JP2011154370A - 回折格子を利用した光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】両面性格子分割器の形状の透過率可変光学装置を提供する。
【解決手段】両面性格子分割器は光スイッチとして動作し、その上部及び下部格子分割器はその間に回折格子素子の周期の約４分の１の相対的な横方向シフトを提供する様に配置され、格子分割器の臨界屈折角は約４３．６°以上である。横方向のシフトは、ＭＥＭＳと、対象とする温度範囲に亘って既知の／校正された熱膨張係数を有する金属カプラとを含む、種々の装置によって達成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、回折格子分割器に関し、さらに特定すると、相互に反転する格子素子で構成された両面性格子分割器を含む光学装置に関する。この格子素子は光の透過量を変調するために、互いに横方向にシフトしていても良い。

回折ベースの格子分割器は、異なる回折率とある臨界形状を有する材料を利用して製造できることが知られている。例えば、ある格子分割器は、溶融ＳｉＯ₂基板中の幾何学的に規則的な突起部と溝部の周期パターンを含んでいる。この突起部と溝部は、突起部の周期“ｐ”、高さ“ｈ”と、周期に対する突起部の幅の比である曲線因子（ｆｉｌｌ ｆａｃｔｏｒ）“ｒ”を含む、形状特性を示している。これらのパラメータの選択を通して、種々の次数の光を透過し及び／または基板内にトラップする度合いを決定することが可能である。例えば、ＳｉＯ₂空気界面に対する臨界角４３．６°を超える屈折角を有する格子は、±１次の次数の屈折光成分をトラップすることができる。関連する格子分割器の詳細は、同時継続中の出願番号第１２／６３８，３３４号に見出すことができる。この出願は、本出願の出願人によって２００９年１２月１５日に出願されたものであり、その全体は参照によって本出願に組み込まれる。

本発明は、両面性格子分割器の形状の透過率可変光学装置を提供し、この両面性格子分割器は相互に反転した第１及び第２の格子分割器で構成され、これらの格子分割器において、相互に反転した格子分割器が互いに格子素子の周期のほぼ４分の１シフトしている場合、０次の垂直入射光の透過率が分離される、即ち、ほとんど０となる一方、分割器の格子素子が整合している場合は同じ０次の垂直入射光は少なくとも９５％透過される。格子分割器の回折角が臨界角を超えると、全ての高次成分が分離される。

本発明の現象は、例えば、窓または天窓を通った非偏光太陽光の透過率制御と同様にレーザ光の変調またはスイッチングを含む多くの方法で、実用上の利点を有して用いられる。

以下に詳細に記載する一つの好ましい形態では、格子分割器は、空気中に浸漬され且つ溶融ＳｉＯ₂のような第２の材料の基板上に取り付けられた、ＴｉＯ₂のような第１の材料の、幾何学的に規則正しく分布した格子素子を備えており、この格子分割器の形状因子、即ち、ｐ，ｈ及びｒ値は、約４３．６度よりも大きな回折角を形成する。

２個の格子分割器間で横方向シフトを可能とするような方法で、相互に反転し離間した関係に配置された場合、可視範囲の垂直入射光が格子分割器を介して透過される度合いを約５％以下から約９５％以上にスイッチすることができる。本発明は、従って、光弁または光調節器として作動する種々の方法で実行することができる。浸漬物質は空気である必要はなく、ＴｉＯ₂インターフェースとの屈折率が既知である、固体、液体またはガス物質であっても良い。

以下に詳細に議論する様に、整合（アライメント）における変化が一つだけ、即ち、格子分割器の一方が固定され他方が横方向にシフトすることを許されるものであっても良い。他の方法として、両方の格子分割器が横方向であるがしかし反対方向にシフト可能であるように配置し及び／またはマウントして、相互あるいは両方であっても良い。

横方向のシフトを提供するための機構は多様であって良い。一実施例では、格子分割器あるいはその倍数のものは、他の構造またはパターンを支持する構造上に戦略的に取り付けることができ、その間の整合の程度は重要である。他の配置において、シフト機構は圧電素子または微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）の形であっても良い。更なる実施例において、格子分割器間の横方向の整合の度合いと、分割器を通過する可視光の結果的な透過率とが、温度の関数として変化するように、シフト生成素子は、予め決定され且つ正確に知られている熱膨張係数を有する素子であっても良い。

本発明及びその種々の実施例及び応用は、添付の図面と共に以下の明細書を読む事によって最もよく理解されるであろう。

本発明の原理を使用した両面性回折格子分割器の図面であり、この分割器は、通過する０次の入射光成分を完全に結合するために格子素子を横方向に整合させている。 図１に示す整合状態における図１の素子の、光波長対透過率のグラフである。 距離ｄのみシフトさせた格子素子を有する、両面性格子分割器の概略図である。 シフトした即ち非整合状態における図３の両面性格子分割器の、波長対透過率のグラフである。 本発明の原理及び物理的実装を利用した多層形成プロセスのための、整合マーカーの斜視図である。 ２個の反転する回折格子分割器の上部回折格子分割器を下部回折格子分割器に対してシフトさせるためにＭＥＭＳを使用する光学スイッチの断面図であり、ここで液晶層が２個の回折格子分割器の間の液体インターフェースとして作用する。 非偏光太陽光のためのスイッチにおける、本発明の第２の応用の概略図であり、このスイッチにおいて、両面性格子アッセンブリにおける格子分割器の横方向の動き即ちシフトは、予め決定され且つ校正された熱膨張係数を有する金属によって実現される。

以下の説明において、同様の参照符号は同様の部品を示す。

図１を参照すると、相互に反転し且つ横方向に整合する回折格子分割器１２，１４を備えた両面性素子１０が示されている。格子分割器１２は溶融ＳｉＯ₂の基板１６を備え、基板１６の上面上には、ＴｉＯ₂で形成された同一の回折格子素子１８，２０，２２が、周期ｐが５４０ｎｍ、高さｈが１７５ｎｍ、幅が１４５ｎｍの規則的な周期形式で融合されあるいは取り付けられている。要素１８，２０，２２はこの場合、空気中に浸漬されて空気／ＴｉＯ₂インターフェースを形成する。固体物質を含むその他の周辺媒体を使用することも出来る。幅ｗを周期ｐで割ることにより、フィルファクタ（曲線因子）ｒ＝０．２７を決定することが出来る。その形状は、ＴｉＯ₂空気インターフェースの臨界角４３．６°より大きい屈折角を形成するように、選択される。実用的な実施例では、周期ｐは、約０．８７から約０．９３λの範囲でありうる。ここでλは入射光２４の波長であり、フィルファクタｒは、約０．２２から約０．３２の範囲であり、ｈは、約０．２４から０．３４λの範囲である。図１に示すように、これらの数値により、一次の屈折成分は、充分に臨界角よりも大きい、約５０°の角度で回折される。

下部回折格子分割器１４は、ＳｉＯ₂の基板２６と周期的に配列された格子素子２８、３０、３２を備えている。これらの格子素子も空気中に浸漬され、且つ、格子素子１８、２０、２２と正確に同じ形状を有している。即ち、格子分割器１４は格子分割器１２と同じものであるが反転している。図１の事例では、光２４を入力即ち入射光と考えることができ、一方、光３４は透過する出力光、即ち、以下に説明するように、透過率１０が“オン”レベルで動作している場合、出力光成分である。

図２は、上部回折格子分割器１２の回折格子素子１８、２０，２２が、下部回折格子分割器１４の格子素子２８、３０、３２と完全に横方向に整合している場合の、ｓ偏光入射光２４の０次の透過率の大きさを示す概略図である。ｓ偏光はｙ軸に電界を有する。約５５０ｎｍと約６７０ｎｍの間、即ち、“オン”ゾーン３６において、透過率は９５％以上である。

図３を参照すると、両面性格子分割器素子１０が“オフ”状態で示されており、ここで下部格子素子２８，３０，３２は上部格子素子１８，２０，２２に対して距離ｄだけシフトしており、この場合、ｄは約ｐ／４である。図４は、約５５０から６５０ｎｍの波長範囲の垂直入射非偏光の０次成分の透過率が“オフ”ゾーンにあることを示しており、ここでその透過率はほぼ０、即ち、約５％以下である。

図５を参照すると、本発明の現象の第１の実際的な応用が、ＳｉＯ₂多層生成プロセスのための整合マーカーにおいて示されている。この装置は、上部平坦基板４０と、これと間隔をおいて平行な関係にある下部ＳｉＯ₂基板４２を備えている。上部基板４０は、その４隅に、実質的に図１及び３に示す方法で整合されたＴｉＯ₂格子素子４４，４６，４８，５０を支持している。下部ＳｉＯ₂基板４２は、回折格子素子５２、５４、５６と、且つ、図５では隠れて見えないが、上部左手隅に４番目の回折格子分割器とを支持している。例えば、回折格子素子４８、５２は、基板４０，４２が正しく整合している場合、実質的に互いに整合する様に配置される。しかしながら、基板４０，４２の間を通り抜ける横軸に沿って基板が整合していない場合、互いにシフトされる。同様の整合状態が、格子素子５０，５６と格子素子４６，５４に対して、且つ、同様に、上部格子素子４４のみが見えている上部左手隅における格子素子に対して存在する。

図２によって示されるオン状態を提示するために格子素子が横方向に整合している場合、０次の入射光成分がパスし、即ち実質的に完全に透過して検出器６０に達し整合された状態を示すように、レーザからの光５８は、上部基板４０に向かって垂直に指向される。反対に、基板４０，４２が整合せず、製造プロセスにおけるエラーを示す場合、レーザ５８からの光は実質的に検出器に到達せず、その製造プロセスはその後終了しあるいは適切な整合調整を行うために一時停止される。同様の整合検出が直行軸に対して達成可能である。

図６を参照すると、入射光バルブ即ちスイッチ６２の形をした光学装置が示されており、この素子は、周期的に配置されたＴｉＯ₂回折格子素子６６を支持する平坦な上部ＳｉＯ₂基板６４と、これに間隔を置いて並列な関係の、回折格子素子７２を有する下部平坦ＳｉＯ₂基板とを備えている。下部基板７０はフレーム６８中に固定されており、一方、上部基板６４は、マイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）素子７４，７６間に挟まれており、それによって、基板６４が下部基板７０に対してシフトして回折格子素子６６，７２を整合し及び／又はシフトすることにより、バルブとして動作させることができる。これによって、入射光７８は、出力光８０が実質的に０である低透過状態と、出力成分８０がほぼ１００％である高透過状態との間でスイッチされる。基板６４，７０の横方向シフトは、液晶層８２によって促進される。この液晶層８２は、反転基板６４，７０間の空間に存在し、約１．６の屈折率を有している。この層は、屈折率１の空気層によって置き換えることができる。

図７を参照すると、部屋８６のための温度感知天窓８４が示されている。天窓８４は、その上に周期的に離間した回折格子素子９０を有し、且つ、入射光１０４に露出された、上部平坦ＳｉＯ₂基板８８を有している。熱応答性天窓８４は、さらに、図１と３に関して上述した形でその上に規則的に配置された回折格子素子９４を有する下部平坦ＳｉＯ₂基板９２を備えている。この２つの基板８８、９２は、液晶層９８によって分離されており、この液晶層は適切に収容され、且つ、図６の実施例における層８２の動作と同じように、２つの基板８８、９２間で光学的に透明なベアリングとして動作する。

フレーム９６と基板８８の左側面との間には、既知の熱膨張係数を有する金属素子がある。この熱膨張は、隣接するフレーム９６に対する基板８８の位置に対して、横シフトを創りだす。同様に、第２の素子１０２は、フレーム９６と基板９２の右端との間に取り付けられており、それによって、基板と格子素子９４の横方向シフトを、周囲温度変化に応答するようにして生成する。金属素子１００、１０２によって生成される２つのシフトは累積的であり、対象とする温度範囲にわたって格子９０，９４の周期の４分の１のシフトを達成するように正確に調整された場合、バルブ機能、即ち、スイッチ機能を形成し、入射する太陽光１０４を温度が低い状態で完全に透過し、周囲温度が高くなった場合実質的に完全に遮蔽する。図７の実施例は、選択された波長に対して、スパッタ堆積によるフィルタを追加して用いることもできる。

本発明は特定の材料及び特定の実用的な応用を参照して記載されているが、これらの記載は限定ではなく説明のためであることを理解すべきである。発明の定義については、添付の請求の範囲を採用すべきである。

Claims (20)

1. 第１及び第２の回折格子分割器であって、それぞれは、媒体中に浸漬され且つ基板上に配置された第１の材料の分散された複数の格子素子で形成され、前記各格子分割器の形状は実質的に同じである、第１及び第２の回折格子分割器を備え、
   前記格子分割器は相互に反転した関係で配置され、前記第１及び第２の分割器の横方向整合は、これらを透過する入射光の光量を変更するために、変更することができる、光学装置。
2. 請求項１に記載の光学装置であって、前記媒体は空気である、光学装置。
3. 請求項１に記載の光学装置であって、前記第１及び第２の格子分割器は液晶の体積だけ離間している、光学装置。
4. 請求項１に記載の光学装置であって、前記格子素子はＴｉＯ₂で形成されている、光学装置。
5. 請求項１に記載の光学装置であって、前記基板は溶融ＳｉＯ₂で形成されている、光学装置。
6. 請求項１に記載の光学装置であって、前記格子分割器は、周期ｐ、高さｈ及び曲線因子ｒを有する一連の突起部と溝とによって定義され、ここで、ｐは約０．８７から０．９３λの範囲であり、ｒは約０．２２から０．３２の範囲であり、ｈは約０．２４から０．３４λである、光学装置。
7. 第１及び第２の回折格子分割器であって、それぞれは、媒体中に浸漬され且つ第２の材料の基板上に配置された第１の材料の分散された複数の格子素子で形成され、前記各格子分割器及び素子の形状は実質的に同じであり、且つ、前記媒体中で前記第２の材料の臨界角よりも大きな屈折角を形成する、第１及び第２の回折格子分割器を備え、
   前記格子は相互に反転した関係で配置され、
   前記第１の格子分割器の一側面は入射光に対して入力を提供し、前記第２の格子分割器の反対面は透過光に対して出力を提供し、
   前記第１及び第２の分割器の素子は横方向の整合において変化を生じるように配置され、それによって、光が前記格子を通過する程度を変化させる、光学装置。
8. 請求項７に記載の光バルブであって、前記媒体は空気である、光バルブ。
9. 請求項７に記載の光バルブであって、前記第１及び第２の基板間には液晶の体積が存在する、光バルブ。
10. 請求項７に記載の光バルブであって、前記格子素子はＴｉＯ₂で形成される、光バルブ。
11. 請求項７に記載の光バルブであって、前記基板はＳｉＯ₂で形成される、光バルブ。
12. 請求項７に記載の光バルブであって、変化させる手段は少なくとも１個のＭＥＭＳを備えている、光バルブ。
13. 請求項７に記載の光バルブであって、前記手段は熱膨張装置を備え、横方向の整合における前記変化は温度の関数である、光バルブ。
14. 可変光透過窓であって、
    第１及び第２の回折格子分割器であって、それぞれは、媒体中に浸漬され、且つ、第２の材料の基板上に取り付けられた第１の材料の分散された複数の格子素子で形成され、前記格子と素子の形状は実質的に同じであり、且つ、前記媒体中における前記第２の材料の臨界角よりも大きな屈折角を形成する、第１及び第２の回折格子を備え、
    前記各格子分割器は相互に反転して離間する関係に配置され、その間に約１の屈折率を有するインターフェース物質を有し、
    前記第１の格子分割器の一面は入射光に対して入力面を提供し、前記第２の格子分割器の対応する面は透過光に対して出力面を提供し、さらに、
    前記第１及び第２の格子分割器の素子間で横方向整合を変化させるための手段を備え、それによって可視光が前記格子を透過する程度を変化させる、可変光透過窓。
15. 請求項１５に記載の可変光透過窓であって、前記媒体は空気である、可変光透過窓。
16. 請求項１４に記載の可変光透過窓であって、前記物質は液晶である、可変光透過窓。
17. 請求項１４に記載の可変光透過窓であって、前記格子素子はＴｉＯ₂で形成される、可変光透過窓。
18. 請求項１４に記載の可変光透過窓であって、前記基板はＳｉＯ₂で形成される、可変光透過窓。
19. 請求項１４に記載の可変光透過窓であって、変化させるための手段は、少なくとも１個のＭＥＭＳを含む、可変光透過窓。
20. 請求項１４に記載の可変光透過窓であって、前記手段は熱膨張装置を備え、それによって横方向整合における前記変化は温度の関数である、可変光透過窓。

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