CN103946737B - 光学设备 - Google Patents

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Abstract

光学设备(100)具备激光光源(111～113)、偏振板(121～123)和层叠波长板(130)。激光光源(111～113)分别射出不同波长的光。层叠波长板(130)包括多个波长板(131～133)，使所通过的光的各偏振分量产生相位差。偏振板(121～123)调整各光的偏振方向，以使由激光光源(111～113)射出并入射至层叠波长板(130)的各光的偏振方向间的角度成为补偿因各光的波长的不同而引起的层叠波长板(130)中的方位角的不同的角度。

Description

光学设备
技术领域
本发明涉及输出对偏振方向进行调整后的光的光学设备。
背景技术
在现有技术中，公知有通过对从激光光源等光源射出的光的各偏振分量赋予规定的相位差(retardation)，并对从光源射出的光的偏振方向进行调整，输出对偏振方向进行控制后的光的波长板。波长板中具有例如对各偏振分量提供λ/2(λ为光的波长)的相位差的λ/2波长板、或对各偏振分量提供λ/4的相位差的λ/4波长板等。波长板被用于例如使用了以与偏振方向相应的透过量使光透过的偏振板等的衰减器(attenuator)等中。此外，为了实现宽带的波长板，公知组合了多个波长板的层叠波长板(例如参照下述专利文献1、2)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2008-070690号公报
专利文献2：国际公开第2003/091768号
发明内容
发明想要解决的问题
但是，在上述现有技术中，若包括多个波长分量的光入射至层叠波长板，则存在来自层叠波长板的输出光中的偏振方向随着每个波长分量而有偏差的问题。因此，在例如采用层叠波长板以及偏振板等的衰减器中，存在输出光的衰减量随着每个波长分量(光的颜色)而有偏差的问题。
本发明的目的在于消除上述的现有技术中的问题，提供一种能够抑制每个波长分量在偏振方向上的偏差的光学设备。
用于解决问题的手段
为了解决上述的问题并实现目的，在本发明的光学设备的一侧面，具备：多个光源，分别射出不同波长的光；层叠波长板，包括使由上述多个光源射出的各光通过的并列设置的多个波长板，并使通过上述多个波长板的光的各偏振分量产生相位差；和偏振调整部，调整上述各光的偏振方向，以使由上述多个光源射出并入射至上述层叠波长板的各光的偏振方向间的角度成为补偿因上述各光的波长的差异而引起的上述层叠波长板中的方位角的差异的角度。
如上所述，通过按照波长预先调整各光的偏振方向，从而对因各光的波长的不同而引起的层叠波长板的相位延迟的不同进行补偿，能够抑制输出光的每个波长分量在偏振方向上的偏差。
发明效果
根据本发明，实现能够抑制每个波长分量在偏振方向上的偏差的效果。
附图说明
图1为表示实施方式所涉及的光学设备的结构例的图。
图2为表示光学设备的变形例的图。
图3为表示图2所示的光学设备中的透过光量特性的一例的图表(其一)。
图4-1为表示在将与各波长相对应的偏振板的透过偏振方向假设为相同(在各波长下使透过偏振方向不倾斜)时的透过光量特性的一例作为参考的图表。
图4-2为表示图2所示的光学设备中的透过光量特性的一例的图表(其二)。
图4-3为表示代替层叠波长板而设置单一的液晶单元并将各偏振板的透过偏振方向假设为相同时的透过光量特性的一例作为参考的图表。
图4-4为表示代替层叠波长板而设置单一的液晶单元并假设错开了各偏振板的透过偏振方向时的透过光量特性的一例作为参考的图表。
图5为表示层叠波长板的动作的一例的图。
图6为表示层叠波长板相对方位角的相位延迟(retardation)的特性的一例的图表。
图7-1为表示层叠波长板相对波长的相位延迟的特性的一例的图表。
图7-2为表示层叠波长板相对波长的方位角的特性的一例的图表。
图8-1为表示与各波长对应的偏振板中的透过偏振方向和层叠波长板的迟相轴方向的一例的图(其一)。
图8-2为表示与各波长对应的偏振板中的透过偏振方向和层叠波长板的迟相轴方向的一例的图(其二)。
图9-1为表示合波部的结构例的图。
图9-2为表示合波部的变形例1的图。
图9-3为表示合波部的变形例2的图。
图9-4为表示合波部的变形例3的图。
具体实施方式
以下参照附图，对本发明的光学设备的实施方式进行详细的说明。
(实施方式)
(实施方式所涉及的光学设备的结构)
图1为表示实施方式所涉及的光学设备的结构例的图。如图1所示，光学设备100具备激光光源111～113、偏振板121～123和层叠波长板130。光学设备100为通过对由激光光源111～113射出的激光的各偏振分量提供规定的相位差，从而调整激光的偏振方向，输出对偏振方向进行了控制的光的光设备。
激光光源111～113射出波长互不相同的激光。例如，激光光源111射出蓝色(波长为450[nm])的激光。激光光源112射出绿色(波长为512[nm])的激光。激光光源113射出红色(波长为650[nm])的激光。
从激光光源111～113输出的激光分别入射到偏振板121～123。激光光源111～113可以都是例如直接发出各波长的激光的激光装置，也可以都是SHG(Second HarmonicGeneration：第二高次谐波产生)方式的激光装置等。
偏振板121～123为调整各光的偏振方向以使由激光光源111～113射出并入射到层叠波长板130的各光的偏振方向之间的角度成为规定的角度的偏振调整部。所谓规定的角度是指根据各光的波长的不同而对层叠波长板130的方位角的不同进行补偿的角度(后述)。
偏振板121是仅使从激光光源111射出的激光中的透过偏振方向121a上的直线偏振分量透过并向层叠波长板130射出的偏振器。偏振板122是仅使从激光光源112射出的激光中的透过偏振方向122a上的直线偏振分量透过并向层叠波长板130射出的偏振器。
偏振板123是仅使从激光光源113射出的激光中的透过偏振方向123a上的直线偏振分量透过并向层叠波长板130射出的偏振器。按照激光光源111～113的各波长，将偏振板121～123允许透过的直线偏振分量的透过偏振方向121a、122a、123a分别设计为不同的方向。关于透过偏振方向121a、122a、123a的详细情况在后面叙述。
此外，在激光光源111～113射出直线偏振光的激光的情况下，也可调整激光光源111～113的角度，以使来自激光光源111～113的各激光的偏振方向分别与透过偏振方向121a、122a、123a大致一致。由此，能够抑制偏振板121～123中的光损耗。此外，这种情况下，也能设为省略了偏振板121～123的结构。此时，对激光光源111～113的角度进行调整的部件成为对各光的偏振方向进行调整的偏振调整部。
层叠波长板130作为对从激光光源111～113射出并与透过了偏振板121～123的光正交的各偏振分量赋予规定的相位差(retardation)的波长板而工作。例如，层叠波长板130作为对来自偏振板121～123的光的各偏振分量赋予λ/4(λ为光的波长)的相位差的λ/4板、或者对来自偏振板121～123的光的各偏振分量赋予λ/2的相位差的λ/2板而工作。
层叠波长板130包括并列设置的波长板131～133。波长板131～133分别为使所通过的各光的正交的各偏振分量产生规定的相位差的双折射元件。波长板131为使从偏振板121～123射出的各光通过波长板132的第1波长板。波长板132为使从波长板131射出的各光通过波长板133的第2波长板。波长板133为使从波长板132射出的各光向后级射出的第3波长板。例如，波长板131、133为λ/4板，波长板132为λ/2板。
迟相轴方向131a、132a、133a分别是波长板131～133的迟相轴的方向。迟相轴(slow轴)为在波长板中双折射的折射率最高的轴。在图1所示的例子中，按照层叠波长板130作为λ/4板进行动作的方式设计迟相轴方向131a、132a、133a。具体地来说，迟相轴方向131a、133a被设定为同一方向(称为规定方向)。迟相轴方向132a被设定为不同于迟相轴方向131a、133a(规定方向)的方向。
偏振方向141～143表示从层叠波长板130射出的光中分别为蓝色、绿色、红色的波长分量的偏振方向。由于按照层叠波长板130作为λ/4板进行动作的方式设计了迟相轴方向131a、132a、133a，因此将偏振方向141～143分别称为圆偏振。
此外，也可在偏振板121～123的后级设置使从偏振板121～123射出的各光保持各自的偏振方向的同时对各光进行合成的合波部。合波部能够设置于例如偏振板121～123与层叠波长板130之间、或者层叠波长板130的后级。关于合波部的结构例将在后面叙述(参照例如图9-1～图9-4)。
图2为表示光学设备的变形例的图。图2中，针对与图1所示的部分相同的部分赋予相同的符号并省略说明。如图2所示，通过在图1所示的层叠波长板130的后级设置偏振板210，从而能够使光学设备100具有衰减器(attenuator)的功能。
此时，按照例如层叠波长板130作为λ/2板进行动作的方式设计波长板131～133的迟相轴方向131a、132a、133a。由此，从层叠波长板130射出的光中的各波长分量的偏振方向141～143分别成为直线偏振。
此外，例如通过液晶单元实现波长板132。液晶单元按照施加电压而使导向器的方向发生变化，使通过的光的各偏振分量中产生的相位差发生变化。由此，通过使波长板132的施加电压发生变化，从而能够使从层叠波长板130射出的光中的各波长分量的偏振方向141～143发生变化。
偏振板210为仅使从层叠波长板130射出的光中的偏振方向211的直线偏振分量(规定的偏振分量)透过后向后级射出的偏振器。由此，通过根据波长板132的施加电压使偏振方向141～143发生变化，从而能够使透过偏振板210的光的强度发生变化。
此外，适用于波长板132的液晶单元可以使用例如向列液晶。或者，适用于波长板132的液晶单元可以使用FLC(Ferroelectric Liquid Crystal：铁电液晶)。由此，能够快速地进行偏振方向的控制。
在图2所示的光学设备100中，能够在例如偏振板121～123与层叠波长板130之间、或者层叠波长板130与偏振板210之间、或者偏振板210的后级设置合波部(参照例如图9-1～图9-4)。
(光学设备中的透过光量特性)
图3为表示图2所示的光学设备中的透过光量特性的一例的图表(其一)。图3中，横轴表示对通过液晶单元实现的波长板132施加的电压[V]。纵轴表示从层叠波长板130射出的光的偏振板210中的透过光量(透过率)。
在图3所示的例子中，在图2所示的光学设备100中，与蓝色激光相对应的偏振板121的透过偏振方向121a相对于规定方向(波长板131、133的迟相轴方向131a、133a)倾斜了-10[deg]。此外，与绿色激光相对应的偏振板122的透过偏振方向122a平行于规定方向。此外，与红色激光对应的偏振板123的透过偏振方向123a相对于规定方向倾斜了12[deg]。关于这些所倾斜的角度的计算方法将在后面叙述。
透过特性301是蓝色光相对于对波长板132的施加电压在偏振板210中的透过光量的特性。透过特性302为绿色的光相对于对波长板132的施加电压在偏振板210中的透过光量的特性。透过特性303为红色的光相对于对波长板132的施加电压在偏振板210中的透过光量的特性。
通过改变波长板132的施加电压，从而在层叠波长板130中各偏振分量中产生的相位差(retardation)发生变化，从层叠波长板130射出的光的偏振方向141～143发生变化。因此，如透过特性301～303那样，通过使对波长板132的施加电压发生变化，从而能够使从层叠波长板130射出的光的偏振板210中的透过光量发生变化。例如，在透过特性301～303的透过光量单调变化的电压范围310内控制波长板132的施加电压，从而能够简单地控制输出光的光强度。
此外，根据光学设备100，通过调整偏振板121～123的透过偏振方向121a～123a，从而如透过特性301～303那样，相对于波长板132的施加电压的变化，各波长分量的透过光量以相同的方式发生变化。因此，能够抑制各波长分量的强度比的变化，并且能够控制输出光的光强度。
图4-1是将假设为使各波长所对应的偏振板的透过偏振方向相同的(透过偏振方向在各波长下倾斜)时的透过光量特性的一例作为参考的图表。图4-1中，对与图2或者图3所示的部分相同的部分赋予相同的符号并省略说明。图4-1中，由接收了来自偏振板210的输出光时的接收电力[mA]表示纵轴的透过光量(图4-2～图4-4中也是相同的)。
若将偏振板121～123的透过偏振方向121a～123a假设为相同，则如图4-1的透过特性301～303那样，相对于波长板132的施加电压的变化，各波长分量的透过光量的变化有偏差。因此，若对输出光的光强度进行控制，则各波长分量的强度比会发生变化。
在从光学设备100输出例如根据从激光光源111～113射出的各光的强度比来调整了颜色的光的情况下，若在层叠波长板130中各波长分量的强度比发生变化，则从光学设备100输出不想要的颜色的光。
图4-2为表示图2所示的光学设备中的透过光量特性的一例的图表(其二)。图4-2中，对与图2或者图3所示的部分相同的部分赋予相同的符号并省略说明。在图4-2中，在与图3相同的条件下，由接收了来自偏振板210的输出光时的接收电力[mA]表示纵轴的透过光量。此外，在图4-2中，与图4-1同样地图示2[V]～5[V]的横轴的电压。
如图4-2的透过特性301～303所示，根据错开了偏振板121～123的透过偏振方向121a～123a的光学设备100，能够在例如电压范围310中，使各波长分量的透过光量以相同的方式发生变化。因此，能够抑制各波长分量的强度比的变化的同时控制输出光的光强度。
例如，在从光学设备100输出根据从激光光源111～113射出的各光的强度比对颜色进行调整后的光的情况下，能够抑制各波长分量的强度比的变化。因此，能够输出想要的颜色的光。
图4-3为表示设置单一的液晶单元来代替层叠波长板，并假设为使各偏振板的透过偏振方向相同时的透过光量特性的一例作为参考的图表。图4-3中，对与图4-1所示的部分相同的部分赋予相同的符号并省略说明。代替图2所示的层叠波长板130而设置单一的液晶单元，并且假设将偏振板121～123的透过偏振方向121a～123a设为相同(使透过偏振方向在各波长下不倾斜)。
此时，如图4-3的透过特性301～303那样，针对波长板132的施加电压的变化，各波长分量的透过光量的变化有偏差。因此，若控制输出光的光强度，则各波长分量的强度比发生变化。
图4-4为将设置单一的液晶单元来代替层叠波长板并假设为错开了各偏振板的透过偏振方向时的透过光量特性的一例作为参考的图表。图4-4中，对与图4-1所示的部分相同的部分赋予相同的符号并省略说明。设置单一的液晶单元来代替图2所示的层叠波长板130，并且假设错开了偏振板121～123的透过偏振方向121a～123a。
具体地来说，设与蓝色的激光对应的偏振板121的透过偏振方向121a相对于规定方向而倾斜了-7[deg]。此外，设与绿色的激光对应的偏振板122的透过偏振方向122a与规定方向平行。此外，设与红色的激光对应的偏振板123的透过偏振方向123a相对于规定方向倾斜了-4[deg]。此时，如图4-4的透过特性301～303那样，相对于波长板132的施加电压的变化，各波长分量的透过光量的变化有偏差。因此，若对输出光的光强度进行控制，则各波长分量的强度比会发生变化。
如图4-1～图4-4所示那样，在具备层叠波长板130的光学设备100中，通过使透过偏振方向121a～123a错开，从而能够得到使各波长分量的偏振方向(透过光量)相对于施加电压以同样的方式发生变化的效果。
(层叠波长板的动作)
图5为表示层叠波长板的动作的一例的图。图5中，对与图1或者图2所示的部分相同的部分赋予相同的符号并省略说明。图5中，x轴对应于上述的规定方向(0[deg])。z轴对应于光的行进方向。图5所示的波长板131、133的相位延迟均为γ1。此外，设波长板131、133中的规定方向与迟相轴方向131a、133a之间的方位角(azimuth角)均为Ψ1。
设波长板132的相位延迟为γ2。此外，设波长板132的规定方向与迟相轴方向132a之间的方位角为Ψ2。在此，将波长板131、133的迟相轴方向131a、133a的方向定义为基准的0[deg]。此时，设波长板131、133的方位角Ψ1为0[deg]。因此，设波长板131、133与波长板132之间的方位角Ψ为Ψ＝Ψ2-Ψ1＝Ψ2。
图5所示的层叠波长板130将由波长板131～133构成的层叠波长板130假设图示为一个波长板。迟相轴方向130a表示层叠波长板130的假设的迟相轴的方向。设层叠波长板130的相位延迟为Γe。设层叠波长板130的迟相轴方向130a与规定方向之间的方位角为Ψe。
层叠波长板130的相位延迟Γe以及方位角Ψe能够通过基于波长板131～133的相位延迟γ1、γ2、方位角Ψ和琼斯矩阵的计算如下述(1)式以及(2)式那样计算。
[数学式1]
cos(Γe/2)＝cos2Ψcos(γ1+γ2/2)+sin2Ψcos(γ1-γ2/2) ···(1)
[数学式2]
在上述(1)式以及(2)式中，波长板x(波长板131～133)的相位延迟γx通过所经过的光的波长而如下述(3)式那样发生变化。在下述(3)式中，Δnx为波长板x的折射率(双折射)。一般，波长板的折射率n为n＝ne-no。ne为波长板的进相轴(fast轴)的方向的折射率。进相轴为双折射的折射率最低的轴。no为波长板的迟相轴的方向的折射率。例如根据波长板x的材料或所经过的光的波长λ来决定Δnx。关于Δnx的波长依赖性将在后面叙述。dx为波长板x的厚度。
[数学式3]
γx＝2π·Δnx·dx/λ ···(3)
由于在宽带中使用层叠波长板130，只要层叠波长板130的相位延迟Γe不受波长板x的波长差异引起的折射率变化的影响即可，因此例如只要满足下述(4)式即可。
[数学式4]
例如，在满足γ1＝π/2或者γ1＝3π/2、γ2＝π的情况下，不依赖于波长板131、133与波长板132之间的方位角Ψ，满足上述(4)式。若将γ1＝π/2或者γ1＝3π/2、γ2＝π代入到上述(1)式以及(2)式，则成为下述(5)式以及(6)式。
[数学式5]
cos(Γe/2)＝sin2Ψ-cos2Ψ＝-cos(2Ψ) ···(5)
[数学式6]
sin(2Ψe)＝1 ···(6)
因此，通过使波长板131、133与波长板132之间的方位角Ψ产生变化，从而能够实现任意的相位延迟Γe。在例如将层叠波长板130用作λ/2板的情况下，也可设为相位延迟Γe＝π×(2n-1)。因此，也可将波长板131、133与波长板132之间的方位角Ψ设为45[deg]或者135[deg]，即设为π/4×(2n-1)(n为自然数)即可。
此外，在将层叠波长板130用作λ/4板的情况下，只要设相位延迟Γe＝π/2×(2n-1)即可。因此，也可将波长板131、133与波长板132之间的方位角Ψ设为22.5[deg]、67.5[deg]、112.5[deg]或者157.5[deg]，即设为π/8×(2n-1)即可。
但是，如上述那样，波长板x(波长板131～133)的相位延迟γx具有波长依赖性。与此相对，如上述那样，通过对波长板进行层叠，即使存在波长板131～133的相位延迟γx的波长依赖性，也能对从层叠波长板130射出的光赋予任意的相位延迟Γe(例如λ/2或λ/4)。
首先，按照对从激光光源111～113射出的各光中的一个光赋予期望的相位延迟Γe的方式设计波长板131～133。在此，赋予λ/4的相位延迟Γe。此外，设激光光源111的波长(蓝色)为λB、激光光源112的波长(绿色)为λG、激光光源113的波长(红色)为λR。例如，按照对波长λB、λG、λR中作为中间波长的波长λG的光赋予期望的相位延迟Γe的方式设计波长板131～133。由此，能够减小各波长中的偏差。
为了对波长λG的光赋予期望的相位延迟Γe，按照满足γ1＝π/2或者3π/2、且γ2＝π的方式设计波长板131～133。具体地来说，关于波长板131、133，按照满足根据上述(3)式、λ＝λG和γ＝π/2或者3π/2导出的下述(7)式的条件的方式，设计折射率Δn以及厚度d。γ1(G)为波长板131、133中的相对于波长λG的光的相位延迟。
[数学式7]
γ1(G)＝2π·Δn·d/λG＝π/2(or 2π/3) ···(7)
此外，针对波长板132，按照满足根据上述(3)式、λ＝λG和γ＝π导出的下述(8)式的条件的方式，设计折射率Δn以及厚度d。γ2(G)为波长板132中的相对于波长λG的光的相位延迟。
[数学式8]
γ2(G)＝2π·Δn·d/λG＝π ···(8)
此外，上述(7)式以及(8)式中，折射率Δn也根据波长λ而发生变化。例如，折射率Δn能够根据Cauchy(戈什)的离散公式与Δn＝a+b/λ2+c/λ4+d/λ6...相近似。a、b、c、d、...是波长板的材料所固有的系数。在以下的说明中，例如通过a+b/λ2+c/λ4(到第3项为止)来近似折射率Δn。因此，上述(3)式能够如下述(9)式那样进行近似。
[数学式9]
γ＝2π·(a+b/λ2+c/λ4)·d/λ ···(9)
在此，分别设波长板131、133中的系数a、b、c为a1、b1、c1。设波长板131、133的厚度d为d1。将波长板132中的系数a、b、c分别设为a2、b2、c2。设波长板132的厚度d为d2。
此时，相对于波长B的光的波长板131、133的相位延迟γ1(B)成为下述(10)式那样。此外，相对于波长B的光的波长板132的相位延迟γ2(B)成为下述(11)式那样。
[数学式10]
γ1(B)＝2π·(a1+b1/λB2+c1/λB4)·d1/λB ···(10)
[数学式11]
γ2(B)＝2π·(a2+b2/λB2+c2/λB4)·d2/λB ···(11)
此外，相对于波长λR的光的波长板131、133的相位延迟γ1(R)成为下述(12)式那样。此外，相对于波长λR的光的波长板132的相位延迟γ2(R)成为下述(13)式那样。
[数学式12]
γ1(R)＝2π·(a1+b1/λR2+c1/λR4)·d1/λR ···(12)
[数学式13]
γ2(R)＝2π·(a2+b2/λR2+c2/λR4)·d2/λR ···(13)
在此，若对上述(1)式以及(2)式进行变形，则成为下述(14)式以及(15)式所示那样。
[数学式14]
Γe＝arccos(cos2Ψcos(γ1+γ2/2)+sin2Ψcos(γ1-γ2/2))×2 ···(14)
[数学式15]
若在上述(14)式以及(15)式中代入上述(10)式～(13)式所产生的γ1以及γ2，则成为下述(16)式以及(17)式那样。
[数学式16]
Γe＝arccos[cos2Ψcos{2π·(a1+b1/λ2+c1/λ4)·d1/λ
+π·(a2+b2/λ2+c2/λ4)·d2/λ}
+sin2Ψcos{2π·(a1+b1/λ2+c1/λ4)·d1/λ
-π·(a2+b2/λ2+c2/λ4)·d2/λ}]×2 ···(16)
[数学式17]
其中，如上述那样，为了得到λ/4的相位延迟Γe，只要将波长板131、133与波长板132之间的方位角Ψ设为π/8×(2n-1)即可。此外，为了得到λ/2的相位延迟Γe，只要将波长板131、133与波长板132之间的方位角Ψ设为π/4×(2n-1)即可。因此，通过将这些值中的与期望的相位延迟Γe相对应的任一个方位角Ψ的值、波长λB或者波长λR代入到上述(16)式以及(17)式的λ中，从而求得波长λB或者波长λR中的层叠波长板130的相位延迟Γe以及方位角Ψe的值。
(相对于方位角的层叠波长板的相位延迟的特性)
图6为表示相对于方位角的层叠波长板的相位差的特性的一例的图表。图6中，横轴表示波长板131、133与波长板132之间的方位角Ψ。纵轴表示层叠波长板130的相位延迟Γe。相位延迟特性600表示相对方位角Ψ的相位延迟Γe的特性。如相位延迟特性600所示那样，层叠波长板130的相位延迟Γe按照波长板131、133与波长板132之间的方位角Ψ在0～2π内发生变化。
(相对于波长的层叠波长板的相位差的特性)
图7-1为表示相对于波长的层叠波长板的相位延迟的特性的一例的图表。在图7-1中，横轴表示光的波长λ[nm]。纵轴表示层叠波长板130的相位延迟Γe。相位延迟特性711为相对于不具有现有技术中的层叠构造的单一λ/4板的波长λ的相位延迟Γe的特性。
相位延迟特性712为包括波长板131～133并作为λ/4板进行动作的层叠波长板130中的相对于波长λ的相位延迟Γe的特性。相位延迟特性713为理想的相位延迟Γe的特性，相对于波长λ而言是恒定的相位延迟。
在图7-1的例子中，如上所述那样，按照即使不使透过偏振方向122a倾斜也对波长λG的光赋予期望的相位延迟的方式设计波长板131～133。因此，如相位延迟特性712所示那样，在与波长λG相对应的512[nm]附近，相位延迟Γe最靠近理想的相位延迟特性713。
图7-2为表示相对于波长的层叠波长板的方位角的特性的一例的图表。图7-2中，横轴表示光的波长λ[nm]。纵轴为层叠波长板130的方位角Ψe。方位角特性721为相对于波长λ的层叠波长板130的方位角Ψe的特性。方位角特性722为理想的方位角Ψe，是45[deg]。
如上述那样，按照即使不使透过偏振方向122a倾斜也会对波长λG的光赋予期望的相位延迟的方式设计波长板131～133。因此，如方位角特性721所示那样，在与波长λG相对应的512[nm]附近，方位角Ψe最靠近理想的方位角特性722。
与此相对，例如，在与波长λR对应的650[nm]附近，在层叠波长板130的方位角Ψe与理想的方位角特性722之间存在12[deg]左右的偏置723。因此，如上述那样，按照相对于规定方向倾斜-12[deg]的方式设计与波长λR相对应的透过偏振方向123a。此外，在与波长λB对应的450[nm]附近，在层叠波长板130的方位角Ψe与理想的方位角特性722之间存在-10[deg]左右的偏置。因此，如上述那样，按照相对于规定方向倾斜10[deg]的方式设计与波长λB对应的透过偏振方向121a。
如图1那样层叠波长板作为λ/4板进行动作时的相位延迟Γe横跨宽带而成为接近π/2的值(参照例如图7-1)。而且，基于如上述那样得到的方位角Ψe，设计与波长λB、λR对应的偏振板121、123的透过偏振方向121a、123a相对于规定方向的倾斜。
例如，如图1所示那样，说明射出光的偏振方向141～143成为圆偏振光的情况。
图8-1为表示与各波长对应的偏振板中的透过偏振方向和层叠波长板的迟相轴方向的一例的图(其一)。图8-1从上开始表示与波长λB、波长λG以及波长λR相对应的偏振板121～123，表示各个透过偏振方向121a、122a、123a以及层叠波长板130的迟相轴方向130a。
如图8-1所示，将与波长λG的激光对应的偏振板122的透过偏振方向122a作为基准，并与规定方向(0[deg])平行地进行设计。而且，根据图7-2可知在波长λR(650[nm])下规定方向(0[deg])与迟相轴方向130a之间的方位角Ψe为33[deg]。为了将直线偏振变换为圆偏振，需要使λ/4板的迟相轴相对于入射直线偏振方向有45[deg]角，因此在该情况下，按照与红色的激光对应的偏振板123的透过偏振方向123a与迟相轴方向130a之差成为45[deg]的方式，设计为透过偏振方向123a相对规定方向倾斜-12(＝33-45)[deg]。即，使透过偏振方向123a倾斜上述的图7-2中的在层叠波长板130的方位角Ψe与理想的方位角特性722之间产生的12[deg]左右的偏置723。
同样地，在波长λB(450[nm])下，若根据图7-2得到方位角Ψe＝55[deg]，则按照与蓝色的激光对应的偏振板121的透过偏振方向121a与迟相轴方向130a之差成为45[deg]的方式，设计为透过偏振方向121a相对于规定方向倾斜10[deg]。
另一方面，如图2所示，层叠波长板作为λ/2板进行动作的情况下，旋转了入射直线偏振方向与λ/2板的迟相轴所构成的角的倍数的角度的直线偏振光会透过。接下来，对如图2所图示那样使射出的各波长的偏振方向141～143与90[deg]方向一致的情况进行说明。
图8-2为表示与各波长对应的偏振板中的透过偏振方向层叠波长板的迟相轴方向的一例的图(其二)。图8-2与图8-1同样地从上开始表示与波长λB、波长λG以及波长λR对应的偏振板121～123，表示各个偏振板中的透过偏振方向121a、122a、123a以及层叠波长板130的迟相轴方向130a。
与图8-1相同地，若得到波长λG中的方位角Ψe＝45[deg]、波长λR中的方位角Ψe＝33[deg]，则与波长λG的激光对应的偏振板122的透过偏振方向122a被设计为0[deg]，以与波长λR的激光对应的偏振板123的透过偏振方向123a旋转了与迟相轴(＝方位角Ψe)所构成的角度的倍数的角度时透过偏振方向123a成为90[deg]方向的方式、即透过偏振方向123a与90[deg]方向所构成的角度(此时，结果是114[deg])变为透过偏振方向123a与迟相轴(＝方位角Ψe)方向所构成的角度(此时，结果是57[deg])的2倍的方式，配置透过偏振方向123a。因此，透过偏振方向123a被设计为-24[deg]。
同样地，若得到波长λB中的方位角Ψe＝55[deg]，则按照与波长λB的激光对应的偏振板121的透过偏振方向121a旋转了与迟相轴(＝方位角Ψe)所构成的角度的倍数的角度时透过偏振方向121a变为90[deg]方向的方式、即透过偏振方向121a与90[deg]方向所构成的角度(此时结果是70[deg])变为透过偏振方向121a与迟相轴(＝方位角Ψe)方向所构成的角度(此时，结果是35[deg])的2倍的方式，配置透过偏振方向121a。因此，透过偏振方向121a被设计为20[deg]。
(与各波长对应的各偏振方向的关系)
根据以上所述，作为λ/4板进行动作的入射至层叠波长板130的各光的偏振方向间的角度、具体来说透过偏振方向121a～123a间的角度如下。即，调整透过偏振方向121a～123a，以使从激光光源111～113射出的各光中波长λ1的光与波长λ2的光的各偏振方向间的角度Ψ(λ1、λ2)满足下述(18)式以及(19)式。由此，能够补偿因各光的波长的不同而引起的层叠波长板130中的方位角Ψe的不同。
[数学式18]
[数学式19]
Γe(λ)＝arccos[cos2Ψcos{2π·Δn1(λ)·d1/λ+π·Δn2(λ)·d2/λ}
+sin2Ψcos{2π·Δn1(λ)·d1/λ-π·Δn2(λ)·d2/λ}]×2 ···(19)
上述(18)式以及(19)式能够在上述(16)式以及(17)式中通过λ＝λ1的Ψe(λ1)和λ＝λ2的Ψe(λ2)之差来导出。例如，成为绿色(波长为512[nm])光的偏振方向的透过偏振方向122a、成为红色(波长为650[nm])光的偏振方向的透过偏振方向123a之间的角度Ψ(λ1、λ2)可在上述(18)式以及(19)式中通过设λ1＝512[nm]、π2＝650[nm]来计算出。关于成为蓝色(波长为450[nm])光的偏振方向的透过偏振方向121a也可同样计算。
此外，在上述(18)式以及(19)式中，波长板131、133的折射率Δn1(λ)能够通过a1+b1/λ2+c1/λ4+d1/λ6...从上述的Cauchy的离散公式中进行近似。此外，波长板132的折射率Δn2(λ)能够通过a2+b2/λ2+c2/λ4+d2/λ6...进行近似。
即，若将波长板131、133的材料所固有的系数设为A1、A2、A3、...Am(m为自然数)，则波长板131、133的折射率Δn1(λ)能够通过A1+A2/λ2+A3/λ4+A4/λ6...+A(m)/λ^(2(m-1))来近似。此外，若将波长板132的材料所固有的系数设为B1、B2、B3、...Bm，则波长板132的折射率Δn2(λ)能够通过B1+B2/λ2+B3/λ4+B4/λ6...+B(m)/λ^(2(m-1))来近似。
同样地，对作为λ/2板进行动作的层叠波长板130入射的各光的偏振方向之间的角度、具体来说透过偏振方向121a～123a间的角度如下。即，按照从激光光源111～113射出的各光中波长λ1的光和波长λ2的光的各偏振方向之间的角度Ψ(λ1、λ2)满足下述(20)式以及(21)的方式调整透过偏振方向121a～123a。由此，能够补偿因各光的波长的不同所引起的、层叠波长板130中的方位角Ψe的不同。
[数学式20]
[数学式21]
Γe(λ)＝arccos[cos2Ψcos{2π·Δn1(λ)·d1/λ+π·Δn2(λ)·d2/λ}
+sin2Ψcos{2π·Δn1(λ)·d1/λ-π·Δn2(λ)·d2/λ}]×2 ···(21)
上述(20)式以及(21)式能够在上述(16)式以及(17)式中，通过λ＝λ1的Ψe(λ1)、λ＝λ2的Ψe(λ2)之差来导出。例如，成为绿色(波长为512[nm])光的偏振方向的透过偏振方向122a、成为红色(波长为650[nm])光的偏振方向的透过偏振方向123a之间的角度Ψ(λ1、λ2)在上述(20)式以及(21)式中，能够通过设为λ1＝512[nm]、λ2＝650[nm]来计算出。关于成为蓝色(波长为450[nm])光的偏振方向的透过偏振方向121a也可同样计算。
此外，在上述(20)式以及(21)式中，波长板131、133的折射率Δn1(λ)能够从上述的Cauchy的离散公式中通过a1+b1/λ2+c1/λ4+d1/λ6...来进行近似。此外，波长板132的折射率Δn2(λ)能够通过a2+b2/λ2+c2/λ4+d2/λ6...来进行近似。
即，若将波长板131、133的材料所固有的系数设为A1、A2、A3、...Am(m为自然数)，则波长板131、133的折射率Δn1(λ)能够通过A1+A2/λ2+A3/λ4+A4/λ6...+A(m)/λ^(2(m-1))来近似。此外，若将波长板132的材料所固有的系数设为B1、B2、B3、...Bm，则波长板132的折射率Δn2(λ)能够通过B1+B2/λ2+B3/λ4+B4/λ6...+B(m)/λ^(2(m-1))来近似。
(合波部的结构例)
图9-1为表示合波部的结构例的图。如图9-1所示那样，设置于光学设备100中的合波部例如可通过纤维耦合器910来实现。在图9-1所示的例子中，说明合波部设置在偏振板121～123与层叠波长板130之间的情况(在图9-2～图9-4中也是相同的)。
纤维耦合器910例如具备偏振保持纤维911～913、组合器914和偏振保持纤维915。偏振保持纤维911～913、915为保持例如所入射的激光的偏振状态来射出的PMF(Polarization Maintaining Fiber)。
向偏振保持纤维911入射从偏振板121射出的蓝色的激光(B)。偏振保持纤维911使所入射的蓝色的激光(B)保持偏振状态的情况下将其射出到组合器914。向偏振保持纤维912入射从偏振板122射出的绿色的激光(G)。偏振保持纤维912使所入射的绿色的激光(G)保持偏振状态的情况下射出到组合器914。
向偏振保持纤维913入射从偏振板123射出的红色的激光(R)。偏振保持纤维913使所入射的红色的激光(R)保持偏振状态的情况下射出到组合器914。组合器914是对从偏振保持纤维911～913射出的各激光进行合成的合波器。组合器914将所合成后的激光射出到偏振保持纤维915。
偏振保持纤维915使从组合器914射出的激光保持偏振状态的情况下将其射出。从偏振保持纤维915射出的激光成为包括红色、绿色以及蓝色的各种光的激光。此外，向层叠波长板130入射从偏振保持纤维915射出的激光。通过图9-1所示的纤维耦合器910，能够在将从偏振板121～123射出的各激光保持各自的偏振方向的状态下进行合波后射出到层叠波长板130。
图9-2为表示合波部的变形例1的图。图9-2中，对与图9-1所示的部分相同的部分赋予相同的符号并省略说明。如图9-2所示，设置于光学设备100中的合波部能够通过使用了分色镜的合波部920来实现。合波部920也可具备反射镜921、分色镜922、923。
反射镜921反射从偏振板123射出的红色的激光(R)后将其射出到分色镜922。分色镜922反射从偏振板122射出的绿色的激光(G)后将其射出到分色镜923。此外，分色镜922使从反射镜921射出的红色的激光(R)透过后将其射出到分色镜923。
分色镜923反射从偏振板121射出的蓝色的激光(B)后将其射出到后级。此外，分色镜923使从分色镜922射出的红色的激光(R)以及绿色的激光(G)透过并将其射出到后级。分色镜922、923分别能够由例如电介质多层膜来实现。
从分色镜923射出的激光成为包括红色、绿色以及蓝色的各光的激光。此外，从分色镜923射出的激光入射层叠波长板130。通过使用了图9-2所示的分色镜的合波部920能够使从偏振板121～123射出的各激光在保持各自的偏振方向的状态下将它们合成后射出到层叠波长板130。
图9-3为表示合波部的变形例2的图。图9-3中，对与图9-2所示的部分相同的部分赋予相同的符号并省略说明。如图9-3所示，采用了分色镜的合波部920电可成为在图9-2所示的结构中省略了反射镜921的结构。
分色镜922反射从偏振板123射出的红色的激光(R)后将其射出到分色镜923。此外，分色镜922使从偏振板122射出的绿色的激光(G)透过并将其射出到分色镜923。如上所述，通过向分色镜922入射从偏振板123射出的红色的激光(R)和从偏振板122射出的绿色的激光(G)，从而也可成为省略了图9-2所示的反射镜921的结构。
图9-4为表示合波部的变形例3的图。如图9-4所示，设置于光学设备100的合波部也可通过全息耦合器940实现。全息耦合器940为以衍射角按每个波长而不同的方式存储的体积全息。从偏振板121～123射出的各激光在全息耦合器940中被聚光。而且，从偏振板121～123射出的各激光在经过全息耦合器940时，以与波长相应的角度衍射，从而在相同的方向上被射出。
通过图9-4所示的全息耦合器940，能够将从偏振板121～123射出的各激光在保持各自的偏振方向的状态下进行合成后射出到层叠波长板130。
如以上说明，根据光学设备，能够抑制每个波长分量的偏振方向的偏差。此外，例如，相比设置按每个波长分量最优化的多个波长板以使每个波长分量获得规定的相位延迟的结构，能够抑制装置的大型化。
此外，在上述的实施方式中，作为多个光源的一例列举了激光光源111～113，但多个光源不限于激光光源111～113。例如，多个光源也可为射出互不相同的波长的激光的两个或者4个以上的光源。此外，关于激光的波长，也不限于450[nm](蓝色)、512[nm](绿色)、650[nm](红色)，能够使用任意的波长。
此外，在上述的实施方式中，以最佳的角度使各颜色的偏振板的偏振轴进行了旋转，但也可按照分别与透过偏振方向121a、122a、123a大致一致的方式，调整各激光光源的角度。由此，能够抑制偏振板121～123中的光损耗。此外，这种情况下，也能成为省略了偏振板121～123的结构。这种情况下，对激光光源111～113的角度进行调整的部件成为对各光的偏振方向进行调整的偏振调整部。
此外，说明了光学设备100具有衰减器的功能的结构，但能够应用光学设备100的装置并不限于该结构。例如，图1所示的光学设备100也能适用于投影仪等。
工业上的可利用性
如以上所述，本发明的光学设备在规定的偏振方向上输出多个波长的光的光学设备中是有用的，尤其适用于按照偏振方向使光强度发生变化的衰减器等中。
衰减器能够使用于例如以汽车或航空器为代表的平视显示器(head up display)中，在按照运行/操纵时的环境的亮度的变化来变更显示的亮度方面是有用的。通过采用基于本发明的衰减器，能够比调整光源侧的各输出的情况更容易地在保持色调的状态下对整体的光量进行快速的调整。此外，由于能对多个光源波长共用，因此能够实现结构的小型化。
在将本光学设备用作衰减器的情况下，使层叠波长板作为λ/2板产生作用，通过设计成施加电压时的射出直线偏振光与偏振板垂直，从而能够得到暗状态。此时，在明状态下由于每个波长下射出的偏振方向不同，因此通过调整光源强度来调整色彩。
符号说明
100 光学设备
111～113 激光光源
121～123、210 偏振板
121a、122a、123a 透过偏振方向
130 层叠波长板
130a、131a、132a、133a 迟相轴方向
131～133 波长板
141～143、211 偏振方向
301～303 透过特性
310 电压范围
600、711～713 相位延迟特性
721、722 方位角特性
723 偏置
910 纤维耦合器
911～913、915 偏振保持纤维
914 组合器
920 合波部
921 反射镜
922、923 分色镜
940 全息耦合器

Claims (9)

1.一种光学设备，其特征在于，具备：
多个光源，分别射出不同波长的光；
层叠波长板，由并列设置的多个波长板构成，使由上述多个光源射出的各光通过，并使所通过的光的各偏振分量产生相位差；和
偏振调整部，调整上述各光的偏振方向，以使由上述多个光源射出并入射至同一上述层叠波长板的各光的偏振方向间的角度成为补偿因上述各光的波长的差异而引起的上述层叠波长板中的方位角的差异的角度，该偏振调整部以与上述多个光源相对应的方式位于上述多个光源与上述层叠波长板之间，
上述多个波长板包括：
第1波长板，在规定方向上设定了迟相轴；
第2波长板，设置在上述第1波长板的后级，并在与上述规定方向不同的方向上设定了迟相轴；和
第3波长板，设置于上述第2波长板的后级，并在上述规定方向上设定了迟相轴，
上述第2波长板为对上述各光的各偏振分量赋予的相位差根据施加电压而发生变化的液晶单元，
上述多个光源包括射出波长为λ1的光的光源和射出与上述波长λ1不同的波长为λ2的光的光源，
上述第1波长板具有厚度d1和根据所通过的光的波长λ而变化的折射率Δn1(λ)，
上述第2波长板具有厚度d2和根据所通过的光的波长λ而变化的折射率Δn2(λ)，
在将上述第1波长板以及上述第2波长板的各迟相轴间的角度设为Ψ的情况下，
上述偏振调整部调整上述波长为λ1的光和上述波长为λ2的光，以使上述波长为λ1的光与上述波长为λ2的光的各偏振方向间的角度Ψ(λ1、λ2)满足下述式：
[式1]
<mfenced open = "" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>&amp;Psi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mi>arcsin</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>sin</mi> <mo>{</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mn>2</mn> <mo>/</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>1</mn> <mo>}</mo> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;Psi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>sin</mi> <mo>{</mo> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>}</mo> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>-</mo> <mi>arcsin</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <mi>sin</mi> <mo>{</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>&amp;Delta;</mi> <mi>n</mi> <mn>2</mn> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <mi>d</mi> <mn>2</mn> <mo>/</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> <mo>}</mo> <mi>sin</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mn>2</mn> <mi>&amp;Psi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mrow> <mi>sin</mi> <mo>{</mo> <mi>&amp;Gamma;</mi> <mi>e</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&amp;lambda;</mi> <mn>2</mn> <mo>)</mo> </mrow> <mo>/</mo> <mn>2</mn> <mo>}</mo> </mrow> </mfrac> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mn>2</mn> </mfrac> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced>
Γe(λ)＝arccos[cos2Ψcos{2π·Δn1(λ)·d1/λ+π·Δn2(λ)·d2/λ}
+sin2Ψcos{2π·Δn1(λ)·d1/λ-π·Δn2(λ)·d2/λ}]×2。
2.根据权利要求1所述的光学设备，其特征在于，
通过a1+b1/λ2+c1/λ4+d1/λ6+、...来近似上述折射率Δn1(λ)，其中，a1、b1、c1、d1、...是上述第1波长板的材料所固有的系数，
通过a2+b2/λ2+c2/λ4+d2/λ6+、...来近似上述折射率Δn2(λ)，其中，a2、b2、c2、d2、...是上述第2波长板的材料所固有的系数。
3.根据权利要求1或2所述的光学设备，其特征在于，
上述光学设备具备仅使通过了上述层叠波长板的光中的规定的偏振分量透过的偏振器。
4.根据权利要求1或2所述的光学设备，其特征在于，
上述偏振调整部是与上述多个光源分别对应地设置、且仅使由上述多个光源中的对应的光源射出的光中的规定的透过偏振方向的偏振分量透过上述层叠波长板的多个偏振器，
上述多个偏振器各自的上述透过偏振方向被设定成向上述层叠波长板透过的各光的偏振方向间的角度成为补偿上述方位角的差异的角度。
5.根据权利要求3所述的光学设备，其特征在于，
上述偏振调整部是与上述多个光源分别对应地设置、且仅使由上述多个光源中的对应的光源射出的光中的规定的透过偏振方向的偏振分量透过上述层叠波长板的多个偏振器，
上述多个偏振器各自的上述透过偏振方向被设定成向上述层叠波长板透过的各光的偏振方向间的角度成为补偿上述方位角的差异的角度。
6.根据权利要求1或2所述的光学设备，其特征在于，
上述光学设备还具备：合波部，使由上述偏振调整部调整了偏振方向的各光保持自身的偏振方向的状态下对由上述偏振调整部调整了偏振方向的各光进行合成，
输出由上述合波部合成并通过了上述层叠波长板的光。
7.根据权利要求3所述的光学设备，其特征在于，
上述光学设备还具备：合波部，使由上述偏振调整部调整了偏振方向的各光保持自身的偏振方向的状态下对由上述偏振调整部调整了偏振方向的各光进行合成，
输出由上述合波部合成并通过了上述层叠波长板的光。
8.根据权利要求4所述的光学设备，其特征在于，
上述光学设备还具备：合波部，使由上述偏振调整部调整了偏振方向的各光保持自身的偏振方向的状态下对由上述偏振调整部调整了偏振方向的各光进行合成，
输出由上述合波部合成并通过了上述层叠波长板的光。
9.根据权利要求5所述的光学设备，其特征在于，
上述光学设备还具备：合波部，使由上述偏振调整部调整了偏振方向的各光保持自身的偏振方向的状态下对由上述偏振调整部调整了偏振方向的各光进行合成，
输出由上述合波部合成并通过了上述层叠波长板的光。
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