JP2011099914A - 偏光光学素子 - Google Patents

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

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。

特許第３１０８９５３号公報 特表２００６−５１７２９７号公報

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。

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。

実施例１による偏光光学素子の構成を示す模式図である。 実施例２による偏光光学素子の構成を示す模式図である。 実施例３による偏光光学素子の構成を示す模式図である。 第１の従来例を示す模式図である。 第２の従来例を示す模式図である。

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

Claims (3)

1. 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。
2. 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。
3. 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。

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