JP2022135684A5 - - Google Patents

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Description

本発明は、円偏光子に係り、特に広帯域で使用可能な広帯域円偏光子及び該広帯域円偏光子を備えた計測装置に関する。 The present invention relates to a circular polarizer, and particularly to a broadband circular polarizer that can be used over a wide band and a measuring device equipped with the broadband circular polarizer.

波長板は、直交する2つの偏光成分に所定の位相差(光路差)を与えて、入射偏光の状態を変える光学素子である。一般的に、波長板としては、1/2波長板(λ/2板)と1/4波長板(λ/4板)の2種類がよく利用されている。 A wave plate is an optical element that changes the state of incident polarized light by giving a predetermined phase difference (optical path difference) to two orthogonal polarized light components. Generally, two types of wavelength plates are commonly used: a half-wave plate (λ/2 plate) and a quarter-wave plate (λ/4 plate).

1/2波長板(Half-wave plate:HWP)は、入射光線に対して1/2の位相差を与える波長板であり、具体的には、入射光線の電界振動方向(偏光面)にλ/2(180°)の位相差を与える光学素子である。1/2波長板は、入射光線に対して位相差をλ/2(180°)与え、直線偏光を回転させて出射させるために用いられる。 A half-wave plate (HWP) is a wave plate that gives a phase difference of 1/2 to an incident light beam. Specifically, a half-wave plate (HWP) is a wave plate that gives a phase difference of 1/2 to an incident light beam. This is an optical element that provides a phase difference of /2 (180°). The 1/2 wavelength plate is used to give a phase difference of λ/2 (180°) to the incident light beam, rotate linearly polarized light, and emit the light.

1/4波長板(Quarter-wave plate:QWP)は、入射光線に対して1/4の位相差を与える波長板であり、具体的には、入射光線の電界振動方向(偏光面)にλ/4(90°)の位相差を与える光学素子である。1/4波長板は、入射光線に対して位相差をλ/4(90°)与え、直線偏光を円偏光に変えたり、円偏光を直線偏光に変えたりするために用いられる。 A quarter-wave plate (QWP) is a wave plate that gives a phase difference of 1/4 to an incident light beam. Specifically, a quarter-wave plate (QWP) is a wave plate that gives a phase difference of 1/4 to an incident light beam. This is an optical element that provides a phase difference of /4 (90°). A quarter-wave plate is used to give a phase difference of λ/4 (90°) to an incident light beam, and to change linearly polarized light into circularly polarized light or circularly polarized light into linearly polarized light.

特許文献1には、1/4波長板と1/2波長板とを予め設計した角度で貼り合わせた位相差板を用いることにより、レタデーションの波長分散を制御でき、特に入射光線の波長(λ)に対するレタデーションの比(Δnd/λ)をほぼ一定にした技術が記載されている。 Patent Document 1 discloses that by using a retardation plate in which a 1/4 wavelength plate and a 1/2 wavelength plate are bonded together at a pre-designed angle, the wavelength dispersion of retardation can be controlled. A technique is described in which the ratio of retardation (Δnd/λ) to ) is kept approximately constant.

特許文献2には、2つの波長板を各々の光学軸が60°の角度で交差するように積層して、全体として波長400nm、650nm、及び785nmにおいて1/4波長板として機能する積層波長板が記載されている。 Patent Document 2 discloses a laminated wave plate in which two wave plates are laminated so that their respective optical axes intersect at an angle of 60°, and the whole functions as a quarter-wave plate at wavelengths of 400 nm, 650 nm, and 785 nm. is listed.

特開平10-68816号公報Japanese Patent Application Publication No. 10-68816 特許第4825951号公報Patent No. 4825951

近年、出射光の偏光状態が円偏光の光源の開発も行われているが、一般的に円偏光を放射する光源は、ほとんどないのが現状である。そのため、円偏光状態を作り出すためには、特定の光学素子が必要となる。 In recent years, light sources in which the polarization state of emitted light is circularly polarized light have been developed, but at present there are generally few light sources that emit circularly polarized light. Therefore, a specific optical element is required to create a circularly polarized state.

円偏光を使うことで、光学システムが機器偏光の影響を受けにくくなり、また、偏光解析では、解析精度の向上などにも有用である。また、円偏光は、有機物や液晶の分析に有用な円二色分光分析にも必要である。よって、広い波長帯域に渡り円偏光状態を作り出すことが可能な光学素子が求められていた。 Using circularly polarized light makes the optical system less susceptible to the effects of instrumental polarization, and is also useful for improving analysis accuracy in polarization analysis. Circularly polarized light is also necessary for circular dichroism spectroscopy, which is useful for analyzing organic substances and liquid crystals. Therefore, there has been a need for an optical element that can create a circularly polarized state over a wide wavelength band.

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能であり、精度の高い円偏光を作り出すことが可能な光学素子及び該光学光子を備えた計測装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above-mentioned problems, and an object of the present invention is to provide an optical element that can be used in the wavelength range from vacuum ultraviolet to near-infrared and that can produce highly accurate circularly polarized light. and to provide a measurement device equipped with the optical photons.

本発明者は、上記課題を解決すべく鋭意研究した結果、従来から知られている複屈折性のλ/2板とλ/4板を組み合わせた広帯域波長板と、広帯域位相子として知られているフレネルロムを組み合わせることを見出し、本発明を完成するに至った。 As a result of intensive research to solve the above problems, the inventors of the present invention have developed a broadband wavelength plate that combines a conventionally known birefringent λ/2 plate and a λ/4 plate, and a broadband wave plate known as a broadband retarder. The present invention was completed by discovering the combination of Fresnel ROMs.

前記課題は、本発明の広帯域円偏光子によれば、全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に180°±10%の位相差を与えるλ/2部と、全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に90°±10%の位相差を与えるλ/4部と、を備え、入射光線軸を回転軸として、前記λ/4部の入射面は前記λ/2部の入射面に対して60°±10%回転して配置されており、前記λ/2部及び前記λ/4部はフレネルロムで構成されており、少なくとも200~2000nmの波長を有する直線偏光を円偏光に変換すること、により解決される。 According to the broadband circular polarizer of the present invention, the above-mentioned problem is solved by the broadband circular polarizer of the present invention. and a λ/4 part that provides a phase difference of 90 ° ±10% between p-waves and s-waves having wavelengths of at least 200 to 2000 nm by total reflection, with the axis of the incident light beam as the axis of rotation, The incidence plane of the λ/4 part is rotated by 60 ° ±10% with respect to the incidence plane of the λ/2 part, and the λ/2 part and the λ/4 part are made of Fresnel ROM. This can be solved by converting linearly polarized light having a wavelength of at least 200 to 2000 nm into circularly polarized light.

このように、広帯域性をもったフレネルロム位相子を、さらに広帯域性構造で組み合わせることで、位相差がλ/4(90°)であり、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能な超広帯域特性を有し、精度の高い円偏光を作り出すことが可能な広帯域円偏光子を提供することができる。 In this way, by combining broadband Fresnel-Rom retarders with a broadband structure, we have created an ultraviolet retarder with a phase difference of λ/4 (90°) that can be used in the wavelength range from vacuum ultraviolet to near-infrared. It is possible to provide a broadband circular polarizer that has broadband characteristics and can produce highly accurate circularly polarized light.

このとき、前記λ/2部及び前記λ/4部を構成する前記フレネルロムは、石英、CaF及びLiFからなる群から選択される少なくとも一種の材料で形成されているとよい。
このとき、前記λ/2部及び前記λ/4部を構成する前記フレネルロムは、少なくとも1以上の全反射面に多層膜が形成されているとよい。
このとき、前記λ/2部は、全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に90°±10%の位相差を与える第1フレネルロム及び第2フレネルロムを有し、前記λ/4部は、全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に90°±10%の位相差を与える第3フレネルロムを有し、前記入射光線軸を回転軸として、前記第1フレネルロムの入射面は、前記第2フレネルロムの入射面に対して一致して配置されており、前記入射光線軸を回転軸として、前記第3フレネルロムの入射面は、前記第1フレネルロム及び前記第2フレネルロムの入射面に対して60°±10%回転して配置されているとよい。
このとき、前記フレネルロムは、2回の全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に90°±10%の位相差を与えるものであるとよい。
このとき、前記フレネルロムは、3回の全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に90°±10%の位相差を与えるものであるとよい。
At this time, the Fresnel ROM constituting the λ/2 part and the λ/4 part is preferably formed of at least one material selected from the group consisting of quartz, CaF2, and LiF.
At this time, it is preferable that the Fresnel ROM constituting the λ/2 part and the λ/4 part have a multilayer film formed on at least one total reflection surface.
At this time, the λ/2 section has a first Fresnel ROM and a second Fresnel ROM that provide a phase difference of 90 ° ±10% between a p-wave and an s-wave having a wavelength of at least 200 to 2000 nm due to total reflection. The λ/4 section has a third Fresnel ROM that provides a phase difference of 90 ° ±10% between the p-wave and the s-wave having a wavelength of at least 200 to 2000 nm through total reflection, and The incidence surface of the first Fresnel ROM is aligned with the incidence surface of the second Fresnel ROM, with the axis of rotation being the axis of rotation, and the incidence surface of the third Fresnel ROM is aligned with the incidence surface of the second Fresnel ROM, with the axis of the incident light beam being the axis of rotation. , the first Fresnel ROM and the second Fresnel ROM may be rotated by 60° ±10% with respect to the incident surfaces of the first Fresnel ROM and the second Fresnel ROM.
At this time, the Fresnel ROM preferably provides a phase difference of 90 ° ±10% between p-waves and s-waves having wavelengths of at least 200 to 2000 nm through two total reflections.
At this time, it is preferable that the Fresnel ROM provides a phase difference of 90 ° ±10% between p-waves and s-waves having wavelengths of at least 200 to 2000 nm through three total reflections.

また、前記課題は、本発明の計測装置によれば、上記の広帯域円偏光子を備えること、により解決される。 Further, the above-mentioned problem is solved by the measuring device of the present invention including the broadband circular polarizer described above.

本発明の広帯域円偏光子によれば、位相差がλ/4(90°)であり、真空紫外から近赤外の波長領域(例えば、200~2600nm)で使用可能であり、精度の高い円偏光を作り出すことが可能となる。 According to the broadband circular polarizer of the present invention, the phase difference is λ/4 (90°), it can be used in the wavelength range from vacuum ultraviolet to near-infrared (for example, 200 to 2600 nm), and it has a highly accurate circular polarizer. It is possible to create polarized light.

また、本発明の広帯域円偏光子は、上記の特性を備えているため、各種の測定装置、分析装置、検査装置、観察装置を含む計測装置に適用することで、微細領域の検査、微小領域を観察、様々な偏光計測を行うことが可能となる。 In addition, since the broadband circular polarizer of the present invention has the above-mentioned characteristics, it can be applied to measurement devices including various measurement devices, analysis devices, inspection devices, and observation devices, so that it can be used for inspection of minute areas, It becomes possible to observe and perform various polarization measurements.

H+Q構造広帯域波長板の模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram of an H+Q structure broadband wave plate. H+Q構造広帯域波長板を構成するλ/4板(QWP)の位相差特性を示すグラフである。2 is a graph showing phase difference characteristics of a λ/4 plate (QWP) constituting an H+Q structure broadband wave plate. H+Q構造広帯域波長板を構成するλ/2板(HWP)の位相差特性を示すグラフである。2 is a graph showing the phase difference characteristics of a λ/2 plate (HWP) constituting the H+Q structure broadband wave plate. H+Q構造広帯域波長板の位相差特性を示すグラフである。It is a graph which shows the phase difference characteristic of the H+Q structure broadband wave plate. H+Q構造広帯域波長板の楕円率特性を示すグラフである。It is a graph which shows the ellipticity characteristic of the H+Q structure broadband wave plate. H+Q構造広帯域波長板の偏光軸方向を示すグラフである。It is a graph which shows the polarization axis direction of the H+Q structure broadband wavelength plate. 標準的なλ/4フレネルロム(BK-7製)の模式図である。It is a schematic diagram of a standard λ/4 Fresnel ROM (manufactured by BK-7). 標準的なλ/2フレネルロム(BK-7製)の模式図である。It is a schematic diagram of a standard λ/2 Fresnel ROM (manufactured by BK-7). BK-7から空気への入射角と位相差の関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the angle of incidence from BK-7 to the air and the phase difference. 石英から空気への入射角と位相差の関係を示すグラフである。It is a graph showing the relationship between the angle of incidence from quartz to air and the phase difference. BK-7製フレネルロム(λ/4)の位相差の波長依存性を示すグラフである。It is a graph showing the wavelength dependence of the phase difference of a Fresnel ROM (λ/4) manufactured by BK-7. BK-7製フレネルロム(λ/2)の位相差の波長依存性を示すグラフである。It is a graph showing the wavelength dependence of the phase difference of a Fresnel ROM (λ/2) manufactured by BK-7. 石英製フレネルロム(λ/4)の位相差の波長依存性を示すグラフである。It is a graph showing the wavelength dependence of the phase difference of a Fresnel ROM made of quartz (λ/4). 石英製フレネルロム(λ/2)の位相差の波長依存性を示すグラフである。It is a graph showing the wavelength dependence of the phase difference of a Fresnel ROM made of quartz (λ/2). 本発明の一実施形態に係るH+Q型フレネルロムの構造を示す模式図である。1 is a schematic diagram showing the structure of an H+Q type Fresnel ROM according to an embodiment of the present invention. H+Q型石英製フレネルロムの位相差特性を示すグラフである。It is a graph showing the phase difference characteristics of an H+Q type quartz Fresnel ROM. H+Q型石英製フレネルロムの楕円率特性を示すグラフである。It is a graph which shows the ellipticity characteristic of H+Q type quartz Fresnel ROM. H+Q型石英製フレネルロムの偏光軸方向を示すグラフである。It is a graph showing the polarization axis direction of an H+Q type quartz Fresnel ROM. H+Q型石英製フレネルロムの位相差特性(組合せ角微調整)を示すグラフである。It is a graph showing the phase difference characteristics (fine adjustment of the combination angle) of the H+Q type quartz Fresnel ROM. H+Q型石英製フレネルロムの楕円率特性(組合せ角微調整)を示すグラフである。It is a graph showing the ellipticity characteristics (fine adjustment of the combination angle) of the H+Q type quartz Fresnel ROM. H+Q型石英製フレネルロム偏光軸方向(組合せ角微調整)を示すグラフである。It is a graph showing the polarization axis direction (fine adjustment of the combination angle) of the H+Q type quartz Fresnel ROM. 本発明の一例と光学膜付きキング型フレネルロムの比較を示すグラフである。It is a graph showing a comparison between an example of the present invention and a King type Fresnel ROM with an optical film. H+Q型光学膜付きキング型フレネルロムの構造を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of a King-type Fresnel ROM with an H+Q-type optical film. H+Q型光学膜付きキング型石英製フレネルロムの位相差特性を示すグラフである。It is a graph showing the retardation characteristics of a King type quartz Fresnel ROM with an H+Q type optical film. H+Q型光学膜付きキング型石英製フレネルロムの楕円率特性を示すグラフである。It is a graph showing the ellipticity characteristics of a King type quartz Fresnel ROM with an H+Q type optical film. H+Q型光学膜付きキング型石英製フレネルロムの偏光軸方向を示すグラフである。It is a graph showing the polarization axis direction of a King type quartz Fresnel ROM with an H+Q type optical film. 水晶製フレネルプリズムの構造を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of a crystal Fresnel prism. 水晶製フレネルプリズムの円偏光分離角の例を示すグラフである。It is a graph showing an example of the circularly polarized light separation angle of a Fresnel prism made of quartz. H+Q型石英製フレネルロム(実施例1)の構造を示す模式図である。FIG. 2 is a schematic diagram showing the structure of an H+Q type quartz Fresnel ROM (Example 1). 実施例1の素子の位相差特性を示すグラフである。3 is a graph showing the phase difference characteristics of the element of Example 1. 実施例1の素子の楕円率特性を示すグラフである。3 is a graph showing the ellipticity characteristics of the element of Example 1. 実施例1の素子の偏光軸方向を示すグラフである。3 is a graph showing the polarization axis direction of the element of Example 1. FIG. 実施例1-2の素子の位相差特性を示すグラフである。3 is a graph showing the phase difference characteristics of the element of Example 1-2. 実施例1-2の素子の楕円率特性を示すグラフである。3 is a graph showing the ellipticity characteristics of the element of Example 1-2. 実施例1-2の素子の偏光軸方向を示すグラフである。3 is a graph showing the polarization axis direction of the element of Example 1-2. 実施例2の素子の位相差特性を示すグラフである。7 is a graph showing the phase difference characteristics of the element of Example 2. 実施例2の素子の楕円率特性を示すグラフである。7 is a graph showing the ellipticity characteristics of the element of Example 2. 実施例2の素子の偏光軸方向を示すグラフである。7 is a graph showing the polarization axis direction of the element of Example 2. H+Q型LiF製フレネルロム(実施例3)の構造を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of an H+Q type LiF Fresnel ROM (Example 3). 実施例3の素子の位相差特性を示すグラフである。3 is a graph showing the phase difference characteristics of the element of Example 3. 実施例3の素子の楕円率特性を示すグラフである。3 is a graph showing the ellipticity characteristics of the element of Example 3. 実施例3の素子の偏光軸方向を示すグラフである。3 is a graph showing the polarization axis direction of the element of Example 3. 多層膜付きH+Q型石英製フレネルロム(実施例4)の構造を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of H+Q type quartz Fresnel ROM with a multilayer film (Example 4). 実施例4の素子の位相差特性を示すグラフである。12 is a graph showing the phase difference characteristics of the element of Example 4. 実施例4の素子の楕円率特性を示すグラフである。12 is a graph showing the ellipticity characteristics of the element of Example 4. 実施例4の素子の偏光軸方向を示すグラフである。12 is a graph showing the polarization axis direction of the element of Example 4. 光学膜付きキング型H+Q型石英製フレネルロム(実施例5)の構造を示す模式図である。FIG. 3 is a schematic diagram showing the structure of a King type H+Q type quartz Fresnel ROM with an optical film (Example 5). 実施例5の素子の位相差特性を示すグラフである。12 is a graph showing the phase difference characteristics of the element of Example 5. 実施例5の素子の楕円率特性を示すグラフである。12 is a graph showing the ellipticity characteristics of the element of Example 5. 実施例5の素子の偏光軸方向を示すグラフである。7 is a graph showing the polarization axis direction of the element of Example 5.

以下、図1乃至図24Cを参照しながら、本発明の一実施形態(以下、本実施形態)に係る広帯域円偏光子について説明する。本実施形態に係る広帯域円偏光子は、真空紫外から近赤外の波長領域において位相差の波長依存性が小さい広帯域の円偏光子である。 Hereinafter, a broadband circular polarizer according to an embodiment of the present invention (hereinafter referred to as the present embodiment) will be described with reference to FIGS. 1 to 24C. The broadband circular polarizer according to this embodiment is a broadband circular polarizer in which the wavelength dependence of the phase difference is small in the wavelength range from vacuum ultraviolet to near infrared.

本明細書において、○nm~△nmは、○nm以上△nm以下を意味する。
本明細書において、略とは、数値として±10%、好ましくは±5%、より好ましくは±3%、更に好ましくは±2%、特に好ましくは±1%を意味する。
本明細書において、「コンタクト」とは、一対の隣接するフレネルロム(プリズム素子、菱面体)が相互に接触して配置されていることをいい、直接接合されているオプティカル・コンタクトのほか、接着による接合も含まれる。
また、本明細書において、フレネルロム(プリズム素子、菱面体)が「対向」するとは、直接接合されているオプティカル・コンタクトの場合と、接着剤など、何かを介在させて接合されている接着の場合、空気層を介在させている場合とを含む。
In this specification, ○nm to Δnm means ○nm or more and Δnm or less.
In this specification, approximately means a numerical value of ±10%, preferably ±5%, more preferably ±3%, still more preferably ±2%, particularly preferably ±1%.
In this specification, the term "contact" refers to a pair of adjacent Fresnel ROMs (prism elements, rhombohedrons) that are placed in contact with each other, including optical contacts that are directly bonded, as well as optical contacts that are bonded directly. Also includes joining.
In addition, in this specification, Fresnel ROMs (prism elements, rhombohedrons) "opposing" refer to two cases: optical contacts that are directly bonded, and two cases where they are bonded with something interposed, such as an adhesive. This includes cases where an air layer is interposed.

[1.基本的となるアイディア]
本実施形態に係る広帯域円偏光子は、従来から知られている複屈折性のλ/2板とλ/4板を組み合わせた広帯域波長板と、広帯域位相子として知られているフレネルロムを組み合わせたものである。まず、従来から知られている複屈折性のλ/2板とλ/4板を組み合わせた広帯域波長板について説明する。
[1. Basic idea]
The broadband circular polarizer according to this embodiment is a combination of a broadband wavelength plate that is a combination of a conventionally known birefringent λ/2 plate and a λ/4 plate, and a Fresnel ROM that is known as a broadband retarder. It is something. First, a conventionally known broadband wavelength plate that is a combination of a birefringent λ/2 plate and a λ/4 plate will be described.

(1)複屈折性λ/2板とλ/4板を組み合わせた広帯域波長板(H+Q構造波長板)
図1にH+Q構造波長板HQPの構造図(配置図)を示す。図1に示すように、はじめに、入射直線偏光に対して、光学軸Haが15°回転した方向のλ/2板(HWP)を配置し、その後、入射直線偏光に対して、光学軸Qaが75°回転した方向のλ/4板(QWP)を配置した構造である。この素子では、入射側をHWPとし出射側をQWPとする必要がある。HWP、QWPは一枚の複屈折板であっても、複数の複屈折板を組み合わせた波長板であっても良い。
(1) Broadband wavelength plate that combines a birefringent λ/2 plate and a λ/4 plate (H+Q structure wavelength plate)
FIG. 1 shows a structural diagram (layout diagram) of the H+Q structure wave plate HQP. As shown in Figure 1, first, a λ/2 plate (HWP) is placed so that the optical axis Ha is rotated by 15 degrees with respect to the incident linearly polarized light, and then the optical axis Qa is rotated with respect to the incident linearly polarized light. It has a structure in which a λ/4 plate (QWP) is arranged in a direction rotated by 75 degrees. In this element, it is necessary to use a HWP on the incident side and a QWP on the output side. The HWP and QWP may be a single birefringent plate or a wavelength plate that is a combination of a plurality of birefringent plates.

図2A及び図2BにH+Q構造広帯域波長板を構成する水晶とMgF2結晶を組み合わせたλ/2板(HWP)とλ/4板(QWP)の位相差の波長依存性を示す。これらを組み合わせて構成したH+Q構造広帯域波長板の光学特性を図2C~図2Eに示す。図2Cより、位相差が90°±5%以内の波長帯域はλ=350~1500nmであることが分かる。 FIGS. 2A and 2B show the wavelength dependence of the phase difference between a λ/2 plate (HWP) and a λ/4 plate (QWP), which are a combination of quartz crystal and MgF2 crystal, which constitute the H+Q structure broadband wave plate. The optical characteristics of the H+Q structure broadband wave plate constructed by combining these are shown in FIGS. 2C to 2E. From FIG. 2C, it can be seen that the wavelength band in which the phase difference is within 90°±5% is λ=350 to 1500 nm.

(2)フレネルロム
図3A及び図3Bに標準的なフレネルロムの形状を示す。図3Aはλ/4フレネルロム(BK-7製)の模式図であり、図3Bはλ/2フレネルロム(BK-7製)の模式図である。
(2) Fresnel Rom Figures 3A and 3B show the shape of a standard Fresnel Rom. FIG. 3A is a schematic diagram of a λ/4 Fresnel ROM (manufactured by BK-7), and FIG. 3B is a schematic diagram of a λ/2 Fresnel ROM (manufactured by BK-7).

図3Aに示すように、λ/4フレネルロムを構成する第一菱面体10は、第一入射端面11と、第一入射端面11と平行に配置された第一出射端面12と、第一入射端面11及び第一出射端面12と交わる第一全反射面13と、第一全反射面13と平行に配置された第二全反射面14と、を有している。 As shown in FIG. 3A, the first rhombohedral body 10 constituting the λ/4 Fresnel ROM has a first entrance end surface 11, a first exit end surface 12 arranged parallel to the first entrance end surface 11, and a first entrance end surface. 11 and the first total reflection surface 12 , and a second total reflection surface 14 arranged parallel to the first total reflection surface 13 .

第一菱面体10において、第一入射端面11及び第一出射端面12は互いに平行であり、かつ、第一全反射面13及び第二全反射面14は互いに平行である。また、第一菱面体10において、第一入射端面11と第一全反射面13との間、及び、第一出射端面12と第二全反射面14との間は、互いに90度よりも小さい角度(楔角α)で交わっている。さらに、第一菱面体10において、第一入射端面11と第二全反射面14との間、及び、第一出射端面12と第一全反射面13との間は、互いに90度よりも大きい角度で交わっている。 In the first rhombohedron 10, the first incident end surface 11 and the first exit end surface 12 are parallel to each other, and the first total reflection surface 13 and the second total reflection surface 14 are parallel to each other. Further, in the first rhombohedron 10, the distance between the first incident end surface 11 and the first total reflection surface 13 and between the first output end surface 12 and the second total reflection surface 14 is less than 90 degrees with respect to each other. They intersect at an angle (wedge angle α). Furthermore, in the first rhombohedron 10, the distance between the first incident end surface 11 and the second total reflection surface 14 and between the first output end surface 12 and the first total reflection surface 13 is greater than 90 degrees with respect to each other. intersect at an angle.

図3Bに示すように、λ/2フレネルロムは、平行四辺形状のプリズム素子を2つ組み合わせた構造(屋根型のフレネルロム)である。具体的には、λ/2フレネルロムは、断面(図3Bの面と平行な断面、つまり、後述する各入射端面、出射端面、全反射面と直交する断面)が平行四辺形の平行四辺形状の第一菱面体10及び第二菱面体20を備えている。第一菱面体10及び第二菱面体20は、同一形状であり、等方性材料で形成されている。 As shown in FIG. 3B, the λ/2 Fresnel ROM has a structure (roof-type Fresnel ROM) in which two parallelogram-shaped prism elements are combined. Specifically, the λ/2 Fresnel ROM has a parallelogram shape in which the cross section (a cross section parallel to the plane of FIG. 3B, that is, a cross section perpendicular to each incident end face, output end face, and total reflection surface described later) is a parallelogram. A first rhombohedron 10 and a second rhombohedron 20 are provided. The first rhombohedron 10 and the second rhombohedron 20 have the same shape and are made of isotropic material.

第二菱面体20は、第二入射端面21と、第二入射端面21と平行に配置された第二出射端面22と、第二入射端面21及び第二出射端面22と交わる第三全反射面23と、第三全反射面23と平行に配置された第四全反射面24と、を有している。 The second rhombohedral body 20 includes a second incident end surface 21 , a second output end surface 22 arranged parallel to the second incident end surface 21 , and a third total reflection surface that intersects with the second incident end surface 21 and the second output end surface 22 . 23, and a fourth total reflection surface 24 arranged parallel to the third total reflection surface 23.

第二菱面体20において、第二入射端面21及び第二出射端面22は互いに平行であり、かつ、第三全反射面23及び第四全反射面24は互いに平行である。また、第二菱面体20において、第二入射端面21と第三全反射面23との間、及び、第二出射端面22と第四全反射面24との間は、互いに90度よりも小さい角度(楔角α)で交わっている。さらに、第二菱面体20において、第二入射端面21と第四全反射面24との間、及び、第二出射端面22と第三全反射面23との間は、互いに90度よりも大きい角度で交わっている。 In the second rhombohedral body 20, the second incident end surface 21 and the second exit end surface 22 are parallel to each other, and the third total reflection surface 23 and the fourth total reflection surface 24 are parallel to each other. Further, in the second rhombohedral body 20, the distance between the second incident end surface 21 and the third total reflection surface 23 and between the second exit end surface 22 and the fourth total reflection surface 24 is less than 90 degrees with respect to each other. They intersect at an angle (wedge angle α). Furthermore, in the second rhombohedral body 20, the distance between the second incident end surface 21 and the fourth total reflection surface 24 and between the second exit end surface 22 and the third total reflection surface 23 is greater than 90 degrees with respect to each other. intersect at an angle.

第一菱面体10及び第二菱面体20は、第一菱面体10の第一出射端面12と、第二菱面体20の第二入射端面21とが互いに平行になるように対向して配置されている。第一出射端面12と第二入射端面21は、オプティカル・コンタクトによる直接接合とすることが好適であるが、紫外線透過接着剤を用いた接着固定とすることや、接合を行わずに隙間を空けて配置することも可能である。 The first rhombohedral 10 and the second rhombohedral 20 are arranged to face each other such that the first output end surface 12 of the first rhombohedral 10 and the second entrance end surface 21 of the second rhombohedral 20 are parallel to each other. ing. It is preferable that the first output end face 12 and the second input end face 21 be directly joined by optical contact, but it is also possible to use ultraviolet-transmissive adhesive to adhesively fix the first output end face 12 and the second entrance end face 21, or to leave a gap without joining. It is also possible to arrange the

上述したように第一菱面体10の第一入射端面11と第一全反射面13(第一出射端面12と第二全反射面14)は楔角αをなしており、同様に、第二菱面体20の第二入射端面21と第三全反射面23(第二出射端面22と第四全反射面24)も楔角αをなしている。ここで、楔角αは、第一菱面体10及び第二菱面体20を構成する等方性材料の種類に応じて適宜設定することが可能であり、等方性材料がBK-7の場合には楔角α=55°とし、石英の場合には楔角α=54°とし、等方性材料がCaFの場合には楔角α=54°とすればよい。 As described above, the first incident end surface 11 and the first total reflection surface 13 (the first output end surface 12 and the second total reflection surface 14) of the first rhombohedron 10 form a wedge angle α, and similarly, the second total reflection surface 13 forms a wedge angle α. The second incident end surface 21 and the third total reflection surface 23 (the second output end surface 22 and the fourth total reflection surface 24) of the rhombohedral body 20 also form a wedge angle α. Here, the wedge angle α can be set appropriately depending on the type of isotropic material that constitutes the first rhombohedron 10 and the second rhombohedron 20, and when the isotropic material is BK-7. In the case of quartz, the wedge angle α is 54°, and when the isotropic material is CaF2 , the wedge angle α is 54°.

上記の通り、フレネルロムは、複屈折を持たない等方性の材料で作られるが、全反射時に発生するp波とs波の間の位相差を利用した位相子である。全反射は、光が高屈折材から低屈折材側に、臨界角以上の角度で入射する場合に発生する現象である。図4A及び図4Bに材料が代表的な光学ガラスであるBK-7と石英の場合の反射面への入射角と発生する位相差の関係を示す。 As mentioned above, the Fresnel ROM is made of an isotropic material that does not have birefringence, but is a retarder that utilizes the phase difference between the p-wave and the s-wave generated during total internal reflection. Total internal reflection is a phenomenon that occurs when light is incident from a high refractive material to a low refractive material at an angle equal to or greater than a critical angle. FIGS. 4A and 4B show the relationship between the angle of incidence on the reflecting surface and the generated phase difference when the materials are BK-7, which is a typical optical glass, and quartz.

図4A及び図4Bより、臨界角以下の、通常の反射では位相差は発生しない事が分かる。また、臨界角以上でも角度により、発生する位相差が異なる事が分かる。ロムの材料の屈折率(入射、出射媒質の屈折率差)により、発生する位相差の最大値が異なる事も分かる。 It can be seen from FIGS. 4A and 4B that no phase difference occurs in normal reflection below the critical angle. Furthermore, it can be seen that the generated phase difference differs depending on the angle even at or above the critical angle. It can also be seen that the maximum value of the generated phase difference differs depending on the refractive index of the ROM material (the difference in refractive index between the incident and exit media).

ロム素材がBK-7の場合、入射角約55°の時、位相差が約45°になる。そのため、2回全反射させる事で、位相差を90°付けることが出来、4回全反射させる事で、位相差を180°付ける事が出来る。 When the ROM material is BK-7, the phase difference is about 45 degrees when the incident angle is about 55 degrees. Therefore, by total reflection twice, a phase difference of 90° can be achieved, and by total reflection four times, a phase difference of 180° can be created.

図5A及び図5BにBK-7製のフレネルロムの位相差の波長依存性を示す。また、図6A及び図6Bに石英製フレネルロムの位相差の波長依存性を示す。図5A及び図5B、図6A及び図6Bよりフレネルロムの位相差の波長依存性は少ないことが分かる。ただし、石英製フレネルロムは、BK7製フレネルロムより、位相差の、90°、180°からのかい離が大きいことが分かる。 FIGS. 5A and 5B show the wavelength dependence of the phase difference of the Fresnel ROM made of BK-7. Further, FIGS. 6A and 6B show the wavelength dependence of the phase difference of the quartz Fresnel ROM. It can be seen from FIGS. 5A and 5B, and FIGS. 6A and 6B that the wavelength dependence of the Fresnel ROM phase difference is small. However, it can be seen that the quartz Fresnel ROM has a larger phase difference deviation from 90° and 180° than the BK7 Fresnel ROM.

(3)H+Q型フレネルロム(本実施形態の広帯域円偏光子)
本実施形態に係る広帯域円偏光子は、上記二つの広帯域位相子を組み合わせた構造である。広帯域性をもったフレネルロム位相子を、さらに広帯域性構造で構成することで、従来に無い超広帯域特性が得られる。
(3) H+Q type Fresnel ROM (broadband circular polarizer of this embodiment)
The broadband circular polarizer according to this embodiment has a structure in which the above two broadband retarders are combined. By configuring a broadband Fresnel ROM retarder with a broadband structure, unprecedented ultra-wideband characteristics can be obtained.

本実施形態に係る広帯域円偏光子1の一例として、図7に石英製のH+Q型フレネルロムを示す。また、図8A~8Cに位相差などの出射偏光パラメーターを示す。本実施形態に係る広帯域円偏光子は、H+Q構造の波長板がそうである様に、一般的なλ/4板(QWP)としての特徴より、直線偏光を円偏光に変換する素子として性能を発揮する。 As an example of the broadband circular polarizer 1 according to this embodiment, FIG. 7 shows an H+Q type Fresnel ROM made of quartz. Further, output polarization parameters such as phase difference are shown in FIGS. 8A to 8C. The broadband circular polarizer according to this embodiment has the characteristics of a general λ/4 plate (QWP), as is the case with a wave plate with an H+Q structure, and has excellent performance as an element that converts linearly polarized light into circularly polarized light. Demonstrate.

基本的な構造は、図7に示す様な構造で、全反射でp波とs波の間に180°の位相差を持たせた位相子(λ/2部:H部)と、全反射でp波とs波の間に90°の位相差を持たせた位相子(λ/4部:Q部)を、光線軸(入射光線軸)を回転軸として、約60°(θ2-θ1=75°-15°)回転させた構造である。 The basic structure is as shown in Figure 7, which includes a phase shifter (λ/2 part: H part) that has a phase difference of 180° between p-wave and s-wave by total reflection, and a total reflection The retarder (λ/4 part: Q part) which has a phase difference of 90° between the p-wave and the s-wave is rotated by about 60° (θ2-θ1 =75°-15°).

1回の全反射でp波とs波の間に約180°、または、約90°の位相差を発生させる必要な無く、図7の例では、1回の全反射で発生させる位相差は、約45°で、約180°の位相差を発生させるために、全反射を4回繰り返しており、約90°位相差を発生させるために、全反射を2回繰り返している。 It is not necessary to generate a phase difference of about 180° or about 90° between the p-wave and the s-wave in one total reflection, and in the example of Fig. 7, the phase difference generated in one total reflection is , about 45 degrees, total reflection is repeated four times to generate a phase difference of about 180 degrees, and total reflection is repeated twice to generate a phase difference of about 90 degrees.

図7では、各ロム(稜面体ブロック)は、接合しているが、接合している必要はない。また、各ロムを接合させる場合も、使用帯域で透明であるならば、接着剤を用いても良い。ただし、深紫外領域で透明な接着剤は、少ないため、オプティカル・コンタクトで接合する方が好ましい。接合する際は、ロム材の等方性材料に応力がかかり、異方性が発生しない様に注意する必要がある。 In FIG. 7, the ROMs (rhombohedral blocks) are connected, but they do not need to be connected. Also, when bonding each ROM, an adhesive may be used as long as it is transparent in the area of use. However, since adhesives that are transparent in the deep ultraviolet region are rare, it is preferable to use optical contact for bonding. When joining, care must be taken to avoid stress being applied to the isotropic ROM material and anisotropy occurring.

端面にはAR膜(反射防止膜)を施しても良く、使用帯域全体で透過率を向上出来た方が好ましい。但し、例えば、本発明の素子で素材が石英の場合、使用波長帯域は、λ=180~2600nmになり、一般的には、この帯域全体で効果的な反射防止膜は難しいため、反射率を大幅に低減することは出来ないが、MgF2単層膜を用いる方法がある。また、モスアイ構造を持った特殊な反射防止膜を施す方法もある。当然、反射防止膜を施さなくても良い。この場合も、出射偏光に著しい影響は発生しない。端面とは、入出射面の事だけで無く、各ロムを接合させない場合は、各ロムの入出射面の事も指す。 An AR film (antireflection film) may be applied to the end face, and it is preferable that the transmittance can be improved over the entire usage band. However, for example, when the material of the element of the present invention is quartz, the wavelength band to be used is λ = 180 to 2600 nm, and it is generally difficult to form an effective anti-reflection film over this entire band, so it is difficult to reduce the reflectance. Although it cannot be significantly reduced, there is a method using a MgF2 single layer film. Another method is to apply a special anti-reflection film with a moth-eye structure. Naturally, it is not necessary to apply an antireflection film. In this case as well, there is no significant effect on the output polarization. The term "end face" refers not only to the entrance/exit surface, but also to the entrance/exit surface of each ROM when the ROMs are not joined together.

図7では、3個のロムは同一形状であるが、必ずしも同一で無くても位相差が約180°と約90°位相子(λ/2部Hとλ/4部Q)を組み合わせていれば、広帯域化の効果はある。また、反射回数も4回と2回の組合せである必要はない。全反射面に光学多層膜を施し、広帯域化をしたロムを使う事でより、広帯域化し、出射円偏光の精度も高くなる。 In Fig. 7, the three ROMs have the same shape, but they do not necessarily have to be the same, but they can be combined with retarders (λ/2 part H and λ/4 part Q) with a phase difference of about 180° and about 90°. For example, there is an effect of widening the band. Further, the number of reflections does not need to be a combination of four and two. By applying an optical multilayer film to the total reflection surface and using a broadband ROM, the band becomes wider and the accuracy of the output circularly polarized light increases.

本構造の位相子は、図8C及び図9Cに示されるように、出射光の偏光軸方向が波長により変わる。これは、複屈折材料を使ったH+Q構造でも同じである。ただし、出射偏光が円偏光であるため、特に問題にはならない。但し、円偏光から直線偏光を得るためには、入射円偏光の光学軸を波長毎に図8C及び図9Cの様に変える必要があり、また、位相差90°ロム側(λ/4部Q側)から入射する必要があるが、これは現実的ではない。そのため、本素子は主に、直線偏光から円偏光を作り出す際に効果があり、また、位相差180°ロム側(λ/2部H側)から入射させる必要がある。 In the retarder of this structure, as shown in FIGS. 8C and 9C, the direction of the polarization axis of the emitted light changes depending on the wavelength. This also applies to the H+Q structure using birefringent materials. However, since the output polarized light is circularly polarized light, this does not pose a particular problem. However, in order to obtain linearly polarized light from circularly polarized light, it is necessary to change the optical axis of the incident circularly polarized light for each wavelength as shown in FIGS. (side), but this is not realistic. Therefore, this element is mainly effective in creating circularly polarized light from linearly polarized light, and it is necessary to input the light from the ROM side (λ/2 part H side) with a phase difference of 180°.

図8Bより、楕円率は1に近く出射偏光がほぼ円偏光になっていることが分かる。ただし、赤外側で1からずれている。図7の2つのロムの間の角度60°を59.6°に微調整することで、図8A~図8Cの特性は、図9A~図9Cの様に調整することが可能である。 From FIG. 8B, it can be seen that the ellipticity is close to 1 and the output polarized light is almost circularly polarized. However, it deviates from 1 in the infrared region. By finely adjusting the angle 60° between the two ROMs in FIG. 7 to 59.6°, the characteristics shown in FIGS. 8A to 8C can be adjusted as shown in FIGS. 9A to 9C.

(4)本実施形態に係る広帯域円偏光子の利点及び欠点
本実施形態に係る広帯域円偏光子の利点としては、直線偏光を広い波長範囲で円偏光に変える事が出来ること、製作が容易であることが挙げられる。また、本実施形態に係る広帯域円偏光子の欠点としては、入射光と出射光が同一軸上にないこと、円偏光を直線偏光に変える場合に波長により直線偏光の方位が異なること、一般的なλ/4板の様に直線偏光から楕円偏光、円偏光への偏光状態を変化させる使い方に向かないこと、比較的サイズが大きいことが挙げられる。この様に、本実施形態に係る広帯域円偏光子は、利点に対して、欠点は多いものの、利点である直線偏光を精度の良い円偏光に広い波長帯域で変換する能力に特出した素子である。
(4) Advantages and disadvantages of the broadband circular polarizer according to this embodiment The advantages of the broadband circular polarizer according to this embodiment are that it can convert linearly polarized light into circularly polarized light over a wide wavelength range, and that it is easy to manufacture. One thing can be mentioned. Further, the disadvantages of the broadband circular polarizer according to this embodiment include that the incident light and the output light are not on the same axis, that when changing circularly polarized light to linearly polarized light, the direction of linearly polarized light differs depending on the wavelength, and that the general It is not suitable for use in changing the polarization state from linearly polarized light to elliptically polarized light to circularly polarized light like a λ/4 plate, and it is relatively large. In this way, the broadband circular polarizer according to this embodiment has many disadvantages compared to its advantages, but it is an element that is unique in its ability to convert linearly polarized light into highly accurate circularly polarized light over a wide wavelength band. be.

[2.従来技術]
以下に、従来技術として、広帯域λ/4位相子や円偏光子を示す。H+Q構造は、上述した様に、元のλ/2位相子やλ/4位相子より広帯域性が良く、楕円率が1に近い位相子を作る事が出来る構造である。そのため、元の位相子の波長依存性が少なく楕円率が1に近ければ(円偏光に近ければ)、より波長依存性が少なく、楕円率が1に近い円偏光子を作る事が出来る。
[2. Conventional technology]
A broadband λ/4 phase shifter and a circular polarizer are shown below as conventional techniques. As described above, the H+Q structure has better broadband properties than the original λ/2 retarder or λ/4 retarder, and is a structure that can produce a retarder with an ellipticity close to 1. Therefore, if the original retarder has less wavelength dependence and an ellipticity close to 1 (close to circularly polarized light), it is possible to create a circular polarizer with less wavelength dependence and an ellipticity close to 1.

従来知られている様に、複屈折性の素材を用いたλ/2板とλ/4板よりも、フレネルロムの方が、波長依存性が少ないため、本発明品は、複屈折性の素材を組み合わせた円偏光子より、広帯域な円偏光子になることは明らかである。 As is conventionally known, Fresnel ROMs have less wavelength dependence than λ/2 plates and λ/4 plates that use birefringent materials. It is clear that a circular polarizer with a wider band can be obtained than a circular polarizer that combines the following.

また、複屈折性のフィルムを用いて波長帯域を広げる工夫をしたものを使ったH+Q構造の円偏光子であっても、有機物を用いて作られている以上、紫外域で透明では無く、また、赤外域でも特徴的な吸収線があり、紫外~赤外までを網羅する円偏光子にはならない。 Furthermore, even if a circular polarizer with an H+Q structure is made using a birefringent film to broaden the wavelength band, it will not be transparent in the ultraviolet region as long as it is made using organic materials. , there are characteristic absorption lines even in the infrared region, so it cannot be used as a circular polarizer that covers the range from ultraviolet to infrared.

次に、従来のフレネルロムの中でも、最も波長帯域が広く、楕円率が1に近い素子である光学薄膜付きのキング型フレネルロムとの比較をする。図10に光学膜付きキング型フレネルロムと、図7に示したフレネルロム(本実施形態に係る広帯域円偏光子)の楕円率の比較を示す。図10より、ほぼ同等の広帯域性、楕円率特性であることが分かる。ここで、比較した光学薄膜付きのキング型フレネルロムは、λ/4位相子であるため、2つ直列配置にすることで、λ/2位相子になり、これと約60°回転した向きにもう一つ配置することで、光学薄膜付きキング型フレネルロムをH+Q型配置にすることが出来る。この様に配置することで、さらに楕円率を1に近づける事が可能である。 Next, a comparison will be made with a King-type Fresnel ROM with an optical thin film, which is an element with the widest wavelength band and an ellipticity close to 1 among conventional Fresnel ROMs. FIG. 10 shows a comparison of the ellipticities of the King-type Fresnel ROM with an optical film and the Fresnel ROM (broadband circular polarizer according to this embodiment) shown in FIG. From FIG. 10, it can be seen that the broadband properties and ellipticity characteristics are almost the same. Here, the compared King-type Fresnel ROM with an optical thin film is a λ/4 retarder, so by arranging two of them in series, it becomes a λ/2 retarder, and another By arranging one, the King type Fresnel ROM with optical thin film can be arranged in an H+Q type arrangement. By arranging them in this manner, it is possible to further bring the ellipticity closer to 1.

図11、図12A~図12Cに光学膜付きキング型H+Q型フレネルロムの構造と光学特性を示す。そのため、本発明と従来のフレネルロムを比較することは意味がない。図12Cより、この例では、偏光軸の波長依存性も少なく、そのため、円偏光を直線偏光に変える事も可能であることが分かる。 11 and 12A to 12C show the structure and optical characteristics of a King type H+Q type Fresnel ROM with an optical film. Therefore, it is meaningless to compare the present invention with conventional Fresnel ROMs. From FIG. 12C, it can be seen that in this example, the wavelength dependence of the polarization axis is also small, and therefore it is also possible to change circularly polarized light to linearly polarized light.

全く異なる構造で広帯域な円偏光子としては、フレネルプリズムがある。これは、たとえば、右回り水晶と左回り水晶を組み合わせる事で、その接合面で、左右の円偏光を分離する円偏光子である。 A Fresnel prism is a broadband circular polarizer with a completely different structure. This is, for example, a circular polarizer that combines a right-handed crystal and a left-handed crystal to separate left and right circularly polarized light at the joint surface.

図13に水晶製フレネルプリズムの模式図を示す。また、図14に右回り、左回り円偏光の分離角の波長依存性の一例を示す。フレネルプリズムは、広帯域でほぼ完全な円偏光を得ることが出来る素子であるが、大きな分離角を得られる素材が見つかっておらず、実用性に乏しい素子である。本発明は、透過帯域の広い、等方性材料であれば、使用する事が可能であるため、実用性のある円偏光子である。 FIG. 13 shows a schematic diagram of a quartz Fresnel prism. Further, FIG. 14 shows an example of the wavelength dependence of the separation angle of clockwise and counterclockwise circularly polarized light. A Fresnel prism is an element that can obtain nearly perfect circularly polarized light over a wide band, but a material that can obtain a large separation angle has not been found, making it an element with little practical use. The present invention is a practical circular polarizer because any isotropic material with a wide transmission band can be used.

[3.本実施形態の広帯域円偏光子1の構造の詳説]
本実施形態の広帯域円偏光子1は、λ/4フレネルロム(図3A、λ/4部Q)とλ/2フレネルロム(図3B、λ/2部H)を組み合わせた構造であり、直線偏光を円偏光に変換する光学素子である。具体的には、図15に示すように、広帯域円偏光子1は、全反射によりp波とs波の間に略180°(具体的には、180°±10%)の位相差を与えるλ/2部Hと、全反射によりp波とs波の間に略90°(具体的には、90°±10%)の位相差を与えるλ/4部Qと、を備え、入射光線軸を回転軸として、λ/4部Qの入射面はλ/2部Hの入射面に対して略60°(具体的には、60°±10%)(θ2-θ1)回転して配置されている。
[3. Detailed explanation of the structure of broadband circular polarizer 1 of this embodiment]
The broadband circular polarizer 1 of this embodiment has a structure that combines a λ/4 Fresnel ROM (Fig. 3A, λ/4 part Q) and a λ/2 Fresnel ROM (Fig. 3B, λ/2 part H). This is an optical element that converts light into circularly polarized light. Specifically, as shown in FIG. 15, the broadband circular polarizer 1 provides a phase difference of approximately 180° (specifically, 180°±10%) between the p-wave and the s-wave due to total internal reflection. It includes a λ/2 part H and a λ/4 part Q that provides a phase difference of approximately 90° (specifically, 90°±10%) between the p-wave and the s-wave due to total reflection, and With the axis as the rotation axis, the entrance plane of λ/4 section Q is rotated by approximately 60° (specifically, 60° ± 10%) (θ2 - θ1) with respect to the entrance plane of λ/2 section H. has been done.

λ/2部H及びλ/4部Qを構成する各フレネルロムは、等方性材料から形成されており、上述した図7は、等方性材料として石英を使用した場合を示している(楔角α=54°)。等方性材料としては、真空紫外から近赤外の波長領域を透過する材料であれば良く、入手性の観点から石英(溶融石英:屈折率n=1.46@550nm)、フッ化カルシウム(CaF:屈折率n=1.44@546nm)及びフッ化リチウム(LiF:屈折率n=1.39@600nm)からなる群から選択される少なくとも一種の材料を用いると好適である。なお、用いる等方性材料については、位相差を劣化させてしまうような素材の欠陥や歪などがないことも重要であり、CaFよりも石英(溶融石英)を用いることが好ましい。 Each Fresnel ROM constituting the λ/2 part H and the λ/4 part Q is formed from an isotropic material, and FIG. 7 above shows the case where quartz is used as the isotropic material (wedge). angle α = 54°). The isotropic material may be any material that transmits wavelengths from vacuum ultraviolet to near infrared, and from the viewpoint of availability, quartz (fused silica: refractive index n = 1.46 @ 550 nm), calcium fluoride ( It is preferable to use at least one material selected from the group consisting of CaF2: refractive index n=1.44@546 nm) and lithium fluoride (LiF : refractive index n=1.39@600 nm). Regarding the isotropic material used, it is also important that there are no defects or distortions in the material that would degrade the phase difference, and it is preferable to use quartz (fused silica) rather than CaF2 .

図7に示されるように、λ/2部Hは、全反射によりp波とs波の間に略90°(具体的には、90°±10%)の位相差を与える第1フレネルロムFR1及び第2フレネルロムFR2を有し、λ/4部Qは、全反射によりp波とs波の間に略90°(具体的には、90°±10%)の位相差を与える第3フレネルロムFR3を有している。入射光線軸を回転軸として、第1フレネルロムFR1の入射面は、第2フレネルロムFR2の入射面に対して一致して配置されている。入射光線軸を回転軸として、第3フレネルロムFR3の入射面は、第1フレネルロムFR1及び第2フレネルロムFR2の入射面に対して略60°(具体的には、60°±10%)回転して配置されている。 As shown in FIG. 7, the λ/2 part H is a first Fresnel ROM FR1 that provides a phase difference of approximately 90° (specifically, 90°±10%) between the p-wave and the s-wave due to total reflection. and a second Fresnel ROM FR2, and the λ/4 section Q is a third Fresnel ROM that provides a phase difference of approximately 90° (specifically, 90°±10%) between the p-wave and the s-wave due to total reflection. It has FR3. The entrance surface of the first Fresnel ROM FR1 is arranged to coincide with the entrance surface of the second Fresnel ROM FR2, with the incident light beam axis serving as the rotation axis. The entrance surface of the third Fresnel ROM FR3 is rotated by approximately 60° (specifically, 60°±10%) with respect to the entrance surfaces of the first Fresnel ROM FR1 and the second Fresnel ROM FR2, with the incident light beam axis as the rotation axis. It is located.

λ/2部Hを構成する第1フレネルロムFR1(第一菱面体10)の第一入射端面11に入射した入射光線Iは、4回全反射して(反射光線R)して、λ/4部Qを構成する第3フレネルロムFR3から出射光線Eとして出射する。広帯域円偏光子1では、真空紫外から近赤外の波長領域において入射光線Iに対して略90°(具体的には、90°±5、好ましくは90°±3、より好ましくは90°±2、更に好ましくは90°±1)の位相差を与えた出射光線Eが出射される。 The incident light ray I that entered the first incident end surface 11 of the first Fresnel ROM FR1 (first rhombohedral body 10) constituting the λ/2 part H is totally reflected four times (reflected ray R) and becomes λ/4. The light beam E is emitted from the third Fresnel ROM FR3 forming part Q. The broadband circular polarizer 1 has an angle of about 90° (specifically, 90°±5 % , preferably 90°±3 % , more preferably 90°) with respect to the incident light I in the vacuum ultraviolet to near-infrared wavelength region. The output beam E is emitted with a phase difference of 90°±2 % , more preferably 90°±1 % .

広帯域円偏光子1を使用する時、第1フレネルロムFR1(第一菱面体10)の第一入射端面11に対して、外部から実質的に垂直に入射させられた入射光線Iは、次のように進む。入射光線Iは、第1フレネルロムFR1(第一菱面体10)の第一全反射面13及び第二全反射面14において内部反射し、反射光線Rは、第1フレネルロムFR1(第一菱面体10)の第一出射端面12から第二菱面体20の第二入射端面21へと出射する。そして、第1フレネルロムFR1(第一菱面体10)の第一出射端面12から第2フレネルロムFR2(第二菱面体20)の第二入射端面21へと入射した反射光線Rは、第三全反射面23と第四全反射面24において内部反射し、反射光線Rは、第2フレネルロムFR2(第二菱面体20の)第二出射端面22から第3フレネルロムFR3へと入射して、2回内部反射をし、出射光線Eとして出射する。 When using the broadband circular polarizer 1, the incident light ray I made from the outside substantially perpendicular to the first incident end surface 11 of the first Fresnel ROM FR1 (first rhombohedron 10) is as follows. Proceed to. The incident light ray I is internally reflected at the first total reflection surface 13 and the second total reflection surface 14 of the first Fresnel ROM FR1 (first rhombohedral 10), and the reflected ray R is internally reflected at the first Fresnel ROM FR1 (first rhombohedral 10). ) is emitted from the first output end face 12 of the second rhombohedral body 20 to the second entrance end face 21 of the second rhombohedral body 20 . Then, the reflected light ray R incident from the first output end face 12 of the first Fresnel ROM FR1 (first rhombohedral body 10) to the second incidence end face 21 of the second Fresnel ROM FR2 (second rhombohedral body 20) is reflected by the third total reflection. The reflected light beam R is internally reflected at the surface 23 and the fourth total reflection surface 24, and enters the third Fresnel ROM FR3 from the second output end surface 22 of the second Fresnel ROM FR2 (of the second rhombohedral body 20), and is internally reflected twice. It is reflected and emitted as an emitted light beam E.

(多層膜M)
λ/2部H及びλ/4部Qを構成するフレネルロムは、少なくとも1以上の全反射面に多層膜Mが形成されているとよい。具体的には、λ/2部H及びλ/4部Qを構成するフレネルロムとしての第一菱面体10の第一全反射面13、第二全反射面14、第二菱面体20の第三全反射面23、第四全反射面24は、その面上に、第一菱面体10及び第二菱面体20を構成する等方性材料とは異なる屈折率の多層膜Mがコーティングされていると好適である。
(Multilayer film M)
The Fresnel ROM constituting the λ/2 part H and the λ/4 part Q preferably has a multilayer film M formed on at least one total reflection surface. Specifically, the first total reflection surface 13 of the first rhombohedron 10, the second total reflection surface 14, and the third total reflection surface of the second rhombohedron 20 as Fresnel ROMs constituting the λ/2 part H and the λ/4 part Q. The total reflection surface 23 and the fourth total reflection surface 24 are coated with a multilayer film M having a refractive index different from that of the isotropic material constituting the first rhombohedron 10 and the second rhombohedron 20. and is suitable.

ここで、多層膜Mは、第一菱面体10及び第二菱面体20を構成する等方性材料よりも屈折率の大きい高屈折率材料で形成性された高屈折率膜Mと、第一菱面体10及び第二菱面体20を構成する等方性材料よりも屈折率の小さい低屈折率材料で形成性された低屈折率膜Mと、が交互に積層されている。高屈折率膜Mと低屈折率膜Mの積層の順序は基板となる等方性材料の上に、高屈折率膜M、低屈折率膜Mの順で積層されていてもよいし、基板となる等方性材料の上に、低屈折率膜M、高屈折率膜Mの順で積層されていてもよい。 Here, the multilayer film M includes a high refractive index film M H formed of a high refractive index material having a higher refractive index than the isotropic material constituting the first rhombohedron 10 and the second rhombohedron 20; Low refractive index films M L made of a low refractive index material having a lower refractive index than the isotropic material constituting the one rhombohedron 10 and the second rhombohedron 20 are alternately laminated. Even if the high refractive index film M H and the low refractive index film M L are laminated in the order of the high refractive index film M H and the low refractive index film M L on the isotropic material serving as the substrate, Alternatively, the low refractive index film M L and the high refractive index film M H may be laminated in this order on the isotropic material serving as the substrate.

入射光線Iは、各全反射面で全反射し、同時にp偏光とs偏光に位相差が発生する。通常、全反射に伴って生じる位相差は、波長が短くなるにつれて大きくなってしまう。そこで、各フレネルロムにおいて、第一菱面体10及び第二菱面体20を構成する等方性材料(石英やCaF)よりも大きい屈折率の高屈折率膜Mと、小さい屈折率の低屈折率膜Mからなる2種類の膜材料が交互に積層された多層膜Mを全反射面に施すとよい。 The incident light beam I is totally reflected by each total reflection surface, and at the same time, a phase difference occurs between the p-polarized light and the s-polarized light. Normally, the phase difference caused by total internal reflection becomes larger as the wavelength becomes shorter. Therefore, in each Fresnel ROM, a high refractive index film M H having a larger refractive index than the isotropic material (quartz or CaF 2 ) constituting the first rhombohedral 10 and the second rhombohedral 20 and a low refractive index film M H having a smaller refractive index are used. It is preferable to apply a multilayer film M in which two types of film materials consisting of a reflective film M and L are alternately laminated on the total reflection surface.

高屈折率膜Mを構成する高屈折率材料としては、フッ化ガドリニウム(GdF3:屈折率n=1.59@550nm)、フッ化ランタン(LaF3:屈折率n=1.59@550nm)及びフッ化ネオジム(NdF3:1.61@550nm)が例示されるが、これらの物質に限定されるものではない。また、低屈折率膜Mを構成する低屈折率材料としては、フッ化マグネシウム(MgF2:屈折率n=1.38~1.40@550nm)が例示されるが、これに限定されるものではない。 High refractive index materials constituting the high refractive index film MH include gadolinium fluoride (GdF3: refractive index n=1.59@550 nm), lanthanum fluoride (LaF3: refractive index n=1.59@550 nm), and An example is neodymium fluoride (NdF3: 1.61@550 nm), but the material is not limited to these materials. Further, as a low refractive index material constituting the low refractive index film M L , magnesium fluoride (MgF2: refractive index n = 1.38 to 1.40 @ 550 nm) is exemplified, but is not limited thereto. isn't it.

高屈折率膜M及び低屈折率膜Mは、真空蒸着、CVD、スパッタリング等の方法により形成することが可能である。高屈折率膜M及び低屈折率膜Mの膜厚は、材料の種類に依存し、例えば、100Å以上650Å以下とすればよいが、この範囲に限定されるものではない。 The high refractive index film M H and the low refractive index film M L can be formed by methods such as vacuum deposition, CVD, and sputtering. The film thicknesses of the high refractive index film M H and the low refractive index film M L depend on the type of material and may be, for example, 100 Å or more and 650 Å or less, but are not limited to this range.

本実施形態の広帯域円偏光子1においてλ/4部Qとλ/2部Hは、上述の図7に示す構成に限定されるものではない。例えば、図19に示されるように、位相差を180°持たせるためにλ/2部Hで8回の反射、位相差90°を持たせるためにλ/4部Qで4回の反射を行う構成、つまり、3個の屋根型フレネルロムを並べた構造とすることも可能である。この構造では、位相差180°の2つの屋根型フレネルロムと、位相差90°の1つの屋根型フレネルロムが、入射光線軸を59.5°(θ2-θ1=74.5°-15°)回転させて配置される。 In the broadband circular polarizer 1 of this embodiment, the λ/4 section Q and the λ/2 section H are not limited to the configuration shown in FIG. 7 described above. For example, as shown in Figure 19, to have a phase difference of 180°, there are eight reflections at λ/2 part H, and to have a phase difference of 90°, there are four reflections at λ/4 part Q. It is also possible to adopt a structure in which three roof-type Fresnel ROMs are arranged side by side. In this structure, two roof-type Fresnel ROMs with a phase difference of 180° and one roof-type Fresnel ROM with a phase difference of 90° rotate the incident ray axis by 59.5° (θ2-θ1 = 74.5°-15°). be placed.

さらに、図23に示されるように、位相差90°のキングタイプフレネルロムを光線軸方向に3個並べ、入射側2個を位相差180°フレネルロム(λ/2部H)と見なし、出射側の1個を位相差90°フレネルロム(λ/4部Q)と見なし、位相差180°フレネルロムと位相差90°フレネルロムを、入射光線軸を回転軸として、60°(θ2-θ1=75°-15°)回転させて配置した構造とすることも可能である。 Furthermore, as shown in Fig. 23, three king-type Fresnel ROMs with a phase difference of 90° are arranged in the direction of the optical axis, and the two on the incident side are regarded as Fresnel ROMs with a phase difference of 180° (λ/2 part H), and the two on the exit side are One of them is regarded as a Fresnel ROM with a phase difference of 90° (λ/4 part Q), and the Fresnel ROM with a phase difference of 180° and the Fresnel ROM with a phase difference of 90° are set at 60° (θ2-θ1=75°- It is also possible to have a structure rotated by 15°).

[4.本実施形態の広帯域円偏光子の応用例]
本実施形態の広帯域円偏光子の応用例について、以下に示す。本実施形態の広帯域円偏光子は、計測装置に応用可能である。ここで、「計測装置」とは、各種の測定装置、分析装置、検査装置、観察装置を含むものとする。
[4. Application example of broadband circular polarizer of this embodiment]
Application examples of the broadband circular polarizer of this embodiment are shown below. The broadband circular polarizer of this embodiment can be applied to measurement devices. Here, the term "measuring device" includes various measuring devices, analysis devices, inspection devices, and observation devices.

半導体検査装置は、微細領域の検査を行う装置であり、紫外光を積極的に利用するため、真空紫外から近赤外の波長領域で使用可能な本実施形態の広帯域円偏光子を用いると好適である。白色光の偏光を利用している半導体検査装置であれば、本実施形態の広帯域円偏光子が利用可能である。 Semiconductor inspection equipment is a device that inspects minute areas and actively uses ultraviolet light, so it is suitable to use the broadband circular polarizer of this embodiment, which can be used in the wavelength range from vacuum ultraviolet to near infrared. It is. The broadband circular polarizer of this embodiment can be used in any semiconductor inspection device that uses polarized white light.

本実施形態の広帯域円偏光子を適用する具体的な対象装置として、分光エリプソメーターが例示される。具体的には、分光エリプソメーターの補償素子として広帯域円偏光子を利用することができる。 A spectroscopic ellipsometer is exemplified as a specific target device to which the broadband circular polarizer of this embodiment is applied. Specifically, a broadband circular polarizer can be used as a compensation element in a spectroscopic ellipsometer.

また、本実施形態の広帯域円偏光子を、微小領域を観察するための観察装置に適用することも可能である。偏光を制御することでコントラストを向上できる場合がある。より微細な観察を行うためには、短い波長も使った観察が必要になるため、本実施形態の広帯域円偏光子を使用するメリットがある。 Further, the broadband circular polarizer of this embodiment can also be applied to an observation device for observing a minute area. Contrast can sometimes be improved by controlling polarization. In order to perform finer observation, it is necessary to perform observation using shorter wavelengths, so there is an advantage in using the broadband circular polarizer of this embodiment.

さらに、異物検知を行うため、異物からの散乱光の偏光状態が正常な部分と異なる特性を利用した観察装置や検査装置、具体的には、半導体ウエハー上の配線パターンの偏光状態を観察して異物を発見する装置に本実施形態の広帯域円偏光子を適用することができる。装置によって、偏光の利用方法は異なるが、偏光情報から半導体の各プロセスで発生した異常(不良)を発見する際に、本実施形態の広帯域円偏光子を位相差180°(λ/2)の位相子と組み合わせることで、様々な偏光計測が可能となる。 Furthermore, in order to detect foreign objects, we use observation and inspection equipment that utilizes the characteristics of the polarization state of scattered light from foreign objects that differs from normal parts, specifically observing the polarization state of wiring patterns on semiconductor wafers. The broadband circular polarizer of this embodiment can be applied to a device for detecting foreign objects. The method of using polarized light differs depending on the device, but when discovering abnormalities (defects) that occur in various semiconductor processes from polarized light information, the broadband circular polarizer of this embodiment is used with a phase difference of 180° (λ/2). By combining it with a phase shifter, various polarization measurements become possible.

また、膜厚計に本実施形態の広帯域円偏光子を適用することができる。膜厚計は、主に半導体プロセス中の検査などに用いられるが、フィルム厚、塗装厚等を測定するなど、他の膜状の物の検査にも使われている。膜厚計の測定原理は、様々であるが、エリプソメーター同様の偏光解析で膜厚を測定する装置もある。 Furthermore, the broadband circular polarizer of this embodiment can be applied to a film thickness meter. Film thickness gauges are mainly used for inspections during semiconductor processes, but they are also used to inspect other film-like objects, such as measuring film thickness and coating thickness. The measurement principles of film thickness meters vary, but there are also devices that measure film thickness using polarization analysis similar to an ellipsometer.

その他、本実施形態の広帯域円偏光子は、機器偏光を低減させるための偏光解消素子の代わりに使用することができる。反射光学系では、p偏光とs偏光の反射率が異なるため、入射光線の偏光状態が異なる場合や変動する場合、透過率が異なったり、変動したりする。このことを防止するために、入射光線の偏光状態を一定にしたり、光学系からの出射光線の偏光状態を一定にしたりすることがある。精密な計測を行う装置の場合には、入射光線や出射光線の偏光状態を一定にすることが必要になる。本実施形態の広帯域円偏光子を位相差180°(λ/2)の位相子と組み合わせることで、いかなる偏光状態も作り出すことができるため、入射光線や出射光線の偏光状態を一定にすることが可能となる。 Additionally, the broadband circular polarizer of this embodiment can be used in place of a depolarizing element to reduce instrument polarization. In a reflective optical system, the reflectance of p-polarized light and s-polarized light is different, so if the polarization state of the incident light beam is different or fluctuates, the transmittance will be different or fluctuate. To prevent this, the polarization state of the incident light beam may be made constant, or the polarization state of the output light beam from the optical system may be made constant. In the case of a device that performs precise measurements, it is necessary to keep the polarization state of the incident light beam and the output light beam constant. By combining the broadband circular polarizer of this embodiment with a retarder with a phase difference of 180° (λ/2), any polarization state can be created, so it is possible to keep the polarization state of the incident light beam and the output light beam constant. It becomes possible.

タンパク質、医薬品、食品などの高分子の立体構造を分析するための方法に、高分子の光学異性体を調べる旋光分散測定(ORD)や円偏光二色性(CD)分光測定がある。これら測定は、左右円偏光の屈折率、吸収の違いを測定する方法で、精度が高く、波長帯域の広い円偏光子が望まれている測定である。本実施形態の広帯域円偏光子は、このような要望に、合致しており、旋光分散測定や円二色性分光測定の精度を高める事が可能である。 Methods for analyzing the three-dimensional structures of polymers such as proteins, pharmaceuticals, and foods include optical rotation dispersion (ORD) and circular dichroism (CD) spectroscopy, which examine optical isomers of polymers. These measurements are methods of measuring the difference in refractive index and absorption between left and right circularly polarized light, and require a circular polarizer with high accuracy and a wide wavelength band. The broadband circular polarizer of the present embodiment meets these demands and is capable of improving the accuracy of optical rotation dispersion measurement and circular dichroism spectroscopy measurement.

以下、実施例に基づき、本発明の広帯域円偏光子について更に詳細に説明するが、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。 Hereinafter, the broadband circular polarizer of the present invention will be described in more detail based on Examples, but the present invention is not limited to the following Examples.

<実施例1:H+Q型石英製フレネルロム>
実施例1のH+Q型石英製フレネルロムは、一般的な石英製の位相差180°の屋根型フレネルロム(λ/2部:H部)と、位相差90°の平行四辺形のフレネルロム(λ/4部:Q部)を、入射光線軸を回転軸として60°(θ2-θ1=75°-15°)回転させて配置した構造である(図15、表1)。
<Example 1: H+Q type quartz Fresnel ROM>
The H+Q type quartz Fresnel ROM of Example 1 consists of a roof-type Fresnel ROM (λ/2 part: H part) made of general quartz with a phase difference of 180°, and a parallelogram-shaped Fresnel ROM (λ/4 part) with a phase difference of 90°. The structure is such that the Q part) is rotated by 60° (θ2-θ1=75°-15°) using the incident light beam axis as the rotation axis (FIG. 15, Table 1).

Figure 2022135684000001
Figure 2022135684000001

位相差180°の屋根型フレネルロム(λ/2部:H部)は、位相差90°の平行四辺形フレネルロムを2つ並べた配置になっているため、位相差90°の平行四辺形フレネルロム3個を、入射偏光に対してそれぞれ15°、15°、75°回転させて配置した構造ともとらえることができる。 The roof-type Fresnel ROM (λ/2 part: H part) with a phase difference of 180° is arranged by arranging two parallelogram Fresnel ROMs with a phase difference of 90°, so the parallelogram Fresnel ROM 3 with a phase difference of 90° It can also be regarded as a structure in which the two elements are rotated by 15 degrees, 15 degrees, and 75 degrees with respect to the incident polarized light, respectively.

各平行四辺形フレネルロムは、互いに離して配置しても、接合しても良く、接合は使用波長帯域が広いため、オプティカル・コンタクトとすることが好ましいが、平行四辺形のフレネルロムに応力による位相差が発生せず、光吸収も無ければ、接着や融着等の方法でも良い。各平行四辺形のフレネルロムの光線が透過する面に反射防止膜を施すことが好ましいが、反射防止膜を施さなくても良い。図16A~図16Cに、実施例1のH+Q型石英製フレネルロムの光学特性を示す。図16Aより、波長λ=200nm~2600nmの波長範囲で、位相差が、90°になっていることが分かる。また、図16Bより、上記波長帯域で楕円率は1に近く、円偏光を出射することが分かる。 The parallelogram Fresnel ROMs may be placed apart from each other, or they may be joined together. Optical contact is preferable because the joining has a wide wavelength band, but the phase difference due to stress in the parallelogram Fresnel ROMs is A method such as adhesion or fusion may be used as long as no light absorption occurs and there is no light absorption. Although it is preferable to apply an antireflection film to the light-transmitting surface of each parallelogram Fresnel ROM, it is not necessary to provide an antireflection film. 16A to 16C show the optical characteristics of the H+Q type quartz Fresnel ROM of Example 1. From FIG. 16A, it can be seen that the phase difference is 90° in the wavelength range of λ=200 nm to 2600 nm. Further, from FIG. 16B, it can be seen that the ellipticity is close to 1 in the above wavelength band, and circularly polarized light is emitted.

<実施例1-2:H+Q型石英製フレネルロム最適化型>
実施例1-2は、実施例1の位相差180°フレネルロムと位相差90°フレネルロムの回転角を59.6°(θ2-θ1=74.6°-15°)として配置した構造である(表2)。図16A~図16Cと、図17A~図17Cの比較からも分かる様に、λ/2部(H部)とλ/4部(Q部)の回転角を最適となるように調整することで、使用波長帯域全体(200nm~2600nm)で、楕円率をより1に近づける事が出来る。なお、接合方法、反射防止膜については、実施例1と同様である。
<Example 1-2: H+Q type quartz Fresnel ROM optimized type>
Example 1-2 has a structure in which the rotation angle of the Fresnel ROM with a phase difference of 180° and the Fresnel ROM with a phase difference of 90° in Example 1 is set to 59.6° (θ2-θ1=74.6°-15°). Table 2). As can be seen from the comparison between FIGS. 16A to 16C and FIGS. 17A to 17C, by adjusting the rotation angles of the λ/2 section (H section) and λ/4 section (Q section) to the optimum , it is possible to bring the ellipticity closer to 1 over the entire used wavelength band (200 nm to 2600 nm). Note that the bonding method and antireflection film are the same as in Example 1.

Figure 2022135684000002
Figure 2022135684000002

<実施例2:H+Q型CaF製フレネルロム最適化型>
CaF2結晶は、λ=130~6000nmまで透明な等方性材料である。CaFを用いたフレネルロムも広帯域な位相子であるが、CaFで製作した位相差180°のフレネルロムと位相差90°のフレネルロムを、59°(θ2-θ1=74°-15°)回転させて配置した構造とすることで、より広帯域で楕円率が1に近い特性を持つ素子となる(表3、図18A~図18C)。なお、接合方法、反射防止膜については、実施例1と同様である。図17Bに楕円率特性を示すH+Q型石英製フレネルロム最適化型(実施例1)よりも、図18Bに楕円率特性を示すH+Q型CaF製フレネルロム最適化型(実施例2)の方が、波長λ=130nm~6000nmの広い波長帯域で楕円率が1に近い円偏光が得られることが分かる。
<Example 2: H+Q type CaF 2 Fresnel ROM optimized type>
CaF2 crystal is an isotropic material that is transparent from λ=130 to 6000 nm. A Fresnel ROM using CaF2 is also a broadband retarder, but a Fresnel ROM with a phase difference of 180° and a Fresnel ROM with a phase difference of 90° made of CaF2 are rotated by 59° (θ2-θ1 = 74°-15°). By adopting a structure in which the ellipticity is close to 1, an element having a wider band and an ellipticity close to 1 can be obtained (Table 3, FIGS. 18A to 18C). Note that the bonding method and antireflection film are the same as in Example 1. The H+Q type CaF2 Fresnel ROM optimized type (Example 2) whose ellipticity characteristics are shown in FIG. 18B is better than the H+ Q type quartz Fresnel ROM optimized type (Example 1) whose ellipticity characteristics are shown in FIG. 17B. It can be seen that circularly polarized light with an ellipticity close to 1 can be obtained in a wide wavelength band of wavelength λ=130 nm to 6000 nm .

Figure 2022135684000003
Figure 2022135684000003

<実施例3:H+Q型LiF製フレネルロム最適化型>
LiF結晶は、波長約λ=110~9000nmの帯域で透明な等方性の結晶である。そのため、LiFでフレネルロムを製作すると非常に帯域の広い位相子を製作出来る可能性がある。但し、屈折率が比較的小さく、また、真空紫外領域と中赤外領域では、屈折率差が大きく、透明帯域を生かした位相子の製作は難しい。
<Example 3: H+Q type LiF Fresnel ROM optimized type>
LiF crystal is an isotropic crystal that is transparent in a wavelength range of about λ=110 to 9000 nm. Therefore, if a Fresnel ROM is manufactured using LiF, there is a possibility that a retarder with a very wide band can be manufactured. However, the refractive index is relatively small, and the difference in refractive index is large between the vacuum ultraviolet region and the mid-infrared region, making it difficult to manufacture a retarder that takes advantage of the transparent band.

以下に、LiFを素材に使ったH+Q型LiF製フレネルロムの実施例3を示す。屈折率が比較的小さく一度の全反射で大きな位相差を得ることが難しいため、一度の反射での位相差を約22.5°とし、位相差を180°持たせるためにλ/2部(H部)で8回の反射、位相差90°を持たせるためにλ/4部(Q部)で4回の反射を行う構成にしている(図19、表4)。つまり、3個の屋根型フレネルロムを並べた構造である。位相差180°の2つの屋根型フレネルロムと、位相差90°の1つの屋根型フレネルロムを、入射光線軸を59.5°(θ2-θ1=74.5°-15°)回転させて配置した構造である。なお、接合方法、反射防止膜については、実施例1と同様である。 Example 3 of an H+Q type LiF Fresnel ROM using LiF as a material is shown below. Since the refractive index is relatively small and it is difficult to obtain a large phase difference in one total reflection, the phase difference in one reflection is set to approximately 22.5°, and in order to have a phase difference of 180°, a λ/2 part ( The configuration is such that the λ/4 section (Q section) undergoes 8 reflections and 4 reflections at the λ/4 section (Q section) to provide a phase difference of 90° (FIG. 19, Table 4). In other words, it has a structure in which three roof-shaped Fresnel ROMs are arranged side by side. Two roof-type Fresnel ROMs with a phase difference of 180° and one roof-type Fresnel ROM with a phase difference of 90° were arranged with the incident light axis rotated by 59.5° (θ2-θ1 = 74.5°-15°). It is a structure. Note that the bonding method and antireflection film are the same as in Example 1.

Figure 2022135684000004
Figure 2022135684000004

図20A~図20Cに、実施例3のH+Q型LiF製フレネルロム最適化型の光学特性を示す。図20B及び図20Cより、長波長側である程度性能が劣化するが、従来の位相子に比べれば十分高い性能であることが分かる。図20Aより、波長λ=110nm~6000nmの波長範囲で、位相差が90°になっていることが分かる。また、図20Bより、上記波長帯域で楕円率は1に近く、円偏光を出射することが分かる。 20A to 20C show the optical characteristics of the H+Q type LiF Fresnel ROM optimized type of Example 3. From FIGS. 20B and 20C, it can be seen that although the performance deteriorates to some extent on the long wavelength side, the performance is sufficiently high compared to the conventional retarder. From FIG. 20A, it can be seen that the phase difference is 90° in the wavelength range of λ=110 nm to 6000 nm. Further, from FIG. 20B, it can be seen that the ellipticity is close to 1 in the above wavelength band, and circularly polarized light is emitted.

<実施例4:小型多層膜付きH+Q型石英製フレネルロム>
実施例4は、位相差が90°の多層膜付き小型フレネルロム3個を光線方向に並べ、入射側2個を位相差180°フレネルロム(λ/2部:H部)と見なし、出射側の1個を位相差90°フレネルロム(λ/4部:Q部)と見なし、位相差180°フレネルロムと位相差90°フレネルロムを、入射光線軸を回転軸として、59.8°(θ2-θ1=74.8°-15°)回転させて配置した構造である(図21及び表5)。
<Example 4: H+Q type quartz Fresnel ROM with small multilayer film>
In Example 4, three small Fresnel ROMs with a multilayer film with a phase difference of 90° are arranged in the direction of the light beam, two on the incident side are regarded as Fresnel ROMs with a phase difference of 180° (λ/2 part: H part), and one on the output side is is regarded as a Fresnel ROM with a phase difference of 90° (λ/4 part: Q part), and a Fresnel ROM with a phase difference of 180° and a Fresnel ROM with a phase difference of 90° are 59.8° (θ2-θ1=74 .8°-15°) (Figure 21 and Table 5).

Figure 2022135684000005
Figure 2022135684000005

元となる小型多層膜付きフレネルロムが、入出射光が同軸上にあるため、本実施例も出射光と入射光が同一直線上になる。なお、接合方法、反射防止膜については、実施例1と同様である。図22A~図22Cに、実施例4の小型多層膜付きH+Q型石英製フレネルロムの光学特性を示す。図22Bより、特にλ=200~2000nmで楕円率が1に近い、精度の良い円偏光を出射することが分かる。また、図22Aより、上記波長で位相差が90°になっていることも分かる。実施例のなかでは、本実施例の構成の発明品が最も波長範囲が狭いが、従来品に比べ、波長帯域が広がっていることが分かる。 Since input and output light are coaxial in the original small-sized Fresnel ROM with multilayer film, the output light and the input light are on the same straight line in this embodiment as well. Note that the bonding method and antireflection film are the same as in Example 1. 22A to 22C show the optical characteristics of the H+Q type quartz Fresnel ROM with a small multilayer film of Example 4. From FIG. 22B, it can be seen that highly accurate circularly polarized light with an ellipticity close to 1 is emitted especially when λ=200 to 2000 nm. Furthermore, from FIG. 22A, it can be seen that the phase difference is 90° at the above wavelength. Among the examples, the invention product with the configuration of this example has the narrowest wavelength range, but it can be seen that the wavelength band is wider than the conventional product.

<実施例5:光学膜付きキングタイプH+Q型石英製フレネルロム>
従来知られている中で最も使用波長帯域が広く、楕円率が1に近い石英製で全反射角が72°で使用する斜面に光学薄膜を施した位相差90°のキングタイプフレネルロムを光線軸方向に3個並べ、入射側2個を位相差180°フレネルロム(λ/2部:H部)と見なし、出射側の1個を位相差90°フレネルロム(λ/4部:Q部)と見なし、位相差180°フレネルロムと位相差90°フレネルロムを、入射光線軸を回転軸として、60°(θ2-θ1=75°-15°)回転させて配置した構造である(図23及び表6)。
<Example 5: King type H+Q type quartz Fresnel ROM with optical film>
A king-type Fresnel ROM with a retardation of 90° and a 90° phase difference made of quartz with an ellipticity close to 1 and a total internal reflection angle of 72° is used. Three are arranged in the axial direction, and the two on the input side are considered as Fresnel ROMs with a phase difference of 180° (λ/2 part: H part), and the one on the output side is considered as a Fresnel ROM with a phase difference of 90° (λ/4 part: Q part). This is a structure in which a Fresnel ROM with a phase difference of 180° and a Fresnel ROM with a phase difference of 90° are rotated by 60° (θ2-θ1 = 75°-15°) with the incident light beam axis as the rotation axis (Fig. 23 and Table 6). ).

各キングタイプフレネルロムは、実施例1同様、接合してもしなくても良く、接合する場合、フレネルロムに光学的な異方性を発生させる歪みを発生させず、光の吸収が無ければ、接合方法は選ばない。光線が透過する面に反射防止膜を施す事が好ましいが、反射防止膜を施さなくても良い。 As in Example 1, each king type Fresnel ROM may or may not be bonded. When bonded, if the Fresnel ROM is not strained to cause optical anisotropy and there is no light absorption, the bonding is possible. I don't choose the method. Although it is preferable to apply an antireflection film to the surface through which light rays pass, it is not necessary to apply an antireflection film.

Figure 2022135684000006
Figure 2022135684000006

図24A~図24Cに、実施例5の光学膜付きキングタイプH+Q型石英製フレネルロムの光学特性を示す。図24A~図24Cより、出射偏光特性は、従来のどのフレネルロムより優れており、また、どの位相子より優れる特性を示す。本構造は、構成要素の位相子の性能をより高める構造であるため、構成要素の性能が高い場合、より高い特性を示す事が分かる。 24A to 24C show the optical characteristics of the King type H+Q type quartz Fresnel ROM with optical film of Example 5. From FIGS. 24A to 24C, the output polarization characteristics are superior to any conventional Fresnel ROM, and also exhibit characteristics superior to any retarder. Since this structure is a structure that further enhances the performance of the retarder of the component, it can be seen that when the performance of the component is high, higher characteristics are exhibited.

この実施例では、位相差、楕円率特性が高くなるに伴い、偏光軸の波長依存性も少なくなっており、そのため、一般的なλ/4板と同様に、入射偏光を直線偏光から、楕円偏光、円偏光へと自由に変える事が可能である。また、位相差90°側(λ/4部側)から光線を入射させても良い偏光特性が得られる。ただし、位相差180°側(λ/2部側)から光線を入射させた場合の方がより優れた性能になる。 In this example, as the retardation and ellipticity characteristics increase, the wavelength dependence of the polarization axis also decreases. Therefore, like a general λ/4 plate, the incident polarization is changed from linear polarization to elliptic polarization. It is possible to freely change the polarized light to circularly polarized light. Further, good polarization characteristics can be obtained even when the light beam is incident from the phase difference side of 90° (λ/4 portion side). However, better performance is obtained when the light beam is incident from the phase difference side of 180° (λ/2 part side).

1 広帯域円偏光子
H λ/2部(H部)
Q λ/4部(Q部)
FR1 第1フレネルロム
FR2 第2フレネルロム
FR3 第3フレネルロム
10 第一菱面体
11 第一入射端面
12 第一出射端面
13 第一全反射面
14 第二全反射面
20 第二菱面体
21 第二入射端面
22 第二出射端面
23 第三全反射面
24 第四全反射面
M 多層膜
θ 入射角
α 楔角
α1 全反射角
HQP H+Q構造波長板
HWP λ/2板
Ha λ/2板の光学軸
QWP λ/4板
Qa λ/2板の光学軸
I 入射光線
Ia 入射偏光方向
R 反射光線
E 出射光線
X 光軸
1 Broadband circular polarizer H λ/2 part (H part)
Q λ/4 part (Q part)
FR1 First Fresnel ROM FR2 Second Fresnel ROM FR3 Third Fresnel ROM 10 First rhombohedron 11 First incidence end face 12 First output end face 13 First total reflection surface 14 Second total reflection surface 20 Second rhombohedron 21 Second incidence end face 22 Second output end face 23 Third total reflection surface 24 Fourth total reflection surface M Multilayer film θ Incident angle α Wedge angle α1 Total reflection angle HQP H+Q structure wave plate HWP λ/2 plate Ha λ/2 optical axis of plate QWP λ/ 4 plates Qa Optical axis I of λ/2 plate Incident ray Ia Incident polarization direction R Reflected ray E Outgoing ray X Optical axis

Claims (7)

全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に180°±10%の位相差を与えるλ/2部と、
全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に90°±10%の位相差を与えるλ/4部と、を備え、
入射光線軸を回転軸として、前記λ/4部の入射面は前記λ/2部の入射面に対して60°±10%回転して配置されており、
前記λ/2部及び前記λ/4部はフレネルロムで構成されており、
少なくとも200~2000nmの波長を有する直線偏光を円偏光に変換することを特徴とする広帯域円偏光子。
a λ/2 part that provides a phase difference of 180 ° ±10% between p-waves and s-waves having a wavelength of at least 200 to 2000 nm due to total internal reflection;
a λ/4 part that provides a phase difference of 90 ° ±10% between p-waves and s-waves having a wavelength of at least 200 to 2000 nm by total reflection,
The incidence plane of the λ/4 part is rotated by 60 ° ±10% with respect to the incidence plane of the λ/2 part, with the incident light beam axis as the rotation axis,
The λ/2 part and the λ/4 part are made of Fresnel ROM,
A broadband circular polarizer, characterized in that it converts linearly polarized light having a wavelength of at least 200 to 2000 nm into circularly polarized light.
前記λ/2部及び前記λ/4部を構成する前記フレネルロムは、石英、CaF2及びLiFからなる群から選択される少なくとも一種の材料で形成されていることを特徴とする請求項1に記載の広帯域円偏光子。 2. The Fresnel ROM constituting the λ/2 part and the λ/4 part is made of at least one material selected from the group consisting of quartz, CaF2, and LiF. Broadband circular polarizer. 前記λ/2部及び前記λ/4部を構成する前記フレネルロムは、少なくとも1以上の全反射面に多層膜が形成されていることを特徴とする請求項1又は2に記載の広帯域円偏光子。 The broadband circular polarizer according to claim 1 or 2, wherein the Fresnel ROM constituting the λ/2 part and the λ/4 part has a multilayer film formed on at least one total reflection surface. . 前記λ/2部は、全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に90°±10%の位相差を与える第1フレネルロム及び第2フレネルロムを有し、
前記λ/4部は、全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に90°±10%の位相差を与える第3フレネルロムを有し、
前記入射光線軸を回転軸として、前記第1フレネルロムの入射面は、前記第2フレネルロムの入射面に対して一致して配置されており、
前記入射光線軸を回転軸として、前記第3フレネルロムの入射面は、前記第1フレネルロム及び前記第2フレネルロムの入射面に対して60°±10%回転して配置されていることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載の広帯域円偏光子。
The λ/2 section has a first Fresnel ROM and a second Fresnel ROM that provide a phase difference of 90 ° ±10% between a p-wave and an s-wave having a wavelength of at least 200 to 2000 nm due to total reflection,
The λ/4 section has a third Fresnel ROM that provides a phase difference of 90 ° ±10% between p-waves and s-waves having wavelengths of at least 200 to 2000 nm due to total reflection,
The incidence surface of the first Fresnel ROM is arranged to coincide with the incidence surface of the second Fresnel ROM, with the incident light beam axis as the rotation axis,
The incident surface of the third Fresnel ROM is arranged to be rotated by 60 ° ±10% with respect to the incident surfaces of the first Fresnel ROM and the second Fresnel ROM, with the incident light beam axis as a rotation axis. The broadband circular polarizer according to any one of claims 1 to 3.
前記フレネルロムは、2回の全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に90°±10%の位相差を与えるものであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の広帯域円偏光子。 1. The Fresnel ROM provides a phase difference of 90 ° ±10% between a p-wave and an s-wave having a wavelength of at least 200 to 2000 nm by two total reflections. 4. Broadband circular polarizer according to any one of 4. 前記フレネルロムは、3回の全反射により、少なくとも200~2000nmの波長を有するp波とs波の間に90°±10%の位相差を与えるものであることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の広帯域円偏光子。 The Fresnel ROM provides a phase difference of 90 ° ±10% between p-waves and s-waves having wavelengths of at least 200 to 2000 nm through three total reflections. 4. Broadband circular polarizer according to any one of 4. 請求項1乃至6のいずれか一項に記載の広帯域円偏光子を備えることを特徴とする計測装置。 A measuring device comprising the broadband circular polarizer according to any one of claims 1 to 6.
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