JP6596744B2

JP6596744B2 - 光学素子

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Publication number: JP6596744B2
Application number: JP2017546339A
Authority: JP
Inventors: 総士鶴田; 宏則堀切; 宣志槇; 孝弘藤岡; 賢元池田
Original assignee: Nalux Co Ltd
Current assignee: Nalux Co Ltd
Priority date: 2015-10-22
Filing date: 2015-10-22
Publication date: 2019-10-30
Anticipated expiration: 2035-10-22
Also published as: US10120145B2; US20180224612A1; DE112015007049T5; WO2017068683A1; CN108351479A; DE112015007049B4; JPWO2017068683A1; CN108351479B

Description

本発明は、光伝送路と発光素子または受光素子とを光学的に結合するための光学素子に関する。

光通信において、光伝送路と発光素子または受光素子とを光学的に結合するために光学素子が使用される。このような光学素子において、安全や通信規格などの理由で光の量を減少させることが必要な場合がある。従来は、そのような場合に、光吸収剤を含む材料の光学素子や、表面に光を遮蔽する膜を取り付けた光学素子を使用していた（たとえば、特許文献１）。また、表面に溝部を設けて光の量を減少させる光学素子も開発されている（たとえば、特許文献２）。
他方、たとえば、発光素子と、光伝送路と、両者を光学的に結合する光学素子と、を含む光学系において、発光素子と光学素子との芯合わせは、手間のかかる作業である。
光伝送路と発光素子または受光素子とを光学的に結合するために光学素子であって、たとえば、発光素子との芯合わせを簡単に行うことのできる光学素子は開発されていない。

特開平１１-１１９０６３特開２００８-１４５６７８

したがって、光伝送路と発光素子または受光素子とを光学的に結合するための光学素子であって、たとえば、発光素子との芯合わせを簡単に行うことのできる光学素子に対するニーズがある。

本発明による光学素子は、光伝送路と、発光素子または受光素子と、の間において、両者の一方から他方に送られる光の経路に介在するように配置される光学素子である。該光学素子の少なくとも一つの面は、第１の集光領域及び第２の集光領域を備え、該発光素子または該受光素子の中心、該光学素子の中心、及び該光伝送路の端面の中心を通る光線の経路を光軸として、該第１の集光領域の面は、該一方からの光が、該他方に受け取られるように形成され、該第２の集光領域の面は、該一方からの光が、該光学素子と該他方との間の所定の位置で結像するように形成され、該第２の集光領域の面は、該光軸を中心とする環状の面またはその一部であり、該第２の集光領域を通過した光が、該所定の位置で環またはその一部の像を形成するように構成されている。

本発明によれば、第１の集光領域の面の面積と第２の集光領域の面の面積との比率を調整することによって、一方から他方に送られる光の量を所望の程度減少させることができる。また、第２の集光領域を通過した光によって形成された環またはその一部の像を観察することによって、光学系の芯合わせを簡単に実施することができる。

本発明の第１の実施形態による光学素子において、該少なくとも一つの面が該光学素子の射出側の面である。

本発明の第２の実施形態による光学素子は、第１の実施形態による光学素子であって、該光学素子の入射側の面に入射した光が該光軸に平行なビームとされ、該射出側の面に入射されるように構成されている。

本発明の第３の実施形態による光学素子において、第１の集光領域の屈折力をφ_０とし、第２の集光領域の屈折力をφ_ｊとし、第１の集光領域の面の頂点と第２の集光領域の面の頂点との光軸方向の距離をｌ_ｊとして、第１及び第２の集光領域が、
１．４φ_０＜φ_ｊ＜１／ｌ_ｊ
を満たすように形成されている。

本実施形態によれば、第２の集光領域の面を通過した光線の相当の量が、該他方に受け取られない。

本発明の第４の実施形態による光学素子において、第１及び第２の集光領域が、さらに
２．０φ_０＜φ_ｊ
を満たすように形成されている。

本発明の第５の実施形態による光学素子は、該一方からの光の、該第１の集光領域を通過した後の経路と、該一方からの光の、該第２の集光領域を通過した後の経路とが、互いに重ならないように、該第１の集光領域及び該第２の集光領域が形成されている。

本実施形態によれば、第２の集光領域を通過した後の経路が、第１の集光領域を通過した後の経路と重ならないので、第２の集光領域を通過した光によって形成された環またはその一部の像が明瞭となり観察に有利である。

本発明の第６の実施形態による光学素子において、該第１の集光領域の面は、該光軸を中心軸として、曲線を所定の角度回転させた形状である。

本発明の第７の実施形態による光学素子において、該第２の集光領域の面は、該光軸を中心軸として、曲線を所定の角度回転させた形状である。

本実施形態によれば、該所定の角度を変化させることにより、第１の集光領域の面の面積と第２の集光領域の面の面積との比率を調整することができる。

本発明の第８の実施形態による光学素子において、該少なくとも一つの面が複数の第２の集光領域を備えている。

本実施形態によれば、第２の集光領域の数を変化させることにより、第１の集光領域の面の面積と第２の集光領域の面の面積との比率を調整することができる。

本発明の第９の実施形態による光学素子は、該少なくとも一つの面が該第１の集光領域のみから形成された光学素子と比較して、該一方から該他方に送られる光の量が、１０％から４０％減少するように、該第１の集光領域及び該第２の集光領域が形成されている。

本発明による光学素子を含む光学系の構成の一例を示す図である。光学素子の出射面の第１の集光領域及び第２の集光領域を説明するための図である。第２の集光領域によって形成された像を撮影するための装置を示す図である。第２の集光領域によって形成された像の一例を示す図である。第２の集光領域によって形成された円環の形状の像による光学系の位置調整方法を説明するための流れ図である。光学素子の出射面の第１の集光領域及び第２の集光領域を説明するための図である。光学素子の出射面の第１の集光領域及び第２の集光領域を説明するための図である。比較例の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。実施例１の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。実施例２の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。実施例３の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。実施例３の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。実施例５の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。

図１は、本発明による光学素子１００を含む光学系の構成の一例を示す図である。光学系は、発光素子２００と、光伝送路３００と、両者を光学的に結合するための光学素子１００と、を含む。発光素子２００から放射された発散ビームは、光学素子１００の入射面１０１によって平行ビームとされ、光学素子１００のプリズム全反射面１０３によって反射され、光学素子１００の出射面１０４によって光伝送路３００に集光される。

図２は、光学素子１００の出射面１０４の第１の集光領域及び第２の集光領域を説明するための図である。第１の集光領域は、第１の集光領域の面１０５を通過した光が光ファイバに受け取られるように形成され、第２の集光領域は、第２の集光領域の面１０７の面を通過した光のうち所定の量の光が光ファイバ３００に受け取られないように形成される。光学素子１００の両面の曲率中心及び光伝送路である光ファイバ３００の端面の中心を通る直線を光軸とする。図２は光軸ＯＰを含む断面図である。図２において、光軸ＯＰと光ファイバ３００の中心軸とは一致している。光ファイバ３００は、中心軸を含むコア３０１とその周囲に形成されたクラッド３０３とから構成される。

光軸に平行な光線が第１の集光領域の面１０５を通過した後の経路を一点鎖線で示す。光学素子１００の出射面１０４の第１の集光領域の面１０５は、光軸に平行なビームが光ファイバ３００の端面の中心に集光するように形成される。代替的に、第１の集光領域の面１０５は、光軸に平行なビームが、光軸ＯＰ上またはその周囲の点であって、光ファイバ３００の端面の中心の近傍の点に集光するように形成されてもよい。このように、第１の集光領域の面１０５は、その面を通過する光が光ファイバによって受け取られるように形成される。

光学素子１００の出射面１０４の第２の集光領域の面１０７は、出射面上において光軸からの距離がｈ_ｊａの円と光軸からの距離がｈ_ｊｂの円とを第１の集光領域の面１０５との境界として環状に形成される。光軸に平行な光線が第２の集光領域の面１０７を通過した後の経路を実線で示す。第２の集光領域の面１０７は、光軸に平行に進み第２の集光領域の面１０７を通過した光線が、光軸に垂直な面１５０上において光軸からの距離がｈ_φｊの点に集光するように形成される。上記の点の集合は、第２の集光領域によって面１５０上に形成される像であり、その形状は円環状である。

第１の集光領域の屈折力をφ_０で表し、第２の集光領域の屈折力をφ_ｊで表わす。ここで、φ_０及びφ_ｊは正である。屈折力は、焦点距離の逆数である。ｌ_ｊは第１の集光領域の面１０５の頂点と第２の集光領域の面１０７の頂点との光軸方向、すなわちレンズサグ方向の距離である。ここで、面の頂点とは、面の曲率中心を意味する。

ここで、面１５０は、第１の集光領域の面１０５の頂点よりも光ファイバ３００の近くに位置する必要がある。したがって、以下の条件が満たされる必要である。
ｌ_ｊ＜１／φ_ｊ（１）
式（１）は、以下のように変形できる。
φ_ｊ＜１／ｌ_ｊ

第２の集光領域の面１０７を通過した光線の相当の量が、光ファイバ３００に受け取られないためには、第２の集光領域の屈折力をφ_ｊが、第１の集光領域の屈折力φ_０よりも十分に大きいことが必要である。具体的には、以下の条件が満たされるのが好ましい。
１．４φ_０＜φ_ｊ（２）
さらに、以下の条件が満たされるのがより好ましい。
２．０φ_０＜φ_ｊ（３）

光軸に平行に進み、第１の集光領域の面１０５上において光軸からの距離がｈ_ｊａの点を通過した光線と面１５０との交点をｈ_φｊａで表し、該光線と光軸との角度（鋭角）をｕ_ｊａで表す。また、光軸に平行に進み、第１の集光領域上において光軸からの距離がｈ_ｊｂの点を通過した光線と面１５０との交点をｈ_φｊｂで表し、該光線と光軸との角度（鋭角）をｕ_ｊｂで表す。

第２の集光領域は複数個存在してもよい。一般的に、ｈ_ｊａは、ｊ番目に光軸に近い第２の集光領域の光軸側の境界の光軸からの距離を表し、ｈ_ｊｂは、ｊ番目に光軸に近い第２の集光領域の光軸と反対側の境界の光軸からの距離を表す。面１５０の位置は、第２の集光領域の面ごとに異なってもよい。

図３は、第２の集光領域によって形成された像を撮影するための装置を示す図である。像は、出射面１０４と光ファイバ３００の端面との間の所定の面１５０上に形成される。面１５０よりも光学素子１００から光軸方向において離れた位置に設置されたカメラなどの撮影装置４００によってこの像を撮影する。

図４は、第２の集光領域によって形成された像の一例を示す図である。図のｘ座標及びｙ座標は、光軸に垂直な面上の互いに直交する座標軸である。図４において、濃度のより高い領域は、より多くの光を受けてより明るい領域である。図４において、環状の黒い領域は、第２の集光領域によって形成された円環の形状の像に相当する。なお、第２の集光領域が存在しない場合には、円の中心の濃度が最も高く、中心からの距離が大きくなるにしたがって濃度が緩やかに減少する。

図５は、第２の集光領域によって形成された円環の形状の像による光学系の位置調整方法を説明するための流れ図である。

図５のステップＳ１０１０において、光源２００及び光学素子１００を配置する。

図５のステップＳ１０２０において、第２の集光領域によって形成された円環の形状の像を撮影する。

図５のステップＳ１０３０において、撮影された像の円環が真円であるかどうか判断する。真円であるかどうか判断するには、像の円環の真円に対応する位置のうち少なくとも３点の光量を測定し、該３点の光量が同一であるかどうか判断する。該３点の光量が同一でれば、円環が真円であると判断できる。撮影された像の円環が真円である場合には、光源２００及び光学素子１００の中心軸が一致し適切に配置されると判断されるので処理を終了する。撮影された像の円環が真円でない場合には、光源２００及び光学素子１００の中心軸が一致していないと判断されるので、ステップＳ１０４０に進む。

図５のステップＳ１０４０において、撮影された像の円環の形状に基づいて、光源２００及び光学素子１００の中心軸が一致するように両者の配置を調整する。その後、ステップＳ１０２０に進む。

なお、第２の集光領域によって形成された円環の形状の像の光量を測定することにより、上述の光学系の位置調整の他に、光学素子１００の内部応力の測定、異物の検出などを実施することもできる。

第２の集光領域によって形成された、図４に示すような像を観察する場合に、第２の集光領域の光束が、第１の集光領域の光束と重ならないようにするのが好ましい。第２の集光領域の光束が、第１の集光領域の光束と重ならないようにする条件について以下に説明する。

図６は、光学素子１００の出射面１０４の第１の集光領域及び第２の集光領域を説明するための図である。図６は光軸ＯＰを含む断面図である。符号については、図２に示したものと同様である。さらに、ｊ番目に光軸に近い第２の集光領域の光軸側の境界におけるレンズの第１の集光領域を形成する面のサグ値をｓａｇ_ｊａで表す。上述のように、ｌ_ｊは第１の集光領域の面１０５の頂点と第２の集光領域の面１０７の頂点との光軸方向の距離である。

図６において、点Ａ、Ｂ及びＣを頂点とする三角形について、以下の式が成立する。

点Ａ、Ｄ及びＥを頂点とする三角形について、以下の式が成立する。

上記の２式から以下の式が成立する。

上記の式から以下の式が得られる。

図６において、実線で示す、ｊ番目に光軸に近い第２の集光領域の光束が、一点鎖線で示す、第１の集光領域の光束のうち光軸側の隣接部分の光束と重ならないようにするには、以下の式が成立する必要がある。

したがって、以下の式が成立する必要がある。

図７は、光学素子１００の出射面１０４の第１の集光領域及び第２の集光領域を説明するための図である。図７は光軸ＯＰを含む断面図である。符号については、図２に示したものと同様である。ｊ番目に光軸に近い第２の集光領域の光軸と反対側の境界におけるレンズの第１の集光領域を形成する面のサグ値をｓａｇ_ｊｂで表す。

図７において、点Ａ、Ｇ及びＨを頂点とする三角形について、以下の式が成立する。

点Ａ、Ｂ及びＦを頂点とする三角形について、以下の式が成立する。

上記の２式から以下の式が成立する。

上記の式から以下の式が得られる。

図７において、実線で示す、ｊ番目に光軸に近い第２の集光領域の光束が、一点鎖線で示す、第１の集光領域の光束のうち光軸と反対側の隣接部分の光束と重ならないようにするには、以下の式が成立する必要がある。

したがって、以下の式が成立する必要がある。

上記の式（４）及び式（５）が満たされれば、第２の集光領域の光束が、第１の集光領域の光束と重ならない。

以下に、本発明の実施例及び比較例を説明する。

実施例及び比較例の光学系
実施例及び比較例の光学系の構成は図１に示したものである。光学系は、発光素子２００と、光伝送路３００と、両者を光学的に結合するための光学素子１００と、を含む。発光素子２００から放射された発散ビームは、光学素子１００の入射面１０１によって平行ビームとされ、光学素子１００のプリズム全反射面１０３によって反射され、光学素子１００の出射面１０４によって光伝送路である光ファイバ３００に集光される。

図１において、発光素子２００の中心、入射面１０１の曲率中心（頂点）、第１の集光領域の面１０５の曲率中心（頂点）、及び光ファイバ３００の端面の中心を通る光線の経路を光軸とする。入射面１０１の曲率中心（頂点）及び第１の集光領域の面１０５の曲率中心（頂点）を結ぶ光線の経路は光学素子１００の中心を通るので、光軸は、光学素子１００の中心を通る。

発光素子２００は、VCSEL光源等の半導体レーザー光源であり、波長は850nmである。光源２００からのビームの発散角度は開口数で0.19である。光源２００と入射面１０１の距離は0.3158mmであり、入射面１０１と光軸を90度回転させる全反射面１０３の距離は0.9842mmであり、該全反射面１０３と出射面１０４の距離は0.9848mmであり、出射面１０４と光伝送路である光ファイバ３００の端面との距離は0.3152mmである。上述の距離は光軸に沿った距離である。光ファイバ３００の口径（コア３０１の直径）直径50μmであり、取り込み角度は開口数で0.2である。

光学素子１００の材料は、非晶性熱可塑性ポリエーテルイミド（PEI）樹脂であり、屈折率は、1.663（d線、587.56nm）であり、アッベ数は、20.09（d線、587.56nm）である。また、上記の樹脂の半導体レーザー光源２００の波長850nmにおける屈折率は、1.638である。光学素子１００の材料は、ポリメタクリル酸メチル樹脂（PMMA）、ポリカーボネイト（PC）、エポキシであっても、あるいはガラスであってもよい。

入射面１０１の形状は、すべての実施例及び比較例において共通であり、以下の式で表せる。

ここで、rは光軸に直交する方向の距離であり、zは入射面１０１の頂点を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。c は曲率、Rは曲率半径であり、kはコーニック係数であり、iは非球面の次数であり、A_iは非球面係数である。

入射面１０１は、上記の数式で表される曲線を光軸の周りに回転させた形状である。

表１は、入射面の定数を示す表である。

比較例の出射面
図８は、比較例の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。比較例の出射面は、第２の集光領域を有さない。

出射面の光軸を含む断面の形状は以下の数式で表される。

ここで、rは光軸に直交する方向の距離であり、zは出射面の頂点（図８におけるｒ＝０、ｚ＝０の点）を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。c は曲率、Rは曲率半径であり、kはコーニック係数であり、iは非球面の次数であり、A_iは非球面係数である。

出射面は、上記の数式で表される曲線を光軸の周りに回転させた形状である。

表２は、出射面の定数を示す表である。

出射面によって収束する光束の角度は開口数で０．１９である。比較例の発光素子２００から光ファイバ３００までの光結合効率は78.2％である。

実施例１の出射面
図９は、実施例１の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。実施例１は、１個の第２の集光領域を有する。

出射面の第１の集光領域の面及び第２の集光領域の面の形状は以下の数式で表される。

c は曲率、Rは曲率半径であり、kはコーニック係数であり、iは非球面の次数であり、A_iは非球面係数である。

第１の集光領域の面は、上記の数式で表される曲線を光軸の周りに回転させた形状である。ここで、rは光軸からの距離であり、zは出射面の頂点（図９におけるｒ＝０、ｚ＝０の点）を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。

表３は、出射面の第１の集光領域の定数を示す表である。

第２の集光領域の面は、第１の集光領域の頂点を基準として、r方向r₁=0.050mm、z方向z₁=-0.005mmの位置に頂点を有する、上記の数式で表される曲線を出射面の中心軸、すなわち光軸の周りに回転させた形状である。ここで、上記の数式のrは第２の集光領域の頂点を通り光軸に平行な直線からの距離であり、上記の数式のzは第２の集光領域の頂点を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。出射面の第２の集光領域は、第１の集光領域の頂点を基準として、r＝0.046mmから0.080mmの範囲の環状の曲面（凸部）である。

表４は、出射面の第２の集光領域の定数を示す表である。

実施例１の発光素子２００から光ファイバ３００までの光結合効率は62.5％であり、光ファイバ３００が受ける光量は、比較例の場合の79.9％である。

実施例２の出射面
図１０は、実施例２の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。実施例２は、１個の第２の集光領域を有する。

第１の集光領域の面は、上記の数式で表される曲線を光軸の周りに回転させた形状である。ここで、rは光軸からの距離であり、zは出射面の頂点（図１０におけるｒ＝０、ｚ＝０の点）を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。

表５は、出射面の第１の集光領域の定数を示す表である。

第２の集光領域の面は、第１の集光領域の頂点を基準として、r方向r₁=0.030mm、z方向z₁=-0.001mmの位置に頂点を有する、上記の数式で表される曲線を出射面の中心軸、すなわち光軸の周りに回転させた形状である。ここで、上記の数式のrは第２の集光領域の頂点を通り光軸に平行な直線からの距離であり、上記の数式のzは第２の集光領域の頂点を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。出射面の第２の集光領域は、第１の集光領域の面の頂点を基準として、r＝0.024mmから0.054mmの範囲の環状の曲面（凸部）である。

表６は、出射面の第２の集光領域の面の定数を示す表である。

実施例２の発光素子２００から光ファイバ３００までの光結合効率は52.8％であり、光ファイバ３００が受ける光量は、比較例の場合の67.6％である。

実施例３の出射面
図１１は、実施例３の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。実施例３は、２個の第２の集光領域を有する。

第１の集光領域の面は、上記の数式で表される曲線を光軸の周りに回転させた形状である。ここで、rは光軸からの距離であり、zは出射面の頂点（図１１におけるｒ＝０、ｚ＝０の点）を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。

表７は、出射面の第１の集光領域の面の定数を示す表である。

光軸に最も近い第２の集光領域の面は、第１の集光領域の頂点を基準として、r方向r₁=0.030mm、z方向z₁=-0.003mmの位置に頂点を有する上記の数式で表される曲線を出射面の中心軸、すなわち光軸の周りに回転させた形状である。ここで、rは上記の頂点を通り光軸に平行な直線からの距離であり、zは上記の頂点を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。光軸に最も近い第２の集光領域は、r＝0.036mmから0.073mmの範囲の環状の曲面（凸部）である。

表８は、光軸に最も近い第２の集光領域の面の定数を示す表である。

光軸に二番目に近い第２の集光領域の面は、第１の集光領域の頂点を基準として、r方向r₂=0.050mm、z方向z₂=-0.015mmの位置に頂点を有する上記の数式で表される曲線を出射面の中心軸、すなわち光軸の周りに回転させた形状である。ここで、上記の数式のrは第２の集光領域の面の頂点を通り光軸に平行な直線からの距離であり、上記の数式のzは第２の集光領域の頂点を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。光軸に最も近い第２の集光領域は、第１の集光領域の頂点を基準として、r＝0.099mmから0.140mmの範囲の環状の曲面（凸部）である。

表９は、光軸に二番目に近い第２の集光領域の面の定数を示す表である。

実施例３の発光素子２００から光ファイバ３００までの光結合効率は62.8％であり、光ファイバ３００が受ける光量は、比較例の場合の80.3％である。

実施例４の出射面
図１２は、実施例４の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。実施例４は、２個の第２の集光領域を有する。

第１の集光領域の面は、上記の数式で表される曲線を光軸の周りに回転させた形状である。ここで、rは光軸からの距離であり、zは出射面の頂点（図１２におけるｒ＝０、ｚ＝０の点）を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。

表１０は、出射面の第１の集光領域の面の定数を示す表である。

光軸に最も近い第２の集光領域の面は、第１の集光領域の面の頂点を基準として、r方向r₁=0.040mm、z方向z₁=-0.004mmの位置に頂点を有する上記の数式で表される曲線を出射面の中心軸、すなわち光軸の周りに回転させた形状である。ここで、rは上記の頂点を通り光軸に平行な直線からの距離であり、zは上記の頂点を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。光軸に最も近い第２の集光領域は、r＝0.040mmから0.075mmの範囲の環状の曲面（凸部）である。

表１１は、光軸に最も近い第２の集光領域の面の定数を示す表である。

光軸に二番目に近い第２の集光領域の面は、第１の集光領域の頂点を基準として、r方向r₂=0.080mm、z方向z₂=-0.021mmの位置に頂点を有する上記の数式で表される曲線を出射面の中心軸、すなわち光軸の周りに回転させた形状である。ここで、上記の数式のrは第２の集光領域の頂点を通り光軸に平行な直線からの距離であり、上記の数式のzは第２の集光領域の頂点を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。光軸に最も近い第２の集光領域は、第１の集光領域の頂点を基準として、r＝0.101mmから0.136mmの範囲の環状の曲面（凸部）である。

表１２は、光軸に二番目に近い第２の集光領域の面の定数を示す表である。

実施例４の発光素子２００から光ファイバ３００までの光結合効率は69.6％であり、光ファイバ３００が受ける光量は、比較例の場合の89.0％である。

実施例５の出射面
図１３は、実施例５の出射面の光軸を含む断面の形状を示す図である。実施例５は、２個の第２の集光領域を有する。

第１の集光領域は、上記の数式で表される曲線を光軸の周りに回転させた形状である。ここで、rは光軸からの距離であり、zは出射面の頂点（図１３におけるｒ＝０、ｚ＝０の点）を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。

表１３は、出射面の第１の集光領域の面の定数を示す表である。

光軸に最も近い第２の集光領域の面は、第１の集光領域の面の頂点を基準として、r方向r₁=0.030mm、z方向z₁=0.000mmの位置に頂点を有する上記の数式で表される曲線を出射面の中心軸、すなわち光軸の周りに回転させた形状である。ここで、上記の数式のrは第２の集光領域の面の頂点を通り光軸に平行な直線からの距離であり、上記の数式のzは第２の集光領域の面の頂点を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。光軸に最も近い第２の集光領域は、第１の集光領域の頂点を基準として、r＝0.021mmから0.052mmの範囲の環状の曲面（凸部）である。

表１４は、光軸に最も近い第２の集光領域の面の定数を示す表である。

光軸に二番目に近い第２の集光領域は、第１の集光領域の面の頂点を基準として、r方向r₂=0.060mm、z方向z₂=-0.008mmの位置に頂点を有する上記の数式で表される曲線を出射面の中心軸、すなわち光軸の周りに回転させた形状である。ここで、rは上記の頂点を通り光軸に平行な直線からの距離であり、zは上記の頂点を基準とした光軸方向の座標である。ｚは光の進行方向を正とする。光軸に最も近い第２の集光領域は、r＝0.058mmから0.100mmの範囲の環状の曲面（凸部）である。

表１５は、光軸に二番目に近い第２の集光領域の面の定数を示す表である。

実施例５の発光素子２００から光ファイバ３００までの光結合効率は46.6％であり、光ファイバ３００が受ける光量は、比較例の場合の59.7％である。

実施例のまとめ
表１６は、各実施例の出射面の屈折力を示す表である。屈折力の単位は、ミリメータの逆数である。

全ての実施例の第２の集光領域の屈折力は式（２）を満たす。また、実施例３の光軸に二番目に近い第２の集光領域以外の第２の集光領域の屈折力は式（３）を満たす。

表１７は、各実施例のｌ１の値を示す表である。長さの単位はミリメータである。

表１６から、光軸に最も近い第２の集光領域の屈折力の最大値は15.985であり、その逆数は0.062559である。したがって、全ての光軸に最も近い第２の集光領域の屈折力の逆数は、0.062559以上であり、式（１）が満たされる。

表１８は、各実施例のｌ２の値を示す表である。長さの単位はミリメータである。

表１６から、光軸に二番目に近い第２の集光領域の屈折力の最大値は10.639であり、その逆数は0.093993である。したがって、全ての光軸に最も近い第２の集光領域の屈折力の逆数は、0.093993以上であり、式（１）が満たされる。

表１９は、各実施例について式（４）の左辺の数値、右辺の計算に使用する数値、及び右辺の数値を示す表である。長さの単位はミリメータである。

表１９によれば、各実施例は式（４）を満たす。

表２０は、各実施例について式（５）の左辺の数値、右辺の計算に使用する数値、及び右辺の数値を示す表である。長さの単位はミリメータである。

表２０によれば、各実施例は式（５）を満たす。

各実施例において、第２の集光領域によって、光ファイバが受け取る光量は、比較例と比較して１０％から４０％減少している。

上述のように、第２の集光領域の面は、曲線を光軸の周りに回転させて形成される。曲線を光軸の周りに３６０度回転させて連続した曲面を形成してもよい。あるいは、所定の角度範囲において、一例として、０度から３０度、１２０度から１５０度、２４０度から２７０度の角度範囲において、曲線を光軸の周りに回転させて第２の集光領域の曲面を形成し、他の角度範囲においては、第１の集光領域の面を残してもよい。この場合にも、図４に示す円環の一部が形成されるので、図５に示す方法にしたがって光学系の位置調整を行うことができる。

上述の実施例において、発光素子から放出された光を光伝送路へ結合する光学素子を説明した。他の実施形態において、光伝送路から放出された光を、フォトディテクタなどの受光素子に結合するために本発明の光学素子を使用することもできる。

Claims

光伝送路と、発光素子または受光素子と、の間において、両者の一方から他方に送られる光の経路に介在するように配置される光学素子であって、
該光学素子の少なくとも一つの面は、第１の集光領域及び第２の集光領域を備え、
該第１の集光領域の面は、該一方からの光が、該他方に受け取られるように形成され、
該第２の集光領域の面は、該発光素子または該受光素子の中心、該光学素子の中心、及び該光伝送路の端面の中心を通る光線の経路を光軸として、該光軸を中心とする環状の面または該環状の面の一部であり、該第２の集光領域を通過した光が、該光学素子と該他方との間の所定の位置で環または該環の一部の像を形成するように構成された光学素子。
該少なくとも一つの面が該光学素子の射出側の面である請求項１に記載の光学素子。
該光学素子の入射側の面に入射した光が該光軸に平行なビームとされ、該射出側の面に入射されるように構成された請求項２に記載の光学素子。
第１の集光領域の面の屈折力をφ_０とし、第２の集光領域の面の屈折力をφ_ｊとし、第１の集光領域の面の頂点と第２の集光領域の面の頂点との光軸方向の距離をｌ_ｊとして、第１及び第２の集光領域が、
１．４φ_０＜φ_ｊ＜１／ｌ_ｊ
を満たすように形成された請求項１から３のいずれかに記載の光学素子。
第１及び第２の集光領域が、さらに
２．０φ_０＜φ_ｊ
を満たすように形成された請求項４に記載の光学素子。
該一方からの光の、該第１の集光領域を通過した後の経路と、該一方からの光の、該第２の集光領域を通過した後の経路とが、互いに重ならないように、該第１の集光領域及び該第２の集光領域が形成された請求項１から５のいずれかに記載の光学素子。
該第１の集光領域の面は、該光軸を中心軸として、曲線を所定の角度回転させた形状である請求項１から６のいずれかに記載の光学素子。
該第２の集光領域の面は、該光軸を中心軸として、曲線を所定の角度回転させた形状である請求項１から７のいずれかに記載の光学素子。
該少なくとも一つの面が複数の第２の集光領域を備えた請求項１から８のいずれかに記載の光学素子。
該少なくとも一つの面が該第１の集光領域のみから形成された光学素子と比較して、該一方から該他方に送られる光の量が、１０％から４０％減少するように、該第１の集光領域及び該第２の集光領域が形成された請求項１から９のいずれかに記載の光学素子。