JP3661266B2 - 偏光解消板 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光学測定装置の中でも特に偏光特性が問題となる光電検出器を用い、かつ比較的大きい光束を有する分光光度計や光スペクトルアナライザ等において偏光解消のために用いられる偏光解消板に関する。
【０００２】
【従来技術】
光電検出器には一般に偏光特性がある。すなわち直線偏光や楕円偏光のような特定方向に強く偏った光が入射すると、同じエネルギーの光でも振動方向によって異なった出力を示す。したがって、光電検出器で光の強度を測定するには、入射光を円偏光か無偏光のような等方的な光に変換しなくてはならない。特に分光光度計のように広い波長域にわたってあらゆる偏光状態の光を測定する装置では光電検出器の偏光特性が測定結果に重大な影響を及ぼす。
【０００３】
このような偏光を解消するには、まず最も手軽な方法として散乱板を検出器の前にそう入することが考えられる。しかし、散乱板は入射光の光量を格段に落とすという致命的な欠点があり、入射光が弱くなっている分光光度計等には適さない。積分球を用いて解消する方法も考えられるが、これは装置が大きくなってしまう上に光量も減る。リオ型解消子は原理的に入射光の損失もなく、その上コンパクトであるという利点をもっているが入射光がある程度広い波長幅をもっていないと十分な解消効果が出ないという欠点がある。しかも使用波長が長くなるほど必要とされる波長幅は広くなる。したがって、狭い波長幅の光を選別する分光光度計や光スペクトルアナライザで使用するには十分満足できるものではない。それに対し、２枚の複屈折材料（異方性結晶）の楔状の板を接合して構成される偏光解消板は入射光がある程度の広がりをもっていさえすれば原理的に光量の損失はなく、コンパクトで単波長の光でも偏光解消するという優れた特性をもっている。したがって、波長幅は狭いが、ある程度広がった光束を使う分光光度計や光スペクトルアナライザの偏光解消子としては最適のものといえる。
【０００４】
最もよく使われる偏光解消板について第１図にしたがって説明する。従来の偏光解消板Ｕは、図面から明らかなように、楔状をした２枚の第１結晶μ₁ と第２結晶μ₂ の板を接合して構成される。第１結晶μ₁ 、第２結晶μ₂ とも異方性結晶であり光学軸の方位は互いに直交した配置である。第１結晶μ₁ の光学軸方向▲１▼をｘ方向、第２結晶μ₂ の光学軸方向▲２▼をｙ方向とすると、入射光は偏光状態を示す第２図のように、ｘ方向の振動成分Ｅｘとｙ方向の振動成分Ｅｙとに分解される。Ｅｘは第１結晶μ₁ では異常光線、第２結晶μ₂ では常光線となり、逆に，Ｅｙは第１結晶μ₁ では常光線、第２結晶μ₂ では異常光線となる。異常光線と常光線とでは屈折率が異なるので、同じ長さの媒質を通っても２光線の間には位相のずれが生じる。結局、第１結晶μ₁ 、第２結晶μ₂ を通る光には２つの厚みの差に応じた位相差が生じる。第１結晶μ₁ 、第２結晶μ₂ の厚みはｘ方向に連続的に変化するので、与えられる位相差も場所ごとに連続的に変化する。したがって、単一の偏光が入射してもビームがｘ方向に広がっていれば解消板透過後光は場所ごとに異なる偏光に変換され、ビーム全径でみれば、いろいろな偏光状態がいりまじった無偏光といえる偏光状態になる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の偏光解消板Ｕには３つの問題がある。まず第１の問題点は入射光の偏光方向の制約である。入射光がＥｘ成分だけの直線偏光だったり、あるいはＥｙ成分だけの直線偏光だったりすると、全く偏光解消しない。このときにはＥｘとＥｙの２成分間に位相差が生じないので、光はあたかもただの透明板を素通りするようなものである。たとえ上記のような極端な場合でなくても、Ｅｘ成分、Ｅｙ成分のどちらかが極端に少ないような直線偏光や楕円偏光の場合には十分な解消効果は期待できない。すなわち，従来の解消板はｘ方向、ｙ方向から４５°回転した振動方向の直線偏光のときには最もよく解消するが、４５°からずれるにしたがって解消効果が弱くなってしまう。
【０００６】
第２の問題点は入射ビーム形状の制約である。入射ビームがｘ方向に十分に広がっていなければ十分な解消効果はでない。解消板の原理がｘ方向に偏光をちらすことからこの点は明らかである。例えば，細長いビームが入射する場合、同じビームでもｘ方向にのびていれば偏光解消するが、ｙ方向にのびていれば偏光解消しない。
【０００７】
第３の問題点は製作上の問題である。第１結晶の楔板μ₁ は傾きの最大方向と光学軸の方向が一致しており、第２結晶の楔板μ₂ は傾きの最大方向と光学軸の方向が直交しているので、２つの楔板は全くの別物である。ところが光学軸の方向は見ただけではわからないので、２つの楔板μ₁ 、μ₂ は外見上全く区別がつかない。したがって、２つの結晶の楔板を接合するとき、第１結晶μ₁ のグループと第２結晶μ₂ のグループを区別し、まざらないよう細心の注意を払わなければならないが、両結晶μ₁ 、μ₂ が入り交じれば、第１結晶μ₁ 同士、あるいは第２結晶μ₂ 同士を接合してしまう危険が常につきまとう。第１結晶μ₁ 同士、あるいは第２結晶μ₂ 同士を接合すると、光学軸の方向が一致するが、これはただの結晶板にすぎず、偏光は全く解消しない。
【０００８】
本発明は、上記のような従来の偏光解消板の欠点に鑑みなされたもので、入射偏光がいかなる方向に向いていても、あるいは入射ビーム形状がどの方向に偏っていても十分な解消効果が得られ、かつ製作上接合ミスが絶対起こらないような偏光解消板を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏光解消板Ｓを第３図にもとづいて説明する。同図（ａ）はその縦断面図を示し、同（ｂ）は偏光解消板Ｓを図（ａ）における矢印ｂ方向より見た側面図であり、同（ｃ）は図（ｂ）における矢印ｃ方向より見た平面図であり、同（ｄ）は図（ｂ）における矢印ｄ方向より見た斜視図である。
【００１０】
偏光解消板Ｓは、Ｓ_１、Ｓ_２、Ｓ_３、Ｓ_４の４枚の複屈折材料を接合して構成される。接合される第１乃至第４の材料について接合されたときに光軸に対して垂直になる面は正方形であり、接合される第１の材料Ｓ_１および第２の材料Ｓ_２は、光学軸の方向と楔の形状が同一であり、接合される第３の材料Ｓ_３および第４の材料Ｓ_４は、光学軸の方向と楔の形状が同一であり、かつ、該第１の材料Ｓ_１および該第２の材料Ｓ_２とは形状が異なり、該第１の材料Ｓ_１および該第２の材料Ｓ_２の光学軸の方向は、接合される面と隣接しない面の対角線に対し平行であり、該第３の材料Ｓ_３および該第４の材料Ｓ_４の光学軸の方向は、接合される面と隣接しない面の辺に対し平行であるように設定される。
【００１１】
このように本発明の偏光解消板Ｓは光学軸の方向が４５°ごとに４方向あるので入射光がどの方向に偏光していても解消することができる。例えば、入射直線偏光の偏光方向が第１結晶Ｓ₁ の光学軸の方向▲３▼と一致したときには、第１結晶Ｓ₁ および第２結晶Ｓ₂ の楔板は偏光解消せずに素通りするが、第３結晶Ｓ₃ および第４結晶Ｓ₄ の楔板では光学軸と４５°の角をなすので最も解消効果が高くなる。同様のことが第４結晶μ₄ の光学軸の方向▲６▼と同じ方向に偏光する直線偏光が入射する場合についてもあてはまる。つまり、本発明の解消板Ｓでは入射光の偏光方向によって解消効果に多少のふれはあっても全く解消しないという方向はない。
【００１２】
本発明の偏光解消板Ｓでは第１結晶Ｓ₁ および第２結晶Ｓ₂ の組でｘ方向に位相差を与えて偏光をちらし、第３結晶Ｓ₃ および第４結晶Ｓ₄ の組でｘ、ｙ方向と４５°の方向に位相差を与えて偏光をちらす。すなわち、位相差を与える方向がｘ方向とｙ方向の２方向にあるので、細長い形状の入射ビームのとき、長手方向がどの方向でも偏光は解消する。例えば、入射ビーム断面がｘ方向に長いときには第１結晶Ｓ₁ 、第２結晶Ｓ₂ の組でも第３結晶Ｓ₃ 、第４結晶Ｓ₄ の組でも偏光解消するし、ｙ方向に長いときには第１結晶Ｓ₁ 、第２結晶Ｓ₂ の組では解消度は劣るものの、第３結晶Ｓ₃ 、第４結晶Ｓ₄ の組では偏光解消する。入射ビームが第３結晶Ｓ₃ 、第４結晶Ｓ₄ の楔の傾きにそった方向に細長いときには、第１結晶Ｓ₁ 、第２結晶Ｓ₂ の組でも第３結晶Ｓ₃ 、第４結晶Ｓ₄ の組でも偏光解消するし、第３結晶Ｓ₃ 、第４結晶Ｓ₄ の楔の傾きと直交する方向に細長いときには第３結晶Ｓ₃ 、第４結晶Ｓ₄ の組の解消度は劣るものの、第１結晶Ｓ₁ 、第２結晶Ｓ₂ の組では解消する。
【００１３】
本発明の偏光解消板Ｓは４枚の複屈折材料の楔板から構成されるが、光学軸や楔角の向きで区別すると実は２種類しかない。すなわち、第１結晶Ｓ₁ および第２結晶Ｓ₂ は同一のものであり、これらを向かいあわせてはったにすぎない。第３結晶Ｓ₃ および第４結晶Ｓ₄ も同様に同一のものである。第１結晶Ｓ₁ および第２結晶Ｓ₂ を接合する際には同じ種類の結晶を向かいあわせてはれば自動的に光学軸が直交した配置になる。したがって、外見上全く区別のつかない２種類の楔板から構成される従来品のように、あやまって２つの結晶の光学軸を平行な配置で接合してしまうことはおこりえない。第３結晶Ｓ₃ および第４結晶Ｓ₄ を接合する際にも同様に同じ種類の結晶を向かいあわせてはれば自動的に光学軸が直交した配置になる。一方、第１結晶Ｓ₁ および第２結晶Ｓ₂ は辺方向に傾斜しており、第３結晶Ｓ₃ および第４結晶Ｓ₄ は対角方向に傾斜している。２つのグループは外見上明白な相違があるので、これをとり違えて接合することもおこりえない。
【００１４】
【実施例】
本発明の偏光解消板Ｓの実施例とその特性について説明する。
【００１５】
偏光解消板Ｓの特性は第４図に示したような配置における出射光強度の測定で調べることができる。すなわち、偏光解消板Ｓを偏光子Ｐと検光子Ａの間に挿入し、偏光子Ｐと検光子Ａを独立に回転させ、透過光強度のふれを測定する。入射光強度をＩ₀ 、最大透過光強度をＩmax 、最小透過光強度をＩmin とすると
Ｉmax ＝Ｉ₀ ／２（１＋Δ）、Ｉmin ＝Ｉ₀ ／２（１−Δ）で与えられるが、理想的にはふれΔは０になればよい。
【００１６】
解消板を構成する複屈折材料を人工水晶とし、楔の傾き角を第１結晶Ｓ₁ および第２結晶Ｓ₂ の組、第３結晶Ｓ₃ および第４結晶Ｓ₄ の組とも６°にとった本発明の偏光解消板Ｓの実施例について波長６００nmの円形ビームが入射したときのビーム半径ｒに対するふれΔの関係を第５図のグラフに示す。ビーム径が大きくなるほど解消度があがるが、この例では入射光のビーム径がφ８mm以上あればふれΔを０．０１以下に落とすことができる。ちなみに従来の偏光解消板Ｓではビーム径によらず、Δは常に１のままである。
【００１７】
もちろん、本発明の偏光解消板Ｓを構成する複屈折材料は人工水晶だけに限らず、方解石やＭｇＦ₂ 等複屈折性を有するものであるなら何でもかまわない。また、楔の傾き角も６°に限るものではなく、ビームの広がりと材料の屈折率を考慮して最適の角度を選べばよい。
【００１８】
【発明の効果】
従来の偏光解消板は入射光の偏光方向やビームの形状によって解消度が大きく左右されるので、例えば、分光光度計や光スペクトルアナライザに設置するには細心の注意を払って位置調整をしなければならなかったが、本発明の偏光解消板はそれらにほとんど依存しないため光路中に適当にそう入するだけで十分な解消効果を得ることができる。その結果、偏光解消板を装置に設定する際、調整に費していた時間が省けるし、調整不良による性能上の不具合もなくなる。また、楔板の張り合わせミスも皆無にできるので従来品にくらべ、製作時の歩留まりは格段に向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の偏光解消板の構成を示す図で、（ａ）はその縦断面図、同（ｂ）はその側面図である。
【図２】入射光の偏光状態を示す図である。
【図３】本発明の偏光解消板の構成を示す図で、（ａ）はその縦断面図、同（ｂ）はその側面図、同（ｃ）はその平面図、同（ｄ）は図（ｂ）における矢印ｄ方向から見た斜視図である。
【図４】偏光解消板の解消度を測定する光学系を示した図である。
【図５】本発明の偏光解消板の実施例について入射ビームの半径に対する出力光強度のふれΔの変化を示したグラフである。
【符号の説明】
Ｕ…従来の偏光解消板
μ₁ 、μ₂ …従来の偏光解消板を構成する楔板の結晶
Ｓ…本発明の偏光解消板
Ｓ₁ 、Ｓ₂ 、Ｓ₃ 、Ｓ₄ …本発明の偏光解消板を構成する楔板の結晶
▲１▼▲２▼▲３▼▲４▼▲５▼▲６▼…光学軸の方向
Ｐ…偏光子
Ａ…検光子

Claims (1)

1. ４枚の楔型の複屈折材料を接合することで構成される偏光解消板において、
   第１乃至第４の該材料について、接合されたときに光軸に対して垂直になる面は正方形であり、
   該第１の材料と該第２の材料は、結晶軸の方向と楔の形状が同一であり、
   該第３の材料と該第４の材料は、結晶軸の方向と楔の形状が同一であり、かつ、該第１の材料及び該第２の材料とは形状が異なり、
   該第１の材料及び該第２の材料の結晶軸の方向は、接合される面と隣接しない面の対角線に対し平行であり、
   該第３の材料及び該第４の材料の結晶軸の方向は、接合される面と隣接しない面の辺に対し平行である楔型複屈折材料からなる
   ことを特徴とする偏光解消板。

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