KR20020035600A - 평행한 출사빔을 얻는 빔스플리터 디바이스 - Google Patents

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KR20020035600A
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브래들리 에이. 스콧
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알프레드 엘. 미첼슨
코닝 인코포레이티드
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Abstract

본 발명은 복수의 소자들을 갖는 빛의 입사빔을 각각 실질적으로 평행한 수단에서 통과하는 대응의 복수의 출사광 빔으로 분열시키는 빔스플리터 디바이스에 관한 것이다. 일 구체예에서, 상기 빔스플리터 디바이스는 편광 코팅을 이용하여 편광 소자들을 분리하도록 입사빔을 분열시키기 위해 편광 빔스플리터 디바이스로서 구성된다. 또한, 다른 일 구체예에서, 상기 빔스플리터 디바이스는 복수의 파장 분할 멀티플렉서(WDM) 코팅을 이용하여 파장 소자들로 분리하도록 입사빔을 분열시키기 위한 파장 여과 빔스플리터 디바이스로서 구성된다. 상기 빔스플리터 디바이스는 실질적으로 평행의 제1 및 제2 대치표면을 갖는 평면의 투명 구조 시트 또는 벽(wall)을 포함한다. 입사면부는 입사빔을 받고, 복수의 출사면부는 출사빔을 투과시킨다. 반사물질은 상기 시트내에서 빛을 내부적으로 반사시킨다.

Description

평행한 출사빔을 얻는 빔스플리터 디바이스 {Beamsplitter device producting parallel output beams}
발명의 분야
본 발명은 빛 조절 디바이스에 관한 것으로, 특히 복수의 동일하지 않는 소자를 갖는 빛의 입사빔을 실질적으로 평행한 방향으로 이동하는 대응의 복수의 출사빔으로 분리하는 빔스플리터 다비이스에 관한 것이다.
종래기술의 상세한 설명
빔스플리터는 일반적으로 과학과 산업분야에서 복수의 소자를 갖는 빛의 입사빔을 대응의 복수의 출사빔으로 분리하는데 이용된다. 특히, 몇몇의 빔스플리터는 비편광이거나 부분적으로 편광을 갖게 되는 빔에서 편광의 직각축을 갖는 선형의 편광 출사빔으로 분리한다. 다른 빔스플리터 디바이스들은 복수의 파장 소자들을 갖는, 다광변색성 빔, 또는 광대역 빔을 대응의 복수의 실질적으로 단색성 출사빔 또는 협소 스펙트럼 대역폭을 갖는 출사빔으로 분리할 수 있다.
그러나, 어떤 형태라도 실질적으로 평행한 방향으로 통과하는 출사빔을 제공하지 않는다. 따라서, 만약 평행한 출사빔이 요구된다면, 출사빔의 하나 또는 그 이상을 새 방향으로 전환시키기 위한 추가 소자가 사용된다. 상기 추가의 소자는 빔스플리터 다비이스에서 개별적으로 설치되기 때문에, 비교적 불충분한 평행을 갖는 출사빔을 얻도록 정열을 요구하게 된다.
예를 들어, 편광 빔스플리터 큐브(polarizing beamsplitter cube)는 일반적으로 비편광을 갖는 입사빔을 개별적으로 유도된 선형 편광 출사빔으로 전환하는데 사용된다. 특히, 통상적인 편광 빔스플리터 큐브는 상기 큐브의 마주보는 외부표면을 따라 배열된 입사면 및 제1 출사면을 포함하는 투명 물질의 큐브를 포함한다. 또한, 상기 큐브는 제1 출사면에 수직이 되도록 큐브 외부 표면을 따라 배열된 제2 출사면을 포함한다. 또한, 상기 큐브는 큐브의 안쪽 도형 평면을 따라 배열된 편광 코팅(polarizing coating)을 갖는다.
따라서, 만약 입사빔이 수직 수단으로 입사면에 들어간다면, 입사빔은 45°각도의 코팅에 부딪치게 된다. 상기 45°입사각에서, 편광 코팅은 입사빔의 p-소자(즉, 코팅에 평행한 전기장 벡터의(vector) 소자를 바꾸는 시간)는 코팅을 통해 투과되도록 조절되고, 입사빔의 s-소자(즉, 코팅에 수직 입사빔의 전기장 벡터의 소자를 바꾸는 시간)은 45°각도에서 코팅에 의해 반사되도록 조절된다. 상기 제1 및 제2 출사면들은 p-소자가 수직적 수단으로 제1 출사면을 나가도록 배열되고, s-소자는 수직적 수단으로 제2 출사면으로 나가도록 배열된다. 따라서, 통상적인 편광 빔스플리터 큐브는 수직 방향으로 통과하는 p-편광 및 s-편광 출사빔을 제공한다.
평행한 편광 출사빔을 제공하기 위해 제1 및 제2 편광 빔스플리터 큐브가 통상적으로 사용된다. 특히, 제1 큐브는 수직방향의 p-편광 및 s-편광 빔을 제공하기 위해 사용된다. 상기 제2 큐브는 제1 큐브로부터 개별적으로 설치되고, 제1 및 제2 큐브의 편광 코팅의 평면이 서로 각각 평행하도록 제1 큐브를 나오는 s-편광 빔의 경로에서 위치된다. 상기 큐브들은 상기 제1 큐브의 제2 출사면이 제2 큐브의 입사면에 평행하도록 위치된다. 따라서, 제1 큐브를 나오는 p-편광 빔과 제2 큐브를 나오는 s-편광 빔이 서로 평행하게 되도록 상기 s-편광 빔은 제2 큐브의 편광 코팅에 의해 반사된다.
전술한 빔스플리터 큐브들의 어셈블리가 일반적으로 평행한 출사빔을 제공한다 할지라도, 높은 평행 정도를 갖는 출사빔을 항상 제공하는 것은 아니다. 특히, 출사빔의 평행은 큐브의 상대적인 정열에 의해 우선 결정된다. 상기 큐브가 광학 시스템내에서 각각 개별적으로 설치되기 때문에, 서로에 대해 큐브를 정확하게 정렬시키는 것이 어려울 것이다. 또한, 만약 큐브의 어느 한쪽이 진동 및 온도 변화와 같은 환경 영향에 의해 작은 양이라도 불일치된다면, 평행은 수용하기 어려울 정도로 낮은 수준이 될것이다.
전술한 바와 같이, 상대적으로 높은 수준의 평행을 갖는 동일하지 않은 출사빔을 제공하는 개선된 빔스플리터 디바이스의 요구가 높아질 것이다. 특히, 편광 또는 파장에 따라 분리되는 출사빔을 제공하기 위한 장치가 요구된다. 게다가, 환경적 영향들에 응하여 높은 평행 정도를 유지하기 위한 장치도 요구된다.
발명의 요약
전술한 사항들은 본 발명에 의해 만족된다. 본 발명의 하나의 목적은 적어도 제1 및 제2 소자들을 갖는 입사광 빔을 대응의 공간적으로 분리된 제1 및 제2의 실질적으로 평행의 출사광 빔으로 분열시키기 위한 빔스플리터 디바이스를 제공하는데 있다. 상기 디바이스는, 적어도 하나의 입사면부를 갖는 입사면(input face) 및 적어도 두 개의 출사면부를 갖는 출사면(output face)을 포함하는 투명부재(transparent member)를 포함한다. 상기 입사면부는 입사빔을 굴절시키도록 제1 출사면부를 향하고, 상기 제1 출사면부는 (a) 제1 출사빔을 제공하기 위해 상기 입사빔의 제1 소자를 제1 출사면부를 통해 투과시키고 (b) 상기 입사빔의 제2 소자를 굴절시키도록 조절된다. 상기 제2 출사면부는 상기 입사빔의 제2 소자를 받도록 배열하고, 상기 제2 출사면부는 제2 출사빔을 제공하기 위해 제2 출사면부를 통해 입사빔의 제2 소자를 투과시키도록 조절된다. 상기 입사면부 및 출사면부는 제1 및 제2 출사빔들이 실질적으로 평행한 방향으로 출력되도록 향한다.
일 구체예에서, 상기 입사빔의 제1 및 제2 소자는 제1 및 제2 편광 소자이며, 제1 및 제2 출사빔은 각각 서로 직각으로 편극된다. 또 다른 구체예에서, 상기 입사빔의 제1 및 제2 소자는 제1 및 제2 파장의 소자들이며, 상기 제1 및 제2 출사빔은 좁은 스펙트럼 대역폭을 갖는다.
본 발명의 또 다른 목적에서, 편광 빔스플리터 디바이스는 제1 및 제2 평면의 실질적으로 평행인 표면(surface)을 갖는 투명 매개물(transparent medium)을 포함하는 구조 부재(structural member)를 포함한다. 상기 제1 표면은, 제1 표면에 들어온 빛의 비편광 입사빔이 제2 표면을 향하도록 빛을 굴절시킨다. 상기 제2 표면은, (a) 제1 편광 출사빔을 제공하기 위해 출사부를 통해 입사빔의 제1 편광 소자를 투과시키고 (b) 제1 표면상의 반사물질에 제2 편광 소자를 굴절시키는 물질과 함께 출사부를 갖는다. 상기 반사물질은, 상기 제1 및 제2 편광 출사빔이 실질적으로 평행한 방향으로 통과하도록 제2 편광 출사빔을 제공하기 위해 제2 표면을 통해 굴절을 위한 입사빔의 제2 편광 소자를 반사시킨다.
본 발명의 그 이상의 목적에서, 편광 빔스플리터 디바이스는 실질적으로 평행인 면에 배열된 제1 및 제2 평표면(planar surface) 및 상기 제1 및 제2 표면 사이에 배열된 투명 매개물을 포함하는 구조 부재를 포함한다. 상기 디바이스는 제2 평표면의 제1부를 따라 배열된 편광 코팅을 더욱 포함한다. 상기 디바이스는 제1 평표면의 제1부로 들어오는 빛의 비편광 입사빔이 편광 코팅을 향하도록 조절한다. 상기 편광 코팅은 제1 편광 출사빔을 제공하도록 입사빔의 제1 편광 소자를 투과시키고 제1 평표면의 제2부를 향하여 입사빔의 제2 편광 소자를 반사시킨다. 상기 제2 편광 소자는 제2 평표면의 제2부를 향해 제1 평표면의 제2부에서 반사된다. 상기 제2 평표면의 제2부는 제1 편광 출사빔의 방향에 실질적으로 평행인 방향으로 통과하는 제2 편광 출사빔을 제공하기 위해 입사빔의 제2 편광 소자를 투과시킨다.
본 발명의 또 다른 목적에서, 파장 여과 빔스플리터 디바이스는 제1 및 제2 평면의 실질적으로 평행인 표면을 갖는 투명 매개물을 포함하는 구조부재를 포함한다. 상기 제1 표면은, 제1 표면에 들어오는 복수의 파장 소자들을 갖는 빛의 입사빔이 제2 표면을 향하도록 빛을 굴절시킨다. 상기 제2 표면은 제1 및 제2 출사부를 갖는다. 상기 제1 출사부는 (a) 제1 협소대역 출사빔을 제공하기 위해 제1 출사부를 통해 입사빔의 제1 파장 소자를 투과시키고 (b) 상기 제1 표면상의 반사물질에 제2 파장 소자를 반사시키는 물질을 갖는다. 상기 반사물질은 상기 제2 출사부를 향해 입사빔의 제2 파장 소자를 반사시킨다. 상기 제2 출사부는 상기 제1 및 제2 협소대역 출사빔은 실질적으로 평행인 방향으로 통과하도록 제2 협소대역 출사빔을 제공하기 위해 제2 파장 소자를 투과시킨다.
전술한 내용으로부터, 본 발명에 따른 빔스플리터 디바이스의 바람직한 구체예들은 제1 및 제2 소자들을 갖는 입사광 빔을 실질적으로 평행인 방향으로 통과시키는 대응의 제1 및 제2 출사광 빔으로 분열시킬 수 있다. 특히, 본 발명의 하나의 목적에서, 상기 빔스플리터 디바이스는 편광의 직각축을 갖는 제1 및 제2 선형적으로 편광인 빔들로 제1 및 제2 편광 소자들을 갖는 비편광 빔을 분열시킨다. 또한, 본 발명의 다른 목적에서, 상기 빔스플리터 디바이스는 제1 및 제2 파장 소자들을 갖는 다광변색성 입사광 빔을 대응의 제1 및 제2 협소대역 출사광 빔으로 분열시킨다. 이들 및 다른 목적과 본 발명의 잇점들은 첨부된 도면을 참조하여 후술하는 설명으로부터 명백해질 것이다.
본 출원은 1999년 9월 14일자에 출원된 미국 가특허출원 제60/153,913호의 우선권을 주장하고, 참조에 의해 구체화된다.
도 1은 편광 빔스플리터 디바이스의 측면도로서, 상기 디바이스로 들어오는 비편광 빔을 도시하고, 실질적으로 평행의 수단에서 디바이스를 나타내는 s-편광 및 p-편광의 출사빔의 개략도이다.
도 2는 편광 빔스플리터 시스템의 측면도로서, 상기 디바이스로 들어오는 제1 및 제2 비편광 빔을 도시하고, 상기 디바이스에서 배출되는 제1 및 제2의 한쌍의 편광 출사빔의 개략도이다.
도 3은 파장 여과 빔스플리터 디바이스의 측면도로서, 상기 디바이스로 들어오는 다광변색성 빔(polychromatic beam)을 나타내고, 실질적으로 평행 수단에서 상기 디바이스에서 배출되는 복수의 협소대역 빔(narrow-band beam)을 나타낸다.
도 4는 도 3의 파장 여과 빔스플리터 디바이스의 다른 구체예의 측면도로서, 상기 디바이스로 들어오는 다광변색성 빔을 나타내고, 제1 방향을 따라 상기 디바이스로 들어오는 제1 복수의 평행 협소대역 빔 및 제2 방향을 따라 상기 디바이스로 들어오는 제2 복수의 평행 협소대역 빔을 나타낸다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
참조번호는 도면에 기재된 것으로, 동일한 부분에는 동일한 참조번호를 기재한다. 도 1에 도시된 바와 같이, 편광 빔스플리터 디바이스(30)는 비편광 입사빔(32)을 실질적으로 평행한 방향으로 통과하는 제1 및 제2 편광 출사빔(34, 36)으로 분열시킨다. 상기 비편광 입사빔(32)은 공기와 같은 외부 매개물(38)을 통해 통과되며 상기 디바이스(30)로 들어간다. 일반적으로 상기 비편광 입사빔(32)은 편광의 수직축을 공동으로 갖는 두 개의 선형 편광 소자들의 조합들을 포함한다. 또한, 후술할 바와 같이, 이후에 제1 및 제2 편광 소자들로 언급된 바와 달리, 이들 소자들은 제1 및 제2의 직각으로 편광 출사빔(34, 36)을 제공하기 위해 상기 디바이스(30)에 의해 실질적으로 분리된다. 또한 제1 편광(polarization)을 갖는 제1 출사빔(34) 및 제2 편광을 갖는 제2 출사빔(36)은 실질적으로 평행한 방향을 따라 상기 디바이스(30)에서 배출된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 빔스플리터 디바이스(30)는 입사면부(40)를 갖는 입사면과 적어도 두개의 출사면부(42, 44)로 구성된 출사면을 갖는다. 이들 면들은 두께 T를 갖는 투명물질의 시트(sheet of transparent material)로서 형성되며 구조적인 강성(structual rigidity)을 제공한다. 상기 시트(46)는 실질적으로 평행한 각각의 평면들상에 배열된 제1 및 제2 평표면(planar surface)(48, 50)를 포함한다.
상기 입사빔(32)은 상기 디바이스(30)의 입사면부(40)로 들어가고 제1의 굴절빔(60)을 제공하기 위해 제1 굴절영역(52)에서 굴절된다. 상기 입사빔(32)은 상기 시트(46)의 제1 표면(48)에 수직인 선에 대해 제1 입사각 θ1으로 정의된다. 또한, 상기 제1 굴절빔(60)은 하기 수학식 1에 의해 제2 표면(50)에 수직인 선에 대해 제1 굴절각 θ2로 정의된다.
noutsinθ1= ninsinθ2
여기서, nout은 상기 디바이스(30)에 인접한 외부 매개물(38)의 굴절률이며, nin은 시트(46)의 굴절률이다.
일 구체예에서, 상기 입사면부(40)는 제1 표면(48)의 제1 굴절영역(52)을 따라 배열된 제1의 비교적 얇은 반사방지 코팅(antireflective coating)(62)을 포함한다. 상기 제1 반사방지 코팅(62)의 목적은 제1 굴절영역(52)을 통해 입사빔(32)의 투과를 증가시키는데 있다.
상기 제1 굴절빔(60)은 상기 시트(46)를 통해 통과시키고, 상기 시트(46)의 제2 표면(50)에 수직인 선에 대해 제2 입사각 θ3으로 정의하기 위해 제2 표면(50)의 편공 영역(56)으로 들어간다. 상기 시트(46)의 제1 및 제2 표면(48, 50)이 실질적으로 서로 평행이기 때문에, 제2의 입사각 θ3은 실질적으로 제1 굴절각 θ2와 실질적으로 동일하다.
상기 출사면부(42)는 제2 표면(50)의 편광 영역(56)을 따라 배열되는 편광 코팅(polarizing coating)(56)을 포함한다. 상기 편광 코팅(64)은 제2 입사각 θ3를 따라 상기 코팅으로 들어오는 제1 편광을 갖는 선형적으로 편광인 빔을 투과시킨다. 또한, 상기 편광 코팅(64)은 제2 편광을 갖는, 동일하게 향하는 제2의 선형적으로 편광인 빔을 반사시킨다. 일 구체예에서, 상기 편광 코팅(64)은 p-편광된 빛을 투과하고 s-편광된 빛을 반사하도록 조절된다.
따라서, 제1 굴절빔(60)의 제1 편광 소자는 제1 편광을 갖는 제1 편광 출사빔(34)을 제공하기 위해 제1 출사면부(42)를 통해 상기 디바이스(30)를 빠져나온다. 특히, 상기 제1 출사빔(34)은 하기 수학식 2에 따라 벽(46)의 제2 표면(50)에 수직인 선에 대해 제2 출사각 φ1으로 정의하기 위해 제1 출사면부(42)에서 배출된다.
ninsinθ3= noutsinφ1
여기서, 상기 수학식 1 및 수학식 2, 그리고 θ2및 θ3의 실질적인 동일성에 따라, 상기 제1 출사각 φ1은 실질적으로 제1 입사각 θ1과 동일하다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 굴절빔(60)의 제2 편광 소자는 상기 시트의 제2 표면에 수직인 선에 대해 제1 굴절각 θ4를 정의하는 제2 편광을 갖는 제1 반사빔(66)을 제공하기 위해 상기 편광 코팅(64)으로 반사된다. 또한, 굴절의 법칙에 따라, 제1 반사각 θ4는 제2 입사각 θ3와 동일하다.
도 1에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 반사빔(66)은 상기 시트(46)를 통해 반사 코팅으로 통과하고, 상기 반사 코팅은 상기 시트(46)의 제1 표면(48)을 따라 배열된 반사 영역(54)에 배열된다. 상기 제1 반사빔(66)은 상기 벽(46)의 제1 표면(48)에 수직인 선에 대해 제3 입사각 θ5로 정의된다. 상기 벽의 제1 및 제2 표면(48, 50)이 서로 실질적으로 평행이기 때문에, 제3 입사각 θ5는 실질적으로 제1 반사각 θ4와 동일하다.
제2 편광을 갖는 상기 제1 반사빔(66)은 상기 시트(46)의 제1 표면(48)에 수직인 선에 대해 제2 반사각 θ6로 정의되는 제2 편광을 갖는 제2 반사빔(68)을 제공하기 위해 제1 표면(48)의 반사 영역(54)으로 반사된다. 반사의 법칙에 따라, 상기 제2 반사각 θ6는 제3 입사각 θ5와 동일하다. 상기 제2 반사빔(68)은 상기시트(46)를 통해 제2 출사면부(44)로 통과하며, 상기 제2 출사면부(44)는 상기 시트(46)의 제2 표면(50)의 제2 굴절 영역(58)상에서 투사되는 곳이다. 상기 빔(68)은 상기 시트(46)의 제2 표면(50)에 대해 제4 입사각 θ7으로 정의된다. 상기 제1 및 제2 표면(48, 50)이 서로 실질적으로 평행하기 때문에, 제4 입사각 θ7은 실질적으로 제2 반사각 θ6와 동일하다. 따라서, 제4 입사각 θ7은 제1 굴절각 θ2와 실질적으로 동일하다.
상기 제2 반사빔(68)은 제2 편광을 갖는 제2 편광 출사빔(36)을 제공하기 위해 제2 출사면부(44)에 인접하는 제2 표면(50)의 제2 굴절 영역(58)에서 굴절된다. 상기 출사빔(36)은 제2 표면(50)에 수직인 선에 대해 제2 출사각 φ2로 정의되기 위해 제2 출사면부(44)로 배출된다. 특히, 상기 제2 출사빔(36)은 하기 수학식 3에 따라 굴절된다.
ninsinθ6= noutsinφ2
상기 수학식 1 및 수학식 3, 그리고 θ2및 θ6의 실질적인 동일성에 따라, 상기 제2 출사각 φ2는 실질적으로 제1 입사각 θ1과 동일하다. 따라서, 출사빔은 실질적으로 서로 평행하다.
일 구체예에서, 상기 편광 코팅(64)은 상기 코팅(64)의 평면에 평행인 편광축을 갖는 p-편광된 빛을 투과하도록 조절된다. 또한, 상기 코팅(64)은 상기코팅(64)의 평면에 수직인 편광축을 갖는 s-편광된 빛을 반사하도록 조절한다. 이러한 구체예에서, 상기 제1 출사빔(34)은 p-편광되고, 제2 출사빔(36)은 s-편광된다.
일 구체예에서, 공지의 반사 코팅(70)은 비교적 높은 반사성을 제공하기 위해 상기 시트(46)의 제1 표면(48)의 반사 영역(54)을 따라 배열된다. 따라서, 제1 반사빔(66)의 에너지의 대부분은 제2 반사빔(68)으로 반사된다. 또한, 일 구체예에서, 제2 반사방지 코팅(72)은 제2 표면(50)의 제2 굴절 영역(58)을 따라 배열된다. 상기 반사방지 코팅(72)의 목적은 제2 굴절 영역(58)에서 반사를 억제하고 굴절을 증가시킨다.
일 구체예에서, 상기 시트는 독일 회사인 스코트 글래스(Scott Glass)에 의해 생산되는 BK7과 같은 실질적으로 강성 유리로 구성되며, 대략적으로 1.5와 같은 굴절률을 갖는다. 특히, 상기 시트(46)는 제1 및 제2 표면(48, 50)이 0.5초 내에서 평행해지도록 형성된다. 결과적으로, 상기 출사빔(34, 36)은 0.75 초내에서 서로 각각 평행하다. 또한, 상기 벽(46)이 실질적으로 단단하기 때문에, 출사빔(34, 36)의 평행의 높은 정도는 외부 진동에 의해 실질적으로 영향받지 않는다.
따라서, 상기 편광 빔스플리터 디바이스(30)는 종래에 알려져 있는 편광 빔스플리터 디바이스와 비교할 때 많은 잇점을 제공할 것이다. 특히, 출사빔(34, 36)의 평행이 주로 상기 시트(46)의 제1 및 제2 표면(48 및 50)의 평행에 의해 결정되며 상기 종래 기술의 디바이스의 평행은 개별적으로 설치된 소자들의 배열에 의해 결정되기 때문에, 상기 디바이스(30)는 종래 디바이스보다 실질적으로 큰 평행정도를 갖는 출사빔(34, 36)을 제공할 수 있다. 또한, 상기 디바이스(30)는 복잡한 배열 공정을 요구하지 않으면서 상기 평행을 나타낼 수 있다. 또한, 상기 디바이스의 구조는 외부 영향에 의해 실질적으로 영향받지 않기 때문에, 상기 디바이스(30)는 실질적으로 평행인 방향을 갖는 출사빔(34, 36)을 항상 제공할 것이다. 또한, 상기 디바이스(30)는 입사빔으로부터 복수의 출사빔을 생성하기 위해 사용될 수 있고 하나의 출사빔으로 복수의 입사빔을 결합시키는데 사용될 수 있도록 이방향성(bi-directional)이다.
일 구체예에서, 상기 편광 빔스플리터 디바이스(30)는 비편광 빛을 비교적 높은 효율을 갖는 제1 편광의 편광된 빛으로 전환하는 편광 컨버터 어셈블리(polarization converter assembly)(31)를 제공하기 위해 사용된다. 특히, 상기 어셈블리(31)는 1/2 웨이브 억제판(74)과 같은 편광축 회전 디바이스와 연계된 상기 디바이스(30)를 포함한다. 특히, 상기 판(74)은 출사빔(34, 36)의 편광축을 정열하기 위해 출사빔(34, 36)의 하나의 경로내에 놓인다.
예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 일 구체예에서, 상기 판(74)은 제2 출사빔(36)의 경로내에 놓인다. 상기 판(74)은 제2 출사빔(36)의 통과 방향을 실질적으로 변화시키지 않고 90도까지 제2 출사빔(36)의 편광축을 회전시킨다. 따라서, 상기 판(74)은 제1 편광을 갖는 제2 출사빔(34)을 제공한다. 따라서, 상기 판(74)과 연계된 상기 디바이스(30)는 실질적으로 100% 효율을 갖는 제1 편광을 갖는 빛으로 비편광된 빛을 전환할 수 있다. 그러나, 또 다른 구체예에서, 상기 판(74)은 제2 편광을 갖는 모든 출사빔들을 제공하기 위해 제1 출사빔(36)의 경로내에 위치될 수 있음을 예측할 수 있을 것이다.
따라서, 편광 컨버터 어셈블리(31)는 비편광된 빛을 실질적으로 동일한 편광을 갖는 한쌍의 선형 편광빔으로 전환할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 상기 어셈블리(31)는 대략적으로 1.5초의 비교적 작은 비-평행 편차를 갖는 출사빔(34, 36)을 제공한다. 상기 평행은 비-평행 편차까지 0.75초만 기여하는 편광 빔스플리터 디바이스(30)에 의해 얻어질 수 있다. 또한, 상기 판(74)은 상기 판의 외부면들 사이에서 평행에 의존하는 양에 의해 투사 출사빔의 방향이 일탈하기 때문에, 상기 판(74)은 출사빔(34, 36)의 비-평행 편차까지 0.75초만 기여한다.
도 2는 본 발명의 또 다른 목적에 따른 편광 빔스플리터 시스템(80)을 도시한다. 특히, 상기 시스템(80)은 상기 빔 스플리팅 디바이스(82, 84)가 서로 영구적으로 정렬되도록 통상의 투명시트(86)로부터 형성된 제1 및 제2 편광 빔스플리터 디바이스(82, 84)를 포함한다. 그렇지 않으면, 상기 디바이스(82, 84)는 구조적으로 및 기능적으로 도 1의 디바이스와 동일하다.
따라서, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 시스템(80)의 제1 입사면부(89)로 들어오는 제1 비편광 입사빔(88)은, 제1 편광을 갖는 제1 편광 출사빔(90)이 상기 시스템(80)의 제1 출사면부(91)로 배출되도록, 그리고 제2 편광을 갖는 제2 편광 출사빔(92)이 상기 시스템(80)의 제2 출사면부(98)로 배출되도록 상기 시스템(80)에 의해 분열된다. 상기 제1 및 제2 출사빔(90, 92)은 제1 입사빔(89)의 방향에 따라 실질적으로 정렬되는 실질적으로 평행인 방향으로 통과된다. 상기 시스템(80)의 제2 입사면부(95)로 동시에 들어가는 제2 비편광된 입사빔(94)은 제1 편광을 갖는제3 출사빔(96)이 상기 시스템(80)의 제3 출사면부(97)로 배출되고 제4 출사빔(98)이 상기 시스템의 제4 출사면부(99)로 배출되도록 상기 시스템(80)에 의해 분열된다. 제3 및 제4 출사빔(96, 98)은 제2 입사빔(94)의 방향으로 실질적으로 정열된 실질적으로 평행한 방향으로 통과한다.
따라서, 상기 편광 빔스플리터 시스템(80)은 많은 잇점을 가질 것이다. 특히, 상기 시스템(80)은 두개의 개별적 입사빔을 두개의 대응의 복수의 출사빔으로 분열시킬 수 있다. 또한, 입사빔들이 각각 서로 평행하지 않는다면, 제1 복수의 출사빔은 실질적으로 제1 입사빔에 평행하고, 제2 복수의 입사빔은 실질적으로 제2 입사빔에 평행한다.
본 발명의 또 다른 목적에 있어서, 도 3은 파장 여과 빔스플리터 디바이스(100)를 도시한 것이다. 도 3의 상기 디바이스(100)는 복수의 파장 소자를 갖는 빛의 입사빔(102)을 받는다. 상기 디바이스(100)는 실질적으로 평행 수단에서 출사빔이 디바이스(100)를 나가도록 입사빔(102)의 조합된 스펙트럼 대역폭 보다 실질적으로 더 협소한 스펙트럼 대역폭을 갖는 대응의 복수의 출사빔(108)을 제공한다. 일 구체예에서, 상기 출사빔(108)은 실질적으로 단색성이고 상기 출사빔(108)의 각각은 서로 다른 파장을 갖는다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 파장 여과 빔스플리터 디바이스(10)는 도 1의 상기 편광 빔스플리터 디바이스(30)와 유사하다. 특히, 상기 디바이스(100)는 제 1 및 제2 평표면(108, 110)을 갖는 유사한 투명한 구조의 시트(106)를 포함한다. 상기 제1 표면(108)은 상기 입사빔을 받기 위한 굴절 영역(112) 및 상기 입사빔(102)을 내부적으로 반사하기 위해 조절된 반사 영역(114)을 갖는 입사면 부(120)를 포함한다. 그러나 도 1의 상기 디바이스(30)의 편광 영역(56) 및 제2 굴절 영역(58) 대신에, 상기 디바이스(100)의 제2 표면(110)은 상기 디바이스(100)의 복수의 출사면부를 통해 대역 투과(band-pass transmission)를 제공하기 위해 조절된 복수의 파장 여과 영역(116)을 갖는다. 또한, 상기 영역(116)은 입사빔(102)이 상기 시트내에서 내부적으로 반사되도록 입사빔(102)의 대역-배제 반사를 제공한다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 일 구체예에서, 복수의 공지의 파장 분할 멀티플렉서(wavelength division multiplexer(WDM)) 코팅(118)은 복수의 파장 여과 영역(116) 및 상기 출사면부(124)를 제공하기 위해, 상기 벽(106)의 제2 표면(110)을 따라 배열된다. 특히, 각각의 코팅(118)은 비교적 광범위한 스펙트럼 범위를 갖는 광빔을 받고, 특정 파장에 대해 집중되는 주파수의 비교적 좁은 범위를 투과시키도록 조절된다. 또한, 상기 디바이스(100)의 복수의 출사면부(124)는 WDM 코팅(118)의 외부 표면이다. 또한, 각각의 WDM코팅(118)은 빛을 투과하지 않으면서 반사하도록 조절된다.
일 구체예에서, WDM 코팅(118)은 제2 표면(110)을 따라 연속적으로 위치하는 제1 코팅(118a), 제2 코팅(118b) 및 제3 코팅(118c)을 포함한다. 또한, 상기 제1 코팅(118a, 118b, 및 118c)은 각각 λ1, λ2및 λ3의 파장에 대해 집중되는 파장들의 좁은 범위를 투과하도록 조절된다.
파장 소자 λ1, λ2및 λ3를 갖는 상기 입사빔(102)은 제1 표면(108)에 수직인 선에 대해 입사각 θ를 정의하도록 상기 디바이스(100)의 입사면(120)을 향하게 된다. 입사면부(120)로 들어갈 때, 상기 입사빔(102)은 제1 WDM 코팅(118a)을 향해 통과하는 제1 굴절빔(122)을 제공하기 위해 굴절된다. 제1 WDM 코팅(118a)과 부딪칠 때, 파장 λ1을 갖는 입사빔(102)의 소자는 입사각 θ와 실질적으로 동일한 제1 배출각 φ1으로 정의하는 파장 λ1의 협소대역 제1 출사빔(104a)을 제공하게 위해 제1 WDM 코팅(118a)을 통해 투과된다.
도 3에서 알 수 있는 바와 같이, 제1 WDM 코팅(118a)은 파장 소자 λ2및 λ3를 갖는 제1 반사빔(126)을 제공하기 위해 부분적으로 제1 굴절빔(122)을 반사한다. 특히, 제1 반사빔(126)은 파장 소자 λ2및 λ3를 갖는 제2 반사빔(128)을 제공하기 위해 상기 벽(106)을 통해 통과하고, 제1 표면(108)의 반사 영역(114)에 의해 반사된다. 그런 다음, 상기 제2 반사빔(128)은 입사각 θ와 실질적으로 같은 출사각 φ2로 정의하는 파장 λ2의 협소대역의 제2 출사빔(104a)을 제공하기 위해 제2 WDM 코팅(118b)을 향하게 된다.
제2 WDM 코팅(118b)은 파장 소자 λ3를 갖는 제3 반사된 빔(132)을 제공하기 위해 제2 반사빔(128)을 부분적으로 반사시킨다. 특히, 제3 반사빔(132)은 파장 소자 λ3를 갖는 제4 반사빔(134)을 제공하기 위해 상기 시트(106)를 통해 통과되며제1 표면(108)의 반사 영역(114)에 의해 반사된다. 그리하여, 상기 제4 반사빔(134)은 입사각 θ와 실질적으로 같은 제3 배출각 φ3로 정의되는 λ3의 협소대역 제3 출사빔(104c)을 제공하기 위해 제3 WDM 코팅(118c)을 향한다.
따라서, WDM 코팅(118)은 입사빔(102)이 파장에 따라 분리될 수 있도록 한다. 또한, 상기 시트(106)의 제2 표면(110)을 따라 여과 영역(116)을 제공하여, 그리고 상기 시트(106)의 제1 표면(108)을 따라 반사 영역(114)를 제공하여, 상기 여과 출사빔(104)은 실질적으로 평행한 수단으로 향하게 된다.
도 4는 제1 및 제2 복수의 파장 소자를 갖는 빛의 다광변색성 빔(140)을 받는 파장 여과 빔스플리터 디바이스(100)의 또 다른 구체예를 나타낸 것이다. 상기 디바이스(100)는 제1 방향으로 상기 디바이스(100)에서 나오는 입사빔(140)의 제1 복수의 파장 소자들에 대응하는 복수의 협소대역 출사빔(142)을 제공한다. 상기 디바이스(100)는 제2 방향으로 상기 디바이스(100)를 나오는 입사빔(140)의 제2 복수의 파장 소자들에 대응하는 제2 복수의 협소대역 출사빔(144)을 제공한다.
이러한 구체예에서, 상기 디바이스(100)는 제1 및 제2 평행면(108, 110)을 갖는 시트(106)를 포함한다. 또한, 상기 제1 표면(108)은 입사빔(140)을 받도록 조절되는 굴절영역(112)에 인접하는 입사면부(120)를 형성한다. 또한, 복수의 WDM 코팅(118)은 복수의 파장 여과 영역(116)을 갖는 제2 표면(110)을 제공하기 위해, 그리고 도 3의 수단에서 제2 표면(110)에 인접하는 복수의 출사면부(124)를 갖는 디바이스(100)를 제공하기 위해, 제2 표면(110)을 따라 배열된다.
그러나, 이러한 구체예에서, 도 3의 구체예의 제1 표면(108)의 반사영역(114)은 제2 복수의 파장 여과 영역(146)에 의해 대체된다. 특히, 제2 복수의 WDM 코팅(148)은 상기 영역(146)에 인접하는 제2 파장 여과 영역(146)과 제2 복수의 출사면부(150)를 제공하기 위해 제1 표면(108)을 따라 배열된다. 따라서, 제2 복수의 출사빔(144)은 실질적으로 평행인 방향을 따라 제2 출사면(150)을 나온다. 상기 제2 출사면(150)이 제1 표면(108)을 따라 배열되기 때문에, 상기 제2 출사빔(144)은 제1 출사빔(142)의 방향과 다른 방향을 따라 상기 디바이스(100)을 나온다.
본 발명의 바람직한 구체예들이 언급되었지만, 이는 본 발명의 기본적인 신규한 특징들을 설명하고 지적한 것이며, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범주내에서 당업자에 의해 상기 디바이스의 다양한 생략, 치환 및 변경이 가능함을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 요지는 전술한 설명에 의해 한정되는 것이 아니라, 첨부하는 청구범위에 의해 더욱 명확해 질 것이다.

Claims (23)

  1. 적어도 하나의 입사면부를 갖는 입사면(input face) 및 적어도 두 개의 출사면부를 갖는 출사면(output face)을 포함하는 투명부재(transparent member)를 포함하고,
    상기 입사면부는 입사빔을 굴절시키도록 제1 출사면부를 향하고,
    상기 제1 출사면부는 (a) 제1 출사빔을 제공하기 위해 상기 입사빔의 제1 소자를 제1 출사면부를 통해 투과시키고 (b) 상기 입사빔의 제2 소자를 굴절시키도록 조절하며,
    상기 제2 출사면부는 상기 입사빔의 제2 소자를 받도록 배열하고,
    상기 제2 출사면부는 제2 출사빔을 제공하기 위해 제2 출사면부를 통해 입사빔의 제2 소자를 투과시키도록 조절하며,
    상기 입사면부 및 출사면부는 제1 및 제2 출사빔들이 실질적으로 평행한 방향으로 출력되도록 향하는 것을 특징으로 하는,
    적어도 제1 및 제2의 소자들을 갖는 입사광 빔(input light beam)을 대응하는 공간적으로 분리된 실질적으로 평행인 제1 및 제2의 출사광 빔(output light beam)으로 분열시키기 위한 빔스플리터 디바이스.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입사면부 및 출사면부는 평행면에서 향해지는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  3. 제2항에 있어서, 상기 디바이스는 제1 출사면부의 평면에 실질적으로 평행인 면에 배열된 제1 코팅(first coating)을 더욱 포함하며, 상기 제1 코팅은 상기 입사빔의 제1 소자를 투과시키고 상기 입사빔의 제2 소자를 굴절시키는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제1 코팅은 실질적으로 제1 출사면부의 평면에 배열되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  5. 제2항에 있어서, 상기 투명부재는 입사면부의 평면에 실질적으로 평행인 면에 배열된 반사부를 더욱 포함하고, 상기 반사부는 제2 출사면부를 향해 입사빔의 제2 소자를 반사시키는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  6. 제5항에 있어서, 상기 반사부는 입사면부의 평면에 실질적으로 배열된 반사코팅(reflective coating)을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  7. 제2항에 있어서, 상기 디바이스는 제2 출사면부에 인접하도록 배열된 반사방지 코팅(antireflective coating)을 더욱 포함하고, 상기 반사방지 코팅은 제2 출사면부를 통해 입사빔의 제2 소자의 투과를 증가시키는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  8. 제7항에 있어서, 상기 디바이스는 입사면부에 인접하도록 배열된 반사방지 코팅을 더욱 포함하고, 상기 반사방지 코팅은 입사면부를 통해 입사빔의 투과를 증가시키는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  9. 제1항에 있어서, 상기 입사빔의 제1 및 제2 소자는 제1 및 제2 편광 소자이며, 제1 및 제2 출사빔은 각각 서로 직각으로 편극되는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제1 출사빔은 p-편극화되고, 상기 제2 출사빔은 s-편극화된 것을 특징으로 하는 디바이스.
  11. 제1항에 있어서, 상기 입사빔의 제1 및 제2 소자는 제1 및 제2 파장의 소자들이며, 상기 제1 및 제2 출사빔은 좁은 스펙트럼 대역폭을 갖는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  12. 제1 및 제2 평면의 실질적으로 평행인 표면(surface)을 갖는 투명 매개물(transparent medium)을 포함하는 구조 부재(structural member)를 포함하며,
    상기 제1 표면은, 제1 표면에 들어온 빛의 비편광 입사빔이 제2 표면을 향하도록 빛을 굴절시키고,
    상기 제2 표면은, (a) 제1 편광 출사빔을 제공하기 위해 출사부를 통해 입사빔의 제1 편광 소자를 투과시키고 (b) 제1 표면상의 반사물질에 제2 편광 소자를 굴절시키는 물질과 함께 출사부를 가지며,
    상기 반사물질은 상기 제2 편광 출사빔을 제공하기 위해 제2 표면을 통해 굴절을 위한 입사빔의 제2 편광 소자를 반사시키고,
    상기 제1 및 제2 편광 출사빔은 실질적으로 평행한 방향으로 통과하는 것을 특징으로 하는 편광 빔스플리터 디바이스.
  13. 제9항에 있어서, 상기 제2 표면의 출사부 물질은 상기 구조 부재의 제2 표면에 실질적으로 인접하도록 배열된 편광 코팅(polarizing coating)인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  14. 제10항에 있어서, 상기 제1 표면상의 반사물질은 반사 코팅(reflective coating)인 것을 특징으로 하는 디바이스.
  15. 제11항에 있어서, 상기 디바이스는 상기 구조 부재의 제1 및 제2 표면상에 각각 배열된 제1 및 제2 반사방지 코팅을 더욱 포함하고, 상기 제1 반사방지 코팅은 제1 표면을 통해 입사빔의 투과를 증가시키고 제2 반사방지 코팅은 제2 편광 출사빔의 투과를 증가시키는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  16. 실질적으로 평행인 면에 배열된 제1 및 제2 평표면(planar surface) 및 상기 제1 및 제2 표면 사이에 배열된 투명 매개물을 포함하는 구조 부재를 포함하며,
    편광 코팅이 제2 평표면의 제1부를 따라 배열되고,
    상기 디바이스는 제1 평표면의 제1부로 들어오는 빛의 비편광 입사빔이 편광 코팅을 향하도록 조절하며,
    상기 편광 코팅은 제1 편광 출사빔을 제공하도록 입사빔의 제1 편광 소자를 투과시키고 제1 평표면의 제2부를 향하여 입사빔의 제2 편광 소자를 반사시키며,
    상기 제2 편광 소자는 제2 평표면의 제2부를 향해 제1 평표면의 제2부에서 반사되며,
    상기 제2 평표면의 제2부는 제1 편광 출사빔의 방향에 실질적으로 평행인 방향으로 통과하는 제2 편광 출사빔을 제공하기 위해 입사빔의 제2 편광 소자를 투과시키는 것을 특징으로 하는 편광 빔스플리터 디바이스.
  17. 제16항에 있어서, 상기 디바이스는 제1 평표면의 제2부를 따라 배열된 반사 코팅을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  18. 제17항에 있어서, 상기 디바이스는 제1 평표면의 제1부를 따라 배열된 제1 반사방지 코팅을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  19. 제18항에 있어서, 상기 디바이스는 제1 평표면의 제2부를 따라 배열된 제2 반사방지 코팅을 더욱 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  20. 제1 및 제2 평면의 실질적으로 평행인 표면을 갖는 투명 매개물을 포함하는 구조부재를 포함하며,
    상기 제1 표면은, 제1 표면에 들어오는 복수의 파장 소자들을 갖는 빛의 입사빔이 제2 표면을 향하도록 빛을 굴절시키고,
    상기 제2 표면은 제1 및 제2 출사부를 가지며,
    상기 제1 출사부는 (a) 제1 협소대역 출사빔을 제공하기 위해 제1 출사부를 통해 입사빔의 제1 파장 소자를 투과시키고 (b) 상기 제1 표면상의 반사물질에 제2 파장 소자를 반사시키는 물질을 갖고,
    상기 반사물질은 상기 제2 출사부를 향해 입사빔의 제2 파장 소자를 반사시키며,
    상기 제2 출사부는 제2 협소대역 출사빔을 제공하기 위해 제2 파장 소자를 투과시키고,
    상기 제1 및 제2 협소대역 출사빔은 실질적으로 평행인 방향으로 통과하는 것을 특징으로 하는 파장 여과 빔스플리터 디바이스.
  21. 제20항에 있어서, 상기 제1 출사부의 물질은 제1 표면상의 반사물질에 제3 파장 소자를 반사시키고, 상기 반사물질은 제2 출사부를 향해 제3 파장 소자를 반사시키며,
    상기 제2 출사부는 (a) 제2 협소대역 출사빔을 제공하기 위해 제2 출사부를 통해 입사빔의 제2 파장 소자를 투과시키고 (b) 제1 표면상의 반사물질에 제3 파장 소자를 반사시키는 물질을 갖고,
    상기 반사물질은 제3 협소대역 출사빔을 제공하기 위해 제2 표면을 통해 굴절을 위한 제3 파장 소자를 반사시키는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  22. 제21항에 있어서, 상기 출사부의 물질은 복수의 파장 분할 멀티플렉서 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 디바이스.
  23. 제22항에 있어서, 상기 제1 표면상의 반사물질은 제2 복수의 파장 분할 멀티플렉서 코팅을 포함하며, 상기 제2 복수의 파장 분할 멀티플렉서 코팅은 실질적으로 평행인 방향으로 통과하는 제4 및 제5 협소대역 출사빔을 제공하기 위해 입사빔의 제4 및 제5 파장 소자를 투과시키는 것을 특징으로 하는 디바이스.
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