(57)【要約】【課題】  SWS一次元格子の構造異方性を用いたPBSは、１次元格子の形状が高いアスペクト比を持つため、製造難度が高く、コスト軽減も困難であった。【解決手段】  面内の一方向に配向した誘電体媒質層を配向方向を直交方向に互い違いに変えながら積層する構造とすることで、積層数を増やしながらも、製造難度を軽減することで、全体の製造コストを下げることを可能とする。【選択図】  図１
2012247455.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
面内の第１の方向に配向した微細孔を持つ誘電体媒質層Lと、
それと直行する方向でかつ面内の第二の方向に配向した微細孔を持つ誘電体媒質層Hとが
少なくとも一層以上、交互に繰り返す様に積層した事を特徴とする偏光素子。
【請求項２】
前記偏光素子を２つのプリズムの間に密着して配置したことを特徴とする偏光素子。
【請求項３】
前記偏光素子の層Lと層Hは下記の条件式を満たす様にとるとき、
前記第１の方向をP偏光として透過し、
前記第2の方向をS偏光として反射する偏光分離素子であることを特徴とする偏光素子。
｜ｎH1−ｎL１｜  ＜  |ｎH2−ｎL2 | ・・・（１）
ただし、
ｎL1：L層の第１の方向の有効屈折率
ｎL2：L層の第２の方向の有効屈折率
ｎH1：H層の第１の方向の有効屈折率
ｎH1：H層の第２の方向の有効屈折率
【請求項４】
請求項３において、前記プリズムは以下の条件式を満たす事を特徴とする偏光素子。
ｎH2 ＞ ｎP ＞ ｎL2 ・・・（２）
ただし、ｎP：プリズムの屈折率
【請求項５】
前記1から4の誘電体媒質はTiO2であることを特徴とする偏光素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の波長、あるいは帯域光で、かつ、比較的広い入射角度範囲で使用する偏光分離素子に関し、特に、撮影光学系、投写型表示装置（プロジェクタ）、画像処理装置、半導体製造装置等の各種光学機器に用いられる偏向分離素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、偏光分離素子として、屈折率が異なる２種類の媒質から成る誘電体多層膜をもちいて、偏光分離する構成のものが知られている。
【０００３】
図１は偏光分離するプリズム型の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）の説明図である。
【０００４】
図１に示すように、プリズム２２、２４に挟まれるように２３の偏光分離素子が４５°の角度で配置されている。
【０００５】
図１１はその偏光分離素子部分を示す図である。図１１に示すように、偏光分離素子としては、誘電体多層膜１７が配置されている。誘電体多層膜１７に入射してきた偏光光のうちＰ偏光に関しては、ブリュースター角として透過し、Ｓ偏光に関しては誘電体多層膜１７の干渉による反射をさせている。
【０００６】
一般に、１つの界面を挟んで入射側の媒質の屈折率をｎ１、射出側の媒質の屈折率をｎ２とするときブリュースター角θｂは式（１）で与えられる。
【０００７】
ｔａｎθｂ＝ｎ２／ｎ１      ・・・（１）
偏光分離するには、この関係が図１で示すプリズム２２、２４の媒質および、誘電体多層膜１７を形成する複数の媒質、例えば高屈折率（Ｈ層）と低屈折率（Ｌ層）で成り立つ必要がある。そのため、プリズム２３の媒質の屈折率ｎｐと誘電体多層膜２２を形成する高屈折率層の屈折率ｎＨと低屈折率層の屈折率ｎＬとの間には、下記の関係式が成り立つ必要がある。
【０００８】
【数１】
2012247455.tif 000003
誘電体多層膜２２は、Ｓ偏光に関して、高屈折率層の媒質Ｈと、低屈折率層の媒質Ｌの界面の反射を用いて、多層膜干渉による反射膜として作用する。誘電体多層膜２２は２０〜４０層で構成され、これにより可視光全域に対して作用する反射膜を実現している。
【０００９】
Ｓ偏光に関しては、多層膜の層数を増やすことで角度特性や、波長特性を広く取ることができる。
【００１０】
一方、誘電体多層膜のかわりに光学異方性をもつ接着材を２つのプリズムに挟む構成の偏光分離素子が知られている（特許文献１）。
【００１１】
特許文献１は複屈折性の材料の屈折率差を用いている。このときの屈折率差は小さいが入射角６０°くらいの大きな入射角で使用することで、選択的に一方の偏光を全反射させることにより偏光分離を実現している。
【００１２】
全反射が起こるためには、臨界角θｃ以上で光を入射させる必要がある。入射側の媒質の屈折率をｎ１、出射側の媒質の屈折率をｎ２とするとき臨界角θｃは次式で与えられる。
【００１３】
ｓｉｎθｃ＝ｎ２／ｎ１    ・・・（３）
一方、偏光分離に光の波長以下の構造（格子）を利用した偏光分離素子が知られている（特許文献２）。
【００１４】
特許文献２では第１方向に平行な複数の格子を第１方向と直交する第２方向に周期的に配置した構造層を有する偏光分離層を有する偏光分離素子を開示している。
【００１５】
偏光分離素子に入射する偏光光のうち、第１方向と第２方向とに偏光成分の光を反射及び透過している。
【００１６】
特許文献２に開示されている格子を光の波長以下の周期で配置した構造層は一般的にＳＷＳ（sub-wave-length structure）と呼ばれている。
【００１７】
ＳＷＳでは構造が光の波長よりも微細なためにその構造そのものを認識できずに、一様な媒質のような特性を示す。このとき、ＳＷＳではその構造を構成する材料の屈折率とその構成比で求められる等価屈折率を持つ層として機能する。また、ＳＷＳではその周期構造を方向によって違えることで、強い異方性を持つ層として機能することも知られている。
【００１８】
特許文献２にはＳＷＳを用いた特殊な偏光分離素子では入射するＳ偏光とＰ偏光に大きな屈折率差を持たせることができる。すると、入射する一方の偏光のみ全反射する条件を満たすことができる。このため、反射の条件を優位に満たすことが可能となる。
【００１９】
例えば偏光分離層のＳＷＳ（構造層）の格子を入射平面に平行方向に周期性を持たせることで、Ｐ偏光を全反射、Ｓ偏光を透過させている。
【００２０】
ここで提示された構造は、ブリュースター角を利用する誘電体多層膜の偏光分離素子に比べて入射角特性に優れている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２１】
【特許文献１】特開平０３−１７４５０２号公報
【特許文献２】特開２００５−７７８１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
しかしながら、一般的な光学干渉を用いた誘電体多層膜を用いた偏光分離素子では偏光分離にブリュースター角を使用している。このため、入射角度特性が劣る傾向がある。また、一方の偏光特性に対して干渉を用いて設計すると、他方の偏光への干渉の影響が無視できず、両方の偏光に対して、同時に設計を行う事は非常に煩雑になってくるという課題があった。
【００２３】
特許文献２に開示されているＳＷＳ構造より成る偏光分離素子はＳ偏光とＰ偏光を効果に分離することができる。
【００２４】
しかしながら、S偏光の全反射条件を満たすような１次元格子はｆｆ（フィリングファクター）が小さく、格子の幅が細くなる。また、格子高さも必要とするため格子のアスペクト比（格子高さ／格子幅）が大きな形状となり製造に高い技術が必要となる。そのためコスト的に不利になると言う課題が有った。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
上記目的を達成するために、本発明は、
面内の第１の方向に配向した微細孔を持つ誘電体媒質層Lと、それと直行する方向でかつ面内の第二の方向に配向した微細孔を持つ誘電体媒質層Hとが少なくとも一層以上、交互に繰り返す様に積層した事を特徴とする。
【発明の効果】
【００２６】
本発明によれば、高いアスペクト比の１次元格子を用いずに、より安価なコストで、入射射角度特性及び広帯域特性に優れた偏光分離素子及びそれを有する光学機器の提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】偏光分離素子の構成図
【図２】第１実施例、第２実施例に対応する偏光分離素子の斜視図
【図３】第１実施例、第２実施例に対応する偏光分離素子の方向Ａからの断面図
【図４】第１実施例、第２実施例に対応する偏光分離層の方向Ｂからの断面構造図
【図５】第１実施例、第２実施例に対応する偏光分離層の方向Ａからの断面構造図
【図６】誘電体媒質層Lと誘電体媒質層Hとの積層の様子を示す模式図
【図７】ｆｆごとの有効屈折率を表すグラフ
【図８】誘電体媒質層の有効屈折率を説明する模式図
【図９】第１実施例に対応する偏光分離素子の透過率の角度特性のグラフ
【図１０】第２実施例に対応する偏光分離素子の透過率の角度特性のグラフ
【図１１】従来の多層膜偏光分離素子の模式図
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下に、本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１は、本発明の実施形態にかかわる偏光分離素子である。
【００２９】
［実施例１］
図１に本発明、実施例１の偏光分離素子の構成を示す。表１に実施例１の構成をあらわす設計値を示す。図１において、プリズムの入射面（25）に対して、偏光分離層(23)は４５°傾いている。入射面（25）に垂直に入射する光線（18）（20）が偏光分離層（23）に入射する際の入射平面と、本実施例の偏光分離層に対して定義する第１の方向は図２のように平行に配置となっている。また同様に、第２の方向は直交する配置となっている。
【００３０】
ここで、第１の方向とは、誘電体媒質層Lの微細孔が配向した方向であり、第２の方向は誘電体媒質層Hの微細孔が配向した方向である。
【００３１】
偏光分離層で、Ｓ偏光の入射光(20)は反射光(21)となり、入射側プリズム（22）にある入射面（25）とは別の射出面（26）から射出させる。また、Ｐ偏光の入射光(18)は透過光(19)となり、射出側プリズム（24）にある射出面（27）から射出させる構成となっている。
【００３２】
図3は偏光分離素子を図１のA方向から見た断面図である。
【００３３】
図4は図3のB方向のから見た偏光分離層の断面構造図である。
【００３４】
図5は図3の偏光分離素子の偏光分離層部分の断面構造図である。
【００３５】
図6は誘電体媒質層Lと誘電体媒質層Hとの積層の様子を示す模式図である。
【００３６】
図4、図5、図6に示すように、面内の一方向に配向した微細孔を持つ誘電体媒質層Lと誘電体媒質層Hが交互に積層したものである。その際、誘電体媒質層Lと誘電体媒質層Hの微細孔の配向方向はお互いに直交する配置としている。
【００３７】
誘電体媒質層の誘電体としてはTiO2を用いている。
【００３８】
この一方向に配向した微細孔を持つ誘電体媒質層は屈折率の構造複屈折を持つ。
【００３９】
図7はTiO2を媒質としたときの、ff（フィリングファクター）と有効屈折率を示すグラフである。RCWA法（厳密波結合解析）により計算した薄膜としての反射率、透過率から有効屈折率を求めたものである。
【００４０】
図8に示すように、微細孔の配向方向と電場の振動方向が平行な方向の偏光をTE偏光、微細孔の配向方向と電場の振動方向が直交する方向の偏光とTM偏光とする。
【００４１】
ここで、ｆｆは全体の体積に対する媒質の割合である。図8に示すように、微細孔の孔径が大きくなると、ｆｆは小さくなり、逆に、孔径が細くなると、ｆｆは大きくなる。グラフでは、ｆｆは便宜上０までプロットしてあるが、微細孔の孔径がピッチ（隣の細孔との距離）より大きくなることはないので、ｆｆは０までは形状が存在しない。
【００４２】
誘電体媒質層Lはｆｆ＝０．３６、誘電体媒質層Hはｆｆ＝０．６４であり、その時の有効屈折率は表の通りになる。
【００４３】
P偏光に関しては、プリズムの屈折率１．７０に対して、誘電体媒質層L、Hそれぞれ１．６０、１．８０と屈折率が近いので、ブリュースター角付近の広範囲で良好に透過する。
【００４４】
一方、S偏光に関しては、プリズムの屈折率１．７０を挟んで、誘電体媒質層L、Hそれぞれ１．４５、１．９５と屈折率差が大きいので、効率良く多層膜干渉での反射を生じさせる事が可能である。
【００４５】
誘電体媒質層L、誘電体媒質層Hはそれぞれ１０層繰り返し、プリズム側に誘電体媒質層Lを配置している。
【００４６】
図８がこの実施例１の有効屈折率で多層膜として薄膜計算による性能のシミュレーション結果である。波長550nmの入射光に対して、Ｐ偏光、Ｓ偏光の透過率の入射角度特性を示している。横軸はプリズム媒質中の入射角度を示している。
【００４７】
４５°の入射角に対してＰ偏光では透過し、Ｓ偏光では、十分に反射している。
【００４８】
条件式（１）は誘電体媒質層L、誘電体媒質層Hの構造複屈折の取り方に関してＰ偏光の屈折率差を小さくして、Ｓ偏光の屈折率差を大きくするためのものである。これにより効率良い構成とすることができる。
【００４９】
条件式（２）はプリズムに対して、誘電体媒質層L、誘電体媒質層Hの構造複屈折の関係を示すもので、この条件式の範囲の時に設定することで、Ｐ偏光の透過の際に、プリズムとのブリュースター角による透過を満たし易くなる。
【００５０】
これによって、簡易な構成で偏光分離素子が得られる。
【００５１】
なお、本実施例に関して、誘電体媒質はTiO2に限らず、適当な誘電体を用いても構わない。
【００５２】
また、誘電体媒質層L、誘電体媒質層H、プリズムのいずれかの間に単層または、多層からなる誘電体薄膜を配置しても良い。
【００５３】
さらに、プリズムと偏光分離層の片側あるいは、両側に接着材などの樹脂を配置しても良い。
【００５４】
［実施例２］
実施例１と同様に、図１に本発明、実施例２の偏光分離素子の構成を示す。表２に実施例２の構成をあらわす設計値を示す。
【００５５】
入射光、射出光に対する位置関係、および、入射光配向の関係は実施例１と同様である。
【００５６】
実施例１と同様に、図4、図5、図6に示すように、面内の一方向に配向した微細孔を持つ誘電体媒質層Lと誘電体媒質層Hが交互に積層したものである。その際、誘電体媒質層Lと誘電体媒質層Hの微細孔の配向方向はお互いに直交する配置としている。
【００５７】
誘電体媒質層の誘電体としてはTiO2を用いている。
【００５８】
誘電体媒質層Lはｆｆ＝０．３６、誘電体媒質層Hはｆｆ＝０．７５であり、その時の有効屈折率は表２の通りになる。
【００５９】
P偏光に関しては、プリズムの屈折率１．８５に対して、誘電体媒質層L、Hそれぞれ１．６０、１．９６と屈折率が近いので、ブリュースター角付近の広範囲で良好に透過する。
【００６０】
一方、S偏光に関しては、プリズムの屈折率１．８５を挟んで、誘電体媒質層L、Hそれぞれ１．４５、２．０６と屈折率差が大きいので、効率良く多層膜干渉での反射を生じさせる事が可能である。
【００６１】
誘電体媒質層L、誘電体媒質層Hはそれぞれ６層繰り返し、プリズム側に誘電体媒質層Lを配置している。
【００６２】
実施例１と比較してプリズムの屈折率が高いため誘電体媒質層Lと誘電体媒質層Hの屈折率差を大きくすることで、全体の層数を削減している。
【００６３】
図８がこの実施例２の有効屈折率で多層膜として薄膜計算による性能のシミュレーション結果である。波長550nmの入射光に対して、Ｐ偏光、Ｓ偏光の透過率の入射角度特性を示している。横軸はプリズム媒質中の入射角度を示している。
【００６４】
４５°の入射角に対してＰ偏光では透過し、Ｓ偏光では、十分に反射している。
【００６５】
条件式（１）、条件式（２）を満たすことで、誘電体媒質層L、誘電体媒質層Hとプリズムの屈折率の関係を効率良い構成とすることが可能となっている。
【００６６】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００６７】
【表１】
2012247455.tif 000004
【００６８】
【表２】
2012247455.tif 000005
【符号の説明】
【００６９】
１：一次元格子
２：領域M
３：一次元格子
４：領域M
５：一次元格子
６：領域M
７：薄膜
８：一次元格子
９：一次元格子
１０：一次元格子
１１：一次元格子（Lu層）
１２：一次元格子（Lt層）
１３：一次元格子（H層）
１４：領域M
１５：領域M
１８：入射光（Ｐ偏光）
１９：射出光（Ｐ偏光）
２０：入射光（Ｓ偏光）
２１：射出光（Ｓ偏光）
２２：プリズム
２３：偏光分離素子
２４：プリズム
２５：入射面
２６：Ｓ偏光射出面
２７：Ｐ偏光射出面
【図１】
2012247455.tif 000006
【図２】
2012247455.tif 000007
【図３】
2012247455.tif 000008
【図４】
2012247455.tif 000009
【図５】
2012247455.tif 000010
【図６】
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【図７】
2012247455.tif 000012
【図８】
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【図９】
2012247455.tif 000014
【図１０】
2012247455.tif 000015
【図１１】
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