複屈折とは

複屈折は、特定の材料で生じる光学現象です。透明な材料の大半は、光が材料を通過する際にその経路を変える単一の屈折率を有します。それに対して、複屈折材料では、光線は2つの屈折率を有し、異なる経路を進む2つの光線に分かれます。 

複屈折現象は、材料の構造（材料の原子格子）と入射光線の偏光および伝搬方向の両方に依存します。複屈折材料に入る偏光のない光は、「常光線」（o線）と「異常光線」（e線）と呼ばれる2つの異なる光線に分かれます。o線は光軸に対して垂直（または直交、すなわち光が複屈折しない方向）に偏光し、e線は光軸に厳密に垂直ではない方向に偏光します。この2つの偏光光線は、屈折した後、異なる角度と速度で移動します。

異方性および複屈折挙動を元来から示す結晶はいくつかあります。光学における異方性とは、測定方向に応じて変化する材料特性を指します。これらの特性を持つ材料には、以下のものがあります。

• 炭酸カルシウム（方解石）
• クォーツ
• トルマリン
• ルビー
• 二酸化チタン（ルチル）
• フッ化マグネシウム（セラアイト）

さらに、非結晶異方性構造を持つ合成材料には、以下のように複屈折を示すものもあります。

• 繊維状物質
• 長鎖ポリマー
• 樹脂
• 複合材料

「応力複屈折」と呼ばれる特殊なタイプの複屈折もあります。これは、材料に外力または変形が加えられたときに生じます。応力複屈折は、光弾性効果（「ピエゾ光学効果」とも呼ばれる）によって引き起こされ、プラスチックや延伸フィルムなどの材料で一般的に見られる現象です。

応力の導入によって分子レベルで変化が生じ、原子の不均一な分布と異なる機械的特性をもたらします。この光弾性効果により、材料の屈折率は、加えられた応力または荷重の下で変化します。

光弾性効果は、ある意味で圧電効果と似ています。圧電効果は、材料が機械的応力を受けると電荷を生成する物理現象であるのに対して、光弾性効果は、材料の電荷分布を変化させる荷重を伴います。ただし、材料の電気的特性が変化するのではなく、原子の再配列によって材料の光学特性が変化します。

複屈折は、加えられた機械的荷重の下で発生するため、材料の応力分布の可視化が可能になります。これは、光学部品が拡張現実／仮想現実（AR/VR）ヘッドセットなど、より大規模なシステムに統合されたときに、光学部品にかかる応力やひずみをテストするのに役立つ方法です。

複屈折は、さまざまな科学分野や技術分野に適用されています。

科学機器

複屈折は、以下のようなさまざまな解析的な特性評価手法で材料特性を調査するために活用されています。

偏光顕微鏡法: この手法では、偏光を試料に入射し、試料の複屈折特性によって光の偏光を変化させます。顕微鏡内のアナライザーコンポーネントは、偏光を変化させた光のみを選択的に透過させることができるため、像のコントラストが高まり、構造や組成の詳細など、試料に固有の特性に関する情報が得られます。 

光学コヒーレンス断層撮影法（OCT: Optical Coherence Tomography）: この手法では、ヒト組織など、さまざまな生物学的材料の複屈折を使用して、コントラストの高い顕微鏡画像を撮影します。

LCDスクリーン

LCDスクリーンは、複屈折を持つ液晶を使用して画像やビデオを表示します。これらの液晶の屈折率は、電場が印加されると変化します。液晶の方向を制御することで、通過する光の偏光と強度の両方を制御できます。

光通信

光ファイバーケーブルは、複屈折を利用して信号を伝送します。複屈折は、「波長セレクタースイッチ」と呼ばれる光ファイバーコンポーネントで使用されています。このスイッチは光ゲートとして機能し、ケーブル内の特定の経路に沿って特定の波長を選択してルーティングします。複屈折性を持つ材料により、ケーブルを通過する透過光の偏光が維持されるため、歪みを最小限に抑え、より信頼性の高い通信回線を確立できます。

偏光フィルタ

複屈折は、カメラ、顕微鏡、その他の光学機器の偏光フィルタにも使用されています。偏光フィルタは、格子状の異方性構造を持つ材料で構成されています。これらのフィルタは、光の2つの偏光成分の1つを遮断することで、異なる波長の光がどのように通過するかを制御します。これにより、独自の視覚効果を生じさせたり、グレアが低減されたより鮮明な画像を生成したりできます。

複屈折を活用して機能性を高めることができる領域は数多くありますが、応力複屈折によって光学部品の性能が低下する可能性があります。

一部の適用分野では、光学システムを軽量化して大量生産を実現するために、レンズの材料として従来のガラスからプラスチックを採用する動きが見られます。しかし、アクリルやPMMAなどのポリマーは、応力複屈折の影響を受けやすくなります。その影響はガラスの場合ほどは大きくはないものの、プラスチック光学は変形し、分子レベルで光と材料の相互作用が変化する可能性があります。スマートフォン、ヘッドアップディスプレイ（HUD）、AR/VRヘッドセットなどの高性能テクノロジーで採用されるあらゆるプラスチックレンズで、応力複屈折を考慮しなければなりません。

光学デバイスで応力複屈折が生じる主な原因は、製造と実装の2つです。製造中、射出成形などのプロセスでは、内部よりも外側の端が早く冷却されるため、レンズが冷却されるにつれてレンズ内部に残留応力が捕捉されることがあります。

さらに、レンズがマウントまたはハウジングに固定されている場合、そのプロセスによって生じる機械的応力により、プラスチックレンズ内の屈折率分布が変化することもあります。これらの応力は材料固有の光学特性を変化させる可能性があるため、最適なレンズ性能を確保し、明るさや強度の低下などの光学損失を最小限に抑えるためには、シミュレーションとモデリングで考慮する必要があります。

全体的な光透過でわずか数パーセントの損失であっても、応力を考慮しなければ、画質と明るさは指定範囲外まで低下します。こうした応力による影響は、特にHUDやAR/VRヘッドセットで顕著です。画像のコントラストが低くなり、それを改善するにはシステムにさらに多くの電力を供給しなければなりません。ヘッドセットの場合、これは理想的ではありません。余分な熱が発生し、使用者に不快感を与えるだけでなく、バッテリの消耗が速くなるからです。

複屈折により、常にある程度の光学誤差は生じますが、材料の光学性能にどのように影響するかについての情報をメーカーが提供することはほとんどありません。より高度な光学部品を開発する際は、複屈折がさまざまな材料の性能にどのように影響するかを理解することが、ますます重要になります。シミュレーションと計算モデリングは、応力複屈折などのマルチフィジックス効果を考慮することで設計に関する知見をもたらし、次世代の光学設計を実現するための鍵となります。

高度な光学システムの開発、プロトタイプ作製、テスト、そして生産にかかるコストはますます高くなっています。そのため、プロトタイプを用いた実機試験のサイクル数を減らすことは、予算内で製品開発を進める上で不可欠となります。最初に作製したプロトタイプが意図した仕様に近いことを保証することで、時間、労力、コストを節約できます。

Ansysが提供する光学システム設計および解析ソフトウェアのAnsys Zemax OpticStudioや構造の有限要素法解析（FEA）ソフトウェアであるAnsys Mechanicalなどのツールを使用することで、さまざまな光学デバイスや最終用途で使用される材料とその複屈折特性を理解できるようになります。また、これらのツールはMATLABやMoldex3Dなどの外部ツールとも互換性があります。 

Ansysのソリューションが高度な光学システム内の応力複屈折のシミュレーションにどのように役立つかについては、当社のテクニカルチームにお問い合わせください。

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