光の偏光の空間分布の色収差補正コンバータ
【課題】第１の所定の偏光分布から第２の所定の偏光分布への、偏光の空間分布の色収差補正コンバータを提供する。
【解決手段】このコンバータは、複数の光配向された４分の１波または半波の液晶ポリマー層を備え、層の配向パターンは、偏光変換を色収差補正するように互いと関連づけられている。色収差補正偏光渦を形成することができる。光の大部分の可視スペクトルにわたって９７％を上回る偏光変換効率が実証された。この偏光コンバータは、結像、フォトリソグラフィ、光ピンセット、微細機械加工および他の用途で使用することができる。
【解決手段】このコンバータは、複数の光配向された４分の１波または半波の液晶ポリマー層を備え、層の配向パターンは、偏光変換を色収差補正するように互いと関連づけられている。色収差補正偏光渦を形成することができる。光の大部分の可視スペクトルにわたって９７％を上回る偏光変換効率が実証された。この偏光コンバータは、結像、フォトリソグラフィ、光ピンセット、微細機械加工および他の用途で使用することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の偏光の空間分布を、第１の所定の空間分布から第２の所定の空間分布へ変換するための光学素子に関し、具体的には広範囲の光の波長にわたって前記分布を変換するための光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長板、または光学リターダは、互いに直交するように偏向された入射光の２つの成分間の位相に対して所定の位相シフトを導入することにより、入射光の偏光状態を変更する光学デバイスである。従来、導入された位相シフトは波長板リターダンスと称され、２πを掛けた波長の分数で測定される。直交偏光成分の間にπの位相シフトを付加する波長板は、半波長板（ＨＷＰ）と称され、π／２の位相シフトを付加する波長板は４分の１波長板（ＱＷＰ）と称される。
【０００３】
互いに直交するように偏光された入射光の２つの成分に対して別々の屈折率を有する材料は、複屈折材料と呼ばれる。いかなる複屈折材料にも、光軸と呼ばれる少なくとも１つの軸がある。波長板は、複屈折材料から製造することができる。直線偏光波が、波長板の複屈折材料の光軸に垂直な波長板を通されるとき、光波は、定常波および異常波と呼ばれる２つの波へ分割され、２つの波は互いに垂直な方向へ直線的に偏光される。別々の屈折率のために、２つの波は、別々の速度で材料を通って進み、このことからこれら２つの波の間に位相シフトが生じる。波長板がＨＷＰであると、位相シフトによって、偏光軸と波長板の光軸の間の角度の２倍の角度で、光波の偏光軸の回転が生じる。
【０００４】
従来の用途では、一般に、空間的に一様な波長板を使用して、一様に偏向された光ビームの偏光状態を変更する。一様に偏向された光ビームは、ビームの断面にわたって変化しない偏光状態を有するビームである。しかし、最近、一様に偏光されたビームの幅方向に空間的偏光変化を誘起することが、有効な波面整形ツールであると認められている。直線偏光子を使用して空間的に変化する偏光を有するビームを解析すると、その実効果は、ビームの幅方向に、Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ−Ｂｅｒｒｙ位相として知られている空間的に変化する位相シフトが付加されることである。これは、ＢｏｍｚｏｎらによってＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．、２７巻、Ｎｏ．１３、１１４１〜１１４３頁（２００２年）の「Ｓｐａｃｅ−ｖａｒｉａｎｔ Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ−Ｂｅｒｒｙ ｐｈａｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｇｒａｔｉｎｇｓ」という名称の論文で示され、この文献は、ビームの波面の特定の整形をもたらす偏光子を用いた光ビームの空間的に変化する偏光を解析しており、参照によって本明細書に組み込まれる。さらに、直線的に偏光された光ビーム（偏光配向すなわちビーム放射の電界ベクトルの方向がビームの断面にわたって変化する）を形成するために、空間的に変化する波長板を使用することができる。空間的に変化する直線偏光を有するビームの現実的な例には、放射状に偏向されたビームまたは接線状に偏光されたビームがあり、偏光のローカル軸が、前者では放射状、すなわちビームの中心にローカル・ポイントを接続する線と平行であり、後者では接線状、すなわちその線に対して垂直である。
【０００５】
ビームが、放射状に偏向されようと接線状に偏向されようと、その偏光方向は、特定の空間的位置の方位角にのみ左右され、ビーム軸からの半径方向距離ｒには左右されない。偏光ビームのこれらのタイプは、円筒状ベクトル・ビームまたは偏光渦ビームと称されることがある。用語「偏光渦」は、用語「光学渦」に関するものである。光学渦は、ビーム断面内の位相異常を示すポイントであり、そのポイントのまわりでトレースされた任意の閉路において、ビーム放射の電界がπの倍数によって徐々に変化する。同様に、偏光渦は、偏光の方向がビーム軸のまわりでπの倍数によって徐々に変化する、直線的に偏向された状態である。そのようなビームは、合焦されたとき、ビームの軸でゼロ輝度を採用する。偏光渦ビームには、粒子捕獲（レーザ・ピンセット）、顕微鏡の分解能向上、およびフォトリソグラフィなど、様々な実用的用途で有利に使用することができるいくつもの独特な特性がある。
【０００６】
光学的偏光渦ビームは、波長板の軸のまわりでπ／２の倍数によって徐々に変化する、空間的に変化する偏光軸方向を有するＨＷＰに、一様に偏光された光ビームを通すことにより容易に得ることができる。前述の、角度を２倍にするＨＷＰの特性のために、そのような波長板を通したビームの偏光の方向は、ビーム軸のまわりでπの倍数によって徐々に変化する。例えば、Ｓｔａｌｄｅｒらによる、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、２１巻、Ｎｏ．２３、１９４８〜１９５０頁、１９９６年１２月１日の、「Ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｗｉｔｈ ａｘｉａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」という名称の論文を参照されたい。この文献は参照によって本明細書に組み込まれる。Ｓｔａｌｄｅｒは、複屈折の液晶リターダの空間的に変化する偏光軸方向を生成するために使用される、空間的に変化する液晶層の配向を有する液晶セルを教示している。
【０００７】
偏光渦ビームを生成する従来技術の方法には、空間的に変化する従来技術のＨＷＰが、１波長のみで２分の１波長のリターデイションを有するという事実に関する共通の短所がある。したがって、単色の偏光渦しか形成することができない。例えば、レーザ・ピンセット用途向けの単色の偏光渦を生成するために、単色のレーザ・ビームを使用することができる。しかし、多くの重要な光学的用途で多色ビームが必要とされ、例えば、表示装置または顕微鏡検査などの視覚および画像化の領域に関するほとんどの用途は多色である。可視光線は、ほぼ３８０ｎｍから６８０ｎｍ超の範囲の波長領域にわたり、すなわち、可視光線は、５３０ｎｍの中心波長と比べると５６％を上回って変化する。対応する光学システムが多色性能を必要とする用途の他の例には、多波長光学式データ記憶装置が含まれ、フェムト秒光パルスが元来多色であるので、ディスクに対するデータの読出しおよび書込み、あるいはフェムト秒微細機械加工用途向けに様々な波長のレーザ源が使用される。したがって、既存の現況技術は、偏光分布を形成する光学素子の、色収差補正（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ）または多色化（ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ）動作が必要な多くのあり得る用途向けに現実的解決策を提供することがない。
【０００８】
従来技術では、空間的に変化する光学リターダの色収差補正作業を実現するいくつかの手法が既知である。液晶ディスプレイ産業で広く用いられている手法の１つに、液晶ディスプレイの光学的スタックに対して空間的に一様な光学リターダ・フィルムまたは光学リターダ層を付加するものがあり、これによって表示コントラスト比をより色収差補正し、かつディスプレイの視角を改善する。例えば、液晶ディスプレイ・スタック構造に光学リターダを付加することが、Ｔｉｌｌｉｎによって米国特許第６，９００，８６５号で教示されており、この特許は参照によって本明細書に組み込まれる。さらに、液晶ディスプレイに付加された一様な液晶リターダが、Ｓｈａｒｐらによって米国特許第６，３８０，９９７号、米国特許第６，０７８，３７４号および米国特許第６，０４６，７８６号で教示されており、これらの特許は参照によって本明細書に組み込まれる。Ｓｈａｒｐの液晶ディスプレイでは、空間的に変化しない複合波長板の既知の色収差補正動作が、ディスプレイの４つの輝度状態までの色収差補正動作を実現するために使用される。空間的に変化しない複合色収差補正波長板が、長い間既知であったことに留意されたい。例えば、Ｋｏｅｓｔｅｒの、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ ４９巻（４）、４０５〜４０９頁（１９５９年）の、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈａｌｆ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ」を参照されたい。この文献は参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００９】
別の手法には、ナノインプリント・リソグラフィを使用して、色収差補正サブ波長格子ベースの光学リターダ構造を生成することに依存するものがあり、Ｄｅｎｇらによって、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、３０巻、２６１４〜２６１６頁（２００５年）の、「Ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｉｃｋｕｐ ｕｎｉｔｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｉｍｐｒｉｎｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」という名称の論文で公表されており、この文献は参照によって本明細書に組み込まれる。中赤外型から遠赤外型のフォトニクス用途向けの従来のマイクロ・リソグラフィ法を用いて、色収差補正サブ波長格子を製造することもでき、Ｃｈｕｎらによって、ＳＰＩＥ−Ｉｎｔ．Ｓｏｃ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．、４４８１巻、２１６〜２７頁（２００２年）の、「Ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅｐｌａｔｅ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ」という名称の論文で教示されている。
【００１０】
一様なリターデイション・フィルムまたは液晶層の使用を基に空間的に変化する光学リターダの色収差補正動作を実現する手法には、色収差補正が実現される出力偏光状態の範囲が限定されるという短所がある。サブ波長格子に基づく手法にはこの短所がないが、少なくとも可視スペクトルの範囲に対して、これらの手法は、ナノインプリント・リソグラフィなど、やや風変わりな、高度なものとはとは言い難い技術に依存する。さらに、液晶ディスプレイまたはサブ波長格子の離散的アレイなど従来技術のピクセル処理されたリターダ構造では、様々なリターデイション値を有する領域間の急激な境界で、望ましくない光の回折が生じる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，９００，８６５号
【特許文献２】米国特許第６，３８０，９９７号
【特許文献３】米国特許第６，０７８，３７４号
【特許文献４】米国特許第６，０４６，７８６号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｂｏｍｚｏｎら、「Ｓｐａｃｅ−ｖａｒｉａｎｔ Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ−Ｂｅｒｒｙ ｐｈａｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｇｒａｔｉｎｇｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１３、１１４１〜１１４３頁（２００２）
【非特許文献２】Ｓｔａｌｄｅｒら、「Ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｗｉｔｈ ａｘｉａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．２３、１９４８〜１９５０頁、１９９６年１２月１日
【非特許文献３】Ｋｏｅｓｔｅｒ、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈａｌｆ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｖｏｌ．４９（４）、４０５〜４０９頁
【非特許文献４】Ｄｅｎｇら、「Ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｉｃｋｕｐ ｕｎｉｔｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｉｍｐｒｉｎｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．３０、２６１４〜２６１６頁（２００５）
【非特許文献５】Ｃｈｕｎら、「Ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅｐｌａｔｅ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ」、ＳＰＩＥ−Ｉｎｔ．Ｓｏｃ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．、４４８１巻、２１６〜２２７頁（２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
有利には、本発明の色収差補正コンバータ素子は前述の短所を未然に防ぐ。この素子は、広い波長領域を有する偏光（例えば可視光線）の空間分布を、入力偏光の任意の所定の分布から、出力偏光の任意の他の所定の分布へ、非常に高効率、スムーズかつ連続的なやり方で変換することができ、急激な縁端部または境界上での回折効果を回避する。さらに、有利には、また好ましくは、本発明の偏光コンバータは、十分に確立されかつ成熟した液晶技術を用いて様々な構成で製造することができる。さらに、有利には、本発明の偏光コンバータは、従来技術の単色の偏光コンバータまたは従来技術のゼロ次波長板と比べて、リターダ層の厚さの変化の影響に対して本質的な耐性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、中心波長および帯域幅によって特徴づけられた少なくとも１つの波長帯域を有する光ビームの偏光の、第１の所定の横方向分布から第２の所定の横方向分布へ変換するための光学素子が提供され、この光学素子は、複屈折層のスタックを備え、スタック各層の複屈折が、層にわたって実質的に一定のリターダンスおよび層にわたって滑らかに徐々に変化する複屈折のローカル軸の方向によって特徴づけられ、また、層のローカル軸方向の複屈折の変化は、光ビームの全波長帯域にわたって、光ビームの偏光の分布を、第１の分布から第２の分布へ変換するように、その間で調整される。
【００１５】
本発明の特別の関心は光学渦素子にあり、この素子では偏光の第１および第２の横方向分布は直線偏光の分布であって、出力偏光のローカル軸の角度は、光学素子の開口部の「渦ポイント」と呼ばれる中心点のまわりでトレースされた任意の閉路において、ローカル方位角の座標のみに左右され、πの倍数だけ角度が変化する。
【００１６】
本発明の別の態様では、光ビームを受け取って、光ビームの偏光の横方向分布を変換するための第１の光学素子と、第１の光学素子に対して光学的に結合された偏光素子と、光ビームの偏光の横方向分布をさらに変換し、かつ光ビームを出力するために、前記偏光素子に光学的に結合された第２の光学素子とを備える、偏光を変換する偏光子がさらに提供される。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、空間的偏光収差の補正、および、または偏光渦の生成、および、または、表示装置におけるフレネル損失の低減、偏光顕微鏡法、フォトリソグラフィ、結像、光学式データ記憶装置、文献、商品または論文の認証、ならびにフェムト秒微細機械加工を含む、前述の光学素子の使用法がさらに提供される。
【００１８】
次に、例示的実施形態が図とともに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術の、１対の偏光子の間にある、単色波長板および色収差補正波長板、ならびに対応する透過スペクトルを示す図である。
【図２】図２Ａは本発明の例示的実施形態による偏光渦波長板およびそれを通り抜ける多色光ビームの等角投影図である。図２Ｂは本発明の例示的実施形態による偏光渦波長板およびそれを通り抜ける多色光ビームの等角投影図である。
【図３】図３Ａは本発明による、偏光を変換する偏光子の等角投影図である。図３Ｂは図３Ａの偏光を変換する偏光子の分解組立図である。
【図４】偏光渦に対応する偏光の横方向分布の入力および出力のプロットを示す図である。
【図５】本発明による２層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による２層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対Ｘ位置およびＹ位置のプロットを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による２層色収差補正偏光コンバータの偏光変換効率（ＰＣＥ）のスペクトルを示す図である。
【図８】本発明の別の実施形態による２層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対Ｘ位置およびＹ位置のプロットを示す図である。
【図９】図８に対応する本発明の実施形態による２層色収差補正偏光コンバータのＰＣＥのスペクトルを示す図である。
【図１０】偏光の横方向分布の入力および出力のプロットを示す図である。出力の横方向分布は、垂直な中心軸のまわりで対称である。
【図１１】図１０の偏光軸の分布に対応する２層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対Ｘ位置およびＹ位置のプロットを示す図である。
【図１２】図１０の偏光軸の分布に対応する本発明の２層色収差補正偏光コンバータのＰＣＥのスペクトルを示す図である。
【図１３】本発明の実施形態Ａによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図１４】本発明の実施形態Ａによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対対応するＰＣＥのスペクトルのプロットを示す図である。
【図１５】本発明の実施形態Ｂによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図１６】本発明の実施形態Ｂによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対対応するＰＣＥのスペクトルのプロットを示す図である。
【図１７】本発明の実施形態Ｃによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図１８】本発明の実施形態Ｃによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対対応するＰＣＥのスペクトルのプロットを示す図である。
【図１９】本発明の実施形態Ｄによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図２０】本発明の実施形態Ｄによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対対応するＰＣＥのスペクトルのプロットを示す図である。
【図２１】本発明の実施形態Ｅによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図２２】本発明の実施形態Ｅによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対対応するＰＣＥのスペクトルのプロットを示す図である。
【図２３】本発明の偏光補正素子を備えた、一連の光学素子を示す偏光顕微鏡の回路図である。列に沿って、対応する光学的偏光分布を示す。
【図２４】本発明の偏光変換素子を利用したリア・プロジェクション・テレビの側方断面図である。
【図２５】本発明の偏光変換素子がある場合とない場合の、図２４のリア・プロジェクション・テレビのスクリーンを照射する光ビームの光学的偏光マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
様々な実施形態および実施例とともに本教示が説明されるが、本教示がそのような実施形態に限定されることは意図されていない。その反対に、当業者なら、本教示が様々な代替形態、変更形態および等価物を包含することを理解するであろう。
【００２１】
図１を参照すると、破線１００は、互いに交差する偏光子１０４と１０６の間の４５°回転した半波長板（ＨＷＰ）１０２の透過スペクトルを示し、スペクトル１００はｄΔｎ／λの関数としてプロットされている。ｄおよびΔｎは、それぞれＨＷＰ １０２の厚さおよび複屈折である。ｄΔｎ／λ＝０．５（すなわちＨＷＰ １０２の中心波長）では、透過スペクトル１００がポイント１１１で最大に達することが認められる。実線１１０は、互いに交差する偏光子１１４と１１６の間に配置された、２つの波長板１１２Ａおよび１１２Ｂから成る複合半波長板１１２の透過スペクトルを示し、スペクトル１１０はｄΔｎ／λの関数としてプロットされている。ｄΔｎ／λ＝０．５では、透過スペクトル１１０もポイント１１１で最大に達することが認められる。しかし、最大点１１１の近くでは、矢印１１８によって示された複合波長板１１２に対応するスペクトル１１０の方が、矢印１０８によって示された波長板１０２に対応するスペクトル１００より平坦である。リターダンス値ならびに波長板１１２Ａと１１２Ｂの光軸の相対的方向は、スペクトル１１０ができるだけ平坦になるように選択され、このことは、波長板１０２の厚さと比較した波長板１１２Ａおよび波長板１１２Ｂの厚さの寸法公差を緩和するばかりでなく、波長板１１２の色収差補正も保証する。光軸の角度およびリターダンス値を選択するためのルールは、上記で引用されたＫｏｅｓｔｅｒによる参照文献で教示されている。
【００２２】
次に、光学的偏光の空間分布のコンバータを説明する。コンバータは、空間的に変化する光軸を有する少なくとも２つの複屈折層から成り、これらローカル光軸の配向パターンは、コンバータの全体的な色収差補正動作を達成するように互いに調整される。次に、図２Ａを見ると、接線偏光渦２００が示され、これは、偏光の直線状分布２０４を有する多色ビーム２０２を、偏光の空間分布の色収差補正コンバータ２０６に通すことにより得られるものである。重要かつ有利なことには、層のローカル光軸の角度分布の特別な選択によって、得ようとしている偏光分布２００を有するビーム２０２の小部分の光スペクトル２０８は、コンバータ２０６を通過した後に実質的に変化しない。このことは、次の諸段落で詳細に説明され、次の図４から図２２によって示される。
【００２３】
次に、図２Ｂを参照すると、放射状の偏光渦２０１が示され、これは、偏光の直線状分布２０４を有する多色ビーム２０２を、偏光の空間分布の色収差補正コンバータ２０７に通すことにより得られるものである。重要かつ有利なことには、層のローカル光軸の角度分布の特別な選択によって、得ようとしている偏光分布２０１を有するビーム２０２の小部分の光スペクトル２０８は、コンバータ２０７を通過した後に実質的に変化しない。
【００２４】
空間的に変化する色収差補正偏光子および、またはアナライザを作製するために、上記で開示された空間的に変化する色収差補正波長板を通常の直線偏光子と組み合わせてよい。空間的に変化する色収差補正偏光子またはアナライザは、空間的に変化する波長板素子上に偏光素子を積層することにより、または空間的に変化する波長板素子を偏光素子上に直接製作することにより、製造することができる。入ってくる光がまず偏光素子に当り、次に波長板素子に当るよう作られると、不均質偏光子が得られる。光がまず空間的に変化する色収差補正波長板に当り、次に偏光子に当るように作られると、不均質アナライザが得られる。
【００２５】
次に、図３Ａおよび図３Ｂを見ると、そのような不均質偏光子３０７の一例が示されている。放射状の偏光渦３０１は、偏光の直線状分布３０３を有する多色ビーム３０２を、偏光の空間分布を変換する不均質偏光子３０７に通すことにより得られるものである。分布３０３は、一様な偏光分布が歪められた（例えば光学システム（図示せず）内に偏光収差があるために歪められた）ものである。図３Ｂの分解組立図に見られるように、色収差補正偏光コンバータすなわち不均質偏光子３０７は、不均一な分布３０３を一様な分布３０４に変換する直線偏光子３０９および図２Ｂのコンバータ２０７と類似の色収差補正偏光コンバータ３１０で構成される。重要かつ有利なことには、色収差補正偏光コンバータ３０７の性能は、偏光子３０９の存在による局所的な偏光分布の歪みに対して独立している。偏光子３０９として、ワイヤ・グリッド偏光子、偏光ビーム・スプリッタ、ダイクロイック偏光子、コレステロール偏光子、偏光プリズム、ブルースター角偏光子または干渉偏光子を使用することができる。
【００２６】
偏光子の性能とアナライザの性能が同時に必要とされるときには、偏光素子３０９を、２つの空間的に変化する波長板素子（図示せず）と組み合わせる必要があり、この場合、光は、まず第１の空間的に変化する波長板素子上に当り、次に偏光素子３０９に当り、次いで第２の空間的に変化する波長板素子に当る。偏光素子は、ワイヤ・グリッド偏光子、偏光ビーム・スプリッタ、ダイクロイック偏光子、コレステロール偏光子、偏光プリズム、ブルースター角偏光子、および干渉偏光子から選択することができる。
【００２７】
図２Ａの色収差補正コンバータ２０６を備える複屈折層および図２Ｂの色収差補正コンバータ２０７を備える複屈折層、ならびに図３Ｂのコンバータ３１０は、好ましくは、直線偏光可能なフォトポリマー層を光配向し、続いて、架橋可能な液晶（ＬＣ）材料層で前記層を被覆し、被覆されたＬＣ層をＵＶ架橋することによって形成された光配向液晶層である。配向の角度の特定の分布は、光配向ステップで、フォトポリマー層を重合させるために使用される直線偏光されたＵＶ光の偏光軸を変化させることにより得られる。有利には、複数の層を次々と堆積させることができ、その結果、空間的に変化する偏光軸配向を有する２つ以上の複屈折層を備えた多層構造を単一基板上に形成することができる。あるいは、光配向された直線的に光重合可能な配向層によって、薄く一様なＬＣ流体層を配向することができる。または、光重合性ポリマーをＬＣ流体と混合して、薄層の形で広げることができる。次いで、ポリマーは光重合され、層の体積全体を通して、重合されたスレッドの網状組織を形成する。ＬＣ流体は、網状組織内の間隙を充填し、重合されたスレッドの網状組織の配向パターンに従って網状組織によって配向される。しかし、これら後の２つの例では、色収差補正偏光コンバータを作るのに複数の基板が必要とされることになる。
【００２８】
前述のように、本発明の偏光コンバータを備える複屈折層は、光配向された重合性フォトポリマーで構成することができ、層の複屈折のローカル軸の方向は、光配向されたフォトポリマーの配向の方向の変化に従って連続的に変化する。本発明は、そのような直線的に重合可能なフォトポリマー層を備える配向層、またはバフ方向を変化させて磨いたポリマー層、または自己集合層、または変化する堆積角を有する斜めに堆積された配向層を利用することができる。空間的パターニングは、フォトマスクによる複数の直線偏光された紫外（ＬＰＵＶ）露光の使用、および、または基板、ＬＰＵＶ配向およびフォトマスクの同期した相対的並進または回転の使用を含んでよい。本発明の斬新さは、複数の液晶層に対して空間的に変化する光配向を使用し、その結果、これらの層が、色収差補正性能を有して空間的に変化する偏光コンバータまたは波長板を形成することにある。本発明におけるＬＣＰリターダ層の使用は、所与の空間的に変化する入力偏光状態を、所望の空間的に変化する出力偏光状態に変換するための光学的偏光コンバータの構築を可能にする融通性を提供する。さらに、公称の設計パラメータを最適化することによって色収差補正動作の帯域を調整することができるが、これは次の諸段落で説明する。
【００２９】
本発明の空間的に変化する波長板すなわち偏光コンバータは、ガラス、透明ポリマー、石英、シリコン、サファイアなどを含む、対象の波長領域向けの適当な任意の基板上に作製されてよい。波長板構造は、リフレクタ、アンチ・リフレクタおよびアブソーバなどを組み込んだ他のオプティカル・コーティングを有してよい。波長板は、防湿層、脱酸素剤および接着剤などを組み込んだ、他の機能コーティング、材料または基板を有してよい。波長板は、他の基板および、または波長板に対して積層されてよい。空間的に変化する偏光コンバータの個別の層は次々と積み重ねられてよく、あるいは別個に作られて、次いで、層の間に直接接触なしで連続して配置されてよい。後の例では、層の間の間隙は、空気、接着剤、他の基板、他のオプティカル・コーティング、他の光学材料または他の機能材料で充填されてよい。
【００３０】
次に、複屈折層の光軸角度分布の選択を詳細に説明する。前述のＫｏｅｓｔｅｒによる複合波長板の参照に加えて、次の、従来技術の複合波長板の論文が、以下の論議に関連する。Ｔｉｔｌｅによる、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、１４巻、２２９〜２３７頁（１９７５年）の、「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｆｉｌｔｅｒｓ．２：Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅｐｌａｔｅｓ」という論文は、３層および９層の波長板の色収差補正の組合せを説明し、かつ、一般化したリターダンス・レベルに関してパラメータを解析的に解明している。Ｔｉｔｌｅらによる、ＳＰＩＥ ３０８巻 Ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ １２０〜１２５頁（１９８１年）の、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ ｐｌａｔｅｓ」という論文は、色収差補正リターデイション素子の構築のために様々な手法の概要を与え、また、いくつかの特に有効な設計（３層ＨＷＰ、３層Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ ４分の１波長板（ＱＷＰ）および４層Ｈａｒｒｉｓ ＭｃＩｎｔｙｒｅ ＱＷＰ）を特定している。Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍによる、Ｉｎｄｉａｎ Ａｃａｄｅｍｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄ．４１巻、１３０〜１３６頁（１９５５年）の、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｐｌａｔｅｓ，Ｐａｒｔ Ｉ：Ａｎ ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ」という論文は、直線偏光子および複屈折板の特定の３層の組合せを備える回転色収差補正偏光子を説明している。Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍによる、Ｉｎｄｉａｎ Ａｃａｄｅｍｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄ．４１巻、１３７〜１４４頁（１９５５年）の、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｐｌａｔｅｓ，Ｐａｒｔ ＩＩ：Ａｎ ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ」という論文は、２つのＱＷＰの間で一定角度に配置された回転可能なＨＷＰを有する可変の色収差補正リターダを説明している。また、ＭｃＩｎｔｙｒｅらによる、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ ５８巻（１２）、１５７５〜１５８０頁（１９６８年）の、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ」という論文は、６層および１０層のＡＱＷＰの設計を説明している。これらの論文のすべてが参照によって本明細書に組み込まれる。
【００３１】
次の諸段落では、以下の表記が用いられる。Δφ＝Δφ（ｘ，ｙ）＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）−φｉｎ（ｘ，ｙ）は、出力直線偏光分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）の方位角と入力直線偏光分布の方位角φｉｎ（ｘ，ｙ）の間のローカル偏光軸のローカル方位角の差であり、Γｉおよびθｉ（ｘ，ｙ）は、それぞれ複屈折層のｉ番目のローカル光軸のリターダンスおよび方位角である。Γｉは、ｉ番目の複屈折層にわたって一定であると考えられることに留意されたい。
【００３２】
偏光変換効率の計算
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）の出力直線偏光分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）への変換の度合いを測定するために、偏光変換効率（ＰＣＥ）のパラメータが本明細書に導入される。これは、Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎと定義され、この式で、Ｐｏｕｔは、偏光コンバータの出力で得ようとしている直線偏光分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）を有するビームの小部分の光学パワーであり、Ｐｉｎは、偏光コンバータの入力で、入って来る所定の直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を有するビームの小部分の光学パワーである。話を簡単にするために、Ｐｉｎ＝１とする。各（ｘ，ｙ，λ）でのＰＣＥの計算を容易にするために、次式によって、φｏｕｔ（ｘ，ｙ）で配向された空間的に変化する仮想線形アナライザを使用することができる。
【００３３】
【数１】
上式で、
【００３４】
【数２】
であり、α＝ｃｏｓ（２φｏｕｔ（ｘ，ｙ））、ｂ＝ｓｉｎ（２φｏｕｔ（ｘ，ｙ））である。
【００３５】
【数３】
【００３６】
上式で、Ｍｌａｙｅｒｉ（ｘ，ｙ，λ）は、偏光コンバータ・スタックのｉ番目の層のミュラー行列であり、伝搬の順序は層Ｎから層１であり、かつ、
【００３７】
【数４】
である。
【００３８】
Δφ＝±π／２（９０°または−９０°）向けの２層色収差補正直線偏光回転子
基本的な色収差補正ＨＷＰ（またはＫｏｅｓｔｅｒによって説明された色収差補正回転子）は、Δφ＝±π／２（９０°または−９０°）向けに、波長の範囲にわたって直線偏光状態の方位角の回転を最適化するように選択された２つのリターダ層からなる。この波長板のパラメータは、Γ１，ｎｏｍ、θ１、Γ２，ｎｏｍおよびθ２である。角度θ１およびθ２は、任意の無作為な入力直線偏光配向に対するものである。層１および層２のリターダンスΓ１，ｎｏｍとΓ２，ｎｏｍは互いにほぼ等しく、ある設計波長λｎｏｍの半波リターダンスであり、色収差補正の所望の帯域および使用される複屈折材料の波長分散特性を基に選択される。以下の説明および実施例のために、リターダンス値は、スイスのＧｅｗｅｒｂｅｓｔｒａｓｓｅ １８、ＣＨ−４１２３ ＡｌｌｓｃｈｗｉｌにあるＲｏｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社からのＲＯＦ５１５１ ＬＣＰと呼ばれる材料に基づいて選択されることになる。材料ＲＯＦ５１５１ ＬＣＰは、一定の既知の波長分散特性Δｎ（λ）を有する。２つの層の光軸の配向は、これらの軸の方位角の配向が、入力偏光状態の配向φｉｎに対して、θ１＝（３／４）Δφ−δおよびθ２＝（１／４）Δφ＋δとなるように選択される。角度δは小さな修飾子角度であり、所与の回転Δφに対して、色収差補正動作の所望の範囲によって特別に最適化される。したがって、φｉｎ＝０からφｏｕｔ＝π／２へのΔφ＝π／２の回転については、光軸の配向は、θ１＝３π／８−δすなわちθ１＝６７．５°−δであり、θ２＝π／８＋δすなわちθ２＝２２．５°＋δである。この実施例でδ＝０に選択すると、設計波長において正確なΔφ＝π／２（９０°）の偏光状態の回転をもたらし、かつ設計波長のまわりの中くらいの帯域の波長に対して、１００％近くのＰＣＥで、ほぼπ／２の回転をもたらす（帯域形状は、より長い波長の方へ歪む）。これは、λ＝４２０ｎｍ〜６８０ｎｍにわたって比較的高ＰＣＥの帯域をもたらし、λｎｏｍ＝５０２ｎｍではほぼ完全な変換を、また４７５ｎｍ〜５５０ｎｍで非常に優れた変換をもたらす。しかし、δの値は、公称波長λｎｏｍでいくらかの効率低下の犠牲を払って、色収差補正帯域幅を増加／減少させるように調整することができる。例えば、δ＝２°を選択することによって、色収差補正変換の範囲は拡大するが、その範囲でＰＣＥのレベルはいくぶん低下する。
【００３９】
任意のΔφ（ｘ，ｙ）向けの直線偏光分布の２層色収差補正コンバータ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また先の段落で検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２および次式で定義されるローカル光軸の角度θ１およびθ２の分布を有する２つの複屈折層から成り、
【００４０】
【数５】
上式で、α＝３／４、ｂ＝１／４であり、δは、Δφ＝π／２の回転に対して所望の範囲の色収差補正および偏光変換レベルをもたらすように選択された最適値に固定される。δが約２．０°で、多くの可視波長範囲にわたって高ＰＣＥが達成されることが判明したが、０°＜δ＜６°の値を用いることができる。
【００４１】
角度φｉｎ、φｏｕｔ、θ１およびθ２が、２つの象限（すなわち第１象限、第４象限の−π／２からπ／２、または第１象限、第２象限の０からπ）だけに制限されるなら、Δφの固有の値の範囲はπであり、かつ０を含むように制限され、好ましくは、等しいプラスおよびマイナスの方位角の回転が可能な−π／２からπ／２と、プラスの回転のみ可能な０からπと、マイナスの方位角の回転のみ可能な−πから０との簡便な区間のうち１つを含む。
【００４２】
角度φｉｎ、φｏｕｔ、θ１およびθ２が、４つの象限すべて（すなわち第１象限〜第４象限にわたる−πからπ）で定義されるなら、Δφの固有の値の範囲は２πであり、−πからπに制限される。これによって、±πまでの等しいプラスおよびマイナスの回転が可能になる。
【００４３】
方位角の２象限の定義と４象限の定義が、任意の所与の位置（ｘ，ｙ）でのＰＣＥに関して実質的に類似した最終結果をもたらす一方で、空間的に変化する角度θ１（ｘ，ｙ）およびθ２（ｘ，ｙ）は、２象限定義の場合と４象限定義の場合の間で異なるはずである。これは、２象限システムの各角度に対して、４象限システムがθ１（ｘ，ｙ）およびθ２（ｘ，ｙ）の２つの解を与えるという事実によるものである。どちらの定義のやり方も本発明ではうまくいくが、各々に、固有の利点と欠点がある。２象限定義はより簡単であるが、θ１（ｘ，ｙ）およびθ２（ｘ，ｙ）の、ある空間的不連続点が存在し、これは、Δφが、定義された区間の反対端へ急激に変化する位置で生じることがある。他方では、４象限定義を用いると、そのような不連続点が生じる可能性は低くなるが、複屈折層の所望の入力／出力の直線偏光配向の仕様が、より複雑になる恐れがある。
【００４４】
次に、式（５）および式（６）を利用する特定の例を示す。図４を見ると、入力および出力の偏光の横方向分布のプロットが示されており、前記プロットは、それぞれ、水平に偏光された入力偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）＝０が実線の矢印で示されたものに相当し、放射状偏光渦出力の偏光分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）が破線の矢印で示されたものに相当する。この分布は計算で使用されて、その結果が図５に示され、角度θ１およびθ２はΔφの関数としてプロットされている。角度θ１およびθ２は、式（５）および式（６）ならびに上記で説明された２象限の角度定義を用いて計算した。この角度のΔφ依存関係は線形に見えるが、実際にはδ＝２．０°という０でない値のために、線形性からの小さな乖離が存在する。図６は、式（５）および式（６）によって配向されたローカル光軸を有する２０ｍｍ×２０ｍｍの２層色収差補正偏光コンバータにおけるポイント２５での、ローカル光軸対ｘ位置およびｙ位置の配向を示す。第１の層の光軸は実線の矢印で示され、第２の層の光軸は破線の矢印で示されている。
【００４５】
次に、図７を見ると、図６の波長板のＰＣＥの波長依存性が示されている。図６に示された特定の計算ポイント１．．．２５の位置次第で、図７にプロットされた最小のＰＣＥは、９７％からほぼ１００％へと変化する。１００％のＰＣＥは、ＰＣＥプロット上で１．０に相当することに留意されたい。実際のデバイスでは、ＰＣＥは、いくぶん低くなることがあり、例えば９５％、さらには９０％にもなり得ることが当業者には理解される。
【００４６】
次に、図８を参照すると、２０ｍｍ×２０ｍｍの２層色収差補正偏光コンバータにおける層のローカル光軸対ｘ位置およびｙ位置の配向が示され、ローカル光軸は、式（５）および式（６）ならびに４象限の角度定義によって配向されている。第１の層の光軸は実線の矢印で示され、第２の層の光軸は破線の矢印で示されている。図８を図６と比較することにより、両方の場合に同じ式が用いられたとしても、角度定義が異なると、複屈折層のローカル光軸の異なった角度値をもたらすことを直ちに見て取ることができる。
【００４７】
次に、図９を見ると、図８の波長板のＰＣＥの波長依存性が示されている。図８に示された特定の計算ポイント１．．．２５の位置次第で、図９にプロットされた最小のＰＣＥは、９７％からほぼ１００％へと変化する。ＰＣＥのスペクトルは、図７にプロットされたものと非常によく似ている。
【００４８】
次に、図１０を参照すると、入力および出力の偏光の横方向分布のプロットが示されており、この分布は、放射状に偏光された入力偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）、およびＸ軸に沿って周期的に変化しかつＹ軸のまわりで対称な出力偏光分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）に相当する。第１の分布φｉｎ（ｘ，ｙ）は実線の矢印で示され、第２の分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）は破線の矢印で示されている。これらの分布は計算で使用され、その結果が図１１および図１２に示されている。図１１に、式（５）および式（６）によって構成された２層色収差補正偏光コンバータ内の層のローカル光軸の方向のマップが示されている。第１の層の光軸は実線の矢印で示され、第２の層の光軸は破線の矢印で示されている。結果としてもたらされるＰＣＥの波長依存性が図１２に示される。図１１に示された特定の計算ポイント１．．．２５の位置次第で、図１２にプロットされた最小のＰＣＥは、９７％からほぼ１００％へと変化する。
【００４９】
任意のΔφ（ｘ，ｙ）向けの直線偏光分布の３層色収差補正コンバータ
２層偏光コンバータ向けに開発された形式は、色収差補正動作の波長領域および総合的なＰＣＥをさらに改善する目的で、より大きい層数へ拡張することができる。より多くの層を付加すると、これらの層の光軸配向の分布を支配する式は、２層システムを記述する式（５）および式（６）と異なる。３層システムに関して、Δφおよびφｉｎの関数として適切な光軸角度θ１、θ２およびθ３を選択するための様々な手法が存在する。以下で、これらの手法のうち５つが、実施形態Ａ、実施形態Ｂ、実施形態Ｃ、実施形態Ｄおよび実施形態Ｅと呼ばれて説明される。
【００５０】
実施形態Ａ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２および次式で定義されるローカル光軸の角度θ１、θ２およびθ３の分布を有する３つの複屈折層から成り、
【００５１】
【数６】
α＝７／８、ｂ＝１／２、ｃ＝１／８であり、δは修飾子角度であって、Δφ＝π／２に対して所望の色収差補正範囲および偏光変換レベルをもたらすように調整される。１．５°〜２．０°のδの最適化された値によって、大部分の可視スペクトルにわたって高い偏光度変換を達成することが可能になる。しかし、０°≦δ≦６°値を用いることができ、かなり優れた性能がもたらされる。
【００５２】
次に、図１３を見ると、角度θ１、θ２およびθ３がΔφの関数としてプロットされている。角度θ１、θ２およびθ３は、式（７）から式（９）を用いて計算される。図１３では、この角度のΔφ依存関係は線形に見えるが、実際にはδ＝１．５°という０でない値のために、線形性からの小さな乖離が存在する。次に、図１４を参照すると、ＰＣＥの波長依存性が、図１３による一定のΔφの値０、１０、２０、．．．１８０°に対応する光軸角度に対して示されている。Δφの値次第で、図１４にプロットされた最小のＰＣＥは、９７％からほぼ１００％へと変化する。上記で検討した２層コンバータと比べて、この実施形態では、たとえ最小のＰＣＥが改善されなくても、式（７）から式（９）によって支配される光軸分布を有する３層コンバータは、平均ＰＣＥを改善する。
【００５３】
式（７）から式（９）は、Δφの各値に対して手動で修飾子パラメータδを調整することを提案したＫｏｅｓｔｅｒによって教示されたものに対する改善を表す。本発明では、角度θ１、θ２およびθ３のΔφに対する関数依存性が開示され、単一の修飾子パラメータδが使用されて、計算がかなり簡単になる。θ１の関数依存性、およびθ３が｜Δφ｜≦π／２とπ／２≦｜Δφ｜≦πに関して異なることも本明細書に開示される。
【００５４】
実施形態Ｂ
実施形態Ｂは、特に７π／８≦｜Δφ｜≦πに関して、上記で検討した実施形態Ａの改善である。入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２ならびに式（７）、式（８）、および式（９）におけるのと同様にしてそれぞれ定義されるローカル光軸の角度θ１、θ２およびθ３の分布を有する３つの複屈折層から成る。しかし、パラメータαとｃは、次式で別個に定義される。
【００５５】
【数７】
【００５６】
１．５°〜２．０°のδの最適化された値によって、Δφ＝π／２に対して大部分の可視スペクトルにわたって高い偏光度変換を達成することが可能になるが、依然として０°≦δ≦６°の値を用いることができる。
【００５７】
次に、図１５を見ると、角度θ１、θ２およびθ３がΔφの関数としてプロットされている。角度θ１、θ２およびθ３は、式（７）から式（１２）を用いて計算される。これらの角度のΔφに対する依存性は、この場合明らかに非線形である。パラメータδは１．５°に取られる。
【００５８】
図１６を参照すると、ＰＣＥの波長依存性が、図１５による一定のΔφの値０、１０、２０、．．．１８０°に対応する光軸角度に対して示されている。特定のΔφの値次第で、図１６にプロットされた最小のＰＣＥは、９９．５％からほぼ１００％へと変化する。２層偏光コンバータおよび３層偏光コンバータ（実施形態Ａ）の場合と比べると、式（１０）から式（１２）で与えられた改善されたパラメータα、ｂ、およびｃで、はるかに高いＰＣＥが達成可能であることが分かる。これは、本明細書で示された実施形態Ｂでは、７π／８＜｜Δφ｜≦πに対して、パラメータαが７／８から１へ、パラメータｃが１／８から０へ、それぞれ変化するからである。この変形形態によって、色収差補正が７π／８＜｜Δφ｜≦πにわたって累進的に劣化する実施形態Ａに対して相当な改善がもたらされる。
【００５９】
実施形態Ｃ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２および次式で定義されるローカル光軸の角度θ１、θ２およびθ３の分布を有する３つの複屈折層から成り、
【００６０】
【数８】
α＝７／８、ｂ＝１／２、ｃ＝１／８であり、δは修飾子角度であって、Δφ＝π／２に対してほとんどの可視スペクトルにわたって所望の色収差補正範囲および偏光変換レベルをもたらすように調整される。１．５°〜２．０°のδの最適化された値によって、大部分の可視スペクトルにわたって高い偏光度変換を達成することが可能になる。０°≦δ≦６°の値を用いることができ、かなり優れた性能を達成する。
【００６１】
次に、図１７を見ると、角度θ１、θ２およびθ３がΔφの関数としてプロットされている。角度θ１、θ２およびθ３は、式（１３）から式（１５）までから計算される。角度θ１、θ２およびθ３のΔφに対する依存性は、δ＝１．５°で非線形である。図１８を参照すると、ＰＣＥの波長依存性が、図１７による一定のΔφの値０、１０、２０、．．．１８０°に対応する光軸角度に対して示されている。特定のΔφの値次第で、図１８にプロットされた最小のＰＣＥは、９９．５％からほぼ１００％へと変化する。本明細書に示した実施形態Ｃでは、７π／８＜｜Δφ｜≦πに対して、角度θ１はθ１（７π／８，φｉｎ）からπへ、角度θ３は、θ３（７π／８，φｉｎ）から０へ、それぞれ直線的に変化する。この変形形態によって、色収差補正が７π／８＜｜Δφ｜≦πにわたって累進的に劣化する実施形態Ａに対して改善がもたらされる。
【００６２】
実施形態Ｄ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２および次式で定義されるローカル光軸の角度θ１、θ２およびθ３の分布を有する３つの複屈折層から成り、
【００６３】
【数９】
α＝５／６、ｂ＝１／２、ｃ＝１／６であり、δは修飾子角度であって、Δφ＝π／２に対してほとんどの可視スペクトルにわたって所望の色収差補正範囲および偏光変換レベルをもたらすように調整される。最適化されたδの値は−１．０°であると判明し、この値で、ほとんどの可視スペクトルにわたって高ＰＣＥが達成される。−４°≦δ≦０°値を用いることができ、かなり優れた性能を達成する。
【００６４】
次に、図１９を見ると、角度θ１、θ２およびθ３がΔφの関数としてプロットされている。角度θ１、θ２およびθ３は、式（１６）から式（１８）を用いて計算される。Δφに対する角度依存性は、δ＝−１．０°で非線形である。図２０を参照すると、ＰＣＥの波長依存性が、図１９による一定のΔφの値０、１０、２０、．．．１８０°に対応する光軸角度に対して示されている。特定のΔφの値次第で、図２０にプロットされた最小のＰＣＥは、９８．５％からほぼ１００％へと変化する。
【００６５】
実施形態Ｅ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２および次式で定義されるローカル光軸の角度θ１、θ２およびθ３の分布を有する３つの複屈折層から成り、
【００６６】
【数１０】
δは修飾子角度であって、Δφ＝π／２に対してほとんどの可視スペクトルにわたって所望の色収差補正範囲および偏光変換レベルをもたらすように調整される。最適化されたδの値は−１．０°であると判明し、この値で、ほとんどの可視スペクトルにわたって高ＰＣＥが達成され、依然として０°≦δ≦４°値を用いることができ、かなり優れた性能を達成する。
【００６７】
次に、図２１を参照すると、角度θ１、θ２およびθ３が、δ＝１．０°でのΔφの関数としてプロットされている。角度θ１、θ２およびθ３は、式（１９）から式（２１）を用いて計算される。これらの角度のΔφに対する依存性は、この場合線形である。図２２を見ると、ＰＣＥの波長依存性が、図２１による一定のΔφの値０、１０、２０、．．．１８０°に対応する光軸角度に対して示されている。特定のΔφの値次第で、図２２にプロットされた最小のＰＣＥは、９７．３％からほぼ１００％へと変化する。
【００６８】
式（１９）から式（２１）は、上記の参照中のＴｉｔｌｅの文献から採用されたものである。この実施形態の利点はその単純性にあり、Δφに対して生じるＰＣＥの変化は、比較的小さい。しかし、この実施形態で達成可能なＰＣＥおよび色収差補正は、上記で示された他の実施形態ほど優れたものではない。
【００６９】
任意のΔφ（ｘ，ｙ）向けの直線から回転への２層色収差補正偏光コンバータ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正して回転偏光に変換するための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、もたらされるＰＣＥのスペクトル帯域幅が任意のΔφに対して実質的に同じであり、リターデイションΓｎｏｍ１＝λｎｏｍ／４およびΓｎｏｍ２＝λｎｏｍ／２を有する２つの複屈折層から成り、ローカル光軸の角度θ１およびθ２の分布が次式で定義される。
【００７０】
【数１１】
上式で、光は、まず層２を通り、次いで層１を通って伝搬するが、必要とされる回転偏光が左手系か右手系かということに応じてｋ＝＋１または−１であり、δは、直線から回転への偏光の変換に関するＰＣＥの色収差補正帯域幅およびレベルを最適化するように選択された修飾子角度である。４２０ｎｍ〜６８０ｎｍの高い変換効率形式向けの最適値はδ＝１．２°であると判明した。複屈折材料はＲｏｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社からのＲＯＦ５１５１である。０°≦δ≦４°値を用いることができ、かなり優れた性能を達成する。
【００７１】
先に示された直線偏光コンバータ（回転子）の実施例のように、入力の直線偏光状態の空間的に変化する領域がφｉｎ（ｘ，ｙ）として配向されると、式（２２）および式（２３）に従って層１および層２の光軸角度を空間的に変化させることができる。以前に説明されたように、各φｉｎ（ｘ，ｙ）向けの複合多層のミュラー行列の定式化がなされている。直線から回転への偏光の変換に関するＰＣＥの計算は、回転アナライザが計算で使用されることを除けば、異なって配向された直線偏光状態の間の変換効率と同様に計算される。したがって、そのような素子については、出力の偏光状態は、対象の波長帯域内のすべての波長に対して高度に回転偏光されることになる。
【００７２】
式（２２）および式（２３）によって記述された２層コンバータも、左手系または右手系に回転偏光された入力状態に対して、逆の伝搬方向に使用することができる。光伝搬の相互性のために、次いで、出力状態は空間的に変化する直線状態へ高効率で変換されることになる。
【００７３】
式（５）から式（２３）は、修飾子パラメータδが、Δφおよび、またはφｉｎの関数として連続的に変化し、かつ上記の式で仮定されたように固定値にとどまることのないのを可能にするように、より一般化された形式に書き直すことができる。そのようなやり方で書き直されたとき、これらの式では、さらに高レベルのＰＣＥおよびより広い色収差補正波長領域が可能になる。しかし、本明細書に提示された式は、広範な波長領域にわたって偏光変換の高レベルの色収差補正を達成することを可能にする一方で、単純性という利点がある。他の既知の基本的な色収差補正波長板構成手法に対して、本明細書に提示された、色収差補正偏光コンバータを空間的に変化させるという概念が適用され得ることは当技術者には理解される。実際のコンバータでは、ＰＣＥが、図の７、９、１２、１４、１６、１８、２０および２２に提示されたものよりいくぶん低くなり得ることも理解される。例えば、式（５）から式（２３）によって作られた実際のコンバータのＰＣＥは、９５％かまたは９０％でさえある。
【００７４】
偏光コンバータを空間的に変化させる用途例
次に、本発明の色収差補正偏光コンバータの用途例を示す。用途の一領域は偏光収差補正に関する。図２３を見ると、偏光顕微鏡の回路図が提示され、光源２３１、偏光子２３２、供試体２３３、対物レンズ２３４、偏光補正素子２３５およびアナライザ２３６を備える素子の光学縦列２３０を示す。円２３７Ａ〜２３７Ｄは、光学縦列２３０に沿って、破線２３８で示された対応する光学的偏光分布を表している。動作では、光源２３１によって放射された光２３９は、偏光子２３２によって偏光されて供試体２３３を照射するように向けられ、これは対物レンズ２３４によって結像される。供試体２３３の前の光２３９の偏光分布は、垂直の直線偏光の一様な分布として円２３７Ａによって表象的に示されている。対物レンズ２３４内に偏光収差があるために、レンズ２３４の後の円２３７Ｂによって示される偏光分布は、もはや一様ではない。例えば本発明による前述の２層素子または３層素子として製造することができる偏光補正素子２３５の機能は、円２３７Ｃによって表象的に示されている直線偏光へ戻す偏光分布をもたらすことである。最終的に、供試体２３３の像の偏光分布を解析するために、偏光子２３２の偏光方向と交差する偏光方向を有する偏光アナライザ２３６が使用される。アナライザの後の偏光分布が、円２３７Ｄによって示されている。偏光コンバータ素子２３５がないと、像領域２３７Ｄの周辺は、対物レンズ２３４によって導入され円２３７Ｂによって表される偏光収差のために、接眼レンズ（図示せず）で見られるように照射されて見えることになる。したがって、偏光コンバータ素子２３５によって、背景照射のレベルを低下させ、かつ供試体２３３の偏光像（図示せず）をより優れて強調することが可能になる。
【００７５】
次に図２４を参照すると、本発明の偏光変換素子２４１を使用するリア・プロジェクション・テレビ２４０の側方の断面図が示され、出力ビーム２４６を生成するように、光エンジン２４５によって放射された結像光２４４によって照射される輝度向上プリズム状フィルム２４３を有するスクリーン２４２を備える。プリズム状フィルム２４３の代わりにフレネル・レンズを使用することができる。
【００７６】
光エンジン２４５は、垂直に偏光された一様な直線偏光分布を有する結像光２４４を放射する。しかし、急勾配な投影角のために、スクリーン２４２のプリズム状フィルム２４３上に入射する光２４４の偏光分布によって、プリズム状フィルム２４３にわたる不均一なフレネル反射損失がもたらされ、結果としてスクリーン２４２の輝度の空間的不均一性が生じる。図２５は最後のポイントを示す。図２５には、偏光変換素子２４１がある場合とない場合の、リア・プロジェクション・テレビ２４０のスクリーン２４２を照射する図２４の光ビーム２４４の光学的偏光マップが示されている。素子２４１のない直線偏光の中心軸の方向は、実線の矢印２５２として示される。偏光変換素子２４１は、スクリーン２４２のプリズム状フィルム２４３上に入射する光の偏光分布を、ポイント２５０のまわりで放射状に偏光された状態にする。相当する偏光分布は、破線の矢印２５１で示される。偏光分布をそのような放射状の偏光に変換すると、入射光２４４を、プリズム状フィルム２４３のすべての位置でプリズム状フィルム２４３に対してｐ偏光された状態にする。これによって、フィルム２４３内のフレネル損失をかなり低下させて、スクリーン２４２の輝度をならすことが可能になる。ｐ偏光に対して観測されたブリュースター効果のために、フレネル損失は低下する。同様のやり方で、急勾配の光学的特性を有する回転対称素子（例えば高開口数非球面レンズ）のフレネル損失は、放射状の偏光渦を形成する偏光コンバータ（例えば図２Ｂのコンバータ２０７または図３Ａ、図３Ｂのコンバータ３０７）を使用することによりかなり低下させることができる。
【００７７】
プロジェクション・テレビの比較的厚い側部輪郭は、プロジェクション・テレビに対する主要な競合製品の１つである平面パネル・テレビの薄い側部輪郭と比べて不利になる不利益要因である。この例では、本発明の偏光分布補正コンバータの適用によって、プロジェクション・テレビの側部輪郭をかなり短縮することが可能になり、平面パネル・テレビの輪郭に近いものをもたらす。したがって、本発明を利用することにより、リア・プロジェクション・テレビの競争力はかなり改善される。投影システムにおける、空間的に変化するリターダの一般的な使用法に関する詳細は、Ｓａｒａｙｅｄｄｉｎｅら、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ Ｓｐａｃｅ Ｖａｒｉａｎｔ Ｒｅｔａｒｄｅｒ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏ−Ｄｉｓｐｌａｙ Ｂａｓｅｄ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」ＳＩＤ ２００８ ｐｒｏｓｅｅｄｉｎｇｓ、５６．２、８５０〜８５３頁に見ることができる。
【００７８】
本発明の偏光変換素子のその他の用途は、フォトリソグラフィ、光学式データ記憶装置および文献、商品または論文の認証におけるそのような用途において偏光度を空間的に変化させることを含む。偏光コンバータの色収差補正によって、光学システムにおいて複数の波長を利用することに特有の重要な利点を実現することが可能になる。今日のフォトニクスの用途の大部分が光の複数の波長を含むので、本発明の偏光コンバータの用途は非常に多い。例えば、複数の波長の螢光および非線形の光学顕微鏡法は、多くの波長で同時に偏光コントラストを増強するのに偏光コンバータを使用することができる。色収差補正偏光操作は、回折限界の光学部品を使用することによって光学解像度を向上させるハイエンドの結像用途において、光学的位相を変更するのに使用することができる。光ピンセットおよびフェムト秒微細機械加工のような用途では、合焦された光場の光学的偏光および空間分布を操作するのに、偏光の一定の空間的分布を有する光場（例えば偏光渦）を利用することができる。フェムト秒光パルスが必然的に多色であるため、超短光パルスの特定用途向けの偏光分布を生成するのに、色収差補正偏光コンバータを有利に使用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５ 計算ポイント
１００ 透過スペクトル
１０２ 半波長板
１０４、１０６ 偏光子
１１０ スペクトル
１１１ ポイント
１１２ 複合半波長板
１１４、１１６ 偏光子
２００、２０１ 偏光渦
２０２ 多色ビーム
２０４ 偏光の直線状分布
２０６、２０７ 色収差補正コンバータ
２０８ 光スペクトル
２３０ 光学縦列
２３１ 光源
２３２ 偏光子
２３３ 供試体
２３４ 対物レンズ
２３５ 偏光補正素子
２３６ アナライザ
２３７ 円
２３８ 破線
２３９ 光
２４０ リア・プロジェクション・テレビ
２４１ 偏光変換素子
２４２ スクリーン
２４３ プリズム状フィルム
２４４ 光ビーム
２４５ 光エンジン
２４６ 出力ビーム
２５０ ポイント
２５１、２５２ 矢印
３０１ 偏光渦
３０２ 多色ビーム
３０３ 不均一な分布
３０４ 一様な分布
３０７ 不均質偏光子
３０９ 直線偏光子
３１０ 色収差補正偏光コンバータ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の偏光の空間分布を、第１の所定の空間分布から第２の所定の空間分布へ変換するための光学素子に関し、具体的には広範囲の光の波長にわたって前記分布を変換するための光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
波長板、または光学リターダは、互いに直交するように偏向された入射光の２つの成分間の位相に対して所定の位相シフトを導入することにより、入射光の偏光状態を変更する光学デバイスである。従来、導入された位相シフトは波長板リターダンスと称され、２πを掛けた波長の分数で測定される。直交偏光成分の間にπの位相シフトを付加する波長板は、半波長板（ＨＷＰ）と称され、π／２の位相シフトを付加する波長板は４分の１波長板（ＱＷＰ）と称される。
【０００３】
互いに直交するように偏光された入射光の２つの成分に対して別々の屈折率を有する材料は、複屈折材料と呼ばれる。いかなる複屈折材料にも、光軸と呼ばれる少なくとも１つの軸がある。波長板は、複屈折材料から製造することができる。直線偏光波が、波長板の複屈折材料の光軸に垂直な波長板を通されるとき、光波は、定常波および異常波と呼ばれる２つの波へ分割され、２つの波は互いに垂直な方向へ直線的に偏光される。別々の屈折率のために、２つの波は、別々の速度で材料を通って進み、このことからこれら２つの波の間に位相シフトが生じる。波長板がＨＷＰであると、位相シフトによって、偏光軸と波長板の光軸の間の角度の２倍の角度で、光波の偏光軸の回転が生じる。
【０００４】
従来の用途では、一般に、空間的に一様な波長板を使用して、一様に偏向された光ビームの偏光状態を変更する。一様に偏向された光ビームは、ビームの断面にわたって変化しない偏光状態を有するビームである。しかし、最近、一様に偏光されたビームの幅方向に空間的偏光変化を誘起することが、有効な波面整形ツールであると認められている。直線偏光子を使用して空間的に変化する偏光を有するビームを解析すると、その実効果は、ビームの幅方向に、Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ−Ｂｅｒｒｙ位相として知られている空間的に変化する位相シフトが付加されることである。これは、ＢｏｍｚｏｎらによってＯｐｔ．Ｌｅｔｔ．、２７巻、Ｎｏ．１３、１１４１〜１１４３頁（２００２年）の「Ｓｐａｃｅ−ｖａｒｉａｎｔ Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ−Ｂｅｒｒｙ ｐｈａｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｇｒａｔｉｎｇｓ」という名称の論文で示され、この文献は、ビームの波面の特定の整形をもたらす偏光子を用いた光ビームの空間的に変化する偏光を解析しており、参照によって本明細書に組み込まれる。さらに、直線的に偏光された光ビーム（偏光配向すなわちビーム放射の電界ベクトルの方向がビームの断面にわたって変化する）を形成するために、空間的に変化する波長板を使用することができる。空間的に変化する直線偏光を有するビームの現実的な例には、放射状に偏向されたビームまたは接線状に偏光されたビームがあり、偏光のローカル軸が、前者では放射状、すなわちビームの中心にローカル・ポイントを接続する線と平行であり、後者では接線状、すなわちその線に対して垂直である。
【０００５】
ビームが、放射状に偏向されようと接線状に偏向されようと、その偏光方向は、特定の空間的位置の方位角にのみ左右され、ビーム軸からの半径方向距離ｒには左右されない。偏光ビームのこれらのタイプは、円筒状ベクトル・ビームまたは偏光渦ビームと称されることがある。用語「偏光渦」は、用語「光学渦」に関するものである。光学渦は、ビーム断面内の位相異常を示すポイントであり、そのポイントのまわりでトレースされた任意の閉路において、ビーム放射の電界がπの倍数によって徐々に変化する。同様に、偏光渦は、偏光の方向がビーム軸のまわりでπの倍数によって徐々に変化する、直線的に偏向された状態である。そのようなビームは、合焦されたとき、ビームの軸でゼロ輝度を採用する。偏光渦ビームには、粒子捕獲（レーザ・ピンセット）、顕微鏡の分解能向上、およびフォトリソグラフィなど、様々な実用的用途で有利に使用することができるいくつもの独特な特性がある。
【０００６】
光学的偏光渦ビームは、波長板の軸のまわりでπ／２の倍数によって徐々に変化する、空間的に変化する偏光軸方向を有するＨＷＰに、一様に偏光された光ビームを通すことにより容易に得ることができる。前述の、角度を２倍にするＨＷＰの特性のために、そのような波長板を通したビームの偏光の方向は、ビーム軸のまわりでπの倍数によって徐々に変化する。例えば、Ｓｔａｌｄｅｒらによる、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、２１巻、Ｎｏ．２３、１９４８〜１９５０頁、１９９６年１２月１日の、「Ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｗｉｔｈ ａｘｉａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」という名称の論文を参照されたい。この文献は参照によって本明細書に組み込まれる。Ｓｔａｌｄｅｒは、複屈折の液晶リターダの空間的に変化する偏光軸方向を生成するために使用される、空間的に変化する液晶層の配向を有する液晶セルを教示している。
【０００７】
偏光渦ビームを生成する従来技術の方法には、空間的に変化する従来技術のＨＷＰが、１波長のみで２分の１波長のリターデイションを有するという事実に関する共通の短所がある。したがって、単色の偏光渦しか形成することができない。例えば、レーザ・ピンセット用途向けの単色の偏光渦を生成するために、単色のレーザ・ビームを使用することができる。しかし、多くの重要な光学的用途で多色ビームが必要とされ、例えば、表示装置または顕微鏡検査などの視覚および画像化の領域に関するほとんどの用途は多色である。可視光線は、ほぼ３８０ｎｍから６８０ｎｍ超の範囲の波長領域にわたり、すなわち、可視光線は、５３０ｎｍの中心波長と比べると５６％を上回って変化する。対応する光学システムが多色性能を必要とする用途の他の例には、多波長光学式データ記憶装置が含まれ、フェムト秒光パルスが元来多色であるので、ディスクに対するデータの読出しおよび書込み、あるいはフェムト秒微細機械加工用途向けに様々な波長のレーザ源が使用される。したがって、既存の現況技術は、偏光分布を形成する光学素子の、色収差補正（ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ）または多色化（ｐｏｌｙｃｈｒｏｍａｔｉｃ）動作が必要な多くのあり得る用途向けに現実的解決策を提供することがない。
【０００８】
従来技術では、空間的に変化する光学リターダの色収差補正作業を実現するいくつかの手法が既知である。液晶ディスプレイ産業で広く用いられている手法の１つに、液晶ディスプレイの光学的スタックに対して空間的に一様な光学リターダ・フィルムまたは光学リターダ層を付加するものがあり、これによって表示コントラスト比をより色収差補正し、かつディスプレイの視角を改善する。例えば、液晶ディスプレイ・スタック構造に光学リターダを付加することが、Ｔｉｌｌｉｎによって米国特許第６，９００，８６５号で教示されており、この特許は参照によって本明細書に組み込まれる。さらに、液晶ディスプレイに付加された一様な液晶リターダが、Ｓｈａｒｐらによって米国特許第６，３８０，９９７号、米国特許第６，０７８，３７４号および米国特許第６，０４６，７８６号で教示されており、これらの特許は参照によって本明細書に組み込まれる。Ｓｈａｒｐの液晶ディスプレイでは、空間的に変化しない複合波長板の既知の色収差補正動作が、ディスプレイの４つの輝度状態までの色収差補正動作を実現するために使用される。空間的に変化しない複合色収差補正波長板が、長い間既知であったことに留意されたい。例えば、Ｋｏｅｓｔｅｒの、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ ４９巻（４）、４０５〜４０９頁（１９５９年）の、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈａｌｆ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ」を参照されたい。この文献は参照によって本明細書に組み込まれる。
【０００９】
別の手法には、ナノインプリント・リソグラフィを使用して、色収差補正サブ波長格子ベースの光学リターダ構造を生成することに依存するものがあり、Ｄｅｎｇらによって、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、３０巻、２６１４〜２６１６頁（２００５年）の、「Ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｉｃｋｕｐ ｕｎｉｔｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｉｍｐｒｉｎｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」という名称の論文で公表されており、この文献は参照によって本明細書に組み込まれる。中赤外型から遠赤外型のフォトニクス用途向けの従来のマイクロ・リソグラフィ法を用いて、色収差補正サブ波長格子を製造することもでき、Ｃｈｕｎらによって、ＳＰＩＥ−Ｉｎｔ．Ｓｏｃ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．、４４８１巻、２１６〜２７頁（２００２年）の、「Ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅｐｌａｔｅ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ」という名称の論文で教示されている。
【００１０】
一様なリターデイション・フィルムまたは液晶層の使用を基に空間的に変化する光学リターダの色収差補正動作を実現する手法には、色収差補正が実現される出力偏光状態の範囲が限定されるという短所がある。サブ波長格子に基づく手法にはこの短所がないが、少なくとも可視スペクトルの範囲に対して、これらの手法は、ナノインプリント・リソグラフィなど、やや風変わりな、高度なものとはとは言い難い技術に依存する。さらに、液晶ディスプレイまたはサブ波長格子の離散的アレイなど従来技術のピクセル処理されたリターダ構造では、様々なリターデイション値を有する領域間の急激な境界で、望ましくない光の回折が生じる恐れがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】米国特許第６，９００，８６５号
【特許文献２】米国特許第６，３８０，９９７号
【特許文献３】米国特許第６，０７８，３７４号
【特許文献４】米国特許第６，０４６，７８６号
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】Ｂｏｍｚｏｎら、「Ｓｐａｃｅ−ｖａｒｉａｎｔ Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ−Ｂｅｒｒｙ ｐｈａｓｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｗｉｔｈ ｃｏｍｐｕｔｅｒ−ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｇｒａｔｉｎｇｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．２７、Ｎｏ．１３、１１４１〜１１４３頁（２００２）
【非特許文献２】Ｓｔａｌｄｅｒら、「Ｌｉｎｅａｒｌｙ ｐｏｌａｒｉｚｅｄ ｌｉｇｈｔ ｗｉｔｈ ａｘｉａｌ ｓｙｍｍｅｔｒｙ ｇｅｎｅｒａｔｅｄ ｂｙ ｌｉｑｕｉｄ−ｃｒｙｓｔａｌ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒｓ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．２１、Ｎｏ．２３、１９４８〜１９５０頁、１９９６年１２月１日
【非特許文献３】Ｋｏｅｓｔｅｒ、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｈａｌｆ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ｖｏｌ．４９（４）、４０５〜４０９頁
【非特許文献４】Ｄｅｎｇら、「Ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｉｃｋｕｐ ｕｎｉｔｓ ｆａｂｒｉｃａｔｅｄ ｂｙ ｕｓｅ ｏｆ ｉｍｐｒｉｎｔ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ」、Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．、Ｖｏｌ．３０、２６１４〜２６１６頁（２００５）
【非特許文献５】Ｃｈｕｎら、「Ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅｐｌａｔｅ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｐｏｌａｒｉｍｅｔｒｉｃ ｉｍａｇｉｎｇ」、ＳＰＩＥ−Ｉｎｔ．Ｓｏｃ．Ｏｐｔ．Ｅｎｇ．、４４８１巻、２１６〜２２７頁（２００２）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
有利には、本発明の色収差補正コンバータ素子は前述の短所を未然に防ぐ。この素子は、広い波長領域を有する偏光（例えば可視光線）の空間分布を、入力偏光の任意の所定の分布から、出力偏光の任意の他の所定の分布へ、非常に高効率、スムーズかつ連続的なやり方で変換することができ、急激な縁端部または境界上での回折効果を回避する。さらに、有利には、また好ましくは、本発明の偏光コンバータは、十分に確立されかつ成熟した液晶技術を用いて様々な構成で製造することができる。さらに、有利には、本発明の偏光コンバータは、従来技術の単色の偏光コンバータまたは従来技術のゼロ次波長板と比べて、リターダ層の厚さの変化の影響に対して本質的な耐性がある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明によれば、中心波長および帯域幅によって特徴づけられた少なくとも１つの波長帯域を有する光ビームの偏光の、第１の所定の横方向分布から第２の所定の横方向分布へ変換するための光学素子が提供され、この光学素子は、複屈折層のスタックを備え、スタック各層の複屈折が、層にわたって実質的に一定のリターダンスおよび層にわたって滑らかに徐々に変化する複屈折のローカル軸の方向によって特徴づけられ、また、層のローカル軸方向の複屈折の変化は、光ビームの全波長帯域にわたって、光ビームの偏光の分布を、第１の分布から第２の分布へ変換するように、その間で調整される。
【００１５】
本発明の特別の関心は光学渦素子にあり、この素子では偏光の第１および第２の横方向分布は直線偏光の分布であって、出力偏光のローカル軸の角度は、光学素子の開口部の「渦ポイント」と呼ばれる中心点のまわりでトレースされた任意の閉路において、ローカル方位角の座標のみに左右され、πの倍数だけ角度が変化する。
【００１６】
本発明の別の態様では、光ビームを受け取って、光ビームの偏光の横方向分布を変換するための第１の光学素子と、第１の光学素子に対して光学的に結合された偏光素子と、光ビームの偏光の横方向分布をさらに変換し、かつ光ビームを出力するために、前記偏光素子に光学的に結合された第２の光学素子とを備える、偏光を変換する偏光子がさらに提供される。
【００１７】
本発明の別の態様によれば、空間的偏光収差の補正、および、または偏光渦の生成、および、または、表示装置におけるフレネル損失の低減、偏光顕微鏡法、フォトリソグラフィ、結像、光学式データ記憶装置、文献、商品または論文の認証、ならびにフェムト秒微細機械加工を含む、前述の光学素子の使用法がさらに提供される。
【００１８】
次に、例示的実施形態が図とともに説明される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】従来技術の、１対の偏光子の間にある、単色波長板および色収差補正波長板、ならびに対応する透過スペクトルを示す図である。
【図２】図２Ａは本発明の例示的実施形態による偏光渦波長板およびそれを通り抜ける多色光ビームの等角投影図である。図２Ｂは本発明の例示的実施形態による偏光渦波長板およびそれを通り抜ける多色光ビームの等角投影図である。
【図３】図３Ａは本発明による、偏光を変換する偏光子の等角投影図である。図３Ｂは図３Ａの偏光を変換する偏光子の分解組立図である。
【図４】偏光渦に対応する偏光の横方向分布の入力および出力のプロットを示す図である。
【図５】本発明による２層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図６】本発明の一実施形態による２層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対Ｘ位置およびＹ位置のプロットを示す図である。
【図７】本発明の一実施形態による２層色収差補正偏光コンバータの偏光変換効率（ＰＣＥ）のスペクトルを示す図である。
【図８】本発明の別の実施形態による２層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対Ｘ位置およびＹ位置のプロットを示す図である。
【図９】図８に対応する本発明の実施形態による２層色収差補正偏光コンバータのＰＣＥのスペクトルを示す図である。
【図１０】偏光の横方向分布の入力および出力のプロットを示す図である。出力の横方向分布は、垂直な中心軸のまわりで対称である。
【図１１】図１０の偏光軸の分布に対応する２層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対Ｘ位置およびＹ位置のプロットを示す図である。
【図１２】図１０の偏光軸の分布に対応する本発明の２層色収差補正偏光コンバータのＰＣＥのスペクトルを示す図である。
【図１３】本発明の実施形態Ａによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図１４】本発明の実施形態Ａによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対対応するＰＣＥのスペクトルのプロットを示す図である。
【図１５】本発明の実施形態Ｂによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図１６】本発明の実施形態Ｂによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対対応するＰＣＥのスペクトルのプロットを示す図である。
【図１７】本発明の実施形態Ｃによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図１８】本発明の実施形態Ｃによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対対応するＰＣＥのスペクトルのプロットを示す図である。
【図１９】本発明の実施形態Ｄによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図２０】本発明の実施形態Ｄによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対対応するＰＣＥのスペクトルのプロットを示す図である。
【図２１】本発明の実施形態Ｅによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対必要とされる偏光の回転量のプロットを示す図である。
【図２２】本発明の実施形態Ｅによる３層色収差補正偏光コンバータにおける、層のローカル光軸の角度対対応するＰＣＥのスペクトルのプロットを示す図である。
【図２３】本発明の偏光補正素子を備えた、一連の光学素子を示す偏光顕微鏡の回路図である。列に沿って、対応する光学的偏光分布を示す。
【図２４】本発明の偏光変換素子を利用したリア・プロジェクション・テレビの側方断面図である。
【図２５】本発明の偏光変換素子がある場合とない場合の、図２４のリア・プロジェクション・テレビのスクリーンを照射する光ビームの光学的偏光マップを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
様々な実施形態および実施例とともに本教示が説明されるが、本教示がそのような実施形態に限定されることは意図されていない。その反対に、当業者なら、本教示が様々な代替形態、変更形態および等価物を包含することを理解するであろう。
【００２１】
図１を参照すると、破線１００は、互いに交差する偏光子１０４と１０６の間の４５°回転した半波長板（ＨＷＰ）１０２の透過スペクトルを示し、スペクトル１００はｄΔｎ／λの関数としてプロットされている。ｄおよびΔｎは、それぞれＨＷＰ １０２の厚さおよび複屈折である。ｄΔｎ／λ＝０．５（すなわちＨＷＰ １０２の中心波長）では、透過スペクトル１００がポイント１１１で最大に達することが認められる。実線１１０は、互いに交差する偏光子１１４と１１６の間に配置された、２つの波長板１１２Ａおよび１１２Ｂから成る複合半波長板１１２の透過スペクトルを示し、スペクトル１１０はｄΔｎ／λの関数としてプロットされている。ｄΔｎ／λ＝０．５では、透過スペクトル１１０もポイント１１１で最大に達することが認められる。しかし、最大点１１１の近くでは、矢印１１８によって示された複合波長板１１２に対応するスペクトル１１０の方が、矢印１０８によって示された波長板１０２に対応するスペクトル１００より平坦である。リターダンス値ならびに波長板１１２Ａと１１２Ｂの光軸の相対的方向は、スペクトル１１０ができるだけ平坦になるように選択され、このことは、波長板１０２の厚さと比較した波長板１１２Ａおよび波長板１１２Ｂの厚さの寸法公差を緩和するばかりでなく、波長板１１２の色収差補正も保証する。光軸の角度およびリターダンス値を選択するためのルールは、上記で引用されたＫｏｅｓｔｅｒによる参照文献で教示されている。
【００２２】
次に、光学的偏光の空間分布のコンバータを説明する。コンバータは、空間的に変化する光軸を有する少なくとも２つの複屈折層から成り、これらローカル光軸の配向パターンは、コンバータの全体的な色収差補正動作を達成するように互いに調整される。次に、図２Ａを見ると、接線偏光渦２００が示され、これは、偏光の直線状分布２０４を有する多色ビーム２０２を、偏光の空間分布の色収差補正コンバータ２０６に通すことにより得られるものである。重要かつ有利なことには、層のローカル光軸の角度分布の特別な選択によって、得ようとしている偏光分布２００を有するビーム２０２の小部分の光スペクトル２０８は、コンバータ２０６を通過した後に実質的に変化しない。このことは、次の諸段落で詳細に説明され、次の図４から図２２によって示される。
【００２３】
次に、図２Ｂを参照すると、放射状の偏光渦２０１が示され、これは、偏光の直線状分布２０４を有する多色ビーム２０２を、偏光の空間分布の色収差補正コンバータ２０７に通すことにより得られるものである。重要かつ有利なことには、層のローカル光軸の角度分布の特別な選択によって、得ようとしている偏光分布２０１を有するビーム２０２の小部分の光スペクトル２０８は、コンバータ２０７を通過した後に実質的に変化しない。
【００２４】
空間的に変化する色収差補正偏光子および、またはアナライザを作製するために、上記で開示された空間的に変化する色収差補正波長板を通常の直線偏光子と組み合わせてよい。空間的に変化する色収差補正偏光子またはアナライザは、空間的に変化する波長板素子上に偏光素子を積層することにより、または空間的に変化する波長板素子を偏光素子上に直接製作することにより、製造することができる。入ってくる光がまず偏光素子に当り、次に波長板素子に当るよう作られると、不均質偏光子が得られる。光がまず空間的に変化する色収差補正波長板に当り、次に偏光子に当るように作られると、不均質アナライザが得られる。
【００２５】
次に、図３Ａおよび図３Ｂを見ると、そのような不均質偏光子３０７の一例が示されている。放射状の偏光渦３０１は、偏光の直線状分布３０３を有する多色ビーム３０２を、偏光の空間分布を変換する不均質偏光子３０７に通すことにより得られるものである。分布３０３は、一様な偏光分布が歪められた（例えば光学システム（図示せず）内に偏光収差があるために歪められた）ものである。図３Ｂの分解組立図に見られるように、色収差補正偏光コンバータすなわち不均質偏光子３０７は、不均一な分布３０３を一様な分布３０４に変換する直線偏光子３０９および図２Ｂのコンバータ２０７と類似の色収差補正偏光コンバータ３１０で構成される。重要かつ有利なことには、色収差補正偏光コンバータ３０７の性能は、偏光子３０９の存在による局所的な偏光分布の歪みに対して独立している。偏光子３０９として、ワイヤ・グリッド偏光子、偏光ビーム・スプリッタ、ダイクロイック偏光子、コレステロール偏光子、偏光プリズム、ブルースター角偏光子または干渉偏光子を使用することができる。
【００２６】
偏光子の性能とアナライザの性能が同時に必要とされるときには、偏光素子３０９を、２つの空間的に変化する波長板素子（図示せず）と組み合わせる必要があり、この場合、光は、まず第１の空間的に変化する波長板素子上に当り、次に偏光素子３０９に当り、次いで第２の空間的に変化する波長板素子に当る。偏光素子は、ワイヤ・グリッド偏光子、偏光ビーム・スプリッタ、ダイクロイック偏光子、コレステロール偏光子、偏光プリズム、ブルースター角偏光子、および干渉偏光子から選択することができる。
【００２７】
図２Ａの色収差補正コンバータ２０６を備える複屈折層および図２Ｂの色収差補正コンバータ２０７を備える複屈折層、ならびに図３Ｂのコンバータ３１０は、好ましくは、直線偏光可能なフォトポリマー層を光配向し、続いて、架橋可能な液晶（ＬＣ）材料層で前記層を被覆し、被覆されたＬＣ層をＵＶ架橋することによって形成された光配向液晶層である。配向の角度の特定の分布は、光配向ステップで、フォトポリマー層を重合させるために使用される直線偏光されたＵＶ光の偏光軸を変化させることにより得られる。有利には、複数の層を次々と堆積させることができ、その結果、空間的に変化する偏光軸配向を有する２つ以上の複屈折層を備えた多層構造を単一基板上に形成することができる。あるいは、光配向された直線的に光重合可能な配向層によって、薄く一様なＬＣ流体層を配向することができる。または、光重合性ポリマーをＬＣ流体と混合して、薄層の形で広げることができる。次いで、ポリマーは光重合され、層の体積全体を通して、重合されたスレッドの網状組織を形成する。ＬＣ流体は、網状組織内の間隙を充填し、重合されたスレッドの網状組織の配向パターンに従って網状組織によって配向される。しかし、これら後の２つの例では、色収差補正偏光コンバータを作るのに複数の基板が必要とされることになる。
【００２８】
前述のように、本発明の偏光コンバータを備える複屈折層は、光配向された重合性フォトポリマーで構成することができ、層の複屈折のローカル軸の方向は、光配向されたフォトポリマーの配向の方向の変化に従って連続的に変化する。本発明は、そのような直線的に重合可能なフォトポリマー層を備える配向層、またはバフ方向を変化させて磨いたポリマー層、または自己集合層、または変化する堆積角を有する斜めに堆積された配向層を利用することができる。空間的パターニングは、フォトマスクによる複数の直線偏光された紫外（ＬＰＵＶ）露光の使用、および、または基板、ＬＰＵＶ配向およびフォトマスクの同期した相対的並進または回転の使用を含んでよい。本発明の斬新さは、複数の液晶層に対して空間的に変化する光配向を使用し、その結果、これらの層が、色収差補正性能を有して空間的に変化する偏光コンバータまたは波長板を形成することにある。本発明におけるＬＣＰリターダ層の使用は、所与の空間的に変化する入力偏光状態を、所望の空間的に変化する出力偏光状態に変換するための光学的偏光コンバータの構築を可能にする融通性を提供する。さらに、公称の設計パラメータを最適化することによって色収差補正動作の帯域を調整することができるが、これは次の諸段落で説明する。
【００２９】
本発明の空間的に変化する波長板すなわち偏光コンバータは、ガラス、透明ポリマー、石英、シリコン、サファイアなどを含む、対象の波長領域向けの適当な任意の基板上に作製されてよい。波長板構造は、リフレクタ、アンチ・リフレクタおよびアブソーバなどを組み込んだ他のオプティカル・コーティングを有してよい。波長板は、防湿層、脱酸素剤および接着剤などを組み込んだ、他の機能コーティング、材料または基板を有してよい。波長板は、他の基板および、または波長板に対して積層されてよい。空間的に変化する偏光コンバータの個別の層は次々と積み重ねられてよく、あるいは別個に作られて、次いで、層の間に直接接触なしで連続して配置されてよい。後の例では、層の間の間隙は、空気、接着剤、他の基板、他のオプティカル・コーティング、他の光学材料または他の機能材料で充填されてよい。
【００３０】
次に、複屈折層の光軸角度分布の選択を詳細に説明する。前述のＫｏｅｓｔｅｒによる複合波長板の参照に加えて、次の、従来技術の複合波長板の論文が、以下の論議に関連する。Ｔｉｔｌｅによる、Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ、１４巻、２２９〜２３７頁（１９７５年）の、「Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ ｏｆ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｆｉｌｔｅｒｓ．２：Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅｐｌａｔｅｓ」という論文は、３層および９層の波長板の色収差補正の組合せを説明し、かつ、一般化したリターダンス・レベルに関してパラメータを解析的に解明している。Ｔｉｔｌｅらによる、ＳＰＩＥ ３０８巻 Ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ ａｎｄ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ １２０〜１２５頁（１９８１年）の、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ ｐｌａｔｅｓ」という論文は、色収差補正リターデイション素子の構築のために様々な手法の概要を与え、また、いくつかの特に有効な設計（３層ＨＷＰ、３層Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ ４分の１波長板（ＱＷＰ）および４層Ｈａｒｒｉｓ ＭｃＩｎｔｙｒｅ ＱＷＰ）を特定している。Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍによる、Ｉｎｄｉａｎ Ａｃａｄｅｍｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄ．４１巻、１３０〜１３６頁（１９５５年）の、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｐｌａｔｅｓ，Ｐａｒｔ Ｉ：Ａｎ ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｃｉｒｃｕｌａｒ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ」という論文は、直線偏光子および複屈折板の特定の３層の組合せを備える回転色収差補正偏光子を説明している。Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍによる、Ｉｎｄｉａｎ Ａｃａｄｅｍｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｐｒｏｃｅｅｄ．４１巻、１３７〜１４４頁（１９５５年）の、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｃｏｍｂｉｎａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｔ ｐｌａｔｅｓ，Ｐａｒｔ ＩＩ：Ａｎ ａｃｒｏｍａｔｉｃ ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅ ｐｌａｔｅ」という論文は、２つのＱＷＰの間で一定角度に配置された回転可能なＨＷＰを有する可変の色収差補正リターダを説明している。また、ＭｃＩｎｔｙｒｅらによる、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ ５８巻（１２）、１５７５〜１５８０頁（１９６８年）の、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｗａｖｅ ｐｌａｔｅｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ｓｐｅｃｔｒｕｍ」という論文は、６層および１０層のＡＱＷＰの設計を説明している。これらの論文のすべてが参照によって本明細書に組み込まれる。
【００３１】
次の諸段落では、以下の表記が用いられる。Δφ＝Δφ（ｘ，ｙ）＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）−φｉｎ（ｘ，ｙ）は、出力直線偏光分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）の方位角と入力直線偏光分布の方位角φｉｎ（ｘ，ｙ）の間のローカル偏光軸のローカル方位角の差であり、Γｉおよびθｉ（ｘ，ｙ）は、それぞれ複屈折層のｉ番目のローカル光軸のリターダンスおよび方位角である。Γｉは、ｉ番目の複屈折層にわたって一定であると考えられることに留意されたい。
【００３２】
偏光変換効率の計算
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）の出力直線偏光分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）への変換の度合いを測定するために、偏光変換効率（ＰＣＥ）のパラメータが本明細書に導入される。これは、Ｐｏｕｔ／Ｐｉｎと定義され、この式で、Ｐｏｕｔは、偏光コンバータの出力で得ようとしている直線偏光分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）を有するビームの小部分の光学パワーであり、Ｐｉｎは、偏光コンバータの入力で、入って来る所定の直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を有するビームの小部分の光学パワーである。話を簡単にするために、Ｐｉｎ＝１とする。各（ｘ，ｙ，λ）でのＰＣＥの計算を容易にするために、次式によって、φｏｕｔ（ｘ，ｙ）で配向された空間的に変化する仮想線形アナライザを使用することができる。
【００３３】
【数１】
上式で、
【００３４】
【数２】
であり、α＝ｃｏｓ（２φｏｕｔ（ｘ，ｙ））、ｂ＝ｓｉｎ（２φｏｕｔ（ｘ，ｙ））である。
【００３５】
【数３】
【００３６】
上式で、Ｍｌａｙｅｒｉ（ｘ，ｙ，λ）は、偏光コンバータ・スタックのｉ番目の層のミュラー行列であり、伝搬の順序は層Ｎから層１であり、かつ、
【００３７】
【数４】
である。
【００３８】
Δφ＝±π／２（９０°または−９０°）向けの２層色収差補正直線偏光回転子
基本的な色収差補正ＨＷＰ（またはＫｏｅｓｔｅｒによって説明された色収差補正回転子）は、Δφ＝±π／２（９０°または−９０°）向けに、波長の範囲にわたって直線偏光状態の方位角の回転を最適化するように選択された２つのリターダ層からなる。この波長板のパラメータは、Γ１，ｎｏｍ、θ１、Γ２，ｎｏｍおよびθ２である。角度θ１およびθ２は、任意の無作為な入力直線偏光配向に対するものである。層１および層２のリターダンスΓ１，ｎｏｍとΓ２，ｎｏｍは互いにほぼ等しく、ある設計波長λｎｏｍの半波リターダンスであり、色収差補正の所望の帯域および使用される複屈折材料の波長分散特性を基に選択される。以下の説明および実施例のために、リターダンス値は、スイスのＧｅｗｅｒｂｅｓｔｒａｓｓｅ １８、ＣＨ−４１２３ ＡｌｌｓｃｈｗｉｌにあるＲｏｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社からのＲＯＦ５１５１ ＬＣＰと呼ばれる材料に基づいて選択されることになる。材料ＲＯＦ５１５１ ＬＣＰは、一定の既知の波長分散特性Δｎ（λ）を有する。２つの層の光軸の配向は、これらの軸の方位角の配向が、入力偏光状態の配向φｉｎに対して、θ１＝（３／４）Δφ−δおよびθ２＝（１／４）Δφ＋δとなるように選択される。角度δは小さな修飾子角度であり、所与の回転Δφに対して、色収差補正動作の所望の範囲によって特別に最適化される。したがって、φｉｎ＝０からφｏｕｔ＝π／２へのΔφ＝π／２の回転については、光軸の配向は、θ１＝３π／８−δすなわちθ１＝６７．５°−δであり、θ２＝π／８＋δすなわちθ２＝２２．５°＋δである。この実施例でδ＝０に選択すると、設計波長において正確なΔφ＝π／２（９０°）の偏光状態の回転をもたらし、かつ設計波長のまわりの中くらいの帯域の波長に対して、１００％近くのＰＣＥで、ほぼπ／２の回転をもたらす（帯域形状は、より長い波長の方へ歪む）。これは、λ＝４２０ｎｍ〜６８０ｎｍにわたって比較的高ＰＣＥの帯域をもたらし、λｎｏｍ＝５０２ｎｍではほぼ完全な変換を、また４７５ｎｍ〜５５０ｎｍで非常に優れた変換をもたらす。しかし、δの値は、公称波長λｎｏｍでいくらかの効率低下の犠牲を払って、色収差補正帯域幅を増加／減少させるように調整することができる。例えば、δ＝２°を選択することによって、色収差補正変換の範囲は拡大するが、その範囲でＰＣＥのレベルはいくぶん低下する。
【００３９】
任意のΔφ（ｘ，ｙ）向けの直線偏光分布の２層色収差補正コンバータ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また先の段落で検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２および次式で定義されるローカル光軸の角度θ１およびθ２の分布を有する２つの複屈折層から成り、
【００４０】
【数５】
上式で、α＝３／４、ｂ＝１／４であり、δは、Δφ＝π／２の回転に対して所望の範囲の色収差補正および偏光変換レベルをもたらすように選択された最適値に固定される。δが約２．０°で、多くの可視波長範囲にわたって高ＰＣＥが達成されることが判明したが、０°＜δ＜６°の値を用いることができる。
【００４１】
角度φｉｎ、φｏｕｔ、θ１およびθ２が、２つの象限（すなわち第１象限、第４象限の−π／２からπ／２、または第１象限、第２象限の０からπ）だけに制限されるなら、Δφの固有の値の範囲はπであり、かつ０を含むように制限され、好ましくは、等しいプラスおよびマイナスの方位角の回転が可能な−π／２からπ／２と、プラスの回転のみ可能な０からπと、マイナスの方位角の回転のみ可能な−πから０との簡便な区間のうち１つを含む。
【００４２】
角度φｉｎ、φｏｕｔ、θ１およびθ２が、４つの象限すべて（すなわち第１象限〜第４象限にわたる−πからπ）で定義されるなら、Δφの固有の値の範囲は２πであり、−πからπに制限される。これによって、±πまでの等しいプラスおよびマイナスの回転が可能になる。
【００４３】
方位角の２象限の定義と４象限の定義が、任意の所与の位置（ｘ，ｙ）でのＰＣＥに関して実質的に類似した最終結果をもたらす一方で、空間的に変化する角度θ１（ｘ，ｙ）およびθ２（ｘ，ｙ）は、２象限定義の場合と４象限定義の場合の間で異なるはずである。これは、２象限システムの各角度に対して、４象限システムがθ１（ｘ，ｙ）およびθ２（ｘ，ｙ）の２つの解を与えるという事実によるものである。どちらの定義のやり方も本発明ではうまくいくが、各々に、固有の利点と欠点がある。２象限定義はより簡単であるが、θ１（ｘ，ｙ）およびθ２（ｘ，ｙ）の、ある空間的不連続点が存在し、これは、Δφが、定義された区間の反対端へ急激に変化する位置で生じることがある。他方では、４象限定義を用いると、そのような不連続点が生じる可能性は低くなるが、複屈折層の所望の入力／出力の直線偏光配向の仕様が、より複雑になる恐れがある。
【００４４】
次に、式（５）および式（６）を利用する特定の例を示す。図４を見ると、入力および出力の偏光の横方向分布のプロットが示されており、前記プロットは、それぞれ、水平に偏光された入力偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）＝０が実線の矢印で示されたものに相当し、放射状偏光渦出力の偏光分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）が破線の矢印で示されたものに相当する。この分布は計算で使用されて、その結果が図５に示され、角度θ１およびθ２はΔφの関数としてプロットされている。角度θ１およびθ２は、式（５）および式（６）ならびに上記で説明された２象限の角度定義を用いて計算した。この角度のΔφ依存関係は線形に見えるが、実際にはδ＝２．０°という０でない値のために、線形性からの小さな乖離が存在する。図６は、式（５）および式（６）によって配向されたローカル光軸を有する２０ｍｍ×２０ｍｍの２層色収差補正偏光コンバータにおけるポイント２５での、ローカル光軸対ｘ位置およびｙ位置の配向を示す。第１の層の光軸は実線の矢印で示され、第２の層の光軸は破線の矢印で示されている。
【００４５】
次に、図７を見ると、図６の波長板のＰＣＥの波長依存性が示されている。図６に示された特定の計算ポイント１．．．２５の位置次第で、図７にプロットされた最小のＰＣＥは、９７％からほぼ１００％へと変化する。１００％のＰＣＥは、ＰＣＥプロット上で１．０に相当することに留意されたい。実際のデバイスでは、ＰＣＥは、いくぶん低くなることがあり、例えば９５％、さらには９０％にもなり得ることが当業者には理解される。
【００４６】
次に、図８を参照すると、２０ｍｍ×２０ｍｍの２層色収差補正偏光コンバータにおける層のローカル光軸対ｘ位置およびｙ位置の配向が示され、ローカル光軸は、式（５）および式（６）ならびに４象限の角度定義によって配向されている。第１の層の光軸は実線の矢印で示され、第２の層の光軸は破線の矢印で示されている。図８を図６と比較することにより、両方の場合に同じ式が用いられたとしても、角度定義が異なると、複屈折層のローカル光軸の異なった角度値をもたらすことを直ちに見て取ることができる。
【００４７】
次に、図９を見ると、図８の波長板のＰＣＥの波長依存性が示されている。図８に示された特定の計算ポイント１．．．２５の位置次第で、図９にプロットされた最小のＰＣＥは、９７％からほぼ１００％へと変化する。ＰＣＥのスペクトルは、図７にプロットされたものと非常によく似ている。
【００４８】
次に、図１０を参照すると、入力および出力の偏光の横方向分布のプロットが示されており、この分布は、放射状に偏光された入力偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）、およびＸ軸に沿って周期的に変化しかつＹ軸のまわりで対称な出力偏光分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）に相当する。第１の分布φｉｎ（ｘ，ｙ）は実線の矢印で示され、第２の分布φｏｕｔ（ｘ，ｙ）は破線の矢印で示されている。これらの分布は計算で使用され、その結果が図１１および図１２に示されている。図１１に、式（５）および式（６）によって構成された２層色収差補正偏光コンバータ内の層のローカル光軸の方向のマップが示されている。第１の層の光軸は実線の矢印で示され、第２の層の光軸は破線の矢印で示されている。結果としてもたらされるＰＣＥの波長依存性が図１２に示される。図１１に示された特定の計算ポイント１．．．２５の位置次第で、図１２にプロットされた最小のＰＣＥは、９７％からほぼ１００％へと変化する。
【００４９】
任意のΔφ（ｘ，ｙ）向けの直線偏光分布の３層色収差補正コンバータ
２層偏光コンバータ向けに開発された形式は、色収差補正動作の波長領域および総合的なＰＣＥをさらに改善する目的で、より大きい層数へ拡張することができる。より多くの層を付加すると、これらの層の光軸配向の分布を支配する式は、２層システムを記述する式（５）および式（６）と異なる。３層システムに関して、Δφおよびφｉｎの関数として適切な光軸角度θ１、θ２およびθ３を選択するための様々な手法が存在する。以下で、これらの手法のうち５つが、実施形態Ａ、実施形態Ｂ、実施形態Ｃ、実施形態Ｄおよび実施形態Ｅと呼ばれて説明される。
【００５０】
実施形態Ａ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２および次式で定義されるローカル光軸の角度θ１、θ２およびθ３の分布を有する３つの複屈折層から成り、
【００５１】
【数６】
α＝７／８、ｂ＝１／２、ｃ＝１／８であり、δは修飾子角度であって、Δφ＝π／２に対して所望の色収差補正範囲および偏光変換レベルをもたらすように調整される。１．５°〜２．０°のδの最適化された値によって、大部分の可視スペクトルにわたって高い偏光度変換を達成することが可能になる。しかし、０°≦δ≦６°値を用いることができ、かなり優れた性能がもたらされる。
【００５２】
次に、図１３を見ると、角度θ１、θ２およびθ３がΔφの関数としてプロットされている。角度θ１、θ２およびθ３は、式（７）から式（９）を用いて計算される。図１３では、この角度のΔφ依存関係は線形に見えるが、実際にはδ＝１．５°という０でない値のために、線形性からの小さな乖離が存在する。次に、図１４を参照すると、ＰＣＥの波長依存性が、図１３による一定のΔφの値０、１０、２０、．．．１８０°に対応する光軸角度に対して示されている。Δφの値次第で、図１４にプロットされた最小のＰＣＥは、９７％からほぼ１００％へと変化する。上記で検討した２層コンバータと比べて、この実施形態では、たとえ最小のＰＣＥが改善されなくても、式（７）から式（９）によって支配される光軸分布を有する３層コンバータは、平均ＰＣＥを改善する。
【００５３】
式（７）から式（９）は、Δφの各値に対して手動で修飾子パラメータδを調整することを提案したＫｏｅｓｔｅｒによって教示されたものに対する改善を表す。本発明では、角度θ１、θ２およびθ３のΔφに対する関数依存性が開示され、単一の修飾子パラメータδが使用されて、計算がかなり簡単になる。θ１の関数依存性、およびθ３が｜Δφ｜≦π／２とπ／２≦｜Δφ｜≦πに関して異なることも本明細書に開示される。
【００５４】
実施形態Ｂ
実施形態Ｂは、特に７π／８≦｜Δφ｜≦πに関して、上記で検討した実施形態Ａの改善である。入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２ならびに式（７）、式（８）、および式（９）におけるのと同様にしてそれぞれ定義されるローカル光軸の角度θ１、θ２およびθ３の分布を有する３つの複屈折層から成る。しかし、パラメータαとｃは、次式で別個に定義される。
【００５５】
【数７】
【００５６】
１．５°〜２．０°のδの最適化された値によって、Δφ＝π／２に対して大部分の可視スペクトルにわたって高い偏光度変換を達成することが可能になるが、依然として０°≦δ≦６°の値を用いることができる。
【００５７】
次に、図１５を見ると、角度θ１、θ２およびθ３がΔφの関数としてプロットされている。角度θ１、θ２およびθ３は、式（７）から式（１２）を用いて計算される。これらの角度のΔφに対する依存性は、この場合明らかに非線形である。パラメータδは１．５°に取られる。
【００５８】
図１６を参照すると、ＰＣＥの波長依存性が、図１５による一定のΔφの値０、１０、２０、．．．１８０°に対応する光軸角度に対して示されている。特定のΔφの値次第で、図１６にプロットされた最小のＰＣＥは、９９．５％からほぼ１００％へと変化する。２層偏光コンバータおよび３層偏光コンバータ（実施形態Ａ）の場合と比べると、式（１０）から式（１２）で与えられた改善されたパラメータα、ｂ、およびｃで、はるかに高いＰＣＥが達成可能であることが分かる。これは、本明細書で示された実施形態Ｂでは、７π／８＜｜Δφ｜≦πに対して、パラメータαが７／８から１へ、パラメータｃが１／８から０へ、それぞれ変化するからである。この変形形態によって、色収差補正が７π／８＜｜Δφ｜≦πにわたって累進的に劣化する実施形態Ａに対して相当な改善がもたらされる。
【００５９】
実施形態Ｃ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２および次式で定義されるローカル光軸の角度θ１、θ２およびθ３の分布を有する３つの複屈折層から成り、
【００６０】
【数８】
α＝７／８、ｂ＝１／２、ｃ＝１／８であり、δは修飾子角度であって、Δφ＝π／２に対してほとんどの可視スペクトルにわたって所望の色収差補正範囲および偏光変換レベルをもたらすように調整される。１．５°〜２．０°のδの最適化された値によって、大部分の可視スペクトルにわたって高い偏光度変換を達成することが可能になる。０°≦δ≦６°の値を用いることができ、かなり優れた性能を達成する。
【００６１】
次に、図１７を見ると、角度θ１、θ２およびθ３がΔφの関数としてプロットされている。角度θ１、θ２およびθ３は、式（１３）から式（１５）までから計算される。角度θ１、θ２およびθ３のΔφに対する依存性は、δ＝１．５°で非線形である。図１８を参照すると、ＰＣＥの波長依存性が、図１７による一定のΔφの値０、１０、２０、．．．１８０°に対応する光軸角度に対して示されている。特定のΔφの値次第で、図１８にプロットされた最小のＰＣＥは、９９．５％からほぼ１００％へと変化する。本明細書に示した実施形態Ｃでは、７π／８＜｜Δφ｜≦πに対して、角度θ１はθ１（７π／８，φｉｎ）からπへ、角度θ３は、θ３（７π／８，φｉｎ）から０へ、それぞれ直線的に変化する。この変形形態によって、色収差補正が７π／８＜｜Δφ｜≦πにわたって累進的に劣化する実施形態Ａに対して改善がもたらされる。
【００６２】
実施形態Ｄ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２および次式で定義されるローカル光軸の角度θ１、θ２およびθ３の分布を有する３つの複屈折層から成り、
【００６３】
【数９】
α＝５／６、ｂ＝１／２、ｃ＝１／６であり、δは修飾子角度であって、Δφ＝π／２に対してほとんどの可視スペクトルにわたって所望の色収差補正範囲および偏光変換レベルをもたらすように調整される。最適化されたδの値は−１．０°であると判明し、この値で、ほとんどの可視スペクトルにわたって高ＰＣＥが達成される。−４°≦δ≦０°値を用いることができ、かなり優れた性能を達成する。
【００６４】
次に、図１９を見ると、角度θ１、θ２およびθ３がΔφの関数としてプロットされている。角度θ１、θ２およびθ３は、式（１６）から式（１８）を用いて計算される。Δφに対する角度依存性は、δ＝−１．０°で非線形である。図２０を参照すると、ＰＣＥの波長依存性が、図１９による一定のΔφの値０、１０、２０、．．．１８０°に対応する光軸角度に対して示されている。特定のΔφの値次第で、図２０にプロットされた最小のＰＣＥは、９８．５％からほぼ１００％へと変化する。
【００６５】
実施形態Ｅ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正してΔφ（ｘ，ｙ）だけ回転させるための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、回転の結果もたらされるＰＣＥが、任意のΔφに対して実質的に等しいスペクトル帯域幅であり、また、先に検討したΔφ＝π／２の特定の場合に対して大きさが下回らないものであり、リターデイションΓｎｏｍ＝λｎｏｍ／２および次式で定義されるローカル光軸の角度θ１、θ２およびθ３の分布を有する３つの複屈折層から成り、
【００６６】
【数１０】
δは修飾子角度であって、Δφ＝π／２に対してほとんどの可視スペクトルにわたって所望の色収差補正範囲および偏光変換レベルをもたらすように調整される。最適化されたδの値は−１．０°であると判明し、この値で、ほとんどの可視スペクトルにわたって高ＰＣＥが達成され、依然として０°≦δ≦４°値を用いることができ、かなり優れた性能を達成する。
【００６７】
次に、図２１を参照すると、角度θ１、θ２およびθ３が、δ＝１．０°でのΔφの関数としてプロットされている。角度θ１、θ２およびθ３は、式（１９）から式（２１）を用いて計算される。これらの角度のΔφに対する依存性は、この場合線形である。図２２を見ると、ＰＣＥの波長依存性が、図２１による一定のΔφの値０、１０、２０、．．．１８０°に対応する光軸角度に対して示されている。特定のΔφの値次第で、図２２にプロットされた最小のＰＣＥは、９７．３％からほぼ１００％へと変化する。
【００６８】
式（１９）から式（２１）は、上記の参照中のＴｉｔｌｅの文献から採用されたものである。この実施形態の利点はその単純性にあり、Δφに対して生じるＰＣＥの変化は、比較的小さい。しかし、この実施形態で達成可能なＰＣＥおよび色収差補正は、上記で示された他の実施形態ほど優れたものではない。
【００６９】
任意のΔφ（ｘ，ｙ）向けの直線から回転への２層色収差補正偏光コンバータ
入力直線偏光分布φｉｎ（ｘ，ｙ）を、色収差を補正して回転偏光に変換するための偏光コンバータのこの特定の実施形態は、もたらされるＰＣＥのスペクトル帯域幅が任意のΔφに対して実質的に同じであり、リターデイションΓｎｏｍ１＝λｎｏｍ／４およびΓｎｏｍ２＝λｎｏｍ／２を有する２つの複屈折層から成り、ローカル光軸の角度θ１およびθ２の分布が次式で定義される。
【００７０】
【数１１】
上式で、光は、まず層２を通り、次いで層１を通って伝搬するが、必要とされる回転偏光が左手系か右手系かということに応じてｋ＝＋１または−１であり、δは、直線から回転への偏光の変換に関するＰＣＥの色収差補正帯域幅およびレベルを最適化するように選択された修飾子角度である。４２０ｎｍ〜６８０ｎｍの高い変換効率形式向けの最適値はδ＝１．２°であると判明した。複屈折材料はＲｏｌｉｃ Ｒｅｓｅａｒｃｈ社からのＲＯＦ５１５１である。０°≦δ≦４°値を用いることができ、かなり優れた性能を達成する。
【００７１】
先に示された直線偏光コンバータ（回転子）の実施例のように、入力の直線偏光状態の空間的に変化する領域がφｉｎ（ｘ，ｙ）として配向されると、式（２２）および式（２３）に従って層１および層２の光軸角度を空間的に変化させることができる。以前に説明されたように、各φｉｎ（ｘ，ｙ）向けの複合多層のミュラー行列の定式化がなされている。直線から回転への偏光の変換に関するＰＣＥの計算は、回転アナライザが計算で使用されることを除けば、異なって配向された直線偏光状態の間の変換効率と同様に計算される。したがって、そのような素子については、出力の偏光状態は、対象の波長帯域内のすべての波長に対して高度に回転偏光されることになる。
【００７２】
式（２２）および式（２３）によって記述された２層コンバータも、左手系または右手系に回転偏光された入力状態に対して、逆の伝搬方向に使用することができる。光伝搬の相互性のために、次いで、出力状態は空間的に変化する直線状態へ高効率で変換されることになる。
【００７３】
式（５）から式（２３）は、修飾子パラメータδが、Δφおよび、またはφｉｎの関数として連続的に変化し、かつ上記の式で仮定されたように固定値にとどまることのないのを可能にするように、より一般化された形式に書き直すことができる。そのようなやり方で書き直されたとき、これらの式では、さらに高レベルのＰＣＥおよびより広い色収差補正波長領域が可能になる。しかし、本明細書に提示された式は、広範な波長領域にわたって偏光変換の高レベルの色収差補正を達成することを可能にする一方で、単純性という利点がある。他の既知の基本的な色収差補正波長板構成手法に対して、本明細書に提示された、色収差補正偏光コンバータを空間的に変化させるという概念が適用され得ることは当技術者には理解される。実際のコンバータでは、ＰＣＥが、図の７、９、１２、１４、１６、１８、２０および２２に提示されたものよりいくぶん低くなり得ることも理解される。例えば、式（５）から式（２３）によって作られた実際のコンバータのＰＣＥは、９５％かまたは９０％でさえある。
【００７４】
偏光コンバータを空間的に変化させる用途例
次に、本発明の色収差補正偏光コンバータの用途例を示す。用途の一領域は偏光収差補正に関する。図２３を見ると、偏光顕微鏡の回路図が提示され、光源２３１、偏光子２３２、供試体２３３、対物レンズ２３４、偏光補正素子２３５およびアナライザ２３６を備える素子の光学縦列２３０を示す。円２３７Ａ〜２３７Ｄは、光学縦列２３０に沿って、破線２３８で示された対応する光学的偏光分布を表している。動作では、光源２３１によって放射された光２３９は、偏光子２３２によって偏光されて供試体２３３を照射するように向けられ、これは対物レンズ２３４によって結像される。供試体２３３の前の光２３９の偏光分布は、垂直の直線偏光の一様な分布として円２３７Ａによって表象的に示されている。対物レンズ２３４内に偏光収差があるために、レンズ２３４の後の円２３７Ｂによって示される偏光分布は、もはや一様ではない。例えば本発明による前述の２層素子または３層素子として製造することができる偏光補正素子２３５の機能は、円２３７Ｃによって表象的に示されている直線偏光へ戻す偏光分布をもたらすことである。最終的に、供試体２３３の像の偏光分布を解析するために、偏光子２３２の偏光方向と交差する偏光方向を有する偏光アナライザ２３６が使用される。アナライザの後の偏光分布が、円２３７Ｄによって示されている。偏光コンバータ素子２３５がないと、像領域２３７Ｄの周辺は、対物レンズ２３４によって導入され円２３７Ｂによって表される偏光収差のために、接眼レンズ（図示せず）で見られるように照射されて見えることになる。したがって、偏光コンバータ素子２３５によって、背景照射のレベルを低下させ、かつ供試体２３３の偏光像（図示せず）をより優れて強調することが可能になる。
【００７５】
次に図２４を参照すると、本発明の偏光変換素子２４１を使用するリア・プロジェクション・テレビ２４０の側方の断面図が示され、出力ビーム２４６を生成するように、光エンジン２４５によって放射された結像光２４４によって照射される輝度向上プリズム状フィルム２４３を有するスクリーン２４２を備える。プリズム状フィルム２４３の代わりにフレネル・レンズを使用することができる。
【００７６】
光エンジン２４５は、垂直に偏光された一様な直線偏光分布を有する結像光２４４を放射する。しかし、急勾配な投影角のために、スクリーン２４２のプリズム状フィルム２４３上に入射する光２４４の偏光分布によって、プリズム状フィルム２４３にわたる不均一なフレネル反射損失がもたらされ、結果としてスクリーン２４２の輝度の空間的不均一性が生じる。図２５は最後のポイントを示す。図２５には、偏光変換素子２４１がある場合とない場合の、リア・プロジェクション・テレビ２４０のスクリーン２４２を照射する図２４の光ビーム２４４の光学的偏光マップが示されている。素子２４１のない直線偏光の中心軸の方向は、実線の矢印２５２として示される。偏光変換素子２４１は、スクリーン２４２のプリズム状フィルム２４３上に入射する光の偏光分布を、ポイント２５０のまわりで放射状に偏光された状態にする。相当する偏光分布は、破線の矢印２５１で示される。偏光分布をそのような放射状の偏光に変換すると、入射光２４４を、プリズム状フィルム２４３のすべての位置でプリズム状フィルム２４３に対してｐ偏光された状態にする。これによって、フィルム２４３内のフレネル損失をかなり低下させて、スクリーン２４２の輝度をならすことが可能になる。ｐ偏光に対して観測されたブリュースター効果のために、フレネル損失は低下する。同様のやり方で、急勾配の光学的特性を有する回転対称素子（例えば高開口数非球面レンズ）のフレネル損失は、放射状の偏光渦を形成する偏光コンバータ（例えば図２Ｂのコンバータ２０７または図３Ａ、図３Ｂのコンバータ３０７）を使用することによりかなり低下させることができる。
【００７７】
プロジェクション・テレビの比較的厚い側部輪郭は、プロジェクション・テレビに対する主要な競合製品の１つである平面パネル・テレビの薄い側部輪郭と比べて不利になる不利益要因である。この例では、本発明の偏光分布補正コンバータの適用によって、プロジェクション・テレビの側部輪郭をかなり短縮することが可能になり、平面パネル・テレビの輪郭に近いものをもたらす。したがって、本発明を利用することにより、リア・プロジェクション・テレビの競争力はかなり改善される。投影システムにおける、空間的に変化するリターダの一般的な使用法に関する詳細は、Ｓａｒａｙｅｄｄｉｎｅら、「Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ Ｓｐａｃｅ Ｖａｒｉａｎｔ Ｒｅｔａｒｄｅｒ ｆｏｒ Ｍｉｃｒｏ−Ｄｉｓｐｌａｙ Ｂａｓｅｄ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ」ＳＩＤ ２００８ ｐｒｏｓｅｅｄｉｎｇｓ、５６．２、８５０〜８５３頁に見ることができる。
【００７８】
本発明の偏光変換素子のその他の用途は、フォトリソグラフィ、光学式データ記憶装置および文献、商品または論文の認証におけるそのような用途において偏光度を空間的に変化させることを含む。偏光コンバータの色収差補正によって、光学システムにおいて複数の波長を利用することに特有の重要な利点を実現することが可能になる。今日のフォトニクスの用途の大部分が光の複数の波長を含むので、本発明の偏光コンバータの用途は非常に多い。例えば、複数の波長の螢光および非線形の光学顕微鏡法は、多くの波長で同時に偏光コントラストを増強するのに偏光コンバータを使用することができる。色収差補正偏光操作は、回折限界の光学部品を使用することによって光学解像度を向上させるハイエンドの結像用途において、光学的位相を変更するのに使用することができる。光ピンセットおよびフェムト秒微細機械加工のような用途では、合焦された光場の光学的偏光および空間分布を操作するのに、偏光の一定の空間的分布を有する光場（例えば偏光渦）を利用することができる。フェムト秒光パルスが必然的に多色であるため、超短光パルスの特定用途向けの偏光分布を生成するのに、色収差補正偏光コンバータを有利に使用することができる。
【符号の説明】
【００７９】
１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、２０、２１、２２、２３、２４、２５ 計算ポイント
１００ 透過スペクトル
１０２ 半波長板
１０４、１０６ 偏光子
１１０ スペクトル
１１１ ポイント
１１２ 複合半波長板
１１４、１１６ 偏光子
２００、２０１ 偏光渦
２０２ 多色ビーム
２０４ 偏光の直線状分布
２０６、２０７ 色収差補正コンバータ
２０８ 光スペクトル
２３０ 光学縦列
２３１ 光源
２３２ 偏光子
２３３ 供試体
２３４ 対物レンズ
２３５ 偏光補正素子
２３６ アナライザ
２３７ 円
２３８ 破線
２３９ 光
２４０ リア・プロジェクション・テレビ
２４１ 偏光変換素子
２４２ スクリーン
２４３ プリズム状フィルム
２４４ 光ビーム
２４５ 光エンジン
２４６ 出力ビーム
２５０ ポイント
２５１、２５２ 矢印
３０１ 偏光渦
３０２ 多色ビーム
３０３ 不均一な分布
３０４ 一様な分布
３０７ 不均質偏光子
３０９ 直線偏光子
３１０ 色収差補正偏光コンバータ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心波長および帯域幅によって特徴づけられた少なくとも１つの波長帯域を有する光ビームの偏光の横方向分布を、第１所定の分布から第２の所定の横方向分布へと変換するための光学素子であって、
前記光学素子が材料層のスタックを備え、前記層が複屈折であり、前記スタックの各層の前記複屈折が、前記層にわたって実質的に一定のリターダンスおよび前記層にわたって連続して徐々に変化する複屈折のローカル軸の方向によって特徴づけられ、
前記層の前記ローカル軸方向の複屈折の変化が、前記光ビームの全波長帯域にわたって、前記光ビームの前記偏光の分布を、前記第１の分布から前記第２の分布へ変換するように、その間で調整され、かつ、
前記光ビームの偏光の分布の前記変換の度合いが、偏光の前記第２の横方向分布を有する前記ビームの光学パワーと偏光の前記第１の横方向分布を有する前記ビームの光学パワーの比として定義された偏光変換効率（ＰＣＥ）のパラメータによって特徴づけられる光学素子。
【請求項２】
前記波長帯域の前記帯域幅が、前記波長帯域の前記中心波長の少なくとも１０％であり、かつＰＣＥ≧９５％である請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記光ビームが、オーバーラップしない２つの帯域を有し、各波長帯域の帯域幅が、前記波長帯域の前記対応する中心波長の少なくとも５％であり、かつ各帯域におけるＰＣＥが少なくとも９５％である請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記波長帯域の前記帯域幅が、前記波長帯域の前記中心波長の少なくとも４０％であり、かつＰＣＥ≧９０％である請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
前記偏光の前記第１のおよび前記第２の横方向分布が、任意の無作為なポイントで、前記光学素子の開口部内にある座標（ｘ，ｙ）を有するローカル直線偏光軸によって特徴づけられる直線偏光の分布であり、
前記第１の横方向分布に関する前記ローカル直線偏光軸が、前記光学素子の所定の基準軸に対して角度φｉｎ（ｘ，ｙ）を形成し、かつ、
前記第２の横方向分布に関する前記ローカル直線偏光軸が、前記所定の基準軸に対して角度φｏｕｔ（ｘ，ｙ）を形成する請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記角度φｉｎ（ｘ，ｙ）およびφｏｕｔ（ｘ，ｙ）の前記横方向分布のうち１つが、ｘおよびｙと無関係の一様分布である請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
直線偏光の前記第２の横方向分布の前記ローカル直線偏光軸が、前記所定の基準軸に対して、前記光学素子の外側平面にある渦ポイントにその起点を有する極座標系の任意のローカル・ポイント（α，ｒ）で角度ψｏｕｔ（α）を形成し、αは方位角であり、ｒは前記ローカル・ポイントと前記極座標系の前記渦ポイントの間の距離であり、前記角度ψｏｕｔ（α）はαだけの関数であってｒに左右されず、かつ、
ψｏｕｔ（α）の値が、前記渦ポイントのまわりでトレースされた任意の閉路においてπの倍数だけ変化する請求項５に記載の光学素子。
【請求項８】
前記光学素子が、前記光学素子の前記外面に垂直な渦軸を有して前記渦ポイントを含み、前記光学素子の前記開口部のすべてのポイントでの直線偏光の前記第２の横方向分布の前記ローカル偏光軸が、前記渦軸を通り抜ける請求項７に記載の光学素子。
【請求項９】
複屈折層のスタックが、第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層とから成り、θ１およびθ２が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、α＝３／４、ｂ＝１／４、かつ、０°≦δ≦６°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記複屈折層のスタックが、
第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、
第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層と、
第３の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第３の角度θ３（ｘ，ｙ）を有する第３の層とから成り、
θ１、θ２およびθ３が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、θ３＝θ３（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、α＝７／８、ｂ＝１／２、ｃ＝１／８、かつ、０°≦δ≦６°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記複屈折層のスタックが、
第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、
第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層と、
第３の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第３の角度θ３（ｘ，ｙ）を有する第３の層とから成り、
θ１、θ２およびθ３が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、θ３＝θ３（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、
かつ、０°≦δ≦６°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記複屈折層のスタックが、
第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、
第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層と、
第３の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第３の角度θ３（ｘ，ｙ）を有する第３の層とから成り、
θ１、θ２およびθ３が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、θ３＝θ３（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、α＝７／８、ｂ＝１／２、ｃ＝１／８、かつ、０°≦δ≦６°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記複屈折層のスタックが、
第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、
第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層と、
第３の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第３の角度θ３（ｘ，ｙ）を有する第３の層とから成り、
θ１、θ２およびθ３が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、θ３＝θ３（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、α＝５／６、ｂ＝１／２、ｃ＝１／６、かつ、−４°≦δ≦０°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記複屈折層のスタックが、
第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、
第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層と、
第３の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第３の角度θ３（ｘ，ｙ）を有する第３の層とから成り、
θ１、θ２およびθ３が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、θ３＝θ３（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、α＝５／６、ｂ＝１／２、ｃ＝１／６、かつ、０°≦δ≦４°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１５】
偏光の前記第１の横方向分布が、任意の無作為なポイントで、前記光学素子の開口部内にある座標（ｘ，ｙ）を有するローカル直線偏光軸によって特徴づけられる直線偏光の分布であり、前記第１の横方向分布の前記ローカル直線偏光軸が、前記光学素子の所定の基準軸に対して角度φｉｎ（ｘ，ｙ）を形成し、かつ、
偏光の前記第２の横方向分布が、完全に左手系の回転偏光または右手系の回転偏光から成る請求項１に記載の光学素子。
【請求項１６】
複屈折層の前記スタックが、第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層とから成り、θ１およびθ２が次式で表され、
前記第１の層および前記第２の層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長のそれぞれ４分の１および２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）であって、偏光の、右手系回転の第２の横方向分布についてはｋ＝＋１であり、または左手系回転の第２の横方向分布についてはｋ＝−１であり、かつ、０°≦δ≦４°である請求項１５に記載の光学素子。
【請求項１７】
前記複屈折層が、光配向された重合フォトポリマーを備え、前記層の複屈折の前記ローカル軸の前記方向が、前記光配向されたフォトポリマーの配向の方向の空間的変化に従って空間的に変化する請求項１に記載の光学素子。
【請求項１８】
前記複屈折層が、前記光配向された重合フォトポリマーに対して配向されて架橋によって固結された架橋可能な液晶材料層を備える請求項１７に記載の光学素子。
【請求項１９】
前記複屈折層が、前記配向層によって配向された配向層および液晶層を備え、前記層の複屈折の前記ローカル軸の前記方向が、前記配向層の配向の方向の空間的変化に従って空間的に変化する請求項１に記載の光学素子。
【請求項２０】
前記配向層が、直線的に重合可能なフォトポリマーの光配向された層と、バフがけされた重合体層と、自己集合層と、斜めに堆積された配向層とのうち１つを備える請求項１９に記載の光学素子。
【請求項２１】
前記複屈折層の前記スタックを通って複光路方式光路を形成するように複屈折層の前記スタックに対して光学的に結合されたリフレクタをさらに備える請求項１に記載の光学素子。
【請求項２２】
前記複屈折層が複屈折のサブ波長格子構造を備える請求項１に記載の光学素子。
【請求項２３】
偏光状態が空間的に変化する偏光子を形成するように、複屈折層の前記スタックに光学的に結合された直線偏光素子または回転偏光素子をさらに備える請求項１に記載の光学素子。
【請求項２４】
前記偏光素子が、ワイヤ・グリッド偏光子と、偏光ビーム・スプリッタと、ダイクロイック偏光子と、コレステロール偏光子と、偏光プリズムと、ブルースター角偏光子と、干渉偏光子とから成るグループから選択される請求項２３に記載の光学素子。
【請求項２５】
前記光ビームを受け取って偏光の横方向分布を偏光の中間の分布に変換するための請求項１に記載の第１の光学素子と、
前記偏光の中間の分布を有する前記光ビームを偏向させるために前記第１の光学素子に光学的に結合された偏光素子と、
前記光ビームの偏光の前記横方向分布をさらに変換し、かつ前記光ビームを出力するために、前記偏光素子に光学的に結合された請求項１に記載の第２の光学素子とを備える、偏光を変換する偏光子。
【請求項２６】
前記偏光素子が、ワイヤ・グリッド偏光子と、偏光ビーム・スプリッタと、ダイクロイック偏光子と、コレステロール偏光子と、偏光プリズムと、ブルースター角偏光子と、干渉偏光子から成るグループから選択される請求項２５に記載の光学素子。
【請求項２７】
偏光顕微鏡検査法と、フォトリソグラフィと、結像と、表示装置と、光学式データ記憶装置と、文献、商品または論文の認証と、フェムト秒微細機械加工とから成るグループから選択された用途において、光の偏光状態を、色収差を補正して空間的に変化させるための、請求項１に記載の光学素子の使用法。
【請求項２８】
光学システムにおいて空間的偏光の色収差を補正するための、請求項１に記載の光学素子の使用法。
【請求項２９】
投影表示システムにおいて空間的偏光の色収差を補正するための、請求項２８に記載の光学素子の使用法。
【請求項３０】
偏光顕微鏡検査法と、フォトリソグラフィと、結像と、光学式データ記憶装置と、フェムト秒微細機械加工とから成るグループから選択された用途において分解能を向上するための、請求項１に記載の光学素子の使用法。
【請求項３１】
光ピンセット・システムまたはフェムト秒微細機械加工システムにおいて色収差補正偏光渦を生成するための、請求項７に記載の光学素子の使用法。
【請求項３２】
光学結像システムにおいてフレネル損失を低減するための、請求項１に記載の光学素子の使用法。
【請求項１】
中心波長および帯域幅によって特徴づけられた少なくとも１つの波長帯域を有する光ビームの偏光の横方向分布を、第１所定の分布から第２の所定の横方向分布へと変換するための光学素子であって、
前記光学素子が材料層のスタックを備え、前記層が複屈折であり、前記スタックの各層の前記複屈折が、前記層にわたって実質的に一定のリターダンスおよび前記層にわたって連続して徐々に変化する複屈折のローカル軸の方向によって特徴づけられ、
前記層の前記ローカル軸方向の複屈折の変化が、前記光ビームの全波長帯域にわたって、前記光ビームの前記偏光の分布を、前記第１の分布から前記第２の分布へ変換するように、その間で調整され、かつ、
前記光ビームの偏光の分布の前記変換の度合いが、偏光の前記第２の横方向分布を有する前記ビームの光学パワーと偏光の前記第１の横方向分布を有する前記ビームの光学パワーの比として定義された偏光変換効率（ＰＣＥ）のパラメータによって特徴づけられる光学素子。
【請求項２】
前記波長帯域の前記帯域幅が、前記波長帯域の前記中心波長の少なくとも１０％であり、かつＰＣＥ≧９５％である請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記光ビームが、オーバーラップしない２つの帯域を有し、各波長帯域の帯域幅が、前記波長帯域の前記対応する中心波長の少なくとも５％であり、かつ各帯域におけるＰＣＥが少なくとも９５％である請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記波長帯域の前記帯域幅が、前記波長帯域の前記中心波長の少なくとも４０％であり、かつＰＣＥ≧９０％である請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
前記偏光の前記第１のおよび前記第２の横方向分布が、任意の無作為なポイントで、前記光学素子の開口部内にある座標（ｘ，ｙ）を有するローカル直線偏光軸によって特徴づけられる直線偏光の分布であり、
前記第１の横方向分布に関する前記ローカル直線偏光軸が、前記光学素子の所定の基準軸に対して角度φｉｎ（ｘ，ｙ）を形成し、かつ、
前記第２の横方向分布に関する前記ローカル直線偏光軸が、前記所定の基準軸に対して角度φｏｕｔ（ｘ，ｙ）を形成する請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記角度φｉｎ（ｘ，ｙ）およびφｏｕｔ（ｘ，ｙ）の前記横方向分布のうち１つが、ｘおよびｙと無関係の一様分布である請求項５に記載の光学素子。
【請求項７】
直線偏光の前記第２の横方向分布の前記ローカル直線偏光軸が、前記所定の基準軸に対して、前記光学素子の外側平面にある渦ポイントにその起点を有する極座標系の任意のローカル・ポイント（α，ｒ）で角度ψｏｕｔ（α）を形成し、αは方位角であり、ｒは前記ローカル・ポイントと前記極座標系の前記渦ポイントの間の距離であり、前記角度ψｏｕｔ（α）はαだけの関数であってｒに左右されず、かつ、
ψｏｕｔ（α）の値が、前記渦ポイントのまわりでトレースされた任意の閉路においてπの倍数だけ変化する請求項５に記載の光学素子。
【請求項８】
前記光学素子が、前記光学素子の前記外面に垂直な渦軸を有して前記渦ポイントを含み、前記光学素子の前記開口部のすべてのポイントでの直線偏光の前記第２の横方向分布の前記ローカル偏光軸が、前記渦軸を通り抜ける請求項７に記載の光学素子。
【請求項９】
複屈折層のスタックが、第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層とから成り、θ１およびθ２が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、α＝３／４、ｂ＝１／４、かつ、０°≦δ≦６°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記複屈折層のスタックが、
第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、
第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層と、
第３の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第３の角度θ３（ｘ，ｙ）を有する第３の層とから成り、
θ１、θ２およびθ３が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、θ３＝θ３（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、α＝７／８、ｂ＝１／２、ｃ＝１／８、かつ、０°≦δ≦６°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記複屈折層のスタックが、
第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、
第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層と、
第３の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第３の角度θ３（ｘ，ｙ）を有する第３の層とから成り、
θ１、θ２およびθ３が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、θ３＝θ３（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、
かつ、０°≦δ≦６°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１２】
前記複屈折層のスタックが、
第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、
第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層と、
第３の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第３の角度θ３（ｘ，ｙ）を有する第３の層とから成り、
θ１、θ２およびθ３が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、θ３＝θ３（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、α＝７／８、ｂ＝１／２、ｃ＝１／８、かつ、０°≦δ≦６°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１３】
前記複屈折層のスタックが、
第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、
第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層と、
第３の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第３の角度θ３（ｘ，ｙ）を有する第３の層とから成り、
θ１、θ２およびθ３が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、θ３＝θ３（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、α＝５／６、ｂ＝１／２、ｃ＝１／６、かつ、−４°≦δ≦０°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１４】
前記複屈折層のスタックが、
第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、
第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層と、
第３の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第３の角度θ３（ｘ，ｙ）を有する第３の層とから成り、
θ１、θ２およびθ３が次式で表され、
上式で、各複屈折層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長の２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、φｏｕｔ＝φｏｕｔ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）、θ３＝θ３（ｘ，ｙ）、Δφ≡φｏｕｔ−φｉｎ、α＝５／６、ｂ＝１／２、ｃ＝１／６、かつ、０°≦δ≦４°である請求項５に記載の光学素子。
【請求項１５】
偏光の前記第１の横方向分布が、任意の無作為なポイントで、前記光学素子の開口部内にある座標（ｘ，ｙ）を有するローカル直線偏光軸によって特徴づけられる直線偏光の分布であり、前記第１の横方向分布の前記ローカル直線偏光軸が、前記光学素子の所定の基準軸に対して角度φｉｎ（ｘ，ｙ）を形成し、かつ、
偏光の前記第２の横方向分布が、完全に左手系の回転偏光または右手系の回転偏光から成る請求項１に記載の光学素子。
【請求項１６】
複屈折層の前記スタックが、第１の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第１の角度θ１（ｘ，ｙ）を有する第１の層と、第２の層の複屈折のローカル軸と前記基準軸との間に、ポイント（ｘ，ｙ）で第２の角度θ２（ｘ，ｙ）を有する第２の層とから成り、θ１およびθ２が次式で表され、
前記第１の層および前記第２の層の前記リターダンスが、前記光ビームの波長のそれぞれ４分の１および２分の１と実質的に等しく、φｉｎ＝φｉｎ（ｘ，ｙ）、θ１＝θ１（ｘ，ｙ）、θ２＝θ２（ｘ，ｙ）であって、偏光の、右手系回転の第２の横方向分布についてはｋ＝＋１であり、または左手系回転の第２の横方向分布についてはｋ＝−１であり、かつ、０°≦δ≦４°である請求項１５に記載の光学素子。
【請求項１７】
前記複屈折層が、光配向された重合フォトポリマーを備え、前記層の複屈折の前記ローカル軸の前記方向が、前記光配向されたフォトポリマーの配向の方向の空間的変化に従って空間的に変化する請求項１に記載の光学素子。
【請求項１８】
前記複屈折層が、前記光配向された重合フォトポリマーに対して配向されて架橋によって固結された架橋可能な液晶材料層を備える請求項１７に記載の光学素子。
【請求項１９】
前記複屈折層が、前記配向層によって配向された配向層および液晶層を備え、前記層の複屈折の前記ローカル軸の前記方向が、前記配向層の配向の方向の空間的変化に従って空間的に変化する請求項１に記載の光学素子。
【請求項２０】
前記配向層が、直線的に重合可能なフォトポリマーの光配向された層と、バフがけされた重合体層と、自己集合層と、斜めに堆積された配向層とのうち１つを備える請求項１９に記載の光学素子。
【請求項２１】
前記複屈折層の前記スタックを通って複光路方式光路を形成するように複屈折層の前記スタックに対して光学的に結合されたリフレクタをさらに備える請求項１に記載の光学素子。
【請求項２２】
前記複屈折層が複屈折のサブ波長格子構造を備える請求項１に記載の光学素子。
【請求項２３】
偏光状態が空間的に変化する偏光子を形成するように、複屈折層の前記スタックに光学的に結合された直線偏光素子または回転偏光素子をさらに備える請求項１に記載の光学素子。
【請求項２４】
前記偏光素子が、ワイヤ・グリッド偏光子と、偏光ビーム・スプリッタと、ダイクロイック偏光子と、コレステロール偏光子と、偏光プリズムと、ブルースター角偏光子と、干渉偏光子とから成るグループから選択される請求項２３に記載の光学素子。
【請求項２５】
前記光ビームを受け取って偏光の横方向分布を偏光の中間の分布に変換するための請求項１に記載の第１の光学素子と、
前記偏光の中間の分布を有する前記光ビームを偏向させるために前記第１の光学素子に光学的に結合された偏光素子と、
前記光ビームの偏光の前記横方向分布をさらに変換し、かつ前記光ビームを出力するために、前記偏光素子に光学的に結合された請求項１に記載の第２の光学素子とを備える、偏光を変換する偏光子。
【請求項２６】
前記偏光素子が、ワイヤ・グリッド偏光子と、偏光ビーム・スプリッタと、ダイクロイック偏光子と、コレステロール偏光子と、偏光プリズムと、ブルースター角偏光子と、干渉偏光子から成るグループから選択される請求項２５に記載の光学素子。
【請求項２７】
偏光顕微鏡検査法と、フォトリソグラフィと、結像と、表示装置と、光学式データ記憶装置と、文献、商品または論文の認証と、フェムト秒微細機械加工とから成るグループから選択された用途において、光の偏光状態を、色収差を補正して空間的に変化させるための、請求項１に記載の光学素子の使用法。
【請求項２８】
光学システムにおいて空間的偏光の色収差を補正するための、請求項１に記載の光学素子の使用法。
【請求項２９】
投影表示システムにおいて空間的偏光の色収差を補正するための、請求項２８に記載の光学素子の使用法。
【請求項３０】
偏光顕微鏡検査法と、フォトリソグラフィと、結像と、光学式データ記憶装置と、フェムト秒微細機械加工とから成るグループから選択された用途において分解能を向上するための、請求項１に記載の光学素子の使用法。
【請求項３１】
光ピンセット・システムまたはフェムト秒微細機械加工システムにおいて色収差補正偏光渦を生成するための、請求項７に記載の光学素子の使用法。
【請求項３２】
光学結像システムにおいてフレネル損失を低減するための、請求項１に記載の光学素子の使用法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【公開番号】特開２００９−１５１２８７（Ｐ２００９−１５１２８７Ａ）
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００８−２８９４８５（Ｐ２００８−２８９４８５）
【出願日】平成２０年１１月１２日（２００８．１１．１２）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】４３０ Ｎ． ＭｃＣａｒｔｈｙ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｍｉｌｐｉｔａｓ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ９５０３５， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年７月９日（２００９．７．９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２８９４８５（Ｐ２００８−２８９４８５）
【出願日】平成２０年１１月１２日（２００８．１１．１２）
【出願人】（５０２１５１８２０）ジェイディーエス ユニフェイズ コーポレーション (90)
【氏名又は名称原語表記】ＪＤＳ Ｕｎｉｐｈａｓｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ
【住所又は居所原語表記】４３０ Ｎ． ＭｃＣａｒｔｈｙ Ｂｏｕｌｅｖａｒｄ， Ｍｉｌｐｉｔａｓ， Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ， ９５０３５， ＵＳＡ
【Ｆターム（参考）】
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