JP2015206983A - 広帯域分離特性を備えた多段式多層膜偏光子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明の課題は、多層膜偏光子の欠点である偏光分離が可能な領域が狭いという特性を改善し、例えば365ｎｍ領域において10ｎｍを超える有効幅となる偏光分離領域の広い特性を備えた多層膜偏光子を提供することにある。【解決手段】本発明の多段式多層膜偏光子は、偏光分離波長領域の異なる複数の多層膜偏光子を最適な角度で各偏光子に入射するように多段配置することで、各偏光子により特定領域のｐ偏光成分を除去し、組合せによって偏光分離領域を広げるようにしたものである。【選択図】図１

Description

本発明は多層膜の透過・反射特性を利用して直線偏光を得る多層膜偏光子に関する。

自然光を直線偏光に変換する偏光子として、従来から複屈折を持つ結晶を用いた結晶プリズム型偏光子、微細な金属線を一定方向に並べたワイヤーグリッド型偏光子、ブリュースター角度を利用した偏光子などが知られており、それに加え、例えばレーザー光源などに用いる偏光子としては多層膜でのｐ偏光、ｓ偏光に対する透過特性の違いを利用した多層膜偏光子がある。基板上に多層膜を成膜し、入射する光線に対し適当な角度に配置することで、特定の波長領域で多層膜に入射するｐ偏光成分は透過し、ｓ偏光成分は反射する性質を利用するものである。すなわち、その反射帯の立ち上がり部分若しくは立ち下がり部分に発生する偏光成分に対し透過・反射特性が異なる領域を利用して光線中の２つの互いに直交する偏光成分を分離する。この多層膜偏光子は接着剤や金属などの光の吸収材料を使用していないため、レーザー光耐力があり、また多層膜を成膜することだけで実現できるためよく使用されている。

この多層膜偏光子の作動原理についてまず説明をする。図５は平板基板１の一面に単一の中心波長を持つ反射帯多層膜層２を成膜したときの構造図を示す。そのときの互いに直交する偏光成分について、入射・反射光線を含む面に電場が垂直に振動する偏光成分をｓ偏光とし、この面に平行に振動する偏光成分をｐ偏光としたときのそれぞれの分光透過率（計算値）を図６に示す。反射帯多層膜層の偏光特性は中心波長の両側に所定幅のｐ偏光透過帯域（破線）を有し、その外側にｓ偏光透過帯域（実線）を有する。この図に示されるように単一の反射帯をもつ多層膜では図中央部の有効偏光分離波長領域は、透過帯域の立ち上がり部におけるｐ偏光とｓ偏光透過帯域のズレ領域でｐ光の透過率がほぼ１００％でＳ偏光透過率がほぼ０％となるわずか２ｎｍ幅程度の領域でしかない。有効偏光分離波長領域が狭いことが欠点である。複数の波長を持つレーザーや放電灯の複数のスペクトルのような広い帯域を偏光分離する光源には使用することができない。

多層膜偏光子による偏光分離が可能な周波数領域を広くする技術が特許文献１に開示されている。特許文献１の発明は、この多層膜偏光子に関するもので、多層膜からなる偏光子の有効な偏光分離波長領域を、入射角の制限や使用できる材料を持つ屈折率の制限のもとで拡大し、さらに特定の複数の波長の直線偏光だけを透過するといった選択性を同時に有する機能を単独で実現できる多層膜偏光子を提供することを目的としたものである。この発明の多層膜偏光子は、屈折率の異なる少なくとも２種類以上の膜材料からなる多層膜に、斜入射光線の入射角に伴う反射帯の立ち上がり・立ち下がりの偏光透過特性の違いを利用し、互いに直交する偏光成分を透過・反射させる多層膜偏光子において、互いに長、短波長を中心波長とする２つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させ、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長帯を拡げるものである。

特許文献１の多層膜偏光子は、長波長と、短波長を中心波長とする複数の反射帯多層膜層を重ねることにより、偏光分離波長領域を広げる技術であるが、この手法による有効偏光分離波長領域も365ｎｍを中心として10ｎｍ幅程度の領域であった。

特開２００９−２１０７８０号公報 「多層膜偏光子」 平成２１年９月１７日公開

本発明の課題は、多層膜偏光子の欠点である偏光分離が可能な領域が狭いという特性を改善し、例えば365ｎｍ領域で10ｎｍを超える有効幅となる偏光分離領域の広い特性を備えた多層膜偏光子を提供することにある。

本発明の多段式多層膜偏光子は、偏光分離波長領域の異なる複数の多層膜偏光子を最適な角度で各偏光子に入射するように多段配置することで、各偏光子によりその固有な領域のｐ偏光成分を除去し、組合せによって偏光分離領域を広げるようにしたものである。
また、本発明の多段式多層膜偏光子は、偏光分離波長領域が同一、または重複する部分を持つ複数の多層膜偏光子を用いてその共通する偏光分離波長領域で高い消光比を持たせるようにした。

さらに、本発明の多段式多層膜偏光子は、特定の複数波長領域を選択的に透過させる機能をもたせるため複数の特定領域を中心とした多層膜偏光子を多段に配置するようにした。

本発明の多段式多層膜偏光子は、偏光分離波長領域の異なる複数の多層膜偏光子を最適な角度で各偏光子に入射するように多段配置ものであるから、各偏光子によりその固有な領域のｐ偏光成分が除去された光が次段の偏光子に入力され、更に当該偏光子によりその固有な領域のｐ偏光成分が除去され、以降順次その固有な領域のｐ偏光成分の除去が繰り返えされることにより、最終透過光は広帯域にわたりｐ偏光成分が除去された光を得ることができる。
また、偏光分離波長領域が同一、または重複する部分を持つ複数の多層膜偏光子を用いた本発明の多段式多層膜偏光子は、一つの多層膜偏光子では除去しきれなかった若干のｐ偏光成分が残っていても、更に同じ特性の多層膜偏光子を重ねることにより、ほぼ完璧にｐ偏光成分を除去することができる。

さらに、複数の特定領域を中心とした多層膜偏光子群を多段に配置するようにした本発明の多段式多層膜偏光子は、特定の複数波長領域を選択的に透過させる機能を備えているので、光源のスペクトルに対応させて自由度の高い選択透過機能をもった偏光子を得ることができる。
本発明の多段式多層膜偏光子は、複数の多層膜偏光子によって該当領域のｐ偏光成分を除去する動作を繰り返して総合効果を得るものであるから、帯域やその幅に対して自由度が高く多様な要望に対応が可能である。

本発明の多段式多層膜偏光子の基本構成と動作原理を説明する図である。 本発明の多段式多層膜偏光子に用いられた各偏光子のｐ偏光成分の反射特性図である。 本発明の多段式多層膜偏光子に用いられた各偏光子のｓ偏光成分の反射特性図である。 本発明の多段式多層膜偏光子のｓ偏光成分とｐ偏光成分の反射特性図である。 平板基板の一面に単一の中心波長を持つ反射帯多層膜層を成膜した偏光子の構造図である。 図５に示す偏光子の分光透過率（計算値）を示した図である。

本発明の実施の形態について、各段に使用するそれぞれの偏光分離波長領域をもつ多層膜偏光子を２段以上の段数として段数を増やすことで有効領域を拡大することができる。段数を増やすことによって消光比を向上することができ、装置を小型化する観点から段数は少ない方が良い。段数は２段以上１００段以下が好ましく、より好ましくは２段以上２０段以下、さらにより好ましくは２段以上１０段以下である。また、偶数段にすることで出力光軸が光源からの光軸と平行になるので好ましい。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。本発明の多段式多層膜偏光子は、偏光分離波長領域の異なる複数の多層膜偏光子を最適な角度で各偏光子に入射するように多段配置されたものであって、その基本構成は図１に示される。図において、Ｍ_１〜Ｍ_４が多層膜の偏光子である。光源ＬＳからの光Ｌ_０は第１段目の多層膜偏光子Ｍ_１に入射される。この偏光子Ｍ_１は入射光軸に対し最適な角度で配置されており、ここでその固有な領域のｐ偏光成分Ｐ_１のみが透過され、他の光成分は反射される。反射された光Ｌ_１は第２段目の多層膜偏光子Ｍ_２に入射される。この偏光子Ｍ_２は入射光軸に対し最適な角度で配置されており、ここでその固有な領域のｐ偏光成分Ｐ_２のみが透過され、他の光成分は反射される。この反射光Ｌ_２には光源ＬＳからの光Ｌ_０のうち偏光成分Ｐ_１と偏光成分Ｐ_２が除去された光が次段の偏光子Ｍ_３に入力される。第３段目の多層膜の偏光子Ｍ_３に入射される。この偏光子Ｍ_３は入射光軸に対し最適な角度で配置されており、ここでその固有な領域のｐ偏光成分Ｐ_３のみが透過され、他の光成分は反射される。第３段目の多層膜偏光子Ｍ_３で反射された光は第４段目の多層膜偏光子Ｍ_３に入射され、ｐ偏光成分Ｐ_４のみが透過され、他の光成分は反射される。この反射光Ｌ_４は光源ＬＳからの光Ｌ_０のうち偏光成分Ｐ_１、偏光成分Ｐ_２、偏光成分Ｐ_３、偏光成分Ｐ_４が除去された光成分であり、この多段式多層膜偏光子の有効領域となる。この偏光成分Ｐ_１、偏光成分Ｐ_２、偏光成分Ｐ_３、偏光成分Ｐ_４の幅領域が近接し互いに重なっているならばｐ偏光の成分が広い周波数帯域にわたって除去されることになる。段の数は多くなるほど広い周波数にわたるｐ偏光成分の除去が可能となる。図中のＳＨは遮蔽部材であり、除去したｐ偏光成分が下段の多層膜偏光子の入射光に混入しないようにするためのものである。
ここで、幅領域とはｐ偏光成分の透過率が５０％以上となる波長領域である。

図１に示された本発明の多段式多層膜偏光子を構成する各段の多層膜偏光子のｐ偏光成分の反射特性を図３に示す。各段の多層膜偏光子Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３そしてＭ_４は、Ｐ第１ミラー乃至Ｐ第４ミラーとして示され、入射角を６５°に設定した時の各波長領域にわたる反射率がグラフ表示されている。第１段目の多層膜偏光子Ｍ_１乃至第４段目の多層膜偏光子Ｍ_４はそれぞれ、異なる帯域において反射率が０、すなわち、透過率１００％とみなせる幅をもったＵ字形状の特性を備えている。各段の多層膜偏光子Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３そしてＭ_４の透過領域は周波数の低い側から順に少しずつ重なっている。
ここで入射角を６５°と設定したが、多段式多層膜偏光子の構成により任意に設定することができる。１°以上８９°以下であればよいが、多段式多層膜偏光子の作製しやすさの観点から４５°以上が好ましく、多段式多層膜偏光子の構成のしやすさの観点から８５°以下が好ましい。一般的には、５０°以上８０°以下がより好ましく、５５°以上７０°以下がさらに好ましい。

図４のグラフは、図１に示された本発明の多段式多層膜偏光子を構成する各段の多層膜偏光子のｓ偏光成分の反射特性である。この図でも各段の多層膜偏光子Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３そしてＭ_４は、Ｓ第１ミラー乃至Ｓ第４ミラーとして示され、入射角を６５°に設定した時の各波長領域にわたる反射率がグラフ表示されている。ｓ偏光成分については多段の結果生じたｐ偏光の透過領域すなわち、上述の多段式多層膜偏光子の有効領域をほぼ100％反射する特性を備える。

本発明の多段式多層膜偏光子を構成する各段の多層膜偏光子のｐ偏光成分およびｓ偏光成分の反射特性は上記のとおりであるから、図１に示された４段の多段式多層膜偏光子Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３そしてＭ_４からなる多段式多層膜偏光子の合成特性のｓ偏光成分とｐ偏光成分の反射特性は図４に示されるとおりとなる。すなわち、最終段の多段式多層膜偏光子Ｍ_４によって反射された光Ｌ_４は光源ＬＳからの光Ｌ_０のうち偏光成分Ｐ_１、偏光成分Ｐ_２、偏光成分Ｐ_３、偏光成分Ｐ_４により除去されたｐ偏光成分とｐ偏光成分が除去された波長領域で反射されたｓ偏光成分ということになる。この実施形態では偏光成分Ｐ_１、偏光成分Ｐ_２、偏光成分Ｐ_３、偏光成分Ｐ_４の幅領域が互いに重なって長波側にシフトしているので、ｐ偏光成分については多層膜偏光子Ｍ_１の立下り側における反射率０％とみなせる波長から多層膜偏光子Ｍ_４の立上り側における反射率０％とみなせる波長までの広い波長帯域にわたってｐ偏光成分が除去されたものとなる。
多層膜偏光子の消光比は偏光子としての性能の観点から２：１以上であれば好適であるが、一般的には３０：１以上であることがより好ましく、１００：１以上であることがさらに好ましい。

図４に示される反射特性図から、本発明の多段式多層膜偏光子を用いて得られる多層膜偏光子Ｍ_４の反射光Ｌ_４には相対波長０.８〜相対波長１.２を超える広い領域にわたってｐ偏光成分を除去し、ｓ偏光成分のみを取り出すことができることが分かる。したがって、本発明の多段式多層膜偏光子は相対波長０.８〜相対波長１.２までの広い領域にわたって偏光分離を可能とする偏光子として用いることができる。因みに、４段の多段式多層膜偏光子によって、３６５ｎｍ領域においては相対波長０.８が４５６ｎｍ、相対波長１.２が３０４ｎｍとなるから、１５０ｎｍを超える帯域幅の多層膜偏光子を得ることができたことになる。
多段式多層膜偏光子の領域は相対波長０.１〜相対波長１０とすることができる。構成を簡素にするために相対波長０.２〜相対波長５とすることが好ましく、相対波長０.４〜相対波長２がより好ましく、相対波長０.６〜相対波長１.５がより好ましい。

前述した本発明に係る多段式多層膜偏光子の実施形態例では、多段に設置した多層膜偏光子の各分離特性は異なるものとして説明してきたが、次に、偏光分離波長領域が同一、または重複する部分を持つ複数の多層膜偏光子を用いる実施形態について説明する。多層膜偏光子の分離特性はｐ偏光成分について１００％透過には至らず若干量が反射光に残る場合がある。この残留したｐ偏光成分について再度同一特性の多層膜偏光子に入射させれば再度ｐ偏光成分について高比率で透過がなされるので、ほぼ完璧に該当領域のｐ偏光成分を除去することができ、高い消光比を担保することができる。

前述した本発明に係る多段式多層膜偏光子の実施形態例では、多段の多層膜偏光子の偏光成分Ｐ_１、偏光成分Ｐ_２、偏光成分Ｐ_３、偏光成分Ｐ_４の幅領域が互いに重なってシフトしているものとして説明してきたが、本発明は複数の特定スペクトルの直線偏光が必要とされる場合にも応用ができる。例えば、光源として高圧水銀ランプが用いられ、その水銀スペクトルよりｉ線（365ｎｍ）とｈ線（405ｎｍ）の２つのスペクトルを同時に取り出し、且つ同時に直線偏光を得る目的の偏光子が求められた場合に、本発明に係る多段式多層膜偏光子の複数の多層膜偏光子によってｉ線（365ｎｍ）領域のｐ偏光成分を除去し、残りの群の多層膜偏光子によって、ｈ線（405ｎｍ）領域のｐ偏光成分を除去する形態とする。このようにすることで、最終段の多層膜偏光子Ｍ_４によって反射された光Ｌ_４にはｉ線（365ｎｍ）とｈ線（405ｎｍ）の２つのスペクトルに相当する領域ではｓ偏光成分だけが含まれた光となって、上記求めに応える偏光子が提供できる。

本発明に係る多段式多層膜偏光子の主たる用途は、１．ハロゲンランプ、レーザー、ＬＥＤ、放電灯などの光源を用いた直線偏光出力光源装置 ２．偏光成分を測定するための測光装置が考えられる。

１ 平板基板 ２ 反射帯多層膜層
ＬＳ 光源 Ｌ_０ 光源からの光束
Ｍ_１、Ｍ_２、Ｍ_３、Ｍ_４ 多層膜偏光子
Ｐ_１、Ｐ_２、Ｐ_３、Ｐ_４ 透過するｐ偏光成分
Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｌ_４ 各多層膜偏光子からの反射光束

Claims (6)

1. 偏光分離波長領域が異なる複数の多層膜偏光子を光線が最適な角度で各偏光子に入射し、ｓ偏光反射光が順次反射するように多段配置され、光線に含まれるｐ偏光成分が各多層膜偏光子によりその固有な領域ごとに順次透過除去されることにより、広帯域な偏光分離領域を持つことを特徴とした多段式多層膜偏光子。
2. 偏光分離波長領域が同一、または重複する部分を持つ複数の多層膜偏光子を用いてその共通する偏光分離波長領域で高い消光比を持つことを特徴とした請求項１に示す構造の多段式多層膜偏光子。
3. 特定の複数波長領域のｐ偏光を選択的に透過させる機能をもたせるため複数の異なる固有領域を中心とした多層膜偏光子を多段に配置するようにしたことを特徴とする請求項１または２に記載の多段式多層膜偏光子。
4. 前記最適な角度が４５度から８５度までとしたことを特徴とする請求項１乃至３に記載の多段式多層膜偏光子。
5. 前記偏光分離波長領域での消光比が２：１以上の前記多層膜偏光子を持つことを特徴とする請求項１乃至４に記載の多段式多層膜偏光子。
6. 前記多段式多層膜偏光子は相対波長０.１〜相対波長１０の領域内であることを特徴とする請求項１乃至５に記載の多段式多層膜偏光子。

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