ダイクロイックプリズム

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【発明の名称】	ダイクロイックプリズム
【発明者】	【氏名】高橋司
【要約】	【課題】ｓ偏光とｐ偏光の半値波長差の大きいダイクロイックミラーを実現する。【解決手段】光学ガラスの基板１１の表面に、スパッタ法による１４～２４層のダイクロイックミラーを成膜する。蒸着法によるダイクロイックミラーに比べて、ｓ偏光とｐ偏光の半値波長差を拡大し、赤反射ダイクロ膜１０ａ、青反射ダイクロ膜１０ｂを有するカラー画像合成用のダイクロイックプリズム１０の光学特性を改善できる。

【特許請求の範囲】
【請求項１】ビームスプリッタによって分割されたｐ偏光成分を透過し、ｓ偏光成分を反射する青色用と赤色用のダイクロイックミラーを備えたダイクロイックプリズムであって、前記ダイクロイックミラーが、１４ないし２４層の膜構成を有し、各層がスパッタ法によって成膜されたものであることを特徴とするダイクロイックプリズム。
【請求項２】高屈折率層がＴｉＯ₂膜であり、低屈折率層がＳｉＯ₂膜であることを特徴とする請求項１記載のダイクロイックプリズム。

【発明の詳細な説明】【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、カメラ、複写機、プリンタ等の光学機器に用いられるダイクロイックプリズムに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】従来、光源からの光を赤、青、緑の３種類の波長光に分割し、カラー画像に合成するダイクロイックプリズムは、青反射ダイクロ膜および赤反射ダイクロ膜等のダイクロイックミラーの成膜を蒸着法によって行うのが一般的であった。例えば図６に示す液晶プロジェクタ光学系において、光源１０１からの光を偏光ビームスプリッタ１０２でｓ偏光成分とｐ偏光成分の２系統に分割し、この分割された各偏光成分の光のうち、透過光であるｐ偏光成分の光はトリミングフィルタ１０３を介してダイクロイックプリズム１０４に照射され、反射光であるｓ偏光成分の光はダイクロイックミラー１０５，１０６および全反射ミラー１０７～１０９によって２色用に分割され、ダイクロイックプリズム１０４内の赤反射ダイクロ膜１０４ａと青反射ダイクロ膜１０４ｂにそれぞれ照射される。
【０００３】この構成によって、赤光路と青光路ではｓ偏光によって高反射特性をもち、また、透過光である緑光路をｐ偏光にすることにより、反射帯のリップルが少なく透過帯の幅が広い特性を持つダイクロイックプリズムを実現することができる。
【０００４】そして、ダイクロイックプリズム１０４に照射された各色の光はカラー画像に合成される。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記従来の技術によれば、蒸着法によってダイクロイックプリズムの青反射ダイクロ膜や赤反射ダイクロ膜を成膜した場合は、透過フィルターを用いた膜厚制御方法のため、成膜できる膜厚に制限があり、設計上・製作上の障害になっていた。また、緑光路においてｐ偏光を用いているが、ｓ偏光とｐ偏光の半値波長の差を広くとることができないために、緑光路の光をｐ偏光に変えることの利点が充分に生かしきれていなかった。
【０００６】本発明は上記従来の技術の有する問題点に鑑みてなされたものであり、青反射ダイクロ膜や赤反射ダイクロ膜等のダイクロイックミラーにおけるｓ偏光とｐ偏光の半値波長幅を拡大し、すぐれた分光特性を有するダイクロイックプリズムを提供することを目的とするものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため、本発明のダイクロイックプリズムは、ビームスプリッタによって分割されたｐ偏光成分を透過し、ｓ偏光成分を反射する青色用と赤色用のダイクロイックミラーを備えたダイクロイックプリズムであって、前記ダイクロイックミラーが、１４ないし２４層の膜構成を有し、各層がスパッタ法によって成膜されたものであることを特徴とする。
【０００８】
【作用】ｓ偏光成分を反射する赤反射ダイクロ膜、青反射ダイクロ膜を、スパッタ法によって成膜される合計１４ないし２４層の膜構成にする。
【０００９】蒸着法の替わりにスパッタ法を採用すれば、膜厚制御が容易であるために、１４ないし２４層の膜構成のダイクロ膜設計上の制約が大幅に緩和される。また、スパッタ法によれば、緻密で屈折率の高い膜を成膜することができるため、緑光路にｐ偏光を用いた場合にｓ偏光との透過波長域差の幅を広くとることが可能となる。
【００１０】これによってダイクロイックプリズムの光学特性を大幅に改善し、高品質なカラー画像を合成することができる液晶プロジェクタ光学系等を実現できる。
【００１１】
【発明の実施の形態】本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】図１の（ａ）は、一実施の形態によるダイクロイックミラーの膜構成を示すもので、これは、ＢＫ７等の基板１１の表面に、ＴｉＯ₂を主成分とした高屈折率層であるＴｉＯ₂膜１２と、ＳｉＯ₂を主成分とした低屈折率層であるＳｉＯ₂膜１３をスパッタ法によって交互に成膜した合計２０層からなるダイクロイックミラーである。
【００１３】このように、合計２０層のスパッタ法によるＴｉＯ₂ の高屈折率層とＳｉＯ₂の低屈折率層からなるダイクロイックミラーを、図１の（ｂ）に示すように、赤色用のダイクロイックミラーである赤反射ダイクロ膜１０ａと、青色用のダイクロイックミラーである青反射ダイクロ膜１０ｂとして、各層の膜厚をそれぞれ最適化し、４個のプリズム１～４の所定の端面に成膜し、プリズム１～４を貼り合わせてダイクロイックプリズム１０を得る。
【００１４】スパッタ法においては、成膜レートの時間的変動が小さくて、安定しているため、成膜時間のみで膜厚の制御を行うことができる。従って、蒸着法のようにフィルタを用いることによる成膜技術上の制約がなく、柔軟な膜構成の設計ができる。
【００１５】また、スパッタ法によって成膜した薄膜は緻密で、屈折率が高いため、緑光路にｐ偏光を用いるダイクロイックプリズムにおいては、蒸着法で成膜したダイクロイックミラーを用いる場合に比べて、ｓ偏光との透過波長域差の幅を広くとることができる。
【００１６】このようにすぐれた分光特性を有するダイクロイックプリズムを液晶プロジェクタ光学系等に用いることで、極めて高画質なカラー画像を得ることができる。
【００１７】なお、上記のスパッタ法によるダイクロイックミラーの膜構成は、図１の（ａ）に示す２０層の薄膜を有するものに限定されることなく、ダイクロイックミラーとして一般的に用いられる１４ないし２４層の膜構成に広く適用できることが判明している。
【００１８】（実施例１）スパッタ成膜装置にＢＫ７の光学ガラスを入れ、１×１０^-4Ｐａ以下の圧力に真空排気したのち、図１の（ａ）に示すダイクロイックミラーのＴｉＯ₂膜、ＳｉＯ₂膜をＤＣ電圧、ＲＦ電圧のどちらか一方、あるいはその両方をターゲットに印加してＯ₂、Ａｒ、Ｈ₂Ｏを導入して成膜した。ここで得られた各物質の単層膜の分光測定を行ってそれぞれの分散式を算出した。設計中心波長λ（５８７ｎｍ）のλ／４の光学的膜厚で交互に２０層積層した場合に得られる分光特性を図２の（ａ）に示す。
【００１９】この図からｓ偏光とｐ偏光の透過率が５０％になる波長の差を比較すると短波長側では６３ｎｍ、長波長側では１２５ｎｍとなる。
【００２０】（実施例２）実施例１の膜構成を基本として赤反射ダイクロ膜、青反射ダイクロ膜になるよう膜厚を一律に調整し、さらに上下三層を調整層として膜厚を調整してカット波長、リップル低減などある程度の分光特性を最適化することにより、スパッタ法による赤反射ダイクロ膜、青反射ダイクロ膜を有するダイクロイックプリズムを設計製作した。その膜構成を末尾の表１に示す。この場合の緑透過光の分光特性をｓ偏光およびｐ偏光について求めた結果を図３の（ａ）に示す。青反射、赤反射のｓ偏光の半値波長を設定し、そのときのｐ偏光の透過率が８０％になる波長の幅は１２８ｎｍになる。
【００２１】次に、実施例２の膜構成において入射角度を±１０度変えて斜めから入射した場合の分光特性を図４に示す。実際の光学系においては全ての光線がプリズムに対して垂直に入射される訳ではないので、入射角度を変えても緑光路を使うことができる波長範囲が広い方が望ましい。図４の（ａ）が－１０度から入射した場合、同図の（ｂ）が＋１０度から入射した場合の分光特性である。透過率８０％の赤側＋１０度と青側－１０度の波長幅は１７６ｎｍとなった。
【００２２】（比較例１）蒸着法によって成膜して得られた分散値を用いて実施例１と同様にダイクロイックミラーの設計・製作を行った場合の分光特性を図２の（ｂ）に示す。この図からｓ偏光とｐ偏光の透過率が５０％になる波長の差を比較すると蒸着法では短波長側では６０ｎｍ、長波長側では１１５ｎｍとなる。同じ設計にも関わらずスパッタ法による膜構成の方が短波長側、長波長側ともに透過域の幅を広くとることができる。
【００２３】（比較例２）実施例２と同様の手法で蒸着膜の分散式を用いてダイクロイックプリズムの設計・製作を行った場合の赤反射ダイクロ膜と青反射ダイクロ膜の膜構成を末尾の表２に示す。この場合の緑透過光の分光特性をｓ偏光およびｐ偏光について求めた結果を図３の（ｂ）に示す。実施例２と同様にｓ偏光の半値波長を設定し、そのときのｐ偏光の透過率が８０％になる波長の幅は１１８ｎｍとなった。やはり比較例１の場合と同じく、同様の膜構成の設計にも関わらずスパッタ法による膜構成の方がｐ偏光の幅を広くとることができ、分光特性にすぐれたクロスダイクロ膜であることがわかる。
【００２４】次に、比較例２の蒸着法によるダイクロイックミラーの入射角を変えた場合の分光特性を図５に示す。図５の（ａ）が－１０度から入射した場合、同図の（ｂ）が＋１０度から入射した場合の分光特性である。
【００２５】透過率８０％の赤側＋１０度と青側－１０度の波長幅は１０６ｎｍとなった。やはり比較１、２の場合と同じく、同様の膜構成の設計にも関わらずスパッタ法による膜構成の方がｐ偏光の幅を広くとることができた。またスパッタ法による膜構成の場合、長波長側におけるカット波長での透過率を低くとることができる利点がある。
【００２６】
【表１】

【００２７】
【表２】

【００２８】
【発明の効果】本発明は上述のとおり構成されているので、次に記載するような効果を奏する。
【００２９】ダイクロイックミラーのｓ偏光とｐ偏光の透過波長域差の幅を広くして、光学特性にすぐれたダイクロイックプリズムを実現できる。

【出願人】	【識別番号】０００００１００７【氏名又は名称】キヤノン株式会社
【出願日】	平成１２年１月６日（２０００．１．６）
【代理人】	【識別番号】１０００９５９９１【弁理士】【氏名又は名称】阪本善朗
【公開番号】	特開２００１－１９４５２５（Ｐ２００１－１９４５２５Ａ）
【公開日】	平成１３年７月１９日（２００１．７．１９）
【出願番号】	特願２０００－５６０（Ｐ２０００－５６０）