JP5087521B2

JP5087521B2 - 光学素子、および光学素子の製造方法

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Publication number: JP5087521B2
Application number: JP2008287200A
Authority: JP
Inventors: 有宏斎田
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2008-11-07
Filing date: 2008-11-07
Publication date: 2012-12-05
Anticipated expiration: 2028-11-07
Also published as: JP2010113255A

Description

本発明は、入射する直線偏光を円偏光または楕円偏光に変換する光学結晶の位相差板である偏光解消板を有する光学素子、およびそのような偏光解消板を有する光学素子を製造する方法に関し、例えば、レンズと撮像素子の間において、２つの複屈折板の間に挟むことによって、１本の光束を４本の光束に分離可能とする光学素子、および光学素子の製造方法に関するものである。

種々の光学装置や光学系内には、入射光の偏光状態を変化させる位相差板が配されている。これらの位相差板としては、１／２波長板や１／４波長板等が知られている。
上記１／４波長板は、例えば、レンズと撮像素子の間において、入射光を常光と異常光に分離する２枚の複屈折板の間に介在させ、１本の光束を４本の光束に分離する際に使用されている。

また、上記１／４波長板としては、例えば、レンズと色分解プリズムの間に配し、入射光の直線偏光成分を解消した状態で色分解プリズムに入射させることで、無偏光状態での光学設計がなされている色分解プリズムにおいて理想的な分光特性を得るようにしたものが知られている。
このような位相差板は、偏光成分を解消する機能を有することから、一般に、偏光解消板とも称されている。

偏光解消板として機能する光学結晶からなる位相差板は、下記特許文献１、２等に開示されている。
これらの特許文献に記載された光学結晶の位相差板は、可視光の広い波長域（400〜750nm）に亘って偏光解消し得るように設計されている。

特開2004-29653号公報特開2005-55803号公報

しかしながら、上記特許文献１、２などに記載された光学結晶の位相差板からなる偏光解消板は、上述したように、可視光の広い波長域に亘って偏光解消し得るように設計されているため、有効な偏光解消度を得るためには、例えば水晶の場合にはどうしても0.7ｍｍ程度以上の厚みが必要とされていた。

しかしながら、このような偏光解消板は、一般に、スペース的に厳しい位置に配されており、さらに近年、装置のコンパクト化や軽量化に応じて、0.7ｍｍ程度から大幅に薄型化を図ることが要求されていることから、薄型化技術における発想の転換が求められている。

本発明はこのような事情に鑑みなされたもので、種々の光学装置や光学系において、入射光の偏光成分を解消させる、従来よりも大幅に薄く形成された偏光解消板を有する光学素子、およびそのような光学素子の製造方法を提供することを目的とするものである。

本発明の光学素子は、
直線偏光を円偏光または楕円偏光に変換する光学結晶の位相差板からなる光学素子であって、
前記位相差板の厚みは、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光の領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定されてなることを特徴とするものである。

また、本発明の光学素子は、
入射光束を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する第１の複屈折結晶板と、この第１の複屈折結晶板から出射された前記２つの直線偏光を、それぞれ円偏光または楕円偏光として出射する光学結晶の位相差板と、この位相差板から出射されたそれぞれの円偏光または楕円偏光を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する第２の複屈折結晶板とを備えてなる光学素子において、
前記位相差板の厚みは、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光全ての領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定されてなることを特徴とするものである。

一方、本発明の光学素子の製造方法は、
直線偏光を円偏光または楕円偏光に変換する光学結晶の位相差板からなる光学素子の製造方法であって、
前記位相差板の厚みは、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光の領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定することを特徴とするものである。

また、本発明の光学素子の製造方法は、
入射光束を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する第１の複屈折結晶板と、この第１の複屈折結晶板から出射された前記２つの直線偏光を、それぞれ円偏光または楕円偏光として出射する光学結晶の位相差板と、この位相差板から出射されたそれぞれの円偏光または楕円偏光を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する第２の複屈折結晶板とを備えてなる光学素子の製造方法において、
前記位相差板の厚みは、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光全ての領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定することを特徴とするものである。

また、前記位相差板の厚みは、下記条件式（１）を満足する値とされていることが好ましい。
偏光度Ｐと透過率Ｔの積の波長平均値＜０．７……（１）

ただし、偏光度Ｐは下式（２）で表される。

ここで、上記「偏光解消波長」とは、直線偏光成分を略０（例えば最大値の１０％以下）とし得る波長のことをいい、直線偏光成分が完全に０である必要はない。

従来の光学結晶の位相差板よりなる偏光解消板は、可視光の広い波長域に亘って偏光解消し得るように設計されており、有効な偏光解消度を得るためには、水晶であれば0.7ｍｍ程度以上の厚みが必要とされていた。

このように厚みが必要とされていたのは、可視光の広い波長域に亘り、満遍なく偏光解消波長が存在するように設計することが前提となっていたためである。すなわち従来は、0.7ｍｍ程度より小さい厚みによっては、可視光の広い波長域に亘って満遍なく偏光解消波長を得ることはできない、ということが光学設計の既成概念としてあった。

しかしながら、今日のカラー撮像系について検討してみるに、Ｂ，Ｇ，Ｒの３色光が、一般にモザイクやストライプと称されるカラーフィルタ付きの撮像素子や、色分解光学系の各色光出射口に対応して配された３つの撮像素子を用いて撮像している。したがって、今日においては、実際に用いられるＢ，Ｇ，Ｒの各色光の波長域は、可視の全波長域に比べて大幅に狭くなっている。

本願発明者は、上記知見に基づき、偏光解消板の厚みを、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光の領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定する、という技術思想に思い至り、本願発明をなしたものである。そして、本願発明に係る光学素子、および光学素子の製造方法は以下のような効果を奏する。

すなわち、撮像素子が搭載された多くの光学装置においては、撮像素子の感度に応じて、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光の領域の各々に、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在していれば、入射光の偏光成分を効率よく解消することができるので、このようにして厚みが設定された偏光解消板からなる光学素子は、従来と比べて大幅に厚みを薄くすることができる。

また、入射光束を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する、第１および第２の２つの複屈折結晶板の間に、第１の複屈折結晶板から出射された２つの直線偏光の位相を、π/２だけ回転させ、それぞれ楕円偏光または円偏光として出射する光学結晶の位相差板を配設してなる場合においても、該位相差板の厚みを、Ｂ，Ｇ，Ｒの色光領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定するようにしているので、１本の光束を４本の光束に良好に分離しつつ、偏光解消板の厚みを、従来と比べて大幅に薄くすることができる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１、図２および図３は、本発明の実施形態に係る光学素子の製造方法により作成された光学素子の使用態様を説明するための図である。

図１は、偏光解消板１０を４点分離用のＬＰＦ素子１２に用いて、撮像レンズ１１と撮像素子１３の間に配設した第１の使用態様について示すものである。

すなわち、ＬＰＦ素子１２は、入射光を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する第１の複屈折結晶板からなる水平分離用ＬＰＦ１２Ａと、この水平分離用ＬＰＦ１２Ａから出射された、上記２つの直線偏光を、それぞれ楕円偏光（または円偏光：以下同じ）として出射する光学結晶の位相差板からなる偏光解消板１０と、この偏光解消板１０から出射されたそれぞれの楕円偏光を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する第２の複屈折結晶板からなる垂直分離用ＬＰＦ１２Ｂとを備えてなるＬＰＦ素子１２であり、１本の光束を４本の光束に効率よく分離し得るものである。ここで、ＬＰＦ素子１２は、上記水平分離用ＬＰＦ１２Ａから出射された、互いに直交する２つの直線偏光のそれぞれに対して、互いに45度をなす方向に遅相軸を有しており、これによってπ/２の位相差を発生させるように構成されている。

なお、偏光解消板１０は水晶の光学結晶板からなる。

このようなＬＰＦ素子１２においては、水平分離用ＬＰＦ１２Ａから出射された光束が、互いに振動面が直交する２つの直線偏光とされており、このまま垂直分離用ＬＰＦ１２Ｂに入射された場合には、各々をさらに分離することはできない。そこで、水平分離用ＬＰＦ１２Ａの直後に光学結晶の位相差板よりなる偏光解消板１０を置き、水平分離用ＬＰＦ１２Ａから出射された、上記２つの直線偏光をいずれも楕円偏光の状態にした後、各々を垂直分離用ＬＰＦ１２Ｂに入射せしめ、各々をさらに、互いに振動面が直交する２つの直線偏光に分離することで、１本の光束を４本の光束に効率よく分離することができる。

また、図３は、偏光解消板２０を、撮像レンズ２１と色分解プリズム２２の間に配設した第２の使用態様について示すものである。
一般に、色分解プリズム２２の設計は、入射光が無偏光であることを前提として行なわれているため、直線偏光が入射した場合には、設計仕様とは異なる分光特性を有することになる。

したがって、直線偏光を撮像レンズ２１から、そのまま色分解プリズム２２に入射させるのではなく、直線偏光を、偏光解消板２０により楕円偏光に変換してから、入射光を色分解プリズム２２に入射せしめることにより、色分解プリズム２２において良好な分光特性を得ることができ、後段の撮像素子２３Ｂ，Ｇ，Ｒの各々により各色光を良好に撮像することができる。

なお、偏光解消板２０は、上記偏光解消板１０と同様に、水晶の光学結晶板からなる。

勿論、上記第１および第２の使用態様を組み合わせて使用することも可能である。すなわち、撮像レンズ２１と色分解プリズム２２の間に、上記偏光解消板２０、および上記ＬＰＦ素子１２を光軸上に順次配列することができる。

ところで、従来、光学結晶の位相差板よりなる偏光解消板を製造する際には、可視光の広い波長域に亘って偏光解消するように配慮されており、有効な偏光解消度を得るためには、水晶であれば0.7ｍｍ程度以上の厚みが必要とされていた。これは、可視光の広い波長域において、多数の偏光解消波長を満遍なく設けることが前提となっていたためであり、0.7ｍｍ程度より小さい厚みによっては、多くの偏光解消波長を得ることはできないことから、有効な偏光解消板とすることができないとの既成概念があった。

一般に、ＢＧＲの各波長域というときは、Ｂ光（青紫色光）については、約400nmから約510nmの波長域、Ｇ光（緑色光）については、約490nmから約590nmの波長域、またＲ光（赤色光）については、約570nmから750nmの波長域とされており、例えば図９に示すように、水晶の厚みｔが0.7mm程度以上（図９に示す例ではｔ＝1.5mm）である場合には、ＢＧＲの各波長域において数点の偏光解消波長が存在し、かつ可視域全域に亘って平均して偏光解消波長（偏光度が略０となる波長：以下同じ）が存在するものとなる。

しかしながら、実際に、今日使用されているタイプのカラー撮像系のほとんどは、カラーフィルタ付きの撮像素子や、色分解光学系の各色光出射口に対応して設けられた３つの撮像素子により撮像するものである。したがって、実際に用いられるＢ，Ｇ，Ｒの各色光の波長域は、可視光の全波長域に比べて大幅に狭くなっている。

したがって、撮像素子が搭載された多くの光学装置においては、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光の波長域の各々に、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在していれば、入射光の偏光成分を効率よく解消することができるので、このようにして厚みが設定された偏光解消板は、偏光を良好に解消することを可能としながら、従来と比べて大幅に薄く形成されたものとなっている。本願発明の実施形態に係る光学素子および光学素子の製造方法はこのような点に着目してなされたものであり、偏光解消板（位相差板）の厚みは、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光の領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定することが特徴となっている。すなわち、本実施形態に係る光学素子の製造方法は、このような条件を満足する偏光解消板（位相差板）の厚みを特定する工程と、その特定された厚みとなるような偏光解消板（位相差板）を作成する工程（種々の周知の手法を用いればよい）を備えたものである。また、本実施形態に係る光学素子は、上記特定された厚みを有する偏光解消板（位相差板）である。

以下、本願発明に係る光学素子および光学素子の製造方法において主要部ともいうべき、偏光解消板１０、２０の厚みを特定する工程における特定手法について説明する。

まず、本実施形態においては、偏光解消板１０、２０の厚みは、下記条件式（１）を満足する値とされる。
偏光度Ｐと透過率Ｔの積の波長平均値＜０．７……（１）

ただし、上記偏光度Ｐは、下式（２）により表される。

なお、偏光度Ｐと透過率Ｔの積の波長平均値を数式で表すと下式（３）のようになる。

このうち、色光Ｂに対応した数式が（３Ａ）であり、色光Ｇに対応した数式が（３Ｂ）であり、色光Ｒに対応した数式が（３Ｃ）である。また、透過率Ｔは、光の波長に応じて異なるので、数式（３Ａ）に対応した色光Ｂの透過率はＴ_Ｂで表され、数式（３Ｂ）に対応した色光Ｇの透過率はＴ_Ｇで表され、数式（３Ｃ）に対応した色光Ｒの透過率はＴ_Ｒで表される。なお、上述した各色光の透過率Ｔ_Ｂ、Ｔ_Ｇ、Ｔ_Ｒは、ＬＰＦ素子１２の入射面から、各色光に対応する撮像素子１３に至るまでの全行程における、当該色光の透過率をいうものとする。

なお、下記λ_１は対象波長域における最小値であり、下記λ_２は対象波長域における最大値である。

なお、ＢＧＲの各波長域のλ_１は、各々400nm、490nm、570nmとされ、ＢＧＲの各波長域のλ_２は、各々510nm、590nm、750nmとされる。したがって、可視光の波長域の最小波長であるλ_１は400nmであり、最大波長であるλ_２は750nmである。また、偏光度Ｐについては、ＢＧＲの各波長域間で共通、透過率Ｔについては、ＢＧＲの各波長域毎に異なる。

図４は、本実施形態による上記条件式（１）を用いて設定された位相差を示すものである。すなわち、図４は、厚みｔ＝0.45mmの水晶の光学結晶板よりなる偏光解消板１０、２０の、入射波長（nm）に対する位相差を示すグラフである。ここで、位相差がπ/２および３π/２である場合（図４中の丸印に対応）において偏光が解消されるため、この実施形態のものが、各色光の波長域のいずれにおいても、１つ乃至２つの偏光解消波長（Ｂについては410nmと約460nm、Ｇについては約525nm、Ｒについては約620nm）を有していることが明らかである。

図５は、本実施形態の光学素子における偏光解消板１０、２０の、入射波長（nm）に対する偏光度Ｐを示すグラフである。偏光度Ｐは、上式（２）により表されるから、０になったときが円偏光の状態、すなわち、偏光が完全に解消された状態を表すものである。したがって、この図５により本実施形態のものが、各色光の波長域のいずれにおいても、１つ乃至２つの偏光解消波長（Ｂについては410nmと460nm、Ｇについては525nm、Ｒについては620nm）を有していることが明らかである。

また、図６は、図１や図３に示すような一般的な光学系における、ＢＧＲの３色分解特性の例を示すグラフである。図６において、縦軸の透過率Ｔは、規格化された総合的な感度特性を示すものである。

さらに、図７は、図５に示す偏光度Ｐを示すグラフと、図６に示す３色分解特性を示すグラフを掛け合わせたものであり、実際に偏光解消板１０、２０を透過し、撮像素子１３、２３Ｂ，Ｇ，Ｒにおいて撮像される、ＢＧＲの各波長域ごとの偏光の相対強度を示すものである。

さらに、図８は、水晶の光学結晶板により偏光解消板を作成した場合における、板厚（mm）に対する積分偏光度を示すグラフである。
ここで、積分偏光度とは、上式（３）で表される、偏光度Ｐと透過率Ｔの積の波長平均値のことである。

図８中には、積分偏光度が0.7となる位置に基準線（閾値を表す）が引かれており、ＢＧＲの全ての曲線がこの0.7を下回る場合の板厚が、上記条件式（１）を満足することが示されている。

すなわち、ＢＧＲの全ての曲線がこの0.7を下回っている板厚が、本実施形態において選択すべき板厚である。

勿論、板厚を薄くすることが発明の目的であるから、上述した、ＢＧＲの全ての曲線が積分偏光度0.7の基準線を下回っているものの中でも、できるだけ板厚が薄いものを選択することが肝要である。

このような観点から、偏光解消板の厚みｔとしては、0.34mm、0.38mm、0.44mm、0.45mm、0.46mm ……などから選択することが好ましい。すなわち、厚みｔをパラメータとして図５、６、７に示す曲線を求め、次に、Ｐ＜０．７となる場合の厚みｔの値を特定し、これら特定された値の中から、偏光解消板の厚みを選択することが好ましい。
なお、製造公差のことも考え合わせると、0.45±0.01mm が好ましい値の一例である。

以上、本発明に係る実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されるものではなく、種々の態様に変更することが可能である。

例えば、上記実施形態のものでは、偏光解消板を水晶板で形成するようにしているが、本発明に係る光学素子の製造方法においては、複屈折性を有する種々の光学結晶板を採用し得る。

また、偏光解消板を使用する態様としては、図１〜３に示すものに限られるものではなく、偏光を解消させる必要がある種々の光学装置や光学系に使用することが可能である。

また、上記実施形態のものでは、条件式（１）における上限値（基準線）として0.7を採用しているが、これに替えて、0.7を増減した数値を採用することが可能である。

本発明の実施形態に係る光学素子の製造方法により作成された光学素子の使用態様を示す概略図本発明の実施形態に係る光学素子を拡大して示す概略図図１とは別の、偏光解消板の使用態様を示す概略図本実施形態に係る光学素子の製造方法により作成された偏光解消板の、入射波長（nm）に対する位相差を示すグラフ本実施形態に係る光学素子の製造方法により作成された偏光解消板の、入射波長（nm）に対する偏光度を示すグラフ一般的な光学系における、ＢＧＲの３色分解特性の例を示すグラフ図５に示す偏光度を示すグラフと、図６に示す３色分解特性を示すグラフを掛け合わせた結果を示すグラフ本実施形態に係る光学素子の製造方法により作成された偏光解消板の、板厚（mm）に対する積分偏光度を示すグラフ従来技術により作成された偏光解消板の、入射波長（nm）に対する偏光度を示すグラフ

符号の説明

１０、２０偏光解消板
１１、２１撮像レンズ
１２ＬＰＦ素子
１２ａ、１２ｂＬＰＦ（複屈折板）
１３、２３Ｂ，Ｇ，Ｒ撮像素子

Claims

直線偏光を円偏光または楕円偏光に変換する光学結晶の位相差板からなる光学素子であって、
前記位相差板の厚みは、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光の領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定されてなることを特徴とする光学素子。
入射光束を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する第１の複屈折結晶板と、この第１の複屈折結晶板から出射された前記２つの直線偏光を、それぞれ円偏光または楕円偏光として出射する光学結晶の位相差板と、この位相差板から出射されたそれぞれの円偏光または楕円偏光を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する第２の複屈折結晶板とを備えてなる光学素子において、
前記位相差板の厚みは、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光全ての領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定されてなることを特徴とする光学素子。
直線偏光を円偏光または楕円偏光に変換する光学結晶の位相差板からなる光学素子の製造方法であって、
前記位相差板の厚みは、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光の領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定することを特徴とする光学素子の製造方法。
入射光束を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する第１の複屈折結晶板と、この第１の複屈折結晶板から出射された前記２つの直線偏光を、それぞれ円偏光または楕円偏光として出射する光学結晶の位相差板と、この位相差板から出射されたそれぞれの円偏光または楕円偏光を常光線と異常光線の、互いに直交する２つの直線偏光に分岐して出射する第２の複屈折結晶板とを備えてなる光学素子の製造方法において、
前記位相差板の厚みは、Ｂ，Ｇ，Ｒの各色光全ての領域の各々につき、１つ乃至２つの偏光解消波長が存在する値に設定することを特徴とする光学素子の製造方法。
前記位相差板の厚みを、下記条件式（１）を満足する値とすることを特徴とする請求項３または４記載の光学素子の製造方法。
偏光度Ｐと透過率Ｔの積の波長平均値＜０．７……（１）
ただし、偏光度Ｐは下式（２）で表される。