JPH0766084B2 - 形状複屈折体から成る偏光合離素子及びその製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、１本の光束を空間的に平行で、かつ、偏波方
向が互いに直交する２本の直線偏波光束（常光線、異常
光線に対応）に分離、あるいは逆に合成する偏光分離素
子に関するものであり、特に形状複屈折を利用して大き
な偏光分離性能や広い開口を有する偏光分離素子及びそ
の製造方法に係るものである。

［従来の技術］ 従来より、１本の光束を空間的に平行で、かつ、偏波方
向が互いに直交する２本の直線偏波光束（常光線、異常
光線に対応）に分離、あるいは逆に合成する偏光分離素
子としては、方解石やルチル等の結晶がある。

この場合、該結晶の複屈折性は、入射光束に対して該結
晶の光学的主軸を傾斜させることにより生ずるものであ
り、該結晶の材質自体の機能に基づくものである。

しかしながら、ルチルや方解石等の結晶から成る偏光分
離素子には、以下のようにいくつかの問題があった。

（１）偏光分離性能が低いこと １本の入射光束が結晶中で２本の直線偏波光束に分離す
る偏光分離角は、ルチル及び方解石のいずれも約5.7゜
であり、２本の偏波光束について所定の分離幅を得るた
めには、ルチル及び方解石の厚みは該分離幅の10倍程度
が必要とされるので、必然的に光波回路の大型化を招
き、光路長の増加に伴う光の回折損失の増大を生じさせ
る。

（２）大きな開口の素子を得難いこと 天然産のルチルや方解石は均質で大型のものが得難いの
で、量産が困難であり、また、人工的に得られるルチル
についても大型で均質な結晶の育成や量産は難しく、従
って、開口を大きくして多数の入射光束を夫々同時に偏
光分離することができない。

（３）自然界からの採掘に限界があること 一方、偏光を分離する効率は、複屈折の大きさが大なる
程高くなることが知られているが、より優れた偏光分離
性能を得るには、より大きい複屈折をもつ結晶が必要で
あった。しかし、従来使用されてきたルチルや方解石以
上の複屈折をもつ結晶を、自然界から探すには限界があ
る。同時に、そのような結晶で大型で安定なものを得る
見込みは殆ど無い。

（４）加工等の取扱上に難があること ルチルは硬度が高過ぎるので、切断や研磨などの加工が
難しく、また、方解石は水分に対する溶解性が高く、耐
環境特性が悪い他、機械的に脆いという問題がある。

他方、光学の分野では、形状異方性を有する微小透明体
を規則的に配置させると、人工的に複屈折体が得られる
ことが知られており、これを形状複屈折と称している。
例えば、本願出願前の刊行物（「光学の原理」第４版、
M.ボルン及びE.ウルフ共著;1970年、パーガモン・プレ
ス刊、第705〜708頁）には、屈折率の異なる２種の透明
体を多数積層し、積層面の法線方向を光学軸としたとき
の複屈折、あるいは細い円筒状の無数の透明体が屈折率
の異なる他の透明体中に存在する場合の複屈折について
記載されている。

なお、特開昭61−87101号公報には、前記２種の透明体
を多数積層した具体的な構成例として、二酸化ケイ素、
及び五酸化二タンタル又は五酸化ニオブを用いたものが
記載されている。

さらに、前記形状複屈折の解析については、本願出願前
の論文（「巨大分子の形状複屈折」;W.L.ブラッグ及び
A.B.ピッパード，アクタクリスタル ６（1953）、865
〜867）等に記載されている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記形状複屈折に関する従来技術は、単
に形状複屈折を発生させたり、その大きさを精密に制御
することに止まり、それ以上の機能拡大や性能向上に寄
与するものではなかった。

また、例えば、本願出願前の論文（S.ヤコブ、Y.アサハ
ラ、T.イズミタニ；アプライドオプティックス,21（no.
24,1982）4526〜4532）には、空気を含む多孔質ガラス
を加熱して延伸することにより、形状複屈折を得る技術
が記載されているが、少なくとも偏光を分離する機能に
ついては何等開示されてはいない。

本発明は、上記従来技術の課題を解決するべくなされた
ものであり、大きな偏光分離性能を有し、さらには広い
開口を有し、耐環境特性や加工性に優れたものとする
等、形状複屈折体から成る偏光分離素子及びその製造方
法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〕

請求項１の発明は、屈折率の異なる２種の透明薄膜を交
互に多数積層させて形状複屈折を有する透明積層体と
し、その積層体の積層面を光の人射方向に対して斜めに
なるように配置し、かつ、光の入射および出射位置をこ
の積層体の積層面の斜め断面内とした。これにより形状
複屈折を有する透明積層体が偏光を分離する機能をもつ
ようになり、しかも２種の透明薄膜の屈折率の組み合わ
せによって、偏光分性能を制御することがでる。

請求項２の発明は、請求項１における２種の薄膜状透明
体のうちの１種の薄膜透明体がシリコンで構成した。こ
れにより、他の透明体との大きな屈折率差を有するもの
が容易に得られることになる。

請求項３の発明は、請求項１記載の形状複屈折を有する
透明積層体の製造方法であり、スパッタリング法、化学
的気相成長法、あるいはプラズマ化学気相成長法により
製造できる。

請求項４の発明は、２種の透明体のうちの一方を他の長
細体とし、長さ方向を一定ほ方向に揃え、屈折率の異な
る他の透明体中に離散的に配置させて全体を形状複屈折
体にした上で、該長細体の長さ方向が光の入射方向に対
して斜めになるように配置させて偏光分離機能をもたせ
たものである。この構造は、薄膜を多数積層する必要が
ないので、大きな開口をもつ偏光分離素子を製造するの
に適している。

請求項５の発明は、請求項４の発明において、透明ガラ
ス又は透明プラスチック中に長細状の気泡や透明体が存
在する、形状複屈折体を用いた偏光分離素子を特徴とし
ている。空気は屈折率が最も低いので、他の透明体との
屈折率差が大きくなり、形状複屈折を大きくできるた
め、偏光分離性能が大きくなる。

請求項６の発明は、請求項５の発明に係わる偏光分離素
子の製造方法であり、広開口の素子を安価に製造でき
る。

〔作用〕

請求項１の構成では、第１図及び第２図に示すように、
偏光分離素子10を構成する積層体における積層面10cの
斜め断面10a内に入射した光束Ｒは、互いに偏波が直交
する常光Eoと異常光Eeに分離する。即ち、偏光分離素子
10内では、常光Eoは入射光束Ｒの入射方向と同一方向
に、また異常光Eeは入射光束Ｒの方向と積層面10cのな
す角度θ及び形状複屈折の値で決まる角度の方向に屈折
し、両光は分離するため、偏光分離素子としての機能を
もつようになる。形状複屈折の大きさ、あるい入射光束
Ｒと積層面10cのなす角度θを調節すれば、偏光の分離
角φを制御することができる。該偏光分離素子10から出
射する両光Eo、Eeはいずれも入射光束Ｒと同じ方向に出
射する。

この場合、請求項２の構成とすることにより、大きな形
状複屈折を有するものが容易に得られる。

請求項３の製造方法によれば、請求項１に示される構造
を有する偏光分離素子を容易に製造することができる。

請求項４の構成によれば、第５図及び第６図に示すよう
に、偏光分離素子20への入射光束Ｒに対して斜めに配向
した多数の透明長細体３を含む透明体４に人射した光束
Ｒは、常光Eoと異常光Eeに分離する。即ち、常光Eoは人
射光束Ｒの入射方向と同一方向に、また、異常光Eeは入
射光束Ｒの入射方向と透明長細体３の配向方向となす角
度及び形状複屈折の値で決まる角度の方向に屈折し、両
光は分離するため、偏光分離素子としての機能が生じ
る。この場合、形状複屈折の大きさ、あるいは入射光Ｒ
と透明長細体３の配向方向なす角度を調節すれば、偏光
の分離角を制御することができる。偏光分離素子20から
出射する両光Eo、Eeはいずれも入射光束Ｒの入射方向と
同一方向に出射する。

請求項５の構成によれば、ガラスやプラスチックなどの
安価な材料を用いて、大きな開口をもつ請求項４記載の
偏光分離素子を容易に製造することができる。

請求項６の製造方法によれば、空気を含む透明体を加熱
し、延伸するという簡単な工程により、請求項５に示さ
れる構造を有する偏光分離素子を容易に製造することが
できる。

［実施例］ 第１図及び第２図は、本発明に係る複屈折体から成る偏
光分離素子の第１実施例を示すものである。

この複屈折体から成る偏光分離素子10は、全体として薄
板状に形成されており、２種の透明体たる透明薄膜１、
２を交互に多数枚積層して成る。前記透明薄膜１は、水
素入りアモルフアスシリコンにて形成され、透明薄膜２
は、石英にて形成されている。

ここで、水素入りアモルフアスシリコン及び石英は、波
長1.3μｍの入射光に対して、屈折率が夫々3.823、1.44
6であるものを用いる。また、両薄膜１、２の各厚み
は、入射光の波長に比べて短かくなるように設定され
る。

本実施例に係る偏光分離素子10は、少くとも第１図に示
すＹ方向については構造的に一様であり、両薄膜１、２
の積層面（該積層面に平行な方向を想像線10cにて示し
ている）は、入射光Ｒの入射方向（入射側の斜め断面10
aの法線方向）であるＺ方向に対して所定の角度だけ傾
斜させている。換言すれば、前記積層面は、Ｘ方向に平
行な入射側の斜め断面10a及びこれに平行な出射側の斜
め断面10bと夫々所定の交角θを有すようにしている。

なお、かかる構成のものを作製するには下記のような工
程を踏む。まず、高周波スパツタリング法により、アル
ゴン及び水素の所定混合比の雰囲気中でシリコンをター
ゲットとして、水素入りアモルファスシリコンの薄膜を
例えば50nmの厚みで石英基板上に形成し、続いて、高周
波スパッタリング法により、石英をターゲットとしてア
ルゴンと酸素の雰囲気中でシリコンの薄膜を例えば50nm
の厚みで形成し、以下両薄膜を交互に堆積（例えば1000
周期）させる。この堆積により得られた積層体を積層面
に対して所定の角度（前記入射光束Ｒの入射方向積層面
とのなす角度θ）で薄板状に切り出した後、例えば100
μｍの厚みに研磨する。

なお、前記薄膜１、２は、前記スパッタリング法により
形成する以外に、化学的気相成長法（CVD）、あるいは
プラズマ化学気相成長法（PCVD）等により形成すること
ができる。

本実施例は上記のように構威されているので、第２図に
示すように、同図の左方から所定の方向、換言すれば前
記Ｚ方向に沿って光が入射すると、該入射光ＲはＹ方向
に偏波した常光Eoと、Ｘ方向に偏波した異常光Eeとに所
定の偏光分離角φで分離される。

本実施例の構成では、前記２種の薄膜１、２の屈折折率
の差分が大きくなると、形状複屈折性が大きくなり、前
記分離角φは、より大きなものとなる。

第３図は、波長1.3μｍの入射光を用い、常光Eoと異常
光Eeについての夫々の屈折率ｎの変化を、占績率（水素
入りアモルフアスシリコンが石英中に占める体積の割
合）Saに対して示したものである。

同図によれば、常光Eo、及び異常光Eeについての各屈折
率の差は最大で１以上になる。これは従来のルチルや方
解石を用いたものが夫々0.258,0.160であるのに対し、
極めて大き値となっている。

前記両透明体は上記実施例のものに限定されるものでは
なく、例えば一方の透明体として厚さ50nmのアモルファ
スニ酸化チタンの薄膜を、他方の透明体として同じ厚さ
の石英の薄膜を用い、これらを交互に積層（例えば1000
周期）させることによっても上記実施例と同様な偏光分
離機能を示す。すなわち、波長1.3μｍの光を入射する
と分離角φが５゜で常光Eoと異常光Eeとに分離する。

かかる構成のものを作製するには、上記説明と同様に下
記のような工程を踏む。

まず、反応性直流スパッタリング法によりチタンをター
ゲットとし、酸素とアルゴンの雰囲気中で反応性直流ス
パッタリング法によりアモルファスニ酸化チタン薄膜を
石英基板上に形成し、続いて、高周波スパッタリング法
により、該アモルファスニ酸化チタン薄膜上に石英の薄
膜を形成し、以下両薄膜を交互に堆積させる。この堆積
により得られた積層体を積層面に対して、例えば45゜で
薄板状に切り出した後、例えば厚さ100μｍに研磨す
る。

第４図は、前記偏光分離角φの変化を積層面に対する入
射光の傾斜角θに対して示したものである。

すなわち、曲線Paは、上記第１図及び第２図に示す構成
の場合（すなわち、水素入りアモルフアスシリコンの薄
膜と石英の薄膜を積層した多層膜構造のもの）、曲線Pt
はアモルフアスニ酸化チタンの薄膜と石英の薄膜を積層
した多層膜構造の場合を示している。

なお、曲線Pc、Prは従来構造のもの、すなわち方解石、
ルチルを用いて構成した場合の結果を、それらの光学軸
と入射光とのなす傾斜角について示している。本発明の
前記曲線Paから、傾斜角θが約57゜付近で約23゜という
最大の幅光分離角φが得られることが理解できる。この
値は曲線Pc、Prで示す従来構造の場合に比べ約４倍の大
きさである。

次に、第５図及び第６図は本発明の第２実施例に係る偏
光分離素子を示すものであり、この形状複屈折体から成
る偏光分離素子20は、全体として薄板状に形成されてお
り、異なる屈折率をもつ２種の透明体は、夫々多数の長
細体３、及び該各長細体３を離散的に埋設した透明基板
母体４である。前記各長細体３は、透明基板母体４内で
一定の方位に揃うように、すなわち長細体３の長さ方向
（想像線20cで示す方向）と入射光Ｒとが一定の角度を
なすように配列されている。ここで、前記長細体３は、
例えば気泡から成り、前記透明基板母体４はガラス又は
透明プラスチックから成る。

本第２実施例は上記のように構成されているので、長細
体３の長手方向に対して傾斜した方向、すなわち第６図
の左方からＺ方向に（入射側の斜め断面20aに垂直方向
に）光が入射すると、該入射光はＹ方向に偏波した常光
Eoと、Ｘ方向に偏波した異常光Eeとに所定の分離角φで
分離され、両分離光は出射側を斜め断面20bから前記Ｚ
方向と平行に出射する。

第７図は、上記第２実施例において、波長1.3μｍの入
射光を使用すると共に、多数の気泡を配した透明基板母
体４として屈折率1.5のガラスを用い、常光Eoと異常光E
eついての夫々の屈折率ｎの変化を、占績率（空気がガ
ラス中に占める体積の割合）Snに対して示したものであ
るが、両光Eo、Eeの屈折率の差は最大で0.04である。す
なわち、第７図に示すように、そのときの各屈折率を
n_e、n_oとすると、n_e−n_o＝1.27−1.23＝0.04となる。

第８図は、本第２実施例の場合における前記偏光分離角
φの変化を長細体に配向方向に対する入射光の傾斜角θ
に対して示したもので、傾斜角θが約45゜付近で偏光分
離角φが最大になることが理解できる。なお、上記説明
では一方の透明体である長細体３として気泡を用いた場
合につき説明したが、これに限定されるものではなく、
例えばカルコゲンガラス等の透明物質を用いてもよい。

また、長細体３と透明基板母体４の組合せを変えて、屈
折率の各屈折率の差の異なる組合せのものを用いれば上
記第１の実施例のように、屈折率の差に応じて所望の偏
光分離角を有する偏光分離素子を得ることができる。

［発明の効果］ 以上のように本発明は形状複屈折体において、その多層
薄膜面あるいは多数の長細体の配向方向を、光の人射方
向に対して傾けることによって偏光を分離させる効果を
もたせたものである。

請求項１の発明によれば、屈折率の異なる２種の透明薄
膜の交互多層膜による形状複屈折体を用い、偏光を分離
できる素子ができる。しかも、その分離角は２種の透明
薄膜の組合せにより、あるいは、それらの交互多層膜面
と人射光束とのなす角を変えることにより、偏光の分離
角を制御できる。特に、アモルファスシリコンと石英の
組合せでは、従来の偏光分離素子の４倍も大きな偏光分
離性能を達成する効果が得られる。アモルファスシリコ
ンと石英はいずれも機械的にも化学的にも安定なため、
耐環境性の優れた偏光分離素子ができる。この材料の組
合せは、形状複屈折の大きさだけに着目しても、1.0以
上と極めて大きく、従来報告されていた石英と五酸化二
タンタルや五酸化二ニオブを用いたものが0.13であるの
と較べると飛躍的に大きい。

請求項２の発明によれば、シリコンという容易に得られ
る材料を用いて偏光分離性能の大きなものを容易に得る
ことができる。

請求項３の製造法によれば、２種の透明体薄膜はスパッ
タリングなどの従来の技術を用いることができるため、
製造が容易である。またこれらの製造法によって製造さ
れれば、機械的、化学的に安定な素子を製造できる。

請求項４の発明によれば、多数の配向した長細体を含ん
だ形状複屈折を有する透明体を、人射光束に対して長細
体の配向方向を傾けた状態にすれば、偏光を分離する効
果が得られる。これは、基板の上に多数の配向した長細
体を形成するだけで、偏光を分離できるため、広面積の
基板を用いれば広開口の偏光分離素子が得られる。ま
た、長細体の配向方向を変えれば、偏光分離角を制御で
きる。

請求項５の発明によれば、気泡を含むガラスやプラスチ
ックなどの安価な材料を利用できる。また、ガラスやプ
ラスチックなどでできているため、温度を上げて形状を
自由に変えることもできる。プラスチックで製造したも
のは、可撓性をもたせることも可能である。

請求項６の製造法によれば、加熱、延伸という従来の技
術を利用して広開口の偏光分離素子を作製できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明に係る形状複屈折体から成る偏光分離
素子の第１実施例の外観構成を示す斜視図、第２図は第
１図に示す素子の偏光分離機能を説明するための側面
図、第３図は、常光と異常光についての夫々の屈折率の
変化を、占績率（水素入りアモルファスシリコンが石英
中に占める割合）に対して示したグラフ、第４図は、第
１実施例に係る偏光分離素子及び従来の偏光分離素子の
各偏光分離角の変化を積層面及び光学軸に対する入射光
の傾斜角に対して示したグラフ、第５図は、本発明に係
る形状複屈折体から成る偏光分離素子の第２実施例の外
観構成を示す斜視図、第６図は、第５図に示す素子の偏
光分離機能を説明するための側面図、第７図は常光と異
常光についての夫々の屈折率の変化を、占績率（空気が
ガラス中に占める割合）に対して示したグラフ、第８図
は、第２実施例に係る偏光分離素子の偏光分離角の変化
を長細体の配向方向に対する入射光の傾斜角に対して示
したグラフである。 （符号の説明） １……透明薄膜、２……透明薄膜、３……長細体、４…
…透明基板母体、10、20……形状複屈折体から成る偏光
分離素子。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】屈折率の異なる２種の薄膜状透明体から成
   り、該両透明体を交互に多数積層させて形状複屈折を有
   する透明積層体とし、その透明積層体を積層面に対して
   斜めに切り出し、光の入射および出射位置をこの斜めに
   切り出した面内とすることを特徴とする形状複屈折体か
   ら成る偏光分離素子。
2. 【請求項２】前記２種の薄膜状透明体は、そのうちの１
   種の薄膜透明体がシリコンであることを特徴とする請求
   項１に記載の形状複屈折体から成る偏光分離素子。
3. 【請求項３】スパッタリング法、化学的気相成長法、又
   はプラズマ化学気相成長法により、互いに屈折率の異な
   る２種の透明体から成る薄膜を交互に堆積させ、しかる
   後、該堆積された透明積層体から、切断面が各積層面に
   対して略一定の交角を有し、略平行平板状を呈したもの
   を切り出すことを特徴とする請求項１の形状複屈折体か
   ら成る偏光分離素子の製造方法。
4. 【請求項４】多数の長細体から成る一方の透明体と、該
   一方の透明体とは屈折率が異なる板状の他方の透明体と
   から成り、前記長細体は、各長さ方向が略一定の方向に
   揃い、かつ、前記他方の透明体内に離散的に配列される
   と共に、各長さ方向が、入射光に対して斜めになるよう
   に配置したことを特徴とする形状複屈折体から成る偏光
   分離素子。
5. 【請求項５】前記一方の透明体は、気泡又は前記他方の
   透明体とは屈折率の異なる長細状透明物質であり、前記
   他方の透明体は、透明ガラス又は透明プラスチックであ
   ることを特徴とする請求項４に記載の形状複屈折体から
   成る偏光分離素子。
6. 【請求項６】透明ガラス又は透明プラスチックを加熱
   し、該透明ガラス又は透明プラスチック内に離散的に混
   在する各気泡又は該透明ガラス若しくは透明プラスチッ
   クと屈折率の異なる透明物質が夫々一定の方向に長く延
   在するように前記透明ガラス又は透明プラスチックを延
   伸して成形し、しかる後、該成形された形状複屈折体か
   ら、切断面が離散的に混在する各透明物質の長さ方向に
   対して略一定の交角を有し、略平行平板状に呈されたも
   のを切り出すことを特徴とする請求項５の形状複屈折体
   から成る偏光分離素子の製造方法。