(57)【要約】【課題】  入射光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分離する光学素子として、多層膜を用いた光学素子を提供する。【解決手段】  光学素子は、群遅延量が異なる複数の膜から成る多層膜２を有している。さらに、光学素子は、多層膜２のＳ偏光成分の群遅延量とＰ偏光成分の群遅延量とを相違させ、入射光速を複数の光束に分離する。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が異なる複数の材料から成る多層膜を有し、前記多層膜を伝搬する光速のＳ偏光成分に対する群遅延量とＰ偏光成分の群遅延量とが相違することで、複数の光束に分離する光学素子。
【請求項２】
請求項１記載の光学素子において、
前記多層膜は、Ｓ偏光成分の群遅延量がＰ偏光成分の群遅延量よりも大きいことを特徴とする光学素子。
【請求項３】
請求項１記載の光学素子において、
前記多層膜は、Ｐ偏光成分の群遅延量がＳ偏光成分の群遅延量よりも大きいことを特徴とする光学素子。
【請求項４】
撮像素子と前記撮像素子の受光面に配置された請求項１から請求項３の何れか一つに記載の光学素子とを有した撮像素子ユニット。
【請求項５】
請求項１から請求項３の何れか一つに記載の光学素子を光通信用アイソレータとして用いたことを特徴とする光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、多層膜を用いた光学素子及び撮像素子ユニットに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、光を分離する光学素子として、回折格子を用いたもの、水晶等の複屈折特性を用いたフィルタ等が用いられている（特許文献１参照）。
【特許文献１】特開昭５７−１５８６１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、水晶等の結晶材料は高価であり、かつ光の分離精度を基板厚で制御するため、高精度に光を分離することが難しい。
本発明は、今までとは異なる手法を用いたもので、入射光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分離する光学素子として、多層膜を用いた光学素子及びその光学素子を用いた撮像素子ユニットを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項１記載の光学素子は、屈折率の異なる複数の材料から成る多層膜を有し、多層膜を伝搬する光速のＳ偏光成分に対する群遅延量とＰ偏光成分の群遅延量とが相違することで、複数の光束に分離することを特徴とする。
請求項２記載の光学素子は、請求項１記載の光学素子において、多層膜は、Ｓ偏光成分の群遅延量がＰ偏光成分の群遅延量よりも大きいことを特徴とする。
【０００５】
請求項３記載の光学素子は、請求項１記載の光学素子において、多層膜は、Ｐ偏光成分の群遅延量がＳ偏光成分の群遅延量よりも大きいことを特徴とする。
請求項４記載の撮像素子ユニットは、撮像素子と前記撮像素子の受光面に配置された請求項１から請求項３の何れか一つに記載の光学素子とを有したことを特徴とする。
請求項５記載の光学素子は、請求項１から請求項３の何れか一つに記載の光学素子を光通信用アイソレータとして用いたことを特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、今までになかった手法により、入射光のＳ偏光成分とＰ偏光成分を分離することが可能な多層膜を用いた光学素子及び撮像素子ユニットを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
以下、添付の図面に示す実施形態について説明する。
（本発明の原理）
多層膜による多重反射およびそれらの干渉作用を利用した光学素子は、例えばエタロンのように、群遅延が生じることが知られている。また、群遅延が生じることに起因して、光束の入射方向と射出方向が平行移動してずれていることが認められている。また、群遅延量によって平行移動した距離も違っている。本発明は、Ｓ偏光とＰ偏光とで異なる大きさの群遅延を生じさせ、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分をそれぞれ分離するものである。
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態を示す光学素子の説明図である。図１において、１は入射光（Ｐ偏光、Ｓ偏光）、２は多層膜、３はガラス、４は光学素子から射出されるＰ偏光、５は光学素子から射出されるＳ偏光である。
【０００８】
ここで、多層膜２における各膜の光学的長さは、ｎ・ｄ・ｃｏｓθで表される。但し、ｎは各膜の屈折率、ｄは各膜の膜厚、θは各膜における界面の法線と光の伝搬方向とが成す角度（以下、進行角度θと称する）である。この実施形態では、多層膜２への入射光は、各膜における界面で反射を繰り返し、各界面での反射光と入射光との間で相互作用を生じさせて、所望の光学特性を発揮している。以下の説明では、説明の便宜上、各膜における反射等を厳密に考慮することなく、その概略について説明する。
【０００９】
図１に示す光学素子において、多層膜２は、Ｎｂ2Ｏ5層（屈折率２．２５）とＳｉＯ2層（屈折率１．４５）とから成り、膜厚比もほぼ１：１のため、多層膜全体は概略で平均屈折率１．８５の単層と考えられる。
多層膜中での入射光１の進行角度θは、スネルの法則より、１×ｓｉｎ４５°＝１．８５×ｓｉｎθから求められ、進行角度θは２２．５°となる。
【００１０】
多層膜に入射したＳ偏光及びＰ偏光は、多層膜中での多重反射やそれらの干渉の効果により、図２に示すようにそれぞれ群遅延を持って出射される。多層膜中の各界面での反射率がＳ偏光及びＰ偏光で異なり、これにより多層膜中での多重反射やそれらの干渉の効果に差がでる。この差が群遅延の差を生じさせている。図１に示すような斜め入射の場合は、この群遅延の大きさによって図中下方向への軸ズレとなって現れる。Ｐ偏光４及びＳ偏光５は異なった群遅延を持っているため、この軸ズレにも差が生じてくる。
【００１１】
第１実施形態では、図２に示す４５度入射透過群遅延から波長１５５０ｎｍ付近の群遅延の差が約０．１ｐｓ、膜中での光速は真空中での光速／屈折率より、３×１０-8／１．８５＝１．６２×１０-8ｍとなる。したがって、光学的な光路の差は（群遅延）×（膜中での光速）で表されるので、Ｐ偏光４とＳ偏光５の軸ズレは１６．２ミクロンとなる。これは膜中を２２．５°で進行する光路差となるので、図１に示すように出射光の軸ズレは、ｓｉｎ２２．５°を掛けて、約６．２ミクロンとなる。
【００１２】
なお、図１に示したＰ偏光４とＳ偏光５との軸ズレは、多層膜の平均屈折率を用いたり、光の回折等を考慮していないため、あくまでも概略計算である。
図３は、４５度入射透過率を示す図である。
図４は、図１に示す多層膜２の膜構成の一例を示す図である。図示するように、多層膜２はガラス基板（３）上に積層されたＮｂ2Ｏ5層とＳｉＯ2層から構成されている。各層の膜厚と屈折率は図示する通りである。なお、図４においては、便宜上、Ｎｂ2Ｏ5をＮｂ２Ｏ５と表示し、ＳｉＯ2をＳｉＯ２と表示している。
【００１３】
以上に説明した第１実施形態によれば、Ｐ偏光４とＳ偏光５を分離し、かつＳ偏光５の群遅延をＰ偏光４の群遅延よりも大きくすることができる。
（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態を示す光学素子の説明図である。図５において、図１と同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。
【００１４】
図５に示す第２実施形態においては、多層膜２に入射する光がブリュースター条件を満たすことが必要である。ブリュースター条件は、よく知られているように、ある特定の入射角ではＰ偏光の反射がなくなり、反射光はＳ偏光のみとなる。この角度はブリュースター角と呼ばれており、各膜の進行角度θ1、θ2…と各膜の屈折率ｎ1、ｎ2…で定まる。
次に、図５に示す第２実施形態について説明する。すなわち、図５に示す多層膜２の膜構成は、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）として一般的に知られているものである。入射側に設けられた４５度プリズムは、屈折率１．７５のガラス３からなり、多層膜２はＮｂ2Ｏ5（屈折率２．３）とＳｉＯ2（１．４７）とからなる。
【００１５】
すなわち、入射光１はガラス３から４５度の角度で多層膜２に入射するが、Ｎｂ2Ｏ5中における光の進行する角度は、スネルの式より３２．５°となる。これがブリュースター条件  ｔａｎθ＝ｎ（ＳｉＯ2）／ｎ（Ｎｂ2Ｏ5）を満たしている。
このため、図７に示すように、多層膜２はＳ偏光５の光が高反射となり、Ｐ偏光４の光はほぼ全て透過しようとする。しかし、多層膜２から空気への射出は臨界角を超えているため、Ｐ偏光４は出射することができず、結局反射することになる。このため、Ｐ偏光４は、多層膜２中を往復する分だけ光路長が長くなって遅れが生じ、これが光軸のズレとなる。
【００１６】
図６は、Ｓ偏光５及びＰ偏光４の遅れを群遅延として示す図である。多層膜２では、空気側にＳｉＯ2の厚膜（１６ミクロン）をつけることで、第１実施形態と同程度の０．１ｐｓの群遅延差を生じさせている。
なお、図６において、Ｓ偏光５の反射群遅延にスパイク状の遅れが所々に生じている。これは多層膜２内部における干渉に起因するもので、非常に狭い波長領域で大きな遅れが生じている。この遅れが使用上問題になる場合には、さらに多層膜２の膜層数を増やす。これにより、前記したＳ偏光５のスパイク状の遅れをごく狭い波長に限定することができ、使用上の問題を回避することができる。
【００１７】
図８は、図５に示す多層膜２の膜構成の一例を示す図である。図示するように、多層膜２はガラス基板（４５度プリズム）上に積層されたＮｂ2Ｏ5層（屈折率２．３）とＳｉＯ2層（屈折率１．４７）から構成されている。また、各層の膜厚は図示する通りである。
なお、図８においては、図４と同様に、便宜上Ｎｂ2Ｏ5をＮｂ２Ｏ５と表示し、ＳｉＯ2をＳｉＯ２と表示している。
【００１８】
また、第１実施形態実と第２実施形態において、多層膜２の屈折率が異なっているが、これは使用している波長の違いを考慮しているためである。
以上に説明した第２実施形態によれば、Ｐ偏光４とＳ偏光５を分離し、かつＰ偏光４の群遅延をＳ偏光５の群遅延よりも大きくすることができる。
（第３実施形態）
図９は本発明の第３実施形態を示す説明図である。図９に示す実施形態は、第２実施形態に示す光学素子を撮像素子の光学的ローパスフィルタに適用した撮像素子ユニットである。図示するように、撮像素子１０の受光面に第２実施形態に示す光学素子を配置した構成を有している。これによって、撮像素子１０の受光面にはＰ偏光４とＳ偏光５が分離して入射される。このように、第３実施形態によれば、入射光を分離して撮像素子１０に入射することができる。
（第４実施形態）
図１０は本発明の第４実施形態を示す説明図である。図１０に示す実施形態は、第１実施形態に示す光学素子を光通信用アイソレータに適用したものである。図示するように、光ファイバー１１から射出した光は、第１実施形態に示す光学素子に入射され、Ｐ偏光４とＳ偏光５に分離される。Ｐ偏光４は光ファイバー１２に入射するが、Ｓ偏光５が光ファイバー１２に入射されることはない。このように、第４実施形態によれば、光束を分離して、光ファイバーに入射する光束を選択することができる。
【産業上の利用可能性】
【００１９】
本発明は、光学素子、光学的ローパスフィルタ、撮像素子ユニット、光通信用アイソレータ等の光学機器の分野において、産業上大いに利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】第１の実施形態を示す説明図である。
【図２】４５度入射透過群遅延を示す図である。
【図３】４５度入射透過率を示す図である。
【図４】多層膜の膜構成の一例を示す図である。
【図５】第２の実施形態を示す説明図である。
【図６】４５度入射反射群遅延を示す図である。
【図７】４５度入射反射率を示す図である。
【図８】多層膜の膜構成の一例を示す図である。
【図９】第３実施形態を示す説明図である。
【図１０】第４実施形態を示す説明図である。
【符号の説明】
【００２１】
１…入射光、２…多層膜、３…ガラス、４…Ｐ偏光、５…Ｓ偏光、１０…撮像素子、１１、１２…光ファイバー。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【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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