多層膜偏光子
【課題】本発明は多層膜からなる偏光子の有効な偏光分離波長領域を、入射角の制限や使用できる材料を持つ屈折率の制限のもとで拡大し、さらに特定の複数の波長の直線偏光だけを透過するといった選択性を同時に有する機能を単独で実現できる多層膜偏光子を提供しようとするものである。
【解決手段】本発明の多層膜偏光子は、屈折率の異なる少なくとも2種類以上の膜材料からなる多層膜に、斜入射光線の入射角に伴う反射帯の立ち上がり・立ち下がりの偏光透過特性の違いを利用し、互いに直交する偏光成分を透過・反射させる多層膜偏光子において、互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させ、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長帯を拡げるものとした。
【解決手段】本発明の多層膜偏光子は、屈折率の異なる少なくとも2種類以上の膜材料からなる多層膜に、斜入射光線の入射角に伴う反射帯の立ち上がり・立ち下がりの偏光透過特性の違いを利用し、互いに直交する偏光成分を透過・反射させる多層膜偏光子において、互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させ、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長帯を拡げるものとした。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光線に含まれる2つの偏光成分をそれぞれ、透過・反射することにより偏光を分離する多層膜偏光子に関する。
【背景技術】
【0002】
光線中の2つの互いに直交する偏光成分を分離する方法として、立方体プリズム体内に設けた斜面や光線に対し斜入射に設置した平板上に多層膜を成膜し、その反射帯の立ち上がり部分若しくは立ち下がり部分に発生する偏光成分に対し透過・反射特性が異なる領域を利用した多層膜偏光子を使用することが知られている。この方法において、有効偏光分離波長領域を拡げたいという要望があったとき、現状で考えられる手法としては、1)入射角を例えば60°、70°等大きく取る、あるいは、2)異なる2種類の材料の屈折率比を大きく取るなどの工夫で実現することなどが想定される。
【0003】
入射角を大きくとる1)の手法を採用すれば平板を傾けることによる空間所有の増大、またはプリズム分離面を大きく傾けることによるプリズム体積の増大、反射光利用の複雑化がその後の問題として生ずる。また、2)の手法を採用したときは例えば紫外領域では透明な膜材料が制限され十分な屈折率比が得られにくい事など様々な問題を伴い、その実施には厄介な問題が生じる。また、白色不定偏光光源から特定の単一または複数のスペクトルの直線偏光だけを取りだしたいという要望があったときは、特定の波長光だけを透過するバンドパスフィルターと多層膜偏光子を組み合わせて実現する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は多層膜からなる偏光子の有効な偏光分離波長領域を、入射角の制限や使用できる材料の持つ屈折率の制限のもとで拡大し、さらに特定の複数の波長の直線偏光だけを透過するといった選択性を同時に有する機能を単独で実現できる多層膜偏光子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の多層膜偏光子は、屈折率の異なる少なくとも2種類以上の膜材料からなる多層膜に、斜入射光線の入射角に伴う反射帯の立ち上がり・立ち下がりの偏光透過特性の違いを利用し、互いに直交する偏光成分を透過・反射させる多層膜偏光子において、互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させ、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長領域を拡げるものとした。
本発明の多層膜偏光子は、プリズム形態では互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をプリズム分離面に設けることにより、また、平板形態では互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層を基板の片面、若しくは両面に設けることにより実現させた。
【0006】
本発明の更なる形態の多層膜偏光子は、2つの反射帯の中心波長間隔を大きくとることにより、短波長反射帯の長波長側の立ち上がりと長波長反射帯の短波長側の立ち下がり部分の2つの有効な偏光分離波長領域を使用して、異なる2つの波長領域に対し同時に偏光分離が可能となるようにした。
本発明の更なる形態の多層膜偏光子は、多層膜偏光子の2つの有効な偏光分離波長領域に挟まれる中間波長領域内で、前記2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過領域をともに阻害しないP偏光反射帯域を1つ若しくはそれ以上持つ新たな多層膜層を分離面上に付加することにより、特定の複数波長領域に対し、偏光分離する事と同時に、特定の複数波長領域を選択的に透過する機能を持つことを可能とした。
【発明の効果】
【0007】
本発明の多層膜偏光子は、屈折率の異なる少なくとも2種類以上の膜材料からなる多層膜に、互いに直交する偏光成分を透過・反射させる多層膜偏光子において、互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させたものであるから、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長帯を拡げることができる。
本発明の多層膜偏光子は、プリズム形態では互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をプリズム分離面に設けることにより、また、平板形態では互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層を基板の片面、若しくは両面に設けることにより実現させることが出来る。特に、平板形態の多層膜偏光子はプリズム形態の多層膜偏光子と比較して、低コスト、小型軽量化、耐光性、耐熱性において優れ、接着剤を使用しないことにより、紫外線領域に有効である。
【0008】
本発明の更なる形態の多層膜偏光子は、2つの反射帯の中心波長間隔を大きくとることにより、短波長反射帯の長波長側の立ち上がりと長波長反射帯の短波長側の立ち下がり部分の2つの有効な偏光分離波長領域を使用して、異なる2つの波長領域に対し同時に偏光分離が可能となるような機能を備える。
また、本発明の更なる形態の多層膜偏光子は、多層膜偏光子の2つの有効な偏光分離波長領域に挟まれる中間波長領域内で、前記2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過領域をともに阻害しないP偏光反射帯域を1つ若しくはそれ以上持つ新たな多層膜層を分離面上に付加することによって、特定の複数波長領域に対し、偏光分離する事と同時に、特定の複数波長領域を選択的に透過する機能を兼ね備える。これにより、レジスト露光などに有効な光源スペクトルの選択機能と偏光子機能を単独部材で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
本発明の多層膜偏光子の作動原理についてまず説明をする。図1は平板基板1の一面に単一の中心波長を持つ反射帯多層膜層2を成膜したときの従来型の構造図を示す。そのときの互いに直交する偏光成分について、入射・反射光線を含む面に電場が垂直に振動する偏光成分をS偏光とし、この面に平行に振動する偏光成分をP偏光としたときのそれぞれの分光透過率(計算値)を図2に示す。反射帯多層膜層の偏光特性は中心波長の両側に所定幅のP偏光透過帯域(破線)を有し、その外側にS偏光透過帯域(実線)を有する。この図に示されるように従来の単一の反射帯をもつ多層膜では図中央部の有効偏光分離波長領域は、透過帯域の立ち上がり部におけるP偏光とS偏光透過帯域のズレ領域でP偏光の透過率がほぼ100%でS偏光透過率がほぼ0%となるわずか2nm幅程度の領域でしかない。
【0010】
図3は本発明に係る多層膜偏光子の構造を示すもので、異なる2つの中心波長からなる短波長反射帯多層膜層2Sと長波長反射帯多層膜層2Lがこの場合は平板基板一面上に重ねられている。光線が入射したときのP,S偏光の分光透過特性形状を図4に示す。図中、長破線は短波長反射帯の長波長側立ち上がり部であって、左側の線がP偏光分光透過特性を、右側の線がS偏光分光透過特性を表し、短点線は長波長反射帯の短波長側立ち下がり部であって、左側の線がS偏光分光透過特性を、右側の線がP偏光分光透過特性をを表す。この2つの分光透過特性の重ね合わせにより図中央部のP偏光透過波長領域が合成される。また同様にS偏光についても短波長反射帯と長波長反射帯のS偏光透過特性の重ね合わせにより全領域にわたるS偏光反射波長領域が合成される。長波長反射帯の短波長側立ち下がり部及び、短波長反射帯の長波長側立ち上がり部とも単独では従来の有効偏光分離波長領域が2nm幅程度であるが、双方の特性が合成されることにより、結果として、図中央部に示されるように幅広い有効偏光分離波長領域を得ることとなる。図5は紫外域での実際の分光透過率(計算値)を示し、有効偏光分離波長領域が従来の計算値2nm幅程度であったものが、10nm幅と広くなっているのが明示されている。
【0011】
図6は本発明の第2の形態に係る多層膜偏光子の作動原理を説明する図である。構造としては図3に示されるものと同じであるが、2つの反射帯多層膜層の中心波長間隔を更に拡げた時の分光透過特性形状を示すものである。このように、2つの反射帯多層膜層の中心波長間隔を更に拡げるとP偏光については短波長反射帯の立ち上がり部と長波長反射帯の立ち下がり部の間隔が広がるため、合成特性としてはP偏光の透過領域が広がると共に、S偏光については短波長反射帯の立ち上がり部と長波長反射帯の立ち下がり部が交叉するようになるため、中央部分に光が部分的に透過してしまう領域ができる。その結果、S偏光が部分的に透過してしまう中央領域の両側に有効偏光分離波長領域が同時に2つ得られることとなる。図6はこのことを示している。
なお、この2つの有効偏光分離波長領域は結局の所短波長反射帯の立ち上がり部単独による有効偏光分離波長領域と、長波長反射帯の立ち下がり部単独による有効偏光分離波長領域が1つの偏光子で得られたことと同じであるから、その有効偏光分離波長領域は図2に示されたものと同様に2nm幅程度の狭いものとなる。
【0012】
図7は本発明の第3の形態に係る多層膜偏光子の構造を示す図である。図3の構造にさらに適宜の反射帯を持つ多層膜層2Bを付加した本発明の異なる構造を示す。ここで適宜の反射帯を持つ多層膜層とは図6に示す2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過領域をともに阻害しないP偏光反射帯域を持つ多層膜層を意味する。図8は本発明の第3の形態に係る多層膜偏光子のP,S偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。第3の形態に係る多層膜偏光子のこのような適宜の反射帯を持つ多層膜層を重ねた多層膜偏光子のP偏光透過特性は図8の一点鎖線で示されるものである。この付加した多層膜層により、短波長側の有効偏光分離波長領域は適宜の反射帯を持つ多層膜層の立ち下がり部特性と共同して図4に示した本発明の効果により、10nm程度に拡大される。同様に長波長側の有効偏光分離波長領域は適宜の反射帯を持つ多層膜層の立ち上がり部特性と共同して図4に示した本発明の効果により、10nm程度に拡大される。このように同時に2つの広い幅をもつ有効偏光分離波長領域を得ることが可能となる。この図から図6において狭かった(2nm程度)有効偏光分離波長領域が拡大(10nm程度)されることが理解されるであろう。
【0013】
図7に示した例は図6に示す2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過領域をともに阻害しないP偏光反射帯域を持つ多層膜層を1つ重ねたものであるが、そのような多層膜層を複数個重ねて有効偏光分離波長領域の数を増すことも可能である。適宜の反射帯を持つ多層膜層を重ねた例を図9に示す。図6に示す2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域を、2つの多層膜層による短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過領域をともに阻害しないP偏光反射帯域で分担するように構成する。この様な構成により、短波長側の有効偏光分離波長領域はこの第1の反射帯を持つ多層膜層の立ち下がり部特性と共同して10nm程度に拡大されたものとなる。次に、この第1の反射帯を持つ多層膜層の立ち上がり部は第2の反射帯を持つ多層膜層の立ち下がり部と共同して中間領域にP偏光透過領域とS偏光反射領域を作る。これにより、この領域には図4に示した本発明の効果により、10nm程度の広い新たな有効偏光分離波長領域ができる。また、長波長側の有効偏光分離波長領域は第2の反射帯を持つ多層膜層の立ち上がり部特性と共同して本発明の効果により、10nm程度に拡大される。
以上のように、適宜の反射帯を持つ多層膜層は1つに限らず適宜の数を重ねることにより、新たな有効偏光分離波長領域を増やすことが可能である。
【0014】
上記したように、本発明によれば1つの多層膜偏光子により、有効偏光分離波長領域を10nm程度に拡大すること、更に、複数の有効偏光分離波長領域をもたせることが可能となる。しかも、その波長領域は多層膜の屈折率と厚さ寸法により調整可能であることから、特定のスペクトルを有する光源、例えば高圧水銀ランプ光源から2つのスペクトルのP偏光成分のみを透過するため、不必要なスペクトルや発光領域を選択的に遮断することが併せて可能となる。
なお、2波長以上の複数波長域を有効にするため、複数の反射帯を持つ多層膜層を付加することとなるが、図3、図7に示す各反射帯多層膜層の重ね順位は自由であって、特定されないことは言うまでもない。
【実施例】
【0015】
半導体プロセスにおけるフォトグラフィックな露光技術などに短波長である紫外光がよく用いられる。この時の光源として高圧水銀ランプが用いられることが多い。このランプからは多数の水銀のスペクトルが放射されるが、この中から特定の波長のスペクトルのみを使用することが多く、更にその直線偏光が必要とされる場合がある。
今、水銀スペクトルよりi線(365nm)とh線(405nm)の2つのスペクトルを同時に取り出し、且つ同時に直線偏光を得る目的の偏光子の実施例を示す。高屈折率膜材料としてTa2O5を、低屈折率膜材料としてSiO2を用い、偏光変換素子(Polarizing Beam Splitter:PBS)となる平板型多層膜偏光子を作成する。i線(365nm)とh線(405nm)を中心とする有効偏光分離波長領域をつくるため、石英基板上に410nm近傍に長波長反射帯のP偏光立ち下がり部が来るようにその中心波長を決めた長波長反射帯のTa2O5とSiO2の多層膜と、360nm近傍に短波長反射帯のP偏光立ち下がり部が来るようにその中心波長を決めた短波長反射帯のTa2O5とSiO2の多層膜と、更に370nm近傍にP偏光立ち下がり部が390nm近傍にP偏光立ち上がり部が来るようにその中心波長を決めた第3の多層膜層を形成する。このような構成により、図10に示すような偏光分離特性のPBSを得ることができる。この図は45°入射角としたときの計算値である。
【0016】
このような多層膜偏光子を実際に試作して実測した結果を図11に示す。平板基板は石英を使用し入射角は45°とした。この図から見ると高圧水銀ランプ光線中の2つのスペクトルi線(365nm)とh線(405nm)領域でP偏光の透過率が80%を越えていることが分かる。100%の透過率ではなく、20%近い光はロスしているが、この領域でのS偏光はほぼ100%不透過であるから、透過光はすべてP偏光の光である。これは高圧水銀ランプを光源とし光線中の水銀スペクトルよりi線(365nm)とh線(405nm)の2つのスペクトルを同時に取り出し、且つ同時に直線偏光を得る目的を達成したものである。有効偏光分離波長領域は共に10nm幅があり同時に偏光分離がされていることが実証された。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】平板基板の一面に単一の中心波長を持つ反射帯多層膜層を成膜した従来型の偏光子の構造図を示す図である。
【図2】S偏光とP偏光のそれぞれの分光透過率(計算値)を示す図である。
【図3】本発明に係る多層膜偏光子の構造を示す図である。
【図4】本発明に係る多層膜偏光子のP,S偏光の分光透過特性を示す図である。
【図5】本発明に係る多層膜偏光子の紫外域での実際の分光透過率(計算値)を示す図である。
【図6】本発明の第2の形態に係る多層膜偏光子のP,S偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。
【図7】本発明の第3の形態に係る多層膜偏光子の構造を示す図である。
【図8】本発明の第3の形態に係る多層膜偏光子のP,S偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。
【図9】適宜の反射帯を2つ重ねた本発明の第3の形態に係る多層膜偏光子のP,S偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。
【図10】複数のスペクトルに対する偏光分離の計算値を示す図である。
【図11】実施例の複数のスペクトルに対する偏光分離の実測値を示す図である。
【符号の説明】
【0018】
1 平板基板
2 反射帯多層膜層
2L 長波長反射帯多層膜
2S 短波長反射帯多層膜
2B 適宜の反射帯多層膜
【技術分野】
【0001】
本発明は、光線に含まれる2つの偏光成分をそれぞれ、透過・反射することにより偏光を分離する多層膜偏光子に関する。
【背景技術】
【0002】
光線中の2つの互いに直交する偏光成分を分離する方法として、立方体プリズム体内に設けた斜面や光線に対し斜入射に設置した平板上に多層膜を成膜し、その反射帯の立ち上がり部分若しくは立ち下がり部分に発生する偏光成分に対し透過・反射特性が異なる領域を利用した多層膜偏光子を使用することが知られている。この方法において、有効偏光分離波長領域を拡げたいという要望があったとき、現状で考えられる手法としては、1)入射角を例えば60°、70°等大きく取る、あるいは、2)異なる2種類の材料の屈折率比を大きく取るなどの工夫で実現することなどが想定される。
【0003】
入射角を大きくとる1)の手法を採用すれば平板を傾けることによる空間所有の増大、またはプリズム分離面を大きく傾けることによるプリズム体積の増大、反射光利用の複雑化がその後の問題として生ずる。また、2)の手法を採用したときは例えば紫外領域では透明な膜材料が制限され十分な屈折率比が得られにくい事など様々な問題を伴い、その実施には厄介な問題が生じる。また、白色不定偏光光源から特定の単一または複数のスペクトルの直線偏光だけを取りだしたいという要望があったときは、特定の波長光だけを透過するバンドパスフィルターと多層膜偏光子を組み合わせて実現する必要がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
本発明は多層膜からなる偏光子の有効な偏光分離波長領域を、入射角の制限や使用できる材料の持つ屈折率の制限のもとで拡大し、さらに特定の複数の波長の直線偏光だけを透過するといった選択性を同時に有する機能を単独で実現できる多層膜偏光子を提供しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【0005】
本発明の多層膜偏光子は、屈折率の異なる少なくとも2種類以上の膜材料からなる多層膜に、斜入射光線の入射角に伴う反射帯の立ち上がり・立ち下がりの偏光透過特性の違いを利用し、互いに直交する偏光成分を透過・反射させる多層膜偏光子において、互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させ、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長領域を拡げるものとした。
本発明の多層膜偏光子は、プリズム形態では互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をプリズム分離面に設けることにより、また、平板形態では互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層を基板の片面、若しくは両面に設けることにより実現させた。
【0006】
本発明の更なる形態の多層膜偏光子は、2つの反射帯の中心波長間隔を大きくとることにより、短波長反射帯の長波長側の立ち上がりと長波長反射帯の短波長側の立ち下がり部分の2つの有効な偏光分離波長領域を使用して、異なる2つの波長領域に対し同時に偏光分離が可能となるようにした。
本発明の更なる形態の多層膜偏光子は、多層膜偏光子の2つの有効な偏光分離波長領域に挟まれる中間波長領域内で、前記2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過領域をともに阻害しないP偏光反射帯域を1つ若しくはそれ以上持つ新たな多層膜層を分離面上に付加することにより、特定の複数波長領域に対し、偏光分離する事と同時に、特定の複数波長領域を選択的に透過する機能を持つことを可能とした。
【発明の効果】
【0007】
本発明の多層膜偏光子は、屈折率の異なる少なくとも2種類以上の膜材料からなる多層膜に、互いに直交する偏光成分を透過・反射させる多層膜偏光子において、互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させたものであるから、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長帯を拡げることができる。
本発明の多層膜偏光子は、プリズム形態では互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をプリズム分離面に設けることにより、また、平板形態では互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層を基板の片面、若しくは両面に設けることにより実現させることが出来る。特に、平板形態の多層膜偏光子はプリズム形態の多層膜偏光子と比較して、低コスト、小型軽量化、耐光性、耐熱性において優れ、接着剤を使用しないことにより、紫外線領域に有効である。
【0008】
本発明の更なる形態の多層膜偏光子は、2つの反射帯の中心波長間隔を大きくとることにより、短波長反射帯の長波長側の立ち上がりと長波長反射帯の短波長側の立ち下がり部分の2つの有効な偏光分離波長領域を使用して、異なる2つの波長領域に対し同時に偏光分離が可能となるような機能を備える。
また、本発明の更なる形態の多層膜偏光子は、多層膜偏光子の2つの有効な偏光分離波長領域に挟まれる中間波長領域内で、前記2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過領域をともに阻害しないP偏光反射帯域を1つ若しくはそれ以上持つ新たな多層膜層を分離面上に付加することによって、特定の複数波長領域に対し、偏光分離する事と同時に、特定の複数波長領域を選択的に透過する機能を兼ね備える。これにより、レジスト露光などに有効な光源スペクトルの選択機能と偏光子機能を単独部材で実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0009】
本発明の多層膜偏光子の作動原理についてまず説明をする。図1は平板基板1の一面に単一の中心波長を持つ反射帯多層膜層2を成膜したときの従来型の構造図を示す。そのときの互いに直交する偏光成分について、入射・反射光線を含む面に電場が垂直に振動する偏光成分をS偏光とし、この面に平行に振動する偏光成分をP偏光としたときのそれぞれの分光透過率(計算値)を図2に示す。反射帯多層膜層の偏光特性は中心波長の両側に所定幅のP偏光透過帯域(破線)を有し、その外側にS偏光透過帯域(実線)を有する。この図に示されるように従来の単一の反射帯をもつ多層膜では図中央部の有効偏光分離波長領域は、透過帯域の立ち上がり部におけるP偏光とS偏光透過帯域のズレ領域でP偏光の透過率がほぼ100%でS偏光透過率がほぼ0%となるわずか2nm幅程度の領域でしかない。
【0010】
図3は本発明に係る多層膜偏光子の構造を示すもので、異なる2つの中心波長からなる短波長反射帯多層膜層2Sと長波長反射帯多層膜層2Lがこの場合は平板基板一面上に重ねられている。光線が入射したときのP,S偏光の分光透過特性形状を図4に示す。図中、長破線は短波長反射帯の長波長側立ち上がり部であって、左側の線がP偏光分光透過特性を、右側の線がS偏光分光透過特性を表し、短点線は長波長反射帯の短波長側立ち下がり部であって、左側の線がS偏光分光透過特性を、右側の線がP偏光分光透過特性をを表す。この2つの分光透過特性の重ね合わせにより図中央部のP偏光透過波長領域が合成される。また同様にS偏光についても短波長反射帯と長波長反射帯のS偏光透過特性の重ね合わせにより全領域にわたるS偏光反射波長領域が合成される。長波長反射帯の短波長側立ち下がり部及び、短波長反射帯の長波長側立ち上がり部とも単独では従来の有効偏光分離波長領域が2nm幅程度であるが、双方の特性が合成されることにより、結果として、図中央部に示されるように幅広い有効偏光分離波長領域を得ることとなる。図5は紫外域での実際の分光透過率(計算値)を示し、有効偏光分離波長領域が従来の計算値2nm幅程度であったものが、10nm幅と広くなっているのが明示されている。
【0011】
図6は本発明の第2の形態に係る多層膜偏光子の作動原理を説明する図である。構造としては図3に示されるものと同じであるが、2つの反射帯多層膜層の中心波長間隔を更に拡げた時の分光透過特性形状を示すものである。このように、2つの反射帯多層膜層の中心波長間隔を更に拡げるとP偏光については短波長反射帯の立ち上がり部と長波長反射帯の立ち下がり部の間隔が広がるため、合成特性としてはP偏光の透過領域が広がると共に、S偏光については短波長反射帯の立ち上がり部と長波長反射帯の立ち下がり部が交叉するようになるため、中央部分に光が部分的に透過してしまう領域ができる。その結果、S偏光が部分的に透過してしまう中央領域の両側に有効偏光分離波長領域が同時に2つ得られることとなる。図6はこのことを示している。
なお、この2つの有効偏光分離波長領域は結局の所短波長反射帯の立ち上がり部単独による有効偏光分離波長領域と、長波長反射帯の立ち下がり部単独による有効偏光分離波長領域が1つの偏光子で得られたことと同じであるから、その有効偏光分離波長領域は図2に示されたものと同様に2nm幅程度の狭いものとなる。
【0012】
図7は本発明の第3の形態に係る多層膜偏光子の構造を示す図である。図3の構造にさらに適宜の反射帯を持つ多層膜層2Bを付加した本発明の異なる構造を示す。ここで適宜の反射帯を持つ多層膜層とは図6に示す2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過領域をともに阻害しないP偏光反射帯域を持つ多層膜層を意味する。図8は本発明の第3の形態に係る多層膜偏光子のP,S偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。第3の形態に係る多層膜偏光子のこのような適宜の反射帯を持つ多層膜層を重ねた多層膜偏光子のP偏光透過特性は図8の一点鎖線で示されるものである。この付加した多層膜層により、短波長側の有効偏光分離波長領域は適宜の反射帯を持つ多層膜層の立ち下がり部特性と共同して図4に示した本発明の効果により、10nm程度に拡大される。同様に長波長側の有効偏光分離波長領域は適宜の反射帯を持つ多層膜層の立ち上がり部特性と共同して図4に示した本発明の効果により、10nm程度に拡大される。このように同時に2つの広い幅をもつ有効偏光分離波長領域を得ることが可能となる。この図から図6において狭かった(2nm程度)有効偏光分離波長領域が拡大(10nm程度)されることが理解されるであろう。
【0013】
図7に示した例は図6に示す2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過領域をともに阻害しないP偏光反射帯域を持つ多層膜層を1つ重ねたものであるが、そのような多層膜層を複数個重ねて有効偏光分離波長領域の数を増すことも可能である。適宜の反射帯を持つ多層膜層を重ねた例を図9に示す。図6に示す2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域を、2つの多層膜層による短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過領域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過領域をともに阻害しないP偏光反射帯域で分担するように構成する。この様な構成により、短波長側の有効偏光分離波長領域はこの第1の反射帯を持つ多層膜層の立ち下がり部特性と共同して10nm程度に拡大されたものとなる。次に、この第1の反射帯を持つ多層膜層の立ち上がり部は第2の反射帯を持つ多層膜層の立ち下がり部と共同して中間領域にP偏光透過領域とS偏光反射領域を作る。これにより、この領域には図4に示した本発明の効果により、10nm程度の広い新たな有効偏光分離波長領域ができる。また、長波長側の有効偏光分離波長領域は第2の反射帯を持つ多層膜層の立ち上がり部特性と共同して本発明の効果により、10nm程度に拡大される。
以上のように、適宜の反射帯を持つ多層膜層は1つに限らず適宜の数を重ねることにより、新たな有効偏光分離波長領域を増やすことが可能である。
【0014】
上記したように、本発明によれば1つの多層膜偏光子により、有効偏光分離波長領域を10nm程度に拡大すること、更に、複数の有効偏光分離波長領域をもたせることが可能となる。しかも、その波長領域は多層膜の屈折率と厚さ寸法により調整可能であることから、特定のスペクトルを有する光源、例えば高圧水銀ランプ光源から2つのスペクトルのP偏光成分のみを透過するため、不必要なスペクトルや発光領域を選択的に遮断することが併せて可能となる。
なお、2波長以上の複数波長域を有効にするため、複数の反射帯を持つ多層膜層を付加することとなるが、図3、図7に示す各反射帯多層膜層の重ね順位は自由であって、特定されないことは言うまでもない。
【実施例】
【0015】
半導体プロセスにおけるフォトグラフィックな露光技術などに短波長である紫外光がよく用いられる。この時の光源として高圧水銀ランプが用いられることが多い。このランプからは多数の水銀のスペクトルが放射されるが、この中から特定の波長のスペクトルのみを使用することが多く、更にその直線偏光が必要とされる場合がある。
今、水銀スペクトルよりi線(365nm)とh線(405nm)の2つのスペクトルを同時に取り出し、且つ同時に直線偏光を得る目的の偏光子の実施例を示す。高屈折率膜材料としてTa2O5を、低屈折率膜材料としてSiO2を用い、偏光変換素子(Polarizing Beam Splitter:PBS)となる平板型多層膜偏光子を作成する。i線(365nm)とh線(405nm)を中心とする有効偏光分離波長領域をつくるため、石英基板上に410nm近傍に長波長反射帯のP偏光立ち下がり部が来るようにその中心波長を決めた長波長反射帯のTa2O5とSiO2の多層膜と、360nm近傍に短波長反射帯のP偏光立ち下がり部が来るようにその中心波長を決めた短波長反射帯のTa2O5とSiO2の多層膜と、更に370nm近傍にP偏光立ち下がり部が390nm近傍にP偏光立ち上がり部が来るようにその中心波長を決めた第3の多層膜層を形成する。このような構成により、図10に示すような偏光分離特性のPBSを得ることができる。この図は45°入射角としたときの計算値である。
【0016】
このような多層膜偏光子を実際に試作して実測した結果を図11に示す。平板基板は石英を使用し入射角は45°とした。この図から見ると高圧水銀ランプ光線中の2つのスペクトルi線(365nm)とh線(405nm)領域でP偏光の透過率が80%を越えていることが分かる。100%の透過率ではなく、20%近い光はロスしているが、この領域でのS偏光はほぼ100%不透過であるから、透過光はすべてP偏光の光である。これは高圧水銀ランプを光源とし光線中の水銀スペクトルよりi線(365nm)とh線(405nm)の2つのスペクトルを同時に取り出し、且つ同時に直線偏光を得る目的を達成したものである。有効偏光分離波長領域は共に10nm幅があり同時に偏光分離がされていることが実証された。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【図1】平板基板の一面に単一の中心波長を持つ反射帯多層膜層を成膜した従来型の偏光子の構造図を示す図である。
【図2】S偏光とP偏光のそれぞれの分光透過率(計算値)を示す図である。
【図3】本発明に係る多層膜偏光子の構造を示す図である。
【図4】本発明に係る多層膜偏光子のP,S偏光の分光透過特性を示す図である。
【図5】本発明に係る多層膜偏光子の紫外域での実際の分光透過率(計算値)を示す図である。
【図6】本発明の第2の形態に係る多層膜偏光子のP,S偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。
【図7】本発明の第3の形態に係る多層膜偏光子の構造を示す図である。
【図8】本発明の第3の形態に係る多層膜偏光子のP,S偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。
【図9】適宜の反射帯を2つ重ねた本発明の第3の形態に係る多層膜偏光子のP,S偏光の分光透過特性を示し、その作動原理を説明する図である。
【図10】複数のスペクトルに対する偏光分離の計算値を示す図である。
【図11】実施例の複数のスペクトルに対する偏光分離の実測値を示す図である。
【符号の説明】
【0018】
1 平板基板
2 反射帯多層膜層
2L 長波長反射帯多層膜
2S 短波長反射帯多層膜
2B 適宜の反射帯多層膜
【特許請求の範囲】
【請求項1】
屈折率の異なる少なくとも2種類以上の膜材料からなる多層膜に、斜入射光線の入射角に伴う反射帯の立ち上がり・立ち下がりの偏光透過特性の違いを利用し、互いに直交する偏光成分を透過・反射させる多層膜偏光子において、互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させ、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長領域を拡げたことを特徴とする多層膜偏光子。
【請求項2】
互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をプリズム分離面に設けたものである請求項1に記載の多層膜偏光子。
【請求項3】
互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層を基板の片面、若しくは両面に設けたものである請求項1に記載の多層膜偏光子。
【請求項4】
2つの反射帯の中心波長間隔を大きくとることにより、短波長反射帯の長波長側の立ち上がりと長波長反射帯の短波長側の立ち下がり部分の2つの有効な偏光分離波長領域を設け、異なる2つの波長領域に対し同時に偏光分離が可能となるようにしたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の多層膜偏光子。
【請求項5】
多層膜偏光子の2つの有効な偏光分離波長領域に挟まれる中間波長領域内で、前記2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過帯域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過帯域をともに阻害しないP偏光反射帯域を1つ若しくはそれ以上持つ新たな多層膜層を分離面上に付加することにより、特定の複数波長領域に対し、偏光分離することと同時に、特定の複数波長領域を選択的に透過する機能を持つことを特徴とする請求項4に記載の多層膜偏光子。
【請求項1】
屈折率の異なる少なくとも2種類以上の膜材料からなる多層膜に、斜入射光線の入射角に伴う反射帯の立ち上がり・立ち下がりの偏光透過特性の違いを利用し、互いに直交する偏光成分を透過・反射させる多層膜偏光子において、互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をその分離面に設け、短波長反射帯の長波長側立ち上がりと長波長反射帯の短波長側立ち下がりを近接させ、それぞれの反射、透過偏光特性を乗ずることにより偏光分離有効波長領域を拡げたことを特徴とする多層膜偏光子。
【請求項2】
互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層をプリズム分離面に設けたものである請求項1に記載の多層膜偏光子。
【請求項3】
互いに長、短波長を中心波長とする2つの反射帯多層膜層を基板の片面、若しくは両面に設けたものである請求項1に記載の多層膜偏光子。
【請求項4】
2つの反射帯の中心波長間隔を大きくとることにより、短波長反射帯の長波長側の立ち上がりと長波長反射帯の短波長側の立ち下がり部分の2つの有効な偏光分離波長領域を設け、異なる2つの波長領域に対し同時に偏光分離が可能となるようにしたことを特徴とする請求項1乃至3のいずれかに記載の多層膜偏光子。
【請求項5】
多層膜偏光子の2つの有効な偏光分離波長領域に挟まれる中間波長領域内で、前記2つの有効偏光分離波長領域に挟まれる波長領域に短波長反射帯の立ち上がり部に形成されるP偏光透過帯域と長波長反射帯の立ち下がり部に形成されるP偏光透過帯域をともに阻害しないP偏光反射帯域を1つ若しくはそれ以上持つ新たな多層膜層を分離面上に付加することにより、特定の複数波長領域に対し、偏光分離することと同時に、特定の複数波長領域を選択的に透過する機能を持つことを特徴とする請求項4に記載の多層膜偏光子。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【公開番号】特開2009−210780(P2009−210780A)
【公開日】平成21年9月17日(2009.9.17)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−53231(P2008−53231)
【出願日】平成20年3月4日(2008.3.4)
【出願人】(000231475)日本真空光学株式会社 (9)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成21年9月17日(2009.9.17)
【国際特許分類】
【出願日】平成20年3月4日(2008.3.4)
【出願人】(000231475)日本真空光学株式会社 (9)
【Fターム(参考)】
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