(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１／２波長板である第１位相子、および、前記第１位相子の遅相軸と略４５度の角度をなす方向の遅相軸を持つ１／２波長板である第２位相子がそれぞれ略同一面上に複数配列された第１位相子アレイと、
１／４波長板である第３位相子、および、前記第３位相子の遅相軸と略直交する方向の遅相軸を持つ１／４波長板である第４位相子がそれぞれ略同一面上に複数配列された第２位相子アレイと
を備え、
前記第１位相子アレイと前記第２位相子アレイとは、入射光の伝搬方向に沿って配列され、
前記第１位相子の密度、前記第２位相子の密度、前記第３位相子の密度および前記第４位相子の密度は略同一であり、前記第１位相子の密度の空間分布、前記第２位相子の密度の空間分布、前記第３位相子の密度の空間分布および前記第４位相子の密度の空間分布は略均一であり、
複数の前記第１位相子および複数の前記第２位相子のそれぞれは、複数の前記第３位相子および複数の前記第４位相子の少なくともいずれかと入射光の伝搬方向に沿って配列されており、
入射光の伝搬方向にそれぞれ沿う前記第１位相子および前記第３位相子の配列、前記第１位相子および前記第４位相子の配列、前記第２位相子および前記第３位相子の配列、ならびに前記第２位相子および前記第４位相子の配列の密度は略同一である
光学デバイス。
【請求項２】
入射光を集光するレンズ系
をさらに備え、
前記第１位相子アレイおよび前記第２位相子アレイは、前記レンズ系の瞳面に配置される
請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項３】
前記第１位相子アレイおよび前記第２位相子アレイを通過した光線を拡散する光拡散部
をさらに備える請求項１または２に記載の光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスに関する。本発明は、特に、位相子を含む光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
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偏光解消板が知られている（例えば、特許文献１参照。）。この偏光解消板は、４００〜７００ｎｍの広帯域な波長範囲において、１／４波長板として機能するとされている。また、中心を通る境界線によって２つの部分に分けられ、一方は光学軸が境界線に対し平行または垂直な１／２波長板であり、他方は光学軸が境界線に対し４５度の方向を向いている１／２波長板である偏光解消板が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
【特許文献１】特開２００６―１１３１２３号公報
【特許文献２】特許２９９５９８９号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
特許文献１に記載の偏光解消板は、直線偏光の光線を円偏光（あるいは楕円偏光）の光線に変換するので、直線偏光の偏光成分がスクランブルされた光を得ることができない。また、特許文献２の技術では、光の進行方向に垂直な面内全体で偏光が解消されている光を得ることができない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
上記課題を解決するために、本発明の第１の形態によると、光学デバイスであって、複数の第１位相子と、第１位相子の遅相軸と異なる方向の遅相軸を持ち、第１位相子と略同一の位相差を与える複数の第２位相子とを備え、複数の第１位相子および複数の第２位相子は略同一面上に配列されており、第１位相子の密度および第２位相子の密度は略同一であり、第１位相子の密度の空間分布および第２位相子の密度の空間分布はともに略均一である。
【０００５】
なお、上記の発明の概要は、本発明の必要な特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。
【０００７】
図１は、一実施形態における光学システム１００の一例を示す。光学システム１００は、実質的に偏光解消された光を生成することを目的とする。光学システム１００は、光源１５０、レンズ系１３０、および光学素子１１０を有する。レンズ系１３０は、複数のレンズ１３１−１３３、および絞り部１３５を有する。レンズ系１３０は、光源１５０が発生した光を集光する。なお、レンズ系１３０および光学素子１１０は、この発明における光学デバイスとして機能する。
【０００８】
光源１５０は、偏光した光を発生する偏光光源であってよい。偏光した光とは、完全偏光の光および部分偏光の光を含む。具体的には、偏光した光とは、偏光度が予め定められた値より大きい光であってよい。一例として、光源１５０はレーザ光源であってもよい。光源１５０が発生した光は、レンズ１３１に入射する。レンズ１３１を通過した光は、絞り部１３５によって絞られる。
【０００９】
光学素子１１０は、絞り部１３５の近傍に設けられる。光学素子１１０は、光源１５０が発光して絞り部１３５を通過した光の偏光を実質的に解消する。光学素子１１０を透過した光は、レンズ１３２およびレンズ１３３により所定のビーム径の光へと集光される。
【００１０】
図２は、光学素子１１０における入射光の伝搬方向に平行な断面の一例を示す。光学素子１１０は、第１位相子アレイ２１０および第２位相子アレイ２２０を有する。光学素子１１０は、第１位相子アレイ２１０および第２位相子アレイ２２０が入射光の伝搬方向に沿って配列されて形成される。なお、第２位相子アレイ２２０の光の出射面は、第１位相子アレイ２１０の光の入射面と接していてよい。なお、後に説明するように、第１位相子アレイ２１０は、一例として複数の１／２位相子が配列された１／２位相子アレイであり、第２位相子アレイ２２０は一例として複数の１／４位相子が配列された１／４位相子アレイであってよい。
【００１１】
図３は、第１位相子アレイ２１０および第２位相子アレイ２２０における入射光の伝搬方向に垂直な断面の一例を示す。第１位相子アレイ２１０は、第１位相子３１１ａおよび第１位相子３１１ｂ（以後、第１位相子３１１と総称する。）、第２位相子３１２ａおよび第２位相子３１２ｂ（以後、第２位相子３１２と総称する。）を含む。第１位相子アレイ２１０は、第１位相子３１１ａ、第１位相子３１１ｂ、第２位相子３１２ａ、および第２位相子３１２ｂを１ユニットとする複数のユニットが面状に配列されて形成される。
【００１２】
なお、図３に示す第１位相子アレイ２１０の格子は、この発明における第１位相子３１１および第２位相子３１２のいずれかを示しており、格子中の矢印は各位相子の遅相軸の方向を示している。図示されるように、第１位相子３１１はｙ方向に遅相軸を有しており、第２位相子３１２は、ｙ方向と４５度をなす方向に遅相軸を有する。
【００１３】
このように、第２位相子３１２は、第１位相子３１１の遅相軸と異なる方向の遅相軸を有する。具体的には、第１位相子３１１の遅相軸と第２位相子３１２の遅相軸とは、略４５度の角度をなす。また、第２位相子３１２は、第１位相子３１１と略同一の位相差を与える。具体的には、第１位相子３１１および第２位相子３１２は、１／２波長板であってよい。なお、第１位相子３１１および第２位相子３１２は略同一面上に配列されている。なお、第１位相子３１１および第２位相子３１２は、実質的に同一面上に配列されていればよく、完全に同一面上に配列されていなくてもよい。
【００１４】
第２位相子アレイ２２０は、第３位相子３２１ａおよび第３位相子３２１ｂ（以後、第３位相子３２１と総称する。）、第４位相子３２２ａおよび第４位相子３２２ｂ（以後、第４位相子３２２と総称する。）を含む。第２位相子アレイ２２０は、第３位相子３２１ａ、第３位相子３２１ｂ、第４位相子３２２ａ、および第４位相子３２２ｂを１ユニットとする複数のユニットが面状に配列されて形成される。なお、第３位相子３２１および第４位相子３２２は、第１位相子３１１および第２位相子３１２と異なる位相差を与える。また、第４位相子３２２は、第３位相子３２１と略同一の位相差を与える。具体的には、第３位相子３２１および第４位相子３２２は、１／４波長板であってよい。
【００１５】
なお、図３に示す第２位相子アレイ２２０の格子は、第１位相子アレイ２１０と同様に、この発明における第３位相子３２１および第４位相子３２２のいずれかを示しており、格子中の矢印は遅相軸の方向を示している。図示されるように、第３位相子３２１はｘ方向に遅相軸を有しており、第４位相子３２２はｘ方向と４５度をなすｙ方向の遅相軸を有する。このように、第４位相子３２２は、第３位相子３２１の遅相軸と異なる方向の遅相軸を有する。一例として、第３位相子３２１の遅相軸と第４位相子３２２の遅相軸とは、略直交する。また、第３位相子３２１および第４位相子３２２は略同一面上に配列されている。なお、第３位相子３２１および第４位相子３２２は、実質的に同一面上に配列されていればよく、完全に同一面上に配列されていなくてもよい。
【００１６】
このように、第１位相子アレイ２１０は、第１位相子３１１および第２位相子３１２がマトリクス状に配列されて形成される。また、第２位相子アレイ２２０は、第３位相子３２１および第４位相子３２２がマトリクス状に配列されて形成される。そして、第１位相子３１１が配列された第１位相子アレイ２１０と、第２位相子３１２が面状に配列された第２位相子アレイ２２０とは、入射光の伝搬方向に沿って配列されている。
【００１７】
なお、第１位相子アレイ２１０において、第１位相子３１１の密度および第２位相子３１２の密度は略同一であり、第１位相子３１１の密度の空間分布および第２位相子３１２の密度の空間分布はともに略均一であってよい。なお、ここでの密度とは、単位面積あたりの各位相子の数密度であってよく、単位面積あたりに各位相子のそれぞれが占める面積であってもよい。
【００１８】
例えば、第１位相子アレイ２１０は、略同数の第１位相子３１１および第２位相子３１２を有しており、第１位相子３１１および第２位相子３１２は略同一面上に所定のパターンで一様に配置されていてよい。なお、第１位相子３１１および第２位相子３１２は、ランダムに配列されていてもよい。なお、第１位相子３１１および第２位相子３１２の面積は略同一であってよい。また、第１位相子アレイ２１０において、第１位相子３１１が占める面積および第１位相子アレイ２１０において第２位相子３１２が占める面積は略同一であってよい。
【００１９】
また、第２位相子アレイ２２０も同様に、第３位相子３２１の密度および第４位相子３２２の密度は略同一であり、第３位相子３２１の密度の空間分布および第４位相子３２２の密度の空間分布は略均一であってよい。なお、ここでの密度とは、単位面積あたりの各位相子の数密度であってよく、単位面積あたりに各位相子のそれぞれが占める面積であってもよい。
【００２０】
例えば、第２位相子アレイ２２０においても、略同数の第３位相子３２１および第４位相子３２２を有しており、第３位相子３２１および第４位相子３２２は所定のパターンで一様に配置されていてよい。なお、第３位相子３２１および第４位相子３２２は、ランダムに配列されていてもよい。なお、第３位相子３２１および第４位相子３２２の面積は略同一であってよい。また、第２位相子アレイ２２０において、第３位相子３２１が占める面積および第２位相子アレイ２２０において第４位相子３２２が占める面積は略同一であってよい。なお、第１位相子３１１の密度、第２位相子３１２の密度、第３位相子３２１の密度、および第４位相子３２２の密度は略同一であることが望ましい。
【００２１】
なお、第３位相子３２１ａおよび第１位相子３１１ａは、第３位相子３２１ａを通過した入射光が第１位相子３１１ａを通過するよう入射光の伝搬方向に沿って位置合わせされて配列されている。また、同様に、第４位相子３２２ａおよび第２位相子３１２ａは、第４位相子３２２ａを通過した入射光が第２位相子３１２ａを通過するよう入射光の伝搬方向に沿って位置合わせされて配列されている。また、第３位相子３２１ｂおよび第１位相子３１１ｂと、第４位相子３２２ｂおよび第２位相子３１２ｂとについても、同様に位置合わせされて配列されている。このように、複数の第１位相子３１１および複数の第２位相子３１２のそれぞれは、第２位相子アレイ２２０が有する複数の第３位相子３２１および複数の第４位相子３２２のいずれかと、入射光の伝搬方向に沿って、配列されている。
【００２２】
そして、入射光の伝搬方向にそれぞれ沿っている第１位相子３１１および第３位相子３２１の配列、入射光の伝搬方向に沿う第１位相子３１１および前記第４位相子３２２の配列、第２位相子３１２および第３位相子３２１の配列、ならびに第２位相子３１２および第４位相子３２２の配列の密度は、略同一であってよい。つまり、位置合わせされて配列された第１位相子３１１および第３位相子３２１の組の密度、位置合わせされて配列された第１位相子３１１および第４位相子３２２の組の密度、位置合わせされて配列された第２位相子３１２および第３位相子３２１の組の密度、位置合わせされて配列された第２位相子３１２および第４位相子３２２の組の密度は、略同一であってよい。
【００２３】
光学素子１１０を通過した後の出射光のストークスパラメータ（Ｓ'０、Ｓ'１、Ｓ'２、Ｓ'３）は、以下の式で表される。なお、以下の式では、入射光のストークスパラメータを（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）、第２位相子アレイ２２０が有する位相子の光学軸の角度をθ１、第１位相子アレイ２１０が有する位相子の光学軸の角度をθ２、第２位相子アレイ２２０のリターデーションをΔとする。
【００２４】
【数１】
0005061400.tif 000002
【００２５】
上記の式を用いて、入射光が直線偏光、楕円偏光、および円偏光の光のであるそれぞれの場合において、第３位相子３２１および第１位相子３１１を通過した光、第４位相子３２２および第１位相子３１１を通過した光、第３位相子３２１および第２位相子３１２を通過した光、第４位相子３２２および第２位相子３１２を通過した光のそれぞれのストークスパラメータを算出した。
【００２６】
一例として、入射光が（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（０．５，０．３，０．０）の直線偏光の光である場合、上記組合わせの位相子を通過した出射光のストークスパラメータの（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）成分は、（０．４，−０．４，−０．１４）、（０．４，−０．４，０．１４）、（−０．４，０．４，−０．１４）、（−０．４，０．４，０．１４）となる。これらの出射光の（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）成分を成分毎に合計すると、Ｓ１＝０、Ｓ２＝０、Ｓ３＝０となる。したがって、光学素子１１０は、上記直線偏光の入射光を実質的に偏光解消することができる。
【００２７】
また、入射光が（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（−０．５，０．７，０．５）の楕円偏光の光である場合、上記組合わせの位相子を通過した出射光のストークスパラメータの（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）成分は、（−０．２５，−０．４５，０．８５）、（０．４５，０．２５，−０．８５）、（０．２５，０．４５，０．８５）、（−０．４５，−０．２５，−０．８５）となる。これらの出射光の（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）成分を成分毎に合計すると、Ｓ１＝０、Ｓ２＝０、Ｓ３＝０となる。したがって、光学素子１１０は、上記楕円偏光の入射光についても偏光を実質的に解消することができる。
【００２８】
また、入射光が（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（０，０，−１）の円偏光の光である場合、上記組合わせの位相子を通過した出射光のストークスパラメータの（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）成分は、（０．７１，０．７１，０．０）、（−０．７１，−０．７１，０．０）、（−０．７１，−０．７１，０．０）、（０．７１，０．７１，０．０）となる。これらの出射光の（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）成分を成分毎に合計すると、Ｓ１＝０、Ｓ２＝０、Ｓ３＝０となる。したがって、光学素子１１０は、上記円偏光の入射光についても偏光を実質的に解消することができる。
【００２９】
なお、光学素子１１０を通過して得られた出射光は、微視的には偏光成分を有する。そこで、第１位相子アレイ２１０および第２位相子アレイ２２０を通過した光線を拡散する光拡散部が、光学システム１００に設けられてよい。なお、光拡散部は、第１位相子アレイ２１０に接して設けられてよい。光拡散部は、光学素子１１０からの出射光を拡散させることによって、上記位相子の各組み合わせを通過したそれぞれの光が重ね合わせてよい。例えば、光拡散部は、第１位相子３１１ａ、第１位相子３１１ｂ、第２位相子３１２ａ、および第２位相子３１２ｂのユニット、あるいは第３位相子３２１ａ、第３位相子３２１ｂ、第４位相子３２２ａ、および第４位相子３２２ｂのユニットのサイズのオーダーで拡がった光に、光学素子１１０からの出射光を拡げてよい。また、レンズ系１３０自身が、光学素子１１０からの出射光を拡散する光学特性を有しており、それにより光拡散部として機能してもよい。光拡散部は、集光された場合の所定のビーム径の大きさのオーダーで出射光を拡散させてよい。
【００３０】
図４は、第１位相子アレイ２１０および第２位相子アレイ２２０における位相子の他の配列例を示す。本図の（ａ）の第１位相子アレイ２１０を示す格子中の矢印は、第１位相子アレイ２１０が有する位相子のうち、図３の第１位相子３１１ａ、第１位相子３１１ｂ、第２位相子３１２ａ、および第２位相子３１２ｂに相当する位置の位相子の遅相軸方向を示す。また、本図の（ａ）の第２位相子アレイ２２０を示す格子中の矢印は、第２位相子アレイ２２０が有する位相子のうち、図３の第３位相子３２１ａ、第３位相子３２１ｂ、第４位相子３２２ａ、および第４位相子３２２ｂに相当する位置の位相子の遅相軸方向を示している。本例での第２位相子アレイ２２０は、図３の第２位相子アレイ２２０と同じ方向の遅相軸を有する。
【００３１】
また、本図の（ｂ）の第１位相子アレイ２１０を示す格子中の矢印は、本図（ａ）と同様に、第１位相子アレイ２１０が有する位相子のうち、図３の第１位相子３１１ａ、第１位相子３１１ｂ、第２位相子３１２ａ、および第２位相子３１２ｂに相当する位置の位相子の遅相軸方向を示す。本図の（ｂ）の構成では、第２位相子３１２ａの遅相軸と第２位相子３１２ｂの遅相軸とは略直交している。この構成においても、第２位相子３１２ａの遅相軸および第２位相子３１２ｂの遅相軸はともに、第１位相子３１１ｂの遅相軸と略４５度の角度をなしている。なお、本図の（ｂ）の第２位相子アレイ２２０は、本図（ａ）の第２位相子アレイ２２０と同様の位相子配列を有する。
【００３２】
このように、第２位相子３１２の遅相軸は、第１位相子３１１の遅相軸と相対的に略４５度の角度差があればよい。また、各位相子の遅相軸の方向は、特定の座標系における特定の方向に限定されるものではない。また、第３位相子３２１の遅相軸の角度と、第１位相子３１１の遅相軸の角度との角度差は、任意であってよい。また、上記の例では、第１位相子アレイ２１０および第２位相子アレイ２２０は、第２位相子アレイ２２０および第１位相子アレイ２１０の順で入射光の伝搬方向に沿って配列されているが、第１位相子アレイ２１０および第２位相子アレイ２２０の順で入射光の伝搬方向に沿って配列されていてもよい。
【００３３】
図５は、光学素子１１０における入射光の伝搬方向に直交する断面の他の一例を示す。光学素子１１０は、複数の第１位相子５１１ａ、ｂ（以後、第１位相子５１１と総称する。）、および複数の第２位相子５１２ａ、ｂ（以後、第２位相子５１２と総称する。）、複数の第３位相子５２１ａ、ｂ（以後、第３位相子５２１と総称する。）、および複数の第４位相子５２２ａ、ｂ（以後、第４位相子５２２と総称する。）を有する。
【００３４】
なお、第１位相子５１１および第２位相子５１２は、第１位相子３１１および第２位相子３１２と同様に１／２波長板であり、第３位相子５２１および第４位相子５２２は、第３位相子３２１および第４位相子３２２と同様に１／４波長板であってよい。なお、第１位相子５１１、第２位相子５１２、第３位相子５２１、および第４位相子５２２の遅相軸の角度は、それぞれ第１位相子３１１、第２位相子３１２、第３位相子３２１、および第４位相子３２２の角度と同じであってよい。また、第１位相子３１１および第２位相子３１２と同様に、第１位相子５１１の密度および第２位相子５１２の密度は略同一であり、第１位相子３１１の密度の空間分布および第２位相子３１２の密度の空間分布は略均一であってよい。
【００３５】
また、第３位相子３２１および第４位相子３２２と同様に、第３位相子５２１の密度および第４位相子５２２の密度は略同一であり、第３位相子３２１の密度の空間分布および第４位相子３２２の密度の空間分布は略均一であってよい。このように、本例における光学素子１１０は、複数の第３位相子５２１および複数の第４位相子５２２は、複数の第１位相子５１１および複数の第２位相子５１２と同一面上に配列されている点を除いて、図１から図３に関連して説明した光学素子１１０と同様の機能を有する。
【００３６】
また、本図に示されるように、第１位相子５１１と第２位相子５１２とがｘ方向に交互に配置されてλ／２板列が形成される。また、当該λ／２板列における第１位相子５１１および第２位相子５１２の並び方向とは直交する方向に、第３位相子５２１と第４位相子５２２とがｘ方向に交互に配置されて形成されたλ／４板列が当該λ／２板列に接して設けられている。そして、同様の配列のλ／２板列とλ／４板列とがｙ方向に交互に配置されて光学素子１１０が形成される。このような配列の光学素子１１０によっても、偏光した光を十分に解消し得る。
【００３７】
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、特許請求の範囲の記載から明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】一実施形態における光学システム１００の一例を示す図である。
【図２】光学素子１１０における入射光の伝搬方向に平行な断面の一例を示す図である。
【図３】第１位相子アレイ２１０および第２位相子アレイ２２０における入射光の伝搬方向に垂直な断面の一例を示す図である。
【図４】第１位相子アレイ２１０および第２位相子アレイ２２０における位相子の他の配列例を示す図である。
【図５】光学素子１１０における入射光の伝搬方向に直交する断面の他の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００３９】
１００  光学システム
１５０  光源
１３０  レンズ系
１３１  レンズ
１３２  レンズ
１３３  レンズ
１３５  絞り部
１１０  光学素子
２１０  第１位相子アレイ
２２０  第２位相子アレイ
３１１  第１位相子
３１２  第２位相子
３２１  第３位相子
３２２  第４位相子
５１１  第１位相子
５１２  第２位相子
５２１  第３位相子
５２２  第４位相子
【図１】
0005061400.tif 000003
【図２】
0005061400.tif 000004
【図３】
0005061400.tif 000005
【図４】
0005061400.tif 000006
【図５】
0005061400.tif 000007