JP2010101965A - 光学素子及び表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射光による悪影響を抑制することが可能な光学素子を提供すること。
【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、入射光に対して透明な基板２と、断面形状が鋸歯形状の複数の凸部３ａを含み、基板２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細線４ａを含み、基板２の一面側であって回折構造部３の上面に沿って設けられたグリッド部４と、を備え、入射光の波長をλ、複数の細線４ａの相互間隔をｄ、複数の凸部３ａの相互間隔をδ、基板２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６

Description

本発明は、偏光分離機能を有する光学素子及びこの光学素子を利用した表示装置に関する。

偏光分離機能を有する光学素子の１つとして、ワイヤーグリッド型偏光分離素子が知られている。このワイヤーグリッド型偏光分離素子は、ガラス基板等の表面に多数の微細なワイヤー（例えば、アルミニウム細線）が並べられたものであり、各ワイヤーの相互間隔（周期）は光の波長よりも短く設定される。ワイヤーグリッド型偏光分離素子は、偏光分離性能が高いことに加え、構成材料が無機物であることから耐光性にも優れるという特徴がある。このため、種々の光学系において、従来の高分子を素材とした偏光分離素子に代替して用いることが検討されている。ワイヤーグリッド型偏光分離素子の応用例の１つとして、液晶プロジェクタのような投写型表示装置が挙げられる。
特開２００２−３７２７４９号公報

上述の投写型表示装置においては、ワイヤーグリッド型偏光分離素子は、液晶パネル（液晶ライトバルブ）の前面又は背面の少なくとも一方に配置される。投写型表示装置では、表示される画像の輝度を向上させる等のために比較的に強度の高い光が液晶パネルに入力される。ところが、原理上、ワイヤーグリッド型偏光分離素子は、入射光のうちＴＭ偏光成分はほぼ全て透過させるもののＴＥ偏光成分についてはほぼ全て反射するため、この反射光（ＴＥ偏光成分）が液晶パネルに再度入射して液晶パネルの動作を不安定にすることが懸念される。また、このような懸念は投写型表示装置に限られたものではなく、ワイヤーグリッド型偏光分離素子を用いて構成される種々の光学的装置にも共通して言えることである。いかなる光学的装置においても、光路上において不要な反射光が発生することは好ましくないからである。

そこで、この発明は、反射光による悪影響を抑制することが可能な光学素子を提供することを１つの目的とする。
また、この発明は、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。

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、
前記入射光に対して透明な基板と、断面形状が鋸歯形状の複数の凸部を含み、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、の関係を満たすものである。

また、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、前記入射光に対して透明な基板と、断面形状が鋸歯形状の複数の凸部を含み、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、前記入射光の入射角度幅を±θ、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−ｓｉｎθ）＜δ≦λ／（１＋ｓｉｎθ）、の関係を満たすものである。

この光学素子では、グリッド部の作用により入射光のうち一方の偏光成分が反射され、他方の偏光成分が透過する。また、この反射される偏光成分（反射光）は、回折構造部の作用により、十分に大きな角度で回折される。上記したパラメータの関係が満たされることにより、この回折された反射光は、基板の他面とその周囲の媒体（例えば空気）との界面において全反射され、基板中を伝搬し、基板端部へ向かう。したがって、本発明に係る光学素子を所望の光学系に用いた際には、グリッド部によって生じた反射光のほとんどが光路の前段側へ戻ることがなく、不要な反射光による悪影響が抑制される。

好ましくは、上記光学素子は、前記回折構造部の前記凸部の高さがｍλ／２ｎと設定される。ここで、ｍが１以上の整数（１，２，３・・・）である。
λは上記のように入射光の波長、ｎは基板の構成材料の屈折率である。

この条件が満たされることにより、光学素子の回折構造部における反射光の回折効果を十分に高め、かつ透過光（透過する偏光成分）の回折効果を十分に抑えることが可能となる。それにより、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。

上記光学素子においては、例えば、前記回折構造部の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とすることができる。また、上記回折構造部の上記複数の凸部の各々の延在方向と上記グリッド部の上記複数の細線の各々の延在方向とが交差していてもよい。

各凸部と各細線を交差させた場合には各凸部の段差の近傍における細線の形成がより容易となる。交差させる角度は任意であり、例えば、４５°およびこの倍数の９０°、１３５°などに設定することが可能である。

上記光学素子においては、例えば、前記基板の前記一面に前記基板と略等しい屈折率を有する接着層を介して前記基板と略等しい屈折率を有する第２の基板が接合されていてもよい。

回折構造部を有する基板の一面に、当該基板と略等しい屈折率を有する接着層を介して当該基板と略等しい屈折率を有する第２の基板を接合することで、回折構造部による透過光への影響をさらに抑えることができる。

上記した光学素子は、上記基板の端部側に配置された光減衰部を更に備えることも好ましい。この光減衰部は、基板端部に接して配置されてもよいし、基板端部から離間した位置に配置されてもよい。光減衰部は、例えば暗色の樹脂膜や、反射防止膜等である。

これにより、基板中を伝搬して基板端部に到達した反射光を吸収することにより、或いは外部に逃がすことにより、光学素子に閉じ込められる光の強度を低下させることができる。

本発明に係る投写型の表示装置は、（ａ）水銀ランプなどの光源と、（ｂ）偏光分離機能を有し、上記光源の後段側に配置された第１の光学素子と、（ｃ）入射光を変調する機能を有し、上記第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、（ｄ）偏光分離機能を有し、上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、（ｅ）上記第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、少なくとも上記第２の光学素子として、上記の本発明に係る光学素子が用いられる。このとき、当該光学素子は、上記回折構造部及び上記グリッド部を設けた一面が後段側に配置される。

少なくとも第２の光学素子として上記光学素子が用いられることにより、グリッド部による反射光が液晶ライトバルブへ入射することを回避できる。それにより、不要な光が入射することによって液晶ライトバルブの安定動作が妨げられることがない。具体的には、例えば液晶ライトバルブに薄膜トランジスタが含まれる場合に、不要な光が入射するとこの薄膜トランジスタに誤動作を生じさせ、表示品質を低下させる等の不都合が考えられる。本発明に係る表示装置によれば、このような不都合が回避される。また、複数の金属細線からなるグリッド部によって偏光分離素子として用いるので、耐光性に優れた表示装置を実現できる。よって、本発明によれば高性能な表示装置を提供することが可能となる。

上記の表示装置において、更に上記第１の光学素子としても上記の本発明に係る光学素子が用いられることも好ましい。このとき、当該光学素子は、上記回折構造部及び上記グリッド部を設けた一面が後段側に配置される。

第１の光学素子として上記光学素子が用いられることにより、グリッド部による反射光が前段側（例えば、光源）へ戻ることを回避できる。また、複数の金属細線からなるグリッド部によって偏光分離素子として用いるので、耐光性に優れた表示装置を実現できる。
よって、更に高性能、高品質な表示装置を提供することが可能となる。

上記表示装置において、上記光源は、レーザー光源であってもよい。

レーザー光源は、光の波長幅が極めて狭いため、本発明に係る光学素子による光の制御性が更に向上する。それにより、表示装置の表示品質を更に高めることが可能となる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図においては、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。

図１は、本発明を適用した一実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。図１に示す本実施形態の光学素子１は、基板２と、回折構造部３と、グリッド部４と、光減衰部５と、を備える。この光学素子１は、グリッド部４の作用により入射光を偏光分離する機能を有する。

基板２は、入射光の波長に対して透明な基板である。基板２としては、例えばガラス基板（石英基板）などの無機材料からなる基板が用いられる。基板２の厚さは、例えば０．７ｍｍ程度である。この基板２の一面側に回折構造部３が設けられている。また、基板２の他面は図示のように平面である。

回折構造部３は、基板２の一面側に設けられている。この回折構造部３は、複数の凸部３ａにより形成されている。なお、図中では便宜上、各１つの凸部３ａについて符号を付している。これらの凸部３ａからなる回折構造部３は図示のようにその断面形状が鋸歯形状である。ここで、鋸歯形状の断面形状とは、略三角形状の断面形状の斜辺の長さが異なり、頂点を通り底辺に垂直な直線に対して非対称の形状である。なお、略三角形状の断面形状の頂点が丸みを帯びた形状や、斜辺が曲線であるもの、あるいは微小な階段状に形成されているものも含む。また、各々の凸部３ａの断面において斜辺の傾きがそれぞれ異なっていてもよい。本実施形態では、回折構造部３は、基板２の一面側を加工することによって形成されている。すなわち、基板２と回折構造部３とは一体に構成されている。

グリッド部４は、基板２の一面側であって回折構造部３の上面に沿って設けられている。このグリッド部４は、一方向に延在する複数の細線（微細ワイヤー）４ａを含む。なお、図中では便宜上、１つの細線４ａについてのみ符号を付している。各細線４ａは、例えばアルミニウム等の金属膜である。

光減衰部５は、基板２の各端部に設けられている。この光減衰部５は、例えば暗色の樹脂膜である。この光減衰部５には、回折構造部３において生じ、基板２の他面と空気との界面において全反射された回折光が入射する。光減衰部５は、この入射した回折光を吸収し、あるいはその強度を減衰させる。なお、光減衰部５は、基板２の各端部に接して配置される場合のほか、図２に示すように基板２の各端部と離間した位置に設けられてもよい。光減衰部５は省略することも可能である。

図３は、光学素子の他の態様を説明する模式断面図である。図３に示す光学素子１ａは、図１に示した光学素子１と同様の構成を有し、更に基板２の他面上に反射防止膜６を有する。この反射防止膜６は、例えば誘電体多層膜である。なお、反射防止膜６以外の構成要素については図１における光学素子１と共通の符号を付しており、それらについての説明を省略する。反射防止膜６を有することにより、基板２の他面側から入射する光の一部成分が反射することを抑制できる。

図４は、グリッド部４の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。この図４に基づいてグリッド部４の有する機能を説明する。グリッド部４への入射光８０は、各細線４ａの延在方向（長軸方向）と平行な偏光軸を有する成分ｐ（ＴＥ偏光成分）が反射され、各細線４ａの延在方向と直交する偏光軸を有する成分ｓ（ＴＭ偏光成分）が透過する。すなわち、グリッド部４は入射光８０を互いに偏光状態の異なる反射光８０ｒと透過光８０ｔとに分離する機能（偏光分離機能）を有する。本実施形態の光学素子１は、このような偏光分離機能を果たすグリッド部４が基板２の一面側に設けられている。

図５は、回折構造部３のパターンの一部を示す模式的な平面図である。図５（Ａ）に示すように、回折構造部３は、一方向（図示のＹ方向）に延在する複数の凸部３ａを有する。これらの凸部３ａは、図示のようにストライプ形状となっており、Ｘ方向に沿って周期的に配列されている。なお、各凸部３ａは図５（Ａ）に示したような一次元状の配列に限定されず、例えば図５（Ｂ）に示すように各凸部３ａが二次元状に配列されていてもよい。

図６は、回折構造部３およびグリッド部４の一部を拡大して示した模式断面図である。
この図６に基づいて回折構造部３およびグリッド部４の構造を更に詳細に説明する。図示のように、回折構造部３の各凸部３ａの相互間隔（凸構造の周期）をδ（ｎｍ）、グリッド部４の各細線４ａの相互間隔（グリッド周期）をｄ（ｎｍ）、入射光の波長をλ（ｎｍ）、入射光の入射角度幅を±θ、基板２の構成材料の屈折率をｎ、基板２の周囲の空気の屈折率をｎ_air（＝１）、とする。本実施形態の光学素子１においては、この入射光の波長λと回折構造およびグリッド構造との間には以下の関係がある。
ｄ＜λ かつ λ／（ｎ−ｓｉｎθ）＜δ≦λ／（１＋ｓｉｎθ） （１）

例えば、入射光の波長がλ＝６００ｎｍ、入射角度幅がθ＝１０度、基板２の構成材料の屈折率がｎ＝１．４６（例えば、ＳｉＯ_２の場合）である場合、上記（１）の関係を満たすためには、例えばグリッド周期をｄ＝１４０ｎｍ、凹凸構造の周期をδ＝４９０ｎｍ、と設定することができる。
このような光学素子１に対して基板２の他面２ｂから入射した光は、グリッド部４の作用によって偏光分離される。すなわち、上記のようにＴＥ偏光成分は反射され、ＴＭ偏光成分は基板２を透過する。また、これと併せて回折構造部３の作用により、ＴＥ偏光成分は大きな角度で回折される。この回折されたＴＥ偏光成分は、空気と基板２との界面で全反射を生じることにより、基板２の内部を伝搬して基板２の端部へ進行する。上記のように基板２に光減衰部５が設けられている場合には、この基板２内部を伝搬したＴＥ偏光成分は光減衰部５によって吸収され、又は強度が低下する。このように回折によって生じたＴＥ偏光成分が基板２と空気との界面において全反射を生じるための条件、すなわち上記（１）式の条件について次に詳述する。

（Ａ）λ／ｎ＜δの関係の導出
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＝ｓｉｎθ／ｎ＋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−ｓｉｎθ）＜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＝−ｓｉｎθ／ｎ＋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＋ｓｉｎθ） （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（１＋ｓｉｎθ） （６）
以上の（３）式および（６）式から、λ／（ｎ−ｓｉｎθ）＜δ≦λ／（１＋ｓｉｎθ）の関係が導かれる。

次に、回折構造部３の凹凸構造の深さ（凸部３ａの高さ）についての好適な条件を説明する。図６に示すように凹凸構造の深さをｇとする。また、光学素子１に対する入射光が基板２の他面２ｂに対してほぼ直交する状況を考える。このとき、反射光の回折効果が最大となる場合の深さｇ（以下、便宜上「ｇｒ」とする）は近似的に以下の式で与えられる。
ｇｒ＝ｍλ／２ｎ： ｍ＝１，２，… （７）
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＝ｍλ／(ｎ−１)： ｍ＝１，２，… （８）
上記の（７）式および（８）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＝１に対して、ｇｒ＝２０５ｎｍ、ｇｔ＝１３０４ｎｍとなる。ただし、屈折率ｎが１．４６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２０５ｎｍと設定したとすると、透過光量のほとんどを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。

回折構造部３による透過光への影響をさらに抑えるには、図７に示すように、グリッド部４の上に接着層１０を介して、回折構造部３に用いた基板２と同じ材質の基板２０を貼り合せる。この際、接着層１０の屈折率ｎを基板２の屈折率ｎと略等しくする。
なお、回折構造部３を挟んで貼り合せる２枚の基板２，２０は同じ材質のものである必要はなく、両者の屈折率ｎが略等しく、どちらも透過光に対して透明であればよい。

回折構造部３の断面形状を鋸歯形状とすることにより、グリッド部４からの反射光を基板２の内部へ閉じ込め、伝播させることが可能となる。図６において、基板２の内部で生じる１次回折光は、基板２の他面側で全反射された後に、回折構造部３で再度回折される。このとき、一部の光が外へ漏れてしまう（図中、点線の矢印）。この漏れる光を極力少なくするには、回折構造部３の断面形状が鋸歯形状であることが望ましい。

図８（Ａ）は回折構造部３の断面形状が鋸歯形状の場合における回折光強度と回折構造部３の深さｇとの関係を示すグラフである。図８（Ａ）において、曲線Ｉ（＋）は＋１次、曲線Ｉ（０）は０次、曲線Ｉ（−）は−１次を示している。
図８（Ａ）に示すように、適当な深さｇ（例えば、６〜７ｒａｄ）を選ぶことにより、入射光のほとんどのエネルギーを＋１次の回折光へ移すことができる。そして、＋１次の回折光が再度回折された場合でも、基板２の外へ漏れる光はほとんど生じない。

図８（Ｂ）は回折構造部３の断面形状が矩形の場合における回折光強度と回折構造部３の深さｇとの関係を示すグラフである。図８（Ｂ）において、曲線Ｉ（＋）は＋１次、曲線Ｉ（０）は０次、曲線Ｉ（−）は−１次を示している。
図８（Ｂ）に示すように、適当な深さｇ（例えば、３〜３．３ｒａｄ）を選ぶことにより、入射光の８０％程度のエネルギーを＋１次と−１次の回折光へ移すことができる。しかし、＋１次と−１次の回折光が再度回折された場合、ある程度の光量（２０％程度）が基板の外へ漏れてしまう。

図９は、回折構造部３とグリッド部４の配置を示す模式的な平面図である。この図に基づき、回折構造部３とグリッド部４との配置関係について説明する。回折構造部３とグリッド部４との相互の配置関係は、例えば図９（Ａ）に示すような態様とすることができる。具体的には、図９（Ａ）に示す例では、回折構造部３の各凸部３ａはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの凸部３ａはＸ方向に沿って配列されている。同様に、グリッド部４の各細線４ａはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの細線４ａはＸ方向に沿って交互に配置されている。すなわち、各凸部３ａの延在方向と細線４ａの延在方向とが平行である。

また、回折構造部３とグリッド部４との相互の配置関係は、図９（Ｂ）や図９（Ｃ）に示すように、各凸部３ａの延在方向と各細線４ａの延在方向とがある角度で交差するようにすることも好ましい。具体的には、図９（Ｂ）に示す例では、回折構造部３の各凸部３ａはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの凸部３ａはＸ方向に沿って配列されている。これに対して、グリッド部４の各細線４ａはそれぞれ図示のＹ方向に対してほぼ４５°の角度で交差した方向に沿って延在しており、かつこれらの細線４ａは当該交差方向と直交する方向に沿って配列されている。

図９（Ｃ）に示す例では、回折構造部３の各凸部３ａはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの凸部３ａはＸ方向に沿って配列されている。これに対して、グリッド部４の各細線４ａはそれぞれ図示のＹ方向に対してほぼ９０°の角度で交差した方向（すなわちＸ方向）に沿って延在しており、かつこれらの細線４ａは当該交差方向と直交する方向（すなわちＹ方向）に沿って配列されている。このように、凸部３ａと各細線４ａとを交差させることにより、各凸部３ａの段差の近傍における細線４ａの形成がより容易となる。各凸部３ａの延在方向と各細線４ａの延在方向との交差角度は適宜設定すればよい。上記の一例とした交差角度である４５°および９０°は、光学系一般においてよく用いられる角度であるために好ましい。

次にこの光学素子１の製造方法の一例について説明する。
図１０および図１１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。図１０および図１１においては、光学素子１の断面の一部が拡大して示されている。

まず、基板２の一面に凸部３ａからなる回折構造部３が形成される（図１０（Ａ））。本工程は、例えば周知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて実現できる。具体的には、基板２の一面上に感光膜（レジスト膜等）を形成しておき、各凸部３ａに対応した露光パターンを有する露光マスクを用いてこの感光膜を露光し、現像する。その後、この現像後の感光膜をエッチングマスクとして用いて、ドライエッチングまたはウェットエッチングを行う。それにより、露光マスクのパターンが基板２の一面に所定の凹凸形状が形成される。ここで、基板２は、例えば上記のようにガラス基板であり、その板厚は例えば０．７ｍｍである。また、凸部３ａの高さ（すなわち回折構造部３の深さｇ）は、例えば上記のように２０５ｎｍである。この深さｇは、エッチング時間等によって制御する。

次に、基板２の一面上に、凸部３ａを覆う金属膜７が形成される（図１０（Ｂ））。この金属膜７は、後の工程において加工され、上記のグリッド部４を構成する各細線４ａとなるものである。金属膜７は、例えばアルミニウム膜、銀膜、ニッケル膜などであり、その膜厚は例えば１２０ｎｍ程度である。このような金属膜７は、例えば真空蒸着法やスパッタリング法などの物理気相堆積法を用いて形成することができる。

次に、基板２の一面上に、金属膜７を覆う反射防止膜８が形成される（図１０（Ｃ））。この反射防止膜８は、後の工程において感光膜を露光する際に露光精度を向上する目的で用いられる。このような反射防止膜８としては、例えばＳｉＯＮ（酸化窒化硅素）膜、ＳｎＯ（酸化錫膜）、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜などが適している。反射防止膜８の膜厚は、例えば数十ｎｍ程度である。ある膜が反射防止膜として利用できるかどうかはその膜の材料が有する複素屈折率に依存し、例えば、複素屈折率の実部の値が＋１．４以上、複素屈折率の虚部の値が−０．１〜−１．５くらいであることが望ましい。

次に、基板２の一面上に、反射防止膜８（又は金属膜７）を覆う感光膜９が形成される（図１０（Ｃ））。感光膜９は、例えばネガ型またはポジ型のレジスト膜である。感光膜９は、例えばスピンコート法を用いて形成することができる。この感光膜９の膜厚は適宜設定すればよいが、少なくとも各凸部３ａに重畳する領域を全て覆い、かつ図示のように膜表面がほぼ平坦となるようにすることが望ましい。この場合、回折構造部３の上部（凸部３ａ頂点）における感光膜９の膜厚と回折構造部３の下部（凸部３ａの底部に対応する領域）における感光膜９の膜厚との差は、上記した回折構造部３の深さｇとほぼ等しい。

次に、基板２の一面上に形成された感光膜９に対して、レーザー干渉露光が行われる（図１１（Ａ））。レーザー干渉露光に用いられる光源としては、例えば波長２６６ｎｍの連続発振ＤＵＶ（Deep Ultra Violet）レーザーが挙げられる。このレーザーから出力されるレーザー光を適宜２本のレーザー光に分岐し、図示のように所定の角度θ_Ｌで交叉させる。それにより、周期的な明暗からなる干渉縞を含む光（干渉光）が発生する。干渉縞のピッチ（明暗の周期）は上記の交叉角度θ_Ｌによって決まる。例えば、交叉角度θ_Ｌを７２°に設定することにより、干渉縞のピッチを１４０ｎｍとすることができる。このような干渉光を感光膜９に照射することにより、感光膜９には干渉縞のピッチに対応した潜像パターンが形成される。このとき、上述したように感光膜９の下側に反射防止膜８が設けられていることにより、レーザー光が金属膜７によって反射され、露光精度が低下するという不都合を回避することができる。

次に、干渉光を用いて潜像パターンが形成された感光膜９が現像される（図１１（Ｂ））。それにより、図示のように干渉縞のピッチに対応した周期を有する感光膜パターン９ａが形成される。例えば、干渉縞のピッチを１４０ｎｍとした場合には、この感光膜パターン９ａの周期も概ね１４０ｎｍとなる。

次に、感光膜パターン９ａをマスクとしてエッチング（例えば、ドライエッチング）が行われる（図１１（Ｃ））。それにより、図示のように感光膜パターン９ａのパターンが反射防止膜８に転写され、更に当該パターンが金属膜７に転写される。その後、感光膜パターン９ａおよび反射防止膜８が除去される。それにより、図示のように基板２の一面上に、回折構造部３の各凸部３ａの表面に沿ってグリッド部４（すなわち、各細線４ａ）が形成される。

なお、上述の製造方法においては、反射防止膜８と金属膜７との間に極薄い膜厚（例えば、２０ｎｍ程度）のＳｉＯ_２膜を設けておくことも好ましい。それにより、金属膜７に対するエッチング選択比をより向上させることが可能となり、感光膜９をより薄くすることができる。このことは、潜像パターンが浅くなることを意味し、安定した露光を行う点でより有利になる。この場合には、上記の反射防止膜８を形成する工程の後、金属膜７を形成する工程に先だって、ＳｉＯ_２膜を形成する工程を行えばよい。ＳｉＯ_２膜は、例えば化学気相堆積法によって形成することができる。また、プロセス条件等によっては反射防止膜８を省略することもできる。

上記した本実施形態の光学素子１は、種々の光学装置に組み込んで用いることもできる。以下、光学装置の一例として、液晶ライトバルブを用いた投写型の表示装置（液晶プロジェクタ）について説明する。

図１２は、本実施形態に係る光学素子を用いた投写型の表示装置の構成例を示す模式図である。図１２では原理的な構成を説明するために１つの光学系のみを示している。図１２に示す表示装置は、水銀ランプ等の光源５０、光学素子５１、液晶ライトバルブ（液晶パネル）５２、光学素子５３、瞳５４ａ、投射レンズ５４、を含む。図中の１点鎖線は、光源５０から出力される光の光路を示している。この光路上に、光学素子５１、液晶ライトバルブ５２、光学素子５３、投射レンズ５４が順に配置されている。この表示装置において、少なくとも光学素子５３として本実施形態に係る光学素子が用いられる。

光学素子５１は、偏光分離機能を有する素子である。すなわち、光源５０から出力された光がこの光学素子５１に入射すると、一方の偏光成分だけが透過し、他方の偏光成分は透過しない。光学素子５１は、例えば樹脂を一軸延伸する等によって得られる高分子タイプの偏光板である。また、光学素子５１は、上記のグリッド部のような微細な多数の細線を透明基板上に設けたものであってもよい。このような構造の光学素子は、耐光性に優れており、入射光のうち各細線と平行な偏光成分を反射し、各細線と直交する偏光成分を透過させる。

液晶ライトバルブ５２は、対向配置された２つの透明基板間に液晶材料（液晶層）が配置されている。この液晶ライトバルブ５２は、各透明基板に設けられた電極を通じて液晶材料に適宜電圧を印加することにより、液晶分子の配向状態が制御される。この液晶分子の配向状態を制御することにより、光学素子５１を透過した光の偏光状態を適宜変化させることができる。この光の偏光状態の変化に基づいて、スクリーン６０に投射されるべき画像が形成される。すなわち、液晶ライトバルブ５２は、光変調装置（光変調手段）としての機能を果たす。

光学素子５３は、上記したように本実施形態に係る光学素子である。この光学素子５３は、回折構造部およびグリッド部（図示を省略）が設けられた一面５３ａが光路の後段側に配置され、これらの回折構造部等が設けられていない他面５３ｂが光路の前段側（光源５０側）に配置される。このように配置することにより、液晶ライトバルブ５２を透過した光のうち、ＴＥ成分が上述したようにして回折および全反射し、光学素子５３の基板中を基板端部へ向かって伝搬する。それにより、液晶ライトバルブ５２への戻り光が著しく軽減され、液晶ライトバルブ５２の誤動作等の不具合を防止することが可能となる。

なお、上記の光学素子５１についても本実施形態に係る光学素子が用いられてもよい。
その場合には、光学素子５３と同様に配置される。すなわち、この場合の光学素子５１は、回折構造部およびグリッド部（図示を省略）が設けられた一面５１ａが光路の後段側（液晶ライトバルブ５２側）に配置され、これらの回折構造部等が設けられていない他面５１ｂが光路の前段側（光源５０側）に配置される。

これらの光学素子５１、液晶ライトバルブ５２および光学素子５３によって形成された画像は、瞳５４ａを介して投射レンズ５４に入射し、投射レンズ５４によって拡大されてスクリーン６０に結像する。それにより、拡大された画像がスクリーン６０上に表示される。

次に、上記した投写型の表示装置の応用例として、３つの光学系を有する投写型の表示装置の構成例を説明する。なお、以下の各応用例において、上記図１２に示した表示装置と共通する構成要素については同符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。

図１３は、３つの光学系を有する投写型表示装置の構成例を示す模式図である。図１３に示す投写型の表示装置は、図示のように、プリズム（光合成手段）５６の有する４面のうち、１つの面に光学素子５１Ｂ、液晶ライトバルブ５２Ｂ及び光学素子５３Ｂが対向配置され、他の１つの面に光学素子５１Ｇ、液晶ライトバルブ５２Ｇ及び光学素子５３Ｇが対向配置され、他の１つの面に光学素子５１Ｒ、液晶ライトバルブ５２Ｒ及び光学素子５３Ｒが対向配置されている。

この投写型表示装置においては、光源５０から出力された光はダイクロイックミラー５８ａに入射する。この入射光のうち、青色成分は透過し、残りの成分は反射される。透過した青色成分（以下「青色光」という。）は、ミラー５７ａによって反射され、光学素子５１Ｂに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｂによって適宜変調され、光学素子５３Ｂを通過してプリズム５６の１つの面に入射する。また、ダイクロイックミラー５８ａによって反射された光成分はダイクロイックミラー５８ｂに入射する。この入射光のうち、赤色成分は透過し、緑色成分は反射される。透過した赤色成分（以下「赤色光」という。）は、各ミラー５７ｂ、５７ｃによって反射され、光学素子５１Ｒに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｒによって適宜変調され、光学素子５３Ｒを通過してプリズム５６の他の１面に入射する。反射した緑色成分（以下「緑色光」という。）は、光学素子５１Ｇに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｇによって適宜変調され、光学素子５３Ｇを通過してプリズム５６の他の１面に入射する。プリズム５６の３面にそれぞれ入射した青色光、緑色光、赤色光は、プリズム５６によって合成され、当該プリズム５６の他の１面から出射する。この出射した合成光が投射レンズ５５によって拡大され、スクリーン６０上に投射される。

なお、図１３に示す光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂが上記実施形態の光学素子５１に相当し、液晶ライトバルブ５２Ｒ、５２Ｇ、５２Ｂが上記実施形態の液晶ライトバルブ５２に相当し、光学素子５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂが上記実施形態の光学素子５３に相当する。各光学素子５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂは、それぞれ回折構造部およびグリッド部が設けられる一面側が光路上の後段側（プリズム側）に配置され、他面側が光路上の前段側（液晶ライトバルブ側）に配置される。また、各光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂにも回折構造部等を設ける場合には、各光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは、それぞれ回折構造部およびグリッド部が設けられる一面側が光路上の後段側（液晶ライトバルブ側）に配置され、他面側が光路上の前段側（ミラー又はダイクロイックミラー側）に配置される。

図１４は、３つの光学系を有する投写型表示装置の他の構成例を示す模式図である。この構成例は、上記図１３に示した投写型表示装置とは異なり、プリズムを用いないで構成された投写型表示装置である。

この投写型表示装置においては、光源５０から出力された光はダイクロイックミラー５８ａに入射する。この入射光のうち、赤色成分のみが反射され、残りの各成分は透過する。透過した各成分は、ダイクロイックミラー５８ｂに入射する。この入射光のうち、緑色成分（緑色光）は反射され、青色成分（青色光）は透過する。透過した青色光は光学素子５１Ｂに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｂによって適宜変調され、光学素子５３Ｂを通過してミラー５７ｂに入射する。ミラー５７ｂに入射した青色光は反射され、ダイクロイックミラー５８ｄに入射し、当該ダイクロイックミラー５８ｄによって反射され、投射レンズ５５に入射する。また、ダイクロイックミラー５８ａによって反射された赤色光はミラー５７ａに入射し、反射される。この反射された赤色光は光学素子５１Ｒに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｒによって適宜変調され、光学素子５３Ｒを通過してダイクロイックミラー５８ｃに入射する。ダイクロイックミラー５８ｃに入射した赤色光は、当該ダイクロイックミラー５８ｃを透過してダイクロイックミラー５８ｄに入射する。ダイクロイックミラー５８ｄに入射した赤色光は当該ダイクロイックミラー５８ｄを透過し、投射レンズ５５に入射する。また、ダイクロイックミラー５８ｂによって反射された緑色光は光学素子５１Ｇに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｇによって適宜変調され、光学素子５３Ｇを通過してダイクロイックミラー５８ｃに入射する。ダイクロイックミラー５８ｃに入射した緑色光は当該ダイクロイックミラー５８ｃに反射され、ダイクロイックミラー５８ｄに入射し、当該ダイクロイックミラー５８ｄを透過し、投射レンズ５５に入射する。このようにして最終的に合成され、投射レンズ５５に入射した合成光（青色光、緑色光、赤色光の合成光）が投射レンズ５５によって拡大され、スクリーン６０上に投射される。

本例においても、光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂが上記実施形態の光学素子５１に相当し、液晶ライトバルブ５２Ｒ、５２Ｇ、５２Ｂが上記実施形態の液晶ライトバルブ５２に相当し、光学素子５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂが上記実施形態の光学素子５３に相当する。
各光学素子５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂは、それぞれ回折構造部およびグリッド部が設けられる一面側が光路上の後段側（ミラー又はダイクロイックミラー側）に配置され、他面側が光路上の前段側（液晶ライトバルブ側）に配置される。また、各光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂにも回折構造部等を設ける場合には、各光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは、それぞれ回折構造部およびグリッド部が設けられる一面側が光路上の後段側（液晶ライトバルブ側）に配置され、他面側が光路上の前段側（ミラー又はダイクロイックミラー側）に配置される。

なお、各実施形態の投写型表示装置において、光源５０はレーザー光源であってもよい。その場合、光の波長幅が極めて狭いため、本実施形態に係る光学素子による光の制御性が更に向上する。
また、各光学素子は、それぞれが対象とする光の波長λに応じて回折構造部およびグリッド部の構造が最適化されることも好ましい。例えば、上記図１３又は図１４に示す光学系において、青色光に対応する光学素子５３Ｂに対しては波長λを４５０ｎｍ、緑色光に対応する光学素子５３Ｇに対しては波長λを５５０ｎｍ、赤色光に対応する光学素子５３Ｒに対しては波長λを６５０ｎｍとして上記（１）式〜（８）式の各関係式を適用することにより、各光学素子の構造を各波長ごとに最適化することができる。

このように、本実施形態の光学素子によれば、グリッド部の作用により入射光のうち一方の偏光成分が反射され、他方の偏光成分が透過する。また、この反射される偏光成分（反射光）は、回折構造部の作用により、十分に大きな角度で回折される。上記したパラメータの関係が満たされることにより、この回折された反射光は、基板の他面とその周囲の媒体（例えば空気）との界面において全反射され、基板中を伝搬し、基板端部へ向かう。
したがって、本発明に係る光学素子を所望の光学系に用いた際には、グリッド部によって生じた反射光が光路の前段側へ戻ることがなく、不要な反射光による悪影響が抑制される。

また、本実施形態の投写型表示装置によれば、少なくとも液晶ライトバルブの後段側の光学素子として回折構造部とグリッド部とを有する上記の光学素子が用いられることにより、グリッド部による反射光が液晶ライトバルブへ入射することを回避できる。それにより、不要な光が入射することによって液晶ライトバルブの安定動作が妨げられることがない。また、複数の金属細線からなるグリッド部によって偏光分離素子として用いるので、耐光性に優れた表示装置を実現できる。よって、本発明によれば高性能な表示装置を提供することが可能となる。また、液晶ライトバルブの前段側の光学素子としても回折構造部とグリッド部とを有する上記の光学素子が用いられた場合には、更に高性能、高品質な表示装置を提供することが可能となる。

なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。
例えば、基板上の位置によって入射する光の波長や入射角度等の条件が異なる場合に、その条件に対応して同一基板上で回折構造体の凸部の深さや幅、形状等を異ならせてもよい。
また、上述した実施形態では、基板の一面側に対してエッチング等の加工を行うことによって回折構造部を形成していたが、他の製造方法を採用することも可能である。具体的には、基板の一面上にポリマー（高分子樹脂）膜を形成し、その後このポリマー膜に対してフォトマスク露光およびウェットエッチングを行うことによって、上記と同様な光学素子を形成することも可能である。また、これ以外にも、型成形が可能な光屈折率ガラス（ｎ＝２．０程度）を用いて、回折構造部を有する基板を一体成形してもよい。この場合、屈折率が高いことにより、回折構造部の深さｇをより小さくすることが可能となるので、グリッド部を形成する上で好ましい。また、基板上に他の膜（例えば、ＳｉＯ_２などの無機膜）を形成し、この膜を選択的にエッチングすることにより回折構造部を形成することもできる。

また、上述した実施形態では、光学素子の用途の一例として投写型表示装置を例示していたが、本発明に係る光学素子の応用例はこれに限定されるものではない。投写型表示装置は本発明に係る光学素子を備える光学装置の一例に過ぎない。本発明に係る光学素子は、他にも例えば偏光分離層を必要とする液晶ディスプレイへも適用することが可能である。もちろん、本発明に係る光学素子の表示用途の光学装置に限定されず、偏光分離機能を必要とする種々の光学装置一般に対し、本発明に係る光学素子を用いることが可能である。

本発明の実施形態における光学素子の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施形態における光学素子の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施形態における光学素子の断面構造を示す模式図である。 本発明の実施形態におけるグリッド部の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。 回折構造部のパターンの一部を示す模式的な平面図である。 回折構造部およびグリッド部の一部を拡大して示した模式断面図である。 回折構造部およびグリッド部の一部を拡大して示した模式断面図である。 凸部の深さに対する反射回折効率を示すグラフである。 回折構造部とグリッド部の配置を示す模式的な平面図である。 光学素子の製造方法の一例を示す模式工程図である。 光学素子の製造方法の一例を示す模式工程図である。 投写型の表示装置の構成例を示す模式図である。 ３つの光学系を有する投写型表示装置の構成例を示す模式図である。 ３つの光学系を有する投写型表示装置の構成例を示す模式図である。

符号の説明

１，１ａ 光学素子、２ 基板、３ 回折構造部、３ａ 凸部、４ グリッド部、４ａ 細線、５ 光減衰部、１０ 接着層、２０ 基板（第２の基板）、５０ 光源、５１Ｒ，５１Ｇ，５１Ｂ 光学素子、５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂ 液晶ライトバルブ、５３Ｒ，５３Ｇ，５３Ｂ 光学素子、５４，５５ 投射レンズ、８０ 入射光、δ 相互間隔、ｄ 相互間隔、λ 波長、θ 入射角度幅、ｎ 屈折率

Claims (10)

1. 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、
   断面形状が鋸歯形状の複数の凸部を含み、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。
2. 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、
   断面形状が鋸歯形状の複数の凸部を含み、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、前記入射光の入射角度幅を±θ、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−ｓｉｎθ）＜δ≦λ／（１＋ｓｉｎθ）、の関係を満たす、
   光学素子。
3. ｍを１以上の整数としたときに、前記回折構造部の前記凸部の高さがｍλ／２ｎと設定された、
   請求項１または請求項２に記載の光学素子。
4. 前記回折構造部の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または請求項２に記載の光学素子。
5. 前記回折構造部の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または請求項２に記載の光学素子。
6. 前記基板の前記一面に前記基板と略等しい屈折率を有する接着層を介して前記基板と略等しい屈折率を有する第２の基板が接合されている、
   請求項１または請求項２に記載の光学素子。
7. 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または請求項２に記載の光学素子。
8. 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。
9. 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８に記載の表示装置。
10. 前記光源がレーザー光源である、
    請求項８または請求項９に記載の表示装置。

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