(57)【要約】【課題】  光を任意の分割比で分割すると共に、各光を任意の方向に偏向する光分割偏向器および光照射装置を実現する。【解決手段】  本発明の光分割偏向器１５は、複屈折材料からなる第１の部材１ａおよび第２の部材１ｂが互いに接して設けられ、透過する光を分割および偏向する第１のプリズム１と、複屈折材料からなる第３の部材２ａおよび第４の部材２ｂが互いに接して設けられ、上記第１のプリズム１を透過した光を偏向する第２のプリズム２と、上記第１のプリズム１を回転させる第１の回転手段と、上記第２のプリズム２を回転させる第２の回転手段とを備え、上記第１の回転手段の回転軸と第２の回転手段の回転軸とが平行となっている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複屈折材料からなる第１の部材および第２の部材が互いに接して設けられた第１のプリズムと、
複屈折材料からなる第３の部材および第４の部材が互いに接して設けられた第２のプリズムと、
上記第１のプリズムを回転させる第１の回転手段と、
上記第２のプリズムを回転させる第２の回転手段とを備え、
上記第１の回転手段の回転軸と第２の回転手段の回転軸とが平行であることを特徴とする光分割偏向器。
【請求項２】
上記第１の部材、第２の部材、第３の部材、および、第４の部材は、各々１軸性複屈折材料からなっており、
上記第１の部材および第３の部材の光学軸は、第１の回転手段または第２の回転手段の回転軸に直交し、
上記第２の部材および第４の部材の光学軸は、第１の回転手段または第２の回転手段の回転軸に対して平行であることを特徴とする請求項１に記載の光分割偏向器。
【請求項３】
上記第１の部材、第２の部材、第３の部材、および、第４の部材は、各々１軸性複屈折材料からなっており、
上記第１の部材および第３の部材の光学軸は、第１の回転手段または第２の回転手段の回転軸に直交し、
上記第２の部材の光学軸は、第１の部材の光学軸と第１の回転手段または第２の回転手段の回転軸とに直交し、
上記第４の部材の光学軸は、第３の部材の光学軸と第１の回転手段または第２の回転手段の回転軸とに直交していることを特徴とする請求項１に記載の光分割偏向器。
【請求項４】
上記第１のプリズムの光入射側に、光の偏光面を回転させる第１の偏光面回転手段を備えると共に、
上記第１のプリズムと第２のプリズムとの間に、光の偏光面を回転させる第２の偏光面回転手段を備えていることを特徴とする請求項２または３に記載の光分割偏向器。
【請求項５】
上記第１の偏光面回転手段および第２の偏光面回転手段は、１／２波長板であることを特徴とする請求項４に記載の光分割偏向器。
【請求項６】
上記第２の偏光面回転手段の進相軸または遅相軸の方向が、第１の部材の光学軸と第３の部材の光学軸とがなす角を２等分する方向となっていることを特徴とする請求項５に記載の光分割偏向器。
【請求項７】
光源と、
上記光源から照射された光を分割および偏向する、上記請求項１ないし６のいずれか１項に記載の光分割偏向器と、
上記光分割偏向器にて分割および偏向された光を、被光照射物上に集光する集光手段とを備えていることを特徴とする光照射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光分割偏向器およびそれを備えた光照射装置に関するものである。より詳しくは、光源からの光ビームを任意の比で分割し、この分割した光ビームの進行方向を任意に制御することができる光分割偏向器および光照射装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光加工装置やバーコードリーダーには、光の進行方向を任意に制御するための基幹部品として光偏向器が用いられている（例えば、特許文献１参照）。光偏向器は、光応用機器の用途拡大と共にその重要性が高まっている。また、偏光干渉計、光波長計、位相差計等といった光学装置には、偏光を利用する光分割器が用いられている（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
ここで、特許文献１に記載の光偏向器の構成を図８に示す。図８に示すように、特許文献１の光偏向器は、プリズム１１０・１２０を備えている。プリズム１１０は、外側に歯を持つ環状の歯車１１１と一体に形成され、ベアリング１１２によって回転自在に支持されている。また、プリズム１２０も同様に、外側に歯を持つ環状の歯車１２１と一体に形成され、ベアリング１２２によって回転自在に支持されている。
【０００４】
プリズム１１０とプリズム１２０とは、隣接して配置されていると共に、共通の回転中心線１３０を有しており、双方のプリズム１１０・１２０における互いに平行する面１１６および面１２５が、共に回転中心線１３０に対して垂直に保たれている。また、プリズム１１０およびプリズム１２０の頂角の大きさは等しく、歯車１１１および歯車１２１は、それぞれモータ１１３およびモータ１２３側の駆動歯車１１４および駆動歯車１２４とそれぞれ噛合されている。プリズム１１０およびプリズム１２０は、これらのモータによって回転される。また、光源１０１から出射する光ビーム１０２は、回転中心線１３０に沿ってプリズム１１０側から入射する。
【０００５】
上記光偏向器では、各歯車１１１・１２１や各駆動歯車１１４・１２４といった回転機構によって、２個のプリズム１１０・１２０に対して、互いに向きが反対で等速度の回転速度が与えられる。そして、光ビームは、プリズム１１０の回転中心線１３０に垂直ではない面に、その回転中心線１３０に平行に入射すると、プリズム１１０によって偏向され、プリズム１１０の回転中心線１３０に垂直な面から出射する。
【０００６】
このプリズム１１０から出射した光ビームは、プリズム１２０の回転中心線１３０に垂直な面に入射し、プリズム１２０によって偏向された後、プリズム１２０の回転中心線１３０に垂直でない面から出射する。なお、双方のプリズム１１０・１２０の頂角が等しいので、２つのプリズム１１０・１２０による偏向は、光ビームをほぼ同じ大きさの角度で偏向する。
【０００７】
また、上記回転中心線１３０の方向からみた各々のプリズムにおける偏向方向は、プリズム１１０・１２０の頂角の方向によって定まり、プリズム１１０・１２０の回転と共に、偏向の方向も回転中心線１３０を中心にして回転する。すなわち、プリズム１１０・１２０が一回転するうちに、２つの偏向方向が一致する位置が回転中心線１３０を挟んで対称な位置に２箇所でき、そのうちの一つを偏向方向の原点とすると、双方のプリズム１１０・１２０を通った光ビームの偏向は、偏向角度の大きさと方向とを要素とするベクトルに表した場合の合成ベクトルで与えられる。
【０００８】
なお、双方のプリズム１１０・１２０は、互いに向きが反対でかつ等速度回転するので、２つの偏向ベクトルは、常に偏向方向の角度の大きさが等しく符号が逆の状態に保たれる。また、これらのベクトルの偏向角度の大きさは、常にほぼ一定であるため、これらの合成ベクトルは、常に偏向方向の角度から０°または１８０°に保たれることになり、双方のプリズム１１０・１２０を通った光ビームは、偏向方向の原点と入射ビームの方向とを含む平面内でほぼ偏向されるようになっている。
【０００９】
また、特許文献２には、光分割器として、１本の光ビームを４本の光ビームに分割する４ビームスプリッタプリズムが記載されている。具体的には、この４ビームスプリッタプリズムは、一の結晶体の主断面と他の少なくとも一の結晶体の主断面とが非直角である所定の角度を有するウォーラストンプリズムの後方入射光軸上であって、前記ウォーラストンプリズムより出射する常光線および異常光線が合成された光線のみ透過し、かつ該ウォーラストンプリズムより出射する常光線或いは異常光線の振動方向とは夫々４５°ずつ推移し互いに直交した振動方向を有する偏光成分を出射しうるように複像プリズムを接合或いは配置したものである。これにより、１本の光ビームを互いに４５°ずつ振動方向が推移した４直線偏光に分割することができるようになっている。
【特許文献１】特開平５−１６５９９１号公報（平成５年(1993)７月２日公開）
【特許文献２】特開平１−１８６９０２号公報（平成１年(1989)７月２６日公開）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、上記特許文献１の光偏向器では、光ビームを偏向することはできるものの、光ビームを分割することはできない。一方、特許文献２の光分割器では、光ビームを分割することができるものの、光ビームを偏向することはできない。すなわち、特許文献１および２のいずれの場合も、１つの光学機器で、光ビームを分割すると共に、分割した光ビームの相対的進行方向を任意に制御することはできない。
【００１１】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、光を任意の分割比で分割すると共に、分割された各光を任意の方向に偏向することができる光分割偏向器および光照射装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明に係る光分割偏向器は、上記課題を解決するために、複屈折材料からなる第１の部材および第２の部材が互いに接して設けられ、透過する光を分割および偏向する第１のプリズムと、複屈折材料からなる第３の部材および第４の部材が互いに接して設けられ、上記第１のプリズムを透過した光を偏向する第２のプリズムと、上記第１のプリズムを回転させる第１の回転手段と、上記第２のプリズムを回転させる第２の回転手段とを備え、上記第１の回転手段の回転軸と第２の回転手段の回転軸とが平行であることを特徴としている。
【００１３】
上記の構成によれば、第１のプリズムが複屈折材料からなる第１の部材および第２の部材を備えていることにより、第１のプリズムに入射した光は第１の部材内で複屈折して常光および異常光に分割される。また、第１の部材と第２の部材とが接して設けられているため、この接する部分にて常光及び異常光、またはいずれか一方が屈折される。すなわち、光が分割および偏向される。
【００１４】
また、第１のプリズムを透過した光は、第２のプリズムに入射する。第２のプリズムは、複屈折材料からなる第３の部材および第４の部材を備えている。さらに、光分割偏向器は、第１のプリズムを回転させる第１の回転手段と、第２のプリズムを回転させる第２の回転手段とを備えている。このため、第１、第２、第３および第４の部材の光学軸が所定の方向となるように、第１のプリズムおよび第２のプリズムを回転させることにより、第１のプリズムを透過して分割および偏向された光を、第２のプリズムにて所望の方向に偏向することが可能となる。
【００１５】
その結果、光を分割することができると共に、各光を所定の方向に偏向することができる。
【００１６】
本発明に係る光分割偏向器では、上記第１の部材、第２の部材、第３の部材、および、第４の部材は、各々１軸性複屈折材料からなっており、上記第１の部材および第３の部材の光学軸は、第１の回転手段または第２の回転手段の回転軸に直交し、上記第２の部材および第４の部材の光学軸は、第１の回転手段または第２の回転手段の回転軸に対して平行であることが好ましい。
【００１７】
上記の構成によれば、第１、第２、第３および第４の部材が、１軸性複屈折材料からなっていることから、各々１方向の光学軸を有している。また、各光学軸が上記方向となっているため、第１の部材に入射して常光および異常光となった各光は、第２の部材中では共に常光となる。従って、異常光は第１の部材と第２の部材との境界で屈折され、常光は屈折されずに直進する。
【００１８】
また、第１の部材を異常光として透過した光は、第３の部材中でも異常光として透過し、第１の部材を常光として透過した光は、第３の部材中でも常光として透過する。さらに、これら両光は、第４の部材中では常光となる。従って、異常光は第３の部材と第４の部材との境界で屈折され、常光は屈折されずに直進する。
【００１９】
その結果、光を分割することができると共に、各光を所定の方向に偏向することができる。また、一方の光が偏向されずに直進するのでこれを基準として光学系の調整を行うことができ、装置の組立、調整、メンテナンスの点で有益となる。
【００２０】
本発明に係る光分割偏向器では、上記第１の部材、第２の部材、第３の部材、および、第４の部材は、各々１軸性複屈折材料からなっており、上記第１の部材および第３の部材の光学軸は、第１の回転手段または第２の回転手段の回転軸に直交し、上記第２の部材の光学軸は、第１の部材の光学軸と第１の回転手段または第２の回転手段の回転軸とに直交し、上記第４の部材の光学軸は、第３の部材の光学軸と第１の回転手段または第２の回転手段の回転軸とに直交していることが好ましい。
【００２１】
上記の構成によれば、第１、第２、第３および第４の部材が、１軸性複屈折材料からなっていることから、各々１方向の光学軸を有している。また、各光学軸が上記方向となっているため、第１の部材に入射した光は第１の部材内で異常光と常光とに分割される。そして、この異常光は第２の部材内で常光となり、常光は第２の部材内では異常光となる。従って、分割された異常光および常光は共に第１の部材と第２の部材との境界で反対方向に屈折される。
【００２２】
また、第１の部材を異常光として透過した光は、第３の部材内でも異常光として透過し、第１の部材を常光として透過した光は、第３の部材内でも常光として透過する。さらに、この異常光は第４の部材内では常光となり、常光は第４の部材内では異常光となる。このため、これら両光は第３の部材と第４の部材との境界で反対方向に屈折される。
【００２３】
その結果、光を分割することができると共に、各光を所定の方向に偏向することができる。また、第１の部材内で常光となった光をも屈折させることができるため、分割した光をより広い間隔で集光させたい場合に有効である。
【００２４】
本発明に係る光分割偏向器では、上記第１のプリズムの光入射側に、光の偏光面を回転させる第１の偏光面回転手段を備えると共に、上記第１のプリズムと第２のプリズムとの間に、光の偏光面を回転させる第２の偏光面回転手段を備えていることが好ましい。
【００２５】
上記の構成によれば、第１の偏光面回転手段によって第１のプリズムに入射する光の偏向面を所定の方向に回転させることができるため、光を所定の分割比にて分割することが可能となる。また、第２の偏光面回転手段によって第１のプリズムを透過した光の偏光面をさらに回転させることができるため、この回転角度を調節することにより、第１のプリズムにて分割された光の分割比を維持することができる。
【００２６】
その結果、光を任意の分割比で分割すると共に、この分割比を維持した状態で各光を任意の方向に偏向することができる。なお、「第１のプリズムの光入射側」とは、光の進行方向に対して、第１のプリズムよりも上流側を指す。
【００２７】
本発明に係る光分割偏向器では、上記第１の偏光面回転手段および第２の偏光面回転手段は、１／２波長板であることが好ましい。また、上記第２の偏光面回転手段の進相軸または遅相軸の方向が、第１の部材の光学軸と第３の部材の光学軸とがなす角を２等分する方向となっていることが好ましい。上記の構成によれば、簡単な制御によって、第１の偏光面回転手段で決定された光の分割比を正確に保つことが可能となる。
【００２８】
本発明に係る光照射装置は、上記課題を解決するために、光源と、上記光源から照射された光を分割および偏向する、上記いずれかに記載の光分割偏向器と、上記光分割偏向器にて分割および偏向された光を、被光照射物上に集光する集光手段とを備えていることを特徴としている。
【００２９】
上記の構成によれば、上記いずれかに記載の光分割偏向器を備えているので、光源から照射された光を分割すると共に、分割された各光を任意の方向に偏向することができる光照射装置を得ることができる。
【発明の効果】
【００３０】
本発明に係る光分割偏向器は、以上のように、複屈折材料からなる第１の部材および第２の部材が互いに接して設けられ、透過する光を分割および偏向する第１のプリズムと、複屈折材料からなる第３の部材および第４の部材が互いに接して設けられ、上記第１のプリズムを透過した光を偏向する第２のプリズムと、上記第１のプリズムを回転させる第１の回転手段と、上記第２のプリズムを回転させる第２の回転手段とを備え、上記第１の回転手段の回転軸と第２の回転手段の回転軸とが平行となっている。また、本発明に係る光照射装置は、以上のように、光源と、上記光源から照射された光を分割および偏向する、上記いずれかに記載の光分割偏向器と、上記光分割偏向器にて分割および偏向された光を、被光照射物上に集光する集光手段とを備えている。これにより、光を分割することができると共に、各光を所定の方向に偏向することができるという効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
本発明の実施の一形態について図１ないし図７に基づいて説明すると以下の通りである。
図１は、本実施の形態に係る光照射装置１４の概略構成を示す斜視図である。図１に示すように、光照射装置１４は、光源１１、コリメータ１０、光分割偏向器１５、光集光手段９、制御回路１２を備えている。
【００３２】
光源１１は直線偏光（以下、単に「光」とも称する）を照射するものであり、制御回路１２の制御信号によって直線偏光を照射したり、直線偏光の照射を停止したりするようになっている。コリメータ１０は、光源１１から出射された直線偏光を平行光に変換するものである。光分割偏向器１５は、コリメータ１０を透過した直線偏光を任意の分割比に分割すると共に、任意の方向に偏向するものである。この光分割偏向器１５の詳細については後述する。光集光手段９は、光分割偏向器１５を透過した光を被光照射物１６に上に集光するものである。光集光手段９としては、光を集光するものであればよく、例えば対物レンズを用いることができる。
【００３３】
次に、光分割偏向器１５について具体的に説明する。光分割偏向器１５は、第１の１／２波長板（第１の偏光面回転手段）３、第１のプリズム１、第２の１／２波長板（第２の偏光面回転手段）４、第２のプリズム２、第１の回転手段５（図２参照）、第２の回転手段６（図２参照）、第３の回転手段７（図２参照）、および第４の回転手段８（図２参照）を備えている。偏光面回転手段は１／２波長板以外に水晶板からなる旋光子でもよいが、素子の面内回転により偏光面の回転量を容易に調節できる点で１／２波長板が最も好ましい。
【００３４】
第１の１／２波長板３は、コリメータ１０を透過した直線偏光の偏光面（偏光方位）を回転させるものである。第１の１／２波長板３は、直線偏光を入射する面（入射面）および出射する面（出射面）とが、直線偏光の進行方向（光軸）に対して垂直な面（以下、単に「垂直面」とも称する）となるように配置されている。また、第１の１／２波長板３は、垂直面内を回転するようになっている。すなわち、直線偏光の光軸を中心にして回転するようになっている。この回転は、第３の回転手段７によって行われる。
【００３５】
第１のプリズム１は、第１の１／２波長板３を透過した直線偏光を分割および偏向するものである。第１のプリズム１は、複屈折材料からなる第１の部材１ａおよび第２の部材１ｂを用いて形成されている。第１の部材１ａおよび第２の部材１ｂは、各々１軸性の複屈折材料からなるプリズムであり、第１のプリズム１は、これら２つのプリズム（第１の部材１ａおよび第２の部材１ｂ）を接合した（貼り合わせた）構成を有している。
【００３６】
具体的には、第１の部材１ａおよび第２の部材１ｂは、互いに光学軸の向きの異なる３角柱のプリズムであり、第１のプリズム１は、これら第１の部材１ａおよび第２の部材１ｂの斜面同士を貼り合わせたものである。第１のプリズム１における、直線偏光を入射する面（入射面）および出射する面（出射面）は、第１の１／２波長板３の入射面および出射面に対して平行となるように配置されている。
【００３７】
また、第１のプリズム１は、垂直面内を回転するようになっている。すなわち、直線偏光の光軸を中心にして回転するようになっている。この回転は、第１の回転手段５によって行われる。本実施の形態では、第１の部材１ａの光学軸（結晶方位）は、第１の回転手段５の回転軸（直線偏光の進行方向）に直交しており、第２の部材１ｂの光学軸（結晶方位）は、第１の回転手段５の回転軸（直線偏光の進行方向）に対して平行となっている。
【００３８】
第１のプリズム１を透過する直線偏光は、第１の部材１ａを透過する際に常光と異常光とに分割される。分割された光の内、異常光は第１の部材１ａと第２の部材１ｂとの境界にて屈折し、常光は直進する。
【００３９】
第２の１／２波長板４は、第１のプリズム１を透過した２つの光（常光および異常光）の偏光面（偏光方位）を回転させるものである。第２の１／２波長板４は、常光および異常光を入射する面（入射面）と出射する面（出射面）とが、第１のプリズム１の入射面および出射面に対して平行となるように配置されている。また、第２の１／２波長板４は、垂直面内を回転するようになっている。すなわち、直線偏光の光軸を中心にして回転するようになっている。この回転は、第４の回転手段８によって行われる。
【００４０】
第２のプリズム２は、第２の１／２波長板４を透過した常光および異常光を偏向するものである。第２のプリズム２は、複屈折材料からなる第３の部材２ａおよび第４の部材２ｂを用いて形成されている。第３の部材２ａおよび第４の部材２ｂは、各々１軸性の複屈折材料からなるプリズムであり、第２のプリズム２は、これら２つのプリズム（第３の部材２ａおよび第４の部材２ｂ）を接合した（貼り合わせた）構成を有している。
【００４１】
具体的には、第３の部材２ａおよび第４の部材２ｂは、互いに光学軸の向きの異なる３角柱のプリズムであり、第２のプリズム２は、これら第３の部材２ａおよび第４の部材２ｂの斜面同士を貼り合わせたものである。すなわち、第２のプリズム２としては、第１のプリズム１と同様のプリズムを用いることができる。第２のプリズム２における、常光や異常光を入射する面（入射面）および出射する面（出射面）は、第２の１／２波長板４の入射面および出射面に対して平行となるように配置されている。
【００４２】
また、第２のプリズム２は、垂直面内を回転するようになっている。すなわち、直線偏光の光軸を中心にして回転するようになっている。この回転は、第２の回転手段６によって行われる。本実施の形態では、第３の部材２ａの光学軸（結晶方位）は、第２の回転手段６の回転軸（直線偏光の進行方向）に直交しており、第４の部材２ｂの光学軸（結晶方位）は、第２の回転手段６の回転軸（直線偏光の進行方向）に対して平行となっている。
【００４３】
なお、上述のように、第１の１／２波長板３、第１のプリズム１、第２の１／２波長板４、および第２のプリズム２は、各々垂直面内を回転するようになっている。すなわち、各回転軸は各々平行となっており、第１の１／２波長板３、第１のプリズム１、第２の１／２波長板４、および第２のプリズム２は、各々平行な回転軸を中心として垂直面内を回転する。
【００４４】
また、上記第１の回転手段５、第２の回転手段６、第３の回転手段７、および第４の回転手段８は、各部材を回転させることができるものであれば特に限定されるものではないが、例えば、圧電材料からなるリングを２つ対向させた超音波モータ等を用いることができる。その他にも、例えば、１／２波長板やプリズムを保持するリング状のホルダーと、ホルダーと一体となったリング状の歯車と、この歯車を駆動する歯車付電磁モータとを組み合わせた構成のものを用いることもできる。
【００４５】
なお、以下では、プリズムの入射面（または出射面）の法線と接合面の法線に平行な面でプリズムを切断した面をプリズムの主断面という。また、光源１１から照射された光の進行方向に直交する軸をＸ軸およびＹ軸とし（Ｘ軸およびＹ軸は直交している）、Ｘ軸およびＹ軸と直交する軸をＺ軸とする。図１に示す光分割偏向器１５では、第１のプリズムの主断面はＹ−Ｚ平面と平行であり、第２のプリズムの主断面はＺ−Ｘ平面と平行になっている。
【００４６】
上記構成を有する光照射装置１４を用いて、光を分割および偏向する機構について説明する。まず、制御装置１２からの制御信号に基づいて、光源１１から直線偏光が照射される。この直線偏光は、コリメータ１０にて平行光に変換されて、第１の１／２波長板３に入射する。直線偏光は、第１の１／２波長板３にて偏光面が回転される。すなわち、偏光方位が変えられる。そして、第１の１／２波長板３を透過した直線偏光は、第１のプリズム１に入射する。
【００４７】
第１のプリズム１に入射した直線偏光は、第１の部材１ａ中で常光と異常光とに分割される。すなわち、上述のように第１の部材１ａの光学軸は、第１の回転手段５の回転軸に直交しているので、偏光方位が第１の部材１ａの光学軸と一致する異常光と、偏光方位が第１の部材１ａの光学軸と直交する常光とに分割される。常光と異常光との分割比は、直線偏光の偏光方位と第１の部材の光学軸との関係で一意的に決まる。この常光と異常光との分割比を任意に決定する方法については後述する。
【００４８】
第１の部材１ａ中で分割された常光および異常光は、第２の部材１ｂに入射する。第２の部材１ｂの光学軸は、第１の回転手段５の回転軸に対して平行（すなわち、光の進行方向と同じ）であるので、第２の部材１ｂ中を透過する光の偏光方位と光学軸とは直交する。従って、第１の部材１ａ中で分割された常光および異常光は、いずれの光も第２の部材１ｂ中では常光となる。
【００４９】
異常光と常光とは、同じ結晶中で異なる屈折率を有している。従って、第１の部材１ａから第２の部材１ｂに光が進行する場合、第１の部材１ａ中では異常光であった光は、第２の部材１ｂ中では常光となる際に、屈折率が変わるため第１の部材１ａと第２の部材１ｂとの境界面で屈折する。一方、第１の部材１ａで常光であった光は、第２の部材１ｂ中でも常光となるため、屈折率は変わらず第１の部材１ａから第２の部材１ｂへ進行する際にも屈折せず直進する。なお、第１の部材１ａの光学軸は第１の回転手段５の回転軸に対して直交、すなわち、光の進行方向に対して直交しているので、異常光の屈折角は最大となる。
【００５０】
次に、第１のプリズム１から出射された光（常光および異常光）は、各々第２の１／２波長板４に入射する。各光は、第２の１／２波長板４にて偏光面が回転された（偏光方位を変えられた）後に、第２のプリズム２へと入射する。
【００５１】
この際、第２の１／２波長板４の進相軸または遅相軸（光学軸）を、第１の部材１ａの光学軸と第３の部材２ａの光学軸とのなす角を２等分する方位に設定すると、第１の部材１ａを異常光として透過した光の偏光方位が第３の部材２ａの光学軸に一致するので、この光は第３の部材２ａ中でも異常光となる。一方、第１の部材１ａを常光として透過した光の偏光方位は、第３の部材２ａの光学軸に直交するので、第３の部材２ａ中でも常光となる。
【００５２】
従って、この場合、第１のプリズム１で分割された光（常光および異常光）の分割比は維持されることとなる。また、第４の部材２ｂの光学軸は、第２の回転手段６の回転軸に対して平行となっている（光の進行方向と同じである）ため、第３の部材２ａを透過した常光および異常光は、いずれも第４の部材２ｂ中では常光となる。第３の部材２ａ中で異常光であった光は、第３の部材２ａおよび第４の部材２ｂの境界面で屈折し、第３の部材２ａ中で常光であった光は、屈折せずに直進する。
【００５３】
そして、これら２つに分割された光は、所定の分割比を維持した状態で第２のプリズム２から出射される。このように、回転後の光の偏光方位と第１の部材１ａおよび第３の部材２ａとのなす角を制御することで、第１のプリズム１で分割される光の分割比を任意に設定できるとともに、第２のプリズム２においても分割比を維持することができる。
【００５４】
ここで、光源１１から出射された直線偏光を、任意の分割比に分割すると共に、この分割比を維持した状態で任意の位置に偏向する方法についてさらに詳細に説明する。なお、以下では、第１の部材１ａおよび第３の部材２ａの光学軸は、各々第１のプリズムの主断面内および第２のプリズムの主断面内にあるとして説明するが、必ずしもこれに限定されるものではない。
【００５５】
まず、第１のプリズム１にて分割された２つの光（常光および異常光）の偏向を制御する方法について図２および図３に基づいて具体的に説明する。図２は、図１に示す光照射装置１４の要部概略構成を示す断面図であり、（ａ）は第１のプリズム１における偏向状態を示し、（ｂ）は第２のプリズム２における偏向状態を示している。また、図２（ａ）および（ｂ）において、Ｌ１は常光を示し、Ｌ２は異常光を示す。
【００５６】
図２（ａ）に示すように、第１の１／２波長板３を透過して第１のプリズム１に入射した直線偏光は、第１の部材１ａ内で異常光Ｌ２および常光Ｌ１に分割される。そして、異常光Ｌ２は第１の部材１ａおよび第２の部材１ｂの境界にて屈折し、常光Ｌ１は第１の部材１ａおよび第２の部材１ｂを直進する。また、図２（ｂ）に示すように、第２の１／２波長板４を透過して第２のプリズム２に入射した異常光Ｌ２は、第３の部材２ａおよび第４の部材２ｂの境界にて屈折し、第２のプリズム２に入射した常光Ｌ１は第３の部材２ａおよび第４の部材２ｂを直進する。
【００５７】
第１のプリズム１での屈折と第２のプリズム２での屈折とは同様の現象であるものの、第１のプリズム１の主断面および第２のプリズム２の主断面の方位が互いに異なるため、異常光Ｌ２の屈折される方位が異なる。例えば、図２（ａ）に示すように、第１のプリズムの主断面がＹ−Ｚ平面内にある場合には異常光Ｌ２の屈折はＹ方向に発生し、図２（ｂ）に示すように、第２のプリズムの主断面がＺ−Ｘ平面内にある場合には異常光Ｌ２の屈折はＸ方向に発生する。
【００５８】
図３は、図１に示す光照射装置１４において、被光照射物１６上に形成された集光点の位置をＸ−Ｙ平面内で示したものである。集光点の位置は、光集光手段９の焦点距離と光の偏向方向および量とによって決まるので、集光点の位置を説明することによって偏向を説明することができる。
【００５９】
第１のプリズムの主断面がＹ−Ｚ平面に一致し、第２のプリズムの主断面がＺ−Ｘ平面に一致しているものとする。この場合、常光Ｌ１は第１のプリズム１および第２のプリズム２のいずれを透過する場合であっても屈折されず直進するため、Ｌ１１の位置に集光される。一方、異常光Ｌ２は、第１のプリズム１にてＹ方向に屈折し、さらに第２のプリズム２にてＸ方向に屈折する。第１のプリズム１での屈折による集光点の移動は、図３のベクトルＶ１（実線の矢印）にて示され、第２のプリズム２での屈折による集光点の移動は、ベクトルＶ２（実線の矢印）にて示される。異常光Ｌ２の最終的な集光位置は、２つのベクトルの和で決まるため、異常光Ｌ２は位置Ｌ２１（実線の円）に集光されることとなる。
【００６０】
なお、例えば、第１のプリズム１を＋Ｘ方向に少し回転させると共に、第２のプリズム２を＋Ｙ方向に少し回転させた場合には、第１のプリズムの主断面が＋Ｘ方向に少し回転すると共に、第２のプリズムの主断面が＋Ｙ方向に少し回転する。この場合、異常光Ｌ２は、第１のプリズム１での屈折により、その集光点の位置が図３のベクトルＶ３（点線の矢印）に示すように変化し、第２のプリズム２にて屈折して、その集光点の位置が図３のベクトルＶ４（点線の矢印）に示すように変化する。異常光Ｌ２の最終的な集光位置は、２つのベクトルの和で決まるため、異常光Ｌ２は位置Ｌ２２（点線の円）に集光されることとなる。なお、異常光Ｌ２が第１のプリズム１で屈折される度合いと第２のプリズム２で屈折される度合いとは同じとする。
【００６１】
また、例えば、第１のプリズム１と第２のプリズム２とを互いに逆方向に等速で回転させた場合には、異常光Ｌ２の集光位置を直線状に移動させることができる。また、例えば、第１のプリズム１を−Ｘ方向に少し回転させると共に、第２のプリズム２を−Ｙ方向に少し回転させた場合には、常光Ｌ１の集光点と異常光Ｌ２の集光点との間隔を短くすることも可能になる。さらに、第１のプリズム１と第２のプリズム２とを同時に同方向に同量回転させた場合には、常光Ｌ１の集光点を中心として、異常光Ｌ２の集光点を第１のプリズム１および第２のプリズム２の回転量と同じだけ回転させることが可能になる。
【００６２】
すなわち、第１のプリズム１と第２のプリズム２とを所定角度だけ回転させて、第１のプリズムの主断面の方位と第２のプリズムの主断面の方位とを制御することにより常光Ｌ１の集光位置に対する異常光Ｌ２の集光位置をＸ−Ｙ平面内で任意に制御することが可能となる。
【００６３】
このように、集光点の間隔を制御することの応用として、例えば、図７に示すような同一パターンを高速で繰り返し描画することが考えられる。図７は、光照射装置１４を用いて描画したパターンを示す平面図である。図７（ａ）では、同一面積の描画領域２０・２１に、同じＬ字型のパターンが描画されている。また、図７（ｂ）では、同一面積の描画領域２２・２３に、同じＬ字型のパターンが描画されている。
【００６４】
描画領域２０に描画されたパターンと描画領域２１に描画されたパターンとの間隔はＰ１となっており、描画領域２２に描画されたパターンと描画領域２３に描画されたパターンとの間隔はＰ２となっている。すなわち、常光Ｌ１の集光点と異常光Ｌ２の集光点との間隔をＰ１に設定した場合には、描画領域２０・２１に各々同一のパターンをＰ１の間隔で描画することができる。また、図７（ｂ）に示すように描画領域の間隔が狭い場合には、常光Ｌ１の集光点と異常光Ｌ２の集光点との間隔をＰ２に設定することにより、描画領域２２・２３に各々同一のパターンをＰ２の間隔で描画することができる。
【００６５】
従って、２つの描画領域に同一のパターンを同時に描画できるので、パターン形成の高速化を図ることができる。また、従来の光分割装置を用いて２つのパターンを同時に描画した場合には、各パターンの間隔が固定されているため、特定の間隔のパターンしか描画することができない。これに対して、本発明では、２つの光の間隔を自在に変化させることが可能であるため、種々の間隔のパターンであっても高速に描画することができる。
【００６６】
次に、光源１１から照射された直線偏光を任意の分割比にて常光Ｌ１および異常光Ｌ２に分割すると共に、この分割比を維持する方法について説明する。まず、第１の１／２波長板３にて、直線偏光を任意の分割比に分割する方法について図４に基づいて説明する。
【００６７】
図４は、第１のプリズム１の第１の部材１ａに入射した直線偏光の偏光方位と第１の部材１ａの光学軸との関係を示す図である。図４において、３０は光源１１から出射されコリメータ１０を透過した後に第１のプリズム１の第１の部材１ａに入射した直線偏光の偏光方位を示し、３１は第１の部材１ａの光学軸を示している。すなわち、第１のプリズム１は、直線偏光を所望の偏向量だけ偏向させるために、あらかじめその主断面がθ１だけＹ−Ｚ面から回転している。
【００６８】
ここで、まず、第１のプリズム１にて直線偏光を分割せずに全て屈折させる場合について説明する。この場合、第１の部材１ａに入射する直線偏光の偏光方位３０を、第１の部材１ａの光学軸３１に一致させるように偏光面を回転させる必要がある。このためには、第１の１／２波長板３を回転させて、第１の１／２波長板３の進相軸または遅相軸（光学軸）を、第１の部材１ａに入射する直線偏光の偏光方位３０と第１の部材１ａの光学軸３１とのなす角θ１を２等分する方向に一致させればよい。なお、第１の１／２波長板３の回転は第３の回転手段７によって行われる。
【００６９】
これにより、第１の部材１ａに入射した直線偏光の全てが、偏光方位が第１の部材１ａの光学軸と一致する異常光となる。そして、この異常光は、第１の部材１ａと第２の部材１ｂとの境界で屈折して第２の部材１ｂ中では常光となる。従って、直線偏光は、第１のプリズム１では分割されずに透過することとなる。
【００７０】
従って、第１の１／２波長板３の光学軸をこの方位から回転させることにより、第１の部材１ａ内での異常光と常光との比率を回転量に応じて変化させることができる。すなわち、第１の１／２波長板３の回転量を制御することによって、第１の部材１ａ内で異常光と常光との比率を制御することが可能となる。ここで、一例として、光源１１から出射された直線偏光を、常光：異常光＝３：１に分割する方法について図５に基づいて説明する。
【００７１】
図５は、第１の部材１ａに入射した直線偏光の偏光方位と第１の部材１ａの光学軸との関係を示す図である。図５において、４０は光源１１から出射されコリメータ１０を透過した後に第１のプリズム１の第１の部材１ａに入射した直線偏光の偏光方位を示し、４１は第１の部材１ａの光学軸を示している。第１のプリズム１は、所望の偏向量を得るために、あらかじめその第１のプリズムの主断面がθ１０だけＹ−Ｚ面から回転している。
【００７２】
第１のプリズム１にて直線偏光全体の１／４の光を屈折させる（直線偏光全体を３：１に分割する）ためには、第１の部材１ａに入射した直線偏光の偏光方位４０を、第１の部材１ａの光学軸とθ１１＝６０°の角をなす偏光方位４２と一致するように偏光面を回転させる必要がある。
【００７３】
このためには、第１の１／２波長板３の進相軸または遅相軸（光学軸）が、直線偏光の偏光方位４０と偏光面を回転させた後の偏光方位４２とのなす角（θ１１−θ１０）とを２等分する方向４３に一致するように、第１の１／２波長板３を第３の回転手段７で回転させればよい。これにより、第１の部材１ａに入射した直線偏光は、その１／４が第１の部材１ａ内で異常光となり、その３／４が第１の部材１ａ内で常光となるように分割される。
【００７４】
なお、直線偏光を所望の分割比で分割するための偏光面の回転角度は次のようにして求められる。すなわち、直線偏光の偏光方位と第１の部材１ａの光学軸とのなす角度をθとし、直線偏光の振幅をＡ、異常光の振幅をＢ、常光の振幅をＣとすると、異常光の振幅Ｂおよび常光の振幅Ｃは、各々
Ｂ＝Ａ×ｃｏｓθ
Ｃ＝Ａ×ｓｉｎθ
となる。
【００７５】
光の強度（光量）は、振幅の２乗に比例するため、異常光の強度をＩｅとし、常光の強度をＩｏとすると、
Ｉｅ＝Ｂ２＝（Ａ×ｃｏｓθ）２＝Ａ２×ｃｏｓ２θ
Ｉｏ＝Ｃ２＝（Ａ×ｓｉｎθ）２＝Ａ２×ｓｉｎ２θ
となる。
【００７６】
従って、Ｉｏ：Ｉｅ＝ｓｉｎ２θ：ｃｏｓ２θとなり、所望の分割比となるθを求めることにより直線偏光の偏光方位の回転角度（すなわち、第１の１／２波長板３の回転角度）を求めることができる。例えば、常光：異常光＝３：１に分割したい場合には、３：１＝ｓｉｎ２θ：ｃｏｓ２θを満たすθを求めればよく、この場合θ＝６０°となる。（当然に、第１の１／２波長板３を予めθ＝６０°となるように回転させた場合には、Ｉｏ：Ｉｅ＝0.75：0.25＝３：１となり、直線偏光は常光：異常光＝３：１に分割されることとなる。）このように、第１の１／２波長板３を所定角度だけ回転させることにより、直線偏光を第１のプリズム１にて所定の分割比に分割することが可能となる。
【００７７】
次に、第１のプリズム１にて所定の分割比に分割された異常光および常光を、第２のプリズム２を透過する際においても、その分割比を保った状態で透過させる方法について図６に基づいて説明する。
【００７８】
図６は、第１の部材１ａの光学軸および異常光の偏光方位の関係と、第３の部材２ａの光学軸および異常光の偏光方位の関係とを示す図である。図６において、５０は第１の部材１ａの光学軸であり、第１の部材１ａ内を異常光として透過した光の偏光方位を示している。図６における５１は、第１の部材１ａの光学軸に直交する方位であり、第１の部材１ａ内を常光として透過した光の偏光方位を示している。また、図６における５２は、第３の部材２ａの光学軸であり、第３の部材２ａ内を異常光として透過する光の偏光方位を示している。図６における５３は、第３の部材２ａの光学軸に直交する方位であり、第３の部材２ａ内を常光として透過する光の偏光方位を示している。
【００７９】
第１のプリズム１にて分割された直線偏光の分割比、すなわち、異常光と常光との比を保った状態で、異常光のみ第２のプリズム２による屈折効果を得るためには、第１の部材１ａ内を異常光として透過した光の偏向方位５０を、第３の部材２ａの光学軸５２に一致するように偏光面を回転させる必要がある。
【００８０】
このためには、第２の１／２波長板４の進相軸または遅相軸（光学軸）を、第１の部材１ａ内を異常光として透過した光の偏光方位５０と、第３の部材２ａの光学軸５２とのなす角θ２０を２等分する方向５４に一致させればよい。これにより、第１の部材１ａ内を異常光として透過した光は、第３の部材２ａ内においてもその偏光方位が第３の部材２ａの光学軸と一致して異常光となる。なお、第２の１／２波長板４の回転は、第４の回転手段８によって行われる。
【００８１】
また、このとき、同時に第１の部材１ａ内を常光として透過した光の偏向方位５１も、第３の部材２ａ内で常光となるような偏向方位５３に回転させられる。すなわち、第２の１／２波長板４の回転に伴い、第２の１／２波長板４の光学軸は、第１の部材１ａ内を常光として透過した光の偏光方位と、第３の部材２ａの光学軸に直交な方向とのなす角を２等分する方向に位置することにもなる。従って、第１の部材１ａ内を常光として透過した光は、第３の部材２ａ内においても常光となる。
【００８２】
その結果、第１のプリズム１で分割された異常光および常光は、第２のプリズム２においても分割比を保った状態で透過することとなり、第２のプリズム２における所望の屈折効果を得ることができる。
【００８３】
以上のように、第１の１／２波長板３および第２の１／２波長板４の回転を制御して光の偏光方位を制御すると共に、第１のプリズム１および第２のプリズム２の回転を制御して、光の屈折方位を制御することにより、光源１１から出射された直線偏光を所望の分割比にて分割すると共に、分割比を維持した状態で所望の偏向方向に偏向させることが可能となる。
【００８４】
すなわち、本発明の光分割偏光器１４に入射した光は、２つの光に分割されると共に、一方の光は第１のプリズム１と第２のプリズム２とで２回の屈折を受け、他方は直進する。屈折を受ける光の進行方向は２回の屈折の和で決定されるので、第１のプリズム１および第２のプリズム２を回転させることにより、光の進行方向を任意の方位かつ任意の大きさに制御することができる。これにより、被光照射物上での２つの光スポットの光強度の比とその間隔を任意に変えることが可能となる。
【００８５】
なお、本実施の形態では、上述のように第２の部材１ｂの光学軸および第４の部材２ｂの光学軸が、第１の回転手段５の回転軸または第２の回転手段６の回転軸（直線偏光の進行方向）に対して平行な場合について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、分割した光が所望の集光点にて集光されるように適宜変更してもよい。
【００８６】
例えば、第２の部材１ｂの光学軸が、第１の部材１ａの光学軸と上記回転軸とに直交し、第４の部材２ｂの光学軸が、第３の部材２ａの光学軸と上記回転軸とに直交するようにしてもよい。この場合、第１の部材１ａ内を常光として透過する光は、第２の部材１ｂ内で異常光となり、第１の部材１ａと第２の部材１ｂとの境界面で屈折される。また、この光は、第３の部材２ａ内を常光として透過し、第４の部材２ｂ内では異常光となるため、第３の部材２ａと第４の部材２ｂとの境界面で屈折される。
【００８７】
その結果、常光の集光点と異常光の集光点との間隔がより広がることとなる。このため、２分割した光をより広い間隔で集光させたい場合に有効である。
【００８８】
なお、本発明の光分割偏向器は、複屈折材料からなる第１の部材および第２の部材を貼り合わせた第１のプリズムと、複屈折材料からなる第３の部材および第４の部材を貼り合わせた第２のプリズムと、第１のプリズムを回転させる第１の回転手段と、第２のプリズムを回転させる第２の回転手段とを具備し、上記第１の回転手段の回転軸と第２の回転手段の回転軸とが平行である光分割偏向器とも表現できる。
【００８９】
また、上記第１、第２、第３、および第４の部材は１軸性複屈折材料からなり、該第１の部材、および、第３の部材の光学軸は上記第１、または第２の回転手段の回転軸に直交し、該第２の部材、および第４の部材の光学軸は上記第１、または第２の回転手段の回転軸に平行であってもよい。
【００９０】
また、上記第１、第２、第３、および第４の部材は１軸性複屈折材料からなり、該第１の部材、および、第３の部材の光学軸は上記第１、または第２の回転手段の回転軸に直交し、該第２の部材の光学軸は該第１の部材の光学軸と上記回転軸とに直交し、該第４の部材の光学軸は該第３の部材の光学軸と上記回転軸とに直交してもよい。
【００９１】
さらに、上記第１のプリズムの光入射側に第１の１／２波長板を有し、上記第１のプリズムと第２のプリズムとの間に第２の１／２波長板を配置してもよい。また、上記第２の１／２波長板の進相軸または遅相軸を、上記第１の部材の光学軸と上記第３の部材の光学軸とがなす角を二等分する方向に設定してもよい。
【００９２】
また、本発明の光照射装置は、光源と、上記いずれかの光分割偏向器と、集光手段とを有し、上記光源から放射された光は上記光分割偏向器を透過した後、上記集光手段により被光照射物上に集光される光照射装置とも表現できる。
【００９３】
本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００９４】
以上のように、本発明に係る光分割偏向器は、光を所望の分割比にて分割すると共に、分割比を維持した状態で所望の位置に偏向することができる。従って、本発明は、光分割偏向器を製造・使用する産業分野や、光分割偏向器の各部品を製造する産業分野、各種の電子・電気機器やその部品を製造する産業分野等に好適に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９５】
【図１】本発明の実施の一形態を示すものであり、光照射装置の概略構成を示す斜視図である。
【図２】本発明の実施の一形態における光照射装置の要部概略構成を示す断面図であり、（ａ）は第１のプリズムにおける偏向状態を示し、（ｂ）は第２のプリズムにおける偏向状態を示す断面図である。
【図３】本発明の実施の一形態を示すものであり、被光照射物上に形成された集光点の位置を示す平面図である。
【図４】本発明の実施の一形態を示すものであり、第１の部材に入射した直線偏光の偏光方位と第１の部材の光学軸との関係を示す図である。
【図５】本発明の実施の一形態を示すものであり、第１の部材に入射した直線偏光の偏光方位と第１の部材の光学軸との関係を示す図である。
【図６】本発明の実施の一形態を示すものであり、第１の部材の光学軸および異常光の偏光方位の関係と、第３の部材の光学軸および異常光の偏光方位の関係とを示す図である。
【図７】本発明の実施の一形態を示すものであり、（ａ）および（ｂ）は、光照射装置を用いて描画したパターンを示す平面図である。
【図８】従来の光偏向器の概略構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００９６】
１      第１のプリズム
１ａ    第１の部材
１ｂ    第２の部材
２      第２のプリズム
２ａ    第３の部材
２ｂ    第４の部材
３      第１の１／２波長板（第１の偏光面回転手段）
４      第２の１／２波長板（第２の偏光面回転手段）
５      第１の回転手段
６      第２の回転手段
９      光集光手段
１１    光源
１４    光照射装置
１５    光分割偏向器
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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