JPH03287104A - 偏光プリズム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、各種分光装置や光学実験等で直線偏光を取り
出す際に必要とされる偏光プリズムに関する。

〔従来技術〕

回折格子で単色化した光を試料に照射し透過率や反射率
を測る分光光度計では、特に斜入射で測定するときに入
射光の偏光状態が問題になる。回折格子で分光された光
は、波長ごとに異なる楕円偏光になる。しかし、測定量
として重要なのはＳ波に対しでや、Ｐ波に対しての透過
率１反射率である場合が多い。

そこで、こうした測定のために回折格子の後に、偏光プ
リズムを挿入し、プリズムを回転させてＳ波入射光やＰ
波入射光を作る。

分光光度計は、紫外から赤外にわたる広い波長領域の光
を測定に用いるため、こうした偏光プリズムは広い透過
波長域を持ち、しかも偏光子として機能しなければなら
ない。さらに２回折格子で分光されて弱くなった光の強
度を落とさずに効率よく使うために、視野角は広い方が
好ましい。

光学軸がプリズムの断面と垂直な面内にある偏光プリズ
ムの視野角について、第１３図に従って説明する。図の
ように３次元の直交座標軸をとり、Ｘ軸と光学軸のなす
角をβとする。プリズムを構成する一軸性結晶の常光線
。

異常光線に対する主屈折率をそれぞれｎω。

ｎε、プリズムの頂角をＳ、接合部の屈折率をｎとする
と、常光線、異常光線が接合部で全反射する臨界入射角
１°＋　ｌｅはそれぞれ次式％式％ 但し、ここでは−軸性負結晶（ｎω〉ｎε）を仮定して
いる。

代表的偏光プリズムであるグラントムソンプリズムでは
β＝９０°、フランクリッタープリズムではβ＝４５°
になる。

方解石製グラントムソンプリズムで接着剤の屈折率ｎが
１．４３のとき、波長５８９．２３ｎｍにおいてｌ。−
１８になるようにくさび角Ｓを求めると５＝２３．５３
°になる。このプリズムの視野角１°＋１８の波長依存
性を第１２図に示す。

このグラフから明らかなようにグラントムソンプリズム
は波長３００ｎｍから１４００ｎｍにわたり、常に２０
°以上の広い視野角を確保することができる。しかし、
接着剤の吸収のため、　３００ｎｍ以下の波長では光を
透過しないという欠点を持っている。

３００ｎｍ以下の光を透過させるプリズムには接合部を
空気層としたグランフーコープリズムがある。グランフ
ーコープリズムではｎｌとおけばよい。波長５８９．２
３ｎｍにおいてｌ。

８になるようにくさび角を求めると。

５＝５０．４６°になる。このプリズムの視野角の波長
依存性を第１１図に示す。グランフーコープリズムは接
着層による光の吸収がないため、３００ｎｍ以下の波長
でも使用できるが。

そのかわり視野角が８重前後とグラントムソンプリズム
に比べて狭くなってしまう。

また、グランフーコープリズムに代表される接合部を空
気層とした偏光プリズムでは空気層における多重反射も
問題となる。すなわち、第１３図のａ面とｂ面の間で入
射光が多重反射を起こし、透過光が２重になったり、ま
た２反射損失による透過光強度の低下といった悪影響が
でる。透過光の重なりは接合部Ｃの厚さが厚いとき特に
顕著である。この接合部の厚さを薄くすればするほど透
過光の重なりを小さくすることができるが、薄くなりす
ぎるとプリズム自体の消光比が落ちてしまい限界がある
。

また、グランテーラ−プリズムのように光がｂ面にブリ
ュースター角で入射し２反射を起こさせないようプリズ
ムの構成やくさび角Ｓを設定する工夫も考えられるが、
これもプリズムの設計に融通がきかなくなるし、使用波
長が設計波長からずれると効果も薄くなる。

偏光プリズムの接合層には接着剤であれ。

空気層であれ、平行度が必要とされる。第６図に示した
ように接合層が平行でなかったら、透過光にふれが出て
しまう。

また、すべての偏光プリズムには第７図に示したような
光の平行ずれが生じる。これは透過光線（異常光線）の
プリズムにおける屈折率と接合部における屈折率の違い
に起因するもので本質的にとり除くことはできない。

接合層の厚さを薄くすればずれを小さくすることはてき
るが、消光比とのからみで限界がある。また、たまたま
ある波長で屈折率が一致したとしても波長の変化にとも
ないずれが生じ得る。第１２図や第１１図から明らかな
ように偏光プリズムの常光線、異常光線の臨界入射角の
大きさ１°、１８は波長とともに変化する。

これはプリズムを構成する複屈折材料（方解石）の２つ
の主屈折理率ｎω、ｎｅが波長とともに変化することに
由来している。長波長領域では、１８も１°もほぼ一定
で同じくらいの値をとるので、視野角は対称な形になっ
ているが、短波長領域に移るに従って１°は大きくなり
、１８は小さくなっていく。

Ｉｅは透過光の臨界入射角で、この角より大きい入射角
の異常光線はすべて接合面で全反射されてしまうので、
たとえ視野角１°＋１８そのものは大きかったとしても
、必ずしも広がった入射光を有効に使えるとは限らない
。

〔発明が解決しようとする課題〕

分光光度計等で使用される偏光プリズムには広い透過波
長域と広い視野角という２つの性能が必要とされるが、
従来の偏光プリズムには、この２つを同時に満たすもの
がなかった。最も視野角の広いグラントムソンプリズム
は３００ｎｍ以下の波長領域では使用できないし、透過
波長域の広いグランフーコープリズムは視野角を広くと
ることができない。しかも、従来型の偏光プリズムでは
視野角の設計波長以外の波長での非対称性が入射光の有
効利用に悪影響を及ぼしていた。この非対称性は特に短
い波長領域において顕著である。

また、従来の偏光プリズムには接合層にいろいろな問題
があった。第１に透過光の平行ずれは本質的に避けるこ
とができない。第２に厚さが厚すぎれば、透過光の平行
ずれや重なりが問題になるし、薄すぎればプリズムの消
光比が低下する。第３に平行度が出ていないと透過光が
ふれる。第４に接合層の存在自体が２反射損失による透
過光強度低下の原因になる。

本発明の目的は広透過波長域、広視野角を同時に満足し
、しかも接合層に起因する。透過光の平行ずれや重なり
、ふれ２反射損失を原理的に持たない、偏光プリズムを
提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の偏光プリズムの構成は、第１図と第２図に示す
通りである。偏光プリズムを構成する２つの三角プリズ
ムと平板はすべて同じに複屈折材料とするが、その複屈
折材料が一軸性負結晶か、−軸性正結晶かによって三角
プリズム、平板それぞれの光学軸の方向のとり方を変え
る。

負結晶のときは、第１図のように三角プリズムの光学軸
の方向は光軸に平行、平板の光学軸の方向は光軸に垂直
になるようにとる。

正結晶のときは、第２図のように三角プリズムの方は光
軸に垂直、平板の方は光軸に平行になるようにとる。

なお、三角プリズム、平板間は光学的に接合するものと
する。

〔作　用〕

通常、偏光プリズムは２つの方解石製三角プリズムを接
着剤で接合するか、空気層を設けて接合して作る。紫外
から赤外の波長領域において方解石の常光線、異常光線
の主屈折率ｎω、ｎｅはそれぞれ１．７前後、１．５前
後の値をとる。

接合部の界面での常光線、異常光線の全反射を起こす臨
界入射角を第１Ｏ図に示すようにψＯ９ψｅとすると ｓｉｎ　　ψＯ ｎ　ω ｓｉｎ　　ψｅ Ｉｅ となる。ここでｎｅは異常光線の屈折率で普通入射角に
依存するが、グラントムソンタイプのプリズムではｎｅ
＝ｎεとおいてよい。ｎω−１，７，ｎε−１，５とし
、接合部分の媒質の屈折率ｎを１．０から１．５まで変
化させたときのψ０．ψｅ、ψｅ−ψＯのグラフを第９
図に示した。

ψｅ−ψ０は視野角に対応する角度だが、第９図から接
合部の屈折率が大きいほど、視野角が大きくとれること
がわかる。

したがって、第１１図、第１２図の比較から明らかなよ
うに接合部の屈折率ｎをｎ　＝１．４３としたときの視
野角はｎ＝１．０としたときの視野角よりも常に大きい
値をとる。

方解石袋の偏光プリズムでは、ｎω〉ｎさなので異常光
線は透過し、常光線は接合面で全反射して透過しないよ
う接合媒質の屈折率とプリズムのくさび角を選択する。

常光線が接合面で全反射を起こすには ｎω〉ｎでなければならないが、接合媒質の屈折率ｎが
異常光線の屈折率ｎｅに等しければ理想的な偏光プリズ
ムになる。つまり。

ｎ＝ｎｅのとき、異常光線にとって偏光プリズムは単な
る均一な媒質になるが、常光線にとっては全反射面を持
った偏光プリズムとして作用する。

しかし、方解石の２つの主屈折率ｎω。

ｎＣは第８図に示すような波長依存性を持っている。だ
からある波長でｎω＞ｎｅ＝ｎを満足するような屈折率
ｎを持つ接着剤を用いたとしても波長が変化するにつれ
て、ｎｅ＝ｎではなくなってくる。どの波長に対しても
。

透過光に対するプリズムでの屈折率が常に一致するよう
な接合媒質は方解石自身であるという着想から本発明に
至った。

まず、方解石のような一軸性負結晶を材料に選んだとき
の原理について第３図に従って説明する。

紙面に垂直な方向に電気ベクトルが振動するｒａｙ　１
はプリズムＡにおいても、接合層Ｃにおいても常に常光
線なので均一な媒質としてプリズムを透過する。

それに対し２紙面内で振動するｒａｙ　２は垂直入射の
とき、Ａでは常光線、Ｃては異常光線になる。やや斜め
に入射したときにはＡでもＣでも異常光線となるが、入
射角が小さいときには、Ａでは常光線の主屈折率ｎωに
近い屈折率ｎＡを持つ異常光線であり、Ｃては異常光線
の主屈折率ｎεに近い屈折率ｎＣを持つ異常光線である
。

つまり、ｒａｙｌの屈折率はプリズム全体にわたりｎω
で一定だが、ｒａｙ２の屈折率はＡからＣに進むにつれ
てｎ、からｎｃに変わるが、　ｎＡ　（釘ｎ　ω）　＞
　ｎＣ（ｘｎ　ε）なのでくさび角Ｓを適当に選べば、
接合面で全反射を起こさせることができる。

次にｒａｙ２が接合面で全反射するのに必要な臨界入射
角ψ！を求める。

まず、第３図においてｄ面、ａ面において屈折の法則を
適用すると （１）−２ となることを考慮して式■〜■から ψ２．ψ３．ｎＡ＋　　ｎｃを消去するとまた。

が威り立つ。

ｎＡｔ　ｎｃは光学軸と波面法線方向のなす角度によっ
て次のように表わされる。

とおいて となる。

−軸性上結晶を材料に選んだときも全く同様にして求め
ることができる。この偏光プリズムを第４図に従って説
明する。

電気ベクトルが紙面と垂直方向に振動するｒａｙ　３は
プリズムＡ　’、接合層Ｃ′を通じて常光線なので、屈
折率は常にｎωで一定である。

一方２紙面内で振動するｒａｙ　４は入射角が小さいと
き、プリズムＡ′ではｎεに近い屈折率ｎｚを持つ異常
光線、接合層Ｃ′ではｎωに近い屈折率ｎ≦を持つ異常
光線になる。

ｎｚ（援ｎε）＞ｎご（授ｎω）なのでｒａｙ　４を接
合面で全反射させることができる。

ｒａｙ　４が接合面で全反射するための臨界入射角ψ１
′は式■〜■に対応する次式から求めることができる。

ｓｉｎψ１’＝ｎ＾’ｓｉｎψ２′ ｎ＾’ｓｉｎψ３’＝ｎｃ’ｓｉｎψ４′・・・・・・
・・・■ ・・・・・・・・・■ ことを考慮し。

りの から求まる。

〔実施例〕

一軸性負結晶として方解石を選んだときのψ１の波長依
存性を第５図に示す。くさび角を５＝１７°とした。

ψ１は透過させない方のＭ線傷光の臨界入射角なので、
グラントムソンプリズムやグランフーコープリズムでの
１０に対応する。

透過させる方の直線偏光に対して本発明の偏光プリズム
は均一な媒質でしかないので。

従来プリズムでのＩｅに対応する角は存在しない。しい
て言えば９０°ということになる。

〔効　果〕

従来の偏光プリズムには紫外光から赤外光にわたる広い
波長領域で使え、しかも広い視野角を持つといったもの
はなかった。そのため１分光光度計等で広い波長範囲に
わたって（／６） 偏光プリズムを使おうとすると、紫外領域ではグランフ
ーコープリズムを用い、可視から赤外領域ではグラント
ムソンプリズムを用いるといったような波長領域に応し
た使い分けがどうしても不可避であった。

しかし２本発明の偏光プリズムでは従来プリズムの接合
層を三角プリズムを構成する複屈折材料に置き換えるこ
とで、接着剤に由来する紫外光の吸収の問題や空気層に
由来する狭視野角の問題を同時に取り除くことができる
。

本発明の偏光プリズムの透過波長領域はプリズムを構成
する複屈折材料の透過領域でしか制限されないので２例
えば、方解石を用いたときには、紫外領域から赤外領域
にわたる広い波長範囲で使用することができる。

本発明の偏光プリズムの従来型偏光プリズムより優れる
一番大きな特長は透過直線偏光の臨界入射角（Ｉｅ）が
存在しないことである。このため、従来型偏光プリズム
とは比較できないほど広い視野角ψ１＋９「を実現する
ことができるし、従来型プリズムにおいて短波長領域で
特に問題になっていた１ｅの減少も全く無縁である。

また、従来型プリズムでは接合層に起因して（１）多重
反射による像の重なり、　（２）透過光の平行ずれ、（
３）平行度が出ないときに起こる。透過光のふれ、（４
）反射損失による透過光強度の低下等の問題があったが
２本発明の偏光プリズムでは上記問題点は全く存在しな
い。しかも、波長の変化によってこれらの効果が減する
こともない。

従来型偏光プリズムでは接合層の厚さや平行度を厳密に
制御しなければならないが２本発明の偏光プリズムでは
接合層となる平板の厚さの設定は自由だし平行出しもそ
れほど厳密にする必要もないので容易に製作できる。

本発明の偏光プリズムはグラントムソン。

グランフーコー等の従来型偏光プリズムよりも優れた特
性を持っている。例えば９分光光度計等で使用するとき
にもプリズムの切り換えなしに、１つで十分性能を発揮
するし、あるいは偏光を用いた光学実験、光学装置等あ
らゆる分野で汎用的に用いることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図、第２図は複屈折材料にそれぞれ一軸性負結晶、
−軸性正結晶を用いたときの本発明の偏光プリズムの構
成を説明する図、第３図、第４図はそれぞれ一軸性負結
晶、−軸性正結晶を用いたときの本発明の偏光プリズム
の原理を説明する図、第５図は方解石を用いた本発明の
偏光プリズムの実施例で、臨界入射角の波長依存性を示
したグラフ、第６図は従来型偏光プリズムで接合層の平
行度が出ていないときの透過光のふれを説明する図。 第７図は従来型偏光プリズムの接合層に起因する透過光
の平行ずれを説明する図、第８図は方解石や合成石英等
の屈折率の波長依存性を示したグラフ、第９図は全反射
の臨界入射（／ｑ） 角と接合部の屈折率の関係を表わすグラフ。 第１Ｏ図は、プリズムの接合面における全反射の様子を
説明する図、第１１図はグランフーコープリズムの視野
角の波長依存性を示すグラフ、第１２図はグラントムソ
ンプリズムの視野角の波長依存性を示すグラフ、第１３
図は光学軸がプリズム断面と垂直な面内にある偏光プリ
ズムを説明する図である。 （２ｏ　）

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、２つの複屈折材料の三角プリズムを同じ複屈折材料
   の平板を介して光学的に接合してなる偏光プリズムであ
   って、前記複屈折材料を一軸性負結晶または正結晶とし
   、三角プリズム及び平板の光学軸の方向を光の入射面内 で、かつそれぞれ光軸と平行または光軸と垂直、光軸と
   垂直な方向または光軸と平行な方向にとることを特徴と
   する偏光プリズム。