JP3879246B2 - 偏光光学素子 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏光特性を利用する偏光光学素子に関し、更に詳しくは、偏光による透過又は反射特性の相違を用いた例えば単色フィルタ等の光学素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】
図５は偏光特性を説明するための原理図である。三次元直交座標系においてｚ方向に伝播する光は、電磁気学的にはｚ方向に直交する方向に振動する電場及びそれらに直交する方向に振動する磁場により表わされる。自然光はこの電場及び磁場の振動方向が不規則な変化をしているが、偏光はこの振動方向が一定の規則性を有している。なお、電場ベクトルの写影軌跡が直線となる偏光を直線偏光、写影軌跡が円となる偏光を円偏光と呼ぶ。
【０００３】
偏光は、図５に示すように、進行方向（ｚ方向）に垂直な平面内で互いに直交する方向（ｘ方向及びｙ方向）に振動する成分が合成されたものと考えることができる。このｘ方向成分をＴＥ偏光、ｙ方向成分をＴＭ偏光と呼ぶこととする。
【０００４】
従来、偏光によるビームの分割は、斜め入射の際の偏光成分による反射（又は透過）特性の相違を利用している。例えば、図５に示すような光を透明体に所定の入射角をもって斜め入射すると、ＴＭ偏光は全く反射せずに１００％透過する一方、ＴＥ偏光は反射と透過がともに生じる。したがって、ＴＥ偏光のみを反射光として取り出すことができる。このように一般には、斜め入射において周期構造（回折格子）やプリズムを利用することにより、偏光成分によるビームの分割を行なっている。なお、上記所定の入射角をブルースタ（Brewster）角という。
【０００５】
ところで、上述の如き光学素子の材料としては、光学的に等方性の媒体を用いるのが一般的である。こうした光学等方性媒体では、入射側媒体（一般には空気）及び出射側媒体の屈折率が決まるとブルースタ角は一意的に定まるため、偏光成分によるビーム分割に際し入射角度が制約を受ける。すなわち、このような光学素子を用いて光学系を設計する場合、その光学素子の媒体が決まると入射角度及び反射方向がほぼ決まってしまうため、各素子の配置が制限される。
【０００６】
これに対し、本願出願人は、２種類の光学異方性媒体から成る膜を交互に積層して形成した多層膜構造を有し、これにより偏光成分による反射又は透過特性を変えた偏光光学素子を既に提案している（特開平９−４９９２４号公報参照）。
【０００７】
一般に、光学異方性媒体中では、ＴＥ偏光とＴＭ偏光とに対し物理的膜厚が同一であっても光学的膜厚が相違している。したがって、例えばいずれか一方の偏光成分に対し光路長を波長に合わせると、他方の偏光成分の光路長は波長に合致しない。このため、各媒体膜の界面では偏光成分によって反射や透過等の光学特性が相違する。この光学特性の相違は一層の膜のみではさほど大きくないが、膜を多層に積層することにより大きくすることができる。
【０００８】
図６は、上記文献に記載の偏光光学素子の一例である単色偏光フィルタの構造を示す図である。この単色偏光フィルタは、複屈折比（ＴＭ偏光に対する屈折率とＴＥ偏光に対する屈折率との比）の相違する２種類の光学異方性媒体を用いている。すなわち、第１の光学異方性媒体（誘電率テンソルε1）から成る第１媒体膜２１と、第２の光学異方性媒体（誘電率テンソルε2）から成る第２媒体膜２２とは、それぞれＴＥ偏光に対する光学的膜厚が目的波長に対して１／４になるようにされ、その２層膜を１周期として、５周期（Ｆ１〜Ｆ５）の積層膜でもって、光学的膜厚が上記波長の１／２の第１の光学異方性媒体から成る第３媒体膜２３を両側から挟み、このような多層膜がガラス等から成る基板１０上に形成されている。
【０００９】
このような構造の多層膜に同一強度のＴＥ偏光とＴＭ偏光とを左方向から同時に垂直入射させると、上記目的波長近傍の所定波長範囲でほぼ１００％の反射を示す反射波長帯が形成されるとともに、該反射波長帯において、上記目的波長でＴＥ偏光に対してほぼ１００％の透過ピークが現われる一方、ＴＭ偏光に対してはその目的波長からずれた近傍の波長において透過ピークが現われる。この二つのピークは重なり合わず、完全に分離可能であるので、目的波長ではＴＥ偏光をほぼ完全に透過させＴＭ偏光を遮断し、該波長から若干短い（又は長い）波長ではＴＭ偏光をほぼ完全に透過させＴＥ偏光を遮断する単色偏光フィルタとして機能する。
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
さて、上記多層膜では、その光学異方性が顕著であるほど偏光成分による光学特性の差異が大きくなる。光学異方性結晶では、例えば代表的な複屈折材料である方解石（ＣａＣＯ3）において、波長λ＝１．５５μｍ近傍での複屈折比は次のようになる。
Ｎｏ／Ｎｅ＝１．６３４／１．４７７＝１．１０６
ここで、ＮｏはＴＥ偏光に対する屈折率、ＮｅはＴＭ偏光に対する屈折率である。このような自然界に存在する結晶では、複屈折比はその結晶構造と光の波長とにより決まってしまう。
【００１１】
したがって、例えば上記単色偏光フィルタでは、両透過ピークの波長間隔等の特性は媒体材料（より詳しくは媒体の屈折率）に依存するところが大きい。しかしながら、光学異方性媒体として最も一般的なものは上記方解石のような天然に存在する誘電体結晶であり、このような結晶では複屈折比が決まっているため、偏光成分による透過ピークの間隔を自由に設定することができない。また、このような天然の結晶体は適宜の物理的膜厚の薄膜に加工又は成長することが困難であるため、生産性が非常に劣る等の問題もある。
【００１２】
本発明はこのような課題に鑑みて成されたものであり、その目的とするところは、特性の設計が比較的自由に行えるとともに生産性が高い偏光光学素子を提供することにある。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために成された本発明は、偏光を利用することにより光に対する操作を行なうための多層膜構造を有する偏光光学素子であって、
特定の偏光の所定波長に対して光学的膜厚が略２分の１であって、高次回折光が発生しない、その周期が該波長以下である微細な溝を有する回折格子と、
互いに屈折率の相違する第１及び第２の光学等方性媒体又は光学異方性媒体から成る、それぞれ前記所定波長に対し光学的膜厚が略４分の１である膜を各１層ずつ重ねた２層膜を１対とし、前記回折格子の両側に少なくとも１対ずつ密着して配置した積層膜と、から成ることを特徴としている。
【００１４】
【発明の実施の形態】
一般に、所定波長の４分の１の膜厚の積層構造は、略垂直に入射する光に対し、該所定波長の近傍の所定波長範囲でほぼ１００％反射するような特性を示す。また、該積層構造に挿入された、２分の１波長の膜厚の媒体は、上記所定波長範囲の反射波長帯において鋭い窪みの透過ピークを形成する。
【００１５】
本発明に係る偏光光学素子の構成では、積層膜により両側から挟まれた回折格子が構造性複屈折媒体として機能する。すなわち、該回折格子の厚さ方向に略垂直に入射する光のうち、上記特定の偏光（ＴＥ偏光又はＴＭ偏光）に対し光学的膜厚は所定波長の２分の１となっているが、他の偏光に対しては光学的膜厚が該所定波長の２分の１とはならず、該光学的膜厚は該所定波長よりもずれた波長において２分の１波長となる。このため、この回折格子と積層膜との界面では偏光により透過特性が相違し、上述のように反射波長帯に形成される透過ピークが偏光によってそれぞれ異なる位置に現われる。
【００１６】
上記回折格子では、その複屈折性は格子間隔及びデューティ比（又は格子幅）に依存している。したがって、これらのパラメータを適宜設定することにより、上述の偏光成分による透過ピークのピーク波長の間隔を決めることができる。
【００１７】
【実施例】
以下、本発明の一実施例である単色偏光フィルタを図１〜図４により説明する。まず、本実施例の単色偏光フィルタに用いる構造性複屈折媒体について述べる。図２は構造性複屈折媒体の構造の概念図である。すなわち、この媒体は、目的とする波長λ1以下の周期Λを有する微細な周期構造つまり回折格子であり、高次の回折光を発生しないことから０次回折格子と呼ばれることもある。なお、図２はこの０次回折格子を積層させた（図２では上下方向に）構造を示している。
【００１８】
このような０次回折格子では、図２に示すように格子面に垂直に（ｚ方向に）光が入射すると、ｘ−ｙ面内で直交するＴＥ偏光とＴＭ偏光とに対する屈折率がそれぞれ相違し、構造性複屈折媒体として機能する。図３は、このような複屈折媒体中における、屈折率の相違によるＴＥ偏光とＴＭ偏光との光路長の相違の様子を示す模式図である。図３より、一方の偏光成分の光路長（つまり光学的膜厚）を波長に合わせても、他方の偏光成分の光路長はその波長に合致しないことがわかる。そのため、こうした媒体の界面では、偏光成分によって反射や透過特性が相違する。
【００１９】
図２に示す構造性複屈折媒体では、格子の周期Λとデューティ比ｄ／Λを選ぶことにより、波長と複屈折比との関係を幅広く設定することができる。例えば、空気（屈折率ｎ＝１）とＧａＡｓ（屈折率ｎ＝３．３７４）の一次元周期構造では、λ＝１．５５μｍ、Λ＝０．３１μｍ、ｄ／Λ＝０．４であるとき、複屈折比は次のようになる。
Ｎｏ／Ｎｅ＝２．４４３／１．３０４＝１．８７３
なお、ここでは２次のＥＭＴ（Effective Medium Theory）を用いた計算を行なっている。
【００２０】
このように、構造性複屈折媒体は、自然に存在する光学異方性を有する結晶と比較して、その光学異方性を大きくすることができる。また、自然に存在する誘電体結晶では複屈折性を制御することはできないが、０次回折格子ではΛ、ｄ／Λを変えることにより複屈折性（複屈折比）を制御することができる。本実施例による単色偏光フィルタでは、このような構造性複屈折媒体における顕著で且つ自由度が大きな光学異方性を利用している。
【００２１】
図１は、本実施例の単色偏光フィルタの構造を示す図である。ＳｉＯ2から成る基板１０上に、第１媒体膜１１と第２媒体膜１２とから成る２層膜を１周期として、４周期（図中Ｆ１〜Ｆ４及びＦ５〜Ｆ８）の積層膜でもって、構造性複屈折媒体膜１３を両側から挟み込んだ多層膜が形成されている。
【００２２】
第１媒体膜１１はＳｉＯ2から、第２媒体膜１２はＴｉＯ2から成り、ともに光学等方性媒体であって、その膜厚はいずれも所望の中心波長λ1の１／４になっている。一方、構造性複屈折媒体膜１３は空気とＳｉＯ2の一次元周期構造を有し、Λ＝０．４μｍ、ｄ／Λ＝０．５となっている。このとき、中心波長λ1＝１μｍに対する複屈折比は次のようになる。
Ｎｏ／Ｎｅ＝１．２６１６／１．１７９２＝１．０７
【００２３】
図１の構成において、同一強度のＴＭ偏光とＴＥ偏光とを左方向から同時に垂直入射させたとき、波長と透過率との関係を計算により求めると図４のような結果が得られる。すなわち、第１媒体膜１１と第２媒体膜１２とは屈折率が相違するため、その積層構造によって上記中心波長λ1（１μｍ）の近傍（約０．８５〜１．２５μｍの範囲）で透過率がほぼ０％になる反射波長帯が形成されている。第１媒体膜１１と第２媒体膜１２とは光学等方性媒体であるため、反射波長帯の両側部の立上り特性は殆ど偏光による影響を受けない。
【００２４】
上記反射波長帯においては、中心波長λ1の１／４の膜厚を有する構造性複屈折媒体膜１３の作用により透過ピークが現われるが、上述のような光学異方性のために偏光の影響を受ける。すなわち、中心波長λ1（１．０μｍ）付近では、ＴＥ偏光はほぼ１００％透過する一方、そのときＴＭ偏光の透過率は１０％以下である。また、その中心波長λ1から僅かにずれた０．９７６μｍにおいてＴＭ偏光の透過率は最大の８０％になり、そのときＴＥ偏光の透過率は１０％以下である。
【００２５】
このように、本実施例による単色偏光フィルタでは、偏光による二つの透過ピークは波長方向に分離されている。したがって、特定の波長光のみを透過させる単色フィルタと、偏光の選択性とを兼ね備えた複合機能素子として用いることができる。
【００２６】
なお、各媒体膜１１、１２、１３の光学的膜厚は目的波長λ1に対して必ずしも厳密にλ1／４又はλ1／２とするのではなく、その近傍において最適な値にすることができる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のように、本発明に係る偏光光学素子によれば、従来、単色フィルタと偏光子とを組み合わせる必要があった機能を１個の光学素子で実現することができる。そのため、各種光学装置において光学系構成の簡略化や小形化が図れる。また、本発明に係る偏光光学素子では、偏光を変えるのみで透過特性が大きく変化するので、偏光による光スイッチ等に応用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の一実施例による単色偏光フィルタの構成図。
【図２】 構造性複屈折媒体の構造を示す概念図。
【図３】 複屈折媒体中における光伝播の様子を示す模式図。
【図４】 本実施例による単色偏光フィルタの透過率特性を示すグラフ。
【図５】 偏光特性の原理説明図。
【図６】 従来の単色偏光フィルタの構成図。
【符号の説明】
１０…基板
１１…第１媒体膜
１２…第２媒体膜
１３…構造性複屈折媒体膜（０次回折格子）

Claims (1)

1. 偏光を利用することにより光に対する操作を行なうための偏光光学素子であって、
   特定の偏光の所定波長に対して光学的膜厚が略２分の１であって、高次回折光が発生しない、その周期が該波長以下である微細な溝を有する回折格子と、
   互いに屈折率の相違する第１及び第２の光学等方性媒体又は光学異方性媒体から成る、前記所定波長に対し光学的膜厚がそれぞれ略４分の１である膜を各１層ずつ重ねた２層膜を１対とし、前記回折格子の両側に少なくとも１対ずつ密着して配置した積層膜と、から成ることを特徴とする偏光光学素子。

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