光学/干渉計 関連

光学/干渉計 関連

レンズとは

単レンズ(Single Lenses)は1枚のみのレンズで、球面と平面または球面と球面を持ち、入射した光を屈折させて発散または集光させます。

球面の種類には凸面と凹面があり、平面と凸面を持つ平凸レンズ(Plano Convex Lens)、平面と凹面を持つ平凹レンズ(Plano Concave Lens)、凸面と凸面を持つ両凸レンズ(Double Convex Lens)、凹面と凹面を持つ両凹レンズ(Double Concave Lens)があります。

平凸レンズと両凸レンズは結像(像の拡大・縮小)、光の集光に利用され、使用する条件により使い分けます。

平凸レンズは、通常は物体側に凸面を向け像側に平面が来るように配置します。物体が無限遠の場合(平行光)も凸面を向け集光側に平面が来るようにします。
両凸レンズは凸面が同じ曲率半径なので向きは問題になりません。
平凸レンズと両凸レンズの使用条件

平凹レンズと両凹レンズは平行光の発散に利用され、使用する条件により使い分けます。

結像(像の拡大・縮小)に使用する場合、通常は像が虚像になるため、単体で使うより組み合わせて使われる用途が多くなります。

平凹レンズは、通常は(平行光の)入射側に凹面を向け出射側に平面が来るように配置します。但し、高出力レーザー光では平面を入射側にし、入射の凹面で焦点を結ばないようにします。
両凹レンズは凹面が同じ曲率半径なので向きは問題になりません。
平凹レンズと両凹レンズの使用条件

ボールレンズとは

球面レンズの中でも曲率半径の特に小さいボールレンズは、光ファイバへの集光やカップリング、またファイバからの出射光をコリメートする用途に主に利用されます。曲率半径が実質的に最小のため、球面収差(Spherical Abberation)は通常の単レンズと比べても大きくなり、イメージング用途には一般に向きません。
ボールレンズの選択方法:
レーザーの光を光ファイバへ導光する場合、選択するボールレンズは光ファイバの開口数(Numerical Aperture; NA)とレーザーのビーム径により決定します。ボールレンズのNAは、光ファイバのNAよりも小さいものを選ぶ必要があります。仮に大きなNAを持ったボールレンズを選んだ場合、レンズを通してファイバに入射した光量の一部は、ファイバのコア内を全反射(Total Internal Reflection)しながら伝搬していかないため、結果的に光の伝送口に繋がります。なおボールレンズのNAは次式により求められます。

ボールレンズの曲率半径は通常の単レンズと比べて非常に小さいため、レンズ外径(D)に対する入射ビーム径(d)の比(d/D)が大きくなると(Fig.1参照)、得られるNAは急激に上昇します(Fig.3参照)。これはレンズの球面収差に他なりません。

上記計算式導入の一例として、レーザー光のファイバカップリングを考えてみます。ファイバのスタンダードであるCorning®SMF-28TMのNAは、1310nmの波長において0.14です。これにφ1.㎜のビーム径(d)を持った1310nm半導体レーザーを導光する場合、N-BK7製のボールレンズの場合は、同波長ではn=1.50になることから、上記の式によりD=8.09㎜が得られます。
ボールレンズの配置方法:
ボールレンズは、ファイバ端面にほぼ接するように配置するのが基本です。ちなみにボールレンズの(有効)焦点距離(Effective Focal Length; f)やバックフォーカス(Back Focal Length; B.f)がどの程度になるかは下記公式により算出可能ですが、(d/D)によって値がかなり異ってくるために、あくまで参考程度にご理解ください。
同等のNAを持ったファイバ同士の光伝搬用途(ファイバカップリング用途)の場合、ボールレンズを2個使用します(Fig.2参照)。
この時、ボールレンズ間はエアコンタクトの状態で配置するのが基本です。

フレネルレンズとは

 
フレネルレンズは、薄く平らなアクリル樹脂に、階段状かつ同心円状に鋸波型の溝を密に施したものです。各々の溝が小さな屈折面(プリズム面)として働くことにより、全体としては一枚の大きなレンズと同じ機能を果たします。ある種のフレネルレンズは拡大鏡としても利用されますが、眼に対するストレスは球面レンズよりも大きくなります。同一焦点距離の場合、板厚の薄いフレネルレンズの光線透過率は、ガラス製のレンズよりも通常高いため、太陽光の集光用途には特に利用されます。またオーバーヘッドプロジェクタ(OHP)の拡大投影用レンズとしても広く利用されています。

適切なフレネルレンズを選択するには、そのサイズや焦点距離も重要なファクタですが、レンズにより得られる集光効率や像の品質等も考慮に入れる必要があります。一般に溝のピッチが少ないほど得られる正立像(虚像)の品質が高くなるため、拡大鏡等のイメージング用途に適します。一方、溝のピッチが多くなるほど集光効率が高くなるため、この場合はコンデンサ用途に適します。

一般にフレネルレンズを使用する際は、溝のある面を共役点の長い方に向けてご使用ください。

光学用ミラーとは

表面鏡と裏面鏡
一般に光学用に用いられるミラー製品の殆どは、高い反射特性を有する金属膜、あるいは誘電体多層膜(以下、増反射膜)を基板(ガラス、あるいは金属)の表面に蒸着した表面鏡(First Surface Mirror)のデザインを採用しています。(Fig.1参照)。日常生活に普段用いられている裏面鏡(Second Surface Mirror. Fig.2参照)は、表面鏡とは異なり、基板に蒸着した増反射膜(一般に銀コート)の上に更に保護用のプレートガラスやプラスティックでカバーしています。これにより銀膜に誤って傷をつけてしまうことを防止し、また酸化しやすい性質を持つ銀膜が空気中にさらされることを防ぎます。光学用に用いられる表面鏡の場合、増反射膜が表面に露出していることから、誤って傷を付けてしまうことも多く、取り扱いには十分な注意が必要です。なお光学用のミラーに裏面鏡が用いられない主な理由は、以下の通りです。

● 斜入射時に、入射光が保護用のプレートガラスによって屈折するため、増反射膜による反射光の光路がシフトしてしまう。
(Fig.2中の赤色実線)

● 増反射膜面での反射以外に、保護用のプレートガラスと空気の媒質境界面において4%程度の表面反射 (フレネル反射:Fresnel Reflection)が生じる(Fig.2中の赤色破線)。このフレネル反射により、反射光(像)が二重に写ってしまう不都合が生じる。

●前述のフレネル反射により、増反射膜での反射効率が低くなる。
ミラー用金属膜コーティング(Metallic Coating)
当社では市場での多様なニーズにお応えするために、使用波長に合わせた複数のミラー用金属膜を標準コーティングとしてご用意しています。
保護膜の必要性
一般に金属膜は、機械強度の高くない、非常にデリケートなコーティングです。よって誘電体などの保護膜を金属膜の上に施すことは、そのハンドリング性を高めるだけでなく、クリーニング性も容易にします。また金属膜自体の酸化を防ぎ、耐久性を向上させることから最近では必要不可欠なものになっています。本カタログで紹介する金属膜を採用した光学用ミラー製品には、全てこの保護膜が施されています。
ミラー表面がひどく汚れている場合にはイソプロピルアルコールかアセトン液による手拭き洗浄が可能です。
金属膜のクリーニング
金属膜をクリーニングする際は、以下の手順をご参考ください。

●エアクリーナー等で金属膜表面に付着したチリやホコリを飛ばす。
●基本的に洗浄液を用いた手拭き作業は、金属膜表面に指紋が付着した時か、
 汚れのひどい時のみに限定して行ってください。
● 洗浄液にはイソブロピルアルコールかアセトン液の有機溶剤を用います。
 少量の溶剤を含ませたレンズペーパーで、金属膜表面に付着した汚れを
 ゆっくりと、かつソフトに拭き取ります。
●洗浄液の拭き取り残しや拭き取りむらのないようご注意ください。

なおミラーに代表される光学部品は、多湿な環境を非常に嫌います。多湿な環境に放置したままにしておくと、直ぐにカビが発生します。
やむを得ない理由により、多湿な環境で保管する場合は、シリカゲルⓇ 等の乾燥剤を必ずご使用ください。
標準の金属膜コーティング
1. コートなし(Uncoated)
金属膜も保護膜もされていないガラス基板(鏡面仕上げ)です。特殊なミラーコーティングを必要とする際の基板として最適です。

2. アルミコート(Protected Aluminum)
可視~近赤外の波長で使用される最も標準的な金属膜です。1/2波長膜の一酸化シリコン(SiO)が保護膜として施されます。平均反射率は0.4-0.7・において85%以上。

3. 反射強化アルミコート(Enhanced Aluminum)
アルミの金属膜を適当な誘電体多層膜で保護することにより、0.45-0.65・の可視光における平均反射率を95%以上に改善します。
アルミコートに比べて価格は高くなりますが、可視域でより高い反射率が必要な場合はこちらをお勧めします。

4. UV反射強化アルミコート(UV Enhanced Aluminum)
アルミの金属膜を適当な誘電体多層膜で保護することにより、紫外域での反射率をより高めます。0.25-0.7・において85%以上の平均反射率が得られます。

5. 金コート(Protected Gold)
近赤外~赤外において高反射率を望む場合、金コートは非常に効果的です。0.7-0.8・において94%以上、また0.8-2・においては97%以上の平均反射率が得られます。保護膜にはアルミコート同様、一酸化シリコン(SiO)が用いられます。

6. 銀コート(Protected Silver)
可視~赤外において高反射率を望む場合、銀コートは非常に効果的です。500-800nmにわたり98%以上の反射率が得られます。保護膜の加工により、曇りやすい銀の性質を緩和することができますが、低湿環境下での使用を推奨します。
 
基板の面精度による性能の違い
レーザーの可干渉性(Coherency)を利用した干渉実験や、遥か遠く彼方にある星の観察を目的とした天文用に使用される高精度研磨仕上げのミラーは、反射用コーティングが施される前の基板自体の面精度が総じて高く、一般的には1/8-1/10λ以下の面精度を持った製品が殆どです。ミラーの場合、ミラーにより反射された光の波面は、反射面における基板の面精度に依存します。この場合、光路が反射面に当たって再び戻ることから(垂直入射の場合)、反射波面の大きさは面精度の実質2倍の大きさになります。一例として1/10λの面精度を持つミラー製品の場合、その反射波面は1/5λになります。このようにして考えると、無収差とみなせる1/4λ以下の波面収差(レイリーリミット)が得られる基板面精度は、1/8λ以下のミラー製品に限定されることになります。

高精度研磨仕上げのミラーとは対照的に、ソーダ石灰ガラス(青板ガラス)を用いたフロートガラス基板採用のミラー(面精度4-6λ/25.4㎜レベル)は、画像情報(多色光)の反射用ミラーとして広く用いられます。フロート法により製造されるため、安価で、比較的大きなサイズの基板も製作が可能です。また高精度研磨仕上げとフロートガラス基板のミラーの中間的位置に属する標準的研磨仕上げのミラー(面精度1/4-1λレベル)はBK7などの光学ガラスを用いた研磨ガラスを基板に採用しています。前述の2種類のミラーの中間的性質(性能)を有し、フロートガラス基板採用のミラーでは実用上不十分な場合は、こちらの面精度のタイプが次の選択肢となります。またコストパフォーマンスにも優れます。アプリケーションやご予算に応じてお選びください。
基板の材料による性能の違い
膨張による反射波面の位相変化量(位相シフト量)を極力抑えるためには、熱膨張係数の低い基板を用いることが特に重要です。ミラーの基板に用いられる代表的な光学ガラスであるN-BK7の場合、熱膨張係数は7.1×10-6/℃になりますが、パイレックスヌ$ の場合は3.2×10-6/℃とBK7の半分以下になります。合成石英の場合は更に低く、0.55×10-6/℃とパイレックスヌ$ の約1/6になります。ゼロデュアヌ$ は更にその上をいき、0.05×10-6/℃と合成石英の1/10以下になります。

熱膨張係数の違いによる位相変化の一例として、パイレックスヌ$ と合成石英を比べてみます。基板の板厚が10㎜の合成石英の場合、熱膨張係数が前述の0.55×10-6/℃であることから、実質5.5nm/℃の熱膨張があることになります。仮に10℃の温度上昇があったとすると、55nm分(=1/10λ(@550nm))の膨張があります。ミラーの場合は、光路が反射面に当たって再び戻るため(垂直入射の場合)、実際には熱膨張量の2倍の位相シフト量が発生し、1/5λ分の位相シフトが生じることになります。これに対しパイレックスヌ$ の場合は、同じ考え方により、結果として1λ以上の位相シフトが発生します。このように、熱膨張係数の極めて低い合成石英やゼロデュアヌ$ 基板を用いたミラーの使用は、航空宇宙学や精密な可干渉実験を求める用途には非常に重要となります。
特性比較

ビームスプリッタとは

ビームスプリッタ(Beamsplitters; 以下「B/S」)は、入射光を所定の分割比で2つの光に分割する光学部品です。また可逆的に、2つの光の重ね合わせにも応用できます。B/Sの代表的な形状に、次にあげるキューブ型とプレート型があります。
キューブ型ビームスプリッタ(Cube Beamsplitters)
キューブ型B/S(Fig.1)は、2個のプリズム(通常は直角プリズム)により構成されます。一方のプリズムの斜面に、B/Sとして機能するための適当な光学薄膜を蒸着し、2個のプリズムの斜面同士を接合してキューブ型を構成します。キューブ型B/Sは、同様の光学的機能を有するプレート型B/S(後述)にはない次のメリットがあります。透過光の屈折が一切ないこと、分割した反射光と透過光の光路長(Optical PathLength)が同じであること、B/Sとして機能する薄膜がガラス基板内にあり、空気に触れないため、膜自身の劣化が少ないこと、B/S内を通る光路長が長くなるため、光学系全体としては小型化が期待できること、また入射角条件が垂直入射のため、プレート型のように45°入射にする必要がなく、アライメント作業が容易になること、などです。反対にデメリットは、キューブ型構成のために重量が大きいこと、製造できるサイズに限度があること、また価格が総じて高いこと、などです。

キューブ型B/Sに使用されている2個の直角プリズムのうち、一方のプリズムには、その砂面部に適当なマーキングが施されています。マーキングのついた方のプリズム斜面に、B/Sとして機能する薄膜が施されています。キューブ型B/Sを使用する際は、砂面部にマーキングのついた方のプリズムを入射側としてご使用ください。逆に使用しても光学的性能に問題はありませんが、接合樹脂の耐久性的に影響が出る場合があります。
プレート型ビームスプリッタ(Plate Beamsplitters)
プレート型B/S(Fig.2)は、薄い平板ガラス上に、B/Sとして機能するための適当な光学薄膜を蒸着したものです。プレート型B/Sは、同様の光学的機能を有するキューブ型B/Sにはない次のメリットがあります。薄い平板ガラスを基板に採用しているため軽量なこと、比較的大きなサイズも製作可能なこと、また安価なことです。反対にデメリットは、反射光と透過光の光路長が異なること、透過光が屈折してしまうこと、薄膜が基板表面に蒸着されているため、膜自身が酸化し光学特性が劣化しやすいこと、また入射角条件が45°のため、アライメント作業が複雑になること、などです。入射光が光の屈折作用により平行移動して透過する際の移動量(Fig.2中の“d”)は、入射角45°で基板の屈折率が1.5のB/S製品の場合、同図中に記載の近似式により求められます。

なお一部のプレート型B/Sには、基板の裏面側に反射防止膜が施されています。反射防止膜の付いたB/Sを選択することは、撮像光学系の中にB/Sを入れる場合には特に効果的です。B/Sの裏面側と空気の境界面で発生する不要な戻り反射(フレネル反射)を取り除き、光学系としてのB/Sを改善することが可能になります。
B/Sは、得られる光学的性能の違いにより次の3種類のタイプに大別できます。
標準タイプ(以下、「非偏光タイプ」)、無偏光タイプ、偏光タイプです。

非偏光タイプのB/S(Unpolarizing Beamsplitters)は、得られる透過光と反射光の分割比をp成分やs成分の偏光成分別に捉えずに、あくまでその平均だけを考えてデザインしています。よって透過光や反射光が各々どのような光強度のpやs成分になっているかを全く制御していません。よってこの時に入射光は、自然光に代表される非偏光の光(Unpolarized Light)を前提に設計しています。そのため、偏光方向や偏光比が時間とともに変化するランダム偏光の光(Randomly-polarized Light)が入射した場合は、時間の経過と共に透過/反射光量にばらつきが生じます。またレーザーに代表される偏光した光が入射する場合も、分割比が1:1にならずに、全く異なる結果になることがよくあります。以上のことから、非偏光タイプのB/Sは、多色光(Polychromatic Light)の光に対して用い、かつp成分やs成分の分割比に分けて考える必要のない用途-例えば画像情報の1:1分割に広く用いられます。

無偏光タイプのB/S(Non-polarizing Beamsplitters)は、入射光の偏光状態も含めて、透過光と反射光を所定の比で分割します。1:1の分割比を持った無偏光B/Sの場合は、得られる透過光のp成分(Tp)とs成分(Ts)、及び反射光のp成分(Rp)とs成分(Rs)の全てが同じ比で分割されます。よってレーザーに代表される偏光した光の1:1ビーム分割用途に最適です。無偏光B/Sにより得られる透過光と反射光の各偏光状態は、入射光のそれと同じになります。

偏光タイプのB/S(Polarizing Beamsplitters)は、ランダム偏光の光をs偏光の反射光とp偏光の透過光に各々分割します。よって分割した光はどちらも偏光状態になります。ランダム偏光のレーザーの1:1ビーム分割用途、或いは消光性の高い直線偏光の光を得るためのフィルタリング的用に利用されます。
ビームスプリッタ使用上の注意
どちらのタイプのB/Sも、所定の光学特性を得るために、コリメート光、あるいはそれに近い状態の入射光をご使用ください。発散光や収束光の使用は収差発生の要因となります(特に誘電体膜のB/Sの場合)。

直角プリズム(Right Angle Prisms)とは

直角プリズムのコートの有無による機能的な違い
90°偏角プリズムとして最も頻繁に用いられる直角プリズムには、プリズム斜面にアルミの金属膜を施したプリズム(以下、アルミコート)と、施していないプリズム(以下、コートなし)の2種類が選べます。プリズムで最大のスループットを求める場合、コートなしのプリズムを用いた光の「全反射(Total Internal Reflection)」現象を利用するのがベストです。ただし、プリズム斜面を全反射で100%反射させるためには、プリズム入射面に対して垂直入射(0°入射)に近い状態の平行光の光を入れる必要があります。アルミコートは、分光反射率特性からもわかりますように、膜自身による光の吸収が若干あるために100%の反射は望めません。そのため垂直入射ではない光の入射に対して(プリズム斜面で全反射にならない使用条件の場合に)、反射効率をより高める目的で使用します。
直角プリズムのガラスの違いによる機能的な違い
当社の直角プリズムは、N-BK7、高品質合成石英、N-SF11の3種類の光学ガラスをラインアップしています。N-BK7(nd=1.517)は最も標準的な光学ガラスですが、高屈折率ガラスのN-SF11(nd=1.785)でプリズムを作ることにより、前述のプリズム斜面において全反射できる入射角度範囲をより広角にすることができます。高品質合成石英(nd=1.458)は、紫外線での透過性に優れます。また熱膨張係数が極めて低いガラスのため、高温度下での使用にも最適な光学ガラスです。
光路が空気中になるミラーに対し、プリズムの場合は、光路がガラス中になります。どのような光学ガラスでも透過できる波長に限りがあり、長波長側は2.3・程度までしか透過できません。より長波長側(中赤外~遠赤外)での偏角用途の場合は、ミラーをご利用ください。

コーナーキューブプリズムとは

コーナーキューブ(Corner Cube)は、入射光を再帰反射して入射方向に戻す機能を持ち、この時の像は反転状態にあります。コーナーキューブの場合、このような光の再帰反射性は入射角度が大きい場合にでも有効なため、垂直入射(0°入射)時にしか再帰反射性を持たないミラーとは機能が大きく異なります。この特長を生かして、光軸調整の困難な作業や作業時間を短縮したい場合などに頻繁に利用されます。
 
コーナーキューブの反射面は三面あります。一部のコーナーキューブ製品は、反射面三面全てに銀コートを施したタイプをご用意しています。コーナーキューブ製品は、全品N-BK7か合成石英の光学ガラスを基板に採用しています。N-BK7の場合、光の全反射(Total Internal Reflection)現象が得られる許容最大入射角は理論上5.7°までです(全角で11°程度)。この角度で入射できることが予めわかっている場合は、銀コートの施されていないコーナーキューブを使用することにより、反射面全てにおいて光の全反射(100%反射)が可能になります。よってスループットを最大にできます。反対に入射角度が大きい、あるいは予測不可能な場合は、反射面における視野角が広くなる銀コートの施されたタイプの使用がお勧めです。
銀コートは増反射用の金属膜の中で、最も偏光依存性の少ない薄膜材料です。

正三角形プリズムとは

プリズムには様々な角度構成を持った種類のものがありますが、60°の頂角によって作られる正三角形プリズムは、多色光(Polychromatic Light)の分光用途に対して特に有益な形状です、どのような頂角を持ったプリズムでも、入射面に対して斜入射する多色光の光は、色(波長)によるガラスの屈折率の違いにより、光の分散(Dispersion)という現象が生じます(入射面に対して垂直入射で入射する場合は分散しません。)この分散現象は、プリズムの頂角が大きければ大きいほど、またプリズムに用いられるガラスの屈折率が大きければ大きいほど、より広い角度で分散することが知られています。それではこの分散性をより高めるために、60°を超える頂角を持ったプリズムがあっても良いのではないかという意見も出そうですが、その角度を超えてしまうと、反対にプリズム入射面、或いは出射面における表面反射(フレネル反射)、あるいは全反射の影響が強く生じ、結果的にスループットが悪くなるというデメリットが生じることになります。加工の容易さという点を踏まえても、正三角形プリズムはもっとも適切な選択の分散プリズムと言えます。

光学ウインドウとは

平行平面基板の形状をした光学ウインドウは、光学機器やシステムの入射窓、あるいは出射窓として広く用いられます。そのため、周囲の環境との境界に置かれることを前提に各種スペックが決定されます。また使用する基板の透過特性によっては、特定の波長の光だけを取り出すフィルタリング的用途にも利用されます。ブリュースター窓や光エミッタ/ディテクタの保護用窓に、また撮像光学系の対物レンズの保護用フィルタとしても利用されます。基板となるガラスが使用波長に対して透光性があるかはもちろんのこと、アプリケーションによっては、基板の面精度や平行度等のスペック、またそのガラスの製法や性質等を考慮していくことは、適切なウインドウ製品を選択する際に極めて重要な作業となります。
光学研磨ガラスvsフロート板ガラス
ガラス製の光学ウインドウ製品の場合、製法別に光学研磨加工により製作されるものと、フロート法により製作されるもの(フロート板ガラス)に大別できます。光学研磨加工に用いる材料は、光学ガラスが一般に用いられます。そのため、ガラス内部の均質性が良好で、泡や不純物などの含有も非常に少ないことから、精密光学用途に推奨されます。一方、建築用板ガラスの製法であるフロート法に用いるガラス材料は、光学ガラスではありません。そのため、多色光源のコンデンサ用途や標準的イメージング用途など、精度をさほど求めない用途に用いられます。ただしフロート法は、大きな寸法のウインドウも容易に製作できる点に別のメリットがあります(光学ガラスは、調達できるガラスのブロック寸法に限度があるため、大判サイズの製作には不向きです)。
基板面精度
レーザー光源等を用いた光の干渉実験用途を含めウインドウを透過した後の光の波面(透過波面)を気にする用途であれば、精密光学研磨加工された基板面精度の高いウインドウ製品を選定する必要があります。この場合、1/4λ以下の面精度が最低でも必要とされます(アプリケーションに依存)。反対に多色光源のコンデンサ用途や標準的イメージング用途に用いるのであれば、フロート板ガラスで十分なケースがほとんどです。フロート法により製造されるガラスは、一般に4~6λ(25.4㎜当たり)程度の基板面精度があります。
表面品質(キズ-ブツ)
レーザー光を用いた精密計測システムでは、使用する光学素子に表面品質規格の高いもの(一般に20-10以下)を使用します。基板表面のキズやピンホール等が、不要な散乱を引き起こし、計測システムの精度やS/Nを落とす主要因となるからです。反対に多色光源のコンデンサ用途や標準的イメージング用途に用いるのであれば、60-40、あるいは80-50レベルで十分なケースがほとんどです。
平行度
基板の表面と裏面がなす相対角度を表す平行度は、レーザー光を用いたポインティング用途に代表される、ビーム偏角を気にする用途に対して特に重要視されます。ビーム偏角度は、使用波長における基板の屈折率をnとした時、(n-1)×[ 平行度]で近似できます。

光学フィルタとは

光学的用途に用いられるフィルタは、入射光の中に含まれる光の情報の一部だけを選択的に取り出し(パスし)、それ以外の情報は吸収、あるいは反射によりカットする機能があります。光の情報にも色々な種類の情報がありますが、大別すると「波長」、「偏光」、「光強度」の3種類に分類できます。

・波長用のフィルタは、入射光の中の特定波長だけを選択的に取り出すことのできるフィルタです。

・偏光用のフィルタは、入射光から特定の電界振動方向の成分だけを選択的に取り出すことのできるフィルタです。偏光フィルタがその対象になります。

・光強度用フィルタは、前述の波長や偏光のファクターに依存せずに、入射光の光強度(振幅)を変えることのできるフィルタです。減光用のフィルタとしてNDフィルタがその対象になります。

前述のフィルタ製品以外にも、波長板や光拡散板も取り扱っております。但し厳密な意味において、波長板や拡散板はフィルタの中には分類されません。なぜなら波長板や拡散板は光の状態を変えているだけで、光の情報を選択的に取り出すというフィルタ本来の定義には該当しないからです。
誘電体多層膜フィルタvsフィルタガラス
大抵の波長用フィルタは、製造的な観点から見た場合に、誘電体多層膜(誘多膜)フィルタとフィルタガラスに大別することが出来ます。誘多膜フィルタは、基板表面にフィルタとして機能する誘多膜を蒸着したタイプです。誘多膜フィルタは、光の干渉効果により波長を選択的に取り出します。分光透過特性のグラフにおいて、パス/カットの急激な立ち上がり(或いは立ち下がり)を示すのが誘多膜フィルタの特長です。

但し誘多膜フィルタの場合は得られる光学特性に入射角度依存性があるため、使用の際には注意が必要です。これに対し、フィルタガラスは、基板自体による光の吸収によって、特定の波長を取り出します。フィルタガラスは、誘多膜フィルタのような入射角依存性がないため、使用が比較的容易です。但しその反面、パス/カットの立ち上がり(あるいは立ち下がり)が緩やかな特長があります。
コーティング面の有無、及びその識別方法
ミラーに用いられる金属膜の場合、基板のどちら側の面にその膜が施されているかを視覚的に判断するのは、比較的容易です。それに対し、反射防止膜やハーフミラーに代表される透光性を持った誘電体多層膜が蒸着されている場合、その膜の面を判別するのは時として難しい場合があります。判別のポイントは、基板の端面(コバ面)を見ることです。下の2つの写真はIRカットフィルタと光学ウインドウですが、赤矢印で示した手前側の端面の色に対して、青矢印で示した奥側の同面の色が同じかどうかでコーティング面を識別することができます。IRカットフィルタの写真では、青矢印側の端面が赤矢印側の同面に比較して色づいて見えることから、表面に膜が施されていることがわかります。対する光学ウインドウの写真では、青矢印側の端面が赤矢印側の同部の色と変らないことから、膜が何も施されていないことがわかります。基板の表面と裏面に各々異なる光学特性のコーティングが施された製品の場合も。同様の見方をします。手前側と奥側の端面の色や明るさを比較することによって、各々の膜を識別することができます。

光学フィルタの種類

バンドパスフィルタ
バンドパスフィルタは、ある特定波長帯のみを透過する機能があります。 極端に狭い帯域(2nm以下から10nm程度)のみ透過する狭帯域フィルタと、ある程度広い帯域(50-80nm程度)を透過する広帯域フィルタに大別されます。光学特性の入射角依存性が特に高く、光学系に組み込む際にはその設置場所に特に注意を要します。バンドパスフィルタには、ソフトコ一ティングを採用したものがあります。このタイプのフイルタを選定すると、選択波長における透過率を最大化することができます。 当社では標準品としての取り扱いはなく、特注品として対応しています。
カラーフィルタ
人の眼に感じることのできる可視スペクトル(400-700nm)に対して、ある帯域を吸収し、それ以外の帯域を透過する機能を有します。基板自体による光の吸収によって所定の光学特性を実現するため、基板の板厚を制御することで正確なフィルタリングが可能となります。カラーフィルタをロングパスやショートパスフィルタとして用いることもあります。なおコーティングタイプのダイクロイックフィルタと比ベた場合、透過帯から透過阻止帯への移行はそれほど急峻ではありません。しかしながら、カラーフィルタのピーク透過率は、ダイクロイックフィルタのそれよりも高い傾向があります。また得られる光学特性に入射角依存性はありません。
当社では標準品としての取り扱いはなく、特注品として対応しています。
ダイクロイックフィルタ
基板上に適当なコーティングを施すことで、ある帯域を反射し、それ以外の帯域を透過するする機能を有します。
カラーフィルタと同様、人の眼に感じることのできる可視スペクトル(400-700nm)に対して主にデザインされています。得られる光学特性に入射角依存性はありますが、バンドパスフィルタほどではありません。
NDフィルタ
ニュートラル・デンシティフィルタ(NDフィルタ)は、特定波長において波長を選ぶことなく、光量を一定量落とす目的に用いられます。NDフイルタは、吸収型と反射型の2種類に大別できます。吸収型は基板自体による光の吸収によって透過量を減らすのに対し、反射型は光の反射作用によって透過量を減らします。
反射型フィルタを使用する場合は、反射により戻り光がアプリケーションに影響を与えないよう、注意を払う必要があります。NDフィルタは、カメラや他の光電センサのサチレーションを防ぐ用途にも頻繁に用いられます。
ロングパスフィルタ
透過を遮断する波長帯と、透過波長帯であるパスバンド帯を併せ持つフィルタです。ロングパスフィルタは、特定のカットオン波長よりも長い全ての波長をパスします。コールドミラーやフィルターガラスなどもロングパスフィルタの仲間に分類されます。
ショートパスフィルタ
透過を遮断する波長帯と、透過波長帯であるパスバンド帯を併せ持つフィルタです。ショートパスフィルタは、特定のカットオフ波長よりも短い全ての波長をパスします。ホットミラーやIRカットフィルタ、熱吸収ガラスなどもショートパスフィルタの仲間に分類されます。

偏光とは

光は電磁波の一種であり、その電界は光の進行方向に対して垂直をなす面内にあります。またその振動方向は、太陽光に代表される自然光や一般的な人工光源では、その面内のあらゆる方向に不規則に振動する特性があります。この振動の状態を「非偏光(Unpolarized Light)」と呼びます。偏光フィルタは、非偏光の状態からある特定の振動方向(透過軸)のみを取り出す目的に利用されます。偏光フィルタの応用例として、2枚の偏光フィルタの各々の透過軸がなす角度を調節することによって、可変濃度フィルタ的用途にも利用することが可能です。なお当社で扱う一部の偏光フィルタ製品には、透過軸が何処にあるのかがマーキングされておりません。しかしながら、透過軸をみつけ出す方法は簡単で、光沢を持った物体表面からのグレアをフィルタを通して観察することにより容易に見つけることができます。例えば窓際付近の机などはグレア観察には非常に良いソースと言えます。机表面で反射したグレアの振動方向別の反射率は、p成分(机の面に対して法線上に振動する電界)よりもs成分(机の面と平行に振動する電界)の方がより高い値になるため、これをフィルタを回転しながら覗くと、s成分の振動方向とフィルタの透過軸が直交した状態になった時に、フィルタによる消光が最大となり、一番暗く見えます。

波長板とは

波長板は、直線偏光(Linear Polarized Light)の光に所定の位相差(Retardation)を与える光学機能素子です。市場に流通している波長板として、1波長板や1/8波長板等もありますが、最もニーズの高い波長板は1/2波長板と1/4波長板の2種類になります。
1/2波長板(Half-wave Retarders)の機能
1/2波長板(1/2λ板)は、入射光の電界振動方向(偏光面)にπ(=λ/2)の位相差を与えます。入射光の偏光面が波長板の高速軸(或いは低速軸)に対してθ°の方位角で入射した時に、その振動方向を(2×θ°)回転させることができます。従って45°の方位角で入射させた時に最大の回転角(=90°)が得られます。この機能はレーザー光源においては特に有益で、レーザーの偏光面の向きを変えたい場合にはレーザー自身を物理的に回転させることなく、1/2波長板のみで偏光面を動かすことが可能です。1/2波長板の別の応用として、円偏光(Circulor Polarized Light)の光を入射させると、偏光の回転方向を反対回りにすることができます。
1/4波長板(Quarter-wave Retarders)の機能
1/4波長板(1/4λ板)は、入射光の電界振動方向(偏光面)にπ/2(=λ/4)の位相差を与えます。入射光の偏光面が波長板の高速軸(或いは低速軸)に対して45°の方位角で入射した時に、直線偏光を円偏光の状態に変えることができます。また可逆的に、円偏光を直線偏光の状態に変えることもできます。なお45°以外の方位角で入射させた場合は、楕円偏光(Elliptical Polarized Light)の状態になります。1/4波長板は、偏光フィルタとペアで用いられることの多い波長板です。この組み合わせにより、光アイソレーターが構築できます。不要な戻り反射やグレアを取り除く目的で使用されます。
トゥルーゼロオーダー、 マルチオーダー、 コンパウンドゼロオーダー
波長板は水晶や雲母などの複屈折材料(結晶)を基板に用いて作られますが、そのデザインは、トゥルーゼロオーダー(True Zero Order)、マルチオーダー(Multiple Order)、コンパウンドゼロオーダー(Compound Zero Order)の3種類に大別できます。 トゥルーゼロオーダーの波長板は、設計波長において0次で所定のリタデーション(位相差)が得られる「真の」ゼロオーダー波長板です。
0次で特定の位相差が得られるよう、一枚の複屈折材料の板厚を極薄く加工して作られます。例えば550nmにおける1/4波長板を製作する場合、位相差を137.5nm(=550nm×1/4)にする必要があります。水晶(複屈折ne-no=0.0092)でこの位相差を得るためには、水晶の厚さを15・程度(=137.5nm/0.0092)までに薄く加工しないといけません。この板厚の薄さは、機器への固定やハンドリングの際に難易度を伴う場合があります。ただしこのデメリットを除けば、波長シフトや温度変化、あるいは斜入射に対して得られる位相差の安定性は、他の2種類のデザインのそれを凌ぎます。

マルチオーダーの波長板は、トゥルーゼロタイプと同じ一枚の複屈折材料により作られますが、板厚を実用的なレベルにまで厚くする目的のため、高次で所定の位相差が得られるよう設計されています。例えば550nmの波長において3.25波長分の位相差を生じさせた場合、水晶であれば板厚を194・程度にまで厚くできます。3.25波長分の位相差というのは、実質0.25波長分(=1/4)の位相差と見なせる訳です。ただし板厚が厚くなる分、わずかな波長シフトや温度変化等に対しても無視できない位相差ずれが生じるというデメリットがあります。

コンパウンドゼロオーダー(トゥルーゼロオーダーと区別するため、単に「ゼロオーダー」と称することもあります)の波長板は、前述のマルチオーダータイプのデメリットを改善することのできるデザインです。マルチオーダーで製造された2枚の同じ材質の複屈折材料の光軸を互いに直交するように配置することにより、各材料毎に生じる位相差シフト量が互いを相殺するため、得られるリタデーションに対する波長依存性や温度依存性を少なくすることができます。ただしこのデザインでも入射角度依存性を改善することはできません。

NDフィルタとは

NDフィルタは、別名「中性濃度フィルタ」とも呼ばれ、所定の波長帯において波長を選ぶことなく、光量を一定量落とす目的に使用されます。
NDフィルタの場合、透過率でその特性を定義するのではなく、光学濃度(Optical Density:OD)で定義するのが一般的です。光学濃度で定義することにより、フィルタを複数枚重ね合わせた時の全体の減衰率(透過率)が求めやすくなるからです。光学濃度と透過率の間には、次式の関係があります。
 
標準品と異なる光学濃度が必要な場合は、フィルタの重ね合わせにより所定の濃度を得ることができます。一例を次に紹介します。

(例1)OD=0.3とOD=1.5のフィルタの重ねた場合

(1)単純に各OD値を加算します
   ODtotal=0.3+1.5=1.8

(2)光学濃度(OD)と透過率(T)の関係式は、
   OD=log(1/T)、又は10OD=1/T

(3)よって重ね合わせた時の透過率は、
   T=1/10 18=0.0158=>1.58%

(例2)透過率0.5%のフィルタが必要な場合
   T=0.005から、OD=log 10(1/T)=log 10(1/0.005)=2.3

よってフィルタの重ね合わせによりODtotalが2.3となる組み合わせ(下記NDフィルタ製品の場合、OD=0.3と2.0、あるいはOD=1.0と1.3の組み合わせ)により、0.5%の透過率が得られます。

NDフィルタを大別すると、反射型と吸収型に大別できます。反射型フィルタは、ガラス基板表面に所定の光学薄膜(主に金属膜)を蒸着したものです。この薄膜による光の反射と吸収作用によって、所定の光学濃度(透過率)を実現します。ただ反射量が吸収型(後述)よりもかなり多いため、例えばレーザー光照射時に戻り光がレーザー光源の出射口に戻らぬよう注意を払う必要があります。一方の吸収型フィルタは、主に基板自体の光吸収作用によって所定の光学濃度(透過率)を実現します。NDフィルタ製品は、ハイパワーレーザー用には設計されておりませんので、ご注意ください(フィルタの破損、あるいは光学特性の精度が悪くなる場合があります)。
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