TWI227796B - Polarization beam splitter and polarizer using the same - Google Patents

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1227796 ⑴ 玖、發明説明 (發明說明應敘月發月所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡草說明） 技術領域 本發明係有關於數個透明基板之間配置偏光分離膜之 偏光光束分裂益及具備該偏光光束分裂器，將自然光聚焦 成特定之偏光狀態的偏光元件。 背景技術 一般之光既非元全偏光狀態亦非完全無偏光狀態，而 係同時存在兩者狀態。因而為求獲得特定之偏光狀態，迄 今已研究出各種形態的偏光元件。 上述之偏光7C件如利用結晶之複折射的複折射型偏光 元件、利用南分子之光2色性的2色性偏光元件、及利用S 偏光之反射光的反射型偏光元件等。 而具有此種偏光元件作用的光學元件，已知有如構成 使以特定角度入射之入射光·之第一偏光的P偏光透過，將 第二偏光之S偏光反射於與透過方向不同之方向的偏光 分離元件，以透明基板之如玻璃基板夾著的偏光光束分裂 器（PBS)。 已知該偏光光束分裂器（PBS)的相關文獻數量眾多，如 「光•薄膜技術手冊增訂版」（平成4年（1992年），株式會 社OPTRONICS社發行）之302〜309頁中說明的偏光光束分 裂器。 上述文獻中，顯示有藉由交互堆疊包含高折射率材料 之高折射率層與包含低折射率材料之低折射率而構成 之薄膜疊層型的偏光分離元件。該薄膜疊層型之偏光分離 1227796

⑺ 元件係利用交互堆疊遠比折射率彼此不同之光波長為薄 之兩種薄膜（高折射率層及低折射率層）時產生之光學性 單軸異方性。 就該薄膜疊層型之偏光分離元件，入射光之基準波長 5 5 0 nm為λ〇，具有λ〇/4之光學性膜厚（光學膜厚：折射率X 厚度）之低折射率層為L，具有λ 〇/4之光學性膜厚之高折射 率層為Η時，係賦予下列公式（1)或公式（2)等所示的設計 方針。 (HL)m (1) (0.5HL0.5H)m (2) 其中，m為任意的正整數。 此外，0.5H表示具有厚度λ〇/4之高折射率層Η之0.5倍之 光學性膜厚（λ〇/8)的高折射率層。 上述各公式（1)(2)中，m通常設定在4以上。 上述薄膜疊層型之偏光分離元件係利用斜向入射時之 P偏光及S偏光之不透過帶的差異。 因而如上所述，構成以透明基板夾著重複堆疊高折射 率層Η與低折射率層L之偏光分離元件，形成立方體狀的 偏光光束分裂器。 圖25顯示一般之薄膜疊層稜鏡型偏光光束分裂器（PBS) 的剖面模式圖。 該偏光光束分裂器50之高折射率層Η與低折射率層L交 互重複堆疊而構成偏光分離元件5 2，並以透明基板5 1夾著 該偏光分離元件5 2之兩側。 1227796

P偏光直接透過偏光分離元件5 2，S偏光則在偏光分離 元件52内反射，並射向圖中斜下方。 此外，特別將對偏光分離元件之入射角度調整成4 5度 ，被反射之S偏光對入射方向形成90度之角度射出者，稱 為直角稜鏡型PBS。 圖26顯示該直角稜鏡型PBS 60的概略構造圖。 以透明基板61夾著與圖25之偏光分離元件52相同疊層 構造之偏光分離元件6 2之兩側，而構成偏光光束分裂器 (PBS) 60。入射光以45度之入射角度對偏光分離元件62 入射，S偏光對入射方向形成90度射向圖中下方。 再者，上述之使用薄膜疊層型之偏光分離元件之偏光 光束分裂器宜將對偏光分離元件之入射光的入射角形成 特定角度，主要（如圖26)形成45度。 但是，此時為求滿足所需的特性，構成偏光分離元件 之多層膜須形成多達30層以上的膜，以致總膜厚厚達4μπι 以上。 此外，高折射率層及低折射率層之基本重複圖案雖單 純，但是實際上必須詳盡地加進係數來微調各層的膜厚。 此種多層膜存在製造困難，且無法廉價供應的缺點。 此外製造成本亦高。 圖24顯示假設用於高折射率層Η之高折射率材料使用 氧化鈇，用於低折射率層L之低折射率材料使用氧化石夕， 計算重複次數m = 4之（HL)4構成之偏光分離膜之偏光分離 特性的結果。 ^ ^27796 (4) 基本上，將滿足p偏光之透過率Tp29〇%且S偏光之透過 率Ts $ 1 〇%的範圍視為可將偏光充分予以分離的區域（以 下稱可偏光分離區域）時，圖24中之可偏光分離區域的帶 寬為3 8 0 nm〜5 40 nm時，約為160 nm ,該區域並不寬。 再者，對該構造之偏光分離膜，如使用^丨“之一般光 學坡璃作為透明基板時，在入射角度58度近旁顯示最佳的 偏光分離特性，入射角度4 5度時並未顯示最佳的偏光分離 特性。 因此瞭解使用該（HL)4構造之偏光分離膜時，不易構成 高性能的P B S。 為求解決上述問題，本發明提供一種藉由單純之膜構 造與少的疊層數而具有廣帶域之偏光分離功能的廉價偏 光光束分裂器’及具備該偏光光束分裂器，並將自然光聚 焦成特定偏光狀態的偏光元件。 發明之揭示 本發明之偏光光束分裂器係使以特定角度入射之入射 光的第一偏光透過，將入射光之第二偏光反射於與透過方 向不同的方向上者，並包含基本構造膜H2L，其係包含： 對入射光具有特定折射率之光學性透明之高折射率層Η ;及比該高折射率層Η低折射率之光學性透明夕你& ^方 4 β之低折射率 層L;構成具有該基本構造膜之重複構造（H2L)m、 、或2L(H2L)m (其中m為3以上的整數）之任佃 壮何一種構造的

多層膜，並具有：偏光分離膜，其係入射光之I ϋ <暴準波長5 5 0 nm為λ〇時，高折射率層η及低折射率層LiA犯山、 j心成與λ〇/4大 1227796 (5) I— 致相等之光學性膜厚；及透明基板，其係分別配置於該偏 光分離膜之光入射面側與光射出面側者。 本發明之偏光元件具備偏光光束分裂器，其係使以特 定角度入射之入射光的第一偏光透過，將入射光之第二偏 光反射於與透過方向不同的方向上，並包含基本構造膜 H2L，其係包含：對入射光具有特定折射率之光學性透明 之高折射率層Η ;及比該高折射率層Η低折射率之光學性 透明之低折射率層L;構成具有該基本構造膜之重複構造 (H2L)m、（H2L)mH、或2L(H2L)m (其中m為3以上的整數） 之任何一種構造的多層膜，並具有：偏光分離膜，其係入 射光之基準波長550 nm為λ〇時，高折射率層Η及低折射率 層L均形成與λ〇/4大致相等之光學性膜厚；及透明基板， 其係分別配置於該偏光分離膜之光入射面側與光射出面 側；且偏光分離膜與透明基板交互堆疊而斜向切出者。 依據上述本發明之偏光光束分裂器的構造，藉由使用 與λ〇/4大致相等之光學性膜厚的高折射率層Η及低折射率 層L，構成由包含基本構造膜H2L之重複構造（H2L)m (其中 m為3以上的整數）之（H2L)m、（H2L)mH、或2L(H2L)m之任 何一種構造之多層膜構成的偏光分離膜，於廣泛之波長範 圍内可實現充分的偏光分離特性。 依據上述本發明之偏光元件的構造，藉由具備上述本 發明之偏光光束分裂器，偏光分離膜與透明基板交互堆疊 而斜向切出，藉由上述本發明之偏光光束分裂器在廣泛波 長範圍内實現充分之偏光分離特性，因此可有效叙焦成特 (6) 1227796

定的偏光狀態。 圖式之簡單說明 圖1係本發明一種實施形態之偏光光束分裂器的概略 構&圖（偏光分離膜附近的放大圖），圖2係基本構造膜之 重複人數為4時之圖1之偏光分離膜的構造圖，圖3 A係顯 不（LHL)構造之透過率的波長分布圖，圖π係顯示 (LHL)構造之反射率的波長分布圖，圖々A係顯示（H2L)4 構以之透過率的波長分布圖，圖4B係顯示（H2L)4構造之反 射率的波長分布圖，圖5A係顯示（H2L)3H構造之透過率的 波長刀布圖’圖5B係顯示（H2L)3H構造之反射率的波長分 布圖’圖6A係顯示就（LHL)4構造及（H2l)3h構造比較透過 率之波長分布圖，圖6B係顯示就（LHL)4構造及（H2L)3H構 造比較反射率之波長分布圖，圖7A係顯示（H2L)4H構造之 透過率的波長分布圖，圖7B係顯示（H2L)4H構造之反射率 的波長分布圖，圖8A係顯示（H2L)2h構造之透過率的波長 分布圖’圖8B係顯示（H2L)2H構造之反射率的波長分布圖 ’圖9A係顯示（H2L)3構造之透過率的波長分布圖，圖9B 係顯示（H2L)3構造之反射率的波長分布圖，圖10A係顯示 於（H2L)m構造中改變爪時之透過率的波長分布變化圖，圖 10B係顯示於（H2L)m構造中改變m時之反射率的波長分布 變化圖’圖1 1係顯示角度偏差時之重複次數m與P偏光之 透過率關係圖，圖12A顯示於（H2L)3H構造與2L(H2L)3構 造比較透過率之波長分布圖，圖12B顯示於（H2L)3H構邊 與2L(H2L)3構造比較反射率之波長分布圖，圖丨3夂係顯系 -12- 1227796

(H2L)3H構造之透過率之波長分布與入射角的關係圖，圖 13B係顯示（H2L)3H構造之反射率之波長分布與入射角的 關係圖，圖1 4 A係顯示2 L (Η 2 L )3構造之透過率之波長分布 與入射角的關係圖，圖14Β係顯示2L(H2L)3構造之反射率 之波長分布與入射角的關係圖，圖1 5 A係顯示（Η 2 L)4構造 之透過率之波長分布與入射角的關係圖，圖丨5 Β係顯示 (H2L)4構造之反射率之波長分布與入射角的關係圖，圖 16A係顯示（H2L)5構造之透過率之波長分布與入射角的 關係圖，圖16B係顯示（H2L)3構造之反射率之波長分布與 入射角的關係圖，圖1 7係顯示於（H2L)4H構造中，各層之 光學膜厚為（520/4)nm時之透過率的波長分布圖，圖“係 顯示於（H2L)4H構造中，各層之光學膜厚為（58〇/4) _時 之透過率的波長分布圖，圖19八係顯示（h18l)4h構造之 透過率的波長分布圖，圖19B係顯示（H18L)4H構造之反射 率的波長分布圖，圖20A係顯示（H2.2L)4H構造之透過率 的波長分布圖，圖20B係顯示（H2.2L)4H構造之反射率的波 長分布圖，圖21係顯示於（H2L)4H構造中，高折射率層之 材料上使用氧化鍅，低折射率層之材料上使用氟化鎂時的 偏光分離特性圖，其中圖2 1 A係顯示透過率的波長分布圖 ’圖21B係顯示反射率的波長分布圖。圖22係一般偏光元 件的概略構造圖，圖2 3係顯示形成入射角度4 5度用之低折 射率層、高折射率層、透明基板之折射率的關係圖，圖24 係顯示（HL)4構造之透過率的波長分布圖，圖25係薄膜疊 層稜鏡型偏光光束分裂器的概略構造圖，圖26係i角稜鏡 -13- 1227796 (8) 型P B S的概略構造圖。 實施發明之最佳形態 本發明係一種偏光光束分裂器，其係使以特定角度入 射之入射光的第一偏光透過，將入射光之第二偏光反射於 與透過方向不同的方向上，並包含基本構造膜H2L，其係 包含：對入射光具有特定折射率之光學性透明之高折射率 層Η ;及比該高折射率層Η低折射率之光學性透明之低折 射率層L;構成具有該基本構造膜之重複構造之（H2L)m、 (H2L)mH、或2L(H2L)m (其中m為3以上的整數）之任何一種 構造的多層膜，並具有：偏光分離膜，其係入射光之基準 波長550 nm為λ〇時，高折射率層Η及低折射率層L均形成 與λ〇/4大致相等之光學性膜厚；及透明基板，其係分別配 置於該偏光分離膜之光入射面側與光射出面側。 此外，本發明構成於上述偏光光束分裂器中，入射光 對偏光分離膜之入射角為45度時，以可充分偏光分離之方 式，選擇光入射面側之透明基板的折射率及光射出面側之 透明基板的折射率。 此外，本發明構成於上述偏光光束分裂器中，高折射 率層Η包含氧化欽或五氧化二銳，低折射率層L包含氧化 矽，m為3〜7的整數，光入射面側之透明基板的折射率及 光射出面側之透明基板的折射率均約為1 .7 5〜1 . 8。 本發明係一種偏光元件，其具備偏光光束分裂器，其 係使以特定角度入射之入射光的第一偏光透過，將入射光 之第二偏光反射於與透過方向不同的方向上，並包含基本 1227796 (9) 構造膜H2L，其係包含：對入射光具有特定折射率之光學 性透明之高折射率層Η ;及比該高折射率層Η低折射率之 光學性透明之低折射率層L ;構成具有該基本構造膜之重 複構造（H2L)m、（H2L)mH、或2L(H2L)m (其中m為3以上的 整數）之任何一種構造的多層膜，並具有：偏光分離膜， 其係入射光之基準波長5 5 0 nm為λ〇時，高折射率層Η及低 折射率層L均形成與λ〇/4大致相等之光學性膜厚；及透明 基板，其係分別配置於該偏光分離膜之光入射面側與光 射出面側；且偏光分離膜與透明基板交互堆疊而斜向切 出。 此外，本發明構成於上述偏光元件中，高折射率層Η包 含氧化鈦或五氧化二鈮，低折射率層L包含氧化矽，m為 3〜7的整數，光入射面側之透明基板的折射率及光射出面 側之透明基板的折射率均約為1 · 7 5〜1 . 8。 於介紹本發明之具體實施形態前，先說明本發明的概 要。 本發明係採用H2L基本構造，其包含：對入射光具有特 定折射率之光學性透明之高折射率層Η ;及比高折射率層 Η低折射率之光學性透明之低折射率層L。高折射率層Η 及低折射率層L於入射光之基準波長550 nm為λ〇時，為均 與λ 〇/4大致相等之光學性膜厚（光學性厚度或光學膜厚 :折射率X厚度）。另外，2L表示λ〇/4的2倍光學性膜厚 (λ〇/2)。 一般將λ〇/2之光學膜厚層稱為間隔層，因其對波長λ〇 1227796 (10) 之光無任何影響，故不使用於先前之PBS膜。 但是，積極地將低折射率層之膜厚形成λ〇/2= 2L時，發 現進行偏光分離之帶域寬大幅擴大，因而促成本發明。 將偏光分離膜顯示於前述公式（1)及公式（2)之構造改 成顯示於下述公式（3)之構造、顯示於公式（4)之構造、及 顯示於公式（5 )之構造中的任何一種構造。 (H2L)m (3) 2L(H2L)m (4) (H2L)mH (5) 其中，m為3以上的整數。並宜為m係3〜7範圍内的整數 ，以避免層數過多。 再者，於該偏光分離膜之光入射側及光射出側分別配 置透明基板，以構成偏光光束分裂器。 通常要求偏光光束分裂器之偏光分離膜於入射角45度 時發揮最佳的偏光分離特性。 上述之使用含（H2L)m構造而構成（以下稱（H2L)m型構造） 之偏光分離膜的偏光光束分裂器，其高折射率層Η的材料 使用氧化鈦，低折射率層L的材料使用氧化矽，透明基板 使用最普遍之折射率1.52之白板玻璃（如所謂的ΒΚ7等） 的情況下，顯示最佳偏光分離特性之入射角為5 6度。 將使用該折射率1 . 5 2之透明基板構成之偏光光束分 裂器應用在將自然光聚焦成特定之偏光狀態的偏光元件 時，因對偏光分離膜之入射角須大至5 6度，故須使偏光元 件之厚度比先前製品厚。 1227796

〇〇 因而與構成光學系統之其他光學零件的關係改變，極 可能無法獲得與先前製品的互換性。 偏光光束分裂器之偏光分離膜（PBS膜）之偏光分離特 性與入射角的關係，尤其受光入射側之透明基板的折射率 支S己。 因此，本發明於使用（H2L)m型之偏光分離膜的偏光光 束分裂器中，進一步選擇透明基板的折射率，俾能以45 度之入射角獲得充分的偏光分離，更求以45度之入射角獲 得最佳之偏光分離特性。 此時，已知在實現入射角45度用之透明基板之折射率 (nsub)與薄膜材料之折射率（nH’ nL)之間存在圖23的關係 (弓I用「生產現場之光學薄膜之設計、製作、評估技術」 ρρ· 2 5 3，技術情報協會刊，200 1 )。參考該關係，進一步 考慮實際膜之光學常數，選擇具有適切折射率之透明基板 即可。 一般可獲得之光學玻璃，除上述之折射率為n=1.52的白 板玻璃（BK7)之外，還存在具有多樣特性者，其折射率擴 大至1.44〜2.05的廣範圍。 使用（H2L)m型之偏光分離膜的偏光光束分裂器，其透 明基板之折射率與顯示最佳偏光分離特性之入射角的關 係，顯示隨提高透明基板之折射率，可以小的入射角獲得 最佳之偏光分離特性。 而高折射率層Η之材料使用氧化鈦（n=l.49，厚度 9 2 · 3 n m)，低折射率層L之材料使用氧化石夕（η = 2.4 0，厚度 1227796

(12) 57·3 nm)的情況下，使透明基板之折射率η約為1.75〜1.8 時，以入射角4 5度可獲得最佳偏光分離特性。 此種透明基板如（株）〇HARA製之S-LAH52及ΗΟΥΑ社製 之NbFD 1 2型號的光學玻螭。 另外，該材料之組成中，透明基板採用一般玻璃（折射 率約1.52)時，對膜面之偏光分離的最佳入射角約為56 度。

以下之圖3〜圖20各圖顯示的資料，只要未事先說明， 均使用該材料之組成時，亦即，低折射率層L之材料使用 氧化矽（n=1.49，L = 92.3nm)，高折射率層Η之材料使用氧 化鈦（n = 2.40，H = 57.3 nm)的情況下，在透明基板之折射 率η為1.8，入射角45度的條件下，係藉由各種計算求出者 。此等材料為不吸收者。 此時，比較上述（H2L)m型構造與具有類似構造之 (LHL)11^ 構造。

因（LHL)m型構造係構成 LH2LH2LH2L · · · H2LHL，故 主要構成要素係（H2L)的重複。 如比較以下兩種構造，顯示於圖3與圖4。圖3A及圖4A 係顯示透過率的波長分布，圖3B及圖4B顯示反射率的波 長分布。 (LHL)4= LH2LH2LH2LHL : 9層（圖 3A及圖 3B) (H2L)4 = H2LH2LH2LH2L : 8層（圖 4A及圖 4B) 比較圖3及圖4可知此等偏向分離特性大致相等。 此時，將圖4 A與先前之圖2 4比較時，可知形成偏光分 -18- 1227796

⑼ 離之波長區域大幅擴大。再者，求滿足p偏光之透過率Tp —9 0 %且S偏光之透過率Ts $ 1 〇 %的波長範圍時，為4 2 0 nm〜720 nm的約300 nm，可知大致倍增。 再者，為使（Η 2 L)4構造之對稱性良好，將2 L除去一層 而形成以下的構造。此時之透過率的波長分布顯示於圖 5A，反射率之波長分布顯示於圖5B。 (H2L)3H=H2LH2LH2LH: 7層 從圖5可知，即使形成該（H2L)3H構造，其偏向分離特 性幾乎不改變。 該構造的優點是僅比（H2L)m型少一層。 在同一圖中比較圖4所示之（LHL)4構造與圖5所示之 (H2L)3H構造，並顯示於圖6A及圖6B。 從圖6可知（H2L)3H構造雖在短波長側觀察出少許惡化 ，但是長波長側卻有寬廣範圍。 亦即，可以說（H2L)mH型構造優於（LHL)"^構造。 此外，與（LHL)4構造同樣形成9層中有（H2L)4H構造。 該（H2L)4H構造之偏向分離特性顯示於圖7A及圖7B。比較 圖3與圖7可知，（H2L)4H構造顯示優於（LHL)4構造的特 性。 另外’觀察減少m時之偏光分離特性。 就以下之（H2L)2H構造與（H2L)3構造，觀察透過率之波 長分布及反射率之波長分布，並顯示於圖8及圖9。 (H2L)2H= H2LH2LH : 5層（圖 8A及圖 8B) (H2L)3= H2LH2LH2L ·· 6層（圖 9A及圖 9B) ·

L -19-

1227796 (14) 從圖8可知5層構造係S偏光的分離不足。 從圖9可知6層構造之長波長側，S偏光透過之波長係偏 向比所需波長稍短的波長，此外，透過率之最小值雖不是 0，但是勉強可以偏向分離。 因此，m值在實用上考慮以3為下限。 其次，觀察增加m時之對於S偏光之偏光分離特性的變 化。 圖10A及圖10B分別顯示採用（H2L) H構造，使m在3〜7 間變化時之透過率之波長分布及反射率之波長分布的變 化。 從圖10可知，隨m增加，S偏光之反射區域兩端的波形 陡峭。此外，可知反射帶域寬並無大的變動。 因此，雖無須限制m的上限值，但因偏光分離獏之疊層 數愈少愈有利於生產，因此m只須約3〜5即可。 該條件下改變（H2L)m的重複次數m，觀察P偏光透過率 T p的減少程度。其結果顯示於圖1 1。 從圖1 1可知隨重複次數m增加，因入射角度偏差致使透 過率之降低量增加，與角度的關係惡化。 若允許P偏光透過率減少至80%，m的上限為7。 再者，先前顯示之（5)之（H2L)mH與（4)之2L(H2L)m的構 造等價。 此時，在同一圖中比較m = 3時之（H2L)3H = H2LH2LH2LH 與 2L(H2L)3 = 2LH2LH2LH2L，並顯示於圖 12A 及圖 12B。 -20- 1227796 (15) 從圖1 2可知兩構造具有大致相同的偏向分離特性。 (H2L)3H構造之總膜厚薄約120 nm。 另外，低折射率層L之成膜速度大於高折射率層Η之4 倍以上的情況下，亦可選擇2L(H2L)3構造。 不過與入射角之關係，兩者有差異。

以4 5度為中心，在± 3度範圍内改變入射角時之透過率 及反射率之波長分布的變化，其（H2L)3H顯示於圖13 A及 圖13B，2L(H2L)3顯示於圖14A及圖14B。 從圖13可知，（H2L)3H對於入射角之變化，入射角增加 之+側與入射角減少之一側係對稱變化。 反之，從圖14可知，2L(H2L)3對一側的入射強，對+ 側的入射弱。 因與入射角之關係其+側與一側宜對稱，因此可知 (1121〇11111構造使用方便。 其次，觀察m大小之透過率及反射率與入射角的關係變 圖15A及圖15B顯示（H2L)4構造之透過率及反射率與入 射角的關係，圖16A及圖16B顯示（H2L)5構造之透過率及 反射率與入射角的關係。 比較圖15及圖16時，可知（H2L)4之8層構造對於入射角 度之非對稱性較小。因而有層數少者其非對稱性較小的趨 勢，入射角較不易產生偏差。 從此等圖13〜圖16可以說（H2L)mH構造在實用上的便利 性最高。 -21 -

俱是，高折射率層Η之穩定性差，使高折射率層Η直接 4明基板接觸時有問題的情況下，亦須考慮在疊層構造 與逐 /兩彳則的最外層配置低折射率層L，兩側使用使低折射率 與透明基板接觸的構造。

I /般而言，疊層構造之偏光分離膜谷易發生入射角變 ¥ 而 此外 圖13及圖14所示，超過最佳的入射角時，發生本 為100%之Ρ偏光的透過率降低，偏光分離帶域偏 良影響。Ρ偏光透過率的減少量有隨薄膜之疊層 增加的趨勢。此決定m的上限。 ，空氣中之角度的偏差，於入射棱鏡之透明基 來 移 數 板 ，体據斯涅耳法則而減少。可以說這一點對透明基板之 日矛， 以#高者有利。如假設透明基板之折射率為n= 1 · 8時， 爲中偏差±3度的角度，在透明基板内則約為±1.7度。 為求使偏光分離帶域移動，只須使高折射率層Η及低折 系廣L之光學膜厚均自基準波長λ〇=550 nm的4分之1偏 (變薄或變厚）即可。具體而言，只須設定中心波長λ以 y基準波長λ〇，自其中心波長λ偏差光學膜厚λ/4即可。 _雒中心波長λ時，偏光分離帶域向短波長側偏移。增 &心波長λ時，偏光分離帶域向長波長側偏移。 力口 τ 圖顯示（H2L)4H之9層構造，將中心波長λ設定成520 nm 時，亦即，偏光分離膜之各層H，L之光學膜厚為（520/4)nm 時之透過率的波長分布。此外，圖1 8顯示將中心波長λ設 定成580 nm時，亦即，偏光分離膜之各層Η，L之光學膜 厚為（580/4)nm時之透過率的波長分布。 -22- 1227796 (Π) 1^^ 再者，藉由將高折射率層Η之膜厚及低折射率層L之膜 厚予以微妙地改變，亦可控制偏光分離特性與波長的關 係。 基本上減少膜厚時向短波長側偏移，變厚時則向長波 長側偏移。 以（H2L)4H之9層構造為例，圖19A及圖19B顯示將2L改 成1.8L時之透過率及反射率的波長分布，同樣地，圖20A 及圖20B顯示改成2.2L時。 另外，增加變更膜厚量時，可偏光分離之波長域的偏 差雖亦變大，但是可偏光分離之波長域的寬度有變窄的趨 勢。 如藉由同時變更Η與L的膜厚，H2L為基本構造時，雖 亦可能獲得類似的特性，然因構造複雜因此並非良策。 另外，圖3〜圖2 0所示的資料均係假設低折射率層L的材 料使用氧化矽，高折射率層Η的材料使用氧化鈦，並藉由 計算而求出的資料，不過，即使藉由其他前述之各種高折 射率材料及低折射率材料之組合構成偏光分離膜2，仍具 有相同的趨勢。 圖2 1 Α及圖2 1 Β顯示低折射率層L之材料使用氟化鎂，高 折射率層Η之材料使用氧化錘，形成（H2L)4H之9層構造時 之透過率及反射率的波長分布。 另外，組合該材料時，當透明基板之折射率為1 . 5 2時， 最佳入射角約為5 0度，透明基板之折射率為1 .6 2時，最佳 入射角為45度。 -23 - 1227796 os) 19^ 因而，將H2L作為基本構造膜的構成應用於偏光分離膜 ，藉由組合適切膜材料，以調整實現4 5度入射之透明基板 的折射率，可促使廣帶域化。 繼續，說明本發明的具體實施形態。 圖1係本發明一種實施形態之偏光光束分裂器的概略 構造圖（偏光分離膜附近的放大圖）。

該偏光光束分裂器1形成分別於偏光分離膜2之兩側， 亦即光入射面2 A側及光射出面2 B側配置有透明基板3 (3 A，3 B )的構造。 偏光分離膜2藉由（H2L)m型構造構成，該構造包含由前 述之低折射率層L及高折射率層Η之基本構造膜H2L構成 的重複構造（H2L)m(m為3以上的整數）亦即，形成前述之 (H2L)m、2L(H2L)m、（H2L)mH 的任何一種構造。 構成低折射率層L之低折射率材料可使用如氧化矽

(n=1.454〜1.493)及氟化鎮（n=1.38)、氟化鋰（η=1·4)、三氟 化鋁（n=1.4)、Na3AlF6(n=1.33)等。 構成高折射率層Η之高折射率材料可使用如氧化鈦 (η = 2.35 〜2.8)及五氧化二鈮（η = 2·32)、ΙΤ0 (η=1·9)、氧化 鋅（η=1·9)、氧化鈽（η=1·95)、氧化錫（η=1·95)、三氧化二 鋁（η=1.63)、三氧化二鑭（η=1·95)、氧化锆（η = 2.05)、三氧 化二釔（η=1·87)等。 如上述，低折射率層L及高折射率層Η之光學性膜厚， 形成對入射光L0之基準波長λ〇 = 550 nm為與λ〇/4 = 137.5 nm 大致相等的光學性膜厚。 · -24-

1227796 (19) 亦即，低折射率層L之材料如使用氧化矽（基準波長λ 〇 時η= 1 · 4 9 )時，低折射率層L之膜厚D 1 (參照圖3 )為9 2.3 n m 。高折射率層H之材料如使用氧化鈦（基準波長λ〇時ri = 2.40) 時，高折射率層Η之膜厚DO(參照圖3)為57.3nm。 此時，低折射率層L之2倍光學性膜厚的2 L層膜厚為 184.6 nm 0 此外，基本構造膜H2L的重複次數㈤為]以上的整數，並 宜為3〜7的整數。 其中，基本構造膜H2L之重複次數m為4之（H2L)4構造時 偏光分離膜2的構成顯示於圖2。 另外低折射率層L與高折射率層Η之折射率差愈大，偏 光分離波長帶域有變寬的趨勢。 如圖2所示，該偏光分離膜2具有自光入射面2Α側起單 純地重複四次堆疊包含高折射率層Η、第一低折射率層L 1 及第二低折射率層L2之兩層低折射率層2L的基本構造。 亦即，係自光入射面2 Α側起，依序堆疊第一基本構造 膜H2L1、第二基本構造膜H2L2、第三基本構造膜H2L3、 及第四基本構造膜H2L4的構造，基本構造上無須施加任 何修正，形成極單純的構造。 因係堆疊4個基本構造膜H2L，因此層數為8層。 m = 3，5，6，7時，同樣地亦可構成偏光分離膜2，不過 並無圖式。 亦即，以偏光分離膜2的疊層數M^2m賦予。 此外’偏光分離膜2採用2L(H2L)m構造及（H2L)mH構造 (20) 1227796 時，同樣地，亦可堆疊低折射率層L與高折射率層H以構 成偏光分離膜2。此等構造的情況下，偏光分離膜的疊層 數為 Μ = 2m+1。 而圖1構造之偏光光束分裂器1中的偏光分離如下。 包含第 偏光（如P偏光）及第二偏光（如S偏光）之入射 光L0傳導至透明基板3A内，到達偏光分離膜2的光入射面 2A，並對光入射面2A以特定之入射角θ入射。 射達偏光分離膜2之光傳導至偏光分離膜2内。 _ 第一偏光L1直接進入偏光分離膜2内，並自光射出面2B 射出，再傳導至透明基板2B内射出。 第二偏光L2在偏光分離膜2内，以特定角度對傳導方向 (透過方向）反射’並傳導至透明基板3A内射出。 另外，第二偏光L2被如圖2所示構造之多層膜的中間層 ，如第二基本構造膜H2L2與第三基本構造膜H2L3之邊界 的低折射率層2L反射。 本實施形悲、中’低折射率層L之材料如使用氧化矽，高 鲁 折射率層Η之材料如使用氧化鈦時，進一步形成透明基板 3 Α及3Β之折射率均為1.8之構造時，入射光乙〇之入射角0 ▲ =45度時，可獲得最佳的偏光分離特性。高折射率層H之 材料如使用五氧化二鈮以取代氧化鈦時亦同。 依據上述之本實施形態，藉由將H2L作為基本構造膜之 (H2L)m型構造構成偏光分離膜2，可將偏光分離膜形成單 純的膜構造。 且因重複次數m為3〜7,因此可將疊層數^心或化川 -26- 1227796

減少為6〜1 5。 因此，藉由單純之膜構造與少的疊層數M，遠比先前容 易進行成膜步驟，且可製造具有高性能的偏光分離膜2。 藉此，可實現廉價且高性能之偏光光束分裂器。 此外，低折射率層L之材料如使用氧化石夕，高折射率層 Η之材料如使用氧化鈦或五氧化二鈮時，進一步藉由使用 折射率η=1.8之玻璃作為透明基板3Α，3Β，於入射角45度 附近可實現最佳的偏光分離特性。 藉此，可構成與先前之偏光光束分裂器具有互換性構 造的偏光光束分裂器1。 另外高折射率層Η及低折射率層L之光學性膜厚宜為 λ〇/4(21：層之部分為λ〇/2)，透明基板之折射率η宜為1.8。 但是，若寬廣帶域可獲得良好之偏光分離特性，亦可 自此等值（λ〇/4及1.8)偏差若干。 上述實施形態係說明於高折射率層Η之材料使用氧化 鈦，於低折射率層L之材料使用氧化矽以形成偏光分離膜 2時，透明基板3Α及3Β的折射率為1.8，不過本發明之此 等高折射率層Η及低折射率層L材料之組合及夾著偏光分 離膜之透明基板的折射率亦可採用其他的構成。 本發明對應於高折射率層Η及低折射率層L之材料的組 合，於夾著偏光分離膜之透明基板選擇適切折射率的透明 材料，可設計對應於任何入射角之偏光光束分裂器。 再者，具備本發明之偏光光束分裂器可構成將自然光 聚焦成特定偏光狀態的偏光元件。 ‘ -27- 1227796

(22) 圖2 2顯示一般偏光元件（偏光分離轉換稜鏡）的構造。 該偏光元件4 0具有以透明基板4 2夾著偏光分離膜4 1的 剖面構造，使光線之入射角度為4 5度。具體而言，係在包 含玻璃之透明基板42上形成薄膜疊層型之偏光分離膜41 ，並重疊必要數量予以黏合，藉由以45度之角度斜向切出 而形成。

此外，於偏光元件4 0之光入射左側的一部分設有遮光 罩4 3，於光射出右側之一部分設有1 /2波長板4 4。此等遮 光罩43及1/2波長板44係對應於透明基板42及偏光分離膜 4 1之重複堆疊而周期性配置。 該偏光元件40的作用如下。 偏光分離膜4 1對於S偏光發揮反射鏡之功能，並使P偏 光直接透過。 藉此，射入偏光分離膜41之光的P偏光成分首先被分離 ，剩餘之S偏光成分藉由以偏光分離膜4 1二次反射而射 此時藉由於光入射之左側周期性設置遮光罩4 3，防止 因反射造成P偏光成分混入S偏光輸出的區域内。 此外，因P偏光與S偏光彼此不同地射達射出面，因此 需要聚焦偏光狀態。藉由周期性配置偏光轉變9 0度之相位 板的1/2波長板（λ/2板）44，僅對其中一方的偏光（圖21之S 偏光），使1/2波長板44通過，將偏光轉變90度，可將偏光 狀態聚焦成Ρ偏光。 以下說明本發明之偏光元件（偏光分離轉換棱鏡）的一 -28- 1227796 (23) 種實施形態，並應用本發明在圖22所示的偏光元件40上。 此時，藉由多層膜構成偏光元件40的偏光分離膜4 1， 該多層膜包含（H2L)m型構造，其係包含前述基本構造膜 H2L重複的（H2L)m構造。亦即，具備前述本發明之偏光光 束分裂器的構造以構成偏光元件40。 因而，藉由具備前述本發明之偏光光束分裂器的構造 而構成的偏光元件4 0，在整個寬廣波長範圍内實現充分的 偏光分離特性，因此可有效地聚焦成特定的偏光狀態。 此外，由於偏光分離膜4 1為單純之膜構造與少數的疊 層數，因此可實現廉價且高性能的偏光元件40。 本發明並不限定於上述的實施形態，只要在不脫離本 發明之要旨的範圍内，可取得其他各種構造。 依據上述本發明之偏光光束分裂器，藉由單純之膜構 造與少數的疊層數，即可實現具有寬廣帶域之偏光分離功 能的廉價偏光光束分裂器。 此外，依據本發明之偏光光束分裂器，由於在入射角 4 5度附近可獲得最佳偏光分離特性，因此可形成與先前之 偏光光束分裂器具有互換性的構造。 此外，依據本發明之偏光元件，藉由具備上述本發明 之偏光光束分裂器的構造，具有寬廣帶域的偏光分離功能 ，因此可有效的聚焦成特定偏光狀態，可實現廉價且高性 能的偏光元件。 -29- 1227796 (24) 發辨說觸續頁 圖式代表符號說明 1 偏光光束分裂器 2，4 1 偏光分離膜 3，3A，3B，42 透明基板 40 偏光元件 43 遮光罩 44 1/2波長板 L0 入射光 L 1 第一偏光 L2 第二偏光

-30

Claims (1)

1. 1227796 拾、申請專利範圍 1. 一種偏光光束分裂器，其係使以特定角度入射之入射 光的第一偏光透過，將該入射光之第二偏光反射於與 透過方向不同的方向上，其特徵為： 包含多層膜，該多層膜中含有基本構造膜H2L，其 係包含：對上述入射光具有特定折射率之光學性透明 之高折射率層Η，及比該高折射率層Η低折射率之光學 性透明之低折射率層L ;並具有該基本構造膜之重複構 造之（H2L)m、（H2L)mH、或2L(H2L)m (其中m為3以上的 整數）之任何一種構造； 且具有：偏光分離膜，其係上述入射光之基準波長 550 nm為λ〇時，上述高折射率層Η及上述低折射率層L 均形成與λ〇/4大致相等之光學性膜厚，及 透明基板，其係分別配置於上述偏光分離膜之光入 射面側與光射出面側。 2. 如申請專利範圍第1項之偏光光束分裂器，其中上述入 射光對上述偏光分離膜之入射角為45度時，以可充分 偏光分離之方式，選定上述光入射面側之上述透明基 板的折射率及上述光射出面側之上述透明基板的折射 率。 3. 如申請專利範圍第1項之偏光光束分裂器，其中上述高 折射率層Η包含Ti02或Nb205，上述低折射率層L包含 Si〇2，m為3〜7的整數，上述光入射面側之上述透明基 1227796

   板之·折射率及上述光射出面侧之上述透明基板之折射 率均約為1 7 5〜1.8。 4.種偏光元件’其特徵為具備偏光光束分裂器， Λ偏光光束为裂益係使以特定角度入射之入射光的 第一偏光透過’將該入射光之第二偏光反射於與透過 方向不同的方向上， 亚包含多層膜，該多層膜中含有基本構造膜H2L， 其係包含：對入射光具有特定折射率之光學性透明之 高折射率層Η，及比該高折射率層Η低折射率之光學性 透明之低折射率層L ;並具有該基本構造膜之重複構造 之（H2L)m、（H2L)mH、或2L(H2L)m (其中m為3以上的整 數）之任何一種構造； 且具有：偏光分離膜’其係上述入射光之基準波長 550 nm為λ〇時，上述高折射率層Η及上述低折射率層L 均形成與λ〇/4大致相等之光學性膜厚，及 透明基板，其係分別配置於上述偏光分離膜之光入 射面侧與光射出面側； 上述偏光分離膜與上述透明基板交互堆疊而斜向切 出。 5·如申請專利範圍第4項之偏光元件，其中上述高折射率 層Η包含Ti02或Nb205，上述低折射率層L包含Si〇2，m 為3〜7的整數，上述光入射面侧之上述透明基板之折射 率及上述光射出面側之上述透明基板之折射率均約為 1.75〜1.8。