偏光カップリングキューブコーナー型再帰反射体
ピラミッド状構成に配置された３つの互いに直交する反射平面を含み、少なくとも１つの反射平面は、キューブコーナー型再帰反射体を抜け出る光線の偏光状態を、すべての直線偏光の方向に対して、前記キューブコーナー型再帰反射体に入射する光線の偏光状態に直交するか、あるいは実質的に直交するようにする非等方性表面を有する、キューブコーナー型再帰反射体。
【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、ここに参照として組み込まれる、２００５年１１月１日付で出願された米国仮出願番号６０／７３２，０８９号に基づいており、それに対して優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般的に偏光状態変更キューブコーナーに関し、特に、直線偏光直交化と呼ばれる、すべての直線偏光を９０゜だけ回転させるキューブコーナーのための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
センサーを通過する対象物（コンベヤーベルト上の対象物、料金所での自動車など）の検出や距離の測定のような多様な応用は、下記のような光学システムを必要とする。このシステムは、以下において「光源」と呼ばれる、ランプ、レーザーまたはその他の光学装置によって照明される。この光源からの光の一部分は、ビームスプリッタを通って、さらに、ある経路を介してキューブコーナー型再帰反射体へ伝送される。光は、同一の経路に沿ってビームスプリッタに戻り、ビームは、ビームスプリッタによって部分的に反射される。そして、反射された光は、検出器による吸収あるいは他の光学装置への通過によりシステムから出射される。このような出射を、以下において「検出器」と称する。
【０００４】
一部のシステムにおいて、非偏光ビームスプリッタが使用されている。当業者は、そのようなビームスプリッタを通る２つの経路ゆえに、光源光の最大２５％までが検出器に至るということを認識するはずである。図１において、非偏光ビームスプリッタを含むそのようなシステムの例が示されている。図１は、システム１に入射する光を示す。光は、非偏光ビームスプリッタ２によって分割される。光の５０％が、３からシステムを出射して、残りの５０％は、キューブコーナー４に入射する。それから、キューブコーナー４が光を戻して、光の半分（元の光の２５％）は、光源５に戻り、残りの半分は、システムの出口６に到逹する。別のシステムは、偏光ビームスプリッタを使用している。このようなシステムの効率は、再帰反射体の偏光特性によって異なる。一部のシステムは、その偏光特性が屈折率に依存するが、しかし、６個の内のそれぞれにおいて異なる大きな偏光変化のために、一次の範囲においては偏光除去器である、誘電体全反射キューブコーナーを用いる。このようなシステムは、光源光の５０％が検出器に至りうる。図２に、そのようなシステムが示されている。図２は、システムに入射するｐ偏光された光７を示す。ｐ偏光された光が、偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」）８に入射するため、全入射光９は、ＰＢＳから出射して、キューブコーナー１０に入射する。そして、偏光された光は、偏光が除去された光１１としてキューブコーナー１０を出射する。さらに、光のｐ偏光された部分は、光源１２に戻すことにより無くなる（システムに入射する光の約５０％）。ｓ偏光された光は、システム１３から出射する（同じく、システムに入射する光の約５０％）。金属コーティングされた中空のキューブコーナーに対して、検出器における偏光状態は光源偏光状態とほぼ同一であり、検出器に存在する光がほとんどない結果となる。これは、図３に示されており、金属コーティングされたキューブコーナー１４は、金属コーティングキューブコーナー１４から出射するｐ偏光された光１５、およびシステムから出射し、１００％光源へ戻る（損失）ｐ偏光された光１６を生成する。一部のシステムは、図４に示されているように、光学的な経路に４分の１波長リニア・リターダーを設けている。図４において、ｐ偏光された光７は、ＰＢＳ８に入射し、全入射光は、ＰＢＳ９から出射して、入射偏光１７に対して４５゜に向けられたファスト・アキシスを有する４分の１波長リニア・リターダー（以下、「ＱＷＬＲ」）に入射する。光は、金属コーティングを有するキューブコーナー１９に対して入射する右円偏光として、ＱＷＬＲから出射する。そして、光は、左円偏光光２０としてキューブコーナー１９から出射して、ＱＷＬＲ１７に再入射する。そのあと、光は、ｓ偏光された形態２１でＱＷＬＲ１７から出射する。光がｓ偏光であるため、入射光の１００％がシステムを出射して、光源に戻ることにより損失されるものはない。したがって、原理上は、４分の１波長リニア・リターダーを付加することによって、金属コーティングされたキューブコーナーを有する、１００％の直線偏光カップリングが可能となる。しかしながら、波長板が注意深く整列されなければならないため、これは、システムに余分の費用および複雑さが必要となる。実際に、システムは、８０％の偏光カップリングの達成ができていない。
【発明の開示】
【０００５】
したがって、本発明の一実施形態において、キューブコーナーは偏光に対して直交方向に配置される。これによって、再帰反射された光は、如何なる入射直線偏光状態に対しても、常に直交した偏光状態を有する。そのようなシステムは、４分の１波長リニア・リターダーを付加するような複雑さがなくても、光源光の１００％が検出器に到逹するように許容する。図５には、ＰＢＳ８に入射するｐ偏光された光７が、ＰＢＳを出射する全入射光９とともに示されている。そして、光は、偏光に対して直交方向に配置されるキューブコーナー２３に入射する。結果として、光は、ｓ偏光された光２４としてキューブコーナーから出射する。このように、ｓ偏光された光がＰＢＳ９に再入射するとき、入射光の１００％がシステムから出射する（２５）ことができる。コーナーキューブは、特定の角度の方向を取ることを必要としない。そのようなシステムは、同等な信号対雑音の比で、図１のシステムの１／４の光学パワーまたは図２の１／２のパワーにて動作することができ、あるいは、より損失の多い媒体を介して、他のシステムよりももっと長い距離を提供することができる。
【０００６】
それに応じて、本発明の１つの目的は、ピラミッド状構成に配置された３つの互いに直交する反射平面を含み、少なくとも１つの反射平面は、キューブコーナー型再帰反射体を出射する光線の偏光状態が、いずれの入射直線偏光の方向に対しても、キューブコーナー型再帰反射体に入射する光線の偏光状態に直交するか、あるいは実質的に直交するようにする非等方性表面を有する、直線偏光直交化を遂行するキューブコーナー型再帰反射体を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の実施形態において、少なくとも１つの反射平面は、少なくとも１つのサブ波長格子を有する。
【０００８】
本発明の他の実施形態において、少なくとも１つの反射平面は、複屈折コーティングを有する。
【０００９】
本発明の他の実施形態において、それぞれの反射平面は、２７．５％の楕円率角度で反射平面の表面のｐ平面に方向付けられた１８０°のリターダンスを有する表面を有し、すなわち、それぞれの界面は、近似的に｛１、０．５７、０、０．８２｝で表されるストークス固有ベクトルを有する、２分の１波長楕円形リターダーとして動作する。
【００１０】
本発明の他の実施形態において、それぞれの反射平面は、反射平面の表面のｓ及びｐ平面に対して４５゜に向けられた１８０゜のリニア・リターダンスを有する表面を有し、すなわち、それぞれの界面は、ｓ及びｐ偏光状態に対して±４５゜に向けられたリターダンス固有状態を有する、２分の１波長リニア・リターダーとして動作する。
【００１１】
本発明の他の実施形態において、それぞれの反射平面は、ｓ及びｐ平面において、偏光固有状態として±７０．５２゜＝ａｒｃｃｏｓ（１／３）のリニア・リターダンスを有する異方性表面を有する。この実施形態において、表面の異方性は、方位角に依存して、リターダンスを変化させる。０の方位角に対してリターダンスがプラス７０．５２゜であれば、リターダンスは、９０゜の方位角に対してマイナス７０．５２゜となる。
【００１２】
本発明の他の実施形態において、少なくとも１つの反射平面は、ｓ及びｐ平面に整列されない偏光固有状態を有する異方性表面を有し、６個のうちの、任意のまたは全てのもののミュラーマトリックスは、理想の直線偏光直交化ミュラーマトリックス
【数１】
に同等であるかまたは近似する。
【００１３】
本発明の他の様態によると、それぞれの反射平面は、ダイアテニュエーション性を備える表面を有する。
【００１４】
添付の図面と関連して以下の詳細な説明を参照することによって、本発明をより完全に認識することができ、本発明の利点をよりよく理解することができるであろう。なお、類似の参照符号は、それぞれの図面における同一または対応する部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
キューブコーナーは、ピラミッド状の構成となった３つの互いに直交する反射平面から構成される。３つのすべての平面が交差する地点は、キューブコーナーの頂点として知られている。再帰反射において、いずれの入射光線であっても、それぞれの表面と一回突き当たる。３つの平面があるため、平面と突き当たる順番は、３階乗個の組み合わせ、すなわち、１２３、１３２、２１３、２３１、３１２及び３２１である。このような６個の組み合わせは、キューブコーナーの正面における６個の区別されるもの（サブ開口または非連続の波面）に対応する。キューブコーナーの偏光特性の計算は、６個のもののそれぞれの偏光特性の計算を必要とする。６個のものそれぞれに対して、ミュラーマトリックスの計算は、４個の回転マトリックスと、３個の表面反射マトリックスとの積である（J. Liu and R. M. A. Azzam, "Polarization properties of corner-cube retroreflectors: theory and experiment ," Appl. Opt. 36, 1553-1559 (1997), S. E. Segre and V. Zanza, "Mueller calculus of polarization change in the cube-corner retroreflector ," J. Opt. Soc. Am. A 20, 1804-1811 (2003), M. S. Scholl, "Ray trace through a corner-cube retroreflector with complex reflection coefficients," J. Opt. Soc. Am. A 12, 1589- (1995), E. R. Peck, "Polarization properties of corner reflectors and cavities," J. Opt. Soc. Am. 52, 253-257 (1962), Kalibjian, Ralph, "Stokes polarization vector and Mueller matrix for a corner-cube reflector", Optics Communications, Volume 240, Issue 1-3, p. 39-68 (2004)）。回転マトリックスは、キューブコーナーの幾何学的な特性から導出される。表面反射マトリックスの計算は、界面のタイプ、すなわち、金属反射、全内面反射、多層コーティング界面、サブ波長格子などに依存する。キューブコーナーの累積偏光特性は、６個のもののそれぞれに対してミュラーマトリックスの平均によって求められる。これまで、キューブコーナー型再帰反射体のすべての発表された偏光分析は、等方性界面を仮定していた。等方性界面であれば、表面の振幅反射係数から表面反射マトリックスの計算を行うことができる（フレネル係数、多層膜計算など）。
【００１６】
一部の応用において、入射光線は、完全に再帰反射されないことが好ましい。コーナーキューブは、平面をわずかに非直交とさせるか、反射表面をカーブさせることを含め、多様な方式で変更することができる。キューブ構造におけるどのような小さな変化とも関係なく、戻ってきたビームの偏光状態の新規の変更は、ここに説明される新しい技法によって達成することができる。
【００１７】
本発明は、すべての直線偏光の方向に対して、出射される光線の偏光状態を、入射光線の偏光方向に対して直交するかあるいは実質的に直交するようにする、非等方性表面を有するキューブコーナーである。すべての偏光に対して、出射される偏光は入射する直線偏光に直交するため、正面の法線周りの回転に対して、キューブコーナーの性能は、すべての方向に対して同一であるので、簡単に使用することができる。
【００１８】
本発明の一実施形態は、その表面が、１つ以上のサブ波長格子または複屈折コーティングによって変更されたキューブコーナーである。より具体的に、キューブコーナーは、すべての３つの面にサブ波長格子を有し、変更された面のリターダンスが１８０゜であり、また、（１）ｓ及びｐベクトルに対して、直線として４５゜に向けられているか、（２）ｓ及びｐベクトルに対して、０゜に向けられており、２７．５゜の楕円率で楕円であるか、あるいは、（３）上記段落番号００１１で述べたように、±７２゜のリニア・リターダンスを有する異方性表面である。もしくは、キューブコーナーは、その特性が実質的にこれと類似の、変更された反射表面を有する。さらに、本発明は、このような特性を有するキューブコーナーのアレイ、またはキューブコーナーのシートを含む。
【００１９】
通常の金属または誘電体コーナーキューブ、または裏面が金属コーティングされたコーナーキューブ、もしくは裏面が多層誘電体コーティングで塗布されたコーナーキューブは、高効率の偏光変換を生成することができない。また、等方性薄膜を用いる変更は、所望の効果を効率的に達成することができない。いずれの等方性表面であっても、表面に対する光線の入射角にのみ依存して、光線の方位角には依存しないという特性を有する。キューブコーナーの正面に垂直に入射する光線に対して、すべての３つの反射に対する入射角は５４．７゜である。幾何学的な要因に起因し、それぞれの反射の間に偏光基準面（ｓ及びｐ平面）の６０゜回転が存在する。いずれの全内面反射であってもダイアテニュエーション性（減衰特性における非対称性）を備えることはなく、常にｓ平面及びｐ平面の方向を向いているリターダンスのみを有する。この与えられた制限条件において、理想的な偏光カップリングの達成は不可能である。３つの同一の等方性反射平面を有するキューブコーナーは、０．５という理論上の最大カップリングを有する。３つの反射平面が異なるリターダンスを有する等方性であれば、すべての入射状態に対して７５％のカップリングを達成することができ、または、他の方法では、１つの入射直線偏光状態に対して１のカップリングが得られ、他の直線偏光状態は、０のカップリングを有する。これらは、等方性表面を用いたキューブコーナーに対する理論上の最大値である。
【００２０】
所望の偏光カップリングを生成するために、本発明の一実施形態のキューブコーナーは、反射平面にサブ波長格子を設けることによって変更される。サブ波長格子は、その形状、周期、及びアスペクト比によって特定される。等方性表面とは異なり、サブ波長格子で変更された表面の特性は、方位角に依存する。サブ波長格子で変更された表面に対する表面反射マトリックスは、厳密結合波理論（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ｔｈｅｅｏｒｙ；ＲＣＷＴ）のような数学的方法によって計算することができる（M. G. Moharam and T. K. Gaylord, "Rigorous coupled-wave analysis of metallic surface-relief gratings," J. Opt. Soc. Am. A 3, 1780- (1986), M. G. Moharam, E. B. Grann, D. A. Pommet, and T. K. Gaylord, "Formulation for stable and efficient implementation of the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings," J. Opt. Soc. Am. A 12, 1068- (1995), M. G. Moharam, D. A. Pommet, E. B. Grann, and T. K. Gaylord, "Stable implementation of the rigorous coupled-wave analysis for surface-relief gratings: enhanced transmittance matrix approach," J. Opt. Soc. Am. A 12, 1077- (1995), M. G. Moharam and T. K. Gaylord, "Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings," J. Opt. Soc. Am. 72, 1385- (1982), M. G. Moharam and T. K. Gaylord, "Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings: Erratum," J. Opt. Soc. Am. 73, 411- (1983)）。図６に示されているように、コーナーキューブの正面３２に垂直に入射する光線２７に対する方位角２６は、第１の面では０゜、第２の面では９０゜、第３の面では０゜である。また、図６には、キューブコーナーの頂点３０から、反射平面２９の２つの頂点ではないコーナーの間の中心に配置された、正面３２の辺上の点までのライン２８が示されている。また、反射表面２９に垂直であるライン３１も、入射角３３とともに示されている。周期が充分に小さければ、サブ波長格子は、リターダーとして作動する。例えば、２つの直交する方向が異なる屈折率ｎ１及びｎ２を有する材料から製造された、通常の複屈折リターダーを考える。入射したのと同一の方向で偏光状態が材料から出射するように、単に絶対位相を変更することだけによってそれぞれの屈折率と揃えられた１つの偏光状態が存在する。いずれの入射偏光状態であっても、これらの２つの和に分解することができるため、これらは、すべての偏光状態の動作を記述するのに十分な基盤を形成する。このような偏光状態は、固有偏光と呼ばれる。リターダンスは、通常、これら２つの偏光状態の間のＯＰＤ差異として定義される。
【数２】
０の方位角に対して、ｓ偏光がｎ１に整列され、ｐ偏光がｎ２に整列されて、ｎ１＞ｎ２であり、したがって、リターダンスはプラスであると仮定する。また、９０゜の方位角に対して、ｓ偏光の状態はｎ２に整列され、ｐ偏光はｎ１に整列される。このような場合、リターダンスはｎ２−ｎ１＜０であり、したがって、表面のリターダンスは、単に方位角を変更したことによってマイナスとなっている。サブ波長格子は、同一の動作を見せる。これは、コーナーキューブのすべての表面が同一の異方性表面を有するなら、正面に垂直にコーナーキューブに入射した光線は、第１及び第３の反射で見られるマイナスのリターダンスを、第２の反射で見るということを意味する。異方性表面のこのような性質のため、理想的な偏光カップリングの達成が可能となる。理想的な偏光カップリングが得られる、従来に公知となった方法はない。
【００２１】
実質的に直交するキューブコーナーを生成する、数え切れない程の無限なセットの実質的に類似したソリューションが存在する。ここで、実質的に類似したソリューションとは、特定のリターダンスの大きさ、リターダンスの方向、または他のパラメーターが、上記と完全に同一ではないが、結果的なコーナーキューブが、理想に近い偏光カップリングを生成することを意味する。これまでに最大値として知られていた７５％未満の偏光カップリングを有するいずれの実施形態でも、理想に近いと見なすことができない。
【００２２】
所望の偏光効果を満足する１つの特定のソリューションは、固体ＰＭＭＡまたは３つの同一の反射平面を有し、約１．４９の屈折率を有する別の材料であって、それぞれは、図７に示されているように、２３５ｎｍの周期と、２．２５のアスペクト比とを有する、断面が台形の対称なサブ波長格子によって変更された材料からなるキューブコーナーである。
【００２３】
他の方法では、完全な偏光カップリングは、反射平面に複屈折コーティングを位置させることにより得ることができる。複屈折コーティングは、リターダンスの方向をｓまたはｐ平面の外に移動させる能力を有する。これは、理想的な偏光カップリングを許容するのに十分である。例えば、すべての３つの界面が４５゜に向けられた２分の１波長リターダンスを有すれば、理想的な偏光カップリングが達成される。
【００２４】
さらに、本発明を理解する上で多数の定義が役立つこともある。サブ波長格子は、設計波長において、その周期が１波長未満の回折格子のような１次元回折構造として定義される。設計仕様によって、サブ波長格子は、０ではない回折次数を抑制することができ、０次への効率性を増加させることができる。このような格子は、また、界面のリターダンス及びダイアテニュエーションを変更することができる。慎重に設計することによって、全反射表面上のサブ波長格子は、その主軸が反射のｓまたはｐ平面に沿って向けられていないリターダンスを生成しながら、０次回折されたビームに１（ｕｎｉｔｙ）の反射率（回折効率）を有することができ、楕円リターダンスまたはリニア・リターダンスを生成することができる。
【００２５】
方位角２６、ここで使われた方位角という用語は、図６に示されているように、反射表面２９の平面において、正面３２の端に垂直であるラインに対する入射光線の角度である。
【００２６】
アスペクト比は、格子の振幅（または表面レリーフ格子に対する深さ）を格子の周期で除算した比である。
【００２７】
偏光カップリング、反射に対するミュラーマトリックスによって記述された光学に関わる直線偏光カップリングは、ベクトル、マトリックス、ベクトルの積
【数３】
で定義され、入射偏光の方向θの関数として直交偏光状態に再帰反射される、入射直線偏光光の部分の大きさである。Ｓｉｎ［２θ］でのマイナス符号は、反射において、ストークスベクトルに対する座標システムの変化に因る。１の偏光カップリングは、そのθに対する完全直交化を表す。本発明は、あらゆるθに対して１の偏光カップリングを獲得する方法を提供する。
【００２８】
１未満の偏光カップリングは、入射する直線偏光の一部が、入射光の偏光と同一の偏光状態で戻ることを意味する。直線偏光された光が入射するときに、偏光されていない光を戻す完全偏光除去するキューブコーナーは、１／２の偏光カップリングを有する。
【００２９】
反射において、すべての入射する直線偏光に対する完全な直交化は、６個のもののそれぞれに対して、さらにそれらの空間平均に対して、コーナーキューブ・ミュラーマトリックスが以下であるようなときにだけ発生する。
【数４】
【００３０】
本発明の１つの独特の特徴は、コーナーキューブを介した３つの反射と関連するミュラーマトリックスを考慮することにより、理解することができる。角度θに向けられたファスト・アキシスを有し、リターダンスδの透過型リニア・リターダーに対するミュラーマトリックスは、以下のようになる。
【数５】
反射型リニア・リターダーに対して、反射に適用される符号規約のため、同一の方向の２分の１波長リターダンスを有する左側のマトリックスの積が、ミュラーマトリックス
【数６】
に含まれている。
【００３１】
同一の等方性表面を有するコーナーキューブの、６個のうちの１つのものは、次のようなミュラーマトリックス・シーケンスによって特徴付けられる。
【数７】
δは、名目上の５４．７゜の入射角における等方性界面のリターダンスである。リターダンスは、３つの面に対して変わらず同一に維持されるが、ｓ及びｐ平面の方向は、界面の間で回転する。この方程式に対する完全な検討により、最大平均偏光カップリングがただ０．７５であることが明らかになる。このようなミュラーマトリックスは、段落番号００２９における理想のミュラーマトリックスとは、決して同一であり得ない。
【００３２】
ｓまたはｐ方向に向けられたた３つの異方性界面に対し、段落番号００３１の式は、第２の反射が、
【数８】
の形態を有するように変更され、リターダンスの符号は、段落番号００２０で説明された理由によって変更された。３つの同一のｓ−ｐ異方性界面に対して、ミュラーマトリックスは次のとおりである。
【数９】
なお、δ＝７０．５２゜であるとき、すべての偏光方向に対して理想的な偏光カップリングが得られ、ミュラーマトリックスは、段落番号００２９のマトリックス
【数１０】
となる。目標の７０．５２゜のリターダンスを有したｐ平面における格子構造（ｒｕｌｉｎｇ）により、サブ波長格子を容易に設計、製造することができるため、このような構成は、本発明で開示された最も簡単でかつ最も好ましい構成の１つである。
【００３３】
サブ波長格子の格子構造が、ｐまたはｓ平面に沿って整列されないとき、他の方向に対するリニア・リターダンス及び楕円形リターダンスが得られる。このようなさらに任意のケースに対して一般化された段落番号００３２の式に関する検討は、すべての方向に対して理想的な偏光カップリングを生成することができる、別のリターダーの構成を示す。このようなソリューションの中で、リターダンスδ、主軸の方向θ、ポアンカレ球での固有偏光の緯度ξに対する下記の特性を有する、３つの同一の異方性表面がある。
δ θ ξ
７０．５２° ０° ０°
１８０° １６° ０°
７０° ３０° ０°
１８０° ４５° ０°
１８０° ７５° ０°
６０° １０５° ０°
１２０° １３２° ０°
ポアンカレ球は、図８に示される。図８において、それぞれの反射平面は、方位角が０であるときは＋７０゜のリターダンスを有し、方位角が９０゜であるときは−７０゜のリニア・リターダンスを有し、異方性である場合、固有状態３４が、０゜線形として示されている。また、図８は、それぞれの反射平面が、反射平面の表面のｓ及びｐ平面に対して４５゜の方向の１８０゜のリニア・リターダンスを有する表面を有する場合の固有状態３５を示している。さらに、図８は、それぞれの反射平面が１８０°のリターダンスを有する表面を有し、反射表面に対する固有状態は楕円偏光であり、２７．５％の楕円率角度で反射平面の表面のｐ平面に向けられた主軸を有する場合の固有状態３６を示しており、他の偏光固有状態は、実質的に直交である。最後に、図８は、ポアンカレ球の北極３７が右円形偏光された光であることを示している。
【００３４】
横軸に沿って度単位でδの関数として、そして、縦軸に沿って度単位でθの関数として、段落番号００２９の理想的なミュラーマトリックスからの、特定のタイプの、リターダンスを生じる異方的な表面に対応するミュラーマトリックスの距離を表す、図９に黒いバンド３９で示されているように、直線偏光固有状態を有する３つの同一の異方的な界面に対して、幾つかの連続したソリューションのファミリが実際に存在する。輪郭プロットの最も暗いバンドは、段落番号００２９に最も近いソリューションを示す。また、最も好ましいソリューションは、図９に３８として示されている、段落番号００３２のｐ方向を向くソリューションである。
【００３５】
偏光固有状態が楕円形であるとき、同一の異方性表面に対する追加的なソリューションが見出されており、サブ波長格子がｓまたはｐ方向から離れるように回転されたパターンを有するときに発生する。図１０は、０から１８０゜（２分の１波長）までの表面リターダンスのすべての値に対し、ポアンカレ球上の２５゜の緯度において、偏光固有状態に対し黒い色でそのソリューション４０をプロットする。対応するプロットは、−９０゜と９０゜の間のすべての緯度に対して得られるが、ソリューション４０は、−６０゜ないし６０゜の緯度においてのみ見出される。
【００３６】
上記した教示の観点から、本発明に対する多様な変更及び変形が可能である。例えば、サブ波長格子または複屈折コーティングを、モノリシック構造のキューブコーナー、キューブコーナーのシート、またはキューブコーナーのアレイに適用することができる。異なる異方性界面が、異なる表面に適用されてもよく、１つまたは２つの表面だけが異方性であってもよい。本発明は、完全に新規な偏光変更に関するものであって、製造の詳細事項に関わるものではない。
【００３７】
本発明の特定の実施形態は、本発明の範囲内から逸脱することなく、変更することもできる。したがって、当然ながら、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内において、本発明が、ここで詳しく記述されたのと異なる方法によって遂行されることもある。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】非偏光ビームスプリッタを用いるシステムを示す図である。
【図２】誘電体全内面反射キューブコーナーを用いるシステムを示す図である。
【図３】金属コーティングされたキューブコーナーを用いるシステムを示す図である。
【図４】金属コーティングされたキューブコーナー、及び４分の１波長リニア・リターダーを用いるシステムを示す図である。
【図５】既述の偏光直交キューブコーナーを用いるシステムを示す図である。
【図６】方位角を示す図である。
【図７】サブ波長格子を有する、三角形の１．１７５μｍキューブコーナーの上面図及び底面図である。
【図８】特許請求の範囲の偏光固有状態をポアンカレ球上に示した図である。
【図９】直線偏光された偏光固有状態を有する、同一の異方的な表面を有する直線偏光直交化キューブコーナーに関するソリューションの領域を示す図である。ソリューション領域は、最も暗いバンドで表示されている。横軸はリターダンスであり、縦軸は方向である。下部軸（３８）と９０°にわたる水平ライン（３９）に沿ったソリューションのみが、ｓ及びｐ平面に整列された固有状態を有し、したがって、最も容易に具現される。
【図１０】ポアンカレ球上の２５゜の緯度に位置した楕円形の偏光固有状態を有する、同一の異方性表面を有する直線偏光直交化コーナーキューブに対するソリューションのサブセットを示す図である。水平軸はリターダンスであり、垂直軸は方向である。図９及び図１０は、本発明に関するソリューションスペースにわたった２つの断面を示し、他の断面は、ポアンカレ球上の他の緯度に対応する。
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、ここに参照として組み込まれる、２００５年１１月１日付で出願された米国仮出願番号６０／７３２，０８９号に基づいており、それに対して優先権の利益を主張するものである。
【０００２】
本発明は、一般的に偏光状態変更キューブコーナーに関し、特に、直線偏光直交化と呼ばれる、すべての直線偏光を９０゜だけ回転させるキューブコーナーのための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
センサーを通過する対象物（コンベヤーベルト上の対象物、料金所での自動車など）の検出や距離の測定のような多様な応用は、下記のような光学システムを必要とする。このシステムは、以下において「光源」と呼ばれる、ランプ、レーザーまたはその他の光学装置によって照明される。この光源からの光の一部分は、ビームスプリッタを通って、さらに、ある経路を介してキューブコーナー型再帰反射体へ伝送される。光は、同一の経路に沿ってビームスプリッタに戻り、ビームは、ビームスプリッタによって部分的に反射される。そして、反射された光は、検出器による吸収あるいは他の光学装置への通過によりシステムから出射される。このような出射を、以下において「検出器」と称する。
【０００４】
一部のシステムにおいて、非偏光ビームスプリッタが使用されている。当業者は、そのようなビームスプリッタを通る２つの経路ゆえに、光源光の最大２５％までが検出器に至るということを認識するはずである。図１において、非偏光ビームスプリッタを含むそのようなシステムの例が示されている。図１は、システム１に入射する光を示す。光は、非偏光ビームスプリッタ２によって分割される。光の５０％が、３からシステムを出射して、残りの５０％は、キューブコーナー４に入射する。それから、キューブコーナー４が光を戻して、光の半分（元の光の２５％）は、光源５に戻り、残りの半分は、システムの出口６に到逹する。別のシステムは、偏光ビームスプリッタを使用している。このようなシステムの効率は、再帰反射体の偏光特性によって異なる。一部のシステムは、その偏光特性が屈折率に依存するが、しかし、６個の内のそれぞれにおいて異なる大きな偏光変化のために、一次の範囲においては偏光除去器である、誘電体全反射キューブコーナーを用いる。このようなシステムは、光源光の５０％が検出器に至りうる。図２に、そのようなシステムが示されている。図２は、システムに入射するｐ偏光された光７を示す。ｐ偏光された光が、偏光ビームスプリッタ（以下、「ＰＢＳ」）８に入射するため、全入射光９は、ＰＢＳから出射して、キューブコーナー１０に入射する。そして、偏光された光は、偏光が除去された光１１としてキューブコーナー１０を出射する。さらに、光のｐ偏光された部分は、光源１２に戻すことにより無くなる（システムに入射する光の約５０％）。ｓ偏光された光は、システム１３から出射する（同じく、システムに入射する光の約５０％）。金属コーティングされた中空のキューブコーナーに対して、検出器における偏光状態は光源偏光状態とほぼ同一であり、検出器に存在する光がほとんどない結果となる。これは、図３に示されており、金属コーティングされたキューブコーナー１４は、金属コーティングキューブコーナー１４から出射するｐ偏光された光１５、およびシステムから出射し、１００％光源へ戻る（損失）ｐ偏光された光１６を生成する。一部のシステムは、図４に示されているように、光学的な経路に４分の１波長リニア・リターダーを設けている。図４において、ｐ偏光された光７は、ＰＢＳ８に入射し、全入射光は、ＰＢＳ９から出射して、入射偏光１７に対して４５゜に向けられたファスト・アキシスを有する４分の１波長リニア・リターダー（以下、「ＱＷＬＲ」）に入射する。光は、金属コーティングを有するキューブコーナー１９に対して入射する右円偏光として、ＱＷＬＲから出射する。そして、光は、左円偏光光２０としてキューブコーナー１９から出射して、ＱＷＬＲ１７に再入射する。そのあと、光は、ｓ偏光された形態２１でＱＷＬＲ１７から出射する。光がｓ偏光であるため、入射光の１００％がシステムを出射して、光源に戻ることにより損失されるものはない。したがって、原理上は、４分の１波長リニア・リターダーを付加することによって、金属コーティングされたキューブコーナーを有する、１００％の直線偏光カップリングが可能となる。しかしながら、波長板が注意深く整列されなければならないため、これは、システムに余分の費用および複雑さが必要となる。実際に、システムは、８０％の偏光カップリングの達成ができていない。
【発明の開示】
【０００５】
したがって、本発明の一実施形態において、キューブコーナーは偏光に対して直交方向に配置される。これによって、再帰反射された光は、如何なる入射直線偏光状態に対しても、常に直交した偏光状態を有する。そのようなシステムは、４分の１波長リニア・リターダーを付加するような複雑さがなくても、光源光の１００％が検出器に到逹するように許容する。図５には、ＰＢＳ８に入射するｐ偏光された光７が、ＰＢＳを出射する全入射光９とともに示されている。そして、光は、偏光に対して直交方向に配置されるキューブコーナー２３に入射する。結果として、光は、ｓ偏光された光２４としてキューブコーナーから出射する。このように、ｓ偏光された光がＰＢＳ９に再入射するとき、入射光の１００％がシステムから出射する（２５）ことができる。コーナーキューブは、特定の角度の方向を取ることを必要としない。そのようなシステムは、同等な信号対雑音の比で、図１のシステムの１／４の光学パワーまたは図２の１／２のパワーにて動作することができ、あるいは、より損失の多い媒体を介して、他のシステムよりももっと長い距離を提供することができる。
【０００６】
それに応じて、本発明の１つの目的は、ピラミッド状構成に配置された３つの互いに直交する反射平面を含み、少なくとも１つの反射平面は、キューブコーナー型再帰反射体を出射する光線の偏光状態が、いずれの入射直線偏光の方向に対しても、キューブコーナー型再帰反射体に入射する光線の偏光状態に直交するか、あるいは実質的に直交するようにする非等方性表面を有する、直線偏光直交化を遂行するキューブコーナー型再帰反射体を提供することにある。
【０００７】
本発明の他の実施形態において、少なくとも１つの反射平面は、少なくとも１つのサブ波長格子を有する。
【０００８】
本発明の他の実施形態において、少なくとも１つの反射平面は、複屈折コーティングを有する。
【０００９】
本発明の他の実施形態において、それぞれの反射平面は、２７．５％の楕円率角度で反射平面の表面のｐ平面に方向付けられた１８０°のリターダンスを有する表面を有し、すなわち、それぞれの界面は、近似的に｛１、０．５７、０、０．８２｝で表されるストークス固有ベクトルを有する、２分の１波長楕円形リターダーとして動作する。
【００１０】
本発明の他の実施形態において、それぞれの反射平面は、反射平面の表面のｓ及びｐ平面に対して４５゜に向けられた１８０゜のリニア・リターダンスを有する表面を有し、すなわち、それぞれの界面は、ｓ及びｐ偏光状態に対して±４５゜に向けられたリターダンス固有状態を有する、２分の１波長リニア・リターダーとして動作する。
【００１１】
本発明の他の実施形態において、それぞれの反射平面は、ｓ及びｐ平面において、偏光固有状態として±７０．５２゜＝ａｒｃｃｏｓ（１／３）のリニア・リターダンスを有する異方性表面を有する。この実施形態において、表面の異方性は、方位角に依存して、リターダンスを変化させる。０の方位角に対してリターダンスがプラス７０．５２゜であれば、リターダンスは、９０゜の方位角に対してマイナス７０．５２゜となる。
【００１２】
本発明の他の実施形態において、少なくとも１つの反射平面は、ｓ及びｐ平面に整列されない偏光固有状態を有する異方性表面を有し、６個のうちの、任意のまたは全てのもののミュラーマトリックスは、理想の直線偏光直交化ミュラーマトリックス
【数１】
に同等であるかまたは近似する。
【００１３】
本発明の他の様態によると、それぞれの反射平面は、ダイアテニュエーション性を備える表面を有する。
【００１４】
添付の図面と関連して以下の詳細な説明を参照することによって、本発明をより完全に認識することができ、本発明の利点をよりよく理解することができるであろう。なお、類似の参照符号は、それぞれの図面における同一または対応する部分を指す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
キューブコーナーは、ピラミッド状の構成となった３つの互いに直交する反射平面から構成される。３つのすべての平面が交差する地点は、キューブコーナーの頂点として知られている。再帰反射において、いずれの入射光線であっても、それぞれの表面と一回突き当たる。３つの平面があるため、平面と突き当たる順番は、３階乗個の組み合わせ、すなわち、１２３、１３２、２１３、２３１、３１２及び３２１である。このような６個の組み合わせは、キューブコーナーの正面における６個の区別されるもの（サブ開口または非連続の波面）に対応する。キューブコーナーの偏光特性の計算は、６個のもののそれぞれの偏光特性の計算を必要とする。６個のものそれぞれに対して、ミュラーマトリックスの計算は、４個の回転マトリックスと、３個の表面反射マトリックスとの積である（J. Liu and R. M. A. Azzam, "Polarization properties of corner-cube retroreflectors: theory and experiment ," Appl. Opt. 36, 1553-1559 (1997), S. E. Segre and V. Zanza, "Mueller calculus of polarization change in the cube-corner retroreflector ," J. Opt. Soc. Am. A 20, 1804-1811 (2003), M. S. Scholl, "Ray trace through a corner-cube retroreflector with complex reflection coefficients," J. Opt. Soc. Am. A 12, 1589- (1995), E. R. Peck, "Polarization properties of corner reflectors and cavities," J. Opt. Soc. Am. 52, 253-257 (1962), Kalibjian, Ralph, "Stokes polarization vector and Mueller matrix for a corner-cube reflector", Optics Communications, Volume 240, Issue 1-3, p. 39-68 (2004)）。回転マトリックスは、キューブコーナーの幾何学的な特性から導出される。表面反射マトリックスの計算は、界面のタイプ、すなわち、金属反射、全内面反射、多層コーティング界面、サブ波長格子などに依存する。キューブコーナーの累積偏光特性は、６個のもののそれぞれに対してミュラーマトリックスの平均によって求められる。これまで、キューブコーナー型再帰反射体のすべての発表された偏光分析は、等方性界面を仮定していた。等方性界面であれば、表面の振幅反射係数から表面反射マトリックスの計算を行うことができる（フレネル係数、多層膜計算など）。
【００１６】
一部の応用において、入射光線は、完全に再帰反射されないことが好ましい。コーナーキューブは、平面をわずかに非直交とさせるか、反射表面をカーブさせることを含め、多様な方式で変更することができる。キューブ構造におけるどのような小さな変化とも関係なく、戻ってきたビームの偏光状態の新規の変更は、ここに説明される新しい技法によって達成することができる。
【００１７】
本発明は、すべての直線偏光の方向に対して、出射される光線の偏光状態を、入射光線の偏光方向に対して直交するかあるいは実質的に直交するようにする、非等方性表面を有するキューブコーナーである。すべての偏光に対して、出射される偏光は入射する直線偏光に直交するため、正面の法線周りの回転に対して、キューブコーナーの性能は、すべての方向に対して同一であるので、簡単に使用することができる。
【００１８】
本発明の一実施形態は、その表面が、１つ以上のサブ波長格子または複屈折コーティングによって変更されたキューブコーナーである。より具体的に、キューブコーナーは、すべての３つの面にサブ波長格子を有し、変更された面のリターダンスが１８０゜であり、また、（１）ｓ及びｐベクトルに対して、直線として４５゜に向けられているか、（２）ｓ及びｐベクトルに対して、０゜に向けられており、２７．５゜の楕円率で楕円であるか、あるいは、（３）上記段落番号００１１で述べたように、±７２゜のリニア・リターダンスを有する異方性表面である。もしくは、キューブコーナーは、その特性が実質的にこれと類似の、変更された反射表面を有する。さらに、本発明は、このような特性を有するキューブコーナーのアレイ、またはキューブコーナーのシートを含む。
【００１９】
通常の金属または誘電体コーナーキューブ、または裏面が金属コーティングされたコーナーキューブ、もしくは裏面が多層誘電体コーティングで塗布されたコーナーキューブは、高効率の偏光変換を生成することができない。また、等方性薄膜を用いる変更は、所望の効果を効率的に達成することができない。いずれの等方性表面であっても、表面に対する光線の入射角にのみ依存して、光線の方位角には依存しないという特性を有する。キューブコーナーの正面に垂直に入射する光線に対して、すべての３つの反射に対する入射角は５４．７゜である。幾何学的な要因に起因し、それぞれの反射の間に偏光基準面（ｓ及びｐ平面）の６０゜回転が存在する。いずれの全内面反射であってもダイアテニュエーション性（減衰特性における非対称性）を備えることはなく、常にｓ平面及びｐ平面の方向を向いているリターダンスのみを有する。この与えられた制限条件において、理想的な偏光カップリングの達成は不可能である。３つの同一の等方性反射平面を有するキューブコーナーは、０．５という理論上の最大カップリングを有する。３つの反射平面が異なるリターダンスを有する等方性であれば、すべての入射状態に対して７５％のカップリングを達成することができ、または、他の方法では、１つの入射直線偏光状態に対して１のカップリングが得られ、他の直線偏光状態は、０のカップリングを有する。これらは、等方性表面を用いたキューブコーナーに対する理論上の最大値である。
【００２０】
所望の偏光カップリングを生成するために、本発明の一実施形態のキューブコーナーは、反射平面にサブ波長格子を設けることによって変更される。サブ波長格子は、その形状、周期、及びアスペクト比によって特定される。等方性表面とは異なり、サブ波長格子で変更された表面の特性は、方位角に依存する。サブ波長格子で変更された表面に対する表面反射マトリックスは、厳密結合波理論（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｗａｖｅ Ｔｈｅｅｏｒｙ；ＲＣＷＴ）のような数学的方法によって計算することができる（M. G. Moharam and T. K. Gaylord, "Rigorous coupled-wave analysis of metallic surface-relief gratings," J. Opt. Soc. Am. A 3, 1780- (1986), M. G. Moharam, E. B. Grann, D. A. Pommet, and T. K. Gaylord, "Formulation for stable and efficient implementation of the rigorous coupled-wave analysis of binary gratings," J. Opt. Soc. Am. A 12, 1068- (1995), M. G. Moharam, D. A. Pommet, E. B. Grann, and T. K. Gaylord, "Stable implementation of the rigorous coupled-wave analysis for surface-relief gratings: enhanced transmittance matrix approach," J. Opt. Soc. Am. A 12, 1077- (1995), M. G. Moharam and T. K. Gaylord, "Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings," J. Opt. Soc. Am. 72, 1385- (1982), M. G. Moharam and T. K. Gaylord, "Diffraction analysis of dielectric surface-relief gratings: Erratum," J. Opt. Soc. Am. 73, 411- (1983)）。図６に示されているように、コーナーキューブの正面３２に垂直に入射する光線２７に対する方位角２６は、第１の面では０゜、第２の面では９０゜、第３の面では０゜である。また、図６には、キューブコーナーの頂点３０から、反射平面２９の２つの頂点ではないコーナーの間の中心に配置された、正面３２の辺上の点までのライン２８が示されている。また、反射表面２９に垂直であるライン３１も、入射角３３とともに示されている。周期が充分に小さければ、サブ波長格子は、リターダーとして作動する。例えば、２つの直交する方向が異なる屈折率ｎ１及びｎ２を有する材料から製造された、通常の複屈折リターダーを考える。入射したのと同一の方向で偏光状態が材料から出射するように、単に絶対位相を変更することだけによってそれぞれの屈折率と揃えられた１つの偏光状態が存在する。いずれの入射偏光状態であっても、これらの２つの和に分解することができるため、これらは、すべての偏光状態の動作を記述するのに十分な基盤を形成する。このような偏光状態は、固有偏光と呼ばれる。リターダンスは、通常、これら２つの偏光状態の間のＯＰＤ差異として定義される。
【数２】
０の方位角に対して、ｓ偏光がｎ１に整列され、ｐ偏光がｎ２に整列されて、ｎ１＞ｎ２であり、したがって、リターダンスはプラスであると仮定する。また、９０゜の方位角に対して、ｓ偏光の状態はｎ２に整列され、ｐ偏光はｎ１に整列される。このような場合、リターダンスはｎ２−ｎ１＜０であり、したがって、表面のリターダンスは、単に方位角を変更したことによってマイナスとなっている。サブ波長格子は、同一の動作を見せる。これは、コーナーキューブのすべての表面が同一の異方性表面を有するなら、正面に垂直にコーナーキューブに入射した光線は、第１及び第３の反射で見られるマイナスのリターダンスを、第２の反射で見るということを意味する。異方性表面のこのような性質のため、理想的な偏光カップリングの達成が可能となる。理想的な偏光カップリングが得られる、従来に公知となった方法はない。
【００２１】
実質的に直交するキューブコーナーを生成する、数え切れない程の無限なセットの実質的に類似したソリューションが存在する。ここで、実質的に類似したソリューションとは、特定のリターダンスの大きさ、リターダンスの方向、または他のパラメーターが、上記と完全に同一ではないが、結果的なコーナーキューブが、理想に近い偏光カップリングを生成することを意味する。これまでに最大値として知られていた７５％未満の偏光カップリングを有するいずれの実施形態でも、理想に近いと見なすことができない。
【００２２】
所望の偏光効果を満足する１つの特定のソリューションは、固体ＰＭＭＡまたは３つの同一の反射平面を有し、約１．４９の屈折率を有する別の材料であって、それぞれは、図７に示されているように、２３５ｎｍの周期と、２．２５のアスペクト比とを有する、断面が台形の対称なサブ波長格子によって変更された材料からなるキューブコーナーである。
【００２３】
他の方法では、完全な偏光カップリングは、反射平面に複屈折コーティングを位置させることにより得ることができる。複屈折コーティングは、リターダンスの方向をｓまたはｐ平面の外に移動させる能力を有する。これは、理想的な偏光カップリングを許容するのに十分である。例えば、すべての３つの界面が４５゜に向けられた２分の１波長リターダンスを有すれば、理想的な偏光カップリングが達成される。
【００２４】
さらに、本発明を理解する上で多数の定義が役立つこともある。サブ波長格子は、設計波長において、その周期が１波長未満の回折格子のような１次元回折構造として定義される。設計仕様によって、サブ波長格子は、０ではない回折次数を抑制することができ、０次への効率性を増加させることができる。このような格子は、また、界面のリターダンス及びダイアテニュエーションを変更することができる。慎重に設計することによって、全反射表面上のサブ波長格子は、その主軸が反射のｓまたはｐ平面に沿って向けられていないリターダンスを生成しながら、０次回折されたビームに１（ｕｎｉｔｙ）の反射率（回折効率）を有することができ、楕円リターダンスまたはリニア・リターダンスを生成することができる。
【００２５】
方位角２６、ここで使われた方位角という用語は、図６に示されているように、反射表面２９の平面において、正面３２の端に垂直であるラインに対する入射光線の角度である。
【００２６】
アスペクト比は、格子の振幅（または表面レリーフ格子に対する深さ）を格子の周期で除算した比である。
【００２７】
偏光カップリング、反射に対するミュラーマトリックスによって記述された光学に関わる直線偏光カップリングは、ベクトル、マトリックス、ベクトルの積
【数３】
で定義され、入射偏光の方向θの関数として直交偏光状態に再帰反射される、入射直線偏光光の部分の大きさである。Ｓｉｎ［２θ］でのマイナス符号は、反射において、ストークスベクトルに対する座標システムの変化に因る。１の偏光カップリングは、そのθに対する完全直交化を表す。本発明は、あらゆるθに対して１の偏光カップリングを獲得する方法を提供する。
【００２８】
１未満の偏光カップリングは、入射する直線偏光の一部が、入射光の偏光と同一の偏光状態で戻ることを意味する。直線偏光された光が入射するときに、偏光されていない光を戻す完全偏光除去するキューブコーナーは、１／２の偏光カップリングを有する。
【００２９】
反射において、すべての入射する直線偏光に対する完全な直交化は、６個のもののそれぞれに対して、さらにそれらの空間平均に対して、コーナーキューブ・ミュラーマトリックスが以下であるようなときにだけ発生する。
【数４】
【００３０】
本発明の１つの独特の特徴は、コーナーキューブを介した３つの反射と関連するミュラーマトリックスを考慮することにより、理解することができる。角度θに向けられたファスト・アキシスを有し、リターダンスδの透過型リニア・リターダーに対するミュラーマトリックスは、以下のようになる。
【数５】
反射型リニア・リターダーに対して、反射に適用される符号規約のため、同一の方向の２分の１波長リターダンスを有する左側のマトリックスの積が、ミュラーマトリックス
【数６】
に含まれている。
【００３１】
同一の等方性表面を有するコーナーキューブの、６個のうちの１つのものは、次のようなミュラーマトリックス・シーケンスによって特徴付けられる。
【数７】
δは、名目上の５４．７゜の入射角における等方性界面のリターダンスである。リターダンスは、３つの面に対して変わらず同一に維持されるが、ｓ及びｐ平面の方向は、界面の間で回転する。この方程式に対する完全な検討により、最大平均偏光カップリングがただ０．７５であることが明らかになる。このようなミュラーマトリックスは、段落番号００２９における理想のミュラーマトリックスとは、決して同一であり得ない。
【００３２】
ｓまたはｐ方向に向けられたた３つの異方性界面に対し、段落番号００３１の式は、第２の反射が、
【数８】
の形態を有するように変更され、リターダンスの符号は、段落番号００２０で説明された理由によって変更された。３つの同一のｓ−ｐ異方性界面に対して、ミュラーマトリックスは次のとおりである。
【数９】
なお、δ＝７０．５２゜であるとき、すべての偏光方向に対して理想的な偏光カップリングが得られ、ミュラーマトリックスは、段落番号００２９のマトリックス
【数１０】
となる。目標の７０．５２゜のリターダンスを有したｐ平面における格子構造（ｒｕｌｉｎｇ）により、サブ波長格子を容易に設計、製造することができるため、このような構成は、本発明で開示された最も簡単でかつ最も好ましい構成の１つである。
【００３３】
サブ波長格子の格子構造が、ｐまたはｓ平面に沿って整列されないとき、他の方向に対するリニア・リターダンス及び楕円形リターダンスが得られる。このようなさらに任意のケースに対して一般化された段落番号００３２の式に関する検討は、すべての方向に対して理想的な偏光カップリングを生成することができる、別のリターダーの構成を示す。このようなソリューションの中で、リターダンスδ、主軸の方向θ、ポアンカレ球での固有偏光の緯度ξに対する下記の特性を有する、３つの同一の異方性表面がある。
δ θ ξ
７０．５２° ０° ０°
１８０° １６° ０°
７０° ３０° ０°
１８０° ４５° ０°
１８０° ７５° ０°
６０° １０５° ０°
１２０° １３２° ０°
ポアンカレ球は、図８に示される。図８において、それぞれの反射平面は、方位角が０であるときは＋７０゜のリターダンスを有し、方位角が９０゜であるときは−７０゜のリニア・リターダンスを有し、異方性である場合、固有状態３４が、０゜線形として示されている。また、図８は、それぞれの反射平面が、反射平面の表面のｓ及びｐ平面に対して４５゜の方向の１８０゜のリニア・リターダンスを有する表面を有する場合の固有状態３５を示している。さらに、図８は、それぞれの反射平面が１８０°のリターダンスを有する表面を有し、反射表面に対する固有状態は楕円偏光であり、２７．５％の楕円率角度で反射平面の表面のｐ平面に向けられた主軸を有する場合の固有状態３６を示しており、他の偏光固有状態は、実質的に直交である。最後に、図８は、ポアンカレ球の北極３７が右円形偏光された光であることを示している。
【００３４】
横軸に沿って度単位でδの関数として、そして、縦軸に沿って度単位でθの関数として、段落番号００２９の理想的なミュラーマトリックスからの、特定のタイプの、リターダンスを生じる異方的な表面に対応するミュラーマトリックスの距離を表す、図９に黒いバンド３９で示されているように、直線偏光固有状態を有する３つの同一の異方的な界面に対して、幾つかの連続したソリューションのファミリが実際に存在する。輪郭プロットの最も暗いバンドは、段落番号００２９に最も近いソリューションを示す。また、最も好ましいソリューションは、図９に３８として示されている、段落番号００３２のｐ方向を向くソリューションである。
【００３５】
偏光固有状態が楕円形であるとき、同一の異方性表面に対する追加的なソリューションが見出されており、サブ波長格子がｓまたはｐ方向から離れるように回転されたパターンを有するときに発生する。図１０は、０から１８０゜（２分の１波長）までの表面リターダンスのすべての値に対し、ポアンカレ球上の２５゜の緯度において、偏光固有状態に対し黒い色でそのソリューション４０をプロットする。対応するプロットは、−９０゜と９０゜の間のすべての緯度に対して得られるが、ソリューション４０は、−６０゜ないし６０゜の緯度においてのみ見出される。
【００３６】
上記した教示の観点から、本発明に対する多様な変更及び変形が可能である。例えば、サブ波長格子または複屈折コーティングを、モノリシック構造のキューブコーナー、キューブコーナーのシート、またはキューブコーナーのアレイに適用することができる。異なる異方性界面が、異なる表面に適用されてもよく、１つまたは２つの表面だけが異方性であってもよい。本発明は、完全に新規な偏光変更に関するものであって、製造の詳細事項に関わるものではない。
【００３７】
本発明の特定の実施形態は、本発明の範囲内から逸脱することなく、変更することもできる。したがって、当然ながら、添付の特許請求の範囲及びその等価物の範囲内において、本発明が、ここで詳しく記述されたのと異なる方法によって遂行されることもある。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】非偏光ビームスプリッタを用いるシステムを示す図である。
【図２】誘電体全内面反射キューブコーナーを用いるシステムを示す図である。
【図３】金属コーティングされたキューブコーナーを用いるシステムを示す図である。
【図４】金属コーティングされたキューブコーナー、及び４分の１波長リニア・リターダーを用いるシステムを示す図である。
【図５】既述の偏光直交キューブコーナーを用いるシステムを示す図である。
【図６】方位角を示す図である。
【図７】サブ波長格子を有する、三角形の１．１７５μｍキューブコーナーの上面図及び底面図である。
【図８】特許請求の範囲の偏光固有状態をポアンカレ球上に示した図である。
【図９】直線偏光された偏光固有状態を有する、同一の異方的な表面を有する直線偏光直交化キューブコーナーに関するソリューションの領域を示す図である。ソリューション領域は、最も暗いバンドで表示されている。横軸はリターダンスであり、縦軸は方向である。下部軸（３８）と９０°にわたる水平ライン（３９）に沿ったソリューションのみが、ｓ及びｐ平面に整列された固有状態を有し、したがって、最も容易に具現される。
【図１０】ポアンカレ球上の２５゜の緯度に位置した楕円形の偏光固有状態を有する、同一の異方性表面を有する直線偏光直交化コーナーキューブに対するソリューションのサブセットを示す図である。水平軸はリターダンスであり、垂直軸は方向である。図９及び図１０は、本発明に関するソリューションスペースにわたった２つの断面を示し、他の断面は、ポアンカレ球上の他の緯度に対応する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
キューブコーナー型再帰反射体であって、
ピラミッド状構成に配置された３つの互いに直交する反射平面を含み、
少なくとも１つの反射平面は、前記キューブコーナー型再帰反射体を出射する光線の偏光状態を、すべての直線偏光の方向に対して、前記キューブコーナー型再帰反射体に入射する光線の偏光状態に直交するか、あるいは実質的に直交するようにする非等方性表面を有する、キューブコーナー型再帰反射体。
【請求項２】
前記少なくとも１つの反射平面は、少なくとも１つのサブ波長格子を有する、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項３】
前記少なくとも１つの反射平面は、複屈折コーティングを有する、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項４】
それぞれの反射平面は、１８０°のリターダンスを有する表面を有し、反射表面に対する偏光固有状態のうちの１つは、楕円偏光であり、２７．５％の楕円率角度で反射平面の表面のｐ平面に向けられた主軸を有し、他の偏光固有状態は、実質的に直交である、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項５】
それぞれの反射平面は、反射平面の表面のｓ及びｐ平面に対して４５゜に向けられた、１８０゜のリニア・リターダンスを有する表面を有する、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項６】
それぞれの反射平面は、方位角が０であるときは＋７０゜のリターダンス、及び、方位角が９０゜であるときは−７０゜のリニア・リターダンスを有し、異方的である、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項７】
それぞれの反射平面は、ダイアテニュエーション性を備える表面を有する、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項８】
複数の請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体を備える、平面アレイ。
【請求項９】
少なくとも１つの反射平面は、直線偏光または楕円偏光された固有状態について異方的であり、６個の内の少なくとも１つのものと関連するミュラーマトリックスは、理想的な偏光変換ミュラーマトリックス（４×４マトリックス）Ｔ｛｛１、０、０、０｝、｛０、−１、０、０｝、｛０、０、１、０｝、｛０、０、０、−１｝｝に近似し、乗法定数Ｔは、前記キューブコーナーを介する伝搬に関連する吸収または正面反射損失のような偏光状態と無関係の損失を示す、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項１０】
光ビームの変化を検出する検出システムであって、
光ビームを生成するように構成された光源と、
第１及び第２の面を有し、前記光源から前記第１の面で前記光ビームを受信するように構成された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１の面から結果物であるビームを受信して、該ビームを前記偏光ビームスプリッタの第２の面に再伝送するように構成されたキューブコーナー型再帰反射体であって、ピラミッド状構成に配置された３つの互いに直交する反射平面を含み、少なくとも１つの反射平面は、前記キューブコーナー型再帰反射体を出射する光線の偏光状態を、すべての直線偏光の方向に対して、前記キューブコーナー型再帰反射体に入射する光線の偏光状態に直交するか、あるいは実質的に直交するようにする非等方性表面を有する、キューブコーナー型再帰反射体と、
前記偏光ビームスプリッタの第２の面から受信した前記光ビームにおける変化を検出するように構成された検出器ユニットと、
を備える検出システム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの反射平面は、少なくとも１つのサブ波長格子を有する、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの反射平面は、１つの複屈折コーティングを有する、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１３】
それぞれの反射平面は、１８０°のリターダンスを有する表面を有し、反射表面に対する偏光固有状態のうちの１つは、楕円形に偏光され、２７．５％の楕円率角度で反射平面の表面のｐ平面に向けられた主軸を有し、他の偏光固有状態は、実質的に直交する、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１４】
それぞれの反射平面は、前記反射平面の表面のｓ及びｐ平面に対して４５゜に向けられた、１８０゜のリニア・リターダンスを有する表面を有する、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１５】
それぞれの反射平面は、方位角が０であるときは＋７０゜のリターダンス、及び、方位角が９０゜であるときは−７０゜のリニア・リターダンスを有し、異方的である、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１６】
それぞれの反射平面は、ダイアテニュエーション性を備える表面を有する、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１】
キューブコーナー型再帰反射体であって、
ピラミッド状構成に配置された３つの互いに直交する反射平面を含み、
少なくとも１つの反射平面は、前記キューブコーナー型再帰反射体を出射する光線の偏光状態を、すべての直線偏光の方向に対して、前記キューブコーナー型再帰反射体に入射する光線の偏光状態に直交するか、あるいは実質的に直交するようにする非等方性表面を有する、キューブコーナー型再帰反射体。
【請求項２】
前記少なくとも１つの反射平面は、少なくとも１つのサブ波長格子を有する、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項３】
前記少なくとも１つの反射平面は、複屈折コーティングを有する、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項４】
それぞれの反射平面は、１８０°のリターダンスを有する表面を有し、反射表面に対する偏光固有状態のうちの１つは、楕円偏光であり、２７．５％の楕円率角度で反射平面の表面のｐ平面に向けられた主軸を有し、他の偏光固有状態は、実質的に直交である、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項５】
それぞれの反射平面は、反射平面の表面のｓ及びｐ平面に対して４５゜に向けられた、１８０゜のリニア・リターダンスを有する表面を有する、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項６】
それぞれの反射平面は、方位角が０であるときは＋７０゜のリターダンス、及び、方位角が９０゜であるときは−７０゜のリニア・リターダンスを有し、異方的である、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項７】
それぞれの反射平面は、ダイアテニュエーション性を備える表面を有する、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項８】
複数の請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体を備える、平面アレイ。
【請求項９】
少なくとも１つの反射平面は、直線偏光または楕円偏光された固有状態について異方的であり、６個の内の少なくとも１つのものと関連するミュラーマトリックスは、理想的な偏光変換ミュラーマトリックス（４×４マトリックス）Ｔ｛｛１、０、０、０｝、｛０、−１、０、０｝、｛０、０、１、０｝、｛０、０、０、−１｝｝に近似し、乗法定数Ｔは、前記キューブコーナーを介する伝搬に関連する吸収または正面反射損失のような偏光状態と無関係の損失を示す、請求項１に記載のキューブコーナー型再帰反射体。
【請求項１０】
光ビームの変化を検出する検出システムであって、
光ビームを生成するように構成された光源と、
第１及び第２の面を有し、前記光源から前記第１の面で前記光ビームを受信するように構成された偏光ビームスプリッタと、
前記偏光ビームスプリッタの第１の面から結果物であるビームを受信して、該ビームを前記偏光ビームスプリッタの第２の面に再伝送するように構成されたキューブコーナー型再帰反射体であって、ピラミッド状構成に配置された３つの互いに直交する反射平面を含み、少なくとも１つの反射平面は、前記キューブコーナー型再帰反射体を出射する光線の偏光状態を、すべての直線偏光の方向に対して、前記キューブコーナー型再帰反射体に入射する光線の偏光状態に直交するか、あるいは実質的に直交するようにする非等方性表面を有する、キューブコーナー型再帰反射体と、
前記偏光ビームスプリッタの第２の面から受信した前記光ビームにおける変化を検出するように構成された検出器ユニットと、
を備える検出システム。
【請求項１１】
前記少なくとも１つの反射平面は、少なくとも１つのサブ波長格子を有する、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１２】
前記少なくとも１つの反射平面は、１つの複屈折コーティングを有する、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１３】
それぞれの反射平面は、１８０°のリターダンスを有する表面を有し、反射表面に対する偏光固有状態のうちの１つは、楕円形に偏光され、２７．５％の楕円率角度で反射平面の表面のｐ平面に向けられた主軸を有し、他の偏光固有状態は、実質的に直交する、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１４】
それぞれの反射平面は、前記反射平面の表面のｓ及びｐ平面に対して４５゜に向けられた、１８０゜のリニア・リターダンスを有する表面を有する、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１５】
それぞれの反射平面は、方位角が０であるときは＋７０゜のリターダンス、及び、方位角が９０゜であるときは−７０゜のリニア・リターダンスを有し、異方的である、請求項１０に記載の検出システム。
【請求項１６】
それぞれの反射平面は、ダイアテニュエーション性を備える表面を有する、請求項１０に記載の検出システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公表番号】特表２００９−５１４０３９（Ｐ２００９−５１４０３９Ａ）
【公表日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−５３８９９４（Ｐ２００８−５３８９９４）
【出願日】平成１８年１１月１日（２００６．１１．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０４２６４０
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０５３６７７
【国際公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【出願人】（５０８１３１１５２）ジ・アリゾナ・ボード・オブ・リージェンツ・オン・ビハーフ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・アリゾナ (5)
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＡＲＩＺＯＮＡ ＢＯＡＲＤ ＯＦ ＲＥＧＥＮＴＳ ＯＮ ＢＥＨＡＬＦ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＡＲＩＺＯＮＡ
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年４月２日（２００９．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１１月１日（２００６．１１．１）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００６／０４２６４０
【国際公開番号】ＷＯ２００７／０５３６７７
【国際公開日】平成１９年５月１０日（２００７．５．１０）
【出願人】（５０８１３１１５２）ジ・アリゾナ・ボード・オブ・リージェンツ・オン・ビハーフ・オブ・ザ・ユニバーシティ・オブ・アリゾナ (5)
【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＡＲＩＺＯＮＡ ＢＯＡＲＤ ＯＦ ＲＥＧＥＮＴＳ ＯＮ ＢＥＨＡＬＦ ＯＦ ＴＨＥ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹ ＯＦ ＡＲＩＺＯＮＡ
【Ｆターム（参考）】
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