JPH0615004U - 偏光解消板 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 分光装置等の分解能を落とさずに、しかも十
分な偏光解消効果が得られるような偏光解消板を提供す
る。 【構成】 この偏光解消板は、旋光性を有する異方性結
晶であって、入射光の振動方向と４５°の方向に光学軸
を持つ第１の結晶と、入射光の入射進行方向と平行な方
向に光学軸を持つ第２の結晶から成り、ウェッジ角ｕで
この２つの結晶が張り合わされており、偏光解消板の厚
みをｄ₀ としたものである。

Description

【考案の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】

本考案は透過型もしくは反射型回折格子を分光素子に用いる分光光度計やスペ クトル・アナライザー等の測定装置の偏光特性の解消のために用いられる光学素 子に関する。

【０００２】

【従来技術】

反射型回折格子を用いた分光測定装置の原理を図４に従って説明する。

【０００３】 光源Ｓから出た光は回折格子Ｇにある入射角をもって入射する。回折格子によ って光は入射面と同一面内で回折されスリットＳｌを通って光電検出器Ｄに入射 する。この回折角は波長によって異なるため回折格子を回転させることによって 検出器に入射させる光の波長を変えることができる。このようにしてある光源の 光の波長分布を調べたり、試料の分光透過率や分光反射率を調べることができる 。 しかし、このシステムはこのままでは偏光依存性が大きく、測定再現性や測 定精度に信頼性が持てない。まず、回折格子に関しては電気ベクトルが格子溝と 平行方向に振動する入射光（Ｐ偏光）と垂直方向に振動する入射光（Ｓ偏光）と では回折効率が異なる。このため一定の強度の入射光であってもＰ偏光であるか Ｓ偏光であるか、あるいはその間の振動方向であるかによってそれぞれ違う強度 の光として検出されてしまう。

【０００４】 さらに光電検出器にもＰ偏光とＳ偏光の変換効率が異なるといった偏光特性が ある。回折格子で回折された光は波長に応じてＰ偏光とＳ偏光の強度比が異なる ため同じ強度の光でも波長によって異なる強度の光として検出されてしまう。

【０００５】 光電検出器の偏光特性はある光源からの光の強度を予めベースラインとして取 り込んでおき、それを元にした相対強度を測定する分光光度計ではあまり大きな 影響を及ぼさないが、光の絶対的な分光強度分布を測定するスペクトル・アナラ イザーでは大きな影響を及ぼす。

【０００６】 以上述べたような回折格子に起因する偏光特性を消すためには、まず光源Ｓか ら出た光の偏光を解消し次に検出器に入射する光の偏光を解消すればよい。この ためにはＰ偏光成分やＳ偏光成分のような直交する２つの偏光成分の間の強度を 等しく割り振る偏光解消子が必要になる。このような偏光解消目的に使われる素 子には散乱板、リオ型偏光解消子、積分球、バビネ型解消板、コルニュー型解消 板、ロション型解消板等いろいろあるが、透過率が高く、コンパクトで安価な素 子として最もよく使われるのがロション型解消板である。

【０００７】 （参考文献：Ｒ．Wetzel Optik 76 No.4 (1987) 178） このタイプの解消板の原理を図５に従って説明する。図５-(a)は解消板の側面 図であり、図５-(b)は解消板の正面図である。この解消板はウェッジのついた２ 枚の旋光性を有する異方性結晶を張り合わせて作られ第１の結晶板の光学軸はｙ 軸と平行な方向にとり、第２の結晶板の光学軸はｚ軸と平行な方向にとるように 構成する。この解消板に図５のようにｙ軸（第１結晶板の光学軸の方向）に対し て４５°の方向に振動する直線偏光が入射すると第１の結晶板では２つの偏光成 分間に位相差が生じ、第２の結晶板では両方の偏光成分の偏光面が回転する。結 晶板のウェッジのため２つの結晶の厚みがｘ座標ごとにことなるので、ｘ軸方向 に広がった入射光には入射点ごとに違った位相差と違った旋光角が与えられる。 入射光のｘ方向の広がりが大きければ出射光を全開口で平均すると無偏光と同じ 等方的な光になる。

【０００８】 この解消板ではｘ方向に振動する入射光成分は結晶を直進するがｙ方向に振動 する入射光成分は結晶を通過するときに異常光線から常光線へ切りかわるため、 境界面で屈折し、図５-(a)のように出射光は少し傾いて出てくる。このために像 は必ずｘ−ｚ面内で２つに分離する。

【０００９】 また、入射光がｘ方向に振動する直線偏光のみ、あるいはｙ方向に振動する直 線偏光のみのときには第１の結晶板では位相差が与えられないため解消効果は劣 化する。

【００１０】

【考案が解決しようとする問題点】

従来の解消板を図４の分光光学系に適用した場合について図６に従って説明す る。

【００１１】 光源から回折格子の中心へ向かってｚ軸をとった直交座標系をｘｙｚ座標、回 折格子の中心からスリットの中心へ向かってｚ′軸をとった直交座標系をｘ′ｙ ′ｚ′座標とする。

【００１２】 偏光特性が最も問題になるのは入射光の偏光方向がｘ方向にむいているＰ偏光 やｙ方向にむいているＳ偏光のときであるが、この入射光の偏光を解消するには 図６に示したように光源と回折格子の間に解消板Ｄ_p をｘ−ｙ面内で４５°回転 させてそう入しなければならない。すると解消板によって光はｘ−ｙ面内で４５ °の向きに２光束に分離することになる。このため分離光は同じ波長の光でも回 折格子によりスリット上ではｙ′方向にばらけて分布することになる。ところが 、回折格子はｙ′方向に波長ごとに分光させる素子であるから、スリットには取 り出したい波長の光の他に他波長の分離光が入ってくることになる。この結果、 分光装置の波長分解能は著しく劣化する。この分離光がスリット上のｘ′方向（ ｘ′−ｚ′面内）にばらけるなら分解能を落とすことがないのだが、このために は解消板のウェッジの最大傾斜方向をｘ−ｚ面内に向けなければならない。この とき従来の解消板では回転角を４５°から９０°に変更しなければならないが、 それでは解消効果が著しく劣化してしまう。これと同様のジレンマは検出器の偏 光特性を解消する目的で解消子を回折格子とスリットの間にそう入する場合にも 起こる。

【００１３】 本考案は上記のような従来型偏光解消板の欠点に鑑みてなされ、分光装置の分 解能を落とさずにしかも、十分な解消効果が得られるような偏光解消板を提供す ることを目的とする。

【００１４】

【問題を解決するための手段】

本考案の偏光解消板の構成を図１に従って説明する。図１-(a)は本考案の偏光 解消板の側面図であり、図１-(b)は正面図である。

【００１５】 これも旋光性を有する２枚の異方性結晶から構成されるが、第１結晶の光学軸 方向が従来の解消板とは異なる。すなわち従来の解消板の第１結晶の光学軸がｙ 軸方向と平行だったのに対し本考案ではｘ−ｙ面内で４５°傾けた方向に光学軸 をとる。第２結晶の光学軸については従来と同じｚ軸方向にとる。

【００１６】

【作用】

第１結晶の光学軸の方向をｘ−ｙ面内で４５°傾けているので、最も解消効果 が出るのは入射光の偏光方向がｘ方向かｙ方向に向いているときである。このと きも出射光はｘ−ｚ面内で２方向に分離する。そして、分光測定装置等の光学系 に解消板をｘ−ｙ面内で４５°回転させて挿入する必要がないために、回折格子 への入射光は同じ波長の光でもｙ′方向に分布することがない。

【００１７】

【実施例】

図１は本考案の偏光解消板の一実施例を示す構成図であり、図１-(a)は側面図 であり、図１-(b)は正面図である。第１の結晶と第２の結晶はウェッジ角ｕで張 り合わされており、ｄ₀ の厚みで構成されている。そして入射光の進行方向をｘ ｙｚ直交座標系のｚ軸方向にとり、ウェッジの最大傾斜方向をｘ−ｚ面内にとっ たとき、第１の結晶は、ｘ−ｙ面内でかつｘ軸と４５°の方向に光学軸を持って おり、第２の結晶は、ｚ軸方向に光学軸を持っている。

【００１８】 入射光の偏光方向がｘ方向かｙ方向に向いているときは、出射光はｘ−ｚ面内 で２方向に分離し、前述したように出射光を全開口で平均すると無偏光と同じ等 方的な光になる。

【００１９】 図１に示す解消板を図４の光学系に適用した例を図２に示す。入射光がＰ偏光 かＳ偏光のとき解消板のウェッジの最大傾斜方向をｘ−ｚ面内にくるように配置 すればよいので出射光はｘ−ｚ面内で２光束に分離する。さらに回折格子で回折 されて光はスリットに入射するが同一波長の分離光はスリット上のｘ′方向に分 布する。他の波長の回折光はｘ′ｙ′ｚ′座標系でｙ′方向に波長ごとに並ぶの でスリット上に他の波長の回折光が入射することはない。従って解消板による２ 光束への分離が分光装置の波長分解能に著しい劣化をもたらすことはない。

【００２０】 次にこの偏光解消板にｘ方向に振動する直線偏光が入射した場合の出射光の偏 光度を計算する。

【００２１】 解消板の厚みをｄ₀ 、ウェッジ角をｕとすると第１結晶の厚さｄ₁ と第２結晶 の厚さｄ₂ はｘに依存し ｄ₁ (x) ＝tan u x ＋ｄ₀ ／２ (1-a) ｄ₂ (x) ＝−tan u x ＋ｄ₀ ／２ (1-b) で与えられる。

【００２２】 第１結晶で与えられる位相差をδ(x) 、第２結晶で与えられる旋光角をθ(x) とすると δ(x) ＝２π／λΔｎ（λ）tan u x ＋π／λΔｎ（λ）ｄ₀ ＝ａ₁ ｘ＋ｂ₁ (2-a) ２θ(x) ＝−２α（λ）tan u x ＋α（λ）ｄ₀ ＝ａ₂ ｘ＋ｂ₂ (2-b) となる。ただし、ここでλは入射光の波長を表わしΔｎ（λ）は常光線と異常光 線の主屈折率の差を表わし、α（λ）は結晶の厚さ１mmあたりの旋光角を表わす 。 方位４５°の位相板のミュラー行列Ｒ（π／４，δ）と旋光板のミュラー行 列Ｔ（θ）は

【数１】 で表わされるので解消板のミュラー行列Ｄ（δ，θ）は次のように表わされる。

【数２】 ここで＜＞は入射光ビームの断面積についての平均を表わす。

【００２３】 入射光はｘ方向に振動する直線偏光なので、ストークスパラメーターベクトル Ｓ_inは

【数３】 と表わされる。このとき出射光のストークスパラメーターベクトルＳ_out はベク トルＳ_out ＝Ｄ（δ，θ）×ベクトルＳ_inで与えられるので

【数４】 となる。

【００２４】 入射光ビームの断面がｘ方向の長さがｌの矩形である場合について考えると

【数５】 となる。

【００２５】 但し、ここでａ_p ＝ａ₂ ＋ａ₁ 、ｂ_p ＝ｂ₂ ＋ｂ₁ 、ａ_m ＝ａ₂ −ａ₁ 、ｂ_m ＝ｂ₂ −ｂ₁ とおいた。(7)(8)を用いると出射光の偏光度Ｐは次のようになる。

【数６】 旋光性をもつ異方性結晶として人工水晶を用いウェッジ角を１５°にとったと きの本考案の偏光解消板の実施例について入射ビームの断面のｘ方向の長さｌを 変化させたときの出射光の偏光度の変化を図３に示す。

【００２６】 入射波長は0.78μm 、 1.3μm 、1.55μm の３波長について計算した。グラフ から明らかなように波長が短いほどまたｌが長いほど偏光解消の度合いは大きく なる。

【００２７】 入射光の偏光依存性を解消するためには解消板を光源の直後におけばよいし、 検出器の偏光依存性を解消するためには検出器の前に解消板をおけばよい。

【００２８】

【考案の効果】

本考案の偏光解消板を用いれば回折格子を用いた分光測定装置の偏光特性を分 解能を落とさずに解消することができ、本質的に入射光の光量をそこなうことは ない。しかもコンパクトで量産むきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本考案の偏光解消板の構成図で (a)は側面図を
表わし (b)は正面図を表わす。

【図２】本考案の偏光解消板を第１図に示した光学系に
適用した例について説明した図。

【図３】本考案の偏光解消板の実施例について口径と出
射光の偏光度の関係を示したグラフ。

【図４】反射型回折格子を分光素子に用いた分光測定装
置の光学系の原理図。

【図５】従来の偏光解消板の構成図で (a)は側面図を表
わし、 (b)は正面図を表わす。

【図６】従来の偏光解消板を第１図に示した光学系に適
用した例について説明した図。

Claims (1)

【実用新案登録請求の範囲】
1. 【請求項１】 ２つのウェッジつき異方性結晶を張り合
   わせた偏光解消板であって入射光の進行方向をｘｙｚ直
   交座標系のｚ軸方向にとり、ウェッジの最大傾斜方向を
   ｘ−ｚ面内にとったとき第１の結晶の光学軸をｘ−ｙ面
   内でかつｘ軸と４５°をなす方向にとり、第２の結晶の
   光学軸をｚ軸方向にとることを特徴とする偏光解消板。