(57)【要約】  本発明は、基板（１１）の実質的な平面上に配置される格子層（１３）を含む誘電体偏光ビームスプリッタ（１０、２０ａ、２０ｂ、３０、４０）である。格子層は、細長く、実質的に平行な、交互に並んだ高屈折率領域（１３Ｈ）と低屈折率領域（１３Ｌ）との配列を含み得る。低屈折率領域の屈折率（ｎＬ）は、高屈折率領域の屈折率（ｎＨ）より低いことがあり得る。
2017533451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であって、
ａ．実質的な平面を有する基板を備え、
ｂ．前記基板の前記平面上に配置される格子層および薄膜層を備え、
ｃ．前記格子層は、細長く実質的に平行な、交互に並んだ複数の高屈折率領域と複数の低屈折率領域との配列を含み、
ｄ．前記格子層は、前記基板の前記平面に実質的に平行な平面内に配置され、
ｅ．前記複数の低屈折率領域の屈折率（ｎＬ）は、前記複数の高屈折率領域の屈折率（ｎＨ）より低く、
ｆ．前記格子層および前記薄膜層は、
ｉ．｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．７および｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．２５、または、
ｉｉ．｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＞０．７および｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．２５、
の方程式を満たし、
ｉｉｉ．ここで、
１．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率であり、
２．ｎ｜｜は、前記複数の高屈折率領域および前記複数の低屈折率領域の長さ方向に平行な偏光のための前記格子層の実効屈折率であり、
３．ｎ⊥は、前記複数の高屈折率領域および前記複数の低屈折率領域の長さ方向に鉛直な偏光のための前記格子層の実効屈折率であり、
４．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率であり、
ｇ．前記格子層の材料は誘電体であり、前記薄膜層の材料は誘電体である、
誘電体偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）。
【請求項２】
誘電体偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であって、
ａ．実質的な平面を有する基板を備え、
ｂ．前記基板の前記平面上に配置された格子層および薄膜層を備え、
ｃ．前記格子層は、細長く実質的に平行な、交互に並んだ複数の高屈折率領域と複数の低屈折率領域との配列を含み、
ｄ．前記格子層は、前記基板の前記平面に実質的に平行な平面内に配置され、
ｅ．前記複数の低屈折率領域の屈折率（ｎＬ）は、前記複数の高屈折率領域の屈折率（ｎＨ）より低く、
ｆ．前記格子層および前記薄膜層は、
ｉ．｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．４５および｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．１、または、
ｉｉ．｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＞０．４５および｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．１、
の方程式を満たし、
ｉｉｉ．ここで、
１．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率であり、
２．ｎ｜｜は、前記複数の高屈折率領域および前記複数の低屈折率領域の長さ方向に平行な偏光のための前記格子層の実効屈折率であり、 
３．ｎ⊥は、前記複数の高屈折率領域および前記複数の低屈折率領域の長さ方向に鉛直な偏光のための前記格子層の実効屈折率であり、
４．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率であり、
ｇ．前記格子層および前記薄膜層の複数の材料は、屈折率のｋ値部分が０．０５より小さい誘電体材料である、
誘電体偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）。
【請求項３】
前記複数の低屈折率領域の前記屈折率（ｎＬ）および前記複数の前記高屈折率領域の屈折率（ｎＨ）は、ｎＨ − ｎＬ＞１．３の方程式を満たす、請求項２に記載のＰＢＳ。
【請求項４】
誘電体偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であって、
ａ．実質的な平面を有する基板を備え、
ｂ．前記基板の前記平面上に配置される格子層および薄膜層を備え、
ｃ．前記格子層は、細長く実質的に平行な、交互に並んだ複数の高屈折率領域と複数の低屈折率領域との配列を含み、
ｄ．前記格子層は、前記基板の前記平面に実質的に平行な平面内に配置され、
ｅ．前記複数の低屈折率領域の屈折率（ｎＬ）は、前記複数の高屈折率領域の屈折率（ｎＨ）より低く、
ｆ．前記格子層の材料は誘電体であり、前記薄膜層の材料は誘電体である、
誘電体偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）。
【請求項５】
前記複数の低屈折率領域の屈折率（ｎＬ）および前記複数の高屈折率領域の屈折率（ｎＨ）は、ｎＨ − ｎＬ＞１．５の方程式を満たす、請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項６】
前記複数の低屈折率領域の屈折率（ｎＬ）および前記複数の高屈折率領域の屈折率（ｎＨ）は、ｎＨ − ｎＬ＞１．３の方程式を満たす、請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項７】
前記格子層および前記薄膜層は、
ａ．｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．７および｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．２５、または、
ｂ．｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＞０．７および｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．２５
の方程式を満たし、
ｃ．ここで、
ｉ．鉛直入射光について、
【数４】
2017533451.tif 000006
ｉｉ．鉛直入射光について、
【数５】
2017533451.tif 000007
ｉｉｉ．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率であり、
ｉｖ．ＷＬは、前記複数の低屈折率領域の幅であり、
ｖ．ＷＨは、前記複数の高屈折率領域の幅であり、
ｖｉ．Ｐは、前記複数の高屈折率領域のピッチである、
請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項８】
前記格子層および前記薄膜層は、
ａ．｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．４５および｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．１、または、
ｂ．｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＞０．４５および｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．１
の方程式を満たし、
ｃ．ここで、
ｉ．鉛直入射光について、
【数６】
2017533451.tif 000008
ｉｉ．鉛直入射光について、
【数７】
2017533451.tif 000009
ｉｉｉ．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率であり、
ｉｖ．ＷＬは、前記複数の低屈折率領域の幅であり、
ｖ．ＷＨは、前記複数の高屈折率領域の幅であり、
ｖｉ．Ｐは、前記複数の高屈折率領域のピッチである、
請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項９】
前記格子層および前記薄膜層は、
ａ．｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．７および｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．２５、または、
ｂ．｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＞０．７および｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．２５
の方程式を満たし、
ｃ．ここで、
ｉ．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率であり、
ｉｉ．ｎ｜｜は、前記複数の高屈折率領域および前記複数の低屈折率領域の長さ方向に平行な偏光のための前記格子層の実効屈折率であり、
ｉｉｉ．ｎ⊥は、前記複数の高屈折率領域および前記複数の低屈折率領域の長さ方向に鉛直な偏光のための前記格子層の実効屈折率であり、
ｉｖ．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率である、
請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項１０】
前記格子層および前記薄膜層が、
ａ．｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．４５および｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．１、または、
ｂ．｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＞０．４５および｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．１、
の方程式を満たし、
ｃ．ここで、
ｉ．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率であり、
ｉｉ．ｎ｜｜は、前記複数の高屈折率領域および前記複数の低屈折率領域の長さ方向に平行な偏光のための格子層の実効屈折率であり、
ｉｉｉ．ｎ⊥は、前記複数の高屈折率領域および前記複数の低屈折率領域の長さ方向に鉛直な偏光のための前記格子層の実効屈折率であり、
ｉｖ．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率である、
請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項１１】
前記薄膜層および前記基板が、｜ｎＴＦ − ｎｓｕｂ｜＜０．１５の方程式を満たし、
ａ．ｎＴＦは、前記薄膜層の屈折率であり、
ｂ．ｎｓｕｂは、前記基板の屈折率である、
請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項１２】
前記基板、前記格子層、および前記薄膜層の複数の材料は、屈折率のｋ値部分が０．０３より小さい誘電体材料である、
請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項１３】
前記基板、前記格子層、および前記薄膜層の複数の材料は、非重合性誘電体材料である、請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項１４】
ａ．前記格子層および前記薄膜層は、共に対を構成し、
ｂ．前記ＰＢＳは更に、少なくとも２つの追加的な対を備える、請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項１５】
ａ．前記格子層および前記薄膜層は、対を構成し、
ｂ．前記ＰＢＳは、少なくとも１つの、１５より少ない対を含む、
請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項１６】
前記格子層が前記薄膜層と接触する、請求項４に記載のＰＢＳ。
【請求項１７】
可視スペクトルのための偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であって、
ａ．格子層が、基板の実質的な平面上に配置され、
ｂ．前記格子層は、細長く実質的に平行な、交互に並んだ複数の高屈折率領域と複数の低屈折率領域との配列を含み、
ｃ．前記格子層は、前記基板の前記平面に実質的に平行な平面に配置され、
ｄ．前記複数の低屈折率領域の屈折率（ｎＬ）および前記複数の高屈折率領域の屈折率（ｎＨ）は、４００〜７００ナノメートルの範囲で、ｎＨ − ｎＬ＞１．３の方程式を満たし、
ｅ．前記格子層の材料は誘電体である、
可視スペクトルのための偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）。
【請求項１８】
ａ．可視光光源に前記ＰＢＳを配置し、
ｂ．入射する可視光の少なくとも９５％を透過または反射する、
請求項１７に記載の前記ＰＢＳの使用方法。
【請求項１９】
ａ．前記複数の低屈折率領域の上面と、前記複数の高屈折率領域の上面とが、共通面において終端となり、
ｂ．前記複数の低屈折率領域の底面および前記複数の高屈折率領域の底面は、共通面において終端となる、
請求項１７に記載のＰＢＳ。
【請求項２０】
前記格子層の複数の材料は、４００〜７００ナノメートルの範囲で、０．０１より小さい複数のｋ値を有する、請求項１７に記載のＰＢＳ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は概して、偏光ビームスプリッタ、または、反射ワイヤグリッド偏光子と呼ばれる光学デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの光学系は、偏光の使用を必要とする。偏光ビームスプリッタは光を、反対の偏光状態を有する２つの光に分離できる。偏光ビームスプリッタの各タイプは、欠点を有する。ＭａｃＮｅｉｌｌｅプリズムには、光入射角度の範囲が小さいという欠点がある。ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタプレートは、ＭａｃＮｅｉｌｌｅプリズムと比較して、遥かに広い光入射角度の範囲を可能にするが、効率が比較的低い、光学系における背面焦点距離が長い、および、脆弱な性質に起因して、光学系への組み立てが困難であるという欠点を有し得る。キューブ内のいくつかのワイヤグリッド偏光ビームスプリッタは、背面焦点距離、および、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタプレートの組み立ての問題を克服できるが、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタプレートと比較して、効率がより低いことがある。偏光子に使用される材料は通常、大量の光を吸収する。いくつかの用途において、吸収に起因する、光のいかなる損失も最低限に抑えることが重要である。 
【発明の概要】
【０００３】
光入射角度の範囲が広く、一方の偏光の透過率が高く（例えば、Ｔｐが高い）、反対の偏光の反射が高いか制御され（例えば、Ｒｓが高い、または、Ｒｓが所望の値に制御されている）、効率が高く、光学系の背面焦点距離が短く、光学系への組み立てが容易で、吸収に起因する光の損失が最低限に抑えられている偏光ビームスプリッタを提供することは有利になり得ると考えられている。本発明は、これらの必要性を満たす、可視スペクトルのための誘電体偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）の様々な実施形態に関する。各実施形態は、これらの必要性の１つ、いくつか、またはすべてを満たし得る。ＰＢＳは、基板の実質的な平面に配置された格子層を備え得る。格子層は、細長く、実質的に平行な、交互に並んだ高屈折率領域と低屈折率領域の配列を含む。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】本発明の実施形態による、誘電体偏光ビームスプリッタの概略的な側断面図の１つである。
【図２ａ】本発明の実施形態による、誘電体偏光ビームスプリッタの概略的な側断面図の１つである。
【図２ｂ】本発明の実施形態による、誘電体偏光ビームスプリッタの概略的な側断面図の１つである。
【図３】本発明の実施形態による、誘電体偏光ビームスプリッタの概略的な側断面図の１つである。
【図４】本発明の一実施形態による、誘電体偏光ビームスプリッタの概略的な斜視図であり、ｘ − ｚ平面内の角度θｘｚの非鉛直入射光Ｌｘｚを示す。
【図５】本発明の一実施形態による、誘電体偏光ビームスプリッタの概略的な斜視図であり、ｙ − ｚ平面内の角度θｙｚの非鉛直入射光Ｌｙｚを示す。
【図６】本発明の一実施形態による光線分離システムの概略図である。
【図７】本発明の一実施形態による誘電体偏光ビームスプリッタを作る第１の方法を示す、概略的な側断面図の１つである。
【図８】本発明の一実施形態による誘電体偏光ビームスプリッタを作る第１の方法を示す、概略的な側断面図の１つである。
【図９】本発明の一実施形態による誘電体偏光ビームスプリッタを作る第１の方法を示す、概略的な側断面図の１つである。
【図１０】本発明の一実施形態による誘電体偏光ビームスプリッタを作る第１の方法を示す、概略的な側断面図の１つである。
【図１１】本発明の一実施形態による誘電体偏光ビームスプリッタを作る第１の方法を示す、概略的な側断面図の１つである。
【図１２】本発明の一実施形態による、誘電体偏光ビームスプリッタを作る第２の方法を示す、概略的な側断面図の１つである。
【図１３】本発明の一実施形態による、誘電体偏光ビームスプリッタを作る第２の方法を示す、概略的な側断面図の１つである。
【図１４】本発明の一実施形態による、誘電体偏光ビームスプリッタを作る第２の方法を示す、概略的な側断面図の１つである。
【０００５】
［定義］
本明細書で使用される、「コントラスト」という用語は、所望の偏光の透過率（例えば、Ｔｐ）を、反対の偏光の透過率（例えば、Ｔｓ）で割った値を意味する。従って、コントラストは、Ｔｐ／Ｔｓに等しい。
【０００６】
本明細書で使用される、「効率」という用語は、一方の偏光の透過率（例えば、Ｔｐ）に、反対の偏光の反射率（例えば、Ｒｓ）を掛けることを意味する。従って、効率はＴｐ×Ｒｓに等しい。
【０００７】
本明細書で使用される、高屈折率領域１３Ｈおよび低屈折率領域１３Ｌに関する、「細長い」という用語は、実質的に低屈折率領域１３Ｌの幅ＷＬより長く（Ｌ＞＞ＷＬ）、高屈折率領域１３Ｈの幅ＷＨより長い（Ｌ＞＞ＷＨ）、長さ方向Ｌを意味する。例えば、一態様において、長さ方向Ｌは、幅ＷＨおよびＷＬより少なくとも１０倍長くてよく、別の態様において、幅ＷＨおよびＷＬより少なくとも１００倍長くてよく、別の態様において、幅ＷＨおよびＷＬより少なくとも１０００倍長くてよい。 
【０００８】
本明細書で使用される、「偏光ビームスプリッタ」または「ＰＢＳ」という用語は、基板の平面に鉛直な角度を含む、様々な角度から入射する光について、一方の偏光を十分に透過し得て、反対の偏光を十分に反射し得る偏光子を意味する。例えばＰＢＳは、一態様において、一方の偏光の少なくとも７０％を透過し得て、反対の偏光の少なくとも３０％を反射し得て、別の態様において、一方の偏光の少なくとも８０を透過し得て、反対の偏光の少なくとも８０％を反射し得る。
【０００９】
本明細書で使用される、「薄膜層」という用語は、グリッドへと分けられない連続的な層を意味する。 
【発明を実施するための形態】
【００１０】
従来、金属（例えば、アルミニウム）が、可視スペクトルにおいて、偏光ワイヤとして使用されてきた。このような、金属製偏光ワイヤを備えた偏光子は、作成が比較的容易であり、比較的高いコントラストを実現し、所望の偏光の高い透過率（例えば、高いＴｐ）を実現し得る。そのような偏光子におけるアルミニウムなどの金属は、大量の光を吸収し得る。例えば、アルミニウムは、可視スペクトル全体で、約４．８〜８．４のｋ値を有する。いくつかの偏光子の用途において、この吸収は、非常に望ましくない。 
【００１１】
図１ − ５は、誘電体偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０、２０ａ、２０ｂ、３０、４０を示し、それらは大部分、実質的に、または全体的に、使用される波長範囲における光に対して実質的に透過的な誘電体材料（例えば、ｋ値／減衰係数が低い）から成り得る。これにより、吸収に起因する光損失が回避され得る。これは、いくつかの用途において、非常に重要な特徴であり得る。ＰＢＳ１０、２０ａ、２０ｂ、３０および４０は、可視スペクトル、または、電磁放射の他の領域において使用するべく作られ得る。
【００１２】
ＰＢＳ１０、２０ａ、２０ｂ、３０および４０は、基板１１の実質的な平面１１Ｐｌの上に位置し得る格子層１３を含む。格子層１３は、細長く、実質的に平行な、交互に並んだ高屈折率領域１３Ｈおよび低屈折率領域１３Ｌの配列を含み得る。格子層１３は、基板１１の平面１１Ｐｌに実質的に平行な平面１３Ｐｌに位置し得る。 
【００１３】
高屈折率領域１３Ｈは、低屈折率領域１３Ｌと異なる誘電体材料から成り得て、これら異なる材料間に明確な境界の層が存在してよい。高屈折率領域１３Ｈは、固体の誘電体材料から成り得る。低屈折率領域１３Ｌは、固体の誘電体材料、空気、別の気体、または真空から成り得る。細長く、実質的に平行な高屈折率領域１３Ｈおよび低屈折率領域１３Ｌの配列は、規則的な反復配列であってよい。
【００１４】
低屈折率領域１３Ｌの屈折率ｎＬを高屈折率領域１３Ｈの屈折率ｎＨより十分に低くするには、誘電性ＰＢＳ１０、２０ａ、２０ｂ、３０および４０の効率を改善することが有益であり得る。例えば、想定用途の波長範囲（例えば、可視光スペクトル）にわたって、高屈折率領域１３Ｈの屈折率ｎＨと、低屈折率領域１３Ｌの屈折率ｎＬとの間の差は、一態様において、０．３より大きく（ｎＨ − ｎＬ＞０．３）、別の態様において、１．０より大きく（ｎＨ − ｎＬ＞１．０）、別の態様において、１．３より大きく（ｎＨ − ｎＬ＞１．３）、別の態様において、１．５より大きく（ｎＨ − ｎＬ＞１．５）、または、別の態様において、１．７より大きい（ｎＨ − ｎＬ＞１．７）ことがある。高い屈折率ｎＨを有する高屈折率領域１３Ｈの材料（例えば、可視スペクトルにおいて２．０、２．３、または、２．５より大きい）の選択により、ＰＢＳ１０、２０ａ、２０ｂ、３０および４０の設計が改善し得る。
【００１５】
誘電性ＰＢＳ１０、２０ａ、２０ｂ、３０および４０の効率を改善するために、次の２つの条件（１または２）のうち１つを満たすことも有益であり得る。  １．基板１１の屈折率ｎｓｕｂと、領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに平行な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ｜｜との差が大きく、かつ、基板１１の屈折率ｎｓｕｂと、領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに鉛直な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ⊥との差が小さい。例えば、格子層１３および基板１１は、次の方程式を満たし得る。
ａ．｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＞０．３、｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＞０．４５、｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＞０．６、｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＞０．７、または｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＞０．８、かつ
ｂ．｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＜０．２５、｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＜０．２、｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＜０．１５、｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＜０．１、または｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＜０．０５。
２．基板１１の屈折率ｎｓｕｂと、領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに鉛直な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ⊥との差が大きく、かつ、基板１１の屈折率ｎｓｕｂと、領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに平行な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ｜｜との差が小さい。例えば、格子層１３および基板１１は、次の方程式を満たし得る。
ａ．｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＞０．３、｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＞０．４５、｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＞０．６、｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＞０．７、または｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＞０．８、かつ
ｂ．｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＜０．２５、｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＜０．２、｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＜０．１５、｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＜０．１、または｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＜０．０５。
上の方程式１．ａ、１．ｂ、２．ａ、および２．ｂにおける所望の関係を達成するべく、デューティサイクル（ＷＨ／Ｐ）、ｎｓｕｂ、ｎＨ、およびｎＬが選択され得る。
【００１６】
格子層１３の実効屈折率ｎ｜｜およびｎ⊥は、鉛直入射光Ｌｎ（θ＝０、図４、５を参照）のための次の方程式によって概算され得る。
【数１】
2017533451.tif 000003
【数２】
2017533451.tif 000004
ＷＬは、低屈折率領域１３Ｌの幅である。ＷＨは、高屈折率領域１３Ｈの幅である。Ｐは、高屈折率領域１３Ｈのピッチである。
【００１７】
非鉛直入射光については、角度θはｚ軸に対する角度であり、角度θｘｚは、ｘ − ｚ平面（領域１３Ｈおよび１３Ｌに交差する平面であり、入射の平面を画定する）に対する角度である。角度θｘｚの非鉛直入射光Ｌｘｚ（図４を参照）については、入射の平面に鉛直な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ｜｜（θｘｚ）は、入射角θｘｚによって影響されない。従って、ｎ｜｜（θｘｚ）＝ｎ｜｜である。しかしながら、入射の平面に平行な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ⊥（θｘｚ）は、入射角θｘｚに依存する。入射角θｘｚである、この実効屈折率ｎ⊥（θｘｚ）を概算する方程式は、以下の通りである。
【数３】
2017533451.tif 000005
【００１８】
ｙ − ｚ平面（領域１３Ｈおよび１３Ｌに平行な平面であり、入射の平面を画定する）内の角度θｙｚの非鉛直入射光Ｌｙｚ（図５を参照）については、入射の平面内の偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ｜｜（θｙｚ）、および、入射の平面に鉛直な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ⊥（θｙｚ）は、入射角θに影響されない。従って、ｎ｜｜（θｙｚ）＝ｎ｜｜、ｎ⊥（θｙｚ）＝ｎ⊥である。
【００１９】
ＰＢＳ１０（図１）は、基板１１上に単一の格子層１３のみを含み、他の層を含まない単純な誘電性ＰＢＳである。このＰＢＳは、製造コストが低く、光の吸収量が非常に低いという利点を有し得るが、コントラストが低いという欠点を有し得る。適切に設計された薄膜層１２を追加することで、効率が向上し得る（ＰＢＳ２０ａ、２０ｂ、３０および４０を参照）。 
【００２０】
薄膜層１２の屈折率ｎＴＦと、基板１１の屈折率ｎｓｕｂとの間の差が小さいと、誘電性ＰＢＳ２０ａ、２０ｂ、３０および４０の効率が改善し得る。例えば、この差は、一態様において、０．６より低く（｜ｎＴＦ − ｎｓｕｂ｜＜０．６）、別の態様において、０．２５より低く（｜ｎＴＦ − ｎｓｕｂ｜＜０．２５）、別の態様において、０．１５より低く（｜ｎＴＦ − ｎｓｕｂ｜＜０．１５）、別の態様において、０．０５より低くなり得る（｜ｎＴＦ − ｎｓｕｂ｜＜０．０５）。
【００２１】
誘電性ＰＢＳ２０ａ、２０ｂ、３０および４０の効率を改善するために、次の２つの条件（３または４）のうち１つを満たすことも有益であり得る。  ３．薄膜層１２の屈折率ｎＴＦと、領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに平行な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ｜｜との差が大きく、かつ、薄膜層１２の屈折率ｎＴＦと、領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに鉛直な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ⊥との差が小さい。例えば、格子層１３および薄膜層１２は、次の方程式を満たし得る。
ａ．｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．３、｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．４５、｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．６、｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．７、または｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＞０．８、かつ
ｂ．｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．２５、｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．２、｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．１５、｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．１、または｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＜０．０５。  ４．薄膜層１２の屈折率ｎＴＦと、領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに鉛直な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ⊥との差が大きく、かつ、薄膜層１２の屈折率ｎＴＦと、領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに平行な偏光のための格子層１３の実効屈折率ｎ｜｜との差が小さい。例えば、格子層１３および薄膜層１２は、次の方程式を満たし得る。  ａ．｜ｎＴＦ −ｎ⊥｜＞０．３、｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＞０．４５、｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＞０．６、｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＞０．７、または｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＞０．８、かつ
ｂ．｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．２５、｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．２、｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．１５、｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．１、または｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＜０．０５。
【００２２】
上の方程式３．ａ、３．ｂ、４．ａ、および４．ｂにおける所望の関係を達成するべく、デューティサイクル（ＷＨ／Ｐ）、ｎＴＦ、ｎＨ、およびｎＬが選択され得る。
【００２３】
薄膜層１２は、薄膜層全体にわたり、等方性の光学特性を有し得る。薄膜層１２は、ｙ軸方向（領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに沿う方向）およびｘ軸方向（領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに鉛直な方向）において、等方性であり得る。薄膜層１２は、単一材料（例えば、実質的に、二酸化ケイ素の均質層）から構成され得る。低屈折率領域１３Ｌの材料が、高屈折率領域１３Ｈと異なることに起因して、格子層１３は、ｙ軸方向（領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに沿う方向）において等方性であり得るが、ｘ軸方向（領域１３Ｈおよび１３Ｌの長さ方向Ｌに鉛直な方向）において異方性であり得る。
【００２４】
図２ａに示すように、格子層１３は、基板１１に隣接し得て、薄膜層１２と基板１１との間に挟まれ得る。図２ｂに示すように、薄膜層１２は、基板１１に隣接し得て、格子層１３と基板１１との間に挟まれ得る。格子層１３内において、高屈折率領域１３Ｈは、低屈折率領域１３Ｌに接触または隣接し得る。上の関係は、各誘電性ＰＢＳの設計を最適化するように選択され得る。 
【００２５】
いくつかの用途については、ＰＢＳの性能は、格子層１３と薄膜層１２との間に位置するグリッド層３２を追加することで向上し得る（図３を参照）。グリッド層３２は、細長く実質的に平行なリブ３２ｒの配列を含み得る。各リブ３２ｒは、示されているように、各高屈折率領域１３Ｈと薄膜層１２との間に位置し得るか、各低屈折率領域１３Ｌと薄膜層１２との間に位置し得る（図示せず）。グリッド層３２は、薄膜層１２と同一の材料から成り得る。グリッド層３２は、薄膜層１２をエッチングするためのマスクとして高屈折率領域１３Ｈまたは低屈折率領域１３Ｌを使用することで形成され得る。一実施形態において、グリッド層３２は、１０〜６０ナノメートルの厚３２Ｔｈを有し得る。
【００２６】
図４ − ５に示すように、格子層１３および薄膜層１２は共に、対４３を構成し得る。ＰＢＳ４０は更に、一態様において、少なくとも１つの追加的な対４３を含み得て、別の態様において、少なくとも２つの追加的な対４３を含み得る。ＰＢＳ４０は、別の態様において、少なくとも１つの、１５より少ない対４３を含み得る。複数の対４３によって、効率が向上し得る。格子層１３の実効屈折率ｎ⊥およびｎ｜｜と、薄膜層１２の屈折率ｎＴＦと、基板１１の屈折率ｎｓｕｂとの間の関係における欠陥は、追加的な複数の対４３によって補償され得る。より多くの対４３を追加すると、コストが増加し得るので、当該の屈折率の間の関係を可能な限り最適化し、次に、必要に応じて、より多くの対４３を追加することが好ましいことがある。
【００２７】
基板１１、格子層１３、グリッド層３２、および／または、薄膜層１２の材料は、誘電体であり得、非重合性誘電体材料であり得る。誘電体材料の例には、Ｎａ３ＡｌＦ６、ＭｇＦ２、ＺｎＳ、酸化チタン、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、およびＨｆＯ２が含まれる。基板１１、格子層１３、グリッド層３２、および／または、薄膜層１２の材料が、想定用途の光スペクトルにおいて、小さい屈折率のｋ値部分を有することは、有益であり得る。例えば、ｋ値は、一態様において、０．１より低く、別の態様において、０．０５より低く、別の態様において、０．０３より低く、別の態様において、０．０１より低くてよい。ｋ値は、想定用途のスペクトルにおける１点で、または、想定用途のスペクトル全体（例えば、４００〜７００ナノメートル）において、これらの値より低くてよい。 
【００２８】
ＰＢＳ１０、２０ａ、２０ｂ、３０および４０の他の態様において、特定の設計の各々について性能を最適化するべく、設計は修正され得る。例えば、図１で示すように、低屈折率領域１３Ｌの厚さ１３ＬＴｈは、高屈折率領域１３Ｈの厚さ１３ＨＴｈと同一であり得る（従って、格子層１３は、単一の厚さ１３Ｔｈを有し得る）。図１で示されているように、低屈折率領域１３Ｌの上面、および、高屈折率領域１３Ｈの上面は、共通面１３ＰＴで終端となり得る。図１で示されているように、低屈折率領域１３Ｌの底面、および、高屈折率領域１３Ｈの底面は、共通面１３ＰＢで終端となり得る。図３で示されているように、低屈折率領域１３Ｌの厚さ１３ＬＴｈは、高屈折率領域１３Ｈの厚さ１３ＨＴｈより大きいことがあり得る。図示されていないが、低屈折率領域１３Ｌの厚さ１３ＬＴｈは、高屈折率領域１３Ｈの厚さ１３ＨＴｈより小さいことがあり得る。
【００２９】
高次回折を最低限に抑えることが望ましい場合、使用される波長スペクトルにおける最低波長より小さい、または、その半分より小さいピッチＰを有することが有益であり得る。例えば、可視光において使用する場合、ピッチＰは、一態様において、４００ナノメートルより小さいか、または、別の態様において、２００ナノメートルより小さい。 
【００３０】
高次回折を最低限に抑えるべく、低屈折率領域１３Ｌの幅ＷＬ、および／または、高屈折率領域１３Ｈの幅ＷＨを、使用する波長スペクトルの最低波長より小さくするか、または、その半分より小さくすることは、有益であり得る（図４ − ５を参照）。例えば、可視光での使用については、低屈折率領域１３Ｌの幅ＷＬ、および／または、高屈折率領域１３Ｈの幅ＷＨは、一態様において、４００ナノメートルより小さく、別の態様において、２００ナノメートルより小さく、別の態様において、１００ナノメートルより小さく、別の態様において、６０ナノメートルより小さくよい。
【００３１】
格子層１３および薄膜層１２は、光学薄膜であり得る。例えば、格子層１３は、厚１３Ｔｈを有し、薄膜層１２は、想定されるＰＢＳの使用の波長範囲における光について、一態様において、１波長より小さい、または、別の態様において、１／２波長より小さい、厚さ１２Ｔｈを有し得る。格子層１３は、厚１３Ｔｈを有し、薄膜層１２は、別の態様において、４００ナノメートルより小さい厚さ１２Ｔｈを有し得る。 
【００３２】
本明細書に記載されている誘電性ＰＢＳ１０、２０ａ、２０ｂ、３０および４０は、ガラス製キューブ内に位置し得るので、背面焦点距離が短く、耐久性が高く、光学系への組み立てが容易であるという、プリズムの利点を有し得るが、また、ＭａｃＮｅｉｌｌｅプリズムより遥かに大きい光入射角度範囲で偏光させ得る。本明細書に記載されている誘電性ＰＢＳ１０、２０ａ、２０ｂ、３０、４０では、他のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ設計と比較して、効率が向上し得る。
【００３３】
［光線分離システムおよび使用方法］
図６は、光線分離システム６０を示している。光源６１は、本明細書に記載された実施形態のうち１つに従って作られ得るＰＢＳ６５に光６２（例えば、可視光）を照射するように配置され得る。ＰＢＳ６５は、光６２を透過ビーム６４（主に一方の偏光、例えばｐ偏光を含み得る）と反射ビーム６３（主に反対の偏光、例えばｓ偏光を含み得る）とに分離し得る。入射光６２が、透過ビーム６４および反射ビーム６３の合計に等しいことが望ましい（光６２＝透過ビーム６４＋反射ビーム６３）。しかしながら、吸収に起因して、入射光６２は、透過ビーム６４および反射ビーム６３の合計より大きいことがあり得る（光６２＞透過ビーム６４＋反射ビーム６３）。それ故、より大きく、より強力で、より高価な光源６１が必要となり得て、冷却の必要性が増大し得て、結果的に、システム６０のコスト、重量、サイズ、および騒音が増大するので、望ましくない。従って、吸収を最低限に抑えることと、入射光６２が透過ビーム６４および反射ビーム６３の合計に等しくなるという理想の状態に近づけることとは、有益であり得る。
【００３４】
ＰＢＳ６５をすべて、または、実質的にすべて、誘電体材料から作り上げることによって、吸収を最低限に抑えられ得る。従って、例えば、一態様において、ＰＢＳ上の入射光６２の少なくとも９０％が、ＰＢＳ６５で反射または透過し得て（０．９×光６２≦反射ビーム６３＋透過ビーム６４）、別の態様において、ＰＢＳ上の入射光６２の少なくとも９５％が、ＰＢＳ６５で反射または透過し得て、別の態様において、ＰＢＳ上の入射光６２の少なくとも９８％が、ＰＢＳ６５で反射または透過し得て、別の態様において、ＰＢＳ上の入射光６２の少なくとも９９％が、ＰＢＳ６５で反射または透過し得る。 
【００３５】
本明細書で記載されている、ＰＢＳ１０、２０ａ、２０ｂ、３０または４０のうち１つを使用する方法は、次の段階を含み得る。
１．ＰＢＳ１０、２０ａ、２０ｂ、３０または４０を光源６１に配置する。
２．一態様において、入射光６２の少なくとも９０％を透過または反射し、別の態様において、入射光の少なくとも９５を透過または反射し、別の態様において、入射光の少なくとも９８を透過または反射し、別の態様において、入射光の少なくとも９９％を透過または反射する。
【００３６】
［例示的な設計］
以下は、角度θｘｚ＝４５°で空気から入射する５５０ナノメートル波長の光Ｌｘｚのために設計されたプレート状誘電性ＰＢＳの例示的な設計である。  １．高屈折率領域１３Ｈは、ＴｉＯ２で、ｎＨ≒２．５８であり、低屈折率領域１３Ｌは、空気で、ｎＬ≒１．０である。ｎＨ − ｎＬ＝１．５８。
２．薄膜層１２は、ＭｇＦ２で、ｎＴＦ≒１．３８である。
３．基板１１は、Ｂｏｒｏｆｌｏａｔ製ガラスプレートであり、ｎｓｕｂ＝１．５０である。
４．ピッチは１４４ナノメートルである。
５．デューティサイクル（ＷＨ／Ｐ）は、６５％である。
６．鉛直入射光Ｌｎ：ｎ｜｜＝２．１７、ｎ⊥＝１．５０。
７．ｘ − ｚ平面に沿った角度４５°の非鉛直入射光Ｌｘｚ：ｎ｜｜（４５°）＝２．１７、ｎ⊥（４５°）＝１．５８。
８．｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＝０．２０、｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＝０。
９．｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＝０．７９、｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜＝０．６７。
１０．｜ｎＴＦ − ｎｓｕｂ｜＝０．１２。
【００３７】
以下は、角度θｙｚ＝４５°でガラス入射する広帯域の可視光Ｌｙｚのために設計された誘電性ＰＢＳキューブの例示的な設計である。
１．高屈折率領域１３Ｈは、ＴｉＯ２で、ｎＨ≒２．５８であり、低屈折率領域１３Ｌは、スピンオングラスで、ｎＬ≒１．１７である。ｎＨ − ｎＬ＝１．４１。
２．薄膜層１２は、ＨｆＯ２で、ｎＴＦ≒１．９３である。
３．基板１１は、ガラスで、ｎｓｕｂ≒１．８８である。入射光の媒体もガラスであり、ｎｓｕｂ≒１．８８である。
４．ピッチは１２０ナノメートルである。
５．デューティサイクル（ＷＨ／Ｐ）は、４０％である。
６．鉛直入射光Ｌｎ：ｎ｜｜＝１．８７、ｎ⊥＝１．４２。
７．ｘ − ｚ平面に沿った角度４５°の非鉛直入射光Ｌｙｚ：ｎ｜｜（４５°）＝１．８７、ｎ⊥（４５°）＝１．４２。
８．｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜＝０．５１、｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜＝０．４６。
９．｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＝０．０６、｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜＝０．０１。
１０．｜ｎＴＦ − ｎｓｕｂ｜＝０．０５。
【００３８】
［設計の概要］
上述の設計上の考慮事項をまとめると、光入射角度の範囲が広く、一方の偏光の透過率が高く（例えば、Ｔｐが高い）、反対の偏光の反射が高いか制御され（例えば、Ｒｓが高い、または、Ｒｓが所望の値に制御されている）、効率が高く、光学系の背面焦点距離が短く、光の吸収量が少なく、および／または、光学系への組み立てが容易であるという利点を有するＰＢＳは、以下の設計上の考慮事項によって作られ得る。
【００３９】
第１に、ビームスプリッタは、大部分、実質的に、または全体的に、使用される波長範囲における光に対して実質的に透過的な誘電体材料（例えば、ｋ値が低い）から作られ得る。
【００４０】
第２に、ビームスプリッタは少なくとも１つの格子層１３を含み得る。格子層１３は、細長く、実質的に平行で、交互に並んだ高屈折率領域１３Ｈおよび低屈折率領域１３Ｌの配列を含み得る。これら２つの領域１３Ｈおよび１３Ｌの屈折率の間の差が大きい（すなわち、ｎＨ − ｎＬの値が大きい）と、性能が向上し得る。
【００４１】
第３に、薄膜層１２が使用される場合、｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜が大きく、｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜が小さくなるように、または、｜ｎＴＦ − ｎ⊥｜が小さく、｜ｎＴＦ − ｎ｜｜｜が大きくなるように設計する。薄膜層１２が使用されない場合、｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜が大きく、｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜が小さくなるように、または、｜ｎｓｕｂ − ｎ⊥｜が小さく、｜ｎｓｕｂ − ｎ｜｜｜が大きくなるように設計する。ｎＴＦ／ｎｓｕｂとｎ⊥またはｎ｜｜との間の差が小さいと、一方の偏光が層の境界を通過するときの反射を最低限に抑えることが可能になる。理論上、ｎＴＦ／ｎｓｕｂ＝ｎ⊥、またはｎＴＦ＝ｎ｜｜／ｎｓｕｂである場合、この偏光は、薄膜層１２と格子層１３との間の境界で反射しないであろう。ｎＴＦ／ｎｓｕｂとｎ⊥またはｎ｜｜との間の差が大きい場合、他方の偏光の反射が大きくなり得る。理論上、この差を可能な限り大きくすることは有益である。 
【００４２】
第４に、｜ｎＴＦ − ｎｓｕｂ｜が小さくなるように設計する。これにより、基板と薄膜層１２または格子層１３との間のいかなる境界でも、この偏光の反射が最低限に抑えることが可能になる。理論上、ｎＴＦ＝ｎｓｕｂの場合が最適である。
【００４３】
実際的な設計において、材料の特性は理想的でないので、トレードオフが存在し得る。１つの設計は、主に一方の偏光の透過率について最適化し得るが、別の所望される特性を犠牲にする。別の設計は、主に一方の偏光の反射について最適化し得るが、別の所望される特性を犠牲にする。 
【００４４】
利用可能な材料の欠陥、および、製造上の欠陥に起因して、実際の設計は通常、理想的な条件を満たさない。従って、上の例示的な設計で示すように、「大きい」および「小さい」という用語は、相対的なものである。このような欠陥は、対４３の数を増やすことによって、少なくとも部分的に補償され得る。しかしながら、対４３の数を増やす場合、製造コストが増大し得るので、性能の向上と、偏光子のコスト増大の回避との間には、トレードオフが存在し得る。
【００４５】
［作成方法］
誘電性ＰＢＳを作成する第１の方法は、次の段階のいくつか、またはすべてを含み得る（段階１および２は、任意の順序で実施され得て、段階３は、段階１および２の後で実施され得る）。
１．次の段階ａからｃを順番に実施することで、格子層１３を形成する。
ａ．基板１１の上に平行な第１領域１３Ｒ１の配列を形成する。例えば、材料１３Ｍ１を基板１１上にスパッタリングし（図７を参照）、次に、材料１３Ｍ１をパターニングおよびエッチングして、第１領域１３Ｒ１を形成する（図８を参照）。グリッド層３２を作成することが望ましい場合、下の材料（例えば、薄膜層１２または基板１１）にエッチングするべく、マスクとして、第１領域１３Ｒ１が使用され得る。
ｂ．第１領域１３Ｒ１の間の細長い溝８３、および、第１領域１３Ｒ１の上を、第２材料１３Ｍ２（例えば、スピンオンまたはＡＬＤ）で満たす。図８ − ９を参照。
ｃ．第１領域１３Ｒ１の上部１３Ｒ１Ｔが第２材料１３Ｍ２を実質的に含まないように、第２材料１３Ｍ２をエッチングして、溝８３内に第２領域１３Ｒ２を形成する。図９ − １０を参照。
２．基板１１の表面上に薄膜層１２を（例えば、スパッタリングによって）形成する。図１１を参照。
３．段階１ − ２を繰り返す（この段階３は複数回繰り返される）。
第１領域１３Ｒ１または第２領域１３Ｒ２のいずれかは、高屈折率領域１３Ｈであり得て、第１領域１３Ｒ１または第２領域１３Ｒ２の他方は、低屈折率領域１３Ｌであり得る。
【００４６】
誘電性ＰＢＳを作成する第２の方法は、次の段階のいくつか、またはすべてを含み得る（段階１および２は、任意の順序で実施され得て、段階３は、段階１および２の後で実施され得る）。
１．基板１１の表面上に薄膜層１２を（例えば、スパッタリングによって）形成する。図１２を参照。
２．平行で細長い高屈折率領域１３Ｈの配列を基板１１の表面上に形成することで、格子層１３を形成する。例えば、高屈折率領域１３Ｈの材料を基板１１上にスパッタリングし、次に、パターニングおよびエッチングを実施して、高屈折率領域１３Ｈを形成する。図３に示すように、グリッド層３２を作成することが望ましい場合、薄膜層１２にエッチングするべく、マスクとして、高屈折率領域１３Ｈが使用され得る。高屈折率領域１３Ｈの間の、空気で満たされた溝は、低屈折率領域１３Ｌであり得る。図１３を参照。
３．段階１ − ２を繰り返す（段階３は複数回繰り返され得る）。図１４を参照。低屈折率領域１３Ｌを薄膜層の材料で満たすことなく、格子層１３の上に薄膜層１２を堆積させることは困難であり得る。薄膜層１２の材料で低屈折率領域１３Ｌが満たされることを最低限に抑えるべく、大きな斜角（例えば８０°）での堆積、または、参照によって本明細書に組み込まれる米国特許出願第２０１２／００７５６９９号に記載される方法が使用され得る。 
【図１】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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