JP2014002286A - 偏光解消素子及びその素子を用いた光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】機械的な方法を用いなくてもスペックルを解消できる偏光解消素子を提供する。
【解決手段】使用する光の波長に対して光透過性をもつ基材３の光入射面３ａ及び光出射面３ｂの表面に、光透過面３ａ，３ｂが領域分割された領域Ａ１〜Ａ８に対して領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜５ａ，５ｂが形成されている。図１（Ａ）に示されるように、使用する光の波長について、光入射面３ａ側の光の位相差は揃っている。その光は、偏光解消素子１を透過する際、光位相差発生膜５ａ、基材３及び光位相差発生膜５ｂからなる誘電体多層膜で光の位相差が変化させられる。図１（Ｃ）に示されるように、偏光解消素子１を透過した光出射面３ｂ側の光の位相差は領域Ａ１〜Ａ８で互いに異なっている。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学機器に用いられる偏光解消素子とその素子を用いた光学機器に関するものである。

偏光解消素子は、レーザプリンタなどで問題となる偏光を解消させるための光学部品として用いられたり、光学露光装置や光学測定機などの光学機器の光学系のスペックルの発生を低減させるスペックル低減素子として用いられたりしている。

レーザからの光をマイクロレンズアレイやフライアイレンズを通すことによってひとつの光束を複数の光束に分割する際、分割された光は偏光方向が同一方向に揃っており、光学系の中で特定の条件が整うと、分割された光がそれぞれ迷光の原因となって光学系の途中で光が強めあう点（スペックル）が生じる場合がある。スペックルは、いろいろな光学系で発生することが知られており、これを解消する方法が種々提案されているが、有効な解決策は確立されていない。

スペックルを解消する方法のひとつとしては、レーザ光の可干渉距離よりも光の光路長変化量が大きい状態になっていることが望ましい。光路長が不揃いであると、光の干渉が起こりにくいからである。
スペックルを解消する手法として、例えば非特許文献１に８つの方法が開示されている。

特開平７−２３０１５９号公報 特表平８−５０４５１５号公報 ＷＯ２００４／００８１９６号 特開２００７−２６３５９３号公報 特開２００５−２７９７６１号公報 特開２００４−３４１４５３号公報

黒田和男、山本和久、栗村直 編，「解説 レーザーディスプレイ−基礎から応用まで−」，株式会社オプトロニクス社，２０１０年２月８日，ｐ．１８４

非特許文献１に開示されている８つのスペックル解消方法は、レーザの干渉を低減するための機械的な方法である。機械的な方法は、装置寸法やコストが大きくなる。

本発明の第１の目的は、機械的な方法を用いなくてもスペックルを解消できる偏光解消素子を提供することである。

本発明の第２の目的は、そのような偏光解消素子を光学系に備えることによりスペックルを解消した光学機器を提供することである。

上記課題を達成するために、本発明は、光透過面及び光反射面の少なくとも一方の表面に、光透過面又は光反射面が領域分割された領域に対して領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜を形成し、光位相差発生膜を透過する光について領域ごとに光路長差をもたせるようにしたものである。

すなわち、本発明の偏光解消素子の第１の形態は、使用する光の波長に対して光透過性をもつ基材の光透過面である光入射面及び光出射面の一方又は両方の表面に、上記光透過面が領域分割された領域に対して領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜が形成されていることを特徴とする。

本発明の偏光解消素子の第２の形態は、使用する光の波長に対して光反射性をもつ光反射面の表面に、上記光反射面が領域分割された領域に対して領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜が形成されていることを特徴とする。

本発明の偏光解消素子の第２の形態において、複数の上記光反射面を備え、それらの光反射面のうちの１つ又は複数に上記光位相差発生膜が形成されている例を挙げることができる。複数の光反射面を備えた構造として、例えば２つの光反射面をもつペンタミラーや、３つの光反射面をもつコーナーキューブミラーなどが挙げられる。ただし、複数の光反射面を備えた構造はこれらに限定されない。

本発明の偏光解消素子の第３の形態は、光入射面、光反射面及び光出射面をもち、使用する光の波長に対して光透過性をもつ基材を備え、上記光反射面の表面に、上記光反射面が領域分割された領域に対して領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜と、上記光位相差発生膜を透過した光を反射するために上記光位相差発生膜の表面に形成された光反射膜とが形成されていることを特徴とする。

本発明の偏光解消素子の第３の形態において、上記基材は複数の光反射面を備えたプリズムであって、それらの光反射面のうちの１つ又は複数に上記光位相差発生膜及び上記光反射膜が形成されている例を挙げることができる。複数の光反射面を備えたプリズムとして、例えば２つの光反射面をもつペンタプリズムや、３つの光反射面をもつペンタダハプリズム及びコーナーキューブプリズムなどが挙げられる。ただし、複数の光反射面を備えたプリズムはこれらに限定されない。

さらに、光透過面である上記光入射面及び上記光出射面の一方又は両方の表面に、上記光透過面内の領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜が形成されているようにしてもよい。

また、本発明の偏光解消素子は、上記光入射面及び上記光出射面を備えている第１の形態及び第３の形態において、上記光入射面及び上記光出射面の一方の表面に、光量を均一化するための光量均一化用光学素子が形成されているものも含んでいる。そのような光量均一化用光学素子としては、例えばマイクロレンズアレイ、インテグレータ及びフライアイレンズアレイなどが挙げられる。

このように、偏光解消素子と光量均一化用光学素子とを一体化したものを、レーザ露光装置やレーザ加工装置などの光学系に適用することにより、これらの素子の透過光の位相を不揃いにするとともに、光量を均一化することができる。

また、光位相差発生膜は、例えば、誘電体の単層もしくは多層の薄膜材料、合成石英もしくは光学ガラス材料からなる構造材料、光学結晶材料又はプラスチック材料からなる光透過性材料で構成することができる。

そのような誘電体材料としては、ＴｉＯ₂、Ｎｂ₂Ｏ₅、Ｉｎ₂Ｏ₅、ＳｎＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＣｒＯ₂、ＺｒＯ₂、ＭｇＦ₂、ＭｇＯ₂、ＣｅＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＳｉＯ₂、ＩＴＯ、ハイコム（メルク社の商品名：ＺｒＯ₂＋ＴｉＯ₂）、ＯＭ−１０（メルク社の商品名：Ｔａ₂Ｏ₅＋ＴｉＯｎ（ｎは酸素数であり、この化合物はＴｉが欠損状態にあるものを表わす。））、ＯＭ−４（メルク社の商品名）、Ｈ−４（メルク社の商品名）、Ｍ−４（メルク社の商品名）などを用いることができる。

光学ガラス材料としては、テンパックス（商標）やネオセラム（商標）などを用いることができる。

また、本発明は、レーザ光源から発生するレーザ光を対象物に照射する光学系を備えた光学機器も対象としている。そのような光学機器としてはレーザプリンタ、露光装置、レーザ光源を用いる分光器、及びレーザ計測装置などを挙げることができる。そのような光学機器において、本発明は、それらの光学機器の光源からのレーザ光の位相を不揃いにするために、本発明の偏光解消素子をそれらの光学機器の光学系の光路上に配置したものである。

上記の光学機器においては、偏光解消素子を上記光路上において光線方向の軸を中心として回転させたり、又は光路上において光線方向に対して平行又は垂直な方向に振動させたりする駆動機構を備えるようにしてもよい。そのような駆動機構を備えるようにすれば、偏光解消素子による偏光解消機能に時間分解能を追加、すなわち時間軸に対しても偏光解消の機能を付加することができる。

本発明の偏光解消素子は、光透過面及び光反射面の表面の少なくとも一方に、光透過面又は光反射面が領域分割された領域に対して領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜を備え、偏光解消素子を透過した光について、使用する光の可干渉距離よりも大きい光路長差を発生させるようにした。これにより、本発明の偏光解消素子は、偏光解消素子を透過した光について位相を不揃いにし、光の干渉を低減できるので、機械的な方法を用いなくてもスペックルを解消できる。このように、本発明の偏光解消素子は、安価かつ省スペースでスペックルの解消を実現できる。

この偏光解消素子をそれぞれの光学系に配置した露光装置、レーザプリンタその他の光学機器では光学系でのスペックルの発生を低減させることができる。

偏光解消素子の第１の形態の一実施例を説明するための概念図である。 偏光解消素子の第２の形態の一実施例を説明するための概念図である。 偏光解消素子の第３の形態の一実施例を説明するための模式図である。 偏光解消素子の第３の形態の他の実施例を説明するための模式図である。 偏光解消素子の第２の形態の他の実施例を説明するための模式図である。 ２つの光位相差発生膜について、膜厚分布を同一にし、膜厚分布の方向を互いに９０度異ならせたときの光の合成位相差量のイメージを示す模式図である。 偏光解消素子の第１の形態の他の実施例を説明するための模式図である。 偏光解消素子を使用した一実施例としてのレーザプリンタの光学系を示す概略斜視図である。 偏光解消素子を使用した他の実施例としてのレーザプリンタの光学系を示す概略斜視図である。 偏光解消素子を使用したさらに他の実施例としての露光装置の光学系を示す概略構成図である。 偏光解消素子を使用したさらに他の実施例としての光ファイバ増幅器の光学系を示す概略構成図である。

本発明の偏光解消素子は、光透過面及び光反射面の表面の少なくとも一方に、光透過面又は光反射面が領域分割された領域に対して領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜を備えたものである。

偏光解消素子の第１の形態の一実施例として、透明なガラス基板上への光位相差発生膜の形成例を説明する。

図１は、偏光解消素子の第１の形態の一実施例を説明するための概念図である。図１（Ａ）は、光入射面及び光出射面が領域分割された領域と、光入射面側の光の位相差とを表わすイメージ図である。図１（Ｂ）は偏光解消素子の概略的な側面図である。図１（Ｃ）は、光入射面及び光出射面が領域分割された領域と、光出射面側の光の位相差とを表わすイメージ図である。

図１（Ｂ）に示されるように、偏光解消素子１は、使用する光の波長に対して光透過性をもつ透明なガラス基板からなる基材３を備えている。基材３は光透過面である光入射面３ａ及び光出射面３ｂを備えている。

光入射面３ａの表面に光位相差発生膜５ａが形成されている。光位相差発生膜５ａの表面には反射防止コートが施されている（図示は省略）。また、基材３の光透過面である光出射面３ｂの表面に光位相差発生膜５ｂが形成されている。光位相差発生膜５ａ，５ｂは例えば誘電体の単層膜又は多層膜で形成されている。

図１（Ａ）及び図１（Ｃ）に示されるように、基材３の光透過面３ａ，３ｂは８つの領域Ａ１〜Ａ８に領域分割されている。
光位相差発生膜５ａ，５ｂは、領域Ａ１〜Ａ８に対して、領域Ａ１〜Ａ８ごとで異なった膜厚をもっている。この実施例では、光位相差発生膜５ａ，５ｂは、領域Ａ１側から領域Ａ８側へ向かうほど膜厚が厚くなっている。光位相差発生膜５ａ，５ｂは、偏光解消素子１を透過した光について、光透過面３ａ，３ｂにおける隣り合う２つの領域間で、使用する光の可干渉距離よりも光の光路長差が大きくなるように光路長差を発生させる膜厚差で形成されている。

光位相差発生膜５ａ，５ｂの形成は、例えば、基材３上に真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ（化学気相成長）法、アシストデポジッション法（ＡＤ法）、溶射法などの成膜法によって誘電体材料を堆積する方法によって行なわれる。

光位相差発生膜５ａ，５ｂを形成するための誘電体材料が光入射面３ａ又は光出射面３ｂに堆積される際、光入射面３ａ又は光出射面３ｂの面内で膜厚が制御できるように成膜処理が実施される。

誘電体材料として、成膜技術（ＡＤ法、溶射法、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ法など）を使用して酸化物層を形成する。酸化物は、例えばＡｌ₂Ｏ₃、ＳｉＯ₂、ＺｒＯ₂、ＴｉＯ₂、ＳｎＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅などの膜を選択することができる。

堆積される誘電体材料の膜厚制御は、成膜物質が通り抜ける部分のみに開口が形成された膜厚制御用の制御板を基材３に対して移動させながら成膜を実施することによって行なわれる。制御板と基材３は、互いに相対的に（Ｘ，Ｙ，θ：回転方向に）移動する機構を有す装置に配置される。制御板と基材３とが予め設計されたプログラムにしたがって相対的に移動されながら、誘電体材料が成膜される。制御板と基材３との相対的な移動速度は、各領域で同じでもよいし、異なってもよい。

光位相差発生膜が形成される面と、飛翔する成膜物質の相対的な関係は、垂直の場合と、斜入射の場合とがある。成膜物質を斜入射させることにより、結晶性を有する誘電体薄膜を形成できる。

光透過面又は光反射面に形成される光位相差発生膜は、その表面に、各領域に微細構造を有し、位相差を生じさせる構造であってもよい。このような微細構造は、例えば特許文献６に開示されており、サブ波長構造体（ＳＷＳ：Subwavelength Structure）と呼ばれる。

光位相差発生膜に特性の異なるサブ波長構造体領域をいくつも設けることで、基板を光が通過する際に各周期構造体に応じた偏光を持たせることができる。サブ波長構造体領域とは使用する光の波長よりも短い周期で繰り返して配列された溝をもつ周期構造体のことである。使用する光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する格子構造は構造性複屈折作用をもつ。

さらに、サブ波長構造体の溝の配列方向である光学軸方向を各領域で異ならせることにより、偏光状態を多様化させて、偏光解消素子機能が発揮されるようにしてもよい。
また、光位相差発生膜の成膜時に、成膜視ながらレーザ光やプラズマを照射して、より高密度な誘電体薄膜からなる光位相差発生膜を形成してもよい。

光入射面３ａの表面に光位相差発生膜５ａを形成する方法の一例を述べる。
（１）誘電体材料の成膜の初期は、光入射面３ａの全面に誘電体材料が成膜されるように上記制御板の開口が位置合せされる。所定時間だけ誘電体材料の成膜を行なう。

（２）上記制御板を光入射面３ａの幅寸法の１／８だけ光入射面３ａの幅方向に移動させて、領域Ａ１上を上記制御板で覆い、領域Ａ２〜Ａ８上に上記制御板の開口を配置する。所定時間だけ誘電体材料の成膜を行なう。

（３）さらに、上記工程（２）と同様に、上記制御板を光入射面３ａの幅寸法の１／８だけ光入射面３ａの幅方向に移動させて、領域Ａ１，Ａ２上を制御板で覆い、領域Ａ３〜Ａ８上に上記制御板の開口を配置する。所定時間だけ誘電体材料の成膜を行なう。さらに、上記工程（２）と同様の上記制御板の移動及び成膜処理を５回繰り返す。

このように、上記工程（１）の後に、上記工程（２）と同様の上記制御板の移動及び成膜処理を７回繰り返すと、図１（Ｂ）に示されたように、光入射面３ａが紙面縦方向に領域分割された領域Ａ１〜Ａ８で互いに膜厚が異なる誘電体膜をもつ光位相差発生膜５ａを形成できる。

光出射面３ｂの表面に形成される光位相差発生膜５ｂについても、上記工程（１）〜（３）と同様にして、形成することができる。領域Ａ１〜Ａ８で互いに膜厚が異なる誘電体膜をもつ光位相差発生膜５ｂを形成できる。

偏光解消素子１全体で見ると、光位相差発生膜５ａ、基材３及び光位相差発生膜５ｂは誘電体積層膜を構成する。そして、誘電体積層膜は、膜厚分布を有し、領域Ａ１〜Ａ８で互いに膜厚が異なっている。

図１（Ａ）に示されるように、使用する光の波長について、光入射面３ａ側の光の位相差は揃っている。その光は、偏光解消素子１を透過する際、光位相差発生膜５ａ、基材３及び光位相差発生膜５ｂからなる誘電体多層膜で光の位相差が変化させられる。

図１（Ｃ）に示されるように、偏光解消素子１を透過した光出射面３ｂ側の光の位相差は領域Ａ１〜Ａ８で互いに異なっている。これにより、出射光においてスペックルが解消される。

この光位相差量は、成膜する誘電体多層膜の材質（材料種類）や物性（膜質や密度など）と膜厚によって制御できる。この実施例では、偏光解消素子１を透過した光について、光位相差発生膜５ａ，５ｂの膜厚が大きい領域ほど位相差量が大きくなるように設計されている。

偏光解消素子１において、出射光の位相差量は、光位相差発生膜５ａ，５ｂの膜厚分布や膜厚分布及びその配置方向などによって異なる。
偏光解消素子１において、光位相差発生膜は、光入射面３ａ又は光出射面３ｂのうち１面のみに形成されていてもよい。

本発明の偏光解消素子の第１の形態の基材は、例えば後述するペンタプリズムやペンタダハプリズムなど、光入射面、光反射面及び光出射面をもつ基材であってもよい。その基材において、光入射面及び光出射面３ｂのうち少なくとも１面に光位相差発生膜が形成される。

次に、偏光解消素子の第２の形態の一実施例として、光反射面を有する基板への光位相差発生膜の形成例を説明する。

図２は、偏光解消素子の第２の形態の一実施例を説明するための概念図である。図２（Ａ）は、光反射面が領域分割された領域と、入射光の位相差とを表わすイメージ図である。図２（Ｂ）は偏光解消素子の概略的な側面図である。図２（Ｃ）は、光反射面が領域分割された領域と、反射光の位相差とを表わすイメージ図である。

図２（Ｂ）に示されるように、偏光解消素子７において、基材９の一表面に、使用する光の波長に対して光反射性をもつ光反射膜１１が形成されている。基材９の材料は例えばガラスや樹脂等である。光反射膜１１は、アルミニウムや銀などの金属膜、又は誘電体多層膜によって形成されている。

光反射膜１１の光反射面１１ａの表面に光位相差発生膜１３が形成されている。光位相差発生膜１３は誘電体の単層膜又は多層膜で形成されている。光位相差発生膜１３の表面には反射防止コートが施されている（図示は省略）。

光反射面１１ａで反射された光で生じる位相差量は、基本的には、光反射面１１ａに対する入射光の入射角度も考慮に入れて、入射光に対して１８０°になるように設計されている。目的に応じて、反射位相差量を１５０°や１２０°に設計することも可能である。この実施例では１８０°で説明する。

図２（Ａ）及び図２（Ｃ）に示されるように、光反射面１１ａは８つの領域Ａ１〜Ａ８に領域分割されている。
光位相差発生膜１３は、領域Ａ１〜Ａ８に対して、領域Ａ１〜Ａ８ごとで異なった膜厚をもっている。この実施例では、光位相差発生膜１３は、領域Ａ１側から領域Ａ８側へ向かうほど膜厚が厚くなっている。光位相差発生膜１３は、偏光解消素子７で反射された光について、光反射面１１ａにおける隣り合う２つの領域間で、使用する光の可干渉距離よりも光の光路長差が大きくなるように光路長差を発生させる膜厚差で形成されている。

光反射膜１１及び光位相差発生膜１３を形成する方法の一例を説明する。
（１）基材９の一表面に光反射膜１１を形成する。光反射膜１１は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などで成膜される。なお、光反射膜１１の成膜方法は、他の方法でもかまわない。

（２）光反射膜１１の光反射面１１ａの表面に光位相差発生膜１３を形成する。光位相差発生膜１３の形成工程は、上記で説明された光位相差発生膜５ａの形成工程（１）〜（３）と同様である。光位相差発生膜１３を形成するための誘電体材料が光反射面１１ａに堆積される際、光反射面１１ａの面内で膜厚が制御できるように成膜処理が実施される。

図２（Ａ）に示されるように、使用する光の波長について、入射光の位相差は揃っている。その光は、偏光解消素子７で反射される際、光位相差発生膜１３で光の位相差が変化させられる。

本実施例では、偏光解消素子７に入射し、光位相差発生膜１３を透過した光は光反射面１１ａで反射され、逆の行路を通過して光位相差発生膜１３から出射する。このとき、光は、光位相差発生膜１３を２度透過するので、位相差変化量は光位相差発生膜１３を１度透過する場合に比べて２倍となる。

したがって、光位相差発生膜１３は、図１（Ｂ）に記載された光位相差発生膜５ａ，５ｂの合計の膜厚に比べて半分（１／２）の膜厚で、光位相差発生膜５ａ，５ｂと同様の機能が得られる。もちろん、入射光の入射角度によって位相差量や反射方向も変化するが、本実施例では、入射角度は例えば８５〜８８°とされている。この入射角度では、反射光は光位相差発生膜１３において入射光とほぼ同様の光路を通過する。なお、図２（Ｂ）では、便宜上、当該角度よりも大きな入射角度が記載されている。

図２（Ｃ）に示されるように、偏光解消素子７で反射された光の位相差は領域Ａ１〜Ａ８で互いに異なっている。これにより、出射光においてスペックルが解消される。

この光位相差量は、成膜する誘電体多層膜の材質（材料種類）や物性（膜質や密度など）と膜厚によって制御できる。この実施例では、偏光解消素子７で反射された光について、光位相差発生膜１３の膜厚が大きい領域ほど位相差量が大きくなるように設計されている。

偏光解消素子７において、出射光の位相差量は、光位相差発生膜１３の膜厚分布や膜厚分布及びその配置方向などによって異なる。

本発明の偏光解消素子の第２の形態は、例えば後述するペンタプリズムミラーなど、複数の光反射面を備えていてもよい。複数の光反射面のうち少なくとも１面に光位相差発生膜が形成される。

次に、偏光解消素子の第３の形態の一実施例として、光反射面を有するプリズムへの光位相差発生膜の形成例を説明する。

図３は、偏光解消素子の第３の形態の一実施例を説明するための模式図である。
偏光解消素子１５の基材はペンタプリズムで形成されている。ペンタプリズム（光反射面：２面、入射面：１面、出射面：１面）は、使用する光の波長に対して光透過性をもつ基材、例えば光学ガラスを多面体に加工したものである。偏光解消素子１５は、光入射面１５−１、光反射面１５−２，１５−３及び光出射面１５−４を備えている。

光入射面１５−１及び光出射面１５−４の表面に光位相差発生膜が形成されている（図示は省略）。これらの光位相差発生膜の成膜方法は、図１を参照して上記で説明された光位相差発生膜５ａの形成工程（１）〜（３）と同様である。光入射面１５−１に形成された光位相差発生膜の表面には反射防止コートが施されている（図示は省略）。

光反射面１５−２及び１５−３の表面に、下層側から順に光位相差発生膜と光反射膜が形成されている（図示は省略）。これらの光位相差発生膜及び光反射膜の成膜方法の一例を説明する。

ペンタプリズムの光反射面の表面に、図１を参照して上記で説明された光位相差発生膜５ａの形成工程（１）〜（３）と同様にして、光位相差発生膜を形成する。その光位相差発生膜の表面に光反射膜を形成する。この光反射膜は、使用する光の波長に対して光反射性をもつ膜、例えばアルミニウムや銀などの金属膜、又は誘電体多層膜によって形成されている。この光反射膜は、例えば、真空蒸着法、スパッタリング法、ＣＶＤ法などで成膜される。なお、光反射面１１ａの成膜方法は、他の方法でもかまわない。

つまり、図２を参照して上記で説明された光反射膜１１ａ及び光位相差発生膜１３の形成工程（１），（２）とは逆の順序で、ペンタプリズムの光反射面の表面に光位相差発生膜及び光反射膜が形成される。

なお、光反射膜で生じる位相差量は、基本的には１８０°になるように設計されている。目的に応じて、反射位相差量を１５０°や１２０°に設計することも可能である。この実施例では、１８０°で説明する。

偏光解消素子１５に対して、使用される光は光入射面１５−１からペンタプリズム基材に導入される。このとき、光は光入射面１５−１に形成された光位相差発生膜を透過する。
光入射面１５−１から入射された光は光反射面１５−２で反射される。このとき、光は「プリズム基材」、「光位相差発生膜」、「光反射膜」、「光位相差発生膜」、「プリズム基材」の順に各部材を通過する。つまり、光は光位相差発生膜を２度透過するので、光の位相差変化量は当該光位相差発生膜を１度透過する場合に比べて２倍となる。

光反射面１５−２で反射された光は光反射面１５−３で反射される。このとき、光は、光反射面１５−３に形成された光位相差発生膜を２度透過する。
光反射面１５−３で反射された光は光出射面１５−４から出射される。このとき、光は光出射面１５−４に形成された光位相差発生膜を透過する。

光反射面１５−２，１５−３に形成された光位相差発生膜について、光は光位相差発生膜を２度透過するので、当該光位相差発生膜は、光入射面１５−１又は光出射面１５−４に形成された光位相差発生膜に比べて半分（１／２）の膜厚で、それらの光位相差発生膜と同様の機能が得られる。もちろん、入射角度によって位相差量や反射方向も変化するが、本実施例では、入射角度は６０〜５５°とされている。この角度では、入射光と反射光は別々の光路を通過する。

偏光解消素子１５について、出射光の位相差量は、使用するプリズムの形状や、光位相差発生膜の膜厚分布及びその配置方向などによって異なる。
偏光解消素子１５において、光位相差発生膜は、光入射面１５−１、光反射面１５−２，１５−３及び光出射面１５−４のうち１面のみ、２面又は３面に形成されていてもよい。

図４は、偏光解消素子の第３の形態の他の実施例を説明するための模式図である。
偏光解消素子１７の基材はペンタダハプリズムで形成されている。ペンタダハプリズム（光反射面：３面、入射面：１面、出射面：１面）は、使用する光の波長に対して光透過性をもつ基材、例えば光学ガラスを多面体に加工したものである。ペンタダハプリズムは、５角柱の側面の一つをダハ面（直角に交わる２面に分割したもの）とし、左右方向を反転させる機能も持っている。偏光解消素子１７は、光入射面１７−１、光反射面１７−２，１７−３，１７−４及び光出射面１７−５を備えている。

偏光解消素子１７において、図３を参照して説明した偏光解消素子１５の光入射面１５−１及び光出射面１５−４と同様に、光入射面１７−１及び光出射面１７−５の表面に光位相差発生膜が形成されている（図示は省略）。光入射面１７−１に形成された光位相差発生膜の表面には反射防止コートが施されている（図示は省略）。
また、偏光解消素子１７において、図３を参照して説明した偏光解消素子１５の光反射面１５−２，１５−３と同様に、光反射面１７−２，１７−３，１７−４の表面に光位相差発生膜が形成されている（図示は省略）。

偏光解消素子１７に対して、使用される光は光入射面１７−１からペンタダハプリズム基材に導入される。このとき、光は光入射面１７−１に形成された光位相差発生膜を透過する。

光入射面１７−１から入射された光は光反射面１７−２，１７−３，１７−４で反射される。各光反射面で光が反射されるとき、光は「プリズム基材」、「光位相差発生膜」、「光反射膜」、「光位相差発生膜」、「プリズム基材」の順に各部材を通過する。つまり、光は光位相差発生膜を２度透過するので、光の位相差変化量は当該光位相差発生膜を１度透過する場合に比べて２倍となる。

光反射面１７−４で反射された光は光出射面１７−５から出射される。このとき、光は光出射面１７−５に形成された光位相差発生膜を透過する。

光反射面１７−２，１７−３，１７−４に形成された光位相差発生膜は、図３を参照して説明した偏光解消素子１５の光反射面１５−２，１５−３と同様に、光入射面１７−１又は光出射面１７−５に形成された光位相差発生膜に比べて半分（１／２）の膜厚で、それらの光位相差発生膜と同様の機能が得られる。もちろん、入射角度によって位相差量や反射方向も変化するが、本実施例では、入射角度は６０〜５５°とされている。この角度では、入射光と反射光は別々の光路を通過する。

偏光解消素子１７について、出射光の位相差量は、使用するプリズムの形状や、光位相差発生膜の膜厚分布及びその配置方向などによって異なる。
偏光解消素子１７において、光位相差発生膜は、光入射面１７−１、光反射面１７−２，１７−３，１７−４及び光出射面１７−５のうち１面のみ、２面、３面又は４面に形成されていてもよい。

本発明の偏光解消素子の第３の形態の基材は、例えばコーナーキューブプリズムなど、光入射面、光反射面及び光出射面をもち、使用する光の波長に対して光透過性をもつ基材であれば種類は問われない。複数の光反射面を備えている場合、複数の光反射面のうち少なくとも１面に光位相差発生膜が形成される。さらに、光入射面及び光反射面の一方又は両方に光位相差発生膜が形成されていてもよい。

図５は、偏光解消素子の第２の形態の他の実施例を説明するための模式図である。
偏光解消素子１９はペンタミラーで形成されている。偏光解消素子１９は、２つの光反射面１９−１，１９−２を備えている。

ペンタミラーは、ペンタプリズムと同様の形状を数枚のミラーを組み合わせて作ったものである。ペンタミラーは、ガラス等の基材の塊ではなく、ペンタミラーの内部は空洞なので、軽くできる。また、ペンタミラーは、ミラーの貼り合わせで構成されているので、安価に作成できる。ペンタミラーは精密金型に樹脂を流して中空の多面体として成型される。そのため、低コスト化と軽量化が可能である。

光反射面１９−１，１９−２は光反射膜によって構成される。その光反射膜の表面に光位相差発生膜が形成されている（図示は省略）。これらの光反射膜及び光位相差発生膜の成膜方法は、図２を参照して上記で説明された反射膜１１及び光位相差発生膜１３の形成工程（１），（２）と同様である。これらの光位相差発生膜の表面には反射防止コートが施されている（図示は省略）。

偏光解消素子１９に入射された光は光反射面１９−１，１９−２で反射される。各光反射面で光が反射されるとき、光は「光位相差発生膜」、「光反射膜」、「光位相差発生膜」の順に通過する。つまり、光は光位相差発生膜を２度透過するので、光の位相差変化量は当該光位相差発生膜を１度透過する場合に比べて２倍となる。

偏光解消素子１９について、出射光の位相差量は、光反射膜の配置や、光位相差発生膜の膜厚分布の配置方向などによって異なる。
偏光解消素子１９において、光位相差発生膜は光反射面１９−１，１９−２のいずれか一方のみに形成されていてもよい。

複数の光反射面を備えた本発明の偏光解消素子の第２の形態は、他の形態、例えばコーナーキューブミラーであってもよい。複数の光反射面のうち少なくとも１面に光位相差発生膜が形成される。

図３、図４及び図５に示された偏光解消素子１５，１７，１９において、各面に形成される光位相差発生膜の膜厚分布及び膜厚分布の方向は、各面において同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。

ここで、「各面に形成される光位相差発生膜の膜厚分布及び膜厚分布の方向が同じである」とは、入射面に直交し、かつ入射位置で決定される各光路が各面の光位相差発生膜で同一の膜厚の光位相差発生膜の領域を通過するように、膜厚分布をもつ光位相差発生膜が各面に形成されていることを意味する。例えば、図１に示された偏光解消素子１の光位相差発生膜５ａと５ｂは、同一の膜厚分布及び膜厚分布の方向をもっている。

複数の面にそれぞれ形成された光位相差発生膜について膜厚分布及び膜厚分布の方向を互いに異ならせる方法は、入射面に直交し、かつ入射位置で決定される各光路のうちの少なくとも一部の光路が各面の光位相差発生膜で互いに異なる膜厚の光位相差発生膜の領域を通過するような方法であれば、どのような方法であってもよい。当該方法は色々な方法が考えられる。

例えば、複数の面にそれぞれ形成された光位相差発生膜について、（１）膜厚分布を同一にし、膜厚分布の方向を互いに異ならせる（ある光位相差発生膜を他の光位相差発生膜に対して面内で回転させる）方法、（２）面内方向をＸ，Ｙ方向としたときに、ある光位相差発生膜を他の光位相差発生膜に対して面内でＸ，Ｙ方向の一方向又は両方向にずらして配置する方法、（３）膜厚分布を画定する領域（例えば図１に示された領域Ａ１〜Ａ８）は同じであるが、対応する領域で互いに膜厚を異ならせる方法、（４）膜厚分布を画定する領域の大きさ、個数もしくは配置又はそれらの組み合わせを互いに異ならせる方法、などが挙げられる。

例えば、２つの光位相差発生膜について、膜厚分布を同一にし、膜厚分布の方向を互いに９０度異ならせると、それらの光位相差発生膜を通過する光の合成位相差量のイメージは、図６に示されるようになる。

また、複数の面にそれぞれ形成された光位相差発生膜は、互いに異なる光学軸方向をもったものであったり、互いに異なる材料によって形成されたものであったりしてもよい。

このように、同一の偏光解消素子に形成された複数の光位相差発生膜について、光路長差を発生させる特性が互いに異なる種々のものを組み合わせることにより、偏光解消素子の出射光について光路長差（位相差量）の分布を設計段階から計算することができる。例えば、偏光解消素子の出射光について、光路長差状態を非常に大きくする領域と非常に小さくする領域とを意図して作ることができる。また、偏光解消素子の出射光について、光路長差状態を一層ランダムに（位相をより不揃いに）することができる。

このように、複数の面に形成された光位相差発生膜について、各面にどのように光位相差発生膜の膜厚分布を形成するかによって、合成位相差量が異なってくる。合成位相差量は、各光位相差発生膜で生じる位相差量の足し算で求められる。つまり、複数の面に形成された光位相差発生膜について、「位相差量の差異が発生するように光位相差発生膜の膜厚分布及び膜厚分布の方向を変更する」ことにより、任意の合成位相差量が得られる。

次に、光入射面及び光出射面を備えている偏光解消素子の形態であって、光量を均一化するための光量均一化用光学素子を備えている偏光解消素子の実施例を説明する。

図７は、偏光解消素子の第１の形態の他の実施例を説明するための模式図である。図７（Ａ）は、光出射面が領域分割された領域と、光入射面側の光の位相差とを表わすイメージ図である。図７（Ｂ）は偏光解消素子の概略的な側面図である。図７（Ｃ）は、光出射面が領域分割された領域と、光出射面側の光の位相差とを表わすイメージ図である。図１と同じ部分には同じ符号が付され、それらの部分の説明は省略される。

偏光解消素子２３は、図１に示された偏光解消素子２１と比較して、光出射面３ｂの表面に、光位相差発生膜５ｂに替えて、光量を均一化するための光量均一化用光学素子２３を備えている。光量均一化用光学素子２３として、マイクロレンズアレイ、インテグレータ又はフライアイレンズアレイなどが挙げられる。

そのような光量均一化用光学素子はよく知られたものであり、その製造方法もよく知られている。その製造方法の一例を示すと、光学基板の表面にフォトレジスト（感光性材料の代表例）の層を形成し、このフォトレジスト層に対して２次元的な透過率分布を有する露光用マスクを介して露光し、フォトレジストの現像によりフォトレジストの表面形状として凸面形状もしくは凹面形状を得、しかる後にフォトレジストと光学基板とに対して異方性エッチングを行ない、フォトレジストの表面形状を光学基板に彫り写して転写することにより、光学基板の表面に所望の３次元構造の屈折面や光反射面の形状を得る方法である（例えば特許文献１，２を参照。）。

この実施例は、図７（Ｃ）に示されるように、偏光解消素子２１を透過した光出射面３ｂ側の光の位相差を領域Ａ１〜Ａ８で異ならせることができる。なお、偏光解消素子２１を透過した光出射面３ｂ側の光について、図１に示された偏光解消素子１を透過した光出射面３ｂ側の光と同等の位相差量を得る場合には、偏光解消素子２１の光位相差発生膜５ａは偏光解消素子１の光位相差発生膜５ａに対して２倍の膜厚で形成される。

本発明の偏光解消素子の第１の形態において、入射面に光量均一化用光学素子が配置され、出射面に光位相差発生膜が形成されているようにしてもよい。
また、本発明の偏光解消素子の第３の形態において、入射面もしくは出射面又はそれらの両方の面に光量均一化用光学素子が配置されているようにしてもよい。

（偏光解消素子の適用例）
（レーザプリンタへの適用）
図８はレーザプリンタの光学系を示したものである。レーザダイオード・ユニット５１内部には、光源としてのレーザダイオードと、レーザダイオードから射出されるレーザビームは平行光線にするコリメートレンズが設けられている。レーザダイオード・ユニット５１から平行光線となって射出されるレーザビームは、ポリゴンミラー（回転多面鏡）５２によって偏向走査され、Ｆ−θレンズ５３等から構成される結像レンズ系によってドラム状の感光体ドラム５５の帯電した表面に画像を結像する。

この実施例では、レーザダイオード・ユニット５１から射出されるレーザビームを位相が不揃いなレーザビームとするために、レーザダイオード・ユニット５１とポリゴンミラー５２の間の光路上に偏光解消素子５７が配置されている。

図９は、偏光解消素子５７の機能を高めるために、偏光解消素子５７をレーザビームの光軸方向に平行な軸を回転中心として回転させ、又は偏光解消素子５７をレーザビームの光軸に平行に若しくは垂直に振動させる機能を備えた駆動機構５７ａを設けた例である。このような駆動機構５７ａを設けることにより、偏光解消素子５７の偏光解消機能に時間分解能を追加することができる。すなわち、時間軸に対しても偏光解消機能を付加することができる。

偏光解消素子５７を回転させる場合には、偏光解消素子５７を中心に回転中心を有するように形成する。そして、偏光解消素子５７の回転中心にモーターによって駆動される回転機構を装着して偏光解消素子５７を回転させるようにしてもよいし、偏光解消素子５７の中心を回転可能に保持しておいて偏光解消素子５７の外周部に偏光解消素子５７を回転させる機構を設けるようにしてもよい。偏光解消素子５７の回転速度は、使用する光源や使用する表示デバイスの振動数によって異なるが、１０ｒｐｍ以上の回転速度があれば偏光解消機能を向上させる効果が十分に得られる。

偏光解消素子５７を振動させる場合には、偏光解消素子５７の外周を保持するセルを設け、そのセルをピエゾ素子によってレーザビームの光線方向に対して平行に又は垂直に振動させるようにする。偏光解消素子５７の振動速度は、使用する光源や使用する表示デバイスの周波数によって異なるが、使用するデバイスの表示振動周波数（例えば、１０ｍｓｅｃ）の１０分の１以上の振動数があれば偏光解消機能を向上させる効果が十分に得られる。

（露光装置への適用）
図１０は露光装置の光学系を概略的に示したものである。ＫｒＦエキシマレーザ又はＡｒＦエキシマレーザからなる光源６０からの紫外線のレーザ光は、光束整形光学系６１により所定の光束形状に変換され、照明光学系６３，６４により原版であるマスク６６に照射される。マスク６６のパターンはマスク６６を透過した紫外線が投影光学系６７によりウエハ６８に照射されることにより投影露光される。ウエハ６８はウエハステージ６９に保持され、ウエハステージ６９によってウエハ６８が投影光学系６７の光軸と直交する平面に沿って２次元的に移動することにより投影露光が繰り返されていく。

光源６０がレーザであることから、発生するレーザ光は直線偏光である。そこで、この実施例では、光源６０から射出されるレーザ光を位相が不揃いなレーザ光とするために、光束整形光学系６１と照明光学系６３の間の光路上に偏光解消素子６２が配置されている。

なお、この露光装置の例においても、偏光解消素子６２を回転させたり振動させたりするための駆動機構を設けて、偏光解消素子６２の偏光解消機能を高めるようにしてもよい。そのような駆動機構は上記のレーザプリンタの例と同じであり、ここでの説明は省略する。

（光ファイバ増幅器への適用）
図１１は偏光解消素子を光ファイバ増幅器に適用した例を示したものである。
ファイバ増幅器は、希土類元素添加光ファイバ７４に光源７０からの励起光７１を入射して光ファイバ７４中の希土類元素を活性化しておき、そこに入射光７２を入射させることにより、その入射光７２を増幅して出射させるものである。励起光７１と入射光７２をともに光ファイバ７４に入射させるために、励起光７１と入射光７２とを結合する光カプラ７３が設けられている。

光ファイバ７４に添加される希土類元素は増幅すべき入射光の波長に応じて選択される。例えば、入射光の波長が１５５０ｎｍ波長帯域である場合にはエルビウム（Ｅｒ）を初めとするランタノイド希土類元素、入射光の波長が１０６０ｎｍ波長帯域又は１３００ｎｍ波長帯域の場合はネオジム（Ｎｄ）、入射光の波長が１３００ｎｍ波長帯域の場合はプラセオジウム（Ｐｒ）、入射光の波長が１４５０ｎｍ波長帯域の場合はツリウム（Ｔｍ）などが用いられる。

希土類元素添加光ファイバ７４は、増幅特性について偏光依存性をもっているので、この実施例では光ファイバ７４に入射する光を無偏光状態にするために、光カプラ７３と光ファイバ７４の間の光路上に本発明の偏光解消素子７６が配置されている。

なお、この光ファイバ増幅器の例においても、偏光解消素子７６を回転させたり振動させたりするための駆動機構を設けて、偏光解消素子７６の偏光解消機能を高めるようにしてもよい。そのような駆動機構は上記のレーザプリンタの例と同じであり、ここでの説明は省略する。

図８から図１１において、偏光解消素子５７，６２，７６の入射光の光路と出射光の光路は一直線上に図示されているが、これらの偏光解消素子の入射光の光路と出射光の光路は一直線上になくてもよい。例えば、これらの偏光解消素子の入射光の光路と出射光の光路は、図２から図５に示されたような位置関係であってもよい。

本発明の偏光解消素子は、上記に例示したレーザプリンタ、露光装置及び光ファイバ増幅器のほかにも、偏光に起因してスペックルが生じる光学系に適用することができる。そのような光学系として、レーザ光源を用いる分光器、レーザ計測装置、光ピックアップ装置、プロジェクタ、特許文献３に記載されているような偏光解析装置、偏波モード分散補償（ＰＭＤＣ）システム、ＣＣＤ及びＣＭＯＳセンサー、特許文献４に記載されているような位相差測定装置、並びに特許文献５に記載されているようなレーザ加工装置等を挙げることができる。

本発明の偏光解消素子において、光位相差発生膜の膜厚分布は、上記実施例のように段階的に変化していてもよいし、又は連続的に変化していてもよい。すなわち、光位相差発生膜は、光透過面又は光反射面が領域分割された各領域内で、膜厚が変化していてもよい。

また、本発明の偏光解消素子において、光位相差発生膜の膜厚分布は、上記実施例のように一方向に変化していてもよいし、又はランダムに変化していてもよい。

また、本発明の偏光解消素子において、光透過面又は光反射面が領域分割された領域の形状はどのような形状であってもよい。例えば、光透過面又は光反射面は碁盤の目状に領域分割されてもよい。

また、本発明の偏光解消素子において、光透過面又は光反射面が領域分割された領域として、光位相差発生膜の膜厚がゼロの領域、すなわち光位相差発生膜が形成されていない領域が含まれていてもよい。

以上、本発明の実施例が説明されたが本発明はこれらに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲内で種々の変更が可能である。

１，７，１５，１７，１９，２１，５７，６２，７６ 偏光解消素子
３ 基材
３ａ，１５−１，１７−１ 光入射面（光透過面）
３ｂ，１５−４，１７−５ 光出射面（光透過面）
５ａ，５ｂ，１３ 光位相差発生膜
１１ａ，１５−２，１５−３，１７−２，１７−３，１７−４ 光反射面
１９−１，１９−２ 光反射面
２３ 光量均一化用光学素子
Ａ１〜Ａ８ 面が領域分割された領域

Claims (12)

1. 使用する光の波長に対して光透過性をもつ基材の光透過面である光入射面及び光出射面の一方又は両方の表面に、前記光透過面が領域分割された領域に対して領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜が形成されていることを特徴とする偏光解消素子。
2. 使用する光の波長に対して光反射性をもつ光反射面の表面に、前記光反射面内の領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜が形成されていることを特徴とする偏光解消素子。
3. 該偏光解消素子は複数の前記光反射面を備え、それらの光反射面のうちの１つ又は複数に前記光位相差発生膜が形成されている請求項２に記載の偏光解消素子。
4. 光入射面、光反射面及び光出射面をもち、使用する光の波長に対して光透過性をもつ基材を備え、前記光反射面の表面に、前記光反射面が領域分割された領域に対して領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜と、前記光位相差発生膜を透過した光を反射するために前記光位相差発生膜の表面に形成された光反射膜とが形成されていることを特徴とする偏光解消素子。
5. 前記基材は複数の光反射面を備えたプリズムであって、それらの光反射面のうちの１つ又は複数に前記光位相差発生膜及び前記光反射膜が形成されている請求項４に記載の偏光解消素子。
6. 光透過面である前記光入射面及び前記光出射面の一方又は両方の表面に、前記光透過面が領域分割された領域に対して領域ごとで異なった膜厚をもつ光位相差発生膜が形成されている請求項４又は５に記載の偏光解消素子。
7. 前記光入射面及び前記光出射面の一方の表面に、光量を均一化するための光量均一化用光学素子が形成されている請求項１及び４から６のいずれか一項に記載の偏光解消素子。
8. 前記光量均一化用光学素子はマイクロレンズアレイ、インテグレータ又はフライアイレンズアレイである請求項７に記載の偏光解消素子。
9. 前記光位相差発生膜は、誘電体の薄膜材料、合成石英もしくは光学ガラス材料からなる構造材料、光学結晶材料又はプラスチック材料からなる光透過性材料で構成されている請求項１から８のいずれか一項に記載の偏光解消素子。
10. レーザ光源から発生するレーザ光を対象物に照射する光学系を備えた光学機器において、
    前記レーザ光の位相を不揃いにするために請求項１から９のいずれか一項に記載の偏光解消素子を前記光学系の光路上に配置したことを特徴とする光学機器。
11. 前記偏光解消素子を前記光路上において光線方向に平行な軸を中心として回転させる駆動機構を備えた請求項１０に記載の光学機器。
12. 前記偏光解消素子を前記光路上において光線方向に対して平行又は垂直の方向に振動させる駆動機構を備えた請求項１０に記載の光学機器。