偏光分離素子
【課題】 偏光分離素子の特性の均一化及びコンパクト化を図ると共に、その耐環境性を高める。
【解決手段】 表面に凹凸状の周期格子が形成された基板１と、この基板１の凹凸部１ａ，１ｂの少なくとも凸部１ａ上に形成された酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層２と、を具備し、凹部と凸部の間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、複屈折材料層２の厚み及び基板１の凹部深さを設定してなる。
【解決手段】 表面に凹凸状の周期格子が形成された基板１と、この基板１の凹凸部１ａ，１ｂの少なくとも凸部１ａ上に形成された酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層２と、を具備し、凹部と凸部の間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、複屈折材料層２の厚み及び基板１の凹部深さを設定してなる。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、偏光分離素子に関する。更に詳述すると、光磁気ディスクの偏光子やアイソレータ等の光学装置に適した偏光分離素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えば光磁気ディスク等の各種光学装置にあっては、偏光方向によって回折効率を異ならしめる偏光分離素子が備えられている。この偏光分離素子に関しては種々の提案がなされており、例えば特開昭６３−２６２６０２号公報等に記載されている。
【０００３】この特開昭６３−２６２６０２号公報記載の偏光分離素子は、光学的等方性基板の主面に凹凸状の周期格子を形成し、該周期格子の表面を、主屈折率の一方が上記等方性基板の屈折率と等しい屈折率を有する液晶で覆うというものであり、例えば常光に対する屈折率が上記等方性基板のそれと一致し、異常光に対する屈折率が上記等方性基板のそれと異なる液晶を用いれば、該偏光分離素子は、常光に対しては回折格子としての機能を果たさないが、異常光に対しては回折格子としての機能を果たすといったものである。
【０００４】また、液晶に代えて、ニオブ酸リチウム結晶を用いるものも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記偏光分離素子にあっては、以下の問題がある。すなわち、特開昭６３−２６２６０２号公報記載の偏光分離素子にあっては、液晶の屈折率の温度係数が大きく、環境に対する性能が不安定になるといった問題がある。
【０００６】また、従来の一般的な偏光分離素子にあっては、等方性基板上に形成される複屈折材料の複屈折が小さいので、膜厚が比較的厚くなり、コンパクトにできないといった問題や、結晶性が低いので、特性が不均一になるといった問題もある。
【０００７】そこで、本発明は、耐環境性が高く、しかも均一な特性を有し、その上コンパクト化がなされる偏光分離素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１の偏光分離素子は、上記目的を達成するために、光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、表面に凹凸状の周期格子が形成し、該凹部に、複屈折材料の常光屈折率または異常光屈折率の何れか一方に等しい屈折率の物質を充填してなる。
【０００９】請求項２の偏光分離素子は、上記目的を達成するために、光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、この複屈折材料層に凹凸状の周期格子を形成し、前記凹部と凸部の間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、前記複屈折材料層の凹凸部の厚みを設定してなる。
【００１０】請求項３の偏光分離素子は、上記目的を達成するために、表面に凹凸状の周期格子が形成された光学的等方性基板と、この光学的等方性基板の前記凹凸部の少なくとも凸部上に形成された酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層と、を具備し、前記凹部と凸部の間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、前記複屈折材料層の厚み及び前記基板の凹部深さを設定してなる。
【００１１】請求項４の偏光分離素子は、上記目的を達成するために、光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、表面に凹凸状の周期格子を形成し、該凹部に、光学的等方性物質を充填してなる偏光分離素子であって、該光学的等方性物質の屈折率（ｎｃ）と、該複屈折材料の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎｅ）との間に、以下の数式２に示す関係があることを特徴とする。
【００１２】
【数２】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｍ＝±１，±２，±３…）
＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｌ＝±１，±２，±３…）
請求項５の偏光分離素子は、上記目的を達成するために、請求項１乃至６に加えて、表裏面の少なくとも一方の面に、反射防止膜を具備した。
【００１３】このような請求項１乃至５における偏光分離素子によれば、酸化チタン膜は、その特性として屈折率の温度変化が小さいので、偏光分離素子の耐環境性を高めるよう働く。また、その特性として結晶性が高いので、偏光分離素子の特性を均一化するよう働く。さらにまた、その特性として複屈折が大きいので、膜厚を薄くするよう働く。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】図１は本発明の一実施形態を示す偏光分離素子の斜視図、図２は図１の偏光分離素子の縦断面図である。
【００１６】図１、図２において、符号１は、例えばガラス材よりなる等方性基板を示しており、このガラス基板１表面には凹凸による周期的な格子が形成されている。なお、本実施形態では基板をガラス材により形成しているが、等方性基板であればプラスチック等の他の材質により形成しても構わない。そして、ガラス基板１表面の凸部１ａ上には酸化チタン薄膜２が形成されており、この酸化チタン薄膜２は主面Ｘ−Ｙ面内で配向がなされている。
【００１７】ここで、ガラス基板１の凸部の厚さをｔ、ガラス基板１の凹部１ｂの溝深さをｄ１、酸化チタン薄膜（配向膜）２の厚さをｄ２、ガラス基板１の屈折率をｎｓ、酸化チタン薄膜２の常光に対する屈折率をｎｏ、酸化チタン薄膜２の異常光に対する屈折率をｎｅ、ガラス基板１の凹凸部及び酸化チタン薄膜２により形成される溝内の屈折率をｎｃ、光の波長をλとし、ｋ＝２π／λとすると、酸化チタン薄膜２が形成された偏光分離素子を通過する（図２におけるＡの領域を通過する）常光の位相は、数３に示す値になる。
【００１８】
【数３】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｏ・ｄ２｝ｋ酸化チタン薄膜２が形成されていない偏光分離素子を通過する（図２におけるＢの領域を通過する）常光の位相は、数４に示す値になる。
【００１９】
【数４】｛ｎｓ（ｔ−ｄ１）＋ｎｃ（ｄ１＋ｄ２）｝ｋ従って、常光の位相差ＯＰＤ（ｏ）は、（数１の値）−（数２の値）により、数式５に示すようになる。
【００２０】
【数５】ＯＰＤ（ｏ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｏ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ一方、Ａの領域を通過する異常光の位相は、数６に示す値になる。
【００２１】
【数６】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｅ・ｄ２｝ｋＢの領域を通過する異常光の位相は、数７に示す値になる。
【００２２】
【数７】｛ｎｓ（ｔ−ｄ１）＋ｎｃ（ｄ１＋ｄ２）｝ｋ従って、異常光の位相差ＯＰＤ（ｅ）は、（数６の値）−（数７の値）により、数式８に示すようになる。
【００２３】
【数８】ＯＰＤ（ｅ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｅ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ因みに、ガラス基板１の凹凸部及び酸化チタン薄膜２により形成される溝内には空気が充填されていると考えて、ｎｃ＝１となる。
【００２４】ここで、異常光が回折しないようにするためには、上記数式５と数式８のうち数式８がπの偶数倍となるようにすれば良い。すなわち、数式９のようになる。
【００２５】
【数９】
ＯＰＤ（ｅ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｅ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ ＝２ｐπ、（ｐ＝０，±１，±２…）
また、常光が回折しないようにするためには、上記数式５と数式８のうち数式５がπの偶数倍となるようにすれば良い。すなわち、数式１０のようになる。
【００２６】
【数１０】
ＯＰＤ（ｏ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｏ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ ＝２ｐπ、（ｐ＝０，±１，±２…）
ところで、これら２条件下では、ｄ１及びｄ２の設定によっては、常光・異常光のうち回折させる光の中にも、回折しない光量が存在する場合がある。本発明の偏光分離素子は、例えば光ディスク装置のピックアップの中に用いることができるが、このような用途があっては、常光・異常光のうち一方は全て回折させ、他方は全く回折しないようにすることが望ましい。このような目的のためには、数式９に加えて、常光の位相差ＯＰＤ（ｏ）を数式１１に示すようにすれば良い。
【００２７】
【数１１】
ＯＰＤ（ｏ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｏ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ ＝（２ｑ＋１）π、（ｑ＝０，±１，±２…）
或いは、数式１０に加えて、異常光の位相差ＯＰＤ（ｅ）を数式１２に示すようにすれば良い。
【００２８】
【数１２】
ＯＰＤ（ｅ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｅ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ ＝（２ｑ＋１）π、（ｑ＝０，±１，±２…）
この時、酸化チタン配向膜２の厚さｄ２を決めるためには、（数式１１）−（数式９）及び（数式１０）−（数式１２）より求められる数式１３が成り立つように、ｄ２を決めれば良い。
【００２９】
【数１３】
ＯＰＤ（ｏ）−ＯＰＤ（ｅ）＝（ｎｏ−ｎｅ）ｄ２・ｋ＝（２ｊ＋１）π、（ｊ＝０，±１，±２…）
因みに、ｄ２＝π（２ｊ＋１）／｛ｋ・｜ｎｏ−ｎｅ｜｝となり、ｄ２は酸化チタン配向膜２のｎｏとｎｅの差に依存していることが分かる。すなわち、ｄ２を小さくするには、（ｎｏ−ｎｅ）の絶対値が大きい方が良いことになる。
【００３０】ここで、酸化チタン配向膜の結晶がルチル型結晶である場合は複屈折が約０．３となり、アナターゼ型結晶である場合は複屈折が約０．１となる。このため、ルチル型結晶の方が、ｄ２を小さくすることができる。
【００３１】また、数式９または数式１０を満足するように、酸化チタン配向膜２の膜厚ｄ２、ガラス基板１の溝深さｄ１を設定すれば、上記偏光分離素子は回折格子として機能し、常光または異常光の何れか一方のみを回折させないようにすることができる。
【００３２】このように、本実施形態においては、表面に凹凸状の周期格子が形成されたガラス基板１と、このガラス基板１の凸部１ａ上に形成され、該ガラス基板１の主面の面内方向に配向された酸化チタン配向膜２と、を具備し、凹部１ｂと凸部１ａの間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、酸化チタン配向膜の厚みｄ２及び基板１の凹部深さｄ１を設定するようにしたので、上述のように、偏光分離素子として機能させることができるようになっている。ここで、酸化チタン配向膜２は、その特性として屈折率の温度変化が小さいので、偏光分離素子の耐環境性を高めることが可能となっている。また、その特性として結晶性が高いので、偏光分離素子の特性を均一化することが可能となっている。さらにまた、その特性として複屈折が大きいので、膜厚を薄くできるようになっており、偏光分離素子をコンパクト化することが可能となっている。
【００３３】次に、このように構成された偏光分離素子の製造方法について説明する。
【００３４】ガラス基板１上に、ＥＣＲスパッタ法、イオンビームスパッタ法、レーザアブレーション法のいずれかの方法で酸化チタンの薄膜を形成する。この場合、ガラス基板１が５００℃以下の温度であっても、アナターゼ型結晶を形成することなくルチル型結晶を形成することができる。このため、特に高温での加熱処理を不要とし、高価な耐熱ガラスや石英を用いることなくルチル型結晶の酸化チタンを得ることができる。
【００３５】一方、上述の方法とは別に、ガラス基板１上に、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着等の方法によって酸化チタンの薄膜を形成することができる。この場合、形成された酸化チタン膜の結晶形態は、アナターゼ型結晶となるか、または非晶質となる。そして、ガラス基板１に６００〜１０００℃の加熱処理を行うことにより、酸化チタン膜の結晶形態をルチル型結晶とすることができる。
【００３６】いずれの方法であっても、ルチル型結晶では（１１０）面が明瞭であるので、膜面の配向性を定める処理は必要ない。なお、偏光分離素子を製造するためには、ルチル型結晶とアナターゼ型結晶とは共に（１１０）面が明瞭であるので、いずれの結晶形であっても構わない。ルチル型結晶とした場合は、膜厚ｄ２を小さくすることができる。また、アナターゼ型結晶とした場合は、製造を容易に行うことができる。
【００３７】次いで、酸化チタン膜上に凹凸格子を形成するためのレジストを塗布し、露光、現像処理を行った後に、ガラス基板１の凹部１ｂの溝深さが所定値ｄ１となるまでエッチング処理を行う。この一連のエッチング処理は、半導体の製造プロセスに採用されている公知の簡易な方法である。このような処理を施すと、図１、図２R>２に示されるような偏光分離素子が得られることになる。
【００３８】図３は、本発明の第２実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００３９】この第２実施形態の偏光分離素子が第１実施形態のそれと違う点は、ガラス基板１における所定深さｄ１を有する凹部１ｂ上に、厚さｄ３の酸化チタン配向膜１２を新たに形成した点である。因みに、本実施形態及び後述の実施形態の偏光分離素子の製造方法は、上記各方法を適宜採用できる。
【００４０】ここで、図３におけるＡの領域を通過する常光の位相は、数１４に示す値になる。
【００４１】
【数１４】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｏ・ｄ２｝ｋ図３におけるＢの領域を通過する常光の位相は、数１５に示す値になる。
【００４２】
【数１５】｛ｎｓ（ｔ−ｄ１）＋ｎｏ・ｄ３＋ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ従って、常光の位相差ＯＰＤ（ｏ）は、（数１４）−（数１５）より、数式１６で示すようになる。
【００４３】
【数１６】ＯＰＤ（ｏ）＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｏ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ一方、Ａの領域を通過する異常光の位相は、数１７に示す値になる。
【００４４】
【数１７】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｅ・ｄ２｝ｋＢの領域を通過する異常光の位相は、数１８に示す値になる。
【００４５】
【数１８】｛ｎｓ（ｔ−ｄ１）＋ｎｅ・ｄ３＋ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ従って、異常光の位相差ＯＰＤ（ｅ）は、（数１７）−（数１８）より、数式１９に示すようになる。
【００４６】
【数１９】ＯＰＤ（ｅ）＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｅ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ因みに、ｎｃ＝１である。
【００４７】ここで、異常光が回折しないようにするためには、上記数式１６と数式１９のうち数式１９がπの偶数倍となるようにすれば良く、数式２０に示すようになる。
【００４８】
【数２０】
ＯＰＤ（ｅ）
＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｅ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ ＝２ｐπ、（ｐ＝０，±１，±２…）
また、常光が回折しないようにするためには、上記数式１６と数式１９のうち数式１６がπの偶数倍となるようにすれば良く、数式２１に示すようになる。
【００４９】
【数２１】
ＯＰＤ（ｏ）
＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｏ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ ＝２ｐπ、（ｐ＝０，±１，±２…）
ところで、これら２条件下では、ｄ１及びｄ２並びにｄ３の設定によっては、常光・異常光のうち回折させる光の中にも、回折しない光量が存在する場合がある。本発明の偏光分離素子は、例えば光ディスク装置のピックアップの中に用いることができるが、このような用途にあっては、常光・異常光のうち一方は全て回折させ、他方は全く回折しないようにすることが望ましい。このような目的のためには、数式２０に加えて、常光の位相差ＯＰＤ（ｏ）を数式２２に示すようにすれば良い。
【００５０】
【数２２】
ＯＰＤ（ｏ）
＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｏ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ ＝（２ｑ＋１）π、（ｑ＝０，±１，±２…）
或いは、数２１に加えて、異常光の位相差ＯＰＤ（ｅ）を数式２３に示すようにすれば良い。
【００５１】
【数２３】
ＯＰＤ（ｅ）
＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｅ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ ＝（２ｑ＋１）π、（ｑ＝０，±１，±２…）
この時、酸化チタン配向膜２，１２の厚さｄ２，ｄ３を決めるためには、（数式２２）−（数式２０）及び（数式２１）−（数式２３）より求められる数式２４が成り立つように、ｄ２，ｄ３を決めれば良い。
【００５２】
【数２４】
ＯＰＤ（ｏ）−ＯＰＤ（ｅ）＝（ｎｏ−ｎｅ）・（ｄ２−ｄ３）ｋ ＝（２ｊ＋１）π、（ｊ＝０，±１，±２…）
数式２０または数式２１を満足するように、酸化チタン配向膜２，１２の膜厚ｄ２，ｄ３、ガラス基板１の溝深さｄ１を設定すれば、上記偏光分離素子は回折格子として機能し、常光または異常光の何れか一方のみを回折させないようにすることができる。なお、ｄ２＝ｄ３とすると、数式２４が０となってしまうので、この条件は除外される。
【００５３】このように構成しても、第１実施形態と同様な効果を得ることができるというのはいうまでもない。また、凹部、凸部それぞれの複屈折材料が異なっていても良い。この場合もこれまでと同様に計算できる。
【００５４】図４は、本発明の第３実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００５５】この第３実施形態の偏光分離素子が第１実施形態のそれと違う点は、平坦なガラス基板１上に、凹凸状の酸化チタン配向膜２，２２を形成した点である。
【００５６】この凹状の酸化チタン配向膜２２及び凸状の酸化チタン配向膜２は、第１実施形態の第１の製造方法における酸化チタン膜上に凹部を形成する際に、ガラス基板１上に酸化チタン膜２２が所定厚ｄ３残るように、エッチング処理を行い、凹部には等方性のｎｃの媒質を充填し、得ることができる。
【００５７】この第３実施形態にあっても、上記第１、第２実施形態と同様の要領で計算を行うと、数式２５、数式２６の関係となる。
【００５８】
【数２５】
ＯＰＤ（ｏ）＝（ｄ２−ｄ３）・（ｎｏ−ｎｃ）・ｋ
【００５９】
【数２６】
ＯＰＤ（ｅ）＝（ｄ２−ｄ３）・（ｎｅ−ｎｃ）・ｋ因みに、ｎｃ＝１である。
【００６０】従って、常光を回折させないためには、常光の位相差ＯＰＤ（ｏ）を数式２７に示すようにすれば良い。
【００６１】
【数２７】
ＯＰＤ（ｏ）＝（ｄ２−ｄ３）・（ｎｏ−ｎｃ）・ｋ＝２ｑπ、（ｑ＝０，１，２…）
また、異常光を回折させないためには、異常光の位相差ＯＰＤ（ｅ）を数式２８に示すようにすれば良い。
【００６２】
【数２８】
ＯＰＤ（ｅ）＝（ｄ２−ｄ３）・（ｎｅ−ｎｃ）・ｋ＝２ｑπ、（ｑ＝０，１，２…）
数式２７または数式２８を満足するように、酸化チタン配向膜２の膜厚ｄ２、酸化チタン配向膜２２の膜厚ｄ３及びｎｃを設定すれば、偏光分離素子として、常光または異常光の何れか一方のみを回折させないようにすることができる。
【００６３】このように構成しても、先の第１、第２実施形態と同様な効果を得ることができるというのはいうまでもない。なお、図４における偏光分離素子の酸化チタン配向膜２２の厚みｄ３を０にするように構成することも可能である。また、ｎｃは空気でなくとも等方性材料であれば良い。
【００６４】図５は、本発明の第４実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００６５】同図において、符号１１は光学的等方性基板を示しており、この基板１１の表面には、上記酸化チタン配向膜３２が形成されている。この酸化チタン配向膜３２には凹凸による周期的な格子が形成されており、該酸化チタン配向膜３２の凹部の底面は基板１１の表面に達するまで掘下げられている。この酸化チタン配向膜３２の凹部、すなわち酸化チタン配向膜３２の凸部側面と基板１１の表面により囲まれる領域には、上記酸化チタン配向膜３２の異常光に対する屈折率ｎｅに等しい屈折率ｎｃの物質１３が充填されている。
【００６６】従って、異常光に対しては屈折率差がないために回折光を生じないが、常光に対しては屈折率差が生じ、位相格子として作用し回折光を生じる。
【００６７】このように構成しても偏光分離素子として機能し、かつ酸化チタン配向膜３２は、その特性として屈折率の温度変化が小さいので、偏光分離素子の耐環境性を高めることが可能となっている。また、その特性として結晶性が高いので、偏光分離素子の特性を均一化することが可能となっている。さらにまた、その特性として複屈折が大きいので、膜厚を薄くできるようになっており、偏光分離素子をコンパクト化することが可能となっている。
【００６８】図６は、本発明の第５実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００６９】この第５実施形態の偏光分離素子が第４実施形態のそれと違う点は、酸化チタン配向膜３２の凹部の底面を基板１１の表面に達するまで掘り下げずに所定厚残し、この残された部分３２ａの表面及び両隣の酸化チタン配向膜３２の凸部側面により囲まれる領域に、上記第４実施形態と同様な物質１３を充填した点である。
【００７０】このように構成しても、第４実施形態と同様な作用・効果を奏するというのはいうまでもない。
【００７１】なお、第４、第５実施形態においては、酸化チタン配向膜３２の凹部に、該酸化チタン配向膜３２の異常光に対する屈折率ｎｅに等しい屈折率ｎｃの物質１３を充填するようにしているが、常光に対する屈折率ｎｏに等しい屈折率の物質を充填するようにしても良い。この場合には、異常光に対しては屈折率差が生じ位相格子として作用し回折光を生じるが、常光に対しては屈折率差がないために回折光を生じない。
【００７２】因みに、図２に示されるように、表面に凹凸状の周期格子が形成された光学的等方性基板１と、この光学的等方性基板１の凸部上に形成された酸化チタン配向膜２と、を具備し、光学的等方性基板１の凹凸部及び酸化チタン配向膜２により形成される溝内に、酸化チタン配向膜の常光屈折率または異常光屈折率の何れか一方に等しい屈折率の物質を充填するようにした偏光分離素子にあっても、前述の数式１３並びに数式１１若しくは数式１２を満足するように、酸化チタン配向膜２の厚み及び基板１の凹部１ｂの深さを設定すれば、上記第４、第５実施形態と同様に、常光または異常光の何れか一方のみを回折させることができるというのはいうまでもない。
【００７３】図７は、本発明は第６実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００７４】同図において、符号１は、例えばガラス材よりなる光学的等方性基板を示しており、このガラス基板１の表面には、酸化チタン配向膜２が形成されている。この酸化チタン配向膜２には凹凸による周期的な格子が形成されており、該酸化チタン配向膜２の凹部の底面はガラス基板１の表面に達するまで掘り下げられている。酸化チタン配向膜２の凹部、すなわち酸化チタン配向膜２の凸部側面とガラス基板１の表面により囲まれる領域には、充填物質（但し、常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅにほぼ等しい屈折率を有する物質を除く）４０が充填されており、該充填物質４０の屈折率（ｎｃ）と、該酸化チタン配向膜２の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎｅ）との間に、数式２９に示す関係が成り立っている。
【００７５】
【数２９】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｍ＝±１，±２，±３…）
＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｌ＝±１，±２，±３…）
ここで、ガラス基板１の厚さをｔ、酸化チタン配向膜２の厚さをｄ２、ガラス基板１の屈折率をｎｓ、酸化チタン配向膜２の常光に対する屈折率をｎｏ、酸化チタン配向膜２の異常光に対する屈折率をｎｅ、充填物質４０の屈折率をｎｃ、光の波長をλ、ｋ＝λ／２π、とすると、Ａの領域を通過する常光の位相は数３０で表され、
【００７６】
【数３０】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｏ・ｄ２｝・ｋＢの領域を通過する常光の位相は数３１で表される。
【００７７】
【数３１】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｃ・ｄ２｝・ｋ従って、常光のＡ，Ｂの位相差ＯＰＤ（ｏ）は、（数３０の値）−（数３１の値）より、数式３２に示すようになる。
【００７８】
【数３２】ＯＰＤ（ｏ）＝（ｎｏ−ｎｃ）・ｄ２・ｋ一方、Ａの領域を通過する異常光の位相は、数３３で表され、
【００７９】
【数３３】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｅ・ｄ２｝・ｋＢの領域を通過する異常光の位相は、数３４で表される。
【００８０】
【数３４】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｃ・ｄ２｝・ｋ従って、異常光のＡ，Ｂの位相差ＯＰＤ（ｅ）は、（数３３の値）−（数３４の値）より、数式３５に示すようになる。
【００８１】
【数３５】ＯＰＤ（ｅ）＝（ｎｅ−ｎｃ）・ｄ２・ｋここで、ｎｃは、数式３６と数式３７に示すような値となる。
【００８２】
【数３６】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）、（但しｍは整数）
【００８３】
【数３７】
ｎｃ＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）、（但しｌは整数）
ところで、常光の位相差は、数式３８に示すようになる。
【００８４】
【数３８】
ＯＰＤ（ｏ）＝−ｍ（ｎｏ−ｎｅ）・ｄ２・ｋ異常光の位相差は、数式３９に示すようになる。
【００８５】
【数３９】
ＯＰＤ（ｅ）＝−ｌ（ｎｏ−ｎｅ）・ｄ２・ｋどちらかのみ回折させないためには、数式４０または数式４１を満たすようにｄ２を決めれば良い。
【００８６】
【数４０】
ＯＰＤ（ｏ）＝−ｍ（ｎｏ−ｎｅ）・ｄ２・ｋ＝２ｐπ、（ｐ＝±１，±２，±３…）
【００８７】
【数４１】
ＯＰＤ（ｅ）＝−ｌ（ｎｏ−ｎｅ）・ｄ２・ｋ＝２ｐπ、（ｐ＝±１，±２，±３…）
また、この実施形態にあっても、常光・異常光のうち一方は回折させず、他方は全て回折させるようにすることが望ましく、この場合には、さらにＯＰＤ（ｏ）とＯＰＤ（ｅ）との差がπの奇数倍であるという条件が加わり、数式４２に示すようになる。
【００８８】
【数４２】
ＯＰＤ（ｏ）−ＯＰＤ（ｅ）＝（ｌ−ｍ）（ｎｏ−ｎｅ）・ｄ２・ｋ ＝（２ｉ＋１）π、（ｉ＝０，±１，±２…）
ここで、（数式３６）−（数式３７）よりｎｃの差をとると、数式４３に示すようになる。
【００８９】
【数４３】
ｎｏ−ｎｅ＋（ｍ−ｌ）（ｎｏ−ｎｅ）＝０ここで、ｌ−ｍ＝１であるから、数式４４に示すようにｄ２が定められる。
【００９０】
【数４４】
ｄ２＝π（２ｉ＋１）／［ｋ・｜ｎｏ−ｎｅ｜］
＝（λ／２）（２ｉ＋１）／｜ｎｏ−ｎｅ｜このように、第６実施形態においては、光学的等方性基板としてのガラス基板１上に酸化チタン配向膜２を形成すると共に、表面に凹凸状の周期格子を形成し、その凹部に、充填物質（但し、常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅに略等しい屈折率を有する物質を除く）４０を充填し、該充填物質４０の屈折率（ｎｃ）と、該酸化チタン配向膜２の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎｅ）との間に、数式４５に示す関係が成り立つようにしたので、
【００９１】
【数４５】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｍ＝±１，±２，±３…）
＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｌ＝±１，±２，±３…）
上述のように、偏光分離素子として機能させることができるようになっており、かつ酸化チタン配向膜２は、その特性として屈折率の温度変化が小さいので、偏光分離素子の耐環境性を高めることが可能となっている。また、その特性として結晶性が高いので、偏光分離素子の特性を均一化することが可能となっている。さらにまた、その特性として複屈折が大きいので、膜厚を薄くできるようになっており、偏光分離素子をコンパクト化することが可能となっている。
【００９２】図８は、本発明の第７実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００９３】この第７実施形態の偏光分離素子が第６実施形態のそれと違う点は、酸化チタン配向膜２の凹部の底面をガラス基板１の表面に達するまで掘下げずに所定厚残し、この残された部分２２の表面及び両隣の酸化チタン配向膜２の凸部側面により囲まれる領域に、上記第６実施形態と同様な充填物質４０を充填した点である。
【００９４】このように構成しても、第６実施形態と同様にして計算を行うと、ＯＰＤ（ｏ）またはＯＰＤ（ｅ）の何れか一方をπの偶数倍とすることができ、常光または異常光の何れか一方は回折せず、他方は回折することになり、第６実施形態と同様な作用・効果を奏することになる。
【００９５】因みに、図２に示されるように、表面に凹凸状の周期格子が形成された光学的等方性基板１と、この光学的等方性基板１の凸部上に形成された酸化チタン配向膜２と、を具備し、光学的等方性基板１の凹凸部及び酸化チタン配向膜２により形成される溝内に、充填物質（但し、常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅに略等しい屈折率を有する物質を除く）４０を充填し、該充填物質４０の屈折率（ｎｃ）と、該酸化チタン配向膜２の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎｅ）との間に、数式４６に示す関係が成り立つようにした偏光分離素子にあっても、
【００９６】
【数４６】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｍ＝±１，±２，±３…）
＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｌ＝±１，±２，±３…）
前述の数式１３並びに数式１１若しくは数式１２を満足するように、酸化チタン配向膜２の厚み及び基板１の凹部１ｂの深さを設定すれば、先の実施形態と同様な作用・効果を奏する。
【００９７】以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記各実施形態で説明した偏光分離素子の表裏面の少なくとも一方の面に反射防止膜を設け、回折効率の向上を図るようにしても良い。
【００９８】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の偏光分離素子によれば、基板上に形成される酸化チタン膜は、その特性として屈折率の温度変化が小さいので、偏光分離素子の耐環境性を高めることが可能となる。また、酸化チタン膜は無機材料であるため、引っかき等の外力に対する耐久性や耐水性、耐薬品性に優れる。
【００９９】さらに、その特性として結晶性が高いので、偏光分離素子の特性を均一化することが可能となる。しかも、その特性として複屈折が大きいので、膜厚を薄くでき、偏光分離素子をコンパクト化することが可能になる。また、酸化チタン膜は光を吸収することがないので、透過率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す偏光分離素子の斜視図である。
【図２】図１の偏光分離素子の縦断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【図６】本発明の第５実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【図７】本発明の第６実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【図８】本発明の第７実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【符号の説明】
１，１１ 基板（光学的等方性基板）
２，１２，２２，３２，３２ａ 酸化チタン膜
１３，４０ 充填物質
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、偏光分離素子に関する。更に詳述すると、光磁気ディスクの偏光子やアイソレータ等の光学装置に適した偏光分離素子に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、例えば光磁気ディスク等の各種光学装置にあっては、偏光方向によって回折効率を異ならしめる偏光分離素子が備えられている。この偏光分離素子に関しては種々の提案がなされており、例えば特開昭６３−２６２６０２号公報等に記載されている。
【０００３】この特開昭６３−２６２６０２号公報記載の偏光分離素子は、光学的等方性基板の主面に凹凸状の周期格子を形成し、該周期格子の表面を、主屈折率の一方が上記等方性基板の屈折率と等しい屈折率を有する液晶で覆うというものであり、例えば常光に対する屈折率が上記等方性基板のそれと一致し、異常光に対する屈折率が上記等方性基板のそれと異なる液晶を用いれば、該偏光分離素子は、常光に対しては回折格子としての機能を果たさないが、異常光に対しては回折格子としての機能を果たすといったものである。
【０００４】また、液晶に代えて、ニオブ酸リチウム結晶を用いるものも知られている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記偏光分離素子にあっては、以下の問題がある。すなわち、特開昭６３−２６２６０２号公報記載の偏光分離素子にあっては、液晶の屈折率の温度係数が大きく、環境に対する性能が不安定になるといった問題がある。
【０００６】また、従来の一般的な偏光分離素子にあっては、等方性基板上に形成される複屈折材料の複屈折が小さいので、膜厚が比較的厚くなり、コンパクトにできないといった問題や、結晶性が低いので、特性が不均一になるといった問題もある。
【０００７】そこで、本発明は、耐環境性が高く、しかも均一な特性を有し、その上コンパクト化がなされる偏光分離素子を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】請求項１の偏光分離素子は、上記目的を達成するために、光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、表面に凹凸状の周期格子が形成し、該凹部に、複屈折材料の常光屈折率または異常光屈折率の何れか一方に等しい屈折率の物質を充填してなる。
【０００９】請求項２の偏光分離素子は、上記目的を達成するために、光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、この複屈折材料層に凹凸状の周期格子を形成し、前記凹部と凸部の間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、前記複屈折材料層の凹凸部の厚みを設定してなる。
【００１０】請求項３の偏光分離素子は、上記目的を達成するために、表面に凹凸状の周期格子が形成された光学的等方性基板と、この光学的等方性基板の前記凹凸部の少なくとも凸部上に形成された酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層と、を具備し、前記凹部と凸部の間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、前記複屈折材料層の厚み及び前記基板の凹部深さを設定してなる。
【００１１】請求項４の偏光分離素子は、上記目的を達成するために、光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、表面に凹凸状の周期格子を形成し、該凹部に、光学的等方性物質を充填してなる偏光分離素子であって、該光学的等方性物質の屈折率（ｎｃ）と、該複屈折材料の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎｅ）との間に、以下の数式２に示す関係があることを特徴とする。
【００１２】
【数２】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｍ＝±１，±２，±３…）
＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｌ＝±１，±２，±３…）
請求項５の偏光分離素子は、上記目的を達成するために、請求項１乃至６に加えて、表裏面の少なくとも一方の面に、反射防止膜を具備した。
【００１３】このような請求項１乃至５における偏光分離素子によれば、酸化チタン膜は、その特性として屈折率の温度変化が小さいので、偏光分離素子の耐環境性を高めるよう働く。また、その特性として結晶性が高いので、偏光分離素子の特性を均一化するよう働く。さらにまた、その特性として複屈折が大きいので、膜厚を薄くするよう働く。
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１５】図１は本発明の一実施形態を示す偏光分離素子の斜視図、図２は図１の偏光分離素子の縦断面図である。
【００１６】図１、図２において、符号１は、例えばガラス材よりなる等方性基板を示しており、このガラス基板１表面には凹凸による周期的な格子が形成されている。なお、本実施形態では基板をガラス材により形成しているが、等方性基板であればプラスチック等の他の材質により形成しても構わない。そして、ガラス基板１表面の凸部１ａ上には酸化チタン薄膜２が形成されており、この酸化チタン薄膜２は主面Ｘ−Ｙ面内で配向がなされている。
【００１７】ここで、ガラス基板１の凸部の厚さをｔ、ガラス基板１の凹部１ｂの溝深さをｄ１、酸化チタン薄膜（配向膜）２の厚さをｄ２、ガラス基板１の屈折率をｎｓ、酸化チタン薄膜２の常光に対する屈折率をｎｏ、酸化チタン薄膜２の異常光に対する屈折率をｎｅ、ガラス基板１の凹凸部及び酸化チタン薄膜２により形成される溝内の屈折率をｎｃ、光の波長をλとし、ｋ＝２π／λとすると、酸化チタン薄膜２が形成された偏光分離素子を通過する（図２におけるＡの領域を通過する）常光の位相は、数３に示す値になる。
【００１８】
【数３】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｏ・ｄ２｝ｋ酸化チタン薄膜２が形成されていない偏光分離素子を通過する（図２におけるＢの領域を通過する）常光の位相は、数４に示す値になる。
【００１９】
【数４】｛ｎｓ（ｔ−ｄ１）＋ｎｃ（ｄ１＋ｄ２）｝ｋ従って、常光の位相差ＯＰＤ（ｏ）は、（数１の値）−（数２の値）により、数式５に示すようになる。
【００２０】
【数５】ＯＰＤ（ｏ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｏ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ一方、Ａの領域を通過する異常光の位相は、数６に示す値になる。
【００２１】
【数６】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｅ・ｄ２｝ｋＢの領域を通過する異常光の位相は、数７に示す値になる。
【００２２】
【数７】｛ｎｓ（ｔ−ｄ１）＋ｎｃ（ｄ１＋ｄ２）｝ｋ従って、異常光の位相差ＯＰＤ（ｅ）は、（数６の値）−（数７の値）により、数式８に示すようになる。
【００２３】
【数８】ＯＰＤ（ｅ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｅ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ因みに、ガラス基板１の凹凸部及び酸化チタン薄膜２により形成される溝内には空気が充填されていると考えて、ｎｃ＝１となる。
【００２４】ここで、異常光が回折しないようにするためには、上記数式５と数式８のうち数式８がπの偶数倍となるようにすれば良い。すなわち、数式９のようになる。
【００２５】
【数９】
ＯＰＤ（ｅ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｅ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ ＝２ｐπ、（ｐ＝０，±１，±２…）
また、常光が回折しないようにするためには、上記数式５と数式８のうち数式５がπの偶数倍となるようにすれば良い。すなわち、数式１０のようになる。
【００２６】
【数１０】
ＯＰＤ（ｏ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｏ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ ＝２ｐπ、（ｐ＝０，±１，±２…）
ところで、これら２条件下では、ｄ１及びｄ２の設定によっては、常光・異常光のうち回折させる光の中にも、回折しない光量が存在する場合がある。本発明の偏光分離素子は、例えば光ディスク装置のピックアップの中に用いることができるが、このような用途があっては、常光・異常光のうち一方は全て回折させ、他方は全く回折しないようにすることが望ましい。このような目的のためには、数式９に加えて、常光の位相差ＯＰＤ（ｏ）を数式１１に示すようにすれば良い。
【００２７】
【数１１】
ＯＰＤ（ｏ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｏ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ ＝（２ｑ＋１）π、（ｑ＝０，±１，±２…）
或いは、数式１０に加えて、異常光の位相差ＯＰＤ（ｅ）を数式１２に示すようにすれば良い。
【００２８】
【数１２】
ＯＰＤ（ｅ）＝｛（ｎｓ−ｎｃ）ｄ１＋（ｎｅ−ｎｃ）ｄ２｝ｋ ＝（２ｑ＋１）π、（ｑ＝０，±１，±２…）
この時、酸化チタン配向膜２の厚さｄ２を決めるためには、（数式１１）−（数式９）及び（数式１０）−（数式１２）より求められる数式１３が成り立つように、ｄ２を決めれば良い。
【００２９】
【数１３】
ＯＰＤ（ｏ）−ＯＰＤ（ｅ）＝（ｎｏ−ｎｅ）ｄ２・ｋ＝（２ｊ＋１）π、（ｊ＝０，±１，±２…）
因みに、ｄ２＝π（２ｊ＋１）／｛ｋ・｜ｎｏ−ｎｅ｜｝となり、ｄ２は酸化チタン配向膜２のｎｏとｎｅの差に依存していることが分かる。すなわち、ｄ２を小さくするには、（ｎｏ−ｎｅ）の絶対値が大きい方が良いことになる。
【００３０】ここで、酸化チタン配向膜の結晶がルチル型結晶である場合は複屈折が約０．３となり、アナターゼ型結晶である場合は複屈折が約０．１となる。このため、ルチル型結晶の方が、ｄ２を小さくすることができる。
【００３１】また、数式９または数式１０を満足するように、酸化チタン配向膜２の膜厚ｄ２、ガラス基板１の溝深さｄ１を設定すれば、上記偏光分離素子は回折格子として機能し、常光または異常光の何れか一方のみを回折させないようにすることができる。
【００３２】このように、本実施形態においては、表面に凹凸状の周期格子が形成されたガラス基板１と、このガラス基板１の凸部１ａ上に形成され、該ガラス基板１の主面の面内方向に配向された酸化チタン配向膜２と、を具備し、凹部１ｂと凸部１ａの間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、酸化チタン配向膜の厚みｄ２及び基板１の凹部深さｄ１を設定するようにしたので、上述のように、偏光分離素子として機能させることができるようになっている。ここで、酸化チタン配向膜２は、その特性として屈折率の温度変化が小さいので、偏光分離素子の耐環境性を高めることが可能となっている。また、その特性として結晶性が高いので、偏光分離素子の特性を均一化することが可能となっている。さらにまた、その特性として複屈折が大きいので、膜厚を薄くできるようになっており、偏光分離素子をコンパクト化することが可能となっている。
【００３３】次に、このように構成された偏光分離素子の製造方法について説明する。
【００３４】ガラス基板１上に、ＥＣＲスパッタ法、イオンビームスパッタ法、レーザアブレーション法のいずれかの方法で酸化チタンの薄膜を形成する。この場合、ガラス基板１が５００℃以下の温度であっても、アナターゼ型結晶を形成することなくルチル型結晶を形成することができる。このため、特に高温での加熱処理を不要とし、高価な耐熱ガラスや石英を用いることなくルチル型結晶の酸化チタンを得ることができる。
【００３５】一方、上述の方法とは別に、ガラス基板１上に、スパッタ、ＣＶＤ、蒸着等の方法によって酸化チタンの薄膜を形成することができる。この場合、形成された酸化チタン膜の結晶形態は、アナターゼ型結晶となるか、または非晶質となる。そして、ガラス基板１に６００〜１０００℃の加熱処理を行うことにより、酸化チタン膜の結晶形態をルチル型結晶とすることができる。
【００３６】いずれの方法であっても、ルチル型結晶では（１１０）面が明瞭であるので、膜面の配向性を定める処理は必要ない。なお、偏光分離素子を製造するためには、ルチル型結晶とアナターゼ型結晶とは共に（１１０）面が明瞭であるので、いずれの結晶形であっても構わない。ルチル型結晶とした場合は、膜厚ｄ２を小さくすることができる。また、アナターゼ型結晶とした場合は、製造を容易に行うことができる。
【００３７】次いで、酸化チタン膜上に凹凸格子を形成するためのレジストを塗布し、露光、現像処理を行った後に、ガラス基板１の凹部１ｂの溝深さが所定値ｄ１となるまでエッチング処理を行う。この一連のエッチング処理は、半導体の製造プロセスに採用されている公知の簡易な方法である。このような処理を施すと、図１、図２R>２に示されるような偏光分離素子が得られることになる。
【００３８】図３は、本発明の第２実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００３９】この第２実施形態の偏光分離素子が第１実施形態のそれと違う点は、ガラス基板１における所定深さｄ１を有する凹部１ｂ上に、厚さｄ３の酸化チタン配向膜１２を新たに形成した点である。因みに、本実施形態及び後述の実施形態の偏光分離素子の製造方法は、上記各方法を適宜採用できる。
【００４０】ここで、図３におけるＡの領域を通過する常光の位相は、数１４に示す値になる。
【００４１】
【数１４】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｏ・ｄ２｝ｋ図３におけるＢの領域を通過する常光の位相は、数１５に示す値になる。
【００４２】
【数１５】｛ｎｓ（ｔ−ｄ１）＋ｎｏ・ｄ３＋ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ従って、常光の位相差ＯＰＤ（ｏ）は、（数１４）−（数１５）より、数式１６で示すようになる。
【００４３】
【数１６】ＯＰＤ（ｏ）＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｏ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ一方、Ａの領域を通過する異常光の位相は、数１７に示す値になる。
【００４４】
【数１７】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｅ・ｄ２｝ｋＢの領域を通過する異常光の位相は、数１８に示す値になる。
【００４５】
【数１８】｛ｎｓ（ｔ−ｄ１）＋ｎｅ・ｄ３＋ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ従って、異常光の位相差ＯＰＤ（ｅ）は、（数１７）−（数１８）より、数式１９に示すようになる。
【００４６】
【数１９】ＯＰＤ（ｅ）＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｅ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ因みに、ｎｃ＝１である。
【００４７】ここで、異常光が回折しないようにするためには、上記数式１６と数式１９のうち数式１９がπの偶数倍となるようにすれば良く、数式２０に示すようになる。
【００４８】
【数２０】
ＯＰＤ（ｅ）
＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｅ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ ＝２ｐπ、（ｐ＝０，±１，±２…）
また、常光が回折しないようにするためには、上記数式１６と数式１９のうち数式１６がπの偶数倍となるようにすれば良く、数式２１に示すようになる。
【００４９】
【数２１】
ＯＰＤ（ｏ）
＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｏ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ ＝２ｐπ、（ｐ＝０，±１，±２…）
ところで、これら２条件下では、ｄ１及びｄ２並びにｄ３の設定によっては、常光・異常光のうち回折させる光の中にも、回折しない光量が存在する場合がある。本発明の偏光分離素子は、例えば光ディスク装置のピックアップの中に用いることができるが、このような用途にあっては、常光・異常光のうち一方は全て回折させ、他方は全く回折しないようにすることが望ましい。このような目的のためには、数式２０に加えて、常光の位相差ＯＰＤ（ｏ）を数式２２に示すようにすれば良い。
【００５０】
【数２２】
ＯＰＤ（ｏ）
＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｏ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ ＝（２ｑ＋１）π、（ｑ＝０，±１，±２…）
或いは、数２１に加えて、異常光の位相差ＯＰＤ（ｅ）を数式２３に示すようにすれば良い。
【００５１】
【数２３】
ＯＰＤ（ｅ）
＝｛（ｄ２−ｄ３）ｎｅ＋ｎｓ・ｄ１−ｎｃ（ｄ１＋ｄ２−ｄ３）｝ｋ ＝（２ｑ＋１）π、（ｑ＝０，±１，±２…）
この時、酸化チタン配向膜２，１２の厚さｄ２，ｄ３を決めるためには、（数式２２）−（数式２０）及び（数式２１）−（数式２３）より求められる数式２４が成り立つように、ｄ２，ｄ３を決めれば良い。
【００５２】
【数２４】
ＯＰＤ（ｏ）−ＯＰＤ（ｅ）＝（ｎｏ−ｎｅ）・（ｄ２−ｄ３）ｋ ＝（２ｊ＋１）π、（ｊ＝０，±１，±２…）
数式２０または数式２１を満足するように、酸化チタン配向膜２，１２の膜厚ｄ２，ｄ３、ガラス基板１の溝深さｄ１を設定すれば、上記偏光分離素子は回折格子として機能し、常光または異常光の何れか一方のみを回折させないようにすることができる。なお、ｄ２＝ｄ３とすると、数式２４が０となってしまうので、この条件は除外される。
【００５３】このように構成しても、第１実施形態と同様な効果を得ることができるというのはいうまでもない。また、凹部、凸部それぞれの複屈折材料が異なっていても良い。この場合もこれまでと同様に計算できる。
【００５４】図４は、本発明の第３実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００５５】この第３実施形態の偏光分離素子が第１実施形態のそれと違う点は、平坦なガラス基板１上に、凹凸状の酸化チタン配向膜２，２２を形成した点である。
【００５６】この凹状の酸化チタン配向膜２２及び凸状の酸化チタン配向膜２は、第１実施形態の第１の製造方法における酸化チタン膜上に凹部を形成する際に、ガラス基板１上に酸化チタン膜２２が所定厚ｄ３残るように、エッチング処理を行い、凹部には等方性のｎｃの媒質を充填し、得ることができる。
【００５７】この第３実施形態にあっても、上記第１、第２実施形態と同様の要領で計算を行うと、数式２５、数式２６の関係となる。
【００５８】
【数２５】
ＯＰＤ（ｏ）＝（ｄ２−ｄ３）・（ｎｏ−ｎｃ）・ｋ
【００５９】
【数２６】
ＯＰＤ（ｅ）＝（ｄ２−ｄ３）・（ｎｅ−ｎｃ）・ｋ因みに、ｎｃ＝１である。
【００６０】従って、常光を回折させないためには、常光の位相差ＯＰＤ（ｏ）を数式２７に示すようにすれば良い。
【００６１】
【数２７】
ＯＰＤ（ｏ）＝（ｄ２−ｄ３）・（ｎｏ−ｎｃ）・ｋ＝２ｑπ、（ｑ＝０，１，２…）
また、異常光を回折させないためには、異常光の位相差ＯＰＤ（ｅ）を数式２８に示すようにすれば良い。
【００６２】
【数２８】
ＯＰＤ（ｅ）＝（ｄ２−ｄ３）・（ｎｅ−ｎｃ）・ｋ＝２ｑπ、（ｑ＝０，１，２…）
数式２７または数式２８を満足するように、酸化チタン配向膜２の膜厚ｄ２、酸化チタン配向膜２２の膜厚ｄ３及びｎｃを設定すれば、偏光分離素子として、常光または異常光の何れか一方のみを回折させないようにすることができる。
【００６３】このように構成しても、先の第１、第２実施形態と同様な効果を得ることができるというのはいうまでもない。なお、図４における偏光分離素子の酸化チタン配向膜２２の厚みｄ３を０にするように構成することも可能である。また、ｎｃは空気でなくとも等方性材料であれば良い。
【００６４】図５は、本発明の第４実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００６５】同図において、符号１１は光学的等方性基板を示しており、この基板１１の表面には、上記酸化チタン配向膜３２が形成されている。この酸化チタン配向膜３２には凹凸による周期的な格子が形成されており、該酸化チタン配向膜３２の凹部の底面は基板１１の表面に達するまで掘下げられている。この酸化チタン配向膜３２の凹部、すなわち酸化チタン配向膜３２の凸部側面と基板１１の表面により囲まれる領域には、上記酸化チタン配向膜３２の異常光に対する屈折率ｎｅに等しい屈折率ｎｃの物質１３が充填されている。
【００６６】従って、異常光に対しては屈折率差がないために回折光を生じないが、常光に対しては屈折率差が生じ、位相格子として作用し回折光を生じる。
【００６７】このように構成しても偏光分離素子として機能し、かつ酸化チタン配向膜３２は、その特性として屈折率の温度変化が小さいので、偏光分離素子の耐環境性を高めることが可能となっている。また、その特性として結晶性が高いので、偏光分離素子の特性を均一化することが可能となっている。さらにまた、その特性として複屈折が大きいので、膜厚を薄くできるようになっており、偏光分離素子をコンパクト化することが可能となっている。
【００６８】図６は、本発明の第５実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００６９】この第５実施形態の偏光分離素子が第４実施形態のそれと違う点は、酸化チタン配向膜３２の凹部の底面を基板１１の表面に達するまで掘り下げずに所定厚残し、この残された部分３２ａの表面及び両隣の酸化チタン配向膜３２の凸部側面により囲まれる領域に、上記第４実施形態と同様な物質１３を充填した点である。
【００７０】このように構成しても、第４実施形態と同様な作用・効果を奏するというのはいうまでもない。
【００７１】なお、第４、第５実施形態においては、酸化チタン配向膜３２の凹部に、該酸化チタン配向膜３２の異常光に対する屈折率ｎｅに等しい屈折率ｎｃの物質１３を充填するようにしているが、常光に対する屈折率ｎｏに等しい屈折率の物質を充填するようにしても良い。この場合には、異常光に対しては屈折率差が生じ位相格子として作用し回折光を生じるが、常光に対しては屈折率差がないために回折光を生じない。
【００７２】因みに、図２に示されるように、表面に凹凸状の周期格子が形成された光学的等方性基板１と、この光学的等方性基板１の凸部上に形成された酸化チタン配向膜２と、を具備し、光学的等方性基板１の凹凸部及び酸化チタン配向膜２により形成される溝内に、酸化チタン配向膜の常光屈折率または異常光屈折率の何れか一方に等しい屈折率の物質を充填するようにした偏光分離素子にあっても、前述の数式１３並びに数式１１若しくは数式１２を満足するように、酸化チタン配向膜２の厚み及び基板１の凹部１ｂの深さを設定すれば、上記第４、第５実施形態と同様に、常光または異常光の何れか一方のみを回折させることができるというのはいうまでもない。
【００７３】図７は、本発明は第６実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００７４】同図において、符号１は、例えばガラス材よりなる光学的等方性基板を示しており、このガラス基板１の表面には、酸化チタン配向膜２が形成されている。この酸化チタン配向膜２には凹凸による周期的な格子が形成されており、該酸化チタン配向膜２の凹部の底面はガラス基板１の表面に達するまで掘り下げられている。酸化チタン配向膜２の凹部、すなわち酸化チタン配向膜２の凸部側面とガラス基板１の表面により囲まれる領域には、充填物質（但し、常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅにほぼ等しい屈折率を有する物質を除く）４０が充填されており、該充填物質４０の屈折率（ｎｃ）と、該酸化チタン配向膜２の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎｅ）との間に、数式２９に示す関係が成り立っている。
【００７５】
【数２９】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｍ＝±１，±２，±３…）
＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｌ＝±１，±２，±３…）
ここで、ガラス基板１の厚さをｔ、酸化チタン配向膜２の厚さをｄ２、ガラス基板１の屈折率をｎｓ、酸化チタン配向膜２の常光に対する屈折率をｎｏ、酸化チタン配向膜２の異常光に対する屈折率をｎｅ、充填物質４０の屈折率をｎｃ、光の波長をλ、ｋ＝λ／２π、とすると、Ａの領域を通過する常光の位相は数３０で表され、
【００７６】
【数３０】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｏ・ｄ２｝・ｋＢの領域を通過する常光の位相は数３１で表される。
【００７７】
【数３１】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｃ・ｄ２｝・ｋ従って、常光のＡ，Ｂの位相差ＯＰＤ（ｏ）は、（数３０の値）−（数３１の値）より、数式３２に示すようになる。
【００７８】
【数３２】ＯＰＤ（ｏ）＝（ｎｏ−ｎｃ）・ｄ２・ｋ一方、Ａの領域を通過する異常光の位相は、数３３で表され、
【００７９】
【数３３】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｅ・ｄ２｝・ｋＢの領域を通過する異常光の位相は、数３４で表される。
【００８０】
【数３４】｛ｎｓ・ｔ＋ｎｃ・ｄ２｝・ｋ従って、異常光のＡ，Ｂの位相差ＯＰＤ（ｅ）は、（数３３の値）−（数３４の値）より、数式３５に示すようになる。
【００８１】
【数３５】ＯＰＤ（ｅ）＝（ｎｅ−ｎｃ）・ｄ２・ｋここで、ｎｃは、数式３６と数式３７に示すような値となる。
【００８２】
【数３６】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）、（但しｍは整数）
【００８３】
【数３７】
ｎｃ＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）、（但しｌは整数）
ところで、常光の位相差は、数式３８に示すようになる。
【００８４】
【数３８】
ＯＰＤ（ｏ）＝−ｍ（ｎｏ−ｎｅ）・ｄ２・ｋ異常光の位相差は、数式３９に示すようになる。
【００８５】
【数３９】
ＯＰＤ（ｅ）＝−ｌ（ｎｏ−ｎｅ）・ｄ２・ｋどちらかのみ回折させないためには、数式４０または数式４１を満たすようにｄ２を決めれば良い。
【００８６】
【数４０】
ＯＰＤ（ｏ）＝−ｍ（ｎｏ−ｎｅ）・ｄ２・ｋ＝２ｐπ、（ｐ＝±１，±２，±３…）
【００８７】
【数４１】
ＯＰＤ（ｅ）＝−ｌ（ｎｏ−ｎｅ）・ｄ２・ｋ＝２ｐπ、（ｐ＝±１，±２，±３…）
また、この実施形態にあっても、常光・異常光のうち一方は回折させず、他方は全て回折させるようにすることが望ましく、この場合には、さらにＯＰＤ（ｏ）とＯＰＤ（ｅ）との差がπの奇数倍であるという条件が加わり、数式４２に示すようになる。
【００８８】
【数４２】
ＯＰＤ（ｏ）−ＯＰＤ（ｅ）＝（ｌ−ｍ）（ｎｏ−ｎｅ）・ｄ２・ｋ ＝（２ｉ＋１）π、（ｉ＝０，±１，±２…）
ここで、（数式３６）−（数式３７）よりｎｃの差をとると、数式４３に示すようになる。
【００８９】
【数４３】
ｎｏ−ｎｅ＋（ｍ−ｌ）（ｎｏ−ｎｅ）＝０ここで、ｌ−ｍ＝１であるから、数式４４に示すようにｄ２が定められる。
【００９０】
【数４４】
ｄ２＝π（２ｉ＋１）／［ｋ・｜ｎｏ−ｎｅ｜］
＝（λ／２）（２ｉ＋１）／｜ｎｏ−ｎｅ｜このように、第６実施形態においては、光学的等方性基板としてのガラス基板１上に酸化チタン配向膜２を形成すると共に、表面に凹凸状の周期格子を形成し、その凹部に、充填物質（但し、常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅに略等しい屈折率を有する物質を除く）４０を充填し、該充填物質４０の屈折率（ｎｃ）と、該酸化チタン配向膜２の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎｅ）との間に、数式４５に示す関係が成り立つようにしたので、
【００９１】
【数４５】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｍ＝±１，±２，±３…）
＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｌ＝±１，±２，±３…）
上述のように、偏光分離素子として機能させることができるようになっており、かつ酸化チタン配向膜２は、その特性として屈折率の温度変化が小さいので、偏光分離素子の耐環境性を高めることが可能となっている。また、その特性として結晶性が高いので、偏光分離素子の特性を均一化することが可能となっている。さらにまた、その特性として複屈折が大きいので、膜厚を薄くできるようになっており、偏光分離素子をコンパクト化することが可能となっている。
【００９２】図８は、本発明の第７実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【００９３】この第７実施形態の偏光分離素子が第６実施形態のそれと違う点は、酸化チタン配向膜２の凹部の底面をガラス基板１の表面に達するまで掘下げずに所定厚残し、この残された部分２２の表面及び両隣の酸化チタン配向膜２の凸部側面により囲まれる領域に、上記第６実施形態と同様な充填物質４０を充填した点である。
【００９４】このように構成しても、第６実施形態と同様にして計算を行うと、ＯＰＤ（ｏ）またはＯＰＤ（ｅ）の何れか一方をπの偶数倍とすることができ、常光または異常光の何れか一方は回折せず、他方は回折することになり、第６実施形態と同様な作用・効果を奏することになる。
【００９５】因みに、図２に示されるように、表面に凹凸状の周期格子が形成された光学的等方性基板１と、この光学的等方性基板１の凸部上に形成された酸化チタン配向膜２と、を具備し、光学的等方性基板１の凹凸部及び酸化チタン配向膜２により形成される溝内に、充填物質（但し、常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅに略等しい屈折率を有する物質を除く）４０を充填し、該充填物質４０の屈折率（ｎｃ）と、該酸化チタン配向膜２の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎｅ）との間に、数式４６に示す関係が成り立つようにした偏光分離素子にあっても、
【００９６】
【数４６】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｍ＝±１，±２，±３…）
＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｌ＝±１，±２，±３…）
前述の数式１３並びに数式１１若しくは数式１２を満足するように、酸化チタン配向膜２の厚み及び基板１の凹部１ｂの深さを設定すれば、先の実施形態と同様な作用・効果を奏する。
【００９７】以上本発明者によってなされた発明を実施形態に基づき具体的に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、例えば、上記各実施形態で説明した偏光分離素子の表裏面の少なくとも一方の面に反射防止膜を設け、回折効率の向上を図るようにしても良い。
【００９８】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の偏光分離素子によれば、基板上に形成される酸化チタン膜は、その特性として屈折率の温度変化が小さいので、偏光分離素子の耐環境性を高めることが可能となる。また、酸化チタン膜は無機材料であるため、引っかき等の外力に対する耐久性や耐水性、耐薬品性に優れる。
【００９９】さらに、その特性として結晶性が高いので、偏光分離素子の特性を均一化することが可能となる。しかも、その特性として複屈折が大きいので、膜厚を薄くでき、偏光分離素子をコンパクト化することが可能になる。また、酸化チタン膜は光を吸収することがないので、透過率を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態を示す偏光分離素子の斜視図である。
【図２】図１の偏光分離素子の縦断面図である。
【図３】本発明の第２実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【図４】本発明の第３実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【図５】本発明の第４実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【図６】本発明の第５実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【図７】本発明の第６実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【図８】本発明の第７実施形態を示す偏光分離素子の縦断面図である。
【符号の説明】
１，１１ 基板（光学的等方性基板）
２，１２，２２，３２，３２ａ 酸化チタン膜
１３，４０ 充填物質
【特許請求の範囲】
【請求項１】 光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、表面に凹凸状の周期格子を形成し、該凹部に、複屈折材料の常光屈折率または異常光屈折率の何れか一方に等しい屈折率の物質を充填してなる偏光分離素子。
【請求項２】 光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、この複屈折材料層に凹凸状の周期格子を形成し、前記凹部と凸部の間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、前記複屈折材料層の凹凸部の厚みを設定してなる偏光分離素子。
【請求項３】 表面に凹凸状の周期格子が形成された光学的等方性基板と、この光学的等方性基板の前記凹凸部の少なくとも凸部上に形成された酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層と、を具備し、前記凹部と凸部の間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、前記複屈折材料層の厚み及び前記基板の凹部深さを設定してなる偏光分離素子。
【請求項４】 光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、表面に凹凸状の周期格子を形成し、該凹部に、光学的等方性物質を充填してなる偏光分離素子であって、該光学的等方性物質の屈折率（ｎｃ）と、該複屈折材料の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎｅ）との間に、以下の数式１に示す関係があることを特徴とする偏光分離素子。
【数１】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｍ＝±１，±２，±３…）
＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｌ＝±１，±２，±３…）
【請求項５】 請求項１から４までのいずれかに記載の偏光分離素子において、表裏面の少なくとも一方の面に、反射防止膜を具備した偏光分離素子。
【請求項１】 光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、表面に凹凸状の周期格子を形成し、該凹部に、複屈折材料の常光屈折率または異常光屈折率の何れか一方に等しい屈折率の物質を充填してなる偏光分離素子。
【請求項２】 光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、この複屈折材料層に凹凸状の周期格子を形成し、前記凹部と凸部の間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、前記複屈折材料層の凹凸部の厚みを設定してなる偏光分離素子。
【請求項３】 表面に凹凸状の周期格子が形成された光学的等方性基板と、この光学的等方性基板の前記凹凸部の少なくとも凸部上に形成された酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層と、を具備し、前記凹部と凸部の間の常光の位相差と異常光の位相差のうち何れか一方がπの偶数倍、となるように、前記複屈折材料層の厚み及び前記基板の凹部深さを設定してなる偏光分離素子。
【請求項４】 光学的等方性基板上に酸化チタン配向膜からなる複屈折材料層を形成すると共に、表面に凹凸状の周期格子を形成し、該凹部に、光学的等方性物質を充填してなる偏光分離素子であって、該光学的等方性物質の屈折率（ｎｃ）と、該複屈折材料の常光屈折率（ｎｏ）、異常光屈折率（ｎｅ）との間に、以下の数式１に示す関係があることを特徴とする偏光分離素子。
【数１】
ｎｃ＝ｎｏ＋ｍ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｍ＝±１，±２，±３…）
＝ｎｅ＋ｌ（ｎｏ−ｎｅ）；（ｌ＝±１，±２，±３…）
【請求項５】 請求項１から４までのいずれかに記載の偏光分離素子において、表裏面の少なくとも一方の面に、反射防止膜を具備した偏光分離素子。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開平９−６１６２７
【公開日】平成９年（１９９７）３月７日
【国際特許分類】
【出願番号】特願平７−２１７４５０
【出願日】平成７年（１９９５）８月２５日
【出願人】（０００００２２３３）株式会社三協精機製作所 (1,337)
【公開日】平成９年（１９９７）３月７日
【国際特許分類】
【出願日】平成７年（１９９５）８月２５日
【出願人】（０００００２２３３）株式会社三協精機製作所 (1,337)
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