(57)【要約】【課題】広い波長域で非偏光性を有する非偏光ビームスプリッターを安いコストで提供する。【解決手段】２枚の透明基体の間に、前記透明基体の屈折率Nsよりも高い屈折率を有する層（高屈折率の層）及び前記透明基体の屈折率Nsよりも低い屈折率を有する層（低屈折率の層）を積層してなる多層膜を挿入してなる非偏光ビームスプリッターであって、前記透明基体の屈折率Ns及び前記多層膜の中で最も低い屈折率を有する層の屈折率Nlが、前記多層膜への光線入射角度θ0°に対して式：θ0°−3.5°≦sin-1(Nl/Ns)≦θ0°＋3.5°を満足する値であることを特徴とする非偏光ビームスプリッター。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
２枚の透明基体の間に、前記透明基体の屈折率Nsよりも高い屈折率を有する層（高屈折率の層）及び前記透明基体の屈折率Nsよりも低い屈折率を有する層（低屈折率の層）を積層してなる多層膜を挿入してなる非偏光ビームスプリッターであって、前記透明基体の屈折率Ns及び前記多層膜の中で最も低い屈折率を有する層の屈折率Nlが、前記多層膜への光線入射角度θ0°に対して下記式：
θ0°−3.5°≦sin-1(Nl/Ns)≦θ0°＋3.5°
を満足する値であることを特徴とする非偏光ビームスプリッター。
【請求項２】
請求項１に記載の非偏光ビームスプリッターにおいて、前記高屈折率の層を形成する材料がTa2O5、TiO2、Nb2O5、ZrO2、HfO2、CeO2、SnO2、In2O3、ZnO、ZnS、La2O3及びSb2O3からなる群から選ばれた少なくとも一種であり、前記低屈折率の層を形成する材料がNaF、CaF2、LiF、MgF2、SiO2、YF3及びAl2O3からなる群から選ばれた少なくとも一種であり、前記多層膜が５〜21層からなることを特徴とする非偏光ビームスプリッター。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の非偏光ビームスプリッターにおいて、前記多層膜が前記高屈折率の層及び前記低屈折率の層を交互に積層した５層構成であることを特徴とする非偏光ビームスプリッター。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれかに記載の非偏光ビームスプリッターにおいて、前記低屈折率の層の少なくとも１層がナノポーラス構造を有することを特徴とする非偏光ビームスプリッター。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれかに記載の非偏光ビームスプリッターにおいて、S偏光とP偏光の透過率差が波長幅 300〜700nmの範囲で10％以下の非偏光特性を有することを特徴とする非偏光ビームスプリッター。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれかに記載の非偏光ビームスプリッターを利用した光学計測機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一つの光束を二つの光束に分離する光学素子であって、それぞれの光束が広い波長域で非偏光性を有する非偏光ビームスプリッター及びそれを利用した光学計測機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
非偏光ビームスプリッターはレーザープレーナー等の光学計測器に利用されており、一つの光束を二つの光束に分離する光学素子である。レーザープレーナー（水平面設定機）は、図２に示すように、レーザー光源２と、レーザー光源２から出射されたレーザー光Lを反射光L1及び透過光L2に分離するビームスプリッター４と、ビームスプリッター４を保持し回転自在に支持された円盤３とからなる。円盤３が水平回転することにより、ビームスプリッター４からの反射光L1は水平方向に照射され水平面を形成し、透過光L2は天井面に照射され鉛直点をマーキングできる。レーザー光源２には電気配線などがされているため、円盤３と一緒に回転しない構造となっている。通常レーザー光源２から出射するレーザー光Lは偏光成分が偏っているため、ビームスプリッター４に偏光特性の偏りがあると、ビームスプリッター４からの反射光L1の明るさは円盤３の回転に応じて変化してしまう。このため、ビームスプリッター４には非偏光のビームスプリッターを利用することが必要である。
【０００３】
近年、レーザー光源として半導体レーザーが用いられるようになってきており、特にレーザープレーナー用には可視域の半導体レーザーがよく使用されている。可視域の半導体レーザーとしては、赤系の波長630〜690 nm、緑系の波長532 nm、青系の波長405〜410 nmのものがあり、各種レーザーで非偏光ビームスプリッターを共有化できることが望ましい、即ち、波長400〜700 nmで共有化できる非偏光ビームスプリッターが望まれている。
【０００４】
特開平9-184908号公報（特許文献１）には、平板タイプの非偏光ビームスプリッターが開示されている。特開平9-184908号公報（特許文献１）に記載の非偏光ビームスプリッターは、透明な光学ガラス基板上に屈折率の異なる複数の誘電体層を第１層から第20層まで積層一体化したもので、第１層として、ZrO2とTiO2の混合物（屈折率2.07）をλ/2の膜厚に形成し、第２、８及び10層として、MgF2（屈折率1.37）をλ/4の膜厚に形成し、第３、５、７、９、11、13、15、17及び19層として、Al2O3（屈折率1.61）をλ/4の膜厚に形成し、第４及び６層として、上記ZrO2とTiO2の混合物をλ/4の膜厚に形成し、第12、14、16及び18層として、TiO2（屈折率2.27）をλ/4の膜厚に形成し、最外層である第20層として、上記MgF2をλ/2.4〜λ/1.9の膜厚に形成したことを特徴とする。しかし平板タイプの非偏光ビームスプリッターの場合、基板の厚さの分だけ透過光路のずれが発生し、正確に天井面に鉛直点をマーキングできなくなる。
【０００５】
特開平1-92702号公報（特許文献２）には、透過光路のずれが発生しない非偏光ビームスプリッターとして、直角二等辺三角形プリズムの接合面にTiO2等の誘電体層及びAg等の金属層を形成した非偏光ビームスプリッターが開示されている。しかし特開平1-92702号公報（特許文献２）に記載の非偏光ビームスプリッターは、金属層の吸収による光量低下の問題がある。
【０００６】
特開昭64-35402号公報（特許文献３）には、透過光路のずれが発生しない他の非偏光ビームスプリッターとして、直角二等辺三角形プリズムの接合面に３種類以上の誘電体材料からなる多層膜を形成した非偏光ビームスプリッターが開示されている。しかし特開昭64-35402号公報（特許文献３）に記載の非偏光ビームスプリッターは、３種類以上の誘電体材料を使用して９層以上の多層膜を形成してなるため、製造するのにコストがかかるという問題がある。また使用波長範囲を広げようとすると、さらに多くの層数が必要となる。
【特許文献１】特開平9-184908号公報
【特許文献２】特開平1-92702号公報
【特許文献３】特開昭64-35402号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従って、本発明の目的は、広い波長域で非偏光性を有する非偏光ビームスプリッターを安いコストで提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に鑑み鋭意研究の結果、本発明者らは、２枚の透明基体の間に、屈折率の異なる２層以上の透明膜を積層してなる多層膜を有するビームスプリッターにおいて、透明基体の屈折率と多層膜中で最も低い屈折率を有する膜の屈折率が、多層膜への光線入射角度によって規定される範囲にあるとき、広い波長域で非偏光性を有することを発見し、本発明に想到した。
【０００９】
即ち、本発明の非偏光ビームスプリッターは、２枚の透明基体の間に、前記透明基体の屈折率Nsよりも高い屈折率を有する層（高屈折率の層）及び前記透明基体の屈折率Nsよりも低い屈折率を有する層（低屈折率の層）を積層してなる多層膜を挿入してなる非偏光ビームスプリッターであって、前記透明基体の屈折率Ns及び前記多層膜の中で最も低い屈折率を有する層の屈折率Nlが、前記多層膜への光線入射角度θ0°に対して下記式：
θ0°−3.5°≦sin-1(Nl/Ns)≦θ0°＋3.5°
を満足する値であることを特徴とする。
【００１０】
前記高屈折率の層を形成する材料がTa2O5、TiO2、Nb2O5、ZrO2、HfO2、CeO2、SnO2、In2O3、ZnO、ZnS、La2O3及びSb2O3からなる群から選ばれた少なくとも一種であり、前記低屈折率の層を形成する材料がNaF、CaF2、LiF、MgF2、SiO2、YF3及びAl2O3からなる群から選ばれた少なくとも一種であり、前記多層膜が５〜21層からなるのが好ましい。
【００１１】
前記多層膜が、前記高屈折率の層及び前記低屈折率の層を交互に積層した５層構成であるのが好ましい。
【００１２】
前記低屈折率の層の少なくとも１層がナノポーラス構造を有するのが好ましい。
【００１３】
本発明の非偏光ビームスプリッターは、S偏光とP偏光の透過率差が波長幅300〜700nmの範囲で10％以下の非偏光特性を有するのが好ましい。
【００１４】
本発明の光学計測機器は、前記非偏光ビームスプリッターを利用したものである。
【発明の効果】
【００１５】
本発明の非偏光ビームスプリッターは、S偏光成分とP偏光成分がどのような割合であっても、広い波長範囲で反射光と透過光を等しい比率で分割することができるので、光学系によって生じた入射光の偏光割合を考慮する必要がなくなる。そのため光学計測機器の光学設計上の自由度が広がり、非常に有用である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
[1] 非偏光ビームスプリッター
(1)構成
非偏光ビームスプリッターは、例えば２つの直角二等辺三角形プリズムの斜面を貼り合わせてなる構成（図1(a)）、又は２つの台形プリズムを貼り合わせてなる構成（図1(b)）であり、２つの透明プリズム基体の間の接合面５に、前記透明基体の屈折率Nsよりも高い屈折率を有する層（高屈折率の層）及び前記透明基体の屈折率Nsよりも低い屈折率を有する層（低屈折率の層）を積層してなる多層膜を挿入してなる。ビームスプリッターに入射した光Linは、接合面に設けられた多層膜で透過光Lt及び反射光Lrに分割される。前記透明基体の屈折率Ns及び前記多層膜の中で最も低い屈折率を有する層の屈折率Nlが、前記多層膜への光線入射角度θ0°に対して下記式(1)：
θ0°−3.5°≦sin-1(Nl/Ns)≦θ0°＋3.5°    ・・・(1)
を満足する値である。さらに好ましくは、下記式：
θ0°−1.7°≦sin-1(Nl/Ns)≦θ0°＋1.7°
を満足する値である。前記多層膜の中で最も高い屈折率を有する層の屈折率Nhは、
Nh＞Nsの関係を満たすのが好ましい。
【００１７】
前記多層膜は５層以上からなるのが好ましく、５層〜21層からなるのがより好ましく、５層〜９層からなるのがさらに好ましい。
【００１８】
前記透明基体の屈折率Nsよりも高い屈折率を有する層（高屈折率の層）を構成する高屈折率材料としては、Ta2O5、TiO2、Nb2O5、ZrO2、HfO2、CeO2、SnO2、In2O3、ZnO、ZnS、La2O3及びSb2O3等を使用できる。特に好ましいのはTa2O5、TiO2、Nb2O5、ZrO2、HfO2である。前記透明基体の屈折率Nsよりも低い屈折率を有する層（低屈折率の層）を形成する材料としては、NaF、CaF2、LiF、MgF2、SiO2、YF3及びAl2O3等を使用できる。特に好ましいのはMgF2、SiO2、Al2O3である。
【００１９】
各層は、既存の方法で形成することができる。例えば、真空蒸着法、イオンアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、化学蒸着法(CVD)等の気相成膜法（乾式めっき法）、湿式めっき法、ディップコーティング法、超音波ミストコーティング法、スピンコーティング法、スプレーコーティング法及びインクジェットコーティング法が挙げられる。気相成膜法については、例えば、特開2001-59172号公報、特開2001-81548号公報に記載された方法を用いることができ、超音波ミストコーティング法については、特許3159780号等に記載されている方法等を用いることができる。特に真空蒸着法、イオンアシスト蒸着法、イオンプレーティング法、スパッタリング法、ディップコーティング法、超音波ミストコーティング法、スプレーコーティング法及びスピンコーティング法を用いるのが好ましい。全層を同一の方法で形成しても良いが、各層ごとに最適な方法を選んで形成してもよい。
【００２０】
基体の屈折率Nsが低いときには、蒸着等の方法で形成した膜では得られない低い屈折率を有する膜が必要である。例えば、基体の屈折率Ns=1.73で、多層膜への光線入射角度45°である場合、多層膜の中で最も低い屈折率を有する層の屈折率Nlは式(1)より1.15〜1.30である必要がある。このような低屈折率の膜を得るためには、ナノ構造ポーラス膜を利用するのが好ましい。特にゾル-ゲル法を利用したナノ構造ポーラス膜を利用するのが好ましい。具体的には、特許3509804号に記載の屈折率1.15〜1.25のナノ構造ポーラスMgF2膜や特開2006-151800号に記載の屈折率1.10のナノ構造ポーラス膜等を利用することができる。
【００２１】
このような非偏光ビームスプリッターは、各種波長のレーザーを利用するレーザープレーナー等の光学計測器に共通に使用できる。
【実施例】
【００２２】
以下実施例により本発明を具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
【００２３】
実施例１
株式会社オハラ製の光学ガラスS-LAL18（Nd=1.73）による斜面が１mmの直角二等辺三角形プリズムの斜面に、高屈折率材料としてZrO2（Nd=2.05）及び低屈折率材料としてSiO2のナノ構造ポーラス膜（Nd=1.21）を使用し、表１に示す５層構成の膜を形成した。このプリズムの斜面に、未コートのもう一つの同じサイズの直角二等辺三角形プリズムの斜面を密着させ、非偏光ビームスプリッターを構成した。この接合面への光線入射角45°で測定したS偏光及びP偏光の分光透過率（波長域400〜700 nm）を図３に示す。このビームスプリッターは、S偏光とP偏光との最大透過率差が4.5％程度であり、優れた非偏光性を示した。
【００２４】
【表１】
2009031406.tif 000002
【００２５】
実施例２
HOYA株式会社製の光学ガラスTAFD40（Nd=2.00）による斜面が１mmの直角二等辺三角形プリズムの斜面に、高屈折率材料としてNb2O5（Nd=2.25）及び低屈折率材料としてMgF2（Nd=1.39）を使用し、表２に示す５層構成の膜を形成した。このプリズムの斜面に、未コートのもう一つの同じサイズの直角二等辺三角形プリズムの斜面を密着させ、非偏光ビームスプリッターを構成した。この接合面への光線入射角45°で測定したS偏光及びP偏光の分光透過率を図４に示す。
【００２６】
【表２】
2009031406.tif 000003
【００２７】
実施例３
信越石英株式会社製の合成石英ガラスSUPERASIL（Nd=1.46）による斜面が１mmの台形プリズムの斜面に、高屈折率材料としてZrO2（Nd=2.05）及び低屈折率材料としてMgF2（Nd=1.39）を使用し、表３に示す５層構成の膜を形成した。このプリズムの斜面に、未コートのもう一つの同じサイズの台形プリズムの斜面を密着させ、非偏光ビームスプリッターを構成した。この接合面への光線入射角72°で測定したS偏光及びP偏光の分光透過率を図５に示す。
【００２８】
【表３】
2009031406.tif 000004
【００２９】
実施例４
信越石英株式会社製の合成石英ガラスSUPERASIL（Nd=1.46）による斜面が１mmの台形プリズムの斜面に、高屈折率材料としてZrO2（Nd=2.05）及び低屈折率材料としてMgF2（Nd=1.39）を使用し、表４に示す５層構成の膜を形成した。このプリズムの斜面に、未コートのもう一つの同じサイズの台形プリズムの斜面を密着させ、非偏光ビームスプリッターを構成した。この接合面への光線入射角72°で測定したS偏光及びP偏光の分光透過率を図６に示す。
【００３０】
【表４】
2009031406.tif 000005
【００３１】
実施例５
HOYA株式会社の光学ガラスTAFD40(Nd=2.00)による斜面が１mmの直角二等辺三角プリズム斜面に、高屈折率材料としてNb2O5(Nd=2.25)及び低屈折率材料としてMgF2(Nd=1.39)を使用し、表５に示す９層構成の膜を形成した。このプリズムの斜面に、未コートのもう一つの同じサイズの直角二等辺三角プリズムの斜面を密着させ、非偏光ビームスプリッターを構成した。この接合面への光線入射角45°で測定したS偏光及びP偏光の分光透過率を図７に示す。
【００３２】
【表５】
2009031406.tif 000006
【００３３】
比較例１
特開昭64-35402に記載の実施例にならって、株式会社オハラ製の光学ガラスS-LAH55（Nd=1.84）による斜面が１mmの直角二等辺三角形プリズムの斜面に、高屈折率材料としてNb2O5（Nd=2.25）、中間屈折率材料としてAl2O3（Nd=1.64）及び低屈折率材料としてMgF2（Nd=1.39）を使用し、表６に示す９層構成の膜を形成した。このプリズムの斜面に、未コートのもう一つの同じサイズの直角二等辺三角形プリズムの斜面を密着させ、非偏光ビームスプリッターを構成した。この接合面への光線入射角45°で測定したS偏光及びP偏光の分光透過率を図８に示す。
【００３４】
【表６】
2009031406.tif 000007
【００３５】
比較例２
株式会社ヒューリンクスのホームページ（http://www.hulinks.co.jp/software/tfcalc/design_04.html）に記載の設計事例にならって、株式会社オハラ製の光学ガラスS-BSL7（Nd=1.52）による斜面が１mmの直角二等辺三角形プリズムの斜面に、高屈折率材料としてTiO2（Nd=2.35）、中間屈折率材料としてY2O3（Nd=1.90）及び低屈折率材料としてMgF2（Nd=1.35）を使用し、表7-1〜表7-3に示す97層構成の膜を形成した。このプリズムの斜面に、未コートのもう一つの同じサイズの直角二等辺三角形プリズムの斜面を密着させ、非偏光ビームスプリッターを構成した。この接合面への光線入射角45°で測定したS偏光及びP偏光の分光透過率を図９に示す。
【００３６】
【表７−１】
2009031406.tif 000008
【００３７】
【表７−２】
2009031406.tif 000009
【００３８】
【表７−３】
2009031406.tif 000010
【００３９】
本実施例１〜４と比較例１及び２とを比べれば明らかなように、本発明の非偏光ビームスプリッターは従来のものに比べて少ない膜材料（従来は３種類以上に対して２種類）及び少ない層数（従来は９層以上に対して５層）で、しかも97層膜でも達成できない波長範囲300nm以上での非偏光特性を有することが分かる。さらに実施例５によれば、従来の非偏光ビームスプリッターに比べて少ない膜材料(従来は３種類以上に対して２種類)で、さらに広い波長範囲である700nm以上での非偏光特性を有することも分かる。従って、本発明の非偏光ビームスプリッターはレーザープレーナー等の光学計測機器に適用した場合に非常に有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１（ａ）】直角二等辺三角形プリズムを利用した非偏光ビームスプリッターの一例を示す模式図である。
【図１（ｂ）】台形プリズムを利用した非偏光ビームスプリッターの一例を示す模式図である。
【図２】非偏光ビームスプリッターを利用したレーザープレーナーの一例を示す模式図である。
【図３】実施例１で作製した非偏光ビームスプリッターのS偏光及びP偏光の分光透過率を示すグラフである。
【図４】実施例２で作製した非偏光ビームスプリッターのS偏光及びP偏光の分光透過率を示すグラフである。
【図５】実施例３で作製した非偏光ビームスプリッターのS偏光及びP偏光の分光透過率を示すグラフである。
【図６】実施例４で作製した非偏光ビームスプリッターのS偏光及びP偏光の分光透過率を示すグラフである。
【図７】実施例５で作製した非偏光ビームスプリッターのS偏光及びP偏光の分光透過率を示すグラフである。
【図８】比較例１で作製した非偏光ビームスプリッターのS偏光及びP偏光の分光透過率を示すグラフである。
【図９】比較例２で作製した非偏光ビームスプリッターのS偏光及びP偏光の分光透過率を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４１】
１・・・レーザープレーナー
２・・・レーザー光源
３・・・円盤
４・・・ビームスプリッター
L・・・レーザー光
L1・・・反射光
L2・・・透過光
【図１（ａ）】
2009031406.tif 000011
【図１（ｂ）】
2009031406.tif 000012
【図２】
2009031406.tif 000013
【図３】
2009031406.tif 000014
【図４】
2009031406.tif 000015
【図５】
2009031406.tif 000016
【図６】
2009031406.tif 000017
【図７】
2009031406.tif 000018
【図８】
2009031406.tif 000019
【図９】
2009031406.tif 000020