JP2007212694A

JP2007212694A - ビームスプリッタ

Info

Publication number: JP2007212694A
Application number: JP2006031816A
Authority: JP
Inventors: Katsuhiro Shindou; 勝寛神道
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2006-02-09
Filing date: 2006-02-09
Publication date: 2007-08-23

Abstract

【課題】偏光特性の変動を抑制したビームスプリッタを提供する。
【解決手段】プリズム材１，２を、接合材３、偏光膜４及び整合膜５を挟んで接合し、整合膜５は、プリズム材１，２の屈折率より小さく、且つ接合材３の屈折率より大きな屈折率を有する材料で構成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、入射光を透過、反射させて偏光するビームスプリッタに関する。

従来のビームスプリッタは、例えば図９の概略断面図に示すように構成されていた。図９において、偏光ビームスプリッタ１０の直角二等辺三角柱のプリズム材１，２（第１、第２のプリズム）の各斜面どうしは、例えば光学接着剤などの接合材３および偏光膜４を挟んで接合されている。

偏光膜４は、例えば真空蒸着などの成膜方法により高屈折材料と低屈折材料が交互に積層されており、ある波長域のレーザー光等を入射するとＰ偏光とＳ偏光を所定割合で反射、透過する機能を有する。

図１のように構成されたビームスプリッタは、例えば図１０のような光記録再生装置に用いられる。図１０において、レーザー１１から出射されたビームは、図９のように構成された偏光ビームスプリッタ１０、コリメータレンズ１２、波長板１３、対物レンズ１４を通過して光ディスク１５に照射される。偏光ビームスプリッタ１０の、レーザー１１および光ディスク１５を結ぶ線に直交する両側には光検出器１６ａ，１６ｂが配設されている。

尚従来、偏光ビームスプリッタ及びそれを用いた投射型表示装置としては、例えば下記特許文献１に記載のものが提案されていた。
特開平１１−２５８４２２号公報

図９、図１０を含む、従来のビームスプリッタでは、光ピックアップの構成上、光路長を稼ぎたいなどの理由から、プリズム材１，２の屈折率が１．７以上必要になる場合がある。また、接合材３として用いる光学接着材で現状、信頼性、耐光性、透過率等を考慮すると屈折率が１．５程度のものに限定されてしまう。

これらのプリズム材と接着材の組み合わせでビームスプリッタを作製しようとする場合、次のような問題が生じる。
（１）接合材３の厚みが薄い（１０μｍ程度以下）場合
図１１（ａ）〜（ｄ）は、図９の構成の偏光ビームスプリッタ１０において、接合材３の厚みを４〜２．５μｍの間で０．５μｍずつ変化させたときの波長とＰ偏光反射率との関係を調査した結果を表し、各特性線は偏光膜面への入射角が４１度、４３度、４５度、４７度、４９度の場合の特性を示している。

この図１１からわかるように、偏光ビームスプリッタ１０の接合層は光学膜として作用するため、接合材３の厚みの変動により偏光特性が大きく影響を受けてしまう。

すなわち図１１に示すように、計算結果では偏光特性は１μｍ以下の接合材の厚み変化で大きく変動してしまう。また、接合材３の厚みを１μｍ以内のオーダーで制御するのは非常に難しい。
（２）接合材３の厚みが厚い（１０μ程度以上）場合
この場合、接合材３は光学薄膜として作用しなくなり、接合材３の厚み変動で偏光特性は影響を受けない。しかしながら、発散したレーザービームが偏光膜面に入射する光学系の場合、図１２に示すように、偏光膜４の面に対し、高入射角側光路１１ａと低入射角側光路１１ｂで入射光の光路長に差が生じてしまい、透過光に対し収差が発生するという問題が生じる。

尚図１２は図１０のレーザー１１から偏光ビームスプリッタ１０に出射された光の経路を表し、図１０と同一部分は同一符号をもって示しており、３ｗは１０μｍ程度以上の厚みの接合材である。

本発明は上記課題を解決するものであり、偏光特性の変動を抑制したビームスプリッタを提供することを目的としている。

上記課題を解決するための本発明のビームスプリッタは、偏光膜および接合材を挟んで接合された第１および第２のプリズムを備えたビームスプリッタにおいて、前記第１および第２のプリズムの接合部位に、偏光特性の変動を抑制する整合膜を配設したことを特徴としている。

また前記整合膜は、前記第１および第２のプリズムの屈折率より小さく、前記接合材の屈折率より大きな屈折率を有する材料で構成されていることを特徴としている。

また前記第１および第２のプリズムは屈折率が１．７以上の材料から成ることを特徴としている。

また前記偏光膜は高屈折材料と低屈折材料の積層膜より成ることを特徴としている。

また前記偏光膜は、所定波長においてＰ偏光とＳ偏光を所定割り合いで透過、反射させる偏光機能を有していることを特徴としている。

（１）請求項１〜８に記載の発明によればビームスプリッタとしての偏光特性の変動を抑制することができる。すなわち、例えば接合材の厚みや、光の入射角度の変動により偏光透過特性、偏光反射特性が変動してしまうことはない。このため広範囲にわたる波長域、入射角度において理想的な特性を有し、且つ特性バラツキが少ないビームスプリッタを提供することができる。

また、理想的な特性を得るために接合材の厚みをμｍ以下で制御しなくても済むため、ビームスプリッタの作製が容易になり、作製装置を簡略化することができる。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。図１は本実施形態例による偏光ビームスプリッタ２０の構造を表し、図９と同一部分は同一符号をもって示している。

図１において、接合材３と直角二等辺三角柱のプリズム材２の斜面の間には整合膜５が形成されている。直角二等辺三角柱のプリズム材１，２は屈折率が１．７以上の透明材料より成る。

接合材３は使用する波長域で吸収係数が小さく、屈折率が１．５程度の材料で、紫外線または可視光硬化型、熱硬化型、またこれらの併用型の接着材である。

直角二等辺三角柱のプリズム材１の斜面に形成された、高屈折材料と低屈折材料からなる偏光膜４は、使用波長、入射角度に対してＰ偏光とＳ偏光の光を所定割合で反射、透過する機能を持つ。

また、偏光膜４は真空蒸着法、スパッタリング法などの方法により形成される。高屈折材料は例えば、ＴｉＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅，Ｎｂ₂Ｏ₅，ＨｆＯ₂，Ａｌ₂Ｏ₃など、またこれらの混合材料からなる。また低屈折材料はＳｉＯ₂，ＭｇＦ₂などからなる。

整合膜５はプリズム材１，２の屈折率より小さく、接合材３の屈折率より大きな屈折率を有する１層以上の光学膜材料より形成される。これらの材料は例えばＡｌ₂Ｏ₃，Ｙ₂Ｏ₃など、また高屈折材料と低屈折材料の混合材料である。

また、プリズム材１，２の表面には反射防止機能をもつ光学膜が形成されている（図示省略）。この反射防止膜も偏光膜４と同様に真空蒸着法、スパッタリング法などの方法により形成され、同様の材料より成る。
（実施例１）
図２は実施例１の偏光ビームスプリッタ３０の構成を表し、図１と同一部分は同一符号をもって示している。本実施例の偏光ビームスプリッタ３０は、使用波長３９５ｎｍ〜４１５ｎｍ，使用入射角度０°±６°において、Ｐ偏光の透過率が９０％、Ｐ偏光の反射率が１０％、Ｓ偏光の反射率が９５％以上を満足するビームスプリッタである。プリズム材１，２は屈折率１．８の透明材料より形成される。

偏光膜４と整合膜５の膜構成は次の表１のとおりである。

偏光膜４は屈折率が２．４７、１．９５、１．４８の材料から構成される。整合膜５は屈折率がプリズム材と接合材の間の屈折率（１．５３〜１．８０）よりなり、本設計では５層の膜より構成される。

接合材３は屈折率が１．５３の使用波長域で吸収係数の小さい紫外線硬化型の接着材である。本実施例の偏光ビームスプリッタ３０より得られるＰ偏光反射特性の膜面への入射角４１度〜４９度の範囲の波長依存性について、接合材の厚みを変化させた特性を図３（ａ）〜（ｄ）に示す。

図３（ａ）〜（ｄ）は、図２の構成の偏光ビームスプリッタ３０において、接合材３の厚みを４〜２．５μｍの間で０．５μｍずつ変化させたときの波長とＰ偏光反射率との関係を調査した結果を表し、各特性線は偏光膜面への入射角が４１度、４３度、４５度、４７度、４９度の場合の特性を示している。この図３からわかるように、接合材３の厚みを変化させても反射特性はほとんど影響を受けない。

一方整合膜５が形成されていないビームスプリッタのＰ偏光反射特性の膜面への入射角４１度〜４９度の波長依存性を示す図１１と比較すると、整合膜５を形成しない場合は、接着材（接合材３）が干渉膜として作用してしまい波長依存性にリップルが発生し、また入射角度に対しても特性変動が大きくなる。
（実施例２）
図４は実施例２の偏光ビームスプリッタ４０の構成を表し、図１と同一部分は同一符号をもって示している。本実施例の偏光ビームスプリッタ４０は、使用波長３９５ｎｍ〜４１５ｎｍ，使用入射角度０°±６°においてＰ偏光及びＳ偏光の透過率が９３％以上、使用波長６４０ｎｍ〜６８０ｎｍ及び使用波長７７０ｎｍ〜８１０ｎｍ，使用入射角度０°±５°においてはＰ偏光の透過率が９０％以上、Ｓ偏光の透過率が７％以下（Ｓ偏光の反射率が９３％以上）を満足するビームスプリッタである。プリズム材１，２は屈折率１．８の透明材料より形成される。

偏光膜４と整合膜５の膜構成は次の表２のとおりである。

偏光膜４は屈折率が２．４７、１．４８の材料から構成される。整合膜５は屈折率がプリズム材と接合材の間の屈折率（１．５３〜１．８０）よりなり、本設計では２層の膜より構成される。

接合材３は屈折率が１．５３の使用波長域で吸収係数の小さい紫外線硬化型の接着材を用いた。本実施例の偏光ビームスプリッタ４０の、使用波長３９５ｎｍ〜４１５ｎｍ，膜面への入射角４１度〜４９度のＰ偏光透過特性、Ｓ偏光透過特性の波長依存性を図５（ａ），（ｂ）に各々示す。

また、使用波長６４０ｎｍ〜６８０ｎｍ及び使用波長７７０ｎｍ〜８１０ｎｍ、膜面への入射角４２度〜４８度のＰ偏光透過特性の波長依存性を図６（ａ），（ｂ）に示す。

また図７（ａ）〜（ｃ）に、本実施例のビームスプリッタ４０より得られる使用波長３９５ｎｍ〜４１５ｎｍでのＳ偏光透過特性の膜面への入射角４１度〜４９度の範囲における波長依存性について、接合材３の厚みを変化させた場合の特性変動の様子を示す。

図７（ａ）〜（ｃ）は、図４の構成の偏光ビームスプリッタ４０において、接合材３の厚みを４〜２μｍの間で１μｍずつ変化させたときの波長とＳ偏光透過率との関係を調査した結果を表している。この図７からわかるように、接合材３の厚みを変化させても特性はほとんど影響を受けない。

一方、整合膜５が形成されていない場合の同様の特性変動の様子を図８（ａ）〜（ｃ）に示す。図８（ａ）〜（ｃ）は、図９の構成の偏光ビームスプリッタ１０において、接合材３の厚みを４〜２μｍの間で１μｍずつ変化させたときの波長とＳ偏光透過率との関係を調査した結果を表しており、各特性線は入射角が４１〜４９度の場合の特性を示している。この図８からわかるように、整合膜５を形成しない場合は、接着材（接合材３）が干渉膜として作用してしまい、整合膜５がある場合（図７の特性）に比べ波長依存性にリップルが発生し透過率が低下する。また入射角度の変化に対しても特性変動が大きくなる。

以上のように本実施形態例によれば、広範囲にわたる波長域、入射角度において理想的なプリズム特性を有し尚且つ、特性バラツキが少ないビームスプリッタを提供することができる。また理想的なプリズム特性を得るために、接合材の厚みをμｍ以下で制御しなくても済むため、プリズムの作製が容易になって作製装置を簡略化することができる。

本発明の実施形態例による偏光ビームスプリッタを示す構成図。本発明の実施例１による偏光ビームスプリッタを示す構成図。本発明の実施例１による偏光ビームスプリッタのＰ偏光反射特性図。本発明の実施例２による偏光ビームスプリッタを示す構成図。本発明の実施例２による偏光ビームスプリッタの、波長３９５〜４１５ｎｍにおける偏光透過特性を示し、（ａ）はＰ偏光透過特性図、（ｂ）はＳ偏光透過特性図。本発明の実施例２による偏光ビームスプリッタのＰ偏光透過特性を示し、（ａ）は波長６４５〜６７５ｎｍにおける透過特性図、（ｂ）は波長７７０〜８００ｎｍにおける透過特性図。本発明の実施例２による偏光ビームスプリッタのＳ偏光透過特性図。従来の整合膜の無い偏光ビームスプリッタのＳ偏光透過特性図。従来の整合膜の無い偏光ビームスプリッタを示す構成図。従来の光記録再生装置の一例を示す構成図。従来の整合膜の無い偏光ビームスプリッタのＰ偏光反射特性図。図１０の要部を示す説明図。

符号の説明

１…プリズム材（第１のプリズム）、２…プリズム材（第２のプリズム）、３…接合材、４…偏光膜、５…整合膜、１１…レーザー、１５…光ディスク、２０，３０，４０…偏光ビームスプリッタ。

Claims

偏光膜および接合材を挟んで接合された第１および第２のプリズムを備えたビームスプリッタにおいて、
前記第１および第２のプリズムの接合部位に、偏光特性の変動を抑制する整合膜を配設したことを特徴とするビームスプリッタ。
前記整合膜は、前記第１および第２のプリズムの屈折率より小さく、前記接合材の屈折率より大きな屈折率を有する材料で構成されていることを特徴とする請求項１に記載のビームスプリッタ。
前記第１および第２のプリズムは屈折率が１．７以上の材料から成ることを特徴とする請求項１に記載のビームスプリッタ。
前記第１および第２のプリズムは屈折率が１．７以上の材料から成ることを特徴とする請求項２に記載のビームスプリッタ。
前記偏光膜は高屈折材料と低屈折材料の積層膜より成ることを特徴とする請求項１に記載のビームスプリッタ。
前記偏光膜は高屈折材料と低屈折材料の積層膜より成ることを特徴とする請求項２に記載のビームスプリッタ。
前記偏光膜は、所定波長においてＰ偏光とＳ偏光を所定割り合いで透過、反射させる偏光機能を有していることを特徴とする請求項１に記載のビームスプリッタ。
前記偏光膜は、所定波長においてＰ偏光とＳ偏光を所定割り合いで透過、反射させる偏光機能を有していることを特徴とする請求項２に記載のビームスプリッタ。