CN101598832B - 光学元件和光学装置 - Google Patents

Abstract

提供一种光学元件，该光学元件包含由具有光学各向异性的介质制成的第一层(011)，其中，对于进入光学元件并且偏振方向相互不同的第一偏振光和第二偏振光的中心波长λ处的折射率n_h和n_l(n_h＞n_l)之间的差至少为0.1，并且其中，满足条件(n_t1-n₁)·(n₁-n_t2)≤0和n_t1＜n₁，其中，n_t1和n_t2表示在第一层的两侧与第一层光学上相邻并且由各向同性介质制成的第二层(012)和第三层(013)在中心波长处的折射率。

Description

光学元件和光学装置

技术领域

本发明涉及使用光学各向异性介质的光学元件以及使用光学元件的诸如投影仪之类的光学装置。

背景技术

利用光学各向异性的光学元件已被广泛用于偏振控制或光束分离等。例如，所述光学元件被用作由λ/4板或λ/2板代表的相位板、由偏振分离元件代表的偏振板或低通滤光器。

光学各向异性意味着折射率取决于入射偏振光的振动方向而不同的性质。利用这种性质，使得即使在光从同一方向进入的情况下，也能够使行为取决于偏振方向而不同。

具有这种光学各向异性的材料包含诸如水晶或石灰石之类的晶体材料、液晶材料和诸如塑料或高分子之类的有机材料。这种材料的光学各向异性的程度由关于偏振方向的折射率表示。

作为用于获得光学各向异性的方法，日本专利特开No.2004-139001和No.2007-156441公开了利用基于比所使用的光的波长(以下，称为使用波长)小的结构的结构各向异性的方法。

众所周知，在比使用波长小的结构中，光的行为类似于均质介质，不能直接识别该结构。在这种情况下，光表现出服从填充率的折射率。可通过被称为有效折射率方法的方法获得该折射率。折射率根据该结构的填充率取决于偏振方向而不同的性质被称为结构各向异性。任选地设定该结构的填充率使得能够调整折射率。与通常的光学各向异性材料相比，使用结构各向异性使得能够增大取决于偏振方向的折射率的差异。因此，用于获得希望的双折射特性的厚度可减小。

日本专利特开No.2004-139001公开了利用结构各向异性的相位板。在该相位板中，通过利用结构各向异性的能力以调整折射率，多个结构各向异性层(周期性结构)被组合以抑制由波长引起的相位差特性的变化。

日本专利特开No.2007-156441公开了一种光学元件，该光学元件包含在基板的一个表面中形成的面法线方向的结构各向异性层和另一表面中的面内方向的结构各向异性层。通过基于各表面的结构各向异性调整折射率并组合这些折射率，获得相位补偿板。插入抗反射涂层，以提供抗反射功能。

日本专利特开No.2004-139001公开了一个例子，其中，具有类似的周期性的低折射率材料被设置在使用高折射率的介质的结构各向异性层上。因此，由于折射率比各结构各向异性层低的材料被层叠于其上，因此，表面上的反射在一定程度上被抑制。但是，通过该配置，抗反射性能是不够的。

在日本专利特开No.2007-156441中，对于结构各向异性层设置抗反射涂层。但是，没有公开表现出抗反射功能所必需的配置。

当使用取决于偏振方向的折射率的差异大的材料时，反射-透射特性关于偏振方向大大不同。即使当设置抗反射涂层时，由于折射率的差异大，因此难以优化各偏振方向的特性。

发明内容

本发明提供利用光学各向异性并且表现出足够的抗反射性能的光学元件以及使用该光学元件的光学装置。

作为本发明的一方面的一种光学元件包含由具有光学各向异性的介质制成的第一层。进入光学元件并且偏振方向彼此不同的第一偏振光和第二偏振光在中心波长λ处的折射率n_h和n_l(n_h＞n_l)之间的差至少为0.1。满足以下的条件(1)或(2)，其中，n_t1和n_t2表示在第一层的两侧与第一层光学上相邻并且由各向同性介质制成的第二层和第三层在中心波长处的折射率：

(n_t1-n_l)·(n_l-n_t2)≤0              (1)

n_t1＜n_l

(n_t1-n_h)·(n_h-n_t2)≤0              (2)

n_t1＞n_h

从以下(参照附图)对示例性实施例的描述中，本发明的其他特征将变得清晰。

附图说明

图1是示出作为本发明的实施例的光学元件的基本配置的截面图。

图2A和图2B是各示出该实施例的光学元件的折射率和光学膜厚的视图。

图3是仅示出光学元件的基板的折射率和光学膜厚的视图。

图4是示出在基板上形成较低折射率的薄膜时的折射率结构的视图。

图5是示出在基板上形成较高折射率的薄膜时的折射率结构的视图。

图6是该实施例的包含结构各向异性层的光学元件的示意图。

图7是示出实施例1的光学元件的反射率特性的视图。

图8是示出实施例2的光学元件的反射率特性的视图。

图9是示出实施例3的光学元件的反射率特性的视图。

图10是示出实施例4的光学元件的反射率特性的视图。

图11是示出实施例5的光学元件的反射率特性的视图。

图12是示出比较例1的光学元件的反射率特性的视图。

图13是示出比较例1的光学元件的反射率特性的视图。

图14是示出使用实施例1～5中的任一个的光学元件的液晶投影仪的配置的视图。

图15是示出使用实施例1～5中的任一个的光学元件的光学拾取装置的配置的视图。

图16是示出仅包含基板的光学元件的截面图。

图17是示出包含在基板上形成的薄膜的光学元件的截面图。

图18A和图18B是各示出包含在基板上层叠的光学各向异性层和薄膜的光学元件的折射率结构的视图。

图19是示出向图1的基本配置添加插入层的实施例的光学元件的截面图。

图20A和图20B是各示出图19的光学元件的折射率结构的视图。

具体实施方式

以下将参照附图描述本发明的示例性实施例。

在描述具体实施例之前，首先将描述实施例的光学元件的共同特征。图1示出光学元件的基本配置例子。

附图标记011表示通过光学各向异性的介质形成的第一层。附图标记012和013表示由均质各向同性薄膜构成并且与第一层011相邻地在第一层011的两侧形成的第二层和第三层。附图标记014表示基板，附图标记105表示由第一层到第三层011～013构成的抗反射层(抗反射涂层)。

在以下的描述中，用于形成第一层011的光学各向异性介质是沿图中的y轴方向具有光轴的单轴各向异性材料。第一层011关于进入光学元件并沿x方向和z方向振动的光(x方向和z方向为偏振方向的第一偏振光)的中心波长(以下称为使用中心波长)的折射率被定义为n_h。沿y方向振动的光(与x方向和z方向正交的y方向为偏振方向的第二偏振光)的使用中心波长处的折射率被定义为n_l(n_h＞n_l)。在以下的描述中，折射率是使用中心波长处的折射率。两种偏振光的波长范围也可被称为使用波长。

在各实施例中，光学各向异性介质是单轴的。但是，在本发明的另一实施例的光学元件中，光学各向异性介质可以是双轴的。沿x方向和z方向振动的光的折射率可以为n_l，沿y方向振动的光的折射率可以为n_h(n_h＞n_l)。

在各实施例中，折射率n_h和n_l之间的差为0.1或更大。满足该条件使得能够减小用于获得希望的双折射特性的第一层011的厚度。第一层011的较小厚度使得第一层011能够用作干涉层。当折射率差小于0.1时，由于偏振光之间的折射率差较小，因此，厚度必须大大增大以获得希望的双折射特性。

下面，将参照图2A和图2B描述各实施例的折射率结构。在图2A和图2B中，横轴表示x方向和y方向中的每一个方向上的光学层的厚度(以下，称为光学膜厚)，纵轴表示x方向和y方向中的每一个方向上的各层的折射率。光从图右侧进入光学元件。

附图标记021和025表示第一层011沿x方向和y方向的折射率(n_h和n_l)和光学膜厚。附图标记022表示第二层012沿x方向和y方向的同一折射率和光学膜厚，附图标记023表示第三层013沿x方向和y方向的同一折射率和光学膜厚。附图标记024表示基板014沿x方向和y方向的同一折射率和光学膜厚。在图2A和图2B中，“上”和“下”分别表示从基板014的反面观察的层之间的界面处的折射率变化的“增大”和“减小”。

在第一层011中，折射率在x方向和y方向是不同的。但是，在第二层012和第三层013以及基板014中，由于它们是各向同性介质，因此，不管是什么方向折射率都是相等的。因此，光学元件具有x方向和y方向的折射率不同的总体结构。第一层011的光学膜厚也根据x方向和y方向的折射率之比而不同。

在抗反射结构中，通过在多个界面上反射入射到基板上的光，并使被视为波的反射光相互干涉，获得抗反射功能。将简要描述抗反射结构中的干涉方法。

首先，将考虑仅包含基板的光学元件。图16示出光学元件的配置例子。附图标记161表示由各向同性介质制成的基板。

图3示出该光学元件的折射率结构。在图3中，横轴表示光学膜厚，纵轴表示折射率。这同样适用于以下描述的示出其它折射率结构的图。在图3中，附图标记031表示基板161的折射率，附图标记033表示基板161和入射介质之间的界面。

光在界面033上被反射，并且，从入射介质和基板161之间的折射率差获得其反射光的波的振幅。该振幅由菲涅耳系数表示，并且，如果当从入射侧观察时界面033处的折射率变化为折射率增大，那么该振幅被设为负值，并且在折射率减小的情况下被设为正值。这种值表示在界面033上反射的光的相位变化量。

图17示出在图16的配置中设置薄膜层作为单一抗反射层的配置例子。附图标记171表示基板，附图标记172表示作为抗反射层的薄膜层。图4和图5示出该光学元件的折射率结构。附图标记041和051表示基板171的x方向和y方向的相等的折射率，附图标记042和052表示薄膜层172的x方向和y方向的相等的折射率和光学膜厚。附图标记043表示基板171和薄膜层172之间的界面，附图标记044表示入射介质和薄膜层172之间的界面，附图标记053表示基板171和薄膜层172之间的界面，附图标记054表示入射介质和薄膜层172之间的界面。

图4示出在基板和入射介质之间插入具有基板和入射介质的折射率的中间的折射率的薄膜层的配置例子。该配置中的光的反射是界面043上的反射和界面044上的反射的交迭。该交迭反射的状态由薄膜层172的光学膜厚确定。

如该例子的情况那样，当薄膜层172的两侧的界面043和044处的折射率变化均增大时，界面043和044上的反射光的波的相位变化是类似的。用于使波相互抵消的条件是λ/4的光学膜厚，增强条件是λ/2的光学膜厚。在后一种情况下，产生强度等于图3的界面033上的反射光的强度的反射光。在本例子中，描述界面043和044处的折射率变化均增大的情况。当界面处的折射率变化均减小时同样适用。

在此配置中，由于能量守恒定律，各界面上的反射光的振幅不大于图3的界面033上的反射光的振幅。鉴于波的干涉，即使在波的增强条件下，也仅产生等于图3中的反射光的量的反射光量。因此，图4的配置中的反射波总量小于图3的配置中的反射波总量。换句话说，折射率变化方向在两个界面之间相似的薄膜层变成用于“减少反射光量”的层。

图5示出在基板和入射介质之间插入折射率比基板和入射介质的折射率高的薄膜层的配置例子。

该配置中的光的反射是界面053上的反射与界面054上的反射的交迭。该交迭方法由薄膜层172的光学膜厚确定。当薄膜层172的两侧的界面053和054处的折射率变化不同，即为增大和减小时，两个界面053和054上的反射光的波的相位变化相反。用于使波相互抵消的条件是λ/2的光学膜厚，增强条件是λ/4的光学膜厚。在前一种情况下，产生强度等于图3的界面033上的反射光的强度的反射光。在本例子中，描述界面处的折射率变化是增大和减小的情况。当两个界面处的折射率变化是减小和增大时同样适用。

在此配置中，各界面上的反射光的振幅大于图3的界面033上的反射光的振幅。鉴于波的干涉，即使在波的增强条件下，也产生等于图3中的反射光的量的反射光量。因此，图5的配置中的反射波总量大于图3的配置中的反射波总量。换句话说，折射率变化方向在两个界面之间不同的薄膜层变成用于“增大反射光量”的层。

在许多情况下，通过组合两种类型的薄膜层形成抗反射层。单纯使用前一配置导致反射光的量的减少。但是，可用作抗反射层的材料是离散的和选择性的，因此，仅通过前一配置难以获得高性能的抗反射功能。因此，前一配置与后一配置的组合使得能够调整部分反射光的强度，由此通过前一情况减小反射光的强度。结果，获得高性能抗反射层(抗反射涂层)。

如上所述，鉴于波的干涉，λ/4和λ/2的光学膜厚具有相反的特性。“λ/4”的光学膜厚可由(2m+1)λ/4表示(获得相同的特性)，其中，m为自然数，“λ/2”的光学膜厚可由mλ/2表示。

基于该理论，为了减少各薄膜层的反射光，优选薄膜层的光学膜厚被设为与薄膜层的两侧之间的界面处的折射率变化相对应的膜厚。例如，当层叠具有关于基板的折射率依次降低的折射率的两个薄膜层时，薄膜层的界面处的折射率变化均为正(增大)。因此，优选这些薄膜层的光学膜厚被设为λ/4。严格地说，必须考虑从界面之间的折射率差获得的反射光的强度。但是省略描述。

当基于该理论考虑图2所示的光学元件的折射率结构时，第一层011的光学膜厚021和025在x方向和y方向之间是不同的。这是因为，即使在物理膜厚恒定时，方向之间的折射率的差异也导致方向之间的光学膜厚的差异。在这种光学元件的情况下，例如，在λ/4板的情况下，两种偏振的光学膜厚之间的差为λ/4。因此，沿偏振方向的光学膜厚为λ/4和λ/2，从而导致在抗反射结构中出现特性相反的层。

图18A和图18B示出这种情况下的折射率结构。附图标记181和185表示第一层011的x方向和y方向的折射率(n_h、n_l)和光学膜厚，附图标记182表示相当于图4的薄膜层042的第二层012的x方向和y方向的相等的折射率和光学膜厚。附图标记183表示与图5的薄膜层052相对应的第三层013的x方向和y方向的相等的折射率和光学膜厚。附图标记184表示基板014的x方向和y方向的相等的折射率和光学膜厚。

第一层011的x方向的光学膜厚181为3λ/4，y方向的光学膜厚185为λ/2。第二层012的折射率182小于第一层011的折射率181(n_h)和185(n_l)，并且第三层013的折射率183被设为基板014的折射率184和第一层011的折射率185(n_l)之间的中间值。

在x方向的配置中，两个界面上的第一层011的折射率181的折射率变化是相反的，并且，3λ/4的光学膜厚的层不适于用作抗反射层。

在y方向的配置中，两个界面上的第一层011的折射率185的折射率变化是相反的。但是，该配置在λ/2的光学膜厚处适于用作抗反射涂层的配置。换句话说，由于该配置在所有的层上都是理想的，因此抗反射性能得到大大提高。

因此，为了在x方向和y方向二者均获得良好的抗反射功能，特定的条件的必须的。

本实施例的光学元件满足由表达式(1)和(2)表达的以下条件。在这些条件表达式中，关于进入光学元件并且偏振方向相互正交的第一和第二偏振光(x偏振光和y偏振光)在使用中心波长λ处的第一层的折射率为n_h和n_l。第一层的两侧的与第一层光学上相邻的第二层和第三层的折射率为n_t1和n_t2。第一层由光学各向异性介质制成，第二层和第三层由各向同性介质制成。

短语“光学上相邻”不仅包括如图1所示的第一层到第三层在一个界面上相互接触(机械上相邻)的情况，而且包括在第一层到第三层之间保持与各层相比极薄并且具有有限的光学影响的插入层的情况。在以下的描述中，光学上相邻可被简称为相邻。

(n_t1-n_l)·(n_l-n_t2)≤0         (1)

n_t1＜n_l

(n_t1-n_h)·(n_h-n_t2)≤0         (2)

n_t1＞n_h

在图1的配置中，第一层011在x方向和y方向上具有折射率(最大折射率)n_h和折射率(最小折射率)n_l。在第一层011的两侧，第二层012和第三层013与第一层011相邻。

表达式(1)和(2)表明，第二层012和第三层013的折射率n_t1和n_t2均小于或等于第一层011的最小折射率n_l，或者大于或等于第一层011的最大折射率n_h。满足这些条件使得第一层011的界面处的折射率变化关于两种偏振光沿着相同的方向，并且第一层011的两个界面处的折射率变化相反。因此，对于两种偏振光均配置上述的“用于增大反射光量的层”。通过此层配置，用于两种偏振光的第一层011变成用于调整抗反射层015中的反射光量的层，并且，用于实际减少反射光量的层是第二层012或第三层013。

与用于减少反射光量的层相比，用于调整反射光量的层具有特性变化对于光学膜厚更加不敏感的特性。因此，采用该配置使得能够提高对于两种偏振光的反射率特性。

如果不满足该条件，那么关于偏振方向的第一层011的折射率结构对于两种偏振光中的至少一个变成用于“减少反射光量”的层。该状态不是优选的，因为反射特性从一种偏振光到另一种偏振光大大不同。

在该实施例中，在第一层011的使用中心波长λ处的最小和最大折射率n_l和n_h中，与第二层012和第三层013的折射率n_t1和n_t2具有较大差值的折射率为n，并且，第一层011的厚度为d。在这种情况下，优选满足由以下表达式(3)表示的条件。

$0.7m\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}\≤n\·d\≤1.3m\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}$ (m为自然数)                  (3)

对于表达式(3)的条件，作为例子将描述图2的折射率结构。当将n_h-n_t1、n_h-n_t2、n_l-n_t1和n_l-n_t2相互比较时，由n_h-n_t1表示的折射率差最大。因此，表达式(3)的n变成n_h。换句话说，在图2的折射率结构中，图2A的第一层011的光学膜厚021为λ/2的自然数倍。采用该折射率结构使得能够关于折射率变化将第一层011的光学膜厚021设为作为理想值的λ/2。

另一方面，在图2B的折射率结构中，没有对于折射率变化将第一层011的光学膜厚025设为理想值。但是，由于第一层011与第二层012和第三层013具有较小的折射率差，因此折射率难以增大。

以上的折射率结构可被用于使用高光学各向异性的介质的所有光学元件。例如，在λ/4板的情况下，偏振光之间的光学膜厚差为λ/4。换句话说，当第一层011的x方向和y方向的光学膜厚中的一个被设为λ/2时，另一光学膜厚变为λ/4。因此，抗反射功能在偏振方向之间具有相反的特性。但是，通过设定偏振使得第一层011的x方向和y方向的光学膜厚中的一个可被选择性地设为λ/2，能够在λ/4的光学膜厚的偏振与反射-透射特性之间实现平衡。

与λ/4板相比，当本发明被应用于使用λ/4板以外的光学各向异性介质的光学元件时，光学膜厚差对于抗反射性能具有较小的影响。因此，在所有使用光学各向异性介质的光学元件中，可以对两种偏振光改善反射-透射特性。

下面，将考虑具有n_l的折射率的第一层011的光学膜厚025被设为λ/2的情况。在这种情况下，图2B所示的折射率结构对于折射率变化是理想的结构。但是，在图2A的折射率结构中，第一层011的光学膜厚021没有对于折射率变化被设为理想值。在图2A的折射率结构中，第一层011与第二层022和第三层023的折射率差较大。结果，折射率在图2A和图2B的折射率结构之间大大不同。

在此实施例中，可在第一层011和第二层012之间以及第一层011和第三层013之间中的至少之一处设置插入层。在这种情况下，表达式(1)或(2)成立。插入层具有n_h或更大的折射率。

保持在第一层011和第二层012之间的插入层被定义为第一插入层，保持在第一层011和第三层013之间的插入层被定义为第二插入层。当第一插入层的折射率和层厚在使用中心波长处分别为n_o1和d_o1并且第二插入层的折射率和层厚分别为n_o2和d_o2时，优选满足由以下表达式(4)表示的条件。

$0\≤n_{o1}\·d_{o1}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{6}$ (4)

$0\≤n_{o2}\·d_{o2}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{6}$

图19示出包含插入层的光学元件的配置例子。附图标记191表示第一层，附图标记192表示第二层，附图标记193表示第三层。附图标记196表示设置在第一层191和第三层193之间的插入层(第二插入层)。插入层196是由均质各向同性介质制成的薄膜。附图标记194表示基板，附图标记195表示包含第一到第三层191～193和插入层196的抗反射层(抗反射涂层)。

图20A和图20B示出图19的光学元件的折射率结构。附图标记201和205表示第一层191的x方向和y方向的折射率和光学膜厚，附图标记202表示第二层192的x方向和y方向的相等的折射率和光学膜厚，附图标记203表示第三层193的x方向和y方向的相等的折射率和光学膜厚，附图标记204表示基板194的x方向和y方向的相等的折射率和光学膜厚。附图标记206表示插入层196的x方向和y方向的相等的折射率和光学膜厚。

如图20A和图20B所示，插入层196的折射率206比折射率n_h和n_l高。因此，这种情况在以上的不包含插入层196的光学元件的条件之外。但是，与其它的层相比，插入层196的光学膜厚极小，因此对于光学元件的特性的影响是有限的。换句话说，即使当设置插入层196时，第一层191和第三层193也可被视为光学上彼此相邻。当在第一层191和第二层192之间设置插入层时，同样适用。

插入层196的光学膜厚优选被设为λ/8或更小，更优选λ/10或更小。对于插入层196，使用硬涂层、防眩层或粘接剂层。

在该实施例中，第一层可以是具有通过形成多个比使用中心波长λ小的结构来实现的结构各向异性的层。

图6示出具有结构各向异性的第一层的结构例子。附图标记061表示基板，附图标记062表示具有结构各向异性的第一层。第一层062包含沿一维方向交替和周期性形成的由材料063制成的矩形格子和由与材料063不同的材料064制成的矩形格子。由材料063和064制成的格子构成比使用中心波长λ小的一个结构，并且，在第一层062中形成多个这种结构。这些结构沿x方向和z方向是均匀的，沿y方向是周期性的。附图标记a表示由材料063制成的格子的宽度，附图标记b表示由材料064制成的格子的宽度(材料063的格子之间的间隔)，a+b比使用中心波长λ小。

在比入射光的波长小的结构中，光的行为好象存在均质介质而不能直接识别结构。在图6中，第一层062用作具有均质膜和等效折射率的层，并且具有根据周期性结构的特性。

第一层062中的对于x方向为偏振方向的偏振光的折射率n_x和对于y方向为偏振方向的偏振光的折射率n_y由以下表达式(5)和(6)表示，其中，n₁表示材料063的折射率，n₂表示材料064的折射率。

$n_x=\sqrt{\frac{{\mathrm{an}}_1^2+{\mathrm{bn}}_2^2}{a+b}}---\left(5\right)$

$n_y=\sqrt{\frac{a+b}{a/n_1^2+b/n_2^2}}---\left(6\right)$

式(5)和(6)基于被称为有效折射率方法的方法。该方法可基于层的材料及其填充率ff{＝a/(a+b)}获得结构各向异性层的折射率。严格地说，结构间隔和使用波长具有影响，但是其描述被省略。

为了提供具有高各向异性的结构各向异性层，在结构各向异性层的材料(图6所示的材料063和064)之间设定大的折射率差是有效的。因此，一般地，对于材料063使用高折射率的材料，并且对于材料064使用空气。

例如，当对于材料063使用TiO₂(折射率2.3)并且对于材料064使用空气(折射率1.0)以设定a＝b时，n_x(n_h)被设为1.77，并且n_y(n_l)被设为1.30，从而获得非常大的折射率差。

实现高各向异性使得能够大大降低结构各向异性层的厚度以获得希望的相位差。例如，当结构各向异性层(第一层)062被用作λ/4板时，在550nm的使用中心波长λ处，厚度为320nm。

图6示出沿一维方向周期性排列由矩形格子构成的结构的情况。但是，可以沿二维或三维方向周期性排列这些结构。所述结构不限于矩形格子，而可以使用圆柱形或球形格子。如果结构中的一个比使用中心波长小，那么所述结构不必被周期性排列。

在该实施例中，对于具有光学各向异性的介质可使用无机材料。与有机材料相比，无机材料具有高的耐气候性和高的耐热性。通过使用这些特性，即使在用于严酷环境和温度条件下的光学元件中，也能够表现出足够的性能。

以下将结合设计值(实验值)和入射角0°处的反射率特性描述具体的实施例。在各实施例中，使用波长范围为500nm～600nm，使用中心波长为550nm。但是，这些仅是例子，本发明的实施例不限于这些条件。

[实施例1]

在实施例1中，制备具有1.53的折射率的基板，在基板的表面上层叠具有1.63的折射率和84nm的物理膜厚(以下，简称为膜厚)的薄膜(第三层)，并且，在薄膜的表面上层叠光学各向异性层(第一层)。在光学各向异性层的表面上层叠具有1.38的折射率和100nm的膜厚的薄膜(第二层)。

光学各向异性层的折射率n_x(n_h)和n_y(n_l)分别为1.92和1.80。光学各向异性层的物理膜厚为1108nm。图7示出本实施例的反射率特性。

与光学各向异性层相邻的薄膜的折射率(1.38和1.63)满足条件表达式(1)。但是，不满足条件表达式(3)。如图7所示，在550nm的波长处，对于两种偏振光(x偏振光和y偏振光)，反射率充分减小。

[实施例2]

在实施例2中，制备具有1.53的折射率的基板，在基板的表面上层叠具有1.63的折射率和84nm的膜厚的薄膜(第三层)，并且，在薄膜的表面上层叠光学各向异性层(第一层)。在光学各向异性层的表面上层叠具有1.38的折射率和100nm的膜厚的薄膜(第二层)。在光学各向异性层中，具有2.3的折射率的结构形成为比使用波长小的一维格子形状。填充率为0.85。

光学各向异性层的折射率n_x(n_h)和n_y(n_l)分别为2.16和1.80。光学各向异性层的物理膜厚为382nm。图8示出本实施例的反射率特性。

与光学各向异性层相邻的薄膜的折射率(1.38和1.63)满足条件表达式(1)。也满足条件表达式(3)。如图8所示，在550nm的波长处，对于两种偏振光，反射率充分减小。

[实施例3]

在实施例3中，制备具有2.0的折射率的基板，在基板的表面上层叠具有1.63的折射率和169nm的膜厚的薄膜(第三层)，并且，在薄膜的表面上层叠光学各向异性层(第一层)。在光学各向异性层的表面上层叠具有1.38的折射率和100nm的膜厚的薄膜(第二层)。在光学各向异性层中，具有2.5的折射率的结构形成为比使用波长小的一维格子形状。填充率为0.9。

光学各向异性层的折射率n_x(n_h)和n_y(n_l)分别为2.40和2.00。光学各向异性层的物理膜厚为344nm。图9示出本实施例的反射率特性。

与光学各向异性层相邻的薄膜的折射率(1.38和1.63)满足条件表达式(1)。也满足条件表达式(3)。如图9所示，在550nm的波长处，对于两种偏振光，反射率充分减小。

[实施例4]

在实施例4中，制备具有1.80的折射率的基板，在基板的表面上层叠具有2.00的折射率和138nm的膜厚的薄膜(第三层)，并且，在薄膜的表面上层叠光学各向异性层(第一层)。在光学各向异性层的表面上层叠具有2.00的折射率和138nm的膜厚的膜(第二层)，并且，进一步在该膜的表面上层叠具有1.38的折射率和100nm的膜厚的薄膜。光学各向异性层的折射率n_x(n_h)和n_y(n_l)分别为1.87和1.60。光学各向异性层的物理膜厚为516nm。图10示出本实施例的反射率特性。

与光学各向异性层相邻的薄膜的折射率(2.00和2.00)满足条件表达式(2)。也满足条件表达式(3)。如图10所示，对于两种偏振光，在550nm的波长处，反射率均被设为最小值。换句话说，在550nm的波长处，对于两种偏振光，反射率充分减小。

[实施例5]

在实施例5中，制备具有2.0的折射率的基板，在基板的表面上层叠具有1.63的折射率和169nm的膜厚的薄膜(第三层)，在薄膜(第三层)的表面上层叠具有2.30的折射率和10nm的膜厚的薄膜(第二插入层)，并且，在薄膜(第二插入层)的表面上层叠光学各向异性层(第一层)。在光学各向异性层的表面上层叠具有1.38的折射率和100nm的膜厚的薄膜(第二层)。光学各向异性层的折射率n_x(n_h)和n_y(n_l)分别为2.41和2.00。光学各向异性层的物理膜厚为335nm。图11示出实施例的反射率特性。

在具有10nm的膜厚的薄膜中，通过表达式(4)计算的光学膜厚(n_o2·d_o2)是极小的值23nm。光学各向异性层可因此被视为与具有1.63的折射率的薄膜光学上相邻。因此，与光学各向异性层相邻的薄膜的折射率(1.63和1.38)满足条件表达式(1)。也满足条件表达式(3)。如图11所示，对于两种偏振光，在550nm的波长处，反射率均被设为最小值。换句话说，在550nm的波长处，对于两种偏振光，反射率充分减小。

表1集中示出是否满足(○)实施例1～5的数值和条件。在表1中，^＊1表示基于表达式(4)通过假定与光学各向异性层光学上相邻的是具有1.63的折射率和169nm的膜厚的薄膜层(第三层)而实施的计算。

[表1]

以下，将描述与实施例1～5对应的比较例1和2。这些比较例不满足(×)表2的条件(1)和(2)。

(比较例1)

在比较例1中，制备具有1.80的折射率的基板，并且，在基板的表面上形成光学各向异性层(第一层)。在光学各向异性层的表面上层叠具有1.38的折射率和100nm的物理膜厚的薄膜。在光学各向异性层中，具有1.8的折射率的结构形成为比使用波长小的一维格子形状。填充率为0.80。光学各向异性层的折射率n_x和n_y分别为1.67和1.50。光学各向异性层的物理膜厚为825nm。图12示出比较例1的反射率特性。

在比较例1中，为了防止反射，在上部中层叠具有低折射率的薄膜。但是，由于折射率或膜厚的关系不合适，因此反射率(特别是550nm的波长处的反射率)在两种偏振光之间大大不同。因此，比较例1不是优选的。

(比较例2)

在比较例2中，制备具有1.53的折射率的基板，在基板的表面上层叠具有2.30的折射率和120nm的膜厚的薄膜，并且，在薄膜的表面上形成光学各向异性层(第一层)。在光学各向异性层的表面上层叠具有1.38的折射率和100nm的膜厚的薄膜。在光学各向异性层中，具有2.3的折射率的结构形成为比使用波长小的一维格子形状。填充率为0.80。光学各向异性层的折射率n_x和n_y分别为2.11和1.69。光学各向异性层的物理膜厚为325nm。图13示出比较例2的反射率特性。

在比较例2中，薄膜被层叠于光学各向异性层的两个界面上。但是，不提供抗反射功能。

[表2]

[实施例6]

以下，作为使用实施例1～5的光学元件的光学装置的例子，将描述液晶投影仪和光学拾取装置。但是，实施例的光学元件可被用于其它的光学装置。

图14示出液晶投影仪的配置。附图标记140表示光源(灯)，附图标记141r表示红光的光路，附图标记141g表示绿光的光路，附图标记141b表示蓝光的光路。附图标记142表示偏振转换元件，附图标记143表示二色镜。附图标记144表示偏振板，附图标记145表示波长选择相位板。

附图标记146i表示绿色偏振光束分离器，附图标记146p表示红色偏振光束分离器。附图标记147r、147g和147b分别表示红色、绿色和蓝色1/4λ板。附图标记148r、148g和148b分别表示红色、绿色和蓝色反射型液晶面板(图像形成元件)。附图标记149表示颜色合成棱镜，附图标记1401表示投影透镜。

来自光源140的光束通过偏振转换元件142被转换成具有特定偏振方向的光束。偏振光束通过波长选择相位板145和1/4λ板147r、147g和147b对各颜色被转换成P偏振光或S偏振光，并且被偏振光束分离器146i和146p反射或透射。由此，各颜色光通过投影透镜1401经由相应的光路被投射到诸如屏幕(未示出)之类的投影表面上以在投影表面上形成彩色图像。

实施例1～5的光学元件可被用作波长选择相位板145和1/4λ板(相位板)147r、147g和147b。

实施例1～5的光学元件由于它们的厚度可减小因此可被小型化，并且，作为用于P偏振光和S偏振光进入的相位板，可以实现高的透射率。结果，可以提供高性能的投影仪。对于光学元件的第一层使用无机材料使得能够实现具有高耐热性和高耐气候性的投影仪。

图15示出光盘光学拾取装置中的光源周围的光学系统。附图标记151表示光源(激光器)，附图标记151a表示偏振板。附图标记152表示偏振光束分离器，附图标记153和155表示会聚透镜，附图标记154和156表示光电检测器。附图标记157表示光盘，附图标记158表示相位板。

来自光源151的光束作为通过偏振板151a具有特定偏振方向的光束(P偏振光)进入偏振光束分离器152。偏振光束的一部分被偏振光束分离器152反射，以经由会聚透镜153被光电检测器154监视。

透射通过偏振光束分离器152的偏振光束经由相位板158通过会聚透镜155在光盘157上形成图像。在光盘157被光学调制的反射光通过相位板158使其偏振方向旋转90°以变成S偏振光，并且被偏振光束分离器152反射。然后，反射光被用于检测再现信号光的光电检测器156检测。

实施例1～5的光学元件可被用于相位板158。实施例1～5的光学元件由于它们的厚度可减小因此可被小型化，并且，对于进入的P偏振光和S偏振光，可实现高透射率。结果，可以提供高性能的光学拾取装置。对于光学元件的第一层使用无机层使得能够实现具有高耐热性和高耐气候性的光学拾取装置。

虽然已参照示例性实施例描述了本发明，但应理解，本发明不限于公开的示例性实施例。以下的权利要求的范围应被赋予最宽的解释，以包含所有的这些变更方式以及等同的结构和功能。

Claims (7)

1.一种光学元件，包含：

由具有光学各向异性的介质制成的第一层，

其中，所述第一层的对于进入光学元件的第一偏振光的中心波长λ处的折射率n_h和所述第一层的对于进入光学元件的第二偏振光的中心波长λ处的折射率n_l之间的差至少为0.1，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向相互不同，其中n_h＞n_l，并且，

其中，n_t1和n_t2表示在第一层的两侧与第一层光学上相邻并且由各向同性介质制成的第二层和第三层在中心波长处的折射率，n表示折射率n_h和n_l当中与第二层和第三层的折射率n_t1和n_t2的差值较大的折射率，d表示第一层的厚度，并且，m表示自然数，

其特征在于，满足以下的条件：

(n_t1-n_l)·(n_l-n_t2)≤0

n_t1＜n_l

$0.7m\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}\≤n\·d\≤1.3m\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}.$

2.一种光学元件，包含：

由具有光学各向异性的介质制成的第一层，

其中，所述第一层的对于进入光学元件的第一偏振光的中心波长λ处的折射率n_h和所述第一层的对于进入光学元件的第二偏振光的中心波长λ处的折射率n_l之间的差至少为0.1，所述第一偏振光和所述第二偏振光的偏振方向相互不同，其中n_h＞n_l，并且，

其中，n_t1和n_t2表示在第一层的两侧与第一层光学上相邻并且由各向同性介质制成的第二层和第三层在中心波长处的折射率，n表示折射率n_h和n_l当中与第二层和第三层的折射率n_t1和n_t2的差值较大的折射率，d表示第一层的厚度，并且，m表示自然数，

其特征在于，满足以下的条件：

(n_t1-n_h)·(n_h-n_t2)≤0

n_t1＞n_h

$0.7m\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}\≤n\·d\≤1.3m\·\frac{\mathrm{\λ}}{2}.$

3.根据权利要求1或2所述的光学元件，还包含被设置在第一层和第二层之间的第一插入层和被设置在第一层和第三层之间的第二插入层中的至少一个，

其中，满足以下的条件，其中在中心波长处，n_o1表示第一插入层的折射率，d_o1表示第一插入层的层厚，n_o2表示第二插入层的折射率，d_o2表示第二插入层的层厚：

$0\≤n_{o1}\·d_{o1}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{6}$

$0\≤n_{o2}\·d_{o2}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{6}.$

4.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中，所述第一层是具有通过形成多个比中心波长小的结构而获得的结构各向异性的层。

5.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中，所述第一层由无机材料制成。

6.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中，所述光学元件为相位板。

7.一种包含根据权利要求1或2所述的光学元件的光学装置。

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