JP3710664B2

JP3710664B2 - 偏光フィルタ

Info

Publication number: JP3710664B2
Application number: JP2000011135A
Authority: JP
Inventors: 侑小村
Original assignee: 旭テクノグラス株式会社
Priority date: 1999-05-28
Filing date: 2000-01-20
Publication date: 2005-10-26
Anticipated expiration: 2020-01-20
Also published as: JP2001051121A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光学機器に使用する多層膜偏光フィルタに関する。
【０００２】
【従来技術】
従来、例えば液晶プロジェクタなどにおいて、光源からでた光をＲＧＢの３原色に分解する過程で、光がｓ偏光光束とｐ偏光光束に別れるため、このまま使用したのでは色の分離性が悪くなる。そこで、ｓ偏光光束またはｐ偏光光束のどちらか一方の光のみを使用するために、偏光フィルタを使用していた。そして、従来この偏光フィルタには、有機フィルムを用いたものや多層干渉膜を用いたものがあった。
【０００３】
有機フィルムを用いたものでは、ポリビニルアルコール又はセルロースなどにヨウ化物の結晶を吸着させて偏光フィルタを製作していた。この偏光フィルタはアセトアセチル基含有アクリル系樹脂粘着剤などを用いて、ガラス製のプリズムに張り付けて使用している。
【０００４】
多層干渉膜を用いたものでは、ガラス製のプリズムの所望とする面に二酸化チタン膜と二酸化ケイ素膜とをある一定の膜厚で交互に積層し製作していた。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上記の偏光フィルタでは、以下に示すような欠点があった。
【０００６】
有機フィルムを用いたものでは、
▲１▼光を吸収することにより光を偏光させていたので、偏光フィルタを透過する光が半分以下に減少していた。
▲２▼透過量の減少を補うために、光源の光量を増加させるので、光源から発せられる熱に対する対応をしなければならなかった。
【０００７】
多層干渉膜を用いたものでは、
▲１▼ｐ偏光光束とｓ偏光光束とを効率よく分離することがでなかった。例えば、可視全域（４００〜７００ｎｍ）にわたって、ｓ偏光光束を９０％以上反射、ｐ偏光光束を９０％以上透過できるものがなかった。
▲２▼効率よく分離できるものがあっても、その範囲は１００〜１５０ｎｍ程度の狭い範囲でしか分離することができなかった。
【０００８】
本発明は上記事情を考慮してなされたもので、光源からの光量の損失が少なく、かつ偏光範囲の広い偏光フィルタを提供することを目的とする。特に可視域を効率よく偏光する偏光フィルタを提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、請求項１に対応する発明は、高屈折率膜と低屈折率膜とを含む多層膜をプリズム上に被覆した偏光フィルタにおいて、多層膜を構成する高屈折率膜及び低屈折率膜を被膜するごとに順次変化させるとともに、前記高屈折率膜の屈折率をｎ H 、前記低屈折率膜の屈折率をｎ L としたとき、１．２７≦ｎ H ／ｎ L ≦１．８０、０．３８≦ｎ H −ｎ L ≦１．００の式を共に満足するようにした。
【００１０】
請求項２に対応する発明は、請求項１に記載された偏光フィルタにおいて、前記高屈折率膜及び前記低屈折率膜の膜厚を一定の割合で順次変化させるようにした。請求項１及び２に対応する発明のように、高屈折率膜及び低屈折率膜を積層するごとに、順次膜厚を変化させるようにしたことにより、所望とする波長域を効率よく分離することができる。なお、ここで示した膜厚の順次変化は、被覆するごとに膜厚を増やしても、減らしてもどちらでもよくどちらも同じ効果が得られる。
【００１１】
請求項３に対応する発明は、高屈折率膜と低屈折率膜とを含む多層膜をプリズム上に被覆した偏光フィルタにおいて、前記多層膜の第１層目から最終層目までを少なくとも１層被覆するごとに被覆膜厚を順次変化させるとともに、前記高屈折率膜の屈折率をｎ H 、前記低屈折率膜の屈折率をｎ L としたとき、１．２７≦ｎ H ／ｎ L ≦１．８０、０．３８≦ｎ H −ｎ L ≦１．００の式を共に満足するようにした。
【００１２】
請求項４に対応する発明は、請求項３に記載された偏光フィルタにおいて、前記多層膜の第１層目から最終層目までを少なくとも１層被覆するごとに順次変化する被覆膜厚を一定の割合とした。請求項３及び４に対応する発明のように、偏光フィルタを形成する多層膜を１層積層するごとに、順次膜厚を変化させるようにしたことにより、所望とする波長域を効率よく分離することができる。なお、ここで示した膜厚の順次変化は、被覆するごとに膜厚を増やしても、減らしてもどちらでもよくどちらも同じ効果が得られる。
【００１３】
請求項５に対応する発明は、請求項１ないし４にいずれかに記載の偏光フィルタにおいて、フィルタに入射する光束のうち、所望とする波長域におけるｓ偏光光束及びｐ偏光光束の一方の光束が少なくとも９０％以上反射し、かつ他方の光束が少なくとも９０％以上透過するようにした。
【００１４】
請求項６に対応する発明は、所望とする波長域を可視域としたものである。このように良好に光源からの光束を分離することにより、上記ｓ偏光光束及びｐ偏光光束を低減させることなく、偏光フィルタから出力させることができ、以降の光をＲＧＢに分解させるなどのフィルタに送ることができる。
【００１６】
ｎH ／ｎL の値が１．１０よりも小さくなる場合、およびｎH −ｎL の値が１．００よりも大きくなる場合では、所望とする波長域の分離性が９０％以上反射及び９０％以上透過を達成することができないので好ましくない。
【００１７】
より好ましい範囲は、１．２５≦ｎH ／ｎL ≦１．４５及び０．３０≦ｎH −ｎL ≦０．６５である。
【００１８】
なお、ｎH ／ｎL 及びｎH −ｎL の値が本発明の範囲内の場合は、ｎH ／ｎL が大きく、ｎH −ｎL が小さいものほどより優れた分離性を有する偏光フィルタを得ることができる。
【００１９】
請求項８に対応する発明は、請求項７に記載された偏光フィルタにおいて、低屈折率膜をフッ化マグネシウムとした。これにより、分光透過率及び耐久性の優れた偏光フィルタを得ることができる。
【００２０】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態を図面を参照して以下に説明する。なお、以下に示す具体例では光の偏光フィルタへの入射角を４５度としたものである。
【００２１】
図１は本発明の偏光フィルタを被覆したプリズム型偏光ビームスプリッタの概念図であり、１は直角プリズム、２は偏光フィルタである。
【００２２】
（実施の形態１）
この実施の形態は、偏光フィルタ２を形成する多層膜を積層するごとに順次変化させたものであって、多層膜の第１層目と第２層目、第３層目と第４層目・・・の光学膜厚を等しくしたものである。すなわち、多層膜を形成する高屈折率膜の第１層目と低屈折率膜の第１層目、高屈折率膜の第２層目と低屈折率膜の第２層目・・・の光学膜厚を等しくしたものである。
【００２３】
（具体例１）
本発明の偏光フィルタ２は、図１に示したように直角プリズム１と直角プリズム１とを接合する接合面に形成されるものであり、その具体例１を以下に示す条件で真空蒸着する。

【００２４】
【表１】

【００２５】
この表１からわかるように、本発明の偏光フィルタ２は、ガラス製プリズムの第１層目に酸化ハフニウムを電子銃加熱により光学膜厚で０．２５λ被覆し、次いで、第２層目にフッ化マグネシウムを電子銃加熱により光学膜厚で０．２５λ被覆する。このように酸化ハフニウムとフッ化マグネシウムとを交互に積層し、合計で１４層積層する。このとき、酸化ハフニウム及びフッ化マグネシウムを被覆する膜厚は、積層するごとに０．０５λずつ増加させる。このように膜厚制御を行えば、本発明が目的とするｓ偏光光束とｐ偏光光束との分離性が広い波長域で優れたものを得ることができる。
【００２６】
この具体例１の酸化ハフニウムとフッ化マグネシウムとの交互積層膜では、ｓ偏光光束とｐ偏光光束との分離性が優れているため、合計１４層で所望とする光学特性を得ることができる。
【００２７】
以上の具体例では可視域（４００〜７００ｎｍ）の光束を良好に偏光させるために、制御波長を４６０ｎｍとし、高屈折率物質及び低屈折率物質それぞれの第１層から最終層までの光学膜厚を０．２５〜０．５５λの範囲で一定に増加させるようにしたものであるが、制御波長を変えること及び被覆する膜厚を光学膜厚の任意の範囲内で一定に増加させることにより、種々の範囲の波長域を利用することが可能である。
【００２８】
この具体例１で得られた偏光フィルタの特性は図２に示すように、ｐ偏光光束については３５０ｎｍ以上（図２では８５０ｎｍまで示す）の透過率を９５％以上とすることができ、ｓ偏光光束については４００〜７４０ｎｍまでの透過率を１０％以下（反射率を９０％以上）とすることができる。
【００２９】
（具体例２）
次に、高屈折率膜を酸化イットリウム（屈折率：１．７８）としたときの具体例２の膜構成を表２に示す。このときのｎH ／ｎL は１．２９であり、ｎH −ｎL は０．４０である。なお、制御波長を４８０ｎｍとし、その他の蒸着条件は具体例１と同じ条件である。
【００３０】
【表２】

【００３１】
この具体例２も、表２からわかるように酸化イットリウム及びフッ化マグネシウムを交互に積層し、合計で２６層積層している。しかし、この具体例２では酸化イットリウム及びフッ化マグネシウムの被覆膜厚を積層するごとに、０．０２５λずつ増加させるようにしたものである。このように具体例１よりも積層数が増加した理由は、高屈折率膜物質と低屈折率膜物質との差が具体例１よりも小さいためである。すなわち、多層膜の積層数を少なくしたい場合には、高屈折率膜物質と低屈折率膜物質との差を大きくすればよい。そして、この具体例２で得られた偏光フィルタの特性は図３に示すように、ｐ偏光光束については３５０ｎｍ以上（図３では８５０ｎｍまで示す）の透過率を９５％以上とすることができ、ｓ偏光光束については３８０〜７５０ｎｍまでの透過率を１０％以下（反射率を９０％以上）とすることができる。
【００３２】
（実施の形態２）
この実施の形態は、偏光フィルタ２を形成する多層膜を積層するごとに順次変化させたものであって、多層膜の第１層目から第２層目、第２層目から第３層目、第３層目から第４層目・・・ごとに膜厚を一定の割合で順次変化させたものである。すなわち、偏光フィルタ２を形成する多層膜の第１層目から最終層目までを１層被覆するごとに被覆膜厚を一定の割合で順次変化させたものである。
【００３３】
（具体例３）その具体例３を以下に示す条件で真空蒸着する。
コート真空度：３．０×１０^−３Ｐａ
蒸着材：酸化ハフニウム（屈折率：２．００）
：フッ化マグネシウム（屈折率：１．３８）
ｎH ／ｎL ：１．２９
ｎH −ｎL ：０．６２
制御波長（λ）：４６０ｎｍ
膜構成：表３に示す
【００３４】
【表３】

【００３５】
この表３からわかるように、本発明の偏光フィルタ２は、第１層目に酸化ハフニウムを電子銃加熱により光学膜厚で０．２４λ被覆し、次いで、第２層目にフッ化マグネシウムを電子銃加熱により光学膜厚で０．２６λ被覆する。このように酸化ハフニウムとフッ化マグネシウムとを交互に積層し、合計で１８層積層する。このとき、酸化ハフニウム及びフッ化マグネシウムの被覆膜厚は、表３に示すように第１層目から最終層目までを１層ごとに０．０２λずつ増加させる。このように膜厚制御を行えば、本発明が目的とするｓ偏光光束とｐ偏光光束との分離性が広い波長域で優れたものを得ることができる。
【００３６】
この具体例３の酸化ハフニウムとフッ化マグネシウムとの交互積層膜では、ｓ偏光光束とｐ偏光光束との分離性が優れているため、合計１８層で所望とする光学特性を得ることができる。
【００３７】
この具体例３で得られた偏光フィルタの特性は図４に示すように、ｐ偏光光束については３５０ｎｍ以上（図４では７５０ｎｍまで示す）の透過率を９０％以上とすることができ、ｓ偏光光束については３８０ｎｍ以上（図４では７５０ｎｍまで示す）の透過率を１０％以下（反射率を９０％以上）とすることができる。
【００３８】
（具体例４）
次に、高屈折率膜を酸化イットリウム（屈折率：１．７８）としたときの具体例４の膜構成を表４に示す。このときのｎH ／ｎL は１．２９であり、ｎH −ｎL は０．４０である。なお、制御波長を４６０ｎｍとし、その他の蒸着条件は具体例３と同じ条件である。
【００３９】
【表４】

【００４０】
この具体例４も表４からわかるように、第１層目に酸化イットリウムを光学膜厚で０．２４λ被覆し、次いで、第２層目にフッ化マグネシウムを光学膜厚で０．２５λ被覆する。このように酸化イットリウム及びフッ化マグネシウムを交互に積層し、合計で３４層積層している。このとき、酸化イットリウム及びフッ化マグネシウムの被覆膜厚は、表４に示すように第１層目から最終層目までを１層ごとに０．０１λずつ増加させる。このように具体例３よりも積層数が増加した理由は、高屈折率膜物質と低屈折率膜物質との差が具体例３よりも小さいためである。すなわち、多層膜の積層数を少なくしたい場合には、高屈折率膜物質と低屈折率膜物質との差を大きくすればよい。そして、この具体例４で得られた偏光フィルタの特性は図５に示すように、ｐ偏光光束については３５０ｎｍ以上（図５では７５０ｎｍまで示す）の透過率を９８％以上とすることができ、ｓ偏光光束については３７０ｎｍ以上（図５では７５０ｎｍまでを示す）の透過率を１０％以下（反射率を９０％以上）とすることができる。特に、可視域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）においては、ｐ偏光光束は透過率を９８％以上とし、ｓ偏光光束は透過率を５％以下（反射率９５％以上）とすることができる。
【００４１】
以上の具体例では、光源からの光を直接偏光フィルタに入射させるようにしたが、これに限定されることなく位相差板などを介してもよい。この場合には、偏光フィルタによりｐ偏光光束が反射され、ｓ偏光光束が透過されるようになる。
【００４２】
また、上記具体例では酸化ハフニウムとフッ化マグネシウム及び酸化イットリウムとフッ化マグネシウムを交互に積層したものであったが、これに限定されることなく以下の表５に示した蒸着物質から２つの物質の屈折率差を勘案して組み合わせてもよい。具体的に組み合わせた例を表６に示す。
【００４３】
【表５】

【００４４】
【表６】

【００４５】
本発明のｎH ／ｎL の関係及びｎH −ｎL の関係は、上記したように１．１０≦ｎH ／ｎL ≦１．８０及び０．２０≦ｎH −ｎL ≦１．００をともに満足するものである。しかし、以上で説明した光の偏光フィルタの入射角を４５度とした場合には、ｎH ／ｎL ＞１．８０及び０．２０＞ｎH −ｎL の関係を満たすものでも所望とする波長域の分離性を良好とすることができる。ところが、ｎH ／ｎL ＞１．８０及び０．２０＞ｎH −ｎL を満たすものは、光の入射角が４５度よりも小さくなった場合、所望とする波長域の分離性の悪化が著しく偏光フィルタとして使用できなくなるので好ましくないと判断した。
【００４６】
なお、上記実施の形態では、プリズムについて説明したが、これに限定されることなく、図６に示すような、光源からの光をｐ偏光光束とｓ偏光光束とに分離し、その後ｐ偏光光束をｓ偏光光束にまたはｓ偏光光束をｐ偏光光束にというように、光源からの光を単一偏光に変換できる偏光フィルタと反射膜とを交互に備えた偏光ビームスプリッタ（Ｍ（マルチ）−ＰＢＳ）にも使用することができる。
【００４７】
【発明の効果】
本発明によれば、高屈折率膜及び低屈折率膜の膜厚を一定の割合で順次変化させたことにより、ｓ偏光光束とｐ偏光光束とを広い波長域（特に、可視域）で良好に分離することができる。したがって、光源から発せられる光量の損失を少なく抑えることができるので、光源の出力を上げることなく従来よりも明るい光を供給することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏光フィルタを被覆したプリズム型偏光ビームスプリッタの概念図である。
【図２】具体例１の分光特性を示した図である。
【図３】具体例２の分光特性を示した図である。
【図４】具体例３の分光特性を示した図である。
【図５】具体例４の分光特性を示した図である。
【図６】本発明の偏光フィルタを被覆したＭ−ＰＢＳの概念図である。
【符号の説明】
１…直角プリズム、２…偏光フィルタ

Claims

高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層する多層膜をプリズム上に被覆した偏光フィルタにおいて、前記多層膜を構成する高屈折率膜及び低屈折率膜のそれぞれの被覆膜厚を高屈折率膜及び低屈折率膜ごとに順次変化させたものであり、前記高屈折率膜の屈折率をｎ H 、前記低屈折率膜の屈折率をｎ L としたとき、以下の式を共に満足することを特徴とする偏光フィルタ。
１．２７≦ｎ H ／ｎ L ≦１．８０
０．３８≦ｎ H −ｎ L ≦１．００
前記高屈折率膜及び前記低屈折率膜の膜厚を一定の割合で順次異ならせたことを特徴とする請求項１記載の偏光フィルタ。
高屈折率膜と低屈折率膜とを交互に積層する多層膜をプリズム上に被覆した偏光フィルタにおいて、前記多層膜の第１層目から最終層目までを少なくとも１層被覆するごとに被覆膜厚を順次変化させたものであり、前記高屈折率膜の屈折率をｎ H 、前記低屈折率膜の屈折率をｎ L としたとき、以下の式を共に満足することを特徴とする偏光フィルタ。
１．２７≦ｎ H ／ｎ L ≦１．８０
０．３８≦ｎ H −ｎ L ≦１．００
前記多層膜の第１層目から最終層目までを少なくとも１層被覆するごとに順次変化する被覆膜厚を一定の割合としたことを特徴とする請求項３記載の偏光フィルタ。
フィルタに入射する光束のうち、所望とする波長域におけるｓ偏光光束及びｐ偏光光束の一方の光束が少なくとも９０％以上反射し、かつ他方の光束が少なくとも９０％以上透過することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の偏光フィルタ。
前記所望とする波長域が可視域であることを特徴とする請求項５記載の偏光フィルタ。