WO2020161950A1 - 偏光ビームスプリッターおよび光学装置 - Google Patents

Abstract

偏光ビームスプリッターは、第１主面および第２主面を有する基板と、反射層と、偏光分離層とを備える。第１主面は、入射部を有する。第１主面および第２主面のうち反射層が設けられている側の主面は、基板の厚さ方向と直交する所定方向において入射部から離れて配置された出射部を有する。反射層が設けられた領域の所定方向における一方端から他方端までの反射領域と、偏光分離層が設けられた領域の所定方向における一方端から他方端までの偏光分離領域とは、基板の厚さ方向に互いに重なり合う重なり領域を含む。

Description

偏光ビームスプリッターおよび光学装置

　この発明は、偏光ビームスプリッターおよび光学装置に関する。

　たとえば、特開平７－２２５３１６号公報（以下、「特許文献１」という。）には、基板と、偏光膜とを備える、プレートタイプの偏光ビームスプリッターが開示されている。偏光膜は、ＳｉＯ_２またはＭｇＦ_２からなる低屈折率層と、ＺｒＯ_２またはＡｌ_２Ｏ_３からなる高屈折率層とを交互に複数層ずつ積層した交互多層膜を有する。

特開平７－２２５３１６号公報

　入射光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する光学素子である偏光ビームスプリッターが知られている。上記の特許文献１に開示されるようなプレートタイプの場合、偏光ビームスプリッターは、平行平板またはウェッジ基板に偏光分離コーティングが施されることにより構成される。この偏光ビームスプリッターは、入射光を、Ｐ偏光である透過光と、Ｓ偏光である反射光とに分離する。プレートタイプの偏光ビームスプリッターでは、入射光の入射角が反射損失の少ないブリュースター角となるように配置される場合が多い。

　一方、偏光ビームスプリッターとして、偏光分離膜を一対のプリズムで挟んだプリズムタイプがある。プリズムタイプの偏光ビームスプリッターは、偏光分離コーティングが施された一方のプリズム基板に、他方のプリズム基板が接着剤で接合されることにより構成されている。この偏光ビームスプリッターも、入射光を、Ｐ偏光である透過光と、Ｓ偏光である反射光とに分離する。

　ここで、プレートタイプの偏光ビームスプリッターは、入射媒質である大気と基板との間に偏光分離層が存在しているため、透過光の消光比を高くすることが困難である。一方、プリズムタイプの偏光ビームスプリッターは、大きな複屈折率を有する結晶からなるプリズム基板を組み合わせることによって高い消光比を実現できるものの、一対のプリズム基板の接合面に接着層が存在するため、レーザ耐性が低い。

　本発明の目的は、消光比を高めることができ、かつ、高いレーザ耐性を有する偏光ビームスプリッターおよび光学装置を提供することである。

　この発明に従った偏光ビームスプリッターは、第１主面および第２主面を有する基板と、第１主面および第２主面のいずれか一方の主面の一部を被覆するとともに、基板内に入射した光を反射させる反射層と、第１主面および第２主面のいずれか他方の主面の一部を被覆するとともに、基板内に入射した光のうちＳ偏光およびＰ偏光のいずれか一方を透過させ、かつ、Ｓ偏光およびＰ偏光のいずれか他方を反射させる偏光分離層とを備える。第１主面は、基板内への光の入射を許容する入射部を有する。第１主面および第２主面のうち反射層が設けられている側の主面は、基板の厚さ方向と直交する所定方向において入射部から離れて配置され、基板からの光の出射を許容する出射部を有する。反射層が設けられた領域の所定方向における一方端から他方端までの反射領域と、偏光分離層が設けられた領域の所定方向における一方端から他方端までの偏光分離領域とは、基板の厚さ方向に互いに重なり合う重なり領域を含む。

　この発明に従った光学装置は、前記偏光ビームスプリッターと、Ｓ偏光およびＰ偏光を含む光を、偏光ビームスプリッターに向けて照射する光源と、を備える。偏光ビームスプリッターは、光源からの光が偏光分離層で複数回反射されるように構成されている。

　以上に説明したように、この発明によれば、消光比を高めることができ、かつ、高いレーザ耐性を有する偏光ビームスプリッターおよび光学装置を提供することができる。

本発明の第１実施形態の偏光ビームスプリッターを含む光学装置の全体構成を概略的に示す図である。 図１に示される偏光ビームスプリッターの正面図である。 図１に示される偏光ビームスプリッターの側面図である。 図１に示される偏光ビームスプリッターの背面図である。 図１に示される偏光ビームスプリッターの変形例を示す図である。 図１に示される偏光ビームスプリッターの変形例を示す図である。 図１に示される偏光ビームスプリッターの変形例を示す図である。 偏光分離層で３回反射するのに必要な、偏光分離領域の長さの下限値および重なり領域の長さの下限値を説明するための図である。 偏光分離層で２回反射した後に出射した光の、波長と透過率との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 偏光分離層で４回反射した後に出射した光の、波長と透過率との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。 偏光分離層での反射回数と、Ｐ偏光の透過率と、Ｓ偏光の透過率と、消光比との関係を示す表である。 本発明の第２実施形態の偏光ビームスプリッターの全体構成を概略的に示す図である。 偏光分離層で３回反射するのに必要な、偏光分離領域の長さの下限値および重なり領域の長さの下限値を説明するための図である。

　この発明の実施形態について、図面を参照して説明する。なお、以下で参照する図面では、同一またはそれに相当する部材には、同じ番号が付されている。

　（第１実施形態）
　図１は、本発明の第１実施形態の偏光ビームスプリッターを含む光学装置の全体構成を概略的に示す図である。光学装置としては、加工機や、ディスプレイなどのレーザ機器が挙げられる。特に、加工機では、加工速度や品質の向上のために、偏光ビームスプリッターに高いレーザ耐性と高い消光比とが求められる。図１に示されるように、光学装置１は、光源１０と、偏光ビームスプリッター１００とを有している。

　光源１０は、Ｓ偏光およびＰ偏光を含む光（平行光）Ｂ０を偏光ビームスプリッター１００に向けて照射する。

　偏光ビームスプリッター１００は、光源１０から照射された光Ｂ０をＰ偏光とＳ偏光とに分離する。本実施形態の偏光ビームスプリッター１００は、いわゆるプレートタイプである。図２は、図１に示される偏光ビームスプリッターの正面図である。図３は、図１に示される偏光ビームスプリッターの側面図である。図４は、図１に示される偏光ビームスプリッターの背面図である。なお、本偏光ビームスプリッター１００の使用時の姿勢は問われないが、便宜上、以下の説明では、図２～図４に基づいて上下方向を定義する。

　図１～図４に示されるように、偏光ビームスプリッター１００は、基板１０２と、反射層１３０と、偏光分離層１４０と、を有している。

　基板１０２は、たとえば合成石英からなる。基板１０２は、透明である。基板１０２は、矩形状に形成されている。基板１０２は、第１主面１１０と、第２主面１２０とを有している。第１主面１１０および第２主面１２０は、平坦に形成されている。基板１０２の厚さｔは、たとえば１０ｍｍに設定される。基板１０２の厚さ方向（第１主面１１０と第２主面１２０とを結ぶ方向であって、図３の左右方向）と直交する所定方向（図３の上下方向）における基板１０２の長さＬ（図２を参照）は、たとえば５０ｍｍに設定される。

　第１主面１１０は、光源１０から照射された光Ｂ０の基板１０２内への入射を許容する入射部１１２を有している。

　反射層１３０は、第１主面１１０および第２主面１２０のいずれか一方の主面の一部を被覆する。本実施形態では、反射層１３０は、第２主面１２０の一部を被覆している。反射層１３０は、基板１１０内に入射した光を反射させる。図１、図３および図４に示されるように、反射層１３０は、基板１０２の一方端（図３の上端）から他方端（図３の下端）に向けて延びる形状を有している。以下、反射層１３０が設けられた領域の所定方向における上端から下端までの領域を、反射領域１３０Ａと称する。本実施形態では、反射層１３０は、反射領域１３０Ａの上端から下端まで連続的につながる形状を有している。所定方向における反射領域１３０Ａの長さＬ１は、たとえば、同方向における基板１０２の長さＬの半分以上に設定される。

　第２主面１２０のうち反射層１３０で被覆されていない部位は、基板１０２からの光の出射を許容する出射部１２２を構成する。すなわち、出射部１２２は、第１主面１１０および第２主面１２０のうち反射層１３０が設けられている側の主面に設けられる。出射部１２２は、所定方向において入射部１１２から離れて配置されている。

　偏光分離層１４０は、第１主面１１０および第２主面１２０のいずれか他方の主面の一部を被覆する。本実施形態では、偏光分離層１４０は、第１主面１１０の一部を被覆している。偏光分離層１４０は、基板１０２内に入射した光のうちＳ偏光およびＰ偏光のいずれか一方を透過させ、かつ、Ｓ偏光およびＰ偏光のいずれか他方を反射させる。本実施形態では、偏光分離層１４０は、Ｐ偏光を透過させ、かつ、Ｓ偏光を反射させる。つまり、入射部１１２から基板１０２内に入射する光（入射光）Ｂ０のうちのＰ偏光が透過光Ｂ２として偏光分離層１４０を透過する一方、光Ｂ０のうちのＳ偏光が出射光Ｂ１として出射部１２２から出射する。図１～図３に示されるように、偏光分離層１４０は、基板１０２の下端から上端に向かって延びる形状を有している。以下、偏光分離層１４０が設けられた領域の所定方向における上端から下端までの領域を、偏光分離領域１４０Ａと称する。本実施形態では、偏光分離層１４０は、偏光分離領域１４０Ａの上端から下端まで連続的につながる形状を有している。所定方向における偏光分離領域１４０Ａの長さＬ２は、たとえば、同方向における基板１０２の長さＬの半分以上に設定される。第１主面１１０のうち偏光分離層１４０で被覆されていない部位が、入射部１１２を構成する。

　偏光分離層１４０は、高屈折率層と低屈折率層とを交互に積層することにより形成されている。高屈折率層を形成する材料として、たとえば、Ｔａ_２Ｏ_５や、ＴｉＯ_２や、ＨｆＯ_２が挙げられる。本実施形態では、高屈折率層として、Ｔａ_２Ｏ_５が用いられている。低屈折率層を形成する材料として、たとえば、ＳｉＯ_２や、ＭｇＦ_２が挙げられる。本実施形態では、低屈折率層として、ＳｉＯ_２が用いられている。ただし、高屈折率層の材料および低屈折率層の材料は、これらに限られない。偏光分離層１４０は、蒸着やスパッタリングなどの製膜法により形成される。偏光分離層１４０の厚みは、所望の出射光Ｂ１の波長（偏光分離波長）に応じて調整される。なお、出射光Ｂ１の波長が大きいほど、偏光分離層１４０の厚みは大きくなる。

　図１および図３に示されるように、反射領域１３０Ａと偏光分離領域１４０Ａとは、基板１０２の厚さ方向に互いに重なり合う重なり領域１５０Ａを含む。所定方向における重なり領域１５０Ａの長さＬ３は、偏光分離層１４０で反射させる回数などに基づいて設定される。出射部１２２は、所定方向について重なり領域１５０Ａを基準として入射部１１２とは反対側に設けられている。

　偏光ビームスプリッター１００は、光源１０から照射されて入射部１１２を通じて基板１０２内に入射した光Ｂ０が偏光分離層１４０で複数回反射される姿勢で配置されている。すなわち、光学装置１は、偏光ビームスプリッター１００を上記の姿勢で固定する固定具（図示略）を有している。

　次に、光学装置１の作用について説明する。

　光源１０から照射された光Ｂ０は、入射部１１２を通じて基板１０２内に入射する。基板１０２内に入射した光は、反射層１３０と偏光分離層１４０との間で複数回反射を繰り返す。このとき、基板１０２内に入射した光は、重なり領域１５０Ａにおいて少なくとも一回反射する。そして、光Ｂ０のうちのＰ偏光は、透過光Ｂ２として偏光分離層１４０を透過する一方、光Ｂ０のうちのＳ偏光は、偏光分離層１４０で反射される。このため、出射部１２２から、主としてＳ偏光が出射される。

　以上のように、本実施形態の偏光ビームスプリッター１００は、所定方向に互いに離れて配置された入射部１１２と出射部１２２との間に、重なり領域１５０Ａを含むように反射層１３０および偏光分離層１４０が設けられているため、入射部１１２から基板１０２内に入射した光を偏光分離層１４０において複数回反射させつつ（偏光分離させつつ）出射部１２２から出射させることが可能となる。このため、出射部１２２からの出射光Ｂ１の消光比が高まる。さらに、この偏光ビームスプリッター１００は、入射部１１２および出射部１２２の間において光を基板１０２内で進行させるプレートタイプであるため、すなわち、偏光分離層１４０が接着剤ではなく製膜法により基板１０２に設けられているため、高いレーザ耐性を有する。このため、光学装置１の中でも、加工速度や品質の向上のために、特に偏光ビームスプリッターに高いレーザ耐性と高い消光比とが求められる加工機に対しても、本実施形態の偏光ビームスプリッター１００を好適に用いることができる。具体的に、この偏光ビームスプリッター１００を備える加工機等の光学装置１では、光源１０から照射されて入射部１１２を通じて基板１０２内に入射した光が、偏光分離層１４０において複数回反射する（偏光分離される）ため、出射部１２２から出射される光の消光比が高まる。

　加えて、この偏光ビームスプリッター１００では、Ｐ偏光である透過光Ｂ２とＳ偏光である出射光Ｂ１とが互いに異なる主面から出射されるため、出射光Ｂ１および透過光Ｂ２の取り扱いが容易になる。

　また、偏光分離層１４０は、所定方向における偏光分離領域１４０Ａの上端から下端まで連続的につながる形状を有し、反射層１３０は、所定方向における反射領域１３０Ａの上端から下端まで連続的につながる形状を有している。

　このため、入射部１１２から基板１０２内に入射した光を偏光分離層１４０で複数回反射させ易くなる。よって、偏光ビームスプリッター１００の光学的な設計の自由度を向上させることができる。

　以下、図５～図８を参照しながら、偏光ビームスプリッター１００の変形例について説明する。図５～図７は、図１に示される偏光ビームスプリッターの変形例を示す図である。図８は、偏光分離層で３回反射するのに必要な、偏光分離領域の長さの下限値および重なり領域の長さの下限値を説明するための図である。

　（第１変形例）
　図５に示される例では、偏光ビームスプリッター１００は、反射防止層１６０をさらに有している。反射防止層１６０は、少なくとも入射部１１２および出射部１２２を被覆している。この例では、反射防止層１６０は、反射層１３０の表面および偏光分離層１４０の表面も被覆している。

　この態様では、入射部１１２および出射部１２２での光の反射が抑制される。このため、入射部１１２および出射部１２２を透過する光の反射損失が低減される。

　（第２変形例）
　図６に示される例では、反射層１３０は、反射領域１３０Ａにおいて所定方向に互いに離間するように設けられた複数の反射部１３１，１３２を有している。複数の反射部１３１，１３２は、第１反射部１３１と、第２反射部１３２とを含む。第１反射部１３１は、入射部１１２を通じて入射した光を偏光分離層１４０に向けて反射させる。第２反射部１３２は、偏光分離層１４０で反射した光を再度偏光分離層１４０に向けて反射させる。なお、反射部の数は、２に限られない。反射部が３以上設けられる場合、それらは、所定方向に等間隔に設けられる。

　偏光分離層１４０は、偏光分離領域１４０Ａにおいて所定方向に互いに離間するように設けられた複数の偏光分離部１４１，１４２を有している。複数の偏光分離部１４１，１４２は、第１偏光分離部１４１と、第２偏光分離部１４２とを含む。第１偏光分離部１４１は、第１反射部１３１で反射した光のうちＰ偏光を透過光Ｂ２として透過させ、かつ、Ｓ偏光を第２反射部１３２に向けて反射させる。第２偏光分離部１４２は、第２反射部１３２で反射した光のうちＰ偏光を透過光Ｂ２として透過させ、かつ、Ｓ偏光を出射部１２２に向けて反射させる。第２偏光分離部１４２で反射した光は、主としてＳ偏光の出射光Ｂ１として出射部１２２を通じて出射される。なお、偏光分離部の数は、２に限られない。偏光分離部が３以上設けられる場合、それらは、所定方向に等間隔に設けられる。所定方向における各偏光分離部１４１，１４２の長さは、各反射部１３１，１３２と基板１０２の厚さ方向に互いに重なり合うように設定されてもよいし、互いに重なり合わないように設定されてもよい。

　この例では、所定方向における第１反射部１３１の上端から第２反射部１３２の下端までの領域が反射領域１３０Ａを構成しており、所定方向における第１偏光分離部１４１の上端から第２偏光分離部１４２の下端までの領域が偏光分離領域１４０Ａを構成している。このため、所定方向における第１偏光分離部１４１の上端から第２反射部１３２の下端までの領域が重なり領域１５０Ａを構成する。

　この態様においても、出射部１２２から出射される光の消光比が高まる。

　（第３変形例）
　図７に示される例では、入射部１１２を介して基板１０２内に入射した光が偏光分離層１４０で３回反射されるように構成されている。この例では、偏光分離層１４０で３回反射させるためには、反射層１３０においても３回反射させることが必要となる。

　この態様では、基板１０２内に入射した光が偏光分離層１４０において３回反射するため、出射部１２２から出射される光の消光比がさらに高まる。

　ここで、図８を参照しながら、偏光分離層１４０でＮ回反射させるのに必要な、反射領域１３０Ａの長さＬ１の下限値、偏光分離領域１４０Ａの長さＬ２の下限値および重なり領域１５０Ａの長さＬ３の下限値について説明する。

　図８に示されるように、基板１０２の厚みをｔ（ｍｍ）、入射部１１２に対する光Ｂ０の入射角をθ１（度）、光Ｂ０が入射部１１２から基板１０２内に入射する際の光の屈折角をθ２（度）、入射部１１２に入射する光Ｂ０の径をｄ（ｍｍ）、所定方向における反射領域１３０Ａの長さをＬ１（ｍｍ）、所定方向における偏光分離領域１４０Ａの長さをＬ２（ｍｍ）、所定方向における重なり領域１５０Ａの長さをＬ３（ｍｍ）とすると、反射層１３０においてＮ回反射するのに必要な反射領域１３０Ａの長さＬ１は、以下の式（１）を満たす。

　Ｌ１≧２（Ｎ－１）ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（１）

　同様に、偏光分離層１４０においてＮ回反射するのに必要な偏光分離領域１４０Ａの長さＬ２は、以下の式（２）を満たす。

　Ｌ２≧２（Ｎ－１）ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（２）

　この場合、重なり領域１５０Ａの長さＬ３は、以下の式（３）を満たす。

　Ｌ３≧（２Ｎ－３）ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（３）

　このため、図８に示されるように、偏光分離層１４０で３回反射させる場合、各長さＬ１～Ｌ３は、以下の式（４）～式（６）を満たす。

　Ｌ１≧４ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（４）

　Ｌ２≧４ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（５）

　Ｌ３≧３ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（６）

　反射層１３０の上端の位置および偏光分離層１４０の上端の位置は、入射部１１２に入射する光Ｂ０の径ｄ、光Ｂ０の入射位置、入射角θ１、屈折角θ２（基板１０２の材料）、基板１０２の厚さｔなどを踏まえて設定される。

　なお、反射領域１３０Ａの下端の位置を延長可能な長さＬ１０は、以下の式（７）を満たす。

　Ｌ１０≦２ｔ×ｔａｎθ２－ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（７）

　偏光分離領域１４０Ａの上端の位置を延長可能な長さＬ２０についても、式（７）と同様である。

　以上に基づいて、偏光分離層１４０で２回反射させる場合の具体例について説明する。基板１０２として、厚さｔが１０ｍｍで合成石英（屈折率１．４６）からなるものを用い、光Ｂ０の径ｄは１ｍｍであり、入射角θ１は４５度であり、屈折角θ２は２９度であり、入射媒質が空気（屈折率１）である場合、長さＬ１および長さＬ２の各下限値は、１２．２ｍｍであり、長さＬ３の下限値は、６．７ｍｍである。また、長さＬ１０の最大値および長さＬ２０の最大値は、それぞれ９．９ｍｍである。なお、屈折角θ２は、スネルの法則より算出可能である。

　図９は、偏光分離層で２回反射した後に出射した光の、波長と透過率との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。図１０は、偏光分離層で４回反射した後に出射した光の、波長と透過率との関係のシミュレーション結果を示すグラフである。各シミュレーションは、反射防止層１６０を有する場合で、かつ、偏光分離波長が５３２ｎｍに設定され、入射角θ１が４５度に設定されることにより行われた。なお、各グラフにおいて、破線で示されたＳ偏光は、偏光ビームスプリッター１００を透過した出射光Ｂ１に含まれるＳ偏光成分を表し、実線で示されたＰ偏光は、偏光ビームスプリッター１００を透過した出射光Ｂ１に含まれるＰ偏光成分を表している。これら図９および図１０に示されるように、波長が５３２ｎｍ付近において、消光比（Ｓ偏光の透過率のＰ偏光の透過率に対する割合）が高くなること、および、偏光分離層１４０での反射回数が増えることにより、Ｐ偏光およびＳ偏光の透過率特性のリップルが低減することが分かる。

　図１１は、偏光分離層での反射回数と、Ｐ偏光の透過率と、Ｓ偏光の透過率と、消光比との関係を示す表である。偏光分離層での反射回数が１回の場合（比較例）、すなわち、基板の第１主面に設けられた偏光分離層において、Ｓ偏光である反射光とＰ偏光である透過光とに分離される場合の消光比は、およそ１.００×１０^２である。図１１に示されるように、偏光分離層１４０での反射回数（偏光分離回数）を増大させることにより、消光比が飛躍的に高めることができた。反射回数が３以上であれば、いわゆるプリズムタイプの偏光ビームスプリッターの消光比（１０００００程度）に勝る消光比が得られた。

　（第２実施形態）
　次に、図１２及び図１３を参照しながら、本発明の第２実施形態の光学装置１について説明する。図１２は、本発明の第２実施形態の偏光ビームスプリッターの全体構成を概略的に示す図である。図１３は、偏光分離層で３回反射するのに必要な、偏光分離領域の長さの下限値および重なり領域の長さの下限値を説明するための図である。なお、第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明を行い、第１実施形態と同じ構造、作用及び効果の説明は繰り返さない。

　本実施形態では、反射層１３０は、第１主面１１０の一部を被覆しており、偏光分離層１４０は、第２主面１２０の一部を被覆している。出射部１１４は、第１主面１１０および第２主面１２０のうち反射層１３０が設けられている側の主面である第１主面１１０に設けられる。出射部１１４は、所定方向について重なり領域１５０Ａを挟んで入射部１１２とは反対側に設けられている。この実施形態では、反射領域１３０Ａと重なり領域１５０Ａとが一致する。

　この態様においても、入射部１１２を通じて基板１０２内に入射した光は、反射層１３０と偏光分離層１４０との間で複数回反射を繰り返す。具体的に、入射部１１２を通じて基板１０２内に入射した光は、まず偏光分離層１４０に至り、そこでＰ偏光が透過光Ｂ２として偏光分離層１４０を透過する一方で、Ｓ偏光が反射層１３０に向けて反射される。偏光分離層１４０で反射した光は、反射層１３０において、偏光分離層１４０に向けて反射される。そして、偏光分離層１４０において、再度Ｐ偏光が透過光Ｂ２として偏光分離層１４０を透過するとともに、Ｓ偏光が出射部１１４に向けて反射され、出射部１１４から主としてＳ偏光が出射される。

　このように、本実施形態においても、出射部１１４からの出射光Ｂ１の消光比が高まる。

　次に、図１３を参照しながら、偏光分離層１４０でＮ回反射させるのに必要な、反射領域１３０Ａの長さＬ１の下限値、偏光分離領域１４０Ａの長さＬ２の下限値および重なり領域１５０Ａの長さＬ３の下限値について説明する。この例では、偏光分離層１４０でＮ回反射させるためには、反射層１３０においてＮ－１回反射させることが必要となる。

　反射層１３０においてＮ－１回反射するのに必要な反射領域１３０Ａの長さＬ１は、以下の式（８）を満たす。

　Ｌ１≧２（Ｎ－２）ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（８）

　偏光分離層１４０においてＮ回反射するのに必要な偏光分離領域１４０Ａの長さＬ２は、以下の式（９）を満たす。

　Ｌ２≧２（Ｎ－１）ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（９）

　重なり領域１５０Ａの長さＬ３についても、式（８）を満たす。

　このため、図１３に示されるように、偏光分離層１４０で３回反射させる場合、各長さＬ１～Ｌ３は、以下の式（１０）～式（１２）を満たす。

　Ｌ１≧２ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（１０）

　Ｌ２≧４ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（１１）

　Ｌ３≧２ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（１２）

　なお、反射領域１３０Ａの下端の位置を延長可能な長さＬ１０および反射領域１３０Ａの上端の位置を延長可能な長さＬ２０は、上記の式（７）を満たす。つまり、偏光分離層１４０で３回反射させる場合における長さＬ１の上限値は、以下の式（１３）で示される。

　Ｌ１≦６ｔ×ｔａｎθ２－ｄ／ｃｏｓθ２　・・・（１３）

　なお、上記各実施形態の偏光ビームスプリッター１００は、Ｓ偏光の消光比を高めることに適しているが、Ｐ偏光の消光比を高めることも可能である。

　なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって、制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく請求の範囲によって示され、さらに請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

　［態様］
　上述した例示的な実施形態は、以下の態様の具体例であることが当業者により理解される。

　（第１項）
　一態様に係る偏光ビームスプリッターは、第１主面および第２主面を有する基板と、第１主面および第２主面のいずれか一方の主面の一部を被覆するとともに、基板内に入射した光を反射させる反射層と、第１主面および第２主面のいずれか他方の主面の一部を被覆するとともに、基板内に入射した光のうちＳ偏光およびＰ偏光のいずれか一方を透過させ、かつ、Ｓ偏光およびＰ偏光のいずれか他方を反射させる偏光分離層とを備える。第１主面は、基板内への光の入射を許容する入射部を有する。第１主面および第２主面のうち反射層が設けられている側の主面は、基板の厚さ方向と直交する所定方向において入射部から離れて配置され、基板からの光の出射を許容する出射部を有する。反射層が設けられた領域の所定方向における一方端から他方端までの反射領域と、偏光分離層が設けられた領域の所定方向における一方端から他方端までの偏光分離領域とは、基板の厚さ方向に互いに重なり合う重なり領域を含む。

　この偏光ビームスプリッターは、所定方向に互いに離れて配置された入射部と出射部との間に、重なり領域を含むように反射層および偏光分離層が設けられているため、入射部から基板内に入射した光を偏光分離層において複数回反射させつつ（偏光分離させつつ）出射部から出射させることが可能となる。このため、出射部から出射される光の消光比を高めることができる。さらに、この偏光ビームスプリッターは、入射部および出射部の間において光を基板内で進行させるプレートタイプであるため、高いレーザ耐性を有する。

　（第２項）
　第１項に記載の偏光ビームスプリッターにおいて、偏光分離層は、所定方向における偏光分離領域の一方端から他方端まで連続的につながる形状を有することが好ましい。反射層は、所定方向における反射領域の一方端から他方端まで連続的につながる形状を有することが好ましい。

　このようにすれば、入射部から基板内に入射した光を偏光分離層で複数回反射させ易くなるため、偏光ビームスプリッターの光学的な設計の自由度が向上する。

　（第３項）
　第１項または第２項に記載の偏光ビームスプリッターにおいて、少なくとも入射部および出射部を被覆する反射防止層をさらに備えることが好ましい。

　このようにすれば、入射部および出射部を透過する光の反射損失が低減される。

　（第４項）
　一態様に係る光学装置は、第１項から第３項のいずれかに記載の偏光ビームスプリッターと、Ｓ偏光およびＰ偏光を含む光を、偏光ビームスプリッターに向けて照射する光源とを備える。偏光ビームスプリッターは、光源からの光が偏光分離層で複数回反射されるように構成されている。

　この光学装置では、光源から照射されて入射部を通じて基板内に入射した光が、偏光分離層において複数回反射する（偏光分離される）ため、出射部から出射される光の消光比が高まる。

　（第５項）
　第４項に記載の光学装置において、反射層は、第２主面の一部を被覆していてもよい。出射部は、所定方向について重なり領域を基準として入射部とは反対側に設けられている。

　この態様では、重なり領域を含む偏光分離層において、入射部から基板内に入射した光を複数回反射させることが可能となる。

　（第６項）
　第５項に記載の光学装置において、基板の厚みをｔ、入射部に対する光の入射角をθ１、光が入射部から基板内に入射する際の光の屈折角をθ２、入射部に入射する光の径をｄ、所定方向における反射領域の長さをＬ１、所定方向における偏光分離領域の長さをＬ２、所定方向における重なり領域の長さをＬ３とすると、以下の関係式を満たすことが好ましい。

　Ｌ１≧４ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２

　Ｌ２≧４ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２

　Ｌ３≧３ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２

　このようにすれば、基板内に入射した光が偏光分離層において３回以上反射するため、出射部から出射される光の消光比がより確実に高まる。

　（第７項）
　第４項に記載の光学装置において、反射層は、第１主面の一部を被覆していてもよい。出射部は、所定方向について重なり領域を基準として入射部とは反対側に設けられている。

　この態様でも、重なり領域を含む偏光分離層において、入射部から基板内に入射した光を複数回反射させることが可能となる。

　（第８項）
　第７項に記載の光学装置において、基板の厚みをｔ、入射部に対する光の入射角をθ１、光が入射部から基板内に入射する際の光の屈折角をθ２、入射部に入射する光の径をｄ、所定方向における反射領域の長さをＬ１、所定方向における偏光分離領域の長さをＬ２、所定方向における重なり領域の長さをＬ３とすると、以下の関係式を満たすことが好ましい。

　Ｌ１≧４ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２

　Ｌ２≧６ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２

　Ｌ３≧４ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２

　このようにすれば、基板内に入射した光が偏光分離層において３回以上反射するため、出射部から出射される光の消光比がより確実に高まる。

　１　光学装置、１０　光源、１００　偏光ビームスプリッター、１０２　基板、１１０　第１主面、１１２　入射部、１１４　出射部、１２０　第２主面、１２２　出射部、１３０　偏光分離層、１３０Ａ　偏光分離領域、１４０　反射層、１４０Ａ　反射領域、１５０Ａ　重なり領域、１６０　反射防止層。

Claims (8)

1. 　第１主面および第２主面を有する基板と、
   　前記第１主面および前記第２主面のいずれか一方の主面の一部を被覆するとともに、前記基板内に入射した光を反射させる反射層と、
   　前記第１主面および前記第２主面のいずれか他方の主面の一部を被覆するとともに、前記基板内に入射した光のうちＳ偏光およびＰ偏光のいずれか一方を透過させ、かつ、前記Ｓ偏光および前記Ｐ偏光のいずれか他方を反射させる偏光分離層とを備え、
   　前記第１主面は、前記基板内への光の入射を許容する入射部を有し、
   　前記第１主面および前記第２主面のうち前記反射層が設けられている側の主面は、前記基板の厚さ方向と直交する所定方向において前記入射部から離れて配置され、前記基板からの光の出射を許容する出射部を有し、
   　前記反射層が設けられた領域の前記所定方向における一方端から他方端までの反射領域と、前記偏光分離層が設けられた領域の前記所定方向における一方端から他方端までの偏光分離領域とは、前記基板の厚さ方向に互いに重なり合う重なり領域を含む、偏光ビームスプリッター。
2. 　前記偏光分離層は、前記所定方向における前記偏光分離領域の前記一方端から前記他方端まで連続的につながる形状を有し、
   　前記反射層は、前記所定方向における前記反射領域の前記一方端から前記他方端まで連続的につながる形状を有する、請求項１に記載の偏光ビームスプリッター。
3. 　少なくとも前記入射部および前記出射部を被覆する反射防止層をさらに備える、請求項１または２に記載の偏光ビームスプリッター。
4. 　請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光ビームスプリッターと、
   　前記Ｓ偏光および前記Ｐ偏光を含む光を、前記偏光ビームスプリッターに向けて照射する光源とを備え、
   　前記偏光ビームスプリッターは、前記光源からの光が前記偏光分離層で複数回反射されるように構成されている、光学装置。
5. 　前記反射層は、前記第２主面の一部を被覆しており、
   　前記出射部は、前記所定方向について前記重なり領域を基準として前記入射部とは反対側に設けられている、請求項４に記載の光学装置。
6. 　前記基板の厚みをｔ、前記入射部に対する前記光の入射角をθ１、前記光が前記入射部から前記基板内に入射する際の前記光の屈折角をθ２、前記入射部に入射する前記光の径をｄ、前記所定方向における前記反射領域の長さをＬ１、前記所定方向における前記偏光分離領域の長さをＬ２、前記所定方向における前記重なり領域の長さをＬ３とすると、以下の関係式を満たす、請求項５に記載の光学装置。
   　Ｌ１≧４ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２
   　Ｌ２≧４ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２
   　Ｌ３≧３ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２
7. 　前記反射層は、前記第１主面の一部を被覆しており、
   　前記出射部は、前記所定方向について前記重なり領域を基準として前記入射部とは反対側に設けられている、請求項４に記載の光学装置。
8. 　前記基板の厚みをｔ、前記入射部に対する前記光の入射角をθ１、前記光が前記入射部から前記基板内に入射する際の前記光の屈折角をθ２、前記入射部に入射する前記光の径をｄ、前記所定方向における前記反射領域の長さをＬ１、前記所定方向における前記偏光分離領域の長さをＬ２、前記所定方向における前記重なり領域の長さをＬ３とすると、以下の関係式を満たす、請求項７に記載の光学装置。
   　Ｌ１≧２ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２
   　Ｌ２≧４ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２
   　Ｌ３≧２ｔ×ｔａｎθ２＋ｄ／ｃｏｓθ２

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