押さえておくべき光学素子の特徴と技術トレンド

私たちの生活に身近なカメラやプロジェクターなどの光学機器には、レンズやミラーをはじめとする光学素子が用いられており、屈折や反射等の光学現象を巧みに利用して現画像を機器内で結像させ記録したり、拡大投影したりしています。他にも顕微鏡・望遠鏡等の観察機器、分光光度計・非接触型三次元測定機等の計測機器の部品としても光学素子は必要不可欠です。光学素子にはさまざまな種類があり、それぞれの特徴を理解した上で、製品用途に応じた選定が大切です。
本記事では、主な光学素子の基本的な原理・種類・選定のポイントから最近の技術トレンドまでご紹介します。
また、以下の記事では光学素子にも使われる樹脂材料についてご紹介していますので、あわせてご参考ください。

代表的な光学素子には、レンズ、フィルター、ミラー、プリズムがあります。各素子は固有の機能を持っており、製品仕様や目的によってこれらを組み合わせて使われています。ここでは、よく知られた光学機器を例として、光学素子が使われている様子をご紹介します。
＜図1＞に、プロジェクターの光学系を示します。

プロジェクターのような映像(イメージング)機器では、白色光源からの光を、赤・緑・青（RGB）の色(固有波長)を持つ光に分光するためのダイクロイックミラー／フィルター、光の進む方向を制御するためのミラーやプリズム、拡大された像をスクリーン上で結像させるための投射レンズが用いられています。

懐中電灯や自動車のヘッドライト等、多くの照明機器にも光学素子が利用されています。＜図2＞に、自動車のヘッドライトに使われている光学素子を示しています。ヘッドライトでは、光源から様々な方向に広がる光を前方に効率的に導くためのシェードやリフレクタ（ミラー）、照射エリアに光を集めるための全面レンズが用いられています。

また情報ストレージ分野では、光の反射によってCDやDVDなどの光ディスクに情報を読み書きする光学ドライブ装置にも光学素子が利用されています。＜図3＞では、光学ドライブ装置のなかでも、光ピックアップ装置と呼ばれる情報を読み書きする仕組みを簡易図で表しています。

ご紹介した例の他にもさまざまな分野で光学技術が応用されています。＜表1＞では、分野別の光学機器の例を上げています。表の他にも、電球やLEDライト等の照明機器、光ファイバや光伝送装置等を用いた光通信機器も光学機器の一種です。

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。

ここまで、代表的な光学素子についてその原理と特徴をご紹介しました。しかし、光学素子は常に進化を続けており、近年の光学素子に見られる「小型化×高性能化」と「大型化×高性能化」の２つの技術トレンドについてご紹介します。

まず、一つ目のトレンドが「小型化×高性能化」です。
光通信デバイスにも小型化、大容量化、低コスト化が強く求められる中、光学素子の集積化が進められてきました。光通信では、光の経路を切り替える光スイッチ、複数の異なる色の光を分けたり・合わせたりする光フィルターなどのデバイスを、半導体のように集積化した光回路が用いられています。光デバイスの集積化が進むと回路負荷が小さくなるため、通信の高速化、省電力化が可能になります。また、小型化することによって、必要材料が少なくなるため、生産コストの削減も期待されます。

実例としては、2010年に日本電信電話株式会社（ＮＴＴ）と独立行政法人 科学技術振興機構（ＪＳＴ）から、光を極小領域に強く閉じ込めることが可能な性質を持つフォトニック結晶と呼ばれる人工周期構造を用いた光スイッチを作製し、素子サイズの小型化とスイッチエネルギーの省力化、すなわち高性能化を実現したという報告がありました[1]。同スイッチは、当時の従来スイッチに比べて1/1000以下、これまでのフォトニック結晶スイッチに比べ1/200以下のエネルギーで動作したとのことです。

また、映像(イメージング)デバイスにも光MEMSという集積化デバイスが使われています。光MEMS(光MEMS：Optical Micro Electro Mechanical Systems)は、半導体プロセスを利用してマイクロメートルオーダーの微細な光学素子が作り込まれたデバイスであり、＜図9＞の小型スキャナーやプロジェクターで用いられるMEMSミラーや、＜図10＞に示されるようなスマートフォンで用いられる各種センサが有名です。

こうした光集積化が進む一方で、小型化によって集中する発熱も問題視されています。今後もこれらの課題を解決しながらどのように集積化が進むのかが注目されます。

次に、光学装置の「大型化×高性能化」の例としては、宇宙観測分野で用いられる、巨大望遠鏡の技術があります。天体望遠鏡などの大型光学機器はミラーの口径が大きいほど、集光力が高く、高精度な観測が可能になります。しかし、大型化が進むにつれて大型化した光学素子の自重変形や、光が受ける大気の揺らぎなどの影響が大きくなり、口径に見合った光学性能が発揮できなくなってしまいます。近年では、この大型化のジレンマを解消する技術が発展してきました。

例えば、ハワイにある大型赤外線望遠鏡のすばる望遠鏡では、高い解像度での高精度な観察を実現するために、大気の揺らぎを補正する波面補償光学装置が導入されています。この波面補償光学装置によって星像がシャープになり、天体の繊細な構造を見分けることが可能になります。光学補償は、波面センサを用いて観測波面の曲率を測定し、測定した曲率に合わせ、制御システムを通して可変鏡に補正をかける技術です。現在建設中のTMT（Thirty Meter Telescope）はさらに大型になり、すばる望遠鏡の4倍以上の解像度を予定しています。1960年代の望遠鏡と比較してみると、望遠鏡の大型化と高解像度・高精度化、すなわち高性能化が進んでいることが分かります。

本記事では、基本の光学素子の解説から光学技術の動向として光学素子の「小型化・大型化と高性能化の両立」のトレンドまで幅広くご紹介しました。光学製品を扱うメーカー各社は、製品競争力向上を目指し、材料の見直しや独自の差別化技術の開発を進めています。IoT製品や電気自動車の普及等、市場環境の急速な変化に伴い、製品ライフサイクルに合わせた開発のスピードアップも求められています。

以下の記事では光学素子にも使われる樹脂材料や、その表面加工方法についてご紹介していますので、あわせてご参考ください。