JPH0827410B2 - 偏光プリズム - Google Patents

偏光プリズム

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JPH0827410B2
JPH0827410B2 JP2087240A JP8724090A JPH0827410B2 JP H0827410 B2 JPH0827410 B2 JP H0827410B2 JP 2087240 A JP2087240 A JP 2087240A JP 8724090 A JP8724090 A JP 8724090A JP H0827410 B2 JPH0827410 B2 JP H0827410B2
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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接偏光を取
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波に対してや,P波に対しての透過
率,反射率である場合が多い。そこで,こうした測定の
ためのに回折格子の後に,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,回折格子で分光されて弱くなった光の
強さ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Io,Ieはそれぞ
れ次式で与えられる。
但し,ここでは一軸性負結晶(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Io=Ieになるよう
にくさび角Sを求めるとS=23.53゜になる。このプリ
ズムの視野角Io+Ie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n=1とおけばよい。波長589.23nmに
おいてIo=Ieになるようにくさび角を求めると,S=50.4
6゜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゜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
射光が多量反射を起こし,透過光が2重になったり,ま
た,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,グランテーラー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,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でき
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Io,Ie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,n
ε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,IeもIo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Ioは大きくなり,Ie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Io+Ieそのものは大きかったとしても,必
ずしも広がった入射角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,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,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複屈折材料とするが、その複屈
折材料が一軸性負結晶か,一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,nε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10図に示すようにψo,ψeとすると 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=n
ε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ψo,
ψe,ψe−ψoのグラフを第9図に示した。
ψe−ψo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。
方解石製の偏光プリズムでは,nω>nε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,nε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ray1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,紙面内で振動するray2は垂直入射のと
き,Aでは常光線,Cでは異常光線になる。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では異常光線の主屈折率n
εに近い屈折率nCを持つ異常光線である。
つまり,ray1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nA
らnCに変わるが,nA(nω)>nC(nε)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 また, が成り立つ。
nA,nCは光学軸と波面法線方法のなす角度によって次
のように表わされる。
接合面で全反射を起こすとき, となることを考慮して式〜からψ23,nA,nCを消
去すると とおいて となる。
一軸性正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ray3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,紙面内で振動するray4は入射角が小さいとき,
プリズムA′ではnεに近い屈折率nA′を持つ異常光
線,接合層C′ではnωに近い屈折率nC′を持つ異常光
線になる。
nA′(nε)>nC′(nω)なのでray4を結合面
で全反射させることができる。
ray4が接合面で全反射するための臨界入射角ψ′は
式〜に対応する次式から求めることができる。
sinψ′=nA′sinψ′ ……… nA′sinψ′=nC′sinψ′ ……… 全反射を起こすとき, であることを考慮し, とおくとψ′は 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ψの波長
依存性を第5図に示す。くさび角をS=17゜とした。
ψは透過させない方の直線偏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Io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,分光高度計等で広い波長範囲
にわたって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
はグランドトムソンプリズムを用いるといったような波
長領域応じた使い分けがどうしても不可避であった。
しかし,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,
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ψ+90゜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
時に問題になっていたIe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,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
ずることもない。
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,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,分光光度計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,
一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,一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図は方解石や空気等の屈折
率の波長依存性を示したグラフ,第9図は全反射の臨界
入射角と接合部の屈折率の関係を表わすグラフ,第10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。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項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、前記複屈折材料が一軸性負結晶のとき
    は、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、かつ三角プリズムは光軸と平行、平板は光軸と垂
    直とし、前記複屈折材料が一軸性正結晶のときは、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
    つ三角プリズムは光軸と垂直な方向、平板は光軸と平行
    な方向にとることを特徴とする偏光プリズム。
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