WO2013077204A1 - 光学デバイス - Google Patents

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聖子 加藤
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シチズンホールディングス株式会社
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    • G02F2203/00—Function characteristic
    • G02F2203/04—Function characteristic wavelength independent

Definitions

  • the present invention relates to an optical device that outputs light whose polarization direction has been adjusted.
  • the polarization direction of light emitted from a light source is adjusted by giving a predetermined phase difference (retardation) to each polarization component of light emitted from a light source such as a laser light source, and light whose polarization direction is controlled is output Wave plates are known.
  • a ⁇ / 2 wavelength plate giving a phase difference of ⁇ / 2 ( ⁇ is a wavelength of light) to each polarization component
  • a ⁇ / 4 wavelength plate giving a phase difference of ⁇ / 4 to each polarization component and so on.
  • the wave plate is used, for example, as an attenuator (attenuator) using a polarizing plate or the like that transmits light with a transmission amount according to the polarization direction.
  • an attenuator attenuator
  • a polarizing plate or the like that transmits light with a transmission amount according to the polarization direction.
  • a laminated wavelength plate in which a plurality of wavelength plates are combined is known (for example, see Patent Documents 1 and 2 below).
  • An object of the present invention is to provide an optical device capable of suppressing variation in polarization direction for each wavelength component in order to solve the above-mentioned problems with the prior art.
  • a plurality of light sources emitting light of different wavelengths and each light emitted by the plurality of light sources are passed
  • a laminated wave plate that includes a plurality of wave plates provided in series and causes a phase difference to each polarization component of light passing through the wave plates, and is emitted by the plurality of light sources and enters the laminated wave plate
  • Polarization adjusting section for adjusting the polarization direction of each light so that the angle between the polarization directions of the respective lights becomes an angle that compensates for the difference in azimuth in the laminated wave plate due to the difference in the wavelength of each light And.
  • FIG. 1 is a view showing a configuration example of an optical device according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a view showing a modified example of the optical device.
  • FIG. 3 is a graph (part 1) showing an example of the transmitted light amount characteristic of the optical device shown in FIG.
  • FIG. 4A is a graph showing, as a reference, an example of the transmitted light amount characteristic when it is assumed that the transmission polarization direction of the polarizing plate corresponding to each wavelength is made the same (the transmission polarization direction is not inclined at each wavelength).
  • FIG. 4B is a graph (part 2) showing an example of the transmitted light amount characteristic of the optical device shown in FIG. FIG.
  • FIG. 4-3 is a graph showing, as a reference, an example of transmitted light amount characteristics when it is assumed that a single liquid crystal cell is provided instead of the laminated wave plate and the transmission polarization directions of the respective polarizing plates are made the same.
  • FIG. 4-4 is a graph showing, as a reference, an example of transmitted light amount characteristics when it is assumed that a single liquid crystal cell is provided instead of the laminated wave plate and the transmission polarization direction of each polarizing plate is shifted.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the operation of the laminated wave plate.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the retardation characteristic of the laminated wave plate with respect to the azimuth angle.
  • FIG. 7-1 is a graph showing an example of retardation characteristics of the laminated wave plate with respect to the wavelength.
  • FIG. 7-2 is a graph showing an example of the characteristic of the azimuth angle of the laminated wave plate with respect to the wavelength.
  • FIG. 8-1 is a diagram (part 1) showing an example of the slow axis direction of the transmission polarization direction laminated wave plate in the polarizing plate corresponding to each wavelength.
  • FIG. 8-2 is a second diagram illustrating an example of the slow axis direction of the transmission polarization direction laminated wave plate in the polarizing plate corresponding to each wavelength.
  • FIG. 9-1 is a diagram of an exemplary configuration of a multiplexing unit.
  • FIG. 9-2 is a diagram of a first modification of the multiplexing unit.
  • FIG. 9-3 is a diagram of a second modification of the multiplexing unit.
  • FIG. 9-4 is a diagram of a third modification of the multiplexing unit.
  • FIG. 1 is a view showing a configuration example of an optical device according to the embodiment.
  • the optical device 100 includes laser light sources 111 to 113, polarizing plates 121 to 123, and a laminated wave plate 130.
  • the optical device 100 adjusts the polarization direction of the laser light by giving a predetermined phase difference to each polarization component of the laser light emitted by the laser light sources 111 to 113, and outputs the light whose polarization direction is controlled. It is.
  • the laser light sources 111 to 113 emit laser beams of different wavelengths.
  • the laser light source 111 emits blue (wavelength 450 [nm]) laser light.
  • the laser light source 112 emits green (laser wavelength 512 [nm]) laser light.
  • the laser light source 113 emits a red (wavelength 650 [nm]) laser beam.
  • the laser beams output from the laser light sources 111 to 113 enter the polarizing plates 121 to 123, respectively.
  • Each of the laser light sources 111 to 113 may be, for example, a laser device that directly emits laser light of each wavelength, or a SHG (Second Harmonic Generation) laser device or the like.
  • the polarization plates 121 to 123 adjust the polarization direction of each light so that the angle between the polarization directions of the lights emitted by the laser light sources 111 to 113 and incident on the laminated wave plate 130 becomes a predetermined angle. It is an adjustment unit.
  • the predetermined angle is an angle that compensates for the difference in azimuth in the laminated wave plate 130 due to the difference in wavelength of each light (described later).
  • the polarizing plate 121 is a polarizer that transmits only the linearly polarized light component in the transmission polarization direction 121 a of the laser light emitted from the laser light source 111 and emits the light to the laminated wavelength plate 130.
  • the polarizing plate 122 is a polarizer that transmits only the linearly polarized light component in the transmission polarization direction 122 a of the laser light emitted from the laser light source 112 and emits it to the laminated wavelength plate 130.
  • the polarizing plate 123 is a polarizer that transmits only the linearly polarized light component in the transmission polarization direction 123 a of the laser light emitted from the laser light source 113 and emits the linearly polarized light component to the laminated wavelength plate 130.
  • the transmission polarization directions 121a, 122a and 123a of the linearly polarized light components transmitted by the polarization plates 121 to 123 are designed to be different according to the respective wavelengths of the laser light sources 111 to 113. Details of the transmission polarization directions 121a, 122a, and 123a will be described later.
  • the laser light sources 111 to 113 emit linearly polarized laser light
  • the polarization directions of the respective laser lights from the laser light sources 111 to 113 substantially coincide with the transmission polarization directions 121 a, 122 a, and 123 a, respectively.
  • the angles of the laser light sources 111 to 113 may be adjusted. Thereby, light loss in the polarizing plates 121 to 123 can be suppressed. In this case, it is also possible to omit the polarizing plates 121 to 123.
  • a member for adjusting the angles of the laser light sources 111 to 113 is a polarization adjusting unit for adjusting the polarization direction of each light.
  • the laminated wave plate 130 operates as a wave plate that provides predetermined polarizations (retardations) to orthogonal polarization components of light emitted from the laser light sources 111 to 113 and transmitted through the polarizing plates 121 to 123.
  • the laminated wavelength plate 130 is a ⁇ / 4 plate that gives a phase difference of ⁇ / 4 ( ⁇ is a wavelength of light) to each polarization component of light from the polarizing plates 121 to 123, or from polarizing plates 121 to 123. It operates as a ⁇ / 2 plate which gives a phase difference of ⁇ / 2 to each polarization component of light.
  • the laminated wave plate 130 includes wave plates 131 to 133 provided in series.
  • Each of the wave plates 131 to 133 is a birefringence element that causes each polarized light component of each passing light to have a predetermined phase difference.
  • the wave plate 131 is a first wave plate that transmits each light emitted from the polarizing plates 121 to 123 to the wave plate 132.
  • the wave plate 132 is a second wave plate that transmits each light emitted from the wave plate 131 to the wave plate 133.
  • the wave plate 133 is a third wave plate that emits each light emitted from the wave plate 132 to the subsequent stage.
  • the wave plates 131 and 133 are ⁇ / 4 plates
  • the wave plate 132 is a ⁇ / 2 plate.
  • the slow axis directions 131a, 132a and 133a are the directions of the slow axes of the wave plates 131 to 133, respectively.
  • the slow axis (slow axis) is the axis with the highest refractive index of birefringence in the wave plate.
  • the slow axis directions 131a, 132a, and 133a are designed such that the laminated wave plate 130 operates as a ⁇ / 4 plate.
  • the slow axis directions 131a and 133a are set to the same direction (referred to as a predetermined direction).
  • the slow axis direction 132a is set in a direction different from the slow axis directions 131a and 133a (predetermined direction).
  • the polarization directions 141 to 143 indicate polarization directions of blue, green and red wavelength components of the light emitted from the laminated wave plate 130, respectively. Since the slow axis directions 131a, 132a, and 133a are designed such that the laminated wave plate 130 operates as a ⁇ / 4 plate, the polarization directions 141 to 143 become circularly polarized light, respectively.
  • a combining unit may be provided downstream of the polarizing plates 121 to 123 to combine the lights emitted from the polarizing plates 121 to 123 while maintaining the polarization directions of the lights.
  • the beam combining portion can be provided, for example, between the polarizing plates 121 to 123 and the laminated wave plate 130 or at a stage subsequent to the laminated wave plate 130.
  • An exemplary configuration of the multiplexing unit will be described later (for example, see FIGS. 9-1 to 9-4).
  • FIG. 2 is a view showing a modified example of the optical device.
  • the same parts as the parts shown in FIG. As shown in FIG. 2, by providing the polarizing plate 210 at the rear stage of the laminated wave plate 130 shown in FIG. 1, the optical device 100 can have the function of an attenuator (attenuator).
  • attenuator attenuator
  • the slow axis directions 131a, 132a, and 133a of the wave plates 131 to 133 are designed such that the laminated wave plate 130 operates as a ⁇ / 2 plate.
  • the polarization directions 141 to 143 of the respective wavelength components in the light emitted from the laminated wave plate 130 become linearly polarized light.
  • the wavelength plate 132 is realized by a liquid crystal cell.
  • the direction of the director changes in accordance with the applied voltage, and the phase difference generated in each polarization component of the passing light changes.
  • the voltage applied to the wave plate 132 the polarization directions 141 to 143 of the respective wavelength components of the light emitted from the laminated wave plate 130 can be changed.
  • the polarizing plate 210 is a polarizer that transmits only the linear polarization component (predetermined polarization component) in the polarization direction 211 of the light emitted from the laminated wavelength plate 130 and emits the light to the subsequent stage.
  • the intensity of light transmitted through the polarizing plate 210 can be changed.
  • liquid crystal cell applied to the wavelength plate 132 for example, nematic liquid crystal can be used.
  • FLC Ferroelectric Liquid Crystal: ferroelectric liquid crystal
  • control of the polarization direction can be performed at high speed.
  • the combining unit is provided between the polarizing plates 121 to 123 and the laminated wave plate 130, between the laminated wave plate 130 and the polarizing plate 210, and at the subsequent stage of the polarizing plate 210. (See, eg, FIGS. 9-1 to 9-4) can be provided.
  • FIG. 3 is a graph (part 1) showing an example of the transmitted light amount characteristic of the optical device shown in FIG.
  • the horizontal axis indicates the voltage [V] applied to the wave plate 132 realized by the liquid crystal cell.
  • the vertical axis represents the amount of transmitted light (transmittance) of the light emitted from the laminated wave plate 130 in the polarizing plate 210.
  • the transmission polarization direction 121a of the polarizing plate 121 corresponding to the blue laser light is in the predetermined direction (slow axis direction 131a, 133a of the wave plates 131, 133). It is assumed that -10 [deg] is tilted with respect to). Further, it is assumed that the transmission polarization direction 122a of the polarizing plate 122 corresponding to the green laser light is parallel to the predetermined direction. In addition, it is assumed that the transmission polarization direction 123a of the polarization plate 123 corresponding to the red laser light is inclined by 12 [deg] with respect to the predetermined direction. The calculation method of these inclined angles is mentioned later.
  • the transmission characteristic 301 is a characteristic of the amount of light transmitted by the polarizing plate 210 of blue light with respect to the voltage applied to the wavelength plate 132.
  • the transmission characteristic 302 is a characteristic of the amount of transmitted light in the polarizing plate 210 of green light with respect to the voltage applied to the wavelength plate 132.
  • the transmission characteristic 303 is a characteristic of the amount of light transmitted through the polarizing plate 210 of red light with respect to the voltage applied to the wavelength plate 132.
  • the retardation (retardation) generated in each polarization component in the laminated wave plate 130 changes, and the polarization directions 141 to 143 of the light emitted from the laminated wave plate 130 change. . Therefore, by changing the voltage applied to the wave plate 132 as in the transmission characteristics 301 to 303, it is possible to change the amount of light transmitted from the laminated wave plate 130 in the polarizing plate 210.
  • the light intensity of the output light can be easily controlled by controlling the voltage applied to the wavelength plate 132 in a voltage range 310 in which the amount of transmitted light of the transmission characteristics 301 to 303 monotonously changes.
  • the adjustment of the transmission polarization directions 121a to 123a of the polarizing plates 121 to 123 makes each wavelength component with respect to the change of the voltage applied to the wavelength plate 132 like the transmission characteristics 301 to 303.
  • the amount of transmitted light changes uniformly. Therefore, it is possible to control the light intensity of the output light while suppressing the change in the intensity ratio of each wavelength component.
  • FIG. 4A is a graph showing, as a reference, an example of the transmitted light amount characteristic when it is assumed that the transmission polarization direction of the polarizing plate corresponding to each wavelength is made the same (the transmission polarization direction is not inclined at each wavelength). .
  • the transmitted light amount on the vertical axis is shown by the received power [mA] when the output light from the polarizing plate 210 is received (the same applies to FIGS. 4B to 4C).
  • the optical device 100 when light whose color is adjusted according to the intensity ratio of each light emitted from the laser light sources 111 to 113 is output from the optical device 100, if the intensity ratio of each wavelength component in the laminated wave plate 130 changes, the optical device Unintended color light is output from 100.
  • FIG. 4B is a graph (part 2) showing an example of the transmitted light amount characteristic of the optical device shown in FIG.
  • the same parts as those shown in FIG. 2 or 3 will be assigned the same reference numerals and explanation thereof will be omitted.
  • the transmitted light amount on the vertical axis is shown by the received light power [mA] when the output light from the polarizing plate 210 is received under the same conditions as FIG.
  • the voltage of the horizontal axis is illustrated from 2 [V] to 5 [V] as in FIG. 4A.
  • the optical device 100 in which the transmission polarization directions 121a to 123a of the polarizing plates 121 to 123 are shifted as shown by the transmission characteristics 301 to 303 in FIG. It can be changed uniformly. Therefore, it is possible to control the light intensity of the output light while suppressing the change in the intensity ratio of each wavelength component.
  • FIG. 4-3 is a graph showing, as a reference, an example of transmitted light amount characteristics when it is assumed that a single liquid crystal cell is provided instead of the laminated wave plate and the transmission polarization directions of the respective polarizing plates are made the same.
  • the parts similar to the parts shown in FIG. It is assumed that a single liquid crystal cell is provided instead of the laminated wave plate 130 shown in FIG. 2 and the transmission polarization directions 121a to 123a of the polarizing plates 121 to 123 are the same (the transmission polarization directions are not inclined at each wavelength). Do.
  • FIG. 4-4 is a graph showing, as a reference, an example of transmitted light amount characteristics when it is assumed that a single liquid crystal cell is provided instead of the laminated wave plate and the transmission polarization direction of each polarizing plate is shifted.
  • parts that are the same as the parts shown in FIG. 4-1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof will be omitted. It is assumed that a single liquid crystal cell is provided in place of the laminated wave plate 130 shown in FIG. 2, and the transmission polarization directions 121a to 123a of the polarizing plates 121 to 123 are shifted.
  • the transmission polarization direction 121a of the polarizing plate 121 corresponding to the blue laser light is tilted by -7 [deg] with respect to the predetermined direction.
  • the transmission polarization direction 122a of the polarizing plate 122 corresponding to the green laser light is parallel to the predetermined direction.
  • the transmission polarization direction 123a of the polarizing plate 123 corresponding to the red laser light is tilted by -4 [deg] with respect to the predetermined direction.
  • the change in the amount of transmitted light of each wavelength component varies with the change in the voltage applied to the wavelength plate 132. Therefore, when the light intensity of the output light is controlled, the intensity ratio of each wavelength component is changed.
  • the polarization directions of the respective wavelength components with respect to the applied voltage can be obtained by shifting the transmission polarization directions 121a to 123a.
  • the effect of being able to change (the amount of transmitted light) uniformly can be obtained.
  • FIG. 5 is a diagram showing an example of the operation of the laminated wave plate.
  • the x-axis corresponds to the above-mentioned predetermined direction (0 [deg]).
  • the z-axis corresponds to the direction of travel of the light.
  • the retardations of the wave plates 131 and 133 shown in FIG. 5 are both ⁇ 1. Further, it is assumed that the azimuth (azimuth angle) between the predetermined direction in the wave plates 131 and 133 and the slow axis direction 131a and 133a is ⁇ 1.
  • the retardation of the wave plate 132 is ⁇ 2.
  • the azimuth between the predetermined direction of the wave plate 132 and the slow axis direction 132a is ⁇ 2.
  • the direction of the slow axis directions 131a and 133a of the wave plates 131 and 133 is defined as the reference 0 [deg].
  • the laminated wave plate 130 shown in FIG. 5 is a virtual illustration of the laminated wave plate 130 including the wave plates 131 to 133 as one wave plate.
  • the slow axis direction 130 a indicates the direction of the virtual slow axis of the laminated wave plate 130.
  • An azimuth angle between the slow axis direction 130 a of the laminated wave plate 130 and the predetermined direction is taken as ⁇ e.
  • Retardation ⁇ e and azimuth angle ⁇ e of the laminated wave plate 130 are expressed by the following equations (1) and (2) by calculation based on the retardations ⁇ 1 and ⁇ 2 of the wave plates 131 to 133 and azimuth angle ⁇ and Jones matrix. Can.
  • the retardation ⁇ x of the wave plate x changes as in the following equation (3) depending on the wavelength of light passing therethrough.
  • ⁇ nx is the refractive index (birefringence) of the wave plate x.
  • ne is the refractive index in the direction of the fast axis (fast axis) of the wave plate.
  • the fast axis is the axis with the lowest refractive index of birefringence. no is the refractive index in the direction of the slow axis of the wave plate.
  • ⁇ nx is determined, for example, by the material of the wave plate x and the wavelength ⁇ of the passing light. The wavelength dependency of ⁇ nx will be described later.
  • dx is the thickness of the wave plate x.
  • the retardation ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ e of the laminated wave plate 130 is not required to be affected by the change in the refractive index due to the difference in the wavelength of the wave plate x. Good.
  • the azimuth angle ⁇ ⁇ between the wave plates 131 and 133 and the wave plate 132 an arbitrary retardation ⁇ e can be realized.
  • the azimuthal angle ⁇ between the wave plates 131 and 133 and the wave plate 132 may be 45 [deg] or 135 [deg], that is, ⁇ / 4 ⁇ (2 n -1) (n is Natural number).
  • the azimuth angle ⁇ ⁇ between the wave plates 131 and 133 and the wave plate 132 is 22.5 [deg], 67.5 [deg], 112.5 [deg] or 157.5 [deg]. That is, it may be set to ⁇ / 8 ⁇ (2n ⁇ 1).
  • the retardation ⁇ x of the wave plate x (wave plates 131 to 133) has wavelength dependency.
  • an arbitrary retardation for the light emitted from the laminated wave plate 130 ⁇ e (eg, ⁇ / 2 or ⁇ / 4) can be given.
  • the wavelength plates 131 to 133 are designed to give a desired retardation ⁇ e to one of the lights emitted from the laser light sources 111 to 113.
  • a retardation ⁇ e of ⁇ / 4 is given.
  • the wavelength (blue) of the laser light source 111 is ⁇ B
  • the wavelength (green) of the laser light source 112 is ⁇ G
  • the wavelength (red) of the laser light source 113 is ⁇ R.
  • the wave plates 131 to 133 are designed to give a desired retardation ⁇ e to light of the wavelength ⁇ G which is an intermediate wavelength among the wavelengths ⁇ B, ⁇ G, and ⁇ R. Thereby, the deviation at each wavelength can be reduced.
  • the refractive index ⁇ n also changes according to the wavelength ⁇ .
  • a, b, c, d, ... are coefficients specific to the material of the wave plate.
  • the refractive index ⁇ n is approximated by a + b / ⁇ 2 + c / ⁇ 4 (up to the third term). Therefore, the equation (3) can be approximated as the following equation (9).
  • the coefficients a, b and c in the wave plates 131 and 133 are respectively a1, b1 and c1.
  • the thickness d of the wave plates 131 and 133 is d1.
  • the coefficients a, b and c in the wave plate 132 are respectively a2, b2 and c2.
  • the thickness d of the wave plate 132 is d2.
  • the retardation ⁇ 1 (B) of the wave plates 131 and 133 with respect to the light of the wavelength ⁇ B is expressed by the following equation (10). Further, the retardation ⁇ 2 (B) of the wave plate 132 with respect to the light of the wavelength ⁇ B is as shown in the following equation (11).
  • the retardation ⁇ 1 (R) of the wave plates 131 and 133 with respect to the light of the wavelength ⁇ R is expressed by the following equation (12).
  • the retardation ⁇ 2 (R) of the wave plate 132 with respect to the light of the wavelength ⁇ R is as shown in the following equation (13).
  • the azimuth angle ⁇ between the wave plates 131, 133 and the wave plate 132 may be set to ⁇ / 8 ⁇ (2 n -1). Further, in order to obtain the retardation ⁇ e of ⁇ / 2, the azimuth angle ⁇ ⁇ between the wave plates 131 and 133 and the wave plate 132 may be set to ⁇ / 4 ⁇ (2 n -1).
  • the wavelength ⁇ B or the wavelength ⁇ B or the wavelength ⁇ R by substituting the value of the azimuth angle ⁇ ⁇ ⁇ corresponding to the desired retardation ⁇ e among them and the wavelength ⁇ B or the wavelength ⁇ R into ⁇ in the above equations (16) and (17)
  • the values of retardation ⁇ e and azimuthal angle ⁇ e of the laminated wave plate 130 at the wavelength ⁇ R are determined.
  • FIG. 6 is a graph showing an example of the retardation characteristic of the laminated wave plate with respect to the azimuth angle.
  • the horizontal axis indicates the azimuth angle ⁇ ⁇ between the wave plates 131 and 133 and the wave plate 132.
  • the vertical axis indicates the retardation ⁇ e of the laminated wave plate 130.
  • the retardation characteristic 600 shows the characteristic of retardation ⁇ e with respect to the azimuth angle ⁇ . As shown in the retardation characteristic 600, the retardation ⁇ e of the laminated wave plate 130 changes from 0 to 2 ⁇ according to the azimuth angle ⁇ between the wave plates 131, 133 and the wave plate 132.
  • FIG. 7-1 is a graph showing an example of retardation characteristics of the laminated wave plate with respect to the wavelength.
  • the horizontal axis indicates the wavelength ⁇ [nm] of light.
  • the vertical axis represents the retardation ⁇ e of the laminated wave plate 130.
  • the retardation characteristic 711 is a characteristic of retardation ⁇ e with respect to the wavelength ⁇ of a single ⁇ / 4 plate having no conventional laminated structure.
  • the retardation characteristic 712 is a characteristic of retardation ⁇ e with respect to the wavelength ⁇ in the laminated wave plate 130 including the wave plates 131 to 133 and operating as a ⁇ / 4 plate.
  • the retardation characteristic 713 is a characteristic of ideal retardation ⁇ e, and is a constant retardation with respect to the wavelength ⁇ .
  • the wave plates 131 to 133 are designed to give a desired retardation to the light of the wavelength ⁇ G without tilting the transmission polarization direction 122a. For this reason, as shown in the retardation characteristic 712, the retardation ⁇ e is closest to the ideal retardation characteristic 713 in the vicinity of 512 [nm] corresponding to the wavelength ⁇ G.
  • FIG. 7-2 is a graph showing an example of the characteristic of the azimuth angle of the laminated wave plate with respect to the wavelength.
  • the horizontal axis indicates the light wavelength ⁇ [nm].
  • the vertical axis is the azimuth angle ⁇ e of the laminated wave plate 130.
  • the azimuth angle characteristic 721 is a characteristic of the azimuth angle ⁇ e of the laminated wave plate 130 with respect to the wavelength ⁇ .
  • the azimuth characteristic 722 is 45 [deg], which is an ideal azimuth angle [e.
  • the wave plates 131 to 133 are designed to give a desired retardation to the light of the wavelength ⁇ G without tilting the transmission polarization direction 122a. For this reason, as shown in the azimuth angle characteristic 721, the azimuth angle ⁇ e is closest to the ideal azimuth angle characteristic 722 in the vicinity of 512 [nm] corresponding to the wavelength ⁇ G.
  • the transmission polarization direction 123a corresponding to the wavelength ⁇ R is designed to be inclined by -12 [deg] with respect to the predetermined direction.
  • an offset of about ⁇ 10 [deg] exists between the azimuth angle ⁇ e of the laminated wave plate 130 and the ideal azimuth characteristic 722.
  • the transmission polarization direction 121a corresponding to the wavelength ⁇ B is designed to be inclined by 10 [deg] with respect to the predetermined direction.
  • the retardation ⁇ e when the laminated wave plate operates as a ⁇ / 4 plate as shown in FIG. 1 has a value close to ⁇ / 2 over a wide band (see, eg, FIG. 7-1). Then, based on the azimuth angle ⁇ e obtained as described above, the inclination of the transmission polarization directions 121a and 123a of the polarizing plates 121 and 123 corresponding to the wavelengths ⁇ B and ⁇ R with respect to the predetermined direction is designed.
  • FIG. 8-1 is a diagram (part 1) showing an example of the slow axis direction of the transmission polarization direction laminated wave plate in the polarizing plate corresponding to each wavelength.
  • FIG. 8-1 shows polarizing plates 121 to 123 corresponding to wavelengths ⁇ B, ⁇ G and ⁇ R from the top, and shows transmission polarization directions 121a, 122a, 123a and slow axis direction 130a of the laminated wave plate 130 in each of them. ing.
  • the polarization direction 122a of the polarizing plate 122 corresponding to the laser light of wavelength ⁇ G is designed to be parallel to the predetermined direction (0 [deg]).
  • the azimuth angle ⁇ e between the predetermined direction (0 [deg]) and the slow axis direction 130a is 33 [deg] at the wavelength ⁇ R (650 [nm]).
  • the slow axis of the ⁇ / 4 plate needs to be 45 [deg] with respect to the incident linearly polarized light direction.
  • the transmission polarization direction 123a is inclined by an offset 723 of about 12 [deg] generated between the azimuth angle ⁇ e of the laminated wave plate 130 in FIG. 7-2 described above and the ideal azimuth characteristic 722.
  • the transmission polarization direction 121 a of the polarizing plate 121 corresponding to the blue laser light is designed to be inclined by 10 [deg] with respect to the predetermined direction so that the difference with the axial direction 130 a is 45 [deg].
  • FIG. 8-2 is a second diagram illustrating an example of the slow axis direction of the transmission polarization direction laminated wave plate in the polarizing plate corresponding to each wavelength.
  • 8-2 shows polarizers 121 to 123 corresponding to wavelength ⁇ B, wavelength ⁇ G and wavelength ⁇ R from the top as in FIG. 8A, and the transmission polarization directions 121a, 122a, 123a and the laminated wavelength plate 130 in each are shown.
  • the slow axis direction 130a is shown.
  • the angles between the polarization directions of the light incident on the laminated wave plate 130 operating as a ⁇ / 4 plate are as follows. That is, among the lights emitted from the laser light sources 111 to 113, an angle ⁇ ( ⁇ 1, ⁇ 2) between each polarization direction of the light of wavelength ⁇ 1 and the light of wavelength ⁇ 2 is expressed by the following equations (18) and (19)
  • the transmission polarization directions 121a to 123a are adjusted so as to satisfy the equation (1). Thereby, it is possible to compensate for the difference in azimuth angle ⁇ e in the laminated wave plate 130 due to the difference in the wavelength of each light.
  • the transmission polarization direction 121a which is the polarization direction of blue (wavelength 450 [nm]) light, can be calculated similarly.
  • the refractive index ⁇ n 1 ( ⁇ ) of the wave plates 131 and 133 is given by a 1 + b 1 / ⁇ 2 + c 1 / c 4 + d 1 / ⁇ 6 from the Cauchy dispersion formula described above. It can be approximated. Further, the refractive index ⁇ n 2 ( ⁇ ) of the wave plate 132 can be approximated by a 2 + b 2 / ⁇ 2 + c 2 / ⁇ 4 + d 2 / ⁇ 6 .
  • the refractive index ⁇ n1 ( ⁇ ) of the wave plates 131 and 133 is A1 + A2 / ⁇ 2 + A3 / It can be approximated by ⁇ 4 + A 4 / ⁇ 6 ... + A (m) / ⁇ ⁇ (2 (m ⁇ 1)).
  • the refractive index ⁇ n2 ( ⁇ ) of the wave plate 132 is B1 + B2 / ⁇ 2 + B3 / ⁇ 4 + B4 / ⁇ 6 . It can be approximated by m) / ⁇ ⁇ (2 (m-1)).
  • the angles between the polarization directions of the light incident on the laminated wave plate 130 operating as a ⁇ / 2 plate specifically, the angles between the transmission polarization directions 121a to 123a are as follows. That is, among the lights emitted from the laser light sources 111 to 113, the angle ⁇ ( ⁇ 1, ⁇ 2) between the polarization directions of the light of the wavelength ⁇ 1 and the light of the wavelength ⁇ 2 is The transmission polarization directions 121a to 123a are adjusted so as to satisfy. Thereby, it is possible to compensate for the difference in azimuth angle ⁇ e in the laminated wave plate 130 due to the difference in the wavelength of each light.
  • the transmission polarization direction 121a which is the polarization direction of blue (wavelength 450 [nm]) light, can be calculated similarly.
  • the refractive index ⁇ n1 ( ⁇ ) of the wave plates 131 and 133 can be calculated according to the above Cauchy dispersion formula by a1 + b1 / ⁇ 2 + c1 / ⁇ 4 + d1 / ⁇ 6 . It can be approximated. Further, the refractive index ⁇ n 2 ( ⁇ ) of the wave plate 132 can be approximated by a 2 + b 2 / ⁇ 2 + c 2 / ⁇ 4 + d 2 / ⁇ 6 .
  • the refractive index ⁇ n1 ( ⁇ ) of the wave plates 131 and 133 is A1 + A2 / ⁇ 2 + A3 / It can be approximated by ⁇ 4 + A 4 / ⁇ 6 ... + A (m) / ⁇ ⁇ (2 (m ⁇ 1)).
  • the refractive index ⁇ n2 ( ⁇ ) of the wave plate 132 is B1 + B2 / ⁇ 2 + B3 / ⁇ 4 + B4 / ⁇ 6 . It can be approximated by m) / ⁇ ⁇ (2 (m-1)).
  • FIG. 9-1 is a diagram of an exemplary configuration of a multiplexing unit.
  • the multiplexing unit provided in the optical device 100 can be realized by, for example, a fiber coupler 910.
  • the case where the combining section is provided between the polarizing plates 121 to 123 and the laminated wave plate 130 will be described (the same applies to FIGS. 9-2 to 9-4).
  • the fiber coupler 910 includes, for example, polarization maintaining fibers 911 to 913, a combiner 914, and a polarization maintaining fiber 915.
  • the polarization holding fibers 911 to 913 and 915 are, for example, PMF (Polarization Maintaining Fiber) that holds and emits the polarization state of the incident laser light.
  • the blue laser light (B) emitted from the polarizing plate 121 is incident on the polarization maintaining fiber 911.
  • the polarization maintaining fiber 911 emits the incident blue laser light (B) to the combiner 914 while maintaining the polarization state.
  • the green laser light (G) emitted from the polarizing plate 122 is incident on the polarization maintaining fiber 912.
  • the polarization maintaining fiber 912 emits the incident green laser light (G) to the combiner 914 while maintaining the polarization state.
  • the red laser light (R) emitted from the polarizing plate 123 is incident on the polarization maintaining fiber 913.
  • the polarization maintaining fiber 913 emits the incident red laser light (R) to the combiner 914 while maintaining the polarization state.
  • the combiner 914 is a multiplexer that combines the laser beams emitted from the polarization maintaining fibers 911 to 913.
  • the combiner 914 emits the combined laser beam to the polarization maintaining fiber 915.
  • the polarization maintaining fiber 915 emits the laser beam emitted from the combiner 914 while maintaining the polarization state.
  • the laser beams emitted from the polarization maintaining fiber 915 become laser beams including red, green and blue beams.
  • the laser light emitted from the polarization maintaining fiber 915 is incident on the laminated wave plate 130.
  • the fiber coupler 910 shown in FIG. 9-1 the respective laser beams emitted from the polarizing plates 121 to 123 can be multiplexed while being held in their respective polarization directions and emitted to the laminated wavelength plate 130.
  • FIG. 9-2 is a diagram of a first modification of the multiplexing unit.
  • the same parts as those shown in FIG. 9-1 are denoted by the same reference numerals, and the description thereof is omitted.
  • the multiplexing unit provided in the optical device 100 can be realized by the multiplexing unit 920 using a dichroic mirror.
  • the combining unit 920 may include a mirror 921 and dichroic mirrors 922 and 923.
  • the mirror 921 reflects the red laser light (R) emitted from the polarizing plate 123 and emits the red laser light (R) to the dichroic mirror 922.
  • the dichroic mirror 922 reflects the green laser light (G) emitted from the polarizing plate 122 and emits the green laser light (G) to the dichroic mirror 923. Further, the dichroic mirror 922 transmits the red laser light (R) emitted from the mirror 921 to the dichroic mirror 923.
  • the dichroic mirror 923 reflects the blue laser light (B) emitted from the polarizing plate 121 and emits it to the subsequent stage. Further, the dichroic mirror 923 transmits the red laser light (R) and the green laser light (G) emitted from the dichroic mirror 922 and emits the light to the subsequent stage.
  • Each of dichroic mirrors 922 and 923 can be realized, for example, by a dielectric multilayer film.
  • the laser light emitted from the dichroic mirror 923 is a laser light including red, green and blue lights.
  • the laser light emitted from the dichroic mirror 923 is incident on the laminated wavelength plate 130.
  • Each of the laser beams emitted from the polarizing plates 121 to 123 is combined by the combining unit 920 using the dichroic mirror shown in FIG. 9-2 while maintaining the respective polarization directions, and the combined light is output to the laminated wavelength plate 130. can do.
  • FIG. 9-3 is a diagram of a second modification of the multiplexing unit.
  • the same parts as those shown in FIG. 9-2 are denoted by the same reference numerals and the description thereof will be omitted.
  • the multiplexing unit 920 using a dichroic mirror may have a configuration in which the mirror 921 is omitted in the configuration shown in FIG.
  • the dichroic mirror 922 reflects the red laser light (R) emitted from the polarizing plate 123 and emits the red laser light (R) to the dichroic mirror 923. Further, the dichroic mirror 922 transmits the green laser light (G) emitted from the polarizing plate 122 and emits the green laser light (G) to the dichroic mirror 923. Thus, the red laser beam (R) emitted from the polarizing plate 123 and the green laser beam (G) emitted from the polarizing plate 122 are incident on the dichroic mirror 922 as shown in FIG. The configuration may be such that the mirror 921 shown is omitted.
  • FIG. 9-4 is a diagram of a third modification of the multiplexing unit.
  • the multiplexing unit provided in the optical device 100 may be realized by the hologram coupler 940.
  • the hologram coupler 940 is a volume hologram stored so that the diffraction angle is different for each wavelength.
  • Each laser beam emitted from the polarizing plates 121 to 123 is condensed by the hologram coupler 940.
  • the respective laser beams emitted from the polarizing plates 121 to 123 are emitted at the same direction by being diffracted at an angle corresponding to the wavelength.
  • the laser beams emitted from the polarizing plates 121 to 123 can be multiplexed while being held in their respective polarization directions and emitted to the laminated wave plate 130.
  • the optical device it is possible to suppress the variation in the polarization direction for each wavelength component.
  • a plurality of wavelength plates optimized for each wavelength component is provided so as to obtain predetermined retardation for each wavelength component, enlargement of the apparatus can be suppressed.
  • the laser light sources 111 to 113 are exemplified as an example of the plurality of light sources, but the plurality of light sources are not limited to the laser light sources 111 to 113.
  • the plurality of light sources may be two or four or more light sources emitting laser beams of different wavelengths.
  • the wavelength of the laser light is not limited to 450 nm (blue), 512 nm (green), and 650 nm (red), and any wavelength can be used.
  • the polarization axes of the polarizing plates of the respective colors are rotated to the optimum angle, but the angles of the respective laser light sources are adjusted so as to substantially coincide with the transmission polarization directions 121a, 122a and 123a, respectively. You may Thereby, light loss in the polarizing plates 121 to 123 can be suppressed. In this case, it is also possible to omit the polarizing plates 121 to 123.
  • a member for adjusting the angles of the laser light sources 111 to 113 is a polarization adjusting unit for adjusting the polarization direction of each light.
  • the device to which the optical device 100 can be applied is not limited to this.
  • the optical device 100 shown in FIG. 1 can also be applied to a projector or the like.
  • the optical device according to the present invention is useful for an optical device that outputs light of a plurality of wavelengths in a predetermined polarization direction, and is particularly suitable for an attenuator for changing the light intensity according to the polarization direction. There is.
  • the attenuator can be used, for example, for a head-up display such as an automobile or aircraft, and is useful for changing the display brightness according to the change in the brightness of the environment at the time of driving and steering.
  • a head-up display such as an automobile or aircraft
  • the attenuator based on the present invention it is possible to adjust the total light quantity at high speed without changing the color tone more easily than adjusting each output on the light source side.
  • the configuration can be downsized because it can be commonly used for a plurality of light source wavelengths.
  • this optical device When this optical device is used as an attenuator, it is possible to obtain a dark state by designing the laminated wave plate as a ⁇ / 2 plate so that the outgoing linearly polarized light at the time of voltage application is perpendicular to the polarizing plate. . At this time, in the bright state, since the polarization direction to be emitted is different for each wavelength, the tint is adjusted by adjusting the light source intensity.
  • Optical device 111-113 Laser light source 121-123, 210 Polarizing plate 121a, 122a, 123a Transmission polarization direction 130 Laminated wave plate 130a, 131a, 132a, 133a Slow axis direction 131-133 Wave plate 141-143, 211 Polarization direction 301 to 303 transmission characteristics 310 voltage range 600, 711 to 713 retardation characteristics 721, 722 azimuth angle characteristics 723 offset 910 fiber couplers 911 to 913, 915 polarization maintaining fiber 914 combiner 920 combining section 921 mirror 922, 923 dichroic mirror 940 hologram coupler

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Abstract

　光学デバイス（１００）は、レーザ光源（１１１～１１３）と、偏光板（１２１～１２３）と、積層波長板（１３０）と、を備えている。レーザ光源（１１１～１１３）は、それぞれ異なる波長の光を出射する。積層波長板（１３０）は、複数の波長板（１３１～１３３）を含み、通過する光の各偏光成分に位相差を生じさせる。偏光板（１２１～１２３）は、レーザ光源（１１１～１１３）によって出射されて積層波長板（１３０）へ入射する各光の偏光方向の間の角度が、各光の波長の相違による積層波長板（１３０）における方位角の相違を補償する角度となるように、各光の偏光方向を調整する。

Description

光学デバイス
　この発明は、偏光方向を調整した光を出力する光学デバイスに関する。
　従来、レーザ光源などの光源から出射された光の各偏光成分に所定の位相差（リタデーション）を与えることで、光源から出射された光の偏光方向を調整し、偏光方向を制御した光を出力する波長板が知られている。波長板には、たとえば、各偏光成分にλ／２（λは光の波長）の位相差を与えるλ／２波長板や、各偏光成分にλ／４の位相差を与えるλ／４波長板などがある。波長板は、たとえば、偏光方向に応じた透過量で光を透過させる偏光板等を用いたアッテネータ（減衰器）などに利用される。また、広帯域の波長板を実現するために、複数の波長板を組み合わせた積層波長板が知られている（たとえば、下記特許文献１，２参照。）。
特開２００８－０７０６９０号公報 国際公開第２００３／０９１７６８号
　しかしながら、上述した従来技術では、複数の波長成分を含む光が積層波長板へ入射すると、積層波長板からの出力光における偏光方向が波長成分ごとにばらつくという問題がある。このため、たとえば、積層波長板および偏光板等を用いたアッテネータにおいて、出力光の減衰量が波長成分（光の色）ごとにばらつくという問題がある。
　この発明は、上述した従来技術による問題点を解消するため、波長成分ごとの偏光方向のばらつきを抑えることができる光学デバイスを提供することを目的とする。
　上述した課題を解決し、目的を達成するため、この発明にかかる光学デバイスの一側面では、それぞれ異なる波長の光を出射する複数の光源と、前記複数の光源によって出射された各光を通過させる直列に設けられた複数の波長板を含み、前記複数の波長板を通過する光の各偏光成分に位相差を生じさせる積層波長板と、前記複数の光源によって出射されて前記積層波長板へ入射する各光の偏光方向の間の角度が、前記各光の波長の相違による前記積層波長板における方位角の相違を補償する角度となるように、前記各光の偏光方向を調整する偏光調整部と、を備える。
　このように、各光の偏光方向を波長に応じてあらかじめ調整しておくことで、各光の波長の相違による積層波長板のリタデーションの相違を補償し、出力光の波長成分ごとの偏光方向のばらつきを抑えることができる。
　この発明によれば、波長成分ごとの偏光方向のばらつきを抑えることができるという効果を奏する。
図１は、実施の形態にかかる光学デバイスの構成例を示す図である。 図２は、光学デバイスの変形例を示す図である。 図３は、図２に示した光学デバイスにおける透過光量特性の一例を示すグラフ（その１）である。 図４－１は、各波長に対応する偏光板の透過偏光方向を同一にした（各波長で透過偏光方向を傾けなかった）と仮定した場合の透過光量特性の一例を参考として示すグラフである。 図４－２は、図２に示した光学デバイスにおける透過光量特性の一例を示すグラフ（その２）である。 図４－３は、積層波長板に代えて単一の液晶セルを設けて各偏光板の透過偏光方向を同一にしたと仮定した場合の透過光量特性の一例を参考として示すグラフである。 図４－４は、積層波長板に代えて単一の液晶セルを設けて各偏光板の透過偏光方向をずらしたと仮定した場合の透過光量特性の一例を参考として示すグラフである。 図５は、積層波長板の動作の一例を示す図である。 図６は、方位角に対する積層波長板のリタデーションの特性の一例を示すグラフである。 図７－１は、波長に対する積層波長板のリタデーションの特性の一例を示すグラフである。 図７－２は、波長に対する積層波長板の方位角の特性の一例を示すグラフである。 図８－１は、各波長に対応する偏光板における透過偏光方向積層波長板の遅相軸方向の一例を示す図（その１）である。 図８－２は、各波長に対応する偏光板における透過偏光方向積層波長板の遅相軸方向の一例を示す図（その２）である。 図９－１は、合波部の構成例を示す図である。 図９－２は、合波部の変形例１を示す図である。 図９－３は、合波部の変形例２を示す図である。 図９－４は、合波部の変形例３を示す図である。
　以下に添付図面を参照して、この発明にかかる光学デバイスの実施の形態を詳細に説明する。
（実施の形態）
（実施の形態にかかる光学デバイスの構成）
　図１は、実施の形態にかかる光学デバイスの構成例を示す図である。図１に示すように、光学デバイス１００は、レーザ光源１１１～１１３と、偏光板１２１～１２３と、積層波長板１３０と、を備えている。光学デバイス１００は、レーザ光源１１１～１１３によって出射されたレーザ光の各偏光成分に所定の位相差を与えることで、レーザ光の偏光方向を調整し、偏光方向を制御した光を出力する光デバイスである。
　レーザ光源１１１～１１３は、それぞれ異なる波長のレーザ光を出射する。たとえば、レーザ光源１１１は、青色（波長が４５０［ｎｍ］）のレーザ光を出射する。レーザ光源１１２は、緑色（波長が５１２［ｎｍ］）のレーザ光を出射する。レーザ光源１１３は、赤色（波長が６５０［ｎｍ］）のレーザ光を出射する。
　レーザ光源１１１～１１３から出力されたレーザ光は、それぞれ偏光板１２１～１２３へ入射する。レーザ光源１１１～１１３のそれぞれは、たとえば、各波長のレーザ光を直接発光するレーザ装置でもよいし、ＳＨＧ（Ｓｅｃｏｎｄ　Ｈａｒｍｏｎｉｃ　Ｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ：第二高調波発生）方式のレーザ装置などでもよい。
　偏光板１２１～１２３は、レーザ光源１１１～１１３によって出射されて積層波長板１３０へ入射する各光の偏光方向の間の角度が所定の角度になるように、各光の偏光方向を調整する偏光調整部である。所定の角度とは、各光の波長の相違による、積層波長板１３０における方位角の相違を補償する角度である（後述）。
　偏光板１２１は、レーザ光源１１１から出射されたレーザ光のうちの透過偏光方向１２１ａの直線偏光成分のみを透過させて積層波長板１３０へ出射する偏光子である。偏光板１２２は、レーザ光源１１２から出射されたレーザ光のうちの透過偏光方向１２２ａの直線偏光成分のみを透過させて積層波長板１３０へ出射する偏光子である。
　偏光板１２３は、レーザ光源１１３から出射されたレーザ光のうちの透過偏光方向１２３ａの直線偏光成分のみを透過させて積層波長板１３０へ出射する偏光子である。偏光板１２１～１２３が透過させる直線偏光成分の透過偏光方向１２１ａ，１２２ａ，１２３ａは、レーザ光源１１１～１１３の各波長に応じてそれぞれ異なる方向に設計されている。透過偏光方向１２１ａ，１２２ａ，１２３ａの詳細については後述する。
　なお、レーザ光源１１１～１１３が直線偏光のレーザ光を出射する場合は、レーザ光源１１１～１１３からの各レーザ光の偏光方向が、それぞれ透過偏光方向１２１ａ，１２２ａ，１２３ａとほぼ一致するように、レーザ光源１１１～１１３の角度を調整しておいてもよい。これにより、偏光板１２１～１２３における光損失を抑えることができる。また、この場合は、偏光板１２１～１２３を省いた構成とすることも可能である。この場合は、レーザ光源１１１～１１３の角度を調整する部材が、各光の偏光方向を調整する偏光調整部となる。
　積層波長板１３０は、レーザ光源１１１～１１３から出射されて偏光板１２１～１２３を透過した光の直交する各偏光成分に所定の位相差（リタデーション）を与える波長板として動作する。たとえば、積層波長板１３０は、偏光板１２１～１２３からの光の各偏光成分にλ／４（λは光の波長）の位相差を与えるλ／４板、または、偏光板１２１～１２３からの光の各偏光成分にλ／２の位相差を与えるλ／２板として動作する。
　積層波長板１３０は、直列に設けられた波長板１３１～１３３を含む。波長板１３１～１３３のそれぞれは、通過する各光の直交する各偏光成分に所定の位相差を生じさせる複屈折素子である。波長板１３１は、偏光板１２１～１２３から出射された各光を波長板１３２へ通過させる第１波長板である。波長板１３２は、波長板１３１から出射された各光を波長板１３３へ通過させる第２波長板である。波長板１３３は、波長板１３２から出射された各光を後段へ出射する第３波長板である。たとえば、波長板１３１，１３３はλ／４板であり、波長板１３２はλ／２板である。
　遅相軸方向１３１ａ，１３２ａ，１３３ａは、それぞれ波長板１３１～１３３の遅相軸の方向である。遅相軸（スロー軸）は、波長板において複屈折の屈折率が最も高い軸である。図１に示す例では、積層波長板１３０がλ／４板として動作するように遅相軸方向１３１ａ，１３２ａ，１３３ａが設計されている。具体的には、遅相軸方向１３１ａ，１３３ａは、同一の方向（所定方向とする）に設定されている。遅相軸方向１３２ａは、遅相軸方向１３１ａ，１３３ａ（所定方向）と異なる方向に設定されている。
　偏光方向１４１～１４３は、積層波長板１３０から出射された光におけるそれぞれ青色、緑色、赤色の波長成分における偏光方向を示している。積層波長板１３０がλ／４板として動作するように遅相軸方向１３１ａ，１３２ａ，１３３ａが設計されているため、偏光方向１４１～１４３はそれぞれ円偏光となる。
　また、偏光板１２１～１２３の後段に、偏光板１２１～１２３から出射された各光を、各光の偏光方向を保持しつつ合波する合波部を設けてもよい。合波部は、たとえば、偏光板１２１～１２３と積層波長板１３０との間や、積層波長板１３０の後段に設けることができる。合波部の構成例については後述する（たとえば図９－１～図９－４参照）。
　図２は、光学デバイスの変形例を示す図である。図２において、図１に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図２に示すように、図１に示した積層波長板１３０の後段に偏光板２１０を設けることで、光学デバイス１００にアッテネータ（減衰器）の機能を持たせることができる。
　この場合は、たとえば、積層波長板１３０がλ／２板として動作するように波長板１３１～１３３の遅相軸方向１３１ａ，１３２ａ，１３３ａが設計される。これにより、積層波長板１３０から出射された光における各波長成分の偏光方向１４１～１４３はそれぞれ直線偏光となる。
　また、たとえば、波長板１３２を液晶セルによって実現する。液晶セルは、印加電圧に応じてダイレクタの方向が変化し、通過する光の各偏光成分に生じさせる位相差が変化する。これにより、波長板１３２の印加電圧を変化させることで、積層波長板１３０から出射される光における各波長成分の偏光方向１４１～１４３を変化させることができる。
　偏光板２１０は、積層波長板１３０から出射された光のうちの偏光方向２１１の直線偏光成分（所定の偏光成分）のみを透過させて後段へ出射する偏光子である。これにより、波長板１３２の印加電圧により偏光方向１４１～１４３を変化させることで、偏光板２１０を透過する光の強度を変化させることができる。
　なお、波長板１３２に適用する液晶セルには、たとえばネマティック液晶を用いることができる。または、波長板１３２に適用する液晶セルには、ＦＬＣ（Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　Ｌｉｑｕｉｄ　Ｃｒｙｓｔａｌ：強誘電性液晶）を用いることができる。これにより、偏光方向の制御を高速に行うことができる。
　図２に示した光学デバイス１００においては、たとえば、偏光板１２１～１２３と積層波長板１３０との間や、積層波長板１３０と偏光板２１０との間や、偏光板２１０の後段に合波部（たとえば図９－１～図９－４参照）を設けることができる。
（光学デバイスにおける透過光量特性）
　図３は、図２に示した光学デバイスにおける透過光量特性の一例を示すグラフ（その１）である。図３において、横軸は、液晶セルによって実現された波長板１３２に印加する電圧［Ｖ］を示している。縦軸は、積層波長板１３０から出射された光の偏光板２１０における透過光量（透過率）を示している。
　図３に示す例では、図２に示した光学デバイス１００において、青色のレーザ光に対応する偏光板１２１の透過偏光方向１２１ａが、所定方向（波長板１３１，１３３の遅相軸方向１３１ａ，１３３ａ）に対して－１０［ｄｅｇ］傾けられているとする。また、緑色のレーザ光に対応する偏光板１２２の透過偏光方向１２２ａが所定方向と平行になっているとする。また、赤色のレーザ光に対応する偏光板１２３の透過偏光方向１２３ａが、所定方向に対して１２［ｄｅｇ］傾けられているとする。これら傾けた角度の算出方法については後述する。
　透過特性３０１は、波長板１３２への印加電圧に対する青色の光の偏光板２１０における透過光量の特性である。透過特性３０２は、波長板１３２への印加電圧に対する緑色の光の偏光板２１０における透過光量の特性である。透過特性３０３は、波長板１３２への印加電圧に対する赤色の光の偏光板２１０における透過光量の特性である。
　波長板１３２への印加電圧を変化させることで、積層波長板１３０において各偏光成分に生じる位相差（リタデーション）が変化し、積層波長板１３０から出射される光の偏光方向１４１～１４３が変化する。このため、透過特性３０１～３０３のように、波長板１３２への印加電圧を変化させることで、積層波長板１３０から出射される光の偏光板２１０における透過光量を変化させることができる。たとえば、波長板１３２への印加電圧を、透過特性３０１～３０３の透過光量が単調に変化する電圧範囲３１０において制御することで、出力光の光強度を簡単に制御することができる。
　また、光学デバイス１００によれば、偏光板１２１～１２３の透過偏光方向１２１ａ～１２３ａの調整により、透過特性３０１～３０３のように、波長板１３２への印加電圧の変化に対して、各波長成分の透過光量が一様に変化する。このため、各波長成分の強度比の変化を抑えつつ、出力光の光強度を制御することができる。
　図４－１は、各波長に対応する偏光板の透過偏光方向を同一にした（各波長で透過偏光方向を傾けなかった）と仮定した場合の透過光量特性の一例を参考として示すグラフである。図４－１において、図２または図３に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図４－１においては、縦軸の透過光量を、偏光板２１０からの出力光を受光した場合の受光電力［ｍＡ］によって示している（図４－２～図４－４においても同様）。
　偏光板１２１～１２３の透過偏光方向１２１ａ～１２３ａを同一にしたと仮定すると、図４－１の透過特性３０１～３０３のように、波長板１３２への印加電圧の変化に対して、各波長成分の透過光量の変化がばらつく。このため、出力光の光強度を制御すると、各波長成分の強度比が変化してしまう。
　たとえば、レーザ光源１１１～１１３から出射される各光の強度比により色が調整された光を光学デバイス１００から出力する場合に、積層波長板１３０において各波長成分の強度比が変化すると、光学デバイス１００から意図しない色の光が出力されてしまう。
　図４－２は、図２に示した光学デバイスにおける透過光量特性の一例を示すグラフ（その２）である。図４－２において、図２または図３に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図４－２においては、図３と同じ条件において、縦軸の透過光量を、偏光板２１０からの出力光を受光した場合の受光電力［ｍＡ］によって示している。また、図４－２においては、図４－１と同様に横軸の電圧を２［Ｖ］～５［Ｖ］まで図示している。
　図４－２の透過特性３０１～３０３に示すように、偏光板１２１～１２３の透過偏光方向１２１ａ～１２３ａをずらした光学デバイス１００によれば、たとえば電圧範囲３１０において、各波長成分の透過光量を一様に変化させることができる。このため、各波長成分の強度比の変化を抑えつつ出力光の光強度を制御することができる。
　たとえば、レーザ光源１１１～１１３から出射される各光の強度比により色が調整された光を光学デバイス１００から出力する場合に、各波長成分の強度比の変化を抑えることができる。このため、意図通りの色の光を出力することができる。
　図４－３は、積層波長板に代えて単一の液晶セルを設けて各偏光板の透過偏光方向を同一にしたと仮定した場合の透過光量特性の一例を参考として示すグラフである。図４－３において、図４－１に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図２に示した積層波長板１３０に代えて単一の液晶セルを設けるとともに、偏光板１２１～１２３の透過偏光方向１２１ａ～１２３ａを同一（各波長で透過偏光方向を傾けない）にしたと仮定する。
　この場合は、図４－３の透過特性３０１～３０３のように、波長板１３２への印加電圧の変化に対して、各波長成分の透過光量の変化がばらつく。このため、出力光の光強度を制御すると、各波長成分の強度比が変化してしまう。
　図４－４は、積層波長板に代えて単一の液晶セルを設けて各偏光板の透過偏光方向をずらしたと仮定した場合の透過光量特性の一例を参考として示すグラフである。図４－４において、図４－１に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図２に示した積層波長板１３０に代えて単一の液晶セルを設けるとともに、偏光板１２１～１２３の透過偏光方向１２１ａ～１２３ａをずらしたと仮定する。
　具体的には、青色のレーザ光に対応する偏光板１２１の透過偏光方向１２１ａが、所定方向に対して－７［ｄｅｇ］傾けられているとする。また、緑色のレーザ光に対応する偏光板１２２の透過偏光方向１２２ａが所定方向と平行になっているとする。また、赤色のレーザ光に対応する偏光板１２３の透過偏光方向１２３ａが、所定方向に対して－４［ｄｅｇ］傾けられているとする。この場合も、図４－４の透過特性３０１～３０３のように、波長板１３２への印加電圧の変化に対して、各波長成分の透過光量の変化がばらつく。このため、出力光の光強度を制御すると、各波長成分の強度比が変化してしまう。
　図４－１～図４－４に示したように、積層波長板１３０を備えた光学デバイス１００においては、透過偏光方向１２１ａ～１２３ａをずらすことで、印加電圧に対して各波長成分の偏光方向（透過光量）を一様に変化させることができるという効果を得ることができる。
（積層波長板の動作）
　図５は、積層波長板の動作の一例を示す図である。図５において、図１または図２に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図５において、ｘ軸は、上記の所定方向（０［ｄｅｇ］）に対応している。ｚ軸は、光の進行方向に対応している。図５に示す波長板１３１，１３３のリタデーションはともにγ１であるとする。また、波長板１３１，１３３における所定方向と遅相軸方向１３１ａ，１３３ａとの間の方位角（アジマス角）はともにΨ１であるとする。
　波長板１３２のリタデーションはγ２であるとする。また、波長板１３２の所定方向と遅相軸方向１３２ａとの間の方位角はΨ２であるとする。ここでは、波長板１３１，１３３の遅相軸方向１３１ａ，１３３ａの方向を基準の０［ｄｅｇ］と定義する。この場合は、波長板１３１，１３３の方位角Ψ１は０［ｄｅｇ］となる。したがって、波長板１３１，１３３と波長板１３２との間の方位角Ψは、Ψ＝Ψ２－Ψ１＝Ψ２となる。
　図５に示す積層波長板１３０は、波長板１３１～１３３からなる積層波長板１３０を１つの波長板として仮想的に図示したものである。遅相軸方向１３０ａは、積層波長板１３０の仮想的な遅相軸の方向を示している。積層波長板１３０のリタデーションをΓｅとする。積層波長板１３０の遅相軸方向１３０ａと所定方向との間の方位角をΨｅとする。
　積層波長板１３０のリタデーションΓｅおよび方位角Ψｅは、波長板１３１～１３３のリタデーションγ１，γ２および方位角Ψとジョーンズマトリクスとに基づく計算により下記（１）式および（２）式のように示すことができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　上記（１）式および（２）式において、波長板ｘ（波長板１３１～１３３）のリタデーションγｘは、通過する光の波長によって下記（３）式のように変化する。下記（３）式において、Δｎｘは、波長板ｘの屈折率（複屈折）である。一般的に、波長板の屈折率ｎはｎ＝ｎｅ－ｎｏとなる。ｎｅは波長板の進相軸（ファースト軸）の方向の屈折率である。進相軸は、複屈折の屈折率が最も低い軸である。ｎｏは波長板の遅相軸の方向の屈折率である。Δｎｘは、たとえば波長板ｘの材料や通過する光の波長λによって決まる。Δｎｘの波長依存性については後述する。ｄｘは、波長板ｘの厚さである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 　積層波長板１３０を広帯域で使用するためには、積層波長板１３０のリタデーションΓｅが波長板ｘの波長の違いによる屈折率変化の影響を受けなければよいので、たとえば下記（４）式を満たせばよい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
　たとえば、γ１＝π／２またはγ１＝３π／２と、γ２＝πと、を満たす場合に、波長板１３１，１３３と波長板１３２との間の方位角Ψによらず、上記（４）式を満たす。γ１＝π／２またはγ１＝３π／２と、γ２＝πと、を上記（１）式および（２）式に代入すると、下記（５）式および（６）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
　したがって、波長板１３１，１３３と波長板１３２との間の方位角Ψを変化させることで、任意のリタデーションΓｅを実現することができる。たとえば、積層波長板１３０をλ／２板として使用する場合はリタデーションΓｅ＝π×（２ｎ－１）とすればよい。このためには、波長板１３１，１３３と波長板１３２との間の方位角Ψを、４５［ｄｅｇ］または１３５［ｄｅｇ］、すなわちπ／４×（２ｎ－１）とすればよい（ｎは自然数）。
　また、積層波長板１３０をλ／４板として使用する場合はリタデーションΓｅ＝π／２×（２ｎ－１）とすればよい。このためには、波長板１３１，１３３と波長板１３２との間の方位角Ψを、２２．５［ｄｅｇ］、６７．５［ｄｅｇ］、１１２．５［ｄｅｇ］または１５７．５［ｄｅｇ］、すなわちπ／８×（２ｎ－１）とすればよい。
　ただし、上記のように、波長板ｘ（波長板１３１～１３３）のリタデーションγｘは波長依存性を有する。これに対して、上記のように、波長板を積層させることにより、波長板１３１～１３３のリタデーションγｘの波長依存性があっても、積層波長板１３０から出射される光に対して任意のリタデーションΓｅ（たとえばλ／２やλ／４）を与えることができる。
　まず、レーザ光源１１１～１１３から出射される各光のうちの１つの光に対して、所望のリタデーションΓｅを与えるように波長板１３１～１３３を設計する。ここではλ／４のリタデーションΓｅを与えることとする。また、レーザ光源１１１の波長（青色）をλＢ、レーザ光源１１２の波長（緑色）をλＧ、レーザ光源１１３の波長（赤色）をλＲとする。たとえば、波長λＢ，λＧ，λＲのうちの、中間の波長である波長λＧの光に対して所望のリタデーションΓｅを与えるように波長板１３１～１３３を設計する。これにより、各波長におけるずれを小さくすることができる。
　波長λＧの光に対して所望のリタデーションΓｅを与えるために、γ１＝π／２または３π／２、かつγ２＝πを満たすように波長板１３１～１３３を設計する。具体的には、波長板１３１，１３３については、上記（３）式と、λ＝λＧと、γ＝π／２または３π／２と、から導かれる下記（７）式の条件を満たすように、屈折率Δｎおよび厚さｄを設計する。γ１（Ｇ）は、波長板１３１，１３３における波長λＧの光に対するリタデーションである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
　また、波長板１３２については、上記（３）式と、λ＝λＧと、γ＝πと、から導かれる下記（８）式の条件を満たすように、屈折率Δｎおよび厚さｄを設計する。γ２（Ｇ）は、波長板１３２における波長λＧの光に対するリタデーションである。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
　また、上記（７）式および（８）式において、屈折率Δｎも波長λに応じて変化する。たとえば、屈折率Δｎは、Ｃａｕｃｈｙ（コーシー）の分散公式から、Δｎ＝ａ＋ｂ／λ2＋ｃ／λ4＋ｄ／λ6…と近似することができる。ａ，ｂ，ｃ，ｄ，…は、波長板の材料に固有の係数である。以下の説明においては、たとえば屈折率Δｎをａ＋ｂ／λ2＋ｃ／λ4（第３項まで）によって近似する。したがって、上記（３）式は下記（９）式のように近似することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
　ここで、波長板１３１，１３３における係数ａ，ｂ，ｃをそれぞれａ１，ｂ１，ｃ１とする。波長板１３１，１３３の厚さｄをｄ１とする。波長板１３２における係数ａ，ｂ，ｃをそれぞれａ２，ｂ２，ｃ２とする。波長板１３２の厚さｄをｄ２とする。
　この場合は、波長λＢの光に対する波長板１３１，１３３のリタデーションγ１（Ｂ）は下記（１０）式のようになる。また、波長λＢの光に対する波長板１３２のリタデーションγ２（Ｂ）は下記（１１）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000012
　また、波長λＲの光に対する波長板１３１，１３３のリタデーションγ１（Ｒ）は下記（１２）式のようになる。また、波長λＲの光に対する波長板１３２のリタデーションγ２（Ｒ）は下記（１３）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000013
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000014
　ここで、上記（１）式および（２）式を変形すると、下記（１４）式および（１５）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000015
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000016
　上記（１４）式および（１５）式に、上記（１０）式～（１３）式によるγ１およびγ２を代入すると、下記（１６）式および（１７）式のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000017
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000018
　ところで、上記のように、λ／４のリタデーションΓｅを得るには、波長板１３１，１３３と波長板１３２との間の方位角Ψをπ／８×（２ｎ－１）とすればよい。また、λ／２のリタデーションΓｅを得るには、波長板１３１，１３３と波長板１３２との間の方位角Ψをπ／４×（２ｎ－１）とすればよい。したがって、これらのうちの所望のリタデーションΓｅに対応するいずれかの方位角Ψの値と、波長λＢまたは波長λＲを上記（１６）式および（１７）式のλに代入することで、波長λＢまたは波長λＲにおける積層波長板１３０のリタデーションΓｅおよび方位角Ψｅの値が求まる。
（方位角に対する積層波長板のリタデーションの特性）
　図６は、方位角に対する積層波長板のリタデーションの特性の一例を示すグラフである。図６において、横軸は、波長板１３１，１３３と波長板１３２との間の方位角Ψを示している。縦軸は、積層波長板１３０のリタデーションΓｅを示している。リタデーション特性６００は、方位角Ψに対するリタデーションΓｅの特性を示している。リタデーション特性６００に示すように、積層波長板１３０のリタデーションΓｅは、波長板１３１，１３３と波長板１３２との間の方位角Ψに応じて０～２πに変化する。
（波長に対する積層波長板のリタデーションの特性）
　図７－１は、波長に対する積層波長板のリタデーションの特性の一例を示すグラフである。図７－１において、横軸は光の波長λ［ｎｍ］を示している。縦軸は積層波長板１３０のリタデーションΓｅを示している。リタデーション特性７１１は、従来の積層構造をもたない単一のλ／４板の波長λに対するリタデーションΓｅの特性である。
　リタデーション特性７１２は、波長板１３１～１３３を含みλ／４板として動作する積層波長板１３０における波長λに対するリタデーションΓｅの特性である。リタデーション特性７１３は、理想的なリタデーションΓｅの特性であり、波長λに対して一定のリタデーションである。
　図７－１の例では、上記のように、透過偏光方向１２２ａを傾けなくても波長λＧの光に対して所望のリタデーションを与えるように波長板１３１～１３３を設計している。このため、リタデーション特性７１２に示すように、波長λＧに対応する５１２［ｎｍ］付近においてリタデーションΓｅが理想的なリタデーション特性７１３に最も近付いている。
　図７－２は、波長に対する積層波長板の方位角の特性の一例を示すグラフである。図７－２において、横軸は光の波長λ［ｎｍ］を示している。縦軸は積層波長板１３０の方位角Ψｅである。方位角特性７２１は、波長λに対する積層波長板１３０の方位角Ψｅの特性である。方位角特性７２２は、理想的な方位角Ψｅであり、４５［ｄｅｇ］である。
　上記のように、透過偏光方向１２２ａを傾けなくても波長λＧの光に対して所望のリタデーションを与えるように波長板１３１～１３３を設計している。このため、方位角特性７２１に示すように、波長λＧに対応する５１２［ｎｍ］付近において方位角Ψｅが理想的な方位角特性７２２に最も近付いている。
　これに対して、たとえば、波長λＲに対応する６５０［ｎｍ］付近では、積層波長板１３０の方位角Ψｅと理想的な方位角特性７２２との間に１２［ｄｅｇ］程度のオフセット７２３が存在する。このため、上記のように、波長λＲに対応する透過偏光方向１２３ａは、所定方向に対して－１２［ｄｅｇ］傾くように設計される。また、波長λＢに対応する４５０［ｎｍ］付近では、積層波長板１３０の方位角Ψｅと理想的な方位角特性７２２との間に－１０［ｄｅｇ］程度のオフセットが存在する。このため、上記のように、波長λＢに対応する透過偏光方向１２１ａは、所定方向に対して１０［ｄｅｇ］傾くように設計される。
　図１のように積層波長板がλ／４板として動作する場合のリタデーションΓｅは広帯域に渡ってπ／２に近い値となる（たとえば図７－１参照）。そして、上記のように得られた方位角Ψｅに基づいて、波長λＢ，λＲに対応する偏光板１２１，１２３の透過偏光方向１２１ａ，１２３ａの所定方向に対する傾きが設計される。
　たとえば、図１に示したように、出射光の偏光方向１４１～１４３が円偏光となる場合について説明する。
　図８－１は、各波長に対応する偏光板における透過偏光方向積層波長板の遅相軸方向の一例を示す図（その１）である。図８－１は、上から波長λＢ、波長λＧ及び波長λＲに対応する偏光板１２１～１２３を示し、それぞれにおける透過偏光方向１２１ａ，１２２ａ，１２３ａおよび積層波長板１３０の遅相軸方向１３０ａを示している。
　図８－１に示すように波長λＧのレーザ光に対応する偏光板１２２の透過偏光方向１２２ａを基準として、所定方向（０［ｄｅｇ］）と平行に設計する。そして、図７－２より、波長λＲ（６５０［ｎｍ］）において所定方向（０［ｄｅｇ］）と遅相軸方向１３０ａとの間の方位角Ψｅは、３３［ｄｅｇ］であることがわかる。直線偏光を円偏光に変換するためには入射直線偏光方向に対し、λ／４板の遅相軸が４５［ｄｅｇ］である必要があるため、この場合は、赤色のレーザ光に対応する偏光板１２３の透過偏光方向１２３ａと遅相軸方向１３０ａとの差が４５［ｄｅｇ］となるように、透過偏光方向１２３ａは所定方向に対して－１２（＝３３－４５）［ｄｅｇ］傾くように設計される。つまり、前述した図７－２における積層波長板１３０の方位角Ψｅと理想的な方位角特性７２２との間に発生した１２［ｄｅｇ］程度のオフセット７２３だけ、透過偏光方向１２３ａを傾ける。
　同様に波長λＢ（４５０［ｎｍ］）において、図７－２より、方位角Ψｅ＝５５［ｄｅｇ］が得られたとすると、青色のレーザ光に対応する偏光板１２１の透過偏光方向１２１ａと遅相軸方向１３０ａとの差が４５［ｄｅｇ］となるように、透過偏光方向１２１ａは所定方向に対して１０［ｄｅｇ］傾くように設計される。
　一方、図２のように積層波長板がλ／２板として動作する場合、入射直線偏光方向とλ／２板の遅相軸がなす角との倍の角度だけ回転した直線偏光が透過することになる。次に図２に図示したように、出射した各波長の偏光方向１４１～１４３を９０［ｄｅｇ］方向で揃えた場合について説明する。
　図８－２は、各波長に対応する偏光板における透過偏光方向積層波長板の遅相軸方向の一例を示す図（その２）である。図８－２は、図８－１と同様に上から波長λＢ、波長λＧ及び波長λＲに対応する偏光板１２１～１２３を示し、それぞれにおける透過偏光方向１２１ａ，１２２ａ，１２３ａおよび積層波長板１３０の遅相軸方向１３０ａを示している。
　図８－１と同じく、波長λＧにおける方位角Ψｅ＝４５［ｄｅｇ］、波長λＲにおける方位角Ψｅ＝３３［ｄｅｇ］とが得られたとすると、波長λＧのレーザ光に対応する偏光板１２２の透過偏光方向１２２ａは０［ｄｅｇ］に設計され、波長λＲのレーザ光に対応する偏光板１２３の透過偏光方向１２３ａは、遅相軸（＝方位角Ψｅ）とのなす角度の倍の角度を回転させた時に角度が９０［ｄｅｇ］方向となるよう、つまり、透過偏光方向１２３ａと９０［ｄｅｇ］方向とのなす角度（この場合は、結果として１１４［ｄｅｇ］）が、透過偏光方向１２３ａと遅相軸（＝方位角Ψｅ）方向とのなす角度（この場合は、結果として５７［ｄｅｇ］）の２倍となるように、透過偏光方向１２３ａを配置する。よって、透過偏光方向１２３ａは、－２４［ｄｅｇ］に設計される。
　同様に波長λＢにおける方位角Ψｅ＝５５［ｄｅｇ］が得られたとすると、波長λＢのレーザ光に対応する偏光板１２１の透過偏光方向１２１ａは、遅相軸（＝方位角Ψｅ）を基準に倍の角度回転した場合の角度が９０［ｄｅｇ］となるよう、つまり、透過偏光方向１２１ａと９０［ｄｅｇ］方向とのなす角度（この場合は、結果として７０［ｄｅｇ］）が、透過偏光方向１２１ａと遅相軸（＝方位角Ψｅ）方向とのなす角度（この場合は、結果として３５［ｄｅｇ］）の２倍となるように、透過偏光方向１２１ａを配置する。よって、透過偏光方向１２１ａは、２０［ｄｅｇ］に設計される。
（各波長に対応する各偏光方向の関係）
　以上のことから、λ／４板として動作する積層波長板１３０へ入射する各光の偏光方向の間の角度、具体的には透過偏光方向１２１ａ～１２３ａの間の角度は以下のようになる。すなわち、レーザ光源１１１～１１３から出射される各光のうちの、波長λ１の光と波長λ２の光との各偏光方向の間の角度Ψ（λ１，λ２）が下記（１８）式および（１９）式を満たすように透過偏光方向１２１ａ～１２３ａを調整する。これにより、各光の波長の相違による、積層波長板１３０における方位角Ψｅの相違を補償することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000019
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000020
　上記（１８）式および（１９）式は、上記（１６）式および（１７）式において、λ＝λ１としたΨｅ（λ１）と、λ＝λ２としたΨｅ（λ２）と、の差によって導くことができる。たとえば、緑色（波長が５１２［ｎｍ］）の光の偏光方向となる透過偏光方向１２２ａと、赤色（波長が６５０［ｎｍ］）の光の偏光方向となる透過偏光方向１２３ａと、の間の角度Ψ（λ１，λ２）は、上記（１８）式および（１９）式において、λ１＝５１２［ｎｍ］、λ２＝６５０［ｎｍ］とすることで算出することができる。青色（波長が４５０［ｎｍ］）の光の偏光方向となる透過偏光方向１２１ａについても同様に算出することができる。
　また、上記（１８）式および（１９）式において、波長板１３１，１３３の屈折率Δｎ１（λ）は、上記のＣａｕｃｈｙの分散公式から、ａ１＋ｂ１／λ2＋ｃ１／λ4＋ｄ１／λ6…によって近似することができる。また、波長板１３２の屈折率Δｎ２（λ）は、ａ２＋ｂ２／λ2＋ｃ２／λ4＋ｄ２／λ6…によって近似することができる。
　すなわち、波長板１３１，１３３の材料に固有の係数をＡ１，Ａ２，Ａ３，…Ａｍ（ｍは自然数）とすると、波長板１３１，１３３の屈折率Δｎ１（λ）は、Ａ１＋Ａ２／λ2＋Ａ３／λ4＋Ａ４／λ6…＋Ａ（ｍ）／λ＾（２（ｍ－１））によって近似することができる。また、波長板１３２の材料に固有の係数をＢ１，Ｂ２，Ｂ３，…Ｂｍとすると、波長板１３２の屈折率Δｎ２（λ）は、Ｂ１＋Ｂ２／λ2＋Ｂ３／λ4＋Ｂ４／λ6…＋Ｂ（ｍ）／λ＾（２（ｍ－１））によって近似することができる。
　同様に、λ／２板として動作する積層波長板１３０へ入射する各光の偏光方向の間の角度、具体的には透過偏光方向１２１ａ～１２３ａの間の角度は以下のようになる。すなわち、レーザ光源１１１～１１３から出射される各光のうちの、波長λ１の光と波長λ２の光との各偏光方向の間の角度Ψ（λ１，λ２）が下記（２０）式および（２１）を満たすように透過偏光方向１２１ａ～１２３ａを調整する。これにより、各光の波長の相違による、積層波長板１３０における方位角Ψｅの相違を補償することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000021
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000022
　上記（２０）式および（２１）式は、上記（１６）式および（１７）式において、λ＝λ１としたΨｅ（λ１）と、λ＝λ２としたΨｅ（λ２）と、の差によって導くことができる。たとえば、緑色（波長が５１２［ｎｍ］）の光の偏光方向となる透過偏光方向１２２ａと、赤色（波長が６５０［ｎｍ］）の光の偏光方向となる透過偏光方向１２３ａと、の間の角度Ψ（λ１，λ２）は、上記（２０）式および（２１）式において、λ１＝５１２［ｎｍ］、λ２＝６５０［ｎｍ］とすることで算出することができる。青色（波長が４５０［ｎｍ］）の光の偏光方向となる透過偏光方向１２１ａについても同様に算出することができる。
　また、上記（２０）式および（２１）式において、波長板１３１，１３３の屈折率Δｎ１（λ）は、上記のＣａｕｃｈｙの分散公式から、ａ１＋ｂ１／λ2＋ｃ１／λ4＋ｄ１／λ6…によって近似することができる。また、波長板１３２の屈折率Δｎ２（λ）は、ａ２＋ｂ２／λ2＋ｃ２／λ4＋ｄ２／λ6…によって近似することができる。
　すなわち、波長板１３１，１３３の材料に固有の係数をＡ１，Ａ２，Ａ３，…Ａｍ（ｍは自然数）とすると、波長板１３１，１３３の屈折率Δｎ１（λ）は、Ａ１＋Ａ２／λ2＋Ａ３／λ4＋Ａ４／λ6…＋Ａ（ｍ）／λ＾（２（ｍ－１））によって近似することができる。また、波長板１３２の材料に固有の係数をＢ１，Ｂ２，Ｂ３，…Ｂｍとすると、波長板１３２の屈折率Δｎ２（λ）は、Ｂ１＋Ｂ２／λ2＋Ｂ３／λ4＋Ｂ４／λ6…＋Ｂ（ｍ）／λ＾（２（ｍ－１））によって近似することができる。
（合波部の構成例）
　図９－１は、合波部の構成例を示す図である。図９－１に示すように、光学デバイス１００に設ける合波部は、たとえばファイバカプラ９１０によって実現することができる。図９－１に示す例では、合波部が偏光板１２１～１２３と積層波長板１３０との間に設けられる場合について説明する（図９－２～図９－４においても同様）。
　ファイバカプラ９１０は、たとえば、偏光保持ファイバ９１１～９１３と、コンバイナ９１４と、偏光保持ファイバ９１５と、を備えている。偏光保持ファイバ９１１～９１３，９１５は、たとえば、入射されたレーザ光の偏光状態を保持して出射するＰＭＦ（Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ　Ｍａｉｎｔａｉｎｉｎｇ　Ｆｉｂｅｒ）である。
　偏光保持ファイバ９１１には、偏光板１２１から出射された青色のレーザ光（Ｂ）が入射する。偏光保持ファイバ９１１は、入射した青色のレーザ光（Ｂ）を、偏光状態を保持しつつコンバイナ９１４へ出射する。偏光保持ファイバ９１２には、偏光板１２２から出射された緑色のレーザ光（Ｇ）が入射する。偏光保持ファイバ９１２は、入射した緑色のレーザ光（Ｇ）を、偏光状態を保持しつつコンバイナ９１４へ出射する。
　偏光保持ファイバ９１３には、偏光板１２３から出射された赤色のレーザ光（Ｒ）が入射する。偏光保持ファイバ９１３は、入射した赤色のレーザ光（Ｒ）を、偏光状態を保持しつつコンバイナ９１４へ出射する。コンバイナ９１４は、偏光保持ファイバ９１１～９１３から出射された各レーザ光を合波する合波器である。コンバイナ９１４は、合波したレーザ光を偏光保持ファイバ９１５へ出射する。
　偏光保持ファイバ９１５は、コンバイナ９１４から出射されたレーザ光を、偏光状態を保持しつつ出射する。偏光保持ファイバ９１５から出射されるレーザ光は、赤色、緑色および青色の各光を含むレーザ光となる。また、偏光保持ファイバ９１５から出射されるレーザ光は積層波長板１３０へ入射する。図９－１に示したファイバカプラ９１０により、偏光板１２１～１２３から出射された各レーザ光を、それぞれの偏光方向を保持したまま合波して積層波長板１３０へ出射することができる。
　図９－２は、合波部の変形例１を示す図である。図９－２において、図９－１に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図９－２に示すように、光学デバイス１００に設ける合波部は、ダイクロイックミラーを用いた合波部９２０によって実現することができる。合波部９２０は、ミラー９２１と、ダイクロイックミラー９２２，９２３と、を備えていてもよい。
　ミラー９２１は、偏光板１２３から出射された赤色のレーザ光（Ｒ）を反射させてダイクロイックミラー９２２へ出射する。ダイクロイックミラー９２２は、偏光板１２２から出射された緑色のレーザ光（Ｇ）を反射させてダイクロイックミラー９２３へ出射する。また、ダイクロイックミラー９２２は、ミラー９２１から出射された赤色のレーザ光（Ｒ）を透過させてダイクロイックミラー９２３へ出射する。
　ダイクロイックミラー９２３は、偏光板１２１から出射された青色のレーザ光（Ｂ）を反射させて後段へ出射する。また、ダイクロイックミラー９２３は、ダイクロイックミラー９２２から出射された赤色のレーザ光（Ｒ）および緑色のレーザ光（Ｇ）を透過させて後段へ出射する。ダイクロイックミラー９２２，９２３のそれぞれは、たとえば誘電体多層膜によって実現することができる。
　ダイクロイックミラー９２３から出射されるレーザ光は、赤色、緑色および青色の各光を含むレーザ光となる。また、ダイクロイックミラー９２３から出射されるレーザ光は積層波長板１３０へ入射する。図９－２に示したダイクロイックミラーを用いた合波部９２０により、偏光板１２１～１２３から出射された各レーザ光を、それぞれの偏光方向を保持したまま合波して積層波長板１３０へ出射することができる。
　図９－３は、合波部の変形例２を示す図である。図９－３において、図９－２に示した部分と同様の部分については同一の符号を付して説明を省略する。図９－３に示すように、ダイクロイックミラーを用いた合波部９２０は、図９－２に示した構成においてミラー９２１を省いた構成としてもよい。
　ダイクロイックミラー９２２は、偏光板１２３から出射された赤色のレーザ光（Ｒ）を反射させてダイクロイックミラー９２３へ出射する。また、ダイクロイックミラー９２２は、偏光板１２２から出射された緑色のレーザ光（Ｇ）を透過させてダイクロイックミラー９２３へ出射する。このように、偏光板１２３から出射された赤色のレーザ光（Ｒ）と、偏光板１２２から出射された緑色のレーザ光（Ｇ）と、をダイクロイックミラー９２２へ入射することによって図９－２に示したミラー９２１を省いた構成としてもよい。
　図９－４は、合波部の変形例３を示す図である。図９－４に示すように、光学デバイス１００に設ける合波部は、ホログラムカプラ９４０によって実現してもよい。ホログラムカプラ９４０は、波長ごとに回折角が異なるように記憶されたボリュームホログラムである。偏光板１２１～１２３から出射された各レーザ光は、ホログラムカプラ９４０において集光する。そして、偏光板１２１～１２３から出射された各レーザ光は、ホログラムカプラ９４０を通過する際に、波長に応じた角度で回折することで同じ方向で出射される。
　図９－４に示したホログラムカプラ９４０により、偏光板１２１～１２３から出射された各レーザ光を、それぞれの偏光方向を保持したまま合波して積層波長板１３０へ出射することができる。
　以上説明したように、光学デバイスによれば、波長成分ごとの偏光方向のばらつきを抑えることができる。また、たとえば、波長成分ごとに所定のリタデーションを得られるように波長成分ごとに最適化した複数の波長板を設ける構成に比べて、装置の大型化を抑えることができる。
　なお、上述した実施の形態においては、複数の光源の一例としてレーザ光源１１１～１１３を挙げたが、複数の光源はレーザ光源１１１～１１３に限らない。たとえば、複数の光源は、互いに異なる波長のレーザ光を出射する２つ、または４つ以上の光源であってもよい。また、レーザ光の波長についても、４５０［ｎｍ］（青色）、５１２［ｎｍ］（緑色）、６５０［ｎｍ］（赤色）に限らず任意の波長を用いることができる。
　また、上述した実施の形態においては、各色の偏光板の偏光軸を最適な角度に回転させたが、それぞれ透過偏光方向１２１ａ，１２２ａ，１２３ａとほぼ一致するように、各レーザ光源の角度を調整してもよい。これにより、偏光板１２１～１２３における光損失を抑えることができる。また、この場合は、偏光板１２１～１２３を省いた構成とすることも可能である。この場合は、レーザ光源１１１～１１３の角度を調整する部材が、各光の偏光方向を調整する偏光調整部となる。
　また、光学デバイス１００にアッテネータの機能を持たせる構成について説明したが、光学デバイス１００を適用可能な装置はこれに限らない。たとえば、図１に示した光学デバイス１００は、プロジェクタなどに適用することも可能である。
　以上のように、この発明にかかる光学デバイスは、複数の波長の光を所定の偏光方向で出力する光学デバイスに有用であり、特に、偏光方向に応じて光強度を変化させるアッテネータなどに適している。
　アッテネータは、たとえば、自動車や航空機をはじめとしたヘッドアップディスプレイに使用することができ、運転・操縦時の環境の明るさの変化に応じて表示の明るさを変更するのに有用である。本発明に基づいたアッテネータを用いることで光源側の各出力を調整するよりも容易に、色調はそのままで高速に全体の光量を調整することができる。また、複数の光源波長に対して共通して利用可能なため、構成を小型化できる。
　本光学デバイスをアッテネータとして使用する場合、積層波長板をλ／２板として作用させ、電圧印加時の出射直線偏光が偏光板と垂直になるような設計とすることによって暗状態を得ることができる。このとき明状態では波長毎に出射される偏光方向が異なるので光源強度を調整することによって色味を調整する。
　１００　光学デバイス
　１１１～１１３　レーザ光源
　１２１～１２３，２１０　偏光板
　１２１ａ，１２２ａ，１２３ａ　透過偏光方向
　１３０　積層波長板
　１３０ａ，１３１ａ，１３２ａ，１３３ａ　遅相軸方向
　１３１～１３３　波長板
　１４１～１４３，２１１　偏光方向
　３０１～３０３　透過特性
　３１０　電圧範囲
　６００，７１１～７１３　リタデーション特性
　７２１，７２２　方位角特性
　７２３　オフセット
　９１０　ファイバカプラ
　９１１～９１３，９１５　偏光保持ファイバ
　９１４　コンバイナ
　９２０　合波部
　９２１　ミラー
　９２２，９２３　ダイクロイックミラー
　９４０　ホログラムカプラ

Claims (8)

  1. 　それぞれ異なる波長の光を出射する複数の光源と、
    　直列に設けられた複数の波長板により構成され、前記複数の光源によって出射された各光を通過させ、通過する光の各偏光成分に位相差を生じさせる積層波長板と、
    　前記複数の光源によって出射されて前記積層波長板へ入射する各光の偏光方向の間の角度が、前記各光の波長の相違による前記積層波長板における方位角の相違を補償する角度となるように、前記各光の偏光方向を調整する偏光調整部と、
    　を備えることを特徴とする光学デバイス。
  2. 　前記複数の波長板は、
    　遅相軸が所定方向に設定された第１波長板と、
    　前記第１波長板の後段に設けられ、遅相軸が前記所定方向とは異なる方向に設定された第２波長板と、
    　前記第２波長板の後段に設けられ、遅相軸が前記所定方向に設定された第３波長板と、
    　を含むことを特徴とする請求項１に記載の光学デバイス。
  3. 　前記複数の光源は、波長λ１の光を出射する光源と、前記波長λ１とは異なる波長λ２の光を出射する光源と、を含み、
    　前記第１波長板は、厚みｄ１と、通過する光の波長λにより変化する屈折率Δｎ１（λ）と、を有し、
    　前記第２波長板は、厚みｄ２と、通過する光の波長λにより変化する屈折率Δｎ２（λ）と、を有し、
    　前記第１波長板および前記第２波長板の各遅相軸の間の角度をΨとした場合に、
    　前記偏光調整部は、前記波長λ１の光と前記波長λ２の光との各偏光方向の間の角度Ψ（λ１，λ２）が下記の式を満たすように、前記波長λ１の光と前記波長λ２の光との偏光方向を調整することを特徴とする請求項２に記載の光学デバイス。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  4. 　前記屈折率Δｎ１（λ）は、ａ１＋ｂ１／λ2＋ｃ１／λ4＋ｄ１／λ6＋，…（ａ１，ｂ１，ｃ１，ｄ１，…は前記第１波長板の材料に固有の係数）によって近似され、
    　前記屈折率Δｎ２（λ）は、ａ２＋ｂ２／λ2＋ｃ２／λ4＋ｄ２／λ6＋，…（ａ２，ｂ２，ｃ２，ｄ２，…は前記第２波長板の材料に固有の係数）によって近似されることを特徴とする請求項３に記載の光学デバイス。
  5. 　前記第２波長板は、前記各光の各偏光成分に与える位相差が印加電圧に応じて変化する液晶セルであることを特徴とする請求項３または４に記載の光学デバイス。
  6. 　前記積層波長板を通過した光のうちの所定の偏光成分のみを透過させる偏光子を備えることを特徴とする請求項５に記載の光学デバイス。
  7. 　前記偏光調整部は、前記複数の光源にそれぞれ対応して設けられ、前記複数の光源のうちの対応する光源によって出射された光のうちの所定の透過偏光方向の偏光成分のみを前記積層波長板へ透過させる複数の偏光子であり、
    　前記複数の偏光子のそれぞれの前記透過偏光方向は、前記積層波長板へ透過する各光の偏光方向の間の角度が前記方位角の相違を補償する角度となるように設定されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか一つに記載の光学デバイス。
  8. 　前記偏光調整部によって偏光方向が調整された各光を、前記各光の偏光方向を保持しつつ合波する合波部をさらに備え、
    　前記合波部によって合波され、前記積層波長板を通過した光を出力することを特徴とする請求項１～７のいずれか一つに記載の光学デバイス。
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