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JPH04116521A - プリズム光学素子及び偏光光学素子 - Google Patents

プリズム光学素子及び偏光光学素子

Info

Publication number
JPH04116521A
JPH04116521A JP2236448A JP23644890A JPH04116521A JP H04116521 A JPH04116521 A JP H04116521A JP 2236448 A JP2236448 A JP 2236448A JP 23644890 A JP23644890 A JP 23644890A JP H04116521 A JPH04116521 A JP H04116521A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
optical element
plane
prism
light
element according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2236448A
Other languages
English (en)
Inventor
Jinjieeuu
ジンジェーウー
Yoshitaka Ito
嘉高 伊藤
Tomio Sonehara
富雄 曽根原
Shoichi Uchiyama
正一 内山
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2236448A priority Critical patent/JPH04116521A/ja
Priority to DE69118057T priority patent/DE69118057T2/de
Priority to EP91115031A priority patent/EP0474237B1/en
Publication of JPH04116521A publication Critical patent/JPH04116521A/ja
Priority to US08/020,268 priority patent/US5440424A/en
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/28Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
    • G02B27/283Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/04Prisms

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
  • Polarising Elements (AREA)
  • Liquid Crystal (AREA)

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、複屈折性プリズムからなる光学素子を用いる
ことにより、従来の偏光子の透過率を改善するための偏
光子に関する。本設計は、様々な種類の液晶デイスプレ
ー及びレーザー光学素子に用いることが出来る。
(発明の概要) 本発明の偏光子は、複屈折性プリズムからなる光学素子
の多層からなるものである。該多層は、層の機能により
三つの部分に分けることが出来る。
第1図に示すように、第一の光線分離部分は、常光線及
び異常光線の分離を行なうものであり、第二の偏光回転
部分は、常光線或は異常光線を90度回転させるもので
あり、第三の光線結合部分は、二本の光線を結合させる
ものである。
第3図に示すように、前記光線結合部分は、二個のエツ
ジ型のプリズムからなるものである。第3図(a)及び
(b)において、二個のプリズムの結晶の光軸は、方向
が異なっている。複屈折性結晶の特性により、入射方向
の異なる二本の光線は、第一のプリズム内で異なる屈折
率で屈折し、異なる偏光角を有する。また、第二のプリ
ズムにおいて、該二本の光線がともに同じ方向になるよ
うに結晶の光軸の方向を調整することが出来る。
第3図(C)、 (d)、 (e)、及び(f)も光線
結合部分の設計であり、これらの光線結合部分は複屈折
性プリズムと等方性プリズムからなるものである。第3
図に示すすべての設計は、二本の光線を結合することが
できる。
第1図は、本発明の多層予備偏光子の断面図を示すもの
である。もし、各々の素子が人間の目で識別できないほ
ど小さい場合には、予備偏光子の後側に置いた物体は目
で区別できない程度の視差しか生じない、このため、該
予備偏光子の後側から見た物体の像が鮮明に認められる
このような複屈折性プリズムの組合せを用いることによ
り、二つの発散コヒーレント光を収束させる他の方法も
考えられる。第4図に示すように、四個のエツジプリズ
ムを有する光線結合部分は、光線2を光線1の方向に偏
向させることが出来るだけでなく、その二つの分離され
た光線をふたたび一つにすることが出来る。この設計に
よって、従来の偏光子よりも遥かに大きい光透過率を有
する偏光子を得ることが出来る。しかしながら、この偏
光子は、光の波長に影響されること及び複雑であること
から、第3図に示す構造を有する偏光子が実用的には好
都合である。
(従来の技術) 従来の直線偏光子には三つの種類がある。即ち、(a)
吸収型、 (b)反射型及び(C)屈折型がある。吸収
型偏光子、例えば、二色性シート偏光子は、未偏光の光
の一成分を吸収し、他の法線方向の成分を通過させる。
反射型又は屈折型偏光子、例えば、偏光ビームスプリッ
タ−又は光線変位プリズムは、未偏光の光の一成分をそ
れぞれ反射又は屈折させ、他の法線方向の成分を透過さ
せる。
完全に未偏光の光のエネルギーの半分を越える量が吸収
、反射又は屈折させるため、残りの偏光子を透過する光
の光度は、確実に入射光の光度の50%未満である。
従来の偏光子が有するような低い透過率を回避するため
、本発明者等は、先に彼等が出願した特許において、第
2図に示すようなシート予備偏光子を提案している。該
予備偏光子は、高透明性であり、完全に未偏光の光を偏
光することが出来る。
法線方向に入射した単色光の場合、この予備偏光子の光
透過率は50%を越えることが出来、従来の偏光子より
も優れている。しかしながら、入射光は、この予備偏光
子を通過して非常に小さな分離角度で二本の光線に分離
させる。このため、この予備偏光子を通して物体を見る
と、二つの像が、観察される。
(発明が解決しようとする課題及び目的)第3図(a)
−(f)に示す設計は、本発明者等が先に提案した第2
図に示す設計を改良するものである。本発明者等は、二
本の光線を同じ方向に調整するための予備偏光子の第三
部分である光線結合部分を開発したのである。該第三部
分は、予備偏光子全体としての透過率がなお従来の偏光
子の透過率よりかなり大きくなるような高い透過率を有
することが好ましい。
(課題を解決するための手段) 本発明のプリズム光学素子は、 (1)〜(10)の特
徴を有する。
(1)エツジプリズム間の結合面に垂直な平面内を進む
二本の入射非平行光線のなす角と該平面内を進む二本の
出射光線のなす角が異なるように各々の屈折率を調整し
たことを特徴とする。
(2)前記該平面内を進む二本の出射光線のなす角度が
01であることを特徴とする。
(3)前記入射非平行光線は前記平面内に電界成分を有
する直線偏光であることを特徴とする。
(4)前記入射非平行光線は前記平面内に円偏光である
ことを特徴とする。
(5)前記入射非平行光線は前記平面内に楕円偏光であ
ることを特徴とする。
(6)同じ平面上に結晶の光軸を有する複屈折性エツジ
プリズムの組合せから成る光学素子に於て、該エツジプ
リズム間の結合面に垂直な平面内を進む二本の入射非平
行光線のなす角と該平面内を進む二本の出射光線のなす
角が異なるように各々の屈折率を調整したことを特徴と
する。
(7)前記該平面内を進む二本の出射光線のなす角度が
0@であることを特徴とする。
(8)前記入射非平行光線は前記平面内に電界成分を有
する直線偏光であることを特徴とする。
(9)前記入射非平行光線は前記平面内に円偏光である
ことを特徴とする。
(10)前記入射非平行光線は前記平面内に楕円偏光で
あることを特徴とする。
(11)本発明の偏光光学素子は、一本の光線を直交す
る二本の偏光に分離する光線分離部分と、該直交する二
本の偏光の間の位相差が1/2波長と成る偏光回転部分
と、プリズム光学素子から成る光線結合部分から成るこ
とを特徴とする。
(12)本発明Φ偏光光学素子は、一本の光線を直交す
る二本の偏光に分離する光線分離部分と、該直交する二
本の偏光の間の位相差が1/2波長と成る偏光回転部分
から成ることを特徴とする。
(実施例) 以下、実施例により本発明をより詳細に説明するが、本
発明はこれに限定されるものではない。
第5図に示すような簡単な実施態様を考える。
第5図、(a)、 (b)及び(C)は、それぞれ光線
分離部分、偏光回転部分及び光線結合部分を示すもので
ある。
第5図(a)の光線分離部分は、厚さ512がdlの層
である。この部分は、二個のエツジプリズムからなるも
のである。エツジアングル 507は、βである。第一
のプリズムは、等方性であり、その屈折率509はN@
+である。第二のプリズムは、−複屈折性の材料から出
来ており、常光線の屈折率510及び異常光線の屈折i
!511は、それぞれN @+及びN、1である。結晶
の光軸は、層の表面に対して平行である。法線方向に入
射する未偏光の光500については、二つの成分を有す
るものとして取扱うことが出来る。第一成分501は、
偏光方向が図面の用紙に対して平行な光であり、第二成
分502は、偏光方向が用紙に対して垂直な光である。
前記二つのエツジプリズム間の境界を通過す゛ると、光
500は、二本の光線に分離させる。第一成分501に
由来する光線1(503)は、二つのエツジプリズム間
において屈折率の変化がないため、その伝播の方向が変
化しない、これに対し、第二成分502に出来する光線
2(505)は、二つのエツジプリズムにおける異常光
線の屈折率が興なるため、その伝播方向が角度α(50
B)だけ偏光するのである。
第51!l (b)の偏光回転部分は、厚さ527がd
2の層である。光線1 (520)及び光線2(521
)は、分離角α(524)で光線分離部分から入射して
くる。設計にあたっては、簡便にするため、分離角αが
一定になるように三つの部分、即ち分離、回転及び光線
結合部分の屈折率を調整した。偏光回転部分が光線1に
対して1/2波長板であり、光線2に対して整数波長板
であるように、厚さd2及び異常光線の屈折率と常光線
の屈折率との差ΔNを調整した。常光線の屈折率525
及び異常光線の屈折率526は、それぞれN112及び
N、2である。
第5図(C)の光線結合部分に関しては、第一のプリズ
ムは複屈折性の材料からなり、常光線の屈折!i!56
6及び異常光線の屈折率567がそれぞれN@s及びN
03である。第二のプリズムは等方性であり、屈折率5
68がNLである。ここでNL=  N5sN@a/ 
  aa c o s  α+ @3sxniであり、
α(571)は光線1 (560)と光線2(561)
との分離角である。δ(572)は、エツジアングルで
ある。γ(573)は、層の法線に対する結晶の光軸の
角度である。
設計に際しては、まず(1)偏光回転部分、次いで(2
)光線分離部分、最後に(3)光線結合部分に関して計
算を行なった。
(1)偏光回転部分 第5図(b)に示すように、偏光回転部分は、光線1に
対して1 /2波長板であり、光線2に対して整数波長
板である。各々の光線の光路長を考慮して以下の関係式
を得る。
ΔNd2= (M+1/2)λ、 光線1.  、  
(1)ΔNd2=  Mλ、      光線2.  
、  (2)ここで、ΔNは異常光線の屈折率と常光線
の屈折率との差、d2は層の厚さ、Mは正の整数、λは
波長を表す。
ΔN=0.3、λ=0.5.czm及び N=1000
として、d2〜1.677mm及び a=c。
S −電 [M/(M  + 1/2)  コ 〜 0
.  0316161を得る。
(2)光線分離部分 第5図(a)において、α=0.0316161、Ns
+=1. 4 及び N−+=1.7として、エツジア
ングルβをスネルの法則により求めることが出来る。
N@+5in(β) =N*+rS i n (β−α
)ここで、N@tt= N5tNs+/   @I  
COS   π−a    5tain   yr  
 −a  =1. 699597である。かくしてβ〜
0.1779348及びjan(β)〜0.17983
67を得る。プリズムの幅が100μmで、厚さがd2
〜18.0μmの場合には、実用的に使用できる設計で
ある。
(3)光線結合部分 第5図において、常光線の屈折率N93=1. 3、異
常光線の屈折率N−a”1.7およびα=0.0316
161として、光線2についてδとγとの関係を求める
ことができる。
スネルの法則を用いて以下の式を得る。
N15in(δ) =N*tts i n (δ−α)
・ここで、 NL=Nl13N・3/   ・s  C
O8γ   ・a 81n  7=l、494810で
あり、N a t t =N @3N as/    
 113  COS     α 十 γ   +  
 1381五Tゴ1「丁7つ−=1.443235であ
る。
かくして求めた最適の値は、δ〜75°±1@及びγ〜
50°±5″である。光線結合部分の幅が100μmの
場合、厚さは約d3〜373μmである。  上記の計
算の結果から、予備偏光子の厚さdは以下のとおりであ
る。
d=d++d2+d3 〜18.0μm+1.667mm+373μm 〜2mm この値から、この予備偏光子が実に薄いシート状の予備
偏光子であることが分る。
(発明の効果) 課題を解決するための手段の欄及び実施例の記載から、
上記の光線結合部分の設計が実用に供し得ることが分る
本素子は、予備偏光子に用いることが出来るだけでなく
、それ自体でレーザー光学素子の光学素子として用いる
ことができる。レーザー光が干渉性であるため、二本の
発散したレーザー光線を同じ方向にする結合素子を設計
することが出来る。
本素子は、干渉計法、光学式情報処理、集積光学、ファ
イバー光学等の用途に用いるのに好適である。
この素子を予備偏光子の部品として用いた場合、予備偏
光子は実偏光子にさらに似たものとなる。
実際に、注意深く設計を行なうと、この予備偏光子は第
4図に一実旌態様として示すような偏光子とすることが
できる。
本予備偏光子の利点を、従来の偏光子と比較しながら要
約すると、以下の利点を挙げることが出来る。
(1)光エネルギーの節約: この種の予備偏光子は、
透明な等方性材料及び複屈折材料からなるため、吸収さ
れご光のエネルギーは、殆ど無視できるものである。ま
た、設計において層間の屈折率を調整しであるため、反
射係数が非常に小さい。
この設計により光源エネルギーを節約することが可能で
ある。
(2)従来の二色性偏光子よりも強力な光源に適してい
る:吸収係数が低いため、吸収される光のエネルギーの
量が少なく、予備偏光子が熱くならない。
(3)従来の偏光子の光透過率を向上させる:本予備偏
光子を従来の偏光子の前に置くと、光透過率の総計が偏
光子だけの場合よりも大きくなる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本発明の複屈折性プリズムからなる光学素子を
用いた偏光子の断面図である。 100、、光線分離部分 101、、偏光回転部分 102、、光線結合部分 103、、未偏光の入射光 104、、図面の用紙に対して垂直な偏光方向105.
106,107.、図面の用紙に対して平行な偏光方向 108、.90@回転した偏光方向を有する透過光 109、、少しの距離だけ平行にシフトした透過光 110.111,112,113.、結晶の光軸第2図
は本発明者等が、先に出願した特許に予備偏光子の設計
図である。 200、、光線分離部分 201、、偏光回転部分 205、.90@回転した偏光方向を有する透過光 206、、少しの角度だけ偏光した透過光209.21
0.、結晶の光軸 第3図(a)ないし第3図(f)は本発明の光線結合部
分の設計図である。 301.311,331,341,361゜371゜、
垂直方向の入射光 302.312,332,342,362゜372、、
斜め方向の入射光 303.304,306,313,3L4゜316、 
333. 334. 336. 343゜344、 3
46. 363. 364. 366゜373.374
,376、、図面の用紙に対して平行な偏光方向 305.315,335,345,365゜375、、
透過光 307.308,317,318,337゜347.3
68,378゜、結晶の光軸338.348,367.
377、、等方性媒体第4図は完全な偏光素子の断面図
である。 400、、光線分離部分 401、、偏光回転部分 402、、光線結合部分 403.404.、未偏光の入射光 413、、屈折率がNS+の等方性媒体4141.異常
光線の屈折率N e +415、、常光線の屈折率N@
t 416、、屈折率がN93の等方性媒体417、、異常
光線の屈折率N I 3418゜ 419゜ 420゜ 、常光線の屈折!l N @ 3 、屈折率がNL−の等方性媒体 、異常光線の屈折率N、4 、常光線の屈折率Nl14 第5図(a)は実施例の予備偏光子の光線分離部分の断
面図である。 500、、未偏光の入射光 501.506.、図面の用紙に対して平行な偏光方向 502.504.、図面の用紙に対して垂直2な偏光方
向 503、、光線1 505、、光線2 5071.エツジアングルβ 508、、光線2の偏光角α 509、、屈折率がN11lの等方性媒体510、、異
常光線の屈折率N。1 511、、常光線の屈折率N@1 512、、層の厚さd+ 第5図(b)は実施例の予備偏光子の偏光回転部分の断
面図である。 520、、垂直方向の入射光 521、、斜め方向の入射光 522、、図面の用紙に対して垂直な偏光方向523、
、図面の用紙に対して平行な偏光方向524、、光線1
と光線2との偏光角α525、、常光線の屈折率NlI
2 526、、異常光線の屈折率N82 527、、層の厚さd2 第5図(c)は実施例の予備偏光子の光線結合部分の断
面図である。 560、、垂直方向の入射光1 561、、斜め方向の入射光2 562.563,565.、図面の用紙に対して平行な
偏光方向 564、、透過光 566、、常光線の屈折1!Ne3 567゜ 568゜ 569゜ 570゜ 571゜ 572゜ 573゜ 異常光線の屈折率N、3 屈折率がNLの等方性媒体 層の厚さd3 結晶の光軸 光線1と光線2との間の角α ニジアングルδ 結晶の光軸から層の法線までの間の角 度γ 以  上 出願人 セイコーエプソン株式会社 代理人 弁理士 鈴木喜三部(化1名)第1図 第3図(b) 第4図 第5図(a)

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. (1)複屈折性エッジプリズムと等方性エッジプリズム
    との組合せから成る光学素子に於て、該エッジプリズム
    間の結合面に垂直な平面内を進む二本の入射非平行光線
    のなす角と該平面内を進む二本の出射光線のなす角が異
    なるように各々の屈折率を調整したことを特徴とするプ
    リズム光学素子。
  2. (2)前記該平面内を進む二本の出射光線のなす角度が
    0°であることを特徴とする請求項1記載のプリズム光
    学素子。
  3. (3)前記入射非平行光線は前記平面内に電界成分を有
    する直線偏光であることを特徴とする請求項1記載のプ
    リズム光学素子。
  4. (4)前記入射非平行光線は前記平面内に円偏光である
    ことを特徴とする請求項1記載のプリズム光学素子。
  5. (5)前記入射非平行光線は前記平面内に楕円偏光であ
    ることを特徴とする請求項1記載のプリズム光学素子。
  6. (6)同じ平面上に結晶の光軸を有する複屈折性エッジ
    プリズムの組合せから成る光学素子に於て、該エッジプ
    リズム間の結合面に垂直な平面内を進む二本の入射非平
    行光線のなす角と該平面内を進む二本の出射光線のなす
    角が異なるように各々の屈折率を調整したことを特徴と
    するプリズム光学素子。
  7. (7)前記該平面内を進む二本の出射光線のなす角度が
    0°であることを特徴とする請求項6記載のプリズム光
    学素子。
  8. (8)前記入射非平行光線は前記平面内に電界成分を有
    する直線偏光であることを特徴とする請求項6記載のプ
    リズム光学素子。
  9. (9)前記入射非平行光線は前記平面内に円偏光である
    ことを特徴とする請求項6記載のプリズム光学素子。
  10. (10)前記入射非平行光線は前記平面内に楕円偏光で
    あることを特徴とする請求項6記載のプリズム光学素子
  11. (11)一本の光線を直交する二本の偏光に分離する光
    線分離部分と、該直交する二本の偏光の間の位相差が1
    /2波長と成る偏光回転部分と、請求項1記載のプリズ
    ム光学素子を有する光線結合部分から成ることを特徴と
    する偏光光学素子。
  12. (12)一本の光線を直交する二本の偏光に分離する光
    線分離部分と、該直交する二本の偏光の間の位相差が1
    /2波長と成る偏光回転部分から成ることを特徴とする
    偏光光学素子。
JP2236448A 1990-09-06 1990-09-06 プリズム光学素子及び偏光光学素子 Pending JPH04116521A (ja)

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DE69118057T DE69118057T2 (de) 1990-09-06 1991-09-05 Optische Prismenvorrichtung und diese verwendender Polarisator
EP91115031A EP0474237B1 (en) 1990-09-06 1991-09-05 Prism optical device and polarizer using it
US08/020,268 US5440424A (en) 1990-09-06 1993-02-18 Prism optical device and polarizing optical device

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