(57)【要約】【課題】異方性薄膜からの偏光変換反射を増加する方法を提供する。【解決手段】異方性薄膜のインターフェースにおける全反射効果又は高反射が増加された偏光変換を引き起こす。偏光変換は、異方性薄膜に入射するｐ（ｓ）偏光の一部をｓ（ｐ）偏光として反射させる、興味ある現象である。高反射又は全反射を発生する異方性薄膜を生成することができる方法は、（１）異方性膜の内側で反射する光線の反射係数を、高屈折入射媒体及び低屈折基板を配置することで上げることができ、（２）少なくとも２つの異なる主屈折率を有する異方性薄膜という特徴、及び主軸の座標が膜面の座標と一致しないという特徴は偏光変換に対して有益である。偏光変換の現象は、入射平面のアスペクトを変えることによって得られる。【選択図】図３
2007133360.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光変換を発生するための光学構成であって：
少なくとも２つの異なる主屈折率を有する少なくとも一つの異方性薄膜を有し；
主軸の座標が膜面の座標と一致せず；
高屈折入射媒体（又は相当する多層スタック）及び低屈折基板（又は相当する多層スタック）を使用することによって、前記異方性薄膜の内側に反射する光線の反射係数を上げることができ；
前記異方性薄膜は、干渉効果を有するように、前記低屈折基板と前記高屈折入射媒体との間に（真空メッキ又は真空コーティングによって）配置され；
光学系の中に放出するように入射光を使用して、Ｐ偏光入射光をＳ偏光反射光に変換し、Ｓ偏光入射光をＰ偏光反射光に変換する、光学構成。
【請求項２】
前記低屈折基板は空気又は金属である、請求項１に記載の光学構成。
【請求項３】
波長及び入射角と共に測定した偏光変換の変化を使用して前記異方性薄膜の光学定数を決定し；この技術を使用して本発明が提案するモジュールにおいて前記異方性薄膜を開発し、光を使用して角度及び波長と共に反射した偏光変換の変化を測定し、コンピュータ上で前記異方性薄膜の光学定数を最適化する、請求項１に記載の光学構成。
【請求項４】
前記異方性薄膜の光学定数は反射の主屈折率、主軸の方向、及び膜厚を含む、請求項１に記載の光学構成。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光変換を発生するための光学構成（光学配置，光学構造体，光学装置）に関し、特に、光学部品に適用し測定における技術を向上する異方性薄膜からの偏光変換反射を増加する光学構成に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術は、反射防止コーティング、高反射コーティング、ビームスプリッタ、及びバンドパスフィルタなどの様々な光学部品の要求を満たすために、薄膜に干渉効果を適用して、異なる波長の強度及び位相、入射角、及び偏光の状態を調節する。しかしながら、入射光及び反射光の偏光の状態が同じという事実によって光学部品は限定される。
本発明は、異方性薄膜系を使用して強い偏光変換を発生する方法を提案する。異方性薄膜からの偏光変換は、イアン・ホジキンソン（Ｉａｎ  Ｈｏｄｇｋｉｎｇｓｏｎ）氏等によって空気／異方性薄膜／基板系の計算結果について検討されたが、反射率は非常に小さく（１０-3より小さい）、従って、ほとんど測定できず適用できなかった。故に、偏光変換への薄膜干渉の使用及び適用は提案されなかった。
【０００３】
Ｆ・ヤン（Ｆ．Ｙａｎｇ）氏及びＪ・Ｒ・サンブルズ（Ｊ．Ｒ．Ｓａｍｂｌｅｓ）氏は偏光変換反射率を有するように異方性光学媒体の境界を使用することを提案したが、強度の低い偏光変換しか実現できなかった。ここでは異方性薄膜を使用することで偏光変換率を高めるだけでなく、特定の波長範囲又は入射角範囲に対して偏光変換を有する多層システムを設計及び製造することができる。
【０００４】
測定について、（屈折率、主軸の方向、及び膜厚を含む）異方性光学定数の測定には通常主要な方法としてエリプソメーターを使用する。しかしながら、エリプソメーターは強度及び位相の両測定に基づいており、非常にコストがかかる。
本発明の提案するモジュールにおいて、異方性薄膜を有し入射角及び波長に対する偏光変換反射率を測定することで、異方性膜の光学定数を決定することができる。この技術は強度を測定するに過ぎないので、検出感度を大幅に高め、コストを削減することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、光学構成によって偏光変換反射を生じる簡単且つ実用的な方法を提供する。偏光変換は、異方性薄膜に入射するｐ（ｓ）偏光の一部をｓ（ｐ）偏光として反射させることができる現象である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に従って、偏光変換を発生するための光学構成は以下の要求を備える。
【０００７】
異方性薄膜の３つの主屈折率のうち少なくとも２つが異なることが要求される。また、主軸の座標が膜面の座標と一致しないことも要求される。
【０００８】
構成は、異方性薄膜において全反射又は高反射を有することが要求される。例えば、高屈折入射媒体／異方性薄膜／低屈折基板系において全反射が発生した時、異方性膜の内側で反射する光線の反射係数のマグニチュードを内面的に上げることができる。
【０００９】
異方性薄膜は入射媒体と基板との間に配置される。異方性薄膜における増加された常光線と異常光線の結合効果は、増加された偏光変換反射を引き起こす：Ｐ（Ｓ）偏光入射光の大部分がＳ（Ｐ）偏光反射光に変換される。
【００１０】
本発明の一態様に従って、空気及び金属が偏光変換のための光学構成の低屈折基板に使用できる。
【００１１】
本発明の一態様に従って、波長及び角度と共に測定された偏光変換の変化によって異方性薄膜の光学定数を決定する。即ち、本発明の提案するモジュールにおいて異方性薄膜を準備し、入射角又は波長に対する偏光変換反射率を測定する。異方性薄膜の光学定数は、コンピュータ上で測定したデータを最適化することによって得られる。異方性薄膜の光学定数は、主屈折率、主軸の方向、及び膜厚を含む。
【００１２】
本発明は、異方性薄膜からの偏光変換反射を増加するために提供される。異方性薄膜のインターフェースにおける全反射効果又は高反射が増加された偏光変換を引き起こす。
【００１３】
斜角に入射するＰ（Ｓ）偏光はＳ（Ｐ）偏光に変換されることができ、その方法は異方性薄膜内に高反射又は全反射を発生する方法を含む。
【００１４】
（１）高屈折入射媒体（又は相当する多層スタック）及び低屈折基板（又は相当する多層スタック）を使用することによって、異方性膜の内側で反射する光線の反射係数のマグニチュードを上げることができる。
【００１５】
（２）異方性薄膜の３つの主屈折率のうち少なくとも２つが異なることが必要である。また、主軸の座標が膜面の座標と一致しないことも必要である（図１）。異なる偏光変換反射率は入射平面のアスペクトを変えることによって得られる。
【００１６】
図２に示すように、光学モジュールに基づいて、光は異方性薄膜中で多重内面反射を発生するが、この技術は（１）で言及される通りであり；斜角に入射する場合の偏光変換反射率を増加するために、高屈折入射媒体及び低屈折基板を共に使用して常光線と異常光線との間の結合効果を高める。
【００１７】
（１）で言及される等方性及び異方性薄膜は、更に、以下の４つの実施例に示すように、偏光変換が異なる波長又は角度に対して異なる反応を示すように設計することができる。
実施例１．典型的な異方性ＭｇＦ2薄膜は、主軸の一つがインターフェースの法線に対して４５度の角度にあるプリズム（ＢＫ７）に配置される。異方性薄膜の主屈折率は、ｎ1＝１．２８０、ｎ2＝１．２５３、及びｎ3＝１．２５０である。異方性ＭｇＦ2薄膜の厚みは８００ｎｍである。波長が６３２．８ｎｍのｓ偏光はプリズム／異方性ＭｇＦ2薄膜／空気系に伝播する（図３）。この条件下で、偏光変換反射率Ｒspは、５４度の入射角及び入射平面方位δ＝９０度で０．９５まで増加する。図４は、入射角に対する反射率Ｒspのスペクトルを示す。図５は、５４度の入射角での波長に対する反射率Ｒspのスペクトルを示す。偏光変換反射率は、主屈折率及び異方性薄膜の主軸の方向を変化することによって変化する。異方性薄膜を利用して、様々な波長及び入射角における光の偏光を変調することができる。
【００１８】
実施例２．２つの等方性薄膜をプリズム／等方性ＺｎＳ薄膜／異方性ＭｇＦ2薄膜（９２０ｎｍ厚）／等方性ＭｇＦ2薄膜／空気系に配置し（図６）、帯域反射偏光変換を狭める。（ＺｎＳ薄膜の屈折率は２．３５であり、その厚みは７３ｎｍである；等方性ＭｇＦ2薄膜の屈折率は１．３８であり、その厚みは２２０ｎｍである）。系におけるその他の光学定数は実施例１と同様である。図７は、入射角α＝５３．０度及び入射平面方位δ＝９０度（図１）の反射率Ｒspスペクトルを示す。偏光変換反射率は、主屈折率及び異方性薄膜の主軸の方向を変化することによって変化する。異方性薄膜を利用して、様々な波長及び入射角における光の偏光を変調することができる。
【００１９】
実施例３．ＢＫ７プリズム／等方性ＭｇＦ2薄膜／異方性ＭｇＦ2薄膜（８００ｎｍ厚）／空気系からの広帯域偏光変換反射を決定することができる（図８）。等方性ＭｇＦ2薄膜の屈折率は１．３８であり、その厚みは、１９０ｎｍである。異方性ＭｇＦ2薄膜の膜厚及び光学定数は実施例１と同様である。偏光変換反射率Ｒspは５４度の入射角及び入射平面方位δ＝９０度と共に増加する（図１）。図９は反射率Ｒspスペクトルを示す。偏光変換反射率は、主屈折率及び異方性薄膜の主軸の方向を変化することによって変化する。異方性薄膜を利用して、様々な波長及び入射角における光の偏光を変調することができる。
実施例４．プリズム／異方性ＭｇＦ2薄膜（１７００ｎｍ厚）／等方性ＺｎＳ薄膜／空気系（入射角α＝５６．７度及び入射平面方位δ＝９０度）からの狭帯域偏光変換反射を決定することができる。等方性ＺｎＳ薄膜の屈折率は２．３５であり、その厚みは１７０ｎｍであり、異方性ＭｇＦ2薄膜のその他の光学定数は実施例１と同様である。図１１は波長に対する反射率Ｒspスペクトルを示す。偏光変換反射率は、主屈折率及び異方性薄膜の主軸の方向を変化することによって変化する。異方性薄膜を利用して、様々な波長及び入射角における光の偏光を変調することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明は、添付の図面を参照して以下の説明を通じて最もよく理解される。
図１は、異方性薄膜１２の３つの主軸（ｚ1、ｚ2、ｚ3）の方向と薄膜システムの座標（ｘ、ｙ、ｚ）との関係を示す図である。
2007133360.tif 000003
は入射光、反射光、及び透過光のベクトルであり、
2007133360.tif 000004
は、薄膜内の定常波及び異常波のベクトルであり；δは入射平面の位置であり、φ角は主軸の一つの斜角である。
図２は、異方性薄膜内の多重反射を示す図である。ｊ，ｌ，ｍ＝ｅ，ｏであり、ｅは異常波、ｏは定常波であり、ｒsp(a)は（ａ）インターフェースにおけるＳ偏光入射光及びＰ偏光反射光の反射係数であり、ｒ00(b)は（ｂ）インターフェースにおける異常入射光及び常反射光の反射係数であり、ｔse(a)は（ａ）インターフェースにおけるＳ偏光入射光及び異常透過光の透過係数であり、図２におけるその他の記号も同様である。
図３は、プリズム／異方性薄膜／空気系の反射率スペクトルを示す図である。
図４は、入射角に伴う反射率スペクトルを示す図である。
図５は、入射角α＝５３．０度における波長に伴う反射率Ｒspのスペクトルを示す図である。
図６は、プリズム／等方性ＺｎＳ薄膜／異方性ＭｇＦ2薄膜／等方性ＺｎＳ薄膜／空気系の反射率スペクトルを示す図である。
図７は、入射角α＝５３．０度及び入射方向δ＝９０度における波長（図１）に伴う反射率スペクトルを示す図である。
図８は、プリズム／等方性ＭｇＦ2薄膜／異方性ＭｇＦ2薄膜／空気系の反射率スペクトルを示す図である。
図９は、入射角α＝５４．０度及び入射方位δ＝９０度における波長（図１）に伴う反射率スペクトルを示す図である。
図１０は、プリズム／異方性ＭｇＦ2薄膜／等方性ＺｎＳ薄膜／空気系の反射率スペクトルを示す図である。
図１１は、入射角α＝５６．７度及び入射方位δ＝９０度における波長に伴う反射率スペクトルを示す。
【００２１】
実施例１．典型的な異方性ＭｇＦ2薄膜が、主軸の一つがインターフェースの法線に対して４５度の角度にあるプリズム（ＢＫ７）に配置される。異方性薄膜の主屈折率は、ｎ1＝１．２８０、ｎ2＝１．２５３、及びｎ3＝１．２５０である。異方性ＭｇＦ2薄膜の厚みは８００ｎｍである。波長が６３２．８ｎｍのｓ偏光はプリズム／異方性ＭｇＦ2薄膜／空気系に伝播する（図３）。この条件下で、偏光変換反射率Ｒspは、５４度の入射角及び入射平面方位δ＝９０度で０．９５まで増加する。図４は、入射角に対する反射率Ｒspのスペクトルを示す。図５は、５４度の入射角での波長に対する反射率Ｒspのスペクトルを示す。偏光変換反射率は、主屈折率及び異方性薄膜の主軸の方向を変化することによって変化する。異方性薄膜を利用して、様々な波長及び入射角における光の偏光を変調することができる。
【００２２】
実施例２．２つの等方性薄膜をプリズム／等方性ＺｎＳ薄膜／異方性ＭｇＦ2薄膜（膜厚９２０ｎｍ）／等方性ＭｇＦ2薄膜／空気系に配置し（図６）、帯域反射偏光変換を狭める。（ＺｎＳ薄膜の屈折率は２．３５であり、膜厚は７３ｎｍであり；等方性ＭｇＦ2薄膜の屈折率は１．３８であり、その厚みは２２０ｎｍである）。システムにおけるその他の光学定数は実施例１と同様である。図７は、入射角α＝５３．０度及び入射平面方位δ＝９０度（図１）の反射率Ｒspスペクトルを示す。偏光変換反射率は、主屈折率及び異方性薄膜の主軸の方向を変化することによって変化する。異方性薄膜を利用して、様々な波長及び入射角における光の偏光を変調することができる。
【００２３】
実施例３．ＢＫ７プリズム／等方性ＭｇＦ2薄膜／異方性ＭｇＦ2薄膜（８００ｎｍ厚）／空気系からの広帯域偏光変換反射を決定することができる（図８）。等方性ＭｇＦ2薄膜の屈折率は１．３８であり、その厚みは１９０ｎｍである。異方性ＭｇＦ2薄膜の厚み及び光学定数は実施例１と同様である。偏光変換反射率Ｒspは５４度の入射角及び入射平面方位δ＝９０度と共に増加する（図１）。図９は反射率Ｒspスペクトルを示す。偏光変換反射率は、主屈折率及び異方性薄膜の主軸の方向を変化することによって変化する。異方性薄膜を利用して、様々な波長及び入射角における光の偏光を変調することができる。
【００２４】
実施例４．プリズム／異方性ＭｇＦ2薄膜（１７００ｎｍ厚）／等方性ＺｎＳ薄膜／空気系（入射角α＝５６．７度及び入射平面方位δ＝９０度）からの狭帯域偏光変換反射を決定することができる。等方性ＺｎＳ薄膜の屈折率は２．３５であり、その厚みは１７０ｎｍであり、異方性ＭｇＦ2薄膜のその他の光学定数は実施例１と同様である。図１１は波長に対する反射率Ｒspスペクトルを示す。偏光変換反射率は、主屈折率及び異方性薄膜の主軸の方向を変化することによって変化する。異方性薄膜を利用して、様々な波長及び入射角における光の偏光を変調することができる。
【００２５】
上記に基づいて、偏光変換を発生する光学構成は、異なる屈折及び単一斜円柱構成薄膜を使用して光学偏光変換を達成する。入射及び基板媒体を変更、光学材料の層数を３つ又はそれ以上の変更、異なる屈折を有する２つの光学材料及び低屈折を有する一つの光学材料を単一斜円柱構成として使用して偏光変換を達成するなど、変更された設計も本発明によって検討される。
【００２６】
本発明は、最も実用的で好適な実施形態であると現在考えられているものに関して説明されたが、本発明は開示された実施形態に制限される必要は無いことは理解されるべきである。むしろ、全てのそのような変更及び同様の構成を包含するために、最も広い解釈に一致すべき添付の特許請求の精神及び範囲内の様々な変更及び同様の配置を対象とすることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】異方性薄膜１２の３つの主軸（ｚ1、ｚ2、ｚ3）の方向と薄膜システムの座標（ｘ、ｙ、ｚ）との関係を示す図である。
【図２】異方性薄膜内の多重反射を示す図である。
【図３】プリズム／異方性薄膜／空気系の反射率スペクトルを示す図である。
【図４】入射角に伴う反射率スペクトルを示す図である。
【図５】入射角α＝５３．０度における波長に伴う反射率Ｒspのスペクトルを示す図である。
【図６】プリズム／等方性ＺｎＳ薄膜／異方性ＭｇＦ2薄膜／等方性ＺｎＳ薄膜／空気系の反射率スペクトルを示す図である。
【図７】入射角α＝５３．０度及び入射方向δ＝９０度における波長（図１）に伴う反射率スペクトルを示す図である。
【図８】プリズム／等方性ＭｇＦ2薄膜／異方性ＭｇＦ2薄膜／空気系の反射率スペクトルを示す図である。
【図９】入射角α＝５４．０度及び入射方位δ＝９０度における波長（図１）に伴う反射率スペクトルを示す図である。
【図１０】プリズム／異方性ＭｇＦ2薄膜／等方性ＺｎＳ薄膜／空気系の反射率スペクトルを示す図である。
【図１１】入射角α＝５６．７度及び入射方位δ＝９０度における波長に伴う反射率スペクトルを示す。
【符号の説明】
【００２８】
１１      等方性入射媒体（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  Ｃｏｖｅｒ  ｍｅｄｉｕｍ）
１２      異方性薄膜（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ）
１３      等方性基板（Ｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）
３１      プリズム（Ｐｒｉｓｍ）
３２      異方性薄膜（Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｉｃ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ）
３３      空気
６１      プリズム（Ｐｒｉｓｍ）
６２      等方性ＺｎＳ薄膜
６３      異方性ＭｇＦ2薄膜
６４      等方性ＭｇＦ2薄膜
６５      空気
８１      プリズム（Ｐｒｉｓｍ）
８２      等方性ＭｇＦ2薄膜
８３      異方性ＭｇＦ2薄膜
８４      空気
１０１      プリズム（Ｐｒｉｓｍ）
１０２      異方性ＭｇＦ2薄膜
１０３      等方性ＺｎＳ薄膜
１０４      空気
【図１】
2007133360.tif 000005
【図２】
2007133360.tif 000006
【図３】
2007133360.tif 000007
【図４】
2007133360.tif 000008
【図５】
2007133360.tif 000009
【図６】
2007133360.tif 000010
【図７】
2007133360.tif 000011
【図８】
2007133360.tif 000012
【図９】
2007133360.tif 000013
【図１０】
2007133360.tif 000014
【図１１】
2007133360.tif 000015