JP2005249859A - 偏心光学系、送光装置、受光装置および光学システム - Google Patents

Abstract

【課題】 偏心光学系、送光装置、受光装置および光学システムにおいて、組立精度を比較的緩めることができ比較的長い焦点距離を持ちながらも小型化することができるようにし、高精度かつ高効率な空間光通信ができるようにする。
【解決手段】 透過面３、反射面４、反射面５、分岐面６、透過面７の５つの光学作用面を偏心または傾斜させて設けたプリズム１を用い、入射光束５１を３回内部反射させて光路を折り畳み透過面７から略平行光束を射出する反射光路と、入射光束５１を２回内部反射させて光路を折り畳み分岐面６から出射させて像面１２に結像する透過光路を形成する。そして分岐面６と透過面７との間に１次像面８を形成し、プリズム１外部に射出瞳９を形成する。またこれら光学作用面は少なくとも２面を回転非対称面とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、偏心光学系、送光装置、受光装置および光学システムに関する。特に、空間光通信に用いられる略平行な入射光束を分岐し複数の分解能の異なる光検出器により入射方向を検出することができる偏心光学系、送光装置、受光装置および光学システムに関する。

従来、空間光通信等に用いられる光アンテナとして、望遠光学系、特に反射光学系からなる望遠光学系が知られている。このような反射光学系としては、例えば天文学分野などでは、主鏡と副鏡の組合せを用いたカセグレン型、グレゴリ型などの反射光学系が知られている。
しかし、これら反射光学系に用いるミラーは共軸上に配置されているため、副鏡部分が遮蔽されてしまい、光量のロスが発生する。この点を改良するために、複数の反射面を互いに偏心、傾斜させて組み合わせたミラータイプやプリズムタイプの偏心光学系である反射光学系が種々考案されている。
例えば、特許文献１には、３面の反射面を有する反射型光学素子で、その反射型光学素子の反射面に囲まれる領域で、中間結像した後反射型光学素子の外側で結像する構成が記載されている。
この構成によれば、反射面に囲まれる領域において、物体面の中心から各反射面で反射して瞳の中心を通る光線の経路である基準軸が少なくとも２回交差することにより、光路が折り畳まれるようになっている。
特開２００３−５０７４号公報（第３−８頁、図１、３）

しかしながら、上記のような従来の偏心光学系は、以下のような問題がある。
特許文献１に記載の技術では、最終像面までの合成焦点距離が短い構成であり、広い画角の観察に対応しているものの、空間光通信等に用いられる光アンテナには適用することができないという問題があった。
空間光通信用の光アンテナでは、粗追尾用、精追尾用などの複数の光検出器を備えたり、空間光通信の送受信の両方行ったりすることが強く望まれているが、特許文献１に記載の反射型光学素子では、素子の外側で結像した後に複数の光路に分岐しなければならない。すなわちそのような光学系を付加しなければならないので、装置が大型化してしまうという問題がある。
また、光アンテナに用いるには、入射瞳が大きく焦点距離が長い光学系を構成する必要があるが、上記の反射型光学素子では、瞳から中間像までの焦点距離を長くする必要があるため、反射型光学素子が大型化してしまうという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、略平行な光束を入力光とする偏心光学系において、比較的長い焦点距離を持ちながらも小型化することができる偏心光学系を提供することを目的とする。
また、それを用いて空間光通信に対応した、スペース効率のよい送光装置、受光装置および光学システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に記載の発明では、略平行な光束を入力光とする偏心光学系であって、屈折率が１以上の媒質を有し、該媒質の境界面に互いに偏心または傾いて配置された少なくとも５つの光学作用面が、前記入力光が進む一つの光路に沿う順に第１面、第２面、第３面、第４面、第５面として設けられ、これら５つの光学作用面のうち少なくとも２面が回転非対称面で構成されたプリズムを備え、前記入力光が前記第１面〜第５面を順に進んで前記プリズム外部に射出される光路において、前記プリズム内部に少なくとも一つの実像が形成されるとともに、前記プリズム外部に射出瞳が形成される構成とする。
この発明によれば、互いに偏心または傾いて配置された少なくとも５つの光学作用面が、外周に形成された屈折率１以上の媒質からなるプリズムにより、略平行な入力光が、少なくとも２面が回転非対称面である第１面〜第５面を順に進む光路に沿って進む。そして、各光学作用面の光学作用を受けることによりプリズム内部で少なくとも１回結像して１次像を形成してから、プリズム外部に射出され、射出瞳が形成される。
プリズム外部に、他の光学部材を介さず直接、射出瞳が形成されるので、瞳近傍に様々な光学素子などを配置することにより、高機能な小型の光学系を構成することができる。特に、光通信のアンテナ用として、射出瞳位置に光偏向手段を設けて、位置検出センサに光束を導くことにより、光追尾を行うための入力光の画角変化に追従する位置検出機構を、プリズム以外のレンズ構成枚数を少なく、より小型に構成できる。光学素子に到達する光束は射出瞳と略同じ領域を通るので、入力光の画角変化があっても、光学素子を小型のものとすることができる。
さらに、射出瞳出射後の光束を平行光束とすれば、光路分岐後の集光レンズ等の大きさを統一することができるので好ましい。また、より小型化するためには、射出瞳はプリズムの射出面に近接させることが好ましい。
また、５つの光学作用面のうち少なくとも２面は回転非対称面を用いて構成するので、特に偏心光学系の入射瞳中心を通過し結像面中心に到達する軸上主光線が偏心光学系に対し偏心して入射する場合、偏心によって発生する像の台形歪みや像面の傾きなどの偏心収差を補正することが可能となる。特に回転非対称面が２面の場合は、製造コストを抑えることができる。

なお、本明細書では、光学作用面は、物体表面や媒質の境界面などの面に適宜の処理を施し、マクロに見て、光束に対して反射、屈折、干渉、偏光などの光学作用をなさしめるようにした面を意味する。すなわち、当業者が、例えば反射面、透過面、屈折面、レンズ面、フレネルレンズ面、プリズム面、フィルタ面、偏光面、光学面などと称している面状の光学要素の総称である。したがって、光学作用面を数える場合、例えばコーティングにおける多層膜界面などミクロに光学作用をなす個々の界面を数えるものではない。

請求項２に記載の発明では、略平行な光束を入力光とする偏心光学系であって、屈折率が１以上の媒質を有し、該媒質の境界面に互いに偏心または傾いて配置された少なくとも５つの光学作用面が、前記入力光が進む一つの光路に沿う順に第１面、第２面、第３面、第４面、第５面として設けられ、これら５つの光学作用面のうち少なくとも１面が前記入力光の光路を透過光路と反射光路とに分岐する分岐面とされたプリズムを備え、前記反射光路が、前記入力光が前記第１面〜第５面を順に進んで前記プリズム外部に射出される光路であり、該反射光路または前記透過光路において、前記プリズム内部に少なくとも一つの実像が形成される構成とする。
この発明によれば、少なくとも一つの分岐面により別に光学部材を用いることなく透過光路と反射光路とに分岐できる。そのため小型化と部品点数の削減ができる。
さらに、少なくとも一つの実像（１次像）が前記プリズムの内部に形成されるため、射出面のパワーを選択することによって、プリズムの射出面から射出する光束の広がりを制御することができる。例えば、射出面に正のパワーを有する面としてそのパワーを適宜選択することで射出面から射出する光束を略平行にすることができる。また、射出面に正のパワーを有する面としてそのパワーを適宜選択することで射出面から射出する光線を収斂光とし、プリズム外部に結像することができる。
すなわち、そのような射出面がプリズムに一体化されることにより、小型でありながら、適宜の広がりを有する発散光、平行光、収斂光をプリズム外部に射出することができる高機能な光学系を構成することができる。
さらに、プリズム外部に射出される複数の光束をそれぞれ、例えばＣＣＤ、位置検出センサ等の受光素子で受光することにより、入力光の情報を複数の入手することができる。ここで入力光の情報とは、入力光の像、入力光の傾き、入力光の搬送する光信号等を意味する。例えば、受光素子を入力光の位置検出手段として用い、空間光通信などの光学システムの光追尾センサとして機能させることも可能である。その場合、入力光を２つの光路に分岐してそれぞれの合成焦点距離を変えることにより、一方の光束を粗追尾用、他方の光束を精追尾用に使い分けることが可能となる。

請求項３に記載の発明では、請求項２に記載の偏心光学系において、前記プリズム外部に射出された光束により射出瞳が形成される構成とする。
この発明によれば、分岐した一方の光束は、プリズム外部に他の光学素子を介さず直接、射出瞳が形成されるので、瞳近傍に様々な光学素子などを配置することにより、高機能な小型の光学系を構成することができる。特に空間光通信用の光学系として射出瞳位置に光学素子として光偏向手段を設けて、位置検出センサに光束を導くことにより、光追尾を行うための入力光の画角変化に追従する位置検出機構を構成できる。光学素子に到達する光束は射出瞳と略同じ領域を通るので、入力光の画角変化があっても、光学素子を小型のものとすることができる。
さらに、射出瞳を形成する光束を平行光束とすれば、光路の分岐や集光、結像が容易となるので好ましい。また、より小型化するためには、射出瞳はプリズムの射出面に近接させることが好ましい。

請求項４に記載の発明では、請求項３に記載の偏心光学系において、前記反射光路の前記プリズム内部に、前記少なくとも一つの実像が形成され、前記反射光路の前記プリズム外部に、前記射出瞳が形成され、前記透過光路の前記プリズム外部に、他の実像が形成される構成とする。
この発明によれば、入力光を反射光路と透過光路とに分岐して、それぞれの光路において、少なくとも５つ、または少なくとも２〜４つの光学作用面により、適宜の合成焦点距離を有する光学系を構成することができるので、入射画角の変化に応じて、射出瞳から射出される光束と他の実像とが適宜の受光面または結像面で異なる移動速度、移動範囲を有する光学系とすることができる。
したがって、例えば、反射光路中に光偏向素子などを配備し、透過光路側で入力光から収集した情報を光偏向素子などに、フィードバックして反射光をコントロールするといった高機能な光学系を構成することができる。
また、反射光路においては射出瞳が形成されるので、例えば光偏向手段などの光学素子を配置するのに好都合であり、射出面のパワーを適宜選択することにより、射出される光束の広がりを制御することができる。

請求項５に記載の発明では、請求項２〜４のいずれかに記載の偏心光学系において、前記分岐面で反射した光束の軸上主光線が、前記プリズム内部の少なくとも２つの軸上主光線と交差する光路と形成する構成とする。
この発明によれば、５つの光学作用面が、一つの光路において第１面を透過し第２面に向かう軸上主光線に対して、第３面で反射して第４面に向かう軸上主光線と、第４面で反射して第５面に向かう軸上主光線とがそれぞれ交差するような位置関係に配置される。そのためこの光路では、第２面から第３面に向かう軸上主光線が第４面から第５面へ向かう軸上主光線と交差することになる。
このような光路を実現するためには、各光学作用面は、プリズムの外周方向に、例えば第１面、第４面、第２面、第５面、第３面の順に配置される必要がある。そして、少なくとも隣り合う光学作用面が偏心もしくは傾いて配置されて偏心光学系をなすプリズムとなっているものである。
このような光路は、プリズム内の光束が３角形状に交差する光路の一部をさらにもう一度折り返した光路となっているのでコンパクトな構成となっている。

請求項６に記載の発明では、請求項２〜５に記載の偏心光学系において、前記第１面が、前記入力光を前記プリズム内部に透過する透過面とされ、前記第２面が、前記第１面で透過された光束を反射する内部反射面とされ、前記第３面が、前記第２面で反射された光束を反射する内部反射面とされ、前記第４面が、前記第３面で反射された光束の光路を前記透過光路と前記反射光路とに分岐する前記分岐面とされ、前記第５面が、前記反射光路を進む光束を透過する透過面とされ、これら５つの光学作用面のうち少なくとも２面が回転非対称面からなり、前記プリズム内部の前記少なくとも一つの実像が前記反射光路に形成されるとともに、前記透過光路において前記プリズム外部に他の実像が形成される構成とする。
この発明によれば、光路の構成については、請求項５に記載の発明と同様の作用効果を有し、分岐面により反射光路と透過光路とが形成される点については、射出瞳についての作用効果を除いて、請求項４に記載の発明と同様の作用効果を有する。

請求項７に記載の発明では、請求項１〜６のいずれかに記載の偏心光学系において、前記第１面を透過し前記第２面に向かう軸上主光線に対して、前記第３面で反射して前記第４面に向かう軸上主光線と、前記第４面で反射して前記第５面に向かう軸上主光線とがそれぞれ交差するような位置関係に配置される構成とする。
この発明によれば、光路の構成については、第４面が分岐面であるとないとによらず、請求項５に記載の発明と同様の作用効果を有する。

請求項８に記載の発明では、請求項１〜７のいずれかに記載の偏心光学系において、前記第２面が、少なくとも前記プリズム内部のすべての軸上主光線を含む平面において正のパワーを有する回転非対称面からなる構成とする。
この発明によれば、略平行光として第１面に入射する入力光が比較的大径の光束径である第２面において、偏心して設けられた正のパワーを有する回転非対称面により反射される。したがって、収差補正能力に優れた回転非対称面とすることにより、後段における収差補正負荷を軽減して、結像性能の良好な光学系を構成することができる。

請求項９に記載の発明では、請求項１〜８のいずれかに記載の偏心光学系において、前記第３面が、少なくとも前記プリズム内部のすべての軸上主光線を含む平面において負のパワーを有する回転非対称面からなる構成とする。
この発明によれば、第３面が負のパワーを有するので、第１面で発生する球面収差およびコマ収差を補正することができる。さらに軸外光線に対してはペッツバール和を改善することができるので、特に入射光の画角が大きい場合には有効に作用し、結像性能を向上することができる。また、回転非対称面からなるので、偏心収差を良好に補正することができる。
また、請求項８に記載の偏心光学系との組み合わせる場合、第２面を正パワー、第３面を負パワーとすることにより、望遠レンズタイプの光学系を構成し、焦点距離に対して結像位置までの距離を短くできるので、プリズムの小型化を実現できる。

請求項１０に記載の発明では、請求項１〜９のいずれかに記載の偏心光学系において、前記プリズム内部の前記少なくとも一つの実像が、第４面と第５面との間に形成される構成とする。
この発明によれば、第４面と第５面の間に少なくとも一つの実像（１次像）を形成するから、この実像から第５面（射出面）までの距離を適宜に設定することにより、射出面での光束径を制御することができる。その結果、瞳径および瞳位置のコントロールが容易になる。
特に、射出瞳を形成して望遠鏡の対物レンズなどとして用いる場合には、射出面から射出する光束を略平行光束として射出瞳までの角倍率を大きくすることができるので好都合な構成となる。
さらに第５面のパワーを制御することにより、射出面の像側の所望位置に射出瞳を形成することが可能となる。

請求項１１に記載の発明では、請求項１〜１０のいずれかに記載の偏心光学系において、前記プリズム内部の前記少なくとも一つの実像までの近軸焦点距離をＦ、該実像の結像位置から前記プリズム外部に射出される射出面までの空気換算長をＬとするとき、次式を満足する構成とする。
０．０１≦Ｌ／Ｆ≦０．３ ・・・（１）
この発明によれば、比Ｌ／Ｆが式（１）の範囲とされる。したがって、請求項８の作用効果を有する構成とすることができる。
比Ｌ／Ｆが、下限値０．０１よりも小さい場合は、１次像から第５面までの距離が短くなり、それにより第５面での光束径が小さくなりすぎるので、射出面近傍に射出瞳を形成することが困難となる。
比Ｌ／Ｆが、上限値０．３よりも大きい場合は、１次像から第５面までの距離が長くなりすぎるので、偏心光学系の合成焦点距離が比較的短くなってしまう。この場合、合成焦点距離を長くしようとすれば、プリズムを大型化しなくてはならなくなる。

なお、比Ｌ／Ｆの範囲は、より好適な位置に射出瞳を形成するとともにより好適な大きさのプリズムとするためには、より狭い範囲とすることが好ましい。上限は０．０２または０．０４、下限は０．１５または０．１としてもよい。例えば、
０．０２≦Ｌ／Ｆ≦０．１５ ・・・（１ａ）
とすることが好ましい。
さらに、
０．０４≦Ｌ／Ｆ≦０．１ ・・・（１ｂ）
とすることが一層好ましい。

請求項１２に記載の発明では、請求項１〜１１に記載の偏心光学系において、前記プリズム内部の前記少なくとも一つの実像までの近軸焦点距離Ｆとするとき、次式を満足する構成とする。
６０（ｍｍ）≦Ｆ≦５００（ｍｍ） ・・・（２）
この発明によれば、近軸焦点距離Ｆの範囲を制限するので、偏心光学系を合理的な範囲で製作でき、小型化、低コスト化することができる。
すなわち、近軸焦点距離Ｆが上限値５００ｍｍを超えて長いと、屈折率１以上の媒質を用い、光路を折り畳んでいても、加工が困難なほどプリズムが大きくなってしまう。また下限値６０ｍｍをよりも短いと、光路を折り畳む効果が十分に発揮できなくなる。そこでその間の値をとることによりそのような問題を確実に回避して、合理的な範囲で小型化、低コスト化を図るものである。

なお、近軸焦点距離Ｆの長さは、光路長に比してよりバランスよく小型化、低コスト化を図るには上記より狭い範囲とすることが好ましい。例えば、
８０（ｍｍ）≦Ｆ≦４００（ｍｍ） ・・・（２ａ）
とすることがより好ましい。
さらに、
１００（ｍｍ）≦Ｆ≦３００（ｍｍ） ・・・（２ｂ）
とすることが一層好ましい。

請求項１３に記載の発明では、請求項１〜１２のいずれかに記載の偏心光学系において、前記プリズム内部の前記少なくとも一つの実像までの近軸焦点距離をＦ、入射瞳径をＤとするとき、比Ｆ／Ｄが次式を満足する構成とする。
２≦Ｆ／Ｄ≦１５ ・・・（３）
この発明によれば、近軸焦点距離Ｆと入射瞳径Ｄとの比Ｆ／Ｄの範囲を条件式の範囲とするので、偏心光学系の形態をバランスのとれたものとすることができる。
すなわち、比Ｆ／Ｄが上限値１５を超えて大きいと、入射瞳径に対して光路長が長くなりすぎるため、プリズムが大きくなるか、バックフォーカスが大きい光学系となり、コンパクトな光学系とすることができない。また下限値２より小さいと、焦点距離に対して入射光の光束径が大きくなりＮＡが大きくなる結果、球面収差、コマ収差などが大きくなり収差補正することが困難になってしまう。そこでその間の値をとることにより、それらの問題を回避して偏心光学系の形態をバランスのとれるようにするものである。

なお、比Ｆ／Ｄは、よりバランスのよい偏心光学系とするためには、上記より狭い範囲とすることが好ましい。例えば、
３≦Ｆ／Ｄ≦１０ ・・・（３ａ）
とすることがより好ましい。
さらに、
４≦Ｆ／Ｄ≦８ ・・・（３ｂ）
とすることが一層好ましい。

請求項１４に記載の発明では、請求項１〜１３のいずれかに記載の偏心光学系において、前記プリズムから射出された光束を受光面に集光する集光手段を少なくとも一つ備えた構成とする。
この発明によれば、プリズムから射出された光束を受光面に集光する集光手段を備えることにより、受光面の位置、大きさを適宜に設定することができる。

請求項１５に記載の発明では、請求項２〜１４のいずれかに記載の偏心光学系において、前記反射光路の射出面の近傍に、前記射出面から射出された光束を集光または発散させるレンズが配置された構成とする。
この発明によれば、反射光路の射出面近傍に射出された光束を集光または発散させるレンズを配置することにより、プリズムから射出光束の広がりを制御することが可能となる。例えば、プリズムから射出する光束が、略平行光で射出する設計であったにも関わらず、加工誤差等によって広がる光となった場合には、射出面の近傍に正レンズを配備することにより、平行光束にすることができる。また、必要に応じて光束の広がり角を適切な値に補正することができる。また、射出光が収斂光となる場合には、負レンズを配備することによって、同様に平行光束を得ることができる。
また、射出瞳位置をコントロールすることができる。
したがって、必要に応じて配置するレンズ特性を変えることにより、プリズムを汎用的に用いることが可能となる。

請求項１６に記載の発明では、請求項１５に記載の偏心光学系において、前記反射光路の射出面および該射出面の近傍に配置されるレンズのレンズ面の一つが平面とされ、前記射出面と前記レンズとがそれぞれの平面同士を対向させて配置された構成とする。
この発明によれば、プリズムの射出面と射出面の近傍に配置されるレンズとを、互いに平面を対向させて配置するので、レンズの配置・取付を容易かつ高精度に行うことができ、安価で柔軟性に富んだ偏心光学系を形成することができる。
なお、これらの配置面におけるゴミなどによるケラレの影響を低減するには、対向する平面の位置は、１次像の結像位置からずらすことが好ましい。

請求項１７に記載の発明では、請求項１５または１６に記載の偏心光学系において、前記反射光路の射出面と前記レンズとが互いに接合された構成とする。
この発明によれば、射出面とレンズの平面とが接合されているので、１つのプリズムでパワー選択の自由度が上がる。なお、接合の手段は、レンズ貼合せに用いられる周知のいかなる技術によってもよい。例えば光学用接着剤などを採用することができる。その際、接合面には、適宜のコーティングを施して光束の透過率、波長選択性などの透過性能を制御できるようにしてもよい。

請求項１８に記載の発明では、送光装置において、請求項１、３〜１７のいずれかに記載の偏心光学系と、略平行光束を放射する光源部とを含む構成とする。
この発明によれば、請求項１、３〜１７のいずれかに記載の発明と同様な作用効果を有する送光装置とすることができる。

請求項１９に記載の発明では、請求項１８に記載の送光装置において、前記光源部から射出される前記略平行光束を前記射出瞳に入射するための光路合成手段を備える。
この発明によれば、光路合成手段を設けるので、光源部から出射される略平行光束を射出瞳に容易に入射することができ、偏心光学系の第１面から略平行光束を出射できる。

請求項２０に記載の発明では、送光装置において、請求項２に記載の偏心光学系と、略平行光束を放射する光源部とを含む構成とする。
この発明によれば、請求項２に記載の発明と同様な作用効果を有する送光装置とすることができる。

請求項２１に記載の発明では、受光装置において、請求項１〜１７のいずれかに記載の偏心光学系と、該偏心光学系の前記プリズム外部に射出された光束を受光して受光位置を検出する少なくとも一つの位置検出センサとを備える構成とする。
この発明によれば、請求項１〜１７のいずれかに記載の発明と同様の作用効果を有するとともに、位置検出センサにより受光面における受光位置を検出し、入力光の画角を検出できる受光装置とすることができる。

請求項２２に記載の発明では、受光装置において、請求項１〜１７のいずれかに記載の偏心光学系と、該偏心光学系の前記プリズム外部に射出された光束を受光する少なくとも一つの受光器と、該受光器に接続された入力信号制御手段とを備える構成とする。
この発明によれば、請求項１〜１７のいずれかに記載の発明と同様の作用効果を有するとともに、それらの偏心光学系から射出された光束を受光器で受光して、入力信号制御手段により入力光の情報を得ることができる受光装置とすることができる。

請求項２３に記載の発明では、略平行光を射出する送光装置と、該送光装置と離れて対向して配置された前記略平行光を入力光として受光する受光装置とを含む光学システムであって、前記受光装置が請求項１〜１７のいずれかに記載の偏心光学系を備える構成とする。
この発明によれば、請求項１〜１７のいずれかに記載の発明と同様な作用効果を有する光学システムとすることができる。

請求項２４に記載の発明では、請求項２３に記載の光学システムにおいて、前記受光装置の受光面の少なくとも一つが位置検出センサにより構成され、前記位置検出センサからの位置信号に基づき、光捕捉追尾する構成とする。
この発明によれば、受光面に位置検出センサを設けるので、高精度な光捕捉追尾を行うことができる。

請求項２５に記載の発明では、請求項２３または２４に記載の光学システムにおいて、前記送光装置には出力信号制御手段を有し、前記受光装置には入力信号制御手段を有しており、通信信号を変調して送受信することにより空間光通信が行える構成とする。
この発明によれば、高精度かつ高効率な空間光通信が行える。特に光捕捉追尾するようにすれば、より安定した高信頼性の空間光通信を行うことができる。

本発明に係る偏心光学系によれば、少なくとも２面が回転非対称面である５つの光学作用面を有するプリズムを備え、プリズム外部に射出瞳を形成するので、組立精度を比較的緩めることができ比較的長い焦点距離を持ちながらも小型化することができるという効果を奏する。
また、本発明に係る他の偏心光学系によれば、少なくとも１面が分岐面とされた５つの光学作用面を有するプリズムを備え、５つの光学作用面を順に進んでプリズム外部に射出される光路において、プリズム内部に少なくとも一つの実像を形成するようにするので、組立精度を比較的緩めることができ比較的長い焦点距離を持ちながらも小型化することができるという効果を奏する。
また、本発明に係る送光装置、受光装置および光学システムによれば、そのような偏心光学系を備えるので、高精度かつ高効率な空間光通信が可能となるという効果を奏する。

以下では、本発明の実施の形態を、添付図面を参照して説明する。なお、すべての図面において、実施形態が異なる場合でも、同一または相当する部材には同一符号を付し、共通する説明は省略する。
［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系について説明する。
図１は、本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系の一例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面における光路図である。なお、図１では、２つの光路を重ね合わせて描いている。図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれの光路を分けて示したものである。座標軸は、後述する数値実施例の計算に用いる座標系を示し、光束の進行方向がＺ軸方向と一致し、紙面手前から奥側がＸ軸方向と一致される。図２（ａ）は、入射画角が０°および±０．４°（紙面垂直軸回り）、図２（ｂ）は、入射画角が０°および±１°（紙面垂直軸回り）、の光線をそれぞれ主光線と２本の従属光線とにより描いている。

本発明の第１の実施形態に係るプリズム１について説明する。
プリズム１は、図１に示したように、図示左方向から、略平行光束である入射光束５１（入力光）を入射することにより、一つの光路においては、略平行光束を射出する実質的なアフォーカル光学系を構成し、もう一つの光路においては、プリズム外部の像面１２に実像を形成する結像光学系を構成するものである。ここで、符号２は、入射瞳を形成する開口絞りを示す。また、符号１０は、実質的なアフォーカル光学系の収差を評価するために配置した理想レンズの位置を示す。軸上主光線５０は、開口絞り２の中心を通る入射角０°の光線であり、各光学作用面に到達して方向を屈曲され光学系の基準軸をなす。
プリズム１の材質は、屈折率１以上の媒質から構成される。そのような媒質としては、例えばガラス、合成樹脂などが採用できる。
プリズム１の媒質と空気との境界面には、少なくとも透過面３、反射面４（内部反射面）、反射面５（内部反射面）、分岐面６、透過面７の５つの光学作用面が形成される。各光学作用面はそれぞれ適宜の曲率を有しており、紙面垂直方向に略同じ断面を有する略柱状の立体として形成される。

５つの光学作用面は、プリズム１の外周方向の図示反時計回りに、透過面３、分岐面６、反射面４、透過面７、反射面５、の順に配列される。透過面７と反射面５との間には、光学作用面とされない境界面が形成される。
そして、入射光束５１が、透過面３、反射面４、反射面５、分岐面６、透過面７にこの順に到達した後、プリズム１外部に略平行光束を射出する一つの光路が形成されている。以下では、この光路に沿う順番に従い、透過面３、反射面４、反射面５、分岐面６、透過面７をそれぞれ、第１面、第２面、第３面、第４面、第５面とも称する。

このような構成によれば、各光学作用面間では、第１面と第２面とが外周方向に隣り合うことはなく、それらに挟まれた領域には第３面および第５面ならびに第４面が存在する。また、第３面と第４面とが外周方向に隣り合うことがなく、それらに挟まれた領域には第１面および第４面ならびに第５面が存在する。また、第４面と第５面とが外周方向に隣り合うことがなく、それらに挟まれた領域には第１面および第３面ならびに第２面が存在する。

その結果、第１面と第２面の間のプリズム１内には、第３面から第４面に向かう光路と、第４面から第５面に向かう光路とが存在するため、第１面から第２面に向かう光路の軸上主光線は、それら２つの光路の軸上主光線と交差する位置関係にある。同様に、第４面と第５面の間のプリズム１内には、第１面から第２面に向かう光路と、第２面から第３面に向かう光路とが存在するため、第４面から第５面に向かう光路の軸上主光線は、それら２つの光路の軸上主光線と交差する位置関係にある。
すなわち、これらの光路においては、第１面から第４面までの光路がプリズム１内で３角形状に折り畳まれ、さらに、第４面から第５面に向かう光路が、第１面から第２面へ向かう光路と第２面から第３面に向かう光路と交差して、プリズム１外部に出射される。つまり、第１〜４面の光路で形成される第１の３角形状の折り畳みと、第２〜５面の光路で形成される第２の３角形状の折り畳みを有している。
したがって、第４面から第５面に向かう光路をプリズム１内に納めることにより、焦点距離が長く光路長が長くなる光学系であっても、光路が一つの３角形状に折り畳まれた従来のプリズムに比して、よりコンパクトで小型化可能な偏心光学系となっているものである。

なお、本実施形態では、軸上主光線５０が同一平面内（図示の紙面内、後述するＹ−Ｚ平面内）にあるので、その平面内で入射画角が変化しても光路は、上記のように交差する。一方、入射光束５１が紙面と直交する面内（後述するＸ−Ｚ平面内）で入射画角を有する場合には３次元の光路を進むことになる。その場合、上記で交差するとして説明した部分を、光路を紙面方向に投影したときに交差するようなねじれの位置関係にある、として読み替えれば、紙面垂直方向のプリズム１の厚みの範囲内で上記と同様に光路がコンパクトに折り畳まれていることが分かる。
以下では、説明を簡単にするために、２次元光路を中心に説明し、必要に応じて３次元光路について説明する。特に断らなければ、２次元光路について述べることは３次元光路にも容易に拡張できる。

本実施形態では、５つの光学作用面のうち、少なくとも２面に回転非対称の曲面である自由曲面を採用する。
そこで、まず偏心光学系においてそのような回転非対称面を表現するための座標系と自由曲面式について説明する。
座標系は、図１、図２（ａ）、（ｂ）に示したように、物体側から開口絞り２、プリズム１に向う光線追跡で、入射側光軸を、軸上主光線５０のうち絞り面を形成する開口絞り２の中心に直交しプリズム１の透過面３の中心に至る光線として定義する。そして光線追跡において、開口絞り２の中心を偏心光学系の偏心光学面の原点Ｏとして（ただし、図示の座標軸は光路との重なりを避けるために原点位置をずらしている）、入射側光軸に沿う方向をＺ軸方向とし、物体側から偏心光学系の開口絞り２に面した面に向かう方向をＺ軸正方向とし、紙面をＹ−Ｚ平面とし、紙面の表から裏へ向かう方向をＸ軸正方向とし、Ｘ軸、Ｚ軸と右手直交座標系を構成する軸をＹ軸とする。

傾き角は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を中心とする傾き角をそれぞれα、β、γとしたとき、傾き角αとβの正はそれぞれＸ軸、Ｙ軸の正方向に対して反時計回りを、傾き角γの正はＺ軸の正方向に対して時計回りの角度と定義する。
そして、各光学作用面を座標系で表す場合、軸上主光線５０を物体から像面に向かう方向で順光線追跡し、光学作用面と軸上主光線５０が交差する点を原点として、Ｘ軸を紙面垂直方向に保って、Ｚ軸が軸上主光線５０に一致するように、Ｙ、Ｚ軸を回転させたローカル座標系で表す。
なお、面の中心軸のα，β，γの回転のさせ方は、面の中心軸とそのＸＹＺ直交座標系を、まずＸ軸の回りで反時計回りにα回転させ、次に、その回転した面の中心軸を新たな座標系のＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させると共に１度回転した座標系もＹ軸の回りで反時計回りにβ回転させ、次いで、その２度回転した面の中心軸を新たな座標系の新たな座標系のＺ軸の回りで時計回りにγ回転させるものである。

本実施形態で用いられる回転非対称の曲面の形状は、例えば、下記の式（ａ）により定義される自由曲面式で表現される。式（ａ）のＺ軸が自由曲面の軸となる。

ここで、（ａ）式の第１項は球面項、第２項は自由曲面項である。球面項中、Ｒは頂点の近軸曲率半径、ｋはコーニック定数（円錐定数）であり、ｒ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ）である。

自由曲面項は、

ただし、Ｃ_ｊ（ｊは１以上の整数）は係数である。

上記自由曲面は、一般的には、Ｘ−Ｚ面、Ｙ−Ｚ面共に対称面を持つことはないが、本実施形態ではＸの奇数次項を全て０にすることによって、Ｙ−Ｚ面と平行な対称面が１つだけ存在する自由曲面となる。例えば、上記定義式（ａ）においては、Ｃ₂ 、Ｃ₅ 、Ｃ₇ 、Ｃ₉ 、Ｃ₁₂、Ｃ₁₄、Ｃ₁₆、Ｃ₁₈、Ｃ₂₀、Ｃ₂₃、Ｃ₂₅、Ｃ₂₇、Ｃ₂₉、Ｃ₃₁、Ｃ₃₃、Ｃ₃₅・・・の各項の係数を０にすることによって可能である。

また、本実施形態に用いられる非球面は、以下の定義式（ｂ）で与えられる回転対称非球面である。

ここで、ｈ＝√（Ｘ² ＋Ｙ² ）であり、ｃは頂点の近軸曲率半径、ｋはコーニック定数（円錐定数）、Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、…はそれぞれ４次、６次、８次、１０次、…の非球面係数である。この定義式のＺ軸が回転対称非球面の軸となる。

以下、各光学作用面についてより詳しく説明する。
透過面３（第１面）は、軸上主光線５０に対して、Ｘ軸回りに偏心または傾いて配置することにより、入射光束５１を屈折させて軸上主光線５０をＸ軸回り方向に屈曲させるための光学作用面である。なお、この偏心量を、軸上主光線５０と第２面との交点における接平面と開口絞り２を含む平面とのなす傾き角θ１で表すことにする（図１参照。他例、他実施形態でも同様に定義する）。
透過面３は、例えば製作の容易な平面であってもよいが、入射光束５１を収斂光束とし他の光学作用面のパワーを小さくして収差補正を容易にするためには、正のパワーを持たせることが好ましい。
正のパワーを持たせる場合、偏心収差を低減するためには、傾斜方向に非対称でＹ−Ｚ面に関して対称な回転非対称な曲面である自由曲面とすることがより好ましい。

反射面４（第２面）は、本偏心光学系の主な正のパワーを有する面とし、光路を第３面側に折り畳むことができるように、透過面３により屈曲された軸上主光線５０に対して偏心して配置される。
反射面４は、所定の曲面に加工された媒質の境界面に適宜の反射膜コーティングを施すことにより製作できる。可能であれば第１面から反射面４に入射する光束が全反射するようにして、反射膜コーティングを省略してもよい。
なお反射面４は、光束を屈折率が１以上の媒質内部に反射する内部反射面とされているので、比較的小さな曲率でも大きなパワーを持たせることができる。
一方、反射面４は正パワーを有する屈曲反射面であるため、偏心による収差、すなわち偏心収差が発生する。この偏心収差を補正するためには、反射面４を回転非対称面とすることが好ましい。

反射面５（第３面）は、反射面４で反射された収斂光を反射して第４面側に折り畳むことができるように、収斂光の軸上主光線５０に対して偏心または傾いて配置される。反射面５の加工は、反射面４と同様に行うことができる。
なお、反射面５の偏心量または傾きを、軸上主光線５０と反射面５の交点における接平面と開口絞り２を含む平面とのなす傾き角θ２で表したとき（図１参照。他例、他実施形態でも同様に定義する）、傾き角θ１とθ２との関係が、次式を満足するようにする。
３０°≦｜θ２−θ１｜≦８０° ・・・（４）
反射面５の面形状は、透過面３および反射面４で発生する球面収差およびコマ収差を補正するために、負のパワーを持たせる。そのため軸外光束に対してペッツバール和を改善することができる。したがって、入力光の画角が大きい場合にも、良好な結像性能を得ることができる。
また反射面５は、他の光学作用面のパワーを小さくするためには正のパワーを持たせてもよい。例えば、反射面４との間でパワーを分配することができ、それぞれの面で発生する収差を低減しつつ入力光を集光することが可能となる。さらに、製作が容易な平面反射面としてもよい。
なお、パワーを持たせる場合には、偏心収差をより良好に補正するために回転非対称面とすることが好ましい。

分岐面６（第４面）は、反射面５で反射された光束を、内部反射して透過面７に向う反射光と、プリズム１外部に透過して、像面１２に結像する透過光とに分岐する光学作用面であり、入射する光束の軸上主光線５０に対して偏心または傾いて配置される。この偏心量または傾きを、軸上主光線５０と分岐面６との交点における接平面と開口絞り２を含む平面とのなす傾き角θ３で表すことにする（図１参照。他例、他実施形態でも同様に定義する）。以下、この反射光、透過光の光路を、それぞれ反射光路、透過光路と称する。
反射光路においては、第１〜３面および第４面の反射側のパワーにより、透過面７の手前側のプリズム１内部に１次像面８（少なくとも一つの実像）を形成する構成とされる。すなわち、１次像面８から透過面７までの空気換算長をＬとするとき、Ｌ≧０である。
さらに、透過面３から１次像面８に至るまでのプリズム１内部の近軸焦点距離をＦとして、
０．０１≦Ｌ／Ｆ≦０．３ ・・・（１）
の関係を満足させる。
ここで、近軸焦点距離Ｆは、
６０（ｍｍ）≦Ｆ≦５００（ｍｍ） ・・・（２）
であることが好ましい。
さらに、入射瞳径をＤとするとき、
２≦Ｆ／Ｄ≦１５ ・・・（３）
であることが好ましい。
一方、透過光路においては、透過面７を透過した光束が像面１２に実像（他の実像）を形成する構成とされる。

分岐面６は、媒質の境界面に、内部入射光に対する反射率を制御する反射コーティング、ハーフミラーコーティングなどの表面処理を行うことにより製作することができる。
また、例えば反射率をあまり高くする必要がない場合などには、媒質の屈折率と空気の屈折率の差によって生じる反射によって、光路を分岐するようにして、反射コーティング、ハーフミラーコーティングなどの表面処理を省略してもよい。その場合には、手間のかかる表面処理が不要となるので安価に製作できるという利点がある。

分岐面６の面形状は、必要に応じて、プリズム１の外側に向かって凸面または凹面を含む面、平面、または回転非対称な面等にすることができる。
プリズム１の外側に向かって凸面にした場合には、通常１つの面で得られるパワーは反射側の方が大きいため、反射光の光路が透過光の光路に比べて短い焦点距離を持たせることができる。その場合、例えば、分岐面６の反射光を媒質内で結像させたり、透過面７の近傍に結像させたりすることが容易となる。
プリズム１の外側に向かって凹面にした場合には、反射光の光路が透過光の光路に比べて長い焦点距離を持たせることができる。その場合、反射光を比較的遠くに結像させることができる。
なお、このように分岐面６を凸面または凹面としてパワーを持たせる場合には、偏心収差を補正するために回転非対称面とすることが好ましい。
分岐面６を平面にした場合には、反射光、透過光の結像性能を略同等にすることができる。また平面にすれば、分岐面６を削り加工する場合にはその加工自体が、成形により製造する場合はその金型加工が平面加工となるので、製作が容易であり、コストダウンを図ることができる。

透過面７（第５面）は、分岐面６の反射光を透過させてプリズム１の外部に射出して、射出瞳９を形成するための光学作用面である。そして、分岐面６と略平行または浅い角度で偏心または傾いて配置される。具体的には、この偏心量または傾きを、軸上主光線５０と透過面７との交点における接平面と開口絞り２を含む平面とのなす傾き角θ４で表したとき（図１参照。他例、他実施形態でも同様に定義する）、傾き角θ３とθ４との関係が、次式を満足するようにする。
｜θ４−θ３｜≦３０° ・・・（５）

透過面７を射出された光束は、射出瞳９を形成できれば、平行光束である必要はないが、本実施形態では略平行光束としている。そのため射出後の光束を分岐、偏向、集光などする光学素子を光路中に配置する場合、光軸方向の配置精度を緩めることができ、配置・組立が容易となるという利点がある。
透過面７の面形状は、分岐面６による反射光を１次像面８で結像後、略平行光束にするため、正のパワーを持たせた面とする。そして、偏心収差を補正するためには、反射面４を回転非対称面とすることが好ましい。
射出瞳９は、適宜の位置に形成してよいが、光学系を小型化するためには、透過面７の近傍に配置することが好ましい。

本実施形態のプリズム１の作用について偏心光学系の光路に沿って説明する。
入射光束５１は、開口絞り２により光束径を入射瞳径Ｄの大きさに規制され、透過面３に入射する。
透過面３が軸上主光線５０に対してＸ軸回りに偏心または傾いて配置されているので、入射光束５１が屈曲されて入射光軸外に向かって進む。
そして、媒質内を進んで、反射面４に到達して内部反射される。反射面４が正のパワーを有し、Ｘ軸回りに偏心しているので、光束は集光されつつ、透過面３の図示時計回り方向（Ｘ軸回り正方向）の隣側に配列された反射面５に向かって進む。反射面５は透過面３に隣接しているので、透過面３を透過する光束が反射面５によりけられることはない。

このような光路において反射面４と反射面５との間の傾きを表す傾き角｜θ２−θ１｜が、式（４）のような範囲に設定されることにより結像性能が良好となる。
上記範囲は、凹面鏡である反射面４へ軸上主光線５０が斜め入射することにより発生するコマ収差を反射面４に非対称なパワーを持たせることにより補正する場合、軸外光線のコマ収差も良好に補正できる範囲を示す。傾き角｜θ２−θ１｜が８０°を超えて大きくなると、反射面４に持たせるパワーの非対称性が大きくなりすぎ、軸外光線のコマ収差が補正困難になる。
また下限値を越えると、すなわち、傾き角｜θ２−θ１｜が３０°よりも小さくなると反射面４と反射面５との面の対称性が著しく崩れ、補正しきれないほどの収差が発生してしまう。

傾き角｜θ２−θ１｜の範囲は、より収差を低減し、良好な結像性能を得るためには、式（４）の範囲内でより狭くすることが好ましい。例えば、
３５°≦｜θ２−θ１｜≦７０° ・・・（４ａ）
とすれば、より好ましい。また例えば、
４０°≦｜θ２−θ１｜≦６０° ・・・（４ｂ）
とすれば、一層好ましい。

そして、反射面４で反射された光束は、反射面５で内部反射されて、反射面５の曲率に応じた光学作用を受けつつ、透過面３の図示反時計回り方向（Ｘ軸回り正方向）の隣側に配列された分岐面６に向かって進む。この光束は、その軸上主光線が透過面３から反射面４に向かう光束の軸上主光線と交差して進むので、プリズム１内で３角形状に折り畳まれている。なお、分岐面６は透過面３に隣接しているので、透過面３を透過する光束が分岐面６によりけられることはない。
反射面５は、負のパワーを有する場合、良好な収差補正を行うことができる。

分岐面６により内部反射される光束は、図２（ａ）に示したように、分岐面６の曲率に応じた光学作用を受けつつ、反射面５と反射面４とに挟まれた透過面７に向かって、透過面３から反射面４に向かう光束の軸上主光線および反射面４から反射面５に向かう光束の軸上主光線と交差して進む。すなわち、反射面４、反射面５、分岐面６により３角形状に折り畳まれて媒質内部を進むものである。
そして、第１〜３面と第４面の反射側のパワーにより、透過面７に到達する前の媒質中に１次像面８が形成される。
このとき、１次像面８から透過面７までの空気換算長Ｌと１次像面８までの近軸焦点距離Ｆとの比Ｌ／Ｆが、式（１）を満足するので、１次像面８から透過面７までの距離が適切な範囲となり、透過面７での光束径が小さくなりすぎることがなく、比較的射出面近傍に射出瞳９を形成できる。その結果、射出瞳９近傍に光学素子を配置する光学系を小型化することができるという利点がある。
また、１次像面８から透過面７までの距離が適切な範囲となるので、プリズム１の反射光路の合成焦点距離が短くなりすぎることがなく、プリズム１を小型化することができる。

１次像面８からプリズム１外部に向かう光束は光束径を拡径しながら、透過面７に向かう。そして、透過面７の正のパワーにより、略平行光束とされて、プリズム１外部に射出される。そして、射出瞳９を形成する。
したがって、射出瞳９の近傍に光学素子を配置すれば、入射光束５１の入射画角が変わっても、すべての光束が射出瞳９の範囲を透過するから、光学素子を小型化することができるという利点がある。例えば、光学素子として、ガルバノミラーなどの光偏向素子、ビームスプリッタなどの光分岐素子、集光レンズなどを配置することにより、小型で高機能の光学系を構築することが可能となる。
また、射出瞳９の後段に、集光素子として、例えば、レンズ１０のような正のパワーを有するレンズを配置すれば、射出瞳９を射出した光束を像面１１に結像することができる。そして、入射光束５１の入射画角の変化に応じて像面１１上の所定位置に実像を形成することができる。
そして、像面１１に、ＰＤなどの受光器、ＰＳＤなどの位置検出センサ、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの撮像素子などを配置することにより、入射光束５１の情報を得ることが可能となる。

このような光路において分岐面６と透過面７との間の平行度を表す傾き角｜θ４−θ３｜が、式（５）のような範囲に設定され、略平行か浅い傾きに持つようにすることにより、焦点面における像面の倒れを小さくすることができ、結像性能が良好とすることができるとともに、偏心光学系を小型化することができる。
すなわち、傾き角｜θ４−θ３｜が３０°を超えて大きくなると、分岐面６から透過面７に向かう光束が透過面７で大きく屈折され、大きな軸外収差が発生し、像面の倒れが生じる。その結果、結像性能が劣化し、特に、像面８に受光器などを配置する場合、受光器をプリズム１から離れる方向に傾斜して配置しなければならないので、コンパクトな装置とすることができなくなるが、式（５）の条件の下では、それを回避できるものである。

傾き角｜θ４−θ３｜の範囲は、より収差を低減し、像面の倒れを低減するためには、式（５）の上限値をより小さくすることが好ましい。例えば、
｜θ４−θ３｜≦２０° ・・・（５ａ）
とすれば、より好ましい。

このようなプリズム１によれば、像面８に結像する光路が、屈折率１以上の媒質内で３回反射されて、コンパクトに折り畳まれているので、光路長の長い場合でもコンパクトな偏心光学系とすることができる。
その際、５つの光学作用面による偏心光学系の１次像面８までの近軸焦点距離Ｆを式（２）の範囲とすれば、近軸焦点距離Ｆを５００ｍｍ以下とするので、プリズム１自体の大きさを、高精度な回転非対称面を十分に加工できる程度の大きさにすることができる。また近軸焦点距離Ｆを６０ｍｍ以上とするので、光路長が短くなりすぎて光路を折り畳む効果が十分に発揮できないということがない。その結果、十分折り畳み効果を発揮して、比較的長い光路長まで小型化できる偏心光学系を合理的な範囲で製作することができる。
したがって、例えば望遠鏡や空間光通信用の光学系など、比較的長い光路長を必要とする光学系に用いることにより、小型軽量化、低コスト化を図ることができるという利点がある。

また、１次像面８までの近軸焦点距離Ｆと入射瞳径Ｄとの比Ｆ／Ｄを式（３）の範囲とすれば、比Ｆ／Ｄを１５以下とするので、光路長が長すぎてプリズム１が大型化したり、あるいはバックフォーカスが長くなりすぎたりしないような偏心光学系とすることができる。また比Ｆ／Ｄを２以上とするので、焦点距離に比して光束径が大きくなり高いＮＡとなるために補正しきれないほどの球面収差やコマ収差が発生することがない偏心光学系とすることができる。その結果、プリズム１を光路長に比してバランスがよい形態としつつ、結像性能の優れたものとすることができる。

また、５つの光学作用面のうち少なくとも２面は回転非対称面とするので、それらを軸上主光線５０に対して従属光線の側に非対称な曲面として、組み合わせることにより高精度に偏心収差を補正することができるから、偏心収差の少ない偏心光学系とすることができる。
その際、５面全部を回転非対称面としてもよい。そのように回転非対称面の数を増やしていけば、それに応じてより高精度な収差補正が可能となる。また補正量が各光学作用面に分担される結果、個々の曲面が製作容易な形状となるという利点がある。
なお回転非対称面が２面で必要な偏心収差の補正が可能であれば、残りは製作の容易な回転対称面や平面を採用してもよい。そうすれば、製作費を低減することができる。特に平面を１〜２面設けることにより、格段に製作費を低減できる。

次に、本実施形態の第１変形例について説明する。
図３は、本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系の第１変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面における光路図である。なお、光路は、上記の反射光路のみを示し、入射画角０°、±０．４°の場合について、それぞれの光束を主光線と２本の従属光線により表現している。
本変形例のプリズム１５は、プリズム１の透過面７に代えて平面からなる接合面１６を設け、平凸レンズであるレンズ１７の平面を接合面１６と対向させて接合したものである。したがって、分岐面６を有し、反射光路および透過光路が形成され、プリズムの媒質中に１次像面８が形成されることは、上記実施形態と同様である。以下、上記実施形態と異なる点について簡単に説明する。

レンズ１７の凸面１８（第５面）は、透過面７と同様に１次像面８からの光束を集光して、略平行光束としてレンズ１７の外部に射出し、射出瞳１９を形成するための正のパワーを有する光学作用面である。
そして、上記実施形態と同様に、式（１）〜（３）を満足することが好ましい。
したがって、プリズム１５およびレンズ１７の媒質をプリズム１の媒質と同様のものとすれば、凸面１８と透過面７とを同一形状にすることにより、プリズム１５とレンズ１７とで、プリズム１と同じ光学系を構成できる。
また、レンズ１７の材質を、屈折率１以上でプリズム１５の媒質の屈折率と異なる媒質を採用したり、凸面１８の形状を透過面７と変えたりすることにより、パワーを変え、射出瞳１９を射出瞳９と異なる位置に形成することもできる。
このように本変形例によれば、レンズ１７の形状を変えることにより射出瞳１９の位置や、射出後の光束の広がりを適宜変更することができるという利点がある。

なお、接合面１６での接合は、例えば、光学用接着剤を用いて貼り合せるなどの手段を用いることができる。その際、接合面１６やレンズ１７の平面に適宜コーティングを施すようにすれば、例えば、ｋ接合面１６の透過率を増減して、接合面１６での光量損失を制御することができる。また、接合面１６にフィルタ特性などを付与して、高機能な光学系を構成できる。
また、接合面１６とレンズ１７の平面とを対向させて密着させたり、空気間隔を空けて配置するようにしてもよい。このようにすれば、必要に応じてレンズ１７に代えて適宜の平凸レンズに交換することにより、光学特性の異なる偏心光学系を容易に構成することができるという利点がある。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る偏心光学系について説明する。
図４（ａ）、（ｂ）は、本発明の第２の実施形態に係る偏心光学系の一例およびその変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面における光路図である。なお、図１と同様に図４でも２つの光路を重ね合わせて描いている。そして、図４（ａ）では、入射画角が０°および±０．５°（紙面垂直軸回り）ならびに入射画角が０°および±１°（紙面垂直軸回り）の光線を、図４（ｂ）では、入射画角が０°および±０．５°（紙面垂直軸回り）ならびに入射画角が０°および±１．６°（紙面垂直軸回り）の光線をそれぞれ主光線と２本の従属光線とにより描いている。

本発明の第２の実施形態に係る偏心光学系の一例について説明する。
本実施形態の偏心光学系は、第１の実施形態のプリズム１に代えてプリズム２０を設け、プリズム２０の反射光路から射出される略平行光束を像面１１に結像するレンズ２８（集光手段）を設け、入射光束５１を反射光路と透過光路とに分岐して、それぞれプリズム２０の外部の像面１１、１２に結像する光学系である。以下、第１の実施形態と異なる点について簡単に説明する。
プリズム２０は、図４（ａ）に示したように、プリズム１の透過面３、反射面４、反射面５、分岐面６、透過面７に代えて、それぞれ透過面２１（第１面）、反射面２２（第２面）、反射面２３（第３面）、分岐面２４（第４面）、透過面２５（第５面）を備えたものである。そして、それにより、プリズム１の１次像面８に対応して、プリズム２０内部に１次像面２６が形成され、プリズム１の射出瞳９に対応して、プリズム２０外部の透過面２５の近傍に射出瞳２７が形成されるものである。
すなわち、後述する数値実施例に合わせて符号を変えているものの、本実施形態は、第１の実施形態のプリズム１とレンズ２８とを組み合わせて、入射光束５１を入力してプリズム外部の異なる位置に２つの実像を形成するようにしたのと同等のものである。したがってそれぞれの光学作用面の構成、作用などについては、条件式（１）〜（５）を満足することが好ましい点も含めて、第１の実施形態と同様であるので説明を省略する。

レンズ２８は、射出瞳２７から射出される略平行光束の実像を形成できれば、どのような光学素子でもよく、正のパワーを有する適宜の光学素子、例えば、球面レンズ、非球面レンズ、フレネルレンズ、反射鏡、ホログラム素子などが採用できる。
なお、レンズ２８は、必要に応じて透過面２５射出後の軸上主光線５０に対して偏心または傾斜して配置することが好ましい。また、良好に収差補正するためには、回転非対称面を含むことが好ましい。

このような構成によれば、入射光束５１を、透過光路においては４つの光学作用面により良好な収差補正を行って像面１２に結像させることができ、反射光路においては５つの光学作用面により良好な収差補正を行って透過面２５の近傍のプリズム２０外部に射出瞳２７を形成してから、レンズ２８により像面１１に結像させることができる。したがって、それぞれの像面１２、１１に受光手段、例えば、受光器、位置検出センサ、ＣＣＤなどの撮像素子を配置すれば、入射光束５１を２つの倍率の異なる像により同時に受光して、それぞれの受光手段に応じて情報を得ることができる。
また、それぞれの光学作用面のパワーなどを変えることにより、反射光路、透過光路のそれぞれの近軸焦点距離を独立に変えることができるから、入射光束５１の入射画角が変化する場合、同じ入射角に対する像面１２、１１上の像の移動距離、移動速度などをそれぞれ変えることができる。したがって、入射光束５１の情報として、これら像面上の移動距離、移動速度を検出することにより、検出感度の異なる光束の入射画角検出を行うことができるものである。

次に本実施形態の変形例について説明する。
本変形例は、図４（ｂ）に示したように、上記第２の実施形態の一例において、透過光路上の分岐面２４と像面１２との間に正または負のパワーを有するレンズ２９（集光手段）を配置したものである。
レンズ２９は、レンズ２８と同様、パワーを有する他の光学素子を採用することができ、分岐面２４を射出する軸上主光線５０に対して偏心または傾いて配置された回転非対称面を含むようにすることが好ましい。
これにより、分岐面２４の形状を変えることなく、必要に応じて像面１２の位置や像面１２上の像の倍率を変えることができる。したがって、２つの実像の倍率を容易かつそれぞれ独立に変えることができるという利点がある。また、プリズム２０に汎用性を持たせることができ、種々の光学系に用いる場合でも、プリズム２０の形状を共通化することができるという利点がある。
また、レンズ２８、２９により、パワーを分担することにより、プリズム２０の各光学作用面の形状を簡素なものとすることが可能となり、製作コストを抑えることができるという利点がある。
本実施形態では、レンズ２９として正のパワーを有するレンズを用いることにより、図４（ａ）に比して大きな画角であってもコンパクトな受光面上に結像することができる。例えば、後述する第３、４の数値実施例に示すように、例えば、図４（ａ）では半画角１°、像面の像高４ｍｍに対して、図４（ｂ）は半画角１．６°、像面の像高２．４ｍｍというように、格段にコンパクト化することができる。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る偏心光学系について説明する。
図５は、本発明の第３の実施形態に係る偏心光学系の一例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面における光路図である。なお、図５では、２つの光路を重ね合わせて描いている。図６（ａ）、（ｂ）はそれぞれの光路を分けて示したものである。図６（ａ）は、入射画角が０°および±０．８°（紙面垂直軸回り）、図６（ｂ）は、入射画角が０°および±１°（紙面垂直軸回り）、の光線をそれぞれ主光線と２本の従属光線とにより描いている。

本発明の第３の実施形態に係る偏心光学系の一例について説明する。
本実施形態の偏心光学系は、図５に示したように、第１の実施形態のプリズム１に代えてプリズム３０を設け、プリズム３０の反射光路から射出される略平行光束を像面１１に結像するレンズ３８（集光手段）を設け、入射光束５１を反射光路と透過光路とに分岐して、それぞれプリズム３０の外部の像面１１、１２に結像する光学系である。以下、第１の実施形態と異なる点について簡単に説明する。
プリズム３０は、プリズム１の透過面３、反射面４、反射面５、分岐面６、透過面７に代えて、それぞれ透過面３１（第１面）、反射面３２（第２面）、反射面３３（第３面）、分岐面３４（第４面）、透過面３５（第５面）を備えたものである。そして、それにより、プリズム１の１次像面８に対応して、プリズム３０内部に１次像面３６が形成され、プリズム１の射出瞳９に対応して、プリズム３０外部の透過面３５の近傍に射出瞳３７が形成されるものである。
レンズ３８は、第２の実施形態のレンズ２８と同様の光学素子である。

プリズム３０の各光学作用面は、図５において、図示反時計回りに、透過面３１、分岐面３４、透過面３５、反射面３２、反射面３３の順に配置されている。そして、第１面から第３面までの配置は、プリズム１、２０と同様であり、第２面、第３面の傾き角が、条件式（４）を満足するものである。
一方、プリズム１、２０とは異なり、第５面は、第３面と第２面との間に位置する。したがって、第４面により反射されて第５面に向かう光路の軸上主光線５０は、第１面から第２面に向かう軸上主光線５０および第２面から第３面に向かう軸上主光線５０のいずれとも交差しないものである。
このため、プリズム３０内で光路が交差することによって小型化できる利点は少ないものの、反射光路側の射出光束を入射光束５１の進行方向に向けて、その方向と略平行または比較的浅い角度で交差するように射出させることができる。その結果、入射光束５１と交差する方向にスペースの空きが少ない場合にも光学系を配置することができるという利点がある。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に係る光捕捉追尾装置について説明する。本実施形態の光捕捉追尾装置は、受光装置部分と送光装置部分とからなる。
図７は、本発明の第４の実施形態に係る光捕捉追尾装置の一例の概略構成について説明するための断面模式図である。
本発明の第４の実施形態に係る光追尾装置１００（光捕捉追尾装置）について説明する。光追尾装置１００は、略平行な入力光を追尾可能に送受光する装置であって、特に空間光通信分野において好適に用いることができる装置である。
まず光追尾装置１００の受光装置部分について説明する。
光追尾装置１００の受光装置部分の概略構成は、筐体４３（装置外装）、偏心光学系４０、可動反射素子７１（光偏向手段）、受光部７２、偏向制御手段５６、制御装置４１、入力信号制御手段４２およびジンバルステージ４４（追尾移動機構）からなる。

筐体４３は、後述する各部材を一体に保持する保持部材と外装部材とを兼ねた部材であり、例えば、箱形などの適宜形状とされている。そして、その外表面の一部に入射光束５１の入射瞳となる開口部である開口絞り４３ａが設けられている。すなわち、通常の使用状態において入射光束５１が筐体４３に照射されたとき、最初に入射光束５１の光束径を規制する実質的な絞りとして設けられており、第１〜３の実施形態に係る偏心光学系における開口絞り２を具現化する部材となっている。
開口絞り４３ａは、筐体４３と別部材で形成されてもよく、また厳密に筐体４３の外表面に設ける必要もない。例えば、通常の使用状態において入射光束５１を遮る恐れのない形状であれば、フレア光の入射を防止するフードなどが開口絞り４３ａの回りに設けられていてもよい。
また、開口絞り４３ａは、光学的に開口していればよく、例えば集光に必要な波長光を透過させるカバーガラスなどで覆ってもよい。

偏心光学系４０は、図１に示した本発明の第１〜３の実施形態に係る偏心光学系に用いるプリズム１、１５、２０、３０などを採用することができる。その際、開口絞り４３ａが上記の開口絞り２の位置となるように筐体４３に適宜の支持部材（不図示）を介して固定される。
そして、偏心光学系４０の透過光路の像面１２には、入射光束５１の像を観察したり、情報を得たりするための受光器１２Ａが配置される。そして、受光器１２Ａの検出信号は、検出信号１０５として送出される。
可動反射素子７１は、２軸方向に回動可能とされた平面の反射面７１ａを備えた光学素子で、例えば、アクチュエータなど適宜の回動駆動手段により駆動されるガルバノミラー、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）などが採用できる。そして、反射面７１ａが偏心光学系４０の射出瞳９に略重なる位置に配置される。

受光部７２は、偏心光学系４０の反射光路から射出される光束を可動反射素子７１で反射して複数の光路に分岐し複数の受光面上に集光する光学系である。すなわち、本発明の第２、３の実施形態におけるレンズ２８、３８と同様の集光レンズであるレンズ７３を可動反射素子７１の中立位置における光路上に配置し、その像側の像面１１に受光器１１Ａを配置して１つの受光面を形成する。そして、可動反射素子７１とレンズ７３の間に、物体側からビームスプリッタ５２Ａ、５２Ｂ（光路分岐手段）を配置し、それぞれで分岐された光路上に、それぞれ集光レンズ５３Ａ、５３Ｂ（集光手段）を配置し、その像側に受光器５４Ａ、５４Ｂを設ける。そして、受光器５４Ａ、５４Ｂの受光面５４ａ、５４ｂにおいて、分岐された光束を受光できるようにしたものである。
このように、光追尾装置１００の受光装置部分は、本発明の第２、３の実施形態における偏心光学系を含んだ構成とされている。

ビームスプリッタ５２Ａ、５２Ｂは、可動反射素子７１で反射された略平行光束の光路をそれぞれ分岐する光学素子である。例えばハーフミラーコーティングを施したビームスプリッタプリズム、ハーフミラーや、偏光特性により光路を分岐する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）や、波長特性により光路を分岐する光学素子などが採用できる。
集光レンズ５３Ａ（５３Ｂ）は、ビームスプリッタ５２Ａ（５２Ｂ）で分岐された略平行光束を受光器５４Ａ（５４Ｂ）の受光面５４ａ（５４ｂ）上に集光するための光学素子である。

受光器５４Ａ、５４Ｂは、入射光束５１の入射方向のずれ量を検出するためのもので、例えば、ＣＣＤ、ＰＳＤ、４分割ＰＤなどの結像位置を検出可能な位置検出センサが採用できる。そして、それぞれの位置検出感度が異なる構成とされている。ここでは、受光器５４Ａが受光器５４Ｂよりも広範囲の位置検出を行うとして説明する。例えば、集光レンズ５３Ａ、５３Ｂの焦点距離や配置位置を変えて、入射角が変化したときの受光面５４ａ上での光束の移動量が受光面５４ｂ上の移動量よりも小さくなる構成を採用できる。
そして受光器５４Ａ、５４Ｂには、それらの検出信号を信号処理などして光束の結像位置情報または位置ずれ量を算出するための入射方向検出手段５５Ａ、５５Ｂが接続されている。入射方向検出手段５５Ａ、５５Ｂは、その算出結果を入射光束５１の入射方向に換算し、適切な入射方向に合わせて筐体４３の位置を制御するための制御信号（位置信号）を出力できるようになっている。
入射方向のずれ量に対して感度の高い入射方向検出手段５５Ｂは、検出量に基づく制御信号１０４を、制御装置４１を経由して可動反射素子７１の偏向角を制御するための偏向制御手段５６に入力できるようになっている。そして、偏向制御手段５６が制御信号１０４によって制御される。

制御装置４１は、入射方向検出手段５５Ａ、５５Ｂが出力する制御信号に基づいて、筐体４３の方向を適宜移動させるための制御信号１０２を生成するための装置である。
入力信号制御手段４２は、像面１１に結像され、光電変換された電気信号に適宜の信号処理を施し、装置外部に入力信号１０１を送出するための装置である。特に空間光信号伝送における受光部として用いるためには、受光光束から情報信号を含む変調光を取り出すための変調光検出手段を備える構成とする。

ジンバルステージ４４は、筐体４３を２軸方向に姿勢制御可能に保持する移動機構であり、垂直回転駆動部４４ａおよび水平回転駆動部４４ｂが支持台４４ｃ上に保持され、垂直回転駆動部４４ａと水平回転駆動部４４ｂとの移動量を制御するための駆動制御手段４４ｄを備えてなる。
水平回転駆動部４４ｂと垂直回転駆動部４４ａは、それぞれ鉛直軸回りの回転と水平軸回りの所定角の回転とが可能とされ、それぞれの回転角制御可能な制御モータ（不図示）などによる機構により、駆動可能とされる。
駆動制御手段４４ｄは、制御装置４１が生成した制御信号に基づき、垂直回転駆動部４４ａ、水平回転駆動部４４ｂの回転駆動量を算出して、所定の回転駆動を行うための手段である。

本実施形態の光追尾装置１００の受光装置部分によれば、入射光束５１の入射方向が適切な範囲にあれば、入射光束５１が開口絞り４３ａに入射する。入射光束５１は、開口絞り４３ａに比べて大きな光束径を有しており、通常の使用範囲では入射画角が変動しても開口絞り４３ａが光束径の内部に位置する。そこで、開口絞り４３ａに入射した入射光束５１は、偏心光学系４０内の反射光路をたどって像面１１に結像する。そして受光器１１Ａの検出出力が入力信号制御手段４２に送られ、入力信号１０１が装置外部に送出される。ここで、初期状態では、可動反射素子７１の偏向角を軸上主光線が像面１１の中心に到達する中立位置に固定しておく。
また、ビームスプリッタ５２Ａ（５２Ｂ）で分岐された略平行光束は、集光レンズ５３Ａ（５３Ｂ）により集光されて受光器５４Ａ（５４Ｂ）に到達する。そして、受光位置に応じた検出出力が入射方向検出手段５５Ａ（５５Ｂ）に送られる。

一方、入射光束５１の光路が変動したり、筐体４３の位置が不適切であったりする場合、つまり、開口絞り４３ａに対して入射画角を持つ場合、それぞれの受光面上の位置がずれる。
そこで、入射方向検出手段５５Ｂは、偏心光学系４０の光学特性から定まる入射光束５１の入射方向と受光面５４ｂ上の受光位置との関係に基づいて可動反射素子７１の回動量（偏向量）を演算し、制御装置４１および偏向制御手段５６に制御信号１０４として送る。そして可動反射素子７１を制御して追尾を行う。その際、常に入射画角が入射方向検出手段５５Ｂの検出可能範囲となるように、制御装置４１によりジンバルステージ４４の移動量が制御される。
また、入射方向検出手段５５Ａは、偏心光学系４０の光学特性から定まる入射光束５１の入射方向と受光面５４ａ上の受光位置との関係に基づいて筐体４３の移動量を演算し、駆動制御手段４４ｄおよび制御装置４１に制御信号１０２として送る。入射方向検出手段５５Ａは、検出範囲の一定領域を超えた場合はその旨を制御装置４１に通知する。入射方向検出手段５５Ａは広い検出範囲を有しており、入射方向検出手段５５Ａからの信号によりジンバルステージ４４を制御することにより常に位置検出を行うことを可能としている。

制御装置４１は、入射方向検出手段５５Ａ、５５Ｂから制御信号を受け取ると、駆動制御手段４４ｄに制御信号１０２を送る。制御信号１０２は、筐体４３の移動目標位置を定めるものである。移動目標位置は、入射光束５１の光軸と偏心光学系４０の入射光軸が所定の範囲で一致するように設定される。
この場合、ジンバルステージ４４が高精度な移動が可能であれば、入射方向検出手段５５Ｂのより高分解能の位置情報に基づいて移動量を制御するようにしてもよいが、高速に移動するためには、入射方向検出手段５５Ａのより広範囲の位置情報に基づいて、概略目標位置まで移動させるように制御信号１０２を生成することができる。概略目標位置は少なくとも受光器５４Ｂに検出出力が発生する程度に正確な目標値とする。

そのような概略目標値まで移動したら、ジンバルステージ４４を停止して位置を保持する。そして、制御装置４１から偏向制御手段５６に送られる制御信号に基づいて、可動反射素子７１を回動させ、像面１１上で受光位置が一定位置となるように偏向角制御行う。ただし、入射光の入射角が連続的に変化し続ける場合は、ジンバルステージ４４と可動反射素子７１が連携して常に最適な受光状態を維持するよう制御を行う。

例えば、光通信分野においては、通信速度が高速化するにつれて受光器１１Ａなどの受光面積が微小化している。特に、受光器１１Ａの受光面が光ファイバ端面である場合には、例えばコア径１０μｍ以下のきわめて細径化されている受光面に微小スポット径の光束を結合することが要求されている。
このような微動制御をジンバルステージ４４のみで行う場合には、きわめて高い精度が要求される。その場合は、可動反射素子７１（ガルバノミラー）にて高精度の追尾を行うことが望ましい。

次に、第４の実施形態に係る光捕捉追尾装置の送光装置部分について説明する。
光追尾装置１００の送光装置部分は、光源部７０、出力信号制御手段６３、ハーフミラー６０（光路合成手段）を設けることにより、送光機能を備えるようにしたものである。
光源部７０は、半導体レーザ６２と、半導体レーザ６２の発散光束を平行な出力光とするためのコリメートレンズ６１とを備える。
出力信号制御手段６３は、送光される光束で搬送する出力信号１０３に応じて半導体レーザ６２を駆動制御するための手段である。
ハーフミラー６０は、可動反射素子７１とビームスプリッタ５２Ａとの間の光路中に配置され、その光路内において物体側から入射する光束を略透過させ、光源部７０から射出される出力光の光軸を物体側へ反射するための光学素子である。ハーフミラー６０は、例えば、ビームスプリッタ５２Ａに好適に用いることができる光学素子を同様に採用することができる。

光追尾装置１００の送光装置部分は、光源部７０からの配置位置をハーフミラー６０に対して調整し、光源部７０が射出する出力光の光軸と、可動反射素子７１とビームスプリッタ５２Ａとの間の軸上主光線に一致させるように入射させる。その結果、出力光は、可動反射素子７１近傍の射出瞳９、偏心光学系４０に入射し、その反射光路を逆進して入射瞳である開口絞り４３ａから筐体４３の外部に射出される。
その際、可動反射素子７１の偏向角は、入射光束５１を像面１１の所定位置に結像させるように制御されるので、その光路内の軸上主光線は一定となるから、出力光の射出方向を制御するために光源部７０の位置を可変することなく、固定した状態で常に正確な方向に向けて出力光を射出することができる。すなわち、出力光が、入力光の通る光路を逆進して装置外部に射出される送光機能を備える。

このように、光追尾装置１００の受光装置部分においては、入射画角が変動しても、光捕捉追尾可能な受光装置とすることができ、受光光量変動の少ない安定した受光を行うことができる。そして、概略の粗動移動はジンバルステージ４４で行い、より高速な制御が必要な微動制御は、光束の偏向角を可動反射素子７１で制御することにより行うので、例えば、空間光通信のように高精度かつ高速応答性が求められる場合にきわめて好適な光捕捉追尾装置とすることができる。

このような光追尾装置１００の送光装置部分においては、偏心光学系４０の主要部を送光時にも兼用するので、少ない部品点数で装置を構成することができるとともにコンパクトな装置とすることができるという利点がある。また、入力光を光捕捉追尾するのみで、出力光を正確に射出できるので、簡素な構成とすることができ、安価な装置とすることができる利点がある。

したがって、本実施形態の光追尾装置１００によれば、第１〜３の実施形態の偏心光学系の作用効果を備えるとともに、入力光に高精度かつ高効率に光捕捉追尾して安定した送受光を行うことができる光捕捉追尾装置とすることができる。

なお、光捕捉追尾装置を２台、距離を隔てて対向させて配置すれば、互いに送光装置部分と受光装置部分の両方を有し、かつ、光捕捉追尾可能な構成としているので、相対位置が変化しても追尾により安定して双方向の送受光を行うことのできる空間光通信用光学システムとすることができる。
また、一方を受光装置部分の偏心光学系以外の受光専用部分を省略し、出力信号制御手段と略平行光束を放射する光源部と偏心光学系とで構成された送光装置とする。そして、対向して離れた位置に配置された他の一方を偏心光学系以外の送光装置部分を省略し、例えば、偏心光学系４０、可動反射素子７１、集光手段５３Ａ、５３Ｂ、受光器５４Ａ、５４Ｂ、入射方向検出手段５５Ａ、５５Ｂ、制御装置４１、偏向制御手段５６で構成された光捕捉追尾可能な受光装置とする。これにより、光捕捉追尾を行う１方向の空間光通信用光学システムとすることができる。
さらに、送光装置の出力信号制御手段により信号変調のされていない光を搬送するビーコン光とし、受光器１１Ａや受光装置の入力信号制御手段４２を省略すれば、空間光通信には限らない光捕捉追尾用光学システムとすることができる。
また、双方向、一方向の空間光通信用光学システムにおいて、送光側、受光側のそれぞれに偏心光学系の光軸とアラインメントのとれた偏心光学系とは別の光学系を配置して、空間光通信の信号光を送受信するようにすれば、追尾と送受光の光学系が別体の空間光通信用光学システムとすることもできる。
また、ビーコン光の送光装置部分だけを偏心光学系の光軸とアラインメントのとれた、偏心光学系とは別の光学系とすることもできる。
また、ビル間などの相対的位置変化のない場合、受光装置（部分）の追尾に関するものを省略することにより、固定の偏心光学系を備えた双方向、一方向の空間光通信用光学システムとすることができる。

なお、上記のいずれの実施形態においても、条件式（１）〜（５）、式（１ａ）〜（５ａ）、式（１ｂ）〜（４ｂ）は、適宜組み合わせて用いることができる。

なお、上記第１〜３の実施形態の説明では、偏心光学系として、第４面を分岐面とする例で説明したが、２つの異なる光路を必要としない場合や、第４面または第５面を射出した後に、光路を分岐して、複数の光路を形成する場合には、第４面を分岐面としなくともよい。あるいは、分岐面としてもよいが、反射光、透過光のいずれかを用いるだけでもよい。
また、第４面を反射面として、第５面を射出された光束のみを利用したり、第４面を透過面として、第４面から射出された光束を利用したりしてもよい。その場合、第４面のコーティングはそれぞれ、透過率の低い反射コーティング、低反射コーティング（ＡＲコーティング）が採用できる。

また、上記第１〜３の実施形態の説明では、第４面を内部入射光に対する反射率を制御する反射コーティング、ハーフミラーコーティングを施して形成する例で説明したが、第４面を分岐面とするために他のコーティングを採用してもよい。
例えば、偏光ビームスプリッタコーティング（ＰＢＳコーティング）を行い、第４面に到達する光束の偏光状態に応じて分岐を行うようにしてもよい。入力光が第４面に至るまでに偏光状態に応じてＰＢＳコーティングを変えることにより、分岐光量比を調整することができる。また必要なら適宜の偏光子などの偏光状態を偏光する光学素子を適宜の位置に配置してもよい。
また例えば、ダイクロイックビームスプリッタコーティングを行い、第４面に到達する光束の波長に応じて分岐を行うようにしてもよい。

また、上記の第１〜３の実施形態の説明では、プリズム外に２つの像面が形成される例で説明したが、プリズム外の光路に分岐面を設けて、複数の光路に分岐し、複数の像面を設けてもよい。そうすれば、それぞれの像面に受光素子や位置検出手段を配置することができるから、それらの出力を用いてさらに高精度の位置検出などを行うことができるという利点がある。

また、上記第３の実施形態の説明では、制御装置４１、入力信号制御装置４２、偏向制御手段５６が筐体４３内にある例で説明したが、これらは筐体４３とは別個に配置してもよいことは言うまでもない。

また、上記第４の実施形態の説明では、光路合成手段を回動可能な反射面と第１光路分岐手段との間に設けた例で説明したが、射出瞳より像側であれば、どこに配置してもよい。例えば、光路分岐手段同士の間や、像側でもよい。また例えば、集光手段の像側に配置してもよい。この場合、光源部は集光手段の光学素子を、平行光束化するための光学素子として兼用してもよい。

また、上記第４の実施形態の説明では、偏心光学系が装置外装に収められ、装置外装ごと追尾移動機構で移動される例で説明したが、追尾移動するのは偏心光学系のみでよい。したがって、開口絞り４３ａを装置外装に設けず、装置外装の内部に偏心光学系を保持する光学ユニットを設け、その光学ユニットを追尾移動機構で移動するようにしてもよい。その際、入射方向検出手段、回動制御手段などの偏心光学系以外のものは光学ユニット外に設けることができる。そうすれば、追尾移動機構が移動させる慣性が軽減されるので、より高速に光捕捉追尾を行うことができる。

また、上記第４の実施形態の説明では、反射光路側の光束を受光して入力信号制御装置４２、制御装置４１に入力する例で説明したが、必要に応じて、受光器１２Ａの検出信号１０５を入力するようにしてもよい。

次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心光学系の第１の数値実施例を、図２（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
下記に第１の数値実施例の、光学系の構成パラメータを示す。図２（ａ）、（ｂ）に表記されたｒ_ｉ、ｄ_ｉ（ｉは整数）は、下記に示す光学系の構成パラメータのｒ_ｉ、ｄ_ｉに対応する。また屈折率については、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）に対するものを表記している。これらの表記は以下の参照図面すべてに共通である。
光路１は、分岐面６で反射される光束が進む光路（図２（ａ）参照）であり、光路２は、分岐面６で透過される光束が進む光路（図２（ｂ）参照）である。
なお、自由曲面（FFS）および偏心のデータのうち、光路１、２に共通するものは、［］内に共通の番号を付して重複を避けた。
座標系などは上記に説明しているので説明は省略する。偏心の表示におけるα、β、γは、それぞれ上記に傾き角の方向として説明した方向の角度を示す。長さの単位は（ｍｍ）、角度の単位は（°）である。また、偏心の原点および回転中心は、データ中に適宜注記している。
また自由曲面は、上記に説明した式（ａ）で与えられる。なお、データの記載されていない自由曲面、非球面に関する項は０である。

（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(絞り面) d₁ = 2.00
2 FFS[1] d₂ = 0.00 偏心[1] n₁ = 1.5254 ν₁ = 56.2
3 FFS[2] d₃ = 0.00 偏心[2] n₂ = 1.5254 ν₂ = 56.2
4 FFS[3] d₄ = 0.00 偏心[3] n₃ = 1.5254 ν₃ = 56.2
5 FFS[4] d₅ = 0.00 偏心[4] n₄ = 1.5254 ν₄ = 56.2
6 ∞(１次像面) d₆ = 0.00 偏心[5] n₅ = 1.5254 ν₅ = 56.2
7 FFS[5] d₇ = 0.00 偏心[6]
8 ∞(射出瞳) d₈ =10.00 偏心[7]
9 ∞(理想レンズ) d₉ =10.00
像 面 ∞ d₁₀= 0.00

ＦＦＳ[1]
Ｃ₄ 1.1916x10^-2 Ｃ₆ 1.9672x10^-3 Ｃ₈ 5.8335x10^-5
Ｃ₁₀ 9.3853x10^-6 Ｃ₁₁ 8.3918x10^-7 Ｃ₁₃ -7.9209x10^-7
Ｃ₁₅ 6.9622x10^-7 Ｃ₁₇ 1.9564x10^-8 Ｃ₁₉ 1.6950x10^-8
Ｃ₂₁ -5.4054x10^-9
ＦＦＳ[2]
Ｃ₄ 8.4125x10^-4 Ｃ₆ -3.1221x10^-3 Ｃ₈ 2.6985x10^-5
Ｃ₁₀ -1.9713x10^-5 Ｃ₁₁ -5.3738x10^-7 Ｃ₁₃ -3.5866x10^-7
Ｃ₁₅ -6.0551x10^-9 Ｃ₁₇ -2.1823x10^-8 Ｃ₁₉ 1.8897x10^-9
Ｃ₂₁ -1.1519x10^-9
ＦＦＳ[3]
Ｃ₄ -2.3965x10^-3 Ｃ₆ -6.8603x10^-3 Ｃ₈ 3.6261x10^-6
Ｃ₁₀ -7.4904x10^-5 Ｃ₁₁ -2.9687x10^-6 Ｃ₁₃ -3.0602x10^-6
Ｃ₁₅ 1.0182x10^-6 Ｃ₁₇ -1.2686x10^-7 Ｃ₁₉ -1.9603x10^-8
Ｃ₂₁ 5.7999x10^-9
ＦＦＳ[4]
Ｃ₄ -7.2261x10^-4 Ｃ₆ -8.3825x10^-4 Ｃ₈ 7.9289x10^-6
Ｃ₁₀ 6.6475x10^-6 Ｃ₁₁ -5.0317x10^-7 Ｃ₁₃ -6.4622x10^-7
Ｃ₁₅ -3.0789x10^-7 Ｃ₁₇ -6.6292x10^-8 Ｃ₁₉ -1.2786x10^-8
Ｃ₂₁ -1.7236x10^-8
ＦＦＳ[5]
Ｃ₄ 9.7263x10^-2 Ｃ₆ 9.7160x10^-2 Ｃ₈ -2.9297x10^-4
Ｃ₁₀ -2.4558x10^-4 Ｃ₁₁ 1.8329x10^-4 Ｃ₁₃ 2.0941x10^-4
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 13.94
α -17.73 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.44 Ｚ 55.08
α -32.64 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 27.18 Ｚ 36.16
α -81.34 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -32.53 Ｚ 21.74
α -112.60 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 28.02 Ｚ 59.03
α 69.57 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 40.91 Ｚ 66.97
α -124.22 β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 50.02 Ｚ 72.29
α 59.71 β 0.00 γ 0.00

（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(絞り面) d₁ = 2.00
2 FFS[1] d₂ = 0.00 偏心[1] n₁ = 1.5254 ν₁ = 56.2
3 FFS[2] d₃ = 0.00 偏心[2] n₂ = 1.5254 ν₂ = 56.2
4 FFS[3] d₄ = 0.00 偏心[3] n₃ = 1.5254 ν₃ = 56.2
5 FFS[4] d₅ = 0.00 偏心[4] n₄ = 1.5254 ν₄ = 56.2
像 面 ∞ d₁₁= 0.00 偏心[8]

偏心[8]
Ｘ 0.00 Ｙ -88.32 Ｚ 13.08
α 79.29 β 0.00 γ 0.00

本実施例の偏心光学系の光学特性値のうち、入射瞳径Ｄ、半画角φ_Ｘ、φ_Ｙ、像面の像高（半角）Ｈ_Ｘ、Ｈ_Ｙ、１次像面までの近軸焦点距離Ｆ_Ｘ、Ｆ_Ｙ、１次像面から第５面までの空気換算長Ｌ、および式（１）〜（５）に関する計算値は、各実施例の値とともに次表に記載した。
ここで添字Ｘ、Ｙは、それぞれ、Ｘ、Ｙ軸方向に関する距離、回転角を表すものとし、以下の実施例においても同様に表記する。

したがって、本実施例は、式（１）〜（５）を満足し、さらに式（１ｂ）〜（４ｂ）、式（５ａ）をも満足する偏心光学系となっている。

また、上表の条件における本実施例の横収差図を図８〜１０（光路１）、図１１〜１３（光路２）に示した。各図に付された添字（１ａ）、（１ｂ）、…、（６ａ）、（６ｂ）は、添字ａがＹ軸方向、添字ｂがＸ軸方向を意味し、数字１〜６が、光束の画角に対応する。各添字が対応する画角の組合せは以下の通りである。
添字 Ｙ軸方向半画角 Ｘ軸方向半画角
１ −｜φ_Ｙ｜ ＋｜φ_Ｘ｜
２ −｜φ_Ｙ｜ ０
３ ０ ０
４ ＋｜φ_Ｙ｜ ０
５ ＋｜φ_Ｙ｜ ＋｜φ_Ｘ｜
６ ０ ＋｜φ_Ｘ｜
すなわち、添字３は光軸上の横収差を示す。
各図において、横軸は、開口比を示し、縦軸は、添字ａ、ｂに対応してそれぞれＹ−Ｚ平面（Ｙ方向）、Ｘ−Ｚ平面（Ｘ方向）の波長７８０ｎｍにおける横収差を示す。横収差の単位は（ｍｍ）である。これらは以下のすべての図１４〜１６にも共通である。

図８〜１０から分かるように、いずれの半画角においても、横収差は±０．１ｍｍ（光路１）、±０．０５ｍｍ（光路２）の範囲に収まる良好な収差特性が得られた。
なお、面番号９の理想レンズは、偏心光学系のみの収差を示すため便宜的に用いたものである。

次に、上記に説明した第１の実施形態の偏心光学系の第１変形例に係る第２の数値実施例を、図３を参照して説明する。
下記に第２の数値実施例の、光学系の構成パラメータを示す。
透過光路は、第１の数値実施例の光路２と同じなので省略し、分岐面６で反射される光束が進む光路（光路１）のみ記載する。座標系その他は実施例１と同様である。
また、本実施例では、プリズム１５とレンズ１７との屈折率を同一にしたので、接合面１６では屈折が起こらないため下記では接合面１６の記載を省略している。
また、下記において、FFS[1]〜FFS[4]と、偏心[1]〜偏心[5]とは、第１の数値実施例と同一の値とする。そのため下記では記載を省略する。

（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(絞り面) d₁ = 2.00
2 FFS[1] d₂ = 0.00 偏心[1] n₁ = 1.5254 ν₁ = 56.2
3 FFS[2] d₃ = 0.00 偏心[2] n₂ = 1.5254 ν₂ = 56.2
4 FFS[3] d₄ = 0.00 偏心[3] n₃ = 1.5254 ν₃ = 56.2
5 FFS[4] d₅ = 0.00 偏心[4] n₄ = 1.5254 ν₄ = 56.2
6 ∞(１次像面) d₆ = 0.00 偏心[5] n₅ = 1.5254 ν₅ = 56.2
7 r₁ = 5.161 d₇ = 0.00 偏心[6]
8 ∞(射出瞳) d₈ =10.00
9 ∞(理想レンズ) d₉ =10.00
像 面 ∞ d₁₀= 0.00

偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 40.91 Ｚ 66.97
α -122.92 β 0.00 γ 0.00

実施例１中の表にともに記載したように、本実施例は、式（１）〜（５）を満足し、さらに式（１ｂ）〜（４ｂ）、式（５ａ）をも満足する偏心光学系となっている。そして、第１の数値実施例と略同一の光学特性を示す光学系となっている。

また、上表の条件における本実施例の横収差図を図１４〜１６に示した。各図に付された添字、グラフの軸、単位などは、第１の数値実施例と同じである。
図１４〜１６から分かるように、いずれの半画角においても、横収差は±０．５ｍｍの範囲に収まる良好な収差特性が得られた。
なお、面番号９の理想レンズは、偏心光学系のみの収差を示すため便宜的に用いたものである。

次に、上記に説明した第２の実施形態の偏心光学系の一例に係る第３の数値実施例を、図４（ａ）を参照して説明する。
下記に第３の数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。
光路１は、分岐面２４で反射される光束が進む光路であり、光路２は、分岐面２４で透過される光束が進む光路である。座標系その他は実施例１と同様である。

（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(絞り面) d₁ = 2.00
2 FFS[1] d₂ = 0.00 偏心[1] n₁ = 1.5254 ν₁ = 56.2
3 FFS[2] d₃ = 0.00 偏心[2] n₂ = 1.5254 ν₂ = 56.2
4 FFS[3] d₄ = 0.00 偏心[3] n₃ = 1.5254 ν₃ = 56.2
5 FFS[4] d₅ = 0.00 偏心[4] n₄ = 1.5254 ν₄ = 56.2
6 ∞(１次像面) d₆ = 0.00 偏心[5] n₅ = 1.5254 ν₅ = 56.2
7 FFS[5] d₇ = 0.00 偏心[6]
8 ∞(射出瞳) d₈ =10.00 偏心[7]
9 r₉ = 9.2386 d₉ = 5.00 n₆ = 1.5168 ν₆ = 64.1
10 r₁₀=-15.855 d₁₀= 9.88
像 面 ∞ d₁₁= 0.00

ＦＦＳ[1]
Ｃ₄ 1.3226x10^-2 Ｃ₆ 3.4209x10^-3 Ｃ₈ 5.4391x10^-5
Ｃ₁₀ 1.7980x10^-5 Ｃ₁₁ 1.1213x10^-6 Ｃ₁₃ -5.7590x10^-7
Ｃ₁₅ 4.5880x10^-7 Ｃ₁₇ 2.3876x10^-8 Ｃ₁₉ 2.1772x10^-8
Ｃ₂₁ -2.9474x10^-9
ＦＦＳ[2]
Ｃ₄ 1.1521x10^-3 Ｃ₆ -3.2517x10^-3 Ｃ₈ 3.6459x10^-5
Ｃ₁₀ -1.6875x10^-5 Ｃ₁₁ -8.9896x10^-7 Ｃ₁₃ -4.2894x10^-7
Ｃ₁₅ 7.5657x10^-9 Ｃ₁₇ -3.8729x10^-8 Ｃ₁₉ -5.9025x10^-10
Ｃ₂₁ -2.8563x10^-10
ＦＦＳ[3]
Ｃ₄ -3.2881x10^-3 Ｃ₆ -8.6575x10^-3 Ｃ₈ 6.7149x10^-6
Ｃ₁₀ -7.0663x10^-5 Ｃ₁₁ -7.4101x10^-6 Ｃ₁₃ -7.4085x10^-6
Ｃ₁₅ 1.5688x10^-6 Ｃ₁₇ -3.8226x10^-7 Ｃ₁₉ -1.1340x10^-7
Ｃ₂₁ -2.4770x10^-8
ＦＦＳ[4]
Ｃ₄ 6.3290x10^-4 Ｃ₆ 3.2583x10^-4 Ｃ₈ 1.4396x10^-5
Ｃ₁₀ 8.1710x10^-6 Ｃ₁₁ -3.8600x10^-6 Ｃ₁₃ -1.7106x10^-6
Ｃ₁₅ -1.5518x10^-7 Ｃ₁₇ -9.0781x10^-7 Ｃ₁₉ -3.3000x10^-7
Ｃ₂₁ -1.7745x10^-7
ＦＦＳ[5]
Ｃ₄ 7.2252x10^-2 Ｃ₆ 6.6113x10^-2 Ｃ₈ 2.4499x10^-3
Ｃ₁₀ 2.0059x10^-3 Ｃ₁₁ 1.5862x10^-5 Ｃ₁₃ 2.0057x10^-4
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 12.36
α -18.40 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -4.91 Ｚ 56.07
α -30.02 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 25.31 Ｚ 33.81
α -79.74 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -31.69 Ｚ 17.62
α -113.95 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ 19.42 Ｚ 49.63
α -121.87 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ 36.82 Ｚ 60.50
α -110.26 β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ 48.34 Ｚ 69.60
α 51.68 β 0.00 γ 0.00

（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(絞り面) d₁ = 2.00
2 FFS[1] d₂ = 0.00 偏心[1] n₁ = 1.5254 ν₁ = 56.2
3 FFS[2] d₃ = 0.00 偏心[2] n₂ = 1.5254 ν₂ = 56.2
4 FFS[3] d₄ = 0.00 偏心[3] n₃ = 1.5254 ν₃ = 56.2
5 FFS[4] d₅ = 0.00 偏心[4] n₄ = 1.5254 ν₄ = 56.2
像 面 ∞ d₁₁= 0.00 偏心[8]

偏心[8]
Ｘ 0.00 Ｙ -66.96 Ｚ 10.37
α 74.38 β 0.00 γ 0.00

実施例１中の表にともに記載したように、本実施例は、式（１）〜（５）を満足し、さらに式（１ｂ）〜（４ｂ）、式（５ａ）をも満足する偏心光学系となっている。

次に、上記に説明した第２の実施形態の偏心光学系の変形例に係る第４の数値実施例を、図４（ｂ）を参照して説明する。
下記に第４の数値実施例の光学系の構成パラメータを示す。
光路１は、第３の数値実施例の光路１と同一なので省略し、分岐面２４で透過される光束が進む光路（光路１）について示す。座標系その他は実施例１と同様である。
また、下記において、FFS[1]〜FFS[4]と、偏心[1]〜偏心[4]とは、第３の数値実施例と同一の値とする。そのため下記では記載を省略する。
なお、受光部は１／３インチＣＣＤに対応し、水平１．６°、垂直１．２°となっている。

（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(絞り面) d₁ = 2.00
2 FFS[1] d₂ = 0.00 偏心[1] n₁ = 1.5254 ν₁ = 56.2
3 FFS[2] d₃ = 0.00 偏心[2] n₂ = 1.5254 ν₂ = 56.2
4 FFS[3] d₄ = 0.00 偏心[3] n₃ = 1.5254 ν₃ = 56.2
5 FFS[4] d₅ = 0.00 偏心[4] n₄ = 1.5254 ν₄ = 56.2
12 ∞ d₁₂= 0.00 偏心[8]
13 r₁₃= 15.07 d₁₃= 5.17 n₇ = 1.5163 ν₇ = 64.1
14 r₁₄=-441.02 d₁₄= 0.00
像 面 ∞ d₁₁= 0.00 偏心[9]

偏心[8]
Ｘ 0.00 Ｙ -39.37 Ｚ 16.29
α -100.05 β 0.00 γ 0.00
偏心[9]
Ｘ 0.00 Ｙ -55.02 Ｚ 15.00
α 79.37 β 0.00 γ 0.00

実施例１中の表にともに記載したように、本実施例は、式（１）〜（５）を満足し、さらに式（１ｂ）、（２ｂ）、（４ｂ）、（５ａ）をも満足する偏心光学系となっている。

次に、上記に説明した第３の実施形態の偏心光学系に係る第５の数値実施例を、図６（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。
下記に第５の数値実施例の、光学系の構成パラメータを示す。
光路１は、分岐面３４で反射される光束が進む光路であり、光路２は、分岐面３４で透過される光束が進む光路である。座標系その他は実施例１と同様である。

（光路１）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(絞り面) d₁ = 2.00
2 FFS[1] d₂ = 0.00 偏心[1] n₁ = 1.5254 ν₁ = 56.2
3 FFS[2] d₃ = 0.00 偏心[2] n₂ = 1.5254 ν₂ = 56.2
4 FFS[3] d₄ = 0.00 偏心[3] n₃ = 1.5254 ν₃ = 56.2
5 FFS[4] d₅ = 0.00 偏心[4] n₄ = 1.5254 ν₄ = 56.2
6 ∞(１次像面) d₆ = 0.00 偏心[5] n₅ = 1.5254 ν₅ = 56.2
7 非球面[1] d₇ = 0.00 偏心[6]
8 ∞(射出瞳) d₈ = 0.00 偏心[7]
9 r₉ = 15.71 d₉ = 5.20 偏心[8] n₆ = 1.5168 ν₆ = 64.1
10 非球面[2] d₁₀= 0.00
像 面 ∞ d₁₁= 0.00 偏心[9]

ＦＦＳ[1]
Ｃ₄ 1.3526x10^-2 Ｃ₆ 6.3108x10^-3 Ｃ₈ 3.7095x10^-5
Ｃ₁₀ -4.2521x10^-5 Ｃ₁₁ 1.2401x10^-6 Ｃ₁₃ 7.8852x10^-7
Ｃ₁₅ 6.1274x10^-8 Ｃ₁₇ 2.6340x10^-8 Ｃ₁₉ 2.4319x10^-9
Ｃ₂₁ -7.0736x10^-9
ＦＦＳ[2]
Ｃ₄ 1.8780x10^-3 Ｃ₆ -2.7373x10^-3 Ｃ₈ 5.9151x10^-5
Ｃ₁₀ -3.4196x10^-5 Ｃ₁₁ -1.2614x10^-6 Ｃ₁₃ -2.8139x10^-7
Ｃ₁₅ -3.1897x10^-7 Ｃ₁₇ -3.6084x10^-8 Ｃ₁₉ -7.0850x10^-9
Ｃ₂₁ -7.2774x10^-10
ＦＦＳ[3]
Ｃ₄ -2.8320x10^-3 Ｃ₆ -1.2351x10^-2 Ｃ₈ 9.7126x10^-5
Ｃ₁₀ -1.9874x10^-4 Ｃ₁₁ -1.0072x10^-5 Ｃ₁₃ -1.6170x10^-5
Ｃ₁₅ -1.2865x10^-5 Ｃ₁₇ -1.1726x10^-7 Ｃ₁₉ 9.0514x10^-8
Ｃ₂₁ 6.1825x10^-7
ＦＦＳ[4]
Ｃ₄ -3.7190x10^-3 Ｃ₆ -5.6577x10^-3 Ｃ₈ -2.6053x10^-5
Ｃ₁₀ -2.0448x10^-5 Ｃ₁₁ -6.3260x10^-6 Ｃ₁₃ -3.7161x10^-6
Ｃ₁₅ -8.8217x10^-7 Ｃ₁₇ 4.3772x10^-8 Ｃ₁₉ 4.5824x10^-7
Ｃ₂₁ 5.6846x10^-7
非球面[1]
ｃ -5.72
ｋ -6.7182x10^-1
Ａ 2.6209x10^-4 Ｂ -1.2726x10^-5 Ｃ 2.1221x10^-7
非球面[2]
ｃ -8.08
ｋ -9.2333x10^-1
Ａ 3.6144x10^-4 Ｂ -2.3069x10^-7
偏心[1]
Ｘ 0.00 Ｙ 0.00 Ｚ 13.12
α -16.93 β 0.00 γ 0.00
偏心[2]
Ｘ 0.00 Ｙ -5.05 Ｚ 62.24
α -28.65 β 0.00 γ 0.00
偏心[3]
Ｘ 0.00 Ｙ 26.15 Ｚ 37.36
α -78.27 β 0.00 γ 0.00
偏心[4]
Ｘ 0.00 Ｙ -37.42 Ｚ 20.20
α -134.70 β 0.00 γ 0.00
偏心[5]
Ｘ 0.00 Ｙ -30.28 Ｚ 45.55
α 25.04 β 0.00 γ 0.00
偏心[6]
Ｘ 0.00 Ｙ -25.69 Ｚ 60.44
α 18.21 β 0.00 γ 0.00
偏心[7]
Ｘ 0.00 Ｙ -23.77 Ｚ 68.33
α 17.25 β 0.00 γ 0.00
偏心[8]
Ｘ 0.00 Ｙ -19.94 Ｚ 77.64
α 14.88 β 0.00 γ 0.00
偏心[9]
Ｘ 0.00 Ｙ -15.56 Ｚ 92.58
α 8.84 β 0.00 γ 0.00

（光路２）
面番号 曲率半径 面間隔 偏心 屈折率 アッベ数
物体面 ∞ ∞
1 ∞(絞り面) d₁ = 2.00
2 FFS[1] d₂ = 0.00 偏心[1] n₁ = 1.5254 ν₁ = 56.2
3 FFS[2] d₃ = 0.00 偏心[2] n₂ = 1.5254 ν₂ = 56.2
4 FFS[3] d₄ = 0.00 偏心[3] n₃ = 1.5254 ν₃ = 56.2
5 FFS[4] d₅ = 0.00 偏心[4] n₄ = 1.5254 ν₄ = 56.2
像 面 ∞ d₁₂= 0.00 偏心[10]

偏心[10]
Ｘ 0.00 Ｙ -59.47 Ｚ 21.69
α 91.53 β 0.00 γ 0.00

実施例１中の表にともに記載したように、本実施例は、式（１）〜（４）を満足し、さらに光路１では式（１ｂ）、（２ｂ）、（３ａ）、（４ｂ）をも満足し、光路２では式（１ｂ）〜（４ｂ）をも満足する偏心光学系となっている。

本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系の一例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面における光路図である。 図１における反射光路、透過光路をそれぞれ分けて描いた光路図である。 本発明の第１の実施形態に係る偏心光学系の第１変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面における光路図である。 本発明の第２の実施形態に係る偏心光学系の一例およびその変形例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面における光路図である。 本発明の第３の実施形態に係る偏心光学系の一例について説明するための軸上主光線の光路を含む断面における光路図である。 図５における反射光路、透過光路をそれぞれ分けて描いた光路図である。 本発明の第４の実施形態に係る光捕捉追尾装置の一例の概略構成について説明するための断面模式図である。 第１の数値実施例における光路１の横収差図である。 同じく画角の異なる場合の横収差図である。 同じく画角の異なる場合の横収差図である。 第１の数値実施例における光路２の横収差図である。 同じく画角の異なる場合の横収差図である。 同じく画角の異なる場合の横収差図である。 第２の数値実施例における光路１の横収差図である。 同じく画角の異なる場合の横収差図である。 同じく画角の異なる場合の横収差図である。

符号の説明

１、１５、２０、３０ プリズム
２、４３ａ 開口絞り（入射瞳）
３、２１、３１ 透過面（第１面）
４、２２、３２ 反射面（第２面）
５、２３、３３ 反射面（第３面）
６、２４、３４ 分岐面（第４面）
７、２５、３５ 透過面（第５面）
８、２６、３６ １次像面（プリズム内部の少なくとも一つの実像）
９、１９、２７、３７ 射出瞳
１１、１２ 像面（受光面）
１１Ａ、１２Ａ、５４Ａ、５４Ｂ 受光器（位置検出センサ）
１６ 接合面
１７ レンズ
１８ 凸面（第５面）
２８、３８、７３ レンズ（集光手段）
４０ 偏心光学系
４１ 制御装置
４２ 入力信号制御手段
４３ 筐体（装置外装）
４４ ジンバルステージ（追尾移動機構）
４４ｄ 駆動制御手段
５０ 軸上主光線
５１ 入射光束（入力光）
５２Ａ、５２Ｂ ビームスプリッタ（光路分岐手段）
５３Ａ、５３Ｂ 集光レンズ（集光手段）
５４ａ、５４ｂ 受光面
５５Ａ、５５Ｂ 入射方向検出手段
５６ 偏向制御手段
６０ ハーフミラー（光路合成手段）
６１ コリメートレンズ
６２ 半導体レーザ
６３ 出力信号制御手段
７０ 光源部
７１ 可動反射素子（光偏向手段）
７１ａ 反射面（回動可能な反射面）
７２ 受光部
１００ 光追尾装置（光捕捉追尾装置）
１０１ 入力信号
１０２、１０４ 制御信号
１０３ 出力信号
１０５ 検出信号

Claims (25)

1. 略平行な光束を入力光とする偏心光学系であって、
   屈折率が１以上の媒質を有し、該媒質の境界面に互いに偏心または傾いて配置された少なくとも５つの光学作用面が、前記入力光が進む一つの光路に沿う順に第１面、第２面、第３面、第４面、第５面として設けられ、
   これら５つの光学作用面のうち少なくとも２面が回転非対称面で構成されたプリズムを備え、
   前記入力光が前記第１面〜第５面を順に進んで前記プリズム外部に射出される光路において、前記プリズム内部に少なくとも一つの実像が形成されるとともに、前記プリズム外部に射出瞳が形成されるよう構成されたことを特徴とする偏心光学系。
2. 略平行な光束を入力光とする偏心光学系であって、
   屈折率が１以上の媒質を有し、該媒質の境界面に互いに偏心または傾いて配置された少なくとも５つの光学作用面が、前記入力光が進む一つの光路に沿う順に第１面、第２面、第３面、第４面、第５面として設けられ、
   これら５つの光学作用面のうち少なくとも１面が前記入力光の光路を透過光路と反射光路とに分岐する分岐面とされたプリズムを備え、
   前記反射光路が、前記入力光が前記第１面〜第５面を順に進んで前記プリズム外部に射出される光路であり、
   該反射光路または前記透過光路において、前記プリズム内部に少なくとも一つの実像が形成されるよう構成されたことを特徴とする偏心光学系。
3. 請求項２に記載の偏心光学系において、
   前記プリズム外部に射出された光束により射出瞳が形成されるよう構成されたことを特徴とする偏心光学系。
4. 請求項３に記載の偏心光学系において、
   前記反射光路の前記プリズム内部に、前記少なくとも一つの実像が形成され、
   前記反射光路の前記プリズム外部に、前記射出瞳が形成され、
   前記透過光路の前記プリズム外部に、他の実像が形成されるよう構成されたことを特徴とする偏心光学系。
5. 請求項２〜４のいずれかに記載の偏心光学系において、
   前記分岐面で反射した光束の軸上主光線が、前記プリズム内部の少なくとも２つの軸上主光線と交差する光路と形成することを特徴とする偏心光学系。
6. 請求項２〜５に記載の偏心光学系において、
   前記第１面が、前記入力光を前記プリズム内部に透過する透過面とされ、
   前記第２面が、前記第１面で透過された光束を反射する内部反射面とされ、
   前記第３面が、前記第２面で反射された光束を反射する内部反射面とされ、
   前記第４面が、前記第３面で反射された光束の光路を前記透過光路と前記反射光路とに分岐する前記分岐面とされ、
   前記第５面が、前記反射光路を進む光束を透過する透過面とされ、
   これら５つの光学作用面のうち少なくとも２面が回転非対称面からなり、
   前記プリズム内部の前記少なくとも一つの実像が前記反射光路に形成されるとともに、前記透過光路において前記プリズム外部に他の実像が形成されるように構成されたことを特徴とする偏心光学系。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の偏心光学系において、
   前記第１面を透過し前記第２面に向かう軸上主光線に対して、前記第３面で反射して前記第４面に向かう軸上主光線と、前記第４面で反射して前記第５面に向かう軸上主光線とがそれぞれ交差するような位置関係に配置されることを特徴とする偏心光学系
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の偏心光学系において、
   前記第２面が、少なくとも前記プリズム内部のすべての軸上主光線を含む平面において正のパワーを有する回転非対称面からなることを特徴とする偏心光学系。
9. 請求項１〜８のいずれかに記載の偏心光学系において、
   前記第３面が、少なくとも前記プリズム内部のすべての軸上主光線を含む平面において負のパワーを有する回転非対称面からなることを特徴とする偏心光学系。
10. 請求項１〜９のいずれかに記載の偏心光学系において、
    前記プリズム内部の前記少なくとも一つの実像が、第４面と第５面との間に形成されることを特徴とする偏心光学系。
11. 請求項１〜１０のいずれかに記載の偏心光学系において、
    前記プリズム内部の前記少なくとも一つの実像までの近軸焦点距離をＦ、該実像の結像位置から前記プリズム外部に射出される射出面までの空気換算長をＬとするとき、次式を満足することを特徴とする偏心光学系。
    ０．０１≦Ｌ／Ｆ≦０．３ ・・・（１）
12. 請求項１〜１１に記載の偏心光学系において、
    前記プリズム内部の前記少なくとも一つの実像までの近軸焦点距離Ｆとするとき、次式を満足することを特徴とする偏心光学系。
    ６０（ｍｍ）≦Ｆ≦５００（ｍｍ） ・・・（２）
13. 請求項１〜１２のいずれかに記載の偏心光学系において、
    前記プリズム内部の前記少なくとも一つの実像までの近軸焦点距離をＦ、入射瞳径をＤとするとき、比Ｆ／Ｄが次式を満足することを特徴とする偏心光学系。
    ２≦Ｆ／Ｄ≦１５ ・・・（３）
14. 請求項１〜１３のいずれかに記載の偏心光学系において、
    前記プリズムから射出された光束を受光面に集光する集光手段を少なくとも一つ備えたことを特徴とする偏心光学系。
15. 請求項２〜１４のいずれかに記載の偏心光学系において、
    前記反射光路の射出面の近傍に、前記射出面から射出された光束を集光または発散させるレンズが配置されたことを特徴とする偏心光学系。
16. 請求項１５に記載の偏心光学系において、
    前記反射光路の射出面および該射出面の近傍に配置されるレンズのレンズ面の一つが平面とされ、
    前記射出面と前記レンズとがそれぞれの平面同士を対向させて配置されたことを特徴とする偏心光学系。
17. 請求項１５または１６に記載の偏心光学系において、
    前記反射光路の射出面と前記レンズとが互いに接合されたことを特徴とする偏心光学系。
18. 請求項１、３〜１７のいずれかに記載の偏心光学系と、略平行光束を放射する光源部とを含むことを特徴とする送光装置。
19. 請求項１８に記載の送光装置において、
    前記光源部から射出される前記略平行光束を前記射出瞳に入射するための光路合成手段を備えることを特徴とする送光装置。
20. 請求項２に記載の偏心光学系と、略平行光束を放射する光源部とを含むことを特徴とする送光装置。
21. 請求項１〜１７のいずれかに記載の偏心光学系と、
    該偏心光学系の前記プリズム外部に射出された光束を受光して受光位置を検出する少なくとも一つの位置検出センサとを備えることを特徴とする受光装置。
22. 請求項１〜１７のいずれかに記載の偏心光学系と、
    該偏心光学系の前記プリズム外部に射出された光束を受光する少なくとも一つの受光器と、
    該受光器に接続された入力信号制御手段とを備えることを特徴とする受光装置。
23. 略平行光を射出する送光装置と、該送光装置と離れて対向して配置された前記略平行光を入力光として受光する受光装置とを含む光学システムであって、
    前記受光装置が請求項１〜１７のいずれかに記載の偏心光学系を備えることを特徴とする光学システム。
24. 請求項２３に記載の光学システムにおいて、
    前記受光装置の受光面の少なくとも一つが位置検出センサにより構成され、前記位置検出センサからの位置信号に基づき、光捕捉追尾することを特徴とする光学システム。
25. 請求項２３または２４に記載の光学システムにおいて、
    前記送光装置には出力信号制御手段を有し、前記受光装置には入力信号制御手段を有しており、通信信号を変調して送受信することにより空間光通信が行えることを特徴とする光学システム。

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