JPH06222401A - 光線の配列を結合する方法と装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光線の配列および光学的入出力を有する装置
の配列を用いる光学的スイッチングおよびプロセシング
システムにおいて、数個の光線の配列の結合を光学的出
力の多大な損失および収差を生じさせない方法および装
置を提供する。 【構成】 光線の配列は光線の第一の配列を角度偏向装
置を通して目的表面１２に伝送し、光線の第二の配列を
角度偏向装置から目的表面に反射させることで光の出力
損失を最小にするような方法で結合されている。第一の
配列の光線は角度偏向装置１０がほとんどの光を伝送す
るような第１の一組の角度で角度偏向装置に当たるよう
に配置されている。第二の配列の光線は角度偏向装置が
ほとんどの光を反射するような第２の一組の角度で角度
偏向装置に当たるように配置されている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、光線の配列（光線列）
を結合する方法および装置に関し、特に、一表面に複数
の光線列を方向付ける方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】光線列および光学的入出力を有する装置
の配列を用いる光学的スイッチングおよびプロセシング
システムにおいて、装置の同一表面上に数個の光線列を
方向付することがしばしば必要になる。このシステムに
生じる主要な問題は、光学的出力の多大な損失および収
差の発生なしにこの要望を満たすことが出来ない点であ
る。

【０００３】目的表面に複数光線列を方向付ける一つの
技術は、空間で鏡の反射率を変えるパターン化されてい
る空間偏向鏡を用いることである。光線の一つの配列
は、光線が高透過率である鏡の一部に当たるように配置
されている。光線の第一の配列（第１光線列）は、目標
表面に当たるように鏡を通過する。光線の他の配列は鏡
から目標の表面に反射するように配置されている。映像
レンズは表面上の鏡面に像を結ぶようになっている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、映像面を通過
する透過光は、光線列の大きさを制限するという好まし
くない光の収差をもたらす。さらに、映像レンズの使用
は空間偏向鏡と目標表面間に必要とされる距離を増大さ
せ、またシステム全体の寸法も増大させる。光線列を結
合する他の技術は瞳面結合である。本技術において、第
１光線列はレンズの瞳面の半分を通って透過され、第２
光線列はレンズの瞳面の他の半分を通って透過される。
しかし、この技術はレンズの不完全さにより光の収差を
増大させ易い。このようなことから、光の収差に対する
感受性を最小にし、小さなシステムをもたらし、光の出
力損失を最小にする光線列を結合する方法および装置が
要望されている。

【０００５】

【課題を解決するための手段】第２光線列を角度偏向装
置から目的表面に反射させているとき、第１光線列をで
の角度偏向装置から目的表面に透過させることにより、
光の出力損失を最小にするような方法で結合されてい
る。第１光線列の光線は、角度偏向装置が高透過率であ
るような第１組の角度で、角度偏向装置に当たるように
配置されている。第２光線列の光線は、角度偏向装置が
高反射率であるような第２組の角度で、角度偏向装置に
当たるように配置されている。

【０００６】

【実施例】本発明の最良の実施例では、角度偏向装置は
目標表面に対しほぼ４５度の角度で配置されたフェブリ
ィペロー共振器である。一個は目標の表面に対し直角で
あり、他の一個は目標の表面に対しほぼ平行である光源
の二個の光線列はフェブリィペロー共振器で方向付られ
る。照準レンズは反射なしに光線が共振器を通過させる
設定角度でフェブリィペロー共振器に当たるように、光
線を目標の表面に対し直角にする。第二の照準レンズは
光線を共振器から目標の表面に反射させる設定角度でフ
ェブリィペロー共振器に当たるように、光線を目標の表
面に平行に位置するようにする。

【０００７】焦点レンズは光線列から目標の表面上の特
定の点に光線を集中させる。光線は角度偏向装置に当た
る入射角度θは光線が装置で反射するか透過するかを決
定する。角度偏向装置は第１設定角度で装置に入射する
光を透過し、第２設定角度で装置に入射する光を反射す
る。第１光線列が角度偏向装置を透過するように、第１
設定角度で第１光線列が角度偏向装置に当たるように
し、一方第２光線列が角度偏向装置で反射するように、
第２設定角度で第２光線列が角度偏向装置に当たるよう
にしすることで光線列を結合させることを実現した。光
線の結合された光線列はほぼ同じ方向進行し、お互いに
綴じ込まれる。

【０００８】図１は本発明の原理を説明するものであ
る。特に、図１は、角度偏向装置１０の各々反対側に入
射され、一般にそれぞれα光線およびβ光線で表示され
る光線の２個の照準された光線列を示している。本発明
の実施例では、角度偏向装置１０は、フェブリペロー共
振器（以下フェブリペロー共振器１０とする）である。
α1、α2、α3を含む光線列αは、例えば光検出記の光
線列を構成する目標の表面１２上でフェブリペロー共振
器１０から反射される。光線β1、β2、β3を含む光線
列βは目標の表面１２上で反射せずほぼ全部が透過す
る。光線列αの光線は、共振器１０が高反射になる角度
でフェブリペロー共振器１０に当たり、光線列βの光線
は共振器が高透過になる角度でフェブリペロー共振器１
０に当たる。光線列α、βは、光線列の透過および光線
列の反射で、両光線列が目標の表面１２で入射するよう
にお互いにあるいはフェブリペロー共振器１０関連して
方向付つけられる。フェブリペロー共振器１０の表面に
直角で測定される入射角はフェブリペロー共振器１０が
右角度を通って反射するような４５度近傍に選択され
る。勿論、入射角度の幾多の選択結合と共振器の方向付
が光線列を結合することができる。

【０００９】図２は本発明の原理に基づき、ほぼ平行な
光線の２個の光線列を結合する装置の模範的実施例を示
す。本装置はフェブリィペロー共振器１０、照準レンズ
１４、１６、焦点レンズ１８を有する。光源ａ1、ａ2、
ａ3から発光された光線は照準レンズ１４により照準さ
れる。照準された光線はフェブリペロー共振器１０の第
１鏡表面２０に方向付けるられ、高反射率になるような
一組の角度で表面２０に当たる。光源ａ1、ａ2、ａ3か
ら発光された光線は照準レンズ１４により照準される。
同様に、光源ｂ1、ｂ2、ｂ3から発光された光線は照準
レンズ１６により照準され、フェブリィペロー共振器１
０の第２鏡表面２２に方向付される。光源ｂ1、ｂ2、ｂ
3から発光された光線は高透過率になるような一組の角
度で表面２２に当たる。光線列α、βとっての模範的な
角度は下記に記述し、図６に示す。照準レンズ１４、１
６の位置は光線の各々の光線列にとって望ましい角度に
なるように選択される。レンズ１８は異なる角度で光線
列αの光線を反射させ、光線列βの光線を透過させる。
レンズ１８は目標の表面１２上の点a1'、b1'、a2'、b
2'、a3'、b3'の挟み込まれた光線列を形成するように光
線を集束する。照準レンズ１４、１６の位置は、図２に
示すように点が挟み込まれるように調整可能になってい
る。

【００１０】図３、４はフェブリペロー共振器１０をよ
り詳細に示し、かつ共振器内の光線の角度を図解して示
すものである。各図において、光線はフェブリペロー共
振器１０の表面の法線に対する角度θで入射する。図３
は表面２０で入射する光線α1を示し、図４は表面２０
で入射するβ1を示す。表面２０を通って透過される光
線α1の一部は表面２０の法線に対して角度θ'で伝幡す
る。同様に、表面２２を通って透過される光線β1の一
部は表面２０の法線に対して角度θ'で伝幡する。

【００１１】フェブリペロー共振器１０の角度偏向特性
を述べるは科学的原理を最適のシステムとフェブリペロ
ー共振器の設計の記述することで以下に説明する。 フ
ェブリペロ-共振器の特性は１９８０年にニューヨクで
パーガモン新聞社から出版されエム．ボーンとイ．ウル
フ著「光学の原理」のここで引用する３２４ー４１頁に
記述されている。 本発明の実施例では、フェブリペロ
ー共振器１０の鏡の前平面２０と鏡の裏平面２２の反射
率は等しい。この場合、フェブリペロー共振器の透過率
Ｔは式（１）で表され、 共振器の反射率は式（２）で表される。 Ｆは式（３）で、δは式（４）で表される。 上記の各式において、Ｒはフェブリペロー鏡表面２０の
反射率であり、λ0は光の自由空間波長であり、ｎ'は鏡
表面２０と２２を分離する伝導体の反射率であり、ｈは
鏡表面間の距離であり、θ'は伝導体の内側で測られる
光線（α1またはβ1）と鏡表面に対する法線間の角度で
ある。装置お操作原理に影響を与えないので、鏡表面２
０と２２で反射する光線の相転移は無視する。フェブリ
ペロー共振器１０はδ＝２πｍのとき完全に透明にな
る。ここで、ｍは整数であり、鏡表面２０と２２の反射
率は等しくなっている。フェブリペロー共振器１０は式
（５）のような角度θ'で高透過率になる。ここで、ｍ
はフェブリペロー共振器１０の共振数である。

【００１２】ｍ番目のフェブリペロー共振器の共振数に
である。スネルの法則によれば、式（６）にｍ番目のフ
ェブリペロー透過の共振数を用いることにより最良の入
射角度を推定できる。

【数６】 光線列βの光線がフェブリペロー共振器１０（図１参
照）で反射する角度は高透過率の角度の中から選択され
る。フェブリペロー共振器１０は高透過率の２分の１の
角度で高反射率になる。隣の高透過率角度間の角分離δ
θ（放射における）は式（７）に共振数の一つのｍより
大きい数を与えることで求められる。δθの大きさにの
み関心があるので、式（７）のマイナス記号は無視でき
る。 フェブリペロー共振器１０は高透過率の角度間の角度で
高反射率になる。光線列αの光線の入射角度（図１参
照）の選定は高反射率のこの組の角度からである。

【００１３】例えば、δ＝（２ｍ＋１）πのとき、式
（８）によって与えられる反射率Ｒmaxは高de透過率の
角度のほぼ２分の１の角度で起きる。 反射率は非常に大きくなる。例えば、５０％の鏡の反射
率でＲmaxはほぼ８９％になる。最良のシステムすなわ
ちフェブリペロー共振器設計は図２を引用して説明す
る。直線光線列の光源ａ、ｂはｄ＝５００μｍの距離だ
け離れている。レンズ１４、１６、１８のそれぞれの焦
点距離は、ｆ14、ｆ16、ｆ18である。光線列からの光線
は関連するレンズにより照準されると、光線列内で近接
する光線間の角分離は、ほぼδθ＝ｔａｎ-1（５００μ
ｍ／１ｃｍ）＝２．８６度になる。この共振器の設計で
は、波長λ0＝０．８５μｍ、ｎ＝１、ｎ'＝１．５の屈
折率にする。

【００１４】この波長は、光の出力としてレーザーダイ
オードを用いる光学システムでは一般的にこの波長が用
いられる。屈折率は空気中または真空雰囲気でのガラス
フェブリペロー共振器１０に対応する。ガラスフェブリ
ペロー共振器１０が直角に反射するようθ＝４５度近傍
で操作する。スネールの法則により、共振器内角度は
θ'＝４５度でになる。式７によりフェブリペロー共振
器１０の厚さｈがほぼ２２．５μｍになることが推定で
きる。所望の厚さと表面反射率を有するフェブリペロー
共振器を制作する方法は当該技術分野では良く知られて
いる。式（４）から表面入射角度θを用いて式（９）が
得られる。この式（９）と式（１）、（２）を用いる
と、透過率Ｔと反射率Ｓは入射角度θの関数として計算
できる。

【００１５】図５は上述した設計基準を用いたフェブリ
ペロー共振器１０の透過量と反射量のグラフである。線
２４、２６はθ＝４５度近傍の範囲での入射角度に対す
る透過量および反射量を表す。グラフはフェブリペロー
共振器１０の角度偏向特性を明白に説明するものであ
り、一群の入射角度の一つの角度での透過量の最高点
と、一群の入射角度の第二の角度での反射量の最高点
（透過量の最高点間に存在する）を示している。

【００１６】図６の表は、上述した実例のシステムすな
わちフェブリペロー共振器の設計基準を用いた図１に示
す光線α1、α2、α3、β1、β2、β3の入射角度で生じ
る透過量および反射量を示している図６は、等間隔で配
置された二組の光源が、８８％より大きい反射率でフェ
ブリペロー共振器１０から反射され、１セットの光源
（例えば、図２の光源ａ1、ａ2、ａ3）からの光線で織
り込まれた映像を作ることができ、また一組の光源（例
えば、図２の光源ｂ1、ｂ2、ｂ3）からの光線は透過率
９８％以上で透過することを示している。

【発明こ効果】このように、光の出力損失が極めて少な
く状態で複数の線の光線列を結合しうる角度偏向装置を
設計することができる。本発明を角度偏向装置にフェブ
リペロー共振器を引用して説明したが、本発明の原理は
装置の基準面に対する第１組の角度でほとんど反射する
ことなしに光を透過し、かつ装置の基準面に対する第２
組の角度でほとんど角度を反射する如何なる装置にも等
しく適用できる。角度偏向装置は、例えば、屈折光学装
置であっても良く、また如何なる設計、構造であっても
良い。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の原理に基づき、照準された光線の２個
の光線列を結合する角度偏向装置を示す簡単な概略図で
ある。

【図２】図１の光線列を結合する方法および装置の本発
明の実施例を示す概略図である。

【図３】図１の各々選択された反射および透過を示すフ
ェブリペロー共振器を示す概略図である。

【図４】図１の各々選択された反射および透過を示すフ
ェブリペロー共振器を示す概略図である。

【図５】入射角の選択された範囲での図３、４のフェブ
リペロー共振器における光の入射角に対する透過と反射
のデータを示す説明用のグラフである。

【図６】選択された入射角での図１の光線の透過と反射
値を示す表である。

【符号の説明】

１０ 角度偏向装置 １２ 目標の表面 １４ 照準レンズ １６ 照準レンズ １８ 焦点レンズ ２０ フェブリペロー鏡表面 ２２ フェブリペロー鏡表面

Claims (15)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 第１表面（２２）と第２表面（２０）と
   を有し、第１組の角度で入射する光線（β）を透過し、
   第２組の角度で入射する光線（α）を反射する角度偏向
   装置（２０）と、 第１光線列（β）が、角度偏向装置（１０）を通って、
   目標表面（１２）に透過されるように、第１組の入射角
   度で、第１光線列（β）を角度偏向装置（１０）の第１
   の表面（２２）に方向付ける手段（１６）と、 第２光線列（α）が、角度偏向装置（１０）から、目標
   表面（１２）に反射するように、第２組の入射角度で、
   第２光線列（α）を方角度偏向装置（１０）の第２表面
   （２０）に方向付ける手段（１４）と、を有し、各々の
   複数の光線列を目標表面に対し方向付けることを特徴と
   する光線の配列を結合する装置。
2. 【請求項２】 第３光線列が、角度偏向装置（１０）を
   通って目標表面（１２）に透過されるように、第１組の
   入射角度の中から選ばれた所定の角度で、第３光線列を
   角度偏向装置（１０）の第１表面（２２）に方向付ける
   手段を有することを特徴とする請求項１の装置。
3. 【請求項３】 第３光線列が、角度偏向装置（１０）か
   ら目標表面（１２）に反射されるように、第２組の入射
   角度の中から選ばれた所定の角度で第３光線列を角度偏
   向装置（１０）の第２表面（２０）に方向付ける手段を
   有することを特徴とする請求項１の装置。
4. 【請求項４】 角度偏向装置は、フェブリペロー共振器
   であることを特徴とする請求項１の装置。
5. 【請求項５】 角度偏向装置は、回折光学装置であるこ
   とを特徴する請求項１の装置。
6. 【請求項６】 第１、第２光線列の少なくとも一つが、
   複数の次元の配列であることを特徴とする請求項１の装
   置。
7. 【請求項７】 光線を角度偏向装置（１０）から目標表
   面（１２）上に集束するために、角度偏向装置（１０）
   と目標表面（１２）間に配置された焦点手段（１８）を
   有することを特徴とする請求項１の装置。
8. 【請求項８】 第１光線列を、角度偏向装置（１０）を
   透過し目標表面（１２）にあてる為に、第１光線列の各
   々が角度偏向装置が高透過率になる入射角度で角度偏向
   装置に当てるステップと、 第２光線列の各々が、角度偏向装置が高反射率になる入
   射角度で角度偏向装置に当たり、第２光線列が目標表面
   に当たるように、角度偏向装置に第２光線列を照射する
   ステップとからなり、 各々の光線列は、少なくとも２個の光線を有し、目標表
   面に光線の複数の配列を方向付することを特徴とする光
   線の配列を結合する方法。
9. 【請求項９】 第３光線列が、角度偏向装置を通って目
   標表面に透過されるように第１組の入射角度の中から選
   ばれた所定の角度で角度偏向装置に第３光線列を方向付
   けるステップを有することを特徴とする請求項８の方
   法。
10. 【請求項１０】 この第３光線列が、角度偏向装置から
    目標表面に反射されるように、第３光線列を、第２組の
    入射角度の中から選ばれた所定の角度で目標表面に方向
    付けるステップを有することを特徴とする請求項８の方
    法。
11. 【請求項１１】 角度偏向装置が、フェブリィペロー共
    振器であることを特徴とする請求項８の方法。
12. 【請求項１２】 角度偏向装置が、回折光学装置である
    ことを特徴とする請求項８の方法。
13. 【請求項１３】 第１と第２の光線列の少なくとも一つ
    が、複数の次元の配列である特徴ことをする請求項８の
    方法。
14. 【請求項１４】 角度偏向装置を通して透過あるいは反
    射される光線を目標表面上に集束するステップを有する
    ことを特徴とする請求項８の方法
15. 【請求項１５】 第１光線列を角度偏向装置を通して目
    標表面に透過し、かつ光線からのほぼ全ての光が角度偏
    向装置を通って透過されるような入射角度の第１組の角
    度で、第１光線列が角度偏向装置に当てるステップと、 第２光線列を角度偏向装置を通して目標表面に反射し、
    かつ第２光線列からのほぼ全ての光が角度偏向装置から
    反射されるような入射角度の第２組の角度で、第２光線
    列が角度偏向装置に当てるステップとを有し、各々の配
    列が少なくとも２個の光線を有する目標表面に光線の複
    数の配列を方向付する方法。