JP2011516916A

JP2011516916A - プリズムビームスプリッタ

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Publication number: JP2011516916A
Application number: JP2011502904A
Authority: JP
Inventors: クオ・フエイ・ペイ; タン・マイケル・レン・タイ
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2008-04-02
Filing date: 2008-04-02
Publication date: 2011-05-26
Anticipated expiration: 2028-04-02
Also published as: KR101443729B1; US8009363B2; US20110026129A1; CN101981488B; WO2009123590A1; JP5265757B2; CN101981488A; KR20100135778A; DE112008003797T5

Abstract

【課題】プリズムビームスプリッタを提供する。
【解決手段】一実施の形態において、ビームスプリッタは、互いに９０度以外の角度で現れることができる１つ又は複数の分割された光ビームを生成するように構成することができる。そのビームスプリッタ実施の形態のプリズムは、プリズムを通って伝搬する光が、その光の光路に対して種々の角度で１つ又は複数の中間平面に突き当たるように構成される。特定の光路に沿って透過する光がそのプリズム内で内部全反射を受けるように、特定の数の中間平面に角度を付けることができる。複数の他の中間平面は、特定の光路に沿って透過する光が内部全反射を受けないように角度を付けられる。
【選択図】図３Ａ

Description

本発明の実施の形態は光学デバイスを対象としており、詳細には、プリズムビームスプリッタを対象とする。

ビームスプリッタは、１つの光ビームを２つ以上の異なる光ビームに分離する光学デバイスである。
ビームスプリッタは、種々の異なる有用な用途を有する。
たとえば、ビームスプリッタは、数例を挙げると、カメラ及びプロジェクタにおいて用いることができ、干渉法において用いることができる。
図１Ａ及び図１Ｂは、２つのタイプの一般的に用いられるビームスプリッタの概略図である。
図１Ａは、キューブビームスプリッタ１００の平面図及び等角図を示す。
キューブビームスプリッタ１００は、第１の三角プリズム１０２及び第２の三角プリズム１０４を含む。
プリズム１０２及び１０４の斜面は、平行、且つ平坦になされ、銀又はアルミニウムのような部分反射性材料の層１０６で覆われる。
それらの平面は、プリズム１０２及び１０４と実質的に同じ屈折率を有する接着剤で結合することができる。
光のうちの所望の割合を透過及び反射できるようにするために、層１０６の厚みを調整することができる。
図１に示されるように、入射光ビーム１０８は、１つの平面に対して実質的に垂直にキューブビームスプリッタ１００に入る。
層１０６は、入射ビーム１０８を、入射ビーム１０８と同じ方向においてキューブビームスプリッタ１００から現れる透過ビーム１１０、及び入射ビーム１０８に対して実質的に垂直にキューブビームスプリッタ１００から現れる反射ビーム１１２に分割する。
図１Ｂは、プレートビームスプリッタ１２０の側面図を示す。
プレートビームスプリッタ１２０は、ガラスから成る単一のプレート１２２を含み、そのプレート１２２の一方の表面は部分反射性材料の層１２４で覆われている。
図１Ｂにおいて示されるように、プレート１２２は、入射光ビーム１２６に対して４５度に向けられる。
層１２４は、入射ビーム１２６の第１の部分を反射して、入射ビーム１２６に対して実質的に垂直である反射ビーム１２８を生成する。
入射ビーム１２６の第２の部分はプレート１２６に入り、そのプレートは屈折ビーム１３０を生成し、その屈折ビームは、プレート１２２から現れる際に再び屈折して、入射ビーム１２６に対して実質的に平行である透過ビーム１３２を与える。
プレート１２０に入るビームが屈折することに起因して、透過ビーム１３２の光路は、入射ビーム１２６の光路より下方にシフトし、それは「ビームオフセット」と呼ばれる。
ビームオフセットの大きさは、プレート１２２の厚みに比例する。

ビームスプリッタ１００及び１２０は多数の異なるデバイスにおいて利用されるのに成功しているが、これら２つの一般的に用いられるビームスプリッタ１００及び１２０は、多数の不都合を有する。
たとえば、ビームスプリッタ１００及び１２０から現れる反射光及び透過光は直角を成し、それは多くの場合に、光の向きを変更する外部ミラーを必要とする。
したがって、種々の角度において反射光及び透過光を生成するように構成することができるビームスプリッタが望ましい。

キューブビームスプリッタの平面図及び等角図である。プレートビームスプリッタの側面図である。それぞれ異なる屈折率を有する２つの異なる材料間の界面の光学特性を示す図である。本発明の実施形態に従って構成される第１のビームスプリッタの等角図である。本発明の実施形態に従って構成される、図３Ａに示される第１のビームスプリッタの側面図である。本発明の実施形態による、１つの入射ビームを２つの出射ビームに分割する、図３Ａに示される第１のビームスプリッタの等角図である。本発明の実施形態に従って構成される第２のビームスプリッタの等角図である。本発明の実施形態に従って構成される、図４Ａに示される第２のビームスプリッタの側面図である。本発明の実施形態による、１つの入射ビームを２つの出射ビームに分割する、図４Ａに示される第２のビームスプリッタの等角図である。本発明の実施形態に従って構成される第３のビームスプリッタの等角図である。本発明の実施形態に従って構成される、図５に示される第３のビームスプリッタの側面図である。本発明の実施形態に従って構成される第４のビームスプリッタの等角図である。本発明の実施形態に従って構成される第３のビームスプリッタの側面図である。本発明の実施形態に従って構成される第４のビームスプリッタの側面図である。本発明の実施形態に従って構成される例示的な複合ビームスプリッタを示す図である。本発明の実施形態に従って構成される例示的な複合ビームスプリッタを示す図である。本発明の実施形態に従って構成される例示的な複合ビームスプリッタを示す図である。

本発明の実施形態は、単一プリズムビームスプリッタ、及び単一プリズムビームスプリッタのうちの１つ又は複数を組み合わせることから形成される複合ビームスプリッタを対象とする。
それらのビームスプリッタは、互いに９０度以外の角度においてプリズムから現れる１つ又は複数の分割された光ビームを生成するように構成することができる。
それらのプリズムは、プリズムを通って伝搬する光が光路に対して種々の角度を成して１つ又は複数の中間平面に突き当たるように構成される。
特定の光路に沿って透過する光がこれらの中間平面において内部全反射（「ＴＩＲ」）を受けるように、或る特定の数の中間平面に角度を付けることができる。
複数の他の中間平面は、特定の光路に沿って透過する光がＴＩＲを受けないように角度を付けられる。
結果として、ＴＩＲが生じない中間平面上に完全反射ミラー及び部分ミラーを選択的に配置することによって、プリズムを通って伝搬する１つ又は複数の光ビームを選択的に分割して、プリズムから現れるようにすることができる。

内部全反射
図２は、それぞれが異なる屈折率を有する２つの異なる材料間の界面の光学特性を示す。
点光源２０２が全ての方向に光を放射する。
空間又は光学系を通って伝搬する光又は光ビームの方向を表すために、方向を指示する矢印によって特定される光線が用いられる。
各光線は、第１の材料２０６と第２の材料２０８との間の界面２０４に関連付けられる入射角を有する。
入射角は、光線と、「法線」と呼ばれる想像線との間の角度であり、想像線は界面２０４に対して垂直な線であり、光線がその界面２０４上に入射する点において界面２０４を横切る。
垂直線２１０〜２１２は、光源２０２から生じる３つの光線に関連付けられる法線を表す。
第１の材料２０６は、第２の材料２０８の屈折率ｎ_２よりも大きな屈折率ｎ_１を有するものと仮定される。
たとえば、第１の材料２０６は、ガラス又はアクリル樹脂から構成することができ、第２の材料２０８は空気とすることができ、界面２０４は、以下に記述されるプリズムのようなプリズムの平面を表すことができる。

光線２１４は、特定の入射角θ_ｃを有し、結果として、屈折した光線２１６が第１の材料２０６の表面に沿って誘導される。
角度θ_ｃは「臨界角」と呼ばれる。
臨界角θ_ｃよりも大きな入射角を有する光線はＴＩＲを受ける。
臨界角θ_ｃよりも小さな入射角を有する光線は屈折し、入射角よりも大きな屈折角で、第１の材料２０６から第２の材料２０８の中に進む。
たとえば、光線２１８は、臨界角θ_ｃよりも大きな入射角θ_１を有し、結果として、反射の法則に従って、反射した光線２２０が界面２０４から同じ角度θ_１で反射する。
一方、光線２２２は、臨界角θ_ｃよりも小さな入射角θ_２を有し、結果として、屈折の法則に従って、屈折した光線２２４が屈折角θ_３で第１の材料２１０から現れる。
ただし、θ_３＞θ_２である。

図３Ａは、本発明の実施形態に従って構成される第１のビームスプリッタ３００の等角図を示す。
ビームスプリッタ３００は、プリズム３０２と、部分ミラー３０４とを含む。
プリズム３０２は、第１の平面３０６、第２の平面３０８及び中間平面３０９〜３１３で構成される。
部分ミラー３０４は、平面３１２の少なくとも一部の上に配置される。
図３Ｂは、本発明の実施形態に従って構成されるビームスプリッタ３００の側面図を示す。
鎖線３１４は、平面３１２に対して垂直に配置され、且つプリズム３０２を二等分する対称面の側面図を表す。
第１の平面３０６及び第２の平面３０８は、理想的には、平面３１４に対して平行にすることができ、平面３０９及び３１０も、理想的には、平面３１４に対して同じ角度φで構成することができる。

図３Ｂに示されるように、３つの異なる光線３２１〜３２３が、第１の平面４０６に対して実質的に垂直にプリズム３０２に入射する光ビームの部分の光路を描く。
平面３０９は、光線３２１〜３２３が平面３０９においてＴＩＲを受けて、平面３１２に関連する臨界角よりも小さな入射角で平面３１２に向かって反射されるように角度を付けられる。
光線３２１〜３２３は部分ミラー３０４において分割され、部分ミラー３０４によって、光の第１の部分がプリズム４０２から現れることができ、光の第２の部分が平面３１０に向かって反射し、平面３１０は、光線３２１〜３２３がＴＩＲを受けて、第２の平面３０８に対して実質的に垂直にプリズム３０２から現れるように角度を付けられる。
光の第２の部分に関連付けられる光線３２１〜３２３は、ビームオフセットを実質的に生じることなくプリズム３０２から現れ、この特定の事例では、光は、プリズムに入射する光の入射方向に対して反転されることに留意されたい。

図３Ｃは、本発明の実施形態によるビームスプリッタ３００を用いて入射ビームを分割する等角図を示す。
そのビームは、第１の平面３０６を通ってプリズム３０２に入射し、平面３０９によって、平面３１２に向かって反射される。
部分ミラー３０４は、そのビームを、プリズム３０２から現れる第１の部分３３４、及び平面３１０に向かって内部反射される第２の部分に分割する。
そのビームの第２の部分は、平面３１０によって反射され、第２の平面３０８を通って、プリズム３０２から現れる（３３６）。
平面３０９及び３１０における内部反射はＴＩＲによるものであり、平面３１２における像の第２の部分の内部反射は部分ミラー３０４によるものである。

図４Ａは、本発明の実施形態に従って構成される第２のビームスプリッタ４００の等角図を示す。
ビームスプリッタ４００は、プリズム４０２と、部分ミラー４０４と、完全反射ミラー４０６とを含む。
プリズム４０２は、第１の平面４０８、第２の平面４１０、及び中間平面４１１〜４１６で構成される。
部分ミラー４０４は、平面４１４の少なくとも一部の上に配置され、ミラー４０６は、平面４１６の少なくとも一部の上に配置される。
図４Ｂは、本発明の実施形態に従って構成される第２のビームスプリッタ４００の側面図を示す。
鎖線４１８は、平面４１２に対して垂直に配置され、プリズム４０２を二等分する対称面の側面図を表す。
第１の平面４０８及び第２の平面４１０は、理想的には、平面４１８に対して平行であり、平面４１１及び４１３も、理想的には、平面４１８に対して同じ角度βを成すように構成され、平面４１４及び４１６は、理想的には、平面４１８に対して同じ角度αを成すように構成される。

図４Ｂに示されるように、３つの異なる光線４２５〜４２７が、第１の平面４０８に対して実質的に垂直にプリズム４０２に入射する光ビームの部分の光路を描く。
平面４１１は、プリズム４０２に入射する光線４２５〜４２７がＴＩＲを受けて、平面４１４に関連する臨界角よりも小さな入射角で平面４１４に向かって反射されるように角度を付けられる。
光線４２５〜４２７は、部分ミラー４０４において分割され、光の第１の部分がプリズム４０２から現れることができ、光の第２の部分が平面４１２に向かって反射し、平面４１２は、光の第２の部分がＴＩＲを受けて、平面４１６に関連する臨界角よりも小さな入射角で平面４１６に向かって反射されるように角度を付けられる。
光線４２５〜４２７は、ミラー４０６によって平面４１３に向かって反射され、平面４１３は、光線４２５〜４２７が第２の平面４１０に対して実質的に垂直にプリズム４０２から現れるように角度を付けられる。
光の第２の部分に関連付けられる光線４２５〜４２７は、ビームオフセットを実質的に生じることなくプリズム４０２から現れることに留意されたい。

図４Ｃは、本発明の実施形態によるビームスプリッタ４００を用いて入射ビームを分割する等角図を示す。
ビーム４３２は第１の平面４０８を通ってプリズム４０２に入り、平面４１１によって平面４１４に向かって反射される。
部分ミラー４０４は、そのビームを、プリズム４０２から現れる第１の部分４３４、及び平面４１２に向かって反射される第２の部分に分割する。
第２の部分は、平面４１２、ミラー４０６及び平面４１３から反射され、その後、プリズム４０２から現れる（４３６）。
平面４１１〜４１３における内部反射はＴＩＲによるものであり、平面４１６における内部反射はミラー４０６によるものである。

ビームスプリッタ３００及び４００のプリズムは、奇数回の内部反射を引き起こすように構成される。
ビームスプリッタの中には、偶数回の内部反射を引き起こす種類のビームスプリッタもある。
図５は、本発明の実施形態に従って構成される第３のビームスプリッタ５００の等角図を示す。
ビームスプリッタ５００は、プリズム５０２と、部分ミラー５０４と、完全反射ミラー５０６とを備える。
プリズム５０２は、第１の平面５０８、第２の平面５１０、並びに中間平面５１２及び５１４で構成される。
部分ミラー５０４は、平面５１２の少なくとも一部の上に配置される。

図６は、本発明の実施形態に従って構成されるビームスプリッタ５００の側面図を示す。
３つの異なる光線５２１〜５２３が、第１の平面５０８に対して実質的に垂直にプリズム５０２に入射する光ビームの部分の光路を描く。
この特定の実施形態において、平面５１４は、光線５２１〜５２３が平面５１４においてＴＩＲを受けずに、ミラー５０４によって平面５１２に関連付けられる臨界角よりも小さな入射角で平面５１２に向かって反射されるように角度を付けられる。
光線５２１〜５２３は、部分ミラー５０４において分割され、光の第１の部分がプリズム５０２から現れることができ、光の第２の部分が反射され、プリズム５０２から現れる。
光の第２の部分に関連付けられる光線５２１〜５２３は、プリズム５０２に入射する光の入射方向に対して反転されることなくプリズム５０２から現れることに留意されたい。

図７は、本発明の実施形態に従って構成される第４のビームスプリッタ７００の側面図を示す。
ビームスプリッタ７００は、第１の平面７０４、第２の平面７０６及び４つの中間平面７０８〜７１１で構成されるプリズム７０２を含む。
また、ビームスプリッタ７００は、平面７０８、７０９及び７１１の一部の上に配置される３つの完全反射ミラー７１４〜７１６と、平面７１０の少なくとも一部の上に配置される１つの部分ミラー７１７とを含む。
図７に示されるように、部分ミラー７１７は、平面７０８において反射される光を、プリズムから現れる第１の部分、及びミラー７１６及び７１５において反射され、プリズム７０２から現れる第２の部分に分割する。
他の実施形態では、中間平面７０８及び７０９は、プリズム７０２に入射する光が中間平面７０８及び７０９においてＴＩＲを受けるように角度を付けられることができる。
結果として、ミラー７１４及び７１５はオプションとすることができる。
他の実施形態では、完全反射ミラー７１４〜７１６のうちの１つ又は複数の代わりに部分ミラーを用いることができ、２つ以上の光ビームが分割されてプリズムから現れるようにすることができる。

図８は、本発明の実施形態に従って構成される第３のビームスプリッタ８００の側面図を示す。
ビームスプリッタ８００は、第１の平面８０２、第２の平面８０４及び８つの中間平面８０５〜８１１で構成されるプリズムを含む。
また、ビームスプリッタ８００は、平面８０５〜８０９及び８１１の一部の上に配置される６つの完全反射ミラー８１４〜８１９、及び平面８１０の少なくとも一部の上に配置される１つの部分ミラー８２０も含む。
図８に示されるように、部分ミラー８２０は、平面８０６において反射される光を、プリズムから現れる第１の部分、及びミラー８１６〜８１９によって反射され、プリズム８００から現れる第２の部分に分割する。
複数のミラー８１４〜８１９は、どの平面に、プリズムを通って透過する光のＴＩＲを引き起こすように角度を付けるかに応じて任意に選択することができる。
他の実施形態では、完全反射ミラーのうちの１つ又は複数の代わりに部分ミラーを用いることができ、２つ以上の光ビームが分割されてプリズムから現れるようにすることができる。
他の実施形態では、部分ミラー８２０を平面８１０上に配置するのではなく、部分ミラー８２０は、他の平面８０９及び８１１のうちの一方の上に配置することができ、残りの平面上に完全反射ミラーを配置することができる。

図９は、本発明の実施形態に従って構成される第４のビームスプリッタ９００の側面図を示す。
ビームスプリッタ９００は、プリズム９０２と、第１の部分ミラー９０４及び第２の部分ミラー９０６とを含む。
プリズム９０２は、第１の平面９０８、第２の平面９１０、及び中間平面９１１〜９１６で構成される。
部分ミラー９０４は、平面９１５の少なくとも一部の上に配置され、部分ミラー９０６は、平面９１２の少なくとも一部の上に配置される。
プリズム９０２は、図４及び図６を参照しながら先に説明されたように、理想的には鏡面対称になるように構成される。
図９に示されるように、平面９１２及び９１５は、プリズム９０２を通って透過する光ビームが、平面９１２及び９１５に関連付けられる臨界角よりもそれぞれ小さな入射角で９回の内部反射を受けるように延長される。
結果として、ビームスプリッタ９００は、単一の光ビームを、１０本の別々の光ビームに分割する。

上記のビームスプリッタ実施形態は光導波路を含む場合もあり、その光導波路を通って、光は実質的にコリメートされたビームとしてプリズム内に透過することに留意されたい。
特定の実施形態では、光導波路は中空金属円筒体とすることができる。

本発明の他の実施形態では、単一プリズムビームスプリッタ４００及び６００のうちの２つ以上を組み合わせて、単一の光ビームを３つ以上の異なる光ビームに分割する複合ビームスプリッタを形成することができる。
たとえば、図１０Ａ〜図１０Ｃは、本発明の実施形態に従って構成される３つの例示的な複合ビームスプリッタを示す。
それらのビームスプリッタは、第１の単一プリズムビームスプリッタ１００２及び第２の単一プリズムビームスプリッタ１００４から形成され、それらのビームスプリッタを組み合わせて、単一の光ビームを３つの異なる光ビームに分割する。
第１のビームスプリッタ１００２及び第２のビームスプリッタ１００４は、ビームスプリッタ４００に基づいて構成される。
図１０Ａにおいて、第１のビームスプリッタ１００２及び第２のビームスプリッタ１００４は同じ向きを有し、２つの分割されたビームが同じ方向を有するようにする。
図１０Ｂにおいて、第１のビームスプリッタ１００２及び第２のビームスプリッタ１００４は反対の向きを有し、２つの分割されたビームが異なる方向を有するようにする。
図１０Ｃにおいて、第１のビームスプリッタ１００２及び第２のビームスプリッタ１００４は同じ向きを有するが、中空金属円筒体のような光導波路１００６を用いて、２つのビームスプリッタを分離する。

これまでの説明は、説明の目的上、本発明を完全に理解してもらうために、特殊な用語を使用した。
しかしながら、本発明を実施するのに具体的な細部が不要であることは当業者には明らかである。
本発明の具体的な実施形態のこれまでの説明は、例示し、説明するために提示される。
それらは、本発明を余すところなく述べることや、開示されるのと全く同じ形態に限定することは意図していない。
上記の教示に鑑みて、数多くの変更及び変形が可能であることは明らかである。
それらの実施形態は、本発明の原理及びその実用的な応用例を最もわかりやすく説明し、それにより、当業者が、本発明及び種々の実施形態を、考えられる特定の用途に合わせて種々の変更を加えて最大限に利用できるようにするために図示及び記述される。
本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲及びその均等物によって定められることが意図されている。

Claims

ビームスプリッタであって、
第１の平面、第２の平面および複数の中間平面を有するプリズムであって、
前記プリズムは、前記第１の平面および前記第２の平面が実質的に平行であるように構成され、前記中間平面のうちの１つまたは複数は、前記プリズムを通って伝搬する光ビームが前記１つまたは複数の中間平面において内部全反射を受けずに、前記光ビームが前記１つまたは複数の中間平面を通って前記プリズムから現れることができるように角度を付けられる、プリズムと、
前記１つまたは複数の中間平面の少なくとも一部の上に配置される１つまたは複数の部分ミラーであって、前記プリズムを通って伝搬する前記光ビームが、前記１つまたは複数の部分ミラーを通って前記プリズムから現れる屈折光ビーム、および反射されて前記プリズム内に戻される反射光ビームに分割されるようにする、１つまたは複数の部分ミラーと
を備える
ビームスプリッタ。
前記中間平面は、前記第２の平面を通って前記プリズムから現れる光ビームの光路が前記第１の平面を通って前記プリズムに入射する光ビームの光路に対して実質的に平行であり、実質的に位置合わせされるように角度を付けられ、配置される
請求項１に記載のビームスプリッタ。
前記複数の中間平面は、前記プリズムを通って透過する光ビームが内部全反射を受けるように角度を付けられる複数の中間平面をさらに含む
請求項１に記載のビームスプリッタ。
光ビームが反射されて前記プリズム内に戻されるように、前記複数の前記１つまたは複数の中間平面上に配置されるミラーをさらに備える
請求項１に記載のビームスプリッタ。
前記プリズムはガラスまたはアクリル樹脂をさらに含む
請求項１に記載のビームスプリッタ。
前記プリズムは、前記プリズムを通って伝搬する光ビームが奇数回の内部反射を受けるように角度を付けられる複数の中間平面をさらに含む
請求項１に記載のビームスプリッタ。
前記プリズムは、前記プリズムを通って伝搬する光ビームが偶数回の内部反射を受けるように角度を付けられる複数の中間平面をさらに含む
請求項１に記載のビームスプリッタ。
光を前記プリズム内に実質的にコリメートされたビームとして透過させる光導波路をさらに備える
請求項１に記載のビームスプリッタ。
前記光導波路は中空金属円筒体である
請求項８に記載のビームスプリッタ。
複数のビームスプリッタを含む複合ビームスプリッタであって、
各ビームスプリッタは、請求項１に記載のビームスプリッタに基づいて構成され、
複数のビームスプリッタは、各ビームスプリッタが前記複合ビームスプリッタに入射する光ビームの一部を反射し、前記光ビームの一部を透過するように配置される、複数のビームスプリッタを含む
複合ビームスプリッタ。
隣接するビームスプリッタがそれぞれ、請求項１に記載のビームスプリッタに基づいて第１の平面および第２の平面で構成され、第１のビームスプリッタの第１の平面が第２のビームスプリッタの第２の平面に当接するように配置される
請求項１０に記載の複合ビームスプリッタ。
前記複合ビームスプリッタに入射する光ビームの光路は、前記複合ビームスプリッタを通って透過する前記光ビームの部分の光路に対して実質的に平行であり、実質的に位置合わせされる
請求項１０に記載の複合ビームスプリッタ。
光を前記プリズム内に実質的にコリメートされたビームとして透過させる光導波路をさらに備える
請求項１０に記載の複合ビームスプリッタ。
前記光導波路は中空金属円筒体である
請求項１３に記載の複合ビームスプリッタ。
前記ビームスプリッタのうちの２つ以上を分離するように配置される１つまたは複数の光導波路をさらに備える
請求項１０に記載の複合ビームスプリッタ。