JP2003029031A - 偏光分離素子およびそれを用いた偏光ビームスプリッタ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】単純な膜構成と少ない積層数にて広帯域の偏光
分離機能を有する安価な偏光分離素子およびそれを用い
た偏光ビームスプリッタを提供する。 【解決手段】入射光ＯＩに対して所定の屈折率を有する
光学的に透明な高屈折率層Ｈと、高屈折率層Ｈを挟むよ
うに配置された高屈折率層Ｈより低い屈折率の光学的に
透明な第１の低屈折率層Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌか
らなる基本構造膜ＬＨＬを含み、この基本構造の繰り返
し構造（ＬＨＬ）^m （ただしｍは２以上の整数で、好適
には３〜７）を有する偏光分離素子２と、偏光分離素子
２の光入射面２ａおよび光透過面２ｂに対して接し、偏
光分離素子２を挟むように形成された透明基板３とを有
する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自然光から特定の
偏光を抽出する光学膜である偏光分離素子およびそれを
用いた偏光ビームスプリッタに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】通常の光は、完全な偏光状態でも完全な
無偏光状態でもなく、両者の状態が混在している。その
中から特定の偏光状態を得るために、様々な形態の偏光
子が研究されてきた。これらの偏光子としては、たとえ
ば、結晶の複屈折を利用する複屈折型偏光子や、高分子
の光２色性を利用する２色性偏光子、Ｓ偏光の反射光を
利用する反射型偏光子などがある。そして、この種の光
学素子として、たとえば、所定の角度をもって入射する
入射光の第１の偏光であるＰ偏光を透過させ、第２の偏
光であるＳ偏光を透過方向とは異なる方向に反射する偏
光分離素子を、ガラス基板で挟むように構成した偏光ビ
ームスプリッタが知られている。

【０００３】偏光ビームスプリッタ（Polarized Beam S
plitter, PBS）に関する文献は数多く知られている。た
とえば、「光・薄膜技術マニュアル 増補改訂版」（平
成４年、株式会社オプトロニクス社発行）では３０２〜
３０９頁にて、偏光ビームスプリッタについて解説され
ている。

【０００４】この文献では、高屈折率材料と低屈折率材
料を交互に積層することで構成する薄膜積層型の偏光分
離素子については、入射光の基準波長５５０ｎｍをλ₀
として、λ₀ ／４の厚さを持つ低屈折率材料層をＬと、
λ₀ ／４の厚さを持つ高屈折率材料層をＨと記述すると
き、下記（１）式または（２）式等で示す設計指針を与
えている。

【０００５】

【数１】（ＨＬ）^m …（１）

【０００６】

【数２】（０．５ＨＬ０．５Ｈ）^m …（２）

【０００７】ここで、ｍは任意の整数であるが、通常４
よりも大きい値に設定される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上記文献に
もあるように、薄膜積層型の偏光ビームスプリッタで
は、所望の特性を満たすために数十層におよび膜を形成
（つける）必要がある。また、基本的な繰り返しパター
ンは単純なものの、実際には事細かに係数をかけて膜厚
を微調整しなければならない。特定の角度（主として４
５度）の斜入射に対応させたビームスプリッタ膜では、
一般に膜厚に微妙な制御を施した３０層以上の層数を必
要とし、総膜厚は４μｍ以上となっている。このような
ビームスプリッタ膜は製造が難しく、安価な供給が不可
能であるという不利益がある。

【０００９】本発明は、かかる事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的は、単純な膜構成と少ない積層数に
て広帯域の偏光分離機能を有する安価な偏光分離素子お
よびそれを用いた偏光ビームスプリッタを提供すること
にある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、本発明は、所定の角度をもって入射する入射光の第
１の偏光を透過させ、第２の偏光を透過方向とは異なる
方向に反射する偏光分離素子であって、上記入射光に対
して所定の屈折率を有する光学的に透明な高屈折率層Ｈ
と、上記高屈折率層Ｈを挟むように配置された当該高屈
折率層より低い屈折率の光学的に透明な第１の低屈折率
層Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌからなる基本構造膜ＬＨ
Ｌを含み、上記基本構造の繰り返し構造（ＬＨＬ）^m を
有する。

【００１１】また、本発明の偏光分離素子では、上記高
屈折率層の厚さ、並びに第１の低屈折率層および第２の
低屈折率層の厚さは、入射光の基準波長に基づいて設定
されている。

【００１２】また、本発明の偏光分離素子では、好適に
は、上記入射光の基準波長をλ₀ とするとき、上記高屈
折率層の厚さ、並びに第１の低屈折率層および第２の低
屈折率層の厚さは、基準波長を所定の整数で除した値に
相当する光学的厚さに設定されている。

【００１３】また、本発明の偏光分離素子では、上記基
本構造の繰り返し回数ｍは、３以上の整数である。好適
には、上記基本構造の繰り返し回数ｍは、３以上７以下
の整数である。

【００１４】また、本発明の偏光分離素子では、上記入
射光の光学膜面への入射角度の中心値が５６度近傍に設
定されている。

【００１５】また、本発明の偏光分離素子では、上記高
屈折率層は、入射光の基準波長を含む所定範囲において
光学定数ｎの波長分散特性を有し、かつ上記基準波長よ
り短い所定波長以上において消衰係数が略ゼロに漸近す
る特性を有する材料を含み、上記第１および第２の低屈
折率層は、入射光の基準波長を含む所定範囲において光
学定数ｎの波長分散特性を有し、かつ略全波長域で消衰
係数が略ゼロである材料を含む。

【００１６】また、本発明の偏光分離素子では、互いに
隣接する基本構造膜は、第１の低屈折率層Ｌおよび第２
の低屈折率層Ｌを共有するように形成されている。

【００１７】また、本発明は、所定の角度をもって入射
する入射光の第１の偏光を透過させ、第２の偏光を透過
方向とは異なる方向に反射する偏光ビームスプリッタで
あって、上記入射光に対して所定の屈折率を有する光学
的に透明な高屈折率層Ｈと、上記高屈折率層Ｈを挟むよ
うに配置された当該高屈折率層より低い屈折率の光学的
に透明な第１の低屈折率層Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌ
からなる基本構造膜ＬＨＬを含み、上記基本構造の繰り
返し構造（ＬＨＬ）^m を有する偏光分離素子と、上記偏
光分離素子の光入射面および光透過面に対して接するよ
うに配置された透明基板とを有する。

【００１８】また、本発明の偏光ビームスプリッタで
は、上記偏光分離素子の高屈折率層の厚さ、並びに第１
の低屈折率層および第２の低屈折率層の厚さは、入射光
の基準波長に基づいて設定されている。

【００１９】また、本発明の偏光ビームスプリッタで
は、好適には、上記入射光の基準波長をλ₀ とすると
き、上記偏光分離素子の高屈折率層の厚さ、並びに第１
の低屈折率層および第２の低屈折率層の厚さは、基準波
長を所定の整数で除した値に相当する光学的厚さに設定
されている。

【００２０】また、本発明の偏光ビームスプリッタで
は、上記偏光分離素子の基本構造の繰り返し回数ｍは、
３以上の整数である。好適には、上記偏光分離素子の基
本構造の繰り返し回数ｍは、３以上７以下の整数であ
る。

【００２１】また、本発明の偏光ビームスプリッタで
は、上記入射光の上記偏光分離素子の光学膜面への入射
角度の中心値が５６度近傍に設定されている。

【００２２】また、本発明の偏光ビームスプリッタで
は、上記偏光分離素子の上記高屈折率層は、入射光の基
準波長を含む所定範囲において光学定数ｎの波長分散特
性を有し、かつ上記基準波長より短い所定波長以上にお
いて消衰係数が略ゼロに漸近する特性を有する材料を含
み、上記第１および第２の低屈折率層は、入射光の基準
波長を含む所定範囲において光学定数ｎの波長分散特性
を有し、かつ略全波長域で消衰係数が略ゼロである材料
を含む。

【００２３】また、本発明の偏光ビームスプリッタで
は、上記偏光分離素子の上記高屈折率層の屈折率は、上
記透明基板の屈折率より高く設定され、上記第１および
第２の低屈折率層の屈折率は、上記透明基板の屈折率よ
り低く設定されている。

【００２４】また、本発明の偏光ビームスプリッタで
は、上記偏光分離素子の互いに隣接する基本構造膜は、
第１の低屈折率層Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌを共有す
るように形成されている。

【００２５】本発明によれば、偏光分離素子が、入射光
に対して所定の屈折率を有する光学的に透明な高屈折率
層Ｈと、高屈折率層Ｈを挟むように配置された高屈折率
層Ｈより低い屈折率の光学的に透明な第１の低屈折率層
Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌからなる基本構造膜ＬＨＬ
を含み、この基本構造の繰り返し構造（ＬＨＬ）^m （た
だしｍは２以上の整数で、好適には３〜７）を有するよ
うに構成される。そして、たとえば偏光分離素子の光入
射面および光透過面に対して接し、偏光分離素子を挟む
ようにたとえばガラスからなる透明基板が形成されて、
たとえば積層プリズム型偏光ビームスプリッタが構成さ
れる。そして、高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌは、入射光
の基準波長λ₀ のたとえばλ ₀ ／４相当の光学的厚さに
構成される。たとえば偏光分離素子の低屈折率材料とし
てＳｉＯ₂ （ｎ＝１．４６）を、高屈折率材料としてＴ
ｉＯ₂ （ｎ＝２．４４）を各々用いると、Ｌは９４．２
ｎｍ・Ｈは５６．４ｎｍとなり、繰り返し１回分あたり
の膜厚は約２５０ｎｍとなる。透明基板としては一般的
光学ガラス（ＢＫ７）を使用することができ、この素子
は５６度近傍の角度での入射光に対し最大限の偏光分離
性能を示す。これらの組み合わせの場合は、上述の基本
構造になんらの補正を加える必要がなく、極めて単純な
構成で高い性能が得られる。また、膜の繰り返し回数ｍ
は実用上４で十分であり、この時の積層数は僅かに９層
であり膜厚は１μｍにすぎない。

【００２６】本発明によれば、所定基準波長λ₀ の入射
光が透明基板に入射される。そして、第１の偏光（Ｐ偏
光）および第２の偏光（Ｓ偏光）を含む入射光は透明基
板を伝搬されて偏光分離素子の光入射面に到達し、光入
射面に対して所定角度、たとえば５６度をもって偏光分
離素子に入射される。偏光分離素子に入射した光は、た
とえば第１の基本構造膜、第２の基本構造膜、第３の基
本構造膜を伝搬されていくが、第２の偏光は、たとえば
第２の基本構造膜と第３の基本構造膜との境界である低
屈折率層Ｌで伝搬方向（透過方向）に対して所定角度を
もって反射され、透明基板を伝搬されて出射される。一
方、第１の偏光は、さらに直進して第３の基本構造膜、
あるいはさらなる基本構造膜を透過し、光透過面から出
射され、透明基板を伝搬されて出射される。

【００２７】

【発明の実施の形態】以下、本発明の具体的な実施の形
態について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、
本実施形態においては、光学材料の実測した光学定数に
基づく設計完成例を示す。光学定数が変わると最適設計
結果がずれる可能性があるが、しかし本発明はこの例に
限定されることなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で
任意に変更可能であることは言うまでもない。

【００２８】図１は、本発明に係る偏光分離素子を採用
した積層薄膜プリズム型偏光ビームスプリッタの一実施
形態を示す構成図である。

【００２９】本偏光ビームスプリッタ１は、図１に示す
ように、偏光分離素子２と、偏光分離素子２の光入射面
２ａおよび光透過面２ｂに対して接し、偏光分離素子２
を挟むように形成された透明基板３とを有する。

【００３０】偏光分離素子２は、入射光ＯＩに対して所
定の屈折率を有する光学的に透明な高屈折率層Ｈと、高
屈折率層Ｈを挟むように配置された高屈折率層Ｈより低
い屈折率の光学的に透明な第１の低屈折率層Ｌおよび第
２の低屈折率層Ｌからなる基本構造膜ＬＨＬを含み、こ
の基本構造の繰り返し構造（ＬＨＬ）^m を有する。偏光
分離素子２の基本構造ＬＨＬの積層繰り返し回数ｍは、
後述するように、３以上の整数であることが望ましく、
図１は、ｍ＝３の場合を示している。

【００３１】図２は、積層繰り返し回数ｍが３の場合の
偏光分離素子の積層繰り返し構造を示す図である。

【００３２】偏光分離素子２は、図２に示すように、た
とえば光入射面２ａ側から第１の低屈折率層Ｌ１、高屈
折率層Ｈ、および第２の低屈折率層Ｌ２からなる基本構
造を単純に３回繰り返して積層した構造を有する。すな
わち、光入射面２ａ側から第１の基本構造膜ＬＨＬ１、
第２の基本構造膜ＬＨＬ２、および第３の基本構造膜Ｌ
ＨＬ３が順番に積層した構造で、基本構造になんらの補
正を加える必要がなく、極めて単純な構成となってい
る。そして、３層からなる基本構造膜を３つ積層するこ
とから、単純に考察すると９層となるはずである。しか
し、実際には、図２に示すように、第１の基本構造膜Ｌ
ＨＬ１の第２の低屈折率層Ｌ２と第２の基本構造膜ＬＨ
Ｌ２の第１の低屈折率膜Ｌ１を共有させるように同一の
層として形成できる。同様に、第２の基本構造膜ＬＨＬ
２の第２の低屈折率層Ｌ２と第３の基本構造膜ＬＨＬ３
の第１の低屈折率膜Ｌ１を共有させるように同一の層と
して形成できる。したがって、実際の層数は、９ではな
く７となる。

【００３３】また、図３は、積層繰り返し回数ｍが４の
場合の偏光分離素子の積層繰り返し構造を示す図であ
る。

【００３４】この場合も、３層からなる基本構造膜を４
つ積層することから、単純に考察すると１２層となるは
ずである。しかし、実際には、図２に示すように、第１
の基本構造膜ＬＨＬ１の第２の低屈折率層Ｌ２と第２の
基本構造膜ＬＨＬ２の第１の低屈折率膜Ｌ１を共有させ
るように同一の層として形成できる。同様に、第２の基
本構造膜ＬＨＬ２の第２の低屈折率層Ｌ２と第３の基本
構造膜ＬＨＬ３の第１の低屈折率膜Ｌ１を共有させるよ
うに同一の層として形成でき、第３の基本構造膜ＬＨＬ
３の第２の低屈折率層Ｌ２と第４の基本構造膜ＬＨＬ４
の第１の低屈折率膜Ｌ１を共有させるように同一の層と
して形成できる。したがって、実際の層数は、１２では
なく９となる。

【００３５】偏光分離素子２の積層数Ｍは、次式で与え
られる。

【００３６】

【数３】 Ｍ＝３×ｍ−（ｍ−１） …（３）

【００３７】すなわち、本発明に係る偏光分離素子２の
積層数Ｍは、３層からな基本構造膜ＬＨＬを単純に積層
した場合に考察される数より２層だけ少なくなる。した
がって、本発明に係る偏光分離素子２の構造は、製造工
程の簡単化、薄膜化に寄与できる。

【００３８】偏光分離素子２の高屈折率層Ｈは、入射光
ＩＯの基準波長λ₀ 、たとえば５５０ｎｍを含む所定範
囲において光学定数（屈折率）ｎの波長分散特性を有
し、かつ基準波長λ₀ より短い所定波長以上において消
衰係数ｋが略ゼロに漸近する特性を有する材料により構
成される。

【００３９】高屈折率層Ｈには、ＴｉＯ₂ （ｎ＝２．３
５〜２．８）やＩＴＯ（ｎ＝１．９５〜２．１）、Ｚｎ
Ｏ（ｎ＝１．９）、ＣｅＯ₂ （ｎ＝１．９５）、ＳｎＯ
₂ （ｎ＝１．９５）、Ａｌ₂ Ｏ₃ （ｎ＝１．６３）、Ｌ
ａ₂ Ｏ₃ （ｎ＝１．９５）、ＺｒＯ₂ （ｎ＝２．０
５）、Ｙ₂ Ｏ₃ （ｎ＝１．８７）等が用いられる。

【００４０】本実施形態では、高屈折率層Ｈとして、最
も屈折率の高いＴｉＯ₂ を採用した例を示す。

【００４１】図４は、ＴｉＯ₂ の光学定数（屈折率）ｎ
の波長分散依存性を示す図である。図４において、横軸
が波長を、縦軸が光学定数（屈折率）ｎをそれぞれ表し
ている。図４に示すように、高屈折率層Ｈとして用いら
れるＴｉＯ₂ は、入射光ＩＯの基準波長λ₀ ＝５５０ｎ
ｍを含む所定範囲、具体的には、略３８０ｎｍ〜７７０
ｎｍの範囲において、ｎ＝２．８〜２．３５の波長分散
特性を有している。

【００４２】図５は、ＴｉＯ₂ の光学定数（消衰係数）
ｋの波長分散依存性を示す図である。図５において、横
軸が波長を、縦軸が光学定数（消衰係数）ｋを表してい
る。図５に示すように、高屈折率層Ｈとして用いられる
ＴｉＯ₂ は、入射光ＩＯの基準波長λ₀ ＝５５０ｎｍよ
り短い３８０ｎｍ近傍において消衰係数ｋが急激に略ゼ
ロに漸近し、波長が５００ｎｍ近傍以上でゼロとなる特
性を有している。

【００４３】偏光分離素子２の第１および第２の低屈折
率層Ｌ（Ｌ１，Ｌ２）は、入射光ＩＯの基準波長、たと
えば５５０ｎｍを含む所定範囲において光学定数（屈折
率）ｎの波長分散特性を有し、かつ略全波長域ｋで消衰
係数が略ゼロである材料により構成される。

【００４４】低屈折率層２には、ＳｉＯ₂ （ｎ＝１．４
５４〜１．４７３）やＭｇＦ₂ （ｎ＝１．３８）、Ｌｉ
Ｆ（ｎ＝１．４）、ＡｌＦ₃ （ｎ＝１．４）、Ｎａ₃ Ａ
ｌＦ ₆ （ｎ＝１．３３）等が用いられる。

【００４５】本実施形態では、低屈折率層Ｌとして、Ｓ
ｉＯ₂ を採用した例を示す。

【００４６】図６は、ＳｉＯ₂ の光学定数（屈折率）ｎ
の波長分散依存性を示す図である。図６において、横軸
が波長を、縦軸が光学定数（屈折率）ｎをそれぞれ表し
ている。図６に示すように、低屈折率層Ｌとして用いら
れるＳｉＯ₂ は、入射光ＩＯの基準波長λ₀ ＝５５０ｎ
ｍを含む所定範囲、具体的には、略３８０ｎｍ〜７７０
ｎｍの範囲において、ｎ＝１．４７３〜１．４５４の波
長分散特性を有している。

【００４７】また、ＳｉＯ₂ の消衰係数ｋは全波長域で
ゼロであり、ＳｉＯ₂ 膜による吸収はない。

【００４８】偏光分離素子２の高屈折率層Ｈの厚さｈ、
並びに第１の低屈折率層Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌの
厚さｌは、入射光の基準波長、たとえば５５０ｎｍに基
づいて設定されている。具体的には、入射光の基準波長
λ₀ ＝５５０ｎｍとするとき、高屈折率層Ｈの厚さｈ、
並びに第１の低屈折率層Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌの
厚さｌは、基準波長λ₀ を所定の整数で除した値、たと
えばλ₀ ／４に相当する光学的厚さに設定されている

【００４９】このように、偏光分離素子２の高屈折率層
Ｈの厚さ、並びに第１の低屈折率層Ｌおよび第２の低屈
折率層Ｌの厚さは、λ₀ ／４相当の光学的厚さである。
高屈折率材料としてＴｉＯ₂ （基準波長λ₀ でｎ＝２．
４４）を、低屈折率材料としてＳｉＯ₂ （基準波長λ₀
でｎ＝１．４６）をそれぞれ用いると、ｈは５６．４ｎ
ｍ、ｌは９４．２ｎｍとなり、繰り返し１回分あたりの
膜厚は約２５０ｎｍとなる。たとえば、膜の繰り返し回
数ｍを４として場合には、上述したように積層数Ｍは僅
かに９層であり膜厚は１μｍにすぎない。そして、本実
施形態においては、入射光ＩＯの偏光分離素子２の光入
射面２ａへの入射角度θの中心値が５６度近傍に設定さ
れている。

【００５０】透明基板３としては、たとえば光学定数
（屈折率）ｎが１．５２のガラス（ＢＫ７）が用いられ
る。なお、成膜面の反対側に対してガラスを付ける際に
は接着層が必要となるが、光学的には意味を持たないた
め今後特に言及はしない。

【００５１】このように、本実施形態においては、透明
基板３として、たとえば光学定数（屈折率）ｎが１．５
２のガラスが用いられることから、透明基板の屈折率ｎ
３と、偏光分離素子２の高屈折率層Ｈの屈折率ｎ（Ｈ）
と、低屈折率層Ｌの屈折率ｎ（Ｌ）との関係は、次のよ
うになる。

【００５２】

【数４】ｎ（Ｌ）＜ｎ３＜ｎ（Ｈ）

【００５３】すなわち、本実施形態においては、偏光分
離素子２の高屈折率層Ｈの屈折率ｎ（Ｈ）は、透明基板
３の屈折率ｎ３より高く設定され、第１および第２の低
屈折率層Ｌの屈折率ｎ（Ｌ）透明基板３の屈折率ｎ３よ
り低く設定されている。

【００５４】以上説明したような構成を有する偏光ビー
ムスプリッタ１においては、たとえば基準波長λ₀ が５
５０ｎｍの入射光ＩＯが透明基板３の図１中の左側面か
ら入射される。そして、第１の偏光としてのＰ偏光およ
び第２の偏光としてのＳ偏光を含む入射光は透明基板３
を伝搬されて偏光分離素子２の光入射面２ａに到達し、
光入射面２ａに対して所定角度、好適には５６度をもっ
て偏光分離素子２に入射される。偏光分離素子２に入射
した光は、第１の基本構造膜ＬＨＬ１、第２の基本構造
膜ＬＨＬ２、第３の基本構造膜ＬＨＬ３を伝搬されてい
くが、Ｓ偏光は、たとえば第２の基本構造膜ＬＨＬ２と
第３の基本構造膜ＬＨＬ３との境界である低屈折率層Ｌ
で伝搬方向（透過方向）に対して所定角度をもって反射
され、透明基板３を伝搬されて図１中の下側面から出射
される。一方、Ｐ偏光は、さらに直進して第３の基本構
造膜ＬＨＬ３を透過し、光透過面２ｂから出射され、透
明基板３を伝搬されて図１中の右側面から出射される。

【００５５】このようにして、偏光分離素子２でＰ偏光
とＳ偏光とが分離されるが、本実施形態においては、入
射光ＩＯの偏光分離素子２の光入射面２ａへの入射角度
の中心値が５６度近傍に設定されている。以下に、偏光
分離素子２における基本構造膜ＬＨＬの繰り返し回数
ｍ、および入射光ＩＯの偏光分離素子２への入射角度に
ついて、図面に関連付け順を追って説明する。

【００５６】まず、偏光分離素子２における基本構造膜
ＬＨＬの繰り返し回数ｍについて考察する。

【００５７】図７は、繰り返し回数ｍが３〜７における
Ｐ偏光透過率の波長依存性を示す図であり、図８は、繰
り返し回数ｍが１，２におけるＰ偏光透過率の波長依存
性を示す図である。また、図９は、繰り返し回数ｍが３
〜７におけるＰ偏光反射率の波長依存性を示す図であ
り、図１０は、繰り返し回数ｍが１，２におけるＰ偏光
反射率の波長依存性を示す図である。

【００５８】図７および図８において、横軸が波長を、
縦軸が透過率をそれぞれ表している。また、図９および
図１０において、横軸が波長を、縦軸が反射率をそれぞ
れ表している。図７および図９において、それぞれで
示す実線が繰り返し回数ｍ＝３の場合の透過率特性およ
び反射率特性を示し、で示す破線が繰り返し回数ｍ＝
４の場合の透過率特性および反射率特性を示し、で示
す破線が繰り返し回数ｍ＝５の場合の透過率特性および
反射率特性を示し、で示す破線が繰り返し回数ｍ＝６
の場合の透過率特性および反射率特性を示し、で示す
一点鎖線が繰り返し回数ｍ＝７の場合の透過率特性およ
び反射率特性を示している。また、図８および図１０に
おいて、それぞれで示す実線が繰り返し回数ｍ＝１の
場合の透過率特性および反射率特性を示し、で示す破
線が繰り返し回数ｍ＝２の場合の透過率特性および反射
率特性を示している。

【００５９】図７〜図１０からわかるように、本実施形
態に係る偏光分離素子２において、第１の偏光としての
Ｐ偏光の反射はごくわずかであり、波長４００ｎｍ以上
では大部分が偏光分離素子膜を透過する。図７および図
８から、繰り返し回数ｍが増えるにつれて、偏光分離素
子膜を透過し始める波長が長波長側にシフトする傾向が
うかがえる。

【００６０】図１１は、繰り返し回数ｍが３〜７におけ
るＳ偏光透過率の波長依存性を示す図であり、図１２
は、繰り返し回数ｍが１，２におけるＳ偏光透過率の波
長依存性を示す図である。また、図１３は、繰り返し回
数ｍが３〜７におけるＳ偏光反射率の波長依存性を示す
図であり、図１４は、繰り返し回数ｍが１，２における
Ｓ偏光反射率の波長依存性を示す図である。

【００６１】図１１および図１２において、横軸が波長
を、縦軸が透過率をそれぞれ表している。また、図１３
および図１４において、横軸が波長を、縦軸が反射率を
それぞれ表している。図１１および図１３において、そ
れぞれで示す実線が繰り返し回数ｍ＝３の場合の透過
率特性および反射率特性を示し、で示す破線が繰り返
し回数ｍ＝４の場合の透過率特性および反射率特性を示
し、で示す破線が繰り返し回数ｍ＝５の場合の透過率
特性および反射率特性を示し、で示す破線が繰り返し
回数ｍ＝６の場合の透過率特性および反射率特性を示
し、で示す一点鎖線が繰り返し回数ｍ＝７の場合の透
過率特性および反射率特性を示している。また、図１２
および図１４において、それぞれで示す実線が繰り返
し回数ｍ＝１の場合の透過率特性および反射率特性を示
し、で示す破線が繰り返し回数ｍ＝２の場合の透過率
特性および反射率特性を示している。

【００６２】図１４からわかるように、繰り返し回数ｍ
が１の場合には、Ｓ偏光の反射率が最高でも７０％より
低く実用に即さない。これに対して図１１〜図１４から
わかるように、繰り返し回数ｍが２以上の場合には、波
長４００ｎｍ〜７２０ｎｍ程度の範囲で殆ど反射され、
透過できないことが明らかである。繰り返し回数ｍを増
やすと、不透過域上限のエッジが急峻になる。

【００６３】以上の図７〜図１４の特性から考察する
と、本実施形態に係る偏光分離素子２は、４００ｎｍ以
上の１５０ｎｍ〜３００ｎｍの範囲でＰ偏光とＳ偏光と
を高い精度で分離し得る。ここで、偏光ビームスプリッ
タの特性として、Ｐ偏光の透過率８３％以上、かつＳ偏
光の透過率５％以下を想定すると、積層繰り返し回数ｍ
は、上述した図７〜１４の特性から考察すると、３以上
７以下の整数であることが望ましい。この場合、４００
ｎｍ〜７００ｎｍという極めて広い波長域に対応しうる
偏光ビームスプリッタを実現できる。

【００６４】図１５は、Ｐ偏光の透過率８３％以上、か
つＳ偏光の透過率５％以下の条件を満足する連続した波
長範囲の幅を評価関数に用いた場合の、偏光分離可能波
長幅の繰り返し回数依存性を示す図である。図１５にお
いて、横軸が繰り返し回数ｍを、縦軸が偏光分離可能波
長幅をそれぞれ表している。

【００６５】図１５からわかるように、ある波長幅に対
応しうる偏光ビームスプリッタを実現する場合、偏光分
離素子２の基本構造の繰り返し回数ｍは、２以上であれ
ば良く、４００ｎｍ〜７００ｎｍという極めて広い波長
域に対応しうる偏光ビームスプリッタを実現するために
は、繰り返し回数ｍは、３以上（図１５のデータでは１
０まで）であることが望ましく、好適には、上述したよ
うに、３以上７以下の整数であることが望ましい。

【００６６】また、図１５からわかるように、ｍ＝５の
当たりにピークがあり、以後僅かに減少していく傾向が
ある。したがって、実用的には、繰り返し回数ｍは４ま
たは５で十分である。

【００６７】図１６は、積層繰り返し回数ｍが４の場合
のＰ偏光およびＳ偏光の透過率の波長依存性を示す図で
ある。図１６において、横軸が波長を、縦軸が透過率を
それぞれ表している。また、図１６において、破線がＰ
偏光の透過率特性を示し、実線がＳ偏光の透過率特性を
示している。

【００６８】図１６に示すように、積層繰り返し回数ｍ
を４とした場合、偏光ビームスプリッタの特性として、
Ｐ偏光の透過率８３％以上、かつＳ偏光の透過率５％以
下を想定すると、４００ｎｍ〜７００ｎｍという極めて
広い波長域に対応でき、極めて実用的な偏光ビームスプ
リッタを実現できる。

【００６９】次に、入射光ＩＯの偏光分離素子２への入
射角度について考察する。本実施形態では、上述したよ
うに、入射光ＩＯの偏光分離素子２の光入射面２ａへの
入射角度θの中心値が５６度近傍に設定されている。

【００７０】実用的には、最適入射角５６度近傍から多
少ずれた光線であっても、偏光分離ができた方が望まし
いことは言うまでもない。

【００７１】図１７は、偏光分離可能波長幅の入射角度
依存性を示す図である。図１７において、横軸が中心角
度からのずれを、縦軸が偏光分離可能波長幅をそれぞれ
表している。図１７からわかるように、入射角度の中心
値から±５度程度ずれた角度で入射された光線であって
１５０ｎｍ〜３００ｎｍの波長範囲で偏光分離を実現で
きる。

【００７２】最適条件から±３度ずれた場合、並びに±
５度ずれた場合のＰ偏光およびＳ偏光の透過率の波長依
存性のシミュレーション結果を図１８〜図２１に示す。

【００７３】図１８は、繰り返し回数ｍが４である偏光
分離素子への入射光ＩＯの入射角度が最適条件５６度か
ら＋３度ずれた場合のＰ偏光およびＳ偏光の透過率の波
長依存性を示す図であり、図１９は、繰り返し回数ｍが
４である偏光分離素子への入射光ＩＯの入射角度が最適
条件５６度から−３度ずれた場合のＰ偏光およびＳ偏光
の透過率の波長依存性を示す図であり、図２０は、繰り
返し回数ｍが４である偏光分離素子への入射光ＩＯの入
射角度が最適条件５６度から＋５度ずれた場合のＰ偏光
およびＳ偏光の透過率の波長依存性を示す図であり、図
２１は、繰り返し回数ｍが４である偏光分離素子への入
射光ＩＯの入射角度が最適条件５６度から−５度ずれた
場合のＰ偏光およびＳ偏光の透過率の波長依存性を示す
図である。

【００７４】図１８〜図２１において、横軸が波長を、
縦軸が透過率をそれぞれ表している。また、図１８〜図
２１において、破線がＰ偏光の透過率特性を示し、実線
がＳ偏光の透過率特性を示している。

【００７５】図１８および図１９からわかるように、最
適条件から±３度ずれた入射角度５９度および５６度の
場合、最適条件下の特性を示す図１６に比べて、多少波
形が乱れているが、なお広波長域に亘ってＰ偏光の透過
率８３％以上、かつＳ偏光の透過率５％以下の条件を満
たしている。

【００７６】また、図２０および図２１からわかるよう
に、最適条件から±５度ずれた入射角度６１度および５
１度の場合、最適条件下の特性を示す図１６に比べて、
さらに波形が乱れているが、±３度ずれた場合に比べて
狭まるものの、なお広波長域に亘ってＰ偏光の透過率８
３％以上、かつＳ偏光の透過率５％以下の条件を満たし
ている。

【００７７】以上説明したように、本発明によれば、入
射光ＯＩに対して所定の屈折率を有する光学的に透明な
高屈折率層Ｈと、高屈折率層Ｈを挟むように配置された
高屈折率層Ｈより低い屈折率の光学的に透明な第１の低
屈折率層Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌからなる基本構造
膜ＬＨＬを含み、この基本構造の繰り返し構造（ＬＨ
Ｌ）^m （ただしｍは２以上の整数で、好適には３〜７）
を有する偏光分離素子２と、偏光分離素子２の光入射面
２ａおよび光透過面２ｂに対して接し、偏光分離素子２
を挟むように形成された透明基板３とを有するので、膜
構成は極めて単純、かつ必要な層の数が少なくて済むた
めに安価な製造が可能となる利点がある。そしてこの構
成を用いれば、偏光ビームスプリットが組みこまれた光
学素子全体の価格が下がることにもつながる。

【００７８】また、本偏光ビームスプリッタは入射角５
６度において優れた偏光分離特性を持つ。また、偏光分
離素子２の低屈折率材料としてＳｉＯ₂ （ｎ＝１．４
６）を、高屈折率材料としてＴｉＯ₂ （ｎ＝２．４４）
を各々用いると、Ｌは９４．２ｎｍ・Ｈは５６．４ｎｍ
となり、繰り返し１回分あたりの膜厚は約２５０ｎｍと
なる。透明基板としては一般的光学ガラス（ＢＫ７）を
使用することができ、この素子は５６度近傍の角度での
入射光に対し最大限の偏光分離性能を示す。これらの組
み合わせの場合は、上述の基本構造になんらの補正を加
える必要がなく、極めて単純な構成で高い性能が得られ
る。また、膜の繰り返し回数ｍは実用上４で十分であ
り、この時の積層数は僅かに９層であり膜厚は１μｍに
すぎない。以上のように構成された本発明に係る積層薄
膜プリズム型偏光ビームスプリッタは高い生産性を有
し、大量生産により安価に市場に提供できることにな
る。

【００７９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
単純な膜構成と少ない積層数にて広帯域の偏光分離機能
を有する安価な偏光分離素子およびそれを用いた偏光ビ
ームスプリッタを実現できる利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る偏光分離素子を採用した積層薄膜
プリズム型偏光ビームスプリッタの一実施形態を模式的
に示す構成図である。

【図２】積層繰り返し回数ｍが３の場合の偏光分離素子
の積層繰り返し構造を示す図である。

【図３】積層繰り返し回数ｍが４の場合の偏光分離素子
の積層繰り返し構造を示す図である。

【図４】ＴｉＯ₂ の光学定数（屈折率）ｎの波長分散依
存性を示す図である。

【図５】ＴｉＯ₂ の光学定数（消衰係数）ｋの波長分散
依存性を示す図である。

【図６】ＳｉＯ₂ の光学定数（屈折率）ｎの波長依存性
を示す図である。

【図７】積層繰り返し回数ｍが３〜７におけるＰ偏光透
過率の波長依存性を示す図である。

【図８】積層繰り返し回数ｍが１，２におけるＰ偏光透
過率の波長依存性を示す図である。

【図９】積層繰り返し回数ｍが３〜７におけるＰ偏光反
射率の波長依存性を示す図である。

【図１０】積層繰り返し回数ｍが１，２におけるＰ偏光
反射率の波長依存性を示す図である。

【図１１】積層繰り返し回数ｍが３〜７におけるＳ偏光
透過率の波長依存性を示す図である。

【図１２】積層繰り返し回数ｍが１，２におけるＳ偏光
透過率の波長依存性を示す図である。

【図１３】積層繰り返し回数ｍが３〜７におけるＳ偏光
反射率の波長依存性を示す図である。

【図１４】積層繰り返し回数ｍが１，２におけるＳ偏光
反射率の波長依存性を示す図である。

【図１５】Ｐ偏光の透過率８３％以上、かつＳ偏光の透
過率５％以下の条件を満足する連続した波長範囲の幅を
評価関数に用いた場合の、偏光分離可能波長幅の繰り返
し回数依存性を示す図である。

【図１６】積層繰り返し回数ｍが４の場合のＰ偏光およ
びＳ偏光の透過率の波長依存性を示す図である。

【図１７】偏光分離可能波長幅の入射角度依存性を示す
図である。

【図１８】繰り返し回数ｍが４である偏光分離素子への
入射光の入射角度が最適条件５６度から＋３度ずれた場
合のＰ偏光およびＳ偏光の透過率の波長依存性を示す図
である。

【図１９】繰り返し回数ｍが４である偏光分離素子への
入射光の入射角度が最適条件５６度から−３度ずれた場
合のＰ偏光およびＳ偏光の透過率の波長依存性を示す図
である。

【図２０】繰り返し回数ｍが４である偏光分離素子への
入射光の入射角度が最適条件５６度から＋５度ずれた場
合のＰ偏光およびＳ偏光の透過率の波長依存性を示す図
である。

【図２１】繰り返し回数ｍが４である偏光分離素子への
入射光の入射角度が最適条件５６度から−５度ずれた場
合のＰ偏光およびＳ偏光の透過率の波長依存性を示す図
である。

【符号の説明】 １…偏光ビームスプリッタ、２…偏光分離素子、２ａ…
光入射面、２ｂ…光透過面、３…透明基板、Ｈ…高屈折
率層、Ｌ…低屈折率層、Ｌ１…第１の低屈折率層、Ｌ２
…第２の低屈折率層、ＬＨＬ１…第１の基本構造膜、Ｌ
ＨＬ２…第２の基本構造膜、ＬＨＬ３…第３の基本構造
膜、ＬＨＬ４…第４の基本構造膜。

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 所定の角度をもって入射する入射光の第
   １の偏光を透過させ、第２の偏光を透過方向とは異なる
   方向に反射する偏光分離素子であって、 上記入射光に対して所定の屈折率を有する光学的に透明
   な高屈折率層Ｈと、上記高屈折率層Ｈを挟むように配置
   された当該高屈折率層より低い屈折率の光学的に透明な
   第１の低屈折率層Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌからなる
   基本構造膜ＬＨＬを含み、 上記基本構造の繰り返し構造（ＬＨＬ）^m を有する偏光
   分離素子。
2. 【請求項２】 上記高屈折率層の厚さ、並びに第１の低
   屈折率層および第２の低屈折率層の厚さは、入射光の基
   準波長に基づいて設定されている請求項１記載の偏光分
   離素子。
3. 【請求項３】 上記入射光の基準波長をλ₀ とすると
   き、上記高屈折率層の厚さ、並びに第１の低屈折率層お
   よび第２の低屈折率層の厚さは、基準波長を所定の整数
   で除した値に相当する光学的厚さに設定されている請求
   項１記載の偏光分離素子。
4. 【請求項４】 上記基本構造の繰り返し回数ｍは、３以
   上の整数である請求項１記載の偏光分離素子。
5. 【請求項５】 上記基本構造の繰り返し回数ｍは、３以
   上７以下の整数である請求項１記載の偏光分離素子。
6. 【請求項６】 上記入射光の光学膜面への入射角度の中
   心値が５６度近傍に設定されている請求項１記載の偏光
   分離素子。
7. 【請求項７】 上記入射光の光学膜面への入射角度の中
   心値が５６度近傍に設定されている請求項５記載の偏光
   分離素子。
8. 【請求項８】 上記高屈折率層は、入射光の基準波長を
   含む所定範囲において光学定数ｎの波長分散特性を有
   し、かつ上記基準波長より短い所定波長以上において消
   衰係数が略ゼロに漸近する特性を有する材料を含み、 上記第１および第２の低屈折率層は、入射光の基準波長
   を含む所定範囲において光学定数ｎの波長分散特性を有
   し、かつ略全波長域で消衰係数が略ゼロである材料を含
   む請求項１記載の偏光分離素子。
9. 【請求項９】 互いに隣接する基本構造膜は、第１の低
   屈折率層Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌを共有するように
   形成されている請求項１記載の偏光分離素子。
10. 【請求項１０】 所定の角度をもって入射する入射光の
    第１の偏光を透過させ、第２の偏光を透過方向とは異な
    る方向に反射する偏光ビームスプリッタであって、 上記入射光に対して所定の屈折率を有する光学的に透明
    な高屈折率層Ｈと、上記高屈折率層Ｈを挟むように配置
    された当該高屈折率層より低い屈折率の光学的に透明な
    第１の低屈折率層Ｌおよび第２の低屈折率層Ｌからなる
    基本構造膜ＬＨＬを含み、上記基本構造の繰り返し構造
    （ＬＨＬ）^m を有する偏光分離素子と、 上記偏光分離素子の光入射面および光透過面に対して接
    するように配置された透明基板とを有する偏光ビームス
    プリッタ。
11. 【請求項１１】 上記偏光分離素子の高屈折率層の厚
    さ、並びに第１の低屈折率層および第２の低屈折率層の
    厚さは、入射光の基準波長に基づいて設定されている請
    求項１０記載の偏光ビームスプリッタ。
12. 【請求項１２】 上記入射光の基準波長をλ₀ とすると
    き、上記偏光分離素子の高屈折率層の厚さ、並びに第１
    の低屈折率層および第２の低屈折率層の厚さは、基準波
    長を所定の整数で除した値に相当する光学的厚さに設定
    されている請求項１０記載の偏光ビームスプリッタ。
13. 【請求項１３】 上記偏光分離素子の基本構造の繰り返
    し回数ｍは、３以上の整数である請求項１０記載の偏光
    ビームスプリッタ。
14. 【請求項１４】 上記偏光分離素子の基本構造の繰り返
    し回数ｍは、３以上７以下の整数である請求項１０記載
    の偏光ビームスプリッタ。
15. 【請求項１５】 上記入射光の上記偏光分離素子の光学
    膜面への入射角度の中心値が５６度近傍に設定されてい
    る請求項１０記載の偏光ビームスプリッタ。
16. 【請求項１６】 上記入射光の上記偏光分離素子の光学
    膜面への入射角度の中心値が５６度近傍に設定されてい
    る請求項１４記載の偏光ビームスプリッタ。
17. 【請求項１７】 上記偏光分離素子の上記高屈折率層
    は、入射光の基準波長を含む所定範囲において光学定数
    ｎの波長分散特性を有し、かつ上記基準波長より短い所
    定波長以上において消衰係数が略ゼロに漸近する特性を
    有する材料を含み、 上記第１および第２の低屈折率層は、入射光の基準波長
    を含む所定範囲において光学定数ｎの波長分散特性を有
    し、かつ略全波長域で消衰係数が略ゼロである材料を含
    む請求項１０記載の偏光ビームスプリッタ。
18. 【請求項１８】 上記偏光分離素子の上記高屈折率層の
    屈折率は、上記透明基板の屈折率より高く設定され、 上記第１および第２の低屈折率層の屈折率は、上記透明
    基板の屈折率より低く設定されている請求項１０記載の
    偏光ビームスプリッタ。
19. 【請求項１９】 上記偏光分離素子の上記高屈折率層の
    屈折率は、上記透明基板の屈折率より高く設定され、 上記第１および第２の低屈折率層の屈折率は、上記透明
    基板の屈折率より低く設定されている請求項１７記載の
    偏光ビームスプリッタ。
20. 【請求項２０】 上記偏光分離素子の互いに隣接する基
    本構造膜は、第１の低屈折率層Ｌおよび第２の低屈折率
    層Ｌを共有するように形成されている請求項１０記載の
    偏光ビームスプリッタ。