(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
０．４から０．７ミクロンの可視光のスペクトラムに亘って作動可能な、広帯域ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタであって、
可視光内に配列された薄く細長い素子の一般的な平行配列であって、一般的に（ｉ）少なくとも一つの素子および入射光ビームの方向を含む平面に垂直に配向された偏光を持つ光を透過させ、（ｉｉ）少なくとも一つの素子および入射光ビームの方向を含む平面に配向された偏光を持つ光を反射させるように、０．４から０．７ミクロンの可視光の電磁波と相互作用するように配列が構成され素子が一定の大きさに作られた、配列と、
素子の配列が、０．４から０．７ミクロンの実質的に全可視スペクトル全域で５０％より大きなスループットを持ち、スループットは一方の偏光の反射光の全反射光に対する部分量と他方の偏光の透過光の全透過光に対する部分量の積により定義されることを特徴とし、
素子の配列が、０．４から０．７ミクロンのスペクトラム範囲での反射又は透過のいずれかにおいて５０より大きな消光を持ち、
前記素子の配列が、０．０５から０．１３μｍの間の周期を有し、
前記素子が、０．０５から０．１５μｍの間の厚さを有し、
前記素子が、０．２５から０．７６の間の幅：周期の比を有し、
前記素子のそれぞれが、底部、底部の反対側の上部、向かい合った左右の側部を持つ台形型の断面を有し、側部は、底部に対して６８度から１１２度の間の角度を形成し、
前記素子が、アルミニウム又は銀で形成され、
前記アルミニウムが、波長４５０ｎｍで０．６１８の５０％より大きく、波長５５０ｎｍで０．９５８の５０％より大きく、波長６５０ｎｍで１．４７の５０％より大きい光学定数ｎを持ち、
前記アルミニウムが、波長４５０ｎｍで５．４７の５０％より大きく、波長５５０ｎｍで６．６９の５０％より大きく、波長６５０ｎｍで７．７９の５０％より大きい光学定数ｋを持ち、
前記銀が、波長４５９．２ｎｍで０．１４４の８０％より大きく、波長５６３．６ｎｍで０．１２０の８０％より大きく、波長６５２．６ｎｍで０．１４０の８０％より大きい光学定数ｎを持ち、
前記銀が、波長４５９．２ｎｍで２．５６の８０％より大きく、波長５６３．６ｎｍで３．４５の８０％より大きく、波長６５２．６ｎｍで４．１５の８０％より大きい光学定数ｋを持つ、
ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ。
【請求項２】
素子の配列が一方の偏光の少なくとも６７％を反射することを特徴とする、請求項１に記載のビームスプリッタ。
【請求項３】
素子の配列が一方の偏光の少なくとも６７％を透過することを特徴とする、請求項１に記載のビームスプリッタ。
【請求項４】
素子の各々が丸められた上部を持つことを特徴とする、請求項１に記載のビームスプリッタ。
【請求項５】
素子の断面形状が半シヌソイドであり、当該半シヌソイドが、素子の側部の１つにおけるフィレットから、素子の側部の他の１つにおけるフィレットまで形成されることを特徴とする、請求項１に記載のビームスプリッタ。
【請求項６】
所望範囲の入射角全域で動作可能であり実質的に可視スペクトル全域で動作可能であり、所定の消光を持つ、請求項１に記載の広帯域ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを設計する方法であって、
可視スペクトルの下限を使用して様々な素子の厚さでの入射角の所定の上限および下限に対する透過効率を決定するステップと、
少なくとも周期および幅の周期に対する比率を含む他のパラメータを選択するステップと、
入射角の上限および下限に対する透過効率が同じである素子の厚さを決定するステップと、
決定された素子の厚さで入射角の上限および下限の両方における消光を決定するステップと、
所定の消光に達するまで少なくとも一つのパラメータを変化しつつ上述のステップを繰り返すステップと、
を含む方法。
【請求項７】
所望範囲内の異なる様々な入射角および可視スペクトル内の様々な波長に対する透過効率を決定するステップと、
透過効率が少なくとも８０％になり、一般的に可視スペクトル全域で同じになるまで少なくとも一つのパラメータを変化させて上述ステップを繰り返すステップと、
をさらに含むことを特徴とする、請求項６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
１．発明の分野
本発明は、一方の線形偏光を反射し他方の線形偏光を透過させる、可視スペクトルにおいて動作可能なビームスプリッターに関する。より詳細には本発明は、ワイヤグリッド偏光子を動作光学素子（ｏｐｅｒａｔｉｖｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｌｅｍｅｎｔ）として利用するビームスプリッタに関する。さらに、本発明は可視スペクトル全域で所望の機能を獲得するためのビームスプリッタの重要なパラメータに関する。
【０００２】
２．従来技術
ワイヤグリッド偏光子（ＷＧＰ）は、偏光光学システムにおいて使用されているが、ビームスプリッタにおいて効率的に適用されていない。例えば、赤外およびそれより長波長側で動作するワイヤグリッド偏光子が開発されている1。０．１１５ｕｍ程度の微細なグリッド間隔つまり周期を有する構造が報告されている2。ワイヤグリッド偏光子の特性を高める多くの概念が教示されている。例えば、Ｇａｒｖｉｎ3およびＫｅｉｌｍａｎｎ４は赤外で動作しているワイヤグリッド偏光子の垂直入射での特性を改善させる方法を開示している。別の例としてＴａｍａｄａはグリッド間隔が入射光の波長よりも非常に短い必要のない狭いスペクトルバンド偏光素子を生成するために、グレーティング構造において共鳴効果を使用する概念を教示している5。しかし広いスペクトルバンド、例えば可視スペクトル全域で動作するワイヤグリッド偏光子は、グリッド間隔が入射光の波長より非常に短いことを必要とする。Ｔａｍａｄａに関する一つの欠点は、所定の角度および所定のスプリットビーム間強度で動作する偏光ビームスプリッタを教示していない点にある。Ｔａｍａｄａは他者と同様に、ほぼ垂直な入射で動作する構造のみを議論している。
【０００３】
大きな入射角において赤外ワイヤグリッド偏光子を使用する概念は、時として論文において議論されている。例えばＳｔｅｎｋａｍｐは、入射角８０度で１００ｎｍ周期のワイヤグリッド偏光子の透過率を測定した。Ｓｔｅｎｋａｍｐは、波長６７０ｎｍで消光率が増加することを観測した。しかしＳｔｅｎｋａｍｐは、反射された放射強度を測定せず、データは唯一つの波長に対するものである6。別の例では、Ｂｉｒｄは斜め入射結果の定性テストにおいてワイヤグリッドの透過率が、垂直からほぼ３０度離れるまでは斜め入射にほぼ無関係であることを示しており7、それはＰｕｒｓｌｅｙの念入りな研究に一致している8。
【０００４】
光学ハンドブックは、ワイヤグリッド偏光子が高開口数を持つ光学システムで使用可能であることを述べている9。特に、Ｙｏｕｎｇは入射角が０度から４５度で使用される中赤外線（１２ｕｍ）偏光子の偏光率に減少はないが、他方で透過率が３０％より多く減少される（０．５５から０．４０より低くなる）ということが発見したとして引用されている10。
【０００５】
偏光ビームスプリッタを設計するために使用され得る重要なグリッド・パラメータはグレーティング材料の周期（ｐ）、ライン幅（ｗ）、ラインの深さつまり厚さ（ｔ）、基板材料の特性（例えば屈折率）、入射角、入射放射とグレーティングの共鳴効果例えばＲａｙｌｅｉｇｈ共鳴の波長を含んでいる。例えば、Ｈａｇｇａｎｓは、ワイヤグリッドから反射された光ビームにおいて、これらのパラメータの結果を研究した11。Ｈａｇｇａｎｓのほとんどの計算は入射角４５度に対するものであり、透過率は考察されていないように思われる。別の例として、Ｓｃｈｎａｂｌｅは、特定の波長範囲でクロムと比較した場合に偏光効果を増加出来るのはほんのわずかの例外しかないことから金属材料を変化させることはあまり有用でないことを述べている12。
【０００６】
さらに、Ｈａｉｄｎｅｒは垂直入射および一つの波長（１０．６ｕｍ）のみで動作する偏光反射グレーティング偏光子を記述している13。
可視スペクトル全域で高く一様な透過効率および反射効率、可視スペクトル全域で高い透過及び／又は反射の消光、大きな開口数、（例えば透過および反射の効率、消光が相当な光円錐全域で維持されなくてはならず、円錐角として２０度から３０度の大きさを持つ光円錐でよく働く、を有する）ワイヤグリッド偏光子ビームスプリッターを有することが望ましい。これらの基準を満たすために、可視光全域で一様な特性を持つ実践的な設計が、Ｒａｙｌｅｉｇｈ共鳴などのグレーティング共鳴効果を明らかにし制御しなくてはならない。上述したように、いくつかの参照文献が斜角でワイヤグリッド偏光子の特性に影響を与えるグリッドパラメータのいくつかの側面を議論している一方で、他の参照文献がこれらと同じパラメータの役割について混乱を示している。しかし参照文献のいずれもが可視スペクトルにおけるイメージング応用のために有用なワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの設計に必要な重要な概念をまとめていない。
【０００７】
ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタに対し所望程度の機能を確保するために相互に関連づけられ集合的に扱われなくてはならない重要概念つまり物理的なパラメータは、グリッド外形の構造および形、ワイヤ又はグリッド素子の高さつまり厚さ、光の偏光に対するグリッドの向き、グリッド材料、入射角、収束、発散又は円錐角、Ｒａｙｌｅｉｇｈ共鳴などの現象の結果を含んでいる。これらの概念は、効率的なワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの所望機能を獲得するために理解されなくてはならない。
【０００８】
従って、広いスペクトル範囲全域で効率的に一方の線形偏光を反射し他方を透過させるワイヤグリッド偏光子を使用したビームスプリッタを開発することが有利となるであろう。重大な設計制限が光学システムに課せらず、実質上設計における融通性が許容され得るようにさまざまな入射角で配列可能なビームスプリッタを開発することがさらに有利になるであろう。ワイヤグリッドの外形、ワイヤグリッドの寸法、ワイヤグリッド材料、ワイヤグリッドの向き、波長範囲、入射角、円錐角、レイリー共鳴効果などの重要な設計概念又はパラメータを考慮したビームスプリッタを開発することがさらに有利になるであろう。比較的発散した光を受領可能な大きな受領角を有するビームスプリッタを開発することがさらに有利であろう。
【０００９】

１．Ｈ．Ｈｅｒｔｚ、Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｗａｖｅｓ（Ｍａｃｍｉｌｌａｎ  ａｎｄ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌｔｄ．，Ｌｏｎｄｏｎ，１８９３）ｐ．１７７．；Ｇ．Ｒ．Ｂｉｒｄ  ａｎｄ  Ｍ．Ｐａｒｒｉｓｈ，Ｊｒ．，“近赤外偏光子としてのワイヤグリッド，”Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．５０，ｐｐ．８８６−８９１，１９６０．
２．Ｇ．Ｊ．Ｓｏｎｅｋ，Ｄ．Ｋ．Ｗａｎｇｅｒ，ａｎｄ  Ｊ．Ｍ．Ｂａｌｌａｎｔｙｎｅ，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．２２，ｐｐ．１２７０−１２７２，１９８３．
３．Ｇａｒｖｉｎ，Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．４，２８９，３８１
４．Ｋｅｉｌｍａｎｎ，Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．５，１７７，６３５
５．Ｔａｍａｄａ，Ｕ．Ｓ．Ｐａｔ．５，７４８，３６８；ａｎｄ  Ｈ．Ｔａｍａｄａ，ｅｔ  ａｌ．，“０．８ｕｍ波長帯でｓ偏光共鳴効果を使用したＡｌワイヤグリッド偏光子，”Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ，２２，Ｎｏ．６，ｐｐ．４１０−４２１，１９９６）
６．Ｂ．Ｓｔｅｎｋａｍｐ，ｅｔ  ａｌ．，“可視スペクトル領域のためのグリッド偏光子，”ＳＰＩＥ，２２１３，ｐｐ．２８８−２９６（１９９４）
７．Ｇ．Ｒ．Ｂｉｒｄ  ａｎｄ  Ｍ．Ｐａｒｒｉｓｈ，Ｊｒ．，“近赤外偏光子としてのワイヤグリッド，”Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，５０，ｐｐ．８８６−８９１（１９６０）
８．Ｗ．Ｋ．Ｐｕｒｓｌｅｙ，Ｄｏｃｔｏｒａｌ  ｔｈｅｓｉｓ，Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  ｏｆ  Ｍｉｃｈｉｇａｎ，（１９５６）
９．Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｂａｓｓ，Ｅｄｉｔｏｒ  ｉｎ  Ｃｈｉｅｆ，Ｔｈｅ  Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ，ＶｏｌｕｍｅＩＩ，ｐ．３．３４，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ，Ｉｎｃ．，Ｎｅｗ  Ｙｏｒｋ（１９９５）
１０．Ｊ．Ｂ．Ｙｏｕｎｇ，ｅｔ  ａｌ．，Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．４，ｐｐ．１０２３−１０２６（１９６５）
１１．Ｃ．Ｗ．Ｈａｇｇａｎｓ，ｅｔ  ａｌ．，“鏡面反射ビームのための偏光素子としての層状グレーティング”Ｊ．Ｍｏｄ．Ｏｐｔｉｃｓ，４０，ｐｐ．６７５−６８６（１９９３）
１２．Ｂ．Ｓｃｈｎａｂｌｅ，ｅｔ  ａｌ．“サブ波長−周期（ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−ｐｅｒｉｏｄ）の金属ストライプグレーティングによる偏光可視光の研究”Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．３８（２），ｐｐ．２２０−２２６（１９９６）
１３．Ｈ．Ｈａｉｄｎｅｒ，ｅｔ  ａｌ．，“１０．６ｕｍ波長のための偏光反射グレーティングビームスプリッタ，”Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．，３２（８），１８６０−１８６５（１９９３）
【００１０】
発明の目的および要旨
本発明の目的は、可視光の一方の偏光を反射し他方の偏光を透過させる、可視スペクトルで動作可能なビームスプリッタ装置を提供することである。
【００１１】
本発明の別の目的は、ワイヤグリッドの外形、ワイヤグリッドの寸法、ワイヤグリッド材料、ワイヤグリッドの向き、波長範囲、入射角、円錐角、レイリー共鳴効果などの様々な設計パラメータ又は概念を組み合わせて効果的で効率的な特性を提供することである。
【００１２】
本発明の別の目的は、様々な入射角で配列可能であり設計上の融通性が増加されたビームスプリッタ装置を提供することである。
本発明の別の目的は、比較的発散した光を受領することが出来る大きな受領角を持つビームスプリッタ装置を提供することである。
【００１３】
本発明のさらなる目的は、イメージ投影システム、光投影システム、および／又はディスプレーシステムにおいて使用するためのビームスプリッタ装置を提供することである。
【００１４】
本発明のこれらおよび他の目的および利点は、薄く、細長い素子の一般的な平行配列を持つワイヤグリッド偏光ビームスプリッタにおいて理解される。光源ビームの電磁波と相互作用して一般的に一方の偏光の光を透過又は通過させ他方の偏光の光を反射させるように、配列は構成され素子は一定の大きさに作られている。素子及び入射光ビームの方向を含む平面に垂直に配向された偏光を持つ光が透過され、少なくとも一つの素子及び入射光ビームの方向を含む平面に平行に配向された光は反射される。
【００１５】
素子の配列は、反射光の割合と透過光の割合の積により定義される、約５０％より大きなスループットを有利には有している。さらに素子の配列は約５０％より大きな消光を有利に持っている。従って、素子の配列は一方の偏光を少なくとも６７％反射し及び／又は他方の偏光を少なくとも６７％透過させる。さらに、素子の配列は約０度から８０度の間の入射角に対し有利に向けられる。
【００１６】
素子の配列は、有利には約０．２１ｕｍより小さな周期を持ち、幅の周期に対する比率として約０．２５から０．７６の間の値を有している。さらに素子は約０．０４から０．５ｕｍの間の厚さを有している。さらに素子は各々、底部に対して６８度から１１２度の間の角を形成している側部を持つ台形型の断面図を有している。
【００１７】
可視スペクトル全域において一般的に同じ特性を持ち、所定の消光を有する、所望範囲の入射角全域で動作可能なワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを設計および生成する方法は、第１に様々な素子の厚さでの所定の入射角の上限及び下限に対する透過効率を可視スペクトルの下限を使用して決定するステップを含む。周期および幅の周期に対する比率を少なくとも含んだ他のクリティカルパラメータが選択される。素子の厚さは、入射角の上限及び下限に対する透過効率が充分に同じである所で計算される。消光は入射角の上限および下限で所定の素子の厚さに対して計算される。計算された特性が許容出来る場合、この設計は適切である。計算された特性が許容出来ない場合、上記プロセスが、所定の消光に到達するまで少なくとも一つのパラメータを変化させて繰り返される。透過効率は所望範囲の様々な異なる入射角、可視スペクトルの様々な波長に対して決定され得る。プロセスは所望のビームスプリッタ効率が達成され、可視スペクトル全域で概して同じになるまで少なくとも一つのパラメータを変化させて繰り返される。
【００１８】
本発明のこれらおよび他の目的、特徴、利点および代替的な側面は、添付された図面と組み合わせて以下の詳細な説明を考慮することで当業者に明らかになるであろう。
【００１９】
発明の詳細な説明
本発明の様々な素子が数字の指示を与えられ、本発明が当業者が本発明の作成及び使用を出来るように議論される図面に対して参照がなされるであろう。
【００２０】
ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの好適な実施の形態は図１に概略されるような光学システムにおいて使用するのに適している。図１に示すように、一般的に１０で示されるようなイメージ投影システムのディスプレー光学列が、一般的に１４で示されるビームスプリッタなどのワイヤグリッド偏光子を有するように示されている。イメージ投影システム１０は、光源２０，集光オプティクス２２，ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１４、投影オプティクス２４，様々なタイプのディスプレースクリーン２５，イメージ生成液晶アレーつまり光弁２６，結像つまりリレーオプティクス２７を組み込み得る。ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを組み込んでいる他の配列が可能であることはもちろん理解される。
【００２１】
図１に示される光学ジオメトリーにおいて、ワイヤグリッドＰＢＳ１４は光源２０からのｓ偏光などの所望の偏光に対し高い反射率（Ｒs）を有し、液晶アレー２６からのｐ偏光などの反対の偏光に対し高い透過率（Ｔp）を有しなくてはならない。光学システムの効率はこれらの二つの積ＲsＴpに比例しており、よって一つの因子における欠陥は他方の改善により幾分か補償可能であり、目標は可能な最大の積ＲsＴpを生成することである。さらなる議論に対し、スループットという用語が積ＲsＴpを言及するために使用されるであろう。
【００２２】
別の重要な特性因子は、イメージにおけるコントラストであり、光強度のダークピクセルに対する比率により定義される。これは所望偏光の低い漏れにより非常に支配されているが、この場合には反射消光と透過消光の積は重要なパラメータではない、なぜならビームスプリッタ１４に第１衝突した後、第２衝突する前に連続的に置かれているイメージ生成アレー２６がイメージコントラストの生成に貢献しているからである。従って最終的なシステムのコントラストは、偏光子の消光と同様光弁特性に依存するであろう。更なる偏光子素子を有しない図１に示すようなシステムの場合、５０の反射および透過の消光は合理的に有用な最小値であるということが理解されている。
【００２３】
ビームスプリッタ１４によって達成される二つの異なる機能がある。第１は液晶アレー２６に当たる前、又は他の適切なイメージ生成装置に当たる前に偏光された光を用意することである。ここでの要求は最終的なイメージが所望レベルの特性に合致するように、光弁２６により作られる光ビームの偏光のなんらかの変化がビームスプリッタ１４により適切に検出され又は分析されるよう光が充分によく偏光されることである。同様に、ビームスプリッタ１４の第２の機能は所望のシステムコントラスト特性が達成されるように、光弁によりビームスプリッタ１４へ戻される光を分析することである。
【００２４】
従って好適な実施の形態におけるワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１４は、反射ビームＲおよび透過ビームＴの両方に対して所望偏光の消光を同時に引き渡しつつスループット（ＲsＴp）を最大にするように設計することである。この所望の特性レベルを達成する上で基礎となる本発明の重要なパラメータ、つまり物理的な特徴があり、以下で図２ａ、図２ｂを参照にして記述されるであろう。
【００２５】
図２ａおよび図２ｂを参照にすると、偏光ビームスプリッタ１４は基板４０上に配列されたグリッド３０，つまり導電要素の平行アレーを有する。偏光ビームスプリッタ１４は、光ビームがグリッド上に入射角θで入射されるように光の中に配列されている。必要とされる特性レベルを達成するためにグループとして最適化されなくてはならないワイヤグリッド・ビームスプリッタ１４の重要な物理的パラメータは、ワイヤグリッド３０の周期ｐ、グリッド素子３０の高さつまり厚さｔ、グリッド素子３０の幅ｗ、グリッド素子の側部の傾きαを含んでいる。
【００２６】
これらの寸法の間に適切な関係を持つ細長い素子のアレーを生成することに加えて、適切な光学特性を持つ適切な材料の素子を組成することが重要である。可視スペクトル全域で機能しなくてはならないビームスプリッタにとっては、アルミニウム又は銀が好適な材料である。使用されるアルミニウム又は銀が、最良の光学品質であることが重要なことである。Ｅｄｗａｒｄ  Ｄ．Ｐａｌｉｋ編集の固体の光学定数のハンドブック、パートＩ、１９８５のｐｐ．３５０−３５７および３６９―４０６のＰａｌｉｋにおいて作成されたもの、Ｐａｌｉｋに引用されたオリジナルソース、又は同様のデータテーブルと実質的に同様な光学品質（光学定数ｎ、ｋなど）をもつようにアルミニウム又は銀が用意されるように注意しなくてはならない。例えば、銀の所望の光学定数は、波長４５９．２ｎｍの場合ｎ＝０．１４４，ｋ＝２．５６、波長５６３．６ｎｍの場合ｎ＝０．１２０、ｋ＝３．４５、波長６５２．６ｎｍの場合ｎ＝０．１４０、ｋ＝４．１５である。同様にアルミニウムの場合適切な値は、波長４５０ｎｍでｎ＝０．６１８、ｋ＝５．４７、波長５５０ｎｍでｎ＝０．９５８、ｋ＝６．６９、波長６５０ｎｍでｎ＝１．４７，ｋ＝７．７９である。我々はより非常に高いｋの値のためアルミニウムは銀より好ましいことを発見した。特に、これらの値の約５０％を越えないｎ、ｋをいずれか又は両方持つアルミニウムを使用することは適切に機能するであろうビームスプリッタの生成の困難性を非常に増加させるであろう。銀が使用される場合、ｎおよびｋのいずれか又は両方の値は上述した値の約８０％を越えなくてはならない。
【００２７】
図２ｂを調べることでグリッド素子３０の一般的な断面が性質上台形又は長方形であることが注目されるであろう。この一般的な形は好適な実施の形態の偏光ビームスプリッタ１４のさらなる特徴であるが、グリッド素子３０の上部のコーナーのまるみ５０、グリッド素子３０の底部におけるフィレット５４など、製造プロセスにより当然に小さな変形が許容され得る。
【００２８】
グリッド素子３０の右側部に左側部に対して異なる傾きを導入することは、グリッド構造に方向異方性を導入することでグリッド３０の角特性を調整を助長することを有利にするために使用可能であることに注意されるべきである。とはいえ、これは第２の効果と考えられる。
【００２９】
代替的に、グリッド素子３０の一般的な断面は図２ｃに示すように緩やかにカーブされ、又は図２ｄに示すように性質上シヌソイドであり得る。例えば素子３０の断面は図２ｄに示すようにサインカーブの一部分と類似し得る。そのようにカーブされた断面又はシヌソイドの断面は、素子の底部でのコーナーの極度の丸み及びフィレットにより形成可能である。別の例として素子の上部は広くカーブされ、つまり図２ｃに示すようにコーナーが極度に丸みを帯び得る。
【００３０】
さらにワイヤグリッド３０の周期ｐは、好適な実施の形態のビームスプリッタ１４のイメージング忠実度の要求を満たすために必要とされる鏡面反射特性を達成するため規則的でなくてはならないことに注意すべきである。完全に規則的で一様なグリッド３０を持つほうが良いが、そのことがそれほど重要でないいくつかの応用ではその必要性は緩和される。しかし周期ｐの変化が、テキスト表示におえる単一文字の大きさなどの、イメージにおける意味ある寸法全域で１０％未満である、つまりイメージにおいてほんの少しのピクセルであることは、必要な特性を達成するために必要であると考えられている。もちろん、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタのイメージングでない応用においては、周期ｐの変化に対し大きな許容度を有し得る。
【００３１】
グリッド素子３０の幅ｗ、グリッド素子の高さｔ、側面の傾きα、又はコーナー５０の丸みＲｃ、フィレット５４の丸みＲfなどの上述された他のパラメータにおけるビームスプリッタ１４全域での合理的な変化は、ディスプレーの特性に物質的影響を与えることなく可能であり、そのことは特にビームスプリッタ１４がしばしばそのようであるようにイメージ平面でない場合にあてはまる。さらにこれらの変化は完了したビームスプリッタ１４において縞、透過効率の変化、反射効率の変化、色の一様性の変化などとして見ることが可能であり、さらに特定の応用に対して有用な部分を提供する。
【００３２】
これらのパラメータの最適化により達成されなくてはならない設計目標は、可能な最良スループットＲsＴpを生成しつつ、応用におけるコントラスト要求を満たすことである。上述したように、偏光ビームスプリッタ１４に要求される最小消光は５０のオーダである。価値ある結果を有するためにビームスプリッタ１４に必要とされる最小スループット（ＲsＴp）は約５０％で、それはＲｓ、Ｔｐのいずれか又は両方が約６７％を越えなくてはならないことを意味する。もちろん、ビームスプリッタのスループットおよび消光の両方においてより高い特性であることは価値があり、より優れた結果を提供するであろう。これらのパラメータがワイヤグリッド・ビームスプリッタの特性にいかなる影響を与えるかを理解するために、各パラメータにより達成される特性の変化を調べる必要がある。
【００３３】
図３ａ−３ｅを参照すると、ワイヤグリッド・ビームスプリッタ１４の特性が周期ｐに関して示されている。グレーティングは、ＢＫ７ガラス基板上にＰａｌｉｋから測定された光学定数を持つアルミニウムのワイヤグリッド素子のアレーを備えている。各アルミニウムのワイヤグリッド素子の高さつまり厚さｔは１，０００Åつまり１００ｎｍである。入射角θは３０度であり、ライン幅と周期の比率は０．４５である。図３ａは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍでのＳ偏光の反射効率、Ｐ偏光の透過効率をグレーティング周期ｐの関数として示している。
【００３４】
図３ｂは波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍでのスループット（ＲsＴp）を周期ｐの関数として示している。図３ｂに表示されるデータは周期ｐが０．２１ｕｍ程度で未だ５０％のスループットを生じ得ることを示している。
【００３５】
図３ｃは、周期ｐの関数として消光を示している。最悪の場合、即ち波長λ＝４５０ｎｍの場合には、消光は周期ｐが０．２１ｕｍ程度の場合１００より大きい。
【００３６】
図３ｄは、レイリー波長、即ちグレーティング共鳴が起きる波長（λ＝ｐ［ｎs±ｓｉｎθ］、ｎs＝１．５２５）を周期ｐの関数としてプロットしている。入射角θが３０度、波長４５０ｎｍの場合、周期ｐは０．２１ｕｍ程度の大きさとなり得る。
【００３７】
図３ｅは、許容可能な周期ｐを入射角θの関数として示している。利用可能な最大周期は、波長４５０ｎｍでの入射角に基づいたレイリー共鳴の開始に基づいている。曲線はワイヤグリッド偏光子は周期０．２１ｕｍ以下では大きな入射角で動作出来ることを示している。
【００３８】
従って、図３ａ−３ｅは上述されたパラメータにより定義されるようなワイヤグリッド偏光子が可視スペクトル全域で合理的な特性を有するビームスプリッタを生成するためには０．２１ｕｍより小さな周期ｐを持たなくてはならないことを示している。より大きな周期のビームスプリッタは、全可視スペクトルでない、例えば赤のみ、赤と緑などを表示することが予定されるシステムにおいて有用であろうことがもちろん理解される。
【００３９】
ここで図４ａ−４ｃを参照すると、ワイヤグリッド・ビームスプリッタ１４の特性が素子の高さつまり厚さｔに関して示されている。偏光子はＢＫ７グラス基板上でＰａｌｉｋｓから測定された光学特性を持つアルミニウムのワイヤグリッド素子のアレーである。周期は０．１５ｕｍ、ライン−スペースの比率は０．５、入射角θは６０度である。図４ａは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおけるＳ偏光の反射効率およびＰ偏光の透過効率を素子の高さつまり厚さｔの関数としてプロットしたものである。薄膜効果が図４ａにおいて明らかであるが、Ｐ透過効率は全ての実用的な素子の高さ、主に２００Åから０．５ｕｍおよびそれより高い高さに対し６０％より高く維持されている。もちろん、異なる光学特性を持つアルミニウムではない物質では異なる結果が発生するであろう。
【００４０】
図４ｂは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおけるスループットを素子の高さつまり厚さｔの関数として示したものである。スループットは、２００Åから０．５ｕｍつまり２０ｎｍから５００ｎｍの間の全ての実用的な素子の高さで５０％より大きい。
【００４１】
図４ｃは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおける消光を素子の高さの関数として示したものである。５０の消光は少なくとも５００Å、つまり５０ｎｍの素子の高さを要求する。
【００４２】
従って、図４ａ−４ｃは必要とされる特性を提供するためにワイヤグリッド素子の高さｔが５００Åと０．５ｕｍの範囲の間にならなくてはならないことを示している。
【００４３】
ここで図５ａ−５ｃを参照すると、ワイヤグリッド・ビームスプリッタ１４の特性がライン−スペースの比率に関して示されている。偏光子は、ＢＫグラス基板上にＰａｌｉｋｓから測定された光学特性を持つアルミニウムのワイヤグリッド素子のアレーである。周期ｐは０．１６ｕｍ、アルミニウム素子の高さｔは０．１３ｕｍ、入射角θは６０度である。
【００４４】
図５ａは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおけるＳ偏光の反射効率とＰ偏光の透過効率をライン幅の周期に対する比率（ｗ／ｐ）の関数として示したプロットである。Ｐ透過効率は、０．１６と０．７６の間のライン−スペースの比率に対し高く維持されている。
【００４５】
図５ｂは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおけるスループットをライン幅の周期に対する比率の関数としている。よいスループット特性はライン幅の周期に対する比率が０．１６と０．７６の間で達成される。
【００４６】
図５ｃは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおける消光をライン幅の周期に対する比率の関数として示している。可視スペクトル全域における５０の消光は、この比率が少なくとも０．２５となることを必要とする。もちろんより大きな波長領域のみ（赤、赤−緑）で使用されるビームスプリッタは０．２０より小さな比率を有し得る。
【００４７】
従って、図５ａ−５ｃは必要とされる特性を提供するために、ライン幅の周期に対する比率（ｗ／ｐ）が０．２５と０．７６の範囲の間になくてはならないことを示している。
【００４８】
ここで図６ａおよび図６ｂを参照すると、ワイヤグリッド・ビームスプリッタ１４の特性が素子の断面的な形、主に台形の断面に関して示されている。これらの図で表される偏光子はＢＫグラス基板上にＰａｌｉｋから測定された光学特性を有する、アルミニウムのワイヤグリッド素子のアレーである。周期ｐは０．１６ｕｍ、入射角θは４５度、台形素子の高さｔは１０００Åである。ワイヤグリッド素子の断面領域は、ライン−スペースの比率に０．４５を有する長方形ワイヤグリッド素子のものと同じである。
【００４９】
図６ａは、基板に関して６８度の角度をなす側壁（ｓｉｄｅ  ｗａｌｌ）を持つ台形断面を有する素子からなるワイヤグリッドアレーのスループットを波長λの関数として示したものである。５０％より大きなスループットは、４１５ｎｍ以上の全ての周波数λに対して起きうる。
【００５０】
図６ｂは、基板に関して６８度の角度をなす側壁を持つ台形断面を有する素子からなるワイヤグリッドアレーの消光を波長λの関数として示したものである。３９０ｎｍ以上の全ての波長で５０より大きな消光を有するであろう。
【００５１】
従って図６ａおよび図６ｂに示すように、６８度程度の低い斜角をもつ台形断面をもつワイヤグリッド素子は必要な特性を提供するであろう。図６ａおよび図６ｂに示されるものから実質的に特性を低下させることなく、角度は１１２度から、９０度（長方形）を通り、６８度まで可能である。
【００５２】
ここで図７ａおよび図７ｂに言及すると、ワイヤグリッド・ビームスプリッタ１４の特性がコーナー５０の半径ｒcに関して示されている。偏光子は、１７３７Ｆガラス基板上のＰａｌｉｋから測定された特性を持つアルミニウムのワイヤグリッド素子のアレーである。周期ｐは０．１６ｕｍ、アルミニウム素子の高さｔは０．１１５ｕｍ、入射角θは４５度である。
【００５３】
図７ａは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍでのスループット（ＲsＴp）をコーナー半径の関数として示している。よいスループット即ち５０％を越える特性は、全ての半径について達成される。
【００５４】
図７ｂは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍの波長において消光をコーナー半径の関数として示している。１００より大きな消光が全てのコーナー半径について可能である。
【００５５】
ここで図７ｃおよび７ｄを参照すると、ワイヤグリッド・ビームスプリッタ１４の特性が素子の断面の形、主にシヌソイド断面に関して示されている。偏光子は、ＢＫ７グラス基板上でＰａｌｉｋから測定された光学特性を持つアルミニウムのワイヤグリッド素子のアレーである。ワイヤグリッド素子は０．１５ｕｍの高さｔを持つシヌソイドの断面を持っている。他のパラメータは７ａ、７ｂに対して使用されるものと同じである。
【００５６】
図７ｃは、シヌソイド断面の場合にスループット（ＲsＴp）を波長λの関数として示している。よいスループット特性、即ち５０％より大きい特性は４００ｎｍより大きな波長で達成される。
【００５７】
図７ｄは、シヌソイド断面の場合に消光を波長λの関数として示している。５０より大きな消光は４００ｎｍより大きな波長で可能である。
従って、図７ａ−７ｄは所望の場合、つまり製造を容易にするためなどの場合にワイヤグリッド素子のコーナーが丸められ、シヌソイドにさえなり得ることを示している。
【００５８】
上述した情報は、ワイヤグリッド・ビームスプリッタ１４の全てのパラメータに対して必要とされる範囲は何かという広い条件を定義しているが、所望されるビームスプリッタの特性を達成するためにこれらのパラメータが共にどのように選択されるかの方法について定義しない。関心ある問題は角度に関する色の特性、角度に関する透過率、角度に関する消光などのバランスを取ることである。上述された広い範囲に加えて、定義される範囲からいかなる特定のパラメータが特定の応用に適しているかを選択し、これらのパラメータがどのように選択されるかを支配する幾つかの一般的なルールを定義することがさらに重要である。
【００５９】
図８ａ−８ｄを参照にすると、設計例が説明されている。目標は４５０ｎｍから６５０ｎｍの可視波長全域でほぼ均一に応答し、少なくとも２００の消光および少なくとも７０％の効率又はスループットを持つ、入射角θが３０度から６０度の範囲で動作するワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを生成することである。設計は繰り返しなされる。まず、波長４５０ｎｍを使用して入射角３０度及び６０度の場合にＰ透過がワイヤグリッド素子の高さｔの関数として計算される。４５０ｎｍの短波長は最悪の場合を示すが、より長い波長がより良い結果を示すであろう。図５ｂからは、幅と周期の比率に０．５を選択すると最適条件に近づくことが明らかであり、周期はコストや製造収量などの実用性を考慮した他の問題と同様に小さくされるべきである。二つの計算は同じグラフにプロットされている。二つの曲線が交わるワイヤグリッド素子の高さｔが見つけられる。ワイヤグリッド素子の高さｔの関数としての消光は両方の角度に対して計算されており、交点の高さｔでの消光が見つけられる。特性が満足されない場合、クリティカルパラメータの一つが変化され、設計プロセスが繰り返される。最良の設計を見つけるために、Ａ．Ｉ．ＫｈｕｒｉとＪ．Ａ．Ｃｏｒｎｅｌｌの応答表面：設計と分析、第２編集版、Ｍａｒｃｅｌ  Ｄｅｋｋｅｒ社．，ＮＹ１９９６に記述されるような応答表面方法が計算可能である。消光特性が満足される場合、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍの異なる３つの波長に対し、Ｐ透過が入射角θの関数として計算される。透過が約８０％となり指定された角度範囲全域でほぼ一定である場合、設計は完了する。
【００６０】
例えば、図８ａはＢＫ７グラス基板上でＰａｌｉｋから測定された光学特性を持つアルミニウムのワイヤグリッド素子のアレーである偏光子においてＰ透過をワイヤグリッド素子の高さｔの関数として示している。周期ｐは０．１６ｕｍ、ライン幅の周期に対する比率は０．４５、入射角θは３０度および６０度であり、波長λは４５０ｎｍである。交点は約０．０９ｕｍである。
【００６１】
図８ｂはこれらのパラメータに対し、消光をワイヤグリッド素子の高さｔの関数として示している。交点の値は０．０９ｕｍであり、消光はそれぞれ３０度および６０度で８６および１６１である。従って、特性は満足されていない。プロセスは、ライン−スペースの比率０．５０で繰り返される。
【００６２】
図８ｃは、ライン−スペースの比率が０．５に変化されることを除いては図８ａと同じである。交点はここではほぼ０．１０ｕｍである。
図８ｄは、図８ｃに使用されるパラメータに対し消光をワイヤグリッドの高さｔの関数として示している。０．１０ｕｍの交点の値で、消光は３０度および６０度で各々２５８、４８４である。従って、偏光子の特性は満足されている。結果は、ワイヤグリッド素子の高さｔが０．１００で図８ｃ、８ｄに使用されるものと同じパラメータを使用して図８ｅに示されるように三つの異なる波長λ４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおいてＰ透過を入射角θの関数として計算することでチェックされる。透過は波長４５０ｎｍの場合角度範囲全域で一様であり、一方で５５０ｎｍ、６５０ｎｍでは透過は３０度での８０％から６０度の８８％へ上昇する。
【００６３】
効率は示されていないが角度の増加と共に増加するであろう。従って図８ａ−８ｅを参照すると、可視スペクトルにおいて良い特性を持つワイヤグリッド素子を設計する方法の実演が示されている。
【００６４】
本発明の記述された実施の形態は例示的なものとしてのみ理解されるべきであり、その修正は当業者にとって考え得る。例えば、光パワーを持つワイヤグリッド・ビームスプリッタを基板上に含ませことで、グリッドビームスプリッタを他の素子に結合させ、必要とされるオプティクスの数を縮小し、システムの重さやシステムの大きさを減少させ、又は他の所望の機能を達成する。他の代案は本発明により達成される従来技術に対する設計上の柔軟性の増加を考慮するともちろん当業者が考えることが出来る。従って本発明は開示された実施の形態に制限されるとみなされるわけではなく、ここにおいて添付された特許請求の範囲によって定義されるものによってのみ制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを使用したディスプレー装置の一般的な動作の概略図である。
【図２】  図２ａは、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの好適な実施の形態の透視図である。
図２ｂは、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの好適な実施の形態の断面的な側面図である。
図２ｃは、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの代替的な実施の形態の断面的な側面図である。
図２ｄは、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの代替的な実施の形態の断面的な側面図である。
【図３】  図３ａは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおけるＳ偏光反射とＰ偏光透過の効率をグリッド周期に対する関数として示したグラフ式のプロットである。
図３ｂは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおけるワイヤグリッド・ビームスプリッタのスループット（ＲsＴp）効率をグリッド周期の関数として示したグラフ式のプロットである。
図３ｃは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおけるワイヤグリッド偏光子の消光をグリッド周期の関数として示したグラフ式のプロットである。
図３ｄは、０度、３０度、４５度、６０度の入射角においてレイリー共鳴が発生する周波数をグリッド周期の関数として示したグラフ式のプロットである。
図３ｅは、レイリー共鳴の開始に基づいた最大有用周期を入射角の関数として示したグラフ式のプロットである。
【図４】  図４ａは、４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍの入射光におけるＰ偏光透過およびＳ偏光反射の効率をグリッド素子の高さの関数として示したグラフ式のプロットである。
図４ｂは、スループット（ＲsＴp）をグリッド素子の高さの関数として示したグラフ式のプロットである。
図４ｃは、ワイヤグリッド偏光子の消光をグリッド素子の高さの関数として示したグラフ式のプロットである。
【図５】  図５ａは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおいてＳ偏光反射とＰ偏光透過を幅の周期に対する比率即ちライン−スペースの比率の関数として示したグラフ式のプロットである。
図５ｂは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおいてスループット（ＲsＴp）を幅の周期に対する比率即ちライン−スペースの比率の関数として示したグラフ式のプロットである。
図５ｃは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおいて消光を幅の周期に対する比率即ちライン−スペースの比率の関数として示したグラフ式のプロットである。
【図６】  図６ａは、台形のグリッド素子を有するワイヤグリッド偏光子においてスループット（ＲsＴp）を波長の関数として示したグラフ式のプロットである。
図６ｂは、台形のグリッド素子を有するワイヤグリッド偏光子において消光を波長の関数として示したグラフ式のプロットである。
【図７】  図７ａは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおいてグリッド素子のスループット（ＲsＴp）を上部のコーナー半径の関数として示したグラフ式のプロットである。
図７ｂは、波長４５０ｎｍ、５５０ｎｍ、６５０ｎｍにおいてグリッド素子の消光を上部のコーナー半径の関数として示したグラフ式のプロットである。
図７ｃは、シヌソイド断面の素子をもつグリッドのスループット（ＲsＴp）を波長の関数として示したグラフ式のプロットである。
図７ｄは、シヌソイド断面の素子をもつグリッドの消光を波長の関数として示したグラフ式のプロットである。
【図８】  図８ａは、入射角３０度および６０度でのＰ偏光透過をグリッド素子の高さの関数として示したグラフ式のプロットである。
図８ｂは、入射角３０度および６０度での透過消光をグリッド素子の高さの関数として示したグラフ式のプロットである。
図８ｃは、入射角３０度および６０度でのＰ偏光透過をグリッド素子の高さの関数として示したグラフ式のプロットである。
図８ｄは、入射角３０度および６０度での透過消光をグリッド素子の高さの関数として示したグラフ式のプロットである。
図８ｅは、最適化された設計のＰ偏光透過のグラフ式のプロットである。
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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