JP2008145457A - 光学素子及び画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】良好な構造性複屈折作用と従来よりもさらに高い透過率特性（反射抑制効果）とを有する光学素子を提供することを目的の１つとしている。
【解決手段】光学素子１は、透光性を有する基板部４と、該基板部上に形成され、第１の媒質７と該第１の媒質よりも屈折率が小さい第２の媒質８とが入射光の波長より小さい周期で交互に配置された１次元周期構造を有する第１の周期構造部５とを有する。さらに、光学素子は、第１の媒質における基板部とは反対側の面上に設けられた第３の媒質９と該第３の媒質よりも屈折率が小さい第４の媒質１０とが入射光の波長より小さい周期で交互に配置された周期構造を有する第２の周期構造部６を有する。そして、該第２の周期構造部は、第１の周期構造部とは異なる周期構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、使用波長（入射光の波長）より小さい周期を有する周期構造による構造性複屈折作用を有する光学素子に関し、さらに該光学素子を用いた画像投射装置に関する。

基板上に形成された使用波長より小さい周期を有する微細周期構造により、いわゆる構造性複屈折作用を有する光学素子が非特許文献１にて提案されている。そして、この構造性複屈折作用を有する光学素子は、１／４波長板や１／２波長板といった位相差板として用いられる場合がある（特許文献１，２参照）。

特許文献１，２にて開示された位相差板は、基板上に特定の周期を持った１次元格子部を有する。１次元格子部は、その周期が使用波長以下であることで、回折光を発生させずに複屈折性を有する媒質として機能する。そして、構造性複屈折作用によって生じた屈折率差に１次元格子部の高さを掛け合わせた値を使用波長の１／２や１／４にすることで、波長板としての機能を持つ。特許文献１では、１次元格子部を屈折率の波長分散が異なる２種類の媒質で構成している。一方、特許文献２にて開示された位相差板では、２種類の媒質の一方を空気としている。

このような位相差板は、プロジェクタ等の画像投射装置において用いられる。具体的には、例えば、光源からの白色光から分離された特定の色光は、特定の偏光方向を有する直線偏光（ここではＳ偏光とする）として偏光ビームスプリッタに導かれ、ここでの反射又は透過を経て１／４波長板に入射する。１／４波長板は入射した直線偏光を円偏光に変換し、該円偏光は反射型液晶パネルに導かれる。さらに、該１／４波長板は、反射型液晶パネルで画像変調及び反射された光をＰ偏光に変換する。該Ｐ偏光は、偏光ビームスプリッタでの透過又は反射を経て投射レンズによりスクリーンに投射される。

このように、１／４波長板は、画像投射装置において、スクリーンに投射される光に対して重要な光学作用を及ぼす。このため、１／４波長板としての本来の機能は勿論、高い透過率特性（低い反射率特性）を有することも要求される。１／４波長板の反射率が低くないと、該１／４波長板で反射した光が反射型液晶パネルとの間で反射を繰り返してゴースト像を形成し、画像のコントラストを低下させる。また、透過率特性が低いと、投射画像が暗くなってしまう。ただし、特許文献１，２には、位相差板としての透過率特性は開示されていない。

これに対し、透過率特性を改善した位相差板が特許文献３や非特許文献２に開示されている。特許文献３では、１次元格子部を屈折率と分散特性の異なる材料からなる２層構造として位相差特性を改善するとともに、１次元格子部と基板の境界面の屈折率差を小さくして反射率が低くなるように、格子部や基板の材料を選んでいる。

一方、非特許文献２に開示された位相差板では、１次元格子部の両側を特定の材質の層で挟むことで、１次元格子部の両境界面で発生する反射を低減している。
特開２００３−９０９１６号公報（段落００２２〜００２３、図１，２等） 特開２００３−２０７６３６号公報（段落００２９、図２等） 特開２００４−１３９００１号公報（段落００３５、図２等） Born & Wolf, Principles of Optics pp.705-708 H.Kikuta et al, Apply. Opt. Vol. 36, No.7, pp.1566-1572, 1997

しかしながら、特許文献３にて開示された位相差板では、透過率が９５％以上と高い特性ではあるものの、一次元格子部を形成するための材料が限られているため、さらなる低反射率化が困難である。
また、非特許文献２にて開示された位相差板では、格子部の両境界面で発生する反射は低減されているものの、特定材質層と空気の境界面で発生する反射を低減させるためには、特定材質層に反射防止膜を設ける必要がある。また、この位相差板の製法については、非特許文献２では何ら提案されていないが、かなり困難であることが予想される。

本発明は、良好な構造性複屈折作用と従来よりもさらに高い透過率特性（反射抑制効果）とを有する光学素子を提供することを目的の１つとしている。

本発明の一側面としての光学素子は、透光性を有する基板部と、該基板部上に形成され、第１の媒質と該第１の媒質よりも屈折率が小さい第２の媒質とが入射光の波長より小さい周期で交互に配置された１次元周期構造を有する第１の周期構造部とを有する。そして、該光学素子は、第１の媒質における基板部とは反対側の面上に設けられた第３の媒質と該第３の媒質よりも屈折率が小さい第４の媒質とが入射光の波長より小さい周期で交互に配置された第２の周期構造部を有する。そして、第２の周期構造部は、第１の周期構造部とは異なる周期構造を有することを特徴とする。

また、上記光学素子を介した光を用いて画像を形成する光学機器も本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、第１の周期構造部が構造性複屈折作用（例えば、位相差板としての作用）を有し、かつ第２の周期構造部が反射抑制作用を持つことで、良好な複屈折特性と従来よりも高い透過率特性とを有する光学素子を実現することができる。

そして、該光学素子を用いることで、画質が良好な画像を形成することが可能な光学機器を実現することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、具体的な実施例の説明の前に、本発明の実施例の光学素子としての位相差板の基本的構成について、図１及び図２Ａ〜２Ｃを用いて説明する。図１は位相差板の斜視図であり、図２Ａ，２Ｂは図１に示した位相差板のｘｚ断面及びｙｚ断面を示す断面図である。また、図２Ｃは、該位相差板の上面図である。

位相差板１は、透光性を有する基板部４と、該基板部４上に形成された、入射光の波長（使用波長又は設計波長ともいう）より小さい周期を有する周期構造部３とを有する。

周期構造部３は、基板部４上に１次元の周期構造（格子ともいう）を有するように形成された第１の周期構造部５を有する。さらに、基板部上に形成された周期構造部３は、第１の周期構造部５における基板部４とは反対側の境界面上に２次元の周期構造（格子ともいう）を有するように形成された第２の周期構造部６とを有する。第１の周期構造部５は、構造性複屈折作用により入射光に対して位相差を与える機能を有する。また、第２の周期構造部６は、その２次元周期構造によって反射抑制機能を有する。以下の説明において、第１の周期構造部５を位相差部といい、第２の周期構造部６を反射抑制部という。

該位相差板１は空気中に配置されており、入射媒質２である空気と接している。１次元の格子形状を有する位相差部５は、周期Ｐの１次元格子である。周期Ｐは、位相差部５に入射光が回折しないための条件から求めることができる。入射光が回折しない条件下において、１次元格子は、その構造に起因する複屈折特性が表れる。

１次元格子としての位相差部５は、それぞれ矩形格子形状を有する第１の媒質７と第２の媒質８とが周期方向に交互に（周期的に）配置される構造を有する。第１の媒質７の幅（周期方向の長さ）はａであり、第２の媒質８の幅はＰ−ａである。

本発明の実施例では、第１及び第２の媒質７，８のうち屈折率の高い方の媒質を第１の媒質７とし、低い方の媒質を第２の媒質８としている。実施例では、第２の媒質８は空気である。また、位相差部５の格子高さはｄ１である。第１の媒質７の材料としては、屈折率が１．８以下の材料を選択するとよい。

次に、位相差部５上に形成された反射抑制部６の構成を説明する。反射抑制部６は、位相差部５と入射媒質２との界面で生じる反射を低減する。実施例の反射抑制部６は、位相差部５の周期方向と同じ方向とこれに直交する方向にそれぞれ周期を有する２次元の矩形格子形状を有する。

反射抑制部６において、位相差部５と同じ周期方向（図のｘ方向）の周期はＰｘ、それと直交する周期方向（図のｙ方向）の周期はＰｙである。反射抑制部６は、第３の媒質９と第４の媒質１０とが上記２つの周期方向に交互に配置された構成を有する。ここでは第３の媒質は前述の第１の媒質と同一材料としているがその限りでは無い。また、第４の媒質は前述の第２の媒質と同様に空気であるが、これもその限りでは無い。いずれも他の材料を用いても構わない。

第３の媒質９は、ｘ方向の幅がｂでｙ方向の幅がｃの凸形状を有する。第４の媒質１０は空気である。また、反射抑制部６の格子高さはｄ２である。

実施例では、位相差部５を構成する２つの媒質７，８のうち、屈折率が高い方の第１の媒質７と入射媒質２との境界面にのみ、第３の媒質９からなる凸形状部が形成されている。このように１つの媒質の表面にのみ凸形状部を形成することは、比較的容易である。以上が、実施例の位相差板１としての基本構造である。

次に、光学的機能の点から実施例の位相差板１を説明する。ここでは、微細周期構造の光学特性を説明ために、有効屈折率法（Effective Medium Theory：EMT）を用いる。有効屈折率法は、微細周期構造を有する構造体の見かけの屈折率（以下、有効屈折率という）を求める手法である。１次元周期構造が持つ有効屈折率の算出方法は、Born & Wolf, Principles of Optics, p.p.706-707に説明されている。

まず、位相差部５の有効屈折率について説明する。実施例においては、格子の周期方向に対して直交する偏光方向を有する偏光をＴＥ偏光とし、入射面内で、ＴＥ偏光と直交する偏光をＴＭ偏光とする。また、ＴＥ偏光及びＴＭ偏光に対する有効屈折率をそれぞれ、ｎｐ（ＴＥ），ｎｐ（ＴＭ）とする。

また、フィリングファクタＦＦと呼ばれる値を定義する。この値は、格子を構成する２つの材料のうち一方の材料（ここでは、第１の媒質７）が占める幅ａの格子周期Ｐに対する割合であり、
ＦＦａ＝ａ／Ｐ
で表わされる。

これによれば、各偏光方向に対する有効屈折率ｎｐ（ＴＥ）、ｎｐ（ＴＭ）は、以下のように表わされる。

ｎｐ（ＴＥ）＝SQRT｛ｎ１^２ＦＦａ＋ｎ２^２（１−ＦＦａ）｝ …（１）
ｎｐ（ＴＭ）＝１／SQRT｛（１／ｎ１^２）ＦＦａ＋（１／ｎ２^２）（１−ＦＦａ）｝
…（２）
ここで、ｎ１は格子を構成する２つの材料のうちの一方の材料の屈折率、ｎ２は他方の材料の屈折率である。SQRT{ }は、{ }内の平方根を表わす。ＦＦａはフィリングファクタである。

屈折率差Δｎは、
Δｎ＝ｎｐ（ＴＥ）−ｎｐ（ＴＭ） …（３）
で表わされる。

１次元格子の高さをｄ１とすると、該一次元格子によって入射光に与えられる位相差φは、
φ＝３６０×Δｎ×ｄ１／λ …（４）
となる。φが１８０度となるときは１／２波長板として、９０度となるときは１／４波長板として機能する。

次に、反射抑制部６の有効屈折率について説明する。２次元格子の有効屈折率は、１次元格子の有効屈折率の計算を、互いに直交する２方向で２回繰り返すことで求められる。

ｎｘ＝SQRT｛ｎ３^２ＦＦｃ＋ｎ４^２（１−ＦＦｃ）｝ …（５）
ｎｙ＝１／SQRT｛（１／ｎ３^２）ＦＦｃ＋（１／ｎ４^２）（１−ＦＦｃ）｝…（６）
ｎｒ（ＴＥ）＝SQRT｛ｎｙ^２ＦＦｂ＋ｎ２^２（１−ＦＦｂ）｝ …（７）
ｎｒ（ＴＭ）＝１／SQRT｛（１／ｎｘ^２）ＦＦｂ＋（１／ｎ２^２）（１−ＦＦｂ）｝
…（８）
ここで、ｎ３は格子を構成する２つの材料のうちの一方の材料の屈折率、ｎ４は他方の材料の屈折率である。ＦＦｂとＦＦｃはそれぞれ、第３の媒質（凸形状部）９のｘ方向とｙ方向でのフィリングファクタであり、ＦＦｂ＝ｂ／Ｐｘ，ＦＦｃ＝ｃ／Ｐｙである。

補足として、一般的な反射抑制機能を有する単層膜（反射防止膜、反射抑制作用を持つ膜）について説明する。２つの媒質ｎＡ，ｎＢの界面に設けられる反射防止膜において、最適な屈折率ｎｃは、
ｎｃ＝ＳＱＲＴ（ｎＡ×ｎＢ） …（９）
であることが知られている。さらに、反射防止膜の膜厚をｄとしたとき、
ｎｃ×ｄ＝λ０／４ …（１０）
となれば、波長λ０の反射を防止することが可能となる。

したがって、実施例においては、位相差部５の格子形状を決定した後に、各偏光方向に対して（９）式と（１０）式が成り立つように、反射抑制部６の形状を決定すればよい。

具体的には、まず位相差部５で、所望の位相差特性が得られるように格子形状を決定する。格子形状が決定されれば、格子の各偏光方向に対する有効屈折率が、（１）及び（２）式から求められる。次に、各偏光方向に対して、（９）式を満たす反射抑制部６の有効屈折率を決定する。入射媒質２が空気の場合、反射抑制部６の有効屈折率は以下のように表せる。

ｎｒ（ＴＥ）＝SQRT{ｎｐ（ＴＥ）} …（１１）
ｎｒ（ＴＭ）＝SQRT{ｎｐ（ＴＭ）} …（１２）
（１１）及び（１２）式を満足するように、（５），（６），（７）及び（８）式を用いて、反射抑制部６の２次元格子形状を決定すればよい。ただし、実際には、（１０）式の膜厚ｄ（図１ではｄ２）が偏光方向毎に変えられないので、最終的な反射抑制性能を確認しながら、ｄ２、ｎｒ（ＴＥ）及びｎｒ（ＴＭ）を決定する。

また、反射抑制部６においても、ｎｒ（ＴＥ）とｎｒ（ＴＭ）が差を有するので、位相差が生じる。この位相差は、位相差部５で発生する位相差に比べてわずかな量ではあるが、最終性能としては、反射抑制部６の位相差も考慮した形で位相差板１全体としての位相差を決定する必要がある。

このように、実施例の位相差板１は、基本的には、位相差部５で位相差特性を、反射抑制部６で反射抑制特性を制御する。そして、２つの主要な特性を互いに独立した格子形状により制御できるため、従来の構成に比べて、双方の特性を良好なものとし易い。また、反射抑制特性を最適化するために、位相差部５を構成する第１の媒質７の幅ａをできるだけ広くすることが好ましい。具体的には、ＦＦａとして０．６以上、０．８５以下（０．６≦ａ／Ｐ≦０．８５）という関係を満たすことが好ましい。

ＦＦａが０．６以下の場合、位相差部５上に反射抑制部６を形成する際の格子の位置合わせ精度が厳しくなる。また、基板部４と位相差部５との境界面における反射の影響が大きくなり、光学素子としての透過特性が悪化してしまう。さらに、反射抑制部６の格子幅が狭くなりすぎ、その製造が困難となる。

一方、ＦＦａが０．８５以上の場合、屈折率差が得られにくく、位相差部５の格子高さが極端に高くなってしまい、製造が困難になる。また、位相差部５と、入射媒質２の屈折率差が大きくなりすぎ、実施例のような単純な矩形格子形状の反射抑制構造では良好な反射抑制効果を得ることが難しくなる。

次に、上記位相差板１の画像投射装置への適用例について図２０を用いて画像投射装置が備える構成要素について説明する。図２０において、２７は光源ランプであり、２８は光源ランプ２７からの白色光を以下に説明する色分解合成光学系に導く照明光学系である。

２１は照明光学系２８からの白色光のうち緑の波長成分（緑光）を透過し、他の波長成分（赤光及び青光）を透過させるダイクロイックミラーである。

２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、Ｓ偏光を反射してＰ偏光を透過させる偏光ビームスプリッタである。２３ａ，２３ｂはそれぞれ、特定波長帯域の光の偏光方向を９０°変換（回転）させる色選択性波長板である。２４ｒ，２４ｇ，２４ｂはそれぞれ、赤用、緑用及び青用の反射型液晶パネル（光変調手段、光変調素子）である。各反射型液晶パネルは、入射した光を反射するとともに、不図示の画像供給装置（パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ、ビデオデッキ等）から入力された画像信号に応じて変調し、原画像を形成する。２５ｒ，２５ｇ，２５ｂはそれぞれ、赤用、緑用及び青用の位相差板である１／４波長板であり、偏光変換作用を有する。

２６は投射レンズであり、上述した色分解合成光学系によって合成された３つの液晶パネル２４ｒ，２４ｇ，２４ｂからの赤、緑及び青の画像光を、不図示のスクリーンに投射する。

ダイクロイックミラー２１を透過した緑光を例として、１／４波長板２５ｇの偏光変換作用を説明する。ダイクロイックミラー２１を透過した緑光のうちＳ偏光成分は、偏光ビームスプリッタ２２ａの偏光分離面で反射される。そして、該Ｓ偏光は、１／４波長板２５ｇを透過して円偏光に変換され、反射型液晶パネル２４ｇに入射する。

反射型液晶パネル２４ｇから射出した緑画像光は、再度１／４波長板２５ｇを透過することでＰ偏光に変換される。その後、緑画像光は、偏光ビームスプリッタ２２ａ，２２ｃを透過して、投射レンズ２６によりスクリーンに投射される。

ダイクロイックミラー２１で反射された他の色光に対しても、１／４波長板２５ｒ，２５ｂは緑用の１／４波長板２５ｇと同様の偏光変換作用を有する。

このような構成の画像投射装置に、以下の実施例で説明する位相差特性と透過率特性とが優れた１／４波長板（位相差板）を用いることで、コントラストの高い画像を投射可能な良好な光学性能を有する画像投射装置を実現することができる。

以下、本発明の光学素子としての位相差板の具体的な実施例について説明する。なお、各実施例において、上述した基本構成部分と共通する構成部分には同じ符号を付す。

図１及び図３Ａ〜３Ｃを用いて、本発明の実施例（設計例）１である位相差板の詳細について説明する。本実施例では、位相差板を、図１に示すように構成した。すなわち、位相差板は、基板部４上に形成された１次元周期構造を有する位相差部５と、該位相差部５上に形成された２次元周期構造を有する反射抑制部６とにより構成されている。

本実施例の位相差板は、前述した画像投射装置に１／４波長板として用いられる。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

該１／４波長板は、色分解された後の光路に用いられるので、各色の波長帯域（入射光の波長帯域、すなわち使用波長域）に対して最適化されている。具体的には、青用の１／４波長板は４５０±５０ｎｍの波長帯域に、緑用の１／４波長板は５５０±５０ｎｍの波長帯域に、赤用の１／４波長板は６００±５０ｎｍの波長帯域に対して最適化した。

図３Ａは青用の１／４波長板の設計パラメータを、図３Ｂは緑用の１／４波長板の設計パラメータを示している。また、図３Ｃは赤用の１／４波長板の設計パラメータを示している。これらの図において、ｓ２は反射抑制部６の凸形状部の材質、周期、幅及び格子高さを示している。また、ｓ３は位相差部５の第１の媒質７の材質、周期、幅及び格子高さを示している。ｓ１は入射媒質及び第２の媒質８、第４の媒質１０の材質を、ｓ４は基板部４の材質を示す。これらについては、後述する他の実施例で用いる設計パラメータを示した図においても同じである。

本実施例では、位相差部５を構成する第２の媒質８と、反射抑制部６を構成する第４の媒質１０はともに空気（屈折率ｎ＝１．０）である。また、本実施例では、周期構造部３と基板部４は、同一の媒質（ＳｉＯ_２：屈折率ｎ＝１．４７）で構成されている。

また、各色の波長帯域で回折光が発生しないように格子周期を決定した。青用の１／４波長板では格子周期を２５０ｎｍとし、緑用の１／４波長板では格子周期を３００ｎｍとした。また、赤用の１／４波長板では、格子周期を３６０ｎｍとした。本実施例では、各色用１／４波長板において、位相差部５の周期Ｐと反射抑制部６の周期Ｐｘ，Ｐｙとが同じに設定されている。それ以外の設計パラメータについては、図３Ａ〜図３Ｃに示した通りである。

本実施例の１／４波長板の位相差特性を図４に示す。また、比較のために、図２１に、従来の一般的な１／４波長板の位相差特性を示す。これらの図において、横軸は波長を、縦軸は位相差を示す。実線は青用、破線は緑用、一点鎖線は赤用の１／４波長板の位相差特性である。

これらの図の比較により、本実施例の各色用の１／４波長板は、従来の各色用の１／４波長板と同等以上の位相差特性を有していることがわかる。

また、図５Ａ〜５Ｃには、本実施例の各色用の１／４波長板の反射率特性を示す。各図において、横軸は波長を、縦軸は反射率を示す。図５Ａは青用、図５Ｂは緑用、図５Ｃは赤用の１／４波長板の反射率特性を示している。これらの図中の実線と破線の２本のグラフは、互いに直交する偏光（ＴＥ偏光及びＴＭ偏光）に対する反射率特性である。

各色用の１／４波長板は、いずれの偏光に対しても、各色の波長帯域（使用波長域）で反射率がほぼ０．５％以下に抑えられ、良好な透過率特性（反射抑制効果）を有していることが分かる。

実際の画像投射装置での使用においては、各色用の１／４波長板に対してＴＥ偏光とＴＭ偏光との中間の偏光方向を有する直線偏光が入射する。この場合の反射率特性は、図中２つの偏光に対する反射率特性の平均値に近い特性が得られる。

図４及び図５に示した特性はいずれも、前述した有効屈折率法で求めた屈折率をもとに薄膜設計（シミュレーション）を行った結果である。最終的には、ベクトル解析（厳密結合波解析）によって、微細構造における波動光学的な観点から反射率、透過率及び位相差を厳密に計算するのが望ましいが、概ね図４及び図５に示した特性が得られるものと考えられる。

本実施例では、位相差部５の周期Ｐと反射抑制部６の周期Ｐｘ，Ｐｙとを同じとした。ただし、本発明はこれに限定されない。また、本実施例では、反射抑制部６の直交２方向での周期Ｐｘ，Ｐｙも同じにしているが、本発明はこれに限定されない。さらに、図３Ａ〜図３Ｃに示した材料以外の材料を用いても、上述したのと同等の効果が得られる。

次に、本実施例の位相差板の製造方法を、図１９を用いて説明する。ここで説明する製造方法では、一般的なリソグラフィの手法を用いる。ただし、本発明の位相差板（光学素子）の製造方法がこれに限定されるわけではない。

まず、第１の媒質で形成された基板１０１の上面における位相差部５の格子パターンに対応する領域にレジスト１０２を塗布する（図１９（１））。

次に、エッチングを行い、周期構造部３の格子形状と基板部４を形成する（図１９（２））。この状態での格子形状の高さはｄ１＋ｄ２である。

次に、スピンコートなどによって周期構造部３の格子間の隙間を埋めるようにレジスト１０３を塗布する（図１９（３））。

その後、レジスト１０３の上面における反射抑制部６の格子パターンに対応する領域にレジスト１０４を塗布する（図１９（４））。

最後に深さｄ２のエッチングを行って反射抑制部６の格子（凸形状部）の形状を形成し、残存したレジストを除去する（図１９（５））。以上により、本実施例の位相差板が完成する。

図６及び図７Ａ〜７Ｃには、本発明の実施例２である位相差板（１／４波長板）の構成を示す。図６は位相差板の斜視図であり、図７Ａ，７Ｂは図６に示した位相差板のｘｚ断面及びｙｚ断面を示す断面図である。また、図７Ｃは、該位相差板の上面図である。

本実施例の位相差板は、周期構造部３と基板部４とが互いに異なる媒質で構成されている点で実施例１と異なる。

図８Ａ〜８Ｃには、本実施例の各色用の１／４波長板の設計パラメータを示す。周期構造部３はＡｌ_２Ｏ_３（屈折率ｎ＝１．６５）で形成し、基板部４はガラス（屈折率ｎ＝１．５２）で形成した。

図９には、本実施例の各色用の１／４波長板の位相差特性を、図１０Ａ〜１０Ｃには反射率特性を示す。

図９から分かるように、位相差特性は、図２１に示した従来の一般的な１／４波長板と同等である。また、図１０Ａ〜１０Ｃより、反射率特性は、使用波長域で平均して０．５％以下となっており、良好な透過率特性（反射抑制効果）を有することが分かる。

本実施例では、周期構造部３の第１及び第３の媒質７，９に、実施例１に比べて屈折率の高いＡｌ_２Ｏ_３を用いている。このため、各色の１／４波長板において、格子高さが実施例１に比べて約半分となり、製造し易い。

また、この構成において、位相差部５を構成する第１の媒質７の屈折率を基板部４のそれよりも高くすることが好ましい。これにより、位相差部５の有効屈折率と基板部４の屈折率との差を小さくすることができ、基板部４と位相差部５との境界面で生じる反射を低減することができる。

本発明の実施例３として、実施例２で説明した位相差板（１／４波長板）において位相差特性を改善した設計例を示す。

図１１Ａ〜１１Ｃには、本実施例の各色用の１／４波長板の設計パラメータを示す。図１２には、本実施例の各色用の１／４波長板の位相差特性を、図１３Ａ〜１３Ｃには反射率特性を示す。

図１２から分かるように、位相差特性は実施例２に比べて大幅に改善され、位相差ずれは使用波長域で５度以下に抑えられている。これは、従来の１／４波長板では実現できない高性能を示す特性である。

また、図１３Ａ〜１３Ｃから分かるように、反射率特性も、使用波長域で平均して０．２％以下であり、良好な透過率特性（反射抑制効果）が得られている。

本実施例でも、周期構造部３の第１及び第３の媒質７，９に、屈折率の高いＡｌ_２Ｏ_３を用いている。ただし、本実施例の周期構造部３の格子高さは、実施例２よりも高い。高い格子を製造するのが困難でなければ、位相差特性及び反射抑制効果ともに、従来の１／４波長板により優れた１／４波長板を提供できる。

図１４及び図１５Ａ〜１５Ｃには、本発明の実施例３である位相差板（１／４波長板）の構成を示す。図１４は位相差板の斜視図であり、図１５Ａ，１５Ｂは図１４に示した位相差板のｘｚ断面及びｙｚ断面を示す断面図である。また、図１５Ｃは、該位相差板の上面図である。

本実施例の位相差板は、周期構造部３と基板部４とが互いに異なる媒質で構成されている点と、周期構造部３と基板４の境界面に均質層１１を設けている点とで実施例１と異なる。

図１６Ａ〜１６Ｃには、本実施例の各色用の１／４波長板の設計パラメータを示す。周期構造部３はＡｌ_２Ｏ_３で形成し、基板部４はガラスで形成した。また、ｓ５は均質層１１の材質（ＳｉＯ_２）と厚みを示す。

図１７には、本実施例の各色用の１／４波長板の位相差特性を、図１８Ａ〜１８Ｃには反射率特性を示す。

図１７から分かるように、位相差特性は、図２１に示した従来の一般的な１／４波長板と同等である。また、図１８Ａ〜１８Ｃより、反射率特性は、使用波長域で平均して０．３％以下となっており、良好な透過率特性（反射抑制効果）を有することが分かる。

また、均質層１１は、反射抑制効果を得るための材料と厚さを設定するのが好ましい。さらに、均質層１１は、位相差部５をエッチングで製作する際のエッチングストッパ層を兼ねるような（としても機能する）材料を選択できれば、位相差部５の高さ方向の製造精度を改善でき、より簡単な製造方法で位相差板を製造することができる。

図２２には、本発明の実施例５である位相差板（１／４波長板）の断面（他の実施例のｘｚ断面に相当）を示す。

上記各実施例では、位相差部５の第２の媒質８及び反射抑制部６の第４の媒質１０を空気とした場合について説明したが、本実施例では、該第２の媒質８は、空気以外の材料で形成している。空気以外の材料としては、例えば、第１の媒質７がＡｌ_２Ｏ_３である場合に、ＳｉＯ_２が挙げられる。

このように空気以外の材料を第２の媒質８とした場合でも、上記各実施例と同様に、良好な位相差特性と良好な透過率特性を得ることが可能である。

以上説明したように、各実施例で説明した位相差板は、位相差部５上に反射抑制部６を形成したので、良好な位相差特性と良好な透過率特性とを有する。

また、反射抑制部６は、位相差部５の基板部４とは反対側の境界面に凸形状部９を形成した簡易な構造であるので、入射する光の偏光方向ごとに最適な反射抑制効果を容易に得ることができる。

また、位相差部５のうち屈折率が大きい媒質７の境界面にのみ凸形状部９を設けているため、レジスト塗布とエッチングからなるプロセスを繰り返すことで簡単に製造することができる。

また、上記各実施例では、周期構造部３の材料として、ＳｉＯ_２やＡｌ_２Ｏ_３といった無機材料を使用している。このため、従来の有機フィルムにより構成される１／４波長板に比べて、耐熱性に優れた位相差板を実現することができる。

なお、上記各実施例では、反射抑制部６における凸形状部９（第３の媒質６）を矩形格子形状とした場合について説明したが、本発明は、該凸形状部９を四角柱、円柱、円錐、四角錘、台形錘等、矩形以外の形状としてもよい。

また、上記各実施例では、反射抑制部６が位相差部５の周期方向と同一の周期方向とこれに直交する周期方向とを有する場合について説明した。しかし、本発明では、反射抑制部の周期方向が位相差部の周期方向と異なる周期方向を少なくとも含めばよい。言い換えれば、反射抑制部は、その周期方向が位相差部の周期方向と同じ周期方向を含まない一次元周期構造以外の周期構造を有していてもよい。また、位相差部５においても一次元周期構造に限定されることは無く、二次元周期構造であっても構わない。

また、上記各実施例では、１／４波長板について説明したが、本発明は、１／２波長板等の他の位相差板や、偏光に対して光学作用を有する位相差板以外の光学素子にも適用することができる。さらに、本発明の光学素子は、画像投射装置以外の光学機器であって、該光学素子を介して画像を形成するものにも適用することができる。

本発明の各実施例の位相差板において共通する基本構成を示す斜視図。 図１に示した位相差板のｘｚ断面図。 図１に示した位相差板のｙｚ断面図。 図１に示した位相差板の上面図。 本発明の実施例１の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例１の位相差板（Ｇ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例１の位相差板（Ｒ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例１の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の位相差特性を示すグラフ。 実施例１の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 実施例１の位相差板（Ｇ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 実施例１の位相差板（Ｒ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 本発明の実施例２である位相差板の斜視図。 図６に示した位相差板のｘｚ断面図。 図６に示した位相差板のｙｚ断面図。 図６に示した位相差板の上面図。 実施例２の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例２の位相差板（Ｇ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例２の位相差板（Ｒ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例１の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の位相差特性を示すグラフ。 実施例２の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 実施例２の位相差板（Ｇ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 実施例２の位相差板（Ｒ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 本発明の実施例３の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例３の位相差板（Ｇ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例３の位相差板（Ｒ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例３の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の位相差特性を示すグラフ。 実施例３の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 実施例３の位相差板（Ｇ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 実施例３の位相差板（Ｒ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 本発明の実施例４である位相差板の斜視図。 図１４に示した位相差板のｘｚ断面図。 図１４に示した位相差板のｙｚ断面図。 図１４に示した位相差板の上面図。 実施例４の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例４の位相差板（Ｇ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例４の位相差板（Ｒ用１／４波長板）の設計パラメータを示す表。 実施例４の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の位相差特性を示すグラフ。 実施例４の位相差板（Ｂ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 実施例４の位相差板（Ｇ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 実施例４の位相差板（Ｒ用１／４波長板）の反射率特性を示すグラフ。 実施例１の位相差板の製造手順を説明する模式図。 各実施例の位相差板を搭載する画像投射装置の光学構成を示す上面図。 従来の１／４波長板の位相差特性を示すグラフ。 本発明の実施例５である位相差板の断面図。

符号の説明

１ 位相差板
２ 入射媒質
３ 周期構造部
４ 基板部
５ 位相差部
６ 反射抑制部
７ 第１の媒質
８ 第２の媒質
９ 第３の媒質（凸形状部）
１０ 第４の媒質
１１ 均質層

Claims (13)

1. 透光性を有する基板部と、
   該基板部上に形成され、第１の媒質と該第１の媒質よりも屈折率が小さい第２の媒質とが入射光の波長より小さい周期で交互に配置された周期構造を有する第１の周期構造部と、
   前記第１の媒質における前記基板部とは反対側の面上に設けられた第３の媒質と該第３の媒質よりも屈折率が小さい第４の媒質とが前記入射光の波長より小さい周期で交互に配置された周期構造であって、前記第１の周期構造部とは異なる周期構造を有する第２の周期構造部とを有することを特徴とする光学素子。
2. 前記第1の周期構造部が、第1方向において前記第１の媒質と前記第２の媒質とを周期的に配置した構造であって、
   前記第２の周期構造部が、前記第1方向とは異なる方向において前記第３の媒質と前記第４の媒質とを周期的に配置した構造であることを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第２の周期構造部は、２次元周期構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記第３の媒質は、前記第１の媒質と同一材料により形成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学素子。
5. 以下の関係を満たすことを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光学素子。
   ０．６≦ａ／Ｐ≦０．８５
   ただし、ａは前記第１の周期構造部における前記第１の媒質の周期方向での幅、Ｐは該第１の媒質の周期である。
6. 前記基板部は、前記第１の媒質よりも小さい屈折率を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光学素子。
7. 前記基板部と前記第１の周期構造部との間に反射抑制作用を有する層が設けられていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の光学素子。
8. 前記基板との境界に施された反射抑制作用を有する層のうち、前記第１の周期構造部に最も近い層が、エッチングストッパ層を兼ねることを特徴とする請求項７に記載の光学素子。
9. 前記第１の媒質の屈折率が１．８以下であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の光学素子。
10. 前記第１の周期構造部は、前記入射光に対する構造性複屈折作用を有し、
    前記第２の周期構造部は、前記入射光に対する反射抑制作用を有することを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の光学素子。
11. 前記光学素子は、位相差板として機能することを特徴とする請求項１から１０のいずれか１つに記載の光学素子
12. 請求項１から１１のいずれか１つに記載の光学素子を介した光を用いて画像を形成することを特徴とする光学機器。
13. 光源と、前記光源からの光を変調する光変調手段と、前記光変調手段によって変調された光を投射する投射手段を有した画像投射装置であって、請求項１１項に記載の位相差板を備えたことを特徴とする画像投射装置。