JP2009139713A - 偏光分離・合成素子 - Google Patents

Abstract

【目的】 少なくとも狭帯域の波長で、高効率に偏光分離・合成が実行できると共に、装置の小型化を達成することができる偏光分離・合成素子を提供する。
【構成】 直交する２つの成分の偏光を有する入射光束を１つの成分に揃えて出射する偏光分離・合成素子において、直交する２つの成分の偏光を有する入射光束を各偏光成分に分離して出射する平板状の偏光分離手段と、前記偏光分離素子により分離された入射角の異なる各偏光成分の光束を一方の偏光成分のみに位相変換し出射する平板状の位相変換手段と、前記位相変換手段により一方の偏光成分のみに位相変換された光束を平行に出射し合成する平板状の光束合成手段とを備えたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、異なる方向の偏光成分を含む光束を単一の偏光方向の光束に変換するため、又は、単一の偏光方向の光束を異なる方向の偏光成分を含む光束に変換するための偏光分離・合成素子に関するものである。

従来、入射光を平行な光軸と同一方位の偏波面をもつ二つの偏光に分離することも、これら二つの偏光を合成することもできる偏光分離・合成素子として、偏光ビームスプリッタと光学的反射部材との間に偏光回転子を介在させることにより構成されているものがある（特許文献１参照）。

また、光束幅の拡大を伴うことなく偏光混合光を単一偏光方向の偏光光に変換することができ、しかも加工が容易な偏光変換素子として、コンデンサレンズアレイと、ＰＳ分離プリズムアレイと、位相板と、コリメータレンズアレイとを備えるものが開示されている（特許文献２参照）。
特開平５−３０７１５３号公報 特開平１１−２０２１２９号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載されたような偏光分離・合成素子では、偏光分離した一方の偏光成分のみに位相変換手段を通して偏光を揃え、その後に合成しているので、比較的装置が大型化するという問題点がある。

また、上記特許文献２に記載されたような偏光変換素子では、ＰＳ分離プリズムアレイに集光光を入射させるため、最適性能に対してズレが生じ、効率が低下するという問題点がある。

さらに、いずれの文献に記載された素子も、キューブ型の偏光ビームスプリッタを用いているので、装置が大型化していて、また、高価になっていた。

本発明は従来技術のこのような問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、少なくとも狭帯域の波長で、高効率に偏光分離・合成が実行できると共に、装置の小型化を達成することができる偏光分離・合成素子を提供することである。

本発明は、上記課題を解決する偏光分離・合成素子であって、直交する２つの成分の偏光を有する入射光束を１つの成分に揃えて出射する偏光分離・合成素子において、直交する２つの成分の偏光を有する入射光束を各偏光成分に分離して出射する平板状の偏光分離手段と、前記偏光分離手段により分離された入射角の異なる各偏光成分の光束を一方の偏光成分のみに位相変換し出射する平板状の位相変換手段と、前記位相変換手段により一方の偏光成分のみに位相変換された光束を平行に出射し合成する平板状の光束合成手段とを備えたことを特徴とする。

また、前記偏光分離手段と前記位相変換手段とは層状に一体に配置されることを特徴とする。

また、前記偏光分離手段と前記光束合成手段とは平行に配置されることを特徴とする。

また、前記位相変換手段と前記光束合成手段とは層状に一体に配置されることを特徴とする。

また、前記偏光分離手段から出射する２つの光束のうち出射角が大きい方がＰ偏光であることを特徴とする。

また、前記位相変換手段に入射する２つの光束のうち入射角が大きい方が、前記偏光分離手段に対してＰ偏光であることを特徴とする。

また、前記光束合成手段に入射する２つの光束のうち入射角が大きい方がＰ偏光であることを特徴とする。

本発明によれば、少なくとも狭帯域の波長で、高効率に偏光分離・合成ができると共に、装置の小型化を達成することができる。

図１は本発明に係る偏光分離・合成素子の第１実施形態を示す断面図、図２は第１の偏光ビームスプリッタの断面図、図３は第１の位相変換手段の断面図及び平面図、図４は第１の光束合成手段の断面図、図５は第２の光束合成手段の断面図である。

図１に示すように、第１実施形態の偏光分離・合成素子１は、一方から順に偏光分離手段としての偏光ビームスプリッタ２、位相変換手段３及び光束合成手段４からなるそれぞれ平板状の素子を積層状に一体に配置したものである。

このような偏光分離・合成素子１に、偏光ビームスプリッタ２側からランダム偏光Ｌ_Rが入射すると、位相変換手段３を介して光束合成手段４側からＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのうちどちらか一方の偏光のみが平行に出射するように構成されている。

次に、第１実施形態の各素子の実施例及び作用について説明する。

第１の偏光ビームスプリッタ２は、図２に示すように、基板２ａに凸部２ｂを設けた略平板状の回折格子型偏光分離素子からなる。

偏光ビームスプリッタ２にランダム偏光Ｌ_Rが入射されると、その入射角と平行にＰ偏光Ｌ１_P又はＳ偏光Ｌ１_Sのうち一方の偏光の光束が出射し、偏光ビームスプリッタ２の出射面に対して垂直な方向にＳ偏光Ｌ２_S又はＰ偏光Ｌ２_Pのうち他方の偏光の光束が出射するものである。

例えば、第１の偏光ビームスプリッタ２は、基板２ａの屈折率Ｎ２を１．５、凸部２ｂの屈折率ｎ２を１．５７５、凸部２ｂのピッチＰ２＝０．６６７μｍ、高さＨ２＝１．９１μｍ、幅Ｗ２＝０．２１２μｍ、傾斜角度Ａ２＝１８．５°とする。

第１の偏光ビームスプリッタ２は、波長λ２＝０．５５μｍのランダム偏光Ｌ_Rが入射角θ２ａ＝５５．５°で入射すると、入射光であるランダム偏光Ｌ_Rと平行な出射角θ２ｂ＝５５．５°に約９７．４％の効率（出射時の界面反射を差引いた出射時の透過率１００．０％）のＰ偏光Ｌ１_Pを出射し、偏光ビームスプリッタ２の出射面に対して垂直な方向に約８７．６％の効率（出射時の界面反射を差引いた出射時の透過率９６．０％）のＳ偏光Ｌ２_Sを出射する。

また、第１の位相変換手段３は、図３（ａ）に示すように、基板３ａに凸部３ｂを設けた略平板状からなり、図３（ｂ）に示すように、上面から見ると、スリットの向きが４５°傾斜され、入射面に垂直に入射する光束の偏光を略９０°異なる位相差で出射するものである。

位相変換手段３は、図２に示した偏光ビームスプリッタ２から出射されたＰ偏光Ｌ１_P及びＳ偏光Ｌ２_S若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＰ偏光Ｌ２_Pの２つの光束が入射されると、Ｐ偏光又はＳ偏光のどちらか一方の偏光のみに変換され、位相変換手段３への各光束の入射角と各平行に２つの光束が出射するものである。

例えば、第１の位相変換手段３は、基板３ａの屈折率Ｎ３を１．５、凸部３ｂの屈折率ｎ３を１．５７５、凸部３ｂのピッチＰ３＝０．２５μｍ、高さＨ３＝６．６５μｍ、幅Ｗ３＝０．１２５μｍとする。

第１の位相変換手段３は、偏光ビームスプリッタ２から出射されたＰ偏光Ｌ１_Pが入射角θ３ａ＝５５．５°から入射されると、出射角θ３ｂ＝５５．５°の方向に約９９．７％の効率（出射時の界面反射を差引いた出射時の透過率約１００．０％）のＰ偏光Ｌ１_Pが出射され、Ｓ偏光Ｌ２_Sが入射面に対して垂直な方向から入射されると、該入射光と平行に、位相変換手段３の出射面に対して垂直な方向に約９４．０％の効率（出射時の界面反射を差引いた出射時の透過率約９６．０％）のＰ偏光Ｌ２_Pに変換され出射される。

第１の光束合成手段４は、図４に示すように、基板４ａに三角形状の凸部４ｂを設けた略平板状からなる。例えば、基板４ａ及び凸部４ｂの屈折率Ｎ４＝１．２５、凸部４ｂの先端角度はα＝４１．４°とする。

図３に示した位相変換手段３から出射したＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのどちらか一方に偏光された２つの光束は、図４に示すように、入射したＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのどちらか一方の偏光のまま平行な光束に合成され、出射される。

例えば、第１の光束合成手段４は、位相変換手段３から出射された入射角θ４ａ＝５５．５°のＰ偏光Ｌ１_Pを、光束合成手段４から出射角θ４ｂ＝２０．７°の方向に約９５．９％の効率（入射時の界面反射を差引いた入射時の透過率約９９．９％）のＰ偏光Ｌ１_Pで出射させ、入射面に対して垂直な方向から入射されたＰ偏光Ｌ２_Pを出射角θ４ｂ＝２０．７°の方向に約９４．６％の効率（入射時の界面反射を差引いた入射時の透過率約９８．８％）のＰ偏光Ｌ２_Pで出射させる。

そして、表１に示すように、図１に示した第１実施形態として、図２に示した第１の偏光ビームスプリッタ２、図３に示した第１の位相変換手段３、図４に示した第１の光束合成手段４を適用した実施形態１Ａの偏光分離・合成素子１は、表１に示すように、入射したランダム偏光Ｌ_Rを、効率９３．１％のＰ偏光Ｌ１_P及び効率７７．９％のＰ偏光Ｌ２_Pとし、総合的な効率８５．５％のＰ偏光Ｌ_Pとして出射する。

（表１）
┌──────────┰──────────┐
│ ┃実施形態１Ａ │
│ビームスプリッタ ┃ S │ P │
│直後の偏光 ┃ │ │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━━┿━━━━┥
│ビームスプリッタ(EX ┃ 87.6│ 97.4 │
│1) ┃ │ │
│位相変換手段(EX1) ┃ 94.0│ 99.7 │
│光束合成手段(EX1) ┃ 94.6│ 95.9 │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━━┿━━━━┥
│トータル ┃ 77.9│ 93.1 │
│ ┠─────┴────┤
│トータル平均 ┃ 85.5 │
└──────────┸──────────┘

単位［％］

次に、図５に示すような第２の光束合成手段４を適用した場合について説明する。基板４ａに三角形状の凸部４ｂを設けた略平板状からなる。例えば、基板４ａ及び凸部４ｂの屈折率Ｎ４＝１．５６２、凸部４ｂは直角三角形で先端角度はα＝３１．８°とする。また、凸部４ｂの間の空間は、屈折率ｎ４＝１．３８の光学用ＵＶ硬化型樹脂等の樹脂等で満たされている。

図３に示した位相変換手段３から出射したＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのうちどちらか一方に偏光された２つの光束は、図５に示すように、入射したＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのうちどちらか一方の偏光のまま平行な光束に合成され、出射される。

例えば、第２の光束合成手段４は、位相変換手段３から出射された入射角θ４ａ＝５５．５°のＰ偏光Ｌ１_Pを、光束合成手段４から屈折率ｎ４＝１．３８の媒質で出射角θ４ｂ＝１５．９°の方向で、さらに空気中に屈折してθ４ｂ'＝２２．２°の方向に約８７．７％の効率（入射時の界面反射を差引いた入射時の透過率約１００．０％、出射時の界面反射を差引いた出射時の透過率約９８．０％）のＰ偏光Ｌ１_Pで出射させ、入射面に対して垂直な方向から入射されたＰ偏光Ｌ２_Pを出射角θ４ｂ＝１５．９°の方向に約８４．０％の効率（入射時の界面反射を差引いた入射時の透過率約９５．２％、出射時の界面反射を差引いた出射時の透過率約９８．０％）のＰ偏光Ｌ２_Pで出射させる。

そして、図１に示した第１実施形態として、図２に示した第１の偏光ビームスプリッタ２、図３に示した第１の位相変換手段３、図５に示した第２の光束合成手段４を適用した実施形態１Ｂの偏光分離・合成素子１は、表２に示すように、入射したランダム偏光Ｌ_Rを、効率８５．２％のＰ偏光Ｌ１_P及び効率６９．２％のＰ偏光Ｌ２_Pとし、総合的な効率７７．２％のＰ偏光Ｌ_Pとして出射する。

（表２）
┌──────────┰─────────┐
│ ┃実施形態１Ｂ │
│ビームスプリッタ ┃ S │ P │
│直後の偏光 ┃ │ │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━┿━━━━┥
│ビームスプリッタ(EX ┃ 87.6│ 97.4 │
│1) ┃ │ │
│位相変換手段(EX1) ┃ 94.0│ 99.7 │
│光束合成手段(EX2) ┃ 84.0│ 87.7 │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━┿━━━━┥
│トータル ┃ 69.2│ 85.2 │
│ ┠────┴────┤
│トータル平均 ┃ 77.2 │
└──────────┸─────────┘

単位［％］

次に、本発明に係る偏光分離・合成素子の第２実施形態について説明する。

図６は本発明に係る偏光分離・合成素子の第２実施形態を示す断面図、図７は第３の光束合成手段の断面図、図８は第４の光束合成手段の断面図である。

図６に示すように、第２実施形態の偏光分離・合成素子１は、一方から順に偏光ビームスプリッタ２及び位相変換手段３からなるそれぞれ板状の素子を積層状に一体に配置し、その下方に光束合成手段４からなる板状の素子を所定角度傾斜して配置したものである。

このような偏光分離・合成素子１に、偏光ビームスプリッタ２側からランダム偏光Ｌ_Rが入射すると、位相変換手段３を介して光束合成手段４側からＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのうちどちらか一方の偏光のみが平行に出射するように構成されている。

次に、各素子の実施例及び作用について説明する。

偏光ビームスプリッタ２及び位相変換手段３は、図２及び図３で示した第１の偏光ビームスプリッタ２及び第１の位相変換手段３と同一構成のものを適用する。

第３の光束合成手段４は、図７に示すように、基板４ａに三角形状の凸部４ｂを設けた略平板状からなる。例えば、基板４ａ及び凸部４ｂの屈折率Ｎ４＝１．２７２、凸部４ｂは二等辺三角形で先端角度はα＝４３．０°とする。

図３に示した位相変換手段３から出射したＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのどちらか一方に偏光された２つの光束は、図７に示すように、入射したＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのどちらか一方の偏光のまま平行な光束に合成され、出射される。

例えば、第３の光束合成手段４は、位相変換手段３から出射された入射角θ４ａ＝２７．７５°のＰ偏光Ｌ１_P及びＰ偏光Ｌ２_Pを、光束合成手段４から出射角θ４ｂ＝０°の方向、すなわち基板面に垂直な方向に約９５．６％の効率（入射時の界面反射を差引いた入射時の透過率約９９．１％）のＰ偏光Ｌ１_P及びＰ偏光Ｌ２_Pで出射させる。

そして、図６に示した第２実施形態として、図２に示した第１の偏光ビームスプリッタ２、図３に示した第１の位相変換手段３、図７に示した第３の光束合成手段４を適用した実施形態２Ａの偏光分離・合成素子１は、表３に示すように、入射したランダム偏光Ｌ_Rを、効率９２．８％のＰ偏光Ｌ１_P及び効率７８．７％のＰ偏光Ｌ２_Pとし、総合的な効率８５．８％のＰ偏光Ｌ_Pとして出射する。

（表３）
┌──────────┰─────────┐
│ ┃実施形態２Ａ │
│ビームスプリッタ ┃ S │ P │
│直後の偏光 ┃ │ │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━┿━━━━┥
│ビームスプリッタ(EX ┃ 87.6│ 97.4 │
│1) ┃ │ │
│位相変換手段(EX1) ┃ 94.0│ 99.7 │
│光束合成手段(EX3) ┃ 95.6│ 95.6 │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━┿━━━━┥
│トータル ┃ 78.7│ 92.8 │
│ ┠────┴────┤
│トータル平均 ┃ 85.8 │
└──────────┸─────────┘

単位［％］

次に、光束合成手段４として図８に示すような第４の光束合成手段４を適用した場合について説明する。基板４ａに三角形状の凸部４ｂを設けた略平板状からなる。例えば、基板４ａ及び凸部４ｂの屈折率Ｎ４＝１．５９２、凸部４ｂは二等辺三角形で先端角度はα＝３４．０°とする。また、凸部４ｂの間の空間は、屈折率ｎ４＝１．３８の光学用ＵＶ硬化型樹脂等の樹脂等で満たされている。

図３に示した位相変換手段３から出射したＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのうちどちらか一方に偏光された２つの光束は、図８に示すように、入射したＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのうちどちらか一方の偏光のまま平行な光束に合成され、出射される。

例えば、第４の光束合成手段４は、図８に示すように、位相変換手段３から出射された入射角θ４ａ＝２７．７５°のＰ偏光Ｌ１_P及びＰ偏光Ｌ２_Pを、光束合成手段４から屈折率ｎ４＝１．３８の媒質で出射角θ４ｂ＝０°の方向で、さらに空気中に屈折してθ４ｂ'＝０°の方向に約８５．５％の効率（入射時の界面反射を差引いた入射時の透過率約９７．３％、出射時の界面反射を差引いた出射時の透過率約９７．５％）のＰ偏光Ｌ１_P及びＰ偏光Ｌ２_Pで出射させる。

そして、図６に示した第２実施形態として、図２に示した第１の偏光ビームスプリッタ２、図３に示した第１の位相変換手段３、図８に示した第４の光束合成手段４を適用した実施形態２Ｂの偏光分離・合成素子１は、表４に示すように、入射したランダム偏光Ｌ_Rを、効率８３．０％のＰ偏光Ｌ１_P及び効率７０．４％のＰ偏光Ｌ２_Pとし、総合的な効率７６．７％のＰ偏光Ｌ_Pとして出射する。

（表４）
┌──────────┰─────────┐
│ ┃実施形態２Ｂ │
│ビームスプリッタ ┃ S │ P │
│直後の偏光 ┃ │ │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━┿━━━━┥
│ビームスプリッタ(EX ┃ 87.6│ 97.4 │
│1) ┃ │ │
│位相変換手段(EX1) ┃ 94.0│ 99.7 │
│光束合成手段(EX4) ┃ 85.5│ 85.5 │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━┿━━━━┥
│トータル ┃ 70.4│ 83.0 │
│ ┠────┴────┤
│トータル平均 ┃ 76.7 │
└──────────┸─────────┘

単位［％］

次に、本発明に係る偏光分離・合成素子の第３実施形態について説明する。

図９は本発明に係る偏光分離・合成素子の第３実施形態を示す断面図、図１０は第２の偏光ビームスプリッタの断面図である。

図９に示すように、第３実施形態の偏光分離・合成素子１は、一方から順に偏光ビームスプリッタ２及び光束合成手段４からなるそれぞれ板状の素子を平行に配置し、その間に位相変換手段３からなる板状の素子を所定角度傾斜して配置したものである。

このような偏光分離・合成素子１に、偏光ビームスプリッタ２側からランダム偏光Ｌ_Rが入射すると、位相変換手段３を介して光束合成手段４側からＰ偏光Ｌ１_P及びＬ２_P若しくはＳ偏光Ｌ１_S及びＬ２_Sのうちどちらか一方のみが平行に出射するように構成されている。

次に、各素子の実施例及び作用について説明する。

位相変換手段３は、図３で示した第１の位相変換手段３と同一構成のものを適用し、光束合成手段４は、図７で示した第３又は図８で示した第４の光束合成手段４と同一構成のものを適用する。

第２の偏光ビームスプリッタ２は、図１０に示すように、基板２ａに凸部２ｂを設けた略平板状の回折格子型偏光分離素子からなる。

偏光ビームスプリッタ２にランダム偏光Ｌ_Rが入射されると、その入射角と平行にＳ偏光Ｌ２_S又はＰ偏光Ｌ２_Pのうち一方の光束が出射し、偏光ビームスプリッタ２の出射面の垂線に対して略線対称な方向にＰ偏光Ｌ１_P又はＳ偏光Ｌ１_Sのうち他方の光束が出射するものである。

例えば、第２の偏光ビームスプリッタ２は、基板２ａの屈折率Ｎ２を１．５、凸部２ｂの屈折率ｎ２を１．５７５、凸部２ｂのピッチＰ２＝０．５９１μｍ、高さＨ２＝１．３７μｍ、幅Ｗ２＝０．１６４μｍとする。

第２の偏光ビームスプリッタ２は、波長λ２＝０．５５μｍのランダム偏光Ｌ_Rが入射角θ２ａ＝２７．７５°で入射すると、入射光であるランダム偏光Ｌ_Rと平行な出射角θ２ｂ＝２７．７５°に約８６．７％の効率（出射時の界面反射を差引いた出射時の透過率９４．５％）のＳ偏光Ｌ２_Sを出射し、偏光ビームスプリッタ２の出射面の垂線に対して該Ｓ偏光Ｌ２_Sと線対称に出射角θ２ｂ＝２７．７５°で約９３．０％の効率（出射時の界面反射を差引いた出射時の透過率９７．３％）のＰ偏光Ｌ１_Pを出射する。

そして、図９に示した第３実施形態として、図１０に示した第２の偏光ビームスプリッタ２、図３に示した第１の位相変換手段３、図７に示した第３の光束合成手段４を適用した実施形態３Ａの偏光分離・合成素子１は、表５に示すように、入射したランダム偏光Ｌ_Rを、効率８８．６％のＰ偏光Ｌ１_P及び効率７７．９％のＰ偏光Ｌ２_Pとし、総合的な効率８３．３％のＰ偏光Ｌ_Pとして出射する。

（表５）
┌──────────┰─────────┐
│ ┃実施形態３Ａ │
│ビームスプリッタ ┃ S │ P │
│直後の偏光 ┃ │ │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━┿━━━━┥
│ビームスプリッタ(EX ┃ 86.7│ 93.0 │
│2) ┃ │ │
│位相変換手段(EX1) ┃ 94.0│ 99.7 │
│光束合成手段(EX3) ┃ 95.6│ 95.6 │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━┿━━━━┥
│トータル ┃ 77.9│ 88.6 │
│ ┠────┴────┤
│トータル平均 ┃ 83.3 │
└──────────┸─────────┘

単位［％］

また、図９に示した第３実施形態として、図１０に示した第２の偏光ビームスプリッタ２、図３に示した第１の位相変換手段３、図８に示した第４の光束合成手段４を適用した実施形態３Ｂの偏光分離・合成素子１は、表６に示すように、入射したランダム偏光Ｌ_Rを、効率７９．３％のＰ偏光Ｌ１_P及び効率６９．７％のＰ偏光Ｌ２_Pとし、総合的な効率７４．５％のＰ偏光Ｌ_Pとして出射する。

（表６）
┌──────────┰─────────┐
│ ┃実施形態３Ｂ │
│ビームスプリッタ ┃ S │ P │
│直後の偏光 ┃ │ │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━┿━━━━┥
│ビームスプリッタ(EX ┃ 86.7│ 93.0 │
│2) ┃ │ │
│位相変換手段(EX1) ┃ 94.0│ 99.7 │
│光束合成手段(EX4) ┃ 85.5│ 85.5 │
┝━━━━━━━━━━╋━━━━┿━━━━┥
│トータル ┃ 69.7│ 79.3 │
│ ┠────┴────┤
│トータル平均 ┃ 74.5 │
└──────────┸─────────┘

単位［％］

また、前記偏光分離手段から出射する２つの光束のうち出射角が大きい方がＰ偏光であることが好ましい。

また、前記位相変換手段に入射する２つの光束のうち入射角が大きい方が、前記偏光分離手段に対してＰ偏光であることが好ましい。

また、前記光束合成手段に入射する２つの光束のうち入射角が大きい方がＰ偏光であることが好ましい。

また、偏光分離手段は上下を反転させて用いることが可能である。同様に、位相変換手段も上下を反転させて用いることが可能である。特に位相変換手段の場合は反転させただけでは効率の性能が変わらない。

また、偏光分離手段，位相変換手段，光束合成手段の３つの手段のうち隣合う２つの手段の平板同士が向かい合う場合に接着することなどで界面反射を減らすことも可能である。

次に、偏光分離・合成素子１の設計方法について説明する。

偏光分離・合成素子１の設計では、偏光ビームスプリッタ２から出射する０次光Ｔ０と１次光Ｔ１とのなす角度と、位相変換手段３に入射する２つの光束の角度とをそれぞれの性能が発現するように合わせることが重要である。なお、設計手順は、偏光ビームスプリッタ２又は位相変換手段３のどちらから求めてもよい。

偏光ビームスプリッタ２では、直交する２つの偏光のうち一方の偏光のほとんどが０次光で、他方の偏光のほとんどが１次光とすることが必要である。典型的な例として、本実施形態でも適用された格子が傾いている状態で１次光が垂直方向に回折する場合と、格子が垂直な状態で回折光が対称に出射する場合とがある。

まず、偏光ビームスプリッタ２の格子のピッチＰ２を決めるために、１次光に関する以下の回折の式を用いる。
ピッチＰ２＝波長λ／（ｓｉｎ（回折角）−ｓｉｎ（入射角））

次に、一方の偏光のほとんどが０次光で、他方の偏光のほとんどが１次光となるように、格子高さＨ２、デューティ比ｆ２、格子屈折率ｎ２、格子傾斜角Ａ２をパラメータとして最適化する。

例えば、図１１は、第２の偏光ビームスプリッタ２の回折効率を示すグラフである。グラフの横軸は格子高さで、縦軸は回折効率を示す。図１１に示すように、格子高さ約１．３７μｍの時、Ｐ偏光の１次光Ｔ１とＳ偏光の０次光Ｔ０の各回折効率がピーク値を有している。従って、偏光ビームスプリッタ２の格子高さは、１．３７μｍと決定する。

位相変換手段３では、直線偏光の方向が直交して異なる２つの光束を、出射時に同じ方向に揃えることが重要である。すなわち、一方の光束の位相を１８０°の整数倍、他方の光束の位相を９０°＋１８０°の整数倍ずらすことが必要である。典型的な例として、位相差が大きくなるように片方の光束を垂直に入射する。そして、直線偏光の方向が直交して異なる２つの光束を、出射時に同じ方向に揃えるように、格子高さＨ３、デューティ比ｆ３、格子屈折率ｎ３をパラメータとして最適化する。

このように、本実施形態の偏光分離・合成素子１は、直交する２つの成分の偏光を有する入射光束を各偏光成分に分離して出射する平板状の偏光分離手段２と、偏光分離手段２により分離された入射角の異なる各偏光成分の光束を一方の偏光成分のみに位相変換し出射する平板状の位相変換手段３と、位相変換手段３により一方の偏光成分のみに位相変換された光束を平行に出射し合成する平板状の光束合成手段４とを備えたので、少なくとも狭帯域の波長で、高効率に偏光分離・合成ができると共に、装置の小型化を達成することができる。

本発明に係る偏光分離・合成素子の第１実施形態を示す断面図である。 第１の偏光ビームスプリッタの断面図である。 第１の位相変換手段の断面図及び平面図である。 第１の光束合成手段の断面図である。 第２の光束合成手段の断面図である。 本発明に係る偏光分離・合成素子の第２実施形態を示す断面図である。 第３の光束合成手段の断面図である。 第４の光束合成手段の断面図である。 本発明に係る偏光分離・合成素子の第３実施形態を示す断面図である。 第２の偏光ビームスプリッタの断面図である。 偏光ビームスプリッタの回折効率を示す図である。

符号の説明

１…偏光分離・合成素子、２…偏光ビームスプリッタ、３…位相変換手段、４…光束合成手段

Claims (7)

1. 直交する２つの成分の偏光を有する入射光束を１つの成分に揃えて出射する偏光分離・合成素子において、直交する２つの成分の偏光を有する入射光束を各偏光成分に分離して出射する平板状の偏光分離手段と、前記偏光分離手段により分離された入射角の異なる各偏光成分の光束を一方の偏光成分のみに位相変換し出射する平板状の位相変換手段と、前記位相変換手段により一方の偏光成分のみに位相変換された光束を平行に出射し合成する平板状の光束合成手段とを備えたことを特徴とする偏光分離・合成素子。
2. 前記偏光分離手段と前記位相変換手段とは層状に一体に配置されることを特徴とする請求項１に記載の偏光分離・合成素子。
3. 前記偏光分離手段と前記光束合成手段とは平行に配置されることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の偏光分離・合成素子。
4. 前記位相変換手段と前記光束合成手段とは層状に一体に配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の偏光分離・合成素子。
5. 前記偏光分離手段から出射する２つの光束のうち出射角が大きい方がＰ偏光であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の偏光分離・合成素子。
6. 前記位相変換手段に入射する２つの光束のうち入射角が大きい方が、前記偏光分離手段に対してＰ偏光であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の偏光分離・合成素子。
7. 前記光束合成手段に入射する２つの光束のうち入射角が大きい方がＰ偏光であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の偏光分離・合成素子。

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