JP2003508813A - 改良型ワイヤグリッド偏光ビームスプリッター - Google Patents
改良型ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターInfo
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Abstract
Description
トルにおいて動作可能なビームスプリッターに関する。より詳細には本発明は、
ワイヤグリッド偏光子を動作光学素子(operative optical
element)として利用するビームスプリッタに関する。さらに、本発明は
可視スペクトル全域で所望の機能を獲得するためのビームスプリッタの重要なパ
ラメータに関する。
るが、ビームスプリッタにおいて効率的に適用されていない。例えば、赤外およ
びそれより長波長側で動作するワイヤグリッド偏光子が開発されている1。0.
115um程度の微細なグリッド間隔つまり周期を有する構造が報告されている 2 。ワイヤグリッド偏光子の特性を高める多くの概念が教示されている。例えば
、Garvin3およびKeilmann3は赤外で動作しているワイヤグリッド
偏光子の垂直入射での特性を改善させる方法を開示している。別の例としてTa
madaはグリッド間隔が入射光の波長よりも非常に短い必要のない狭いスペク
トルバンド偏光素子を生成するために、グレーティング構造において共鳴効果を
使用する概念を教示している5。しかし広いスペクトルバンド、例えば可視スペ
クトル全域で動作するワイヤグリッド偏光子は、グリッド間隔が入射光の波長よ
り非常に短いことを必要とする。Tamadaに関する一つの欠点は、所定の角
度および所定のスプリットビーム間強度で動作する偏光ビームスプリッタを教示
していない点にある。Tamadaは他者と同様に、ほぼ垂直な入射で動作する
構造のみを議論している。
論文において議論されている。例えばStenkampは、入射角80度で10
0nm周期のワイヤグリッド偏光子の透過率を測定した。Stenkampは、
波長670nmで消光率が増加することを観測した。しかしStenkampは
、反射された放射強度を測定せず、データは唯一つの波長に対するものである6
。別の例では、Birdは斜め入射結果の定性テストにおいてワイヤグリッドの
透過率が、垂直からほぼ30度離れるまでは斜め入射にほぼ無関係であることを
示しており7、それはPursleyの念入りな研究に一致している8。
使用可能であることを述べている9。特に、Youngは入射角が0度から45
度で使用される中赤外線(12um)偏光子の偏光率に減少はないが、他方で透
過率が30%より多く減少される(0.55から0.40より低くなる)という
ことが発見したとして引用されている10。
ータはグレーティング材料の周期(p)、ライン幅(w)、ラインの深さつまり
厚さ(t)、基板材料の特性(例えば屈折率)、入射角、入射放射とグレーティ
ングの共鳴効果例えばRayleigh共鳴の波長を含んでいる。例えば、Ha
ggansは、ワイヤグリッドから反射された光ビームにおいて、これらのパラ
メータの結果を研究した11。Haggansのほとんどの計算は入射角45度に
対するものであり、透過率は考察されていないように思われる。別の例として、
Schnableは、特定の波長範囲でクロムと比較した場合に偏光効果を増加
出来るのはほんのわずかの例外しかないことから金属材料を変化させることはあ
まり有用でないことを述べている12。
動作する偏光反射グレーティング偏光子を記述している13。 可視スペクトル全域で高く一様な透過効率および反射効率、可視スペクトル全
域で高い透過及び/又は反射の消光、大きな開口数、例えば透過および反射の効
率、消光が相当な光円錐全域で維持されなくてはならず、円錐角として20度か
ら30度の大きさを持つ光円錐でよく働く、を有するワイヤグリッド偏光子ビー
ムスプリッターを有することが望ましい。これらの基準を満たすために、可視光
全域で一様な特性を持つ実践的な設計が、Rayleigh共鳴などのグレーテ
ィング共鳴効果を明らかにし制御しなくてはならない。上述したように、いくつ
かの参照文献が斜角でワイヤグリッド偏光子の特性に影響を与えるグリッドパラ
メータのいくつかの側面を議論している一方で、他の参照文献がこれらと同じパ
ラメータの役割について混乱を示している。しかし参照文献のいずれもが可視ス
ペクトルにおけるイメージング応用のために有用なワイヤグリッド偏光ビームス
プリッターの設計に必要な重要な概念をまとめていない。
相互に関連ずけられ集合的に扱われなくてはならない重要概念つまり物理的なパ
ラメータは、グリッド外形の構造および形、ワイヤ又はグリッド素子の高さつま
り厚さ、光の偏光に対するグリッドの向き、グリッド材料、入射角、収束、発散
又は円錐角、Rayleigh共鳴などの現象の結果を含んでいる。これらの概
念は、効率的なワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの所望機能を獲得するため
に理解されなくてはならない。
過させるワイヤグリッド偏光子を使用したビームスプリッタを開発することが有
利となるであろう。重大な設計制限が光学システムに課せらず、実質上設計にお
ける融通性が許容され得るようにさまざまな入射角で配列可能なビームスプリッ
タを開発することがさらに有利になるであろう。ワイヤグリッドの外形、ワイヤ
グリッドの寸法、ワイヤグリッド材料、ワイヤグリッドの向き、波長範囲、入射
角、円錐角、レイリー共鳴効果などの重要な設計概念又はパラメータを考慮した
ビームスプリッタを開発することがさらに有利になるであろう。比較的発散した
光を受領可能な大きな受領角を有するビームスプリッタを開発することがさらに
有利であろう。
nd Company,Ltd.,London,1893)p.177.;G
.R.Bird and M.Parrish,Jr.,“近赤外偏光子として
のワイヤグリッド,”J.Opt.Soc.Am.50,pp.886−891
,1960. 2.G.J.Sonek,D.K.Wanger,and J.M.Balla
ntyne,Appl.Opt.22,pp.1270−1272,1983. 3.Garvin,U.S.Pat.4,289,381 4.Keilmann,U.S.Pat.5,177,635 5.Tamada,U.S.Pat.5,748,368;and H.Tam
ada,et al.,“0.8um波長帯でs偏光共鳴効果を使用したAlワ
イヤグリッド偏光子,”Optics Letters,22,No.6,pp
.410−421,1996) 6.B.Stenkamp,et al.,“可視スペクトル領域のためのグリ
ッド偏光子,”SPIE,2213,pp.288−296(1994) 7.G.R.Bird and M.Parrish,Jr.,“近赤外偏光子
としてのワイヤグリッド,”J.Opt.Soc.Am.,50,pp.886
−891(1960) 8.W.K.Pursley,Doctoral thesis,Univer
sity of Michigan,(1956) 9.Michael Bass,Editor in Chief,The H
andbook of Optics,VolumeII,p.3.34,Mc
Graw−Hill,Inc.,New York(1995) 10.J.B.Young,et al.,Appl.Opt.4,pp.10
23−1026(1965) 11.C.W.Haggans,et al.,“鏡面反射ビームのための偏光
素子としての層状グレーティング”J.Mod.Optics,40,pp.6
75−686(1993) 12.B.Schnable,et al.“サブ波長−周期(subwave
length−period)の金属ストライプグレーティングによる偏光可視
光の研究”Opt.Eng.38(2),pp.220−226(1996) 13.H.Haidner,et al.,“10.6um波長のための偏光反
射グレーティングビームスプリッタ,”Opt.Eng.,32(8),186
0−1865(1993)
スペクトルで動作可能なビームスプリッタ装置を提供することである。
グリッド材料、ワイヤグリッドの向き、波長範囲、入射角、円錐角、レイリー共
鳴効果などの様々な設計パラメータ又は概念を組み合わせて効果的で効率的な特
性を提供することである。
れたビームスプリッタ装置を提供することである。 本発明の別の目的は、比較的発散した光を受領することが出来る大きな受領角
を持つビームスプリッタ装置を提供することである。
又はディスプレーシステムにおいて使用するためのビームスプリッタ装置を提供
することである。
行配列を持つワイヤグリッド偏光ビームスプリッタにおいて理解される。光源ビ
ームの電磁波と相互作用して一般的に一方の偏光の光を透過又は通過させ他方の
偏光の光を反射させるように、配列は構成され素子は一定の大きさに作られてい
る。素子及び入射光ビームの方向を含む平面に垂直に配向された偏光を持つ光が
透過され、少なくとも一つの素子及び入射光ビームの方向を含む平面に平行に配
向された光は反射される。
より大きなスループットを有利には有している。さらに素子の配列は約50%よ
り大きな消光を有利に持っている。従って、素子の配列は一方の偏光を少なくと
も67%反射し及び/又は他方の偏光を少なくとも67%透過させる。さらに、
素子の配列は約0度から80度の間の入射角に対し有利に向けられる。
する比率として約0.25から0.76の間の値を有している。さらに素子は約
0.04から0.5umの間の厚さを有している。さらに素子は各々、底部に対
して68度から112度の間の角を形成している側部を持つ台形型の断面図を有
している。
所望範囲の入射角全域で動作可能なワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを設計
および生成する方法は、第1に様々な素子の厚さでの所定の入射角の上限及び下
限に対する透過効率を可視スペクトルの下限を使用して決定するステップを含む
。周期および幅の周期に対する比率を少なくとも含んだ他のクリティカルパラメ
ータが選択される。素子の厚さは、入射角の上限及び下限に対する透過効率が充
分に同じである所で計算される。消光は入射角の上限および下限で所定の素子の
厚さに対して計算される。計算された特性が許容出来る場合、この設計は適切で
ある。計算された特性が許容出来ない場合、上記プロセスが、所定の消光に到達
するまで少なくとも一つのパラメータを変化させて繰り返される。透過効率は所
望範囲の様々な異なる入射角、可視スペクトルの様々な波長に対して決定され得
る。プロセスは所望のビームスプリッタ効率が達成され、可視スペクトル全域で
概して同じになるまで少なくとも一つのパラメータを変化させて繰り返される。
た図面と組み合わせて以下の詳細な説明を考慮することで当業者に明らかになる
であろう。
及び使用を出来るように議論される図面に対して参照がなされるであろう。
ような光学システムにおいて使用するのに適している。図1に示すように、一般
的に10で示されるようなイメージ投影システムのディスプレー光学列が、一般
的に14で示されるビームスプリッタなどのワイヤグリッド偏光子を有するよう
に示されている。イメージ投影システム10は、光源20,集光オプティクス2
2,ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ14、投影オプティクス24,様々な
タイプのディスプレースクリーン25,イメージ生成液晶アレーつまり光弁26
,結像つまりリレーオプティクス27を組み込み得る。ワイヤグリッド偏光ビー
ムスプリッタを組み込んでいる他の配列が可能であることはもちろん理解される
。
20からのs偏光などの所望の偏光に対し高い反射率(Rs)を有し、液晶アレ
ー26からのp偏光などの反対の偏光に対し高い透過率(Tp)を有しなくては
ならない。光学システムの効率はこれらの二つの積RsTpに比例しており、よっ
て一つの因子における欠陥は他方の改善により幾分か補償可能であり、目標は可
能な最大の積RsTpを生成することである。さらなる議論に対し、スループット
という用語が積RsTpを言及するために使用されるであろう。
クピクセルに対する比率により定義される。これは所望偏光の低い漏れにより非
常に支配されているが、この場合には反射消光と透過消光の積は重要なパラメー
タではない、なぜならビームスプリッタ14に第1衝突した後、第2衝突する前
に連続的に置かれているイメージ生成アレー26がイメージコントラストの生成
に貢献しているからである。従って最終的なシステムのコントラストは、偏光子
の消光と同様光弁特性に依存するであろう。更なる偏光子素子を有しない図1に
示すようなシステムの場合、50の反射および透過の消光は合理的に有用な最小
値であるということが理解されている。
晶アレー26に当たる前、又は他の適切なイメージ生成装置に当たる前に偏光さ
れた光を用意することである。ここでの要求は最終的なイメージが所望レベルの
特性に合致するように、光弁26により作られる光ビームの偏光のなんらかの変
化がビームスプリッタ14により適切に検出され又は分析されるよう光が充分に
よく偏光されることである。同様に、ビームスプリッタ14の第2の機能は所望
のシステムコントラスト特性が達成されるように、光弁によりビームスプリッタ
14へ戻される光を分析することである。
、反射ビームRおよび透過ビームTの両方に対して所望偏光の消光を同時に引き
渡しつつスループット(RsTp)を最大にするように設計することである。この
所望の特性レベルを達成する上で基礎となる本発明の重要なパラメータ、つまり
物理的な特徴があり、以下で図2a、図2bを参照にして記述されるであろう。
に配列されたグリッド30,つまり導電要素の平行アレーを有する。偏光ビーム
スプリッタ14は、光ビームがグリッド上に入射角θで入射されるように光の中
に配列されている。必要とされる特性レベルを達成するためにグループとして最
適化されなくてはならないワイヤグリッド・ビームスプリッタ14の重要な物理
的パラメータは、ワイヤグリッド30の周期p、グリッド素子30の高さつまり
厚さt、グリッド素子30の幅w、グリッド素子の側部の傾きαを含んでいる。
えて、適切な光学特性を持つ適切な材料の素子を組成することが重要である。可
視スペクトル全域で機能しなくてはならないビームスプリッタにとっては、アル
ミニウム又は銀が好適な材料である。使用されるアルミニウム又は銀が、最良の
光学品質であることが重要なことである。Edward D.Palik編集の 固体の光学定数のハンドブック、パートI 、1985のpp.350−357お
よび369―406のPalikにおいて作成されたもの、Palikに引用さ
れたオリジナルソース、又は同様のデータテーブルと実質的に同様な光学品質(
光学定数n、kなど)をもつようにアルミニウム又は銀が用意されるように注意
しなくてはならない。例えば、銀の所望の光学定数は、波長459.2nmの場
合n=0.144,k=2.56、波長563.6nmの場合n=0.120、
k=3.45、波長652.6nmの場合n=0.140、k=4.15である
。同様にアルミニウムの場合適切な値は、波長450nmでn=0.618、k
=5.47、波長550nmでn=0.958、k=6.69、波長650nm
でn=1.47,k=7.79である。我々はより非常に高いkの値のためアル
ミニウムは銀より好ましいことを発見した。特に、これらの値の約50%を越え
ないn、kをいずれか又は両方持つアルミニウムを使用することは適切に機能す
るであろうビームスプリッタの生成の困難性を非常に増加させるであろう。銀が
使用される場合、nおよびkのいずれか又は両方の値は上述した値の約80%を
越えなくてはならない。
形であることが注目されるであろう。この一般的な形は好適な実施の形態の偏光
ビームスプリッタ14のさらなる特徴であるが、グリッド素子30の上部のコー
ナーのまるみ50、グリッド素子30の底部におけるフィレット54など、製造
プロセスにより当然に小さな変形が許容され得る。
リッド構造に方向異方性を導入することでグリッド30の角特性を調整を助長す
ることを有利にするために使用可能であることに注意されるべきである。とはい
え、これは第2の効果と考えられる。
ーブされ、又は図2dに示すように性質上シヌソイドであり得る。例えば素子3
0の断面は図2dに示すようにサインカーブの一部分と類似し得る。そのように
カーブされた断面又はシヌソイドの断面は、素子の底部でのコーナーの極度の丸
み及びフィレットにより形成可能である。別の例として素子の上部は広くカーブ
され、つまり図2cに示すようにコーナーが極度に丸みを帯び得る。
14のイメージング忠実度の要求を満たすために必要とされる鏡面反射特性を達
成するため規則的でなくてはならないことに注意すべきである。完全に規則的で
一様なグリッド30を持つほうが良いが、そのことがそれほど重要でないいくつ
かの応用ではその必要性は緩和される。しかし周期pの変化が、テキスト表示に
おえる単一文字の大きさなどの、イメージにおける意味ある寸法全域で10%未
満である、つまりイメージにおいてほんの少しのピクセルであることは、必要な
特性を達成するために必要であると考えられている。もちろん、ワイヤグリッド
偏光ビームスプリッタのイメージングでない応用においては、周期pの変化に対
し大きな許容度を有し得る。
ー50の丸みRc、フィレット54の丸みRfなどの上述された他のパラメータ
におけるビームスプリッタ14全域での合理的な変化は、ディスプレーの特性に
物質的影響を与えることなく可能であり、そのことは特にビームスプリッタ14
がしばしばそのようであるようにイメージ平面でない場合にあてはまる。さらに
これらの変化は完了したビームスプリッタ14において縞、透過効率の変化、反
射効率の変化、色の一様性の変化などとして見ることが可能であり、さらに特定
の応用に対して有用な部分を提供する。
能な最良スループットRsTpを生成しつつ、応用におけるコントラスト要求を満
たすことである。上述したように、偏光ビームスプリッタ14に要求される最小
消光は50のオーダである。価値ある結果を有するためにビームスプリッタ14
に必要とされる最小スループット(RsTp)は約50%で、それはRs、Tpの
いずれか又は両方が約67%を越えなくてはならないことを意味する。もちろん
、ビームスプリッタのスループットおよび消光の両方においてより高い特性であ
ることは価値があり、より優れた結果を提供するであろう。これらのパラメータ
がワイヤグリッド・ビームスプリッタの特性にいかなる影響を与えるかを理解す
るために、各パラメータにより達成される特性の変化を調べる必要がある。
周期pに関して示されている。グレーティングは、BK7ガラス基板上にPal
ikから測定された光学定数を持つアルミニウムのワイヤグリッド素子のアレー
を備えている。各アルミニウムのワイヤグリッド素子の高さつまり厚さtは1,
000Åつまり100nmである。入射角θは30度であり、ライン幅と周期の
比率は0.45である。図3aは、波長450nm、550nm、650nmで
のS偏光の反射効率、P偏光の透過効率をグレーティング周期pの関数として示
している。
21um程度で未だ50%のスループットを生じ得ることを示している。
450nmの場合には、消光は周期pが0.21um程度の場合100より大き
い。
射角θが30度、波長450nmの場合、周期pは0.21um程度の大きさと
なり得る。
最大周期は、波長450nmでの入射角に基づいたレイリー共鳴の開始に基づい
ている。曲線はワイヤグリッド偏光子は周期0.21um以下では大きな入射角
で動作出来ることを示している。
グリッド偏光子が可視スペクトル全域で合理的な特性を有するビームスプリッタ
を生成するためには0.21umより小さな周期pを持たなくてはならないこと
を示している。より大きな周期のビームスプリッタは、全可視スペクトルでない
、例えば赤のみ、赤と緑などを表示することが予定されるシステムにおいて有用
であろうことがもちろん理解される。
特性が素子の高さつまり厚さtに関して示されている。偏光子はBK7グラス基
板上でPaliksから測定された光学特性を持つアルミニウムのワイヤグリッ
ド素子のアレーである。周期は0.15um、ライン−スペースの比率は0.5
、入射角θは60度である。図4aは、波長450nm、550nm、650n
mにおけるS偏光の反射効率およびP偏光の透過効率を素子の高さつまり厚さt
の関数としてプロットしたものである。薄膜効果が図4aにおいて明らかである
が、P透過効率は全ての実用的な素子の高さ、主に200Åから0.5umおよ
びそれより高い高さに対し60%より高く維持されている。もちろん、異なる光
学特性を持つアルミニウムではない物質では異なる結果が発生するであろう。
素子の高さつまり厚さtの関数として示したものである。スループットは、20
0Åから0.5umつまり20nmから500nmの間の全ての実用的な素子の
高さで50%より大きい。
さの関数として示したものである。50の消光は少なくとも500Å、つまり5
0nmの素子の高さを要求する。
子の高さtが500Åと0.5umの範囲の間にならなくてはならないことを示
している。
特性がライン−スペースの比率に関して示されている。偏光子は、BKグラス基
板上にPaliksから測定された光学特性を持つアルミニウムのワイヤグリッ
ド素子のアレーである。周期pは0.16um、アルミニウム素子の高さtは0
.13um、入射角θは60度である。
率とP偏光の透過効率をライン幅の周期に対する比率(w/p)の関数として示
したプロットである。P透過効率は、0.16と0.76の間のライン−スペー
スの比率に対し高く維持されている。
ライン幅の周期に対する比率の関数としている。よいスループット特性はライン
幅の周期に対する比率が0.16と0.76の間で達成される。
の周期に対する比率の関数として示している。可視スペクトル全域における50
の消光は、この比率が少なくとも0.25となることを必要とする。もちろんよ
り大きな波長領域のみ(赤、赤−緑)で使用されるビームスプリッタは0.20
より小さな比率を有し得る。
に対する比率(w/p)が0.25と0.76の範囲の間になくてはならないこ
とを示している。
14の特性が素子の断面的な形、主に台形の断面に関して示されている。これら
の図で表される偏光子はBKグラス基板上にPalikから測定された光学特性
を有する、アルミニウムのワイヤグリッド素子のアレーである。周期pは0.1
6um、入射角θは45度、台形素子の高さtは1000Åである。ワイヤグリ
ッド素子の断面領域は、ライン−スペースの比率に0.45を有する長方形ワイ
ヤグリッド素子のものと同じである。
つ台形断面を有する素子からなるワイヤグリッドアレーのスループットを波長λ
の関数として示したものである。50%より大きなスループットは、415nm
以上の全ての周波数λに対して起きうる。
からなるワイヤグリッドアレーの消光を波長λの関数として示したものである。
390nm以上の全ての波長で50より大きな消光を有するであろう。
面をもつワイヤグリッド素子は必要な特性を提供するであろう。図6aおよび図
6bに示されるものから実質的に特性を低下させることなく、角度は112度か
ら、90度(長方形)を通り、68度まで可能である。
14の特性がコーナー50の半径rcに関して示されている。偏光子は、173
7Fガラス基板上のPalikから測定された特性を持つアルミニウムのワイヤ
グリッド素子のアレーである。周期pは0.16um、アルミニウム素子の高さ
tは0.115um、入射角θは45度である。
Tp)をコーナー半径の関数として示している。よいスループット即ち50%を
越える特性は、全ての半径について達成される。
ーナー半径の関数として示している。100より大きな消光が全てのコーナー半
径について可能である。
4の特性が素子の断面の形、主にシヌソイド断面に関して示されている。偏光子
は、BK7グラス基板上でPalikから測定された光学特性を持つアルミニウ
ムのワイヤグリッド素子のアレーである。ワイヤグリッド素子は0.15umの
高さtを持つシヌソイドの断面を持っている。他のパラメータは7a、7bに対
して使用されるものと同じである。
して示している。よいスループット特性、即ち50%より大きい特性は400n
mより大きな波長で達成される。
0より大きな消光は400nmより大きな波長で可能である。 従って、図7a−7dは所望の場合、つまり製造を容易にするためなどの場合
にワイヤグリッド素子のコーナーが丸められ、シヌソイドにさえなり得ることを
示している。
に対して必要とされる範囲は何かという広い条件を定義しているが、所望される
ビームスプリッタの特性を達成するためにこれらのパラメータが共にどのように
選択されるかの方法について定義しない。関心ある問題は角度に関する色の特性
、角度に関する透過率、角度に関する消光などのバランスを取ることである。上
述された広い範囲に加えて、定義される範囲からいかなる特定のパラメータが特
定の応用に適しているかを選択し、これらのパラメータがどのように選択される
かを支配する幾つかの一般的なルールを定義することがさらに重要である。
ら650nmの可視波長全域でほぼ均一に応答し、少なくとも200の消光およ
び少なくとも70%の効率又はスループットを持つ、入射角θが30度から60
度の範囲で動作するワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを生成することである
。設計は繰り返しなされる。まず、波長450nmを使用して入射角30度及び
60度の場合にP透過がワイヤグリッド素子の高さtの関数として計算される。
450nmの短波長は最悪の場合を示すが、より長い波長がより良い結果を示す
であろう。図5bからは、幅と周期の比率に0.5を選択すると最適条件に近づ
くことが明らかであり、周期はコストや製造収量などの実用性を考慮した他の問
題と同様に小さくされるべきである。二つの計算は同じグラフにプロットされて
いる。二つの曲線が交わるワイヤグリッド素子の高さtが見つけられる。ワイヤ
グリッド素子の高さtの関数としての消光は両方の角度に対して計算されており
、交点の高さtでの消光が見つけられる。特性が満足されない場合、クリティカ
ルパラメータの一つが変化され、設計プロセスが繰り返される。最良の設計を見
つけるために、A.I.KhuriとJ.A.Cornellの応答表面:設計 と分析、 第2編集版、Marcel Dekker社.,NY1996に記述さ
れるような応答表面方法が計算可能である。消光特性が満足される場合、波長4
50nm、550nm、650nmの異なる3つの波長に対し、P透過が入射角
θの関数として計算される。透過が約80%となり指定された角度範囲全域でほ
ぼ一定である場合、設計は完了する。
持つアルミニウムのワイヤグリッド素子のアレーである偏光子においてP透過を
ワイヤグリッド素子の高さtの関数として示している。周期pは0.16um、
ライン幅の周期に対する比率は0.45、入射角θは30度および60度であり
、波長λは450nmである。交点は約0.09umである。
数として示している。交点の値は0.09umであり、消光はそれぞれ30度お
よび60度で86および161である。従って、特性は満足されていない。プロ
セスは、ライン−スペースの比率0.50で繰り返される。
aと同じである。交点はここではほぼ0.10umである。 図8dは、図8cに使用されるパラメータに対し消光をワイヤグリッドの高さ
tの関数として示している。0.10umの交点の値で、消光は30度および6
0度で各々258、484である。従って、偏光子の特性は満足されている。結
果は、ワイヤグリッド素子の高さtが0.100で図8c、8dに使用されるも
のと同じパラメータを使用して図8eに示されるように三つの異なる波長λ45
0nm、550nm、650nmにおいてP透過を入射角θの関数として計算す
ることでチェックされる。透過は波長450nmの場合角度範囲全域で一様であ
り、一方で550nm、650nmでは透過は30度での80%から60度の8
8%へ上昇する。
8eを参照すると、可視スペクトルにおいて良い特性を持つワイヤグリッド素子
を設計する方法の実演が示されている。
り、その修正は当業者にとって考え得る。例えば、光パワーを持つワイヤグリッ
ド・ビームスプリッタを基板上に含ませことで、グリッドビームスプリッタを他
の素子に結合させ、必要とされるオプティクスの数を縮小し、システムの重さや
システムの大きさを減少させ、又は他の所望の機能を達成する。他の代案は本発
明により達成される従来技術に対する設計上の柔軟性の増加を考慮するともちろ
ん当業者が考えることが出来る。従って本発明は開示された実施の形態に制限さ
れるとみなされるわけではなく、ここにおいて添付された特許請求の範囲によっ
て定義されるものによってのみ制限される。
一般的な動作の概略図である。
の透視図である。 図2bは、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの好適な実施の形態
の断面的な側面図である。 図2cは、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの代替的な実施の形
態の断面的な側面図である。 図2dは、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの代替的な実施の形
態の断面的な側面図である。
偏光透過の効率をグリッド周期に対する関数として示したグラフ式のプロットで
ある。 図3bは、波長450nm、550nm、650nmにおけるワイヤグリッド
・ビームスプリッタのスループット(RsTp)効率をグリッド周期の関数として
示したグラフ式のプロットである。 図3cは、波長450nm、550nm、650nmにおけるワイヤグリッド
偏光子の消光をグリッド周期の関数として示したグラフ式のプロットである。 図3dは、0度、30度、45度、60度の入射角においてレイリー共鳴が発
生する周波数をグリッド周期の関数として示したグラフ式のプロットである。 図3eは、レイリー共鳴の開始に基づいた最大有用周期を入射角の関数として
示したグラフ式のプロットである。
およびS偏光反射の効率をグリッド素子の高さの関数として示したグラフ式のプ
ロットである。 図4bは、スループット(RsTp)をグリッド素子の高さの関数として示した
グラフ式のプロットである。 図4cは、ワイヤグリッド偏光子の消光をグリッド素子の高さの関数として示
したグラフ式のプロットである。
偏光透過を幅の周期に対する比率即ちライン−スペースの比率の関数として示し
たグラフ式のプロットである。 図5bは、波長450nm、550nm、650nmにおいてスループット(
RsTp)を幅の周期に対する比率即ちライン−スペースの比率の関数として示し
たグラフ式のプロットである。 図5cは、波長450nm、550nm、650nmにおいて消光を幅の周期
に対する比率即ちライン−スペースの比率の関数として示したグラフ式のプロッ
トである。
プット(RsTp)を波長の関数として示したグラフ式のプロットである。 図6bは、台形のグリッド素子を有するワイヤグリッド偏光子において消光を
波長の関数として示したグラフ式のプロットである。
スループット(RsTp)を上部のコーナー半径の関数として示したグラフ式のプ
ロットである。 図7bは、波長450nm、550nm、650nmにおいてグリッド素子の
消光を上部のコーナー半径の関数として示したグラフ式のプロットである。 図7cは、シヌソイド断面の素子をもつグリッドのスループット(RsTp)を
波長の関数として示したグラフ式のプロットである。 図7dは、シヌソイド断面の素子をもつグリッドの消光を波長の関数として示
したグラフ式のプロットである。
関数として示したグラフ式のプロットである。 図8bは、入射角30度および60度での透過消光をグリッド素子の高さの関
数として示したグラフ式のプロットである。 図8cは、入射角30度および60度でのP偏光透過をグリッド素子の高さの
関数として示したグラフ式のプロットである。 図8dは、入射角30度および60度での透過消光をグリッド素子の高さの関
数として示したグラフ式のプロットである。 図8eは、最適化された設計のP偏光透過のグラフ式のプロットである。
Claims (42)
- 【請求項1】 効率的に可視光の一方の偏光を反射させ、他方の偏光を透過
させるワイヤグリッド偏光ビームスプリッタであって、 可視光内に配列された薄く細長い素子の一般的な平行配列であって、一般的に
(i)少なくとも一つの素子および入射光ビームの方向を含む平面に垂直に配向
された偏光を持つ光を透過させ、(ii)少なくとも一つの素子および入射光ビ
ームの方向を含む平面に配向された偏光を持つ光を反射させるように、光源ビー
ムの電磁波と相互作用するように配列が構成され素子が一定の大きさに作られた
、配列と、 素子の配列が、一方の偏光の反射光の全反射光に対する部分量と他方の偏光の
透過光の全透過光に対する部分量の積により定義される約50%より大きなスル
ープットを持つことを特徴とし、 素子の配列が、反射又は透過のいずれかにおいて約50より大きな消光を持つ
ことを特徴とする、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ。 - 【請求項2】 素子の配列が一方の偏光の少なくとも67%を反射すること
を特徴とする、請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項3】 素子の配列が一方の偏光の少なくとも67%を透過すること
を特徴とする、請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項4】 素子の配列が約0度から80度の間の入射角に向けて配置さ
れることを特徴とする、請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項5】 素子の配列が約0.21umより小さな周期を有することを
特徴とする、請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項6】 素子が約0.05umから0.5umの間の厚さを持つこと
を特徴とする、請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項7】 素子が幅の周期に対する比率として約0.25から0.76
を有することを特徴とする、請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項8】 素子の各々が底部、底部の反対側の上部、向かい合った左右
の側部を持つ台形型の断面を持っており、側部は、底部に対して約68度から1
12度の間の角度を形成していることを特徴とする、請求項1に記載のビームス
プリッタ。 - 【請求項9】 素子の各々が底部、底部の反対側の上部、向かい合った左右
の側部を持つ台形型の断面を持っており、側部は底部に対して異なる角度を形成
していることを特徴とする、請求項1に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項10】 素子の各々が丸められた上部を持つことを特徴とする、請
求項1に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項11】 素子の各々が台形型の断面を持つことを特徴とする、請求
項1に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項12】 素子が波長450nmで0.618、波長550nmで0
.958、波長650nmで1.47の約50%より大きい光学定数nを持つア
ルミニウムから形成されていることを特徴とする、請求項1に記載のビームスプ
リッタ。 - 【請求項13】 素子が波長450nmで5.47、波長550nmで6.
69、波長650nmで7.79の約50%より大きい光学定数kを持つアルミ
ニウムから形成されていることを特徴とする、請求項1に記載のビームスプリッ
タ。 - 【請求項14】 素子が波長459.2nmで0.144、波長563.6
nmで0.120、波長652.6nmで0.140の約80%より大きい光学
定数nを持つ銀から形成されていることを特徴とする、請求項1に記載のビーム
スプリッタ。 - 【請求項15】 素子が波長459.2nmで2.56、波長563.6n
mで3.45、波長652.6nmで4.15の約80%より大きい光学定数k
を持つ銀から形成されていることを特徴とする、請求項1に記載のビームスプリ
ッタ。 - 【請求項16】 効率的に可視光の一方の偏光を反射させ、他方の偏光を透
過させるワイヤグリッド偏光ビームスプリッタであって、 可視光内に配列された薄く細長い素子の一般的な平行配列であって、一般的に
(i)少なくとも一つの素子および入射光ビームの方向を含む平面に垂直に配向
された偏光を持つ光を透過させ、(ii)少なくとも一つの素子および入射光ビ
ームの方向を含む平面に配向された偏光を持つ光を反射させるように、光源ビー
ムの電磁波と相互作用するように配列が構成され素子が一定の大きさに作られた
、配列と、 素子の配列が、一方の偏光の反射光の全反射光に対する部分量と他方の偏光の
透過光の全透過光に対する部分量の積により定義される、約50%より大きなス
ループットを持つことを特徴とし、 素子の配列が約50より大きな消光を持つことを特徴とし、 素子の配列が約0.21umより小さな周期を持つことを特徴とする、ワイヤ
グリッド偏光ビームスプリッタ。 - 【請求項17】 素子が約0.05umから0.5umの間の厚さを持つこ
とを特徴とする、請求項16に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項18】 素子が幅の周期に対する比率として約0.25から0.7
6を持つことを特徴とする、請求項16に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項19】 素子の配列が一方の偏光の少なくともの67%を反射する
ことを特徴とする、請求項16に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項20】 素子の配列が一方の偏光の少なくともの67%を透過する
ことを特徴とする、請求項16に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項21】 素子の配列が約0度から80度の間の入射角に向けて配置
されることを特徴とする、請求項16に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項22】 素子の各々が底部、底部の反対側の上部、向かい合った左
右の側部を持つ台形型の断面を持っており、側部は、底部に対して約68度から
112度の間の角度を形成していることを特徴とする、請求項16に記載のビー
ムスプリッタ。 - 【請求項23】 素子の各々が底部、底部の反対側の上部、向かい合った左
右の側部を持つ台形型の断面を持っており、側部は底部に対して異なる角度を形
成していることを特徴とする、請求項16に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項24】 素子の各々が丸められた上部を持つことを特徴とする、請
求項16に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項25】 素子の各々が台形型の断面を持つことを特徴とする、請求
項16に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項26】 素子が波長450nmで0.618、波長550nmで0
.958、波長650nmで1.47の約50%より大きい光学定数nを持つア
ルミニウムから形成されていることを特徴とする、請求項16に記載のビームス
プリッタ。 - 【請求項27】 素子が波長450nmで5.47、波長550nmで6.
69、波長650nmで7.79の約50%より大きい光学定数kを持つアルミ
ニウムから形成されていることを特徴とする、請求項16に記載のビームスプリ
ッタ。 - 【請求項28】 素子が光学定数nおよびkを持つ銀から形成されることを
特徴とし、nは波長459.2nmで0.144、波長563.6nmで0.1
20、波長652.6nmで0.140の約80%より大きく、kは波長459
.2nmで2.56、波長563.6nmで3.45、波長652.6nmで4
.15の約80%より大きいことを特徴とする、請求項16に記載のビームスプ
リッタ。 - 【請求項29】 効率的に可視光の一方の偏光を反射させ、他方の偏光を透
過させるワイヤグリッド偏光ビームスプリッタであって、 約0.4から0.7ミクロンの間の範囲の波長を持つ光源ビームを放射する光
源と、 可視光内に配列された薄く細長い素子の一般的な平行配列であって、一般的に
(i)少なくとも一つの素子および入射光ビームの方向を含む平面に垂直に配向
された偏光を持つ光を透過させ、(ii)少なくとも一つの素子および入射光ビ
ームの方向を含む平面に配向された偏光を持つ光を反射させるように、光源ビー
ムの電磁波と相互作用するように配列が構成され素子が一定の大きさに作られた
、配列と、 素子の配列が約0.21umより小さな周期を持つことを特徴とし、 素子が約0.05から0.5umの間の厚さを持つことを特徴とし、 素子が幅の周期に対する比率として約0.25から0.76の間の値を持つこ
とを特徴とする、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ。 - 【請求項30】 素子の配列が、一方の偏光の反射光の全反射光に対する部
分量と他方の偏光の透過光の全透過光に対する部分量の積により定義される約5
0%より大きなスループットを持つことを特徴とし、 素子の配列が、全反射光に対する一偏光の反射光の部分量と全透過光に対する他
方の偏光の透過光の部分量との積により定義される約50%より大きなスループ
ットを持つことを特徴とし、 素子の配列が約50より大きな消光を持つことを特徴とする、請求項29に記
載のビームスプリッタ。 - 【請求項31】 素子の配列が一方の偏光の少なくとも67%を反射するこ
とを特徴とする、請求項29に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項32】 素子の配列が一方の偏光の少なくとも67%を透過するこ
とを特徴とする、請求項29に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項33】 素子の配列が約0度から80度の間の入射角に向けて配置
されることを特徴とする、請求項29に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項34】 素子の各々が底部、底部の反対側の上部、向かい合った左
右の側部を持つ台形型の断面を持っており、側部は、底部に対して約68度から
112度の間の角度を形成していることを特徴とする、請求項29に記載のビー
ムスプリッタ。 - 【請求項35】 素子の各々が底部、底部の反対側の上部、向かい合った左
右の側部を持つ台形型の断面を持っており、側部は底部に対して異なる角度を形
成していることを特徴とする、請求項29に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項36】 素子の各々が丸められた上部を持つことを特徴とする、請
求項29に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項37】 素子の各々が台形型の断面を持つことを特徴とする、請求
項29に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項38】 素子が光学定数nおよびkを持つアルミニウムから形成さ
れており、nは波長450nmで0.618、波長550nmで0.958、波
長650nmで1.47の約50%より大きく、kは波長450nmで5.47
、波長550nmで6.69、波長650nmで7.79の約50%より大きい
ことを特徴とする、請求項29に記載のビームスプリッタ。 - 【請求項39】 素子が波長459.2nmで0.144、波長563.6
nmで0.120、波長652.6nmで0.140の約80%より大きい光学
定数nを持つ銀から形成されていることを特徴とする、請求項29に記載のビー
ムスプリッタ。 - 【請求項40】 素子が波長459.2nmで2.56、波長563.6n
mで3.45、波長652.6nmで4.15の約80%より大きい光学定数k
を持つ銀から形成されていることを特徴とする、請求項29に記載のビームスプ
リッタ。 - 【請求項41】 可視スペクトル全域で一般的に同じ特性を持ち所定の消光
を持つ所望範囲の入射角全域で動作可能なワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ
を設計する方法であって、 可視スペクトルの下限を使用して様々な素子の厚さでの入射角の所定の上限お
よび下限に対する透過効率を決定するステップと、 少なくとも周期および幅の周期に対する比率を含む他のパラメータを選択する
ステップと、 入射角の上限および下限に対する透過効率が同じである素子の厚さを決定する
ステップと、 決定された素子の厚さで入射角の上限および下限の両方における消光を決定す
るステップと、 所定の消光に達するまで少なくとも一つのパラメータを変化しつつ上述のステ
ップを繰り返すステップと、 を含む方法。 - 【請求項42】 所望範囲内の異なる様々な入射角および可視スペクトル内
の様々な波長に対する透過効率を決定するステップと、 透過効率が少なくとも80%になり、一般的に可視スペクトル全域で同じにな
るまで少なくとも一つのパラメータを変化させて上述ステップを繰り返すステッ
プと、 をさらに含むことを特徴とする、請求項41に記載の方法。
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