CN109983378A - 光学元件和光学元件制造方法 - Google Patents

Abstract

光学元件1具备第一层(A1)和面向第一层(A1)的第二层(A2)。第一层(A1)含有光学各向异性的若干个第一结构体(B1)。来自第一层(A1的光入射到第二层(A2)后，第二层(A2)对光进行反射，并使光在入射时和反射时的偏振状态保持一致。相对于从第一层(A1)的外部入射到第一层(A1)时的光相位，第一层(A1)根据若干个第一结构体(B1)的取向方向，使从第一层(A1)向第二层(A2)射出时的光相位发生变化。相对于从第二层(A2)入射到第一层(A1)时的光相位，第一层(A1)根据若干个第一结构体(B1)的取向方向，使从第一层(A1)向第一层(A1)的外部射出时的光相位发生变化。

Description

光学元件和光学元件制造方法

技术领域

本发明涉及光学元件和光学元件制造方法。

背景技术

专利文献1中记载了一种光调制装置。光调制装置含有液晶层。液晶层含有多个液晶分子。液晶分子是向列型液晶分子。还有，光调制装置作为半波长板发挥作用，改变入射光的圆偏振方向。也就是说，左旋圆偏振光入射到光调制装置后，射出的是右旋圆偏振光。

〔专利文献〕

专利文献1：日本特开2016-173570号公报

发明内容

然而，专利文献1记载的光调制装置中，相对于液晶分子的取向方向变化量，来自液晶层的出射光的相位变化量(也就是说，相位调制量)比较小。

本发明的目的是提供光学元件和光学元件制造方法，能够相对地增大出射光的相位变化量。

根据本发明的第一观点，光学元件具备第一层和第二层，所述第二层与所述第一层相对。所述第一层含有若干个第一结构体，所述若干个第一结构体都具有光学各向异性。来自所述第一层的光入射到所述第二层后，所述第二层对所述光进行反射时使所述光在入射时和反射时的偏振状态保持一致。

本发明的光学元件优选为：相对于从所述第一层的外部入射到所述第一层时的光相位，所述第一层根据所述若干个第一结构体的取向方向，使从所述第一层向所述第二层射出时的所述光相位发生变化，相对于从所述第二层入射到所述第一层时的所述光相位，所述第一层根据所述若干个第一结构体的取向方向，使从所述第一层向所述第一层的外部射出时的所述光相位发生变化。

本发明的光学元件优选为：来自所述第一层的入射光透射通过所述第二层时，所述第二层使所述光在入射时和出射时的偏振状态保持一致。

本发明的光学元件优选为：所述第一层的延迟是3λc(2m+1)/8以上5λc(2m+1)/8以下。λc表示入射到所述第一层的光的波长，m表示零以上的整数。

本发明的光学元件优选为：m是零。

本发明的光学元件优选为进一步具备电极单元。电极单元将电压施加到所述第一结构体上，所述电压用于控制所述第一结构体的取向方向。

本发明的光学元件优选为：所述第一层含有取向方向彼此不同的若干个所述第一结构体。

本发明的光学元件优选为：所述第一层将所述第二层所反射的光射向所述第一层的外部，形成对应于所述光的物体的像。

本发明的光学元件优选为：所述第一层形成的结构体中，各所述第一结构体具有单一方向的取向秩序。

本发明的光学元件优选为：所述第二层含有若干个第二结构体，所述若干个第二结构体都是螺旋形的。

本发明的光学元件优选为：还具备第三层，所述第三层与所述第二层相对。所述第三层优选为含有若干个第三结构体，所述若干个第三结构体都具有光学各向异性。所述第二层优选为配置在所述第一层与所述第三层之间。

本发明的光学元件优选为：所述第二层含有1/4波长层和反射层。1/4波长层优选为与所述第一层相对。反射层优选为与所述1/4波长层相对，对光进行反射。所述1/4波长层的延迟优选为与光的1/4波长相同。

根据本发明的第二观点，光学元件制造方法用来制造光学元件。制造方法包含形成第一层的工序和形成第二层的工序。所述第一层含有若干个第一结构体，所述若干个第一结构体都具有光学各向异性。所述第二层对光进行反射时使所述光在入射时和反射时的偏振状态保持一致。

本发明的光学元件制造方法优选为进一步包含物体数据创建工序、第一取向数据创建工序和第二取向数据创建工序，所述物体数据创建工序中，创建表示物体的物体数据，所述第一取向数据创建工序中，基于所述物体数据创建第一取向数据，所述第一取向数据表示所述若干个第一结构体的取向方向的分布，所述第二取向数据创建工序中，基于所述第一取向数据创建第二取向数据，所述第二取向数据确定出取向层的表面结构和/或表面特性，所述取向层使所述若干个第一结构体发生取向排列。形成所述第一层的所述工序中，优选为基于所述第二取向数据来形成所述第一层。

〔发明效果〕

根据本发明，能够相对地增大出射光的相位变化量。

附图说明

图1是本发明实施方式一所涉及的光学元件的截面图。

图2是实施方式一所涉及的包含一个第一结构体和一个第二结构体的光学元件的截面图。

图3表示左旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的反射率的波长依赖性和取向角度依赖性。

图4表示左旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的反射相位的波长依赖性和取向角度依赖性。

图5表示不同波长的左旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的反射率和反射相位的取向角度依赖性。

图6表示右旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的透射率的波长依赖性和取向角度依赖性。

图7表示右旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的透射相位的波长依赖性和取向角度依赖性。

图8表示不同波长的右旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的透射率和透射相位的取向角度依赖性。

图9是第四比较例所涉及的光学元件的截面图。

图10表示右旋圆偏振光入射到第四比较例所涉及的光学元件时的反射率的波长依赖性和取向角度依赖性。

图11表示右旋圆偏振光入射到第四比较例所涉及的光学元件时的反射相位的波长依赖性和取向角度依赖性。

图12表示不同波长的右旋圆偏振光入射到第四比较例所涉及的光学元件时的反射率和反射相位的取向角度依赖性。

图13中，(a)表示左旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的反射率，(b)表示左旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的反射率的波长依赖性和取向角度依赖性，(c)表示左旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的反射相位的波长依赖性和取向角度依赖性。

图14中，(a)表示右旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的延迟和反射率，(b)表示右旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的延迟和反射相位。

图15中，(a)表示右旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的延迟和透射率，(b)表示右旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的延迟和透射相位。

图16中，(a)表示左旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的延迟和反射率，(b)表示左旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的延迟和反射相位。

图17中，(a)表示左旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的延迟和透射率，(b)表示左旋圆偏振光入射到实施方式一所涉及的光学元件时的延迟和透射相位。

图18是实施方式一所涉及的具有第一取向模式的光学元件的俯视图。

图19是实施方式一所涉及的具有第二取向模式的光学元件的俯视图。

图20是实施方式一所涉及的具有第三取向模式的光学元件的俯视图。

图21中，(a)是实施方式一所涉及的具有第四取向模式的光学元件的俯视图，(b)表示实施方式一所涉及的若干个第一结构体的取向分布。

图22是实施方式一所涉及的具有第五取向模式的光学元件的俯视图。

图23中，(a)是实施方式一所涉及的具有第六取向模式的光学元件的俯视图，(b)是实施方式一所涉及的若干个第一结构体的取向分布的俯视图。

图24是本发明实施方式二所涉及的光学元件的截面图。

图25是本发明实施方式三所涉及的光学元件的截面图。

图26中，(a)表示左旋圆偏振光入射到实施方式三所涉及的光学元件时的反射率的波长依赖性和取向角度依赖性，(b)表示左旋圆偏振光入射到实施方式三所涉及的光学元件时的反射相位的波长依赖性和取向角度依赖性。

图27中，(a)表示右旋圆偏振光入射到实施方式三所涉及的光学元件时的反射率的波长依赖性和取向角度依赖性，(b)表示右旋圆偏振光入射到实施方式三所涉及的光学元件时的反射相位的波长依赖性和取向角度依赖性。

图28是本发明实施方式四所涉及的光学元件制造装置的框图。

图29是本发明实施方式四所涉及的制造装置所执行的光学元件制造方法的流程图。

图30中，(a)、(b)是本发明实施方式五所涉及的光学元件的截面图。

图31是实施方式五所涉及的光学元件的俯视图。

图32是本发明实施方式六所涉及的光学元件的截面图。

图33是本发明的实施例所涉及的光学元件所具有的第二取向模式的俯视图。

图34是与实施例所涉及的光学元件射出的光相对应的干涉条纹。

图35是第七比较例所涉及的光学元件的截面图。

图36是与第七比较例所涉及的光学元件射出的光相对应的干涉条纹。

具体实施方式

以下，参照附图，对本发明实施方式进行说明。附图中，使用含有彼此正交的X轴、Y轴和Z轴的三维正交坐标系进行说明。Z方向(第一方向)是Z轴的正方向，X方向(第二方向)是X轴的正方向，Y方向(第三方向)是Y轴的正方向。X方向、Y方向和Z方向彼此正交。另外，在附图中，对相同或者相应的部分标上相同的附图标记，而不再重复说明。还有，为了简化附图、适当省略了表示截面的斜线。

(实施方式一)

图1是本发明实施方式一所涉及的光学元件1的截面图。如图1所示，光学元件1具备第一层A1、第二层A2、基板SB1和基板SB2。第二层A2与第一层A1相对。第一层A1具有彼此相对的第一边界面11和第二边界面12。第二层A2具有彼此相对的第三边界面13和第四边界面14。第二边界面12与第三边界面13相对。例如，第二边界面12与第三边界面13接触。第一边界面11、第二边界面12、第三边界面13和第四边界面14正交于Z方向。第一层A1和第二层A2被基板SB1和SB2夹着。第一层A1与基板SB1相对，第二层A2与基板SB2相对。第一边界面11与基板SB1相对，第四边界面14与基板SB2相对。基板SB1和基板SB2例如都是玻璃基板。

具体来说，第一层A1是液晶层，由向列型液晶形成。向列型液晶相当于向列相。因此，第一层A1形成结构体，结构体中，各第一结构体B1具有单一方向的取向秩序。

第一层A1具有厚度L1。厚度L1表示沿Z方向的厚度。第一层A1含有若干个第一结构体B1。若干个第一结构体B1形成向列型液晶。第一结构体B1都沿Z方向延伸。各第一结构体B1含有沿着Z方向相连的若干个第一要素Q1。第一要素Q1是液晶分子。第一要素Q1例如是棒状。另外，本申请的附图中，为了简化附图，限定了第一要素Q1的数量，但在各第一结构体B1中有大量第一要素Q1相连。

各第一结构体B1中，若干个第一要素Q1的取向方向是整齐的。因此，各第一结构体B1中，第一要素Q1的取向方向是第一结构体B1的取向方向。若干个第一要素Q1的取向方向整齐是指若干个第一要素Q1的取向方向大致平行，因此，不仅是若干个第一要素Q1的取向方向大致相同的情况，在大致相差180度的情况下，若干个第一要素Q1的取向方向也是整齐的。

具体来说，第一要素Q1的取向方向在时间和空间上都是波动的，因此，各第一结构体B1中，若干个第一要素Q1的取向方向整齐相当于各第一结构体B1中若干个指向矢整齐。

也就是说，本申请的附图中，为了简化附图，1个第一要素Q1代表位于与Z方向正交的1个平面内的若干个第一要素中朝向指向矢方向的第一要素。因此，各第一结构体B1中，含有第一要素Q1的若干个第一要素(以下，记载为“第一要素组”)位于与Z方向正交的1个平面内。第一要素位于平面内不限于第一要素以大致平行于平面的姿势位于平面内，也包含第一要素以相对于平面倾斜的姿势与平面交叉的情况。

其中，指向矢是指：第一要素组所含的若干个第一要素的平均取向方向的单位矢量。各第一要素组中确定一个指向矢。

还有，各第一结构体B1中，若干个第一要素组沿着Z方向排列，若干个第一要素组的指向矢是整齐的。因此，各第一结构体B1中，第一要素组的指向矢方向表示第一结构体B1的取向方向。若干个第一要素组的指向矢整齐是指若干个第一要素组的指向矢大致平行，因此，不仅是若干个第一要素组的指向矢方向大致相同的情况，在大致相差180度的情况下，若干个第一要素组的指向矢也是整齐的。

还有，各第一结构体B1中，若干个第一要素组的指向矢整齐包含沿着Z方向排列的指向矢中具有少许偏差的情况。例如，通过改变位于第一边界面11附近的第一要素组的取向方向，使其跟随位于第一边界面11附近以外的第一要素组的取向方向，在这样设置第一结构体B1的取向方向的情况下，由于取向方法的原因，第一边界面11附近的指向矢的方向与第二边界面12的附近的指向矢的方向可能有少许不同，导致指向矢沿着Z方向产生少许偏差。即使是产生了这种指向矢少许偏差的情况下，也相当于若干个第一要素组的指向矢是整齐的。

如上所述，各第一结构体B1中若干个第一要素Q1的取向方向(具体来说，若干个第一要素组的指向矢)整齐相当于：第一层A1形成结构体，结构体中，各第一结构体B1具有单一方向的取向秩序。

各第一结构体B1根据第一结构体B1的取向方向，也就是根据第一要素Q1的取向方向，相对于入射到第一结构体B1时的光相位，改变从第一结构体B1射出时的光相位。

具体来说，构成光的若干束光束分别入射到若干个第一结构体B1中。然后，若干个第一结构体B1根据取向方向，使若干束光束的相位彼此不同并将光射出。其结果，相对于入射时的光相位，出射时的光相位发生了变化。

实施方式一中，除非另有说明，若干个第一结构体B1的取向方向固定为若干个第一结构体B1的取向方向不同。不过，在光学元件1的初始状态下，若干个第一结构体B1的取向方向也可以是整齐的。然后，也可以动态控制若干个第一结构体B1的取向方向，使若干个第一结构体B1的取向方向不同。

各第一结构体B1都具有光学各向异性。也就是说，各第一结构体B1使光发生双折射。因此，各第一结构体B1使非常光与寻常光产生相位差。其结果，相对于光入射到第一结构体B1时的偏振状态，各第一结构体B1使光从第一结构体B1射出时的偏振状态发生变化。光的偏振状态相对于光的行进方向来定义。另外，例如，光学各向异性是单轴光学各向异性。

具体来说，第一要素Q1的非常光折射率为ne1，第一要素Q1的寻常光折射率为no1，则第一要素Q1的双折射率以Δn1(＝ne1-no1)表示。然后，按照双折射率Δn1，相对于入射光的偏振状态，出射光的偏振状态发生变化。因此，构成光的若干束光束分别入射到若干个第一结构体B1时，各第一结构体B1按照双折射率Δn1使光束的偏振状态发生变化。其结果，相对于入射光的偏振状态，出射光的偏振状态发生变化。光束的偏振状态相对于光的行进方向来定义。

第一层A1中，例如，全部第一要素Q1的双折射率Δn1相同。因此，若干个第一结构体B1各自射出的若干束光束的偏振状态相同。例如，将第一层A1用作半波长板时，各第一结构体B1使右旋圆偏振光的光束变为左旋圆偏振光的光束并射出。

若干个第一结构体B1各自射出的若干束光束的偏振状态相同，另一方面，若干个第一结构体B1各自射出的若干束光束的相位根据第一结构体B1各自的取向方向的不同而不同。另外，例如，若干个第一要素Q1中，双折射率Δn1也可以不同。

如上所述，相对于光从第一层A1的外部入射到第一层A1时的偏振状态，第一层A1通过若干个第一结构体B1的双折射，使光从第一层A1射向第二层A2时的偏振状态发生改变。还有，相对于光从第一层A1的外部入射到第一层A1时的偏振状态，第一层A1通过若干个第一结构体B1的双折射，使光从第一层A1射向第一层A1的外部时的偏振状态发生改变。

而且，相对于从第一层A1的外部入射到第一层A1时的光相位，第一层A1根据若干个第一结构体B1的取向方向，使从第一层A1射向第二层A2时的光相位发生变化。因此，例如，相对于从第一层A1的外部入射到第一层A1时的光波前，第一层A1能够根据若干个第一结构体B1的取向方向，使从第一层A1射向第二层A2时的光波前发生变化。还有，相对于从第二层A2入射到第一层A1时的光相位，第一层A1根据若干个第一结构体B1的取向方向，使从第一层A1射向第一层A1的外部时的光相位发生变化。因此，例如，相对于从第二层A2入射到第一层A1时的光波前，第一层A1能够根据若干个第一结构体B1的取向方向，使从第一层A1射向第一层A1的外部时的光波前发生变化。

另一方面，第二层A2对第一层A1射出的光中的一部分进行反射，使另一部分透射通过。不过，第二层A2可以对第一层A1射出的光的全部进行反射，也可以使第一层A1射出的光的全部透射通过。

第二层A2具有厚度L2。厚度L2是指沿着Z方向的厚度。实施方式一中，第二层A2是液晶层，由胆甾型液晶形成。胆甾型液晶相当于胆甾相。胆甾相是手性液晶相的一个例子。胆甾型液晶的液晶结构中，细长的液晶分子在1个平面内以长轴方向整齐的方式排列，液晶分子沿平面的法线方向以螺旋形旋转。

第二层A2由胆甾型液晶形成，因此，在对第一层A1射入的光(例如，圆偏振光)进行反射时，光在入射时与反射时的偏振状态保持一致。另一方面，第二层A2由胆甾型液晶形成，因此，使第一层A1射入的光(例如，圆偏振光)透射通过时，光在入射时与出射时的偏振状态保持一致。还有，在任意的偏振光发生入射时，偏振光被分为右旋圆偏振光成分和左旋圆偏振光成分，右旋圆偏振光成分根据胆甾型液晶的螺旋旋转方向进行反射或者透射通过，左旋圆偏振光成分根据胆甾型液晶的螺旋旋转方向进行反射或者透射通过。

本专利权利要求的范围和本说明书中，“光的偏振状态保持一致”是指实质上光的偏振状态保持一致。“实质上光的偏振状态保持一致”包含光的偏振状态严格保持一致，也包含光的偏振状态基本保持一致。例如，对光进行反射时，在光的入射前和反射后(具体来说，第一层A1中的光的去路和回路)，在光相位变化的方向相对于光的行进方向不发生变化的范围内，光的偏振状态发生了变化的情况下，光的偏振状态也是实质上保持了一致。还有，例如，使光透射通过时，在光的入射前和透射通过时(具体来说，在第一层A1中和第二层A2中)，在光相位变化的方向相对于光的行进方向不发生变化的范围内，光的偏振状态发生了变化的情况下，光的偏振状态也是实质上保持了一致。

例如，在对圆偏振光或者椭圆偏振光进行反射时，在光的入射时和反射时，圆偏振光或者椭圆偏振光的旋转方向相对于光的行进方向被保持的情况下，也就是说旋转方向不变化的情况下，光的偏振状态实质上保持了一致。透射通过的情况也是一样，在旋转方向被保持的情况下，也就是说，旋转方向不变化的情况下，光的偏振状态实质上保持了一致。

例如，在对线偏振光进行反射，在光的入射时和反射时，线偏振光被保持的情况下，也就是说，线偏振光未变成圆偏振光的情况下，光的偏振状态实质上保持了一致。透射通过的情况也是一样，线偏振光被保持的情况下，也就是说，线偏振光未变成圆偏振光的情况下，光的偏振状态实质上保持了一致。

例如，对线偏振光进行反射，在光的入射时和反射时，线偏振光的振动方向的变化小于45度的情况下，光的偏振状态实质上保持了一致。透射通过的情况也是一样。例如，线偏振光的振动方向的变化更优选为小于35度，进一步优选为小于25度，再进一步优选为小于15度，还进一步优选为小于5度。

第二层A2含有若干个第二结构体B2。若干个第二结构体B2都是螺旋形。若干个第二结构体B2形成胆甾型液晶。第二结构体B2的每一个都沿Z方向延伸。第二结构体B2的每一个都含有若干个第二要素Q2，若干个第二要素Q2沿着Z方向螺旋形旋转并堆叠。第二要素Q2是液晶分子。第二要素Q2例如是棒状。第二结构体B2的螺旋轴沿着Z方向延伸。另外，本申请的附图中，为了简化附图，限定了第二要素Q2的数量，不过在第二结构体B2的每一个中都有大量第二要素Q2相连。

具体来说，本申请的附图中，为了简化附图，1个第二要素Q2代表位于垂直于Z方向的1个平面内的若干个第二要素中朝向指向矢方向的第二要素Q2。因此，第二结构体B2的每一个中，含有第二要素Q2的若干个第二要素(以下，记载为“第二要素组”)位于垂直于Z方向的1个平面内。第二要素位于平面内不仅是指第二要素以大致平行于平面的姿势位于平面内，也包含第二要素以相对于平面倾斜的姿势与平面相交叉的情况。

还有，第二结构体B2的每一个中，若干个第二要素组沿着Z方向改变取向方向并以螺旋形排列。也就是说，第二结构体B2的每一个中，指向矢沿着螺旋轴以螺旋形进行旋转。指向矢是指：第二要素组所含的若干个第二要素的平均取向方向的单位矢量。每个第二要素组中，确定一个指向矢。

第二结构体B2各自之间具有间距p。间距p表示第二结构体B2的螺旋的1个周期。因此，第二结构体B2的螺旋的1个周期的两端中，位于一端的第二要素Q2相对于位于另一端的第二要素Q2旋转了大约360度。也就是说，位于一端的第二要素Q2的取向方向与位于另一端的第二要素Q2的取向方向是整齐的，大致平行。在垂直于Z方向的各平面内，若干个第二结构体B2中的若干个第二要素Q2的取向方向是整齐的，大致平行。也就是说，在垂直于Z方向的各平面内，相邻的第二要素Q2的取向方向是整齐的，大致平行。进一步换言之，若干个第二结构体B2的空间相位彼此相同。还有，若干个第二结构体B2的螺旋旋转方向相同。而且，若干个第二结构体B2的取向方向是固定的。另外，在垂直于Z方向的各平面内，若干个第二结构体B2中的若干个第二要素Q2的取向方向也可以不是整齐的。也就是说，若干个第二结构体B2的空间相位不限于彼此相同的情况，也可以不同。

光具有与第二结构体B2的结构的光学性质相对应的区域(选择反射带)的波长，并且具有与第二结构体B2的螺旋旋转方向一致的偏振状态时，第二结构体B2的每一个对所述光进行反射。这种光的反射有时记载为选择反射，对光进行选择反射的特性有时记载为选择反射性。还有，第二结构体B2的每一个使偏振状态与第二结构体B2的螺旋旋转方向相反的光透射通过。

具体来说，选择反射如下所述。也就是说，光具有与第二结构体B2的螺旋间距p和折射率相对应的区域的波长，并且是旋转方向与第二结构体B2的螺旋旋转方向相同的圆偏振光时，第二结构体B2的每一个对所述光进行反射。更具体来说，液晶分子相对于非常光的折射率记为ne2并且液晶分子相对于寻常光的折射率记为no2时，第二结构体B2的每一个对具有no2×p～ne2×p所示区域的波长并且旋转方向与螺旋旋转方向相同的圆偏振光进行反射。另一方面，第二结构体B2的每一个使旋转方向与第二结构体B2的螺旋旋转方向相反的圆偏振光透射通过。另外，圆偏振光可以是严格的圆偏振光，也可以是近似于椭圆偏振光的圆偏振光。

第二结构体B2的每一个在对光进行反射时，光在入射到第二结构体B2时与第二结构体B2进行反射时的偏振状态保持一致。还有，第二结构体B2的每一个在使光透射通过并射出时，光在入射到第二结构体B2时与从第二结构体B2射出时的偏振状态保持一致。

具体来说，构成光的若干束光束入射到若干个第二结构体B2的每一个中。然后，第二结构体B2的每一个在对光束进行反射时，光束在入射到第二结构体B2时与第二结构体B2进行反射时的偏振状态保持一致。还有，第二结构体B2的每一个在使光束透射通过并射出时，光束在入射到第二结构体B2时与从第二结构体B2射出时的偏振状态保持一致。“光束的偏振状态保持一致”与“光的偏振状态保持一致”的含义相同。

如上所述，第二层A2具有螺旋形的第二结构体B2。因此，偏振状态与第二结构体B2的螺旋旋转方向一致的光从第一层A1入射后，第二层A2对光进行反射。而且，第二层A2使光从第一层A1入射到第二层A2时与从第二层A2反射到第一层A1时的偏振状态保持一致。还有，偏振状态与第二结构体B2的螺旋旋转方向相反的光从第一层A1入射后，第二层A2使光透射通过。而且，第二层A2使光从第一层A1入射到第二层A2时与从第二层A2射出到第二层A2的外部时的偏振状态保持一致。

本说明书中，第一层A1的外部是指光学元件1的外部(也就是说，第一层A1的第一边界面11的外侧)，第二层A2的外部是指光学元件1的外部(也就是说，第二层A2的第四边界面14的外侧)。

还有，第一结构体B1的取向方向由第一要素Q1的取向角度或者第一要素组的指向矢的取向角度来表示。第一要素Q1的取向角度是第一要素Q1绕Z轴的旋转角度，由第一要素Q1相对于X方向的旋转角度来表示。第一要素组的指向矢的取向角度是指向矢绕Z轴的旋转角度，由指向矢相对于X方向的旋转角度来表示。沿Z方向观察第一结构体B1时，顺时针旋转的旋转角度为“+”。逆时针旋转的旋转角度为“﹣”。还有，第一结构体B1的取向方向有时记载为第一结构体B1的取向角度。

如上述参照图1进行的说明，根据实施方式一，第二层A2对光进行反射，同时光的偏振状态保持一致。因此，在第一层A1中的光的去路和回路上，光相位变化的方向相对于光的行进方向是相同的。还有，在第一层A1中的光的去路和回路上，第一层A1都使光的相位发生变化。

因此，相对于第一结构体B1的取向方向的变化量，能够使从第一层A1射出到第一层A1的外部的光(出射光)的相位变化量(也就是说，相位调制量)比较大。其结果，例如，相对于第一结构体B1的取向方向的变化，能够使从第一层A1射出到第一层A1的外部的光波前的变化比较大。

尤其是，实施方式一中，第二结构体B2是螺旋形，因此适合作为在光的偏振状态保持一致的同时对光进行反射的结构体。

具体来说，在光入射并使光透射通过及射出时，与第一比较例中只含有向列型液晶层的光学元件相比，能够实现2倍的相位变化。其理由是，第一比较例中，光只通过向列型液晶层一次，而实施方式一中，光通过第一层A1两次。

例如，在第一比较例所涉及的光学元件作为半波长板使用时，液晶分子的取向角度从零(弧度)变化到π(弧度)时，光相位从零(弧度)变化到2π(弧度)。也就是说，光相位相对于液晶分子的取向角度变化的变化率是2倍。相对于此，实施方式一中，在光学元件1作为半波长板使用时，第一结构体B1的取向角度从零(弧度)变化到π/2(弧度)时，光相位从零(弧度)变化到2π(弧度)。也就是说，光相位相对于第一结构体B1的取向角度变化的变化率是4倍。

还有，根据实施方式一，在光入射并对光进行反射时，与第二比较例中只含有胆甾型液晶层的光学元件相比，能够实现2倍的相位变化。

例如，在第二比较例所涉及的胆甾型液晶层的液晶分子的取向角度从零(弧度)变化到π(弧度)时，光相位从零(弧度)变化到2π(弧度)。也就是说，光相位相对于液晶分子的取向角度变化的变化率是2倍。相对于此，实施方式一中，将第一层A1的延迟Rd(＝Δn1×L1)设定为光的半波长时，也就是说，在第一层A1作为半波长板使用时，光相位相对于第一结构体B1的取向角度变化的变化率是4倍。半波长板使非常光与寻常光产生180度的相位差，例如使圆偏振光的旋转方向反转。

以下，本说明书中，光相位相对于第一结构体B1的取向角度变化的变化率有时记载为“相位变化率”。这种情况下的“光相位”是指：从第一层A1开始通过第一边界面11并射出到第一层A1的外部的光的相位。

还有，实施方式一中，由于能够增大光相位变化率，因此，在改变若干个第一结构体B1的取向角度进行取向排列时，能够在一定范围内使取向角度的变化量较小。也就是说，能够通过间隔大的取向模式实现期望得到的相位变化。其结果，若干个第一结构体B1的模式化变得容易，从而能够容易地制造光学元件1。例如，能够通过间隔大的取向模式实现期望得到的波前变化。

例如，第一比较例中，在X方向的一定距离D内，使液晶分子的取向角度从零(弧度)变化到π(弧度)，从而光相位从零(弧度)变化到2π(弧度)。相对于此，实施方式一中，例如，在X方向的一定距离D内，只需使第一要素Q1的取向角度从零(弧度)变化到π/2(弧度)，就能使光相位从零(弧度)变化到2π(弧度)。因此，实施方式一中，相对于第一比较例，能够使取向模式的密度为1/2。其结果，若干个第一结构体B1的模式化变得容易。取向模式的密度是指一定距离D内的取向角度的变化量。

还有，根据实施方式一，第二层A2使第一层A1射出的光发生透射并射出光。这种情况下，第二层A2射出的光已经通过了第一层A1。因此，第二层A2射出的光的相位已发生变化。其结果，光学元件1适合作为改变光相位的透射元件。

而且，根据实施方式一，第一层A1具有选择反射性。因此，通过选择入射到第一层A1的光的偏振状态(具体来说，右旋圆偏振光或者左旋圆偏振光)，能够使光学元件1只作为反射元件，也能够使光学元件1只作为透射元件。另外，也能够将具有线偏振光的光入射到第一层A1。这种情况下，透射光和反射光具有与各自特性相匹配的相位变化并射出。

而且，根据实施方式一，第一层A1含有取向方向彼此不同的若干个第一结构体B1。因此，从第一层A1射出到第一层A1的外部时的相位相对于从第一层A1的外部射入到第一层A1时的光相位发生变化。也就是说，从第一层A1射出到第一层A1的外部的光波前相对于从第一层A1的外部射入到第一层A1时的光波前不是平行的。其结果，通过改变第一结构体B1的取向方向，能够从第一层A1射出各种期望得到的波前的光。

同样地，从第二层A2射出到第二层A2的外部的光波前相对于从第一层A1的外部射入到第一层A1时的光波前不是平行的。其结果，通过改变第一结构体B1的取向方向，能够从第二层A2射出各种期望得到的波前的光。

而且，根据实施方式一，各第一结构体B1中，若干个第一要素Q1的取向方向是整齐的。也就是说，各第一结构体B1中，若干个第一要素Q1具有单一方向的取向秩序，第一结构体B1的粘性比较低。具体来说，各第一结构体B1形成向列型液晶。因此，与胆甾型液晶相比较，若干个第一结构体B1的模式化变得容易，能够容易且高精度地将若干个第一结构体B1设定为期望得到的取向模式。

而且，根据实施方式一，通过将入射到第二层A2时偏振状态(具体来说，旋转方向)与第二结构体B2的螺旋旋转方向一致的光LT2入射到第一层A1，能够高效地取出相位变化后的光LT2。例如，在将第一层A1作为半波长板使用时，将偏振状态(具体来说，旋转方向)与第二结构体B2的螺旋旋转方向相反的光LT2入射到第一层A1。

继续参照图1，举出具体例子来说明光的反射和透射。

首先，对作为例子的各种条件进行说明。光LT1通过基板SB1，相对于第一层A1的第一边界面11垂直入射。光LT1具有波前F1。光LT1含有光LT2和光LT3，光LT2在入射到第一边界面11时具有第一偏振状态，光LT3在入射到第一边界面11时具有第二偏振状态。第二偏振状态的光的旋转方向与第一偏振状态的光的旋转方向相反。也就是说，第二偏振状态的光的偏振方向与第一偏振状态的光的偏振方向正交。例如，第一偏振状态指右旋圆偏振，第二偏振状态指左旋圆偏振。光LT2具有波前F2，光LT3具有波前F3。光LT2的偏振状态由光LT2的行进方向来确定。光LT3的偏振状态由光LT3的行进方向来确定。

第一层A1作为半波长板使用。也就是说，第一层A1的延迟Rd(＝Δn1×L1)与光LT1(光LT2、光LT3)的半波长一致。因此，第一层A1使偏振状态发生变化。例如，在光的偏振状态是圆偏振的情况下，第一层A1使光的旋转方向反转。也就是说，第一层A1使光LT2的偏振状态从第一偏振状态反转为第二偏振状态，并将光LT2射出。还有，第一层A1使光LT3的偏振状态从第二偏振状态反转为第一偏振状态，并将光LT3射出。

第二层A2的若干个第二结构体B2的螺旋旋转方向是第一旋转方向或者第二旋转方向中的任一个。第二旋转方向是第一旋转方向的相反方向。在螺旋旋转方向是第一旋转方向的情况下，光LT2和光LT3中，第二层A2对偏振状态(具体指旋转方向)与第一旋转方向一致的圆偏振光进行反射，使偏振状态(具体指旋转方向)与第一旋转方向相反的圆偏振光透射通过。另一方面，在螺旋旋转方向是第二旋转方向的情况下，光LT2和光LT3中，第二层A2使偏振状态(具体指旋转方向)与第二旋转方向一致的圆偏振光进行反射，使偏振状态(具体指旋转方向)与第二旋转方向相反的圆偏振光透射通过。反射后的光LT2的相位根据第一层A1的取向角分布被空间调制，从而具有与入射光LT1不同的波前F2。透射后的光LT3的相位根据第一层A1的取向角分布被空间调制，从而具有与入射光LT1不同的波前F3。另外，例如在空间上第一层A1的取向角度没有不同分布时，波前F2和波前F3也可以与波前F1相同。

以下，在光的反射和透射的说明中，第一偏振状态指左旋转方向，第二偏振状态指右旋转方向。因此，光LT2在入射时是左旋圆偏振光，光LT3在入射时是右旋圆偏振光。也就是说，光LT1是线偏振光。还有，第二结构体B2的螺旋旋转方向是第一旋转方向，第一旋转方向是右旋转方向。因此，第二偏振状态与第一旋转方向一致，第一偏振状态与第一旋转方向相反。也就是说，第二偏振状态的旋转方向与第一旋转方向相同，第一偏振状态的旋转方向与第一旋转方向相反。

还有，为了便于理解，一个例子中，沿着Y方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向相同，沿着X方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向是线性变化。具体来说，若干个第一结构体B1的取向方向沿着X方向每次改变角度θ。

如上所述，对作为例子的各种条件进行了说明。在各种条件下，第一层A1使从第一边界面11入射到第一层A1中的光LT1透射通过，从第二边界面12将光LT1射向第二层A2。具体来说，第一层A1使光LT2的偏振状态从第一偏振状态反转为第二偏振状态并将光LT2射出。还有，第一层A1使光LT3的偏振状态从第二偏振状态反转为第一偏振状态并将光LT3射出。而且，第一层A1使入射到第一边界面11时的光LT2的相位改变角度2θ(＝2×θ)，将光LT2射出。还有，第一层A1使入射到第一边界面11的光LT3的相位改变角度“-2θ”(＝-2×θ)，将光LT3射出。其中，角度的符号是正(+)的情况表示相位延迟，负(-)的情况表示相位超前。

第二层A2在将从第一层A1的第二边界面12射出的光LT2保持偏振状态的情况下，将光LT2从第三边界面13向第一层A1的第二边界面12反射。也就是说，第二层A2在将第一层A1射出的并具有第二偏振状态的光LT2保持在第二偏振状态的情况下，将光LT2向第一层A1反射。

第一层A1使从第二边界面12入射到第一层A1的光LT2透射通过，并将光LT2从第一边界面11射向第一层A1的外部。具体来说，第一层A1使光LT2的偏振状态从第二偏振状态反转为第一偏振状态，并将光LT2射出。因此，光LT2入射到第一边界面11时的偏振状态与光LT2从第一边界面11射出时的偏振状态一致。还有，第一层A1使从第三边界面13入射到第二边界面12的光LT2的相位改变角度2θ，并将光LT2射出。

在光LT2的去路和回路中，第一层A1都使光LT2的相位改变角度2θ，再从第一边界面11射出。也就是说，第一层A1使光LT2的相位改变角度4θ(＝4×θ)。其结果，光LT2射出时，从第一边界面11射出的光LT2的波前F2相对于从第一边界面11射入的光LT2的波前F2倾斜了角度4θ。

另一方面，第二层A2使从第一层A1的第一边界面11射出的光LT3从第三边界面13透射出去，并将光LT3从第四边界面14射向第二层A2的外部。具体来说，第二层A2使光LT3的偏振状态保持一致，并将光LT3射出。也就是说，第二层A2使光LT3(光LT3从第一层A1射出并具有第一偏振状态和角度“-2θ”的相位)保持第一偏振状态并射向第二层A2的外部。其结果，光LT3以其波前F3相对于从第一边界面11射入的光LT3的波前F3倾斜了角度“-2θ”的方式从第四边界面14射出。

另外，光LT1也可以相对于第一层A1倾斜入射。还有，光LT1可以只含有光LT2，也可以只含有光LT3。

接下来，对第二结构体B2的螺旋旋转方向和圆偏振光进行定义。螺旋的右旋方向是指：在Z方向上第二要素Q2按顺时针方向以螺旋形进行旋转的方向。螺旋的左旋方向是指：在Z方向上第二要素Q2按逆时针方向以螺旋形进行旋转的方向。另一方面，右旋圆偏振光是指：朝向光的行进方向的相反方向(也就是说，朝向光源)观测某一固定点(也就是说，固定的位置)的光(也就是说，电磁波)时，通过固定点的光电场矢量随时间的变化而顺时针旋转的圆偏振光。在某一固定时间，光的偏振状态在空间上表现出右旋转方向时，光就是右旋圆偏振光。左旋圆偏振光是指：朝向光的行进方向的相反方向观测某一固定点的光时，通过固定点的光电场矢量随时间的变化而逆时针旋转的圆偏振光。在某一固定时间，光的偏振状态表现出左旋转方向时，光就是左旋圆偏振光。

接下来，使用琼斯矢量，说明第一结构体B1的取向方向改变角度“θ”时射出到第一层A1的外部的光LT2的相位改变角度“4θ”的原理。

在以下的计算中，假设光波在Z方向上传输，φ＝kz-ωt表示光波的相位的振动项。“k”是波数、“z”是Z轴上的位置、“ω”是角频率、“t”是时间变量。

本说明书中，光的偏振状态用二维列向量表示，成分M₁₁(＝1)和成分M₂₁(＝i或者-i)中，作为成分M₂₁的虚数单位“i”的符号是负(-)时表示右旋圆偏振光，正(+)时表示左旋圆偏振光。

首先，为了便于理解，对第三比较例所涉及的光学元件产生的相位变化进行说明。第三比较例所涉及的光学元件具有从图1中的光学元件1中移除了第二层A2的结构。

也就是说，第三比较例所涉及的光学元件只有第一层A1(向列型液晶)。第三比较例所涉及的第一层A1相对于波长λ的光LT1具有作为半波长板使用的延迟Rd(＝Δn1×L1)。另外，为了便于说明，在第三比较例中，也使用与实施方式一相同的附图标记进行说明。然后，适当参照图1来说明第三比较例。

如图1所示，第三比较例中，沿Z方向传输的光LT1入射到第一层A1。由此，第一结构体B1的取向方向与X方向一致时的第一层A1的琼斯矩阵M₀由式(1)给出。

【数学公式1】

还有，第一结构体B1的取向方向相对于X方向旋转了角度“θ”(以下，有时记载为“旋转角度“θ”)时的第一层A1的琼斯矩阵M由式(2)给出。

【数学公式2】

本说明书的数学公式中，“R(θ)”由式(3)表示，是指旋转角“θ”的旋转矩阵。还有，本说明书的数学公式中，“R”表示“R(0)”，“i”表示虚数单位。

【数学公式3】

光LT1的偏振状态由琼斯矢量V_in表示。从第一边界面11入射时右旋圆偏振光的光LT1的琼斯矢量V_in由式(4)表示。

【数学公式4】

其结果，从第二边界面12射出时的光LT1的琼斯矢量V_out由式(5)表示。

【数学公式5】

从式(4)和式(5)可以清楚看出，在第三比较例中，关于光LT1的偏振状态，从入射时的右旋圆偏振光变为出射时的左旋圆偏振光。

还有，第三比较例中，从第二边界面12射出时的光LT1具有与“-2θ”成比例的绝对相位。也就是说，在空间上将若干个第一结构体B1(向列型液晶)的取向方向进行模式化，使旋转角“θ”在空间上发生了变化时，每个第一结构体B1中产生了光LT1的相位变化(-2θ)，与旋转角“θ”成比例。

另一方面，从第一边界面11入射时左旋圆偏振光的光LT1的琼斯矢量V_in由式(6)表示。

【数学公式6】

其结果，从第二边界面12射出时的光LT1的琼斯矢量V_out由式(7)表示。

【数学公式7】

从式(6)和式(7)可以清楚看出，在第三比较例中，关于光LT1的偏振状态，从入射时的左旋圆偏振光变为出射时的右旋圆偏振光。

还有，第三比较例中，在左旋圆偏振光入射的情况下，从第二边界面12射出时的光LT1具有与“2θ”成比例的绝对相位。也就是说，取决于光LT1的入射时的偏振状态(右旋圆偏振光或者左旋圆偏振光)，相位的展现方式发生反转。

接下来，对实施方式一所涉及的光学元件1产生的相位变化进行说明。第一层A1(向列型液晶)相对于波长λ的光LT1具有作为半波长板使用的延迟Rd(＝Δn1×L1)。还有，沿Z方向传输的光LT1入射到第一层A1。光LT1含有光LT2和光LT3，光LT2是左旋圆偏振光，光LT3是右旋圆偏振光。第二层A2(胆甾型液晶)中，第二结构体B2的螺旋旋转方向是右旋转方向(右卷绕)。因此，第二层A2对光LT2进行反射，使光LT3透射通过。

具体来说，从第一边界面11入射时右旋圆偏振光的光LT3的琼斯矢量V_in由式(8)表示。

【数学公式8】

还有，从第二边界面12射出时的光LT3的琼斯矢量V_out由式(9)表示。

【数学公式9】

从式(9)可以清楚看出，从第二边界面12射出时的光LT3是左旋圆偏振光。因此，光LT3不是被第二层A2反射，而是从第二层A2透射通过。这种情况下，左旋圆偏振光的光LT3在第二层A2中传输时，相位和偏振状态几乎不受第二层A2的影响。

也就是说，第二层A2的第二结构体B2在右卷绕时，右旋圆偏振光的光LT3入射到光学元件1后，光LT3成为左旋圆偏振光，从第二层A2透射通过。还有，光LT3相对于表示第一结构体B1的取向方向的旋转角“θ”，具有角度“-2θ”的相位。

另一方面，从第一边界面11入射时左旋圆偏振光的光LT2的琼斯矢量V_in由式(10)表示。

【数学公式10】

还有，从第二边界面12射出时的光LT2的琼斯矢量V′_in由式(11)表示。

【数学公式11】

从式(11)可以清楚看出，从第二边界面12射出时的光LT2是右旋圆偏振光。因此，光LT2是由含有右卷绕第二结构体B2的第二层A2进行反射。另一方面，右旋圆偏振光的光LT2保持偏振状态，仅反转了传输方向，从第二边界面12进行入射。也就是说，光LT2作为朝向Z方向的相反方向的右旋圆偏振光进行入射。然后，光LT2在第一层A1中传输，再次透射通过第一层A1。

在光LT3再次透射通过第一层A1时，光LT2的传输方向是反转的，因此取向方向为角度“θ”的第一结构体B1作为取向方向为角度“π-θ”的第一结构体B1发挥作用。含有取向方向为角度“π-θ”的第一结构体B1的第一层A1的琼斯矩阵M′由式(12)表示。

【数学公式12】

还有，从第二边界面12入射时右旋圆偏振光的光LT2的琼斯矢量V′_in由式(13)表示。

【数学公式13】

还有，从第一边界面11射出时的光LT2的琼斯矢量V_out由式(14)表示。

【数学公式14】

从式(14)可以清楚看出，从第一边界面11射出时的光LT2是左旋圆偏振光。还有，光LT2在从第二边界面12射入到从第一边界面11射出的过程中，对应于第一结构体B1的取向方向的旋转角“θ”，具有角度“2θ”的相位。因此，从式(11)和式(14)可以清楚看出，光LT2相对于入射时的相位，对应于第一结构体B1的取向方向的旋转角“θ”，具有“4θ”(＝2θ+2θ)的相位。

光LT2具有角度“4θ”的相位也可以从汇总了入射→第一层A1传输→第二层A2的反射→第一层A1的再次传输→出射这一系列过程的式(15)中清楚看出。

【数学公式15】

另一方面，第二层A2的第二结构体B2的旋转方向是左旋转方向(左缠绕)的情况下，入射时的光LT2是右旋圆偏振光时，第二层A2对光LT2进行反射。

从第一边界面11入射时右旋圆偏振光的光LT2的琼斯矢量V_in由式(16)表示。

【数学公式16】

然后，根据与式(14)同样的计算，光LT2再次透射通过第一层A1，从第一边界面11射出时的光LT2的琼斯矢量V_out由式(17)表示。

【数学公式17】

从式(17)可以清楚看出，从第一边界面11射出时的光LT2是右旋圆偏振光。还有，光LT2对应于第一结构体B1的取向方向的旋转角“θ”，具有角度“-4θ”的相位。

如上所述，从式(14)和式(17)可以清楚看出，对于波长λ的光LT2，要使光LT2的相位从零(弧度)变到2π(弧度)时，只要使第一结构体B1的取向方向的旋转角“θ”从零(弧度)变到π/2(弧度)即可。

也就是说，实施方式一中，第二层A2对圆偏振光进行反射，使圆偏振光入射到第二层A2时和圆偏振光从第二层A2向第一层A1反射时的偏振状态(也就是说，圆偏振光的旋转方向)保持一致。因此，在圆偏振光的入射前和反射后，圆偏振光相位变化的方向相对于圆偏振光的行进方向没有变化。其结果，在圆偏振光的去路和回路中，第一层A1都使相位在同方向发生变化，因此能够使圆偏振光的相位相对于第一结构体B1的取向角度变化的变化率比较大。尤其是，第一层A1作为半波长板使用时，圆偏振光的相位相对于第一结构体B1的取向角度变化的变化率是4倍，因此适合作为半波长板使用。另外，在圆偏振光透射通过第二层A2时，第二层A2使圆偏振光入射到第二层A2时和圆偏振光从第二层A2透射出去时的偏振状态(即，圆偏振光的旋转方向)保持一致。

另外，按照光LT1(光LT2、光LT3)相对于第一边界面11垂直入射时的条件计算了式(1)～式(17)，但对于光LT1相对于第一边界面11倾斜入射的情况也是一样，相位特性是与式(1)～式(17)同样的相位特性。不过，反射特性取决于第一层A1的性质。

接下来，参照图2～图8，对光学元件1在一定条件下的光学特性进行说明。图2是含有一个第一结构体B1和一个第二结构体B2的光学元件1的截面图。如图2所示，基于光学元件1，执行矩阵法的计算，计算出圆偏振光入射时的反射率、透射率和相位特性。

第一结构体B1形成向列型液晶。还有，对于第二层A2的选择反射带的中心波长(608nm)，第一层A1作为半波长板使用，使圆偏振光的旋转方向发生反转。也就是说，第一层A1的延迟Rd(＝Δn1×L1)与中心波长的1/2一致。中心波长是选择反射带的中心的波长。

第一层A1的非常光折射率ne1是“1.7”，第一层A1的寻常光折射率no1是“1.5”。第一层A1的厚度L1是“1520nm”。还有，第一结构体B1的取向方向用取向角度φ表示。取向角度φ是指第一要素Q1绕Z轴的旋转角度，以第一要素Q1相对于X方向的旋转角度来表示。取向角度φ在零(弧度)以上π(弧度)以下进行变化。

第二结构体B2形成胆甾型液晶。还有，第二结构体B2的螺旋旋转方向是右旋转方向。因此，第二层A2对右旋圆偏振光进行反射，使左旋圆偏振光透射通过。

第二层A2对具有选择反射带(570nm以上646nm以下)的波长的右旋圆偏振光进行反射(具体指布拉格反射)。第二层A2的非常光折射率ne2是“1.7”，第二层A2的寻常光折射率no2是“1.5”。因此，第二层A2的双折射率Δn2(＝ne2-no2)与第一层A1的双折射率Δn1(＝ne1-no1)一致。

第二层A2的厚度L2是“7600nm”，第二结构体B2的螺旋间距p是“380nm”。还有，第二结构体B2的取向方向用取向角度φ0表示。取向角度φ0是指在第三边界面13上第二要素Q2绕Z轴的旋转角度，以第二要素Q2相对于X方向的旋转角度来表示。取向角度φ0是零(弧度)。

首先，参照图3～图5，说明左旋圆偏振光的光LT入射时的反射率和相位特性的计算结果。光LT相对于第一边界面11垂直入射。左旋圆偏振光入射到光学元件1时，第一层A1将左旋圆偏振光反转为右旋圆偏振光。因此，第二层A2对右旋圆偏振光进行反射。另外，图3和图4中的灰度等级实际上是彩色等级。

图3表示左旋圆偏振光入射到光学元件1时的反射率R的波长λ依赖性和取向角度φ依赖性。图3中，横轴是光LT的波长λ(nm)，左侧的纵轴是第一结构体B1的取向角度φ(弧度)，右侧的灰度等级是光LT的反射率R(％)。反射率R是指：从第三边界面13反射的光LT的强度相对于入射到第三边界面13的光LT的强度之比率。

如图3所示，在第一结构体B1的取向角度φ为0以上π以下的范围，第二层A2对光LT中具有选择反射带(570nm以上646nm以下)的波长λ的光(入射到第三边界面13时的右旋圆偏振光)进行反射。其原因是，入射到光学元件1的左旋圆偏振光被第一层A1反转为右旋圆偏振光。

图4表示左旋圆偏振光入射到光学元件1时的反射相位Φr的波长λ依赖性和取向角度φ依赖性。图4中，横轴是光LT的波长λ(nm)，左侧的纵轴是第一结构体B1的取向角度φ(弧度)，右侧的灰度等级是光LT的反射相位Φr(弧度)。反射相位Φr是指：从第一边界面11入射后由第三边界面13进行反射再从第一边界面11射出时的光LT的相位。

如图4所示，光LT中，具有选择反射带(570nm以上646nm以下)的波长λ的光的反射相位Φr根据第一结构体B1的取向角度φ而变化。例如，取向角度φ从0变到π/2时，波长λ为580nm的光的反射相位Φr从-π/2变到-π/2，也就是说变化2π。

图5表示不同波长的左旋圆偏振光入射到光学元件1时的反射率R和反射相位Φr的取向角度φ依赖性。图5中，横轴是第一结构体B1的取向角度φ(弧度)，左侧的纵轴是光LT的反射率R(％)，右侧的纵轴是光LT的反射相位Φr(弧度)。

还有，圆形标记R1表示光LT中波长λ为520nm的光的反射率R。圆形标记R2表示光LT中波长λ为580nm的光的反射率R。圆形标记R3表示光LT中波长λ为608nm的光的反射率R。圆形标记R4表示光LT中波长λ为640nm的光的反射率R。圆形标记R5表示光LT中波长λ为700nm的光的反射率R。

圆形标记R1～圆形标记R5各自是沿着水平方向的直线。在第一结构体B1的取向角度φ为0以上π以下的范围中，具有选择反射带波长λ的光(圆形标记R2～R4)的反射率R是100％。另一方面，具有选择反射频带外的波长λ的光(圆形标记R1、R5)的反射率R是10％以下。

还有，方形标记Φr1表示光LT中波长λ为520nm的光的反射相位Φr。方形标记Φr2表示光LT中波长λ为580nm的光的反射相位Φr。方形标记Φr3表示光LT中波长λ为608nm的光的反射相位Φr。方形标记Φr4表示光LT中波长λ为640nm的光的反射相位Φr。方形标记Φr5表示光LT中波长λ为700nm的光的反射相位Φr。

方形标记Φr1～方形标记Φr5各自是沿着斜向右上方向的斜线。例如，波长λ为608nm的光的反射相位Φr(方形标记Φr3)相对于取向角度φ的π/2变化发生了2π变化。同样地，其它波长λ的光的反射相位Φr(方形标记Φr1、Φr2、Φr4、Φr5)也相对于取向角度φ的π/2变化发生了2π变化。

接下来，参照图6～图8，说明右旋圆偏振光的光LT入射时的反射率和相位特性的计算结果。右旋圆偏振光入射到光学元件1时，第一层A1将右旋圆偏振光反转为左旋圆偏振光。因此，右卷绕的第二层A2使左旋圆偏振光透射通过，而不进行反射。另外，图6和图7中的灰度等级实际上是彩色等级。

图6表示右旋圆偏振光入射光学元件1时的透射率T的波长λ依赖性和取向角度φ依赖性。图6中，横轴是光LT的波长λ(nm)，左侧的纵轴是第一结构体B1的取向角度φ(弧度)，右侧的灰度等级是光LT的透射率T(％)。透射率是指：从第三边界面13透射通过了的光LT的强度相对于入射到第三边界面13的光LT的强度之比率。

如图6所示，在第一结构体B1的取向角度φ为0以上π以下的范围时，第二层A2使光LT1中全部范围波长λ的光(入射到第三边界面13时是左旋圆偏振光)透射通过。其原因是，入射到光学元件1的右旋圆偏振光被第一层A1反转为左旋圆偏振光。

图7表示右旋圆偏振光入射到光学元件1时的透射相位Φt的波长λ依赖性和取向角度φ依赖性。图7中，横轴是光LT的波长λ(nm)，左侧的纵轴是第一结构体B1的取向角度φ(弧度)，右侧的灰度等级是光LT的透射相位Φt(弧度)。透射相位Φt是指：从第一边界面11入射后从第三边界面13透射通过再从第四边界面14射出时的光LT的相位。

如图7所示，光LT中，全部范围波长λ的光的透射相位Φt根据第一结构体B1的取向角度φ而变化。例如，取向角度φ从0变到π时，波长λ为550nm的光的透射相位Φt从-π/2变到-π/2，也就是说变化2π(参照虚线)。

图8表示不同波长的右旋圆偏振光入射到光学元件1时的透射率T和透射相位Φt的取向角度φ依赖性。图8中，横轴是第一结构体B1的取向角度φ(弧度)，左侧的纵轴是光LT的透射率T(％)，右侧的纵轴是光LT的透射相位Φt(弧度)。

还有，圆形标记T1表示光LT中波长λ为520nm的光的透射率T。圆形标记T2表示光LT中波长λ为580nm的光的透射率T。圆形标记T3表示光LT中波长λ为608nm的光的透射率T。圆形标记T4表示光LT中波长λ为640nm的光的透射率T。圆形标记T5表示光LT中波长λ为700nm的光的透射率T。

圆形标记T1～圆形标记T5各自是沿着水平方向的直线。在第一结构体B1的取向角度φ为0以上π以下的范围中，各波长λ的光(圆形标记T1～T5)的透射率T是100％。

还有，方形标记Φt1表示光LT中波长λ为520nm的光的透射相位Φt。方形标记Φt2表示光LT中波长λ为580nm的光的透射相位Φt。方形标记Φt3表示光LT中波长λ为608nm的光的透射相位Φt。方形标记Φt4表示光LT中波长λ为640nm的光的透射相位Φt。方形标记Φt5表示光LT中波长λ为700nm的光的透射相位Φt。

方形标记Φt1～方形标记Φt5各自是沿着斜向左上方向的斜线。例如，波长λ为580nm的光的透射相位Φt(方形标记Φt2)相对于取向角度φ的π变化发生了2π变化。同样地，其它波长λ的光的透射相位Φt(方形标记Φt1、Φt3、Φt4、Φt5)相对于取向角度φ的π变化也发生了2π变化。

如上述图5和图8所示，反射相位Φr相对于取向角度φ的变化率(2π/(π/2))是透射相位Φt相对于取向角度φ的变化率(2π/π)的2倍。

接下来，参照图9～图12，说明一定条件下的第四比较例所涉及的光学元件100的光学特性。另外，图10和图11中的灰度等级实际上是彩色等级。图9是第四比较例所涉及的光学元件100的截面图。如图9所示，光学元件100具备基板101、层103和基板102。层103具有边界面106和边界面107。层103具有厚度L。层103含有1个结构体104。结构体104是螺旋形，具有间距p。结构体104含有沿着Z方向螺旋形旋转的若干个要素105。要素105是液晶分子。

基于光学元件100，执行矩阵法的计算，计算出右旋圆偏振光入射时的反射率和相位特性。

结构体104形成胆甾型液晶。还有，结构体104的螺旋旋转方向是右旋转方向。因此，层103对右旋圆偏振光进行反射，使左旋圆偏振光透射通过。

层103对具有选择反射带(570nm以上646nm以下)的波长的右旋圆偏振光进行反射。层103的非常光折射率ne2是“1.7”，层103的寻常光折射率no2是“1.5”。层103的厚度L2是“7600nm”，结构体104的螺旋间距p是“380nm”。还有，结构体104的取向方向用取向角度φ0表示。取向角度φ0是指在边界面106上要素105绕Z轴的旋转角度，以要素105相对于X方向的旋转角度来表示。取向角度φ0在0(弧度)以上π(弧度)以下发生变化。

如图9所示，右旋圆偏振光的光LT发生入射。右旋圆偏振光入射到光学元件100时，层103对右旋圆偏振光进行反射。

图10表示右旋圆偏振光入射到光学元件100时的反射率R的波长λ依赖性和取向角度φ0依赖性。图10中，横轴是光LT的波长λ(nm)，左侧的纵轴是结构体104的取向角度φ0(弧度)，右侧的灰度等级是光LT的反射率R(％)。反射率R是指：从层103反射的光LT的强度相对于入射到边界面106的光LT的强度之比率。

如图10所示，在结构体104的取向角度φ0为0以上π以下的范围，层103对光LT1中具有选择反射带(570nm以上646nm以下)的波长的光(右旋圆偏振光)进行反射。

图11表示右旋圆偏振光入射到光学元件100时的反射相位Φr的波长λ依赖性和取向角度φ0依赖性。图11中，横轴是光LT的波长λ(nm)，左侧的纵轴是结构体104的取向角度φ0(弧度)，右侧的灰度等级是光LT的反射相位Φr(弧度)。反射相位Φr是指被层103反射的光LT的相位。

如图11所示，光LT中，具有选择反射带(570nm以上646nm以下)的波长λ的光的反射相位Φr根据结构体104的取向角度φ0而变化。另外，虽然省略了图示，但在左旋圆偏振光的光LT入射时，光LT的透射相位Φt与结构体104的取向角度φ0无关。

图12表示不同波长的右旋圆偏振光入射到光学元件100时的反射率R和反射相位Φr的取向角度φ依赖性。图12中，横轴是结构体104的取向角度φ0(弧度)，左侧的纵轴是光LT的反射率R(％)，右侧的纵轴是光LT的反射相位Φr(弧度)。

还有，直线R1表示光LT中波长λ为520nm的光的反射率R。直线R2表示光LT中波长λ为580nm的光的反射率R。直线R3表示光LT中波长λ为608nm的光的反射率R。直线R4表示光LT中波长λ为640nm的光的反射率R。直线R5表示光LT中波长λ为700nm的光的反射率R。

在结构体104的取向角度φ0为0以上π以下的范围中，具有选择反射带波长λ的光(直线R2～R4)的反射率R是100％。另一方面，具有选择反射频带外的波长λ的光(直线R1、R5)的反射率R是20％以下。

还有，方形标记Φr1表示光LT中波长λ为520nm的光的反射相位Φr。方形标记Φr2表示光LT中波长λ为580nm的光的反射相位Φr。方形标记Φr3表示光LT中波长λ为608nm的光的反射相位Φr。方形标记Φr4表示光LT中波长λ为640nm的光的反射相位Φr。方形标记Φr5表示光LT中波长λ为700nm的光的反射相位Φr。

方形标记Φr1～方形标记Φr5各自是沿着斜向左上方向的斜线。例如，波长λ为700nm的光的反射相位Φr(方形标记Φr5)相对于取向角度φ0的π变化发生了2π变化。同样地，其它波长λ的光的反射相位Φr(方形标记Φr1～Φr4)相对于取向角度φ的π变化也发生了2π变化。

如上述图5和图12所示，实施方式一所涉及的光学元件1中反射相位Φr相对于取向角度φ的变化率(2π/(π/2))是第四比较例所涉及的光学元件100中反射相位Φr相对于取向角度φ0的变化率(2π/π)的2倍。

接下来，参照图1、图2和图13～图17，说明第一层A1的延迟Rd。另外，图13～图17中的灰度等级实际上是彩色等级。如图1所示，第一层A1的延迟Rd使用第一层A1的第一要素Q1的双折射率Δn1和第一层A1的厚度L1由下式表示。

Rd＝Δn1×L1

使用波长λc时，第一层A1的延迟Rd优选为3λc(2m+1)/8以上5λc(2m+1)/8以下。“m”是零以上的整数。波长λc是指：从第一层A1的外部入射到第一层A1的光的波长。

例如，光学元件1作为反射元件使用时，波长λc是能够被第二层A2选择反射的光的波长，是指第二层A2的选择反射带内的任一波长。波长λc例如是选择反射带的中心波长，但不限于中心波长。

例如，光学元件1作为透射元件使用时，波长λc是指：从第一层A1入射到第二层A2时光的偏振状态与第二结构体B2的螺旋旋转方向相反的光的波长。

延迟Rd为3λc(2m+1)/8以上5λc(2m+1)/8以下的情况下，光学元件1作为反射元件使用时，能够使波长λc的光的反射率R达到80％以上。还有，光学元件1作为透射元件使用时，能够使波长λc的光的透射率T达到80％以上。

“m”最优选为零。也就是说，第一层A1的延迟Rd最优选为3λc/8以上5λc/8以下。其理由是，与“m”为零以外的情况相比较，能够使第一层A1的厚度L1变小。还有，能够使第一层A1的厚度L1变小时，能够提高第一要素Q1的响应速度。

例如，波长λc为560nm的情况下，第一层A1的延迟Rd优选为210nm以上350nm以下。

例如，波长λc是560nm、双折射率Δn1是“0.2”的情况下，第一层A1的厚度L1优选为1050nm以上1750nm以下。

另外，波长λc由于能够作为设计光学元件1时的基准来使用，因此有时记载为“基准波长λc”。

以下，参照图2和图13～图17，在一定条件下，第一层A1的延迟Rd作为变量执行各种计算。如图2所示，基于光学元件1，执行矩阵法的计算，以延迟Rd为变量，计算出反射率R、透射率T、反射相位Φr和透射相位Φt。光LT相对于第一边界面11垂直入射。

第一结构体B1形成向列型液晶。第一层A1的非常光折射率ne1是“1.7”，第一层A1的寻常光折射率no1是“1.5”。

在计算图13中的反射率R和反射相位Φr时，第一层A1的厚度L1是“1400nm”。也就是说，第一层A1的延迟是280nm，使第一层A1作为半波长板发挥作用。

在计算图14～图17中的反射率R、透射率T、反射相位Φr和透射相位Φt时，使第一层A1的厚度L1在25nm以上5600nm以下的范围内以25nm为单位进行变化。这种情况下，光LT的波长λ固定为第二层A2的选择反射带(525nm以上595nm以下)的中心波长λa(＝560nm)。还有，第一结构体B1的取向方向用取向角度φ表示。配向角度φ在0(弧度)以上π(弧度)以下的范围以π/90(弧度)为单位进行变化。

第二结构体B2形成胆甾型液晶。还有，第二结构体B2的螺旋旋转方向是右旋转方向。因此，第二层A2对右旋圆偏振光进行反射，使左旋圆偏振光透射通过。

第二层A2对具有选择反射带(525nm以上595nm以下)的波长的右旋圆偏振光进行反射。中心波长λa是560nm。第二层A2的非常光折射率ne2是“1.7”，第二层A2的寻常光折射率no2是“1.5”。第二层A2的厚度L2是“7000nm”，第二结构体B2的螺旋间距p是“350nm”。还有，第二结构体B2的取向方向用取向角度φ0表示。取向角度φ0是0(弧度)。

图13(a)表示左旋圆偏振光的光LT入射到光学元件1时的反射率R。图13(a)中，横轴是光LT的波长λ，纵轴是反射率R。如图13(a)所示，在选择反射带(525nm以上595nm以下)，左旋圆偏振光的反射率R约为100％。中心波长λa是560nm。该例子中，取向角度φ是0(弧度)。另外，由于第一层A1使圆偏振光的旋转方向发生反转，因此，在入射到第二层A2时，左旋圆偏振光已被反转为右旋圆偏振光。

图13(b)表示左旋圆偏振光的光LT入射到光学元件1时的反射率R的波长λ依赖性和取向角度φ依赖性。图13(b)中，横轴是光LT的波长λ(nm)，左侧的纵轴是第一结构体B1的取向角度φ(弧度)，右侧的灰度等级是光LT的反射率R(％)。

如图13(b)所示，在第一结构体B1的取向角度φ为0以上π以下的范围时，第二层A2对光LT1中具有选择反射带(525nm以上595nm以下)的波长λ的光(入射到第三边界面13时的右旋圆偏振光)进行反射。其原因是，入射到光学元件1的左旋圆偏振光被第一层A1反转为右旋圆偏振光。

图13(c)表示左旋圆偏振光的光LT入射到光学元件1时的反射相位Φr的波长λ依赖性和取向角度φ依赖性。图13(c)中，横轴是光LT的波长λ(nm)，左侧的纵轴是第一结构体B1的取向角度φ(弧度)，右侧的灰度等级是光LT的反射相位Φr(弧度)。

如图13(c)所示，光LT中，具有选择反射带(525nm以上595nm以下)的波长λ的光的反射相位Φr根据第一结构体B1的取向角度φ而变化。

图14(a)表示右旋圆偏振光的光LT入射时的反射率R的取向角度φ依赖性和延迟Rd依赖性。图14(b)表示右旋圆偏振光的光LT入射时的反射相位Φr的取向角度φ依赖性和延迟Rd依赖性。图14(a)和图14(b)中，横轴是第一结构体B1的取向角度φ，左侧的纵轴是延迟Rd。图14(a)中，右侧的灰度等级是反射率R，图14(b)中，右侧的灰度等级是反射相位Φr。

如图14(a)所示，在延迟Rd为0(弧度)以上λ/8(弧度)以下的范围，反射率R是80％以上。还有，在延迟Rd为7λ/8(弧度)以上λ(弧度)以下的范围，反射率R是80％以上。

另一方面，如图14(b)所示，在延迟Rd为0(弧度)以上λ/8(弧度)以下的范围，反射相位Φr与取向角度φ无关。还有，在延迟Rd为7λ/8(弧度)以上λ(弧度)以下的范围，反射相位Φr与取向角度φ无关。

图15(a)表示右旋圆偏振光的光LT入射时的透射率T的取向角度φ依赖性和延迟Rd依赖性。图15(b)表示右旋圆偏振光的光LT入射时的透射相位Φt的取向角度φ依赖性和延迟Rd依赖性。图15(a)和图15(b)中，横轴是第一结构体B1的取向角度φ，左侧的纵轴是延迟Rd。图15(a)中，右侧的灰度等级是透射率T，图15(b)中，右侧的灰度等级是透射相位Φt。

如图15(a)所示，在延迟Rd为3λ/8(弧度)以上5λ/8(弧度)以下的范围，透射率T是80％以上。

另一方面，如图15(b)所示，在延迟Rd为3λ/8(弧度)以上5λ/8(弧度)以下的范围，透射相位Φt依赖于取向角度φ。具体来说，在这样的范围，相对于取向角度φ的π(弧度)变化(参照图中的虚线)，透射相位Φt变化2π。

图16(a)表示左旋圆偏振光的光LT入射时的反射率R的取向角度φ依赖性和延迟Rd依赖性。图16(b)表示左旋圆偏振光的光LT入射时的反射相位Φr的取向角度φ依赖性和延迟Rd依赖性。图16(a)和图16(b)中，横轴是第一结构体B1的取向角度φ，左侧的纵轴是延迟Rd。图16(a)中，右侧的灰度等级是反射率R，图16(b)中，右侧的灰度等级是反射相位Φr。

如图16(a)所示，在延迟Rd为3λ/8(弧度)以上5λ/8(弧度)以下的范围，反射率R是80％以上。

另一方面，如图16(b)所示，在延迟Rd为3λ/8(弧度)以上5λ/8(弧度)以下的范围，反射相位Φr依赖于取向角度φ。具体来说，在这样的范围，相对于取向角度φ的π/2(弧度)变化(参照图中的虚线)，反射相位Φr变化2π。

图17(a)表示左旋圆偏振光的光LT入射时的透射率T的取向角度φ依赖性和延迟Rd依赖性。图17(b)表示左旋圆偏振光的光LT入射时的透射相位Φt的取向角度φ依赖性和延迟Rd依赖性。图17(a)和图17(b)中，横轴是第一结构体B1的取向角度φ，左侧的纵轴是延迟Rd。图17(a)中，右侧的灰度等级是透射率T，图17(b)中，右侧的灰度等级是透射相位Φt。

如图17(a)所示，在延迟Rd为0(弧度)以上λ/8(弧度)以下的范围，透射率T是80％以上。还有，在延迟Rd为7λ/8(弧度)以上λ(弧度)以下的范围，透射率T是80％以上。

另一方面，如图17(b)所示，在延迟Rd为3λ/8(弧度)以上5λ/8(弧度)以下的范围，透射相位Φt与取向角度φ无关。还有，在延迟Rd为7λ/8(弧度)以上λ(弧度)以下的范围，透射相位Φt与取向角度φ无关。

在目的是对入射到光学元件1的光的波前进行变换并利用变换后的波前时，优选为光在第二层A2的反射率较高。另一方面，在利用光学元件1来实现对三维物体的波前进行高精度呈现的全息光学元件时，优选为不仅仅对光的复振幅(即相位)进行调制，也对反射光强度进行调制。

具体来说，从图16可以清楚看出，通过在空间上分别改变第一层A1的若干个第一结构体B1的取向角度φ和延迟Rd，能够控制反射相位Φr和反射率R这两者。例如，第一要素Q1的取向方向不限于垂直Z轴的面内，通过向面外进行取向，能够在空间上改变延迟Rd。也就是说，通过使第一要素Q1的取向方向相对于垂直Z轴的面倾斜，能够在空间上改变延迟Rd。这种情况下，也可以通过使用将第一要素Q1的取向方向朝向面外的取向膜，或者通过施加电压将第一要素Q1的取向方向朝向面外，动态地控制延迟Rd。

在此，参照图1，对可添加到光学元件1中的结构的一个例子进行说明。在第一层A1与第二层A2之间，可以配置有助于液晶取向的介质，也可以配置绝缘性或导电性的薄膜。还有，在基板SB1与第一层A1之间，可以配置有助于液晶取向的介质，也可以配置电极，还可以配置绝缘性或导电性的薄膜。而且，在基板SB2与第二层A2之间，可以配置有助于液晶取向的介质，也可以配置电极，还可以配置绝缘性或导电性的薄膜。

有助于液晶取向的介质例如是聚酰亚胺。绝缘性的薄膜例如是聚合物。导电性的薄膜例如是ITO(铟锡氧化物：Indium Tin Oxide)。

接下来，参照图1和图18～图23，以具体例子说明第一层A1的若干个第一结构体B1的取向模式。第一层A1含有彼此取向方向不同的若干个第一结构体。其结果，若干个第一结构体B1可以得到线性取向模式或者非线性取向模式。线性取向模式是指：若干个第一结构体B1的取向方向线性变化的模式。“线性变化”例如是指：第一结构体B1的取向方向的变化量由一次函数表示。非线性模式是指：若干个第一结构体B1的取向方向非线性变化的模式。“非线性变化”例如是指：第一结构体B1的取向方向的变化量由N次函数表示。“N”是2以上的整数。

图18和图19表示线性取向模式的一个例子，即实施方式一所涉及的第一取向模式和第二取向模式。图20～图23表示非线性取向模式的一个例子，即实施方式一所涉及的第三取向模式～第六取向模式。图18～图23中，为了简化附图，省略了基板SB1，示出了第一边界面11。还有，沿着Z方向观察光学元件1。

(第一取向模式)

参照图1和图18，对第一取向模式进行说明。图18是具有第一取向模式的光学元件1的俯视图。如图18所示，若干个第一结构体B1以第一取向模式排列。具体来说，若干个第一结构体B1沿着X方向和Y方向排列。还有，若干个第一结构体B1中，沿着X方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向沿着X方向发生线性变化。具体来说，若干个第一结构体B1的取向方向以一定角度进行变化。

另一方面，若干个第一结构体B1中，沿着Y方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向是整齐的。

以第一取向模式配置若干个第一结构体B1时，从第一边界面11射出的光LT2的波前F2相对于入射到第一边界面11的光LT2的波前F2是倾斜的，具有线性渐变。例如，若干个第一结构体B1的取向方向相对于X方向每次变化角度θ的情况下，光LT2的出射时的波前F2相对于入射时的波前F2的倾斜角度是4θ。第一取向模式中，以波前F2具有线性渐变的方式使若干个第一结构体B1的取向方向发生变化。

根据实施方式一，以第一取向模式配置若干个第一结构体B1时，能够使光LT2的波前F2发生倾斜而射出。也就是说，能够使光LT2发生偏转而射出。其结果，例如光学元件1能够用作圆偏振光分束器或者光隔离器。

以下，本说明书中，取向方向沿着一定方向变化180度时的2个第一结构体B1之间隔定义为第一结构体B1的周期T。因此，在某一周期T的终点，取向方向以180度表示，在下一周期T的起点，取向方向以0度表示。其中，由于某一周期T的终点是下一周期T的起点，因此某一周期T的终点的第一结构体B1的取向方向与下一周期T的起点的第一结构体B1的取向方向相同。第一取向模式中，第一结构体B1的取向方向相对于X方向从0度变化到180度时，两端的第一结构体B1之间隔是第一结构体B1的周期T。第一取向模式下的第一结构体B1的周期T记载为“周期T1”。

另外，从第二层A2射出到外部的光LT3的波前F3相对于入射到第一边界面11的光LT3的波前F3也是倾斜的，根据第一取向模式，具有与入射到第二层A2时的光LT3的相位相对应的线性渐变。

(第二取向模式)

参照图1和图19，对第二取向模式进行说明。第二取向模式中，与第一取向模式不同的是第一结构体B1的周期T较短。以下，主要说明第二取向模式中与第一取向模式的不同之处。

图19是具有第二取向模式的光学元件1的俯视图。如图19所示，光学元件1中，第二取向模式下的第一结构体B1的周期T(以下，记载为“周期T2”)是第一取向模式下的周期T1的约1/2。因此，以第二取向模式配置若干个第一结构体B1时，出射时的波前F2相对于入射时的波前F2的倾斜角度是第一取向模式下的波前F2的倾斜角度的约2倍。第二取向模式中，以波前F2具有线性渐变的方式使若干个第一结构体B1的取向方向发生变化。

如上述参照图18和图19进行的说明，根据实施方式一，通过调整若干个第一结构体B1的周期T，能够容易地调整光LT2的波前F2的倾斜角度。也就是说，能够容易地调整光LT2的偏转方向。使周期T越大时，能够使波前F2的倾斜角度越小，使周期T越小时，能够使波前F2的倾斜角度越大。还有，光学元件1也可以含有3个以上的多个周期T。

另外，从第二层A2射出到外部的光LT3的波前F3相对于入射到第一边界面11的光LT3的波前F3也是倾斜的，根据第二取向模式，具有与入射到第二层A2时的光LT3的相位相对应的线性渐变。

(第三取向模式)

参照图1和图20，对第三取向模式进行说明。第三取向模式中，在射出到外部时的光LT2的波前F2是曲面这一点上与波前F2是平面的第一取向模式不同。以下，主要说明第三取向模式中与第一取向模式的不同之处。

图20是具有第三取向模式的光学元件1的俯视图。如图20所示，若干个第一结构体B1以第三取向模式排列。具体来说，若干个第一结构体B1沿着X方向和Y方向排列。还有，若干个第一结构体B1中，沿着X方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向沿着X方向发生非线性变化。具体来说，第一结构体B1的取向方向的变化量以二次函数来表示。例如，第一结构体B1的取向方向相对于X方向以角度θ0→角度θ1→角度θ2→角度θ3→角度θ4发生变化(θ0＜θ1＜θ2＜θ3＜θ4)。还有，第一结构体B1的取向方向的变化量相对于X方向是(θ1-θ0)、(θ2-θ1)、(θ3-θ2)、(θ4-θ3)。也就是说，第一结构体B1的取向方向的变化量相对于X方向逐渐增大。

如上所述，根据实施方式一，以第三取向模式配置若干个第一结构体B1时，从第一边界面11射出的光LT2的波前F2含有曲面。也就是说，第三取向模式中，以波前F2含有曲面的方式使若干个第一结构体B1的取向方向发生变化。

另外，根据第三取向模式，从第二层A2向外部射出的光LT3的波前F3也含有与入射到第二层A2时的光LT3的相位相对应的曲面。

(第四取向模式)

参照图1和图21，对第四取向模式进行说明。第四取向模式中，与第三取向模式不同的是射出到外部时的光LT2的波前F2为线对称的曲面。以下，主要说明第四取向模式中与第三取向模式的不同之处。

也就是说，若干个第一结构体B1以第四取向模式排列。具体来说，若干个第一结构体B1以相对于第一层A1的对称轴AX1对称的方式以对称轴AX1为中心配置成放射状。对称轴AX1与Z方向大致平行。也就是说，若干个第一结构体B1的取向方向相对于对称轴AX1对称。

图21(a)是具有第四取向模式的光学元件1的俯视图。图21(a)中，沿着Z方向观察光学元件1时，第一结构体B1的取向方向以第一要素Q1的旋转角度来表示。还有，图21(a)中，0度的旋转角度以黑色表示，180度的旋转角度以白色表示。在0度和180度之间，以不同浓度的灰色表示。灰色越浓时，表示越接近0度的值，灰色越淡时，表示越接近180度的值。

图21(b)表示若干个第一结构体B1的取向分布。纵轴是第一要素Q1的旋转角度，横轴是第一层A1中沿着放射方向RD的位置。放射方向RD是与第一层A1的对称轴AX1大致垂直的方向，朝向离开对称轴AX1的方向。放射方向RD只要与对称轴AX1大致垂直并朝向离开对称轴AX1的方向即可，可以是360度中的任意方向。

如图21(a)和图21(b)所示，沿着放射方向RD排列的若干个第一要素Q1的旋转角度是不同的。也就是说，沿着放射方向RD排列的若干个第一结构体B1的取向方向不同。

具体来说，若干个第一要素Q1的旋转角度分布相对于对称轴AX1对称，为同心圆状。还有，若干个第一要素Q1的旋转角度沿着放射方向RD锯齿状变化。第一结构体B1的周期T的每一个中，第一要素Q1的旋转角度随着从对称轴AX1朝向放射方向RD以曲线状从0度变化到180度。例如，旋转角度以抛物线状(也就是说，二次函数)发生变化。另外，若干个第一要素Q1的旋转角度也可以在第一结构体B1的半个周期(T/2)中锯齿状变化。这种情况下，半周期的每一个中，第一要素Q1的旋转角度随着从对称轴AX1朝向放射方向RD以曲线状从0度变化到90度，或者从90度变化到180度。

第四取向模式中，第一结构体B1的周期T随着从对称轴AX1朝向放射方向RD一级一级地变小。周期T越大时，第一要素Q1的旋转角度的变化梯度越小，周期T越小时，第一要素Q1的旋转角度的变化梯度越大。

如图21(a)和图21(b)所示，使若干个第一要素Q1的旋转角度发生变化，也就是说使第一结构体B1的取向方向发生变化，因此射出到外部时的光LT2的波前F2含有相对于对称轴AX1对称的曲面。也就是说，第四取向模式中，以波前F2含有相对于对称轴AX1对称的曲面的方式使若干个第一结构体B1的取向方向发生变化。曲面是朝向光LT2的入射方向的相反方向(Z方向的相反方向)的凸状。曲面例如是圆顶形或者切去头部的圆顶形。

如上所述，根据实施方式一，以第四取向模式配置若干个第一结构体B1时，射出到外部时的光LT2的波前F2含有朝向光LT2的入射方向的相反方向为凸状的曲面。因此，能够对光LT2进行扩散。其结果，例如光学元件1能够用作全息元件。还有，光学元件1能够用作凹透镜。还有，波前F2相对于对称轴AX1对称。因此，能够将光LT2以对称轴AX1为中心均匀地扩散。

还有，根据实施方式一，通过调整第一结构体B1的周期T，能够容易地调整光LT2的扩散范围(也就是说，光LT2扩展的范围)。周期T越大时波前F2的曲率半径越大，因此能够缩小光LT2的扩散范围，周期T越小时波前F2的曲率半径越小，因此能够扩大光LT2的扩散范围。例如，由于能够容易地调整光LT2的扩散范围(即视角特性)，因此光学元件1适合用在显示器中。

而且，根据实施方式一，若干个第一要素Q1的旋转角度沿着放射方向RD以锯齿状发生变化。因此，能够更有效地对光LT2进行扩散。

另外，对称轴AX1也可以相对于Z方向是倾斜的。这种情况下，射出到外部时的波前F2的朝向发生变化，因此能够使光LT2发生偏转并进行扩散。还有，以波前F2所含的曲面朝向光LT2的入射方向(Z方向)弯曲为凸状的方式，使若干个第一结构体B1的取向方向发生变化也是可以的。这种情况下，出射时的光LT2是会聚的。其结果，光学元件1能够用作凸透镜。还有，周期T越大时波前F2的曲率半径越大，因此能够使光LT2的焦点距离变长，周期T越小时波前F2的曲率半径越小，因此能够使光LT2的焦点距离变短。

还有，根据第四取向模式，从第二层A2向外部射出的光LT3的波前F3也含有与入射到第二层A2时的光LT3的相位相对应的曲面。

(第五取向模式)

参照图1和图22，对第五取向模式进行说明。第五取向模式中，与第一取向模式不同的是出射时的光LT2的波前F3为凹凸状。以下，主要说明第五取向模式中与第一取向模式的不同之处。

图22是具有第五取向模式的光学元件1的俯视图。如图22所示，若干个第一结构体B1沿着X方向和Y方向排列。还有，若干个第一结构体B1中，沿着X方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向是不规则变化的。还有，若干个第一结构体B1中，沿着Y方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向是不规则变化的。因此，射出到外部时的光LT2的波前F2具有凹凸形状。也就是说，第五取向模式中，以波前F2具有凹凸形状的方式使若干个第一结构体B1的取向方向发生变化。

如上所述，根据实施方式一，以第五取向模式配置若干个第一结构体B1时，波前F2具有凹凸形状。因此，不依赖于光LT2的入射角，都能够根据凹凸形状对光LT2进行扩散。也就是说，通过以细微的周期使各第一结构体B1的取向方向发生变化，不依赖于光LT2的入射角，就能够对光LT2进行扩散。例如，光学元件1能够用作无视角特性的光反射元件或显示屏，也能够用于识别真实性。

还有，以被第二层A2反射的光LT2的波长区域为近红外线波长区域的方式，形成第二层A2。也就是说，以反射的光LT2的波长区域为近红外线波长区域的方式，来设定第二结构体B2的间距p、折射率ne2和折射率no2。这种情况下，光学元件1例如能够有效地对热射线(例如，太阳光)进行反射。因此，例如能够有效地用作热射线反射元件。近红外线波长区域例如是0.75μm以上1.4μm以下的范围。

而且，通过使波前F2具有凹凸形状，抑制光学元件1的光泽，从而能够提供具有亚光色的光学元件1。还有，通过以细微的周期使各第一结构体B1的取向方向发生变化来形成凹凸形状的波前F2，能够再现闪蝶鳞片的光反射原理。

另外，根据第五取向模式，从第二层A2向外部射出的光LT3的波前F3也具有与入射到第二层A2时的光LT3的相位相对应的凹凸形状。

(第六取向模式)

参照图1和图23，对第六取向模式进行说明。第六取向模式中，与第三取向模式不同的是波前F2形成螺旋面。以下，主要说明第六取向模式中与第三取向模式的不同之处。

图23(a)是具有第六取向模式的光学元件1的俯视图。如图23(a)所示，若干个第一结构体B1的取向方向绕规定点PP变化2π(弧度)。具体来说，若干个第一要素Q1绕规定点PP旋转2π(弧度)。

因此，射出到外部时的光LT2的波前F2含有螺旋面。也就是说，光LT2作为涡旋光射出。涡旋光是指：具有奇点且等相面形成螺旋面的光。在奇点，光强度是0。奇点相当于规定点PP。另外，若干个第一结构体B1的取向方向变化2π(弧度)时，光的相位变化8π。

图23(b)是若干个第一结构体B1的取向分布的俯视图。图23(b)中的旋转角度图示方式与图21(a)中的旋转角度图示方式相同。如图23(b)所示，若干个第一要素Q1的旋转角度绕规定点PP变化2π。

不过，若干个第一要素Q1的旋转角度也可以绕规定点PP变化nπ(弧度)。n是1以上的整数。也就是说，若干个第一结构体B1的取向方向也可以绕规定点PP变化nπ(弧度)。另外，若干个第一结构体B1的取向方向变化nπ(弧度)时，光的相位变化4nπ。

通过使若干个第一结构体B1的取向方向绕规定点PP变化nπ(弧度)，从而出射时的光LT2的波前F2含有螺旋面。也就是说，光LT2作为涡旋光射出。

如上所述，根据实施方式一，以第六取向模式配置若干个第一结构体B1时，射出到外部时的光LT2的波前F2含有螺旋面。因此，能够将光LT2作为涡旋光射出。其结果，能够利用光学元件1通过简单结构的光学系统生成涡旋光。例如，涡旋光用于激光加工或者显微镜下的细胞操作，因此光学元件1能够适合用在这些领域中。

另外，根据第六取向模式，从第二层A2向外部射出的光LT3的波前F3也含有与入射到第二层A2时的光LT3的相位相对应的螺旋面。因此，能够将光LT3作为涡旋光射出。

(实施方式二)

参照图24，对本发明实施方式二所涉及的光学元件1X进行说明。实施方式二所涉及的光学元件1X中，与实施方式一不同的是具备反射基板SBR来替换实施方式一的第二层A2和基板SB2(图1)。以下，主要说明实施方式二中与实施方式一的不同之处。

图24是实施方式二所涉及的光学元件1X的截面图。如图24所示，光学元件1X的结构与实施方式一所涉及的光学元件1的结构基本相同。不过，光学元件1X具备反射基板SBR来替换实施方式一的第二层A2和基板SB2。反射基板SBR作为实施方式二所涉及中相对于第一层A1的第二层发挥作用。

反射基板SBR对入射的光进行反射。反射基板SBR例如对入射的光进行镜面反射。反射基板SBR例如是合成树脂镜子、金属镜子、电介质反射镜或者玻璃镜子。电介质反射镜例如是电介质多层膜反射镜。

继续参照图24，使用具体例子说明光的反射和透射。

光LT1通过基板SB1，相对于第一层A1的第一边界面11垂直入射。另外，光LT1也可以相对于第一层A1倾斜入射。光LT1含有光LT2或者光LT3的任一个。光LT2具有第一偏振状态(例如，左旋圆偏振光)，光LT3具有第二偏振状态(例如，右旋圆偏振光)。

首先，说明比较例，即第一层A1作为半波长板时的光的反射和透射。也就是说，在第一层A1具有与光LT1(光LT2、光LT3)的半波长相同的延迟Rd时，第一层A1使光LT2的偏振状态从第一偏振状态变化到第二偏振状态，使光LT3的偏振状态从第二偏振状态变化到第一偏振状态。还有，第一层A1使入射到第一边界面11时的光LT2的相位改变角度θa，再将光LT2射向反射基板SBR，使入射到第一边界面11时的光LT3的相位改变角度“-θa”，再将光LT3射向反射基板SBR。

透射通过了第一层A1的光LT2和光LT3由反射基板SBR进行反射。这种情况下，反射基板SBR对光进行反射时，使光LT2的偏振状态从第二偏振状态变化为第一偏振状态，使光LT3的偏振状态从第一偏振状态变为第二偏振状态。

而且，第一层A1使具有第一偏振状态的光LT2和具有第二偏振状态的光LT3透射通过后，从第一边界面11射出。还有，第一层A1使从反射基板SBR入射到第二边界面12时的光LT2的相位改变角度“-θa”，再将光LT2射出到外部，使从反射基板SBR入射到第二边界面12时的光LT3的相位改变角度θa，再将光LT3射出到外部。其结果，光LT2的相位和光LT3的相位各自在入射到第一边界面11时与从第一边界面11射出时的变化相抵消，没有发生变化。

于是，实施方式二中，第一层A1作为1/4波长板。1/4波长板给非常光和寻常光提供90度的相位差，例如将圆偏振光变换为线偏振光。具体来说，第一层A1的延迟Rd与光LT1(光LT2、光LT3)的1/4波长相同。也就是说，延迟Rd与光LT1(光LT2、光LT3)的波长的1/4相同。由此，第一层A1使光的偏振状态发生变化。光LT2在入射到光学元件1之前具有第一偏振状态。具有第一偏振状态时，是指圆偏振光(例如，左旋圆偏振光)。光LT3在入射到光学元件1之前具有第二偏振状态。具有第二偏振状态时，是指与第一偏振状态所指的圆偏振光相反的圆偏振光(例如，右旋圆偏振光)。第一层A1使光LT2的偏振状态从第一偏振状态(例如，左旋圆偏振光)变为第三偏振状态，再将光LT2射出。具有第三偏振状态时，是指线偏振光(例如，具有第一振动方向的线偏振光)。还有，第一层A1使光LT3的偏振状态从第二偏振状态(例如，右旋圆偏振光)变为第四偏振状态，再将光LT3射出。具有第四偏振状态时，是指与第三偏振状态所指的线偏振光正交的线偏振光(例如，具有第二振动方向的线偏振光)。第一振动方向与第二振动方向正交。

以下，为了便于理解，关注光LT2，一个例子中，沿着Y方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向相同，沿着X方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向是线性变化。具体来说，若干个第一结构体B1的取向方向相对于X方向每次改变角度θ。还有，为简单起见，第一偏振状态记载为“圆偏振光”，第三偏振状态记载为“线偏振光”。

第一层A1使从第一边界面11入射到第一层A1的光LT2透射通过，从第二边界面12将光LT2射向反射基板SBR。具体来说，第一层A1使光LT2的偏振状态从圆偏振光变化为线偏振光，再将光LT2射出。还有，第一层A1使入射到第一边界面11时的光LT2的相位改变角度θ，再将光LT2射出。

反射基板SBR使从第一层A1的第二边界面12射出的光LT2的偏振状态保持不变，将光LT2朝向第一层A1的第二边界面12反射。也就是说，反射基板SBR使第一层A1射出的并且具有角度θ的相位的光LT2的线偏振光和角度θ的相位保持不变，将光LT2朝向第一层A1反射。

第一层A1使从第二边界面12入射到第一层A1的光LT2透射通过，从第一边界面11将光LT2射向第一层A1的外部。具体来说，第一层A1使光LT2的偏振状态从线偏振光变为圆偏振光，再将光LT2射出。这种情况下，沿着Z方向(+Z方向)观察时具有取向角度θ的第一结构体B1(向列型液晶)在沿着Z方向的相反方向(-Z方向)观察时具有取向角度(π-θ)。因此，光LT2入射到第一边界面11时的偏振状态与光LT2从第一边界面11射出时的偏振状态相同。还有，第一层A1使入射到第二边界面12时的光LT2的相位改变角度θ，再将光LT2射出。

在光LT2的去路和回路上，第一层A1都使光LT2的相位改变角度θ，再将光LT2从第一边界面11射出。也就是说，第一层A1使光LT2的相位改变角度2θ(＝2×θ)，再将光LT2射出。其结果，光LT2射出时，从第一边界面11射出的光LT2的波前F2相对于从第一边界面11入射的光LT2的波前F2倾斜了角度2θ。

另外，与光LT2同样地，第一层A1使光LT3的相位改变角度“-2θ”(＝-2×θ)，再将光LT3射出。其结果，光LT3射出时，从第一边界面11射出的光LT3的波前F3相对于从第一边界面11入射的光LT3的波前F3倾斜了角度“-2θ”。

如上述参照图24进行的说明，根据实施方式二，延迟Rd为1/4波长的第一层A1使光LT2的偏振状态从圆偏振光变为线偏振光，因此反射基板SBR保持偏振状态(也就是说，线偏振光)不变地对光LT2进行反射。因此，第一层A1中，光LT2的去路和回路上，相对于光LT2的行进方向，光LT2的相位变化的方向是相同的。而且，第一层A1中，光LT2的去路和回路上，第一层A1都使光LT2的相位发生变化。其结果，与第一层A1作为半波长板的情况相比较，能够在减小第一层A1的厚度L1的同时改变光LT2的相位。同样地，与第一层A1作为半波长板的情况相比较，能够在减小第一层A1的厚度L1的同时改变光LT3的相位。能够减小厚度L1时，就能够提高第一要素Q1的响应速度。

还有，在光入射并使光透射通过及射出时，实施方式二中，与第四比较例中只含有向列型液晶层的光学元件相比，能够在减小厚度L1的同时实现与第四比较例所涉及的光学元件相同的相位变化。

例如，实施方式二所涉及的第一层A1作为1/4波长板时的光相位变化率与第四比较例所涉及的向列型液晶层作为半波长板时的光相位变化率相同。然而，第一层A1的双折射率Δn1与第四比较例所涉及的向列型液晶层的双折射率相同时，第一层A1的厚度L1是第四比较例所涉及的向列型液晶层的厚度的1/2。

而且，在光入射并将光进行反射时，实施方式二中，与第五比较例中只含有胆甾型液晶层的光学元件相比，能够在减小厚度L1的同时实现与第五比较例所涉及的光学元件相同的相位变化。

例如，实施方式二所涉及的第一层A1的延迟Rd设定为光的1/4波长时的光相位变化率与第五比较例所涉及的胆甾型液晶层的延迟设定为光的半波长时的光相位变化率相同。然而，第一层A1的双折射率Δn1与第五比较例所涉及的胆甾型液晶层的双折射率相同时，第一层A1的厚度L1是第五比较例所涉及的胆甾型液晶层的厚度的1/2。

还有，根据实施方式二，由于具有反射基板SBR，因此光学元件1X适合用作反射元件。

而且，根据实施方式二，与只通过电压施加等外部刺激来进行折射率调制使光的相位发生变化的情况相比较，能够增大光LT2的相位的变化量。同样地，能够增大光LT3的相位的变化量。

而且，根据实施方式二，与实施方式一同样地，第一层A1含有彼此取向方向不同的若干个第一结构体B1。因此，从第一层A1射出到第一层A1的外部的光LT2的波前F2相对于从第一层A1的外部入射到第一层A1时的光LT2的波前F2不是平行的。其结果，通过改变第一结构体B1的取向方向，能够从第一层A1射出各种期望波前的光LT2。同样地，通过改变第一结构体B1的取向方向，能够从第一层A1射出各种期望波前的光LT3。

而且，根据实施方式二，与实施方式一同样地，与胆甾型液晶相比较，若干个第一结构体B1的模式化变得容易，能够容易且高精度地将若干个第一结构体B1设定为期望得到的取向模式。

另外，例如能够以实施方式一所涉及的第一取向模式～第六取向模式来配置第一层A1的若干个第一结构体B1。

接下来，使用琼斯矢量，说明第一结构体B1的取向方向改变角度“θ”时射出到第一层A1的外部的光LT1的相位改变角度“2θ”或者角度“-2θ的原理。

首先，为了便于理解，对第六比较例所涉及的光学元件产生的相位变化进行说明。第六比较例所涉及的光学元件将图24中的光学元件1X作为半波长板使用。也就是说，第六比较例所涉及的光学元件中，第一层A1相对于波长λ的光LT1具有作为半波长板的延迟Rd。另外，为了便于说明，在第六比较例中，也使用与实施方式二相同的附图标记进行说明。然后，适当参照图24来说明第六比较例。

如图24所示，第六比较例中，沿Z方向传输的光LT1入射到第一层A1。还有，第一结构体B1的取向方向与X方向一致时，第一层A1的琼斯矩阵M_r由式(18)近似给出。

【数学公式18】

经过了入射→第一层A1传输→反射基板SBR的反射→第一层A1再次传输→出射这一系列过程的光LT1的特性由式(19)和式(20)给出。

也就是说，在光LT1是右旋圆偏振光或者左旋圆偏振光的任一个时，从第一边界面11入射时的光LT1的琼斯矢量V_in由式(19)表示。

【数学公式19】

还有，光LT1从第一边界面11射出时，光LT1的琼斯矢量V_out由式(20)表示。

【数学公式20】

从式(20)可以清楚看出，第六比较例中，在相对于第一边界面11的入射时和出射时，光LT1的偏振状态发生反转，光LT1的相位没有变化。

接下来，对实施方式二所涉及的光学元件1X产生的相位变化进行说明。第一层A1(向列型液晶)相对于波长λ的光LT1具有作为1/4波长板的延迟Rd。还有，沿Z方向传输的光LT1入射到第一层A1。光LT1是左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光中的任一个。

第一结构体B1的取向方向与X方向一致时，第一层A1的琼斯矩阵M₀由式(21)给出。

【数学公式21】

光从第一边界面11向第二边界面12传输时，第一层A1的琼斯矩阵M由式(22)给出。

【数学公式22】

光从第二边界面12向第一边界面11传输时，第一层A1的琼斯矩阵M′由式(23)给出。

【数学公式23】

在光LT1是左旋圆偏振光或者右旋圆偏振光中的任一个的情况下，从第一边界面11入射时的光LT1的琼斯矢量V_in由式(24)表示。

【数学公式24】

还有，光LT1从第一边界面11射出时，光LT1的琼斯矢量V_out由式(25)表示。

【数学公式25】

从式(25)可以清楚看出，光LT1在入射到第一边界面11时是右旋圆偏振光的情况下，从第一边界面11射出时的光LT1对应于第一结构体B1的取向方向的旋转角“θ”，具有角度“-2θ”的相位。另一方面，光LT1在入射到第一边界面11时是左旋圆偏振光的情况下，从第一边界面11射出时的光LT1对应于第一结构体B1的取向方向的旋转角“θ”，具有角度“2θ”的相位。还有，在相对于第一边界面11的入射时和出射时，传输方向发生反转，光LT1的偏振状态没有变化。

因此，实施方式二中，要相对于波长λ的光LT1使光LT1的相位从0(弧度)变到2π(弧度)时，只需使第一结构体B1的取向方向的旋转角“θ”从0(弧度)变到π(弧度)即可。

还有，实施方式二中，要使光LT1的相位从0(弧度)变到2π(弧度)时，具有双折射率Δn1的第一层A1的延迟Rd为1/4波长即可。因此，与只使用双折射率Δn1的胆甾型液晶层使光的相位从0(弧度)变到2π(弧度)的情况相比较，能够减小第一层A1的厚度L1。例如，能够使第一层A1的厚度L1为胆甾型液晶层的厚度的1/2。

另外，按照光LT1相对于第一边界面11垂直入射时的条件计算了式(18)～式(25)，但对于光LT1相对于第一边界面11倾斜入射的情况也是一样，相位特性是与式(18)～式(25)同样的相位特性。不过，反射特性取决于第一层A1的性质。

(实施方式三)

参照图25，对本发明实施方式三所涉及的光学元件1Y进行说明。实施方式三所涉及的光学元件1Y中，与实施方式一不同的是具备第二层A2Y来替换实施方式一的第二层A2(图1)，第二层A2Y含有1/4波长层A21和反射层A23。以下，主要说明实施方式三中与实施方式一的不同之处。

图25是实施方式三所涉及的光学元件1Y的截面图。如图25所示，光学元件1Y的结构与实施方式一所涉及的光学元件1的结构基本相同。不过，光学元件1Y具备第二层A2Y来替换实施方式一的第二层A2。

在光的入射时和反射时，第二层A2Y保持光的偏振状态不变地对光进行反射。

具体来说，第二层A2Y含有1/4波长层A21和反射层A23。1/4波长层A21与第一层A1相对。1/4波长层A21例如由向列型液晶(向列相)形成。不过，1/4波长层A21的材质没有特别的限定。1/4波长层A21的延迟Rd4使用1/4波长层A21的双折射率Δn4和1/4波长层A21的厚度L4由下式表示。

Rd4＝Δn4×L4

双折射率Δn4使用1/4波长层A21的非常光折射率ne4和1/4波长层A21的寻常光折射率no4由“ne4-no4”表示。

1/4波长层A21的延迟Rd4与入射光的1/4波长相同。也就是说，延迟Rd4是光的波长的1/4。其结果，1/4波长层A21作为1/4波长板，给非常光和寻常光提供90度的相位差。

反射层A23对入射的光进行反射。反射层A23与1/4波长层A21相对，并与基板SB2相对。反射层A23例如对入射的光进行镜面反射。反射层A23例如是电介质多层膜。

具体来说，反射层A23含有若干个第一介电层61和若干个第二介电层62。第一介电层61的数量与第二介电层62的数量相同。第一介电层61与第二介电层62交替地层叠配置。例如，第一介电层61的折射率nd1小于第二介电层62的折射率nd2。例如，第一介电层61的厚度d1大于第二介电层62的厚度d2。第一介电层61由电介质形成。第二介电层62由不同的电介质形成，不同于形成第一介电层61的电介质。

在光的入射时和反射时，1/4波长层A21和反射层A23进行协作，保持光的偏振状态不变地将光进行反射。也就是说，第二层A2Y具有与实施方式一所涉及的第二层A2相同的反射特性。

接下来，参照图25，以具体例子对光的反射进行说明。光LT1入射到光学元件1Y。光LT1通过基板SB1，相对于第一层A1的第一边界面11垂直入射。另外，光LT1也可以相对于第一层A1倾斜入射。光LT1含有光LT2或者光LT3中的任一个。光LT2具有第一偏振状态(例如，左旋圆偏振光)。光LT3具有第二偏振状态(例如，右旋圆偏振光)。还有，为了便于理解，第一层A1作为半波长板。而且，一个例子中，沿着Y方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向相同，沿着X方向排列的若干个第一结构体B1的取向方向是线性变化。具体来说，若干个第一结构体B1的取向方向相对于X方向每次改变角度θ。

以下，关注光LT2。与实施方式一同样地，第一层A1使光LT2的偏振状态从第一偏振状态反转为第二偏振状态，再将光LT2射向第二层A2Y。还有，第一层A1使入射到第一边界面11时的光LT2的相位改变角度2θ(＝2×θ)，再将光LT2射向第二层A2Y。

第二层A2Y使从第一层A1的第二边界面12射出的光LT2的偏振状态保持不变，将光LT2朝向第一层A1的第二边界面12反射。也就是说，第二层A2Y使第一层A1射出的并且具有第二偏振状态的光LT2的第二偏振状态保持不变，将光LT2朝向第一层A1反射。

与实施方式一同样地，第一层A1使从第二边界面12入射到第一层A1的光LT2的偏振状态从第二偏振状态反转为第一偏振状态，再将光LT2从第一边界面11射向第一层A1的外部。还有，第一层A1使入射到第二边界面12时光LT2的相位改变角度2θ，再将光LT2从第一边界面11射向第一层A1的外部。

与实施方式一同样地，在光LT2的去路和回路上，第一层A1都使光LT2的相位改变角度2θ，再将光LT2从第一边界面11射出。也就是说，第一层A1使光LT2的相位改变角度4θ(＝4×θ)，再将光LT2射出。

另外，关于光LT3，相位变化的方向与光LT2不同。也就是说，第二层A2Y将第一层A1射出的并具有第一偏振状态的光LT3保持在第一偏振状态并朝向第一层A1反射。因此，在去路和回路上，第一层A1都使光LT3的相位改变角度“-2θ”，再将光LT3从第一边界面11射向第一层A1的外部。也就是说，第一层A1使光LT3的相位改变角度“-4θ”(＝-4×θ)，再将光LT3射出。

如上述参照图25进行的说明，根据实施方式三，与实施方式一同样地，第二层A2Y保持住光的偏振状态对光进行反射。因此，在第一层A1中的光的去路和回路上，光相位变化的方向相对于光的行进方向是相同的。还有，在第一层A1中的光的去路和回路上，第一层A1都使光的相位发生变化。

因此，实施方式三中，与实施方式一同样地，相对于第一结构体B1的取向方向的变化量，能够使从第一层A1射出到第一层A1的外部的光(出射光)的相位变化量(也就是说，相位调制量)比较大。另外，实施方式二中，具有与实施方式一同样的效果。

具体来说，实施方式三中，第二层A2Y在圆偏振光入射到第二层A2Y时和圆偏振光从第二层A2Y向第一层A1反射时，保持偏振状态(也就是说，圆偏振光的旋转方向)一致地对圆偏振光进行反射。因此，在圆偏振光的入射前和反射后，圆偏振光相位变化的方向相对于圆偏振光的行进方向没有变化。其结果，在圆偏振光的去路和回路中，第一层A1都在同方向使相位发生变化，因此能够使圆偏振光的相位相对于第一结构体B1的取向角度变化的变化率比较大。尤其是，第一层A1作为半波长板使用时，圆偏振光的相位相对于第一结构体B1的取向角度变化的变化率是4倍，因此适合作为半波长板使用。

尤其是，实施方式三中，第二层A2Y含有反射层A23和1/4波长层A21，反射层A23具有电介质，第二层A2Y能够有效地作为保持住光的偏振状态对光进行反射的反射体发挥作用。

另外，例如光学元件1Y能够用作具有偏振依赖性并对光起会聚等作用的镜子，或者用作评价圆二色性的分光器。还有，例如，也可以使用由超材料形成的反射层替换1/4波长层A21和反射层A23来作为第二层A2Y。而且，例如也可以用金属镜子替换反射层A23。

接下来，参照图25～图27，对一定条件下的光学元件1Y的光学特性进行说明。另外，图26和图27中的灰度等级实际上是彩色等级。一定条件如下所述。

也就是说，第一层A1含有作为向列型液晶的一个第一结构体B1，与第一层A1同样地，1/4波长层A21含有作为向列型液晶的1个结构体，在这样的情况下执行矩阵法的计算，计算出圆偏振光入射时的反射率和相位特性。

以第一层A1作为半波长板的方式，设定第一层A1的延迟Rd。具体来说，对于600nm的波长，第一层A1作为半波长板使圆偏振光的旋转方向发生反转。也就是说，第一层A1的延迟Rd与光的波长的1/2(＝300nm)一致。

第一层A1的非常光折射率ne1是“1.7”，第一层A1的寻常光折射率no1是“1.5”。第一层A1的厚度L1是“1500nm”。还有，与实施方式一同样地，第一结构体B1的取向方向用取向角度φ表示。

第二层A2的厚度L2是“750nm”。1/4波长层A21的非常光折射率ne4是“1.7”，1/4波长层A21的寻常光折射率no4是“1.5”。因此，1/4波长层A21的双折射率Δn4(＝ne4-no4)与第一层A1的双折射率Δn1(＝ne1-no1)一致。

设置6层的第一介电层61。第一介电层61的折射率nd1是“1.46”，第一介电层61的厚度d1是“104nm”。还有，设置6层的第二介电层62。第二介电层62的折射率nd2是“2.35”，第二介电层62的厚度d2是“63nm”。

首先，参照图26，说明左旋圆偏振光的光LT2入射时的反射率R和反射相位Φr。图26(a)表示左旋圆偏振光入射到光学元件1Y时的反射率R的波长λ依赖性和取向角度φ依赖性。图26(a)中，横轴是光LT2的波长λ(nm)，左侧的纵轴是第一结构体B1的取向角度φ(弧度)，右侧的灰度等级是光LT2的反射率R(％)。反射率R是指：从第二层A2Y反射的光LT2的强度相对于入射到第二层A2Y的光LT2的强度之比率。另外，关于图表中的轴和反射率R的定义，后面的图27(a)也是一样。

如图26(a)所示，在第一结构体B1的取向角度φ为0以上π以下的范围，第二层A2Y对光LT2中波长λ为510nm以上730nm以下范围的光进行反射。

图26(b)表示左旋圆偏振光入射到光学元件1Y时的反射相位Φr的波长λ依赖性和取向角度φ依赖性。图26(b)中，横轴是光LT2的波长λ(nm)，左侧的纵轴是第一结构体B1的取向角度φ(弧度)，右侧的灰度等级是光LT2的反射相位Φr(弧度)。反射相位Φr是指：从第一边界面11入射后由第二层A2Y进行反射再从第一边界面11射出时的光LT2的相位。另外，关于图表中的轴和反射相位Φr的定义，后面的图28(a)也是一样。

如图26(b)所示，光LT2中，波长λ为510nm以上730nm以下范围的光的反射相位Φr根据第一结构体B1的取向角度φ而变化。具体来说，取向角度φ从0变到π/2时，光LT2的反射相位Φr改变2π(例如，参照图中的虚线)。

接下来，参照图27，说明右旋圆偏振光的光LT3入射时的反射率R和反射相位Φr。图27(a)表示左旋圆偏振光入射到光学元件1Y时的反射率R的波长λ依赖性和取向角度φ依赖性。如图27(a)所示，在第一结构体B1的取向角度φ为0以上π以下的范围，第二层A2Y对光LT3中波长λ为510nm以上730nm以下范围的光进行反射。

图27(b)表示右旋圆偏振光入射到光学元件1Y时的反射相位Φr的波长λ依赖性和取向角度φ依赖性。如图27(b)所示，光LT3中，波长λ为510nm以上730nm以下范围的光反射相位Φr根据第一结构体B1的取向角度φ而变化。具体来说，取向角度φ从0变到π/2时，光LT3的反射相位Φr改变2π(例如，参照图中的虚线)。

其中，如图26(b)和图27(b)所示，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光中，反射相位Φr的变化的倾斜是反转的。也就是说，左旋圆偏振光和右旋圆偏振光中，反射相位Φr的变化方向彼此不同，彼此相反。例如，右旋圆偏振光是相位延迟，左旋圆偏振光是相位超前。

如上述参照图26和图27进行的说明，根据实施方式三，与实施方式一同样地，第一层A1作为半波长板时，相对于第一结构体B1的取向角度φ的变化(θ)，光的相位的变化率是4倍(4θ)。另外，第一介电层61的数量不限于“6”，也可以是一层或者“6”以外的若干层，第二介电层62的数量不限于“6”，也可以是一层或者“6”以外的若干层。

(实施方式四)

参照图28和图29，对本发明实施方式四所涉及的光学元件1、制造装置和制造方法进行说明。实施方式四所涉及的光学元件1中，与实施方式一所涉及的光学元件1不同的是作为全息光学元件发挥作用。以下，主要说明实施方式四中与实施方式一的不同之处。还有，为了便于理解，使用实施方式一的说明中使用的附图标记对实施方式四进行说明。

首先，参照图1和图28，对实施方式四所涉及的光学元件1的制造装置201的结构进行说明。图28是制造装置201的框图。如图1和图28所示，制造装置201用于制造光学元件1。光学元件1的第一层A1将由第二层A2反射的光LT2射向第一层A1的外部，形成对应于光LT2的虚拟物体的像。虚拟物体是“物体”的一个例子。虚拟物体是指：配置在计算机制造出的虚拟空间中的物体。虚拟物体可以是立体的，也可以是平面的。还有，第二层A2将透射通过第二层A2的光LT3射向第二层A2的外部，形成对应于光LT3的虚拟物体的像。

制造装置201具备信息处理装置210、取向处理装置220和液晶配置装置230。信息处理装置210含有物体数据创建部211、取向分布数据创建部213和取向处理数据创建部215。具体来说，信息处理装置210是计算机，具有处理器和存储装置。然后，处理器通过执行存储在存储装置中的计算机程序，作为物体数据创建部211、取向分布数据创建部213和取向处理数据创建部215发挥作用。存储装置例如含有半导体存储器之类的存储器，也可以含有硬盘驱动器。

接下来，参照图28和图29，对制造装置201的动作进行说明。图29是制造装置201执行的光学元件1的制造方法流程图。如图29所示，制造方法包含工序S100和工序S200，用于制造光学元件1。工序S100含有工序S1～工序S9。

工序S100中，制造装置201形成第一层A1。

工序S200中，制造装置201形成第二层A2。

具体来说，如图29所示，工序S1中，物体数据创建部211创建出表示虚拟物体的物体数据。具体来说，物体数据指出虚拟物体的形态。虚拟物体的形态是指虚拟物体的形状、样式或色彩，或者是其中一部分或全部的结合。样式含有符号和图形。符号含有文字、数字和标记。

工序S3中，取向分布数据创建部213基于物体数据，计算若干个第一结构体B1的取向方向，创建出取向分布数据(第一取向数据)。取向分布数据表示若干个第一结构体B1的取向方向的分布。

例如，取向分布数据在第一角度范围内指出位于第一边界面11的第一要素Q1的取向方向(也就是说，第一结构体B1的取向方向)。第一角度范围例如是0弧度以上2π弧度以下。另外，第一要素Q1的取向方向可以相对于第一边界面11不是大致平行，也可以相对于第一边界面11倾斜。

工序S5中，取向处理数据创建部215基于取向分布数据，创建出取向处理数据(第二取向数据)。取向处理数据是对应于取向处理装置220所执行的取向处理方法而创建的，用在取向处理装置220中。取向处理数据是指：与取向分布数据所表示的取向方向分布相对应的取向模式。具体来说，以位于第一边界面11的若干个第一要素Q1的取向方向为取向分布数据所示取向方向的方式，取向处理数据确定出取向层的表面结构和/或表面特性。取向层形成在基板SB1上，与若干个第一要素Q1接触并使若干个第一结构体B1发生取向排列。取向层例如是取向膜或者形成在基板SB1上的结构(具体来说，超微结构)。取向层的表面特性例如是相对于取向层中的液晶的锚定方向。

例如，取向处理数据在第二角度范围内指出位于第一边界面11的第一要素Q1的取向方向(也就是说，第一结构体B1的取向方向)。第二角度范围例如是第一角度范围的1/4。其理由是，第一要素Q1的取向方向从某个值开始改变π/2弧度时，光LT2的相位改变2π弧度。另外，例如，第二角度范围也可以是第一角度范围的1/2。

例如，取向处理数据创建部215基于取向分布数据，对应于取向处理方法创建出取向处理数据。例如，取向处理方法是光取向法时，相对于照射偏振光，第一要素Q1进行平行取向或垂直取向。因此，以反映出取向处理方法和液晶材料特性的方式，创建出取向处理数据。

工序S7中，取向处理装置220根据取向处理数据对取向层进行处理。其结果，以接触取向层的第一要素Q1的取向方向为取向分布数据所示取向方向的方式，取向层的表面结构和/或表面特性发生变化。另外，根据取向处理数据对取向层进行处理有时记载为取向处理。

例如，取向处理装置220的取向处理方法可以是光取向法、微摩擦法、倾斜蒸镀法或者结构取向法。

光取向法中，通过将偏振光照射到在基板上形成的感光性取向膜，对接触取向膜的液晶分子的取向方向进行控制。通过取向膜和液晶材料的组合，液晶分子相对于照射的偏振光平行取向排列或垂直取向排列。

微摩擦法中，用布摩擦在基板上形成的取向膜(例如，聚酰亚胺类的取向膜)，促进液晶分子的取向排列。根据取向膜的特性，液晶分子相对于摩擦方向平行或者垂直取向排列。

倾斜蒸镀法中，相对于基板倾斜地形成取向膜(例如，二氧化硅膜)，促进接触取向膜的液晶分子的取向排列。通过使原材料蒸镀在基板上，来形成膜。液晶分子的取向方向根据蒸镀角度而发生变化。

结构取向法中，在基板上形成超微结构的取向层，促进接触取向层的液晶分子的取向排列。例如，棒状液晶分子沿着在基板上形成的超微槽结构进行取向排列。另外，取向层的处理包含在基板上形成超微结构的取向层。

工序S9中，液晶配置装置230以第一层A1所对应的液晶与取向层接触的方式，配置液晶。由于已对取向层执行了取向处理，因此，液晶的第一要素Q1进行取向排列，形成第一层A1。

另外，工序S200中，与工序S3～工序S9同样地，制造装置201形成第二层A2。

如上述参照图28和图29进行的说明，根据实施方式四，能够制造作为全息光学元件的光学元件1。

也就是说，制造装置201基于虚拟物体的物体数据来创建出取向分布数据，基于取向分布数据来创建出取向处理数据。因此，在第一层A1中，通过若干个第一结构体B1的取向方向的分布来记录虚拟物体的像。然后，光照射到第一层A1，被第二层A2反射，第一层A1再将反射的光射出到外部，由此再现所记录的虚拟物体的像。也就是说，光学元件1作为全息光学元件发挥作用。以这种方式，实施方式四中，能够制造作为全息光学元件的光学元件1。

还有，根据实施方式四，执行取向处理使第一要素Q1取向排列，将虚拟物体的像记录为若干个第一结构体B1的取向方向的分布。因此，与普通的全息光学元件相比较，能够容易地制造出作为全息光学元件的光学元件1。另外，普通的全息光学元件中，例如，需要通过半导体制造用的电子束绘图装置对原始板进行精细加工来进行记录处理。

而且，根据实施方式四，能够任意设定虚拟物体并创建出物体数据。因此，能够容易地将期望得到的虚拟物体的像记录在光学元件1中。

而且，根据实施方式四，光学元件1对从第一边界面11入射的光进行反射，形成对应于光的虚拟物体的像。也就是说，光学元件1对虚拟物体的像进行记录和再现，作为全息光学元件发挥作用。其结果，进一步扩展光学元件1的应用范围。例如，能够将光学元件1用作安全用元件。例如，作为安全用元件的光学元件1根据入射的偏振光使再现的像(例如，图案)发生变化。这种情况下，特别有助于真伪判断。例如，作为安全用元件的光学元件1只在射入特殊的偏振光时才能进行像(例如，图案)的再现。这种情况下，也是特别有助于真伪判断。实施方式四中，能够有效地利用第二层A2的选择反射性。例如，能够使光学元件1作为透明的安全用元件发挥作用。具体来说，设定间距p，使其对不可见光波长区域(例如，近红外区域)的光进行反射。因此，可见光波长范围的光入射到光学元件1时，光学元件1是透明的。另一方面，将不可见光波长区域(例如，近红外区域)的光照射到光学元件1的情况下，就形成虚拟物体的像。

(实施方式五)

参照图30和图31，对本发明实施方式五所涉及的光学元件1A进行说明。实施方式五中，与实施方式一的光学元件1不同的是光学元件1A的第一结构体B1的取向方向是动态控制的。以下，主要说明实施方式五中与实施方式一的不同之处。

图30(a)和图30(b)表示具备实施方式五所涉及的光学元件1A的光学装置DV。另外，图30(a)和图30(b)中，为了简化附图，基板SB1和基板SB2用双点划线表示，示出了一个第一结构体B1和一个第二结构体B2。

如图30(a)所示，光学装置DV具备光学元件1A、控制部50、电源单元52和若干个开关SW。

在图1中的光学元件1的结构基础上，光学元件1A还具备若干个电极单元40。电极单元40的每一个配置成对应与一个或者若干个第一结构体B1。在基板SB1的一对主面中，电极单元40配置在与第一层A1相对的主面上。

电极单元40的每一个含有第一电极41和第二电极42。第一电极41和第二电极42夹着第一结构体B1的中心轴CA。中心轴CA通过第一结构体B1的中心，沿着Z方向延伸。第一电极41和第二电极42例如都是透明色，由ITO(铟锡氧化物：Indium Tin Oxide)形成。另外，第一电极41和第二电极42各自也可以是半透明色，还可以是其它色彩。

控制部50对电源单元52和若干个开关SW进行控制。具体来说，控制部50具有处理器和存储装置。由此，处理器通过执行在存储装置中存储的计算机程序，对电源单元52和若干个开关SW进行控制。

电源单元52接受控制部50的控制，为每个电极单元40生成控制电压(电压)，并将控制电压施加到每个电极单元40上。然后，电极单元40的每一个将控制电压施加到所对应的第一结构体B1上，控制电压用于控制所对应的第一结构体B1的取向方向。控制部50针对每个电极单元40对电源单元52生成的控制电压进行控制。控制电压是直流电压或者交流电压。例如，控制电压是直流电压时，控制部50对控制电压的电压值进行控制。例如，控制电压是交流电压时，控制部50对控制电压的频率和/或振幅进行控制。交流电压例如是矩形波、三角波、正弦波或者锯齿状波。

继续参照图30(a)和图30(b)，对光学装置DV的动作进行说明。如图30(a)所示，在光学元件1A的初始状态中，控制部50将若干个开关SW(具体来说是全部的开关SW)断开。因此，控制电压未施加在电极单元40的每一个上。其结果，若干个第一结构体B1(具体来说是全部的第一结构体B1)的取向方向是整齐的，大致平行。图30(a)的例子中，第一结构体B1各自的取向方向大致与Y方向平行。

接下来，如图30(b)所示，控制部50将若干个开关SW(具体来说是全部的开关SW)连通。因此，控制电压施加到电极单元40的每一个上。其结果，每个第一结构体B1中，第一结构体B1的取向方向根据所施加的控制电压的特性而变化。关于控制电压的特性，例如，控制电压是直流时为电压值，控制电压是交流时是频率和/或振幅。

接下来，参照图31，对电极单元40的一种方式进行说明。图31是光学元件1A的俯视图。图31中，沿着Z方向观察光学元件1A。图31中，为了简化附图，省略了基板SB1，示出了第一边界面11。还有，虽然省略了图示，全部开关SW是连通的。

如图31所示，若干个第一结构体B1沿着X方向和Y方向排列。沿着Y方向大致排列成一直线的若干个第一结构体B1形成组G。其结果，形成了若干组G。

分别对应于若干组G，配置若干个电极单元40。沿着Z方向观测光学元件1A时，各组G中，第一电极41和第二电极42夹着若干个第一结构体B1。

控制部50控制电源单元52，针对每个电极单元40，对施加到电极单元40的控制电压进行控制。其结果，控制部50能够针对每个组G动态控制第一结构体B1的取向方向。例如，在若干组G之间，控制部50能够使第一结构体B1的取向方向在空间上不同。还有，例如，控制部50能够使第一结构体B1的取向方向在时间上不同。也就是说，控制部50能够根据时间的不同使第一结构体B1的取向方向不同。而且，例如，控制部50使若干组G的第一结构体B1的取向方向发生变化，能够使若干组G都对齐到不同于初始状态的取向方向。

如上述参照图30和图31进行的说明，根据实施方式五，电极单元40将控制电压施加到第一结构体B1，控制电压用于控制第一结构体B1的取向方向。因此，通过对控制电压进行控制，能够动态控制第一结构体B1的取向方向。其结果，能够动态控制由第二层A2反射后再从第一层A1射出到第一层A1的外部的光LT2的相位。也就是说，能够动态控制射出到第一层A1的外部的光LT2的波前。还有，能够动态控制透射通过第二层A2再射出到第二层A2的外部的光LT3的相位。也就是说，能够动态控制透射通过第二层A2再射出到第二层A2的外部的光LT3的波前。例如，光学元件1A能够用作空间光调制元件，光学装置DV能够用作空间光调制器。

另外，也能够针对每个第一结构体B1来配置电极单元40。其结果，控制部50能够针对每个第一结构体B1分别动态控制第一结构体B1的取向方向。还有，也能够对光学元件1A的全部电极单元40施加相同特性的控制电压。例如，由1个光学元件1A构成1个像素，由若干个光学元件1A构成显示器，这种情况下，1个光学元件1A中，施加到电极单元40的控制电压的特性是相同的，但每个光学元件1A的控制电压是分别控制的。还有，1组G所含的第一结构体B1没有特别限定，可以根据产品规格任意设定。例如，在将光学元件1A应用在显示器中的情况下，可以1组G对应于1个像素。

(实施方式六)

参照图32，对本发明实施方式六所涉及的光学元件1B进行说明。实施方式六中，与具有第一层A1和第二层A2的实施方式一不同的是具有第一层A1～第三层A3。以下，主要说明实施方式六中与实施方式一的不同之处。

图32是实施方式六所涉及的光学元件1B的截面图。如图32所示，在图1中的光学元件1的结构基础上，光学元件1B还具备第三层A3。第二层A2与第三层A3相对。第二层A2配置在第一层A1与第三层A3之间。

第三层A3具有彼此相对的第五边界面15和第六边界面16。第五边界面15与第四边界面14相对。例如，第五边界面15与第四边界面14接触。第五边界面15和第六边界面16垂直于Z方向。第一层A1、第二层A2和第三层A3被基板SB1和SB2夹着。第一层A1与基板SB1相对，第三层A3与基板SB2相对。第一边界面11与基板SB1相对，第六边界面16与基板SB2相对。

具体来说，第三层A3是液晶层，由向列型液晶形成。第三层A3具有厚度L3。厚度L3是指沿Z方向的厚度。第三层A3含有若干个第三结构体B3。若干个第三结构体B3形成向列型液晶。第三结构体B3各自沿Z方向延伸。第三结构体B3各自都含有沿着Z方向连续的若干个第三要素Q3。第三要素Q3是液晶分子。第三要素Q3例如是棒状。另外，本申请的附图中，为了简化附图，限定了第三要素Q3的数量，不过在第三结构体B3的每一个中，大量第三要素Q3连续排列。

第三结构体B3的每一个中，若干个第三要素Q3的取向方向是整齐的。若干个第三要素Q3的取向方向整齐是指若干个第三要素Q3的取向方向大致平行，因此，若干个第三要素Q3的取向方向不仅指大致相同的情况，大致相差180度的情况也表示若干个第三要素Q3的取向方向整齐。第三结构体B3的每一个中，第三要素Q3的取向方向指出第三结构体B3的取向方向。

与第一结构体B1同样地，第三结构体B3中也定义了第三要素Q3、第三要素组和第三要素组指向矢。也就是说，在图示中，1个第三要素Q3代表垂直于Z方向的1个平面内的若干个第三要素中朝向指向矢方向的第三要素。因此，第三结构体B3的每一个中，含有第三要素Q3的若干个第三要素(以下，记载为“第三要素组”)位于垂直于Z方向的1个平面内。第三结构体B3的每一个中，第三要素组指向矢的方向是指第三结构体B3的取向方向。

第三结构体B3的每一个中，若干个第三要素Q3的取向方向(具体来说，若干个第三要素组的指向矢)整齐相当于：第三层A3形成结构体，结构体中，各第三结构体B3具有单一方向的取向秩序。还有，若干个第三要素Q3的取向方向整齐与若干个第一要素Q1的取向方向整齐的含义相同(实施方式一参照)，不是仅仅指取向方向严格一致。

第三结构体B3根据第三结构体B3的取向方向和第三层A3的延迟，相对于入射的光表现出与第一结构体B1相同的行为。

也就是说，第三结构体B3各自根据第三结构体B3的取向方向，也就是说根据第三要素Q3的取向方向，使光从第三结构体B3射出时的相位相对于光入射到第三结构体B3时的相位发生变化。

实施方式六中，除非另有说明，若干个第三结构体B3的取向方向被固定为若干个第三结构体B3的取向方向不同。不过，若干个第三结构体B3的取向方向也可以是整齐的。还有，也可以动态控制若干个第三结构体B3的取向方向。

第三结构体B3各自具有光学各向异性。因此，第三结构体B3各自使光从第三结构体B3射出时的偏振状态相对于光入射到第三结构体B3时的偏振状态发生变化。光的偏振状态根据光的行进方向来确定。

如上所述，第三层A3根据若干个第三结构体B3的双折射，使光从第三层A3射出到第三层A3的外部时的偏振状态相对于光从第二层A2入射到第三层A3时的偏振状态发生变化。而且，第三层A3根据若干个第三结构体B3的取向方向，使光从第三层A3射出到第三层A3的外部时的相位相对于光从第二层A2入射到第三层A3时的相位发生变化。也就是说，第三层A3根据若干个第三结构体B3的取向方向，使光从第三层A3射出到第三层A3的外部时的波前相对于光从第二层A2入射到第三层A3时的波前发生变化。

另外，与第一结构体B1的取向方向同样地，第三结构体B3的取向方向以第三要素Q3的取向角度或者第三要素组指向矢的取向角度表示。

还有，若干个第三结构体B3的取向模式可以与若干个第一结构体B1的取向模式不同，也可以相同。第三层A3的延迟Rd3(＝Δn3×L3)可以与第一层A1的延迟Rd不同，也可以相同。双折射率Δn3使用第三层A3的非常光折射率ne3和第三层A3的寻常光折射率no3来表示(Δn3＝ne3-no3)。

例如，光LT3从第四边界面14射出时的相位是角度2θ时(参照图1)，光LT3从第六边界面16射出时的相位为零，以这样的方式确定若干个第三结构体B3的取向方向，使若干个第三结构体B3取向排列。也就是说，光LT3从第四边界面14射出时的波前F3的倾斜角度为2θ时(参照图1)，光LT3从第六边界面16射出时的波前F3的倾斜角度为零，以这样的方式确定若干个第三结构体B3的取向方向，使若干个第三结构体B3取向排列。具体来说，若干个第一结构体B1的取向方向相对于X方向每次改变角度“θ”。另一方面，若干个第三结构体B3的取向方向相对于X方向每次改变角度“-θ”。

例如，光LT3从第四边界面14射出时的相位为角度2θ时(参照图1)，光LT3从第六边界面16射出时的相位为4θ，以这样的方式确定若干个第三结构体B3的取向方向，使若干个第三结构体B3取向排列。也就是说，光LT3从第四边界面14射出时的波前F3的倾斜角度为2θ时(参照图1)，光LT3从第六边界面16射出时的波前F3的倾斜角度为4θ，以这样的方式确定若干个第三结构体B3的取向方向，使若干个第三结构体B3取向排列。具体来说，若干个第一结构体B1的取向方向相对于X方向每次改变角度“θ”。而且，若干个第三结构体B3的取向方向相对于X方向每次改变角度“θ”。

如上述参照图32进行的说明，根据实施方式六，光学元件1B具备第三层A3。因此，根据若干个第三结构体B3的取向方向，能够进一步改变透射通过第二层A2再入射到第三层A3的光LT3的相位。也就是说，根据若干个第三结构体B3的取向方向，能够进一步改变透射通过第二层A2再入射到第三层A3的光LT3的波前F3。

还有，根据实施方式六，通过第三层A3的双折射，能够进一步改变透射通过第二层A2再入射到第三层A3的光LT3的偏振状态。另外，例如能够以实施方式一所涉及的第一取向模式～第六取向模式来配置第三层A3的若干个第三结构体B3。

还有，与实施方式一同样地，实施方式六具备第一层A1和第二层A2。因此，实施方式六具有与实施方式一同样的效果。另外，若干个第三结构体B3的取向方向也可以是整齐的。

此处，在只从第一边界面11射入光的基础上，也可以从第六边界面16射入光。这种情况下，例如，从第一边界面11和第六边界面16都射入第二结构体B2可选择反射的光。其结果，从第一边界面11入射的光由第二层A2进行反射，从第一层A1射出到外部。从第一层A1射出到外部的光的相位和波前根据第一层A1的若干个第一结构体B1的取向方向而变化。另一方面，从第六边界面16入射的光由第二层A2进行反射，从第三层A3射出到外部。从第三层A3射出到外部的光的相位和波前根据第三层A3的若干个第三结构体B3的取向方向而变化。

(变形例)

本发明实施方式六所涉及的变形例中，第三层A3具有与第二层A2相同的结构。也就是说，构成第三层A3的若干个第三结构体B3是螺旋形。例如，第三层A3形成胆甾型液晶。

具体来说，第三结构体B3的螺旋的1个周期的两端中，位于一端的第三要素Q3相对于位于另一端的第三要素Q3旋转了大约360度。在垂直于Z方向的各平面内，若干个第三结构体B3中的若干个第三要素Q3的取向方向是整齐的，大致平行。也就是说，若干个第三结构体B3的空间相位彼此相同。还有，若干个第三结构体B3的螺旋旋转方向相同。而且，若干个第三结构体B3的取向方向固定。而且，第三结构体B3的螺旋旋转方向与第二结构体B2的螺旋旋转方向不同。

另外，实施方式六和变形例中，在第一层A1与第二层A2之间和/或第二层A2与第三层A3之间，可以配置有助于液晶取向的介质，也可以配置绝缘性或导电性的薄膜。还有，在基板SB1与第一层A1之间，可以配置有助于液晶取向的介质，也可以配置电极，还可以配置绝缘性或导电性的薄膜。而且，在基板SB2与第三层A3之间，可以配置有助于液晶取向的介质，也可以配置电极，还可以配置绝缘性或导电性的薄膜。

(实施方式七)

参照图1，对本发明实施方式七所涉及的薄膜单元进行说明。薄膜单元含有第一薄膜和第二薄膜。第一薄膜基于实施方式一所涉及的第一层A1而形成。第二薄膜基于实施方式一所涉及的第二层A2而形成。另外，薄膜单元不含基板SB1和基板SB2。

如图1所示，第一薄膜例如由第一层A1的若干个第一结构体B1发生聚合而形成。具体来说，第一薄膜通过使构成第一层A1的若干个第一要素Q1发生聚合而形成。这种情况下，例如，通过对第一层A1照射光，使若干个第一要素Q1发生聚合。

或者，例如，对于在规定温度或者规定浓度下表现出液晶状态的高分子液晶材料进行取向控制，形成在液晶状态下具有特定取向模式的若干个第一结构体B1，然后在保持取向的状态下转变为固体，由此形成第一薄膜。

通过聚合或者转变为固体，在第一薄膜中，相邻的第一结构体B1在保持第一结构体B1的取向的状态下相互结合。其结果，第一薄膜中，各第一要素Q1的取向方向被固定。

第二薄膜例如由第二层A2的若干个第二结构体B2发生聚合而形成。具体来说，第二薄膜通过使构成第二层A2的若干个第二要素Q2发生聚合而形成。这种情况下，例如，通过对第二层A2照射光，使若干个第二要素Q2发生聚合。

或者，例如，对于在规定温度或者规定浓度下表现出液晶状态的高分子液晶材料进行取向控制，形成在液晶状态下空间相位整齐的若干个第二结构体B2，然后在保持取向的状态下转变为固体，由此形成第二薄膜。

通过聚合或者转变为固体，在第二薄膜中，相邻的第二结构体B2在保持第二结构体B2的取向的状态下相互结合。其结果，第二薄膜中，各第二要素Q2的取向方向被固定。

薄膜单元由第一薄膜和第二薄膜相对配置而形成。例如，以第一薄膜与第二薄膜相对的方式，使第一薄膜单元与第二薄膜紧密接触，由此形成薄膜单元。

与实施方式七所涉及的第一薄膜同样地，基于实施方式二～实施方式六所涉及的第一层A1，能够形成与实施方式二～实施方式六对应的第一薄膜。还有，与实施方式七所涉及的第二薄膜同样地，基于实施方式四～实施方式六所涉及的第二层A2，能够形成与实施方式四～实施方式六对应的第二薄膜。而且，与实施方式七所涉及的薄膜单元同样地，通过将第一薄膜与第二薄膜相对配置，能够形成与实施方式四和五对应的薄膜单元。还有，通过将对应于实施方式二的第一薄膜与反射基板SBR相对配置，能够形成薄膜单元。而且，通过将对应于实施方式三的第一薄膜与第二层A2Y相对配置，能够形成薄膜单元。

还有，对应于实施方式六，例如通过使第三层A3的若干个第三结构体B3发生聚合来形成第三薄膜。具体来说，第三薄膜通过使构成第三层A3的若干个第三要素Q3发生聚合而形成。这种情况下，例如，通过对第三层A3照射光，使若干个第三要素Q3发生聚合。

或者，例如，对于在规定温度或者规定浓度下表现出液晶状态的高分子液晶材料进行取向控制，形成在液晶状态下具有特定取向模式的若干个第三结构体B3，然后在保持取向的状态下转变为固体，由此形成第三薄膜。

通过聚合或者转变为固体，在第三薄膜中，相邻的第三结构体B3在保持第三结构体B3的取向的状态下相互结合。其结果，第三薄膜中，各第三要素Q3的取向方向被固定。

而且，对应于实施方式六，通过将第一薄膜、第二薄膜和第三薄膜进行层叠，能够形成薄膜单元。这种情况下，第二薄膜被第一薄膜和第三薄膜夹着。

以下，实施方式七所涉及的薄膜单元与对应于实施方式一～实施方式六的薄膜单元统称为实施方式七所涉及的“本薄膜单元”。本薄膜单元作为光学元件发挥作用。还有，本薄膜单元不具有基板SB1和基板SB2。

根据实施方式七，本薄膜单元具有与实施方式一～实施方式六所涉及的光学元件1、光学元件1X、光学元件1Y、光学元件1A和光学元件1B同样的效果。还有，与实施方式一～实施方式六同样地，本薄膜单元也可用作圆偏振光分束器、光隔离器、全息元件、凹透镜、凸透镜、显示器、光反射元件、显示屏或者安全用元件。

接下来，基于实施例具体说明本发明，但本发明不限于以下的实施例。

【实施例】

参照图1和图33～图36，对本发明的实施例所涉及的光学元件1和第七比较例所涉及的光学元件进行说明。实施例中，使用参照图1说明了的实施方式一所涉及的光学元件1。如图1所示，设定第一层A1的厚度L1，使第一层A1作为460nm波长λ的半波长板。第一层A1第二层A2各自做成薄膜，并粘贴在一起使用。因此，没有使用基板SB1和基板SB2。还有，若干个第一结构体B1具有第二取向模式。第二结构体B2的旋转方向是右旋转方向。

图33是实施例所涉及的光学元件1采用的第二取向模式的俯视图。图33中，沿Z方向观测光学元件1。图33中，示出了第一边界面11。第一结构体B1的取向方向的图示方式与图21中的取向方向的图示方式相同。

如图33所示，实施例的第二取向模式是以10个周期配置第一结构体B1，与图19中以2个周期配置第一结构体B1的第二取向模式不同。

只有作为左旋圆偏振光的光LT2入射到光学元件1。具体来说，只有光LT2相对于第一边界面11垂直入射。然后，使用迈克尔逊干涉仪，在显微镜下观测由第二边界面12反射再从第一边界面11射出的光LT2。观测时，利用只使波长λ为460nm的光透射通过的过滤器，观测到了干涉条纹。

图34是与实施例所涉及的光学元件1射出的光LT2相对应的干涉条纹。如图34所示，观测到了干涉条纹F2b。干涉条纹F2b与从第一边界面11射出的光LT2的相位变化相对应。也就是说，干涉条纹F2b指出光LT2的波前。还有，干涉条纹F2b相对于光LT3的无相位变化的干涉条纹F2a，具有倾斜角度K1。

接下来，参照图35，对第七比较例所涉及的光学元件100进行说明。图35是光学元件100。如图35所示，光学元件100与参照图9说明了的光学元件100基本相同。但是，在第七比较例中，光学元件100含有形成胆甾型液晶的大量结构体104。大量结构体104具有对波长λ为460nm的光LT进行反射的折射率和间距p。

还有，大量结构体104的螺旋空间相位不同。还有，形成了若干个倾斜的反射面108。结构体104的旋转方向是右旋转方向。层103的厚度L与实施例所涉及的第一层A1的厚度L1相同。层103做成薄膜来使用。因此，没有使用基板101和基板102。还有，若干个结构体104在边界面106的取向模式与图33中的第二取向模式相同。

只有作为右旋圆偏振光的光LT相对于边界面106垂直入射到光学元件100。然后，使用迈克尔逊干涉仪，在显微镜下观测由反射面108反射再从边界面106射出的光LT。观测时，利用只使波长λ为460nm的光透射通过的过滤器，观测到了干涉条纹。

图36是与第七比较例所涉及的光学元件100射出的光LT相对应的干涉条纹。如图36所示，观测到了干涉条纹Fb。干涉条纹Fb与从边界面106射出的光LT的相位变化相对应。也就是说，干涉条纹Fb指出光LT的波前。还有，干涉条纹Fb相对于光LT的无相位变化的干涉条纹Fa，具有倾斜角度K2。

如图34和图36所示，实施例所涉及的倾斜角度K1大于第七比较例所涉及的倾斜角度K2。具体来说，实施例所涉及的倾斜角度K1约是第七比较例所涉及的倾斜角度K2的2倍。

实施例所涉及的倾斜角度K1大于第七比较例所涉及的倾斜角度K2表示：实施例的光学元件1产生的相位变化大于第七比较例所涉及的光学元件100产生的相位变化。具体来说，实施例的光学元件1产生的相位变化约是第七比较例所涉及的光学元件100产生的相位变化的2倍。

如上所述，参照附图说明了本发明的实施方式。但是，本发明不限于上述的实施方式和实施例，可以在不脱离其要旨的范围内以各种方式进行实施(例如，以下的(1)～(9))。还有，可以通过适当组合上述实施方式中公开的若干个结构要素，来形成各种发明。例如，可以从实施方式所示的全部结构要素中删除几个结构要素。而且，也可以适当组合不同的3个实施方式中的结构要素。附图中，为了便于理解，主要对各结构要素进行了示意性地表示，为了方便作图，图示各结构要素的厚度、长度、个数、间隔等可能与实际有出入。还有，上述的实施方式所示的各结构要素的材质、形状、尺寸等只是一个例子，不是特别限定，可以在实质上不脱离本发明效果的范围内进行各种变更。

(1)参照图1说明了的第一层A1的若干个第一结构体B1能够以任意的取向模式来形成，不限于实施方式一～实施方式六中的取向模式。还有，参照图32说明了的第三层A3的若干个第三结构体B3能够以任意的取向模式来形成，不限于实施方式六中的取向模式。

(2)实施方式一～实施方式七中，以光相对于第一边界面11的入射角度大约为90度的方式使光入射到第一边界面11，不过也能以光相对于第一边界面11的入射角度为锐角的方式使光入射到第一边界面11。

(3)实施方式一～实施方式七中，第一层A1不限于向列相。第一层A1也可以是向列相以外的具有单一方向取向秩序的液晶相。也就是说，第一层A1中，各第一结构体B1也可以形成向列相以外的具有单一方向取向秩序的液晶相。实施方式六的第三层A3也是一样，不限于向列相。

还有，第二层A2不限于胆甾相。第二层A2也可以是胆甾相以外的手性液晶相。也就是说，若干个第二结构体B2也可以形成胆甾相以外的手性液晶相。胆甾相以外的手性液晶相例如是手性近晶C相、扭曲晶界相或者胆甾蓝相。还有，胆甾相例如可以是螺旋胆甾相。

(4)本发明的应用不限于液晶。例如，实施方式一～实施方式七的第一层A1中，也可以替换液晶，形成各第一结构体B1具有单一方向取向秩序的结构体。第一层A1例如是各第一结构体B1具有单一方向取向秩序的有机物、无机物、金属或者结晶。还有，第一层A1例如也可以由各向异性的聚合物来形成，也可以具有金属或电介质的纳米棒结构。实施方式六的第三层A3也是一样，不限于液晶。

还有，实施方式一～实施方式七的第二层A2中，也可以配置手性结构体来替换液晶。也就是说，若干个第二结构体B2也可以形成手性结构体。手性结构体例如是螺旋无机物、螺旋金属或者螺旋结晶。

螺旋无机物例如是Chiral Sculptured Film(以下，记载为“CSF”)。CSF是在使基板进行旋转的同时将无机物蒸镀在基板上的光学薄膜，具有螺旋形的超微结构。其结果，CSF表现出与胆甾型液晶同样的光学特性。

螺旋金属例如是Helix Metamaterial(以下，记载为“HM”)。HM是金属被加工成超微螺旋结构体的物质，如胆甾型液晶那样对圆偏振光进行反射。

螺旋结晶例如是Gyroid Photonic Crystal(以下，记载为“GPC”)。GPC具有三维螺旋结构。一部分昆虫或者人造结构含有GPC。GPC如胆甾蓝相那样对圆偏振光进行反射。

(5)可以制造若干个实施方式一～七所涉及的光学元件1、光学元件1X、光学元件1Y、光学元件1A、光学元件1B和薄膜单元(以下，记载为“光学元件1等”)，并将若干个光学元件1等进行层叠。这种情况下，若干个光学元件1等的结构也可以彼此不同。还有，实施方式六中，在基板SB2与第三层A3之间，也可以配置一层或者若干层。

例如，第一层的薄膜单元用棕色来形成作为虚拟物体的苹果的“轴”的像，第二层的薄膜单元用绿色来形成作为虚拟物体的苹果的“叶”的像，第三层的薄膜单元用红色来形成作为虚拟物体的苹果的“果实”的像。其结果，通过“轴”、“叶”和“果实”，形成彩色的苹果像。

例如，照射某一偏振光时，第一层的薄膜单元形成第一虚拟物体的像，照射其它偏振光时，第二层的薄膜单元形成第二虚拟物体的像。本发明中，能够有效地利用第二层A2的选择反射性。

(6)光学元件1等可以应用在各种领域中。例如，光学元件1等能够作为全息光学元件。例如，光学元件1等通过使光朝向特定方向反射或者扩散，作为折叠镜、显示屏或者透镜。例如，全息光学元件可以装配在可穿戴显示器上。

例如，光学元件1等能够作为装饰用元件或者装饰用薄膜。例如，光学元件1等从任何角度观察都是反射相同颜色的光。其结果，光学元件1等用作半透明型且具有金属光泽的装饰用元件或者装饰用薄膜。

例如，能够形成具有实施方式七所涉及薄膜单元和玻璃基板的显示屏。薄膜单元粘贴在玻璃基板的表面上。还有，显示屏例如能够用作可穿戴装置的显示器。

例如，能够形成具有实施方式七所涉及薄膜单元和玻璃的玻璃板。薄膜单元粘贴在玻璃上。薄膜单元对入射光的一部分进行反射。这种情况下，薄膜单元进行反射的反射光的方向与入射光的入射方向大致相反。或者，薄膜单元对入射光的一部分进行反射，而不取决于入射光的入射角度。

例如，具备实施方式七所涉及薄膜单元和玻璃的玻璃板可以用作汽车或者建筑物的窗户玻璃。这种情况下，热射线的入射光入射时，能够控制也是热射线的反射光的反射方向，使人不暴露在反射光下。还有，能够将也是热射线的反射光会聚到特定方向，使人不暴露在反射光下。还有，例如，能够将玻璃板用作具有高视角特性的透射率的透明型投影幕。

(7)通过对光学元件1等施加刺激，能够动态控制光学元件1等的特性。例如，对光学元件1等施加电气刺激(例如，电压或者电流的施加)。光学元件1响应电气刺激，使若干个第一结构体B1的取向方向发生变化。例如，对光学元件1等施加光刺激(例如，光的照射)。光学元件1响应光刺激，使若干个第一结构体B1的取向方向发生变化。例如，对光学元件1等施加机械刺激(例如，应力施加)。光学元件1响应机械刺激，使若干个第一结构体B1的取向方向发生变化。例如，对光学元件1等施加化学刺激(例如，化学反应的诱发)。光学元件1响应化学刺激，使若干个第一结构体B1的取向方向发生变化。另外，通过对实施方式六的光学元件1B施加刺激，也可以使若干个第三结构体B3的取向方向发生变化。

(8)实施方式一～实施方式七中，入射到光学元件1等的光不限于可见光，也可以是可见光区域外的波长的光。例如，波长和频率没有特别限定，也可以将电磁波(例如，太赫兹波)入射到光学元件1等。

(9)实施方式一～实施方式七中，光学元件1等不限于大致平板状。光学元件1等例如也可以是弯曲或者卷曲的。例如，在光学元件1等是弯曲的情况下，可应用在制造镜子等时的像差校正中。还有，光学元件1等也可以具有弹性。光学元件1等具有弹性时，例如能够以任意曲率使光学元件等发生弯曲。

〔产业可利用性〕

本发明提供光学元件和光学元件制造方法，具有产业可利用性。

〔附图标记说明〕

1、1X、1Y、1A、1B 光学元件

40 电极单元

A1 第一层

A2、A2Y 第二层

A21 1/4波长层

A23 反射层

A3 第三层

B1 第一结构体

B2 第二结构体

B3 第三结构体

SBR 反射基板(第二层)

Claims (14)

1.一种光学元件，

具备第一层和第二层，

所述第二层与所述第一层相对，

所述第一层含有若干个第一结构体，所述若干个第一结构体都具有光学各向异性，

来自所述第一层的光入射到所述第二层后，所述第二层对所述光进行反射时使所述光在入射时和反射时的偏振状态保持一致。

2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，

相对于从所述第一层的外部入射到所述第一层时的光相位，所述第一层根据所述若干个第一结构体的取向方向，使从所述第一层向所述第二层射出时的所述光相位发生变化，

相对于从所述第二层入射到所述第一层时的所述光相位，所述第一层根据所述若干个第一结构体的取向方向，使从所述第一层向所述第一层的外部射出时的所述光相位发生变化。

3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，

来自所述第一层的入射光透射通过所述第二层时，所述第二层使所述光在入射时和出射时的偏振状态保持一致。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学元件，其特征在于，

所述第一层的延迟是3λc(2m+1)/8以上5λc(2m+1)/8以下，

λc表示入射到所述第一层的光的波长，

m表示零以上的整数。

5.根据权利要求4所述的光学元件，其特征在于，

m是零。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的光学元件，其特征在于，

进一步具备电极单元，所述电极单元将电压施加到所述第一结构体上，所述电压用于控制所述第一结构体的取向方向。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学元件，其特征在于，

所述第一层含有取向方向彼此不同的若干个所述第一结构体。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的光学元件，其特征在于，

所述第一层将所述第二层所反射的光射向所述第一层的外部，形成对应于所述光的物体的像。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的光学元件，其特征在于，

所述第一层形成的结构体中，各所述第一结构体具有单一方向的取向秩序。

10.根据权利要求1至9中任一项所述的光学元件，其特征在于，

所述第二层含有若干个第二结构体，所述若干个第二结构体都是螺旋形的。

11.根据权利要求1至10中任一项所述的光学元件，其特征在于，

还具备第三层，所述第三层与所述第二层相对，

所述第三层含有若干个第三结构体，所述若干个第三结构体都具有光学各向异性，

所述第二层配置在所述第一层与所述第三层之间。

12.根据权利要求1至9中任一项所述的光学元件，其特征在于，

所述第二层含有1/4波长层和反射层，

所述1/4波长层与所述第一层相对，

所述反射层与所述1/4波长层相对并对光进行反射，

所述1/4波长层的延迟与光的1/4波长相同。

13.一种光学元件制造方法，用来制造光学元件，其特征在于，

包含形成第一层的工序和形成第二层的工序，

所述第一层含有若干个第一结构体，所述若干个第一结构体都具有光学各向异性，

所述第二层对光进行反射时使所述光在入射时和反射时的偏振状态保持一致。

14.根据权利要求13所述的光学元件制造方法，其特征在于，进一步包含：

物体数据创建工序，用于创建表示物体的物体数据；

第一取向数据创建工序，基于所述物体数据创建第一取向数据，所述第一取向数据表示所述若干个第一结构体的取向方向的分布；以及

第二取向数据创建工序，基于所述第一取向数据创建第二取向数据，所述第二取向数据确定出取向层的表面结构和/或表面特性，所述取向层使所述若干个第一结构体发生取向排列，

形成所述第一层的所述工序中，基于所述第二取向数据来形成所述第一层。