JPWO2011048875A1 - プレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター - Google Patents

Abstract

広い波長帯域で使用できると共に、入射角度に対する依存性が小さく、また、膜枚数が少ないことで歩留まりの向上と製造コストの低減を図れるようにしたプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッターを提供する。光を入射することにより光束を分割するためのビームスプリッターにおいて、両主表面が光学研磨加工された平板状の透明ガラス基板の一方の主表面上に、波長帯域拡大膜と、前記波長帯域拡大膜上に設けられた金属膜と、前記金属膜上に設けられた無偏光化膜と、を有し、前記光がビームスプリッターに入射される際、前記無偏光化膜により前記光が無偏光化され、前記無偏光化された光が前記金属膜に入射する際に所望の透過率及び反射率となり、前記金属膜を透過した光の波長における、ビームスプリッターとして使用可能な帯域が、前記波長帯域拡大膜により拡大される。

Description

本発明は、広い波長帯において光を反射させ、目的の分割比（反射率：透過率）に分ける際、Ｐ偏光とＳ偏光が同じ割合で出てくる、偏光特性の無いプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッターに関するものである。

広帯域無偏光ビームスプリッターは、分光特性グラフにおけるＰ偏光特性線とＳ偏光特性線が接近または接触した波長領域で使用されるものであり、現在では、透明ガラス基板の表面に多数層の誘電体膜を成膜したプレート型のビームスプリッター（例えば、非特許文献１参照）と、２つの４５°直角プリズムの斜面に誘電体膜や金属膜による無偏光膜を形成し、斜面同士を合わせた状態で２つの直角プリズムを接着したキューブ型のビームスプリッターとが一般的に提供されている。

プレート型のビームスプリッターは、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する仕組みになっている。また、誘電体多層膜のビームスプリッターは、膜による光の吸収がほとんどなく、光量が極めて小さいという特性を有している。更に、温度変化の影響が非常に少ない膜特性を有している。このプレート型のビームスプリッターとしては特許文献１が挙げられる。

キューブ型のビームスプリッターは、入射する光の偏光条件に関係なく、反射光（Ｒ）と透過光（Ｔ）を１：１に分割するハーフミラーとして使用される。つまり、通常のビームスプリッターのような偏光成分による透過光および反射光の分割比の変動がない。また、入射面および出射面には、反射防止膜（ＡＲコート）がコーティングされている。また一般的に、使用できる波長領域が狭く、単一波長に対してのみ有効となっている。また構造上、入射光の角度は振れないが、適正の入射条件で使用する限り、透過光路のずれやゴーストの発生がほとんどない、といった特性を持っている。

なお、ビームスプリッターとは異なる関連技術であるが、反射鏡においては、銀蒸着膜上に複数の誘電体膜を積層して蒸着し、各層の厚みを調節することによって、任意の入射角度における偏光比を小さくした反射鏡が知られている（例えば特許文献２参照）。
また、銀蒸着膜層を複数の範囲に分割し、分割された各範囲に異なる膜特性を有する保護蒸着膜層を蒸着する反射鏡についても知られている（例えば特許文献３参照）。

特開昭６３−８７０２号公報 特開平９−４３４０８号公報 特開平５−２９７２０７号公報

原著者Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ、翻訳 小倉繁太郎 他、書名「光学薄膜」、発行所日刊工業新聞社、１９８９年１１月３０日発行

ところで、一般に、キューブ型の無偏光ビームスプリッターは、図１１の入射角度＝０°（±３°）の場合の透過特性の例に示すように、４００ｎｍ〜７００ｎｍ程度の広い範囲でＳ偏光特性線とＰ偏光特性線が接近するため、その広い範囲で無偏光ビームスプリッターとしての使用が可能となる。その一方、種々の入射角度に対応できないという問題がある。

その理由は、直角プリズム斜面上の無偏光膜表面と、直角プリズムにおける入射面・出射面との間に距離が開いており、屈折が生じる入射角度であると、光軸が反射面からはずれてしまうからである。また、透明硝子基板を挟んで無偏光膜に対向して設けられた反射防止膜の偏光特性の影響を受けてしまいやすいことも理由の一つである。

また、キューブ型の無偏光ビームスプリッターは、成膜すべき面が多い。それに加え、別途接着工程が必要となってしまう。具体的に言うと、キューブ型の無偏光ビームスプリッターにおいては、別々の複数の膜が成膜された直角プリズム同士を接着させる必要がある。
この接着工程の際に膜の破損や気泡の発生等、不具合が生じる可能性がある。そしてこの可能性は、膜の数を増加させればさせるほど高まる。

その結果、キューブ型の無偏光ビームスプリッターにおいては、不良率が高くなって歩留まりが悪くなる上、製作工程が複雑であるためにコスト高になるという問題もある。

一方、従来のプレート型の無偏光ビームスプリッターは、例えば、図１２に示す入射角度４５°のときの分光特性図のように、Ｓ偏光特性線とＰ偏光特性線が交わるまたは接近しているポイントでは使用できるものの、使用できる波長帯域（５２５ｎｍ〜５７５ｎｍ）が非常に狭い（可視域や近赤域で１００〜１５０ｎｍ程度）という問題がある。これは、従来のプレート型の無偏光ビームスプリッターで用いる膜が干渉膜であるために、広い範囲で干渉を打ち消せないからである。

また、図１３に入射角度が３０°になった場合を示すように、入射角度によって分光特性が大きく変わってしまう（例えば、入射角度４５°の場合と比べて使用波長範囲がずれてしまい、反射率のばらつきも大きくなってしまう）ため、入射角度の使用範囲が狭いという問題がある。また、多数層（２０層〜５０層）の誘電体膜を積層して構成する必要があるために、コストが高いという問題もある。

なお、反射鏡についての関連技術である特許文献２及び３の技術では、そもそも反射鏡であるため、幅広い波長領域で使用する以前に、反射光と透過光を１：１に分割することができていない。

本発明は、上記事情を考慮し、広い波長帯域で使用できると共に、入射角度に対する依存性が小さく、また、膜枚数が少ないことで歩留まりの向上と製造コストの低減を図れるようにしたプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッターを提供することを目的とする。

上記課題を解決するための構成は以下の通りである。
（１）
光を入射することにより光束を分割するためのビームスプリッターにおいて、
両主表面が光学研磨加工された平板状の透明ガラス基板の一方の主表面上に、
波長帯域拡大膜と、
前記波長帯域拡大膜上に設けられた金属膜と、
前記金属膜上に設けられた無偏光化膜と、
を有し、
前記光がビームスプリッターに入射される際、前記無偏光化膜により前記光が無偏光化され、
前記無偏光化された光が前記金属膜に入射する際に所望の透過率及び反射率となり、
前記金属膜を透過した光の波長における、ビームスプリッターとして使用可能な帯域が、前記波長帯域拡大膜により拡大されることを特徴とするプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
（２）
上記（１）の構成において、
前記無偏光化膜の厚さｄは、以下の式により定められる厚さであることを特徴とするプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
ｄ＝Λ／ｎ
但し、Λは、λ／８≦Λ≦λ／３の範囲の値であり、
ｎ：無偏光化膜の屈折率
λ：入射される光の波長
である。
（３）
上記（２）の構成において、
前記Λはλ／４であることを特徴とするプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
（４）
上記（１）の構成において、
前記波長帯域拡大膜を、低屈折率ｎＬの誘電体膜と高屈折率ｎＨ（但し、ｎＨ＞ｎＬ）の誘電体膜とからなる２層とし、
前記基板から最表面側へと数えて第１層目の膜として、低屈折率ｎＬの誘電体膜を成膜し、その第１層目の膜の上に第２層目の膜として、高屈折率ｎＨの誘電体膜を成膜し、
前記波長帯域拡大膜の上に第３層目の膜として、所望の透過率となる厚みを有する金属膜を成膜し、
前記金属膜の上に第４層目の膜として、前記第１層目の膜と実質的に同程度の低屈折率を有する誘電体膜を成膜したことを特徴とするプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
（５）
上記（４）の構成において、
前記第１層目の低屈折率の誘電体膜の屈折率ｎＬは、前記透明ガラス基板の屈折率ｎＧよりも小さく、前記第２層目の高屈折率の誘電体膜の屈折率ｎＨは、前記透明ガラス基板の屈折率ｎＧよりも大きく、前記第３層目の金属膜の屈折率ｎＫは、第２層目の高屈折率の誘電体膜の屈折率ｎＨよりも大きいことを特徴とするプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
（６）
上記（４）又は（５）の構成において、
前記第１層目をＭｇＦ_２、前記第２層目をＨｆＯ_２、前記３層目をＡｇ、前記４層目をＭｇＦ_２により構成したことを特徴とするプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
（７）
上記（１）ないし（６）のいずれかの構成において、
前記透明ガラス基板の他方の主表面上に反射防止膜を形成したことを特徴とするプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
（８）
光を入射することにより光束を分割するためのビームスプリッターにおいて、
両主表面が光学研磨加工された平板状の透明ガラス基板の一方の主表面上に、
波長帯域拡大膜と、
前記波長帯域拡大膜上に設けられたＡｇからなる金属膜と、
前記金属膜上に設けられたＭｇＦ_２からなる無偏光化膜と、
を有し、
前記波長帯域拡大膜を、ＭｇＦ_２からなる低屈折率ｎＬの誘電体膜と、前記誘電体膜上に設けられたＨｆＯ_２からなる高屈折率ｎＨ（但し、ｎＨ＞ｎＬ）の誘電体膜と、からなる２層とし、
前記無偏光化膜の屈折率は、前記低屈折率ｎＬの誘電体膜に対して実質的に同程度又はそれより低い屈折率であり、
前記無偏光化膜の厚さｄは、以下の式により定められる厚さであることを特徴とするプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
ｄ＝λ／（４ｎ）
但し、
ｎ：無偏光化膜の屈折率
λ：入射される光の波長
である。

本発明によれば、広い波長帯域で使用できると共に、入射角度に対する依存性が小さく、また、膜枚数が少ないことで歩留まりの向上と製造コストの低減を図れるようにしたプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッターを提供できる。

本発明の実施形態のプレート型広帯域無偏光ビームスプリッターの層構成の説明図である。 同ビームスプリッターに対し入射角θで入射した入射光と反射光と透過光の関係を示す概略図である。 実施形態のビームスプリッターに入射角度４５°で光が入射したときの分光特性を示す図である。 実施形態のビームスプリッターに入射角度０°で光が入射したときの分光特性を示す図である。 実施形態のビームスプリッターに入射角度３０°で光が入射したときの分光特性を示す図である。 実施形態のビームスプリッターに入射角度５０°で光が入射したときの分光特性を示す図である。 実施形態のビームスプリッターに入射角度６０°で光が入射したときの分光特性を示す図である。 実施形態のビームスプリッターの第３層と第４層の膜の役目を説明するための図で、透明ガラス基板に金属膜だけを成膜した場合の分光特性図である。 図８の金属膜に低屈折率誘電体膜（ＭｇＦ_２）を付加した場合の分光特性図である。 図８の金属膜と透明ガラス基板との間に理論上最適な屈折率の仮想膜を付け加えた場合の分光特性図である。 従来のキューブ型の広帯域無偏光ビームスプリッターの分光特性を示す図である。 従来のプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッターの入射角度４５°のときの分光特性を示す図である。 同ビームスプリッターの入射角度３０°のときの分光特性を示す図である。 図８の金属膜に低屈折率誘電体膜（ＭｇＦ_２）を付加し、ｎｄ＝λ／４とした場合の分光特性図である。 図８の金属膜に低屈折率誘電体膜（ＭｇＦ_２）を付加し、ｎｄ＝λ／８とした場合の分光特性図である。 図８の金属膜に低屈折率誘電体膜（ＭｇＦ_２）を付加し、ｎｄ＝λ／３とした場合の分光特性図である。 図８の金属膜に低屈折率誘電体膜（ＭｇＦ_２）を付加し、ｎｄをλ／８未満とした場合の分光特性図である。 図８の金属膜に低屈折率誘電体膜（ＭｇＦ_２）を付加し、ｎｄをλ／３より大きくした場合の分光特性図である。

本発明者らは、本発明に至る前にまず、無偏光ビームスプリッターをキューブ型にするかプレート型にするかについて検討した。

この検討の際には、既に、環境負荷の面から金属膜としてＺｎＳの使用を控えるようになっており、代替金属膜が用いられるようになっていた。しかしながら、この代替金属膜は強度に難がある傾向があった。
この代替金属膜において外部との接触機会をなくすため、キューブ型の無偏光ビームスプリッターが多く用いられていた。なぜなら、キューブ型だと、別の直角プリズム同士を接着させることにより、代替金属膜は接着面に閉じ込められる。そのため、代替金属膜は外部と接触せず、代替金属膜の強度はそれほど求められなかったからである。

しかしながら、先にも述べたように、キューブ型の無偏光ビームスプリッターだと成膜すべき面が多い上、接着工程が別途必要となる。しかもこの接着工程では、膜の破損や気泡の発生を防止するためにかなりの精度が求められている。

そこで本発明者らは、コストが高くなり歩留まりが悪いキューブ型ではなく、比較的製造が容易なプレート型の無偏光ビームスプリッターに焦点を当てた。

従来、プレート型の無偏光ビームスプリッターにおいては、プレート型の基板上に無偏光化のための金属膜を設けた場合、それを覆うように金属膜を保護するための膜（保護膜）が設けられていた。この保護膜としては、例えばＭｇＦ_２等が用いられていた。

本発明者らは、保護膜を含めたプレート型の無偏光ビームスプリッターについて詳細を検討した。その際に、上述の課題、即ち、キューブ型の課題である「種々の入射角度に対応できないという問題」と、プレート型の主な課題である「使用できる波長帯域が非常に狭いという問題」とを同時に解決する構成について検討した。

その結果、本発明者らは、平板状の透明ガラス基板の一方の主表面上に、最表面側に向けて順に、波長帯域拡大膜、金属膜、そして無偏光化膜を組み合わせて設けるという構成を想到した。
つまり、透過率と反射率とを１：１に近づけるための金属膜の上に、更に無偏光化膜を配置し、これらの膜下に、波長帯域拡大膜を更に設けるという構成を想到した。
この構成により、上述の課題を一度に解決でき、更には膜枚数を少なくすることで歩留まりの向上と製造コストの低減が可能となることを見出した。

＜実施の形態１＞
以下、本発明の実施形態について説明する。
順序としては、まず本実施形態において、図１に示すような、プレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター１（以降、単にビームスプリッター１とも言う）の基本構成について説明する。
また、＜実施の形態２＞においては、ビームスプリッター１を構成する各々の膜の屈折率の関係に焦点を当てた変形例について記載する。
更に、＜実施の形態３＞においては、無偏光化膜１４の厚さに焦点を当てた変形例について記載する。

本発明の実施の形態に係るプレート型のビームスプリッター１について、以下の順番で説明する。
１．ビームスプリッターの全体構成
２．基板
３．無偏光ハイブリッド膜
１）波長帯域拡大膜（第１層目、第２層目）
２）金属膜（第３層目）
３）無偏光化膜（第４層目）
そして最後に、本実施形態の効果について説明する。
以下、上記の各工程について順に説明する。

［１．ビームスプリッターの全体構成］
本実施形態のプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター１は、光を入射することにより光束を分割するためのビームスプリッターである。

ビームスプリッター１の構造については、図１に層構造を模式的に示すように、両主表面が光学研磨加工された平板状の透明ガラス基板２の一方の主表面上に無偏光ハイブリッド膜１０を形成し、他方の主表面上に裏面反射の影響を少なくするための広帯域の反射防止膜（ＡＲコート）３を形成したものである。

［２．基板］
透明ガラス基板２としては、ＢＫ７などの光学ガラスや、白板ガラス、石英ガラスなど、用途に合わせた透明ガラスを用いる。

［３．無偏光ハイブリッド膜］
次に、本実施形態において用いられる無偏光ハイブリッド膜１０について説明する。本実施形態における無偏光ハイブリッド膜１０は、両主表面が光学研磨加工された平板状の透明ガラス基板２の一方の主表面上に、波長帯域拡大膜１５と、前記波長帯域拡大膜１５上に設けられた金属膜１３と、前記金属膜１３上に設けられた無偏光化膜１４とからなる。

機能について更に詳しく言うと、ビームスプリッターの無偏光ハイブリッド膜１０に光が入射される際、無偏光化膜１４により光が無偏光化される。この無偏光化された光が金属膜１３に入射する際に所望の透過率及び反射率となる。金属膜１３を透過した光の波長における、ビームスプリッターとして使用可能な帯域が、波長帯域拡大膜１５により拡大される。
上記の機能を発揮するように、基板２上に、波長帯域拡大膜１５、金属膜１３及び無偏光化膜１４、即ち無偏光ハイブリッド膜１０が形成されることになる。

なお、ここで言う「光の波長における、ビームスプリッターとして使用可能な帯域」とは、偏光を解消しつつ透過率と反射率とが１：１に近づいた状態、即ち、Ｐ偏光透過率とＳ偏光透過率との差がほとんど無い状態、且つＰ偏光反射率とＳ偏光反射率との差がほとんど無い状態における光の波長帯域のことである。
実際の製品におけるこれらの差の許容量については、ビームスプリッター全体の構成により許容量が変動するので一概には決定できない。ただ、一例を示すならば、上に挙げた各々の差が１０％以下（好ましくは５％以下）における波長帯域であれば、ビームスプリッターとして使用可能な帯域とみなすことができる。また、上記の条件に、４５％のレベルを中心に±１０％以内に全ての率が収まっているという条件をふかすれば更に好ましい。

１）波長帯域拡大膜
本実施形態においては、波長帯域拡大膜１５を２層の膜によって構成する。
具体的には、第３層の金属層１３と透明ガラス基板２との間に、第１層の低屈折率誘電体層１１とその上の第２層の高屈折率誘電体層１２とを組み合わせて波長帯域拡大膜１５を形成している。
それにより、可視光域（４００〜７００ｎｍ）程度の広い範囲にわたり、均一な反射率や透過率を得ることが可能となる。つまり、第１層および第２層は、広い波長域で反射率と透過率を均一化するので、無偏光ビームスプリッターとしての使用波長領域を広げる役目を果たしている。

なお、金属層とガラス基板の間に、一つの層で波長帯域を拡大できる膜、具体的には高屈折率（例えばｎ＝２．５５）の単層の膜を形成しても良い。この膜ならば、波長帯域拡大膜と金属膜と無偏光化膜（低屈折率誘電体膜）の３層構造の無偏光ハイブリッド膜１０を成立させることができる。
その一方、ｎ＝２．５５程度の高屈折率を有する膜を作成することには困難が伴う。本発明の目的の一つである「歩留まりの向上と製造コストの低減」を考慮すると、波長帯域拡大膜１５を上述のような２層構造とするのが好ましい。

機能的な面で見ると、第２層の高屈折率誘電体膜１２の屈折率は、先程挙げたｎ＝２．５５よりも低い。しかしながら、補助的に屈折率の低い膜（低屈折率誘電体膜１１）を第１層目に形成することにより、屈折率が低い分を補うことができる。つまり、主に波長の短い光の反射率を上げるために、第１層の低屈折率誘電体膜１１を設けている。

このように、現実的には１層では作成が非常に難しい膜の役割を、膜自体の波長的特性を考慮しながら、第１層の低屈折率誘電体膜１１と第２層の高屈折率誘電体膜１２の組み合わせで担うようにしている。そのため、コスト（製作時間や材料費）面やリスク（蒸着条件や扱い方）面での利点を最大に得ることができる。
以上の理由により、本実施形態では、２層の膜の組み合わせで同様の効果を得られるように対策している。

波長帯域拡大膜１５における低屈折率誘電体膜１１（第１層目）の具体的な組成としては、公知の低屈折率誘電体膜であれば良いが、例えば、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２などが挙げられる。
更に、第１層目の低屈折率誘電体膜１１を計算された厚みだけ成膜したら、第２層目に、高屈折率誘電体膜１２を所定厚みで成膜する。

この高屈折率誘電体膜１２（第２層目）の具体的な組成としては、例えば、Ｔｉ_２Ｏ_３、ＨｆＯ_２、ＺｒＯ_２などが挙げられるが、ＨｆＯ_２が特に好ましい。
ＨｆＯ_２を用いると、ビームスプリッターとして使用可能な波長帯域が短い方にも長い方にも拡大されるためである。更に、Ｔｉ_２Ｏ_３だと後述する銀からなる金属層（第３層目）における光の吸収量が増加してしまうところ、ＨｆＯ_２だと光の吸収量を変化させることなく成膜することができるという利点もある。

また、波長帯域拡大膜１５における低屈折率誘電体膜１１及び高屈折率誘電体膜１２の屈折率としては、第１層目の低屈折率誘電体膜１１の屈折率ｎＬは透明ガラス基板２の屈折率ｎＧよりも小さく、第２層目の高屈折率誘電体膜１２の屈折率ｎＨは透明ガラス基板２の屈折率ｎＧよりも大きくしている。後述するが、透過率と反射率とを１：１に近づけるためである。

なお、波長帯域拡大膜１５における低屈折率誘電体膜１１及び高屈折率誘電体膜１２の厚さは、ビームスプリッターとしての機能を発揮する膜の厚みを、分かりやすいようハーフミラー（反射：透過＝１：１）に対応できるように設定する。

２）金属膜
上述の波長帯域拡大膜１５の上、即ち高屈折率誘電体膜１２の上に、第３層の金属膜１３を成膜する。

第３層目の金属膜１３としては、Ａｕ、ＡＬ、Ａｇなどを用いることができる。そして、この金属膜１３を、所望の透過率となる厚みに成膜する。例えば、ハーフミラーにする場合は、膜厚ｄ＝２０ｎｍ（物理膜厚）に設定してもよい。
なお、本実施形態においてはハーフミラー（反射：透過＝１：１）の場合について述べているが、反射率と透過率が１：１の関係以外（例えば反射：透過＝２：１の場合や１：４の関係を有する場合）についても、金属膜１３の厚みを変えることにより、任意に変更することができる。そして、このように反射率と透過率において任意の関係を有するビームスプリッターを、制作者の意図に応じて製作することができる。

なお、第３層に金属膜１３を形成する理由は、金属膜は反射率が高い上に蒸着制御がしやすく、さらに波長範囲が広く均一であるからである。

また、後述する第３層目の金属膜１３の屈折率ｎＫは第２層目の高屈折率誘電体膜１２の屈折率ｎＨよりも大きくしている。

３）無偏光化膜
本実施形態においては、透明ガラス基板２上に無偏光ハイブリッド膜１０を設けるに当たり、主層としての第３層に金属膜１３を設けると共に、その上側の第４層１４に金属膜１３の偏光特性を調整する（無偏光化を行う）目的のための低屈折率の誘電体膜１４を設けている。

第４層に無偏光化膜１４を形成する理由は、第３層の金属膜１３の持つ偏光特性に無偏光化膜１４の偏光特性を干渉させて互いの特性を打ち消すため、つまり、金属膜１３のＰ偏光反射率およびＳ偏光反射率に対して逆位相の無偏光化膜１４のＰ偏光反射率およびＳ偏光反射率を付加することによって、Ｓ偏光とＰ偏光を接近させることができる。
そのため、Ｓ偏光とＰ偏光の透過特性および反射特性をそれぞれほぼ同じ値に調整することができる。つまり、透過および反射のそれぞれの場合において、偏光成分（Ｓ偏光とＰ偏光）を互いに接近させることができ、無偏光ビームスプリッターとして成立させることができる。

無偏光化膜１４の具体的な組成としては、公知の低屈折率誘電体膜であれば良いが、例えば、波長帯域拡大膜１５の第１層目（低屈折率誘電体膜１１）と同様に、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２などが挙げられるが、ＭｇＦ_２が好ましい。

第４層目の低屈折率誘電体膜１４の材料として、第１層目と同じくＭｇＦ_２などを選択した理由は、低温下での吸収が少なく、しかも熱に弱い金属膜１３の保護膜としての十分な硬さや金属膜１３に対する十分な密着性を有しているからである。なお、屈折率の高いＴｉ系やＺｒＯ_２では吸収が多くなること、また紫外域の使用範囲も考慮している。

無偏光化膜１４の屈折率としては、第１層目の低屈折率誘電体膜１１と、実質的に同程度又はそれより低い屈折率であれば良い。具体的には、無偏光化膜１４における「実質的に同程度又はそれより低い屈折率」とは、第１層目の膜と同じ屈折率を有する場合を含む一方、上述のように、金属膜１３の偏光特性を調整する（無偏光化を行う）ことができる程度に屈折率が低いのならば、第１層目の膜よりも高い屈折率を有しても良いし、もちろん第１層目の膜よりも低い屈折率を有していても良い。

無偏光化膜１４の厚さとしては、所定の透過率及び反射率を有するような厚みだけ成膜する。

ＭｇＦ_２膜１４を設けることにより、無偏光化という効果に加え、金属膜１３を含めることで膜枚数を最小に制限することができるから、歩留まりの向上と製造コストの低減を図ることができる。
更に、従来知られていた効果も得られる。即ち、膜強度の弱い第３層の金属膜１３を膜強度の強い第４層の無偏光化膜１４で保護していることから、プレート型のビームスプリッターとしての必要な膜強度を保証することができる。

なお、第３層の金属膜１３や第４層の低屈折率誘電体膜１４の厚みを調整することにより、無偏光を維持しながら、透過と反射の分光比率を変えることができるし、入射角度が変化した場合にも、分光特性の変化を最小限に抑えることができる。例えば、入射角度θ＝０°〜±５０°の変化において、透過率や反射率の変動を±１０％以内に収めることができる。

［本実施形態の効果］
以上に記載した本実施形態のビームスプリッターによれば、以下の効果を奏する。
キューブ型の無偏光ビームスプリッターだと、種々の入射角度に対応できないという問題があった。また、キューブ型の無偏光ビームスプリッターにおいては、不良率が高くなって歩留まりが悪くなる上、製作工程が複雑であるためにコスト高になるという問題があった。

その一方で、プレート型の無偏光ビームスプリッターは、Ｓ偏光特性線とＰ偏光特性線が交わるまたは接近しているポイントにおける波長帯域が非常に狭いという問題があった。更には、多数層（２０層〜５０層）の誘電体膜を積層して構成する必要があるために、コストが高いという問題もあった。

そのような状況下で、無偏光化のための金属膜１３の上に、更に無偏光化膜１４を配置し、無偏光化に寄与するこれらの膜下に、波長帯域拡大膜１５を設けたことが、本実施形態の特徴である。

以上のような本実施形態ならば、広い波長帯域で使用できると共に、入射角度に対する依存性が小さく、また、膜枚数が少ないことで歩留まりの向上と製造コストの低減が可能となる。

上記効果について具体的なことを述べると、製造コストを、従来のキューブ型のビームスプリッターの１／５、従来のプレート型のビームスプリッターの１／２程度に削減することができる。

＜実施の形態２＞
実施の形態１における無偏光ハイブリッド膜１０は、屈折率の面から見ると、以下のように構成されている。以降、特筆しない部分は＜実施の形態１＞と同様である。

基板２の一方の主表面上に、第１層目の膜として、低屈折率ｎＬの誘電体膜１１を成膜する。
その第１層目の膜の上に第２層目の膜として、高屈折率ｎＨ（但し、ｎＨ＞ｎＬ）の誘電体膜１２を成膜する。
その第２層目の膜の上に第３層目の膜として、所望の透過率となる厚みを有する金属膜１３を成膜する。
その第３層目の膜の上に第４層目の膜として、前記第１層目の膜と実質的に同程度の低屈折率を有する誘電体膜を成膜している。

一例を示すと、以下の構成のビームスプリッターが挙げられる（ｎ：屈折率 ｄ：厚み）。
透明ガラス基板 ｎ＝１．５２
１層目ＭｇＦ_２ ｎ＝１．３８ ｄ＝１００ｎｍ
２層目ＨｆＯ_２ ｎ＝１．９５ ｄ＝８０ｎｍ
３層目Ａｇ ｎ＝３．３４ ｄ＝２０ｎｍ
４層目ＭｇＦ_２ ｎ＝１．３８ ｄ＝８０ｎｍ
空気 ｎ＝１．００

以上のような屈折率の関係を有する４層構造のプレート型ビームスプリッターであっても、広い波長帯域で使用できると共に、入射角度に対する依存性が小さく、また、膜枚数が少ないことで歩留まりの向上と製造コストの低減が可能となる。

また、前記第１層目の低屈折率の誘電体膜の屈折率ｎＬは、前記透明ガラス基板の屈折率ｎＧよりも小さく、前記第２層目の高屈折率の誘電体膜の屈折率ｎＨは、前記透明ガラス基板の屈折率ｎＧよりも大きく、前記第３層目の金属膜の屈折率ｎＫは、第２層目の高屈折率の誘電体膜の屈折率ｎＨよりも大きいのが好ましい。

このような屈折率の関係にすることにより、以下の作用により、同じく以下の効果が得られる。
まず、無偏光化膜１４（第４層目）に光が入射する。
そして、金属膜１３（第３層目）に光が入射する。この際、無偏光化膜１４（第４層目）よりも屈折率が高いので、金属膜１３（第３層目）における不要な反射を軽減することができる。
そして、波長帯域拡大膜１５における高屈折率誘電体膜１２（第２層目）へと光が入射する。この時、金属膜１３（第３層目）の方が、屈折率が高い。更に、この高屈折率誘電体膜１２（第２層目）の方が、低屈折率誘電体膜１１（第１層目）よりも屈折率が高い。
つまり、屈折率の大小関係を有する層を交互に設けて透過率と反射率の比を１：１と通常するところ、本実施形態においては、この大小関係を第１層目〜第３層目に集約している。

そのため、無理に高屈折率（例えばｎ＝２．５５）の膜を作成する必要なく、製造コストの低減を可能することができる。また、膜枚数についても、本実施形態の場合だと波長帯域拡大膜１５を２枚設ければ済み、膜枚数を少なくすることで歩留まりの向上を図ることもできる。

＜実施の形態３＞
実施の形態１における無偏光ハイブリッド膜１０において、無偏光化膜１４を膜厚の面から見ると、以下のように構成されている。
ｄ＝Λ／ｎ
但し、Λは、λ／８≦Λ≦λ／３の範囲の値であり、
ｄ：無偏光化膜の厚さ
ｎ：無偏光化膜の屈折率
λ：入射される光の波長
である。

上記の数値範囲について、図１４〜１６を用いて説明する。
図１４は、この金属膜（Ａｇ膜）の上に低屈折率誘電体膜（ＭｇＦ_２膜：膜厚ｄ＝８０ｎｍ）を付加し、上記の数値範囲内であるｎｄ＝λ／４とした場合の分光特性を示す。このように金属膜の上の低屈折率誘電体膜の厚さをλ／（４ｎ）とすることだけで、偏光成分（Ｐ偏光およびＳ偏光）だけでなく反射率および透過率についても、互いに接近させることができる。
また、ｎｄ＝λ／８とした場合について図１５に示し、ｎｄ＝λ／３とした場合について図１６に示す。このときにおいても、偏光成分（Ｐ偏光およびＳ偏光）だけでなく反射率および透過率についても、互いに接近させることができる。
なお、図１４〜図１６には波長帯域拡大膜１５を設けていない例が記載されており、波長帯域拡大膜１５を設けた場合、実施例にて示す図３のように、反射率及び透過率を１：１に限りなく近づけることができ、更には偏光を解消することができ、それに加え、以上の条件を満たす波長領域を広く確保することができる。

一方、上記の数値範囲外である、ｎｄをλ／８未満とした場合について図１７に示す。この場合、偏光成分は比較的互いに接近させることができているものの、反射率および透過率については互いに大きく離れてしまっている。

他方、同じく上記の数値範囲外である、ｎｄがλ／３を超えた値となった場合について図１８に示す。この場合、ｎｄをλ／８未満とした場合とは逆に、反射率および透過率は比較的互いに接近させることができているものの、偏光成分については互いに大きく離れてしまっている。

また、一般には、入射角度θ＝４５°の場合、無偏光化膜１４の厚さがλ／（２ｎ）のとき、入射光と反射光の波長の位相が完全に逆転するため、無偏光化に寄与するはずである。それとは逆に、無偏光化膜１４の厚さがλ／（４ｎ）のとき、入射光と反射光の波長の位相が重なり合い、偏光化が激しくなるはずである。

しかしながら、本実施形態の構成においては、偏光化が激しくなるのとは全く逆に、無偏光化膜１４の厚さがλ／（４ｎ）のときにこそ、無偏光化の効果が最大となる。それに加え、透過率及び反射率についても他の厚さの場合に比べて１：１に最も近づけることができる。

ただ、無偏光化膜１４と金属膜１３のみだと、透過率と反射率とが１：１となる波長領域がそれほど広くない。そのため、上述のような波長帯域拡大膜１５を設けている。こうすることにより、広い波長帯域で使用できると共に、入射角度に対する依存性が小さくなる。

以上より、Λは、λ／８≦Λ≦λ／３の範囲の値であるのが好ましく、特にΛはλ／４であるのが、従来の常識とは異なり、最も好ましい。

次に実施例を示し、本発明について具体的に説明する。もちろんこの発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

本実施例においては、上述の屈折率ｎ及び厚みｄを有するビームスプリッター１を作製した（既出だが再掲する）。
透明ガラス基板 ｎ＝１．５２
１層目ＭｇＦ_２ ｎ＝１．３８ ｄ＝１００ｎｍ
２層目ＨｆＯ_２ ｎ＝１．９５ ｄ＝８０ｎｍ
３層目Ａｇ ｎ＝３．３４ ｄ＝２０ｎｍ
４層目ＭｇＦ_２ ｎ＝１．３８ ｄ＝８０ｎｍ
空気 ｎ＝１．００

なお、成膜においては、公知の方法を用いれば良く、例えば真空蒸着法やスパッタリング法が挙げられる。真空蒸着法の場合、条件としては本明細書に記載の物質を所定の厚さで成膜できる条件であれば良いが、例えば真空蒸着装置内の圧力を２×１０^−５〜５×１０^−５Ｔｏｒｒ、基板温度を３００〜３５０℃で設定する。

このビームスプリッター１を使用する場合は、図２に示すように、無偏光ハイブリッド膜１０を形成した面に入射光Ｂを入射させる。そうすると、入射角度θに応じて反射光Ｒと透過光Ｔに分光される。

図３は入射角度θ＝４５°のときの分光特性を示している。図において、Ｒは反射率、ＲＰはＰ偏光反射率、ＲＳはＳ偏光反射率、ＲＭは平均反射率、Ｔは透過率、ＴＰはＰ偏光透過率、ＴＳはＳ偏光透過率、ＴＭは平均透過率を示す。以降の図４〜図９においても同様である。

この図３に示すように、波長４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲でＳ偏光特性線とＰ偏光特性線は接近しており、４５％のレベルを中心に±１０％以内に全てが収まっていて、４５０ｎｍから６５０ｎｍにおいては、特に均一性の点でも良いデータとなっている。

また、入射角度による分光特性を見てみると、図４〜図７に示すように、０°〜５０°近辺までほとんど変化がないことが分かる。なお、図４のθ＝０°のときは偏光しないので、平均値のみを示してある。

図８は、金属膜（Ａｇ膜：膜厚ｄ＝２０ｎｍ）だけを透明ガラス基板（屈折率ｎ＝１．５２）に成膜した場合の入射角度θ＝４５°のときの分光特性を示している。図中、ＲＰはＰ偏光反射率、ＲＳはＳ偏光反射率、ＴＰはＰ偏光透過率、ＴＳはＳ偏光透過率の特性線である。

図９は、この金属膜（Ａｇ膜）の上に低屈折率誘電体膜（ＭｇＦ_２膜：膜厚ｄ＝８０ｎｍ）を付加した場合の分光特性を示す。このように金属膜の上に低屈折率誘電体膜を成膜することで、偏光成分（Ｐ偏光およびＳ偏光）を互いに接近させることができる。

次に図１０は、図８の金属膜と透明ガラス基板との間に、条件と厚みは変えてあるが、高屈折率（ｎ＝２．５５）の膜を介在させた場合の分光特性を示している。この場合は仮想的な高屈折率膜（ｎ＝２．５５）の介在による作用により、波長特性がフラットになり、広範囲の波長領域で無偏光ビームスプリッターを成立させることができる。

これらの結果から、入射角度０°±５０°の範囲では、反射率と透過比率の変化が少なく、なお且つ、Ｐ偏光特性線とＳ偏光特性線が接近していることが分かる。つまり、入射角度が振られても、透過率も反射率も変化が少なく（Ｓ／Ｐ＝５％以内）、その範囲内での光の量を変えたくない物、及び、偏光成分の影響を受けたくない物にとって、必要な性能を有していると言うことができる。

１ ビームスプリッター
２ 透明ガラス基板
１０ 無偏光ハイブリッド膜
１１ 低屈折率誘電体膜
１２ 高屈折率誘電体膜
１３ 金属膜
１４ 無偏光化膜（低屈折率誘電体膜）
１５ 波長帯域拡大膜

Claims (8)

1. 光を入射することにより光束を分割するためのビームスプリッターにおいて、
   両主表面が光学研磨加工された平板状の透明ガラス基板の一方の主表面上に、
   波長帯域拡大膜と、
   前記波長帯域拡大膜上に設けられた金属膜と、
   前記金属膜上に設けられた無偏光化膜と、
   を有し、
   前記光がビームスプリッターに入射される際、前記無偏光化膜により前記光が無偏光化され、
   前記無偏光化された光が前記金属膜に入射する際に所望の透過率及び反射率となり、
   前記金属膜を透過した光の波長における、ビームスプリッターとして使用可能な帯域が、前記波長帯域拡大膜により拡大されることを特徴とするプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
2. 前記無偏光化膜の厚さｄは、以下の式により定められる厚さであることを特徴とする請求項１に記載のプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
   ｄ＝Λ／ｎ
   但し、Λは、λ／８≦Λ≦λ／３の範囲の値であり、
   ｎ：無偏光化膜の屈折率
   λ：入射される光の波長
   である。
3. 前記Λはλ／４であることを特徴とする請求項２に記載のプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
4. 前記波長帯域拡大膜を、低屈折率ｎＬの誘電体膜と高屈折率ｎＨ（但し、ｎＨ＞ｎＬ）の誘電体膜とからなる２層とし、
   前記基板から最表面側へと数えて第１層目の膜として、低屈折率ｎＬの誘電体膜を成膜し、その第１層目の膜の上に第２層目の膜として、高屈折率ｎＨの誘電体膜を成膜し、
   前記波長帯域拡大膜の上に第３層目の膜として、所望の透過率となる厚みを有する金属膜を成膜し、
   前記金属膜の上に第４層目の膜として、前記第１層目の膜と実質的に同程度の低屈折率を有する誘電体膜を成膜したことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
5. 前記第１層目の低屈折率の誘電体膜の屈折率ｎＬは、前記透明ガラス基板の屈折率ｎＧよりも小さく、前記第２層目の高屈折率の誘電体膜の屈折率ｎＨは、前記透明ガラス基板の屈折率ｎＧよりも大きく、前記第３層目の金属膜の屈折率ｎＫは、第２層目の高屈折率の誘電体膜の屈折率ｎＨよりも大きいことを特徴とする請求項４に記載のプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
6. 前記第１層目をＭｇＦ_２、前記第２層目をＨｆＯ_２、前記３層目をＡｇ、前記４層目をＭｇＦ_２により構成したことを特徴とする請求項４又は５に記載のプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
7. 前記透明ガラス基板の他方の主表面上に反射防止膜を形成したことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
8. 光を入射することにより光束を分割するためのビームスプリッターにおいて、
   両主表面が光学研磨加工された平板状の透明ガラス基板の一方の主表面上に、
   波長帯域拡大膜と、
   前記波長帯域拡大膜上に設けられたＡｇからなる金属膜と、
   前記金属膜上に設けられたＭｇＦ_２からなる無偏光化膜と、
   を有し、
   前記波長帯域拡大膜を、ＭｇＦ_２からなる低屈折率ｎＬの誘電体膜と、前記誘電体膜上に設けられたＨｆＯ_２からなる高屈折率ｎＨ（但し、ｎＨ＞ｎＬ）の誘電体膜と、からなる２層とし、
   前記無偏光化膜の屈折率は、前記低屈折率ｎＬの誘電体膜に対して実質的に同程度又はそれより低い屈折率であり、
   前記無偏光化膜の厚さｄは、以下の式により定められる厚さであることを特徴とするプレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター。
   ｄ＝λ／（４ｎ）
   但し、
   ｎ：無偏光化膜の屈折率
   λ：入射される光の波長
   である。