JP2011013457A - プリズムアセンブリの製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】接合面を含むプリズムアセンブリを効率的かつ高精度に製造する。
【解決手段】ガラスプレート２４をほぼ同サイズの平行平板２６にカットし、これらを複数枚仮接合により厚み方向に積層して一次積層体２７を得る。平行平板２６の第１端面が露呈した面を平面研磨した後、その研磨仕上げ面に薄膜層１２を成膜する。一次積層体２７の仮接合を解いて平行平板２６をその厚み分の段差をもたせて階段状にずらして配列し、平行平板２６を互い強固に本接合する。薄膜層１２が成膜された第１端面の配列面に向かって逆側から平面研磨し、平行平板２６の互いの接合面を残した仕上げ線Ｋ１の位置まで研磨する。研磨後に端部を整形してシート状の接合プリズム体３０を得る。
【選択図】図３

Description

本発明は、内部に接合面を含むように組み合わされたプリズムアセンブリの製造方法に関するものである。

液晶プロジェクタの照明光学系や光ディスクのピックアップ光学系などにはそれぞれ用途に応じた独特の形態のプリズムアセンブリが使用されている。液晶プロジェクタの照明光学系では、画像表示に用いられている液晶パネルを直線偏光光で照明しなければならないことから、光源からの無偏光光を偏光面がそろった直線偏光光に変換する偏光変換用のプリズムアセンブリが利用されている。光ディスクのピックアップ光学系では、光源からの光ビームを光ディスクの記録面に導き、さらに光ディスクから反射されてきた信号光を光センサまで導くためにプリズムアセンブリを利用するのが通常である。

こうした様々な用途で用いられるプリズムアセンブリは、一般に角柱状のガラスバー材を切断、研磨し、さらには必要に応じて所望の光学特性の薄膜層を成膜した後に接合することによって作製される。プリズムアセンブリのほとんどは、空気との界面や接合面に反射面を有するため、切断工程や研磨工程ではこれらの反射面の角度が一定に保たれるように厳密な管理を必要としている。特許文献１で知られるプリズムの製造法では、成形金型を用いてガラスをプレス加工して所望の頂角をもつプリズムの集合体を得た後、研削、研磨及び切断を行ってプリズムを個々に分離している。また、特許文献２で知られる製造方法では、プリズム内部の接合面に薄膜層を有するプリズムアセンブリを効率的に製造できるように工夫されている。

特開２００１−１６６１１７号公報 特許第２６３９３１２号公報

特許文献１で知られる手法は、ガラス成形により多数のプリズムを一体に作製した後、所要部を研削、研磨、切断することによって多数のプリズムを得ることができるため、量産性に適している。しかし、ガラス成形のためには設備として成形機が不可欠で、さらに加熱したガラスプリフォームを準備し、プレス工程の後には冷却期間をおいてから研削、研磨、切断を行わなければならず、設備コストがかかるだけでなく工程数も多いという欠点がある。加えて、金型で成形された面は平坦度や表面粗さの点でそのまま光学面として利用することが難しいのが実情である。また、特許文献２記載の手法は、互いに平行な接合面に薄膜層が設けられたプリズムアセンブリの製造に好適で量産性にも優れているが、例えば互いに直交する接合面の双方、あるいは空気との界面となる内面全反射面に薄膜層を設けようとする場合には適していない。

本発明は以上を考慮してなされたもので、その目的は、量産適性を考慮して内部に接合面をもたせ、さらには光学的な薄膜層をも一部に有するプリズムアセンブリを高精度かつローコストで提供し得るプリズムアセンブリの製造方法を提供することにある。

本発明は上記目的を達成するにあたり、角柱状を含む一定厚みをもつ平行平板を厚み方向で重ね合わせた一次積層体を基本に加工して量産適性を高め、この一次積層体、さらにはこの一次積層体の一対を組み合わせてから順次に加工を施してプリズムアセンブリを得るようにしている。特に本発明においては、一次積層体を構成する複数枚の平行平板の第１端面が同一平面で連なるように第１端面側から一斉に研磨した後、研磨後の各々の第１端面が順次に一定段差で配列されるように平行平板をずらして接合し、この接合で得られた二次積層体を逆側の端面から前記第１端面の配列面に向かって一斉に平面研磨し、第１端面の配列面から一定距離となる位置まで研磨して接合プリズム体を得ることを特徴とする。接合面に薄膜層を設ける場合にあっては、平行平板の第１端面が同一平面に連なるように積層体を研磨した後、その研磨仕上げ面に蒸着などにより薄膜層を成膜すればよい。

前記平行平板として幅広のものを用いて前記接合プリズム体を幅広のシート状にした場合には、接合プリズム体を幅方向に細分して切断することも可能となり、同一機能をもったプリズムアセンブリの量産適性をさらに高めることができる。また、接合プリズム体を切断する際に、研磨仕上げ面に現れた接合境界線と４５°の角度で交差する切断線を基準に切断して矩形シート状のプリズムアセンブリを得ることも可能で、このようなプリズムアセンブリは、特に偏光ビームスプリッタと組み合わされ、偏光面を９０°回転させる反射型の半波長板として用いることができる。

さらに本発明は、表裏面が研磨された一定厚みの平行平板を厚み方向に複数枚ずつ積層して一対の一次積層体を得る第１工程、積層された複数枚の平行平板の各々の第１端面が同一平面で連なるように前記一対の一次積層体をそれぞれの第１端面側から一斉に研磨する第２工程、前記第２工程で研磨された平行平板の第１端面が一定段差で配列されるように前記一対の積層体ごとにそれぞれの平行平板を順次にずらして接合した一対の二次積層体を得る第３工程、第３工程で得た一対の二次積層体をそれぞれの前記第１端面側で互いに密着させて接合する第４工程、接合された一対の二次積層体を逆の端面側から各々の第１端面の配列面に向かって両側から平行に研磨し、各研磨仕上げ面が前記第１端面の配列面からそれぞれ一定距離となる位置まで研磨された接合プリズム体を得る第５工程にしたがって実施することも可能である。この場合には、第２工程で得た一対の一次積層体の研磨仕上げ面の一方または双方に薄膜層を成膜することも可能で、双方に薄膜層を設けた際には、それぞれの薄膜層が互いに重ならない向きで一対の一次積層体を互いに接合することにより、２つの薄膜層が組み合わされたプリズムアセンブリを製造することができる。

また、２つの薄膜層を組み合わせた上記プリズムアセンブリの製造方法は、前記一対の一次積層体を構成するそれぞれの複数枚の前記平行平板として、前記第１端面と平行かつ前記一次積層体の積層方向と直交する向きに厚みよりも十分に大きな幅を有するものを用いることにより、前記第５工程で得られたシート状の接合プリズム体を前記第５工程の研磨仕上げ面に現れた接合境界線と４５°の角度で交差する切断線を基準に切断して矩形シート状のプリズムアセンブリを製造する際に有効である。そして、このプリズムアセンブリは偏光ビームスプリッタアレイと組み合わされ、偏光面を９０°回転させる透過型の半波長板として効果的に用いることができる。

上記の透過型の半波長板を製造するにあたっては、さらに表裏面が研磨された一定厚みの平行平板を厚み方向に複数枚積層した第１の一次積層体を得る第１工程、表裏面が研磨され前記平行平板と同一厚みをもつ複数枚の平行平板の表面に第１薄膜層を形成した後、前記第１薄膜層が互いに接しないように厚み方向に積層した第２の一次積層体を得る第２工程、積層された複数枚の平行平板の各々の第１端面が同一平面で連なるように前記第１及び第２の一次積層体を第１端面側からそれぞれ研磨する第３工程、前記第３工程の研磨で得られた前記第２の一次積層体の第１端面側の研磨仕上げ面に第２薄膜層を形成する第４工程、前記第３工程で研磨された第１の一次積層体の平行平板の第１端面、及び第４工程で成膜された第２薄膜層がそれぞれ一定段差で配列されるように、第１及び第２の一次積層体のそれぞれについて平行平板を順次にずらして接合した第１及び第２の二次積層体を得る第５工程、第５工程で得た二種類の二次積層体をそれぞれの前記第１端面側で互いに密着させて接合する第６工程、接合された一対の二次積層体をそれぞれ逆の端面側から各々の第１端面に向かって両側から平行に研磨し、少なくとも第２の二次積層体については第１及び第２薄膜層の縁が露呈する位置まで研磨して接合プリズム体を得る第７工程を含む製造方法を用いることが可能で、この場合にも前記第１及び第２の一次積層体を構成するそれぞれの複数枚の前記平行平板には、前記第１端面と平行かつ前記積層体の積層方向と直交する向きに厚みよりも十分に大きな幅を有するものを用い、前記第７工程で得られたシート状の接合プリズム体を第７工程の研磨仕上げ面に現れた接合境界線と４５°の角度で交差する切断線を基準に切断して矩形状のプリズムシートに整形すればよい。

本発明方法は、表裏面が研磨された複数枚の平行平板を厚み方向で重ね合わせた一次積層体を基準のユニットとして利用し、一次積層体の第１端面が同一平面となるように一斉に平面研磨した後、それぞれの第１端面が一定段差で順次に配列されるように平行平板をずらして接合した二次積層体を得、第１端面の配列面から一定距離となる位置まで二次積層体を平面研磨するといういずれも簡便な工程で構成されているから、ガラス成形を基本とするイニシャルコストが高い手法と比較して低コストでプリズムアセンブリを製造することができ、また高い面精度をもつプリズムアセンブリが得られる。さらに、接合面や空気との界面に薄膜層を成膜することも容易であり、９０°あるいは任意の角度で交差する２面の双方に薄膜層を成膜することもできるから、薄膜層の有無にかかわらず用途に応じた種々の形態をもつプリズムアセンブリの製造にも広く適用することが可能である。

液晶プロジェクタの偏光照明光学素子の概略平面図である。 偏光照明光学素子に用いられる偏光変換素子を示す斜視図である。 偏光変換素子の基体となる接合プリズム体の製造工程を示す説明図である。 接合プリズム体から偏光変換素子を切り出すときの説明図である。 偏光ビームスプリッタアレイの製造工程の要部を示す説明図である。 偏光照明光学素子の他の例を示す概略平面図である。 偏光変換素子の他の例を示す斜視図である。 図６の偏光ビームスプリッタアレイの製造工程の要部を示す説明図である。 偏光変換素子の製造工程の要部を示す説明図である。 光ディスクのピックアップ光学系を示す概略図である。 図１０のプリズムアセンブリの製造工程を示す説明図である。 他のプリズムアセンブリの製造工程を示す説明図である。 さらに別のプリズムアセンブリの製造工程を示す説明図である。 さらに他のプリズムアセンブリの製造工程の要部を示す説明図である。

液晶プロジェクタの照明光学系中に用いられる偏光照明光学素子の一例を図１に示す。液晶プロジェクタの光源から放射された無偏光の照明光は、略平行な照明光束となってこの偏光照明光学素子２に図中の下方から入射する。偏光照明光学素子２は、図２に示すように偏光ビームスプリッタアレイ３と偏光変換素子５とから構成されている。

偏光ビームスプリッタアレイ３は、それぞれの底面が交互に入射側、出射側に向くように、頂角が９０°のガラス製の細長い直角プリズム３ａ，３ｂを順次に接合してプレート状にしたもので、それぞれの接合面には薄膜層６が形成されている。この薄膜層６は、蒸着やスパッタリングなどにより直角プリズム３ａ，３ｂの一方の斜面に成膜され、紙面と平行な偏光面をもつＰ成分の直線偏光光を透過し、これと直交する偏光面をもつＳ成分の直線偏光光を反射する偏光分離作用をもつ。

直角プリズム３ａは入射側に向けられた底面を縦に二分するようにエリアＡ１、Ａ２に分割して用いられ、それぞれのエリアＡ１には短冊状の偏光変換素子５が接合される。図２では省略してあるが、偏光変換素子５の入射側には空気間隔を空けて遮光プレート５ａが設けられ、偏光変換素子５に照明光束が直接入射することはない。この偏光変換素子５は、図１に示すように、直交する薄膜層６，６でそれぞれ反射してほぼ垂直に入射してくるＳ成分の直線偏光光をＰ成分の直線偏光光に変換して出射側へとほぼ垂直に反射させる反射型の１／２波長板として機能する。このような偏光照明光学素子２を用いることにより、光源からの照明光に含まれる直線偏光光を全てＰ成分の直線偏光光に変換し、液晶パネルを効率的に照明することができる。

図２に示すように、反射型の１／２波長板として機能する偏光変換素子５は、頂角が９０°の細長い直角プリズム要素１０を複数本配列した矩形シート状の一体型のプリズムアセンブリとして構成され、直角プリズム要素１０の各稜線は入射してくるＳ成分の直線偏光光の偏光面に対して４５°傾斜している。偏光変換素子５は直角プリズム３ａ，３ｂと同一のガラス素材でつくられ、直角プリズム３ａの底面との接合面に不要な反射が生じないようにしてある。

直角プリズム３ａの薄膜層６で反射したＳ成分の直線偏光光は、直角プリズム要素１０の頂角９０°をなす一対の斜面で一回ずつ内面全反射し、１８０°反転して直角プリズム３ａにその底面から再入射する。このとき、直角プリズム要素１０の一対の斜面は、入射してくるＳ成分の直線偏光光の偏光面に対して４５°傾けられているため、その偏光面は一回目の内面反射で４５°回転し、さらに２回目の内面反射で同方向に４５°回転する。結果的に偏光変換素子５に入射したＳ成分の直線偏光光の偏光面は９０°回転し、Ｐ成分の直線偏光光となって薄膜層６に再入射する。薄膜層６はＰ成分の直線偏光光はそのまま透過する特性をもつから、最終的に偏光照明光学素子２からは全てＰ成分の直線偏光光が出射するようになる。

ところで、直角プリズム要素１０の一対の斜面による内面全反射だけで偏光面を回転させようとすると、例えば設計中心波長を５５０ｎｍにした場合、設計中心波長５５０ｎｍから離れるにつれて位相差ずれの影響が生じ、例えば短波長側では４４０ｎｍ付近、長波長側では６５０ｎｍ付近になると、２回の内面全反射で偏光面が９０°を越えてさらに＋４０°程度まで回転させる位相差が生じ、偏光変換効率が低下してしまう。このため、より好ましくはこれを防ぐ目的で、図示のように直角プリズム要素１０の一方の斜面に−４０°分の位相差補償を行う薄膜層１２を蒸着などにより成膜しておくのがよい。この作用をもつ薄膜層１２は、例えばＴａ_２Ｏ_５膜とＳｉＯ_２膜とを交互に１２層程度積層した多層膜で実現することができる。なお、それぞれの斜面に−２０°分の位相差補償を行う薄膜層を設けても同様の効果が得られる。

この偏光変換素子５は図３に示す手順にしたがって製造することができる。同図（Ａ）に示すように、表裏面２４ａ，２４ｂが互いに平行となるように光学研磨されたガラスプレート２４を切断線２５で一定サイズごとにほぼ方形になるように切断して複数枚の平行平板２６を得る。切断後の平行平板２６を同図（Ｂ）に示すように厚み方向に複数枚配列し、一体に束ねて一次積層体２７とする。なお、予めほぼ同じサイズの方形に切断された同一厚みの平行平板であればそのまま同図（Ｂ）のように厚み方向に配列すればよい。厚みが一定の複数の平行平板２６を一次積層体２７にまとめるには、平行平板２６の表裏面を互いに仮接合するのが簡便で、この仮接合は後工程で解くことができる。

続いて図３（Ｂ）に二点鎖線で示すように、一次積層体２７の一端面（以下、第１端面）が光学的な同一平面になるように精密に研磨される。一般にガラスプレート２４は、表裏面２４ａ，２４ｂについては光学面として用いることができるように仕上げられてはいるが、端面については精密な光学面に仕上げられていないことが多い。そこで、同図（Ｂ）に示すように、上記薄膜層１２を成膜する前処理として第１端面の研磨を行った後、同図（Ｃ）に示すように薄膜層１２の蒸着を行う。この蒸着時には、一次積層体２７を構成する複数枚の平行平板２６の第１端面が同一平面で連なっていること、また隣接し合う平行平板２６は光学面に仕上げられた表裏面が互いに密着した状態となっていることから、平行平板２６の各々の第１端面に均質な薄膜層６を成膜することができ、しかも平行平板２６の表裏面に薄膜層１２が回り込んで成膜されることはない。

蒸着を行った後、仮接合を解いて一次積層体２７を個々の平行平板２６に一旦分離し、同図（Ｄ）に示すように平行平板２６の表裏面を反転させないように、かつ薄膜層１２を成膜した第１端面が一定段差で段違いに配列されるように、平行平板２６を表裏面に沿ってその厚みと同じ段差量で順次にずらす。そして、平行平板２６を互いの表裏面で隙間なく本接合して二次積層体２８を得る。この本接合にあたっては、平行平板２６の接合面で反射が生じないように平行平板２６と同じ屈折率をもつ接合剤を用いることができるが、特に好ましくは、各々の平行平板２６の表裏面の一方にガラスの主成分であるＳｉＯ_２膜を蒸着やイオンプレーティングなどで０．１〜０．３μｍの膜厚で成膜し、このＳｉＯ_２膜と平行平板２６の他方の面を接合するときにその相互間に水を介在させて密着させ、しかる後に水を蒸発させて緊密に接合する方法が用いられる。

上記接合方法は、互いの接合面に要求される算術平均粗さ（Ｒａ）が１０ｎｍ程度で十分で、オプティカルコンタクトで知られる公知の接合方法では、互いの接合面に要求される算術表面粗さがオングストロームオーダー、粗くても１〜２ｎｍ程度まで平滑化する必要があるのと比較して格段に有利であり、非常に実用的な手法である。この手法を採る場合、水を蒸発させる際には大気中で常温以上かつ水の沸点未満の温度で行うのがよく、また水を蒸発させた後には真空中で３２５〜３７５°Ｃ程度で３〜５時間加熱し、接合を強化させるのが好ましい。この接合方法は、接合対象となる平行平板２６の接合面の一方あるいは双方に所定の機能をもたせた薄膜層がすでに成膜されている場合でも適用が可能である。

図３（Ｄ）に示すように平行平板２６を強固に接合して二次積層体２８を得た後、同図（Ｅ）に示すように、薄膜層１２が成膜された第１端面の配列面に向かって二次積層体２８を他方の端面側から二点鎖線で示す研磨仕上げ線Ｋ１まで平面研磨する。研磨量が大き過ぎる場合には、仕上げ線Ｋ１よりも上方のラインで一旦切断してから研磨してもよい。このような切断や研磨を行っても、平行平板２６は分離することなく一体化された状態が保たれている。そして、同図（Ｄ）の階段接合工程で得られた接合面を残し、かつ薄膜層１２が成膜された平行平板２６の第１端面の配列面から一定距離となる仕上げ線Ｋ１まで紙面と垂直な研磨面で研磨すると、同図（Ｆ）に示す接合プリズム体３０が得られる。

この接合プリズム体３０の研磨仕上げ面には平行平板２６の表裏面が接合された境界線が露呈するが、境界線を含むその両側で屈折率が等しくなっているため全体として一体の接合プリズム体３０となる。そしてこの接合プリズム体３０は、図中の下面に頂角９０°のプリズム要素１０が一定間隔で配列された前述の偏光変換素子５の基体となる。また、平行平板２６の第１端面に成膜された薄膜層１２が、直角プリズム要素１０の一方の斜面に形成された薄膜層１２となる。なお、ローコスト化のために、短波長側及び長波長側で生じやすい位相差ずれを無視するのであれば、図３（Ｃ）の蒸着工程を省いて位相差補償用の薄膜層１２を省略するだけでよい。

上記接合プリズム体３０から偏光変換素子５を得るには、図４に示すように、接合プリズム体３０の研磨仕上げ面に現れた接合の境界線に対し、４５°の角度で交差する切断線で切り出せばよい。このように、接合プリズム体３０から斜めに偏光変換素子５を切り出すには、直角プリズム要素１０の長さ方向に加え、直角プリズム要素１０の配列方向にも十分な長さが必要になる。したがってこの場合には、平行平板２６として、第１端面と平行かつ平行平板２６の積層方向と直交する向きに十分に大きな幅をもった平行平板２６が用いられる。

図３に示すプリズムアセンブリの製造方法の一部は、図１に示す偏光ビームスプリッタアレイ３の製造にも適用することができる。偏光ビームスプリッタアレイ３は、上記偏光変換素子５よりも厚手のプレート状であるため、平行平板２６として厚手のものが用いられる。厚手の平行平板２６を用い、図３（Ｂ）までは同一手順で一次積層体２７を用意し、その第１端面を研磨する。そして、同図（Ｃ）の蒸着工程では薄膜層１２に代えて、偏光分離作用をもつ薄膜層６を研磨後の第１端面に成膜するが、この一次積層体２７は全く同一のものを２つ用意しておく。

２つ用意された一次積層体２７の一方は、個々の平行平板２６に分離された後、図３（Ｄ）に示すように、個々の平行平板２６の第１端面（薄膜層の成膜面）が平行平板２６の厚みと同じ段差量でずらし配列され、それぞれの表裏面が隙間なく強固に接合される。そして、他方の一次積層体２７は個々の平行平板２６に分離された後、成膜面となっている第１端面が平行平板２６の厚みと同じ段差量で逆向きにずらし配列された後、平行平板２６の表裏面が同様に隙間なく強固に接合される。

こうして用意された一対の二次積層体２８ａ，２８ｂをそれぞれの薄膜層６の配列面側で対面させると、図５に示すようにそれぞれの薄膜層６は互いにずれた位置関係になる。そしてこれらの二次積層体２８ａ，２８ｂを、同図（Ｂ）に示すように、互いに隙間なく強固に接合することによって接合プリズム体３２が得られる。このプリズム接合体３２を必要に応じて適切なサイズに切断し、図中に二点鎖線で示す仕上げ線Ｋ２まで上下から平面研磨し、そしてそれぞれの研磨仕上げ面に薄膜層６，６のエッジが露呈する瞬間の位置まで研磨を行う。なお、研磨の仕上げ線Ｋ２はつづら折り状に連なる薄膜層６の頂点を結ぶラインと一致する。この研磨工程の後、左右両端を整形することによって、図１、図２に示す偏光ビームスプリッタアレイ３として用いられるプリズムアセンブリが得られる。

こうして製造された偏光ビームスプリッタアレイ３は薄膜層６の成膜面以外には接合面がなく、同様の機能をもつ従来の偏光ビームスプリッタアレイと比較して、接合面数が大幅に少なくなっている。また、薄膜層６も上記のように一連となった同一平面上に成膜されているので、均一かつ優れた偏光分離特性が得られる。なお、図３（Ｃ）に示す蒸着工程を省略し、薄膜層６を成膜せずに図５（Ａ）の二次積層体２８ａ，２８ｂを用意した上で、その一方の二次積層体２８ａの下面に一斉に蒸着すれば、二次積層体２８ａの下面につづら折り状に連なる薄膜層６を成膜することができる。しかし、この場合には薄膜層６の成膜面が互いに逆向きに傾斜した二種類の面となるだけでなく、直角プリズムの稜線部分や谷線部分で成膜が不均一になりやすいことから、上述のように一連となった同一平面上に成膜する方が格段に有利である。

図６に別構造の偏光照明光学素子の例を示す。この偏光照明光学素子３５は、偏光ビームスプリッタアレイ３６と偏光変換素子３７とからなり、図中上方から入射する無偏光光をＰ成分の直線偏光光に変換して下方に出射する。偏光ビームスプリッタアレイ３６は、断面が平行四辺形状の細長いプリズム３６ａを順次に接合してプレート状にしたもので、それぞれの接合面には、Ｐ成分の直線偏光光を透過しＳ成分の直線偏光光を反射する偏光分離膜として作用する薄膜層３９と、金属薄膜からなる反射層４０とが交互に設けられている。また、偏光変換素子３７と対面する入射面側には不要光の入射を阻止する遮光プレート４２が設けられている。

偏光変換素子３７は、プリズムロッド３６ａの出射面に一つおきに間隔をおいて接合され、薄膜層３９及び反射層４０で反射されたＳ成分の直線偏光光の偏光面を９０°回転して透過させる透過型の１／２波長板として作用する。このような偏光照明光学素子３５を用いることにより、光源からの照明光に含まれる直線偏光光を全てＰ成分の直線偏光光に変換し、液晶パネルを効率的に照明することができる。

図７において、偏光変換素子３７はプリズムロッド３６ａの出射面を一つおきに全体的に覆うように縦長の矩形状に整形されたもので、その内部に細長い複数の直角プリズム要素１０をそれぞれの稜線が平行かつ同一面上に並ぶように配列した一体型のプリズムアセンブリとして構成されている。直角プリズム要素１０の各稜線は入射してくるＳ成分の直線偏光光の偏光面に対して４５°傾斜しており、直角プリズム要素１０のそれぞれの稜線を挟む一対の斜面には、光学異方性をもつ薄膜層４４が所定の膜厚で成膜されている。

このような薄膜層４４は、屈折率が互いに異なる二種類の誘電体薄膜を例えば１４０層程度まで交互に積層して製造することができる。このとき、個々の誘電体薄膜の光学膜厚は十分に薄く、いわゆる光学干渉薄膜で多用されるλ／４、λ／２の十数分の１以下である。光学異方性を発現する複屈折Δｎの値は、積層される二種類の誘電体薄膜の屈折率差及び個々の膜厚比に応じて決まることが知られており、誘電体多層膜全体の物理的膜厚ｄと複屈折Δｎとの積によってレタデーションが決まる。

このように直角プリズム要素１０の斜面に成膜された薄膜層４４は、光学軸がそれぞれの斜面の法線と一致する一軸性の負のＣプレートとなる。そして予め設定した複屈折Δｎの値、及び薄膜層４４内における光路長を考慮して全体の膜厚ｄを調整することによって、偏光ビームスプリッタアレイ３６の反射層４０で反射して入射してくるＳ成分の直線偏光光に１／２波長の位相差を与え、結果的にその偏光面が９０°回転したＰ成分の直線偏光光に変換することができる。なお、直角プリズム要素１０の稜線を挟む一対の斜面は、入射するＳ成分の直線偏光光の偏光面に対して互いに逆向きに４５°傾いているから、それぞれの斜面に成膜された薄膜層４４により偏光面の回転方向も±９０°になるが、結果的に偏光面はＰ成分の直線偏光光の偏光面として同一面にそろうので支障はない。

薄膜層４４を透過したＰ成分の直線偏光光が内面全反射することがないように、直角プズム要素１０を形成したガラス素材と同じ屈折率をもつプリズム素材で薄膜層４４が一体的に覆われる。薄膜層４４をポリシラザンなどの透明なオーバーコート層で全体的に覆い、その表面を平滑化することでも対応は可能であるが、後述するように、薄膜層４４の表面側についても同様のプリズム素材で覆い、全体的に一体化されたプリズムアセンブリとしてこの透過型の偏光変換素子３７を得ることができる。

図８に上記偏光ビームスプリッタアレイ３６の製造工程の一部を参考までに示す。偏光分離膜となる薄膜層３９を下面に成膜した平行平板４５と、金属薄膜からなる反射層４０を下面に成膜した平行平板４６とを交互に積層し、互いに強固に接合した積層体４８を得る。この積層体４８を、二点鎖線で示すように互いの接合面に対して４５°傾いた切断線Ｋ３で切断し、切断面を研磨するとともに端部を整形すれば上記偏光ビームスプリッタアレイ３６が得られる。

図７に示す透過型の偏光変換素子３７は、図９に示す手順にしたがって効率的に製造することができる。図９（Ａ）に示すように、表裏面が互いに平行になるように光学面研磨されたガラスプレート５０の一方の面に、Ｃプレートとして機能する薄膜層４４を成膜した後、切断線５１にしたがって一定サイズごとにほぼ方形となるように切断し、薄膜層４４が成膜された複数枚の平行平板５０ａを得る。この平行平板５０ａを同図（Ｂ）に示すように、薄膜層４４を片側にそろえて厚み方向に隙間なく複数枚配列し、図３（Ｂ）と同様に仮接合して一次積層体５２とする。なお、予めほぼ同じサイズの方形に切断された同一厚みの平行平板５０ａを用いる場合には、その複数枚に同時に薄膜層４４を蒸着した後、同様に厚み方向に隙間なく積層し、仮接合して一次積層体５２としてもよい。

図３（Ｂ）と同様に、一次積層体５２の第１端面を平面研磨する。そして、図９（Ｂ）に示すように、同一平面に精密研磨された平行平板５０ａの各々の第１端面に同じ薄膜層４４を一斉に成膜する。これにより、平行平板５０ａの各々には、表裏面の一方と第１端面との互いに直交する２面に薄膜層４４が成膜される。蒸着の後には一次積層体５２の仮接合が解かれ、平行平板５０ａが一旦個々に分離された後、図９（Ｃ）に示すように、２面に成膜されたそれぞれの薄膜層４４が露呈する向きに平行平板５０ａを階段状にずらして本接合し、第１の二次積層体５５を得る。平行平板５０ａをずらすときの段差量は、平行平板５０ａの厚みに一致させておく。

一方、全く同様の手順でいずれの面にも薄膜層４４を成膜しない平行平板５０ａだけの一次積層体を用意し、その第１端面については同様に同一平面となるように精密研磨する。この精密研磨の後、薄膜層４４が成膜されていない一次積層体についても、仮接合を解いた後に、図９（Ｃ）に示すように第１端面を階段状にずらして本接合し、薄膜層４４が成膜されていない第２の二次積層体を用意する。そして、図９（Ｄ）に示すように、第１の二次積層体５５と、薄膜層４４がない第２の二次積層体５６とをそれぞれの第１端面側で互いに密着させ一体に接合する。なお、この接合工程では、図示のようにそれぞれの第１端面が互いに密着する姿勢で接合させるほか、一方の平行平板の第１端面が他方の平行平板の表裏面のいずれかに接合される姿勢で接合するようにしてもよい。

一対の二次積層体５５，５６を各々の第１端面側で強固に接合した後には、同図（Ｄ）に示すように、薄膜層４４が成膜された第１端面の配列面に向かって二次積層体５５，５６を対向する他方の端面側から二点鎖線で示す仕上げ線Ｋ４，Ｋ５まで平面研磨する。このとき、薄膜層４４が形成された二次積層体５５の仕上げ線Ｋ４は、薄膜層４４が交差する位置に設定されるが、他方の仕上げ線Ｋ５は図示のように薄膜層４４に達する手前の位置に設定してもよい。なお、二次積層体５５，５６を互いに接合しているから、より薄型化を図るために、仕上げ線Ｋ５についても薄膜層４４のエッジに達する位置に設定することも可能である。

こうして得られた接合プリズム体の一対の研磨仕上げ面には平行平板５０ａ相互を接合した境界線が露呈するが、全体として一体化されているので個々に分離することはない。そして、図４で説明したように、接合プリズム体の研磨仕上げ面に現れた接合の境界線に対し、４５°の角度で交差する切断線で短冊状にプリズムアセンブリを切り出せば、これを図７に示す偏光変換素子３７として用いることができる。

図１０は光ピックアップ光学系を概略的に示すもので、光ディスク６０のピット記録面に、信号読み取り用に青色レーザビームと赤色レーザビームとを選択的に照射できるようにしたものである。青色光源６１Ｂには、波長４０５ｎｍのレーザビームを放射するレーザダイオードと、レーザビームを偏光面が所定方向にそろった直線偏光光に変換する波長板が組み込まれ、同様に赤色光源６１Ｒには波長６５０ｎｍのレーザビームを放射するレーザダイオードと、レーザビームをＰ成分の直線偏光光に変換する波長板とが組み込まれている。

これらの光源６１Ｂ，６１Ｒからのレーザビームは、ダイクロイックプリズム６２の異なる面から入射し、接合面に設けられた青色透過、赤色反射の分光特性をもつダイクロイック膜６２ａに入射する。ダイクロイックプリズム６２から出射したレーザビームは、プリズムアセンブリ６３に入射する。プリズムアセンブリ６３には、それぞれの接合面に偏光分離膜６３ａ、赤色透過青色反射の特性をもつダイクロイック膜６３ｂ、赤色反射の特性をもつダイクロイック膜６３ｃが成膜されている。偏光分離膜６３ａは、それぞれの光源６１Ｂ，６１Ｒから放射された直線偏光のレーザビームを透過し、透過した直線偏光に対して偏光面が９０°回転した直線偏光については反射する特性をもつ。

光ディスク６０の種類に対応し、青色光源６１ｂからのレーザビームが用いられるときには、ダイクロイック膜６２ａを透過した青色レーザビームはプリズムアセンブリ６３の偏光分離膜６３ａを透過し、対物光学系６５を通って光ディスク６０に達する。対物光学系６５には、公知のレンズ系に加え１／４波長板が組み込まれており、直線偏光された青色レーザビームは円偏光に変換されてから光ディスク６０に達する。光ディスク６０で反射された青色レーザビームは、逆向きの円偏光になる。したがって、再び１／４波長板を通過したときには入射時とは偏光面が９０°回転した直線偏光となっているから、偏光分離膜６３ａで反射され、ダイクロイック膜６３ｂで反射して検出器６６Ｂで検出される。

一方、赤色光源６１Ｒからの赤色レーザビームが用いられるときには、ダイクロイック膜６２ａで反射された赤色レーザビームは同様に偏光分離膜６３ａを透過した後、対物光学系６５により直線偏光が円偏光に変換されてから光ディスク６０に入射する。そして、光ディスク６０の記録面で反射されることによって逆向きの円偏光になって対物光学系６５内の１／４波長板を通過する。このとき、入射時の直線偏光がもつ偏光面は９０°回転されるから、赤色レーザビームも同様に偏光分離膜６３ａで反射されることになり、以後はダイクロイック膜６３ｂを透過し、そしてダイクロイック膜６３ｃで反射して検出器６６Ｒで検出される。

この用途で用いられるプリズムアセンブリ６３は、図１１に示す手順で効率的に製造することができる。図１１（Ａ）に示すように、一定厚みの平行平板６８の複数枚を厚み方向で積層・仮接合して３種類の一次積層体７０ａ，７０ｂ，７０ｃを用意する。これらの一次積層体７０ａ〜７０ｃの第１端面を同一平面となるように研磨した後、一次積層体７０ａの研磨仕上げ面には偏光分離膜６３ａを蒸着し、一次積層体７０ｂの研磨仕上げ面にはダイクロイック膜６３ｂを蒸着し、また一次積層体７０ｃの研磨仕上げ面にはダイクロイック膜６３ｃを蒸着する。

一次積層体７０ａ〜７０ｃの仮接合を解いて各々の一次積層体７０ａ〜７０ｃから一枚ずつ平行平板６８を抜き出し、図１１（Ｂ）に示すように、平行平板６８の厚み分だけ段差がつくように３枚の平行平板６８を配列し、互いを強固に接合して第１の二次積層体６９を得る。一方では、図９に示す製造工程と同様に、蒸着工程を省略した３枚の平行平板６８だけからなる第２の二次積層体７２を用意しておく。そして図１１（Ｃ）に示すように、第１の二次積層体６９と第２の二次積層体７２とをそれぞれの第１端面側で密着させて強固に接合する。なお、この接合時には、図９（Ｄ）に示すように、二次積層体６９，７２の第１端面が互いに密着する姿勢で接合してもよい。

続いて図１１（Ｄ）に示すように、第１及び第２の二次積層体６９，７２を両面から平面研磨し、それぞれの研磨仕上げ面に偏光分離膜６３ａ，ダイクロイック膜６３ｂ，６３ｃが露呈する仕上げ線Ｋ６まで平面研磨し、端部を整形することによって同図（Ｅ）に示す接合プリズム体７３が得られる。図１０に示すプリズムアセンブリ６３は、角柱状にして用いるのが通常であるから、接合プリズム体７３を幅方向に一定ピッチで切断し、その切断面を研磨することによってプリズムアセンブリ６３を得ることができる。

なお、図１１（Ｂ）に示す第１の二次積層体６９を作製するときに、偏光分離膜６３ａ，ダイクロイック膜６３ｂ，６３ｃがそれぞれ成膜された３枚の平行平板６８の組をさらに複数組分積層し、これに対応して積層枚数を増やした第２の二次積層体７２を用意しておく。そして、これらの二次積層体６９，７２を接合してから平面研磨を行って接合プリズム体７３を得れば、幅方向だけでなく長さ方向についても複数個分のプリズムアセンブリ６３が連結された形となるから、長さ方向についても切断・研磨を行うことによって、さらに多くのプリズムアセンブリ６３を製造することが可能となる。

この製造方法によれば、簡単な製造工程で大量のプリズムアセンブリ６３を得ることができ、その製造効率を大幅に向上させることができる。なお、プリズムアセンブリ６３に必要とされる光学薄膜の種類はそれぞれの成膜工程で膜構成を変更するだけで任意に変えることができ、さらに光学薄膜の種類数を増やすことも二次積層体６９，７２を得るときの平行平板６８の枚数を増やすことで簡単に対応することが可能である。

本発明の製造方法は、図１２示す形態で実施することも可能である。図１２（Ａ）に示すように、ガラスプレート７５の表面に薄膜層７６を蒸着する際に、成膜不要な領域についてはマスキングなどの手法により蒸着が行われないようにしておき、蒸着の後に切断して一定サイズの平行平板７５ａにする。そして同図（Ｂ）に示すように、薄膜層７６を片側に寄せて平行平板７５ａを厚み方向に積層・仮接合して一次積層体７７を得、第１端面を平面研磨した後に、その研磨仕上げ面に薄膜層７８を一斉に成膜する。続いて同図（Ｃ）に示すように仮接合を解き、第１端面が一定段差になるように平行平板７５ａをズラシ配列して本接合し、二次積層体８０を得る。

続いて図１２（Ｄ）に示すように、第１端面と対向する側から二次積層体８０を仕上げ線Ｋ７まで平面研磨してプリズム接合体とする。さらに、このプリズム接合体を、例えば第１端面側の谷線から研磨仕上げ面に向かって垂直に切断すれば、９０°の頂角を挟む斜面に２種類の薄膜層７６，７８が成膜された断面五角形状のプリズムロッドを得ることができる。もちろん、このプリズムロッドを紙面と垂直な幅方向に一定ピッチで切断してさらに細分されたプリズムアセンブリに整形することも可能である。また、頂角の部分を同図中に破線で示す仕上げ線まで研磨すれば、さらに異形のプリズムアセンブリとすることもでき、用途に応じた種々の形態のプリズムアセンブリが得られる。

なお、断面五角形状の上記プリズムロッドの底面にのみ光学薄膜を成膜したプリズムアセンブリを得るには、同図（Ａ），（Ｂ）の成膜工程を省略し、同図（Ｄ）に示す仕上げ線Ｋ７まで平面研磨した後、その研磨仕上げ面に所望の特性をもった薄膜層を成膜すればよい。また、いずれの表面にも薄膜層が成膜されていないプリズムアセンブリにすることも可能で、この場合にも上記製造工程を用いれば五角形状のような複雑な外形形状をもつプリズムアセンブリを効率的かつローコストで製造することができる。もちろん、上記製造工程によりプリズムアセンブリを作製した後に、その後工程で任意の表面に薄膜層を成膜することも可能である。

また、図１２（Ｂ）に示す一次積層体７７を得た後、図１３（Ａ）に示すように第１端面側を傾斜した仕上げ線Ｋ８に向かって平面研磨した後、同図（Ｂ）のようにその研磨仕上げ面に薄膜層７８を成膜する。そして、同様に平行平板７５ａを配列し直して互いを強固に接合して二次積層体８０を得、同図（Ｃ）に示す仕上げ線Ｋ７まで平面研磨した後、その研磨仕上げ面に向かって第１端面側の谷線から垂直に切断すれば、頂角が９０°以外の断面五角形状のプリズムロッドも得られるようになる。なお、こうして頂角を適宜に設定することが可能であることに加え、研磨仕上げ面に向かって第１端面側から切断するときの切断線の位置や角度を適宜に設定すればさらに異形のプリズムロッドを得ることも可能で、この場合においても薄膜層は必ずしも設けなくてもよい。

さらに、図１４（Ａ）に示すように、平行平板８２の第１端面に薄膜層８３を成膜した第１の二次積層体８４と、薄膜層を成膜しない平行平板８２を積層していない第２の二次積層体８５とを得る際に、平行平板８２の厚み寸法と異なる一定の段差量でそれぞれの平行平板８２をずらして本接合しておく。続いて同図（Ｂ）に示すようにそれぞれの第１端面側を密着させて強固に接合し、上下からそれぞれ研磨して各々の研磨仕上げ面に薄膜層８３が露呈する位置まで平面研磨して接合プリズム体を得る。そして、この接合プリズム体の両端を切断、研磨してプレート状に整形したプリズムアセンブリにすれば、プリズムアセンブリの上面に対して薄膜層８３の傾斜角度を４５°以外の角度、すなわち二次積層体８４を得るときの平行平板８２のずらし段差量に応じた傾斜角度に調節することもできる。

２，３５ 偏光照明光学素子
３，３６ 偏光ビームスプリッタアレイ
５，３７ 偏光変換素子
６，１２，３９，４４，７６，７８，８３ 薄膜層
１０ 直角プリズム要素
２６，５０ａ，６８，７５ａ，８２ 平行平板
２７，５２，７０ａ，７０ｂ，７０ｃ，７７ 一次積層体
２８，５５，５６，６９，７２，８０，８４，８５ 二次積層体
３０，３２，７３ 接合プリズム体

Claims (9)

1. 表裏面が研磨された一定厚みの平行平板を厚み方向に複数枚積層した一次積層体を得る第１工程、
   積層された複数枚の平行平板の各々の第１端面が同一平面で連なるように前記積層体を第１端面側から一斉に研磨する第２工程、
   第２工程で研磨された平行平板の第１端面がそれぞれ一定段差で配列されるように平行平板を順次にずらして接合する第３工程、
   接合された積層体を逆の端面側から前記第１端面の配列面に向かって一斉に研磨し、前記第３工程による接合面を残し、かつ前記第１端面の配列面から一定距離となる位置まで研磨して接合プリズム体を得る第４工程、
   とを含むことを特徴とするプリズムアセンブリの製造方法。
2. 第２工程で得られた積層体の第１端面側の研磨仕上げ面に薄膜層を形成する成膜工程を設けたことを特徴とする請求項１記載のプリズムアセンブリの製造方法。
3. 複数枚の前記平行平板が、前記第１端面と平行かつ前記一次積層体の積層方向と直交する向きに厚みよりも十分に大きな幅を有し、前記第４工程で得られたシート状の接合プリズム体を第４工程の研磨仕上げ面に現れた接合境界線と４５°の角度で交差する切断線を基準に切断して矩形状のプリズムシートに整形することを特徴とする請求項１又は２記載のプリズムアセンブリの製造方法。
4. 表裏面が研磨された一定厚みの平行平板を厚み方向に複数枚ずつ積層して一対の一次積層体を得る第１工程、
   積層された複数枚の平行平板の各々の第１端面が同一平面で連なるように前記一対の一次積層体をそれぞれの第１端面側から一斉に研磨する第２工程、
   第２工程で研磨された平行平板の第１端面が一定段差で配列されるように前記一対の一次積層体ごとにそれぞれの平行平板を順次にずらして接合した一対の二次積層体を得る第３工程、
   第３工程を経た一対の二次積層体をそれぞれの前記第１端面側で互いに密着させて接合する第４工程、
   接合された一対の二次積層体を逆の端面側から各々の第１端面の配列面に向かって両側から平行に研磨し、各研磨仕上げ面が前記第１端面の配列面からそれぞれ一定距離となる位置まで研磨された接合プリズム体を得る第５工程、
   とを含むことを特徴とするプリズムアセンブリの製造方法。
5. 前記第２工程で得た一対の一次積層体の一方の研磨仕上げ面に、薄膜層を成膜することを特徴とする請求項４記載のプリズムアセンブリの製造方法。
6. 前記第２工程で得た一対の一次積層体のそれぞれの研磨仕上げ面に薄膜層を形成し、前記第４工程ではそれぞれの薄膜層が互いに重ならない向きで一対の二次積層体を互いに接合することを特徴とする請求項４記載のプリズムアセンブリの製造方法。
7. 前記一対の一次積層体を構成するそれぞれの複数枚の前記平行平板が、前記第１端面と平行かつ前記一次積層体の積層方向と直交する向きに厚みよりも十分に大きな幅を有し、前記第５工程で得られたシート状の接合プリズム体を前記第６工程の研磨仕上げ面に現れた接合境界線と４５°の角度で交差する切断線を基準に切断して矩形状のプリズムシートに整形することを特徴とする請求項６記載のプリズムアセンブリの製造方法。
8. 表裏面が研磨された一定厚みの平行平板を厚み方向に複数枚積層した第１の一次積層体を得る第１工程、
   表裏面が研磨され前記平行平板と同一厚みをもつ複数枚の平行平板の表面に第１薄膜層を形成した後、前記第１薄膜層が密着しないように厚み方向に積層した第２の一次積層体を得る第２工程、
   積層された複数枚の平行平板の各々の第１端面が同一平面で連なるように前記第１及び第２の一次積層体を第１端面側からそれぞれ研磨する第３工程、
   前記第３工程の研磨で得られた前記第２の一次積層体の第１端面側の研磨仕上げ面に第２薄膜層を形成する第４工程、
   前記第３工程で研磨された第１の一次積層体の平行平板の第１端面、及び第４工程で成膜された第２薄膜層がそれぞれ一定段差で配列されるように、第１及び第２の一次積層体のそれぞれについて平行平板を順次にずらして接合して第１及び第２の二次積層体を得る第５工程、
   第５工程で得た第１の二次積層体と第２の二次積層体とをそれぞれの前記第１端面側で互いに密着させて接合する第６工程、
   接合された一対の二次積層体をそれぞれ逆の端面側から各々の第１端面に向かって両側から平行に研磨し、少なくとも第２の二次積層体については第１及び第２薄膜層の縁が露呈する位置まで研磨して接合プリズム体を得る第７工程、
   とを含むことを特徴とするプリズムアセンブリの製造方法。
9. 前記第１及び第２の一次積層体を構成するそれぞれの複数枚の前記平行平板が、前記第１端面と平行かつ前記一次積層体の積層方向と直交する向きに厚みよりも十分に大きな幅を有し、前記第７工程で得られたシート状の接合プリズム体を前記第７工程の研磨仕上げ面に現れた接合境界線と４５°の角度で交差する切断線を基準に切断して矩形状のプリズムシートに整形することを特徴とする請求項８記載のプリズムアセンブリの製造方法。

Images