JPS58208701A - ビ−ムスプリツタ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はビームスプリッタ−１特に多層干渉薄膜を利用
し反射光および透過光における偏光成分を入射光のそれ
と等しいものとすることはもとよυ、その成分比を自在
に設定することも可能なビームスプリッタ−に関するも
のである。

一般に偏光のない光が異なる媒質境界に斜入射するとそ
の界面における反射光及び透過光それぞれに含まれるＰ
偏光とＳ偏光との成分比はそれぞれ異なってくる。

この成分比は入射角、両媒質の屈折率に依存するが所謂
ブリュースター角において反射光はＳ偏光成分、透過光
はＰ偏光成分としてほぼ分離されることは周知の事実で
ある。このような現象を積極的に活用した偏光プリズム
は特公昭５５−９６８３号公報などで公知で、この種の
偏光プリズムはフィリップス社のＭＣＡ方式光ディスク
再生光学系中で実用化されている。しかし、本発明によ
るビームスプリッタ−は信号再生のための基本要素とし
て不可欠なものではなく、再生用光源としてのレーザー
発振器の出力安定化を目的とするものである。すなわち
、光デイスク再生のために用いられている従来のレーザ
ー発振器はバックトークと称される信号光の逆入射があ
るとその位相関係によっては発振出力光に出力変動が生
じ信号再生に悪影ｖを及ぼす問題がある。そこで従来の
光デイスク再生光学系中には上述した偏光プリズムの他
、１／４波長板を併用することによってバックトークを
防いでいたものである。（なお、この場合の偏光プリズ
ム、１／４波長板の作用あるいは再生光学の詳紐な既に
公知であるので説明は省略する。） しかし近来においてはレーザー発振器も種、　々改良さ
れてきておシ、上述したバックトークを問題としないも
の、さらにはある種の半導体レーザーのように自己結合
効果をオリ用することによって逆入射そのものを利用し
て信号検出を行なうものも提案されてきている。

このような事情にあっては従来の光デイスク再生光学系
中に用いられている偏光プリズムはもとよシ、１／４波
長板も不必要となシ再生光学系を格段に簡略化・軽量化
できることになる。第１図はこうして簡略・軽量化され
た光デイスク再生光学系の一例を示すものでおる。レー
ザー発振器１はバックトークを問題としないものが用い
られているものとする。

レーザー発振器１からの光はコリメーターレンズ２によ
って平行光束としてヒ−ムスｆ　ＩＪフッタ３に入射す
る。ビームスプリッタ−３にはノ・−フミラー３′が形
成され、例えばこれを５０％透過、５０％反射のものと
する。

ハーフミラ−３′で反射された光束は対物レンズ４によ
り光ディスク５の信号部上に収斂され、信号部として設
けられたピットと称される凹凸信号部をスポット照射す
る。この信号部からの反射光はピット形状、寸法に応じ
て位相変調され、光干渉による強度変化を伴っている。

これが信号光として再度対物レンズ４に入射する。対物
レンズによシ平行光束とさｎだ信号光はハーフミラ−３
′に達し、これを透過した光束はフォトセンサ６で検出
される。

以上の構成によればレーザー発振器１からの元はハーフ
ミラ−３′で反射されそして透過されるため、このハー
フミラ−３′の透過率（あるいは反射率）が５０チであ
るとフォトセンサ６に達する光の量としては２５％とな
りこの場合における光の利用率が最も高い。

ところで上述した光学系においては、ハーフミラ−３′
が反射面としてさらに透過面として用いられている。従
って一般的に用いられているハーフミラ−をこの光学系
中に設けると光の利用率はさらに低減する。というのは
（既に述べたように）通常のハーフミラ−ではＰ偏光、
Ｓ偏光それぞれに対する反射特性が異なるため最初反射
面として作用する時点てＰ偏光の多くは透過される。（
但し、反射光全体の光量として５０％あるとする）そし
て光ディスク５から反射されて来たＳ偏光を主とする信
号光が再度−・−フミラー３′に入射してくると、一般
的ノ・−フミラーの特性からこの信号光のほとんどはノ
・−フミラー３′で再度反射され、フォトセンサ６に遅
する光は微弱なものとなシフオドセンサ６の負担が増大
する結果となる。これを解決するにはノ１−フミラーと
してＰ偏光、Ｓ偏光いずれもほぼ等しく反射（透過）す
る特性のものが必要されることになる。

この他、例えばカメラの測光用光学系などにおいて、ハ
ーフミラ−を介して輝度検出を行なうものがある。この
ような光学系では例えばハーフミラ−で分割される一方
をファインダー観察に、他方を測光に利用するが、ノ・
−フミラーに入射してくる光の多くは被写範囲からの反
射光である。従ってこの入射光はＳ偏光成分の光を多く
含みやすい。特に画面内に水面、ガラス窓などの反射体
があると、その角度によってはＳ偏光成分がかなシ多い
場合がある。すると通常の７・−７ミラーではＳ偏光を
多く反射することを考慮するとハーフミラ−の透過率を
５０％にしたとしても分割された後の光の光量はアンバ
ランスなものとなシ正しい測光を行なうことが困難にな
ってくる。このような弊害にやはシハーフミラーのもつ
一般的な特性に起因しておシこれを解決するうえでも先
のように偏光成分に左右されない反射、透過特性が望ま
れるものである。

本発明は以上のような技術的背景のもとになされたもの
であり、従来のビームスプリッタ−では全く考慮されな
かったあるいは従来のＰ偏光とＳ偏光の分６％性のみに
しか考慮が及んでいないのに対し、本発明ではＰ偏光、
Ｓ偏光いずれに対しても等しい反射率、透過率を与え得
ることはもとよりこれを自在に設定できるビームスプリ
ッタ−を得ることが可能となる。

第２図は（プレート）壓ビームスプリッタ−に本発明を
適用した一例を示す概念図であシ１０はプレート状の基
板である。プレート状基板には干渉多層薄膜層りが蒸着
によシ被着形成きれているものとする。いまこのビーム
スプリッタ−の特性をＰ偏光、Ｓ偏光に対してもその反
射率、透過率かそれぞれ５０％となるように設定すると
、図中左方からの入射光ｒｈ透過光Ｔと反射光Ｒに分割
される。

この時入射光重がＰ偏光成分ＩＦ’ＸＳ偏光成分■Ｓを
それぞれ５０％づつ含み、全体の光量が１００であった
とすると透過光Ｔの光量は５０　（Ｔｐ　：　Ｔ５　＝
２５：２５　）反射光Ｒの光量も５０　（ＲＰ　：　Ｒ
５＝２５　：２５）となシ透過光Ｔ及び反射光Ｒにそれ
ぞれ含まれる偏光の成分比は入射光のそれと一致する。

これは入射光重における偏光成分比Ｉ　Ｐ／Ｉ　５がい
かなる場合であってもこの成分比が透過光と反射光とで
変わることがない。これは本発明ビームスシリツタ−で
得られる特性の一例に過ぎないが以下本発明ビームスプ
リッタ−の具体的膜構成について述べる。

第３図は第２図における多層干渉薄膜層りを３層膜で構
成した場合の概念図である。第３図においてＳは下地基
板で、例えばＢＫ７などの硝材（屈折率ＮＳ）、Ｌｌは
第１層で屈折率ＮＬの低屈折率膜層、Ｌ２は第２層で屈
折率ＮＨＯ高屈折率膜層、Ｌ３は第３層で第１層Ｌ＋　
と同じ低屈折率膜層である。これらの周囲媒質を空気と
し屈折率はＮｏ＝１である。なおＬ１〜Ｌ３の各層の膜
厚は光学的膜厚でλｏ／４（λ０は基準波長）としであ
る。

第４図は本発明をＮ層膜で構成した場合の概念図で第１
層は低屈折率膜層（屈折率ＮＬ、膜厚λｏ／４）、第２
層を高屈折率膜層（屈折率ＮＨ、膜厚λｏ／４）としこ
れを順次Ｎ層まで積層さぞ最上層の第Ｎ層を低屈折率膜
層としたものである。（従って層数としては奇数となる
少。

用途として例えば近赤外レーザー発振器を用いた光デイ
スク再生光学系を想定する。本発明ビームスプリッタ−
をこの光学系に用いる場合、光の利用率の面から５０チ
透過のビームスプリッタ−でしかもＰ、ｓ両偏光成分が
一致している無偏光タイプのものが好ましい。この要求
を満たすための屈折率条件を例えば３〜９層の膜構成の
ものそれぞれについて求めると第１表のとおυである。

条件として入射側屈折率がＮｏ　＝　１．０、透過側屈
折率はＮ５＝１．５２、で入射角は４５°である。また
、λ＝８００ｎｍで所期の特性となるようにしである。

そして、この第１表に基づいた各層数構成のｐ、ｓ両偏
光成分の分光特性ＴＦ、ＴＳを第５図に示す。

第１表（第５図） 従って第５図の分光特性によれば膜構成の層数に応じて
高低屈折率膜層の屈折率ＮＨＸＮＬを決めてやることに
よって伺層構成のものでも５０チ透過（ｐ、ｓ両偏光成
分に対して）のビームスプリッタ−を得ることができる
。

但し’Ｉ　Ｐ、、ｓ両偏光成分に対する透過率のほぼ一
致するとみなせる範囲からみると、層数が増すにつれＳ
偏光成分の透過率ＴＳの極大形状が急峻となる傾向があ
るので、製造時における条件変化や入射角度の依存性を
考慮すると、層数の少ない方が有利である。

第６図はλ＝８００±２０　ｎｍの近傍でＰ１Ｓ両偏光
成分に対し等しい透過率を得る場合において膜構成層数
ＬＮに対し、高屈折率膜層に要求される高屈折率ＮＨと
低屈折率膜層に要求される屈折率ＮＬとの両屈折率条件
を示すものである。なおその他の条件である透過側屈折
率ＮＳ及び入射角についてはこれまでと同じとしである
。また、第６図中釜破線で示したのはＰ、ｓ両偏光成分
に対する等透過率Ｔ　（Ｔ／’＝Ｔ５）を４える条件を
結んだもの第６図かられかるように、ＮＨＸＮＬの屈折
率条件の設定によシいずれの膜構成数においてもＰｌ　
ｓ両偏光成分の透過率ＴＦ、Ｔ５を等しく、シかも任意
の透過率にすることができる。

以上の実施例では入射側屈折率を１、透過側屈折率を１
．５２とした場合について述べて来たが本発明は必ずし
もこれに限定されるものではない。例えば光デイスク再
生光学系で使用されるレーザ発振器が近赤外レーザーで
あれば基板としてシリコン、ダルマニウムなどの基板で
も良い事になる。第７図はこのような場合について透過
側屈折率を４．０とした時にλ−８００ｎｍ−近傍でＰ
ｌ　ｓ両偏光成分に対する透過率Ｔｐ、Ｔｓが等しくな
シ得るような５層膜構成のもののいくつかを分光透過特
性として示したものである。なお、入射角はいずれも４
５°とし、各膜厚の屈折率ＮＨ，ＮＬは第２表の通りで
ある。

第２表（第７図−５層構成） さらに本発明１（よれば、Ｐｌ　ｓ両偏光成分の透過率
を逆転させることもできる。すなわちこれまでのビーム
スｆ　１１ツタ−ではＰ偏光成分の光は多く透過されＳ
偏光成分の光は多く反射されることから透過光Ｔについ
ては一般にＴＰ＞ＴＳ　　である。しかし例えば第８図
に示すようにある屈折惠条件によっては所定波長域にお
いてＴＰ＜ＴＳとすることが可能である。

第８図のＴＰ＋＜Ｔ５＋ｉ　また、’ｆｐ：’ｆｓの比
及び（ＴＰ＋Ｔ５　）　：　（ＲＰ＋Ｒ５）　　の比を
自在に設定できる事も明らかでちる。第８図はＮ０＝Ｌ
Ｏ１ＮＳ＝　１．５２、入射角４５°、λｏ＝８６０ｎ
ｍとして低屈折率膜層の屈折率Ｎｒを１．６０に固定し
高屈折膜膜層の屈折率ＮＨを変えた場合のＰｌ　ｓ両偏
光成分に対するＴＦＸＴ５を示したものである。なお、
膜構成は５層膜（各層の光学的膜厚はλｏ／４）で各透
過特性ＴＰ、ＴＳと屈折率ＮＨとの対応は第３表による
。

第３表（第８図−５層構成） このような特性は従来のビームスプリッタ−では到底得
ること１は不可能であるが、本発明によればこのような
特性も容易に得ら汎ることから各種光学系に新たな機能
を求めることもできる。

なお、今までの説明においては光学的膜厚を全てλｏ／
４としているが膜厚を変化さ冶る事によっても所望の分
光特性を得る事は可能である。つまシ、各膜層の位相を
決定する上での光学的膜厚が屈折率と膜厚の関数である
ためそれは明らかである。

ヤ一 以上、いくつかの実施例に基き、本発明ビ−ムスプリン
ターの膜構成について述べその屈折率条件を明らかにし
てきた。本発明を実施する上でこれまでに挙けた屈折率
を与える蒸着物質の一例として、高屈折率物質として＆
、低屈折率物質としては７４０２、ＺｎＯ２、Ｓｎｏ！
、ＺｎＳ　、、Ｃ６２０３、ル２０３、ＣｅＦ３　、Ｎ
ｄｚＯｓ　、Ｉｎ２Ｏ３などが適する。特に＆について
は蒸着条件（基板温度、蒸着速度など）を制御すること
でその屈折率を３〜５の範囲で変化させ得るので有利で
ある。なお、通常の基板温度としては３００℃〜４００
℃程度の範囲が用いられる。

また、所望の屈折率を得る手段として各膜層について等
価膜を利用しても良い。この等価膜の利用によれば等制
約に所望の範囲にわたる屈折率（原理的にどのような値
の屈折率でも得られる）を実現できるので本発明を実施
するうえでかなシ有力な手段である。

こうして本発明によれか、入射光を透過光及び反射光に
分離する所謂ビームスプリッタ−の透過及び反射特性を
、特にＰ偏光成分、Ｓ偏光成分についていずれも等しく
でき、あるいは透過光・反射光に含まれる両側光の成分
比も自在に設定できるという極めて汎用的実用的作用を
達成し得ることになるものである。しかも、その蒸着作
業についても特に新たな機械が要求されたシ、まだ特殊
な蒸着物質を必要としたりすることもなく、従来装置、
蒸着物質がそのまま流用できるので製造時の制約もなく
量産性も充分である。

【図面の簡単な説明】 第１図は本発明ビームスプリッタ−を用いる場合の、光
デイスク再生光学系の一例を示す原理構成図でおる。 第２図は不発明ビームスプリッタ−の特性を説明するた
めの概念図である。 第３図は本発明の３層膜構成の一実施例を示す概念図で
ある。 第４図は本発明のＮ層膜構成の一実施例を示す概念図で
ある。 第５図は本発明において、透過率ＴＪ’、Ｔ５がそれぞ
れ５０％１で一致する場合の例の分光特性図である。 第６図は不発明をそれぞれ３〜９層膜構成としてＴｐ＝
’ｆｓとなる屈折率条件ＮＬとＮＩＩの関係を示す図で
ある。 第７図は透明基板の屈折率が高い場合に利用できる５層
構成になる本発明一実施例の分光特性図である。 第８図はＴ７）＜７５及び任意のＴ　Ｐ　：　Ｔ　Ｓ　
％　（ＴＦ＋Ｔ５）：　（ＲＰ＋Ｒ５）の比となる本発
明一実施例の示す分光特性図である。 １・・・レーザー発振器　２・・・コリメータレンズ３
・・・ビームスプリッタ−４・・・対物ｖ　ｙ　、ｅ５
・・・光ディスク　　６・・・フォトセンサ１０・・・
プレート状基板 Ｌ・・・多層干渉薄膜層 ■・・・入射光　Ｔ・・・透過光　Ｒ・・反射光’ｆＰ
・・・Ｐ偏光成分に対する透過光ＴＳ・・・Ｓ偏光成分
に対する透過光 Ｎ５・・・基板屈折率 ＮＯ・・・空気の屈折率（＝１） ＮＬ・・・低屈折率膜層屈折率 ＮＨ・・・高屈折率膜層屈折率 出願人　　佐野機工株式会社 第２図 空気Ｎ、・１） 第３図 晃４図 第ＧＵｆｊＪ 手　　　　続　　　　補　　　　正　　　　書１．事　
件　の　表　示　　　　　昭和５７年特許願第９７９３
！；号２・発　明　の　名　称　　　　　ビームスプリ
ッタ−３・補正をする者 事件との関係　　　　　　特　許　出　歴　人件　　　
　所　　　　　　栃木県佐野市小中町７００番地４、補
正明令の日付　　昭和５７年８月１３日（発送日昭和５
７年８月３１日） ５、補正の対象　　　明細書及び図面 ６、補　正　の　内　容　　　　　添付のとおり明細書
及び図面の浄書を提出します。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）屈折率ＮＳを有する平板状の透明基板が空気中（
   屈折率はＮｏ＝１）に存在し、ＮＳよシ高い屈折率ＮＬ
   をもつ低屈折率膜層とこれよシさらに高い屈折率ＮＥを
   有する高屈折率膜層とを交互に、かつ最下層および最上
   層が低屈折率膜層となるように積層したビームスプリッ
   タ−０
2. （２）　　１．３　＜　Ｎ　５　＜　４の場合において
   １．８（Ｎｆ（５ １，４（Ｎｌ（３ とした特許請求の範囲第（１）項に記載のビームスプリ
   ッタ−０
3. （３）各層の光学的膜厚をλｏ／４　　とした特許請求
   の範囲第（１）項もしくは第（２）項に記載のビームス
   プリンター。