曲線的に変化するグレーデッド型でもよい。

この構成によれば、光学素子を通過する光ビームの軌跡は、正弦波状に変化するようになる。

前記光学素子は、光ビームが進行するコアと、
前記コアの外周に設けられたクラッドとを備えてもよい。

この構成によれば、コアの外周が保護されるため、光ビームはコア内を安定に進行できるようになる。

本発明の他の態様に係る光源装置は、光ビームを発生する光源と、上記の光学素子とを備える。

この構成によれば、光軸に対して異なる集光特性を有する複数の光ビーム束を発生することが可能になる。

本発明の他の態様に係る光学装置は、上記の光源装置と、前記光源装置から出射される光ビームが照射されるサンプルを保持するホルダとを備える。

この構成によれば、光軸に対して異なる集光特性を有する複数の光ビーム束をサンプルに照射することが可能になる。

（実施形態１）
図１（Ａ）は、本発明の実施形態１に係る光学素子１０の一例を示す斜視図である。図１（Ｂ）は、光が進行する経路を示す説明図である。図１（Ｃ）は、光軸ＯＡに対する光の出射角度θの定義を示す説明図である。

光学素子１０は、円柱状のコア１１と、コア１１の外周に設けられたクラッド１２とを備える。コア１１およびクラッド１２は、一般の光ファイバと同様に、光に対して透明な材料、例えば、ガラス、石英などの無機材料、または合成樹脂などの有機材料などで製作できる。コア１１の屈折率は、一般にクラッド１２の屈折率より大きくなるように設計される。クラッド１２は、コア１１の外周を保護して、光がコア１１内を安定に進行するのに寄与するが、必要に応じて省略することも可能である。

光学素子１０は、コア１１の中心に位置する光軸ＯＡを有し、さらに光軸ＯＡに沿った長手方向ＤＬ、および長手方向ＤＬに対して直交する横断方向ＤＴを有する。コア１１は、光軸ＯＡから横断方向ＤＴに沿って屈折率が低下する屈折率分布を有する。こうした屈折率分布は、ＧＩ（グレーデッドインデックス: Graded Index）型とも称され、詳細は後述する。

光学素子１０は、光が入射する入射面２０と、光が出射する第１出射面２１および第２出射面２２を有する。入射面２０、第１出射面２１および第２出射面２２は、横断方向ＤＴに対して平行である。

入射面２０の前方には、互いに平行な複数の光ビームを発生する光源３０が配置される。光源３０は、複数の発光部が２次元状に配列したマルチエミッタ面発光レーザ、例えば、ＶＣＳＥＬ（垂直共振器面発光型レーザ: Vertical Cavity Surface Emitting Laser）などが使用できる。こうした光源３０は、光学素子１０と組み合せることによって、光源装置を実現できる。光源３０は、光学素子１０の入射面２０に接して設けてもよく、これにより光源３０と光学素子１０との位置決め精度の向上、光源装置の小型化が図られる。

コア１１の出射側には、長手方向ＤＬに沿って突出した突出部１１ａが設けられ、第１出射面２１は、この突出部１１ａの端面に設けられる。また第２出射面２２は、コア１１の突出していない部分、即ち、突出部１１ａを除いた環状エリアとして設けられる。突出部１１ａは、切削などの機械加工、エッチングなどの化学的処理などで加工できる。

こうして第１出射面２１は、長手方向ＤＬにおいて第１位置に設けられ、第２出射面２２は、長手方向ＤＬにおいて第１位置とは異なる第２位置に設けられる。

図２（Ａ）は、ＧＩ型の屈折率分布を有するコア１１内での光線の経路を示す説明図である。図２（Ｂ）は、屈折率分布を示すグラフである。ＧＩ型の屈折率分布を有する光学素子は、ＧＲＩＮレンズとも称される。コア１１内の屈折率は、光軸ＯＡからの半径ｒに関して２次曲線的、例えば、放物線状に分布しており、光軸ＯＡ上で最も高くなり、半径ｒの増加とともに低下する。具体的には、コア１１内の屈折率ｎ（ｒ）は、下記の式（１）で表される。ここで、ｎ１は光軸ＯＡでの屈折率、√Ａは勾配係数、ｒは光軸ＯＡからの半径位置である。

このときコア１１内の光線は、ピッチＰで周期的に変化する正弦波状曲線を示し、長さＰ／２ごとに、光軸ＯＡに接近して光軸ＯＡからの距離ｄが最小になる節と、光軸ＯＡから遠ざかって光軸ＯＡからの距離ｄが最大になる腹とが繰り返し現れる。なお、コア１１の長さＬＣを用いて、２πＰ＝ＬＣ×√Ａの関係が成立する。

こうした屈折率分布は、光軸ＯＡからの半径ｒに関して２次以上の高次の関数に拡張してもよい。この場合の屈折率分布は、下記の式（２）で表される。ここで、ｎ_ｒｎ（ｎ＝０，２，４，…，１２）は係数である。

図１に戻って、光源３０は、複数の光ビームを互いに平行となるように発生し、そのまま入射面２０に入射する。コア１１の内部において各光ビームが光軸ＯＡに沿って進行すると、各光ビームの主光線は、光軸ＯＡからの距離ｄがピッチＰで周期的に変化する経路を示す。ここで光ビームの経路は、２つの領域、即ち、１）節Ｑ１から腹Ｑ２に至る発散領域ＲＤと、２）腹Ｑ２から節Ｑ１に至る集束領域ＲＣとに区分できる。

この場合、コア１１の出射面を集束領域ＲＣの範囲に設定することによって、光ビームは、光軸ＯＡに対して正の角度（θ＞０）の方向に集束するようになる。また、コア１１の出射面を発散領域ＲＤの範囲に設定することによって、光ビームは、光軸ＯＡに対して負の角度（θ＜０）の方向に発散するようになる。また、コア１１の出射面を腹Ｑ２またはその近傍に設定することによって、光ビームは、光軸ＯＡに対して平行（θ＝０）または略平行（θ≒０）な方向に進行するようになる。また、コア１１の出射面を節Ｑ１またはその近傍に設定することによって、光ビームは、光軸ＯＡに対して最大の発散角度の方向に発散するようになる。

なお角度θの定義に関して、図１（Ｃ）に示すように、光ビームが出射面ＰＥを出射し、光軸ＯＡに接近して集束する場合、光軸ＯＡに対する角度θは正、即ち、θ＞０とする。光ビームが出射面ＰＥを出射し、光軸ＯＡから遠ざかって発散する場合、光軸ＯＡに対する角度θは負、即ち、θ＜０とする。なお、光ビームが出射面ＰＥを出射し、光軸ＯＡに対して平行に進行する場合、光軸ＯＡに対する角度θはゼロ、即ち、θ＝０とする。

本実施形態では、図１（Ｂ）に示すように、第１出射面２１は、集束領域ＲＣに設けられるため、第１出射面２１を出射した光ビームは、光軸ＯＡに対して正の角度（θ１＞０）の方向に進行し、第１出射面２１から所定の距離だけ離れた位置Ｚ１で集束する。また、第２出射面２２は、腹Ｑ２の近傍に設定されており、第２出射面２２を出射した光ビームは、光軸ＯＡに対して平行（θ２＝０）な方向に進行する。この場合、光ビームが集束する位置Ｚ２は、理論的には無限遠となる（Ｚ２＝∞）。

一般には、第１出射面２１は、集束領域ＲＣ、腹Ｑ２および発散領域ＲＤのいずれかに設定してもよく、第２出射面２２も集束領域ＲＣ、腹Ｑ２および発散領域ＲＤのいずれかに設定してもよい。このとき第１出射面２１の長手方向位置と第２出射面２２の長手方向位置が互いに異なるように設定すると、第１出射面２１の出射角度θ１および第２出射面２２の出射角度θ２は互いに異なるようになり、光軸ＯＡに対して異なる集光特性を有する複数の光ビーム束を出射することが可能になる。なお、「集光特性」とは、光ビームが光軸に対して任意の角度で集束、平行化または発散する状態を意味するものであり、集光特性が異なると、光軸ＯＡ上において光ビームが集束する位置の相違として現れる。

図３は、角柱状のコア１１を有する光学素子１０の一例を示す斜視図である。この場合も、図１に示した円柱状のコア１１と同様に、コア１１内の屈折率は、光軸ＯＡからの半径ｒに関して２次曲線的、例えば、放物線状に分布しており、光軸ＯＡ上で最も高くなり、半径ｒの増加とともに低下する。コア１１内の光線は、ピッチＰで周期的に変化する正弦波状曲線を示す。

第１出射面２１が集束領域ＲＣの範囲に設定された場合、第１出射面２１を出射した光ビームは、光軸ＯＡに対して正の角度（θ１＞０）の方向に進行する。また、第２出射面２２が腹Ｑ２の近傍に設定された場合、第２出射面２２を出射した光ビームは、光軸ＯＡに対して平行（θ２＝０）な方向に進行する。

図４は、光源３０において複数の発光部が２次元状に配列した様子を示す説明図であり、図４（Ａ）は発光部のＸＹ座標テーブルを示し、図４（Ｂ）は概略斜視図を示す。

５つのＸ座標（－０．２５ｍｍ、－０．１０ｍｍ、０ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．２５ｍｍ）と、５つのＹ座標（－０．２５ｍｍ、－０．１０ｍｍ、０ｍｍ、０．１０ｍｍ、０．２５ｍｍ）との組合せにより、計２５個のＸＹ座標が定義され、計２５個の発光部が配列される。

ここでは、複数の発光部が５×５の２次元マトリクス状に配列した場合を例示したが、一般には複数の発光部がＮ×Ｍ（Ｎ、Ｍは任意の正の整数）の２次元状に配列された光源が使用できる。また、発光部の配列間隔についても０．１０ｍｍ、０．１５ｍｍ以外の間隔でも構わない。

図５は、光学素子１０の寸法の一例を示す側面図であり、図６はその斜視図である。円柱状のコア１１およびクラッド１２は、３．３ｍｍの長さを有する。コア１１は、０．８ｍｍの外径を有する。クラッド１２は、１．０ｍｍの外径を有する。突出部１１ａは、０．４ｍｍの外径を有する。突出部１１ａは、０．７ｍｍの高さを有する。従って、第１出射面２１は、第２出射面２２から０．７ｍｍだけ長手方向に変位している。ターゲットＴＧが第１出射面２１から０．４ｍｍだけ離間した位置に設置され、第１出射面２１から出射した光ビームはターゲットＴＧ上で集束する。なお、図５と図６に示した数値は一例に過ぎず、他の数値も採用できる。

図７は、ターゲットＴＧにおける光ビームの分布の一例を示す説明図である。光源３０が発生した２５本の光ビームのうち、第１出射面２１から出射した９本の光ビームが、光軸ＯＡに対して集束するように進行し、ターゲットＴＧにおいて光軸ＯＡに集光している。また第２出射面２２を出射した１６本の光ビームが、光軸ＯＡに対して平行または略平行に進行し、ターゲットＴＧにおいて光軸ＯＡの周囲に分散している。

図８は、第２出射面２２が横断方向ＤＴに対して傾斜した場合を例示しており、図８（Ａ）は光の臨界角ｉ_０の説明図、図８（Ｂ）は第２出射面２２が横断方向ＤＴに対して出射側に傾斜した説明図、図８（Ｃ）は第２出射面２２が横断方向ＤＴに対して入射側に傾斜した説明図である。

図８（Ａ）に示すように、光が媒体Ｍ１内を進行し、屈折率ｎ_１を有する媒体Ｍ１と、屈折率ｎ_２を有する媒体Ｍ２との界面に入射角ｉ_１で入射する際、光の一部は屈折して媒体Ｍ２に進行し、光の一部は反射する。このとき臨界角は、ｓｉｎ（ｉ_０）＝ｎ_２／ｎ_１を満たす角度ｉ_０として定義される。従って、光の全てが界面で反射する全反射が発生しないためには、入射角ｉ_１は、臨界角ｉ_０より小さくする必要がある。

図８（Ｂ）および図８（Ｃ）において、コア１１の屈折率ｎ_１は空気の屈折率ｎ_２より大きい（ｎ_１＞ｎ_２）。コア１１内を進行する光が第２出射面２２に対して入射角ｉ_１で入射する場合、横断方向ＤＴに対する第２出射面２２の傾斜角を適切に設定することによって、第２出射面２２を出射する光は、光軸ＯＡに対して平行にできる。また、第２出射面２２の傾斜角を調整することによって、第２出射面２２を出射する光は、光軸ＯＡに対して集束または発散させることができる。

図９は、光学素子１０の製造方法の一例を示す説明図である。図９（Ａ）に示すように、容器５０の中にクラッド１２の原料５１を充填する。次に図９（Ｂ）に示すように、コア１１の原料５２を供給するためのノズルＮＺが原料５１の中に挿入され、ノズルＮＺの開口部を容器５０の底部付近に位置決めする。次に図９（Ｃ）に示すように、ノズルＮＺを上方に引き上げながら、原料５２を送出する。このとき原料５１の中に残留する原料５２が円柱状になるように、ノズルＮＺの引き上げ速度および原料５２の送出量を調整する。

次に図９（Ｄ）に示すように、ノズルＮＺの引き上げが完了した後、所定時間だけ放置する。これにより原料５１と原料５２が互いに混合しながら、徐々に硬化する。完全に硬化すると、原料５１はクラッド材５１ａとなり、原料５２はコア材５２ａとなる。このとき原料５１，５２の混合比は、コア材５２ａの外側から内側に向かって変化しており、製造条件を適切に設定することによって、所望の屈折率分布が得られる。

原料５１，５２は、硬化していない流体、例えば、硬化前の合成樹脂が使用でき、例えば、シリコーン樹脂、アクリル樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、ポリオレフィン樹脂、ポリノルボルネン樹脂などが使用でき、硬化後の屈折率が互いに異なるように選択される。

次に図９（Ｅ）に示すように、容器５０からクラッド材５１ａおよびコア材５２ａを取り出して、切削などの機械加工、またはエッチングなどの化学的処理などで加工することにより、図１に示す光学素子１０が得られる。

なお以上の説明では、屈折率分布が連続的に変化するＧＩ型のコア１１について例示したが、屈折率分布が階段状に変化するＳＩ（ステップインデックス: Step Index）型のコア１１についても本発明は同様に適用できる。

また以上の説明では、コア１１の出射側に２つの出射面２１，２２を設けた場合を例示したが、３つ以上の出射面を設けて、３種類以上の集光特性を有する光ビーム束を発生させることも可能である。

（実施形態２）
図１０は、本発明の実施形態２に係る光学装置２００を示す構成図である。本実施形態に係る光学装置２００は、被検者から取り出した細胞、例えば、癌細胞に熱ダメージを与える医療装置として動作する。

光学装置２００は、上述した光学素子１０および光源３０を含む光源装置１００と、サンプルを保持するホルダ２０１などを備える。ホルダ２０１は、光が通過できる透明材料で形成され、液体が移動可能なように、チューブなどの中空部材、またはプレートなどの基板で構成される。

サンプルは、例えば、多数の細胞ＣＡ，ＣＢが分散して浮遊している液体である。細胞ＣＡ，ＣＢには、事前にＡｕ粒子が付着している。細胞ＣＡ，ＣＢに、波長８００ｎｍ～１０００ｎｍのレーザ光が照射されると、Ａｕ粒子によって光熱変換されて熱が発生し、細胞ＣＡ，ＣＢに熱ダメージを与えることができる。

光学素子１０は、光ビームが出射する第１出射面２１および第２出射面２２を有する。本実施形態において、第１出射面２１は、光軸ＯＡに対して正の角度θ１の方向に光ビームを出射し、第１出射面２１から所定の距離だけ離れた位置Ｚ１に光ビーム集束点を形成する。位置Ｚ１の近傍に位置決めされた細胞ＣＡは、第１出射面２１からの光ビームによって照射され、光熱変換によって熱ダメージが与えられる。

第２出射面２２は、光軸ＯＡに対して角度θ１より小さい正の角度θ２（θ２＜θ１）の方向に光ビームを出射し、第１出射面２１から位置Ｚ１より遠く離れた位置Ｚ２に光ビーム集束点を形成する。位置Ｚ２の近傍に位置決めされた細胞ＣＢは、第２出射面２２からの光ビームによって照射され、光熱変換によって熱ダメージが与えられる。

こうして本発明に係る光学素子１０を使用することによって、２つの加熱光ビームを発生し、２つの光ビーム集束点が形成できる。そのため複数の細胞ＣＡ，ＣＢに対して同時に熱ダメージを与えることが可能になる。

（実施形態３）
図１１は、本発明の実施形態３に係る光学装置３００を示す構成図である。本実施形態に係る光学装置３００は、検体を観察する観察装置として動作する。

光学装置３００は、上述した光学素子１０および光源３０を含む光源装置１００と、サンプルＳＡを保持するホルダ３０１と、サンプルＳＡを光学的に検出する検出素子３１０などを備える。ホルダ３０１は、光が通過できる透明材料で形成され、液体を保持できるプレートなどの基板で構成される。検出素子３１０は、例えば、ＣＭＯＳイメージセンサ（ＣＩＳ）などの撮像センサで構成される。検出素子３１０の前方には、集光レンズ３１１が密着して設けられる。

ホルダ３０１の表面には、例えば、Ａｕ蒸着薄膜が設けられ、光ビームが照射されるとプラズモン効果によって局所的に温度が上昇する光熱変換が起こる。サンプルＳＡは、プラスチック製のビーズが多数分散している液体である。光ビームの照射により、液体が局所的に気化してマイクロバブルが発生し、これによりビーズの集積が可能になる。

光学素子１０は、光ビームが出射する第１出射面２１および第２出射面２２を有する。本実施形態において、第１出射面２１は、光軸ＯＡに対して正の角度θ１の方向に光ビームを出射し、第１出射面２１から所定の距離だけ離れた位置Ｚ１に光ビーム集束点を形成する。位置Ｚ１の近傍に位置決めされたサンプルＳＡは、第１出射面２１からの光ビームによって照射され、光熱変換によってマイクロバブル発生し、ビーズが集積される。集積した様子は検出素子３１０によって検出される。

第２出射面２２は、光軸ＯＡに対して角度θ１より小さい正の角度θ２（θ２＜θ１）の方向に、平行化または発散した光ビームを出射する。この光ビームはホルダ３０１を通過して、検出素子３１０でサンプルＳＡを検出するための照明光として機能する。

こうして本発明に係る光学素子１０を使用することによって、サンプルＳＡを加熱するための加熱光ビームと、サンプルＳＡを照明するための照明光ビームを同時に発生させることが可能になる。その結果、光学装置３００の小型化、部品点数の削減が図られる。

本発明は、添付図面を参照しながら好ましい実施形態に関連して充分に記載されている
が、この技術の熟練した人々にとっては種々の変形や修正は明白である。そのような変形
や修正は、添付した請求の範囲による本発明の範囲から外れない限りにおいて、その中に
含まれると理解されるべきである。

本発明は、光軸に対して異なる集光特性を有する複数の光ビーム束を出射することが可能な光学素子が実現できるため、産業上極めて有用である。

１０ 光学素子
１１ コア
１１ａ 突出部
１２ クラッド
２０ 入射面
２１ 第１出射面
２２ 第２出射面
３０ 光源
ＤＬ 長手方向
ＤＴ 横断方向
ＯＡ 光軸
Ｑ１ 節
Ｑ２ 腹
ＲＣ 集束領域
ＲＤ 発散領域
２００，３００ 光学装置
２０１，３０１ ホルダ
３１０ 検出素子

Claims (16)

1. 入射面に入射した光ビームを光軸に沿って伝送し、前記光軸に対して集束、平行化または発散した光ビームを出射面から出射する光学素子であって、
   前記光学素子は、前記光軸に沿った長手方向、および該長手方向に対して直交する横断方向を有し、前記光軸から前記横断方向に沿って屈折率が低下する屈折率分布を有し、
   第１出射面が、前記長手方向において第１位置に設けられ、
   第２出射面が、前記長手方向において前記第１位置とは異なる第２位置に設けられる、光学素子。
2. 前記光学素子を通過する光ビームの軌跡は、前記光軸からの距離が周期的に変化する曲線を示し、該曲線は、光ビームが前記光軸に最も接近する節と、光ビームが前記光軸から最も遠くなる腹と、該節から該腹に至る発散領域と、該腹から該節に至る集束領域とを含み、
   前記第１位置は、前記節、前記発散領域及び前記集束領域のいずれかに設定され、
   前記第２位置は、前記節、前記発散領域及び前記集束領域のいずれかにおいて、前記第１位置とは異なる位置に設定される、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記光学素子を通過する光ビームの軌跡は、前記光軸からの距離が周期的に変化する曲線を示し、該曲線は、光ビームが前記光軸に最も接近する節と、光ビームが前記光軸から最も遠くなる腹と、該節から該腹に至る発散領域と、該腹から該節に至る集束領域とを含み、
   前記第１出射面は、前記集束領域内の第１位置に設けられ、
   前記第２出射面は、前記腹および前記集束領域内のいずれかの第２位置に設けられる、請求項１に記載の光学素子。
4. 前記光学素子を通過する光ビームの軌跡は、前記光軸からの距離が周期的に変化する曲線を示し、該曲線は、光ビームが前記光軸に最も接近する節と、光ビームが前記光軸から最も遠くなる腹と、該節から該腹に至る発散領域と、該腹から該節に至る集束領域とを含み、
   前記第１出射面は、前記集束領域内の第１位置に設けられ、
   前記第２出射面は、前記腹および前記発散領域内のいずれかの第２位置に設けられる、請求項１に記載の光学素子。
5. 前記光学素子は、円柱状または角柱状であり、
   前記第１出射面は、前記光軸を含む中央に設けられ、
   前記第２出射面は、前記第１出射面の外側に環状に設けられる、請求項１から４のいずれかに記載の光学素子。
6. 前記第１出射面は、前記第２出射面から前記長手方向に沿って突出した突出部の端面に設けられる、請求項１から５のいずれかに記載の光学素子。
7. 前記第１出射面および前記第２出射面は、前記横断方向に対して平行である、請求項６に記載の光学素子。
8. 前記第１出射面は、前記横断方向に対して平行であり、
   前記第２出射面は、前記横断方向に対して傾斜している、請求項６に記載の光学素子。
9. 前記第１出射面及び前記第２出射面は、前記入射面での１つ目の腹から２つ目の腹までの位置に設けられる、請求項６に記載の光学素子。
10. 前記屈折率分布は、前記光軸からの距離に関して屈折率が２次曲線的に変化するグレーデッド型である、請求項１に記載の光学素子。
11. 光ビームが進行するコアと、
    前記コアの外周に設けられたクラッドとを備える、請求項１に記載の光学素子。
12. 光ビームを発生する光源と、
    請求項１から１１のいずれかに記載の光学素子とを備える、光源装置。
13. 前記光源は、前記光学素子の前記入射面に接して設けられる、請求項１２に記載の光源装置。
14. 前記光源は、マルチエミッタ面発光レーザである、請求項１２に記載の光源装置。
15. 請求項１１から１４のいずれかに記載の光源装置と、
    前記光源装置から出射される光ビームが照射されるサンプルを保持するホルダとを備える、光学装置。
16. 前記サンプルを光学的に検出する検出素子をさらに備える、請求項１５に記載の光学装置。

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