JP5344539B2 - 光学素子及び光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、光学異方性媒質を用いた光学素子、及びこれを用いたプロジェクタ等の光学機器に関する。

光学異方性を用いた光学素子は、偏光制御や光束分離等の用途に広く用いられている。例えば、λ／４板やλ／２板に代表される位相板、偏光分離素子に代表される偏光板、及び光学ローパスフィルタとして用いられている。

光学異方性とは、入射する偏光の振動方向によって屈折率が異なる性質を指す。これを利用すると、例えば、同じ方向から入射する光であっても、その偏光方向によって振る舞いを異ならせることが可能となる。

このような光学異方性を持つ材料としては、水晶、方解石等の結晶材料や、液晶材料や、プラスチック、高分子等の有機材料がある。これらの材料の光学異方性の程度は、偏光方向に対する屈折率で表される。

光学異方性を得る方法として、使用する光の波長（以下、使用波長という）よりも小さい構造による構造異方性を用いる方法が特許文献１，２にて開示されている。

使用波長よりも小さい構造では、光はその構造を直接は認識できずに均質な媒質のように振舞うことが知られている。このとき、光はその構造の充填率に準じた屈折率を示し、該屈折率は有効屈折率法と呼ばれる手法により求めることができる。構造の充填率に応じて、偏光方向によって屈折率が異なる性質を構造異方性と呼ぶ。そして、構造の充填率を任意に設定することで、屈折率を調整することができる。また、構造異方性を利用することにより、通常の光学異方性材料に比べて偏光方向による屈折率の差を大きくすることができるため，所望の複屈折特性を得るための厚みを薄くすることができる。

特許文献１には、構造異方性を利用した位相板が開示されている。該位相板では、構造異方性によって屈折率が調整できることを利用し、複数の構造異方性層（周期構造体）を組み合わせることで位相差特性の波長による変化を抑えている。

特許文献２には、基板の一方の面に面法線方向の構造異方性層が形成され、他方の面に面内方向の構造異方性層が形成された光学素子が開示されている。各面での構造異方性により屈折率を調整し、それら屈折率を組み合わせることで、位相補償板を得ている。また、反射防止層を挿入することで、反射防止機能を付与している。
特開２００４−１３９００１号公報 特開２００７−１５６４４１号公報

特許文献１では、高屈折率の媒質を用いた構造異方性の上部に、同じ周期性を有する低屈折率の材料を配置する例が開示されている。これにより、各構造異方性層の屈折率に比べて低い屈折率の材料が上部に積層される形となるため、表面での反射はある程度抑えられる。しかし、この構成では、反射防止性能としては不十分である。

また、特許文献２には，構造異方性の層に反射防止膜を付与しているが、反射防止機能を発揮させるための必要な構成が開示されていない。

このように偏光方向による屈折率の差が大きな材料を用いると、偏光方向に対する反射-透過特性が大きく異なってくる。また、反射防止コーティングを付与しようとしても、屈折率が大きく異なるために、偏光方向ごとに特性を最適化することは困難である。

本発明は、光学異方性を用いた光学素子であって、十分な反射防止性能を有する光学素子及びこれを備えた光学機器を提供する。

本発明の一側面としての光学素子は、光学異方性を持つ媒質により形成された第１の層を含む。該光学素子に入射する、偏光方向が互いに異なる第１の偏光及び第２の偏光に対する中心波長λでの第１の層の屈折率ｎ_ｈ、 ｎ_ｌ（ｎ_ｈ＞ｎ_ｌ）の差が０．１以上である。そして、第１の層の両側において該第１の層に光学的に隣接し、等方性媒質により形成された第２の層及び第３の層の中心波長での屈折率をそれぞれｎ_ｔ１ 、ｎ_ｔ２とし、第１の層の屈折率ｎ _ｈ、 ｎ _ｌ のうち第２の層及び前記第３の層の屈折率ｎ _ｔ１ 、ｎ _ｔ２ との差が大きい方の屈折率をｎとし、第１の層の厚みをｄとするとき、以下の条件を満足することを特徴とする。

本発明によれば、光学異方性を持つ媒質を用いたときに光学異方性層（第１の層）を薄く形成できることを利用して、第１の層を干渉層として機能させることができる。特に、第１の層とこれに光学的に隣接する等方性媒質により形成された第２及び第３の層との屈折率の関係を適切に設定することで、光学異方性の強い媒質を用いた場合でも、反射防止性能と偏光ごとの反射・透過特性に優れた光学素子を実現することができる。そして、この光学素子を用いることで、高性能な光学機器を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、具体的な実施例の説明に先立って、各実施例の光学素子に共通する特徴について説明する。図１には、光学素子の基本的な構成例を示す。

０１１は光学異方性を持つ媒質により形成された第１の層である。０１２，０１３は均質な等方性の薄膜により構成され、第１の層０１１の両側に該第１の層０１１に隣接して形成された第２の層及び第３の層である。０１４は基板であり、０１５は第１、第２及び第３の層０１１〜０１３により構成される反射防止層（反射防止膜）を示す。

以下の説明では、第１の層０１１を形成する光学異方性媒質は、図中のｙ軸方向に光学軸を持つ一軸性の異方性材料とする。また、該光学素子に入射するｘ，ｚ方向に振動する光（ｘ，ｚ方向を偏光方向とする第１の偏光）の中心波長（以下、使用中心波長という）に対する第１の層０１１の屈折率をｎ_ｈとする。また、ｙ方向に振動する光（ｘ，ｚ方向に直交するｙ方向を偏光方向とする第２の偏光）の使用中心波長での屈折率をｎ_ｌ（ｎ_ｈ＞ｎ_ｌ）とする。以下の説明においても、屈折率とは、使用中心波長での屈折率をいう。また、両偏光の波長範囲を使用波長ともいう。

なお、各実施例では、光学異方性媒質は一軸性であるが、本発明の別の実施例の光学素子においては、光学異方性媒質を二軸性としてもよい。また，ｘ，ｚ方向に振動する光の屈折率をｎｌ，ｙ方向に振動する光の屈折率をｎｈ（ｎｈ＞ｎｌ）としてもよい。

また、各実施例では、これら屈折率ｎ_ｈ，ｎ_ｌの差が０.１以上であるとする。この条件を満足することで、所望の複屈折特性を得るための第１の層０１１の厚みを薄くすることができる。また、第１の層０１１の厚みが十分に薄いために、第１の層０１１を干渉層として機能させることができる。上記屈折率差が０.１未満である場合には、偏光ごとの屈折率差が小さいために所望の複屈折特性を得るには厚みを大幅に増加させる必要がある。

次に、各実施例における屈折率構造について、図２を用いて説明する。図２では、横軸がｘ，ｙ方向での光学的な層の厚み（以下の説明では、光学膜厚という）を、縦軸が各層のｘ，ｙ方向での屈折率を表している。光は、図中の右側から光学素子に入射する。

０２１，０２５は第１の層０１１のｘ，ｙ方向での屈折率（ｎ_ｈ，ｎ_ｌ）と光学膜厚を示す。０２２は第２の層０１２のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚を、０２３は第３の層０１３のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚を示す。０２４は基板０１４のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚を示す。また、図２中の「ｕｐ」及び「ｄｏｗｎ」は、層間の界面での屈折率変化が基板０１４の逆側から見て「増加」及び「減少」であることをそれぞれ示す。

第１の層０１１では、x，y方向で屈折率が異なるが、第２及び第３の層０１２，０１３及び基板０１４では、これらが等方性媒質であるため、屈折率は方向にかかわらず同じである。このため、光学素子全体として、x，y方向で屈折率が異なる構造になる。また、第１の層０１１の光学膜厚も、x，y方向の屈折率の比に応じて異なる。

反射防止構造では、基板に入射する光を複数の界面で反射させ、その反射光同士を波に見立てて干渉させることで反射防止機能を得る。ここで、反射防止構造における干渉の方法について簡単に説明する。

まず、基板のみにより構成される光学素子について考える。その構成例を図１６に示す。１６１は基板であり、等方性媒質により形成されている。

この光学素子の屈折率構造を図３に示す。図３でも、横軸が光学膜厚を、縦軸が屈折率を表している。なお、このことは、後述する他の屈折率構造を示す図でも同じである。図３において、０３１は基板１６１の屈折率、０３３は基板１６１と入射媒質との界面である。

光は界面０３３で反射し、その反射光の波の振幅は入射媒質と基板１６１との屈折率差から求められる。該振幅はフレネル係数で表され、界面０３３での屈折率変化が入射側から見て屈折率増加の場合は負の値に、屈折率減少の場合は正の値になる。これは界面０３３で反射する光の位相変化量を表している。

図１６の構成に、単層の反射防止層としての薄膜層を設けた構成例を図１７に示す。１７１は基板であり、１７２は反射防止層としての薄膜層である。この光学素子の屈折率構造を図４及び図５に示す。０４１，０５１は基板１７１のｘ，ｙ方向での同一の屈折率を、０４２，０５２は薄膜層１７２のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚を示す。また、０４３は基板１７１と薄膜層１７２との界面を、０４４は入射媒質と薄膜層１７２との界面を、０５３は基板１７１と薄膜層１７２との界面を、０５４は入射媒質と薄膜層１７２との界面を示す。

図４に示す構成は、基板と入射媒質との間に、該基板の屈折率と入射媒質の屈折率との中間の屈折率を有する薄膜層を挿入した例である。この構成における光の反射は、界面０４３での反射と界面０４４での反射との重ね合わせとなる。この重ね合わせ反射の状態は、薄膜層１７２の光学膜厚によって決まる。

この例のように、薄膜層１７２の両側の界面０４３，０４４での屈折率変化が両者とも増加である場合は、両界面０４３，０４４で反射光の波の位相変化は同じになる。これらの波同士が打ち消し合う条件は光学膜厚がλ／４であり、強め合う条件は光学膜厚がλ／２である。後者では、図３に示した界面０３３での反射光と同じ強さの反射光が生ずる。この例では、両界面０４３，０４４での屈折率変化がともに増加である場合について述べたが、両界面ともに屈折率変化が減少の場合でも同様となる。

この構成の場合、各界面での反射光の振幅は、エネルギー保存則により、図３の界面０３３での反射光の振幅より大きくはならない。波の干渉を考えると、波同士が強め合う条件でも図３に示す構成での反射光量と同等の反射光量しか生じないため、図４の構成での反射の波の総量は、図３の構成よりも減少する。つまり、両界面での屈折率変化の方向が同じ薄膜層は「反射光量を減らす」層になることが分かる。

図５に示す構成は、基板と入射媒質との間に、該基板と入射媒質の屈折率よりも高い屈折率を有する薄膜層を挿入した例である。

この構成での光の反射は、界面０５３と界面０５４での反射の重ね合わせとなる。この重ね合わせの方法は、薄膜層１７２の光学膜厚によって決まる。薄膜層１７２の両側での界面０５３，０５４での屈折率の変化がそれぞれ増加と減少というように異なる場合には、両界面０５３，０５４で反射した光の波の位相変化は逆となる。これらの波同士が打ち消しあう条件は光学膜厚がλ／２であり、波同士が強め合う条件は光学膜厚がλ／４である。前者では、図３に示す界面０３３の反射光と同じ強さの反射光が生ずる。なお、この例では、両界面での屈折率変化が増加と減少である場合を述べたが、両界面での屈折率変化が減少と増加である場合でも同様となる。

この構成の場合、どちらか一方の界面での反射光の振幅は、図３の界面０３３での反射光の振幅より大きくなる。波の干渉を考えると、打ち消し合う条件でも図３の反射光量と同等の反射光量が生ずるため、図５での反射の波の総量は図３の構成よりも大きくなる。つまり、両界面での屈折率変化の方向が異なる薄膜層は、「反射光量を増やす」層となることがわかる。

反射防止層としては、上記の２種類の薄膜層を組み合わせて形成する場合が多い。前者の構成は単純に用いるだけで反射光量が低下する。しかし、反射防止層として用いることが可能な材料は、離散的かつ選択的であるため、前者の構成だけでは高性能な反射防止機能は得られにくい。そこで、後者の構成を併せ用いることで、一部の反射光の強度を調整し、前者の構成で反射光の強度を減少させる。これにより、高性能な反射防止層（反射防止膜）が得られる。

上述したように、波の干渉を考えると、λ／４とλ／２の光学膜厚は正反対の特性を持つ。また、「λ／４」という光学膜厚は、ｍを自然数としたときに、(２ｍ＋１)λ／４と表すこともでき（つまり、同じ特性が得られ）、「λ／２」という光学膜厚は、ｍλ/２と表すこともできる。

この理論を元にすると、反射光をそれぞれの薄膜層ごとに減らすためには、薄膜層の光学膜厚を、該薄膜層の両側の界面での屈折率変化に対応した膜厚に設定することが良いと分かる。例えば、基板の屈折率に対して順に低くなる屈折率の薄膜層を２層積層した場合には、それぞれの薄膜層の界面での屈折率変化は全て正（増加）となる。このため、これらの薄膜層の光学膜厚は、２層ともλ／４に設定するほうが良いことが分かる。厳密には、界面の屈折率差から求められる反射光の強度を考慮する必要があるが、ここでの説明は省略する。

上記理論を元に、図２に示す光学素子での屈折率構造を考えると、第１の層０１１の光学膜厚０２１，０２５がｘ，ｙ方向で異なっている。これは屈折率が方向によって異なるため、物理膜厚は一定でも光学膜厚が方向によって異なってしまうためである。このような光学素子の場合、例えばλ／４板の場合では、両偏光の光学膜厚差はλ／４となる。このため、光学膜厚が偏光方向に対してそれぞれλ／４，λ／２となってしまい、前述した反射防止構造において正反対の性質を持つ層になることがある。

この場合の屈折率構造を図１８に示す。１８１，１８５は第１の層０１１のｘ，ｙ方向での屈折率（ｎ_ｈ，ｎ_ｌ）と光学膜厚を、１８２は図４の薄膜層０４２に相当する第２の層０１２のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚を示す。また、１８３は図５の薄膜層０５２に相当する第３の層０１３のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚を示す。１８４は基板０１４のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚を示す。

第１の層０１１のｘ方向での光学膜厚１８１は３λ／４であり、ｙ方向での光学膜厚１８５はλ／２である。また、第２の層０１２の屈折率１８２は第１の層０１１の屈折率１８１（ｎ_ｈ）及び１８５（ｎ_ｌ）より小さく、かつ第３の層０１３の屈折率１８３は基板０１４の屈折率１８４と第１の層０１１の屈折率１８５（ｎ_ｌ）との中間の値である。

x方向の構成では、第１の層０１１の屈折率１８１の両界面での屈折率変化は逆のため、３λ／４の光学膜厚では反射防止層としては適していない。

ｙ方向の構成では、第１の層０１１の屈折率１８５の両界面での屈折率変化は逆であるが、λ／２の光学膜厚で反射防止層の構成として適している。つまり、全ての層で理想的な構成となるため、反射防止性能は非常に良くなる。

このように、x，y方向の双方において良好な反射防止機能を得るためには、特定の条件が必要となる。

そこで、実施例の光学素子は、以下の式(１)又は式(２)に示す条件を満足する。これらの条件式において、該光学素子に入射する、互いに偏光方向が直交する第１の偏光及び第２の偏光（ｘ偏光，ｙ偏光）に対する使用中心波長λでの第１の層の屈折率をｎ_ｈ，ｎ_ｌとする。また、第１の層の両側にて該第１の層に光学的に隣接する第２の層及び第３の層の屈折率をｎ_t1，ｎ_t2とする。第１の層は光学異方性を有する媒質により形成され、第２及び第３の層はそれぞれ、等方性媒質により形成されている。

「光学的に隣接する」とは、図１に示すように第１の層と第２及び第３の層とが１つの界面で接する（機械的に隣接する）場合はもちろん、第１の層と第２及び第３の層との間に、各層に比べてきわめて薄く、光学的な影響が少ない挿入層を挟んでいる場合を含む。なお、以下の説明において、光学的に隣接することを、単に隣接するともいう。

(１)

(２)
図１に示した構成では、第１の層０１１がｘ，ｙ方向においてそれぞれ、屈折率（以下、最大屈折率という）ｎ_ｈと屈折率（以下、最小屈折率という）ｎ_ｌを有する。また、第１の層０１１の両側において、第２の層０１２及び第３の層０１３が第１の層０１１に隣接している。

式(１)及び式(２)は、第２及び第３の層０１２，０１３の屈折率ｎ_t1，ｎ_t2がともに第１の層０１１の最小屈折率ｎ_ｌ以下もしくは最大屈折率ｎ_ｈ以上であることを示している。該条件を満足することにより、第１の層０１１の界面での屈折率変化は、両偏光に対して同じ方向となり、かつ第１の層０１１の両界面での屈折率変化は互いに逆となる。これにより、両偏光に対して、前述した「反射光量を増やす」層構成となる。この層構成により、両偏光に対する第１の層０１１は、反射防止層０１５の中で反射光量を調整する層となり、実際に反射光量を低下させる層は、第２の層０１２もしくは第３の層０１３となる。

反射光量を調整する層は、反射光量を低下させる層に比べて光学膜厚に対する特性変化が鈍感であるという特徴がある。このため、上記構成を採用することで、両偏光に対する反射率特性をともに良好とすることができる。

一方、この条件を満足しないと、偏光方向に対する第１の層０１１の屈折率構造は、両偏光のうち少なくとも一方に対して「反射光量を減らす」層になる。これにより、偏光ごとの反射特性が大きく異なってしまうため、好ましくない。

また、実施例では、第１の層０１１の使用中心波長λにおける最小屈折率ｎ_ｌと最大屈折率ｎ_ｈのうち、第２及び第３の層０１２，０１３の屈折率ｎ_t1、ｎ_t2との差が大きい方の屈折率をｎとし、第１の層０１１の厚みをｄとする。このとき、以下の式（３）に示す条件を満足することが好ましい。

(mは自然数) (３)
式（８）の条件について、図２の屈折率構造を例として説明する。この屈折率構造でのｎ_ｈ−ｎ_t1、ｎ_ｈ−ｎ_t2、ｎ_ｌ−ｎ_t1、ｎ_ｌ−ｎ_t2を比較すると、ｎ_ｈ−ｎ_t1で示される屈折率差が最も大きくなる。このため、式（３）のｎはｎ_ｈとなる。つまり、図２の屈折率構造では、図２（ａ）における第１の層０１１の光学膜厚０２１が、λ／２の自然数倍となっている。このような屈折率構造を採用することで、屈折率の変化に対して第１の層０１１の光学膜厚０２１は、理想的な値であるλ／２となる。

一方、図２（ｂ）に示す屈折率構造では、屈折率の変化に対して第１の層０１１の光学膜厚０２５は理想的な値にはならない。しかし、第１の層０１１は、第２及び第３の層０１２，０１３との屈折率差が小さいため、反射率は上がりにくい。

以上のような屈折率構造は、光学異方性が強い媒質を用いた光学素子の全てに有効である。例えば、λ／４板の場合は、偏光ごとの光学膜厚差がλ／４ある。つまり、第２及び第３の層０１２，０１３のうち一方の光学膜厚をλ／２に設定すると、他方の光学膜厚はλ／４となる。これにより、第２及び第３の層０１２，０１３の反射防止機能においては、偏光方向によって互いに正反対の性質を持つ。しかし、実施例のように第２及び第３の層０１２，０１３のうち一方の光学膜厚がλ／２となる偏光を設定することで、光学膜厚がλ／４となる偏光と反射−透過特性のバランスをとることが可能となる。

また、本発明をλ／４板以外の光学異方性媒質を用いた光学素子に適用する場合には、λ／４板に比べて光学膜厚の差は反射防止性能への影響が少ない。このため、全ての光学異方性媒質を用いた光学素子において、両偏光に対する反射−透過特性を良好にすることができる。

次に、屈折率がｎ_ｌである第１の層０１１の光学膜厚０２５をλ／２に設定した場合を考える。この場合、図２（ｂ）に示す屈折率構造が、屈折率の変化に対して理想的な構造になっている。しかし、図２（ａ）に示す屈折率構造では、屈折率の変化に対して、第１の層０１１の光学膜厚０２１が理想的な値にはならない。さらに、図２（ａ）に示す屈折率構造では、第２及び第３の層０２２，０２３と第１の層０１１との屈折率差が大きい。このため、図２（ａ）に示す屈折率構造と図２（ｂ）に示す屈折率構造とでは、反射率が大きく異なってしまう。

また、実施例では、第１の層０１１と第２の層０１２との間、及び第１の層０１１と第３の層０１３との間のうち少なくとも一方に挿入層を配置してもよい。この場合も、上記式（１）又は式（２）が成り立つ。挿入層の屈折率は、ｎ_ｈ以上である。

そして、第１の層０１１と第２の層０１２との間に挟まれた挿入層を第１の挿入層とし、第１の層０１１と第３の層０１３との間に挟まれた挿入層を第２の挿入層とする。使用中心波長での第１の挿入層の屈折率をｎ_O1、層の厚みをｄ_O1とし、第２の挿入層の屈折率をｎ_O2、層の厚みをｄ_O2とするとき、以下の式（４）に示される条件を満足するとよい。

（４）
図１９には、挿入層を設けた光学素子の構成例を示す。１９１は第１の層、１９２は第２の層、１９３は第３の層である。１９６は第１の層１９１と第３の層１９３との間に配置された挿入層（第２の挿入層）である。挿入層１９３は、均質な等方性媒質により形成された薄膜である。１９４は基板、１９５は第１〜第３の層１９１〜１９３と挿入層１９６とにより構成される反射防止層（反射防止膜）である。

図１９の光学素子の屈折率構造を図２０に示す。２０１，２０５は第１の層１９１のｘ，ｙ方向での屈折率と光学膜厚であり、２０２は第２の層１９２のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚である。２０３は第３の層１９３のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚であり、２０４は基板１９４のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚である。２０６は挿入層１９６のｘ，ｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚である。

図２０に示すように、挿入層１９６の屈折率２０６はｎ_ｈ，ｎ_ｌより高い。このため、挿入層１９６がない光学素子について上述した条件からは外れてしまう。しかし、挿入層１９６の光学膜厚は、他の層の光学膜厚に比べてきわめて薄いため、光学素子の特性への影響は少ない。すなわち、挿入層１９６が設けられている場合でも、第１の層１９１と第３の層１９３は、光学的には隣接しているとみなすことができる。第１の層１９１と第２の層１９２との間に挿入層が配置されている場合も同様である。

挿入層１９６の光学膜厚は、λ／８以下とすることがより好ましく、さらに好ましくはλ／１０以下がよい。挿入層１９６としては、ハードコート層、防眩層及び接着層等が該当する。

また、実施例では、第１の層として、使用中心波長λより小さい構造が複数形成されることにより実現される構造異方性を有する層であってもよい。

構造異方性を有する第１の層の構造例を図６に示す。０６１は基板、０６２は構造異方性を有する第１の層である。第１の層０６２には、材料０６３で形成された矩形の格子と、材料０６３とは異なる材料０６４で形成された矩形の格子とが、一次元方向に交互に、かつ周期的に形成されている。材料０６３による格子０６３と材料０６４による格子とにより使用中心波長λより小さい１つの構造が構成され、該構造が第１の層０６２に複数形成されている。該構造は、ｘｚ方向で均一であり、かつｙ方向で周期的である。ａは材料０６３による格子の幅であり、ｂは材料０６４による格子の幅（材料０６３による格子間の間隔）である。そして、ａ＋ｂが使用中心波長λよりも小さい。

入射する光の波長よりも小さい構造に対して、該光はその構造を直接は認識できず、均質な媒質が存在するかのように振舞う。図６の場合、第１の層０６２は均質な膜と等価な屈折率を持つ層として機能し、その周期構造に応じた特性を持つ。

材料０６３の屈折率をｎ_１とし、材料０６４の屈折率をｎ_２とすると、第１の層０６２のｘ方向を偏光方向とする偏光に対する屈折率ｎ_ｘと、ｙ方向を偏光方向とする偏光に対する屈折率ｎ_ｙはそれぞれ、以下の式（５），（６）により表される。

（５）

（６）
式（５），（６）は、０次の有効屈折率法と呼ばれる手法に基づく。この手法は、構造異方性層を構成する材料とその充填率ｆｆ｛＝ａ／（ａ＋ｂ）｝によって、その層の屈折率を求めることができる。厳密には、構造の間隔や使用する波長等も影響するが、ここではこれらの説明は省略する。

構造異方性層に強い異方性を持たせるためには、該構造異方性層を構成する材料（図６に示す材料０６３と材料０６４）の屈折率差を大きくすることが有効である。このため、材料０６３として高屈折率の材料を用い、材料０６４として空気を用いることが一般的である。

例えば、材料０６３としてＴｉＯ_２（屈折率２．３）、材料０６４に空気（屈折率１．０）を用いてａ＝ｂとすると、ｎ_ｘ（ｎ_ｈ）は１．７７、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）は１．３０となり、非常に大きな屈折率差が得られる。

このようにして異方性を強くすることで、所望の位相差を得るための該構造異方性層の厚みを非常に薄くできる。例えば、構造異方性層（第１の層）０６２をλ／４板として使用する場合において、使用中心波長λが５５０ｎｍであるとき、厚みは３２０ｎｍとなる。

なお、図６には、矩形格子により構成される構造が一次元方向に周期的に配列された場合について説明したが、構造は２次元方向又は３次元方向に周期的に配列されていてもよい。また、構造は矩形格子によるものに限らず、円柱や球形の格子によるものであってもよい。さらに、１つの構造が使用中心波長よりも小さければ、該構造を周期的に配列しなくてもよい。

また、実施例において、光学異方性を有する媒質として無機材料を用いてもよい。無機材料は、有機系材料に比べて、耐候性や耐熱性に優れる。この特性を利用することで、厳しい環境条件や温度条件で用いられる光学素子においても、十分な性能を発揮できる。

以下に、具体的な実施例を、設計値（実験値）及び入射角０°での反射率特性とともに示す。各実施例での使用波長範囲は５００〜６００ｎｍであり、使用中心波長は５５０ｎｍである。ただし、これらは例に過ぎず、本発明の実施例はこれらの条件に限定されるものではない。

実施例１では、屈折率１．５３の基板を用意し、その表面に屈折率１．６３、物理膜厚（以下、単に膜厚ともいう）８４ｎｍの薄膜（第３の層）を積層し、さらにその表面に光学異方性層（第１の層）を積層した。また、光学異方性層の表面に、屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜（第２の層）を積層した。

光学異方性層の屈折率は、ｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が１．９２で、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が１．８０であった。光学異方性層の物理膜厚は１１０８ｎｍとした。本実施例の反射率特性を図７に示す。

光学異方性層に隣接する薄膜の屈折率（１．３８，１．６３）は、条件式（１）を満足している。ただし、条件式(３)は満足していない。図７によれば、波長５５０ｎｍで両偏光（ｘ偏光及びｙ偏光）に対する反射率が十分に低下している。

実施例２では、屈折率１．５３の基板を用意し、その表面に屈折率１．６３、膜厚８４ｎｍの薄膜（第３の層）を積層し、さらにその表面に光学異方性層（第１の層）を積層した。また、光学異方性層の表面に、屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜（第２の層）を積層した。光学異方性層には、屈折率２．３の構造を、使用波長より小さい一次元格子状に形成した。充填率は０．８５とした。

光学異方性層の屈折率は、ｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が２．１６で、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が１．８０であった。光学異方性層の物理膜厚は、３８２ｎｍとした。本実施例の反射率特性を図８に示す。

光学異方性層に隣接する薄膜の屈折率（１．３８，１．６３）は、条件式（１）を満足している。また、条件式(３)も満足している。図８によれば、波長５５０ｎｍで両偏光に対する反射率が十分に低下している。

実施例３では、屈折率２．０の基板を用意し、その表面に屈折率１．６３、膜厚１６９ｎｍの薄膜（第３の層）を積層し、さらにその表面に光学異方性層（第１の層）を積層した。また、光学異方性層の表面に、屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜（第２の層）を積層した。光学異方性層には、屈折率２．５の構造を、使用波長より小さい一次元格子状に形成した。充填率は０．９とした。

光学異方性層の屈折率は、ｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が２．４０で、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が２．００であった。光学異方性層の物理膜厚は、３４４ｎｍとした。本実施例の反射率特性を図９に示す。

光学異方性層に隣接する薄膜の屈折率（１．３８，１．６３）は、条件式（１）を満足している。また、条件式(３)も満足している。図９によれば、波長５５０ｎｍで両偏光に対する反射率が十分に低下している。

実施例４では、屈折率１．８０の基板を用意し、その表面に屈折率２．００、膜厚１３８ｎｍの薄膜（第３の層）を積層し、さらにその表面に光学異方性層（第１の層）を積層した。また、光学異方性層の表面に、屈折率２．００、膜厚１３８ｎｍの膜（第２の層）を積層し、さらにその表面に屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜を積層した。光学異方性層の屈折率は、ｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が１．８７でｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が１．６０であった。光学異方性層の物理膜厚は、５１６ｎｍとした。本実施例の反射率特性を図１０に示す。

光学異方性層に隣接する薄膜の屈折率（２．００，２．００）は、条件式（２）を満足している。また、条件式(３)も満足している。図１０によれば、両偏光に対する反射率が波長５５０ｎｍで極小値となっている。すなわち、波長５５０ｎｍで両偏光に対する反射率が十分に低下している。

実施例５では、屈折率２．０の基板を用意し、その表面に屈折率１．６３、膜厚１６９ｎｍの薄膜（第３の層）を積層し、その表面に屈折率２．３０、膜厚１０ｎｍの薄膜（第２の挿入層）を積層し、その表面に光学異方性層（第１の層）を積層した。さらに、その光学異方性層の表面に、屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜（第２の層）を積層した。光学異方性層の屈折率は、ｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が２．４１でｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が２．００であった。光学異方性層の物理膜厚は、３３５ｎｍとした。本実施例の反射率特性を図１１に示す。

膜厚１０ｎｍの薄膜は、式（４）により計算される光学膜厚（ｎ_o2・ｄ_o2）が２３ｎｍと非常に薄いため、光学異方性層は光学的に屈折率１．６３の薄膜と隣接しているとみなせる。これにより、光学異方性層に隣接する薄膜の屈折率（１．６３，１．３８）は、条件式（１）を満足している。また、条件式（３）も満足している。図１１によれば、両偏光に対する反射率が波長５５０ｎｍで極小値となっている。すなわち、波長５５０ｎｍで両偏光に対する反射率が十分に低下している。

以上の実施例１〜５の数値及び条件を満足する（○）か否かを表１にまとめて示す。ここで、表１中の＊１は、請求項４を元に考え、光学異方性層に光学的に隣接するのは、屈折率１．６３、膜厚１６９ｎｍの薄膜（第３の層）の薄膜の層（第３の層）であると見なして計算を行ったことを示す。

以下に、実施例１〜５に対する比較例１，２を示す。これらの比較例は、表２に示すように、条件式（１），（２）を満足していない（×）例である。

（比較例１）
比較例１では、屈折率１．８０の基板を用意し、その表面に光学異方性層（第１の層）を形成した。さらに、その表面に屈折率１．３８、物理膜厚１００ｎｍの薄膜を積層した。光学異方性層には、屈折率１．８の構造を使用波長より小さい一次元格子状に形成した。充填率は、０．８０とした。光学異方性層の屈折率は、ｎ_ｘが１．６７で、ｎ_ｙが１．５０であった。光学異方性層の物理膜厚は８２５ｎｍとした。本比較例の反射率特性を図１２に示す。

本比較例では、反射防止のために、低屈折率の薄膜を上部に積層しているが、屈折率の関係や膜厚が適切ではないため、両偏光に対する反射率（特に、波長５５０ｎｍでの反射率）が大きく異なり、好ましくない。

（比較例２）
比較例２では、屈折率１．５３の基板を用意し、その表面に屈折率２．３０、膜厚１２０ｎｍの薄膜を積層し、さらにその表面に光学異方性層（第１の層）を積層した。また、光学異方性層の表面に、屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜を積層した。光学異方性層には、屈折率２．３の構造を、使用波長より小さい一次元格子状に形成した。充填率は０．８０とした。光学異方性層の屈折率は、ｎ_ｘが２．１１で、ｎ_ｙが１．６９であった。光学異方性層の物理膜厚は、３２５ｎｍとした。本比較例の反射率特性を図１３に示す。

本比較例では、光学異方性層の両界面に薄膜を積層しているが、反射防止機能を果たしていない。

以下、上記実施例１〜５の光学素子を用いた光学機器の例として、液晶プロジェクタと光ピックアップ装置を示す。ただし、各実施例の光学素子は、これら以外の光学機器にも使用することができる。

まず図１４には、液晶プロジェクタの構成を示す。１４０は光源（ランプ）、１４１ｒは赤色光の光路、１４１gは緑色光の光路、１４１ｂは青色光の光路を示す。１４２は偏光変換素子であり、１４３はダイクロイックミラーである。１４４は偏光板であり、１４５は波長選択性位相差板である。

１４６ｉは緑色用偏光ビームスプリッタ、１４６ｐは青・赤色用偏光ビームスプリッタである。１４７ｒ，１４７ｇ，１４７ｂはそれぞれ赤、緑、青色用の１/４λ板である。１４８ｒ，１４８ｇ，１４８ｂはそれぞれ、赤、緑、青色用の反射型液晶パネル（画像形成素子）である。１４９は色合成プリズム、１４０１は投射レンズである。

光源１４０からの光束は、偏光変換素子１４２で特定の偏光方向を有する光束に変換される。さらに、この偏光光束は、波長選択性位相差板１４５及び１／４λ板１４７ｒ，１４７ｇ，１４７ｂによって色ごとにＰ偏光又はＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１４６ｉ，１４６ｐにて反射又は透過する。これにより、各色光は、対応する光路を辿って投射レンズ１４０１により不図示のスクリーン等の被投射面に投射され、該被投射面上にカラー画像を形成する。

実施例１〜５の光学素子は、波長選択性位相板１４５及び１／４λ板（位相板）１４７ｒ，１４７ｇ，１４７ｂとして用いることができる。

実施例１〜５の光学素子は、その厚みを薄くできるために小型化が可能であり、かつ入射するＰ偏光及びＳ偏光に対する位相板としての高い透過率を実現することができる。この結果、高性能なプロジェクタを提供することができる。また、光学素子の第１の層に無機材料を使用することで、耐熱性や耐候性に優れたプロジェクタを提供することができる。

図１５には、光ディスク用の光ピックアップ装置における光源の周辺の光学系を示している。１５１は光源（レーザ）であり、１５１ａは偏光板である。１５２は偏光ビームスプリッタであり、１５３，１５５は集光レンズである。１５４，１５６は受光器である。１５７は光学ディスクであり、１５８は位相板である。

光源１５１からの光束は、偏光板１５１ａによって特定の偏光方向を有する光束（ここでは、Ｐ偏光とする）として偏光ビームスプリッタ１５２に入射する。該偏光光束の一部は、偏光ビームスプリッタ１５２で反射され、集光レンズ１５３を介して受光器１５４によりモニタされる。

一方、偏光ビームスプリッタ１５２を透過した偏光光束は、位相板１５８を介して集光レンズ１５５で光学ディスク１５７上に結像する。光ディスク１５７で光変調された反射光は、位相板１５８でその偏光方向が９０°回転されてＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１５２にて反射される。そして、この反射光は、再生信号光を検出するための受光器１５６で検出される。

実施例１〜５の光学素子は、位相板１５８に使用することができる。実施例１〜５の光学素子は、その厚みを薄くできるために小型化が可能であり、かつ入射するＰ偏光及びＳ偏光に対する位相板としての高い透過率を実現することができる。この結果、高性能な光ピックアップ装置を提供することができる。また、光学素子の第１の層に無機材料を使用することで、耐熱性や耐候性に優れた光ピックアップ装置を提供することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

本発明の実施例である光学素子の基本構成を示す断面図。 実施例の光学素子の屈折率と光学膜厚を示す図。 光学素子の基板のみの屈折率と光学膜厚を示す図。 基板上にこれよりも低い屈折率の薄膜を形成した場合の屈折率構造を示す図。 基板上にこれよりも高い屈折率の薄膜を形成した場合の屈折率構造を示す図。 構造異方性層を有する実施例の光学素子の模式図。 実施例１の光学素子の反射率特性を示す図。 実施例２の光学素子の反射率特性を示す図。 実施例３の光学素子の反射率特性を示す図。 実施例４の光学素子の反射率特性を示す図。 実施例５の光学素子の反射率特性を示す図。 比較例１の光学素子の反射率特性を示す図。 比較例１の光学素子の反射率特性を示す図。 実施例１〜５の光学素子を用いた液晶プロジェクタの構成を示す図。 実施例１〜５の光学素子を用いた光ピックアップ装置の構成を示す図。 基板のみにより構成される光学素子の断面図。 基板上に薄膜を形成した光学素子の断面図。 基板上に光学異方性層及び薄膜を積層した光学素子の屈折率構造を示す図。 図１の基本構成に挿入層を追加した実施例の光学素子の断面図。 図１９の光学素子の屈折率構造を示す図。

符号の説明

０１１，１９１ 第１の層
０１２，１９２ 第２の層
０１３，１９３ 第３の層
０１４，０６１，１６１，１７１，１９４ 基板
０１５，１９５ 反射防止層
０６２ 構造異方性層（第１の層）
０６３，０６４ 材料

Claims (9)

1. 光学異方性を持つ媒質により形成された第１の層を含む光学素子であって、
   該光学素子に入射する、偏光方向が互いに異なる第１の偏光及び第２の偏光に対する中心波長λでの前記第１の層の屈折率ｎ_ｈ、 ｎ_ｌ（ｎ_ｈ＞ｎ_ｌ）の差が０．１以上であり、
   前記第１の層の両側において該第１の層に光学的に隣接し、それぞれ等方性媒質により形成された第２の層及び第３の層の前記中心波長での屈折率をそれぞれｎ_ｔ１ 、ｎ_ｔ２とし、前記屈折率ｎ _ｈ、 ｎ _ｌ のうち前記第２の層及び前記第３の層の屈折率ｎ _ｔ１ 、ｎ _ｔ２ との差が大きい方の屈折率をｎとし、前記第１の層の厚みをｄとするとき、以下の条件を満足することを特徴とする光学素子。
   
2. 光学異方性を持つ媒質により形成された第１の層を含む光学素子であって、
   該光学素子に入射する、偏光方向が互いに異なる第１の偏光及び第２の偏光に対する中心波長λでの前記第１の層の屈折率ｎ_ｈ、 ｎ_ｌ（ｎ_ｈ＞ｎ_ｌ）の差が０．１以上であり、
   前記第１の層の両側において該第１の層に光学的に隣接し、それぞれ等方性媒質により形成された第２の層及び第３の層の前記中心波長での屈折率をそれぞれｎ_ｔ１ 、ｎ_ｔ２とするとき、以下の条件を満足することを特徴とする光学素子。
   
3. 前記屈折率ｎ_ｈ 、ｎ_ｌのうち前記第２の層及び前記第３の層の屈折率ｎ_ｔ１ 、ｎ_ｔ２との差が大きい方の屈折率をｎとし、前記第１の層の厚みをｄとするとき、以下の条件を満足することを特徴とする請求項２に記載の光学素子。
   
4. 前記第１の層と前記第２の層との間に配置された第１の挿入層、及び前記第１の層と前記第３の層との間に配置された第２の挿入層のうち少なくとも一方を有し、
   前記中心波長での前記第１の挿入層の屈折率をｎ_Ｏ１、層の厚みをｄ_Ｏ１とし、前記第２の挿入層の屈折率をｎ_Ｏ２、層の厚みをｄ_Ｏ２とするとき、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学素子。
   
5. 光学異方性を持つ媒質により形成された第１の層を含む光学素子であって、
   該光学素子に入射する、偏光方向が互いに異なる第１の偏光及び第２の偏光に対する中心波長λでの前記第１の層の屈折率ｎ _ｈ、 ｎ _ｌ （ｎ _ｈ ＞ｎ _ｌ ）の差が０．１以上であり、
   前記第１の層の両側において該第１の層に光学的に隣接し、それぞれ等方性媒質により形成された第２の層及び第３の層の前記中心波長での屈折率をそれぞれｎ _ｔ１ 、ｎ _ｔ２ とし、
   前記第１の層と前記第２の層との間に配置された第１の挿入層、及び前記第１の層と前記第３の層との間に配置された第２の挿入層のうち少なくとも一方を有し、
   前記中心波長での前記第１の挿入層の屈折率をｎ _Ｏ１ 、層の厚みをｄ _Ｏ１ とし、前記第２の挿入層の屈折率をｎ _Ｏ２ 、層の厚みをｄ _Ｏ２ とするとき、以下の条件を満足することを特徴とする光学素子。
   
   
   
6. 前記第１の層は、前記中心波長より小さい構造が複数形成されることによる構造異方性を有する層であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１つに記載の光学素子。
7. 前記第１の層は、無機材料により形成されていることを特徴とする請求項１から６のいずれか１つに記載の光学素子。
8. 該光学素子は、位相板であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１つに記載の光学素子。
9. 請求項１から８のいずれか１つに記載の光学素子を有することを特徴とする光学機器。