JP2011516917A - オフセットを補償するビームスプリッタ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】一実施の形態において、ビームスプリッタは、2つの実質的に平行で且つ対向する平面と、その平面の一方を覆う部分反射層とを有する第1のプレート、及び2つの実質的に平行で且つ対向する平面を有する補償板を含む。補償板は、補償板を通過する入射光ビームが第1のビームオフセットを得るように位置決めされる。その後、第1のビームオフセットを有し、第1のプレートを通過する入射光ビームは部分反射層によって反射ビーム及び透過ビームに分割され、部分反射層において透過ビームは第1のビームオフセットを実質的に相殺する第2のビームオフセットを有し、それにより、透過ビームが入射ビームに実質的に平行になり、且つ位置合わせされるようにする。
【選択図】図2
Description
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られ得、干渉法において用いられ得る。
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を示す。
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。
プリズム102及び104の斜面は、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接着され得る。
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と、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とに分割する。
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層124で覆われており、他方の表面は反射防止層で覆われている場合がある。
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から現れる際に屈折して、入射ビーム126に対して実質的に平行に向いている透過ビーム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。
たとえば、キューブビームスプリッタは、典型的には大きく、それゆえ、小型の光学デバイスに挿入するのが難しく、一方、プレートビームスプリッタは、典型的には、非常に薄いガラス又はアクリル樹脂板122を用いて、ビームオフセットを小さくする必要がある。
しかしながら、非常に薄い板122は壊れやすい可能性があり、複雑な製造工程を必要とする。
したがって、嵩張らず、且つ著しいビームオフセットを有しないビームスプリッタが望まれる。
図2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200の概略図を示す。
ビームスプリッタ200は、補償板202と、プレートビームスプリッタ204と、補償板202を部分的に支持する第1の光導波路206と、プレートビームスプリッタ204を部分的に支持する第2の光導波路208とを備える。
光導波路206及び208は、金属、ガラス又は別の適切な材料から構成される中空導波路とされ得るか、又は適切な固体誘電体材料から構成され得る。
プレートビームスプリッタ204は、プレート210と、プレート210の片面を覆う部分反射層212とを含む。
補償板202及びプレート210は、互いに対して約90度に配置される。
部分反射層212は、銀、アルミニウム又は別の適切な材料から構成され得、鏡面層212の厚みは反射される光の量に応じて選択され得るか、又は部分反射層212は多層化された誘電体とされ得る。
補償板202及びプレート210は側面から示されるが、補償板202及びプレート210は、円形、楕円形、正方形、長方形、又は任意の他の適切な形状とされ得、補償板202及びプレート210は、ガラス、アクリル樹脂、又は別の適切な材料から構成され得る。
光ビームが、光線214の方向において光導波路206に沿ってビームスプリッタ200に導入される。
その光ビームは補償板202に入り、光線216によって特定される方向に曲げられる。
その光ビームは、補償板202から現われる際に、光線218によって特定される方向に再び曲げられる。
部分反射層212は、補償板202から現われる光ビームを第1の光ビーム及び第2の光ビームに分割する。
光線220は、光線218に対して実質的に垂直に反射される第1の光ビームの光路を表し、光線222は、プレート210を通過する第2の光ビームの光路を表す。
第2の光ビームは、光線224の方向にプレート210から現れる。
図2に示されるように、補償板202は、Δ1(n1,α1,T1)によって表される第1のビームオフセットを導入する。ただし、n1は補償板の屈折率であり、α1は入射角であり、T1は補償板202の厚みである。
プレート212も第2のビームオフセットΔ2(n2,α2,T2)を導入する。ただし、n2は補償板の屈折率であり、α2は入射角であり、T2はプレート210の厚みである。
本発明の実施形態は、補償板202によって導入される第1のビームオフセットがプレート210によって導入される第2のビームオフセットを実質的に相殺する(すなわち、Δ2≒−Δ1)ように、ビームスプリッタ200を構成することを対象とする。
図3に示されるように、ビームスプリッタ300は、補償板202の片面が部分反射層302で覆われることを除いて、第1のビームスプリッタ200と実質的に同じである。
図2に示される光導波路206は、部分反射層302から反射される光ビームが妨害されることなく通過できるように構成される光導波路304によって置き換えられている。
光線306は、光線214に対して実質的に垂直である、部分反射層302から反射される第1の光ビームの方向を表し、光線308は、補償板202に入る際に曲げられる第2の光ビームの方向を表す。
第2の光ビームは、補償板202から現われる際に、光線310によって特定される方向に再び曲げられる。
プレートビームスプリッタ204は、図2を参照しながら先に説明されたのと同じように、第2の光ビームを分割する。
補償板202は、プレート210によって導入される第2のビームオフセットを実質的に相殺する同じ第1のビームオフセットを導入する。
補償板202及びプレート210の厚みT1及びT2が実質的に同じであり、且つ実質的に同じ屈折率n1及びn2、及び、入射角α1及びα2を有するとき、補償板202及びプレート210を通過する光ビームは、理想的には、補償板202及びプレート210に入る際、及び補償板202及びプレート210から現れる際に、同じ量の屈折を受ける。
結果として、第1のビームオフセットΔ1の大きさ及び第2のビームオフセットΔ2の大きさは実質的に同じになり、互いに相殺されるものと予想される。
光ビーム224は、入射光ビーム214と実質的に同じ方向から、且つ実質的にビームオフセットを生じることなく現れる。
図4Aは、補償板202から現われる発散光線401〜404を示す。
光線401〜404はビームスプリッタ200の光軸406に対して近軸ではない。
図4Bは、補償板202から現われる収束光線410〜413を示す。
光線410〜413も同じく、ビームスプリッタ200の光軸406に対して近軸ではない。
ビームスプリッタ200の光軸406から外れる光線は、近軸光線と比べて、ビームスプリッタプレート204を通過する際に長い距離を横断する。
結果として、ビームスプリッタ200の光軸406と平行でない光線の発散又は収束は、これらの光線がビームスプリッタプレート204から現れる際にさらに大きくなる。
補償板202から現われる発散光線を補償するために、或る特定の実施形態では、補償板202は、補償板の中心からの距離が長くなるほど屈折率が小さくなる分布屈折率(a graded reflective index)を用いて構成され得る。
他の実施形態では、収束光線を補償するために、補償板202は、補償板202の中心からの距離が長くなるほど屈折率が大きくなる分布屈折率を用いて構成され得る。
言い換えると、屈折率分布型補償板を透過する光の速さは以下の式によって表され得る。
実質的径方向屈折率分布型補償板は、軸外れ光線を、実質的に45度の入射角でビームスプリッタプレート204に突き当たる平行な光線にする。
これは、光学的な伝搬損失を最小限に抑えるために、中空金属導波路及び自由空間光インターコネクトにおける用途のために低発散ビームを保持する上で重要である。
図4Cは、本発明の実施形態による、ビームスプリッタプレート204に入射する軸外れ光線を補正する屈折率分布型補償板416を備えるビームスプリッタ400を示す。
径方向屈折率分布型補償板416は、種々の光線が屈折率分布型補償板416を通過する速さを調整して、平行な光線418が均一な波面で補償板416から現われるようにする。
平行に現れる光線418は、ビームスプリッタプレート204に対して実質的に均一な入射角を有する。
補償板416は、発散光線を補償するように段階的に屈折率を変更する(graded)ことができ、且つ収束光線を補償するように段階的に屈折率を変更することができる。
補償板における屈折率の段階的な変化は、補償板から現れる光線が光軸に対して実質的に平行になるように調整されなければならないことに留意されたい。
図5〜図10は、発散光線を補償するように補償板が構成され得るいくつかの異なる方法に対応する。
図5は、本発明の実施形態に従って構成される第1の円形の屈折率分布型補償板500の等角図を示す。
屈折率分布型補償板500は、5つの別々の領域502〜506を含み、各領域は関連する異なる屈折率を有する。
また、図5はプロット508も含み、軸510は補償板500の半径を表し、軸512は屈折率n(r)の大きさを表し、曲線n(r)514は屈折率分布型補償板500の中心516と外縁との間の別々の各領域に関連付けられる段階的な屈折率を表す。
曲線514は、領域502を通過する光線が最も大きなリターデーション(retardation:妨害)を受け、一方、領域506を通過する光線が最も小さなリターデーションを受けることを示す。
領域502〜506は、既知のイオン拡散技法を用いて形成され得る。
領域502〜506に関連付けられる屈折率の段階的変化は、特定のイオンの濃度が異なる結果である。
他の実施形態では、別々の同心領域のサイズ、幅、数を変更することができる。
屈折率分布型補償板600は、滑らかに変化する陰影領域によって表される滑らかな分布屈折率を含む。
また、図6は、プロット602も含み、軸604は補償板600の半径を表し、軸606は屈折率n(r)の大きさを表し、曲線n(r)608は屈折率分布型補償板600の中心610から外縁まで連続して屈折率が減少することを表す。
曲線608は、屈折率分布型補償板600を通過する光線が中心610付近において最も大きなリターデーションを受け、外縁に向かってリターデーションが徐々に小さくなることを示す。
屈折率が滑らかに変化する分布は、特定のイオンの濃度が滑らかに変化する結果であり、それは、既知のイオン拡散技法を用いて形成することができる。
曲線608は、屈折率の非線形な変化を表すことに留意されたい。
他の実施形態では、屈折率分布型補償板600は、中心610と外縁との間で実質的に線形に変化するように構成することができる。
図7は、本発明の実施形態に従って構成される、第3の円形の欠陥ベース径方向屈折率分布型補償板700の平面図を示す。
欠陥は、円702のような円によって表される。
図7は、欠陥の密度が中心704から外側に向かって大きくなることを示す。ただし、用語「欠陥の密度」は、単位面積当たりの欠陥の数を指している。
他の実施形態では、欠陥のサイズ、形状、配置、及び密度の変化を変更することができる。
図8は、本発明の実施形態に従って構成される欠陥ベース屈折率分布型補償板の欠陥の密度と対応する屈折率との間の一般的な関係を表すプロットを示す。
軸802は欠陥の密度を表し、軸804は屈折率の大きさを表し、軸806は円形の欠陥ベース径方向屈折率分布型補償板の半径を表す。
白抜きの円808のような白抜きの円は、欠陥ベース屈折率分布型補償板の中心から外側に向かって延びる仮想線に沿った15個の領域における欠陥の密度を表し、塗潰した円810のような塗潰した円は、15個の領域それぞれに関連する屈折率を表す。
それらの仮想データ点は、欠陥の密度が相対的に高い領域は、欠陥の密度が相対的に低い領域よりも相対的に低い屈折率を有することを示す。
図9は、本発明の実施形態に従って構成される、第4の円形のナノワイヤベース屈折率分布型補償板900の等角図を示す。
ナノワイヤ902のようなナノワイヤは基板904の片面に配置され、ナノワイヤ及び基板904は、ガラス、アクリル樹脂、又は任意の他の適切な透明(transparent)誘電体材料から構成され得る。
図9は、ナノワイヤの密度が、屈折率分布型補償板の中心906から外縁に向かって大きくなることを示す。ただし、用語「ナノワイヤの密度」は、単面積当たりのナノワイヤの数を指している。
本発明の実施形態は、ナノワイヤの長さ、形状、直径及び密度を変更したものを含む。
図10は、本発明の実施形態に従って構成されるナノワイヤベース屈折率分布型補償板の、ナノワイヤの密度と対応する屈折率との間の一般的な関係を表すプロットを示す。
軸1002はナノワイヤの密度を表し、軸1004は屈折率の大きさを表し、軸1006は円形のナノワイヤベース径方向屈折率分布型補償板の半径を表す。
白抜きの円1008のような白抜きの円はナノワイヤベース屈折率分布型補償板の中心から外側に向かって延びる仮想線に沿った15個の領域における欠陥の密度を表し、塗潰した円1010のような塗潰した円は、15個の領域それぞれに関連する屈折率を表す。
それらの仮想データ点は、ナノワイヤの密度が相対的に高い領域は、ナノワイヤの密度が相対的に低い領域よりも相対的に高い屈折率を有することを示す。
これは、径方向において屈折率が大きくなっていく補償板を構成することによって果たされ得る。
図11は、本発明の実施形態に従って構成される第5の円形の屈折率分布型補償板1100の等角図を示す。
屈折率分布型補償板1100は、5つの別々の領域1102〜1106を含み、各領域は関連する異なる屈折率を有する。
また、図11は、別々の領域それぞれに関連付けられる屈折率n(r)1110の大きさのプロット1108も含む。
屈折率n(r)1110は、領域1102を通過する光線が最も小さなリターデーションを受け、一方、領域1106を通過する光線が最も大きさリターデーションを受けることを示す。
他の実施形態では、別々の同心領域のサイズ、幅及び数を変更することができる。
屈折率分布型補償板1200は、滑らかに変化する陰影領域によって表される滑らかな分布屈折率を含む。
また、図12は、屈折率n(r)1204のプロット1202も含み、それは屈折率分布型補償板1200の中心1206から外縁までいかに屈折率が連続して増加するかを表す。
曲線608は、屈折率分布型補償板1200を通過する光線が中心1206付近において最も小さなリターデーションを受け、外縁に向かってリターデーションが徐々に大きくなることを示す。
他の実施形態では、屈折率分布型補償板1200は、中心1206と外縁との間で実質的に線形に変化するように構成され得る。
図13は、本発明の実施形態による、反射防止コーティングを有するビームスプリッタ1300を示す。
屈折率分布型補償板416は、第1の反射防止コーティング1302と第2の反射防止コーティング1304との間に狭持され、ビームスプリッタプレート204は、部分反射層212の反対側の面に配置される反射防止コーティング1306を有する。
屈折率分布型補償板416は、上記のように、径方向において段階的に屈折率を変更することができる。
特定の実施形態において、反射防止コーティング1302、1304及び1306は、フッ化マグネシウム(「MgF4」)、又は屈折率分布型補償板416及びビームスプリッタプレート204の屈折率よりも相対的に低い屈折率を有する別の適切な材料から構成することができる。
また、反射防止コーティング1302、1304及び1306は、ガラス又はアクリル樹脂から構成され得るし、径方向屈折率分布型補償板416及びビームスプリッタプレート204よりも相対的に低い屈折率を生成する、穴又は気泡のようなランダムに分布する欠陥を含むことができる。
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、以下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。
202 補償板
204 プレートビームスプリッタ
206 第1の光導波路
208 第2の光導波路
210 プレート
212 部分反射層
300 第2のビームスプリッタ
302 部分反射層
304 光導波路
500 第1の円形の屈折率分布型補償板
502〜506 領域
600 第2の円形の径方向屈折率分布型補償板
700 第3の円形の欠陥ベース径方向屈折率分布型補償板
702 円
900 第4の円形のナノワイヤベース屈折率分布型補償板
902 ナノワイヤ
904 基板
1100 第5の円形の屈折率分布型補償板
1102〜1106 領域
1300 ビームスプリッタ
1302 第1の反射防止コーティング
1304 第2の反射防止コーティング
1306 反射防止コーティング
Claims (16)
- 2つの実質的に平行で且つ対向する平面と、該平面のうちの少なくとも一方を覆う部分反射層とを有するプレートと、
前記プレートを支持及び位置決めするように構成される第1の取付システムと、
2つの実質的に平行で且つ対向する平面を有する補償板と、
前記補償板を支持及び位置決めするように構成される第2の取付システムと
を備え、
前記第1の取付システム及び前記第2の取付システムのうちの少なくとも一方が前記プレート及び前記補償板を位置決めして、前記補償板を通過する入射光ビームが第1のビームオフセットを得て、該第1のビームオフセットを有して前記プレートを通過する前記入射光ビームが前記部分反射層によって反射光ビーム及び透過光ビームに分割され、前記部分反射層において該透過光ビームが第2のビームオフセットを有し、該第2のビームオフセットが前記第1のビームオフセットを実質的に相殺して、前記透過光ビームが前記入射光ビームと実質的に平行になり位置合わせされる
ビームスプリッタ。 - 前記プレートの厚みは前記補償板の厚みに実質的に等しい
請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 前記プレートの厚みは前記補償板の厚みとは異なる
請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 前記第1の取付システム及び前記第2の取付システムは、
中空金属導波路、及び
固体誘電体材料
のうちの一方をさらに含む
請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 前記第1の取付システム及び前記第2の取付システムのうちの少なくとも一方は、前記補償板に対して実質的に垂直に、前記ビームスプリッタの光軸に対して実質的に45度を成して前記プレートを位置決めするように構成される
請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 前記プレートは
ガラス又はアクリル樹脂
をさらに含む
請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 前記補償板は
分布屈折率
をさらに含む
請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 前記分布屈折率は、前記補償板の実質的に中心から径方向に大きくなる
請求項7に記載のビームスプリッタ。 - 前記分布屈折率は、前記補償板の実質的に中心から径方向に小さくなる
請求項7に記載のビームスプリッタ。 - 前記分布屈折率は、
前記補償板の中心から離れるほど密度が高くなる欠陥の配列、及び
前記補償板の中心から離れるほど密度が低くなる欠陥の配列
のうちの一方をさらに含む
請求項7に記載のビームスプリッタ。 - 前記欠陥は、
前記補償板の中に少なくとも部分的に延在する穴、及び
前記補償板内に埋め込まれる気泡
のうちの一方をさらに含む
請求項10に記載のビームスプリッタ。 - 前記分布屈折率は、
前記補償板の前記平面のうちの一方から実質的に垂直に延在するナノワイヤの配列であって、該ナノワイヤの密度は前記補償板の中心に向かって高くなる、ナノワイヤの配列、及び
前記補償板の前記平面のうちの一方から実質的に垂直に延在するナノワイヤの配列であって、該ナノワイヤの密度は前記補償板の中心に向かって高くなる、ナノワイヤの配列
のうちの一方をさらに含む
請求項7に記載のビームスプリッタ。 - 前記補償板の対向する両面上に、前記部分反射層の反対側にある前記プレートの平面上に配置される反射防止層
をさらに備える請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 前記反射防止層は、
相対的に低い屈折率の反射防止材料
をさらに含む
請求項13に記載のビームスプリッタ。 - 前記反射防止層は、
ランダムに分布する気泡又は穴を有するガラス又はアクリル樹脂層
をさらに含む
請求項13に記載のビームスプリッタ。 - 前記ビームスプリッタが第2の反射光ビームを分割できるように、前記補償板の片面に配置される第2の部分反射層
をさらに備える請求項1に記載のビームスプリッタ。
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