(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに直交モードペアである第１および第２偏光を含む非偏光入射光を１種の偏光に変換させて出光させる偏光変換素子であって、
前記偏光変換素子は、それぞれ入光面と出光面が形成されている第１ホログラフィック光学素子、第２ホログラフィック光学素子および導波媒体をこの順に含み、
前記第１ホログラフィック光学素子は、入光面に−９０度超過かつ９０度未満の角度である第１角度の入射角で入射した前記非偏光入射光を、前記第１角度とは異なり、０度超過かつ９０度未満の範囲であるか、−９０度超過かつ０度未満の範囲である第２角度である出射角で出射させ得る光学素子であり、
前記第２ホログラフィック光学素子は、第３角度の入射角で入射した前記非偏光入射光のうち第１偏光は第４角度の出射角で出射させ、第２偏光は前記第４角度とは異なる第５角度の出射角で出射させ得る光学素子であり、
前記導波媒体は、リターダーが備えられた側壁を含み、前記第４角度の出射角で導波媒体に入射した第１偏光は、前記リターダーが備えられた側壁には入射しないか、偶数回入射して全反射した後に出光面に出射し、前記第５角度の出射角で導波媒体に入射した第２偏光は前記リターダーが備えられた側壁に奇数回入射して全反射した後に出光面に出射するように形成されており、
前記第２角度と第３角度の合計は、８０度〜１００度の範囲内であり、
前記第４角度と第５角度の合計は、−１０度〜１０度の範囲内であり、
前記偏光変換素子は、出光面と入光面を有する第３ホログラフィック光学素子をさらに含み、前記第３ホログラフィック光学素子は導波媒体の内部に位置し、
前記第３ホログラフィック光学素子は、−９０度超過かつ９０度未満の範囲である第６角度の入射角で入射した光を０度超過かつ９０度未満であるか、−９０度超過かつ０度未満の第７角度である出射角で出射させ得る光学素子であり、前記第７角度と前記第１ホログラフィック光学素子の出射角である第２角度の合計は、８０度〜１００度の範囲内であり、
前記第３ホログラフィック光学素子は、導波媒体内でリターダーが形成された側壁には入射しない第１偏光あるいはリターダーが形成された側壁に偶数回入射した第１偏光が前記第３ホログラフィック光学素子に第６角度に該当する入射角で入射し得、前記リターダーが形成された側壁には奇数回入射した第２偏光が前記第３ホログラフィック光学素子に前記第６角度に該当する入射角で入射し得る位置に存在する、偏光変換素子。
【請求項２】
第３〜第５角度はそれぞれ０度を超過し、９０度未満の範囲内であるか、あるいは−９０度を超過し、０度未満の範囲内である、請求項１に記載の偏光変換素子。
【請求項３】
リターダーがλ／４板である、請求項１または２に記載の偏光変換素子。
【請求項４】
導波媒体の出光面には、その出光面に入射した光を屈折させて出射させ得る屈折形状が形成されている、請求項１から３のいずれか一項に記載の偏光変換素子。
【請求項５】
導波媒体は、リターダーが形成された側壁には入射しない第１偏光あるいはリターダーが形成された側壁に偶数回入射した第１偏光が屈折形状がある出光面に入射され得、前記リターダーが形成された側壁に奇数回入射した第２偏光が前記屈折形状がある出光面に入射され得るように形成されている、請求項４に記載の偏光変換素子。
【請求項６】
少なくとも一つの光孤立素子を含む光孤立装置であり、
前記光孤立素子は、順に配置されている請求項１から５のいずれか一項に記載された偏光変換素子および偏光子を含み、
前記偏光変換素子と偏光子は、光が偏光変換素子を透過した後に偏光子に入射するように位置する、光孤立装置。
【請求項７】
偏光変換素子は１種の線偏光を生成する、請求項６に記載の光孤立装置。
【請求項８】
偏光子は、一方向に形成された透過軸と前記透過軸と垂直な方向に形成された吸収軸を有する吸収型線型偏光子であり、前記偏光子は、前記透過軸が偏光変換素子で生成した線偏光と平行な方向に形成されるように配置されている、請求項７に記載の光孤立装置。
【請求項９】
偏光変換素子で生成して偏光子を透過した光が入射し得る位置に位相遅延板をさらに含む、請求項６から８のいずれか一項に記載の光孤立装置。
【請求項１０】
位相遅延板は、その遅相軸が偏光子の透過軸と４０度〜５０度の範囲内のいずれか一つの角度または１３０度〜１４０度の範囲内のいずれか一つの角度をなすように配置されている、請求項９に記載の光孤立装置。
【請求項１１】
位相遅延板は、λ／４板である、請求項９または１０に記載の光孤立装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は２０１６年１０月１３日付出願された大韓民国特許出願第１０−２０１６−０１３２８４２号に基づいた優先権の利益を主張し、該当大韓民国特許出願の文献に開示されたすべての内容は本明細書の一部として含まれる。
【０００２】
本出願は偏光変換素子および光孤立装置に関するものである。
【背景技術】
【０００３】
光孤立装置は、正方向の光透過率が逆方向の光透過率に比べて高い装置であって、光ダイオード（ｏｐｔｉｃａｌ  ｄｉｏｄｅ）とも呼ばれる。光孤立装置は、光通信やレーザー光学分野で不要な反射光を防ぐことに使われ得、その他にも建物や自動車ガラスに適用されてセキュリティーやプライバシーの保護などに使用され得る。光孤立装置はまた、多様なディスプレイでの輝度向上または隠蔽掩蔽用軍用製品など用途にも適用され得る。
【０００４】
光孤立装置としては、ファラデー効果を利用したファラデー光孤立装置がある。ファラデー光孤立装置の原理が図１に示されている。図１のようにファラデー光孤立装置は、第１偏光子１０１、ファラデー回転子１０２および第２偏光子１０３を含み、前記第１および第２偏光子１０１、１０３の吸収軸は互いに４５度をなすように配置されている。第１偏光子を通過して線偏光された入射光をファラデー回転子は４５度回転させ、これに伴い、第２偏光子を透過するようになる（Ｆｏｒｗａｒｄ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）。その反対に第２偏光子を透過した線偏光された光は、ファラデー回転子によって同様に４５度回転させられると、第１偏光子の吸収軸と平行な線偏光となるので、第１偏光子を透過することができない（Ｂａｃｋｗａｒｄ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）。
【０００５】
ファラデー光孤立装置は、駆動のために非常に大きな外部磁場が必要であり、高価の材料が適用されなければならないので大面積化などが困難である。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本出願は偏光変換素子および光孤立装置に関するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本出願で用語、偏光変換素子は、非偏光入射光を１種の偏光に変換して出光できるように構成された素子を意味する。
【０００８】
一つの例示において、前記偏光変換素子の透過率は１０％以上、１５％以上、２０％以上、２５％以上、３０％以上、３５％以上、４０％以上、４５％以上、５０％以上、５５％以上、６０％以上、６５％以上、７０％以上、７５％以上、８０％以上、８５％以上、９０％以上または９５％以上であり得る。前記透過率の上限は特に制限されず、約１００％程度であり得る。前記透過率は、前記偏光変換素子に入射する非偏光の光対比前記偏光変換素子を透過した前記１種の偏光の比率であり得る。すなわち、理想的に前記偏光変換素子は、入射する非偏光を損失なく１種の偏光に変換させ得るように構成されることが好ましい。
【０００９】
本明細書で用語、透過率、位相差値、反射率および屈折率などの光学的物性の基準波長は光孤立装置で孤立させようとする光および／または変換しようとする非偏光の光により決定され得る。すなわち、一例示において、前記基準波長は前記孤立させようとする光の波長および／または前記変換しようとする非偏光の光の波長であり得る。例えば、光孤立装置を可視光領域の光を孤立させようとする場合に前記透過率などの基準波長は、例えば、４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲内のいずれか一つの波長または約５５０ｎｍ波長の光を基準とした数値であり、赤外線領域の光を孤立させようとする場合に前記透過率などは、約１，０００ｎｍの波長の光を基準として決定され得、紫外線領域の光を孤立させようとする場合には前記透過率などは約２５０ｎｍの波長の光を基準として決定され得る。
【００１０】
偏光変換素子を透過した光は、前記１種の偏光だけを実質的に含むことができる。例えば、前記偏光変換素子を透過した光の６０％以上、６５％以上、７０％以上、７５％以上、８０％以上、８５％以上、９０％以上または９５％以上は前記１種の偏光であり得る。理想的には前記偏光変換素子を透過した光の１００％がただ前記１種の偏光であり得る。
【００１１】
一態様による偏光変換素子は、第１ホログラフィック光学素子、第２ホログラフィック光学素子および導波媒体を少なくとも含むことができる。
【００１２】
前記第１および第２ホログラフィック光学素子および導波媒体のそれぞれには、出光面と入光面が形成されている。前記偏光変換素子において、前記第１ホログラフィック光学素子、第２ホログラフィック光学素子および導波媒体は、前記順序に配置されていてもよい。前記において、第１ホログラフィック光学素子、第２ホログラフィック光学素子および導波媒体が前記順序に配置されているということは、第１ホログラフィック光学素子の出光面と第２ホログラフィック光学素子の入光面が互いに対向しており、第２ホログラフィック光学素子の出光面と導波媒体の入光面が互いに対向しているということを意味し得る。
【００１３】
本出願で用語、入射角は、特に規定しない限り、入光面の法線を基準として測定された角度であり、前記法線を基準として時計回り方向に測定された角度は正数で表示し、反時計回り方向に測定された角度は負数で表示する。また、本出願で用語、出射角は、特に規定しない限り、出光面の法線を基準として測定された角度であり、前記法線を基準として時計回り方向に測定された角度は正数で表示し、反時計回り方向に測定された角度は負数で表示する。
【００１４】
第１ホログラフィック光学素子は、第１角度である入射角で入射した光を第２角度である出射角で出射させ得る素子であり得る。前記において、第１角度は、−９０度超過かつ９０度未満の角度であり得る。前記第１角度は、−８０度以上、−７０度以上、−６０度以上、−５０度以上、−４０度以上、−３０度以上、−２０度以上、−１０度以上または−５度以上であり得、前記第１角度は、８０度以下、７０度以下、６０度以下、５０度以下、４０度以下、３０度以下、２０度以下、１０度以下または５度以下であり得、実質的に０度であり得る。
【００１５】
一方、前記第２角度は、０度超過かつ９０度未満であり得る。前記第２角度は他の例示において、５度以上、１０度以上、１５度以上、２０度以上、２５度以上、３０度以上または４０度以上であるか、あるいは８５度以下、８０度以下、７５度以下、７０度以下、６５度以下、６０度以下、５５度以下または５０度以下であり得る。前記第２角度は実質的に約４５度であり得る。他の例示において、前記第２角度は、−９０度超過かつ０度未満であり得る。前記第２角度は他の例示において、−５度以上、−１０度以上、−１５度以上、−２０度以上、−２５度以上、−３０度以上または−４０度以上であるか、あるいは−８５度以上、−８０度以上、−７５度以上、−７０度以上、−６５度以上、−６０度以上、−５５度以上または−５０度以上であり得る。前記第２角度は実質的に約−４５度であり得る。
【００１６】
第１ホログラフィック光学素子に入射した後に屈折して出射する光は非偏光の光であり得る。したがって、理論的に前記第１ホログラフィック光学素子に入射した後に出射する光は、直交モードペア（ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  ｍｏｄｅ  ｐａｉｒ）の偏光で構成され得る。前記において、直交モードペアは、互いに偏光の方向が垂直な２つの線偏光または互いに回転方向が逆方向である２つの円偏光からなる。本明細書で用いる用語垂直、水平、平行または直交は、誤差を勘案した実質的な垂直、水平、平行または直交を意味し、例えば、±１０度以内、±８度以内、±６度以内、±４度以内、±２度以内、±１度以内または±０．５度以内の誤差が存在し得る。また、本明細書で用語円偏光は、いわゆる楕円偏光も含む概念である。以下、本明細書では便宜上前記直交モードペアのうちいずれか一つの偏光を第１偏光と呼称し、他の一つの偏光を第２偏光と呼称し得る。
【００１７】
前記第２ホログラフィック光学素子は、第３角度の入射角で入射した非偏光の光の直交モードペアのうち第１偏光は第４角度の出射角で出射させ、第２偏光は第５角度の出射角で出射させる素子である。
【００１８】
前記において、第３角度、第４角度および第５角度は、０度超過かつ９０度未満であり得る。前記第３角度、第４角度および第５角度は他の例示において、５度以上、１０度以上、１５度以上、２０度以上、２５度以上、３０度以上または４０度以上であるか、あるいは８５度以下、８０度以下、７５度以下、７０度以下、６５度以下、６０度以下、５５度以下または５０度以下であり得る。前記第３角度、第４角度および第５角度は実質的に約４５度であり得る。他の例示において、前記第３角度、第４角度および第５角度は、−９０度超過かつ０度未満であり得る。前記第３角度、第４角度および第５角度は他の例示において、−５度以上、−１０度以上、−１５度以上、−２０度以上、−２５度以上、−３０度以上または−４０度以上であるか、あるいは−８５度以上、−８０度以上、−７５度以上、−７０度以上、−６５度以上、−６０度以上、−５５度以上または−５０度以上であり得る。前記第３角度、第４角度および第５角度は、実質的に約−４５度であり得る。
【００１９】
前記偏光変換素子で第１および第２ホログラフィック光学素子は、第１ホログラフィック光学素子から出射した光が第２ホログラフィック光学素子に入射するように配置されており、このとき第１ホログラフィック光学素子の出射角である第２角度と第２ホログラフィック光学素子の入射角である第３角度は、前記第３および第２角度の合計が約８０度〜１００度の範囲内、例えば実質的に約９０度となるか、あるいは約−１００度〜−８０度の範囲内または約−９０度となり得る。
【００２０】
また、前記第４角度と第５角度の合計は、約−１０度〜１０度の範囲内、約−５度〜５度の範囲内または実質的に０度であり得る。
【００２１】
第１態様による偏光変換素子は、前記第１および第２ホログラフィック光学素子とともに導波媒体を含み、この導波媒体は前記第２ホログラフィック光学素子の出光面に入射した第１および第２偏光が導波媒体の入光面に入射し得る位置に配置されている。前記導波媒体は、入光面に入射した光を内部で全反射させて出光面に道破させて出射させ得る素子である。本出願でこのような導波媒体としては、公知にされた多様な導波器を使うことができ、例えば、屈折率が約１．４５〜１．６５程度の範囲内であるプリズムなどが使用され得る。本出願で屈折率は、約５５０ｎｍ波長を基準として測定した数値である。
【００２２】
前記導波器は側壁を含む。前記側壁は、導波媒体の入光面および／または出光面と８０度〜１００度の範囲内の角度をなすように形成され得る。前記角度は他の例示において、約８５度以上であるか、９５度以下であるか、あるいは約９０度程度であり得る。一例示において、前記側壁は前記第５角度の出射角で出射した第２偏光が前記側壁に入射し得る位置に存在することができる。前記側壁に入射した第２偏光は前記側壁で全反射し得る。
【００２３】
前記側壁にはリターダーが形成されていてもよい。リターダーとしては、λ／２板またはλ／４板が適用され得る。用語λ／２板は、いわゆるＨＷＰ（Ｈａｌｆ  Ｗａｖｅ  Ｐｌａｔｅ）と呼称されるリターダーであって、線偏光が入射すると、その線偏光の偏光方向を略９０度回転させることができる素子であり、用語λ／４板は、いわゆるＱＷＰ（Ｑｕａｒｔｅｒ  Ｗａｖｅ  Ｐｌａｔｅ）と呼称されるリターダーであって、線偏光と円偏光を相互に変換させることができる素子である。λ／２板またはλ／４板として作用し得るリターダーは、この分野で多様に公知にされている。例えば、前記リターダーは、高分子延伸フィルムまたは液晶高分子フィルムであり得る。高分子延伸フィルムとしては、例えば、アクリルフィルム、ポリエチレンフィルムまたはポリプロピレンフィルムなどのポリオレフィンフィルム、ポリノルボルネンフィルムなどの環状オレフィンポリマー（ＣＯＰ：Ｃｙｃｌｏｏｌｅｆｉｎ  ｐｏｌｙｍｅｒ）フィルム、ポリ塩化ビニルフィルム、ポリアクリロニトリルフィルム、ポリスルホンフィルム、ポリビニルアルコールフィルムまたはＴＡＣ（Ｔｒｉａｃｅｔｙｌ  ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ）フィルムなどのセルロースエステルポリマーフィルムや前記ポリマーを形成する単量体のうち２種以上の単量体の共重合体フィルムなどが例示され得る。前記のようなフィルムをこの分野で公知の方式によって適切に延伸することによって前記リターダーを形成することができる。また、前記で液晶高分子フィルムとしては、ネマティック液晶またはディスコティック液晶などのような公知の液晶フィルムを配向および重合させたフィルムが例示され得る。
【００２４】
この分野でλ／２板またはλ／４板として作用し得るリターダーは公知であり、本出願ではこのようなフィルムを制限なく使うことができる。
【００２５】
本出願で前記のような導波媒体の形態は、その媒体が前記入光面と出光面、そして側壁を有し、前記側壁の少なくとも一部に前記リターダーが形成されている限り特に制限されない。
【００２６】
ただし、前記導波媒体の形態は、少なくとも前記第４角度で第２ホログラフィック光学素子から出光した第１偏光は、前記リターダーが形成された側壁には入射しないかあるいは偶数回入射し、第５角度で第２ホログラフィック光学素子から出光した第２偏光は前記リターダーが形成された側壁には少なくとも１回または奇数回入射できるように形成されることが必要である。前記のような調節方式は公知であり、例えば、導波媒体に入射する光の入射角を考慮して導波媒体の長さを調節して達成することができる。
【００２７】
本出願の一態様による偏光変換素子は、前記導波媒体内に第３ホログラフィック光学素子をさらに含むことができる。前記第３ホログラフィック光学素子も入光面と出光面を有することができる。前記において、第３ホログラフィック光学素子は、第６角度である入射角で入射した光を第７角度である出射角で出射させ得る素子であり得る。前記において、第６角度は、−９０度超過かつ９０度未満の角度であり得る。前記第６角度は、−８０度以上、−７０度以上、−６０度以上、−５０度以上、−４０度以上、−３０度以上、−２０度以上、−１０度以上または−５度以上であり得、前記第６角度は、８０度以下、７０度以下、６０度以下、５０度以下、４０度以下、３０度以下、２０度以下、１０度以下または５度以下であり得、実質的に０度であり得る。
【００２８】
一方、前記で第７角度は、０度超過かつ９０度未満であり得る。前記第７角度は他の例示において、５度以上、１０度以上、１５度以上、２０度以上、２５度以上、３０度以上または４０度以上であるか、あるいは８５度以下、８０度以下、７５度以下、７０度以下、６５度以下、６０度以下、５５度以下または５０度以下であり得る。前記第７角度は実質的に約４５度であり得る。他の例示において、前記第７角度は、−９０度超過かつ０度未満であり得る。前記第７角度は他の例示において、−５度以上、−１０度以上、−１５度以上、−２０度以上、−２５度以上、−３０度以上または−４０度以上であるか、あるいは−８５度以上、−８０度以上、−７５度以上、−７０度以上、−６５度以上、−６０度以上、−５５度以上または−５０度以上であり得る。前記第７角度は実質的に約−４５度であり得る。
【００２９】
前記で第７角度と前記第１ホログラフィック光学素子の出射角である第２角度の合計は、約−１０度〜１０度の範囲内、約−５度〜５度の範囲内または実質的に０度であり得る。他の例示において、前記合計は、約８０度〜１００度の範囲内の角度であり得る。前記合計は、他の例示において、約８５度以上であるか、９５度以下であるか、あるいは約９０度程度でもあり得る。
【００３０】
第３ホログラフィック光学素子は、導波媒体内で前記リターダーが形成された側壁には入射しない第１偏光あるいは前記リターダーが形成された側壁に偶数回入射した第１偏光が前記第３ホログラフィック光学素子に前記第６角度に該当する入射角で入射し得る位置に存在することができる。また、前記第３ホログラフィック光学素子は、前記導波媒体内で前記リターダーが形成された側壁には奇数回入射した第２偏光が前記第３ホログラフィック光学素子に前記第６角度に該当する入射角で入射し得る位置に存在することができる。
【００３１】
前記のような構成の偏光変換素子が、非偏光の入射光から１種の偏光を生成する過程を図２を参照して説明する。図２は、本出願の一態様によって前記第３ホログラフィック光学素子を含む偏光変換素子を模式的に示した図面である。図面の偏光変換素子は、前記第１ホログラフィック光学素子１００、第２ホログラフィック光学素子２００、第３ホログラフィック光学素子３００、導波媒体４００および導波媒体４００の側壁に形成されたリターダー５００を含み、図面で光の進行経路は矢印で表示されている。図面でリターダーとしてはλ／４板が使われ、入射光は互いに直交する偏光方向を有する２種の線偏光からなることを仮定する。図面で第１偏光はＳで表示し、第２偏光はＰで表示し、入射光（非偏光の光）はＬで表示する。
【００３２】
図面のように、入射光Ｌは第１ホログラフィック光学素子１００に第１角度で入射する。図面で第１角度は約０度である。このように入射した入射光Ｌは、第１ホログラフィック光学素子によって屈折して第２角度（図面では約４５度）で出射する。出射した光は第２ホログラフィック光学素子２００に第３角度（図面では約４５度）で入射し、第１偏光Ｓは第４角度である約−４５度の出射角で導波媒体４００に入射し、第２偏光Ｐは第５角度である約４５度の出射角で導波媒体４００に入射する。このように入射した第１偏光Ｓは再び第３ホログラフィック光学素子３００に第６角度である約０度で入射して最終的に約４５度の出射角で出射して導波媒体の外部に排出される。図面では第１偏光Ｓがリターダー５００を含む側壁には入射せず、すぐに第３ホログラフィック光学素子３００に入射する場合を示したが、前述した通り、第１偏光Ｓは前記リターダー５００が形成された側壁に偶数回入射して全反射した後に第３ホログラフィック光学素子３００に入射し得る。一方、第２偏光Ｐは前記リターダー５００が備えられた側壁に入射するようになるが、この側壁によって反射するので実質的に前記第２偏光Ｐがリターダー５００により遅延する遅延値はλ／２となる。したがって、前記第２偏光Ｐは、全反射して出ると、前記第１偏光Ｓと同じ偏光方向を有する線偏光となり、このように第１偏光Ｓに変換された全反射した光は、第３ホログラフィック光学素子３００に入射して前記第１偏光Ｓと同じ方式で屈折した後に排出される。図面では第２偏光Ｐがリターダー５００を含む側壁に１回入射した場合を示したが、前述した通り、第２偏光Ｐは前記リターダー５００が形成された側壁に奇数回入射して全反射した後に第３ホログラフィック光学素子３００に入射し得る。
【００３３】
このような過程を経ると、図面から確認されるように最初に入射した非偏光の光Ｌは、いずれも第１偏光Ｓに変換されて排出され得る。
【００３４】
本出願の他の態様による偏光変換素子での前記導波媒体の出光面は、入射した光を屈折させて出射させ得る形状に形成され得る。
【００３５】
一方、前記で導波媒体の出光面の形状は特に制限されず、例えば、前記出光面に入射した光が前記導波媒体の入光面の法線を基準として約−９０度超過かつ９０度未満の出射角で前記出光面から出射するように形成され得る。前記出射角は、−８０度以上、−７０度以上、−６０度以上、−５０度以上、−４０度以上、−３０度以上、−２０度以上、−１０度以上または−５度以上であり得、他の例示において、８０度以下、７０度以下、６０度以下、５０度以下、４０度以下、３０度以下、２０度以下、１０度以下または５度以下であり得、実質的に０度であり得る。
【００３６】
このような形状は業界で多様に公知にされており、例えば、プリズム形状またはレンチキュラーレンズの形状などが適用され得る。
【００３７】
このような場合、前記導波媒体は、前記リターダーが形成された側壁には入射しない第１偏光あるいは前記リターダーが形成された側壁に偶数回入射した第１偏光が前記導波媒体の出光面に入射し、前記リターダーが形成された側壁には奇数回入射した第２偏光が前記導波媒体の出光面に入射し得る。
【００３８】
前記のような構成の偏光変換素子が、非偏光の入射光から１種の偏光を生成する過程を図３を参照して説明する。図３は、本出願の一態様によって前記導波媒体の出光面に前記言及した形状４０１が存在する場合の例示である。図面の偏光変換素子は、前記第１ホログラフィック光学素子１００、第２ホログラフィック光学素子２００、出光面に屈折形状４０１がある導波媒体４００および導波媒体４００の側壁に形成されたリターダー５００を含み、図面で光の進行経路は矢印で表示されている。図面において、リターダー５００としてはλ／４板が使われ、入射光は互いに直交する偏光方向を有する２種の線偏光からなることを仮定する。図面で第１偏光はＳで表示し、第２偏光はＰで表示し、入射光（非偏光の光）はＬで表示する。
【００３９】
図面のように、入射光Ｌは第１ホログラフィック光学素子１００に第１角度で入射する。図面で第１角度は約０度である。このように入射した入射光Ｌは、第１ホログラフィック光学素子によって屈折して第２角度（図面では約４５度）で出射する。出射した光は第２ホログラフィック光学素子２００に第３角度（図面では約４５度）で入射し、第１偏光Ｓは第４角度である約−４５度の出射角で導波媒体４００に入射し、第２偏光Ｐは第５角度である約４５度の出射角で導波媒体４００に入射する。このように入射した第１偏光Ｓは、リターダー５００が形成された導波媒体４００の側壁には入射していない状態で導波されて屈折形状４０１が形成された出光面に入射して屈折した後に排出される。図面では第１偏光Ｓがリターダー５００を含む側壁には入射せず、出光面に入射する場合を示したが、前述した通り、第１偏光Ｓは前記リターダー５００が形成された側壁に偶数回入射して全反射した後に前記出光面に入射し得る。一方、第２偏光Ｐは前記リターダー５００が備えられた側壁に入射するようになるが、この側壁によって反射するので実質的に前記第２偏光Ｐがリターダー５００により遅延する遅延値はλ／２となる。したがって、前記第２偏光Ｓは全反射して出ると、前記第１偏光Ｓと同じ偏光方向を有する線偏光となり、このように第１偏光Ｓに変換された全反射した光は出光面に入射して前記第１偏光Ｓと同じ方式で屈折した後に排出される。図面では第２偏光Ｐがリターダー５００を含む側壁に１回入射した場合を示したが、前述した通り、第２偏光Ｐは前記リターダー５００が形成された側壁に奇数回入射して全反射した後に出光面に入射され得る。
【００４０】
このような過程を経ると、図面から確認されるように最初に入射した非偏光の光Ｌは、いずれも第１偏光Ｓに変換されて排出され得る。
【００４１】
本出願で前記のような構造の具現のために使われる各ホログラフィック光学素子、導波媒体、リターダーなどの種類は特に制限されない。光学分野では、前記各ホログラフィック光学素子、導波媒体、リターダーなどのような作用を示す要素が多様に公知にされており、本出願ではこのような要素をすべて使うことができる。
【００４２】
本出願はまた、光孤立装置に関するものである。用語、光孤立装置は、いずれか一方向に入射した光の透過率がその反対方向に入射した光の透過率に比べて相対的に大きくなるように構成された装置を意味し得る。光孤立装置に入射した光の透過率が大きい方向は正方向（Ｆｏｒｗａｒｄ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼称され得、その反対方向は逆方向（Ｂａｃｋｗａｒｄ  ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ）と呼称され得る。前記において、正方向と逆方向は互いに略１６０度〜２００度程度の角度をなし得るが、これに制限されるものではない。
【００４３】
光孤立装置において正方向に入射した光の透過率と逆方向に入射した光の透過率の比率は、下記の数式１による孤立度（ＩＲ、ｉｓｏｌａｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）による時、約３ｄＢ以上であり得る。前記孤立度は他の例示において、約３．５ｄＢ以上、４ｄＢ以上または４．５ｄＢ以上程度であり得る。前記孤立度は、その数値が高いほど優れた光孤立効果を示すので、その上限は特に制限されない。一例示において、前記孤立度は、約１０ｄＢ以下、約９．５ｄＢ以下、約９ｄＢ以下、約８．５ｄＢ以下、約８ｄＢ以下、約７．５ｄＢ以下、約７ｄＢ以下、約６．５ｄＢ以下または約６ｄＢ以下の程度であり得る。
【００４４】
［数式１］
ＩＲ＝１０×ｎ×ｌｏｇ（Ｆ／Ｂ）
【００４５】
数式１において、ＩＲは孤立度であり、ｎは光孤立装置内に含まれる後述する光孤立素子の個数であり、Ｆは正方向に光孤立装置に入射した光の透過率であり、Ｂは逆方向に光孤立装置に入射した光の透過率である。
【００４６】
光孤立装置の正方向に入射した光の透過率は、約１０％以上、約１５％以上、約２０％以上、約２５％以上、約３０％以上、約３５％以上、約４０％以上、約４５％以上、約５０％以上、約５５％以上、約６０％以上、約６５％以上、約７０％以上、約７５％以上、約８０％以上、約８５％以上、約９０％以上または約９５％以上であり得る。前記正方向透過率の上限は約１００％であり得る。また、光孤立装置の逆方向に入射した光の透過率は、約５０％未満、約４５％以下、約４０％以下、約３５％以下、約３０％以下、約２５％以下、約２０％以下、約１５％以下、約１０％以下または約５％以下であり得る。前記逆方向透過率の下限は約０％程度であり得る。
【００４７】
光孤立装置は少なくとも一つ以上の光孤立素子を含むことができる。用語、光孤立素子は、光孤立装置を形成する単位素子であって、単独で光孤立機能を有する。したがって、光孤立素子も正方向に入射した光の透過率が逆方向に入射した光の透過率に比べて相対的に大きくなるように構成されており、このとき、孤立度、正方向透過率および逆方向透過率の範囲は、前記光孤立装置で言及した内容が同様に適用され得る。
【００４８】
光孤立素子は、前記偏光変換素子および偏光子を含むことができる。図４に模式的に示したように、前記偏光変換素子２０１および偏光子２０２は、前記偏光変換素子２０１側に入射した光が前記素子２０１を透過した後に前記偏光子２０２に向うことができるように位置することができる。本明細書では、前記偏光変換素子２０１から偏光子２０２に向かう方向を正方向ＦＤと呼称し、前記偏光子２０２および偏光変換素子２０１に向かう方向を逆方向ＩＤと呼称し得る。
【００４９】
偏光変換素子は、前述した通り、第１方向に入射した非偏光を線偏光に変換させて第２方向に出射できるように構成されている。すなわち、前記偏光変換素子に対する説明を参照すると、前記第１および第２方向は非偏光の光が第１ホログラフィック光学素子に入射する方向と平行となり得る。前記において、第２方向に出射する線偏光は、一種類の線偏光であり得る。すなわち、第２方向に出射する線偏光は、互いに偏光方向が異なる二種類以上の線偏光を含まなくてもよい。前記第１および第２方向は正方向と略平行な方向であり得る。
【００５０】
光孤立素子は、前記の偏光変換素子とともに偏光子を含み、偏光子は正方向に進行して前記光孤立素子を透過した線偏光が入射し得る位置に配置される。前記偏光子としては、例えば、吸収型線型偏光子が使用され得る。吸収型線型偏光子は業界に多様に公知にされており、例えば、いわゆるＰＶＡ（ｐｏｌｙ（ｖｉｎｙｌ  ａｌｃｏｈｏｌ））偏光子が使用され得る。このような吸収型偏光子は一方向に形成された透過軸と前記透過軸と垂直な方向に形成された吸収軸を有するが、前記透過軸が前記偏光変換素子を透過して生成された線偏光の偏光方向と平行となるように前記偏光子が配置され得る。このような場合に正方向に入射して偏光変換素子を透過する光は、理論的に１００％透過することができ、逆方向に透過する光の少なくとも５０％は前記吸収型線型偏光子に吸収されて遮断される。
【００５１】
光孤立素子は、位相遅延板をさらに含むことができる。前記において、位相遅延板は、前述したリターダーと同一概念の光学素子であるが、本出願では偏光変換素子に含まれるリターダーとの区分のために位相遅延板と呼んでいる。前記位相遅延板は、正方向に進行する光が前記偏光子を透過した後に入射する位置に位置することができる。このような位相遅延板は、正方向に一旦光孤立素子を透過した光が反射などによって再び光孤立素子に向かって進行することで発生し得る問題を解消することができる。すなわち、前記位相遅延板の存在によって反射した光は吸収型偏光子の吸収軸と平行な線偏光に変換され、それに伴い前記偏光子に再び吸収される。
【００５２】
このような場合に、前記位相遅延板としては、前述したλ／４板が使用され得る。前記λ／４板の具体的な種類は前述した通りである。
【００５３】
この場合、前記位相遅延板は、その光軸（ｅｘ．遅相軸）が前記吸収型偏光子の透過軸と約４０度〜５０度の範囲内、例えば約４５度または１３０度〜１４０度の範囲内、例えば、約１３５度の角度をなすように配置され得る。
【００５４】
前記光孤立素子は前述した偏光変換素子に含まれ得るものの他に必要な場合、光の経路が制御できるプリズムまたは反射板のような光経路制御器をさらに含むことができる。
【００５５】
また、光孤立素子は、必要な場合に前記のほかに追加の光学要素を含むことができる。例えば、光孤立素子は、下記のルーバープレートのような光学要素を含むことができる。
【００５６】
このようなルーバープレートなどは、例えば、正方向に進行する光が最終的に出射する側、例えば前述した偏光子または位相遅延板の後方に存在することができる。
【００５７】
光孤立装置は、前記のような光孤立素子を１個または２個以上含むことができる。光孤立素子が２個以上含まれる場合に各光孤立素子は、正方向に沿っていずれか一つの光孤立素子を透過した光が他の光孤立素子の偏光変換素子側に入射することができるように配置され得る。このように複数個の光孤立素子を適用することによって光孤立度をより向上させることができる。例えば図５を参照すると、理論的には正方向に複数の光孤立素子を透過する光は損失なく継続して透過するが、逆方向に透過する光の場合、１／２の指数倍で継続して減少する。したがって、光孤立素子の数を制御することによって、光孤立度を最大化することができる。
【発明の効果】
【００５８】
本出願では、非偏光の入射光を１種の偏光に変換させることができる偏光変換素子および前記偏光変換素子を含む光孤立度に優れた光孤立装置が提供される。このような光孤立装置は、例えば、光通信やレーザー光学分野、セキュリティー、プライバシー保護分野、ディスプレイの輝度向上または隠蔽掩蔽用などの多様な用途に適用され得る。
【図面の簡単な説明】
【００５９】
【図１】ファラデー光孤立装置を模式的に示した図面。
【図２】本出願の偏光変換素子の模式図。
【図３】本出願の偏光変換素子の模式図。
【図４】本出願の光孤立素子の基本構成を示した図面。
【図５】複数の光孤立素子が含まれる場合を模式的に示した図面。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
以下、実施例および比較例を通じて本出願を具体的に説明するが、本出願の範囲は下記の実施例に制限されるものではない。
【００６１】
実施例１．
図２に示したような構造の素子を製作した後、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ社のＧｅｎｅｓｉｓ  ＭＸ  ＳＬＭレーザーを該当素子に入射（１０ｍＷ出力）させて素子をテストした。素子の製作に使われたホログラフィック光学素子（図２の１００、２００、３００）はいずれも透過型素子であり、公知の方式で製作された素子を使った。すなわち、前記ホログラフィック光学素子は、厚さが約５μｍ〜３０μｍ程度であるフォトポリマーに光源として５３２ｎｍの波長を有するＣｏｈｅｒｅｎｔ社のＧｅｎｅｓｉｓ  ＭＸ  ＳＬＭレーザーを使った干渉計で２００ｍＷ程度のレーザー出力で製作した。前記フォトポリマーの露光前の屈折率は約１．５程度であり、露光後の干渉模様の屈折率差は約０．０３程度であった。
【００６２】
第１光学素子（図２の１００）と第３光学素子（図２の３００）は、０度の入射角で光が入射すると、４５度の出射角で出射する透過型ホログラフィック光学素子であり、第２光学素子（図２の２００）は、約４５度の入射角で入射した非偏光された光のうち第１偏光Ｓは、約−４５度の角度で出射させ、第２偏光Ｐはそのまま透過させる素子である。
【００６３】
一辺の長さが約２ｃｍである正六面体状のプリズム（屈折率：約１．５）を使って導波媒体４００を構成したのであり、前記プリズムを切断してその切断面に前記第３光学素子３００を導入することによって図２のような形態を構成し、その側面に照射するレーザーの波長に対するλ／４板を形成した。
【００６４】
前記のような形態の素子に図２に示したように光を照射した結果（正方向照射）、得られた正方向の透過率Ｔ１と反対方向に光を透過させて確認した逆方向の透過率Ｔ２との比率（Ｔ１／Ｔ２）は、約３．２３程度であり、正方向に透過した光のうち第１偏光の比率は約７６．２％であった。
【００６５】
また、前記素子に対して確認した孤立度ＩＲは約５．１ｄＢであった。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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