JP5646284B2

JP5646284B2 - 位相子

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Publication number: JP5646284B2
Application number: JP2010245547A
Authority: JP
Inventors: 伸一郎戸田
Original assignee: KOGAKUGIKEN CORP.
Current assignee: KOGAKUGIKEN CORP.
Priority date: 2010-11-01
Filing date: 2010-11-01
Publication date: 2014-12-24
Anticipated expiration: 2030-11-01
Also published as: JP2012098471A

Description

本発明は、位相子に係り、特にレーザー光や紫外領域の光等に対しても、好適に使用することができる位相子に関する。

光の位相差制御技術の中でも、特に偏光状態の制御技術において、有機物フィルムからなる位相フィルムが知られている。位相フィルムは、有機物フィルムを引き延ばす事により発生する異方性を利用したものである。しかし、位相フィルムは安価であるが、異方性結晶からなる位相子と比較して耐熱性、耐光性などの信頼性の点で劣り、その用途が限定されるという問題点がある。

したがって、高い信頼性を必要とする光通信分野やレーザー強度の高いレーザー加工分野、ステッパーなどに代表される紫外光を光源とする光学機器には、異方性結晶を用いた位相子が用いられている。また、波長λ＝４０５ｎｍの光を用いる光記録においても、書き込み速度の高い高出力品には、異方性結晶からなる位相子を用いるのが一般的である。

ここで、位相子の特性を示す要素である位相差δは以下の式１で表される。

上記式１において、ｍは整数であり、次数を示す。例えば、ｍ＝０の場合を０次とする。ｄは位相子の厚さ、λは波長、Δｎは屈折率差（一軸性結晶の場合、Δｎ＝ｎ_ｏ−ｎ_ｅ）である。

Δｎは位相子の材料である異方性結晶の物性で決まる値であって、代表的な材料である水晶の場合、Δｎ＝０．０１程度である。そして、式１より、位相差９０°の位相子を作製する場合、波長が短くなるに従い板厚を薄くする必要がある。
上記式１にΔｎ＝０．０１を代入すると、波長λ＝４０５ｎｍであって０次の波長板としたいとき、水晶を用いた位相差９０°の位相子を作製する場合の板厚ｄは、約１０μｍになる。

したがって、水晶によって位相子を形成した場合には、所望の位相差によっては、板厚が１０μｍ程度となることがある。その結果、非常に薄い位相子となり、その取り扱いが難しくなるため、板厚を厚くすることのできる高次の波長板とする方法がある。一枚の板で構成される高次位相子は、素材が少なくて良く、接合部がないため信頼性が高いなどの利点がある。

そして、上記以外の構成としては、同一材料であって板厚の異なる異方性結晶を、それぞれの光学軸が直交するように貼り合わせる構成（すなわち、ダブルプレート）とするのが一般的である。０次ダブルプレート構造の波長板の場合、一方と他方の板厚差は約１０μｍとなるようにするが、一般的に、それぞれの板厚は、加工性や取り扱い性を考慮して、板厚の合計が約０．３〜１ｍｍ程度に設計されている。

一方、高次ダブルプレート構造の位相子は位相差の波長依存性が大きく、広い波長領域で使用したい場合には、特性を満たすことができないという不都合がある。
また、前記した式１では、考慮されていないが、位相差は位相子への光の入射角によっても変化し、一般的な位相子では、板厚の絶対厚に比例する。そして、ダブルプレート構造であっても、入射角依存性を補償することはない。

例えば、ダブルプレート構造の水晶製位相子において、波長λ＝４０５ｎｍの光に対して板厚が０．３ｍｍの場合、入射角が１０°であるときは位相差が約１７°変化する。また、板厚が１．０ｍｍの場合、入射角が１０°であるとき、約５５°変化する。

したがって、位相子に対して入射光が垂直に入射する場合、すなわち、垂直入射で使用する場合、ダブルプレート構造を採用することができるが、斜入射で使用する場合、または、集光光、発散光で使用する場合には、ダブルプレート構造の位相子は適していない。したがって、入射角依存性がある位相子を集光光、発散光で使用するためには、光線を平行にするために位相子の前後にレンズを配設し、光の入射角を垂直にする必要がある。その結果、装置が大型化するという問題点があった。

これに対し、異常光屈折率ｎ_ｅと常光屈折率ｎ_ｏが、ｎ_ｅ＞ｎ_ｏである材料と、ｎ_ｅ＜ｎ_ｏである材料を組み合わせた構成の位相子が提案されている。例えば、特許文献１には、上記関係を満たす第１の複屈折結晶及び第２の複屈折結晶を組み合わせた結晶性の位相子が開示されている。

また、結晶性位相子以外にも、薄膜状の位相フィルムが提案されている（例えば、非特許文献１乃至３）。
非特許文献１乃至３に記載された位相フィルムは、特に液晶パネルの高視野化のために用いられるものであり、二軸性材料の屈折率をｎｚ＞ｎｙ＞ｎｘとするとき、以下の式２を満たすように設計されている。

上記式２の関係を満たす物性を備えた材料で構成された位相子は、位相差の入射角依存性が小さくなる。また、上記の結晶性位相子と異なり、二種類の材料を用いる必要がなく、構成が簡単である。したがって、ダブルプレート構造、単板構造のいずれにおいても使用することが可能である。

特開２００２−１３９７０３号公報

ＫＯＮＩＣＡＭＩＮＯＬＴＡＴｅｃｈ．Ｒｅｐ．，Ｖｏｌ３．１３３頁〜１３６頁（２００６）．ＫＯＮＩＣＡＭＩＮＯＬＴＡＴｅｃｈ．Ｒｅｐ．，Ｖｏｌ５．１０７頁〜１１０頁（２００８）．東ソー研究・技術報告第４８巻（２００４）２３頁〜２９頁．ＥｌｅｍｅｎｔｓｏｆＯｐｔｉｃａｌＭｉｎｅｒａｌｏｇｙＶｏｌ．２，Ａ．Ｎ．Ｗｉｎｃｈｅｌｌ，ＪＯＨＮＷＩＬＥＹ＆ＳＯＮＳ，ＩＮＣ．（１９５１）．

特許文献１に記載された結晶性位相子は、組み合わせる材料の平均的な屈折率が一致している場合、位相差の入射角依存性を低減することが可能である。しかし、結晶を用いた構成の場合、平均屈折率ｎがほぼ同一で、常光屈折率ｎ_ｏと異常光屈折率ｎ_ｅの大小のみが異なる材料を選ぶ必要があり、二種類の素材を用いるため高価になるという問題点がある。また、一般的なダブルプレート位相子では補償される位相差の入射角依存性が必ずしも補償されないという問題点がある。

非特許文献１乃至３に記載された位相フィルムは、主として有機物によって構成されている。そして、有機物からなる高ＮＡ位相子は、主として液晶パネルの高視野化のために用いられるのが一般的である。しかし、有機物は耐熱性や耐光性が低いため、高出力レーザーを使う場合、紫外光光源を用いる場合などにおいて、安定して使用することが難しく、信頼性を欠くという問題点がある。

本発明の目的は、入射角依存性が低く、且つ高い耐熱性及び耐光性を備えた位相子を提供することにある。また、本発明の他の目的は、簡単な構成で、安価に製造可能な位相子を提供することにある。

前記課題は、入射光を透過させ、該入射光に対して平行に出射される出射光の位相を制御する位相子であって、前記入射光の進行方向に隣接して配設されると共にオプティカルコンタクトによって接合され、異なる厚さを有する第１結晶及び第２結晶から構成され、前記第１結晶及び前記第２結晶は、前記第１結晶及び前記第２結晶において、互いに直交する方向をそれぞれｘ方向、ｙ方向、ｚ方向とし、前記ｘ方向の屈折率をｎｘ、前記ｙ方向の屈折率をｎｙ、前記ｚ方向の屈折率をｎｚとし、ｎｚ＞ｎｙ＞ｎｘを満たすと共に前記ｙ方向が前記入射光の垂直入射方向に沿うように前記ｘ方向、前記ｙ方向、前記ｚ方向を定めたときに、０．６≦（ｎｙ−ｎｘ）／（ｎｚ−ｎｙ）≦１．５を満たす二軸性結晶から構成され、該二軸性結晶は、無機物からなること、により解決される。

このように、位相子の構成材料として、屈折率に基づく上記の式、すなわちｎｚ＞ｎｙ＞ｎｘ及び０．６≦（ｎｙ−ｎｘ）／（ｎｚ−ｎｙ）≦１．５を満足する無機物からなる二軸性結晶を用いて、さらに二軸性結晶におけるｙ方向と入射光の垂直入射方向（二軸性結晶において光が入射する面に対して垂直な方向、位相子の研磨面の法線方向）を略平行に設定することにより、位相子を透過する光の位相差変化量の入射角依存性を低減させることができる。そして、（ｎｙ−ｎｘ）／（ｎｚ−ｎｙ）の値を０．６以上１．５以下にすることにより、従来の水晶製位相子よりも位相差変化量の入射角依存性を低減させることができる。その結果、位相子が設置される装置において光路設計時の自由度が向上する。また、位相子の前後に光路を調整するレンズ等を配設する必要がないため、光路を制御する構成、すなわち位相子を含む装置全体が大型化することなく好適である。
また、無機物は有機物と比較してレーザーに対する耐性が高く、また、その耐熱性は１０００〜２０００℃程度であり、非常に高い耐熱性を備えている。したがって、無機材料で構成された位相子は、有機物によって構成された位相フィルムと比較して、耐熱性及び耐光性が飛躍的に向上することから、高出力のレーザー光や紫外領域の光等にも使用可能である。その結果、信頼性が高く、使用用途の広い位相子とすることができる。
さらに、無機物からなる二軸性結晶によって構成される位相子は、結晶を研磨するだけで製造可能である。したがって、位相子の製造時、複数の薄膜を積層させたり、フィルムを延伸させたりする等の複雑な工程を経ることがない。したがって、製造工程も簡素化することが可能である。

また、オプティカルコンタクトによって厚さ（入射光の進行方向に平行な幅）の異なる二枚の二軸性結晶を接合することにより、その厚さの差分に依存して位相差を制御することができる。
第１結晶のみを用いた構成、すなわち単板構造の位相子とした場合、所望の位相差によっては位相子が非常に薄くなることがある。このように、位相子が薄くなりすぎ、取り扱いが難しい場合は、上記のように、第１結晶及び第２結晶を入射光の進行方向に並べて接合することにより、適当な厚さ、且つ所望の位相差で制御可能な位相子とすることができる。
また、オプティカルコンタクトにより第１結晶及び第２結晶をそれぞれの結晶のｙ方向を一致させ、且つ光学軸が直交するように接合する構成であるため、接着剤等を用いることがない。したがって、入射光を吸収することなく、高い透過率で透過させることができる。

さらに、前記課題は、入射光を透過させ、該入射光に対して平行に出射される出射光の位相を制御する位相子であって、前記入射光の進行方向に離間して配設され、異なる厚さを有する第１結晶及び第２結晶から構成され、前記第１結晶及び前記第２結晶は、前記第１結晶及び前記第２結晶において、互いに直交する方向をそれぞれｘ方向、ｙ方向、ｚ方向とし、前記ｘ方向の屈折率をｎｘ、前記ｙ方向の屈折率をｎｙ、前記ｚ方向の屈折率をｎｚとし、ｎｚ＞ｎｙ＞ｎｘを満たすと共に前記ｙ方向が前記入射光の垂直入射方向に沿うように前記ｘ方向、前記ｙ方向、前記ｚ方向を定めたときに、０．６≦（ｎｙ−ｎｘ）／（ｎｚ−ｎｙ）≦１．５を満たす二軸性結晶から構成され、該二軸性結晶は、無機物からなること、により解決される。

このように、厚さ（入射光の進行方向に平行な幅）の異なる二枚の二軸性結晶を、それぞれの結晶のｙ方向が一致すると共に、光学軸が直交するように互いに離間して配設することにより、その厚さの差分に依存して位相差を制御することができる。
また、第１結晶と第２結晶とを離間して配設する構成であるため、本構成の位相子は、接合面を持たない。したがって、高出力のレーザー光に対して用いた場合であっても、損傷することなく長時間使用することができる。

また、上記の位相子において、前記二軸性結晶は、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶であると好ましい。
Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶は、ｎｚ＞ｎｙ＞ｎｘ、０．６≦（ｎｙ−ｎｘ）／（ｎｚ−ｎｙ）≦１．５を満たす二軸性結晶である。そして、融点は１８９０℃であるため、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶によって構成された位相子は、高い耐熱性を備える。さらに、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶は、他の無機物の二軸性結晶と比較して、工業的に育成可能であり、結晶成長により良好且つ大型の結晶を得ることができる。したがって、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶からなる位相子は、大型化が容易であり、且つ透明であるため、位相子を構成する材料としてＭｇ_２ＳｉＯ_４単結晶は特に好適である。

本発明の位相子は、上記構成からなることにより、位相差変化量の入射角依存性を効果的に低減することができる。したがって、集光光や発散光においても用いることができ、光路設計時の自由度が向上する。さらに、本発明の位相子は、無機物の二軸性結晶によって構成されているため、高い耐熱性及び耐光性を備えている。その結果、有機物によって構成される位相フィルムでは対応することができなかったレーザー光や紫外領域の光等に対し、好適に使用することができる。
また、本発明の位相子は、複数枚を組み合わせた構成であるから、構成が簡単であり、安価に製造可能である。

本発明の実施形態又は参考例に係る位相子及び水晶製位相子における入射角と位相差変化量との関係を示すグラフ図である。参考例１に係る位相子の構成を表す説明図である。参考例１の位相子及び水晶製位相子における入射角と位相差変化量との関係を示すグラフ図である。本発明の実施例１に係る位相子の構成を表す説明図である。本発明の実施例１の位相子及び水晶製位相子における入射角と位相差変化量との関係を示すグラフ図である。本発明の実施例２の位相子及び水晶製位相子における入射角と位相差変化量との関係を示すグラフ図である。本実施例の他の実施形態に係る位相子の構成を表す説明図である。

以下、本発明の一実施形態について、図を参照して説明する。なお、以下に説明する構成等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。

図１乃至図７は本発明又は参考例の位相子及び比較対象となる水晶製位相子に係るもので、図１は本発明の実施形態又は参考例に係る位相子及び水晶製位相子における入射角と位相差変化量との関係を示すグラフ図、図２は参考例に係る位相子の構成を表す説明図、図３は参考例の位相子及び水晶製位相子における入射角と位相差変化量との関係を示すグラフ図、図４は本発明の実施例１に係る位相子の構成を表す説明図、図５は本発明の実施例１の位相子及び水晶製位相子における入射角と位相差変化量との関係を示すグラフ図、図６は本発明の実施例２の位相子及び水晶製位相子における入射角と位相差変化量との関係を示すグラフ図、図７は本実施例の他の実施形態に係る位相子の構成を表す説明図である。なお、本明細書中、「垂直入射方向」とは、二軸性結晶に対して光が入射する面に対して略垂直な方向を示すものである。

一般に、位相子を構成する材料としては一軸性の結晶が用いられている。一軸性の結晶では、互いに直交する方向をｘ方向、ｙ方向、ｚ方向とすると、ｘ方向の光の屈折率（ｎｘ）とｙ方向の光の屈折率（ｎｙ）が同じで、ｚ方向の光の屈折率（ｎｚ）が異なっている。位相子に対し、ｚｙ平面上で入射する斜入射光線の位相差は、入射角方向（ｚ軸とｙ軸との間）の屈折率と、ｘ方向の屈折率（ｎｘ）との差に依存する。また、ｘｙ平面上で入射する斜入射光線の位相差は、入射角方向（ｘ軸とｙ軸との間）の屈折率と、ｚ方向の屈折率（ｎｚ）との差に依存する。したがって、一軸性の結晶では、位相差の入射角依存性を低減することはできない。

しかし、二軸性の結晶において、互いに直交する方向をｘ方向、ｙ方向、ｚ方向とすると、ｎｘ，ｎｙ，ｎｚが全て異なるため、条件により、位相差を制御することができる。その結果、入射角依存性を低減させることができる。そして、入射角依存性が低減する条件は、ｎｚ＞ｎｙ＞ｎｘのとき、以下の式３によって表される。

式３は、上記式１と等価である。

そして、本発明の位相子は、ｎｚ＞ｎｙ＞ｎｘのとき、以下の式４で表されるＮの値が、０．６以上１．５以下である二軸性結晶により構成される。そして、入射光の垂直入射方向はｙ方向と略平行となる（略一致する）ように設計される。

本実施形態の位相子について、図１乃至図７を参照して説明する。
上記式４を満たす結晶によって構成される位相子と、水晶製位相子とにおける入射角依存性の計算値による比較を図１に示す。

図１は、入射角が０°から２５°まで変化した場合の位相差変化量、すなわち位相差変化量の入射角依存性を示している。
図１より、一般に用いられる水晶製位相子と比較して、上記式４に示すＮの値が０．６以上１．５以下である位相子は、入射角の変化量に対する位相差変化量が小さいことが示されている。すなわち、位相子において、Ｎの値が０．６以上１．５以下の時、一般に用いられる水晶製位相子よりも入射角依存性が小さく、好適である。また、Ｎの値が１．０である場合は、位相差変化量の入射角依存性が極めて小さく、特に好適である。

一方、Ｎの値が０．６未満の時（具体的には、Ｎの値が０．３の時）、及びＮの値が１．５よりも大きい場合（具体的にはＮの値が２．０の時）は、図１に示すように、水晶と比較して位相差変化量の入射角依存性が大きくなるため不適当である。このように、Ｎの値は極めて小さい値や極めて大きい値、より詳細には０．６よりも小さい値や１．５よりも大きい値であると、不適当であり、０．６以上、１．５以下であると水晶よりも入射角依存性が低減するため、好ましいことが図１より示された。

そして、Ｎの値が上記範囲であり、無機物からなる二軸性結晶性材料としては、Ａｌ_２ＳｉＯ_５（アンダルサイト、Ｎ＝０．８）、Ａｌ_２ＳｉＯ_５（カイヤナイト、Ｎ＝１．１４）、ＢａＡｌ_２Ｓｉ_２Ｏ_８（Ｎ＝０．８６）、ＢａＢｅ_２Ｓｉ_２Ｏ_７（Ｎ＝１）、ＢａＹ_２Ｆ_８（Ｎ＝０．７４）、Ｂｅ_２ＢＯ_３Ｆ（Ｎ＝０．８０）、Ｃａ（ＩＯ_３）_２（Ｎ＝１）、Ｃａ_５Ａｌ_６Ｏ_１４（Ｎ＝０．６７）、ＣａＡｌＢＯ_４（Ｎ＝０．９３）、ＣａＢ_２Ｓｉ_２Ｏ_８（Ｎ＝１．５）、ＣａＢ_３Ｏ_５Ｆ（Ｎ＝１．４１）、ＣａＭｇＡｓＯ_４Ｆ（Ｎ＝１．３３）、ＣａＭｇＳｉＯ_４（Ｎ＝１．３３）、ＣａＳｎＳｉＯ_５（Ｎ＝１．２７）、ＣａＺｎＳｉＯ_４（Ｎ＝０．７５）、ＣｓＢ_３Ｏ_６（Ｎ＝１．０７）、ＨｇＣｌ_２（Ｎ＝１．２６）、ＨＩＯ_３（Ｎ＝０．８７）、ＫＡｌＳｉ_３Ｏ_８（Ｎ＝０．６７）、ＫＬａＰ_４Ｏ_１２（Ｎ＝１）、Ｌａ_２Ｂｅ_２Ｏ_５（Ｎ＝０．８９）、Ｌｉ_３ＰＯ_４（Ｎ＝０．７８）、ＬｉＡｌＳｉ_２Ｏ_６（Ｎ＝１）、ＬｉＡｌＳｉ_４Ｏ_１０（Ｎ＝１）、ＬｉＶＯ_３（Ｎ＝０．７５）、Ｍｇ_２Ｂ_２Ｏ_５（Ｎ＝１．３９）、Ｍｇ_３Ｂ_７Ｏ_１３Ｃｌ（Ｎ＝０．６７）、Ｍｇ_４Ａｌ_８Ｓｉ_２Ｏ_２０（Ｎ＝１）、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト、Ｎ＝０．８４）、ＭｇＭｏＯ_４（Ｎ＝１）、Ｎａ_２ＭｇＡｌＦ_７（Ｎ＝１）、ＮａＡｌ（ＰＯ_４）Ｆ（Ｎ＝０．８２）、ＮａＳｒ_３Ａｌ_３Ｆ_１６（Ｎ＝１．３３）、ＰｂＯ（Ｎ＝１）、ＰｂＳｅＯ_４（Ｎ＝１）、ＲｂＮｂＢ_２Ｏ_６（Ｎ＝０．８３）、ＴｅＯ_２（Ｎ＝１．０６）、Ｙ_２ＭｇＢｅ_２Ｓｉ_２Ｏ_１０（Ｎ＝１）、Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７（Ｎ＝１．１７）等が挙げられる。

そして、位相子として安定して機能するためには、潮解性、劈開等の性質を備えていない材料によって構成されていると好ましい。潮解性や劈開等の性質を備えた結晶を位相子として使用すると、使用環境によっては結晶が崩壊したり、割れたりするため、安定して保持されず、信頼性を保持するのが難しい。

また、潮解性や劈開等、崩壊しやすい性質を備えていなくても、毒性の高い材料からなる位相子は、その加工時等、作業者の健康に悪影響を及ぼすため好ましくない。一般に、位相子は、主に結晶を研磨することによって加工されるため、その際に生じる粉塵を作業者が吸引してしまう虞がある。したがって、位相子を構成する結晶は、毒性の低い物質を用いるのが好ましい。

したがって、上記式４に示されるＮの値が０．６以上１．５以下であり、且つ潮解性や劈開等の崩壊しやすい性質を備えず、さらに毒性が極めて低い二軸性結晶材料として、本発明の位相子には、Ａｌ_２ＳｉＯ_５（アンダルサイト）、ＢａＹ_２Ｆ_８、Ｃａ_５Ａｌ_６Ｏ_１４、ＣａＡｌＢＯ_４、ＣａＢ_２Ｓｉ_２Ｏ_８、ＣａＢ_３Ｏ_５Ｆ、ＣａＭｇＳｉＯ_４、ＣａＳｎＳｉＯ_５、ＣａＺｎＳｉＯ_４、ＫＬａＰ_４Ｏ_１２、Ｌａ_２Ｂｅ_２Ｏ_５、ＭｇＭｏＯ_４、ＮａＡｌ（ＰＯ_４）Ｆ、Ｙ_２ＭｇＢｅ_２Ｓｉ_２Ｏ_１０、Ｙ_２Ｓｉ_２Ｏ_７、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）を用いるのが好ましい。

そしてさらに、上記材料の中でも、Ｎの値が１に近く、加工及び入手の容易性や、比較的大型化が可能である等の点から、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）を用いるのが特に好ましい。Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）は、工業的に育成可能な二軸性結晶であり、大型且つ透明なものを入手することができる。なお、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４（フォルステライト）は、ｎｘ＝１．６３５、ｎｙ＝１．６５１、ｎｚ＝１．６７０であり、ｎｙ−ｎｘ＝０．０１６、ｎｚ−ｎｙ＝０．０１９である。なお、上記屈折率の値は非特許文献４（ＥｌｅｍｅｎｔｓｏｆＯｐｔｉｃａｌＭｉｎｅｒａｌｏｇｙＶｏｌ．２，Ａ．Ｎ．Ｗｉｎｃｈｅｌｌ，ＪＯＨＮＷＩＬＥＹ＆ＳＯＮＳ，ＩＮＣ．（１９５１））から引用した値である。

また、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４の融点は１８９０℃であり、これに対し、従来の有機物からなる位相フィルムの融点は約２００℃程度である。したがって、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶からなる位相子は、高い耐熱性を備えているため、高い信頼性を有し、安定して機能する。

このように、無機物は有機物と比較してレーザーに対する耐性が高く、約１００〜１０００倍のレーザー損傷閾値を備えている。また、無機物の耐熱性は約１０００〜２０００℃であるため、無機物からなる位相子は、高い耐熱性を備えているため、高い信頼性を備えている。

（参考例：０次単板構造）
参考例において、位相子１００は、図２に示すように、二軸性結晶であるＭｇ_２ＳｉＯ_４単結晶１０によって構成されており、入射光Ｉの垂直入射方向（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶１０における光が入射する面、すなわち研磨面と略垂直な方向）とＭｇ_２ＳｉＯ_４単結晶１０におけるｙ方向が略平行になる（略一致する）ように配設されている。換言すると、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶１０において入射光Ｉが入射する位相子１００の面（研磨面）の法線と、ｙ方向が略一致するように配設されている。なお、符号Ｉ´は出射光を示す。
単板構造の位相子１００において、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶１０による位相子１００と、比較対象である水晶製位相子における位相差変化量の入射角依存性（計算値による）を図３に示す。なお、図３には、０次単板構造であり、波長λ＝４０５ｎｍで、位相差が９０°（π／２）の時、すなわちλ／４板である厚さ１０μｍの位相子における位相差変化量の入射角依存性を示す。

その結果、水晶製位相子と比較して、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶１０による位相子１００の方が、約１０倍も入射角依存性が小さいことが示された。例えば、入射角が４０°の時の位相差変化量は、水晶製位相子が約８．２°であるのに対し、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶製位相子は、約０．８°であった。したがって、単板構造の位相子１００において、一般的に用いられる水晶製位相子と比較して、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶製位相子は、位相差変化量の入射角依存性が極めて小さく、幅広い入射角に対応可能であることが示された。

また、このように、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶１０の単板によって構成された位相子１００とすると、構成が簡単であり、材料を組み合わせる必要がないため、比較的安価に製造することができる。

（実施例１：０次ダブルプレート構造）
実施例１において、位相子２００は、図４に示すように、二軸性結晶であるＭｇ_２ＳｉＯ_４単結晶（第１結晶２０、第２結晶３０）によって構成されており、入射光Ｉの垂直入射方向と第１結晶２０、第２結晶３０におけるｙ方向が略平行になるように配設されている。換言すると、第１結晶２０、第２結晶３０において入射光Ｉが入射する位相子２００の面（研磨面）の法線と、ｙ方向が略一致するように配設されている。そして、第１結晶２０及び第２結晶３０は、それぞれの結晶のｘ方向及びｚ方向が直交するように構成されている。すなわち、第１結晶２０におけるｘ方向（ｘ軸）と、第２結晶３０におけるｘ方向（ｘ軸）は互いに直交し、第１結晶２０におけるｚ方向（ｚ軸）と、第２結晶３０におけるｚ方向（ｚ軸）は互いに直交する関係になっている。なお、符号Ｉ´は出射光を示す。
ダブルプレート構造の位相子において、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶である第１結晶２０及び第２結晶３０による位相子２００の各平面上における位相差変化量の入射角依存性（計算値による）と、比較対象である水晶製位相子における位相差変化量の入射角依存性（計算値による）を図５に示す。なお、図５には、０次ダブルプレート構造であり、波長λ＝４０５ｎｍで、位相差が９０°（π／２）の時、すなわちλ／４板である厚さ１ｍｍの位相子における位相差変化量の入射角依存性を示す。
ダブルプレート構造とは、上記のように、同一材料であって板厚の異なるＭｇ_２ＳｉＯ_４単結晶からなる第１結晶２０及び第２結晶３０を、入射光Ｉの進行方向において隣接させ、それぞれの光学軸が直交するように貼り合わせる構成である。このようなダブルプレート構造の位相子２００を形成する際、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶である第１結晶２０及び第２結晶３０は、互いにオプティカルコンタクトにより接合されると好ましい。

その結果、図５に示すように、水晶製位相子と比較して、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶である第１結晶２０及び第２結晶３０による位相子２００の方が、約４倍以上も入射角依存性が小さいことが示された。例えば、入射角が１８°の時の位相差変化量は、水晶製位相子が約１７２°であるのに対し、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶製位相子２００は、ｘｙ平面上において約４０°、ｙｚ平面上において約３１°であった。したがって、単板構造だけでなく、ダブルプレート構造においても、一般的に用いられる水晶製位相子と比較して、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶製位相子２００は、位相差変化量の入射角依存性が極めて小さく、幅広い入射角に対応可能であることが示された。

また、このように、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶である第１結晶２０及び第２結晶３０をオプティカルコンタクト等の手法を用いて貼り合わせた構成の位相子２００とすると、板厚の差分に依存して位相差を制御することができる。したがって、単板構造の場合において、その用途により板厚が薄くなりすぎる場合は、ダブルプレート構造とし、適宜扱いやすい厚さに調整可能である。

また、水晶製位相子と比較して、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶である第１結晶２０及び第２結晶３０による位相子２００では、何れの平面上においても、入射角依存性が約３〜４倍程度小さいことが示された。例えば、入射角が１５°の時の位相差変化量は、水晶製位相子が約１２２°であるのに対し、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶製位相子２００のｘｙ平面上における位相差変化量は、約２７°、ｙｚ平面上における位相差変化量は２２°であった。したがって、ダブルプレート構造の位相子において、一般的に用いられる水晶製位相子と比較して、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶製位相子２００は、各平面上で位相差の入射角依存性は異なるが、何れの平面上であっても位相差変化量の入射角依存性が極めて小さく、幅広い入射角に対応可能であることが示された。

（実施例２：高次単板構造）
実施例２の位相子は、上記実施例１の位相子１００と厚さが異なることを特徴としている。厚さ以外の構成について、実施例１の位相子１００と同様であるため、構成の詳細な説明は省略する。
第１結晶のみからなる単板構造の位相子において、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶による位相子と、比較対象である水晶製位相子における位相差変化量の入射角依存性（計算値及び測定値による）を図６に示す。なお、図６には、高次単板構造であり、波長λ＝４０５ｎｍで、位相差が３３３０°（３６０°×９＋９０°）の時、すなわちλ／４板である厚さ約０．１ｍｍのＭｇ_２ＳｉＯ_４単結晶からなる位相子における位相差変化量の入射角依存性を示す。また、図６には、高次単板構造であり、波長λ＝４０５ｎｍで、位相差が８１０°（３６０°×２＋９０°）の時、すなわちλ／４板である厚さ約０．１ｍｍの水晶からなる位相子における位相差変化量の入射角依存性を示す。なお、図６中、点で示される値は測定値、線で示される値は計算値を示している。

その結果、計算値と測定値の位相差変化量の入射角依存性はほぼ一致しており、水晶製位相子と比較して、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶による位相子の方が、約２．９倍以上、入射角依存性が小さいことが示された。例えば、入射角が４０°の時の位相差変化量は、水晶製位相子が約７７°（計算値）であるのに対し、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶製位相子は、約２７°（計算値）であった。したがって、計算値だけでなく、測定値においても、一般的に用いられる水晶製位相子と比較して、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４結晶製位相子は、位相差変化量の入射角依存性が極めて小さく、幅広い入射角に対応可能であることが示された。

なお、上記位相差変化量の入射角依存性の測定は、以下のようにして行った。
λ＝４０５ｎｍの光源を用い、上記構成のＭｇ_２ＳｉＯ_４単結晶及び水晶からなる位相子サンプルをそれぞれ回転台の上に設置し、位相子サンプルを回転させることで入射角を変化させながら回転偏光子法で位相差測定を行った。そして、垂直入射の場合を入射角＝０°、垂直入射における位相差を基準とし、垂直入射から入射角を変化させたときの位相差の変化量を位相差変化量とした。

（その他の実施形態）
上記実施例１において示した第１結晶２０及び第２結晶３０からなるダブルプレート構造の位相子２００において、位相差は０次でなく、高次としても良い。
また、上記のように、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶１０の単板からなる構成（単板構造）の位相子１００や、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶である第１結晶２０及び第２結晶３０を光学軸が互いに直交するように貼り合わせる構成（ダブルプレート構造）の位相子２００以外にも、二枚のＭｇ_２ＳｉＯ_４単結晶である第１結晶４０及び第２結晶５０を、入射光の進行方向に離間して配設し、空気間隙を隔てて平行に並べた構成（エアギャップ構成）の位相子３００とすることができる（図７参照）。

エアギャップ構成の位相子３００は、入射光Ｉの垂直入射方向と第１結晶４０、第２結晶５０におけるｙ方向が略平行（略同一方向）になるように配設されている。換言すると、第１結晶４０、第２結晶５０において入射光Ｉが入射する位相子３００の面（研磨面）の法線と、ｙ方向が略一致するように配設されている。そして、第１結晶４０及び第２結晶５０は、それぞれの結晶のｘ方向及びｚ方向が直交するように構成されている。すなわち、第１結晶４０におけるｘ方向（ｘ軸）と、第２結晶５０におけるｘ方向（ｘ軸）は互いに直交し、第１結晶４０におけるｚ方向（ｚ軸）と、第２結晶５０におけるｚ方向（ｚ軸）は互いに直交する関係になっている。

オプティカルコンタクトによってＭｇ_２ＳｉＯ_４単結晶である第１結晶２０及び第２結晶３０を接合する構成とは異なり、エアギャップ構成とした位相子は、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶である第１結晶４０及び第２結晶５０同士の接合面がないため、特に高出力レーザーに対しても損傷しにくく、好適である。また、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶である第１結晶４０及び第２結晶５０を設置する際の接着剤等を用いることがないため、位相子３００において光が吸収されることなく、特に好適である。

なお、上記実施形態ではＭｇ_２ＳｉＯ_４単結晶の構成（単板構造、ダブルプレート構造等）について説明したが、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶の周縁に、位相子１００，２００，３００を装置等の所定位置に保持するためのホルダが取り付けられていても良い。

本発明の位相子は、上記のように、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶によって形成されている。そして、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶は、上記式４で表されるＮの値が０．６以上１．５以下であるため、位相差変化量の入射角依存性が小さく、また、有機フィルム等と異なり、耐熱性や耐光性が高いため、信頼性の高い透過型位相子を構成する材料として特に好適である。

また、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶によって形成された位相子は、入射角依存性が低いだけでなく、潮解性や劈開等の性質を備えていないため強度が高く、安定して機能する。さらに、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４は毒性が極めて低いので、環境に対する影響を低減することができ、安全性の高い位相子を提供することができる。

さらにまた、本発明の位相子は、位相子を製造するために複数の薄膜を積層させる等の複雑な構成ではなく、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶からなる位相子である。したがって、位相子の製造時、製造工程が煩雑となることがなく、その結果、歩留まり良く位相子を製造することができる。

本発明の位相子によれば、従来位相フィルムでは対応できなかった高出力のレーザー光や紫外領域の光等に対しても好適に使用することができる。したがって、本発明の位相子は、光ピックアップ光学系に組み込むことにより、例えば音響映像機器分野において、ＣＤやＤＶＤ等の光ディスク媒体の再生・記録装置の小型化が可能になるだけでなく、さらに、光通信分野、測定機器分野等、さまざまな分野において好適に用いられる。さらに、本発明の位相子は、半導体レーザー励起レーザーの励起光に対して用いることにより、励起光の偏光制御を高い信頼性で行うことができる。

１００，２００，３００位相子
１０，２０，４０第１結晶（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶）
３０，５０第２結晶（Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶）
Ｉ入射光
Ｉ´ 出射光

Claims

入射光を透過させ、該入射光に対して平行に出射される出射光の位相を制御する位相子であって、
前記入射光の進行方向に隣接して配設されると共にオプティカルコンタクトによって接合され、異なる厚さを有する第１結晶及び第２結晶から構成され、
前記第１結晶及び前記第２結晶は、前記第１結晶及び前記第２結晶において、互いに直交する方向をそれぞれｘ方向、ｙ方向、ｚ方向とし、前記ｘ方向の屈折率をｎｘ、前記ｙ方向の屈折率をｎｙ、前記ｚ方向の屈折率をｎｚとし、
ｎｚ＞ｎｙ＞ｎｘを満たすと共に前記ｙ方向が前記入射光の垂直入射方向に沿うように前記ｘ方向、前記ｙ方向、前記ｚ方向を定めたときに、
０．６≦（ｎｙ−ｎｘ）／（ｎｚ−ｎｙ）≦１．５
を満たす二軸性結晶から構成され、該二軸性結晶は、無機物からなることを特徴とする位相子。
入射光を透過させ、該入射光に対して平行に出射される出射光の位相を制御する位相子であって、
前記入射光の進行方向に離間して配設され、異なる厚さを有する第１結晶及び第２結晶から構成され、
前記第１結晶及び前記第２結晶は、前記第１結晶及び前記第２結晶において、互いに直交する方向をそれぞれｘ方向、ｙ方向、ｚ方向とし、前記ｘ方向の屈折率をｎｘ、前記ｙ方向の屈折率をｎｙ、前記ｚ方向の屈折率をｎｚとし、
ｎｚ＞ｎｙ＞ｎｘを満たすと共に前記ｙ方向が前記入射光の垂直入射方向に沿うように前記ｘ方向、前記ｙ方向、前記ｚ方向を定めたときに、
０．６≦（ｎｙ−ｎｘ）／（ｎｚ−ｎｙ）≦１．５
を満たす二軸性結晶から構成され、該二軸性結晶は、無機物からなることを特徴とする位相子。
前記二軸性結晶は、Ｍｇ_２ＳｉＯ_４単結晶であることを特徴とする請求項１又は２に記載の位相子。