JP6862655B2

JP6862655B2 - 偏光ビームスプリッタ

Info

Publication number: JP6862655B2
Application number: JP2016000459A
Authority: JP
Inventors: 田中　宏和; 宏和田中; 義正山口; 耕哉小松
Original assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Current assignee: Nippon Electric Glass Co Ltd
Priority date: 2016-01-05
Filing date: 2016-01-05
Publication date: 2021-04-21
Anticipated expiration: 2036-01-05
Also published as: JP2017122766A

Description

本発明は、偏光ビームスプリッタに関するものである。

従来、偏光ビームスプリッタが光通信機などに広く用いられている。例えば、下記の特許文献１では、２個のプリズムが貼り合わされた偏光ビームスプリッタが開示されている。２個のプリズムは同一形状であり、かつ直角三角形の断面形状を有する。該直角三角形の内角は、それぞれ、９０度、３０度未満、６０度以上の角度とされている。２個のプリズムは、偏光ビームスプリッタが二等辺三角形の断面形状を有するように貼り合わされている。２個のプリズムが貼り合わされている面に、偏光分離膜が形成されている。

入射光は入射面から入射し、偏光分離膜により偏光分離される。偏光分離された各偏光は、それぞれプリズムの内面において反射され、出射面から出射される。

特開平７−３０６３１４号公報

近年、光の利用効率をより一層高めることが求められている。特許文献１に記載の偏光ビームスプリッタにおいては、２個のプリズムが上記のような形状を有するため、プリズムの内面において偏光が全反射され易いとしている。しかしながら、光の利用効率を充分に高めることは困難であった。

本発明の目的は、光の利用効率を高めることができる、偏光ビームスプリッタを提供することにある。

本発明に係る偏光ビームスプリッタは、斜辺及び該斜辺以外の２本の辺を含む直角三角形の形状を有する上面及び下面と、上面及び下面の斜辺同士を接続している第１の側面と、上面及び下面の斜辺以外の辺同士をそれぞれ接続している第２，第３の側面とを有する、第１のプリズムと、第１のプリズムと実質的に同一の形状を有し、第１の側面に対応する第４の側面と、第２，第３の側面に対応する第５，第６の側面とを有する、第２のプリズムと、第１のプリズムの第３の側面と、第２のプリズムの第６の側面との間に設けられる偏光分離膜とを備える。第２の側面と第５の側面が同じ側に位置するように配置した状態で、第１のプリズムの第３の側面と、第２のプリズムの第６の側面とが接合されている偏光ビームスプリッタであって、入射光は、第１の側面の入射部を通り、第１のプリズム内に入射し、偏光分離膜で反射される第１の偏光成分と、偏光分離膜を透過する第２の偏光成分に分離され、偏光分離膜で反射された第１の偏光成分は、第１のプリズム内で第１の側面の第１の反射部で反射され、第２の側面の第１の出射部から出射し、偏光分離膜を透過した第２の偏光成分は、第２のプリズム内で第４の側面の第２の反射部で反射され、第５の側面の第２の出射部から出射するように構成されている。第１の反射防止膜が、第１の側面の入射部の領域に設けられており、かつ第１の側面の第１の反射部の領域に設けられていない。

第２の反射防止膜が、第２の側面の第１の出射部の領域に設けられており、第３の反射防止膜が、第５の側面の第２の出射部の領域に設けられていることが好ましい。

第１の側面と第３の側面とがなす角度が、２５度以上、３５度以下であることが好ましい。第１の側面と第３の側面とがなす角度が、３０度であることがより好ましい。

本発明に係る偏光ビームスプリッタによれば、光の利用効率を高めることができる。

本発明の第１の実施形態に係る偏光ビームスプリッタの平面図である。本発明の第１の実施形態における第１のプリズムの斜視図である。第１の側面と第３の側面とがなす角度が小さい場合の偏光ビームスプリッタの平面図である。第１の側面と第３の側面とがなす角度が大きい場合の偏光ビームスプリッタの平面図である。本発明の第１の実施形態の変形例に係る偏光ビームスプリッタの平面図である。本発明の第２の実施形態に係る偏光ビームスプリッタの平面図である。

以下、好ましい実施形態について説明する。但し、以下の実施形態は単なる例示であり、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。また、各図面において、実質的に同一の機能を有する部材は同一の符号で参照する場合がある。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る偏光ビームスプリッタの平面図である。図２は、第１の実施形態における第１のプリズムの斜視図である。

図１に示すように、偏光ビームスプリッタ１は、第１，第２のプリズム２，３を備える。第１，第２のプリズム２，３は実質的に同一の形状を有する。なお、本発明において、「実質的に同一の形状」とは、第１のプリズム２と第２のプリズム３が完全に同一の形状でなくともよく、本発明の作用効果を発揮することができる範囲で、第１のプリズム２と第２のプリズム３は異なる形状であってもよいことを意味している。

図２に示すように、第１のプリズム２は、直角三角形の形状である上面２ａを有する。上面２ａは、斜辺２ａ１及び該斜辺以外の２本の辺を有する。本実施形態では、該２本の辺の内の一方の辺は長辺２ａ３であり、他方の辺は短辺２ａ２である。斜辺２ａ１の長さは、特に限定されないが、本実施形態では２．３ｍｍである。

第１のプリズム２は、上面２ａと同じ形状の下面２ｂも有する。上面２ａ及び下面２ｂを、第１〜第３の側面２ｃ１〜２ｃ３が接続している。

第１の側面２ｃ１は、上面２ａの斜辺２ａ１と下面２ｂの斜辺とを接続している。第２の側面２ｃ２は、上面２ａの短辺２ａ２と下面２ｂの短辺とを接続している。第３の側面２ｃ３は、上面２ａの長辺２ａ３と下面２ｂの長辺とを接続している。第１の側面２ｃ１と第３の側面２ｃ３とがなす角度θ１は、特に限定されないが、本実施形態では、３０度である。

第２のプリズムも、直角三角形の形状を有する上面及び下面を有する。図１に示すように、第２のプリズム３は、第１のプリズム２の第１の側面２ｃ１に対応する第４の側面３ｃ４と、第２，第３の側面２ｃ２，２ｃ３に対応する第５，第６の側面３ｃ５，３ｃ６とを有する。より具体的には、第４の側面３ｃ４は、上面及び下面の斜辺同士を接続している。第５の側面３ｃ５は、上面及び下面の短辺同士を接続している。第６の側面３ｃ６は、上面及び下面の長辺同士を接続している。

偏光ビームスプリッタ１においては、第２の側面２ｃ２と第５の側面３ｃ５とが同じ側に位置するように配置した状態で、第１のプリズム２の第３の側面２ｃ３と、第２のプリズム３の第６の側面３ｃ６とが接合されている。偏光ビームスプリッタ１は略二等辺三角形の平面形状を有する。

偏光ビームスプリッタ１は、第３の側面２ｃ３と第６の側面３ｃ６との間に設けられている偏光分離膜４を備える。偏光分離膜４は、例えば、第１のプリズム２の第３の側面２ｃ３に成膜されており、第２のプリズム３の第６の側面３ｃ６に接着剤などにより接合されていてもよい。あるいは、偏光分離膜４は、第６の側面３ｃ６に成膜されており、第３の側面２ｃ３に接着剤などにより接合されていてもよい。

偏光分離膜４は、例えば、誘電体多層膜からなる。偏光分離膜４は、第１の偏光成分を反射し、第２の偏光成分を透過する。本実施形態では、第１の偏光成分はＳ偏光であり、第２の偏光成分はＰ偏光である。なお、第１の偏光成分がＰ偏光であり、第２の偏光成分がＳ偏光であってもよい。

第１のプリズム２の第１の側面２ｃ１は、光が入射する入射部２ｃ１Ａを有する。入射部２ｃ１Ａの領域には、第１の反射防止膜５ａが設けられている。第１の側面２ｃ１は、第１のプリズム２内における光を反射する第１の反射部２ｃ１Ｂを有する。第１の反射部２ｃ１Ｂの領域には、第１の反射防止膜５ａは設けられていない。

第２のプリズム３の第４の側面３ｃ４も、第２のプリズム３内における光を反射する第２の反射部３ｃ４Ｂを有する。

第１のプリズム２の第２の側面２ｃ２は、光が出射される第１の出射部２ｃ２Ｃを有する。第２のプリズム３の第５の側面３ｃ５は第２の出射部３ｃ５Ｃを有する。第２の側面２ｃ２には、少なくとも第１の出射部２ｃ２Ｃの領域に第２の反射防止膜５ｂが設けられていることが好ましい。第２のプリズム３の第５の側面３ｃ５にも、少なくとも第２の出射部３ｃ５Ｃの領域に第３の反射防止膜５ｃが設けられていることが好ましい。もっとも、本実施形態のように、第２の側面２ｃ２の全面に第２の反射防止膜５ｂが設けられていてもよい。同様に、第５の側面３ｃ５の全面に第３の反射防止膜５ｃが設けられていてもよい。

図１に示すように、入射光としての光Ａ１は、入射部２ｃ１Ａを通り、第１のプリズム２に入射する。光Ａ１は、偏光分離膜４において、Ｐ偏光である偏光Ｐ１と、Ｓ偏光である偏光Ｓ１とに分離される。偏光Ｓ１は、偏光分離膜４において反射される。反射された偏光Ｓ１は、第１のプリズム２内で第１の側面２ｃ１の第１の反射部２ｃ１Ｂにおいて反射され、第２の側面２ｃ２の第１の出射部２ｃ２Ｃから出射される。

他方、偏光Ｐ１は、偏光分離膜４を透過して、第６の側面３ｃ６から第２のプリズム３に入射する。偏光Ｐ１は、第２のプリズム３内で第４の側面３ｃ４の第２の反射部３ｃ４Ｂにおいて反射され、第５の側面３ｃ５の第２の出射部３ｃ５Ｃから出射される。

本実施形態の特徴は、第１の側面２ｃ１の入射部２ｃ１Ａの領域に第１の反射防止膜５ａが設けられており、かつ第１の反射部２ｃ１Ｂの領域に第１の反射防止膜５ａが設けられていないことにある。それによって、第１のプリズム２に入射する光Ａ１が、入射部２ｃ１Ａにおいて反射され難い。よって、光の利用効率を効果的に高めることができる。加えて、第１の反射部２ｃ１Ｂの領域には第１の反射防止膜５ａが設けられていないため、偏光Ｓ１を好適に反射することができる。よって、第１の反射部２ｃ１Ｂにおいて偏光Ｓ１が出射され難く、光の利用効率をより一層高めることができる。

第２の側面２ｃ２の第１の出射部２ｃ２Ｃの領域には第２の反射防止膜５ｂが設けられているため、偏光Ｓ１が第２の側面２ｃ２において反射され難い。第５の側面３ｃ５の第２の出射部３ｃ５Ｃの領域にも第３の反射防止膜５ｃが設けられているため、偏光Ｐ１も第５の側面３ｃ５において反射され難い。よって、光の利用効率をより一層高めることができ、かつ偏光Ｐ１と偏光Ｓ１とが出射される強度のずれが生じ難い。

ところで、図３に示すように、第１のプリズム３２の第１の側面３２ｃ１と第３の側面３２ｃ３とがなす角度θ３が小さい場合、第１の側面３２ｃ１と第３の側面３２ｃ３との間の距離が短くなる。そのため、偏光分離膜４において反射された偏光Ｓ３は、第１の側面３２ｃ１における、光Ａ３が入射した部分により近い位置に至る。このとき、偏光Ｓ３が、第１の反射防止膜５ａが設けられている部分に至ると、偏光Ｓ３は第１の側面３２ｃ１から出射される。第１の側面３２ｃ１からの偏光Ｓ３の出射は、光Ａ３の径が大きいほど生じ易い。よって、光Ａ３の径が大きい場合、光の利用効率を高めることが困難である。

さらに、偏光分離膜４を透過した偏光Ｐ３は、第２のプリズム３３の第４の側面３３ｃ４において反射される。よって、第２の側面３２ｃ２から出射される偏光Ｓ３と、第５の側面３３ｃ５から出射される偏光Ｐ３との強度において、大きいずれが生じるおそれがある。

図１に示す本実施形態の偏光ビームスプリッタ１のように、第１の側面２ｃ１と第３の側面２ｃ３とがなす角度θ１は、２５度以上であることが好ましい。それによって、光Ａ１の径が大きい場合も、光の利用効率を効果的に高めることができる。加えて、第２の側面２ｃ２及び第５の側面３ｃ５から出射される偏光Ｓ１及び偏光Ｐ１の強度のずれがより一層生じ難い。

より好ましくは、角度θ１は、３０度以上であることが望ましい。それによって、光の利用効率をより一層高めることができ、かつ第２の側面２ｃ２及び第５の側面３ｃ５から出射される偏光Ｓ１及び偏光Ｐ１の強度のずれがより一層生じ難い。

他方、図４に示すように、第１のプリズム４２の第１の側面４２ｃ１と第３の側面４２ｃ３とがなす角度θ４が大きい場合、第１の側面４２ｃ１と第２のプリズム４３の第４の側面４３ｃ４との距離が長くなる。そのため、偏光分離膜４を透過した偏光Ｐ４が、第４の側面４３ｃ４において反射されずに、第５の側面４３ｃ５から出射されるおそれがある。偏光Ｐ４が第４の側面４３ｃ４に至らずに第５の側面４３ｃ５から出射されることは、光Ａ４の径が大きいほど生じ易い。

同様に、偏光分離膜４において反射された偏光Ｓ４が、第１の側面４２ｃ１において反射されずに、第２の側面４２ｃ２から出射されるおそれがある。上記のような偏光Ｓ４，Ｐ４の出射を生じ難くするためには、第１，第２のプリズム４２，４３の上面及び下面の斜辺を充分に長くする必要がある。

図１に示す本実施形態の偏光ビームスプリッタ１のように、角度θ１は３５度以下であることが好ましい。それによって、光Ａ１の径が大きい場合も、光の利用効率を効果的に高めることができる。加えて、偏光ビームスプリッタ１の小型化を進めることができる。

より好ましくは、角度θ１は３０度であることが望ましい。偏光ビームスプリッタ１においては、第２の側面２ｃ２から偏光Ｓ１が出射される方向と、第５の側面３ｃ５から偏光Ｐ１が出射される方向とが互いに平行となるように光Ａ１を入射する。角度θ１を３０度とすることにより、第１の側面２ｃ１に垂直な角度から光Ａ１を入射することができる。この場合には、光Ａ１に含まれる偏光Ｐ１と偏光Ｓ１との第１の側面２ｃ１における反射率は同じである。従って、上記偏光Ｐ１及び偏光Ｓ１の強度のずれがより一層生じ難い。

図５に示す第１の実施形態の変形例のように、第２のプリズム３の第４の側面３ｃ４に、第４の反射防止膜２５ｄが設けられていてもよい。第４の反射防止膜２５ｄは、第１の反射防止膜５ａと同じ反射防止膜であることが好ましい。第２の反射防止膜５ｂは、第３の反射防止膜５ｃと同じ反射防止膜であることが好ましい。この場合には、第１のプリズム２及び第１，第２の反射防止膜５ａ，５ｂと、第２のプリズム３及び第３，第４の反射防止膜５ｃ，２５ｄは同様に構成されている。よって、生産性を効果的に高めることができる。また、第２のプリズム３の第４の側面３ｃ４に設けた第４の反射防止膜２５ｄの方向から光を入射しても光の利用効率を高めた状態で偏光分離が可能である。

図６は、第２の実施形態に係る偏光ビームスプリッタの平面図である。

偏光ビームスプリッタ１１は、第１のプリズム２に接合された第３のプリズム１６を備える点及び第１の反射防止膜５ａが設けられている位置が第１の実施形態と異なる。上記以外の点においては、偏光ビームスプリッタ１１は、第１の実施形態の偏光ビームスプリッタ１と同様の構成を有する。

第３のプリズム１６は、第１のプリズム２の第１の側面２ｃ１に設けられた入射部である。第３のプリズム１６は、第７〜第９の側面１６ｃ７〜１６ｃ９を有する。第７の側面１６ｃ７は入射面であり、第８の側面１６ｃ８は反射面である。第９の側面１６ｃ９が第１のプリズム２の第１の側面２ｃ１に接合されている。

本実施形態では、第１，第２のプリズム２，３が貼り合わされた略二等辺三角形の平面形状と、第３のプリズム１６の平面形状とが相似の関係を有する。なお、偏光ビームスプリッタ１１においては、第１，第２のプリズム２，３が貼り合わされた平面形状は略正三角形であり、第３のプリズム１６の平面形状も略正三角形である。第１のプリズム２の上面における斜辺の長さは３．５ｍｍである。第３のプリズム１６の上面における一辺の長さは１．７ｍｍである。なお、第１，第２のプリズム２，３及び第３のプリズム１６の大きさは、特に限定されない。

第１のプリズム２と第３のプリズム１６とは、例えば、接着剤により接合されている。該接着剤の屈折率は、第１，第３のプリズム２，１６の屈折率とほぼ同じであることが好ましい。なお、上記接着剤の屈折率は、第１，第３のプリズム２，１６の屈折率と、本発明の作用効果を発揮することができる範囲で同程度であればよい。

本実施形態では、第１の反射防止膜５ａは第１の側面２ｃ１には直接設けられていない。第１の側面２ｃ１に設けられた入射部としての第３のプリズム１６の第７の側面１６ｃ７に、第１の反射防止膜５ａが設けられている。

光Ａ２は、第７の側面１６ｃ７から第３のプリズム１６に入射し、第３のプリズム１６内で第８の側面１６ｃ８において反射される。反射された光Ａ２は、第９の側面１６ｃ９から出射され、第１のプリズム２の第１の側面２ｃ１から第１のプリズム２に入射する。光Ａ２は、第１の実施形態と同様に偏光分離され、偏光Ｓ２及び偏光Ｐ２が、第２の側面２ｃ２及び第５の側面３ｃ５から出射される。

本実施形態においても、第１の実施形態と同様に、光の利用効率を高めることができる。

本実施形態のように、第１，第２のプリズム２，３が貼り合わされた略二等辺三角形の平面形状と、第３のプリズム１６の平面形状とが相似の関係を有することが好ましい。このとき、第７の側面１６ｃ７と第２，第５の側面２ｃ２，３ｃ５とが平行になるように、第３のプリズム１６が配置されていることが好ましい。それによって、第７の側面１６ｃ７に垂直な方向から光Ａ２を入射させたときに、偏光Ｓ２及び偏光Ｐ２が出射する方向を第２の側面２ｃ２及び第５の側面３ｃ５に垂直な方向とすることができる。よって、光Ａ２が入射する方向と偏光Ｓ２及び偏光Ｐ２が出射される方向とを容易に揃えることができる。

さらに、光Ａ２を第７の側面１６ｃ７に垂直に入射するため、出射される偏光Ｓ２と偏光Ｐ２との強度にずれが生じ難い。

１…偏光ビームスプリッタ
２…第１のプリズム
２ａ…上面
２ａ１…斜辺
２ａ２…短辺
２ａ３…長辺
２ｂ…下面
２ｃ１〜２ｃ３…第１〜第３の側面
２ｃ１Ａ…入射部
２ｃ１Ｂ…第１の反射部
２ｃ２Ｃ…第１の出射部
３…第２のプリズム
３ｃ４〜３ｃ６…第４〜第６の側面
３ｃ４Ｂ…第２の反射部
３ｃ５Ｃ…第２の出射部
４…偏光分離膜
５ａ〜５ｃ…第１〜第３の反射防止膜
１１…偏光ビームスプリッタ
１６…第３のプリズム
１６ｃ７〜１６ｃ９…第７〜第９の側面
２５ｄ…第４の反射防止膜
３２…第１のプリズム
３２ｃ１〜３２ｃ３…第１〜第３の側面
３３…第２のプリズム
３３ｃ４，３３ｃ５…第４，第５の側面
４２…第１のプリズム
４２ｃ１〜４２ｃ３…第１〜第３の側面
４３…第２のプリズム
４３ｃ４，４３ｃ５…第４，第５の側面

Claims

斜辺及び該斜辺以外の２本の辺を含む直角三角形の形状を有する上面及び下面と、前記上面及び前記下面の前記斜辺同士を接続している第１の側面と、前記上面及び前記下面の前記斜辺以外の辺同士をそれぞれ接続している第２，第３の側面とを有する、第１のプリズムと、
前記第１のプリズムと同一の形状を有し、前記第１の側面に対応する第４の側面と、前記第２，第３の側面に対応する第５，第６の側面とを有する、第２のプリズムと、
前記第１のプリズムの前記第３の側面と、前記第２のプリズムの前記第６の側面との間に設けられる偏光分離膜とを備え、
前記第２の側面と前記第５の側面が同じ側に位置するように配置した状態で、前記第１のプリズムの前記第３の側面と、前記第２のプリズムの前記第６の側面とが接合されている偏光ビームスプリッタであって、
入射光は、前記第１の側面の入射部を通り、前記第１のプリズム内に入射し、前記偏光分離膜で反射される第１の偏光成分と、前記偏光分離膜を透過する第２の偏光成分に分離され、
前記偏光分離膜で反射された前記第１の偏光成分は、前記第１のプリズム内で前記第１の側面の第１の反射部で反射され、前記第２の側面の第１の出射部から出射し、
前記偏光分離膜を透過した前記第２の偏光成分は、前記第２のプリズム内で前記第４の側面の第２の反射部で反射され、前記第５の側面の第２の出射部から出射するように構成されており、
前記第１の側面に第１の反射防止膜のみが設けられており、
前記第１の反射防止膜が、前記第１の側面の前記入射部の領域に設けられており、かつ前記第１の側面の前記第１の反射部の領域に設けられてない、偏光ビームスプリッタ。
第２の反射防止膜が、前記第２の側面の前記第１の出射部の領域に設けられており、第３の反射防止膜が、前記第５の側面の前記第２の出射部の領域に設けられている、請求項１に記載の偏光ビームスプリッタ。
前記第１の側面と前記第３の側面とがなす角度が、２５度以上、３５度以下である、請求項１または２に記載の偏光ビームスプリッタ。
前記第１の側面と前記第３の側面とがなす角度が、３０度である、請求項３に記載の偏光ビームスプリッタ。