押さえておくべき光学素子の特徴と技術トレンド

レンズとはガラスや樹脂などの透明な材料で作られる、光を発散または集束させるための光学素子です。
＜図4＞では、凸レンズを例に、レンズの原理を示しています。凸レンズに入射した光は屈折によって、厚みのある中心に向かって折れ曲がります。凸レンズは、中心よりも周辺の方が薄く、光の入射角が小さくなるため、光はより大きく折れ曲がります。このため、凸レンズに差し込んだ光は、一点で集束します。この光が集束する点を焦点と言い、レンズの中心から焦点までの距離を焦点距離と言います。

レンズには凸レンズや凹レンズなどの球面レンズ、自由曲面レンズのような非球面レンズ、シリンドリカルレンズ他特殊形状レンズ等、さまざまな形状があり、形状によってさまざまな種類があります。レンズは、形状の違いによって、光への作用も異なります。＜表2＞は各種レンズの特徴と用途をまとめています。

目的に合ったレンズを選ぶ際には、外形寸法だけでなく、焦点距離、倍率、有効径といった光学性能もレンズ選定の重要なポイントになります。
焦点距離はレンズ中心から焦点までの距離であり、言い換えると、入射した光を一点に集めるために必要な距離になります。したがって、焦点距離が長いと、製品サイズも大きくなる傾向があります。
倍率は、物体と像の大きさの比を表す指標です。倍率が1より大きいと、肉眼で見る実物サイズよりも、レンズ通して結像される像を大きく(拡大)することが可能です。逆に1より小さくなるときは、像は小さく(縮小)されることになります。
また、有効径とはレンズ機能が有効な直径のことを指し、有効径が大きいほど、より多くの光を取り入れることが可能になり、像が明るく映ります。
製品によっては、明るさや分解能が求められたり、作動距離(WD: Working Distance)や製品サイズ等で制約があったりする場合があります。つまり、作ろうとする製品に求められる仕様を明確にすることが、適切なレンズを選定するための第一歩です。また、選定したうえで上市されたレンズがない場合には、製品仕様を満たすレンズを独自に開発するケースもあるでしょう。独自開発を行うリソースがない、時間がない開発者向けに、試作・量産レンズを提供するサービスも登場しています。

フィルターとは、入射光のうち、所定の性質を持つ光以外を反射もしくは吸収することによって、必要な光のみを透過する光学素子です。

フィルターには、光の強度を調整するNDフィルター、光の波長を調整する色ガラスフィルター、偏光をコントロールする偏光フィルターや波長板などがあります。＜表3＞では、フィルターの種類と特徴をまとめています。

フィルターには、光の強度・波長・偏光の3つの光学性能を調整する機能があります。それぞれの光学性能に合わせたフィルターの選定ポイントを紹介します。
光の強さを調整する際に重要なポイントは、フィルターの透過率です。透過率は光を透過する量を指し、透過率が高ければより多くの光を通します。NDフィルターの場合、透過率を光学濃度で定義するのが一般的で、光学濃度が高くなると透過率が低くなり、光学濃度が低くなると透過率は高くなります。
光の波長を調整する際には対応波長帯域とともに、その絞り込み方が重要になります。フィルターの波長帯域の絞り込み方によって、透過後の光の波長構成が異なります。波長の絞り込み方により、規定した波長よりも短い波長全てを透過するショートパスフィルター、規定した波長よりも長い波長全てを透過するロングパスフィルター、規定の波長域のみを透過するバンドパスフィルターに分けられます。

光の偏光を調整するには、所望の偏光成分以外をカット(減少)させるのか、所望の偏光成分のみになるよう偏光を回転(変化）させるのかが重要になり、目的によって偏光フィルターと波長板の使い分けが行われます。

ミラーとは光を反射させ、光路を変更するための光学素子です。

ミラーには大きく分けて平面ミラー、凸面・凹面ミラー等の球面ミラー、自由曲面ミラーがあります。自由曲面ミラーは球面・放物面と異なり、光軸に対して非対称な形状を示すミラーです。
＜表４＞ではミラーの種類とその特徴をまとめています。

ミラーやフィルターを選ぶ際には形状の他に、コーティングタイプも大きなポイントになります。コーティングタイプによって反射率やレーザ耐性等の性能が異なります。同じコーティングでもミラーは反射、フィルターは透過する成分に注目した光学素子と考えれば理解しやすいでしょう。
主なコーティングタイプは金属膜コーティング、誘電体多層膜コーティングとレーザ用誘電体多層膜コーティングがあります。

形状とコーティングタイプの組み合わせで、目的に合った製品を選定することがポイントです。コーティングとして、さまざまな材料をミラー面に成膜する方式として、蒸着方式とスパッタ方式がよく知られています。蒸着方式は、蒸着材料を加熱し、気化させることで蒸発温度より低い温度の基板表面で凝結・固化させ薄膜にする蒸着材料を付着させ薄膜を形成する方法です。スパッタ成膜方式では、材料にプラズマ化したアルゴンイオンを高エネルギーで衝突させることで吹き飛ばされた材料の微粒子が対象物に付着し薄膜を形成します。
一般的に蒸着方式は純度の高い薄膜形成が簡素な装置構成で実現できる利点がありますが、基板へのターゲット材の付着力が弱く、蒸発原が一点であるため曲率の大きいものや大面積のものは基板の配置によって膜分布にばらつきが生じることがあります。一方で、スパッタ方式は大面積の基板でも歪みやばらつきが少なく、均一に成膜できるというメリットがありますが、高エネルギーで衝突させることで得られる付着力の大きさは成膜後の残留応力の原因となり基板の反りなどが生じることがあります。
したがって、所望の特性のミラーやフィルターの実現には、コーティング膜の設計だけなく、設計にもとづく成膜方式・プロセスの選定が大切になってくるため、市販品の仕様で満足できないケースでは専門業者へ試作依頼を行うケースがあります。

プリズムは、屈折によって光の波長ごとに光路を分けること(分光)が可能な光学素子です。その他にも、プリズムはレンズやミラーの性質も持ち合わせているため、レンズ、ミラーの代用としても使われることがあります。

プリズムには、光を反射させる機能、光を波長ごとに分離する機能や、ビーム光を操作する機能などがあります。表6では、プリズムの主な種類と特徴をまとめています。