JP6969872B2 - 光学構造 - Google Patents

Description

本発明は、不可視光の位置のモニタを可能にする光学構造に関する。

近年、セキュリティ検査やバイオ技術などの分野で、テラヘルツ波を用いた撮像が期待されている。このような分野では、特に、テラヘルツ波を、常光（線）と異常光（線）
に分離して撮像を行う偏光イメージングが有用であると考えられている。

一方、テラヘルツ波は、不可視光であるため、光の位置を正確に判断することができない。光の位置を判別しようとする場合、不可視光と同軸で、モニタ可能なガイド光を入力する手法が考えられる。

光の位置のモニタを行う方法として、非特許文献１に記載のような光学構造を用いる手法が考えられる。非特許文献１では、ウォラストンプリズムの後段に、別のウォラストンプリズムを連結しており、同文献では、異なる波長の光を偏光分離しても、同じ分離角で出力される光学構造を提案している。

Gerald Wong Roger Pilkington, and Andrew R. Harvey,"chromatizationof Wollaston polarizing beam splitters,"Optics Letters 36 8 1332 (2011)。

しかしながら、従来の手法の場合、複数のウォラストンプリズムを連結しているので、光学構造が大型化するという問題がある。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、不可視光の位置をモニタしつつも、大型化しない光学構造を提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、第１の光学構造は、入射面から入力された入力光を、第１偏光と第２偏光とに分離する偏光ビームスプリッタであって、前記第１偏光と前記第２偏光の進行方向のなす角度である分離角が鋭角である該偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタの後段に配置され、所定ピッチで離間した複数の光透過領域を有する回折格子と、を備え、第１波長λ１を有する第１入力光が前記偏光ビームスプリッタに入力され、第２波長λ２を有する第２入力光が前記偏光ビームスプリッタに入力された場合、前記回折格子の前記所定ピッチは、第１波長λ１は、前記回折格子の回折条件を満たさず、第２波長λ２は、前記回折格子の回折条件を満たし、前記第１入力光の第１偏光と前記第２入力光の第１偏光の進行方向が一致し、前記第１入力光の第２偏光と前記第２入力光の第２偏光の進行方向が一致するように設定され、前記偏光ビームスプリッタと前記回折格子とは、接合面を有することなく一体化していることを特徴とする。

偏光ビームスプリッタは、第１偏光と第２偏光を鋭角で分離する。これにより、後段の回折格子による進行方向補正が容易となる。回折格子の回折効果は、波長によって異なるため、異なる波長の光が入力された場合、光を偏向する度合いを変えることができる。したがって、第１入力光と第２入力光が入力された場合、これら異なる波長の光の第１偏光の進行方向を一致させ、異なる波長の光の第２偏光の進行方向を一致させることができる。一方の波長を不可視光とし、これに連続しない帯域に位置する他方の波長を可視光とすれば、同軸上で偏光ビームスプリッタに入力された不可視光と可視光は、回折格子の出射面上では、同一の方向に進むことになる。したがって、可視光の位置をモニタすることにより、不可視光の位置をモニタすることができる。

ここで、回折格子は、所望の波長の光の回折現象を利用するため、ウォラストンプリズムに比べると、小型で偏向を行うことができる。

第２の光学構造においては、前記回折格子の前記光透過領域は単一パターンを構成し、前記第１入力光の第１偏光、前記第２入力光の第１偏光、前記第１入力光の第２偏光、及び、前記第２入力光の第２偏光、の全てが、前記回折格子の前記単一パターンに入射するように配置され、λ２＜λ１であり、前記単一パターンの前記所定ピッチｔ、前記第１入力光の第１偏光の前記回折格子への入射角α_１１、出射角β_１１、前記第１入力光の第２偏光の前記回折格子への入射角α_１２、出射角β_１２、前記第２入力光の第１偏光の前記回折格子への入射角α_２１、出射角β_２１、前記第２入力光の第２偏光の前記回折格子への入射角α_２２、出射角β_２２は、ｍ_１１、ｍ_１２、ｍ_２１、ｍ_２２を任意の自然数とすると、以下の関係式：｜ｓｉｎα_１１−ｓｉｎβ_１１｜≠ｍ_１１λ１／ｔ、｜ｓｉｎα_１２−ｓｉｎβ_１２｜≠ｍ_１２λ１／ｔ、｜ｓｉｎα_２１−ｓｉｎβ_２１｜＝ｍ_２１λ２／ｔ、｜ｓｉｎα_２２−ｓｉｎβ_２２｜＝ｍ_２２λ２／ｔを満たすことを特徴とする。

この場合、第１波長λ１は回折条件を満たさないため回折せず、第２波長λ２は回折条件を満たすため回折し、容易に上記進行方向の一致を行うことができる。

光学構造においては、前記回折格子は、複数の前記光透過領域の一部分から構成される第１パターンを有する第１回折格子と、複数の前記光透過領域の別の一部分から構成される第２パターンを有する第２回折格子とを備え、前記第１入力光の第１偏光、及び、前記第２入力光の第１偏光は、前記第１回折格子の第１パターンに入射するように配置され、前記第１入力光の第２偏光、及び、前記第２入力光の第２偏光は、前記第２回折格子の第２パターンに入射するように配置され、前記第１回折格子の第１パターンのピッチｔ１、前記第２回折格子の第２パターンのピッチｔ２、前記第２入力光の第１偏光の前記第１回折格子への入射角α_２１、出射角β_２１、前記第２入力光の第２偏光の前記第２回折格子への入射角α_２２、出射角β_２２は、ｍ_２１、ｍ_２２を任意の自然数とすると、以下の関係式：ｔ１≠ｔ２、｜ｓｉｎα_２１−ｓｉｎβ_２１｜＝ｍ_２１λ２／ｔ１、｜ｓｉｎα_２２−ｓｉｎβ_２２｜＝ｍ_２２λ２／ｔ２を満たすことができる。

この場合、第２波長λ２の第１偏光と第２偏光とは、異なる回折条件で制御できるので、回折による偏向の角度を容易に調整し、容易に上記進行方向の一致を達成することができる。

上述の光学構造においては、前記偏光ビームスプリッタと前記回折格子とは、接合面を有することなく一体化している。この構成の場合、回折格子とウォラストンプリズムを接着する必要がなく、回折格子と偏光ビームスプリッタと間の接着時の角度ずれを抑制し、接着剤や部材の屈折率差に起因した光の損失などを抑える効果がある。

本開示においては、回折格子又は空間光変調器を用いた光学構造が示されている。

回折格子は容易に入手できる部品であるため製造が簡単であり、また、空間光変調器は、所望の回折パターンを入力信号に応じて形成することができるため、所望の偏向を行うことができる。

本発明の光学構造を用いれば、不可視光の位置をモニタすることができる。

光学構造を用いた検出装置を示す図である。 比較例に係る光学構造を示す図である。 実施形態に係る光学構造を示す図である。 回折格子による回折について説明する図である。 回折格子の平面図（ａ）及び断面構成を示す図（ｂ）である。 実施形態に係る光学構造を示す図である。 実施形態に係る光学構造を示す図である。 回折格子による回折について説明する図である。 実施形態に係る光学構造を示す図である。 実施形態に係る光学構造を示す図である。 実施形態に係る光学構造の出射位置補償器の近傍の構成を示す図である。 実施形態に係る光学構造を示す図である。 その他の回折格子の平面図（ａ）及び断面構成を示す図（ｂ）である。

以下、実施形態に係る光学構造について説明する。なお、同一要素には同一符号を用いることとし、重複する説明は省略する。

図１は、光学構造を用いた検出装置を示す図である。

この検出装置は、検査用に用いられる第１波長λ１のテラヘルツ波（第１入力光）を出射する第１光源１と、可視光などの第２波長λ２のモニタ光（第２入力光）を出射する第２光源２と、これらの光源から入力された入力光を、電界の振動方向が互いに直交する第１偏光と第２偏光に分離して出射する光学構造１００とを備えている。これらの光源から出力された第１波長λ１のテラヘルツ波と、第２波長λ２のモニタ光は、ハーフミラーＨＭを介することで、同軸上を伝播して、光学構造１００に入射する。この伝播方向をＺ軸方向とし、Ｚ軸に垂直な方向をＸ軸、Ｚ軸及びＸ軸の双方に垂直な方向をＹ軸とする。ＸＹＺ軸は、三次元直交座標系を構成している。

光学構造１００によって、第１偏光と第２偏光に分離されたテラヘルツ波は、対物レンズやコリメータレンズなどの対物光学系３を介して、測定対象４に照射される。測定対象４としては、様々なものがあるが、例えば、生物サンプルなどが挙げられる。測定対象４を透過したテラヘルツ波は、検出器５によって検出される。測定対象４への入射時において、テラヘルツ波は、互いに偏光方位が直交する第１偏光と第２偏光に分離されているので、これらが測定対象４を透過する際の位相差などから、測定対象４の情報を取得することができる。検出器５としては、第１波長λ１及び第２波長λ２に感度を有する検出器であれば、フォトダイオードなどの光検出器の他、ＣＣＤやＭＯＳイメージセンサなどの固体撮像素子、あるいは光電子増倍管、ボロメータ、パイロ検出器、プラズマ波ベース検出器、ショットキーバリアダイオード、超電導検出器などを用いることができる。

光学構造１００は、入力光を第１偏光と第２偏光に分離する。光学構造１００は、内部に偏光ビームスプリッタを備えており、分離時において、これらは常光及び異常光となる。これらの常光及び異常光は、複屈折結晶内を光が進行する場合において、互いに直交する偏光方位（電界の振動方向が直交する）を有する光である。複屈折結晶を屈折率楕円体として考えた場合に、進行方向に対して屈折率分布が等しくなる軸を光学軸とすれば、常光は光学軸に垂直な方向に振動する光であり、異常光は常光に垂直な方向に振動する光である。光学構造１００は、初段に偏光ビームスプリッタなどの偏光分離素子を備えるが、この偏光分離素子による出力時の常光を第１偏光とし、異常光を第２偏光とする。

以下、光学構造１００について説明するが、まず、比較例の光学構造１００について説明する。

図２は、比較例に係る光学構造を示す図である。

この光学構造１００は、偏光ビームスプリッタＡと、回折手段Ｂとを備えている。異なる波長の光（第１波長λ１、第２波長λ２）が、偏光ビームスプリッタＡの光入射面に垂直に入射すると、それぞれが、第１偏光と第２偏光に分離され、分離角補償器Ｂに入射する。分離角補償器Ｂは、異なる波長の光の進行方向を一致させ、その光出射面から、それぞれの波長毎に、第１偏光（常光）と、第２偏光（異常光）を出射する。

偏光ビームスプリッタＡはウォラストンプリズムであり、入射光を常光と異常光に分離する機能を有する。分離角補償器Ｂも、ウォラストンプリズムであり、プリズムを構成するブロック接合面の傾斜角、屈折率、厚みを適切に調整すると、異なる波長の光（第１波長λ、第２波長λ２）の進行方向を一致させることができる。しかしながら、複数のウォラストンプリズムを連結しているので、光学構造が大型化している。

図３は、第１実施形態に係る光学構造を示す図である。

光学構造１００は、入射面から入力された入力光を、第１偏光と第２偏光とに分離する偏光ビームスプリッタＡと、偏光ビームスプリッタＡの後段に配置され、所定ピッチで離間した複数の光透過領域を有する回折手段Ｂ（回折格子、空間光変調器）とを備えている。偏光ビームスプリッタＡにおける分離角、すなわち、第１偏光と第２偏光の進行方向のなす角度は、鋭角である。なお、図３の回折手段Ｂは、回折格子であるが、これは回折格子パターンを表示する空間光変調器であってもよい。

第１波長λ１を有する第１入力光が偏光ビームスプリッタＡに入力され、第２波長λ２を有する第２入力光が偏光ビームスプリッタＡに入力された場合、回折手段Ｂにおける上記所定ピッチは、第１入力光（第１波長λ１）の第１偏光と第２入力光（第２波長λ２）の第１偏光の進行方向が一致し、第１入力光の第２偏光と前記第２入力光の第２偏光の進行方向が一致するように設定される。

偏光ビームスプリッタＡは、第１偏光と第２偏光を鋭角で分離する。これにより、後段の回折手段Ｂによる進行方向補正が容易となる。回折手段Ｂの回折効果は、波長によって異なるため、異なる波長の光が入力された場合、光を偏向する度合いを変えることができる。したがって、第１入力光と第２入力光が入力された場合、これら異なる波長（λ１、λ２）の光の第１偏光の進行方向を一致させ、異なる波長（λ１、λ２）の光の第２偏光の進行方向を一致させることができる。一方の波長を不可視光（テラヘルツ波）とし、これに連続しない帯域に位置する他方の波長を可視光（モニタ光））とすれば、同軸上で偏光ビームスプリッタＡに入力された不可視光と可視光は、回折手段の出射面上では、同一の方向に進むことになる。したがって、可視光の位置をモニタすることにより、不可視光の大体の位置をモニタすることができる。

ここで、回折手段Ｂは、所望の波長の光の回折現象を利用するため、ウォラストンプリズムに比べると、小型で偏向を行うことができる。

偏光ビームスプリッタＡの構造について更に説明する。

本例の偏光ビームスプリッタＡは、ウォラストンプリズムであり、第１偏光と第２偏光を鋭角で分離する。詳説すれば、偏光ビームスプリッタＡは、光の伝達経路に沿って、第１プリズムブロックＡ１と、第２プリズムブロックＡ２とを備えており、第１プリズムブロックＡ１の光学軸（ｃ軸）はＹ軸に平行であり、第２プリズムブロックＡ２の光学軸（ｃ軸）はＸ軸に平行である。

光学構造１００への入射時において、第１偏光は、電界の振動方向がＹ軸に平行な直線偏光であり、第２偏光は、電界の振動方向がＸ軸に平行な直線偏光である。

最初の第１プリズムブロックＡ１に、光が入射した場合、第１偏光の振動方向と光学軸は平行であるため異常光であるが、これらのブロックの接合面を超えて、第２プリズムブロックＡ２内に入射すると、第１偏光の振動方向と光学軸は垂直となり常光として伝播する。

一方、最初の第１プリズムブロックＡ１に、光が入射した場合、第２偏光の振動方向と光学軸は垂直であるため常光であるが、これらのブロックの接合面を超えて、第２プリズムブロックＡ２内に入射すると、第２偏光の振動方向と光学軸は平行となり異常光として伝播する。

入力光が、偏光ビームスプリッタＡ内の接合面を超えた場合、これを構成するプリズムブロックの常光に対する屈折率が、異常光に対する屈折率よりも大きいとすると、常光は、接合面の法線に近づく方向に曲がり、異常光は、接合面の法線から離れる方向に曲がる。このように、偏光ビームスプリッタＡにより、同一の波長の入力光が、偏光方位に応じて、別の方向に進むように、分離される。

偏光ビームスプリッタＡにおける光の進行方向の偏向量は、（１）ＹＺ平面内において、第１プリズムブロックＡ１と第２プリズムブロックＡ２の接合面が、ＸＹ平面と成す角度θ、（２）第１プリズムブロックＡ１及び第２プリズムブロックＡ２の材料、（３）第１プリズムブロックＡ１及び第２プリズムブロックＡ２の光学軸の方向に依存する。

本例では、θ＝６０°、第１及び第２プリズムブロックの材料＝水晶である。第１プリズムブロックＡ１の光入射面（ＸＹ平面）は（１１−２０）面であり、第２プリズムブロックＡ２の光出射面（ＸＹ平面）は（１１−２０）面に対向する面である。なお、ウォラストンプリズムの材質が水晶、サファイアなどの三方晶系の結晶の場合は、例えば入射面はＸＹ面と平行な面とし、Ｙ軸に平行なｃ軸と有するプリズムと、Ｘ軸に平行なｃ軸を有するプリズムを上述のように接合すると、偏光分離が可能となる。

偏光ビームスプリッタＡの光入射面及び光出射面は、共にＸＹ平面に平行であり、この光出射面と、次段の回折手段Ｂの光入射面が接合する。これらは物理的に接触していてもよいし、離間させることも可能である。

次に、回折手段Ｂについて説明する。

図４は、回折格子による回折について説明する図である。

回折手段Ｂの光透過領域は単一パターンを構成している（図５参照）。

第１入力光（第１波長λ１）の第１偏光、第２入力光（第２波長λ２）の第１偏光、第１入力光（第１波長λ１）の第２偏光、及び、第２入力光（第２波長λ２）の第２偏光、の全てが、回折手段Ｂの単一パターンに入射するように配置されている。なお、第１波長λ１はテラヘルツ波であり、第２波長λ２は可視光であるため、λ２＜λ１である。

なお、図５（ｂ）に示すように、単一パターンのピッチｔは、光透過領域ＲのＹ軸方向の中心位置間の距離で規定される。

図４のように各波長の光の入射角と出射各を設定する。

この場合、第１入力光（第１波長λ１）の第１偏光の回折手段Ｂへの入射角α_１１、出射角β_１１、第１入力光（第１波長λ１）の第２偏光の回折手段Ｂへの入射角α_１２、出射角β_１２、第２入力光（第２波長λ２）の第１偏光の回折手段Ｂへの入射角α_２１、出射角β_２１、第２入力光（第２波長λ２）の第２偏光の回折手段Ｂへの入射角α_２２、出射角β_２２は、ｍ_１１、ｍ_１２、ｍ_２１、ｍ_２２を任意の自然数とすると、以下の関係式を満たしている。
｜ｓｉｎα_１１−ｓｉｎβ_１１｜≠ｍ_１１λ１／ｔ、
｜ｓｉｎα_１２−ｓｉｎβ_１２｜≠ｍ_１２λ１／ｔ、
｜ｓｉｎα_２１−ｓｉｎβ_２１｜＝ｍ_２１λ２／ｔ、
｜ｓｉｎα_２２−ｓｉｎβ_２２｜＝ｍ_２２λ２／ｔ

この例では、第１波長λ１は回折条件を満たさないため偏向せず、第２波長λ２は回折条件を満たすため偏向し、波長の異なる第１偏光同士、及び、波長の異なる第２偏光同士の進行方向を一致させることができる。すなわち、β_１１＝β_２１、β_１２＝β_２２である。なお、波長λの光が、入射角α、出射角βで回折手段に入力される場合、ｍを自然数とすると、ピッチｔに対して、｜ｓｉｎα−ｓｉｎβ｜＝ｍλ／ｔが光が強め合う回折条件である。

図５は、回折手段Ｂ（回折格子）の平面図（ａ）及び、この回折格子をＹ−Ｙ矢印で切断した断面構成を示す図（ｂ）である。

この回折格子は、Ｘ軸方向に沿って延びた光透過領域Ｒを複数備えており、複数の光透過領域Ｒはストライプを構成している。光透過領域Ｒ間の領域は、凹部になっており、回折格子においては、当該凹部内は、粗面化等の光拡散処理を行うか、或いは、同図（ｂ）に示すように、遮光材料Ｓを配置し、光ブロック領域が形成されている。なお、ここでいう光は、テラヘルス波及び可視光である。なお、回折格子では、隣り合う光透過領域Ｒ（スリット）間の光路差が波長のちょうど整数倍になるところに明線ができ、波長の整数倍に半波長足したようになるところに暗線ができる。

図６は、第２実施形態に係る光学構造を示す図である。

この光学構造１００においては、偏光ビームスプリッタＡと回折手段Ｂとは、接合面を有することなく一体化しており、図６の光学構造１００は、かかる点においてのみ、図３に示したものと異なり、その他の点は同一である。

この構成の場合、回折手段Ｂとウォラストンプリズムを接着する必要がなく、回折手段と偏光ビームスプリッタと間の接着時の角度ずれを抑制し、接着剤や部材の屈折率差に起因した光の損失などを抑える効果がある。回折手段Ｂは回折格子であり、その構造は上述の通りである。

図７は、第３実施形態に係る光学構造を示す図である。

この光学構造１００においては、第１回折手段Ｂ１と第２回折手段Ｂ２とを備えており、本例の場合、それぞれの回折手段の構造は、図５に示したものと同一である。詳説すれば、回折手段Ｂは、複数の光透過領域Ｒの一部分から構成される第１パターンを有する第１回折手段Ｂ１と、複数の光透過領域の別の一部分から構成される第２パターンを有する第２回折手段とを備えている。第１回折手段Ｂ１と第２回折手段Ｂ２は、接触していてもよいし、分離していてもよく、同一部材に双方のパターンを形成してもよい。

第１入力光（第１波長λ１）の第１偏光、及び、第２入力光（第２波長λ２）の第１偏光は、第１回折手段Ｂ１に入射するように配置されている。第１入力光（第１波長λ１）の第２偏光、及び、第２入力光（第２波長λ２）の第２偏光は、第２回折手段Ｂ２に入射するように配置されている。

第１回折手段Ｂ１の第１パターンのピッチｔ１、第２回折手段の第２パターンのピッチｔ２に応じて、光の偏向の度合いが独立に変化する。なお、ピッチｔ１及びピッチｔ２は、図５（ｂ）におけるｔに相当し、それぞれのパターンのピッチは、図５（ｂ）に示すように、光透過領域ＲのＹ軸方向の中心位置間の距離で規定される。

図８は、回折格子による回折について説明する図であり、図８のように各波長の光の入射角と出射各を設定する。

第１入力光（第１波長λ１）の第１偏光の第１回折手段Ｂ１への入射角α_１１、出射角β_１１、第１入力光（第１波長λ１）の第２偏光の第２回折手段Ｂ２への入射角α_１２、出射角β_１２、第２入力光（第２波長λ２）の第１偏光の第１回折手段Ｂ１への入射角α_２１、出射角β_２１、第２入力光（第２波長λ２）の第２偏光の第２回折手段Ｂ２への入射角α_２２、出射角β_２２は、ｍ_２１、ｍ_２２を任意の自然数とすると、以下の関係式を満たす。
ｔ１≠ｔ２、
｜ｓｉｎα_２１−ｓｉｎβ_２１｜＝ｍ_２１λ２／ｔ１、
｜ｓｉｎα_２２−ｓｉｎβ_２２｜＝ｍ_２２λ２／ｔ２

この場合、第２入力光の第２波長λ２の第１偏光と第２偏光とは、異なる回折格子に入力されるので、異なる回折条件で制御でき、回折による偏向の角度を容易に調整し、容易に、第１入力光と進行方向の一致を達成することができる。この構造の場合、第１入力光が回折して偏向してもよい。

図９は、第４実施形態に係る光学構造を示す図である。

この光学構造１００においては、図７の第１回折手段Ｂ１及び第２回折手段Ｂ２の構造を、それぞれ第１空間光変調器Ｂ１’及び第２空間光変調器Ｂ２’としたものであり、その他の構造及び作用効果は、図９に示したものと同一であるが、空間光変調器では、光透過領域を制御装置ＣＯＮＴから入力される制御信号によって形成できる点が異なる。

一例としての空間光変調器は、液晶層の両面に透明電極を設け、その外側を一対のλ／４板で挟んだものであり、透明電極を介して液晶層に印加する電圧（制御信号）により、λ／４板を透過できる光の透過特性が変化する。

空間光変調器では、様々な光透過パターンを形成することができるので、出力される光の状態をモニタしながら、回折状態の微調整を行うことができ、また、異なるパターンを形成して、別の偏向を行うことも可能である。

以上のように、回折手段は、回折格子又は空間光変調器とすることができる。回折格子は容易に入手できる部品であるため製造が簡単であり、また、空間光変調器は、所望の回折パターンを入力信号に応じて形成することができるため、所望の偏向を行うことができる。

また、空間光変調器とすることで、回折角、回折効率を調整することができる。このとき、第１空間光変調器Ｂ１’と、第２空間光変調器Ｂ２’の液晶の配向は同一ではなく、常光線の偏光方向と液晶の向きが一致した領域と、異常光線の偏光方向と液晶の向きが一致した領域に分けることができる。それぞれの領域を各偏光成分が通過することで、偏光状態を入出力の前後で変化させずに、回折させることも可能である。

図１０は、第５実施形態に係る光学構造を示す図である。

この光学構造１００は、上述のいずれかの光学構造において、回折手段の後段に、出射位置補償器Ｃを追加して配置したものであり、その他の構成は、上述のものと同一である。

本例の出射位置補償器Ｃは、一様な単一の材料からなるブロックからなる。このブロックは、Ｚ軸を中心軸とする円柱形状、角柱形状、直方体、或いは平板状等の形状とすることができる。一例では、直方体の誘電体からなるブロックであるとし、光入射面と光出射面は、共に、ＸＹ平面に平行であるとする。なお、誘電率は高いほど、屈折率は高くなるため、上記の屈折作用を利用するプリズムブロック及び出射位置補償器は、全て誘電体材料（絶縁体）からなる。

出射位置補償器Ｃは、前段の回折手段Ｂの出力面において、距離ｄ１だけ離れて出力された第１偏光の位置と進行方向を補正し、同時に、距離ｄ２だけ離れて出力された第２偏光光の位置と進行方向を補正する（図１１参照）。

したがって、第１入力光の第１偏光及び第２入力光の第１偏光の光出射位置と進行方向を一致させ、且つ、第１入力光の第２偏光と、第２入力光の第２偏光の光出射位置と進行方向を一致させることができる。

なお、出射位置補償器Ｃは、これが複屈折材料からなる場合は、光学軸は、一軸性結晶の場合はＺ軸に平行な光学軸のものを用いることが好ましく、複屈折材料でもよいが、二軸性結晶の場合、光学軸を合わせても複屈折が生じ、設計が難しくなる。

また、出射位置補償器Ｃは、複屈折材料ではなく、全体の体積内の屈折率が均一な材料から構成することも可能である。

本例では、分離角を補償する回折手段Ｂ及び出射位置補償器Ｃを備えているので、これらを備えるアライメント補償器による位置補正が容易となる。アライメント補償器は、異なる波長が別の進行経路を通る点を利用した光路補正手段であり、異なる波長の光が、異なる位置、異なる進行方向で、入力された場合において、その光出射面上での出射位置と進行方向を、一致させている。一方の波長を不可視光（テラヘルツ波）とし、これに連続しない帯域に位置する他方の波長を可視光（モニタ光）とすれば、同軸上で偏光ビームスプリッタに入力された不可視光と可視光は、アライメント補償器の光出射面上では、同一の位置に現れ、同一の方向に進むことになる。したがって、可視光の位置をモニタすることにより、不可視光の位置を更に正確にモニタすることができる。

図１１は、図１０に示す回折手段Ｂ及び出射位置補償器Ｃを拡大して示す図である。

第１入力光（第１波長λ１）の第１偏光は、回折手段Ｂにおいて、Ｚ軸からの分離角θ_Ｂ１１（＝出射位置補償器Ｃへの入射角）で偏向して進行する。第２入力光（第２波長λ２）の第１偏光は、回折手段Ｂにおいて、Ｚ軸からの分離角θ_Ｂ２１（＝出射位置補償器Ｃへの入射角）で偏向して進行する。

第１入力光（第１波長λ１）の第２偏光は、回折手段Ｂにおいて、Ｚ軸からの分離角θ_Ｂ１２（＝出射位置補償器Ｃへの入射角）で偏向して進行する。第２入力光（第２波長λ２）の第２偏光は、回折手段Ｂにおいて、Ｚ軸からの分離角θ_Ｂ２２（＝出射位置補償器Ｃへの入射角）で偏向して進行する。

なお、出射位置補償器Ｃの光入射面は、ＸＹ平面に平行であるため、その法線はＺ軸に平行である。したがって、上記Ｚ軸からの分離角は、出射位置補償器Ｃへの光の入射角に一致する。

これにより、距離ｄ１だけ離間していた第１入力光及び第２入力光の第１偏光は、出射位置補償器Ｃの光出射面において、同一の位置から出射されることになる。また、出射位置補償器Ｃの外側は、空気であり、出射位置補償器Ｃと空気との屈折率差に起因して、第１入力光及び第２入力光の第１偏光は、同一の方向に進行することになる。

また、第１入力光（第１波長λ１）の第１偏光は、回折手段Ｂと出射位置補償器Ｃとの接合面（ＸＹ平面）において出射角（＝Ｚ軸からの分離角）θ_Ｃ１１で屈折して進行する。第２入力光（第２波長λ２）の第１偏光は、回折手段Ｂと出射位置補償器Ｃとの接合面（ＸＹ平面）において出射角（＝Ｚ軸からの分離角）θ_Ｃ２１で屈折して進行する。

第１入力光（第１波長λ１）の第２偏光は、回折手段Ｂと出射位置補償器Ｃとの接合面（ＸＹ平面）において出射角（＝Ｚ軸からの分離角）θ_Ｃ１２で屈折して進行する。第２入力光（第２波長λ２）の第２偏光は、回折手段Ｂと出射位置補償器Ｃとの接合面（ＸＹ平面）において出射角（＝Ｚ軸からの分離角）θ_Ｃ２２）で屈折して進行する。

これにより、距離ｄ２だけ離間していた第１入力光及び第２入力光の第２偏光は、出射位置補償器Ｃの光出射面において、同一の位置から出射されることになる。また、出射位置補償器Ｃの外側は、空気であり、出射位置補償器Ｃと空気との屈折率差に起因して、第１入力光及び第２入力光の第２偏光は、同一の方向に進行することになる。

なお、図３に示すように、偏光ビームスプリッタＡは、入射面から入力された入力光を、第１偏光（偏光ビームスプリッタからの出力時は常光）と第２偏光（偏光ビームスプリッタからの出力時は異常光）とに分離する。なお、偏光ビームスプリッタＡにおける第１偏光と第２偏光の進行方向のなす角度である分離角（第１波長λ１の第１分離角θ１、第２波長λ２の第２分離角θ２）は鋭角である。回折手段Ｂにおいて、出力光の位置と方向を一致させるため、回折手段Ｂによる偏向角は、θ２−θ１＞θ２’―θ１’を満たしており、分離角の差分が入力前後で小さくなっている。なお、第１波長λ１＞第２波長λ２、θ１＞θ２である。なお、θ１’及びθ２’等（図３参照）のパラメータは、以下の通りである。
・θ１：
第１入力光が偏光ビームスプリッタＡに入力された場合の分離角
・θ２：
第２入力光が偏光ビームスプリッタＡに入力された場合の分離角
・θ１’（＝θ_Ｂ１１＋θ_Ｂ１２）：
第１入力光由来（第１波長λ１）の第１偏光と第２偏光が回折手段Ｂに入力された場合の回折手段Ｂにおける分離角
・θ２’（＝θ_Ｂ２１＋θ_Ｂ２２）：
第２入力光由来（第２波長λ２）の第１偏光と第２偏光が回折手段Ｂに入力された場合の回折手段Ｂにおける分離角

また、回折手段Ｂの光出射面は、以下のパラメータを備えている。
・ｎ_Ｂ１Ｐ：第１波長λ１の第１偏光に対する屈折率
・ｎ_Ｂ１Ｓ：第１波長λ１の第２偏光に対する屈折率
・ｎ_Ｂ２Ｐ：第２波長λ２の第１偏光に対する屈折率
・ｎ_Ｂ２Ｓ：第２波長λ２の第２偏光に対する屈折率
・Ｌ１：回折手段Ｂの光出射面における第１入力光由来（第１波長λ１）の第１偏光と第２偏光との離隔距離
・Ｌ２：回折手段Ｂの光出射面における第２入力光由来（第２波長λ２）の第１偏光と第２偏光との離隔距離

また、出射位置補償器Ｃは、以下のパラメータを備えている。
・ｎ_Ｃ１：第１波長λ１に対する屈折率
・ｎ_Ｃ２：第２波長λ２に対する屈折率
・Ｄ：（Ｚ軸方向の）厚み

距離ｄ１のずれ量を出射位置補償器Ｃにおいて一致させるには、ｄ１は以下の式を満たす。
ｄ１＝（Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ２１−Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ１１）
なお、θ_Ｃ１１、θ_Ｃ２１は、以下の式を満たす。
θ_Ｃ１１＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ１Ｐ・ｓｉｎθ_Ｂ１１）／ｎ_Ｃ１））である。
θ_Ｃ２１＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ２Ｐ・ｓｉｎθ_Ｂ２１）／ｎ_Ｃ２））である。

同様に、距離ｄ２のずれ量を出射位置補償器Ｃにおいて一致させるには、ｄ２は以下の式を満たす。
ｄ２＝（Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ２２−Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ１１）
なお、θ_Ｃ１２、θ_Ｃ２２は、以下の式を満たす。
θ_Ｃ１２＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ１Ｓ・ｓｉｎθ_Ｂ１２）／ｎ_Ｃ１））である。
θ_Ｃ２２＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ２Ｓ・ｓｉｎθ_Ｂ２２）／ｎ_Ｃ２））である。

上述のように、出射光の位置と方向を一致させるために、屈折率ｎ_Ｂ１Ｓ、屈折率ｎ_Ｂ１Ｐ、屈折率ｎ_Ｂ２Ｓ、屈折率ｎ_Ｂ２Ｐ、離隔距離Ｌ１、離隔距離Ｌ２、屈折率ｎ_Ｃ１、屈折率ｎ_Ｃ２、及び、厚みＤは、以下の関係式を満たしている。

Ｌ１−Ｌ２＝（Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ２１−Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ１１）＋（Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ２２−Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ１２）

なお、θ_Ｃ１１、θ_Ｃ２１，θ_Ｃ１２、θ_Ｃ２２は、以下の式を満たす。
θ_Ｃ１１＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ１Ｐ・ｓｉｎθ_Ｂ１１）／ｎ_Ｃ１））
θ_Ｃ２１＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ２Ｐ・ｓｉｎθ_Ｂ２１）／ｎ_Ｃ２））
θ_Ｃ１２＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ１Ｓ・ｓｉｎθ_Ｂ１２）／ｎ_Ｃ１））
θ_Ｃ２２＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ２Ｓ・ｓｉｎθ_Ｂ２２）／ｎ_Ｃ２））

なお、上述のように、偏光ビームスプリッタＡにおける光の進行方向の偏向量（分離角）は、（１）ＹＺ平面内において、第１プリズムブロックＡ１と第２プリズムブロックＡ２の接合面が、ＸＹ平面と成す角度θ、（２）第１プリズムブロックＡ１及び第２プリズムブロックＡ２の材料（屈折率）、（３）第１プリズムブロックＡ１及び第２プリズムブロックＡ２の光学軸の方向に依存する。

光学軸の方向が、上述の通りであり、偏光ビームスプリッタＡの材料が水晶、回折手段Ｂが回折格子であって、材料が水晶、ピッチｔが３０μｍ、第１波長の波長が３００μｍ、第２波長の波長が６３３ｎｍの場合、上述の距離Ｌ１，Ｌ２の離隔を伴って、第１偏光と第２偏光がそれぞれほぼ同一の方向に進行するためには、以下の関係式を満たす。
Ｌ１−Ｌ２＝（Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ２１−Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ１１）＋（Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ２２−Ｄ・ｔａｎθ_Ｃ１２）

なお、θ_Ｃ１１、θ_Ｃ２１，θ_Ｃ１２、θ_Ｃ２２は、以下の式を満たす。
θ_Ｃ１１＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ１Ｐ・ｓｉｎθ_Ｂ１１）／ｎ_Ｃ１））
θ_Ｃ２１＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ２Ｐ・ｓｉｎθ_Ｂ２１）／ｎ_Ｃ２））
θ_Ｃ１２＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ１Ｓ・ｓｉｎθ_Ｂ１２）／ｎ_Ｃ１））
θ_Ｃ２２＝ｓｉｎ^−１（ｎ_Ｂ２Ｓ・ｓｉｎθ_Ｂ２２）／ｎ_Ｃ２））

上記光学構造においては、偏光ビームスプリッタＡ及び回折手段Ｂは、それぞれウォラストンプリズムから構成されている。この構造の場合、ウォラストンプリズムは、市場で容易に入手することができるので、組み立てが容易となるという利点がある。

図１２は、実施形態に係る光学構造を示す図である。

本例では、出射位置補償器ＣのＺ軸方向長を長くしたものである。また、上記では、回折手段Ｂにおいて、第２入力光の分離角が拡大するように偏向した後、出射位置補償器Ｃにより、出射位置を補正したが、本例では、回折手段Ｂにおいて、第１入力光の分離角が縮小するように偏向して、出射位置補償器Ｃにより、出射位置を補正した構成である。このような構成であっても、各偏光毎の出射光の方向と位置を一致させることができる。

なお、上記の図５においては、回折手段Ｂとして、ストライプ状のパターンを有する回折格子を示したが、その他のパターンを用いることができる。

図１３は、その他の回折格子の平面図（ａ）及び、この回折格子をＹ−Ｙ矢印で切断した断面構成を示す図（ｂ）である。

この回折格子は、Ｚ軸を中心とする円環状の光透過領域Ｒを複数備えており、複数の光透過領域Ｒは同心円群を構成している。光透過領域Ｒ間の領域は、凹部になっており、回折格子においては、当該凹部内は、粗面化等の光拡散処理を行うか、或いは、同図（ｂ）に示すように、遮光材料Ｓを配置し、光ブロック領域が形成されている。なお、ここでいう光は、テラヘルス波及び可視光であり、上記の回折格子として適用することができる。

なお、ウォラストンプリズムと回折格子を接触させる場合の接着は、屈折率差による損失を抑えるために、光学的カップリング剤を使用することができる。

また、テラヘルツ波としては、波長３００μｍ（１ＴＨｚ）、可視光としては、波長６３３ｎｍのものを例示的に用いることができる。上記では、２波長としたが、入力光の波長数は２波長以上でもよい。

ウォラストンプリズムの材質は、一軸性結晶または二軸性結晶、その他複屈折を有する材質である必要があり、例えば水晶、ＭｇＦ_２，ＫＤＰ，ＫＴＰ，ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３，ＫＮｂＯ_３，サファイア、ＬＢＯ，ＣＬＢＯ，ＡｇＧａＳ_２，ＡｇＧａＳｅ_２，ＺＧＰ，ＧａＮ，ＢＢＯ、ＴｉＯ２、方解石、ポリカーボネートなどが適用可能である。

回折格子の材質としては水晶、サファイア、ＭｇＦ_２，ＫＤＰ，ＫＴＰ，ＬｉＮｂＯ_３，ＬｉＴａＯ_３，ＫＮｂＯ_３，ＬＢＯ，ＣＬＢＯ，ＡｇＧａＳ_２，ＡｇＧａＳｅ_２，ＺＧＰ，ＧａＮ，ＢＢＯ、ＴｉＯ_２、方解石、アクリル、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート、シリコン、ゲルマニウム、ＭｇＯなどが適用可能である。

出射位置補償器Ｃの材質は、一軸性結晶又は二軸性結晶に限らず、等方性などの他の結晶のほか、非晶質でもよい。したがって、出射位置補償器Ｃの材料としては、水晶、サファイア、ＭｇＦ_２，ＫＤＰ，ＫＴＰ，ＬｉＮｂＯ３，ＬｉＴａＯ_３，ＫＮｂＯ_３，ＬＢＯ，ＣＬＢＯ，ＡｇＧａＳ_２，ＡｇＧａＳｅ_２，ＺＧＰ，ＧａＮ，ＢＢＯ、ＴｉＯ_２、方解石、アクリル、シクロオレフィンポリマー、ポリカーボネート、シリコン、ゲルマニウム、ＭｇＯなどが適用可能である。

なお、偏光分離を行う偏光ビームスプリッタとしては、サヴァール板、偏光分離板、ノマルスキープリズムなども適用することができる。

以上、説明したように、回折手段Ｂ及び出射位置補償器Ｃは、最初の偏光ビームスプリッタＡから出力された異なる波長の第１偏光と第２偏光の進行方向と出射位置を一致させるが、構造としては、最初に、回折手段Ｂによって、異なる波長毎の分離角を近づけ、その後段で、第１偏光と第２偏光に対して、一例としては等方性の屈折率分布を有する出射位置補償器により、出射位置を一致させる構造を用いることができる。この構造の場合、各パラメータを独立して制御できるので、設計が容易となるという利点がある。

以上、説明したように、上述の光学構造１００は、入射面から入力された入力光を、第１偏光と第２偏光とに分離する偏光ビームスプリッタＡであって、第１偏光と前記第２偏光の進行方向のなす角度である分離角が鋭角である偏光ビームスプリッタＡと、偏光ビームスプリッタＡの後段に配置され、所定ピッチで離間した複数の光透過領域を有する回折手段Ｂとを備えている。所定ピッチの回折手段Ｂを用いることにより、不可視光をモニタにしつつ、ウォラストンプリズムに比べて小型で偏向を行うことができ、様々な分野への応用が期待される。例えば不可視であるテラヘルツ波の伝搬経路を、可視光によって確認することができ、光軸調整などが容易になる。上記光学構造は、セキュリティ検査装置や、テラヘルツ波微分干渉イメージングなど、様々な装置に適用することができる。

Ａ…偏光ビームスプリッタ、Ｂ…回折手段（回折格子、空間光変調器）、Ｃ…出射位置補償器。

Claims (2)

1. 入射面から入力された入力光を、第１偏光と第２偏光とに分離する偏光ビームスプリッタであって、前記第１偏光と前記第２偏光の進行方向のなす角度である分離角が鋭角である該偏光ビームスプリッタと、
   前記偏光ビームスプリッタの後段に配置され、所定ピッチで離間した複数の光透過領域を有する回折格子と、
   を備え、
   第１波長λ１を有する第１入力光が前記偏光ビームスプリッタに入力され、
   第２波長λ２を有する第２入力光が前記偏光ビームスプリッタに入力された場合、
   前記回折格子の前記所定ピッチは、
   第１波長λ１は、前記回折格子の回折条件を満たさず、
   第２波長λ２は、前記回折格子の回折条件を満たし、
   前記第１入力光の第１偏光と前記第２入力光の第１偏光の進行方向が一致し、
   前記第１入力光の第２偏光と前記第２入力光の第２偏光の進行方向が一致する、
   ように設定され、
   前記偏光ビームスプリッタと前記回折格子とは、接合面を有することなく一体化している、
   ことを特徴とする光学構造。
2. 前記回折格子の前記光透過領域は単一パターンを構成し、
   前記第１入力光の第１偏光、
   前記第２入力光の第１偏光、
   前記第１入力光の第２偏光、及び、
   前記第２入力光の第２偏光、の全てが、前記回折格子の前記単一パターンに入射するように配置され、
   λ２＜λ１であり、
   前記単一パターンの前記所定ピッチｔ、
   前記第１入力光の第１偏光の前記回折格子への入射角α_１１、出射角β_１１、
   前記第１入力光の第２偏光の前記回折格子への入射角α_１２、出射角β_１２、
   前記第２入力光の第１偏光の前記回折格子への入射角α_２１、出射角β_２１、
   前記第２入力光の第２偏光の前記回折格子への入射角α_２２、出射角β_２２、
   は、ｍ_１１、ｍ_１２、ｍ_２１、ｍ_２２を任意の自然数とすると、
   以下の関係式：
   ｜ｓｉｎα_１１−ｓｉｎβ_１１｜≠ｍ_１１λ１／ｔ、
   ｜ｓｉｎα_１２−ｓｉｎβ_１２｜≠ｍ_１２λ１／ｔ、
   ｜ｓｉｎα_２１−ｓｉｎβ_２１｜＝ｍ_２１λ２／ｔ、
   ｜ｓｉｎα_２２−ｓｉｎβ_２２｜＝ｍ_２２λ２／ｔ、
   を満たすことを特徴とする請求項１に記載の光学構造。

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