JP3623032B2 - 複屈折板およびこれを用いた光学系 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種光学機器に用いられる、斜め蒸着膜が形成された複屈折板およびこの複屈折板を用いた光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、基板表面に誘電体材料の斜め蒸着膜を形成した複屈折板が知られている。これは、蒸着材料（誘電体材料）の飛来方向に対して基板表面を傾斜させて配置し、基板表面から斜め方向に成長する柱状組織として蒸着膜を形成することにより、該蒸着膜に、入射光に対する複屈折作用を付与せしめたものであり、例えば、偏光ビームスプリッタや位相板等の光学機能素子として利用されている。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述した如き複屈折板においては、この複屈折板に入射する光の直交偏光成分間の位相差を自在に制御することが困難であった。
したがって、例えば上記複屈折板を位相板として用いる場合には任意の位相差を得ることが難しかった。
また、上記複屈折板を板状のビームスプリッタとして用いる場合には、複屈折量が小さいために小さい入射角で光ビームを入射させるように設計することは困難であった。
【０００４】
本発明はこのような事情に鑑みなされたものであり、斜め蒸着膜が形成されてなる複屈折板を光学システム中で各種光学要素として用いる場合に、その光学システムの設計の自由度を高めることができる複屈折板およびこれを用いた光学系を提供することを目的とするものである。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の複屈折板は、被蒸着基板の表面上に斜め方向から誘電体材料を蒸着せしめて斜め蒸着膜を形成してなる複屈折板において、
該斜め蒸着膜は、互いに異なる誘電体材料からなる斜め蒸着単層膜を交互に積層してなり、
前記斜め蒸着膜を構成する全ての斜め蒸着単層膜の光学軸が略同一方向とされていることを特徴とするものである。
【０００６】
また、本発明の複屈折板を用いた光学系は、前記斜め蒸着膜を構成する全ての斜め蒸着単層膜の光学軸が略同一方向とされている前記複屈折板を用いた光学系であって、
該複屈折板に照射された光ビームがこの複屈折板から射出された後に所定の複屈折量を有するように、この複屈折板に入射する光ビームの入射面と前記光学軸とが所定の角度関係となるよう複屈折板を配設してなることを特徴とするものである。なお、前記「交互」とは、２種類の単層膜のみならず３種類以上の単層膜を順に積み重ねていく状態をも意味するものとする。
さらに、前記複屈折板を用いた光学系において、前記光ビームの入射面と前記光学軸とが互いに平行となるように設定することができる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明の一実施形態の複屈折板を示す概略図である。なお、図１において、積層方向のスケールは実際のスケールとは異なるスケールで描かれている。 この複屈折板１は、透明ガラス基板２上にＴｉＯ_２（二酸化チタン）の単層膜３、５とＳｉＯ_２（酸化ケイ素）の単層膜４、６を交互に斜め蒸着により形成してなる。なお、この透明ガラス基板に代えて種々の材料よりなる基板を用いることが可能である。
【０００８】
図１では、省略して描かれているが、実際には多数の、例えば２２層の単層膜が積層されている。
また、各単層膜３、４、５、６の膜厚は略λ／４（λ＝６５０ｎｍ）に設定されている。
この図１に示す複屈折板１は例えば図２（Ａ）に示す如き蒸着装置により形成される。
【０００９】
この蒸着装置は、図示しない排気ポンプにより内部を真空に排気されるベルジャー１１と、ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の蒸着材料１２Ａ、１２Ｂを蒸発させるための蒸発源１２と、この蒸発源１２の各蒸着材料１２Ａ，１２Ｂを加熱するための電子ビーム１３Ａを射出する電子銃１３と、蒸発源１２から蒸発した蒸着流１４が基板１６の表面に対し斜めに入射するように複数の基板１６を所定の角度位置に設定保持するドーム状ワーク１５等を備えている。
このドーム状ワーク１５は、図示されない回転モータにより所定方向に所定速度で回転可能とされており、これにより保持された基板１６間および各基板１６上において膜厚の均一化が図られる。
なお、蒸発源１２はこのドーム状ワーク１５の回転軸下方の近傍に配設されている。
【００１０】
また、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のドーム状ワーク１５を上方から見た図である。各基板１６は図示されない所定の基板ホルダによってドームの内壁部に取り付けられる。なお、本図においては、保持される基板１６の一部のみが描かれているが、実際には中心位置から全周囲方向に多数の基板１６が配列されるようにして保持される。
また、上記蒸着流１４の基板１６表面への入射角α（実際は基板１６の法線と鉛直方向のなす角度；以下同じ）は特に限定されるものではないが、平均値で４５°〜６５°程度とすれば、複屈折量（常光に対する屈折率ｎ_ｏと異常光に対する屈折率ｎ_ｅの差Δｎ）を大きい値としつつ蒸着膜の白濁化を防止することが可能である。
【００１１】
なお、上記実施形態では、誘電体材料としてＴｉＯ_２およびＳｉＯ_２を用いているが、本発明で用いられる誘電体材料としては、基本的には使用する光に対して透明であり、かつその材料の組み合わせにより所望の複屈折量が得られればよく、例えば，Ｔａ_２Ｏ_５、Ａｌ_２Ｏ_３、ＷＯ_３、Ｙ_２Ｏ_３、Ｂｉ_２Ｏ_３、Ｎｂ_２Ｏ_５、ＺｎＳ、ＭｏＯ_３、ＣｅＯ_２、ＳｉＯ、ＳｎＯ_２等の金属酸化物を用いることができる。
また、蒸着膜の厚みとしては上記実施例のものに限られるものではなく、種々の厚さとすることが可能であるが、各層について柱状組織が十分に成長することができる程度の厚みとすることが望ましく、例えば数十ｎｍ 以上とすることが望ましい。
【００１２】
また、３種類以上の単層膜を順に繰り返し積層させるようにすることも可能である。
また、１つの複屈折板１６においては、各蒸着膜３、４、５、６における光学軸も略そろえられており、この複屈折板１６を使用する際に、この光学軸の方向と光入射面の角度関係および入射角θの値を適切に調整することにより、所望の偏光透過率、偏光反射率を得ることができ、かつ、入射光の直交する偏光成分間の位相差を所望の値とすることができる光学系を得ることが可能である。
【００１３】
【実施例】
以下、具体的な実施例について説明する。
【００１４】
＜実施例１＞
蒸着流１４の基板１６への入射角αを６０°に設定し、膜厚がλ／４（λ＝６５０ｎｍ）に設定されたＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の交互層を可視光に対して透明なガラス基板２上に２２層積層し、偏光ビームスプリッタ２０を形成した。
次に、この偏光ビームスプリッタ２０の成膜表面に対し、光ビームの入射角度θが４５°となるように、かつ、光入射面と光学軸が平行となるように光ビームを入射させた（図３（Ａ））。なお、図３（Ａ）の右図は、図３（Ａ）の左図の矢印Ａ方向から見たときの側面図である。
このときのＰ成分の光透過率ＴｐとＳ成分の光透過率Ｔｓ の分光特性を図３（Ｂ）に示す。
【００１５】
＜実施例２＞
上記実施例１と同様にして形成された偏光ビームスプリッタ２０の成膜表面に対し、光ビームの入射角度θが４５°となるように、かつ、光入射面と光学軸が直交するように光ビームを入射させた（図４（Ａ））。なお、図４（Ａ）の右図は、図４（Ａ）の左図の矢印Ａ方向から見たときの側面図である。
このときのＰ成分の光透過率ＴｐとＳ成分の光透過率Ｔｓ の分光特性を図４（Ｂ）に示す。
【００１６】
＜実施例３＞
上記実施例１と同様にして形成された偏光ビームスプリッタ２０の成膜表面に対し、光ビームの入射角度θが０°となるように光ビームを入射させた（図５（Ａ））。なお、図５（Ａ）の右図は、図５（Ａ）の左図の矢印Ａ方向から見たときの側面図である。
このときの常光の方向での偏光透過率Ｔｏと異常光の方向での偏光透過率Ｔｅ の分光特性を図５（Ｂ）に示す。
また、このときの常光の方向での反射位相δｏと異常光の方向での反射位相δｅの値を図６（Ｂ）に示す。なお、図６（Ａ）に示す光学素子配置、および図６（Ｂ）のＴｏとＴｅ の分光特性を示すグラフは、各々図５（Ａ）に示す光学素子配置、および図５（Ｂ）のＴｏとＴｅ の分光特性を示すグラフと実質的に略同じである。
また、図７は上記２つの反射位相δｏ，δｅの差の波長依存性を示すグラフである。
【００１７】
＜比較例＞
蒸着流１４の基板１６への入射角αを０°に設定し、膜厚がλ／４（λ＝６５０ｎｍ）に設定されたＴｉＯ_２とＳｉＯ_２の交互層を可視光に対して透明なガラス基板２上に２２層積層し、複屈折性を有しないビームスプリッタ２０Ａを形成した。
このビームスプリッタ２０Ａの成膜表面に対し、光ビームの入射角度θが４５°となるように光ビームを入射させた（図８（Ａ））。なお、図８（Ａ）の右図は、図８（Ａ）の左図の矢印Ａ方向から見たときの側面図である。
このときのＰ成分の光透過率ＴｐとＳ成分の光透過率Ｔｓ の分光特性を図８（Ｂ）に示す。
【００１８】
上記実施例１と実施例２のものを比較例のものと比較して見ると、それらの分光特性を示すグラフからも明らかなようにＴｐとＴｓ の立ち上がり波長の間隔が狭くなっている。
また、複屈折性を有しないものでは入射角θ＝０°とした場合には偏光特性を有しないことから、これと比べて実施例３のものが大きく異なっているのが明らかである。
【００１９】
なお、図６および図７においては反射の位相δｏ，δｅ に関する数値を示しているが、もちろん透過の位相も同様にして示すことが可能（図１０参照）であり、これにより、光学系の設計の自由度が大きくなる。
さらに、入射角θが０°以外となる場合には、Ｐ成分の位相δｐおよびＳ成分の位相δｓをも考慮に入れて光学系の設計を行うことができる。
【００２０】
＜実施例４＞
蒸着流１４の基板１６への入射角αを６０°に設定し、膜厚が下記表１の如く設定されたＴｉＯ_２（複屈折量Δｎ＝０．０７５）とＴａ_２Ｏ_５（複屈折量Δｎ＝０．０６５）の交互層を、可視光に対して透明なガラス基板２上に３５層積層し、さらに膜厚が下記表１の如く設定されたＳｉＯ_２（複屈折量Δｎ≒０）よりなる最上層を形成して位相板２０Ｂを作製した。このときの全膜厚は２．０６４ｎｍ であった。
この位相板２０Ｂを図９（Ａ）に示す如く配置し、波長λｏが６００ｎｍ の光ビームをこの位相板２０Ｂの成膜表面に対して入射角θが０°となるように光ビームを入射させた（図９（Ａ））。なお、図９（Ａ）の右図は、図９（Ａ）の左図の矢印Ａ方向から見た時の側面図である。
【００２１】
このような状態に配設された位相板２０Ｂは、波長λｏ が６００ｎｍ の光ビームに対し、直交する偏光成分の位相を互いに８８°ずらすことができ、λ／４板として機能する。
このときの常光の方向での偏光透過率Ｔｏと異常光の方向での偏光透過率Ｔｅの分光特性を図９（Ｂ）に示す。
また、このときの常光の方向での透過位相δｏ と異常光の方向での透過位相δｅ の差の波長依存性を表すグラフを図１０に示す。
下記表１に、本実施例の具体的な膜構成を示す。
【００２２】
【表１】

【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の複屈折板およびこれを用いた光学系によれば２種類以上の単層膜を交互に斜め蒸着せしめて、斜め蒸着膜を形成している。したがって、各単層膜を形成する誘電体材料、各単層膜の光学膜厚および層数をパラメータとして、所望の複屈折量のものを得ることができるので光学素子の設計自由度を高めることができる。
また、各単層膜の光学軸の方向を略そろえておき、この光学素子を使用する際に、この光学軸の方向と光入射面との角度関係、および入射角度を適切に選択することにより光学素子ひいては光学システムの設計自由度をさらに高めることができる。
【００２４】
例えば、従来の偏光ビームスプリッタにおいては、小さい入射角で光ビームが入射する場合には、板状のビームスプリッタは使用できず、ガラスブロックタイプのビームスプリッタを使用しなければならなかったが、本発明のものを適用することにより、小さい入射角の光ビームに対しても板状のビームスプリッタで直交する２偏光成分を確実に分離することが可能となる。また、このビームスプリッタに位相板としての機能を持たせる設計とすることもできるので、従来ビームスプリッタにおいて、その後段の一方の光路上に設けられることがあった位相板（例えばλ／４板、λ／２板）が不用となる。
【００２５】
また、例えば、カラー液晶ビデオプロジェクタのダイクロイックプリズムで各々の色情報を担持した偏光成分が合成される際に、従来のものではそれら各偏光成分の分光特性で立ち上がり波長の値に大きなずれが生じているため、合成後の分光特性が階段状となってしまうが、本発明を適用することにより上記２つの偏光成分の分光特性における立ち上がりの波長の値を極めて近い値に設定することができることから、これら２つの偏光成分を合成したときに合成分光特性が階段状となるのを防止することが可能である。
なお、上記２つの偏光成分のうち一方の分光特性を変えることなく、他方の分光特性を変えて、両者の間隔を拡げることも可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係る複屈折板の層構成を示す概略図
【図２】図１に示す複屈折板の斜め蒸着膜を形成する蒸着装置の一例を示す概略図
【図３】実施例１の光学素子配置図（Ａ）および光透過率特性を示すグラフ（Ｂ）
【図４】実施例２の光学素子配置図（Ａ）および光透過率特性を示すグラフ（Ｂ）
【図５】実施例３の光学素子配置図（Ａ）および光透過率特性を示すグラフ（Ｂ）
【図６】実施例３の光学素子配置図（Ａ）、および光透過率特性と反射位相を示す グラフ（Ｂ）
【図７】実施例３における反射位相の差を示すグラフ
【図８】比較例の光学素子配置図（Ａ）および光透過率特性を示すグラフ（Ｂ）
【図９】実施例４の光学素子配置図（Ａ）および光透過率特性を示すグラフ（Ｂ）
【図１０】実施例４における透過位相の差を示すグラフ
【符号の説明】
１ 複屈折板
２ 透明ガラス基板
３、４、５、６ 単層膜
１１ ベルジャー
１２ 蒸発源
１２Ａ、１２Ｂ 蒸着材料
１３ 電子銃
１３Ａ 電子ビーム
１４ 蒸着流
１５ ドーム状ワーク
１６ 基板
２０，２０Ａ ビームスプリッタ
２０Ｂ 位相板

Claims (3)

1. 被蒸着基板の表面上に斜め方向から誘電体材料を蒸着せしめて斜め蒸着膜を形成してなる複屈折板において、
   該斜め蒸着膜は、互いに異なる誘電体材料からなる斜め蒸着単層膜を交互に積層してなり、
   前記斜め蒸着膜を構成する全ての斜め蒸着単層膜の光学軸が略同一方向とされていることを特徴とする複屈折板。
2. 請求項１の複屈折板を用いた光学系において、
   該複屈折板に照射された光ビームがこの複屈折板から射出された後に所定の複屈折量を有するように、この複屈折板に入射する光ビームの入射面と前記光学軸とが所定の角度関係となるよう複屈折板を配設してなることを特徴とする複屈折板を用いた光学系。
3. 前記光ビームの入射面と前記光学軸とが互いに平行となるように設定されていることを特徴とする請求項２記載の複屈折板を用いた光学系。

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