JP2007041207A - 偏光分離素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏光分離素子において、高い偏光度が得られるようにすることを目的としている。
【解決手段】 所定の使用波長に対応する透明材料からなる素子内部に、前記透明材料中での前記使用波長より短い周期で縞状に空洞が並んだ縞状空洞層を備えた偏光分離素子であって、前記縞状空洞層に占める前記空洞の体積比ｆは、前記縞状空洞層の垂直方向と前記空洞が伸びる方向とを含む平面に平行に前記縞状空洞層に入射する入射光線が前記縞状空洞層の垂直方向となす角度としての所定の使用入射角をθとし、前記使用波長における前記透明材料の屈折率をｎとするとき、
１／√（ｆ＋（１−ｆ）＊ｎ＾２）＜ｓｉｎθ＜√（ｆ＋（１−ｆ）／ｎ＾２）
を満足する。
【選択図】 図１

Description

この発明は、各種光学機器などに用いられる偏光分離素子に関するものである。

偏光分離素子は、直交する電界の振動成分（偏光成分）で光線を空間的に２つに分離する機能を持った素子である。このような偏光分離素子として、従来、方解石や水晶などからなる２つのプリズムが接着剤で接合されたニコルプリズムによるもののように、複屈折材料を用いたものや、また、金属や酸化チタンなどからなる矩形格子を周期的に配置した構造を有する偏光分離層を有し、矩形格子の周期は波長より短い構造として構造複屈折を形成しているものが知られている（例えば特許文献１参照）。

特開２００５−７７８１９号公報

特許文献１に開示された従来の偏光分離素子は、２つのプリズムで偏光分離層を挟むように構成し、可視光に透明なプリズムの材料が偏光分離層の矩形格子の材料と異なるようにしているので、例えば周囲温度のような使用条件の変化による屈折率や寸法などの変化に起因して、偏光度が減少してしまう場合があるという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、偏光分離素子において、例えば周囲温度のような使用条件の変化がある場合にも偏光度の減少を抑え、高い偏光度が得られるようにすることを目的としている。

所定の使用波長に対応する透明材料からなる素子内部に、前記透明材料中での前記使用波長より短い周期で縞状に空洞が並んだ縞状空洞層を備えた偏光分離素子であって、前記縞状空洞層に占める前記空洞の体積比ｆは、前記縞状空洞層の垂直方向と前記空洞が伸びる方向とを含む平面に平行に前記縞状空洞層に入射する入射光線が前記縞状空洞層の垂直方向となす角度としての所定の使用入射角をθとし、前記使用波長における前記透明材料の屈折率をｎとするとき、
１／√（ｆ＋（１−ｆ）＊ｎ＾２）＜ｓｉｎθ＜√（ｆ＋（１−ｆ）／ｎ＾２）
を満足するものである。

この発明は、偏光分離素子において、高い偏光度が得られるようにすることができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１による偏光分離素子は、所定の使用波長に対して実質的に透明な一種類の材料からなる素子内部に、透明材料中での使用波長よりも短い平均周期で縞状に空洞が並んだ縞状空洞層を備え、所定の使用入射角をもつ入射光線の透過偏波成分に対しては無反射条件を満足し、その反射偏波成分に対しては全反射条件を満足するように構成したので、高い偏光度が得られるものである。

図１と図２は、この発明の実施の形態１による偏光分離素子を示す構成図である。
図１において、１は偏光分離素子であり、所定の使用波長に対して実質的に透明な一種類の材料からなる内部において、空洞が平行に一層の層形状をなすように縞状に並んだ縞状空洞層２を備えている。３は偏光分離素子１に入射する入射光線で、上記空洞が並んだ方向と平行な電界の振動成分（ＴＭ波）と垂直な電界の振動成分（ＴＥ波）を含んだ光線である。４ａは縞状空洞層２を透過した透過光線、４ｂは縞状空洞層２で反射した反射光線である。ここで、入射光線３に対する使用波長として、例えば空気中での波長３μｍ以上の赤外線領域に設定する。ただし、使用波長はこれに限定されるものではなく、他の波長領域、例えば可視光領域に設定して構成するようにしても良い。

次に、図２を用いて、詳細な構成と動作について説明する。
図２において、空洞は断面形状が長方形の貫通穴である。この貫通穴の並ぶ間隔は常に一定であっても、あるいは不定であっても良いが、空洞の間隔ａと空洞の幅ｂを合わせた長さ（ａ＋ｂ）の平均値（平均周期）は、入射光線３に対する素子内部での所定の使用波長より小さい。貫通穴が伸びる方向は、ｘｚ平面と平行である。

縞状空洞層２における空洞の体積比をｆ、偏光分離素子１の材料の屈折率をｎ、縞状空洞層２と入射光線３の成す角としての所定の入射角をθとするとき、次式を満足する。
１／√（ｆ＋（１−ｆ）ｎ＾２）＜ｓｉｎθ＜√（ｆ＋（１−ｆ）／ｎ＾２） （１）
ただし、入射光線３の入射方向は、縞状空洞層２の垂直方向と空洞が伸びる方向とを含む平面（図２においてはｘｚ平面）に平行となるように設定される。なお、これ以外の入射方向であっても直交する偏光成分で光線を分離する機能を持つが、分離された光線の偏光度は低下する。

縞状空洞層２においては、入射光線３の直交する偏光成分であるＴＥ波とＴＭ波で実効的な屈折率が異なり、その結果として反射率が異なる。そして、式（１）を満たすことにより、入射光線３のＴＥ波成分に対しては全反射しない条件を満足し、ＴＭ波成分に対しては全反射条件を満足する。これにより、透過光線４ａにはほぼＴＥ波しか含まれず、反射光線４ｂにもほぼＴＭ波しか含まれないようになり、透過と反射により直交する偏光成分を分離することができる。このように、ＴＭ波に対して全反射条件を満足することで高い偏光度で光線を分離することが可能な偏光分離素子を実現することができる。

ところで、上述のように、特開２００５−７７８１９号公報に開示されている従来の偏光分離素子は、可視光に透明なプリズムで偏光分離層を挟むように構成しており、偏光分離層の矩形格子の材料とプリズムの材料とが異なることから、例えば周囲温度のような使用条件の変化による屈折率や寸法などの変化に起因して、透過や反射の条件がずれ、偏光度が減少してしまう場合がある。これに対して、この発明の実施の形態１による偏光分離素子によれば、縞状空洞層２とプリズムに対応する光学部とを同一の透明材料で一体構造として構成しているので、例えば温度といった環境変化などによる屈折率や寸法などの変化が比較的少なく、偏光度が減少しにくいことから、高い偏光度が得られるようにすることができるのである。

また、可視領域の透過材料に関しては方解石や水晶など、偏光分離素子に使用できる一軸性結晶材料が存在し、従来、可視領域においては、上述のように、方解石や水晶などの複屈折材料からなるニコルプリズムによる偏光分離素子が知られている。一方、波長３μｍ以上の赤外線領域では、ゲルマニウムやシリコン、ＺｎＳｅなど一般的な透過材料に大きな複屈折を示すものがないため、複屈折材料を用いたニコルプリズムによる偏光分離素子を実現できないことから、従来、一般にワイヤーグリッドと呼ばれる多数の金属細線を平面上に平行に並べた構造をした偏光分離素子が用いられる。しかし、ワイヤーグリッドの偏光分離素子は全反射条件を満足しないため、複屈折材料を用いた偏光分離素子のように高い偏光度を実現できない。これに対して、この発明の実施の形態１による偏光分離素子によれば、上述のように、波長３μｍ以上の赤外線領域においても、いわゆる構造複屈折により複屈折材料を用いることなしに全反射条件を満足することで高い偏光度を実現することができるのである。

また、この発明の実施の形態１では、空洞の平均周期を偏光分離素子１の内部の光線波長より小さくすることで縞状空洞層２における回折の影響をほぼなくし、屈折作用だけをもつ通常の複屈折材料と同様に扱えるようにしている。このため、光の回折作用を利用した、いわゆるフォトニック結晶と異なり、空洞の幅や間隔は必ずしも一定である必要はない。縞状空洞層２における空洞も大まかに縞を形成していればよく、それが例えば大きさや形が不定な空洞の連なりであったり、縞毎に幅の異なる貫通穴だったとしても、縞状空洞層２における空洞の平均体積比ｆが上式（１）を満足していれば偏光分離素子として機能することができる。

なお、上述のように空洞の断面が長方形の場合には、空洞の体積比ｆは、空洞の間隔ａ、空洞の幅ｂとして、次式により計算することができる。
ｆ＝ｂ／（ａ＋ｂ） （２）
ただし、空洞の形状が球や楕円体など長方形と異なる場合には、縞状空洞層２における空洞の体積比を幾何学的に計算した値をｆとして用いるようにすれば良い。

また、偏光分離素子１の材料として屈折率が２以上の材料を用いることで、反射光線４ｂに対して偏光度を向上させることができる。縞状空洞層２に対してＴＥ波には、ブリュースター角と呼ばれる無反射となる入射角条件が存在し、この角度近傍で透過率がほぼ１になる。ブリュースター角は偏光分離素子１の屈折率ｎと縞状空洞層２における空洞の体積比ｆに依存する。図３に示すように、偏光分離素子１の屈折率を２以上にすることで、ＴＥ波の入射角がブリュースター角近傍にあり、ＴＭ波が全反射条件を満足するという２つの条件を同時に満足することが可能になる。その結果、ＴＥ波はほぼ透過率１で透過し、ＴＭ波は全反射するので、透過光線４ａと反射光線４ｂともに高い偏光度での分離を実現することができる。

このような屈折率２以上の材料として、赤外線領域におけるゲルマニウム、シリコンなどを用いることができる。さらに、成形加工が可能なＺｎＳｅなどカルコゲナイドガラスも用いることが可能である。なお、屈折性の高い材料を用いることで、偏光分離素子１への入射光線３や出射光線４に対する反射率が入射端面や出射端面で高くなり、光線の反射損失が発生するが、例えば端面に光路長で使用波長の４分の１の厚さとなる媒質を積層した無反射コートを施すことで反射損失を削減できる。

さらに、縞状空洞層２に入射する光線の入射角θが、
｜１−ｔａｎθ／√（ｆ＋（１−ｆ）／ｎ＾２）｜＜０．２ （３）
を満足するように設定することにより、ＴＥ波はブリュースター角とほぼ一致させることができる。ＴＥ波の入射角がブリュースター角と一致することにより、原理的にはＴＥ波は縞状空洞層２で無反射、ＴＭ波は全反射となり、両者をほぼ完全に分離することが可能となる。

図４に、赤外線領域の使用波長に対応する透明材料としてゲルマニウムを用いた場合の偏光分離素子１の縞状空洞層２における反射率の計算例を示す。ゲルマニウムの屈折率はｎ＝４、縞状空洞層２における空洞の体積比はｆ＝０．８５とした。図４において、入射角θが上式（３）を満足する角度θ＝４３°において、ＴＥ波は反射率０（無反射）、ＴＭは反射率１（全反射）となり、高い偏光度で光線を分離できることが確認できる。

また、縞状空洞層２の空洞の断面形状としては、偏光度の観点から、空洞が並んだ方向と平行な短辺をもつ長方形（縞状空洞層の垂直方向に長辺をもつ長方形状）が望ましいが、これ以外の形状であっても構わない。例えば円形や楕円形であっても直交する偏光成分で光線を分離する機能を持つ。また、空洞は、偏光分離を行うために使用する領域内において途切れのない一本の穴である必要はない。例えば、貫通穴と同様に一方向へ連なる球や楕円体形状の空洞の集合であったり、貫通穴の途中で途切れがあっても偏光成分で光線を分離する機能を果たす。このように縞状空洞層２における空洞の体積比ｆが領域によって異なる場合には、その値として平均値を用いるようにすれば良い。

上記実施例では、ＴＭ波に関して全反射条件を満足させることでＴＥ波との分離を実現できることを説明した。ただし、実際には入射光線が境界面で全反射する条件でも、エバネッセント場と呼ばれる電磁界成分が縞状空洞層２内部に発生し、エバネッセント場が縞状空洞層２から透過側に漏れ出すことにより光線のエネルギー損失が発生する場合がある。ここで、縞状空洞層２の厚さをｄ、真空中での使用波長をλとするとき、
ｎｄ／λ＞０．６ （４）
を満足することにより、エバネッセント場によるエネルギー損失を抑制することができる。ただし、図２に示すように、縞状空洞層２の厚さとは、空洞が伸びる方向と空洞が縞状に並んだ方向を含む平面に対して垂直な方向（縞状空洞層の垂直方向）の空洞の寸法である。なお、空洞の大きさや形が一定していない場合には、平均的な厚さをｄとして用いるようにすれば良い。

また、偏光分離素子１の外形形状を、平行四辺形を底面（図２においてはｘｚ平面に平行）とする四角柱とし、対向する平行四辺形の対角線を含む仮想平面（四角柱状の素子本体を２つの三角柱状の領域に分割する場合の境界面）と縞状空洞層２が平行となる構造とするようにしても良い。光学システムの光路内に偏光分離素子１を挿入することにより光路条件が当然変化するため、多くの場合、その変化量を補正する必要がある。このように偏光分離素子１の外形形状及び縞状空洞層２の配置を設定することにより、偏光分離素子１の挿入による光路変化は光路内に平行平板を挿入したことと同じになる。平行平板による光路変化は平行光線に対しては伝搬距離の変化、その他の光線に関してもプリズムなどと比べて影響は小さいので、補正が容易になる。

さらに、偏光分離素子１の外形形状を、図１に示すような正方形、もしくは菱形を底辺とする四角柱とすることにより、透過光線４ａと反射光線４ｂに対して偏光分離素子１による光路条件がまったく同じになる。その結果、透過光線４ａにたいする光路変化の補正条件は反射光線４ｂにも有効であるため、２つの光路変化を同時に補正することができる。

なお、上述の偏光分離素子１の外形形状と縞状空洞層２との配置の条件は、勿論光線が通過する領域で満足していれば良く、例えば光線の通らない四角柱の角が丸まっていたとしても同様の効果が得られる。

また、反射光線４ｂが射出する面と対向する面、すなわち図２における偏光分離素子１の中心から−ｚ方向にある面からは、光線の入射がないことが望ましい。これは、−ｚ方向より伝搬した光線は入射光線３と同様に、縞状空洞層２でＴＥ波が透過、ＴＭ波が全反射し、その結果、反射光線４ｂと透過光線４ａにそれぞれ加わり、不要光となるためである。これに対して、−ｚ方向にある面からは光線が入射しないようにするためには、例えば赤外領域ならばその方向に低温の物体を配置し、可視領域ならばその面をつや消しの黒塗装にすれば良い。

また、−ｚ方向にある面において光線の反射がある場合にも、同様に不要光となる。これは、＋ｚ方向から入射したＴＥ波が縞状空洞層２を透過後、−ｚ方向の面で反射し、再び縞状空洞層２を透過して反射光線４ｂに加わるためである。さらに、＋ｘ方向から入射したＴＭ波が縞状空洞層２で反射後、−ｚ方向の面で反射し、再び縞状空洞層２を反射して透過光線４ａに加わるためである。これに対して、−ｚ方向にある面で光線が反射しないようにするためには、例えば光線の吸収率が高い塗料をその面に塗れば良い。

以上のように、この発明の実施の形態１による偏光分離素子においては、所定の使用波長に対して透明な一種類の材料からなる素子内部に、透明材料中での使用波長よりも短い平均周期で縞状に空洞が並んだ縞状空洞層を備え、所定の使用入射角をもつ入射光線の透過偏波成分に対しては無反射条件を満足し、その反射偏波成分に対しては全反射条件を満足するように構成した。これにより、例えば周囲温度といった使用条件の変化などによる屈折率や寸法などの変動が比較的少なく、偏光度が減少しにくいことから、高い偏光度が得られるようにすることができるという効果を奏する。

さらに、この発明の実施の形態１による偏光分離素子においては、使用波長を波長３μｍ以上の赤外線領域に設定し、透明材料としてゲルマニウムなどを用いるように構成した。これにより、一般的な複屈折透過材料が存在しない赤外線領域においても、高い偏光度の偏光分離素子を実現することができるという効果を奏する。

なお、上述の実施の形態１においては、縞状空洞層２の構造として貫通穴が平行に並んでいる例を示したが、貫通穴の代わりに偏光分離素子１の材料より低屈折率な細線状の材料が平行に並んでいるような構造でも同様の効果が得られる。このとき、低屈折率材料の屈折率をＮとすると、式（１）〜式（４）においてｎを全て（ｎ−Ｎ）で置き換えたものがこの構造の偏光分離素子に対する条件式である。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２による偏光分離素子は、縞状空洞層に対応する縞状に溝が並んだ側面を備えた第１の素子部品と、平面形状の側面を備えた第２の素子部品との側面同士を貼り合わせて一体化するようにしたものである。

図５は、この発明の実施の形態２による偏光分離素子を示す構成図である。
図５において、１は偏光分離素子であり、縞状空洞層２を含んだ素子部品１ａと、もう一つの素子部品１ｂとからなる。
この発明の実施の形態２による偏光分離素子１において、直交する偏光成分で光線を分離することができ、高い偏光度が得られることは、実施の形態１の場合と同様である。

偏光分離素子１を作製するにあたって、加工上難度が高いのは縞状空洞層２を作成することである。そこで、図６に示すように、偏光分離素子１を縞状空洞層２の部分で分割して作製することにより、空洞の穴加工が溝加工となるため、加工が容易になる。このとき、縞状空洞層２の中央部で分割するのではなく、片側にのみ含むように分割することで、溝加工を片側だけに行えば良く、より少ない加工工数で作製することができる。さらに、２つの素子部品１ａ、１ｂを貼り合わせるときにも溝同士の位置あわせが不要であり、作製が容易になる。なお、溝構造の作製にはエッチングなど、ワイヤーグリッドを作成するために用いられている技術などを適用することができる。そして、偏光分離素子１を構成する２つの部品の側面を接着する必要はなく、接触していれば偏光分離素子としての機能を果たす。また、両者をオプティカルコンタクトにより接着することもできる。この場合には、２つの素子部品１ａ、１ｂは光学的に一体化され、実施の形態１と実質的に同じものとなる。

以上のように、この発明の実施の形態２による偏光分離素子においては、縞状空洞層に対応する縞状に溝が並んだ側面を備えた素子部品と、平面形状の側面を備えた素子部品との側面同士を密着させて一体化するように構成した。これにより、作製が容易になるという効果を奏する。

なお、上述の実施の形態２においては、素子部品１ａに溝加工を施す例を示したが、例えば縞状空洞層２が貫通穴ではなく途中で途切れがあるような構造の場合には、溝加工が穴加工となることは言うまでもない。
また、上述の実施の形態２において、縞状空洞層２が貫通穴ではなく低屈折率な細線状の材料が平行に並んでいる構造の場合には、素子部品１ａに溝加工を施した後、低屈折率材料を溝に充填または挿入するようにして作製すれば良い。

この発明の実施の形態１による偏光分離素子を示す構成図 この発明の実施の形態１による偏光分離素子を示す構成図 この発明の実施の形態１による偏光分離素子を説明するための説明図 この発明の実施の形態１による偏光分離素子を説明するための説明図 この発明の実施の形態２による偏光分離素子を示す構成図 この発明の実施の形態２による偏光分離素子を説明するための説明図

符号の説明

１ 偏光分離素子
１ａ、１ｂ 素子部品
２ 縞状空洞層
３ 入射光線

Claims (8)

1. 所定の使用波長に対応する透明材料からなる素子内部に、前記透明材料中での前記使用波長より短い周期で縞状に空洞が並んだ縞状空洞層を備えた偏光分離素子であって、
   前記縞状空洞層に占める前記空洞の体積比ｆは、前記縞状空洞層の垂直方向と前記空洞が伸びる方向とを含む平面に平行に前記縞状空洞層に入射する入射光線が前記縞状空洞層の垂直方向となす角度としての所定の使用入射角をθとし、前記使用波長における前記透明材料の屈折率をｎとするとき、
   １／√（ｆ＋（１−ｆ）＊ｎ＾２）＜ｓｉｎθ＜√（ｆ＋（１−ｆ）／ｎ＾２）
   を満足することを特徴とする偏光分離素子。
2. 前記屈折率ｎの値は２以上であることを特徴とする請求項１に記載の偏光分離素子。
3. 前記使用波長は波長３μｍ以上の赤外線領域にあり、前記透明材料はゲルマニウムまたはシリコンであることを特徴とする請求項２に記載の偏光分離素子。
4. 前記縞状空洞層に占める前記空洞の体積比ｆは、
   ｜１−ｔａｎθ／√（ｆ＋（１−ｆ）／ｎ＾２）｜＜０．２
   を満足することを特徴とする請求項１〜請求項３のいずれかに記載の偏光分離素子。
5. 前記縞状空洞層の厚さｄは、真空中での前記使用波長をλとするとき、
   ｎｄ／λ＞０．６
   を満足することを特徴とする請求項１〜請求項４のいずれかに記載の偏光分離素子。
6. 前記空洞の断面は、前記縞状空洞層の垂直方向に長辺をもつ長方形状であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の偏光分離素子。
7. 四角柱状の素子本体を２つの三角柱状の領域に分割する場合の境界面に平行に前記縞状空洞層が配置されたことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の偏光分離素子。
8. 縞状に溝が並んだ側面を備えた第１の素子部品と、平面形状の側面を備えた第２の素子部品とが、前記側面同士が接するように一体化されたことを特徴とする請求項１〜請求項７のいずれかに記載の偏光分離素子。

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