WO2011048875A1 - プレート型の広帯域無偏光ビームスプリッター - Google Patents
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Definitions
- the present invention when light is reflected in a wide wavelength band and divided into a desired division ratio (reflectance: transmittance), P-polarized light and S-polarized light are emitted at the same ratio, and there is no plate-type broadband having no polarization characteristics.
- the present invention relates to a polarizing beam splitter.
- the broadband non-polarizing beam splitter is used in a wavelength region where the P-polarization characteristic line and the S-polarization characteristic line in the spectral characteristic graph are close to or in contact with each other, and at present, a multi-layer dielectric film is formed on the surface of the transparent glass substrate.
- a plate-type beam splitter for example, see Non-Patent Document 1
- a non-polarizing film made of a dielectric film or a metal film are formed on the inclined surfaces of two 45 ° right angle prisms, and the inclined surfaces are aligned. Cube-type beam splitters with two rectangular prisms bonded together are generally provided.
- the plate-type beam splitter transmits P-polarized light and reflects S-polarized light.
- the dielectric multilayer film beam splitter has a characteristic that the film hardly absorbs light and the amount of light is extremely small. Furthermore, it has film characteristics that are very little affected by temperature changes. Patent document 1 is mentioned as this plate-type beam splitter.
- a cube-type beam splitter is used as a half mirror that divides reflected light (R) and transmitted light (T) into 1: 1 regardless of the polarization condition of incident light. That is, there is no change in the split ratio of transmitted light and reflected light due to the polarization component as in a normal beam splitter.
- the incident surface and the exit surface are coated with an antireflection film (AR coating).
- AR coating antireflection film
- the usable wavelength region is narrow and effective only for a single wavelength.
- the angle of the incident light cannot be changed due to the structure, but it has a characteristic that, as long as it is used under an appropriate incident condition, there is almost no deviation of the transmitted light path and no ghost.
- a reflecting mirror Although it is a related technique different from a beam splitter, in a reflecting mirror, a plurality of dielectric films are deposited on a silver vapor deposition film, and the thickness of each layer is adjusted to adjust the polarization at an arbitrary incident angle.
- a reflecting mirror with a reduced ratio is known (for example, see Patent Document 2).
- a reflecting mirror that divides a silver vapor deposition film layer into a plurality of ranges and deposits a protective vapor deposition film layer having different film characteristics in each divided range see, for example, Patent Document 3).
- a cube-type non-polarizing beam splitter has an S-polarization characteristic line in a wide range of about 400 nm to 700 nm as shown in the example of transmission characteristics when the incident angle is 0 ° ( ⁇ 3 °) in FIG. And the P-polarized characteristic line are close to each other, so that it can be used as a non-polarizing beam splitter in a wide range.
- the reason is that there is a distance between the surface of the non-polarizing film on the inclined surface of the right-angle prism and the incident surface and the output surface of the right-angle prism, and if the incident angle causes refraction, the optical axis deviates from the reflecting surface. Because it ends up. Another reason is that it is easily influenced by the polarization characteristics of the antireflection film provided opposite to the non-polarizing film with the transparent glass substrate interposed therebetween.
- a cube-type non-polarizing beam splitter has many surfaces to be formed. In addition, a separate bonding process is required. More specifically, in a cube-type non-polarizing beam splitter, it is necessary to bond right-angle prisms on which a plurality of different films are formed. There is a possibility that problems such as breakage of the film and generation of bubbles may occur during the bonding process. And this possibility increases as the number of films increases.
- the cube-type non-polarizing beam splitter has a problem that the defect rate is high and the yield is deteriorated, and the manufacturing process is complicated, resulting in high cost.
- the conventional plate-type non-polarizing beam splitter has a point where the S-polarization characteristic line and the P-polarization characteristic line intersect or approach each other as shown in the spectral characteristic diagram at an incident angle of 45 ° shown in FIG.
- the usable wavelength band (525 nm to 575 nm) is very narrow (about 100 to 150 nm in the visible range and near red range). This is because the film used in the conventional plate-type non-polarizing beam splitter is an interference film, and thus interference cannot be canceled over a wide range.
- the spectral characteristics vary greatly depending on the incident angle (for example, the used wavelength range is shifted compared to the case where the incident angle is 45 °, and reflection is performed. Therefore, there is a problem that the range of use of the incident angle is narrow. In addition, there is a problem that the cost is high because a plurality of layers (20 to 50 layers) of dielectric films need to be laminated.
- Patent Documents 2 and 3 that are related techniques for the reflecting mirror are originally reflecting mirrors, the reflected light and the transmitted light can be divided into 1: 1 before being used in a wide wavelength region. Not.
- the present invention can be used in a wide wavelength band, has a small dependence on the incident angle, and has a small number of films, so that the yield can be improved and the manufacturing cost can be reduced.
- An object is to provide a broadband non-polarizing beam splitter.
- a beam splitter for splitting a light beam by entering light On one main surface of a flat transparent glass substrate whose both main surfaces are optically polished, A wavelength band expansion film; A metal film provided on the wavelength band expanding film; A non-polarizing film provided on the metal film; Have When the light is incident on a beam splitter, the light is depolarized by the depolarizing film, When the non-polarized light is incident on the metal film, it has a desired transmittance and reflectance, A plate-type broadband non-polarizing beam splitter, wherein a band usable as a beam splitter at a wavelength of light transmitted through the metal film is expanded by the wavelength band expanding film.
- the wavelength band expanding film is composed of two layers consisting of a dielectric film having a low refractive index nL and a dielectric film having a high refractive index nH (where nH> nL), A dielectric film having a low refractive index nL is formed as a first layer film counted from the substrate to the outermost surface side, and a second layer film is formed on the first layer film as a second layer film.
- a dielectric film having a refractive index of nH On the wavelength band expanding film, as a third layer film, a metal film having a thickness that achieves a desired transmittance is formed, On the metal film, a dielectric film having a low refractive index substantially equal to that of the first layer film is formed as a fourth layer film.
- Polarizing beam splitter On the wavelength band expanding film, as a third layer film, a metal film having a thickness that achieves a desired transmittance is formed, On the metal film, a dielectric film having a low refractive index substantially equal to that of the first layer film is formed as a fourth layer film. Polarizing beam splitter.
- the refractive index nL of the low refractive index dielectric film of the first layer is smaller than the refractive index nG of the transparent glass substrate, and the refractive index nH of the high refractive index dielectric film of the second layer is The refractive index nG of the transparent glass substrate is larger than the refractive index nK of the third-layer metal film, and the refractive index nH of the second-layer dielectric film having a high refractive index is larger.
- Plate type broadband non-polarizing beam splitter is
- a plate-type broadband non-polarizing beam splitter wherein the first layer is composed of MgF 2 , the second layer is composed of HfO 2 , the third layer is composed of Ag, and the fourth layer is composed of MgF 2 .
- a plate-type broadband non-polarizing beam splitter wherein an antireflection film is formed on the other main surface of the transparent glass substrate.
- the wavelength band expanding film includes a dielectric film having a low refractive index nL made of MgF 2 and a dielectric film having a high refractive index nH (provided that nH> nL) made of HfO 2 provided on the dielectric film.
- the non-polarizing film has a refractive index substantially equal to or lower than that of the low refractive index nL dielectric film,
- a plate-type broadband non-polarized beam that can be used in a wide wavelength band, has a small dependence on the incident angle, and can improve the yield and reduce the manufacturing cost due to the small number of films. Can provide a splitter.
- FIG. 9 is a spectral characteristic diagram when a low refractive index dielectric film (MgF 2 ) is added to the metal film of FIG. 8. It is a spectral characteristic figure at the time of adding the virtual film
- MgF 2 low refractive index dielectric film
- FIG. 9 is a spectral characteristic diagram when a low refractive index dielectric film (MgF 2 ) is added to the metal film of FIG. 8 and nd is less than ⁇ / 8.
- FIG. 9 is a spectral characteristic diagram when a low refractive index dielectric film (MgF 2 ) is added to the metal film of FIG. 8 and nd is made larger than ⁇ / 3.
- the present inventors first examined whether the non-polarizing beam splitter was a cube type or a plate type before reaching the present invention.
- a cube-type non-polarizing beam splitter has many surfaces to be formed and requires an additional bonding step. Moreover, in this bonding process, considerable accuracy is required to prevent the film from being broken and the generation of bubbles.
- the present inventors have focused on a plate-type non-polarizing beam splitter that is relatively easy to manufacture, rather than a cube type, which is expensive and has a low yield.
- a film (protective film) for protecting the metal film is provided so as to cover it. It was done.
- this protective film for example, MgF 2 has been used.
- the present inventors examined details of a plate-type non-polarizing beam splitter including a protective film. At that time, the above-mentioned problems, that is, the problem of cube type "problem that cannot cope with various incident angles" and the main problem of plate type "problem that usable wavelength band is very narrow" We studied a configuration that can solve these problems simultaneously.
- the present inventors have a configuration in which a wavelength band expanding film, a metal film, and a non-polarizing film are provided in combination in order toward the outermost surface on one main surface of the flat transparent glass substrate.
- a configuration has been conceived in which a non-polarizing film is further disposed on a metal film for bringing the transmittance and the reflectance closer to 1: 1, and a wavelength band expanding film is further provided below these films.
- ⁇ Embodiment 1> a basic configuration of a plate-type broadband non-polarizing beam splitter 1 (hereinafter also simply referred to as a beam splitter 1) as shown in FIG. 1 will be described.
- a beam splitter 1 a plate-type broadband non-polarizing beam splitter 1
- ⁇ Embodiment 2> a modified example focusing on the relationship between the refractive indexes of the respective films constituting the beam splitter 1 will be described.
- ⁇ Embodiment 3> a modified example focusing on the thickness of the non-polarizing film 14 will be described.
- the plate-type beam splitter 1 according to the embodiment of the present invention will be described in the following order. 1.
- 1. Overall configuration of beam splitter substrate 3.
- Non-polarized hybrid film 1 Wavelength band expansion film (first layer, second layer) 2)
- Non-polarizing film (fourth layer) Finally, the effect of this embodiment will be described. Hereafter, each said process is demonstrated in order.
- the plate-type broadband non-polarizing beam splitter 1 of the present embodiment is a beam splitter for splitting a light beam by entering light.
- a non-polarizing hybrid film 10 is formed on one main surface of a flat transparent glass substrate 2 whose both main surfaces are optically polished.
- a broadband antireflection film (AR coat) 3 is formed on the other main surface to reduce the influence of back surface reflection.
- transparent glass substrate 2 a transparent glass suitable for the application, such as optical glass such as BK7, white plate glass, or quartz glass, is used.
- the non-polarizing hybrid film 10 in the present embodiment has a wavelength band expanding film 15 and a wavelength band expanding film 15 on one main surface of a flat transparent glass substrate 2 whose both main surfaces are optically polished. It comprises a metal film 13 provided and a non-polarizing film 14 provided on the metal film 13.
- the light is depolarized by the non-polarization film 14 when the light is incident on the non-polarization hybrid film 10 of the beam splitter.
- the desired transmittance and reflectance are obtained.
- the band that can be used as a beam splitter at the wavelength of the light transmitted through the metal film 13 is expanded by the wavelength band expansion film 15.
- the wavelength band expanding film 15, the metal film 13, and the non-polarizing film 14, that is, the non-polarizing hybrid film 10 are formed on the substrate 2 so as to exhibit the above function.
- band that can be used as a beam splitter at the wavelength of light means a state in which the transmittance and the reflectance are close to 1: 1 while eliminating the polarization, that is, the P-polarized transmittance and the S This is the wavelength band of light in a state where there is almost no difference from the polarization transmittance and in a state where there is almost no difference between the P-polarized reflectance and the S-polarized reflectance.
- the allowable amount of these differences in an actual product cannot be determined unconditionally because the allowable amount varies depending on the configuration of the entire beam splitter.
- each of the above differences is a wavelength band of 10% or less (preferably 5% or less), it can be regarded as a band that can be used as a beam splitter. Further, it is more preferable that the above-mentioned conditions are such that all the rates are within ⁇ 10% around the 45% level.
- the wavelength band expanding film 15 is composed of two layers. Specifically, between the third metal layer 13 and the transparent glass substrate 2, a first low-refractive index dielectric layer 11 and a second high-refractive index dielectric layer 12 thereon are provided. The wavelength band expanding film 15 is formed in combination. This makes it possible to obtain uniform reflectance and transmittance over a wide range of the visible light range (400 to 700 nm). That is, since the first layer and the second layer make the reflectance and transmittance uniform in a wide wavelength range, they serve to widen the usable wavelength range as a non-polarizing beam splitter.
- a non-polarizing hybrid film 10 having a three-layer structure of a wavelength band expanding film, a metal film, and a non-polarizing film (low refractive index dielectric film) can be established.
- it is difficult to produce a film having a high refractive index of n 2.55.
- the wavelength band expanding film 15 has a two-layer structure as described above.
- the low refractive index can be compensated for by forming a film having a low refractive index (low refractive index dielectric film 11) in the first layer as an auxiliary. That is, the low refractive index dielectric film 11 of the first layer is provided mainly to increase the reflectance of light having a short wavelength.
- the role of a film that is very difficult to produce in one layer is actually considered, while taking into consideration the wavelength characteristics of the film itself, the low refractive index dielectric film 11 of the first layer and the high refraction of the second layer.
- the combination of the dielectric constant film 12 is used. Therefore, the advantages in terms of cost (manufacturing time and material cost) and risk (deposition conditions and handling) can be maximized. For the above reason, in this embodiment, measures are taken so that a similar effect can be obtained by a combination of two layers of films.
- the specific composition of the low refractive index dielectric film 11 (first layer) in the wavelength band expanding film 15 may be a known low refractive index dielectric film, and examples thereof include MgF 2 and SiO 2. Can be mentioned. Further, when the first layer low refractive index dielectric film 11 is formed to the calculated thickness, the second layer is formed with a high refractive index dielectric film 12 with a predetermined thickness.
- composition of the high refractive index dielectric film 12 includes Ti 2 O 3 , HfO 2 , and ZrO 2 , and HfO 2 is particularly preferable. This is because when HfO 2 is used, the wavelength band that can be used as a beam splitter is expanded to a shorter side or a longer side. Furthermore, when Ti 2 O 3 is used , the amount of light absorption in a metal layer (third layer) made of silver, which will be described later, increases. With HfO 2 , film formation is performed without changing the amount of light absorption. There is also an advantage of being able to.
- the refractive index nL of the first low refractive index dielectric film 11 is the transparent glass substrate 2.
- the refractive index nH of the second-layer high-refractive index dielectric film 12 is larger than the refractive index nG of the transparent glass substrate 2. As will be described later, this is because the transmittance and the reflectance are close to 1: 1.
- Metal film A third-layer metal film 13 is formed on the above-described wavelength band expanding film 15, that is, on the high refractive index dielectric film 12.
- the metal film 13 is formed to a thickness that provides a desired transmittance.
- the film thickness d 20 nm (physical film thickness) may be set.
- the case of having a 1: 4 relationship can be arbitrarily changed by changing the thickness of the metal film 13.
- a beam splitter having an arbitrary relationship between reflectance and transmittance can be manufactured according to the intention of the producer.
- the reason why the metal film 13 is formed on the third layer is that the metal film has a high reflectance, is easy to control the deposition, and has a wide and uniform wavelength range.
- a refractive index nK of a third-layer metal film 13 to be described later is larger than a refractive index nH of the second-layer high-refractive-index dielectric film 12.
- Non-polarizing film when the non-polarizing hybrid film 10 is provided on the transparent glass substrate 2, the metal film 13 is provided on the third layer as the main layer, and the fourth layer 14 on the upper side thereof.
- a low-refractive-index dielectric film 14 is provided for the purpose of adjusting the polarization characteristics of the metal film 13 (to make it non-polarized).
- the reason why the non-polarizing film 14 is formed on the fourth layer is that the polarization characteristics of the non-polarizing film 14 interfere with the polarization characteristics of the third-layer metal film 13 to cancel each other's characteristics.
- the S-polarized light and the P-polarized light can be brought close to each other. Therefore, the transmission characteristics and reflection characteristics of S-polarized light and P-polarized light can be adjusted to substantially the same value. That is, in each of transmission and reflection, the polarization components (S-polarized light and P-polarized light) can be brought close to each other, and can be realized as a non-polarizing beam splitter.
- the specific composition of the non-polarizing film 14 may be a known low-refractive index dielectric film, but for example, the same as the first layer (low-refractive index dielectric film 11) of the wavelength band expanding film 15 Examples thereof include MgF 2 and SiO 2 , but MgF 2 is preferable.
- MgF 2 or the like is selected as the material for the low-refractive-index dielectric film 14 of the fourth layer because the metal film 13 has a low absorption at low temperatures and is weak against heat. This is because it has sufficient hardness and sufficient adhesion to the metal film 13. It should be noted that absorption is increased in Ti-based materials and ZrO 2 having a high refractive index, and the use range in the ultraviolet region is also taken into consideration.
- the refractive index of the non-polarizing film 14 may be a refractive index that is substantially the same as or lower than that of the low refractive index dielectric film 11 of the first layer.
- the “substantially the same or lower refractive index” in the non-polarizing film 14 includes a case where the film has the same refractive index as that of the first layer film. If the refractive index is low enough to adjust the polarization characteristics of the film 13 (depolarization can be performed), the refractive index may be higher than that of the first layer film. It may have a lower refractive index than the layer film.
- a film having a predetermined transmittance and reflectance is formed.
- the number of films can be limited to the minimum by including the metal film 13 in addition to the effect of depolarization, so that the yield can be improved and the manufacturing cost can be reduced. Further, a conventionally known effect can be obtained. That is, the third layer metal film 13 with low film strength is protected by the fourth layer non-polarizing film 14 with high film strength, so that the necessary film strength as a plate-type beam splitter is ensured. Can do.
- the beam splitter of the present embodiment described above has the following effects.
- the cube-type non-polarizing beam splitter has a problem that it cannot cope with various incident angles.
- the cube-type non-polarizing beam splitter has a problem in that the defect rate is increased and the yield is deteriorated, and the manufacturing process is complicated and the cost is increased.
- the plate-type non-polarizing beam splitter has a problem that the wavelength band at the point where the S-polarization characteristic line and the P-polarization characteristic line cross or approach each other is very narrow. Furthermore, there is a problem that the cost is high because it is necessary to laminate a plurality of layers (20 to 50 layers) of dielectric films.
- a non-polarizing film 14 is further disposed on the metal film 13 for depolarization, and a wavelength band expanding film 15 is provided under these films contributing to depolarization. This is a feature of the present embodiment.
- the present embodiment as described above, it can be used in a wide wavelength band, is less dependent on the incident angle, and can reduce the number of films, thereby improving yield and reducing manufacturing cost.
- the manufacturing cost can be reduced to 1/5 of the conventional cube type beam splitter and about 1/2 of the conventional plate type beam splitter.
- the non-polarizing hybrid film 10 in the first embodiment is configured as follows from the viewpoint of refractive index.
- the parts not particularly mentioned are the same as those in ⁇ Embodiment 1>.
- a dielectric film 11 having a low refractive index nL is formed as a first layer film on one main surface of the substrate 2.
- a dielectric film 12 having a high refractive index nH (where nH> nL) is formed as a second film.
- a metal film 13 having a thickness that provides a desired transmittance is formed as a third layer film on the second layer film.
- a dielectric film having a low refractive index substantially equal to that of the first-layer film is formed on the third-layer film as the fourth-layer film.
- n refractive index d: thickness.
- a plate-type beam splitter with a four-layer structure having a refractive index relationship as described above can be used in a wide wavelength band, has little dependency on the incident angle, and has a small number of films, improving yield. And the manufacturing cost can be reduced.
- the refractive index nL of the low refractive index dielectric film of the first layer is smaller than the refractive index nG of the transparent glass substrate, and the refractive index nH of the high refractive index dielectric film of the second layer. Is larger than the refractive index nG of the transparent glass substrate, and the refractive index nK of the third-layer metal film is preferably larger than the refractive index nH of the second-layer high-refractive-index dielectric film. .
- the following effects can be obtained by the following actions.
- unnecessary reflection in the metal film 13 (third layer) can be reduced.
- the metal film 13 (third layer) has a higher refractive index.
- the refractive index of the high refractive index dielectric film 12 (second layer) is higher than that of the low refractive index dielectric film 11 (first layer). That is, when layers having a refractive index magnitude relationship are alternately provided and the ratio of transmittance to reflectance is usually 1: 1, in the present embodiment, this magnitude relation is represented by the first to third layers. Are aggregated.
- n 2.55
- the manufacturing cost can be reduced.
- the number of films in the case of the present embodiment, it is sufficient to provide two wavelength band expanding films 15, and the yield can be improved by reducing the number of films.
- the spectral characteristics of are shown.
- the polarization component P-polarized light and S-polarized light
- the reflectance and transmittance can be obtained by setting the thickness of the low refractive index dielectric film on the metal film to ⁇ / (4n). Can be approached.
- the incident angle ⁇ is 45 °
- the thickness of the non-polarizing film 14 is ⁇ / (2n)
- the phase of incident light and reflected light is completely reversed. Should contribute.
- the thickness of the non-polarizing film 14 is ⁇ / (4n)
- the phases of the wavelengths of the incident light and the reflected light overlap, and the polarization should be intense.
- the effect of depolarization is maximized only when the thickness of the non-polarization film 14 is ⁇ / (4n), contrary to the fact that the polarization becomes intense.
- the transmittance and the reflectance can be made closest to 1: 1 as compared with other thicknesses.
- the wavelength band expanding film 15 as described above is provided. By doing so, it can be used in a wide wavelength band and the dependency on the incident angle is reduced.
- ⁇ is a value in the range of ⁇ / 8 ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ / 3, and it is most preferable that ⁇ is ⁇ / 4, unlike conventional common sense.
- a beam splitter 1 having the above-described refractive index n and thickness d was produced (already described again).
- the conditions may be any conditions as long as the substances described in the present specification can be formed into a film with a predetermined thickness.
- the pressure in the vacuum deposition apparatus is set to 2 ⁇ 10 ⁇ 5 to 5 ⁇ 10 ⁇ . Set 5 Torr, substrate temperature at 300-350 ° C.
- incident light B is incident on the surface on which the non-polarizing hybrid film 10 is formed. Then, it is split into reflected light R and transmitted light T according to the incident angle ⁇ .
- R is reflectance
- RP P-polarized reflectance
- RS is S-polarized reflectance
- RM average reflectance
- T transmittance
- TP P-polarized transmittance
- TS S-polarized transmittance
- TM average The transmittance is shown. The same applies to the following FIG. 4 to FIG.
- the S-polarization characteristic line and the P-polarization characteristic line are close to each other in the wavelength range of 400 nm to 700 nm, and all are within ⁇ 10% around the 45% level. In the case of 650 nm, the data is particularly good in terms of uniformity.
- RP is a P-polarized light reflectance
- RS is a S-polarized light reflectance
- TP is a P-polarized light transmittance
- TS is a characteristic line of S-polarized light transmittance.
- the polarization components P-polarized light and S-polarized light
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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)。
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)。
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。
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MgF2、前記第2層目をHfO2、前記3層目をAg、前記4層目をMgF2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MgF2からなる無偏光化膜と、
を有し、
前記波長帯域拡大膜を、MgF2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HfO2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。
(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MgF2、前記第2層目をHfO2、前記3層目をAg、前記4層目をMgF2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MgF2からなる無偏光化膜と、
を有し、
前記波長帯域拡大膜を、MgF2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HfO2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。
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MgF2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。
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。
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
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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、MgF2、SiO2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。
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、Ti2O3、HfO2、ZrO2などが挙げられるが、HfO2が特に好ましい。
HfO2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、Ti2O3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、HfO2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。
HfO2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、Ti2O3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、HfO2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。
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、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。
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。
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、MgF2、SiO2などが挙げられるが、MgF2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MgF2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ZrO2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。
MgF2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。
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。
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。
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。
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MgF2 n=1.38 d=100nm
2層目HfO2 n=1.95 d=80nm
3層目Ag n=3.34 d=20nm
4層目MgF2 n=1.38 d=80nm
空気 n=1.00
透明ガラス基板 n=1.52
1層目MgF2 n=1.38 d=100nm
2層目HfO2 n=1.95 d=80nm
3層目Ag n=3.34 d=20nm
4層目MgF2 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。
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。
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(MgF2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。
図14は、この金属膜(Ag膜)の上に低屈折率誘電体膜(MgF2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MgF2 n=1.38 d=100nm
2層目HfO2 n=1.95 d=80nm
3層目Ag n=3.34 d=20nm
4層目MgF2 n=1.38 d=80nm
空気 n=1.00
透明ガラス基板 n=1.52
1層目MgF2 n=1.38 d=100nm
2層目HfO2 n=1.95 d=80nm
3層目Ag n=3.34 d=20nm
4層目MgF2 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(MgF2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
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)
- 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。 - 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。 - 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。
- 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。 - 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。
- 前記第1層目をMgF2、前記第2層目をHfO2、前記3層目をAg、前記4層目をMgF2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。
- 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。
- 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MgF2からなる無偏光化膜と、
を有し、
前記波長帯域拡大膜を、MgF2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HfO2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。
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