JP2012042955A - 二つ溝の回折格子を使用する光学装置 - Google Patents

Abstract

【課題】レーザーのようなコヒーレント光源からの光を制御し、カップリングし（couple）、分光し、反射し、且つ遅延させるべく、光透過性基板と協働して二つ溝（double-groove）の回折格子を使用する光学装置の提供。
【解決手段】光学装置は、ＳｉＯ₂基板１０の一つ以上の表面１２上に周期的なＴｉＯ₂要素１４，１６の組を有する二つ溝の回折格子を使用する。基板内にカップリングされた、偏光を有する入射光１８の１次成分が、基板を通って終端点まで伝搬するように反射されて、終端点において、更なる伝搬のために方向を変え又は基板から抜け出す。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザーのようなコヒーレント光源からの光を制御し、カップリングし（couple）、分光し、反射し、且つ遅延させるべく、光透過性基板と協働して二つ溝の（double-groove）回折格子を使用する光学装置に関する。

２０１０年１月２５日に出願された、同時係属中の米国特許出願第１２／６９２６８８号明細書の「回折格子を使用する光学装置」についての我々の出願では、如何に、均一幅の周期的な要素を備えた単一溝の回折格子が、基板の境界の臨界角よりも大きな角度で法線方向のｓ偏光の入射光の１次回折成分を基板内にカップリングし、これによって、基板を通して、屈折した光を伝搬させるのに使用されることができるかが示される。

本発明は、コヒーレントな入射光の１次成分の操作を含む様々な目的のために、光透過性基板と組み合わせて二つ溝の回折格子を前方で使用する、上記の係属中の特許出願の技術を保持する。「二つ溝」の用語は、本明細書では周期的な溝の組を有する回折格子を定義するのに用いられ、各々の組は、広い溝と、近接する狭い溝とを有し、その順序は、所望の光学的効果に従って選択される。斯かる回折格子パターンは「ブレーズ」回折格子とは区別されるべきであり、「ブレーズ」回折格子では、回折格子は三つ以上の要素を有し、要素の寸法がスケールを横断して（across a scale）徐々に変化する。

我々の発明を要約する前に、この説明において使用される多数の用語を定義することが有用であると思われる。
（ａ）「入口領域」の用語は、コヒーレント光が基板の表面上に入射し且つ主に１次回折成分に関して基板内にカップリングされる基板の領域を意味し、入口領域は、これに関連付けられた回折格子を有し、この回折格子は、＋１次成分及び−１次成分が両方とも基板内にカップリングされるべきかどうかに依存して単一の溝又は二つ溝にされうる。
（ｂ）「反射点」の用語は、基板を通って伝搬する光が、浅すぎて法線方向への脱出を可能とすることができない角度で境界に衝突する場所を定義するのに用いられる。
（ｃ）「終端」の用語は、基板を通って伝搬する光が、基板（出口）から放出され、又は、伝搬の方向が逆にされうるように法線方向に反対側の境界に向かって反射される、基板の境界における場所を意味し、終端は、そうでない場合には反射点になりうる場所に配設される。

我々の発明に従って、低い屈折率を有する空気のような媒質によって接触せしめられた、対向する側面を有するＳｉＯ₂のような光透過性基板を具備する光学装置が提供される。基板には、ＳｉＯ₂／空気境界の臨界角よりも大きな角度で少なくとも一つの１次成分を基板内にカップリングするのに有効である、コヒーレントな入射光のための入口領域と、少なくとも一つの終端とが提供される。典型的には、終端は一つ以上の反射点によって入口領域から隔てられる。

例えば、光カプラ（light coupler）は、一方の向きの二つ溝の回折格子が入口点に設置され、且つ、他方の向きの別の二つ溝の回折格子が、出口終端を画成すべく複数の反射点によって入口から離間されるように設計されうる。「向き」の用語は、狭い要素及び広い要素が一組の回折格子内において現れる順序について言及するのに使用される。

別の例として、法線方向のコヒーレントな入射光についての分光器（splitter）が、基板の一方の側面上の入口点における単一溝の回折格子と、基板の他方の側面上において横方向に離間された放出用終端点に位置する、両方の向きの二つ溝の回折格子とを使用して設計されることができ、入口点と二つの出口点との間の間隔は、装置が光分光器として作用するように複数の反射点だけ離れている。

更に別の例では、光反射器が設計されることができ、光反射器では、二つ溝の回折格子は基板の一方の側面上において光の入口として機能し、基板内における伝搬光の方向を逆にすべく、真正面に位置する同じ向きの一対の二つ溝の回折格子が入口点から複数の反射点だけ離間され、この配置では、基板を通した光の無制限の伝搬が提供される。

更なる例として、光遅延装置が設計されることができ、光遅延装置では、複数の二つ溝の回折格子が、入射光が基板内に入ることを可能とし又は入射光を基板内にカップリングさせて、この入射光を複数の反射を介して伝搬させ、その後、基板から放出するのに使用される。

我々は、本明細書において、運転手に重要な情報を伝えるために自動車のフロントガラスの内側に画像を作り出すことに対する、本発明の一つの実施形態の実用的な用途も開示する。

図１は、本発明に係る、適切な単一の向きの二つ溝の回折格子の詳細及びパラメータを示す、基板の一部の図式である。 図２は、本発明の原理を採用する光カプラの側面図である。 図３は、本発明の原理を包含する光分光器の側面図である。 図４は、本発明の原理を採用する光反射器の側面図である。 図５は、本発明の原理を包含する光遅延装置の側面図である。 図６は、図２の光学装置を使用するフロントガラスのディスプレイシステムの斜視図である。

本明細書における説明では、添付の図面が参照され、同様の参照番号はいくつかの図を通して同様の部分を参照する。
図１は、平面状の上側の側面１２を有するＳｉＯ₂基板１０の一部を示して、「二つ溝」の屈折回折格子（refraction grating）を示し且つ説明するのに使用され、「二つ溝」の屈折回折格子は、平面状の上側の側面１２上に配置された二つの異なる幅のＴｉＯ₂要素１４、１６の周期的に繰り返される組を具備する。要素１４、１６の複数の組を具備する二つ溝の回折格子は、空気中に置かれて、正の１次成分（Ｔ_n＝＋１）を主に容認し且つ法線成分（Ｔ_n＝０）及び負の１次成分（Ｔ_n＝−１）等の他の全ての成分を抑制するような態様で法線方向のｓ偏光のコヒーレントな入射光１８を基板内にカップリングするのに使用される。基板が、平面であるように示され、且つ、回折境界を形成する示された側面１２に対して平行な第２の側面を有することが推定されるが、本発明は平坦な基板形状に限定されるものではない。

この例示的な例では、法線方向の入射光１８の波長λが６００ｎｍであり、空気の屈折率ｎ_aが１であり、ＳｉＯ₂基板の屈折率ｎ_sが１．４５であり、二つ溝の回折格子の周期ｐが５４０ｎｍである。要素の高さｈ_gが２８０ｎｍである。これらパラメータを使用すると、カップリング成分Ｔ_n=＋１、θ_t,+1の屈折角が５０°であり、この屈折角は、４３．６°である空気／ＳｉＯ₂界面の臨界角よりも大きい。５０°の角度が臨界角よりも大きいので、カップリング成分は、基板を通って伝搬し、且つ、反射点が、終端として反射点を機能させる回折格子構造を有さない限り、カップリング成分が衝突する境界から離れるように反射されるであろう。図１の例では、ＴｉＯ₂要素１４の幅Ｗ₁が３５ｎｍであり、近接する、より広い要素１６の幅Ｗ₂が１３０ｎｍである。近接する要素間の中心から中心までの距離の寸法ｄが１７０ｎｍである。ＴｉＯ₂要素の屈折率ｎ_gが２．３８である。

図１及びこれに続く全ての図では、ＴｉＯ₂の回折格子要素１４、１６は基板１０の外面１２上に形成され且つ配設されるように示されるが、これらＴｉＯ₂要素は、以下に説明されるように、表面１２及び／又は表面１２とは反対側の同等な表面と同一平面に位置するように基板内に埋め込まれてもよい。上述されたように、これら表面は平面である必要はない。

以下、図２を見ると、光カプラが示されて以下に説明される。この場合、基板は、再び参照番号１０が与えられ、且つ、対向する平行な面１２、１２’を有するＳｉＯ₂の本体を具備することが理解される。基板は空気中に置かれ、図では、空気は、説明の目的で、基板１０の対向する側面上に空気／ＳｉＯ₂界面又は空気／ＳｉＯ₂境界を形成するように架空の要素２０によって示される。図１において示された設計を包含する回折格子２２が、基板１０のほぼ中央において、表面１２上の「入口領域」に配設される。したがって、回折格子２２は、一定間隔で一様に離間された三つの反射点２６、２８、３０を定めるように法線方向のコヒーレントな入射光の５０°の１次成分を５０°の角度で基板１０内にカップリングするように作用し、三つの反射点のうちの反射点２６、３０は基板１０の側面１２’上に位置し、一方、中間の反射点２８は基板１０の入口側の側面１２上に位置する。この例では、二つ溝の第２回折格子３２が、伝搬光成分についての「終端」となり、且つ、この伝搬光成分が、図２において示されるように、表面１２’に対して法線方向に基板２０から抜け出し又は「放出される」ことを可能とするために、反射点３０に配設される。

この書面による説明では、二種類の終端があり、一方の終端は、光を基板から外に屈折させ、すなわち反射点３０のような出口の終端であり、他方の種類の終端は、光を基板内に戻すように屈折させ、すなわち、図４を参照して以下に説明される鋭角反射器であることが明らかとなるだろう。

「向き」、すなわち、現れる回折格子２２、３２の狭い要素１４及び広い要素１６の順序が入口領域２２と出口終端３２との間で逆にされることが図２から容易にわかるであろう。より具体的には、回折格子２２における要素１４、１６の向き又は順序は、図１において示されたものと同一であるが、一方、出口の回折格子３２における同じ要素の左から右へ進行するときの順序は、図１において示されたものと反対である。図２の構造を上下にひっくり返すと、回折格子３２が、図１において示された回折格子のように見られることがわかるであろう。

概して、図２の構造では、如何に、コヒーレントな入射光が、基板媒体において繰り返される周期的な反射によって横方向に伝搬されるように、基板の界面境界の臨界角よりも大きな回折角度で光透過性の基板内にカップリングされることができるかが示される。理論的には、任意の方向の点が終端として機能しうるが、図２の場合のように、大抵の実際の配置では、終端３０は基板１０の反対側の面又は反対側の側面１２’上に位置する。

以下、図３を参照すると、本発明の実用的な第２実施形態が示される。基板１０は同様にＳｉＯ₂であり且つ対向する平行な面１２、１２’を有する。回折格子３４が、法線方向のｓ偏光の入射光を受容して、−５０°の角度θで基板１０内に−１次成分３６をカップリングし且つ＋５０°の角度θで基板１０内に＋１次成分３８をカップリングするような態様でこの光を分光すべく、基板１０の中央の入口領域に形成され、±５０°の角度は、表面１２、１２’によって表される境界の各々におけるＳｉＯ₂／空気界面の臨界角よりも大きな角度である。この場合、回折格子３４は「単一溝」の設計の回折格子であり、このことは、回折格子３４が、５４０ｎｍの周期、１４５ｎｍの幅Ｗ₂、及び１７５ｎｍの高さｈ_gを備えたＴｉＯ₂要素１６を有するが、図１及び図２において示されるような二つ溝の回折格子についての場合にあるような第２要素又はより狭い要素１４を有しないことを意味する。

正の１次成分３８は反射点２６’、２８’、３０’において表面の境界１２、１２’に衝突し、一方、負の１次成分は反射点２６”、２８”、３０”において表面の境界１２、１２’に衝突する。この例では、反射点３２’、３２”は「終端」点であり、「終端」点には、反対の向きの二つ溝の回折格子３２’、３２”が装備される。したがって、終端の反射点３０’、３０”の各々は出口点であり、出口点は、出口点に到達する伝搬成分が、図３において示されるように、面１２’に対して法線方向に抜け出すことを可能とする。

図３において示される装置は、典型的には「光分光器」と称されて、単一の入力から二つの出力を形成することを含む様々な態様において使用されることができる。

図３において示されるような、入口点と出口点との間における反射点の数は任意であり、且つ、終端又は出口点が、理論的には、表面１２、すなわち入口点と同じ側に位置することが可能であることが理解されるであろう。

以下、図４を参照すると、そこに示される光学装置が、境界又は界面を生成すべく要素２０によって表された空気中に置かれた基板１０を具備し、境界又は界面は、対向する平行な平面１２、１２’と同延である。二つ溝の回折格子２２が、法線方向の入射光の１次成分を５０°の角度で基板１０内にカップリングすべく、図１及び図２の方法で、基板１０のほぼ中央において、表面１２上に配設されるので、法線方向の入射光の１次成分は、側面１２’上の終端３６に到達するまで、側面１２’と側面１２との間を反射によって伝搬し、終端３６は、直立方向において図４が見られるときに入口の回折格子２２の要素と同じ向きに配置された要素１４、１６を備えた二つ溝の回折格子３８を有する。この向きの結果として、反射された伝搬光成分は、反射器／終端３６において抜け出さないが、法線方向に上向きに反射され、回折格子３８の真正面の表面上に配置された別の二つ溝の回折格子４０に基板を通って戻る。このため、回折格子４０は５０°の角度で伝搬成分を基板１０内に戻し、５０°の角度は側面１２、１２’と同延のＳｉＯ₂／空気界面の境界の臨界角４３．６°よりも大きい。このため、伝搬成分は、側面１２と側面１２’との間を伝搬して元の位置に戻り、且つ、所望の限り基板１０を通って左右に無制限に進む。これは「光反射器」であり、「光反射器」では、回折格子が基板の外側に形成されたとしても、光は基板内に完全に留まる。計算では、回折格子３８から回折格子４０に反射される成分が、入ってくる光の約８３．１％であり、約１６％だけが入力進路に沿って戻るように反射されることが示される。同様に、回折格子４０の効率は約８３．１％であり、一方、回折格子４０に衝突する光の約１５．４％が回折格子３８に向かって戻るように反射される。

以下、図５を参照すると、図５において示される装置は、図４の光反射器と同一であり、表面１２’、１２上のそれぞれの終端に配設された、同じ向きの二つ溝の回折格子３８、４０を入口点２２の右側に有する。しかしながら、第４回折格子４２が、伝搬成分が基板１０から抜け出すことを可能とする終端として機能するように入口点の回折格子２２の真下の側面１２’上の反射点／終端に配設される。図５では、一方向において図面が見られるとき、二つ溝の回折格子２２、４０、３８、４２の全ての向きが同一であることに留意されたい。

図１〜図５における回折格子は長方形形状の要素を有する。これら回折格子は「長方形回折格子」又は「バイナリー（binary）回折格子」と称されることがある。本発明は長方形形状又は「バイナリー」形状に限定されない。回折格子は三角形状の要素及び他の形状の要素を有することができる。本発明を実施するために考えられるベストモードについての以下の説明が添付の図面と共に読まれるとき、本発明の他の用途が当業者によって明らかとなるだろう。

図６は、図２のカプラの自動車用表示システムへの実用的な用途を示す。この例では、自動車のフロントガラス６０が図２の基板１０に対応し、フロントガラス上の低い位置のスポット６２が「入口領域」２２に対応し、フロントガラス上の高い位置のスポット６４が「終端」３２に対応する。トランスデューサー６６が、自動車エンジン（図示せず）の作動、例えば低い油圧に関連する信号を発生させる。この信号はレーザー画像形成機（laser imager）６８に接続され、レーザー画像形成機６８は、「低い油圧」と書いてある画像を出力し且つ視界の法線よりも下のフロントガラスの外面上に画像を投影する。入口領域６２には、図２を参照して説明されたような回折格子が装備され、回折格子によって、画像は、フロントガラスのガラスを通って終端６４に伝搬するような経路に向けられ、終端６４において、運転手に表示されるようにフロントガラス基板から抜け出す。湾曲した二つ溝の回折格子７０が、反射を妨げるのに使用されうる。このシステムでは、非常に重要なエンジンの状態に対する運転手の迅速な注意が従来の計器パネル指示器（instrument panel indicator）よりも得られやすい。

本発明が本発明の具体的且つ例示的な実際の実施形態に関して説明されてきたが、具体的な設計パラメータが例示の目的で与えられ、主要な点が、基板内にカップリングされる法線方向のコヒーレントな入射光の一つの又は複数の成分が、（基板の対向する側面の各々の上に存在し、このため、カップリングされた一つの又は複数の成分が基板を通した反射によって伝搬することをもたらす）基板／媒質界面の臨界角よりも大きな角度で回折され又は曲げられることであることが当業者にとって明らかであろう。

Claims (12)

1. 光学装置であって、
   対向する側面を有する光透過性基板であって、媒質中に、前記側面と同延の回折境界を生成する光透過性基板と、
   法線方向のコヒーレント光についての入口を画成し、且つ、前記基板の境界の臨界角よりも大きな角度に前記光の１次成分を回折するのに有効である第１回折格子と、
   終端を画成する第２回折格子であって、二つ溝の特性を有し、該二つ溝の特性を作り上げる要素の順序が、伝搬光成分が、基板から抜け出し又は基板内に戻るように反射されるように選択される、第２回折格子と
   を具備する、光学装置。
2. 前記二つ溝の特性を作り上げる要素が長方形形状を有する、請求項１に記載の光学装置。
3. 前記入口及び終端が前記基板の対向する側面上にある、請求項１に記載の光学装置。
4. 前記入口領域及び終端領域が、伝搬される前記１次成分の少なくとも二回の反射によって隔てられる、請求項３に記載の光学装置。
5. 前記第１回折格子も二つ溝の回折格子であり、このことによって、実質的に前記１次成分のうちの一方のみが回折される、請求項１に記載の光学装置。
6. 前記終端における回折格子が、前記伝搬光を前記基板内に戻すように反射させる二つ溝の屈折回折格子であり、当該光学装置が、前記反射された光の進路において二つ溝の特性の第３回折格子を含み、該第３回折格子が、前記基板を通して前記反射された光を戻すように該反射された光が来た方向に該反射された光の方向を変える、請求項１に記載の光学装置。
7. 法線方向のコヒーレント光についてのカプラであって、
   周囲の媒質との境界を画成する、対向する平行な側面を有する基板と、
   該基板の一方の側面上における光の入口点に位置する二つ溝の第１回折格子と、
   前記基板の他方の側面上に位置し且つ少なくとも二つの反射点によって前記二つ溝の第１回折格子から横方向に隔てられた二つ溝の第２回折格子と
   を具備する、カプラ。
8. 光分光器であって、
   周囲の媒質との屈折境界を画成する平行な第１の側面と第２の側面とを有する基板と、
   該基板の一方の側面上に法線方向のコヒーレント光についての入口点を画成する回折格子であって、前記基板の境界の臨界角よりも大きな正の角度で該基板内に正の１次成分を回折し且つ該基板の境界の臨界角よりも大きな負の角度で該基板内に負の１次成分を回折するように設計された回折格子と、
   前記入口から離間された点において、前記基板の両側の側面上に位置する一対の二つ溝の回折格子であって、光の出口として機能するように、前記入口からの前記伝搬光についての反射点に配設され且つ反対の向きであり、これによって、当該光学装置が光分光器として作用する、一対の二つ溝の回折格子と
   を具備する、光分光器。
9. 光反射器であって、
   周囲の媒質との境界を画成する、対向する平行な第１の側面と第２の側面とを有する基板と、
   前記基板の一方の側面上に法線方向のコヒーレント光の入口点を画成する、二つ溝の第１回折格子と、
   該二つ溝の第１回折格子の基板と同じ前記基板の一方の側面上に位置する二つ溝の第２回折格子と、
   前記基板の他方の側面上において、前記二つ溝の第２回折格子の真正面に位置する二つ溝の第３回折格子と
   を具備し、
   前記第２回折格子及び第３回折格子が前記第１回折格子から複数の反射点によって離間され、これによって、当該装置がコヒーレント光の反射器として作用する、光反射器。
10. 法線方向のコヒーレントな入射光についての光遅延装置であって、
    周囲の媒質との境界を画成する平行な第１の側面と第２の側面とを有する基板と、
    該基板の一方の側面上に位置し且つ法線方向のコヒーレント光についての入口点を画成する二つ溝の第１回折格子と、
    前記基板の対向する側面上に位置する第２回折格子及び第３回折格子であって、当該第２回折格子及び第３回折格子において、法線方向の入射光の伝搬する１次回折成分の該伝搬の方向が逆にされることをもたらすべく前記第１回折格子から複数の反射点によって離間された第２回折格子及び第３回折格子と
    を具備する、光遅延装置。
11. 光成分を伝搬するための出口点を画成すべく、前記第２回折格子及び第３回折格子から複数の反射点だけ離間された、二つ溝の第４回折格子を更に具備する、請求項１０に記載の光遅延装置。
12. ほぼ平行な内面と外面とを有するガラス製フロントガラスに関連する自動車用画像システムであって、
    自動車の状態を示す信号に応答して前記フロントガラスの入口領域上にコヒーレントな画像を投影するためのレーザー画像形成機であって、前記入口領域が、前記画像が、前記入口領域から離間された終端領域まで前記フロントガラスを通って伝搬して運転手に可視化されることを可能とすべく、前記入口領域と関連する二つ溝の回折格子を有し、前記終端領域が、前記画像が前記運転手に表示されることを可能とする、前記終端領域と関連する二つ溝の第２回折格子を有する、レーザー画像形成機を具備する、自動車用画像システム。

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