JP4125114B2 - 光学素子、光学変調素子、画像表示装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する格子構造が持つ構造性複屈折作用を利用した光学素子、およびこれを備えた光学変調素子、光学装置、画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複屈折材料として知られているものとして、方解石、水晶などの結晶性材料、液晶材料、複屈折性を持つプラスチック材料、高分子材料などが挙げられる。これらの複屈折材料は、位相板（１／４波長板、１／２波長板）、ローパスフィルターなどに応用されている。最近では、液晶プロジェクタや液晶ディスプレイ、デジタルスチルカメラなどの製品において複屈折材料の重要性は高まっている。
【０００３】
一方、基板材料に使用光の波長よりも微細な周期の周期構造を作製することにより材料に複屈折を持たせることが可能である。ここで、使用光とは、素子に入射する光の中で、目的の効果を得ようとする波長領域の光を指す。例えば、可視光領域（波長０．４０μｍから０．７０μｍ）において使用する位相板の場合、位相板に入射させる光が白色光だとすると、位相板には波長０．４０μｍ以下の光や波長０．７０μｍ以上の光も入射することになる。しかし、この場合、位相板は波長０．４０μｍから０．７０μｍの光に対して所望の位相差を与えることができればよいので、このような場合、入射光と区別して、０．４０μｍから０．７０μｍの光を使用光とする。このように構造によって生じる複屈折は構造性複屈折としてよく知られている。（非特許文献１）
構造性複屈折の特徴としては、
▲１▼ 複屈折量を微細周期構造の設計により任意に制御することが可能である。
▲２▼ 従来の水晶などの複屈折と比較して大きな複屈折量を持つ、ことが挙げられる。
【０００４】
ここで、構造性複屈折作用を持つ一次元格子形状の例を図３９に示す。構造性複屈折を実現するためには、格子の周期方向Ａに対して屈折率の異なる２つの材料３１，３２を用いる。図３９においては、低屈折率材料３２として空気を用いているが、図４０のように屈折率の異なる格子材料４１，４２を多数貼り合わせた構造によっても実現できる。
【０００５】
図４０の例においては、屈折率の異なる２つの格子材料（格子材料４１および格子材料４２）を用いた構造性複屈折作用を有する構造を表わしている。
【０００６】
以上のような構造は、例えば、エッチング、電子ビーム描画、ＬＩＧＡプロセス、フォトリソグラフィー、多光束レーザー干渉法、多積層薄膜などの手法によって作製することが可能である。
【０００７】
また、一次元格子形状における複屈折量は、材料の屈折率、格子周期Λ、フィリングファクターＦＦを変数として制御可能である。フィリングファクターＦＦとは、格子形状を構成する２つの材料のうち、一方の材料の幅ｗの（図３９の場合は３１，３２、一方の３１の幅ｗ）、格子周期Λに対する割合でＦＦ＝ｗ／Λで表現される。常光及び異常光に対する見かけの屈折率（これ以降、有効屈折率と呼ぶことにする）の見積もりには、有効屈折率法（Effective Medium Theory：ＥＭＴ）を用いることが可能である。
【０００８】
しかしながら、従来技術である特許文献１には、光の波長の１／２以下の周期構造をもつ複屈折構造についての記載があるが、そこには複屈折構造の提供についてのみ記述されているだけで、波長依存性の小さい位相板についての記述は何らなされていない。
【０００９】
また、特許文献２には、多くの波長において位相差が合うような位相板についての記載があるが、位相板を構成する材料が多数の異方性結晶の結晶板を用いており、構造性複屈折を利用した位相板については記載されていない。
【００１０】
また、特許文献３においては、透過型位相格子についての提案はあるが、格子構造として一次元格子しか記載されていない。
【００１１】
また、特許文献４には、互いに屈折率の異なる第１の物質と第２の物質とを構造性屈折体として位相板に応用しているが、使用光束の方向と直交する面内において２つの材料を交互に配置することによって構造性複屈折を実現しており、また位相差の波長依存性の改善については何も述べられていない。
【００１２】
また、最近の学術論文（非特許文献２）では、一次元格子形状を用いた位相板についての記載があるが、一次元格子形状の表面に反射防止膜を付加した構造を有することで反射防止機能を付加しており、位相差を与える部分は格子部分のみで反射防止膜自体では位相差を与えない。従って、これは二種類以上の材料を格子部分に用いることで常光と異常光の位相差を実現するものではない。
【００１３】
【特許文献１】
特開平５−１０７４１２号公報
【特許文献２】
特開平５−３３３２１１号公報
【特許文献３】
特開平８−２５４６０７号公報
【特許文献４】
特開平９−１４５９２１号公報
【非特許文献１】
Born & Wolf, Principles of optics 6th edition, P.705
【非特許文献２】
H.Kikuta et al, Apply. Opt. Vol. 36, No.7, p.1566-1572, 1997
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の複屈折材料においては、複屈折量の波長依存性を制御することが困難であったため、常光と異常光との位相差の波長依存性を制御することが困難であった。レーザーなどの単色光源を単一波長でのみ用いる場合には設計波長における位相差の最適化が可能であるが、白色光など様々な波長領域の光を扱う光学系においては、位相板に波長依存性がある場合には大きな問題となる。例えば、可視光領域の光を利用する液晶プロジェクタなどの場合には、液晶パネルや色分離素子において光学的な損失が生じ、システム全体の光利用効率の低下や画像の劣化の原因となる。
【００１５】
以上のことから、可視光領域において位相差の波長依存性が少ない位相板を用いることが、上記のような光学系において光利用効率の改善や画質の改善を図り、素子の薄型化を可能とする上で重要である。
【００１６】
そこで本発明は、上記従来例を考慮した上で、使用光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する光学素子であって、より高い性能を得るための新規な構成の素子を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、使用する光の波長よりも微小な周期構造を有する構造体を様々な形態で積層させる光学素子を開示する。例えば、使用波長帯域内の少なくとも２つの波長で所望の位相差が得られる形態や、複数の構造体の周期方向を直交させた形態や、所定の偏光成分の各構造体の屈折率差を所定値以下とする形態を開示する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明の前に、本発明の理解を助けるために、従来技術である水晶を用いた位相板について述べる。また、水晶の常光、異常光の屈折率に対応する値である微細周期構造の有効屈折率について述べる。
【００１９】
複屈折作用を利用した水晶を用いたλ／４板を例に挙げる。波長０．５８９３μｍにおける水晶の常光及び異常光の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）はそれぞれｎｏ＝１．５４４３，ｎｅ＝１．５５３４であり、屈折率差Δｎ＝０．００９１である。
【００２０】
ここで、λ／４板の設計手法としては、設計波長λ０＝０．５５μｍにおいてλ／４の位相差を与える水晶の厚さｄを、次の式（１）から算出する。
【００２１】
Δｎｄ＝λ０／４ （１）
その結果、水晶を用いたλ／４板は、厚さが１５．３μｍ必要であることがわかる。このときの位相板の特性を図４１に示す。横軸は波長、縦軸は常光と異常光との位相差を示している。図４１からわかるように、設計波長０．５５μｍにおいては位相差が９０°（λ／４）を満たしており、λ／４板としての性能を満たしているが、０．５５μｍより長波長側及び短波長側では、位相差は９０°からずれている。また、設計波長λから遠ざかるにつれ、位相差の９０°からのズレは大きくなっている。つまり、複屈折材料として水晶を用いたλ／４板は可視光領域において波長依存性を持つことを意味している。
【００２２】
水晶の場合、複屈折量は常光及び異常光の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）を用いて屈折率差Δｎ＝ｎｏ−ｎｅに依存する。微細周期構造の場合、これに対応する値として、有効屈折率を用いる。具体的には、微細周期構造の格子の周期方向に対して垂直な偏光方向を有する偏光をＴＥ偏光、格子の周期方向と平行な偏光方向を有する偏光をＴＭ偏光とし、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の有効屈折率をｎ（ＴＥ），ｎ（ＴＭ）と表す。この場合、屈折率差Δｎ＝ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ）となる。有効屈折率は、有効屈折率法（Effective Medium Theory：ＥＭＴ）を用いて算出することが可能である。
【００２３】
一次元の周期構造がもつ有効屈折率の算出方法は、Born & Wolf, Principles of optics 6th edition, P.706-707に記載されている。具体的には、以下の式で表される
ｎ（ＴＥ）＝｛ｎｓ２ＦＦ＋ｎｉ２（１−ＦＦ）｝１／２ （２）
ｎ（ＴＭ）＝｛（１／ｎｓ２）ＦＦ＋（１／ｎｉ２）（１−ＦＦ）｝−１／２（３）
ここで、ｎｓは微細周期構造を構成する２つの材料のうちの一方の材料の屈折率、ｎｉは他方の材料の屈折率である。ＦＦはフィリングファクターであり、格子周期Λに対する屈折率ｎｓの材料の周期方向の長さｗの割合（ＦＦ＝ｗ／Λ）で表される。また、屈折率差Δｎは、
Δｎ＝ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ） （４）
となる。
【００２４】
以上を踏まえた上で、以下に本発明の実施形態について説明する。
【００２５】
本発明の１つの実施形態では、使用する光の波長よりも微小な周期構造を有する構造体を様々な形態で積層させる光学素子を開示する。例えば、使用波長帯域内の少なくとも２つの波長で所望の位相差が得られる形態や、複数の構造体の周期方向を直交させた形態や、所定の偏光成分の各構造体の屈折率差を所定値以下とする形態を開示する。
【００２６】
まず、使用波長帯域内の少なくとも２つの波長で所望の位相差が得られる形態を説明する。
【００２７】
図４１に示した水晶の位相板は、位相差が９０°ちょうどとなる波長は設計波長１つである。そして、設計波長λから遠ざかるにつれ、位相差の９０°からのズレは大きくなっている。それに対し、本実施形態では設計波長を２つとしている。２つの設計波長において位相差を９０°（λ／４板の場合）とすることで、可視光の広い領域において位相差のズレを少なくし、位相差の波長依存性を向上させている。設計波長を２つにするためには、以下の条件を満足すればよい。
【００２８】
基板上に複数層積層された使用光の波長より短い周期の周期構造体において、前記複数層の周期構造体が、ｋ層（ｋ：１以上の整数）の前記基板と平行な第１方向に周期を有する周期構造体と、ｌ層（ｌ：０以上の整数）の前記第１方向と直交する第２方向に周期を有する周期構造体のときに、可視光領域の２つの設計波長λ１、λ２に対し、以下の式（５）を満足する
【外２】
ただし、
Δｎｉ：i番目の第１方向に周期を有する周期構造体のλ１に対するＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率の差
ｄｉ：ｉ番目の前記第１方向に周期を有する周期構造体の層の厚さ
Δｎｊ：ｊ番目の前記第２方向に周期を有する周期構造体のλ１に対するＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率の差
ｄｉ：ｊ番目の前記第２方向に周期を有する周期構造体の層の厚さ
Δｎｉ’：ｉ番目の前記第１方向に周期を有する周期構造体のλ２に対するＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率の差
Δｎｊ’：ｊ番目の前記第２方向に周期を有する周期構造体のλ２に対するＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率の差
である。
【００２９】
（５）式は、以下のようにして求められる。
【００３０】
まず、厚さｄの格子の、λ１に対する屈折率差Δｎ、λ２に対する屈折率差Δｎ’とすると、
位相差φは、
【外３】
これより、
【外４】
ここで、λ１に対するΔｎｄ、λ２に対するΔｎ’ｄを求める。
まず、λ１に関して、第１方向に周期を有する周期構造が複数層（ｋ層）、あるとし、ｉ番目の層のＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率差をｎｉ，厚さをｄｉとすると、これらの周期構造の各層のΔｎｄの和Δｎｄ（１）は、
【外５】
同様に、上記の周期構造と直交する第２方向に周期を有する周期構造が複数層（ｌ層）あるとし、ｊ番目の層のＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率差をｎｊ，厚さをｄｊとすると、これらの周期構造の各層のΔｎｄの和Δｎｄ（２）は、
【外６】
となる。ただし、前記第２方向に周期を有する周期構造が存在しない場合（ｌ＝０）、ｊ＝０となる。
【００３１】
仮に第１方向と第２方向が同一だとすると、λ１に対するΔｎｄは（８）式＋（９）式、つまりΔｎｄ＝Δｎｄ（１）＋Δｎｄ（２）となる。しかし、第１方向と第２方向は直交している。これはどういうことかというと、ある偏向方向の光が第１方向の周期構造でＴＥ偏光として入射して透過し、第２方向の周期構造に入射したとすると、第２方向の周期構造ではＴＭ偏光になるということである。つまり、ＴＥ偏光とＴＭ偏光が入れ替わることになる。
【００３２】
従って、ある特定の偏向方向の光に対して、第１方向の周期構造では
Δｎ＝ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ） （１０）
であったとすると、この光が第２方向の周期構造に入射すると
−ｎ（ＴＥ）＋ｎ（ＴＭ）＝−Δｎ （１１）
となる。従って、実際には、λ１に対するΔｎｄは（８）式−（９）式となる。従って、
【外７】
となる。
同様にして、λ２に対するΔｎ’ｄは、
【外８】
となる。
【００３３】
（１２）式、（１３）式を（７）式に代入して、
【外９】
を得る。
【００３４】
次に、本発明の様々な実施形態を、詳細な実施例に基づき説明する。
【００３５】
【実施例】
［実施例１］
本実施例１の概略図を図１に示す。本実施例の光学素子は、微細周期構造を用いた位相板（λ／４板）である。図２は、図１の位相板の横方向からの断面図である。図２において、５は基板、１５は微細周期構造である一次元格子を表わしている。一次元格子１５は使用光の波長よりも周期の短い２つの周期構造からなる。入射側媒質１６は空気である。一次元格子１５には、屈折率及び分散の異なる材料からなる２つの周期構造を用いている。ここでは一例として、基板をＴａ２Ｏ５、基板側から第１の周期構造６（以下、第１格子６と称する）をＴａ２Ｏ５（屈折率ｎ１＝２．１３９）、第２の周期構造７（以下、第２格子７と称する）をＳｉＯ２（屈折率ｎ２＝１．８）で構成した。第１及び第２格子の周期Λは０．１６μｍ、第１格子６の厚みｄ１を０．３９μｍ、第２格子７の厚みｄ２を０．１０μｍとし、フィリングファクターＦＦ（＝ｗ／Λ）を０．８５とした。このような構造は、例えばエッチングなどの手法によって作製が可能である。ここでは、可視光領域において０次以外の高次の回折光が発生しない、すなわち格子構造が０次格子として振舞う格子周期にした。
【００３６】
格子が０次格子として振舞う格子周期条件は、文献（E.B.Grannetal, J.Opt.Soc.Am. AVol. 13, No.5, p988-992, 1996）に記載されており、以下の式（１５）で与えられる。
【００３７】
（Λｍａｘ）＝（λｍｉｎ）／（ｎｓ＋ｎｉ｜ｓｉｎθｉ｜） （１５）
ここで、Λｍａｘは０次格子として振舞う格子周期の最大値、λｍｉｎは入射波長の最小値、ｎｓは一方の格子材料の屈折率、ｎｉは他方の格子材料の屈折率、θｉは入射角を示す。入射波長λｍｉｎ＝０．４０μｍ、一方の格子材料をＴａ２Ｏ５（ｎｓ＝２．１３９）、他方の格子材料を空気（ｎｉ＝１．０００）、入射角θｉ＝０とした場合、Λｍａｘは、約０．１８７μｍとなり、格子周期Λ１及びΛ２が０．１６μｍの時には０次格子として振舞うことがわかる。また、ベクトル解析である厳密波結合理論を用いた厳密な透過・反射率計算からも高次の回折光が発生しないことを確認している。
【００３８】
０次以外の高次回折光が発生するような格子周期を採用した場合には、０次光の回折効率が低下し光学系の光利用効率が低下するばかりでなく、高次の回折光がゴーストやフレアとして現れ、光学性能を著しく劣化させることが予想される。このため、０次格子として振舞う格子周期が望ましい。また、位相板の設計には有効屈折率法（ＥＭＴ）にて算出したｎ（ＴＥ）及びｎ（ＴＭ）を用いて屈折率差Δｎを算出し、設計初期値を見積もった。ここでは２つの格子を使用しているため、第１格子６及び第２格子７に対する屈折率差をそれぞれΔｎ１、Δｎ２とし、格子厚みをそれぞれｄ１、ｄ２とすると、つぎの式（１６）
Δｎ１×ｄ１＋Δｎ２×ｄ２＝λ／４ （１６）
を、可視光領域においてほぼ満たすような格子形状を採用した。本実施例では、Δｎ１＝０．２８４、Δｎ２＝０．１４７である。最終的には、ベクトル解析（厳密結合波解析）によって反射・透過率および位相差を厳密に算出した。
【００３９】
本実施例のλ／４板の位相差特性を図３に示す。図３において横軸に波長、縦軸に位相差をとっている。従来の水晶を用いた波長板と比較すると位相差を表わす直線の傾きが小さく、０．５０μｍ以下の短波長領域にて特性が平坦になっていることが特徴であり、位相差の波長依存性が改善されている。また、本実施例の位相板の透過率特性を図４に示す。横軸に波長、縦軸に透過率をとっている。水晶板を用いた位相板の可視光領域における透過率がおよそ９５％であるのに対して、本実施例の位相板においては可視光領域のほぼ全域において透過率９７％以上となっており優れた透過率特性を実現している。更に、格子材料の屈折率、格子周期、格子厚み、フィリングファクターを変数として位相差を制御することができるため、様々な特性の位相板を設計することが可能である。
【００４０】
本実施例においては、格子の材料としてＴａ２Ｏ５とＳｉＯ２を用いたが、格子材料はこれに限定するものではなく、屈折率および分散の異なる２種類以上の材料を用いれば何ら問題はない。また、入射側媒質である空気に最も近い格子（実施例１においては第２格子７）の材料がそれ以外の格子（実施例１においては第１格子６）の材料に比べて低い屈折率である。また、基本的な機能及び性能を有するような条件を満たしさえすれば、格子の材料としてどのような屈折率の材料の組み合わせ（高屈折率材料と低屈折率材料の組み合わせ）を用いても構わない。ここで、大きな構造性複屈折を実現するためには屈折率差を大きくとることが必要であり、低屈折率材料として、空気を用いた場合に最も大きな構造性複屈折が得られる。
【００４１】
また、実施例１における第１格子６と第２格子７のように、格子全体が複数の材料で構成されている。実施例１では２種類の材料を用いて第１格子６、第２格子７を設けたが、３種類以上の材料を用いて第１格子、第２格子、第３格子・・・・と３つ以上の格子を有する微細周期構造を形成しても構わない。
【００４２】
［実施例２］
次に、実施例２について述べる。
【００４３】
実施例２の概略図を図５に示し、図５のｘｚ平面断面図を図６に、ｙｚ平面断面図を図７に示す。
【００４４】
図５、図６、図７においては格子形状を横方向に拡大した模式図を表わしているため実際の形状とは異なる場合があるため注意が必要である。図５に示した本実施例２は３つの格子からなる構造の位相板（λ／４板）である。この実施例２では、第１格子６と、第２格子７及び第３格子８との格子の周期方向が直交していることが特徴である。これ以降、このような構成の位相板を積層型位相板と呼ぶ。この場合は積層型λ／４板である。本実施例では、基板５をＴｉＯ２、入射側媒質１６を空気とした。最も基板側の第１格子６は材料をＴｉＯ２、格子周期Λ１を０．１５μｍ、格子深さｄ１を１．８５μｍ、フィリングファクターＦＦ１（＝ｗ１／Λ１）を０．９０とし、２段目の第２格子７は材料をＴｉＯ２、３段目の第３格子８は材料をＳｉＯ２とし、第２格子７及び第３格子８は、格子周期Λ２を０．１５μｍ、フィリングファクターＦＦ２（＝ｗ２／Λ２）を０．８２とし、第２格子７の格子深さｄ２を１．７５μｍ、第３格子８の格子深さｄ３を０．１０μｍとした。格子周期Λ１およびΛ２は、可視光領域において０次格子として振舞うような格子周期とした。
【００４５】
ここで、設計手法としてＥＭＴを用いて各格子における有効屈折率を算出した。
まず１段目の第１格子６における常光と異常光の屈折率差Δｎ１は、つぎの式（１７）
Δｎ１＝ｎ１（ＴＥ）−ｎ１（ＴＭ） （１７）
によって与えられる。
【００４６】
一方、第２格子７においてＴｉＯ２が与える屈折率差Δｎ２及び第３格子８においてＳｉＯ２が与える屈折率差Δｎ３は同様に、つぎの式（１８）及び式（１９）
Δｎ２＝ｎ２（ＴＥ）−ｎ２（ＴＭ） （１８）
Δｎ３＝ｎ３（ＴＥ）−ｎ３（ＴＭ） （１９）
によって与えられる。ただし、ここで注意するべきなのは、第１格子と、第２及び第３格子の格子構造の周期方向が直交するので、第１格子６の格子構造におけるＴＥ偏光は第２及び第３格子の格子構造７，８ではＴＭ偏光に、第１格子６の格子構造におけるＴＭ偏光は第２及び第３格子の格子構造７，８ではＴＥ偏光となる。このような屈折率の与え方の違いは、異方性結晶における正結晶と負結晶との違いに相当するものである。
よって、つぎの式（２０）
Δｎ１×ｄ１−Δｎ２×ｄ２−Δｎ３×ｄ３＝１／４λ （２０）
を可視光領域の２つの波長で満たすような解を式（５）より算出して採用し、最終的にはベクトル解析である厳密結合波解析によって反射・透過率及び位相差を厳密に算出した。
【００４７】
図８に実施例２における積層型λ／４板の位相差特性を示す。横軸は波長を、縦軸は位相差を表わしている。従来の水晶結晶板を用いたλ／４板と比較すると、積層型λ／４板においては位相差が略９０°の波長領域が広帯域化しており、波長依存性が改善されている。また、透過率特性を図９に示す。横軸は波長を、縦軸は透過率を示している。可視光領域のほぼ全域において９６％以上の高い透過率で、優れた透過率特性を実現している。更に、格子材料の屈折率、格子周期、格子厚み、フィリングファクターを変数として位相差を制御することができるため、様々な特性の位相板を設計することが可能である。
【００４８】
実施例２においては、格子材料として、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の２種類を用いたが、これに限定するものではなく、屈折率および分散の異なる２種類以上の格子材料を用いれば何ら問題はない。また、本実施例においては、第１格子６及び第２格子７の材料として共にＴｉＯ２を用いたが、これに限定するものではなく、第１の格子６と第２の格子７の格子材料としてＴｉＯ２以外の格子材料を用いても良いし、第１格子６と第２格子７の格子材料として屈折率の異なる材料を用いても何ら差し支えない。更に付け加えるならば、入射側媒質である空気１６に最も近い格子（実施例２においては第３格子８）の格子材料は、他の格子（実施例２においては第１格子、第２格子）に比べ屈折率が低い材料を用いた。基本的な機能及び性能を有するような条件を満たしさえすれば、格子の材料としてどのような屈折率の材料の組み合わせ（高屈折率材料と低屈折率材料の組み合わせ）を用いても構わない。
【００４９】
ここで、実施例２の変形例を図１０に示す。図１０は、基板５の上に、基板側から第１格子６、第２格子７、第３格子８、第４格子９を設けた位相板の実施例である。このように、基板の上に格子を４つ積層して位相板を構成しても良い。ここでは、基板及び第１〜３格子をＴｉＯ２、第４格子をＳｉＯ２で作成した。しかしながら、第１〜３格子は異なる材料で構成しても構わない。また、第１〜３格子は、フィリングファクターが同じであっても異なるようにしても構わない。
【００５０】
［実施例３］
実施例３として、偏光変換素子において使用されているλ／２板を例に挙げる。液晶プロジェクタなどに搭載されている偏光変換素子において、光源からの無偏光の白色光は、偏光ビームスプリッタを用いて偏光方向が互いに９０°異なる２つの直線変更に変換される。このとき、光利用効率を向上させるために、一方の偏光方向を９０°回転させ、他方の偏光と偏光方向をそろえ、両者を同一方向に出射させている。そして、偏光方向を９０°回転させる為にλ／２板が使用されている。従来のλ／２板においては屈折率差の波長依存性があった。
【００５１】
本実施例におけるλ／２板を偏光変換素子に用いた例を図１１に示す。偏光ビームスプリッタ１２に入射した、光源からの無偏光の白色光は、偏光ビームスプリッタを透過したｐ偏光と、偏光ビームスプリッタで反射したｓ偏光とに分離する。分離した２つの偏光のうち、ｐ偏光は、λ／２板を透過し、ｓ偏光となる。そして、偏光ビームスプリッタを反射し、ミラー１１を反射したｓ偏光と同一方向に射出する。従来と比較して、位相差の波長依存性が少なく、設計波長以外の波長においても光利用効率の高い光学系を実現できる。このため、明るさの向上及び画質の向上により従来以上に高性能な液晶プロジェクタの実現が可能である。また、材料としてＴｉＯ２などの誘電体材料を用いることによって、熱による体積膨張や屈折率の変化を小さく抑えることができ安定した性能を発揮できるという利点がある。また、構造性複屈折がもつ大きな複屈折量による素子の薄型化が可能である。更に、格子材料の屈折率、格子周期、格子厚み、フィリングファクターを変数として位相差を制御することができるため、様々な特性の位相板を設計することが可能で、使用用途に最適な性能を実現することができる。
【００５２】
また、本実施形態における位相板の応用例は偏光変換素子に限定するわけではなく、例えば、実施例３の偏光変換素子を有する液晶プロジェクタ（画像表示装置）や、液晶プロジェクタと、それに画像情報を送信する画像送信手段（テレビやパーソナルコンピューターやデジタルカメラ等）を有する画像表示システムなどに適用しても構わない。勿論、それに限らず、λ／２板、λ／４板等を有する様々な光学機器・デバイスへの応用が可能である。
【００５３】
また、本実施例においては、格子構造（微細周期構造）として、格子材料と空気が周期方向に交互に配列された構造を用いたが、本発明はこれに限らず、第１の格子材料と空気以外の第２の格子材料を周期方向に交互に配列して、格子を構成してもかまわない。
【００５４】
［実施例４］
次に、実施例４について述べる。
【００５５】
図１２は実施例４の積層型位相板の構成を示す斜視図、図１３はそのｘｚ平面の断面図、図１４はｙｚ平面の断面図である。図中１は基板、２は基板１上に一次元に一定周期で配列された第１格子である。また、３は第１格子２の周期方向に対し直交する方向に一定周期で配列された第２格子３である。第２格子３は格子３ａと格子３ｂの屈折率の異なる２種類の材料を積層して構成されている（本実施例では、３ａ、３ｂの二つの格子をまとめて１つの１次元格子として扱い、第２格子と呼ぶことにする）。第１及び第２格子２，３の２つの１次元格子は、各々高屈折率材料（格子部分）と低屈折率材料（空気）とが交互に配列された構造となっている。また、第１及び第２格子２，３の周期は入射波長（ここでは可視光）よりも小さくなっている。なお、入射側媒質として、ここでは空気としているが、ガラス等のカバーを用いて入射側媒質としてもよい。
【００５６】
また、第１格子２の幅はＷ１、深さ（厚み）はｄ１、格子の周期はΛ１である。第２格子３の幅はＷ２、格子周期はΛ２である。第２格子３のうち格子３ａの深さ（厚み）はｄ３、格子３ｂの深さ（厚み）はｄ２である。
【００５７】
ここで、本実施例では、一次元格子を２段積層した構造のλ／４板を示しており、第１格子２と第２格子３の格子の周期方向が直交していることが特徴である。以下、本実施例では、この構成を二段積層型λ／４板という。この二段積層型λ／４板の一例として、第２格子３を構成する二種類の材料について、格子３ａとしてＳｉＯ２、格子３ｂとしてＴａ２Ｏ５を用い、第１格子２を構成する格子材料としてＴａ２Ｏ５を用いている。格子周期Λ１及びΛ２は０．１６μｍとし、Λ１及びΛ２は、可視光領域において０次以外の高次の回折光が発生しない条件、即ち、０次格子として振舞うような格子周期としている。
【００５８】
本実施例では、第１格子と、第２格子２，３の周期方向が直交するので、第１格子２における屈折率差をΔｎ１、第２格子３における屈折率差をΔｎ２とする。
【００５９】
よってλ／４板の場合、次式、
Δｎ１×ｄ１−Δｎ２×ｄ２−Δｎ３×ｄ３＝λ／４ （２１）
を可視光領域の２つの波長において満たすような解を採用している。ここで、式（２１）を２つの波長において満たすような解は無数に存在するが、素子製造の観点から見ると、フィリングファクターＦＦと格子深さが適当な値をとるようにすることが望ましい。一般的に、フィリングファクターＦＦが極端に小さく、且つ、格子深さが深い場合、格子構造が倒れやすくなり製造が困難である。よって、ＦＦは０．２０から０．９５程度の範囲内の値をとることが望ましい。
【００６０】
更に、付け加えるならば、本実施形態において、第１格子２のフィリングファクターＦＦ１がとりうる範囲は概ね０．７５以上０．９０以下の範囲、第２格子３のフィリングファクターＦＦ２がとりうる範囲は概ね０．３０以上０．７０以下であることが望ましい。一例として具体的な値を挙げると、位相差１／４λを満たすためには、ＦＦ１＝０．８１、ＦＦ２＝０．６０の場合、格子材料の深さとしてそれぞれｄ１＝１．０７μｍ、ｄ２＝０．３１μｍ、ｄ３＝０．１０μｍ程度の厚みが必要である。但し、必ずしもこの値と一致しなければ位相差１／４λを実現できないわけではなく、基本的な性能を満たす範囲であるならば、ここに示した値よりも大きな値、あるいは小さな値をとっても良い。
【００６１】
次に、式（２１）に示した位相差条件を満たし、且つ、素子の反射率を低減するための例について説明する。ここで目的とすることは、位相差１／４λを満たし、且つ、使用光の各偏光方向に対して反射率が低減できる位相板を実現することである。格子構造は二段積層型λ／４板とし、格子材料はＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ１＝Λ２＝０．１６μｍとし、変数としてフィリングファクターＦＦ１，ＦＦ２、格子深さｄ１，ｄ２，ｄ３とする。
【００６２】
本実施例の２段積層型λ／４板は、一方の偏光方向に対しては、入射側媒質から基板１に向かって有効屈折率が徐々に高くなっていくような屈折率分布であり、もう一方の偏光方向に対しては、２層積層された第１格子と第２格子間の屈折率差が小さくなるような屈折率を実現していることを特徴としている。
【００６３】
この場合、例えば、ＦＦ１＝０．８１、ＦＦ２＝０．６０とする。フィリングファクターの組み合わせは無数に存在するが、二つの格子深さが極端に大きくならない値を選択したほうが作製しやすいので留意したほうが望ましい。格子深さは、ＦＦ１及びＦＦ２を用いて算出される有効屈折率と、（４）から（７）式を用いて算出することができる。本実施例においては、格子深さが極端に深くならない構成として、ＦＦ１がとりうる範囲は概ね０．７５以上０．９０以下の範囲、ＦＦ２がとりうる範囲は０．３０以上０．７０以下であることが望ましい。
【００６４】
この時の各偏光に対する有効屈折率を図１５に示す。但し、直交する格子でＴＥ偏光とＴＭ偏光が入れ替わることを考慮し、混乱を避けるために、ここでは第１格子２の周期と直交する方向をＡ方向、第１格子２の周期と平行な方向をＢ方向とする。そして、各格子のＡ方向の偏光の有効屈折率をｎ（Ａ）、Ｂ方向の偏光の有効屈折率をｎ（Ｂ）とする。つまり、第１格子２において、ｎ（Ａ）＝ｎ（ＴＥ）となるが、第２格子３においてはｎ（Ａ）＝ｎ（ＴＭ）となる（図１２参照）また、図１５において、ｎｉは入射側媒質（ここでは空気）、ｎ１は第１の格子２、ｎ２は第２の格子３における格子３ｂ、ｎ３は第２の格子３における格子３ａ、ｎｓは基板、の各屈折率を示す。
【００６５】
はじめに、ｎ（Ａ）について考えると、ＥＭＴから算出した有効屈折率（λ０
＝ｄ線）を詳しくみると、
ｎｉ（Ａ）＝１（ａｉｒ）、
ｎ３（Ａ）＝１．２３０、
ｎ２（Ａ）＝１．４３６、
ｎ１（Ａ）＝１．９９３、
ｎｓ＝２．１３９、
となっており、入射側から基板方向に向かって屈折率が徐々に高くなる屈折率分布になっている。このような屈折率分布をとることにより、基板表面でのフレネル反射を低減し広帯域で反射防止効果が得られる。これは、例えば、傾斜膜を用いて屈折率が徐々に変化する屈折率分布を実現したときに得られる反射防止効果と同様である。
【００６６】
次に、ｎ（Ｂ）に対して考えると、ＥＭＴから算出した有効屈折率は、
ｎｉ（Ｂ）＝１（ａｉｒ）、
ｎ３（Ｂ）＝１．３１３、
ｎ２（Ｂ）＝１．８２３、
ｎ１（Ｂ）＝１．７３３、
ｎｓ＝２．１３９、
となっており、ｎ１（Ｂ）とｎ２（Ｂ）の屈折率差（即ち、格子間における屈折率差）が小さい構成となっている。ここでのｎ１（Ｂ）とｎ２（Ｂ）との屈折率差は０．０９という値となっており、ほぼ一致している。なお、屈折率差は完全なゼロである必要はなく、おおよその目安として望ましくは屈折率差が０．１程度、あるいは、０．２程度前後の値を満たしていることが望ましい。このように、ＴＭ偏光に関しては、複数積層された格子間の屈折率の差がＴＥ偏光に比べて小さくなっている。また、ここで、差の小さいｎ１（Ｂ）とｎ２（Ｂ）をほぼ同じ屈折率と考えると、ｎ１とｎ２との間で生じるフレネル反射を低減することができる。また、このようにｎｉ（Ｂ）＜ｎ３（Ｂ）＜ｎ２（Ｂ）≒ｎ１（Ｂ）＜ｎｓ（Ｂ）という屈折率分布をとることで反射防止効果が得られる。
【００６７】
ここで、ｎ３の光学膜厚を最適に設計するとさらに反射防止効果が得られる。具体的には、第２格子３における格子３ａの厚みｄ３を設計波長の１／４程度の光学膜厚にすることで、ＴＭ偏光に対する反射防止効果が得られる。但し、ｎ３の膜厚ｄ３はＴＥ偏光に対する反射率にも影響を与えるので、実際には、ＴＥ偏光とＴＭ偏光に対する反射率を両立するような膜厚とすることが重要であり、設計値の目安として設計波長の１／４に近い値とすることが望ましい。
【００６８】
なお、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の有効屈折率の関係は逆であっても成立する。つまり、ＴＥ偏光に関して格子間の有効屈折率の差が小さく、且つ、ＴＭ偏光に関しては入射側媒質から基板に向かって有効屈折率が徐々に高くなるような構成をとっても同様の効果が得られる。
【００６９】
更に、有効屈折率は、格子周期Λ、格子のフィリングファクターＦＦによって制御することが可能であるため、格子材料の屈折率によらず、有効屈折率をある程度の範囲で制御可能である。よって、以上のような有効屈折率を実現するための格子材料の積層順番を必ずしも限定する必要はない。
【００７０】
また、基板材料の屈折率ｎｓと基板上の格子の有効屈折率ｎ１（ＴＥ）（もしくはｎ１（ＴＭ））の屈折率差が大きいと境界面で生じるフレネル反射によって反射率が増加するため、ｎｓとｎ１（ＴＥ）（もしくはｎ１（ＴＭ））の屈折率差が小さいほうが望ましい。但し、ここで注意しなければならないことは、一次元格子形状においては屈折率に異方性を持っているためｎ１（ＴＥ）とｎ１（ＴＭ）とは同じ屈折率をとることは原理的にあり得ない。よって、ＴＥ方向に対する屈折率差ｎｓ−ｎ１（ＴＥ）とＴＭ方向に対する屈折率差ｎｓ−ｎ１（ＴＭ）を同時にゼロとすることはできない。そのため、ＴＥ・ＴＭ両方の偏光方向に対して反射防止効果を得るためには、ＴＥ偏光に対する屈折率差ｎｓ−ｎ１（ＴＥ）とＴＭ方向に対する屈折率差ｎｓ−ｎ１（ＴＭ）の値が両方小さくなるように設定することが望ましい。
【００７１】
次に、格子深さについて述べる。位相差については位相差Δｎｄが１／４λを満たすような深さが必要であるが、それと同時に反射防止効果が得られるような格子深さとする必要がある。反射防止効果を得るためには、一般的に、膜厚ｎｄが波長λ０に対して１／４λ０の整数倍であることで実現することが可能であるから設計の目安にすると良い。
【００７２】
位相差条件から求めた設計初期値を元に上記手法を用いて求めた偏光方向に依存しない反射防止効果を得る格子形状を求めたところ、以下に示すような結果が得られた。即ち、二段積層型λ／４板の一例として、第２格子３における格子３ａの材料としてＳｉＯ２、格子３ｂの材料としてＴａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ２を０．１６μｍ、格子深さｄ３を０．１０μｍ、格子深さｄ２を０．２４μｍ、フィリングファクターＦＦ２（＝ｗ２／Λ２）を０．６０とする。また、第１格子２の格子材料としてＴａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ１を０．１６μｍ、格子深さｄ１を０．９６μｍ、フィリングファクターＦＦ１（＝ｗ１／Λ１）を０．８１とする。格子周期Λ１及びΛ２は、可視光領域において０次以外の高次の回折光が発生しない条件、即ち、０次格子として振舞うような格子周期とする。
【００７３】
図１６に実施例４における二段積層型λ／４板の位相差特性を示す。図１６では水晶の位相差特性も併せて示している。横軸は波長、縦軸は位相差を表わしている。従来の水晶結晶板を用いたλ／４板と比較すると、二段積層型λ／４板においては位相差が略９０°の波長領域が広帯域化している。また、誤差範囲は、９０°に対して−５°から＋１０°程度に抑えられ、波長依存性が改善されていることが注目すべき点である。
【００７４】
また、透過率特性を図１７及び図１８に示す。ここでは、ベクトル解析である厳密結合波解析によって反射・透過率及び位相差を厳密に算出している。図１７はＴＥ偏光及びＴＭ偏光に対する透過率特性を示している。横軸は波長を、縦軸は透過率を示しており、ＴＥ・ＴＭ偏光の両方に対して優れた透過率特性が得られていることがわかる。また、図１８は各偏光方向に対する透過率の平均値を示す。可視光領域のほぼ全域において約９７％以上の高い透過率が得られ、優れた性能を実現している。
【００７５】
なお、ここではλ／４板を例に挙げたが、本発明はこれに限定するものではなく、格子材料の屈折率、格子周期、格子深さ、フィリングファクターを変数として位相差を制御することが可能で、且つ、反射防止効果も得られるため、例えば、λ／２板等様々な特性の位相板に適用することが可能である。
【００７６】
また、本実施例においては、第２格子３の２種類の格子材料としてＴａ２Ｏ５とＳｉＯ２を用いたが、これに限定するものではなく、屈折率及び分散の異なる２種類以上の格子材料を用いれば何ら問題はない。更に、本実施形態においては、第１格子２と第２格子３の格子３ｂの材料として共にＴａ２Ｏ５を用いているが、これに限定するものではなく、Ｔａ２Ｏ５以外の材料を用いても良いし、第１格子と第２格子の格子３ｂの材料として屈折率の異なる材料を用いても何ら差し支えない。また、基本的な機能及び性能を有するような条件を満たしさえすれば、第１格子及び第２格子の格子３ａ、格子３ｂの材料としてどのような屈折率の材料の組み合わせを用いても構わない。また、第２格子全体が複数の材料で構成されている方が好ましく、本実施例では２種類の材料を用いて第２格子３を形成したが、３種類以上の材料を用いても構わない。
【００７７】
［実施例５］
次に、実施例５について説明する。図１９は実施例５の構成を示す斜視図、図２０はそのｘｚ平面の断面図、図２１はそのｙｚ平面の断面図である。図中１は基板、２は基板１上に一次元に一定周期で配列された第１格子、３は第１格子２の周期方向に対して直交する方向に一定周期で配列された第２格子である。また、第２格子３上に第２格子３の周期方向に直交する方向に第３格子４が一定周期で配列されている。第３格子４は格子４ａと格子４ｂの、屈折率の異なる２種類の材料を積層して構成されている（本実施例では、４ａ、４ｂの二つの格子をまとめて１つの１次元格子として扱い、第３格子と呼ぶことにする）。第１〜第３格子による１次元格子構造は、それぞれの周期構造の周期方向に各々高屈折率材料（格子部分）と低屈折率材料（空気）が交互に配列された構成となっている。また、第１〜第３格子２〜４の格子周期は、実施例４と同様に入射波長（可視光）よりも小さい。入射側媒質としては、例えば、空気としているが、ガラス等のカバーを用いて入射側媒質としてもよい。
【００７８】
また、第１格子２の格子の幅はＷ１、深さ（厚み）はｄ１、格子周期Λ１である。第２格子３の格子の幅はＷ２、深さ（厚み）はｄ２、格子周期はΛ２である。第３格子４の格子の幅はＷ３、格子周期はΛ３であり、そのうち格子４ａの深さ（厚み）はｄ４、格子４ｂの深さ（厚み）はｄ３である。
【００７９】
実施例５は、一次元格子を３段積層した構造のλ／４板であり、第１格子２と第２格子３が、そして第２格子３と第３格子４が、それぞれ周期方向が直交していることが特徴である。第１格子２の材料としてＴａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ１を０．１６μｍ、厚みｄ１を０．５６５μｍ、フィリングファクターＦＦ１（＝Ｗ１／Λ１）を０．８１としている。第２格子３の材料としてＴａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ２を０．１６μｍ、厚みｄ２を０．１９０μｍ、フィリングファクターＦＦ２（＝Ｗ２／Λ２）０．６としている。第３格子４における格子４ａの材料としてＳｉＯ２を、格子４ｂの材料としてＴａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ３を０．１６μｍ、格子４ａの厚さｄ４を０．１００μｍ、格子４ｂの厚さｄ３を０．２５０μｍ、フィリングファクターＦＦ３（＝Ｗ３／Λ３）を０．８１としている。格子周期Λ１、Λ２及びΛ３は、可視光領域において０次以外の高次の回折光が発生しない条件、即ち、０次格子として振舞うような格子周期としている。
【００８０】
第１〜第３格子の有効屈折率は実施例４と同様である。即ち、ｘ軸方向の偏光に関して、入射側媒質側から、第３格子４の格子４ａ、格子４ｂ、第２格子３、第１格子２と基板側へ向かうにつれ、有効屈折率が高くなっている。また、ｙ軸方向の偏光に関しては複数積層された格子間、即ち、第３格子４の格子４ｂと第２格子３、第２格子３と第１格子２の有効屈折率の差が小さくなっている。この屈折率の差は前述のように０である必要はなく、０．１あるいは０．２程度前後であればよい。もちろん、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の有効屈折率の関係は第１の実施形態の場合と同様に反対の関係であってもよい。
【００８１】
実施例５の三段積層型λ／４板の位相差特性を図２２、透過率特性（偏光平均）を図２３に示す。図２２では水晶の場合の特性を併せて示している。図２２から位相差の波長依存性が小さく、９０°からの誤差範囲は−１０°から＋１０°程度に抑えられていることは特筆すべきことである。また、図２３から分かるように優れた透過率特性が実現でき、可視領域において概ね９５％以上の透過率を実現している。三段積層型の場合は二段積層型に比べ、格子材料の厚みを更に薄くすることが可能であり、一つ一つの格子構造を作製することが容易になると期待できる。
【００８２】
［実施例６］
次に、実施例６について説明する。実施例６は、実施例４の位相板を用いた光学系の実施形態である。図２４は実施例６を示す図であり、実施例４の位相板をダブルパスで用いた場合の光学系を示している。図２４において、１９は実施例４の位相板（λ／４板）、２０はミラーである。また、１７は使用光、１８は出射光（観測する光）である。ここでは、偏光方向の揃った使用光（直線偏光）１７が積層型λ／４板１９に入射し、円偏光に変換された後、ミラー２０で反射され、再び積層型λ／４板１９に入射し、出射した光１８の偏光方向が使用光１７に対して９０°回転する。
【００８３】
ここで、偏光方向が回転した時の光の透過率については、以下に示す式（２２）で算出することができる。
【００８４】
Ｔ＝ｃｏｓ２（Γ／２−π／２） （２２）
Ｔは偏光の回転を考慮した場合の透過率、Γは位相差である。この式について横軸を位相差Γ、縦軸を透過率Ｔとして表わしたグラフを図２５に示す。透過率Τについて補足すると、ダブルパス光学系に入射する直線偏光１７の光強度を１とした場合、ダブルパス光学系を通って出射した偏光方向が回転した光１８に対して、入射する直線偏光に９０°直交する偏光子を通して観測した光強度の割合を表わしている。具体的にはダブルパス光学系の使用光１７と出射光１８との位相差が１８０°である時は、観測される出射光１８の偏光方向は入射する直線偏光１７の偏光方向に対して丁度９０°回転した偏光であるので、使用光に対して観測される光強度の割合は、１／１＝１となる。
【００８５】
また、ここで注意すべき点は、式（２２）で算出される透過率においては位相板素子の表面反射や多重反射による反射光は考慮されていない。よって、実質的な透過率を検討するためには、位相板素子の表面反射・多重反射を考慮した透過率と式（２２）から得られる、偏光の回転を考慮した透過率を同時に考える必要がある。以上のことからダブルパスを用いた光学系における実質的な透過率は、位相板がもつ透過率と式（２２）から算出される偏光の回転による透過光強度損失を考慮した透過率との掛け算によって評価できる。
【００８６】
実施例６のダブルパス光学系における位相差特性を図２６に示す。図２６では水晶の位相差特性も併せて示す。従来の水晶板と比較して、波長依存性が小さく抑えられていることがわかる。また、上記手法によって算出した実質的な透過率を図２７に示す。図２７には比較のために従来の水晶を用いたλ／４板における実質的な透過光強度も同時に示している。従来の水晶λ／４板におけるフレネル反射は、水晶の屈折率（ｎ＝１．５５）を用いて算出される値を計算に用い、透過率９５％として算出している。
【００８７】
また、水晶厚みは設計波長λ０＝０．５５μｍで位相差９０°を実現できる値とし、厚みｄ＝１５．３μｍとしている。従来の水晶λ／４板を用いた場合には、位相差の波長依存性の影響を大きく受け、設計波長付近での実質的な透過率は優れた特性を有しているが、短波長側及び長波長側において実質的な透過率が減少していることがわかる。これは、図２６に示すように水晶においては位相差の波長依存性が大きな問題となっているためである。
【００８８】
一方、実施例６の二段積層型位相板を用いたダブルパス光学系の場合には、位相差の波長依存性を大幅に改善でき、各偏光方向に対する反射率を低減した構成をとっているので、可視領域全域（概ね０．４μｍから０．７μｍの範囲）において、概ね９６％以上の優れた透過率を実現することが可能である。
【００８９】
このようなダブルパスを用いた光学系は、例えば、反射型カラー液晶表示装置等に使用が可能である。従来のλ／４板を用いた場合と比較して、本発明における積層型位相板を用いた場合は、位相板そのものの反射率を低く抑えることが可能であり、光損失が小さいばかりでなく、従来の位相板と比較して波長依存性が小さく抑えられているため色再現性が非常に優れ、画質の向上が期待できる。更に、格子材料として誘電体材料を用いることで熱による体積膨張や屈折率変化を小さく抑えることが可能となり、安定した性能を発揮することが可能である。また、構造性複屈折がもつ大きな複屈折量により素子の薄型化が期待できる。更に付け加えるならば、位相板の基板１としてＡｌ等の金属を用いるか、あるいは誘電体多層膜を用いて作製した広帯域反射膜の上に本実施例の積層型位相板を作製することによって位相板１９とミラー２０を一体化して素子の一体化、薄型化も可能である。
【００９０】
［実施例７］
次に、実施例７の積層型位相板について説明する。本実施例の積層型位相板は、基板と格子からなる格子型素子部を複数個、互いの格子面が向かい合うように積層したことを特徴としている。
【００９１】
図２８から図３０は、実施例７の位相板の概略構成を示している。なお、図２８（Ａ）は上記位相板の斜視図であり、図２８（Ｂ）は上記位相板の製作工程を示している。図２９は上記位相板のｘｚ平面の断面図であり、図３０はｙｚ平面の断面図である。
【００９２】
この位相板は、第１の基板２１と、入射する光の波長よりも微小な格子周期を有する第１格子２２と、入射する光の波長よりも微小な格子周期を有し、周期方向が第１格子２２の周期方向に対して略直交する第２格子２４と、第２の基板２３とをこの順で積層した構成を有する。
【００９３】
具体的な製造方法としては、例えば、第１および第２の基板２１，２３上にそれぞれ高さ（深さ）ｄ１，ｄ２を有する格子２２，２４を、エッチング、電子ビーム描画、ＬＩＧＡプロセス、フォトリソグラフィー、多光束レーザー干渉法、多積層薄膜などの手法によって作製する。
【００９４】
そして、できあがった第１の基板２１および第１格子２２からなる第１の格子型素子部Ａと、第２の基板２３および第２格子２４からなる第２の格子型素子部Ｂとを、図２８（Ｂ）に示すように、格子２２，２４が向かい合い、かつ格子２２，２４の周期の方向が互いに略直交するように積層する。このとき、光学密着法（optical contact）などによって両格子の格子面を密着させ、積層することができる。
【００９５】
このような製造方法を採用することで、格子のみを積層させる場合に比べて積層型位相板を容易に製造することができる。
【００９６】
第１の基板２１の材料としてはガラス（屈折率ｎｓ１＝１．８）を、第１格子２２の材料としてはＴａ２Ｏ５を、第２の基板２３の材料としてはガラス（屈折率ｎｓ２＝１．６）を、第２格子２４の材料としてはＴａ２Ｏ５（屈折率ｎ＝２．１３９）を用いている。また、格子の周囲を満たす媒質は空気とした。
【００９７】
第１格子２２は格子周期Λ１＝０．１６μｍ、格子深さｄ１＝０．９０μｍ、フィリングファクターＦＦ１＝０．８とし、第２格子２４については格子周期Λ２＝０．１６μｍ、格子深さｄ２＝０．２５μｍ、フィリングファクターＦＦ２＝０．６とした。格子周期Λ１およびΛ２については、可視光領域において０次回折光以外の高次の回折光が生じないような格子周期を採用した。
【００９８】
ここで、図２８（Ａ）における、ｙ軸方向をＡ方向、ｘ軸方向をＢ方向とし、各方向の偏光に対する有効屈折率をｎ（Ａ），ｎ（Ｂ）とする。
【００９９】
第１格子に対する有効屈折率ｎ１（Ａ），ｎ１（Ｂ）、第２格子に対する有効屈折率ｎ２（Ａ），ｎ２（Ｂ）をＥＭＴにより見積もると次のような値になる。波長λ＝０．５５μｍにおいて、
第１格子２のＴＥ偏光に対する屈折率ｎ１（Ａ）＝１．９６５
第１格子２のＴＭ偏光に対する屈折率ｎ１（Ｂ）＝１．６３３
第２格子４のＴＥ偏光に対する屈折率ｎ２（Ａ）＝１．３７２
第２格子４のＴＭ偏光に対する屈折率ｎ２（Ｂ）＝１．７７４
となる。
【０１００】
上記設計値を採用した理由について述べる。まず、ｘ方向の偏光に注目した場合、第１格子２２におけるｘ方向の偏光に対する屈折率ｎ１（Ｂ）と、第２格子２４におけるｘ方向の偏光に対する屈折率ｎ２（Ｂ）はそれぞれ、
ｎ１（Ｂ）＝１．６３３、ｎ２（Ｂ）＝１．７７４
となっており、有効屈折率が略等しい（差が０．２以下である）。これにより、ｘ方向の偏光に対して、第１格子２２と第２格子２４との境界においてフレネル反射をほとんど生じさせないようにすることができる。
【０１０１】
次に、ｙ方向の偏光に注目した場合、第１格子２２におけるｙ方向の偏光に対する屈折率ｎ１（Ａ）と、第２格子２４におけるｙ方向の偏光に対する屈折率ｎ２（Ａ）はそれぞれ、
ｎ１（Ａ）＝１．９６５、ｎ２（Ａ）＝１．３７２
となっており、有効屈折率に若干の違いがみられる。
【０１０２】
このままでは、ｙ方向の偏光に対して第１格子２と第２格子４との間でフレネル反射が生じる。さらに、第１の基板２１と第１格子２２との屈折率差および第２の基板２３と第２格子２４との屈折率差によって生じるフレネル反射を考慮すると、透過率の減少が懸念される。
【０１０３】
以上のことを考慮すると、互いに隣接して積層されている第１の基板２１と第１格子２２において、第１の基板２１の屈折率ｎｓ１は、第１格子２２におけるｙ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ１（Ａ）および第１格子２２におけるｘ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ１（Ｂ）の両方に対して、屈折率差がバランスよく小さくなるように設定するとよい。
【０１０４】
具体的には、第１の基板２１の屈折率ｎｓ１が、第１格子２２におけるｙ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ１（Ａ）および第１格子２２におけるｘ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ１（Ｂ）との間の値であることが好ましい。
【０１０５】
なお、このことは、第２の基板２３の屈折率ｎｓ２と、第２格子２４におけるｙ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ２（Ａ）および第２格子２４におけるｘ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ２（Ｂ）との関係においても同様である。
【０１０６】
ここでは、第１の基板２１の屈折率をｎｓ１＝１．８０とし、第２の基板２３の屈折率をｎｓ２＝１．６０として、第１の基板２１と第１格子２２との境界におけるフレネル反射、ならびに第２の基板２３と第２格子２４との境界におけるフレネル反射の両方を同時に低減し、透過率の減少を最小限にしている。
【０１０７】
但し、本発明は、上記各値を示す構成に限定されるものではない。例えば、ｙ方向の偏光およびｘ方向の偏光のうち一方のみを通過させるような用い方をする場合には、互いに隣接する基板と格子において、基板の屈折率を格子におけるｙ方向の偏光に対する有効屈折率およびｘ方向の偏光に対する有効屈折率のうち一方に略等しくしてもよい。これにより、通過させる偏光のフレネル反射を減少させることができる。
【０１０８】
また、上記２組の互いに隣接した基板および格子において、一方の組の基板および格子の屈折率の関係のみを上記のようにしてもよい。これにより、一方の組の基板と格子との境界におけるフレネル反射のみを低減した構成を採ることができる。これらは応用事例によって適宜選択すればよい。
【０１０９】
なお、本実施例のように設定することで、両方の基板と格子との境界におけるフレネル反射を同時に低減することによって、位相板全体として最も透過率の減少が抑えられる。
【０１１０】
図３１は、本実施例の位相板における入射角度０°での透過率特性を示している。図３１に示すように、可視光領域０．４０μｍから０．７０μｍの全域においてほぼ９７％以上の透過率を実現している。
【０１１１】
また、位相差特性を図３２に示す。従来の水晶薄板による位相板と比較すると、格段に波長依存性が改善されており、可視光領域０．４０μｍから０．７０μｍの全域においてほぼ８０°から９５°の範囲の位相差を実現しており、可視光波長領域の全域においてほぼλ／４板として機能することができる。
【０１１２】
そして、本実施形態では、積層型位相板の格子の格子面が基板２１，２３によって覆われるため、手油や粉塵、ほこりによる格子の乱れ、引っかきや摩擦による格子破壊などによる性能劣化が防止できるという利点がある。
【０１１３】
また、積層型位相板の入射面でのフレネル反射を防止するために、入射面に一般的な単層膜や多層膜などの反射防止コートを施すか、あるいは基板表面に入射波長よりも微細な凹凸構造（例えば、微細なピラミッド構造や円錐構造が規則的あるいはランダムに配列した構造）を作製する必要がある。その場合でも、反射防止コート等を微細な各格子の端面に設けるのではなく、ある程度の面積を有する基板の表面に設ければよいので、前述したように格子のみのものに比べて積層型位相板の製造がし易く、かつ反射防止効果も得易い。
【０１１４】
さらに、従来のフィルム型位相板はポリマーなどの材料を使用しているため、熱による性能劣化が著しかった。このため、高温環境下においては期待される十分な性能が得られなかったり、使用できないかったりし、また、使用する場合には十分な冷却システムの工夫が必要であった。本実施形態の積層型位相板は材料としてＴａ２Ｏ５などの誘電体材料を用いているので、熱変動による性能劣化がほとんど生じず、高温環境下においても高性能な位相板として機能することができる。例えば、常に高温環境にさらされている液晶プロジェクタなどの光学系において非常に有効である。
【０１１５】
［実施例８］
次に、本発明の実施例８について説明する。実施例８は、実施例７の積層型位相板を備えたダブルパス光学系である。その構成は、実施例６のダブルパス光学系において、位相板１９を実施例７の積層型位相板に置き換えたものと等しい。従って、図２４を流用して本実施例の光学系を説明する。つまり、図２４において、１９が実施例７の積層型位相板である。その他の構成は実施例６と等しい。
【０１１６】
当然であるが、本実施形態の積層型位相板１９は、可視光領域内の広範囲でλ／４板として機能するものである。
【０１１７】
このダブルパス光学系の積層型位相板１９の、入射角度０°における光学特性について述べる。
【０１１８】
まず、使用光１７に対する出射光１８の透過率特性を図３３に示す。ここで示す透過率特性は、基板表面におけるフレネル反射の影響は無視している。図３３からわかるように、可視光波長領域０．４０μｍから０．７０μｍの全域においてほぼ９５％から９９％程度の透過率を実現している。
【０１１９】
基板表面におけるフレネル反射を減少させるためには、先にも説明したが、一般的な単層膜や多層膜などの反射防止コートを基板表面に施すか、あるいは基板表面に入射波長よりも微細な凹凸構造（例えば、微細なピラミッド構造や円錐構造が規則的あるいはランダムに配列した構造）を作製することによって実現可能である。
【０１２０】
また、使用光１７に対する出射光１８の位相差特性について図３４に示す。図３４からわかるように、可視光波長領域０．４０μｍから０．７０μｍの全域においてほぼ１６０°から１９０°の範囲の位相差を実現しており、広い波長帯域でほぼ１８０°の位相差を実現している。このことは、積層型位相板１４を光が２回通過したとき、可視光波長領域の全域において積層型位相板１４がほぼ１／２波長板として機能するダブルパス光学系を実現できることを示している。また、従来の水晶を用いた場合の位相板と比較しても、位相差の波長依存性の少ないことがわかる。
【０１２１】
次に、このダブルパス光学系の積層型位相板１９の、入射角度２０°における光学特性について述べる。使用光１７に対する出射光１８の透過率特性を図３５に、位相差特性を図３６に示す。
【０１２２】
透過率特性は、可視光波長領域においてほぼ９５％から９９％程度の透過率を有し、入射角度に敏感でない透過率を実現している。同様に、位相差特性について見ると、やはり、可視光波長領域においてほぼ１５５°から１８５°の位相差を実現しており、幅広い波長領域においてほぼ１８０°の位相差を得ることが示されている。このように、本実施例では、ダブルパス光学系において、入射角度依存性が小さく、かつ可視光波長領域の全域において光が２回通過することによりほぼ１／２波長板として機能する素子を実現している。
【０１２３】
但し、ここで示した入射角度は、第２の基板から第２格子に入射する角度を意味している。本実施例においては、第２格子の屈折率をｎ２＝１．６０としているため、空気から第２の基板に入射する光の入射角度については約３３°となる。
【０１２４】
すなわち、実際に積層型位相板を使用する場合には、第２の基板に入射する光線の入射角度が３３°程度の光線に対しても同等な性能が得られることを示している。
【０１２５】
以上のように、本実施形態においては、２０°程度の入射角度変動に対して透過率特性および位相差特性がほとんど変化せず、かつ可視光波長領域の全域において使用光１７に対して出射光１８の位相差がほぼ１８０°となるような位相板を実現することができる。
【０１２６】
従来の水晶による波長板やポリマーフィルムによる波長板では、位相差の波長依存性および入射角度依存性が顕著に現れ、これらを改善するためには、複数枚の位相板の光学軸をずらして貼り合せる等、煩雑な工程が必要であった。また、複数枚のフィルムを貼り合せるという点からも位相板素子自体の薄型化が図りにくいという欠点があった。
【０１２７】
これに対し、実施例８および前述した実施例７の積層型位相板においては、基板上に作製した格子を互いに周期方向が直交するように格子面を向かい合わせて貼り合せることで容易に作製が可能である。そして、位相差の波長依存性および入射角度依存性を同時に改善することができる。
【０１２８】
［実施例９］
次に、本発明の実施例９について説明する。実施例９は、実施例７の積層型位相板を用いた反射型ディスプレイを示している。図３７に実施例９の模式断面図を示す。
【０１２９】
図３７において、２５はリフレクタ、２６は液晶、２７はカラーフィルター、２８は実施例７の積層型位相板（λ／４板）、２９は偏光板である。
【０１３０】
実施例７，８で説明したように、上記積層型位相板２８は、位相差の波長依存性が小さく、かつ入射角依存性が小さい。このため、ディスプレイなど様々な入射角度で入射する光に対して位相板として機能しなければならない光学系では特に有用である。
【０１３１】
例えば、従来のフィルム位相板を用いた場合には、波長依存性によって表示される色純度が低下し、色再現性が悪くなったり、斜めからディスプレイを覗いた場合に波長シフトが生じて色が変化して見えたりするなどの問題があった。
【０１３２】
これに対して、本実施例の積層型位相板２８を採用すれば、上記問題を大幅に改善することが期待できる。つまり、色再現性が優れ、かつ入射角度変化による色シフトの少ない、美しく表現力の高い画像を表示できる、見やすいディスプレイを実現することができる。
【０１３３】
例えば、携帯情報端末や携帯電話、プロジェクタ用液晶ディスプレイなどの小型の反射型液晶ディスプレイから、ＬＣＤモニタなどの大型ディスプレイに至るまで、幅広い応用が考えられる。
【０１３４】
本実施例では反射型ディスプレイについて述べたが、実施例７の積層型位相板は透過型ディスプレイにも適用できる。この場合、積層型位相板はλ／２板として機能するものを用いる。
【０１３５】
［実施例１０］
次に、本発明の実施例１０について説明する。実施例１０は、実施例９の反射型ディスプレイを用いた液晶プロジェクタ（光学機器）を示している。図３８に、その液晶プロジェクタの構成を示した。
【０１３６】
図３８において、光源５０は、ハロゲンランプやキセノンランプ等からなる点に近い白色光源である。光源５０から放射された光はリフレクタ５１で反射され、略平行光の光束として出射され、白色の偏光シート５２ａに照射される。この偏光シート５２ａは、リフレクタ５１からの光の内、第１の偏光成分（Ｓ偏光又はＰ偏光）を透過し、第２の偏光成分（Ｐ偏光又はＳ偏光）を吸収する特性を有しており、偏光シート５２ａを透過した光束は、偏光ビームスプリッタ５３の偏光面で反射され、色分解光学系としての合成クロスプリズム５４に照射する。
【０１３７】
合成クロスプリズム５４は、４個の直角プリズムの直角を挟む面をそれぞれ接着剤により貼り合わせ、貼り合わせ面に第１ダイクロイックミラー面５４ａと第２ダイクロイックミラー面５４ｂが略十字状になるように設けられ、第１ダイクロイックミラー面５４ａ及び第２ダイクロイックミラー面５４ｂの法線と使用光の主光線とのなす角が略４５度程度となるように構成されている。また、第１ダイクロイックミラー面５４ａ及び第２ダイクロイックミラー面５４ｂは、誘電体多層膜で構成され、例えばＴｉＯ２及びＳｉＯ２の薄膜を数十層交互に積層することで波長選択反射特性を得ている。
【０１３８】
第１ダイクロイックミラー面５４ａは、第１の色光である赤色光を反射しかつ第２の色光である緑色光及び第３の色光である青色光を透過する。また、第２ダイクロイックミラー面５４ｂは、青色光を反射しかつ赤色光及び緑色光を透過するように構成されている。第１ダイクロイックミラー面５４ａで反射された赤色光は、実施例９の反射型ディスプレイ（液晶パネル）５６ａに入射する。第２ダイクロイックミラー面５４ｂで反射された青色光は、同様に積層型位相板を備えた反射型ディスプレイ（液晶パネル）５６ｂに入射する。また、第１ダイクロイックミラー面５４ａ及び第２ダイクロイックミラー面５４ｂを透過した緑色光は、同様に積層型位相板を備えた緑色光用の反射型ディスプレイ（液晶パネル）５６ｃに入射する。
【０１３９】
赤色光用の反射型ディスプレイ５６ａにて変調された画像光は、合成クロスプリズム５４に入射し、第１ダイクロイックミラー面５４ａで反射し、第２ダイクロイックミラー面５４ｂを透過する。また、青色光用の反射型ディスプレイ５６ｂにて変調された画像光は、合成クロスプリズム５４に入射し、第１ダイクロイックミラー面５４ａを透過し、第２ダイクロイックミラー面５４ｂで反射する。同様に、緑色光用の反射型ディスプレイ５６ｃにて変調された画像光は、合成クロスプリズム５４に入射し、緑色の画像光は第１ダイクロイックミラー面５４ａ及び第２ダイクロイックミラー面５４ｂを透過する。
【０１４０】
以上のように合成クロスプリズム５４でカラー合成された画像光は、偏光ビームスプリッタ５３及び偏光シート５２ｂを透過し、投影レンズ５７によってスクリーン５８に拡大投影される。
【０１４１】
本実施例の反射型液晶ディスプレイは、積層型位相板を用いており、従来の反射型液晶ディスプレイに比べ、位相差の波長依存性や入射角度特性が改善している。なお、本実施形態では、反射型液晶ディスプレイへの応用について説明したが、本実施例の位相制御素子は、透過型液晶ディスプレイにも適用でき、この場合も位相差の波長依存性や入射角度依存性が大幅に改善される。また、本発明の積層型位相板は、これら以外も様々な光学装置の光学系に対して応用することができる。
【０１４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、使用光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する光学素子であって、従来知られたものに比べより高性能な光学素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における位相板の概略図。
【図２】本発明の実施例１における位相板の断面図。
【図３】本発明の実施例１における位相板の位相差特性。
【図４】本発明の実施例１における位相板の透過率特性。
【図５】本発明の実施例２における位相板の概略図。
【図６】本発明の実施例２における位相板のｘｚ平面断面図。
【図７】本発明の実施例２における位相板のｙｚ平面断面図。
【図８】本発明の実施例２における位相板の位相差特性を示す図。
【図９】本発明の実施例２における位相板の透過率特性を示す図。
【図１０】本発明の実施例２の変形例における位相板の概略図。
【図１１】本発明の実施例３における偏光変換素子の概略図。
【図１２】本発明の実施例４における位相板の斜視図である。
【図１３】図１２のｘｚ平面断面図である。
【図１４】図１２のｙｚ平面断面図である。
【図１５】実施例４の各格子材料のＴＥ偏光、ＴＭ偏光に対する有効屈折率を示す図である。
【図１６】実施例４の位相差特性を水晶の場合と比較して示す図である。
【図１７】実施例４のＴＥ偏光、ＴＭ偏光に対する透過率特性を示す図である。
【図１８】実施例４のＴＥ偏光、ＴＭ偏光に対する透過率の平均値を示す図である。
【図１９】実施例５の斜視図である。
【図２０】実施例５のｘｚ平面断面図である。
【図２１】実施例５のｙｚ平面断面図である。
【図２２】実施例５の位相差特性を水晶の場合と比較して示す図である。
【図２３】実施例５の透過率特性を示す図である。
【図２４】実施例６の光学系を示す図である。
【図２５】偏光方向が回転したときの位相変化に対する透過率特性を示す図である。
【図２６】実施例６の位相差特性を水晶の場合と比較して示す図である。
【図２７】実施例６の実質的な透過率特性を水晶の場合と比較して示す図である。
【図２８】実施例７の積層型位相板の概略構成図（斜視図）および製造工程図。
【図２９】実施例７の積層型位相板のｘｚ平面断面図。
【図３０】実施例７の積層型位相板のｙｚ平面断面図。
【図３１】実施例７の透過率特性を示すグラフ図。
【図３２】実施例７の位相差特性を示すグラフ図。
【図３３】実施例８の入射角度０°における積層型位相板の透過率特性を示すグラフ図。
【図３４】実施例８の入射角度０°における積層型位相板の位相差特性を示すグラフ図。
【図３５】実施例８の入射角度０°における積層型位相板の透過率特性を示すグラフ図。
【図３６】実施例８の入射角度２０°における積層型位相板の位相差特性を示すグラフ図。
【図３７】実施例９の積層型位相板を用いた反射型液晶ディスプレイの断面図。
【図３８】実施例１０の反射型液晶ディスプレイを用いた液晶プロジェクタの構成図。
【図３９】従来の１次元微細周期構造を示す図。
【図４０】従来の１次元微細周期構造を示す図。
【図４１】従来の水晶板における位相差特性を示すグラフ図。
【符号の説明】
１ 基板
２ 第１の格子
３ 第２の格子
４ 第３の格子
５ 基板
６ 第１格子
７ 第２格子
８ 第３格子
２１ 第１の基板
２２ 第１格子
２３ 第２の基板
２４ 第２の格子
【発明の属する技術分野】
本発明は、使用光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する格子構造が持つ構造性複屈折作用を利用した光学素子、およびこれを備えた光学変調素子、光学装置、画像表示装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、複屈折材料として知られているものとして、方解石、水晶などの結晶性材料、液晶材料、複屈折性を持つプラスチック材料、高分子材料などが挙げられる。これらの複屈折材料は、位相板（１／４波長板、１／２波長板）、ローパスフィルターなどに応用されている。最近では、液晶プロジェクタや液晶ディスプレイ、デジタルスチルカメラなどの製品において複屈折材料の重要性は高まっている。
【０００３】
一方、基板材料に使用光の波長よりも微細な周期の周期構造を作製することにより材料に複屈折を持たせることが可能である。ここで、使用光とは、素子に入射する光の中で、目的の効果を得ようとする波長領域の光を指す。例えば、可視光領域（波長０．４０μｍから０．７０μｍ）において使用する位相板の場合、位相板に入射させる光が白色光だとすると、位相板には波長０．４０μｍ以下の光や波長０．７０μｍ以上の光も入射することになる。しかし、この場合、位相板は波長０．４０μｍから０．７０μｍの光に対して所望の位相差を与えることができればよいので、このような場合、入射光と区別して、０．４０μｍから０．７０μｍの光を使用光とする。このように構造によって生じる複屈折は構造性複屈折としてよく知られている。（非特許文献１）
構造性複屈折の特徴としては、
▲１▼ 複屈折量を微細周期構造の設計により任意に制御することが可能である。
▲２▼ 従来の水晶などの複屈折と比較して大きな複屈折量を持つ、ことが挙げられる。
【０００４】
ここで、構造性複屈折作用を持つ一次元格子形状の例を図３９に示す。構造性複屈折を実現するためには、格子の周期方向Ａに対して屈折率の異なる２つの材料３１，３２を用いる。図３９においては、低屈折率材料３２として空気を用いているが、図４０のように屈折率の異なる格子材料４１，４２を多数貼り合わせた構造によっても実現できる。
【０００５】
図４０の例においては、屈折率の異なる２つの格子材料（格子材料４１および格子材料４２）を用いた構造性複屈折作用を有する構造を表わしている。
【０００６】
以上のような構造は、例えば、エッチング、電子ビーム描画、ＬＩＧＡプロセス、フォトリソグラフィー、多光束レーザー干渉法、多積層薄膜などの手法によって作製することが可能である。
【０００７】
また、一次元格子形状における複屈折量は、材料の屈折率、格子周期Λ、フィリングファクターＦＦを変数として制御可能である。フィリングファクターＦＦとは、格子形状を構成する２つの材料のうち、一方の材料の幅ｗの（図３９の場合は３１，３２、一方の３１の幅ｗ）、格子周期Λに対する割合でＦＦ＝ｗ／Λで表現される。常光及び異常光に対する見かけの屈折率（これ以降、有効屈折率と呼ぶことにする）の見積もりには、有効屈折率法（Effective Medium Theory：ＥＭＴ）を用いることが可能である。
【０００８】
しかしながら、従来技術である特許文献１には、光の波長の１／２以下の周期構造をもつ複屈折構造についての記載があるが、そこには複屈折構造の提供についてのみ記述されているだけで、波長依存性の小さい位相板についての記述は何らなされていない。
【０００９】
また、特許文献２には、多くの波長において位相差が合うような位相板についての記載があるが、位相板を構成する材料が多数の異方性結晶の結晶板を用いており、構造性複屈折を利用した位相板については記載されていない。
【００１０】
また、特許文献３においては、透過型位相格子についての提案はあるが、格子構造として一次元格子しか記載されていない。
【００１１】
また、特許文献４には、互いに屈折率の異なる第１の物質と第２の物質とを構造性屈折体として位相板に応用しているが、使用光束の方向と直交する面内において２つの材料を交互に配置することによって構造性複屈折を実現しており、また位相差の波長依存性の改善については何も述べられていない。
【００１２】
また、最近の学術論文（非特許文献２）では、一次元格子形状を用いた位相板についての記載があるが、一次元格子形状の表面に反射防止膜を付加した構造を有することで反射防止機能を付加しており、位相差を与える部分は格子部分のみで反射防止膜自体では位相差を与えない。従って、これは二種類以上の材料を格子部分に用いることで常光と異常光の位相差を実現するものではない。
【００１３】
【特許文献１】
特開平５−１０７４１２号公報
【特許文献２】
特開平５−３３３２１１号公報
【特許文献３】
特開平８−２５４６０７号公報
【特許文献４】
特開平９−１４５９２１号公報
【非特許文献１】
Born & Wolf, Principles of optics 6th edition, P.705
【非特許文献２】
H.Kikuta et al, Apply. Opt. Vol. 36, No.7, p.1566-1572, 1997
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
従来の複屈折材料においては、複屈折量の波長依存性を制御することが困難であったため、常光と異常光との位相差の波長依存性を制御することが困難であった。レーザーなどの単色光源を単一波長でのみ用いる場合には設計波長における位相差の最適化が可能であるが、白色光など様々な波長領域の光を扱う光学系においては、位相板に波長依存性がある場合には大きな問題となる。例えば、可視光領域の光を利用する液晶プロジェクタなどの場合には、液晶パネルや色分離素子において光学的な損失が生じ、システム全体の光利用効率の低下や画像の劣化の原因となる。
【００１５】
以上のことから、可視光領域において位相差の波長依存性が少ない位相板を用いることが、上記のような光学系において光利用効率の改善や画質の改善を図り、素子の薄型化を可能とする上で重要である。
【００１６】
そこで本発明は、上記従来例を考慮した上で、使用光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する光学素子であって、より高い性能を得るための新規な構成の素子を提供することを目的とする。
【００１７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するため、本発明では、使用する光の波長よりも微小な周期構造を有する構造体を様々な形態で積層させる光学素子を開示する。例えば、使用波長帯域内の少なくとも２つの波長で所望の位相差が得られる形態や、複数の構造体の周期方向を直交させた形態や、所定の偏光成分の各構造体の屈折率差を所定値以下とする形態を開示する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態の説明の前に、本発明の理解を助けるために、従来技術である水晶を用いた位相板について述べる。また、水晶の常光、異常光の屈折率に対応する値である微細周期構造の有効屈折率について述べる。
【００１９】
複屈折作用を利用した水晶を用いたλ／４板を例に挙げる。波長０．５８９３μｍにおける水晶の常光及び異常光の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）はそれぞれｎｏ＝１．５４４３，ｎｅ＝１．５５３４であり、屈折率差Δｎ＝０．００９１である。
【００２０】
ここで、λ／４板の設計手法としては、設計波長λ０＝０．５５μｍにおいてλ／４の位相差を与える水晶の厚さｄを、次の式（１）から算出する。
【００２１】
Δｎｄ＝λ０／４ （１）
その結果、水晶を用いたλ／４板は、厚さが１５．３μｍ必要であることがわかる。このときの位相板の特性を図４１に示す。横軸は波長、縦軸は常光と異常光との位相差を示している。図４１からわかるように、設計波長０．５５μｍにおいては位相差が９０°（λ／４）を満たしており、λ／４板としての性能を満たしているが、０．５５μｍより長波長側及び短波長側では、位相差は９０°からずれている。また、設計波長λから遠ざかるにつれ、位相差の９０°からのズレは大きくなっている。つまり、複屈折材料として水晶を用いたλ／４板は可視光領域において波長依存性を持つことを意味している。
【００２２】
水晶の場合、複屈折量は常光及び異常光の屈折率（ｎｏ、ｎｅ）を用いて屈折率差Δｎ＝ｎｏ−ｎｅに依存する。微細周期構造の場合、これに対応する値として、有効屈折率を用いる。具体的には、微細周期構造の格子の周期方向に対して垂直な偏光方向を有する偏光をＴＥ偏光、格子の周期方向と平行な偏光方向を有する偏光をＴＭ偏光とし、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光の有効屈折率をｎ（ＴＥ），ｎ（ＴＭ）と表す。この場合、屈折率差Δｎ＝ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ）となる。有効屈折率は、有効屈折率法（Effective Medium Theory：ＥＭＴ）を用いて算出することが可能である。
【００２３】
一次元の周期構造がもつ有効屈折率の算出方法は、Born & Wolf, Principles of optics 6th edition, P.706-707に記載されている。具体的には、以下の式で表される
ｎ（ＴＥ）＝｛ｎｓ２ＦＦ＋ｎｉ２（１−ＦＦ）｝１／２ （２）
ｎ（ＴＭ）＝｛（１／ｎｓ２）ＦＦ＋（１／ｎｉ２）（１−ＦＦ）｝−１／２（３）
ここで、ｎｓは微細周期構造を構成する２つの材料のうちの一方の材料の屈折率、ｎｉは他方の材料の屈折率である。ＦＦはフィリングファクターであり、格子周期Λに対する屈折率ｎｓの材料の周期方向の長さｗの割合（ＦＦ＝ｗ／Λ）で表される。また、屈折率差Δｎは、
Δｎ＝ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ） （４）
となる。
【００２４】
以上を踏まえた上で、以下に本発明の実施形態について説明する。
【００２５】
本発明の１つの実施形態では、使用する光の波長よりも微小な周期構造を有する構造体を様々な形態で積層させる光学素子を開示する。例えば、使用波長帯域内の少なくとも２つの波長で所望の位相差が得られる形態や、複数の構造体の周期方向を直交させた形態や、所定の偏光成分の各構造体の屈折率差を所定値以下とする形態を開示する。
【００２６】
まず、使用波長帯域内の少なくとも２つの波長で所望の位相差が得られる形態を説明する。
【００２７】
図４１に示した水晶の位相板は、位相差が９０°ちょうどとなる波長は設計波長１つである。そして、設計波長λから遠ざかるにつれ、位相差の９０°からのズレは大きくなっている。それに対し、本実施形態では設計波長を２つとしている。２つの設計波長において位相差を９０°（λ／４板の場合）とすることで、可視光の広い領域において位相差のズレを少なくし、位相差の波長依存性を向上させている。設計波長を２つにするためには、以下の条件を満足すればよい。
【００２８】
基板上に複数層積層された使用光の波長より短い周期の周期構造体において、前記複数層の周期構造体が、ｋ層（ｋ：１以上の整数）の前記基板と平行な第１方向に周期を有する周期構造体と、ｌ層（ｌ：０以上の整数）の前記第１方向と直交する第２方向に周期を有する周期構造体のときに、可視光領域の２つの設計波長λ１、λ２に対し、以下の式（５）を満足する
【外２】
Δｎｉ：i番目の第１方向に周期を有する周期構造体のλ１に対するＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率の差
ｄｉ：ｉ番目の前記第１方向に周期を有する周期構造体の層の厚さ
Δｎｊ：ｊ番目の前記第２方向に周期を有する周期構造体のλ１に対するＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率の差
ｄｉ：ｊ番目の前記第２方向に周期を有する周期構造体の層の厚さ
Δｎｉ’：ｉ番目の前記第１方向に周期を有する周期構造体のλ２に対するＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率の差
Δｎｊ’：ｊ番目の前記第２方向に周期を有する周期構造体のλ２に対するＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率の差
である。
【００２９】
（５）式は、以下のようにして求められる。
【００３０】
まず、厚さｄの格子の、λ１に対する屈折率差Δｎ、λ２に対する屈折率差Δｎ’とすると、
位相差φは、
【外３】
【外４】
まず、λ１に関して、第１方向に周期を有する周期構造が複数層（ｋ層）、あるとし、ｉ番目の層のＴＥ偏光とＴＭ偏光の屈折率差をｎｉ，厚さをｄｉとすると、これらの周期構造の各層のΔｎｄの和Δｎｄ（１）は、
【外５】
【外６】
【００３１】
仮に第１方向と第２方向が同一だとすると、λ１に対するΔｎｄは（８）式＋（９）式、つまりΔｎｄ＝Δｎｄ（１）＋Δｎｄ（２）となる。しかし、第１方向と第２方向は直交している。これはどういうことかというと、ある偏向方向の光が第１方向の周期構造でＴＥ偏光として入射して透過し、第２方向の周期構造に入射したとすると、第２方向の周期構造ではＴＭ偏光になるということである。つまり、ＴＥ偏光とＴＭ偏光が入れ替わることになる。
【００３２】
従って、ある特定の偏向方向の光に対して、第１方向の周期構造では
Δｎ＝ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ） （１０）
であったとすると、この光が第２方向の周期構造に入射すると
−ｎ（ＴＥ）＋ｎ（ＴＭ）＝−Δｎ （１１）
となる。従って、実際には、λ１に対するΔｎｄは（８）式−（９）式となる。従って、
【外７】
同様にして、λ２に対するΔｎ’ｄは、
【外８】
【００３３】
（１２）式、（１３）式を（７）式に代入して、
【外９】
【００３４】
次に、本発明の様々な実施形態を、詳細な実施例に基づき説明する。
【００３５】
【実施例】
［実施例１］
本実施例１の概略図を図１に示す。本実施例の光学素子は、微細周期構造を用いた位相板（λ／４板）である。図２は、図１の位相板の横方向からの断面図である。図２において、５は基板、１５は微細周期構造である一次元格子を表わしている。一次元格子１５は使用光の波長よりも周期の短い２つの周期構造からなる。入射側媒質１６は空気である。一次元格子１５には、屈折率及び分散の異なる材料からなる２つの周期構造を用いている。ここでは一例として、基板をＴａ２Ｏ５、基板側から第１の周期構造６（以下、第１格子６と称する）をＴａ２Ｏ５（屈折率ｎ１＝２．１３９）、第２の周期構造７（以下、第２格子７と称する）をＳｉＯ２（屈折率ｎ２＝１．８）で構成した。第１及び第２格子の周期Λは０．１６μｍ、第１格子６の厚みｄ１を０．３９μｍ、第２格子７の厚みｄ２を０．１０μｍとし、フィリングファクターＦＦ（＝ｗ／Λ）を０．８５とした。このような構造は、例えばエッチングなどの手法によって作製が可能である。ここでは、可視光領域において０次以外の高次の回折光が発生しない、すなわち格子構造が０次格子として振舞う格子周期にした。
【００３６】
格子が０次格子として振舞う格子周期条件は、文献（E.B.Grannetal, J.Opt.Soc.Am. AVol. 13, No.5, p988-992, 1996）に記載されており、以下の式（１５）で与えられる。
【００３７】
（Λｍａｘ）＝（λｍｉｎ）／（ｎｓ＋ｎｉ｜ｓｉｎθｉ｜） （１５）
ここで、Λｍａｘは０次格子として振舞う格子周期の最大値、λｍｉｎは入射波長の最小値、ｎｓは一方の格子材料の屈折率、ｎｉは他方の格子材料の屈折率、θｉは入射角を示す。入射波長λｍｉｎ＝０．４０μｍ、一方の格子材料をＴａ２Ｏ５（ｎｓ＝２．１３９）、他方の格子材料を空気（ｎｉ＝１．０００）、入射角θｉ＝０とした場合、Λｍａｘは、約０．１８７μｍとなり、格子周期Λ１及びΛ２が０．１６μｍの時には０次格子として振舞うことがわかる。また、ベクトル解析である厳密波結合理論を用いた厳密な透過・反射率計算からも高次の回折光が発生しないことを確認している。
【００３８】
０次以外の高次回折光が発生するような格子周期を採用した場合には、０次光の回折効率が低下し光学系の光利用効率が低下するばかりでなく、高次の回折光がゴーストやフレアとして現れ、光学性能を著しく劣化させることが予想される。このため、０次格子として振舞う格子周期が望ましい。また、位相板の設計には有効屈折率法（ＥＭＴ）にて算出したｎ（ＴＥ）及びｎ（ＴＭ）を用いて屈折率差Δｎを算出し、設計初期値を見積もった。ここでは２つの格子を使用しているため、第１格子６及び第２格子７に対する屈折率差をそれぞれΔｎ１、Δｎ２とし、格子厚みをそれぞれｄ１、ｄ２とすると、つぎの式（１６）
Δｎ１×ｄ１＋Δｎ２×ｄ２＝λ／４ （１６）
を、可視光領域においてほぼ満たすような格子形状を採用した。本実施例では、Δｎ１＝０．２８４、Δｎ２＝０．１４７である。最終的には、ベクトル解析（厳密結合波解析）によって反射・透過率および位相差を厳密に算出した。
【００３９】
本実施例のλ／４板の位相差特性を図３に示す。図３において横軸に波長、縦軸に位相差をとっている。従来の水晶を用いた波長板と比較すると位相差を表わす直線の傾きが小さく、０．５０μｍ以下の短波長領域にて特性が平坦になっていることが特徴であり、位相差の波長依存性が改善されている。また、本実施例の位相板の透過率特性を図４に示す。横軸に波長、縦軸に透過率をとっている。水晶板を用いた位相板の可視光領域における透過率がおよそ９５％であるのに対して、本実施例の位相板においては可視光領域のほぼ全域において透過率９７％以上となっており優れた透過率特性を実現している。更に、格子材料の屈折率、格子周期、格子厚み、フィリングファクターを変数として位相差を制御することができるため、様々な特性の位相板を設計することが可能である。
【００４０】
本実施例においては、格子の材料としてＴａ２Ｏ５とＳｉＯ２を用いたが、格子材料はこれに限定するものではなく、屈折率および分散の異なる２種類以上の材料を用いれば何ら問題はない。また、入射側媒質である空気に最も近い格子（実施例１においては第２格子７）の材料がそれ以外の格子（実施例１においては第１格子６）の材料に比べて低い屈折率である。また、基本的な機能及び性能を有するような条件を満たしさえすれば、格子の材料としてどのような屈折率の材料の組み合わせ（高屈折率材料と低屈折率材料の組み合わせ）を用いても構わない。ここで、大きな構造性複屈折を実現するためには屈折率差を大きくとることが必要であり、低屈折率材料として、空気を用いた場合に最も大きな構造性複屈折が得られる。
【００４１】
また、実施例１における第１格子６と第２格子７のように、格子全体が複数の材料で構成されている。実施例１では２種類の材料を用いて第１格子６、第２格子７を設けたが、３種類以上の材料を用いて第１格子、第２格子、第３格子・・・・と３つ以上の格子を有する微細周期構造を形成しても構わない。
【００４２】
［実施例２］
次に、実施例２について述べる。
【００４３】
実施例２の概略図を図５に示し、図５のｘｚ平面断面図を図６に、ｙｚ平面断面図を図７に示す。
【００４４】
図５、図６、図７においては格子形状を横方向に拡大した模式図を表わしているため実際の形状とは異なる場合があるため注意が必要である。図５に示した本実施例２は３つの格子からなる構造の位相板（λ／４板）である。この実施例２では、第１格子６と、第２格子７及び第３格子８との格子の周期方向が直交していることが特徴である。これ以降、このような構成の位相板を積層型位相板と呼ぶ。この場合は積層型λ／４板である。本実施例では、基板５をＴｉＯ２、入射側媒質１６を空気とした。最も基板側の第１格子６は材料をＴｉＯ２、格子周期Λ１を０．１５μｍ、格子深さｄ１を１．８５μｍ、フィリングファクターＦＦ１（＝ｗ１／Λ１）を０．９０とし、２段目の第２格子７は材料をＴｉＯ２、３段目の第３格子８は材料をＳｉＯ２とし、第２格子７及び第３格子８は、格子周期Λ２を０．１５μｍ、フィリングファクターＦＦ２（＝ｗ２／Λ２）を０．８２とし、第２格子７の格子深さｄ２を１．７５μｍ、第３格子８の格子深さｄ３を０．１０μｍとした。格子周期Λ１およびΛ２は、可視光領域において０次格子として振舞うような格子周期とした。
【００４５】
ここで、設計手法としてＥＭＴを用いて各格子における有効屈折率を算出した。
まず１段目の第１格子６における常光と異常光の屈折率差Δｎ１は、つぎの式（１７）
Δｎ１＝ｎ１（ＴＥ）−ｎ１（ＴＭ） （１７）
によって与えられる。
【００４６】
一方、第２格子７においてＴｉＯ２が与える屈折率差Δｎ２及び第３格子８においてＳｉＯ２が与える屈折率差Δｎ３は同様に、つぎの式（１８）及び式（１９）
Δｎ２＝ｎ２（ＴＥ）−ｎ２（ＴＭ） （１８）
Δｎ３＝ｎ３（ＴＥ）−ｎ３（ＴＭ） （１９）
によって与えられる。ただし、ここで注意するべきなのは、第１格子と、第２及び第３格子の格子構造の周期方向が直交するので、第１格子６の格子構造におけるＴＥ偏光は第２及び第３格子の格子構造７，８ではＴＭ偏光に、第１格子６の格子構造におけるＴＭ偏光は第２及び第３格子の格子構造７，８ではＴＥ偏光となる。このような屈折率の与え方の違いは、異方性結晶における正結晶と負結晶との違いに相当するものである。
よって、つぎの式（２０）
Δｎ１×ｄ１−Δｎ２×ｄ２−Δｎ３×ｄ３＝１／４λ （２０）
を可視光領域の２つの波長で満たすような解を式（５）より算出して採用し、最終的にはベクトル解析である厳密結合波解析によって反射・透過率及び位相差を厳密に算出した。
【００４７】
図８に実施例２における積層型λ／４板の位相差特性を示す。横軸は波長を、縦軸は位相差を表わしている。従来の水晶結晶板を用いたλ／４板と比較すると、積層型λ／４板においては位相差が略９０°の波長領域が広帯域化しており、波長依存性が改善されている。また、透過率特性を図９に示す。横軸は波長を、縦軸は透過率を示している。可視光領域のほぼ全域において９６％以上の高い透過率で、優れた透過率特性を実現している。更に、格子材料の屈折率、格子周期、格子厚み、フィリングファクターを変数として位相差を制御することができるため、様々な特性の位相板を設計することが可能である。
【００４８】
実施例２においては、格子材料として、ＴｉＯ２とＳｉＯ２の２種類を用いたが、これに限定するものではなく、屈折率および分散の異なる２種類以上の格子材料を用いれば何ら問題はない。また、本実施例においては、第１格子６及び第２格子７の材料として共にＴｉＯ２を用いたが、これに限定するものではなく、第１の格子６と第２の格子７の格子材料としてＴｉＯ２以外の格子材料を用いても良いし、第１格子６と第２格子７の格子材料として屈折率の異なる材料を用いても何ら差し支えない。更に付け加えるならば、入射側媒質である空気１６に最も近い格子（実施例２においては第３格子８）の格子材料は、他の格子（実施例２においては第１格子、第２格子）に比べ屈折率が低い材料を用いた。基本的な機能及び性能を有するような条件を満たしさえすれば、格子の材料としてどのような屈折率の材料の組み合わせ（高屈折率材料と低屈折率材料の組み合わせ）を用いても構わない。
【００４９】
ここで、実施例２の変形例を図１０に示す。図１０は、基板５の上に、基板側から第１格子６、第２格子７、第３格子８、第４格子９を設けた位相板の実施例である。このように、基板の上に格子を４つ積層して位相板を構成しても良い。ここでは、基板及び第１〜３格子をＴｉＯ２、第４格子をＳｉＯ２で作成した。しかしながら、第１〜３格子は異なる材料で構成しても構わない。また、第１〜３格子は、フィリングファクターが同じであっても異なるようにしても構わない。
【００５０】
［実施例３］
実施例３として、偏光変換素子において使用されているλ／２板を例に挙げる。液晶プロジェクタなどに搭載されている偏光変換素子において、光源からの無偏光の白色光は、偏光ビームスプリッタを用いて偏光方向が互いに９０°異なる２つの直線変更に変換される。このとき、光利用効率を向上させるために、一方の偏光方向を９０°回転させ、他方の偏光と偏光方向をそろえ、両者を同一方向に出射させている。そして、偏光方向を９０°回転させる為にλ／２板が使用されている。従来のλ／２板においては屈折率差の波長依存性があった。
【００５１】
本実施例におけるλ／２板を偏光変換素子に用いた例を図１１に示す。偏光ビームスプリッタ１２に入射した、光源からの無偏光の白色光は、偏光ビームスプリッタを透過したｐ偏光と、偏光ビームスプリッタで反射したｓ偏光とに分離する。分離した２つの偏光のうち、ｐ偏光は、λ／２板を透過し、ｓ偏光となる。そして、偏光ビームスプリッタを反射し、ミラー１１を反射したｓ偏光と同一方向に射出する。従来と比較して、位相差の波長依存性が少なく、設計波長以外の波長においても光利用効率の高い光学系を実現できる。このため、明るさの向上及び画質の向上により従来以上に高性能な液晶プロジェクタの実現が可能である。また、材料としてＴｉＯ２などの誘電体材料を用いることによって、熱による体積膨張や屈折率の変化を小さく抑えることができ安定した性能を発揮できるという利点がある。また、構造性複屈折がもつ大きな複屈折量による素子の薄型化が可能である。更に、格子材料の屈折率、格子周期、格子厚み、フィリングファクターを変数として位相差を制御することができるため、様々な特性の位相板を設計することが可能で、使用用途に最適な性能を実現することができる。
【００５２】
また、本実施形態における位相板の応用例は偏光変換素子に限定するわけではなく、例えば、実施例３の偏光変換素子を有する液晶プロジェクタ（画像表示装置）や、液晶プロジェクタと、それに画像情報を送信する画像送信手段（テレビやパーソナルコンピューターやデジタルカメラ等）を有する画像表示システムなどに適用しても構わない。勿論、それに限らず、λ／２板、λ／４板等を有する様々な光学機器・デバイスへの応用が可能である。
【００５３】
また、本実施例においては、格子構造（微細周期構造）として、格子材料と空気が周期方向に交互に配列された構造を用いたが、本発明はこれに限らず、第１の格子材料と空気以外の第２の格子材料を周期方向に交互に配列して、格子を構成してもかまわない。
【００５４】
［実施例４］
次に、実施例４について述べる。
【００５５】
図１２は実施例４の積層型位相板の構成を示す斜視図、図１３はそのｘｚ平面の断面図、図１４はｙｚ平面の断面図である。図中１は基板、２は基板１上に一次元に一定周期で配列された第１格子である。また、３は第１格子２の周期方向に対し直交する方向に一定周期で配列された第２格子３である。第２格子３は格子３ａと格子３ｂの屈折率の異なる２種類の材料を積層して構成されている（本実施例では、３ａ、３ｂの二つの格子をまとめて１つの１次元格子として扱い、第２格子と呼ぶことにする）。第１及び第２格子２，３の２つの１次元格子は、各々高屈折率材料（格子部分）と低屈折率材料（空気）とが交互に配列された構造となっている。また、第１及び第２格子２，３の周期は入射波長（ここでは可視光）よりも小さくなっている。なお、入射側媒質として、ここでは空気としているが、ガラス等のカバーを用いて入射側媒質としてもよい。
【００５６】
また、第１格子２の幅はＷ１、深さ（厚み）はｄ１、格子の周期はΛ１である。第２格子３の幅はＷ２、格子周期はΛ２である。第２格子３のうち格子３ａの深さ（厚み）はｄ３、格子３ｂの深さ（厚み）はｄ２である。
【００５７】
ここで、本実施例では、一次元格子を２段積層した構造のλ／４板を示しており、第１格子２と第２格子３の格子の周期方向が直交していることが特徴である。以下、本実施例では、この構成を二段積層型λ／４板という。この二段積層型λ／４板の一例として、第２格子３を構成する二種類の材料について、格子３ａとしてＳｉＯ２、格子３ｂとしてＴａ２Ｏ５を用い、第１格子２を構成する格子材料としてＴａ２Ｏ５を用いている。格子周期Λ１及びΛ２は０．１６μｍとし、Λ１及びΛ２は、可視光領域において０次以外の高次の回折光が発生しない条件、即ち、０次格子として振舞うような格子周期としている。
【００５８】
本実施例では、第１格子と、第２格子２，３の周期方向が直交するので、第１格子２における屈折率差をΔｎ１、第２格子３における屈折率差をΔｎ２とする。
【００５９】
よってλ／４板の場合、次式、
Δｎ１×ｄ１−Δｎ２×ｄ２−Δｎ３×ｄ３＝λ／４ （２１）
を可視光領域の２つの波長において満たすような解を採用している。ここで、式（２１）を２つの波長において満たすような解は無数に存在するが、素子製造の観点から見ると、フィリングファクターＦＦと格子深さが適当な値をとるようにすることが望ましい。一般的に、フィリングファクターＦＦが極端に小さく、且つ、格子深さが深い場合、格子構造が倒れやすくなり製造が困難である。よって、ＦＦは０．２０から０．９５程度の範囲内の値をとることが望ましい。
【００６０】
更に、付け加えるならば、本実施形態において、第１格子２のフィリングファクターＦＦ１がとりうる範囲は概ね０．７５以上０．９０以下の範囲、第２格子３のフィリングファクターＦＦ２がとりうる範囲は概ね０．３０以上０．７０以下であることが望ましい。一例として具体的な値を挙げると、位相差１／４λを満たすためには、ＦＦ１＝０．８１、ＦＦ２＝０．６０の場合、格子材料の深さとしてそれぞれｄ１＝１．０７μｍ、ｄ２＝０．３１μｍ、ｄ３＝０．１０μｍ程度の厚みが必要である。但し、必ずしもこの値と一致しなければ位相差１／４λを実現できないわけではなく、基本的な性能を満たす範囲であるならば、ここに示した値よりも大きな値、あるいは小さな値をとっても良い。
【００６１】
次に、式（２１）に示した位相差条件を満たし、且つ、素子の反射率を低減するための例について説明する。ここで目的とすることは、位相差１／４λを満たし、且つ、使用光の各偏光方向に対して反射率が低減できる位相板を実現することである。格子構造は二段積層型λ／４板とし、格子材料はＳｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ１＝Λ２＝０．１６μｍとし、変数としてフィリングファクターＦＦ１，ＦＦ２、格子深さｄ１，ｄ２，ｄ３とする。
【００６２】
本実施例の２段積層型λ／４板は、一方の偏光方向に対しては、入射側媒質から基板１に向かって有効屈折率が徐々に高くなっていくような屈折率分布であり、もう一方の偏光方向に対しては、２層積層された第１格子と第２格子間の屈折率差が小さくなるような屈折率を実現していることを特徴としている。
【００６３】
この場合、例えば、ＦＦ１＝０．８１、ＦＦ２＝０．６０とする。フィリングファクターの組み合わせは無数に存在するが、二つの格子深さが極端に大きくならない値を選択したほうが作製しやすいので留意したほうが望ましい。格子深さは、ＦＦ１及びＦＦ２を用いて算出される有効屈折率と、（４）から（７）式を用いて算出することができる。本実施例においては、格子深さが極端に深くならない構成として、ＦＦ１がとりうる範囲は概ね０．７５以上０．９０以下の範囲、ＦＦ２がとりうる範囲は０．３０以上０．７０以下であることが望ましい。
【００６４】
この時の各偏光に対する有効屈折率を図１５に示す。但し、直交する格子でＴＥ偏光とＴＭ偏光が入れ替わることを考慮し、混乱を避けるために、ここでは第１格子２の周期と直交する方向をＡ方向、第１格子２の周期と平行な方向をＢ方向とする。そして、各格子のＡ方向の偏光の有効屈折率をｎ（Ａ）、Ｂ方向の偏光の有効屈折率をｎ（Ｂ）とする。つまり、第１格子２において、ｎ（Ａ）＝ｎ（ＴＥ）となるが、第２格子３においてはｎ（Ａ）＝ｎ（ＴＭ）となる（図１２参照）また、図１５において、ｎｉは入射側媒質（ここでは空気）、ｎ１は第１の格子２、ｎ２は第２の格子３における格子３ｂ、ｎ３は第２の格子３における格子３ａ、ｎｓは基板、の各屈折率を示す。
【００６５】
はじめに、ｎ（Ａ）について考えると、ＥＭＴから算出した有効屈折率（λ０
＝ｄ線）を詳しくみると、
ｎｉ（Ａ）＝１（ａｉｒ）、
ｎ３（Ａ）＝１．２３０、
ｎ２（Ａ）＝１．４３６、
ｎ１（Ａ）＝１．９９３、
ｎｓ＝２．１３９、
となっており、入射側から基板方向に向かって屈折率が徐々に高くなる屈折率分布になっている。このような屈折率分布をとることにより、基板表面でのフレネル反射を低減し広帯域で反射防止効果が得られる。これは、例えば、傾斜膜を用いて屈折率が徐々に変化する屈折率分布を実現したときに得られる反射防止効果と同様である。
【００６６】
次に、ｎ（Ｂ）に対して考えると、ＥＭＴから算出した有効屈折率は、
ｎｉ（Ｂ）＝１（ａｉｒ）、
ｎ３（Ｂ）＝１．３１３、
ｎ２（Ｂ）＝１．８２３、
ｎ１（Ｂ）＝１．７３３、
ｎｓ＝２．１３９、
となっており、ｎ１（Ｂ）とｎ２（Ｂ）の屈折率差（即ち、格子間における屈折率差）が小さい構成となっている。ここでのｎ１（Ｂ）とｎ２（Ｂ）との屈折率差は０．０９という値となっており、ほぼ一致している。なお、屈折率差は完全なゼロである必要はなく、おおよその目安として望ましくは屈折率差が０．１程度、あるいは、０．２程度前後の値を満たしていることが望ましい。このように、ＴＭ偏光に関しては、複数積層された格子間の屈折率の差がＴＥ偏光に比べて小さくなっている。また、ここで、差の小さいｎ１（Ｂ）とｎ２（Ｂ）をほぼ同じ屈折率と考えると、ｎ１とｎ２との間で生じるフレネル反射を低減することができる。また、このようにｎｉ（Ｂ）＜ｎ３（Ｂ）＜ｎ２（Ｂ）≒ｎ１（Ｂ）＜ｎｓ（Ｂ）という屈折率分布をとることで反射防止効果が得られる。
【００６７】
ここで、ｎ３の光学膜厚を最適に設計するとさらに反射防止効果が得られる。具体的には、第２格子３における格子３ａの厚みｄ３を設計波長の１／４程度の光学膜厚にすることで、ＴＭ偏光に対する反射防止効果が得られる。但し、ｎ３の膜厚ｄ３はＴＥ偏光に対する反射率にも影響を与えるので、実際には、ＴＥ偏光とＴＭ偏光に対する反射率を両立するような膜厚とすることが重要であり、設計値の目安として設計波長の１／４に近い値とすることが望ましい。
【００６８】
なお、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の有効屈折率の関係は逆であっても成立する。つまり、ＴＥ偏光に関して格子間の有効屈折率の差が小さく、且つ、ＴＭ偏光に関しては入射側媒質から基板に向かって有効屈折率が徐々に高くなるような構成をとっても同様の効果が得られる。
【００６９】
更に、有効屈折率は、格子周期Λ、格子のフィリングファクターＦＦによって制御することが可能であるため、格子材料の屈折率によらず、有効屈折率をある程度の範囲で制御可能である。よって、以上のような有効屈折率を実現するための格子材料の積層順番を必ずしも限定する必要はない。
【００７０】
また、基板材料の屈折率ｎｓと基板上の格子の有効屈折率ｎ１（ＴＥ）（もしくはｎ１（ＴＭ））の屈折率差が大きいと境界面で生じるフレネル反射によって反射率が増加するため、ｎｓとｎ１（ＴＥ）（もしくはｎ１（ＴＭ））の屈折率差が小さいほうが望ましい。但し、ここで注意しなければならないことは、一次元格子形状においては屈折率に異方性を持っているためｎ１（ＴＥ）とｎ１（ＴＭ）とは同じ屈折率をとることは原理的にあり得ない。よって、ＴＥ方向に対する屈折率差ｎｓ−ｎ１（ＴＥ）とＴＭ方向に対する屈折率差ｎｓ−ｎ１（ＴＭ）を同時にゼロとすることはできない。そのため、ＴＥ・ＴＭ両方の偏光方向に対して反射防止効果を得るためには、ＴＥ偏光に対する屈折率差ｎｓ−ｎ１（ＴＥ）とＴＭ方向に対する屈折率差ｎｓ−ｎ１（ＴＭ）の値が両方小さくなるように設定することが望ましい。
【００７１】
次に、格子深さについて述べる。位相差については位相差Δｎｄが１／４λを満たすような深さが必要であるが、それと同時に反射防止効果が得られるような格子深さとする必要がある。反射防止効果を得るためには、一般的に、膜厚ｎｄが波長λ０に対して１／４λ０の整数倍であることで実現することが可能であるから設計の目安にすると良い。
【００７２】
位相差条件から求めた設計初期値を元に上記手法を用いて求めた偏光方向に依存しない反射防止効果を得る格子形状を求めたところ、以下に示すような結果が得られた。即ち、二段積層型λ／４板の一例として、第２格子３における格子３ａの材料としてＳｉＯ２、格子３ｂの材料としてＴａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ２を０．１６μｍ、格子深さｄ３を０．１０μｍ、格子深さｄ２を０．２４μｍ、フィリングファクターＦＦ２（＝ｗ２／Λ２）を０．６０とする。また、第１格子２の格子材料としてＴａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ１を０．１６μｍ、格子深さｄ１を０．９６μｍ、フィリングファクターＦＦ１（＝ｗ１／Λ１）を０．８１とする。格子周期Λ１及びΛ２は、可視光領域において０次以外の高次の回折光が発生しない条件、即ち、０次格子として振舞うような格子周期とする。
【００７３】
図１６に実施例４における二段積層型λ／４板の位相差特性を示す。図１６では水晶の位相差特性も併せて示している。横軸は波長、縦軸は位相差を表わしている。従来の水晶結晶板を用いたλ／４板と比較すると、二段積層型λ／４板においては位相差が略９０°の波長領域が広帯域化している。また、誤差範囲は、９０°に対して−５°から＋１０°程度に抑えられ、波長依存性が改善されていることが注目すべき点である。
【００７４】
また、透過率特性を図１７及び図１８に示す。ここでは、ベクトル解析である厳密結合波解析によって反射・透過率及び位相差を厳密に算出している。図１７はＴＥ偏光及びＴＭ偏光に対する透過率特性を示している。横軸は波長を、縦軸は透過率を示しており、ＴＥ・ＴＭ偏光の両方に対して優れた透過率特性が得られていることがわかる。また、図１８は各偏光方向に対する透過率の平均値を示す。可視光領域のほぼ全域において約９７％以上の高い透過率が得られ、優れた性能を実現している。
【００７５】
なお、ここではλ／４板を例に挙げたが、本発明はこれに限定するものではなく、格子材料の屈折率、格子周期、格子深さ、フィリングファクターを変数として位相差を制御することが可能で、且つ、反射防止効果も得られるため、例えば、λ／２板等様々な特性の位相板に適用することが可能である。
【００７６】
また、本実施例においては、第２格子３の２種類の格子材料としてＴａ２Ｏ５とＳｉＯ２を用いたが、これに限定するものではなく、屈折率及び分散の異なる２種類以上の格子材料を用いれば何ら問題はない。更に、本実施形態においては、第１格子２と第２格子３の格子３ｂの材料として共にＴａ２Ｏ５を用いているが、これに限定するものではなく、Ｔａ２Ｏ５以外の材料を用いても良いし、第１格子と第２格子の格子３ｂの材料として屈折率の異なる材料を用いても何ら差し支えない。また、基本的な機能及び性能を有するような条件を満たしさえすれば、第１格子及び第２格子の格子３ａ、格子３ｂの材料としてどのような屈折率の材料の組み合わせを用いても構わない。また、第２格子全体が複数の材料で構成されている方が好ましく、本実施例では２種類の材料を用いて第２格子３を形成したが、３種類以上の材料を用いても構わない。
【００７７】
［実施例５］
次に、実施例５について説明する。図１９は実施例５の構成を示す斜視図、図２０はそのｘｚ平面の断面図、図２１はそのｙｚ平面の断面図である。図中１は基板、２は基板１上に一次元に一定周期で配列された第１格子、３は第１格子２の周期方向に対して直交する方向に一定周期で配列された第２格子である。また、第２格子３上に第２格子３の周期方向に直交する方向に第３格子４が一定周期で配列されている。第３格子４は格子４ａと格子４ｂの、屈折率の異なる２種類の材料を積層して構成されている（本実施例では、４ａ、４ｂの二つの格子をまとめて１つの１次元格子として扱い、第３格子と呼ぶことにする）。第１〜第３格子による１次元格子構造は、それぞれの周期構造の周期方向に各々高屈折率材料（格子部分）と低屈折率材料（空気）が交互に配列された構成となっている。また、第１〜第３格子２〜４の格子周期は、実施例４と同様に入射波長（可視光）よりも小さい。入射側媒質としては、例えば、空気としているが、ガラス等のカバーを用いて入射側媒質としてもよい。
【００７８】
また、第１格子２の格子の幅はＷ１、深さ（厚み）はｄ１、格子周期Λ１である。第２格子３の格子の幅はＷ２、深さ（厚み）はｄ２、格子周期はΛ２である。第３格子４の格子の幅はＷ３、格子周期はΛ３であり、そのうち格子４ａの深さ（厚み）はｄ４、格子４ｂの深さ（厚み）はｄ３である。
【００７９】
実施例５は、一次元格子を３段積層した構造のλ／４板であり、第１格子２と第２格子３が、そして第２格子３と第３格子４が、それぞれ周期方向が直交していることが特徴である。第１格子２の材料としてＴａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ１を０．１６μｍ、厚みｄ１を０．５６５μｍ、フィリングファクターＦＦ１（＝Ｗ１／Λ１）を０．８１としている。第２格子３の材料としてＴａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ２を０．１６μｍ、厚みｄ２を０．１９０μｍ、フィリングファクターＦＦ２（＝Ｗ２／Λ２）０．６としている。第３格子４における格子４ａの材料としてＳｉＯ２を、格子４ｂの材料としてＴａ２Ｏ５を用い、格子周期Λ３を０．１６μｍ、格子４ａの厚さｄ４を０．１００μｍ、格子４ｂの厚さｄ３を０．２５０μｍ、フィリングファクターＦＦ３（＝Ｗ３／Λ３）を０．８１としている。格子周期Λ１、Λ２及びΛ３は、可視光領域において０次以外の高次の回折光が発生しない条件、即ち、０次格子として振舞うような格子周期としている。
【００８０】
第１〜第３格子の有効屈折率は実施例４と同様である。即ち、ｘ軸方向の偏光に関して、入射側媒質側から、第３格子４の格子４ａ、格子４ｂ、第２格子３、第１格子２と基板側へ向かうにつれ、有効屈折率が高くなっている。また、ｙ軸方向の偏光に関しては複数積層された格子間、即ち、第３格子４の格子４ｂと第２格子３、第２格子３と第１格子２の有効屈折率の差が小さくなっている。この屈折率の差は前述のように０である必要はなく、０．１あるいは０．２程度前後であればよい。もちろん、ＴＥ偏光とＴＭ偏光の有効屈折率の関係は第１の実施形態の場合と同様に反対の関係であってもよい。
【００８１】
実施例５の三段積層型λ／４板の位相差特性を図２２、透過率特性（偏光平均）を図２３に示す。図２２では水晶の場合の特性を併せて示している。図２２から位相差の波長依存性が小さく、９０°からの誤差範囲は−１０°から＋１０°程度に抑えられていることは特筆すべきことである。また、図２３から分かるように優れた透過率特性が実現でき、可視領域において概ね９５％以上の透過率を実現している。三段積層型の場合は二段積層型に比べ、格子材料の厚みを更に薄くすることが可能であり、一つ一つの格子構造を作製することが容易になると期待できる。
【００８２】
［実施例６］
次に、実施例６について説明する。実施例６は、実施例４の位相板を用いた光学系の実施形態である。図２４は実施例６を示す図であり、実施例４の位相板をダブルパスで用いた場合の光学系を示している。図２４において、１９は実施例４の位相板（λ／４板）、２０はミラーである。また、１７は使用光、１８は出射光（観測する光）である。ここでは、偏光方向の揃った使用光（直線偏光）１７が積層型λ／４板１９に入射し、円偏光に変換された後、ミラー２０で反射され、再び積層型λ／４板１９に入射し、出射した光１８の偏光方向が使用光１７に対して９０°回転する。
【００８３】
ここで、偏光方向が回転した時の光の透過率については、以下に示す式（２２）で算出することができる。
【００８４】
Ｔ＝ｃｏｓ２（Γ／２−π／２） （２２）
Ｔは偏光の回転を考慮した場合の透過率、Γは位相差である。この式について横軸を位相差Γ、縦軸を透過率Ｔとして表わしたグラフを図２５に示す。透過率Τについて補足すると、ダブルパス光学系に入射する直線偏光１７の光強度を１とした場合、ダブルパス光学系を通って出射した偏光方向が回転した光１８に対して、入射する直線偏光に９０°直交する偏光子を通して観測した光強度の割合を表わしている。具体的にはダブルパス光学系の使用光１７と出射光１８との位相差が１８０°である時は、観測される出射光１８の偏光方向は入射する直線偏光１７の偏光方向に対して丁度９０°回転した偏光であるので、使用光に対して観測される光強度の割合は、１／１＝１となる。
【００８５】
また、ここで注意すべき点は、式（２２）で算出される透過率においては位相板素子の表面反射や多重反射による反射光は考慮されていない。よって、実質的な透過率を検討するためには、位相板素子の表面反射・多重反射を考慮した透過率と式（２２）から得られる、偏光の回転を考慮した透過率を同時に考える必要がある。以上のことからダブルパスを用いた光学系における実質的な透過率は、位相板がもつ透過率と式（２２）から算出される偏光の回転による透過光強度損失を考慮した透過率との掛け算によって評価できる。
【００８６】
実施例６のダブルパス光学系における位相差特性を図２６に示す。図２６では水晶の位相差特性も併せて示す。従来の水晶板と比較して、波長依存性が小さく抑えられていることがわかる。また、上記手法によって算出した実質的な透過率を図２７に示す。図２７には比較のために従来の水晶を用いたλ／４板における実質的な透過光強度も同時に示している。従来の水晶λ／４板におけるフレネル反射は、水晶の屈折率（ｎ＝１．５５）を用いて算出される値を計算に用い、透過率９５％として算出している。
【００８７】
また、水晶厚みは設計波長λ０＝０．５５μｍで位相差９０°を実現できる値とし、厚みｄ＝１５．３μｍとしている。従来の水晶λ／４板を用いた場合には、位相差の波長依存性の影響を大きく受け、設計波長付近での実質的な透過率は優れた特性を有しているが、短波長側及び長波長側において実質的な透過率が減少していることがわかる。これは、図２６に示すように水晶においては位相差の波長依存性が大きな問題となっているためである。
【００８８】
一方、実施例６の二段積層型位相板を用いたダブルパス光学系の場合には、位相差の波長依存性を大幅に改善でき、各偏光方向に対する反射率を低減した構成をとっているので、可視領域全域（概ね０．４μｍから０．７μｍの範囲）において、概ね９６％以上の優れた透過率を実現することが可能である。
【００８９】
このようなダブルパスを用いた光学系は、例えば、反射型カラー液晶表示装置等に使用が可能である。従来のλ／４板を用いた場合と比較して、本発明における積層型位相板を用いた場合は、位相板そのものの反射率を低く抑えることが可能であり、光損失が小さいばかりでなく、従来の位相板と比較して波長依存性が小さく抑えられているため色再現性が非常に優れ、画質の向上が期待できる。更に、格子材料として誘電体材料を用いることで熱による体積膨張や屈折率変化を小さく抑えることが可能となり、安定した性能を発揮することが可能である。また、構造性複屈折がもつ大きな複屈折量により素子の薄型化が期待できる。更に付け加えるならば、位相板の基板１としてＡｌ等の金属を用いるか、あるいは誘電体多層膜を用いて作製した広帯域反射膜の上に本実施例の積層型位相板を作製することによって位相板１９とミラー２０を一体化して素子の一体化、薄型化も可能である。
【００９０】
［実施例７］
次に、実施例７の積層型位相板について説明する。本実施例の積層型位相板は、基板と格子からなる格子型素子部を複数個、互いの格子面が向かい合うように積層したことを特徴としている。
【００９１】
図２８から図３０は、実施例７の位相板の概略構成を示している。なお、図２８（Ａ）は上記位相板の斜視図であり、図２８（Ｂ）は上記位相板の製作工程を示している。図２９は上記位相板のｘｚ平面の断面図であり、図３０はｙｚ平面の断面図である。
【００９２】
この位相板は、第１の基板２１と、入射する光の波長よりも微小な格子周期を有する第１格子２２と、入射する光の波長よりも微小な格子周期を有し、周期方向が第１格子２２の周期方向に対して略直交する第２格子２４と、第２の基板２３とをこの順で積層した構成を有する。
【００９３】
具体的な製造方法としては、例えば、第１および第２の基板２１，２３上にそれぞれ高さ（深さ）ｄ１，ｄ２を有する格子２２，２４を、エッチング、電子ビーム描画、ＬＩＧＡプロセス、フォトリソグラフィー、多光束レーザー干渉法、多積層薄膜などの手法によって作製する。
【００９４】
そして、できあがった第１の基板２１および第１格子２２からなる第１の格子型素子部Ａと、第２の基板２３および第２格子２４からなる第２の格子型素子部Ｂとを、図２８（Ｂ）に示すように、格子２２，２４が向かい合い、かつ格子２２，２４の周期の方向が互いに略直交するように積層する。このとき、光学密着法（optical contact）などによって両格子の格子面を密着させ、積層することができる。
【００９５】
このような製造方法を採用することで、格子のみを積層させる場合に比べて積層型位相板を容易に製造することができる。
【００９６】
第１の基板２１の材料としてはガラス（屈折率ｎｓ１＝１．８）を、第１格子２２の材料としてはＴａ２Ｏ５を、第２の基板２３の材料としてはガラス（屈折率ｎｓ２＝１．６）を、第２格子２４の材料としてはＴａ２Ｏ５（屈折率ｎ＝２．１３９）を用いている。また、格子の周囲を満たす媒質は空気とした。
【００９７】
第１格子２２は格子周期Λ１＝０．１６μｍ、格子深さｄ１＝０．９０μｍ、フィリングファクターＦＦ１＝０．８とし、第２格子２４については格子周期Λ２＝０．１６μｍ、格子深さｄ２＝０．２５μｍ、フィリングファクターＦＦ２＝０．６とした。格子周期Λ１およびΛ２については、可視光領域において０次回折光以外の高次の回折光が生じないような格子周期を採用した。
【００９８】
ここで、図２８（Ａ）における、ｙ軸方向をＡ方向、ｘ軸方向をＢ方向とし、各方向の偏光に対する有効屈折率をｎ（Ａ），ｎ（Ｂ）とする。
【００９９】
第１格子に対する有効屈折率ｎ１（Ａ），ｎ１（Ｂ）、第２格子に対する有効屈折率ｎ２（Ａ），ｎ２（Ｂ）をＥＭＴにより見積もると次のような値になる。波長λ＝０．５５μｍにおいて、
第１格子２のＴＥ偏光に対する屈折率ｎ１（Ａ）＝１．９６５
第１格子２のＴＭ偏光に対する屈折率ｎ１（Ｂ）＝１．６３３
第２格子４のＴＥ偏光に対する屈折率ｎ２（Ａ）＝１．３７２
第２格子４のＴＭ偏光に対する屈折率ｎ２（Ｂ）＝１．７７４
となる。
【０１００】
上記設計値を採用した理由について述べる。まず、ｘ方向の偏光に注目した場合、第１格子２２におけるｘ方向の偏光に対する屈折率ｎ１（Ｂ）と、第２格子２４におけるｘ方向の偏光に対する屈折率ｎ２（Ｂ）はそれぞれ、
ｎ１（Ｂ）＝１．６３３、ｎ２（Ｂ）＝１．７７４
となっており、有効屈折率が略等しい（差が０．２以下である）。これにより、ｘ方向の偏光に対して、第１格子２２と第２格子２４との境界においてフレネル反射をほとんど生じさせないようにすることができる。
【０１０１】
次に、ｙ方向の偏光に注目した場合、第１格子２２におけるｙ方向の偏光に対する屈折率ｎ１（Ａ）と、第２格子２４におけるｙ方向の偏光に対する屈折率ｎ２（Ａ）はそれぞれ、
ｎ１（Ａ）＝１．９６５、ｎ２（Ａ）＝１．３７２
となっており、有効屈折率に若干の違いがみられる。
【０１０２】
このままでは、ｙ方向の偏光に対して第１格子２と第２格子４との間でフレネル反射が生じる。さらに、第１の基板２１と第１格子２２との屈折率差および第２の基板２３と第２格子２４との屈折率差によって生じるフレネル反射を考慮すると、透過率の減少が懸念される。
【０１０３】
以上のことを考慮すると、互いに隣接して積層されている第１の基板２１と第１格子２２において、第１の基板２１の屈折率ｎｓ１は、第１格子２２におけるｙ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ１（Ａ）および第１格子２２におけるｘ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ１（Ｂ）の両方に対して、屈折率差がバランスよく小さくなるように設定するとよい。
【０１０４】
具体的には、第１の基板２１の屈折率ｎｓ１が、第１格子２２におけるｙ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ１（Ａ）および第１格子２２におけるｘ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ１（Ｂ）との間の値であることが好ましい。
【０１０５】
なお、このことは、第２の基板２３の屈折率ｎｓ２と、第２格子２４におけるｙ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ２（Ａ）および第２格子２４におけるｘ方向の偏光に対する有効屈折率ｎ２（Ｂ）との関係においても同様である。
【０１０６】
ここでは、第１の基板２１の屈折率をｎｓ１＝１．８０とし、第２の基板２３の屈折率をｎｓ２＝１．６０として、第１の基板２１と第１格子２２との境界におけるフレネル反射、ならびに第２の基板２３と第２格子２４との境界におけるフレネル反射の両方を同時に低減し、透過率の減少を最小限にしている。
【０１０７】
但し、本発明は、上記各値を示す構成に限定されるものではない。例えば、ｙ方向の偏光およびｘ方向の偏光のうち一方のみを通過させるような用い方をする場合には、互いに隣接する基板と格子において、基板の屈折率を格子におけるｙ方向の偏光に対する有効屈折率およびｘ方向の偏光に対する有効屈折率のうち一方に略等しくしてもよい。これにより、通過させる偏光のフレネル反射を減少させることができる。
【０１０８】
また、上記２組の互いに隣接した基板および格子において、一方の組の基板および格子の屈折率の関係のみを上記のようにしてもよい。これにより、一方の組の基板と格子との境界におけるフレネル反射のみを低減した構成を採ることができる。これらは応用事例によって適宜選択すればよい。
【０１０９】
なお、本実施例のように設定することで、両方の基板と格子との境界におけるフレネル反射を同時に低減することによって、位相板全体として最も透過率の減少が抑えられる。
【０１１０】
図３１は、本実施例の位相板における入射角度０°での透過率特性を示している。図３１に示すように、可視光領域０．４０μｍから０．７０μｍの全域においてほぼ９７％以上の透過率を実現している。
【０１１１】
また、位相差特性を図３２に示す。従来の水晶薄板による位相板と比較すると、格段に波長依存性が改善されており、可視光領域０．４０μｍから０．７０μｍの全域においてほぼ８０°から９５°の範囲の位相差を実現しており、可視光波長領域の全域においてほぼλ／４板として機能することができる。
【０１１２】
そして、本実施形態では、積層型位相板の格子の格子面が基板２１，２３によって覆われるため、手油や粉塵、ほこりによる格子の乱れ、引っかきや摩擦による格子破壊などによる性能劣化が防止できるという利点がある。
【０１１３】
また、積層型位相板の入射面でのフレネル反射を防止するために、入射面に一般的な単層膜や多層膜などの反射防止コートを施すか、あるいは基板表面に入射波長よりも微細な凹凸構造（例えば、微細なピラミッド構造や円錐構造が規則的あるいはランダムに配列した構造）を作製する必要がある。その場合でも、反射防止コート等を微細な各格子の端面に設けるのではなく、ある程度の面積を有する基板の表面に設ければよいので、前述したように格子のみのものに比べて積層型位相板の製造がし易く、かつ反射防止効果も得易い。
【０１１４】
さらに、従来のフィルム型位相板はポリマーなどの材料を使用しているため、熱による性能劣化が著しかった。このため、高温環境下においては期待される十分な性能が得られなかったり、使用できないかったりし、また、使用する場合には十分な冷却システムの工夫が必要であった。本実施形態の積層型位相板は材料としてＴａ２Ｏ５などの誘電体材料を用いているので、熱変動による性能劣化がほとんど生じず、高温環境下においても高性能な位相板として機能することができる。例えば、常に高温環境にさらされている液晶プロジェクタなどの光学系において非常に有効である。
【０１１５】
［実施例８］
次に、本発明の実施例８について説明する。実施例８は、実施例７の積層型位相板を備えたダブルパス光学系である。その構成は、実施例６のダブルパス光学系において、位相板１９を実施例７の積層型位相板に置き換えたものと等しい。従って、図２４を流用して本実施例の光学系を説明する。つまり、図２４において、１９が実施例７の積層型位相板である。その他の構成は実施例６と等しい。
【０１１６】
当然であるが、本実施形態の積層型位相板１９は、可視光領域内の広範囲でλ／４板として機能するものである。
【０１１７】
このダブルパス光学系の積層型位相板１９の、入射角度０°における光学特性について述べる。
【０１１８】
まず、使用光１７に対する出射光１８の透過率特性を図３３に示す。ここで示す透過率特性は、基板表面におけるフレネル反射の影響は無視している。図３３からわかるように、可視光波長領域０．４０μｍから０．７０μｍの全域においてほぼ９５％から９９％程度の透過率を実現している。
【０１１９】
基板表面におけるフレネル反射を減少させるためには、先にも説明したが、一般的な単層膜や多層膜などの反射防止コートを基板表面に施すか、あるいは基板表面に入射波長よりも微細な凹凸構造（例えば、微細なピラミッド構造や円錐構造が規則的あるいはランダムに配列した構造）を作製することによって実現可能である。
【０１２０】
また、使用光１７に対する出射光１８の位相差特性について図３４に示す。図３４からわかるように、可視光波長領域０．４０μｍから０．７０μｍの全域においてほぼ１６０°から１９０°の範囲の位相差を実現しており、広い波長帯域でほぼ１８０°の位相差を実現している。このことは、積層型位相板１４を光が２回通過したとき、可視光波長領域の全域において積層型位相板１４がほぼ１／２波長板として機能するダブルパス光学系を実現できることを示している。また、従来の水晶を用いた場合の位相板と比較しても、位相差の波長依存性の少ないことがわかる。
【０１２１】
次に、このダブルパス光学系の積層型位相板１９の、入射角度２０°における光学特性について述べる。使用光１７に対する出射光１８の透過率特性を図３５に、位相差特性を図３６に示す。
【０１２２】
透過率特性は、可視光波長領域においてほぼ９５％から９９％程度の透過率を有し、入射角度に敏感でない透過率を実現している。同様に、位相差特性について見ると、やはり、可視光波長領域においてほぼ１５５°から１８５°の位相差を実現しており、幅広い波長領域においてほぼ１８０°の位相差を得ることが示されている。このように、本実施例では、ダブルパス光学系において、入射角度依存性が小さく、かつ可視光波長領域の全域において光が２回通過することによりほぼ１／２波長板として機能する素子を実現している。
【０１２３】
但し、ここで示した入射角度は、第２の基板から第２格子に入射する角度を意味している。本実施例においては、第２格子の屈折率をｎ２＝１．６０としているため、空気から第２の基板に入射する光の入射角度については約３３°となる。
【０１２４】
すなわち、実際に積層型位相板を使用する場合には、第２の基板に入射する光線の入射角度が３３°程度の光線に対しても同等な性能が得られることを示している。
【０１２５】
以上のように、本実施形態においては、２０°程度の入射角度変動に対して透過率特性および位相差特性がほとんど変化せず、かつ可視光波長領域の全域において使用光１７に対して出射光１８の位相差がほぼ１８０°となるような位相板を実現することができる。
【０１２６】
従来の水晶による波長板やポリマーフィルムによる波長板では、位相差の波長依存性および入射角度依存性が顕著に現れ、これらを改善するためには、複数枚の位相板の光学軸をずらして貼り合せる等、煩雑な工程が必要であった。また、複数枚のフィルムを貼り合せるという点からも位相板素子自体の薄型化が図りにくいという欠点があった。
【０１２７】
これに対し、実施例８および前述した実施例７の積層型位相板においては、基板上に作製した格子を互いに周期方向が直交するように格子面を向かい合わせて貼り合せることで容易に作製が可能である。そして、位相差の波長依存性および入射角度依存性を同時に改善することができる。
【０１２８】
［実施例９］
次に、本発明の実施例９について説明する。実施例９は、実施例７の積層型位相板を用いた反射型ディスプレイを示している。図３７に実施例９の模式断面図を示す。
【０１２９】
図３７において、２５はリフレクタ、２６は液晶、２７はカラーフィルター、２８は実施例７の積層型位相板（λ／４板）、２９は偏光板である。
【０１３０】
実施例７，８で説明したように、上記積層型位相板２８は、位相差の波長依存性が小さく、かつ入射角依存性が小さい。このため、ディスプレイなど様々な入射角度で入射する光に対して位相板として機能しなければならない光学系では特に有用である。
【０１３１】
例えば、従来のフィルム位相板を用いた場合には、波長依存性によって表示される色純度が低下し、色再現性が悪くなったり、斜めからディスプレイを覗いた場合に波長シフトが生じて色が変化して見えたりするなどの問題があった。
【０１３２】
これに対して、本実施例の積層型位相板２８を採用すれば、上記問題を大幅に改善することが期待できる。つまり、色再現性が優れ、かつ入射角度変化による色シフトの少ない、美しく表現力の高い画像を表示できる、見やすいディスプレイを実現することができる。
【０１３３】
例えば、携帯情報端末や携帯電話、プロジェクタ用液晶ディスプレイなどの小型の反射型液晶ディスプレイから、ＬＣＤモニタなどの大型ディスプレイに至るまで、幅広い応用が考えられる。
【０１３４】
本実施例では反射型ディスプレイについて述べたが、実施例７の積層型位相板は透過型ディスプレイにも適用できる。この場合、積層型位相板はλ／２板として機能するものを用いる。
【０１３５】
［実施例１０］
次に、本発明の実施例１０について説明する。実施例１０は、実施例９の反射型ディスプレイを用いた液晶プロジェクタ（光学機器）を示している。図３８に、その液晶プロジェクタの構成を示した。
【０１３６】
図３８において、光源５０は、ハロゲンランプやキセノンランプ等からなる点に近い白色光源である。光源５０から放射された光はリフレクタ５１で反射され、略平行光の光束として出射され、白色の偏光シート５２ａに照射される。この偏光シート５２ａは、リフレクタ５１からの光の内、第１の偏光成分（Ｓ偏光又はＰ偏光）を透過し、第２の偏光成分（Ｐ偏光又はＳ偏光）を吸収する特性を有しており、偏光シート５２ａを透過した光束は、偏光ビームスプリッタ５３の偏光面で反射され、色分解光学系としての合成クロスプリズム５４に照射する。
【０１３７】
合成クロスプリズム５４は、４個の直角プリズムの直角を挟む面をそれぞれ接着剤により貼り合わせ、貼り合わせ面に第１ダイクロイックミラー面５４ａと第２ダイクロイックミラー面５４ｂが略十字状になるように設けられ、第１ダイクロイックミラー面５４ａ及び第２ダイクロイックミラー面５４ｂの法線と使用光の主光線とのなす角が略４５度程度となるように構成されている。また、第１ダイクロイックミラー面５４ａ及び第２ダイクロイックミラー面５４ｂは、誘電体多層膜で構成され、例えばＴｉＯ２及びＳｉＯ２の薄膜を数十層交互に積層することで波長選択反射特性を得ている。
【０１３８】
第１ダイクロイックミラー面５４ａは、第１の色光である赤色光を反射しかつ第２の色光である緑色光及び第３の色光である青色光を透過する。また、第２ダイクロイックミラー面５４ｂは、青色光を反射しかつ赤色光及び緑色光を透過するように構成されている。第１ダイクロイックミラー面５４ａで反射された赤色光は、実施例９の反射型ディスプレイ（液晶パネル）５６ａに入射する。第２ダイクロイックミラー面５４ｂで反射された青色光は、同様に積層型位相板を備えた反射型ディスプレイ（液晶パネル）５６ｂに入射する。また、第１ダイクロイックミラー面５４ａ及び第２ダイクロイックミラー面５４ｂを透過した緑色光は、同様に積層型位相板を備えた緑色光用の反射型ディスプレイ（液晶パネル）５６ｃに入射する。
【０１３９】
赤色光用の反射型ディスプレイ５６ａにて変調された画像光は、合成クロスプリズム５４に入射し、第１ダイクロイックミラー面５４ａで反射し、第２ダイクロイックミラー面５４ｂを透過する。また、青色光用の反射型ディスプレイ５６ｂにて変調された画像光は、合成クロスプリズム５４に入射し、第１ダイクロイックミラー面５４ａを透過し、第２ダイクロイックミラー面５４ｂで反射する。同様に、緑色光用の反射型ディスプレイ５６ｃにて変調された画像光は、合成クロスプリズム５４に入射し、緑色の画像光は第１ダイクロイックミラー面５４ａ及び第２ダイクロイックミラー面５４ｂを透過する。
【０１４０】
以上のように合成クロスプリズム５４でカラー合成された画像光は、偏光ビームスプリッタ５３及び偏光シート５２ｂを透過し、投影レンズ５７によってスクリーン５８に拡大投影される。
【０１４１】
本実施例の反射型液晶ディスプレイは、積層型位相板を用いており、従来の反射型液晶ディスプレイに比べ、位相差の波長依存性や入射角度特性が改善している。なお、本実施形態では、反射型液晶ディスプレイへの応用について説明したが、本実施例の位相制御素子は、透過型液晶ディスプレイにも適用でき、この場合も位相差の波長依存性や入射角度依存性が大幅に改善される。また、本発明の積層型位相板は、これら以外も様々な光学装置の光学系に対して応用することができる。
【０１４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、使用光の波長よりも微小な周期の周期構造を有する光学素子であって、従来知られたものに比べより高性能な光学素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における位相板の概略図。
【図２】本発明の実施例１における位相板の断面図。
【図３】本発明の実施例１における位相板の位相差特性。
【図４】本発明の実施例１における位相板の透過率特性。
【図５】本発明の実施例２における位相板の概略図。
【図６】本発明の実施例２における位相板のｘｚ平面断面図。
【図７】本発明の実施例２における位相板のｙｚ平面断面図。
【図８】本発明の実施例２における位相板の位相差特性を示す図。
【図９】本発明の実施例２における位相板の透過率特性を示す図。
【図１０】本発明の実施例２の変形例における位相板の概略図。
【図１１】本発明の実施例３における偏光変換素子の概略図。
【図１２】本発明の実施例４における位相板の斜視図である。
【図１３】図１２のｘｚ平面断面図である。
【図１４】図１２のｙｚ平面断面図である。
【図１５】実施例４の各格子材料のＴＥ偏光、ＴＭ偏光に対する有効屈折率を示す図である。
【図１６】実施例４の位相差特性を水晶の場合と比較して示す図である。
【図１７】実施例４のＴＥ偏光、ＴＭ偏光に対する透過率特性を示す図である。
【図１８】実施例４のＴＥ偏光、ＴＭ偏光に対する透過率の平均値を示す図である。
【図１９】実施例５の斜視図である。
【図２０】実施例５のｘｚ平面断面図である。
【図２１】実施例５のｙｚ平面断面図である。
【図２２】実施例５の位相差特性を水晶の場合と比較して示す図である。
【図２３】実施例５の透過率特性を示す図である。
【図２４】実施例６の光学系を示す図である。
【図２５】偏光方向が回転したときの位相変化に対する透過率特性を示す図である。
【図２６】実施例６の位相差特性を水晶の場合と比較して示す図である。
【図２７】実施例６の実質的な透過率特性を水晶の場合と比較して示す図である。
【図２８】実施例７の積層型位相板の概略構成図（斜視図）および製造工程図。
【図２９】実施例７の積層型位相板のｘｚ平面断面図。
【図３０】実施例７の積層型位相板のｙｚ平面断面図。
【図３１】実施例７の透過率特性を示すグラフ図。
【図３２】実施例７の位相差特性を示すグラフ図。
【図３３】実施例８の入射角度０°における積層型位相板の透過率特性を示すグラフ図。
【図３４】実施例８の入射角度０°における積層型位相板の位相差特性を示すグラフ図。
【図３５】実施例８の入射角度０°における積層型位相板の透過率特性を示すグラフ図。
【図３６】実施例８の入射角度２０°における積層型位相板の位相差特性を示すグラフ図。
【図３７】実施例９の積層型位相板を用いた反射型液晶ディスプレイの断面図。
【図３８】実施例１０の反射型液晶ディスプレイを用いた液晶プロジェクタの構成図。
【図３９】従来の１次元微細周期構造を示す図。
【図４０】従来の１次元微細周期構造を示す図。
【図４１】従来の水晶板における位相差特性を示すグラフ図。
【符号の説明】
１ 基板
２ 第１の格子
３ 第２の格子
４ 第３の格子
５ 基板
６ 第１格子
７ 第２格子
８ 第３格子
２１ 第１の基板
２２ 第１格子
２３ 第２の基板
２４ 第２の格子
Claims (8)
- 基板と、複数の前記基板上に積層された使用光の波長より短い周期の周期構造体とを有し、使用光の第１の偏光成分を有する第１偏光に対する各周期構造体の有効屈折率の差が互いに０．２以下であることを特徴とする位相板。
- 前記複数の周期構造体は、前記第１の偏光成分と直交する第２の偏光成分を有する第２偏光に対する有効屈折率が基板に近づくにつれて高くなることを特徴とする請求項１記載の位相板。
- 前記使用光の波長は４００ｎｍから７００ｎｍまでの波長領域であることを特徴とする請求項１又は２記載の位相板。
- 前記周期構造体は、前記基板上に設置され、第１方向に関して前記使用光の波長より短い周期の周期構造を有する第１構造体と、前記基板上に設置され、前記第１方向と直交する第２方向に関して使用光の波長より短い周期の周期構造を有する第２構造体とを有することを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の位相板。
- 前記基板上に設置され、第３方向に関して使用光の波長より短い周期の周期構造を有する第３構造体を有し、前記基板側から順に、前記第１構造体、前記第２構造体、前記第３構造体が積層されており、前記第１方向と前記第３方向とが互いに直交で、前記第２方向と前記第３方向とが互いに平行であることを特徴とする請求項４記載の位相板。
- 前記周期構造体の材料として、屈折率および分散の異なる２種類以上の材料を用いていることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載の位相板。
- 無偏光を直線偏光に変換する偏光ビームスプリッタと、請求項１乃至５いずれか１項に記載の位相板と、反射部材とを有し、前記偏光ビームスプリッタを透過あるいは反射した直線偏光の一方は前記位相板に入射して偏光方向が９０°回転し、前記偏光ビームスプリッタを透過あるいは反射した直線偏光の一方は反射部材によって他方と同一方向に射出することを特徴とする光学変調素子。
- 偏光板と、請求項１乃至５いずれか１項に記載の位相板と、液晶とを備えることを特徴とする画像表示装置。
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