JP2011099914A - 偏光光学素子 - Google Patents
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Abstract
【課題】 入射光を偏光状態の異なる2つの偏光光に分離、集光する偏光光学素子において、2つに分離した偏光光の集光位置を、コンパクトな光学系をとりつつ設計自由度を増やす。
【解決手段】 偏光光学素子を複屈折材料で構成し、偏光光学素子の1面を曲面化する。これにより光の偏光状態によって屈折力に差が生じ、2つに分離した偏光光の集光位置に差が生じる。曲面の曲率半径を小さくするほど集光位置の差は大きくなるため、曲面形状を適切に設計することで集光位置の設計自由度を確保することが可能となる。
【選択図】 図1
【解決手段】 偏光光学素子を複屈折材料で構成し、偏光光学素子の1面を曲面化する。これにより光の偏光状態によって屈折力に差が生じ、2つに分離した偏光光の集光位置に差が生じる。曲面の曲率半径を小さくするほど集光位置の差は大きくなるため、曲面形状を適切に設計することで集光位置の設計自由度を確保することが可能となる。
【選択図】 図1
Description
本発明は、入射した光を偏光状態の異なる2つの偏光光に分離する偏光光学素子、特に複屈折材料で構成された偏光光学素子に関する。
偏光は光が持つ有用な特性のひとつであり、偏光を利用した様々な光学素子や光学機器が提案されている。偏光光学素子のうち、材料の複屈折性を利用したウォラストンプリズムやローションプリズムは、入射した光を振動方向が互いに直交する2つの直線偏光に分離することが出来る。
ウォラストンプリズムやローションプリズムは、光磁気信号検出器や微分干渉計などの光学装置に広く利用されている。図4はウォラストンプリズムを利用した従来の光学装置の一例であり、特許文献1に開示されている光磁気信号検出器を示している。図4において、半導体レーザー301より出射した光は、コリメータレンズ302、ビームスプリッタ304、対物レンズ303を介して光磁気ディスク305に集光され、光磁気ディスク305で反射する。このとき、光磁気ディスク305で反射した光は光磁気ディスク305の磁化方向に応じた偏波面の回転により変調される。変調された反射光はビームスプリッタ304を介してウォラストンプリズム308へ入射し、偏光方向の異なる2つの偏光光に分離される。分離された偏光光は集光レンズ109によって2分割受光素子310上にそれぞれ集光され、電気信号に変換した後に差動を取ることで光磁気信号を得ている。
このようにウォラストンプリズムやローションプリズムを光学装置内で使用する場合、1つの光を2つに分離し、分離した偏光光を空間的に異なる場所に設けたセンサ上へそれぞれ集光する場合が多い。図4においてはこの機能をウォラストンプリズムと集光レンズ1枚で実現している。
しかしながら、ウォラストンプリズムと集光レンズ1枚で操作可能な設計パラメータは2つに分離した偏光光の分離角、すなわち2つの偏光光の光軸がなす角と、入射光を屈折させる能力(以下、屈折力と呼ぶことがある。)の2種類である。従って、集光位置を3次元空間内の特定の位置に配置するためには設計自由度が不足する問題があった。この問題に対しては、偏光光学素子で分離した2つの偏光光それぞれに集光レンズを配置することで解決することが出来る。図5は特許文献2に開示されている粒子サイズ分布測定装置を示している。図5では、偏光光学素子D1、D2、D3で光を分離した後、分離した偏光光すべてに対して集光レンズをひとつずつ配置する構成を採用している。集光レンズを透過した偏光光はそれぞれ光検出器上へと集光されるが、集光レンズの設計値に差を持たせることで光検出器の位置を操作することが可能となる。
しかしながら、特許文献2で開示されている光学構成の場合、集光レンズを増やすことによって設計自由度を確保しているため、装置コストが上昇する。また、集光レンズだけでなく保持機構などの構成部品が増えるため、装置が大型化する問題があった。
本発明は上記課題を解決するためになされたものであり、コンパクトな光学系を構成することのできる偏光光学素子を提供する。
上記の課題を解決するために、本発明では、入射光を偏光状態の異なる2つの偏光光に分離する偏光光学素子において、
前記入射光が入射する第1の光学面と、分離した前記2つの偏光光が偏光光学素子より射出される第2の光学面とを有し、前記光学面の少なくとも一方が曲面で構成されていることを特徴とする偏光光学素子を提供する。
前記入射光が入射する第1の光学面と、分離した前記2つの偏光光が偏光光学素子より射出される第2の光学面とを有し、前記光学面の少なくとも一方が曲面で構成されていることを特徴とする偏光光学素子を提供する。
本発明を用いることにより、コンパクトな偏光光学素子を提供できる。本発明は、偏光光学素子の入出射光学面の少なくとも1つを曲面で構成することで操作可能な設計パラメータを増やしている。偏光光学素子の光学面を曲面とすると偏光光学素子に屈折力を持たせることが可能となるが、偏光光学素子が複屈折材料で構成されているため、偏光方向が異なる光に対しては屈折力が異なる。従って、偏光光学素子の曲面を適切に設計することで、分離した2つの偏光光に対して所望の屈折力の差を与えること可能となる。
また、本発明の偏光光学素子に集光レンズを組み合わせることにより、入射光の光軸に対して集光レンズを偏芯させる、すなわち集光レンズの光軸を傾けたり平行移動させたりすることで操作可能な設計パラメータを増やすことが可能である。集光レンズを偏芯させると、光が透過する位置や角度が変化し屈折力が変化するが、分離した2つの偏光光の光軸が異なるために屈折力の変化量も2つの偏光光ごとに異なる。従って、集光レンズの偏芯量を適切に設計することで、分離した2つの偏光光に対して所望の屈折力差を与えること可能となる。
以上のように、本発明は構成部品を増やさずに操作可能な設計パラメータを増やすことが可能である。従って、設計自由度が高い偏光光学素子を提供することができる。
以下、図面に基づいて本発明の実施形態の詳細について説明する。
図1は、実施例1における偏光光学素子の構成を示した模式図である。偏光光学素子はプリズム1とプリズム2で構成されている。プリズム1とプリズム2は、共に方解石などの複屈折性の強い材料で出来ており、接合面100を介して接合されている。材料の結晶方向を表す光学軸は、プリズム1が図1におけるy軸方向、プリズム2が図1におけるx軸方向となるように構成されており、いわゆるウォラストンプリズムと同じ構成である。
光はプリズム1の入射光学面1aより入射し、接合面100において振動方向が互いに直交する2つの直線偏光に分離される。2つの直線偏光は入射光に対してほぼ対称な角度で分離され、プリズム2の射出光学面2aより射出される。2つの直線偏光が分離する角度はプリズム1とプリズム2の合わせ角10と材料によって決まる。
実施例1の特徴は、プリズム2の射出光学面2aを平面ではなく球面としたことである。これにより射出光学面2aに屈折力を持たせることができるが、屈折力の大きさは分離された2つの偏光光ごとに異なる。これはプリズム2が複屈折材料で出来ているためであり、光の偏光方向によって屈折率が変化することによるものである。その結果、光学系全体の屈折力は2つの偏光光で異なることになるため、集光点4と集光点5の位置に差を持たせることが可能になる。
集光点4と集光点5の間を所望の距離にするためには、射出光学面2aの屈折力を変化させるとよい。すなわち、射出光学面2aの曲率半径を小さくし屈折力を大きくすると、2つの偏光光ごとの屈折力の差が大きくなる。その結果、集光点4と集光点5との距離を大きくすることが出来る。また、プリズム2を構成する材料を偏光方向ごとの屈折率が大きく異なる材料に変更してもよい。
このように、プリズム1とプリズム2の合わせ角10および射出光学面2aの曲率半径を適切に設計することにより、分離される2つの偏光光の集光位置を調整することができる。
なお、説明のため射出光学面2a(第2の光学面)を球面としたが、一方で入射光学面1a(第1の光学面)を球面としても良いし、入射光学面1aと射出光学面2aの両方を球面としても同様の効果を得ることができる。また、射出光学面2aの形状が球面である必要はなく、曲面であれば屈折力差が発生し同様の効果を得ることが出来る。
さらに、実施例1では材料の光学軸を、プリズム1が図1におけるy軸方向、プリズム2が図1におけるx軸方向となるように構成しているが、これに限らない。例えばプリズム1の光学軸を図1におけるz軸方向とし、プリズム2の光学軸を図1におけるx軸方向とするとローションプリズムとなるが、射出光学面2aを球面とすることで同様の効果を得ることが出来る。また、図1に示した座標軸に対して光学軸が傾斜している場合でも本発明を適用可能である。
図2は、実施例2における偏光光学素子の構成を示した模式図である。実施例1と異なる点は、プリズム1とプリズム2に加えて、集光レンズ3を更に有する構成であることである。
実施例1と比較して構成部品が1つ増えることになるが、集光レンズ3の曲率半径、厚さ、材料を適切に設計することにより、光学系全体の平均屈折力を操作することが出来る。このため、集光レンズ3により光学系全体の平均屈折力を調整し、射出光学面2aに設けた球面により2つの偏光光間の屈折力差を調整することで、集光点4と集光点5の3次元空間上の位置を実施例1よりも高い設計自由度で配置することが出来る。
図3は、本発明の偏光光学素子を適用した原子間力顕微鏡の一部を表している。原子間力顕微鏡は、微細な探針を備えた片持ち梁(カンチレバー)51を被検物50の表面に沿って走査させ、探針と被検物との間に作用する原子間力によるカンチレバーの変位量を検出することで被検物表面の微細構造を測定する。
カンチレバー変位量の測定は極めて高精度が要求されるため、光テコ方式や干渉計方式が提案されているが、図3では被検物50の表面を基準としてカンチレバー51の変位量を干渉計方式により測定する構成を採用している。すなわち、ウォラストンプリズムにより2つの偏光光に分離し、それぞれを被検物表面のA点とカンチレバー背面のB点に集光させる。そしてA点とB点で頂点反射した光を干渉計システム52において干渉させ、信号処理を行なうことでカンチレバー51の変位量を測定する。このように、被検物50の表面を基準としてカンチレバー51の変位量を測定すると、振動等によってカンチレバーと被検物との相対位置が変動した場合でも、その影響を軽減することが可能となる。
図3の構成でカンチレバー51の変位を高精度に測定するためには、干渉計システム52において検出される干渉縞がいわゆる縞一色の状態である事が望ましい。そのためには、分離した2つの偏光光を被検物表面とカンチレバー背面にそれぞれ垂直入射させると共に、2つの偏光光が被検物表面とカンチレバー背面でそれぞれ集光することが求められる。
そこで原子間力顕微鏡に本発明を適用し、プリズム2の射出光学面2aを曲面とする。本発明の偏光光学素子を適用することで光学系をコンパクトに設計することが可能であるため、2つの偏光光に分離した後の非共通光路部分を短くすることが可能となり、干渉測定精度の向上にも寄与する。また、その結果集光点位置の設計自由度が増し、分離した2つの偏光光を被検物表面とカンチレバー背面にそれぞれ集光すること可能となる。
原子間力顕微鏡などの高い干渉測定精度が要求されるため、よりコンパクトな光学系が求められる光学機器などで好適に利用できる。
1 プリズム
1a 入射光学面
2 プリズム
2a 射出光学面
3 集光レンズ
4 集光点
5 集光点
10 合わせ角
50 被検物
51 カンチレバー
52 干渉計システム
100 接合面
1a 入射光学面
2 プリズム
2a 射出光学面
3 集光レンズ
4 集光点
5 集光点
10 合わせ角
50 被検物
51 カンチレバー
52 干渉計システム
100 接合面
Claims (3)
- 入射光を偏光方向の異なる2つの偏光光に分離する偏光光学素子において、
前記入射光が入射する第1の光学面と、分離した前記2つの偏光光が射出される第2の光学面とを有し、前記光学面の少なくとも一方が曲面で構成されていることを特徴とする偏光光学素子。 - 前記偏光光学素子がウォラストンプリズムであることを特徴とする請求項1に記載の偏光光学素子。
- 前記偏光光学素子がローションプリズムであることを特徴とする請求項1に記載の偏光光学素子。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009253077A JP2011099914A (ja) | 2009-11-04 | 2009-11-04 | 偏光光学素子 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2009253077A JP2011099914A (ja) | 2009-11-04 | 2009-11-04 | 偏光光学素子 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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JP2011099914A true JP2011099914A (ja) | 2011-05-19 |
Family
ID=44191156
Family Applications (1)
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JP2009253077A Pending JP2011099914A (ja) | 2009-11-04 | 2009-11-04 | 偏光光学素子 |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2011099914A (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2015030022A (ja) * | 2013-08-05 | 2015-02-16 | 株式会社ディスコ | レーザー加工装置 |
-
2009
- 2009-11-04 JP JP2009253077A patent/JP2011099914A/ja active Pending
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