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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024100859
(43)【公開日】2024-07-26
(54)【発明の名称】光学装置
(51)【国際特許分類】
G02B 3/00 20060101AFI20240719BHJP
【ＦＩ】
G02B3/00
【審査請求】有
【請求項の数】1
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2024080691
(22)【出願日】2024-05-17
(62)【分割の表示】P 2020007031の分割
【原出願日】2020-01-20
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第２項適用申請有り 第６３回宇宙科学技術連合講演会（アクティとくしま、令和元年１１月６日開催） 第６３回宇宙科学技術連合講演会 予稿集写し
(71)【出願人】
【識別番号】503361400
【氏名又は名称】国立研究開発法人宇宙航空研究開発機構
(74)【代理人】
【識別番号】110003339
【氏名又は名称】弁理士法人南青山国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】栗林 亮介
(57)【要約】
【課題】小型・軽量な光学系構成で、マイクロラジアン程度以下の光伝搬方向の制御精度を持ち、耐環境性・耐振動性も高く、大口径ビームや高パワー光への対応も可能で、しかも低コストな光学装置及び光伝搬方向制御器を提供すること。
【解決手段】光学装置１は、焦点を有する集光光学部品である凸レンズ１０と、凸レンズ１０とその前記焦点との間に挿入され、凸レンズ１０側から見た際の見かけ上の焦点を、光軸に垂直な方向へシフトすることができる光学素子である平行平面板２０とを具備する。
【選択図】図１
【解決手段】光学装置１は、焦点を有する集光光学部品である凸レンズ１０と、凸レンズ１０とその前記焦点との間に挿入され、凸レンズ１０側から見た際の見かけ上の焦点を、光軸に垂直な方向へシフトすることができる光学素子である平行平面板２０とを具備する。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
焦点を有する集光光学部品と、
前記集光光学部品と前記焦点との間に挿入され、前記集光光学部品側から見た際の見かけ上の焦点を、光軸に垂直な方向へシフトすることができる光学素子と
を具備する光学装置。
前記集光光学部品と前記焦点との間に挿入され、前記集光光学部品側から見た際の見かけ上の焦点を、光軸に垂直な方向へシフトすることができる光学素子と
を具備する光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、自由空間光の送光器または受光器において、その送光または受光の方向を高精度に制御する光伝搬方向制御器や選択器として用いられる光学装置に関する。
本発明は、このような光学装置を有する光伝搬方向制御器に関する。
本発明は、このような光学装置を有する光伝搬方向制御器に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ライダー（ＬＩＤＡＲ：Light Detection and Ranging）、自由空間光通信、光３Ｄプリンタなどのレーザアプリケーションの急速な発展に伴い、レーザビーム等の光の伝搬方向を高速かつ高精度（ミリラジアン以下の誤差）に固定または掃引する光伝搬方向制御器のニーズが高まっている。
【0003】
従来の主な光伝搬方向制御器の構成としては、ミラーの角度制御によるもの、レンズ位置シフト等により光学軸をずらすものなどが挙げられる。前者には、ジンバルミラー（非特許文献１参照）、ガルバノミラーシステム（非特許文献２参照）、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー（非特許文献３参照）等が一般に用いられる。さらには、機械的な可動部分を有せず、光の位相に空間的な変調をかけることで光伝搬方向を変化させる空間光変調器などがある（非特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【0004】
【非特許文献1】Y. Kaymak et al., "A Survey on Acquisition, Tracking, and Pointing Mechanisms for Mobile Free-Space Optical Communications," IEEE Communications Surveys and Tutorials 20, 1104-1123 (2018).
【非特許文献2】H. Jigang et al., "Two Dimensional Laser Galvanometer Scanning Technology for Additive Manufacturing," International Journal of Materials, Mechanics and Manufacturing 6, 332-336 (2018).
【非特許文献3】S. T. S. Holmstrom et al., "MEMS Laser Scanners: A Review," Journal of Microelectromechanical System 23, 259-275 (2014).
【非特許文献4】応用物理学会会誌「光学」 36巻、p.122 (2007).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
本発明者らは、月面ランダから月面探査ローバへのレーザ無線給電を検討している。これは、太陽光発電パネルを搭載する日照域内の月面ランダより、レーザ光（１００ワット以上）を使って１ｋｍ以上離れることもある永久影域内の月面探査ローバに無線給電するシステムである。ここで要求されるレーザ光の伝搬方向制御精度は、数十マイクロラジアン以下となる。また、宇宙機一般の要求として、光伝搬方向制御器は、小型・軽量、耐環境性、耐振動性などが強く望まれる。さらに、１ｋｍを超えるようなレーザ伝送の場合、光の回折効果によりビーム径が広がるため、送光側のビーム径は、十数から数十ｍｍ以上に大きくする必要がある。このようなシステムに上記の従来の光伝搬方向制御器を用いようとする場合、以下のような新たな課題が発生する。
【0006】
（１）ジンバルミラーやガルバノミラーシステムの光伝搬方向制御精度は、モーターなどのアクチュエータの性能でほぼ決まるが、軽量かつ大口径で、前述の要求精度を実現することは難しい。また、当アクチュエータで制御するミラーの角度変化の２倍が、そのまま光伝搬方向の変化となるため、ミラーへの振動の影響は大きい。
【0007】
（２）ＭＥＭＳミラーは、サイズが小さいため、径の大きなビームや高パワー光に対応することが難しい。
【0008】
（３）空間光変調器は、周囲環境変動（温度、等）や高パワーへの耐性が低く、また、その利用には、高度な光位相モニタ／制御の技術が不可欠となる。
【0009】
（４）一般にマイクロラジアン級の高精度な光伝搬方向制御器は高コストとなり易い。
【0010】
本発明は、このような新規課題を解決する構成を提供するものであり、その目的は、小型・軽量な光学系構成で、マイクロラジアン程度以下の光伝搬方向の制御精度を持ち、耐環境性・耐振動性も高く、大口径ビームや高パワー光への対応も可能で、しかも低コストな光学装置及び光伝搬方向制御器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
上記目的を達成するため、本発明の一形態に係る光学装置は、焦点を有する集光光学部品と、前記集光光学部品と前記焦点との間に挿入され、前記集光光学部品側から見た際の見かけ上の焦点を、光軸に垂直な方向へシフトすることができる光学素子とを具備し、前記集光光学部品の前記光学素子が無い側の空間における光の伝搬方向角を、前記シフト量に応じて変化させることを特徴とする。
【0012】
（１）前記光学素子として平行平面板を採用した場合、その平行平面板の光学厚（＝厚さｘ屈折率）とレンズ焦点距離の選択だけで、光伝搬方向制御の精度と掃引ピッチを調整可能であり、回転アクチュエータ自体の性能以上の方向制御精度を引き出すことが可能となる。また同時に、従来方法に比べて回転アクチュエータの機械的な動きに対して鈍感となるため、従来方法と同程度の精度で光伝搬方向を制御する場合には、振動耐性が向上する。
【0013】
（２）光の集束点（焦点）近傍に前記平行平面板を配置するため、方向制御精度を大きく低下させることなく、平行平面板等の光学素子の面積もそれほど広げることなく、大口径ビームにも対応可能である。さらに、透過波長に対して吸収の少ない平行平面板材料を採用し、平行平面板両面に反射防止処理を施すことにより、低光損失で、かつ、強パワー光への耐性を確保することも可能となる
【0014】
（３）単純な平行平面板等の光学素子の回動のみで高精度制御が可能であり、一般に温湿度等の周囲環境の影響も受け難い。
【0015】
（４）光学厚の異なる平行平面板等の光学素子を複数枚挿入することで、高精度と広範囲の光伝搬方向制御の両立が可能となる。
【0016】
（５）従来のコリメータやビーム径変換器の中に、平行平面板等の光学素子を追加挿入するだけで、光学系のサイズや重量を大きく増加させることもなく、簡易に高精度な方向制御機能を持たせることが可能となる。
【0017】
（６）安価な平行平面板等の光学素子の追加のみで構成可能である。
【0018】
本発明の一形態に係る光学装置では、前記光学素子は、光軸に対して垂直な軸で回動が可能、もしくは、一定傾斜角度で固定され電磁気・熱・光などの外部作用により屈折率変化が可能な透過型の平行平面板を有する。
【0019】
本発明の一形態に係る光学装置では、前記集光光学部品は、１枚以上のレンズ又は１枚以上の反射鏡によって構成されたコリメータである。
【0020】
本発明の一形態に係る光学装置では、前記反射鏡は、５０ｍｍ径以上の径を持つ反射型望遠鏡である。
【0021】
本発明の一形態に係る光学装置では、前記集光光学部品は、１枚以上のレンズ、１枚以上の反射鏡又は１枚以上のレンズと１枚以上の反射鏡の組み合わせによって構成されたリレー光学系又はビーム径変換器である。
【0022】
本発明の一形態に係る光学装置では、前記反射鏡は、５０ｍｍ径以上の直径を持つ反射型望遠鏡である。
【0023】
本発明の一形態に係る光学装置では、前記平行平面板は、互いに直交した２つの軸で回動が可能である。
【0024】
本発明の一形態に係る光学装置では、前記光学素子は、前記光軸に垂直な第１の軸を回転軸として回動が可能、もしくは、一定傾斜角度で固定され電磁気・熱・光などの外部作用により屈折率変化が可能な透過型の第１の平行平面板と、前記光軸及び第１の軸に垂直な第２の軸を回転軸として回動が可能、もしくは、一定傾斜角度で固定され電磁気・熱・光などの外部作用により屈折率変化が可能な透過型の第２の平行平面板とを有する。
【0025】
本発明の一形態に係る光学装置では、前記光学素子は、それぞれが独立に回動が可能、もしくは、一定傾斜角度で固定され電磁気・熱・光などの外部作用により独立に屈折率変化が可能で、かつ、外部作用無しの時の光学厚（＝厚さｘ屈折率）が異なる２枚以上の透過型の平行平面板を有する。
本発明の一形態に係る光学装置では、前記集光光学部品の前記光学素子が配置された側と反対側に配置されたビームシェイパを更に具備してもよい。
本発明の一形態に係る光学装置では、前記集光光学部品の前記光学素子が配置された側と反対側に配置されたビームシェイパを更に具備してもよい。
【発明の効果】
【0026】
本発明によれば、小型・軽量な光学系構成で、マイクロラジアン程度以下の光伝搬方向の制御精度を持ち、耐環境性・耐振動性も高く、大口径ビームや高パワー光への対応も可能であり、しかも低コストな光伝搬方向制御器や選択器等を実現可能である。
【図面の簡単な説明】
【0027】
【図1】本発明の第１の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図4】本発明の第２の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図5】本発明の第３の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図6】本発明の第４の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図8】本発明の第５の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図9】本発明の第６の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図10】本発明の第７の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図11】本発明の第８の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図12】本発明の第９の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図13】本発明の第１０の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図14】本発明の第１１の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図15】本発明の第１２の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【図16】本発明の第１の実施形態の変形例に係る光学装置の構成を示す図である。
【図17】月面ローバにレーザ無線給電するシステムに本発明に係る光学装置を適用した実施例を示す図である。
【図19】ライダー／リモートセンシングシステムに本発明に係る光学装置を適用した実施例を示す図である。
【図21】本発明に係るビーム方向制御器の精度を実証するための実験結果であり、平行平面板を保持する２軸ホルダーの調整ツマミを所定回数回転した際の８００ｍ伝送先のビーム画像を示す。
【図22】本発明に係るビーム方向制御器の精度を実証するための実験結果であり、８００ｍ伝送先ビーム画像の重心位置の変化量を示す（ｍｍ単位）。
【図23】本発明に係るビーム方向制御器の精度を実証するための実験結果であり、８００ｍ伝送先ビーム画像の重心位置（レーザ送光器側から見た光伝搬方向角）の変化量を示す（μｒａｄ単位）。
【発明を実施するための形態】
【0028】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
【0029】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図１に示すように、光学装置１は、発散ビームを平行光に変換するコリメータであり、凸レンズ１０と、レーザ光源３０と凸レンズ１０との間に挿入された透過型の平行平面板２０とを有する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図１に示すように、光学装置１は、発散ビームを平行光に変換するコリメータであり、凸レンズ１０と、レーザ光源３０と凸レンズ１０との間に挿入された透過型の平行平面板２０とを有する。
【0030】
集光光学部品として機能する凸レンズ１０は、凸レンズ１０の焦点の位置に配置されたレーザ光源３０から出力された発散光であるレーザ光を平行光とする。
【0031】
平行平面板２０は、回動可能に保持されている。例えば、平行平面板２０は、図中符号ｒの方向に回動され、点線で示す位置に保持される。
【0032】
平行平面板２０は、図示を省略した保持機構（光学素子ホルダ）により保持され、例えば手動で回動される。或いは図示を省略した回転駆動機構（光学素子用キネマティックマウントや回転ステージ）により回動可能に保持され、例えば図示を省略した所定の制御システム（ステッピングモータやピエゾ駆動デバイスを有するシステム）による制御のもとで回動駆動されてもよい。
【0033】
このような光学装置１は、光空間分布と光伝搬角度分布の間の変換作用を持つフーリエ変換光学系からなる光伝搬方向制御器や選択器等を構成する。
【0034】
例えば、この光学装置１において、平行平面板２０が図中符号ｒの方向に回動されて点線で示す位置になると、凸レンズ１０側から見た際の見かけ上の焦点（レーザ光源３０の出射端像）は、光軸に垂直な方向へシフトする。これにより、その凸レンズ１０を挟んで焦点（レーザ光源３０の出射端像）とは反対側の光の伝搬方向を制御する。すなわち、本発明に係る光学装置１では、光軸に対する平行平面板２０の角度を変化させることで、凸レンズ１０を挟んで反対側の光の伝搬方向を制御することができる。
【0035】
図２はこのように構成された光学装置１の原理をより詳細に説明するための図である。
図２において、集光光学部品である凸レンズ１０の焦点距離をｆ、平行平面板２０の屈折率をｎ１とした場合における、平行平面板２０の傾斜角度θ0に対する光伝搬方向角φは、下記の数式１で示される。なお、図２において、ｄは平行平面板２０の厚さ、Δｘは光軸に垂直な方向への光線の平行シフト量（＝見かけ上の焦点位置のシフト量）を示している。
図２において、集光光学部品である凸レンズ１０の焦点距離をｆ、平行平面板２０の屈折率をｎ１とした場合における、平行平面板２０の傾斜角度θ0に対する光伝搬方向角φは、下記の数式１で示される。なお、図２において、ｄは平行平面板２０の厚さ、Δｘは光軸に垂直な方向への光線の平行シフト量（＝見かけ上の焦点位置のシフト量）を示している。
【数1】
【0036】
この数式１で、ｆを１００ｍｍ、ｎ１を１．５として計算すると図３のとおりとなる。図３のグラフは、異なる厚さｄを持つ４つの平行平面板２０に関し、その傾斜角度θ０に対する光伝搬方向角φを示しており、方向制御性能の厚さｄへの依存性を示す計算結果となっている。このグラフからも明らかなように、θ0に対してφの変化量は約３桁小さくなるため、光伝搬方向の制御精度は約３桁向上することになる。例えば、開口３００ｍｍ径程度の受光パネルを搭載する月面探査ローバへレーザ無線給電を行う場合、少なくとも５０μｒａｄ（１ｋｍ先で５０ｍｍのずれ）程度以下の方向制御精度が必要となるが、ｄ＝１．５ｍｍであれば、θ０は１０ｍｒａｄ程度の回動精度で十分ということになる。
【0037】
本発明に係る光学装置１では、前記の１次元的な方向制御ばかりでなく、２次元的な方向制御を行ってもよい。２次元的な方向制御は、例えば２枚の平行平面板２０をレーザ光源３０と凸レンズ１０との間に挿入し、光軸（ｚ軸）に垂直で、かつ、紙面に垂直な軸（ｘ軸）と、紙面に平行な軸（ｙ軸）でそれぞれを回動させるか、１枚の平行平面板を、ｘ軸とｙ軸の２軸で回動させることで実現可能となる。また、光軸（ｚ軸）に垂直な任意の軸（ｒ軸）に対する回動と光軸（ｚ軸）自身を中心軸とした回転の組み合わせでも、２次元方向制御が可能となる。
【0038】
また、数式１を見れば分かるとおり、前記光学装置１に代え、図１６に示すように、例えば屈折率制御部１６１による制御のもとで電気、磁気、熱、または、光などの印加の制御によって屈折率ｎ１が変化できる平行平面板２０'を用いた光学装置１'の場合には、平行平面板２０'を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。屈折率変化が可能なものとしては、例えば、ＬＮ（ニオブ酸リチウム）結晶、ＫＤＰ（リン酸二水素カリウム）結晶、ＢＢＯ（ベータホウ酸バリウム）結晶、ＫＴＮ（タンタル酸ニオブ酸カリウム）結晶などにおける電気光学効果を利用した光学結晶が挙げられるが、これらを平行平面板２０'として用いることで、少なくともkHzオーダー以上の高速な方向制御も可能と考えられる。尚、平行平面板２０'の材質は、これらに限定されることなく、屈折率が変化できるものであれば何でも良い。さらに、屈折率変化が可能な２枚の平行平面板２０'を用い、それぞれお互いに直交した軸（例えば、縦と横）上で光伝搬方向角φを制御することで、２次元的な方向制御も可能となる。
【0039】
【0040】
＜第２の実施形態＞
図４は、本発明の第２の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図４は、本発明の第２の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【0041】
図４に示すように、光学装置２は、リレー光学系又はケプラー方式のビーム径変換器であり、第１の凸レンズ１１と、透過型の第１の平行平面板２１と、透過型の第２の平行平面板２２と、第２の凸レンズ１２とを有する。
【0042】
第１の凸レンズ１１は、平行光であるレーザ光を光学装置２内にて集束する。第２の凸レンズ１２は光学装置２内の発散光であるレーザ光を平行光とする。これにより、光学装置２は、リレー光学系又はビーム径変換器の機能を発揮する。
【0043】
第１の平行平面板２１は、第１の凸レンズ１１と第１及び第２の凸レンズ１１、１２の焦点との間に挿入されている。第２の平行平面板２２は、第１及び第２の凸レンズ１１、１２の焦点と第２の凸レンズ１２との間に挿入される。第１及び第２の平行平面板２１、２２は、図中符号ｒ方向に回動可能に保持される。
【0044】
このように構成された光学装置２では、リレー光学系又はビーム径変換器の機能を発揮しつつ、第１及び第２の平行平面板２１、２２をｒ方向に回動制御することで、凸レンズ１２通過後のレーザ光の伝搬方向を制御することができる。
【0045】
尚、この光学装置２では、焦点の両側にそれぞれ第１及び第２の平行平面板２１、２２が挿入されているが、いずれか一方のみに１枚の平行平面板を挿入してもよい。
【0046】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板２１、２２を用いた場合には、平行平面板２１、２２を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0047】
尚、図４における光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0048】
＜第３の実施形態＞
図５は、本発明の第３の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図５は、本発明の第３の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【0049】
図５に示すように、光学装置３は、ガリレオ式のビーム径変換器であり、１枚の凹レンズ１３と、１枚の凸レンズ１４と、透過型の平行平面板２３とを有する。
【0050】
凹レンズ１３は、平行光であるレーザ光を光学装置３内にて発散する。凸レンズ１４は、光学装置３内の発散光であるレーザ光を平行光とする。これにより、光学装置３は、ビーム径変換器の機能を発揮する。
【0051】
平行平面板２３は、凸レンズ１４と凸レンズ１４の焦点（光学装置３の外側に存在する。）との間で、かつ、凹レンズ１３と凸レンズ１４の間に挿入されている。平行平面板２３は、図中符号ｒで示す方向に回動可能に保持されている。
【0052】
このように構成された光学装置３では、ビーム径変換器の機能を発揮しつつ、平行平面板２３をｒ方向に回動制御することで、凸レンズ１４通過後のレーザ光の伝搬方向を制御することができる。尚、図４に示した第２の実施形態に比べ、凹レンズ１３と凸レンズ１４の焦点が光学装置３の外側にあるため、光学装置３のサイズを小さくできる等の特徴を有する。
【0053】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板２３を用いた場合には、平行平面板２３を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0054】
尚、図５における光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0055】
＜第４の実施形態＞
図６は、本発明の第４の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図６は、本発明の第４の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【0056】
【0057】
平行平面板２４、２５、２６は、凸レンズ１０とレーザ光源３０との間に挿入されている。平行平面板２４、２５、２６は、それぞれ図中符号ｒで示す方向に独立して回動可能に保持されている。
【0058】
このように構成された光学装置４では、コリメータの機能を発揮しつつ、平行平面板２４、２５、２６をｒ方向にそれぞれ独立に回動制御することで、レーザ光の伝搬方向を異なる精度・ピッチで変化させることが可能となる。尚、平行平面板の枚数は、３枚に限らず、何枚であっても良く、その枚数に応じて、精度・ピッチの自由度が増えることになる。
【0059】
図７のグラフは、平行平面板２４、２５、２６の厚さｄを大きく離した場合の、それぞれの平行平面板の傾斜角度θ０に対する凸レンズ１０通過後の光伝搬方向角φを示す計算結果例である。ここでは凸レンズ１０の焦点距離を１００ｍｍ、屈折率は全て１．５としている。このグラフから分かるように、厚さの大きく異なる平行平面板を３枚挿入した場合、それぞれの平行平面板による方向制御精度・ピッチは、数倍から１０倍程度以上の差を持つ値となり得る。本実施形態におけるトータルの制御角は、それぞれの平行平面板２４、２５、２６の制御角の和となるため、厚さの大きく異なる平行平面板を複数挿入することにより、粗調整と微調整の両方を同時に可能にするなど、既存のデバイスでは困難な機能の一括搭載が可能となる。尚、図７の計算では、３枚とも同じ屈折率に設定したが、それぞれの屈折率の値を変えることでも、同様にそれぞれの平行平面板による制御精度・ピッチを変えることが可能である。
【0060】
本実施形態に係る光学装置４では、上述のようにレーザ光の伝搬方向を異なる精度・ピッチで変化させることが可能となるばかりでなく、平行平面板の数を２枚以上に増やして各々の傾斜角度θ０の最大値を小さくすることで、角度θ０の２乗に比例して増加する非点収差を軽減させることも同時に可能となる。
【0061】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板２４、２５、２６を用いた場合には、平行平面板２４、２５、２６を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0062】
尚、図６におけるレーザ光源３０を光センサで置き換え、光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0063】
＜第５の実施形態＞
図８は、本発明の第５の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図８に示すように、光学装置１０１は、発散ビームを平行光に変換するコリメータであり、凹面鏡１１０と、レーザ光源１３０と凹面鏡１１０との間に挿入された透過型の平行平面板１２０とを有する。
図８は、本発明の第５の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図８に示すように、光学装置１０１は、発散ビームを平行光に変換するコリメータであり、凹面鏡１１０と、レーザ光源１３０と凹面鏡１１０との間に挿入された透過型の平行平面板１２０とを有する。
【0064】
凹面鏡１１０は、凹面鏡１１０の焦点の位置に配置されたレーザ光源１３０から出力された発散光であるレーザ光を平行光とする。
【0065】
平行平面板１２０は、回動可能に保持されている。例えば、平行平面板１２０は、図中符号ｒの方向に回動される。
【0066】
平行平面板１２０は、図示を省略した保持機構（光学素子ホルダ）により保持され、例えば手動で回動される。或いは図示を省略した回転駆動機構（光学素子用キネマティックマウントや回転ステージ）により回動可能に保持され、例えば図示を省略した所定の制御システム（ステッピングモータやピエゾ駆動デバイスを有するシステム）による制御のもとで回動駆動されてもよい。
【0067】
このような光学装置１０１は、光空間分布と光伝搬角度分布の間の変換作用を持つフーリエ変換光学系からなる光伝搬方向制御器や選択器等を構成する。
【0068】
例えば、この光学装置１０１において、平行平面板１２０が図中符号ｒの方向に回動されると、凹面鏡１１０側から見た際の見かけ上の凹面鏡１１０の焦点（レーザ光源１３０の出射端像）を、レーザ光源１３０と凹面鏡１１０とを結ぶ光軸に垂直な方向へシフトする。これにより、その凹面鏡１１０を介してレーザ光源１３０と凹面鏡１１０とを結ぶ光軸とは交差する方向の光の伝搬方向を制御する。すなわち、本発明に係る光学装置１０１では、光軸に対する平行平面板１２０の角度を変化させることで、光学装置１０１から出力される凹面鏡１１０通過後のレーザ光の光伝搬方向の制御が可能となる。尚、本実施形態においては、透過屈折型で一般に屈折率分散を持つレンズではなく、反射型の凹面鏡を用いているため、光軸が大きく曲がると同時に光学アライメントの難易度が一般に上昇し易いものの、より広い波長範囲で適用できる可能性がある。また、反射型ゆえに光吸収による発熱が起こり難く、仮に発熱した場合であっても、冷却がしやすいなどの特徴を持つ。
【0069】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板１２０を用いた場合には、平行平面板１２０を回動せずに一定角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0070】
尚、図８におけるレーザ光源１３０を光センサで置き換え、光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0071】
＜第６の実施形態＞
図９は、本発明の第６の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図９に示すように、光学装置１０２は、発散ビームを平行光に変換する大口径のカセグレン式反射望遠鏡を用いたコリメータであり、一対の凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２と、レーザ光源１３０と凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２との間に挿入された透過型の平行平面板１２１とを有する。
図９は、本発明の第６の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図９に示すように、光学装置１０２は、発散ビームを平行光に変換する大口径のカセグレン式反射望遠鏡を用いたコリメータであり、一対の凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２と、レーザ光源１３０と凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２との間に挿入された透過型の平行平面板１２１とを有する。
【0072】
一対の凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２は、一対の凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２の焦点の位置に配置されたレーザ光源１３０から出力された発散光であるレーザ光を平行光とする。本実施形態のようにカセグレン式反射望遠鏡を用いることで、一般に透過屈折型のレンズでは対応が難しい５０ｍｍ径程度以上の大口径ビームに対応が可能となる。
【0073】
平行平面板１２１は、回動可能に保持されている。例えば、平行平面板１２１は、図中符号ｒの方向に回動される。
【0074】
平行平面板１２１は、図示を省略した保持機構（光学素子ホルダ）により保持され、例えば手動で回動される。或いは図示を省略した回転駆動機構（光学素子用キネマティックマウントや回転ステージ）により回動可能に保持され、例えば図示を省略した所定の制御システム（ステッピングモータやピエゾ駆動デバイスを有するシステム）による制御のもとで回動駆動されてもよい。
【0075】
このような光学装置１０２は、光空間分布と光伝搬角度分布の間の変換作用を持つフーリエ変換光学系からなる光伝搬方向制御器や選択器等を構成する。
【0076】
例えば、この光学装置１０２において、平行平面板１２１が図中符号ｒの方向に回動されると、一対の凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２側から見た際の見かけ上の焦点（レーザ光源１３０の出射端像）を、レーザ光源１３０と一対の凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２とを結ぶ光軸に垂直な方向へシフトする。これにより、その一対の凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２を挟んで焦点（レーザ光源１３０の出射端）とは反対側の光の伝搬方向を制御する。すなわち、本発明に係る光学装置１０２では、光軸に対する平行平面板１２１の角度を変化させることで、その一対の凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２を挟んで反対側の光の伝搬方向を制御することができる。尚、図９では、一般に透過屈折型のレンズでは対応が難しい５０ｍｍ径程度以上の大口径ビームに対応し得る光学機構（集光光学部品）として、カセグレン式反射望遠鏡を例として挙げたが、これに限ることなく、その他の方式の反射望遠鏡であっても構わない。
【0077】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板１２１を用いた場合には、平行平面板１２１を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0078】
尚、図９におけるレーザ光源１３０を光センサで置き換え、光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0079】
＜第７の実施形態＞
図１０は、本発明の第７の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図１０は、本発明の第７の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【0080】
図１０に示すように、光学装置１０３は、ケプラー方式の反射型のリレー光学系又はビーム径変換器であり、第１の凹面鏡１１３と、透過型の第１の平行平面板１２２と、透過型の第２の平行平面板１２３と、第２の凹面鏡１１４とを有する。
【0081】
第１の凹面鏡１１３は、平行光であるレーザ光を光学装置１０３内にて集束する。第２の凹面鏡１１４は、光学装置１０３内の発散光であるレーザ光を平行光とする。これにより、光学装置１０３は、リレー光学系又はビーム径変換器の機能を発揮する。
【0082】
第１の平行平面板１２２は、第１の凹面鏡１１３と第１及び第２の凹面鏡１１３、１１４の焦点との間に挿入されている。第２の平行平面板１２３は、第１及び第２の凹面鏡１１３、１１４の焦点と第２の凹面鏡１１４との間に挿入される。第１及び第２の平行平面板１２２、１２３は、図中符号ｒ方向に回動可能に保持される。
【0083】
このように構成された光学装置１０３では、リレー光学系又はビーム径変換器の機能を発揮しつつ、第１及び第２の平行平面板１２２、１２３をｒ方向に回動制御することで、凹面鏡１１４通過後の光の伝搬方向を制御することができる。尚、本実施形態においては、透過屈折型で一般に屈折率分散を持つレンズではなく、反射型の凹面鏡を用いているため、光軸が大きく曲がると同時に光学アライメントの難易度が一般に上昇し易いものの、より広い波長範囲で適用できる可能性がある。また、反射型ゆえに光吸収による発熱が起こり難く、仮に発熱した場合であっても、冷却がしやすいなどの特徴を持つ。
【0084】
尚、この光学装置１０３では、焦点の両側にそれぞれ第１及び第２の平行平面板１２２、１２３が挿入されているが、焦点のいずれか一方のみに１枚の平行平面板を挿入してもよい。
【0085】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板１２２，１２３を用いた場合には、平行平面板１２２，１２３を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0086】
尚、図１０における光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0087】
＜第８の実施形態＞
図１１は、本発明の第８の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図１１は、本発明の第８の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【0088】
図１１に示すように、光学装置１０４は、ガリレオ式の反射型のビーム径変換器であり、１枚の凸面鏡１１５と、１枚の凹面鏡１１６と、透過型の平行平面板１２４とを有する。
【0089】
凸面鏡１１５は、平行光であるレーザ光を光学装置１０４内にて発散する。凹面鏡１１６は、光学装置１０４内の発散光であるレーザ光を平行光とする。これにより、光学装置１０４は、ビーム径変換器の機能を発揮する。
【0090】
平行平面板１２４は、凹面鏡１１６と凹面鏡１１６の焦点（光学装置１０４の外側に存在する。）との間で、かつ、凹面鏡１１６と凸面鏡１１５の間に挿入されている。平行平面板１２４は、図中符号ｒで示す方向に回動可能に保持されている。
【0091】
このように構成された光学装置１０４では、ビーム径変換器の機能を発揮しつつ、平行平面板１２４をｒ方向に回動制御することで、凹面鏡１１６通過後の光の伝搬方向を制御することができる。尚、本実施形態においては、透過屈折型で一般に屈折率分散を持つレンズではなく、反射型の凹面鏡を用いているため、光軸が大きく曲がると同時に光学アライメントの難易度が一般に上昇し易いものの、より広い波長範囲で適用できる可能性がある。また、反射型ゆえに光吸収による発熱が起こり難く、仮に発熱した場合であっても、冷却がしやすいなどの特徴を持つ。さらに、第７の実施形態に比べて、凸面鏡１１５と凹面鏡１１６の焦点が光学装置１０４の外側にあるため、一般に光学装置１０４のサイズを小さくすることが可能である。
【0092】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板１２４を用いた場合には、平行平面板１２４を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0093】
尚、図１１における光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0094】
＜第９の実施形態＞
図１２は、本発明の第９の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図１２は、本発明の第９の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【0095】
図１２に示すように、光学装置１０５は、ケプラー方式の透過・反射混合型のリレー光学系又はビーム径変換器であり、凸レンズ１１７と、透過型の第１の平行平面板１２５と、透過型の第２の平行平面板１２６と、凹面鏡１１８とを有する。
【0096】
凸レンズ１１７は、平行光であるレーザ光を光学装置１０５内にて集束する。凹面鏡１１８は、光学装置１０５内の発散光であるレーザ光を平行光とする。これにより、光学装置１０５は、リレー光学系又はビーム径変換器の機能を発揮する。
【0097】
第１の平行平面板１２５は、凸レンズ１１７と凸レンズ１１７及び凹面鏡１１８の焦点との間に挿入されている。第２の平行平面板１２６は、凸レンズ１１７及び凹面鏡１１８の焦点と凹面鏡１１８との間に挿入される。第１及び第２の平行平面板１２５、１２６は、図中符号ｒ方向に回動可能に保持される。
【0098】
このように構成された光学装置１０５では、リレー光学系又はビーム径変換器の機能を発揮しつつ、第１及び第２の平行平面板１２５、１２６をｒ方向に回動制御することで、凹面鏡１１８通過後の光の伝搬方向を制御することができる。本実施形態のように、本発明を導入するシステムの要求や制限（例えば、レーザ送光器筐体内部のレイアウトや、レーザ波長・帯域、温度制御性能など）に応じて、集光または発散のための素子として一長一短を持つ透過屈折型レンズと反射鏡を使い分け、かつ、組み合わせて使うことが可能である。当然ながら、凸レンズ１１７を凹面鏡に置換し、凹面鏡１１８を凸レンズに置換しても良い。
【0099】
尚、この光学装置１０５では、焦点の両側にそれぞれ第１及び第２の平行平面板１２５、１２６が挿入されているが、焦点のいずれか一方のみに１枚の平行平面板を挿入してもよい。
【0100】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板１２５，１２６を用いた場合には、平行平面板１２５、１２６を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0101】
尚、図１２における光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0102】
＜第１０の実施形態＞
図１３は、本発明の第１０の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図１３は、本発明の第１０の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【0103】
図１３に示すように、光学装置１０６は、ガリレオ式の透過・反射混合型のビーム径変換器であり、１枚の凹レンズ１１９と、１枚の凹面鏡１３１と、透過型の平行平面板１２７とを有する。
【0104】
凹レンズ１１９は、平行光であるレーザ光を光学装置１０６内にて発散する。凹面鏡１３１は、光学装置１０６内の発散光であるレーザ光を平行光とする。これにより、光学装置１０６は、ビーム径変換器の機能を発揮する。
【0105】
平行平面板１２７は、凹面鏡１３１と凹面鏡１３１の焦点（光学装置１０６の外側に存在する）との間で、かつ、凹面鏡１３１と凹レンズ１１９の間に挿入されている。平行平面板１２７は、図中符号ｒで示す方向に回動可能に保持されている。
【0106】
このように構成された光学装置１０６では、ビーム径変換器の機能を発揮しつつ、平行平面板１２７をｒ方向に回動制御することで、凹面鏡１３１通過後の光の伝搬方向を制御することができる。本実施形態のように、本発明を導入するシステムの要求や制限（例えば、レーザ送光器筐体内部のレイアウトや、レーザ波長・帯域、温度制御性能など）に応じて、集光または発散のための素子として一長一短を持つ透過屈折型レンズと反射鏡を使い分け、かつ、組み合わせて使うことが可能である。当然ながら、凹レンズ１１９を凸面鏡に置換し、凹面鏡１３１を凸レンズに置換しても良い。尚、第９の実施形態に比べて、凹レンズ１１９と凹面鏡１３１の焦点が光学装置１０６の外側にあるため、一般に光学装置１０６のサイズを小さくすることが可能である。
【0107】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板１２７を用いた場合には、平行平面板１２７を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0108】
尚、図１３における光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0109】
＜第１１の実施形態＞
図１４は、本発明の第１１の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図１４は、本発明の第１１の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【0110】
図１４に示すように、光学装置１０７は、ケプラー方式の透過・反射混合型のリレー光学系又はビーム径変換器であり、凸レンズ１３２と、カセグレン式反射望遠鏡である一対の凹面鏡１３３及び凸面鏡１３４と、透過型の平行平面板１２８とを有する。
【0111】
凸レンズ１３２は、平行光であるレーザ光を光学装置１０７内にて集束する。一対の凹面鏡１３３及び凸面鏡１３４は、光学装置１０７内の発散光であるレーザ光を平行光とする。これにより、光学装置１０７は、リレー光学系又はビーム径変換器の機能を発揮する。本実施形態のようにカセグレン式反射望遠鏡を用いることで、一般に透過屈折型のレンズでは対応が難しい５０ｍｍ径程度以上の大口径ビームにも対応が可能となる。
【0112】
平行平面板１２８は、凸レンズ１３２と凸レンズ１３２の焦点との間に挿入されている。平行平面板１２８は、図中符号ｒ方向に回動可能に保持される。
【0113】
このように構成された光学装置１０７では、リレー光学系又はビーム径変換器の機能を発揮しつつ、平行平面板１２８をｒ方向に回動制御することで、凹面鏡１３３通過後の光の伝搬方向を制御することができる。尚、図１４では、一般に透過屈折型のレンズでは対応が難しい５０ｍｍ径程度以上の大口径ビームに対応し得る光学機構（集光光学部品）として、カセグレン式反射望遠鏡を例として挙げたが、これに限ることなく、その他の方式の反射望遠鏡であっても構わない。
【0114】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板１２８を用いた場合には、平行平面板１２８を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0115】
尚、図１４における光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0116】
＜第１２の実施形態＞
図１５は、本発明の第１２の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
図１５は、本発明の第１２の実施形態に係る光学装置の構成を示す図である。
【0117】
図１５に示すように、光学装置１０８は、ガリレオ式の透過・反射混合型のビーム径変換器であり、凹レンズ１３５と、カセグレン式反射型望遠鏡である一対の凹面鏡１３６及び凸面鏡１３７と、透過型の平行平面板１２９とを有する。
【0118】
凹レンズ１３５は、平行光であるレーザ光を光学装置１０８内にて発散する。一対の凹面鏡１３６及び凸面鏡１３７は、光学装置１０８内の発散光であるレーザ光を平行光とする。これにより、光学装置１０８は、ビーム径変換器の機能を発揮する。本実施形態のようにカセグレン式反射望遠鏡を用いることで、一般に透過屈折型のレンズでは対応が難しい５０ｍｍ径程度以上の大口径ビームにも対応が可能となる。
【0119】
平行平面板１２９は、一対の凹面鏡１３６及び凸面鏡１３７と一対の凹面鏡１３６及び凸面鏡１３７の焦点（光学装置１０８の外側に存在する。）との間で、かつ、凸面鏡１３７と凹レンズ１３５の間に挿入されている。平行平面板１２９は、図中符号ｒで示す方向に回動可能に保持されている。
【0120】
このように構成された光学装置１０８では、ビーム径変換器の機能を発揮しつつ、平行平面板１２９をｒ方向に回動制御することで、凹面鏡１３６通過後の光の伝搬方向を制御することができる。尚、図１５では、一般に透過屈折型のレンズでは対応が難しい５０ｍｍ径程度以上の大口径ビームに対応し得る光学機構（集光光学部品）として、カセグレン式反射望遠鏡を例として挙げたが、これに限ることなく、その他の方式の反射望遠鏡であっても構わない。さらに、第１１の実施形態に比べて、凹レンズ１３５と一対の凹面鏡１３６及び凸面鏡１３７の焦点が光学装置１０８の外側にあるため、一般に光学装置１０８のサイズを小さくすることが可能である。
【0121】
また、電気、磁気、熱、または、光などの印加によって屈折率が変化できる平行平面板１２９を用いた場合には、平行平面板１２９を回動せずに一定の傾斜角度に固定したまま光伝搬方向角φを制御することが可能である。この場合には、機械的駆動部がなく、機械的な振動や摩耗などに対する耐性も向上する。
【0122】
尚、図１５における光の進行方向を逆にした光学装置も考えられる。この場合には、光の到来角を高精度に選択できる受光装置となる。
【0123】
＜月面ローバにレーザ無線給電するシステムへの適用例＞
図１７は、月面ローバにレーザ無線給電するシステムに本発明に係る光学装置を適用した実施例を示す図である。
図１７は、月面ローバにレーザ無線給電するシステムに本発明に係る光学装置を適用した実施例を示す図である。
【0124】
図１７に示すように、レーザ無線給電システム１７０は、月面の日照領域１７１に配置された月面ランダ１７２と、月面の永久影領域１７３を走行する月面ローバ１７４とを有する。
【0125】
月面ランダ１７２は、太陽光発電パネル１７５を使った発電システム（図示を省略）と、本発明に係る光学装置を使ったレーザ送光器１７６とを有する。月面ローバ１７４は、レーザ送光器１７６から送られたレーザ光を受けて電気に変換するレーザ受光用光電変換パネル１７７を有する。レーザ受光用光電変換パネル１７７の受光面は、重量・サイズの制限を考慮し、例えば直径３０ｃｍ程度の小さいものを想定する。
【0126】
図１８は、レーザ送光器１７６の内部構成を示す図である。
【0127】
図１８に示すように、レーザ送光器１７６は、レーザ光源１７８と、例えば図５に示した凹レンズ１３、凸レンズ１４及び透過型の平行平面板２３を有する光学装置３３と、可変ビーム径変換器１９１と、ビームシェイパ１９２とを有する。平行平面板２３は、例えば図示を省略した制御システムによる制御のもとで、２次元的に送光方向を調整可能に構成されている。２次元的な光伝搬方向制御は、例えば１枚の平行平面板２３を、ｘ軸とｙ軸の２軸で回動させることで実現可能となる。ビームシェイパ１９２は、光学装置３３の後段側に配置され、光学装置３３より出射されるレーザ光が当該ビームシェイパ１９２を介して月面ローバ１７４側に出射される。ビームシェイパのようなレーザ光の波面を精密に制御するデバイスを搭載した光学系においては、従来技術では、その波面制御された光の伝搬方向を高精度に制御することは一般に困難である。つまり、光伝搬方向制御器をそのビームシェイパの前に挿入した場合には、典型的には光入力条件に敏感なビームシェイパを含む後段の光学系全体も、その方向制御に応じて調整せねばならず、一方、後段に挿入する場合には、制御した波面を崩す等のリスクが発生し得る。それに対し、平行平面板の挿入のみで済む本発明に係る構成を用いることで、簡易にそれらを回避することが可能となっている。尚、図１と図２に示したとおり、レンズ１０の右側の焦点位置においては、光伝搬方向を振ってもビーム重心位置は変化しないが、ここに相当する位置にビームシェイパ１９２を配置することで、ビームシェイパ１９２への光入力条件の変化、つまり、波面制御性能の劣化を抑えることが可能となっている。
【0128】
このように構成されたレーザ無線給電システム１７０では、レーザ到達位置のずれを検知するサブシステム（図示を省略）からの信号に応じて平行平面板２３を調整することで、月面ランダ１７２のレーザ送光器１７６より出射されるレーザ光を１ｋｍ程度離れることもある月面ローバ１７４のレーザ受光用光電変換パネル１７７に、数ｃｍ程度以下の位置ずれで正確に照射することが可能となる。これにより、レーザ無線給電システム１７０では、月面ランダ１７２より月面ローバ１７４に、ほぼ光学損失無しで確実に無線給電することができるようになる。また、特に、このレーザ無線給電システム１７０は、ビームシェイパ１９２を光学装置３３の後段側に配置したことで、伝送後ビームの強度分布を均一化することができる。また、月面ローバ１７４側にビームの強度分布を均一化する構成を設ける必要がなくなるので、給電される側である月面ローバ１７４の軽量化が可能であり、月面ローバ１７４の消費電力を低減することができる。
【0129】
＜ライダー／リモートセンシングシステムへの適用例＞
図１９は、ライダー／リモートセンシングシステムに本発明に係る光学装置を適用した実施例を示す図である。
図１９は、ライダー／リモートセンシングシステムに本発明に係る光学装置を適用した実施例を示す図である。
【0130】
図１９に示すように、ライダー／リモートセンシングシステム１８０は、例えば移動可能な観測車両１８１と、この観測車両１８１に搭載された観測器１８２とを有する。
【0131】
図２０は、本発明に係る光学装置が実装された観測器１８２の構成を示す図である。
【0132】
図２０に示すように、観測器１８２は、例えば図１９に示す数１００ｍから数ｋｍ程度離れたところにある被観測物１８６に向けて単色、複数色又は白色のレーザ光を照射するレーザ光源１８３と、被観測物１８６からの反射・散乱光を測定する光検出器又は分光器１８４と、光検出器又は分光器１８４の入射部に配置された、例えば図９に示したカセグレン式反射望遠鏡である一対の凹面鏡１１１及び凸面鏡１１２と平行平面板１２１を有する光学装置１０２と、光検出器又は分光器１８４と光学装置１０２との間に介挿されたアパーチャ１８５とを有する。平行平面板１２１は、例えば図示を省略した制御システムによる制御のもとで、２次元的に受光方向を精密に選択できるよう構成されている。２次元的な方向制御は、例えば光軸（ｚ軸）に垂直な任意の軸（ｒ軸）に対する回動と光軸（ｚ軸）自身を中心軸とした回転の組み合わせなどで実現できる。被観測物１８６のある程度広範囲の表面上に前記レーザ光を照射し、そこからの反射・散乱光を光学装置１０２により２次元的に選択かつ掃引しながら、光検出器又は分光器１８４で受光及び測定分析することにより、被観測物１８６の表面や表層内部の状態の２次元マップを得ることが可能と考えられる。ここで、アパーチャ１８５は、受光方向をより正確に選択・限定するために使用する。
【0133】
尚、図２０におけるレーザ光源１８３からのレーザ光も図１８に示したような形態で、２次元的にレーザ光伝搬方向を制御しても良い。つまり、非観測物１８６上の特定位置を選択的に照射したり、その選択領域を高速に掃引しても良い。その場合には、光学装置１０２は、その掃引に同期させて選択照射領域からの反射散乱光を受光するか、または、広い受光方向範囲を一括して受光する形となる。
【0134】
＜実験結果＞
図５に示した光学装置３において、凹レンズ１３の焦点距離を－７５ｍｍ、凸レンズ１４の焦点距離を１００ｍｍとした構成のレーザ送光系を設計・構築し、平行平面板２３（厚さ：１ｍｍ、屈折率：約１．５）を角度調整器である商品名「ＫＣ２－Ｔ－Ｍ」（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製）に取り付け、レーザ光伝搬方向制御器の精度を実証するための実験を行った。「ＫＣ２－Ｔ－Ｍ」のツマミは１００ＴＰＩ（Ｔｈｒｅａｄｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）でネジが切られており、ツマミ１回転当たり３．３６ｍｒａｄの角度調整が可能となっている。ツマミ５回転で１６．８ｍｒａｄの角度変化となる。
図５に示した光学装置３において、凹レンズ１３の焦点距離を－７５ｍｍ、凸レンズ１４の焦点距離を１００ｍｍとした構成のレーザ送光系を設計・構築し、平行平面板２３（厚さ：１ｍｍ、屈折率：約１．５）を角度調整器である商品名「ＫＣ２－Ｔ－Ｍ」（Ｔｈｏｒｌａｂｓ社製）に取り付け、レーザ光伝搬方向制御器の精度を実証するための実験を行った。「ＫＣ２－Ｔ－Ｍ」のツマミは１００ＴＰＩ（Ｔｈｒｅａｄｓ ｐｅｒ ｉｎｃｈ）でネジが切られており、ツマミ１回転当たり３．３６ｍｒａｄの角度調整が可能となっている。ツマミ５回転で１６．８ｍｒａｄの角度変化となる。
【0135】
この実験系で、レーザ光源の出力パワーを２５０ｍＷ程度とし、８００ｍ伝送後のビーム画像を観測した。「ＫＣ２－Ｔ－Ｍ」の手動操作（ツマミ±５，１０回転）でレーザ光伝搬方向を中心位置から上下／左右に掃引したときの８００ｍ伝送先におけるビーム画像を図２１に示す。さらに、８００ｍ伝送先におけるビーム重心位置の変化量を図２２に示し、それに対応する、光学装置３を搭載した送光側から見た光伝搬方向角の変化量を図２３に示す。尚、図２２と図２３は、複数回分の測定データ点を重ねて表示してある。
【0136】
これらの実験結果から、再現性も含め、少なくとも±１０μｒａｄ以下の精度でビーム重心の方向を制御できることが実証できた。これは、１ｋｍ先におけるビーム重心位置ずれが±１０ｍｍ以下であることに相当する。
【0137】
尚、今回の測定におけるビーム重心位置の時間的揺らぎは、方向制御器固定のまま複数回測定した結果より、数μｒａｄ以下であることも確認できている。この値は、伝送路大気の僅かな揺らぎや測定系の雑音が支配要因であり、本発明の特徴である高耐震性により、送光器の振動の寄与はほぼ皆無と考えられる。
【0138】
＜その他＞
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で様々な変形や応用が可能であり、その変形や応用をした実施の範囲も本発明の技術的範囲に属する。
本発明は、上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内で様々な変形や応用が可能であり、その変形や応用をした実施の範囲も本発明の技術的範囲に属する。
【符号の説明】
【0139】
１、１'、２、３、４、１０１、１０２、１０３、１０４、１０５、１０６、１０７、１０８ ：光学装置
１０ ：凸レンズ
１１ ：第１の凸レンズ
１２ ：第２の凸レンズ
１３ ：凹レンズ
１４ ：凸レンズ
２０ ：平行平面板
２０' ：平行平面板
２１ ：第１の平行平面板
２２ ：第２の平行平面板
２３ ：平行平面板
２４ ：平行平面板
２５ ：平行平面板
２６ ：平行平面板
３３ ：光学装置
１１０ ：凹面鏡
１１１ ：凹面鏡
１１２ ：凸面鏡
１１３ ：第１の凹面鏡
１１４ ：第２の凹面鏡
１１５ ：凸面鏡
１１６ ：凹面鏡
１１７ ：凸レンズ
１１８ ：凹面鏡
１１９ ：凹レンズ
１２０ ：平行平面板
１２１ ：平行平面板
１２２ ：第１の平行平面板
１２３ ：第２の平行平面板
１２４ ：平行平面板
１２５ ：第１の平行平面板
１２６ ：第２の平行平面板
１２７ ：平行平面板
１２８ ：平行平面板
１２９ ：平行平面板
１３１ ：凹面鏡
１３２ ：凸レンズ
１３３ ：凹面鏡
１３４ ：凸面鏡
１３５ ：凹レンズ
１３６ ：凹面鏡
１３７ ：凸面鏡
１６１ ：屈折率制御部
１７０ ：レーザ無線給電システム
１７１ ：月面の日照領域
１７２ ：月面ランダ
１７３ ：月面の永久影領域
１７４ ：月面ローバ
１７５ ：太陽光発電パネル
１７６ ：レーザ送光器
１７７ ：レーザ受光用光電変換パネル
１７８ ：レーザ光源
１８０ ：ライダー／リモートセンシングシステム
１８１ ：観測車両
１８２ ：観測器
１８３ ：レーザ光源
１８４ ：光検出器又は分光器
１８５ ：アパーチャ
１８６ ：被観測物
１９１ ：可変ビーム径変換器
１９２ ：ビームシェイパ
１０ ：凸レンズ
１１ ：第１の凸レンズ
１２ ：第２の凸レンズ
１３ ：凹レンズ
１４ ：凸レンズ
２０ ：平行平面板
２０' ：平行平面板
２１ ：第１の平行平面板
２２ ：第２の平行平面板
２３ ：平行平面板
２４ ：平行平面板
２５ ：平行平面板
２６ ：平行平面板
３３ ：光学装置
１１０ ：凹面鏡
１１１ ：凹面鏡
１１２ ：凸面鏡
１１３ ：第１の凹面鏡
１１４ ：第２の凹面鏡
１１５ ：凸面鏡
１１６ ：凹面鏡
１１７ ：凸レンズ
１１８ ：凹面鏡
１１９ ：凹レンズ
１２０ ：平行平面板
１２１ ：平行平面板
１２２ ：第１の平行平面板
１２３ ：第２の平行平面板
１２４ ：平行平面板
１２５ ：第１の平行平面板
１２６ ：第２の平行平面板
１２７ ：平行平面板
１２８ ：平行平面板
１２９ ：平行平面板
１３１ ：凹面鏡
１３２ ：凸レンズ
１３３ ：凹面鏡
１３４ ：凸面鏡
１３５ ：凹レンズ
１３６ ：凹面鏡
１３７ ：凸面鏡
１６１ ：屈折率制御部
１７０ ：レーザ無線給電システム
１７１ ：月面の日照領域
１７２ ：月面ランダ
１７３ ：月面の永久影領域
１７４ ：月面ローバ
１７５ ：太陽光発電パネル
１７６ ：レーザ送光器
１７７ ：レーザ受光用光電変換パネル
１７８ ：レーザ光源
１８０ ：ライダー／リモートセンシングシステム
１８１ ：観測車両
１８２ ：観測器
１８３ ：レーザ光源
１８４ ：光検出器又は分光器
１８５ ：アパーチャ
１８６ ：被観測物
１９１ ：可変ビーム径変換器
１９２ ：ビームシェイパ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】