ビームスプリッターとは?

ビームスプリッターの構造別タイプ | ビームスプリッターの光学特性別タイプ

ビームスプリッター (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、キューブ型とプレート型があります (Table 1)。

Table 1: キューブ型とプレート型ビームスプリッターの比較
キューブ型ビームスプリッター	プレート型ビームスプリッター
Figure 1: キューブ型ビームスプリッター	Figure 2: プレート型ビームスプリッター
キューブ型ビームスプリッターは、2個の直角プリズムにより構成されます (Figure 1)。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。接合樹脂へのダメージを避けるために、光学薄膜を蒸着した方のプリズムから入射することをお勧めします (一部のキューブ型B/Sは、蒸着した方のプリズムの砂面部に適当なマーキングが施されています)。	プレート型ビームスプリッターは、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 (Figure2)。多くのB/Sは、基板の裏面側に反射防止膜を施しています。これにより、不要なフレネル反射を取り除き、光学系としてのS/Nを改善することができます。大抵のプレート型B/Sは、45° の入射角でデザインされています。入射光が光の屈折作用により平行移動して透過するシフト量 (Figure2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。

Table 2: キューブ型とプレート型の比較
	メリット	デメリット
キューブ型	0° 入射のため、アライメント作業が楽透過光の屈折 (ビームシフト)が一切ない分離した反射光と透過光の光路長が等しい B/S 膜の経年劣化が少ない (膜が空気に触れないため)	キューブ型構成のために重量が大きい大型サイズ (75mmを超える) の製造が困難価格が一般的に高い
プレート型	軽量比較的大きなサイズも製作可能比較的安価	反射光と透過光の光路長が異なる透過光の屈折 (ビームシフト)あり (Figure 2参照) 45° 入射のため、アライメント作業が複雑になる

ビームスプリッターの光学特性

非偏光ビームスプリッター (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。よってこの時の入射光は、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。非偏光タイプのB/Sは、多色光の光に対して用い、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。

偏光ビームスプリッター (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。

Figure 3: 偏光ビームスプリッター

無偏光ビームスプリッター (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。

Figure 4: 無偏光ビームスプリッター

ダイクロイックビームスプリッター (Dichroic Beamsplitters)は、入射光を波長別に分離します。特定レーザー波長用にデザインされたレーザービームコンバイナーから、可視光と赤外光を分離する広帯域設計のホットミラーやコールドミラーまで、様々な製品をラインナップします。蛍光アプリケーションに共通して用いられます。

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