JPH09101466A - 光量制御を行なうための光学素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 少ない素子数で、任意の透過率または反射率
が実現でき、しかも、手間がかかからず、精度よく設定
できる、光量制御を行なうための光学素子を提供する。 【解決手段】 二つの透光基体１ａおよび１ｂを組み合
わせて構成される。二つの透光基体１ａおよび１ｂは、
それぞれ斜面１１ａ，１１ｂを有する直角プリズムで構
成される。そして、透光基体１ａおよび１ｂは、斜面１
１ａ，１１ｂが平行に対向するように配置される。ま
た、斜面１１ａ，１１ｂは、距離ｄを隔てて配置され
る。ここで、二つの透光基体１ａおよび１ｂを相対的に
変位させることにより、距離ｄを変化させて、透過、反
射の割合を調節することができる。距離ｄは、エバネッ
セント光を利用できる程度の距離とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明が属する技術分野】本発明は、特定面が平行に対
向する少なくとも二つの透光基体からなる光学素子に係
り、特に、出射光量する光の光量を制御し、光路分割す
ることができる光学素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来の技術においては、透過率あるいは
反射率を制御するための光学素子としては、薄膜を用い
たものが知られている。また、透過率を制御するための
光学素子としては、例えば、ＥＣＤ（Ｅｌｅｃｔｒｏ
Ｃｈｒｏｍｉｃ Ｄｅｖｉｃｅ）等が知られている。こ
のＥＣＤは、電極に印加される電圧に応じて吸収率が変
化するため、これを利用して透過率の制御が行なえる素
子である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】従来の技術において
は、薄膜を用いて素子の場合、透過率または反射率が固
定である。そのため、例えば、透過光を一定の光量に制
御するためには、透過率が種々の光学素子を複数種用意
して、それらを組み合わせて、種々の透過率を実現し
て、透過光量を制御している。これは、反射光の場合も
同様である。しかし、この方法では、実現できる透過率
（または反射率）に限りがあり、任意の透過率とするこ
とが必ずしも容易ではなく、また、細かい幅での制御が
できないという問題がある。また、目的の透過率を実現
するために用意すべき光学素子の種類および数が多くな
り、しかも、それらを光軸上に設定することにも時間が
かかるという問題がある。

【０００４】さらに、光を分岐する場合には、ビームス
プリッタが用いられる。しかし、ビームスプリッタは、
分岐における透過／反射の比率が固定であり、任意の比
率とするには、それに併せた透過／反射の比率を持つビ
ームスプリッタを用意しなければならないという問題が
ある。

【０００５】本発明の目的は、少ない素子数で、任意の
透過率または反射率が実現でき、しかも、手間がかかか
らず、精度よく設定できる、光量制御を行なうための光
学素子を提供することにある。

【０００６】また、本発明の他の目的は、透過／反射の
比率を任意に設定できる光学素子を提供することにあ
る。

【０００７】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するため
本発明の第１の態様によれば、二つの透光基体を有する
光学素子において、前記各透光基体は、互いにいずれか
の面が対向する状態で、かつ、対向面間の距離ｄが変化
可能に配置され、前記対向面間の距離ｄは、対向する透
光基体を相対変位させて変化させ、相対変位の大きさ
は、一の透光基体に、他の透光基体との対向面で全反射
する角度で光を入射させたとき、その全反射面で生じる
エバネッセント光の、他の透光基体への入射光量が変化
する範囲で制御されることを特徴とする光学素子が提供
される。

【０００８】また、本発明の他の目的を達成するための
本発明の第２の態様によれば、ｎ（ｎ≧３）個の透光基
体を有し、それらの透光基体は、それぞれのいずれかの
面が対向してｍ対の対向面対を構成すると共に、各対向
面対は、それぞれ面間距離ｄ１，ｄ２，…ｄｍで対向
し、かつ、いずれかの透光基体を入射端として入射され
た光が、各対向面対に達するごとに、当該光を反射光と
透過光とに分岐して、順次他の透光基体に入射するよう
に、各透光基体の配置関係が決定されていることを特徴
とする光学素子が提供される。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の第１の態様は、二つの透
光基体を有する光学素子に関する。各透光基体は、互い
にいずれかの面が対向する状態で、かつ、対向面間の距
離ｄが変化可能に配置される。この光学素子は、一の透
光基体に入射した光を、当該一の透光基体の他の透光基
体との対向面において全反射させ、この状態で、この全
反射面に、他の透光基体の対向面を近接させて、入射光
の一部を他の透光基体に透過させる。

【００１０】入射光の一部を透過させることは、１の透
光基体の全反射面の外側にしみだすエバネッセント光を
利用して行なわれる。すなわち、一般に、ある媒質の界
面における光の全反射面では、その全反射面の外側を通
って戻るエバネッセント光が存在する。そこで、一の透
光基体の全反射面に、他の透光基体を近接させて、エバ
ネッセント光の一部を当該他の透光基体に入射させるこ
とにより、一部の光を透過させることができ、光路を分
割することができる。

【００１１】このとき、一の透光基体と他の透光基体と
の対向面間の距離ｄを選ぶことによって、反射光量と透
過光量との比率を設定する。距離ｄの大きさに応じて、
入射側の透光基体から出射側の透光基体に透過する光量
が変化する。具体的には、距離ｄが小さいほど透過光量
が増大する。本発明では、距離ｄを０とすることもでき
る。この場合には、全反射が起こらず、ほぼ１００％透
過する。また、距離ｄの変化は、全反射する光量を変化
させることにもなる。このようにすることによって、透
過光量と反射光量とを変化させることができる。対向面
は、好ましくは、平行に設定される。

【００１２】以上の態様は、例えば、透過光量または反
射光量の設定を行なうための素子として用いることがで
きる。また、光減衰器としても使用可能である。一方、
ビームを分割する素子としても用いることができる。

【００１３】また、本発明は、熱膨張等における微小な
変位を測定する素子としても用いることができる。その
場合には、直接、または、他の部材を介して測定対象の
変位を基台に伝達することによって、当該基台を変位さ
せて、対向面間の距離ｄを変化させ、透過光量、また
は、反射光量を変化させて、測定対象の微小変位を検出
することができる。

【００１４】さらに、本発明では、透光基体を振動させ
ることにより、透過光および反射光に変調をかけること
が可能である。

【００１５】本発明の第２の態様は、ｎ個の透光基体を
用いて、ｍ個の対向面対を構成して、多分岐用の光学素
子を構成することができる。ｍ個の対向面対では、それ
ぞれ面間距離ｄ１，ｄ２，…ｄｍを適宜設定することに
よって、分岐比を所望の値に設定することができる。も
ちろん、各面間距離ｄ１，ｄ２，…ｄｍは、すべてを同
一とすることもできる。

【００１６】対向面間の距離ｄ１，ｄ２，…ｄｍは、そ
れぞれの対向面対を構成する一方の面における全反射で
生じるエバネッセント光の一部が、対向する他の透光基
体の対向面に入射可能な距離に設定されることができ
る。また、ｎ個の透光基体のうち少なくとも一部は、前
記対向面間の距離ｄ１、ｄ２、…ｄｍのうち少なくとも
一部を変化させることができるように、他の透光基体と
相対変位可能に配置され、かつ、相対変位可能な透光基
体に、相対変位させるための機構をそれぞれ設け、当該
機構の少なくとも１を用いて、対応する少なくとも１の
透光基体を相対変位させることにより、当該相対変位に
より対向面間の距離を変えて、その対向面対での透過と
反射の割合を変える構成とすることができる。この場
合、対向面間の距離の変化範囲は、距離０の場合を含む
ことができる。

【００１７】また、本態様および前記第１態様では、透
光基体の出射面、あるいは、他の透光基体に薄膜を形成
することにより色分解が可能である。

【００１８】なお、分岐のための光学素子の一例を示
す。すなわち、この光学素子は、少なくとも３個の透光
基体を有し、それらの透光基体は、それぞれのいずれか
の面が平行に対向する第１の対向面対および第２の対向
面対を構成すると共に、第１および第２の対向面対は、
それぞれの対向面が対向面間の距離ｄ１およびｄ２で対
向する状態に配置される。そして、第１の対向面対は、
光学素子への入射光を全反射する角度に配置され、第２
の対向面対は、第１の対向面対における反射光および透
過光のうち一方を入射光として、その入射光を全反射す
る角度に配置される。また、第１および第２の対向面対
における対向面間の距離ｄ１およびｄ２は、それぞれの
対向面対における全反射面側で生じるエバネッセント光
の一部が、対向する他の対向面に入射して伝搬可能な距
離に設定され、第１の対向面対と第２の対向面対とで入
射光を三方向に分割して出射させる。

【００１９】本発明で用いられる透光基体としては、透
明部材のブロック、例えば、プリズムが挙げられる。プ
リズムのうち、特に直角プリズムが好ましく用いられ
る。例えば、プリズムの直辺から光を入射し、斜面を介
して他のプリズムの斜面に入射し、当該他のプリズムの
直辺から光を出射することができる。

【００２０】また、本発明は、対向面間の距離ｄを変化
させるための機構をさらに備えることができる。そのよ
うな機構としては、例えば、１軸変位機構が挙げられ
る。具体的には、対向する透光基体をそれぞれ相対変位
可能な基台上に載置し、一方の基台を可動とする。そし
て、例えば、両者間の距離を示すためのマイクロメータ
を連結することができる。また、マイクロメータの作動
部を連結して、マイクロメータを所定目盛となるように
作動させつつ、基台の一方を相対変位させる構成とする
ことができる。

【００２１】また、距離ｄを変化させる機構として、電
気信号に応じて少なくとも１方向に伸縮する素子を有
し、この素子の伸縮によって対向面間の距離を変化させ
る装置を用いることもできる。この種の素子としては、
電圧を印加すると印加電圧に応じていずれかの方向の長
さが変化するような素子が用いられる。この種の素子と
しては、例えば、ピエゾ素子が挙げられる。

【００２２】距離ｄは、光の波長λに依存し、光の波長
λが長ければ長いほど、調節する距離ｄに対する感度が
鈍感になり、反射率を０〜１００％に可変しやすい。ま
た、光の波長が短ければ短いほど調節距離ｄが敏感にな
り、光量の制御が敏感になる。透光基体どうしの距離ｄ
の制御がそのまま光量の制御に影響するため、距離ｄを
制御する機構がこの機能の心臓部といえる。

【００２３】

【実施例】以下、本発明の実施例について、図面を参照
して説明する。

【００２４】（実施例１）実施例１は、図１に示すよう
に、二つの透光基体１ａおよび１ｂを組み合わせて構成
される。二つの透光基体１ａおよび１ｂは、それぞれ斜
面１１ａ，１１ｂを有する直角プリズムで構成される。
そして、透光基体１ａおよび１ｂは、斜面１１ａ，１１
ｂが平行に対向するように配置される。また、斜面１１
ａ，１１ｂは、距離ｄを隔てて配置される。ここで、二
つの透光基体１ａおよび１ｂを相対的に変位させること
により、距離ｄを変化させて、透過、反射の割合を調節
することができる。

【００２５】透光基体１ａおよび１ｂは、共に二等辺直
角プリズムが用いられる。透光基体１ａは、斜面１１ａ
と、直角をなす面１２ａおよび１３ａとを有する。一
方、透光基体１ｂは、斜面１１ｂと、直角をなす面１２
ｂおよび１３ｂとを有する。ここで、面１２ａは、光Ｌ
の入射面として用いられ、面１３ａは、反射光Ｒ１の出
射面となる。斜面１１ａと面１２ａおよび１３ａとは、
各々４５°をなす。また、透光基体１ａおよび１ｂは、
硝材として石英（屈折率１．４６）が用いられる。従っ
て、光Ｌが透光基体１ａの直角をなす面の一つに垂直入
射すると、斜面１１ａでは全反射することになり、反射
光Ｒ１として、面１３ａから出射される。斜面１１ａと
１１ｂとは、距離ｄをあけて平行に対向する。すなわ
ち、斜面１１ａと１１ｂとは、空気層を介して対向し、
一対の対向面対を構成する。

【００２６】ここで、本実施例のように、他の透光基体
１ｂの斜面１１ｂが透光基体１ａの斜面１１ａに対向し
て近接すると、入射光Ｌの一部が斜面１１ｂから透光基
体１ｂに入射して、透過光Ｔ１として面１３ｂから出射
される。これは、上述したように、斜面１１ａのエバネ
ッセント光の一部が、斜面１１ｂに入射するためであ
る。透過光Ｔ１の光量が増大するに従って、反射光Ｒ１
の光量は減少する。この場合、透過率および反射率は、
斜面１１ａと１１ｂとの間隔に依存する。

【００２７】図５に、図１の光学系での、波長λが５３
２ｎｍである場合における、距離ｄと透過率Ｔとの関係
を示す。距離ｄ（空気間隔）と透過率Ｔとの関係は、同
図から明らかなように、距離が大きくなると共に、透過
率が小さくなっている。すなわち、ｄ＝０からｄ＝２μ
ｍの間で、透過率が１００％から０．００１％変化す
る。従って、わずかな変位で広範囲の透過率変化が実現
できる。

【００２８】従って、距離ｄを適宜の値とすることによ
り、任意の透過率を実現できる。また、透過率を測定す
ることで、図５の関係を用いて距離を知ることもできる
ので、微小変位を検出するセンサにも利用可能である。

【００２９】次に、透過率の変化と波長との関係につい
て述べる。これについては、図示していないが、次のよ
うな傾向あることが分かった。すなわち、長波長の場合
は、制御する透過率Ｔに対して調節する距離が大きくな
り、距離ｄの誤差に対する透過率Ｔの変化は少ない。ま
た、短波長については、制御する透過率Ｔに対して調節
する距離が小さくなり、距離ｄの誤差に対する透過率Ｔ
の変化は大きい。

【００３０】図５では、透過率についての評価の一例を
示した。反射率についての評価の一例を表１に示す。表
１には、図１の光学系での、波長λが１μｍにおける、
距離ｄと反射率Ｒとの関係を示す。距離ｄ（空気間隔）
と反射率Ｒとの関係は、同表から明らかなように、距離
が大きくなると共に、反射率が大きくなっている。

【００３１】

【表１】

【００３２】（実施例２）実施例２は、図２に示すよう
に、三つの透光基体１ｃ、１ｄおよび１ｅを組み合わせ
て構成される。これらの透光基体１ｃ、１ｄおよび１ｅ
は、いずれも二等辺直角プリズムで構成される。ただ
し、透光基体１ｄおよび１ｅは、それらの斜面１１ｄ，
１１ｅが、透光基体１ｃの直角をなす２面１２ｃ，１３
ｃと同じ平面形状および面積を持つ。この例では、透光
基体１ｃの直角をなす２面１２ｃ，１３ｃに、透光基体
１ｄおよび１ｅの斜面１１ｄ，１１ｅが距離ｄをあけて
対向する状態で配置される。その結果、この実施例で
は、面１２ｃと斜面１１ｅとが第１の対向面対２１を構
成し、面１３ｃと斜面１１ｄとが第２の対向面対２２を
形成する。透光基体１ｃ、１ｄおよび１ｅは、いずれも
硝材として、前記実施例１と同様に、石英が用いられ
る。

【００３３】この例では、透光基体１ｃの斜面１１ｃか
ら入射した光Ｌは、第１の対向面対１に達し、ここで、
面１２ｃで全反射される。ただし、対向面対２１の対向
面の一方である面１２ｃから空気層にエバネッセント光
が生じ、その一部が距離ｄ１で近接する斜面１１ｅに入
射し、透光基体１ｅを伝搬し、面１２ｅから透過光Ｔ１
として射出される。一方、面１２ｃで全反射された反射
光Ｒ１は、第２の対向面対２２に達し、ここで、面１３
ｃで全反射される。ただし、対向面対２２の対向面の一
方である面１３ｃから空気層にエバネッセント光が生
じ、その一部が距離ｄ２で近接する斜面１１ｄに入射
し、透光基体１２ｄを伝搬し、面１２ｄから透過光Ｔ２
として射出される。さらに、面１３ｃで全反射された光
は、透光基体１ｃを伝搬して、斜面１１ｃから反射光Ｒ
２として出射される。これにより、２分岐の素子が構成
される。

【００３４】この例では、３個の透光基体を用いて、２
対の対向面対を設けている。しかし、これに限定されな
い。さらに多くの透光基体を用いて、さらに多い対向面
対を構成して、多分岐を実現することができる。簡単な
例では、図２に示すものを複数組設置すること、また、
図１に示すものを同様に複数個設置することが可能であ
る。

【００３５】なお、距離ｄ１，ｄ２は、本実施例では、
同一距離となっているが、それぞれ適宜定めることがで
きる。それによって、透過と反射の比率を適議せていで
きて、分岐の割合を種々定めることができる。この場
合、距離をどのように決めるかは、上述した図５および
表１を参照して定めることができる。また、透光基体１
ｃを光Ｌの光軸方向に変位させることにより、距離ｄ
１，ｄ２を一度に同じだけ変化させることができる。ま
た、透光基体１ｄと１ｅとは、それぞれ別に変位させる
ことができる。それにより、距離ｄ１，ｄ２を個別に変
化させることができる。

【００３６】（実施例３）実施例３は、図３に示すよう
に、図１に示す実施例の光学素子に、距離ｄを変化させ
るための機構を設けた例である。すなわち、距離ｄを変
化させるための機構として、透光基体１ｂを載置する基
台３１と、この基台３１を変位させるマイクロメータ３
２とを有するものである。ここで、透光基体１ａは、図
示しない支持機構により固定される。従って、基台３１
がマイクロメータ３２によって変位することに応じて、
距離ｄが変化する。この例では、距離ｄの制御にマイク
ロメーターを使用したものであるから、制御する精度が
μｍ単位となる。そのため波長の長い光の制御に有効で
ある。用途によっては、透過光、反射光の光路にディテ
クターを設置し、精度良く制御することもできる。

【００３７】（実施例４）実施例４は、図４に示すよう
に、図１に示す実施例の光学素子に、距離ｄを変化させ
るための機構を設けた他の例である。すなわち、距離ｄ
を変化させるための機構として、電気信号に応じて少な
くとも１方向に伸縮する素子を有し、この素子の伸縮に
よって対向面間の距離を変化させることができる機構を
設けてある。具体的には、前記伸縮する素子として、ピ
エゾ素子４１，４２を透光基体１ａ，１ｂの斜面１１
ａ，１１ｂ間に備えている。このピエゾ素子は、電圧を
印加することによって、電圧に応じて伸縮する。この場
合、距離ｄの方向に伸縮するように素子を設ける。その
結果、距離ｄを変化させることができる。この場合に
は、電圧の印加で距離ｄを制御できる利点がある。ま
た、マイクロメータより微細な単位でｄを制御すること
ができる。

【００３８】なお、図４の例では、透光基体１ａ，１ｂ
の斜面１１ａ，１１ｂ間にピエゾ素子４１，４２が存在
するので、距離ｄを素子の厚さ自体よりは、近接させる
ことができない。そこで、さらに近接させる必要がある
場合には、斜面１１ａ，１１ｂの少なくとも一方に、ピ
エゾ素子４１，４２を収容するための凹部を設け、その
凹部にピエゾ素子４１，４２を収容することにより解決
することができる。また、斜面１１ａ，１１ｂ間ではな
く、外側に配置することもできる。

【００３９】本実施例は、距離ｄの制御にピエゾ素子を
使用したものである。従って、電圧をかける事により、
マイクロメーターよりも小さな単位で距離ｄを制御でき
るため、波長の短い光の制御に有効である。用途によっ
ては透過光、反射光の光路にディテクターを設置し、精
度良く制御することもできる。また、マイクロメーター
と組み合わせて使用することもできる。

【００４０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、少ない素
子数で、任意の透過率または反射率が実現できる。しか
も、透過率または反射率の設定は、単に、透光基体の対
向する面間の距離を変えることで実現できる。従って、
透過率または反射率の設定が、手間がかかからず、精度
よく行なえる。

【００４１】また、本発明によれば、透過／反射の比率
を任意に設定でき、光分割が容易に行なえる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例１の構成を示す説明図。

【図２】 本発明の実施例２の構成を示す説明図。

【図３】 本発明の実施例３の構成を示す説明図。

【図４】 本発明の実施例４の構成を示す説明図。

【図５】 本発明の実施例１において、距離ｄと透過率
Ｔとの対応関係を示すグラフ。

【符号な説明】

１ａ，１ｂ，１ｃ，１ｄ，１ｅ…透光基体、１１ａ，１
１ｂ，１１ｄ，１１ｅ…斜面、１２ａ，１２ｂ，１２
ｃ，１２ｄ，１２ｅ，１３ａ，１３ｂ…面、２１…第１
の対向面対、２２…第２の対向面対、３１…基台、３２
…マイクロメータ、４１，４２…ピエゾ素子。

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 二つの透光基体を有する光学素子におい
   て、 前記各透光基体は、互いにいずれかの面が対向する状態
   で、かつ、対向面間の距離ｄが変化可能に配置され、 前記対向面間の距離ｄは、対向する透光基体を相対変位
   させて変化させ、相対変位の大きさは、一の透光基体
   に、他の透光基体との対向面で全反射する角度で光を入
   射させたとき、その全反射面で生じるエバネッセント光
   の、前記他の透光基体への入射光量が変化する範囲で制
   御されることを特徴とする光学素子。
2. 【請求項２】 請求項１において、前記対向面間の距離
   の変化範囲は、距離ｄが０の場合を含むことを特徴とす
   る光学素子。
3. 【請求項３】 請求項１または２において、前記対向面
   間の距離ｄを変化させるための機構をさらに備えること
   を特徴とする光学素子。
4. 【請求項４】 請求項３において、前記距離ｄを変化さ
   せるための機構は、電気信号に応じて少なくとも１方向
   に伸縮する素子を有し、この素子の伸縮によって前記対
   向面間の距離を変化させることを特徴とする光学素子。
5. 【請求項５】 ｎ（ｎ≧３）個の透光基体を有し、 それらの透光基体は、それぞれのいずれかの面が対向し
   てｍ対の対向面対を構成すると共に、各対向面対は、そ
   れぞれ面間距離ｄ１，ｄ２，…ｄｍで対向し、かつ、い
   ずれかの透光基体を入射端として入射された光が、各対
   向面対に達するごとに、当該光を反射光と透過光とに分
   岐して、順次他の透光基体に入射するように、各透光基
   体の配置関係が決定されていることを特徴とする光学素
   子。
6. 【請求項６】 請求項５において、前記対向面間の距離
   ｄ１，ｄ２，…ｄｍは、それぞれの対向面対を構成する
   一方の面における全反射で生じるエバネッセント光の一
   部が、対向する他の透光基体の対向面に入射可能な距離
   に設定されることを特徴とする光学素子。
7. 【請求項７】 請求項５において、前記ｎ個の透光基体
   のうち少なくとも一部は、前記対向面間の距離ｄ１、ｄ
   ２、…ｄｍのうち少なくとも一部を変化させることがで
   きるように、他の透光基体と相対変位可能に配置され、
   かつ、相対変位可能な透光基体に、相対変位させるため
   の機構をそれぞれ設け、当該機構の少なくとも１を用い
   て、対応する少なくとも１の透光基体を相対変位させる
   ことにより、当該相対変位により対向面間の距離を変え
   て、その対向面対での透過と反射の割合を変えることを
   特徴とする光学素子。
8. 【請求項８】 請求項７において、前記対向面間の距離
   の変化範囲は、距離０の場合を含むことを特徴とする光
   学素子。
9. 【請求項９】 請求項７または８において、前記相対変
   位させるための機構は、電気信号に応じて少なくとも１
   方向に伸縮する素子を有し、この素子の伸縮によって対
   向面間の距離を変化させることを特徴とする光学素子。
10. 【請求項１０】 請求項４または９は、前記電気信号に
    応じて少なくとも１方向に伸縮する素子は、ピエゾ素子
    である光学素子。