JPS6315562B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

本発明はビームスプリツター、特に多層干渉薄
膜を利用して反射光及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
り、その成分比を自在に設定することも可能なビ
ームスプリツター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角度を
もつて入射すると、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（入射面に平行
な振動方向をもつ偏光）と、Ｓ偏光（入射面に垂
直な振動方向をもつ偏光）との成分比はそれぞれ
に異なつてくる。この成分比は入射角、両媒質の
屈折率に依存するが、通常においては反射光はＳ
偏光成分、透過光はＰ偏光成分を多く含み、所謂
ブリユースター角においてはＳ偏光成分、Ｐ偏光
成分をそれぞれ反射、透過光としてはほぼ分離さ
れることも知られている。このような現象を積極
的に利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例え
ばフイリツプス社のMCA方式光デイスク再生光
学系中で実用化されている。しかし、ここで用い
られている偏光プリズムは信号再生のための基本
的要素として不可欠のものではなく、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、バツ
クトークと称される信号光の逆入射があると、そ
の位相関係によつては発振出力光に出力変動が生
じ、信号再生に悪影響を及ぼす結果となる。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波長板を併用し、バツクト
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
光学系の詳細はすで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り、上述したバツクトーク
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、自己結合効果を利用することに
よつて逆入射光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
にあつ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り1/4波長板も
不必要となり、再生光学系を格段に簡略化できる
ことになる。第１図はこうして簡略化された光デ
イスク再生光学系の一例を示すものでレーザー発
振器１としてはバツ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レンズ２によつて平行光束
としてビームスプリツター３に入射する。ビーム
スプリツター３にはハーフミラー３′が形成され、
例えばこれを50％透過、50％反射のものとする。
ハーフミラー３′で反射された光束は対物レンズ
４によりデイスク５の信号部上に収歛され、信号
部として設けられたピツトと称される凹凸信号部
をスポツト照射する。この信号部からの反射光は
ピツト形状、寸法に応じて位相変調され、光干渉
による強度変化を伴つており、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４に
より平行光束とされた信号光はまたハーフミラー
３′に達し、ここを透過した光束がフオトセンサ
６で検出されることになる。以上の構成によれ
ば、レーザー発振器１からの光はハーフミラー
３′で一度反射され、そして透過されるため、こ
のハーフミラー３′の透過率（あるいは反射率）
が50％であると、フオトセンサ６に達する光の量
としては25％となり、この場合の光の利用率が最
も高い。 ところが上述した光学系においては、ハーフミ
ラー３′が反射光面としてさらに透過面として用
いられている。従つて従来一般的に用いられてい
るハーフミラーをこの光学系中に設けると、光の
利用率がさらに低減する。というのはすでに述べ
たように通常のハーフミラーではＰ偏光、Ｓ偏光
それぞれに対する反射特性、透過特性が異なるた
め、最初反射面として作用する時点でＰ偏光の多
くは透過され、多くＳ偏光の光がデイスク５へと
向けられる。（但し反射光全体の光量としては50
％あるとする。）そしてデイスク５から反射され
てきたＳ偏光を主とする信号光が再度ハーフミラ
ー３′に入射してくると、一般的ハーフミラーの
特性からこの信号光のほとんどはハーフミラー
３′で再度反射され、フオトセンサ６に達する光
は微弱なものとなり、フオトセンサ６の負担が増
大することになる。これを解決するにはハーフミ
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とされることに
なる。 この他、例えばカメラの測光用学系などにおい
て、ハーフミラー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
ーで分割される一方をフアインダー観察に、他方
を測光に利用するが、ハー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。従つ
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つてＳ偏光成分がかなり多い
場合がある。すると通常のハーフミラーではＳ偏
光を多く反射することを考慮するとハーフミラー
の透過率を50％と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り、正しい測光
を行なうことが困難になつてくる。このような弊
害はやはりハーフミラーのもつ一般的な特性に起
因しており、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ツターでは
全く考慮されなかつた、あるいは従来の偏光ビー
ムスプリツターにみられるようにＰ偏光とＳ偏光
の分離特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ツターを得
ることが可能となる。このため本発明において
は、低屈折率膜層と高屈折率膜層との交互積層に
よる多層干渉薄膜を基本としてビームスプリツタ
ーを構成する上で、上記低屈折率膜層の屈折率を
下地基板の屈折率よりも高くする点で従来のもの
と異なつているものである。以下、本発明のいく
つかの実施例について詳述する。 第２図はプリズム型ビームスプリツターに本発
明を適用した一例を示す概念図であり、１１，１
２はプリズムブロツクである。プリズムブロツク
１１には多層干渉薄膜層Ｌが蒸着により被着形成
され、また接着剤１３によりプリズムブロツク１
２がその上に接合されているものとする。いまこ
のビームスプリツターの特性をＰ偏光、Ｓ偏光に
対してもその反射率、透過率がそれぞれ50％とな
るように設定すると、図中左方からの入射光Ｉは
透過光と反射光Ｒとに分割される。この時入射光
ＩがＰ偏光成分I_P、Ｓ偏光成分I_Sをそれぞれ50％
づつ含み全体の光量が100であつたとすると、透
過光Ｔの光量は50（T_P：T_S＝25：25）、反射光Ｒ
の光量も50（R_P：R_S＝25：25）となり、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Ｉにおけ
る偏光成分比I_P／I_Sがいかなる場合であつてもこ
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プリツターで得られる
特性の一例に過ぎないが、以下、本発明ビームス
プリツターの具体的な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Ｌ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N_S）、Ｌ１は第１層で屈折率N_Lの低屈折率膜
層、Ｌ２は第２層で屈折率N_Hの高屈折率膜層、
Ｌ３は第３層で第１層Ｌ１と同じ低屈折率膜層で
ある。またＯは接着剤層でその屈折率はN_Oであ
る。なおＬ１〜Ｌ３の各層の膜厚は光学的膜厚で
λ₀／４（λ₀は基準設計波長）としてある。そして
例えば用途として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し、まず基準設計波
長〜λ₀を925mmに設定する。そして基板屈折率、
すなわち入射側屈折率N_Sを1.52、接着剤層屈折
率、すなわち透過側屈折率N_Oを156としてさらに
低屈折率膜層Ｌ１，Ｌ３の屈折率N_Lを1.90（＞
N_S）に固定し、高屈折率膜層Ｌ２の屈折率N_Hを
種々変化させた場合のＰ、Ｓ両偏光成分に対する
入射角45゜における分光透過特性を求めると第５
図のような特性図が得られる。なお第５図中の
T_P〜T_P７はＰ偏光成分に対する透過特性、T_S１
〜T_S７はＳ偏光成分に対する透過特性を示し、
これらの特性と高屈折率膜層の屈折率N_Hとの対
応は第１表による。

【表】 第５図から明らかなように、３層膜構成のもの
で前記条件のもとではほぼ700nm〜800nm付近で
Ｓ偏光成分に対する透過率T_Sが極大を示し、特
にN_H＝350の場合では800nm付近でT_P１＝T_S１
＝86％となり、Ｐ，Ｓ両偏光成分についての透過
率が等しくなる。従つてλ＝750〜820nmの光に
ついてはN_L＝1.90の低屈折率膜層を第１層及び
第３層とし、N_H＝350の高屈折率膜層を第２層と
する３層膜で、Ｐ，Ｓ両偏光成分の成分比に全く
左右されない86％透過のビームスプリツターを得
ることができる。 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層を低屈折膜層（屈折率N_L、膜厚λ₀／
４）、第２層を高屈折率膜層（屈折率N_H、膜厚
λ₀／４）としこれを順次Ｎ層まで積層させ最上層
の第Ｎ層を低屈折率膜層としたものである。（従
つて層数としては奇数となる。）この第４図に関
し、層数を５層、７層、９層とし、第５図と同種
の特性を求めたものが第６図、第７図、第８図で
ある。なお、第６図〜第８図における基準設計波
長、低屈折率膜層の屈折率N_L、高屈折率膜層の
屈折率N_Hの値等については、第２〜第４表のと
おりである。（入射屈折率N_S、透過側屈折率N_O、
または入射角条件については第５図の場合と同じ
にしてある。）

【表】

【表】

【表】 これらの特性からわかるように、各条件下にお
いてλ＝800nm近傍でＰ，Ｓ両偏光成分に対する
透過率T_P及びT_Sを一致させることが可能で、し
かもその透過率T_P、T_Sの値も層数を選ぶことに
より、ある幅をもつて設定することもできる。な
お、当然T_P，T_Sを一致をさせずにそれぞれ異な
つた透過率とすることも可能であることは言うま
でもない。 ところで、前述したような光デイスク再生光学
系に本発明ビームスプリツターを用いること考え
ると、光の利用率の面で50％透過のビームスプリ
ツターで、しかもＰ，Ｓ両偏光成分についての透
過率も一致しているものが好ましい。この要求を
満すための屈折率条件を３〜９層の膜構成のもの
それぞれについて求めると第５表のとおりであ
る。なお、入射側屈折率N_S、透過側屈折率N_O、
入射角についてはこれまでの条件と同じとし、さ
らに付加条件としてλ＝800nmで所期の特性とな
るようにしてある。そしてこの第５表に基いた各
層数構成のＰ、Ｓ両偏光成分の分光透過特性T_P，
T_Sを第９図に示す。

【表】 従つて第９図の特性によれば、膜構成の層数に
応じて高低屈折率膜層の屈折率N_H，N_Lを決めて
やることによつて何層構成のものでも50％透過
（Ｐ，Ｓ両偏光成分に対して）のビームスプリツ
ターを得ることができる。但し、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T_S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を考慮すると、層数の少な
い方が有利である。但し、以下に触れるように、
例えば３層構成にすると特に低屈折率膜層に要求
される屈折率N_Lの許容範囲が厳しくなつてくる。 第１０図はλ＝800±200nmの近傍でＰ，Ｓの
両偏向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L_Nに対し、高屈折率膜層に要求
される高屈折率N_Hと低屈折率膜層に要求される
低屈折率N_L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入射側屈折率N_Sや入
射角などについてはこれまでと同じとしてある。
なお、第１０図中各破線で示したのはＰ，Ｓ両偏
光成分に対する等透過率Ｔ（T_P＝T_S）を与える条
件を結んだものである。 第１０図よりわかるように、N_H，N_Lの屈折率
条件の設定によりいずれの膜構成層数においても
Ｐ，Ｓ両偏光成分の透過率T_P，T_Sを等しく、し
かも任意の透過率にすることができる。しかし一
般的には層数L_Nが少ないほど低屈折率N_Lを厳密
にしなければならず、また層数L_Sが多いほど高屈
折率N_Hには厳密さが要求される。この各層数毎
の屈折率条件をみると５層膜構成のものが製造す
るうえでは制御が容易である。 以上の実施例では入射側屈折率を1.52、透過側
屈折率を1.56とした場合について述べてきたが、
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
ーザー発振器が近赤外レーザーであれば、基板と
してその発振波長域で透明であれば充分で、シリ
コンなどのような基板でもよいことになる。第１
１図はこのような場合について入射側屈折率を
4.0、透過側屈折率もこれに合わせて4.0とした時
に、λ＝800nm近傍でＰ，Ｓ両偏光成分に対する
透過率T_P，T_Sが等しくなり得るような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45゜とし、
各膜層の屈折率N_H，N_Lは第６表のとおりであ
る。

【表】 さらに本発明によれば、Ｐ，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
でのビームスプリツターでは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T_P＞T_Sが普通である。
しかし例えば第１２図に示すようにある屈折率条
件によつては所定波長域においてT_P＜T_Sとする
ことも可能である。第１２図はN_S＝1.52、N_O＝
1.56、入射角45゜、λ₀＝890nmとして低屈折率膜層
の屈折率N_Lを2.20に固定し、高屈折率膜層の屈
折率N_Hを変えた場合のＰ，Ｓ両偏光成分に対す
る透過率T_P，T_Sを示したものである。なお膜構
成は５層膜（各層膜厚λ₀／４）で、各透過特性
T_P，T_Sと屈折率N_Hとの対応は第７表による。

【表】 このような特性は従来のビームスプリツターで
は到底得ることは不可能であるが、本発明によれ
ばこのような特性も容易に得られることから、各
種光学系に新たな機能を求めることもできる。 第１３図は７層構成になる本発明ビームスプリ
ツターの他の実施例を示し、しかも入射角を変え
た場合の特性を示す。膜構成の特徴としては第２
層及び第６層の高屈折率膜層の膜厚を他の膜層の
膜厚λ₀／４に対して0.55（λ₀／４）と薄くしたも
のである。なお入射側屈折率N_S＝1.52、透過側屈
折率N_O＝1.56、またN_L＝2.20、N_H＝3.50とし、
基準設計波長λ₀＝1035nmである。入射角αと各
特性との対応は第８表による。

【表】 このように本発明では各膜層の膜厚を必ずしも
全てλ₀／４にしなくともよい。また入射角αの変
化も相対的膜厚の変化として従来の薄膜光学系で
みられるような一般的波長シフト結果として現れ
ることがわかる。 以上、いくつかの実施例に基き、本発明ビーム
スプリツ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が、本発明を実施する上
でこれまでに挙げた屈折率を与える蒸着物質の一
例としては、高屈折率物質としてはSi、低屈折率
物質としてはTiO₂，ZnO₂，SnO₂，ZnS，Al₂O₃，
Al₂O₃，CeF₃，Nd₂O₃，In₂O₃などが適する。特
にSi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ために各膜層に
ついて等価膜を利用してもよい。この等価的に所
望の範囲にわたる屈折率（原理的にはどのような
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り有力な手段であ
る。 また本発明はプリズム型ビームスプリツターの
みならず、所謂ハーフミラー型のビームスプリツ
ターとすることもできる。この場合には透過側屈
折率N_O例えば１に設定して屈折率条件等を求め
ればよいことになる。 こうして本発明によれば、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ツターの透過
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
射光に含まれる両偏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材が要求されたり、また特
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ツターを用いる場
合の、光デイスク再生光学系の一例を示す原理構
成図である。第２図は本発明ビームスプリツター
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図は第３図実施例における
特性の一例を示す分光透過特性図である。第６
図、第７図、第８図はそれぞれ第４図実施例にお
いて層数を５層、７層、９層とした際の特性の一
例を示す分光透過特性図である。第９図は本発明
において、透過率T_P，T_Sがそれぞれ50％で一致
する場合の例の分光透過特性図である。第１０図
は本発明をそれぞれ３〜９層膜構成としてT_P＝
T_Sとなる屈折率条件N_LとN_Hの関係を示す図であ
る。第１１図は入射側及び透過側屈折率が高い場
合に利用できる５層膜構成になる本発明一実施例
の分光透過特性図である。第１２図はT_P＜T_Sと
なる本発明一実施例の示す分光透過特性図であ
る。第１３図は７層膜構成において、第２層と第
６層との膜厚を若干λ₀／４より薄くした一実施例
の示す分光透過特性図である。 １…レーザー発振器、２…コリメータレンズ、
３…ビームスプリツター、４…対物レンズ、５…
デイスク、６…フオトセンサ、１１，１２…プリ
ズムブロツク、Ｌ…多層干渉薄膜層、１３…接着
剤層、Ｉ…入射光、Ｔ…透過光、Ｒ…反射光、
T_P…Ｐ偏光成分に対する透過光、T_S…Ｓ偏光成
分に対する透過光、N_S…入射側屈折率（基板屈
折率）、N_O…透過側屈折率、N_L…低屈折率膜層
屈折率、N_H…高屈折率膜層屈折率。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 屈折率N_Sの透明基板に対し、N_Sより大きい
   屈折率N_Lを持つ低屈折率膜層と、これよりさら
   に大きい屈折率N_Hを持つ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、 上記N_Sが、1.3＜N_S＜４の場合においてN_Hおよ
   びN_Lが、2.5＜N_H＜８、1.6＜N_L＜５としたビー
   ムスプリツター。 ２ 各層の光学膜厚をλ₀／４とした特許請求の範
   囲第１項に記載のビームスプリツター。