JP2003519818A - 可視スペクトル用の埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子 - Google Patents
可視スペクトル用の埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子Info
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Abstract
Description
に、本発明は、特定の偏光を効率的に透過させながら、その直交偏光を効率的に
反射する、埋込みまたは沈埋型ワイヤ・グリッド偏光子に関する。
な屈折率を有する材料または媒体中に偏光子を埋め込むと、この偏光子の性能は
、同じ構造で空気中で利用可能な偏光子より、常に変動することになる。通常は
、この変動により偏光子は所期の適用業務に適さなくなる。しかし、偏光子を埋
め込むことには、その他の光学的な利点がある。例えば、偏光子を埋め込むと、
その他の有利な光学的特性を得ることができ、偏光子自体の性能、すなわち偏光
には悪影響があるが、偏光子を保護することができる。したがって、このような
埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子の最適な性能を得ることが望ましい。
イヤ・グリッドには、基板材料、すなわちガラス中に完全に封入されているもの
もある。例えば、1940年12月10日にBrownに発行された米国特許第
2,224,214号には、ワイヤの周りに詰めた粉末状ガラスを溶融させ、次
いでそのガラスおよびワイヤを引き伸ばすことによって偏光子を形成することが
開示されている。同様に、1981年9月15日にGarvin他に発行された
米国特許第4,289,381号には、基板上に金属被覆層を堆積させてグリッ
ドを形成し、次いでそのグリッドを覆うように基板材料を堆積させることによっ
て偏光子を形成することが開示されている。いずれの場合も、ワイヤまたはグリ
ッドは基板と同じ材料で取り囲まれている。上述のように、このようにワイヤま
たはグリッドを封入することは、グリッドの光学性能に悪影響を与える。
68号には、基板上に配置されたグリッド、およびグリッドを覆うように配置さ
れた光学くさびガラス板を有する狭帯域幅偏光子が開示されている。これらの素
子の上には、基板と同じ屈折率を有するように整合された整合オイルも塗布され
ている。したがって、整合オイルが同じ屈折率を有することから、グリッドは実
質的に基板すなわちガラス中に封入されることになる。この場合もやはり、この
ようにグリッドを封入することで、グリッドの光学性能には悪影響がある。
上も前から行われている。一般に透明基板によって支持された薄い平行導体のア
レイの形態をしたワイヤ・グリッドも、電磁スペクトルの赤外部分のための偏光
子として使用されている。
る重要な要素は、平行なグリッド要素の中心間間隔すなわち周期と入射放射の波
長との関係である。グリッド間隔すなわち周期が波長より長い場合には、グリッ
ドは、偏光子としてではなく回折格子として機能し、周知の原理に従ってどちら
の偏光も回折する(必ずしも等しい効率ではない)。グリッド間隔すなわち周期
が波長よりはるかに短いときには、グリッドは、グリッド要素と平行に偏光した
電磁放射を反射し、その直交偏光の放射を透過させる偏光子として機能する。
グリッドの透過および反射の特性が急激に変化することである。特に、グリッド
要素に対して直角に偏光した光の反射率の急激な増大、およびそれに対応した透
過率の低下が、任意の所与の入射角で1つまたは複数の特定の波長で起こること
になる。こうした影響は、1902年にWoodによって最初に報告され(Ph
ilosophical Magazine、1902年9月)、しばしば「W
ood異常」と呼ばれる。その後、レイリーがウッドのデータを解析し、これら
の異常がより高い回折次数が現れる波長と角度の組合せで起こることを発見した
(Philosophical Magazine、vol.14(79)、6
0から65ページ、1907年7月)。レイリーは、異常(この文献では一般に
「レイリー共鳴」とも呼んでいる)の位置を予測する方程式を編み出した。
域にシフトさせるものである。これは、偏光子を偏光ビーム・スプリッタまたは
偏光反射ミラーとして使用しようとするときに重要となる。
構成される。このようなデバイスは、導体のピッチまたは周期、個々の導体の幅
、および導体の厚さによって特徴付けられる。光源が発生させた光ビームは、法
線に対して角度θをなして偏光子に入射し、その入射面は導電性要素に対して直
交している。ワイヤ・グリッド偏光子は、このビームを、鏡面反射成分と非回折
透過成分とに分割する。最長の共鳴波長より波長が短い場合には、少なくとも1
つのより高次の回折成分も存在することになる。S偏光およびP偏光の通常の定
義を使用すると、S偏光状態の光は入射面に対して直交する偏光ベクトルを有し
、したがって導電性要素に対して平行となる。逆に、P偏光状態の光は入射面に
対して平行な偏光ベクトルを有し、したがって導電性要素に対して直交する。
を有する光を反射し、グリッドのワイヤに垂直な電界ベクトルを有する光を透過
することになるが、ここで述べたように、入射面はグリッドのワイヤに対して直
交していても直交していなくてもよい。
して機能し、P偏光など他方の偏光に対しては完全に透過性となることが理想で
ある。しかし、実際には、ミラーとして使用される最も反射性の高い金属でも、
入射光の一部を吸収してしまい、90%から95%しか反射せず、平らなガラス
は、表面反射により入射光を100%は透過しない。
える2つの共鳴があるワイヤ・グリッド偏光子の透過および反射が示されている
。S方向に偏光した入射光については、偏光子の性能は理想的なものに近い。S
偏光についての反射効率は、0.4μmから0.7μmの可視スペクトル全域に
わたって90%超である。この波長帯域では、透過するS偏光は2.5%未満で
あり、残りは吸収される。このわずかな透過成分を除けば、ワイヤ・グリッド偏
光子のS偏光についての特性は連続アルミニウム・ミラーのそれに非常に類似し
ている。
μm未満の波長では、共鳴効果によって左右される。0.5μmより長い波長で
は、ワイヤ・グリッド構造は、P偏光に対して損失の大きな誘電体層として機能
する。この層における損失と表面での反射とが組み合わさって、P偏光の透過を
制限する。
号に記載の別のタイプの従来技術のワイヤ・グリッド偏光子の算出性能も示され
ている。上述のように、グリッドを一定屈折率の媒体で取り囲むように、2つの
基板の間で屈折率整合流体を使用している。このワイヤ・グリッド構造は、波長
約0.52μmで単一の共鳴を示す。P偏光の反射率が極めてゼロに近くなる、
0.58から0.62μmまでの狭い波長領域が存在する。米国特許第5,74
8,368号には、この効果を利用して、高い消光比を有する狭帯域ワイヤ・グ
リッド偏光子を実現するワイヤ・グリッド偏光子が記載されている。Tamad
aの特許明細書で与えられている例では、550nmのグリッド周期を使用し、
グリッドの厚さ、導体の幅および形状、ならびに入射角に応じて800から95
0nmの共鳴波長を生成していた。Tamadaが利用した共鳴効果は、その位
置を上記で述べた共鳴とは異なる。2つの共鳴は一致していてもよいが、必ずし
も一致する必要があるわけではない。Tamadaは、この第2の共鳴を利用し
ている。さらに、薄膜干渉効果の影響が出ることもある。直交偏光に対する反射
率が数パーセント未満となる偏光子の帯域幅は、通常は中心波長の5%である。
このタイプの狭帯域偏光子にもいくつかの適用分野があるが、液晶ディスプレイ
など多くの可視光システムは、400nmから700nmの可視スペクトルの波
長にわたって一様な特性を有する偏光光学素子を必要としている。
鳴点を所期の使用スペクトルより短い波長に抑制またはシフトしなければならな
いことである。最長波長共鳴点の波長は、3通りの方法で低下させることができ
る。第1に、グリッド周期を縮小することができる。ただし、グリッド周期を縮
小すると、特に反射偏光の適当な反射率を保証するためにグリッド要素の厚さを
維持しなければならないので、グリッド構造の作製難度が高くなる。第2に、入
射角を法線方向に近い入射に制限することができる。ただし、入射角を制限する
と、偏光子デバイスの可用性が大幅に低下し、45度を中心とする広い角度帯域
幅が望ましい投射液晶ディスプレイなど、応用分野で使用できなくなる。第3に
、基板の屈折率を低下させることもできる。ただし、偏光子デバイスの大量生産
に利用できる対費用効果の高い基板は、Corningタイプ1737FやSc
hottタイプAF45など数種類の薄いガラス・シートだけであり、これらは
全て、可視スペクトルにわたって1.5から1.53の間で変化する屈折率を有
する。
グリッド偏光子が必要とされている。さらに、特に広い波長帯域幅を必要とする
可視光システムで使用される、上記のようなワイヤ・グリッド偏光子が必要とさ
れている。さらに、最長波長共鳴点を解消する、またはより短い波長にシフトさ
せることができる、このような偏光子構造が必要とされている。
提供することができる埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子を提供することである。
な高い効率を提供することができる上記のような埋込み型ワイヤ・グリッド偏光
子を提供することである。
平行に離間した細長い要素のアレイを含む埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子にお
いて実現される。これらの要素は、各要素の間に複数のギャップを形成し、これ
らのギャップが、第1または第2の層の屈折率より低い屈折率を提供する。これ
らのギャップは空気を含むか、または真空であることが好ましい。
の偏光状態の光の大部分を反射し、第2の偏光状態の光の大部分を透過するよう
に構成される。これらの要素は、0.3ミクロン未満の周期および0.15ミク
ロン未満の幅を有することが好ましい。
間に、これらの層の屈折率より低い屈折率を提供する領域を有するので有利であ
る。第1および/または第2の層の各素子の間に、より低い屈折率を提供する複
数の溝を形成することができる。第1および/または第2の層と素子との間に、
層の屈折率より低い屈折率を有する膜を配置することができる。
ることができる膜または溝は、偏光子の性能をさらに向上させるために使用する
ことができる光学薄膜効果を提供する。この向上は、これらの膜または溝の厚さ
および/または数および/または光学特性を、所望の偏光子全体の性能に到達す
るまで適切に調節することによって得ることができる。
なくとも1つに対して斜めになるように配向することができる。別法として、要
素は、一対の透明板の間に配置し、これらと平行になるように配向することもで
きる。
の層と組み合わさって通常なら共鳴効果を生じる構成を有することができ、要素
もまた、そのようなサイズを有することができる。一方または両方の層の屈折率
より低い屈折率を有するギャップならびに/あるいは膜および/または溝は、通
常通り起こる共鳴効果をより低い波長にシフトさせるので有利である。したがっ
て、共鳴効果が起こらない可視波長の帯域が広くなる。
を添付の図面と合わせて考慮すれば、当業者には明らかになるであろう。 発明の詳細な説明 次に、本発明の様々な要素に参照番号を付け、当業者が本発明を作製および使
用することができるように本発明について述べた図面を参照する。
形態を一般に10で示す。偏光子10は、第1の光学媒体、材料、層または基板
1と、第2の光学媒体、材料または層3と、第1の層1と第2の層3の間に挟ま
れた複数の介在する細長要素5とを含む。上記で示したように、要素を封入する
、または埋め込むことによってある一定の利点は得られるが、要素の偏光または
性能は悪影響を受ける。したがって、以下で述べるように、本発明の偏光子10
は、埋め込まれたときに性能を最適にするように設計される。
要素5に向き合っている。層1および3、またはこれらの層の材料はそれぞれ、
第1および第2の屈折率を有する。第1の光学媒体1および第2の光学媒体3は
それぞれ厚さtL1およびtL2を有し、光学的に厚いと考えられる。これらは、例
えば、ガラスまたは高分子のシート、光学品質オイルまたはその他の流体、ある
いはその他同様の光学材料にすることができる。厚さtL1またはtL2は、数ミク
ロンからほぼ無限大までの範囲のどの値でもよい。層1および3の厚さtL1およ
びtL2は、1ミクロンより大きいことが好ましい。光学媒体1および3は、2枚
のガラス・シートなど同じ材料にすることもできるし、材料3をオイルにして材
料1をガラスにするなど、異なる材料から選択することもできる。要素5は、第
1の層または基板1によって支持することができる。
。要素5は、第1および第2の対向する表面5aおよび5bを有し、第1の表面
5aは第1の表面2すなわち第1の層1の方向に向き、第2の表面5bは第2の
表面4すなわち第2の層3の方向に向いている。図1に示すように、要素5の第
1の表面5aは、第1の層1の第1の表面2と接触し、これと結合することがで
き、第2の表面5bは第2の層3の第2の表面4と接触し、これと結合すること
ができる。要素5のアレイは、可視スペクトルの光の電磁波と相互作用して、一
般に第1の偏光状態の光の大部分を反射し、第2の偏光状態の光の大部分を透過
するように構成される。
広いまたは完全なスペクトルの可視光に合わせて調整される。要素5は、比較的
長く、かつ薄い。各要素5は、一般に可視光の波長より長い長さを有することが
好ましい。したがって、要素5は、少なくとも約0.7μm(マイクロメータま
たはミクロン)の長さを有する。ただし、通常の長さは、これよりはるかに長く
なることもある。さらに、要素5は、光の波長より短い要素間隔、ピッチまたは
周期Pで、一般に平行な配列で位置付けられる。したがって、ピッチは0.4μ
m(マイクロメータまたはミクロン)未満となる。
1および13との所望の相互作用が得られ、かつその相互作用を向上させるよう
に行われる。光線9は、通常は、当技術分野ではS偏光およびP偏光と呼ばれる
ほぼ等しい量の2つの偏光を含む非偏光ビームである。ただし、特定の適用分野
では、光線9も、部分的にまたは大部分がいずれかの偏光状態となるように改変
することができる。要素5の周期Pは、ワイヤ・グリッドがS偏光11の光の大
部分を鏡面反射し、P偏光13の大部分を透過するように選択される。光学材料
も、このプロセスの助けとなるように選択される。例えば、S偏光を吸収する、
またはその他の方法でP偏光の透過およびS偏光の反射を助ける光学材料3を選
択しながら、光学材料1はS偏光およびP偏光の両方に対して透過性が等しくな
るように選択することができる。好ましい実施形態では、層1および3を構成す
る光学材料はガラスである。特定の適用分野によっては、その他の材料も適して
いる。
度またはそれ未満の周期Pを有し、リブ5の幅wRおよび要素を分離する間隔ま
たはギャップ7の幅wSを0.15μm程度またはそれ未満にした、規則正しく
整然としたアレイとして配列されることになる。要素5および間隔7の幅は、所
望の光学性能効果を達成するように変化させることができるが、これについては
以下でさらに述べる。これらの要素5の高さまたは厚さtRは、通常は、要素が
光学的に不透明になるのに必要な高さ(アルミニウムの場合は約40nm)から
、おそらくは1μmの高さまでとなる。上限は、製造の実現性ならびに光学性能
を考慮して設定される。好ましい実施形態では、偏光子を可視スペクトル全体に
わたって使用する場合には、要素5は、通常はアルミニウムや銀などの材料で構
成される。ただし、特定の場合に、赤色光などスペクトルの一部で機能する偏光
子を提供しさえすればよい場合には、銅や金などその他の材料を使用することも
できる。
、間隔またはギャップ7内に配置する材料である。要素5の間に形成されたギャ
ップ7は、第1の層1など、層1および3の少なくとも一方の屈折率より低い屈
折率を提供するので有利である。出願人は、ギャップ7がより低い屈折率を提供
するときに、一定屈折率の材料中にワイヤ・グリッドを完全に封入した場合より
偏光子10の性能が改善されることを発見した。好ましい実施形態では、この材
料は空気または真空であるが、特定の適用分野では、実現性または性能上の理由
から、その他の材料が使用されることがある。この材料は、製造性などその他の
必要な設計上の制約を満たしながら、可能な限り低い屈折率nを有することが望
ましい。こうしたその他の制約により、細長要素5の間の間隔7を満たす材料が
光学材料1および3のいずれかまたは両方を構成する材料と同じ材料であること
が必要となることがある。あるいは、細長要素5の間の間隔7を満たす材料は、
光学材料1および3とは異なる材料となるように選択されることもある。上述の
ように、好ましい実施形態では、間隔7中の材料は空気または真空となる。使用
可能なその他の材料としては、水(屈折率1.33)、蒸着、スパッタリングま
たはその他の様々な化学蒸着プロセスを用いて堆積することができるフッ化マグ
ネシウム(屈折率1.38)またはその他一般的な光学薄膜材料、光学オイル、
ナフサやトルエンなどの液体炭化水素、あるいは適当な低い屈折率を有するその
他の材料が挙げられる。
ることができるいくつかの改良形態がある。これらの改良形態は、要素5と第1
および/または第2の層1および3との間に、これらの層の一方の屈折率より低
い屈折率を与える領域を設けることを含む。図2から図9を参照すると、要素5
の第1の表面5aは、第1の表面5aを横切って延びる第1の仮想平面16を画
定している。同様に、要素5の第2の表面5bは、第2の表面5bを横切って延
びる第2の仮想平面17を画定している。第1の領域18は、要素5の第1の表
面5aを横切って延びる第1の仮想平面16と、第1の層1の屈折率より低い屈
折率を含むまたは提供する第1の層1の第1の表面2の間に配置することができ
る。同様に、第2の領域19は、要素5の第2の表面5bを横切って延びる第2
の仮想平面17と、第2の層3の屈折率より低い屈折率を含むまたは提供する第
2の層3の第2の表面4の間に配置することができる。
体(1および/または3)の片側または反対側に延びる溝21を設けることであ
る。これらの溝21は、製作過程中に反応性イオン・エッチングなどのプロセス
によって形成することができる。溝21の深さdは、適切な性能を得るために重
要である。所望の光の帯域幅、透過率、消光などに応じて、溝の深さdが約1n
mから3000nmまで変化することを期待することができる。
製作プロセスおよび問題では、この幅が細長要素5の間の幅wSよりもある程度
細くなることが期待することができる。本発明は、将来の技術の進歩により、細
長要素5の間の間隔7とは異なる幅に溝を作製することが実用化されることも見
込んでいる。図3は、底部溝21の他に上部溝25を追加することによる概念の
拡張を示す。これらの溝の目的は、基本光学材料1および3の光の屈折率より低
い、有効な光の屈折率を生み出すことである。細長要素5の近くの領域18およ
び19の低い光の屈折率は、埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子の性能をさらに向
上させる。図2および図3の溝は長方形として示してあるが、これが唯一の有用
な、または望ましい形状であることを表すものではない。実際には、製造プロセ
スでは、完全な長方形ではなく台形形状(図4の21a)にする可能性が高く、
V字型の溝(図5の21b)を使用することもできる。
1を追加することによって細長要素5の近くの領域19の低い光の屈折率の利点
を得る、代替の方法を示す。この膜は、通常は1.0から1.7の間の光の屈折
率nを有することになる。また、通常は10nmから5000nmの間の厚さt L を有することになる。好ましい材料はフッ化マグネシウムであるが、その他の
一般的な誘電体光学材料も様々な適用分野で適している。図面にはただ1つの層
しか示してないが、単一層の光学膜以外は不可能であると考えるべきではない。
適用分野の要件に応じて、複数層の薄い光学膜を設けると有利である。また、図
7に示すように、細長要素5の上部だけではなく底部にも、1層または複数層の
低屈折率膜35を導入することができる。
た、本発明のさらに別の改良形態を示す。光学材料の残りのリブ41は、それが
配置される光学材料3より低い光の屈折率を有することができる材料で構成され
る。あるいは、支持光学材料3より大幅に低い屈折率は持たないが、エッチング
のし易さなど、製造の際に助けとなるその他の特性を有する材料も好ましいこと
がある。1つの好ましいリブ41の材料は、フッ化マグネシウムである。その他
の好ましい材料としては、高分子材料や二酸化ケイ素が挙げられる。これらは両
方とも多くの技術を使用して容易にエッチングすることができる。この場合も、
膜中でエッチングされたリブは、要素のどちら側にも形成することができる。
さらに別の改良形態を示す。光学材料のリブ41は、上述のものと同じである。
光学膜51は、光学材料1より低い屈折率、およびエッチングおよびパターン形
成の容易さの一方または両方を有するように選択される。光学膜51にエッチン
グした溝55は、膜全体にわたって、また場合によってはその下の光学材料1中
までエッチングすることができ、あるいは図示のように中間点で止めることもで
きる。図示のように溝55を止めた場合、偏光子の性能を全体として同調する際
に有利になることがある二重層光学薄膜スタックを生じる効果がある。光学膜5
1の厚さtFは、通常は約10nmから5000nmの間となる。膜51を構成
する光学材料の屈折率は、通常は1.0から1.7の間となるが、異常な状況で
はさらに高い屈折率が有益であることがある。膜51にエッチングした溝55は
、通常は細長要素5の間の間隔7にほぼ等しい幅を有することになるが、その他
の様々な厚さの値ももちろん可能であり、適用分野の必要によってはそれらが好
ましいこともある。この場合も、上述のように、溝55は長方形として示してあ
るが、台形またはV字型にすることもでき、その場合でもかなりの利点を提供す
る。
ができる膜または溝も、偏光子10の性能をさらに向上させるために使用するこ
とができる光学薄膜効果を提供する。この向上は、偏光子10の所望の全体的性
能に達するようにこれらの膜または溝の厚さおよび/または数および/または光
学特性を適切に調節することによって得ることができる。
10に示すように、埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子は、偏光ビーム・スプリッ
タ・キューブ100中で使用することができる。このキューブは、一般的なMa
cNeille型プリズムと同様に機能するが、いくつかの利点がある。このワ
イヤ・グリッド偏光子は、MacNeille型プリズムより広い開口角を有し
、またキューブの中央で偏光界面61に入射する円錐形の光線が合成角によって
最もよく記述される開口のコーナでの性能がはるかに改善されている。埋込み型
ワイヤ・グリッド偏光子を含む偏光界面61は、光ビーム63のS偏光65の大
部分を反射し、P偏光67の大部分を透過する。この界面61は、上述の改良点
のうち任意のいくつかまたは全てを含むことができる。このようにして、埋込み
型ワイヤ・グリッド偏光子は、MacNeille型偏光キューブ・ビーム・ス
プリッタに優るいくつかの性能上の利点を有する代替の偏光キューブ・ビーム・
スプリッタを生み出す。
ができる。この実施形態は、通常は、図示のように、埋込み型ワイヤ・グリッド
偏光子を含む偏光界面71を取り囲むガラス板79および81からなる。この界
面71は、上述の改良点のうち任意のいくつかまたは全てを含むことができる。
偏光子は、反対の偏光を有する光ビーム75を鏡面角で反射することにより、第
1のガラス板79に入射する光ビームを偏光する働きをする。これらの光ビーム
73、75および77は、垂直入射として示してあるが、これは単なる便宜的な
ものである。この場合も、埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子は、大きな開口角を
有し、様々な角度で入射してくる光ビームに対して機能する。
人の米国特許出願第09/337,970号に記載されている。この偏光子も、
屈折率が低く厚さが制御された領域によって支持基板から分離された平行な導電
性要素のアレイを含む。ワイヤ・グリッドを基板から分離する低屈折率領域は、
偏光子デバイス中で2つの役割を果たす。第1に、低い屈折率が存在することに
より、最長波長共鳴点がより短い波長にシフトする。第2に、低屈折領域は、P
偏光の偏光子によって反射される部分を減少させるように厚さの制御された1つ
または複数の層として実装することができる。
を減少させることである。しかし、周期を減少させると、製造上の難点が生じる
。したがって、ピッチPを光の波長の約2分の1、すなわち約0.2μmにする
と好ましい。この場合も、より長い周期(光の波長の約2倍すなわち1.4μm
超)を有するグリッドは回折格子として動作し、より短い周期(光の波長の約半
分すなわち0.2μm未満)を有するグリッドは偏光子として動作し、遷移領域
(約0.2から1.4μmの間)の周期を有するグリッドも回折格子として動作
し、かつ急激な変化または共鳴と呼ばれる異常を特徴とすることに留意されたい
。上記で示したように、可視スペクトルの範囲内で共鳴を特徴とする従来技術の
デバイスは、可視スペクトル内の様々な波長で起こる異常により、狭い動作範囲
を有する。この遷移領域は、ワイヤ・グリッドの挙動を理解する上で重要な概念
である。帯域幅の広い偏光子は、所期の用途のスペクトルにわたって広帯域幅性
能を得るために、必ずこの遷移領域の外側にとどまるように設計しなければなら
ない。したがって、この遷移領域の境界は、本発明のワイヤ・グリッドの周期の
上限を規定する上で有用である。
置される領域を画定する。溝、リブまたは膜層によって生み出された領域は、層
の屈折率より大幅に低い平均屈折率を有するので有利である。この領域は、リブ
の高さすなわち厚さ、溝の深さ、または膜の厚さによって規定される厚さを有す
る。この領域の高さすなわち厚さを変えて、偏光子の性能を調節することができ
る。出願人の以前の出願でより完全に論じられているように、要素を層から分離
し、層より低い屈折率を有する領域をその間に挿置することにより、より短い波
長で偏光子のP偏光透過効率が向上する、偏光子が有効になる最小波長が低くな
る、または最高共鳴点がより短い波長にシフトするので有利である。
にかなり誇張してあることに留意されたい。実際には、要素の配列は、裸眼では
見ることができず、大きく拡大せずに観察すると一部が鏡面になった表面として
見える。
形態を思いつくことができることを理解されたい。さらに、本発明の主な特典は
、可視スペクトルにおける埋込み型偏光子の性能を改善することであるが、本発
明は、赤外線などその他のスペクトル領域で使用される偏光子デバイスの透過性
を改善するために使用することもできる。本発明によって達成された従来技術に
優る設計の柔軟性における大幅な向上により、当業者ならその他の変更も確実に
思いつくであろう。したがって、本発明は、開示の実施形態に限定されるものと
見なすべきでなく、添付の特許請求の範囲の定義によってのみ限定されるものと
する。
。
。
図である。
Claims (69)
- 【請求項1】 可視スペクトル用の埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子であっ
て、 ある屈折率を有する第1の層と、 第1の層から分離した、ある屈折率を有する第2の層と、 第1の層と第2の層の間に挟まれ、要素間に複数のギャップを形成した、平行
に離間した細長い要素のアレイであって、ギャップが第1の層の屈折率より低い
屈折率を提供する、アレイと、 を含む偏光子。 - 【請求項2】 要素間のギャップが空気を含むことを特徴とする、請求項1
に記載の偏光子。 - 【請求項3】 要素間のギャップが真空を有することを特徴とする、請求項
1に記載の偏光子。 - 【請求項4】 要素間のギャップが、第1および第2の層の材料とは異なる
材料を含むことを特徴とする、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項5】 要素間のギャップが、第1および第2の層の一方の材料と同
じ材料を含むことを特徴とする、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項6】 要素間のギャップが水を含むことを特徴とする、請求項1に
記載の偏光子。 - 【請求項7】 要素間のギャップがフッ化マグネシウムを含むことを特徴と
する、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項8】 要素間のギャップが油を含むことを特徴とする、請求項1に
記載の偏光子。 - 【請求項9】 要素間のギャップが炭化水素を含むことを特徴とする、請求
項1に記載の偏光子。 - 【請求項10】 第1および第2の層がそれぞれ1ミクロン超の厚さを有し
、要素が0.04から1ミクロンの間の厚さを有することを特徴とする、請求項
1に記載の偏光子。 - 【請求項11】 要素が0.3ミクロン未満の周期を有し、要素が0.15
ミクロン未満の幅を有し、ギャップが0.15ミクロン未満の幅を有することを
特徴とする、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項12】 第1の層が、要素と向き合う第1の表面をさらに有し、各
要素が、第1の層と向き合う第1の表面をさらに有し、要素の第1の表面を横切
って延びる仮想平面を画定することを特徴とし、 仮想平面と第1の層の第1の表面との間に、第1の層の屈折率より低い屈折率
を提供する領域と、 をさらに含む、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項13】 第1の層が第1の表面を有し、要素が第1の層の第1の表
面上に配置されていることを特徴とし、 各要素の間になるように第1の層の第1の表面に形成された複数の溝と、 をさらに含む、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項14】 溝が約0.001から3ミクロンの間の深さを有すること
を特徴とする、請求項13に記載の偏光子。 - 【請求項15】 第1の層およびが第2の層が、それぞれ第1の表面及び第
2の層を有し、それらの間に要素が配置されていることを特徴とし、 各要素の間になるように第1の層の第1の表面に形成された第1の複数の溝と
、 各要素の間になるように第2の層の第2の表面に形成された第2の複数の溝と
、 をさらに含む、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項16】 第1の層と要素との間に配置され、第1の層の屈折率より
低い屈折率を有する膜と、 をさらに含む、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項17】 膜の屈折率が約1から1.7の間であることを特徴とする
、請求項16に記載の偏光子。 - 【請求項18】 膜の厚さが約0.01から5ミクロンの間であることを特
徴とする、請求項16に記載の偏光子。 - 【請求項19】 膜が誘電体材料を含むことを特徴とする、請求項16に記
載の偏光子。 - 【請求項20】 膜の誘電体材料がフッ化マグネシウムを含むことを特徴と
する、請求項19に記載の偏光子。 - 【請求項21】 第1の層と要素との間に配置された、第1の層の屈折率よ
り低い屈折率を有する第1の膜と、 第2の層と要素との間に配置された、第2の層の屈折率より低い屈折率を有す
る第2の膜と、 をさらに含む、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項22】 第1の層から要素に向かって延び、かつ1つずつが各要素
に向かって延びるように要素と平行に配向された、平行に離間した細長いリブの
アレイと、 をさらに含む、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項23】 リブのアレイが第1の層の屈折率より低い屈折率を提供す
ることを特徴とする、請求項22に記載の偏光子。 - 【請求項24】 リブがフッ化マグネシウムを含むことを特徴とする、請求
項22に記載の偏光子。 - 【請求項25】 リブが二酸化ケイ素を含むことを特徴とする、請求項22
に記載の偏光子。 - 【請求項26】 第1の層と要素との間に配置された膜と、 各要素の間になるように膜に形成された複数の溝と、 をさらに含む、請求項1に記載の偏光子。
- 【請求項27】 膜が第1の層の屈折率より低い屈折率を有することを特徴
とする、請求項26に記載の偏光子。 - 【請求項28】 膜が約1から1.7の間の屈折率を有することを特徴とす
る、請求項26に記載の偏光子。 - 【請求項29】 膜が約0.01から5ミクロンの間の厚さを有することを
特徴とする、請求項26に記載の偏光子。 - 【請求項30】 要素が、立方体中に配置され、少なくとも1つの立方体表
面に対して斜めになるように配向されていることを特徴とする、請求項1に記載
の偏光子。 - 【請求項31】 要素が、一対の透明板の間に配置され、それらに対して平
行になるように配向されていることを特徴とする、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項32】 アレイおよび要素が、可視光スペクトル内で一方の層と組
み合わさって通常なら共鳴効果を生じるような構成およびサイズをそれぞれ有し
、一方の層の屈折率より低い屈折率を有するギャップが、通常起こる共鳴効果を
より低い波長にシフトさせ、それにより共鳴効果の起きない可視波長帯域を拡大
することを特徴とする、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項33】 要素のアレイが、可視スペクトルの光の電磁波と相互作用
して、一般に第1の偏光の光の大部分を反射し、第2の偏光の光の大部分を透過
するように構成されていることを特徴とする、請求項1に記載の偏光子。 - 【請求項34】 可視スペクトル用の埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子であ
って、 各々が互いに向き合う第1の表面および第2の表面を有し、第1の屈折率およ
び第2の屈折率をそれぞれ有する第1の層および第2の層と、 第1の層の第1の表面と第2の層の第2の表面の間に挟まれた、平行に離間し
た細長い要素のアレイであって、各要素が、第1の層の第1の表面に向いた第1
の表面を有し、要素の第1の表面を横切って延びる仮想平面を画定する、アレイ
と、 要素の第1の表面を横切って延びる仮想平面と第1の層の第1の表面との間に
ある、第1の層の屈折率より低い屈折率を有する領域と、 を含む偏光子。 - 【請求項35】 領域が、各要素の間になるように第1の層の第1の表面に
形成された複数の溝を含むことを特徴とする、請求項34に記載の偏光子。 - 【請求項36】 溝が、約0.001から3ミクロンの間の深さを有するこ
とを特徴とする、請求項35に記載の偏光子。 - 【請求項37】 各要素が、第2の層の第2の表面と向き合う第2の表面を
有し、要素の第2の表面を横切って延びる第2の仮想平面を画定することを特徴
とし、 要素の第2の表面を横切って延びる第2の仮想平面と第2の層の第2の表面と
の間に、第2の層の屈折率より低い屈折率を有する第2の領域と、 をさらに含む、請求項34に記載の偏光子。 - 【請求項38】 各要素の間になるように第1の層の第1の表面に形成され
た第1の複数の溝と、 各要素の間になるように第2の層の第2の表面に形成された第2の複数の溝と
、 をさらに含むことを特徴とする、請求項37に記載の偏光子。 - 【請求項39】 領域が、第1の層と要素との間に配置され、第1の層の屈
折率より低い屈折率を有する膜を含むことを特徴とする、請求項34に記載の偏
光子。 - 【請求項40】 膜の屈折率が約1から1.7の間であることを特徴とする
、請求項39に記載の偏光子。 - 【請求項41】 膜の厚さが約0.01から5ミクロンの間であることを特
徴とする、請求項39に記載の偏光子。 - 【請求項42】 膜が誘電体材料を含むことを特徴とする、請求項39に記
載の偏光子。 - 【請求項43】 膜がフッ化マグネシウムを含むことを特徴とする、請求項
42に記載の偏光子。 - 【請求項44】 第1の層と要素との間に配置された、第1の層の屈折率よ
り低い屈折率を有する第1の膜と、 第2の層と要素との間に配置された、第2の層の屈折率より低い屈折率を有す
る第2の膜と、 をさらに含むことを特徴とする、請求項37に記載の偏光子。 - 【請求項45】 領域が、第1の層から要素に向かって延びる、平行に離間
した細長いリブのアレイを含むことを特徴とする、請求項34に記載の偏光子。 - 【請求項46】 リブがフッ化マグネシウムを含むことを特徴とする、請求
項45に記載の偏光子。 - 【請求項47】 リブが二酸化ケイ素を含むことを特徴とする、請求項45
に記載の偏光子。 - 【請求項48】 第1の層と要素との間に配置された膜と、 各要素の間になるように膜に形成された複数の溝と、 をさらに含むことを特徴とする、請求項34に記載の偏光子。
- 【請求項49】 膜が約1から1.7の間の屈折率を有することを特徴とす
る、請求項48に記載の偏光子。 - 【請求項50】 膜が約0.01から5ミクロンの間の厚さを有することを
特徴とする、請求項48に記載の偏光子。 - 【請求項51】 要素のアレイが要素間に複数のギャップを形成し、ギャッ
プが、一方の層の屈折率より低い屈折率を提供することを特徴とする、請求項3
4に記載の偏光子。 - 【請求項52】 要素間のギャップが空気を含むことを特徴とする、請求項
51に記載の偏光子。 - 【請求項53】 要素間のギャップが真空を有することを特徴とする、請求
項51に記載の偏光子。 - 【請求項54】 要素間のギャップが、第1および第2の層の材料とは異な
る材料を含むことを特徴とする、請求項51に記載の偏光子。 - 【請求項55】 要素間のギャップが、第1および第2の層の一方の材料と
同じ材料を含むことを特徴とする、請求項51に記載の偏光子。 - 【請求項56】 要素間のギャップが水を含むことを特徴とする、請求項5
1に記載の偏光子。 - 【請求項57】 要素間のギャップがフッ化マグネシウムを含むことを特徴
とする、請求項51に記載の偏光子。 - 【請求項58】 要素間のギャップが油を含むことを特徴とする、請求項5
1に記載の偏光子。 - 【請求項59】 要素間のギャップが炭化水素を含むことを特徴とする、請
求項51に記載の偏光子。 - 【請求項60】 アレイおよび要素が、可視光スペクトル内で一方の層と組
み合わさって通常なら共鳴効果を生じるような構成およびサイズをそれぞれ有し
、一方の層の屈折率より低い屈折率を有するギャップが、通常起こる共鳴効果を
より低い波長にシフトさせ、それにより共鳴効果の起きない可視波長帯域を拡大
することを特徴とする、請求項51に記載の偏光子。 - 【請求項61】 第1および第2の層がそれぞれ1ミクロン超の厚さを有し
、要素が0.04から1ミクロンの間の厚さを有することを特徴とする、請求項
34に記載の偏光子。 - 【請求項62】 要素が0.3ミクロン未満の周期を有し、要素が0.15
ミクロン未満の幅を有し、要素が0.15ミクロン未満の間隔で隔てられている
ことを特徴とする、請求項34に記載の偏光子。 - 【請求項63】 要素が、立方体中に配置され、少なくとも1つの立方体表
面に対して斜めになるように配向されていることを特徴とする、請求項34に記
載の偏光子。 - 【請求項64】 要素が、一対の透明板の間に配置され、それらに対して平
行になるように配向されていることを特徴とする、請求項34に記載の偏光子。 - 【請求項65】 要素のアレイが、可視スペクトルの光の電磁波と相互作用
して、一般に第1の偏光の光の大部分を反射し、第2の偏光の光の大部分を透過
するように構成されていることを特徴とする、請求項34に記載の偏光子。 - 【請求項66】 可視スペクトル用の埋込み型ワイヤ・グリッド偏光子であ
って、 第1の表面および第1の屈折率を有する基板と、 基板に結合され、基板と平行に配向され、可視スペクトルの光の電磁波と相互
作用して、一般に第1の偏光の光の大部分を反射し、第2の偏光の光の大部分を
透過するように構成され、かつ要素の間に複数のギャップを形成した、平行に離
間した細長い要素のアレイであって、ギャップが基板の第1の屈折率より低い屈
折率を提供する、アレイと、 要素のアレイに結合され、これと平行になるように配向された、第2の屈折率
を有する層と、 を含む偏光子。 - 【請求項67】 アレイおよび要素が、可視光スペクトル内で基板と組み合
わさって通常なら共鳴効果を生じるような構成およびサイズをそれぞれ有し、基
板の第1の屈折率より低い屈折率を有するギャップが、通常起こる共鳴効果をよ
り低い波長にシフトさせ、それにより共鳴効果の起きない可視波長帯域を拡大す
ることを特徴とする、請求項66に記載のデバイス。 - 【請求項68】 各要素が、基板の第1の表面と向き合う第1の表面をさら
に有し、要素の第1の表面を横切って延びる仮想平面を画定することを特徴とし
、 要素の第1の表面を横切って延びる仮想平面と基板の第1の表面との間に、基
板の第1の屈折率より低い屈折率を提供する領域と、 をさらに含む、請求項66に記載のデバイス。 - 【請求項69】 各要素が、第2の層の第2の表面と向き合う第2の表面を
さらに有し、要素の第2の表面を横切って延びる第2の仮想平面を画定すること
を特徴とし、 要素の第2の表面を横切って延びる第2の仮想平面と第2の層の第2の表面と
の間に、第2の層の屈折率より低い屈折率を提供する第2の領域と、 をさらに含む、請求項66に記載のデバイス。
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