JP4843617B2 - 多層ワイヤグリッド偏光子 - Google Patents

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Description

本発明は、概して、可視光スペクトル及び可視光近傍のスペクトルのためのワイヤグリッド偏光子に関する。
ワイヤグリッド偏光子（ＷＧＰ）は、例えばガラス等の基板の表面上に配置された平行なワイヤのアレイである。通常、ワイヤグリッド偏光子は、基板上の単一で周期的なワイヤアレイである。グリッドは、ワイヤの周期が光の波長の約半分よりも大きいとき、回折格子として作用する。グリッドは、ワイヤの周期が光の波長の約半分よりも小さいとき、偏光子として作用する。
ＷＧＰが一つの偏光状態の光の全てを透過し、他の偏光状態の全てを反射することが望ましいが、偏光子は完全ではない。実際のＷＧＰは、両方の偏光状態の光の一部を透過し、両方の偏光状態の光の一部を反射する。光が例えばガラスシート等の透明材料の表面上に入射するとき、少量の光が反射される。例えば、通常の入射では、入射光の約４％がガラスの各表面から反射される。
ＷＧＰの下方、又は、ワイヤと基板との間にフィルム膜を配置し、例えば、青色光等の可視スペクトルの一部において性能を改善するため、より短い波長に第１の回折次数を移動させることが提案された。米国特許番号６，１２２，１０３号を参照せよ。フィルム膜は、基板の屈折率よりも小さい屈折率を有する。ワイヤグリッドの下方の有効屈折率を更に減少させるため基板又は下層のいずれかにエッチングすることが提案された。米国特許番号６，１２２，１０３号を参照せよ。各ワイヤを、金属と誘電層とが交互に並んだ複合物として形成することが更に提案された。米国特許番号６，５３２，１１１号を参照せよ。
改善された性能を有するワイヤグリッド偏光子、即ち例えばｐ偏光などの所望の偏光状態の透過率を増大させ、例えばｓ偏光などの別の偏光状態の透過率を減少させたワイヤグリッド偏光子を開発することが有利であろうと認識された。更には、ワイヤグリッド偏光子は、一つの偏光状態の光を反射させるための金属として機能し、他の偏光状態の光に対して損失の多い誘電性を持つ薄膜として機能することができる。かくして、構造性複屈折及び有効屈折率をワイヤグリッド偏光子に対して適用することができることが認識された。更には、ワイヤグリッド偏光子を、薄膜層として取り扱うことができ、光学的スタックへと組み込むことができることが認識された。
一般的な用語で手短に説明すると、本発明は光を偏光させるための多層ワイヤグリッド偏光子に関する。本発明の一態様によれば、偏光子は、基板に配置され、基板の屈折率よりも大きい屈折率を有する少なくとも１つの薄膜層を備える。ワイヤグリッド層は、少なくとも１つの薄膜層に亘って配置されている。ワイヤグリッド層は、光の波長より長い長さと、光の波長の半分より短い周期とを有する細長い金属要素のアレイを備える。
本発明の別の態様によれば、偏光子は、基板に亘って配置されたワイヤグリッド層を備える。該ワイヤグリッド層は、光の波長より長い長さと、光の波長の半分より短い周期とを有する細長い金属要素のアレイを備える。誘電層がワイヤグリッド層に亘って配置されている。誘電層は光金属要素のアレイを備える。少なくとも１つの薄膜層がワイヤグリッド層と誘電層との間に配置されている。
本発明の別の態様によれば、偏光子は、基板に亘って配置され、該基板を連続的に横断して延在する薄膜層のスタックを備える。薄膜層の少なくとも１つは、構造及び材料が均一である。薄膜層の少なくとも１つは、光の波長よりも長い長さと該光の波長の半分より短い周期とを有する細長い金属要素のワイヤグリッドアレイを備える。薄膜層の少なくと
も１つは、非金属要素の誘電アレイを備える。
本発明の追加の特徴及び利点は、本発明の特徴を例を用いて示した添付図面を参照して、後述する詳細な説明から明らかとなろう。
以下、図示された一例としての実施例を参照する。特定の用語は該実施例を説明するため使用される。しかし、本発明の範囲がこれによっては制限されないことが理解されよう。
一つの偏光光に対して、ワイヤグリッド偏光子は、光（又はその一つの偏光状態の光）を反射する金属として実質的に機能し、その一方で、他の偏光光に対しては、ワイヤグリッド偏光子は、光（又は別の偏光状態の光）を透過する損失のある誘電体の薄膜として実質的に機能する。かくして、２つのコンセプト、即ち、構造性複屈折及び有効屈折率を、偏光子の性能を改善するために適用することができることが認識された。
ワイヤグリッド偏光子は、典型的には構造性複屈折の一例としてはみなされていない。一般に、複屈折は、材料が異なる偏光状態に対して異なる屈折率を有するということを意味している。複屈折は、例えば、石英等の結晶材料や伸張されたポリマーで非常に一般的である。構造性複屈折は、材料の形状により引き起こされた複屈折に言及している。
材料が、例えば密度等の材料特性でばらつきを有し、ばらつきのスケールが光の波長よりも小さいとき、当該屈折率は、均一なバルク材料の屈折率とは異なっている。均一な薄膜が光に対して同じ効果を引き起こしたであろう屈折率となる有効屈折率が存在している。この効果の理論的な取り扱いは、有効媒体理論と称されている。この現象は、無反射構造の反射防止膜等のようなものを作るための誘電材料で使用されている。
更には、ワイヤグリッド偏光子は、典型的には薄膜とはみなされない。光学的には、構造性複屈折及び有効屈折率の両方が、誘電材料に対してのみ考慮される。しかし、有効屈折率と等価な複屈折薄膜としてワイヤグリッド偏光子を取り扱うことは、それを薄膜スタックにおける要素としてみなすことを可能にし、薄膜設計技術を特定の性能目標で使用することを可能にするということが認識されてきた。
本発明は、偏光子の性能を改善するため金属ワイヤグリッド偏光子と組み合わせた薄膜を利用する。一般に、これは、ワイヤグリッドの下方及び頂部で膜を備えていてもよい。これらの膜のいずれも、均一な又は誘電性のグリッドであってもよい。ワイヤグリッドは、複合グリッド又は複合ワイヤのいずれであってもよい。ワイヤグリッドを多層の異なる材料、よって異なる屈折率の層と組み合わせることは、透過されることが望ましい偏光光の反射率を減少させることができる。例えば、ワイヤグリッドは、ｓ偏光光を反射し、ｐ偏光光を透過させるように構成することができる。上述されたように、ｐ偏光光の全てを透過し、ｓ偏光光の全てを反射することが望ましいが、典型的なワイヤグリッドは、両偏光光を部分的に透過し、両偏光光を部分的に反射させる。しかし、ワイヤグリッドを複屈折薄膜として取り扱い、ワイヤグリッドを多層の薄膜と結合させることは、ｐ偏光光の反射率を減少させる。
図１及び図２に示されるように、一般に１０ａ及び１０ｂで示された多層ワイヤグリッド偏光デバイスは、偏光光１２のための本発明に係る一例としての実施態様として、即ち望ましくない偏光光の反射及び／又は透過を少なくした改善態様で、一つの偏光状態を直交する偏光状態から実質的に分離するものとして示されている。そのようなデバイスは、可視光用途、或いは、約４００〜７００ｎｍ（ナノメートル）又は０．４〜０．７μｍ（マイクロメートル即ちミクロン）の範囲の可視光を使用する際に、での実質的な有用性を持っていると考えられている。そのような可視光用途は、例えばプロジェクター等の投影表示デバイスを備えることができる。本明細書に記載された多層ワイヤグリッド偏光子は、例えば、偏光子、ビームスプリッター、分析器等の様々に異なる容量で利用することができる。本明細書の装置は、例えば紫外線及び／又は赤外線用途等近可視光用途、即ち約２５０〜４００ｎｍ若しくは７００〜１０，０００ｎｍの範囲の光で使用する上で有用性を有すると考えられる。かくして、「光」という用語は、可視光、紫外光、赤外光、又は、２５０〜１０，０００ｎｍの範囲の電磁波を指すものとして、本明細書では幅広く使用
されている。
偏光子１０ａ及び１０ｂは、ワイヤグリッド又はワイヤグリッド層２２を備える複数の薄膜層１８又はそれらのスタックを載せるか又は支持する基板１４を備える。基板１４は、取り扱う光に対して透明であり得る。例えば、基板は、ガラス（Ｂｋ７）であってもよい。他の基板は、石英か又はプラスティックであってもよい。加えて、基板１４は、残りの薄膜層に関して実質的な厚さｔｓを有することができる。更には、基板は、屈折率（又は屈折の指数）ｎｓを有することができる。例えば、ガラス基板（Ｂｋ７）は、（５５０ｎｍで）１．５２の屈折率ｎｓを有する（屈折率は波長に関して僅かに変化することが認められよう）。
ワイヤグリッド又はワイヤグリッド層２２は、細長い金属要素２６のワイヤグリッドアレイを備えている。要素２６は、光の波長よりも長い波長を有し、光の波長の半分より小さい周期Ｐで略平行な配列で配置されている。かくして、可視光で使用するために、要素２６は、可視光の波長よりも大きい長さ、即ち７００ｎｍ（０．７μｍ）より大きい長さを有する。しかし、当該長さは、遙かに長くてもよい。要素２６は、可視光の波長の半分より短い、即ち２００ｎｍ（０．２μｍ）より小さい、中心間隔、ピッチ又は周期Ｐを有し得る。要素２６は、ピッチ又は周期の１０から９０％の範囲の幅を有していてもよい。要素２６は、可視光用途のため、光の波長よりも短い、即ち４００ｎｍ（０．４μｍ）より小さい厚さ即ち高さｔを持っていてもよい。一態様では、当該厚さは、可視光用途に対して、０．２μｍより小さくすることができる。
要素２６又はアレイは、一般に、（１）実質的に均一で一定の直線偏光状態（例えば、ｐ偏光）を有する透過ビーム３０を透過させるため、及び、（２）実質的に均一で一定の直線偏光状態（例えば、ｓ偏光）を有する反射ビーム３４を反射させるため可視光と相互作用する。要素は、要素に対して局所的に直交するか又は横断して方向付けられた、第１の偏光状態（ｐ偏光）の光を透過させ、要素に平行に方向付けられた、第２の偏光状態（ｓ偏光）の光を反射させる。ワイヤグリッド偏光子は、一定度合いの効率で光の偏光状態を分離するか、又は、両方の偏光状態の一部を透過及び／又は反射することができることが認められよう。要素の一部分は、異なる偏光状態の光を透過又は反射するように構成することができると認められよう。
要素２６又はアレイを、フォトリソグラフィーによって基板上に又は基板を覆って形成することができる。要素２６は、導電性とすることができ、アルミニウム、銀、金又は銅から形成することができる。
複数の薄膜１８は、ワイヤグリッド層２２の下方及び／又は該層を覆って、層を備えることができる。かくして、１つ以上の層１８ａ〜ｃを基板１４とワイヤグリッド層２２との間に配置することができる。加えて、１つ以上の層を、ワイヤグリッド層２２に亘って配置することができる。層１８を、様々に異なる材料から形成され、又は、基板１４とは異なる材料で且つ互いとも異なる材料からさえ形成することができる。かくして、層１８は、基板１４の屈折率ｎｓとは異なる屈折率ｎを持つことができる。更には、基板１４の屈折率ｎｓより大きい屈折率ｎ１〜ｎ３を有する層１８ａ〜ｃの少なくとも１つはｐ偏光光の反射率を減少させることが発見された。かくして、本発明の一態様によれば、偏光子１０ａ又は１０ｂは、基板１４とワイヤグリッド層２２との間に配置された少なくとも１つの薄膜層１８ａを有し、薄膜層１８ａは、基板１４の屈折率ｎｓより大きい屈折率ｎ１を有する。本発明の別の態様によれば、偏光子１０ａ又は１０ｂは、少なくとも２つの薄膜層１８ａ及びｂを持ち、或いは、少なくとも３つの薄膜層１８ａ〜ｃを持つことができる。
薄膜層１８ａ〜ｃは、基板１４に亘って連続的に延在することができ、１８ａ及び１８ｃによって示されるように、首尾一貫した層又は一定の層であってもよい。層１８ａ〜ｃは、誘電材料から形成することができる。例えば、層は、酸化アルミニウム、三酸化アンチモン、硫化アンチモン、酸化ベリリウム、酸化ビスマス、三フッ化ビスマス、硫化カドミウム、テルル化カドミウム、フッ化カルシウム、酸化セリウム、チオライト、氷晶石、ゲルマニウム、二酸化ハフニウム、フッ化ランタン、酸化ランタン、塩化鉛、フッ化鉛、
テルル化鉛、フッ化リチウム、フッ化マグネシウム、酸化マグネシウム、フッ化ネオジウム、酸化ネオジウム、酸化プラセオジム、酸化スカンジウム、シリコン、酸化シリコン、三酸化ディシリコン、二酸化シリコン、フッ化ナトリウム、五酸化タンタル、テルル、二酸化チタニウム、塩化タリウム、酸化イットリウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、及び、二酸化ジルコニウムから形成することができる。膜層を基板上に堆積することができる。金属酸化物の場合には、それらを、酸化物蒸着材料（必要時には追加の酸素裏込め材料）から開始することによって堆積することができる。しかし、当該材料を、ベースとなる金属を蒸発させ、次に背景にＯ２が存在する状態で堆積材料を酸化させることによっても堆積することができる。
薄膜層１８ａ〜１８ｃの厚さｔ１〜ｔ３及び材料（又は屈折率ｎ１〜ｎ３）は、更に詳細に後述されるように、ｐ偏光光の反射率を減少させるように取り扱うことができる。
薄膜層１８ａ〜１８ｃのうち１つ以上は、非金属要素３８のアレイを有する誘電グリッドを備えることができる。当該アレイの非金属及び金属要素３８及び２６は、互いに実質的に平行に方向付けることができる。更には、アレイは、実質的に等しい周期及び／又は幅を有することができる。一態様では、誘電グリッドの非金属要素３８及び金属要素２６は、整列され、非金属要素３８は、図１に示されるように、ワイヤグリッド層の金属要素２６と整列されている。別の態様では、誘電グリッドの非金属要素３８及び金属要素２６は、図２に示されるように、ワイヤグリッド層の金属要素２６に関してオフセットされている。
上述したように、複数の薄膜層１８は、ワイヤグリッド層２２に亘って配置された１つ以上の他の薄膜層を備えることができる。他の薄膜層は、誘電材料を含むことができ、連続又は一定となり得る。更には、他の薄膜層４２は、非金属要素４６のアレイを有する誘電グリッドを含むことができる。当該アレイの非金属要素４６及び金属要素２６は、互いに略平行に方向付けすることができ、略等しい周期を持つことができる。一態様では、図１に示されるように、非金属要素４６及び金属要素２６が整列され、誘電グリッドの非金属要素４６は、ワイヤグリッド層２２の金属要素２６の上方に又は該要素を覆って整列されている。別の態様では、非金属要素４６及び金属要素２６はオフセットされるか、又は、誘電グリッドの非金属要素４６がワイヤグリッド層２２の金属要素２６の上方にオフセットされている。
上記したように、薄膜層１８の数、厚さｔ及び材料（又は屈折率）は、ｐ偏光光の反射率を減少させ（ｐ偏光光の透過率を増加させ）、及び／又は、ｓ偏光光の透過率を減少させる（ｓ偏光光の反射率を増大させる）ため変えることができる。層１８ａ及びｃの幾つかは、構造及び材料において均一であってもよく、他の層は、ワイヤグリッド層２２の金属要素２６又は誘電グリッドの非金属要素３８及び４６等のグリッドを備えていてもよい。特定の構成例を以下で説明する。
図３を参照すると、多層ワイヤグリッド偏光子１０ｃの一例が示されている。偏光子は、ガラス（ＢＫ７）の基板１４上で、基板とワイヤグリッド又はワイヤグリッド層２２との間に３つの均一薄膜層５０ａ〜５０ｃを備えている。基板１４は、１．５２の屈折率ｎｓを有する。第１の薄膜層５０ａは、６５ｎｍの厚さｔ１を有する酸化マグネシウム（ＭｇＯ）の均一材料である。かくして、第１の層５０ａは、基板１４の屈折率ｎｓより大きい１．７４の屈折率ｎ１（５５０ｎｍの波長に対して）を有する。第２の薄膜層５０ｂは、１３０ｎｍの厚さｔ２と２．０の屈折率とを有するＺｒＯ２の均一材料である。かくして、第２の層５０ｂは、基板１４の屈折率ｎｓより大きい屈折率ｎ２を有する。第３の薄膜層５０ｃは、７０ｎｍの厚さｔ３を有するフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の均一材料である。かくして、第３の層５０ｃは、１．３８の屈折率ｎ３（５５０ｎｍの波長に対して）を有する。
ワイヤグリッド層２２又はワイヤグリッドは、第３の層５０ｃの頂部に配置されている。ワイヤグリッドは、アルミニウムから作られた要素を備える。要素は、１４４ｎｍの周期Ｐ、当該周期の３９．５％の幅ｗ、即ち５７ｎｍ、１５５ｎｍの厚さｔｗｇ即ち高さを有することができる。
図４ａから図４ｃを参照すると、図３の偏光子１０ｃの性能が、ワイヤグリッドと基板との間に薄膜層が存在しない類似した偏光子、及び、ワイヤグリッドと基板との間にフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の３０ｎｍの層を備えた（かくして、基板よりも低い屈折率の薄膜層を有する）類似した偏光子と、比較されている。光１２は、４５度の入射角度で偏光子１０ｃに入射する。この場合には、ｐ偏光光３０は、主要には透過され、ｓ偏光光は、主要には反射される。図４ａを参照すると、偏光子１０ｃを通したｐ偏光光の透過率は、５４の曲線により示されるように、他の２つの偏光子のものよりも大きい（即ち当該偏光子からのｐ偏光光の反射率がより小さい）。より低い屈折率の薄膜を有する偏光子が平面偏光子よりも良好に働くことを理解することができるが、三層薄膜５０ａ〜５０ｃを有する偏光子１０ｃは、更に良好に働く。図４ｂを参照すると、ｓ偏光光の透過率（漏れ）は、曲線５６により示されるように、偏光子１０ｃに関して他の偏光子のいずれの透過率よりも低い（即ち、当該偏光子を通したｓ偏光光の透過率が小さい）。図４ｃを参照すると、ｐ偏光光の反射率は、曲線５８により示されるように、偏光子１０ｃに関して他の偏光子よりも、一般により小さい（即ち、ｐ偏光光の透過率がより大きい）。正味の結果は、透過したｐ偏光光がより多く、透過率及び反射率の両方においてコントラストが改善されるということであり、このことは、透過偏光光及び反射偏光光の純度が、多層偏光子１０ｃに関して、より大きくなることを意味している。
図５を参照すると、多層ワイヤグリッド偏光子１０ｄの別の例が示されている。
偏光子１０ｄは、アルミニウムの要素を有するワイヤグリッド層２２又はワイヤグリッドの頂部に直接配置された２つの誘電層又は２つの誘電グリッド６０ａ及び６０ｂを備えている。ワイヤグリッド又はワイヤグリッド層２２は、ガラス（ＢＫ７）基板上に配置されている。ワイヤグリッドの要素２６の厚さ即ち高さｔｗｇは、１６０ｎｍである。第１の誘電グリッド６０ａは、ワイヤグリッド上に配置され、厚さｔ１は、１００ｎｍであり、１．４５の屈折率ｎ１を有する二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成されている。第２の誘電グリッド６０ｂも、厚さｔ２が、１００ｎｍであり、２．５の屈折率ｎ２を有する材料から形成されている。グリッドの周期Ｐは１４４ｎｍである。要素の幅は、周期Ｐの４５％、即ち５７ｎｍである。光１２は４５度で入射する。
図６ａ及び図６ｂを参照すると、図５の偏光子１０ｄの性能は、頂部上に誘電グリッドが存在しない類似の偏光子と比較されている。グリッドの周期Ｐは、可視光の波長よりも小さいので、それらは全て、事実上薄膜として振舞う。図６ａでは、６２で曲線により示されるように、反射したｓ偏光が偏光子１０ｄに関して実質的に大きいということが理解されよう。図６ｂでは、透過したｐ偏光光が、曲線６４により示されているように、偏光子１０ｄに関してより大きい。
図７を参照すると、多層ワイヤグリッド偏光子１０ｅの別の例が示されている。
偏光子１０ｅは、ワイヤグリッド即ちワイヤグリッド層２２と、ガラス（ＢＫ７）基板１４との間に３つの均一薄膜層７０ａ〜７０ｃを備えている。第１の層７０ａは、基板上１４に配置され、３３ｎｍの厚さｔ１を持ち、１．８の屈折率ｎ１を有する。第２の層７０ｂは、１．３８の屈折率ｎ２及び３０ｎｍの厚さｔ２を有するフッ化マグネシウム（ＭｇＦ２）の材料である。第３の層７０ｃは、２０ｎｍの厚さｔ３を持ち、１．８の屈折率ｎ３を有する。かくして、第１の層７０ａ及び第３の層７０ｃは、基板１４の屈折率ｎｓよりも大きい屈折率ｎ１及びｎ３を有する。ワイヤグリッド又はワイヤグリッド層２２は、１４４ｎｍの周期Ｐを有するアルミニウムの要素を備えている。要素の高さｔｗｇは１６０ｎｍであり、要素の幅ｗは周期の４５％即ち５７ｎｍである。光１２は、直角に入射する（０度）。
図８を参照すると、多層ワイヤグリッド偏光子１０ｆの別の例が示されている。偏光子１０ｅは、第１の層８０ａが２８ｎｍの厚さｔ１を有し、第２の層８０ｂが２５ｎｍの厚さｔ２を有し、第３の層８０ｃが１７ｎｍの厚さｔ３を有するということを除いて、図７に関して上述されたものと類似した三層薄膜８０ａ〜８０ｃを備えている。更には、偏光子１０ｆは、ワイヤグリッド層２２の上方に薄膜層８４を備える。薄膜層８４は、ワイヤグリッドの金属要素上に配置された非金属要素を有する誘電グリッドを備える。ワイヤグ
リッド又はワイヤグリッド層２２は、図７に関して上述されたワイヤグリッドと類似している。誘電層８４の要素は、１００ｎｍの厚さｔ４を有する。誘電層８４の要素は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成されている。
図９を参照すると、偏光子１０ｅ及び１０ｆの性能が、薄膜層無しの類似したワイヤグリッド偏光子と比較されている。偏光子１０ｅ及び１０ｆの両方は、曲線８６及び８８により示されるように、ｐ偏光光をより少なく反射する（より多くのｐ偏光光を通過させる）。ワイヤグリッド層の下方に薄膜層を備え、ワイヤグリッドの上方に誘電グリッドを備える偏光子１０ｆは、曲線８８により示されるように、有意な改善を示す。
図１０ａ及び図１０ｂを参照すると、多層ワイヤグリッド偏光子１０ｇ及び１０ｈの例が示されている。偏光子１０ｇ及び１０ｈの両方が、基板１４上に配置されたワイヤグリッド又はワイヤグリッド層２２を備えている。ワイヤグリッドは、アルミニウムの要素を備えていてもよく、基板はガラス（ＢＫ７）であってもよい。ワイヤグリッドの周期Ｐは、１４４ｎｍであり、要素は、１５０ｎｍの厚さｔｗｇを有する。要素の幅ｗは周期の４５％即ち６５ｎｍである。更には、要素２６は、それらの間に空間９２を画定し、該空間は１．１７の屈折率ｎ１を有する材料を含んでいる。第２の均一層９６は、要素２６の頂部上及び空間９２、即ちワイヤグリッド層２２上に、１００ｎｍの厚さｔ２で１．１７の屈折率ｎ２を有して配置されている。第３の層１００は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の均一層で６０ｎｍの厚さｔ３を有している。かくして、第３の層１００は、１．４５の屈折率ｎ３を有している。第４の層１０４は、第３の層１００上に配置され、非金属要素を有する誘電グリッドを備えている。誘電グリッドの要素は、５０ｎｍの厚さｔ４を有する。誘電グリッドの要素は、二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成され、２．０の屈折率ｎ４を有する。誘電層の要素の幅ｗは、周期の５０％である。誘電層の要素は、図１０ａに示されるように、ワイヤグリッドの要素の実質的に直接上方に配置されている。代替例として、誘電層の要素は、ワイヤグリッドの要素に対してオフセットすることができ、又は、誘電層の要素は、図１０ｂに示されるように、ワイヤグリッドの要素の間の空間の実質的に上方にあるように半周期だけシフトされてもよい。光１２は、４５度で入射する。
図１１を参照すると、偏光子１０ｇ及び１０ｈの性能は、ガラス基板上にワイヤグリッドのみを有する類似の偏光子と比較されている。偏光子１０ｇ及び１０ｈは、曲線１０４により示されるように（互いに重なり合っている）、ｓ偏光光の反射率を改善する。更には、誘電グリッドのワイヤグリッドに対する整列は、有効媒体理論の条件が当てはまるとき、関連していないように見える。これらの例は、均一層及びワイヤグリッドを組み合わせることができ、利点を奏することができるように使用される。加えて、これらの例は、有効媒体理論の原理を実証している。
図１２を参照すると、多層ワイヤグリッド偏光子１０ｉの別の例が示されている。偏光子１０ｉは、図３の偏光子１０ｃに類似しているが、複合要素を有するワイヤグリッド又はワイヤグリッド層１１２を備えている。複合要素は、交互に配置された金属層及び非金属層を備えている。そのような複合要素の例は、米国特許番号６，５３２，１１１号に見出されており、参照により本願に組み込まれる。例えば、各要素は、アルミニウム及びフッ化マグネシウムの交互に配置された層を備えることができる。
図１３を参照すると、偏光子１０ｉの性能は、複合要素を有するが、基板とワイヤグリッド層との間に薄膜層が存在しない類似の偏光子と比較されている。偏光子１０ｉは、１１６の曲線により示されるように、ｓ偏光光の漏れ即ち透過率をより少なくさせている。
図１４を参照すると、ワイヤグリッド２２は、上述されたものに類似しているが該ワイヤグリッドの金属要素間の空間内に誘電材料１２０を備えている。そのようなワイヤグリッド又はワイヤグリッド層は、上述した任意のものと置き換えることができる。
図１５を参照すると、誘電グリッド層が、２つの異なる屈折率ｎ１及びｎ２を各々有する２つの材料の要素を備えた２つの誘電グリッド１２４及び１２８を備えている。かくして、誘電層又はグリッドは、異なる材料の交互に配置した要素を持ち、又は、一方のグリッドの要素が別のグリッドの空間内に配置されている要素を持っている。そのような誘電グリッド又は層は、上述した任意のものと置き換えることができる。
本明細書で与えられた例は、本発明から実現することができる多くの可能な態様のうちの数例にしか過ぎない。一般に、均一層及び誘電グリッドの組み合わせは、与えられた帯域の光の入射角度の与えられた範囲に亘って、例えば最適透過率又は反射率等の特定の用途のために組み合わせることができる。最適化は、透過率若しくは反射率、又は、それらの両方共に対してなすことができる。最適化は、偏光子の空気側若しくは基板側から、又は、それらの両方側からの入射に対してなすことができる。
ワイヤグリッド偏光子、最適なトレイン、及び／又は、投影／ディスプレイシステムの様々な態様は、米国特許番号５，９８６，７３０号、６，０８１，３７６号、６，１２２，１０３号、６，２０８，４６３号、６，２４３，１９９号、６，２８８，８４０号、６，３４８，９９５号、６，１０８，１３１号、６，４５２，７２４号、６，７１０，９２１号、６，２３４，６３４号、６，４４７，１２０号、及び、６，６６６，５５６号に示されている。これらの内容は参照により本願に組み込まれる。
ワイヤグリッド偏光子は、光源に面するものとして示され、或いは、光源に対面する細長い要素を備えたものとして示されたが、これは、例示の目的のためにしか過ぎないことが理解されよう。ワイヤグリッド偏光子が、画像を載せたビームが基板を通過することを回避し、かくして例えば基板等の媒体を通過する光と連係するゴースト画像又は多重反射を回避する、という単純な目的のため、例えば、液晶アレイから、ワイヤグリッド偏光子を画像を載せたビームに対面するようにワイヤグリッド偏光子を方向付けることができることを当業者は認めるであろう。そのような構成は、光源から離れて面するワイヤグリッド偏光子をもたらすことができる。
前述した例は、１つ以上の特定の用途において本発明の原理を示すものであるが、実施の態様、使用法及び詳細における多数の変更を、進歩的な技能を実行すること無しに、本発明の原理及びコンセプトから逸脱すること無く、なすことができることは当業者には明らかであろう。従って、添付された請求の範囲によるものを除いて、本発明は制限されない。
図１は、本発明の実施例に係る多層ワイヤグリッド偏光子の概略側断面図である（図面は、必ずしも縮尺通りではなく、特徴は、明瞭にするため非常に誇張されている）。 図２は、本発明の実施例に係る多層ワイヤグリッド偏光子の概略側断面図である（図面は、必ずしも縮尺通りではなく、特徴は、明瞭にするため非常に誇張されている）。 図３は、本発明の一例としての実施例に係る多層ワイヤグリッド偏光子の概略側断面図である（図面は、必ずしも縮尺通りではなく、特徴は、明瞭にするため非常に誇張されている）。 図４ａは、他の偏光子と比較したときの、ｐ偏光の反射率対図３の多層ワイヤグリッド偏光子のための波長のグラフである。 図４ｂは、他の偏光子と比較したときの、ｓ偏光の透過率対図３の多層ワイヤグリッド偏光子のための波長のグラフである。 図４ｃは、他の偏光子と比較したときの、ｐ偏光の透過率対図３の多層ワイヤグリッド偏光子のための波長のグラフである。 図５は、本発明の一例としての実施例に係る多層ワイヤグリッド偏光子の概略側断面図である（図面は、必ずしも縮尺通りではなく、特徴は、明瞭にするため非常に誇張されている）。 図６ａは、別の偏光子と比較したときの、ｓ偏光の反射率対図５の多層ワイヤグリッド偏光子のための波長のグラフである。 図６ｂは、別の偏光子と比較したときの、ｐ偏光の透過率対図５の多層ワイヤグリッド偏光子のための波長のグラフである。 図７は、本発明の一例としての実施例に係る多層ワイヤグリッド偏光子の概略側断面図である（図面は、必ずしも縮尺通りではなく、特徴は、明瞭にするため非常に誇張されている）。 図８は、本発明の一例としての実施例に係る多層ワイヤグリッド偏光子の概略側断面図である（図面は、必ずしも縮尺通りではなく、特徴は、明瞭にするため非常に誇張されている）。 図９は、別の偏光子と比較したときの、ｐ偏光の反射率対図７及び図８の多層ワイヤグリッド偏光子のための波長のグラフである。 図１０ａ及び図１０ｂは、本発明の一例としての実施例に係る多層ワイヤグリッド偏光子の概略側断面図である（図面は、必ずしも縮尺通りではなく、特徴は、明瞭にするため非常に誇張されている）。 図１１は、別の偏光子と比較したときの、ｓ偏光の反射率対図１０ａ及び図１０ｂの多層ワイヤグリッド偏光子のための波長のグラフである。 図１２は、本発明の一例としての実施例に係る別の多層ワイヤグリッド偏光子の概略側断面図である（図面は、必ずしも縮尺通りではなく、特徴は、明瞭にするため非常に誇張されている）。 図１３は、別の偏光子と比較したときの、ｓ偏光の透過率対図１２の多層ワイヤグリッド偏光子のための波長のグラフである。 図１４は、本発明の一例としての実施例に係る多層ワイヤグリッド偏光子の金属要素の間の空間に誘電材料を備えたワイヤグリッド層の側断面図である。 図１５は、本発明の一例としての実施例に係る２つの異なる材料の要素を備えた２つの誘電グリッド付きの誘電グリッド層の側断面図である。

Claims (22)

  1. 光を偏光させるためのワイヤグリッド偏光子デバイスであって、
    （ａ）基板と、
    （ｂ）前記基板に配置された少なくとも２つの連続した薄膜層であって、互いに異なる屈折率を有する、少なくとも２つの連続した薄膜層と、
    （ｃ）前記少なくとも２つの連続した薄膜層に亘って配置されたワイヤグリッド層であって、光の波長よりも長い長さと該光の波長の半分より短い周期とを有する細長い金属要素のアレイを備える、ワイヤグリッド層と、
    を備え、
    前記少なくとも２つの連続した薄膜層のうち少なくとも１つは、前記基板の屈折率より大きい屈折率を有し、
    前記少なくとも２つの連続した薄膜層の１つは、誘電要素のアレイを有する誘電グリッドを備え、
    前記少なくとも２つの連続した薄膜層の他の１つは、前記ワイヤグリッド層と前記誘電グリッドを備える少なくとも２つの連続した薄膜層の１つとの間に配置され、
    前記誘電要素のアレイ及び前記細長い金属要素のアレイは、互いに略平行に方向付けられている、ワイヤグリッド偏光子デバイス。
  2. 前記誘電要素のアレイ及び前記金属要素のアレイは、実質的に等しい周期を有し、互いにオフセットされている、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  3. 前記ワイヤグリッド層に亘って配置された少なくとも１つの薄膜層を更に備え、少なくとも１つの他の薄膜層は誘電要素のアレイを有する誘電グリッドを備え、前記アレイの誘電要素及び金属要素は、整列されて実質的に等しい周期を有する、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  4. 光を偏光させるためのワイヤグリッド偏光子デバイスであって、
    （ａ）所定の屈折率を有する基板と、
    （ｂ）前記基板に配置された少なくとも１つの薄膜層であって、当該基板の屈折率よりも大きい屈折率を有する、少なくとも１つの薄膜層と、
    （ｃ）前記少なくとも１つの薄膜層に亘って配置されたワイヤグリッド層であって、光の波長よりも長い長さと該光の波長の半分より短い周期とを有する細長い金属要素のアレイを備える、ワイヤグリッド層と、
    （ｄ）前記ワイヤグリッド層に亘って配置された、少なくとも１つの他の薄膜層と、
    を備え、
    前記基板に配置された前記少なくとも１つの薄膜層及び前記ワイヤグリッド層に亘って配置された前記少なくとも１つの他の薄膜層の少なくとも一方は、前記金属要素のアレイと略平行に方向付けられて当該金属要素のアレイに対してオフセットされた誘電要素のアレイを有する誘電グリッドを備える、ワイヤグリッド偏光子デバイス。
  5. 光を偏光させるためのワイヤグリッド偏光子デバイスであって、
    （ａ）基板と、
    （ｂ）前記基板に亘って配置されたワイヤグリッド層であって、光の波長よりも長い長さと該光の波長の半分より短い周期とを有する細長い金属要素のアレイを備える、ワイヤグリッド層と、
    （ｃ）前記ワイヤグリッド層に亘って配置された誘電層であって、誘電要素のアレイを備える、誘電層と、
    （ｄ）前記ワイヤグリッド層と前記誘電層との間に配置された、少なくとも１つの薄膜層と、
    を備える、ワイヤグリッド偏光子デバイス。
  6. 前記基板と前記ワイヤグリッド層との間に配置された少なくとも１つの薄膜層を更に備え、前記少なくとも１つの薄膜層は、互いに異なる屈折率を有する複数の薄膜層を備える、請求項５に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  7. 前記基板と、該基板の屈折率よりも大きい屈折率を有する前記ワイヤグリッド層と、の間に配置された少なくとも１つの薄膜層を更に備える、請求項５に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  8. 前記基板と、誘電要素のアレイを有する前記ワイヤグリッド層との間に誘電グリッドを更に備え、前記アレイの誘電要素及び金属要素は、互いに略平行に方向付けられ、前記アレイは実質的に等しい周期を有する、請求項５に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  9. 光を偏光させるためのワイヤグリッド偏光子デバイスであって、
    （ａ）基板と、
    （ｂ）前記基板に亘って配置され、該基板を連続的に横断して延在する薄膜層のスタックと、
    （ｃ）光の波長よりも長い長さと該光の波長の半分より短い周期とを有する細長い金属要素のワイヤグリッドアレイを備える、前記薄膜層の少なくとも１つと、
    （ｄ）誘電要素の誘電アレイを備える、前記薄膜層の少なくとも１つと、
    （ｅ）構造及び材料が均一であって、前記ワイヤグリッドアレイを備える前記薄膜層の少なくとも１つと、前記誘電アレイを備える前記薄膜層の少なくとも１つとの間に配置された、前記薄膜層の少なくとも１つと、
    を備える、ワイヤグリッド偏光子デバイス。
  10. 前記アレイの非金属要素及び金属要素は、互いに略平行に方向付けられ、前記アレイは実質的に等しい周期を有する、請求項９に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  11. 前記基板と前記ワイヤグリッド層との間に配置された少なくとも１つの薄膜層を更に備え、前記少なくとも１つの薄膜層は、互いに異なる屈折率を有する複数の薄膜層を備える、請求項９に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  12. 前記基板と前記ワイヤグリッド層との間に配置された少なくとも１つの薄膜層は、該基板の屈折率よりも大きい屈折率を有する、請求項９に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  13. 前記アレイの非金属要素及び金属要素は、互いに略平行に方向付けられ、前記アレイは実質的に等しい周期を有する、請求項９に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  14. 光を偏光させるためのワイヤグリッド偏光子デバイスであって、
    （ａ）基板と、
    （ｂ）前記基板に亘って配置され、光の波長よりも長い長さと該光の波長の半分より短い周期とを有する細長い金属要素のアレイを備える、ワイヤグリッドアレイと、
    （ｃ）前記ワイヤグリッドアレイの上方又は下方に配置され且つ異なる屈折率を有する異なる材料から形成された、誘電要素の少なくとも２つの異なる誘電アレイであって、前記屈折率の少なくとも１つは、前記基板の屈折率よりも大きい、誘電アレイと、
    を備え、
    （ｄ）前記誘電アレイの誘電要素と前記ワイヤグリッドアレイの金属要素とは、互いに略平行に方向付けられ、
    （ｅ）構造及び材料が均一であって、前記少なくとも２つの誘電アレイの少なくとも１つ及び前記ワイヤグリッドアレイの間に配置された、少なくとも１つの薄膜層を備えた、ワイヤグリッド偏光子デバイス。
  15. 前記デバイスは、紫外光を偏光させるための紫外光偏光子であり、
    前記細長い金属要素のワイヤグリッドアレイは、１５０ｎｍよりも小さい周期を有する、請求項１４に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  16. 前記誘電アレイの材料は、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、酸化シリコン、テルル、二酸化チタニウム、シリコン、硫化カドミウム、セレン化亜鉛、硫化亜鉛、又は、前記した材料の組み合わせから作られる、請求項１５に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  17. 前記デバイスは、可視光を偏光させるための可視光偏光子であり、
    前記細長い金属要素のワイヤグリッドアレイは、２００ｎｍよりも小さい周期を有する、請求項１４に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  18. 前記誘電アレイの材料は、テルル化カドミウム、ゲルマニウム、テルル化鉛、酸化シリコン、テルル、二酸化チタニウム、シリコン、又は、前記した材料の組み合わせから作られる、請求項１７に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  19. 前記デバイスは、赤外光を偏光させるための赤外光偏光子であり、
    前記細長い金属要素のワイヤグリッドアレイは、５，０００ｎｍよりも小さい周期を有する、請求項１４に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  20. 光を偏光させるためのワイヤグリッド偏光子デバイスであって、
    （ａ）基板と、
    （ｂ）前記基板に亘って配置され、光の波長よりも長い長さと該光の波長の半分より短い周期とを有する細長い金属要素のアレイを備え、該金属要素の間にギャップを形成する、ワイヤグリッド層と、
    （ｃ）前記ワイヤグリッド層に亘って配置され、互いに境界付けられた複数の誘電グリッド層であって、該誘電グリッド層の少なくとも１つは、誘電材料要素のアレイを備えている、複数の誘電グリッド層と、
    を備え、
    （ｄ）前記誘電材料要素のアレイと前記金属要素のアレイとは、互いに略平行に方向付けられ、実質的に等しい周期を有する、ワイヤグリッド偏光子デバイス。
  21. 前記誘電要素のアレイ及び前記細長い金属要素のアレイは、実質的に等しい周期を有する、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
  22. 前記誘電要素のアレイ及び前記細長い金属要素のアレイは、異なる周期を有する、請求項１に記載のワイヤグリッド偏光子デバイス。
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