JP2008181074A - 偏光ビームスプリッタおよび偏光変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 少ない膜層数の誘電体多層膜により偏光分離膜を形成でき、４００〜７５０ｎｍの広い波長領域で良好な偏光分離機能を実現できる偏光ビームスプリッタを実現する。
【解決手段】 偏光分離すべき光ＬＩの入射角：５４〜６６度の範囲で有効で、１対の透明基板１２の間に、一方の透明基板を接着するための接着層１４と、設計基準波長の異なる２種以上の誘電体多層膜と、１層の誘電体膜を少なくとも有する偏光分離膜１３とを有し、実質的に可視波長領域の光に対して偏光分離機能を持つ偏光ビームスプリッタである。
【選択図】 図１

Description

この発明は、偏光ビームスプリッタおよび偏光変換素子に関する。

偏光ビームスプリッタは一般に、１対の透明基板により偏光分離膜を挟持してなり、入射光を、互いに直交する偏光面を持つ「透過光と反射光」に分離する光学素子であり、種々の光学装置に使用されている。

偏光ビームスプリッタは、例えば光ピックアップのような「単色光を用いる光学装置」に使用する場合には、比較的容易に良好な偏光分離特性を実現できるが、例えば、液晶プロジェクタに用いる偏光変換素子として使用する場合などには「可視波長領域にわたって良好な偏光分離機能を有する」ことが要請される。

偏光分離膜を誘電体多層膜として形成し、可視波長領域にわたって良好な偏光分離機能を実現した偏光ビームスプリッタとして特許文献１記載のものが知られている。

特許文献１記載の偏光ビームスプリッタは、２つの透光性基体間に、高屈折率物質と低屈折率物質とを交互に蒸着してなる誘電体多層膜が設けられ、この誘電体多層膜が「設計基準波長が互いに異なる２つの誘電体多層膜」により構成され、これら２つの誘電体多層膜は「高屈折率物質と低屈折率物質の組合せ」が互いに異なり、２つの誘電体多層膜に用いる高屈折率物質の屈折率がともに２．６以上のものである。

特許文献１の具体的な実施例によれば、４５度±２度の入射角範囲の光で、波長：４１０〜７００ｎｍの範囲の光に対してＰ偏光成分の透過率：８０％以上、Ｓ偏光成分の透過率：実質０％という良好な偏光分離機能が実現されている。

特許文献１に記載された実施例では「偏光分離膜をなす誘電体多層膜の積層数」が特定されていない。特許文献１に記載された発明の開示内容に従って、膜設計を行って見たが、積層数が６０層程度であると、Ｐ偏光成分の透過率としては４００〜７００ｎｍの波長範囲で８０％以上を達成できるが、上記波長範囲におけるＳ偏光成分の透過率は１５％程度あり、偏光分離性能としては必ずしも十分でない。

また、誘電体多層膜の積層数を１２０層程度にしてみると、波長：４００〜５５０ｎｍの範囲では、Ｐ偏光成分の透過率が実質１００％、Ｓ偏光成分の透過率が実質０％で、偏光分離機能は極めて良好であるが、良好な偏光分離機能を持つ波長範囲が可視波長領域に対して狭く、赤色系の光に対しては偏光分離機能を発揮し得ない。

このような点から考えると、特許文献１記載の偏光ビームスプリッタで、実施例記載のような良好な偏光分離機能を実現するには、誘電体多層膜の積層数を非常に大きくする必要があると考えられる。誘電体多層膜の積層数が大きいと、偏光分離膜の形成に時間を要し、偏光ビームスプリッタの製造効率を高めるのが難しいと考えられる。

また、特許文献１の実施例記載の偏光ビームスプリッタでは、透明基板として「屈折率：１．８５の高屈折率ガラス」が使用されており、誘電体多層膜に用いられる高屈折率物質が屈折率：２．６以上の極めて高い屈折率を必要とする。これら高屈折率ガラスや高屈折率物質は高価であり、偏光ビームスプリッタを低コストで効率よく大量に製造するのは困難であると思われる。
特開平１１−２１１９１６号公報

この発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、比較的少ない積層数の誘電体多層膜により偏光分離膜を形成でき、４００〜７５０ｎｍという広い可視波長領域で良好な偏光分離機能を実現できる新規な偏光ビームスプリッタの実現およびかかる偏光ビームスプリッタを用いる偏光変換素子の実現を課題とする。

この発明の偏光ビームスプリッタは、入射光を偏光分離する偏光ビームスプリッタであって、以下の特徴を有する（請求項１）。

即ち、偏光分離すべき光の入射角が５４〜６６度の範囲で有効である。

一般に偏光分離性は「ブリュースタ条件」により、入射角：５６〜６０度のあたりで最もよくなる。この発明は、この事実を有効に利用するものである。即ち、この発明の偏光ビームスプリッタは、ブリュースタ条件に近い上記入射角の範囲で入射する光に対して有効、即ち「良好な偏光分離特性」を持つ。

入射角を５４〜６６度の範囲で良好な偏光分離特性を持つので、入射光が「高度に平行光束化されている場合」には、このような入射光に対する入射角を上記５４〜６６度の範囲に任意に設定することができる。

また、偏光ビームスプリッタへの入射光に若干の方向分散性があることが考えられる。例えば、入射角が±Δθの範囲で「ばらついて」いるような場合、ばらつきの範囲が±６度の程度であれば、偏光ビームスプリッタへの「基準的な入射角を６０度に設定」しておけば、入射角：６０±６度の範囲で入射する光に対して良好な偏光分離機能を実現できる。

偏光ビームスプリッタは１対の透明基板を有し、これら１対の透明基板間に、接着層と、２種以上の誘電体多層膜と、１層の誘電体膜とを少なくとも有する。

「接着層」は、一方の透明基板を接着するための層である。

「２種以上の誘電体多層膜」は、互いに設計基準波長が異なる。

２種以上の「誘電体多層膜」のそれぞれは、高屈折率膜と中間屈折率膜とを「設計基準波長に応じた光学的厚さで交互に積層して偶数の層数」としてなる。誘電体多層膜は積層数が偶数であるから、各誘電体多層膜における「両端の誘電体膜」の、一方は高屈折率膜、他方は中間屈折率膜である。

「１層の誘電体膜」は、２種以上の誘電体多層膜のうちで「接着層側の誘電体多層膜の接着層側」に配置される。この１層の誘電体膜は「接着層側の誘電体多層膜の第１層（接着層と最も離れた誘電体膜）と同じ（組成・厚さの）誘電体膜」である。

これら「２種以上の誘電体多層膜と１層の誘電体膜」が偏光分離膜を構成し、実質的に可視波長領域の光に対して偏光分離機能を持つ。

補足すると、２種以上の誘電体多層膜は、１対の透明基板における一方の基板上に順次に成膜・積層されて形成される。この形成の過程では、最後に積層された誘電体多層膜に続いて、上記１層の誘電体膜が形成される。この１層の誘電体膜は上記「最後に積層された誘電体多層膜において、積層の第１層をなす誘電体膜」と組成・厚さが同一である。

透明基板の形態は「平行平板状」であってもよいが、これに限らず「底角を入射角に等しく設定された三角プリズム状や台形プリズム状」であってもよい。

偏光分離されるべき光は「偏光分離膜を挟持する透明基板を介して偏光分離膜に入射」するので、「入射角」は透明基板の入射面への入射角である。従って、例えば、６０度の底角を持つ台形形状の断面形状を持つ透明基板の側面（斜面部）を入射面として光を入射させる場合に、入射角を例えば５４度に設定したものとすれば、このとき透明基板による屈折の作用により、偏光分離膜への入射角は５４度よりも小さくなる。

上記高屈折率膜における「高屈折率」は一般的な意味での高屈折率で「２．０以上」の屈折率である。中間屈折率膜における「中間屈折率」は一般に言う高屈折率と低屈折率との間の屈折率領域、例えば「１．５６〜１．７５程度の大きさの範囲」を言う。

請求項１記載の偏光ビームスプリッタにおける１対の透明基板のうち、少なくとも「誘電体多層膜を成膜される透明基板（接着層による接着が行われない透明基板）」は、１．４６〜１．５８の範囲内の屈折率を有する光学ガラスであることが好ましい（請求項２）。

この請求項２の場合において「設計基準波長の異なる各種の誘電体多層膜」における高屈折率膜は「Ｎｂ_２Ｏ_５」により形成され、中間屈折率膜は「Ｎｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２との混合物」により形成される。また、「設計基準波長の異なる各種の誘電体多層膜」における中間屈折率膜の屈折率が「Ｎｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２との混合比」により調整される。さらに、「設計基準波長の異なる各種の誘電体多層膜」における高屈折率膜と中間屈折率膜とは、設計基準波長：λに対して光学的厚さをλ／４に設定されていることができる（請求項３）。

請求項３記載の偏光ビームスプリッタにおける２種以上の誘電体多層膜はそれぞれ「積層数が８〜２０、好ましくは１２〜１６の範囲に設定されている」ことが好ましい（請求項４）。なお、積層数の上限は、偏光分離機能の面からは２０より多くても差し支えないが、２０層以上の誘電体多層膜は成膜に時間を要し、偏光ビームスプリッタ製造の効率が低下するので、製造コストの面から２０層程度が適当である。

請求項３または４記載の偏光ビームスプリッタにおいて、２種以上の誘電体多層膜と１層の誘電体膜は「１対の挟持用中間屈折率膜により挟持され、この挟持用中間屈折率膜はＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の混合物により形成され、且つ、誘電体多層膜における中間屈折率膜とは異なる屈折率を有し、２以上の誘電体多層膜の設計基準波長の何れとも異なる波長：Λに対して厚さをΛ／４に設定されている」ことが好ましい（請求項５）。

請求項３または４または５記載の偏光ビームスプリッタは、１対の透明基板の間に３種の誘電体多層膜と１層の誘電体膜とを有し、上記３種の誘電体多層膜に対する設計基準波長をλ１＝６１０ｎｍ、λ２＝８３０ｎｍ、λ３＝９４０ｎｍに設定することができる（請求項６）。この場合、３種の誘電体多層膜と１層の誘電体膜を挟持する「１対の挟持用中間屈折率膜（請求項５）」を有し、これら挟持用中間屈折率膜の光学的厚さを規定する波長：Λを「Λ＝８４０ｎｍに設定」するのがよい（請求項７）。

上記請求項６または７記載の偏光ビームスプリッタにおいては、設計基準波長：λ１＝６１０ｎｍ、λ２＝８３０ｎｍ、λ３＝９４０ｎｍによる３種の誘電体多層膜の積層数が１４であることができる（請求項８）。

上記請求項６または７記載の偏光ビームスプリッタにおいては、設計基準波長ごとの誘電体多層膜の積層数を変えて、「λ１＝６１０ｎｍの誘電体多層膜」の積層数が少なくとも６層、「λ２＝８３０ｎｍの誘電体多層膜＋λ３＝９４０ｎｍの誘電体多層膜」の積層数が少なくとも６層、好ましくは「λ１＝６１０ｎｍの誘電体多層膜」の積層数が少なくとも８層、「λ２＝８３０ｎｍの誘電体多層膜＋λ３＝９４０ｎｍの誘電体多層膜」の積層数が少なくとも１０層で実用レベルの偏光分離膜が得られる（請求項９）。

上における高屈折率膜、中間屈折率膜、挟持用中間屈折率膜の「光学的厚さ」は「膜自体の厚さ（物理的膜厚）と膜成分の屈折率との積」である。

請求項３〜９のうちの任意の一項に記載の偏光ビームスプリッタでは、高屈折率膜がＮｂ_２Ｏ_５により形成され、中間屈折率膜がＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の混合物により形成される。この場合、高屈折率膜は「Ｎｂの反応性スパッタにより成膜」することにより形成することができ、中間屈折率膜は「Ｓｉの反応性スパッタと、Ｎｂの反応性スパッタとを同時に行う」ことにより形成できる（請求項１０）。

中間屈折率膜を「Ｓｉの反応性スパッタと、Ｎｂの反応性スパッタとを同時に行う」ことにより形成する際に、Ｓｉのスパッタ強度とＮｂのスパッタ強度との大小関係を調整することにより、中間屈折率膜の屈折率を調整することができる。即ち、Ｎｂ_２Ｏ_５は、２．３４程度の高屈折率を持ち、ＳｉＯ_２は１．４３程度の低屈折率である。

「Ｓｉの反応性スパッタとＮｂの反応性スパッタとを同時に行う」と、反応によりＳｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５が同時に生成され、成膜された膜の成分は「ＳｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５との混合物」となる。従って、上記のように「Ｓｉのスパッタ強度とＮｂのスパッタ強度との大小関係を調整」して膜成分であるＳｉＯ_２とＮｂ_２Ｏ_５の混合比を制御することにより１．４３〜２．３４の間の任意の屈折率を実現できる。

中間屈折率膜は文字通り中間屈折率（例えば、１．５６〜１．７５程度）の屈折率に調整されるので、このような設計上の中間屈折率を実現するように「Ｓｉのスパッタ強度とＮｂのスパッタ強度との大小関係を調整」するのである。

一方、Ｎｂ_２Ｏ_５による高屈折率膜は、Ｎｂの反応性スパッタリングによりＮｂ_２Ｏ_５を生成させて成膜することにより形成できる。このとき、反応性スパッタリングにより、主としてＮｂ_２Ｏ_５が生成されるが、Ｎｂ_２Ｏ_５が１００％生成されると言うわけではなく、同時に少量ではあるが「Ｎｂ_２Ｏ_４のような異種生成物」も生成される。

このため、実際に成膜された高屈折率膜の成分は「純粋のＮｂ_２Ｏ_５」と言うわけではなく、上記異種生成物が少量混入したものとなる。また、膜の充填密度もばらつきがある。そのため「Ｎｂ_２Ｏ_５による高屈折率膜」の屈折率は（２．０７〜２．３４程度の範囲）変化することになるが、成膜条件を調整して一定に制御することにより、高屈折率膜の屈折率を再現性良く一定に制御できる。したがって、高屈折率膜の形成上の問題はない。

請求項１〜１０のうちの任意の一項に記載の偏光ビームスプリッタにおける「１対の透明基板」は、ＢＫ７により形成することができる（請求項１１）。

この発明の偏光変換素子は請求項１〜１１のうちの任意の一項に記載の偏光ビームスプリッタを多段に重ね、互いに平行に隣接する偏光分離膜間では透明基板を共通化し、偏光分離膜に対して略６０度をなす互いに平行な切断面により「共通化された透明基板」を切断し、切断面に直交する方向から見て「互いに平行な偏光分離膜が相互に密接もしくは近接するように構成された偏光分離膜アレイ」の、切断面の一方を入射側として、偏光分離すべき光を入射させるようにし、入射した光を偏光成分に応じて個々の偏光分離膜で「透過光と反射光に分離」すると共に、反射された反射光を「隣接する偏光分離膜で反射させる」ことにより、入射光と同方向に伝搬する光が、他方の切断面から射出するようにし、この切断面における上記透過光もしくは反射光の射出する部位に１／２波長板を配して、偏光状態の揃った光を得るように構成されたことを特徴とする（請求項１２）。

請求項１２記載の偏光変換素子は、入射面および／または射出面に対して、全ての偏光分離膜が６０度をなして傾き、入射方向および／または射出方向から見て偏光分離膜が互いに密接するように配置されていることが好ましい（請求項１３）。

以上に説明したように、この発明によれば新規な偏光ビームスプリッタおよび偏光変換素子を提供できる。

この発明の偏光ビームスプリッタは、後述する実施例や変形例に示すように、比較的少ない積層数の誘電体多層膜により偏光分離膜を形成でき、４００〜７５０ｎｍという広い波長領域に対し、入射角：５４〜６６度の範囲で良好な偏光分離機能を実現可能である。

また、透明基板の材質として例えば「ＢＫ７」のような安価に入手可能な「１．４６〜１．５８の範囲内の屈折率を有する光学ガラス」を使用でき、誘電体多層膜の高屈折率膜の材料もＮｂ_２Ｏ_５のように２．３程度の屈折率で安価に実現できるものを用いることができるので偏光ビームスプリッタの低コスト化が可能である。

また、この発明の偏光ビームスプリッタは偏光分離機能が優れているので、これを用いて構成される偏光変換素子は良好な偏光変換特性を実現できる。

以下、発明の実施の形態を説明する。

図１は、偏光ビームスプリッタの実施の形態を説明するための図である。

図１に示す偏光ビームスプリッタ１０は、入射光を偏光分離する偏光ビームスプリッタであって、偏光分離すべき光の入射角は６０度に設定されている。

偏光ビームスプリッタ１０は、１対の透明基板１１、１２の間に、一方の透明基板を接着するための接着層１４と、偏光分離膜１３とを少なくとも有する構成である。

図１の実施の形態では、偏光分離膜１３は透明基板１０に成膜形成され、このように成膜形成された偏光分離膜１３が接着層１４により透明基板１２に接着されている。即ち、接着層１３は一方の透明基板１２を偏光反射膜１３に接着している。

１対の透明基板１１、１２は図示の如く、断面形状が台形形状であり「断面形状をなす台形の底角は６０度に設定され、偏光分離すべき入射光ＬＩは、透明基板１１の「図で左側の側面」から、側面に直交するように入射する。したがって、入射光ＬＩは偏光分離膜１３に「入射角：６０度」をもって入射する。

偏光分離膜１３に入射した入射光のうち、図面に直交する面内の偏光成分は偏光分離膜１３により反射されてＳ偏光ＬＳとして透明基板１１の「図で右側の側面」から、この側面に直交して射出する。また、図面に平行な偏光成分は、偏光分離膜１３と接着層１４を透過し、透明基板１２の「図で右側の側面」から、この側面に直交するＰ偏光ＬＰとして射出する。従って、図１の偏光ビームスプリッタ１０に、入射角：６０度をもって入射する入射光ＬＩは、互いに６０度の角をなすＳ偏光ＬＳ、Ｐ偏光ＬＰに偏光分離される。

なお、Ｐ偏光ＬＰが射出する透明基板１１の右側面の底角、Ｓ偏光ＬＳが射出する透明基板１２の右側面の底角を調整することにより、分離したＰ偏光ＬＰとＳ偏光ＬＳとのなす角を上記６０度以外の角に調整することができる。

偏光反射膜１３は「設計基準波長の異なる２種以上の誘電体多層膜」を有する。

２種以上の誘電体多層膜はそれぞれ「高屈折率膜と中間屈折率膜とを、設計基準波長に応じた光学的厚さで交互に積層」してなる。そして、偏光分離膜１３は、実質的に可視波長領域の光に対して偏光分離機能を持つ。

ここで「図１に示す偏光ビームスプリッタの具体的な実施例」を挙げる。

「実施例１」
実施例１の偏光ビームスプリッタは図１に示したように、入射角を６０度として設計されている。実施例１の偏光ビームスプリッタの構成を表１に示す。

表１における表記を説明する。最上欄における「層」とは、１対の透明基板と誘電体膜を表す。表１の上側に記載された「基板」は、図１における透明基板１１に相当する。表１の下側に記載された「基板」は、図１における透明基板１２に相当する。また、層の欄における数値：１〜４６（以下、層番号：１〜４６という。）は、基板１１の側から成膜形成された誘電体膜および接着層の形成の順序を示している。また「物質」とあるのは「透明基板」および各「誘電体膜」の材質である。「中心波長」とあるのは上に説明した「設計基準波長」である。「屈折率」とあるのは透明基板および各「誘電体膜」の屈折率である。「膜厚」とあるのは各「誘電体膜」の「膜の屈折率と膜自体の厚さとの積」、即ち、前述の「光学的厚さ」である。「物理的膜厚」は上記「膜自体の厚さ」である。

設計基準波長である中心波長は「λ０」と表記される。屈折率は「ｎ」と表記される。物理的膜厚は「ｄ」と表記されている。従って、膜厚は「ｎｄ」である。そして、この実施例１において、全ての「膜」の膜厚：ｎｄは「λ０／４（＝０．２５λ０ 表１中に「０．２５λ」と表記されている。）」に設定されている。

表１において、第１の多層膜、第２の多層膜、第３の多層膜とあるのは、上に説明した「誘電体多層膜」である。これら第１〜第３の多層膜は、中心波長：λ０即ち「設計基準波長」が互いに異なる。

各「誘電体膜」の材質の欄における「Ｎｂ２Ｏ５」は「Ｎｂ_２Ｏ_５」を表し、「Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２」は「Ｎｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２との混合組成」を表す。又以下の説明においても同様の表現を使用することがある。

１対の透明基板から説明すると、これらの透明基板（表１における上下の「基板」）の材料ＢＳＣ７（商品名 保谷硝子）は、通常ＢＫ７と呼ばれる「最も一般的な光学ガラス材料」で屈折率は１．５２である。

表１における上の基板（図１の透明基板１１）に「層番号：１」として形成された誘電体膜は、中心波長：λ０＝８４０ｎｍに対して膜厚：０．２５λ０を実現するべく、膜の混合組成：Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２におけるＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２との混合比を「屈折率：１．５７２を実現する」ように設定されている。実際の物理的膜厚は１３３．６０ｎｍで、１３３．６０×１．５７２＝２１０．０＝８４０／４が光学的厚さである。「層番号：１の誘電体膜」は「１対の挟持用中間屈折率膜」の一方に相当する。

第１の多層膜（第１種の誘電体多層膜）は、層番号：２〜１５の１４層の膜で構成され、中心波長（第１種の設計基準波長）：λ０＝６１０ｎｍとしている。この第１の多層膜の偶数の層番号を持つ膜は、高屈折率物質：Ｎｂ_２Ｏ_５（中心波長：６１０ｎｍに対する屈折率：ｎＨ１＝２．２１３）の膜である。この第１の多層膜の奇数の層番号を持つ膜は、中心波長：６１０ｎｍに対する屈折率：ｎＬ１＝１．６１３を実現するように混合比を調整された中間屈折率物質：Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２の膜である。これら高屈折率膜と中間屈折率膜が交互に１４層に積層されて第１の多層膜を構成している。

高屈折率膜は物理的膜厚（ｄ）：６８．９０で屈折率（ｎ）：２．２１２であるから、膜厚（ｎｄ）：６８．９０×２．２１３＝１５２．５＝６１０／４である。中間屈折率膜は物理的膜厚：９４．６０、屈折率：１．６１３であるから、膜厚：９４．６０×１．６１３＝１５２．５＝６１０／４である。

次に、第２の多層膜（第２種の誘電体多層膜）は、層番号：１６〜２９の１４層の膜で構成されているが、中心波長（第２種の設計基準波長）：λ０＝８３０ｎｍとしている。この第２の多層膜の偶数の層番号の膜は高屈折率物質：Ｎｂ_２Ｏ_５（中心波長：８３０ｎｍに対する屈折率：ｎＨ２＝２．１７０）の膜である。この第２の多層膜の奇数の層番号の膜は、中心波長：８３０ｎｍに対する屈折率：ｎＬ２＝１．６２３を実現するように混合比を調整された中間屈折率物質：Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２の膜である。これら高屈折率膜と中間屈折率膜が交互に１４層に積層されて第２の多層膜を構成しているのである。

高屈折率膜は物理的厚さ：９５．６０、屈折率：２．１７０であるから、膜厚は９５．６０×２．１７０＝２０７．５＝８３０／４である。また、中間屈折率膜は物理的膜厚：１２７．９、屈折率：１．６２３であるから、膜厚：１２７．９×１．６２３＝２０７．５＝８３０／４である。

第３の多層膜（第３種の誘電体多層膜）は、層番号：３０〜４３の１４層の膜で構成されるが、中心波長（第３種の設計基準波長）：λ０＝９４０ｎｍとしている。この第３の多層膜の偶数の層番号の膜は高屈折率物質：Ｎｂ_２Ｏ_５（中心波長：９４０ｎｍに対する屈折率：ｎＨ３＝２．１５９）の膜である。この第３の多層膜の奇数の層番号の膜は、中心波長：９４０ｎｍに対する屈折率：ｎＬ３＝１．６１６を実現するように混合比を調整された中間屈折率物質：Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２の膜である。これら高屈折率膜と中間屈折率膜が交互に１４層に積層されて第３の多層膜を構成しているのである。

高屈折率膜は物理的厚さ：１０８．８、屈折率：２．１５９であるから、膜厚は１０８．８×２．１５９＝２３５＝９４０／４である。また、中間屈折率膜は物理的膜厚：１４５．４、屈折率：１．６１６であるから、膜厚：１４５．４×１．６１６＝２３５＝９４０／４である。

第１〜第３の多層膜の中で、第３の多層膜は「接着層（層番号：４６）の側の多層膜」である。この第３の多層膜に続けて成膜されている層番号：４４の誘電体膜は「１層の誘電体膜」であり、第３の多層膜における第１層、即ち「層番号：３０の誘電体膜」と同じ（組成・厚さの）膜であり、高屈折率物質：Ｎｂ_２Ｏ_５（中心波長：９４０ｎｍに対する屈折率：ｎＨ３＝２．１５９）の膜である。

層番号：４４の「１層の誘電体膜」に続いて「層番号：４５の誘電体膜」が形成されている。層番号：４５の誘電体膜は、中心波長：λ０＝８４０ｎｍに対して膜厚：０．２５λ０を実現すべく、膜の混合組成：Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２におけるＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２との混合比を「屈折率：１．５７２を実現する」ように設定されている。実際の物理的膜厚は１３３．６０ｎｍであり、１３３．６０×１．５７２＝２１０．０＝８４０／４が光学的厚さである。即ち、層番号：４５の誘電体膜は、層番号：１の誘電体膜と同じであり、層番号：１の誘電体膜とともに「１対の挟持用中間屈折率膜」を構成する。

この層番号：４５の誘電体膜が、接着剤による「接着層（層番号：４６）」により、他方の基板（図１の透明基板１２に相当する。）に接着される。接着層をなす接着剤としては「市販のエポキシ系等の接着剤」を使用することができる。

上記の如く、第１〜第３の多層膜（層番号：２〜４３）と１層の多層膜（層番号：４４）は、これのみで偏光分離膜を構成できる。実施例１では、これらと共に、これらを挟持する挟持用中間屈折率層（層番号：１、４５）により偏光分離膜が構成されている。

上記第１〜第３の多層膜を挟持する１対の透明基板は、図１に示したように、断面形状が底角：６０度の台形形状を持ち、入射光ＬＩは透明基板の側面から偏光分離膜に対して６０度の角をなして入射する。

実施例１の偏光ビームスプリッタは上記の如くに構成されている。

すでに述べたように、この発明の偏光ビームスプリッタは「４００〜７５０ｎｍという広い可視波長領域で良好な偏光分離機能を実現可能」とするものであるが、後述するように、実施例１の偏光ビームスプリッタは、入射角：６０度の入射光に対し、波長３８０〜７８０ｎｍという開始領域を超える広い波長領域で、Ｐ偏光ＬＰの透過率：９５％以上、Ｓ偏光ＬＳの透過率：実質０％という極めて良好な偏光分離機能が実現されている。

ここで、実施例１の偏光ビームスプリッタにおける第１〜第３の多層膜の作用を簡単に説明する。

入射光ＬＩは、第１の多層膜に入射角：６０度をもって入射するので、第１の多層膜を透過する光の伝搬方向は、第１の多層膜の各「誘電体膜」の厚さ方向に対して傾き、実際に誘電体膜を透過する距離は、実際の物理的膜厚よりもずっと大きくなる。このとき、誘電体膜を実際に透過する距離を「光学的有効膜厚」という。光学的有効膜厚は、膜に斜め入射する光が誘電体膜を透過する距離を「垂直入射」の場合に換算した膜厚である。

第１の多層膜における「高屈折率膜に対する光学的有効膜厚」は４９４／４ｎｍ、「中間屈折率膜に対する光学的有効膜厚」は３６０／４ｎｍである。第１の多層膜は、これらの平均値である４２７ｎｍ近傍を中心とする波長領域の偏光分離を受け持つ。

同様に、第２の多層膜における「高屈折率物質の光学的有効膜厚」は６７２／４ｎｍ、「中間屈折率物質の光学的有効膜厚」は４９０／４ｎｍである。第２の多層膜は、これらの平均値である５８１ｎｍ近傍を中心とする波長領域の偏光分離を受け持つ。

第３の多層膜では「高屈折率物質の光学的有効膜厚」は７６１／４ｎｍ、「中間屈折率物質の光学的有効膜厚」は５５５／４ｎｍで、第３の多層膜は、これらの平均値である６５８ｎｍ近傍を中心とする波長領域の偏光分離を受け持つ。

このようにして、第１の多層膜により４２７ｎｍ近傍を中心とする波長領域、第２の多層膜により５５５ｎｍ近傍を中心とする波長領域、第３の多層膜により６５８ｎｍ近傍を中心とする波長領域で偏光分離が行われ、全体としては３８０〜７８０ｎｍの波長領域で良好な偏光分離機能が得られる。

図２に、実施例１の偏光ビームスプリッタに入射角：６０度で「偏光分離するべき光」を入射させたときの「偏光分離機能」を示す。縦軸は「透過率を％単位」で示し、横軸は「波長をｎｍ単位」で示している。

図２において、符号２−１で示す曲線は「Ｐ偏光の透過率」であり、図の如く、可視波長領域を超える波長：３８０〜８００ｎｍの範囲で９５％以上である。符号２−２で示す曲線は「Ｓ偏光の透過率」で０％が理想であるが「波長：３８０〜７８０ｎｍの範囲で実質０％」である。

これから明らかなように、実施例１の偏光ビームスプリッタは、入射角の設計値：６０度で入射する光に対して、可視波長領域を超える「３８０〜７８０ｎｍの波長範囲」で極めて良好な偏光分離機能を示す。しかも、偏光分離膜は「第１〜第３の多層膜と１層の誘電体膜」を合わせて４３層（層番号：２〜４４）、これらを挟持する「２層の挟持用中間屈折率膜（層番号：１、４５）」を入れても全４５層と少ない膜構成数であり、透明基板は低屈折率で安価なＢＫ７を用いている。多層膜における高屈折率膜の屈折率も２．２前後である。

即ち、実施例１の偏光ビームスプリッタは安価な透明基板材料を用い、膜構成数も４５層と少ないので、成膜に要する時間・コストが少なく、従って安価に製造でき、なおかつ広い可視波長領域で良好な偏光分離機能を発揮する。

ここで、実施例１の偏光ビームスプリッタに入射する「偏光分離するべき光」の入射角が設計入射角：６０度から±６度ずれた場合に、Ｐ偏光、Ｓ偏光の透過率がどのようになるかを図３に示す。

実施例１における透明基板は、図１に示すように、底角：６０度の台形形状の断面形状を持ち、設計上の入射角：６０度を持って入射する光は、台形形状の斜面部分に直交して入射するので、入射面での屈折角は０であって、偏光分離膜にもそのまま入射角：６０度で入射する。

上のように、入射角が６０度から±６度ずれる場合には、入射角は上記台形形状の斜面部分に対して直交する方向から±６度ずれるので、透明基板への入射面で屈折が生じ、このために偏光分離膜への入射角は、６０度に対して±６度ずれるのではなく、透明基板（ＢＫ７）の屈折率（＝１．５２）を考慮すると、偏光分離面への入射角は±３．９５度変化することになる。

図３（ａ）、（ｂ）において、曲線２−１、２−２は入射角：６０度におけるＰ偏光の透過率（図３（ａ））とＳ偏光の透過率（図３（ｂ））を示し、これらは図２における曲線２−１、２−２と同じである。図３（ａ）における曲線３−１、３−２は偏光分離膜への入射角：５６．０９度、６３．９５度の場合の「Ｐ偏光の透過率」であり、波長：３５０〜８００ｎｍの波長範囲で８０％以上である。また、図３（ｂ）における曲線３−３、３−４は偏光分離面への入射角：入射角：５６．０９度、６３．９５度の場合の「Ｓ偏光の透過率」であり、波長：４００〜７７５ｎｍの波長範囲で実質的に０％である。

即ち、偏光分離効果は、入射角が６０度から±６度ずれると、入射角：６０度での入射の場合に比して若干減ずるが、実用的な見地から見て十分に使用に耐えるものである。

例えば、実施例１の偏光ビームスプリッタを液晶プロジェクタ等に使用する場合、光源からの光束は、平行光束化した後も若干の方向分散性があり、一般には、±４度程度の範囲で光の方向が分散している。このような場合にも、実施例１の偏光ビームスプリッタは、上記の如く入射角が±６度程度変化しても十分に実用に耐える偏光分離機能を有するから十分に使用に耐える。

上に説明した実施例１は、偏光分離膜を挟持する１対の透明基板をＢＫ７により形成した例であるが、透明基板の材質はＢＫ７に限られず「１．４６〜１．５８の範囲内の屈折率を有する光学ガラス」を用いることができる。そこで、実施例１の変形例として、実施例１における第１〜第３の多層膜・挟持用中間屈折率膜・接着層を同一とし、透明基板として屈折率の異なる光学ガラスを用いる場合を変形例として挙げる。

「変形例１」
変形例１では、透明基板（実施例１と同じく底角：６０度の台形形状の断面形状を持ち、入射角は６０度に設定されている。）の屈折率を１．４８とした。

図４（ａ）に、変形例１におけるＰ偏光の透過率（曲線４−１）とＳ偏光の透過率（曲線４−２）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：３６０〜８００ｎｍの範囲で８０％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：４００〜８００ｎｍの範囲で実質０％であるから、偏光分離機能は良好である。

「変形例２」
変形例２では、透明基板（実施例１と同じく底角：６０度の台形形状の断面形状を持ち、入射角は６０度に設定されている。）の屈折率を１．５８とした。

図４（ｂ）に、変形例２におけるＰ偏光の透過率（曲線４−３）とＳ偏光の透過率（曲線４−４）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：３５０〜８００ｎｍの範囲で８０％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：３５０〜７５０ｎｍの範囲で実質０％であるから、偏光分離機能は良好である。

次に、実施例１における他の変形例として、第１〜第３の多層膜における「中間屈折率膜の屈折率」を変化させた場合の例を示す。

「変形例３」
変形例３では、中間屈折率膜（Ｎｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の混合材料による膜）の屈折率を１．５８とした。

図５（ａ）に、変形例３におけるＰ偏光の透過率（曲線５−１）とＳ偏光の透過率（曲線５−２）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：３５０〜８００ｎｍの範囲で８５％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：３８０〜７８０ｎｍの範囲で実質０％であるから、偏光分離機能は良好である。

「変形例４」
変形例４では、中間屈折率膜（Ｎｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の混合材料による膜）の屈折率を１．７２とした。

図５（ｂ）に、変形例４におけるＰ偏光の透過率（曲線５−３）とＳ偏光の透過率（曲線５−４）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：３５０〜８００ｎｍの範囲で８４％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：４２０〜７８０ｎｍの範囲で５％以下であるから、実用上の偏光分離機能は十分である。

なお、変形例３における中間屈折率膜の屈折率：１．５８、変形例４における中間屈折率膜の屈折率：１．７２は、波長：５５０ｎｍにおける代表値であり、実際の中心波長：６１０ｎｍ、８３０ｎｍ、９４０ｎｍにおける値は、変形例３において、１．５７２、１．５５３、１．５４６であり、変形例４において、１．７１１、１．６９３、１．６８８である。

次に、実施例１における別の変形例として、第１〜第３の多層膜における「高屈折率膜の屈折率」を変化させた場合の例を示す。

「変形例５」
変形例５では、高屈折率膜（Ｎｂ_２Ｏ_５による膜）の屈折率を２．０８６とした。

図６（ａ）に、変形例５におけるＰ偏光の透過率（曲線６−１）とＳ偏光の透過率（曲線６−２）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：３５０〜８００ｎｍの範囲で９５％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：４００〜７５０ｎｍの範囲で５％程度以下であるから、実用上の偏光分離機能は十分である。

「変形例６」
変形例６では、高屈折率膜（Ｎｂ_２Ｏ_５による膜）の屈折率を２．３３６とした。

図６（ｂ）に、変形例６におけるＰ偏光の透過率（曲線６−３）とＳ偏光の透過率（曲線６−４）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：４００〜８００ｎｍの範囲で９０％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：４００〜８００ｎｍの範囲で実質０％であるから、実用上の偏光分離機能は十分である。

変形例５における高屈折率膜の屈折率：２．０８６、変形例６における高屈折率膜の屈折率：２．２３６は、波長：５５０ｎｍにおける代表値であり、実際の中心波長：６１０ｎｍ、８３０ｎｍ、９４０ｎｍにおける値は、変形例５において、２．０６３、２．０２０、２．００９であり、変形例６において、２．３１３、２．２７１、２．２５９である。

次に、実施例１における他の変形例として、第１〜第３の多層膜の構成を実施例１と同一とし、挟持用中間屈折率膜（層番号：１、４５）の屈折率を変化させた場合を示す。

「変形例７」
変形例７では、挟持用中間屈折率膜（Ｎｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の混合材料による膜）の屈折率を１．５５５とした。

図７（ａ）に、変形例７におけるＰ偏光の透過率（曲線７−１）とＳ偏光の透過率（曲線７−２）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：４００〜８００ｎｍの範囲で実質１００％、Ｓ偏光の透過率は波長：４００〜７８０ｎｍの範囲で実質０％であるから、偏光分離機能は十分である。

「変形例８」
変形例８では、挟持用中間屈折率膜（Ｎｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の混合材料による膜）の屈折率を１．６５とした。

図７（ｂ）に、変形例８におけるＰ偏光の透過率（曲線７−３）とＳ偏光の透過率（曲線７−４）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：４００〜８００ｎｍの範囲で９５％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：３９０〜７８０ｎｍの範囲で実質０％であるから、偏光分離機能は十分である。

変形例７における挟持用中間屈折率膜の屈折率：１．５５５、変形例８における挟持用中間屈折率膜の屈折率：１．６５は、波長：５５０ｎｍにおける代表値であり、実際の中心波長：６１０ｎｍ、８３０ｎｍ、９４０ｎｍにおける値は、変形例７において、１．５４７、１．５２７、１．５２１であり、変形例８において、１．６４１、１．６２３、１．６１６である。

実施例１および変形例２〜８から明らかなように、透明基板の屈折率は「１．４８〜１．５８」に対して良好な偏光分離特性が得られており、１．４６〜１．５８の範囲内の屈折率を有する光学ガラスを好適に使用することが可能である。例えば画像表示装置に用いる場合、このように透明基板の屈折率が１．４６〜１．５８の範囲内であれば、波長４００ｎｍ〜７５０ｎｍの間でＰ偏光の透過率が略８０％以上となり、Ｓ偏光の透過率は実質０％となるので、実装に耐えうる。第１〜第３の多層膜の中間屈折率膜については屈折率：１．５８〜１．７２（波長：５５５ｎｍでの値）の範囲で良好な偏光分離特性が得られており、高屈折率膜については屈折率：２．０８６〜２．３３６の範囲で好な偏光分離特性が得られており、挟持用中間屈折率膜については屈折率：１．５６５〜１．６５の範囲で良好な偏光分離特性が得られている。

次に、挟持用中間屈折率膜の技術的意義を説明する。

「変形例９」
変形例９は、実施例１において、挟持用中間屈折率層（層番号：１、４５の膜）を用いない場合である。

図８に、変形例９におけるＰ偏光の透過率（曲線８−１）とＳ偏光の透過率（曲線８−２）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：３８０〜８００ｎｍの範囲で９５％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：４００〜７８０ｎｍの範囲で実質０％であるから、偏光分離機能は十分である。しかしながら、図８の偏光分離特性図を図２の偏光分離特性図（実施例１に関する偏光分離特性図）と比較してみると、Ｐ偏光の透過率は、実施例１（図２）においては、波長：３８０〜８００ｎｍの範囲で、９７％以上であるが、変形例９の場合には、Ｐ偏光の透過率は、四角い枠で囲った部分、即ち、波長：４００〜８００ｎｍの範囲で細かく振動している。

Ｐ偏光の透過率におけるこの「細かい振動」はリップルと呼ばれるが、挟持用中間屈折率膜を設けることにより、Ｐ偏光の透過率のリップルが改善されることが分る。従って、挟持用中間屈折率膜は、偏光分離膜中にこれを設けなくても、実用上問題のない偏光分離機能を実現できるけれども、これを設けることにより、Ｐ偏光の分光透過率をさらに改善できる。

先に述べたように、実施例１において、第１の多層膜は４２７ｎｍ近傍を中心とする波長領域の偏光分離を受け持ち、第２の多層膜は５８１ｎｍ近傍を中心とする波長領域の偏光分離を受け持ち、第３の多層膜は６５８ｎｍ近傍を中心とする波長領域の偏光分離を受け持つ。

ここで、第１〜第３の多層膜の１以上を用いた場合の偏光分離特性を示す。

まず、実施例１における第１の多層膜を単独で用いる場合に付いて説明する。

実施例１における基板（表の上側の基板）に、層番号：１の挟持用中間屈折率膜（中心波長：λ０＝８４０ｎｍ、物質：Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２ 屈折率：１．５７２ 物理的膜厚：１３３．６０）を設け、これに続けて、実施例１の層番号：２〜１５の１４層からなる「第１の多層膜」を形成し、さらに、層番号：２の誘電体膜（中心波長：６１０ｎｍ 物質：Ｎｂ_２Ｏ_５ 屈折率：２．２１３ 物理的膜厚：６８．９０）と同じ組成・厚さの誘電体膜を「１層の誘電体膜」として設けて１５層とし、続いて層番号：１の挟持用中間屈折率膜と同じ挟持用中間屈折率膜を形成して全１７層の偏光分離膜とし、最後に積層した挟持用中間屈折率膜を接着層により他方の基板（表の下側の基板）に接着した。

表２にこの場合の構成を表１に倣って示す。

図９に、このときのＰ偏光の透過率（曲線９−１）とＳ偏光の透過率（曲線９−２）を示す。波長：４２７ｎｍ近傍を中心とする波長領域に対して良好な偏光分離機能を持つ。

次に、実施例１における第２の多層膜を単独で用いる場合に付いて説明する。

実施例１における基板（表の上側の基板）に、層番号：１の挟持用中間屈折率膜（中心波長：λ０＝８４０ｎｍ、物質：Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２ 屈折率：１．５７２ 物理的膜厚：１３３．６０）を設け、これに続けて実施例１の層番号：１６〜２９の１４層からなる「第２の多層膜」を形成し、さらに、層番号：１６の誘電体膜と同じ誘電体膜（中心波長：８３０ｎｍ 物質：Ｎｂ_２Ｏ_５ 屈折率：２．１７０ 物理的膜厚：９５．６０）を「１層の誘電体膜」として設けて１５層とし、続けて層番号：１の挟持用中間屈折率膜と同じ挟持用中間屈折率膜を形成して全１７層の偏光分離膜とし、最後に成膜した挟持用中間屈折率膜を接着層により他方の基板（表の下側の基板）に接着した。

表３にこの場合の構成を表１に倣って示す。

表３における層番号：２〜１５が、実施例１における層番号：１６〜２９に相当する。

図１０に、このときのＰ偏光の透過率（曲線１０−１）とＳ偏光の透過率（曲線１０−２）を示す。波長：５８１ｎｍ近傍を中心とする波長領域において良好な偏光分離機能を有する。

次に、実施例１における第３の多層膜を単独で用いる場合に付いて説明する。

実施例１における基板（表の上側の基板）に、層番号：１の挟持用中間屈折率膜（中心波長：λ０＝８４０ｎｍ、物質：Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２ 屈折率：１．５７２ 物理的膜厚：１３３．６０）を設け、これに続いて実施例１の層番号：３０〜４３の１４層からなる「第２の多層膜」を形成し、さらに、層番号：３０の誘電体膜と同じ誘電体膜（中心波長：９４０ｎｍ 物質：Ｎｂ_２Ｏ_５ 屈折率：２．１５９ 物理的膜厚：１０８．８０）を「１層の誘電体膜」として設けて１５層とし、さらに層番号：１の挟持用中間屈折率膜と同じ挟持用中間屈折率膜を形成して全１７層の偏光分離膜とし、最後に成膜した挟持用中間屈折率膜を接着層により他方の基板（表の下側の基板）に接着した。

表４にこの場合の構成を表１に倣って示す。

表４における層番号：２〜１５が、実施例１における層番号：３０〜４３に相当する。

図１１に、このときのＰ偏光の透過率（曲線１１−１）とＳ偏光の透過率（曲線１１−２）を示す。波長：６５８ｎｍ近傍を中心とする波長領域において良好な偏光分離機能を有する。

次に、実施例１の変形例１０として、実施例１における第１および第２の多層膜を組合せた場合を変形例１０として説明する。

「変形例１０」
実施例１における基板（表の上側の基板）に、層番号：１の挟持用中間屈折率膜（中心波長：λ０＝８４０ｎｍ、物質：Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２ 屈折率：１．５７２ 物理的膜厚：１３３．６０）を設け、これに続けて実施例１の層番号：２〜１５の１４層からなる「第１の多層膜」を形成し、続けて実施例１の層番号：１６〜２９の１４層からなる第２の多層膜を形成し、さらに層番号：１６の誘電体膜と同じ誘電体膜（中心波長：８３０ｎｍ 物質：Ｎｂ_２Ｏ_５ 屈折率：２．１７０ 物理的膜厚：９５．６０）を「１層の誘電体膜」として設けて２９層とし、さらに層番号：１の挟持用中間屈折率膜と同じ挟持用中間屈折率膜を形成して全３０層の偏光分離膜とし、最後に成膜した挟持用中間屈折率膜を接着層により他方の基板（表の下側の基板）に接着した。

表５にこの場合の構成を表１に倣って示す。

表５における層番号：２〜２９が、実施例１における層番号：２〜２９に相当する。

図１２に、このときのＰ偏光の透過率（曲線１２−１）とＳ偏光の透過率（曲線１２−２）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：４００〜８００ｎｍの範囲で９７％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：４００〜６５０ｎｍの範囲で実質０％である。図１２は、図９と図１０の偏光分離特性図の積になっている。

偏光分離できる波長領域は実施例１における３８０〜７８０ｎｍに比して、４００〜６５０ｎｍとやや狭いが、実質的な可視波長領域をカバーしており、偏光ビームスプリッタとしての使用に耐えるものである。

即ち、この発明の偏光ビームスプリッタにおける偏光分離膜は、この変形例１０のように、設計基準波長の異なる誘電体多層膜を最小限２つ有すれば良いのである。

図９、図１０、図１１の偏光分離特性図の積をとったものは、実施例１の偏光分離特性図を示す図２と同一になる。

なお、実施例１における第２、第３の多層膜を組合せる場合には、まず、実施例１における基板（表の上側の基板）に、層番号：１の挟持用中間屈折率膜（中心波長：λ０＝８４０ｎｍ、物質：Ｎｂ２Ｏ５／ＳｉＯ２ 屈折率：１．５７２ 物理的膜厚：１３３．６０）を設ける。そして、これに続けて実施例１の層番号：１６〜２９の１４層からなる「第２の多層膜」を形成する。さらに、続けて実施例１の層番号：３０〜４３の１４層からなる第３の多層膜を形成する。そしてさらに層番号：３０の誘電体膜と同じ誘電体膜（中心波長：９４０ｎｍ 物質：Ｎｂ_２Ｏ_５ 屈折率：２．１５９ 物理的膜厚：１０８．８０）を「１層の誘電体膜」として設けて２９層とする。それからさらに層番号：１の挟持用中間屈折率膜と同じ挟持用中間屈折率膜を形成し、この挟持用中間屈折率膜を接着層により他方の基板（表の下側の基板）に接着すればよい。

表６にこの場合の構成を表１に倣って示す。

表６における層番号：２〜２９が、実施例１における層番号：１６〜４３に相当する。

この場合の偏光分離特性は、図１０と図１１との積をとったものになり、図１３に示す如きものとなる。この場合は、Ｐ偏光の透過率（曲線１３−１）は良好であるが、Ｓ偏光の透過率（曲線１３−２）が短波長：４００〜５３０ｎｍの領域で大きくなるので、可視波長領域全域にわたる偏光分離機能を実現することはできない。しかしながら、５３０〜７８０ｎｍの波長範囲の光については有効な偏光分離機能を有するので、可視光から、緑色成分を分離する偏光カラーフィルタとして好適に使用することができる。

また、この発明の偏光ビームスプリッタの偏光分離膜に用いられる２種以上の誘電体多層膜の積層数は８〜２０、好ましくは１２〜１６である。実施例１および上に説明した各変形例では、誘電体多層膜における誘電体膜の積層数を１４としている。この積層数を１２とした場合を変形例１１、積層数を１０とした場合を変形例１２として説明する。

「変形例１１」
実施例１において、第１の多層膜を層番号：２〜１３の１２層の誘電体膜で構成する。そして、第２の多層膜を層番号：１６〜２７の１２層の誘電体膜で構成する。さらに、第３の多層膜を層番号：３０〜４１の１２層の誘電体膜で構成し、第３の多層膜に続けて層番号：４４の誘電体膜（第３の多層膜における第１層の誘電体膜（層番号：３０の誘電体膜）と同じもの）を１層の誘電体膜として設ける。それから層番号：４５の挟持用中間屈折率膜と接着層を介して他方の基板を設けた。

図１４に、このときのＰ偏光の透過率（曲線１４−１）とＳ偏光の透過率（曲線１４−２）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：４００〜８００ｎｍの範囲で９７％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：４００〜７５０ｎｍの範囲で実質０％であり、可視波長領域の光に対する偏光分離機能として十分である。

「変形例１２」
実施例１において、第１の多層膜を層番号：２〜１１の１０層の誘電体膜で構成する。そして、第２の多層膜を層番号：１６〜２５の１０層の誘電体膜で構成する。第３の多層膜を層番号：３０〜３９の１０層の誘電体膜で構成し、第３の多層膜に続けて層番号：４４の誘電体膜（第３の多層膜における第１層の誘電体膜（層番号：３０の誘電体膜）と同じものを１層の誘電体膜として設ける。それから層番号：４５の挟持用中間屈折率膜と接着層を介して他方の基板を設けた。

図１５に、このときのＰ偏光の透過率（曲線１５−１）とＳ偏光の透過率（曲線１５−２）を示す。Ｐ偏光の透過率は、波長：４００〜８００ｎｍの範囲で９７％以上、Ｓ偏光の透過率は波長：４００〜７５０ｎｍの範囲で実質０％であり、可視波長領域の光に対する偏光分離機能として十分である。図１４と図１５を比較するとわかるように、多層膜の積層数を減らすと、図１５において、符号１５ａで示す短波長領域と符号１５ｂで示す長波長領域で「Ｓ偏光の透過率（曲線１５−２）が増加する傾向」がある。また、積層数が減るに従い、偏光ビームスプリッタとして使用できる波長範囲が狭まる傾向がある。実用上の可視波長領域での使用を考える場合には、積層数は８程度が下限である。

この発明の偏光ビームスプリッタを「プロジェクタ装置」に使用する場合を想定し、入射角：６０度で、波長：４００〜７００ｎｍの可視波長領域においてＰ偏光の透過率：９５％以上、Ｓ偏光の透過率：１％未満を設計条件とする場合、第１〜第３の多層膜は１２〜１６層の範囲が好適な範囲である。

上記実施例１および各変形例における検討では、各設計基準波長の誘電体多層膜の積層数を互いに等しいものとしている。また波長範囲も可視全域（４００〜７００ｎｍ）を想定している。しかしながらプロジェクタ装置に一般的に用いられている超高圧水銀ランプにおいては４２０ｎｍ以下及び６８０ｎｍ以上の波長成分はほとんど含まれていない。そこで有効波長範囲を４２０〜６８０ｎｍ、Ｓ偏光の透過率を５％未満（上記の積層数８層と同程度）、各基準波長の積層数は自由として検討しなおすことにより、総層数をさらに減じることができる。

以下にそのような場合の構成例である変形例１３，１４について述べる。

「変形例１３」
変形例１３は上記実施例１において、第１の多層膜を8層、第２の多層膜を６層、第３の多層膜を４層とした場合の偏光ビームスプリッタの構成例である。

表７にこの場合の構成を表１に倣って示す。

図１７は図２と同様の図であり、変形例１３による偏光ビームスプリッタが有する偏光分離機能の特性を示す。

図１７の偏光分離機能の特性では、図示の如く波長４２０〜６８０nmにおいてP偏光の透過率（曲線１７−１）は９８％以上（平均的には９９％以上）、S偏光の透過率（曲線１７−２）は3％以下（平均的には約１％）であり、十分に実用可能な特性が得られることが分かる。

図１７に示すものと同程度の偏光分離機能の特性は、第１の多層膜を８層、「第２の多層膜+第３の多層膜」を１０層とすることによっても得られる。

上記変形例１３に対しさらに多層膜を構成する積層数を減らすとその分偏光ビームスプリッタの性能は劣化する。実用に耐えうる限界をどこに置くかは、使用する系の要求仕様にかかわってくるので一概にはいえないが、波長４２０〜６８０nmにおいて、S偏光の透過率が１０％程度（平均的に３％程度）を限界と考えた場合、第１の多層膜が６層、「第２の多層膜＋第３の多層膜」（すなわち第２の多層膜の積層数と第３の多層膜の積層数とを合計した層数）が８層よりなる構成まで積層数を減少可能である。
「変形例１４」
変形例１４は上記実施例１において、第１の多層膜を６層、第２の多層膜を６層、第３の多層膜を２層とした場合の偏光ビームスプリッタの構成例である。

表８にこの場合の構成を表１に倣って示す。

図１８も図２と同様の図であり、変形例１４による偏光ビームスプリッタが有する偏光分離機能の特性を示す。この場合図示の如く、波長４２０〜６８０nmにおいてP偏光の透過率（曲線１８−１）が９８％以上（平均的には９９％以上）、S偏光の透過率（曲線１８−２）が最大約１０％（平均的には約３％）となっている。

これらの値が実用に耐え得る値と言えるか否かは、使用するランプの分光特性や光学系全体の要求仕様によって変わる。このため、上記変形例１３の偏光分離機能でも実用上の条件が満たされない場合もあり得、逆に上記変形例１４の偏光分離機能より悪い値のものでも実用上の条件を満たす場合もあり得る。

すなわち、例えばＬＥＤによる照明のように波長域が限定される光源を使用した系に適用する偏光ビームスプリッタの場合、可視全域にわたって良好な特性が得られる必要はなく、使用するＬＥＤの波長に対応した波長域のみについて良好な特性が得られれば良い。したがって偏光ビームスプリッタを構成する多層膜の積層数を減らしても、実際に必要な波長域において偏光分離機能の良好な特性が得られれば実用上差し支えない。

偏光ビームスプリッタを構成する多層膜の積層数が減少すればコスト的に有利である点以外にも、偏光ビームスプリッタを構成する多層膜中の膜に吸収がある場合、多層膜を構成する層数を減らすことによって当該吸収による偏光ビームスプリッタの特性の劣化を効果的に抑え得るという特長を得ることが出来る。

例えば本発明の実施例或いは変形例における偏光ビームスプリッタを構成する中間屈折率層としてのＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の混成層は、その成膜条件によってはある波長域で吸収が起こり、もって偏光ビームスプリッタの特性が劣化することが考えられる。しかしながらこのような場合でも、吸収を起こす中間屈折率層の層数を少なくすることにより該当する特性劣化の度合を小さくすることが可能である。

図１９は上記実施例１（１４層、１４層、１４層の組み合わせによる構成）および変形例１３（８層、６層、４層の組み合わせによる構成）の、それぞれの偏光ビームスプリッタの構成において、当該偏光ビームスプリッタを構成する膜に吸収があった場合の特性を比較したものである。

図１９に図示の如く、膜の吸収がない場合（図中、左端）においては実施例１の方が高い有効光量を得ることが出来るが、膜の吸収が増加した場合（図中、右方向に移動した場合）の有効光量の減少率は実施例１の方が大きい。このため膜の吸収が若干増加すると変形例１３の方が比較的有効光量が大きくなり、双方の性能の優劣が逆転することが分かる。したがって、当該偏光ビームスプリッタを使用する系の要求仕様上問題なければ、多層膜を構成する積層数を少なくすることにより、その分コストが削減可能となるともに、膜の吸収による偏光ビームスプリッタの特性劣化を効果的に低減した多層膜よりなる偏光ビームスプリッタを提供することが出来る。

ここで、前記図１７，図１８からも分るように、偏光ビームスプリッタの性能上支配的なのはＳ偏光の透過率である。

図２０（ａ）〜（ｅ）は第１の多層膜から第３の多層膜迄のそれぞれの多層膜の積層数の組合せに対するS偏光の透過率の最大値（以下Max値と称する）をプロットしたものである。

図２０を参照するに、第１の多層膜に関しては、その積層数が８層以上（同図（ａ）〜（ｄ））であれば第２の多層膜および第3の多層膜の層数を適正に選ぶことによってS偏光の透過率のMax値を５％以下にすることができるが、６層では１０〜１５％（同図，（ｅ））、４層になると１５％を超える（同図、（ｆ））。Ｓ偏光の透過率の実用レベルの限界は１０〜１５％程度と考えられるため、第１の多層膜の積層数は少なくとも6層、高性能を狙うなら少なくとも８層以上が必要となる。

他方第２の多層膜および第３の多層膜に関しては「第２の多層膜＋第３の多層膜」が少なくとも６層（第１の多層膜が６層あるいは８層の場合（図２０（ｅ）、（ｄ））、高性能を狙うならば少なくとも１０層が求められる。（第１の多層膜８層（同図（ｄ）、「第２の多層膜＋第３の多層膜」８層（第２の多層膜６層、第３の多層膜２層）で５％のＳ偏光の透過率が得られているが、安定的に５％以下を達するには「第２の多層膜＋第３の多層膜」１０層が必要と考えられる。）
したがって第１の多層膜の積層数が６層で「第２の多層膜＋第３の多層膜」の積層数が６層、あるいは第１の多層膜の積層数が８層で「第２の多層膜＋第３の多層膜」の積層数が１０層は、所望の性能を得るために必要な最小限の積層数と言える。

上記図２０からも分るように、上記積層数より更に積層数を増やせば性能がさらに向上する方向にあるため、性能上の積層数の上限というものは、理屈上は存在しない。但しあまりに膨大な積層数（１００層を超える積層数等）にすれば吸収等の影響で実際上の性能が落ちる可能性はある。しかしながら実際は製造上の面からもコスト面からも必要最小限の積層数を狙って成膜することは当然であるので、上限値を設定することには意味がなく、上記の下限値が意味を持つ。また積層数を上記下限値に限定しないのは、実際の成膜に当たって、装置や材料のバラツキ等を考慮し、安定して所望の性能を得るためには積層数の増加の可能性を持たせておく必要があるためである。

なお、実施例１においては、挟持用中間屈折率層、第１〜第３の多層膜、１層の多層膜は図１における透明基板１１の側から積層形成され、最後に形成される挟持用中間屈折率層（層番号：４５）が接着層（層番号：４６）により他方の透明基板に接着される。これとは逆に、他方の透明基板の側から、実施例１の各誘電体膜を（層番号：４５から層番号：１に向かう順序で）積層形成し、層番号：１の挟持用中間屈折率層を上側の透明基板に接着層により接着しても良い。

この場合には、実施例１における層番号：４４〜３１の誘電体膜が「第１の多層膜」を構成することになる。そして、層番号：３０〜１７の誘電体膜が「第２の多層膜」を構成することになる。さらに、層番号：１６〜３の誘電体膜が「第３の多層膜」を構成し、層番号：２の誘電体膜が「１層の誘電体膜」を構成することになる。

図１６（ａ）は、この発明の「偏光変換素子」の実施の１形態を説明するための図である。

図１６（ａ）に示す偏光変換素子は、自然偏光もしくはランダム偏光状態の入射光ＬＩを入射され、偏光方向の揃った光として射出させる光学素子である。

符号ＩＳは「入射面」を示し、入射光ＬＩは入射面ＩＳに直交するように入射する。符号ＯＳは射出面を示す。入射面ＩＳと射出面ＯＳとは互いに平行である。

符号２０で示す部分は「透明基板」を示し、符号Ｍは偏光分離膜（具体的には、実施例１や変形例２〜１３で説明した「２種以上の誘電体多層膜と１層の誘電体膜と接着層」を少なくとも有するもの、さらにはこれらを挟持用中間屈折率膜で挟持したもの）である。

複数の偏光分離膜Ｍは互いに平行かつ等間隔に配列されて「偏光分離膜アレイ」を構成している。隣接する偏光分離膜Ｍの間では透明基板２０が共通化されている。即ち、個々の偏光分離膜Ｍは、これを挟持する１対の透明基板の一方に成膜されて形成され、他方の透明基板に接着層により接着される。換言すれば、偏光分離膜Ｍによる偏光分離膜アレイと、これら偏光分離膜Ｍの間の透明基板２０とは、上に説明した請求項１〜１１のうちの任意の一項に記載の偏光ビームスプリッタを多段に重ねて一体化した構成である。

互いに平行且つ等間隔に配列した偏光分離膜Ｍは、入射面ＩＳおよび射出面ＯＳに対して６０度の角をなして傾いている。換言すれば、多段に重ねられて一体化された偏光ビームスプリッタは「偏光分離膜Ｍに対して、６０度をなす互いに平行な切断面により、共通化された透明基板２０が切断」されている。これら切断面が入射面ＩＳと射出面ＯＳをなす。また、偏光分離膜アレイを構成する偏光分離膜Ｍは、上記切断面（入射面・射出面）に直交する方向（図の上下方向）から見ると「相互に密接」している。

入射光ＬＩ（簡単のために平行光束として説明する。）を図の如く入射させると、入射光は偏光分離膜Ｍに対して６０度の入射角をもって入射し、上に説明したＰ偏光成分は偏光分離膜Ｍを透過光ＬＴとして透過する。一方、Ｓ偏光成分は偏光分離膜Ｍにより反射される。反射されたＳ偏光成分は、透明基板２０内を伝搬して「反射された偏光分離膜に隣接する、図で右隣の偏光分離膜」により更に反射され、透過光ＬＴと平行な反射光ＬＲとして射出面ＯＳから射出する。即ち、射出面ＯＳから射出する透過光ＬＴ、反射光ＬＲはともに入射光ＬＩと同方向に伝搬する。

偏光変換素子の射出面ＯＳには、図面に直交する方向に細長い長方形形状の１／２波長板３０が等間隔に設けられ、透過光ＬＴの偏光面を９０度旋回させるようになっている。

１／２波長板３０の図面内での幅は、偏光分離膜Ｍの配列間隔の１／２である。透過光ＬＴは１／２波長板３０を透過することにより偏光面を９０度旋回されるので、偏光分離膜Ｍにより反射される反射光ＬＲと偏光面が同じ方向（図面に直交する方向）を向くようになる。

かくして、偏光変換素子に入射する「自然偏光もしくはランダム偏光状態」の入射光ＬＩは、偏光状態の揃った光に変換されて、偏光変換素子から射出することになる。

図１６（ａ）の例では、偏光分離膜Ｍを透過した透過光ＬＴの偏光面を１／２波長板３０により９０度旋回させたが、これに限らず、偏光分離膜Ｍにより反射された反射光ＬＲを１／２波長板に入射させて、反射光ＬＲの偏光面を９０度旋回させて透過光ＬＴの偏光面とそろえるようにしても良い。

また、偏光分離膜Ｍの入射面・射出面に対する傾き角は、上の例では６０度であるが、これに限らず６０度近傍の値、例えば、６０±６度の範囲に設定しても良い。

図１６（ｂ）は、従来から知られた偏光変換素子であり、入射面ＩＳ・射出面ＯＳに対して４５度に傾いた偏光分離膜Ｍ１と反射膜Ｒ１とが、透明基板２１を介して交互に配列形成されている。

自然偏光もしくはランダム偏光状態にある入射光ＬＩは偏光分離膜Ｍ１に入射すると、偏光成分に応じて偏光分離され、透過光ＬＴと反射光ＬＲとに分離する。そして、反射光ＬＲは、偏光分離膜Ｍ１に隣接する反射膜Ｒ１に反射され、１／２波長板３０により偏光面を９０度旋回されて偏光面を透過光ＬＴに揃えられて、偏光面の揃った光となる。

図１６（ｂ）に示す従来のタイプの偏光変換素子と、図１６（ａ）に示すこの発明の偏光変換素子とを比較すると、この発明の偏光変換素子は反射膜Ｒ１を必要としない。このため、透明基板の積層数は、従来のものの略１／２でよく、従って、構成が簡素であり製造性に優れている。

偏光ビームスプリッタの実施の形態を説明するための図である。 実施例１の偏光ビームスプリッタの偏光分離機能を示す図である。 実施例１の偏光ビームスプリッタの偏光分離機能の入射角への依存性を説明するための図である。 変形例１、２における偏光分離機能を説明するための図である。 変形例３、４における偏光分離機能を説明するための図である。 変形例５、６における偏光分離機能を説明するための図である。 変形例７、８における偏光分離機能を説明するための図である。 変形例９における偏光分離機能を説明するための図である。 実施例１における第１の多層膜単独による偏光分離機能を説明するための図である。 実施例１における第２の多層膜単独による偏光分離機能を説明するための図である。 実施例１における第３の多層膜単独による偏光分離機能を説明するための図である。 変形例１０における偏光分離機能を説明するための図である。 実施例１における第２、第３の多層膜を用いた場合の偏光分離機能を説明するための図である。 変形例１１における偏光分離機能を説明するための図である。 変形例１２における偏光分離機能を説明するための図である。 偏光変換素子の実施の１形態を説明するための図である。 変形例１３における偏光分離機能を説明するための図である。 変形例１４における偏光分離機能を説明するための図である。 実施例１および変形例１３のそれぞれの構成における膜の吸収に対する特性の変化を比較して示す図である。 第１の多層膜から第３の多層膜迄のそれぞれの多層膜の積層数の組合せに対するS偏光の透過率の最大値をプロットした図である。

符号の説明

１０ 偏光ビームスプリッタ
１１ 透明基板
１２ 透明基板
１３ 偏光分離膜
１４ 接着層
ＬＩ 偏光分離されるべき入射光

Claims (13)

1. 入射光を偏光分離する偏光ビームスプリッタであって、
   偏光分離すべき光の入射角が５４〜６６度の範囲で有効であり、
   １対の透明基板の間に、一方の透明基板を接着するための接着層と、設計基準波長の異なる２種以上の誘電体多層膜と、１層の誘電体膜を少なくとも有し、
   上記２種以上の誘電体多層膜はそれぞれ、高屈折率膜と中間屈折率膜とを、上記設計基準に応じた光学的厚さで交互に積層して偶数の層数としてなり、
   上記１層の誘電体膜は、接着層側に設けられる誘電体多層膜の上記接着層側に配置され、上記接着層側に設けられる誘電体多層膜における第１層と同じ誘電体膜であり、
   上記２種以上の誘電体多層膜と１層の誘電体膜とが偏光分離膜を構成し、実質的に可視波長領域の光に対して偏光分離機能を持つことを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
2. 請求項１記載の偏光ビームスプリッタにおいて、
   １対の透明基板のうち、少なくとも、誘電体多層膜を成膜される透明基板は、１．４６〜１．５８の範囲内の屈折率を有する光学ガラスであることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
3. 請求項２記載の偏光ビームスプリッタにおいて、
   設計基準波長の異なる各種の誘電体多層膜における高屈折率膜がＮｂ_２Ｏ_５により形成され、中間屈折率膜がＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の混合物により形成され、
   上記中間屈折率膜の屈折率がＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２との混合比により調整され、
   上記高屈折率膜と中間屈折率膜とは、設計基準波長：λに対して光学的厚さをλ／４に設定されていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
4. 請求項３記載の偏光ビームスプリッタにおいて、
   ２種以上の誘電体多層膜はそれぞれ、積層数が８〜２０の範囲および１２〜１６の範囲のうちのいずれかの範囲に設定されていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
5. 請求項３または４記載の偏光ビームスプリッタにおいて、
   ２種以上の誘電体多層膜と１層の誘電体膜が、１対の挟持用中間屈折率膜により挟持され、この挟持用中間屈折率膜はＮｂ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の混合物により形成され、且つ、上記誘電体多層膜における中間屈折率膜とは異なる屈折率を有し、上記設計基準波長の何れとも異なる波長：Λに対して、光学的厚さをΛ／４に設定されていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
6. 請求項３または４または５記載の偏光ビームスプリッタにおいて、
   １対の透明基板の間に３種の誘電体多層膜と１層の誘電体膜を有し、
   上記３種の誘電体多層膜に対する設計基準波長がλ１＝６１０ｎｍ、λ２＝８３０ｎｍ、λ３＝９４０ｎｍに設定されていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
7. 請求項６記載の偏光ビームスプリッタにおいて、
   請求項５記載の１対の挟持用中間屈折率膜を有し、これら挟持用中間屈折率膜の光学的厚さを規定する波長：Λが８４０ｎｍに設定されていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
8. 請求項６または７記載の偏光ビームスプリッタにおいて、
   設計基準波長：λ１＝６１０ｎｍ、λ２＝８３０ｎｍ、λ３＝９４０ｎｍによる３種の誘電体多層膜の積層数が１４であることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
9. 請求項６または７記載の偏光ビームスプリッタにおいて、
   前記誘電体多層膜の層数は、設計基準波長λ１の誘電体多層膜の積層数が少なくとも６層、設計基準波長λ２の誘電体多層膜および設計基準波長λ３の誘電体多層膜の積層数が少なくとも６層の組み合わせ、並びに設計基準波長λ１の誘電体多層膜の積層数が少なくとも８層、設計基準波長λ２の誘電体多層膜および設計基準波長λ３の誘電体多層膜の積層数が少なくとも１０層の組み合わせのうちのいずれか一方の組み合わせに設定されていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
10. 請求項３〜９のうちの任意の一項に記載の偏光ビームスプリッタにおいて、
    中間屈折率膜を、Ｓｉの反応性スパッタと、Ｎｂの反応性スパッタとを同時に行うことにより成膜し、高屈折率膜をＮｂの反応性スパッタにより成膜することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
11. 請求項１〜１０のうちの任意の一項に記載の偏光ビームスプリッタにおいて、
    １対の透明基板をＢＫ７としたことを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
12. 請求項１〜１１のうちの任意の一項に記載の偏光ビームスプリッタが多段に重ねられ、且つ、互いに平行に隣接する偏光分離膜間では透明基板を共通化され、且つ、上記偏光分離膜に対して、略６０度をなす互いに平行な切断面により、上記共通化された透明基板が切断され、上記切断面に直交する方向から見て、上記互いに平行な偏光分離膜が、相互に密接もしくは近接するように構成された偏光分離膜アレイの、上記切断面の一方を入射側として、偏光分離すべき光を入射させるようにし、
    入射した光を偏光成分に応じて個々の偏光分離膜で、透過光と反射光に分離すると共に、上記反射光を隣接する偏光分離膜で反射させることにより、入射光と同方向に伝搬する光が、他方の切断面から射出するようにし、この切断面における上記透過光もしくは反射光の射出する部位に１／２波長板を配して、偏光状態の揃った光を得るように構成されたことを特徴とする偏光変換素子。
13. 請求項１２記載の偏光変換素子において、
    入射面および／または射出面に対して、全ての偏光分離膜が６０度をなして傾き、入射方向および／または射出方向から見て偏光分離膜が互いに密接するように配置されていることを特徴とする偏光変換素子。

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