KR20030046471A - 광각 루게이트 편광 빔스플리터 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

편광 빔스플리터는 광학 매질과 그 매질에 매립된 루게이트 필터를 포함한다. 루게이트 필터의 평균 굴절율은 비두께 방향에서 루게이트 면의 위치에 따라 변한다. 루게이트의 평균 굴절율의 변화는 원뿔형으로 분산되는 광빔 전체에 걸쳐 입사각의 편차를 보상한다. 일실시예에서, 루게이트의 주기는 그 표면 전체에 걸쳐 거의 일정하다. 더욱 바람직하게 루게이트 굴절율 변화의 진폭은 둘러싸는 광학 매질에 대한 루게이트 결합을 돕도록 그 위에 중첩된 아포다이징 진폭 엔벨로프를 갖는다.

Description

광각 루게이트 편광 빔스플리터 및 그 제조 방법{WIDE-ANGLE RUGATE POLARIZING BEAMSPLITTER}

"맥나일(MacNeille) 편광자"라고 알려진 통상의 광학 소자는 2개의 직각 프리즘을 포함하며, 그 프리즘 중 하나는 빗면이 다층 유전체 막으로 코팅되어 있다. 2개의 프리즘을 광학성 시멘트로 서로 접합하여 큐브를 형성하고, 그 2개 프리즘의 면이 결합된 큐브를 대각선으로 슬라이싱하면서 평면 굴절이 전이된다. 그 전이에 의해 입사광이 일부 반사하고 일부 투과됨으로써, 빛이 분리된다. 전이시에 빛의 진행 방향의 벡터와 표면의 법선 벡터에 의해 입사면이 결정된다. 입사면에서 빛의 e-필드 성분을 "P 편광" 성분이라고 하고, 입사면에 수직한 면에서의 성분을 "S 편광" 성분이라고 한다. 굴절 특성이 상이한 서로 다른 프리즘 재료에 대해 적합한 각을 선택함으로써, P 편광 성분은 투과시키고 S 편광은 반사시키는 잘 알려진 "브루스터(Brewster) 상태"를 만족시킬 수 있다. 따라서, 빔을 S 및 P 편광된 빔으로 분리할 수 있다.

최근의 개선된 편광 빔스플리터가 존슨(Johnson) 등의 미국 특허제5,828,489호(1998년)에 개시되어 있다. 이 특허의 빔스플리터는 굴절율이 막의 깊이에 의해 진동하는 가변 굴절율(gradient index)막, 더 자세하는 "루게이트(rugate)" 필터를 이용한다. 이 루게이트 필터는 입사빔에 대하여 소정의 각도로 광학 매질에 매립된다. 상기 특허의 빔스플리터 구성은 특정한 협파장의 S 편광된 빛을 효율적으로 반사시키고, 다른 파장의 S 편광된 빛(및 모든 파장의 P 편광)을 투과시킨다. 이러한 특성은 협대역 광원(예컨대, 레이저)을 이용하는 작업에 종종 유용하다.

존슨이 특허받은 루게이트 편광 빔스플리터는 그러나, 소정의 제한 내에서만 동작할 수 있다. 최상의 편광 분리와 좁은 통과 대역을 위하여, 입사 복사선이 거의 평행하고, 수렴의 분산없이, 평면파를 한 방향으로 진행시키는 장치가 필요하다. 이러한 요건으로 인해 다음의 제약이 있다. 첫째, 편광 분리를 위해, 입사각은 브루스터 각도와 일치해야 한다(따라서, 고굴절율과 저굴절율의 루게이트 필터 코팅막 또는 고굴절율과 저굴절율 층이 맥나일 편광자에 적층된다). 이러한 제약의 결과로서, 루게이트 필터가 매립되는 매질의 굴절율이 빔스플리터의 유효 기하 구조의 선택을 제한한다. 둘째, 루게이트 필터의 색조 통과 대역은 입사각에 민감하다. 그러므로, (임의의 필터에 대해) 고유한 입사각에서만 이상적인 통과 특성과 반사 특성에 접근할 수 있다.

도 1은 분산성 광빔의 광로에서 종래의 (존슨 특허에서 채택된) 협파장 편광 빔스플리터를 도시하고 있다. 1차원적인 분산만 나타내도록 도면을 단순화하였지만, 원리는 어떤 분산성 빔이 있는 상황에도 적용된다. 주광선(10)이 도시된 바와같이 큐브(12)에 입사되어, [법선(16)에 대하여]각도 φ로 루게이트막(14)에 입사된다고 가정한다. 최상의 동작을 위해, 존슨 특허의 지침 및 공지의 광학 원리에 따라 루게이트막의 주기와 루게이트의 각도 θ를 적절하게 선택할 수 있다. 그러나, 빔의 분산으로 인해, 광학 중심(루게이트와 주광선의 교차점)으로부터 소정의 거리에서 루게이트에 부딪히는 윗부분 광선(18)과 더 아랫 부분 광선(20) 등의 다른 광선들은 θ와 다른 입사각을 가질 것이다. 따라서, 종래의 장치에 있어서, 루게이트 주기와 입사각은 분산성 빔의 모든 광선에 대해 최적이지 않을 것이다.

그러므로, 전술한 루게이트 편광 빔스플리터는 협대역 분리와 편광 분리성을 유지하면서, 광각 동작의 요건을 만족시킬 수 없다.

본 발명은 개괄적으로 광학 편광 장치에 관한 것이며, 더욱 자세하게는 협파장 대역용 루게이트(rugate) 편광 빔스플리터에 관한 것이다.

도 1은 빗면 사이에 루게이트 필터가 매립되어 결합된 2개의 직각 프리즘을 포함하는 종래의 빔스플리터의 평면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 빔스플리터의 사시도이다.

도 3는 도 2의 빔스플리터의 입면도이다.

도 4는 통상의 기준 좌표계가 더해진, 본 발명에 따른 빔스플리터의 평면도이다.

도 5는 도 4의 라인 4를 따라 절단한 단면도이다.

도 6은 본 발명에 따라 루게이트 필터의 위치에 대한 굴절율의 종속성을 나타내는 다곡선 그래프이다.

도 7은 두께 방향에서 루게이트의 깊이와 함수 관계에 있는 굴절율의 그래프로서, 본 발명의 루게이트 필터상의 3개의 다른 위치에 대응하는 3개의 함수를 도시하고 있다.

도 8은 본 발명의 통상의 통과 대역 특성을 나타내는 그래프로서, 예시적인 루게이트 편광 빔스플리터의 S 성분 반사도 대 파장을 나타내고 있다.

도 9는 평균 굴절율이 공간적으로 변하는 루게이트 필터를 제작하는데 이용될 수 있는, 본 발명에 적합한 방법에 대한 평면도이다.

전술한 문제점의 견지에서, 본 발명은 광학 매질과 그 매질에 매립된 루게이트 필터를 포함하는 편광 빔스플리터에 관한 것이다. 빔스플리터는 특정한 협파장의 S 편광된 빛을 효율적으로 반사시키고, 그외 다른 파장의 S 편광된 빛(및 모든 파장의 P 편광된 빛)을 투과시킨다.

제1 실시예에서, 본 발명은 루게이트 전체에 걸쳐 입사각에 일부 편차가 있을지라도, 루게이트 필터 내에서 빔 진행각이 거의 45°가 되도록 빔의 광로에 배치된 루게이트 필터를 포함한다. 빔이 시준되는 특수한 경우에도, 이 요건은 빔에 대하여 소정의 각도로 루게이트 필터를 지향시킴으로써 만족될 수 있으며, 상기 각은 루게이트 평균 굴절율, 매립 광학 매질의 굴절율, 및 루게이트 내의 빔이 45°라는 요건으로 작성된 스넬 법칙을 만족한다. 광학 매질의 굴절율은 루게이트 평균굴절율과 매칭될 필요가 없다. 더욱 일반적인 분산(또는 수렴) 빔의 경우에 있어서, 제1 실시예는 평균 굴절율이 비두께(non-thickness) 방향에서 루게이트면상에서의 위치에 의해 변하는 루게이트 필터를 포함한다. 루게이트의 평균 굴절율의 변화는 광빔(예컨대, 원뿔형 분산빔)에 대한 입사각의 편차를 보상한다.

제2 실시예에서, 루게이트의 주기는 루게이트의 표면 전체에 걸쳐 변하며, 루게이트의 평균 굴절율은 표면 전체에 걸쳐 거의 일정하다(비두께 방향에서의 위치에 의해 변하지 않는다). 그 주기에서 미리 정해진 변화는 광빔(예컨대, 원뿔형 분산빔) 전체에 걸쳐 입사각의 편차를 보상해야 한다.

일반적으로 광빔 전체에 걸쳐 입사각의 편차를 보상하도록 선택된 미리 정해진 관계에 따라, 루게이트 표면에 대한 위치 함수로서 평균 루게이트 굴절율과 루게이트 주기 모두를 변화시키는 본 발명의 무제한적인 변형 실시예가 가능하다.

본 발명의 이러한 특징과 다른 특징 및 장점은, 첨부 도면과 함께 설명되는 양호한 실시예에 대한 다음의 상세한 설명으로부터 당업자에게는 분명해 질 것이다.

본 발명은 각도가 퍼지는 광빔으로 동작할 수 있는 루게이트 편광 빔스플리터이다. 예를 들어, 통상적인 실시예에서, 본 발명은 f/1.93 구경과 거의 동일한 ±15°원뿔에서 동작한다.

도 2에 도시하는 바와 같이, 본 발명은 초점 f로부터 원뿔 형태로 분산하는 광선을 사용할 때 통상적으로 가장 적합하게 이용된다. 빔스플리터 큐브(30)는 광학적으로 결합되는 (함께 광학 매질을 제공하는) 2개의 프리즘(32, 34)으로 구성되고, 루게이트 필터(36)는 그 프리즘의 비스듬한 결합면 상에 증착되어, 광학 매질에 매립된다. 프리즘과 큐브의 재료 및 구성은 미국 특허 제5,828,489호에 기재되어 있는 것과 유사할 수도 있지만, 본 발명의 루게이트 필터(36)는 전술한 것과는 완전히 상이하다.

동작 중에, 큐브(30)는 원뿔 형상으로 분산하는 빔(40)의 광 경로에 배치되고, 그 빔은 초점 f로부터 분산된다. 빔(45)의 원뿔 중심에 있는 광선을 주광선(44)이라 하고, 이 주광선(44)과 루게이트 필터(36) 평면의 교차점을 "광학 중심"이라고 한다. [광학 원뿔(45)과 루게이트 평면의 교차점은 고전 기하학의 원뿔 곡선 중의 하나인, 타원(480)을 나타낸다.] 루게이트 필터(36)에 입사되는 광빔의 입사각이 원뿔 전체에 걸쳐 변하는 것에 주의해야 한다.

원뿔에서의 각도 편차는 도 3의 입면도에서 더욱 분명하다[간단하게 도면에서는 1차원의 각도 변화만 도시하였지만, 인식하는 바와 같이, 다른 평면에서도 유사한 각도 변화가 있다]. 통상의 실시예에서, 반쪽 큐브(32)는 공기보다 굴절율이 높다(통상 1.75). 따라서, 굴절에 의해 광빔(45)의 분산이 다소 저하될 것이다. 주광선이 직각으로 큐브의 정면(40)에 부딪히면, 가장 윗쪽에 있는 광선(46)과 가장 아랫쪽에 있는 광선(48)은 법선쪽으로 약간 굴절될 것이다. 대표적인 실시예에 있어서, 굴절율이 1.75인 프리즘을 이용할 경우, 공기에서 처음 ±15도의 원뿔 분산은 프리즘 내에서 ±8.5도 원뿔로 감소된다.

도 3에 도시되는 바와 같이 루게이트(36)가 주광선과 45도 각도로 평면에 존재하는 일반적이지만 특별한 경우에서 본 발명을 설명하는 것이 편리하다. 다음의 수학식은 필요하다면 다른 입사각에도 적용될 수 있다. 본 발명은 도시된 것처럼 45도 각도의 입사각이나 45도의 빔스플리터에 제한되지 않는다.

본 발명에 따르면, 루게이트 필터(36)는 필터의 표면상의 위치에 의해 변하는 평균 굴절율을 갖는다. 이 굴절율은 제로의 P 편광 반사가 입사 원뿔 전체에서 유지되는 식으로 변하며, 협대역 통과 특성도 입사 원뿔 전체에서 유지된다. 이것에 대해 생각하면서, 루게이트 필터내에서 광선의 각도와, 그 국부적 평균 굴절율 n_a이 실질적으로 45°와 같아야 한다는 것을 알았다. 가장 바람직하게는, 루게이트에서 광선의 각도는 정확하게 45°와 같아야 하며, 적당한 성능을 위해서라면, 루게이트내에서의 각도는 45°의 ±3°내에 있어야 한다.

이것은 다음의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다. 맥나일 편광자에서, 루게이트 라인의 P 성분 반사는 다음의 조건이 적용될 때 억제된다.

여기서, n_H와 n_L은 루게이트 코팅막의 사인파형 굴절율 변화에서의 고저값이다. θ_L은 굴절율 사이클의 저부에서 빛의 진행각이다. 그러나, 굴절율 변화가 사인파형인 루게이트에 있어서, 굴절율의 불연속적인 전이는 없다. 그러나, 다음의 수학식 2에 따라, 굴절율이 사인파형으로 변화한다.

여기서, n_a는 평균 굴절율이고, n_p는 루게이트 굴절율의 첨두치 대 첨두치 변화값이며, t는 법선 방향에서 루게이트막의 두께 치수이다.

평균 굴절율 n_a과 사인파 진폭 n_p/2의 항에서 수학식 3이 얻어진다.

루게이트 필터는 같은 종류의 다른 프리즘에 매립된 프리즘의 빗면에 배치된다. 그 결과, 루게이트 코팅막에 입사된 빛은 각도 θ_s로 기판 n_s에 있으며, 이것은 스넬의 법칙에 의해 θ_L에 관련된다.

sin을 tan/[1+tan²]^1/2로 고치고, 수학식 1, 수학식 2, 수학식 3을 이용하면, 수학식 4는 수학식 5가 된다.

수직 입사 대역폭 B에 대한 근사식은 수학식 6과 같다.

이 식에 의해 루게이트의 평균 굴절율에 대한 수학식 7이 유도된다.

대역폭이 작을 경우 8 %까지, 수학식 7은 1 %의 오차 내에서 수학식 8에 의해 근사될 수 있다.

이 결과가 n_L, n_h또는 n_p에 독립적이라는 것이 흥미롭다. 수학식 8은 임의의 프리즘 재료 또는 각도에 대한 평균 루게이트 굴절율을 선택하도록 평균값을 제공한다. θ_s는 빔스플릿트 큐브를 형성하는 직각 프리즘의 경우 45도일 것이다. 빗면의 대각 α는 직각 프리즘의 경우 45도이다. 다른 입사각이 적용될 수 있지만, 수직 입사 프리즘의 입사면과 출사면의 경우에, 꼭지각은 수학식 9로 표현된다.

시준된 빔의 경우에, 수학식 8과 수학식 9가 편광 루게이트 빔스플리터에 대한 설계 지침이 된다. 큐브를 사용하려고 하면,가 된다. 그러므로, 수학식 7에 따라, n_a= n_s를 선택해야 하고, 평균 굴절율은 프리즘 기판의 굴절율이어야한다. 한편, θ_s= 60°인 2개의 등변 프리즘을 사용하고자 할 수 있다. 이 경우, α= 60°이고, n_a= 1.2247n_s이다. 그러므로 n_s= 1.47을 선택하면, 평균 굴절율은 n_a= 1.80일 것이다. 또한, n_s= 1.52이면, n_a= 1.86이 된다.

편광 빔스플리터를 위한 또다른 설계 규칙이 필요하다. 코팅막이 증착되고 수직 입사시에 두께가 모니터되기 때문에, 입사 매질에 각도 θ_s로 배치될 때 설계 파장 λ에서 저지 대역(stop band)을 형성할 수직 입사 루게이트 주기 λ_n을 결정해야 한다.

이들 값에 관한 관계식이 다음의 수학식 10이다[W.H Southwell의 논문 "spectral response calculations of rugate filters using coupled-wave theory"(J.Opt. Soc. Am. A, 5, 1558-1564(1998))에 기재된 수학식 (70)과 (71) 참조].

여기서, θ_a는 루게이트 필터에서의 진행각이다. 스넬의 법칙으로부터 수학식 11을 얻을 수 있다.

따라서,

이다. 수학식 7을 이용해서 수학식 12을 더 줄일 수 있다.

그러므로, 예를 들어, 편광 빔스플리터를 550 nm에서 동작하도록 설계하면, 수직 입사 루게이트 라인은 550 (1.414) = 777.8 nm가 된다.

이것은 아주 간단한 결과이다. 수학식 7에 주어진 편광 상태가 만족되면, 수직 입사 루게이트 주기는 기재의 굴절율, 입사각, 루게이트 평균 굴절율 또는 저지 대역의 대역폭과 관계없이 설계 파장의 2배의 제곱근이 된다. 또한, 편광 상태 자체, 즉 수학식 7은 협대역폭에서 루게이트 저지 대역의 대역폭과 무관해진다.

상기 결과, 즉 루게이트에서 광선의 각도가 45도이어야 한다는 결과는 루게이트 표면상의 위치 함수로서 루게이트 평균 굴절율(n_a)의 바람직한 변화를 계산하는데 이용되어, 본 발명에 따른 분산 빔을 보상할 수 있다. 스넬의 법칙으로 부터, 수학식 14를 유도할 수 있다.

여기서, θ_s는 루게이트 코팅막과 교차하는 (광학 매질을 매립하는) 프리즘에서의광선의 각도이고, n_a는 루게이트의 평균 굴절율이며, n_s는 도 2와 도 3의 광학 매질(32, 34)의 굴절율이다.

평균 굴절율 n_a는 루게이트 표면상의 위치에서의 평균 굴절율을 그 표면의 각 위치에 대해 할당하는 스칼라 값의 위치 함수이며, 루게이트의 두께 치수(즉, 코팅 깊이)에 걸쳐서 평균화된 것이다. 따라서, 평균값 n_a는 루게이트의 표면상의 각 위치와 연관된다. 루게이트의 굴절율은 수학식 2에 따라 통상적으로 두께 방향으로 변할 것이다.

광선의 분산형 원뿔내에서, θ_s는 광학 중심(주광선과 루게이트의 교차점)으로부터 광선의 변위에 따라 변할 것이다. 이것을 보상하기 위해, 본 발명의 제1 실시예는 수학식 15에 따라, 루게이트상의 위치마다 n_a의 값이 변한다.

예컨대, θ_s가 분산형 원뿔에서 36.5도와 53.5도 사이에서 변하는 특정 실시예에 있어서, n=1.75인 광학 매질(광학 유리)의 경우, 루게이트의 평균 굴절율은 본 발명에 의해 [산화물 동시 증착(co-evaporation)에 의해 달성 가능한 굴절율 값의 범위내에 있는] 1.523과 2.040 사이에서 변한다.

입사 원뿔 전체에서 입사각의 편차를 더욱 정밀하게 보상하기 위해, n_a는 정의된 광학 중심으로부터 측정되는 특정 위치 함수에 따라 근사적으로 본 발명에 따라 변해야 한다. 이 함수를 정의하기 위한 적절한 좌표계가 도 4와 도 5에 도시되어 있다. 도 4는 일련의 축들이 중첩되어 있는, 루게이트 평면을 도시하는 평면도이다. Z축은 루게이트 표면에 수직하는, 도면에서 빠져 나오는 축을 가리킨다. 도 5는 대각선 루게이트(36)(여기에서는 전형적인 45도 각도로 도시됨)를 포함하는 빔스플리터 큐브의 입면도를 나타내고 있다. Z축과 Y축은 주광선과 루게이트의 교차점의 원점(56)에 의해 표시된다.

도시된 좌표계에서 루게이트 필터면에서의 임의의 위치는 벡터 r=(x,y,0)에 의해 지정된다. 모든 광선 벡터는 좌표계에서 점 s=(0, -f, -f)에 있는 초점 f로부터 시작된다. 따라서, 점 r에서의 광선 벡터는 v=r-s=(x, y+f, f)가 된다. 필터면의 임의의 점에서 법선 벡터가 n=(0, 0, 1)이기 때문에, v와 n의 도트 프로덕트는 코사인 입사각 θ_s로 표현된다.

따라서, 양호한 굴절율은 필터면상의 각 점에 대해 수학식 17로 주어진다.

이 수학식에서는 순환 대칭성이 필터의 중심점이 아닌, 점 X=0와 Y=-f에 대하여 나타난다. 대칭 중심은, 통상적으로 필터 외부에 있을 수 있다.

도 6은 45도 필터 평면, 1 ×1 인치 필터 표면, 15도 광학 원뿔로 되어 있는 특정 편광 빔스플리터에 대해 굴절율이 1.75인 광학 매질에 매립된 필터를 포함하는, 본 발명에 따른 전형적인 루게이트 필터의 정규화한 평균 굴절율의 다변수 그래프이다. 여러 곡선들이 상이한 y값에 대해 표시되어 있고, 각 y에 대한 곡선은 x 위치의 함수로서 굴절율 변화를 나타내고 있다.

또한, 기타 좌표계를 다르게 정의하여, 원뿔내의 모든 광선에 대해, S 편광 성분은 거의 완전히 반사하고, P 편광 성분은 실질적으로 완전히 투과하도록 루게이트에 대한 평균 굴절율과 위치 사이의 동등한 관계를 다른 관계식으로 나타낼 수 있다. 이러한 변형 실시예 역시 본 발명의 범위내에 포함된다.

수학식 17 또는 동등한 관계식에 따라 구성된 필터는 주어진 원뿔의 모든 각에 대해서 및 루게이트 반사 대역내의 모든 파장에 대해서 편광자가 될 수 있다. P 편광 성분은 원뿔 내의 모든 각도와 모든 파장에 대해 투과된다. 특정 루게이트 두께에 대한 변화(gradient)는 필요하지 않다. 대신에, 평균 굴절율의 변화에 의해 루게이트 전체에 걸쳐 각도 편차가 보상된다.

도 7은 본 발명에 따라, 루게이트의 깊이 함수로서 소정의 평면에서의 통상의 루게이트 굴절율의 그래프를 나타내고 있다. 루게이트 주기가 λ/(2n)로 주어지고, λ는 광원의 원하는 파장(또는 루게이트 선택된 파장)이다. 상부 곡선(80)은 필터 윗쪽의 광선에 관한 것으로서, 입사각이 53.2671도이고, n_av가 2.04이며, 중앙곡선(82)은 θ= 45도에 대한 것으로서, n_av=1.8이고, 하부 곡선(84)은 θ= 36.733도이며, n_av=1.523이다.

루게이트의 대역폭은 n_p/n_av에 따라 변한다. 가장 바람직하게는, 5차 함수를 루게이트 경계면(interface)에 적용하여 (진동성) 루게이트 굴절율을 루게이트가 매립되는 광학 매질의 일정한 굴절율에 매칭시킨다. 루게이트 필터와 그 필터가 매립되는 매질간의 굴절율 불연속성을 최소화하기 위한 5차 함수 이용에 대해 미국 특허 제5,828,489호와 제4,583,822호를 참조할 수 있다.

도 8은 도 6의 예시적인 루게이트에 대한 통상의 통과 대역 특성을 나타낸다. S 편광 성분의 반사도는 약 546 mm를 중심으로 한 협소한 통과 대역에서 높고 통과 대역 밖에서는 급격하게 떨어진다. P 성분의 반사도는 모든 파장에서 그리고 원뿔내의 모든 광선에 대해 거의 제로이다.

본 발명의 특수한 경우는 빔의 분산도가 제로(시준된 빔)인 특정 경우이다. 본 발명에 따르면, 루게이트 내에서 빔의 각도 θ는 실질적으로 45도가 되도록 제한되어, 편광 빔스플리터를 형성한다. 이러한 상태는 루게이트 굴절율의 최고값과 최저값에 무관하다. 루게이트 평균 굴절율도 매립 광학 매질에서 거의 모든 입사각에 대해 이러한 상태를 형성하도록 제조될 수 있다. 그러므로, 본 발명의 빔스플리터는 광범위한 광학 매질에서 그리고 광범위한 광학적 기하 구조에서 유용할 수 있다. 매립 광학 매질의 굴절율은 루게이트의 굴절율보다 높거나 낮을 수 있다.

루게이트에 대해 적합한 비동질성이고 공간적으로 변하는 평균 굴절율을 획득하기 위해, 적절한 코팅 방법을 사용하여 본 발명에 따른 루게이트 필터를 제작해야 한다.

루게이트를 제작하는 일반적인 방법은 상이한 2가지 코팅 재료로 구성된 박막층을 교대로 도포하는 것이며, 각 층은 두께가 1/4 파장보다 작다. 하나의 코팅 재료는 굴절율이 높고 다른 하나는 굴절율이 낮다. 이러한 얇은 층에 의한 효과는 평균 굴절율의 두꺼운 층과 동등하다. 굴절율에 변화를 주기 위해서, 고굴절율과 저굴절율 성분의 상대량이나 두께에 변화를 주며 상기 층을 다수번 도포한다. 따라서, 사인파형의 루게이트를 형성할 때, 고 굴절율이나 저 굴절율의 코팅 성분의 비율에 따라 사인파형이 더욱 심하게 혹은 더욱 약하게 변한다. 바람직하게는 증착율을 변경함으로써 양이 조절된다. 증착에 관한 다양한 종래의 기술이 알려져 있으며, 예컨대 레이저 증착 또는 유전체 재료의 스퍼터링이 있다.

고 굴절율 코팅 성분에 적합한 통상의 재료로서 TiO₂와 Nb₂O₅가 있다. 저 굴절율 코팅 성분에 적합한 통상의 유전체 재료로서 SiO₂와 Al₂O₃가 있다.

전술한 바와 같이, 루게이트 필터에 대한 평균 굴절율의 바람직한 프로파일은 빔스플리터 외부에 있는 점에 대해 순환 대칭성을 가질 것이다. 이것은 도 8에 도시하는 바와 같이, 중심에 대하여 광학 피스(optical piece)를 회전시키는 코팅 기술 이용을 허용하여 순환적 대칭성을 달성한다. 각각의 반쪽 빔스플리터(90)가 회전 가능한 플랫폼상에서 호 또는 원형으로 적절하게 실장된다. 스퍼터링된 유전체 재료 소스 등의 기상 소스를 플랫폼에 근접하게 고정 위치로 배치하여, 빔스플리터는 플랫폼이 호(92)에서 회전할 때 한 점에서 소스를 통과할 것이다. 소스로부터 유전체 재료는 소스를 통과하여 호(92)를 지날 때 빔스플리터 소자의 표면 위에 증착될 것이다. 차단 마스크(94)가 기상 소스와 (도면 위에서) 반쪽 빔스플리터(40) 사이에 개재되어, 미리 정해진 바람직한 프로파일이나 함수에 따라, 그 소자의 표면상의 위치에 대하여 증착량을 제어한다. 본 발명의 루게이트에 있어서, 소자는 소자 표면의 외부에 있는 위치 f에 대하여 회전할 것이다. 이 적용에서 순환 대칭성을 달성하기에 충분하도록 코팅시의 회전이 빨라야 한다.

마스크(94)는 본 발명의 빔스플리터를 제작하는데 사용되는 것을 예시한다. 폭 w는 반경 방향 r의 변위에 관련하여 변하므로, 광표면의 주어진 위치에서 노출 길이는 r 방향에서의 위치에 관련하여 변한다. 그러므로, 도포된 유전체 층의 양(두께)은 r 좌표의 함수로서 변한다. 이상의 수학식에 기초해서 마스크의 폭 프로파일을 용이하게 계산하여 원하는 대로 평균 굴절율이 변한다.

도 9에는 하나의 마스크만 도시되지만, 루게이트 필터의 진동 굴절율을 생성하기 위해 이러한 마스크를 2개 사용해서 고 굴절율과 저 굴절율 재료를 교대로 증착할 수 있다. 다시 도 7을 참조하면, 굴절율은 [개별 곡선(82)으로 도시하는 바와 같이] 진동 방식으로 코팅막의 두께 치수와 관련하여 변한다. 이 진동은 고 굴절율 유전체 재료와 저 굴절율 유전체 재료의 상대적인 증착 비율을 조절함으로써 생성될 수 있으므로, 각 깊이에서 원하는 특정 굴절율을 생성할 수 있다. 동시에, 평균 굴절율(루게이트를 통해, 두께 치수의 모든 깊이에 대해 평균한 값)은 루게이트상의 위치 함수(x, y)로서 변화를 갖는다. 평균 굴절율 n_av의 이러한 변화는마스크(94)의 특정 폭 프로파일을 제공함으로써 형성되는 것이 좋다.

본 발명에 따른 루게이트의 평균 굴절율의 변화를 형성하기 위해서, 저굴절율 및 고굴절율 재료에 사용되는 마스크를 서로 다른 것을 사용하는 것이 좋다. 적합한 한 방법으로서, 저굴절율 재료를 마스크하지 않고 윤곽을 나타내는 마스크로써 고 굴절율 재료를 바꾸면, 필터 표면의 일부에서 고굴절율 코팅막의 상대적인 비율이 더 높을 것이다.

필터 전체에 걸쳐 평균 루게이트 굴절율이 변하는 본 발명의 해법은 광각의 협대역 빔스플리터에 대해 시도되었던 접근 방식을 번갈아 행하는 방식보다 우수하다. 본 발명의 배경 기술에 관련해서 전술한 바와 같이, 넓게 변하는 입사각을 수용하기 위하여, 광대역 필터를 이용해서 루게이트를 제작하는 것만으로는 만족될 수 없다. 이러한 접근 방식을 통해 전체 가시 스펙트럼(적어도 15도의 원뿔 필드)에서 유효한 S 편광된 빛을 반사시키는 루게이트를 형성한다. 따라서, 스펙트럼 선택도가 크게 손상된다. 표면 전체에 걸쳐 두께가 변하는 루게이트를 제작함으로써 보상하는 것도 역시 부적합하다. 이러한 접근 방식에서는 필터 전체에서 변하는 루게이트 주기가 생성되어, 반사가 빔의 분산 원뿔 전체에 걸쳐 임의의 파장에서 일어난다. 그러나, 입사 원뿔의 맨끝(extreme) 각도에서, 상기 루게이트는 빔의 P 성분을 상당하게 반사시킨다. 따라서, 편광 분리도가 손상된다. 반면에, 필터 전체에 걸친 루게이트의 가변 평균 굴절율은 광각 원뿔 전체에 걸친 스펙트럼과 편광 분리도를 제공한다.

본 발명의 제2 실시예에서, 루게이트의 평균 굴절율은 루게이트 표면상의 위치에 대하여 거의 일정한 값이 유지되며, 루게이트의 주기는 루게이트 표면 전체에 걸쳐 빔의 입사각의 편차를 보상하도록 변한다. 주기의 변화는 상기 수학식 2를 고려함으로써 용이하게 계산된다. 수학식 2, 즉 P=λ/ 2n_a에서, P는 루게이트 사이클의 주기이고, λ는 루게이트 라인 중심의 파장이다. 따라서, 수학식 18에 따라, 제작시에 루게이트의 주기가 변하는 동안 루게이트 평균 굴절율을 일정하게 유지시켜 동등한 루게이트를 달성할 수 있다.

여기서, n_a(θ_s)는 광 기하학으로부터 계산되거나 전술한 바와 같이 x, y에 대한 특수한 경우(원뿔형 분산)로 계산될 수 있다.

루게이트 필터 표면상의 위치 함수로서 루게이트 필터의 주기와 평균 굴절율을 변경함으로써 유사한 결과를 달성하여, 빔에서 입사각의 편차를 보상할 수 있다는 것 역시 명백하다. 주기와 평균 굴절율의 변화는 표면상의 모든 점에 대해서 그리고 빔 스폿 안에서 수학식 19를 만족해야 한다. 이러한 보상을 달성하기 위하여 보완적인 방식으로 양쪽의 굴절율을 변경하는 것도 역시 본 발명의 범위 내에 있다. 2가지의 극단적인 경우, 즉 (1) 주기를 일정하게 하면서 평균 루게이트 굴절율을 변화시키는 경우와, (2) 평균 루게이트 굴절율을 일정하게 하고 주기를 변화시키는 경우 사이에서 잠정적으로 무제한적인 변형 실시예가 가능하다.

본 발명의 여러 예시적인 실시예들을 제시하고 설명하였지만, 당업자라면 다수의 변형 실시예와 다른 실시예들을 구상할 수 있다. 다른 수단에 의한 코팅막 증착이 알려져 있고 채용될 수 있다. 다양한 아포다이징(apodizing) 기능 및 빔스플리터 기하학 구조를 채택할 수 있다. 루게이트 변화는 분산성 빔이나 수렴성 빔에 맞춰질 수 있다. 광학적 원뿔의 분산(또는 수렴)은 더 커지거나 작아질 수 있다. 큐빅 빔스플리터는 그 형상이 통상적이고 흔한 것이며, 제한적인 것이 아니기 때문에 도면에서 간단하게 도시하였다. 원하는 루게이트와 광학 매개변수를 계산할 때, 적합한 조절이 이루어지려면, 다양한 광학 매질이 채용되어야 한다. 루게이트 매개 변수를 조절함으로써 광대역 및 협대역의 양대역에서의 변화가 실현될 수 있다. 이러한 변형 실시예와 다른 실시예들은 첨부된 청구 범위에서 정해지는 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나는 일없이 실시될 수 있다.

Claims (29)

1. 시준되지 않은 광빔을 분리하기에 적합한 편광 빔스플리터에 있어서,

   광학 매질과,

   빔의 광로에서 상기 광학 매질에 매립된 표면상의 루게이트 필터를 포함하고,

   상기 루게이트 필터는 상기 표면상의 각 위치에서의 평균 굴절율과 상기 표면상의 각 위치에서의 주기를 갖고,

   상기 평균 굴절율과 상기 주기 중 적어도 하나는 상기 표면상의 위치에 의해 변하여 상기 시준되지 않은 광빔 전체에 걸쳐 입사각의 편차가 보상되는 것인 편광 빔스플리터.
2. 제1항에 있어서, 상기 평균 굴절율은 비두께 치수에서 상기 필터상의 위치에 의해 변하여 상기 광빔 전체에 걸쳐 입사각의 편차가 보상되는 것인 편광 빔스플리터.
3. 제2항에 있어서, 상기 루게이트 필터는 상기 빔의 주광선에 대해 비수직 각도로 배치되고, 상기 평균 굴절율은 다음의 관계식,

   ━ 여기서, x, y는 원점으로부터 측정된 주광선과 루게이터 필터의 교차점에서의 데카르트 좌표이고, f는 상기 원점으로부터 측정된 분산성 빔의 초점의 y 좌표이며, n_a는 주광선과 루게이트 필터의 교차점에서의 평균 굴절율이며, n_s는 광학 매질의 굴절율임 ━ 에 따라 변하는 것인 편광 빔스플리터.
4. 제2항에 있어서, 상기 평균 굴절율은 다음의 관계식,

   ━ 여기서, n_a는 상기 루게이트 필터와 광선의 교차점에서의 국부적 평균 굴절율이고, n_s는 광학 매질의 굴절율이며, θ_s는 상기 빔의 초점으로부터 측정된 광선과 상기 루게이트 필터와의 교차점에서의 입사각임 ━ 에 따라 근사적으로 변하는 것인 편광 빔스플리터.
5. 제2항에 있어서, 상기 루게이트 필터는 표면 전체에 걸쳐 거의 일정한 편광 파장 대역을 갖는 것인 편광 빔스플리터.
6. 제5항에 있어서, 상기 루게이트 필터는 비두께 치수에서의 위치와 관련하여 변하는 진폭과 함께 두께 방향에서 진동성 굴절율 변화를 가지므로써, 상기 루게이트 필터에서 거의 일정한 대역폭이 유지하는 것인 편광 빔스플리터.
7. 제6항에 있어서, 상기 진동성 굴절율 변화는 아포다이징(apodizing) 진폭 엔벨로프를 또한 갖는 것인 편광 빔스플리터.
8. 제2항에 있어서, 상기 광학 매질은 고체이며, 상기 루게이트 필터는 상기 빔의 주광선에 대해 45도 각도로 상기 고체에 매립되는 것인 편광 빔스플리터.
9. 제2항에 있어서, 상기 광학 매질은 한 쌍의 프리즘을 포함하고, 상기 한 쌍의 프리즘은 상기 프리즘의 결합된 측면 사이에 배치된 상기 루게이트 필터와 측면이 면하도록 결합되는 것인 편광 빔스플리터.
10. 제1항에 있어서, 상기 주기가 상기 표면상의 위치에 의해 변하여, 상기 시준되지 않은 광빔 전체에 걸쳐 입사각의 편차가 보상되는 것인 편광 빔스플리터.
11. 제10항에 있어서, 상기 주기는 다음의 관계식,

    ,

    ━ 여기에서, P는 상기 주기이고, λ는 상기 루게이트의 라인 중심의 통과 파장이며, θ_s(x, y)는 점(x, y)에서 루게이트와 광선과의 각도이며, n_s는 상기 광학 매질의 굴절율임 ━ 에 따라 변하는 것인 편광 빔스플리터.
12. 제11항에 있어서, 상기 광학 매질은 고체이며, 상기 루게이트 필터는 상기 광빔의 주광선과 45도 각도로 상기 고체에 매립되는 것인 편광 빔스플리터.
13. 제12항에 있어서, 상기 광학 매질은 한쌍의 프리즘을 포함하고, 상기 프리즘은 상기 프리즘의 결합된 측면 사이에 배치된 상기 루게이트 필터와 측면이 면하도록 결합되는 것인 편광 빔스플리터.
14. 제1항에 있어서, 상기 주기와 상기 평균 굴절율은 모두 상기 시준되지 않은 빔 전체에 걸쳐 입사각의 편차를 보상하도록 결정된 방식으로 상기 루게이트의 표면 전체에 걸쳐 변하는 것인 편광 빔스플리터.
15. 제14항에 있어서, 상기 주기와 상기 평균 굴절율은 다음의 관계식,

    ━ 여기서, P는 상기 주기이고, λ는 상기 루게이트의 라인 중심의 통과 파장이며, (x,y)는 상기 루게이트의 표면상에서의 위치를 나타내는 위치 좌표이며, n_a(x, y)는 각각의 점(x,y)에서 상기 루게이터의 굴절율임 ━ 에 따라 변하는 것인 편광 빔스플리터.
16. 시준되지 않은 광선의 빔을 분리하기에 적합한 루게이터 편광 빔스플리터를 제조하는 방법에 있어서,

    제1 재료는 상대적으로 굴절율이 높고, 제2 재료는 상대적으로 굴절율이 낮은 적어도 2가지 재료의 다층막을 증착하는 단계와,

    두께 치수에서 진동성의 고굴절율과 저굴절율을 갖는 표면 코팅막을 생성하도록 상기 증착된 제1 및 제2 재료의 상대량을 조절하는 단계와,

    비두께 치수에서 상기 코팅 표면상의 위치 함수로서 상기 코팅막의 평균 굴절율을 변화시켜, 분산성 광빔의 광선에 대한 입사각의 변화를 보상하는 단계를 포함하는 제조 방법.
17. 제16항에 있어서, 상기 증착 단계는 기판이 실질적으로 원호에서 스핀하는 동안 상기 기판의 표면상에 상기 재료를 증착하는 단계를 포함하고,

    상기 재료 중 적어도 하나는 상기 원호의 반경 방향에 대하여 변하는 개구를 구비한 마스크를 통해 증착되는 것인 제조 방법.
18. 제17항에 있어서, 상기 원호는 중심이 상기 기판의 표면에서 벗어나서 위치하는 것인 제조 방법.
19. 제16항에 있어서, 상기 평균 굴절율은 다음의 관계식,

    ━ 여기서, x, y는 상기 표면상에서 정의된 원점으로부터 측정된 데카르트 좌표이고, f는 상기 원점으로부터 측정된, 상기 빔의 초점의 y 좌표이며, n_a는 상기 원점에서 상기 코팅막의 평균 굴절율이며, n_s는 광학 매질의 굴절율임 ━ 에 따라 변하는 것인 제조 방법.
20. 제17항에 있어서, 상기 적어도 2가지 코팅 재료는 모두 상기 반경 방향에 대하여 변하는 개구를 가진 마스크를 통해 증착되고, 코팅막은 각 층에서 상기 재료 상대량을 변경함으로써 도포되어 진동 굴절율을 가진 코팅막이 생성되고, 상기 진동성 굴절율은 상기 분산성 빔을 위한 코팅막 전체에 걸쳐 실질적으로 일정한 통과 대역을 생성하는 함수에 따라 표면 전체에 걸쳐 변하는 진폭 엔벨로프를 갖는 것인 제조 방법.
21. 제20항에 있어서,

    아포다이징 진폭 엔벨로프가 상기 진동 굴절율에 대해 중첩되는 두께 방향에서 상기 코팅막의 진동성 굴절율을 추가 조절하는 단계를 더 포함하는 것인 제조방법.
22. 제16항에 있어서, 상기 제1 재료는 TiO₂와 Nb₂O₅로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인 제조 방법.
23. 제16항에 있어서, 상기 제2 재료는 SiO₂와 Al₂O₃로 이루어진 그룹에서 선택되는 것인 제조 방법.
24. 면하는 측면을 접하게 결합한, 평행하지 않은 입사 빔에 대한 광학 매질을 형성하는 한쌍의 프리즘과,

    상기 프리즘의 상기 결합된 측면 사이에 배치되는 루게이트 필터를 포함하고,

    상기 루게이트 필터는 상기 루게이트 필터상의 위치에 따라 변하는, 두께 방향에서의 전체 변화를 평균화한 평균 굴절율을 가지므로, 상기 입사빔의 입사각의 변화를 보상하는 것인 편광 빔스플리터.
25. 제24항에 있어서, 상기 평균 굴절율은 원뿔형으로 분산하는 입사빔을 보상하도록 변하고,

    상기 루게이트 필터는 상기 빔의 원뿔안에서 모든 광선에 대해 상기 분산하는 입사빔의 S 편광의 협파장 대역을 반사시키는 것인 편광 빔스플리터.
26. 제24항에 있어서, 상기 평균 굴절율은 원뿔형으로 분산하는 입사빔을 보상하도록 변하고,

    상기 루게이트 필터는 상기 빔의 원뿔안에서 모든 광선에 대해 상기 분산하는 입사빔의 P 편광 협파장 대역을 반사시키는 것인 편광 빔스플리터.
27. 광학 매질(물질 또는 진공)에서 광빔을 분리하는 편광 빔스플리터에 있어서,

    루게이트 필터를 포함하고,

    상기 루게이트 필터는 상기 빔이 상기 루게이트 필터내에서 평균 각도 θ로 상기 루게이트를 통과하도록 빔과의 각도로 배치되고,

    상기 평균 각도 θ는 거의 45도이며,

    상기 루게이트 필터는 상기 광학 매질의 굴절율과 일치하지 않는 평균 굴절율을 갖는 것인 편광 빔스플리터.
28. 제27항에 있어서, 상기 필터는 상기 광학 필터의 굴절율보다 더 높은 평균 굴절율을 갖는 것인 편광 빔스플리터.
29. 제27항에 있어서, 상기 필터는 상기 광학 매질의 굴절율보다 더 낮은 평균 굴절율을 갖는 것인 편광 빔스플리터.