JP2006251763A - 分光レンズのフィルム層構造 - Google Patents

Abstract

【課題】分光レンズの位相上の設計及び応用範囲を広げるとともに、Ｓ偏光とＰ偏光の分離量を小さくすることのできる分光レンズのフィルム層の構造を提供する。
【解決手段】高、低屈折率を備えた材料を積み重ねて構成し、膜層構造が（ＨＬ）^ｎＨＬＨ（ＬＨ）^ｎとなる分光レンズのフィルム層構造であって、該Ｈが高屈折率で、屈折率２．５〜４の材料からなるフィルム層を表し、該Ｌが低屈折率で、屈折率１．４〜１．７の材料からなるフィルム層を表し、該ｎが整数であって、該フィルム層構造を最適化すると位相差が９０度で、且つＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率の分離量が小さい分光レンズを得ることができ、最適化した後の数値が、高屈折率のフィルム層Ｈの屈折率が３．８６で、低屈折率のフィルム層Ｌの屈折率が１．４５で、ｎ＝４であるように構成する。
【選択図】図３

Description

この発明は、分光レンズのフィルム層構造に関し、特に光線を非偏光化する分光レンズのフィルム層構造に関する。

分光レンズ（Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ）は、スペクトル特性の違いに基づき光線を反射、もしくは透過させるレンズであって、中性分光レンズと、双色分光レンズに分けられる。中性分光レンズは、ビームをスペクトル成分が同様の２つのビームに分けることができる。双色分光レンズは、スペクトルの一部を反射し、その他部分を透過させることができる。また、分光レンズは光線の偏光性に基づいて偏光性分光レンズとすることができる。この場合、ビームを入射平面に垂直な電場を有するＳ偏光のビームと、入射平面に対して平行な電場を有するＰ偏光のビームとに分けることができる。

理想的な中性分光レンズは、反射率と透過率が波長と角度の違いによって発生する変化が極めて少なく、且つ、偏光性が少ないという特性を有する。しかしながら、多層フィルムの材質は、色彩の分散、及び吸収性などの性質を備えているとともに、仮に入射角度が０度でない場合、異なる偏光性の光線の反射率と透過率が一致しない。入射角度が大きくなると、Ｒ_ｓ（Ｓ偏光の反射率）と、Ｒ_ｐ（Ｐ偏光の反射率）、Ｔ_ｓ（Ｓ偏光の透過率）と、Ｔ_ｐ（Ｐ偏光の透過率）の差が次第に大きくなる。このため、光学フィルムに対して特別な設計を行い、分光レンズを非偏光化特性を有する分光レンズにする必要がある。

従来の分光レンズの膜層は、交替型の周期構造を採用し、且つ高・低屈折率を備えた材料を積み重ねて構成する。即ち、図１に開示するように、フィルム層８の構造を（ＨＬ）^ｍとし、直接、基板Ｎ_ｓ上に設ける。該Ｈは高屈折率のフィルム層を表し、該Ｌは低屈折率のフィルム層を表し、該ｍは整数である。λ_０によって入射光の中心波長を表示する場合、高屈折率のフィルム層Ｈと低屈折率フィルム層Ｌは、いずれも約λ_０／４に等しいの光学的厚さを備える（光学的厚さは透過率×厚さである）。

但し、フィルム層８のＳ偏光とＰ偏光の反射波長及び位相差は、０度にのみ限られ、９０度に設計することは難しいのみならず、図２に開示するフィルム層の構造の波長‐反射率−位相の分布曲線に開示するようにＳ偏光とＰ偏光の分離量が容易に過大化する。よって、従来のフィルム層構造に改良を加え分光レンズの非偏光化特性を高める必要がある。

この発明は、分光レンズの位相上の設計及び応用範囲を広げるとともに、Ｓ偏光とＰ偏光の分離量を小さくすることのできる分光レンズのフィルム層構造を提供することを課題とする。

そこで、本発明者は従来の技術に見られる欠点に鑑みて鋭意研究を重ねた結果、高、低屈折率を備えた材料を積み重ねて構成し、膜層構造が（ＨＬ）^ｎＨＬＨ（ＬＨ）^ｎとなる分光レンズのフィルム層構造であって、該Ｈが高屈折率で、屈折率２．５〜４の材料からなるフィルム層を表し、該Ｌが低屈折率で、屈折率１．４〜１．７の材料からなるフィルム層を表し、該ｎが整数であって、該フィルム層構造を最適化すると位相差が９０度で、且つＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率の分離量が小さい分光レンズを得ることができ、最適化した後の数値が、高屈折率のフィルム層Ｈの屈折率が３．８６で、低屈折率のフィルム層Ｌの屈折率が１．４５で、ｎ＝４であることを特徴とする分光レンズのフィルム層構造によって本発明の課題を解決できる点に着眼し、かかる知見に基づいて本発明を完成させた。
以下、この発明について具体的に説明する。

請求項１に記載する光学レンズは、基板上に設けられ、且つ構造がＨＬＨである対称中心層を有するフィルム系を備えてなる光学レンズであって、
該Ｈが、高屈折率で屈折率２．５〜４の材料からなるフィルム層を表し、
該Ｌが、低屈折率で屈折率１．４〜１．７の材料からなるフィルム層を表し、
該対称中心層の両Ｈ層がそれぞれ両側に延伸し、且つ構造が（ＬＨ）^ｎである延伸層を備えてなる。

請求項２に記載する光学レンズは、請求項８におけるＨ層が、吸収性を備えた材料からなる。

請求項３に記載する光学レンズは、請求項９におけるＨ層の屈折率が、３．８６である。

請求項４に記載する光学レンズは、請求項１０におけるＬ層の屈折率が、１．４５である。

請求項５に記載する光学レンズは、請求項１１における構造が（ＬＨ）^ｎである延伸層におけるｎが、４である。

請求項６に記載する光学レンズは、請求項８、もしくは請求項１２におけるＨとＬフィルム層が、いずれもλ_０／４に等しい光学的な厚さを備え、該λ_０が入射光線の中心波長を表す。

この発明の分光レンズのフィルム層の構造は、フィルム層の構造を（ＨＬ）^ｎＨＬＨ（ＬＨ）^ｎとし、高屈折率のフィルム層の屈折率が３．８６、低屈折率のフィルム層の屈折率が１．４５、ｎを４に等しくすることにより、位相差を９０度で、Ｓ偏光とＰ偏光の分離量を小さくして、製品の性能を高めるという効果を有する。

この発明は、光線を非偏光化する分光レンズのフィルム層の構造に関するものであって、高、低屈折率を備えた材料を積み重ねて構成し、（ＨＬ）^ｎＨＬＨ（ＬＨ）^ｎと表す構造を備えてなり、該Ｈは高屈折率で屈折率２．５〜４の材料からなるフィルム層を表し、該Ｌは低屈折率で屈折率１．４〜１．７の材料からなるフィルム層を表し、該ｎは整数を表し、最適化すると位相差が９０度でＰ偏光の反射率とＳ偏光の反射率の分離量が小さい分光レンズを得ることができ、最適化後の数値は：高屈折率のフィルム層Ｈの屈折率が３．８６、低屈折率のフィルム層Ｌの屈折率が１．４５、ｎが４に等しい構造により位相差９０度で、Ｒ_ｐ（Ｐ偏光の屈折率）及びＲ_ｓ（Ｓ偏光の屈折率）の分離量と、反射波長の位相差を小さくして製品の性能を高める目的を達成した。
係る構成の分光レンズのフィルム層の構造について、その構造と特徴を詳述するために具体的な実施例を挙げ、以下に説明する。
［実施例］

この発明の分光レンズは、ＤＶＤ、ＣＤなどの光学電子製品に応用されている。該分光レンズのフィルム層は、分光レンズの位相上の設計及び応用をさらに広げ、且つ、温度の上昇によって明らかな変化が発生しない。よって、光学電子製品の性能を高める。

図３に開示するように、この発明の分光レンズのフィルム層１は、対称フィルム系からなり、フィルム層（ＨＬ）^ｎＨＬＨ（ＬＨ）^ｎは、直接、基板Ｎ_ｓ上に設けられる。該フィルム層１は、対称中心層ＨＬＨを備えてなる。該Ｈは高屈折率の材質からなるフィルム層であることを表し、屈折率が２．５〜４で、かつ該材質は吸収性を備える。また、Ｌは、低屈折率の材料からなるフィルム層であることを表し、屈折率が１．４〜１．７である。ｎは整数で、λ_０が入射光の中心波長を表す場合、高屈折率のフィルム層Ｈと低屈折率のフィルム層Ｌはいずれもλ_０／４に等しい光学的厚さを備える（光学的厚さとは屈折率×厚さである）。

この発明のフィルム層の構造の設計理論を詳述して、Ｓ偏光とＰ偏光の反射波の位相差が９０度に達することの一例を以下に説明する。

位相差△＝ψ_ｓ−ψ_ｐ

に基づくと、次の［数２］で示す式（１）が得られる：

上述するψ_ｓはＳ偏光の反射波の位相の変化を表し、ψ_ｐはＰ偏光の反射波の位相の変化を表し、Ｎ_ｓは基板の屈折率を表し、θ_０は光線の入射角を表す。

△＝π／２、θ０＝４５°を式１に代入すると、Ｎ_ｓ＝√２Ｎ１が得られる。Ｎ_ｓ＝１．５１２である場合、Ｎ_１＝１．０６９３になる。フィルム層の屈折率Ｎ１は数値上、等価アドミタンスしたＹと等しくなる。即ちＮ_１＝Ｙ＝Ｃ／Ｂを次の［数３］で示す式２から［数６］で示す式５に代入して、透過係数τ、反射係数ρ、透過率Ｔ、反射率Ｒを求めることができる。

しかしながら、現在、投射率が１．０６９３の材料はない。よって、フィルム層の構成においては複数層の高、低屈折率材料を組み合わせて、同等の透過係数τ、反射係数ρ、透過率Ｔ、反射率Ｒを得る。多層フィルムを設計する過程においては、次に掲げるフィルムアレイを用いる。

［数７］で示す式６におけるＭについては次の通りである。

上述するＭ_ｊは、第ｊ層のフィルムの特徴であるアレイを表し、δ_ｊ、Ｎ_ｊは、ｄ_ｊはそれぞれ第ｊ層のフィルムの厚さ、屈折率、膜厚を表す。

上述する式によって計算される数値はいずれも理論上の数値である。実際の応用では、材質の成分比例などの特性の影響を受けるため、理論上の数値は往々にして直接使用することが難しくなる。理論上の数値に基づいてフィルム層の層数、厚さを最適化して、はじめて位相差が９０度で、Ｒ_ｐ（Ｐ偏光の反射率）と、Ｒ_ｓ（Ｓ偏光の反射率）との分離量が小さい分光レンズが得られる。

図４に開示するように、図２に開示する従来の曲線図と比較すると、図４に開示するＲ_ｐとＲ_ｓの分離量は最小に達する。この発明の実施例では高屈折率の材質の屈折率（Ｎ_Ｈ）を３．８６とし、高屈折率のフィルム層の全体的厚さを８０ｎｍよりも小さくする。；低屈折率材料の屈折率（Ｎ_Ｌ）は１．４５とし、低屈折率のフィルム層の全体的厚さを１５００ｎｍよりも小さくする。整数ｎは４に等しい。即ち、高屈折率フィルム層は１０層になり、低屈折率のフィルム層は計９層になる。

以上はこの発明の好ましい実施例であって、この発明の実施の範囲を限定するものではない。よって、当業者のなし得る修正、もしくは変更であって、この発明の精神の下においてなされ、この発明に対して均等の効果を有するものは、いずれも本発明の特許請求の範囲に属するものとする。

フィルム層（ＨＬ）ｍの分光レンズの説明図である。 従来のフィルム層（ＨＬ）ｍの波長−反射率−位相分布の特性曲線である。 この発明の分光レンズの説明図である。 図３に開示する分光レンズのフィルム層（ＨＬ）ｎＨＬＨ（ＬＨ）ｎの波長−反射率−位相分布の特性曲線である。

符号の説明

１ フィルム層
８ フィルム層
Ｎ_ｓ 基板
Ｈ 高屈折率のフィルム層
Ｌ 低屈折率のフィルム層
Ｒ_ｓ Ｓ偏光の反射率
Ｒ_ｐ Ｐ偏光の反射率
Ｐｈａｓｅ Ｒ_ｓ Ｓ偏光の反射位相
Ｐｈａｓｅ Ｒ_ｐ Ｓ偏光の反射位相
Ｐｈａｓｅ Ｒ_ｐ−Ｒ_ｓ Ｐ偏光とＳ偏光の反射位相差

Claims (6)

1. 基板上に設けられ、且つ構造がＨＬＨである対称中心層を有するフィルム系を備えてなる光学レンズであって、
   該Ｈが、高屈折率で屈折率２．５〜４の材料からなるフィルム層を表し、
   該Ｌが、低屈折率で屈折率１．４〜１．７の材料からなるフィルム層を表し、
   該対称中心層の両Ｈ層がそれぞれ両側に延伸し、且つ構造が（ＬＨ）^ｎである延伸層を備えてなることを特徴とする対称フィルム系の光学レンズ。
2. 前記Ｈ層が、吸収性を備えた材料からなることを特徴とする請求項１に記載の光学レンズ。
3. 前記Ｈ層の屈折率が、３．８６であることを特徴とする請求項２に記載の光学レンズ。
4. 前記Ｌ層の屈折率が、１．４５であることを特徴とする請求項３に記載の光学レンズ。
5. 前記構造が（ＬＨ）^ｎである延伸層におけるｎが、４であることを特徴とする請求項４に記載の光学レンズ。
6. 前記ＨとＬフィルム層が、いずれもλ_０／４に等しい光学的な厚さを備え、該λ_０が入射光線の中心波長を表すことを特徴とする請求項１、もしくは請求項５に記載の光学レンズ。
   

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