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。

光学素子はどのように使われているの?

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。

<図1>プロジェクターの光学系
<図1>プロジェクターの光学系

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。

<図2>自動車ヘッドライトの主な光学素子
<図2>自動車ヘッドライトの主な光学素子

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。

<図3>光ピックアップ装置における情報を読み書きする仕組み
<図3>光ピックアップ装置における情報を読み書きする仕組み

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。

<表1>さまざまな分野で用いられる光学機器

分野 機器分類 機器例
映像 映像表示装置 ディスプレイ・プロジェクター
映像記録装置 カメラ(静止画)・ビデオカメラ(動画)
観察 望遠鏡 天体望遠鏡・屈折望遠鏡
拡大鏡 ルーペ・各種顕微鏡
(光学顕微鏡・偏光顕微鏡・蛍光顕微鏡・レーザ顕微鏡)
計測 距離計測器 LiDAR・ミリ波レーダー
光計測器 分光器・干渉計
情報ストレージ 記録再生装置 光学ディスクドライブ
再生装置 光学ディスクプレーヤー

 

光学素子の原理、種類と選定のポイント

レンズの原理

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。

<図4>レンズの結像原理
<図4>レンズの結像原理

レンズの種類と特徴

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。

<表2>光学レンズの特徴と用途

種類 特徴 用途
球面レンズ 平凸球面レンズ 点光源からの出力光を平行にする(コリメート)または平行光を集光する コリメートレンズ全般
両凸球面レンズ 結像させる際に適している イメージングレンズ全般
平凹球面レンズ 平行光(コリメート光)を屈折させ、光を発散させる ガリレイ式ビームエキスパンダ
両凹球面レンズ 集束光を発散させる ガリレオ式ビームエキスパンダ
正メニスカスレンズ 大きな球面収差を発生させずに焦点距離を短くし、システムの開口数を大きくする 複合型の光学アセンブリ(望遠鏡等)
負メニスカスレンズ 焦点距離を長くし、開口数を小さくする
非球面レンズ 平凸・両凸・平凹・両凹レンズ 球面収差をなくすようレンズカーブが高次非球面形状に設計されている。回折限界スポットサイズを得ることが可能 レーザからの光のコリメートやファイバに光を結合するための集光レンズ
屈折率分布レンズ Axial /Radial GRIN レンズ 光軸方向/光軸と直交方向に屈折率を変化させたレンズ
空気とレンズの屈折率の違いを利用せずにレンズの中の屈折率差を利用するため、一般レンズと異なる形状が可能
ファイバ出力光のコリメート/集光レンズ
内視鏡用レンズ、光通信機器
特殊形状レンズ シリンドリカルレンズ・ロッドレンズ 光の一方向のみに集光するため、レーザ光を細く集光したり、シート状の光が形成可能 バーコードリーダー、スキャナー

 

レンズ選定のポイント

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。

フィルターの原理

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。

<図5>所望の波長の光を取り出す光学フィルター模式図
<図5>所望の波長の光を取り出す光学フィルター模式図

フィルターの種類と特徴

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。

<表3>目的別光学フィルターの特徴と用途

目的 種類 特徴 用途
光量の調整 NDフィルター 吸収型NDフィルター 安価だが、熱損傷しやすい カメラ等の映像機器
反射型NDフィルター 広波長帯で利用可能
波長の調整 色ガラスフィルター ロングパスフィルター
(コールドミラー)
長波長帯のみ透過 LiDAR
バンドパスフィルター 指定波長の周辺のみ透過 蛍光観察器、半導体製造装置
ショートパスフィルター
(ホットミラー)
短波長帯のみ透過 投影器や照明装置など、赤外線による温度上昇が懸念される場合に使用
偏光の調整 偏光フィルター フィルム偏光子 安価で取扱いが容易 カメラ、スキー用ゴーグル
ワイヤーグリッド偏光子 光耐性に優れる 偏光ビームスプリッタ
波長板 アクロマティック波長板 広波長帯で利用可能 広域発振レーザ用、スペクトル光源
ゼロオーダー波長板 波長・温度依存性が小さい 光通信機器、電気光学変調器
マルチオーダー波長板 安価だが、波長・温度依存性が大きい 偏光ローテーター

 

フィルターの選定ポイント

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。

<図6>ロングパスフィルター、ショートパスフィルター、バンドパスフィルターの波長の絞り込み模式図
<図6>ロングパスフィルター、ショートパスフィルター、バンドパスフィルターの波長の絞り込み模式図

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。

ミラーの原理

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。

<図7>反射現象により光路を変更するミラー模式図
<図7>反射現象により光路を変更するミラー模式図

ミラーの種類

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。

<表4>目的別ミラーの特徴と用途

目的 種類 特徴 用途
光の進路を変更する 平面ミラー 入射光を反射させ像を映すことが可能 姿見、一眼レフカメラ
光の進路を変更し、レンズ効果を付与する 凸面ミラー 実視野を拡大させ、色収差が生じない
豊富なコーティングオプションがある
拡大鏡、カーブミラー
凹面ミラー 集光ミラー、色収差が生じない ヘッドライトのリフレクタ、サーチライト
自由曲面ミラー 平行光を所定の角度(非軸角度)で集光する
光学系のレイアウト上の制約を低減する(光学系の小型化が可能)
小型プロジェクターな

 

ミラー・フィルターの選定ポイント

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。

<表5>コーティングタイプ別の構造と特徴

コーティングタイプ 構造 特徴
金属膜
(*ミラーのみ)
ガラス基板に金属反射膜をつけたもの 簡素な膜構成で高反射ミラーが実現可能
金属膜での光吸収を伴い高パワー光学系では不向き
誘電体膜 単層膜 ガラス基板にガラスと屈折率が異なる誘電率の膜をつけたもの 簡素な膜構成で反射率の低減・増加が可能
金属膜と比べ光吸収が少ない
多層膜 上記単層膜に、複数の膜を重ねたもの。少ない膜材料でも複数回(多層化)することができる 反射率を極大、極小化することが可能
特定の波長、広波長帯で作用させることが可能

 

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。

プリズムの原理

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。

<図8>白色光を分光する光学プリズム模式図
<図8>白色光を分光する光学プリズム模式図

プリズムの種類

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。

<表6>目的別プリズムの特徴と用途

目的 種類 特徴 用途
光を反射 ビームステアリング・プリズム 45°直角プリズム 90°/180°リフレクタとして機能するため、ミラーの代替が可能 望遠鏡、ペリスコープ
コーナーキューブ・レトロリフレクタ 再帰反射をする
向きの制御が難しい条件下での使用可能
測長機のリフレクタ、ビームアライメント、ビームデリバリに利用
イメージローテーター ダブプリズム 光の入射面によって、像を反転、逆転または回転する
ビーム回転子の回転方向を決定
非逆転ミラー
ルーフプリズム 光の入射面に依存せず、像を反転し、回転する
(像が左右上下反転する)
アライメント、光調整に利用
ペンタプリズム 鏡対称になっているミラーからの反射像を元の物体と同じ正立の像に変換する
角度のズレが無く、光学系の小型化が可能
アナログカメラのイメージローテーター
波長分離 分散プリズム 60°分散プリズム 白色光を可視領域に分岐する 回折格子の代替として、分光器などに利用可能
ペロン・ブロカプリズム 出力90°で光線の波長分離する レーザ高調波の分離、群速度分散の補償に使用
光操作 ビーム操作用プリズム 円錐(アキシコン)レンズ コリメート光源から円錐状の非発散ビームを生成 医療用レーザ機器

 

光学素子に見られる2つの技術トレンド

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。

<図9>MEMSミラーの構造図
<図9>MEMSミラーの構造図



<図10>小型カメラに内蔵されるセンサチップ
<図10>小型カメラに内蔵されるセンサチップ


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。

<図11>すばる望遠鏡
<図11>すばる望遠鏡

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。

<表7>天体望遠鏡のレンズ口径(サイズ)と解像度の推移

年代 1960年 2000年 2014年着工(建設中)
設備 岡山天体物理観測所 すばる望遠鏡 TMT(Thirty Meter Telescope)
口径 1.88m 8.2m 30m
解像度(補償光学使用時) 0.3秒角 0.03秒角 0.008秒角
重量 50トン 550トン ~2000トン

 

まとめ

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。

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