JPS58190906A - ビ−ムスプリツタ− - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 渉薄膜を利用し反射光及び透過光における偏光成分を入
射光のそれと等しいものとすることはもとより、その成
分比を自在に設定することも可能なビームスブリツタ−
に関するものである。

一般にｉｓ元のない光が異なる媒質境界に角度をもつ℃
入射すると、その界面における反射光及び透過光それぞ
れに含まれるＰ調光（入射面に平行な振動方向を４つ調
光）と、８１ｍ光（入射面に垂直な振動方向をもつ偏光
）との成分比はそれぞれに異なってくる。この成分比は
入射角、両媒質の屈折率に依存するが、通常においては
反射光はＳ＠元酸成分透過光はＰｌｉｆ成分な多く含み
、所謂プリュースター角においてはＳａ＋成分、Ｐｌｉ
光成分をそれぞれ反射光、透過光とし【＃１ぼ分離され
ることも知られている。このような現象を積極的に利用
した偏光プリズムは、特公昭５５−９６８３号公報など
で公知で，この種の調光ｆ　ＩＩズムは例えばフィリッ
プス社のＭＣＡ方式党ディスク再生光学系中で実用化さ
れている。しかし、ここで用いられている調光デリズム
は信号再生のための基本的要素として不可欠のものでは
なく、再生用光源としてのレーザー発振器の出力安定化
を目的とするものである。すなわち、光デイスク再生の
ために用いられている従来のレーザー発振器は、パンク
トークと称される信号光の逆入射があると、その位相関
係によっては発振出力光の出力変動が生じ、信号再生に
悪影響を及ぼす結果となる。そこで従来の元ディスク再
生光学系中には上述した偏光プリズムの他、１／４波長
板を併用し、パックトークを防いでいたものである。（
なお、この場合の１光プリズム、１／４波長板の作用あ
るいは再生光学系の詳細はすでに公知であるので説明は
省略する。）しかし、近来においては、レーザー発振器
も種々改良されてきており、上述したパックトークを問
題としないもの、さらにはある種の半導体レーザーのよ
５に、自己結合効果を利用することによって逆入射光そ
のものを利用して信号検出を行なうものも提案されてき
ている。このような事情にあっては従来の光デイスク再
生光学系中に用いられている偏光プリズムはもとより１
／４波長板も不必要となり、再生光学系を格段に簡略化
できることになる。第１図はこうして簡略化された光デ
イスク再生光学系の一例を示すものでレーザー発振器１
としてはパックトークを問題としないものが用いられて
いるものとする。レーザー発振器１からの光はコリメー
タレンズ２によって平行光束としてビームスプリッタ−
３に入射する。ビームスプリッタ−３にはハーフミラ−
３′が形成され、例えばこれを５゜鴫透過、５０憾反射
のものとする。ハーフミラ−３′で反射された光束は対
物レンズ４によりディスク５の信号部上に収斂され、信
号部として設けられたピットと称される凹凸信号部をス
ポット照射する。この信号部からの反射光はビット形状
、寸法に応じて位相変調され、光干渉による強度変化を
伴っており、これが信号光として再度対物レンズ４に入
射する。対物レンズ４により平行光束とされた信号光は
またハーフミラ−３′に達し、ここを透過した光束がフ
ォトセンサ６で検出されることになる。以上の構成によ
れば、レーザー発振器１からの光はハーフミラ−３′で
一度反射され、そして透過されるため、このハーフミラ
−３′の透過率（あるいは反射率）が５０１であると、
フォトセンサ６に達する光の酸としては２５％となり、
この場曾の光の利用率が最も高い。

ところが上述した光学系においては、ハーフミラ−３′
が反射面としてさらに透過面として用いられている１、
従って従来一般的に用いられているハーフミラ−をこの
光学系中に設けると、光の利用率がさらに低減する。と
いうのはすでに述べたように通常のハーフミラ−ではｐ
ｔ１元、８１扁光それぞれに対する反射特性、透過特性
が異なるため、最初反射面として作用する時点でＰ＠光
の多くは透過され、多くｓｍ′ｌｔ、の光がディスク５
へと向けられる。（但し反射光全体の光量としては５゜
憾あるとする。）そしてディスク５から反射されてきた
ａｍ光を主とする信号光が再度ハーフミラ−３′に入射
してくると、一般的ハーフミラ−の特性からこの信号光
のほとんどはハーフミラ−３′で再度反射され、フォト
センサ６に達する光は微弱なものとなり、フォトセンサ
６の負担が増大することになる。

これを解決するにはハーフミラ−としてＰ＠光、ｓｉｉ
［：いずれもほぼ等しく反射（透過）する特性のものが
必要とされること（なる。

この他、例えばカメラの測光用光学系などにおいて、ハ
ーフミラ−を介して輝度検出を行なうものがある。この
ような光学系では例えばハーフミラ−で分割される一方
をファインダー観察に、他方を測光に利用するが、ハー
フミラ−に入射してくる光の多くは被写範囲からの反射
光である。従ってこの入射光はＳ＠元酸成分光を多く含
みゃすい。％に画面内に水Ｌガラス窓などの反射体があ
るとその角度によってはＳＩＩ光成分がかなり多い場合
がある。すると通常のハーフミラ−でハ８１光を多く反
射することを考慮するとＩ・−フミラーの透過率を５０
憾にしたとしても分割された後の光の光量はアンバラン
スなものとなり、正しい測光を行なうことが困難になっ
てくる。このような弊害はやはり・・−フミラーのもつ
一般的な特性に起因しており、これる。

本発明は以上のような技術的背景のもと罠なされたもの
であり、従来のビームスプリッタ−では全く考慮されな
かった、あるいは従来の調光ビームスプリッターにみら
れるようにｐＨ光とＳｔＳ光の分離特性のみにしか考慮
が及んでいないのく対し、本発明ではＰｉｌｌ光、８１
１１１光いずれに対しても等しい反射率、透過率を与え
得ることはもとよりこれを自在に設定できるビームスプ
リッタ−を得ることが可能となる。このため本発明にお
いては、低屈折率膜層と高屈折率膜層との交互積層によ
る多層干渉薄膜を基本としてビームスプリッタ−を構成
する上で、上記低屈折率膜層の屈折率を下地基板の屈折
率よりも高くする点で従来のものと異なっているもので
ある。以下、本発明のいくつかの実施例について詳述す
る。

第２図はプリズム型ビームスグリツタ−に本発明を適用
した一例を示す概念図であり、１１．１２はプリズムブ
ロックである。！リズムブロック１１には多層干渉薄膜
層りが蒸青により被着形成され、また接着剤１３により
プリズムブロック１２がその上に接合されているものと
する。いまこのビームスプリッタ−の特性をＰＩｌ光、
Ｓ＠光に対してもその反射率、透過率がそれぞれ５０鴫
となるように設定すると、図中左方からの入射光Ｉは透
過光Ｔと反射光Ｒとに分割される。この時入射ｆ、Ｉが
Ｐ１１成分工２．８（ｉｌｌｌｌ光成分上８れぞれ５０
４づつ含み全体の光量が１００であったとすると、透過
光Ｔの＋ｔは５０（ＴＰ：Ｔ８認２５二２５）、反射光
Ｒの光量も５０（ＲＰ：Ｒ８−２５：２５）となり、透
過光Ｔ及び反射光ＲＶＣそれぞれ含まれる偏光の成分比
は入射光のそれと一致する。これは入射光■における偏
光成分比■Ｐ／Ｉ８がいかなる場合であってもこの成分
比が透過光と反射光とで変わることがない。これは本発
明ビームスグリツタ−で得られる特性の一例に過ぎない
が、以下、本発明ビームスプリッタ−の具体的な膜構成
について述べる。

第３図は第２図における多層干渉薄膜／ＩＬを３層膜で
構成した場合の概念図である。第３図においてＳは下地
基板で、例えばＢＫ７などの硝材（屈折率ＮＳ　）　、
Ｌ　１は第１層で屈折ＸＮＬの低屈折率膜層、Ｌ２は第
２層で屈折軍ＮＨＯ高屈折率膜層、Ｌ３は第３層で第１
層Ｌｌと同じ低屈折率膜層である。またＯは接着剤層で
その屈折率はＮ。である。なおＬ　１−Ｌ　３の各層の
膜厚は光学的膜厚でλ、／４（λ、は基準設計波長）と
しである。そして例えば用途として近赤外レーザー発振
器を用いた光デイスク再生光学系を想定し、まず基準設
計波長〜λ。を９２５ｎｍＫ設定する。

そして基板屈折率、すなわち入射側屈折率Ｎ８を１．５
２．接着剤７ｉｌｌ屈折率、すなわち透過側屈折率Ｎ。

を１５６としてさらに低屈折率膜層Ｌ１、Ｌ３の屈折率
Ｎ　を１．９０　（＞Ｎ、　）に固定し、高屈折率膜層
Ｌ２の屈折率ＮＨを攬々変化させた場合のＰ、８両偏光
成分に対する入射角４５における分光透過特性を求める
と第５図のような特性図が得られる。なお第５図中のＴ
ｐ１〜？、７はＰ偏光成分に対する透過特性、Ｔｓｌ〜
Ｔ８７はＳ偏光成分に対する透過特性を示し、これらの
特性と高屈折率膜層の屈折率ＮＨとの対応は第１表によ
る。

第１表（第５図−３層構成） 第５図から明らかなように、３層膜構成のもので前記条
件のもとではほぼ７００　ｎｍ〜８００ｎｍ　付近でＳ
偏光成分に対する透過率Ｔ８が極大を示し、特にＮＨ−
３５０の場合では８００ｎｍ付近でＴＰｌ−Ｔｓｌ−８
６４となり、ｐ、　Ｓ両偏光成分についての透過嘉が等
しくなる。

従ってλ−７５０〜８２０　ｎｍの光についてはＮＬ−
１，９０の低屈折率膜層を第１層及び第３層とし、ＮＨ
−３５０の高屈折率膜層を第２層とする３層膜で、Ｐ、
８両偏光成分の成分比に全く左右されない８６憾透過の
ビームスプリッタ−を得ることができる。

＠４図は本発明をＮ層膜で構成した場合の概念図で第１
層を低屈折膜層（屈折率ＮＬ１嘆厚λ。／４）、第２１
１を高屈折率膜層（屈折介 したものである。（従って層数としては番数となる。）
この第４図に関し、’ｔＪ数を５層、７層、９層とし、
第５図と同攬の特性を求めたものがｔｊＩ！、６図、第
７図、第８図である。なお、第６図〜第８図における基
準設計波長、低屈折率膜層の屈折率ＮＬ１高屈高屈折率
膜層折率ＮＨＯ値等については、第２〜第４表のとおり
である。（入射側屈折率Ｎｓ　、透過側屈折率Ｎ　、ま
た入射角条件については第５図の場合と同じにしである
。） 第２表（第６図−５層構成） 第４表（第８図−９層構成） これらの特性かられかるように、各条件下においてλ＝
８００ｎｍ近傍でＰ％Ｓ両偏光成分に対する透過率Ｔ　
及びＴ８が一致させることが可能で、しかもその透過率
Ｔ１、Ｔ８の値も層数を選ぶことにより、ある幅をもっ
て設定することもできる。なお、当然ＴＰ％Ｔ８を一致
させずにそれぞれ異なった透過率とすることも可能であ
ることは言うまでもない。

ところで、萌述したような光デイスク再生光学系に本発
明ビームスプリンターを用いることを考えると、光の利
用率の面で５０嘔透過のビームスプリッタ−で、しかも
Ｐ、Ｓ両偏光成分についての透過率も一致しているもの
が好ましい。この要求を満すための屈折率条件を３〜９
層の膜構成のものそれぞれについ℃求めると第５表のと
おりである。なお、入射側屈折率Ｎ８％透過側屈折″４
Ｎｏｓ入射角についてはこれまでの条件と同じとし、さ
らに付加条件としてλ−８００ｎｍで所期の特性となる
ようにしである。そしてこの第５表に基いた各層数構成
のＰ、Ｓ両偏光成分の分光透過特性Ｔ　％Ｔ８　　を第
９図に示す。

＠５表（第９図） 従って第９図の特性によれば、膜構動層数に応じて高低
屈折率膜層の屈折率ＮＨ，ＮＬを決めてやることＫよっ
て何層構成の本のでも５０４透過（２％　Ｓ両偏光成分
に対して）のビームスプリッタ−を得ることができる。

但し、２％　Ｓ両偏光成分に対する透過率のほぼ一致す
るとみなせる範囲からみると、層数が増すにつれＳ偏光
成分の透過率Ｔ８の極大形状が急峻となる傾向があるの
で製造時における条件変化を考慮すると、層数の少ない
方が有利である。但し、以下に触れるように、例えば３
層構成にすると特に高屈折率膜層にＬ 要求される屈折率Ｎ７の許容範囲が厳しくなってくる。

第１０図はλ−８００±２０１ｎｍの近傍でＰ、Ｓ両偏
向成分に対し等しい透過率を得る場合において、膜構成
層数ＬＮに対し、高屈折率膜層に要求される高屈折率Ｎ
Ｈと低屈折率膜層に要求される低屈折率Ｎｔ、との両屈
折車条件を示すものである。なお、その他の条件である
入射側屈折率Ｎ８や入射角などについてはこれまでと同
じとしである。なお、＠１０図中各破線で示したのはＰ
、ｓ両偏光成分に対する等透過率Ｔ　（ＴＰ　”Ｔｓ　
）を与える条件を結んだものである。

第１０図よりわかるように、ＮＨ％ＮＬの屈折率条件の
設定によりいずれの膜構成層数にオイてもＰ％Ｓ両偏光
成分の透過率Ｔｐ、Ｔｓを等しく、シかも任意の透過率
にすることができる。しかし一般的には層数ＬＮが少な
いほど低屈折率ＮＬを厳密にしなければならず、また層
数Ｎが多いほど高屈折率ＮＨには厳密さが要求される。

この各層数毎の屈折率条件をみると５層膜構成のものが
製造するうえでは制御が容易である。

以上の実施例では入射側屈折率を１．５２、透過１則屈
折率を１．５６とした場合について述べてきたが、本発
明は必ずしもこれに限定されるものではない。例えば光
デイスク再生光学系で使用されるレーザー発振器が近赤
外レーザーであれば、基板としてその発振波長域で透明
であれば充、分で、ソリコンなどのような基板でもよい
ことになる。第１１図はこのような場合について入射側
屈折率を４．０、透過側屈折率もこれに合わせて４．０
とした時に、λ−８００ｎｍ　近傍でＰ％Ｓ両偏光成分
に対する透過率ＴＰ％Ｔ８が等しくなり得るような５膚
膜構成のもののいくつかを分光透過特性として示したも
のである。なお、入射角はいずれも４５’とし、各嗅層
の屈折率ＮＨ，ＮＬは第６表のとおりである。

さらに本発明によれば、ｐ、ｓ両偏光成分の透過率を逆
転させることもできる。すなわちこれまでのビームスプ
リッタ−ではＰ偏光成分の光は多く透過され８偏光成分
の光は多く反射されることから透過？ＴについてはＴＰ
＞Ｔ８が普通である。しかし例えば第１２図に示すよう
にある屈折率条件によっては所定波長域においてＴＰ＜
Ｔｓとすることも可能である。第１２図はＮｓ−１，５
２、Ｎｏ−１，５６、入射角４５、λ６ｍ８９０ｎｍと
して低屈折率膜層の屈折率ＮＬを２．２０に固定し、高
屈折率膜層の屈折率Ｎ　を変えた場合のＰ％Ｓ両偏光成
分に対する透過率Ｔｐ　、Ｔｓ　　を示したものである
。なお膜構成は５層膜（各層膜厚λ。／４）で、各透過
特性ＴＰ％Ｔｓ　　と屈折率ＮＩ（どの対応は第７表に
よる。

第７表（第１２図−５層構成） このような特性は従来のビームスプリッタ−では到底得
ることは不可能であるが、本発明によればこのような特
性も容易に得られることから、各種光学系に新たな機能
を求めることもできる。

第１３図は７層構成になる本発明ビームスジリッターの
他の実施例を示し、しかも入射角を変えた場合の特性を
示す、膜構成の特徴としては第２層及び第６層の高屈折
率膜層の膜厚を他の膜層の膜厚λ・／４　に対して０．
５５（λｏ／４）と薄くしたものである。なお入射側屈
折率Ｎ−１，５２，透過側屈折率Ｎ。−１，５６、また
Ｎ　　＝２．２０、ＮＨ篇３．５０とし、基準設計波り 長λ。−１０３５ｎｍである。入射角αと各特性との対
応は第８表による。

第８表（第１３図−７層構成） このように本発明では各膜層の膜厚を必ずしも全てλ、
／４にしなくともよい。また入射角１の変化も相対的膜
厚の変化として従来の薄膜光学系でみられるような調設
的波長シフトが結果として現れることがわかる。

以上、いくつかの実施例に基き、本発明ビームスプリン
ターの膜構成について述べ、その屈折悪条件を明らかＫ
してきたが、本発明を実施する上でこれまでに挙げた屈
折率を与える蒸着物質の一例としては、高屈折率物質と
してはＳ１１低屈折率物質としてはＴ１０！、ＺｎＯ□
８　ｎ　ＯＨ、Ｚ　ｎ’ｓ’、”Ｃ：にり融〜％を適す
る。時変化させ得るので有利である。なお、通常の基板
温度としては３００℃〜４００℃程度の範囲が用いられ
る。また、所望の屈折率を得るために各膜層について等
価膜を利用してもよい。この等価膜の利用によれば等価
膜にかｕｙ、率（原理的にはどのような値Ｏ 屈折率でも得られる）を実現できるので、本発明な実ｍ
″ｆる５えでかなり有力な手段である。

また本発明はプリズム型ビームスプリッタ−のみならず
、所謂・・−フミラー屋のビームスプリッタ−とするこ
ともできる。この場針には透過側屈折率Ｎ。を例えばＩ
Ｋ段設定て屈折率条件等を求めればよいことになる。

こうして本発明によれば、入射光を透過光及び反射光に
分離する所謂ビームスプリッタ−の透過及び反射特性を
、特にＰ偏光成分、Ｓ偏光成分についていずれも等しく
でき、あるいは透過光、反射光に含まれる両側光の成分
比も自在に設定できるという極めて汎用的、実用的作用
を達成し得ることになるものである。しかも、その蒸着
作業についても特に新たな機材が要求されたり、また特
殊な蒸着物質を必要としたりすることもなく、Ｉ来ＩＩ
！ｆｉｔ、蒸着物質がそのまま流用できるので製造時の
制約もなく、ｔａ性も充分である。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明ビームスプリッタ−を用いる場合の、光
デイスク再生光学系の一例を示す原理構成図である。 ＠２図は本発明ビームスプリッタ−の特性を説明するた
めの概念図である。 第３図は本発明の３層膜構成の一実施例を示す概念図で
ある。 第４図は本発明のＮ層膜構成の一実施例を示す概念図で
ある。 第５図は第３図実施例における特性の一例を示す分光透
過特性図である。 第６図、第７図、第８図はそれぞれ第４図実施例におい
て層数を５層、７層、９層とした際の特性の一例を示す
分光透過特性図である。 第９図は本発明において、透過率Ｔｐ％Ｔ８がそれぞれ
５０噛で一致する場合の例の分光透過特性図である。 第１０図は本発明をそれぞれ３〜９層膜構成としてＴＰ
−Ｔ８　となる屈折率条件ＮＬとＮＨの関係を示す図で
ある５゜ 第１１図は入射側及び透過側屈折率が高い場合に利用で
きる５層膜構成になる本発明一実施例の分光透過特性図
である。 第１２図はＴＰくＴ８となる本発明一実施例の示す分光
透過特性図である。 第１３図は７１１を膜構成において、第２層と第６層と
の膜厚を若干λ。／４より薄くした一実施例の示す分光
透過特性図である。 １・・・レーザー発振器、　２　・・・コリメータレン
ズ、３・・・ビームスプリッタ−１４・・・対物し７ズ
。 ５・・・ティスフ、６・・・フォトセンサ、１１．１２
・・・プリズムブロック、Ｌ・・・多層干渉薄膜層、１
３・・・接壇剤層、■・・・入射光％Ｔ・・・透過光、
Ｒ・・・反射光、ＴＰ・・・Ｐ偏光成分に対する透過光
、ＮＬ・・・低屈折率膜層屈折率、 Ｎｕ　”・高屈折率膜層屈折率。 ツシ　４ρ　人　　　　　　　イ左　ｒチックＬ°ｘ　
ｉ、ス　ｉ＼゛イｃ　　Ｉｉ−図面の浄杏（内容に変更
なし） 第３図 第４図 剰四誓トち 補畦豊憂　　　　　　　　　　。 胎 １　呼シ　÷（ト　ト　ど ｆ　　　　　ｇ　　　　補　　　　　正　　　　書昭和
５７年８へ一μ。 特許庁長官　若　杉　和　夫　殿 １・事件の表示　　昭和５７年特許願第　７３と７３号
２、発明の名称　　ビームスプリッタ−３、補正をする
者 事件との関係　　　特許出願人 住　　　　所　　　栃木県佐野市小中町７００番地４、
補正命令の日付　　昭和５７　　年７　月９　日（発送
日昭和５７年７月２７日） ５゜補正の対象　明細書及び図面 ６６補正の内容　添付のとおり明細書及び図面の浄書を
提出します。 （内容に変更なし）

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）屈折率Ｎ　の透明基板に対し、Ｎ８より大きい屈
   折率ＮＬをもつ低屈折率膜層と、これよりさらに大きい
   屈折率ＮＨをもつ高屈折率膜層とを交互に、かつ最下層
   および最上層が低屈折率膜層となるように積層したビー
   ムスプリッタ−１
2. （２）　　１．３　＜　Ｎｓ＜　４の場曾において２、
   ５　＜　ＮＨ＜　８．１．６＜ＭＬ＜５とした特許請求
   の範囲第（１）項に記載のビームスプリッタ−０
3. （３）各層の光学膜厚をλ。／４とした特許請求の範囲
   第（１）項もしくは第（２）項に記載のビームスプリッ
   タ−０