(57)【要約】プリズムデバイスは、第１の波長および第２の波長において実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料と、第１の波長における第１の信号ビームの反射を低減させるための第１の反射防止膜と、第２の波長における第２の信号ビームの反射を低減させるための第２の反射防止膜とを含む。プリズム材料は、ＩＲおよびＲＦ波長において実質的に同一の屈折指数を有するシリコンであってもよい。この場合、ＲＦ反射防止膜は、周囲空気とＲＦ反射防止膜との間、およびＲＦ反射防止膜とプリズム材料との間の、それぞれＩＲ反射を最小化するように設計された２つのＩＲ反射防止膜の間に挟まれている場合がある、二酸化ケイ素（溶融シリカ）の層であってよい。２つ以上のプリズムデバイスをビームステアリングシステムに使用して、第１および第２の信号ビームを実質的に同一方向に同時に方向づけることができる。
2007528027.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の波長および第２の波長において実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料を含み、前記第１および第２の波長は少なくとも１桁異なる、プリズムデバイス。
【請求項２】
前記第１の波長は光波長であり、前記第２の波長は無線周波数（ＲＦ）波長である、請求項１に記載のプリズムデバイス。
【請求項３】
前記光波長は赤外線（ＩＲ）波長である、請求項２に記載のプリズムデバイス。
【請求項４】
前記プリズム材料はシリコンを含む、請求項１に記載のプリズムデバイス。
【請求項５】
前記第１および第２の波長における電磁波の反射を低減させるために前記プリズム材料上に配置された複数の反射防止膜をさらに含む、請求項１に記載のプリズムデバイス。
【請求項６】
前記複数の反射防止膜は、前記第１の波長における電磁波の反射を低減させるための少なくとも第１の反射防止膜と、前記第２の波長における電磁波の反射を低減させるための第２の反射防止膜とを含む、請求項５に記載のプリズムデバイス。
【請求項７】
前記第１の波長は光波長であり、前記第１の反射防止膜はＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＦ２、およびＺｎＳｅのうち少なくとも１つを含む、請求項６に記載のプリズムデバイス。
【請求項８】
前記第１の波長は光波長であり、前記第１の反射防止膜は複数の層を含む、請求項６に記載のプリズムデバイス。
【請求項９】
前記第２の波長は無線周波数（ＲＦ）波長であり、前記第２の反射防止膜は二酸化ケイ素を含む、請求項６に記載のプリズムデバイス。
【請求項１０】
前記第２の波長は無線周波数（ＲＦ）波長であり、前記第２の反射防止膜は前記ＲＦ周波数の約４分の１の有効厚さを有する、請求項６に記載のプリズムデバイス。
【請求項１１】
前記第２の波長は無線周波数（ＲＦ）波長であり、前記第２の反射防止膜は単一の層を含む、請求項６に記載のプリズムデバイス。
【請求項１２】
前記第２の波長は無線周波数（ＲＦ）波長であり、前記第２の反射防止膜は複数の層を含む、請求項６に記載のプリズムデバイス。
【請求項１３】
前記プリズムは楔形である、請求項１に記載のプリズムデバイス。
【請求項１４】
第１の波長および第２の波長において実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料と、
前記第１の波長において電磁波の反射を低減するよう機能する第１の反射防止膜と、
前記第２の波長において電磁波の反射を低減するよう機能する第２の反射防止膜と、
を含む、プリズムデバイス。
【請求項１５】
前記第１の波長は光波長であり、前記第２の波長は無線周波数（ＲＦ）波長である、請求項１４に記載のプリズムデバイス。
【請求項１６】
前記光波長は赤外線（ＩＲ）波長である、請求項１５に記載のプリズムデバイス。
【請求項１７】
前記第２の反射防止膜は二酸化ケイ素の単一の層を含む、請求項１５に記載のプリズムデバイス。
【請求項１８】
前記第２の反射防止膜は複数の層を含む、請求項１５に記載のプリズムデバイス。
【請求項１９】
前記プリズム材料はシリコンを含む、請求項１４に記載のプリズムデバイス。
【請求項２０】
前記第１の反射防止膜は前記プリズム材料と前記第２の反射防止膜との間にある、請求項１４に記載のプリズムデバイス。
【請求項２１】
前記第１の波長における電磁波の反射を低減するよう機能する第３の反射防止膜をさらに含み、前記第１の反射防止膜は前記第２の反射防止膜と前記プリズム材料との間にあり、前記第２の反射防止膜は前記第１の反射防止膜と前記第３の反射防止膜との間にある、請求項１４に記載のプリズムデバイス。
【請求項２２】
第１および第２の波長の信号ビームを同時に方向づけるためのビームステアリングアセンブリであって、
入射信号ビームを屈折させるよう構成される複数の制御可能なプリズムデバイスであって、前記プリズムデバイスを通って移動する信号ビームが、注目領域上で前記プリズムを選択的に動かすことによって操縦可能であるように、互いに相対的に配列された制御可能なプリズムデバイスを備え、前記制御可能なプリズムデバイスは、
前記第１の波長および前記第２の波長において実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料と、
前記第１の波長において第１の信号ビームの反射を低減するよう機能する第１の反射防止膜と、
前記第２の波長において第２の信号ビームの反射を低減するよう機能する第２の反射防止膜と、
を備え、前記制御可能なプリズムデバイスは、前記第１および第２の信号ビームを実質的に同一の方向へ同時に方向づけることができる、ビームステアリングアセンブリ。
【請求項２３】
前記制御可能なプリズムデバイスは直列に配列され、信号ビームを操縦するために選択的に回転可能である、請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項２４】
前記ビームステアリングアセンブリは２つの制御可能なプリズムデバイスを備える、請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項２５】
前記ビームステアリングアセンブリは３つの制御可能なプリズムデバイスを備える、請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項２６】
前記第１の波長は光波長であり、前記第２の波長は無線周波数（ＲＦ）波長である、請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項２７】
前記光波長は赤外線（ＩＲ）波長である、請求項２６に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項２８】
前記第２の反射防止膜は二酸化ケイ素の単一の層を含む、請求項２６に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項２９】
前記第２の反射防止膜は複数の層を含む、請求項２６に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項３０】
前記プリズム材料はシリコンを含む、請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項３１】
前記第１の反射防止膜は前記プリズム材料と前記第２の反射防止膜との間にある、請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項３２】
前記第１の波長における電磁波の反射を低減するよう機能する第３の反射防止膜をさらに含み、前記第１の反射防止膜は前記第２の反射防止膜と前記プリズム材料との間にあり、前記第２の反射防止膜は前記第１の反射防止膜と前記第３の反射防止膜との間にある、請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項３３】
前記ビームステアリングアセンブリは、通信デバイス、リモートセンシングシステム、および光／ＲＦ機器のうち少なくとも１つにおいて用いられる、請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項３４】
前記ビームステアリングアセンブリは、空輸システムにおいて用いられる、請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項３５】
前記ビームステアリングアセンブリは、海底車において用いられる、請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリ。
【請求項３６】
請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリと、
前記第１の信号ビームを生成するように構成される第１の伝送器と、
前記第２の信号ビームを生成するように構成される第２の伝送器と、
を備える、ビームステアリングシステム。
【請求項３７】
請求項２２に記載のビームステアリングアセンブリであって、前記第１および第２のビームを同時に受信するビームステアリングアセンブリと、
前記第１の信号ビームを処理するように構成される第１の受信器と、
前記第２の信号ビームを処理するように構成される第２の受信器と、
を備える、ビームステアリングシステム。
【請求項３８】
第１の波長および第２の波長において実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料からプリズムを形成するステップ（ａ）と、
第１の反射防止膜であって、前記第１の波長における電磁波の反射を低減させる第１の反射防止膜を前記プリズム上で形成するステップ（ｂ）と、
第２の反射防止膜であって、前記第２の波長における電磁波の反射を低減させる第２の反射防止膜を前記プリズム上で形成するステップ（ｃ）と、
を含む、プリズムデバイスの製造方法。
【請求項３９】
ステップ（ｃ）は、前記第１の反射防止膜上に前記第２の反射防止膜を形成するステップを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
前記第１の波長は光波長であり、前記第２の波長は無線周波数（ＲＦ）波長である、請求項３８に記載の方法。
【請求項４１】
前記光波長は赤外線（ＩＲ）波長である、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
ステップ（ｃ）は、二酸化ケイ素の単一の層として前記第２の反射防止膜を形成するステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
ステップ（ｃ）は、複数の層として前記第２の反射防止膜を形成するステップを含む、請求項４０に記載の方法。
【請求項４４】
ステップ（ａ）はシリコンから前記プリズムを形成するステップを含む、請求項３８に記載の方法。
【請求項４５】
第３の反射防止膜であって、前記第１の波長における電磁波の反射を低減する第３の反射防止膜を前記プリズム上で形成するステップ（ｄ）をさらに含み、前記第１の反射防止膜は前記第２の反射防止膜と前記プリズム材料との間にあり、前記第２の反射防止膜は前記第１の反射防止膜と前記第３の反射防止膜との間にある、請求項３８に記載の方法。
【請求項４６】
第１および第２の波長の信号ビームを同時に方向づけるための方法であって、
前記第１の波長において第１の信号ビームを生成するステップと、
前記第２の波長において第２の信号ビームを生成するステップと、
前記第１および第２の信号ビームを、複数の制御可能なプリズムデバイスを備えるビームステアリングアセンブリに同時に通過させるステップとを含み、前記制御可能なプリズムデバイスは、前記第１の波長および前記第２の波長において実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料を含み、前記ビームステアリングアセンブリは、前記第１および第２の信号ビームを実質的に同一の方向へ同時に方向づけるようにするステップと、
を含む方法。
【請求項４７】
電磁波を屈折させるための手段であって、第１の波長および第２の波長において実質的に同一の屈折指数を有する屈折させるための手段と、
前記第１の波長において電磁波の反射を低減するための手段と、
前記第２の波長において電磁波の反射を低減するための手段と、
を備える、プリズムデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、タイトルが「Ｃｏｍｐａｃｔ  Ｃｏｍｂｉｎｅｄ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ａｎｄ  Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｂｅａｍ  Ｓｔｅｅｒｉｎｇ  Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ  Ｆｏｒ  Ｏｐｔｉｃａ／ＲＦ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ」の米国仮特許出願第６０／５４９，９０６号（２００４年３月５日出願）の優先権を主張する。上記仮出願の開示は、参考により、その全体を本明細書に援用する。
【背景技術】
【０００２】
自由空間光および無線周波数（ＲＦ）の伝送および受信器能の両方を、通信およびセンサシステムに組み込むことへの関心がますます高まっている。例えば、現代の光通信システムでは、悪天候時に使用するためのバックアップＲＦ機能が考慮されている。また、空輸および空対地システムは概して、雲を通り抜けて動作するためのＲＦ機能を必要とする。同様に、ＲＦおよび光周波数の両方において動作するために、光周波数において動作する電子戦（ＥＷ）センサおよびＲＦにおいて動作するレーダーシステムの両方を含むセンサ部など、ある一定のセンサシステムが要求される場合がある。
【０００３】
そのようなシステムは、最適性能のために広範囲なポインティング角度（すなわち、注目領域）での正確なビームポインティングを必要とする場合があり、概して、高信頼性、小型サイズ、および軽量設計を必要とする。これまで、これらの要件を満たすためには通常、ジンバルシステムが使用されてきた。そのようなシステムは、アジマスおよびエレベーションの光学系およびＲＦシステム全体を、伝送および受信するためにある一定の方向へ移動させる。必要なポインティング精度を提供するために、そのようなシステムはある程度大きく、重く、複雑になる傾向がある。この複雑性はすなわち、高信頼性の実現を困難かつ高価にするものである。
【０００４】
さらに、そのようなシステムは、航空機に搭載するにはあまり適さない。一般的なジンバルベースのシステムは、航空機体の外部に搭載される場合過度の乱流をもたらすか、機体内に置いた場合に実質的に制限された注目領域を有するかのいずれかであろう。このような状況においては、リズレープリズム系が有用である。最外部のプリズムが航空機の等角窓のすぐ内側に位置するようにプリズムのセットを置くことにより、通信端末は、事実上機体に乱流をもたらすことなく広範なポインティング角度を有することができる。
【０００５】
しかしながら、リズレープリズム系などの既存のプリズム系は、概して、１つのプリズムアセンブリによって同一方向のＲＦおよび光波長を同時に伝送、または同時に受信することができない。これは、一般にプリズムを形成する材料は、異なる波長においては異なる屈折指数を示す傾向がある（この現象は、可視スペクトルの屈折率勾配による色の付いた光の虹を作り出すプリズムの、よく知られる状況において観測できる）からである。現存するリズレープリズムは、理論上はＲＦおよび光信号の両方を伝送または受信するのに使用できるが、これら２つの波長における信号ビームは同時に同一の方向に操縦され得ない。それどころか、異なる波長を有する当初共線形である２つのビームは、異なる角度でプリズム系から出て、自由空間を通って移動する際に分岐することになる。したがって、２つのプリズムアセンブリはＲＦおよび光信号を別々に扱うことが必要とされ、システム全体をより複雑で、巨大で、重く、かつ高価にすることになる。空輸状況では、これにより、ＲＦおよび光アセンブリに２つの個別の等角窓、または単一の等角窓を共同使用することが必要となるであろう。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
（要旨）
本発明の典型的な実施形態によると、楔形プリズムなどのプリズムデバイスは、第１の波長および第２の波長において実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料を含む。前記第１および第２の波長は少なくとも１桁異なってよい。前記プリズム材料は、例えば、無線周波数（ＲＦ）および赤外線（ＩＲ）波長において実質的に同一の屈折指数を有するシリコンであってよい。
【０００７】
前記プリズムデバイスは、前記プリズム材料上に配置された、前記第１および第２の波長において電磁波の反射を低減するための複数の反射防止膜をさらに含んでよい。より具体的には、少なくとも第１の反射防止膜が前記第１の波長（例えば、光波長）において電磁波の反射を低減し、第２の反射防止膜が前記第２の波長（例えば、ＲＦ波長）において電磁波の反射を低減する。光反射防止膜は様々な材料から形成され得る１つ以上の層であってよく、それらの材料は、ＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＦ２、およびＺｎＳｅを含むがこれらに限定されない。ＲＦ反射防止膜は、１つ以上の層を含んでよい。一実施形態によると、前記ＲＦ反射防止膜は、前記ＲＦ波長の約４分の１波長の有効厚さを有する二酸化ケイ素（溶融シリカ）の単一の層である。
【０００８】
前記第１の波長（例えば、光波長）における電磁波の反射を低減する第３の反射防止膜は、前記第１の反射防止膜が前記第２の反射防止膜と前記プリズム材料との間にあり、前記第２の反射防止膜が前記第１の反射防止膜と前記第３の反射防止膜との間にあるように、前記第２の反射防止膜上に形成され得る。
【０００９】
複数のそのようなプリズムデバイスを使用して、第１および第２の波長の信号ビームを同時に方向づけるためのビームステアリングアセンブリを構成することができる。具体的に言えば、複数の制御可能なプリズムデバイスは、前記プリズムデバイスを通って移動する信号ビームが、注目領域上で前記プリズムを選択的に動かすことによって操縦可能であるように、互いに相対的に配列され、それによって前記制御可能なプリズムデバイスは、前記第１および第２の信号ビームを実質的に同一の方向へ同時に方向づけることができる。例えば、前記ビームステアリングアセンブリは、信号ビームを操縦するために選択的に回転可能である、直列に配列された２つまたは３つのそのようなプリズムデバイスを含んでよい。
【００１０】
前記ビームステアリングアセンブリは、通信デバイス、リモートセンシングシステム、および光／ＲＦ機器において用いられることができ、そのいずれも、地上、空輸、衛星搭載、海上輸送、または海底車搭載であってよい。そのようなビームステアリングアセンブリを用いるビームステアリングシステムは、前記２つの波長においてそれぞれ第１および第２の信号ビームを生成するための第１および第２の伝送器、または前記２つの波長においてそれぞれ第１および第２の信号ビームを受信するための第１および第２の受信器、もしくはその両方を含んでもよい。
【００１１】
本発明の別の側面によると、第１および第２の波長の信号ビームを同時に方向づけるための方法は、前記第１の波長において第１の信号ビームを生成するステップと、前記第２の波長において第２の信号ビームを生成するステップと、前記第１および第２の信号ビームを、複数の制御可能なプリズムデバイスを含むビームステアリングアセンブリに同時に通過させるステップとを含み、前記制御可能なプリズムデバイスは、前記ビームステアリングアセンブリが前記第１および第２の信号ビームを実質的に同一の方向へ同時に方向づけるように、前記第１の波長および前記第２の波長において実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料を含む。
【００１２】
本発明のさらに別の側面によると、プリズムデバイスの製造方法は、第１の波長（例えば、ＩＲ）および第２の波長（例えば、ＲＦ）において実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料（例えば、シリコン）からプリズムを形成するステップと、前記プリズム上の第１の反射防止膜であって、前記第１の波長における電磁波の反射を低減させる第１の反射防止膜を形成するステップと、前記プリズム上の第２の反射防止膜であって、前記第２の波長における電磁波の反射を低減させる第２の反射防止膜を形成するステップとを含む。前記第２の反射防止膜は、前記第１の反射防止膜上に形成されてよい。前記被膜のそれぞれは、単一の層または複数の層であってよい。ここで、前記被膜のうち１つはＲＦ反射防止膜であり、前記被膜は前記ＲＦ波長の約４分の１の有効厚さを有する二酸化ケイ素（溶融シリカ）の単一の層として形成されてよい。
【００１３】
前記第１の波長における電磁波の反射を低減する第３の反射防止膜は、前記第１の反射防止膜が前記第２の反射防止膜と前記プリズム材料との間にあり、前記第２の反射防止膜が前記第１の反射防止膜と前記第３の反射防止膜との間にあるように形成されてよい。
【００１４】
本発明の、上記のおよびまたさらなる特徴および利点は、様々な図中において同様の構成要素を示すために同様の参照番号を使用した、その特定の実施形態についての以下の定義、記述および説明的な図を考察することにより、明らかとなるであろう。これらの記述は本発明の特定の詳細について述べているが、本明細書の記述に基づいて、変形が存在し得る、また確かに存在し、当業者には明らかであろうということを理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明によると、プリズムは、ＲＦおよび光周波数において屈折指数が実質的に同一である材料から形成される。特に、赤外線（ＩＲ）およびＲＦ波長の両方において透過的であるシリコンは、ＩＲおよびＲＦ波長において実質的に同一の屈折指数を有することがわかっている。したがって、シリコンから形成される楔形のプリズムは、実質的に同一方向のＩＲビームおよび共線形ＲＦビームを同時に偏向させることができる。
【００１６】
ＲＦおよび光ビームを同時に操縦するためのコンパクトかつ軽量なシステムは、２つまたは３つのそのような楔形のプリズムを直列に位置づけ、それぞれ独立した回転ポジショナーでプリズムを駆動することによって実装され得る。一般に、重大な損失は、各プリズムの各面において発生する反射によるビームを操縦するためのプリズムの使用に起因するものであろう。この問題を低減するために、ＲＦおよび光周波数の両方に対応する反射保護（ＡＲ）膜をプリズムの表面に設ける。
【００１７】
反射防止膜は完全に平面であるため、様々な材料を選ぶことができる。材料が有用であるためには、光およびＲＦ波長の両方において高透明度を有している必要がある。屈折指数（または同等なものとして、誘電係数）については、反射防止膜が機能するために両方の波長において同一である必要はない。しかしながら、プリズムは、光周波数において、両方のビームがプリズムによって同一方向に同時に操縦されることを保証する、無線周波数における値と一致する屈折指数を有していなければならない。
【００１８】
図１は、入射電磁ビームを偏向させるよう設計された単一のプリズム２００の動作を説明している。より具体的には、電磁波（例えば、信号ビーム）を受信および伝送するためのプリズムは概して、２つの実質的に平坦な表面を持つ円盤形である。これらの平坦な表面は平行ではなく、むしろ楔形を形成するために互いに角を成している（すなわち、円盤の厚さが片方から他方に向けて減少する）。偏向角はプリズムの寸法（例えば、厚さ、楔角度）、プリズム材料の屈折指数および入射ビームに関連するプリズムの方位によって決まる。基本的に無損失媒体の屈折指数は、プリズム材料の誘電定数の平方根の関数であり、そのいずれもほとんどの材料の波長の関数としてある程度変化する傾向にある。プリズムが方位角によって回転する場合、偏向ビームの方向はそれに応じて変化する。図１で回転プリズム２００で示すように、ビームは仮想円錐１００の表面に沿った経路をすばやく通過する。
【００１９】
第１のプリズムと直列に第２のプリズムを追加することにより、二次元の角度範囲でビームを操縦することができる。ビームが第１のプリズムを出た後、ビームは第２のプリズム中を移動する。この場合、第２のプリズムにおけるビームの入射角は、第１のプリズムの相対方位によって決まる。第２のプリズムを回転させることで円錐形のビームステアリング経路を作り出すことができ、一方、第１のプリズムの回転は、入射角（および結果として出口角）を変更することによって、当該円錐の中心を変更することができる。
【００２０】
離れた物体（すなわち、伝送器／受信器、もしくは放射線を放出または反射しているターゲット）に信号を伝送、またはそこから受信するために２プリズムのアセンブリが使用されている場合、プリズムアセンブリと物体との間に相対運動が存在すれば、当該物体への角度は時間とともに変化する場合がある。プリズムを選択的に回転させることによって、ビームが時間とともに物体に向けられたままになるようにビームの角度を操縦することができる。同様に、プリズムは、（例えば、検索または初期捕捉モードで）物体上でビームをスキャンするために回転することができる。
【００２１】
任意で、最初の２つのプリズムと直列に第３のプリズムを追加してもよく、当該プリズムは、注目領域の中心付近へ瞬時に方向を変える物体を持つなど、一定の条件下での追跡性能を向上させることができる。リズレープリズムは、この方式で３つのプリズムを用いる既知のプリズム系である。第３のプリズムによって、同一のポインティング方向を満たすプリズムの複数の方位が利用可能になる。例えば、最短経路、すなわち、プリズムステージの最小回転を必要とする経路を見つけることによって、より速い初期補足も可能となり得る。さらに、光チャネル間の隔離を助けるために、これらの方位を使用して、望ましくない方向への反射を防止することができる。
【００２２】
しかしながら、３プリズムのビームステアリングアセンブリと比較して、２プリズムのビームステアリングアセンブリはサイズが小さく、重量および費用が低く、使用電力が少なく、高いスループット、少ない反射、ならびにより単純な制御システムおよび機械設計を有する。したがって、２プリズムのビームステアリングアセンブリと３プリズムのビームステアリングアセンブリとの間には、トレードオフが存在する。
【００２３】
光周波数においてビームを操縦するための、リズレープリズムなどのプリズム系が既知であるが、そのようなプリズム系は、あったとしても稀にしかＲＦシステムにおいて使用されていない。さらに、そのようなシステムは、これまで異なる波長で同一の方向に移動する信号ビームを同時に伝送または受信するために使用されていない。
【００２４】
本発明によると、入射電磁ビームを偏向させるための楔形のプリズムは、２つの波長において実質的に同一の屈折指数を有する材料から作製され、それによって、多くのプリズムを用いる（例えば、直列に２つまたは３つ）ビームステアリングシステムが、２つの異なる波長のビームを同一方向に同時に操縦するのを可能にする。プリズムは、２つの異なる波長（例えば、光およびＲＦ）において「実質的に同一な」または「一致する」屈折指数を有し、ここで２つの波長において当初共線形である２つのビームは、プリズムの存在時、距離を越えてほんのわずかに分岐するか、またはまったく分岐しない。すなわち、別々の波長における屈折指数は、最長波長の回折限界のビーム分岐がプリズムアセンブリを通過した後のビームの角距離よりも小さい場合には、実質的に同一であると考えられる。実際の通信およびセンサシステムで使用するには、ＲＦおよび光周波数における屈折指数は、リモート受信器またはセンサがＲＦおよび光信号の両方をうまく受信できるように、ＲＦおよび光ビームがかなりの距離を越えて分岐しない、またはほんのわずかしか分岐しないほど十分に類似していなくてはならない。ＲＦおよび光ビームが分岐できる範囲（したがって、屈折指数が２つの波長間で異なってもよい範囲）は、少なくとも部分的には、信号のビーム幅、受信器またはターゲットまでの距離、および受信器の感度に依存する。
【００２５】
典型的な実施形態において、プリズムは、可視光波長においては不透明であるにもかかわらず、事実上トランスペアレントであってＲＦおよびＩＲ波長の両方において電磁波を伝送するシリコンから形成される。重要なことには、シリコンは、（数桁異なる）ＲＦおよびＩＲ波長の範囲で実質的に同一な誘電定数（および屈折指数）を有するという予期しない特異な特性も有しており、これは、シリコンウェッジによる偏向は両方の波長帯域において比較的同一であり得ることを意味する。シリコンは（ガラスと比較して）比較的高い誘電定数を有しており、あるプリズム楔角度に比較的大きなビーム偏差をもたらす。これにより、光学設計を単純化し、そのサイズを縮小することができる。ほとんどの材料は特徴として光周波数よりも無線周波数において高い屈折指数を有し、シリコンのようにＲＦおよび光周波数において同様の屈折指数を有するという特徴を示す材料は極めて少ない。上述のものなどこれら両方の周波数における信号の使用から利益を享受し得るシステムは、２つの異なる波長のビームを同時に伝送または同時に受信する単一のプリズムアセンブリを有することによって大幅に単純化できるため、シリコンが透過的であって、ＲＦおよびＩＲ波長において実質的に同一の屈折指数を有するという事実は特に好都合である。特に、シリコンプリズムは、近赤外線およびＲＦのマイクロ波領域の約１．５ミクロンの波長を用いる光／ＲＦ通信システムにおいて有利に使用できる。
【００２６】
それにもかかわらず、本発明の典型的な実施形態ではプリズム材料としてシリコンを用いているが、本発明はプリズムに限定されるものではなく、事実上、２つの異なる動作波長において実質的に同一の屈折指数を示すいかなる材料を使用してもよいことが十分に理解されるであろう。例えば、ゲルマニウムは数ミクロンに満たなければトランスペアレントではなく、電気通信Ｃバンドを超えるが、ゲルマニウムも候補材料となり得る。さらに、本発明は無線および光周波数にある、異なる２つの波長の場合に限定されるものではなく、実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料が２つの波長において存在する限り、いかなる２つの異なる波長を用いてもよい。多くの実際の用途において、数桁異なるＲＦと光波長の場合と同様に、波長が１桁以上など大幅に異なる場合がある。本明細書および特許請求の範囲において使用される場合、「光（光学）」という用語は、概して、「光学」機器（例えば、光通信機器、伝送器、受信器等）が通常動作する、可視スペクトル、赤外線周波数、および紫外線周波数を含む電磁信号の波長（および、同様な意味合いで、周波数）領域に言及するものである。
【００２７】
シリコンは比較的大きな誘電定数（約１１．７）および相応して約３．５の高い屈折指数を有し、これが空気‐シリコン間のインターフェイスにおいて反射損を引き起こす場合がある。より具体的には、空中における材料の反射率は以下の方程式によって求められる：
【００２８】
【数１】
2007528027.tif 000003
ここでＲは反射率であり、ｎはプリズムの屈折指数である。この関係は、垂直入射の場合のもので、空気の指数を１と仮定している。１．５〜１．６ミクロンの波長領域（赤外線）において屈折指数が約３．５である場合、プリズムの各露出面、すなわち、反射防止膜のない表面について約３０％、またはプリズムあたり約５０％の反射率が生じるであろう。例えば、露出（被膜のない）シリコンの３つの楔を組み込んだデバイスは、約１１％（ステアリング角度が大きくなるとさらに低くなる）の透過率しか有さず、多くの方向に散在した望ましくないスプリアス反射を有するであろう。この問題を緩和するために、各プリズム表面に反射防止膜を用いて、そのような反射を最小化することが望ましい。
【００２９】
本発明のプリズムは、２つの異なる波長において電磁信号を屈折させることを意図しているため、反射防止膜スキームは、プリズム構造内の隣接する材料間（例えば、プリズム材料と最内部の反射防止膜または層との間、反射防止膜の隣接する層間、および、空気と最外部の反射防止膜または層との間）に存在し得る相違に対応しながら、両方の波長において反射を低減させるはずである。
【００３０】
図２は、本発明の典型的な実施形態による、２つの異なる波長の入射電磁ビームを実質的に同一角度で同時に屈折させるのに適合するプリズムデバイス３００の側断面図である。プリズムデバイス３００は、２つの波長において実質的に同一の屈折指数を有するプリズム材料（例えば、ＲＦおよびＩＲ波長において同一の屈折指数を有するシリコンプリズム）を備える楔形のプリズム３１６を含む。プリズムの三次元形状は、基本的に図１に示されているもの、すなわち円筒形ディスクの切断面であり、ここで、信号を伝送および受信する反対面は平行ではなく、円盤型のプリズムは基本的に楔を形成する。プリズム３１６の屈折指数、厚さ、および楔角度により、入射電磁ビーム３００が屈折させられ、入射ビームと相対的な偏差角αでプリズムを出る。シリコンの比較的高い屈折指数により、比較的控えめなプリズム厚さおよび楔角度によって大幅なビーム偏向が実現でき、その結果、薄くて軽重量のプリズムの使用が可能になる。限定的でない例として、偏差角αは約２０°であってよい。
【００３１】
図２に示す実施形態において、プリズム３１６は、最内部のＩＲ反射防止膜３１７、中間部のＲＦ反射防止膜３１８、および外部のＩＲ反射防止膜３１９という３つの反射防止膜で覆われている。両方の波長を伝送しながら、隣接する材料間の境界における反射を最小化するために、被膜の厚さ、材料および誘電定数（同等なものとして、屈折指数）が選択される。反射を最小化するため、被膜の誘電定数は被膜される材料の誘電定数の平方根にほぼ等しいのが理想である。約３．４８の屈折指数を有するシリコンを含むプリズム３１６の場合、最内部の単一層反射防止膜３１７は、中間層（溶融シリカ）とプリズム材料との間の境界における反射を効果的に低減させるため、約２．２５の屈折指数を有するべきである。最内部の反射防止膜３１７は、ＩＲ波長における反射を低減させるよう設計されている。
【００３２】
このＩＲ反射防止膜３１７は単一の層または複数の層を含んでよく、被膜の設計は特定の動作波長（例えば、電気通信Ｃバンドで１５５０ｎｍ）付近において反射防止特性を最大化するように調整され得る。より具体的には、反射防止膜３１７の厚さおよび材料は、約１．３ミクロンから１０ミクロンを上回る任意の動作波長において反射を最小化するように選択することが可能である。
【００３３】
赤外線域において、光学系において通常使用されるものなどの標準的な光誘電反射防止膜は、図２に示すＩＲ反射防止膜３１７の１つ以上の層において使用してもよい。そのような光学膜はＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＦ２、およびＺｎＳｅのうち１つ以上を含んでよい。ＩＲ反射防止膜の層を形成するために、蒸着技術を用いてもよい。
【００３４】
内部ＩＲ反射防止層が単一の材料（すなわち、単一の層）で形成されていれば、層は効果的に機能するためにちょうど良い屈折指数を有することが必要となる場合があり、これにより使用できる材料の数（および厚さ）が制限される。この場合、単一層ＩＲ反射防止膜は約３分の１ミクロンの厚さを有することになるであろう。この厚さは、一般的なＩＲ波長における約４分の１波長（光学的厚さ）であり、被膜の誘電定数をＩＲ波長における反射の低減において効果的にする。
【００３５】
内部ＩＲ反射防止膜が複数の層から構成される場合、材料および層の厚さの選択における柔軟性が大幅に増す。例えば、多層ＩＲ反射防止膜は１５５０ｎｍのシリコンプリズムで優れた反射防止特性を提供することが認められている。多層ＩＲ反射防止膜の全厚は、やはり約コンマ１ミクロンであろう。図４は、入射角３０°における１５００ｎｍの反射防止膜用に最適化されたＩＲ反射防止プリズム膜の波長に対する反射率のグラフを示す。ＩＲ反射防止プリズム膜は、同様に通常使用される１５５０ｎｍの波長用に最適化されることもでき、これにより、５０ｎｍ右に移動する以外は図４と同様のプロットが得られるであろう。
【００３６】
内部ＩＲ反射防止膜の誘電定数はＩＲ波長における反射を低減するのに効果的であるが、この被膜のサブミクロンの厚さにより、ＲＦ波長における放射線に事実上影響を及ぼさないこの被膜が得られる。概して、誘電層の厚さは、ビームに何らかの影響を及ぼす屈折特性のために少なくともビームの波長の約２０分の１でなくてはならず、大幅な屈折を提供するには概して約４分の１波長が効果的である。ビームの波長の２０分の１に満たない厚さを有する層は、本質的にビームからは不可視であり、層の誘電定数は事実上ビームに屈折影響を及ぼさない。被膜の厚さはＩＲ波長に比べて重要であるため、内部ＩＲ反射防止膜の誘電定数はＩＲ波長において有意義である。しかしながら、ＲＦ信号の波長はＩＲ信号の波長よりも桁違いに長く、ＩＲ反射防止膜の厚さをＲＦ波長のそれよりも極めて小さくしており、したがって、ＲＦ波長における反射の低減には重要でない。
【００３７】
再度図２を参照すると、ＲＦ波長における反射を低減するため、プリズムデバイス３００ではＩＲ反射防止膜３１７の上にＲＦ反射防止膜３１８が適用されている。被膜３１７の設計は、被膜の厚さに加えて、それが作られる材料の屈折指数（誘電定数）も併せて考慮しなくてはならない。ＲＦ反射防止膜３１８は、比較的厚い被膜（例えば、ＩＲ反射防止膜よりずっと厚い）でなくてはならないため、１つの層で被膜３１８を形成することが好ましい。単一の層設計は、同様に、効果的な反射低減のために単一の層が必要とする誘電定数を決定づける。空中からプリズムおよび逆に空中へ移動するビームの場合（ＩＲ反射防止膜層の厚さを考慮すると、本質的にこのＲＦの場合）、ＲＦ反射防止膜の誘電定数は、プリズム材料の誘電定数の平方根となるのが理想的であろう。
【００３８】
通常、溶融シリカまたは人工水晶として知られている二酸化ケイ素の誘電定数は、３．４である。二酸化ケイ素はＲＦおよびＩＲ波長において比較的トランスペアレントであり、その誘電定数は、シリコンの誘電定数（１１．７）の平方根とわずかに異なるのみで、そのことが、プリズム３１６がシリコンからなる場合において、二酸化ケイ素をＲＦ反射防止膜３１８の優れた候補にしている。ＲＦ反射防止膜の有効厚さは、好ましくは動作ＲＦ波長の約４分の１波長である。限定的でない例として、プリズム表面のごくわずか入射角において、約４分の１波長（λ／４）の光学的厚さを有する溶融シリカ（二酸化ケイ素）ＲＦ反射防止は、約１０ＧＨｚのＲＦに対して約４ミリメートル厚さとなるであろう。３８ＧＨｚのＲＦに対する溶融シリカの適切な有効厚さは約１．０２ｍｍである。
【００３９】
ＲＦ反射防止膜３１８は、溶融シリカのシートを（材料の有効厚さを４分の１ＲＦ波長と等しくして）、被膜とプリズムとの間に光学接着剤を持つシリコン楔プリズムの各面と接触させて置くことによって構成することができる。しかしながら、本発明は、ＲＦ反射防止膜を形成するためのいかなる特定の技術にも限定されず、化学気相蒸着法（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ；ＣＶＤ）など、その他の技術を使用してＲＦ反射防止膜を形成してもよいことが理解されるであろう。
【００４０】
ＲＦ反射防止膜３１８自体は、空気と被膜３１８との間、特にＩＲ波長において、反射を引き起こすであろう。例えば、典型的な実施形態において、溶融シリカ構成膜３１８は、１というごくわずかな屈折指数を有する空気によって大幅な反射を引き起こすであろう約１．５の屈折指数を有する。したがって、空気‐溶融シリカ間の境界において反射を低減させる第３の外部被膜でＲＦ反射防止膜を覆うことが望ましい。再度図２を参照すると、最外部の反射防止膜３１９は、空気‐溶融シリカ間の境界において反射を最小化するよう設計された誘電定数（屈折指数）を有している。よって、最外部の反射防止膜３１９は、最内部の反射防止膜３１７と同様に薄いＩＲ反射防止膜ではあるが、被膜３１９の誘電定数は内部被膜３１７のそれと同一ではない。被膜３１９は、被膜３１９をＲＦ波長に対しては本質的に重要性が低いがＩＲ波長においては効果的にする、約コンマ１ミクロンの全厚を有する１つ以上の層から構成されてよい。先に列挙した材料（ＨｆＯ２、Ｙ２Ｏ３、ＭｇＦ２、およびＺｎＳｅ）のいずれか、またはその他の材料を１つ以上の層に使用してよい。ＭｇＦ２は、特に単層設計において優良な候補であり、反射率を２％未満にする（空気‐露出溶融シリカ間の反射は約３．６％である）。多層設計ではさらに低い反射率を実現することができる。このようにして構成されたプリズムデバイスは、赤外線およびＲＦ帯域の両方において８５％を超える透過率を実現することができる。
【００４１】
図２に関連して説明した反射防止膜スキームは３つの連続する被膜を含むが、本発明はいかなる特定の反射防止膜配置にも限定されず、システム内における反射および透過率を許容可能なレベルにする、いかなる配置も許容されることが十分に理解されるであろう。さらに、ＩＲおよびＲＦ反射防止膜用の特定の材料について言及したが、本発明は、反射防止膜スキームが許容可能な透過率および反射特性を提供する限り、いかなる特定の材料、被膜の数、被膜内の層の数、もしくは被膜または層の厚さにも限定されないことが理解されるであろう。例えば、Ａｌ２Ｏ３などのその他の被膜材料は、あるプリズム材料およびその他の被膜材料とともに、反射を防止し透過率を高めるために有用となり得る。さらに、典型的な実施形態において説明したＲＦ反射防止膜は単層被膜であるが、本発明は単層ＲＦ反射防止膜に限定されるものではなく、複数の層を含むＲＦ反射防止膜を適切な材料で構成できることが十分に理解されるであろう。
【００４２】
図３は、３つのプリズムデバイスから構成され、ＲＦビームおよび光ビームを同一方向に同時に操縦できるビームステアリングアセンブリ４００を説明している。簡素化するために、図３ではプリズムデバイスの反射防止膜を明示的に描写していない。プリズムは、上述したように、リズレープリズムのように配置され動作させることができる。具体的には、別個に回転可能な３つのプリズムデバイス４１０、４２０、および４３０が直列に配置され、それによって入射電磁ビーム４６０が連続して３つの各プリズムデバイスを通過し、プリズムデバイスの相対方位に従って偏向させられる。プリズムデバイスを選択的に回転させることにより、ビームは、異なる角度から伝送および／または受信するために注目領域内のいかなる角度にも向けられ、必要に応じて、プリズムアセンブリに対する相対角度が時間とともに変わる物体（例えば、ターゲットまたは受信器デバイス）を追跡する。ビームステアリングアセンブリは、例えば入射角に対して約６０°の最大偏向角βを有することができ、注目領域は約１２０°となる。当然ながら、本発明はいかなる特定の最大偏向または注目領域にも限定されない。
【００４３】
図３に示す配置では、３つのプリズムにおける総損失は、最大ステアリング角度６０°において最大約０．５ｄＢとなり得る。角度を小さくすると、発生する損失も少なくなる。ＩＲ波長（例えば、１．５５μｍ）において、損失は同様となるが、わずかに高めとなる場合がある。溶融シリカを追加すると、処理する必要のある表面がさらに作り出される場合があり、これによって損失が高くなり得る。最高損失は最大ステアリング角度で１．０ｄＢとなる場合があり、最大３５°までのステアリング角度は０．３ｄＢ未満の損失を被る場合がある（図４および図５を参照）。図５は、入射角（単位：°）と反射率との間の関係を説明している。ステアリング角度が大きくなると、反射率は大幅に上昇し始める。しかしながら、実際は、この反射率は、最外部表面のみで発生する。その他の表面は３０°未満の入射角度を有する。
【００４４】
図３は特定のビームステアリングアセンブリを説明しているが、本発明は、リズレープリズム系またはビームステアリングアセンブリ内にある３つのプリズムデバイスの使用に限定されるものではなく、事実上、プリズムデバイスおよび注目領域上の同一方向にある２つの異なる波長ビームを同時に効果的に操縦できる対応する制御システム（例えば、ポジショナー）のいかなる組み合わせも本発明に従って構成できることが十分理解されるであろう。例えば、上述のトレードオフを考慮して、２つのプリズムビームステアリングアセンブリを用いてもよい。
【００４５】
プリズムベースのビームステアリングシステムを用いる伝送器／受信器システム６００の機能ブロック図を図６に示し、図７は、図６に示すシステムを使用して、ＲＦおよび光信号ビームを同時に伝送する際に実行される動作を最上位に示している。システム６００は事実上、例えば、ＲＦ（例えば、マイクロ波）および光（Ｃバンド）波長において動作する通信システム、リモートセンシングシステム、電子戦（ＥＷ）およびレーダーシステムの結合、または、２つの異なる波長においてビームポインティングを必要とするいかなるシステムであってもよい。さらに、システム６００は、地上、空輸（例えば、航空機に搭載）、衛星搭載、海上輸送、または海底車搭載であってよい。
【００４６】
プリズムベースのビームステアリングアセンブリ６１０は、上述のように１つ以上のプリズムデバイスから構成されることが可能であり、ここで各プリズムデバイスは、２つの動作波長において実質的に同一の屈折指数を有する材料（例えば、シリコン）から構成され、好ましくは反射を最小化するための反射防止膜を含む。一般に、システムが情報をやり取りしている遠くにある物体（例えば、ターゲットまたは受信器）の位置または角度を追跡するナビゲーションシステムは、ポジショナーなどを介してアセンブリ６１０のビームポインティングを制御するために使用される。そのようなナビゲーションシステムおよび関連するビームポインティング制御はよく知られている。
【００４７】
ＲＦ伝送器６２０および光伝送器６３０は、ＲＦ信号ビームおよび共線形光信号ビームをビームステアリングアセンブリ６１０にそれぞれ同時に供給する（図７の動作７１０）。ＲＦおよび光信号は、同一の源から派生し、同一のまたは重複する情報を含む場合があり、もしくは、これらの信号は独立しているまたは完全に異なっており、共通の情報を含まない場合がある。信号ビームを伝送する前に、ビームステアリングアセンブリ６１０のプリズムデバイスは、上述のように、制御システムによりビームポインティング角度に一致するように方向を合わせられる（図７の動作７２０）。その後ビームステアリングアセンブリ６１０は、２つの信号ビームを屈折させ、それらを実質的に同一角度で自由空間内へ、リモートターゲットもしくはリモートＲＦ受信器および／または伝送器に向けて方向づける（図３の動作７３０）。当該システムは、時間とともに移動しながらそのような物体を追うために追跡モードで動作することができ、またそのような物体の検索においては走査モードで動作することもできる。
【００４８】
同様に、ＲＦ受信器６４０および受光器６５０を使用して、ビームステアリングアセンブリ６１０に同時に到達したＲＦおよび光信号ビームをそれぞれ受信することができる。図６に伝送および受信ができるシステムを示したが、本発明によるプリズムベースのビームステアリングアセンブリは、信号を伝送するのみ、または受信するのみである装置に用いてもよいことが十分に理解されるであろう。
【００４９】
新規および改良型のプリズムデバイスならびに光および無線周波数ビームステアリングシステムの結合の好適な実施形態について説明したが、本明細書で説明した教示を考慮して、当業者に対しその他の修正、変形および変更を提案することができると考えられる。したがって、そのような変形、修正および変更はすべて、添付の特許請求の範囲によって定義されるような本発明の範囲内であると考えられることを理解すべきである。本明細書においては特定の用語を用いているが、それらは総称的および記述的な意味のみに使用されるものであって、限定目的ではない。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】図１は、電磁ビームが通過する、回転可能な楔形プリズムの斜視図である。
【図２】図２は、本発明の典型的な実施形態による、反射防止膜で覆われたプリズムの側断面図である。
【図３】図３は、注目領域において電磁ビームを操縦するためのプリズムアセンブリの側断面図である。
【図４】図４は、１５００ｎｍの反射防止膜および３０°の入射角での波長と反射率（％）との間の関係を示すグラフである。
【図５】図５は、入射角と反射率（％）との間の関係を示すグラフである。
【図６】図６は、同一方向のＲＦおよび光ビームを同時に操縦するためのビームステアリングシステムの機能ブロック図である。
【図７】図７は、同一方向のＲＦおよび光ビームを同時に伝送するために実行される動作の機能ブロック図である。
【図１】
2007528027.tif 000004
【図２】
2007528027.tif 000005
【図３】
2007528027.tif 000006
【図４】
2007528027.tif 000007
【図５】
2007528027.tif 000008
【図６】
2007528027.tif 000009
【図７】
2007528027.tif 000010
【国際調査報告】
2007528027.tif 000011