(57)【要約】【課題】入射角許容幅及び波長範囲が広く、且つ高い消光比を備えた全反射型偏光ビームスプリッタを提供する。【解決手段】全反射を利用して入射光Ｉを偏光分離する全反射型偏光ビームスプリッタ１００は、直角二等辺三角柱状に形成された第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２と、第１のプリズム材１１の斜面部１１ａと第２のプリズム材１２の斜面部１２ａとの間に挟持される板材２１と、第１のプリズム材１１と板材２１との間、及び、第２のプリズム材１２と板材２１との間にそれぞれ配設される反射防止膜３１と、を備えており、第１のプリズム材１１と板材２１、及び、第２のプリズム材１２と板材２１は、反射防止膜３１を介してオプティカルコンタクトにより接合され、第１のプリズム材１１と、第２のプリズム材１２と、板材２１とは、入射光Ｉの入射方向と一致しない方向の光学軸を有する異方性材料によって形成されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
全反射を利用して入射光を偏光分離する全反射型偏光ビームスプリッタであって、
直角二等辺三角柱状に形成された第１のプリズム材及び第２のプリズム材と、
前記第１のプリズム材の斜面部と前記第２のプリズム材の斜面部との間に挟持される板材と、
前記第１のプリズム材と前記板材との間、及び、前記第２のプリズム材と前記板材との間にそれぞれ配設される反射防止膜と、を備え、
前記第１のプリズム材と前記板材、及び、前記第２のプリズム材と前記板材は、前記反射防止膜を介してオプティカルコンタクトにより接合され、
前記第１のプリズム材と、前記第２のプリズム材と、前記板材とは、前記入射光の入射方向と一致しない方向の光学軸を有する異方性材料からなることを特徴とする全反射型偏光ビームスプリッタ。
【請求項２】
前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材は、光学軸が同方向に沿って配設され、
前記板材の光学軸は、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の光学軸と直交する方向に沿って配設されてなることを特徴とする請求項１に記載の全反射型偏光ビームスプリッタ。
【請求項３】
前記第１のプリズム材と、前記第２のプリズム材と、前記板材とは、光学軸が同方向に沿って配設されてなることを特徴とする請求項１に記載の全反射型偏光ビームスプリッタ。
【請求項４】
前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材は、同じ異方性材料によって形成され、
前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の二つの屈折率のうち、大きい方の屈折率をｎ１Ｌ、小さい方の屈折率をｎ１Ｓとし、
前記板材の二つの屈折率のうち、大きい方の屈折率をｎ２Ｌ、小さい方の屈折率をｎ２Ｓとしたとき、ｎ２Ｌ／ｎ１Ｓ＞０．７０７１、ｎ２Ｓ／ｎ１Ｌ＜０．７０７１を満たすことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の全反射型偏光ビームスプリッタ。
【請求項５】
前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料は、ＹＶＯ４、ルチル型のＴｉＯ２、ＬｉＮｂＯ３のいずれかから選択され、
前記板材の材料は、ＣａＣＯ３、ＹＶＯ４、ＣａＷＯ４のいずれかから選択され、
前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料と、前記板材の材料とは、互いに異なることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の全反射型偏光ビームスプリッタ。
【請求項６】
前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料は、ＹＶＯ４からなり、
前記板材の材料は、ＣａＣＯ３からなることを特徴とする請求項５に記載の全反射型偏光ビームスプリッタ。
【請求項７】
前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料は、ルチル型のＴｉＯ２からなり、
前記板材の材料は、ＹＶＯ４からなることを特徴とする請求項５に記載の全反射型偏光ビームスプリッタ。
【請求項８】
前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料は、ＬｉＮｂＯ３からなり、
前記板材の材料は、ＣａＣＯ３からなることを特徴とする請求項５に記載の全反射型偏光ビームスプリッタ。
【請求項９】
前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料は、ルチル型のＴｉＯ２からなり、
前記板材の材料は、ＣａＷＯ４からなることを特徴とする請求項５に記載の全反射型偏光ビームスプリッタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全反射型偏光ビームスプリッタに係り、小型で特に入射角許容幅と波長範囲が広く、且つ高い消光比を備えた全反射型偏光ビームスプリッタに関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光ビームスプリッタは、入射光をＰ偏光とＳ偏光とに分離する光学素子として広く一般的に使用されており、例えば、プロジェクター、光アイソレータ、光スイッチや偏光評価装置など様々な機器の部品として用いられている。
【０００３】
特に、光通信分野においては、波長１３１０ｎｍ、１５５０ｎｍ等の光が使用され、これらの波長範囲において使用可能な偏光ビームスプリッタが求められている。そして、光通信用モジュールの設計においては、他分野の光学機器と比較して、特にスペース的な制約が大きく、偏光ビームスプリッタを小型化すると共に、分離される偏光について、高い消光比を得ることが可能な偏光ビームスプリッタが求められている。
【０００４】
また、プロジェクター分野や光計測分野においては、波長６３３ｎｍ等の可視光が使用され、これらの波長範囲において使用可能な偏光ビームスプリッタが求められている。そして、プロジェクター分野や光測定分野においてもまた、装置の小型化が求められているため、内部に備えられる偏光ビームスプリッタもまた、小型化する技術が求められる。
【０００５】
偏光ビームスプリッタに関し、従来の偏光ビームスプリッタは、プリズム部材と偏光分離膜からなる偏光分離膜型（例えば、特許文献１）と、異方性材料を用いて２つの異なる全反射条件を利用した全反射型（例えば、特許文献２）に分類される。
【０００６】
偏光分離膜型の偏光ビームスプリッタは、側面視で直角二等辺三角形のプリズムで製作可能であるため、広い波長幅で偏光分離角度を９０度とすることができる。このように、偏光分離角度を９０度とすることが可能な偏光ビームスプリッタは、装置内の光路設計において有用である。さらに、偏光分離膜型の偏光ビームスプリッタは、プリズム形状を上記形状にすることができるため、素子を立方体形状とすることができる。したがって、他の形状の偏光ビームスプリッタと比較して、素子が大型化することなく、装置設計の点において受ける制約が少ない。
【０００７】
しかし、偏光分離膜型の偏光ビームスプリッタは、特許文献１において開示されているように、偏光分離膜を形成するために数十層の薄膜を形成する必要があるため、製造誤差の影響が大きく、入射角許容幅（一定値以上の消光比を得るための入射角度の許容幅）を広くすることが難しい。また、一般に、偏光分離膜型の偏光ビームスプリッタは、消光比が３０ｄＢ程度という低い値になってしまうという問題点がある。たとえば、特許文献１で開示された偏光分離膜型の偏光ビームスプリッタは、透過偏光の反射率が約０．０４％程度であるため、反射偏光の消光比は、約３５ｄＢであり、十分な消光比を得ることが難しい。
【０００８】
また、全反射型偏光ビームスプリッタの一つであるグランテーラー型偏光ビームスプリッタは、通常光線と異常光線の２つの屈折率と空気の屈折率比により得られる２つの全反射角を利用して偏光を分離させるものである。グランテーラー型偏光ビームスプリッタにおいて方解石等を用いた場合、全反射角が通常光と異常光についてそれぞれ４５°よりも小さいため、反射面が４５°の傾斜であるプリズムを用いて形成することができない。したがって、分離されるＰ偏光とＳ偏光の成す角度を９０°とするためには、複雑な形状とする必要があり、上記の偏光分離膜型の偏光ビームスプリッタのように、立方体形状とすることができない。その結果、偏光ビームスプリッタを小型化することが難しく、装置設計の際、自由度が低下するという不都合がある。
【０００９】
そして、グランテーラー型偏光ビームスプリッタにおいて、反射偏光は、プリズムから空気へ入射する際の屈折を利用しているため、屈折率分散により屈折角度の波長依存性が生じる。さらに、適当な屈折率を有する材料が毒性や潮解性を有する物質であるため、実用性に欠けるという問題点がある。
【００１０】
また、全反射型偏光ビームスプリッタの一つであるグラントムソン型ビームスプリッタは、特許文献２において開示されているように、グランテーラー型と同様に二つの全反射角を利用して偏光を分離させるものである。
グラントムソン型ビームスプリッタは、接着剤と異方性材料の透過偏光方向の屈折率を合わせることにより、透過偏光は１００％透過するため、分離されたＰ偏光とＳ偏光は両者ともに高い消光比を得ることが可能である。また、接着剤の屈折率分散を異方性材料と合わせることにより、使用可能な光の波長幅を広くすることが可能であり、極めて高い光学性能を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１１−２５８４２２号公報
【特許文献２】特開平９−９０１１１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
特許文献２において開示されたグラントムソン型の偏光ビームスプリッタは、異方性のプリズム材を、ＡＲ膜（反射防止膜）を介して高屈折率の添加剤を含んだ接着剤（特許文献２では「接合剤」と記載されている）により接合することにより形成されている。換言すると、特許文献２において開示された偏光ビームスプリッタは、異方性材料（異方性プリズム）と等方性材料によって構成されるものである。
【００１３】
上記構成の偏光ビームスプリッタは、分離した偏光の消光比を５０ｄＢ以上という高い値とすることができる可能性があるが、消光比は入射角度に大きく依存し、十分に広い入射角許容幅を得ることが難しく、装置内の光路設計において極めて高い精度が必要となる。したがって、さらに広い入射角許容幅を備えると共に、十分に高い消光比を備える偏光ビームスプリッタが望まれていた。
【００１４】
また、高い消光比を備えるだけでなく、装置設計における利便性から、偏光分離角を９０°とすることが可能であり、さらに小型化が可能な偏光ビームスプリッタが求められていた。さらにまた、特に光通信分野において用いられる波長の光に対して使用可能であり、毒性や潮解性等、実用的に問題となる性質を持たない材料で構成される偏光ビームスプリッタが求められている。
【００１５】
本発明の目的は、小型で入射角許容幅と波長範囲が広く、且つ高い消光比を備えた全反射型偏光ビームスプリッタを提供することにある。また、本発明の他の目的は、毒性や潮解性等がなく、実用的な材料で構成される全反射型偏光ビームスプリッタを提供することにある。さらに、本発明の他の目的は、特に光通信分野において用いられる波長の光に対して偏光分離角を９０°とすることが可能な全反射型偏光ビームスプリッタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
前記課題は、全反射を利用して入射光を偏光分離する全反射型偏光ビームスプリッタであって、直角二等辺三角柱状に形成された第１のプリズム材及び第２のプリズム材と、前記第１のプリズム材の斜面部と前記第２のプリズム材の斜面部との間に挟持される板材と、前記第１のプリズム材と前記板材との間、及び、前記第２のプリズム材と前記板材との間にそれぞれ配設される反射防止膜と、を備え、前記第１のプリズム材と前記板材、及び、前記第２のプリズム材と前記板材は、前記反射防止膜を介してオプティカルコンタクトにより接合され、前記第１のプリズム材と、前記第２のプリズム材と、前記板材とは、前記入射光の入射方向と一致しない方向の光学軸を有する異方性材料からなること、により解決される。
【００１７】
このように、本発明の全反射型偏光ビームスプリッタは、異方性材料からなる第１のプリズム材及び第２のプリズム材に挟まれる板材もまた、異方性材料により形成されている。そして、これら異方性材料からなる各プリズム材及び板材は、反射防止膜を介してオプティカルコンタクトにより接合されている。
第１のプリズム材、第２のプリズム材及び板材をすべて異方性材料とすることにより、広い入射角許容幅を得ることができる。しかし、異方性材料の中でも、毒性や潮解性等の性質を有するものではない材料（すなわち、取扱いが容易な材料）を用いると、一般に、適当な全反射角を備え、且つプリズム材を形成可能な材料が存在しない。これに対し、反射防止膜を第１のプリズム材及び第２のプリズム材と板材との間にそれぞれ介在させることにより、フレネル反射を抑制して透過偏光の反射率を下げることができ、実用的な異方性材料により第１のプリズム材、第２のプリズム材及び板材を形成することができると共に、さらに高い消光比や広い入射角許容幅など、良好な偏光分離特性を得ることができる。また、例えば、偏光分離膜型の偏光ビームスプリッタと比較して、取扱いが容易な材料を選択可能となるため、加工精度且つ光学性能を高めることができる。
さらに、接着剤等により第１のプリズム材、第２のプリズム材及び板材を接合するのではなく、オプティカルコンタクトにより接合する構成であるため、接着剤等が入射光を吸収することなく、高い透過率で透過させることができる。
【００１８】
このとき、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材は、光学軸が同方向に沿って配設され、前記板材の光学軸は、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の光学軸と直交する方向に沿って配設されてなると好ましい。
上記のように、第１のプリズム材、第２のプリズム材、板材はすべて異方性材料で形成されており、複屈折性を備えている。このように、光学軸を持つ第１のプリズム材、第２のプリズム材及び板材は、その光学軸が入射光の光軸に沿った方向でなければ、第１のプリズム材、第２のプリズム材の光学軸が同方向に沿って配設される一方、板材の光学軸が、第１のプリズム材、第２のプリズム材の光学軸と直行する方向に沿って形成されていてもよい。
【００１９】
また、前記第１のプリズム材と、前記第２のプリズム材と、前記板材とは、光学軸が同方向に沿って配設されていてもよい。
上記のように、第１のプリズム材、第２のプリズム材、板材はすべて異方性材料で形成されており、複屈折性を備えている。このように、光学軸を持つ第１のプリズム材、第２のプリズム材及び板材は、その光学軸が入射光の光軸に沿った方向でなければ、互いの光学軸がすべて同方向に沿って形成されていてもよい。
【００２０】
さらに、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材は、同じ異方性材料によって形成され、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の二つの屈折率のうち、大きい方の屈折率をｎ１Ｌ、小さい方の屈折率をｎ１Ｓとし、前記板材の二つの屈折率のうち、大きい方の屈折率をｎ２Ｌ、小さい方の屈折率をｎ２Ｓとしたとき、ｎ２Ｌ／ｎ１Ｓ＞０．７０７１、ｎ２Ｓ／ｎ１Ｌ＜０．７０７１を満たすと好適である。
このように、第１のプリズム材及び第２のプリズム材を構成する異方性材料の屈折率と、板材を構成する異方性材料の屈折率とが、上記関係式を満たすことにより、第１のプリズム材の斜面部に入射する入射光の角度を４５°とし、分離される一方の偏光を入射光の光軸に対して９０°で分離することができる。
すなわち、第１のプリズム材及び第２のプリズム材を直角二等辺三角柱状に形成し、立方体形状の偏光ビームスプリッタを形成する際、上記の屈折率条件とすることにより、良好な偏光分離特性を得ることができる。立方体形状の偏光ビームスプリッタは、該形状以外の形状の偏光ビームスプリッタと比較して、小型化することができるため、偏光ビームスプリッタを配置する装置内において省スペース化することが可能となる。
【００２１】
また、上記の全反射型偏光ビームスプリッタにおいて、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料は、ＹＶＯ４、ルチル型のＴｉＯ２、ＬｉＮｂＯ３のいずれかから選択され、前記板材の材料は、ＣａＣＯ３、ＹＶＯ４、ＣａＷＯ４のいずれかから選択され、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料と、前記板材の材料とは、互いに異なる材料が選択される。
上記の異方性材料は、毒性や潮解性を備えておらず、取扱いが容易な材料であり、且つ全反射型偏光ビームスプリッタを形成するためのプリズム加工に適した材料である。したがって、良好な加工精度で全反射型偏光ビームスプリッタを形成することができ、加工精度の低下に起因する入射角許容幅の縮小を防止することができる。
【００２２】
また、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料は、ＹＶＯ４からなり、前記板材の材料は、ＣａＣＯ３からなると好適である。
上記材料の組み合わせによって全反射型偏光ビームスプリッタを形成することにより、入射角許容幅が大きくなるだけでなく、良好な消光比で偏光を分離することができる。また、上記材料は毒性や潮解性がなく、取扱いが容易であると共に、プリズムとして加工しやすい材料である。したがって、加工性がよく、製造誤差を小さくすることができるため、性能の良い全反射型偏光ビームスプリッタとすることができる。
【００２３】
さらに、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料は、ルチル型のＴｉＯ２からなり、前記板材の材料は、ＹＶＯ４からなる構成としてもよい。
上記材料の組み合わせによって全反射型偏光ビームスプリッタを形成することにより、適当な入射角許容幅を備えた全反射型偏光ビームスプリッタとすることができる。
【００２４】
さらにまた、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料は、ＬｉＮｂＯ３からなり、前記板材の材料は、ＣａＣＯ３からなる構成であってもよい。
上記材料の組み合わせによって全反射型偏光ビームスプリッタを形成することにより、適当な入射角許容幅を備えた全反射型偏光ビームスプリッタとすることができる。
【００２５】
また、前記第１のプリズム材及び前記第２のプリズム材の材料は、ルチル型のＴｉＯ２からなり、前記板材の材料は、ＣａＷＯ４からなる構成としてもよい。
上記材料で全反射型偏光ビームスプリッタを形成することにより、特に通信帯域において頻繁に用いられる光の波長（λ＝１５５０ｎｍ）の光について、好適に偏光分離することができる。
【発明の効果】
【００２６】
本発明の全反射型偏光ビームスプリッタは、異方性材料同士を組み合わせることにより、入射角許容幅（すなわち、一定値以上の消光比を得るための入射角度の許容幅）及び波長範囲が広く、且つ高い消光比を備えた全反射型偏光ビームスプリッタとすることができる。
また、異方性材料からなる第１のプリズム材、第２のプリズム材及び板材との間に反射防止膜を介在させてオプティカルコンタクトにより接合させることにより、本発明の全反射型偏光ビームスプリッタは、フレネル反射を抑制し、透過偏光の損失を小さくすることができ且つ、透過偏光と反射偏光共に高い消光比を得ることができる。
さらに、本発明の全反射型偏光ビームスプリッタは、反射防止膜を備えることにより、全反射型偏光ビームスプリッタを構成する材料に関し、毒性や潮解性等がなく、取扱いが容易な材料によって形成可能である。したがって、例えば、偏光分離膜型の偏光ビームスプリッタと比較して、加工精度を向上させることができ、より偏光分離特性のよい全反射型偏光ビームスプリッタを提供することが可能となる。
さらにまた、本発明の全反射型偏光ビームスプリッタは、立方体形状に形成することができ、他の形状のものと比較して小型化しやすいため、特に光通信分野のように、装置内に十分な空間を確保しにくい機器に対して特に好適に用いることができる。そして、全反射型偏光ビームスプリッタを構成する材料について、適当な材料を選択することにより、通信帯域の波長の光に対しても高い消光比で偏光分離することができるため、本発明の全反射型偏光ビームスプリッタは、特に光通信分野の機器において好適に用いることができる。
このように、本発明によると、消光比、入射角許容幅、波長範囲、材料選択、形状等、偏光ビームスプリッタとして重要な因子においていずれも欠くことなく、極めてバランスの良い全反射型偏光ビームスプリッタを提供することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に係る全反射型偏光ビームスプリッタの斜視図である。
【図２】本発明の実施形態に係る全反射型偏光ビームスプリッタの側面図である。
【図３】本発明の実施形態１に係る全反射型偏光ビームスプリッタの側面図である。
【図４】本発明の実施形態２に係る全反射型偏光ビームスプリッタの側面図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る全反射型偏光ビームスプリッタの側面図である。
【図６】本発明の実施形態４に係る全反射型偏光ビームスプリッタの側面図である。
【図７】本発明の実施形態５に係る全反射型偏光ビームスプリッタの側面図である。
【図８】本発明の実施形態６に係る全反射型偏光ビームスプリッタの側面図である。
【図９】実施例１−１の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図１０】実施例１−１の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図１１】実施例１−２の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図１２】実施例１−２の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図１３】実施例１と比較例の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と反射光の消光比との関係を示すグラフ図である。
【図１４】実施例１と比較例の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の波長と反射光の消光比との関係を示すグラフ図である。
【図１５】実施例２−１の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図１６】実施例２−１の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図１７】実施例２−２の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図１８】実施例２−２の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図１９】実施例３−１の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図２０】実施例３−１の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図２１】実施例３−２の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図２２】実施例３−２の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図２３】実施例４−１の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図２４】実施例４−１の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図２５】実施例４−２の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【図２６】実施例４−２の全反射型偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明の一実施形態について、図を参照して説明する。なお、以下に説明する構成等は、本発明を限定するものではなく、本発明の趣旨に沿って各種改変することができることは勿論である。なお、以下の実施形態の説明では、本発明の全反射型偏光ビームスプリッタを「偏光ビームスプリッタ」とのみ記載する。
【００２９】
図１及び図２は本発明の実施形態に係る偏光ビームスプリッタに関するものであり、図１は偏光ビームスプリッタの斜視図、図２は偏光ビームスプリッタの側面図である。図３乃至図８は本発明の各実施形態に係るものであり、図３は実施形態１に係る偏光ビームスプリッタの側面図、図４は実施形態２に係る偏光ビームスプリッタの側面図、図５は実施形態３に係る偏光ビームスプリッタの側面図、図６は実施形態４に係る偏光ビームスプリッタの側面図、図７は実施形態５に係る偏光ビームスプリッタの側面図、図８は実施形態６に係る偏光ビームスプリッタの側面図である。図９乃至図２６は本発明の各実施例に係るものであり、図９は実施例１−１の偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図１０は実施例１−１の偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図１１は実施例１−２の偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図１２は実施例１−２の偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図１３は実施例１と比較例の偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と反射光の消光比との関係を示すグラフ図、図１４は実施例１と比較例の偏光ビームスプリッタの入射光の波長と反射光の消光比との関係を示すグラフ図、図１５は実施例２−１の偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図１６は実施例２−１の偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図１７は実施例２−２の偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図１８は実施例２−２の偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図１９は実施例３−１の偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図２０は実施例３−１の偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図２１は実施例３−２の偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図２２は実施例３−２の偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図２３は実施例４−１の偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図２４は実施例４−１の偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図２５は実施例４−２の偏光ビームスプリッタの入射光の入射角と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図、図２６は実施例４−２の偏光ビームスプリッタの入射光の波長と各偏光の反射率の関係を示すグラフ図である。
【００３０】
＜偏光ビームスプリッタ１００の構成＞
本発明の全反射型偏光ビームスプリッタ（以下、偏光ビームスプリッタ１００）は、二つの異なる全反射を利用して偏光を分離させる全反射型の偏光ビームスプリッタである。
本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、図１に示すように、直角二等辺三角柱状に形成された第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２と、第１のプリズム材１１の斜面部１１ａと第２のプリズム材１２の斜面部１２ａとの間に挟持される板材２１と、第１のプリズム材１１と板材２１との間、及び、第２のプリズム１２材と板材２１との間にそれぞれ配設される反射防止膜３１と、を備えている。そして、第１のプリズム材１１と板材２１、及び、第２のプリズム材１２と板材２１は、反射防止膜３１を介してオプティカルコンタクトにより接合されており、第１のプリズム材１１と、第２のプリズム材１２と、板材２１とは、入射光の入射方向と一致しない方向、より詳細には、直交する方向に沿う光学軸を有する異方性材料によって形成されている。
【００３１】
第１のプリズム材１１は、図２に示すように、光が入射する（入射光）側に備えられ、第２のプリズム材１２は、光が出射する（出射光）側に備えられる。第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２は、側面視で直角二等辺三角形のプリズム材によって形成されており、その直角二等辺三角形の斜辺部分に相当する斜面部１１ａ，１２ａは、それぞれ透過偏光用の反射防止膜３１を介して板材２１の平面部２１ａを挟み込むように形成されている。そして、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２と、板材２１とは、反射防止膜３１を介して互いにオプティカルコンタクトした構造である。
【００３２】
上記のように、本発明の偏光ビームスプリッタ１００を構成する第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２は、側面視が直角二等辺三角形に形成された４５°プリズムであり、光が入射する入射面部１１ｂと斜面部１１ａとがなす角度、透過光が出射する透過光出射面部１２ｃと斜面部１２ａとがなす角度はそれぞれ４５°である。したがって、偏光ビームスプリッタ１００は、図１に示すように、全体として立方体形状とすることができる。
このように、偏光ビームスプリッタ１００を立方体形状に形成することが可能であるため、他の形状に形成されたものと比較して、容易に小型化可能であり、また、偏光ビームスプリッタが備えられる装置において、設計に関する自由度が向上する。
【００３３】
第１のプリズム材１１、第２のプリズム材１２、板材２１の光学軸は、入射光Ｉの入射方向（すなわち、図２においてｘ方向）に対して直交する方向（図２においてｙ方向または図２の奥行き方向であるｚ方向）に沿うように加工される。
【００３４】
そして、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２は、複屈折性を有する異方性材料によって形成されており、その光学軸が互いに同方向に沿って配設される。そして、板材２１の光学軸は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸と直交する方向に沿って配設される構成とするとよい。すなわち、図２において、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸はｙ方向に沿って形成されている一方で、板材２１の光学軸は図２の奥行き方向（不図示のｚ方向）に沿って配設されていると好適である。
【００３５】
つまり、図３（実施形態１）及び図４（実施形態２）に示す方向の屈折率配置とすることができる。なお、第１のプリズム材１１、第２のプリズム材１２及び板材２１はすべて異方性材料で形成されており、図３乃至図８において、ｎ１Ｓは第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の小さい方の屈折率、ｎ２Ｓは板材２１の小さい方の屈折率、ｎ１Ｌは第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の大きい方の屈折率、ｎ２Ｌは板材２１の大きい方の屈折率を示すものである。
【００３６】
例えば、図３に示す方向の屈折率配置とすることにより、第１のプリズム材１１の入射面部１１ｂに対して入射光Ｉを入射させた際、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を全反射させることができるため、９０°に偏光分離することができる。
また、図４に示す方向の屈折率配置とすることにより、第１のプリズム材１１の入射面部１１ｂに対して入射光Ｉを入射させた際、Ｓ偏光を透過させ、Ｐ偏光を全反射させることができるため、９０°に偏光分離することができる。
【００３７】
或いは、板材２１の光学軸は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸と同方向に沿って配設されていてもよい。すなわち、図２において、第１のプリズム材１１、第２のプリズム材１２及び板材２１の光学軸はすべてｙ方向に沿って形成されていてもよい。
詳細には、図５乃至図８に示す方向の屈折率配置とすることができる。図５（実施形態３）及び図７（実施形態５）に示す方向の屈折率配置とすることにより、第１のプリズム材１１の入射面部１１ｂに対して入射光Ｉを入射させた際、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を反射させることができるため、９０°に偏光分離することができる。また、図６（実施形態４）及び図８（実施形態６）に示す方向の屈折率配置とすることにより、第１のプリズム材１１の入射面部１１ｂに対して入射光Ｉを入射させた際、Ｓ偏光を透過させ、Ｐ偏光を反射させることができるため、９０°に偏光分離することができる。
【００３８】
このように、第１のプリズム材１１、第２のプリズム材１２及び板材２１の光学軸をそれぞれ上記のような方向とすることにより、Ｐ偏光とＳ偏光のどちらを透過、反射させるか選択することができると共に、９０°に偏光分離することができる。
【００３９】
異方性材料は、光学軸方向をｙ方向又はｚ方向となるように加工することで、ｘ方向に沿って入射する入射光Ｉにおいて、異なる屈折率を得ることができる。本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２におけるそれぞれの方向の屈折率と、板材２１におけるそれぞれの方向の屈折率を所定の組み合わせとすることにより、二つの全反射角を得ることができ、Ｐ偏光とＳ偏光に分離することができる。
【００４０】
より詳細には、図２に示すように、偏光ビームスプリッタ１００に備えられた第１のプリズム材１１の入射面部１１ｂから入射光Ｉが入射し、斜面部１１ａに対して４５°の角度で入射する。このとき、斜面部１１ａに対向する板材２１の平面部２１ａにおいて、一方の偏光（例えば、Ｓ偏光）が反射角度４５°で反射し、反射光出射面部１１ｃから出射する（すなわち、入射光Ｉに対して９０°でＳ偏光が分離される。）一方、他方の偏光（例えば、Ｐ偏光）が斜面部１２ａから第２のプリズム材１２に入射して透過し、透過光出射面部１２ｃから出射する。したがって、本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、Ｐ偏光とＳ偏光を９０°に分離することができる。そして、本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、高い消光比を備え、広い入射角許容幅を備えている。
以下、本発明の偏光ビームスプリッタ１００において、偏光分離するための構成に関し、詳述する。
【００４１】
＜偏光ビームスプリッタ１００の構成材料＞
本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、異方性材料を用いることにより２種類の全反射条件を利用してＰ偏光とＳ偏光を分離するものである。この全反射は、斜面部１１ａにおいて発生する。以下、説明する臨界角θｃは、斜面部１１ａに対向する平面部２１ａで全反射が始まる角度を示すものである。
【００４２】
光が高屈折率媒質から低屈折率媒質に入射された場合、全反射が始まる入射角度である臨界角θｃは、式２で示すことができる。なお、このとき、ｎ１：プリズム材の屈折率、ｎ２：板材の屈折率であり、ｎ１＞ｎ２とする。
屈折率比：Ｎｒ＝ｎ２／ｎ１・・・（式１）
臨界角：θｃ＝ａｒｃｓｉｎ（Ｎｒ）・・・（式２）
【００４３】
異方性材料は、入射偏光成分に対して異なる屈折率を持つ。このような異方性材料において、毒性や潮解性がなく、プリズム材として使用可能であり、比較的入手が容易な材料としては、ＹＶＯ４、ＴｉＯ２（ルチル型）、ＬｉＮｂＯ３、ＣａＣＯ３、ＣａＷＯ４等が挙げられる。
【００４４】
本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、第１のプリズム材１１、第２のプリズム材１２及び板材２１を構成する材料として異方性材料を使用しているため、２種類の屈折率比（すなわち、偏光方向ごとの屈折率比）ＮｒＴ、ＮｒＲを得ることができる。偏光分離は、以下の式３及び式４の条件を満たすような材料を組み合わせることにより可能となる。なお、このとき、「透過条件」とは、光線が全反射しない条件のことであり、「反射条件」とは、光線が全反射する条件のことである。また、θは任意の角度である。
透過条件屈折率比：ＮｒＴ＞ｓｉｎθ・・・（式３）
反射条件屈折率比：ＮｒＲ＜ｓｉｎθ・・・（式４）
【００４５】
そして、本発明の偏光ビームスプリッタ１００において、プリズム材１０は４５°プリズムによって構成されるため、上記式３及び式４において、θ＝４５°とすると、透過条件および反射条件を満たすためには、ＮｒＴ＞０．７０７１、ＮｒＲ＜０．７０７１を満たせばよい。
【００４６】
屈折率比ＮｒＴ及びＮｒＲが、上記値を満たし、さらに実用的な材料による異方性材料同士の組み合わせとして、下記の表１の組み合わせ（実施例１〜実施例４）が挙げられる。
【表１】
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【００４７】
表中において、実施例１〜実施例３は波長λ＝６３３ｎｍにおける計算結果であり、実施例４は波長λ＝１５５０ｎｍにおける計算結果である。なお、二つの屈折率を持つ異方性の各材料に関し、ｎ１Ｓは第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の小さい方の屈折率、ｎ２Ｓは板材２１の小さい方の屈折率、ｎ１Ｌは第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の大きい方の屈折率、ｎ２Ｌは板材２１大きい方の屈折率を示すものである。また、表中、θｃＲは反射偏光の全反射角、θｃＴは透過偏光の全反射角を示すものである。さらに、入射角許容幅は、臨界角θｃＲとθｃＴを得ることが可能な偏光ビームスプリッタへの入射角の幅を示すものであり、上段の値「０」は第１のプリズム材１１の入射面部１１ｂに対する垂線と、入射光Ｉとがなす角度が０°であること（すなわち、図２の状態）を示す。
また、下段の値は、その角度幅において、斜面部１１ａ（に対向する平面部２１ａ）で全反射角θｃＲとθｃＴを得ることが可能な入射角の幅を示す。なお、入射角度が反時計回りの時を「＋」とし、時計回りの時を「−」と記載している。
そして、入射角許容幅は、以下の式５によって求められる。なお、式５は、偏光ビームスプリッタ１００に入射した光線がプリズム材で屈折する効果を考慮したものである。
入射角度≒プリズム材屈折率×（臨界角−４５°）・・・（式５）
【００４８】
偏光ビームスプリッタ１００の性能として、広い入射角許容幅（すなわち、一定値以上の消光比を得るための入射角度の許容幅）を備え、高い入射角特性を得るためには、全反射角θｃＲとθｃＴの差が大きく、且つθｃＲとθｃＴの４５°からの差が大きいことが求められる。さらに反射防止膜３１の性質上、θｃＴが大きい必要がある。
【００４９】
また、入射光Ｉの一方の偏光成分を全反射させる必要があることから、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の材料の屈折率は、常に板材２１の材料の屈折率よりも大きいものであるとよい。すなわち、ｎ１ｓ＞ｎ２Ｌであると好適である。
【００５０】
表１の実施例３は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の材料をＬｉＮｂＯ３、板材２１の材料をＣａＣＯ３（方解石）としたものである。実施例３は、実施例１や実施例２と比較してθｃＴがやや小さいが、比較的広い入射角許容幅を有している。
実施例２は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の材料をルチル型のＴｉＯ２、板材２１の材料をＹＶＯ４としたものである。実施例２は、反射光の許容角度が−３．２°であり、若干小さいが、十分な入射角許容幅を備えている。
【００５１】
そして、実施例１は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の材料をＹＶＯ４、板材２１の材料をＣａＣＯ３（方解石）としたものである。実施例１は、波長λ＝６３３ｎｍの入射光Ｉに対して実施例１〜３の中で最もバランスが良い材料の組み合わせであり、表１の中では最も高い入射角許容幅を備えたものである。
【００５２】
実施例４は、偏光ビームスプリッタ１００の利用頻度が高い波長帯域である、波長λ＝１５５０ｎｍ（通信帯域）を想定したものである。実施例４は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の材料をルチル型のＴｉＯ２、板材２１の材料をＣａＷＯ４としたものである。表１において示されるように、実施例４の材料の組み合わせにより、通信帯域であるλ＝１５５０ｎｍにおいても、偏光ビームスプリッタ１００として全反射角の差を大きくすることができ、十分な入射角許容幅を得ることができる。
【００５３】
このように、適当な材料の組み合わせを選択することにより、４５°プリズムで偏光分離することができるため、偏光分離角度を９０°とすることができ、さらに入射角許容幅を広くすることができる。
【００５４】
＜反射防止膜３１の効果＞
本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２と、板材２１との間に、それぞれ反射防止膜３１を備えている。
このような反射防止膜３１としては、公知の材料が用いられる。例えば、チタン膜、酸化チタン膜、チッ化チタン膜、酸化クロム膜、カーボン膜、フッ化マグネシウム膜、酸化ケイ素膜、酸化ジルコニウム膜、酸化アルミニウム膜、酸化ハフニウム膜、Ｈ４（メルク社製品名：チタン酸ランタン）膜、Ｍ２（メルク社製品名：ランタンアルミネート）膜、Ｍ３（メルク社製品名：ランタンアルミネート）膜等の無機膜を真空蒸着、ＣＶＤ、スパッタリング等の方法により形成したものや、メタクリル樹脂等の有機膜を塗布等の方法により成形したものが挙げられる。また、これら膜を適宜積層してもよい。
【００５５】
そして、反射防止膜３１を備えることにより、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２と板材２１との屈折率差に起因するフレネル反射を効果的に抑制し、透過偏光の損失を極めて小さくすることができる。
【００５６】
また、フレネル反射した光は、反射偏光と混ざりあってしまい、消光比を低下させることが知られており、フレネル反射が消光比に与える影響（透過光反射率と反射偏光消光比の関係）は式６のように示される。なお、このとき、Ｅｒ：反射偏光消光比（ｄＢ）、Ｒ：透過光反射率（％）である。
Ｅｒ＝−１０×ｌｏｇ（Ｒ／１００）・・・（式６）
【００５７】
したがって、反射防止膜３１を備えることにより、透過光反射率が低下するため、反射偏光の消光比を向上させることができる。
【００５８】
一方、上記のようなフレネル反射を防止するためには、反射防止膜３１を備える構成以外に、ＮｒＴ≒１となる材料を組み合わせる構成が挙げられる。しかし、ＮｒＴ≒１を持たす材料であって、且つ、毒物や光学用の材料としての入手性が良い材料がないことから、このような構成は実用性に乏しい。
【００５９】
さらに、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２を構成する異方性材料と、板材２１を構成する異方性材料によって挟まれる物質の屈折率を合せる場合（すなわち、ＮｒＴ＝１とする場合）は、異方性材料自身が持つ二つの屈折率の比が０．７０７１未満になる材料が存在しないため、４５°プリズムで第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２を形成することができない。したがって、上記の条件を満たした上で、実用的な材料を得るためには、材料の開発から行う必要があり、開発コストや時間が必要となる。
【００６０】
しかし、本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、反射防止膜３１を備えることにより、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２と、板材２１との屈折率が一致していなくても入射光Ｉの反射防止が可能であるため、材料選定の幅が広く、実用的な材料（例えば、毒性や潮解性を持たない材料）を組み合わせることができる。
【００６１】
＜異方性材料同士の組み合わせの効果＞
式７及び式８は、異方性材料と等方性材料を組み合わせた場合の臨界角差Δθｃ１と異方性材料同士を組み合わせた場合の臨界角差Δθｃ２についてそれぞれ示したものである。等方性材料は、一つの屈折率ｎ２のみを持つことに対し、異方性材料は二つの屈折率ｎ２Ｓとｎ２Ｌ（このとき、ｎ２Ｓ＜ｎ２Ｌとする）を持つ。例えば、等方性材料の屈折率ｎ２に対して異方性材料が、ｎ２Ｓ＜ｎ２＜ｎ２Ｌとなる屈折率を持つ材料を選定した場合、臨界角θｃＴ１＜θｃＴ２、θｃＲ１＞θｃＲ２となる。なお、θｃＴ１及びθｃＲ１は、異方性材料と等方性材料を組み合わせた場合の臨界角であり、θｃＴ２及びθｃＲ２は、異方性材料同士を組み合わせた場合の臨界角である。
【００６２】
・臨界角の差（等方性材料と異方性材料の組み合わせ）
Δθｃ１＝θｃＴ１−θｃＲ１
＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１Ｌ）−ａｒｃｓｉｎ（ｎ２／ｎ１Ｓ）・・・（式７）
（このとき、ｎ２：等方性板材の屈折率である。）
【００６３】
・臨界角の差（異方性材料同士の組み合わせ）
Δθｃ２＝θｃＴ２−θｃＲ２
＝ａｒｃｓｉｎ（ｎ２Ｓ／ｎ１Ｌ）−ａｒｃｓｉｎ（ｎ２Ｌ／ｎ１Ｓ）・・・（式８）
【００６４】
上記のように、Δθｃ１＜Δθｃ２となることから、異方性材料同士の組み合わせは、異方性材料及び等方性材料の組み合わせと比較して、臨界角の差を大きくすることができる。したがって、異方性材料同士の組み合わせは、等方性材料を使用する場合に比べ偏光ビームスプリッタ１００の入射角特性をより向上させることが可能となる。
【００６５】
＜＜実施例＞＞
上記の表１において示した各材料によって形成された偏光ビームスプリッタ１００の性能について、以下、偏光反射率の入射角度依存性及び波長依存性について説明する。
【００６６】
（（実施例１））
実施例１（実施例１−１，１−２）は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の材料をＹＶＯ４、板材２１の材料をＣａＣＯ３（方解石）としたものである。
【００６７】
（実施例１−１）
実施例１−１は、図３のように、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸と、板材２１の光学軸とが、同方向に形成されており、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を全反射させて分離する偏光ビームスプリッタ１００である。また、実施例１−１の偏光ビームスプリッタ１００に備えられる反射防止膜３１は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、Ｍ２を積層した二層膜とした。
【００６８】
図９（ａ）には、入射光Ｉのプリズム斜面部への入射角θＩ、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、以下、「プリズム斜面部への入射角」とは、斜面部１１ａに対向する平面部２１ａに対する垂線と、入射光Ｉの光軸とがなす角度（図２におけるθＩ）を指すものとする。また、このときの入射光Ｉの波長λは６３３ｎｍとした。なお、入射光Ｉのプリズム斜面部への入射角θＩの許容幅が広いことは、上記表１において説明した入射角許容幅が広いことを示す。
【００６９】
図９（ａ）より、実施例１−１の偏光ビームスプリッタ１００は、Ｓ偏光の反射率がほぼ１００％であり、且つＰ偏光の反射率が極めて０％に近くなる角度範囲（すなわち、プリズム斜面部への入射角許容幅）が約４２°〜５０°であり、極めて広い入射角許容幅を備えていることが示されている。
【００７０】
また、図９（ｂ）は、入射角θＩが４５°付近のＰ偏光の反射率を拡大して示したものである。図９（ｂ）において、反射率０．０１０％に引かれた一点鎖線は反射光（本実施例においてはＳ偏光）の消光比が４０ｄＢであることを示し、この線よりも下方範囲は、反射光の消光比が４０ｄＢよりも大きいことを示す。また、反射率０．００１％に引かれた一点鎖線は反射光の消光比が５０ｄＢであることを示し、この線よりもより下方範囲は、反射光の消光比が５０ｄＢよりも大きいことを示す。なお、特に記載のない限り、他のグラフ図においても同様に消光比を示す。
【００７１】
図９（ｂ）によると、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近である時、実施例１−１の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＰ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｓ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【００７２】
図１０（ａ）には、入射光Ｉの波長と、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、この時のプリズム斜面部への入射角θＩは４５°とした。
図１０より、波長λが４００〜８００ｎｍの範囲において、Ｓ偏光の反射率がほぼ１００％であると共に、Ｐ偏光の反射率が極めて０％に近いことから、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００は、広い波長範囲において使用可能である。
【００７３】
図１０（ｂ）は、波長λが６３３ｎｍ付近のＰ偏光の反射率を拡大して示したものである。図１０（ｂ）によると、波長λが６３３ｎｍ付近である時、実施例１−１の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＰ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｓ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【００７４】
（実施例１−２）
実施例１−２は、図４のように、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸と、板材２１の光学軸とが、同方向に形成されており、Ｓ偏光を透過させ、Ｐ偏光を全反射させて分離する偏光ビームスプリッタ１００である。また、実施例１−２の偏光ビームスプリッタ１００に備えられる反射防止膜３１は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、Ｍ２を積層した四層膜とした。
【００７５】
図１１（ａ）には、入射光Ｉのプリズム斜面部への入射角θＩ、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、このときの入射光Ｉの波長λは６３３ｎｍとした。
図１１（ａ）より、実施例１−２の偏光ビームスプリッタ１００は、Ｐ偏光の反射率がほぼ１００％であり、且つＳ偏光の反射率が極めて０％に近くなる角度範囲（すなわち、プリズム斜面部への入射角許容幅）が約４２°〜５０°であり、極めて広い入射角許容幅を備えていることが示されている。
【００７６】
また、図１１（ｂ）は、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近のＳ偏光の反射率を拡大して示したものである。図１１（ｂ）によると、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近である時、実施例１−２の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＳ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｐ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【００７７】
図１２（ａ）は、入射光Ｉの波長と、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示すものである。なお、この時のプリズム斜面部への入射角θＩは４５°とした。
図１２（ａ）より、波長λが５００〜８００ｎｍの範囲において、Ｐ偏光の反射率がほぼ１００％であると共に、Ｓ偏光の反射率が極めて０％に近いことから、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００は、広い波長範囲において使用可能である。
【００７８】
図１２（ｂ）は、波長λが６３３ｎｍ付近のＳ偏光の反射率を拡大して示したものである。図１２（ｂ）によると、波長λが６３３ｎｍ付近である時、実施例１−２の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＳ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｐ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【００７９】
（（実施例１と比較例との比較））
図１３は、比較例である偏光分離膜型の偏光ビームスプリッタと、本発明の実施例１の偏光ビームスプリッタ１００（光学軸方向は問わない）における入射光Ｉのプリズム斜面部への入射角θＩ、反射光（すなわち、斜面部１１ａに対向する平面部２１ａにおいて全反射する偏光）の消光比の関係を示したものである。
【００８０】
比較例の偏光ビームスプリッタは、偏光分離膜型のものであり、二つの三角柱状のプリズム（屈折率ｎ＝１．７００のガラスからなるプリズム）の斜面部の間に２１層からなる偏光分離膜を介在させて挟持した構成である。なお、偏光分離膜の構成は、ガラスプリズム上に、厚さ１０１．１８ｎｍのＴａ２Ｏ５（屈折率ｎ＝２．１２０）と、厚さ１４６．９２ｎｍのＳｉＯ２（屈折率ｎ＝１．４６０）を交互に積層させ、２１層としたものである。
比較例の偏光ビームスプリッタの設計中心（設計通りの場合）における消光比を一点鎖線、また、膜厚２％の誤差を有するものの消光比を実線で示す。
また、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００の設計中心（設計通りの場合）における消光比を点線、また、膜厚２％の誤差を有するものの消光比を二点鎖線で示す。
【００８１】
図１３に示されるように、製造誤差を含める場合、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°のとき、比較例の消光比は４０ｄＢよりも小さい値となる一方、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００は、製造誤差を含める場合であっても５０ｄＢよりも大きな消光比を得ることができる。
さらに、本実施例の偏光ビームスプリッタは、比較例よりも、一定の消光比を得ることが可能なプリズム斜面部への入射角θＩの範囲が広い。より詳細には、プリズム斜面部への入射角θＩが４２°から４６°の範囲にわたって、４０ｄＢ以上（約５０ｄＢ）の消光比を得ることができる。したがって、本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、広い入射角許容幅を持ち、高い消光比を得ることができる。
【００８２】
また、図１４には、比較例及び本実施例における入射光Ｉの波長λと反射光の消光比の関係を示す。
図１４に示されるように、製造誤差を含める場合、波長λが５００〜７５０ｎｍの範囲にあるとき、反射光の消光比は最大で４０ｄＢ程度である。一方、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００は、製造誤差を含める場合であっても、波長λが５８０〜７００ｎｍの範囲では、消光比が４０ｄＢよりも大きい値となる。特に、波長６３３ｎｍ付近では、５０ｄＢ以上（約６０ｄＢ程度）の高い消光比を得ることができる。
【００８３】
このように、図１３及び図１４に示した計算値から、本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、消光比５０ｄＢでの入射角範囲や波長範囲が、偏光分離膜型のものと比較して構造上広くなる。したがって、製造誤差が生じた場合であっても、広い範囲で消光比を保持することができる。
【００８４】
（（実施例２））
実施例２（実施例２−１，２−２）は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の材料をルチル型のＴｉＯ２、板材２１の材料をＹＶＯ４としたものである。また、実施例２において、偏光ビームスプリッタ１００に備えられる反射防止膜３１は、実施例２−１及び実施例２−２ともに、酸化チタン（ＴｉＯ２）、Ｈ４を積層した三層膜とした。
【００８５】
（実施例２−１）
実施例２−１は、図３のように、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸と、板材２１の光学軸とが、互いに直交するように形成されており、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を全反射させて分離する偏光ビームスプリッタ１００である。
【００８６】
図１５（ａ）には、入射光Ｉのプリズム斜面部への入射角θＩ、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、このときの入射光Ｉの波長λは６３３ｎｍとした。
図１５（ａ）より、実施例２−１の偏光ビームスプリッタ１００は、Ｓ偏光の反射率がほぼ１００％であり、且つＰ偏光の反射率が極めて０％に近くなる角度範囲（すなわち、プリズム斜面部への入射角許容幅）が約４４°〜５５°であり、広い入射角許容幅を備えていることが示されている。
【００８７】
また、図１５（ｂ）は、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近のＰ偏光の反射率を拡大して示したものである。図１５（ｂ）によると、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近である時、実施例２−１の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＰ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｓ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【００８８】
図１６（ａ）は、入射光Ｉの波長と、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、この時のプリズム斜面部への入射角θＩは４５°とした。
図１６（ａ）より、波長λが４００〜８００ｎｍの範囲において、Ｓ偏光の反射率がほぼ１００％であると共に、Ｐ偏光の反射率が極めて０％に近いことから、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００は、広い波長範囲において使用可能である。
【００８９】
図１６（ｂ）は、波長λが６３３ｎｍ付近のＰ偏光の反射率を拡大して示したものである。図１６（ｂ）によると、波長λが６３３ｎｍ付近である時、実施例２−１の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＰ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｓ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【００９０】
（実施例２−２）
実施例２−２は、図４のように、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸と、板材２１の光学軸とが、互いに直交するように形成されており、Ｓ偏光を透過させ、Ｐ偏光を全反射させて分離する偏光ビームスプリッタ１００である。
【００９１】
図１７（ａ）には、入射光Ｉのプリズム斜面部への入射角θＩ、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、このときの入射光Ｉの波長λは６３３ｎｍとした。
図１７（ａ）より、実施例２−２の偏光ビームスプリッタ１００は、Ｐ偏光の反射率がほぼ１００％であり、且つＳ偏光の反射率が極めて０％に近くなる角度範囲（すなわち、プリズム斜面部への入射角許容幅）が約４４°〜５０°であり、広い入射角許容幅を備えていることが示されている。
【００９２】
また、図１７（ｂ）は、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近のＳ偏光の反射率を拡大して示したものである。図１７（ｂ）によると、入射角θＩが４５°付近である時、実施例２−２の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＳ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｐ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【００９３】
図１８（ａ）は、入射光Ｉの波長と、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、この時のプリズム斜面部への入射角θＩは４５°とした。
図１８（ａ）より、波長λが５５０〜８００ｎｍの範囲において、Ｐ偏光の反射率がほぼ１００％であると共に、Ｓ偏光の反射率が極めて０％に近いことから、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００は、広い波長範囲において使用可能である。
【００９４】
図１８（ｂ）は、波長λが６３３ｎｍ付近のＳ偏光の反射率を拡大して示したものである。図１８（ｂ）において、反射率０．１０％に引かれた一点鎖線は反射光（本実施例においてはＰ偏光）の消光比が３０ｄＢであることを示し、この線よりも下方範囲は、反射光の消光比が３０ｄＢよりも大きいことを示す。また、反射率０．０１％に引かれた一点鎖線は反射光の消光比が４０ｄＢであることを示し、この線よりもより下方範囲は、反射光の消光比が４０ｄＢよりも大きいことを示す。
【００９５】
図１８（ｂ）によると、波長λが６３３ｎｍ付近である時、実施例２−２の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＳ偏光の反射率が０．０１％以下であることから、Ｐ偏光の消光比が４０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【００９６】
（（実施例３））
実施例３（実施例３−１，３−２）は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の材料をＬｉＮｂＯ３、板材２１の材料をＣａＣＯ３（方解石）としたものである。
【００９７】
（実施例３−１）
実施例３−１は、図３のように、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸と、板材２１の光学軸とが、互いに直交するように形成されており、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を全反射させて分離する偏光ビームスプリッタ１００である。また、実施例３−１の偏光ビームスプリッタ１００に備えられる反射防止膜３１は、Ｍ２、Ｍ３を積層した三層膜とした。
【００９８】
図１９（ａ）には、入射光Ｉのプリズム斜面部への入射角θＩ、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、このときの入射光Ｉの波長λは６３３ｎｍとした。
図１９（ａ）より、実施例３−１の偏光ビームスプリッタ１００は、Ｓ偏光の反射率がほぼ１００％であり、且つＰ偏光の反射率が極めて０％に近くなる角度範囲（すなわち、プリズム斜面部への入射角許容幅）が約４１°〜４７°であり、広い入射角許容幅を備えていることが示されている。
【００９９】
また、図１９（ｂ）は、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近のＰ偏光の反射率を拡大して示したものである。図１９（ｂ）によると、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近である時、実施例３−１の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＰ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｓ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【０１００】
図２０（ａ）は、入射光Ｉの波長と、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、この時のプリズム斜面部への入射角θＩは４５°とした。
図２０（ａ）より、波長λが５００〜８００ｎｍの範囲において、Ｓ偏光の反射率がほぼ１００％であると共に、Ｐ偏光の反射率が極めて０％に近いことから、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００は、広い波長範囲において使用可能である。
【０１０１】
図２０（ｂ）は、波長λが６３３ｎｍ付近のＰ偏光の反射率を拡大して示したものである。図２０（ｂ）によると、波長λが６３３ｎｍ付近である時、実施例３−１の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＰ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｓ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【０１０２】
（実施例３−２）
実施例３−２は、図４のように、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸と、板材２１の光学軸とが、互いに直交するように形成されており、Ｓ偏光を透過させ、Ｐ偏光を全反射させて分離する偏光ビームスプリッタ１００である。また、実施例３−１の偏光ビームスプリッタ１００に備えられる反射防止膜３１は、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、Ｍ２を積層した四層膜とした。
【０１０３】
図２１（ａ）には、入射光Ｉのプリズム斜面部への入射角θＩ、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、このときの入射光Ｉの波長λは６３３ｎｍとした。
図２１（ａ）より、実施例３−２の偏光ビームスプリッタ１００は、Ｐ偏光の反射率がほぼ１００％であり、且つＳ偏光の反射率が極めて０％に近くなる角度範囲（すなわち、プリズム斜面部への入射角許容幅）が約４１°〜４６°であり、実用可能な入射角許容幅を備えていることが示されている。
【０１０４】
また、図２１（ｂ）は、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近のＳ偏光の反射率を拡大して示したものである。図２１（ｂ）によると、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近である時、実施例３−２の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＳ偏光の反射率が０．０１％以下であることから、Ｐ偏光の消光比が４０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【０１０５】
図２２（ａ）は、入射光Ｉの波長と、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示すものである。なお、この時のプリズム斜面部への入射角θＩは４５°とした。
図２２（ａ）より、波長λが５５０〜８００ｎｍの範囲において、Ｐ偏光の反射率がほぼ１００％であると共に、Ｓ偏光の反射率が極めて０％に近いことから、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００は、実用的な波長範囲において使用可能である。
【０１０６】
また、図２２（ｂ）は、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近のＳ偏光の反射率を拡大して示したものである。図２２（ｂ）によると、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近である時、実施例３−２の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＳ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｐ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【０１０７】
（（実施例４））
実施例４（実施例４−１，４−２）は、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の材料をルチル型のＴｉＯ２、板材２１の材料をＣａＷＯ４としたものであり、特に光通信帯域である波長λ＝１５５０ｎｍ付近において特に好適に用いられる。また、実施例４において、偏光ビームスプリッタ１００に備えられる反射防止膜３１は、実施例４−１及び実施例４−２ともに、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化チタン（ＴｉＯ２）を積層した三層膜とした。
【０１０８】
（実施例４−１）
実施例４−１は、図３のように、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸と、板材２１の光学軸とが、互いに直交するように形成されており、Ｐ偏光を透過させ、Ｓ偏光を全反射させて分離する偏光ビームスプリッタ１００である。
【０１０９】
図２３（ａ）には、入射光Ｉのプリズム斜面部への入射角θＩ、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、このときの入射光Ｉの波長λは１５５０ｎｍとした。
図２３（ａ）より、実施例４−１の偏光ビームスプリッタ１００は、Ｓ偏光の反射率がほぼ１００％であり、且つＰ偏光の反射率が極めて０％に近くなる角度範囲（すなわち、プリズム斜面部への入射角許容幅）が約４４°〜４９°であり、実用的な入射角許容幅を備えていることが示されている。
【０１１０】
また、図２３（ｂ）は、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近のＰ偏光の反射率を拡大して示したものである。図２３（ｂ）によると、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近である時、実施例４−１の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＰ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｓ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【０１１１】
図２４（ａ）は、入射光Ｉの波長と、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、この時のプリズム斜面部への入射角θＩは４５°とした。
図２４（ａ）より、波長λが１４００〜１７００ｎｍの範囲において、Ｓ偏光の反射率がほぼ１００％であると共に、Ｐ偏光の反射率が極めて０％に近いことから、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００は、広い波長範囲において使用可能である。
【０１１２】
図２４（ｂ）は、波長λが１５５０ｎｍ付近のＰ偏光の反射率を拡大して示したものである。図２４（ｂ）によると、波長λが１５５０ｎｍ付近である時、実施例４−１の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＰ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｓ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【０１１３】
（実施例４−２）
実施例４−２は、図４のように、第１のプリズム材１１及び第２のプリズム材１２の光学軸と、板材２１の光学軸とが、互いに直交するように形成されており、Ｓ偏光を透過させ、Ｐ偏光を全反射させて分離する偏光ビームスプリッタ１００である。
【０１１４】
図２５（ａ）には、入射光Ｉのプリズム斜面部への入射角θＩ、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、このときの入射光Ｉの波長λは１５５０ｎｍとした。
図２５（ａ）より、実施例４−２の偏光ビームスプリッタ１００は、Ｐ偏光の反射率がほぼ１００％であり、且つＳ偏光の反射率が極めて０％に近くなる角度範囲（すなわち、プリズム斜面部への入射角許容幅）が約４３°〜４８°であり、実用的な入射角許容幅を備えていることが示されている。
【０１１５】
また、図２５（ｂ）は、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近のＳ偏光の反射率を拡大して示したものである。図２５（ｂ）によると、プリズム斜面部への入射角θＩが４５°付近である時、実施例４−２の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＳ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｐ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【０１１６】
図２６（ａ）は、入射光Ｉの波長と、各偏光の反射率（計算結果）の関係を示す。なお、この時のプリズム斜面部への入射角θＩは４５°とした。
図２６（ａ）より、波長λが１４００〜１７００ｎｍの範囲において、Ｐ偏光の反射率がほぼ１００％であると共に、Ｓ偏光の反射率が極めて０％に近いことから、本実施例の偏光ビームスプリッタ１００は、広い波長範囲において使用可能である。
【０１１７】
図２６（ｂ）は、波長λが１５５０ｎｍ付近のＳ偏光の反射率を拡大して示したものである。図２６（ｂ）によると、波長λが１５５０ｎｍ付近である時、実施例４−２の偏光ビームスプリッタ１００は、透過光であるＳ偏光の反射率が０．００１％以下であることから、Ｐ偏光の消光比が５０ｄＢ以上という高い消光比を備えることが示されている。
【０１１８】
（（実施例まとめ））
このように、適当な屈折率を備えた異方性材料同士を組み合わせてなる偏光ビームスプリッタ１００は、Ｐ偏光とＳ偏光を、両者ともに消光比≧５０ｄＢにするすることができる。また、上記のように、本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、入射角許容幅及び使用可能な波長幅が広い。したがって、偏光ビームスプリッタ１００の製造時において製造誤差が生じた場合であっても、問題なく使用可能とすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明の偏光ビームスプリッタ１００によれば、入射角許容幅が広く、且つ高い消光比を備えた偏光ビームスプリッタ１００を提供することができる。そして、本発明の偏光ビームスプリッタ１００は、特にプロジェクター分野や光通信分野において用いられる波長（６３３ｎｍや１５５０ｎｍ）の光に対して偏光分離角を９０°とすることが可能であるとともに、毒性や潮解性等がなく、実用的な材料で構成される偏光ビームスプリッタ１００を提供することができる。
【符号の説明】
【０１２０】
１００  偏光ビームスプリッタ
１１  第１のプリズム材
１１ａ  斜面部
１１ｂ  入射面部
１１ｃ  反射光出射面部
１２  第２のプリズム材
１２ａ  斜面部
１２ｃ  透過光出射面部
２１  板材
２１ａ  平面部
３１  反射防止膜
Ｉ  入射光
θＩ  プリズム斜面部への入射角
【図１】
2013015687.tif 000004
【図２】
2013015687.tif 000005
【図３】
2013015687.tif 000006
【図４】
2013015687.tif 000007
【図５】
2013015687.tif 000008
【図６】
2013015687.tif 000009
【図７】
2013015687.tif 000010
【図８】
2013015687.tif 000011
【図９】
2013015687.tif 000012
【図１０】
2013015687.tif 000013
【図１１】
2013015687.tif 000014
【図１２】
2013015687.tif 000015
【図１３】
2013015687.tif 000016
【図１４】
2013015687.tif 000017
【図１５】
2013015687.tif 000018
【図１６】
2013015687.tif 000019
【図１７】
2013015687.tif 000020
【図１８】
2013015687.tif 000021
【図１９】
2013015687.tif 000022
【図２０】
2013015687.tif 000023
【図２１】
2013015687.tif 000024
【図２２】
2013015687.tif 000025
【図２３】
2013015687.tif 000026
【図２４】
2013015687.tif 000027
【図２５】
2013015687.tif 000028
【図２６】
2013015687.tif 000029