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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Beugungselement
und ein Polarisierungsumwandlungselement, das das optische Beugungselement
verwendet. Das optische Beugungselement wird für eine Vielzahl von Wellenlängen oder eine
Vielzahl von Lichtbanden verwendet. Das optische Beugungselement
und das Polarisierungsumwandlungselement werden geeigneterweise
in verschiedenen Arten von optischen Anwendungen verwendet, z.B.
in einem optischen Bildsystem, einem optischen Projektionssystem
(Projektor), einem Bildverarbeitungsgerät und einem Halbleiterherstellgerät.
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STAND DER
TECHNIK
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Herkömmlicherweise
können
optische Beugungselemente als Beugungslinsen verwendet werden, die
den Zweck haben, die chromatische Abberation zu verringern, wie
z.B. SPIE Vol. 1354 International Lens Design Conference (1990)
beschrieben ist.
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Optische
Beugungselemente können
auch als Farbtrenngitter verwendet werden, die den Zweck der Durchführung von
Farbtrennungen haben durch das Verwenden verschiedener Beugungswinkel
bezüglich
jeder Wellenlänge,
wie es z.B. in der Japanischen Patentschrift Nr. 5-46139 beschrieben
ist.
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Seit
kurzem gibt es ein weiteres optisches Beugungselement, das ein SWS-Gitter
(Subwellenlängenstrukturiertes
Gitter) genannt wird, das eine kleine periodische Struktur hat,
in der eine Gitterperiode eines optischen Beugungselements kleiner
ist als eine verwendete Wellenlänge.
Spezielle Aufmerksamkeit wird diesen SWS-Gittern gewidmet, die z.B. in
der japanischen Veröffentlichung „KOGAKU", Vol. 27, Nr. 1,
veröffentlicht
1998, auf Seiten 12 bis 17 offenbart sind.
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Bei
diesen SWS-Gittern ist es bekannt, dass solche SWS-Gitter verschiedene
Funktionen inne haben können,
wie eine Doppelbrechungswellenlängenplatte,
eine Antireflexionsstruktur und einen Polarisationsstrahlaufteiler,
in Abhängigkeit
von dessen Gitterstruktur. Dann wurden zu diesen Funktionen verschiedene
Berichte gemacht, in denen es eine geringe Variation der optischen
Leistung gibt, die durch Änderungen
in den Einfallswinkeln der Lichtstrahlen verursacht wird, die in
dieses SWS-Gitter eintreten, und in denen das SWS-Gitter überlegene
optische Merkmale haben kann.
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Unter
diesen SWS-Gittern ist, als ein optisches Beugungselement, das eine
Funktion eines Polarisiationsstrahlaufteilers hat, solch eine Struktur, die
in 8 gezeigt ist, in der Veröffentlichung „O plus
E" Vol. 21, Nr.
136 (März
1991) auf den Seiten 86 bis 90 offenbart und auch so eine Struktur,
die in 9 angezeigt ist, ist in der Veröffentlichung „O plus E" Nr. 12 (Dezember
1999) auf den Seiten 1554 bis 1559 offenbart. Der Stand der Technik
ist auch in US-A-5122903 offenbart.
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In
dem optischen Beugungselement von 8 wird ein
Abschnitt einer Gitterperiode „pt" durch ein SWS-Gitter 5 gebildet.
Das SWS-Gitter 5 entspricht einem rechteckigen Gitter das
durch ein Material „n1" und ein Material „n2" von einer Elementgrenze
gebildet wird. Eine Gitterperiode einer sehr kleinen periodischen
Struktur ist „p1" und ein Besetzungsverhältnis des
Materials „n2", das innerhalb jeder
Periode „p1" (nämlich Füllfaktor)
besetzt ist, ist gleich wie „f1". Weiter hat das
SWS-Gitter eine Dicke „d1" an der Seite des
Materials „n2" und eine Dicke „d2" an der Seite des
Materials „n1".
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In
gleicher Weise wird in dem optischen Beugungselement von 9 ein
Abschnitt einer Gitterperiode pt durch das SWS-Gitter 5 gebildet.
In dieser Struktur ist ein Abschnitt eines mehrlagigen Films, der
aus einem Material „n1" und einem anderen
Material „n2" hergestellt ist,
so ein SWS-Gitter, das durch ein dreieckiges Gitter gebildet wird,
und ist mit einem anderen Material „n3" an einer Elementgrenze in Kontakt gebracht.
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In
jedem der optischen Beugungselemente, die in den 8 und 9 gezeigt
sind, wird eine s-polarisierte Lichtkomponente als gebeugtes Licht nullter
Ordnung entlang einer Richtung verbreitet, wohingegen eine p-polarisierte Lichtkomponente
in so einer Weise verbreitet wird, dass diese p-polarisierte Lichtkomponente
in zwei Richtungen von (+) Beugungslicht erster Ordnung und (–) Beugungslicht erster
Ordnung getrennt wird. Dies beinhaltet dass die Lichtmengen der
ausgesendeten Lichtstrahlen ungefähr zweimal unterschiedlich
voneinander gemacht werden, in Abhängigkeit von den Polarisationsrichtungen.
Wenn diese optischen Beugungselemente auf verschiedene Gebiete wie
die Polarisationstrennelemente angewendet werden, sind die zuvor
beschriebenen Ausbreitungseigenschaften nicht wünschenswert.
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Des
weiteren ist ein Polarisationsstrahlenteiler 100, der in 10 gezeigt
ist, in diesem Gebiet gut bekannt als ein Polarisationstrennelement,
das einen dünnen
Film verwendet. In diesem Polarisationstrennelement wird ein dünner Film
an einer Grenzfläche 102 ausgebildet,
an der zwei Sätze
von dreieckigen Zylinderprismen 101 miteinander verbunden
sind und einfallendes Licht wird veranlasst durch die Grenzfläche hindurch
zu gehen oder an dieser Grenzfläche
reflektiert, in Abhängigkeit
von seiner Polarisationsrichtung, so dass das polarisierte Licht
(der polarisierte Lichtstrahl) getrennt wird.
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In
dem Fall, dass jeder der polarisierten Lichtstrahlen bei dem dafür bestimmten
Einfallswinkel eintritt, kann dieser einfallende polarisierte Lichtstrahl
durch die Grenzfläche
hindurch gehen oder er kann an ihr reflektiert werden mit einem
Durchlässigkeitsgrad
oder Reflexionsgrad von fast 100. Jedoch haben diese Polarisationstrennelemente
solch einen Nachteil, dass wenn der Einfallswinkel von diesen von
dem dafür
bestimmten Winkelwert um einige Grad verschoben wird, die resultierenden
Polarisationstrenneigenschaften beträchtlich verschlechtert werden.
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Auch
wurde vor kurzem, als ein funktionales Element, auf das ein Polarisationstrennelement
von einem dünnen
Film angewendet wird, solch ein Polarisierungsumwandlungselement 103,
das in 11 gezeigt ist, vorgeschlagen,
z.B. in der Japanischen Patentschrift Nr. 10-39136.
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Wenn
der Aufbau erklärt
wird, wird ein Lichtstrahl „La", der eine willkürliche Polarisationsrichtung hat
und der von einem Öffnungsabschnitt
A1 eintritt, der an einem Lichtabschirmelement 6 vorgesehen ist,
in eine P-polarisierte
Lichtkomponente und eine S-polarisierte Lichtkomponente durch einen
dünnen Polarisationstrennfilm 102 getrennt.
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Die
P-polarisierte Lichtkomponente geht durch den Polarisationstrennfilm 102 hindurch
und danach wird die Polarisationsrichtung dieser P-polarisierten
Lichtkomponente in ein S-polarisiertes Licht durch eine 1/2-Wellenlängenplatte 8 umgewandelt, die
an der Austrittsseite vorgesehen ist, und dann tritt die S-polarisierte Lichtkomponente
von diesem aus.
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Nachdem
andererseits die S-polarisierte Lichtkomponente durch den dünnen Polarisationstrennfilm 102 reflektiert
worden ist, wird die reflektierte S-polarisierte Lichtkomponente
wieder durch einen Reflexionsspiegel 105 reflektiert, und
dann tritt das reflektierte polarisierte Licht, das die S-Polarisation
aufrecht erhält,
davon aus.
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Wenn
der Lichtstrahl La, der die willkürliche Polarisationsrichtung
hat, in das Polarisierungsumwandlungselement 103 eintritt,
tritt als eine Folge der Lichtstrahl, dessen Polarisationszustand
als S-polarisiertes Licht ausgerichtet ist, von ihm aus.
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Dieses
Polarisierungsumwandlungselement 103 wird in geeigneter
Weise verwendet, um solch ein Element effektiv auszuleuchten, das
eine Polarisationseigenschaft hat wie ein Flüssigkeitskristall, während ein
Verlust einer Lichtmenge verringert wird.
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Dieses
Polarisierungsumwandlungselement wird jedoch wie folgt hergestellt:
der dünne
Polarisationstrennfilm 102 und der Reflektionsspiegel 105 überlappen
sich abwechselnd miteinander, um mit der flachen Glasplatte 104 verbunden
zu werden. Das resultierende Element wird diagonal abgeschnitten
und seine Schnittflächen
werden poliert. Anschließend
wird die 1/2-Wellenlängenplatte 8 an
einen Abschnitt von diesem polierten Element geklebt, um das Polarisierungsumwandlungselement 103 herzustellen.
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Dieses
Herstellungsverfahren erfordert eine sehr große Anzahl von Herstellungsschritten
und schließlich
wird das sehr komplexe Element hergestellt.
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In
den optischen Beugeelementen, die das SWS-Gitter verwenden, im herkömmlichen
Stand der Technik, der vorhin erwähnt ist, gibt es ein Problem, dass
die Verwendungswirksamkeit des Lichtstrahls verringert ist, da der
Lichtstrahl der bestimmten Polarisationsrichtung aufgrund deren
Struktur in die zwei verschiedenen Richtungen getrennt wird. Andererseits
hat das Polarisationstrennelement, das den dünnen Film hat, die folgenden
Probleme: die Einfallswinkeleigenschaft dieses Polarisationstrennelements
ist hochsensibel und/oder das Herstellungsverfahren dieses Polarisationstrennelements
ist sehr komplex.
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Die
vorliegende Erfindung hat eine Aufgabe ein optisches Beugungselement
und ein Polarisierungsumwandlungselement mit Anwendung solch eines
optischen Beugungselements vorzusehen. Das heißt, das optische Beugungselement
kann in einer gleichen Weise für
ein Polarisationstrennelement verwendet werden, das eine dünne Filmstruktur
hat, und da eine Struktur eines SWS-Gitters in einer geeigneten
Weise festgelegt ist, wird eine Beugung, die jeder der Polarisationsrichtungen
entspricht, nur in einer bestimmten Ordnung bewirkt.
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Es
ist eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches
Beugungselement und ein Polarisierungsumwandlungselement mit Anwendung dieses
optischen Beugungselements vorzusehen, das eine SWS-Gitterstruktur hat,
die unter besseren Bedingungen hergestellt wird, und die polarisiertes Licht
trennen kann.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
die zuvor beschriebenen Aufgaben zu lösen, ist ein optisches Beugungselement
gemäß einem
Aspekt der vorliegenden Erfindung durch ein solches optisches Beugungselement
gekennzeichnet, wobei das optische Beugungselement eine Gitterstruktur
hat, in der sich wenigstens zwei blazegitterförmige Abschnitte überlappen,
und wobei in wenigstens einem Gitterabschnitt der zwei blazegitterförmigen Abschnitte
Strukturen in einer periodischen Weise an allen seinen Lichteinfallsflächen angeordnet
sind, die kleiner sind als eine verwendete Wellenlänge.
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Ein
optisches Beugungselement gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das optische Beugungselement so aufgebaut ist, dass innerhalb
eines ganzen Bereichs von verwendeten Wellenlängen die Beugungsrichtungen
voneinander verschieden gemacht sind, in Abhängigkeit von einer Polarisationsrichtung
eines Lichtstrahls, der an dem optischen Beugungselement einfällt, und
ein gebeugtes Licht wird nur in einer vorbestimmten Beugungsordnung zusammengefasst.
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Ein
optisches Beugungselement gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die sehr kleine periodische Struktur aus einer Art von Material
oder zwei Arten von Material besteht und Besetzungsverhältnisse
der jeweiligen Materialien innerhalb einer Periode der sehr kleinen
periodischen Struktur sind entlang einer periodischen Richtung des
Gitterabschnitts voneinander verschieden gemacht.
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Ein
optisches Beugungselement gemäß einem
anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das optische Beugungselement einen stufenförmigen Gitterabschnitt hat.
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Ein
optisches Beugungselement gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die sehr kleine periodische Struktur des Gitterabschnitts entlang
der periodischen Richtung des Gitterabschnitts variiert ist.
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Ein
optisches Beugungselement gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die sehr kleine periodische Struktur, die entlang der periodischen
Richtung des Gitterabschnitts variiert ist, bei jeder Stufe der
abgestuften Gitterabschnitte variiert ist.
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Ein
optisches Beugungselement gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die sehr kleine periodische Struktur des Gitterabschnitts in
einer Gitterdickenrichtung variiert ist.
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Ein
optisches Beugungselement gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die sehr kleine periodische Struktur, die in der Gitterdickenrichtung
variiert ist, bei jeder Stufe des abgestuften Gitterabschnitts variiert
ist.
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Ein
optisches Beugungselement gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass der verwendete Wellenlängenbereich
einem sichtbaren Lichtbereich entspricht.
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Auch
ein Polarisierungsumwandlungselement gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist durch solch ein Polarisierungsumwandlungselement
gekennzeichnet, wobei eine Ablenkeinrichtung so vorgesehen ist,
dass eine Austrittsrichtung von einem von entweder einem P-polarisierten
Lichtstrahl oder einem S-polarisierten
Lichtstrahl, der einer Polarisationstrennung unterzogen worden ist,
um in einer Beugungsrichtung, die je nach einer Polarisationsrichtung
unterschiedlich ist, durch das optisches Beugungselement der zuvor
erwähnten
Aspekte der Erfindung gebeugt zu werden, mit einer Austrittsrichtung
des anderen Strahls im Wesentlichen zusammenfallend gemacht wird.
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Ein
Polarisierungsumwandlungselement gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Halbwellenplatte
in Übereinstimmung
mit einem von entweder einem P-polarisierten
Lichtstrahl oder einem S-polarisierten Lichtstrahl vorgesehen ist,
der einer Polarisationstrennung unterzogen worden ist, um in einer Beugungsrichtung,
die je nach einer Polarisationsrichtung unterschiedlich ist, durch
das optische Beugungselement gebeugt zu werden.
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Ein
Polarisierungsumwandlungselement gemäß einem weiteren Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Ablenkeinrichtung
so vorgesehen ist, dass eine Austrittrichtung von einem von entweder
einem P-polarisierten Lichtstrahl oder einem S-polarisierten Lichtstrahl, der einer
Polarisationstrennung unterzogen worden ist, um in einer Beugungsrichtung,
die je nach einer Polarisationsrichtung unterschiedlich ist, durch
das optische Beugungselement gebeugt zu werden, mit einer Austrittsrichtung
des anderen Strahls im Wesentlichen zusammenfallend gemacht wird,
und wobei eine Halbwellenplatte in Übereinstimmung mit einem von
entweder dem P-polarisierten Lichtstrahl oder dem S-polarisierten
Lichtstrahl vorgesehen ist.
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Ein
Polarisierungsumwandlungselement gemäß einem anderen Aspekt der
vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Element
so vorgesehen ist, dass eine Einfallsrichtung eines Lichtstrahls
an dem optischen Beugungselement im Wesentlichen parallel zu seiner
Austrittsrichtung gemacht ist.
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Auch
ein Projektionsanzeigegerät
gemäß einem
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist gekennzeichnet durch
ein solches Projektionsanzeigegerät, in dem ein Lichtstrahl,
der von einer Lichtquelleneinheit ausgesendet wird und der eine
S-polarisierte Lichtkomponente und eine P-polarisierte Lichtkomponente
enthält,
unter Verwendung des Polarisierungsumwandlungselements der zuvor
erwähnten
Aspekte der Erfindung zu einer Modulationseinrichtung für das Modulieren
des Lichtstrahls auf der Basis eines Bildsignals hingeführt wird,
und wobei der Lichtstrahl, der durch die Modulationseinrichtung
moduliert wird, auf eine vorbestimmte Fläche durch ein optisches Projektionssystem
projiziert wird.
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Ein
Projektionsanzeigegerät
gemäß einem noch
weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass das Bildsignal in Erwiderung auf ein Signal gesteuert wird,
das von einer Bildverarbeitungseinrichtung zugeführt wird.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Für ein besseres
Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird auf eine detaillierte Beschreibung Bezug
genommen, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen gelesen
werden soll, in denen:
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1 eine
perspektivische Ansicht ist, die das optische Beugungselement gemäß einer
Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung darstellt;
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2 ein
erklärendes
Diagramm ist, das eine Schnittform des optischen Beugungselements gemäß der Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung erklärt;
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3 ein
erklärendes
Diagramm ist, das eine Beugungswirksamkeit des optischen Beugungselements
der Ausführungsform
1 bezüglich
jedes polarisierten Lichts erklärt;
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4 ein
erklärendes
Diagramm ist, das eine Schnittform eines optischen Beugungselements gemäß einer
Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung erklärt;
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5 ein
erklärendes
Diagramm ist, das eine Schnittform des optischen Beugungselements gemäß einer
Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung erklärt;
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6 ein
erklärendes
Diagramm ist, das eine Schnittform eines weiteren optischen Beugungselements
gemäß der Ausführungsform
3 der vorliegenden Erfindung erklärt;
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7 ein
erklärendes
Diagramm ist, das ein Polarisierungsumwandlungselement gemäß einer Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung erklärt;
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8 ein
erklärendes
Diagramm ist, das eine Schnittform eines optischen Beugungselements des
Stands der Technik erklärt,
das polarisiertes Licht trennt;
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9 ein
erklärendes
Diagramm ist, das eine Schnittform eines weiteren optischen Beugungselements
des Stands der Technik erklärt,
das polarisiertes Licht trennt;
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10 ein
erklärendes
Diagramm ist, das eine Schnittform des Dünnfilmpolarisationsstrahlenteilers
des Stands der Technik erklärt;
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11 ein
erklärendes
Diagramm ist, das das Polarisierungsumwandlungselement des Stands der
Technik erklärt;
und
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12 ein
schematisches Diagramm ist, das eine Hauptstruktur eines Projektionsgeräts mit Anwendung
des optischen Beugungselements der vorliegenden Erfindung darstellt.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nun
werden mit Bezugnahme auf die Zeichnungen verschiedene bevorzugte
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung im Detail beschrieben.
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AUSFÜHRUNGSFORM 1
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1 ist
eine perspektivische Ansicht für das
Zeigen eines optischen Beugungselements, das einen Polarisationstrennungsvorgang
gemäß einer Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung durchführt.
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In
dem optischen Beugungselement 1 für das Durchführen des
Polarisationstrennvorgangs ist ein Beugungsgitter 3, das
den Polarisationsbrennvorgang durchführen kann, an einem Substrat 2 vorgesehen.
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Das
Beugungsgitter 3 wird durch eine eindimensionale Blazegitterform
gebildet und hat eine Gitterperiode „pt" entlang einer Richtung von 2-2, die
in dieser Zeichnung dargestellt ist. In dem optischen Beugungselement 1 werden
Beugungsrichtungen von Lichtstrahlen, die an dem optischen Beugungselement 1 einfallen,
voneinander verschieden gemacht, in Abhängigkeit von ihren Polarisationsrichtungen.
Des weiteren ist dieses Beugungsgitter 3 in so einer Weise
festgelegt, dass jedes von dem polarisierten Licht nur bei einer
spezifischen Beugungsordnung gebrochen wird.
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2 ist
ein erklärendes
Diagramm, das einen Abschnitt einer Schnittform des optischen Beugungselements 1 von 1 erklärt, das
an der Linie 2-2 von 1 abgeschnitten worden ist.
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Eine
Gitterschnittform des Beugungsgitters 3, das das optische
Beugungselement 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung bildet, ist durch einen blazeartigen ersten Beugungsgitterabschnitt 4,
der an dem Substrat 2 vorgesehen ist, und durch einen blazeartigen
zweiten Beugungsgitterabschnitt 5 festgelegt, der an dem
ersten Beugungsgitterabschnitt 4 ausgebildet ist.
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Des
Weiteren wird bei jedem von diesen Beugungsgitterabschnitten (z.B.
zweiter Beugungsgitterabschnitt 5, der in dieser Zeichnung
gezeigt ist), eine ganze Fläche
der Lichteinfallsfläche
dieses Beugungsgitterabschnitts durch ein SWS-Gitter gebildet (subwellenlängenstrukturiertes
Gitter), das eine sehr kleine periodische Struktur hat, die kleiner
ist als eine Wellenlänge
des verwendeten Lichts.
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Weiter
können
alle von den ersten und den zweiten Beugungsgitterabschnitten 4 und 5 als
solch ein optisches Beugungselement funktionieren, das einen einzelnen
Polarisationstrennvorgang ausführt.
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Des
weiteren wird nun eine zusätzliche
Erklärung
der Form des zuvor beschriebenen Beugungsgitters 3 gemacht.
Das Beugungsgitter 3, das an dem Substrat 2 ausgebildet
ist, ist an einer Grenze zwischen einem Material n1(λ) und einem
Material n2(λ)
ausgebildet. Der erste Beugungsgitterabschnitt 4 ist aus
dem Material n2(λ)
gemacht und entspricht einem eindimensionalen Beugungsgitterabschnitt, der
eine Sägezahnform
hat, wobei dessen Gitterabstand „pt" ist und dessen Gitterdicke „d1" ist.
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Andererseits
hat der zweite Beugungsgitterabschnitt 5 eine SWS-Gitterstruktur,
in der das Material n1(λ)
und das Material n2(λ)
abwechselnd mit einer sehr kleinen Periode wiederholt werden, die
kleiner ist als die Wellenlänge
des verwendeten Lichts. Der Gitterabstand des SWS-Gitters ist „p1" und ein Besetzungsverhältnis des
Materials n2(λ),
das innerhalb des Gitterabstands „p1" besetzt ist, ist gleich zu F = f1/p1
(nachstehend als ein „Füllfaktor" bezeichnet).
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Die
Form dieses zweiten Beugungsgitterabschnitts 5 ist solch
eine eindimensionale rechteckige Gitterform, die eine Periode hat,
die parallel zu dem Gitterabstand „pt" des ersten Beugungsgitterabschnitts 4 ist.
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Dann
wird die Gitterdicke dieses SWS-Gitters von einer Dicke von (d1
+ D + d2) zu einer anderen Dicke von (D) in einer monotonen Art
entlang einer periodischen Richtung variiert und diese Dickenänderung
wird mit der Periode des vorstehend erklärten Gitterabstands „pt" wiederholt.
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In
dieser Ausführungsform
1 sind sowohl der Gitterabstand „p1" als auch der Füllfaktor F des SWS-Gitters
immer konstante Werte.
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Als
nächstes
wird die Struktur des optischen Beugungselements gemäß dieser
Ausführungsform 1
auf der Basis von konkreten numerischen Werte beschrieben. Damit
eine sehr kleine periodische Struktur als ein SWS-Gitter wirkt,
muss die Periode bezüglich
einer verwendeten Wellenlänge
ausreichend kleiner gemacht sein.
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Konkret
gesagt wird dieser Aspekt nun mit Anwendung einer Beugungsformel
(1) erklärt: n2(λ)·sinθ2 – n1(λ)·sinθ1 = m·λ/p1 (1)
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In
dieser Formel (1), bezeichnen die Formelzeichen n1(λ) und n2(λ) Beugungsindizes
von Materialien (Eigenschaften der verwendeten Elemente) an einer
Lichteinfallsseite/Lichtaustrittsseite in dem optischen Beugungselement,
wobei das Formelzeichen „θ1" einen Einfallswinkel
eines Lichtstrahls anzeigt, das Formelzeichen „θ2" einen Austrittswinkel (Beugungswinkel)
des Lichtstrahls anzeigt, das Formelzeichen „m" eine Beugungsordnung kennzeichnet, das
Formelzeichen „λ" eine verwendete
Wellenlänge darstellt
und das Symbol „p1" eine Periode (Abstand) einer
sehr kleinen periodischen Struktur bezeichnet.
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In
solch einem Fall, dass ein optisches Beugungselement auf einen Teil
eines optischen Systems angewendet wird, ist es zu bevorzugen, einen Abstand „p1" auszuwählen, so
dass nur Beugungslicht nullter Ordnung als ein Licht, das sich von
ihm wegbewegt, hergestellt werden kann.
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Diese
zusätzliche
Erklärung
wird nun durch die Anwendung eines einfachen numerischen Beispiels
gemacht. Nun sei angenommen, dass die verwendete Wellenlänge mit
400 nm gewählt
ist und dass der Brechungsindex „n1" des Materials der Lichteinfallsseite
unter der verwendeten Wellenlänge gleich
1,0 ist, wohingegen der Brechungsindex „n2" des Materials der Lichtaustrittsseite
gleich 1,5 ist.
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Der
folgende Fall wird betrachtet: Ein Lichtstrahl tritt in die sehr
kleine periodische Struktur dieses optischen Beugungselements von
der vertikalen Richtung (θ1
= 0) ein. In dem Fall, dass m = 1 ist und dass der Lichtaustrittswinkel „θ2" mit 90° gewählt ist, ist
die Periode „p1" der sehr kleinen
periodischen Struktur gleich 0,27 μm, basierend auf der zuvor erklärten Formel
(1).
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Als
eine Folge tritt, unter solch einer Bedingung, dass der Gitterabstand „p1" kleiner oder gleich 0,27 μm ist, da
es keine Lösung
zu dieser Formel (1) aufgrund der sehr kleinen periodischen Struktur
gibt, nur gebeugtes Licht nicht auf.
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Als
eine Folge ist der sich verbreitende oder fortpflanzende Lichtstrahl
nur Beugungslicht nullter Ordnung bezüglich der sehr kleinen periodischen Struktur.
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Eine
Beugungsformel des Beugungslichts nullter Ordnung entspricht „m = 0" in der Formel (1), die
gleich der Formel bezüglich
dem Gesetz der Beugung von Snell ist.
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Da
solch eine Bedingung erfüllt
ist, kann die sehr kleine periodische Struktur eine Doppelbrechung
durchführen,
entsprechend der spezifischen Eigenschaft, wie das SWS-Gitter. In anderen
Worten gesagt, mit Bezug auf eine optische Welle, die in den zweiten
Beugungsgitterabschnitt 5 eintritt, ist ein Beugungsindex
einer optischen Welle, die parallel zu einer Erstreckungsrichtung
der sehr kleinen periodischen Struktur schwankt (und zwar wird sie
nachstehend als P-polarisiertes
Licht bezeichnet) verschieden gemacht von einem Brechungsindex einer
optischen Welle, die senkrecht zu dieser Erstreckungsrichtung schwankt
(und zwar wird sie nachstehend als S-polarisiertes Licht bezeichnet).
Der zweite Beugungsgitterabschnitt 5 kann als verschiedenes
Beugungsgitter bezüglich
dem P-polarisierten
Licht und dem S-polarisierten Licht funktionieren. Als eine Folge
kann, in solch einem Fall, dass der erste Beugungsgitterabschnitt 4 mit
dem zweiten Beugungsgitterabschnitt 5 verbunden wird und
dass dann die kombinierten Beugungsgitterabschnitte 4 und 5 optimiert
werden, solch ein Polarisationstrennvorgang wie folgt erhalten werden:
das P-polarisierte Licht pflanzt sich gerade aus als Beugungslicht
nullter Ordnung fort, wohingegen das S-polarisierte Licht als Beugungslicht
erster Ordnung in eine festgelegte Richtung gebrochen wird. Da auch
diese Bedingung erfüllt
ist, tritt keine Beugung in dem SWS-Gitter auf. Als eine Folge braucht,
wenn man solch einen Fall betrachtet, dass ein Beugungstrennvorgang
durchgeführt
wird, da das optische Beugungselement den Polarisationstrennvorgang
durchführen
kann, nicht auf das Auftreten einer Beugung in der sehr kleinen periodischen
Struktur geachtet werden.
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Wie
vorstehend erklärt
ist, muss, aufgrund des optischen Beugungselements, das die sehr
kleine periodische Struktur hat und das die Polarisationstrennung
durchführen
kann, damit die Periode (Abstand) der sehr kleinen periodischen
Struktur die vorstehend beschriebenen Bedingungen erfüllen kann, die
sehr kleine periodische Struktur in solch einer Weise festgelegt
sein, dass diese Bedingung innerhalb des Bereichs des verwendeten
Einfallwinkels über
dem gesamten Bereich der verwendeten Wellenlängen erfüllt werden können.
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3 stellt
eine Polarisationstrenneigenschaft dar, die durch das Polarisationstrennelement erreicht
wird, das die vorstehend erklärte
sehr kleine periodische Struktur hat.
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Diese
Ausführungsform
ist wie folgt angeordnet: die P-polarisierte
Lichtkomponente des Einfallslichtstrahls wird als das Beugungslicht
nullter Ordnung von dem eindimensionalen optischen Beugungselement
getrennt, das durch den Gitterabstand „pt" gebildet wird, und die S-polarisierte Lichtkomponente
des Einfallslichtstrahls wird als das Beugungslicht erster Ordnung
getrennt.
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Es
wird also angenommen, dass während die
Periode „p1" der sehr kleinen
periodischen Struktur mit 0,2 μm
gewählt
ist und der Füllfaktor „F" mit 0,56 gewählt ist,
das Material 1 aus Luft gemacht ist und das Material 2 aus einem
ultraviolett gehärtetem Harz
(nd = 1,6363, vd = 22,8) gemacht ist.
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Die
Gitterdicke d1 ist 2,32 μm,
die Gitterdicke d2 ist 3,88 μm
und die Dicke D ist 0,5 μm.
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Von
dieser Polarisationstrenneigenschaft kann man erkennen, dass sowohl
die P-polarisierte Lichtkomponente als auch die S-polarisierte Lichtkomponente
bessere Eigenschaften haben können, die über den
Bereich des sichtbaren Lichts hinweg gleich oder höher sind
als ungefähr
98%.
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In
der vorstehend erklärten
Struktur ist das Beugungsgitter 3 an dem Substrat 2 vorgesehen.
Alternativ wird ein Substrat verwendet, das aus einem Quarz gemacht
ist, und eine Form kann direkt an dem Substrat durch eine Ätzbehandlung
ausgebildet sein, die das Quarzsubstrat und dergleichen verwendet.
Wenn es so betrachtet wird, dass das Material 1 (Luft) gleich einer äußeren Atmosphäre ist,
dann kann in diesem alternativen Fall ein essentielles Material
durch nur eine Sorte von Quarz hergestellt werden.
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In
der vorstehend erklärten
Ausführungsform ist
auch die Periode der sehr kleinen periodischen Struktur parallel
zu der Periode des Beugungsgitterabschnitts festgelegt.
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Alternativ
ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Struktur begrenzt,
sondern sie kann auch dadurch verwirklicht werden, dass die Periode
des Beugungsgitterabschnitts senkrecht zu der Periode der sehr kleinen
periodischen Struktur festgelegt werden kann.
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AUSFÜHRUNGSFORM 2
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4 ist
eine Schnittansicht, die eine Hauptstruktur eines optischen Beugungselements gemäß einer
Ausführungsform
2 der vorliegenden Erfindung zeigt. Das optische Beugungselement
dieser Ausführungsform
2 ist durch solch eine Struktur gekennzeichnet, dass eine Randfläche eines
sehr kleinen periodischen Gitters, die an einer Lichteinfallsseite
vorgesehen ist, mit einer periodischen Gitterrichtung parallel zueinander übereinstimmt.
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In
der Ausführungsform
1 haben sowohl der Gitterabstand „p1" der sehr kleinen periodischen Struktur
als auch der Füllfaktor
F = f1/p1 konstante Werte.
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Im
Gegensatz dazu wird in der Ausführungsform
2 ein Füllfaktor
Fs = fs/ps mit dem Gitterabstand „pt" des zweiten Beugungsgitterabschnitts 5 geändert, um
die Randflächen
parallel zueinander zu machen.
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Konkret
gesagt ist ein Wert eines Füllfaktors größer gemacht
an dem tieferen Abschnitt in dem SWS-Gitter, wohingegen ein Wert
eines Füllfaktors kleiner
gemacht ist an dem dünneren
Abschnitt in dem SWS-Gitter.
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In
dieser Zeichnung ist die Struktur dieses Beugungselements aus neun
Sätzen
von sehr kleinen Gittern mit dem Gitterabstand „pt" gemacht. Als ein Ergebnis kann die
vorstehend erklärte
Beziehung wie folgt ausgedrückt
werden: F1 > F2 > F3 > F5 > F6 > F7 > F8 > F9, Fs: 1 < s < 9.
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In
anderen Worten gesagt wird, aufgrund des tiefen SWS-Gitters, da ein Verhältnis eines
Materials 2 groß wird
bezüglich
der Luft eines Materials 1, ein offensichtlicher Beugungsindex dem
Material 2 angenähert.
Wenn das Luftverhältnis
des Materials 2 gleich dem Luftverhältnis des Materials 1 gemacht wird,
wird der resultierende Brechungsindex groß, verglichen mit dem Fall,
dass der Füllfaktor
Fs = 0,5 ist.
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Andererseits
wird, aufgrund des dünnen SWS-Gitters,
da ein Verhältnis
eines Materials 2 klein wird bezüglich
der Luft eines Materials 1, ein offensichtlicher Brechungsindex
der Luft von dem Material 1 angenähert. Wenn das Luftverhältnis des
Materials 2 gleich dem Luftverhältnis
des Materials 1 gemacht wird, wird der resultierende Brechungsindex
klein, verglichen mit dem Fall, dass der Füllfaktor Fs = 0,5 ist.
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Als
eine Folge von diesem Effekt kann die Gitterdicke des Tiefengitters
relativ gesehen dünner gemacht
werden. Da die Füllfaktoren
optimiert werden, kann solche eine Struktur hergestellt werden, bei
der die Randfläche
des sehr kleinen periodischen Gitters, die an der Lichteingangsseite
ausgebildet ist, mit der periodischen Gitterrichtung parallel zueinander übereinstimmen.
Aufgrund dieser Struktur kann, in solch einem Fall, dass das SWS-Gitter
durch eine Ätzbehandlung
ausgebildet worden ist, da eine Ätzmaske
in nahem Kontakt dazu sein kann, die sehr kleine periodische Struktur
hergestellt werden, die die überlegenen
Leistungsmerkmale hat.
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In
dieser Ausführungsform
2 kann der Gitterabstand des SWS-Gitters schrittweise geändert werden.
Der Gitterabstand ist innerhalb eines Bereichs größer gemacht,
wo das SWS-Gitter entlang einer Richtung hergestellt werden kann,
in der das Gitter dünner
wird, so dass es möglich
ist, solch einen Zustand zu unterdrücken, bei dem die absolute
Breite des Materials 2 des rechteckigen Gitters schmal wird. Dies
ist im Hinblick auf Herstellungsaspekte sehr wünschenswert.
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AUSFÜHRUNGSFORM 3
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5 ist
ein schematisches Diagramm, das einen Hauptabschnitt eines optischen
Beugungselements gemäß einer
dritten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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Das
optische Beugungselement dieser dritten Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass
die Gitterform des ersten Beugungsgitterabschnitts 4 gemäß der Ausführungsform
2 in einer abgestuften Gitterform gemacht ist. Auch ein Füllfaktor Fs
eines SWS-Gitters entlang einer periodischen Gitterrichtung wird
in Erwiderung auf den Stufenaufbau geändert. In dieser Zeichnung
ist das optische Beugungselement in so einer Weise angeordnet, dass
8 Sätze
von sehr kleinen Gittern innerhalb des Gitterabstands pt vorgesehen
sind. Das abgestufte Gitter hat des weiteren vier Abschnitte von
abgestufter Form.
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Als
ein Ergebnis kann die vorstehend erklärte Beziehung wie folgt ausgedrückt werden:
F1
= F2 > F3 = F4 > F5 = F6 > F7 = F8, Fs: 1 <= s <= 8
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Mit
Anwendung dieser Struktur, falls vier Arten von Masken verwendet
werden, dann kann das optische Beugungselement durch eine Ätztechnik
in einer relativ einfachen Weise hergestellt werden.
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Des
weiteren wird, wie in 6 angezeigt ist, der Füllfaktor
Fs nicht entlang der vorstehend erklärten periodischen Gitterrichtung
in Übereinstimmung mit
der abgestuften Form geändert,
sondern der Füllfaktor
kann entlang der Tiefenrichtung geändert werden.
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Der
Füllfaktor
Fs wird zu zwei Abschnitten, drei Abschnitten, ..., n Abschnitten
in Erwiderung auf die Tiefe geändert,
während
das abgestufte Gitter entlang der Höhenrichtung (Tiefenrichtung)
festgelegt wird.
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AUSFÜHRUNGSFORM 4
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7 ist
ein erklärendes
Diagramm für
das Erklären
einer Struktur eines Polarisierungsumwandlungselements, gemäß einer
Ausführungsform
1 der vorliegenden Erfindung, unter Verwendung des optischen Beugungselements
für ein
Durchführen
der Polarisationstrennung.
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In 7 fällt ein
Lichtstrahl „La", der eine zufällig Polarisationsrichtung
hat, an einem Beugungsgitter 3 ein, das an einem Substrat 2 ausgebildet
ist. Der Lichtstrahl „La" tritt von einem Öffnungsabschnitt A1
ein, der in einem Lichtabschirmelement 6 ausgebildet ist.
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In
dem optischen Beugungselement, das die Polarisationstrennung durchführt, wird
eine P-polarisierte
Lichtkomponente „P" nicht gebrochen,
so dass sich Beugungslicht nullter Ordnung geradeaus ausbreitet, wohingegen
eine S-polarisierte Lichtkomponente „S" als Beugungslicht erster Ordnung gebeugt/getrennt
wird.
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Nachdem
die P-polarisierte Lichtkomponente durch das optische Beugungselement 1 hindurchgegangen
ist, wird die Polarisationsrichtung dieser P-polarisierten Lichtkomponente
in eine S-polarisierte Komponente durch eine 1/2 Wellenlängenplatte 8 umgewandelt,
die an der Austrittsseite vorgesehen ist, und dann tritt die S-polarisierte Lichtkomponente von
diesem aus.
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Nachdem
andererseits die S-polarisierte Lichtkomponente durch das Beugungsgitter 3 gebeugt
worden ist, wird die gebeugte S-polarisierte Lichtkomponente durch
ein Prisma 7 abgelenkt, um als S-polarisierte Lichtkomponente
von ihm zu der selben Richtung hin auszutreten, wie der Lichtstrahl, der
durch die 1/2 Wellenlängenplatte 8 hindurchgeht.
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Wenn
demzufolge der Lichtstrahl La, der die zufällige Polarisationsrichtung
hat, in das optische Beugungselement eintritt, tritt der Lichtstrahl
dessen Polarisationsrichtung gleich geworden ist, als S-polarisiertes Licht
von diesem aus.
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Des
weiteren kann, in der vorstehend erklärten Struktur, wenn das Prisma
(Ablenkeinrichtung) 7 in einer Gitterform hergestellt wird
und auch die 1/2 Wellenlängenplatte 8 durch Ändern der
Gitterstruktur des SWS-Gitters ausgebildet wird, diese Struktur vorzugsweise
durch das selbe Herstellungsverfahren hergestellt werden, wie das
von dem optischen Beugungselement 1.
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In
dieser Ausführungsform
4 ist die Austrittsrichtung von einem von den Lichtstrahlen, und
zwar entweder dem P- polarisierten
Lichtstrahl oder dem S-polarisierten Lichtstrahl, der in einer vorgegebenen Richtung
gebeugt wird, abhängig
von der Polarisationsrichtung, und der von dem anderen Lichtstrahl
getrennt wird, zusammenfallend gemacht mit der Austrittsrichtung
des anderen von entweder dem S-polarisierten Licht oder dem P-polarisierten Licht.
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Die
Ablenkeinrichtung 7 hat auch eine Funktion eines optischen
Elements durch das die Einfallsrichtung des Lichtstrahls, der an
dem optischen Beugungselement 1 einfällt, im Wesentlichen parallel
zu seiner Austrittsrichtung gemacht wird.
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Wie
vorstehend erklärt
ist, ist jedes der optischen Beugungselemente gemäß den jeweiligen Ausführungsformen
in so einer Weise angeordnet, dass dieses optische Beugungselement
die Gitterstruktur hat, in der sich wenigstens zwei Arten von Beugungsgittern
miteinander überlappen,
und in der auch wenigstens eine Art von Beugungsgitterabschnitt
von diesen Beugungsgittern die sehr kleine periodische Struktur
hat, die kleiner als die verwendete Wellenlänge ist, so dass sich die Beugungsrichtung
unterscheidet, in Abhängigkeit
von der Polarisationsrichtung des Lichtstrahls, der an dem optischen Beugungselement
einfällt,
und dass jeder der polarisierten Lichtstrahlen, der an diesem einfällt, innerhalb
dem gesamten Bereich von diesen verwendeten Wellenlängen nur
bei einer vorbestimmten Beugungsordnung gebrochen wird.
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Auch
kann jedes der optischen Beugungselemente gemäß den jeweiligen Ausführungsformen in
dem gleichen Verwendungsgebiet für
den herkömmlichen
dünnen
Film verwendet werden, und auch die überlegene Einfallswinkeleigenschaft,
die dem SWS-Gitter selbst zu eigen ist, kann wirksam verwendet werden.
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Wenn
des Weiteren jedes der optischen Beugungselemente gemäß den jeweiligen
Ausführungsformen
auf das Polarisierungsumwandlungselement angewendet wird, ist es
möglich,
solch ein hochpräzises
Polarisierungsumwandlungselement zu realisieren, das eine einfache
Struktur hat.
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12 ist
ein schematisches Diagramm, das einen Hauptaufbau eines Projektionsgeräts mit Anwendung
des Polarisierungsumwandlungselements gemäß der vorliegenden Erfindung
darstellt.
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In 12 bezeichnet
das Bezugszeichen 12 eine Lichtquelleneinheit, die einen
Lichtstrahl aussendet, der eine S-polarisierte Lichtkomponente und eine
P-polarisierte Lichtkomponente
enthält.
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Des
Weiteren bezeichnet Bezugszeichen 11 einen Reflexionsspiegel.
Der Reflexionsspiegel 11 reflektiert den Lichtstrahl, der
von der Lichtquelleneinheit 12 ausgesendet wird, zu einer
Richtung hin, die gegenüber
der Seite des Polarisierungsumwandlungselements 13 ist.
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Das
Polarisierungsumwandlungselement 13 hat die Struktur, die
vorstehend in 7 erklärt ist. Dieses Polarisierungsumwandlungselement 13 bewirkt,
dass der Lichtstrahl, der von der Lichtquelleneinheit 12 ausgesendet
wird, als ein Lichtstrahl ausgesendet wird, der eine von den Polarisationsrichtungen
hat, die entweder einen S-polarisierten Zustand oder einen P-polarisierten Zustand
hat. Bezugszeichen 14 bezeichnet eine optische Modulationseinrichtung (Flüssigkeitskristallplatte),
die eine Flüssigkeitskristalldisplayvorrichtung
(LCD) aufweist, die das Licht moduliert, das von dem Polarisierungsumwandlungselement 13 austritt,
auf der Basis eines zugeführten
Bildsignals.
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Des
Weiteren zeigt Bezugszeichen 16 ein optisches Projektionssystem.
Das optische Projektionssystem 16 projiziert den Lichtstrahl,
der durch die optische Modulationseinrichtung 14 moduliert
wird, auf einen Schirm 17, um ein Bild auf diesen Schirm 17 auszubilden.
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Das
Bildsignal, das der Modulationseinrichtung 14 zugeführt wird,
wird durch eine Bildverarbeitungseinrichtung 18 gesteuert,
wie ein Personalcomputer oder dergleichen.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung, da die Struktur des SWS-Gitters in der geeigneten Weise festgelegt
ist, wird die Beugung bewirkt, in Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung
des Lichtstrahls, der an diesem einfällt, um ein gebeugtes Licht
mit nur einer vorbestimmten Beugungsordnung zu produzieren. Sowohl
das optische Beugungselement als auch das Polarisierungsumwandlungselement,
das dieses optische Beugungselement benutzt, können realisiert werden, und
beide können
in einer gleichen Weise für
das Polarisationstrennelement verwendet werden kann, das die dünne Filmstruktur
hat.
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Zusätzlich können gemäß der vorliegenden Erfindung
beide, sowohl das optischen Beugungselement als auch das Polarisierungsumwandlungselement,
das dieses optische Beugungselement verwendet, realisiert werden,
wobei beide die SWS-Gitterstrukturen zu eigen haben, die unter besseren
Bedingungen hergestellt werden, und beide können auch den Polarisationstrennvorgang
durchführen.