JP2006003479A - 光学素子及び照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】 ほぼランダムと見なされる偏光状態を作り出すことができる光学素子を提供する。
【解決手段】 （ａ）に示された各領域における線の方向が、スリットの方向に対応している。（ａ）において、線が形成されていない領域は、スリットが形成されていない領域であり、この領域においては、偏光状態の変化は起こらない。このような構造の光学素子に、（ａ）の矢印で示した方向の偏光軸を有する直線偏光を入射させたときに得られる出射光の偏光状態は、各領域が波長板の作用を有するので、（ｂ）に示すように光軸の方向が異なった直線偏光や楕円偏光、及び円偏光に変換される。よって、各領域から出射する光を一つに集めた場合、その光には、種々の偏光状態の光が含まれることになり、全体としてランダム偏光（非偏光）に近い状態となる。
【選択図】 図２

Description

本手段は、入射する光を非偏光（ランダム偏光）な光に変換する目的に使用するのに好適な光学素子、及びこれらを使用した照明光学系に関するものである。

光学的に異方性を持つ素子が含まれる光学系を用いる場合、異方性による悪影響を避けるため、非偏光(ランダム偏光)の照明光が用いられることが多い。解像限界に近い結像系では、結像特性が偏光状態による大きな影響を受ける。すなわち、直線偏光に近い照明では、結像特性に方向性を生じるため、非偏光(ランダム偏光)の照明が用いられることが多い。

単色性または強い光強度を要求される用途においてよく用いられるレーザを光源とした場合、一般的に得られる偏光状態は一様であり、非偏光とみなすことはできない。よって、このような偏光状態の光を非偏光の照明光とするために、偏光状態を制御する必要がある。

偏光状態の制御には水晶等の複屈折性結晶が用いられることが多い。複屈折性結晶中に光を通した場合、偏光方向によって光路長が変化するので偏光状態を変えることができる。

「波長より細かな格子構造による光制御」（光学、２７巻第１号、ｐ１２〜１７）

単一の複屈折性結晶を用いて空間的に異なった偏光状態を実現するには、光軸方向の厚みを空間的に変化させる必要がある。しかし、この場合には、素子の入射面と射出面が平行でなくなるため、素子を通過した光線が屈折により曲げられてしまうので、装置に組み込むときに光線の曲がりを補正する必要が生じる。

素子の入射面と射出面を平行にするため、相補的な形状の素子を組み合わせて用いることもあるが、素子の厚みが２倍以上となること、透過率の低下をもたらすこと、価格が高くなることの他、張り合わせに用いる接着剤、組み立て精度などに制限が生じる。

さらに、楕円率と偏光軸の双方を制御するには、各々位相子および旋光子として機能する二つ以上の結晶を利用する必要があった。さらに、このようにして作られた素子であっても、偏光状態の空間分布は連続的に変化させることしかできず、任意性(ランダム性)に一定の制限を受けたものとなる。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、ほぼランダムと見なされる偏光状態を作り出すことができる光学素子、及びこれを使用した照明光学系を提供することを課題とする。

前記課題を解決するための第１の手段は、少なくとも入射光が入射する部分が、入射光の面積に対して十分小さな領域に分割され、各領域は、入射光の偏光の楕円率及び偏光軸の方向の少なくとも一方を変化させる波長板としての機能を有し、前記各領域は、各領域に入射する光によって変化させられる楕円率及び偏光軸の方向のうち少なくとも一方が、出射光全体としてランダムとなるように形成されていることを特徴とする光学素子（請求項１）である。

本手段においては光学素子面が、小領域に分割されている。分割の大きさは、分割された小領域の数が、出射光がランダムな楕円率、偏光軸方向を持つと見なされるようにできる数があればよく、出射光に要求される性質に応じて任意に決めることができる。

各小領域は波長板としての機能を有し、各小領域を通過する光は、その楕円率及び偏光軸の方向の少なくとも一方が変化させられる（ランダムであるので、中には、どちらも変化させない領域を含むこともあり、このような小領域が含まれる場合も、本発明の範囲内である）。そして、各小領域を通過する光の楕円率、偏光軸の方向の変化の度合いは、全体としてランダムになるように、各小領域における楕円率、偏光軸の方向の変化の程度が定められている。よって、どのような偏光状態の光をこの光学素子に入射させても、出射される光は、全体としてランダム偏光（非偏光）な光となる。

前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記各領域は、使用する光の波長より細かな格子構造を有し、それにより波長板としての機能を有するものであることを特徴とするもの（請求項２）である。

「波長より細かな格子構造による光制御」（光学、２７巻第１号、ｐ１２〜１７）（非特許文献１）によれば、光学基材の表面に使用する光の波長より小さいピッチの凹凸を有する格子構造を形成することにより、その格子の長さ方向に偏光軸を有する光と幅方向に偏光軸を持つ光との間で位相の違いを生じさせることができ、波長板を形成できることが分かっている。よって、この格子のピッチと高さを制御することで、この位相板を通過する光の楕円率、偏光軸の少なくとも一方を制御することができる。

このような格子構造は、フォトリソグラフィにより容易に形成でき、しかも、所定の格子構造を有する領域を微細な領域とすることができるので、フォトリソグラフィ工程により、異なる格子構造を有する微小領域をランダムに形成することにより、前記第１の手段である光学素子を、容易に形成することができる。

前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、波長板としての機能を与える格子構造が形成された面と反対側の面に、反射防止構造体としての機能を有する格子構造が形成されていることを特徴とするもの（請求項３）である。

前記特許文献１によれば、光学基材の表面に使用する光の波長より小さいピッチで、３角形状又はピラミッド型の凹凸構造を設けることにより、反射防止構造体としての機能を持たせることができる。よって、光学基材の片面に波長板としての機能を持たせるための凹凸構造、他の面に反射防止構造体としての機能を持たせる凹凸構造を形成することにより、光の透過率が高く、かつランダム偏光を形成する光学素子とすることができる。

前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段から第３の手段のいずれかであって、巨視的に見た入射面と出射面とが平行であることを特徴とするもの（請求項４）である。

「巨視的に見た入射面と出射面とが平行」とは、微視的に見た場合には、光学素子の表面は凹凸構造が形成されているが、それを平滑にしてみた場合に、入射面と出射面とが平行と考えることができ、入射した光が直進するような状態であることを意味する。本手段においては、従来技術の光学素子と異なり入射光が直進するので、光軸を合わせるための特別な光学系を必要としない。

前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段から第４の手段のいずれかの光学素子を有することを特徴とする照明光学系（請求項５）である。

本手段においては、ランダム偏光（非偏光）の照明光を形成することができる。

本発明によれば、ほぼランダムと見なされる偏光状態を作り出すことができる光学素子、及びこれを使用した照明光学系を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態である光学素子における小領域の形状を示す図である。石英やガラス等の、使用する光に対して透明な光学基材１の片面に、スリット状の凹凸（格子）が形成されており凸部２の幅ａと凹部３の幅ｂとの和（ａ＋ｂ）は、使用する光の波長よりも短くなっている。

このような構造を持つ光学素子では、非特許文献１に記載されるように、スリットの長さ方向が遅相軸、スリットの幅方向が進相軸となって複屈折が起こり、位相板として使用することができる。

図２は、光が入射する領域を４×４の領域に区分し、各領域に異なる方向のスリット状の格子を形成した光学素子の作用を模式的に示した図である。（ａ）に示された各領域における線の方向が、スリットの方向に対応している。（ａ）において、線が形成されていない領域は、スリットが形成されていない領域であり、この領域においては、偏光状態の変化は起こらない。

このような構造の光学素子に、（ａ）の矢印で示した方向の偏光軸を有する直線偏光を入射させたときに得られる出射光の偏光状態を（ｂ）に模式的に示す。入射した直線偏光は、各領域が波長板の作用を有するので、（ｂ）に示すように、偏光軸の方向が異なった直線偏光や楕円偏光、及び円偏光に変換される。よって、各領域から出射する光を一つに集めた場合、その光には、種々の偏光状態の光が含まれることになり、全体としてランダム偏光（非偏光）に近い状態となる。

図２では、説明のために領域を４×４の領域に区分しているが、領域の数を多くし、スリットの方向も多くとることにより、よりランダム偏光（非偏光）と見なされる光束を形成することができるようになる。

図３に、本発明の実施の形態である照明光学系の概要を示す。（ａ）に示す照明光学系では、光源５から放出された光は、コリメータレンズ６により平行光に変えられ、集光レンズ７により集光される。この集光位置に本発明の光学素子８を配置して、非偏光状態の光を形成する。すなわち、光学素子８の位置が２次光源となり、２次光源から放出される光は非偏光と見なされる。この光は投影レンズ９により平行光に変えられ、照明光として使用される。この光学系においては、光学素子８の位置で光束が絞られるため、入射する光束の面積が小さくなるが、光源５は有限の大きさを持ち、その像８も有限の大きさを持つこと、及び光学素子の小領域の大きさは、フォトリソグラフィで形成されるような極めて微小なものであるので、このことが問題となることはない。

（ｂ）に示す照明光学系では、光源５から放出された光は、コリメータレンズ６により平行光に変えられるが、この平行光の位置に本発明の光学素子８が配置される。従って、光学素子８に入射する光束の面積を大きくすることができる。光学素子８を透過した光は、集光レンズ７で集光されるが、その集光位置に拡散板１０が設けられており、入射角が異なる光を混合して放出するようになっている。拡散板１０を通過した光は、投影レンズ９により平行光に変えられ、照明光として使用される。この光学系において拡散板１０が必要とされるのは、これを設けないと、光学素子８の領域毎の光の分布が、そのまま、照明光の光の分布となってしまうためである。従って、照明光をある点に集光させて使用するような場合には、拡散板１０は必要ない。

図４に、本発明の別の実施の形態である光学素子における小領域の概要を示す。この光学素子においては、光学基材１の光の出射面に形成されるスリット状の凸部２と凹部３が、前述のように、光学素子に位相板としての特性を与える。光の入射面には、３角形状の凹凸１１が設けられており、これが反射防止構造体としての役割を果たす。この３角形状の凹凸１１のピッチも使用する光の波長よりも短くされており、このことにより非特許文献１に示されているように、反射防止構造体が形成される。このような光学素子を用いることにより、表面での光の反射を防止しながら、波長板としての特性を得ることができる。

なお、図１、図４に示すような凹凸構造をフォトリソグラフィにより製造する方法は周知のものであり、かつ、非特許文献１にも記載されているので、その説明を省略する。

本発明の実施の形態である光学素子における小領域の形状を示す図である。 光が入射する領域を４×４の領域に区分し、各領域に異なる方向のスリット状の格子を形成した光学素子の作用を模式的に示した図である。 本発明の実施の形態である照明光学系の概要を示す図である。 本発明の別の実施の形態である光学素子における小領域の概要を示す図である。

符号の説明

１…光学基材、２…凸部、３…凹部、５…光源、６…コリメータレンズ、７…集光レンズ、８…光学素子、９…投影レンズ、１０…拡散板、１１…凹凸

Claims (5)

1. 少なくとも入射光が入射する部分が、入射光の面積に対して十分小さな領域に分割され、各領域は、入射光の偏光の楕円率及び偏光軸の方向の少なくとも一方を変化させる波長板としての機能を有し、前記各領域は、各領域に入射する光によって変化させられる楕円率及び偏光軸の方向のうち少なくとも一方が、出射光全体としてランダムとなるように形成されていることを特徴とする光学素子。
2. 前記各領域は、使用する光の波長より細かな格子構造を有し、それにより波長板としての機能を有するものであることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 波長板としての機能を与える格子構造が形成された面と反対側の面に、反射防止構造体としての機能を有する格子構造が形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
4. 巨視的に見た入射面と出射面とが平行であることを特徴とする請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光学素子。
5. 請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の光学素子を有することを特徴とする照明光学系。
   

Images