JP2002540446A - 回折選択偏光ビームスプリッタおよびそれにより製造されたビームルーチングプリズム - Google Patents

回折選択偏光ビームスプリッタおよびそれにより製造されたビームルーチングプリズム

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JP2002540446A
JP2002540446A JP2000607031A JP2000607031A JP2002540446A JP 2002540446 A JP2002540446 A JP 2002540446A JP 2000607031 A JP2000607031 A JP 2000607031A JP 2000607031 A JP2000607031 A JP 2000607031A JP 2002540446 A JP2002540446 A JP 2002540446A
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ロドニー・エル・クラーク
ラリー・ペッツァニティ
ランディ・クラウズ
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エムイーエムエス・オプティカル・インコーポレイテッド
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Abstract

(57)【要約】 選択的に著しい偏光を示す格子周期を有する回折格子を、斜角の入射する偏光された光に対する偏光ビームスプリッタとして使用する。格子は照明ビームの半波長であることが好ましく、ある波長または入射角度で、横磁気モード（ＴＭ）の偏光をほぼ透過し、横電気モード（ＴＥ）の偏光をほぼ反射するように設計されることが好ましい。製造の容易さのために、偏光ビームスプリッタは、半波長リターダのような他の光学要素とともに一体化して、偏光ビームルーター、二色ビーム結合器、湾曲面上のビームスプリッタ、光学ビームスプリッタ及びルーターを使用する光学ピックアップを形成するようにしてもよい。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 発明の技術分野 本発明は、回折光学構造、およびさらに詳しくは著しい偏光選択性（polarizi
ng selectivity）を呈する回折光学構造、特に半波長（subwavelength）光学格
子構造を使用するものに関する。本発明による著しい偏光選択性を呈する回折光
学構造はビーム分割（beam splitting）に有利に使用される。
【０００２】 関連技術の説明 多層の誘電積層体から形成されるような偏光ビームスプリッタは、特定の偏光
を有する光を選択するものとして知られている。しかしながら、このような従来
のビームスプリッタは設計および製造が比較的困難である。さらに、このような
積層誘電偏光ビームスプリッタは、他の光学要素と一体にすることは容易でない
。
【０００３】 回折偏光は分光学における公知の問題であるが、ビームセパレーション（beam
separation）、スプリッティング（splitting）およびルーチング（routing）
における回折の使用は以前は知られていなかった。そのかわり、回折によって現
れる偏光選択性は望ましくない問題であり、補正されるべきであると考えられて
いた。
【０００４】 回折構造で横電気（transverse electric）モード（ＴＥ）と横磁気（transv
erse magnetic）モード（ＴＭ）に偏光された光の透過（transmission）におけ
る差は、反射防止（antireflection）に関しては文書化されてきている。しかし
、このような回折半波長構造に関する研究の目的は、近似垂直入射光に対するＴ
ＥとＴＭ光における透過の差を最小化することであった。垂直に入射するＴＥと
ＴＭの偏光された光を均等に伝送するこのような構造は、一つの偏光のみの選択
が求められているときには、ほとんど役に立たない。
【０００５】 発明の概要 本願出願人は、回折光学機器を偏光ビームスプリッタとして作用させて入射ビ
ームを分離するのに使用してもよいことを発見した。これらの特徴は半波長構造
において最も明らかであるが、照明ビームの波長より大きな周期を有する回折格
子は著しい偏光を選択的に示す示すことができる。偏光選択性は半波長構造によ
って最もよく示されるが、本出願は、主としてそのような半波長構造の表現で開
示された発明原理を議論する。しかしながら、ここに開示された原理は、著しい
偏光選択性が示される限り、照明ビーム（illuminating beam）の波長よりも大
きな格子周期（grating periods）を利用する回折にも適用される。
【０００６】 回折格子は、構造全体にわたって、または、構造の異なる部分にわたって異な
る周期で、周期的に繰り返す形状（features）を有していてもよい。このような
構造は空間的に重ね合わされた１以上の周期を有していてもよい。均一に周期的
な格子の周期は、格子構造が繰り返される最も小さい距離として規定されてもよ
い。
【０００７】 半波長構造の格子周期が入射ビームの波長の半分以下であれば、ゼロ次のオー
ダーの回折のみが伝播し、他の全てのオーダーの回折は消失する。半波長構造は
、反射防止（antireflection）、形状復屈折（form birefringence）および分
布屈折率材料（distributed index materials）のエミュレーション（emulati
on）のような興味深い特性を示す。
【０００８】 本発明の目的は、従来の多層誘電ビームスプリッタの１若しくはそれ以上の問
題または限界を実質的に除去した偏光ビームスプリッタを提供することである。
【０００９】 本発明の他の目的は、回折ビームスプリッタを使用してビームを分離すること
である。
【００１０】 本発明のさらに他の目的は、他の光学要素と容易に組み立て状態に一体化する
ことができるビームスプリッタまたはルーター（router）を開発することである
。
【００１１】 本発明の追加の目的や利点は、一部は明細書に記述され、一部は明細書から明
らかであり、本発明の実施によって学ばれる。本発明の目的及び利点は、特許請
求の範囲に特に指摘された要素または組み合わせにより、理解され、得られる。
【００１２】 前記目的を達成するために、本発明の目的に従って、ここに具体化され広く記
述されたように、回折格子がある面に設けられるとともに、入射光ビームに対し
て斜角に配置され、前記回折格子は、前記入射光ビームの異なる偏光成分を区別
して透過し反射するように選択された周期を有する複数の繰り返し隆起部を含む
偏光ビームスプリッタが提供されている。一つの好ましい実施形態によれば、こ
の選択的透過は半波長格子周期で達成される。
【００１３】 また、本発明によれば、光のビームが入射するプリズムを含むビームルーター
において、前記プリズムの面に回折格子が一体化され、偏光ビームスプリッタと
して作用するビームルーター提供されている。
【００１４】 さらに、本発明によれば、入射光ビームをその偏光方向に依存して分割する方
法において、回折格子をほぼ平坦な面に設け、前記回折格子は、前記入射光ビー
ムの異なる偏光成分を区別して透過し反射するように選択された周期を有する複
数の繰り返し隆起部を有し、前記回折格子の面を前記入射光ビームに対して角度
ａに向け、前記角度ａは９０％より小さく０％より大きく、前記入射光ビームは
前記回折格子の面に平行な第１偏光成分と該第１偏光成分に垂直な第２偏光成分
とを有し、前記第１偏光成分は前記回折格子でほぼ反射し、前記第２偏光成分は
ほぼ透過することを特徴とする入射光ビームをその偏光方向に依存して分割する
方法が提供されている。
【００１５】 前述の一般的説明と異化の詳細な説明は例示的であり説明のためだけのもので
あり、本発明を制限するものではないことは、理解される。
【００１６】 この明細書に組み込まれその一部を構成する添付図面は本発明のいくつかの実
施形態とその説明を示し、本発明の原理を説明するのに役立っている。
【００１７】 この添付図面を参照することにより、当業者は本発明の目的および利点をより
良く理解できるであろう。
【００１８】 好ましい実施形態の説明 添付図面に示す本発明の例示的実施形態を詳細に参照する。図面を通して、同
一または類似の部分には同一参照符号を使用する。
【００１９】 本発明は、従来技術におけるような垂直入射光に対するＴＥおよびＴＭの透過
率の差（transmittance difference）を最小化することよりも、回折構造への
斜角入射光に対するＴＥおよびＴＭの偏光された光の透過率の差を利用する。こ
れらの差は、図１０を参照して以下に説明するように、照明ビームの周期よりも
大きな格子周期を有する回折において存在するが、半波長回折の性能は一般的に
は好ましい。
【００２０】 本発明の異なる実施形態は、この透過率差を異なる方法で使用する。本発明の
１つの実施形態では、透過率はＴＭ偏光された光に対して最大化され、反射率は
ＴＥ偏光された光に対して最大化され、これにより偏光ビームスプリッタとして
半波長構造を使用する。このようなビーム分割装置は、ビーム結合、ビーム反射
、ビーム分割、分散フィードバック、光学信号処理、波長マルチプレクシングお
よびデマルチプレクシング、ビームルーチングを含む広い適用分野がある。
【００２１】 図１は、偏光ビームスプリッタとして使用される回折格子１０を概略示す。方
向ｋの光ビームは、格子１０の面に垂直な方向に対して角度ａで格子１０に入射
する。格子ベクトルＫは、図に示すように溝１２に並行な方向と格子周期２π／
Ｐに等しい大きさとを有し、ここでＰは格子１０の１周期である。入射光ビーム
のＴＥ偏光成分は、ビーム方向ｋと格子ベクトルＫの両方に垂直に線形的に偏光
される。すなわち、図１において、ＴＥベクトルは、ビーム方向ｋと格子ベクト
ルＫによって規定される面に垂直に例えば紙面に外側に延びている。入射光ビー
ムのＴＭ偏光成分は、ＴＥ成分とビーム方向ｋの両方に垂直に線形的に偏光され
る。入射媒体の屈折率はｎ1、格子の屈折率はｎ2である。ｎ1とｎ2は、一般に、
偏光ビームスプリッタ１０の性能を最適化するために複合（complex）するよう
に選択することができる。格子の深さはｄ、格子充填係数（grating fill fac
tor）はＦである。充填係数Ｆは、ノッチ１５の幅ＦＰを格子周期Ｐで割ったも
のとして定義される。
【００２２】 入射ビームが格子に斜角で入射すると、ＴＭ偏光された光ビームの透過率は、
最適な格子深さｄ、充填係数Ｆおよび格子周期Ｐを選択することにより、１（す
なわち１００％）に近づく。ＴＭ偏光の高透過率の理由は、以下の通りである。
格子が連続した切片（slice）に分割されていると仮定すると、各々はｋに垂直
である。切片が媒体ｎ1から媒体ｎ2と考えると、各切片の平均屈折率はその上の
切片よりも高い。したがって、光波が格子に侵入するにつれて、徐々により大き
い平均屈折指数を備えた材料と出会う。この効果は、格子が４５°の角度に傾斜
されると向上する。この角度では、入射ＴＭビームは、プリズムアレイ（array
of prism）と出会い、有効屈折率がｎ1からｎ2にゆっくりと変化する。ＴＥ
偏光された光に対しては、反射は、エッチ深さ（etch depth）ｄ、充填係数Ｆ
および格子断面形状に強く依存する。格子構造にＴＭ透過は弱く依存し、ＴＥ透
過は強く依存するので、格子構造１０は、ＴＥ光を強く反射するように最適化し
、ＴＭ偏光された光に対して高い透過率を維持することができる。
【００２３】 このような偏光ビームスプリッタは、スプリッタの上部に一方向に進入した光
に対しては同じに挙動し、スプリッタの下部に他方向に進入した光に対してはそ
のままである（ａs it does）という意味で、双方向的（bidirectionally）に
対象である。
【００２４】 前述の偏光ビームスプリッタ１０は、多層誘電積層体から形成された他の偏光
ビームスプリッタを越えるいくつかの利点を有する。第一に、本発明による偏光
ビームスプリッタを製造するコストは、従来の偏光ビームスプリッタより安くす
ることができる。例えば、マスター格子（master grating）は、ニッケルのよ
うな金属基板にエッチングすることができる。マスター格子は、格子構造を低部
品コストで大容積のプラスチックに射出成形するのに使用することができる。代
案として、格子は光学基板に直接、エッチングしてもよい。
【００２５】 第二に、設計方法は、エッチング深さｄ、充填係数Ｆおよび格子周期Ｐのよう
に、いくつかの自由度を有する。さらに、格子断面は矩形パターンを有する必要
はない。三角パターンや２次元回折格子パターンのような他のパターンも種々の
利用分野や実施形態には最適であるかもしれない。パターンは図１に示すように
連続的に変化する２レベルデジタルとすることができるし、本明細書の教示と一
致する他のタイプのパターンとすることができる。
【００２６】 第三に、構造は、モデルを作り、精密結合波分析（Rigorous Coupled Wave
Analysis：ＲＣＷＡ）コードと成熟分析方法（mature analysis methods）
を用いて最適化することができる。このＲＣＷＡコードは、例えば、E．N．Glyt
sisとT．K．Gaylordの「非等方性媒体における多重重合格子の精密３−Ｄ結合波
回折分析」、応用光学第２８巻、第２４０１−２４２１頁（１９８９）に記載さ
れ、その内容は参照することで本明細書に組み入れる。
【００２７】 第四に、半波長構造は、ミラー、レンズまたはプリズムのような特定の光学基
板上に直接形成することができ、これにより光学要素に追加の機能性を統合する
ことができる。このような半波長構造と回折ビーム分割構造の異なる光学基板へ
の直接的な形成により、空間とコストを節約することができる一方、均等な機能
性を保持することができる。次の例は、本発明による回折構造が如何に広範囲に
利用することができるかを示している。
【００２８】 図２は、プラスチック（ｎ1＝１，ｎ2＝１．５２）に形成され、入射ビームに
対して４５°の角度ａ＝４５°に向けられた矩形断面半波長構造の反射率特性２
０を示す。光の波長は６５０ｎｍである。格子周期はＰ＝０．２５μｍ、充填係
数はＦ＝０．５である。ＴＥ光２０の反射率は、該反射率が最大である格子深さ
を決定するために、格子深さｄに対してプロットされている。反射率の局地最大
値は約０．４０μｍの格子深さに対して見出だされる。反射率はＴＥ偏光された
光に対して９９．９％に達している。
【００２９】 図３は、図２と同じ構造のＴＭ偏光された光に対する透過率特性３０を示す。
透過率は、各エッチング深さに対して均一に９８％を越える高さに留まっている
。したがって、エッチング深さを０．４μｍに調整してＴＥ偏光された光の反射
率を最大化することによって、偏光ビームスプリッタの効率は最適化される。
【００３０】 偏光効率は前記設計に対しては高いが、視野（field of view）と波長帯域
は狭い。図４は格子の角度依存性を与え、ここでＴＭ透過率４０は入射角度の範
囲に亘って高いが、ＴＥ反射率４５は４５°から離れた入射角で低下している。
【００３１】 図５は、前記設計による偏光ビームスプリッタの波長依存性を示す。この特殊
なビームスプリッタの設計はＴＥ反射率５５に対して狭い帯域を有する。ＴＭ透
過率５０は図示された波長の範囲に亘って高く留まっている。この設計は偏光ビ
ームスプリッタに出会ったときにコリメート（collimate）されるレーザビーム
を使用する分野に適している。このコリメートされたレーザ構成は多くの光学系
に出会う。
【００３２】 同一の矩形形状の格子を使用し、Ｆ＝０．５、ｄ＝０．３７５μｍ、Ｐ＝０．
２５μｍを選択することにより、格子の視野は拡大することができる。図６は、
ＴＭに対する透過率特性６０とＴＥ偏光された光に対する透過率特性を６２°か
ら７４°の間の入射角度の関数として示す。再度説明すると、ＴＭ偏光されたビ
ームの透過率６０は均一に高く、エッチング深さは約５５％の均一反射率（すな
わち、１マイナス透過率６５）に対して選択された。第２の例示的な設計は、レ
ーザビームが偏光ビームスプリッタを通って集束（focus）する系に対して特に
有益である。なぜなら、ＴＥ反射はレーザビームを集束するのに必要とされる比
較的広範囲の角度を越えては変化しないからである。
【００３３】 ＲＣＷＡを使用して半波長構造偏光ビームスプリッタのモデルを作成し、格子
材料、格子断面、格子周期、格子深さおよび充填係数を変化させることにより、
半波長構造偏光ビームスプリッタは与えられた分野に対して最適化することがで
きる。
【００３４】 特定の分野に対して格子を最適化するのに使用することができる他の変数があ
る。前述の変数に加えて、半波長構造偏光ビームスプリッタ格子の他の格子変数
は、与えられた分野に対する性能を最適化するよう修正することができる。例え
ば、単一の格子に重合された多重周期は、ある分野に対する性能を最適化するの
に要求される。多重格子周期はＲＣＷＡを使用して修正してもよい。さらに、三
角または正弦曲線のような他の形状は、性能を増大するために、ここに記載され
た矩形断面の代わりに使用してもよい。
【００３５】 本発明による半波長偏光ビームスプリッタの顕著な利点は、他の機能性を有す
る装置に一体化することができるということである。例えば、半波長偏光ビーム
スプリッタは半波長四分の一波リターダ（subwavelength quarter wave reta
rder）と一体化して偏光ビームルーターを形成することができる。ＴＥとＴＭ偏
光された光の有効屈折指数の差に基づく半波長構造リターダは、例えば、I．Ric
hter、Peng−Chen Sun、F．XuおよびT．Fainmanの「複屈折マイクロ構造の設計
考察」、応用光学第３４巻、第２４２１−２４２９頁（１９９５）記載され、そ
の内容は参照することで本明細書に組み入れる。
【００３６】 図７Ａと図７Ｂは、リターダ７３と一体化された偏光ビームスプリッタ７２を
使用してビームをルーチング（routing）するための２つの例示的な幾何学構造
を示す。両図は、単一の一体プリズム（それぞれ７０と７１）に形成された半波
長構造偏光ビームスプリッタ７２と半波長構造リターダ７３を含む。ここで使用
されるように、プリズムは、光が反射または屈折する互いに傾斜した少なくとも
２つの面を有する透明光学要素を意味するように理解される。
【００３７】 図７Ａでは、ＴＭ偏光された光は、プリズム７０の上面に形成された半波長偏
光器７２を高効率で透過する。四分の一波半波長構造リターダ７３はプリズム７
０の底面全体に形成されている。リターダ格子ベクトルＫの方向は、入射ＴＭ偏
光ビームを右円偏光ビーム（right circularly polarized beam）に変換する
ために、ＴＭ偏光された光の電界に対して公称４５°である。右円偏光ビームは
反射面７４から反射する。反射面７４は、例えば鏡面反射器や部分散乱反射器の
ような如何なるタイプの反射器とすることができる。右円偏光ビームは、反射す
ると、左右像（handedness）を左円偏光された光に変更する。反射した左円偏光
ビームは、四分の一波リターダ７３を通って後に伝播し、ＴＥ偏光された光に変
換される。この偏光された光ビームは、半波長偏光ビームスプリッタ面７２を反
射して離れ、図に示すように内部全反射によりプリズム壁７６を反射して離れ、
底面７３を通ってプリズム７０を出る。
【００３８】 図７Ｂでは、ＴＭ偏光されたビームは、プリズム７１の上面に形成された半波
長偏光器７２を通って高効率で透過する。四分の一波半波長構造リターダ７３は
、プリズム７１の底面の一部に形成されている。リターダの格子のベクトルＫの
方向は、ＴＭ偏光されたビームの電界ベクトルに対して公称４５°であり、入射
ＴＭ偏光ビームを右円偏光ビームに変換する。右円偏光ビームは、反射すると、
左右像（handedness）を左円偏光された光に変更する。反射した左円偏光ビーム
は四分の一波リターダ７３を通って後に伝播し、ＴＥ偏光された光に変換される
。このＴＥ偏光された光ビームは、半波長偏光ビームスプリッタ面７２を反射し
て離れ、図に示すように内部全反射によりプリズム７１の底面の他の部分７７で
反射する。次に、この光ビームは、右面７６を通って入射ビームの方向にプリズ
ム７１を出る。
【００３９】 図７Ａと図７Ｂのビームルーターの機能性は、コンパクトディスクプレイヤー
やＤＶＤプレイヤーのための光学読出しヘッドを含む広範囲の分野で使用される
。ビームルーターは、情報が符号化された面を照明して、逆反射ビームを検出器
に伝送することができなければならない。ここで紹介された半波長構造プリズム
７０と７１の利点は、半波長構造偏光器７２と半波長構造リターダ７３が一つの
基板に形成されることである。２つの要素、偏光ビームスプリッタおよび四分の
一波リターダで達成される全ての機能性が、一つの一体化された光学機器でなさ
れる。このような装置は、射出成形と他の高容積で低コストの製造技術を使用し
て製造される。
【００４０】 半波長偏光ビームスプリッタは非常に狭い波長帯域を有するように設計するこ
とができる。例えば、実施形態１の偏光ビームスプリッタは、図５に示すように
狭い波長帯域を有する。この半波長偏光ビームスプリッタの性質は、２色ビーム
結合器（Dichroic Beam Combiner）を形成するのに使用することができる。半
波長構造を使用する２色ビーム結合器８０は図８に示されている。この実施形態
では、波長１のビームはＴＭ方向に偏光され、偏光ビームスプリッタ８０を通っ
て透過される。この第１の波長と異なる波長２の第２ビームは、ＴＥ偏光状態に
偏光され、偏光ビームスプリッタ８０で反射して離れる。この図８には、２つの
ビームは結合されて同一方向に進むが、直交偏光状態（orthogonal polarizati
on state）にある。ビームを直交偏光状態にすることは、光路における結合器
の下流側でルーチング（routing）する目的でビームを分離するのに有利である
。
【００４１】 図８の例示的設計の他の実施形態では、反射ビームと透過ビームの両方はＴＥ
変更されることができた。これは、実施形態１（図５）に示すように、半波長偏
光ビームスプリッタは他の波長では反射性が高いとしても、ある波長でＴＥ偏光
された光に対しては透過性が高いために、可能である。図８に戻ると、スプリッ
タは波長１でＴＥ偏光された光に対しては透過し、波長２でＴＥ偏光された光に
対しては反射しなければならない。
【００４２】 本発明による半波長構造偏光ビームスプリッタは、前述した平坦面に加えて、
非平坦面にも形成することができる。例えば、干渉計使用リソグラフ技術（inte
rferometric lithography technique）は、湾曲面上に周期的構造を作るのに
よく適している。
【００４３】 偏光ビームスプリッタを湾曲面に設置する能力により、半波長構造の偏光ビー
ム分割機能を例えばレンズやミラーのような湾曲面の機能と結合することができ
る。図９は、（実施形態３におけるような）リターダ９４と結合した半波長構造
ビームスプリッタの実施形態を示し、両者はビームルーチングキューブ（beam
routing cube）の界面（interface）における湾曲面９８と結合されている。ビ
ームルーチングキューブの機能は、ビームを受け入れて、該ビームを変調器や検
出器のような反射器または部分反射器９６に集束することである。ＴＥ偏光され
たビーム（この場合はコリメートされている）は上方から機器に進入する。その
ビームは湾曲ビーム分割界面９２で反射して離れる。ビーム分割界面９２は、ビ
ームが図に示すように機器の外側で集束するように、形成されている。湾曲面の
半波長構造９２は、ＴＥ偏光された光を高効率で反射し、ＴＭ偏光された光を高
効率で透過する。半波長リターダ９４は、機器の出口面（左手側）に形成され、
ＴＥ偏光された光を右円偏光された光に変換する。右円偏光状態は、反射器９６
で反射すると、左円偏光された光に変更される。このビームは、半波長構造リタ
ーダ９４をとおって後ろに透過すると、ＴＭ偏光された光に変換される。このＴ
Ｍ偏光されたビームは、半波長構造偏光ビームスプリッタ９２を通って透過する
。キューブの上半分の屈折率ｎ1は、キューブの底半分の屈折率ｎ2と異なる。こ
れは、湾曲界面９２が集束力（focusing power）を有するようになされる。最
後に、キューブ９８９の右面は、キューブ内の伝播に関連した波面収差（wavefr
ont aberration）を矯正する曲率を有している。
【００４４】 照明ビームの波長より大きな空間周波数の回折格子は、著しい偏光選択性を発
揮することができる。特に、１次のビームだけが伝播し高次の全ての分散ビーム
が消えて行くように選択された周期を備えた回折格子は、有効ビームルーチング
偏光ビームスプリッタに対する基礎（foundation）となることができる。このよ
うな非半波長格子は、この開示で説明された原理から当業者に想起されるように
、モデル化され、前述した半波長構造を設計するのに使用したものと類似のＲＣ
ＷＡコードと分析法で最適化されてもよい。
【００４５】 図１０は、直角プリズムの斜面に形成された格子１０１を含むビームルーター
１００を示す。この外形（geometry）は、０の回折次（透過する０次成分と０次
の反射成分の両方）における全てのパワー（power）がプリズム面での内部全反
射により反射されるという利点を有している。これは、プリズムを通る反射路（
reflected path）の効率を著しく増加することができる。格子が偏光選択性で
ある場合、例えばＴＭ偏光された光の回折効率がＴＥ偏光された光より大きい場
合、殆ど全てのＴＥ偏光された光は斜面で反射し、大量のＴＭ偏光された光は複
路で回折する。
【００４６】 効果を実証するために、７５０ｎｍの周期と１２０ｎｍの格子深さを備えた連
続正弦曲線の格子１０１が図１０に示すプリズム１００の斜面に形成した。半波
長四分の一波（subwavelength quarter wave）リターダ１０２を図に示すよう
なプリズムの上出口面に設置した。６５０ｎｍのレーザ光をプリズム１００の左
手入口面から導入した。水平（ＴＥ）偏光された光の反射率（内部全反射）は７
３％であったが、垂直（ＴＭ）偏光された光では反射率は２１％であった。四分
の一波リターダ１０２を通って透過する反射ビームは４５°に向けられ、ＴＥ偏
光された光を図に示すように右円偏光された光に変換された。右円偏光されたビ
ームはミラー（不図示）で反射して離れ、左円偏光された光に変換され、プリズ
ム１００の出口面へ後に逆伝播された。左円偏光された光は、四分の一波リター
ダ１０２を通って後に透過すると、垂直（ＴＭ）偏光された光に変換された。次
に、ＴＭ偏光された光は偏光格子１０１を通過して検出器１０３に向かった。垂
直偏光された（ＴＭ）光に対する回折効率（diffraction efficiency）は３９
％であり、ＴＥ偏光された光の回折効率は６％であった。このように、プリズム
の入口面から検出器までのラウンドトリップ効率（round trip efficiency）
は、反射路の効率７３％に回折（復）路の効率３９％を乗じたものであり、すな
わち７３％×３９％＝２８％である。
【００４７】 ルーター１００は、ＴＭ偏光された光に対して最大回折効率を有し、ＴＥ偏光
された光に対して最小の回折効率を有する格子形状を選択することによって最適
化される。格子の周期は重要な問題（consideration）である。格子周期は、プ
リズム界面の角度（この場合は４５°）で０次とプラス１の回折次数がレーザビ
ームの波長に対して伝播するように選択されてもよい。これは、レーザビームの
パワーが回折または反射されて、２，３・・・の高次数または−１，−２，・・
・の負次数でパワーが浪費されないようになされる。しかしながら、高次のもの
を伝播させるような格子周期は、他の光学系の問題に対しては望ましい。例えば
、復路の回折ビームが真っ直ぐに（戻るビームに並行に）伝播することが望まれ
る場合、大きな周期が要求され、これにより２次、３次または４次のオーダーの
ビームがうまく伝播する。デューティサイクル、格子深さ、格子形状（二値、正
弦曲線、その他）のような格子パラメータは、ラウンドトリップ効率を最適化す
るように操作してもよい。
【００４８】 このプリズムの使用は、異なる光学機能（例えば、ビーム分割に加えて）をプ
リズムの異なる面に適用してもよいという他の利点を有している。例えば、半波
長構造リターダはプリズムの上面（例えば図１０）に形成してもよい。集束力（
focusing power）を備えた面は、プリズムの入口面または出口面に形成しても
よい。プリズムは例えば射出成形技術を使用して単一部品として形成してもよく
、これによりいくつかの光学機能を一つのコンパクトな一体化された部品に一体
化することができる。
【００４９】 図１１は、レーザと、光学ビームルーチングビームスプリッタと、図１０に概
略示す一体化された検出器とを一体化するための好ましい実施形態を示す。レー
ザダイオード１１２からの光は発散してプリズム１１９の左面に配置されたコリ
メートレンズ１１３に進入する。レーザダイオード１１２、コリメートレンズ１
１３およびプリズム１１９は全てスペーサ１１１の頂上にある。レーザ１１２か
らの光線は、レーザ光が図の上部に示すように対物レンズ１１７を過剰に満たさ
ない（overfill）ように、ほとんど平行化される。開口絞り（aperture stop）
１１６もまたそのような過充填（overfill）が起こるの防止する。３−ビーム生
成格子がコリメートレンズ１１３の上に形成され、トラッキング（tracking）の
ためにディスクに３つのビームを生成する。偏光格子１１４とリターダ格子１１
５は、前述したように作用する。復路では、偏光格子１１４は画像を一体化され
た検出器１１８に迂回（divert）させる．
【００５０】 図７Ａと図７Ｂにおけるビームルーターと同様に、図１０と図１１におけるビ
ームルーターの機能もまた、コンパクトディスクプレイヤーやＤＶＤプレイヤー
の光学読出しヘッドを含む広範な分野で使用される。
【００５１】 本発明の範囲や精神から逸脱することなく本発明の偏光ビームスプリッタや関
連の光学要素に種々の変形や修正を行なうことは、当業者に明らかである。一例
として、半波長リターダは本明細書を通して参照されたが、液晶ディスプレー（
ＬＣＤ）において従来使用されるような薄膜リターダ（thin−film retarder）
をそれに代用してもよく、それは本発明に包含されるものと意図されている。さ
らに、ビームスプリッタを光学要素に直接一体化するために前述したもの以外の
他の製造技術を使用してもよい。ビームスプリッタとリターダは、前述したもの
以外の光学要素に一体化してもよい。
【００５２】 本発明の他の実施形態は、明細書を熟慮してそこに開示された本発明を実施す
ることで、当業者に明らかとなる。明細書および実施形態は例示的であり、本発
明の真の範囲と精神は、特許請求の範囲に示されている。
【図面の簡単な説明】
【図１】 矩形断面を有する本発明による回折格子の概略図。
【図２】 第１実施形態の偏光子構造に対する格子深さの関数としてのＴＥ
偏光された光の反射率のグラフ。
【図３】 第１実施形態の偏光子構造に対する格子深さの関数としてのＴＭ
偏光された光の透過率のグラフ。
【図４】 第１実施形態の偏光子構造に対する入射角度の範囲にわたるＴＥ
およびＴＭ偏光された光の透過率のグラフ。
【図５】 第１実施形態の偏光子構造に対する波長の範囲にわたる４５°の
入射角度のＴＥおよびＴＭ偏光された光の透過率のグラフ。
【図６】 第２実施形態の偏光子構造に対する入射角度の範囲にわたるＴＥ
およびＴＭ偏光された光の透過率のグラフ。
【図７Ａ】 第３実施形態の構造による半波長構造偏光子と半波長構造リタ
ーダを含むビームルーターの側面図。
【図７Ｂ】 第３実施形態の構造による半波長構造偏光子と半波長構造リタ
ーダを含むビームルーターの側面図。
【図８】 第４実施形態の構造による半波長構造二色ビームスプリッタの側
面図。
【図９】 第５実施形態の構造による半波長構造で一体化され湾曲面に形成
された半波長構造偏光ビームスプリッタの側面図。
【図１０】 第６実施形態の構造によるプリズムビームスプリッタおよびル
ーターの側面図。
【図１１】 図１０のプリズムビームスプリッタおよびルーターを組み込ん
だ光学装置の側面図。
【符号の説明】
１０ 回折格子（偏光ビームスプリッタ） １２ 溝 １５ ノッチ
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ，ＺＷ )，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ， ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ， ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，Ｃ Ｎ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ， ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，Ｋ Ｐ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ， ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，Ｓ Ｇ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 ランディ・クラウズ アメリカ合衆国35803アラバマ州ハンツビ ル、サマーウッド・サークル1116番 (72)発明者 デイビッド・アール・ブラウン アメリカ合衆国35758アラバマ州メリディ アンビル、コンスティテューション・ドラ イブ216番 Ｆターム(参考） 2H042 CA01 CA06 CA09 CA14 CA17 2H049 AA03 AA50 AA57 AA64 BA05 BA06 BA45 BB03 BC21 2H099 AA05 CA17 DA00 5D119 AA38 EC17 EC27 JA25

Claims (25)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 回折格子がある面に設けられるとともに、入射光ビームに対
    して斜角に配置され、 前記回折格子は、前記入射光ビームの異なる偏光成分を区別して透過し反射す
    るように選択された周期を有する複数の繰り返し隆起部を含むことを特徴とする
    偏光ビームスプリッタ。
  2. 【請求項２】 前記周期は前記入射光ビームの波長よりも小さい請求項１の
    偏光ビームスプリッタ。
  3. 【請求項３】 前記複数の隆起部は、矩形、三角、または正弦個曲線の断面
    形状を有する請求項１の偏光ビームスプリッタ。
  4. 【請求項４】 前記回折格子が設けられた面は平坦である請求項１の偏光ビ
    ームスプリッタ。
  5. 【請求項５】 前記回折格子が設けられた面は湾曲している請求項１の偏光
    ビームスプリッタ。
  6. 【請求項６】 前記入射光の横電気（ＴＥ）成分は前記偏光ビームスプリッ
    タで反射し、前記入射光の横磁気（ＴＭ）成分は前記回折格子を通って透過する
    請求項１の偏光ビームスプリッタ。
  7. 【請求項７】 前記偏光ビームスプリッタは透過性媒体に設けられ、ここで
    、前記隆起部は透過性媒体と異なる屈折率を有する材料で形成されている請求項
    １の偏光ビームスプリッタ。
  8. 【請求項８】 前記回折格子はある角度範囲にわたって前記入射光のＴＥ成
    分を適切に反射し、ＴＭ成分を透過するように設計されている請求項７の偏光ビ
    ームスプリッタ。
  9. 【請求項９】 前記回折格子はある特定の角度で前記ＴＥ成分を最適に反射
    し、ＴＭ成分を透過するように設計されている請求項８の偏光ビームスプリッタ
    。
  10. 【請求項１０】 前記特定の角度はほぼ４５°である請求項１０の偏光ビー
    ムスプリッタ。
  11. 【請求項１１】 前記偏光ビームスプリッタは二色ビーム結合器として機能
    するように配置されている請求項１の偏光ビームスプリッタ。
  12. 【請求項１２】 前記スプリッタの第１面に衝突する第１波長の光は透過し
    、前記スプリッタの第１面と対向する第２面に衝突する第２波長の光は反射する
    請求項１１の偏光ビームスプリッタ。
  13. 【請求項１３】 光のビームが入射するプリズムを含むビームルーターにお
    いて、前記プリズムの面に回折格子が一体化され、偏光ビームスプリッタとして
    作用することを特徴とするビームルーター。
  14. 【請求項１４】 前記回折格子の周期は前記光ビームの波長よりも小さく、
    前記回折格子は前記光ビームの異なる偏光成分を選択的に透過し反射する請求項
    １３のビームルーター。
  15. 【請求項１５】 前記プリズムの他の面にリターダを有することをさらなる
    特徴とする請求項１４のビームルーター。
  16. 【請求項１６】 前記リターダは半波長リターダである請求項１５のビーム
    ルーター。
  17. 【請求項１７】 前記光ビームは前記回折格子を備えた前記プリズムの面を
    通って前記プリズムに進入し、前記リターダを透過し、反射面に衝突する請求項
    １６のビームルーター。
  18. 【請求項１８】 前記回折格子を備えた面に当接し、キューブを形成する他
    のプリズムを有することをさらなる特徴とする請求項１４のビームルーター。
  19. 【請求項１９】 前記プリズムの他の面にリターダを有することをさらなる
    特徴とする請求項１８のビームルーター。
  20. 【請求項２０】 前記光ビームは前記回折格子を有する前記プリズムの面で
    反射し、前記リターダを透過し、反射面に衝突する請求項１９のビームルーター
    。
  21. 【請求項２１】 前記光ビームは前記プリズムの入口面に入射し、前記偏光
    回折格子を備えた面で内部全反射で反射する請求項１３のビームルーター。
  22. 【請求項２２】 前記入射光ビームのゼロ次回折における全パワーは斜面で
    内部全反射で反射する請求項２１に記載のビームルーター。
  23. 【請求項２３】 入射光ビームをその偏光方向に依存して分割する方法にお
    いて、 回折格子をほぼ平坦な面に設け、 前記回折格子は、前記入射光ビームの異なる偏光成分を区別して透過し反射す
    るように選択された周期を有する複数の繰り返し隆起部を有し、 前記回折格子の面を前記入射光ビームに対して角度ａに向け、 前記角度ａは９０％より小さく０％より大きく、 前記入射光ビームは前記回折格子の面に平行な第１偏光成分と該第１偏光成分
    に垂直な第２偏光成分とを有し、 前記第１偏光成分は前記回折格子でほぼ反射し、前記第２偏光成分はほぼ透過
    することを特徴とする入射光ビームをその偏光方向に依存して分割する方法。
  24. 【請求項２４】 前記繰り返し隆起部の周期は、前記入射光ビームの主波長
    より小さい請求項２３に記載の方法。
  25. 【請求項２５】 前記複数の繰り返し隆起部を向け、 前記回折格子の面に沿うその主軸が前記入射光ビームの前記第１偏光成分にほ
    ぼ平行であることをさらなる特徴とする請求項２３の方法。
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