JP2010127977A - 回折素子、光ヘッド装置および投射型表示装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】格子形状の凹凸を有する単位領域110がX方向へ周期的に配列される回折素子100を形成し、単位領域110を構成する小領域110a、小領域110bおよび小領域110cのX方向の幅が等しく、また、小領域110aを透過する光の位相を基準として小領域110bを透過する光の位相である位相差φ(1)および小領域110aを透過する光の位相を基準として小領域110cを透過する光の位相である位相差φ(2)の位相差はいずれもπの整数倍(φ(1)≠φ(2))とすることで、異なる波長の光のうち最も高い回折効率となる次数の符号が異なる組み合わせが発生するので、従来の回折格子に比べて格子ピッチを小さくしなくても大きい角度での偏向分離が可能な回折素子100を実現できる。
【選択図】図1
Description
入射するm個の前記光は、それぞれ最も高い回折効率が得られる次数の回折光を1つ有し、さらに、+p次の回折効率が最も高い光と、−q次の回折効率が最も高い光(p,q≧1の整数)を、それぞれ少なくとも1つずつ含む回折素子を提供する。
X1=X2=X3=Px/3、
である上記の回折素子を提供する。
φ(0)=0、
φ(1)=π、
φ(2)=2π、
となる前記単位領域の形状を有する上記の回折素子を提供する。
X1:X2:X3:X4=3:7:7:3、
である上記の回折素子を提供する。
φ(0)=0、
φ(1)=π、
φ(2)=2π、
φ(3)=3π、
となる前記単位領域の形状を有する上記の回折素子を提供する。
図1は、第1の実施形態に係る回折素子100の平面模式図である。回折素子100は、透光性基板120上に透過光の位相を空間的に変調する単位領域110が周期的に配列したものである。ここでいう周期的という意味は、単位領域が一方向に隙間なく繰り返し配置されていることを意味する。例えば、図1の回折素子100のように帯状の単位領域110が、単位領域110の延伸方向と直交するX方向にピッチPxの幅で配列している状態であるとする。なお、ピッチPxを以下、格子ピッチPxという。また、回折素子100に光が入射する領域を有効領域としたとき、有効領域は、少なくとも単位領域110の格子ピッチPxが3以上配列したものを含むように構成されているとよい。この場合、単位領域110はX方向に周期的に繰り返され、一つの単位領域110の延伸方向はY方向(ピッチPxの幅と直交する方向)に平行する。そして、1つの単位領域110の外縁はY方向に延伸する長方形であるが、外縁の形状は長方形に限らず、2辺がY方向に平行であれば、この2辺をつなぐ線はX方向の直線に限らず曲線等であってもよい。
φ(1)=2πd1・|ns−nA|/λ[rad] ・・・ (1)
で表すことができる。また、とくに光が透過する側の媒質を空気(nA=1)とすると、上記の式(1)より、
φ(1)=2πd1・|ns−1|/λ[rad] ・・・ (2)
となる。
U(m)=exp{jφ(m)} ・・・ (4)
で置き換えることができる。
X1=X2=X3=Px/3 ・・・ (5)
を与える(X1:X2:X3=1:1:1)。
φ(0)=0 ・・・ (6a)
φ(1)=n1π[rad] ・・・ (6b)
φ(2)=n2π[rad] ・・・ (6c)
の関係を満たすようにする。なお、n1,n2は自然数である(n1≠n2)。
|ns−1|・d1=n1・λ/2 ・・・ (7a)
を満足するように、小領域110bの段差d1を決定するようにする。さらに、小領域110aに対する小領域110cの位相差φ(2)も、位相差φ(1)と同じ考え方を用いて、
|ns−1|・d2=n2・λ/2 ・・・ (7b)
を満足するように段差d2を決定するとよい。なお、凹凸部の段差と接触する媒体は空気に限らず別の透明材料(nA>1,nA≠ns)であってもよい。また、位相差を発生するために段差を有する部分の材料は等方性材料に限らず、複屈折性を有する材料であってもよい。
d1=λ/{2・|ns−1|} ・・・ (8a)
d2=2λ/{2・|ns−1|} ・・・ (8b)
とするとよい。
n(λ)=A+B/λ2+C/λ4 ・・・ (9)
のコーシーの公式によって与えられる。
qλ=Px・sinθ ・・・ (10)
で与えられる。例えば、格子ピッチPx=5μmである場合、図3より、波長405nmの光のうち回折効率が最も高い+1次回折光の回折角θ+1(405)≒4.6°、波長660nmの光のうち回折効率が最も高い−1次回折光の回折角θ−1(660)≒−7.6°、となり、これらの角度の差が12.2°と比較的大きくできる。
図6(a)は第2の実施形態に係る回折素子200を示す平面模式図であって、回折素子200は、透過光の位相を空間的に変調する単位領域210が周期的に配列したものである。回折素子200は、回折格子を形成する材料が複屈折性を有する材料で構成され、これによって入射する光の偏光依存性を発生させる点が回折素子100と異なる。図6(b)は、単位領域210の断面模式図であって、平行に配置される透光性基板220a、220bの間に、回折格子形状をなす複屈折性材料層230と、等方性材料層240とが挟持されて構成される。
d1=λ/{2・|ne−nB|} ・・・ (11a)
d2=2λ/{2・|ne−nB|} ・・・ (11b)
を満足するように複屈折性材料層230の段差d1およびd2を決定する。なお、等方性材料層240は、複屈折性材料層230の凹凸(段差)を埋めるように形成されていればよく、図6(b)のように複屈折性材料層230の凹凸(段差)の凸部を覆うように形成されていてもよい。
図7は、第3の実施形態に係る回折素子300の平面模式図である。回折素子300は、透光性基板320上に透過光の位相を空間的に変調する単位領域310が周期的に配列したものである。例えば、図7の回折素子300のように帯状の単位領域310がX方向にピッチPxで配列している状態であるとする。また、回折素子300に光が入射する領域を有効領域としたとき、有効領域は、少なくとも単位領域310のPxが3以上配列したものを含むように構成されているとよい。
X1:X2:X3:X4=3:7:7:3 ・・・ (12)
を与える。
φ(0)=0 ・・・ (13a)
φ(1)=n1π[rad] ・・・ (13b)
φ(2)=n2π[rad] ・・・ (13c)
φ(3)=n3π[rad] ・・・ (13d)
の関係を満たすようにする。なお、n1,n2およびn3は自然数である(n1≠n2≠n3)。このとき、n1=1、n2=2そして、n3=3として、φ(1)=π、φ(2)=2π、φ(3)=3πとなるように、段差を調整する。なお、位相差は小領域310aを透過する光を基準としているのでφ(0)=0である。
図12(a)は第4の実施形態に係る回折素子400を示す平面模式図であって、回折素子400は、透過光の位相を空間的に変調する単位領域410が周期的に配列したものである。回折素子400は、回折格子を形成する材料が複屈折性を有する材料で構成され、これによって入射する光の偏光依存性を発生させる点が回折素子300と異なる。図12(b)は、単位領域410の断面模式図であって、平行に配置される透光性基板420a、420bの間に、回折格子形状をなす複屈折性材料層430と、等方性材料層440とが挟持されて構成される。
d1=λ/{2・|ne−nB|} ・・・ (14a)
d2=2λ/{2・|ne−nB|} ・・・ (14b)
d3=3λ/{2・|ne−nB|} ・・・ (14c)
を満足するように複屈折性材料層430の段差d1、d2およびd3を決定する。なお、等方性材料層440は、複屈折性材料層430の凹凸(段差)を埋めるように形成されていればよく、図12(b)のように複屈折性材料層430の凹凸(段差)の凸部を覆うように形成されていてもよい。なお、複屈折性材料層430は、第2の実施形態の複屈折性材料層430と同様の材料を用いることができる。
図13は第5の実施形態に係る回折素子として、回折レンズ500の平面模式図および、X軸の断面を示す断面模式図である。ここで、光はX−Y平面に対して法線方向から入射し、光軸は直交座標(x,y)=(0,0)に一致するものとして説明する。そして、光軸を中心にX−Y平面において同心円状に輪帯状の領域が形成されている。なお、回折レンズ500は、光軸と交わる点である点Aを含み円形の領域となる単位領域510、単位領域510の外縁と接して囲む輪帯状の単位領域520、単位領域520の外縁と接して囲む輪帯状の単位領域530が点Aを中心に回転対称性を有して形成されている。また、回折レンズ500は、単位領域510、520、530の構成を示したが、これは回折レンズ500の特徴を示すための模式図であって、実際には単位領域530よりさらに外側に同心円状の輪帯状の単位領域が広がるように構成されている。また、「輪帯」とは、各単位領域の外縁として定義し、図13の平面模式図において、太線部分、つまり輪帯511、521、531に相当する。また、この「輪帯」によってできる領域が単位領域と言い換えることもできる。
rm=(2mλ0f)1/2 ・・・ (15)
で表される。
P11=P12=P13=P1/3 ・・・ (16a)
の関係を有する。
P21=P22=P23=P2/3 ・・・ (16b)
の関係を有し、単位領域530は、3つの同心円状の小領域530a、小領域530b、小領域530cからなり、それぞれの小領域の分割幅P31、P32およびP33は、
P31=P32=P33=P3/3 ・・・ (16c)
の関係を有する。なお、小領域は、第1〜第4の実施形態と同様に、透過する光の位相が同じとなる区画を1つの単位として考える。
φ(0)=0 ・・・ (17a)
φ(1)=π[rad] ・・・ (17b)
φ(2)=2π[rad] ・・・ (17c)
の関係を満たすようにする。
図16は本発明の第6の実施形態に係る光ヘッド装置600の構成を示す模式図である。光源としては、BD用の波長である405nm波長帯の光を出射する半導体レーザ610B、DVD用の波長である660nm波長帯の光とCD用の波長として785nm波長帯の光を出射するハイブリッド型の半導体レーザ610Dとを用いる。なお、各半導体レーザを出射した光は進行方向に直交し紙面に平行な直線偏光を有するものとして説明する。各半導体レーザを出射した光は、回折素子620を透過してZ方向の直線偏光となってX方向に進行し、偏光ビームスプリッタ630に入射して光ディスク670の方向(Z方向)に進行する。そしてコリメータレンズ640を透過した光は1/4波長板650によって左回りの円偏光となって対物レンズ660を透過して光ディスク670に到達する。光ディスク670で反射された光は右回りの円偏光となって対物レンズ660を透過し、1/4波長板でY方向の直線偏光となる。そしてコリメータレンズ640および偏光ビームスプリッタ630を直進透過し、回折素子680に入射する。
図17は本発明の第7の実施形態に係る光ヘッド装置700の構成を示す模式図であるって、第6の実施形態に係る光ヘッド装置600と同じ光学部品には同じ番号を付して説明の重複を避ける。光ヘッド装置700はBD用、DVD用およびCD用の3つの異なる波長を発射するハイブリッド型の半導体レーザ710が備わっている。また、回折素子720は、第2の実施形態または第4の実施形態に係る偏光依存性を有する回折素子を用いることができる。
図18は、第8の実施形態に係る投射型液晶表示装置800の構成を示す模式図である。投射用の光源として、青色の光を出射する半導体レーザ810B、緑色の光を出射する半導体レーザ810G、そして赤色の光を出射する半導体レーザ810Rが備わっている。そして、各半導体レーザを出射した青色の光は液晶ライトバルブ820B、緑色の光は液晶ライトバルブ820G、そして、赤色の光は液晶ライトバルブ820Rを透過して回折素子830に入射する。回折素子830により、透過または回折作用によって1つの方向に揃って透過した光は投射レンズ840に集光され各液晶ライトバルブの合成画像がスクリーン850に結像される。
実施例1として、図1に基づいて第1の実施形態に係る回折素子100を作製する。透光性基板120として石英ガラス基板を用い、その片面をフォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程によって1つの方向に延伸する回折格子形状に加工する。そして石英ガラス基板の両面に反射防止膜を形成する。このとき、図2に基づく単位領域110のピッチPx=5μmとし、単位領域110を構成する小領域110a、小領域110bおよび小領域110cの分割幅X1、X2およびX3をそれぞれ1.67μmと均等に3分割する。そして、波長510nmの光が入射するとき、小領域110aを出射する光の位相を基準とし、小領域110bの位相差φ(1)=π、小領域110cの位相差φ(2)=2πを満たすため、段差d1=0.552μm、段差d2=1.104μmとなるように加工する。
実施例2として、第2の実施形態である回折素子200を作製する。図6において透光性基板220aとして石英ガラス基板を用い、Y方向に配向処理をした図示しない配向膜を形成する。そして、配向膜を形成したもう1枚の図示しない透光性基板を配向膜が対向しさらに配向方向が揃うように平行に配置してできる空隙の厚さが4.18μmとなるようにして周辺をシールする。その後、図示しない注入口から液晶モノマーを注入し、紫外線を照射して液晶を重合硬化させる。これによって、厚さ4.18μmで、波長483nmの光に対するX方向の屈折率である常光屈折率no=1.555、Y方向の屈折率である異常光屈折率ne=1.669の高分子液晶層が形成される。なお、式(9)において、高分子液晶のA,BおよびCは、常光屈折率方向においてA=1.523、B=0.0067、そしてC=0.000168となり、異常光屈折率方向においてA=1.6211、B=0.0090、そしてC=0.000488となる。
実施例3として、第4の実施形態である回折素子400を作製する。図12において透光性基板420aとして石英ガラス基板を用い、Y方向に配向処理をした図示しない配向膜を形成する。そして、配向膜を形成したもう1枚の図示しない透光性基板を配向膜が対向しさらに配向方向が揃うように平行に配置してできる空隙の厚さが6.4μmとなるようにして周辺をシールする。その後、図示しない注入口から液晶モノマーを注入し、紫外線を照射して液晶を重合硬化させる。これによって、厚さ6.4μmで、波長489nmの光に対するX方向の屈折率である常光屈折率no=1.554、Y方向の屈折率である異常光屈折率ne=1.667の高分子液晶層が形成される。なお、高分子液晶層の波長分散特性は、実施例2と同じ特性を有するものを用いる。
実施例4は、第8の実施形態に係る投射型液晶表示装置800の回折素子830の位置に第2の実施形態に係る図6に示す回折素子200を配置する。回折素子200の作製方法は、実施例2と同じ方法であって、また、使用する材料および形状も同じものである。
110、130、140、210、310、330、340、410、510、520、530 単位領域
110a、110b、110c、130a、130b、130c、140a、140b、140c、210a、210b、210c、310a、310b、310c、310d、330a、330b、330c、330d、340a、340b、340c、340d、410a、410b、410c、410d、510a、510b、510c、520a、520b、520c、530a、530b、530c 小領域
111、131、141、311、331、341 透光性基板面
120、220、220a、220b、320、420、420a、420b 透光性基板
230、430 複屈折性材料層
240、440 等方性材料層
500、501、502 回折レンズ
511、521、531 輪帯
540B、550B BD用の405nm波長帯の光
540D、550D DVD用の660nm波長帯の光
540C、550C CD用の785nm波長帯の光
560、660 対物レンズ
570、670 光ディスク
570B BDの情報記録面
570D DVDの情報記録面
570C CDの情報記録面
600、700 光ヘッド装置
610B BD用の半導体レーザ
610D DVD/CD用の2波長を出射する半導体レーザ
630 偏光ビームスプリッタ
640 コリメータレンズ
650 1/4波長板
690B BD用の光検出器
690D DVD/CD用の光検出器
710 BD/DVD/CD用の3波長を出射する半導体レーザ
800 投射型液晶表示装置
810B 青色光用半導体レーザ
810G 緑色光用半導体レーザ
810R 赤色光用半導体レーザ
820B、820G、820C 液晶ライトバルブ
840 投射レンズ
850 スクリーン
Claims (13)
- 波長が異なるm個の光が入射し(m≧2の整数)、前記光の位相を変調して透過する回折素子であって、
前記回折素子は、透光性基板上に回折格子が形成されるかまたは前記透光性基板の一つの面が回折格子となる形状を有し、
前記回折格子は、格子ピッチPxの幅を有し、前記格子ピッチPxの幅の方向と直交する方向に延伸してなる単位領域が前記格子ピッチPxの幅の方向に繰り返して配置され、
前記単位領域は、回折格子が形成されない前記透光性基板の面と平行で距離が同一となる面からなる区画を1つの小領域とするとき、前記透光性基板面からの距離が互いに異なるN個の小領域を含み、前記小領域は、前記格子ピッチPxの幅の方向と直交する方向に延伸して構成され(N≧3の整数)、
m個の前記光のうち、最も短い波長を波長λ1、最も長い波長を波長λmとし、λ1≦λa≦λmである波長λaの光が同相で入射するとき、最も位相が進む前記小領域であるゼロの小領域を透過する光の位相と、前記ゼロの小領域と異なる前記小領域を透過する前記波長λaの光の位相との差で定義される位相差がそれぞれπの整数倍であり、
入射するm個の前記光は、それぞれ最も高い回折効率が得られる次数の回折光を1つ有し、さらに、+p次の回折効率が最も高い光と、−q次の回折効率が最も高い光(p,q≧1の整数)を、それぞれ少なくとも1つずつ含む回折素子。 - 波長が異なるm個の光が入射し(m≧2の整数)、前記光の位相を変調して透過する回折素子であって、
前記回折素子は、透光性基板上に回折格子が形成されるかまたは前記透光性基板の一つの面が回折格子となる形状を有し、
前記透光性基板上の点Aを基点として前記透光性基板面と平行する直線上に格子ピッチP1、P2、…、PM(P1>P2>…>PM)の順に円形の領域または外縁が円である輪帯状の領域を含むM個の単位領域を有し、
前記単位領域は、断面が前記透光性基板面と平行し、かつ高さが異なる面を有するとともに、前記点Aを中心とした円の円周方向に沿って延伸してなるN個の小領域を有し(N≧3の整数)、
m個の前記光のうち、最も短い波長を波長λ1、最も長い波長を波長λmとし、λ1≦λa≦λmである波長λaの光が同相で入射するとき、最も位相が進む前記小領域であるゼロの小領域を透過する光の位相と、前記ゼロの小領域と異なる前記小領域を透過する前記波長λaの光の位相との差で定義される位相差がそれぞれπの整数倍であり、
入射するm個の前記光は、それぞれ最も高い回折効率が得られる次数の回折光を1つ有し、さらに、+p次の回折効率が最も高い光と、−q次の回折効率が最も高い光(p,q≧1の整数)を、それぞれ少なくとも1つずつ含む回折素子。 - 前記+p次の回折効率、前記−q次の回折効率のp,qの値がいずれも1である請求項1または2に記載の回折素子。
- 前記単位領域は3個の前記小領域からなって、前記単位領域の端部よりそれぞれ第1の小領域、第2の小領域、第3の小領域とし、
前記第1の小領域の幅をX1、前記第2の小領域の幅をX2、前記第3の小領域の幅をX3とするとき、
X1=X2=X3=Px/3、
である請求項1〜3いずれか1項に記載の回折素子。 - 前記第1の小領域が前記ゼロの小領域であって、
前記第1の小領域の位相差をφ(0)、前記第2の小領域の位相差をφ(1)、前記第3の小領域の位相差をφ(2)とするとき、
φ(0)=0、
φ(1)=π、
φ(2)=2π、
となる前記単位領域の形状を有する請求項4に記載の回折素子。 - 前記単位領域は4個の前記小領域からなって、前記単位領域の端部よりそれぞれ第1の小領域、第2の小領域、第3の小領域、第4の小領域とし、
前記第1の小領域の幅をX1、前記第2の小領域の幅をX2、前記第3の小領域の幅をX3、前記第4の小領域の幅をX4とするとき、
X1:X2:X3:X4=3:7:7:3、
である請求項1〜3いずれか1項に記載の回折素子。 - 前記第1の小領域が前記ゼロの小領域であって、
前記第1の小領域の位相差をφ(0)、前記第2の小領域の位相差をφ(1)、前記第3の小領域の位相差をφ(2)、前記第3の小領域の位相差をφ(3)とするとき、
φ(0)=0、
φ(1)=π、
φ(2)=2π、
φ(3)=3π、
となる前記単位領域の形状を有する請求項6に記載の回折素子。 - 前記回折格子は、複屈折性を有する複屈折性材料と等方性透明材料とが、前記回折格子の凸部と凹部とを構成してなる偏光回折格子であって、
前記複屈折性材料の常光屈折率noまたは異常光屈折率ne(no≠ne)のいずれか一方の屈折率が等方性透明材料の屈折率nsと等しい請求項1〜7いずれか1項に記載の回折素子。 - 光源と、
前記光源からの光を偏向分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを出射した光を光ディスク上に集光させる対物レンズと、
前記光記録媒体で反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、
前記光源と前記ビームスプリッタとの間の光路中および、前記ビームスプリッタと前記光検出器との間の光路中に、請求項1または請求項3〜8いずれか1項に記載の回折素子が配置される光ヘッド装置。 - 光源と、
前記光源を出射した光を光ディスク上に集光させる対物レンズと、
前記ビームスプリッタと前記光ディスクとの間に配置された、前記光に対して1/4波長の位相差を生じる1/4波長板と、
前記光ディスクで反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、
前記光源と前記対物レンズとの光路と、前記対物レンズと前記光検出器との光路と共通する光路中に請求項8に記載の回折素子が配置された光ヘッド装置。 - 光源と、
前記光源からの光を偏向分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを出射した光を光ディスク上に集光させる対物レンズと、
前記光ディスクで反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、
前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間の光路中に、請求項2に記載の回折素子が配置される光ヘッド装置。 - 前記光源は、3つの異なる波長λ1、波長λ2、波長λ3の光を発射し、
前記波長λ1は395〜415nmの範囲の405nm波長帯、
前記波長λ2は640〜680nmの範囲の660nm波長帯、
前記波長λ3は765〜805nmの範囲の785nm波長帯、
である請求項9〜11いずれか1項に記載の光ヘッド装置。 - 光源と、
表示する画像に応じて前記光源から出射された可視光を変調する液晶ライトバルブと、
前記液晶ライトバルブにより生成された画像を拡大投影する投影レンズと、を備えた投射型表示装置において、
前記液晶ライトバルブと前記投影レンズとの光路中に請求項8に記載の回折素子が配置される投射型表示装置。
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---|---|---|---|
JP2008299504A JP5417815B2 (ja) | 2008-11-25 | 2008-11-25 | 回折素子、光ヘッド装置および投射型表示装置 |
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