JP2004170448A - Polarized light splitting element and its manufacturing method - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射光に含まれる常光と異常光を分離させるために複屈折材料を用いて製作される偏光分離素子に関する。
【0002】
【従来の技術】
昨今、情報のデジタル化はめざましい速さで進んでいる。それにより、例えば音楽や映画などの分野では、デジタル化した情報はCDやDVDなどの記録媒体に記録して販売されたり、インターネットなどの通信ネットワークを介して配信されたりしている。画像の記録分野では、DVC(デジタルビデオカメラ)やDSC(デジタルスチールカメラ)などといったデジタルで画像情報を記録する装置が一般的に扱われるようになっている。
そのような装置に使用される、光信号を電気信号に変換するための光学デバイスには、光学的な仕様を満たしつつ、よりコストを抑えることが求められる。その光学デバイスとしては、現在、光量に応じた電荷を蓄積する部分(以降「セル」と呼ぶ)が規則的に並んで配列されているCCD(Charge Coupled Device)が広く用いられている。
CCDでは、撮影した画像(ここでは光信号)の空間周波数がセルの配列ピッチに一致するとモアレ現象が発生することが知られている。そのようなモアレ現象等を低減するために、光学ローパスフィルタ(OLPF)が用いられる。OLPFは、光信号がセルの配列ピッチに一致しないように、それに入射した光を複屈折させて分離させるようになっている。光の複屈折は、水晶等の複屈折性の材料(複屈折材料)を特定の結晶軸方向で切断した基板を用いることで行わせている。その基板が偏光分離素子である。
複屈折させることにより、入射光に含まれる常光と異常光は分離される。偏光分離素子がそれらを分離させるピッチ(分離幅)Sと偏光分離素子の厚みt(mm)の関係は、一般的には次の(1)式により表される。
S=((b2−a2)/2c2)・sin(2φ)・t・・・(1)
ここで、a=1/ne(異常光屈折率)、b=1/no(常光屈折率)、φは入射光と結晶軸(光学軸、例えば水晶の場合はz軸)の間の角度である結晶軸角度(°)である。
(1)式から明らかなように、水晶ではφ=約45°で最大の分離効率、つまり厚みtに対して最大の分離幅Sが得られる。このため、通常のOLPFの偏光分離素子は、φ=45°で製作されている。その角度で製作した場合、分離幅Sを24μmとするには厚みtを約0.41mmに設定する必要がある。
【特許文献1】特開2000−56268公報
【特許文献2】特開平10−186284号公報
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
OLPFは、CCD等の光学デバイスの前方、即ち光の入射側に配置される。撮影によって入射する光は、そのデバイスに焦点を合わせなければならない。このため、分離幅と光路長の2つの仕様を満足させるために従来は、板厚の薄い偏光分離素子(例えば水晶)に対し、複屈折材料でない硝子材などを貼り合わせて必要とする光路長を確保していた。
しかし、そのような貼り合わせを行うと、加工工程数は増加し、OLPF自体の信頼性が低下することになる。当然のことながら、加工工程数の増加はコストの上昇を招く。このようなことから、従来の偏光分離素子を用いたOLPFには、製造コストが高く、その信頼性が低いという問題点があった。
本発明は、よりコストを抑えつつ、より高い信頼性を有する偏光分離素子を提供することを目的とする。
【0004】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1、及び第2の態様の変更分離素子は、共に、入射光に含まれる常光と異常光を分離させるために複屈折材料を用いて製作されることを前提とし、以下のように製作されている。
第1の態様の偏光分離素子は、入射光を入射させる方向上の厚みが、光分離素子に求められる仕様に合わせて形成され、入射光と複屈折材料の結晶軸との間の角度が厚み、及び常光と異常光を分離させるべき幅に応じて決定されている。
なお、上記求められる仕様は、入射光を入射させる方向上の実際の厚み、及び該方向上の光学的厚みのうちの少なくとも一方を含むことが望ましい。
第2の態様の偏光分離素子は、入射光と複屈折材料の結晶軸との間の角度が、常光と異常光を分離させる効率が最大、及びその近傍でない値に決定され、入射光を入射させる方向上の厚みが、角度で常光と異常光を分離させるべき幅に応じて決定されている。
本発明の偏光分離素子の製作方法は、入射光に含まれる常光と異常光を分離させるための偏光分離素子の製作に用いられる方法であって、入射光を入射させる方向上の厚みを、偏光分離素子に求められる仕様に合わせて決定し、入射光と偏光分離素子の製作に用いられる複屈折材料の結晶軸との間の角度を、厚み、及び常光と異常光を分離させるべき幅に応じて決定し、決定した厚み、及び角度を満たす状態に複屈折材料を加工して偏光分離素子を製作する。
本発明では、求められる仕様に応じて、入射光を入射させる方向上の厚みが形成され、その厚み、及び常光と異常光を分離させるべき幅に応じて、入射光と複屈折材料の結晶軸との間の角度(結晶軸角度)が決定されている。それにより、結晶軸角度は、常光と異常光を分離させる効率が最大、及びその近傍でない値に決定され、入射光を入射させる方向上の厚みは、角度で常光と異常光を分離させるべき幅に応じて決定されている形で偏光分離素子は製作されている。
結晶軸角度を任意の適切な角度とし、その厚みを調整する形で偏光分離素子を製作しても、常光と異常光を分離させるべき幅に分離させつつ、求められる仕様(例えば実際の厚み、或いは光学的厚み)をそれのみで満足させることが可能である。別の材料を貼り合わせる等の必要性は回避させることが可能となり、それを回避させることに伴い、加工工程数は減少し、他の材料等にかかるコストは抑えられることとなる。この結果、偏光分離素子(ここではそれを1つ以上、用いたOLPFを含む)のコストを抑えつつ、その信頼性をより向上させられることとなる。
【0005】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態につき詳細に説明する。
図1は、本実施の形態による偏光分離素子を示す図である。
その偏光分離素子10は、例えばOLPFとして用いられることを前提に製作されたものである。入射光Lに含まれる常光と異常光に対するそれぞれの屈折率no、neの違いにより、それらを分離幅Sだけ分離させて透過させるようになっている。その厚みtは、偏光分離素子10に求められている仕様に応じて決定され、結晶軸角度φはその決定された仕様に応じて決定されている。
【0006】
図2は、本実施の形態による偏光分離素子の製作方法を説明する図である。以降、図2を参照して、その制作方法について詳細に説明する。
本実施の形態による偏光分離素子の製作方法を説明する前に、従来の偏光分離素子の製作方法について図2(a)及び(b)を参照して説明する。
従来の偏光分離素子31は、図2(a)に示すように、分離効率が最大となる結晶軸角度φ=45°で製作されている。つまり、所望の分離幅Sを実現させるうえで、入射光Lの入射方向上の厚みtが最小になるように製作されている。その結果、図2(b)に示すように、必要な光路長を確保するために硝子材32を偏光分離素子31に貼り合わせていた。
これに対し、本実施の形態による偏光分離素子10は、上述したように、その厚みtはそれに求められる仕様に応じて決定し、結晶軸角度φはその仕様に応じて決定している。従来とは異なり、結晶軸角度φは固定とせず、適切なものを適宜、決定(選択)するようになっている。このため、通常、その角度φは45°とは異なっている。
【0007】
今、仕様に基づいた結晶軸角度φが9°であるとすると、図2(c)に示すように、当然のことながら、従来の偏光分離素子31と同じ厚みtの偏光分離素子21では所望の分離幅Sは得られない。このため、図2(d)に示すように、その角度φ=9°で所望の分離幅Sが得られるように厚みt1を調整する。
図2(d)では、偏光分離素子10を破線で2つの部分21、22に分けている。部分21は、図2(c)に示す偏光分離素子21分に相当し(このため、符号を同じにしている)、部分22は、その偏光分離素子21に対し加えられる分に相当する。
図2(d)に示す偏光分離素子10の厚みt1に対して求められる仕様が通常、存在する。このため、実際には、その仕様を満たす厚みをt1としたときに所望の分離幅Sが得られるように結晶軸角度φを決定する。そのようにして、硝子材32を偏光分離素子10に貼り合わせる必要性をなくしている。
偏光分離素子に対する硝子材の貼り合わせを回避させると、偏光分離素子10の信頼性は貼り合わせを行う場合と比較して大きく向上する。貼り合わせを行う工程は不必要となり、貼り合わせる硝子材32を用意しなくとも済むようになることから、加工工程数の減少によるコストダウンに加え、複屈折材料以外の材料(硝子材や接着剤、など)の調達や加工に要するコストも抑えられることとなる。これらのことから、信頼性の向上やコストダウンを実現させることができる。複屈折材料である水晶は、周知のように、Z軸方向に成長しやすいという性質がある。このため、結晶軸角度φが小さくなると、成長時間が短くてすむ小さな原石からより大型の偏光分離素子をより多く取り出せるようになる。このようなことから、製造コストだけでなく、複屈折材料の調達にかかるコストをより抑えることもできる。
【0008】
硝子材32の屈折率nは、その材料によって多少上下するが、約1.51である。これに対し、水晶のそれは約1.54と高くなっている。
例えば硝子材32が貼り合わされた従来の偏光分離素子31が分離幅S=24μm、全体の厚み(偏光分離素子31と硝子材32の各厚みを合計したものに相当)=1.72mm(硝子材32分=1.31mm)であったとき、硝子材32分の光学的厚みは屈折率nにその実際の厚みdを掛けて得られることから1.9781(=1.51×1.31)mmとなる。同様に偏光分離素子31分のそれは0.6314(=1.54×0.41)mmとなる。従って、全体での光学的厚みはそれらを加算して2.6095mmとなる。
分離幅S=24μm、及び光学的厚み=2.6095mmは、例えば結晶軸角度φ=9.4°とすることで満足させることができる。このときの実際の厚みtは1.70(=2.6095/1.54)となる。光学的厚みではなく、実際の厚みtに対して要求された厚みがある場合には、(1)式から角度φを求めれば良いことになる。
【0009】
なお、本実施の形態による偏光分離素子は、1枚の基板からなる偏光分離素子に本発明を適用したものであるが、本発明が適用できるのはそのような偏光分離素子に限定されるわけではない。例えばOLPFを構成する1つ以上の偏光分離素子に対し、それに用いる材料(貼り合わせを行う回数)を低減させる等の目的で適用させても良い。そのようにしても、OLPFにおける信頼性の向上やコストダウンを実現させることができる。
【0010】
【発明の効果】
以上説明したように本発明では、求められる仕様に応じて、入射光を入射させる方向上の厚みが形成され、その厚み、及び常光と異常光を分離させるべき幅に応じて、入射光と複屈折材料の結晶軸との間の角度(結晶軸角度)が決定されている。それにより、結晶軸角度は、常光と異常光を分離させる効率が最大、及びその近傍でない値に決定され、入射光を入射させる方向上の厚みは、角度で常光と異常光を分離させるべき幅に応じて決定されている形で偏光分離素子は製作されている。
結晶軸角度を任意の適切な角度とし、その厚みを調整する形で偏光分離素子を製作しても、常光と異常光を分離させるべき幅に分離させつつ、求められる仕様(例えば実際の厚み、或いは工学的厚み)をそれのみで満足させることができる。別の材料を貼り合わせる等の必要性は回避させることができ、それを回避させることに伴い、加工工程数は減少し、他の材料等にかかるコストは抑えられることとなる。このため、偏光分離素子(ここではそれを1つ以上、用いたOLPFを含む)のコストを抑えつつ、その信頼性をより向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本実施の形態による偏光分離素子を示す図である。
【図2】本実施の形態による偏光分離素子の製作方法を説明する図である。
【符号の説明】
10 偏光分離素子[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization separation element manufactured using a birefringent material for separating ordinary light and extraordinary light contained in incident light.
[0002]
[Prior art]
In recent years, the digitization of information is progressing at a remarkable rate. Accordingly, in the field of music and movies, for example, digitized information is recorded on recording media such as CDs and DVDs and sold, or distributed via communication networks such as the Internet. In the field of image recording, devices that record digital image information, such as DVC (digital video camera) and DSC (digital still camera), are generally used.
An optical device for converting an optical signal into an electric signal used in such an apparatus is required to satisfy optical specifications and to reduce costs. At present, as the optical device, a CCD (Charge Coupled Device) in which portions for accumulating electric charges according to the amount of light (hereinafter referred to as “cells”) are regularly arranged is widely used.
In a CCD, it is known that a moire phenomenon occurs when the spatial frequency of a captured image (here, an optical signal) matches the cell arrangement pitch. An optical low-pass filter (OLPF) is used to reduce such moire phenomenon. The OLPF is configured to birefringently split light incident thereon so that an optical signal does not match the cell arrangement pitch. Birefringence of light is performed by using a substrate obtained by cutting a birefringent material (birefringent material) such as quartz in a specific crystal axis direction. The substrate is a polarization separation element.
By birefringence, ordinary light and extraordinary light included in the incident light are separated. The relationship between the pitch (separation width) S at which the polarization separation element separates them and the thickness t (mm) of the polarization separation element is generally represented by the following equation (1).
S = ((b 2 −a 2 ) / 2c 2 ) · sin (2φ) · t (1)
Here, a = 1 / ne (refractive index of extraordinary light), b = 1 / no (refractive index of ordinary light), and φ is an angle between incident light and a crystal axis (optical axis, for example, z axis in the case of quartz). This is a certain crystal axis angle (°).
As is apparent from the equation (1), the maximum separation efficiency, that is, the maximum separation width S with respect to the thickness t is obtained at φ = about 45 ° in the case of quartz. For this reason, the ordinary OLPF polarization separation element is manufactured at φ = 45 °. When manufactured at that angle, the thickness t needs to be set to about 0.41 mm to make the separation width S 24 μm.
[Patent Document 1] JP-A-2000-56268 [Patent Document 2] JP-A-10-186284
[Problems to be solved by the invention]
The OLPF is arranged in front of an optical device such as a CCD, that is, on the light incident side. The light incident by the shooting must be focused on the device. For this reason, conventionally, in order to satisfy the two specifications of the separation width and the optical path length, an optical path length required by bonding a glass material that is not a birefringent material to a thin polarization separation element (for example, quartz) is conventionally used. Was secured.
However, when such bonding is performed, the number of processing steps increases, and the reliability of the OLPF itself decreases. Naturally, an increase in the number of processing steps causes an increase in cost. For this reason, the OLPF using the conventional polarization separation element has a problem that the manufacturing cost is high and its reliability is low.
An object of the present invention is to provide a polarization separation element having higher reliability while suppressing costs.
[0004]
[Means for Solving the Problems]
The modified separation elements according to the first and second aspects of the present invention are presumed to be manufactured using a birefringent material in order to separate ordinary light and extraordinary light contained in incident light. It is manufactured in.
The polarization separation element of the first aspect is formed such that the thickness in the direction in which the incident light is incident is adjusted to the specifications required for the light separation element, and the angle between the incident light and the crystal axis of the birefringent material is the thickness. , And the width to separate ordinary light from extraordinary light.
It is desirable that the required specifications include at least one of the actual thickness in the direction in which the incident light is incident and the optical thickness in the direction.
In the polarization splitting element according to the second aspect, the angle between the incident light and the crystal axis of the birefringent material is determined such that the efficiency of separating the ordinary light and the extraordinary light is maximized, and a value that is not close to the maximum. The thickness in the direction to be made is determined according to the width at which the ordinary light and the extraordinary light are to be separated at an angle.
The method for manufacturing a polarization separation element of the present invention is a method used for manufacturing a polarization separation element for separating ordinary light and extraordinary light contained in incident light. Determined according to the specifications required for the separation element, the angle between the incident light and the crystal axis of the birefringent material used to manufacture the polarization separation element depends on the thickness, and the width to separate ordinary light from extraordinary light Then, the birefringent material is processed so as to satisfy the determined thickness and angle, thereby producing a polarization beam splitting element.
In the present invention, the thickness in the direction in which the incident light is incident is formed according to the required specification, and the crystal axis of the incident light and the birefringent material is determined according to the thickness and the width to separate the ordinary light from the extraordinary light. (Crystal axis angle) is determined. As a result, the crystal axis angle is determined to be a value at which the efficiency of separating ordinary light and extraordinary light is maximum, and a value that is not in the vicinity thereof. The polarization splitting element is manufactured in a form determined according to the following.
Even if a polarization splitting element is manufactured by adjusting the crystal axis angle to any appropriate angle and adjusting its thickness, the required specifications (for example, actual thickness, Alternatively, it is possible to satisfy the optical thickness alone. It is possible to avoid the necessity of bonding another material and the like, and by avoiding this, the number of processing steps is reduced, and the cost of other materials and the like is suppressed. As a result, it is possible to further improve the reliability of the polarization separation element (here, one or more polarization separation elements including the OLPF) are suppressed.
[0005]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
FIG. 1 is a diagram illustrating a polarization separation element according to the present embodiment.
The
[0006]
FIG. 2 is a diagram for explaining a method of manufacturing the polarization beam splitter according to the present embodiment. Hereinafter, the production method will be described in detail with reference to FIG.
Before describing a method of manufacturing a polarization beam splitter according to the present embodiment, a conventional method of manufacturing a polarization beam splitter will be described with reference to FIGS. 2 (a) and 2 (b).
As shown in FIG. 2A, the conventional
On the other hand, as described above, the thickness t of the
[0007]
Now, assuming that the crystal axis angle φ based on the specifications is 9 °, as shown in FIG. 2C, it is needless to say that the
In FIG. 2D, the
There are usually specifications required for the thickness t1 of the
If the bonding of the glass material to the polarization separation element is avoided, the reliability of the
[0008]
The refractive index n of the
For example, the conventional
The separation width S = 24 μm and the optical thickness = 2.6095 mm can be satisfied by, for example, setting the crystal axis angle φ to 9.4 °. The actual thickness t at this time is 1.70 (= 2.6095 / 1.54). If there is a required thickness with respect to the actual thickness t instead of the optical thickness, the angle φ may be obtained from Expression (1).
[0009]
Note that the polarization splitting element according to the present embodiment is an example in which the present invention is applied to a polarization splitting element including one substrate, but the present invention is not limited to such a polarization splitting element. is not. For example, it may be applied to one or more polarization splitting elements constituting the OLPF for the purpose of reducing the material (the number of times of bonding) used for the same. Even in such a case, it is possible to realize improvement in reliability and cost reduction in the OLPF.
[0010]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, the thickness in the direction in which the incident light is incident is formed in accordance with the required specifications, and the incident light and the light are combined in accordance with the thickness and the width in which the ordinary light and the extraordinary light are to be separated. An angle between the refraction material and the crystal axis (crystal axis angle) is determined. As a result, the crystal axis angle is determined to be a value at which the efficiency of separating ordinary light and extraordinary light is maximum, and a value that is not in the vicinity thereof. The polarization splitting element is manufactured in a form determined according to the following.
Even if a polarization splitting element is manufactured by adjusting the crystal axis angle to any appropriate angle and adjusting its thickness, the required specifications (for example, actual thickness, Alternatively, the engineering thickness) can be satisfied by itself. The necessity of attaching another material can be avoided, and by avoiding the need, the number of processing steps is reduced, and the cost of other materials is suppressed. Therefore, it is possible to further improve the reliability of the polarization separation element (here, one or more polarization separation elements including the OLPF using the polarization separation element) are suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a polarization beam splitter according to an embodiment.
FIG. 2 is a diagram illustrating a method of manufacturing a polarization beam splitter according to the present embodiment.
[Explanation of symbols]
10 Polarization separation element
Claims (4)
前記入射光を入射させる方向上の厚みが、前記偏光分離素子に求められる仕様に合わせて形成され、
前記入射光と前記複屈折材料の結晶軸との間の角度が、前記厚み、及び前記常光と異常光を分離させるべき幅に応じて決定されていることを特徴とする偏光分離素子。In a polarization separation element manufactured using a birefringent material to separate the ordinary light and the extraordinary light contained in the incident light,
The thickness in the direction in which the incident light is incident is formed in accordance with specifications required for the polarization separation element,
A polarization splitting element, wherein an angle between the incident light and a crystal axis of the birefringent material is determined according to the thickness and a width for separating the ordinary light from the extraordinary light.
前記入射光と前記複屈折材料の結晶軸との間の角度が、前記常光と異常光を分離させる効率が最大、及びその近傍でない値に決定され、
前記入射光を入射させる方向上の厚みが、前記角度で前記常光と異常光を分離させるべき幅に応じて決定されていることを特徴とする偏光分離素子。In a polarization separation element manufactured using a birefringent material to separate the ordinary light and the extraordinary light contained in the incident light,
The angle between the incident light and the crystal axis of the birefringent material is the maximum efficiency at which the ordinary light and extraordinary light are separated, and is determined to be a value that is not in the vicinity thereof,
A polarization splitting element, wherein a thickness in a direction in which the incident light is incident is determined according to a width at which the ordinary light and the extraordinary light are separated at the angle.
前記入射光を入射させる方向上の厚みを、前記偏光分離素子に求められる仕様に合わせて決定し、
前記入射光と前記偏光分離素子の製作に用いられる複屈折材料の結晶軸との間の角度を、前記厚み、及び前記常光と異常光を分離させるべき幅に応じて決定し、
前記決定した厚み、及び角度を満たす状態に前記複屈折材料を加工して前記偏光分離素子を製作することを特徴とする偏光分離素子の製作方法。A method used for manufacturing a polarization separation element for separating ordinary light and extraordinary light contained in incident light,
The thickness in the direction in which the incident light is incident is determined according to specifications required for the polarization separation element,
The angle between the incident light and the crystal axis of the birefringent material used for manufacturing the polarization separation element is determined according to the thickness, and the width of the ordinary light and extraordinary light to be separated,
The method of manufacturing a polarization beam splitter, wherein the polarization splitter is manufactured by processing the birefringent material so as to satisfy the determined thickness and angle.
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