円偏光子（Circular Polarizing Lensの略で、CPまたはCPLと表記されることが多い）は、非偏光を円偏光に変換する光学部品です。逆方向に使用して円偏光を直線偏光に変換したり、特定の偏光を選択的に遮断したりすることもできます。円偏光子は、写真撮影、立体3Dディスプレイ、電子画面用防眩フィルターに広く使用されています。
動作原理
標準的な円偏光子は、単一の均質な材料ではありません。特定の方向で貼り合わされた2つの異なる層からなる複合光学素子です。
- 直線偏光子: 最初の層が入射する非偏光を選別し、特定の単一平面内で振動する光波のみを透過させます。
- 1/4波長板（リターダー）：第2層は複屈折材料（波長板）であり、直交する2つの偏光成分間に正確にπ / 2ラジアン（90°）の位相差を生じさせるように設計されています。
このデバイスで円偏光を生成するには、1/4波長板の進相軸と遅相軸を、直線偏光子の透過軸に対して正確に 45°, の角度に配置する必要があります。
直線偏光が45°の角度で4分の1波長板に入射すると、振幅が等しい2つの直交成分に分かれ、それぞれ進相軸と遅相軸に沿って進みます。光はこれらの軸に沿って異なる速度で進むため、一方の成分はもう一方に対して 90° 位相がずれて出射します。この位相がずれた2つの直交成分をベクトル合成すると、前方へ伝搬しながら円を描くように回転する電界ベクトルとなり、円偏光が生成されます。
左回り偏光と右回り偏光
- 右円偏光 (RCP): 受信側から見て、電場ベクトルが時計回りに回転します。
- 左円偏光（LCP）： 受信側から見て、電場ベクトルが反時計回りに回転します。
数学的表現
円偏光子を通過する光の変換は、ジョーンズ計算法を用いて正確に記述できます。垂直方向に配置した直線偏光子と、進相軸を45°に設定した1/4波長板を仮定すると、この作用はジョーンズベクトルと行列の乗算で表されます。
直線偏光子から出射する光のジョーンズベクトルは、縦の列ベクトルとして表すことができます:
E_linear = [0, 1]
進相軸が45°にある1/4波長板のジョーンズ行列は、定数を掛けた2x2の格子で表されます：
M_QWP = (1 / √2) * [ [1, -i], [-i, 1] ]
行列とベクトルを乗算すると、最終的な円偏光状態が得られます。行列の各行と列ベクトルを乗算すると、計算は次のようになります：
E_circular = (1 / √2) * [ [1, -i], [-i, 1] ] * [0, 1] E_circular = (1 / √2) * [-i, 1]
この結果ベクトルは、上段に虚数単位「-i」、下段に「1」を持ち、円偏光を表します。
主な用途
写真撮影
現代の写真撮影では、直線偏光フィルターよりも円偏光フィルターが好まれます。多くのデジタル一眼レフ（DSLR）カメラやミラーレスカメラでは、半透過ミラーとビームスプリッターを使用して、位相差検出オートフォーカス（PDAF）センサーや露出計に光を導いています。これらの内部部品は偏光に対する感度が非常に高いため、レンズに純粋な直線偏光フィルターを使用すると、カメラ内部の光学系との間で意図せずクロスニコル状態になり、測光システムやオートフォーカスシステムが正常に機能しなくなることがあります。CPLは、光を直線偏光にして環境光による反射やぎらつきを抑えた後、ただちに円偏光へ変換することでこの問題を解消し、内部のビームスプリッターが光を正確に検出できるようにします。
OLEDディスプレイと防眩
円偏光板は、内部反射を除去するために、スマートフォンやスマートウォッチなどの最新のOLED（有機発光ダイオード）ディスプレイで広く使用されています。
- 周囲光は画面に入射してCPLを通過し、右円偏光になります。
- この光は、OLEDピクセルの背後にある高反射率の金属電極で反射します。
- 反射すると、偏光の掌性が反転します (RCPがLCPになります)。
- LCP光がCPLを通って外部へ戻ろうとすると、1/4波長板と直線偏光子の組み合わせによって完全に遮断されます。これにより、明るい環境での画面のコントラスト比が大幅に向上します。
立体視3Dシネマ
RealD 3Dのようなシステムでは、円偏光を使用して2つの異なる画像を同じ映画スクリーン上に多重化します。一方のプロジェクターは左円偏光で左目用の画像を投影し、もう一方は右円偏光で右目用の画像を投影します。観客が装着するパッシブ方式の3Dメガネでは、左右のレンズに互いに逆方向の円偏光子が使用されており、それぞれの目に対応する画像だけが届きます。直線偏光ではなく円偏光を使用することで、観客が頭を左右に傾けても3D効果が失われず、「ゴースト」も発生しません。