JP2007093963A - Wave plate using oblique angle deposition - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は斜め蒸着膜を用いた波長板に関し、特に、耐熱性に優れ、低コストで広帯域な光学特性を有する斜め蒸着膜を用いた波長板に関するものである。 The present invention relates to a wave plate using an oblique vapor deposition film, and more particularly to a wave plate using an oblique vapor deposition film having excellent heat resistance, low cost and wide-band optical characteristics.
ＣＤやＤＶＤ等の光ディスクに対する情報の記録や再生を行う光ピックアップや、パソコン等が表示する画面を直接スクリーンに投写することを可能とする液晶プロジェクタ等の光学関連機器においては、直線偏光を円偏光に変換したり、偏光面の角度を９０°回転させたりする目的で波長板が用いられている。
波長板は、複屈折性を有する材料を用いて位相変調を行う光学素子であり、例えば、１／４波長板は、入射する直線偏光の光線を円偏光の光線に変換して出射、或いは入射する円偏光の光線を直線偏光の光線に変換して出射する機能を有する。
一方、波長板の位相差は波長の関数であるため、使用する波長が変化すると位相差も変化するという波長依存性を有している。従って、広帯域な光を扱う場合には、各波長毎に位相差が変化してしまい、波長板の位相差を一定に維持できないという問題が生じていた。
In optical equipment such as an optical pickup that records and reproduces information on and from optical disks such as CDs and DVDs, and a liquid crystal projector that directly projects a screen displayed on a personal computer, linearly polarized light is circularly polarized. A wave plate is used for the purpose of converting the angle of polarization and rotating the angle of the polarization plane by 90 °.
A wave plate is an optical element that performs phase modulation using a material having birefringence. For example, a quarter wave plate converts an incident linearly polarized light beam into a circularly polarized light beam, and emits or enters the wave plate. The circularly polarized light beam is converted into a linearly polarized light beam and emitted.
On the other hand, since the phase difference of the wave plate is a function of the wavelength, it has a wavelength dependency that the phase difference changes as the wavelength used changes. Therefore, when handling broadband light, the phase difference changes for each wavelength, and there is a problem that the phase difference of the wave plate cannot be kept constant.
そこで、この問題を解決するため、例えば、特許第３１７４３６７号、特開平１０−６８８１６号公報等には、広帯域な波長板を得る技術が開示されている。
図９は、特開平１０−６８８１６号公報に開示された従来の広帯域１／４波長板の外観構造を示したものである。図９（ａ）は波長板を入射方向から見た平面図を示し、図９（ｂ）は側面図を示す。この広帯域１／４波長板は、所定の位相差を有する二枚のフィルムからなる波長板を積層して構成するもので、１／２波長板と１／４波長板とを所定の角度で貼り合わせ、所望の１／４波長板としての性能を得ている。図９に示す如く広帯域１／４波長板として機能する波長板１０１は、第一の波長板１０２と第二の波長板１０３とを、第一の波長板１０２の光学軸方位角（以降、面内方位角と称す）θ１を１５°に、第二の波長板１０３の面内方位角θ２を７５°として積層したものである。
In order to solve this problem, for example, Japanese Patent No. 3174367, Japanese Patent Laid-Open No. 10-68816, etc. disclose a technique for obtaining a broadband wavelength plate.
FIG. 9 shows an external structure of a conventional broadband quarter-wave plate disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-68816. FIG. 9A shows a plan view of the wave plate viewed from the incident direction, and FIG. 9B shows a side view. This broadband quarter wave plate is formed by laminating two wave plates made of two films having a predetermined phase difference, and a half wave plate and a quarter wave plate are bonded at a predetermined angle. In addition, the desired performance as a quarter-wave plate is obtained. As shown in FIG. 9, the
次に、波長板１０１が広帯域の特性を有する原理を説明する。第一の波長板１０２の位相差Γ１を１８０°、面内方位角をθ１、第二の波長板１０３の位相差Γ２を９０°、面内方位角をθ２とすると、入射光がポアンカレ球の赤道上の所定の位置Ｐ０に入射した際に、この入射光が、第一の波長板１０２により変調されてＰ１に到達する。更にＰ１に到達した光が第二の波長板１０３により変調されてポアンカレ球の極Ｐ２に到達すれば波長板１０１を出射する光線が円偏光になることを意味する。ここで、Ｐ２がポアンカレ球の極であるためには、θ１及びθ２が次の関係式を満足すれば良い。
θ２＝２θ１＋４５ ・・・・（１０１）
Next, the principle that the
θ2 = 2θ1 + 45 (101)
入射光の波長がλ１〜λ２間で変化すると、第一の波長板１０２及び第二の波長板１０３の位相差が夫々１８０°及び９０°より変化する。このとき、第一の波長板１０２における変化量ΔΓ１を、第二の波長板１０３における変化量ΔΓ２で補正する事により、入射光の波長がλ１〜λ２間で変化しても所望の光学特性を有する波長板を実現することが出来る。
しかしながら、従来の波長板は、基板材料としてフィルムを使用しており、耐熱性に問題を有することから、周囲温度が上昇した際に光学特性の劣化が生じると共に、波長板の信頼性も低下していた。また、波長板の基板材料として水晶を使用することも考えられるが、波長板のコストが上昇すると共に、水晶は入射角依存性を有しているため、入射光の入射角に応じて位相差が変化するという問題を有していた。 However, since the conventional wave plate uses a film as a substrate material and has a problem in heat resistance, the optical characteristics deteriorate when the ambient temperature rises, and the reliability of the wave plate also decreases. It was. It is also conceivable to use quartz as the substrate material of the wave plate, but the cost of the wave plate increases and the crystal has an incident angle dependency, so that the phase difference depends on the incident angle of the incident light. Had the problem of changing.
また、近年、光ピックアップや液晶プロジェクタ等において、使用される光学素子に対して更なる広帯域化が要求され、波長板を広帯域化する技術の向上が望まれている。
本発明は、上述したような問題を解決するためになされたものであって、耐熱性や信頼性に優れ、更には、低コストで広帯域な波長板を提供することを目的とする。
In recent years, in optical pickups, liquid crystal projectors, and the like, it has been required to further increase the bandwidth of optical elements to be used, and improvement of technology for expanding the wavelength plate is desired.
The present invention has been made to solve the above-described problems, and has an object to provide a wavelength plate that is excellent in heat resistance and reliability, and that is low-cost and broadband.
上記目的を達成するために本発明に係わる斜め蒸着を用いた波長板は、以下の構成をとる。
請求項１に記載の斜め蒸着膜を用いた波長板は、第一の波長板と第二の波長板とを光軸が交差するよう貼り合わせて、全体として所定の性能を有する波長板において、前記第一の波長板は、第一のガラス基板に所定の材料で第一の斜め蒸着膜を成膜しており、前記第二の波長板は、第二のガラス基板に所定の材料で第二の斜め蒸着膜を成膜しており、第一の斜め蒸着膜と第二の斜め蒸着膜とが対向する方向で第一の波長板と第二の波長板とを透明な接着材で接着固定した構造であるよう構成する。
In order to achieve the above object, a wave plate using oblique vapor deposition according to the present invention has the following configuration.
The wave plate using the obliquely deposited film according to
請求項２に記載の斜め蒸着膜を用いた波長板は、前記斜め蒸着膜の材料が、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、または、Ａｌ２Ｏ３であるよう構成する。
The wave plate using the obliquely deposited film according to
請求項３に記載の斜め蒸着膜を用いた波長板は、前記波長板が、入射光がポアンカレ球の赤道上の所定の位置Ｐ０に入射した際に、該入射光が、第一の波長板により変調されて所定の位置Ｐ１に到達し、更に第二の波長板により変調されてポアンカレ球の所定の位置Ｐ２に到達させると共に、入射光が第一の波長板により変調されて到達する位置であるポアンカレ球上のＰ１が、入射光の波長が変化することにより波長板の位相量が変化し、Ｐ１’にずれた際に、第一の波長板の位相量の変化量ΔΓ１及び第二の波長板の位相量の変化量ΔΓ２がポアンカレ球上のＰ１とＰ１’を結ぶ球面上の同一の線分となるよう構成する。
The wave plate using the obliquely deposited film according to
請求項４に記載の斜め蒸着膜を用いた波長板は、請求項３に記載した第一の波長板の位相差Γ１が１８０°、面内方位角θ１は１５°であり、第二の波長板の位相差Γ２が９０°、面内方位角θ２は７５°であるよう構成する。
The wave plate using the obliquely deposited film according to
請求項５に記載の斜め蒸着膜を用いた波長板は、前記波長板が、入射光がポアンカレ球の赤道上の所定の位置Ｐ０に入射した際に、該入射光が、第一の波長板により変調されて所定の位置Ｐ１に到達し、更に第二の波長板により変調されてポアンカレ球の所定の位置Ｐ２に到達させると共に、前記第二の波長板の位相差Γ２が入射光の波長の変化によりΔΓ２の位相変化を生じた時、該位相変化ΔΓ２を第一の波長板の波長による位相変化ΔΓ１で相殺するよう構成する。
6. The wave plate using the obliquely deposited film according to
請求項６に記載の斜め蒸着膜を用いた波長板は、請求項５に記載した第一の波長板の位相差が３６０°であり、第二の波長板の位相差が任意の数値の位相差であるよう構成する。
The wave plate using the obliquely deposited film according to
請求項７に記載の斜め蒸着膜を用いた波長板は、請求項５に記載した第一の波長板の位相差Γ１が３６０°、面内方位角θ１は−８°であり、第二の波長板の位相差Γ２が９０°、面内方位角θ２は４３．５°であるよう構成する。
The wave plate using the obliquely deposited film according to
請求項１、及び請求項２に記載の発明は、波長板を斜め蒸着膜を用いて構成したので、耐熱性や信頼性に優れ、更には、低コストな波長板が実現出来、光学関連機器において波長板を使用する上で大きな効果を発揮する。
In the inventions according to
請求項３、及び請求項４に記載の発明は、請求項１に記載の特徴の他、波長板を広帯域化する上で有効であり、光学関連機器において波長板を使用する上で大きな効果を発揮する。
In addition to the features described in
請求項５、請求項６、及び請求項７に記載の発明は、請求項１に記載の特徴の他、波長板の波長特性を広帯域化すると共に、所望の位相差の波長板を容易に実現することができ、光学関連機器において波長板を使用する上で大きな効果を発揮する。
In addition to the characteristics of
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
波長板の基板材料として、廉価な樹脂製のものを使用すると耐熱性の向上は見込めず、また、耐熱性の優れた水晶基板を使用するとコストアップ等の要因となるため、本発明者らは、他の波長板を得る手段として斜め蒸着膜を利用した波長板に注目した。周知のように斜め蒸着膜は構造複屈折性を有しており、その性質を利用し、例えば、ＴｉＯ２、或いはＴｉ２Ｏ５等からなる蒸着材料をガラス基板に所定の角度、及び、膜厚で斜め蒸着し、所望の光学特性を有する波長板を実現した。
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on illustrated embodiments.
The use of an inexpensive resin substrate for the wave plate can not be expected to improve heat resistance, and the use of a crystal substrate with excellent heat resistance causes a cost increase. As a means for obtaining other wave plates, attention was paid to wave plates using obliquely deposited films. As is well known, an obliquely deposited film has structural birefringence, and its properties are utilized. For example, a deposited material made of TiO 2 , Ti 2 O 5 or the like is applied to a glass substrate at a predetermined angle and film. A wave plate having desired optical properties was realized by oblique deposition with a thickness.
図１は、本発明に係る斜め蒸着膜を用いた波長板の第一の実施例を示す構造図である。図１（ａ）は、積層する二つの波長板を接着固定した例を示し、図１（ｂ）は、積層する二つの波長板を分解した図を示す。波長板１は、第一の波長板２と第二の波長板３とを積層した構成であり、第一の波長板２は、第一のガラス基板４に所定の材料で第一の斜め蒸着膜５を成膜して構成し、第二の波長板３は、第二のガラス基板６に所定の材料で第二の斜め蒸着膜７を成膜して構成し、第一の斜め蒸着膜５と第二の斜め蒸着膜７とが対向する方向で第一の波長板２と第二の波長板３とを透明な接着材で固定した構造である。
FIG. 1 is a structural diagram showing a first embodiment of a wave plate using an obliquely deposited film according to the present invention. FIG. 1A shows an example in which two wave plates to be laminated are bonded and fixed, and FIG. 1B shows an exploded view of the two wave plates to be laminated. The
次に、本第一の実施例による波長板の光学特性について説明する。ここで、第一の波長板２の位相差をΓ１、第二の波長板３の位相差をΓ２とすると、第一の波長板２と第二の波長板３とを積層した状態のトータルの位相差Γ３は、Γ３＝Γ１−Γ２の関係にあり、仮にΓ１＝１８０°、Γ２＝９０°であれば、Γ３＝９０°となり、波長板１は１／４波長板として機能し、入射する直線偏光を円偏光に、または、入射する円偏光を直線偏光に変換して出射する。また、波長板１の位相差は波長の関数であるため、使用する波長が変化すると位相差も変化するという波長依存性を有し、所定の単波長にて１／４波長板として機能する。
Next, optical characteristics of the wave plate according to the first embodiment will be described. Here, when the phase difference of the
図２は、斜め蒸着の原理を説明する図であり、図２（ａ）は、蒸着方法の概略図を示し、図２（ｂ）は、斜め蒸着膜の構造の概略図を示す。図２（ａ）に示すように、斜め蒸着においては、斜め蒸着膜を成膜するガラス基板８を蒸着方向に対して所定の角度だけ傾けて配置し、真空環境において蒸着源９を過熱することにより蒸着物質１０を蒸着する。蒸着物質１０としては、誘電体、或いは金属膜が使用され、例えば、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ５、Ａｌ２Ｏ３等が有効である。従って、図２（ｂ）に示すように、斜め蒸着膜１１は、蒸着物質１０がガラス基板８に対して斜めに配向した蒸着膜であり、この斜め蒸着膜１１が複屈折性を有することとなる。
2A and 2B are diagrams for explaining the principle of oblique vapor deposition. FIG. 2A shows a schematic diagram of a vapor deposition method, and FIG. 2B shows a schematic diagram of the structure of an oblique vapor deposition film. As shown in FIG. 2 (a), in oblique vapor deposition, a
次に、斜め蒸着膜が複屈折性を有する現象について説明する。ガラス基板に蒸着膜を斜めに配向して蒸着することにより、光線の入射面に垂直なＸ方向の蒸着膜の成長と、光線の入射面に平行なＹ方向の蒸着膜の成長との成長の比率が相違する。そこで、Ｙ方向の蒸着膜の成長がＸ方向の蒸着膜の成長と比べて劣るため、Ｘ方向の屈折率とＹ方向の屈折率とが異なり、斜め蒸着膜１１には所定の複屈折特性が生ずると考えられている。
Next, a phenomenon in which the obliquely deposited film has birefringence will be described. By vapor-depositing the vapor deposition film on the glass substrate obliquely, the growth of the vapor deposition film in the X direction perpendicular to the light incident surface and the growth of the vapor deposition film in the Y direction parallel to the light incident surface are achieved. The ratio is different. Therefore, since the growth of the Y direction vapor deposition film is inferior to the growth of the X direction vapor deposition film, the X direction refractive index and the Y direction refractive index are different, and the oblique
図３は、波長板に光線が入射したときに、Ｘ方向の直線偏光成分とＹ方向の直線偏光成分が光路上をＺ方向に伝搬する様子を示した図である。ガラス基板に斜め蒸着膜を成膜した波長板に光線が入射すると、前述したように斜め蒸着膜は複屈折性を有しているため、Ｘ方向の直線偏光成分とＹ方向の直線偏光成分の位相にはずれが生ずる。このずれの長さであるリターデーションＲｅを、斜め蒸着の角度と膜厚を適宜設定することにより決定すれば、任意の光学特性を有する波長板を得ることが可能となる。 FIG. 3 is a diagram showing a state in which a linearly polarized light component in the X direction and a linearly polarized light component in the Y direction propagate in the Z direction on the optical path when a light ray enters the wave plate. When light is incident on a wave plate having an oblique vapor deposition film formed on a glass substrate, the oblique vapor deposition film has birefringence as described above, so that the linear polarization component in the X direction and the linear polarization component in the Y direction A phase shift occurs. If the retardation Re, which is the length of this deviation, is determined by appropriately setting the angle and film thickness of oblique vapor deposition, it is possible to obtain a wave plate having arbitrary optical characteristics.
次に、上述した第一の実施例においては、所定の単波長にて１／４波長板として機能する斜め蒸着膜を用いた波長板について説明したが、第二の実施例として広帯域な光学特性を有する波長板について説明する。
図４は、本発明に係る斜め蒸着膜を用いた波長板の第二の実施例を示す構造図である。図４（ａ）は波長板を入射方向から見た平面図を示し、図４（ｂ）は側面図を示す。この広帯域な波長板は、所定の位相差を有する二枚の斜め蒸着膜を用いた波長板を積層して構成するもので、１／２波長板と１／４波長板とを所定の角度で貼り合わせ、所望の１／４波長板としての性能を得ている。図４に示す如く１／４波長板１２は、第一のガラス基板１３に第一の斜め蒸着膜１４を成膜して１／２波長板として機能する第一の波長板１５と、第二のガラス基板１６に第二の斜め蒸着膜１７を成膜して１／４波長板として機能する第二の波長板１８とを、第一の波長板１５の面内方位角θ１を１５°に、第二の波長板１８の面内方位角θ２を７５°として積層したものである。
Next, in the first embodiment described above, a wave plate using an obliquely deposited film functioning as a quarter wave plate at a predetermined single wavelength has been described. However, as a second embodiment, broadband optical characteristics are described. A wave plate having the following will be described.
FIG. 4 is a structural view showing a second embodiment of the wave plate using the obliquely deposited film according to the present invention. FIG. 4A shows a plan view of the wave plate viewed from the incident direction, and FIG. 4B shows a side view. This broadband wave plate is formed by laminating wave plates using two obliquely deposited films having a predetermined phase difference. A half wave plate and a quarter wave plate are formed at a predetermined angle. The performance as a desired quarter-wave plate is obtained by bonding. As shown in FIG. 4, the
そこで、以下に、１／４波長板１２を構成する第一の波長板１５と第二の波長板１８について、夫々のパラメータの算出方法について説明する。
第一の波長板１５の位相差を１８０°、面内方位角をθ１、第二の波長板１８の位相差を９０°、面内方位角をθ２とし、図５に示したポアンカレ球を用いて説明する。
図５は、本発明に係る斜め蒸着を用いた波長板の第二の実施例におけるポアンカレ球を示す。図５において、入射光がポアンカレ球の赤道の所定の位置Ｐ０に入射されると、この入射光が、第一の波長板１５により変調されてＰ１に到達する。更にＰ１に到達した光が第二の波長板１８により変調されてポアンカレ球の極Ｐ２に到達すれば１／４波長板１２を出射する光線が円偏光になることを意味する。ここで、Ｐ２がポアンカレ球の極であるためには、θ１及びθ２が次の関係式を満足すれば良い。
θ２＝２θ１＋４５ ・・・・（１）
Therefore, a method for calculating each parameter for the
The phase difference of the
FIG. 5 shows a Poincare sphere in a second embodiment of a wave plate using oblique vapor deposition according to the present invention. In FIG. 5, when incident light is incident on a predetermined position P0 on the equator of the Poincare sphere, the incident light is modulated by the
θ2 = 2θ1 + 45 (1)
前述したように、入射光の波長がλ１〜λ２間で変化すると、第一の波長板１５及び第二の波長板１８の位相差が夫々１８０°及び９０°より変化する。このとき、第一の波長板１５に於ける変化量をΔΓ１、第二の波長板１８における変化量をΔΓ２とする。ここで、入射光が第一の波長板１５により変調されて到達する位置であるポアンカレ球上のＰ１が、入射光の波長が変化することにより波長板の位相量が変化し、Ｐ１’にずれたとすると、前記変化量ΔΓ１及びΔΓ２がポアンカレ球上のＰ１とＰ１’を結ぶ球面上の同一の線分となる条件であれば、Ｐ２は常にポアンカレ球の極に到達することが出来る。
As described above, when the wavelength of the incident light changes between λ1 and λ2, the phase difference between the
そこで、近似的にＰ１とＰ１’を直線で結び、余弦定理を用いてΔΓ１、ΔΓ２、θ１の関係を表すと、
ｃｏｓΔΓ２＝１−２（１−２ｃｏｓ２θ１）（１−ｃｏｓΔΓ１）
・・・・（２）
となる。第一の波長板１５と第二の波長板１８とが同じ波長分散の材料とすれば、各々の位相差が１８０°及び９０°であることから、ΔΓ１及びΔΓ２は、
ΔΓ１＝２×ΔΓ２ ・・・・（３）
の関係を満足する。これを（１）式、（２）式に代入すると、θ１とθ２は下記値を得る。
θ１≒１５°、θ２≒７５°
Therefore, if P1 and P1 ′ are approximately connected by a straight line and the relationship between ΔΓ1, ΔΓ2, and θ1 is expressed using the cosine theorem,
cosΔΓ2 = 1−2 (1-2cos2θ1) (1-cosΔΓ1)
(2)
It becomes. If the
ΔΓ1 = 2 × ΔΓ2 (3)
Satisfy the relationship. Substituting this into equations (1) and (2) gives the following values for θ1 and θ2.
θ1 ≒ 15 °, θ2 ≒ 75 °
以上の結果より１／４波長板１２を広帯域１／４波長板として機能させるためには、下記の条件を満足しなければならない。
第一の波長板１５ 位相差 １８０°
面内方位角 １５°
第二の波長板１８ 位相差 ９０°
面内方位角 ７５°
そこで、第一のガラス基板１３に第一の斜め蒸着膜１４を成膜する際と、第二のガラス基板１６に第二の斜め蒸着膜１７を成膜する際に、それぞれ所定の角度、膜厚にて斜め蒸着を行い、第一の波長板１５と第二の波長板１８の各パラメータが前述した数値を満たすようにすることにより、所望の特性を有する斜め蒸着を用いた広帯域１／４波長板１２を実現することが可能となる。
なお、第二の実施例の説明においては、１／４波長板を例としたが、同様の設計方法を用いて、第二の波長板の位相差を１８０°とすることにより、広帯域１／２波長板を得ることが可能である。
From the above results, in order for the quarter-
In-
In-plane azimuth 75 °
Therefore, when the first obliquely deposited
In the description of the second embodiment, the quarter wavelength plate is taken as an example. However, by using the same design method and setting the phase difference of the second wavelength plate to 180 °, the
次に、斜め蒸着膜を用いた広帯域波長板について、第三の実施例を説明する。
第二の実施例における波長板は、第二の波長板として、９０°位相差の１／４波長板、或いは１８０°位相差の１／２波長板のいずれかを用いるよう限定されていたが、第三の実施例における波長板の広帯域化の手法は、第一の波長板として３６０°位相差のλ波長板を使用し、第二の波長板として任意の位相差の波長板を選択することが可能としたことが特徴である。
Next, a third embodiment will be described for a broadband wavelength plate using an obliquely deposited film.
The wave plate in the second embodiment is limited to using either a quarter wave plate with a 90 ° phase difference or a half wave plate with a 180 ° phase difference as the second wave plate. In the third embodiment, the method of widening the wavelength plate uses a λ wavelength plate having a phase difference of 360 ° as the first wavelength plate, and selects a wavelength plate having an arbitrary phase difference as the second wavelength plate. The feature is that it was possible.
図６は、本発明に係る斜め蒸着膜を用いた波長板の第三の実施例を示す構造図である。図６（ａ）は波長板を入射方向から見た平面図を示し、図６（ｂ）は側面図を示す。この広帯域な波長板は、所定の位相差を有する二枚の斜め蒸着膜を用いた波長板を積層して構成するもので、λ波長板と１／４波長板とを所定の角度で貼り合わせ、所望の１／４波長板としての性能を得ている。図６に示す如く１／４波長板１９は、第一のガラス基板２０に第一の斜め蒸着膜２１を成膜した第一の波長板２２と、第二のガラス基板２３に第二の斜め蒸着膜２４を成膜した第二の波長板２５とにより構成し、波長７１０ｎｍに対して位相差３６０°、及び面内方位角θ１＝−８°の第一の波長板２２と、位相差９０°、及び面内方位角θ２＝４３．５°の第二の波長板２５とを各々の光学軸が５１．５°の角度で交差するように積層して、全体として波長６００ｎｍ〜８００ｎｍにおいて１／４波長板として機能する広帯域波長板である。
FIG. 6 is a structural view showing a third embodiment of the wave plate using the obliquely deposited film according to the present invention. FIG. 6A shows a plan view of the wave plate viewed from the incident direction, and FIG. 6B shows a side view. This broadband wave plate is constructed by laminating wave plates using two obliquely deposited films having a predetermined phase difference, and laminating a λ wave plate and a quarter wave plate at a predetermined angle. The desired performance as a quarter-wave plate is obtained. As shown in FIG. 6, the
次に、波長板１９を構成する第一の波長板２２と第二の波長板２５について、夫々のパラメータの算出方法について説明する。
第三の実施例における波長板の広帯域化の原理は、第二の波長板２５の位相変化を第一の波長板２２の位相変化で相殺することによってトータルの位相差を一定に維持するものである。そこで、以下に設計例として、第二の波長板２５の位相差を９０°としたときの広帯域１／４波長板の設計例について説明する。
Next, the calculation method of each parameter about the
The principle of widening the wavelength plate in the third embodiment is to maintain the total phase difference constant by canceling the phase change of the
図７は、第三の実施例における第二の波長板２５の機能について説明するポアンカレ球を示し、図８は、第三の実施例における第一の波長板２２の機能について説明するポアンカレ球を示す。図７、図８において、入射光がポアンカレ球の赤道上の所定の位置Ｐ０に入射すると、この入射光が、第一の波長板２２により変調されてＰ１に到達し（但し、第一の波長板２２の位相差Γ１は３６０°としたので、Ｐ０＝Ｐ１となる）、更に第二の波長板２５により変調されてポアンカレ球の極Ｐ２に到達すれば波長板１９を出射する光線は円偏光となる。
FIG. 7 shows a Poincare sphere for explaining the function of the
ここで、第二の波長板２５の位相差Γ２が入射光の波長の変化によりΔΓ２の位相変化を生じると仮定すると、この位相変化ΔΓ２を第一の波長板２２の波長による位相変化ΔΓ１で相殺すれば、波長板１９の光学特性が波長依存性を持たないようにすることができる。第二の波長板２５の波長による位相変化ΔΓ２は、基板材料の波長分散で決まる一定の数値を有しており、第一の波長板２２の波長による位相変化ΔΓ１は、第一の波長板２２の面内方位角θ１を調整することでその大きさを可変することが可能である。
Here, assuming that the phase difference Γ2 of the
そこで、第一の波長板２２と第二の波長板２５との関係式を以下導出する。
図７において、第二の波長板２５に生じた位相変化ΔΓ２により、ポアンカレ球上の座標Ｐ０（Ｐ１）がＰ１”に変化したものとし、このＰ０→Ｐ１”の距離を近似的に直線ｘ２で表すと、ΔΓ２とｘ２は下式（４）の関係を満足する。
ｘ２２＝２ｋ２−２ｋ２cosΔΓ２・・・・（４）
但し、ｋは、ポアンカレ球の半径を示す。
Therefore, a relational expression between the
In FIG. 7, it is assumed that the coordinate P0 (P1) on the Poincare sphere has changed to P1 ″ due to the phase change ΔΓ2 generated in the
x2 2 = 2k 2 -2k 2 cosΔΓ2 (4)
However, k shows the radius of a Poincare sphere.
次に同様に、図８において、第一の波長板２２に生じた位相変化ΔΓ１により、ポアンカレ球上の座標Ｐ０（Ｐ１）がＰ１’に変化したものとし、このＰ０→Ｐ１’の距離を近似的に直線ｘ１で表すと、ΔΓ１とｘ１は下式（５）の関係を満足する。
ｘ１２＝２ｒ２−２ｒ２cosΔΓ１・・・・（５）
但し、ｒは、Ｒ１を回転軸としてΓ１回転させる時の半径である。
Next, similarly, in FIG. 8, the coordinate P0 (P1) on the Poincare sphere is changed to P1 ′ due to the phase change ΔΓ1 generated in the
x1 2 = 2r 2 -2r 2 cosΔΓ1 (5)
However, r is a radius when rotating Γ1 with R1 as the rotation axis.
また、ｒは、第一の波長板２２の面内方位角θ１を用いて下式（６）により表すことが出来る。
ｒ２＝２ｋ２−２ｋ２cosθ１・・・・（６）
R can be expressed by the following formula (6) using the in-plane azimuth angle θ1 of the
r 2 = 2k 2 -2k 2 cos θ1 (6)
更に、（６）式を（５）式に代入すると、（７）式が得られる。
ｘ１２＝４ｋ２（１−cosθ１）（１−cosΔΓ１）・・・・（７）
そこで、第一の波長板２２と第二の波長板２５の位相変化がお互いに相殺しあうためには、
ｘ１≒ｘ２
である必要があり、（４）式と（７）式より
ｘ１２＝ｘ２２
２ｋ２−２ｋ２cosΔΓ２＝４ｋ２（１−cosθ１）（１−cosΔΓ１）
の関係が成立する。
Further, when equation (6) is substituted into equation (5), equation (7) is obtained.
x1 2 = 4k 2 (1-cosθ1) (1-cosΔΓ1) (7)
Therefore, in order for the phase changes of the
x1 ≒ x2
X1 2 = x2 2 from the equations (4) and (7)
2k 2 -2k 2 cosΔΓ2 = 4k 2 (1-cosθ1) (1-cosΔΓ1)
The relationship is established.
そこで、ｋを正規化してまとめると（８）式が得られる。
cosθ１＝１−（１−cosΔΓ２）／２（１−cosΔΓ１）・・・・（８）
Therefore, when k is normalized and collected, equation (8) is obtained.
cosθ1 = 1− (1-cosΔΓ2) / 2 (1-cosΔΓ1) (8)
次に、第一の波長板２２と第二の波長板２５とが同じ分散の基板材料で構成されているものとして、
Γ１／Γ２＝ｍ
とすると、（９）式が得られる。
ΔΓ１＝ｍΔΓ２・・・・（９）
Next, assuming that the
Γ1 / Γ2 = m
Then, equation (9) is obtained.
ΔΓ1 = mΔΓ2 (9)
そこで、（９）式を（８）式に代入すると（１０）式が得られる。
cosθ１＝１−（１−cosΔΓ２）／２（１−cosｍΔΓ２）・・・・（１０）
（１０）式は、第二の波長板２５により生ずる位相変化ΔΓ２により第一の波長板２２の面内方位角θ１が決定されることを示している。
Therefore, when equation (9) is substituted into equation (8), equation (10) is obtained.
cosθ1 = 1− (1-cosΔΓ2) / 2 (1-cosmΔΓ2) (10)
Equation (10) indicates that the in-plane azimuth angle θ1 of the
次に、上述した計算式を用いて波長板１９を構成する第一の波長板２２と第二の波長板２５の具体的なパラメータを算出する方法について説明する。
例えば、位相差が９０°で、波長６００ｎｍ〜８００ｎｍの広帯域に渡って１／４波長板として機能する波長板についてパラメータを算出する例について考える。
第一の波長板２２の位相差Γ１＝３６０°、第二の波長板２５の位相差Γ＝９０°とすると、
ｍ＝Γ１／Γ２＝４
となる。
Next, a method for calculating specific parameters of the
For example, consider an example in which parameters are calculated for a wave plate that functions as a quarter wave plate with a phase difference of 90 ° and a wide wavelength range of 600 nm to 800 nm.
When the phase difference Γ1 = 360 ° of the
m = Γ1 / Γ2 = 4
It becomes.
また、波長６００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲で第二の波長板２５の位相変化ΔΓ２は、中心波長７００ｎｍに対して約±１０°程度であると仮定すると、ΔΓ２＝１０°であり、前記（１０）式に、ｍ＝４とΔΓ２＝１０°の値を代入すると、第一の波長板２２の面内方位角θ１は、
θ１≒７．３２°
となる。
Further, assuming that the phase change ΔΓ2 of the
θ1 ≒ 7.32 °
It becomes.
即ち、第一の波長板２２は、位相差Γ１＝３６０°、面内方位角θ１＝７．３２°とし、第二の波長板２５は、位相差Γ２＝９０°、面内方位角θ２＝４５°とすれば、波長６００ｎｍ〜８００ｎｍの広帯域に渡って１／４波長板として機能することが分かる。
That is, the
但し、前記（１０）式は、いくつかの近似条件を含むので、更に、詳細計算を行い最良値を算出する必要がある。偏光状態を計算する行列式は、ジョーンズ行列、または、ミューラ行列を使用して下記（１１）式で表すことが出来る。
E＝Ｒ２Ｒ１Ｉ・・・・（１１）
Ｅは出射偏光状態を示し、Ｉは入射偏光状態を示し、Ｒ１は第一の波長板２２の位相差を示し、Ｒ２は第二の波長板２５の位相差を示す。
However, since the equation (10) includes several approximate conditions, it is necessary to further perform detailed calculation to calculate the best value. The determinant for calculating the polarization state can be expressed by the following equation (11) using a Jones matrix or a Mueller matrix.
E = R 2 R 1 I (11)
E indicates the outgoing polarization state, I indicates the incident polarization state, R 1 indicates the phase difference of the
そこで、本発明者らは、（１１）式を用いてシミュレーションを行い、第一の波長板２２と第二の波長板２５の各パラメータの最適値を求めた。そのシミュレーション結果を以下に示す。いずれの波長板も、波長は７１０ｎｍで、ｍは４としている。
第一の波長板２２ 位相差Γ１ ３６０°
面内方位角θ１ −８°
第二の波長板２５ 位相差Γ２ ９０°
面内方位角θ２ ４３．５°
面内方位角 ７５°
そこで、第一のガラス基板２０に第一の斜め蒸着膜２１を成膜する際と、第二のガラス基板２３に第二の斜め蒸着膜２４を成膜する際に、それぞれ所定の角度、膜厚にて斜め蒸着を行い、第一の波長板２２と第二の波長板２５の各パラメータが前述した数値を満たすようにすることにより、所望の特性を有する斜め蒸着を用いた広帯域な１／４波長板１９を実現することが可能となる。
なお、第三の実施例の説明においては、１／４波長板を例としたが、同様の設計方法を用いて、第二の波長板の位相差を１８０°とすることにより、広帯域な１／２波長板を得ることが可能である。
Therefore, the inventors performed a simulation using the equation (11), and obtained the optimum values of the parameters of the
In-plane azimuth angle θ1 -8 °
In-plane azimuth angle θ2 43.5 °
In-plane azimuth 75 °
Therefore, when the first obliquely deposited
In the description of the third embodiment, the ¼ wavelength plate is taken as an example. However, by using the same design method and setting the phase difference of the second wavelength plate to 180 °, the
１０１・・波長板、 １０２・・第一の波長板、
１０３・・第二の波長板、
１・・波長板、 ２・・第一の波長板、
３・・第二の波長板、 ４・・第一のガラス基板、
５・・第一の斜め蒸着膜、 ６・・第二のガラス基板、
７・・第二の斜め蒸着膜、 ８・・ガラス基板、
９・・蒸着源、 １０・・蒸着物質、
１１・・斜め蒸着膜、 １２・・波長板、
１３・・第一のガラス基板、 １４・・第一の斜め蒸着膜、
１５・・第一の波長板、 １６・・第二のガラス基板、
１７・・第二の斜め蒸着膜、 １８・・第二の波長板、
１９・・波長板、 ２０・・第一のガラス基板、
２１・・第一の斜め蒸着膜、 ２２・・第一の波長板、
２３・・第二のガラス基板、 ２４・・第二の斜め蒸着膜、
２５・・第二の波長板
101 .. Wave plate, 102 .. First wave plate,
103 .. Second wave plate,
1 .... wave plate, 2 .... first wave plate,
3.
5. First obliquely deposited film, 6. Second glass substrate,
7. Second oblique deposition film, 8. Glass substrate,
9 .... Vapor deposition source, 10 .... Vapor deposition material,
11. ・ An oblique deposition film, 12. ・ Wave plate,
13. First glass substrate, 14. First oblique deposited film,
15. First wave plate, 16. Second glass substrate,
17. Second oblique deposition film, 18. Second wave plate,
19 .. Wave plate, 20 .. First glass substrate,
21 .. First oblique deposition film, 22. .. First wave plate,
23 .. Second glass substrate, 24 .. Second obliquely deposited film,
25 .. Second wave plate
Claims (7)
前記第一の波長板は、第一のガラス基板に所定の材料で第一の斜め蒸着膜を成膜しており、
前記第二の波長板は、第二のガラス基板に所定の材料で第二の斜め蒸着膜を成膜しており、
第一の斜め蒸着膜と第二の斜め蒸着膜とが対向する方向で第一の波長板と第二の波長板とを透明な接着材で接着固定した構造であることを特徴とする斜め蒸着膜を用いた波長板。 In the wave plate having a predetermined performance as a whole, the first wave plate and the second wave plate are bonded so that the optical axes intersect.
The first wave plate has a first oblique deposition film formed of a predetermined material on a first glass substrate,
The second wave plate has a second oblique deposition film formed of a predetermined material on a second glass substrate,
The oblique vapor deposition characterized in that the first wave plate and the second wave plate are bonded and fixed with a transparent adhesive in a direction in which the first oblique vapor deposition film and the second oblique vapor deposition film face each other. Wave plate using a film.
入射光が第一の波長板により変調されて到達する位置であるポアンカレ球上のＰ１が、入射光の波長が変化することにより波長板の位相量が変化し、Ｐ１’にずれた際に、
第一の波長板の位相量の変化量ΔΓ１及び第二の波長板の位相量の変化量ΔΓ２がポアンカレ球上のＰ１とＰ１’を結ぶ球面上の同一の線分となるよう構成したことを特徴とする請求項１、または請求項２のいずれかに記載の斜め蒸着を用いた波長板。 When the incident light is incident on a predetermined position P0 on the equator of the Poincare sphere, the incident light is modulated by the first wave plate and reaches a predetermined position P1, and further, Modulated by the wave plate to reach a predetermined position P2 of the Poincare sphere,
When P1 on the Poincare sphere, where the incident light is modulated by the first wave plate, arrives, the phase amount of the wave plate changes due to the change in the wavelength of the incident light, and shifts to P1 ′.
The change amount ΔΓ1 of the phase amount of the first wave plate and the change amount ΔΓ2 of the phase amount of the second wave plate are configured to be the same line segment on the spherical surface connecting P1 and P1 ′ on the Poincare sphere. A wave plate using oblique vapor deposition according to claim 1 or 2, characterized by the above.
前記第二の波長板の位相差Γ２が入射光の波長の変化によりΔΓ２の位相変化を生じた時、該位相変化ΔΓ２を第一の波長板の波長による位相変化ΔΓ１で相殺したことを特徴とする請求項１、または請求項２のいずれかに記載の斜め蒸着を用いた波長板。 When the incident light is incident on a predetermined position P0 on the equator of the Poincare sphere, the incident light is modulated by the first wave plate and reaches a predetermined position P1, and further, Modulated by the wave plate to reach a predetermined position P2 of the Poincare sphere,
When the phase difference Γ2 of the second wave plate causes a phase change of ΔΓ2 due to the change of the wavelength of incident light, the phase change ΔΓ2 is canceled by the phase change ΔΓ1 due to the wavelength of the first wave plate. A wave plate using oblique vapor deposition according to claim 1 or 2.
The phase difference Γ1 of the first wave plate is 360 ° and the in-plane azimuth angle θ1 is −8 °, the phase difference Γ2 of the second wave plate is 90 °, and the in-plane azimuth angle θ2 is 43.5 °. The wave plate using oblique vapor deposition according to claim 5, wherein:
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