JP2009151287A - 光の偏光の空間分布の色収差補正コンバータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】このコンバータは、複数の光配向された4分の1波または半波の液晶ポリマー層を備え、層の配向パターンは、偏光変換を色収差補正するように互いと関連づけられている。色収差補正偏光渦を形成することができる。光の大部分の可視スペクトルにわたって97%を上回る偏光変換効率が実証された。この偏光コンバータは、結像、フォトリソグラフィ、光ピンセット、微細機械加工および他の用途で使用することができる。
【選択図】図2
Description
入力直線偏光分布φin(x,y)の出力直線偏光分布φout(x,y)への変換の度合いを測定するために、偏光変換効率(PCE)のパラメータが本明細書に導入される。これは、Pout/Pinと定義され、この式で、Poutは、偏光コンバータの出力で得ようとしている直線偏光分布φout(x,y)を有するビームの小部分の光学パワーであり、Pinは、偏光コンバータの入力で、入って来る所定の直線偏光分布φin(x,y)を有するビームの小部分の光学パワーである。話を簡単にするために、Pin=1とする。各(x,y,λ)でのPCEの計算を容易にするために、次式によって、φout(x,y)で配向された空間的に変化する仮想線形アナライザを使用することができる。
基本的な色収差補正HWP(またはKoesterによって説明された色収差補正回転子)は、Δφ=±π/2(90°または−90°)向けに、波長の範囲にわたって直線偏光状態の方位角の回転を最適化するように選択された2つのリターダ層からなる。この波長板のパラメータは、Γ1,nom、θ1、Γ2,nomおよびθ2である。角度θ1およびθ2は、任意の無作為な入力直線偏光配向に対するものである。層1および層2のリターダンスΓ1,nomとΓ2,nomは互いにほぼ等しく、ある設計波長λnomの半波リターダンスであり、色収差補正の所望の帯域および使用される複屈折材料の波長分散特性を基に選択される。以下の説明および実施例のために、リターダンス値は、スイスのGewerbestrasse 18、CH−4123 AllschwilにあるRolic Research社からのROF5151 LCPと呼ばれる材料に基づいて選択されることになる。材料ROF5151 LCPは、一定の既知の波長分散特性Δn(λ)を有する。2つの層の光軸の配向は、これらの軸の方位角の配向が、入力偏光状態の配向φinに対して、θ1=(3/4)Δφ−δおよびθ2=(1/4)Δφ+δとなるように選択される。角度δは小さな修飾子角度であり、所与の回転Δφに対して、色収差補正動作の所望の範囲によって特別に最適化される。したがって、φin=0からφout=π/2へのΔφ=π/2の回転については、光軸の配向は、θ1=3π/8−δすなわちθ1=67.5°−δであり、θ2=π/8+δすなわちθ2=22.5°+δである。この実施例でδ=0に選択すると、設計波長において正確なΔφ=π/2(90°)の偏光状態の回転をもたらし、かつ設計波長のまわりの中くらいの帯域の波長に対して、100%近くのPCEで、ほぼπ/2の回転をもたらす(帯域形状は、より長い波長の方へ歪む)。これは、λ=420nm〜680nmにわたって比較的高PCEの帯域をもたらし、λnom=502nmではほぼ完全な変換を、また475nm〜550nmで非常に優れた変換をもたらす。しかし、δの値は、公称波長λnomでいくらかの効率低下の犠牲を払って、色収差補正帯域幅を増加/減少させるように調整することができる。例えば、δ=2°を選択することによって、色収差補正変換の範囲は拡大するが、その範囲でPCEのレベルはいくぶん低下する。
入力直線偏光分布φin(x,y)を、色収差を補正してΔφ(x,y)だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるPCEが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また先の段落で検討したΔφ=π/2の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓnom=λnom/2および次式で定義されるローカル光軸の角度θ1およびθ2の分布を有する2つの複屈折層から成り、
2層偏光コンバータ向けに開発された形式は、色収差補正動作の波長領域および総合的なPCEをさらに改善する目的で、より大きい層数へ拡張することができる。より多くの層を付加すると、これらの層の光軸配向の分布を支配する式は、2層システムを記述する式(5)および式(6)と異なる。3層システムに関して、Δφおよびφinの関数として適切な光軸角度θ1、θ2およびθ3を選択するための様々な手法が存在する。以下で、これらの手法のうち5つが、実施形態A、実施形態B、実施形態C、実施形態Dおよび実施形態Eと呼ばれて説明される。
入力直線偏光分布φin(x,y)を、色収差を補正してΔφ(x,y)だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるPCEが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ=π/2の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓnom=λnom/2および次式で定義されるローカル光軸の角度θ1、θ2およびθ3の分布を有する3つの複屈折層から成り、
実施形態Bは、特に7π/8≦|Δφ|≦πに関して、上記で検討した実施形態Aの改善である。入力直線偏光分布φin(x,y)を、色収差を補正してΔφ(x,y)だけ回転させるための偏光コンバータのこの実施形態は、回転の結果もたらされるPCEが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ=π/2の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓnom=λnom/2ならびに式(7)、式(8)、および式(9)におけるのと同様にしてそれぞれ定義されるローカル光軸の角度θ1、θ2およびθ3の分布を有する3つの複屈折層から成る。しかし、パラメータαとcは、次式で別個に定義される。
入力直線偏光分布φin(x,y)を、色収差を補正してΔφ(x,y)だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるPCEが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ=π/2の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓnom=λnom/2および次式で定義されるローカル光軸の角度θ1、θ2およびθ3の分布を有する3つの複屈折層から成り、
入力直線偏光分布φin(x,y)を、色収差を補正してΔφ(x,y)だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるPCEが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ=π/2の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓnom=λnom/2および次式で定義されるローカル光軸の角度θ1、θ2およびθ3の分布を有する3つの複屈折層から成り、
入力直線偏光分布φin(x,y)を、色収差を補正してΔφ(x,y)だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるPCEが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ=π/2の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓnom=λnom/2および次式で定義されるローカル光軸の角度θ1、θ2およびθ3の分布を有する3つの複屈折層から成り、
入力直線偏光分布φin(x,y)を、色収差を補正して回転偏光に変換するための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、もたらされるPCEのスペクトル帯域幅が任意のΔφに対して実質的に同じであり、リターデイションΓnom1=λnom/4およびΓnom2=λnom/2を有する2つの複屈折層から成り、ローカル光軸の角度θ1およびθ2の分布が次式で定義される。
次に、本発明の色収差補正偏光コンバータの用途例を示す。用途の一領域は偏光収差補正に関する。図23を見ると、偏光顕微鏡の回路図が提示され、光源231、偏光子232、供試体233、対物レンズ234、偏光補正素子235およびアナライザ236を備える素子の光学縦列230を示す。円237A〜237Dは、光学縦列230に沿って、破線238で示された対応する光学的偏光分布を表している。動作では、光源231によって放射された光239は、偏光子232によって偏光されて供試体233を照射するように向けられ、これは対物レンズ234によって結像される。供試体233の前の光239の偏光分布は、垂直の直線偏光の一様な分布として円237Aによって表象的に示されている。対物レンズ234内に偏光収差があるために、レンズ234の後の円237Bによって示される偏光分布は、もはや一様ではない。例えば本発明による前述の2層素子または3層素子として製造することができる偏光補正素子235の機能は、円237Cによって表象的に示されている直線偏光へ戻す偏光分布をもたらすことである。最終的に、供試体233の像の偏光分布を解析するために、偏光子232の偏光方向と交差する偏光方向を有する偏光アナライザ236が使用される。アナライザの後の偏光分布が、円237Dによって示されている。偏光コンバータ素子235がないと、像領域237Dの周辺は、対物レンズ234によって導入され円237Bによって表される偏光収差のために、接眼レンズ(図示せず)で見られるように照射されて見えることになる。したがって、偏光コンバータ素子235によって、背景照射のレベルを低下させ、かつ供試体233の偏光像(図示せず)をより優れて強調することが可能になる。
100 透過スペクトル
102 半波長板
104、106 偏光子
110 スペクトル
111 ポイント
112 複合半波長板
114、116 偏光子
200、201 偏光渦
202 多色ビーム
204 偏光の直線状分布
206、207 色収差補正コンバータ
208 光スペクトル
230 光学縦列
231 光源
232 偏光子
233 供試体
234 対物レンズ
235 偏光補正素子
236 アナライザ
237 円
238 破線
239 光
240 リア・プロジェクション・テレビ
241 偏光変換素子
242 スクリーン
243 プリズム状フィルム
244 光ビーム
245 光エンジン
246 出力ビーム
250 ポイント
251、252 矢印
301 偏光渦
302 多色ビーム
303 不均一な分布
304 一様な分布
307 不均質偏光子
309 直線偏光子
310 色収差補正偏光コンバータ
Claims (32)
- 中心波長および帯域幅によって特徴づけられた少なくとも1つの波長帯域を有する光ビームの偏光の横方向分布を、第1所定の分布から第2の所定の横方向分布へと変換するための光学素子であって、
前記光学素子が材料層のスタックを備え、前記層が複屈折であり、前記スタックの各層の前記複屈折が、前記層にわたって実質的に一定のリターダンスおよび前記層にわたって連続して徐々に変化する複屈折のローカル軸の方向によって特徴づけられ、
前記層の前記ローカル軸方向の複屈折の変化が、前記光ビームの全波長帯域にわたって、前記光ビームの前記偏光の分布を、前記第1の分布から前記第2の分布へ変換するように、その間で調整され、かつ、
前記光ビームの偏光の分布の前記変換の度合いが、偏光の前記第2の横方向分布を有する前記ビームの光学パワーと偏光の前記第1の横方向分布を有する前記ビームの光学パワーの比として定義された偏光変換効率(PCE)のパラメータによって特徴づけられる光学素子。 - 前記波長帯域の前記帯域幅が、前記波長帯域の前記中心波長の少なくとも10%であり、かつPCE≧95%である請求項1に記載の光学素子。
- 前記光ビームが、オーバーラップしない2つの帯域を有し、各波長帯域の帯域幅が、前記波長帯域の前記対応する中心波長の少なくとも5%であり、かつ各帯域におけるPCEが少なくとも95%である請求項1に記載の光学素子。
- 前記波長帯域の前記帯域幅が、前記波長帯域の前記中心波長の少なくとも40%であり、かつPCE≧90%である請求項1に記載の光学素子。
- 前記偏光の前記第1のおよび前記第2の横方向分布が、任意の無作為なポイントで、前記光学素子の開口部内にある座標(x,y)を有するローカル直線偏光軸によって特徴づけられる直線偏光の分布であり、
前記第1の横方向分布に関する前記ローカル直線偏光軸が、前記光学素子の所定の基準軸に対して角度φin(x,y)を形成し、かつ、
前記第2の横方向分布に関する前記ローカル直線偏光軸が、前記所定の基準軸に対して角度φout(x,y)を形成する請求項1に記載の光学素子。 - 前記角度φin(x,y)およびφout(x,y)の前記横方向分布のうち1つが、xおよびyと無関係の一様分布である請求項5に記載の光学素子。
- 直線偏光の前記第2の横方向分布の前記ローカル直線偏光軸が、前記所定の基準軸に対して、前記光学素子の外側平面にある渦ポイントにその起点を有する極座標系の任意のローカル・ポイント(α,r)で角度ψout(α)を形成し、αは方位角であり、rは前記ローカル・ポイントと前記極座標系の前記渦ポイントの間の距離であり、前記角度ψout(α)はαだけの関数であってrに左右されず、かつ、
ψout(α)の値が、前記渦ポイントのまわりでトレースされた任意の閉路においてπの倍数だけ変化する請求項5に記載の光学素子。 - 前記光学素子が、前記光学素子の前記外面に垂直な渦軸を有して前記渦ポイントを含み、前記光学素子の前記開口部のすべてのポイントでの直線偏光の前記第2の横方向分布の前記ローカル偏光軸が、前記渦軸を通り抜ける請求項7に記載の光学素子。
- 前記複屈折層のスタックが、
第1の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第1の角度θ1(x,y)を有する第1の層と、
第2の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第2の角度θ2(x,y)を有する第2の層と、
第3の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第3の角度θ3(x,y)を有する第3の層とから成り、
θ1、θ2およびθ3が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の2分の1と実質的に等しく、φin=φin(x,y)、φout=φout(x,y)、θ1=θ1(x,y)、θ2=θ2(x,y)、θ3=θ3(x,y)、Δφ≡φout−φin、α=7/8、b=1/2、c=1/8、かつ、0°≦δ≦6°である請求項5に記載の光学素子。 - 前記複屈折層のスタックが、
第1の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第1の角度θ1(x,y)を有する第1の層と、
第2の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第2の角度θ2(x,y)を有する第2の層と、
第3の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第3の角度θ3(x,y)を有する第3の層とから成り、
θ1、θ2およびθ3が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の2分の1と実質的に等しく、φin=φin(x,y)、φout=φout(x,y)、θ1=θ1(x,y)、θ2=θ2(x,y)、θ3=θ3(x,y)、Δφ≡φout−φin、
かつ、0°≦δ≦6°である請求項5に記載の光学素子。 - 前記複屈折層のスタックが、
第1の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第1の角度θ1(x,y)を有する第1の層と、
第2の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第2の角度θ2(x,y)を有する第2の層と、
第3の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第3の角度θ3(x,y)を有する第3の層とから成り、
θ1、θ2およびθ3が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の2分の1と実質的に等しく、φin=φin(x,y)、φout=φout(x,y)、θ1=θ1(x,y)、θ2=θ2(x,y)、θ3=θ3(x,y)、Δφ≡φout−φin、α=7/8、b=1/2、c=1/8、かつ、0°≦δ≦6°である請求項5に記載の光学素子。 - 前記複屈折層のスタックが、
第1の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第1の角度θ1(x,y)を有する第1の層と、
第2の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第2の角度θ2(x,y)を有する第2の層と、
第3の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第3の角度θ3(x,y)を有する第3の層とから成り、
θ1、θ2およびθ3が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の2分の1と実質的に等しく、φin=φin(x,y)、φout=φout(x,y)、θ1=θ1(x,y)、θ2=θ2(x,y)、θ3=θ3(x,y)、Δφ≡φout−φin、α=5/6、b=1/2、c=1/6、かつ、−4°≦δ≦0°である請求項5に記載の光学素子。 - 前記複屈折層のスタックが、
第1の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第1の角度θ1(x,y)を有する第1の層と、
第2の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第2の角度θ2(x,y)を有する第2の層と、
第3の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第3の角度θ3(x,y)を有する第3の層とから成り、
θ1、θ2およびθ3が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の2分の1と実質的に等しく、φin=φin(x,y)、φout=φout(x,y)、θ1=θ1(x,y)、θ2=θ2(x,y)、θ3=θ3(x,y)、Δφ≡φout−φin、α=5/6、b=1/2、c=1/6、かつ、0°≦δ≦4°である請求項5に記載の光学素子。 - 偏光の前記第1の横方向分布が、任意の無作為なポイントで、前記光学素子の開口部内にある座標(x,y)を有するローカル直線偏光軸によって特徴づけられる直線偏光の分布であり、前記第1の横方向分布の前記ローカル直線偏光軸が、前記光学素子の所定の基準軸に対して角度φin(x,y)を形成し、かつ、
偏光の前記第2の横方向分布が、完全に左手系の回転偏光または右手系の回転偏光から成る請求項1に記載の光学素子。 - 複屈折層の前記スタックが、第1の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第1の角度θ1(x,y)を有する第1の層と、第2の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント(x,y)で第2の角度θ2(x,y)を有する第2の層とから成り、θ1およびθ2が次式で表され、
前記第1の層および前記第2の層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長のそれぞれ4分の1および2分の1と実質的に等しく、φin=φin(x,y)、θ1=θ1(x,y)、θ2=θ2(x,y)であって、偏光の、右手系回転の第2の横方向分布についてはk=+1であり、または左手系回転の第2の横方向分布についてはk=−1であり、かつ、0°≦δ≦4°である請求項15に記載の光学素子。 - 前記複屈折層が、光配向された重合フォトポリマーを備え、前記層の複屈折の前記ローカル軸の前記方向が、前記光配向されたフォトポリマーの配向の方向の空間的変化に従って空間的に変化する請求項1に記載の光学素子。
- 前記複屈折層が、前記光配向された重合フォトポリマーに対して配向されて架橋によって固結された架橋可能な液晶材料層を備える請求項17に記載の光学素子。
- 前記複屈折層が、前記配向層によって配向された配向層および液晶層を備え、前記層の複屈折の前記ローカル軸の前記方向が、前記配向層の配向の方向の空間的変化に従って空間的に変化する請求項1に記載の光学素子。
- 前記配向層が、直線的に重合可能なフォトポリマーの光配向された層と、バフがけされた重合体層と、自己集合層と、斜めに堆積された配向層とのうち1つを備える請求項19に記載の光学素子。
- 前記複屈折層の前記スタックを通って複光路方式光路を形成するように複屈折層の前記スタックに対して光学的に結合されたリフレクタをさらに備える請求項1に記載の光学素子。
- 前記複屈折層が複屈折のサブ波長格子構造を備える請求項1に記載の光学素子。
- 偏光状態が空間的に変化する偏光子を形成するように、複屈折層の前記スタックに光学的に結合された直線偏光素子または回転偏光素子をさらに備える請求項1に記載の光学素子。
- 前記偏光素子が、ワイヤ・グリッド偏光子と、偏光ビーム・スプリッタと、ダイクロイック偏光子と、コレステロール偏光子と、偏光プリズムと、ブルースター角偏光子と、干渉偏光子とから成るグループから選択される請求項23に記載の光学素子。
- 前記光ビームを受け取って偏光の横方向分布を偏光の中間の分布に変換するための請求項1に記載の第1の光学素子と、
前記偏光の中間の分布を有する前記光ビームを偏向させるために前記第1の光学素子に光学的に結合された偏光素子と、
前記光ビームの偏光の前記横方向分布をさらに変換し、かつ前記光ビームを出力するために、前記偏光素子に光学的に結合された請求項1に記載の第2の光学素子とを備える、偏光を変換する偏光子。 - 前記偏光素子が、ワイヤ・グリッド偏光子と、偏光ビーム・スプリッタと、ダイクロイック偏光子と、コレステロール偏光子と、偏光プリズムと、ブルースター角偏光子と、干渉偏光子から成るグループから選択される請求項25に記載の光学素子。
- 偏光顕微鏡検査法と、フォトリソグラフィと、結像と、表示装置と、光学式データ記憶装置と、文献、商品または論文の認証と、フェムト秒微細機械加工とから成るグループから選択された用途において、光の偏光状態を、色収差を補正して空間的に変化させるための、請求項1に記載の光学素子の使用法。
- 光学システムにおいて空間的偏光の色収差を補正するための、請求項1に記載の光学素子の使用法。
- 投影表示システムにおいて空間的偏光の色収差を補正するための、請求項28に記載の光学素子の使用法。
- 偏光顕微鏡検査法と、フォトリソグラフィと、結像と、光学式データ記憶装置と、フェムト秒微細機械加工とから成るグループから選択された用途において分解能を向上するための、請求項1に記載の光学素子の使用法。
- 光ピンセット・システムまたはフェムト秒微細機械加工システムにおいて色収差補正偏光渦を生成するための、請求項7に記載の光学素子の使用法。
- 光学結像システムにおいてフレネル損失を低減するための、請求項1に記載の光学素子の使用法。
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