JP5012171B2

JP5012171B2 - 反射回折偏光子および光学装置

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Publication number: JP5012171B2
Application number: JP2007114310A
Authority: JP
Inventors: 弘昌佐藤; 浩司宮坂
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 2007-04-24
Filing date: 2007-04-24
Publication date: 2012-08-29
Anticipated expiration: 2027-04-24
Also published as: JP2008268724A

Description

本発明は、自然光など偏光状態がランダムな入射光を、特定の偏光状態に変換する偏光子および、光イメージング、光ストレージ、光通信などの特定の偏光に対して作用する光学部品を有する光学装置に関する。

光学装置に用いる光源には、多くの種類の偏光状態を有するものがある。光イメージング分野では、例えば投影型表示装置の光源として用いられるメタルハライドランプなどの白色光源は一般的にはランダムな偏光状態を有している。一方、光ストレージや光通信で用いられる半導体レーザーは直線偏光の光を出射するが、製造ばらつきや使用環境温度変化により、その偏光方向にばらつきや時間的変動を有する場合がある。光イメージング分野で投影型表示装置の画像情報を変調する液晶素子や光ストレージや光通信分野で光線経路の切り替えに用いる偏光ビームスプリッタなどは、入射する光の偏光状態に依存するので、一方向に揃った直線偏光の光を利用する光学系に適している。光の偏光方向を一定にするために光学系内に、特定の偏光のみを透過させる偏光子が用いられており、この偏光子の消光比が高いほど光学系の特性が良くなることから、偏光子の消光比は重要な性能のひとつとされている。

従来の偏光子は、光が入射されると特定の偏光方向の光に対して高い吸収能を有する吸収型偏光子が用いられていたが、光の吸収により偏光子自体の温度が上昇し、劣化しやすいという問題があった。また、代表的に用いられている色素系フィルムに関しては、高温、高温高湿条件で劣化が発生しやすいという問題点も合わせて有していた。係る問題を解決する手段として、耐熱性を有する構造複屈折型偏光板を用いることが提案されている（たとえば、特許文献１参照）。また、吸収を用いない偏光子として回折型偏光子が提案されている（たとえば、特許文献２参照）。

また、非吸収性コレステリック液晶は、光の偏光状態が液晶分子の螺旋方向と同じ円偏光で螺旋ピッチとほぼ等しい波長の光が螺旋軸に平行して入射されると、一定の帯域の波長において入射する光がほぼ反射する特性を有する。一方、液晶分子の螺旋方向と逆方向の円偏光で入射する光は、ほぼ透過する特性を有する（非特許文献１参照）。

特開２００１−２８１６１５号公報特開２００５−１８８１３号公報チャンドラカーセル著「液晶の物理」吉岡書店１９９５年

しかしながら、特許文献１に記載の構造複屈折型偏光板は、光を光軸に対して斜めから入射させる必要があるため、偏光手段を光軸に対して斜めに配置しなければならず、その分のスペースが必要となり、小型化が難しいという問題があった。とくに、投影型表示装置で、全面黒の表示を行う場合は、用いられる液晶パネルから光が出射される側に置かれる検光子の役割を持つ偏光子にも構造複屈折型偏光板を使用する必要があり、上記検光子を光軸に対して斜めに配置しなければならず、ますます小型化が困難となっていた。

また、特許文献２に記載の回折型偏光子は、小型化には有利ではあるが使用しない偏光成分が後方へ回折することから、投影型表示装置で高いコントラストを得るには光軸上から十分に離れた回折角となるように設定する必要がある。このため、回折格子構造の格子ピッチを狭くしなければならないという制約があるという問題があった。また、回折した光の光学経路に設置された部品による反射迷光の影響も受けやすく、回折光を遮光する絞り手段なしでは、コントラストが低下しやすいという問題点があった。

また、非特許文献１では、非吸収型コレステリック液晶の光物性に関して記載しているが、偏光子としての具体的な態様について提案はない。

本発明はこのような問題を解決するためになされたもので、安定して高い消光比が得られると共に、小型化され耐久性のある偏光子およびそれを用いた光学装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、右回りまたは左回りの円偏光で入射する所定の波長範囲の光のうちいずれか一方の回転方向の光を反射させる反射回折偏光子であって、反射回折偏光子は屈折率異方性を有するコレステリック相液晶からなる複屈折膜を有していて、前記複屈折膜の厚さ方向と前記コレステリック相液晶の液晶分子の螺旋軸とが平行で前記液晶分子の厚さ方向の螺旋ピッチが一様となっており、前記複屈折膜が、一方の表面に実質的に等しい幅と深さを有する複数の溝の凹凸の回折格子構造を有し、隣り合う前記溝の格子ピッチが一定の周期であり、前記コレステリック相液晶からなる複屈折膜が有する回折格子構造は、前記コレステリック相液晶による選択反射波長帯域が前記入射する所定の波長範囲を含むように形成されており、前記回折格子構造が有する選択反射波長帯域の光に対する反射特性および反射０次回折特性を利用して、前記入射する所定の波長範囲の光のうち前記コレステリック相液晶の液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏向の光を反射させることを特徴とする反射回折偏光子を提供する。

この構成によれば、前記コレステリック相液晶の螺旋の方向と、同じ回転方向を有する円偏光の光を反射回折し、逆の回転方向を有する円偏光の光を直進透過する反射回折偏光子を実現できる。

また、上記目的を達成するため、前記複屈折膜がコレステリック相高分子液晶からなる上記に記載の反射回折偏光子を提供する。

この構成によれば、耐久性が高く信頼性のある複屈折膜による反射回折偏光子を実現できる。

また、上記目的を達成するため、前記凹凸を前記複屈折膜の異常光屈折率と常光屈折率との間の屈折率を有する等方性材料で充填平坦化されている上記に記載の反射回折偏光子を提供する。

この構成によれば、前記コレステリック相液晶の液晶分子の螺旋の方向と、逆の回転方向を有する所定の波長の円偏光の光が入射すると、複屈折膜の表面に形成された凹凸の位相差が小さくなることから高い透過率が実現でき、入射する円偏光の光の回転方向によって高い消光比の反射回折偏光子を実現できる。

また、上記目的を達成するため、前記複屈折膜を２枚以上含む上記に記載の反射回折偏光子を提供する。

この構成によれば、複屈折膜の層が単層となる反射回折偏光子と比較してより高い消光比が実現できる。

また、上記目的を達成するため、２枚以上の前記複屈折膜の螺旋ピッチが互いに異なる上記に記載の反射回折偏光子を提供する。

この構成によれば、反射波長帯域特性が異なるコレステリック相液晶を積層することで、高い消光比が得られる光の波長範囲を拡大したり、複数の波長に対して反射回折させるなどの機能を実現できる。

また、上記目的を達成するため、入射する光の波長λに対して位相差が（０．２５＋ｍ）λとなる１／４波長板を含む上記に記載の反射回折偏光子を提供する（ｍは整数を示す）。

この構成によれば、反射回折偏光子を直進透過する直線偏光が、１／４波長板によっていずれかの回転方向を有する円偏光の光に変換され、複屈折層の液晶分子の回転方向と同じ円偏光の光が選択的に反射させることができる。

また、上記目的を達成するために、前記複屈折膜が、進相軸または遅相軸が直交されて配置された２枚の前記１／４波長板に挟まれている上記に記載の反射回折偏光子を提供する。

この構成によれば部品を追加することなく、入射するＡ方向の振動方向を有する直線偏光の光を、液晶分子の螺旋の方向と同じでもっとも高い反射回折効率が得られる回転方向の円偏光の光に変換することができる。一方、Ａ方向と直行する振動方向を有するＢ方向の直線偏光の光を、液晶分子の螺旋の方向と逆方向でもっとも高い透過率が得られる回転方向の円偏光の光に変換することができる。このことから、入射する直線偏光の光に対しても反射回折偏光子として作用させることができる。

また、上記目的を達成するために、光源と、前記光源からの可視光を複数の色の光に分離する色分離手段と、表示する画像に応じて前記複数の色の光を変調する複数の液晶パネルと、前記色分離手段が分離した前記複数の色の光を対応する前記複数の液晶パネルに導く複数の反射ミラーと、前記光源から前記複数の液晶パネルまでの光路上に配置され光の偏光状態を変える複数の第１の偏光手段と、前記複数の液晶パネルの光を透過する側に配置され光の偏光状態を変える複数の第２の偏光手段と、前記複数の第２の偏光手段を透過する光を合成する光合成手段と、前記光合成手段によって合成された光を拡大投影する投影手段と、を備えた投射型表示装置において、前記複数の第１の偏光手段および前記複数の第２の偏光手段のうちの少なくとも一方の偏光手段が、上記に記載の反射回折偏光子によって構成されていることを特徴とする投射型表示装置を提供する。

この構成によれば、使用しない偏光成分の光は、反射回折偏光子の後方に反射回折することから、反射回折偏光子の前方方向には迷光成分の光が少なく、入射光軸方向の正反射（０次回折）する光も少ない、コンパクトでコントラストが高い光学装置を反射回折偏光子表面の回折格子構造の格子ピッチの制約なく高い生産性で実現できる。後方とは、光が入射する膜面に対して面より光の入射側へ向かう方向であり、対して、前方とは、光が入射する膜面に対して反対側の面より光の入射側と反対方向（出射側）へ向かう方向と定義する。

また、上記目的を達成するため、光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体上に集光させる対物レンズと、集光されて前記光記録媒体によって反射された反射光を前記出射光の光路とは異なる光路へ偏向分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタに入射する前記光源からの出射光から前記光記録媒体と異なる光路へ分離されるモニタ光を受光するモニタ光検出器と、偏向分離された前記反射光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置において、前記光源と前記光検出器との間の光路中または、前記偏光ビームスプリッタと前記モニタ光検出器との間の光路中に、上記に記載の反射回折偏光子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装置を提供する。

この構成によれば、光源である半導体レーザーの製品ばらつきや環境温度変化により生じる不要な偏光成分は、後方に反射回折する。したがって、迷光となる光が前方に進む成分が少なく、入射光軸方向に正反射（０次回折）する光も少ないため精度よく情報の読み出し、書き込みができる。また、反射回折偏光子表面の回折格子構造の格子ピッチの制約なく、コンパクトで安定性の高い光学装置を高い生産性で実現できる。

本発明は、コレステリック相液晶の液晶分子の螺旋軸方向が厚さ方向に平行で一様である複屈折膜を有し、前記複屈折膜の一方の表面に実質的に等しい幅と深さを有する複数の溝の凹凸の回折格子構造を有し、隣り合う前記溝の格子ピッチが一定の周期であることを特徴とする反射回折偏光子および反射回折偏光子を用いた光学装置を提供することができるものである。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

（第１の実施の態様）
図１は、本実施の形態に係る反射回折偏光子１０の概念的な構成を示す図である。図１（ａ）において、反射回折偏光子１０は複屈折材料として、重合部位を有する液晶とカイラル材からなるコレステリック相液晶を重合・高分子化した高分子液晶膜を用いている。図１（ａ）に示されるように、透明基板１１上に形成された図示しないポリイミド膜を塗布・焼成し、ラビング処理を施して配向膜とする。重合部位を有するコレステリック相液晶モノマーを、配向膜上に塗布した後、紫外線照射により重合固定化しコレステリック相高分子液晶膜１２とする。コレステリック相液晶は重合固定化しなくても液晶分子の螺旋軸が厚さ方向に平行で一定のピッチで螺旋していれば同じ効果が得られるが、重合固定化すると信頼性が向上し好ましい。

コレステリック相高分子液晶膜１２の表面には、深さと幅が等しい複数の溝を有する凹凸１３が形成されている。格子ピッチは隣り合う溝の凹部の中心点間の最短距離である。凹凸１３は、たとえばフォトリソグラフィープロセスで形成することが可能である。凹凸１３は、コレステリック相高分子液晶１２の螺旋の方向と逆の回転方向となる円偏光の光が螺旋軸と平行に入射するときの屈折率と略等しい等方性材料１４で充填されており、対向面が透明基板１５と接着されている。

コレステリック相液晶は、螺旋ピッチＰが入射光の波長λとコレステリック相液晶の屈折率ｎとの積と同程度の場合、螺旋軸方向と平行に入射する光のうち、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光がほぼ反射され、逆向きの回転方向となる円偏光はほぼ透過する円偏光依存性を有する。この反射特性を示す波長帯域の中心波長λ_０は、螺旋ピッチをＰ、液晶の常光屈折率をｎ_ｏ、異常光屈折率をｎ_ｅとすると（１）式の関係で示される。また、反射帯域幅Δλは、（２）式の関係で示される。また、以下（λ_０±Δλ）を反射波長帯域と定義する。

このことから、反射波長帯域の光が、液晶分子の螺旋軸方向と平行で液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光である場合、コレステリック相高分子液晶膜１２は反射膜として作用する。反射波長帯域の反射率は、コレステリック相高分子液晶膜１２内部の螺旋ピッチ数に依存する。螺旋ピッチ数は液晶分子の回転数で表す。略１０回転以上の螺旋ピッチ数では膜厚に依存せず反射波長帯域でほぼ一様に高い反射率を示す。図２（ａ）に、例えば中心波長λ_０が約４５５ｎｍで反射波長帯域幅Δλが約７０ｎｍである厚さ４．５μｍのコレステリック相高分子液晶膜に、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光の光が螺旋軸と平行に入射するときの反射スペクトル計算値を示す。これより、反射波長帯域では、高い反射率が得られることが確認できる。

前記コレステリック相高分子液晶膜の表面に形成された周期的な凹凸１３の深さをｄとし、凹凸を充填する等方性材料１４の屈折率をｎとして、波長λの光が入射するとする。このとき（３）式の関係を満たす場合、凹凸が作用して全回折の特性を示し、直進反射光量が略ゼロとなる。

これに対して、液晶のねじれ方向と逆の回転方向となる円偏光の光が入射される場合、反射波長帯域が存在しないためコレステリック相高分子膜１２を全透過する。さらに、凹凸１３と凹凸を充填する等方性材料１４の屈折率が略等しいため、回折も発生しない。図２（ｂ）に、等方性材料１４屈折率ｎが約１．７、コレステリック相液晶膜表面の凹凸の深さｄが約６７ｎｍとする反射回折偏光子の反射０次回折効率を示す。４５５ｎｍの波長を中心に０次以外に回折され、０次反射光量が抑制されることが確認できる。

図２（ａ）および図２（ｂ）で示すように、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光の光が液晶分子の螺旋軸と平行に入射されると高い反射率および低い反射０次回折効率が得られる。一方、液晶分子のねじれ方向と逆の回転方向となる円偏光の光が液晶分子の螺旋軸と平行に入射されると高い透過率および無回折特性を示すことから、本発明の反射型偏光子はコレステリック相高分子液晶の反射波長帯域の波長の光において、偏光子として機能する。例えば、図１（ｂ）に示すように、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向をとなる第１の円偏光２１の光は、ほぼ０次以外で反射回折し、液晶分子のねじれ方向と逆の回転方向となる第２の円偏光２２の光はほぼ透過する。したがって、入射する光の偏光状態によって高い消光比を持つ反射回折型偏光子として機能する。

選択反射波長帯域の中心波長λ_０と反射波長帯域幅Δλは、本計算例に限定されるのものでなく、使用する液晶材料やカイラル材およびその混合比により任意に設定が可能である。また、コレステリック相高分子液晶膜の設計上、凹凸の凹みの深さを最適化することで、偏光子として作用させる任意の中心波長および反射波長帯域幅を設定することが可能である。

また、本発明の機能は、図２（ａ）に示す反射率特性と図２（ｂ）に示す反射０次回折特性の複合効果によるものであり、反射波長帯域に含まれない波長では、偏光状態に関わらず高い透過率を示し、偏光子としては機能しない。したがって、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光の光に対して、透過または反射の波長選択性も有する反射回折型偏光子として機能させることも可能である。

反射回折偏光子機能となるコレステリック相高分子液晶膜と等方性媒体との境界部が実効的に周期的な凹凸を有していればよく、あらかじめ作製した周期的な凹凸を有する基板の上にコレステリック相高分子液晶膜を成膜しても同様の効果が得られる。この場合、透明基板そのものに周期的な凹凸に加工してもよいし、透明基板上に成膜された等方性材料に周期的な凹凸に加工してもよい。等方性材料としては、たとえばアクリル系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリイミド樹脂などの有機材料や、ＳｉＯ_２、ＳｉＯＮ、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、などの無機材料膜、そしてこれらから形成される多層膜などで構成してもよい。

また、コレステリック相高分子液晶膜と接する等方性材料の屈折率は、液晶分子の螺旋方向と逆の回転方向の円偏光に対する屈折率と略等しいと高い消光比を得られ好ましい。具体的には、屈折率が１．５〜１．７の範囲の等方性材料が好ましく、１．５５〜１．６５の範囲であれば、さらに高いコントラストが得られるのでより好ましい。

（第２の実施の態様）
図３は、本実施の形態に係る反射回折偏光子３０の概念的な構成を示す図である。第１の実施の態様と比較して複層のコレステリック相高分子液晶層が配置されている点が異なる。図３（ａ）に示されるように、反射回折偏光子３０は、第１の実施の態様と同様に透明基板３１上に成膜された第１のコレステリック相高分子液晶膜３２の表面に周期的な凹凸３３を形成し、周期的な凹凸３３は、コレステリック相高分子液晶の螺旋の方向と逆の回転方向となる円偏光の光が螺旋軸と平行に入射するときの屈折率と略等しい等方性材料３４で充填されており、対向面が透明基板３５と接着されている。

同様に第１のコレステリック相液晶と同じ螺旋の方向を有し、螺旋ピッチの異なる第２のコレステリック相高分子液晶膜３６の表面に周期的な凹凸３７を形成し、周期的な凹凸３７が液晶分子の、螺旋軸の回転方向と逆の回転方向となる円偏光の光の屈折率と略等しい等方性材料３８で充填されており、対向面が透明基板３９と接着されている。これら２層のコレステリック相高分子液晶膜を積層して反射回折偏光子３０としている。

図４（ａ）に、中心波長λ_０が約４２０ｎｍで反射波長帯域幅Δλが約６５ｎｍである厚さ４．５μｍのコレステリック相高分子液晶膜に、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光の光の反射スペクトル計算値を実線で示す。このときの反射波長帯域を第１反射波長帯域とする。同様に中心波長λ_０が約４９０ｎｍで反射波長帯域幅Δλが約７５ｎｍである厚さ４．５μｍのコレステリック相高分子液晶膜に、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光の光の反射スペクトル計算値を破線で示す。このときの反射波長帯域を第２反射波長帯域とする。図３のように２層のコレステリック相高分子液晶を積層することにより約３９０ｎｍ〜５２５ｎｍの波長の光に対して連続する反射波長帯域が得られることが確認できる。

図４（ｂ）に、等方性材料の屈折率ｎが約１．７、第１反射波長帯域に対応する周期的な凹凸の深さｄが約６１ｎｍの反射回折偏光子とする反射０次回折効率をのスペクトル計算値を実線で示す。また。第２反射波長帯域に対応する周期的な凹凸の深さｄが約７２ｎｍの反射回折偏光子とする反射０次回折効率のスペクトル計算値を破線で示す。これらの計算値より、第１反射波長帯域では４２０ｎｍの波長、第２反射波長帯域では４９０ｎｍの波長を中心に０次以外に回折され、０次反射光量が抑制されることが確認できる。

図４（ａ）および図４（ｂ）で示すように、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光の光が液晶分子の螺旋軸と平行に入射されると第１反射波長帯域と第２反射波長帯域の広い範囲の波長で、高い反射率および低い０次回折効率が得られる。一方、液晶のねじれ方向と逆の回転方向となる円偏光の光が液晶分子の螺旋軸と平行に入射されると高い透過率および無回折特性を示すことから、本発明の反射型偏光子は第１反射波長帯域と第２の反射波長帯域からなる広い範囲の波長において、偏光子として機能する。

例えば、図３（ｂ）に示すようにコレステリック相高分子液晶膜３６、３２を、それぞれ図４（ａ）、図４（ｂ）に示す第１反射波長帯域および第２反射波長帯域が反射波長帯域となるコレステリック相高分子液晶膜を積層する。この場合、液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏光の光が入射すると、第１反射波長帯域の円偏光４１の光は、コレステリック相高分子液晶膜３６表面に形成された周期的な凹凸、第２反射波長帯域の円偏光４２の光は、コレステリック相高分子液晶膜３２表面に形成された周期的な凹凸で、それぞれの光がほぼ反射回折される。一方、液晶分子のねじれ方向と逆の回転方向となる円偏光の光が入射すると、光はほぼ透過する。したがって、入射する光の偏光状態によって高い消光比を持つ反射回折偏光子として機能する。

（第３の実施の態様）
図５は、本実施の形態に係る反射回折偏光子５０の概念的な構成を示す図である。第１の実施の態様と比較してコレステリック相高分子液晶層が２枚の位相差板に挟まれた構成となっている点が異なる。図５（ａ）に示すように、反射回折偏光子５０は、透明基板５１上に成膜されたコレステリック相高分子液晶膜５２の表面に周期的な凹凸５３を形成する。周期的な凹凸５３は、コレステリック相高分子液晶の螺旋の方向と逆の回転方向となる円偏光の光が螺旋軸と平行に入射するときの屈折率と略等しい等方性材料５４で充填されており、対向面が透明基板５５と接着されている。さらに図示しない接着層を第１の位相差板５６および第２の位相差板５７の上下面に設け、透明基板５８および５９に接着積層した構成である。

コレステリック相高分子液晶膜５４が図２（ａ）および図２（ｂ）に示す特性である場合、第１の位相差板５６のリタデーションＲ_１は、中心波長λ_０の光に対して、Ｒ_１＝（０．２５＋ｍ）λ_０（ｍは正の整数を示す）である１／４波長板が用いられる。このときに反射回折偏光子５０に入射する光が波長λ_０の直線偏光である場合、第１の位相差板５６で直線偏光から円偏光に変換される。円偏光に変換された光は、実施の形態１と同様にコレステリック相高分子液晶膜の螺旋する液晶分子の回転方向により、透過または反射回折する。第２の位相差板５７のリタデーションＲ_２は、同様に中心波長λ_０の光に対して、Ｒ_２＝（０．２５＋ｎ）λ_０（ｎは正の整数を示す）である１／４波長板が用いられる。第１の位相差板を透過した円偏光は、第２の位相差板で再び直線偏光に変換され、反射回折偏光子５０を通過する。

ここで、第１の位相差板のリタデーションと第２の位相差板のリタデーションとを実質的に等しくし、２枚の位相差板の光学軸を直交させて配置とすることで、透過する光の偏光状態を入射前の光の偏光状態に戻すことが可能となる。また、反射波長帯域以外の波長の直線偏光の光が入射すると、第１の位相差板のリタデーションの波長分散に応じて楕円偏光の光に変換されるが、同様に第２の位相差板で再び入射前の直線偏光に変換されて透過する。例えば、図５（ｂ）に示すように紙面に平行な振動方向の第１直線偏光６１の光は第１の位相差板で液晶分子の回転方向と同じ円偏光に変換されて反射回折する。一方、紙面に垂直な振動方向の第２直線偏光６２の光は、液晶分子の回転方向と逆となる円偏光に変換されて透過する。また、反射波長帯域に含まれない波長に関しては入射する光の偏光状態を維持して透過させるので、波長選択機能も有する。

位相差板の材料には、配向処理によって屈折率異方性を発現する高分子液晶や、延伸によって屈折率異方性を発現するポリマーフィルムなどが好適に用いられる。また、反射波長帯域全体にわたり広く直線偏光から円偏光への変換特性を改善させるために、複数の複屈折材料の層を積層してなる位相差板を用いて、反射波長帯域全体で消光比を向上させてもよい。この場合も、単一層の位相差板を使用する場合と同様に、互いに逆の偏光変換特性を有する２枚の位相差板を使用することで入射前の光の偏光状態に再変換して光を透過させることが可能である。

本発明の反射回折偏光子は円偏光の光に対して作用することから、直線偏光の入射光に対応して１／４波長板を組み合わせて用いる場合があり、位相差板と一体化した反射回折偏光子とすると、部品点数の削減や小型化が可能となり好ましい。また、その他の偏光子および偏光を用いたデバイスと組み合わせが容易となり、好ましい。

（第４の実施の態様）
図６は、本発明の第１の実施の形態に係る反射回折型偏光子を用いた投影型表示装置の構成を示す図である。図６において、投影型表示装置１００は、可視光を発するメタルハライドランプ等の白色の光源１０１と、入射する光をＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の３つの色成分の光に分離する色分離手段であるダイクロイックミラー１３１、１３２と、表示する画像に応じて入射光を変調する複数の液晶パネル１４１、１４２、１４３と、ダイクロイックミラー１３１、１３２が分離した各色の光をそれぞれ対応する液晶パネル１４１、１４２、１４３に導く反射ミラー１３１ａ、１３３ａ、１３３ｂと、光源１０１から各液晶パネル１４１、１４２、１４３までの光路上に配置された第１の偏光手段となる反射回折偏光子１２１、１２２、１２３と、各液晶パネル１４１、１４２、１４３の光の出射側に配置された第２の偏光手段となる検光子１５１、１５２、１５３と、各検光子１５１、１５２、１５３を透過する光を合成する光合成手段としてのダイクロイックプリズム１６０と、ダイクロイックプリズム１６０によって合成された光を拡大投影する投影手段としての投射レンズ系１７０とを備える。ここで、投射レンズ系１７０から出射された光は、スクリーン１８０上に投影される。

この投影型表示装置１００では、反射回折偏光子１２１がダイクロイックミラー１３１と反射ミラー１３１ａとの間に、反射回折偏光子１２２がダイクロイックミラー１３２と液晶パネル１４２との間に、反射回折偏光子１２３が反射ミラー１３３ａと反射ミラー１３３ｂとの間に、それぞれ配置されている。すなわち、反射回折偏光子１２１、１２２、１２３が、色分離手段としてのダイクロイックミラー１３１、１３２と液晶パネル１４１、１４２、１４３との間にそれぞれ配置された構成となる。

光源１０１から出射するランダムな偏光状態の白色の可視光は、ダイクロイックミラー１３１によってＲ（赤）成分の光が透過（分離）し、Ｒ（赤）成分の光は反射回折偏光子１２１を透過し、反射ミラー１３１ａで反射されて液晶パネル１４１に入射する。また、ダイクロイックミラー１３１によってＲ（赤）成分が分離され反射された光は、ダイクロイックミラー１３２でＧ（緑）成分の光が反射して分離され、Ｇ（緑）成分の光は反射回折偏光子１２２を透過して液晶パネル１４２に入射する。さらに、ダイクロイックミラー１３２によってＧ（緑）成分が分離されて透過されたＢ（青）成分の光は、反射ミラー１３３ａで反射され、反射回折偏光子１２３を透過し、反射ミラー１３３ｂで反射されて液晶パネル１４３に入射する。

液晶パネル１４１、１４２、１４３に入射した各色成分の光は、それぞれ表示する画像に応じて変調され、検光子１５１、１５２、１５３をそれぞれ透過して特定方向に直線偏光となる光が取り出される。検光子１５１、１５２、１５３を透過した光は、ダイクロイックプリズム１６０によって再度合成された後、投射レンズ系１７０を介してスクリーン１８０に投射され、カラー画像が表示される。

反射回折偏光子１２１、１２２、１２３は、第３の実施の態様で図３を用いて説明した反射回折偏光子５０と同じ構成である。ここで、反射回折偏光子１２１、１２２、１２３は、それぞれ、Ｒ（赤）用、Ｇ（緑）用、Ｂ（青）用の波長帯域に反射波長帯域が実質的に一致するように最適設定されている。具体的な設計例としてコレステリック相高分子液晶膜の、反射波長帯域の中心波長λ_０、反射波長帯域幅Δλ、および周期的な凹凸の深さｄの条件を表１に示す。また、図７（ａ）および図７（ｂ）にそれぞれ、反射回折偏光子１２１、１２２、１２３に用いるコレステリック相高分子液晶膜の反射スペクトルおよび反射０次回折効率を示す。

それぞれの反射回折偏光子を用いることで、Ｒ、Ｇ、Ｂいずれの波長帯域においても透過する直線偏光の偏光度が上がり、加えて不要偏光成分が反射回折して透過されないため高い消光比が得られる。

本実施の態様では、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長帯域がそれぞれ反射波長帯域と略一致する反射回折偏光子を個別に配置しているが、３つの反射回折偏光子の機能を一体化することも可能であり、調整の簡略化、部品点数削減、小型化等の点で好ましい。Ｒ、Ｇ、Ｂの波長帯域全てに対応し一体化された反射回折偏光子とするには、本実施の態様に用いた３つの偏光子を積層してもよいし、Ｒ、Ｇ、Ｂの波長帯域にそれぞれ対応する３層のコレステリック相高分子液晶膜を、これらの波長帯域に対応する広帯域波長板で挟んだ構成としてもよい。この場合、２層以上の複屈折材料からなる層を積層して構成される波長帯域の広い位相差板が好適に用いられ、積層される層数や透明基板数が削減され好ましい。

同一の機能を有する反射回折偏光子を複数用いることでさらにコントラストを向上させることが可能となり好ましく、同様に積層一体化した反射回折偏光子とすると部品点数が削減され好ましい。また、第２の実施の形態で記載した反射波長帯域および周期的な凹凸を波長シフトさせた反射回折偏光子を用いて回折反射させる波長帯域を広くすることも可能となり好ましい。

（第５の実施の態様）
図８は、本発明の第１の実施の形態に係る反射回折偏光子を用いた光ヘッド装置２００の構成を示す。

半導体レーザ２０１からＤＶＤの情報を記録・再生する約６６０ｎｍの波長の直線偏光の光（紙面に平行）を出射する。光は、回折素子２０３によりトラッキング用の３ビームに回折され、偏光ビームスプリッタ２０４によってほぼ光ディスク方向に反射され、コリメートレンズ２０５により平行光化される。直線偏光の光は１／４波長板２０６で円偏光の光に変換され、対物レンズ２０７によりＤＶＤ用光ディスク２０８の情報記録層に集光される。なお、対物レンズ２０７はフォーカスサーボおよびトラッキングサーボ用のアクチュエータ（図示せず）により可動する。光ディスクの反射面で反射され、光ディスクに向かうときの光に対して逆回りの円偏光に変換された光は、再び対物レンズ２０７、１／４波長板２０６を透過して、入射光と直交する（紙面に直交）偏光面を有する直線偏光に変換される。コリメートレンズ２０５で集光された光は、ほぼ偏光ビームスプリッタ２０４を透過し、非点収差法によるフォーカスサーボ用に設けられたシリンドリカルレンズ２０９を透過して光検出器２１０に集光される。

この光ヘッド装置２００によってＤＶＤなどの光ディスクの記録・再生を安定に実現するために、半導体レーザーからの光が偏光ビームスプリッタ２０４を僅かに透過する微弱な光を集光レンズ２１１でモニタ光検出器２１２に集光して半導体レーザーからの出射光の制御を行っている。この光学系に設置された後述する反射回折偏光子２０２により、半導体レーザーの個体差や取り付け精度ばらつきおよび環境温度により出射光の偏光面が所定の方向から回転しても、反射回折偏光子を透過することによって、偏光ビームスプリッタ２０４へ入射される光は、所定の方向の直線偏光となる。これにより、光ディスクへ入射される光の光量とモニタ光検出器にモニタされる光の光量との比率は、偏光ビームスプリッタの偏光分離比特性にきわめて安定して一致する。したがって、モニタ光検出器２１２での微弱な光量により、半導体レーザーの出射光量を制御することで光ディスク２０８へ入射する光量を制御することができる。反射回折偏光子により不要な成分の光または不要な周波数の光は回折され、光軸からははずれて折り返されることから半導体レーザ２０１に対しての影響も少ない。また、前方への迷光成分もないため安定した光ヘッドの特性が得られる。

反射回折偏光子２０２としては、第３の実施の態様で図５を用いて説明した反射回折偏光子５０と等しい構成のものを用いる。反射波長帯域の中心波長λ_０が約６６０ｎｍ、反射波長帯域幅Δλが約１００ｎｍとなるコレステリック相高分子液晶膜の表面に、深さｄが約９８ｎｍの周期的な凹凸を有し、リタデーションが約１６５ｎｍとなる２枚の位相差板で挟まれ積層された反射回折偏光子が好適に用いられる。また、反射回折偏光子２０２と回折素子２０３を一体化することによって、部品点数の削減が可能となり好ましい。回折素子２０３は、反射回折偏光子の光の出射側の面に一体化して形成することで不要となる迷光の発生が抑制されるため好ましい。反射回折偏光子との積層一体化は前述の回折素子に限定されるものではなく、光学系が成立する範囲においてさまざまな光学機能を有する素子との積層一体化が可能であり、調整簡略化、部品点数削減、小型化などの点から好ましい。

反射回折偏光子はこれまで述べてきたように使用する光の波長に対して最適化することができるので、本実施の形態に示した波長が約６６０ｎｍのＤＶＤ用に限定されるものではなく、波長が約７８５ｎｍであるＣＤ用、波長が約４０５ｎｍの高密度記録再生用青色光ディスクに対しても適応できるので好ましい。また、これらの複数の波長の光を出射する半導体レーザーに対して選択的に偏光子として作用させることも可能であり、光学系の設計自由度が高く好ましい。

また、不要光となる迷光は反射回折偏光子の前方へ透過せずに後方へ反射されるので、反射回折偏光子の前方にある光学部品への影響を抑えることができる。したがって、回折方向を決める格子ピッチの自由度は大きいが、反射回折偏光子の後方への反射光の影響を低減するため、格子ピッチは１０μｍ以下が好ましく、さらには５μｍ以下が好ましい。格子パターンは、直線でもよいし、曲線状でも、同心円状でもよい。曲線状や同心円状とすることで、反射回折偏光子の後方の特定の位置に配置された光学部品に対して反射光の入射を回避でき、光学設計の自由度がさらに向上し好ましい。

以下に、実施例を挙げて本発明をより具体的に説明する。

（実施例１）
本実施例では、図１および図２を参照しながら第１の実施態様に係る反射回折偏光子の具体的な作製方法を説明する。図示しない低反射コートを施した透明基板１１上に形成された図示しないポリイミド膜を塗布・焼成し、ポリイミド膜表面にラビングを施して配向膜とする。重合部位を有する液晶とカイラル材の混合物からなるコレステリック相液晶を配向膜上に塗布し、波長３６５ｎｍの紫外線を照射して重合・高分子化し、厚さが約５μｍのコレステリック相高分子液晶膜１２とする。コレステリック相高分子液晶膜１２の入射する円偏光の光の波長に対する反射率スペクトルは、図２（ａ）に等しく、中心波長が約４５５ｎｍで反射波長帯域幅は約６５ｎｍである。

このコレステリック相高分子液晶層１２の上面にフォトレジストを塗布し、フォトマスクを用いて、格子ピッチが５μｍのレジストマスクを形成する。Ｏ_２ガスを主成分としたドライエッチングプロセスにより、コレステリック相高分子液晶膜１２の表面に、格子ピッチが５μｍで深さが約６８ｎｍの周期的な凹凸１３を形成し、モノマー状態の等方性ポリマーで充填し、表面を平行化する。このとき重合後の等方性ポリマーが約４５５ｎｍの波長の光に対する屈折率が約１．７となるように調整する。その後、図示しない低反射コートを施した透明基板１５と接着させ、波長３６５ｎｍの紫外線を照射し接着硬化する。最後に、ダイシングソーを用いて、外形が約１０ｍｍ×約１０ｍｍ角の反射回折偏光子とする。

光源から出射する光は、１／４波長板、反射回折偏光子の順の光路となるように配置する。４５７ｎｍの波長のＡｒレーザーの直線偏光の光をリタデーションが約１１４ｎｍの１／４波長板面に垂直に入射して楕円率約０．９８の円偏光の光とし、反射回折偏光子１０の透明基板１５面に垂直に入射すると光はほぼ透過する。一方、上記に対して直線偏光の光の振動方向を９０°回転して入射すると、反射回折偏光子には上記と回転方向となる逆回りの円偏光の光が入射すると光はほぼ反射する。これらの透過率の比は約１００以上であり、高い消光比が得られることが確認できる。

（実施例２）
本実施例では、図３および図４を参照しながら第２の実施態様に係る反射回折偏光子の具体的な作製方法を説明する。実施例１と同様に図示しない低反射コートを施した透明基板３１と透明基板３５上に、コレステリック相高分子液晶膜３２および３６を重合・高分子化により形成する。コレステリック相高分子液晶膜３６の入射する円偏光の光の波長に対する反射スペクトルは、図４（ａ）に実線で示した第１波長帯域で高反射特性を示すスペクトルと等しく、中心波長が約４２０ｎｍで反射波長帯域幅は約６０ｎｍである。また、コレステリック相高分子液晶膜３２の入射する円偏光の光の波長に対する反射スペクトルは、図４（ａ）に破線で示した第２の波長帯域で高反射特性を示すスペクトルと等しく、中心波長が約４９０ｎｍで反射波長帯域幅は約７０ｎｍである。

これらのコレステリック相高分子液晶層３２、３６の上に、実施例１と同様に、格子ピッチが５μｍで、深さがそれぞれ約６１ｎｍと７２ｎｍの周期的な凹凸３３および３７を形成し、等方性ポリマーで充填し表面を平行化する。実施例１と同様に、約４５５ｎｍの波長の光に対する屈折率が約１．７となるように調整する。その後、図示しない低反射コートを施した透明基板３９とこれらの層を積層し、波長３６５ｎｍの紫外線を照射し接着硬化する。その後ダイシングソーを用いて、外形が約２０ｍｍ×約２０ｍｍ角の反射回折偏光子とする。

光源から出射する光は、後述する吸収型偏光子、後述する広帯域１／４波長板、反射回折偏光子の順の光路となるように配置する。吸収型偏光子は、偏光方向が略ランダムな白色光源からの光を直線偏光の光に変換させる光学素子である。広帯域１／４波長板は、リタデーションが約２２８ｎｍとなる位相差板と、リタデーションが約１１４ｎｍとなる位相差板を積層させて、直線偏光の光が４００ｎｍ〜５１０ｎｍの波長の範囲で楕円率が０．９以上となる光学素子である。吸収型偏光子を通過する直線偏光の光は、広帯域１／４波長板に入射して円偏光の光に変換され、反射回折偏光子の透明基板３９側から入射する。このとき、広帯域１／４波長板の光学軸を９０°回転して右回りまたは左回りの円偏光の光が反射回転偏光子に入射するように調整するとき、光の透過率の比は４００ｎｍ〜５１０ｎｍの波長の範囲で約５０以上であり、広帯域にわたり高い消光比が得られることが確認できる。

（実施例３）
本実施例では、図５を参照しながら第３の実施態様に係る反射回折偏光子の具体的な作製方法を説明する。図示しない低反射コートを施した透明基板５８および５９上に図示しない接着剤で、４５５ｎｍの波長におけるリタデーションが１１４ｎｍのポリカーボネートを延伸し作製したリタデーションが１／４波長となる第１の位相差板５６、第２の位相差板５７をそれぞれ積層し、図示しない低反射コートを施した透明基板５１、５４で挟み接着層にて積層接着する。それ以外のコレステリック相高分子液晶膜および等方性材料の充填に関する製造方法は実施例１と同様である。

実施例１と同様に、４５７ｎｍの波長のＡｒレーザーの直線偏光の光を第１の１／４位相差板で円偏光になる互いに直交する２方向から入射させる。透過する回転方向となる直線偏光の光の透過率と、反射回折する回転方向となる直線偏光の光の透過率の比は約１００以上であり、高い消光比が得られることが確認できる。

（実施例４）
本実施例では、図６および図７を参照しながら第４の実施態様に係る反射回折偏光子を用いた投影型表示装置を具体的に説明する。本実施例で使用する反射回折偏光子１２１、１２２、１２３は、実施例３の反射回折偏光子と等しい構成である。配置する反射回折偏光子のコレステリック相高分子液晶膜の材料および周期的凹凸の深さを、反射波長帯域がそれぞれ、反射回折偏光子１２１が赤用（Ｒ）、反射回折偏光子１２２が緑用（Ｇ）、反射回折偏光子１２３が青用（Ｂ）となるように設計する。これは、図７に示したそれぞれの特性と等しい。

これらの反射回折偏光子１２１、１２２、１２３を、第４の実施の態様で説明した投影型表示装置１００に、吸収型偏光子用の放熱基板なしで配置する。ランダムな偏光の光を発する白色光源を使用して画像を表示すると、十分にコントラストが高い実用レベルの表示特性が得られることが確認できる。投影型表示装置として組み立てられた筐体の内部温度は室温と比較して高温であるが、温度上昇による反射回折偏光子の特性変化は確認されず、良好な画像表示を継続することができる。

（実施例５）
本実施例では、図８を参照しながら第５の実施態様に係る反射回折偏光子を用いた光ヘッド装置を具体的に説明する。本実施例で使用する反射回折偏光子２０２は、実施例３と等しい構成である。反射波長帯域の中心波長λ_０が約６６０ｎｍ、反射波長帯域幅Δλが約１００ｎｍとなるコレステリック相高分子液晶膜の表面に、周期的で格子ピッチが３μｍで深さｄが９８ｎｍの凹凸を有し、リタデーションが約１６５ｎｍの２枚の位相差板で挟まれ積層された反射回折偏光子２０２とし、外形を２ｍｍ×２ｍｍ角になるように切断する。

反射回折偏光子２０２は、半導体レーザー２０１と２ｍｍの離れた位置で光が垂直に入射するように配置する。反射回折偏光子２０２と回折素子２０３を透過して偏光ビームスプリッタ２０４に入射する光は、半導体レーザーから出射される直線偏光の方向を基準として光軸が−１５°〜＋１５°の範囲で回転しても、一定の直線偏光状態を維持する。したがって、偏光ビームスプリッタ２０４により光ディスク２０８に向かう光とモニタ光検出器に２１２に入射する光の比率は、半導体レーザーからの直線偏光の光の一定の範囲の回転に対して変化せず安定する。モニタ光検出器の光量が一定になるように半導体レーザーの注入電流にフィードバックして調整することで、光ディスク２０８上の光量を安定して制御することができる。

本発明によれば、反射回折偏光子は特定の偏光状態および波長帯域を有する入射光を透過させ、それ以外の光を反射回折させる機能があり、投射型表示装置や光ヘッド装置などに搭載することができる。

本発明の第１の実施態様における反射回折偏光子の構成例と効果を示す模式図。本発明の第１の実施態様における反射回折偏光子の光学特性を示す図。本発明の第２の実施態様における反射回折偏光子の構成例と効果を示す模式図。本発明の第２の実施態様における反射回折偏光子の光学特性を示す図。本発明の第３の実施態様における反射回折偏光子の構成例と効果を示す模式図。本発明の第４の実施態様における反射回折偏光子を使用した投射型表示装置の模式図。本発明の第４の実施態様における反射回折偏光子の光学特性を示す図。本発明の第５の実施態様における反射回折偏光子を使用した光ヘッド装置の模式図。

符号の説明

１０、３０、５０、１２１、１２２、１２３、２０２：反射回折偏光子
１１、１５、３１、３５、３９、５１、５５、５８、５９：透明基板
１２、３２、３６、５２：コレステリック相高分子液晶膜
１３、３３、３７、５３：周期的凹凸
１４、３４、３８、５４：等方性材料
２１：第１の円偏光
２２：第２の円偏光
４１：第１反射波長帯域の円偏光
４２：第２反射波長帯域の円偏光
５６：第１の位相差板
５７：第２の位相差板
６１：第１直線偏光
６２：第２直線偏光
１００：投影型表示装置
１０１：光源
１３１、１３２：ダイクロイックミラー
１３１ａ、１３３ａ、１３３ｂ：ミラー
１４１、１４２、１４３：液晶パネル
１５１、１５２、１５３：検光子
１６０：ダイクロイックプリズム
１７０：投影レンズ系
１８０：スクリーン
２００：光ヘッド装置
２０１：半導体レーザ
２０３：回折素子
２０４：偏光ビームスプリッタ
２０５：コリメートレンズ
２０６：１／４位相差板
２０７：対物レンズ
２０８：光ディスク
２０９：シリンドリカルレンズ
２１０：光検出器
２１１：集光レンズ
２１２：モニタ光検出器

Claims

右回りまたは左回りの円偏光で入射する所定の波長範囲の光のうちいずれか一方の回転方向の光を反射させる反射回折偏光子であって、
反射回折偏光子は屈折率異方性を有するコレステリック相液晶からなる複屈折膜を有していて、
前記複屈折膜の厚さ方向と前記コレステリック相液晶の液晶分子の螺旋軸とが平行で前記液晶分子の厚さ方向の螺旋ピッチが一様となっており、
前記複屈折膜が、一方の表面に実質的に等しい幅と深さを有する複数の溝の凹凸の回折格子構造を有し、
隣り合う前記溝の格子ピッチが一定の周期であり、
前記コレステリック相液晶からなる複屈折膜が有する回折格子構造は、前記コレステリック相液晶による選択反射波長帯域が前記入射する所定の波長範囲を含むように形成されており、
前記回折格子構造が有する選択反射波長帯域の光に対する反射特性および反射０次回折特性を利用して、前記入射する所定の波長範囲の光のうち前記コレステリック相液晶の液晶分子のねじれ方向と同じ回転方向となる円偏向の光を反射させる
ことを特徴とする反射回折偏光子。
前記複屈折膜がコレステリック相高分子液晶からなる請求項１に記載の反射回折偏光子。
前記凹凸を前記複屈折膜の異常光屈折率と常光屈折率との間の屈折率を有する等方性材料で充填平坦化されている請求項１または請求項２に記載の反射回折偏光子。
前記複屈折膜を２枚以上含む請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の反射回折偏光子。
２枚以上の前記複屈折膜の螺旋ピッチが互いに異なる請求項４に記載の反射回折偏光子。
入射する光の波長λに対して位相差が（０．２５＋ｍ）λとなる１／４波長板を含む請求項１〜請求項５のいずれか一項に記載の反射回折偏光子（ｍは整数を示す）。
前記複屈折膜が、進相軸または遅相軸が直交されて配置された２枚の前記１／４波長板に挟まれている請求項６に記載の反射回折偏光子。
光源と、前記光源からの可視光を複数の色の光に分離する色分離手段と、表示する画像に応じて前記複数の色の光を変調する複数の液晶パネルと、前記色分離手段が分離した前記複数の色の光を対応する前記複数の液晶パネルに導く複数の反射ミラーと、前記光源から前記複数の液晶パネルまでの光路上に配置され光の偏光状態を変える複数の第１の偏光手段と、前記複数の液晶パネルの光を透過する側に配置され光の偏光状態を変える複数の第２の偏光手段と、前記複数の第２の偏光手段を透過する光を合成する光合成手段と、前記光合成手段によって合成された光を拡大投影する投影手段と、を備えた投射型表示装置において、
前記複数の第１の偏光手段および前記複数の第２の偏光手段のうちの少なくとも一方の偏光手段が、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の反射回折偏光子によって構成されていることを特徴とする投射型表示装置。
光源と、前記光源からの出射光を光記録媒体上に集光させる対物レンズと、集光されて前記光記録媒体によって反射された反射光を前記出射光の光路とは異なる光路へ偏向分離する偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタに入射する前記光源からの出射光から前記光記録媒体と異なる光路へ分離されるモニタ光を受光するモニタ光検出器と、偏向分離された前記反射光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置において、前記光源と前記光検出器との間の光路中または、前記偏光ビームスプリッタと前記モニタ光検出器との間の光路中に、請求項１〜請求項７のいずれか一項に記載の反射回折偏光子が設置されていることを特徴とする光ヘッド装置。