JP2015060217A

JP2015060217A - 偏光デバイス

Info

Publication number: JP2015060217A
Application number: JP2013196258A
Authority: JP
Inventors: 堀米　秀嘉; Hideyoshi Horigome; 秀嘉堀米; 泰志田淵; Yasushi Tabuchi
Original assignee: Okamoto Glass Co Ltd
Current assignee: Okamoto Glass Co Ltd
Priority date: 2013-09-20
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2015-03-30

Abstract

【課題】同一の光軸上で、任意の偏光面で振動する、消光比の高い直線偏光を自由に取り出すことのできる安価な偏光デバイスが入手できないのが現状である。
【解決手段】少なくとも入射光の入射側表面に偏光分離膜を形成した光学厚みｄのガラス偏光子と、光学厚みｄのガラス板と、内部に該ガラス偏光子及び該ガラス板を入射光の光軸に対してそれぞれ傾斜角θ_Ｃ又は−θ_Ｃの角度で装着するためのスポットを備えた筺体及び該筐体を回転させるための回転機構からなり、一方のスポットに該ガラス偏光子が装着され、入射光の光軸に垂直な面に対して対称な位置にある他方のスポットに該ガラス板が装着され、入射光の光軸を中心軸として該筺体が回転自由であることを特徴とする偏光デバイスを提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、光源から出射された光から、任意の偏光面で振動する、高消光比の直線偏光を取り出すことのできる偏光デバイスに関する。本発明が適用される技術分野は、各種投射プロジェクタや各種光学計測器である。各種当社プロジェクタの例として、ガラスのような透明材料の内部に生じている応力分布を偏光によって可視化し画像化するような装置（イメージング偏光計）に応用することができる。また、各種光学計測器の例としては、レーザー光の干渉を利用して表面の粗さや薄膜の厚みを測定する機器が挙げられる。「任意の」というのは、直線偏光の偏光面を自由に選択できるという意味である。高消光比とは、取り出した直線偏光と偏光面が直交する直線偏光の混入率が低いという意味である。

ランダム偏光（無偏光光）やレーザー光源から発せられる偏光から、任意の偏光面で振動する直線偏光のみを取り出す光学部品としては、グラントムソンプリズムが一般的である。グラントムソンプリズムは、複屈折を示す結晶（主として方解石が用いられている）からなる三角プリズムを貼り合わせたもので、所定の振動方向の直線偏光のみを透過して取り出し、振動方向が直交する他方の直線偏光を除外することができる。入射光の光軸を中心にプリズムを回転させることによって、任意の偏光面で振動する直線偏光を取り出すことも可能と考えられる。

偏光板（偏光子ともいう）を用いて直線偏光を取り出すこともできる。例えば、（ア）レーザー光源からの光を１／４波長板に入射させて円偏光に変換した光を、偏光板に入射させることにより、偏光板所定の偏光面で振動する直線偏光を取り出すことができる。そして、偏光板を回転することにより偏光面を自由に選択することが可能となる（図１）。

また、（イ）レーザー光源からの光を直接、偏光板に入射して所定の偏光面で振動する直線偏光として、偏光板を出射した直線偏光を１／２波長板に入射し、偏光板の偏光軸に対する１／２波長板の配置を適宜選択することによっても、任意の偏光面で振動する光を取り出すことができる（図２）。例えば、直線偏光に対し１／２波長板の遅相軸を４５度に設定すると直線偏光の偏光面を９０度回転させることができる。

前記した（ア）及び（イ）の構成においては偏光板が使用されているが、偏光板に代えて偏光ビームスプリッター（以後ＰＢＳという）を用いる構成も可能である。例えば、（ウ）ＰＢＳの前方に１／４波長板を配置する構成、及び（エ）ＰＢＳの後方に１／２波長板を配置する構成によって、（ア）及び（イ）の構成と同様に、任意の偏光面内で振動する直線偏光を取り出すことができる。なお、ＰＢＳとは直角プリズムを二つ貼り合わせて、その貼り合わせ接合面に偏光分離膜を形成したもので、偏光分離膜によって振動方向が互いに直交する直線偏光を分離するものである。

特許文献１は、光源から入射する光の偏光面を、後に装着されている偏光子の偏光面と同一にするために、光源と偏光子の間に設置する偏光角調整機構に関するものである。その技術内容は、光軸の周りに回転可能に支持された直線偏光回転素子を備えたもので、直線偏光回転素子に関する詳細な説明はないが、１／２波長板により直線偏光を回転させることができると記載されている。

特許文献２は、一つの直線偏波を透過させ、それと直交する偏波を反射によって遮断する２つの反射型偏光子をもち、その間の光路上に４５度のファラデー回転角を与える機構を含み、２つの反射型偏光子のなす角が平行ではなく、傾きを持つように配置させた光アイソレータおよびレーザダイオードモジュールを開示している。

特許文献２の光アイソレータで、反射型偏光子が傾きをもって配置されるのは、戻り光の全ての偏波成分に大きな角度のずれを与えて、光源側に戻さないようにするもので、光アイソレータの機能を向上させるものである。そして、反射型偏光子として用いられているフォトニック結晶偏光子では、消光比が４５ｄＢ以上と極めて高い値が得られ、このような高い消光比は、従来の金属分散ガラス型の偏光子では得られていないと記載されている。

さらに、特許文献２の構成では、屈折によって光軸シフトが発生するが、出射光の方向は同じ（ｚ方向）で、ほぼ全ての成分が第二の偏光子を透過する。この際に、第二の偏光子は傾いているため光軸シフトが発生するが、出射方向は入射方向と同じｚ方向が維持されると記載されている。

特開２００１−１５３７２５号公報特開２００４−３４１０７６号公報特許第４９２８５６１号公報特許第４９２８５６４号公報特許第３８８１３９１号公報

http://www.shibuya-opt.co.jp/glan_thompson.html http://www.sigma-koki.com/pdf/jp/B040301.pdf

前記したグラントムソンプリズムは、ランダム偏光から任意の偏光面で振動する直線偏光を取り出す光学部品として用いられ、得られる直線偏光の透過率及び消光比がともに高く非常に優れたものである（非特許文献１）。しかし、自然界から産出する鉱物（方解石）を利用して、結晶軸に対して所定の角度で厳密に研磨する必要があることから、作業に手間と時間がかかり、高価なものとなってしまう。仕様によるが、インターネットを通じて得られる情報によると（非特許文献２）、約１２万円／個から約９８万円／個と非常に高価である。

一方、前記した（ア）及び（イ）では、偏光板として樹脂偏光子を用いた場合には透過率と消光比が不十分であり、レーザー耐性もない。また、ガラス偏光子を用いた場合には、レーザー耐性は改善されるが、消光比は高々３０ｄＢ程度にしかならない。さらに、前記した（ウ）及び（エ）の方法では、透明なＰＢＳを利用することから、透過率は改善されるものの、消光比は高々３０−４０ｄＢ程度まで改善されるに過ぎない。

特許文献１で開示された方法は、基本的には前記した（イ）の方法と同じであって、ビーム射出部からの光の偏光面を、偏光子の偏光面と同じにすることはできるが、偏光子の偏光面は固定されているので、自由に選択できるものではない。さらに、偏光子を出射した直線偏光の消光比については記載されていないが、偏光分離素子として偏光子が使われているだけであることからすると、高々２０−３０ｄＢ程度と考えられるので、本発明が対象とする技術分野である精密な光学測定器や偏光イメージング装置に用いるには不適である。

特許文献２で開示された技術によると、４５ｄＢ以上の消光比が得られたと記載されているが（測定方法やデータは記載されていない）、６０ｄＢという高い消光比は得られていない。また、出射する光の偏光面は、２枚の偏光子の間に設置されるファラデー回転子の回転角によって決まるものであって、自由に選択できるものではない。さらに、２枚の偏光子を傾斜して配置したために生ずる光軸のずれは解消されず、出射方向は入射方向と同じｚ方向が維持されているだけである。

発明者らは、偏光分離機能を有するガラス偏光子の表面に、さらに偏光分離機能を有する偏光分離膜を形成して、該ガラス偏光子を入射光の光軸に対して偏光分離膜の機能が発揮される角度に傾斜して配置することにより、消光比を大幅に高めることができる光学素子を開発してきた。この成果は、特願２０１２−２５６８４６として特許出願されている（この特許出願は、まだ出願公開されていない。）。

しかしながら、前記特許出願した成果を得た後、発明者らがさらに研究を継続したところ、ガラス偏光子を傾斜して配置した場合、新たな課題が生じることが明らかとなった。つまり、傾斜して配置したガラス偏光子によって入射光が屈折される結果、所定の方向に光軸のずれが発生してしまうのである。そして、任意の偏光面で振動する直線偏光を取り出すために、傾斜して配置したガラス偏光子を、光軸を中心軸として回転させた場合には、光軸のずれが３６０度に渡ってどの方向にも発生することとなり、出射した直線偏光の光軸を見つけ出して所定の光学系に導くことが困難になってしまうのである。この関係を図３に示した。

同様の現象は、レーザー光を光源として利用するとき、レーザー光のパワー（強さ）を調整した上で高い消光比の直線偏光を取り出したい場合にも生ずる。つまり、入射したレーザー光の消光比を高めるために、偏光子を入射光の光軸に対して傾斜して配置し、さらにレーザー光の偏光軸に対して偏光板の偏光軸を０度から９０度まで回転することによって、レーザー光のパワーの調整を行なうことが可能であるが、偏光板を回転して中間のパワーのレーザー光を得たい場合にも、偏光板を出射した光の光軸は、入射光の光軸とずれが生じることになるのである。

前記した課題を解決するために本発明は、入射光を直線偏光に変換するデバイスであって、少なくとも入射光の入射側表面に偏光分離膜を形成した光学厚みｄのガラス偏光子と、光学厚みｄのガラス板と、内部に該ガラス偏光子及び該ガラス板を入射光の光軸に対してそれぞれ傾斜角θ_Ｃ又は−θ_Ｃの角度で装着するためのスポットを備えた筺体及び該筐体を回転させるための回転機構からなり、一方のスポットに該ガラス偏光子が装着され、入射光の光軸に垂直な面に対して対称な位置にある他方のスポットに該ガラス板が装着され、入射光の光軸を中心軸として該筺体が回転自由であることを特徴とする偏光デバイスを提供するものである。ここで、傾斜角θ_Ｃ又−θ_Ｃは入射光がガラス偏光子又はガラス板に入射する場合の入射角でもある。

本発明の一実施態様を示す図４を参照しながら、それぞれの要素と配置関係を詳細に説明する。本発明は、入射光が傾斜して配置されたガラス偏光子１０又はガラス板２０に入射して（図４の例では、入射光はまずガラス板２０に入射する）、屈折によって光軸のずれが発生したとしても、その後に対称な位置に配置されたガラス板２０又はガラス偏光子１０（図４の例では、ガラス偏光子１０）に入射することによって光軸のずれが補正され、入射光の光軸と同一の光軸に復帰されるという考え方に基づいている。そして、出射する直線偏光の偏光面は、ガラス偏光子１０及びガラス板２０が装着された筺体３０を一体として回転機構３５によって回転させることにより、光軸のずれを発生させることなく、自由に選択できるようにしたものである。回転機構３５が自立できない場合は、支持機構３６によって筐体３０と回転機構３５を支持しなければならない。

光学厚みｄのガラス偏光子１０は、入射光から直線偏光を分離する機能を有している。そして、偏光分離機能を向上させ消光比を高めるために、ガラス偏光子１０の表面１１及び表面１２のうち、少なくとも入射光が入射する側の表面１１には偏光分離膜１０１が形成されている。さらに偏光分離機能を高めるために、表面１２にも偏光分離膜を形成してもよい。表面１２に偏光分離膜１０１を形成しない場合には、反射を減じて透過率を高めるために、反射防止膜１０２を形成しておくのが望ましい。

偏光分離膜１０１は、所定の入射角＋θ_Ｃ又は−θ_Ｃの角度で入射する波長λの光に対して、一方の直線偏光を透過し、振動面が直交する他方の直線偏光を反射するよう設計されている。したがって、ガラス偏光子１０は入射光の光軸に対して所定の傾斜角＋θ_Ｃ又は−θ_Ｃで配置する必要があるのである。そして、偏光分離膜１０１を透過した光が、ガラス偏光子の内部を透過する間に、振動方向の直交する偏光成分がさらに除外され、高い消光比が実現することになる。

光学厚みｄのガラス板２０は、入射光の光軸に垂直な仮想の面に対して、前記ガラス偏光子Ａと対称な位置に配置される。したがって、ガラス偏光子１０が傾斜角θ_Ｃで配置されている場合、ガラス板２０は傾斜角が−θ_Ｃで配置されることになる。

ガラス板２０の光学厚みもガラス偏光子１０の光学厚みと同じくｄでなければならない。屈折による光軸のずれの大きさは、光学厚みによって決まるからである。両者の光学厚みが異なると、界面の屈折によって生じるところの前記した光軸のずれを正しく補正することができなくなってしまう。ガラス板２０は、ガラス偏光子１０と同じガラス材料で作製してもよいし、異なるガラス材料で作製してもよい。なお、ガラス板２０の表面２１及び２２には反射を減じて透過率を高めるため、反射防止膜（２０１及び２０２）を形成しておくのが望ましい。あるいは、さらに消光比を高めるために前記偏光分離膜１０１を形成してもよい。なお、ガラス板としてガラス偏光子を用いることもできる。ガラス偏光子によっても、光軸のずれを補正することが可能だからである。ガラス偏光子を２枚使うことによってコストの上昇は免れないが、偏光分離性能の更なる向上が期待できる。

なお、光学厚みｄとは、ガラス偏光子１０又はガラス板２０の屈折率に、それぞれの物理厚み（すなわち、実際の厚み）を乗じたものである。もし前記ガラス偏光子１０と前記ガラス板２０が同一のガラス材料から作製され、結果として屈折率が同じであるなら、両者の物理厚みを同一にすれば光学厚みｄは等しくなる。両者の屈折率が異なるなら、光学厚みｄを同一にするためには、その屈折率の違いに応じて両者の物理厚みを調整して、屈折率と物理厚みの積が同一になるようにしなければならない。ガラス偏光子１０とガラス板２０を同じガラス材料で作製すると、屈折率が必ず同一になることから、光軸のずれを補正しやすいというメリットがある。

前記ガラス偏光子１０及び前記ガラス板２０は筺体３０に収容される。筺体３０は、ホルダー３１の両側から筒状のキャップ３４を被せたものである。ホルダー３１の両端は、設定した入射角θ_Ｃ又は−θ_Ｃ応じて傾斜角θ_Ｃ又は−θ_Ｃの斜面を有し、該斜面には前記ガラス偏光子１０及び前記ガラス板２０を装着し固定するためのスポット３２及びスポット３３が設けられている。スポット３２とスポット３３は、入射光の光軸に対して垂直な仮想の面に対して対称となる位置関係にある。そして、ガラス偏光子１０及びガラス板２０は、スポット３２又はスポット３３のいずれかに配置される。すなわち、入射光は、先にガラス偏光子１０に入射して屈折し、その後ガラス板２０に入射して屈折することによって光軸のずれを補正してもよいし、先にガラス板２０に入射して屈折し、その後ガラス偏光子１０に入射して屈折することによって光軸のずれを補正してもよい。

筺体３０は、入射光の光軸を中心軸として、回転機構３５によって自由に回転できる。結果として、回転機構３５によって、本発明の偏光デバイスを出射する光は、ガラス偏光子１０の偏光軸の向きに対応して、０度から３６０度の間の任意の偏光面で振動する直線偏光とすることができる。筺体３０を回転自由とする機構としては特別なものは必要ではなく、例えば、市販されている偏光子ホルダーを用いることができる。通常、偏光子ホルダーは、ベアリングを介して回転自由とされ、つまみを動かして所定の回転角の位置まで回転させ、固定ねじを締めることにより、固定することができる。あるいは、電気パルスの入力数に応じて自動で回転する機構を利用してもよい。回転機構３５は高さ調整機構のついた支持機構３６に連結され、光軸に合わせて高さ調整を行えるようにしておくことが望ましい。

既に説明してきたように、図４の構成において、光学厚みｄのガラス板２０は、光学厚みｄのガラス偏光子１０に入射した光が、界面で屈折して光軸のずれが発生するのをあらかじめ補正しておくものである。すなわち、ガラス板２０に入射した光は、屈折によって光軸がずれるが、光学厚みが同一のガラス偏光子１０に入射することによって再び界面で屈折することによって、入射光の光軸と同一の光軸上に戻されるのである。

同じく既に説明してきたように、ガラス偏光子１０の入射側の表面１１には、偏光分離膜１０１が形成されていなくてはならない。偏光分離膜による偏光分離機能とガラス偏光子による偏光分離機能が複合されることにより、透過率を維持したまま消光比を格段に向上させることができ、従来不可能であった１，０００，０００：１（６０ｄＢ）という高い消光比の直線偏光を取り出すことができる。なお、ガラス偏光子１０の片側の表面１１に偏光分離膜が形成されることによって、往々にしてガラス偏光子に反りが発生する場合があるので、表面１２にも偏光分離膜を形成して反りを矯正しておくことが望ましい。

本発明の構成要素であるガラス偏光子１０としては、ハロゲン化銀又はハロゲン化銅を延伸し、その後還元することによって得られる異方性銀粒子又は異方性銅粒子を含むものを用いるのがよい。このようなガラス偏光子は、＋４５度を超えるような角度又は−４５度を超えるような角度で傾斜して使用しても、優れた偏光分離機能を発揮するからである。また、透過率、消光比及びレーザー耐性に優れている点でも好適である。さらに、ガラス偏光子は、表面に偏光分離膜１０１や反射防止膜１０２を形成するのも容易である。このような異方性金属粒子を含むガラス偏光子については、本発明と同一の出願人による特許文献３及び特許文献４に、あるいは特許文献５などにも詳述されている。

本発明においてガラス偏光子１０の表面に形成する偏光分離膜１０１としては、高屈折率膜と低屈折率膜を交互に複数層形成することにより作成された多層膜であって、入射角が＋θ_Ｃ又−θ_Ｃのとき、所定の設計波長λ±幅λ_Ｗの波長範囲にある入射光に対して、ｐ偏光を透過しｓ偏光を反射することによって、直交する２つの直線偏光に分離する機能を有する偏光分離膜を用いることができる。

前記ガラス偏光子１０及び前記ガラス板２０を、入射光の光軸に対する傾斜角θ_Ｃが＋４５度を超えて又は−４５度を超えて傾斜して配置した場合、追加のメリットが得られるようになる。偏光分離膜１０１が偏光分離機能を発揮する上記した波長幅λ_Ｗが広がるからである。このことは、傾斜角＋θ_Ｃ又は−θ_Ｃの絶対値が小さいときには、狭い波長範囲でしか本発明の偏光デバイスを機能させることができないが、該絶対値を大きくしたときには、相当に広い波長範囲で機能させることができることを意味する。

ガラス偏光子上に低屈折率材料としてＳｉＯ_２膜を用い、高屈折率材料として酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）膜を用い、６３３ｎｍを設計波長として、３０度傾斜して使用する場合、４５度傾斜して使用する場合及び６０度傾斜して使用する場合を想定して、それぞれ設計した偏光分離膜の性能を図５に示す。このように、傾斜角が大きくなるにつれて偏光分離機能を発揮する波長範囲２λ_Ｗが広がることがわかった。それぞれの傾斜角で、透過するｐ偏光の透過率（平行透過率）が９０％以上、反射すべきｓ偏光の透過率（直交透過率）が１％以下となる条件で、波長幅２λ_Ｗがどの程度になるかを求めた結果を図６に示す。この結果によると、傾斜角が３０度のときは、有効に偏光分離できないのに対して、傾斜角が４５度のときには、有効に偏光分離できる波長幅２λ_Ｗは１８ｎｍであり、傾斜角が６０度になると２λ_Ｗは４０ｎｍに達することがわかる。

例として、緑色レーザー光源としてＡｒイオンレーザー（発振波長５１５ｎｍ又は４８８ｎｍ）又はＮｄ：ＹＡＧレーザー（発振波長５３０ｎｍ）を使用することができるが、これらレーザーの消光比を高めたい場合に、偏光分離機能を発揮できる波長範囲が狭いときには、これら３つのレーザー発振波長に合わせてそれぞれ別個の偏光デバイスを用いる必要があるのに対して、傾斜角＋θ_Ｃ又は−θ_Ｃの絶対値を大きくして偏光分離機能発揮する波長幅２λ_Ｗを４０ｎｍ以上にまで広げると、上記３つの波長のレーザー光源に対しても一つの偏光デバイスを用いることができるようになる。

また、赤色レーザーとしては、発振波長が６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅガスレーザーが一般的であるが、発振波長が６６０ｎｍあるいは６７１ｎｍの固体レーザーを用いるときもある。この場合でも、偏光分離機能を発揮する波長範囲が、６３３ｎｍから６７１ｎｍまで４０ｎｍ以上の幅があれば、一つの偏光デバイスを用意すれば、これらレーザーの消光比を高めるために用いることができることになる。

このような使用形態を考えた場合、偏光分離膜１０１が偏光分離機能を発揮する有効波長幅２λ_Ｗが少なくとも４０ｎｍ以上となるような傾斜角θ_Ｃ又は−θ_Ｃで前記ガラス偏光子１０が装着されるのが望ましい。

本発明において、ハロゲン化銀又はハロゲン化銅を延伸し、その後に還元することによって得られた異方性銀粒子又は異方性銅粒子を含むガラス偏光子を用いるのは、前記したように±４５度以上の傾斜角θ_Ｃで配置した場合でも、ガラス偏光子の優れた偏光分離機能が維持されるからであり、その場合には、同じく前記したように、偏光分離膜が機能する波長範囲を広げることも可能となるからであって、本発明の偏光デバイスに用いるガラス偏光子として好適だからである。

前記してきたように、本発明においては、ガラス偏光子１０及びガラス板２０は、筺体３０の内部に、入射光の光軸に垂直な仮想の面に対して対称となる位置に配置されなければならない。対称な位置からずれると光軸のずれが完全に補正されないからである。これらの配置関係の一例を図４に示したが、このような配置方法の他にも、例えば円柱状の筺体の内部に、円柱の中心軸に平行となるように平板を配置し、平板上の対称な位置に溝を設けて、その溝の中にガラス偏光子１０及びガラス板２０を配置し固定し、該平板を筺体にしっかりと固定する方法を採用することができる。

図４に示した実施態様では、回転機構３５として偏光子ホルダーを記載しているが、このような回転機構を設けることにより筺体３０を一体として回転させることでき、その際に内部に配置されたガラス偏光子１０とガラス板２０の相対的位置関係は固定されたままであるので、光軸のずれを発生させることなく、任意の偏光面で振動する直線偏光を取り出すことができるし、あるいはレーザー光を任意の強度に調整することができる。

筐体３０において、ホルダー３１は重要な部品である。ホルダー３１の斜面にはスポット３２及び３３が設けられていて、それぞれガラス偏光子１０又はガラス板２０が装着される。そして、それらが装着される傾斜角θ_Ｃ及び−θ_Ｃの絶対値が同一であるとき、光軸のずれが完全に矯正されることになる。そのため、該絶対値の誤差が小さくなるようにホルダーの斜面を加工しなければならない。

本発明によれば、任意の偏光面で振動する、高い透過率と高い消光比の直線偏光を、入射光軸と同一の光軸上で取り出すことが可能となり、出射する直線偏光を利用する各種投射プロジェクタ、各種光学計測器や光学系の設計が極めて容易になる。また、本発明によれば、同一光軸上で、任意にパワーを調整した消光比の高い直線偏光であるレーザー光を取り出すことも可能となる。

偏光板と１／４波長板によって直線偏光を取り出すための構成図である。偏光板と１／２波長板によって直線偏光を取り出すための構成図である。傾斜配置したガラス偏光子に入射した光が光軸のズレを発生することを示す図である。本発明の実施形態の一例を示す図である。傾斜角と偏光分離膜の性能の関係を示す図である。表面に偏光分離膜を形成したガラス偏光子を傾斜配置した場合の傾斜角θ_Ｃと偏光分離機能を発揮する波長幅２λ_Ｗの関係を示す図である。本発明の性能を評価するために用いた評価系の構成を示す図である。本発明に用いたガラス偏光子の平行透過率の角度依存性を示す図である。本発明に用いたガラス偏光子の消光比の角度依存性を示す図である。本発明の構成について得られた消光比の評価結果を表す図である。本発明を偏光イメージング評価に用いた例を示す図である。偏光イメージングの合成を示す図である。本発明による画像のずれを防止する効果を示す図である。

本発明の実施形態については、図４に基づいて詳細に説明してきたが、以下に実施例を示しながらさらに説明する。

（実施例１）
図７に示した光学系を組み立てた。レーザー光源４０としては、赤色領域では発振波長が６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅガスレーザーを用いた。緑色領域では発振波長５３２ｎｍの半導体励起固体レーザーを、青色領域では発振波長４８８ｎｍの半導体励起固体レーザーを用いた。以下赤色領域を対象に実施した例を示す。

レーザー光源４０を出た光は、ビームエキスパンダー５０によって一旦拡張され均一化した後、アパーチャー（開口）６０によってビームを絞り込んだ。そして、１／４波長板７０によって円偏光に変換され、本発明の偏光デバイス１に入射させた。偏光デバイス１には、筺体３０の内部に備えられたホルダー３１に−４５度の傾斜角でガラス偏光子１０を装着し、４５度の傾斜角でガラス板２０を装着した。偏光デバイス１に入射した光は、まずガラス板２０に入って、屈折によってあらかじめ光軸が補正され、その後、ガラス偏光子１０に入って、再び屈折によって光軸が入射光の光軸上に戻された。そして、偏光デバイス１を出射した直線偏光は、偏光面が０度方向になるように配置されたグラントムソンプリズム８０を通ってフォトディテクター９０に入り、光の強度が測定された。

偏光デバイス１には、出願人である岡本硝子株式会社製の赤色用ガラス偏光子（商品名：Ｇｌａｐｏｌａ）をガラス偏光子１０として装着した。このガラス偏光子１０の屈折率は１．４９であり、物理厚みは０．７ｍｍｔであって、透過率及び消光比の角度依存性は、それぞれ図８及び図９に示した通りである。ガラス偏光子１０は、６３３ｎｍ近傍の波長において、９０％を超える平行透過率を有し、消光比は約３０ｄＢである。

ガラス偏光子１０の入射側表面１１及び出射側表面１２には偏光分離膜１０１を形成した。偏光分離膜１０１は、低屈折率材料としてＳｉＯ_２膜を用い、高屈折率材料として酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）膜を用い、波長６３３ｎｍにおいてｐ偏光を透過しｓ偏光を反射するよう、光学設計で得られた膜厚を交互に３４層を積層して形成した。傾斜角が４５度のときの偏光分離膜１０１の性能は、既に図５に示したとおりである。なお、６３３ｎｍにおけるＳｉＯ２膜の屈折率は１．４５４であり、Ｔａ２Ｏ５膜の屈折率は２．２１３である。

ガラス板２０は、ガラス偏光子１０と同じガラス材料を用いて作製した。光学厚みｄが同じになるよう、ガラス偏光子とガラス板を同時に研磨機に装着し、物理厚みが０．７ｍｍになるまで研磨した。本実施例では、ガラス板２０の両面に反射防止膜を形成しなかった。

ホルダー３１は、内径８ｍｍ、外径２５．４ｍｍのアルミ管を用いて、旋盤で長さ６０ｍｍの円筒状に切り出した後、その円筒アルミ部材の両端をワイヤー放電加工にそれぞれ４５度及び−４５度の角度で切り取って作製した。両斜面の中心軸上には２０ｍｍｘ１６ｍｍの大きさでスポット３２及び３３が設けられていて、ガラス偏光子１０をスポット３３に、ガラス板２０をスポット３２に取り付けた。外径２５ｍｍのアルミ製の円筒状キャップ３４を、ホルダー３１の両側からねじ込むことによって筺体３０とした。高さ調整機構のついた市販の偏光子自動回転ホルダー３５を筺体３０に装着して、本発明の偏光デバイス１が作製された。

Ｈｅ−Ｎｅガスレーザー４０を２５ｍＷの強度で光学系に入射させ、偏光子自動回転ホルダー３５を０度から１８０度まで、７．５度ピッチで回転するよう調整し、それぞれの角度で５秒間の間にフォトディテクター９０でカウントされる光の強度を測定した。カウントが急激に変化する角度領域では、０．７５度ピッチで偏光子自動回転ホルダー３５を回転させ、やはり５秒間の間にフォトディテクター９０でカウントされる光の強度を測定した。それぞれの測定でカウントされた光の強度を、最大値を１として規格化した。その結果を図１０に示した。

図１０から明らかなように、本発明の偏光デバイス１を用いた結果、ガラス偏光子１０によって入射光が屈折しても、あらかじめ光軸のずれがガラス板２０によって補正されているため、光軸合わせのための調整をすることなく、入射光の光軸上にセットされたフォトディテクター９０によって、光の強度を測定することができた。さらに、筺体３０を回転させることによってガラス偏光子１０を出射する直線偏光の偏光面を回転させた場合であっても、補正のため装着されているガラス板２０も同時に回転して光軸のずれが補正されるため、偏光面の回転に伴う光の強度の変化をフォトディテクター９０で連続的に測定することができた。

図１０によると、グラントムソンプリズム８０の偏光面に平行である回転角０度において光の強度は最大となり、ガラス偏光子１０を出射する偏光面を徐々に回転させるにつれて光の強度は低減し、回転角が９０度に近づくにつれて急激に低下する様子が観測された。９０度での光の強度を、０度のときの光の強度と比較すると、１，０００，０００：１以下と非常に小さな値である。この光の強度は、振動面が直交する光の成分に対応するものであるので、本発明の偏光デバイスが６０ｄＢ以上の消光比を有することも明らかとなった。

なお、緑色領域（５３２ｎｍ）、青色領域（４８８ｎｍ）についても、それぞれの領域に対応した偏光分離膜１０１を形成したガラス偏光子１０と光軸補正のためのガラス板２０を筺体３０に装着して、同様の方法で評価したところ、図１０と同等の結果が得られた。本発明の偏光デバイス１を用いることによって、光軸調整をすることなく、偏光面を自由に回転させて、容易に光の強度を測定することができた。そして、これら領域でも本発明の偏光デバイス１は６０ｄＢ以上の消光比を有することが明らかとなった。

（実施例２）
本発明の偏光デバイス１を用いて、透明物体中に残留する歪を可視化するための複屈折イメージング偏光計（図１１）を組み立てて、ガラスに残留する歪みの画像化を行った。レーザー光源として発振波長が５３２ｎｍの半導体励起固体レーザー４０を用い、１／４波長板７０によって円偏光に変換して、ビームエキスパンダー５０によってビームを拡大し、評価試料１００に照射した。１／２波長板とキューブ型偏光ビームスプリッターからなる光量調整機構１１０は、評価試料１００の透過率に応じて用いるものであるが、本実施例では使用しなかった。評価試料１００を透過した光は、評価試料の内部に残留する歪みに対応して、所定の方位での複屈折位相差を反映した干渉縞を含んだ二次元画像として出射される。２枚のレンズからなるテレセントリックレンズ１２０は、評価試料から出射される二次元画像をそのまま平行に転写するものである。そして、この二次元画像が、本発明の偏光デバイス１に入射し、その二次元画像から所定の偏光面で振動する光成分だけが検波され、ＣＭＯＳカメラ９５に偏光情報を含んだ偏光イメージとして記録される。本発明の偏光デバイス１は、光軸のずれを発生することなく、自由に偏光面を回転できることから、０度、４５度、９０度、１３５度と回転させることによって、それぞれの方位での複屈折の強さに応じた偏光イメージとして記録することができる。そして、これら４つの方位での偏光イメージを合成することによって、評価試料中に残存する歪みの二次元分布を画像化することができた。

本発明の偏光デバイス１を用いた場合と、光軸のずれを補正しないままガラス偏光子だけを回転して４つの方位の偏光イメージを合成した場合の違いを図１２に模式的に表した。本発明の偏光デバイス１を用いた場合、得られる偏光イメージは必ず同一の位置で記録されるため、ＣＭＯＳカメラで多重露光することによって容易に合成することができる（ａ）。一方、光軸のずれがある状態で、ガラス偏光子を回転して得た偏光イメージは、光軸のずれによって、それぞれの方位で異なる位置に偏光イメージが記録されることとなって、ＣＭＯＳカメラ上で合成することができなかった。

光軸のずれによって偏光イメージの位置がシフトする様子を図１３に示した。本発明の偏光デバイス１を用いた場合、１８０回転しても、ＣＭＯＳカメラ上の同一の位置に偏光イメージを記録することができるが、光軸のずれがある場合、１８０度の回転によって、偏光イメージが得られる位置が大きくシフトすることになり、合成できないことになるのである。

１：本発明による偏光デバイス
１０：ガラス偏光子、２０：ガラス板、３０：筺体
３１：ホルダー、３２、３３：ガラス偏光子又はガラス板装着スポット
３４：キャップ、３５：回転機構、３６:支持機構
４０：レーザー光源、５０：ビームエキスパンダー、６０：アパーチャー（開口）
７０：１／４波長板、８０：グラントムソンプリズム、９０：フォトディテクター
９５：ＣＭＯＳカメラ、１００：評価試料、
１１０：光量調整機構、１２０：テレセントリックレンズ

Claims

入射光を直線偏光に変換する偏光デバイスであって、少なくとも入射光の入射側表面に偏光分離膜を形成した光学厚みｄのガラス偏光子と、光学厚みｄのガラス板と、内部に該ガラス偏光子及び該ガラス板を入射光の光軸に対してそれぞれ傾斜角θ_Ｃ又は−θ_Ｃの角度で装着するためのスポットを備えた筺体及び該筐体を回転させるための回転機構からなり、一方のスポットに該ガラス偏光子が装着され、入射光の光軸に垂直な面に対して対称な位置にある他方のスポットに該ガラス板が装着され、入射光の光軸を中心軸として該筺体が回転自由であることを特徴とする偏光デバイス。
前記ガラス偏光子が、ハロゲン化銀又はハロゲン化銅を延伸し、その後還元することによって得られる異方性銀粒子又は異方性銅粒子を含むものであることを特徴とする請求項１に記載の偏光デバイス。
前記ガラス偏光子及び前記ガラス板が、入射光の光軸に対して＋４５度を超える傾斜角θ_Ｃ又は−４５度を超える傾斜角−θ_Ｃで配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項２に記載の偏光デバイス。
前記偏光分離膜が高屈折率膜と低屈折率膜を交互に複数層形成することにより作製された多層膜であって、入射光を振動面が直交する２つの直線偏光に分離する機能を有する波長範囲を設計波長λ±幅λ_Ｗで表すとき、該幅λ_Ｗが２０ｎｍ以上となるような傾斜角θ_Ｃ又は−θ_Ｃで前記ガラス偏光子が装着されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３に記載の偏光デバイス。