(57)【要約】【課題】４００〜７００ｎｍの広帯域な波長範囲において、１／４波長板として機能する偏光解消板を提供することを目的とする。【解決手段】偏光解消板４は、第一の波長板５と、第二の波長板６と、第三の波長板７とを所定の面内方位角で積層したものであり、偏光解消板４が、４００〜７００ｎｍの広帯域な波長範囲において、１／４波長板として機能するよう各パラメータを、第一の波長板５の位相差Γ１＝２２０ｄｅｇ（λ＝４０５ｎｍ）、面内方位角θ１＝−１３ｄｅｇ、第二の波長板６の位相差Γ２＝２１０ｄｅｇ（λ＝４０５ｎｍ）、面内方位角θ２＝−５３ｄｅｇ、第三の波長板７の位相差Γ３＝１００ｄｅｇ（λ＝４０５ｎｍ）、面内方位角θ３＝４５ｄｅｇのように設定したものである。【選択図】    図１
2006113123.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の波長板と第二の波長板と第三の波長板とを順に結晶光学軸の面内方位角を所定の角度に設定した上で積層して構成する偏光解消板において、
前記第一の波長板に入射する入射偏光のポアンカレ球上の入射位置をＰ０、前記第一の波長板において変調された光のポアンカレ球上の位置をＰ１、前記第二の波長板において変調された光のポアンカレ球上の位置をＰ２とした際に、４００〜７００ｎｍのある波長における前記Ｐ０、Ｐ１、及びＰ２の三つの位置により囲まれる三角形と、４００〜７００ｎｍの他の波長におけるＰ０、Ｐ１、及びＰ２の三つの位置により囲まれる三角形とが互いに相似であり、常に第三の波長板において変調された光のポアンカレ球上の位置Ｐ３が、ポアンカレ球の北極の座標、又は、南極の座標に到達するよう構成し、
前記第一の波長板の位相差をΓ１、面内方位角をθ１、前記第二の波長板の位相差をΓ２、面内方位角をθ２、及び、前記第三の波長板の位相差をΓ３、面内方位角をθ３とした際に、各パラメータが、
位相差Γ１＝２２０ｄｅｇ、面内方位角θ１＝−１３ｄｅｇ、
位相差Γ２＝２１０ｄｅｇ、面内方位角θ２＝−５３ｄｅｇ、
位相差Γ３＝１００ｄｅｇ、面内方位角θ３＝４５ｄｅｇ
となるよう構成したことを特徴とする偏光解消板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は偏光解消板に関し、特にデジタルスチルカメラ等に使用される光学ローパスフィルタ（以降、ＯＬＰＦと称す）の構成要素であり、水晶等の旋光能を有する材料で構成して可視光領域に渡って機能する偏光解消板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
デジタルスチルカメラ等の電子光学機器には、その光学ヘッドにＯＬＰＦが広く用いられ、固体撮像素子（以降、ＣＣＤと称す）や撮像管で生じる擬似色信号をカットすることが出来ることから、入射光線の反射の防止や色補正を行い画像品質の改善に寄与している。
ＯＬＰＦは、一般的には配置順に、光線を水平方向の常光線と異常光線に分離する水平方向分離複屈折板と、赤外線を吸収する赤外線吸収ガラスと、直線偏光を円偏光に変換する偏光解消板と、光線を垂直方向の常光線と異常光線に分離する垂直方向複屈折板とを貼り合わせて構成する。そこで、このように構成したＯＬＰＦをＣＣＤや撮像管の前に設けると、モアレによる縞のちらつきや、太陽光の海面での反射によるギラツキを大幅に改善することが出来る。
【０００３】
ＯＬＰＦの構成要素である偏光解消板は、複屈折性を有する材料を用いた位相変調を行う光学素子であり、入射する直線偏光の光線を円偏光の光線に変換することから、１／４波長板として機能する。一方、波長板の位相差は波長の関数であるため、使用する波長が変化すると位相差も変化するという波長依存性を有しているので、広帯域な可視光で使用した際に位相差が変化してしまい、所望の位相差を維持できないという問題が生じていた。
【０００４】
そこで、この問題を解決するため、特開平１０−６８８１６号公報には広帯域で機能する１／４波長板が提案されている。
図８に、特開平１０−６８８１６号公報により開示された従来の広帯域１／４波長板の外観構造例を示し、（ａ）は正面図（透過面）を示し、（ｂ）は側面図を示す。この広帯域１／４波長板は、二枚の波長板を積層して構成するもので、１／４波長板と１／２波長板とを所定の角度で貼り合わせ、広帯域１／４波長板としての性能を得ている。図８に示す如く広帯域１／４波長板１は、第一の波長板２と第二の波長板３とを、第一の波長板２の光学軸方位角（以降、面内方位角と称す）θ１を１５ｄｅｇに、第二の波長板３の面内方位角θ２を７５ｄｅｇとして積層したものである。
【０００５】
そこで、以下に、特開平１０−６８８１６号公報により開示された従来の広帯域１／４波長板の設計方法について説明する。
第一の波長板２の位相差を１８０ｄｅｇ、面内方位角をθ１、第二の波長板３の位相差を９０ｄｅｇ、面内方位角をθ２とし、図９に示したポアンカレ球を用いて説明する。
図９は、従来の１／４波長板のポアンカレ球を示す。図９において、入射光がポアンカレ球の赤道の所定の位置Ｐ０に入射されると、この入射光が、第一の波長板２により変調されてＰ１に到達し、更に第二の波長板３により変調されてポアンカレ球の極Ｐ２に到達すれば            １／４波長板１を出射する光線は円偏光となる。ここで、Ｐ２がポアンカレ球の極であるためには、θ１及びθ２が次の関係式を満足することが望ましい。
θ２＝２θ１＋４５  ・・・・（１）
【０００６】
入射光の波長がλ１〜λ２間で変化すると、第一の波長板２及び第二の波長板３の位相差が夫々１８０ｄｅｇ及び９０ｄｅｇより変化する。第一の波長板２に於ける変化量をΔΓ１、第二の波長板３における変化量をΔΓ２とする。ここで、入射光が第一の波長板２により変調されて到達するポアンカレ球上の位置Ｐ１が、入射光の波長が変化することにより波長板の位相量が変化し、Ｐ１’にずれたとすると、前記変化量ΔΓ１及びΔΓ２がポアンカレ球上のＰ１とＰ１’を結ぶ球面上の同一の線分となる条件であれば、Ｐ２は常にポアンカレ球の極に到達することが出来る。
【０００７】
そこで、近似的にＰ１とＰ１’を直線で結び、余弦定理を用いてΔΓ１、ΔΓ２、θ１の関係を表すと、
ｃｏｓΔΓ２＝１−２（１−２ｃｏｓ２θ１）（１−ｃｏｓΔΓ１）  ・・・・（２）
となる。第一の波長板２と第二の波長板３とが同じ波長分散の材料とすれば、各々の位相差が１８０ｄｅｇ及び９０ｄｅｇであることから、ΔΓ１及びΔΓ２は、
ΔΓ１＝２ΔΓ２  ・・・・（３）
の関係を満足する。これを（１）式、（２）式に代入すると、θ１とθ２は下記値を得る。
θ１≒１５ｄｅｇ、θ２≒７５ｄｅｇ
【０００８】
以上の結果より１／４波長板１を広帯域１／４波長板として機能させるためには、下記の条件が必須である。
第一の波長板２    位相差        １８０ｄｅｇ
面内方位角      １５ｄｅｇ
第二の波長板３    位相差          ９０ｄｅｇ
面内方位角      ７５ｄｅｇ
但し、上記条件は近似を含むため、ミューラ行列、ジョーンズ行列等を用い実際に使用する上で最適な特性となるようにシミュレーションを行い、最適化を行う。
【０００９】
図１０は、従来の広帯域１／４波長板の楕円率特性例を示す。図１０は、所定の波長範囲で最も楕円率が１に近づくよう最適化して、その結果をグラフに示したものであり、特性例１は、波長６００〜８５０ｎｍの範囲で最適化した例を示し、特性例２は、波長４００〜５００ｎｍの範囲で最適化した例を示し、夫々所定の波長範囲で１／４波長板として機能していることが判る。
【特許文献１】特開平１０−６８８１６号公報
【特許文献２】特開２００３−２４８１９８号公報
【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、光学材料は一般的に波長が短くなる程、屈折率の波長に対する変化が大きくなるという特性を有している。従って、波長が短いほど１／４波長板として機能する波長範囲が狭くなり、図１０に示した特性例においても判るように、波長４００〜５５０ｎｍの波長範囲を最適化出来ても、６００ｎｍ以上の波長範囲まで最適化することは困難である。
【００１１】
一方、デジタルスチルカメラに用いられる偏光解消板は、可視光域である４００〜７００ｎｍの波長範囲において１／４波長板として機能することが必要である。そこで、従来は、偏光解消板として機能しない波長範囲を補償するため、デジタルスチルカメラに内蔵している電子回路の演算機能を用いて演算処理することによりモアレや偽色の発生を防止していた。
本発明は上述したような問題を解決するためになされたものであって、４００〜７００ｎｍの広帯域な波長範囲において、１／４波長板として機能する偏光解消板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために本発明に係わる広帯域位相補償偏光解消板は、以下の構成をとる。
請求項１に記載の偏光解消板は、第一の波長板と第二の波長板と第三の波長板とを順に結晶光学軸の面内方位角を所定の角度に設定した上で積層して構成する偏光解消板において、前記第一の波長板に入射する入射偏光のポアンカレ球上の入射位置をＰ０、前記第一の波長板において変調された光のポアンカレ球上の位置をＰ１、前記第二の波長板において変調された光のポアンカレ球上の位置をＰ２とした際に、４００〜７００ｎｍのある波長における前記Ｐ０、Ｐ１、及びＰ２の三つの位置により囲まれる三角形と、４００〜７００ｎｍの他の波長におけるＰ０、Ｐ１、及びＰ２の三つの位置により囲まれる三角形とが互いに相似であり、常に第三の波長板において変調された光のポアンカレ球上の位置Ｐ３が、ポアンカレ球の北極の座標、又は、南極の座標に到達するよう構成し、前記第一の波長板の位相差をΓ１、面内方位角をθ１、前記第二の波長板の位相差をΓ２、面内方位角をθ２、及び、前記第三の波長板の位相差をΓ３、面内方位角をθ３とした際に、各パラメータが、
位相差Γ１＝２２０ｄｅｇ、面内方位角θ１＝−１３ｄｅｇ、
位相差Γ２＝２１０ｄｅｇ、面内方位角θ２＝−５３ｄｅｇ、
位相差Γ３＝１００ｄｅｇ、面内方位角θ３＝４５ｄｅｇ
となるよう構成する。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１に記載の発明は、偏光解消板として所定の位相差と面内方位角を有する３枚の波長板を積層して構成し、４００〜７００ｎｍの広帯域な波長範囲において、１／４波長板として機能するように設定したものであり、偏光解消板をデジタルスチルカメラ等の電子光学機器に使用されるＯＬＰＦの構成要素として用いた際に必要な性能を発揮して、デジタルスチルカメラ等の電子光学機器の性能を向上させる上で大きな効果を発揮する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
本発明による偏光解消板は、可視光域にわたって１／４波長板としての機能を発揮するように、所定の位相差と面内方位角を有する３枚の波長板を積層したものである。
図１に、本発明に係わる偏光解消板の実施例を示す外観構造図を示し、（ａ）は正面図（透過面）を示し、（ｂ）は側面図を示す。偏光解消板４は、いずれも水晶からなる第一の波長板５と、第二の波長板６と、第三の波長板７とを夫々所定の面内方位角で積層したものであり、後述する設計方法により偏光解消板４が、４００〜７００ｎｍの広帯域な波長範囲において、１／４波長板として機能するよう各パラメータを下記のように設定したものである。又、各波長板の光学軸は、図１（ｂ）に示す如く光線の入射面に対して平行である。
【００１５】
第一の波長板５    位相差Γ１          ２２０ｄｅｇ（λ＝４０５ｎｍ）
面内方位角θ１      −１３ｄｅｇ
第二の波長板６    位相差Γ２          ２１０ｄｅｇ（λ＝４０５ｎｍ）
面内方位角θ２      −５３ｄｅｇ
第三の波長板７    位相差Γ３          １００ｄｅｇ（λ＝４０５ｎｍ）
面内方位角θ３        ４５ｄｅｇ
【００１６】
次に、本発明に係わる偏光解消板の設計方法について、ポアンカレ球を用いて説明する。
図２は、本発明に係わる偏光解消板のポアンカレ球を示す図である。図２（ａ）は、Ｓ３軸（北極側）より見た図を示し、図２（ｂ）から（ｄ）は、夫々第一の波長板５の光学軸Ｒ１、第二の波長板６の光学軸Ｒ２、及び第三の波長板７の光学軸Ｒ３の各方向に三角法により図２（ａ）を展開したものである。
図２において、赤道上の座標（１、０、０）をＰ０としてこの座標に入射偏光が入射されたものとし、第一の波長板５において変調された位置をＰ１、第二の波長板６において変調された位置をＰ２、更に第三の波長板７において変調された位置をＰ３とする。
【００１７】
この時、Ｐ３が北極の座標である（０、０、１）、又は、南極の座標である（０、０、−１）に到達するように第一の波長板５、第二の波長板６、及び第三の波長板７のパラメータを設定すれば、三枚の波長板を透過した光線は円偏光となる。
【００１８】
又、偏光解消板が４００〜７００ｎｍの広帯域な波長範囲において、１／４波長板として機能するためには、入射光の波長が変化することで第一の波長板５、第二の波長板６、及び第三の波長板７の夫々の位相差Γ１、Γ２、及びΓ３が変化しても、第三の波長板７において変調された位置であるＰ３が前記北極、南極の座標である（０、０、１）、又は、（０、０、−１）に到達するようにすればよい。
【００１９】
このためには、第一の波長板５、第二の波長板６、及び第三の波長板７の夫々のパラメータを最適なものに設定し、４００〜７００ｎｍのある波長における前記入射偏光の入射位置Ｐ０、第一の波長板５において変調された位置Ｐ１、及び第二の波長板６において変調された位置Ｐ２の三つの位置により囲まれる三角形と、４００〜７００ｎｍの他の波長におけるＰ０，Ｐ１，Ｐ２により囲まれる三角形とが互いに相似の関係になるようにすれば、常に第三の波長板７において変調された位置Ｐ３が、北極の座標である（０、０、１）、又は、南極の座標である（０、０、−１）に到達することが出来る。
【００２０】
そこで、以降数式を用いて本発明に係わる偏光解消板の設計方法について説明する。
ポアンカレ球の半径を１とすると、前記三角形の一辺であるＰ０―Ｐ１（以降Ｌ１と称す）は、各波長板のパラメータを用いて下式で表すことが出来る。
Ｌ１＝ｓｉｎ２θ１・（１−ｃｏｓΓ１）  ・・・・（４）
【００２１】
一方、前記三角形の一辺であるＰ１―Ｐ２（以降Ｌ２と称す）は、各波長板のパラメータを用いて下式で表すことが出来る。
Ｌ２＝ｃｏｓ２θ２・{ｃｏｓ（ｃｏｓα−ｃｏｓ（Γ２−α））}  ・・・・（５）
但し、α＝ｓｉｎ−１（ｓｉｎ２θ１・ｓｉｎΓ１）／ｃｏｓ２θ２  ・・・・（６）
【００２２】
又、前記三角形の辺Ｌ１とＬ２のなす角度をｂとすると、ｂは、下式で表すことが出来る。
∠ｂ＝１８０−２θ１＋２θ２  ・・・・（７）
ここで余弦定理を用いると、前記三角形の一辺であるＰ２―Ｐ０（以降Ｌ３と称す）は、下式で表すことが出来る。
Ｌ３２＝Ｌ１２＋Ｌ２２−Ｌ１・Ｌ２・ｃｏｓ２ｂ  ・・・・（８）
【００２３】
そこで、式（４）、（５）、（６）、（７）を式（８）に代入してＬ３を求めると、下式で表すことが出来る。
Ｌ３２＝ｓｉｎ２２θ１・（１−ｃｏｓΓ１）２
＋ｃｏｓ２２θ２・{ｃｏｓα−ｃｏｓ（Γ２＋α）}２
＋２ｓｉｎ２θ１・（１−ｃｏｓΓ１）
・ｃｏｓ２θ２・{ｃｏｓα−ｃｏｓ（Γ２＋α）}・ｃｏｓ（２θ１−２θ２）  ・・・・（９）
【００２４】
一方、前記三角形の一辺であるＬ３は、第三の波長板７のパラメータであるΓ３を用いて表すことが出来、これをＬ３’とすると下式で表すことが出来る。
Ｌ３’＝１＋ｓｉｎΓ３  ・・・・（１０）
【００２５】
以上の結果より、第一の波長板５と第二の波長板６のパラメータから得られる式（９）で表されるＬ３と、第三の波長板７のパラメータから得られる式（１０）で表されるＬ３’が等しければ、辺Ｌ１、Ｌ２、及びＬ３で囲まれた三角形は、４００〜７００ｎｍの広帯域な波長範囲において相似の関係となる。
【００２６】
ここで、
Ｌ＝Ｌ３−Ｌ３’  ・・・・（１１）
とし、Ｌ≒０となるように第一の波長板５、第二の波長板６、及び第三の波長板７のパラメータを夫々設定すれば、第一の波長板５と第二の波長板６における波長による位相差変化を、第三の波長板７における波長による位相差変化により相殺することが出来、常に第三の波長板７において変調された位置であるＰ３が、前記北極の座標である（０、０、１）に到達することが可能となる。従って、本発明に係わる偏光解消板は、４００〜７００ｎｍの広帯域な波長範囲において、１／４波長板として機能し、入射する直線偏光の光線を円偏光に変換する。
【００２７】
次に、上述したような設計方法を用い、パラメータを変化させてシミュレーションを行い、それらの結果をグラフによりまとめた。
そこで、第１の設計例として、光線の波長が４００ｎｍ近辺でＬ≒０となるように各波長板のパラメータを設定した。
図３は、本発明に係わる偏光解消板の第１の設計例において、前述した三角形の一辺であるＬ３及びＬ３’とＬの波長特性を示すグラフである。
本第1の設計例は、前述した実施例について説明するものであって、この時、シミュレーションの結果求めた第一の波長板、第二の波長板、及び第三の波長板のパラメータは前述したように下記の通りとなる。
第一の波長板５    位相差Γ１          ２２０ｄｅｇ（λ＝４０５ｎｍ）
面内方位角θ１      −１３ｄｅｇ
第二の波長板６    位相差Γ２          ２１０ｄｅｇ（λ＝４０５ｎｍ）
面内方位角θ２      −５３ｄｅｇ
第三の波長板７    位相差Γ３          １００ｄｅｇ（λ＝４０５ｎｍ）
面内方位角θ３        ４５ｄｅｇ
【００２８】
図４は、本発明に係わる偏光解消板において、第１の設計例によりパラメータを設定した際の楕円率の波長特性を示すグラフである。尚、図４は、特性の比較をするため、従来の特性例１と特性例２についての楕円率も記載した。図４に示す如く、第１の設計例においては、楕円率０．８以上を基準として有効波長範囲とすると、３７５〜７３０ｎｍの広帯域な波長範囲に渡って１／４波長板として機能している。従って、４００〜７００ｎｍの可視光域において、直線偏光を円偏光に変換することが出来、偏光解消板として有効であり、デジタルスチルカメラにおいて発生するモアレや偽色の原因を解消した。
【００２９】
次に、第２の設計例として、第１の設計例より更に高波長帯域において広帯域波長板として機能させた場合について、上述した設計方法を用い、各波長板のパラメータを設定してシミュレーションを行なった。
図５は、本発明に係わる偏光解消板の第２の設計例において、前述した三角形の一辺であるＬ３及びＬ３’とＬの波長特性を示すグラフである。図５は、光線の波長が６５０ｎｍ近辺でＬ≒０となるように各波長板のパラメータを設定した第２の設計例について示す。その具体的な各波長板のパラメータは以下の通りである。
第一の波長板５    位相差Γ１          １８０ｄｅｇ（λ＝６５０ｎｍ）
面内方位角θ１      −１３ｄｅｇ
第二の波長板６    位相差Γ２          １８０ｄｅｇ（λ＝６５０ｎｍ）
面内方位角θ２      −５３ｄｅｇ
第三の波長板７    位相差Γ３            ９０ｄｅｇ（λ＝６５０ｎｍ）
面内方位角θ３        ４５ｄｅｇ
【００３０】
図６に、本発明に係わる偏光解消板の第２の設計例を示す外観構造図を示し、（ａ）は正面図（透過面）を示し、（ｂ）は側面図を示す。偏光解消板８は、いずれも水晶からなる第一の波長板９と、第二の波長板１０と、第三の波長板１１とを所定の面内方位角で積層したものである。
【００３１】
図７は、本発明に係わる偏光解消板において、第２の設計例によりパラメータを設定した際の楕円率の波長特性を示すグラフである。尚、図７は、特性の比較をするため、従来の特性例１と特性例２についての楕円率も記載した。図７に示す如く、第２の設計例においては、楕円率０．８以上を基準として有効波長範囲とすると、５１０〜８５０ｎｍの広帯域な波長範囲に渡って１／４波長板として機能しており、従来の１／４波長板と比べて広帯域化が図られている。
【００３２】
以上説明したように本発明によれば、所定の位相差と面内方位角を有する３枚の波長板を積層した積層波長板を構成することにより、４００〜７００ｎｍの広帯域な可視光波長範囲において、１／４波長板として機能する偏光解消板が得られると共に、他の波長帯域においても広帯域で機能する１／４波長板を得ることが可能となった。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】本発明に係わる偏光解消板の実施例を示す外観構造図を示す。
【図２】本発明に係わる偏光解消板のポアンカレ球を示す図である。
【図３】本発明に係わる偏光解消板の第１の設計例において、前述した三角形の一辺であるＬ３及びＬ３’とＬの波長特性を示すグラフである。
【図４】本発明に係わる偏光解消板において、第１の設計例によりパラメータを設定した際の楕円率の波長特性を示すグラフである。
【図５】本発明に係わる偏光解消板の第２の設計例において、前述した三角形の一辺であるＬ３及びＬ３’とＬの波長特性を示すグラフである。
【図６】本発明に係わる偏光解消板の第２の設計例を示す外観構造図を示す。
【図７】本発明に係わる偏光解消板において、第２の設計例によりパラメータを設定した際の楕円率の波長特性を示すグラフである。
【図８】特開平１０−６８８１６号公報により開示された従来の広帯域１／４波長板の外観構造例を示す。
【図９】従来の１／４波長板のポアンカレ球を示す。
【図１０】従来の広帯域１／４波長板の楕円率特性例を示す。
【符号の説明】
【００３４】
１・・広帯域１／４波長板、            ２・・第一の波長板、
３・・第二の波長板、                  ４・・偏光解消板、
５・・第一の波長板、                  ６・・第二の波長板、
７・・第三の波長板、                  ８・・偏光解消板、
９・・第一の波長板、                １０・・第二の波長板、
１１・・第三の波長板
【図１】
2006113123.tif 000003
【図２】
2006113123.tif 000004
【図３】
2006113123.tif 000005
【図４】
2006113123.tif 000006
【図５】
2006113123.tif 000007
【図６】
2006113123.tif 000008
【図７】
2006113123.tif 000009
【図８】
2006113123.tif 000010
【図９】
2006113123.tif 000011
【図１０】
2006113123.tif 000012