JP2009064005A - 光学素子、液晶装置、表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】本発明に係る光学素子は、入射光を偏光分離する機能を有する光学素子であって、上記入射光に対して透明な基板(2)と、断面形状が矩形であり交互に配列された複数の凹部(3a)及び凸部(3b)を含み、上記基板の一面側に設けられた回折構造部(3)と、一方向に延在する複数の金属の細線(4a)を含み、上記基板の一面側であって上記回折構造部の上面に沿って設けられたグリッド部(4)と、を備え、上記入射光の波長をλ、上記複数の細線の相互間隔をd、上記複数の凸部の相互間隔をδ、上記基板の構成材料の屈折率をn、としたときに、これらのパラメータが、d<λ、かつ、λ/n<δ≦λ、の関係を満たすものである。
【選択図】図1
Description
本発明に係る具体的態様は、上記の光学素子を用いて構成される高性能な液晶装置を提供することを他の1つの目的とする。
本発明に係る具体的態様は、上記の光学素子を用いて構成される高性能な表示装置を提供することを他の1つの目的とする。
これにより、透過光が回折構造部でほとんど回折しなくなり、透過光量の大部分が非回折成分となるため、光の利用効率をより高めることが可能となる。
これにより、第2基板と光学素子との間隙に塵埃が入り込むことが防止される。したがって、塵埃が画像光に影となって入り込むことを防止する防塵ガラスを取り付ける必要がなくなり、液晶装置を小型化することが可能になる。
d<λ かつ λ/n<δ≦λ (1)
基板2の内部へm次の回折光が存在するためには、以下の関係式を満足する必要がある。
sinθm=mλ/(nδ)<1 (2)
ただし、図示のように基板2の内部での回折角をθmとする。また、上記のようにλは空気中での入射光の波長、nは基板2の構成材料の屈折率、δは凹凸構造の周期である。基板2の内部へ全ての回折光を閉じこめるとした場合、上記の(2)式において回折次数をm=1とする。これにより、下記の(3)式が導かれる。
λ/n<δ (3)
(B)δ≦λの関係の導出
基板2の内部へm次の回折光を閉じこめるには、回折角θmが臨界角θc(全反射が起こる角度)よりも大きいこと、すなわち基板2と空気との界面におけるm次の回折光の入射角θiが臨界角θcよりも大きいことが必要である。そのためには、以下の式を満足する必要がある。
sinθm=mλ/(nδ)≧sinθc (4)
基板2の内部へ全ての回折光を閉じこめるとした場合、上記の(4)式において回折次数をm=1とする。これにより、下記の(5)式が導かれる。
δ≦λ/(nsinθc) (5)
全反射条件では、nsinθc=1であるから、上記の(5)式は以下のようになる。
δ≦λ (6)
以上の(3)式および(6)式から、λ/n<δ≦λの関係が導かれる。
sinθm=mλ/(nδ)=sinθc (7)
全反射条件では、nsinθc=1であるから、m=1として、上記の(7)式は以下のようになる。
δ=λ (8)
すなわち、入射光の波長λと回折構造部3の凹凸構造の周期δとを等しくすることにより、1次の回折光の回折角θmと臨界角θcとを一致させることができる。
入射媒質が空気と異なる場合にも、基板2の内部へm次の回折光を閉じこめるには回折角θmが臨界角θcよりも大きいことが必要であり、上記の(4)式、(5)式を満たす必要がある。入射媒質が空気と異なる場合には、全反射条件が入射媒質の屈折率nsを用いてnsinθc=nsで表される。したがって、全反射条件と(5)式から以下の関係が導かれる。
δ≦mλ/ns (9)
gh=λ/4n… (10)
一方、凹凸構造の周期が波長に比べて同程度以下である場合には、反射回折効率の偏光依存性が大きくなるため、ベクトル領域での考察が必要になる。
TM偏光成分の0次の反射回折効率が極小となるgの値として、(10)式から計算される値はg=108nm程度であるのに対して、図9(B)のグラフから得られる値は100nm程度である。
gr=(2m+1)λ/4n: m=0,1,2,… (11)
他方、透過光の回折効果が最大となる場合の深さg(以下、便宜上「gt」とする)は近似的に以下の式で与えられる。
gt=(2m+1)λ/2(n-1): m=0,1,2,… (12)
上記の(11)式および(12)式から、反射光の回折効果が最大となる深さgrと透過光の回折効果が最大となる深さgtとは異なることが分かる。したがって、回折構造部3の深さgをgrに等しくすれば、透過光の回折効果を十分に抑えることが可能である。例えば、λ=600nmの場合、m=0に対して、gr=100nm、gt=600nmとなる。ただし、屈折率nが1.5であるとする。そこで、例えば回折構造部3の深さgをgrに等しい100nmと設定したとすると、透過光量の96%が非回折成分とすることができる。例えば、この光学素子1の後段にレンズを配置した場合であれば、ほぼ全ての光をこのレンズへ入射させることができる。
図11および図12は、光学素子1の製造方法の一例を示す模式工程図である。光学素子1の断面の一部が拡大して示されている。
なお、上記ではTE偏光を反射させTM偏光を画像形成に用いる場合の構成について述べたが、TM偏光を反射させTE偏光を画像形成に用いる構成も可能である。また、本発明の光学素子を適用可能な液晶装置としては、上記の液晶ライトバルブの他に、直視型の液晶表示装置に用いられる液晶装置が挙げられる。
Claims (13)
- 入射光を偏光分離する機能を有する光学素子であって、
前記入射光に対して透明な基板と、
断面形状が矩形であり交互に配列された複数の凹部及び凸部を含み、前記基板の一面側に設けられた回折構造部と、
一方向に延在する複数の細線を含み、前記基板の一面側であって前記回折構造部の上面に沿って設けられたグリッド部と、
を備え、
前記入射光の波長をλ、前記複数の細線の相互間隔をd、前記複数の凸部の相互間隔をδ、前記基板の構成材料の屈折率をnとしたときに、これらのパラメータが、d<λ、かつ、λ/n<δ≦λ、の関係を満たす、
光学素子。 - mを0以上の整数としたときに、前記回折構造部の前記凹部と前記凸部との段差が(2m+1)λ/4nと設定された、
請求項1に記載の光学素子。 - 前記回折構造部の前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々の延在方向と前記グリッド部の前記複数の細線の各々の延在方向とが略平行である、
請求項1に記載の光学素子。 - 前記回折構造部の前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々の延在方向と前記グリッド部の前記複数の細線の各々の延在方向とが交差している、
請求項1に記載の光学素子。 - 前記基板の端部側に配置された光減衰部を更に備える、
請求項1に記載の光学素子。 - 前記一面の法線方向の前記基板の厚みをT、前記回折構造部で回折した1次回折光が平面視した前記一面で進行する方向の前記基板の幅をW、前記回折構造部で回折した1次回折光が前記法線方向となす回折角をθとしたときに、これらのパラメータが、θ>tan−1(W/2T)、の関係を満たす、
請求項1に記載の光学素子。 - 前記基板の一面側に前記複数の凹部と前記複数の凸部とを平坦化する平坦化層を備え、前記平坦化層の屈折率と前記基板の屈折率とが略同一である、
請求項1に記載の光学素子。 - 光源から入射した光を変調して射出する透過型の液晶装置であって、
入射側に配置される第1基板と、
射出側に前記第1基板と対向して配置される第2基板と、
前記第1基板と前記第2基板との間に設けられる液晶層と、
前記第2基板における前記液晶層と反対側に該第2基板と間隙を介して接合され、偏光分離機能を有する光学素子と、
を備え、
前記光学素子として請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の光学素子が用いられる、
液晶装置。 - 前記第2基板と前記光学素子とが、前記間隙を環状に囲むシール材を介して接合され、
前記第2基板、前記光学素子、及び前記シール材により前記間隙が封止されている、
請求項8に記載の液晶装置。 - 投写型の表示装置であって、
光源と、
偏光分離機能を有し、前記光源の後段側に配置された第1の光学素子と、
入射光を変調する機能を有し、前記第1の光学素子の後段側に配置された液晶ライトバルブと、
偏光分離機能を有し、前記液晶ライトバルブの後段側に配置された第2の光学素子と、
前記第2の光学素子の後段側に配置された投射レンズと、
を含み、
前記第2の光学素子として請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の光学素子が用いられ、かつ当該光学素子は前記回折構造部及び前記グリッド部を設けた一面が後段側に配置される、
表示装置。 - 更に、前記第1の光学素子として請求項1乃至請求項7の何れか1項に記載の光学素子が用いられ、かつ当該光学素子は前記回折構造部及び前記グリッド部を設けた一面が後段側に配置される、
請求項10に記載の表示装置。 - 前記第2の光学素子の後段側であって前記投射レンズよりも前段側に配置されたフィールドレンズを更に備える、
請求項10又は11に記載の表示装置。 - 前記光源がレーザー光源である、
請求項10乃至請求項12の何れか1項に記載の表示装置。
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