JP6694008B2 - Total reflection type polarizer - Google Patents
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Description
本発明は、偏光子に係り、特に入射光線の二つの偏光成分の一方を全反射により除去する全反射型偏光子に関する。 The present invention relates to a polarizer, and more particularly to a total reflection type polarizer that removes one of two polarization components of an incident light ray by total reflection.
消光比の高い偏光子は、偏光解析などの高精度な計測、分析機器に用いられているが、カメラなどの結像光学系で使用される偏光子に、高い消光比性能が要求される事はあまりなかった。 Polarizers with a high extinction ratio are used in high-precision measurement and analysis equipment such as polarization analysis, but high extinction ratio performance is required for polarizers used in imaging optical systems such as cameras. There weren't many.
一般的に使用されている高消光比偏光子として、方解石製やα−BaB2O4(α−BBO)製のグラン−トムソンプリズムがある。しかし、プリズム材に常光屈折率(no)が異常光屈折率(ne)より大きい負の一軸性結晶(no>ne)である方解石やα−BBOを用いた一般的なグラン−トムソンプリズムは、プリズム材内部において異常光が透過光になるため、異常光の入射角依存性による収差の影響が生じる。したがって、集光光を従来のグラン−トムソンプリズムに入射した場合、非点収差状の収差の影響を受けて、集光点が小さくならない。 Glan-Thomson prisms made of calcite or α-BaB 2 O 4 (α-BBO) are commonly used high extinction ratio polarizers. However, ordinary refractive index of the prism material (n o) is the extraordinary refractive index (n e) more negative uniaxial crystal (n o> n e) a is calcite or alpha-BBO common ground with - In the Thomson prism, since the extraordinary light becomes transmitted light inside the prism material, the aberration is affected by the incident angle dependence of the extraordinary light. Therefore, when the condensed light is incident on the conventional Glan-Thompson prism, the condensing point is not reduced due to the influence of the astigmatic aberration.
図19に、方解石製のグラン−トムソンプリズムに入射角±2°の集光光を入射した場合の集光点における集光サイズの計算結果を示す。図19に示すように、集光点のサイズは約200μm強であり、大きい事が分かる。この様に、通常の全反射型高消光比偏光子であるグラン−トムソンプリズムは、収差の影響が大きく高分解能が要求される使用用途に適するものではない。 FIG. 19 shows the calculation result of the condensing size at the condensing point when the condensed light having the incident angle of ± 2 ° is incident on the Calcite-Gran-Thompson prism. As shown in FIG. 19, the size of the condensing point is about 200 μm or more, which is large. As described above, the Glan-Thompson prism, which is a normal total reflection type high extinction ratio polarizer, is not suitable for use in which high resolution is required due to large influence of aberration.
以上のように、方解石製グラン−トムソンプリズムやグラン−テーラープリズムを含めた従来の高消光比偏光子のほとんどは、収差が大きいため、結像性能が悪く、カメラなどの結像光学系で用いるのに適していない。 As described above, most conventional high-extinction-ratio polarizers including Calcite-Glan-Thomson prisms and Glan-Taylor prisms have large aberrations and thus have poor imaging performance, and are used in imaging optical systems such as cameras. Not suitable for.
一方、偏光分離型偏光子であるローションプリズムは、数少ない高消光比で低収差な偏光子であり、使用する一軸性結晶が正、負に係わらず、常光線を透過光にすることが出来るため、集光光のサイズを小さくすることが可能である。しかし、ローションプリズムは、入射光線の二つの偏光成分の一方を屈折により除去する偏光分離型であるため、集光光を使用する場合、分離角を集光角より大きくする必要があり、また、入射光線の大きさにより、分離光を分離するためには、ローションプリズムの後に長いスペースを必要とし、装置の大型化を引き起こしてしまう。さらに、ローションプリズムは、入射光の入射角、方向により透過率が変化する特長があるため、集光、発散光が透過した場合、透過光に輝度分布(輝度ムラ)を与えるため、結像光学系に使用するのに適していない。 On the other hand, the Rochon prism, which is a polarization splitting type polarizer, is a rare polarizer with a high extinction ratio and low aberration, and can convert ordinary rays into transmitted light regardless of whether the uniaxial crystal used is positive or negative. It is possible to reduce the size of condensed light. However, since the Rochon prism is a polarization separation type that removes one of the two polarization components of the incident light by refraction, when using condensed light, it is necessary to make the separation angle larger than the collection angle. Depending on the size of the incident light beam, a long space is required after the Rochon prism in order to separate the separated light, which causes an increase in size of the device. Further, since the Rochon prism has a feature that the transmittance changes depending on the incident angle and direction of the incident light, when condensed light or divergent light is transmitted, it gives a luminance distribution (luminance unevenness) to the transmitted light. Not suitable for use in systems.
特許文献1には、二つの一軸性結晶製プリズムと、二つの一軸性結晶製プリズムの間に一軸性結晶板を配置した偏光プリズムに関し、プリズム材と結晶板材に用いる一軸性結晶の正負を反対として、視野角を広くしたことが示されている。
特許文献2には、同一の異方性結晶材料である第1材料で形成された第1三角プリズム及び第2三角プリズムと、第1及び第2三角プリズムの間に介在してなる平板とを備えた偏光子に関し、平板は、第1材料とは異なる異方性結晶材料、等方性結晶材料または光学ガラスのいずれかの第2材料で形成されていることが記載されている。 Patent Document 2 discloses a first triangular prism and a second triangular prism formed of a first material which is the same anisotropic crystal material, and a flat plate interposed between the first and second triangular prisms. Regarding the provided polarizer, it is described that the flat plate is formed of a second material which is an anisotropic crystal material different from the first material, an isotropic crystal material, or an optical glass.
特許文献3には、複数の一軸性結晶製プリズムを、光学軸が交互に直交になるように、配置された構造で、それぞれの結晶プリズム間の間隙を小さくすることで、収差が小さくなる事が記載されている。 In Patent Document 3, a plurality of uniaxial crystal prisms are arranged such that their optical axes are alternately orthogonal to each other, and the gap between the crystal prisms is made small, whereby the aberration is reduced. Is listed.
非特許文献1には、方解石製グランテーラープリズムの空気間隙を15μmにすることで、色収差を低減する例が示されているが、これは集光点のサイズをぼかし、波長ごとの集光点のサイズを同程度のサイズにするものである。
Non-Patent
近年、半導体などの高精度、高密度化に伴い、微小領域の偏光解析や高分解能な面内情報の分析が重要性を増しており、加えて、高速度の計算処理技術の発展が、この様な分析を可能にしてきているため、結像光学系内で用いても消光比が高く、波長特性、視野角特性にも優れた偏光子が必要とされている。 In recent years, along with the high precision and high density of semiconductors and the like, polarization analysis of minute areas and analysis of high resolution in-plane information have become more important. Since such analyzes have been made possible, there is a need for a polarizer having a high extinction ratio even when used in an imaging optical system, and having excellent wavelength characteristics and viewing angle characteristics.
本発明者らが、複屈折性結晶を用いた高消光比を示す全反射型偏光子の低収差化に必要な条件を検討したところ、(条件1)偏光子を透過する光線(出射光線)が常光線であること、及び、(条件2)偏光子に入射する光線(入射光線)が偏光子内で直進することの2つの条件を満たす必要があることを見出した。 The present inventors examined the conditions necessary for reducing the aberration of a total reflection type polarizer showing a high extinction ratio using a birefringent crystal, and found that (condition 1) a light beam that passes through the polarizer (emitted light beam). It has been found that there are two conditions: that is an ordinary ray, and that (condition 2) a ray incident on the polarizer (incident ray) travels straight in the polarizer.
具体的には、偏光子を透過する光線(出射光線)が常光線であることで入射角の違いによる屈折率変化を受けず、また、偏光子に入射する光線(入射光線)が偏光子内で直進することで、低収差化が実現される。 Specifically, since the light ray that passes through the polarizer (outgoing light ray) is an ordinary ray, it does not undergo a change in the refractive index due to the difference in the incident angle, and the light ray that enters the polarizer (incident light ray) is inside the polarizer. By going straight on, low aberration is realized.
特許文献1には、偏光子を透過する光線(出射光線)が常光線となる、プリズム材と結晶板材に用いる一軸性結晶の正負を反対にする構造が開示されているが、偏光子に入射する光線(入射光線)が偏光子内で直進するように、つまり、プリズム材と結晶板材の界面における屈折を抑制するために、結晶板材の板厚を薄くすることについて、開示も示唆もされていない。
特許文献2においても、偏光子を透過する光線(出射光線)が常光線となるプリズム材と結晶板材に用いる一軸性結晶の正負を反対にする構造が開示されているが、偏光子に入射する光線(入射光線)が偏光子内で直進するように、つまり、プリズム材と結晶板材の界面における屈折を抑制するために、結晶板材の板厚を薄くすることについて、開示も示唆もされていない。 Patent Document 2 also discloses a structure in which the positive and negative polarities of the uniaxial crystal used in the crystal plate material and the prism material in which the light ray (emitted light ray) that passes through the polarizer becomes an ordinary ray are made to enter, but are incident on the polarizer. There is no disclosure or suggestion of reducing the thickness of the crystal plate material so that the light ray (incident light ray) goes straight in the polarizer, that is, in order to suppress the refraction at the interface between the prism material and the crystal plate material. ..
特許文献3に記載の偏光子アセンブリにおいて、透過光は必ず各プリズム内で常光線と異常光線を交互に繰り返すため、透過光を常光線とする構造ではない。また、特許文献3に記載の偏光子アセンブリでは、プリズム間に配置されるのは空気等の等方性材料であり、もしくは、プリズムは直接接合されているが、一軸性結晶をプリズム間に配置することは記載されていない。特許文献3に記載の偏光子アセンブリは、視野角を拡大することを目的としており、空気間隙は無くても良く、空気間隙を設ける場合、間隙の厚みは、薄い方が収差を大きくしないために好ましいことが示されている。したがって、特許文献3に記載の偏光子アセンブリは、空気間隙の厚みを薄くすることで、積極的に収差を低減させているものではない。特許文献3に記載の偏光子アセンブリの基本構造は、ウォラストンプリズムであるため、収差も一般的なウォラストンプリズムと同程度であり、その収差は小さいものではない。 In the polarizer assembly described in Patent Document 3, the transmitted light always repeats the ordinary ray and the extraordinary ray in each prism, so that the transmitted light is not the ordinary ray. Further, in the polarizer assembly described in Patent Document 3, an isotropic material such as air is arranged between the prisms, or the prisms are directly bonded but a uniaxial crystal is arranged between the prisms. There is no mention of what to do. The polarizer assembly described in Patent Document 3 is intended to widen the viewing angle, and may have no air gap. When an air gap is provided, a thinner thickness does not increase aberrations. It has been shown to be preferred. Therefore, the polarizer assembly described in Patent Document 3 does not positively reduce the aberration by reducing the thickness of the air gap. Since the basic structure of the polarizer assembly described in Patent Document 3 is a Wollaston prism, the aberration is similar to that of a general Wollaston prism, and the aberration is not small.
非特許文献1に記載の方解石製グランテーラープリズムは、収差の低減を目的とするものではない。具体的には、非特許文献1に記載の方解石製グランテーラープリズムは、各波長での集光点サイズが大きいため、集光点のサイズを小さくし、分解能の高い二次元像を実現することはできない。また、プリズム材に負の一軸性結晶である方解石を用いているため、透過光は、プリズム内では異常光線である。さらに、非特許文献1の偏光子において、プリズム間には空気間隙が存在しており、プリズム間に結晶材などを設けることは記載されていない。
The calcite Gran-Taylor prism described in Non-Patent
高消光比で収差の少ない基本構造を持つ全反射型偏光子として、フォイスナープリズムがある。フォイスナープリズムは、二つのガラス製プリズムの間に複屈折の大きな一軸性結晶の板材を配置し、接合した構造の偏光子である。フォイスナープリズムにおいて、板材を方解石やα−BBO等の複屈折の大きな負の一軸性結晶を用いた場合、透過偏光は、素子中では常光線となるため、入射角の違いによる屈折率変化を受けない。また、フォイスナープリズムでは、プリズム材であるガラスを方解石の常光屈折率に合わせて選択することが可能であるため、板材部分に起因する非点収差、コマ収差の影響を受けない。 There is a Foisner prism as a total reflection type polarizer having a basic structure with a high extinction ratio and little aberration. The Feusner prism is a polarizer having a structure in which a plate material of uniaxial crystal having a large birefringence is arranged between two glass prisms and bonded. When a negative uniaxial crystal with large birefringence such as calcite or α-BBO is used as the plate material in the Feusner prism, the transmitted polarized light becomes an ordinary ray in the element, so that the change in the refractive index due to the difference in the incident angle is changed. I do not receive it. Further, in the Feusner prism, since it is possible to select the glass that is the prism material according to the ordinary refractive index of the calcite, it is not affected by the astigmatism and coma aberration caused by the plate material portion.
しかし、フォイスナープリズムは、成形時、研磨加工時、板材との接合時に使用するガラスプリズムに発生する応力によって歪みが生じることがある。その結果、消光比性能等が劣化してしまうことがあった。そのため、フォイスナープリズムは、偏光子として実際に使用されることがなかった。 However, the Foisner prism may be distorted by the stress generated in the glass prism used at the time of molding, polishing, and joining with a plate material. As a result, the extinction ratio performance may be deteriorated. Therefore, the Feusner prism was never actually used as a polarizer.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、高消光比で低収差な全反射型偏光子を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a total reflection type polarizer having a high extinction ratio and low aberration.
本発明者らは、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、フォイスナープリズムにおいて、プリズム材を一軸性結晶とし、プリズム間の平板を厚みの薄い負の一軸性結晶とすることで、飛躍的に収差が低減されることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of earnest research to solve the above problems, the present inventors have made a dramatic difference by using a uniaxial crystal as the prism material and a thin uniaxial crystal as the flat plate between the prisms in the Feusner prism. It was found that the aberration was reduced, and the present invention was completed.
前記課題は、本発明の全反射型偏光子によれば、入射光線の二つの偏光成分の一方を全反射により除去する全反射型偏光子であって、サファイアで形成された第一プリズム及び第二プリズムと、前記第一プリズム及び前記第二プリズムの間に常光屈折率(no)が異常光屈折率(ne)よりも大きい負の一軸性結晶で形成された平板と、を備え、前記第一プリズムは、前記入射光線が入射する第一入射光学面と、前記入射光線の一方の偏光が全反射され、他方の偏光が出射する第一出射光学面と、を備え、前記第二プリズムは、分離された前記入射光線の一方の偏光が入射する第二入射光学面と、分離された前記入射光線の一方の偏光が出射光線として出射する第二出射光学面と、を備えており、前記平板の厚みが20μm以下であり、前記第一プリズムの光学軸である第一光学軸、前記第二プリズムの光学軸である第二光学軸、前記平板の光学軸である第三光学軸は互いに平行であり、前記第一光学軸、前記第二光学軸、前記第三光学軸は、前記入射光線の光軸と直交しており、前記第一プリズム及び前記第二プリズムを形成するサファイアの常光屈折率をnpro、異常光屈折率をnpreとし、前記平板を形成する負の一軸性結晶の常光屈折率をno、異常光屈折率をneとし、前記第一プリズムにおける前記第一入射光学面と前記第一出射光学面のなす角度及び前記第二プリズムにおける前記第二入射光学面と前記第二出射光学面のなす角度である楔角度をαとしたとき、下記式(1)を満たすこと、により解決される。
sin−1(ne/npre)≦α<sin−1(no/npro) 式(1)
According to the total reflection type polarizer of the present invention, the above-mentioned problem is a total reflection type polarizer that removes one of two polarization components of an incident light ray by total reflection, and a first prism and a first prism formed of sapphire. comprising a secondary prism, and a flat plate formed of a negative uniaxial crystal larger than the refractive index (n o) is the extraordinary refractive index (n e) ordinary between the first prism and the second prism, The first prism includes a first incident optical surface on which the incident light beam is incident, and a first emission optical surface on which one polarized light of the incident light beam is totally reflected and the other polarized light is emitted. The prism includes a second incident optical surface on which one of the separated incident light beams is incident, and a second outgoing optical surface on which one of the separated incident light beams is emitted as an emitted light beam. , the thickness of the plate is at 20μm or less, before The first optical axis that is the optical axis of the first prism, the second optical axis that is the optical axis of the second prism, the third optical axis that is the optical axis of the flat plate is parallel to each other, the first optical axis, The second optical axis and the third optical axis are orthogonal to the optical axis of the incident light beam, and the ordinary refractive index of sapphire forming the first prism and the second prism is n pro , and the extraordinary refractive index is was a n pre, the ordinary refractive index of the negative uniaxial crystal that forms the flat n o, the extraordinary refractive index and n e, the first outgoing optical surface and the first incidence optical surface in the first prism And the wedge angle, which is the angle between the second incident optical surface and the second output optical surface in the second prism, is defined as α, the following equation (1) is satisfied.
sin −1 (n e / n pre ) ≦ α <sin −1 (n o / n pro ) Expression (1)
このように、全反射型偏光子において、サファイアで形成された2つのプリズムの間に、厚みの薄い負の一軸性結晶で形成された平板を備えているため、第一プリズムと平板との界面において、入射光線の異常光線が全反射して分離されるとともに、入射光線の常光線に生じる屈折が小さく抑えられる。したがって、高消光比であると共に十分に収差がより一層低減された全反射型偏光子を提供することが可能となる。
As described above, in the total reflection type polarizer, since the flat plate formed of the thin negative uniaxial crystal is provided between the two prisms formed of sapphire, the interface between the first prism and the flat plate is In (1), the extraordinary ray of the incident ray is totally reflected and separated, and the refraction occurring in the ordinary ray of the incident ray is suppressed small. Therefore, it is possible to provide a totally reflective polarizer sufficient aberration is more is further reduced with a high extinction ratio.
このとき、前記第一光学軸、前記第二光学軸、前記第三光学軸は、前記第一プリズムの入射光学面と平行に配置されているとよい。
このように構成すると、視野角が広くなり、かつ、第一プリズムと平板の間、及び第二プリズムと平板の間における反射が低減するため、透過率が向上すると共に、ゴーストを低減することが可能となる。
At this time, the first optical axis, the second optical axis, and the third optical axis may be arranged parallel to the incident optical surface of the first prism.
According to this structure, the viewing angle becomes wide, and the reflection between the first prism and the flat plate and between the second prism and the flat plate is reduced, so that the transmittance is improved and the ghost can be reduced. It will be possible.
このとき、前記第一プリズムと前記平板の間、又は、前記第二プリズムと前記平板の間の少なくとも一方に反射防止膜を備えるとよい。
このように構成すると、透過率を向上させることが可能となると共に、ゴーストを低減することが可能となる。
At this time, an antireflection film may be provided on at least one of the first prism and the flat plate or the second prism and the flat plate.
According to this structure, the transmittance can be improved and the ghost can be reduced.
このとき、前記第一プリズムと前記平板の間、及び、前記第二プリズムと前記平板の間の両方に反射防止膜を備えるとよい。
このように構成すると、透過率をより一層向上させることが可能となると共に、ゴーストをより一層低減することが可能となる。
At this time, an antireflection film may be provided both between the first prism and the flat plate and between the second prism and the flat plate.
According to this structure, the transmittance can be further improved and the ghost can be further reduced.
このとき、前記平板が方解石、Li2B4O7、α−BaB2O4から選択される1種で形成されているとよい。 In this case, it is preferable prior SL flat calcite, Li 2 B 4 O 7, and is formed by one selected from α-BaB 2 O 4.
本発明によれば、全反射型偏光子において、一軸性結晶で形成された2つのプリズムの間に、厚みの薄い負の一軸性結晶で形成された平板を備えており、出射される光線が常光線であり、かつ、偏光子内において常光線が直進するため、高消光比であると共に十分に収差を低減することが可能となる。 According to the present invention, in a total reflection type polarizer, a flat plate formed of a thin negative uniaxial crystal is provided between two prisms formed of a uniaxial crystal, and a light beam emitted is Since it is an ordinary ray and the ordinary ray travels straight in the polarizer, it is possible to have a high extinction ratio and sufficiently reduce aberrations.
以下、本発明の一実施形態に係る全反射型偏光子について、図1乃至図18を参照しながら説明する。
本発明に係る全反射型偏光子は、フォイスナープリズムの欠点を解消した高消光比で低収差な全反射型偏光子である。
本明細書において、「コンタクト」とは、一対の隣接するプリズムが相互に接触して配置されていることをいい、直接接合されているオプティカル・コンタクトのほか、接着による接合も含まれる。
また、本明細書において、プリズムが「対向」するとは、直接接合されているオプティカル・コンタクトの場合と、接着剤など、何かを介在させて接合されている接着の場合とを含む。
Hereinafter, a total reflection type polarizer according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 18.
The total internal reflection type polarizer according to the present invention is a total internal reflection type polarizer having a high extinction ratio and low aberration, which eliminates the drawbacks of the Foisner prism.
In the present specification, the term “contact” means that a pair of adjacent prisms are arranged in contact with each other, and includes not only optical contact directly bonded but also bonding by adhesion.
Further, in the present specification, “opposing” the prisms includes a case of an optical contact that is directly bonded and a case of bonding that is bonded by interposing something such as an adhesive.
「複屈折性」とは、光学的異方性を有する材料に光線が入射したとき、屈折光が2つに分れる性質をいう。複屈折性の結晶材料に光が入射した場合、入射光線は常光線(O線:Ordinary Wave)と異常光線(E線:Extraordinary Wave)に分離される。
「常光線」は、複屈折性を有する結晶材料の光学軸と入射光線の光軸とで形成される平面に対し直交するように振動する光線であり、光学軸の影響を受けずに複屈折性の結晶材料内で入射光線の光軸と同一直線上を進行する。
「異常光線」は、複屈折性を有する結晶材料の光学軸と入射光線の光軸とで形成される平面に対し平行になるように振動する光線であり、光学軸の影響を受けて複屈折性の結晶材料内で常光線と分離して進行する。
常光線及び異常光線は、直線偏光成分を有する光線であり、常光線及び異常光線の電場の振動方向は互いに直交する。
The "birefringence" means a property that when a light ray enters a material having optical anisotropy, refracted light is divided into two. When light is incident on the birefringent crystal material, an incident ray is separated into an ordinary ray (O line: Ordinary Wave) and an extraordinary ray (E line: Extraordinary Wave).
An "ordinary ray" is a ray that oscillates so as to be orthogonal to the plane formed by the optical axis of the birefringent crystal material and the optical axis of the incident ray, and is birefringent without being affected by the optical axis. Travels on the same straight line as the optical axis of the incident ray in the crystalline material.
An "extraordinary ray" is a ray that oscillates so as to be parallel to the plane formed by the optical axis of the birefringent crystal material and the optical axis of the incident ray. In the crystalline material, it travels separately from the ordinary rays.
The ordinary ray and the extraordinary ray are rays having a linear polarization component, and the vibration directions of the electric fields of the ordinary ray and the extraordinary ray are orthogonal to each other.
ガラスに代表される等方性材料は、加工などに際し、異方性の歪みを生じやすいが、一軸性の異方性結晶は、すでに異方性を持っているために、加工などで発生する応力による、異方性の歪みを生じ難い特長を有している。本発明では、この特性を利用して、プリズムを構成する材料を一軸性結晶に置き換えることで、歪みの問題を解決している。 Isotropic materials, such as glass, are prone to anisotropic strain during processing, but uniaxial anisotropic crystals already have anisotropy, so they occur during processing. It has the feature that anisotropic strain is less likely to occur due to stress. In the present invention, by utilizing this characteristic, the material forming the prism is replaced with a uniaxial crystal to solve the problem of distortion.
しかし、一軸性結晶は、比較的自由に屈折率を制御可能なガラスとは異なり、自由に屈折率を設定して製作することが困難であるため、プリズムを構成する材料の屈折率を自由に選択することが出来ない。実際に、実用上使用される波長帯域である、紫外域から近赤外域において、平板に用いる異方性の大きな負の一軸性結晶である方解石、α−BaB2O4(α−BBO)、Li2B4O7(LB4)等の結晶と常光屈折率が略一致し、異常光を全反射させるために、平板の異常光屈折率よりも異常光屈折率が大きい、実用的なプリズム用の一軸性結晶は存在しない。 However, unlike glass in which the refractive index can be controlled relatively freely, it is difficult to set the refractive index freely, and therefore the uniaxial crystal can be made to have the refractive index of the material forming the prism freely. I can't choose. Actually, in the wavelength band practically used, in the ultraviolet region to the near infrared region, calcite, α-BaB 2 O 4 (α-BBO), which is a negative uniaxial crystal having large anisotropy used for a flat plate, For practical prisms, the refractive index of ordinary light is almost the same as that of crystals such as Li 2 B 4 O 7 (LB4), and the refractive index of extraordinary light is larger than that of a flat plate in order to totally reflect extraordinary light. There are no uniaxial crystals.
したがって、プリズムを構成する材料には、平板の常光屈折率とは常光屈折率が異なる一軸性結晶を用いる必要がある。ここで、紫外域から近赤外域まで透明で、複屈折の大きい負の一軸性結晶の異常光屈折率より、異常光屈折率が大きい、実用的な一軸性結晶はサファイアである。なお、サファイアであっても、複屈折が大きい負の一軸性結晶の常光屈折率と、常光屈折率は異なる。 Therefore, it is necessary to use a uniaxial crystal having an ordinary refractive index different from that of a flat plate as the material forming the prism. Here, sapphire is a practical uniaxial crystal having a larger extraordinary light refractive index than the negative uniaxial crystal having a large birefringence and being transparent from the ultraviolet region to the near infrared region. Even with sapphire, the ordinary refractive index and the ordinary refractive index of a negative uniaxial crystal having a large birefringence are different.
プリズムを構成する材料と、平板を構成する材料の屈折率が異なる場合、プリズムから平板へ光線が透過する際に光が屈折し、さらに、平板からプリズムに光が透過する際にも光が屈折する。したがって、集光光や発散光では、光が屈折する際に収差が発生し、集光性能が低下してしまう。そのため、本発明では、平板の厚みを薄くすることで、プリズム(第一プリズム)から平板、さらに平板からプリズム(第二プリズム)へと透過する際に発生する収差を低減する。 When the material that makes up the prism and the material that makes up the flat plate have different refractive indices, the light is refracted when the light beam passes from the prism to the flat plate, and the light also refracts when the light passes from the flat plate to the prism. To do. Therefore, in the condensed light or the divergent light, aberration occurs when the light is refracted and the condensing performance is deteriorated. Therefore, in the present invention, by reducing the thickness of the flat plate, the aberration that occurs when transmitting from the prism (first prism) to the flat plate and from the flat plate to the prism (second prism) is reduced.
(実施の形態1)
本実施形態の全反射型偏光子P1は、図1に示すように、断面直角三角形の三角柱状の同一形状からなる第一プリズム10及び第二プリズム20と、第一プリズム10及び第二プリズム20の間に配置された平板30と、を備えている。また、本実施形態の全反射型偏光子P1は、図1に示すように、入射光線Iの光軸Xに沿って、第一プリズム10、平板30、第二プリズム20の順に配列されて構成されている。
(Embodiment 1)
As shown in FIG. 1, the total reflection type polarizer P1 of the present embodiment has a
第一プリズム10は、入射光線Iが入射する第一入射光学面12と、入射光線Iの一方の偏光が全反射され、他方の偏光が出射する第一出射光学面14と、を備えている。
第二プリズム20は、分離された入射光線Iの一方の偏光が入射する第二入射光学面22と、分離された入射光線Iの一方の偏光が出射光線Eとして出射する第二出射光学面24と、を備えている。
The
The
平板30は、第一プリズム10の第一出射光学面14と対向する第一接合面32と、第二プリズム20の第二入射光学面22と対向する第二接合面34と、を備えており、第一接合面32と第二接合面34は互いに平行となるように形成されている。
The
本実施形態の全反射型偏光子P1は、図1に示すように、第一プリズム10の第一出射光学面14が平板30の第一接合面32と接合され、平板30の第二接合面34が第二プリズム20の第二入射光学面22と接合されている。このとき、第一プリズム10の第一出射光学面14、平板30の第一接合面32、第二接合面34、第二プリズム20の第二入射光学面22が相互に平行となっている。
In the total reflection type polarizer P1 of the present embodiment, as shown in FIG. 1, the first exit
第一プリズム10及び第二プリズム20は、一軸性結晶から形成されている。ここで、紫外域から近赤外域まで透明で、平板30を形成する負の一軸性結晶の異常光屈折率より、異常光屈折率が高い、実用的な一軸性結晶として、サファイアを用いると好適である。サファイアの屈折率は、常光屈折率(no)が異常光屈折率(ne)よりも大きい、すなわちno>neであり、負の一軸性結晶である。
The
サファイアの屈折率は、波長λ=180nmにおいて、no=1.966、ne=1.954であり、波長λ=220nmにおいて、no=1.878、ne=1.868であり、波長λ=500nmにおいて、no=1.774、ne=1.766であり、波長λ=1700nmにおいて、no=1.744、ne=1.736であり、波長λ=2000nmにおいて、no=1.738、ne=1.730であり、波長λ=2300nmにおいて、no=1.731、ne=1.723である。 The refractive index of sapphire is n o = 1.966, n e = 1.954 at the wavelength λ = 180 nm, and n o = 1.878, n e = 1.868 at the wavelength λ = 220 nm. At the wavelength λ = 500 nm, n o = 1.774 and n e = 1.766, at the wavelength λ = 1700 nm, n o = 1.744 and n e = 1.736, and at the wavelength λ = 2000 nm, n o = 1.738 and n e = 1.730, and at the wavelength λ = 2300 nm, n o = 1.731 and n e = 1.723.
平板30は、常光屈折率(no)が異常光屈折率(ne)よりも大きい、すなわちno>neである複屈折量の大きな負の一軸性結晶、例えば、方解石(CaCO3)、α−BaB2O4(バリウムホウ酸塩;α−BBO)、Li2B4O7(四ホウ酸リチウム;LB4)から選択される1種で形成されていると好適である。
The
方解石の屈折率は、波長λ=220nmにおいて、no=1.829、ne=1.554であり、波長λ=500nmにおいて、no=1.666、ne=1.490であり、波長λ=1700nmにおいて、no=1.630、ne=1.477である。 Refractive index of the calcite, the wavelength λ = 220nm, n o = 1.829 , is n e = 1.554 at a wavelength λ = 500nm, n o = 1.666 , is n e = 1.490, At the wavelength λ = 1700 nm, n o = 1.630 and n e = 1.477.
α−BBOの屈折率は、波長λ=220nmにおいて、no=1.832、ne=1.661であり、波長λ=500nmにおいて、no=1.677、ne=1.557であり、波長λ=2000nmにおいて、no=1.639、ne=1.522である。 refractive index of the alpha-BBO at a wavelength λ = 220nm, n o = 1.832 , is n e = 1.661 at a wavelength λ = 500nm, n o = 1.677 , with n e = 1.557 Then, at the wavelength λ = 2000 nm, n o = 1.639 and n e = 1.522.
LB4の屈折率は、波長λ=180nmにおいて、no=1.790、ne=1.712であり、波長λ=500nmにおいて、no=1.616、ne=1.558であり、波長λ=2300nmにおいて、no=1.570、ne=1.523である。 The refractive index of LB4 is n o = 1.790, n e = 1.712 at the wavelength λ = 180 nm, and n o = 1.616, n e = 1.558 at the wavelength λ = 500 nm, At the wavelength λ = 2300 nm, n o = 1.570 and n e = 1.523.
図1に示すように、第一プリズム10の第一入射光学面12と第一出射光学面14は楔角度αをなしており、同様に、第二プリズム20の第二入射光学面22と第二出射光学面24も楔角度αをなしている。ここで、楔角度αは、全反射型偏光子P1に入射する入射光線Iのうち、異常光線のみが全反射する角度の範囲において、使用用途、使用波長に応じて設定することが可能である。
As shown in FIG. 1, the first entrance
具体的には、本実施形態の全反射型偏光子P1において、第一プリズム10及び第二プリズム20を形成する一軸性結晶の常光屈折率をnpro、異常光屈折率をnpreとし、平板30を形成する負の一軸性結晶の常光屈折率をno、異常光屈折率をneとし、第一プリズム10及び第二プリズム20の楔角度をαとした場合、下記式(1)を満たす。
sin−1(ne/npre)≦α<sin−1(no/npro) 式(1)
Specifically, in the total internal reflection type polarizer P1 of the present embodiment, the ordinary light refractive index of the uniaxial crystal forming the
sin −1 (n e / n pre ) ≦ α <sin −1 (n o / n pro ) Expression (1)
式(1)の導出は、以下のとおりである。一軸性結晶は、常光屈折率(npro)と異常光屈折率(npre)を持ち、プリズム内の常光は平板30内の常光に、プリズム内の異常光は平板30内の異常光になるため、本実施形態の全反射型偏光子P1は、以下の式(2)、式(3)に示す様に、異なる一対の全反射(臨界角)、すなわち、臨界角θc1及び臨界角θc2を持つ。
臨界角θc1=sin−1(no/npro) 式(2)
臨界角θc2=sin−1(ne/npre) 式(3)
The derivation of equation (1) is as follows. The uniaxial crystal has an ordinary light refractive index (n pro ) and an extraordinary light refractive index (n pre ). The ordinary light in the prism becomes the ordinary light in the
The critical angle θ c1 = sin -1 (n o / n pro) formula (2)
Critical angle θ c2 = sin −1 ( ne / n pre ) Formula (3)
全反射偏光子としての機能が得られる範囲は、臨界角θc1と臨界角θc2の間の角度で入射光が入射した場合である。この場合、プリズムの楔角度αは、式(4)を満たす事になる。
θc2≦α<θc1 式(4)
式(4)に、式(2)及び式(3)の臨界角θc1及び臨界角θc2を代入することで式(1)が得られる。
The range in which the function as a total reflection polarizer is obtained is when incident light is incident at an angle between the critical angle θ c1 and the critical angle θ c2 . In this case, the wedge angle α of the prism satisfies Expression (4).
θ c2 ≦ α <θ c1 Formula (4)
The expression (1) is obtained by substituting the critical angle θ c1 and the critical angle θ c2 of the expression (2) and the expression (3) into the expression (4).
上述したように、異常光を全反射させるためには、第一プリズム10及び第二プリズム20を形成する一軸性結晶の異常光屈折率をnpreが、平板30を形成する負の一軸性結晶の異常光屈折率をneよりも大きい必要があるので、ne<npreである。
As described above, in order to totally reflect the extraordinary light, the extraordinary light refractive index n pre of the uniaxial crystal forming the
プリズム(第一プリズム10及び第二プリズム20)と平板30の光学軸(結晶軸)は、透過光を常光線とするため、同一平面上に配置する必要がある。ただし、プリズム(第一プリズム10及び第二プリズム20)と平板30の光学軸が、入射光線の光線軸方向に配置される場合は、偏光子として機能しないため、除くものとする。
The optical axes (crystal axes) of the prisms (
好適な光学軸(結晶軸)の配置は、プリズム(第一プリズム10及び第二プリズム20)と平板30の光学軸が同一方向に配置され、入射光線Iの光軸Xと直交する方向の配置である。当該配置は、図1及び後述する図4に示した配置であり、広視野角化や広波長帯域化などに対して有効であるため好適である。さらに、図1に示す様に、第一プリズム10の第一光学軸A1、第二プリズム20の第二光学軸A2、平板30の第三光学軸A3が、紙面に対して垂直の配置、換言すると、第一光学軸A1、第二光学軸A2、第三光学軸A3が、第一プリズム10の第一入射光学面12及び第一出射光学面14と平行に配置されている方が、第一プリズム10と平板30の間、及び第二プリズム20と平板30の間における反射が低減するため、透過率の向上、ゴーストの低減などに効果があり好適である。
The preferred arrangement of the optical axis (crystal axis) is such that the optical axes of the prisms (the
第一プリズム10と平板30、及び、第二プリズム20と平板30の接合方法は、オプティカル・コンタクトによる直接接合とすることが好適であるが、接着剤を用いた接着固定とすることも可能である。なお、接着剤を用いて接合を行う場合には、接着剤の屈折率は、平板30を形成する負の一軸性結晶の常光屈折率と同等か、それよりも大きいことが好ましい。
The
平板30の厚みdは、収差低減のためには、薄いことが好ましく、より好ましくは20μm以下、特に好ましくは10μm以下とするとよい。また、光トンネル効果を防止する観点から、平板30の厚みdは0.5μm以上とすると好適である。
The thickness d of the
本実施形態の全反射型偏光子P1を用いた入射光の偏光が分離される様子を、図1を参照して説明する。
本実施形態の全反射型偏光子P1に、第一プリズム10の第一入射光学面12から入射光線Iが入射すると、入射光線Iは、第一プリズム10の第一出射光学面14と平板30の第一接合面32との界面において、一方の偏光成分(異常光線)が全反射して反射光線Rとして分離(除去)され、他方の偏光成分(常光線)は平板30及び第二プリズム20を透過して、第二プリズム20の第二出射光学面24から出射光線Eとして出射される。つまり、第一プリズム10の第一出射光学面14と平板30の第一接合面32との界面が全反射部として機能する。なお、図1では図示を省略しているが、一部ではあるが常光線が反射光線Rに混入している。
The manner in which the polarized light of the incident light is separated by using the total reflection type polarizer P1 of the present embodiment will be described with reference to FIG.
When the incident light ray I is incident on the total reflection type polarizer P1 of the present embodiment from the first incident
第一プリズム10及び第二プリズム20は、上記式(1)を満たし、常光屈折率(no)が、異常光屈折率(ne)よりも大きい負の一軸性結晶で形成されているため、第一プリズム10の第一出射光学面14と平板30の第一接合面32との界面において、入射光線Iの異常光線が全反射して反射光線Rとして分離(除去)される。
The
他方の偏光成分である常光線は、平板30及び第二プリズム20を透過して、第二プリズム20の第二出射光学面24から出射される。このとき、第一プリズム10及び第二プリズム20を形成する一軸性結晶の常光屈折率と、平板30を形成する一軸性結晶の常光屈折率には、ある程度の差があるが、平板30の厚みdが薄い場合、第一プリズム10と平板30の界面、及び、平板30と第二プリズム20の界面において生じる屈折が小さく抑えられる。したがって、常光線は、全反射型偏光子P1において、入射光線Iの光軸Xからの乖離が抑制されて直進するため、収差が低減されることとなる。
The ordinary ray that is the other polarization component passes through the
以上のように、本実施形態の全反射型偏光子P1によれば、全反射型偏光子P1から出射される光線が常光線であり、かつ、全反射型偏光子P1内において屈折が小さく抑えられて直進するため、十分に収差を低減することが可能となる。 As described above, according to the total internal reflection type polarizer P1 of the present embodiment, the light rays emitted from the total internal reflection type polarizer P1 are ordinary rays, and the refraction within the total internal reflection type polarizer P1 is suppressed to be small. Since the vehicle is driven and goes straight, it is possible to sufficiently reduce the aberration.
第一プリズム10及び第二プリズム20をサファイアで形成し、平板30を板厚20μmの方解石とした全反射型偏光子P1に、入射角±2°の集光光を入射した場合の、集光点の形状及びサイズを、図2に示す。図2に示すように、集光点のサイズは数μm程度と小さいことが分かる。一般的な偏光子の中でも比較的集光点を小さくすることが出来る方解石製グランテーラープリズムと比較した場合であっても、同じ条件での集光点サイズは、40μm以上である。このことから、平板30の板厚が20μmの場合でも、従来の偏光子に比べて十分に収差を低減している事が分かる。平板30の板厚をより薄くすることで、集光点サイズをさらに小さくすることが可能である。
When the
図3は、平板30の厚さとスポットサイズの関係を示すグラフである。図3の太線は、方解石製グラン−テーラープリズムでスポット径が最小になるスペーサー厚100μmの時のスポット径である約45μmを示している。図3に示すように、平板30の厚みdが、20μm以下であると、スポット径が方解石製グラン−テーラープリズムのスポット径約45μmの半分以下、つまり、20μm以下となり収差が十分に低減する。平板30の図3の直線は、サファイアプリズムと、LB4、方解石、α−BBO板との組合せにおいては、ほぼ共通する関係である。
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the thickness of the
本実施形態の全反射型偏光子P1は、高い消光比を有している。ここで、消光比とは、偏光子から出射される出射光線Eに関し、一方の偏光(常光線)の強度をPOとし、他方の偏光(異常光線)の強度をPEとしたときに、消光比/dB=−10log(PE/PO)で表すことが出来る。全反射型偏光子P1の消光比は、好ましくは50dB以上であり、特に好ましくは60dB以上である。 The total reflection type polarizer P1 of the present embodiment has a high extinction ratio. Here, the extinction ratio is, when the intensity of one polarization (ordinary ray) is P O and the intensity of the other polarization (extraordinary ray) is P E with respect to the outgoing ray E emitted from the polarizer, Extinction ratio / dB = −10 log (P E / P O ). The extinction ratio of the total reflection type polarizer P1 is preferably 50 dB or more, and particularly preferably 60 dB or more.
また、第一プリズム10及び第二プリズム20のプリズム斜面(第一出射光学面14や第二入射光学面22)、又は、平板30の第一接合面32や第二接合面34に反射防止膜(AR膜)を施すと、透過率の向上やゴーストの低減が図られるためより好適である。反射防止膜としては、公知の材料が用いられる。例えば、チタン膜、酸化チタン膜、チッ化チタン膜、酸化クロム膜、カーボン膜、フッ化マグネシウム(MgF2)膜、酸化ケイ素膜、酸化ジルコニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、H4(メルク社製品名:チタン酸ランタン)膜、M2(メルク社製品名:ランタンアルミネート)膜、M3(メルク社製品名:ランタンアルミネート)膜、Ta2O5膜等の無機膜を真空蒸着、CVD、スパッタリング等の方法により形成したものや、メタクリル樹脂等の有機膜を塗布等の方法により成形したものが挙げられる。また、これら膜を適宜積層してもよい。
Further, an antireflection film is formed on the prism slopes of the
(実施の形態2)
本発明の他の実施形態に係る全反射型偏光子P2を、図4を参照して説明する。
本実施形態の全反射型偏光子P2は、入射光線Iの光軸Xに対する第一プリズム10の第一光学軸A1、第二プリズム20の第二光学軸A2、及び平板30の第三光学軸A3の方向が異なる点を除いては、実施の形態1の全反射型偏光子P1と同様の構成からなる。
(Embodiment 2)
A total reflection type polarizer P2 according to another embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
The total internal reflection type polarizer P2 of this embodiment has a first optical axis A1 of the
全反射型偏光子P2に、第一プリズム10の第一入射光学面12から入射光線Iが入射すると、入射光線Iは、第一プリズム10の第一出射光学面14と平板30の第一接合面32との界面において、一方の偏光成分(異常光線)が全反射して反射光線Rとして分離(除去)され、他方の偏光成分(常光線)は平板30及び第二プリズム20を透過して、第二プリズム20の第二出射光学面24から出射される。つまり、第一プリズム10の第一出射光学面14と平板30の第一接合面32との界面が全反射部として機能する。なお、図4では図示を省略しているが、一部ではあるが常光線が反射光線Rに混入している。
When the incident light ray I is incident on the total reflection type polarizer P2 from the first incident
全反射型偏光子P2では、入射光線Iの光軸Xに対する第一プリズム10の第一光学軸A1、第二プリズム20の第二光学軸A2、平板30の第三光学軸A3の方向が全反射型偏光子P1と異なるため(第一光学軸A1、第二光学軸A2、第三光学軸A3が、紙面に対して平行の配置であるため)、全反射型偏光子P1の場合(第一光学軸A1、第二光学軸A2、第三光学軸A3が、紙面に対して垂直の配置)と比較すると、異常光線及び常光線の成分が反対となっている。
In the total reflection type polarizer P2, the directions of the first optical axis A1 of the
図1及び図4に示した例では、第一プリズム10の上面、第二プリズム20の下面は、プリズムと平板30の間で全反射により反射された反射光線Rを、散乱させるために砂目状にしたり、吸収させるために黒色塗料を塗布したりすることが一般的であるが、第一プリズム10の上面と、第二プリズム20の下面を光学研磨し、全反射により反射された反射光線Rを、偏光子の外部に取り出すようにしてもよい。
In the example shown in FIGS. 1 and 4, the upper surface of the
以下、実施例に基づき、本発明の全反射型偏光子について更に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the total reflection type polarizer of the present invention will be described in more detail based on Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.
<実施例1:サファイアプリズム+LB4板+サファイアプリズム>
実施例1の全反射型偏光子P3では、第一プリズム10及び第二プリズム20をサファイアで形成し、平板30をLB4で形成した。
全反射型偏光子P3は、図5に示すように、サファイアで形成された第一プリズム10及び第二プリズム20と、第一プリズム10及び第二プリズム20の間にLB4で形成された平板30と、を備え、第一プリズム10の第一光学軸A1、第二プリズム20の第二光学軸A2、平板30の第三光学軸A3は互いに平行であり、第一光学軸A1、第二光学軸A2及び第三光学軸A3は、紙面と垂直(つまり、第一入射光学面12、第一出射光学面14、第二入射光学面22、第二出射光学面24と平行)となるように配置され、第一光学軸A1、第二光学軸A2及び第三光学軸A3は、入射光線Iの光軸Xと直交している。
<Example 1: Sapphire prism + LB4 plate + Sapphire prism>
In the total reflection type polarizer P3 of Example 1, the
As shown in FIG. 5, the total reflection polarizer P3 includes a
表1に、第一プリズム10、第二プリズム20、平板30の材料、第一プリズム10及び第二プリズム20の楔角度α、平板30の厚みdを示す。なお、表1に示す値は、一例であり、求められる偏光子の性能により適宜、設定することが可能である。また、表2に全反射型偏光子P3の使用波長帯域及び視野角、消光比を示す。以下、使用波長帯域として、偏光子の長さを40mmとして、透過率が約50%減少する波長帯域を採用している。
Table 1 shows the materials of the
全反射型偏光子P3に、±2°の集光光を入射したときの出射光線の集光点の形状、サイズを図6に示す。図6に示すように、集光点のサイズは約10μm程度と小さいことがわかった。 FIG. 6 shows the shape and size of the condensing point of the outgoing light ray when the condensed light of ± 2 ° is incident on the total reflection type polarizer P3. As shown in FIG. 6, it was found that the size of the focal point was as small as about 10 μm.
図7は、全反射型偏光子P3の透過率の波長依存性である。波長λ=180〜2300nmの間で平坦な透過特性である事が分かる。なお、透過率の減少は、第一プリズム10や第二プリズム20の端面(第一入射光学面12や第二出射光学面24)、各プリズム(第一プリズム10や第二プリズム20)と平板30接合面における反射によるものである。
FIG. 7 shows the wavelength dependence of the transmittance of the total reflection type polarizer P3. It can be seen that the transmission characteristics are flat between wavelengths λ = 180 to 2300 nm. In addition, the decrease of the transmittance is achieved by the end faces of the
<実施例2サファイアプリズム+LB4板+サファイアプリズム+反射防止膜>
実施例2の全反射型偏光子P4では、第一プリズム10及び第二プリズム20をサファイアで形成し、平板30をLB4で形成し、第一プリズム10の第一入射光学面12及び第一出射光学面14、第二プリズム20の第二入射光学面22及び第二出射光学面24に反射防止膜ARを施した。
<Example 2 Sapphire prism + LB4 plate + Sapphire prism + Antireflection film>
In the total reflection type polarizer P4 of Example 2, the
全反射型偏光子P4は、図8に示すように、サファイアで形成された第一プリズム10及び第二プリズム20と、第一プリズム10及び第二プリズム20の間にLB4で形成された平板30と、を備え、第一プリズム10の第一光学軸A1、第二プリズム20の第二光学軸A2、平板30の第三光学軸A3は互いに平行であり、第一光学軸A1、第二光学軸A2及び第三光学軸A3は、入射光線Iの光軸Xと直交している。
As shown in FIG. 8, the total reflection type polarizer P4 includes a
第一プリズム10の第一入射光学面12と及び第二プリズム20の第二出射光学面24に、MgF2単層の反射防止膜AR(膜厚=約0.05μm)が施されている。また、第一プリズム10の第一入射光学面12及び平板30の第一接合面32の間と、平板30の第二接合面34及び第二プリズム20の第二入射光学面22の間に、M2/SiO2を5層積層した反射防止膜AR(膜厚=約0.3μm)が施されている。
The first incident
表3に、第一プリズム10、第二プリズム20、平板30の材料、第一プリズム10及び第二プリズム20の楔角度α、平板30の厚みd、反射防止膜ARの材料を示す。また、表4に全反射型偏光子P4の使用波長帯域及び視野角、消光比を示す。
Table 3 shows the materials of the
紫外光〜近赤外光を透過し、大きな複屈折をもつ実用的な一軸性結晶材料は、限定される。また、フォイスナープリズム型の偏光子として実用的な性能を持つためには、プリズム材の屈折率は大きい必要がある。この様な物性を持つ材料も多くはない。プリズムを形成する材料と平板を形成する材料の屈折率が一致していれば、接合面での光の反射は少なくなるが、限定された材料の組合せで、屈折率も一致した材料組合せを探すことは困難である。 Practical uniaxial crystal materials that transmit ultraviolet light to near infrared light and have large birefringence are limited. Further, in order to have a practical performance as a Foisner prism type polarizer, the prism material needs to have a large refractive index. There are not many materials that have such physical properties. If the material that forms the prism and the material that forms the flat plate have the same refractive index, less light will be reflected at the cemented surface, but with a limited combination of materials, look for a material combination that also has the same refractive index. Is difficult.
また、新規に素材を開発することも困難である。そのため、低収差で高消光比な偏光子を製作するためには、必然的に屈折率が一致していない材料を組合せる事になるが、その場合、プリズムと平板の接合部における反射により、透過率が低減してしまう。したがって、透過率を向上させるために、プリズムと平板との接合部に、反射防止膜ARを介在させる事で、偏光子の性能を向上させることが好ましい。 It is also difficult to develop new materials. Therefore, in order to manufacture a polarizer with low aberration and high extinction ratio, it is inevitable to combine materials whose refractive indices do not match, but in that case, due to reflection at the junction between the prism and the flat plate, The transmittance is reduced. Therefore, in order to improve the transmittance, it is preferable to improve the performance of the polarizer by interposing the antireflection film AR at the joint between the prism and the flat plate.
全反射型偏光子P4に、±2°の集光光を入射したときの出射光線の集光点の形状、サイズを図9に示す。図9に示すように、集光点のサイズは約10μm程度と小さいことがわかった。 FIG. 9 shows the shape and size of the condensing point of the outgoing ray when the condensed light of ± 2 ° is incident on the total reflection type polarizer P4. As shown in FIG. 9, it was found that the size of the condensing point was as small as about 10 μm.
図10は、反射防止膜ARを備える全反射型偏光子P4の透過率の波長依存性である。反射防止膜ARを備えていない、全反射型偏光子P3(実施例1、図7)と比較して、紫外〜可視光領域で20%以上、赤外域でも10%以上の透過率向上が図られている。 FIG. 10 shows the wavelength dependence of the transmittance of the total reflection type polarizer P4 including the antireflection film AR. Compared to the total reflection type polarizer P3 (Example 1, FIG. 7) which does not include the antireflection film AR, the transmittance is improved by 20% or more in the ultraviolet to visible light region and 10% or more in the infrared region. Has been.
図11は、プリズムの斜面、つまり、第一プリズム10の第一出射光学面14及び第二プリズム20の第二入射光学面22に施された反射防止膜ARの反射率を表すグラフである。図12は、プリズムの端面、つまり、第一プリズム10の第一入射光学面12及び第二プリズム20の第二出射光学面24に施された反射防止膜ARの反射率を表すグラフである。
FIG. 11 is a graph showing the reflectance of the antireflection film AR formed on the inclined surface of the prism, that is, the first exit
図11及び図12に示すように、反射防止膜ARが施されていない場合と比較して、反射防止膜ARを施した場合には、反射率が低減されていることがわかる。したがって、プリズムの端面や、プリズムと平板30との接合面に反射防止膜ARを介在させる事で、反射防止膜ARを備える全反射型偏光子P4のように、像を形成する際にゴーストが低減されるため、より好適である。
As shown in FIGS. 11 and 12, it can be seen that the reflectance is reduced when the antireflection film AR is applied, as compared with the case where the antireflection film AR is not applied. Therefore, by interposing the antireflection film AR on the end surface of the prism or on the joint surface between the prism and the
<実施例3:サファイアプリズム+方解石板+サファイアプリズム>
実施例3の全反射型偏光子P5では、第一プリズム10及び第二プリズム20をサファイアで形成し、平板30を方解石で形成した。
全反射型偏光子P5は、図13に示すように、サファイアで形成された第一プリズム10及び第二プリズム20と、第一プリズム10及び第二プリズム20の間に方解石で形成された平板30と、を備え、第一プリズム10の第一光学軸A1、第二プリズム20の第二光学軸A2、平板30の第三光学軸A3は互いに平行であり、第一光学軸A1、第二光学軸A2及び第三光学軸A3は、入射光線Iの光軸Xと直交している。
<Example 3: Sapphire prism + calcite plate + sapphire prism>
In the total reflection type polarizer P5 of Example 3, the
As shown in FIG. 13, the total reflection type polarizer P5 includes a
表5に、第一プリズム10、第二プリズム20、平板30の材料、第一プリズム10及び第二プリズム20の楔角度α、平板30の厚みdを示す。また、表6に全反射型偏光子P5の使用波長帯域及び視野角、消光比を示す。
Table 5 shows the materials of the
全反射型偏光子P5に、±9°の集光光を入射したときの出射光線の集光点の形状、サイズを図14に示す。図14に示すように、集光点のサイズは約10μm程度と小さいことがわかった。 FIG. 14 shows the shape and size of the condensing point of the outgoing light beam when the condensed light of ± 9 ° is incident on the total reflection type polarizer P5. As shown in FIG. 14, it was found that the size of the focal point was as small as about 10 μm.
図15は、全反射型偏光子P5の透過率のλ=220〜1700nmにおける波長依存性である。全反射型偏光子P5では、サファイアを用いた実施例1の全反射型偏光子P3より、透過波長帯域は狭いが、透過率は高い。これは、LB4の常光屈折率(no)より、方解石のnoの方がサファイアのnoに近いことに起因する。 FIG. 15 shows the wavelength dependence of the transmittance of the total reflection polarizer P5 at λ = 220 to 1700 nm. The total reflection type polarizer P5 has a narrower transmission wavelength band but higher transmittance than the total reflection type polarizer P3 of Example 1 using sapphire. This is from the ordinary refractive index of LB4 (n o), towards the n o calcite is due to proximity to sapphire n o.
全反射型偏光子P5は、視野角も広く、明るい光学系に組み込む事が可能な構成である。スポット径が、実施例1や実施例2の場合よりも、多少大きく見えるが、これは、視野角が大きく、収差が大きくなるためである。±9°の光線を入射した場合でも、全反射型偏光子P5の構成であれば、スポット径が約10μm程度に集光することが可能となる。 The total internal reflection type polarizer P5 has a wide viewing angle and can be incorporated in a bright optical system. The spot diameter appears to be slightly larger than in the case of Example 1 and Example 2, but this is because the viewing angle is large and the aberration is large. Even if a light beam of ± 9 ° is incident, the spot diameter can be condensed to about 10 μm with the configuration of the total reflection type polarizer P5.
実施例2の場合と同様に、プリズムの斜面に反射防止膜ARを施す事で、透過率の向上、ゴーストの低減を実現することも可能である。また、プリズムの端面に反射防止膜ARを施す事で、透過率を向上させることも同様に可能である。 As in the case of the second embodiment, it is possible to improve the transmittance and reduce the ghost by providing the antireflection film AR on the inclined surface of the prism. It is also possible to improve the transmittance by providing the antireflection film AR on the end surface of the prism.
<実施例4:サファイアプリズム+α−BBO板+サファイアプリズム>
実施例4の全反射型偏光子P6では、第一プリズム10及び第二プリズム20をサファイアで形成し、平板30をα−BBOで形成した。
全反射型偏光子P6は、図16に示すように、サファイアで形成された第一プリズム10及び第二プリズム20と、第一プリズム10及び第二プリズム20の間にα−BBOで形成された平板30と、を備え、第一プリズム10の第一光学軸A1、第二プリズム20の第二光学軸A2、平板30の第三光学軸A3は互いに平行であり、第一光学軸A1、第二光学軸A2及び第三光学軸A3は、入射光線Iの光軸Xと直交している。
<Example 4: Sapphire prism + α-BBO plate + Sapphire prism>
In the total reflection type polarizer P6 of Example 4, the
As shown in FIG. 16, the total reflection polarizer P6 is formed of α-BBO between the
表7に、第一プリズム10、第二プリズム20、平板30の材料、第一プリズム10及び第二プリズム20の楔角度α、平板30の厚みdを示す。また、表8に全反射型偏光子P6の使用波長帯域及び視野角、消光比を示す。
Table 7 shows the materials of the
全反射型偏光子P6に、±7°の集光光を入射したときの出射光線の集光点の形状、サイズを図17に示す。図17に示すように、集光点のサイズは約10μm程度と小さいことがわかった。 FIG. 17 shows the shape and size of the condensing point of the outgoing ray when the condensed light of ± 7 ° is incident on the total reflection type polarizer P6. As shown in FIG. 17, it was found that the size of the focal point was as small as about 10 μm.
図18は、全反射型偏光子P6の透過率のλ=220〜2000nmにおける波長依存性である。全反射型偏光子P6では、サファイアを用いた実施例1の全反射型偏光子P3より、透過波長帯域は狭いが、透過率は高い。これは、LB4の常光屈折率(no)より、α−BBOのnoの方がサファイアのnoに近いことに起因する。ここで、方解石は、ほとんどが天然石であるのに対して、α−BBOは人工合成が可能なため、安定生産が可能であり好適である。 FIG. 18 shows the wavelength dependence of the transmittance of the total reflection polarizer P6 at λ = 220 to 2000 nm. The total reflection type polarizer P6 has a narrower transmission wavelength band but higher transmittance than the total reflection type polarizer P3 of Example 1 using sapphire. This is from the ordinary refractive index of LB4 (n o), towards the alpha-BBO of n o is due to proximity to sapphire n o. Most of the calcite is natural stone, while α-BBO can be artificially synthesized, and thus stable production is possible, which is preferable.
全反射型偏光子P6の構成は、視野角も広く、明るい光学系に組み込む事が出来る構成である。なお、スポット径が、実施例1や実施例2と比較して、多少大きく見えるが、これは、視野角が大きく、収差が大きくなるためである。±7°の光線を入射した場合でも、全反射型偏光子P6の構成であれば、スポット径を約10μm程度に集光することが可能となる。 The configuration of the total reflection type polarizer P6 has a wide viewing angle and can be incorporated in a bright optical system. Note that the spot diameter appears to be slightly larger than those in Examples 1 and 2, but this is because the viewing angle is large and the aberration is large. Even if a light beam of ± 7 ° is incident, the spot diameter can be condensed to about 10 μm with the configuration of the total reflection type polarizer P6.
実施例2の場合と同様に、プリズムの斜面に反射防止膜ARを施す事で、透過率の向上、ゴーストの低減を実現することも可能である。また、プリズムの端面に反射防止膜ARを施す事で、透過率を向上させることも同様に可能である。 As in the case of the second embodiment, it is possible to improve the transmittance and reduce the ghost by providing the antireflection film AR on the inclined surface of the prism. It is also possible to improve the transmittance by providing the antireflection film AR on the end surface of the prism.
P1 全反射型偏光子
P2 全反射型偏光子
P3 全反射型偏光子
P4 全反射型偏光子
10 第一プリズム(負の一軸性結晶)
12 第一入射光学面
14 第一出射光学面
A1 第一光学軸
Α 楔角度
20 第二プリズム
22 第二入射光学面
24 第二出射光学面
A2 第二光学軸
30 平板(負の一軸性結晶)
32 第一接合面
34 第二接合面
A3 第三光学軸
d 平板の厚み
AR 反射防止膜
X 光軸
I 入射光線
R 反射光線
E 出射光線
P1 Total reflection type polarizer P2 Total reflection type polarizer P3 Total reflection type polarizer P4 Total
12 1st incident
32
Claims (5)
サファイアで形成された第一プリズム及び第二プリズムと、
前記第一プリズム及び前記第二プリズムの間に常光屈折率が異常光屈折率よりも大きい負の一軸性結晶で形成された平板と、を備え、
前記第一プリズムは、前記入射光線が入射する第一入射光学面と、前記入射光線の一方の偏光が全反射され、他方の偏光が出射する第一出射光学面と、を備え、
前記第二プリズムは、分離された前記入射光線の一方の偏光が入射する第二入射光学面と、分離された前記入射光線の一方の偏光が出射光線として出射する第二出射光学面と、を備えており、
前記平板の厚みが20μm以下であり、
前記第一プリズムの光学軸である第一光学軸、前記第二プリズムの光学軸である第二光学軸、前記平板の光学軸である第三光学軸は互いに平行であり、
前記第一光学軸、前記第二光学軸、前記第三光学軸は、前記入射光線の光軸と直交しており、
前記第一プリズム及び前記第二プリズムを形成するサファイアの常光屈折率をnpro、異常光屈折率をnpreとし、前記平板を形成する負の一軸性結晶の常光屈折率をno、異常光屈折率をneとし、前記第一プリズムにおける前記第一入射光学面と前記第一出射光学面のなす角度及び前記第二プリズムにおける前記第二入射光学面と前記第二出射光学面のなす角度である楔角度をαとしたとき、下記式(1)を満たすことを特徴とする全反射型偏光子。
sin−1(ne/npre)≦α<sin−1(no/npro) 式(1) A total reflection type polarizer that removes one of two polarization components of an incident light ray by total reflection,
A first prism and a second prism made of sapphire,
An ordinary light refractive index between the first prism and the second prism, and a flat plate formed of a negative uniaxial crystal larger than the extraordinary light refractive index, and,
The first prism comprises a first incident optical surface on which the incident light beam is incident, and a first exiting optical surface on which one polarized light of the incident light beam is totally reflected and the other polarized light is emitted,
The second prism has a second incident optical surface on which one of the separated incident light beams is incident, and a second outgoing optical surface on which one of the separated incident light beams is emitted as an outgoing light beam. Is equipped with
The thickness of the flat plate is 20 μm or less ,
The first optical axis that is the optical axis of the first prism, the second optical axis that is the optical axis of the second prism, the third optical axis that is the optical axis of the flat plate is parallel to each other,
The first optical axis, the second optical axis, the third optical axis is orthogonal to the optical axis of the incident light beam,
The ordinary light refractive index of sapphire forming the first prism and the second prism is n pro , the extraordinary light refractive index is n pre, and the ordinary light refractive index of the negative uniaxial crystal forming the flat plate is n o , and the extraordinary light is The refractive index is n e, and the angle formed by the first incident optical surface and the first output optical surface of the first prism and the angle formed by the second incident optical surface and the second output optical surface of the second prism. The following formula (1) is satisfied, where the wedge angle is α.
sin −1 (n e / n pre ) ≦ α <sin −1 (n o / n pro ) Expression (1)
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