JP2002328234A

JP2002328234A - ワイヤグリッド偏光子

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Publication number: JP2002328234A
Application number: JP2002057867A
Authority: JP
Inventors: Andrew F Kurtz; エフカーツアンドルー; Sujatha Ramanujan; ラマニュジャンスジャータ; Xiang-Dong Mi; ミシアンードン
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 2001-03-05
Filing date: 2002-03-04
Publication date: 2002-11-15
Anticipated expiration: 2022-03-04
Also published as: DE60202636D1; DE60202636T2; US20020122235A1; JP4152645B2; EP1239308B1; EP1239308A3; US6532111B2; EP1239308A2

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】広い波長帯域幅、及び、高いコントラストを要
求する可視光系に特に使用するワイヤグリッド偏光子、
特に、約４５度の入射角で使用するワイヤグリッド偏光
子を提供する。【解決手段】入射光ビームを偏光するワイヤグリッド偏
光子３００は、第１の表面３０７を有する誘電基板３０
５を含む。前記第１の表面上にグリッド、又は、平行且
つ細長いワイヤプリフォーム３１０のアレイが配置さ
れ、隣接するワイヤは、入射光の波長より小さいグリッ
ド周期で間隔が置かれる。各ワイヤは、交互にされる細
長い金属ワイヤ３２０，３２２，３２４と細長い誘電層
３４０，３４２，３４４からなるワイヤ内下部構造３１
５を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に、ワイヤ
グリッド偏光子に係り、特に、多層ワイヤグリッド偏光
子及び可視スペクトルのビームスプリッタに関する。

【０００２】

【従来の技術】並行にされる導線アレイを使用し、電磁
波を偏光することは１１０年以上前にさかのぼる。一般
的に、透明基板に並行に支持される薄い導体のアレイで
あるワイヤグリッドは、電磁スペクトルの赤外線部の偏
光子として使用されてきた。

【０００３】ワイヤグリッド偏光子の性能を決定する主
な要因は、並行なグリッド素子の中心心の間隔（周期又
はピッチと称される）と入射光の波長との関係である。
グリッドの間隔又は周期が波長に比べて長いと、グリッ
ドは、偏光子ではなく回折格子として機能し、両方の偏
光を回折するが、公知の原理によると、等しい効率で回
折するとは限らない。しかし、グリッドの間隔（ｐ）が
波長に比べてかなり短いと、グリッドは偏光子として機
能し、グリッドと並行に偏光される電磁放射線（「ｓ」
偏光）は反射し、直交偏光（「ｐ」偏光）の放射線を透
過させる。

【０００４】グリッド周期が、約半波長から波長の２倍
のレンジ内にある遷移領域は、グリッドの透過及び反射
特性の急な変化によって特徴付けられる。特に、グリッ
ド素子に対し直交に偏光される光線に対し、反射率の急
激な増加、及び、対応する透過率の低下は、任意の所与
の入射角で１つ以上の特定の波長で発生する。これらの
影響は、１９０２年に初めてウッド（Wood）によって報
告され、通常、「Wood’s Anomalies」と称される。続
いて、１９０７年に、レイリー（Rayleigh）がウッドの
データを分析し、波長と高いオーダの回折が発生する角
度を組合わせると発生することを発見した。レイリー
は、以下の式を考え出し、異常の位置を予測することを
可能にした。これは文献にて一般的に、「レイリー共鳴
（RayleighResonances）」と称される。

【０００５】 λ＝ε（ｎ＋／−sinθ）／ｋ（１）ただし、エプシロン（ε）は、格子周期であり、ｎは格
子を取り囲む媒体の屈折率であり、ｋは発生する回折さ
れるタームのオーダに対応する整数であり、ラムダ及び
シータは、共鳴が起こる波長及び入射角（ともに空気中
で測定される）を示す。

【０００６】誘電基板の１つの側面上に形成される格子
では、上記式におけるｎは、１、又は、基板材料の屈折
率と等しい。尚、共鳴が起こる最も長い波長は、以下の
式から得られる。

【０００７】 λ＝ε（ｎ＋sinθ）（２）ただし、ｎは基板の屈折率に設定される。

【０００８】角度に依存することによる効果は、角度が
増加するとともに透過領域を大きい波長にシフトするこ
とである。これは、偏光子を偏光ビームスプリッタ又は
偏光反射鏡として使用する場合は重要である。

【０００９】一般的に、ワイヤグリッド偏光子は、グリ
ッドのワイヤに対し並行な電界ベクトルを有する光線
（「ｓ」偏光）は反射し、グリッドのワイヤに対し垂直
な電界ベクトルを有する光線（「ｐ」偏光）は透過させ
るが、以下に説明するように、入射面は、グリッドのワ
イヤに対し垂直である場合も、そうでない場合もある。
ワイヤグリッド偏光子は、例えば、Ｓ偏光といった１つ
の偏光に対し完全に反射し、Ｐ偏光といったもう１つの
偏光に対し完全に透過するよう機能することが理想的で
ある。しかし、実際には、鏡として使用される最も高反
射率の金属でも、入射光の幾らかの割合で吸収し、９０
％乃至９５％のみを反射し、また、ガラスは表面反射に
よって入射光を１００％透過しない。ワイヤグリッド偏
光子、及び、他の偏光装置の性能は、波長の範囲と関心
の入射角に対し評価されるコントラスト比、又は、消光
比によって多くは特徴付けられる。ワイヤグリッド偏光
子、又は偏光ビームスプリッタにおいては、透過ビーム
に対するコントラスト比（Ｔｐ／Ｔｓ）及び反射ビーム
に対するコントラスト比（Ｒｓ／Ｒｐ）はともに関心の
対象である。

【００１０】歴史的に、ワイヤグリッド偏光子は、赤外
線における使用のために開発されてきており、可視波長
に対しては利用できていなかった。これは主に、可視ス
ペクトルにおける有効な動作のための十分に小さい波長
以下の構造を形成可能な処理技術がなかったためであ
る。名目上は、グリッド間隔又はピッチ（ｐ）は、有効
な動作のためには、〜λ／５以下であるべきであり（可
視波長に対してはｐ〜０．１０−０．１３μｍ）、一
方、より細かいピッチ構造（例えば、ｐ〜λ／１０）は
装置のコントラストに更なる改善を与えることができ
る。しかし、処理技術の最近の発展によって、その処理
技術には、０．１３μｍ極端ＵＶフォトリソグラフィー
及び干渉リソグラフィーが含まれるが、可視波長ワイヤ
グリッド構造も実現可能となった。従来技術において幾
つか可視波長ワイヤグリッド偏光装置が既知であるが、
これらの装置では、例えば、デジタルシネマ投射といっ
た需要の高い適用に必要な広帯域可視スペクトルに亘っ
ての非常に高い消光比（＞１,０００：１）が得られな
い。

【００１１】興味深いワイヤグリッド偏光子は、米国特
許第４，２８９，３８１号にGarvin外によって説明され
る。ここでは、単一の基板上の２つ以上のワイヤグリッ
ドは、誘電中間層によって分離される。各ワイヤグリッ
ドは別々の配置され、ワイヤは、入射光に対し不透明で
あるよう十分に厚い（１００−１０００ｎｍ）。ワイヤ
グリッドは、１つのワイヤグリッドは５００：１のみの
偏光比を与えるのに対し、対のグリッドが組み合わされ
ることにより、２５０，０００：１の偏光比を与え効果
的に増加する。この装置は、赤外線スペクトル（２−１
００μｍ）での使用に説明されるが、この発明の思想は
可視波長にも拡大可能であると考えられる。しかし、こ
の装置は、一連の２つ以上のワイヤグリッドを使用する
ので、追加のコントラスト比は、透過効率及び許容角度
の低下と引き換えにされる。更に、この装置は、反射ビ
ームに対しては高品質の消光が得られるよう設計されて
おらず、偏光ビームスプリッタとしての価値が制限され
る。

【００１２】可視波長範囲に対するワイヤグリッド偏光
ビームスプリッタは、米国特許第５，３８３，０５３号
にHegg外によって説明される。ここでは、金属ワイヤが
金属グリッド線上に配置され（ピッチはｐ＜＜λ及び〜
１５０ｎｍ特徴）金属グリッド線はガラス又はプラスチ
ック基板上に配置される。この装置は、可視スペクトル
のほとんど（０．４５−０．６５ｎｍ）をカバーするよ
う設計されるが、予期される偏光性能はあまりよくな
く、全体として、たった６．３：１のコントラスト比を
もたらす。

【００１３】米国特許第５，７４８，３６８号におい
て、Tamada外は近赤外スペクトル（０．８−０．９５μ
ｍ）用のワイヤグリッド偏光子を説明し、ここでは、ワ
イヤの構造は性能を高めるよう形付けられる。この場
合、近赤外スペクトルにおける動作は、小さいグリッド
間隔（ｐ〜λ／５）ではなく長いグリッド間隔（λ／２
＜ｐ＜λ）を有する構造によって、ワイヤグリッド偏光
子と回折格子との間の遷移領域における共鳴のうちの１
つを利用することによって達成される。それぞれ〜１４
０ｎｍの厚さを有するワイヤは、ウェッジプレートを有
する組立体であるガラス基板上に配置される。特に、こ
の装置は、台形ワイヤ形状、基板及びウェッジプレート
間のインデックス適合、及び、入射角調整を組合わせて
使用し、装置の動作を共鳴帯域に当たるよう合わせる。
この装置は、多くの適用において有用である〜３５：１
の妥当な消光を与えるが、コントラストはデジタルカメ
ラといったより高い性能を求める適用に対しては不適当
である。更に、この装置は、狭い波長帯域でのみ（〜２
５ｎｍ）適当に動作し、更に、この装置は角度に敏感で
ある（入射角が２°シフトされると、共鳴帯域が〜３０
ｎｍシフトする）。これらの考慮しなければならない点
によって、装置は、ワイヤグリッド装置が「高速」光学
系（例えば、Ｆ／２）で動作しなければならない広帯域
波長適用において不適当となる。

【００１４】より最近の米国特許第６，１０８，１３１
号（Hansen外）及び第６，１２２，１０３号（Perkins
外）は、これらはともに米国ユタ州、オーレム（Orem）
のMoxtek社に譲受されたが、可視スペクトル用に設計さ
れるワイヤグリッド偏光子を説明する。米国特許第６，
１０８，１３１号は、スペクトルの可視領域で動作する
よう設計される簡単なワイヤグリッド偏光子を説明す
る。ワイヤグリッドは、〜０．１３μｍのガイドライン
間隔（ｐ〜λ／５）を有する基板上に直接形成される一
連の単一のワイヤから構成され、ワイヤ幅（ｗ）は０．
０５２−０．０７８μｍであり、ワイヤ厚（ｔ）は、
０．０２μｍより大きい。〜０．１３μｍのグリッド間
隔又はピッチを有するワイヤを使用することにより、こ
の装置は、要求される可視波長以下の構造を有し、これ
は、装置が長い波長共鳴帯域よりも上で、ワイヤグリッ
ド領域において動作することを可能にする。米国特許第
６，１２２，１０３号は、基本的なワイヤグリッド構造
に様々な改善を提供し、波長スペクトルを広げ、より細
かいピッチ構造（例えば、〜λ／１０）を必要とするこ
となく使用する波長スペクトル全体に亘っての効率及び
コントラストを改善することを目的とする。基本的に、
ワイヤグリッドを取り囲む媒体の有効屈折率（ｎ）を減
少するために様々な技術が使用され、それにより、最も
長い波長共鳴帯域を短い波長にシフトさせる（式（１）
及び（２）を参照）。このことは、ガラス基板を反射防
止（ＡＲ）コーティングとして機能する誘電層で被覆
し、この中間誘電層の上にワイヤグリッドを製造するこ
とによって最も単純に達成される。中間誘電層は、ワイ
ヤグリッドにおける光の屈折率を効果的に減少し、それ
により、最も長い波長共鳴を短い波長にシフトする。米
国特許第６，１２２，１０３号は更に、ワイヤの間の空
間に溝を形成することによって有効屈折率を減少する別
の設計を説明し、溝は基板自体に延在し、及び／又は、
基板上に配置される中間誘電層内にも延在する。このよ
うな設計改善の結果、低い波長帯域エッジは、〜５０−
７５ｎｍ低くシフトし、可視スペクトル全体をカバーす
ることを可能にする。更に、基本的な従来技術のワイヤ
グリッド偏光子に対し、平均効率が可視スペクトル全体
で〜５％改善される。

【００１５】米国特許第６，１０８，１３１号及び第
６，１２２，１０３号２開示される装置は、従来技術に
対し確かに改善されてはいるが、ワイヤグリッド偏光子
及び偏光ビームスプリッタの両方に対し性能を更に改善
する余地がある。特に、偏光していない光線源を有する
光学系では、系の光線の効率は最大にされなければなら
ないが、反射ビーム及び透過ビームの両方に高い消光を
示す偏光ビームスプリッタは重要である。米国Moxtek社
から入手可能なワイヤグリッド偏光子は、反射チャネル
に対し、１００：１又は２，０００：１ではなく、〜２
０：１のコントラストを与えるので、その実用性は制限
される。更に、これらの装置の性能は、可視スペクトル
全体に亘ってかなり変動し、偏光ビームスプリッタは、
透過光に対し〜３００：１乃至〜１２００：１、青から
赤で変動するコントラスト比を与え、一方、反射ビーム
のコントラスト比は、１０：１乃至３０：１で変動す
る。従って、特に可視スペクトルの青の部分内で偏光コ
ントラスト性能を与えるだけでなく、可視光全体に亘っ
てのより均一な消光の余地がある。最後に、従来技術の
ワイヤグリッド装置によって与えられるレベルを超え
て、透過されたｐ偏光に対する偏光コントラストを改善
する余地がある。このような改善は、デジタルシネマ用
の電子投射システムといった電子投射システム等の電子
撮像システムの設計に特に有利である。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】従って、広い波長帯域
幅、及び、高いコントラスト（１，０００：１以上を目
標とする）を要求する可視光系に特に使用する改善され
たワイヤグリッド偏光子が必要である。更に、約４５度
の入射角で使用する改善されたワイヤグリッド偏光子が
必要である。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の１つの面におい
て、入射光ビームを偏光するワイヤグリッド偏光子は、
第１の表面を有する基板を含む。上記第１の表面上にグ
リッド、又は、平行且つ細長い導電ワイヤのアレイが配
置され、隣接するワイヤは、上記入射光の波長より小さ
いグリッド周期で間隔が置かれる。各ワイヤは、交互に
される細長い金属ワイヤと細長い誘電層からなるワイヤ
内下部を含む。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の様々な構成要素には参照
番号が付けられ、当業者が本発明を使用することを可能
にするよう本発明が説明される添付図面を参照する。

【００１９】図１は、基本的な従来技術のワイヤグリッ
ド偏光子を示し、従来技術及び本発明の一連の例示的な
実施例に使用される用語を定義付けする。ワイヤグリッ
ド偏光子１００は、誘電基板１２０に支持される多数の
並行な導電電極１１０からなる。この装置は、導体の格
子間隔、或いは、導体のピッチ又は周期ｐ、個々の導体
の幅ｗ、及び、導体の厚さｔによって特徴付けられる。
ワイヤグリッド偏光子は、波長以下の構造を使用し、ピ
ッチ（ｐ）、導体又はワイヤ幅（ｗ）、及び、導体又は
ワイヤ厚（ｔ）は全て入射光（λ）の波長より小さくさ
れる。光源１３２によって発生される光ビーム１３０
は、垂線から角度θで偏光子に入射し、入射面は、導電
素子に対し直交にされる。ワイヤグリッド偏光子１００
は、この光ビームを反射光ビーム１４０と、回折されな
い透過光ビーム１５０とに分割する。Ｓ偏光及びＰ偏光
に対し典型的な定義を使用し、つまり、Ｓ偏光は、入射
面に対し直交する偏光ベクトルを有し、従って、導電素
子と並行である。反対に、Ｐ偏光は、入射面と並行な偏
光ベクトルを有し、従って、導電素子に対し直交する。

【００２０】図２ａを参照するに、米国ユタ州オーレム
のMoxtek社から市販されるワイヤグリッド偏光ビームス
プリッタの、可視スペクトル内の波長に対する透過効率
曲線２００及び透過「ｐ」偏光コントラスト比曲線２０
５を示す。この装置は、米国特許第６，１０８，１３１
号に記載される基本的なワイヤグリッド偏光ビームスプ
リッタと類似しており、〜１３０ｎｍのピッチ（ｐ〜λ
／５）のワイヤ（並行な導電電極１１０）を有し、これ
は４０−６０％のデューティサイクル（５２−７８ｎｍ
ワイヤ幅（ｗ））で誘電基板１２０上に配置される。固
体金属ワイヤは、＞２０ｎｍの厚さに画成され、これ
は、表皮厚さ（δ）が可視波長に対し超える十分な金属
厚である。このデータは、この装置において、大きくな
いＮＡ（開口数）の光ビームが４５°の入射角（θ）で
ワイヤグリッド偏光子１００に入射する際の値を示す。
この装置は、光の入射ビーム１３０を２つの出発偏光ビ
ーム（１４０及び１５０）に分割するので、この装置は
偏光ビームスプリッタであると考えられ、２つの出発光
線の進行路は、入来光線路からははっきりと区別可能で
ある。透過コントラスト比曲線２００は、透過「ｓ」偏
光に対する透過「ｐ」偏光の平均コントラスト（Ｔｐ／
Ｔｓ）を評価する。ただし、「ｓ」偏光は望ましくない
漏れである。同様に、反射コントラスト比曲線２１０
は、「ｐ」偏光に対する反射「ｓ」偏光の平均コントラ
ストを評価する（Ｒｓ／Ｒｐ）。

【００２１】図２ｂを参照するに、可視スペクトル内の
波長に対し、光線１３０の垂直入射（θ＝０°）する大
きくないＮＡビームについての米国Moxtek社から市販さ
れるワイヤグリッド偏光子１００の平均性能を示す。特
に、透過効率曲線２２０及び透過コントラスト比曲線２
２５を示す（「ｐ」偏光に対して示す）。これらの両方
の装置の性能は、一般的に、「ｐ」偏光透過ビームコン
トラスト＞３００：１をもたらすので非常に良好であ
り、多くの適用において十分である。

【００２２】図２ａ及び図２ｂに示す性能曲線は、現行
のワイヤグリッド装置及び現行の偏光子全般と比較する
と非常に良好ではあるが、依然として改善の余地があ
る。特に、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタにおい
て反射コントラスト比曲線２１０によって評価されるよ
うに、反射「ｓ」偏光ビームのコントラスト比はむしろ
低い。青のスペクトル（４５０ｎｍ）における偏光コン
トラストはたった〜１０：１であり、赤のスペクトル
（６５０ｎｍ）においても〜４０：１に上昇するだけで
ある。反射ビーム及び透過ビームの両方に良好な偏光コ
ントラストが必要な適用では、この性能では不十分であ
る。例として、ＬＥＤに基づく電子投射システムでは、
投射光は偏光ビームスプリッタを透過し且つ反射し、ビ
ームは高速（Ｆ／４以下）であるが、反射が低性能であ
ると、システムは追加のコンポーネントによって補強さ
れなければならない。更に、この従来技術のワイヤグリ
ッド偏光ビームスプリッタは、赤のスペクトルで〜１２
００：１のコントラストを与えるが、偏光は、波長によ
ってかなり変動し、低い青のスペクトルでは〜４００：
１まで下がる（図２ａの透過コントラスト比曲線２０５
を再び参照されたい）。

【００２３】基本ワイヤグリッド偏光子の性能レベル
は、ワイヤ幅、ワイヤ厚、ワイヤピッチ、又は、これら
３つのうちの任意の組合せを変えることによって改善す
ることができる。しかし、これらの設計変更は、反射ビ
ームに対し又は要求される波長帯域全体に所望されるコ
ントラスト比を必ずしも与えるとは限らない。更に、米
国特許第６，１２２，１０３号２説明されるワイヤグリ
ッド設計性能の改善は、誘電基板１２０と入射光との相
互作用を変更することによって、波長通過帯域を広げ、
透過効率を増加するが、広帯域可視スペクトルの高いコ
ントラスト適用に対し十分なコントラスト比を与えると
は限らない。米国特許第６，１０８，１３１号及び第
６，１２２，１０３号のワイヤグリッド偏光子、ならび
に、他の引用した従来技術のワイヤグリッド装置特許
は、ワイヤグリッド偏光子及び偏光ビームスプリッタを
構成する細長いワイヤの面（図１に示すＸ：Ｙ面）内の
共鳴効果のみを利用する。入射光がワイヤ及び誘電基板
１２０と同時に相互作用するので、界面における構造的
な詳細も性能に影響を与える（第６，１２２，１０３号
に説明される）。従って、ワイヤ面は、ワイヤ自体だけ
でなく、近接する表面及び誘電基板１２０の下位表面も
含むものとして考慮されるべきである。

【００２４】本発明の改善される装置に対しベンチマー
クを与えるために、幾つかの従来技術の装置をより詳細
に解析される。図３ａは、第６，１０８，１３１号に記
載される従来技術のワイヤグリッド偏光ビームスプリッ
タと同様の装置に対し波長の関数として算出される反射
偏光及び透過偏光コントラスト比を示す。この解析は、
Gsolyer格子解析ソフトウェアツールを用いてモデル化
され、このツールは、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）を用
い、波長以下の構造を十分にモデル化することを可能に
する。Gsolyerは米国テキサス州アーレン（Allen）郵便
番号３５３のGrating Solver Development Companyから
市販される。ワイヤグリッド装置は、透明のガラス基板
上に直接形成される一連の細長い並行ワイヤとしてモデ
ル化される。この解析では、周期ｐ＝０．１３μｍ、導
体幅ｗ＝０．０５２μｍ（４０％のデューティサイク
ル）、導体厚ｔ＝０．１８２μｍ、及び、基板屈折率ｎ
＝１．５２５を有するアルミニウムワイヤグリッドを使
用する。単純にするために、この解析は、角度θ＝４５
°でワイヤグリッド偏光ビームスプリッタに入射する並
行ビームのみを考慮する。図３ａは、並行透過ビームコ
ントラスト２５０（Ｔｐ／Ｔｓ）及び並行反射ビームコ
ントラスト２５５（Ｒｓ／Ｒｐ）を示す。算出される透
過ビームコントラスト２５０は、可視スペクトル全体で
１０^４−１０^５：１の範囲にあり、これは、図２ａに示
されるように、実際の装置に対し報告される〜１，００
０：１レベルよりかなり大きい。しかし、図２ａの曲線
２５０は、実際の装置の角度が平均化された性能を表
し、一方、図３ａの曲線２５０は完全な装置を通過する
並行ビームの理論上の性能を表す。図３ａは、更に、従
来技術のワイヤグリッド装置に対しモデル化される理論
上の反射ビームコントラスト２５５を示す。算出される
理論上の反射ビームコントラストは、可視スペクトル全
体で〜１０：１乃至〜１００：１の範囲にわたり、図２
ａに示す実際の装置に対しての反射ビームコントラスト
２５５より僅かに良好である。図３ｂは、理論上の全体
のコントラスト２７５の曲線を示し、全体のコントラス
トＣは、Ｃ＝１／（（１／Ｃｔ）＋（１／Ｃｒ））（３）から計算される。全体のコントラストＣは、透過光ビー
ム１５０（「ｐ」偏光）のコントラストを反射光ビーム
１４０（「ｓ」偏光）のコントラストと組合わせたもの
であるが、最も低いコントラスト比、即ち、反射光ビー
ムのコントラストによって多くは決定されることが分か
る。従って、第６，１０８，１３１号の従来技術の装置
の全体のコントラストは、「ｓ」偏光反射ビームによっ
て制限され、可視スペクトル内においてたった〜１０：
１乃至〜１００：１であり、青の波長で最も低い性能を
有する。

【００２５】図４は、同一の従来技術の装置に対し、５
００ｎｍにおける角度に対する全体のコントラスト比Ｃ
のモデル化された変動を等高線として示す（０，０座標
は、４５°に対応する）。これは、全体のコントラスト
比２７５は、入射角によってかなり変動することを示
し、４５°の入射角における〜２３：１から、〜５５°
の入射角（ポーラアングル＋１０°）における〜１４：
１、〜３５°の入射角（ポーラアングル＋１０°、方位
角１８０°）における〜３０：１まで変動する。従っ
て、図４は、全体のコントラスト比が、大きいＮＡ入射
ビームを有することによって、平均して低くなることを
効率的に示す。全体のコントラストＣは、反射コントラ
スト（Ｒｓ／Ｒｐ）によって制限される。角度に対する
透過ビームコントラスト（Ｔｐ／Ｔｓ）のみの同様の解
析は、「マルチーズクロス」パターンとなるコントラス
ト等高線を示し、非常に狭い角度範囲においてのみ非常
に高いコントラスト値（＞１０^４：１）を有し、一方、
〜８００：１の平均コントラスト値はかなり広い角度範
囲（＞１２°ポーラアングル、２５°方位角）内で見受
けられる。光効率もG-solverによってモデル化され、基
本的には図２ａの透過効率曲線２００を裏付けた。
「ｐ」偏光の透過効率はかなり均一で、可視スペクトル
のほとんどに亘って〜８７％であった。一方、反射
「ｓ」光効率は、可視スペクトル全体で〜９２％と非常
に均一であった。

【００２６】本発明のワイヤグリッド偏光子３００は、
図５ａに断面図として示すが、各細長いワイヤプリフォ
ーム３１０（又は並行な導電電極）と、一連の細長い金
属ワイヤ（３２０、３２２、３２４）とが交互にされる
細長い誘電ストリップ（誘電層３４０、３４２、３４
４）とからなる層状の内構造を有し、その内構造が透明
の誘電基板３０５上に配置される構造を使用する。金属
ワイヤの厚さと誘電層の厚さをそれぞれ適当に決め、ワ
イヤグリッド偏光子のワイヤプリフォーム３１０を適当
に構成すると、光子トンネル及びグリッド内共鳴効果の
組合せを使用し、偏光子の性能を高めることが出来る。
従来技術のワイヤグリッド偏光子と比較すると、本発明
のワイヤグリッド偏光子は、細長いワイヤ面（Ｘ：Ｙ
面）内の共鳴効果を使用するだけでなく、Ｚ軸に沿って
の多数の並行なワイヤ内面間の共鳴効果も使用し、性能
を定め、且つ、高める。図５ａ乃至図５ｄに示すワイヤ
グリッド偏光子３００は寸法が決められている訳ではな
く、ワイヤプリフォーム３１０は、誘電層が交互にされ
る細長い金属ワイヤのワイヤ内下部構造を示すために大
きく示されることを理解するべきである。従来技術のワ
イヤグリッド装置と同様に、ピッチ（ｐ）及びワイヤ幅
（ｗ）は、その寸法において波長以下である（〜λ／５
又はそれ以下）。ワイヤ厚（ｔ）も、波長以下である
が、以下に説明するように波長以下である必要はない。

【００２７】特に、本発明のワイヤグリッド偏光子の設
計は、共鳴エンハンストトンネリング（resonance enha
nced tunneling）という或る程度知られている物理現象
を使用することに基づき、この現象では、適当に構成さ
れる金属層は、入射光に対し部分的に透明となることが
可能となる。この現象は、共鳴が高められるトンネリン
グを可能にするフォトニックバンドギャップが構成され
ると発生するが、これは、例えば、１９９９年１２月の
OE Reportsにおける調査報告「Photonic BandGap Struc
ture Makes Metals Transparent」（3p.）に説明され
る。この概念は、１９９８年３月のJ. App. Phys. 83
(5)においてM. Scalora外によって「Transparent, Meta
llo-Dielectric, One-Dimensional, Photonic Band-Gap
Structures」（pp.2377-2383）に詳細に説明される。

【００２８】従来技術において、入射光は、反射する前
に、金属フィルムの短い距離だけを伝搬すると考えられ
ており、これは、表皮厚さ（δ）として知られる。表皮
厚さは、以下の式（４）から求められる。

【００２９】δ＝λ／４πｎ_ｉ，（４）ただし、算出される厚さは、光度がその入力表面におけ
る値の〜１／ｅ^２に減少した距離に対応する（ただし、
ｎ_ｉは、屈折率の虚数部である）。従来において、薄い
金属層は、その厚さが、例えばアルミニウム及び銀とい
った金属では、たった１０−１５ｎｍである一般的な表
皮厚さ値δを超えると透過可視光に対し不伝導性となる
と考えられる。しかし、上述した文献が説明するよう
に、金属−誘電（metallo-dielectric）フォトニックバ
ンドギャップ構造は、薄い金属シートと薄い誘電シート
を交互にすることによって構成されることができ、それ
により入射光は、合わされると表皮厚さδより厚くなる
個々の金属層を効率よく透過することができる。（本質
的に、フォトニックバンドギャップ構造とは、同様の厚
さを有するが、異なる屈折率を有する材料層またはセク
ションが交互にされ、基板上又は外の構造上で周期的に
又は準周期的に間隔が開けられる構造である。）最も単
純には、これらの構造は、図５ａに示す任意の単一のワ
イヤプリフォーム３１０を考慮することによって考え出
すことができ、この構造の構成要素である交互にされる
金属ワイヤ（３２０、３２２、３２４）及び誘電層（３
４０、３４２、３４４）は、誘電基板３０５の２次元表
面のほとんどをカバーするようシート状に伸ばされる。
例えば、これらの文献に説明される１つの構成要素が３
つの層からなる（one three）周期構造は、１４０ｎｍ
の厚さを有する３つのフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）
層によって離される、３０ｎｍの厚さを有する３つのア
ルミニウム（Ａｌ）層を有するが、これは緑の波長帯域
において可変である１５−５０％透過率を与える。結果
として、入射光は、第１の薄い金属層を通り抜け、消失
しながら次の誘電層に到達する。第１の金属層を透過
し、次の誘電層に到達した光線は、第２の金属層に到達
する。適当な境界条件が設定され、それにより、構造全
体がファブリー・ペローのキャビティ（又は、エタロ
ン）と略同様に機能し、誘電層内の共鳴が金属層を通る
光透過を高める。共鳴エンハンストトンネリング効果
は、薄い金属層と薄い誘電層とが交互にされる構造が繰
り返される設計によって更に高められる。更に、これら
の文献は、周期を追加する（従って、金属の厚み全体が
追加される）ことによって、少ない周期を有する構造に
対し、全体の光透過率を増加することができ、更には、
帯域通過領域内の振動を減少することができる。更に、
誘電層の厚さを調節することによって、帯域通過構造の
エッジを、行われた変更に応じて長い又は短い波長にシ
フトすることができることが示される。一般的に、これ
らの構造における薄い誘電層は、薄い金属層よりかなり
厚く（〜３−１０倍又はそれ以上大きい）、一方で、薄
い金属層は表皮厚さ分の厚さしかない場合もあるが、理
論上の表皮厚さ（δ）の数倍の厚さである場合もある。

【００３０】金属−誘電フォトニックバンドギャップに
よって可能となる共鳴エンハンストトンネリング現象
は、実際の装置にはあまり広く使用されてこなかった。
引用した参考文献では、この効果は、１つの波長帯域
（例えば、可視波長）は透過するが付近の帯域（ＵＶ又
はＩＲ）は遮断する遮光装置に有用であると考えられ
る。このようなフォトニックバンドギャップ構造は、付
近の波長帯域の抑制し、単純な金属フィルムに比べて何
倍も改善される。更に、米国特許第５，７５１，４６６
号（Scalora外）及び第５，９０７，４２７号（Dowling
外）はこの効果を使用して、光通信用の可変のフォトニ
ック信号遅延装置を設計することを説明する。しかし、
この従来技術は、金属−誘電フォトニックバンドギャッ
プ構造の共鳴エンハンストトンネリングを、偏光装置全
般、又は、ワイヤグリッド偏光子及び特に、偏光ビーム
スプリッタを設計するのに用いることによる利点を予見
していない。更に、共鳴エンハンストトンネリング効果
が、可視スペクトル全体で又は任意の単一の色の帯域に
おける偏光コントラスト又は透過を改善することによっ
て、ワイヤグリッド偏光装置の性能を改善することは必
ずしも明らかにされていない。

【００３１】従って、図５ａ乃至図５ｂに示す本発明の
ワイヤグリッド偏光子３００は、複数の同様に形成され
る細長いワイヤプリフォーム３１０を使用し、各ワイヤ
プリフォーム３１０は、交互にされる金属ワイヤ（３２
０、３２２、３２４）及び誘電層（３４０、３４２、３
４４）を含むワイヤ内下部構造を有する。従来技術のワ
イヤグリッド偏光子と同様に、ワイヤに対し並行な偏光
は装置から反射し、ワイヤに対し直交する偏光は透過す
る。しかし、従来技術のワイヤグリッド偏光子は、モノ
リシック状に置かれ、一般的に１００−１５０ｎｍの厚
さを有する比較的厚いワイヤを使用するのに対し、本発
明のワイヤグリッド偏光子は、各ワイヤを、一連の交互
にされる薄い金属層と誘電層として効率よく構成する。
その結果、ワイヤに対し直交する入射偏光は、金属層自
体をフォトニックトンネリング及び高められた共鳴効果
により部分的に透過され、従って、反射偏光に対する透
過偏光の全体としてのコントラスト比が高められる。ワ
イヤ面（図１に示すＸ：Ｙ面）内の共鳴効果のみに依存
する従来技術のワイヤグリッド偏光装置と比較すると、
本発明のワイヤグリッド偏光装置は、直交方向（図１に
示すＺ方向）における共鳴効果も使用し、性能が決定さ
れる。

【００３２】本発明のワイヤグリッド偏光子３００の第
１の実施例を図５ａに示す。ここでは、各細長いワイヤ
プリフォーム３１０は、交互にされる金属層（金属ワイ
ヤ３２０、３２２、及び、３２４）及び誘電層（誘電層
３４０、３４２、３４４）を含む６層からなる周期的に
層状にされるワイヤ内構造３１５を有する。従来技術の
装置と同様に、ワイヤグリッド偏光子３００は、１３０
ｎｍのピッチ（ｐ〜λ／５）上に配置されるワイヤを有
し、４０％のデューティサイクルを有し、つまり、ワイ
ヤ幅（ｗ）が５２ｎｍである構造としてモデル化され
る。従って、ワイヤプリフォーム３１０の間の溝３１２
は、７８ｎｍの幅を有する。溝３１２は、例えば、光液
体又は光ゲルといった幾つか他の媒体ではなく、空気に
よって充填される。従来技術の装置と同様に、本発明の
装置も偏光ビームスプリッタとしてモデル化され、並行
ビームが角度θ＝４５°で入射する。更に、ワイヤプリ
フォーム３１０は、ＭｇＦ２からなり、それぞれ３３ｎ
ｍの厚さを有する３つの薄い誘電層（誘電層３４０、３
４２、３４４）と、アルミニウムからなり、それぞれ６
１ｎｍの厚さを有する３つの薄い金属層（金属ワイヤ３
２０、３２２、及び、３２４）とが交互にされるワイヤ
内構造３１５を有してモデル化される。

【００３３】有効な媒質の理論によると、入射光は、各
層の有効指数と相互作用し、有効指数はワイヤプリフォ
ーム３１０の幾何学形状、層自体の幾何学的形状、層
（金属又は誘電のいずれか）の複素屈折率、ワイヤ間の
材料（空気）の屈折率、及び、隣接する層によって設定
される境界条件に依存する。図５ａに示すワイヤグリッ
ド偏光子の実施例に対しては、ワイヤ内構造は、第３の
誘電層３４４が、第３の金属層３２４と透明誘電基板３
０５の表面３０７との間に位置するよう設計される。ワ
イヤプリフォーム３１０のワイヤ全体の厚さ（ｔ）は、
３つの金属ワイヤ３２０、３２２、及び、３２４と３つ
の誘電層３４０、３４２、及び、３４４の厚さの和であ
り、ここでは２８２ｎｍ又は（〜λ／２）である。この
装置に対しモデル化される偏光性能は、図６ａ及び図６
ｂに示すが、図３ａ及び図３ｂにモデル化された結果が
示される基本的なワイヤグリッド偏光子に対し、反射及
び透過の両方において改善が見られる。性能は、Gsolve
rによって、精度を保証するために８つの回折オーダを
使用してモデル化された。図６ａに示すように、「ｐ」
偏光に対する理論上の透過ビームコントラスト２５０
は、可視スペクトル全体で１０^５−１０^６：１で変動す
る。一方、「ｓ」偏光に対する反射ビームコントラスト
２５５は、可視スペクトル全体でかなり均一な〜１０
０：１で平均化される。従って、図６ｂに示す全体のコ
ントラスト比２７５も、可視スペクトル全体に亘って〜
１００：１で平均化される。改善される偏光性能は、効
率を犠牲にして得られるのではなく、というのは、
「ｓ」偏光の反射効率は〜９１％であり、一方、「ｐ」
偏光の透過効率は〜８３％であり、可視スペクトルに亘
ってほとんど変動がないからである。反射「ｓ」偏光に
対しこのような比較的高く及び均一な偏光コントラスト
があることによって、本発明の装置は、「ｐ」偏光ビー
ム及び「ｓ」偏光ビームの両方が使用される適用におい
て、偏光ビームスプリッタとして改善された性能を与え
ることができる。特に、本発明は更に、米国特許第６，
１０８，１３１号の従来技術の装置に対し、「ｐ」偏光
コントラストにおいて〜１０倍の改善、且つ、高められ
た青の性能を示し、反射ビームコントラスト２５５及び
全体のコントラスト比２７５は、青のスペクトルのほと
んどに対し〜２５０：１のコントラストで平均化され
る。このような性能は、投射システムを含む多くの適用
に有用である。

【００３４】更に、図３ａ、ｂに示す従来技術の装置と
比較しての、図６ａ、ｂに示す第１の実施例であるワイ
ヤグリッド偏光ビームスプリッタ装置の全体のコントラ
スト２７５及び透過ビームコントラスト２５０における
改善は、減少された角度性能を犠牲にして得られたもの
ではない。全体のコントラストＣの等高線解析によっ
て、〜５００：１の平均コントラスト値は、５００ｎｍ
における広い角度範囲（＋／−１２°ポーラアングル、
及び＋／−３０°方位角）内で得られる。第１の実施例
の装置も、垂直入射角（θ＝０°）における並行ビーム
に対しモデル化される。可視スペクトル全体に対する透
過ビームコントラストは、垂直入射角において＞１
０^５：１であるので、第１の実施例であるワイヤグリッ
ド偏光子は、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタだけ
でなく、偏光アナライザー又は偏光子として機能するこ
とが証明された。

【００３５】本発明のワイヤグリッド偏光子及び米国特
許第４，２８９，３８１号（Garvin外）のワイヤグリッ
ド偏光子は共に、Ｚ軸方向に延在するパターン化された
ワイヤの多数の面を有するが、これらのワイヤグリッド
偏光子装置は明確に異なる。特に、米国特許第４，２８
９，３８１号における多数のワイヤグリッド面のそれぞ
れにおけるワイヤは、厚い（１００乃至１０００μｍ）
固体金属ワイヤであり、ワイヤ内構造は無く、ワイヤを
透過する有用な消失性の透過率を得るためには厚すぎ
る。更に、米国特許第４，２８９，３８１号の２つのグ
リッドの場合における多数のワイヤ面は、重ねられる配
列を有するのではなく、ピッチの半分（ｐ／２）が選択
的にオフセットにされる。最後に、米国特許第４，２８
９，３８１号におけるワイヤグリッド偏光子設計は、隣
接するワイヤグリッドをグリッド間隔（ｌ）及びピッチ
オフセット（ｐ／２）で配置し、それにより、グリッド
間共鳴又はエタロン効果の発生を阻止する。対照的に、
本発明のワイヤグリッド偏光子３００は、性能を高める
ために層状のワイヤ内下部構造内のエタロン型共鳴効果
を特に使用する。

【００３６】図５ｂに、本発明のワイヤグリッド偏光子
３００の第２の実施例を示す。ここでは、各ワイヤプリ
フォーム３１０は、交互にされる金属層（金属ワイヤ３
３０ａ−ｉ）及び誘電層（誘電層３５０ａ−ｉ）を含む
１８層からなる周期的に層状にされるワイヤ内構造３１
５を有する。第１の実施例と同様に、本発明の第２の実
施例のワイヤグリッド偏光子３００は、１３０ｎｍのピ
ッチ（ｐ〜λ／５）を有するワイヤプリフォーム３１０
を有し、４０％のデューティサイクルを有し、つまり、
ワイヤ幅（ｗ）が５２ｎｍである構造としてモデル化さ
れる。第２の実施例も同様に、偏光ビームスプリッタと
してモデル化され、角度θ＝４５°で入射する平行ビー
ムを有する。上述されるように、最後の誘電層（３３０
ｉ）は、誘電基板３０５に隣接する。しかし、ワイヤプ
リフォーム３１０は、ＭｇＦ２からなり、それぞれ３９
ｎｍの厚さを有する９つの誘電層（誘電層３３０ａ−
ｉ）と、アルミニウムからなり、それぞれ１７ｎｍの厚
さを有する９つの金属層（金属層３５０ａ−ｉ）とが交
互にされるワイヤ内構造３１５を有してモデル化され
る。ワイヤプリフォーム３１０のワイヤ全体の厚さ
（ｔ）は、これは、金属ワイヤ３３０ａ−ｉと誘電層５
０４ａ−ｉの厚さの和であり、ここでは〜１λである。
この装置に対しモデル化される偏光性能は、図７ａ及び
図７ｂに示すが、図３ａ及び図３ｂにモデル化された結
果が示される基本的なワイヤグリッド偏光子に対し、反
射及び透過の両方において改善が見られる。図７ａに示
すように、「ｐ」偏光に対する理論上の透過ビームコン
トラスト２５０は、可視スペクトル全体で１０^７−１０
^８：１で変動する。一方、「ｓ」偏光に対する反射ビー
ムコントラスト２５５は、可視スペクトル全体で〜１０
０：１で平均化される。この装置は第１の実施例と比べ
るとかなり複雑となるが、「ｐ」偏光に対する理論上の
送信ビームコントラスト２５０は、第１の実施例である
装置より〜１００倍、従来技術の装置（図３ａ参照）に
対し〜１，０００倍良好である。

【００３７】本発明のワイヤグリッド偏光子３００の第
３の実施例は、第２の実施例と同様に、各ワイヤプリフ
ォーム３１０が、交互にされる金属層（金属ワイヤ３３
０ａ−ｉ）及び誘電層（誘電層３５０ａ−ｉ）を含む１
８層からなる周期的に層状にされるワイヤ内構造３１５
を有するが、誘電層及び金属層の厚さが変更される。第
３の実施例では、ワイヤプリフォーム３１０は、ＭｇＦ
２からなり、それぞれ２８３ｎｍの厚さを有する９つの
厚い誘電層（誘電層３５０ａ−ｉ）と、アルミニウムか
らなり、それぞれ１７ｎｍの厚さを有する９つの金属層
（金属層３５０ａ−ｉ）とが交互にされるワイヤ内構造
３１５を有してモデル化される。ワイヤプリフォーム３
１０のワイヤ全体の厚さ（ｔ）は、２７００ｎｍ、即
ち、〜５／λである。図７ｃ及び７ｄに示すように、図
７ａ及び７ｂと比較すると、第３の実施例の装置は、第
２の実施例の装置と比較するとかなり異なる偏光性能を
有するが、第３の実施例と第２の実施例の相違点は、誘
電層３５０ａ−ｉにおける厚さだけである。図７ｄにお
いて明らかであるように、全体のコントラスト比２７５
は、青のスペクトルにおいては、〜１５０：１の平均コ
ントラストを有するが、緑及び赤のスペクトルにおける
性能は低下している。全体のコントラスト比２７５の曲
線も、青の波長帯域において高速に変動するので注目に
値する。この変動は、〜５０：１及び〜５００：１のコ
ントラスト間で、ピークと谷間の間をスイングする。厚
い誘電層を使用する第３の実施例は、「ｐ」透過光に対
し最高の性能を有するだけでなく、「ｓ」反射光に対し
ても非常に良好な性能（２５０：１又は以上）を有する
波長帯域に同調されるワイヤグリッド偏光ビームスプリ
ッタを設計する可能性を示唆する。残念ながら、Gsolve
rは優秀な解析ソフトウェアプログラムではあるが、コ
ードは偏光コントラストの最適化を容易にするよう書か
れていないので、更に改善される性能を有する例示的な
結果を入手することができない。しかし、金属層と誘電
層の厚さが可変であるこの設計の最適化することによ
り、非周期的な又は二重に周期的な構造を形成するが、
青における性能を更に高め、それにより所望の結果が得
られる。

【００３８】ワイヤグリッド偏光子３００の第３の実施
例に対する同様の結果は、厚い誘電層を有するが、１８
層以外の全体層を有する同様のワイヤ内構造３１５を使
用して得ることができる。ワイヤグリッド偏光子の第４
の実施例は、ＭｇＦ２からなり、それぞれ５２５ｎｍの
厚さを有する４つの層と、アルミニウムからなり、それ
ぞれ４５ｎｍの厚さを有する４つの層とが交互にされる
８層を含む構造を有してモデル化される。従って、ワイ
ヤプリフォーム３１０の全体の厚さ（ｔ）は、２．２８
μｍ、又は、〜４λである。モデル化される装置は、そ
れ以外は、ワイヤピッチ（ｐ）、ワイヤ幅（ｗ）、及
び、入射角に関し、上述した実施例と同一である。この
第４の実施例の装置の結果としての偏光性能は、図８ａ
及び図８ｂに示すが、青のスペクトルにおいて、第３の
実施例の装置の偏光性能（図７ｃ及び図７ｄ）と非常に
似ている。興味深いことに、図８ａは、透過及び反射ビ
ームの両方に対し青及び赤のスペクトルでは高いコント
ラストを有するが、緑のスペクトルに対しては両方のビ
ームに対し低いコントラストを与える構造の可能性を示
唆する。

【００３９】１８層からなるワイヤグリッド偏光子の第
２の実施例及び第３の実施例に関し、この２つの実施例
の相違点は誘電層の厚さだけ（３９ｎｍ対２８３ｎｍ）
であるが、誘電層が中間の厚さを有する同様の装置をモ
デル化すると別の興味深い結果が得られる。例えば、５
６ｎｍの厚さを有する誘電層を有するようモデル化され
る装置は、可視スペクトル全体に対し最小の〜１００：
１の全体コントラスト比を与えるが更に、〜４５０ｎｍ
及び〜６１０ｎｍにおいて２つの局所的なピークをもた
らし、ここでは、全体の偏光コントラスト比は〜１００
０：１又はそれ以上である。

【００４０】本発明のワイヤグリッド偏光子３００の第
５の実施例を図５ｃに示す。ここでは、各ワイヤプリフ
ォーム３１０は、交互にされる金属層（金属ワイヤ３２
０、３２２、及び３２４）及び誘電層（誘電層３４０及
び３４２）を含む５層からなる周期的に層状にされるワ
イヤ内構造３１５を有する。他の実施例と同様に、ワイ
ヤグリッド偏光子３００の第５の実施例は、１３０ｎｍ
のピッチ（ｐ〜λ／５）を有するワイヤプリフォーム３
１０を有し、４０％のデューティサイクルを有し、つま
り、ワイヤ幅（ｗ）が５２ｎｍである構造を有してモデ
ル化される。上述したものと同様に、この装置も偏光ビ
ームスプリッタとしてモデル化され、並行ビームが角度
θ＝４５°で入射する。しかし、この装置は、前出の実
施例では誘電層であったのに対し、誘電基板３０５には
金属層（金属ワイヤ３２４）が隣接して設計される。ワ
イヤプリフォーム３１０は、２つの薄いＭｇＦ２からな
る誘電層（誘電層３４０及び３４２、それぞれ５５ｎｍ
の厚さを有する）が３つの薄いアルミニウムからなる金
属層（金属ワイヤ３２０、３２２、及び、３２４、それ
ぞれ６１ｎｍの厚さを有する）と交互にされるワイヤ内
構造３１５を有してモデル化される。ワイヤプリフォー
ム３１０の全体のワイヤ厚さ（ｔ）は、２９３ｎｍであ
り、即ち、λ／２．λである。この装置に対しモデル化
される偏光性能は、図９ａ及び図９ｂに示すが、基本的
なワイヤグリッド偏光子（図３ａ及び図３ｂに示す）に
対し反射及び透過の両方において改善を示すが、第１の
実施例である６層からなる装置と同じようには機能しな
い。図７ａに示すように、「ｐ」偏光に対する理論上の
透過ビームコントラスト２５０は、可視スペクトル全体
で１０^５−１０^６：１で変動する。一方、「ｓ」偏光に
対する反射ビームコントラスト２５５は可視スペクトル
全体でたった〜４０：１で平均化される。従って、図７
ｂに示す全体のコントラスト比２７５も、可視スペクト
ル全体で〜４０：１で平均化される。更に、青の性能
は、第１の実施例の装置と比較すると、その波長帯域に
亘ってあまり均一ではない。それにもかかわらず、金属
層（金属ワイヤ３２４）が誘電基板３０５に接する第５
の実施例の装置は、依然として有用である。

【００４１】本発明のワイヤグリッド偏光子３００の第
６の実施例を図５ｄに示すが、これは、各ワイヤプリフ
ォーム３１０に５層のみを有する第５の実施例の装置の
変形であるが、第６の実施例は、非周期的に層状にされ
るワイヤ内構造３１５を有する。従って、ワイヤプリフ
ォーム３１０は、３つの薄いアルミニウム金属層（金属
ワイヤ３２０、３２２、及び、３２４、それぞれ６１ｎ
ｍの厚さを有する）が２つの薄いＭｇＦ２誘電層と交互
にされるワイヤ内構造３１５を有してモデル化される。
ただし、誘電層３４０は２７．５ｎｍの厚さを有し、誘
電層３４２は８２．５ｎｍの厚さを有する。前述したも
のと同様に、第３の金属層（３２４）が誘電基板（３０
５）と接する。第５の実施例の装置と同様に、この装置
の全体のワイヤの厚さ（ｔ）は、２９３ｎｍである。こ
の装置に対しモデル化される性能は、図１０ａ及び図１
０ｂに示すが、第５の実施例の性能（図９ａ及び図９ｂ
参照）と同様であるが、ただし、全体のコントラストに
よって評価されるように青のスペクトルにおける性能は
平均的に高い。第５の実施例及び第６の実施例の装置
も、波長帯域同調ワイヤグリッド偏光子装置の可能性を
示唆する。

【００４２】様々な実施例（１から６まで）に対する
「ｓ」偏光反射効率及び「ｐ」偏光透過効率として評価
される光効率のグラフは提示しなかったが、これは、そ
れらのデータの変化は最小であったことによる。一般的
に、「ｓ」偏光の反射効率は、可視スペクトルに対し均
一であり、これは、パーセント効率において８０％後半
乃至９０％前半のレベルであった。「ｐ」偏光透過効率
は僅かに均一ではなかったが、これは、幾つかの実施例
の装置は、スペクトルの低い青の領域において幾らかの
減衰を示したことによる。更に、全体としての「ｐ」偏
光透過効率は、「ｓ」光線効率よりも低く、これは、幾
つかの実施例ではスペクトルの低い青の領域において幾
つかの低下を示したことによる。更に「ｐ」偏光透過効
率全体も「ｓ」偏光効率より低く、一般的に、パーセン
ト効率において８０％の前半乃至中盤のレベルであっ
た。

【００４３】各細長いワイヤプリフォーム３１０は、可
視光の波長より一般的に大きい長さを有することを理解
すべきである。従って、ワイヤプリフォーム３１０は少
なくとも約０．７μｍの長さを有する。しかし、多くの
実際の装置では、ワイヤプリフォーム３１０は数ミリメ
ートルの長さか、或いは、数センチメートルの長さであ
り、これは、適用の寸法要件に依存する。本出願におけ
る様々な実施例のワイヤグリッド偏光子装置は、グリッ
ドピッチ又は周期（ｐ）と比較してワイヤプリフォーム
３１０の幅（ｗ）に対し４０％のデューティサイクルで
モデル化されたが、外のデューティサイクルも使用可能
であることを理解すべきである。一般的に、４０乃至６
０％の範囲内のデューティサイクルが、透過及びコント
ラスト比に対し最適な全体としての性能を示す。実施例
の装置によって示されるように、ワイヤプリフォーム３
１０の全体の厚さ（ｔ）は、約半波長から約５波長まで
変動することが可能であり、同時に、透過「ｐ」偏光の
優れた透過と、「ｓ」偏光の反射を提供することは注目
に値する。比較すると、従来技術のワイヤグリッド装置
は、「ｓ」偏光を好適に反射することを保証するために
は、表皮厚さ（δ）の数倍の金属ワイヤ厚に大きく依存
する。更に、本出願における実施例の装置は、細長い金
属ワイヤ（例えば３３０の）の厚さを有してもよく、こ
の厚さは、表皮厚さのたった数倍であり（約１−４）、
依然として透過「ｐ」偏光の優れた透過と「ｓ」偏光の
反射が得られる。例えば、第５の実施例は、６１ｎｍの
厚さを有する金属層を使用するが、これは、表皮厚さの
約４倍に等しい。最後に、誘電基板１２０の第２の面又
は反対側の面は、全体の透過を高めるよう反射防止（Ａ
Ｒ）コーティングが施されてもよい。

【００４４】金属層と誘電層とが交互にされる層状のワ
イヤ内グリッド構造３１５を有するワイヤグリッド偏光
子３００の設計の様々な実施例は、可能な設計の範囲全
体をカバーしていないことを理解するべきである。１つ
の理由として、偏光コントラストの最適化を可能にしな
いGsolverソフトウェアによる制限によって、本発明の
結果がその可能性よりも制限されることがある。更に、
設計において、材料の他の組合せを使用することが可能
であり、例えば、アルミニウムを金又は銀によって置き
換える、又は、ＭｇＦ２からなる誘電材料をＳｉＯ２又
はＴｉＯ２によって置き換えることが可能である。実際
の材料選択は、所望の設計性能及び処理制限の両方に依
存する。更に、溝３１２は、空気ではなく、光学的に透
明な液体、接着剤、又はゲルによって充填されてもよ
い。尚、全ての実施例の装置では、一番外側の層（誘電
基板３０５から一番遠い層）は、ワイヤプリフォーム３
１０のワイヤ内構造３１５の一部を構成し、金属層とし
て設計されるが、一番外側の層に誘電層を用いてもよ
い。

【００４５】尚、もう１つの理由として、実施例の装置
では、非周期的な構造を有するのは１つの装置構造のみ
である。この装置（第６の実施例）は比較的単純ではあ
るが、かなり複雑な装置も可能であり、これは、設計を
最適化する可能性と装置を製造する可能性の両方に依存
する。層状にされるワイヤ内構造３１５を構成する金属
層と誘電層の両方の厚さは、構造に応じて可変である。
例えば、チャープ（chirped）構造といった準周期的な
ワイヤ内構造を設計することができる。別の実施例とし
て、一番外側の層の厚さ及び／又は一番内側の層（誘電
基板３０５に最も近い層）の厚さを合わせること以外
は、ワイヤ内構造３１５は周期的に金属層及び誘電層を
交互にすることが可能であるが、これは、グリッド以外
の領域に対し界面全体の性能を改善する。同様に、誘電
基板３０５は、中間層によって被覆されることが可能で
あり、ワイヤプリフォーム３１０のワイヤ内構造の一番
内側の層が誘電基板３０５ではなく、中間層に直接接し
てもよい。装置の最適化は、ワイヤ内構造３１５の詳細
だけではなく、ワイヤピッチ（ｐ）及びワイヤ幅（ｗ）
にも依存する。結果として、層状のワイヤ内構造３１５
を有するワイヤプリフォーム３１０から構成されるワイ
ヤグリッド偏光子３００を設計する本発明の思想によっ
て、ワイヤグリッド装置が小さなピッチ構造によって与
えら得る性能レベルを達成することを可能にする。

【００４６】更に、ワイヤグリッド偏光子３００は、装
置の表面全体に亘って異なる層状のワイヤ内構造３１５
を有するワイヤプリフォーム３１０と共に設計され製造
されることが可能である。従って、偏光ビームスプリッ
ティング又は偏光解析のための空間的に異なる装置を形
成することが可能である。

【００４７】層状のワイヤ内構造３１５を有するワイヤ
プリフォーム３１０から構成されるワイヤグリッド偏光
子３００はかなり複雑な設計を有し得るが、複雑さは必
ずしも困難な製造過程であるとは限らない。一般的に、
金属層又は誘電層のいずれであってもよい個々の層の製
造の許容誤差は、比較的緩やかである。典型的な層の厚
さの許容誤差は数ナノメートルであると予期されるが、
幾つかの装置では、１０ｎｍ以上の層の許容誤差を有
し、一方で幾つかの装置は１ｎｍ以下の許容誤差を有
し、これは、設計に左右される。

【００４８】最後に、層状のワイヤ内構造３１５を有す
るワイヤプリフォーム３１０から構成される改善される
ワイヤグリッド偏光子３００の思想は特に、電子投射の
適用における可視スペクトルでの動作に関し説明した
が、本発明の思想は、他の適用及び他の波長帯域に対し
ても十分に拡大可能である。例えば、本発明の装置は、
近赤外波長（〜１．０−１．５μｍ）で設計且つ製造さ
れ、光学通信システムに使用されてもよい。特に、本発
明の思想は、「ｐ」透過率が＞１０^８：１であり、
「ｓ」反射率は＞１０^４：１である狭い波長の偏光装置
を形成する可能性を有する。同様に、狭波長ノッチ偏光
ビームスプリッタが設計可能であり、これは、可視スペ
クトル又は赤外スペクトルのどちらでも可能であり、
「ｐ」及び「ｓ」偏光識別は、同時に最適化され、優れ
た全体としてのコントラストを有する偏光ビームスプリ
ッタが形成される。更に、第３の実施例の装置は、高い
偏光コントラストを有する大きい波長帯域を与えること
が可能な構造を有する偏光フィルタ装置を示唆し、これ
は、最小の偏光コントラスト（図８ａ参照）を与える中
間波長帯域を取り囲む。例えば、このような装置は、適
当に構成される照明と組み合わされ、品質及び欠陥検査
のための製品アセンブリラインにあってもよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】従来技術のワイヤグリッド偏光子を示す斜視図
である。

【図２ａ】可視スペクトル内で動作するよう設計される
従来技術のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの性能
を示すプロットである。

【図２ｂ】可視スペクトル内で動作するよう設計される
従来技術のワイヤグリッド偏光子の性能を示すプロット
である。

【図３ａ】従来技術のワイヤグリッド偏光ビームスプリ
ッタに対し、可視スペクトル内の波長に対する透過コン
トラスト比及び反射コントラスト比を示すプロットであ
る。

【図３ｂ】従来技術のワイヤグリッド偏光ビームスプリ
ッタに対し、可視スペクトル内の波長に対する全体のコ
ントラスト比を示すプロットである。

【図４】従来技術のワイヤグリッド偏光ビームスプリッ
タにおいて、５００ｎｍの光線対し入射角に対する全体
のコントラスト比を示す等高線プロットである。

【図５ａ】本発明のワイヤグリッド偏光子の様々な構成
のうちの１つを示す断面図である。

【図５ｂ】本発明のワイヤグリッド偏光子の様々な構成
のうちの１つを示す断面図である。

【図５ｃ】本発明のワイヤグリッド偏光子の様々な構成
のうちの１つを示す断面図である。

【図５ｄ】本発明のワイヤグリッド偏光子の様々な構成
のうちの１つを示す断面図である。

【図６ａ】６層構造を有する本発明のワイヤグリッド偏
光子の、波長に対する反射偏光コントラスト比及び透過
偏光コントラスト比を示すグラフ式プロットである。

【図６ｂ】６層構造を有する本発明のワイヤグリッド偏
光子の、波長に対する全体のコントラスト比を示すグラ
フ式プロットである。

【図７ａ】１８層構造を有する本発明のワイヤグリッド
偏光子の、波長に対する反射偏光コントラスト比及び透
過偏光コントラスト比を示すグラフ式プロットである。

【図７ｂ】１８層構造を有する本発明のワイヤグリッド
偏光子の、波長に対する全体のコントラスト比を示すグ
ラフ式プロットである。

【図８ａ】別の１８層構造を有する本発明のワイヤグリ
ッド偏光子の、波長に対する反射偏光コントラスト比及
び透過偏光コントラスト比を示すグラフ式プロットであ
る。

【図８ｂ】別の１８層構造を有する本発明のワイヤグリ
ッド偏光子の、波長に対する全体のコントラスト比を示
すグラフ式プロットである。

【図９ａ】５層構造を有する本発明のワイヤグリッド偏
光子の、波長に対する反射偏光コントラスト比及び透過
偏光コントラスト比を示すグラフ式プロットである。

【図９ｂ】５層構造を有する本発明のワイヤグリッド偏
光子の、波長に対する全体のコントラスト比を示すグラ
フ式プロットである。

【図１０ａ】別の５層構造を有する本発明のワイヤグリ
ッド偏光子の、波長に対する反射偏光コントラスト比及
び透過偏光コントラスト比を示すグラフ式プロットであ
る。

【図１０ｂ】別の５層構造を有する本発明のワイヤグリ
ッド偏光子の、波長に対する全体のコントラスト比を示
すグラフ式プロットである。

【符号の説明】１００ワイヤグリッド偏光子１１０導電電極１２０誘電基板１３０光ビーム１３２光源１４０反射光ビーム１５０透過光ビーム３００本発明のワイヤグリッド偏光子３１０ワイヤプリフォーム３２０、３２２、３２４、３３０金属ワイヤ（金属
層）３４０．３４２、３４４、３５０誘電ストリップ（誘
電層）３０５誘電基板３０７基板の表面

フロントページの続き (72)発明者シアンードンミアメリカ合衆国ニューヨーク 14623 ロチェスタークリテンデン・ウェイ 308 Ｆターム(参考） 2H049 AA03 AA13 AA33 AA44 AA59 AA66 BA05 BA43 BA45 BB02 BC25

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光ビームを偏光するワイヤグリッド
偏光子であって、表面を有する基板と、上記表面に配置される平行且つ細長いワイヤプリフォー
ムのアレイとを含み、上記ワイヤプリフォームのそれぞれは、上記入射光の波
長より小さいグリッド周期で間隔が置かれ、上記ワイヤプリフォームのそれぞれは、交互にされる細
長い金属ワイヤと細長い誘電層とからなるワイヤ内下位
構造を含むワイヤグリッド偏光子。
【請求項２】上記ワイヤグリッド偏光子は、上記入射
光ビームに対し、上記ワイヤグリッド偏光子が偏光ビー
ムスプリッタとして機能するような角度に方向付けら
れ、透過偏光ビームと反射偏光ビームとを上記入射光ビ
ームの上記角度から分離する請求項１記載のワイヤグリ
ッド偏光子。
【請求項３】上記交互にされる細長い金属ワイヤと細
長い誘電層とからなるワイヤ内下位構造は、少なくとも
２つの上記細長い金属ワイヤを含む請求項１記載のワイ
ヤグリッド偏光子。
【請求項４】上記交互にされる細長い金属ワイヤと細
長い誘電層とからなるワイヤ内下位構造は、少なくとも
２つの上記誘電層を含む請求項１記載のワイヤグリッド
偏光子。
【請求項５】上記ワイヤ内下位構造のそれぞれは、約
０．２乃至３．０μｍの全体の厚さを有する請求項１記
載のワイヤグリッド偏光子。