偏光ビームスプリッター（PBS）

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偏光ビームスプリッター（PBS）は、1本の入射光を、互いに直交する偏光を持つ2本の独立した光線に分離するよう設計された精密光学部品です。

標準的な無偏光ビームスプリッターは、偏光状態にかかわらず、例えば光の 50% を一方向に、50% を別方向に送るように、強度に基づいて光を分割します。一方、偏光ビームスプリッターは、電場の向きのみに基づいて光を振り分けます。

基本概念 & 用語

光学系内でPBSがどのように機能するかを理解するには、その動作を支配する基本的な物理原理を定義する必要があります。

入射面

入射面とは、入射光線の伝搬方向と、その光線が当たる光学面に垂直な線（法線）によって形成される幾何学的な平面です。偏光ビームスプリッターは、この平面に対する電界の向きに基づいて光を分離します。

S偏光とP偏光

これらの用語は、入射面に対する光の2つの直交する直線偏光状態を表します：

  • P偏光： 光の電場は入射面に平行に振動します。標準的なPBSでは、p偏光は誘電体コーティングを直進透過します。
  • S偏光： 光の電場は入射面に対して垂直に振動します。Sは、垂直を意味するドイツ語のsenkrechtに由来します。標準的なPBSでは、s偏光は誘電体コーティングによって90度の角度で反射されます。

消光比（コントラスト比）

消光比 ($ER$) は、PBSの効率と偏光純度を定量化する指標です。目的の偏光状態を分離しながら、不要な偏光状態をどの程度遮断できるかを示します。

透過ビーム（理想的には純粋なp偏光）の消光比は、目的とする偏光状態の透過率と不要な偏光状態の透過率の比として計算されます：

ER = Tp / Ts

ここで、 Tp はp偏光の透過率、 Ts は残留するs偏光の透過率です。高い消光比（例：>1000:1）は、高感度システムでの信号混入を防ぐために不可欠です。

実用例

偏光ビームスプリッターは、多くの高度な光学設計を構成する基本要素です。精密な光路制御とノイズ低減を必要とするシステムに関して、米国特許文献で頻繁に言及されています。

光アイソレーター（送受信スイッチ）

LiDARや干渉計などのシステムでは、光アイソレーターは光の一方向弁として機能し、戻り反射によるレーザー光源の不安定化や損傷を防ぎます。これは、PBSと1/4波長板（QWP）を組み合わせることで実現します。

  1. 透過: p偏光のレーザービームはPBSを直進して透過します。次にQWPを通過し、円偏光に変換されてからターゲットへ進みます。
  2. 分離: 円偏光が対象物で反射すると、その「回転方向」が反転します。再びQWPを通過すると直線偏光に変換されますが、その軸は90度回転しているため、s偏光になります。
  3. 偏向： 戻ってきたこのs偏光がPBSに入射すると、誘電体コーティングが90度の角度で反射し、レーザー共振器から安全に逸らします。

マシンビジョン用同軸照明

自動光学検査（AOI）システムにおいて、半導体ウェハーや機械加工された金属など、反射率が高く平坦な表面を標準照明で検査すると、強いグレアが発生し、微細な欠陥が見えなくなります。PBSとQWPを組み合わせることで、この問題を解決する同軸照明構成を実現できます。

  1. 選択照明: 無偏光LEDの光をPBSの側面から入射させます。内部コーティングはs偏光のみを下方の対象物に向けて反射し、QWPを通過させて円偏光に変換します。
  2. グレアの低減： 光は光沢のある平面で反射し、円偏光の回転方向が反転します。その後、QWPを再び通過し、純粋なp偏光に変換されます。
  3. 画像取得： 平坦面からのグレアが完全なp偏光になるため、その光はPBSを直進してカメラセンサーに入射し、均一に明るい背景を形成します。欠陥で散乱した光はこの厳密な偏光状態を失い、PBSによって遮断されるため、マシンビジョンソフトウェアではコントラストの高い暗点として現れます。