(57)【要約】偏光ビームスプリッタは、光媒体とその中に埋め込まれたルゲート・フィルタとを含む。ルゲート・フィルタは、厚さ方向でない方向にルゲート平面上の位置と共に変動する平均屈折率を有し、この平均は、厚さ方向のルゲート・フィルムに関して取られている。ルゲートの平均屈折率の変動は、発散光ビームの円錐全体での入射角の変動を補償する。ある実施例では、ルゲートの周期は、その表面の全体でほぼ一定である。最も好ましくは、ルゲートの屈折率の変動の振幅は、その上に変動されたアポディゼーション振幅エンベロープを有し、ルゲートを周囲の光媒体に結合させる際に有用である。
2004530145.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非コリメート光ビームを分解するのに適した偏光ビームスプリッタであって、
光媒体と、
前記ビームの経路における前記光媒体に埋め込まれた表面上にあって、前記表面上のそれぞれの位置における平均屈折率と前記表面上のそれぞれの位置における周期とを有するルゲート・フィルタと、
を備えており、前記平均屈折率と前記周期との少なくとも一方は、前記表面上の位置と共に変動し、前記非コリメート光ビームの全体で入射角の変動を補償することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項２】
請求項１記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記平均屈折率は、非厚さ次元において前記フィルタの位置と共に変動し、前記光ビームの全体で入射角の変動を補償することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項３】
請求項２記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記ルゲート・フィルタは前記ビームの主光線に関して非直交角度に配置されており、前記平均屈折率は、ｘ及びｙを主光線と前記ルゲート・フィルタとの交点にある原点から測定されたデカルト座標、ｆを前記原点からの発散ビームの焦点のｙ座標、ｎａを前記主光線と前記ルゲート・フィルタとの交点における平均屈折率、ｎｓを前記光媒体の屈折率として、
【数１９】
2004530145.tif 000021
で表される方程式に従って変動することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項４】
請求項２記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記平均屈折率は、ｎａを光線と前記ルゲート・フィルタとの交点における局所的な平均屈折率、ｎｓを前記光媒体の屈折率、θｓを前記ルゲート・フィルタと前記ビームの焦点からの光線との交点における入射角として、
【数２０】
2004530145.tif 000022
で表される関係に従って変動することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項５】
請求項２記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記ルゲート・フィルタはその表面全体で実質的に一定である偏光波長帯域を有していることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項６】
請求項５記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記ルゲート・フィルタは、非厚さ方向における位置に関して変動する振幅に対して、厚さ方向における振動指数の変動を有し、前記ルゲート・フィルタの全体で帯域幅をほぼ一定に維持することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項７】
請求項６記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記振動指数の変動は、更に、アポダイゼイションがなされた振幅エンベロープを有することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項８】
請求項２記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記光媒体は固体であり、前記ルゲート・フィルタは、前記ビームの主光線に対して４５度の角度で前記固体の中に埋め込まれていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項９】
請求項２記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記光媒体は側面が相互に対向するように結合された１対のプリズムを備えており、前記ルゲート・フィルタは前記プリズムの結合された側面の間に配置されていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項１０】
請求項１記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記周期は、前記表面上の位置と共に変動し、前記非コリメート光ビームの全体での入射角の変動を補償することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項１１】
請求項１０記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記周期は、Ｐを前記周期、λを前記ルゲート・フィルタの通過波長の中心線、θｓ（ｘ，ｙ）を点（ｘ，ｙ）における前記ルゲート・フィルタのビームの光線の角度、ｎｓを前記光媒体の屈折率として、
【数２１】
2004530145.tif 000023
で表される関係に従って変動することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項１２】
請求項１１記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記光媒体は固体であり、前記ルゲート・フィルタは、前記ビームの主光線に対して４５度の角度で前記固体の中に埋め込まれていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項１３】
請求項１２記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記光媒体は側面が相互に対向するように結合された１対のプリズムを備えており、前記ルゲート・フィルタは前記プリズムの結合された側面の間に配置されていることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項１４】
請求項１記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記周期と前記平均屈折率とは、前記ルゲート・フィルタの表面の全体で所定の態様で変動し、前記非コリメート光ビームの全体での入射角の変動を補償することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項１５】
請求項１４記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記周期と前記平均屈折率とは、Ｐを前記周期、λを前記ルゲート・フィルタの通過波長の中心線、（ｘ，ｙ）を前記ルゲート・フィルタの表面上の位置を記述する位置座標、ｎ（ｘ，ｙ）をそれぞれの点ｘ及びｙにおける前記ルゲート・フィルタの屈折率として、
【数２２】
2004530145.tif 000024
で表される関係に従って変動することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項１６】
非コリメート光線ビームを分割するルゲート偏光ビームスプリッタを製造する方法であって、
より高い屈折率を有する第１の材料とより低い屈折率を有する第２の材料との少なくとも２つの材料で構成される複数の層を配置するステップと、
配置される前記第１及び第２の材料の相対的な量を変調し、その厚さ次元においてより高い及びより低い振動指数を有する表面コーティングを生じさせるステップと、
前記コーティングの平均屈折率をその非厚さ次元における前記コーティングの表面上の位置の関数として変動させ、発散光ビームの光線に対する入射角の変動を補償するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１６記載の方法において、前記配置するステップは、前記材料を基板の表面の上に、前記基板が実質的に円弧状にスピンする間に配置するステップを含み、
前記材料の少なくとも１つは、前記円弧の半径方向に関して変動するアパーチャを有するマスクを通じて配置されることを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７記載の方法において、前記円弧は前記基板の表面からずれて配置された中心を有していることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１６記載の方法において、前記平均屈折率は、ｘ及びｙを前記表面上に定義された原点から測定されたデカルト座標、ｆを前記原点からの前記ビームの焦点のｙ座標、ｎａを前記原点における前記コーティングの平均屈折率、ｎｓを前記光媒体の屈折率として、
【数２３】
2004530145.tif 000025
で表される方程式に従って変動することを特徴とする方法。
【請求項２０】
請求項１７記載の方法において、前記少なくとも２つのコーティング材料は共に前記半径方向の次元に関して変動するアパーチャを有するマスクを通じて配置され、前記コーティングはそれぞれの層における前記材料の相対的な量を変動させて振動する屈折率を有するコーティングを生じさせることによって与えられ、前記振動する屈折率は、前記発散ビームに対するコーティングの全体で実質的に一定の通過帯域幅を生じる関数に従って前記表面全体で変動する振幅エンベロープを有することを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項２０記載の方法において、
厚さ次元における前記コーティングの振動する屈折率を変調するステップであって、アポダイゼイションがなされた振幅エンベロープが前記振動する屈折率に重畳されているステップを更に含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
請求項１６記載の方法において、前記第１の材料はＴｉＯとＮｂ２Ｏ５とによって構成されるグループから選択されることを特徴とする方法。
【請求項２３】
請求項１６記載の方法において、前記第２の材料はＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とによって構成されるグループから選択されることを特徴とする方法。
【請求項２４】
偏光ビームスプリッタであって、
対する側面相互を結合されることにより非平行入射ビームに対して光媒体を形成する１対のプリズムと、
前記プリズムの前記結合された側面の間に配置されたルゲート・フィルタと、
を備えており、前記ルゲート・フィルタは、厚さ次元の変動に関して平均され前記ルゲート・フィルタ上の位置に従って変動して前記入射ビームの入射角の変動を補償する平均屈折率を有することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項２５】
請求項２４記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記平均屈折率は変動して円錐状に発散する入射ビームを補償し、
前記ルゲート・フィルタは、前記ビームの円錐内部のすべての光線に対して前記発散入射ビームのＳ偏光された狭い波長帯域を反射することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項２６】
請求項２４記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記平均屈折率は変動して円錐状に発散する入射ビームを補償し、
前記ルゲート・フィルタは、前記ビームの円錐内部のすべての光線に対して前記発散入射ビームのＰ偏光された広い波長帯域を透過させることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項２７】
光媒体（基板又は真空）において光ビームを分割する偏光ビームスプリッタであって、
前記ビームに対してある角度で配置されたルゲート・フィルタであって、前記ビームがこのルゲート・フィルタ内部で平均角度θで前記ルゲートを横断する、ルゲート・フィルタを備えており、
前記平均角度θは、実質的に４５度に等しく、
前記ルゲート・フィルタは、前記光媒体の平均屈折率に等しくない平均屈折率を有することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項２８】
請求項２７記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記フィルタは前記光媒体の平均屈折率よりも高い平均屈折率を有することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【請求項２９】
請求項２７記載の偏光ビームスプリッタにおいて、前記フィルタは前記光媒体の平均屈折率よりも低い平均屈折率を有することを特徴とする偏光ビームスプリッタ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般に、光学的偏光装置に関し、更に詳しくは、狭い波長帯域のためのルゲート（ｒｕｇａｔｅ）偏光ビームスプリッタに関する。
【０００２】
【従来の技術】
「マクニール（ＭａｃＮｅｉｌｌｅ）偏光子」として知られている一般的な光学素子は、２つの直角プリズムを含んでおり、その一方が、斜辺面の上に多層誘電性コーティングを有している。これら２つのプリズムは、光学的高品質セメントを用いて相互に結合されて立方体を形成し、平面的な屈折率の変化は、２つのプリズムがある面上で結合されているこの立方体を対角線方向に横断する方向にスライスするように進行する。この変化は、入射光を部分的に反射し部分的に透過させ、よって、ビームを分割している。この変化においては、入射面は、２つのベクトルによって画定される。このベクトルは、一方が光の伝播の方向を有し、他方が表面に垂直である。入射面における光の電場の成分は「Ｐ偏光」成分と称され、入射面と垂直菜平面ないの成分は「Ｓ偏光」成分と称される。異なる屈折性を有する与えられたプリズム材料に対して適切な角度を選択することによって、Ｐ偏光された成分が透過させＳ偏光を反射させる周知の「ブルースター（Ｂｒｅｗｓｔｅｒ）条件」を満たすことが可能である。従って、ビームを、Ｓ偏光ビームとＰ偏光ビームとに分けることが可能である。
【０００３】
偏光ビームスプリッタに関するより新しい改善が、Ｊｏｈｎｓｏｎ他による米国特許第５，８２８，４８９号（Ｊｏｈｎｓｏｎ特許）に記載されている。この特許によるビームスプリッタでは、勾配屈折率フィルムを用い、特に、フィルム内部への深度と共に発振（振動）する屈折率を有する「ルゲート」フィルタが用いられている。ルゲート・フィルタは、入射ビームに対してある角度で光媒体の中に埋め込まれている。この特許のビームスプリッタの構成は、特定の狭い波長のＳ偏光された光を反射し、他の波長のＳ偏光された光（及び、すべての波長のＰ偏光）を透過させる。この性質は、狭い帯域の光源（レーザなど）を用いて作業をしている場合に有益なことが多い。
【０００４】
Ｊｏｈｎｓｏｎ特許のルゲート偏光ビームスプリッタは、しかし、ある制約の範囲内でしか動作することができない。最良の偏光選択及び狭い通過帯域では、この装置は、入射放射が、収束の発散がなくほとんど平行で単一の方向に伝搬する平面波であることを必要とする。この要件は、次の正弦の結果として生じている。すなわち、第１に、偏光の分離のために、入射角はブルースター角度（ルゲート・フィルタ・コーティングの高い及び低い屈折率、又は、マクニール偏光器における層堆積の高い及び低い屈折率が与えられた場合）に一致しなければならない。この制約条件の結果として、埋込用の媒体の屈折率が、ビームスプリッタの使用可能な幾何学的配置の選択を制限する。第２に、ルゲート・フィルタの色通過帯域が入射角を感知する。従って、理想的な通過及び反射特性は、（ある与えられたフィルタに対して）ユニークな入射角でだけアプローチ可能である。
【０００５】
図１には、発散光ビームの経路における従来技術による狭い波長の偏光ビームスプリッタ（Ｊｏｈｎｓｏｎ特許による）が示されている。この図は、ただ１方向の発散だけを示すように単純化されているが、この原理は、任意の発散ビームを伴う状況を表している。主光線１０は示されているように立方体１２に侵入し、角度φ（法線方向１６に対して）でルゲート・フィルム１４に入射すると仮定する。最良の動作のためには、ルゲート・フィルムの周期とルゲートの角度θとを、Ｊｏｈｎｓｏｎ特許の教示と既知の光学的原理とに従って適切に選択することができる。しかし、ビームの発散により、光学的中心からある距離において（主光線とルゲートとの交点）ルゲートと衝突する上側の光線１８及び下側の光線２０などの他の光線は、θとは異なる入射角を有する。従って、従来技術による装置では、ルゲート周期と入射角とを、発散するビームのすべての光線について最適化されない。
【０００６】
以上で説明したルゲート偏光ビームスプリッタは、従って、狭い帯域の選択及び偏光選択性を維持しながら広角動作の要件を満足することができない。
【０００７】
【発明の概要】
以上の課題を鑑み、本発明は、光媒体とその中に埋め込まれたルゲート・フィルタとを含む偏光ビームスプリッタである。このビームスプリッタは、特定の狭い波長のＳ偏光された光を効率的に反射し、すべての他の波長のＳ偏光された光（及び、すべての波長のＰ偏光）を透過させる。
【０００８】
第１の実施例では、本発明は、ルゲート・フィルタを含み、このルゲート・フィルタは、このルゲート・フィルタの内部のビーム伝搬角度が、ルゲート全体での入射角度のどのような変動にもかかわらず実質的に４５度に等しくなるようにビームの経路に配置されている。コリメート・ビームである特別の場合には、この要件は、ルゲート・フィルタをビームに対してある角度に向けることによって満足される。この場合、この角度は、ルゲートの平均屈折率と、埋込用の光媒体の屈折率とが与えられた場合にスネルの法則を満たしており、ルゲート内部でのビームの角度は４５度である。光媒体の屈折率は、ルゲートの平均屈折率と一致する必要はない。発散ビームのようなより一般的な場合には、第１の実施例は、非厚さ方向にルゲート平面上の位置と共に変動する平均屈折率を有するルゲート・フィルタを含む。ルゲートの平均屈折率の変動は、光ビーム全体での入射角の変動を補償する（例えば、発散円錐全体での）。
【０００９】
第２の実施例では、ルゲートの周期はルゲートの表面全体で変動するが、ルゲートの平均屈折率は表面全体で実質的に一定に維持される（非厚さ方向に位置と共に変動しない）。周期の所定の変動が強制されることで、光ビーム全体での入射角の変動が補償される（例えば、円錐状に発散するビーム）。
【００１０】
より一般的には、光ビーム全体での入射角の変動を補償するように選択された所定の関係に従って、ルゲート表面上の位置の関数として平均ルゲート屈折率とルゲート周期との両方を変動させる、本発明の無数の変形例が可能である。
【００１１】
本発明のこれら及びそれ以外の特徴及び効果は、以下で行う好適実施例に関する詳細な説明を添付の図面を参照して読むことによって、この技術分野の当業者には明らかとなるはずである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明は、角度に関して発散する光ビームを操作することができるルゲート偏光ビームスプリッタである。例えば、典型的な実施例では、本発明は、＋−１５度の円錐において動作する。これは、ｆ／１．９３のアパーチャにほぼ等しい。
【００１３】
図２に示されているように、本発明は、典型的には、そして、最も適切には、焦点ｆから円錐状に発散する光線と共に用いられる。ビームスプリッタ立方体３０は、２つの光学的に結合されたプリズム３２及び３４（両者で光媒体を提供する）で構成され、ルゲート・フィルタ３６はプリズムの対角線方向に結合する面上に配置され、従って、光媒体に埋め込まれている。プリズム及び立方体の材料及び構成は、米国特許第５，８２８，４８９号に記載されているものと類似しているが、本発明によるルゲート・フィルタ３６は、上述したものとは相当に異なっている。
【００１４】
動作の際には、立方体３０は、円錐形の発散するビーム４０の光学経路に配置される。ビーム４０は、焦点ｆから発散している。ここで、主光線４４を、ビーム４５の円錐の中心において定義し、更に、「光学的中心」を、主光線３４とルゲート・フィルタ３６の平面との交点として定義する。（光円錐４５とルゲートの平面との交点は楕円４８となるが、楕円は古典幾何学の円錐曲線の１つである。）光ビーム４５のルゲート・フィルタ３６上への入射角は、円錐全体で変動することに注意すべきである。
【００１５】
円錐全体での角度の変動は、図３の立面図においてより明らかである（簡略化のために角度変動の１つの次元だけが示されているが、同様の変動は他の平面においても存在することが理解できるだろう）。典型的な実施例では、半分の立方体３２は、空気の屈折率（典型的には１．７５）よりも大きな屈折率を有している。従って、屈折は、光ビーム４５の発散をいくぶん減少させる。主光線が立方体の正面４０に直角で衝突する場合には、最上光線４６と最低光線４８とが、僅かに法線方向に向かって屈折される。典型的な実施例では、屈折率が１．７５のプリズムを用いると、空気における＋−１５度の発散の当所の円錐は、プリズム内部で＋−８．５度の円錐に縮小される。
【００１６】
図３に示されているように、ルゲート３６が主光線に対して４５度の角度にある平面内に存在しているという一般的であるが特別な場合について本発明を図解しておくことが便利である。必要な場合には、以下に示す方程式を、他の入射角についても一般的に適用することができる。本発明を、示されているような、４５度の入射角や、４５度のビームスプリッタ立方体に限定することは、意図していない。
【００１７】
本発明によると、ルゲート・フィルタ３６は、フィルタの表面上の位置と共に変動する平均屈折率を有している。この屈折率は、ゼロであるＰ偏光反射が入射円錐上で維持され、狭帯域通過特性もまた入射円錐上で維持されるように、変動される。これを生じさせるためには、ルゲート・フィルタ内部の光線の角度が、その局所的な平均屈折率をｎａとして、ほぼ４５度に等しくなければならないことを我々発明者は発見した。最も好ましくは、ルゲートにおける光線の角度は、厳密に４５に等しくなければならず、適切なパフォーマンスのためには、グループ内部の角度は、４５度から＋−３度の範囲内になければならない。
【００１８】
これは、以下のようにして示すことができる。マクニール偏光器については、ルゲート・ラインのＰ成分反射は、次の方程式（ｅｑｎ．１）の条件が適用されるときに抑制される。
【００１９】
【数１】
2004530145.tif 000003
【００２０】
ただし、ここで、ｎＨ及びｎＬは、ルゲート・コーティングの正弦的な屈折率変動の高い値及び低い値である。θＬは、屈折率サイクルの低い部分の光の伝搬角度である。しかし、正弦的な屈折率変動を有するルゲートでは、屈折率の不連続的な変化は存在しない。むしろ、次の方程式による屈折率の正弦的な変動が存在する。
【００２１】
【数２】
2004530145.tif 000004
【００２２】
ここで、ｎａは平均屈折率であり、ｎｐはルゲート屈折率のピーク間の変動であり、ｔはルゲート・フィルムの中の法線方向の厚さの寸法である。
【００２３】
平均屈折率ｎａと正弦波の振幅ｎｐ／２によって表現すると、次の方程式が得られる。
【００２４】
【数３】
2004530145.tif 000005
【００２５】
ルゲート・フィルタは、あるプリズムの上に埋め込まれた別のプリズムの斜辺の上に配置される。その結果、ルゲート・コーティング上に入射する光は、基板ｎｓに対しては角度θｓであり、このθｓは、次のスネルの法則によってθＬと関係している。
【００２６】
【数４】
2004530145.tif 000006
【００２７】
ｓｉｎをｔａｎ／［１＋ｔａｎ２］１／２と書き、方程式（１）、（２）及び（３）を用いると、方程式（４）は次のように書くことができる。
【００２８】
【数５】
2004530145.tif 000007
【００２９】
そして、法線方向の入射帯域幅Ｂに対する適切な表現は、次の方程式によって与えられる。
【００３０】
【数６】
2004530145.tif 000008
【００３１】
これから、ルゲートの平均屈折率に対する次の方程式が得られる。
【００３２】
【数７】
2004530145.tif 000009
【００３３】
８％までの小さな帯域幅に対しては、方程式（７）は、１％の誤差範囲内で、次の方程式によって近似することができる。
【００３４】
【数８】
2004530145.tif 000010
【００３５】
この結果がｎＬ、ｎＨ、ｎｐと独立であるのは興味深い。方程式（８）は、与えられたプリズム材料又は角度に対してルゲートの平均屈折率を選択する手段を提供している。θｓは、直角のプリズムに対しては４５度であり、それによって、ビームを分割する立方体が得られる。斜辺の反対側の角度αは、直角のプリズムに対しては４５度である。これ以外の入射角を用いることが可能であり、その場合には、法線方向のプリズムへの入射及び表面からの脱出に対しては、頂点角度は次の方程式によって与えられる。
【００３６】
【数９】
2004530145.tif 000011
【００３７】
コリメート・ビームについては、方程式（８）及び（９）は、偏光ルゲート・ビームスプリッタに対する設計上の経験則である。立方体を用いることを希望する場合には、ｓｉｎθｓ＝１／２１／２である。従って、方程式（７）によると、ｎａ＝ｎｓと選択しなければならず、平均屈折率は、プリズム基板のものでなければならない。
【００３８】
他方で、θｓ＝６０度であるような、２つの等辺プリズムを用いることもありうる。この場合には、α＝６０度、ｎａ＝１．２２４７ｎｓである。従って、ｎｓ＝１．４７と選択すると、平均屈折率はｎａ＝１．８０となる。又は、ｎｓ＝１．５２と選択すると、平均屈折率はｎａ＝１．８６となる。
【００３９】
別の設計状の規則が、偏光用ビームスプリッタにとって必要である。コーティングが蒸着され厚さが法線方向の入射角でモニタされているため、入射媒体に角度θｓで配置されるときに設計波長λにおいて停止帯域を生じる法線方向の入射ルゲート周期λＮがどのようなものであるかを判断することが必要である。
【００４０】
これらの量に関する表現は、次の通りである（Ｗ． Ｈ． Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌ， ”Ｓｐｅｃｔｒａｌ Ｒｅｓｐｏｎｓｅ Ｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｓ ｏｆ Ｒｕｇａｔｅ Ｆｉｌｔｅｒｓ Ｕｓｉｎｇ Ｃｏｕｐｌｅｄ−Ｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ”， Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ． Ａ， ５， １５５８−１５６４ （１９８８）の方程式（７０）及び（７１）を参照のこと）。
【００４１】
【数１０】
2004530145.tif 000012
【００４２】
ここで、θａは、ルゲート・フィルタにおける伝搬角である。スネルの法則から次が得られ、
【００４３】
【数１１】
2004530145.tif 000013
【００４４】
従って、次の方程式が得られる。
【００４５】
【数１２】
2004530145.tif 000014
【００４６】
方程式（７）を用いると、これは、次のように簡単にすることができる。
【００４７】
【数１３】
2004530145.tif 000015
【００４８】
従って、例えば、偏光ビームスプリッタが５５０ｎｍで動作するように設計されている場合には、法線方向の入射ルゲート・ラインは、５５０（１．４１４）＝７７７．８ｎｍである。
【００４９】
これは、極めて単純な結果である。方程式（７）によって得られる偏光条件が満たされると、法線方向の入射ルゲート周期は、基板の屈折率、入射角、ルゲートの平均屈折率、停止帯域の帯域幅とは関係なく、２の平方根に設計上の波長を乗算することによって得られる。更に、偏光条件自体である方程式（７）も、小さな帯域幅については、ルゲートの停止帯域の帯域幅とは独立である。
【００５０】
ルゲートにおける光線の角度は４５度に等しくなければならないという上述の結果は、本発明に従って、ルゲートの平均屈折率（ｎａ）の好適な変動をルゲート表面上の位置の関数として計算して発散ビームに対する補償を行うのに用いることができる。スネルの法則から、次が得られる。
【００５１】
【数１４】
2004530145.tif 000016
【００５２】
ここで、θｓは光線がルゲート・コーティングと交差するプリズムにおける光線の角度であり、ｎａはルゲートの平均屈折率であり、ｎｓは図２及び図３における光媒体（３２及び３４）の屈折率である。
【００５３】
ここで理解すべきは、平均屈折率ｎａは、表面上のそれぞれの位置に対してルゲート表面におけるその位置の屈折率の平均値を割り当てる位置のスカラ関数を意味する点である。ただし、平均は、ルゲートの厚さ次元の全体にわたるものである（すなわち、コーティング内部への深度）。こうして、平均値ｎａは、ルゲート表面上のそれぞれの位置と関連付けられる。ルゲートの屈折率は、方程式２に従って、厚さ方向に変動するのが典型的である。
【００５４】
光線の発散光線の内部では、θｓは、光学的中心（主光線とルゲートとの交点）からの光線の変位に従って変動する。補償のためには、本発明の第１の実施例は、次の方程式に従って、ｎａの値を、ルゲート上の位置と共に変動させる。
【００５５】
【数１５】
2004530145.tif 000017
【００５６】
例えば、θｓが発散円錐において３６．５度から５３．５度までの間で変動するような特定の実施例では、ｎ＝１．７５（光学的ガラス）であるような光媒体に対しては、ルゲートの平均屈折率は、本発明によって１．５２３から２．０４０との間（これは、酸化物の同時蒸着（ｃｏ−ｅｖａｐｏｒａｔｉｏｎ）によって達成可能な屈折率の値の範囲内にある）で変動する。
【００５７】
入射円錐全体で入射角の辺土を最も正確に補償するには、ｎａは、定義された光学的中心から測定された位置の特定の関数にほぼ従って本発明によって変動しなければならない。この関数を定義するのに適した座標系の１つが図４及び図５に図解されている。図４は、ルゲート平面を示している平面図であり、１組の軸が重畳されている。Ｚ軸は、図が描かれた平面からルゲート平面の法線方向に飛び出す方向にある（Ｚ ｏｕｔと表記されている）。図５は、対角線方向のルゲート３６を有するビームスプリッタ立方体の立面図を示している（ここでは、典型的な４５度の角度で示されている）。Ｚ及びＹ軸はラベル付けされており、原点５６は主光線とルゲートとの交点にある（Ｘ軸は、Ｘ ｏｕｔと表記され、平面から読者側に飛び出す方向にある）。
【００５８】
図解されている座標系では、ルゲート・フィルタ平面における任意の位置は、ベクトル（ｘ，ｙ，０）によって特定される。すべての光線ベクトルは、座標系の中のｓ＝（０，−ｆ，−ｆ）である点である焦点ｆから生じている。従って、点ｒにおける光線ベクトルは、ｖ＝ｒ−ｓ＝（ｘ，ｙ＋ｆ，ｆ）によって与えられる。フィルタ平面における任意の点での法線ベクトルｎ＝（０，０，１）であるため、ｖとｎとのドット積（外積）は、次に示すように、入射角θｓの余弦を与える。
【００５９】
【数１６】
2004530145.tif 000018
【００６０】
こうして、次の方程式によって、フィルタ平面上のそれぞれの点に対する好適な屈折率が与えられる。
【００６１】
【数１７】
2004530145.tif 000019
【００６２】
この方程式は、フィルタの中心ではなくＸ＝０及びＹ＝−ｆである点における点対称を明らかにしている。対象の中心はフィルタの外部にあることがありうるし、典型的にはそうである。
【００６３】
図６は、本発明による典型的なルゲート・フィルタに関する正規化された平均屈折率の多変量プロットである。ただし、４５度のフィルタ平面、１Ｘ１インチのフィルタ表面、１５度の光円錐を有している特定の偏光ビームスプリッタに対するものであり、このフィルタは、屈折率が１．７５に等しい光媒体の中に埋め込まれている。異なるｙの値について様々な曲線がラベル付けされており、それぞれのｙの値に対する曲線は、ｘ位置の関数としての屈折率の変動を示す。
【００６４】
明らかに、異なる方程式を生じるが平均屈折率とルゲート上の位置との間の等しい関係を生じる別の座標系を定義することもできる。その場合には、円錐内のすべての光線について、Ｓ偏光成分はほぼ完全に反射されるが、Ｐ偏光成分はほぼ完全に透過される。そのような変動もまた、本発明の範囲に含まれる。
【００６５】
方程式１７又はそれと同等の関係に従って構築されるフィルタは、与えられた円錐におけるすべての角度に対する、そして、ルゲート反射帯域の中のすべての波長に対する偏光器であることが保証される。ｐ偏光は、その円錐の中のすべての角度に対して、そして、すべての波長に対して透過される。特定のルゲートの厚さの勾配は不要である。その代わりに、平均屈折率の勾配が、ルゲート全体での角度変動を補償する。
【００６６】
図７は、本発明によるある平面における典型的なルゲート屈折率のプロットをそのルゲートの中への深さの関数として示している。ルゲート周期は、λを光源の所望の波長（又は、ルゲートが選択した波長）として、λ／（２ｎ）によって与えられる。一番上の曲線８０は入射角が５３．２６７１度でｎａｖが２．０４、真ん中の曲線８２はθが４５度でｎａｖが１．８、そして、下側の曲線８４はθが３６．７３３度でｎａｖが１．５２３であるフィルタの頂部における光線に対するものである。
【００６７】
ルゲートの帯域幅は、ｎｐ／ｎａｖとして変動する。最も好適には、五次関数がルゲート・インターフェースにおいて適応され、（発振している）ルゲートの屈折率をそれが埋め込まれている光媒体の一定の屈折率に一致させる。五次関数を用いてルゲート・フィルタと埋込媒体との間の屈折率の不連続を最小化することに関しては、米国特許第５，８２８，４８９号及び米国特許第４，５８３，８２２号を参照のこと。
【００６８】
図８は、図６の例示的なルゲートに関する典型的な通過帯域特性を示している。変更のＳ成分の反射率は、５４６ｎｍを中心とする狭い通過帯域の内部では高く、この通過帯域の外部では急峻に減少する。Ｐ成分の反射率は、すべての波長、円錐内部のすべての光線に対してゼロに近い。
【００６９】
本発明の特別な場合は、ビームの発散がゼロである（すなわち、コリメート・ビーム）特別な場合に関するものである。本発明によると、ルゲートの内部におけるビームの角度θは、ほぼ４５度となるように制限され、偏光用ビームスプリッタが作成されている。この条件は、ルゲートの屈折率の高及び低の限度とは独立である。ルゲートの平均屈折率は、埋込用の光媒体における与えられるほとんどどのような入射角に対してもこの条件を生じるように製造することが可能である。従って、本発明によるビームスプリッタは、広範囲の光媒体と共に、そして、広範囲の光学的配置で用いることができる。埋込用光媒体の屈折率は、ルゲートの屈折率よりも高い場合も低い場合もありうる。
【００７０】
ルゲートに対して適切に不均一であり空間的に変動する平均屈折率を得るためには、何らかの適切なコーティング方法を用いて、本発明によるルゲート・フィルタを作成しなければならない。
【００７１】
ルゲートを作成する一般的な方法の１つとして、２つの異なるコーティング材料が交互に配置された非常に薄い層の適用によるものがある。この場合、それぞれの層は、４分の１波長よりも薄い厚さを有する。一方のコーティング材料はより高い屈折率を、他方のコーティング材料はより低い屈折率を有する。このような薄い層を用いた場合も、効果は、平均的な屈折率のより厚い層の場合と同等である。屈折率を変動させるためには、多数のこのような層を適用して、屈折率が高い及び低い成分の相対量すなわち厚さを変動させる。従って、正弦ルゲートを作るには、低屈折率のコーティング成分に対する高屈折率のコーティング成分の比率を多かれ少なかれ正弦的に変動させる。適切には、この量は、デポジション（成長）の速度を変動させることによって調節する。デポジションについては、様々な従来型の技術が知られている。例えば、レーザ蒸着や、誘電材料のスパッタリングなどである。
【００７２】
屈折率が高い方のコーティング成分に用いることができる典型的な材料には、ＴｉＯ２とＮｂ２Ｏ５が含まれる。屈折率が低い方のコーティング成分に用いることができる典型的な誘電材料には、ＳｉＯ２とＡｌ２Ｏ３とが含まれる。
【００７３】
上述したように、ルゲート・フィルタのための平均屈折率の所望のプロフィールは、ビームスプリッタの外部の点に関して点対称性を有している。これによって、図８に図解されているように、ある点を中心にしてこの光学装置をスピンさせて点対称性を獲得するコーティング技術を用いることが可能になる。個々の半分のビームスプリッタ９０は、回転可能なプラットフォームの上の円弧又は円の適切に設置される。スパッタリングされた誘電性ソースなどの蒸着ソースが、プラットフォームの近傍の固定位置に配置されることにより、プラットフォームが円弧９２の形状に回転するにつれて、ビームスプリッタはある点においてこのソースを通過させる。ソースからの誘電材料は、ソースを通過して円弧９２の形状に移動するにつれて、ビームスプリッタ成分の表面上に堆積する。遮断マスク９４が、蒸着ソースと（図示されている平面の情報にある）半分のビームスプリッタ４０との間に配置され、予め定義された所望のプロフィール又は関数に従って、その成分の表面上の位置との関係においてデポジションの量を制御する。本発明によるルゲートの場合には、成分は、当該成分の面の外部にある位置ｆを中心として回転される。コーティングの間の回転は、適用が点対称となることを保証する程度に高速でなければならない。
【００７４】
マスク９４は、本発明によるビームスプリッタを作るのに用いられるものの例である。幅ｗは、半径方法の変位ｒとの関係で変動し、従って、光学表面上の与えられた位置である露光距離は、ｒ方向の位置との関係で変動する。よって、蒸着される誘電材料の量（厚さ）は、ｒ座標の関数として変動する。マスクの幅プロフィールは、上述の方程式に基づいて容易に計算することができ、希望するように平均屈折率の変動が生じる。
【００７５】
図９にはただ１つのマスクだけが示されているが、好ましくは、２つのこのようなマスクを交互に用いて屈折率が高い及び低い材料を蒸着し、ルゲート・フィルタの屈折率が発振するようにするのがよい。再び図７を参照すると、屈折率は、コーティングの厚さとの関係で発振する態様で（曲線８２に示されているように）変化しなければならない。この発振は、屈折率が高い及び低い誘電材料の相対的な蒸着（デポジション）速度を調整することによって、すなわち、それぞれの深度において特定の所望の屈折率を生じさせることによって、得ることができる。同時に、（ルゲート全体で厚さにおけるすべての深度に関して平均化された）平均屈折率は、ルゲート上の位置（ｘ，ｙ）の関数として変動する。平均屈折率ｎａｖのこの変動は、好ましくは、マスク９４の特定の幅プロフィールを提供することによって生じる。
【００７６】
本発明によってルゲートの平均屈折率を変動させるには、低及び高屈折率材料に対して用いられるマスクが相互に異なることが極めて好ましい。適切な方法の１つとして、低屈折率の材料をマスクせず、輪郭付きのマスクによって高屈折率の材料を変動させ、フィルタ表面の一部が高屈折率コーティングを相対的により高い割合で有するようにする方法がある。
【００７７】
本発明による方法である、フィルタの全体で平均屈折率を変動させることは、広角で帯域が狭いビームスプリッタに対して試みることができるであろう他のアプローチよりも優れている。本発明の背景との関係で既に述べたように、広範囲に変化する入射角に対応するには、広帯域フィルタを有するルゲートを製造するだけでは不十分である。そのようなアプローチでは、可視スペクトルの全体でＳ偏光された光の相当量を反射するルゲートが得られる（少なくとも１５度の円錐フィールドを仮定している）。従って、スペクトルの選択性が大きく損なわれてしまう。また、その表面全体で厚さが変動するようなルゲートを製造することによって補償するのも適切ではない。このアプローチでは、フィルタの全体でルゲート周期が変動してしまい、よって、ビームの発散円錐の全体の与えられた波長で反射が生じてしまう。しかし、入射円錐の端の角度では、そのようなルゲートは、ビームのＰ成分を相当に反射する。こうして、偏光の選択性が損なわれる。これとは対照的に、フィルタの全体でルゲートの平均屈折率を変動させると、広角の円錐全体でスペクトル及び偏光の選択性が得られる。
【００７８】
本発明の第２の実施例では、ルゲートの平均屈折率は、ルゲートの周期がルゲート表面全体におけるビームの入射角の変動を補償するように変動する間も、ルゲート表面上の位置との関係でほぼ一定値に維持される。周期の変動は、上述の方程式２を考慮することによって容易に計算される。方程式２では、Ｐをルゲート・サイクルの周期、λをルゲートのライン・センタの波長として、Ｐ＝λ／２ｎａであることに注意すべきである。このようにして、同等なルゲートを、製造の間ルゲートの周期を変動させつつルゲートの平均屈折率を一定に維持することによって、実現することができる。この際に、次の方程式が用いられる。
【００７９】
【数１８】
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【００８０】
ただし、ｎａ（θｓ）は、光学的位置関係から計算することができる。又は、特別な場合（円錐の発散）には、上述したように、ｘ及びｙで計算することができる。
【００８１】
同様の結果は、ルゲート・フィルタの周期と平均屈折率との両方をルゲート・フィルタ表面上の位置の関数として変動させてビーム全体での入射角の変動を補償することによって、得られることは明らかであろう。周期及び平均屈折率の変動は、表面上のすべての点及びビーム・スポット内部で方程式１９を満たさなければならない。これら２つの数値を相補的な態様で変動させてそのような補償を達成する点も、本発明の範囲に含まれる。潜在的に無制限の数の変動が、２つの極端な場合の間で可能である。２つの極端な場合とは、（１）周期を一定に保持しながらルゲートの平均屈折率を変動させる場合と、（２）平均屈折率を一定に保持しながら周期を変動させる場合とである。
【００８２】
以上で本発明の例示的な複数の実施例を示し説明したが、この技術分野の当業者であれば、多くの変更例及び別の実施例を想到することができるであろう。コーティング蒸着のための別の手段が知られており、用いることができる。様々な別のアポディゼーション関数（ａｐｏｄｉｚｉｎｇ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ）やビームスプリッタの幾何学的配置を用いることができる。ルゲートの変動は、発散又は収束ビームのいずれかに向けて調整することが可能である。光円錐の発散（又は収束）は、より大きく、又は、より小さくすることができる。立方体状のビームスプリッタが図面に示されているが、これは、単に、そのような形状が一般的であり普及しているという理由によるだけであって、限定を意味するものではない。所望のルゲート及び光学的パラメータを計算する際に適切な調整がなされるのであれば、様々な光媒体を用いることができる。ルゲート・パラメータを修正することによって、広帯域及び狭帯域の変動を実現することができる。そのような変更例及び別の実施例は、冒頭の特許請求の範囲において定義される本発明の精神及び範囲から逸脱することなく、想到し実現することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術によるビームスプリッタの平面図であり、斜面の間に埋め込まれたルゲート・フィルタで結合された２つの直角プリズムを含んでいる。
【図２】
本発明によるビームスプリッタの全体図である。
【図３】
図２のビームスプリッタの正面図である。
【図４】
本発明によるビームスプリッタの平面図であり、便宜的な基準座標系が重畳されている。
【図５】
図４のライン４に沿った断面図である。
【図６】
本発明によるルゲート・フィルタに対する、屈折率の位置への依存性を示す複数の曲線によるグラフである。
【図７】
厚さ方向へのルゲートの内部への深度の関数としての屈折率のグラフであり、３つの関数が本発明のルゲート・フィルタ上の３つの異なる位置に対応する様子が示されている。
【図８】
本発明による典型的な通過帯域特性のグラフであり、例示的なルゲート偏光ビームスプリッタに対するｓ成分反射と波長との関係を示している。
【図９】
本発明において用いるのに適している空間的に変動する平均屈折率を有するルゲート・フィルタを製造するのに用いられる１つの方法の平面図である。
【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際公開パンフレット】
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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