JP4258958B2 - Method and apparatus for manufacturing polarization phase modulation element - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏光位相変調素子の製造方法及び製造装置に関するものであり、例えば、プロジェクターの照明システムに用いられるインテグレータ光学系偏光変換機能を付加して光利用効率を向上させることが可能な偏光位相変調素子製造方法及び製造装置に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
液晶パネルのように特定偏光の光変調により画像表示を行う空間光変調素子では、特定偏光以外の照明光は偏光子で吸収されるため、一般に照明光の約半分は光量損失となる。この問題を解決して光利用効率を向上させるために、偏光の分離と偏波面(すなわち電気ベクトルの振動面)の回転とにより偏光変換を行う照明システムが各種提案されている。その一例を図21に示す。
【0003】
図21は、液晶パネル(28)の表示画像を投影レンズ(29)でスクリーン面(不図示)上に投影する液晶プロジェクターを示している。この液晶プロジェクターは液晶パネル(28)を照明するために、ランプ(20),第1レンズアレイ(22A),第2レンズアレイ(22B),PBS(polarizing beam splitter)アレイ(24),1/2波長板(25),重ね合わせレンズ(26)及びコンデンサーレンズ(27)から成る照明システムを備えている。ランプ(20)は、照明光を発する光源(20a)と、光源(20a)からの照明光を略平行光にする放物面鏡(20b)と、から成っており、ランプ(20)から射出した照明光は、第1,第2レンズアレイ(22A,22B)から成るレンズアレイ方式のインテグレータ光学系に入射する。
【0004】
図22に、第1レンズアレイ(22A)のレンズセルパターン(P1)を示す。この第1レンズアレイ(22A)は、液晶パネル(28)と略相似な矩形のレンズセルを2次元のアレイ状に配列して成るものであり、複数のレンズセルで入射光を分割する。そして、第1レンズアレイ(22A)と同様のアレイ構造を有する第2レンズアレイ(22B)の近傍に、複数の光源像(図23中の楕円)を形成する。第1レンズアレイ(22A)の各レンズセルと液晶パネル(28)とは、第2レンズアレイ(22B)の各レンズセルを介して共役な関係にあるため、照明光の空間的なエネルギー分布は均一化されて液晶パネル(28)は無駄なく均一に照明される。
【0005】
第2レンズアレイ(22B)を射出した照明光は、その近傍に位置するPBSアレイ(24)に入射して、偏波面が互いに直交する2つの直線偏光(すなわちTM偏光とTE偏光)に分離される。図21中、実線がTM偏光(電気ベクトルの振動方向が紙面に平行)、破線がTE偏光(電気ベクトルの振動方向が紙面に垂直)である。PBSアレイ(24)の射出側面には短冊状の1/2波長板(25)が貼り付けられており、PBSアレイ(24)で分離された2つの偏光のうち、TE偏光のみが1/2波長板(25)に入射する。
【0006】
図23に、第2レンズアレイ(22B)のレンズセルパターン(P2)と、第1レンズアレイ(22A)により形成される光源像の配置と、1/2波長板(25,斜線部)の貼り付けパターンと、の関係を示す。図23中、1/2波長板(25)にオーバーラップしている楕円がTE偏光から成る光源像であり、その各光源像と同じレンズセル上に位置する楕円(クロスハッチ部)がTM偏光から成る光源像である(偏光方向:楕円中の矢印方向)。1/2波長板(25)は、TE偏光の偏波面を90°回転させることにより、TE偏光をTM偏光に変換する。したがって照明光は全てTM偏光となる。TM偏光に揃えられた照明光は、重ね合わせレンズ(26)とコンデンサーレンズ(27)を通過した後、液晶パネル(28)を照明する。
【0007】
図21〜図23から分かるように、上述したレンズアレイ方式のインテグレータ光学系では、第2レンズアレイ(22B)が第1レンズアレイ(22A)と同じ形状・サイズのレンズセルから成っている。このため、高い光利用効率を保持しつつインテグレータ光学系をコンパクト化することは困難である。またFナンバーの制約があるため、投影レンズ(29)のコンパクト化も困難である。なお、図21中、第1レンズアレイ(22A)のレンズセルサイズをd1、第1レンズアレイ(22A)から第2レンズアレイ(22B)までの光学距離をF1、液晶パネル(28)のサイズをd2、重ね合わせレンズ(26)からコンデンサーレンズ(27)までの光学距離をF2、とすると、d1:F1=d2:F2の関係がほぼ成り立ち、また、照明FナンバーはほぼF1/Dで決まる。
【0008】
上記問題を解決するために、開口形状や開口サイズの異なる複数種類のレンズセルで第2レンズアレイを構成したインテグレータ光学系が特開平10−197827号公報で提案されている。その構成によれば、光源像の間隔が狭くなってFナンバーが大きくなるため、光利用効率の向上及びコンパクト化が可能となる。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
特開平10−197827号公報記載のインテグレータ光学系では、照明光を偏光分離素子で偏波面が互いに直交する2つの直線偏光に分離し、第2レンズアレイの各レンズセルに貼り付けた1/2波長板で一方の直線偏光の偏波面を90°回転させることにより、2つの直線偏光の偏波面を同じにしている。この偏光変換により、偏波面が揃った直線偏光のみを偏光子に入射させることができるため、偏光子による光量損失はほとんどなくなり、空間光変調素子に対して光利用効率の高い照明が達成可能となる。しかし第2レンズアレイは、開口形状や開口サイズの異なる複数種類のレンズセルで構成されているため、その各レンズセルに1/2波長板を貼り付けることは困難である。また、レンズセルは第2レンズアレイの中心部から離れるほど微細化するため、様々な形状の微細な1/2波長板の切り貼りを行うことは実際には不可能である。
【0010】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、製造容易でコンパクトな偏光位相変調素子の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第1の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、露光量を屈折率変調として記録することが可能な感光材料に対し、その感光材料表面の法線に関して対称又は略対称に同一波長のコヒーレントな2光束を入射させることにより、その2光束で構成される干渉縞で前記感光材料に対する露光を行う、屈折率変調型のホログラムから成る偏光位相変調素子の製造方法であって、前記干渉縞のピッチを使用波長よりも小さくするとともに、前記感光材料表面の露光を受ける領域が所定のパターンを成すようにマスクを介して前記露光を行い、前記マスクで生じた回折光を回折光カット光学系で除去することにより、0次光のみで前記2光束の干渉を行うことを特徴とする。
【0012】
第2の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第1の発明の構成において、前記露光を複数回繰り返すとともに、前記パターン及び前記干渉縞を各露光ごとに異なったものに切り換えることを特徴とする。
【0013】
第3の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記2の発明の構成において、前記パターンの切り換えを前記マスクの交換により行うことを特徴とする。
【0014】
第4の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第1,第2又は第3の発明の構成において、さらに斜めエッチングによって前記感光材料表面にブレーズ形状の回折格子面を形成し、そのブレーズ形状の凹部に光学的な等方性又は略等方性を有する樹脂を充填することによって樹脂平面を構成することを特徴とする。
【0015】
第5の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第1,第2,第3又は第4の発明の構成において、前記感光材料表面の露光を受ける領域が 0.001 0.1mm ピッチの周期構造を成すようにマスクを介して前記露光を行うことを特徴とする。
【0016】
第6の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第1,第2,第3又は第4の発明の構成において、0.001 0.1mm ピッチの干渉縞での露光を前記露光と重ねて行うことを特徴とする。
【0017】
第7の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第1,第2,第3,第4,第5又は第6の発明の構成において、前記感光材料表面に導光プリズムを密着状態又は液浸状態で取り付けて前記露光を行うことを特徴とする。
【0018】
第8の発明の偏光位相変調素子の製造装置は、露光量を屈折率変調として記録することが可能な感光材料に対し、その感光材料表面の法線に関して対称又は略対称に同一波長のコヒーレントな2光束を入射させることにより、その2光束で構成される干渉縞で前記感光材料に対する露光を行う、屈折率変調型のホログラムから成る偏光位相変調素子の製造装置であって、前記干渉縞のピッチが使用波長よりも小さくなるように、前記2光束の角度差が大きく設定されており、前記感光材料表面の露光を受ける領域が所定のパターンを成すように、その所定のパターンから成る開口が形成されたマスクを有し、前記2光束の干渉が0次光のみで行われるように、前記マスクで生じた回折光を除去する回折光カット光学系を有することを特徴とする。
【0019】
第9の発明の偏光位相変調素子の製造装置は、上記第8の発明の構成において、前記回折光カット光学系が、2枚のレンズと、その間に配置されたスリット板と、で構成されており、前記スリット板には0次光のみを通過させるスリットが形成されていることを特徴とする。
【0029】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した偏光位相変調素子の製造方法及び製造装置等を、図面を参照しつつ説明する。なお、前記従来例や各実施の形態の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【0030】
《構造性複屈折とホログラム》
微細構造に方向性をもたせると、構造性複屈折とよばれる光学異方性が発生する。例えば図8に示すように、2種類の等方性誘電体から成る1次元周期性多層構造の中を、層に対して平行に光が進む場合を考える。この周期構造のピッチΛが光の波長に比べて十分に小さければ、この微細構造は光に対して負の一軸結晶のように作用する{光学軸(ax)は層に対して垂直である。}。したがって、TE波(電気ベクトルの振動方向が層に平行)とTM波(電気ベクトルの振動方向が層に垂直)とで、使用光に対する屈折率は異なる。
【0031】
ホログラムに光の波長よりも小さなピッチの干渉縞を記録すれば、周期的な屈折率分布を有する上記微細構造を構成することが可能である。例えば、露光量を屈折率変調として記録する(つまり露光量の大小で屈折率差を生じる)ことが可能な感光材料に対し、その感光材料表面の法線に関して対称又は略対称に、同一波長のコヒーレントな2光束を入射させる。すると、2光束で構成される干渉縞(つまりエネルギー分布)で感光材料が露光されて、屈折率変調型のホログラムが得られる。
【0032】
図7に、製作波長500(nm)で、屈折率1.5の感光材料にホログラムを作成するときの2光束(すなわち物体光と参照光)の角度差(°)と、干渉縞間隔(μm)と、の関係を示す。図7のグラフから分かるように、2光束の角度差を大きくすることにより、干渉縞のピッチを使用波長よりも小さくすること(つまりフリンジピッチの微細化)が可能である。例えば、製作波長:532(nm),フリンジピッチ(Λ,干渉縞間隔):200(nm)とし、前記等方性誘電体(図8)の各誘電率を1.41,1.35とすれば、前記微細構造を厚さ:200(μm)で1/2波長板として機能させることが可能となる。
【0033】
《ホログラムタイプの偏光位相変調素子》
ホログラムの作成においては、上記のようにフリンジピッチの微細化が可能であるため、構造性複屈折が生じる領域のパターニングにより、様々な機能を持った偏光位相変調素子を簡単に製造することができる。その偏光位相変調素子の例として、位相板の機能を有するホログラム位相素子,偏光分離機能を有する偏光分離素子及びそれらの製造方法を以下に説明する。
【0034】
図1は、ホログラム位相素子の製造装置を模式的に示すシステム構成図である。この製造装置は、レーザー光源(10),エキスパンダー(11),マスク(M),マスクホルダー(12),回折光カット光学系(13),ハーフミラー(14),ミラー(15A,15B),導光プリズム(16),回転ステージ(19)等を備えている。レーザー光源(10)から発せられたレーザー光は、エキスパンダー(11)でビーム径が拡大され、マスクホルダー(12)に取り付けられているマスク(M)で光束規制される。マスク(M)を通過したレーザー光は、回折光カット光学系(13)を透過した後、ハーフミラー(14)で2光束(物体光,参照光)に分割され、ミラー(15A,15B)での反射後、それぞれ導光プリズム(16)に入射して感光材料(17)を露光する。この感光材料(17)は、露光量を屈折率変調として記録することが可能な、フォトポリマーから成るホログラム感材である。
【0035】
マスクホルダー(12)は、複数のマスク(M)を使用する場合にその交換及び位置決めを容易にするためのものであって、図2はその一例を示している。図2に示すマスクホルダー(12)は3種類のマスク(M1〜M3)が固定可能になっており、レーザー光が入射するマスク(M1〜M3)はマスクホルダー(12)の回転(X1:回転軸)によって切り換えられる。図4,図5にマスク(M)の具体例を示す。マスク(M0〜M3)には、所定のパターン(Q0〜Q3)から成る開口が形成されている。したがって、各開口に入射したレーザー光のみを回折光カット光学系(13)に入射させることが可能である。
【0036】
マスク(M)の位置は、エキスパンダー(11)とハーフミラー(14)との間に限らない。例えば、感光材料(17)表面にマスク(M)を配置して露光を行うことも可能である。しかし、マスク(M)の開口幅が小さくなると、回折によるゴーストの発生が無視できなくなる。このため図1に示すように、レーザー光をハーフミラー(14)で2光束に分離する前にマスク(M)で光束規制することが望ましく、マスク(M)とハーフミラー(14)との間に回折光カット光学系(13)を配置することが更に望ましい。
【0037】
図3に、回折光カット光学系(13)の具体例を示す。図3中、短い破線が0次光、長い破線が±1次光をそれぞれ示している。回折光カット光学系(13)は、2枚のレンズ(L1,L2)と、その間に配置されたスリット板(PL)と、で構成されている。スリット板(PL)には0次光のみを通過させるスリット(SL)が形成されており、±1次光はスリット板(PL)で遮光される。したがって、マスク(M)で回折光が生じても、生じた回折光は回折光カット光学系(13)により除去される。
【0038】
感光材料(17)は、ガラス基板(18)の表面に貼り付けられた(又は塗布された)状態で、図1に示すように回転ステージ(19)にセットされる。回転ステージ(19)の回転軸(X2)は感光材料(17)表面の法線に対して平行になっているため、回転ステージ(19)が回転しても感光材料(17)の表面に対する光束入射角度は変化しない。なお、感光材料(17)を透過した不要光による悪影響を防ぐために、不要光を吸収する黒色の吸収板(不図示)が、ガラス基板(18)の裏面に密着状態又は液浸状態で取り付けられている。
【0039】
また感光材料(17)の表面には、導光プリズム(16)が密着状態又は液浸状態で取り付けられる。例えば、感光材料(17)と同じ屈折率を有する液体(パラフィン等)を介して、導光プリズム(16)が感光材料(17)に密着するように配置される。このように導光プリズム(16)を用いると、導光プリズム(16)と感光材料(17)との間の空気層がなくなるため、界面反射に起因するゴーストの発生を防止しながらフリンジピッチを小さくすることができる。
【0040】
導光プリズム(16)の作用を更に詳しく説明する。図6(A)にレーザー光が導光プリズム(16)を通って感光材料(17)に入射する場合の光路を示し、図6(B)にレーザー光が感光材料(17)に直接入射する場合の光路を示す。レーザー光は角度θで感光材料(17)に入射し、角度θ'で感光材料(17)中を進むことになるが、フリンジピッチを小さくするためには、感光材料(17)中の角度θ'を大きくする必要がある(図7)。図6(B)に示すように導光プリズム(16)が無い場合、角度θ'を大きくしようとすれば、表面反射によるロスが増大しゴーストも発生しやすくなる。そして、角度θ'は臨界角が限界となる。図6(A)に示すように、導光プリズム(16)等の導光部材を設ければ、導光プリズム(16)の2面に対して略垂直に各レーザー光を入射させて、臨界角以上のθ'を上記ロス等なしに実現することができる。
【0041】
図1に示すように、感光材料(17)表面の法線(X2)に関して対称(又は略対称)に、同一波長のコヒーレントな2光束を入射させることにより、その2光束で構成される干渉縞で感光材料(17)に対する露光を行うことができる。このとき、2光束の角度差を大きくすることによって、干渉縞のピッチを使用波長よりも小さくすることが可能である(図7)。したがって、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を屈折率分布として記録することができる。
【0042】
感光材料(17)に対する露光は前述のマスク(M)を介して行われるため、感光材料(17)表面の露光を受ける領域は、マスク(M)に形成されている開口と同じパターンを成すことになる。したがって、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞が屈折率分布として記録された微細な構造性複屈折領域を、所定のパターンで構成することができる。例えば図4のマスク(M0)を用いれば、1/2波長板として機能する構造性複屈折領域を図10に示すパターン(Q0,斜線部)で有するホログラム位相素子を得ることができる。また、短冊状の開口を有するマスクを用いれば、1/2波長板として機能する構造性複屈折領域を従来例と同じ短冊状のパターン{図23中の1/2波長板(25)の貼り付けパターン(斜線部)}で有するホログラム位相素子を得ることができる。
【0043】
上記のようにマスク(M)を用いたホログラム露光によって、構造性複屈折領域を微細なパターンで簡単に構成することができ、それと同時にマスク(M)での遮光(非露光)により光学的な等方性(又は略等方性)を有する非構造性複屈折領域を微細なパターンで構成することができる。そして、感光材料(17)表面に対して垂直又は略垂直(法線方向又は略法線方向)に使用光が入射するように配置すれば、パターン化された構造性複屈折領域を位相板(1/2波長板等)として機能させることが可能となる。なお、製作波長と使用波長とは異なっていてもよく、例えば製作波長が紫外域波長、使用波長が可視域波長でもよい。
【0044】
また、感光材料(17)に対する露光を複数回繰り返すとともに、前記パターン及び干渉縞を各露光ごとに異なったものに切り換えれば、構造性複屈折領域を2種類以上のパターンで有するとともに、各パターンの構造性複屈折領域に記録されている干渉縞が互いに異なったホログラム位相素子を製造することができる。例えば、マスクホルダー(12)を回転させてマスク(M1〜M3;図2,図5)を交換すれば、パターン(Q1〜Q3)の切り換えを行うことができる。また、回転ステージ(19)を回転させて2光束の入射方向を切り換えれば、干渉縞の方向{つまり光学軸(ax)の方向}を切り換えることができる。このパターン及び干渉縞の切り換えを順次行うことにより、図12に示す3種類のパターン(Q1〜Q3)の構造性複屈折領域を有するホログラム位相素子が得られる。なお、2光束の波長や光束入射角度を変えることによりフリンジピッチの切り換えを行うことも可能であり、その場合、位相板としての機能が異なる複数の構造性複屈折領域(1/2波長板,1/4波長板等)を複数のパターンで混在させることも可能である。
【0045】
一定の周期性を有するパターンの開口をマスク(M)に形成すれば、図13に示すように、使用波長よりも小さなピッチ(Λ2)の干渉縞が屈折率分布として記録された微細な構造性複屈折領域(α)を、マスク(M)に形成されている開口と同じ周期性(ピッチ:Λ1)のパターンで構成することができる。図13中のβは、マスク(M)での遮光により露光を受けなかった屈折率一定領域、すなわち非構造性複屈折領域に相当する。したがって、光学軸(ax)方向の位置(X)での屈折率(n)の分布は、図14に示すようになる。例えば、感光材料(17)表面の露光を受ける領域(α)が0.001〜0.1mmピッチの周期構造を成すようにマスク(M)を介して前述の露光(図1)を行えば、構造性複屈折領域(α)と非構造性複屈折領域(β)とが交互に並ぶ一定の周期構造(タイプ1の回折格子構造)が得られ、その周期構造のピッチ(Λ1)は回折が発生する0.001〜0.1mmとなる。
【0046】
また、使用波長よりも大きいピッチの干渉縞での露光を、使用波長よりも小さいピッチの干渉縞での露光と重ねて行えば、図15に示すように、使用波長よりも小さなピッチ(Λ2)の干渉縞が屈折率分布として記録された微細な構造性複屈折領域(α)を、重ね合わせにより屈折率が飽和した領域(γ)を含む周期性(ピッチ:Λ1)のパターンで構成することができる。図15中の飽和した領域(γ)は、非構造性複屈折領域(屈折率一定)に相当する。したがって、光学軸(ax)方向の位置(X)での屈折率(n)の分布は、図16に示すようになる。例えば、0.001〜0.1mmピッチの干渉縞での露光を前述の露光(図1)と重ねて行えば、構造性複屈折領域(α)と非構造性複屈折領域(γ)とが交互に並ぶ一定の周期構造(タイプ2の回折格子構造)がマスク(M)なしで得られ、その周期構造のピッチ(Λ1)は回折が発生する0.001〜0.1mmとなる。
【0047】
上記のように構造性複屈折を示す微細周期構造を持つ部分(α)と持たない部分(β,γ)とが周期的に並ぶバイナリー型の回折格子構造(図13,図15)では、構造性複屈折領域(α)を通る光と非構造性複屈折領域(β,γ)を通る光との位相差が2πの整数倍ならば回折せずにすべて透過し(L0:透過光)、位相差がπならば直進する透過光がなくなってすべて回折波になる(L1:回折光)。つまり、入射光の電界方向が干渉縞に平行な場合をTE波、磁界方向が平行な場合をTM波とし、TE波,TM波に対する構造性複屈折領域(α)の屈折率をnTE,nTM、TE波,TM波に対する非構造性複屈折領域(β,γ)の屈折率をn0TE,n0TMとすると、n0TE=n0TM、nTE≠nTMとなるので、例えば、ΔnTE=nTE−n0TE=2mπ,ΔnTM=nTM−n0TM=(2m+1)πであれば(m:整数)、TE波は0次光(L0)として直進し、TM波は±1次光(L1)として回折することになる。したがって、バイナリー型の回折格子構造(図13,図15)は、偏光分離素子(つまりPBS:polarizing beam splitter)としての機能(偏光分離機能)を有することになる。
【0048】
次に、上記バイナリー型の回折格子構造(図13,図15)と同様に偏光分離機能を有する、ブレーズ型の回折格子構造(図17)を説明する。この回折格子構造は、図17(D)に示すように屈折率変調型のホログラム(17H)を有する偏光位相変調素子において構成されるものである。ホログラム(17H)内には使用波長よりも小さなピッチの干渉縞が屈折率分布として記録されており、ホログラム(17H)表面には干渉縞に対して平行な溝から成るブレーズ形状の回折格子面(17d)が形成されている。また、回折格子面(17d)のブレーズ形状の凹部には、光学的な等方性(又は略等方性)を有する樹脂(17I)が充填されている。
【0049】
回折格子面(17d)のブレーズ形状は1種類であってもよいが、ブレーズ形状(回折格子ピッチ,溝方向等)の異なる2種類以上の領域で回折格子面(17d)を構成してもよい。図9,図11に、回折格子面(17d)を構成する各領域のブレーズパターン(R1〜R6)の例を示す。図9は回折格子ピッチの異なる3種類のブレーズパターン(R1〜R3)を示しており、図11は回折格子ピッチと溝方向の異なる6種類のブレーズパターン(R1〜R6)を示している。各領域での回折格子面(17d)の溝方向と、ホログラム(17H)内の屈折率分布による構造性複屈折の方向と、を対応させることにより、偏光分離方向を領域毎に変えることが可能である。また、回折格子ピッチの大小に応じて、偏光分離角度を領域毎に変えることが可能である。
【0050】
図17(D)に示す回折格子構造を構成するに際し、まず使用波長よりも小さなピッチの干渉縞で感光材料を露光することにより、図17(A)に示すホログラム(17H)を作成する。感光材料表面の露光を受ける領域が所定のパターンを成すように、前記製造装置(図1)によりマスク(M)を介して露光を行ってもよく、パターニングの必要がなければマスク(M)なしに露光を行ってもよい。次に、図17(B)に示すように、斜めエッチングによって上記感光材料表面{つまりホログラム(17H)の表面}にブレーズ形状の回折格子面(17d)を形成する。そして、図17(C)に示すように、そのブレーズ形状の凹部に光学的な等方性(又は略等方性)を有する樹脂(17I)を充填することによって樹脂平面(17f)を構成する(素子の平板化)。
【0051】
上記回折格子構造(図17)は少ない工程数で製作可能であるが、液晶等の複屈折材料を用いた場合と同様の複屈折作用をホログラム(17H)の構造性複屈折で実現して、偏光分離を可能とする。そこで、液晶の複屈折性を利用した偏光分離素子の例を挙げて、以下に偏光分離機能を詳述する。
【0052】
図18は、表面レリーフ型(膜厚変調型)の回折格子(2)と、ネマティック液晶又はスメクティック液晶から成る液晶(3)と、対向平板(4)と、シール剤(5)と、を主な構成要素として備えた偏光分離素子(1)である。回折格子(2)は、光学的な略等方性を有する樹脂製の透明シートから成り、かつ、ブレーズ形状の回折格子面(2a)を有している。この回折格子面(2a)に隣接する液晶(3)は、光学的な異方性を有する一軸性の光学的異方体層を成しており、前記ホログラム(17H)はこの液晶(3)に相当する。また、液晶(3)を回折格子(2)との間で挟むようにして液晶(3)と隣接する対向平板(4)は、樹脂製又はガラス製の透明基板である。対向平板(4)の液晶(3)側の面には配向膜(4a)が設けられており、配向膜(4a)には回折格子面(2a)の溝方向に沿って液晶(3)がホモジニアス配向するようにラビング処理が施されている。前記ホログラム(17H)に記録されている干渉縞の方向は、液晶(3)の配向方向に相当する。
【0053】
液晶(3)は光学的な異方性を有する複屈折材料であるため、常光に対する屈折率と異常光に対する屈折率とは異なる。したがって、光学的に略等方な回折格子(2)との境界に位置する回折格子面(2a)が及ぼす回折作用も、常光と異常光とでは異なる。この偏光分離素子(1)では、常光,異常光のうちのいずれか一方に対する屈折率が回折格子(2)の屈折率と同じになるように各材料が選択されている。例えば、常光に対する液晶(3)の屈折率と回折格子(2)の屈折率とを同じにした場合、常光が回折作用を受けずに回折格子面(2a)を透過し、異常光が回折格子面(2a)での回折作用を受けて偏向することになる。逆に、異常光に対する液晶(3)の屈折率と回折格子(2)の屈折率とを同じにした場合、異常光が回折作用を受けずに回折格子面(2a)を透過し、常光が回折格子面(2a)での回折作用を受けて偏向することになる。前記ホログラム(17H)も液晶(3)と同様に作用するので、常光,異常光のうちのいずれか一方{図17中の回折光(L0)}が回折格子面(17d)での回折作用を受けて偏向することになる。
【0054】
上記のように液晶(3)又はホログラム(17H)を回折格子面(2a又は17d)に隣接させることにより、入射してきた照明光を偏波面が互いに直交する2つの直線偏光{例えば図17中の透過光(L0)と回折光(L1)}に分離することができる。しかも、回折格子面(2a又は17d)がブレーズ形状を成しているため高い回折効率が得られる。回折格子面(2a又は17d)での回折効率が高ければ偏光変換効率も高くなるため、光利用効率を向上させることが可能である。
【0055】
《インテグレータ光学系》
次に、前述のホログラム位相素子や偏光分離素子を用いた、偏光変換機能を有するレンズアレイ方式のインテグレータ光学系を説明する。図19,図20に示す液晶プロジェクターは、いずれも前記従来例(図21)とは異なるタイプのインテグレータ光学系を備えている。図19に示すインテグレータ光学系は、偏光分離素子(21)と、第1,第2レンズアレイ(22a,22b)が1つの光学素子として一体化された一体型レンズアレイ(22)と、ホログラム位相素子(23)と、で構成されており、図20に示すインテグレータ光学系は、偏光分離素子(21)と、第1,第2レンズアレイ(22A,22B)と、第2レンズアレイ(22B)に一体化されたホログラム位相素子(23A)と、で構成されている。
【0056】
第1レンズアレイ(22a,22A)は、液晶パネル(28)と略相似な矩形のレンズセルを2次元のアレイ状に配列して成るものであり、複数のレンズセルで入射光を分割する。そして、第1レンズアレイ(22a,22A)と同じ数のレンズセルから成るアレイ構造{第1,第2レンズアレイ(22a,22A;22b,22B)の各レンズセルは対を成す。}を有する第2レンズアレイ(22b,22B)の近傍に、複数の光源像(図10,図12中の楕円)を形成する。第1レンズアレイ(22a,22A)の各レンズセルと液晶パネル(28)とは、第2レンズアレイ(22b,22B)の各レンズセルを介して共役な関係にあるため、照明光の空間的なエネルギー分布は均一化されて液晶パネル(28)は無駄なく均一に照明される。
【0057】
図19,図20に示すインテグレータ光学系では、第1レンズアレイ(22a,22A)近傍(又はその共役位置の近傍でもよい。)に配置された偏光分離素子(21)によって偏光分離が行われ、第2レンズアレイ(22b,22B)近傍(又はその共役位置の近傍でもよい。)に配置されたホログラム位相素子(23,23A)によって偏波面の回転が行われる。偏光分離素子(21)としては、前記ホログラム(17H)の構造性複屈折を利用したブレーズ型回折格子構造から成る偏光位相変調素子(図17)、又は液晶(3)の複屈折性を利用したブレーズ型回折格子構造から成る偏光分離素子(1,図18)が用いられる。また、ホログラム位相素子(23,23A)としては、前記製造装置(図1)により得られる偏光位相変調素子、つまり使用波長よりも小さなピッチの干渉縞が屈折率分布として記録された(1/2波長板として機能する)構造性複屈折領域を所定のパターンで有するホログラム位相素子が用いられる。
【0058】
ところで、前記従来例(図21)のように偏光分離をPBSアレイ(24)で行い偏波面の回転を1/2波長板(25)で行う構成では、PBSアレイ(24)の形状・加工精度,1/2波長板(25)の貼り付け精度等に物理的な制約が生じる。このため、PBSアレイ(24)のピッチや1/2波長板(25)の幅を小さくしようとしても、2mm程度が限界となる。前記製造装置(図1)を用いれば、1/2波長板として機能する幅2mm以下の構造性複屈折領域を微細かつ複雑にパターニングすることができる。そして、マスク(M)の開口に対応する構造性複屈折領域と、マスク(M)の遮光領域に対応する非構造性複屈折領域と、をそれぞれ幅2mm以下で構成したホログラム位相素子(23,23A)を用いることにより、従来よりも微細かつ複雑な偏光制御が可能となる。この微細かつ複雑なパターンでの偏波面の回転に対する偏光分離のマッチングを考えた場合、偏光分離は前記ブレーズ型の回折格子構造(図17,図18)で行うことが望ましい。ブレーズ型回折格子構造を有する偏光分離素子(21)をホログラム位相素子(23,23A)と組み合わせることによって、図19に示すようにインテグレータ光学系の小型化等が達成可能となる。
【0059】
レンズセルサイズ(d1)と光学距離(F1)との比(d1:F1)を保ちながらレンズセルサイズ(d1)を小さくすると、光学距離(F1)が短縮されるためインテグレータ光学系は小さくなる。したがって、図19に示すように第1,第2レンズアレイ(22a,22b)の一体成型が可能となり、小型化と共にコストダウンを達成することができる。前記PBSアレイ(24)の微細化は不可能であるが、ブレーズ型回折格子構造を有する偏光分離素子(21)の構造自体はレンズセルサイズ(d1)に依存しない。また、ホログラム位相素子(23,23A)において構造性複屈折領域のパターンを微細化することは、前述したように容易である。したがって、レンズセルサイズ(d1)を小さくすることは可能である。なお、図19では従来例(図21)の1/3サイズでレンズセルサイズ(d1)を示してあるが、実際はもっと細かいピッチで構成することができる。
【0060】
従来例(図21)におけるレンズセルパターン(P2)と光源像(楕円)との位置関係(図23)から分かるように、その周辺に位置するレンズセルほど光源像が占める相対的な面積は小さい。したがって、レンズセルの開口を周辺ほど小さくして光源像を密にすれば、第2レンズアレイ(22B)全体のサイズを小さくすることができる。第2レンズアレイ(22B)全体のサイズを小さくすれば、照明システム(図21)のFナンバーが大きくなるため、投影レンズ(29)に必要なFナンバーも大きくすることができる。したがって、高い光利用効率を保持しつつ投影レンズ(29)の小型化及び低コスト化を達成することができる。
【0061】
図19,図20に示すインテグレータ光学系に用いる第2レンズアレイ(22b,22B)において、周辺に位置するレンズセルほど開口を小さく(いわゆる異形化)し、また、第1レンズアレイ(22a,22A)の各レンズセルを適宜偏心させることによりレンズセル単位で光源像を密にすれば、上記のように第2レンズアレイ(22b,22B)全体のサイズを小さくすることができる。図10に、レンズセルの開口を上下1方向に異形化した第2レンズアレイ(22b,22B)のレンズセルパターン(P2)を示し、図12に、レンズセルの開口を上下左右斜めの複数方向に異形化した第2レンズアレイ(22b,22B)のレンズセルパターン(P2)を示す。図23,図10,図12に示す各レンズセルパターン(P2)の外周円(一点鎖線)を比較すると分かるように、開口の異形化方向を増やすほどレンズセルを密に詰めることができ、第2レンズアレイ(22b,22B)全体のサイズ(外周円の直径)を小さくすることができる。
【0062】
図10,図12のレンズセルパターン(P2)で示すように、第2レンズアレイ(22b,22B)が開口形状や開口サイズの異なる2種類以上のレンズセルで構成されている場合には、偏光分離された一対の光源像(つまり各レンズセル上のTM偏光の像とTE偏光の像)を近づけて密にするために、偏光分離素子(21)による偏光分離の角度や方向もレンズセル単位で調整する必要がある。つまり、レンズセルパターン(P2)の周辺ほど、偏光分離角を小さくするとともに、偏光分離方向を異形化方向に対して略垂直に近づけることが望ましいといえる。
【0063】
図10に示すレンズセルパターン(P2)の第2レンズアレイ(22b,22B)を用いる場合には、図9に示すように2つの直線偏光の分離角(つまり回折角)が第1レンズアレイ(22a,22A)のレンズセル単位で異なるように、回折格子ピッチが異なる3種類のブレーズパターン(R1〜R3)の偏光分離素子(21)を用いる。このブレーズパターン(R1〜R3)の回折格子ピッチは、上下の1方向に沿って周辺ほど粗くなっている。また、図12に示すレンズセルパターン(P2)の第2レンズアレイ(22b,22B)を用いる場合には、図11に示すように2つの直線偏光の分離角及び分離方向が第1レンズアレイ(22a,22A)のレンズセル単位で異なるように、回折格子ピッチ及び溝方向が異なる6種類のブレーズパターン(R1〜R6)の偏光分離素子(21)を用いる。このブレーズパターン(R1〜R6)の回折格子ピッチは、上下左右斜めの4方向に沿って周辺ほど粗くなっており、また溝方向は前記異形化方向に対応した略放射状になっている。
【0064】
偏光分離素子(21)は前述の複屈折作用及び回折作用によって、照明光を偏波面が互いに直交する2つの直線偏光(TM偏光とTE偏光)に分離する。図19,図20中、実線がTM偏光、破線がTE偏光である。また、図10,図12中、クロスハッチで表示されている楕円がTM偏光から成る光源像、その各光源像と同じレンズセル上に位置する楕円がTE偏光から成る光源像であり、楕円中の矢印方向が偏光方向である。また図10,図12中、斜線で表示されている構造性複屈折領域パターン(Q0〜Q3)が、ホログラム位相素子(23,23A)において1/2波長板{斜線は光学軸(ax)方向(±22.5°,45°)を表す。}として機能する構造性複屈折領域である。前述したように、図10の構造性複屈折領域パターン(Q0)は図4のマスク(M0)を用いて製造され、図12の構造性複屈折領域パターン(Q1〜Q3)は図5(A)〜(C)のマスク(M1〜M3)を用いて製造される。
【0065】
偏光分離素子(21)で分離された2つの偏光のうちの少なくとも一方(図10ではTE偏光のみ)が、ホログラム位相素子(23,23A)の構造性複屈折領域に入射する。そして、パターン(Q0〜Q3)を成す構造性複屈折領域は、入射光の偏波面を所定角度(図10では90°)回転させることにより、入射光を上下の1方向に偏光方向が揃った偏光(図10ではTM偏光)に変換する。偏光方向が揃えられた照明光は、重ね合わせレンズ(26)とコンデンサーレンズ(27)を通過した後、液晶パネル(28)を照明する。
【0066】
図12に示す第2レンズアレイ(22b,22B)のレンズセルパターン(P2)のようにレンズセルの開口を複数方向に異形化すると、Fナンバーを大きくすることはできるが、偏光分離方向を第1レンズアレイ(22a,22A)のレンズセル単位で変えなければならなくなる。図11に示すブレーズパターン(P1)による偏光分離方向は4種類なので、光源像の偏光方向(矢印)も4種類存在してしまうことになるが、1/2波長板として機能する構造性複屈折領域は、第2レンズアレイ(22b,22B)のレンズセル単位で光学軸(ax)方向が異なる3種類のパターン(Q1〜Q3)で構成されているため、入射光をすべて同一の偏光方向に揃えることが可能である。
【0067】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、製造容易でコンパクトな偏光位相変調素子を実現することができる。また、その偏光分離素子を用いることにより、光利用効率の高いインテグレータ光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】ホログラム位相素子の製造装置を模式的に示すシステム構成図。
【図2】図1の製造装置に用いられるマスクホルダーの一例を示す平面図。
【図3】図1の製造装置に用いられる回折光カット光学系の一例を示す光学構成図。
【図4】1種類の構造性複屈折領域を形成するためのマスクの具体例を示す平面図。
【図5】3種類の構造性複屈折領域を形成するためのマスクの具体例を示す平面図。
【図6】感光材料を露光する際の入射光束に対する導光プリズムの作用を説明するための光路図。
【図7】2光束が成す角度に対する干渉縞間隔の依存性を示すグラフ。
【図8】構造性複屈折を生じる1次元周期性多層構造を示す模式図。
【図9】第1レンズアレイのレンズセルパターンと、1方向の偏光分離を行う偏光分離素子のブレーズパターンと、の関係を示す平面図。
【図10】第2レンズアレイのレンズセルパターンと、第1レンズアレイにより形成される光源像の配置と、1種類の構造性複屈折領域を有するホログラム位相素子の構造性複屈折領域パターンと、の関係を示す平面図。
【図11】第1レンズアレイのレンズセルパターンと、4方向の偏光分離を行う偏光分離素子のブレーズパターンと、の関係を示す平面図。
【図12】第2レンズアレイのレンズセルパターンと、第1レンズアレイにより形成される光源像の配置と、3種類の構造性複屈折領域を有するホログラム位相素子の構造性複屈折領域パターンと、の関係を示す平面図。
【図13】構造性複屈折領域と非構造性複屈折領域とが周期的に並ぶバイナリー型の回折格子構造(タイプ1)を示す模式図。
【図14】図13の回折格子構造(タイプ1)における屈折率分布を示すグラフ。
【図15】構造性複屈折領域と非構造性複屈折領域とが周期的に並ぶバイナリー型の回折格子構造(タイプ2)を示す模式図。
【図16】図15の回折格子構造(タイプ2)における屈折率分布を示すグラフ。
【図17】構造性複屈折を示すホログラムから成るブレーズ型の回折格子構造の製造方法を示す工程図。
【図18】液晶とブレーズ形状の回折格子とから成るブレーズ型の偏光分離素子を示す断面図。
【図19】第1,第2レンズアレイが一体化されたインテグレータ光学系を照明システムに備えた液晶プロジェクターを示す光学構成図。
【図20】第2レンズアレイとホログラム位相素子とが一体化されたインテグレータ光学系を照明システムに備えた液晶プロジェクターを示す光学構成図。
【図21】従来の偏光変換機能を有するインテグレータ光学系を照明システムに備えた液晶プロジェクターを示す光学構成図。
【図22】図21中の第1レンズアレイのレンズセルパターンを示す平面図。
【図23】図21中のインテグレータ光学系における、第2レンズアレイのレンズセルパターンと、第1レンズアレイにより形成される光源像の配置と、1/2波長板の貼り付けパターンと、の関係を示す平面図。
【符号の説明】
1 …偏光分離素子
2 …回折格子
2a …回折格子面
3 …液晶
12 …マスクホルダー
M,M0〜M3 …マスク
17 …感光材料
17H …ホログラム
17d …回折格子面
17I …樹脂
17f …樹脂平面
21 …偏光分離素子
22 …一体型レンズアレイ
22A,22a …第1レンズアレイ
22B,22b …第2レンズアレイ
23,23A …ホログラム位相素子
28 …液晶パネル
P1 …第1レンズアレイのレンズセルパターン
P2 …第2レンズアレイのレンズセルパターン
Q0〜Q3 …構造性複屈折領域パターン(マスクの開口パターン)
R1〜R6 …ブレーズパターン
α …構造性複屈折領域
β,γ …非構造性複屈折領域
L0 …透過光
L1 …回折光
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
  The present invention relates to a polarization phase modulation element.Manufacturing method and manufacturing apparatusAndFor example,Integrator optics used in projector lighting systemsInPolarization phase modulation element capable of improving the light utilization efficiency by adding a polarization conversion functionofProduction methodAnd manufacturing equipmentIt is about.
[0002]
[Prior art]
In a spatial light modulation element that displays an image by light modulation of specific polarization, such as a liquid crystal panel, illumination light other than the specific polarization is absorbed by the polarizer, and therefore generally about half of the illumination light is lost. In order to solve this problem and improve the light utilization efficiency, various illumination systems that perform polarization conversion by separating the polarization and rotating the polarization plane (that is, the vibration plane of the electric vector) have been proposed. An example is shown in FIG.
[0003]
FIG. 21 shows a liquid crystal projector that projects a display image of the liquid crystal panel (28) onto a screen surface (not shown) by a projection lens (29). In order to illuminate the liquid crystal panel (28), the liquid crystal projector has a lamp (20), a first lens array (22A), a second lens array (22B), a PBS (polarizing beam splitter) array (24), 1/2. An illumination system including a wave plate (25), an overlapping lens (26), and a condenser lens (27) is provided. The lamp (20) is composed of a light source (20a) that emits illumination light and a parabolic mirror (20b) that makes the illumination light from the light source (20a) substantially parallel light, and is emitted from the lamp (20). The illuminated light is incident on a lens array type integrator optical system composed of the first and second lens arrays (22A, 22B).
[0004]
FIG. 22 shows the lens cell pattern (P1) of the first lens array (22A). The first lens array (22A) is formed by arranging rectangular lens cells substantially similar to the liquid crystal panel (28) in a two-dimensional array, and divides incident light by a plurality of lens cells. Then, a plurality of light source images (ellipses in FIG. 23) are formed in the vicinity of the second lens array (22B) having the same array structure as the first lens array (22A). Since each lens cell of the first lens array (22A) and the liquid crystal panel (28) are in a conjugate relationship via each lens cell of the second lens array (22B), the spatial energy distribution of the illumination light is The liquid crystal panel (28) is uniformly illuminated without being wasted.
[0005]
The illumination light emitted from the second lens array (22B) enters the PBS array (24) located in the vicinity thereof and is separated into two linearly polarized lights (that is, TM polarized light and TE polarized light) whose polarization planes are orthogonal to each other. The In FIG. 21, the solid line is TM-polarized light (the vibration direction of the electric vector is parallel to the paper surface), and the broken line is TE-polarized light (the vibration direction of the electric vector is perpendicular to the paper surface). A strip-shaped half-wave plate (25) is affixed to the exit side of the PBS array (24). Of the two polarized lights separated by the PBS array (24), only the TE polarized light is 1/2. The light enters the wave plate (25).
[0006]
FIG. 23 shows the arrangement of the lens cell pattern (P2) of the second lens array (22B), the light source image formed by the first lens array (22A), and the pasting of the half-wave plate (25, hatched portion). The relationship with the attachment pattern is shown. In FIG. 23, the ellipse overlapping the half-wave plate (25) is a light source image composed of TE polarized light, and the ellipse (cross hatch portion) located on the same lens cell as that of each light source image is TM polarized light. (The direction of polarization: the direction of the arrow in the ellipse). The half-wave plate (25) converts TE polarized light into TM polarized light by rotating the polarization plane of TE polarized light by 90 °. Therefore, all illumination light becomes TM polarized light. The illumination light aligned with the TM polarized light passes through the overlapping lens (26) and the condenser lens (27), and then illuminates the liquid crystal panel (28).
[0007]
As can be seen from FIGS. 21 to 23, in the above-described lens array type integrator optical system, the second lens array (22B) is composed of lens cells having the same shape and size as the first lens array (22A). For this reason, it is difficult to make the integrator optical system compact while maintaining high light utilization efficiency. In addition, since the F number is restricted, it is difficult to make the projection lens (29) compact. In FIG. 21, the lens cell size of the first lens array (22A) is d1, the optical distance from the first lens array (22A) to the second lens array (22B) is F1, and the size of the liquid crystal panel (28) is Assuming that the optical distance from the superposed lens (26) to the condenser lens (27) is F2, the relationship d1: F1 = d2: F2 is substantially established, and the illumination F number is substantially determined by F1 / D.
[0008]
In order to solve the above problem, an integrator optical system in which the second lens array is configured by a plurality of types of lens cells having different aperture shapes and aperture sizes is proposed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-197827. According to this configuration, since the interval between the light source images is narrowed and the F number is increased, the light utilization efficiency can be improved and the size can be reduced.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
In the integrator optical system described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 10-197827, the illumination light is separated into two linearly polarized light whose polarization planes are orthogonal to each other by a polarization separating element and pasted to each lens cell of the second lens array. By rotating the plane of polarization of one linearly polarized light by 90 ° with the wave plate, the planes of polarization of the two linearly polarized lights are made the same. This polarization conversion allows only linearly polarized light with the same plane of polarization to be incident on the polarizer, so there is almost no light loss due to the polarizer, making it possible to achieve illumination with high light utilization efficiency for the spatial light modulator. Become. However, since the second lens array is composed of a plurality of types of lens cells having different aperture shapes and aperture sizes, it is difficult to attach a half-wave plate to each lens cell. In addition, since the lens cell becomes finer as the distance from the center of the second lens array increases, it is actually impossible to cut and paste fine half-wave plates of various shapes.
[0010]
  The present invention has been made in view of such a situation, and is an easy-to-manufacture and compact polarization phase modulation element.Manufacturing method and manufacturing apparatusThe purpose is to provide.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
  In order to achieve the above object, the polarization phase modulation element of the first inventionManufacturing methodIsThe photosensitive material capable of recording the exposure amount as a refractive index modulation is made up of the two light beams by making two coherent light beams having the same wavelength symmetrically or substantially symmetrical with respect to the normal of the surface of the photosensitive material. A method of manufacturing a polarization phase modulation element comprising a refractive index modulation type hologram, wherein the photosensitive material is exposed with interference fringes, wherein the pitch of the interference fringes is smaller than a working wavelength, and the surface of the photosensitive material is The exposure is performed through a mask so that a region to be exposed forms a predetermined pattern, and the diffracted light generated by the mask is removed by a diffracted light cut optical system. I doIt is characterized by that.
[0012]
  Polarization phase modulation element of the second inventionManufacturing methodIn the configuration of the first invention,Repeat the exposure multiple times and switch the pattern and the interference fringes to different ones for each exposureIt is characterized by that.
[0013]
  Polarization phase modulation element of the third inventionManufacturing methodIs the aboveFirstIn the configuration of the invention of 2,The pattern is switched by exchanging the mask.It is characterized by that.
[0014]
  Polarization phase modulation element of 4th inventionManufacturing methodIs the above1st, 2nd orIn the configuration of the third invention,Further, a blazed diffraction grating surface is formed on the surface of the photosensitive material by oblique etching, and a resin plane is formed by filling the blazed concave portion with a resin having optical isotropic property or substantially isotropic property.It is characterized by that.
[0015]
  Polarization phase modulation element of 5th inventionManufacturing methodIsIn the first, second, third, or fourth aspect of the invention, the region of the photosensitive material surface that is exposed is exposed. 0.001 ~ 0.1mm The exposure is performed through a mask so as to form a pitch periodic structure.It is characterized by that.
[0016]
  Polarization phase modulation element of 6th inventionManufacturing methodThe above1, 2nd, 3rd or 4thIn the configuration of the invention of0.001 ~ 0.1mm Exposure with pitch interference fringes is performed overlapping the exposure.It is characterized by that.
[0017]
  The manufacturing method of the polarization phase modulation element of the seventh invention is:In the configuration of the first, second, third, fourth, fifth, or sixth invention, a light guide prism is attached to the surface of the photosensitive material in a close contact state or a liquid immersion state.Then, the exposure is performed.
[0018]
  Manufacture of polarization phase modulation element of eighth inventionapparatusIsThe photosensitive material capable of recording the exposure amount as a refractive index modulation is made up of the two light beams by making two coherent light beams having the same wavelength symmetrically or substantially symmetrical with respect to the normal of the surface of the photosensitive material. A polarization phase modulation device comprising a refractive index modulation type hologram that exposes the photosensitive material with an interference fringe, wherein the pitch of the two light fluxes is smaller than the wavelength used. An angle difference is set to be large, and a mask having an opening made of a predetermined pattern is formed so that a region to be exposed on the surface of the photosensitive material forms a predetermined pattern. It has a diffracted light cut optical system that removes the diffracted light generated by the mask so that only the next light is used.It is characterized by that.
[0019]
  Manufacture of polarization phase modulation element of ninth inventionapparatusIn the configuration of the eighth invention,The diffracted light cut optical system is composed of two lenses and a slit plate disposed between them, and the slit plate is formed with a slit that allows only zero-order light to pass through.It is characterized by that.
[0029]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
  Hereinafter, the polarization phase modulation element embodying the present inventionManufacturing method and manufacturing equipment, etc.Will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol is attached | subjected to the part which is the same in the said prior art example and each embodiment, and an equivalent part, and duplication description is abbreviate | omitted suitably.
[0030]
《Structural birefringence and holograms》
When the fine structure is oriented, optical anisotropy called structural birefringence occurs. For example, as shown in FIG. 8, let us consider a case where light travels in parallel with a layer in a one-dimensional periodic multilayer structure composed of two types of isotropic dielectrics. If the pitch Λ of this periodic structure is sufficiently small compared to the wavelength of light, this fine structure acts like a negative uniaxial crystal with respect to the light {optical axis (ax) is perpendicular to the layer. }. Therefore, the TE wave (electric vector vibration direction is parallel to the layer) and the TM wave (electric vector vibration direction perpendicular to the layer) have different refractive indices for the light used.
[0031]
If an interference fringe having a pitch smaller than the wavelength of light is recorded on the hologram, it is possible to constitute the fine structure having a periodic refractive index distribution. For example, with respect to a photosensitive material capable of recording the exposure amount as a refractive index modulation (that is, a difference in refractive index occurs depending on the exposure amount), the same wavelength is symmetrically or substantially symmetrical with respect to the normal of the photosensitive material surface. Two coherent beams are incident. Then, the photosensitive material is exposed with interference fringes (that is, energy distribution) composed of two light beams, and a refractive index modulation type hologram is obtained.
[0032]
FIG. 7 shows the angle difference (°) between the two light beams (ie, the object beam and the reference beam), and the interference fringe spacing (μm) when creating a hologram on a photosensitive material with a production wavelength of 500 (nm) and a refractive index of 1.5. , Shows the relationship. As can be seen from the graph of FIG. 7, by increasing the angle difference between the two light beams, the pitch of the interference fringes can be made smaller than the wavelength used (that is, the fringe pitch can be made finer). For example, if the manufacturing wavelength is 532 (nm), the fringe pitch (Λ, the interference fringe spacing) is 200 (nm), and the respective dielectric constants of the isotropic dielectric (FIG. 8) are 1.41 and 1.35, the fine The structure can function as a half-wave plate with a thickness of 200 (μm).
[0033]
<Hologram type polarization phase modulation element>
In creating a hologram, the fringe pitch can be miniaturized as described above, so that a polarization phase modulation element having various functions can be easily manufactured by patterning a region where structural birefringence occurs. . As examples of the polarization phase modulation element, a hologram phase element having a function of a phase plate, a polarization separation element having a polarization separation function, and a manufacturing method thereof will be described below.
[0034]
FIG. 1 is a system configuration diagram schematically showing a hologram phase element manufacturing apparatus. This manufacturing apparatus includes a laser light source (10), an expander (11), a mask (M), a mask holder (12), a diffracted light cut optical system (13), a half mirror (14), a mirror (15A, 15B), a light guide. An optical prism (16), a rotary stage (19) and the like are provided. The laser light emitted from the laser light source (10) is expanded in beam diameter by the expander (11), and light flux is restricted by the mask (M) attached to the mask holder (12). The laser beam that has passed through the mask (M) passes through the diffracted light cut optical system (13), and is then split into two light beams (object beam and reference beam) by the half mirror (14), and by the mirrors (15A, 15B). After the reflection, the light is incident on the light guide prism (16) to expose the photosensitive material (17). This photosensitive material (17) is a hologram sensitive material made of a photopolymer capable of recording an exposure amount as a refractive index modulation.
[0035]
The mask holder (12) is for facilitating replacement and positioning when a plurality of masks (M) are used, and FIG. 2 shows an example thereof. The mask holder (12) shown in FIG. 2 can fix three types of masks (M1 to M3), and the mask (M1 to M3) on which the laser beam enters is a rotation (X1: rotation) of the mask holder (12). Switched by axis). 4 and 5 show specific examples of the mask (M). In the mask (M0 to M3), openings made of predetermined patterns (Q0 to Q3) are formed. Therefore, it is possible to make only the laser beam incident on each aperture enter the diffracted light cut optical system (13).
[0036]
The position of the mask (M) is not limited to between the expander (11) and the half mirror (14). For example, exposure can be performed by disposing a mask (M) on the surface of the photosensitive material (17). However, when the opening width of the mask (M) is reduced, the generation of ghost due to diffraction cannot be ignored. For this reason, as shown in FIG. 1, it is desirable to regulate the light beam with the mask (M) before separating the laser light into two light beams with the half mirror (14), and between the mask (M) and the half mirror (14). It is further desirable to dispose the diffracted light cut optical system (13).
[0037]
FIG. 3 shows a specific example of the diffracted light cut optical system (13). In FIG. 3, the short broken line indicates the 0th-order light, and the long broken line indicates the ± first-order light. The diffracted light cut optical system (13) is composed of two lenses (L1, L2) and a slit plate (PL) disposed between them. The slit plate (PL) is formed with a slit (SL) that allows only the 0th-order light to pass through, and ± 1st-order light is shielded by the slit plate (PL). Therefore, even if diffracted light is generated in the mask (M), the generated diffracted light is removed by the diffracted light cut optical system (13).
[0038]
The photosensitive material (17) is set on the rotary stage (19) as shown in FIG. 1 in a state of being attached (or applied) to the surface of the glass substrate (18). Since the rotation axis (X2) of the rotary stage (19) is parallel to the normal of the surface of the photosensitive material (17), the light flux with respect to the surface of the photosensitive material (17) even if the rotary stage (19) rotates. The incident angle does not change. In order to prevent adverse effects due to unnecessary light transmitted through the photosensitive material (17), a black absorbing plate (not shown) that absorbs unnecessary light is attached to the back surface of the glass substrate (18) in a close contact state or a liquid immersion state. ing.
[0039]
A light guide prism (16) is attached to the surface of the photosensitive material (17) in a close contact state or a liquid immersion state. For example, the light guide prism (16) is disposed in close contact with the photosensitive material (17) via a liquid (paraffin or the like) having the same refractive index as that of the photosensitive material (17). When the light guide prism (16) is used in this way, there is no air layer between the light guide prism (16) and the photosensitive material (17), so the fringe pitch is reduced while preventing the occurrence of ghosts due to interface reflection. Can be small.
[0040]
The operation of the light guide prism (16) will be described in more detail. FIG. 6 (A) shows an optical path when laser light is incident on the photosensitive material (17) through the light guide prism (16), and FIG. 6 (B) is directly incident on the photosensitive material (17). The optical path of the case is shown. Laser light is incident on the photosensitive material (17) at an angle θ and travels through the photosensitive material (17) at an angle θ ′. To reduce the fringe pitch, the angle θ in the photosensitive material (17) is used. It is necessary to increase '(Fig. 7). As shown in FIG. 6B, when the light guide prism (16) is not provided, if an attempt is made to increase the angle θ ′, loss due to surface reflection increases and ghosts are likely to occur. The critical angle of the angle θ ′ is limited. As shown in FIG. 6 (A), if a light guide member such as a light guide prism (16) is provided, each laser beam is incident substantially perpendicularly to the two surfaces of the light guide prism (16), and criticality is achieved. It is possible to realize θ ′ that is greater than or equal to the corner without the loss or the like.
[0041]
As shown in FIG. 1, by making two coherent light beams of the same wavelength incident symmetrically (or substantially symmetrical) with respect to the normal (X2) of the surface of the photosensitive material (17), interference fringes composed of the two light beams are incident. Thus, the photosensitive material (17) can be exposed. At this time, it is possible to make the pitch of the interference fringes smaller than the operating wavelength by increasing the angle difference between the two light beams (FIG. 7). Accordingly, interference fringes having a pitch smaller than the used wavelength can be recorded as a refractive index distribution.
[0042]
Since exposure to the photosensitive material (17) is performed through the mask (M) described above, the area of the photosensitive material (17) subjected to exposure has the same pattern as the opening formed in the mask (M). become. Therefore, a fine structural birefringence region in which interference fringes having a pitch smaller than the used wavelength are recorded as a refractive index distribution can be configured with a predetermined pattern. For example, if the mask (M0) of FIG. 4 is used, a hologram phase element having a structural birefringence region functioning as a half-wave plate with a pattern (Q0, hatched portion) shown in FIG. 10 can be obtained. Further, if a mask having a strip-shaped opening is used, the structural birefringence region functioning as a half-wave plate is formed in the same strip-shaped pattern as in the conventional example {attachment of the half-wave plate (25) in FIG. A hologram phase element having an attached pattern (shaded portion)} can be obtained.
[0043]
With the hologram exposure using the mask (M) as described above, the structural birefringence region can be easily configured with a fine pattern, and at the same time, it is optically shielded by the mask (M) (non-exposure). A non-structurally birefringent region having isotropic (or substantially isotropic) can be formed with a fine pattern. Then, if the use light is arranged so as to be incident on the surface of the photosensitive material (17) perpendicularly or substantially perpendicularly (normal direction or substantially normal direction), the patterned structural birefringence region is formed into a phase plate ( It is possible to function as a half-wave plate or the like. The production wavelength and the use wavelength may be different. For example, the production wavelength may be an ultraviolet wavelength and the use wavelength may be a visible wavelength.
[0044]
If the exposure to the photosensitive material (17) is repeated a plurality of times and the pattern and the interference fringes are switched to different ones for each exposure, the structural birefringence region has two or more patterns and each pattern Hologram phase elements having different interference fringes recorded in the structural birefringence region can be manufactured. For example, when the mask holder (12) is rotated and the masks (M1 to M3; FIGS. 2 and 5) are exchanged, the patterns (Q1 to Q3) can be switched. In addition, the direction of the interference fringes {that is, the direction of the optical axis (ax)} can be switched by rotating the rotary stage (19) to switch the incident direction of the two light beams. By sequentially switching the pattern and the interference fringes, a hologram phase element having a structural birefringence region of three types of patterns (Q1 to Q3) shown in FIG. 12 is obtained. It is also possible to switch the fringe pitch by changing the wavelength of the two light beams and the light beam incident angle. In this case, a plurality of structural birefringent regions (1/2 wavelength plates, It is also possible to mix a quarter wavelength plate or the like in a plurality of patterns.
[0045]
If an opening having a pattern having a certain periodicity is formed in the mask (M), as shown in FIG. 13, a fine structure in which interference fringes having a pitch (Λ 2) smaller than the wavelength used is recorded as a refractive index distribution. The birefringent region (α) can be configured with a pattern having the same periodicity (pitch: Λ 1) as the opening formed in the mask (M). Β in FIG. 13 corresponds to a constant refractive index region that has not been exposed by light shielding with the mask (M), that is, a non-structurally birefringent region. Therefore, the distribution of the refractive index (n) at the position (X) in the optical axis (ax) direction is as shown in FIG. For example, if the above-described exposure (FIG. 1) is performed through the mask (M) so that the exposed area (α) on the surface of the photosensitive material (17) forms a periodic structure with a pitch of 0.001 to 0.1 mm, the structural compound can be obtained. A constant periodic structure (type 1 diffraction grating structure) in which refraction regions (α) and nonstructural birefringence regions (β) are alternately arranged is obtained, and the pitch (Λ1) of the periodic structure is 0.001 at which diffraction occurs. ~ 0.1mm.
[0046]
If exposure with an interference fringe having a pitch larger than the use wavelength is overlapped with exposure with an interference fringe having a pitch smaller than the use wavelength, as shown in FIG. 15, a pitch (Λ2) smaller than the use wavelength is obtained. A fine structural birefringence region (α) in which the interference fringes are recorded as a refractive index distribution is composed of a periodic pattern (pitch: Λ1) including a region (γ) in which the refractive index is saturated by superposition Can do. A saturated region (γ) in FIG. 15 corresponds to a nonstructural birefringence region (constant refractive index). Accordingly, the distribution of the refractive index (n) at the position (X) in the optical axis (ax) direction is as shown in FIG. For example, if exposure with 0.001 to 0.1 mm pitch interference fringes is performed overlapping the above-described exposure (FIG. 1), the structural birefringence region (α) and the non-structural birefringence region (γ) are alternately arranged. A constant periodic structure (type 2 diffraction grating structure) is obtained without a mask (M), and the pitch (Λ1) of the periodic structure is 0.001 to 0.1 mm at which diffraction occurs.
[0047]
As described above, in the binary type diffraction grating structure (FIGS. 13 and 15) in which the part (α) having the fine periodic structure showing structural birefringence and the part (β, γ) not having the periodic structure are periodically arranged, If the phase difference between the light passing through the birefringent region (α) and the light passing through the non-structural birefringent region (β, γ) is an integral multiple of 2π, all light is transmitted without being diffracted (L0: transmitted light). If the phase difference is π, there is no transmitted light traveling straight and all diffracted waves (L1: diffracted light). That is, the TE wave is the case where the electric field direction of the incident light is parallel to the interference fringes, the TM wave is the case where the magnetic field direction is parallel, and the refractive index of the structural birefringence region (α) for the TE wave and TM wave is nTE, nTM. If the refractive indices of the non-structurally birefringent regions (β, γ) with respect to the TE wave and the TM wave are n0TE and n0TM, n0TE = n0TM and nTE ≠ nTM, for example, ΔnTE = nTE−n0TE = 2mπ, ΔnTM When n = nTM−n0TM = (2m + 1) π (m: integer), the TE wave goes straight as 0th order light (L0), and the TM wave is diffracted as ± first order light (L1). Therefore, the binary diffraction grating structure (FIGS. 13 and 15) has a function (polarization separation function) as a polarization separation element (that is, PBS: polarizing beam splitter).
[0048]
Next, a blazed diffraction grating structure (FIG. 17) having a polarization separation function similar to the binary diffraction grating structure (FIGS. 13 and 15) will be described. This diffraction grating structure is configured in a polarization phase modulation element having a refractive index modulation type hologram (17H) as shown in FIG. In the hologram (17H), interference fringes with a pitch smaller than the wavelength used are recorded as a refractive index distribution, and on the hologram (17H) surface, a blazed diffraction grating surface comprising grooves parallel to the interference fringes ( 17d) is formed. Further, the blazed concave portion of the diffraction grating surface (17d) is filled with a resin (17I) having optical isotropy (or substantially isotropic properties).
[0049]
The blazed shape of the diffraction grating surface (17d) may be one type, but the diffraction grating surface (17d) may be composed of two or more regions having different blazed shapes (diffraction grating pitch, groove direction, etc.). . 9 and 11 show examples of blaze patterns (R1 to R6) in each region constituting the diffraction grating surface (17d). 9 shows three types of blaze patterns (R1 to R3) having different diffraction grating pitches, and FIG. 11 shows six types of blaze patterns (R1 to R6) having different diffraction grating pitches and groove directions. By matching the groove direction of the diffraction grating surface (17d) in each region with the direction of structural birefringence due to the refractive index distribution in the hologram (17H), the polarization separation direction can be changed for each region. It is. Further, the polarization separation angle can be changed for each region in accordance with the size of the diffraction grating pitch.
[0050]
In constructing the diffraction grating structure shown in FIG. 17D, the photosensitive material is first exposed with interference fringes having a pitch smaller than the wavelength used, thereby creating a hologram 17H shown in FIG. Exposure may be performed through the mask (M) by the manufacturing apparatus (FIG. 1) so that the region to be exposed on the surface of the photosensitive material forms a predetermined pattern. If there is no need for patterning, there is no mask (M). You may expose to. Next, as shown in FIG. 17B, a blazed diffraction grating surface (17d) is formed on the surface of the photosensitive material {that is, the surface of the hologram (17H)} by oblique etching. Then, as shown in FIG. 17C, the resin flat surface (17f) is formed by filling the blazed concave portion with a resin (17I) having optical isotropy (or substantially isotropic properties). (Element flattening).
[0051]
Although the diffraction grating structure (FIG. 17) can be manufactured with a small number of steps, the same birefringence action as that when a birefringent material such as liquid crystal is used is realized by the structural birefringence of the hologram (17H). Enables polarization separation. Therefore, the polarization separation function will be described in detail below by giving an example of a polarization separation element using the birefringence of liquid crystal.
[0052]
FIG. 18 mainly shows a surface relief type (film thickness modulation type) diffraction grating (2), a liquid crystal (3) made of nematic liquid crystal or smectic liquid crystal, an opposing flat plate (4), and a sealant (5). This is a polarization separation element (1) provided as a major component. The diffraction grating (2) is made of a resin transparent sheet having optically isotropic properties, and has a blazed diffraction grating surface (2a). The liquid crystal (3) adjacent to the diffraction grating surface (2a) forms a uniaxial optical anisotropic layer having optical anisotropy, and the hologram (17H) is a liquid crystal (3) It corresponds to. Further, the opposing flat plate (4) adjacent to the liquid crystal (3) with the liquid crystal (3) sandwiched between the diffraction grating (2) is a transparent substrate made of resin or glass. An alignment film (4a) is provided on the liquid crystal (3) side surface of the opposing flat plate (4), and the alignment film (4a) has the liquid crystal (3) along the groove direction of the diffraction grating surface (2a). The rubbing process is performed so that it may be homogeneously oriented. The direction of the interference fringes recorded on the hologram (17H) corresponds to the orientation direction of the liquid crystal (3).
[0053]
Since the liquid crystal (3) is a birefringent material having optical anisotropy, the refractive index for ordinary light and the refractive index for extraordinary light are different. Therefore, the diffraction effect exerted by the diffraction grating surface (2a) located at the boundary with the optically isotropic diffraction grating (2) is also different between ordinary light and extraordinary light. In this polarization separation element (1), each material is selected such that the refractive index for either one of ordinary light or extraordinary light is the same as the refractive index of the diffraction grating (2). For example, if the refractive index of the liquid crystal (3) with respect to ordinary light and the refractive index of the diffraction grating (2) are the same, the ordinary light is not diffracted and passes through the diffraction grating surface (2a), and the extraordinary light is reflected by the diffraction grating. The light is deflected by receiving the diffraction effect on the surface (2a). Conversely, when the refractive index of the liquid crystal (3) and the refractive index of the diffraction grating (2) for the extraordinary light are the same, the extraordinary light is not diffracted and passes through the diffraction grating surface (2a), and the ordinary light is transmitted. The light is deflected by receiving the diffraction action on the diffraction grating surface (2a). Since the hologram (17H) acts in the same manner as the liquid crystal (3), either the ordinary light or the extraordinary light {diffracted light (L0) in FIG. 17} has a diffraction effect on the diffraction grating surface (17d). It will be received and deflected.
[0054]
As described above, the liquid crystal (3) or the hologram (17H) is adjacent to the diffraction grating surface (2a or 17d), so that the incident illumination light is converted into two linearly polarized beams whose polarization planes are orthogonal to each other {for example, in FIG. It can be separated into transmitted light (L0) and diffracted light (L1)}. Moreover, since the diffraction grating surface (2a or 17d) has a blazed shape, high diffraction efficiency can be obtained. If the diffraction efficiency on the diffraction grating surface (2a or 17d) is high, the polarization conversion efficiency is also high, so that the light utilization efficiency can be improved.
[0055]
<Integrator optics>
Next, a lens array type integrator optical system having a polarization conversion function using the above-described hologram phase element and polarization separation element will be described. Each of the liquid crystal projectors shown in FIGS. 19 and 20 includes an integrator optical system of a type different from the conventional example (FIG. 21). The integrator optical system shown in FIG. 19 includes a polarization separating element (21), an integrated lens array (22) in which the first and second lens arrays (22a, 22b) are integrated as one optical element, and a hologram phase. The integrator optical system shown in FIG. 20 includes a polarization separation element (21), first and second lens arrays (22A, 22B), and a second lens array (22B). And a hologram phase element (23A) integrated with each other.
[0056]
The first lens array (22a, 22A) is formed by arranging rectangular lens cells substantially similar to the liquid crystal panel (28) in a two-dimensional array, and divides incident light by a plurality of lens cells. Then, each lens cell of the array structure {first and second lens arrays (22a, 22A; 22b, 22B) comprising the same number of lens cells as the first lens array (22a, 22A) forms a pair. }, A plurality of light source images (the ellipses in FIGS. 10 and 12) are formed in the vicinity of the second lens array (22b, 22B) having. Since each lens cell of the first lens array (22a, 22A) and the liquid crystal panel (28) are in a conjugate relationship via each lens cell of the second lens array (22b, 22B), the spatial of the illumination light The energy distribution is made uniform, and the liquid crystal panel (28) is illuminated uniformly without waste.
[0057]
In the integrator optical system shown in FIGS. 19 and 20, polarization separation is performed by the polarization separation element (21) disposed in the vicinity of the first lens array (22a, 22A) (or in the vicinity of its conjugate position). The polarization plane is rotated by the hologram phase element (23, 23A) disposed in the vicinity of the second lens array (22b, 22B) (or in the vicinity of the conjugate position thereof). As the polarization separation element (21), a polarization phase modulation element (FIG. 17) having a blazed diffraction grating structure using the structural birefringence of the hologram (17H), or the birefringence of the liquid crystal (3) is used. A polarization separation element (1, FIG. 18) having a blazed diffraction grating structure is used. Further, as the hologram phase element (23, 23A), a polarization phase modulation element obtained by the manufacturing apparatus (FIG. 1), that is, interference fringes having a pitch smaller than the used wavelength is recorded as a refractive index distribution (1/2 A hologram phase element having a structural birefringence region (which functions as a wave plate) in a predetermined pattern is used.
[0058]
By the way, in the configuration in which the polarization separation is performed by the PBS array (24) and the polarization plane is rotated by the half-wave plate (25) as in the conventional example (FIG. 21), the shape and processing accuracy of the PBS array (24) are obtained. , Physical restrictions are imposed on the accuracy of attaching the half-wave plate (25). For this reason, even if it is attempted to reduce the pitch of the PBS array (24) and the width of the half-wave plate (25), about 2 mm is the limit. If the manufacturing apparatus (FIG. 1) is used, a structural birefringence region having a width of 2 mm or less that functions as a half-wave plate can be finely and complicatedly patterned. A hologram phase element (23, 23) configured with a structural birefringence region corresponding to the opening of the mask (M) and a non-structural birefringence region corresponding to the light shielding region of the mask (M), each having a width of 2 mm or less. By using 23A), it becomes possible to control polarization more finely and more complex than before. Considering the polarization separation matching with respect to the rotation of the polarization plane in this fine and complex pattern, it is desirable to perform polarization separation with the blazed diffraction grating structure (FIGS. 17 and 18). By combining the polarization separating element (21) having a blazed diffraction grating structure with the hologram phase element (23, 23A), it is possible to achieve miniaturization of the integrator optical system as shown in FIG.
[0059]
If the lens cell size (d1) is reduced while maintaining the ratio (d1: F1) between the lens cell size (d1) and the optical distance (F1), the optical distance (F1) is shortened and the integrator optical system becomes smaller. Accordingly, as shown in FIG. 19, the first and second lens arrays (22a, 22b) can be integrally molded, and downsizing and cost reduction can be achieved. Although the PBS array (24) cannot be miniaturized, the structure of the polarization separation element (21) having a blazed diffraction grating structure itself does not depend on the lens cell size (d1). Further, as described above, it is easy to miniaturize the pattern of the structural birefringence region in the hologram phase element (23, 23A). Therefore, it is possible to reduce the lens cell size (d1). In FIG. 19, the lens cell size (d1) is shown as 1/3 the size of the conventional example (FIG. 21), but in actuality, it can be configured with a finer pitch.
[0060]
As can be seen from the positional relationship (FIG. 23) between the lens cell pattern (P2) and the light source image (ellipse) in the conventional example (FIG. 21), the relative area occupied by the light source image is smaller in the lens cells located in the periphery. . Therefore, the size of the entire second lens array (22B) can be reduced if the aperture of the lens cell is made smaller toward the periphery to make the light source image dense. If the overall size of the second lens array (22B) is reduced, the F number of the illumination system (FIG. 21) is increased, so that the F number required for the projection lens (29) can also be increased. Accordingly, it is possible to achieve a reduction in size and cost of the projection lens (29) while maintaining high light utilization efficiency.
[0061]
In the second lens array (22b, 22B) used in the integrator optical system shown in FIG. 19 and FIG. 20, the lens cells located at the periphery have smaller apertures (so-called deformed), and the first lens array (22a, 22A). If the light source images are made dense in units of lens cells by appropriately decentering each lens cell of), the overall size of the second lens array (22b, 22B) can be reduced as described above. FIG. 10 shows the lens cell pattern (P2) of the second lens array (22b, 22B) in which the opening of the lens cell is deformed in one vertical direction, and FIG. Fig. 6 shows a lens cell pattern (P2) of the second lens array (22b, 22B) which has been deformed. As can be seen by comparing the outer circumference circles (dashed lines) of the lens cell patterns (P2) shown in FIG. 23, FIG. 10, and FIG. 12, the lens cells can be more closely packed as the deforming direction of the aperture is increased. The entire size (diameter of the outer circumference circle) of the two-lens array (22b, 22B) can be reduced.
[0062]
As shown by the lens cell pattern (P2) in FIGS. 10 and 12, when the second lens array (22b, 22B) is composed of two or more types of lens cells having different aperture shapes and aperture sizes, polarized light In order to make the pair of separated light source images (that is, the TM polarized image and the TE polarized image on each lens cell) close and dense, the angle and direction of polarization separation by the polarization separation element (21) are also in lens cell units. It is necessary to adjust with. In other words, it can be said that it is desirable to reduce the polarization separation angle and to make the polarization separation direction substantially perpendicular to the deforming direction as the periphery of the lens cell pattern (P2).
[0063]
When the second lens array (22b, 22B) of the lens cell pattern (P2) shown in FIG. 10 is used, as shown in FIG. The polarization separation element (21) of three types of blaze patterns (R1 to R3) having different diffraction grating pitches is used so as to be different for each lens cell of 22a and 22A). The pitch of the diffraction grating of the blaze patterns (R1 to R3) is rougher toward the periphery along one upper and lower direction. Further, when the second lens array (22b, 22B) of the lens cell pattern (P2) shown in FIG. 12 is used, the separation angle and the separation direction of the two linearly polarized lights are as shown in FIG. The polarization separation elements (21) of six types of blaze patterns (R1 to R6) having different diffraction grating pitches and groove directions are used so as to be different for each lens cell of 22a and 22A). The diffraction grating pitch of the blaze patterns (R1 to R6) is coarser toward the periphery along the four diagonal directions, and the groove direction is substantially radial corresponding to the deforming direction.
[0064]
The polarization separation element (21) separates the illumination light into two linearly polarized lights (TM polarized light and TE polarized light) whose polarization planes are orthogonal to each other by the above-described birefringence action and diffraction action. 19 and 20, the solid line is TM polarized light, and the broken line is TE polarized light. 10 and 12, the ellipse displayed in cross hatch is a light source image composed of TM polarized light, and the ellipse located on the same lens cell as each light source image is a light source image composed of TE polarized light. The arrow direction is the polarization direction. 10 and 12, the structural birefringence region pattern (Q0 to Q3) indicated by oblique lines is a half-wave plate in the hologram phase element (23, 23A) {the oblique lines indicate the direction of the optical axis (ax). (± 22.5 °, 45 °). } Is a structural birefringence region that functions as As described above, the structural birefringence region pattern (Q0) of FIG. 10 is manufactured using the mask (M0) of FIG. 4, and the structural birefringence region pattern (Q1 to Q3) of FIG. ) To (C) masks (M1 to M3).
[0065]
At least one of the two polarized lights separated by the polarization separating element (21) (only TE polarized light in FIG. 10) enters the structural birefringence region of the hologram phase element (23, 23A). In the structural birefringence region forming the patterns (Q0 to Q3), the polarization direction of the incident light is aligned in one vertical direction by rotating the polarization plane of the incident light by a predetermined angle (90 ° in FIG. 10). Conversion into polarized light (TM polarized light in FIG. 10). The illumination light whose polarization direction is aligned passes through the overlapping lens (26) and the condenser lens (27), and then illuminates the liquid crystal panel (28).
[0066]
If the lens cell openings are deformed in a plurality of directions like the lens cell pattern (P2) of the second lens array (22b, 22B) shown in FIG. 12, the F number can be increased, but the polarization separation direction is changed to the first direction. One lens array (22a, 22A) must be changed in units of lens cells. Since there are four types of polarization separation directions by the blaze pattern (P1) shown in FIG. 11, there are four types of polarization directions (arrows) of the light source image, but structural birefringence that functions as a half-wave plate. The area is composed of three types of patterns (Q1 to Q3) with different optical axis (ax) directions in the lens cell unit of the second lens array (22b, 22B). It is possible to align.
[0067]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to realize a polarization phase modulation element that is easy to manufacture and compact. Further, by using the polarization separation element, an integrator optical system with high light utilization efficiency can be realized.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system configuration diagram schematically showing a hologram phase element manufacturing apparatus.
FIG. 2 is a plan view showing an example of a mask holder used in the manufacturing apparatus of FIG.
3 is an optical configuration diagram showing an example of a diffracted light cut optical system used in the manufacturing apparatus of FIG. 1. FIG.
FIG. 4 is a plan view showing a specific example of a mask for forming one type of structural birefringence region.
FIG. 5 is a plan view showing a specific example of a mask for forming three types of structural birefringence regions.
FIG. 6 is an optical path diagram for explaining the action of the light guide prism with respect to an incident light beam when exposing a photosensitive material.
FIG. 7 is a graph showing the dependence of the interference fringe interval on the angle formed by two light beams.
FIG. 8 is a schematic diagram showing a one-dimensional periodic multilayer structure that generates structural birefringence.
FIG. 9 is a plan view showing a relationship between a lens cell pattern of a first lens array and a blaze pattern of a polarization separation element that performs polarization separation in one direction.
FIG. 10 shows a lens cell pattern of the second lens array, an arrangement of light source images formed by the first lens array, a structural birefringence region pattern of a hologram phase element having one type of structural birefringence region, The top view which shows the relationship.
FIG. 11 is a plan view showing a relationship between a lens cell pattern of the first lens array and a blaze pattern of a polarization separation element that performs polarization separation in four directions.
FIG. 12 shows a lens cell pattern of the second lens array, an arrangement of light source images formed by the first lens array, a structural birefringence region pattern of a hologram phase element having three types of structural birefringence regions, The top view which shows the relationship.
FIG. 13 is a schematic diagram showing a binary diffraction grating structure (type 1) in which a structural birefringent region and an unstructured birefringent region are periodically arranged.
14 is a graph showing a refractive index distribution in the diffraction grating structure (type 1) of FIG.
FIG. 15 is a schematic diagram showing a binary diffraction grating structure (type 2) in which a structural birefringent region and an unstructured birefringent region are periodically arranged.
16 is a graph showing a refractive index distribution in the diffraction grating structure (type 2) of FIG.
FIG. 17 is a process diagram showing a method for manufacturing a blazed diffraction grating structure composed of holograms showing structural birefringence.
FIG. 18 is a cross-sectional view showing a blazed polarization separation element including a liquid crystal and a blazed diffraction grating.
FIG. 19 is an optical configuration diagram showing a liquid crystal projector provided with an illumination system including an integrator optical system in which the first and second lens arrays are integrated.
FIG. 20 is an optical configuration diagram showing a liquid crystal projector provided in an illumination system with an integrator optical system in which a second lens array and a hologram phase element are integrated.
FIG. 21 is an optical configuration diagram showing a liquid crystal projector including a conventional integrator optical system having a polarization conversion function in an illumination system.
22 is a plan view showing a lens cell pattern of the first lens array in FIG. 21. FIG.
FIG. 23 shows the relationship between the lens cell pattern of the second lens array, the arrangement of the light source image formed by the first lens array, and the affixing pattern of the half-wave plate in the integrator optical system in FIG. FIG.
[Explanation of symbols]
1 ... Polarization separation element
2 ... Diffraction grating
2a Diffraction grating surface
3 ... LCD
12… Mask holder
M, M0 to M3 ... Mask
17… Sensitive material
17H… Hologram
17d ... Diffraction grating surface
17I… resin
17f… Plastic plane
21… Polarization separation element
22 ... Integrated lens array
22A, 22a ... 1st lens array
22B, 22b ... 2nd lens array
23,23A… Hologram phase element
28… LCD panel
P1 ... Lens cell pattern of the first lens array
P2 ... Lens cell pattern of the second lens array
Q0 to Q3 ... Structural birefringence region pattern (mask opening pattern)
R1 ~ R6 ... blaze pattern
α ... Structural birefringence region
β, γ ... unstructured birefringence region
L0 ... transmitted light
L1 ... Diffracted light

Claims (9)

露光量を屈折率変調として記録することが可能な感光材料に対し、その感光材料表面の法線に関して対称又は略対称に同一波長のコヒーレントな2光束を入射させることにより、その2光束で構成される干渉縞で前記感光材料に対する露光を行う、屈折率変調型のホログラムから成る偏光位相変調素子の製造方法であって、
前記干渉縞のピッチを使用波長よりも小さくするとともに、前記感光材料表面の露光を受ける領域が所定のパターンを成すようにマスクを介して前記露光を行い、前記マスクで生じた回折光を回折光カット光学系で除去することにより、0次光のみで前記2光束の干渉を行うことを特徴とする偏光位相変調素子の製造方法。
The photosensitive material capable of recording the exposure amount as a refractive index modulation is made up of the two light beams by making two coherent light beams having the same wavelength symmetrically or substantially symmetrical with respect to the normal of the surface of the photosensitive material. A method for producing a polarization phase modulation element comprising a refractive index modulation hologram, wherein the photosensitive material is exposed with interference fringes.
As well as smaller than the wavelength using the pitch of the interference fringes, the area to be exposed on the photosensitive material surface have rows said exposed through a mask so as to form a predetermined pattern, the diffraction diffracted light generated by the mask A method of manufacturing a polarization phase modulation element , wherein the two light beams are interfered with only zero-order light by being removed by a light cut optical system .
前記露光を複数回繰り返すとともに、前記パターン及び前記干渉縞を各露光ごとに異なったものに切り換えることを特徴とする請求項記載の偏光位相変調素子の製造方法。With repeated a plurality of times the exposure, the pattern and method for producing a polarizing phase modulator of claim 1, wherein the switching the interference fringes to differ for each exposure. 前記パターンの切り換えを前記マスクの交換により行うことを特徴とする請求項記載の偏光位相変調素子の製造方法。 3. The method of manufacturing a polarization phase modulation element according to claim 2, wherein the pattern is switched by exchanging the mask. さらに斜めエッチングによって前記感光材料表面にブレーズ形状の回折格子面を形成し、そのブレーズ形状の凹部に光学的な等方性又は略等方性を有する樹脂を充填することによって樹脂平面を構成することを特徴とする請求項又は記載の偏光位相変調素子の製造方法。Further, a blazed diffraction grating surface is formed on the surface of the photosensitive material by oblique etching, and a resin plane is formed by filling the blazed concave portion with a resin having optical isotropic property or substantially isotropic property. The method for manufacturing a polarization phase modulation element according to claim 1 , 2 or 3 . 前記感光材料表面の露光を受ける領域が0.001〜0.1mmピッチの周期構造を成すようにマスクを介して前記露光を行うことを特徴とする請求項又は記載の偏光位相変調素子の製造方法。Claim 1, 2, 3 or 4 polarization phase modulating element according to area to be exposed of the photosensitive material surface and performing the exposure through a mask to form a periodic structure of 0.001~0.1mm pitch Manufacturing method. 0.001〜0.1mmピッチの干渉縞での露光を前記露光と重ねて行うことを特徴とする請求項又は記載の偏光位相変調素子の製造方法。Claim 1 of the exposure of the interference fringes 0.001~0.1mm pitch and performing overlapping with the exposure, 2, 3 or 4 method for producing a polarizing phase modulation device according. 前記感光材料表面に導光プリズムを密着状態又は液浸状態で取り付けて前記露光を行うことを特徴とする請求項1,2,3,4,5又は6記載の偏光位相変調素子の製造方法。7. The method of manufacturing a polarization phase modulation element according to claim 1, wherein a light guide prism is attached to the surface of the photosensitive material in a close contact state or a liquid immersion state to perform the exposure. 露光量を屈折率変調として記録することが可能な感光材料に対し、その感光材料表面の法線に関して対称又は略対称に同一波長のコヒーレントな2光束を入射させることにより、その2光束で構成される干渉縞で前記感光材料に対する露光を行う、屈折率変調型のホログラムから成る偏光位相変調素子の製造装置であって、The photosensitive material capable of recording the exposure amount as a refractive index modulation is made up of the two light beams by making two coherent light beams having the same wavelength symmetrically or substantially symmetrical with respect to the normal of the surface of the photosensitive material. An apparatus for manufacturing a polarization phase modulation element comprising a refractive index modulation type hologram, wherein the photosensitive material is exposed with interference fringes.
前記干渉縞のピッチが使用波長よりも小さくなるように、前記2光束の角度差が大きく設定されており、  The angle difference between the two light beams is set to be large so that the pitch of the interference fringes is smaller than the wavelength used.
前記感光材料表面の露光を受ける領域が所定のパターンを成すように、その所定のパターンから成る開口が形成されたマスクを有し、前記2光束の干渉が0次光のみで行われるように、前記マスクで生じた回折光を除去する回折光カット光学系を有することを特徴とする偏光位相変調素子の製造装置。  A mask having an opening made of the predetermined pattern is formed so that a region to be exposed on the surface of the photosensitive material forms a predetermined pattern. An apparatus for manufacturing a polarization phase modulation element, comprising a diffracted light cut optical system for removing diffracted light generated by the mask.
前記回折光カット光学系が、2枚のレンズと、その間に配置されたスリット板と、で構成されており、前記スリット板には0次光のみを通過させるスリットが形成されていることを特徴とする請求項8記載の偏光位相変調素子の製造装置。The diffracted light cut optical system is composed of two lenses and a slit plate disposed between them, and the slit plate is formed with a slit that allows only zero-order light to pass through. The apparatus for manufacturing a polarization phase modulation element according to claim 8.
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