JP2021056370A - 位相変調素子および表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の光成分を含む光に対して収差補正を適切に行える位相変調素子を提供する。【解決手段】本発明の位相変調素子は、基材と、基材の第１面に設けられた誘電体材料からなる複数の柱状構造体と、を備え、複数の柱状構造体は、第１光成分と第２光成分とを含む入射光に対して導波路効果を生じさせる屈折率およびピッチを有し、基材の第１面は、第１光成分に対して位相を変調する複数の第１柱状構造体が設けられた第１領域と、第１光成分のパラメーターとは異なるパラメーターを有する第２光成分に対して位相を変調する複数の第２柱状構造体が設けられた第２領域と、を有する。【選択図】図４

Description

本発明は、位相変調素子および表示装置に関する。

例えばプロジェクター等の表示装置において、表示品位の向上を目的として、光の位相を変調することにより、レンズ等の光学素子によって生じる各種の収差を補正する位相変調素子が用いられることがある。下記の特許文献１に、基板と、基板上に配置された複数のナノ構造体と、を備え、ナノ構造体の位置に依存して光位相シフトが変化するメタレンズが開示されている。

特表２０１９−５１６１２８号公報

収差補正を高精度で小型な光学素子によって実現する目的で、特許文献１のメタレンズのような位相変調素子を用いることが考えられる。しかしながら、特許文献１のメタレンズは、特定の波長または特定の入射角など、特定のパラメーターを有する入射光に対して複数のナノ構造体のサイズや向きが位置により変化している。そのため、特許文献１のメタレンズを用いたとしても、互いに異なるパラメーターを有する複数の光成分を含む光に対して収差の補正を適切に行うことが難しい、という問題があった。

上記の課題を解決するために、本発明の一つの態様の位相変調素子は、基材と、前記基材の第１面に設けられた複数の柱状構造体と、を備え、前記複数の柱状構造体は、第１光成分と、前記第１光成分の特性パラメーターとは異なる特性パラメーターを有する第２光成分と、を含む入射光に対して導波路効果を生じさせる屈折率およびピッチを有し、前記基材の前記第１面は、前記第１光成分に対して位相を変調する複数の第１柱状構造体が設けられた第１領域と、前記第２光成分に対して位相を変調する複数の第２柱状構造体が設けられた第２領域と、を有する。

本発明の一つの態様の位相変調素子において、前記第１光成分と前記第２光成分とは、波長、入射角、および偏光状態のうちの少なくとも一つの特性パラメーターが互いに異なっていてもよい。

本発明の一つの態様の位相変調素子において、前記第１柱状構造体と前記第２柱状構造体とは、径、ピッチ、高さ、および形状のうちの少なくとも一つの構造パラメーターが互いに異なっていてもよい。

本発明の一つの態様の位相変調素子において、前記基材を前記入射光の射出方向から見たとき、前記基材の形状は円形であり、前記第１領域と前記第２領域とは、同心円状、格子状、扇形状、および不定形状のうちのいずれかの形態で配置されていてもよい。

本発明の一つの態様の位相変調素子において、前記基材は、第１面と第２面とを有する透光性基板を有し、前記複数の柱状構造体は、前記透光性基板の第１面に設けられ、前記入射光は、前記透光性基板の前記第１面および前記第２面のうちのいずれか一方から入射され、前記第１面および前記第２面のうちのいずれか他方から射出されてもよい。

本発明の一つの態様の位相変調素子において、前記基材は、第１面と第２面とを有するスペーサー層と、反射層と、を有し、前記複数の柱状構造体は、前記スペーサー層の第１面に設けられ、前記反射層は、前記スペーサー層の第２面に設けられ、前記入射光は、前記スペーサー層の前記第１面から入射され、前記反射層で反射され、前記スペーサー層の前記第１面から射出されてもよい。

本発明の一つの態様の表示装置は、本発明の一つの態様の位相変調素子を備える。

第１実施形態のプロジェクターの概略構成図である。 照明装置の概略構成図である。 光学装置の側面図である。 位相変調素子の正面図である。 位相変調素子の側面図である。 柱状構造体の径と位相シフト量との関係を示すグラフである。 縦方向導波モードの概念を示す模式図である。 横方向導波モードの概念を示す模式図である。 位相変調素子による光強度の波長依存性を示すグラフである。 位相変調素子による光強度の入射角依存性を示すグラフである。 光が位相変調素子に垂直入射した場合の等位相面を示す図である。 光が位相変調素子に斜め入射した場合の等位相面を示す図である。 第４実施形態の光学装置の側面図である。 第１変形例の位相変調素子の正面図である。 第２変形例の位相変調素子の正面図である。 第３変形例の位相変調素子の正面図である。 第４変形例の位相変調素子の正面図である。

［第１実施形態］
以下、本発明の第１実施形態について、図１〜図９を用いて説明する。
本実施形態では、表示装置の一例として、プロジェクターを挙げて説明する。
図１は、第１実施形態のプロジェクターを示す概略構成図である。
図２は、照明装置の側面図である。
なお、以下の各図面においては各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがある。

本実施形態のプロジェクターは、光変調装置として３つの透過型液晶ライトバルブを用いたプロジェクターの一例である。なお、光変調装置として、反射型液晶ライドバルブを用いることもできる。また、光変調装置として、マイクロミラーを用いたデバイス、例えば、ＤＭＤ（Digital Micromirror Device）等を利用したものなど、液晶以外の光変調装置を用いてもよい。

図１に示すように、プロジェクター１は、照明装置２と、色分離光学系３と、光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇおよび光変調装置４Ｂと、光合成光学系５と、投射光学系６と、を備えている。また、プロジェクター１は、後述する位相変調素子２２を備えている。照明装置２は、照明光ＷＬを射出する。色分離光学系３は、照明装置２からの照明光ＷＬを赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢに分離する。光変調装置４Ｒ，光変調装置４Ｇおよび光変調装置４Ｂはそれぞれ、赤色光ＬＲ、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを画像情報に応じて変調し、各色の画像光を形成する。光合成光学系５は、各光変調装置４Ｒ，４Ｇ，４Ｂからの各色の画像光を合成する。投射光学系６は、光合成光学系５からの合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向かって投射する。

図２に示すように、照明装置２は、半導体レーザーから射出された青色の励起光のうち、波長変換されずに射出される青色の励起光Ｂの一部と、蛍光体ホイール５０による励起光Ｂの波長変換によって生じる黄色の蛍光ＹＬと、を含む白色の照明光ＷＬを射出する。照明装置２は、略均一な照度分布を有するように調整された照明光ＷＬを色分離光学系３に向けて射出する。照明装置２の具体的な構成については後述する。

図１に示すように、色分離光学系３は、第１ダイクロイックミラー７ａと、第２ダイクロイックミラー７ｂと、第１反射ミラー８ａと、第２反射ミラー８ｂと、第３反射ミラー８ｃと、リレーレンズ８ｄと、を備えている。

第１ダイクロイックミラー７ａは、照明装置２から射出された照明光ＷＬを、赤色光ＬＲと、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとが混合された光と、に分離する。そのため、第１ダイクロイックミラー７ａは、赤色光ＬＲを透過するとともに、緑色光ＬＧおよび青色光ＬＢを反射する。第２ダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧと青色光ＬＢとが混合された光を緑色光ＬＧと青色光ＬＢとに分離する。そのため、第２ダイクロイックミラー７ｂは、緑色光ＬＧを反射するとともに、青色光ＬＢを透過する。

第１反射ミラー８ａは、赤色光ＬＲの光路中に配置され、第１ダイクロイックミラー７ａを透過した赤色光ＬＲを光変調装置４Ｒに向けて反射する。第２反射ミラー８ｂおよび第３反射ミラー８ｃは、青色光ＬＢの光路中に配置され、第２ダイクロイックミラー７ｂを透過した青色光ＬＢを光変調装置４Ｂに導く。

光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々は、液晶パネルから構成されている。光変調装置４Ｒは、赤色光ＬＲを通過させる間に画像情報に応じて変調し、赤色の画像光を形成する。同様に、光変調装置４Ｇは、緑色光ＬＧを通過させる間に画像情報に応じて変調し、緑色の画像光を形成する。光変調装置４Ｂは、青色光ＬＢを通過させる間に画像情報に応じて変調し、青色の画像光を形成する。光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々の光入射側および光射出側には、偏光板（図示略）がそれぞれ配置されている。

光変調装置４Ｒの光入射側には、光変調装置４Ｒに入射する赤色光ＬＲを平行化するフィールドレンズ１０Ｒが設けられている。光変調装置４Ｇの光入射側には、光変調装置４Ｇに入射する緑色光ＬＧを平行化するフィールドレンズ１０Ｇが設けられている。光変調装置４Ｂの光入射側には、光変調装置４Ｂに入射する青色光ＬＢを平行化するフィールドレンズ１０Ｂが設けられている。

光合成光学系５は、クロスダイクロイックプリズムから構成されている。光合成光学系５は、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの各々から射出された各色の画像光を合成し、合成された画像光を投射光学系６に向かって射出する。

投射光学系６は、複数の投射レンズから構成されている。投射光学系６は、光合成光学系５により合成された画像光をスクリーンＳＣＲに向かって拡大投射する。これにより、スクリーンＳＣＲ上には、拡大されたカラー映像が表示される。なお、投射光学系６は、１つの投射レンズから構成されていてもよい。

（照明装置）
次に、照明装置２の構成について説明する。
図２に示すように、照明装置２は、励起光を射出するアレイ光源３０と、コリメート光学系４０と、集光光学系４２と、蛍光体ホイール５０と、ピックアップ光学系６０と、インテグレーター光学系１１０と、偏光変換素子１２０と、重畳レンズ１３０と、を備えている。

アレイ光源３０は、後述する蛍光体ホイール５０が備える蛍光体層５１を励起させる励起光Ｂとして、青色光を射出する複数の半導体レーザー３１を有する。半導体レーザー３１の発光強度のピークは、例えば約４４５ｎｍである。なお、青色光により蛍光体層を励起させる構成に代えて、アレイ光源として、青色光を射出するレーザー光源、緑色光を射出するレーザー光源、赤色光を射出するレーザー光源を有するアレイ光源が用いられてもよい。

なお、後述する蛍光体層５１を励起させることができる波長の光であれば、半導体レーザー３１は、４４５ｎｍ以外のピーク波長を有する色光を射出するものであってもよい。

コリメート光学系４０は、アレイ光源３０から射出された励起光Ｂを平行光に変換する。コリメート光学系４０は、例えば複数の半導体レーザー３１の配列に対応してアレイ状に配列された複数のコリメーターレンズ４１で構成されている。コリメート光学系４０を透過することによって平行光に変換された励起光Ｂは、集光光学系４２に入射する。

集光光学系４２は、例えば１枚の凸レンズから構成される。集光光学系４２は、アレイ光源３０から射出される励起光Ｂの光線軸上に配置され、コリメート光学系４０により平行化された励起光Ｂを蛍光体ホイール５０上に集光させる。

蛍光体ホイール５０は、アレイ光源３０から射出される青色の励起光Ｂの一部を透過させ、残りの励起光Ｂを蛍光に変換する機能を有する。蛍光体ホイール５０は、回転基板５０ａと、蛍光体層５１と、ダイクロイック膜５２と、モーター５５ｂと、を有する。回転基板５０ａは、例えば光透過性を有するガラスや樹脂から構成されている。

回転基板５０ａは、回転軸Ｏの方向から見て円形に形成されている。ただし、回転基板５０ａの外形は円形に限定されず、例えば多角形であってもよい。モーター５５ｂは、所定の回転軸Ｏの周りに回転基板５０ａを回転させる。回転基板５０ａは、回転基板５０ａに入射する励起光Ｂの光軸に略直交する面内で回転する。蛍光体層５１は、励起光Ｂを吸収して赤色光および緑色光を含む黄色の蛍光ＹＬを射出する蛍光体粒子を含んでいる。蛍光ＹＬの発光強度のピークは、例えば約５５０ｎｍである。

蛍光体粒子として、例えばＹＡＧ（イットリウム・アルミニウム・ガーネット）系蛍光体が用いられる。なお、蛍光体粒子の形成材料は、１種であってもよいし、２種以上の材料を用いて形成された粒子が混合されたものであってもよい。

ダイクロイック膜５２は、蛍光体層５１と回転基板５０ａとの間に設けられている。ダイクロイック膜５２は、励起光Ｂを透過して蛍光ＹＬを反射させる。

蛍光ＹＬと蛍光体層５１を透過した励起光Ｂの一部の光、すなわち青色光Ｂ１とが合成されることによって白色の照明光ＷＬが生成される。すなわち、照明光ＷＬは、蛍光ＹＬとレーザー光からなる励起光Ｂとを含んだ光から構成されている。

ピックアップ光学系６０は、ピックアップレンズ６１と、ピックアップレンズ６２と、を備えている。ピックアップ光学系６０は、蛍光体層５１から射出される照明光ＷＬを取り込むとともに略平行化してインテグレーター光学系１１０に向けて射出させる。

インテグレーター光学系１１０は、第１レンズアレイ１１１と、第２レンズアレイ１１２と、を備えている。第１レンズアレイ１１１は、マトリクス状に配置された複数のレンズを備えている。第２レンズアレイ１１２は、第１レンズアレイ１１１の複数のレンズに対応した複数のレンズを備えている。第１レンズアレイ１１１は、ピックアップ光学系６０からの照明光ＷＬを複数の分割光束に分割するとともに、各分割光束を集光する。第２レンズアレイ１１２は、第１レンズアレイ１１１からの分割光束を所定の発散角をもって射出する。

偏光変換素子１２０は、第２レンズアレイ１１２から射出された光を直線偏光に変換する。偏光変換素子１２０は、例えば、偏光分離膜および位相差板（ともに図示略）を備えている。すなわち、偏光変換素子１２０は、非偏光を一方向の直線偏光に変換する。

重畳レンズ１３０は、偏光変換素子１２０から射出された複数の分割光束を、光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、光変調装置４Ｂの各々の被照明領域において重畳させる。すなわち、第２レンズアレイ１１２および重畳レンズ１３０は、第１レンズアレイ１１１の各レンズの像を光変調装置４Ｒ、光変調装置４Ｇ、および光変調装置４Ｂの画像形成領域の近傍に結像させる。

（光学装置）
以下、本実施形態の光学装置について説明する。
図３は、光学装置２０の側面図である。
本実施形態の光学装置２０は、図１に示すプロジェクター１および図２に示す照明装置２において、例えばピックアップ光学系６０、コリメーターレンズ４１、重畳レンズ１３０、リレーレンズ８ｄ、フィールドレンズ１０Ｒ，１０Ｇ，１０Ｂ等の集光素子に適用することができる。

図３に示すように、光学装置２０は、レンズ２１と、位相変調素子２２と、を備えている。レンズ２１は、球面レンズで構成されている。位相変調素子２２は、レンズ２１の光射出側に設けられ、入射光Ｌの位相を変調することにより、レンズ２１による収差を補正する。

図４は、位相変調素子２２の正面図である。図５は、位相変調素子２２の側面図である。
図４に示すように、位相変調素子２２は、基板２２１（基材）と、基板２２１の第１面２２１ａに設けられた複数の柱状構造体２２２と、を備えている。図５に示すように、複数の柱状構造体２２２は、基板２２１の第１面２２１ａの法線方向から見て、２次元状に周期的に並んで設けられている。複数の柱状構造体２２２は、基板２２１の第１面２２１ａの全域に設けられている。柱状構造体２２２は、ｎｍオーダーの径を有しており、ナノピラーなどと呼ばれることもある。

柱状構造体２２２は、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）、窒化シリコン（ＳｉＮ）、リン化ガリウム（ＧａＰ）等の高屈折率の誘電体材料から構成されている。柱状構造体２２２の形状は、例えば円柱状、正四角柱状等の回転対称形である。基板２２１は、柱状構造体２２２の屈折率よりも低い屈折率を有するガラス（ＳｉＯ_２）等の透光性基板から構成されている。レンズ２１から射出され、位相変調素子２２に入射する入射光Ｌは、基板２２１の第２面２２１ｂから入射され、第１面２２１ａから射出される。なお、位相変調素子２２は、図３とは逆に、入射光Ｌが基板２２１の第１面２２１ａから入射され、第２面２２１ｂから射出される向きに配置されていてもよい。なお、柱状構造体２２２は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、白金（Ｐｔ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、アルミニウム（Ａｌ）等の金属材料から構成されていてもよい。

複数の柱状構造体２２２は、入射光Ｌに対して導波路効果を生じさせる屈折率およびピッチを有している。柱状構造体２２２の屈折率は、２．２〜４．０程度の範囲である。例えば柱状構造体２２２の材料であるＴｉＯ_２の屈折率は２．２８〜２．４２程度であり、ＳｉＮの屈折率は２．０〜２．１程度であり、ＧａＰの屈折率は３．１〜４．０程度である。

柱状構造体２２２の太さ、すなわち、柱状構造体２２２の径Ｗは、例えば５０〜７００ｎｍ程度である。隣り合う柱状構造体２２２間のピッチＰは、例えば１００〜７００ｎｍ程度である。なお、ピッチＰは、隣り合う柱状構造体２２２の中心軸間の距離である。柱状構造体２２２の高さＨは、例えば１００〜１０００ｎｍ程度である。

図４に示すように、基板２２１を入射光Ｌの射出方向から見たとき、基板２２１の形状は円形である。基板２２１の第１面２２１ａは、第１光成分に対して位相を変調する複数の第１柱状構造体２２２Ａが設けられた第１領域２２３と、第１光成分の特性パラメーターとは異なる特性パラメーターを有する第２光成分に対して位相を変調する複数の第２柱状構造体２２２Ｂが設けられた第２領域２２４と、を有する。本実施形態の場合、第１領域２２３および第２領域２２４のそれぞれは、基板２２１の外形をなす円を扇形状に分割した半円状の形状を有している。なお、基板２２１の形状は、必ずしも円形でなくてもよく、四角形を含む多角形等、他の形状であってもよい。
本明細書において、特性パラメーターは、位相変調素子２２に入射する光の特性を示すパラメーターを意味し、具体的には、波長、入射角、偏光状態のいずれかに対応する。

本実施形態では、第１光成分と第２光成分とは、光の特性パラメーターとしての波長が互いに異なっている。言い換えると、基板２２１の第１面２２１ａは。第１領域２２３と第２領域２２４とに分割され、第１の波長に対して最適化された複数の第１柱状構造体２２２Ａが第１領域２２３に設けられ、第１の波長とは異なる第２の波長に対して最適化された複数の第２柱状構造体２２２Ｂが第２領域２２４に設けられている。

第１の波長を有する第１光成分と第２の波長を有する第２光成分との各々に対して最適化するため、第１柱状構造体２２２Ａと第２柱状構造体２２２Ｂとは、柱状構造体２２２の径、ピッチ、高さ、および形状のうちの少なくとも一つの構造パラメーターが互いに異なっている。
本明細書において、構造パラメーターは、柱状構造体２２２の構造に関するパラメーターを意味し、具体的には、柱状構造体２２２の径、ピッチ、高さ、および形状のいずれかに対応する。

位相変調素子２２は、柱状構造体２２２の形成領域Ｒ内での光閉じ込め効果によって、ナノオーダーサイズの光共振器として作用する。また、後述するように、位相変調素子２２は、例えば径Ｗ１，Ｗ２が異なる柱状構造体２２２Ａ，２２２Ｂを有することにより、位相変調素子２２を通過する光の位相を変調することができ、他の光学素子による収差を補正することができる。

位相変調は、柱状構造体２２２の形成領域Ｒ内での導波路効果(Waveguide effect)によって得られる。入射光Ｌの波長をλとし、柱状構造体２２２の実効屈折率をｎeffとし、柱状構造体２２２の高さをＨとすると、位相変調量φは、以下の（１）式で表される。
φ＝２π／λ×（ｎeff×Ｈ） …（１）

ここで、位相変調素子２２における光の導波モードについて説明する。
光が柱状構造体２２２の形成領域に入射した際、以下の２つの導波モードによる光の導波が生じる。

図７は、縦方向導波モードの概念を示す模式図である。図８は、横方向導波モードの概念を示す模式図である。
図７に示すように、位相変調素子２２に対して垂直入射した光Ｌは、柱状構造体２２２の形成領域Ｒとその外側空間との界面で垂直に反射されることにより、反射光Ｌ１は、柱状構造体２２２の形成領域Ｒ内で往復し、共振を生じつつ導波する。この導波モードを縦方向導波モードと称する。縦方向導波モードは、ファブリーペロー共振器と同じ原理により生じる導波モードである。

また、位相変調素子２２に対して入射した光は、柱状構造体２２２のピッチＰに応じて所定の角度だけ回折される。このとき、複数の柱状構造体２２２は、回折格子として作用する。特に回折角が９０°となる条件では、図８に示すように、回折光Ｌ２は、入射光Ｌに対して垂直方向に導波する。この導波モードを横方向導波モードと称する。

位相変調素子２２においては、縦方向導波モードによる光の伝播と横方向導波モードによる光の伝播とが空気中で重なり合い、位相変調素子２２から射出される光の位相が決まる。

ここで、（１）式における実効屈折率ｎeffは、柱状構造体２２２の径Ｗに依存する。そのため、柱状構造体２２２内への光の閉じ込めについては、柱状構造体２２２の径Ｗが大きい程、基本モードによる閉じ込めが増加する。したがって、柱状構造体２２２の径Ｗを変化させることにより、導波モードが変化し、実効屈折率ｎeffも変化する。その結果、柱状構造体２２２の高さが一定であっても、位相変調が可能となる。

ここで、本発明者は、柱状構造体２２２の径Ｗを変化させた場合の位相シフト量のシミュレーションをＦＤＴＤ法によって行った。ここでは、柱状構造体２２２の径Ｗのみを変化させ、柱状構造体２２２のピッチおよび高さは一定とした。

図６に、シミュレーション結果のグラフを示す。グラフの横軸は、柱状構造体の径（ｎｍ）であり、グラフの縦軸は、位相シフト量（／２π）である。
図６に示すように、柱状構造体２２２の径Ｗを２５０ｎｍから４２０ｎｍまで変化させたとき、位相シフト量（／２π）を約０．０５から１まで変化させることができた。すなわち、柱状構造体２２２の径Ｗを大きくすると、位相変調量を大きくできることが判った。このことから、入射光Ｌの照射領域内の位置によって柱状構造体２２２の径Ｗを変えれば、位相変調量を変化させることが可能となる。

また、本発明者は、単色光、すなわち、特定の波長を有する光に対して最適化設計された位相変調素子２２について、光強度分布の波長依存性のシミュレーションを行った。ここでは、波長５５０ｎｍの入射光に対して最適化設計された位相変調素子を用いた。

図９に、シミュレーション結果のグラフを示す。グラフの横軸は、レンズの焦点位置からの距離Ｘ（μｍ）であり、グラフの縦軸は、光強度（a.u.）である。
図９に示すように、波長５５０ｎｍの入射光に対しては十分に大きな光強度が得られるが、入射光の波長が設計値である５５０ｎｍから、５２５ｎｍまたは５７５ｎｍというように、設計波長からのずれが大きくなるに従って、光強度は設計光強度の半分以下に低下してしまう。すなわち、集光効率が入射光の波長のずれによって急激に低下するため、設計波長以外の波長を有する光成分に対しては所望の位相変調が行われないことが判った。このような位相変調素子では、単色表示のプロジェクターにしか利用することができない。

これに対して、本実施形態の位相変調素子２２においては、１枚の基板２２１を第１領域２２３と第２領域２２４との２つの領域に分割し、２つの領域の各々に、互いに異なる波長の光成分に対して最適化された複数の柱状構造体２２２がそれぞれ設けられている。一般的に、単球面レンズで生じる収差は、他の複数のレンズを用いて位相変調を行うことで低減することができるが、この方式では光学系が大きくなる、という欠点がある。一方、本実施形態の光学装置２０では、薄型の位相変調素子２２をレンズ２１の後段に挿入しているため、基板２２１の厚さ分だけのスペースを確保すればよく、投影画像の解像度が高く、小型の光学装置２０を得ることができる。

また、複数の波長に対応可能な位相変調素子の設計手法は、論文（“Achromatic Metalens over 60 nm Bandwidth in the Visible and Metalens with Reverse Chromatic Dispersion”,Nano Letters,2017,17,pp1819-1824）で提案されている。ところが、この手法では、多波長化と効率とがトレードオフの関係にあり、素子の設計が複雑で難易度が高く、集光効率が低いことが課題となっている。

一方、単波長用の位相変調素子は、集光効率が高く、設計手法もシンプルである。したがって、本実施形態の位相変調素子２２において、互いに異なる構造パラメーターを有する柱状構造体２２２Ａ，２２２Ｂを２つの領域２２３，２２４に分割して配置した場合、入射光Ｌの波長と設計波長とが一致しない領域が生じるデメリットがあるものの、複数の波長を有する入射光Ｌに対応可能な位相変調素子２２を容易に実現できる、という効果が得られる。

これにより、入射光Ｌが互いに異なる波長を有する複数の光成分を含む場合であっても、球面収差、コマ収差、非点収差、像面湾曲、歪曲収差等の各種収差に起因する画質低下が少ないコンパクトな光学装置２０を実現することができる。

なお、分割した領域２２３，２２４毎の設計波長と同じ分布を持つ波長フィルターを位相変調素子２２の前段に配置してもよい。これにより、設計波長と異なる波長を有する入射光Ｌが特定の領域に入射した際に発生するノイズ光を低減させることができ、上記のデメリットを解消することができる。

本実施形態の光学装置２０においては、レンズ２１と位相変調素子２２とが別個の部材として構成されているため、位相変調素子２２を製造しやすく、所望の補正性能を得やすい。

また、本実施形態においては、柱状構造体２２２の形状が円柱状等の回転対称形であるため、位相変調素子２２において、構造性複屈折の効果は発生せず、入射光Ｌの偏光状態に依存することなく、収差補正の効果が得られる。なお、柱状構造体２２２の形状は、必ずしも円柱状等の回転対称形でなくてもよい。

本実施形態のプロジェクター１は、上記の光学装置２０を用いたことによって、投影画像の解像度が高く、表示品位に優れるとともに、小型化が実現できる。

本実施形態のように、互いに異なる波長を有する光成分に対応した領域２２３，２２４を有する位相変調素子２２をプロジェクター１に適用する場合、例えば蛍光体ホイール５０の後段のピックアップ光学系６０に用いることが好適である。ピックアップ光学系６０において、蛍光体ホイール５０から射出された励起光Ｂとランバート分布を有する蛍光ＹＬとでは、発光強度分布が異なる。したがって、位相変調素子２２の中心付近は青色光の波長用に設計し、位相変調素子２２の周縁付近は黄色光の波長用に設計する。これにより、光量のロスが少なく、かつ均一な光強度分布が得られる光学系を実現することができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について、図１０を用いて説明する。
第２実施形態の光学装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、位相変調素子の各領域内の柱状構造体の設計が第１実施形態と異なる。そのため、光学装置の全体構成の説明は省略する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様、基板の第１面は、第１光成分に対して位相を変調する複数の第１柱状構造体が設けられた第１領域と、第２光成分に対して位相を変調する複数の第２柱状構造体が設けられた第２領域と、を有する。

本実施形態では、第１光成分と第２光成分とは、光の特性パラメーターとしての入射角が互いに異なっている。言い換えると、基板の第１面は第１領域と第２領域とに分割され、第１の入射角に最適化された複数の第１柱状構造体が第１領域に設けられ、第１の入射角とは異なる第２の入射角に最適化された複数の第２柱状構造体が第２領域に設けられている。

第１の入射角を有する第１光成分と第２の入射角を有する第２光成分との各々に対して最適化するため、第１柱状構造体と第２柱状構造体とは、柱状構造体の径、ピッチ、高さ、および形状のうちの少なくとも一つの構造パラメーターが互いに異なっている。

本発明者は、特定の波長を有する光に対して最適化設計された位相変調素子について、光強度分布の入射角依存性のシミュレーションを行った。ここでは、入射角が０°の入射光に対して最適化設計された位相変調素子を用いた。

図１０に、シミュレーション結果のグラフを示す。グラフの横軸は、レンズの焦点位置からの距離Ｘ（μｍ）であり、グラフの縦軸は、光強度（a.u.）である。
図１０に示すように、入射角が０°の入射光に対しては十分に大きな光強度が得られるが、設計入射角である０°から２°、４°、６°というように、設計入射角からのずれが大きくなるに従って、光強度は急激に低下する。すなわち、集光効率は入射角のずれによって急激に低下するため、設計入射角以外の入射角を有する光成分については所望の位相変調が行われないことが判った。したがって、広い入射角範囲を持つ光が入射する可能性がある光学系やズームレンズには、この位相変調素子を用いることが難しい。

これに対し、本実施形態の位相変調素子においては、基板上の２つの領域の各々に、互いに異なる入射角の光成分に対して最適化された複数の柱状構造体がそれぞれ設けられている。これにより、複数の入射角を有する光に対応可能な位相変調素子を容易に実現することができる。

［第３実施形態］
以下、本発明の第３実施形態について説明する。
第３実施形態の光学装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、位相変調素子の各領域内の柱状構造体の設計が第１実施形態と異なる。そのため、光学装置の全体構成の説明は省略する。

本実施形態においても、第１実施形態と同様、基板の第１面は、第１光成分に対して位相を変調する複数の第１柱状構造体が設けられた第１領域と、第２光成分に対して位相を変調する複数の第２柱状構造体が設けられた第２領域と、を有する。

本実施形態では、第１光成分と第２光成分とは、入射光の特性パラメーターとしての偏光状態が互いに異なっている。言い換えると、基板の第１面は第１領域と第２領域に分割され、第１の偏光状態を有する入射光に最適化された複数の第１柱状構造体が第１領域に設けられ、第１の偏光状態とは異なる第２の偏光状態を有する入射光に最適化された複数の第２柱状構造体が第２領域に設けられている。

第１の偏光状態を有する第１光成分と第２の偏光状態を有する第２光成分との各々に対して最適化するため、第１柱状構造体と第２柱状構造体とは、柱状構造体の径、ピッチ、高さ、および形状のうちの少なくとも一つの構造パラメーターが互いに異なっている。

第１実施形態のように、柱状構造体の形状が円柱状などの回転対称形である場合、位相変調特性が入射光の偏光状態に依存しないが、柱状構造体の設計の自由度が制限される、一方、柱状構造体の形状が回転対称形でない場合、柱状構造体の設計パラメーターが多くなるために設計自由度が増す反面、位相変調特性が入射光の偏光状態に依存する。

これに対し、本実施形態の位相変調素子においては、基板上の２つの領域の各々に、互いに異なる偏光状態を有する光成分に対して最適化された複数の柱状構造体がそれぞれ設けられている。これにより、複数の偏光状態を有する光に対応可能な位相変調素子を容易に実現することができる。

なお、分割した領域の偏光状態と同じ偏光分布を持つ偏光フィルターを位相変調素子の前段に配置してもよい。これにより、設計偏光と異なる偏光状態を有する入射光が特定の領域に入射することで発生するノイズ光を低減させることができる。

［柱状構造体の構造パラメーターについて］
上述したように、波長、入射角、および偏光状態の入射光の特性パラメーターのいずれに対して各領域を最適化する場合であっても、柱状構造体の径、ピッチ、高さ、形状の構造パラメーターのいずれを領域毎に異ならせてもよい。ただし、以下に示すように、各特性パラメーターに対して最も与える影響が大きい柱状構造体の構造パラメーターが存在する。

具体的には、第１実施形態のように、領域毎に設計波長を異ならせる場合、柱状構造体のピッチが与える影響が最も大きい。第２実施形態のように、領域毎に設計入射角を異ならせる場合、柱状構造体の径が与える影響が最も大きい。第３実施形態のように、領域毎に設計偏光状態を異ならせる場合、柱状構造体の断面形状が与える影響が最も大きい。ただし、入射光の各特性パラメーターを異ならせる場合、必ずしも上述した構造パラメーターのみを異ならせるとは限らない。最も影響が大きい構造パラメーターに加え、別の構造パラメーターを同時に異ならせることも考えられる。上記では、あくまでも最も影響が大きい構造パラメーターを示した。

（設計波長について）
位相変調素子の柱状構造体のピッチＰは、位相変調素子がレンズとして機能するための条件として、下記の（１）式で表されるナイキストの標本化定理から導かれる関係式を満たす必要がある。
Ｐ＜λ／N.A. …（１）
λ：波長、N.A.：レンズの開口数

よって、波長によって柱状構造体のピッチＰの最大値が異なる。また、導波モード共鳴を利用した位相変調素子の場合は、共鳴波長は柱状構造体のピッチＰに依存するため、位相変調素子の設計波長によって柱状構造体のピッチＰは変化する。

（設計入射角について）
図１１は、入射光Ｌが位相変調素子２２に垂直入射した場合の等位相面Ｔを示す図である。図１２は、入射光Ｌが位相変調素子２２に斜め入射した場合の等位相面Ｔを示す図である。
図１１に示すように、位相変調素子２２に対して平面波からなる入射光Ｌを垂直入射させた場合、柱状構造体２２２に対して全て同位相の波が入射する。一方、図１２に示すように、位相変調素子２２に対して平面波からなる入射光Ｌを斜め入射させた場合、柱状構造体２２２に入射する光波の位相は柱状構造体２２２ごとに異なる。

そのため、位相変調素子２２に、レンズ機能を得るための位相差と、斜め入射による位相差を補正するための位相差と、の双方を発生させる必要がある。その結果、隣り合う柱状構造体２２２で発生する位相差の変化量は、入射光Ｌが斜め入射した場合の方が、入射光Ｌが垂直入射した場合よりも大きくなる。柱状構造体２２２で発生させる位相差は、柱状構造体２２２の径で調整できるため、隣接する柱状構造体の径の変化量は設計入射角に応じて異なる。

（設計偏光について）
柱状構造体の形状が円柱などの回転対称形である場合、入射偏光状態に依存することなく、所望の位相差を発生させることが可能である。一方、柱状構造体の形状が、例えば断面が長方形の四角柱などの非回転対称形である場合、入射光の振動方向によって波面の遅延が非対称に生じるため、発生する位相差は偏光状態の影響を大きく受ける。

したがって、特定の偏光状態の光に対してのみ、所望の位相差を発生させる位相変調素子を設計する場合には、柱状構造体の形状が非回転対称形となるため、設計偏光方向によって柱状構造体の断面形状が互いに異なる。

［第４実施形態］
以下、本発明の第４実施形態について、図１３を用いて説明する。
第４実施形態の光学装置の基本構成は第１実施形態と同様であり、位相変調素子の構成が第１実施形態と異なる。そのため、光学装置の全体構成の説明は省略する。
図１３は、第４実施形態の光学装置の側面図である。
図１３において、第１実施形態で用いた図３と共通の構成要素には同一の符号を付し、説明を省略する。

第１〜第３実施形態の光学装置においては、透過型の位相変調素子が用いられていたのに対し、第４実施形態の光学装置３６においては、反射型の位相変調素子３７が用いられている。したがって、本実施形態の光学装置３６は、図１に示すプロジェクター１において、例えば第１反射ミラー８ａ、第２反射ミラー８ｂ、第３反射ミラー８ｃ等の反射素子が用いられる個所に適用することができる。

図１４に示すように、本実施形態の光学装置３６は、レンズ２１と、位相変調素子３７と、を備えている。位相変調素子３７は、基材３８と、基材３８に設けられた複数の柱状構造体２２２と、を有する。基材３８は、第１面３８１ａと第２面３８１ｂとを有するスペーサー層３８１と、スペーサー層３８１の第２面３８１ｂに設けられた反射層３８２と、を有する。

スペーサー層３８１の構成材料として、例えばＳｉＯ_２等が用いられる。スペーサー層３８１は、柱状構造体２２２の屈折率よりも低い屈折率を有する。スペーサー層３８１の屈折率は、例えば１．３〜２．１程度である。第１実施形態で述べたように、柱状構造体２２２の屈折率は２．２〜４．０程度であるため、柱状構造体２２２の屈折率とスペーサー層３８１の屈折率との差は、０．１以上であることが望ましい。また、反射層３８２の構成材料として、高反射率を有する金属膜、もしくは誘電体多層膜が用いられる。

本実施形態の位相変調素子３７は反射型の位相変調素子であるため、レンズ２１から射出された光は、スペーサー層３８１の第１面３８１ａから入射された後、反射層３８２で反射され、スペーサー層３８１の第１面３８１ａから後段の光学系に向けて射出される。

光学装置３６のその他の構成は、第１実施形態と同様である。すなわち、基材３８の第１面は、第１光成分に対して位相を変調する複数の第１柱状構造体２２２Ａが設けられた第１領域２２３と、第１光成分の特性パラメーターとは異なる特性パラメーターを有する第２光成分に対して位相を変調する複数の第２柱状構造体２２２Ｂが設けられた第２領域２２４と、を有する。第１光成分と第２光成分とは、光の特性パラメーターとしての波長が互いに異なっている。なお、第１光成分と第２光成分とは、光の特性パラメーターとして、第２実施形態のように入射角が互いに異なっていてもよいし、第３実施形態のように偏光状態が互いに異なっていてもよい。

本実施形態においても、複数の波長、複数の入射角、および複数の偏光状態等、複数の特性パラメーターを有する光に対応可能な位相変調素子３７を容易に実現することができる、といった第１〜第３実施形態と同様の効果が得られる。

また、本実施形態においては、位相変調素子３７と反射ミラーとが一体化されているため、各種の収差による画質低下が少ないコンパクトな光学装置３６を実現することができる。

［複数の領域の配置に関する変形例］
第１〜第４実施形態の位相変調素子において、上記の第１領域および第２領域に加えて、より多くの領域が設けられていてもよい。また、それらの領域は、以下に示すように配置されていてもよい。

図１４は、第１変形例の位相変調素子７１の正面図である。
図１４に示すように、第１変形例の位相変調素子７１において、基板２２１の第１面は、第１光成分に対して位相を変調する複数の第１柱状構造体（図示略）が設けられた第１領域７１１と、第１光成分の特性パラメーターとは異なる特性パラメーターを有する第２光成分に対して位相を変調する複数の第２柱状構造体（図示略）が設けられた第２領域７１２と、第１光成分および第２光成分の特性パラメーターとは異なる特性パラメーターを有する第３光成分に対して位相を変調する複数の第３柱状構造体（図示略）が設けられた第３領域７１３と、第１光成分、第２光成分、および第３光成分の特性パラメーターとは異なる特性パラメーターを有する第４光成分に対して位相を変調する複数の第４柱状構造体（図示略）が設けられた第４領域７１４と、を有する。

本変形例の場合、第１領域７１１、第２領域７１２、第３領域７１３、および第４領域７１４は、基板２２１の中心に対して同心円状に配置されている。

本変形例においても、複数の波長、複数の入射角、および複数の偏光状態等、複数の特性パラメーターを有する光に対応可能な位相変調素子７１を容易に実現することができる、といった第１〜第４実施形態と同様の効果が得られる。

また、本変形例の場合、第１領域７１１、第２領域７１２、第３領域７１３、および第４領域７１４が同心円状に配置されているため、入射光の入射位置が設計上の位置からずれた場合でも、複数の領域７１１，７１２，７１３，７１４のどこかに入射させることが可能となる。

図１５は、第２変形例の位相変調素子７２の正面図である。
図１５に示すように、第２変形例の位相変調素子７２においても、第１変形例と同様、基板２２１の第１面は、第１領域７２１と、第２領域７２２と、第３領域７２３と、第４領域７２４と、を有する。

本変形例の場合、第１領域７２１、第２領域７２２、第３領域７２３、および第４領域７２４は、基板２２１の中心に対して格子状に配置されている。基板２２１が格子状に分割された矩形状の各領域に対して、第１領域７２１、第２領域７２２、第３領域７２３、および第４領域７２４をどのように配置するかは任意である。例えば４つの領域の配置が規則性を有しておらず、第１領域７２１、第２領域７２２、第３領域７２３、および第４領域７２４がランダムに配置されていてもよい。

本変形例においても、複数の波長、複数の入射角、および複数の偏光状態等、複数の特性パラメーターを有する光に対応可能な位相変調素子７２を容易に実現することができる、といった第１〜第４実施形態と同様の効果が得られる。

特に第１領域７２１、第２領域７２２、第３領域７２３、および第４領域７２４がランダムに配置された場合、入射光の入射位置が設計位置からずれた場合でも、特定の特性パラメーターに対応した領域に入射光の強度が偏って分布することが抑えられる。

図１６は、第３変形例の位相変調素子７３の正面図である。
図１６に示すように、第３変形例の位相変調素子７３においても、第１変形例と同様、基板２２１の第１面は、第１領域７３１と、第２領域７３２と、第３領域７３３と、第４領域７３４と、を有する。

本変形例の場合、第１領域７３１、第２領域７３２、第３領域７３３、および第４領域７３４は、基板２２１の中心に対して扇形状に配置されている。第１領域７３１、第２領域７３２、第３領域７３３、および第４領域７３４は、基板２２１の周方向にこの順に配置されていてもよいし、ランダムな順番で配置されていてもよい。

本変形例においても、複数の波長、複数の入射角、および複数の偏光状態等、複数の特性パラメーターを有する光に対応可能な位相変調素子７３を容易に実現することができる、といった第１〜第４実施形態と同様の効果が得られる。

特に本変形例において、基板２２１の中心に光を入射させた場合、光強度が強い基板２２１の中心に全ての領域７３１，７３２，７３３，７３４が集まって配置されているため、複数の波長、入射角、および偏光状態に対する位相変調を確実に行うことができる。

図１７は、第４変形例の位相変調素子７４の正面図である。
図１７に示すように、第４変形例の位相変調素子７４においても、第１変形例と同様、基板２２１の第１面は、第１領域７４１と、第２領域７４２と、第３領域７４３と、第４領域７４４と、を有する。

本変形例の場合、第１領域７４１、第２領域７４２、第３領域７４３、および第４領域７４４は、基板２２１上に不定形状をもって配置されている。各領域７４１，７４２，７４３，７４４の面積は、図１７に示すように、適宜異ならせてもよいし、同じにしてもよい。

本変形例においても、複数の波長、複数の入射角、および複数の偏光状態等、複数の特性パラメーターを有する光に対応可能な位相変調素子７４を容易に実現することができる、といった第１〜第４実施形態と同様の効果が得られる。

特に本変形例の場合、入射光の面内の光強度分布が不均一な場合に、特定仕様の領域７４１，７４２，７４３，７４４の面積を増加させて光利用効率を向上させたり、領域７４１，７４２，７４３，７４４の面積を調整することで特定の特性パラメーターを有する光成分の強度を調整したりすることができる。

なお、本発明の技術範囲は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば上記実施形態では、位相変調素子の各領域が光の波長、入射角、および偏光状態のうちのいずれか一つの特性パラメーターに対応した例を挙げたが、位相変調素子の各領域が２つ以上の特性パラメーターに対応していてもよい。また、位相変調素子がレンズ機能を有してもよく、その場合には必ずしもレンズと組み合わせて用いなくてもよい。

また、上記実施形態では、柱状構造体が円柱状、正四角柱状等の場合を例示したが、底面の面積が上面の面積よりも広いテーパー形状を有していてもよい。この構成によれば、例えばレンズの曲面上に柱状構造体を形成しても、隣り合う柱状構造体の側面同士の平行度を維持することができる。例えばテーパー面の傾斜角度は法線方向に対して１５°以下程度でよい。また、ナノオーダーの柱状構造体を形成する手段の一つとして、ナノインプリント法が挙げられる。ナノインプリント法を用いて柱状構造体を形成する場合、柱状構造体がテーパー形状を有していれば、柱状構造体材料から転写型を剥離する際の剥離作業を容易に行うことができ、所望の形状を有する柱状構造体を得やすい。

また、位相変調素子を構成する各構成要素の形状、数、配置、材料等の具体的な構成については、上記実施形態に限定されることなく、適宜変更が可能である。また、上記実施形態では、照明装置が、青色の励起光を射出する光源と蛍光体ホイールとを備え、蛍光体ホイール上の蛍光体層に励起光を照射して蛍光を得る方式の照明装置に本発明を適用したが、青色光を射出するレーザー光源、緑色光を射出するレーザー光源、および赤色光を射出するレーザー光源を備え、これらのレーザー光源からの各色光を用いて直接画像を表示するプロジェクターに本発明を適用してもよい。

また、上記実施形態の位相変調素子は、図１に示したプロジェクターの光学系に限らず、スキャナー装置、インタラクティブプロジェクター用のセンシング用赤外波長投射光学装置、カメラなどの撮像装置等にも適用が可能である。また、光学装置は、プロジェクターに限らず、ヘッドマウントディスプレイ等の表示装置にも適用が可能である。

１…プロジェクター（表示装置）、２２，３７，７１，７２，７３，７４…位相変調素子、３８…基材、２２１…基板（基材）、２２１ａ…第１面、２２２…柱状構造体、２２２Ａ…第１柱状構造体、２２２Ｂ…第２柱状構造体、２２３，７１１，７２１，７３１，７４１…第１領域、２２４，７１２，７２２，７３２，７４２…第２領域、３８１…スペーサー層、３８２…反射層、Ｌ…入射光。

Claims (7)

1. 基材と、
   前記基材の第１面に設けられた複数の柱状構造体と、
   を備え、
   前記複数の柱状構造体は、第１光成分と、前記第１光成分の特性パラメーターとは異なる特性パラメーターを有する第２光成分と、を含む入射光に対して導波路効果を生じさせる屈折率およびピッチを有し、
   前記基材の前記第１面は、前記第１光成分に対して位相を変調する複数の第１柱状構造体が設けられた第１領域と、前記第２光成分に対して位相を変調する複数の第２柱状構造体が設けられた第２領域と、を有する、位相変調素子。
2. 前記第１光成分と前記第２光成分とは、波長、入射角、および偏光状態のうちの少なくとも一つの特性パラメーターが互いに異なる、請求項１に記載の位相変調素子。
3. 前記第１柱状構造体と前記第２柱状構造体とは、径、ピッチ、高さ、および形状のうちの少なくとも一つの構造パラメーターが互いに異なる、請求項２に記載の位相変調素子。
4. 前記基材を前記入射光の射出方向から見たとき、前記基材の形状は円形であり、
   前記第１領域と前記第２領域とは、同心円状、格子状、扇形状、および不定形状のうちのいずれかの形態で配置されている、請求項１から請求項３までのいずれか一項に記載の位相変調素子。
5. 前記基材は、第１面と第２面とを有する透光性基板を有し、
   前記複数の柱状構造体は、前記透光性基板の第１面に設けられ、
   前記入射光は、前記透光性基板の前記第１面および前記第２面のうちのいずれか一方から入射され、前記第１面および前記第２面のうちのいずれか他方から射出される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の位相変調素子。
6. 前記基材は、第１面と第２面とを有するスペーサー層と、反射層と、を有し、
   前記複数の柱状構造体は、前記スペーサー層の第１面に設けられ、
   前記反射層は、前記スペーサー層の第２面に設けられ、
   前記入射光は、前記スペーサー層の前記第１面から入射され、前記反射層で反射され、前記スペーサー層の前記第１面から射出される、請求項１から請求項４までのいずれか一項に記載の位相変調素子。
7. 請求項１から請求項６までのいずれか一項に記載の位相変調素子を備える、表示装置。

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