JP2010164752A - 光学素子、光ピックアップ、光情報処理装置、光減衰器、偏光変換素子、プロジェクタ光学系、光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、製造を容易化可能な光学素子、これを有する光ピックアップ、これを有する光情報処理装置、かかる光学素子を有する光減衰器、偏光変換素子、かかる光学素子、光減衰器、偏光変換素子を有するプロジェクタ光学系、これらを有する光学機器の提供。
【解決手段】光学素子が、ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５が入射光の波長以下であり溝深さｄが互いに等しい３種以上のサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５、または、平坦部及びピッチが入射光の波長以下であり溝深さが互いに等しい２種以上のサブ波長凹凸構造を備えた、入射光の波長以上のピッチＰｎの周期構造１３を有し、入射光の所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折する。
【選択図】図２

Description

本発明は、光をその偏光方向に応じて回折し得る光学素子、これを有する光ピックアップ、これを有する光情報処理装置、かかる光学素子を有する光減衰器、偏光変換素子、かかる光学素子、光減衰器、偏光変換素子を有するプロジェクタ光学系、これらを有する光学機器に関する。

かかる光ピックアップ、光情報処理装置、光減衰器、偏光変換素子、プロジェクタ光学系、これらを有するプロジェクタ等の各種の光学機器において、入射光の偏光方向に応じて光路分離を行う偏光分離素子等の光学素子が用いられている（たとえば、〔特許文献１〕ないし〔特許文献７〕、及び、〔非特許文献１〕ないし〔非特許文献３〕参照）。

かかる光学素子として、図１１に示すような、薄膜を用いた偏光分離素子がよく知られている（たとえば、〔特許文献１〕参照）。この偏光分離素子１００は、２つの三角柱プリズム１０１と、これらを接合する境界面に配設された薄膜１０２とを有し、偏光方向に応じて境界面でＰ偏光成分及びＳ偏光成分を含む入射光ＡをたとえばＰ偏光成分については透過（Ａ１）させＳ偏光成分については反射（Ａ２）させることで偏光を分離している。しかし、このような偏光分離素子１００は、２つの三角柱プリズム１０１を張り合わせた構造のため大型になるという問題や、入射光Ａの入射角の変化による透過率変動が大きいという問題がある。

（サブ波長凹凸構造を用いた偏光分離素子（１））
これに対し、図１２、図１３に示すような、ピッチが入射光Ａの波長よりも小さな微細周期構造を有するサブ波長凹凸構造Ｂを有し、複屈折波長板、反射防止構造、偏光分離素子などとしての様々な機能を有する光学素子１１０、１２０が提案されている（たとえば、〔特許文献１〕、及び、〔非特許文献１〕ないし〔非特許文献３〕参照）。このような光学素子では、入射光Ａの入射角の変化による光学性能変動が少なく、光学的に優れているという報告もなされている。

光学素子１１０は、材質ｎＡと材質ｎＢとから構成されているとともに、格子周期Ｐｔの一部がサブ波長凹凸構造Ｂから構成された偏光分離素子である。サブ波長凹凸構造Ｂは材質ｎＡと材質ｎＢとによって形成された素子境界が矩形格子を形成しており、この微小周期構造の格子周期はｐＡであり、また１周期ｐＡ内で材質ｎＢがしめる割合であるフィリングファクタがｆＡとなっているとともに、材質ｎＡ側に厚さｄＡ、材質ｎＢ側に厚さｄＢだけの厚みを有している。

光学素子１２０は、材質ｎＡと材質ｎＢと材質ｎＣとから構成されているとともに、格子周期Ｐｔの一部がサブ波長凹凸構造Ｂから構成された偏光分離素子である。サブ波長凹凸構造Ｂは材質ｎＡと材質ｎＢからなる多層膜の一部が三角格子からなるサブ波長凹凸構造となっており、素子境界で材質ｎＣと接している。

光学素子１１０、１２０の何れも、Ｐ偏光成分及びＳ偏光成分を含む入射光Ａに対して、Ｓ偏光成分は０次回折光として一方向に伝播するのに対し、Ｐ偏光成分は±１次回折光の２方向に伝播している。よって、特定の偏光方向（ここではＰ偏光成分）の光束が、異なる２方向に分離される為、光束の使用効率の点で問題がある。

（サブ波長凹凸構造を用いた偏光分離素子（２））
このような問題点を改善した光学素子として図１４に示すような偏光分離素子１３０が提案されている（たとえば、〔特許文献１〕参照）。同図（ａ）は偏光分離素子１３０の斜視図を示しており、同図（ｂ）は偏光分離素子１３０の、同図（ａ）におけるｂ−ｂ断面を示している。

同図（ａ）に示すように、偏光分離素子１３０は、基板Ｃの上に偏光分離を行う回折格子Ｄを設けている。同図（ｂ）に示すように、回折格子Ｄは１次元のブレーズド型の格子形状からなり、同図（ａ）中ｂ−ｂの方向に同図（ｂ）に示すように格子周期Ｐｔを有している。同図（ｂ）に示すように、回折格子Ｄの断面格子形状は、基板Ｃ上に設けられたブレーズド型の第１の回折格子部Ｅと、第１の回折格子部Ｅの上に形成されたブレーズド型の第２の回折格子部Ｆとから構成されている。そして、第２の回折格子部Ｆは、光入射面全面が使用波長より小さな微細周期構造を有するサブ波長凹凸構造Ｂが重畳されている。

このような構造とすることにより、この回折素子Ｄに入射した光束は偏光方向により回折方向が異なり、且つ各偏光方向の光束の回折する方向が特定の次数のみに回折されるように構成されているとともに、薄膜構成の偏光分離素子と同様に使用され得る。

しかし、同図に示したようなブレーズド型の構成は、作製が難しい構造であるという問題がある。すなわち、一般にサブ波長凹凸構造の溝の作製にはエッチング法を用いる場合が多いにもかかわらず、エッチング法は均一な溝深さを形成することを特徴としている方法であるため、同図に示したようなブレーズド型の、サブ波長凹凸構造の溝深さが連続的に変化した構造においては製造上の課題が予想される。

本発明は、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、製造を容易化可能な光学素子、これを有する光ピックアップ、これを有する光情報処理装置、かかる光学素子を有する光減衰器、偏光変換素子、かかる光学素子、光減衰器、偏光変換素子を有するプロジェクタ光学系、これらを有する光学機器を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、ピッチが入射光の波長以下であり溝深さが互いに等しい３種以上のサブ波長凹凸構造、または、平坦部及びピッチが入射光の波長以下であり溝深さが互いに等しい２種以上のサブ波長凹凸構造を備えた、前記波長以上のピッチの周期構造を有し、前記入射光の所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折する光学素子にある。

請求項２記載の発明は、請求項１記載の光学素子において、前記入射光の入射方向に向けて互い違いに積層された屈折率が異なる２種類以上の層を有し、前記３種以上のサブ波長凹凸構造、または、前記２種以上のサブ波長凹凸構造を構成する各サブ波長凹凸構造の形成方向を互いに平行にするとともに同各サブ波長凹凸構造のピッチが前記周期構造の周期方向に向けて漸変するように設定されていることにより、前記入射光の所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折することを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の光学素子において、前記周期構造のピッチが、前記所定の偏光方向を所定の方向に回折するように不均一に設定されていることを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項１ないし３の何れか１つに記載の光学素子において、透過型または反射型であることを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項１ないし４の何れか１つに記載の光学素子を複数有し、何れかの光学素子を経た光が他の光学素子に対する入射光となることを特徴とする。

請求項６記載の発明は、請求項１ないし５の何れか１つに記載の光学素子を有し、記録媒体に情報を記録し及び／又は記録媒体に記録されている情報を読み取る光ピックアップにある。

請求項７記載の発明は、請求項６記載の光ピックアップを有し、この光ピックアップによって記録媒体の情報の処理を行う光情報処理装置にある。

請求項８記載の発明は、請求項１ないし５の何れか１つに記載の光学素子と、この光学素子を経た光を減衰させる減衰手段とを有する光減衰器にある。

請求項９記載の発明は、請求項１ないし５の何れか１つに記載の光学素子と、この光学素子を経た光の偏光方向を変換する変換素子とを有する偏光変換素子にある。

請求項１０記載の発明は、請求項１ないし５の何れか１つに記載の光学素子、または、請求項８記載の光減衰器、または、請求項９記載の偏光変換素子を有し、前記光学素子を経た光を投射するプロジェクタ光学系にある。

請求項１１記載の発明は、請求項１ないし５の何れか１つに記載の光学素子、または、請求項６記載の光ピックアップ、または、請求項７記載の光情報処理装置、または、請求項８記載の光減衰器、または、請求項９記載の偏光変換素子、または、請求項１０記載のプロジェクタ光学系を有する光学機器にある。

本発明は、ピッチが入射光の波長以下であり溝深さが互いに等しい３種以上のサブ波長凹凸構造、または、平坦部及びピッチが入射光の波長以下であり溝深さが互いに等しい２種以上のサブ波長凹凸構造を備えた、前記波長以上のピッチの周期構造を有し、前記入射光の所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折する光学素子にあるので、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な光学素子を提供することができる。

前記入射光の入射方向に向けて互い違いに積層された屈折率が異なる２種類以上の層を有し、前記３種以上のサブ波長凹凸構造、または、前記２種以上のサブ波長凹凸構造を構成する各サブ波長凹凸構造の形成方向を互いに平行にするとともに同各サブ波長凹凸構造のピッチが前記周期構造の周期方向に向けて漸変するように設定されていることにより、前記入射光の所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折することとすれば、各サブ波長凹凸構造の形成方向及びピッチの設定により光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な光学素子を提供することができる。

前記周期構造のピッチが、前記所定の偏光方向を所定の方向に回折するように不均一に設定されていることとすれば、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な、任意の方向にレンズパワーを持たせ得る光学素子を提供することができる。

透過型または反射型であることとすれば、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な、用途等に応じて透過型か反射型かを選択可能な光学素子を提供することができる。

かかる光学素子を複数有し、何れかの光学素子を経た光が他の光学素子に対する入射光となることとすれば、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な、より幅広い光学特性を得ることが可能な光学素子を提供することができる。

本発明は、かかる光学素子を有し、記録媒体に情報を記録し及び／又は記録媒体に記録されている情報を読み取る光ピックアップにあるので、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な光学素子を用いた、低廉化、小型化可能な光ピックアップを提供することができる。

本発明は、かかる光ピックアップを有し、この光ピックアップによって記録媒体の情報の処理を行う光情報処理装置にあるので、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な光学素子を有する、低廉化、小型化可能な光ピックアップを用い、低廉化、小型化可能な光情報処理装置を提供することができる。

本発明は、かかる光学素子と、この光学素子を経た光を減衰させる減衰手段とを有する光減衰器にあるので、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な光学素子を用いた、低廉化、小型化可能な光減衰器を提供することができる。

本発明は、かかる光学素子と、この光学素子を経た光の偏光方向を変換する変換素子とを有する偏光変換素子にあるので、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な光学素子を用いた、低廉化、小型化可能な偏光変換素子を提供することができる。

本発明は、かかる光学素子、または、かかる光減衰器、または、かかる偏光変換素子を有し、前記光学素子を経た光を投射するプロジェクタ光学系にあるので、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な光学素子を有する、低廉化、小型化可能なプロジェクタ光学系を提供することができる。

本発明は、かかる光学素子、または、かかる光ピックアップ、または、かかる光情報処理装置、または、かかる光減衰器、または、かかる光変換素子、または、かかるプロジェクタ光学系を有する光学機器にあるので、光をその偏光方向に応じて特定の次数に回折し得る、たとえばスパッタリングを用いた方法により製造を容易化可能であるとともに同時に多数を製造可能であり、薄型化、軽量化が可能であり、材料選択の自由度が広く、また組み立てを省略した低廉化可能な、ブレーズド型よりも強度を向上可能な光学素子を有する、低廉化、小型化可能な光学機器を提供することができる。

本発明を適用した光学素子の概略斜視図である。 図１に示した光学素子に備えられたサブ波長凹凸構造の概略図である。 図１に示した光学素子による偏向の様子を示した概略斜視図である。 図３に示した機能が得られることを確かめるために行ったシミュレーションの結果を示した図である。 光学素子が複数の光学素子を有する場合の構成例を示した断面図である。 反射型の光学素子を示した概略斜視図である。 図1に示した光学素子を備えた光ピックアップ及びこれを備えた光情報処理装置の一部を示した概略正面図である。 図1に示した光学素子を備えた光減衰器の概略断面図である。 図1に示した光学素子を備えた偏光変換素子の概略断面図である。 図1に示した光学素子を備えたプロジェクタ光学系及びこれを備えた光学機器の一部を示した概略正面図である。 従来の光学素子の一例を示した概略正面図である。 従来の光学素子の他の例を示した概略断面図である。 従来の光学素子のまた他の例を示した概略断面図である。 従来の光学素子のさらに他の例を示した概略図である。

図１に本発明を適用した光学素子の概略を示す。光学素子１０は、透明基板である基板１１と、基板１１上に形成された回折構造１２とを有し、回折素子として機能する。回折構造１２は、複数の周期構造１３を有している。同図においては、周期構造１３を２つのみ示しているが、実際には多数の周期構造１３が基板１１上に形成されている。各周期構造１３のそれぞれの幅である周期長言い換えるとピッチＰｎは、光学素子１０への入射光の波長以上となっている。

各周期構造１３は、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５を備えている。よって回折構造１２はサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５を一組とした周期構造１３からなるピッチＰｎの周期の回折格子周期を備えている。本形態においては各周期構造１３が５種のサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５を備えている。

図２（ａ）に回折構造１２の１周期分である周期構造１３を拡大して示すように、周期構造１３に備えられたサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５のそれぞれの幅はＬ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５であり、幅Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５はそれぞれ、光学素子１０への入射光の波長以下となっている。よって回折構造１２は光学素子１０への入射光の波長以上の周期構造に同波長以下の周期構造が重畳された構造となっている。なお、幅Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５は、本形態では互いに同一となっているが、同一でなくともよい。

同図（ａ）において、符号Ｘ、Ｙ、Ｚで示す矢印は互いに垂直な３つの軸の方向を示している。矢印Ｘは、周期構造１３、回折構造１２、基板１１、光学素子１０への入射光の進行方向を示している。矢印Ｙは、周期構造１３及びサブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５並びに回折構造１２の幅方向言い換えると周期構造１３の周期方向を示しており、本形態において入射光に含まれるＳ偏光成分の偏光方向に一致しているものとする。矢印Ｚは、本形態において入射光に含まれるＰ偏光成分の偏光方向に一致しているものとする。

同図（ｂ−１）、（ｂ−２）、（ｂ−３）、（ｂ−４）、（ｂ−５）はそれぞれ、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５の拡大断面図を示している。なお同図（ｂ−１）、（ｂ−２）、（ｂ−３）、（ｂ−４）、（ｂ−５）のそれぞれにおいて、上側の図が実際の断面を示しており、下側の図はかかる断面に等価な矩形状の断面を示している。

同図（ｂ−１）、（ｂ−２）、（ｂ−３）、（ｂ−４）、（ｂ−５）から分かるように、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５は、屈折率の異なる層ｎ１、ｎ２が、同図(ａ)に示したＸ方向に向けてジグザグの凹凸をなすように互い違いに積層されているとともに、この凹凸の高さが互いに同じ深さｄの溝深さを有する凹凸構造をなしている。

層ｎ１は屈折率２．３１の高屈折率層であり、層ｎ２は屈折率１．４５の低屈折率層である。本形態ではこれら２種類の、屈折率が異なる層ｎ１、ｎ２を用いているが、これ以上の種類の層を用いてもよい。また各層の屈折率はかかる値に限らない。

サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５は何れも、Ｚ方向言い換えるとＰ偏光方向に沿って凹凸が走っており、Ｚ方向がその凹凸が走っている方向である溝方向に一致している。サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５は溝方向に一致するそれぞれの形成方向が互いに平行となっている。サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５は何れも、この溝方向に垂直な断面すなわち同図（ａ）で示すＹ方向に平行な太線を含むＸＹ平面その他のＸＹ平面による断面が全て同図（ｂ−１）、（ｂ−２）、（ｂ−３）、（ｂ−４）、（ｂ−５）にそれぞれ示した形状となるように構成されている。

同図（ｂ−１）、（ｂ−２）、（ｂ−３）、（ｂ−４）、（ｂ−５）に示すように、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５のそれぞれの周期長言い換えるとピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５は光学素子１０への入射光の波長以下、特に本形態ではかかる波長の１／２以下であり、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５のそれぞれの凸部の幅はｑ１、ｑ２、ｑ３、ｑ４、ｑ５である。

なお、ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５は光学素子１０への入射光の波長以下であれば以下述べる回折効果を発揮するが、ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５がかかる波長程度であると、回折効果とサブ波長効果といわれる現象とが混在した共鳴現象と呼ばれる不安定な現象が出る場合があるため、サブ波長効果による影響をより減じるためには、ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５は光学素子１０への入射光の波長の１／２以下であることが望ましく、このような理由により、本形態では、ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５を光学素子１０への入射光の波長の１／２以下としている。

ピッチｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５は、ｐ１＞ｐ２＞ｐ３＞ｐ４＞ｐ５の関係を有しており、Ｙ方向に向けて漸変している。なお、この漸変の態様は、逆方向すなわちｐ１＜ｐ２＜ｐ３＜ｐ４＜ｐ５の関係で生じるものであってもよい。

サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５のそれぞれのフィリングファクタｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５はｑ１／ｐ１、ｑ２／ｐ２、ｑ３／ｐ３、ｑ４／ｐ４、ｑ５／ｐ５で求められるが、これらフィリングファクタｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５は、全て０．５であり、凹凸の比率が１：１で一定となっている。

入射光はその波長以上の周期構造に応じて回折し、波長以下の周期構造に応じてＰ、Ｓ何れかの偏光成分で回折するかの偏光選択性を生ずる。本形態においては、サブ波長凹凸構造２１、２２、２３、２４、２５がＳ偏光成分の光を回折する偏光選択性を呈する。よって、光学素子１０は、図３(ａ)に示すように、入射光に含まれるＰ偏光成分の光については不感帯透過し、図３(ｂ)に示すように、入射光に含まれるＳ偏光成分の光については回折するようになっている。

以上は、周期構造１３に備えられたサブ波長凹凸構造の種類を３種類以上の５種類とした場合、言い換えると周期構造１３の領域数を５とした場合の光学素子１０について説明したが、光学素子１０は、図４に示すように、サブ波長凹凸構造等の凹凸構造を備えず凹凸構造を省略した平坦部と、２種類以上のサブ波長凹凸構造とを備えた周期構造を有するものであってもよい。

同図は、周期構造１３に備えられたサブ波長凹凸構造の種類を２種類とするとともにかかる平坦部を設け、周期構造１３の領域数を３とした場合の光透過の状態をシミュレーションした結果を示している。

このシミュレーションの条件は他に、
入射光の波長：０．５μｍ
サブ波長凹凸構造３２のピッチ：０．４８μｍ
サブ波長凹凸構造３３のピッチ：０．３６μｍ
高屈折率層：屈折率２．３、層厚０．１６μｍ、層数１０層
低屈折率層：屈折率１．５、層厚０．２４μｍ、層数１１層
であり、シミュレーションの手法としては、電磁界シミュレーション手法としてよく知られるＦＤＴＤ法を用いた。
なお、凹凸構造なしの平坦部３１のピッチは０μｍであるものとする。

同図から、同図に示した光学素子１０も、図３に示した光学素子１０と同様に、偏光選択性が得られることが確かめられる。すなわち、図４(ａ)には、Ｐ偏光に対しては光学素子１０が回折格子周期で屈折率が変化した回折素子としてのパワーを持つためこれを回折する回折素子として機能することが示されており、同図（ｂ）には、Ｓ偏光に対しては光学素子１０が一様な屈折率をもつ板状体となり回折現象が生じないことが示されている。

以上のことから分かるように、周期構造１３を３種以上のサブ波長凹凸構造に領域分割し、各サブ波長凹凸構造のピッチを漸変させること、あるいは周期構造１３を平坦部及び２種以上のサブ波長凹凸構造に領域分割し、各サブ波長凹凸構造のピッチを漸変させることで、光学素子１０はいわゆるデジタルブレーズ素子としての機能を呈し、特定次数の回折光のみを強くする、言い換えると所定の次数に偏りをもって回折するものであり、このように回折素子として機能する光学素子１０は偏光選択型の光路分岐を行う偏光分離素子の機能をもつ。

なお、図３において符号αは光学素子１０の回折格子面によるＳ偏光成分の光の回折角度を示す。回折角度αは、かかる光の波長をλ１とした場合、ピッチＰｎを用いて下式を満足する値として求められる。

よって、ピッチＰｎは、光学素子１０の使用用途に応じて選択可能である。

基板１１、回折構造１２を形成する材質は、使用条件によって適宜選択される。たとえば、入射光として短波長でエネルギー密度の高い光を用いる場合は耐久性を考慮しガラスや無機系の材料を基板１１とすることが可能であり、また入射光の波長の透過率が高い材料を基板１１に用いることが可能である。

回折構造１２についても同様に耐久性、用途を考慮しつつその材料が選択される。
また回折構造１２は、スパッタリング等の手法により、たとえばＴｉＯ_２（屈折率２．３１）のような高屈折率層とＳｉＯ_２（屈折率１．４５）のような低屈折率層とを交互に積層することで、上述のようなジグザグの形状に形成される。

上述の形態では基板１１の一方の表面上に回折構造１２を形成した光学素子１０について説明したが、光学素子１０の構造はこれに限られるものではなく、基板１１のもう一方の面に同一或いは異なる回折構造１２が形成された、実質的に複数の光学素子を備えた光学素子であってもよい。

かかる光学素子として、たとえば、図５に示すように、基板１１の両面に回折構造１２を形成し、一方の回折構造１２はＰ偏光成分のみを回折しＳ偏光成分は透過し、もう一方の回折構造１２はＳ偏光成分のみを回折しＰ偏光成分は透過する構造の光学素子２０が挙げられる。各回折構造１２の回折方向が各々異なるようにサブ波長凹凸構造の溝方向およびフィリングファクタを設定することにより、光学素子２０はＰ偏光成分、Ｓ偏光成分ともに回折する回折素子として機能し、分離角α１を大きくとり得る。このように、光学素子を複数備え何れかの光学素子を経た光が他の光学素子に対する入射光となるように構成すると、その他図９（後述）にも示すように、種々の構成・機能の光学素子が得られる。

以上述べた光学素子１０、２０、回折構造１２は入射光を透過させる透過型のものであるが、図６に示すように、反射型の光学素子３０も構成可能である。この場合、入射光を反射させる反射膜を設ける必要があり、かかる反射膜は、スパッタリング等の適宜の方法で形成する。

同図に示した光学素子３０は、基板１１と回折構造１２との間に図示しない反射膜を有しており、入射ランダム偏光のうち、Ｐ偏光成分は回折面を不感帯透過しそのまま反射面を正反射し、Ｓ偏光成分は回折して往路と同じ側に反射回折するようになっている。反射膜が基板１１と回折構造１２との間に、いわば回折構造１２の下地として位置することから、Ｓ偏光成分は回折構造１２により２回の回折作用を受けるため、回折角度α２が大きくなっている。反射膜は回折構造１２の表面に設けてもよい。また反射型の光学素子３０は、たとえば図５に示した光学素子２０において同図右側部分に位置する回折構造１２の代わりに配設するなど、透過型の光学素子と組み合わせて用いてもよい。その他、目的に応じて反射膜の反射率の調整や回折構造１２の構造の変更等により、各偏光成分の光量比、反射回折光の方向を任意に設定することが可能である。

以下、図７ないし図１０にそれぞれ、光学素子１０を備えた種々の構成例を示す。なお、光学素子１０の適用は、これらの図に示した構成に限定されるものではない。また、上述の光学素子２０、３０もその機能に応じて適宜採用され得る。

図７は、光ディスク等の光学的記録媒体としての光記録媒体である記録媒体に情報を記録し、また記録媒体４１に記録されている情報を読み取って、かかる情報の処理を行う光情報処理装置の一部を示している。この光情報処理装置５０は、かかる記録や読み取りを行うための光ピックアップ４０を備えている。

光ピックアップ４０は、光源としての半導体レーザ４２と、半導体レーザ４２から出射された出射光であるレーザ光を記録媒体４２に導く光ピックアップ光学系４３と、光ピックアップ４３によって記録媒体４２に導かれ記録媒体４２を経て再度光ピックアップ４３を経たレーザ光を受光する受光素子４４とを有している。

光ピックアップ光学系４３は、半導体レーザ４２から出射されたレーザ光を直線偏光とする偏光分離素子として機能する光学素子１０と、光学素子１０を経たレーザ光をコリメートするコリメータ・レンズ４５と、コリメータ・レンズ４５でコリメートされたレーザ光を円偏光に変換する１／４波長板４６と、１／４波長板４６を経たレーザ光を記録媒体４１上に集光する対物レンズ４７とを有し、対物レンズ４７によって記録媒体４１上に集光することで記録媒体４１に対する情報の記録・再生を行う。

記録媒体４１で反射した光は対物レンズ４７を再度透過し、続く１／４波長板４６によって往路とは直交する円偏光に変換され、コリメータ・レンズ４５を経てから再度光学素子１０に入射し、往路とは異なる方向に偏光回折されて受光素子４４に導かれる。なお光学素子１０と受光素子４４との間には集光レンズ等の受光光学系を設けてもよい。

受光素子４４により記録媒体４１からの情報信号や、対物レンズ４７を支持する不図示のアクチュエータを動作させるためのサーボ信号が形成される。サーボ信号は、例えば非点収差法によるフォーカシング・エラー信号およびプッシュプル法によるトラッキング・エラー信号などが生成されることが一般に知られている。

このように、光学素子１０は、光ピックアップ光学系４３において、半導体レーザ４２から出射された光と、記録媒体４１から反射された光を受光素子４４に導くための光とについての光路分岐素子として機能し、半導体レーザ４２への戻り光を防止する光アイソレータとして使用可能である。

このように光ピックアップ用の偏光分離素子として、光学素子１０を用いた場合、三角プリズムをはり合わせたキューブ型の偏光分離素子に比べ光学系がコンパクト化される。とくに光ピックアップ光学系の場合、近年のノートＰＣなどへの適用を考えると小型化は光学素子に求められる重要事項である。光学素子１０は特定次数の光のみを回折可能な偏光分離素子であるため、かかる光ピックアップに関して高効率な偏光光学系を実現可能としている。

その他、光学素子１０は、近年大容量光媒体として注目されてなるホログラフィを利用して光記録媒体に情報を記録する光ピックアップに用いられても良い。光学素子１０は、このようなホログラフィ用光ピックアップにおいて、入射光を入射光の光軸と異なる２つの直交する直線偏光の光に光路を分離する偏光分離素子として用いられ得る。

また、光学素子１０は、波長の異なる半導体レーザチップを１パッケージ化した所謂ツインレーザを用いた光学系などに用いてもよい。すなわち波長の異なるレーザ光の一方を波長選択型の１／２波長板を介して偏光方向を他の光源とは直交させ、該２つのレーザ光を同軸光とするための偏光選択型の光路補正手段として光学素子１０を用いてもよい。

図８は、直線透過光の効率が変化する液晶素子及びこれを用いた電圧可変の光減衰器を示している。
かかる液晶素子６０は、一対の電極付き基板６１と、これら基板６１間に位置する液晶セルとしての液晶層６２と、液晶層６２を構成する液晶をかかる基板６１間に封入して液晶層６２を形成するシール６３とを有している。
かかる光減衰器７０は、液晶素子６０と、基板６１間に電圧を印加して液晶層６２を形成する液晶の配向を制御する電圧印加部７１と、液晶素子６０の両側に設けられた光学素子１０とを有している。

このような光減衰器７０において、液晶素子６０へ入射する、直交した偏光方向を有する２つの直線偏光は、第１の偏光性ビームスプリッタとして機能する偏光性回折構造である一方の光学素子１０により偏光方向に応じて進行経路が互いに異なって液晶層６２を透過し、液晶層６２が特定のリタデーション値を有するとき第２の偏光性ビームスプリッタとして機能する偏光性回折構造である他方の光学素子１０を透過する２つの直線偏光は液晶素子６０の入射光と同じ進行方向に互いに揃って出射するようになっている。

したがって、光減衰器７０において、互いに揃って出射するように電圧印加部７１により液晶素子６０に電圧を印加した場合が直線透過光は最大となり、回折によって直進方向から光がずれると直線透過光は減衰される。液晶素子６０は光学素子１０を経た光を減衰させる減衰手段として機能する。

このように光学素子１０を光減衰器７０に適用する場合、液晶層６２を挟持するガラス基板１１の表面に偏光分岐を行う回折構造１２を形成するだけで同機能が実現され、部品点数を最小限に抑えることが可能である。

図９は、ランダム偏光を一偏光方向に揃える偏光変換素子を示している。
この偏光変換素子８０は、光学素子１０と、光学素子１０に対して入射光を入射させる開口部８１を形成する遮光部材８２と、光学素子１０の出射側の、開口部８１に対する対向位置において基板１１上に形成された１／２波長板８３と、光学素子１０の出射側に１／２波長板８３を挟むようにして基板１１上に形成されたプリズム８４とを有している。

偏光変換素子８０において、開口部８１から入射されるランダムな偏光方向を有する光束は、偏光分離を行う回折構造１２に入射し、Ｐ偏光成分は０次回折光として回折せずに直進し、Ｓ偏光成分は１次回折光として回折分離される。回折構造１２を直進したＰ偏光成分は、光学素子１０を透過した後、１／２波長板８３で偏光方向をＳ偏光に変換され射出する。よって１／２波長板８３は光学素子１０を経た光の偏光成分を変換する変換素子として機能している。一方、回折構造１２に入射したＳ偏光成分は回折構造１２で回折した後、プリズム８４で偏向され、１／２波長板８３を通過した光束と射出方向が揃えられＳ偏光のまま射出する。よってプリズム８４は偏光変換素子８０への光束の入射方向と射出方向をほぼ平行とする偏向部材たる光学部材として機能している。
このようにして、偏光変換素子８０により、ランダムな偏光方向を有する光束は、射出時にはＳ偏光成分に揃った光束として射出することになる。

偏光変換素子８０は、１／２波長板８３、プリズム８４に代えて、これらと同機能の回折構造１２を備えた構成としてもよく、この場合、一枚のガラス基板１１の各面に回折構造１２を形成するだけで偏光変換素子８０が実現される。
このように光学素子１０を偏光変換素子に適用することにより、簡易な構成で高精度な偏光変換素子が実現される。

図１０は、被投影体としてのスクリーンに所定の画像を投影して画像を形成する画像形成装置としての投影装置たる光学機器であるプロジェクタの一部を示している。このプロジェクタ９０は、Ｐ偏光成分とＳ偏光成分とを含む光束を出射する光源部９２と、光源部９２から出射された光束を用いて画像をスクリーン９１に投影するためのプロジェクタ光学系９３と、プロジェクタ光学系９３によってスクリーン９１に投影する画像を処理するパーソナルコンピュータ等によって構成される画像処理部９４とを有している。

プロジェクタ光学系９３は、光源部９２とスクリーン９１との間に位置する光学素子１０と、光源部９２からの光束のうち光学素子１０と反対側に射出した光束を光学素子１０側に反射させる反射鏡９５と、光学素子１０からの出射光を与えられた画像信号に基づいて変調する、液晶素子等から成る光変調手段としての液晶パネル９６と、液晶パネル９６を経た光をスクリーン９１上に結像させる等の機能を有する投射光学系９７とを有し、光学素子１０により変調された光束をスクリーン９１に投写し、スクリーン９１上に、液晶パネル９６によって調整された画像を形成する。光学素子１０はプロジェクタ光学系９３におけるキーパーツとなっている。

プロジェクタ光学系９３は、上述した種々の光学素子１０、２０、３０、光減衰器７０、偏光変換素子８０等を適宜組み込むことが可能であり、プロジェクタ９０は、上述した種々の光学素子１０、２０、３０、光ピックアップ４０、光情報処理装置５０、光減衰器７０、偏光変換素子８０等を適宜組み込むことが可能である。

以上本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明はかかる特定の実施形態に限定されるものではなく、上述の説明で特に限定していない限り、特許請求の範囲に記載された本発明の趣旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

たとえば、図２等に示した上述の形態においては各周期構造が５種のサブ波長凹凸構造を備えているが、各周期構造が備えているサブ波長凹凸構造の種類は３種以上であればよい。サブ波長凹凸構造が５種の場合、これを備えた周期構造は５段の段差を有する階段状のプリズムによって構成される光学素子と等価である。

また、図４に示した上述の形態においては各周期構造が平坦部及び２種のサブ波長凹凸構造を備えているが、各周期構造が備えているサブ波長凹凸構造の種類は２種以上であればよい。サブ波長凹凸構造が２種の場合、これを備えた周期構造は平坦部の分を加えた２の段差を有する階段状のプリズムによって構成される光学素子と等価である。

サブ波長凹凸構造の種類、言い換えると領域の数が多いほど回折効率は大きくなる。またサブ波長凹凸構造の種類の数が多いほど、これに等価なプリズム状の光学素子は図１１に示したような三角柱形状に近づくこととなる。
各周期構造におけるサブ波長凹凸構造の種類は互いに同数でなくともよい。

各周期構造のピッチは同一である必要はなく、不等間隔であってもよい。この場合、最小のピッチが入射光の波長以上であればよい。回折される偏光成分の回折角度を各周期構造で異ならせ、所定の方向に回折するように不均一に設定し、たとえば各周期構造で回折された光が一点に集中するように各周期構造の回折角度を設定するなど不等間隔の周期構造とすることにより、レンズ機能をもった光学素子・回折素子が実現される。

上述の形態では回折構造のパタンが一定の溝方向を向く直線の場合について説明したが、これに限定されるものではなく、曲線状のパタンであってもよい。このような曲線状のパタンとすることによりレンズ機能や収差補正などの用途に適用可能となる。
上述の形態ではサブ波長凹凸構造が平板上に形成された場合について説明したが、これに限られるものではなく、レンズのような曲面上に形成してもよい。

本発明にかかる光学素子を適用し得る光学機器としては、上述のプロジェクタの他、光ファイバ通信等に用いられる通信機器、その他撮像光学系及びこれを有する撮像機器、複写機、プリンタ等の画像形成装置などが挙げられる。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１０、２０、３０ 光学素子
１０ 透過型の光学素子
１３ 周期構造
２０ 複数の光学素子を有する光学素子
２１、２２、２３、２４、２５ サブ波長凹凸構造
３０ 反射型の光学素子
３１ 平坦部
３２、３３ サブ波長凹凸構造
４０ 光ピックアップ
４１ 記録媒体
５０ 光情報処理装置
６０ 減衰手段
７０ 光減衰器
８０ 偏光変換素子
８３ 変換素子
９０ 光学機器
９３ プロジェクタ光学系
ｎ１、ｎ２ 屈折率が異なる２種類の層
ｐ１、ｐ２、ｐ３、ｐ４、ｐ５ サブ波長凹凸構造のピッチ
Ｐｎ 周期構造のピッチ
Ｙ 周期構造の周期方向
Ｚ サブ波長凹凸構造の形成方向

特開２００１−３４３５１２号公報 特開２００８−２７７７１号公報 特開２００８−２６２６２０号公報 特開２００８−２７６８２３号公報 特開２００５−３７５８号公報 特開２００４−３７４８０号公報 特開２００４−１８４５０５号公報

菊田久雄・岩田耕一、「波長より細かな格子構造による光制御」、光学、１９９８年、２７巻、１号、ｐ．１２−１７ 小野雄三、「偏光性ホログラム光学素子」、Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ、１９９１年３月、Ｎｏ．１３６、ｐ．８６−９０ 佐藤尚、「誘電体フォトニック結晶の作製と応用デバイス」、Ｏ ｐｌｕｓ Ｅ、１９９９年１２月、Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．１２、ｐ．１５５４−１５５９

Claims (11)

1. ピッチが入射光の波長以下であり溝深さが互いに等しい３種以上のサブ波長凹凸構造、または、平坦部及びピッチが入射光の波長以下であり溝深さが互いに等しい２種以上のサブ波長凹凸構造を備えた、前記波長以上のピッチの周期構造を有し、前記入射光の所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折する光学素子。
2. 請求項１記載の光学素子において、
   前記入射光の入射方向に向けて互い違いに積層された屈折率が異なる２種類以上の層を有し、
   前記３種以上のサブ波長凹凸構造、または、前記２種以上のサブ波長凹凸構造を構成する各サブ波長凹凸構造の形成方向を互いに平行にするとともに同各サブ波長凹凸構造のピッチが前記周期構造の周期方向に向けて漸変するように設定されていることにより、前記入射光の所定の偏光方向を所定の次数に偏りをもって回折することを特徴とする光学素子。
3. 請求項１または２記載の光学素子において、
   前記周期構造のピッチが、前記所定の偏光方向を所定の方向に回折するように不均一に設定されていることを特徴とする光学素子。
4. 請求項１ないし３の何れか１つに記載の光学素子において、
   透過型または反射型であることを特徴とする光学素子。
5. 請求項１ないし４の何れか１つに記載の光学素子を複数有し、何れかの光学素子を経た光が他の光学素子に対する入射光となることを特徴とする光学素子。
6. 請求項１ないし５の何れか１つに記載の光学素子を有し、
   記録媒体に情報を記録し及び／又は記録媒体に記録されている情報を読み取る光ピックアップ。
7. 請求項６記載の光ピックアップを有し、この光ピックアップによって記録媒体の情報の処理を行う光情報処理装置。
8. 請求項１ないし５の何れか１つに記載の光学素子と、
   この光学素子を経た光を減衰させる減衰手段とを有する光減衰器。
9. 請求項１ないし５の何れか１つに記載の光学素子と、
   この光学素子を経た光の偏光方向を変換する変換素子とを有する偏光変換素子。
10. 請求項１ないし５の何れか１つに記載の光学素子、または、請求項８記載の光減衰器、または、請求項９記載の偏光変換素子を有し、
    前記光学素子を経た光を投射するプロジェクタ光学系。
11. 請求項１ないし５の何れか１つに記載の光学素子、または、請求項６記載の光ピックアップ、または、請求項７記載の光情報処理装置、または、請求項８記載の光減衰器、または、請求項８記載の偏光変換素子、または、請求項９記載のプロジェクタ光学系を有する光学機器。

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