(57)【要約】【課題】光軸を合わせるために複数の偏光ビームスプリッタ間のアライメントを調整する必要がなく、高い消光比を実現できる偏光ビームスプリッタを提供する。【解決手段】複数の光学部材（２１〜２５）を接合してなる偏光ビームスプリッタ１０であって、所定の方向から入射光６を入射させる入射表面１１と、入射表面１１から入射した光の光路に設けられた第１偏光分離膜３１と、第１偏光分離膜３１を透過したＰ偏光の光を出射させる第１出射表面１２と、第１偏光分離膜３１で反射したＳ偏光の光を反射させる第４偏光分離膜３４と、第４偏光分離膜３４で反射したＳ偏光の光の光路に設けられた第２偏光分離膜３２と、第２偏光分離膜３２で反射したＳ偏光の光を出射させる第２出射表面１３とを備え、３重の偏光分離によってＳ偏光の光を高消光比にする。【選択図】図８
2020046525.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の光学部材を接合してなる偏光ビームスプリッタであって、
所定の方向から入射光を入射させる入射表面と、
前記入射表面から入射した光の光路に設けられた第１偏光分離膜と、
前記第１偏光分離膜を透過したＰ偏光の光を出射させる第１出射表面と、
前記第１偏光分離膜で反射したＳ偏光の光を反射させる反射面と、
前記反射面で反射した前記Ｓ偏光の光の光路に設けられた第２偏光分離膜と、
前記第２偏光分離膜で反射した前記Ｓ偏光の光を出射させる第２出射表面とを備えることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項２】
前記第１偏光分離膜と前記第２偏光分離膜とが同一平面上に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項３】
前記第１偏光分離膜を透過した前記Ｐ偏光の光の光路に前記第１偏光分離膜と平行に設けられた第３偏光分離膜を更に備えることを特徴とする請求項２に記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項４】
複数の前記光学部材が、側面視において、台形をなす第１光学部材と、前記第１光学部材の下底に接合された長辺を有する長方形をなす第２光学部材と、前記第２光学部材の前記長辺に対向する対辺に接合された下底を有する台形をなす第３光学部材とを含み、
前記入射表面及び前記第２出射表面が前記第１光学部材の側辺に設けられ、
前記第１偏光分離膜及び前記第２偏光分離膜が前記第１光学部材と前記第２光学部材との界面に設けられ、
前記第１出射表面が前記第３光学部材の側辺の一方に設けられていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項５】
複数の前記光学部材が、側面視において、台形をなす第１光学部材と、前記第１光学部材の下底に接合された一辺及びこれに対向する前記一辺に平行な対辺を有する四角形をなす第２光学部材と、前記第２光学部材の前記対辺に接合された斜辺を有する三角形をなす第３光学部材とを含み、
前記入射表面及び前記第２出射表面が前記第１光学部材の側辺に設けられ、
前記第１偏光分離膜及び前記第２偏光分離膜が前記第１光学部材と前記第２光学部材との界面に設けられ、
前記第１出射表面が前記第３光学部材の前記斜辺と異なる辺に設けられていることを特徴とする請求項２又は請求項３に記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項６】
前記反射面が全反射面であることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項７】
前記反射面が、互いに隣接する２つの前記光学部材の界面に設けられた第４偏光分離膜からなることを特徴とする請求項１〜請求項５のいずれかに記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項８】
前記反射面で反射して前記第２偏光分離膜を透過した前記Ｐ偏光の残留光の光路に設けられた光吸収部材を更に備えることを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれかに記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項９】
前記第４偏光分離膜を透過した前記Ｐ偏光の残留光の光路に設けられた反射防止膜又は光吸収部材を更に備えることを特徴とする請求項７に記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項１０】
前記第１出射表面から出射される前記Ｐ偏光の光軸と前記第２出射表面から出射される前記Ｓ偏光の光軸とがなす偏光分離角が９０°であることを特徴とする請求項１〜請求項９のいずれかに記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項１１】
前記第１偏光分離膜及び前記第２偏光分離膜が、フッ化物、酸化物、硫化物及び半導体からなる群から選択された少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１〜請求項１０のいずれかに記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項１２】
複数の前記光学部材が、光学結晶、光学ガラス、セラミック及び半導体からなる群から選択された少なくとも１つの材料を含むことを特徴とする請求項１〜請求項１１のいずれかに記載の偏光ビームスプリッタ。
【請求項１３】
互いに隣接する２つの前記光学部材が、オプティカルコンタクト、表面活性化接合、拡散接合及び接着剤による接合のいずれかによって互いに接合されていることを特徴とする請求項１〜請求項１２のいずれかに記載の偏光ビームスプリッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、複数の偏光分離膜によって偏光分離を行って高消光比を実現する偏光ビームスプリッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
投射型表示装置に用いられる偏光ビームスプリッタとして、２つのプリズムと２つのプリズムの間に設けられた偏光分離膜とからなる偏光分離膜型ビームスプリッタが知られている（例えば、特許文献１、２）。また、複屈折材料の異なる２つの全反射条件を利用した全反射型偏光ビームスプリッタも知られている（例えば、特許文献３、４）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平１１−２５８４２２号公報
【特許文献２】特開平９−５４２１３号公報
【特許文献３】特開平９−９０１１１号公報
【特許文献４】特開２０１３−１５６８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の偏光分離膜型ビームスプリッタは、数十層の偏光分離膜を積層することでＳ偏光の光の反射率を増加させることができる。しかしながら、偏光分離膜を数十層積層しても、消光比は一般に３０ｄＢ程度にしか高くすることができない。特許文献１記載の偏光ビームスプリッタでは、Ｐ偏光の光の反射率が０．０４％であり、Ｓ偏光の光の消光比（Ｐ偏光に対するＳ偏光の光強度の比）は約３５ｄＢである。特許文献２記載の偏光ビームスプリッタは、複数の偏光分離膜型偏光ビームスプリッタを並べることで高い消光比を実現することができる。しかしながら、この偏光ビームスプリッタでは、高い消光比を実現できる入射角の範囲が狭いため、光軸を合わせるための各偏光分離膜型偏光ビームスプリッタのアライメント（配列）調整が難しかった。
【０００５】
一方、従来の全反射型偏光ビームスプリッタは、全反射を利用することで５０ｄＢ以上の高い消光比を実現することができる。しかしながら、一般に偏光分離角は９０度にならない（特許文献３参照）。特許文献４記載の全反射型偏光ビームスプリッタは、複屈折を持つ２つのプリズム材によって異なる材質からなる複屈折性板材を挟み込むことで５０ｄＢ以上の消光比と９０度の偏光分離角とを実現している。しかしながら、この全反射型偏光ビームスプリッタは、材料の光吸収性に起因して、紫外線波長域の光に適用することができない。
【０００６】
本発明は、このような背景に鑑み、光軸を合わせるために複数の偏光ビームスプリッタ間のアライメントを調整する必要がなく、高い消光比を実現できる偏光ビームスプリッタを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような課題を解決するために、本発明のある態様は、複数の光学部材（２１〜２５）を接合してなる偏光ビームスプリッタ（１０）であって、所定の方向から入射光（６）を入射させる入射表面（１１）と、前記入射表面（１１）から入射した光の光路に設けられた第１偏光分離膜（３１）と、前記第１偏光分離膜（３１）を透過したＰ偏光の光を出射させる第１出射表面（１２）と、前記第１偏光分離膜（３１）で反射したＳ偏光の光を反射させる反射面（１４、３４）と、前記反射面（１４、３４）で反射した前記Ｓ偏光の光の光路に設けられた第２偏光分離膜（３２）と、前記第２偏光分離膜（３２）で反射した前記Ｓ偏光の光を出射させる第２出射表面（１３）とを備えることを特徴とする。
【０００８】
入射表面から偏光ビームスプリッタに入射した光は、第１偏光分離膜により、第１偏光分離膜を透過するＰ偏光の光と、第１偏光分離膜で反射するＳ偏光の光とに分離される。ここで、第１偏光分離膜を透過する光は、正確にはＰ偏光成分を多く含む透過光であるが、本明細書では単に「Ｐ偏光の光」ということがある。同様に、第１偏光分離膜で反射する光は、正確にはＳ偏光成分を多く含む反射光であるが、本明細書では単に「Ｓ偏光の光」ということがある。
【０００９】
また、減衰全反射（Frustrated Total Internal Reflection）を利用した偏光ビームスプリッタでは、偏光分離膜を透過する光がＳ偏光となり、反射する光がＰ偏光となり得る。例えば、以下の文献を参照されたい（L. Li and J. A. Dobrowolski, "High-performance thin-film polarizing beam splitter operating at angles greater than the critical angle", Appl. Opt. 39, 2754-2771(2000)）。本明細書において、偏光分離膜３１〜３５を透過する光は「Ｐ偏光の光」を指すが、減衰全反射を利用した場合には偏光分離膜３１〜３５を透過する光は「Ｓ偏光の光（振動電場が入射面に垂直振動する）」を指す。また本明細書において、偏光分離膜３１〜３５で反射する光は「Ｓ偏光の光」を指すが、減衰全反射を利用した場合には偏光分離膜３１〜３５で反射する光は「Ｐ偏光の光（振動電場が入射面内で振動する）」を指す。
【００１０】
第１偏光分離膜を透過するＰ偏光にはＳ偏光の光が混じり難いため、第１出射表面から出射するＰ偏光の光の消光比（Ｓ偏光に対するＰ偏光の光強度の比）は比較的高くなる。一方、第１偏光分離膜で反射するＳ偏光にはＰ偏光の光が混じり易いため、第１偏光分離膜で反射したＳ偏光の消光比（Ｐ偏光に対するＳ偏光の光強度の比）は比較的低くなる。このＳ偏光は反射面で反射した後、更に第２偏光分離膜で反射する。即ち、偏光ビームスプリッタに入射した光は、第１偏光分離膜及び第２偏光分離膜で２重に偏光分離する。そのため、第２出射表面から出射するＳ偏光の光の消光比も高くなる。また、複数の光学部材を接合してなる１つの偏光ビームスプリッタによって偏光分離できるため、光学部材の加工精度に応じた高い光軸精度を実現でき、光軸を合わせるために複数の偏光ビームスプリッタ間のアライメントを調整する必要がない。
【００１１】
本発明のある態様は、上記構成において、前記第１偏光分離膜（３１）と前記第２偏光分離膜（３２）とが同一平面上に設けられている。
【００１２】
本発明のある態様は、上記構成において、前記第１偏光分離膜（３１）を透過した前記Ｐ偏光の光の光路に前記第１偏光分離膜（３１）と平行に設けられた第３偏光分離膜（３３）を更に備える。
【００１３】
本発明のある態様は、上記構成において、複数の前記光学部材（２１〜２５）が、側面視にて、台形をなす第１光学部材（２１）と、前記第１光学部材（２１）の下底に接合された長辺を有する長方形をなす第２光学部材（２２）と、前記第２光学部材（２２）の前記長辺に対向する対辺に接合された下底を有する台形をなす第３光学部材（２３）とを含み、前記入射表面（１１）及び前記第２出射表面（１３）が前記第１光学部材（２１）の側辺に設けられ、前記第１偏光分離膜（３１）及び前記第２偏光分離膜（３２）が前記第１光学部材（２１）と前記第２光学部材（２２）との界面に設けられ、前記第１出射表面（１２）が前記第３光学部材の側辺の一方に設けられている。ここで、「側辺」とは、台形の脚（１組の対辺）を意味する。
【００１４】
本発明のある態様は、上記構成において、複数の前記光学部材（２１〜２５）が、側面視において、台形をなす第１光学部材（２１）と、前記第１光学部材（２１）の下底に接合された一辺及びこれに対向する前記一辺に平行な対辺を有する四角形をなす第２光学部材（２２）と、前記第２光学部材（２２）の前記対辺に接合された斜辺を有する三角形をなす第３光学部材（２３）とを含み、前記入射表面（１１）及び前記第２出射表面（１３）が前記第１光学部材（２１）の側辺に設けられ、前記第１偏光分離膜（３１）及び前記第２偏光分離膜（３２）が前記第１光学部材（２１）と前記第２光学部材（２２）との界面に設けられ、前記第１出射表面（１２）が前記第３光学部材（２３）の前記斜辺と異なる辺に設けられている。
【００１５】
本発明のある態様は、上記構成において、前記反射面が全反射面（１４）である。
【００１６】
本発明のある態様は、上記構成において、前記反射面が、互いに隣接する２つの前記光学部材（２１、２４）の接合面間に設けられた第４偏光分離膜（３４）からなる。
【００１７】
本発明のある態様は、上記構成において、前記反射面（１４、３４）で反射して前記第２偏光分離膜（３２）を透過した前記Ｐ偏光の残留光の光路に設けられた光吸収部材（４３）を更に備える。
【００１８】
本発明のある態様は、上記構成において、前記第４偏光分離膜（３４）を透過した前記Ｐ偏光の残留光の光路に設けられた反射防止膜（４１）又は光吸収部材（４３）を更に備える。
【００１９】
本発明のある態様は、上記構成において、前記第１出射表面（１２）から出射される前記Ｐ偏光の光軸と前記第２出射表面（１３）から出射される前記Ｓ偏光の光軸とがなす偏光分離角が９０°である。
【００２０】
本発明のある態様は、上記構成において、前記第１偏光分離膜及び前記第２偏光分離膜が、フッ化物、酸化物、硫化物及び半導体からなる群から選択された少なくとも１つの材料を含む。
【００２１】
本発明のある態様は、上記構成において、複数の前記光学部材（２１〜２５）が、光学結晶、光学ガラス、セラミック及び半導体からなる群から選択された少なくとも１つの材料を含む。
【００２２】
本発明のある態様は、上記構成において、互いに隣接する２つの前記光学部材（２１〜２５）が、オプティカルコンタクト、表面活性化接合、拡散接合及び接着剤による接合のいずれかによって互いに接合されている。
【発明の効果】
【００２３】
このように本発明によれば、光軸を合わせるために複数の偏光ビームスプリッタ間のアライメントを調整する必要がなく、高い消光比を実現できる偏光ビームスプリッタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】第１実施形態に係る偏光分離装置の概略構成図
【図２】図１に示される偏光ビームスプリッタの側面図
【図３】偏光分離膜の光の透過特性を示すグラフ
【図４】第２実施形態に係る偏光ビームスプリッタの概略構成図
【図５】迷光の発生原理の説明図
【図６】第３実施形態に係る偏光ビームスプリッタの概略構成図
【図７】第４実施形態に係る偏光ビームスプリッタの概略構成図
【図８】第５実施形態に係る偏光ビームスプリッタの概略構成図
【図９】第６実施形態に係る偏光ビームスプリッタの概略構成図
【図１０】第７実施形態に係る偏光ビームスプリッタの概略構成図
【図１１】第８実施形態に係る偏光ビームスプリッタの概略構成図
【図１２】第９実施形態に係る偏光ビームスプリッタの概略構成図
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００２６】
≪第１実施形態≫
まず、図１〜図３を参照して第１実施形態に係る偏光分離装置１について説明する。図１は第１実施形態に係る偏光分離装置１の概略構成を示す正面図であり、図２は図１に示される偏光ビームスプリッタ１０の側面図である。図１及び図２に示されるように、実施形態に係る偏光分離装置１は、光源５と、光源５から放射された光をＰ偏光の光とＳ偏光の光とに分割する偏光ビームスプリッタ１０とを備えている。
【００２７】
光源５は、紫外線波長域から赤外線波長域のうち所定の波長のレーザー光を放射するレーザー装置であってよい。本実施形態では、光源５が５３２ｎｍの波長のレーザー光を発振し、偏光ビームスプリッタ１０に入射光６として照射する。
【００２８】
偏光ビームスプリッタ１０は、光源５から放射された光を入射光６として入射させる入射表面１１を備えており、入射光６の光軸が入射表面１１に直交するように入射光６の光路に配置される。偏光ビームスプリッタ１０は、後述する光の透過、反射により、Ｐ偏光の光を出射させる第１出射表面１２と、Ｓ偏光の光を出射させる第２出射表面１３とを有している。第１出射表面１２は、入射表面１１に対向する位置に入射表面１１と平行に設けられている。第２出射表面１３は、偏光ビームスプリッタ１０の中心から入射表面１１の方向及び第１出射表面１２の方向に対して直交する方向に設けられている。第２出射表面１３は、入射表面１１及び第１出射表面１２に直交する方向に延在している。
【００２９】
偏光ビームスプリッタ１０は、互いに接合された３つの光学部材（２１〜２３）によって構成されている。３つの光学部材は、偏光ビームスプリッタ１０の側面視（後述する入射面に直交する方向視）にて、台形をなす第１光学部材２１と、長方形をなす第２光学部材２２と、台形をなす第３光学部材２３とからなり、一定の厚さを有している。
【００３０】
第１光学部材２１は、下底に対してそれぞれ４５°をなす１対の側辺を有している。第１光学部材２１の１対の側辺の一方が入射表面１１とされる。第２光学部材２２は、第１光学部材２１の下底と同じ長さを有し、第１光学部材２１の下底に接合された長辺（上側長辺という）と、上側長辺に対向する上側長辺と平行な対辺（下側長辺という）とを有している。第２光学部材２２の短辺の長さは第１光学部材２１の台形の高さの２倍且つ第２光学部材２２の長辺の長さの１／２とされている。第３光学部材２３は、第２光学部材２２の下側長辺と同じ長さの下底と、下底に対してそれぞれ４５°をなす１対の側辺とを有しており、第２光学部材２２の下側長辺をなす面に接合されている。第３光学部材２３は第１光学部材２１と同一形状をしている。
【００３１】
第１光学部材２１と第２光学部材２２との界面（第１光学部材２１の下底をなす面と第２光学部材２２の上側長辺をなす面とによって構成される接合面）には、第１偏光分離膜３１が設けられている。第１偏光分離膜３１は、入射表面１１から入射した光の一部を反射し、残りの一部を透過させる。ここで、第１偏光分離膜３１は、両光学部材（２１、２２）の界面のうち、入射表面１１から入射した光の光路（の領域）に設けられたものを意味する。但し、偏光分離膜は第１光学部材２１と第２光学部材２２との界面の全域に設けられており、偏光分離膜のうち図中左側部分が第１偏光分離膜３１をなすのに対し、図中右側部分は後述する第２偏光分離膜３２をなす。第１偏光分離膜３１に入射する光の光軸と第１偏光分離膜３１で反射した光の光軸とを含む面が入射面である。
【００３２】
第１偏光分離膜３１は、振動電場が入射面内にある（入射面に平行な成分である）Ｐ偏光の光を透過させ、振動電場が入射面に垂直振動する（入射面に垂直な成分である）Ｓ偏光の光を反射させる。即ち、第１偏光分離膜３１は、入射表面１１から入射する光を、第１偏光分離膜３１を透過するＰ偏光の光（正確にはＰ偏光成分を多く含む透過光）と第１偏光分離膜３１で反射するＳ偏光（正確にはＳ偏光成分を多く含む反射光）の光とに分離する。
【００３３】
第２光学部材２２と第３光学部材２３との界面（第２光学部材２２の下側長辺をなす面と第３光学部材２３の下底をなす面とによって構成される接合面）には、第３偏光分離膜３３が設けられている。第３偏光分離膜３３は、第１偏光分離膜３１を透過した光の一部（Ｓ偏光の光）を反射し、残りの一部（Ｐ偏光の光）を透過させる。第３偏光分離膜３３は両光学部材（２２、２３）の界面のうち、第１偏光分離膜３１を透過したＰ偏光の光路に設けられていればよい。本実施形態では、第３偏光分離膜３３は第２光学部材２２と第３光学部材２３との界面の全域に設けられている。
【００３４】
第３偏光分離膜３３は第１偏光分離膜３１に平行に設けられている。従って、第３偏光分離膜３３についての入射面は第１偏光分離膜３１についての入射面と同一である。第３偏光分離膜３３も第１偏光分離膜３１と同様に、振動電場が入射面内にあるＰ偏光の光を透過させ、振動電場が入射面に垂直振動するＳ偏光の光を反射させる。即ち、第３偏光分離膜３３は第１偏光分離膜３１を透過した光を、第３偏光分離膜３３を透過するＰ偏光の光と第３偏光分離膜３３で反射するＳ偏光の光とに分離する。
【００３５】
第１光学部材２１の１対の側辺をなす表面及び第３光学部材２３の１対の側辺をなす表面には反射防止膜４１が設けられている。これにより、偏光ビームスプリッタ１０は１８０度対称の回転対称の形状、且つ左右対称の形状になっている。
【００３６】
これらの偏光分離膜（３１〜３３）は、ＡｌＦ３、ＭｇＦ２、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＬａＦ３、ＧｄＦ３及びＹＦ３等のフッ化物、又は、ＳｉＯ２、ＡｌＯ３、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５及びＴｉＯ２等の酸化物、ＺｎＳ等の硫化物、及び、半導体からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含んでいる。本実施形態（図３）では、偏光分離膜（３１〜３３）はＨｆＯ２とＳｉＯ２とからなっている。これらの材料の中から紫外線波長域から赤外線波長域の波長の入射光に対して光吸収の小さい膜材料を選択するとよい。これにより、紫外線波長域から赤外線波長域の広い波長域に偏光ビームスプリッタ１０を適用可能になる。
【００３７】
これらの光学部材（２１〜２３）は、サファイア、フッ化カルシウム、フッ化マグネシウム及びＺｎＳｅ等の光学結晶、又は、合成石英及びＢＫ７等の光学ガラス、ＹＡＧセラミック等のセラミック、及び、半導体からなる群から選択される少なくとも１つの材料を含んでいる。本実施形態では、これらの光学部材（２１〜２３）が合成石英で形成されている。これらの材料の中から紫外線波長域から赤外線波長域の波長の入射光に対して光吸収の小さい光学材料を選択するとよい。これにより、紫外線波長域から赤外線波長域の広い波長域に偏光ビームスプリッタ１０を適用可能になる。
【００３８】
これらの光学部材（２１〜２３）の互いに隣接するもの同士は、オプティカルコンタクト、表面活性化接合、拡散接合及び接着剤による接合のいずれかによって互いに接合されている。接着剤は光吸収性の低いものがよい。これにより、入射光６が紫外線波長域から赤外線波長域の波長を有していても、光学部材（２１〜２３）の接合面によって光が吸収されることが抑制される。そのため、紫外線波長域から赤外線波長域の広い波長域に偏光ビームスプリッタ１０を適用可能になる。
【００３９】
従って、入射光６が紫外線波長域から赤外線波長域の波長を有していても、偏光分離膜（３１〜３３）や光学部材（２１〜２３）、光学部材（２１〜２３）の接合面によって光が吸収されることが抑制される。そのため、偏光ビームスプリッタ１０は紫外線波長域から赤外線波長域の広い波長域に適用可能である。
【００４０】
入射表面１１から入射した光は第１偏光分離膜３１によって透過する光と反射する光とに分離される。第１偏光分離膜３１を透過した光は第３偏光分離膜３３によって透過する光と反射する光とに分離される。第３偏光分離膜３３を透過した光は、第３光学部材２３の台形の側辺の一方をなす、入射表面１１に対向する位置に入射表面１１と平行に設けられた第１出射表面１２から第１出射表面１２に対して垂直に出射する。即ち、第１出射表面１２から出射する光の光軸は入射光６の光軸と同一である。
【００４１】
一方、第１偏光分離膜３１で反射した光は、第１光学部材２１の台形の上底をなす面（全反射面１４）で全反射する。全反射面１４で反射した光は、入射光６の光軸と平行に第２偏光分離膜３２に入射し、第２偏光分離膜３２によって透過する光と反射する光とに分離される。第２偏光分離膜３２は、第１偏光分離膜３１と第１光学部材２１と第２光学部材２２との界面の全域に設けられた偏光分離膜のうち、全反射面１４で反射した光の光路（の領域）に設けられたものを意味する。即ち、第２偏光分離膜３２は、第１偏光分離膜３１と実質的に同一であり、Ｐ偏光の光を透過させ、Ｓ偏光の光を反射させる。
【００４２】
このように第１偏光分離膜３１と第２偏光分離膜３２とが同一平面上に設けられているため、第１偏光分離膜３１及び第２偏光分離膜３２の両側に配置される第１光学部材２１及び第２光学部材２２の加工が容易である。その上、第１偏光分離膜３１と第２偏光分離膜３２とを高い精度で平行にすることができる。
【００４３】
第２偏光分離膜３２で反射した光は、第１光学部材２１の台形の１対の側辺のうち、入射表面１１と異なる側に設けられた入射表面１１に直交する第２出射表面１３から第２出射表面１３に対して垂直に出射する。即ち、第２出射表面１３から出射する光の光軸は、入射光６及び第１出射表面１２からの出射光の光軸に直交している。また、第１光学部材２１の台形の高さが第２光学部材２２の短辺の長さの１／２であることから、第２出射表面１３から出射する光の光軸は、第２光学部材２２の中心にて入射光６の光軸に直交している。なお、第３光学部材２３が第１光学部材２１と同一形状であるため、第２光学部材２２の中心は偏光ビームスプリッタ１０の中心をなす。
【００４４】
偏光分離膜は、数十層の膜を積層して厚膜にすることでＳ偏光の反射率を大きくすることが可能である。そのため、Ｓ偏光の透過率を低減すること（偏光分離膜を透過するＰ偏光の光に混ざるＳ偏光の光を低減すること）は比較的容易である。一方、Ｐ偏光透過率を大きくするためには、ブリュースター条件を満たすように膜の屈折率と膜厚とを調整する必要があり、Ｐ偏光の残留反射を低減すること（偏光分離膜で反射するＳ偏光の光に混ざるＰ偏光の光を低減すること）は比較的難しい。そのため、Ｓ偏光の光に混ざるＰ偏光の光が多くなる傾向がある。
【００４５】
図３は、偏光分離膜（３１〜３３）の光の透過特性を示すグラフである。横軸は波長を示し、縦軸は光の透過率を示している。図３に示されるように、偏光分離膜の光の透過率は波長に応じて変化する。Ｓ偏光の光の透過率は、波長が５４０ｎｍ以下では約０％であり、波長が５４０ｎｍを超えると、波長が長くなるに従って増加し、波長が５９０ｎｍの辺りで最も大きくなり（９９％以上）、それを超えると低下する。一方、Ｐ偏光の光の透過率は、波長が４７５ｎｍの辺りで最も小さく（１０％程度）、波長が４７５ｎｍから長くなるに従って単調増加し、波長が５２０ｎｍの辺りで最大（約９９．５％）となる。
【００４６】
ここで、Ｐ偏光透過率をＴｐとし、Ｐ偏光反射率をＲｐとし、Ｓ偏光透過率をＴｓとし、Ｓ偏光反射率をＲｓとする。図３に示される特性を有する偏光分離膜では、波長５３２ｎｍの光について、Ｔｐ＝９９．５％、Ｒｐ＝０．５％、Ｔｓ＝０．１％、Ｒｓ＝９９．９％となる。
【００４７】
この場合、第２出射表面１３から出射されるＳ偏光の光に混ざるＰ偏光の光は、Ｒｐ×Ｒｐ＝０．５％×０．５％＝０．００２５％（Ｓ偏光の消光比：４６ｄＢ）となる。このように、本実施形態では第１偏光分離膜３１で反射した光が第２偏光分離膜３２で再度偏光分離するため、第１偏光分離膜３１のみで反射した場合（Ｒｐ＝０．５％（消光比：２３ｄＢ））に比べ、Ｓ偏光の消光比が２倍になる。
【００４８】
なお、第１出射表面１２から出射されるＰ偏光の光に混ざるＳ偏光の光は、Ｔｓ×Ｔｓ＝０．１％×０．１％＝１０−４％（Ｐ偏光の消光比：６０ｄＢ）であり、Ｐ偏光の消光比は十分小さい。仮に、第２光学部材２２と第３光学部材２３との界面に第３偏光分離膜３３が設けられていない場合には、第１出射表面１２から出射されるＰ偏光の光に混ざるＳ偏光の光は、Ｔｓ＝０．１％（Ｐ偏光の消光比：３０ｄＢ）である。この場合でも、１回反射の場合のＳ偏光の光の消光比（２３ｄＢ）に比べると、Ｐ偏光の消光比は高い。本実施形態では、第１偏光分離膜３１を透過したＰ偏光の光の光路に第１偏光分離膜３１と平行な第３偏光分離膜３３が設けられているため、第１出射表面１２から出射するＰ偏光の消光比が６０ｄＢになる。
【００４９】
このように、複数の光学部材（２１〜２３）を接合してなる１つの偏光ビームスプリッタ１０では、光学部材（２１〜２３）の加工精度に応じて高い光軸精度を実現できる。従って、光軸を合わせるために複数の偏光ビームスプリッタ間のアライメントを調整する必要がない。
【００５０】
本実施形態では、偏光ビームスプリッタ１０が、側面視にて、台形をなす第１光学部材２１と、第１光学部材２１の下底の面に接合された長方形をなす第２光学部材２２と、第２光学部材２２の下側長辺の面に接合された台形をなす第３光学部材２３とを含む。そして、入射表面１１及び第１出射表面１２が第１光学部材２１の側辺に設けられ、第１偏光分離膜３１及び第２偏光分離膜３２が第１光学部材２１と第２光学部材２２との界面に設けられ、第２出射表面１３が第３光学部材２３の側辺の一方に設けられている。そのため、第１〜第３光学部材２３の形状が簡単であり、これらの光学部材（２１〜２３）の加工が容易である上、これらの光学部材（２１〜２３）を高い精度で製造可能である。また、偏光ビームスプリッタ１０のアライメント調整も容易である。
【００５１】
また、本実施形態では、第１偏光分離膜３１で反射したＳ偏光の光を反射させる反射面が全反射面１４であるため、反射面を第１光学部材２１に容易に形成することができる。
【００５２】
更に本実施形態では、第１出射表面１２から出射されるＰ偏光の光軸と第２出射表面１３から出射されるＳ偏光の光軸とがなす偏光分離角が９０°である。そのため、Ｓ偏光の光とＰ偏光の光とを利用する他の光学素子を偏光ビームスプリッタ１０の周りに設ける際に、それらの光学素子のアライメント調整が容易である。即ち、偏光ビームスプリッタ１０の利用性が高い。
【００５３】
上記のように、偏光ビームスプリッタ１０は紫外線波長域から赤外線波長域の広い波長域に適用可能である。そのため、光源５を紫外線波長域から赤外線波長域の波長の光を発するものにすれば、紫外線波長域から赤外線波長域の波長の光が高い消光比をもってＳ波とＰ波とに分離可能である。
【００５４】
≪第２実施形態≫
次に、図４を参照して第２実施形態に係る偏光ビームスプリッタ１０について説明する。なお、第１実施形態と形態又は機能が同一又は同様の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。以降の実施形態においても同様とする。
【００５５】
本実施形態の偏光ビームスプリッタ１０では、第１光学部材２１の下底をなす面及び第３光学部材２３の下底をなす面に１対の第４光学部材２４が接合されている。図示例の第４光学部材２４は側面視で長方形（即ち、板状）とされている。第４光学部材２４と第１光学部材２１又は第３光学部材２３との界面には、第１偏光分離膜３１で反射した光の一部を反射し、残りの一部を透過させる第４偏光分離膜３４が設けられている。即ち、第１偏光分離膜３１で反射したＳ偏光の光を反射させる反射面が、第１実施形態の全反射面１４に代わり、第４偏光分離膜３４によって構成されている。ここで、第４偏光分離膜３４は、両光学部材の界面のうち、第１偏光分離膜３１で反射した光の光路（の領域）に設けられたものを意味する。本実施形態では、上記の界面の全域に偏光分離膜が設けられている。偏光ビームスプリッタ１０は、第１実施形態と同様に１８０度対称の回転対称且つ左右対称の形状をなしている。
【００５６】
このように、第１偏光分離膜３１で反射した光を反射する反射面は、互いに隣接する２つの光学部材の接合面間に設けられた第４偏光分離膜３４からなる。そのため、第１偏光分離膜３１で反射したＰ偏光の光に含まれるＳ偏光の光が、第４偏光分離膜３４での偏光分離によって低減される。即ち、Ｐ偏光の光は、偏光分離膜で３重に偏光分離することにより、より高い消光比をもっても第２出射表面１３から出射する。
【００５７】
具体的には、第２出射表面１３から出射されるＳ偏光の光に混ざるＰ偏光の光は、Ｒｐ×Ｒｐ×Ｒｐ＝０．５％×０．５％×０．５％＝１．３×１０−５％（Ｓ偏光の消光比：６９ｄＢ）となる。このように、本実施形態ではＰ偏光の光が第１偏光分離膜３１、第２偏光分離膜３２及び第４偏光分離膜３４で３重に偏光分離するため、第１実施形態の全反射面１４の場合（消光比：４６ｄＢ）に比べ、Ｓ偏光の消光比が１．５倍になる。
【００５８】
≪第３実施形態≫
次に、図５及び図６を参照して第３実施形態に係る偏光ビームスプリッタ１０について説明する。図５は、第１実施形態に係る偏光ビームスプリッタ１０を例にした、迷光の発生原理の説明図である。図５に示されるように、第１偏光分離膜３１で反射した光にはＰ偏光の光も含まれており、この光が全反射面１４で反射して第２偏光分離膜３２に照射される。すると、Ｐ偏光の光の多くが第２偏光分離膜３２を透過し、第２光学部材２２の右側の面（長方形の短辺をなす面）で全反射する。そのため、このＰ偏光の光は、偏光分離膜を透過しながら全反射面１４で全反射を繰り返し、偏光ビームスプリッタ１０の内部に迷光として残留する。
【００５９】
この問題に対処するため、本実施形態の偏光ビームスプリッタ１０では、図６に示されるように、第２実施形態の１対の第４光学部材２４の代わりに１対の光吸収部材４３が設けられ、第１光学部材２１又は第３光学部材２３と光吸収部材４３との界面に偏光分離膜３４が形成されている。また、第２光学部材２２の短辺をなす面にも、１対の光吸収部材４３が設けられ、第２光学部材２２と１対の光吸収部材４３との界面のそれぞれに第５偏光分離膜３５が形成されている。光吸収部材４３は、例えば、黒色石英ガラス等からなる。本実施形態の偏光ビームスプリッタ１０も１８０度対称の回転対称且つ左右対称の形状をなしている。
【００６０】
このように、本実施形態では、第４偏光分離膜３４を透過したＰ偏光の残留光の光路に光吸収部材４３が設けられている。そのため、第４偏光分離膜３４を透過したＰ偏光の残留光が迷光となって偏光ビームスプリッタ１０の内部に残留することが抑制される。
【００６１】
また、第４偏光分離膜３４で反射し、第２偏光分離膜３２を透過したＰ偏光の残留光の光路にも光吸収部材４３が設けられている。そのため、第２偏光分離膜３２を透過したＰ偏光の残留光が迷光となって偏光ビームスプリッタ１０の内部に残留することも抑制される。
【００６２】
≪第４実施形態≫
次に、図７を参照して第４実施形態に係る偏光ビームスプリッタ１０について説明する。本実施形態の偏光ビームスプリッタ１０では、第１光学部材２１の下底をなす面及び第３光学部材２３の下底をなす面に接合された１対の第４光学部材２４が、側面視にて、接合面を斜面とする直角二等辺三角形をなしている。そして、直角を挟む２辺をなす面（表面）に、反射防止膜４１が設けられている。本実施形態においても、偏光ビームスプリッタ１０は１８０度対称の回転対称且つ左右対称の形状をなしている。本実施形態においても第２実施形態と同様に、第４光学部材２４と第１光学部材２１又は第３光学部材２３との界面には第４偏光分離膜３４が設けられている。
【００６３】
第１偏光分離膜３１で反射し、第４偏光分離膜３４を透過したＰ偏光の残留光は、図中上側の第４光学部材２４の反射防止膜４１が設けられた面に垂直に入射し、この面から外部に出射する。一方、第４偏光分離膜３４で反射し、第２偏光分離膜３２を透過したＰ偏光の残留光は、４５度の入射角で入射する第２光学部材２２の短辺をなす面で全反射する。その後、このＰ偏光の残留光は、第３偏光分離膜３３及び第４偏光分離膜３４を順に透過して図中下側の第４光学部材２４の反射防止膜４１が設けられた面に垂直に入射し、この面から外部に出射する。
【００６４】
このように、第４偏光分離膜３４を透過したＰ偏光の残留光の光路（図中上側の第４光学部材２４の表面）と、第２偏光分離膜３２を透過したＰ偏光の残留光の光路（図中下側の第４光学部材２４の表面）とに、光軸に垂直な面が形成され、これらの面に反射防止膜４１が設けられている。そのため、第４偏光分離膜３４や第３偏光分離膜３３を透過したＰ偏光の残留光が迷光となって偏光ビームスプリッタ１０の内部に残留することが抑制される。
【００６５】
≪第５実施形態≫
次に、図８を参照して第５実施形態に係る偏光ビームスプリッタ１０について説明する。本実施形態の偏光ビームスプリッタ１０では、第４実施形態（図７）の構成に加え、第２光学部材２２の短辺をなす１対の面にも、側面視にて接合面を斜面とする直角二等辺三角形をなす１対の第５光学部材２５が設けられている。第５光学部材２５と第２光学部材２２との界面にも、Ｐ偏光の光を透過させ、Ｓ偏光の光を反射させる第５偏光分離膜３５が設けられている。また、第２光学部材２２に接合された１対の第５光学部材２５の直角を挟む２辺をなす面（表面）にも、反射防止膜４１が設けられている。本実施形態においても、偏光ビームスプリッタ１０は１８０度対称の回転対称且つ左右対称の形状になっている。
【００６６】
本実施形態では、第４偏光分離膜３４を透過したＰ偏光の残留光は、その光路（図中上側の第４光学部材２４の表面）に光軸に垂直に設けられた反射防止膜４１から外部に出射する。一方、第４偏光分離膜３４で反射し、第２偏光分離膜３２を透過したＰ偏光の残留光は、４５度の入射角で入射する第２光学部材２２の短辺をなす面で第５偏光分離膜３５を透過する。その後、Ｐ偏光の残留光は、図中右側の第５光学部材２５の反射防止膜４１が設けられた面に垂直に入射してこの面から外部に出射する。そのため、第４偏光分離膜３４を透過したＰ偏光の残留光や第４偏光分離膜３４で反射したＰ偏光の残留光が迷光となって偏光ビームスプリッタ１０の内部に残留することが抑制される。
【００６７】
≪第６実施形態≫
次に、図９を参照して第６実施形態に係る偏光ビームスプリッタ１０について説明する。本実施形態の偏光ビームスプリッタ１０では、第１実施形態（図１）の偏光ビームスプリッタ１０に対し、第２光学部材２２の短辺をなす１対の面と、第３光学部材２３の上底をなす面とに、光吸収部材４３が接合されている点が相違している。光吸収部材４３は、例えば、黒色石英ガラス等からなる。第１光学部材２１の上底をなす面は、第１実施形態と同様に全反射面１４となっている。本実施形態の偏光ビームスプリッタ１０は、回転対称の形状ではなく、左右対称の形状である。
【００６８】
第１偏光分離膜３１で反射した光は、第１光学部材２１の台形の上底をなす面（全反射面１４）で全反射して第２偏光分離膜３２に入射し、第２偏光分離膜３２によって透過する光と反射する光とに分離される。第２偏光分離膜３２を透過した光の大部分は、第２光学部材２２の図中右側の面に設けられた光吸収部材４３によって吸収される。第２偏光分離膜３２を透過した光の一部が図中右側の光吸収部材４３で反射したとしても、この光は第３光学部材２３に接合された図中下側の光吸収部材４３によって吸収される。
【００６９】
このように本実施形態では、全反射面１４で反射して第２偏光分離膜３２を透過したＰ偏光の残留光の光路に光吸収部材４３が設けられている。そのため、全反射面１４で反射したＰ偏光の残留光が迷光となって偏光ビームスプリッタ１０の内部に残留することが抑制される。
【００７０】
≪第７実施形態≫
次に、図１０を参照して第７実施形態に係る偏光ビームスプリッタ１０について説明する。本実施形態の偏光ビームスプリッタ１０では、第３光学部材２３が、第４実施形態（図７）や第５実施形態（図８）の第４光学部材２４と同じ形状（即ち、側面視で直角二等辺三角形）且つ同じ大きさをしている。第３光学部材２３は、第２光学部材２２に対して下側長辺の図中右側に斜辺を対向させて接合されている。第３光学部材２３の直角を挟む２辺をなす面のうち、第１出射表面１２をなす図中右側の面には反射防止膜４１が設けられている。
【００７１】
このように、第３光学部材２３が第２光学部材２２の下側長辺に接合された斜辺を有する三角形をなし、第２出射表面１３が第３光学部材２３の斜辺と異なる辺に設けられている。そのため、第３光学部材２３が小さくなり、偏光ビームスプリッタ１０が小型・軽量化される。
【００７２】
他の実施形態では、第２偏光分離膜３２を透過したＰ偏光の残留光が外部に出射するように、第３光学部材２３の直角を挟む２辺をなす面のうち、図中左側の面にも反射防止膜４１が設けられていてもよい。また、図示例では第１光学部材２１の上底をなす面が全反射面１４となっているが、この面に第４偏光分離膜３４を設けて第４光学部材２４を接合してもよい。
【００７３】
≪第８実施形態≫
次に、図１１を参照して第８実施形態に係る偏光ビームスプリッタ１０について説明する。本実施形態の偏光ビームスプリッタ１０では、第２光学部材２２の短辺の長さが上記実施形態の１／２とされており、第３光学部材２３の側面視での大きさが第７実施形態（図１０）の２倍とされている。
【００７４】
このような構成とされることにより、第２光学部材２２を小さくすることが可能になり、偏光ビームスプリッタ１０が小型・軽量化される。
【００７５】
≪第９実施形態≫
次に、図１２を参照して第９実施形態に係る偏光ビームスプリッタ１０について説明する。本実施形態の偏光ビームスプリッタ１０では、第２光学部材２２が第１光学部材２１と同じ形状（即ち、側面視で下底に対してそれぞれ４５°をなす１対の側辺を有する台形）且つ同じ大きさをしている。第２光学部材２２は、第１光学部材２１に対して下底同士を対向させて接合されている。第３光学部材２３は、第７実施形態（図１０）と同じ形状且つ同じ大きさとされている。従って、偏光ビームスプリッタ１０は側面視でダイヤモンド形状になっている。
【００７６】
第２光学部材２２の１対の側辺のうち、第１出射表面１２と同じ右側の側辺をなす面には反射防止膜４１が設けられている。第２偏光分離膜３２を透過したＰ偏光の残留光は、第２光学部材２２の右側の側辺をなす面から外部に出射する。そのため、第２偏光分離膜３２を透過したＰ偏光の残留光は迷光にならない。
【００７７】
このように本実施形態では、第２光学部材２２が第１光学部材２１の下底に接合された一辺（下底）及びこれに対向する下底に平行な対辺（上底）を有する四角形（台形）をなす。また、第３光学部材２３が第２光学部材２２の対辺（上底）に接合された斜辺を有する三角形をなす。これらの構成により、第２光学部材２２及び第３光学部材２３を小さくして偏光ビームスプリッタ１０を小型・軽量化することができる。
【００７８】
以上で具体的実施形態の説明を終えるが、本発明は上記実施形態に限定されることなく幅広く変形実施することができる。上記実施形態の構成の一部を適宜組み合わせてもよい。この他、各部材や部位の具体的構成や配置、数量、角度、材料、波長など、本発明の趣旨を逸脱しない範囲であれば適宜変更可能である。一方、上記実施形態に示した各構成要素は必ずしも全てが必須ではなく、適宜選択することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１      偏光分離装置
５      光源
６      入射光
１０    偏光ビームスプリッタ
１１    入射表面
１２    第１出射表面
１３    第２出射表面
１４    全反射面（反射面）
２１    第１光学部材
２２    第２光学部材
２３    第３光学部材
２４    第４光学部材
２５    第５光学部材
３１    第１偏光分離膜
３２    第２偏光分離膜
３３    第３偏光分離膜
３４    第４偏光分離膜（反射面）
３５    第５偏光分離膜
４１    反射防止膜
４３    光吸収部材
【図１】
2020046525.tif 000003
【図２】
2020046525.tif 000004
【図３】
2020046525.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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