偏振光分離元件及其製造方法
2023-05-19 14:57:26
專利名稱：偏振光分離元件及其製造方法
技術領域：
本發明涉及偏振光分離元件及其製造方法，特別適合於光碟記錄再現裝置的光拾波器。
背景技術：
圖7是說明在光碟和光磁碟的記錄再現裝置的光拾波器中使用的、以往的偏振光束分離器(偏振光分離元件)的結構和使用方法的圖。
該圖7(a)所示的偏振光束分離器100通過隔著偏振光分離膜110接合兩個三角柱狀稜鏡101、102構成為立方體，例如具有使規定的偏振光成分(P偏振光)透射，另一方面使除此以外的偏振光成分(S偏振光)反射的功能。因此，在將這樣構成的偏振光分離元件100適用於光拾波器時，如圖7(b)所示，來自作為光源的雷射二極體121的雷射中的P偏振光的偏振光成分，在透過偏振光分離膜110後通過1/4波長板122轉換為圓偏振光，射向光碟123的盤面。被光碟123的盤面反射的光進行圓偏振光的旋轉方向與射入時相反的旋轉，所以通過1/4波長板122轉換為S偏振光，通過偏振光分離膜110反射並被感光元件124接受。
另外，作為先行文獻，專利文獻1公開了不進行分割後的煩雜的鏡面加工、而實施了鏡面加工的光學裝置的製造方法的技術，專利文獻2公開了提高光的利用效率的光學元件。
並且，專利文獻3公開了光學多層膜濾波器及光學多層膜濾波器的製造方法，通過進一步降低因層疊在透明基板上的電介質的薄膜應力形成的基板的翹曲幅度，防止光學變形，專利文獻4公開了一種光學多層膜濾波器，即使將電介質多層膜的膜數設為40層以上，相比以往的光學多層濾波器也能夠減小膜的應力及翹曲。
日本特開2000-143264公報 日本特許第3486516號[專利文獻3]日本特開2005-43755公報[專利文獻4]日本特開平7-209516號公報但是，近年來在光碟等記錄再現裝置中使用的光拾波器，要求除780nm頻帶的CD和660nm頻帶的DVD外，還能對應於以使用了405nm的藍紫色雷射的Blu-ray Disc和HD DVD為代表的被稱為藍色雷射盤的多種不同光碟。因此，對在光拾波器中使用的偏振光束分離器也要求波長的寬頻帶化。作為對應寬頻帶化的偏振光分離膜110有圖8所示的結構。
圖8所示的偏振光分離膜110通過在成為稜鏡102的玻璃平板113上，交替層疊多層由作為高折射率材料的La(鑭)和Al(鋁)的混合氧化物構成的鋁酸鑭膜111、和作為低折射率材料的MgF2膜112而構成。
但是，在上述的形成有偏振光分離膜110的偏振光束分離器100中，如圖9所示，在稜鏡102和偏振光分離膜110的邊界面上，偏振光分離膜剝離或者偏振光分離膜產生裂紋，存在光學特性劣化的問題。
因此，本發明者們為了掌握產生上述問題的原因而進行了認真研究，結果發現上述問題是由於MgF2膜112的膜應力產生的。
圖10是表示上述偏振光分離膜110的膜應力的作用的圖。
在圖10中，F1表示對基於成為稜鏡102的玻璃平板113的彈性率的膜拉伸的力或者按壓膜的力。另外，F1是根據玻璃平板113的玻璃材料而固有的。並且，在本說明書中，把F1稱為玻璃彈性力。
並且，F2表示鋁酸鑭膜111的膜應力，F3表示MgF2膜112的膜應力，F0表示綜合應力。另外，膜應力的方向和大小在很大程度上由蒸鍍條件左右，所以此處的膜應力F2、F3的方向和大小實際上是形成鋁酸鑭膜111和MgF2膜112而求出的。另外，作為成膜方法，有電子束(以下稱為EB)成膜和濺射成膜、離子鍍法和離子促進法等的促進成膜等，設計者根據偏振光分離元件的要求規格等適當選擇成膜方法。
並且，作為離子促進法的特徵，利用離子使將要成膜的材料加速成膜於玻璃平板的表面上，由此提高膜材料與玻璃平板的緊密粘接性。
該情況時，鋁酸鑭膜111的膜應力F2沿拉伸方向對玻璃平板113進行作用，MgF2膜112的膜應力F3也沿拉伸方向對玻璃平板113進行作用。並且，比較膜應力F2和膜應力F3的大小，例如鋁酸鑭膜111的膜應力F2約為0.15GPa，而MgF2膜112的膜應力F3約為0.31GPa，合計約0.46GPa的膜應力沿拉伸方向對玻璃平板113進行作用。結果，可知即使加上玻璃平板113的彈性力F1，膜的綜合應力F0也沿拉伸方向對玻璃平板113進行作用，在玻璃平板113和偏振光分離膜110的邊界面上產生偏振光分離膜110的剝離和裂紋。
發明內容
本發明就是鑑於上述情況而完成的，其目的在於提供一種偏振光分離元件及其製造方法，在與玻璃平板的邊界面上，偏振光分離膜不會剝離或產生裂紋。
為了達到上述目的，本發明提供一種偏振光分離元件，隔著偏振光分離膜接合兩個直角三角柱形狀的稜鏡的各傾斜面，其特徵在於，偏振光分離膜具有第1偏振光分離膜層和第2偏振光分離膜層，所述第1偏振光分離膜層交替層疊了由具有壓縮應力的第1低折射率材料構成的第1低折射率膜和由高折射率材料構成的高折射率膜，所述第2偏振光分離膜層交替層疊了由具有拉伸應力的第2低折射率材料構成的第2低折射率膜和高折射率膜。在這種本發明中，利用交替層疊了具有壓縮應力的第1低折射率膜和高折射率膜的第1偏振光分離膜層、和交替層疊了具有拉伸應力的第2低折射率膜和高折射率膜的第2偏振光分離膜層而形成偏振光分離膜，由此利用在壓縮方向上對稜鏡進行作用的第2偏振光分離膜層的膜應力，抵消在拉伸方向上對稜鏡進行作用的第1偏振光分離膜層的膜應力，所以在稜鏡和偏振光分離膜的邊界面上，偏振光分離膜不會剝離或者偏振光分離膜不會產生裂紋。由此，可以防止偏振光分離元件的光學特性劣化。
並且，利用SiO2膜形成第1低折射率膜、利用MgF2膜形成第2低折射率膜，可以利用SiO2膜的壓縮應力抵消MgF2膜的拉伸應力，所以在稜鏡和偏振光分離膜的邊界面上，偏振光分離膜不會剝離或者偏振光分離膜不會產生裂紋。由此，可以可靠地防止偏振光分離元件的光學特性劣化。
並且，本發明提供一種偏振光分離元件的製造方法，隔著偏振光分離膜接合兩個直角三角柱形狀的稜鏡的各傾斜面，其特徵在於，該方法包括層疊體形成工序，其通過粘接劑層疊上表面具有偏振光分離膜的多個矩形玻璃平板，使各個玻璃平板的面方向的位置依次錯開而層疊成階梯狀，並且使連接各個玻璃平板的端緣的平面與玻璃板面之間的形成角度是約45度的傾斜角度，所述偏振光分離膜具有第1偏振光分離膜層和第2偏振光分離膜層，所述第1偏振光分離膜層交替層疊了由具有壓縮應力的第1低折射率材料構成的第1低折射率膜和由高折射率材料構成的高折射率膜，所述第2偏振光分離膜層交替層疊了由具有拉伸應力的第2低折射率材料構成的第2低折射率膜和高折射率膜；切割工序，其將在層疊體形成工序中一體化的層疊體按照沿著約45度的傾斜角度的具有規定間距的多個平行切割面切割成為多個層疊分割體；鏡面加工工序，其對通過切割工序形成的各個層疊分割體的切割面進行鏡面加工；臨時固定工序，其在匹配狀態下層疊通過切割工序分割的多個層疊分割體並使它們的鏡面彼此相對，利用臨時固定材料臨時固定各個層疊分割體；分割工序，其將利用臨時固定材料而臨時固定的多個層疊分割體沿著與切割工序中的切割面正交的分割面切斷，形成臨時固定層疊體；鏡面加工工序，其對通過分割工序得到的臨時固定層疊體的切斷面進行鏡面加工；通過將臨時固定層疊體沿與分割面正交的方向以相等間隔切斷，形成多個偏振光分離元件通過臨時固定材料串聯連接的偏振光分離元件的連接體的工序；以及分離工序，其溶解去除構成偏振光分離元件連接體的臨時固定材料，以分離為各個立方體狀的偏振光分離元件。根據這種本發明的製造方法，在稜鏡和偏振光分離膜的邊界面上，偏振光分離膜不會剝離或者偏振光分離膜不會產生裂紋，所以能夠提高偏振光分離元件的成品率。
圖1是表示本發明的實施方式涉及的偏振光束分離器的結構的圖。
圖2是示意性地表示本實施方式涉及的偏振光束分離器的偏振光分離膜的結構的圖。
圖3是表示本實施方式的偏振光分離膜的膜應力的作用的圖。
圖4是說明本實施方式涉及的偏振光束分離器的製造方法的工序圖。
圖5是說明本實施方式涉及的偏振光束分離器的製造方法的工序圖。
圖6是對應圖4的製造工序的流程圖。
圖7是以往的偏振光束分離器的結構及使用方法的說明圖。
圖8是示意性地表示圖7所示的偏振光束分離器的偏振光分離膜的結構的圖。
圖9是說明以往的偏振光束分離器的問題的說明圖。
圖10是表示以往的偏振光分離膜的膜應力的作用的圖。
具體實施例方式
以下，說明本發明的實施方式。
圖1是表示本發明的實施方式涉及的偏振光分離元件的結構的圖。
該圖1所示的本實施方式的偏振光束分離器(偏振光分離元件)1，通過隔著偏振光分離膜10接合兩個直角三角柱狀稜鏡2、3而構成為立方體，例如具有使規定的偏振光成分(P偏振光)透射，另一方面使除此以外的偏振光成分(S偏振光)反射的功能。
偏振光分離膜10是具有使S偏振光和P偏振光的任一方選擇性透過，使另一方選擇性反射的性質的膜。另外，關於偏振光分離膜10將在後面敘述。
並且，在這樣構成的本實施方式的偏振光束分離器1中，其特徵在於按照下面所述形成偏振光分離膜10。
圖2是示意性地表示本實施方式涉及的偏振光束分離器的偏振光分離膜的結構的圖。
該圖2所示的本實施方式的偏振光束分離器1的偏振光分離膜10，在成為稜鏡3的玻璃平板14上形成第1偏振光分離膜層10a，該第1偏振光分離膜層10a交替層疊了多層由作為高折射率材料的La(鑭)和Ti(鈦)的混合氧化物構成的鈦酸鑭膜(高折射率膜)11、和由作為第1低折射率材料的二氧化矽(SiO2)構成的SiO2膜(第1低折射率膜)12。並且，形成第2偏振光分離膜層10b，該第2偏振光分離膜層10b交替層疊了多層由作為第2低折射率材料的氟化鎂(MgF2)構成的MgF2膜(第2低折射率膜)13和鈦酸鑭膜(高折射率膜)11。
另外，在本實施方式中，作為高折射率膜11，舉例說明鈦酸鑭膜，但是，例如也可以使用由La和Al(鋁)的混合氧化物構成的鋁酸鑭膜等各種高折射率膜。並且，作為第1低折射率膜12，舉例說明SiO2膜，但是，例如也可以使用Ta2O5膜、TiO2膜、Nb2O5膜、Al2O3膜等各種低折射率膜。
圖3是表示偏振光分離膜10的膜應力的作用的圖。在該圖3中，F1表示成為稜鏡3的玻璃平板14的玻璃彈性力，F2表示鈦酸鑭膜11的膜應力，F3表示MgF2膜13的膜應力，F4表示SiO2膜12的膜應力，F0表示綜合應力。另外，膜應力的方向和大小在很大程度上由蒸鍍條件左右，所以膜應力F2、F3、F4的方向和大小，實際上通過利用EB成膜和濺射成膜、促進成膜等在玻璃平板14上形成鈦酸鑭膜11、SiO2膜12和MgF2膜13而求出。
該情況時，鈦酸鑭膜11的膜應力F2和SiO2膜的膜應力F4在壓縮方向上對玻璃平板14進行作用，MgF2膜13的膜應力F3在拉伸方向上對玻璃平板14進行作用。
並且，在比較膜應力F2和膜應力F4的大小時，例如，鈦酸鑭膜11的膜應力F2為0.05GPa，而SiO2膜12的膜應力F4為0.3GPa。並且，MgF2膜13的膜應力F3為0.31GPa。因此，在比較這些膜應力F2、F3、F4時，MgF2膜13的膜應力F3和SiO2膜12的膜應力F4的大小大致相同，而鈦酸鑭膜11的膜應力F2與MgF2膜13的膜應力F3和SiO2膜的膜應力F4相比，屬於充分小的可以忽視的應力。
因此，在本實施方式中，通過與由對玻璃平板14具有拉伸應力的MgF2膜13和鈦酸鑭膜11構成的第2偏振光分離膜層10b一起，形成由對玻璃平板14具有壓縮應力的SiO2膜12和鈦酸鑭膜11構成的第1偏振光分離膜層10a，MgF2膜13的拉伸方向的膜應力F3可以被SiO2膜12的壓縮方向的膜應力F4抵消，所以將SiO2膜12的膜層數設定為與MgF2膜13的膜層數大致相同，或者使MgF2膜13的膜層數大於SiO2膜12的膜層數。
由此，可以使本實施方式的偏振光分離膜10的綜合應力F0保持均衡狀態，或者使其在壓縮方向上對玻璃平板14進行作用，所以能夠在玻璃平板14與偏振光分離膜10的邊界面上防止偏振光分離膜10的剝離和產生裂紋。
另外，第2偏振光分離膜層10b中的MgF2膜13的膜層數和第1偏振光分離膜層10a中的SiO2膜12的膜層數，可以考慮所要求的光學特性、MgF2膜13和SiO2膜12的膜應力、以及成為稜鏡3的玻璃平板14的玻璃彈性力等而適當設定。
並且，關於偏振光分離膜10中的第1偏振光分離膜層10a和第2偏振光分離膜層10b的製造順序，為了使玻璃平板14與偏振光分離膜層的邊界面的緊密粘接性更加可靠，優選在玻璃平板14側形成由具有壓縮應力的膜材料構成的第1偏振光分離膜層10a。
下面，說明本實施方式的偏振光束分離器的製造方法。
圖4(a)～(d)和圖5(a)～圖5(g)是說明本實施方式的偏振光束分離器的製造方法的工序圖，各個附圖中的左側圖表示正面縱剖面圖，右側圖表示右側視圖。並且，圖6是對應圖4、圖5的製造工序的流程圖。
圖4(a)是表示本實施方式的製造方法中使用的玻璃平板的結構的主視圖和右側視圖，該玻璃平板(平板狀光學部件)50具有以下結構，在厚度均勻的矩形狀玻璃板51的上表面形成偏振光分離膜52，並且在下表面形成匹配膜(ML膜)53。在本實施方式的製造方法中，使用多個這種具有完全相同結構的玻璃平板50。圖6(1)(2)對應圖4(a)，表示對將上下兩面拋光加工成鏡面的玻璃板51的上下兩面，分別按照圖6(2)所示形成偏振光分離膜52和匹配膜53的工序。
並且，在本實施方式中，在形成該偏振光分離膜52時，利用離子促進法形成圖2所示結構的偏振光分離膜。即，形成第1偏振光分離膜層10a，該第1偏振光分離膜層10a交替層疊了多層作為高折射率材料的鈦酸鑭膜(高折射率膜)11、和由作為第1低折射率材料的SiO2構成的SiO2膜(第1低折射率膜)12，並且形成第2偏振光分離膜層10b，該第2偏振光分離膜層10b交替層疊了多層由作為第2低折射率材料的MgF2構成的MgF2膜(第2低折射率膜)13和鈦酸鑭膜(高折射率膜)11。另外，所謂匹配膜53是指在使用粘接劑粘接多個玻璃平板50時，防止由於粘接劑和玻璃材料的折射率差異而產生的光的反射、即透過玻璃平板的光的損耗的膜。
圖4(b)是表示層疊體形成工序的圖，表示使用夾具60以約45度的傾斜角度層疊玻璃平板的狀態。即，夾具60包括水平板狀的基座60a、和從該基座60a向上方以45度的傾斜角度傾斜固定的傾斜側壁60b等，在基座60a上依次層疊使偏振光分離膜52在上方的玻璃平板50。此時，沿著傾斜側壁60b整齊排列各個玻璃平板50的一端緣，由此形成各個玻璃平板50在面方向逐次錯開相等距離的階梯狀的層疊體61。換言之，形成正面形狀大致為平行四邊形的層疊體。另外，在層疊之前，在各個玻璃平板之間塗覆UV固化型的粘接劑62，在對層疊體加壓使粘接劑均勻展開的狀態下，從未圖示的紫外線光源向層疊體照射紫外線，使粘接劑62固化並使層疊體貼合。圖6(3)表示層疊體形成及粘接工序。這種層疊體形成工序是通過UV粘接劑62層疊相同結構的多個矩形玻璃平板50，使各個玻璃平板的面方向的位置依次錯開並層疊成為階梯狀，並且使連接各個玻璃平板的端緣的平面與玻璃平板面之間的形成角度為45度的傾斜角度的工序，粘接工序是將各個玻璃平板之間粘接固定的工序。
圖4(c)表示將在上述粘接工序中一體化的層疊體61按照沿著上述45度的傾斜角度的具有規定間距的多個平行切斷面切割為多個層疊分割體65的切割工序，對應於圖6(4)(5)。從夾具60上取下在圖4(b)中作成的層疊體61，利用可以剝離的粘接劑等將層疊體的背面側的側面臨時固定在圖4(c)中的固定板64上，在該臨時固定狀態下，利用鋼絲鋸將層疊體61以相等間隔沿著虛線表示的切割線63切割。圖4(d)表示通過切割層疊體61得到的層疊分割體65。各個切割線63是與構成層疊體的各個玻璃平板50的位置錯開角度45度平行的線(或面)，各個切割線之間的間隔根據最終將要製造的偏振光束分離器的尺寸、形狀設定。
然後，按照圖5(a)所示，對各個層疊分割體65的上下兩面(切割面)進行鏡面加工，並且在鏡面加工後的各個面上塗覆反射膜。圖5(a)所示的層疊分割體65由於兩端部突出成銳角狀，所以在上述鏡面加工時該部分破損並產生玻璃屑，該玻璃屑有可能進入研磨裝置的研磨部件中，損壞作為研磨對象的層疊分割體。因此，也可以在鏡面加工之前預先沿切割線55切除。在切割時，在圖6(5)所示的固定夾具66的固定部66a上固定重疊的層疊分割體65，然後一併切斷各個層疊分割體65的銳角狀端部。然後，按照圖6(6)所示，在對兩面進行鏡面加工後，按照圖6(7)所示，在兩面形成防反射膜。另外，層疊分割體65是將使用粘接劑62接合玻璃平板50形成的層疊體切斷得到的，所以具有按照偏振光分離膜52、玻璃板51、匹配膜53、粘接劑62、…的順序層疊的結構。然後，按照圖5(b)的臨時固定工序所示，在匹配狀態下層疊各個層疊分割體65，在層疊分割體之間預先塗覆石蠟68進行臨時固定。另外，根據需要在層疊了層疊分割體65之後的前後兩面，利用UV固化型粘接劑固定由平板狀玻璃板構成的加強板，使層疊分割體65不分離。
圖5(c)表示分割工序，該分割工序把利用石蠟68臨時固定的多個層疊分割體65，利用鋼絲鋸沿著與上述切割工序中的切割面63正交的切斷面70切斷，形成臨時固定層疊體71，圖5(d)表示通過切斷而分割後的狀態。
圖6(8)(9)是對應於該工序的圖。如該圖所示，在切斷時，輔助板67也被同時切斷，所以輔助板67的一部分被固定在各個臨時固定層疊體71的兩端部上。即，分割工序是把利用石蠟68臨時固定的多個層疊分割體65沿著與上述切割工序中的切割面正交的切斷面70切斷，形成臨時固定層疊體71的工序，沿著切割線70切斷後形成的各個臨時固定層疊體71，形成為通過石蠟68將所完成的多個偏振光束分離器1連接成棒狀的結構。圖5(e)表示對通過上述分割工序得到的臨時固定層疊體71的切斷面進行鏡面加工的鏡面加工工序，在鏡面加工後，在加工面上蒸鍍形成防反射膜。被塗覆了防反射膜的各個臨時固定層疊體71被鋼絲鋸從虛線表示的切割線72切斷。該切割線72是與利用切割線70形成的切斷面正交的方向的切割線。圖5(f)表示沿著切割線72切斷分離後的偏振光束分離器即光束分離器連接體75。在該光束分離器連接體75的狀態下，各個偏振光束分離器1依然處於通過石蠟68相連接的狀態。圖6(10)(11)(12)表示該工序。
然後，圖5(g)表示分離工序，該分離工序將(f)狀態的各個臨時固定層疊體71放置在熱板上加熱使石蠟溶解，分離成為各個偏振光束分離器1(圖6(13))。由此，可以提高圖1所示的偏振光束分離器1的成品率。並且，該情況時，在使用多個平板狀玻璃製造偏振光束分離器時，不需要對被分割成單體的偏振光束分離器進行鏡面加工，所以能夠提供生產性較高、實用性較高的偏振光束分離器的製造方法。
權利要求
1.一種偏振光分離元件，該偏振光分離元件隔著偏振光分離膜接合兩個直角三角柱形狀的稜鏡的各傾斜面，其特徵在於，所述偏振光分離膜具有第1偏振光分離膜層和第2偏振光分離膜層，所述第1偏振光分離膜層交替層疊了由具有壓縮應力的第1低折射率材料構成的第1低折射率膜和由高折射率材料構成的高折射率膜，所述第2偏振光分離膜層交替層疊了由具有拉伸應力的第2低折射率材料構成的第2低折射率膜和所述高折射率膜。
2.根據權利要求1所述的偏振光分離元件，其特徵在於，所述第1低折射率膜是SiO2膜，所述第2低折射率膜是MgF2膜。
3.一種偏振光分離元件的製造方法，該方法隔著偏振光分離膜接合兩個直角三角柱形狀的稜鏡的各傾斜面，其特徵在於，該方法包括層疊體形成工序，其通過粘接劑層疊上表面具有偏振光分離膜的多個矩形玻璃平板，使各個玻璃平板的面方向位置依次錯開而層疊成階梯狀，並且使連接各個玻璃平板的端緣的平面與玻璃板面之間的形成角度是約45度的傾斜角度，所述偏振光分離膜具有第1偏振光分離膜層和第2偏振光分離膜層，所述第1偏振光分離膜層交替層疊了由具有壓縮應力的第1低折射率材料構成的第1低折射率膜和由高折射率材料構成的高折射率膜，所述第2偏振光分離膜層交替層疊了由具有拉伸應力的第2低折射率材料構成的第2低折射率膜和所述高折射率膜；切割工序，其將在所述層疊體形成工序中一體化的層疊體按照沿著所述約45度的傾斜角度的具有規定間距的多個平行切割面切割成為多個層疊分割體；鏡面加工工序，其對通過所述切割工序形成的各個層疊分割體的切割面進行鏡面加工；臨時固定工序，其在匹配狀態下層疊通過所述切割工序分割的多個層疊分割體並使它們的鏡面彼此相對，利用臨時固定材料臨時固定各個層疊分割體；分割工序，其將利用臨時固定材料臨時固定的多個層疊分割體沿著與所述切割工序中的切割面正交的分割面切斷，形成臨時固定層疊體；鏡面加工工序，其對通過所述分割工序得到的臨時固定層疊體的切斷面進行鏡面加工；通過將所述臨時固定層疊體沿與所述切斷面正交的方向以相等間隔切斷，形成多個偏振光分離元件通過臨時固定材料串聯連接的偏振光分離元件的連接體的工序；以及分離工序，其溶解去除構成所述偏振光分離元件連接體的臨時固定材料，以分離為各個立方體狀的偏振光分離元件。
全文摘要
本發明提供一種偏振光分離元件及其製造方法，在與稜鏡的邊界面上，偏振光分離膜不會剝離或產生裂紋。偏振光束分離器(1)隔著偏振光分離膜(10)接合兩個直角三角柱形狀的稜鏡(2、3)的各傾斜面，利用交替層疊了具有壓縮應力的SiO
文檔編號G02B27/28GK101038373SQ20071013593
公開日2007年9月19日 申請日期2007年3月13日 優先權日2006年3月13日
發明者古裡大喜 申請人:愛普生拓優科夢株式會社