JP2008241879A - 偏光ビームスプリッタ - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、垂直入射光について、その入射方向に対しＴＥ波およびＴＭ波を左右対称に偏光分離することができる偏光ビームスプリッタを提供することを目的とする。
【解決手段】鋸歯格子形状を階段形状で近似したブレーズ回折格子における位相差を屈折率の差に置き換えて構成した回折格子において、所定の複屈折性を示すように設計された有機材料や所定の複屈折性を示すように設計された形状からなる構造体を用いることによって、当該回折格子のＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれに対する屈折率分布を、実質的に逆転させる。
【選択図】図７

Description

本発明は、偏光ビームスプリッタに関し、より詳細には、垂直入射光について、その入射方向に対しＴＥ波およびＴＭ波を左右対称に分離することができる偏光ビームスプリッタに関する。

従来、入射光からＴＥ波およびＴＭ波を分離するための偏光ビームスプリッタについて種々検討がなされており、特開平６−１３０２２４号公報（特許文献１）および特開平１０−８２９１１号公報（特許文献２）は、回折型の偏光ビームスプリッタを開示する。しかしながら、特許文献１および２が開示する回折型の偏光ビームスプリッタは、いずれもＴＥ波およびＴＭ波のいずれか一方を回折光、他方を透過光として分光するものであり、このような構成の偏光ビームスプリッタを用いる光学系は非対称にならざるを得ず、光エンコーダーなどの光学装置のコンパクト化の実現の障害となっていた。この点につき、特開２００４−１８４５０５号公報（特許文献３）は、ブレーズ回折格子として形成された２種類の高分子液晶層を互いにＸ軸に対して１８０度回転した形状とすることによって、Ｓ偏光およびＰ偏光を入射光の方向に対してそれぞれ大きな分離角度をもって分離することのできる偏光ビームスプリッタを開示する。しかしながら特許文献３が開示する偏光ビームスプリッタにおいては、高分子液晶層の常光屈折率と充填する均質屈折率透明材料の屈折率を合わせる必要があり、しかも、高分子液晶層を反応性イオンエッチングで所望の高さを有する鋸歯状のブレーズ回折格子に加工するためには、選択比の高いマスクが必要であるが、この点につき、特許文献３は、何ら具体的な実施方法を開示するものではなく、消光比や回折効率の高い高性能な偏光ビームスプリッタを実現する方法を実質的に開示するものではなかった。また、特許文献３が開示する偏光ビームスプリッタにおいては、素子の構成材料について種々の条件、制約があるため、適用できる材料が限定されるという問題があった。
特開平６−１３０２２４号公報 特開平１０−８２９１１号公報 特開２００４−１８４５０５号公報

本発明は、上記従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、本発明は、垂直入射光について、その入射方向に対しＴＥ波およびＴＭ波を左右対称に分離することができる偏光ビームスプリッタを提供することを目的とする。

本発明者は、垂直入射光について、その入射方向に対しＴＥ波およびＴＭ波を左右対称に偏光分離することができる偏光ビームスプリッタにつき鋭意検討した結果、鋸歯格子形状を階段形状で近似したブレーズ回折格子における位相差を屈折率の差に置き換えて構成した回折格子について、ＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれに対する屈折率分布を、実質的に逆転させることによって、ＴＥ波およびＴＭ波を、それぞれ+１次および−１次の回折光として高い効率で回折させるという着想に至った。本発明者は、当該着想に基づき、その具体化を検討するなかで、複屈折性を利用することによって、上述した機能を奏する回折格子を構成することができることを見出し、本発明に至ったのである。

すなわち、本発明によれば、それぞれが固有の屈折率を有する複数の領域が並設されてなる構造を周期単位とするブレーズド型マルチ位相回折格子を備えた偏光ビームスプリッタであって、前記複数の領域のうち少なくとも一つが複屈折性を有する領域であり、ＴＥ波およびＴＭ波を、それぞれ＋１次の回折光および−１次の回折光として分離する偏光ビームスプリッタが提供される。本発明においては、前記周期単位を、ＴＥ波に対する前記複数の領域の屈折率の大きさの昇順方向が、ＴＭ波に対して前記複数の領域の屈折率の大きさの降順方向となるように前記複数の領域が並設されてなるものとすることができ、また、前記複屈折性を有する領域が、サブ波長周期構造の格子によって形成することができる。

上述したように、本発明によれば、垂直入射光について、その入射方向に対しＴＥ波およびＴＭ波を左右対称に偏光分離することができる偏光ビームスプリッタが提供される。

以下、本発明を図面に示した実施の形態をもって説明するが、本発明は、図面に示した実施の形態に限定されるものではない。

本発明の各実施形態について説明する前に、本発明の偏光ビームスプリッタの原理について図１〜図６を参照しながら以下説明する。一般に、ブレーズ回折格子においては、＋１次回折光または−１次回折光のいずれか一方向が高い効率で回折され、他方の回折光は非常に弱くなる。また、この傾向は、ブレーズ回折格子における鋸歯格子形状を階段形状で近似した場合であっても同様であり、３値または４値レベルの低い位相レベルであってもこの傾向が顕著であることがわかっている。ここで、鋸歯格子形状を階段形状で近似したブレーズ回折格子における位相差を、屈折率の差に置き換えることによって同等の機能を奏する回折格子を構成することができる。図１は、階段形状で近似した４値のブレーズ回折格子の周期単位１００と、周期単位１００における位相差を、屈折率の差に置き換えて構成した回折格子（以下、ブレーズド型マルチ位相回折格子として参照する）の周期単位１０２を示す。ここで周期単位１００からなる４値のブレーズ回折格子は、＋１次回折光を高い効率で回折する。周期単位１０２は、屈折率の異なる４つの領域ａ〜ｄによって構成されており、各領域の屈折率ｎ_０〜ｎ_３は、下記式（１）の関係を満たすことを要する。なお、下記式（１）においてλは使用波長を、Ｄは周期単位１０２の厚みを示す。

上記式（１）を満たすように形成された周期単位１０２は、周期単位１００と同様に機能する。すなわち、図２に示すように、基板１０４上に周期単位１０２が並設されてなる回折格子１０６に対して光を入射すると、ＴＥ波およびＴＭ波のいずれについてもその＋１次の回折光が高い効率で回折される。

図３は、4値のブレーズ回折格子の周期単位２００と、周期単位２００における位相差を、屈折率の差に置き換えて構成された4値のブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位２０２を示す。ここで周期単位２００からなる４値のブレーズ回折格子は、図１に示したブレーズド型マルチ位相回折格子１０６と同じ使用波長の入射光から−１次回折光を高い効率で回折する。周期単位２０２は、図１に示した周期単位１０２と同様に屈折率の異なる４つの領域ａ’〜ｄ’によって構成されており、各領域の屈折率ｎ_０〜ｎ_３は、周期単位１０２と同様に上記式（１）の関係を満たすことを要する。

上記式（１）を満たすように形成された周期単位２０２は、周期単位２００と同様に機能する。すなわち、図４に示すように、基板２０４上に周期単位２０２が並設されてなる回折格子２０６に対して光を入射すると、ＴＥ波およびＴＭ波のいずれについてもその−１次回折光が高い効率で回折される。

ここで、ＴＥ波に対しては、図１の周期単位１０２の各領域の屈折率の大きさの順番（紙面左側からｎ_０→ｎ_３）と同様の順番の屈折率を示すと同時に、偏光がＴＥ波に直交するＴＭ波に対しては、図３の周期単位２０２の各領域における屈折率の大きさの順番（紙面左側からｎ_３→ｎ_０）と同様の順番の屈折率を示すように形成された周期単位構造を実現することができれば、ＴＥ波についてだけ、周期単位１０２のように+１次回折光を高効率で回折し、ＴＭ波についてだけ、周期単位２０２のように−１次回折光を高効率で回折する新規なブレーズド型マルチ位相回折格子が実現されるはずである。なお、ＴＥ波とＴＭ波に対応する屈折率の順番は、逆であっても良いことは言うまでもない。本発明の偏光ビームスプリッタは、上述した新規なブレーズド型マルチ位相回折格子の着想を具体化してなるものであり、以下、その具体的構成について図５を参照しながら説明する。

図５は、上述した機能を実現するための手段として本発明が開示する新規な回折格子である、複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位３００を示す。図５に示すように、周期単位３００は、屈折率の異なる４つの領域ａｘ〜ｄｘによって構成されており、各領域は、ＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれに対して固有の屈折率を示す。すなわち、本発明においては、４つの領域ａｘ〜ｄｘのうち、２つの領域もしくは全ての領域が複屈折性を有することを特徴とする。図５（ａ）を参照して具体的に説明すると、領域ａｘは、ＴＥ波、ＴＭ波のいずれに対してもｎ_０の屈折率を示し、領域ｂｘは、ＴＥ波に対してはｎ_１の屈折率を、ＴＭ波に対してはｎ_３の屈折率を示す複屈折性の領域として形成されている。さらに、領域ｃｘは、ＴＥ波、ＴＭのいずれに対してもｎ_２の屈折率を示し、領域ｄｘは、ＴＥ波に対してはｎ_３の屈折率を、ＴＭ波に対してはｎ_１の屈折率を示す複屈折性の領域として形成されている。

ここで、上述した領域ａｘ〜ｄｘから構成された周期単位３００について、各領域の屈折率の順番に着目した場合、ＴＥ波に対する各領域の屈折率の大きさの順番は、図１に示した周期単位１０２と同じ屈折率の大きさの順番を示しており、これを、各領域のＴＭ波に対する各領域の屈折率の大きさの順番は、図３に示した周期単位２０２と同じ屈折率の大きさの順番を示していることが理解されよう。すなわち、複屈折性の領域である領域ｂｘおよび領域ｄｘを含んで、領域ａｘ〜領域ｄｘを並設するこことにより、周期単位３００を、ＴＥ波に対する領域ａｘ〜領域ｄｘの屈折率の大きさの昇順方向が、ＴＭ波に対して領域ａｘ〜領域ｄｘの領域の屈折率の大きさの降順方向となるように構成することが可能となり、ＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれに対して、各領域の屈折率の順番が逆方向になる構成が実現される。

図６は、上述したように構成した周期単位３００が基板３０２上に並設されてなる本発明の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子３０４を示す。複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子３０４に対して光を入射すると、複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子３０４の周期単位３００は、ＴＥ波に対しては周期単位１０２のように機能し、ＴＥ波に対しては周期単位２０２のように機能する結果、図６に示すように、ＴＥ波は＋１次の回折光として、ＴＭ波は−１次の回折光としてそれぞれ高い効率で回折され、ＴＥ波およびＴＥ波は、入射光の入射方向に対して対称に回折される。

ただし、周期単位３００の各領域における複屈折性の組み合わせは、図５（ａ）に示したものに限定されない。上述した例示では、領域ａｘを、ＴＥ波およびＴＭ波のいずれについても位相差（０）の領域とし、領域ｃｘを、ＴＥ波およびＴＭ波のいずれについても位相差（π）の領域とし、領域ｂｘを、ＴＥ波について位相差（π/2）、ＴＭ波について位相差（3π/2）の領域とし、領域ｄｘを、ＴＥ波について位相差（3π/2）、ＴＭ波について位相差（π/2）の領域とすべく、領域ｂｘおよび領域ｄｘを、ＴＥ波およびＴＭ波のそれぞれに対して複屈折性を示す領域として構成されている。しかしながら、領域ｂｘおよび領域ｄｘにおいては、その屈折率差、すなわち位相差がπとなっており、このように大きな位相差に相当する複屈折性を実現することは一般に困難を伴うので、本発明においては、周期単位３００の複屈折性を有する各領域において、ＴＥ波についての位相差とＴＭ波についての位相差との差がなるべく小さくなるように設計することが好ましい。換言すれば、本発明においては、周期単位３００の複屈折性を有する各領域において、ＴＥ波についての屈折率とＴＭ波についての屈折率との差がなるべく小さくなるように設計することが好ましい。

例えば、４値の場合は、図５（ｂ）に示す組み合わせが可能である。図５（ｂ）に示す周期単位３００においては、領域ａｘは、ＴＥ波に対してはｎ_０の屈折率を、ＴＭ波に対してはｎ_１の屈折率を示す複屈折性の領域として形成され、領域ｂｘは、ＴＥ波に対してはｎ_１の屈折率を、ＴＭ波に対してはｎ_０の屈折率を示す複屈折性の領域として形成される。さらに、領域ｃｘは、ＴＥ波に対してはｎ_２の屈折率を、ＴＭ波に対してはｎ_３の屈折率を示す複屈折性の領域として形成され、領域ｄｘは、ＴＥ波に対してはｎ_３の屈折率を、ＴＭ波に対してはｎ_２の屈折率を示す複屈折性の領域として形成される。このように領域ａｘ〜ｄｘの複屈折性を設計すると、領域ａｘ〜ｄｘの各領域における位相差をいずれもπ/2とすることができる。

以上、本発明の偏光ビームスプリッタが備える複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の機能構成を４値の場合を例にとって説明してきたが、本発明は、３値以上の位相レベルであれば実現可能である。続いて、本発明の偏光ビームスプリッタにおける上述した周期単位３００の具体的構成について複数の実施形態をもって以下説明する。

最初に、本発明の偏光ビームスプリッタの周期単位を、４値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子を例にとって説明する。図７は、本発明の第１の実施形態である４値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位１０（以下、４値の周期単位１０として参照する）を示す。図７に示されるように、４値の周期単位１０は、分割された４つの領域、ａ、ｂ、ｃ、およびｄからなる。領域ａ〜ｄの各領域は、入射光の波長以下の格子周期を有するバイナリ型の格子（以下、サブ波長周期格子という）によって構成されている。サブ波長周期格子は、複屈折性を有し、しかも、その屈折率は、デューティ比によって変化することが知られている。なお、本発明においてデューティ比とは、格子周期に対する凸部の割合をいうものとする。

図７に示されるように、領域ａ〜ｄを構成するサブ波長周期格子Ａ〜Ｄは、デューティ比あるいは格子の方向が異なる。具体的に説明すると、サブ波長周期格子Ａとサブ波長周期格子Ｂは、同じ周期およびデューティ比によって形成されており、格子の方向のみが異なっている。すなわち、サブ波長周期格子Ａとサブ波長周期格子Ｂとは、その格子の長手方向が直交している。サブ波長周期格子Ｃとサブ波長周期格子Ｄも同様に、周期、デューティ比が同じ構造で、格子の方向のみが異なっている。さらに、サブ波長周期格子Ａ、Ｂとサブ波長周期格子Ｃ、Ｄとはデューティ比が異なっている。すなわち、サブ波長周期格子Ｃとサブ波長周期格子Ｄとは、その格子の長手方向が直交している。また、サブ波長周期格子Ａおよびサブ波長周期格子Ｃの格子の長手方向が周期構造方向Ｘと直交している４値の周期単位１０においては、周期構造方向Ｘに偏光したＴＭ波の入射に対して、領域ａを通過する光の位相を基準（０）とするときに、領域ａ〜ｄの位相差が、それぞれ（０、π/2、π、3π/2）となり、同時に、ＴＭ波と直交する偏光ビームＴＥ波の入射に対して、領域ａと領域ｂ、ならびに領域ｃと領域ｄの位相差が逆転し、領域ｂの領域を通過する光の位相を基準（０）にすれば、領域ａ〜ｄの位相差が（π/2、０、3π/2、π）となるように、それぞれのサブ波長周期格子のデューティ比、および凸部の深さＦが決定される。すなわち、図７に示す４値の周期単位１０においては、ブレーズ回折格子でいうところのブレーズド方向が、ＴＭ波とＴＥ波に対して逆方向となるようにバイナリ型の格子である各サブ波長周期格子のデューティ比、凸部の深さＦ、ならびに格子の方向が決定される。以上、本発明の第１の実施形態である４値の周期単位１０が、バイナリ型の格子であるサブ波長周期格子の組み合わせによって実現されることを説明してきたが、本発明に対する理解をより一層深めるため、第１の実施形態である４値の周期単位１０についてより具体的な例示をもって以下さらに詳細に説明する。

図８は、石英によって形成したサブ波長周期格子において、そのデューティ比と複屈折性の関係を示す図である。なお、図８は、使用波長として０．６３３−０．６３５μｍ近傍を想定し、サブ波長周期格子の周期を０．３μｍとした場合を示す。図８は、サブ波長周期格子のデューティ比が実効的な屈折率に置き換えられることができることを示し、サブ波長周期格子が、偏光方向に対して異なる屈折率をもつ一軸性複屈折性を有することを示すものである。なお、図８において、サブ周期格子の溝方向と電場ベクトルの振動方向が平行の時（偏光方向が溝方向に平行）の屈折率をｎ_‖で示し、垂直の時（偏光方向が溝方向と垂直）の屈折率をｎ_⊥で示すものとする。

例えば、図８に示すようにデューティ比を０．３、０．６４にすれば、各サブ波長周期格子の実効屈折率の差を同じにすることができる。よって、図７の領域ａおよびｂのサブ波長周期格子ＡおよびＢのデューティ比をいずれも０．３に、領域ｃおよびｄのサブ波長周期格子ＣおよびＤのデューティ比をいずれも０．６４にすれば、ＴＭ波の入射光に対する領域ａ、ｂ、ｃ、ｄの実効屈折率は、それぞれｎ1_⊥、ｎ1_‖、ｎ2_⊥、ｎ2_‖となる。ここで、サブ波長周期格子の深さをdとし、（ｎ1_‖-ｎ1_⊥）ｄ＝λ/4を満足するようにdを設計すれば、(ｎ2_⊥-ｎ1_⊥)ｄ=λ、（ｎ2_‖-ｎ1_⊥）d=3λ/4になるので、ＴＥ波に対して図７に示す領域ａ、ｂ、ｃ、ｄの位相差が（０、π/2、π、3π/2）のブレーズド位相回折格子が実現できる。このブレーズド位相回折格子は、＋1次回折光のみが強く、反対側の−１次回折光は弱くなる。それに対して、これと直交したＴＥ波に相当する偏光を入射すると、領域ａとｂおよび領域ｃとｄのサブ波長周期格子の実効屈折率が逆転するため、領域ａ、ｂ、ｃ、ｄの実効屈折率は、それぞれ、ｎ1_‖、ｎ1_⊥、ｎ2_‖、ｎ2_⊥となる。ここで、領域ｂを基準に位相差を考えると、（ｎ1_‖-ｎ1_⊥）ｄ＝λ/4、（ｎ2_‖-ｎ1_⊥）d=3λ/4、(ｎ2_⊥-ｎ1_⊥)ｄ=λであるから、領域ａ、ｂ、ｃ、ｄの位相差は（π/2、０、3π/2、π）となり、ブレーズド位相格子のブレーズド方向が、ＴＭ波と逆方向になることがわかる。よって、上述した条件で作製されたサブ波長周期格子からなる回折格子は、ＴＥ波に対しては、−１次方向にのみに強い回折光強度が得られ、ＴＭ波、ＴＥ波が＋１次、と−１次に分離される偏光ビームスプリッタとして機能することが理解されよう。また、この時、ＴＥ波、もしくはＴＭ波のどちらかのみ対して、ブレーズド位相回折格子の条件を満足している場合は、条件を満足している偏光と反対の偏光成分を取り出すための偏光素子としても有効に機能させることができる。

本発明の偏光ビームスプリッタの周期単位においては、１つの周期を３分割、４分割、あるいは６分割することも可能である。すなわち、本発明の偏光ビームスプリッタにおいては、その周期単位を３、４、６、あるいはそれ以上の領域からなるものとして構成することができ、その一例として、１つの周期を４分割した実施形態について図７を参照しながら説明してきたわけである。１つの周期を４分割した実施形態については、図５を参照して説明したようにＴＥ波およびＴＭ波に対して位相差が逆転する領域の選択について２通りの方法があり、特に１つの周期を４分割した実施形態においては、分割した各領域における位相差をいずれもπ/2とすることができる方法（図５（ｂ）に示す方法）があった。しかしながら、このようなバリエーションは４値に限って可能なものであり、一般には下記に述べる普遍的な方法によって本発明の偏光ビームスプリッタの周期単位は設計される。

まず、１つの周期が分割されてなる各領域について基準となる領域、すなわち位相差が０になる領域を決める。基準となる領域は、特に限定されるものではなく適宜選択することができる。つぎに、ＴＥ波、ＴＭ波に対して位相が逆転する領域を形成する。３値位相型を例にとって説明すると、３つに分割された領域１〜３について、ＴＥ波に対する位相が（０、2π/3、4π/3）、ＴＭ波に対する位相が（０、4π/3、２π/3）となるように構成する。すなわち、領域１を基準として、領域２と領域３においてはＴＥ波、ＴＭ波に対して位相が逆転するように構成する。

次に、４値位相型を例にとって説明すると、４つに分割された領域１〜４について、ＴＥ波に対する位相が（０、π/2、π、3π/2）、ＴＭ波に対する位相が（０、3π/2、π、π/2）となるように構成する。すなわち、領域１および領域３を、それぞれＴＥ波、ＴＭ波によって屈折率が変化しない０、πの領域とし、０、πの領域を中心に領域２および領域４をＴＥ波、ＴＭ波に対して位相が逆転する領域とする。さらに、６値を例にとって説明すると、６つに分割された領域１〜６について、ＴＥ波に対する位相が（０、π/3、2π/3、π、4π/3、5π/3）、ＴＭ波に対する位相が（０、5π/3、4π/3、π、2π/3、π/3）となるように構成する。すなわち、領域１および領域４を、それぞれＴＥ波、ＴＭ波によって屈折率が変化しない０、πの領域とし、０、πの領域を中心に領域２および領域６、ならびに、領域３および領域５をＴＥ波、ＴＭ波に対して位相が逆転する領域とする。なお、上述した各位相は、２πの整数倍だけずれていても構成上問題のないことは言うまでもない。

上述した構成において、ＴＥ波、ＴＭ波によって屈折率が変化しない０、πの領域については、サブ波長周期構造のＴＥ波、ＴＭ波に依存しない等方的な実効屈折率を用いることにより実現することができる。サブ波長周期構造が複屈折性を有するのは、格子のような異方性を有する構造として形成された場合のみであり、等方的な構造として形成された場合には、ＴＥ波、ＴＭ波に対して同じ屈折率を有する。この際、等方的なサブ波長周期構造における屈折率は、面積比によって変化し、先述の図８を参照して説明すれば、デューティ比が、面積占有率に相当する。この屈折率は、ＴＥ、ＴＭ波に対する屈折率のほぼ平均値になる。すなわち、０．３μｍ周期のサブ波長周期格子の面積占有率（図８のデューティ比に相当）が０．４９の時は、一辺の長さが０．３×（０．４９）^１／２＝０．２１μｍの正方形の凸部を備えるサブ波長周期構造をもって、ＴＥ波、ＴＭ波によって屈折率が変化しない０、πの領域とすることができる。

次に、上述した構成について、３値位相型を例にとってより具体的に説明する。図９は、本発明の第２の実施形態である３値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位２０（以下、３値の複周期単位２０として参照する）を示す。３値の複周期単位２０は、分割された３つの領域、ｋ、ｌ、およびｍからなり、ＴＥ波およびＴＭ波によって屈折率が変化しない領域とＴＥ波およびＴＭ波に対して位相が逆転する領域から構成されている。

３値の周期単位２０において領域ｍは、ＴＥ波およびＴＭ波によって屈折率が変化しない領域として形成され、等方性をもったサブ波長周期構造Ｍとして形成されている。なお、本実施形態の３値の周期単位２０においては、基準となる位相が０となる場所は、領域ｍに限定する必要はなく、領域ｋ〜ｍのどの位置でも良い。

領域ｋ及び領域ｌは、バイナリ型の格子であるサブ波長周期格子Ｋおよびサブ波長周期格子Ｌとして形成される。３値の周期単位２０においては、周期構造方向と直交方向に偏光したＴＥ波の入射に対して、領域ｍを通過する光の位相を基準（０）とするときに、領域ｋ〜ｍの位相差が、それぞれ（4π/3、2π/3、０）となり、同時に、ＴＭ波に対する領域ｋ〜ｍの位相差が（2π/3、4π/3、０）となるように、それぞれのサブ波長周期格子Ｋ、Ｌおよびサブ波長周期構造Ｍのデューティ比、および凸部の深さＦが決定される。

より具体的な例示をもって３値の周期単位２０について以下さらに詳細に説明する。図１０は、石英によって形成したサブ波長周期格子において、そのデューティ比と複屈折性の関係を示す図である。なお、図１０は、使用波長として０．６３３−０．６３５μｍ近傍を想定し、サブ波長周期格子の周期を０．３μｍとした場合を示す。図１０に示すように、ｎ2_‖⊥、ｎ1_⊥、ｎ1_‖の屈折率差が等しくなるようなデューティ比を選定する。このとき、等方的な屈折率を有するところは、ｎ2_‖とｎ2_⊥の屈折率の平均値であり、デューティ比が１のときの屈折率を示す点とデューティ比が０のときの屈折率を示す点を結んだ直線とほぼ一致している。図１０に示す例の場合は、デューティ比が０．６と０．３６に対応している。後者は、面積占有率であり、一辺のデューティ比に換算すると０．６に相当する。０．３μｍのサブ周期構造の場合には、一辺が０．１８μｍの正方形の面積に対応している。図９に示す領域ｋ、ｌ、ｍにおけるＴＥ波に対する屈折率は、図１０における、ｎ2_‖⊥、ｎ1_⊥、ｎ1_‖であり、格子の深さｄを（ｎ1_⊥-ｎ2_‖⊥）ｄ=λ/3を満足するようにすれば、（ｎ1_‖-ｎ2_‖⊥）ｄ=2λ/3となり、３値ブレーズド位相回折格子の位相条件（4π/3、2π/3、０）を満足することなる。

なお、図９に示した実施形態においては、深さＦが浅くなるように、領域ｋおよびｌと領域ｍについてそれぞれ異なるデューティ比としたが、領域ｋ〜ｍについて全てを同じデューティ比にして、等方的な屈折率をｎ1_⊥、ｎ1_‖の中間の値にすることもできる。また、等方的な領域ｍを、デューティ比が１の石英それ自身にして、領域ｋ〜ｍについて、ＴＥ波に対する位相が（０、2π/3±2πの整数倍、4π/3の±2πの整数倍）、ＴＭ波に対する位相が（０、4π/3±2πの整数倍、２π/3±2πの整数倍）の条件を満足するように構成することもできる。

本発明の第３の実施形態として、段差とサブ波長周期格子を組み合わせて、より位相レベル数の多い周期単位を実現することも可能である。図１１は、６値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位３０（以下、６値の周期単位３０として参照する）を示す。図１１に示す６値の周期単位３０の場合も、n₀が等方的な屈折率を有し、ｎ_‖とｎ_⊥とを互いに同じデューティ比を有するサブ波長周期格子とする。このとき、３つに分割されたＬ１〜３の各領域、および同じく３つに分割されたＲ１〜３の各領域のそれぞれについて、上述した３値ブレーズド位相回折格子と同様に各領域の位相差を等しく構成した場合、Ｌ領域とＲ領域との境界に段差Ｓを設けることによって、Ｌ領域とＲ領域の位相差をπだけシフトすることができ、その結果、ＴＥ波に対して左側から（-π/3、０、π/3、2π/3、π、4π/3）の位相差を持つように作製できる。この構成においては、ＴＭ波に対しては、位相差は図１１の紙面上左側から（π/3、０、-π/3、4π/3、π、2π/3）となり等方的な０、π領域を中心にして反転するので、ブレーズド方向がＴＥ波とＴＭ波に対して逆方向となり、６値の周期単位３０から形成される回折格子は、上述した実施形態１および２と同じように偏光ビームスプリッタとして機能することができる。

以上、本発明の偏光ビームスプリッタについて、サブ周期構造の複屈折性を利用したものを例にとって説明してきたが、本発明の偏光ビームスプリッタは、サブ周期構造の複屈折性を利用したものに限定されるものではなく、所定の複屈折性を示すように設計された高分子液晶などの複屈折性材料や所定の複屈折性を示すように設計された多層膜などの形状からなる構造体を用いることによっても実現することができる。

以下、本発明の偏光ビームスプリッタについて、実施例を用いてより具体的に説明を行なうが、本発明は、後述する実施例に限定されるものではない。

図７に示した４値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の構成を有する偏光ビームスプリッタを実際に作製した。図７に示した領域ａおよび領域ｂをデューティ比0.3、格子周期0.3μｍのサブ波長周期格子によって形成し、領域ｃおよび領域ｄをデューティ比0.64、格子周期0.3μｍのサブ波長周期格子によって形成した。なお、本実施例においては、上記設計に基づき、クロムマスク付きの石英ガラスに対して、電子線描画、ＩＣＰエッチングにより偏光ビームスプリッタを作製した。上述した手順で作製した本実施例の偏光ビームスプリッタについてその回折特性を調べた。

図１２は、作製した偏光ビームスプリッタに対して、入射偏光角度を変化させた時の＋1次回折光と−1次回折光の光強度を測定した結果を示す。図１２は、入射偏光角度が９０°、２７０°がＴＥ波に対応し、０°、１８０°がＴＭ波に対応し、しかも光強度が正弦波状に変化していることを示す。図１２から、本実施例の偏光ビームスプリッタの＋1次光にはＴＥ波に相当する偏光成分のみが生じ、−1次光には、ＴＭ波に相当する成分しか生じていないことが示された。すなわち、本実施例の偏光ビームスプリッタがＴＥ波を＋１次の回折光とし、ＴＭ波を−１次の回折光として高い効率で回折しうることが実証された。

以上、説明したように、本発明によれば、ＴＥ波およびＴＭ波を、それぞれ+１次および−１次の回折光として高い効率で回折しうる偏光ビームスプリッタが提供される。本発明の偏光ビームスプリッタは、光学装置のコンパクト化に資することが期待される。また、レリーフ構造であるため、レプリカによる複製によって安価に提供できる可能性が高い。

４値のブレーズ回折格子の周期単位と、４値のブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位を示す図。 ブレーズド型マルチ位相回折格子におけるＴＥ波およびＴＭ波の回折態様を示す図。 ４値のブレーズ回折格子の周期単位と、４値のブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位を示す図。 ブレーズド型マルチ位相回折格子におけるＴＥ波およびＴＭ波の回折態様を示す図。 本発明の４値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位を示す図。 本発明の４値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子を示す図。 第１の実施形態である４値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位を示す図。 石英によって形成したサブ波長周期格子におけるデューティ比と複屈折性の関係を示す図。 第２の実施形態である３値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位を示す図。 石英によって形成したサブ波長周期格子におけるデューティ比と複屈折性の関係を示す図。 第３の実施形態である６値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位を示す図。 第１の実施形態である偏光ビームスプリッタに対して、入射偏光角度を変化させた時の＋1次回折光と−1次回折光の光強度を測定した結果を示す図。

符号の説明

１０…４値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位、２０…３値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位、３０…６値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位、１００…ブレーズ回折格子の周期単位、１０２…ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位、１０４…基板、１０６…ブレーズド型マルチ位相回折格子、２００…ブレーズ回折格子の周期単位、２０２…ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位、２０４…基板、２０６…ブレーズド型マルチ位相回折格子、３００…４値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子の周期単位、３０２…基板、３０４…４値の複屈折性ブレーズド型マルチ位相回折格子

Claims (3)

1. それぞれが固有の屈折率を有する複数の領域が並設されてなる構造を周期単位とするブレーズド型マルチ位相回折格子を備えた偏光ビームスプリッタであって、
   前記複数の領域のうち少なくとも一つが複屈折性を有する領域であり、
   ＴＥ波およびＴＭ波を、それぞれ＋１次の回折光および−１次の回折光として分離する、
   偏光ビームスプリッタ。
2. 前記周期単位は、ＴＥ波に対する前記複数の領域の屈折率の大きさの昇順方向が、ＴＭ波に対して前記複数の領域の屈折率の大きさの降順方向となるように前記複数の領域が並設されてなる、
   請求項１に記載の偏光ビームスプリッタ。
3. 前記複屈折性を有する領域が、サブ波長周期構造の格子によって形成される、
   請求項１または２のいずれか１項に記載の偏光ビームスプリッタ。
   
   

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