ビームスプリッタとは
ビームスプリッタとは、一本のビーム (光速) を2本に分離するための光学素子です。
ビームスプリッタは、光路図などでBSまたはB/Sなどと略記されることがあります。ビームスプリッタに光を通すと、ビームスプリッタに設計された比率で透過光と反射光に分けることができます。その比率は1対1であったり、2対8であったりとさまざまです。
特に、1対1のものハーフミラーと呼ぶことがあります。通常、比率は固定ですが、波長板などと組み合わせることで任意に分割する装置を作ることも可能です。また、分離した光を再びビームスプリッタに通して再結合させることもできます。
ビームスプリッタの使用用途
ビームスプリッタは、主にカメラや顕微鏡などの光学機器に用いられます。ビームスプリッタには、直角プリズムを2つ張り合わせた「キューブ型」と、薄いガラスに特殊なコーティングを施した「プレート型」があります。
蛍光光学顕微鏡などには、プレート型のビームスプリッタが用いられることが多いです。キューブ型は光学系をコンパクトにしたい場合や、透過光と反射光の光路量を揃えたい場合などに用いられます。一般的に、キューブ型のほうは価格が高く、プレート型のほうが安価な傾向があります。
ビームスプリッタの原理
ビームスプリッタは、誘電体多層膜により一部の光を反射させることで、ビームを2本に分離させることができます。ビームスプリッタの形状には、キューブ型とプレート型があり、形状によって原理は異なります。
1. キューブ型
キューブ型ビームスプリッタは、2つの直角プリズムの接着面に、誘電体多層膜という光学皮膜を張り合わせたものです。誘電体多層膜の厚みを調整することで反射光と透過光の割合を変えることができます。キューブ型の特徴は、ビームスプリッタへの光の入射角が0度であることです。そのため、入射光の同軸上で反射が起こり、光源方向に迷光として戻ってしまう可能性があります。
2. プレート型
プレート型は、平たいガラス板に誘電多層膜を蒸着しています。プレート型は光を45度で入射させるので、キューブ型のような迷光は発生しにくいですが、透過光が屈折して出てくるため、反射光との光路差が出てしまいます。そのため、光学系でのアラインメントが重要になり、頻繁な抜き差しですぐに軸ズレなどを起こしてしまうので注意が必要です。
ビームスプリッタの種類
ビームスプリッタは、反射するビームの偏光特性により、以下の2種類あります。
1. 無極性ビームスプリッタ (NPBS)
無極性ビームスプリッタは、ビームを単純分割しただけで、極性は有していません。光学機器の様々なアプリケーションで利用され、顕微鏡や干渉光学系にはなくてはならない存在です。
通常、反射面にはクロム系のコーディングがなされており、透過側には何もありません。よって、入射経路を間違えると分割された2つのビームの強度が大きくことなってしまうので注意が必要です。前述の通り、透過光と反射光の比率が1:1となった場合に、ハーフミラーと呼ばれ、検査用照明の1つである同軸落射照明にも活用されます。同軸落車照明を使うことで対象物からの正反射光を効率的に拾うことができ、きれいな像を取得できます。
2. 偏光ビームスプリッタ (PBS)
ビームをS偏光、P偏光に分離するためのビームスプリッタです。半導体・液晶露光装置、干渉光学系、各種測定器に使用されています。P偏光は透過し、S偏光は反射する特性を利用して、無偏光状態から偏光状態を作り出す素子として活用されます。その消光比は高く、製品にもよりますが、おおよそ1,000:1程度となる場合が多いです。
偏光ビームスプリッタと波長板を組み合わせることで、任意の比率で光を分割することが可能です。1/4波長板を通過した直線偏光は、その波長板の角度に応じて、偏光角を変えることができます。波長板の光路の後ろに偏光ビームスプリッタを設置すれば、波長板の角度調節によって、ビームスプリッタで任意の強度比でビームを分割できる装置を作ることが可能となります。
ビームススプリッタのその他情報
ビームスプリッタとプリズムの違い
ビームスプリったとプリズムの違いは用途です。キューブ型ビームスプリッタは直角プリズム2個で構成されています。一方、プリズムの斜面にビームスプリッタとして機能するための光学薄膜を形成し、もう片方のプリズムと接合することでキューブ型を作成します。プリズムを2個活用しているので、光学薄膜が直接空気と接することがなく、薄膜の劣化が生じません。
プリズムは積極的に屈折を利用して光路を変える、分光するなどの用途で用いられますが、ビームスプリッタとして活用した場合は、透過光の屈折はなく、反射と透過を利用した光学素子となります。
参考文献
https://www.global-optosigma.com/jp/community/comm05_11.html
https://www.edmundoptics.jp/knowledge-center/application-notes/optics/what-are-beamsplitters/
https://www.keysight.com/ja/pc-1000004018%3Aepsg%3Apgr/high-performance-beamsplitters?cc=JP&lc=jpn
https://www.edmundoptics.jp/knowledge-center/application-notes/optics/what-are-beamsplitters/
https://www.chuo.co.jp/core_sys/images/main/pdf/38GC0946.pdf