JP5101344B2 - 多層膜偏光ビームスプリッタ - Google Patents

Description

本発明は、光線に含まれる２つの偏光成分をそれぞれ、透過・反射することにより偏光を分離する多層膜偏光ビームスプリッタに関する。

光線中の２つの互いに直交する偏光成分を分離する方法として、立方体プリズム体内に設けた斜面や光線に対し斜入射に設置した平板上に多層膜を成膜し、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た多層膜偏光ビームスプリッタを使用することが知られている。この方法において、有効偏光分離波長領域を拡げたいという要望があったとき、現状で考えられる手法としては、１）入射角を例えば６０°、７０°等大きく取る、あるいは、２）異なる２種類の材料の屈折率比を大きく取るなどの工夫で実現することなどが想定される。

入射角を大きくとる１）の手法を採用すれば平板を傾けることによる空間所有の増大、またはプリズム分離面を大きく傾けることによるプリズム体積の増大、反射光利用の複雑化がその後の問題として生ずる。また、２）の手法を採用したときは例えば紫外領域では透明な膜材料が制限され十分な屈折率比が得られにくい事など様々な問題を伴い、その実施には厄介な問題が生じる。また、白色不定偏光光源から特定の単一または複数のスペクトルの直線偏光だけを取りだしたいという要望があったときは、特定の波長光だけを透過するバンドパスフィルターと多層膜偏光ビームスプリッタを組み合わせて実現する必要がある。

本発明は多層膜からなる偏光ビームスプリッタ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の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ビームスプリッタを提供しようとするものである。

本発明の多層膜偏光ビームスプリッタは、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直接重ねた形態でその分離面に設け、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領域を拡げるものとした。
本発明の多層膜偏光ビームスプリッタは、プリズム形態では互いに長、短波長を中心波長とする２つの反射帯多層膜層をプリズム分離面に設けることにより、また、平板形態では互いに長、短波長を中心波長とする２つの反射帯多層膜層を基板の片面のみに設けることにより実現させた。

本発明の更なる形態の多層膜偏光ビームスプリッタは、２つの反射帯の中心波長間隔を大きくとることにより、短波長反射帯の長波長側の立ち上がりと長波長反射帯の短波長側の立ち下がり部分の２つの有効な偏光分離波長領域を使用して、異なる２つの波長領域に対し同時に偏光分離が可能となるようにした。
本発明の更なる形態の多層膜偏光ビームスプリッタは、多層膜偏光ビームスプリッタの２つの有効な偏光分離波長領域に挟まれる中間波長領域内で、前記２つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるＰ偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるＰ偏光透過領域をともに阻害しないＰ偏光反射帯域を１つ若しくはそれ以上持つ新たな多層膜層を分離面上に付加することにより、特定の複数波長領域に対し、偏光分離する事と同時に、特定の複数波長領域を選択的に透過する機能を持つことを可能とした。

本発明の多層膜偏光ビームスプリッタは、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、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直接重ねた形態でその分離面に設け、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たものであるから、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ことができる。
本発明の多層膜偏光ビームスプリッタは、プリズム形態では互いに長、短波長を中心波長とする２つの反射帯多層膜層をプリズム分離面に設けることにより、また、平板形態では互いに長、短波長を中心波長とする２つの反射帯多層膜層を基板の片面のみに設けることにより実現させることが出来る。特に、平板形態の多層膜偏光ビームスプリッタはプリズム形態の多層膜偏光ビームスプリッタと比較して、低コスト、小型軽量化、耐光性、耐熱性において優れ、接着剤を使用しないことにより、紫外線領域に有効である。

本発明の更なる形態の多層膜偏光ビームスプリッタは、２つの反射帯の中心波長間隔を大きくとることにより、短波長反射帯の長波長側の立ち上がりと長波長反射帯の短波長側の立ち下がり部分の２つの有効な偏光分離波長領域を使用して、異なる２つの波長領域に対し同時に偏光分離が可能となるような機能を備える。
また、本発明の更なる形態の多層膜偏光ビームスプリッタは、多層膜偏光ビームスプリッタの２つの有効な偏光分離波長領域に挟まれる中間波長領域内で、前記２つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるＰ偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるＰ偏光透過領域をともに阻害しないＰ偏光反射帯域を１つ若しくはそれ以上持つ新たな多層膜層を分離面上に付加することによって、特定の複数波長領域に対し、偏光分離する事と同時に、特定の複数波長領域を選択的に透過する機能を兼ね備える。これにより、レジスト露光などに有効な光源スペクトルの選択機能と偏光ビームスプリッタ機能を単独部材で実現することができる。

本発明の多層膜偏光ビームスプリッタの作動原理についてまず説明をする。図１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を成膜したときの従来型の構造図を示す。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２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従来の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偏光の透過率がほぼ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。

図３は本発明に係る多層膜偏光ビームスプリッタの構造を示すもので、異なる２つの中心波長からなる短波長反射帯多層膜層２Ｓと長波長反射帯多層膜層２Ｌが平板基板一面上に重ねられている。光線が入射したときのＰ，Ｓ偏光の分光透過特性形状を図４に示す。図中、長破線は短波長反射帯の長波長側立ち上がり部であって、左側の線がＰ偏光分光透過特性を、右側の線がＳ偏光分光透過特性を表し、短点線は長波長反射帯の短波長側立ち下がり部であって、左側の線がＳ偏光分光透過特性を、右側の線がＰ偏光分光透過特性を表す。この２つの分光透過特性の重ね合わせにより図中央部のＰ偏光透過波長領域が合成される。また同様にＳ偏光についても短波長反射帯と長波長反射帯のＳ偏光透過特性の重ね合わせにより全領域にわたるＳ偏光反射波長領域が合成される。長波長反射帯の短波長側立ち下がり部及び、短波長反射帯の長波長側立ち上がり部とも単独では従来の有効偏光分離波長領域が２ｎｍ幅程度であるが、双方の特性が合成されることにより、結果として、図中央部に示されるように幅広い有効偏光分離波長領域を得ることとなる。図５は紫外域での実際の分光透過率（計算値）を示し、有効偏光分離波長領域が従来の計算値２ｎｍ幅程度であったものが、１０ｎｍ幅と広くなっているのが明示されている。

図６は本発明の第２の形態に係る多層膜偏光ビームスプリッタの作動原理を説明する図である。構造としては図３に示されるものと同じであるが、２つの反射帯多層膜層の中心波長間隔を更に拡げた時の分光透過特性形状を示すものである。このように、２つの反射帯多層膜層の中心波長間隔を更に拡げるとＰ偏光については短波長反射帯の立ち上がり部と長波長反射帯の立ち下がり部の間隔が広がるため、合成特性としてはＰ偏光の透過領域が広がると共に、Ｓ偏光については短波長反射帯の立ち上がり部と長波長反射帯の立ち下がり部が交叉するようになるため、中央部分に光が部分的に透過してしまう領域ができる。その結果、Ｓ偏光が部分的に透過してしまう中央領域の両側に有効偏光分離波長領域が同時に２つ得られることとなる。図６はこのことを示している。
なお、この２つの有効偏光分離波長領域は結局の所短波長反射帯の立ち上がり部単独による有効偏光分離波長領域と、長波長反射帯の立ち下がり部単独による有効偏光分離波長領域が１つの偏光ビームスプリッタで得られたことと同じであるから、その有効偏光分離波長領域は図２に示されたものと同様に２ｎｍ幅程度の狭いものとなる。

図７は本発明の第３の形態に係る多層膜偏光ビームスプリッタの構造を示す図である。図３の構造にさらに適宜の反射帯を持つ多層膜層２Ｂを付加した本発明の異なる構造を示す。ここで適宜の反射帯を持つ多層膜層とは図６に示す２つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるＰ偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるＰ偏光透過領域をともに阻害しないＰ偏光反射帯域を持つ多層膜層を意味する。図８は本発明の第３の形態に係る多層膜偏光ビームスプリッタのＰ，Ｓ偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。第３の形態に係る多層膜偏光ビームスプリッタのこのような適宜の反射帯を持つ多層膜層を重ねた多層膜偏光ビームスプリッタのＰ偏光透過特性は図８の一点鎖線で示されるものである。この付加した多層膜層により、短波長側の有効偏光分離波長領域は適宜の反射帯を持つ多層膜層の立ち下がり部特性と共同して図４に示した本発明の効果により、１０ｎｍ程度に拡大される。同様に長波長側の有効偏光分離波長領域は適宜の反射帯を持つ多層膜層の立ち上がり部特性と共同して図４に示した本発明の効果により、１０ｎｍ程度に拡大される。このように同時に２つの広い幅をもつ有効偏光分離波長領域を得ることが可能となる。この図から図６において狭かった（２ｎｍ程度）有効偏光分離波長領域が拡大（１０ｎｍ程度）されることが理解されるであろう。

図７に示した例は図６に示す２つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるＰ偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるＰ偏光透過領域をともに阻害しないＰ偏光反射帯域を持つ多層膜層を１つ重ねたものであるが、そのような多層膜層を複数個重ねて有効偏光分離波長領域の数を増すことも可能である。適宜の反射帯を持つ多層膜層を重ねた例を図９に示す。図６に示す２つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域を、２つの多層膜層による短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるＰ偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるＰ偏光透過領域をともに阻害しないＰ偏光反射帯域で分担するように構成する。この様な構成により、短波長側の有効偏光分離波長領域はこの第１の反射帯を持つ多層膜層の立ち下がり部特性と共同して１０ｎｍ程度に拡大されたものとなる。次に、この第１の反射帯を持つ多層膜層の立ち上がり部は第２の反射帯を持つ多層膜層の立ち下がり部と共同して中間領域にＰ偏光透過領域とＳ偏光反射領域を作る。これにより、この領域には図４に示した本発明の効果により、１０ｎｍ程度の広い新たな有効偏光分離波長領域ができる。また、長波長側の有効偏光分離波長領域は第２の反射帯を持つ多層膜層の立ち上がり部特性と共同して本発明の効果により、１０ｎｍ程度に拡大される。
以上のように、適宜の反射帯を持つ多層膜層は１つに限らず適宜の数を重ねることにより、新たな有効偏光分離波長領域を増やすことが可能である。

上記したように、本発明によれば１つの多層膜偏光ビームスプリッタにより、有効偏光分離波長領域を１０ｎｍ程度に拡大すること、更に、複数の有効偏光分離波長領域をもたせることが可能となる。しかも、その波長領域は多層膜の屈折率と厚さ寸法により調整可能であることから、特定のスペクトルを有する光源、例えば高圧水銀ランプ光源から２つのスペクトルのＰ偏光成分のみを透過するため、不必要なスペクトルや発光領域を選択的に遮断することが併せて可能となる。
なお、２波長以上の複数波長域を有効にするため、複数の反射帯を持つ多層膜層を付加することとなるが、図３、図７に示す各反射帯多層膜層の重ね順位は自由であって、特定されないことは言うまでもない。

半導体プロセスにおけるフォトグラフィックな露光技術などに短波長である紫外光がよく用いられる。この時の光源として高圧水銀ランプが用いられることが多い。このランプからは多数の水銀のスペクトルが放射されるが、この中から特定の波長のスペクトルのみを使用することが多く、更にその直線偏光が必要とされる場合がある。
今、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ビームスプリッタの実施例を示す。高屈折率膜材料としてＴａ_２Ｏ_５を、低屈折率膜材料としてＳｉＯ_２を用い、多層膜偏光ビームスプリッタを作成する。ｉ線（365ｎｍ）とｈ線（405ｎｍ）を中心とする有効偏光分離波長領域をつくるため、石英基板上に410ｎｍ近傍に長波長反射帯のＰ偏光立ち下がり部が来るようにその中心波長を決めた長波長反射帯のＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の多層膜と、360ｎｍ近傍に短波長反射帯のＰ偏光立ち下がり部が来るようにその中心波長を決めた短波長反射帯のＴａ_２Ｏ_５とＳｉＯ_２の多層膜と、更に370ｎｍ近傍にＰ偏光立ち下がり部が390ｎｍ近傍にＰ偏光立ち上がり部が来るようにその中心波長を決めた第３の多層膜層を形成する。このような構成により、図１０に示すような偏光分離特性のＰＢＳを得ることができる。この図は４５°入射角としたときの計算値である。

このような多層膜偏光ビームスプリッタを実際に試作して実測した結果を図１１に示す。平板基板は石英を使用し入射角は４５°とした。この図から見ると高圧水銀ランプ光線中の２つのスペクトルｉ線（365ｎｍ）とｈ線（405ｎｍ）領域でＰ偏光の透過率が８０％を越えていることが分かる。１００％の透過率ではなく、２０％近い光はロスしているが、この領域でのＳ偏光はほぼ１００％不透過であるから、透過光はすべてＰ偏光の光である。これは高圧水銀ランプを光源とし光線中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を達成したものである。有効偏光分離波長領域は共に１０ｎｍ幅があり同時に偏光分離がされていることが実証された。

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従来型の偏光ビームスプリッタの構造図を示す図である。 Ｓ偏光とＰ偏光のそれぞれの分光透過率（計算値）を示す図である。 本発明に係る多層膜偏光ビームスプリッタの構造を示す図である。 本発明に係る多層膜偏光ビームスプリッタのＰ，Ｓ偏光の分光透過特性を示す図である。 本発明に係る多層膜偏光ビームスプリッタの紫外域での実際の分光透過率（計算値）を示す図である。 本発明の第２の形態に係る多層膜偏光ビームスプリッタのＰ，Ｓ偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。 本発明の第３の形態に係る多層膜偏光ビームスプリッタの構造を示す図である。 本発明の第３の形態に係る多層膜偏光ビームスプリッタのＰ，Ｓ偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。 適宜の反射帯を２つ重ねた本発明の第３の形態に係る多層膜偏光ビームスプリッタのＰ，Ｓ偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。 複数のスペクトルに対する偏光分離の計算値を示す図である。 実施例の複数のスペクトルに対する偏光分離の実測値を示す図である。

１ 平板基板
２ 反射帯多層膜層
２Ｌ 長波長反射帯多層膜
２Ｓ 短波長反射帯多層膜
２Ｂ 適宜の反射帯多層膜

Claims (5)

1. 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直接重ねた形態でその分離面に設け、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領域を拡げたことを特徴とする多層膜偏光ビームスプリッタ。
2. 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プリズム分離面に設けたものである請求項１に記載の多層膜偏光ビームスプリッタ。
3. 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基板の片面のみに設けたものである請求項１に記載の多層膜偏光ビームスプリッタ。
4. ２つの反射帯の中心波長間隔を大きくとることにより、短波長反射帯の長波長側の立ち上がりと長波長反射帯の短波長側の立ち下がり部分の２つの有効な偏光分離波長領域を設け、異なる２つの波長領域に対し同時に偏光分離が可能となるようにしたことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の多層膜偏光ビームスプリッタ。
5. 多層膜偏光ビームスプリッタの２つの有効な偏光分離波長領域に挟まれる中間波長領域内で、前記２つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるＰ偏光透過帯域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるＰ偏光透過帯域をともに阻害しないＰ偏光反射帯域を１つ若しくはそれ以上持つ新たな多層膜層を分離面上に付加することにより、特定の複数波長領域に対し、偏光分離することと同時に、特定の複数波長領域を選択的に透過する機能を持つことを特徴とする請求項４に記載の多層膜偏光ビームスプリッタ。

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