JP5906171B2 - 光路変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、光通信機器など光学系を利用する装置内部で利用される光路変換素子に関する。

光路を所望の角度（例えば９０度）折り曲げる方法として、入射光に対して所望の角度の半分（例えば４５度）の傾きを有する４５度プリズムや平面鏡等の光路変換素子を用いる方法がある。光路を９０度折り曲げる場合、これらの方法では、素子の設置角度の正確さが要求され、入射光路と出射光路との間の角度（以下、折り曲げ角度とする）の誤差が設置角度誤差の２倍となるため、光学系組立の際の光軸調整に時間と手間がかかる。

一方、ペンタプリズムも同様に、光路を９０度折り曲げる光路変換素子である。図１は、一般的なペンタプリズムを示す。図１に示されるように、ペンタプリズム１００は、入射面ＡＥ及び出射面ＡＢと、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤと、光が透過及び反射しない面ＣＤとから構成されている。面間角度４５度の第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤで光が内部反射されることにより光路を９０度折り曲げるため、その折り曲げ角度はペンタプリズムの設置角度にも、光路の入射角度にも依存しない。よって、光学系組立の際に平面鏡と比較することにより時間と手間を大幅に省略することができる。

図１に示されるように、ペンタプリズム１００は、入射面ＡＥと出射面ＡＢとの角度が９０度であり、入射面ＡＥと第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤとのそれぞれの角度（∠ＡＢＣ及び∠ＡＥＤ）が双方ともに１１２度３０分で対称となっている。入射面ＡＥに垂直に入射した光は、第１の反射面ＢＣに対して第１の反射面ＢＣの法線（以下、ＢＣ法線とする）から２２．５度で入射するが、この入射角では第１の反射面ＢＣで光が全反射しないため、第１の反射面ＢＣ外面に高反射膜を形成して光を全反射させることが通常行われている。

光通信用光学系で使用されるペンタプリズム１００において、入射面ＡＥ及び出射面ＡＢの表面には誘電体多層膜による無反射膜を形成して光の表面反射を防ぎ、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤには誘電体多層膜による高反射膜を形成して光を全反射させることが一般的に行われている（非特許文献１を参照）。

誘電体多層膜の性質として、ペンタプリズム１００を構成するガラス内部の反射角度は、スネルの法則によって、空気中の反射角度と等価に関係付けられる。図２は、ガラス中反射角度と空気中反射角度との関係を示す。図２に示されるように、誘電体多層膜が、例えば、ペンタプリズム１００で使用される通常の光学ガラス（例えば屈折率１．５００５０）内部の第１の反射面ＢＣにおいてＢＣ法線から角度２２．５度で最適に反射するように設計されている場合、空気中（屈折率１．０）においてはＢＣ法線から角度３５．０度において最適に反射する。また、高屈折率ガラス（例えば屈折率１．９５５）では、誘電体多層膜が、高屈折率ガラス内部の第１の反射面ＢＣにおいてＢＣ法線から角度２２．５度で最適に反射するように設計されている場合、空気中（屈折率１．０）においてはＢＣ法線から角度４８．４３度において最適に反射する。

光通信においては、レーザ光を利用しているため、光学素子表面の反射による戻り光が入射光と重なる場合、互いに干渉して悪影響を及ぼす問題があることがよく知られている。そのため、図３に示されるように、ペンタプリズム１００のＡＥ面への光の入射角度を敢えて垂直にせず、入射光を入射面ＡＥの法線（以下、ＡＥ法線とする）に対して所定の角度φ（例えば５度等の小さな角度）傾けておくことが通例である。

図３に示されるように、入射光が屈折率１．５００５のペンタプリズム１００の入射面ＡＥに斜入射する場合、ＡＥ法線に対して５度の入射角で入射した光は、屈折してＡＥ法線に対して３．３度の出射角で内部を進行し、ＢＣ法線に対して１９．２度の入射角で第１の反射面ＢＣに入射する。第１の反射面ＢＣに入射した光は、第１の反射面ＢＣで反射されて、第２の反射面ＥＤの法線（以下、ＥＤ法線とする）に対して２５．８度の入射角で第２の反射面ＥＤに入射する。第２の反射面ＥＤに入射した光は、第２の反射面ＥＤで反射されて、出射面ＡＢの法線（以下、ＡＢ法線とする）に対して３．３度の入射角で出射面ＡＢに入射するとともに空気中に５度の出射角で出射される。このように、たとえ入射光路がＡＥ法線に対して５度傾いていたとしても、出射光路は入射光路に対して９０度折り曲げられていることになる。図３に示されるようなペンタプリズム１００においては、ペンタプリズムの設置角度に依存せず、入射光路と出射光路との間の相対角度を常に９０度を保つことができる。

ここで、光路を走査するビームスキャナーの部品に利用して、入射角度が５度を中心として±５．５度走査された場合は、出射角度も５度を中心として±５．５度走査されることはもちろんであるが、ペンタプリズム１００内部においては、第１の反射面ＢＣへの入射角はＢＣ法線に対して１９．２度±３．６６度（１５．５２度から２２．８３度）となり、第２の反射面ＥＤへの入射角はＥＤ法線に対して２５．８度±３．６６度（２９．４８度から２２．１７度）となる。図２を用いて上記の通常のガラス中の反射を空気中での反射に換算すると、第１の反射面ＢＣに対する入射角度はＢＣ法線に対して２３．６７度〜３５．６０度相当、第２の反射面ＥＤに対する入射角度はＥＤ法線に対して４７．５７度〜３４．４７度相当となる。

「ペンタプリズム」、[online]、平成２４年１月６日、シグマ光機株式会社、［平成２４年９月２６日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.sigma-koki.com/pdf/jp/B070701.pdf＞

光通信の光学系においては、低損失及び偏光無依存性が要求され、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤに形成された高反射多層膜においても、偏光間で反射率の差がほとんど無いこと（例えば０．５％）及び高反射率（例えば９９％）が要求される。図４は、屈折率１．５のガラス表面における反射率と入射角度の偏光依存性を示す。図４に示されるように、一般的に、表面反射において入射角が大きくなると、Ｐ偏光の反射率よりもＳ偏光の反射率が優位となり、Ｓ偏光とＰ偏光とで反射率の差（偏光反射率差）が広がる。

加えて、光通信の光学系においては、光路を長くとる必要性から、高屈折率ガラス材料（例えば屈折率１．９５５）を採用せざるを得ない場合がある。その場合において、入射光がＡＥ法線に対して５度±５．５度走査されるとして、第１の反射面ＢＣに対する入射角度はＢＣ法線に対して１９．９６度±２．８度（１７．１５度から２２．７６度）となり、第２の反射面ＥＤに対する入射角度はＥＤ法線に対して２５．０６度±２．８度（２７．８５度から２２．２４度）となるのは前述と同様である。比較するために、図２を用いて上記の高屈折率ガラス中の反射を空気中での反射に換算すると、第１の反射面ＢＣに対する入射角度はＢＣ法線に対して３５．２１度〜４９．１３度相当、第２の反射面ＥＤに対する入射角度はＥＤ法線に対して６５．９６度〜４７．７４度相当となる。一般的に、ガラスの屈折率が高いほど、Ｓ偏光とＰ偏光との間の反射率の差は広がる。

上記のような入射角や屈折率に起因する反射率の差を補正し、かつ高反射率を有するといった条件を満たす多層膜は、その膜設計が困難であって多数の膜数が必要となり、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤに対して異なる２種類の多層膜を設計すること及び長時間蒸着することに手間と時間がかかっており、費用も高額となっていた。

図５は、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤに高反射膜をコーティングしたペンタプリズム全体の透過率スペクトルを示す。図５に示されるように、ＡＥ法線に対する入射角度５度を中心に±５．５度で走査された場合でも光を透過させるために、全体の透過率の角度依存性が非対称になっていることがわかる。

このように、高屈折率ガラス材料を用いたペンタプリズムにおいて、入射面ＡＥへの光の入射角度が大きい場合、第１の反射面ＢＣ又は第２の反射面ＥＤへの入射角が大きくなり、十分な反射率と偏光反射率差を確保するためには、通常の屈折率のガラス材料を用いた場合と比較して３倍程度の厚みの反射膜を形成する必要があった。すなわち、多層膜蒸着の時間が３倍程度となり、蒸着膜材料の消費量も３倍となり、費用も高額となっていた。さらに、第１の反射面ＢＣと第２の反射面ＥＤとで反射膜が異なることにより、その識別のためにマーキングや面取り等が必要であり、製作コストの上昇を招いていた。またさらに、光通信においては通過するビームが細いことから、光通信用光学素子の表面品質仕様は厳しいのが通例であるが、蒸着が長時間に及ぶ場合、多層膜上におけるブツの発生率が高まるため、ブツの仕様を満たさない不合格が発生して歩留りが低下し、光学素子のさらなる高額化を招いていた。

上記課題を解決するために、本発明の請求項１に記載の装置は、光が入射する入射面と、前記入射面に入射して透過してきた光を反射する第１の反射面と、前記第１の反射面によって反射された光を反射する第２の反射面と、前記第２の反射面によって反射された光が出射する出射面と、光が透過及び反射しない面とを有する光路変換素子を備えた装置であって、前記光路変換素子における入射光路と出射光路との間の角度をθ度、前記入射面に入射する光が前記入射面の法線に対して傾いた角度をφ度、前記光路変換素子内部の屈折率をｎ_prism、前記光路変換素子の周囲の屈折率をｎ_airとすると、前記第１の反射面と前記第２の反射面との間の角度が（９０−θ／２）度であり、前記入射面と前記出射面との間の角度が（１８０−θ）度であり、前記入射面と前記第２の反射面との間の角度が（４５＋(３／４)θ−ｓｉｎ^-1｛(ｎ_air／ｎ_prism)ｓｉｎφ｝）度であり、前記出射面と前記第１の反射面との間の角度が（４５＋(３／４)θ＋ｓｉｎ^-1｛(ｎ_air／ｎ_prism)ｓｉｎφ｝）度であり、２≦φ≦１５であることを特徴とする。

本発明の請求項２に記載の装置は、本発明の請求項１に記載の装置であって、前記入射面及び前記出射面に無反射膜が形成され、前記第１の反射面及び前記第２の反射面に高反射膜が形成されたことを特徴とする。

本発明の請求項３に記載の装置は、本発明の請求項２に記載の装置であって、前記無反射膜及び前記高反射膜は、誘電体多層膜からなることを特徴とする。

本発明の請求項４に記載の装置は、本発明の請求項２又は３に記載の装置であって、前記入射面及び前記出射面にそれぞれ形成される前記無反射膜は同一の構造を有し、前記第１の反射面及び前記第２の反射面にそれぞれ形成される前記高反射膜は同一の構造を有することを特徴とする。

本発明の請求項５に記載の装置は、本発明の請求項１から４のいずれかに記載の装置であって、θ＝９０度であることを特徴とする。

本発明の請求項６に記載の装置は、本発明の請求項１から５のいずれかに記載の装置であって、前記光路変換素子は、ペンタプリズムであることを特徴とする。

本発明により、ペンタプリズム材料として高屈折率材料を使用し、かつ入射面ＡＥへの光の入射角度が大きい場合でも、ペンタプリズム内部における第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤへの光の入射角度を抑制することができる。そのため、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤに形成する多層膜の膜数が少なくても充分な反射率を得ることができ、また、第１の反射面ＢＣと第２の反射面ＥＤとで同一の反射膜を形成してもよいため、コスト／作製上の手間等を低減したペンタプリズムを実現することができる。

一般的なペンタプリズムを示す図である。 ガラス中反射角度と空気中反射角度との関係を示す図である。 一般的なペンタプリズムに光が斜入射する様子を示す図である。 屈折率１．５のガラス表面における反射率と入射角度の偏光依存性を示す図である。 第１及び第２の反射面に高反射膜を形成したペンタプリズム全体の透過率を示す図である。 本発明に係る光路変換素子を示す図である。 本発明の実施例１に係る光路変換素子を示す図である。 第１の反射面及び第２の反射面に同種の高反射膜を形成した光路変換素子全体の透過率を示す図である。 高反射膜を形成した本発明の実施例１に係る光路変換素子の反射率測定結果を示す図である。

図６は、本発明に係る光路変換素子を示す。図６に示されるように、本発明に係る光路変換素子２００は、非対称ペンタプリズムとすることができ、入射面ＡＥ及び出射面ＡＢと、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤと、光が透過及び反射しない面ＣＤとを有している。

折り曲げ角をθとし、ＡＥ面に入射する光がＡＥ法線に対して傾いた角度をφ、光路変換素子２００内部の屈折率をｎ_{ｐｒｉｓｍ}、光路変換素子２００の周囲の屈折率をｎ_ａｉｒとする。図６に示されるように、本発明に係る光路変換素子２００は、入射面ＡＥと出射面ＡＢとの間の角度が（１８０−θ）度、第１の反射面ＢＣと第２の反射面ＥＤとの面間角度が（９０−θ／２）度、出射面ＡＢと第１の反射面ＢＣとの間の角度が（４５＋(３／４)θ＋ｓｉｎ^−１｛(ｎ_ａｉｒ／ｎ_{ｐｒｉｓｍ})ｓｉｎφ｝）度、入射面ＡＥと第２の反射面ＥＤとの間の角度が（４５＋(３／４)θ−ｓｉｎ^−１｛(ｎ_ａｉｒ／ｎ_{ｐｒｉｓｍ})ｓｉｎφ｝）度となるように構成されている。

これにより、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤへの光の入射角度を抑えることができるため、高反射膜の膜層数が少なくても十分な反射率及び偏光反射率差を確保することができる。

（実施例１）
図７は、本発明の実施例１に係る光路変換素子を示す。図７に示されるように、実施例１に係る光路変換素子３００は、θ＝９０度、φ＝５度、光路変換素子３００の周囲の空気の屈折率ｎ_ａｉｒ＝１．０、光路変換素子３００のプリズム材質の屈折率をｎ_{ｐｒｉｓｍ}＝１．９５５とした場合、入射面ＡＥと出射面ＡＢとの間の角度を９０度、第１の反射面ＢＣと第２の反射面ＥＤとの面間角度が４５度、入射面ＡＥと第２の反射面ＥＤとの間の角度を１０９．９４度（＝１１２．５度−２．５６度）、出射面ＡＢと第１の反射面ＢＣとの間の角度を１１５．０６度（＝１１２．５度＋２．５６度）として、非対称のペンタプリズムとなるように構成されている。

これにより、光路変換素子３００内部での第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤへの光の入射角はともに２２．５度となり、また、入射面ＡＥへの光の入射角が５±５．５度走査されたとしても、光路変換素子３００内部での第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤへの光の入射角がほぼ等しく１９．６９度〜２５．３１度（２２．５±２．８１度）となるため（空気中４１．２０度〜５６．６９度相当）、各反射面に対する光の入射角の増大を抑制することができる。

このように、本発明に係る光路変換素子においては、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤに対する光の入射角を平均化して低く抑えることができることから、層数が少ない多層膜を各反射面に形成した場合であっても十分な反射率を確保できるようになるため高反射膜の層数を増加させずに済み、製造時間が短縮でき、製造時のコスト上昇を抑制することができる。また、第１の反射面ＢＣと第２の反射面ＥＤとで異なる反射膜を形成する必要がなく、同一の反射膜を形成してもよいため、膜設計時間が短縮され、さらに膜蒸着条件変更の手間がなくなり、製造費用が安価になる。

図８に、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤに同種の高反射膜を形成した本発明の実施例１に係る光路変換素子の透過率測定結果を示す。図８に示される光路変換素子全体の透過率測定結果では、図５で示される透過率と比較してカバーする角度範囲は狭いが、本発明の光路変換素子は十分に使用可能である。

図９は、高反射膜を形成した本発明の実施例１に係る光路変換素子の反射率測定結果を示す。図９では、光路変換素子内部での各波長におけるｓ偏光又はｐ偏光に対する反射率測定結果を示している。図９に示される反射率測定結果では２５度付近から反射率が低下しているが、本発明の光路変換素子は十分に使用可能である。

ここで、本発明の光路変換素子では、入射面ＡＥと出射面ＡＢとに同一の無反射膜を形成してよい。また、入射面ＡＥ及び出射面ＡＢに形成される無反射膜と、第１の反射面ＢＣ及び第２の反射面ＥＤに形成される高反射膜は、誘電体多層膜で構成することができる。また、角度φは、大きすぎるとｐ偏光とｓ偏光を等しく透過するような反射防止膜の形成が困難になるため１５度以下とすることができるが、光通信においてはガラスへの入射角は例えば、８度、６度、４度などが採用されているため、２≦φ≦１２とすることが好ましい。

本発明に係る光路変換素子は、例えば光通信機器など光学系を利用する装置内部で利用することができる。

１００ ペンタプリズム
２００、３００ 本発明に係る光路変換素子

Claims (6)

1. 光が入射する入射面と、前記入射面に入射して透過してきた光を反射する第１の反射面と、前記第１の反射面によって反射された光を反射する第２の反射面と、前記第２の反射面によって反射された光が出射する出射面と、光が透過及び反射しない面とを有する光路変換素子を備えた装置であって、
   前記光路変換素子における入射光路と出射光路との間の角度をθ度、前記入射面に入射する光が前記入射面の法線に対して傾いた角度をφ度、前記光路変換素子内部の屈折率をｎ_prism、前記光路変換素子の周囲の屈折率をｎ_airとすると、
   前記第１の反射面と前記第２の反射面との間の角度が（９０−θ／２）度であり、前記入射面と前記出射面との間の角度が（１８０−θ）度であり、前記入射面と前記第２の反射面との間の角度が（４５＋(３／４)θ−ｓｉｎ^-1｛(ｎ_air／ｎ_prism)ｓｉｎφ｝）度であり、前記出射面と前記第１の反射面との間の角度が（４５＋(３／４)θ＋ｓｉｎ^-1｛(ｎ_air／ｎ_prism)ｓｉｎφ｝）度であり、
   ２≦φ≦１５であることを特徴とする装置。
2. 前記入射面及び前記出射面に無反射膜が形成され、前記第１の反射面及び前記第２の反射面に高反射膜が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記無反射膜及び前記高反射膜は、誘電体多層膜からなることを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記入射面及び前記出射面にそれぞれ形成される前記無反射膜は同一の構造を有し、前記第１の反射面及び前記第２の反射面にそれぞれ形成される前記高反射膜は同一の構造を有することを特徴とする請求項２又は３に記載の装置。
5. θ＝９０度であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の装置。
6. 前記光路変換素子は、ペンタプリズムであることを特徴とする請求項１から５のいずれかに記載の装置。

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