(57)【要約】【課題】複数の異なる波長の光で入射する光のうち回折効率が最も高い次数が異なる回折素子を提供する。【解決手段】格子形状の凹凸を有する単位領域１１０がＸ方向へ周期的に配列される回折素子１００を形成し、単位領域１１０を構成する小領域１１０ａ、小領域１１０ｂおよび小領域１１０ｃのＸ方向の幅が等しく、また、小領域１１０ａを透過する光の位相を基準として小領域１１０ｂを透過する光の位相である位相差φ（１）および小領域１１０ａを透過する光の位相を基準として小領域１１０ｃを透過する光の位相である位相差φ（２）の位相差はいずれもπの整数倍（φ（１）≠φ（２））とすることで、異なる波長の光のうち最も高い回折効率となる次数の符号が異なる組み合わせが発生するので、従来の回折格子に比べて格子ピッチを小さくしなくても大きい角度での偏向分離が可能な回折素子１００を実現できる。【選択図】図１
2010127977.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長が異なるｍ個の光が入射し（ｍ≧２の整数）、前記光の位相を変調して透過する回折素子であって、
前記回折素子は、透光性基板上に回折格子が形成されるかまたは前記透光性基板の一つの面が回折格子となる形状を有し、
前記回折格子は、格子ピッチＰｘの幅を有し、前記格子ピッチＰｘの幅の方向と直交する方向に延伸してなる単位領域が前記格子ピッチＰｘの幅の方向に繰り返して配置され、
前記単位領域は、回折格子が形成されない前記透光性基板の面と平行で距離が同一となる面からなる区画を１つの小領域とするとき、前記透光性基板面からの距離が互いに異なるＮ個の小領域を含み、前記小領域は、前記格子ピッチＰｘの幅の方向と直交する方向に延伸して構成され（Ｎ≧３の整数）、
ｍ個の前記光のうち、最も短い波長を波長λ１、最も長い波長を波長λｍとし、λ１≦λａ≦λｍである波長λａの光が同相で入射するとき、最も位相が進む前記小領域であるゼロの小領域を透過する光の位相と、前記ゼロの小領域と異なる前記小領域を透過する前記波長λａの光の位相との差で定義される位相差がそれぞれπの整数倍であり、
入射するｍ個の前記光は、それぞれ最も高い回折効率が得られる次数の回折光を１つ有し、さらに、＋ｐ次の回折効率が最も高い光と、−ｑ次の回折効率が最も高い光（ｐ，ｑ≧１の整数）を、それぞれ少なくとも１つずつ含む回折素子。
【請求項２】
波長が異なるｍ個の光が入射し（ｍ≧２の整数）、前記光の位相を変調して透過する回折素子であって、
前記回折素子は、透光性基板上に回折格子が形成されるかまたは前記透光性基板の一つの面が回折格子となる形状を有し、
前記透光性基板上の点Ａを基点として前記透光性基板面と平行する直線上に格子ピッチＰ１、Ｐ２、…、ＰＭ（Ｐ１＞Ｐ２＞…＞ＰＭ）の順に円形の領域または外縁が円である輪帯状の領域を含むＭ個の単位領域を有し、
前記単位領域は、断面が前記透光性基板面と平行し、かつ高さが異なる面を有するとともに、前記点Ａを中心とした円の円周方向に沿って延伸してなるＮ個の小領域を有し（Ｎ≧３の整数）、
ｍ個の前記光のうち、最も短い波長を波長λ１、最も長い波長を波長λｍとし、λ１≦λａ≦λｍである波長λａの光が同相で入射するとき、最も位相が進む前記小領域であるゼロの小領域を透過する光の位相と、前記ゼロの小領域と異なる前記小領域を透過する前記波長λａの光の位相との差で定義される位相差がそれぞれπの整数倍であり、
入射するｍ個の前記光は、それぞれ最も高い回折効率が得られる次数の回折光を１つ有し、さらに、＋ｐ次の回折効率が最も高い光と、−ｑ次の回折効率が最も高い光（ｐ，ｑ≧１の整数）を、それぞれ少なくとも１つずつ含む回折素子。
【請求項３】
前記＋ｐ次の回折効率、前記−ｑ次の回折効率のｐ，ｑの値がいずれも１である請求項１または２に記載の回折素子。
【請求項４】
前記単位領域は３個の前記小領域からなって、前記単位領域の端部よりそれぞれ第１の小領域、第２の小領域、第３の小領域とし、
前記第１の小領域の幅をＸ１、前記第２の小領域の幅をＸ２、前記第３の小領域の幅をＸ３とするとき、
Ｘ１＝Ｘ２＝Ｘ３＝Ｐｘ／３、
である請求項１〜３いずれか１項に記載の回折素子。
【請求項５】
前記第１の小領域が前記ゼロの小領域であって、
前記第１の小領域の位相差をφ（０）、前記第２の小領域の位相差をφ（１）、前記第３の小領域の位相差をφ（２）とするとき、
φ（０）＝０、
φ（１）＝π、
φ（２）＝２π、
となる前記単位領域の形状を有する請求項４に記載の回折素子。
【請求項６】
前記単位領域は４個の前記小領域からなって、前記単位領域の端部よりそれぞれ第１の小領域、第２の小領域、第３の小領域、第４の小領域とし、
前記第１の小領域の幅をＸ１、前記第２の小領域の幅をＸ２、前記第３の小領域の幅をＸ３、前記第４の小領域の幅をＸ４とするとき、
Ｘ１：Ｘ２：Ｘ３：Ｘ４＝３：７：７：３、
である請求項１〜３いずれか１項に記載の回折素子。
【請求項７】
前記第１の小領域が前記ゼロの小領域であって、
前記第１の小領域の位相差をφ（０）、前記第２の小領域の位相差をφ（１）、前記第３の小領域の位相差をφ（２）、前記第３の小領域の位相差をφ（３）とするとき、
φ（０）＝０、
φ（１）＝π、
φ（２）＝２π、
φ（３）＝３π、
となる前記単位領域の形状を有する請求項６に記載の回折素子。
【請求項８】
前記回折格子は、複屈折性を有する複屈折性材料と等方性透明材料とが、前記回折格子の凸部と凹部とを構成してなる偏光回折格子であって、
前記複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）のいずれか一方の屈折率が等方性透明材料の屈折率ｎｓと等しい請求項１〜７いずれか１項に記載の回折素子。
【請求項９】
光源と、
前記光源からの光を偏向分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを出射した光を光ディスク上に集光させる対物レンズと、
前記光記録媒体で反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、
前記光源と前記ビームスプリッタとの間の光路中および、前記ビームスプリッタと前記光検出器との間の光路中に、請求項１または請求項３〜８いずれか１項に記載の回折素子が配置される光ヘッド装置。
【請求項１０】
光源と、
前記光源を出射した光を光ディスク上に集光させる対物レンズと、
前記ビームスプリッタと前記光ディスクとの間に配置された、前記光に対して１／４波長の位相差を生じる１／４波長板と、
前記光ディスクで反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、
前記光源と前記対物レンズとの光路と、前記対物レンズと前記光検出器との光路と共通する光路中に請求項８に記載の回折素子が配置された光ヘッド装置。
【請求項１１】
光源と、
前記光源からの光を偏向分離するビームスプリッタと、
前記ビームスプリッタを出射した光を光ディスク上に集光させる対物レンズと、
前記光ディスクで反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、
前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間の光路中に、請求項２に記載の回折素子が配置される光ヘッド装置。
【請求項１２】
前記光源は、３つの異なる波長λ１、波長λ２、波長λ３の光を発射し、
前記波長λ１は３９５〜４１５ｎｍの範囲の４０５ｎｍ波長帯、
前記波長λ２は６４０〜６８０ｎｍの範囲の６６０ｎｍ波長帯、
前記波長λ３は７６５〜８０５ｎｍの範囲の７８５ｎｍ波長帯、
である請求項９〜１１いずれか１項に記載の光ヘッド装置。
【請求項１３】
光源と、
表示する画像に応じて前記光源から出射された可視光を変調する液晶ライトバルブと、
前記液晶ライトバルブにより生成された画像を拡大投影する投影レンズと、を備えた投射型表示装置において、
前記液晶ライトバルブと前記投影レンズとの光路中に請求項８に記載の回折素子が配置される投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数の異なる波長で入射する光に対して、最も高い回折効率で回折する回折光の次数がそれぞれの波長で異なる回折素子、該回折素子を用いる光学系として、ＣＤ、ＤＶＤ、光磁気ディスクなどの光記録媒体および「Ｂｌｕ−ｒａｙ」（登録商標：以下ＢＤ）などの高密度光記録媒体に情報の記録および再生を行う光ヘッド装置、そして投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光記録媒体を記録または再生する光ヘッド装置、プロジェクタなどの投影装置において、複数の異なる波長の光が同一方向から入射して、それぞれの波長の光を異なる方向に偏向分離させる分波機能または、複数の異なる波長の光が異なる方向から入射してそれぞれの波長の光を同一方向に透過させる合波機能を有する光学部品が多く利用されている。このように、分波させたり合波させたりする光学部品には、高い光利用効率が得られることが求められ、例えば、光ヘッド装置において、波長４０５ｎｍのＢＤ用の光を反射させるとともに波長６６０ｎｍのＤＶＤ用の光および波長７８５ｎｍのＣＤ用の光を透過させる機能を有するダイクロイックビームスプリッタおよび、ＢＤ用の光を透過させるとともにＤＶＤ用、ＣＤ用の光を反射させる機能を有するダイクロイックビームスプリッタが報告されている（特許文献１）。
【０００３】
しかし、特許文献１に記載の光ヘッド装置は、ＢＤ用、ＤＶＤ用およびＣＤ用の３つの異なる波長の光をそれぞれ分波する場合、ダイクロイックビームスプリッタが２個必要になる。さらに、ダイクロイックビームスプリッタによる光の反射方向が９０°であるために、その反射方向に別の光学部品を配置する必要があり、全体の構成として光ヘッド装置が大型化するという問題点があった。
【０００４】
そこで、このような装置を小型化するために、複数の異なる波長の光を分波させたり合波させたりする光学部品として、回折格子が形成された回折素子によって、回折角の異なる回折光を利用して分波または合波している。このような回折素子として、とくに特定の次数の回折光の回折効率が高いブレーズド形状の回折格子が形成され、波長によって同一の次数の回折光の回折角が異なることを利用する回折素子または、一方の波長の光は０次回折光、他方の波長の光は１次回折光を利用する回折素子が報告されている（特許文献２）。
【０００５】
また、複数の波長の光が入射する回折格子構造を有するものの応用例として、回折レンズがあり、とくに光ヘッド装置において、カバー厚さがそれぞれ異なる複数の光記録媒体の情報記録面に、それぞれの波長の光を良好に集光させるために用いられる回折レンズが報告されている（特許文献３）。
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１７９６４０号公報
【特許文献２】特開２００６−０４８８２２号公報
【特許文献３】特開２００８−１７６９３２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献２に記載の光ヘッド装置に使用される回折素子は、ＤＶＤ用とＣＤ用の波長の光に対して回折角の違いを利用して分波または合波させている。とくに、ＤＶＤ用の波長の回折光とＣＤ用の波長の回折光を０次回折光と１次回折光との組み合わせを用いている。しかし、このような回折素子を用いる場合、これら２つの異なる波長の回折光同士の回折角の差が小さいと、これらの光を利用する光学部品同士の位置が接近しすぎることがあり光学部品の配置の関係で、これらの光の回折角の差を大きくする必要がある。しかし、回折角を大きくするためには、回折格子の格子ピッチを短くしなければならず、回折格子の高い加工精度が要求されるという問題があった。
【０００８】
また、特許文献３に記載の光ヘッド装置に使用される回折光学素子は、ＢＤ用、ＤＶＤ用およびＣＤ用の波長の光に対して最も回折効率が高い次数の光が０次回折光（直進透過光）と同じ符号となる次数の回折光の組合せとなる回折格子の構成を有する。そして、これらの回折光によって、それぞれ異なる規格の光記録媒体の情報記録面に良好に集光させるため、回折させた光をさらに屈折させる屈折面を形成して発散／収束を調整しており、このように屈折面がなく回折格子だけでは、回折光学素子を透過する光の進行方向（角度）の差を大きくできず、また、回折角の差を大きくしようとすると回折格子の格子ピッチを短くしなければならず、回折格子の高い加工精度が要求されるという問題があった。
【０００９】
本発明は上述の実情に鑑み、複数の波長の光が入射して、それぞれの波長の光において回折効率が最も高い次数の光同士の回折角が異なるとともに、これらの回折角の差を大きくでき、かつ作製が容易な回折素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記問題を解決するためになされたものであり、波長が異なるｍ個の光が入射し（ｍ≧２の整数）、前記光の位相を変調して透過する回折素子であって、前記回折素子は、透光性基板上に回折格子が形成されるかまたは前記透光性基板の一つの面が回折格子となる形状を有し、前記回折格子は、格子ピッチＰｘの幅を有し、前記格子ピッチＰｘの幅の方向と直交する方向に延伸してなる単位領域が前記格子ピッチＰｘの幅の方向に繰り返して配置され、前記単位領域は、回折格子が形成されない前記透光性基板の面と平行で距離が同一となる面からなる区画を１つの小領域とするとき、前記透光性基板面からの距離が互いに異なるＮ個の小領域を含み、前記小領域は、前記格子ピッチＰｘの幅の方向と直交する方向に延伸して構成され（Ｎ≧３の整数）、ｍ個の前記光のうち、最も短い波長を波長λ１、最も長い波長を波長λｍとし、λ１≦λａ≦λｍである波長λａの光が同相で入射するとき、最も位相が進む前記小領域であるゼロの小領域を透過する光の位相と、前記ゼロの小領域と異なる前記小領域を透過する前記波長λａの光の位相との差で定義される位相差がそれぞれπの整数倍であり、
入射するｍ個の前記光は、それぞれ最も高い回折効率が得られる次数の回折光を１つ有し、さらに、＋ｐ次の回折効率が最も高い光と、−ｑ次の回折効率が最も高い光（ｐ，ｑ≧１の整数）を、それぞれ少なくとも１つずつ含む回折素子を提供する。
【００１１】
また、波長が異なるｍ個の光が入射し（ｍ≧２の整数）、前記光の位相を変調して透過する回折素子であって、前記回折素子は、透光性基板上に回折格子が形成されるかまたは前記透光性基板の一つの面が回折格子となる形状を有し、前記透光性基板上の点Ａを基点として前記透光性基板面と平行する直線上に格子ピッチＰ１、Ｐ２、…、ＰＭ（Ｐ１＞Ｐ２＞…＞ＰＭ）の順に円形の領域または外縁が円である輪帯状の領域を含むＭ個の単位領域を有し、前記単位領域は、断面が前記透光性基板面と平行し、かつ高さが異なる面を有するとともに、前記点Ａを中心とした円の円周方向に沿って延伸してなるＮ個の小領域を有し（Ｎ≧３の整数）、ｍ個の前記光のうち、最も短い波長を波長λ１、最も長い波長を波長λｍとし、λ１≦λａ≦λｍである波長λａの光が同相で入射するとき、最も位相が進む前記小領域であるゼロの小領域を透過する光の位相と、前記ゼロの小領域と異なる前記小領域を透過する前記波長λａの光の位相との差で定義される位相差がそれぞれπの整数倍であり、入射するｍ個の前記光は、それぞれ最も高い回折効率が得られる次数の回折光を１つ有し、さらに、＋ｐ次の回折効率が最も高い光と、−ｑ次の回折効率が最も高い光（ｐ，ｑ≧１の整数）を、それぞれ少なくとも１つずつ含む回折素子を提供する。
【００１２】
また、前記＋ｐ次の回折効率、前記−ｑ次の回折効率のｐ，ｑの値がいずれも１である上記の回折素子を提供する。また、前記単位領域は３個の前記小領域からなって、前記単位領域の端部よりそれぞれ第１の小領域、第２の小領域、第３の小領域とし、前記第１の小領域の幅をＸ１、前記第２の小領域の幅をＸ２、前記第３の小領域の幅をＸ３とするとき、
Ｘ１＝Ｘ２＝Ｘ３＝Ｐｘ／３、
である上記の回折素子を提供する。
【００１３】
また、前記第１の小領域が前記ゼロの小領域であって、前記第１の小領域の位相差をφ（０）、前記第２の小領域の位相差をφ（１）、前記第３の小領域の位相差をφ（２）とするとき、
φ（０）＝０、
φ（１）＝π、
φ（２）＝２π、
となる前記単位領域の形状を有する上記の回折素子を提供する。
【００１４】
また、前記単位領域は４個の前記小領域からなって、前記単位領域の端部よりそれぞれ第１の小領域、第２の小領域、第３の小領域、第４の小領域とし、前記第１の小領域の幅をＸ１、前記第２の小領域の幅をＸ２、前記第３の小領域の幅をＸ３、前記第４の小領域の幅をＸ４とするとき、
Ｘ１：Ｘ２：Ｘ３：Ｘ４＝３：７：７：３、
である上記の回折素子を提供する。
【００１５】
また、前記第１の小領域が前記ゼロの小領域であって、前記第１の小領域の位相差をφ（０）、前記第２の小領域の位相差をφ（１）、前記第３の小領域の位相差をφ（２）、前記第３の小領域の位相差をφ（３）とするとき、
φ（０）＝０、
φ（１）＝π、
φ（２）＝２π、
φ（３）＝３π、
となる前記単位領域の形状を有する上記の回折素子を提供する。
【００１６】
また、前記回折格子は、複屈折性を有する複屈折性材料と等方性透明材料とが、前記回折格子の凸部と凹部とを構成してなる偏光回折格子であって、前記複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）のいずれか一方の屈折率が等方性透明材料の屈折率ｎｓと等しい上記の回折素子を提供する。
【００１７】
また、光源と、前記光源からの光を偏向分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを出射した光を光ディスク上に集光させる対物レンズと、前記光記録媒体で反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、前記光源と前記ビームスプリッタとの間の光路中および、前記ビームスプリッタと前記光検出器との間の光路中に、上記の回折素子が配置される光ヘッド装置を提供する。
【００１８】
また、光源と、前記光源を出射した光を光ディスク上に集光させる対物レンズと、前記ビームスプリッタと前記光ディスクとの間に配置された、前記光に対して１／４波長の位相差を生じる１／４波長板と、前記光ディスクで反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、前記光源と前記対物レンズとの光路と、前記対物レンズと前記光検出器との光路と共通する光路中に上記の回折素子が配置された光ヘッド装置を提供する。
【００１９】
光源と、前記光源からの光を偏向分離するビームスプリッタと、前記ビームスプリッタを出射した光を光ディスク上に集光させる対物レンズと、前記光ディスクで反射した光を検出する光検出器と、を備える光ヘッド装置であって、前記ビームスプリッタと前記対物レンズとの間の光路中に、上記の回折素子が配置される光ヘッド装置を提供する。
【００２０】
また、前記光源は、３つの異なる波長λ１、波長λ２、波長λ３の光を発射し、前記波長λ１は３９５〜４１５ｎｍの範囲の４０５ｎｍ波長帯、前記波長λ２は６４０〜６８０ｎｍの範囲の６６０ｎｍ波長帯、前記波長λ３は７６５〜８０５ｎｍの範囲の７８５ｎｍ波長帯、である上記の光ヘッド装置を提供する。
【００２１】
さらに、光源と、表示する画像に応じて前記光源から出射された可視光を変調する液晶ライトバルブと、前記液晶ライトバルブにより生成された画像を拡大投影する投影レンズと、を備えた投射型表示装置において、前記液晶ライトバルブと前記投影レンズとの光路中に上記の回折素子が配置される投射型表示装置を提供する。
【発明の効果】
【００２２】
本発明は、回折現象により波長が異なる複数の光に対して、分波させたり、あるいは合波させたりする回折素子、とくに、一方の波長の光のうち最も回折効率が高くなる方向（次数）であるＡ方向に対し、他方の波長の光のうち最も回折効率が高くなる方向（次数）は光軸に対してＡ方向とは軸対称側となる効果を有する回折素子であって、該回折素子を用いる光ヘッド装置および投射型表示装置などの光学装置の小型化を実現できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る回折素子１００の平面模式図である。回折素子１００は、透光性基板１２０上に透過光の位相を空間的に変調する単位領域１１０が周期的に配列したものである。ここでいう周期的という意味は、単位領域が一方向に隙間なく繰り返し配置されていることを意味する。例えば、図１の回折素子１００のように帯状の単位領域１１０が、単位領域１１０の延伸方向と直交するＸ方向にピッチＰｘの幅で配列している状態であるとする。なお、ピッチＰｘを以下、格子ピッチＰｘという。また、回折素子１００に光が入射する領域を有効領域としたとき、有効領域は、少なくとも単位領域１１０の格子ピッチＰｘが３以上配列したものを含むように構成されているとよい。この場合、単位領域１１０はＸ方向に周期的に繰り返され、一つの単位領域１１０の延伸方向はＹ方向（ピッチＰｘの幅と直交する方向）に平行する。そして、１つの単位領域１１０の外縁はＹ方向に延伸する長方形であるが、外縁の形状は長方形に限らず、２辺がＹ方向に平行であれば、この２辺をつなぐ線はＸ方向の直線に限らず曲線等であってもよい。
【００２４】
単位領域１１０は、複数の小領域からなり、本実施形態では、３つの幾何学的な区画である小領域１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃから構成される。この小領域１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃは、ある波長λの光が同相で入射したとき、透過する波長λの光の位相が互いに異なるものである。また、一つの小領域は、透過する光の位相が同じとなる区画を１つの単位として考える。小領域１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃから構成される単位領域１１０は、透光性基板１２０と異なる材料で構成されていてもよく、また、透光性基板１２０と同じ材料であったり、透光性基板１２０の一つの面が凹凸状に加工されていたりしてもよい。
【００２５】
また、小領域１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃのうち、透過する光の位相が最も進む小領域をゼロの小領域とする。ここで、ゼロの小領域の透過光の複素振幅をＵ（０）と定義する。次に、ゼロの小領域を透過する光の位相に対して、透過する光の位相が異なる小領域の位相差をφ（ｍ）、透過光の複素振幅をＵ（ｍ）とする。ただし、ｍは、後述するステップ数（＝小領域の数）をＮとすると、ｍは０〜Ｎ−１の整数であって、例えば、小領域１１０ａをゼロの小領域とするとき、小領域１１０ａはｍ＝０、小領域１１０ｂはｍ＝１、そして小領域１１０ｃはｍ＝２として与えられる。また、上記の定義より、ゼロの小領域は位相差がゼロ、つまりφ（０）＝０となる。
【００２６】
次に、単位領域１１０の構成について説明する。図２（ａ）は、本実施形態の単位領域１１０を示す平面模式図であって、図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す単位領域１１０のＡ−Ａ´の断面（Ｘ方向）および入射する光に対して発生する位相差を説明する模式図であり、段差を有する回折格子が形成される。なお、光は平坦な透光性基板面１１１（Ｘ−Ｙ面）の法線方向（Ｚ方向）から入射するものとする。また、光の透過側は、小領域同士の境界で一定の値の段差を有し、小領域１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃの光の透過側はいずれも透光性基板面１１１と平行で平坦な面（平坦部）である。また、単位領域における平坦部の数をステップ数Ｎとし、この場合、回折素子１００はステップ数Ｎ＝３であって、Ｎは単位領域１１０を構成する小領域の数に相当する。
【００２７】
ここで、簡単のため、単位領域は屈折率ｎｓを有する等方性材料である透光性基板１２０の一方の面が加工されて形成されるものとし、この場合において、単位領域１１０ｂ、１１０ｃを透過する光の位相差φ（ｍ）を考える。このとき、回折素子１００の光が透過する側の（等方性の）媒質の屈折率をｎＡ、小領域１１０ａをゼロの小領域（位相差φ（０）＝０）、小領域１１０ａと小領域１１０ｂとの段差をｄ１とすると、小領域１１０ｂを透過する光の位相差φ（１）は、図２（ｂ）に示すように小領域１１０ａを透過する光の光路長と小領域１１０ｂ透過する光路長との差（＝光路長差）ｄ１・｜ｎｓ−ｎＡ｜より、
φ（１）＝２πｄ１・｜ｎｓ−ｎＡ｜／λ［ｒａｄ］  ・・・  （１）
で表すことができる。また、とくに光が透過する側の媒質を空気（ｎＡ＝１）とすると、上記の式（１）より、
φ（１）＝２πｄ１・｜ｎｓ−１｜／λ［ｒａｄ］  ・・・  （２）
となる。
【００２８】
次に、本実施形態の回折素子１００の回折作用について説明する。回折素子１００は、前述のように材料や単位領域１１０の形状が決まることによって、各小領域の位相差φ（ｍ）が決まり、この回折格子の光学特性によって、各次数の回折効率がそれぞれ決定される。回折効率は、回折格子に入射する光の光量に対して、特定の方向に透過、回折する光の光量の比で表される。また、回折効率は、回折格子が薄いものと見なせる場合、スカラー回折理論より、回折格子のＸ軸方向の格子ピッチＰｘを有する回折格子のｑ次回折効率ηｑは、次式で与えられる。
【００２９】
【数１】
2010127977.tif 000003
【００３０】
また、式（３）のｊは虚数単位、φ（ｘ）は、回折格子の形状を特徴づける位相シフト関数である。単位領域が光損失のない透明材料からなる場合、位相シフト関数φ（ｘ）をφ（ｍ）とすると小領域の透過光の複素振幅Ｕ（ｍ）は、
Ｕ（ｍ）＝ｅｘｐ｛ｊφ（ｍ）｝                      ・・・  （４）
で置き換えることができる。
【００３１】
このように、具体的に本実施形態の回折素子１００を考えると、回折効率ηｑは、単位領域の格子ピッチＰｘに含まれる小領域１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃのそれぞれの分割幅Ｘ１、Ｘ２およびＸ３と、それぞれの位相差φ（ｍ）の各パラメータによって決定されることがわかる。波長が異なる複数の光が入射し、それぞれの波長の光のうち、最も回折効率が高い次数であるｑの符号が、少なくとも２つの波長の光の間で異なるという効果を得るため、分割幅Ｘ１、Ｘ２およびＸ３として、
Ｘ１＝Ｘ２＝Ｘ３＝Ｐｘ／３                            ・・・  （５）
を与える（Ｘ１：Ｘ２：Ｘ３＝１：１：１）。
【００３２】
次に、位相差φ（ｍ）を考えたとき、
φ（０）＝０                                        ・・・  （６ａ）
φ（１）＝ｎ１π［ｒａｄ］                          ・・・  （６ｂ）
φ（２）＝ｎ２π［ｒａｄ］                          ・・・  （６ｃ）
の関係を満たすようにする。なお、ｎ１，ｎ２は自然数である（ｎ１≠ｎ２）。
【００３３】
そして、式（６ｂ）、式（６ｃ）を満足するための、単位領域が有する物理的な段差について考える。式（２）と式（６ｂ）を用いてさらに、光の透過側の媒質が空気であるとき、
｜ｎｓ−１｜・ｄ１＝ｎ１・λ／２                        ・・・  （７ａ）
を満足するように、小領域１１０ｂの段差ｄ１を決定するようにする。さらに、小領域１１０ａに対する小領域１１０ｃの位相差φ（２）も、位相差φ（１）と同じ考え方を用いて、
｜ｎｓ−１｜・ｄ２＝ｎ２・λ／２                        ・・・  （７ｂ）
を満足するように段差ｄ２を決定するとよい。なお、凹凸部の段差と接触する媒体は空気に限らず別の透明材料（ｎＡ＞１，ｎＡ≠ｎｓ）であってもよい。また、位相差を発生するために段差を有する部分の材料は等方性材料に限らず、複屈折性を有する材料であってもよい。
【００３４】
ここで、式（６ｂ）および式（６ｃ）において、ｎ１＝１、ｎ２＝２、つまり、φ（１）＝π、φ（２）＝２πとする場合を考える（ｄ２＝２×ｄ１）。なお、周辺の媒質が空気（ｎＡ＝１）である場合、
ｄ１＝λ／｛２・｜ｎｓ−１｜｝                          ・・・  （８ａ）
ｄ２＝２λ／｛２・｜ｎｓ−１｜｝                        ・・・  （８ｂ）
とするとよい。
【００３５】
このような回折格子は、透光性基板の表面を直接微細加工して形成してもよいし、透光性基板１２０の表面に誘電体膜を成膜し、誘電体膜を回折格子の形状に加工してもよい。回折格子の微細加工法としては、フォトマスクを用いてフォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程を繰り返して作製する方法を用いるか、あるいは回折格子を転写する型を用いて透光性基板１２０の表面を直接成形加工する、または、透光性基板１２０の表面にコートされた透光性樹脂に回折格子を転写成形する方法を用いてもよい。
【００３６】
次に、形成した回折格子によって、式（５）、式（６ａ）〜式（６ｃ）の関係を満たす回折素子１００を与え、回折効率の式（３）を用いて、実際に入射する光の波長λを変化させたときの回折効率ηｑを計算によって求める。このとき、例えば、帯域を有する波長λの光に含まれる、帯域を持たない特定の波長λａにおける＋１次回折効率η＋１（ｑ＝＋１）および−１次回折効率η−１（ｑ＝−１）の値は約３０％と等しくなる。また、特定の波長λａにおける直進透過率に相当する０次回折効率η０（ｑ＝０）の値は約１１％となる。
【００３７】
また、実際に回折素子１００を構成する材料は、入射する光の波長によって屈折率が異なる波長依存性（波長分散）を有しており、このため、屈折率の変化によって値が変化する回折効率ηｑもこの波長依存性を考慮して設計する必要がある。屈折率の波長依存性ｎ（λ）は、
ｎ（λ）＝Ａ＋Ｂ／λ２＋Ｃ／λ４                  ・・・  （９）
のコーシーの公式によって与えられる。
【００３８】
なお、式（９）において、Ａ，ＢおよびＣは、各材料がもつ固有定数であって、石英ガラスの場合、Ａ＝１．４５０、Ｂ＝０．００２４６６、そしてＣ＝０．０００１４１と固有の値となる。一方、周辺の媒質である空気は、波長によらず１であって、Ａ＝１、Ｂ＝０、そしてＣ＝０である。
【００３９】
ここで、特定の波長λａを５１０ｎｍに設定し、式（５）、式（６ａ）〜式（６ｃ）が成立するようにし、さらに回折素子１００を石英ガラスで構成する場合において、波長λの値を３８０〜８２０［ｎｍ］の範囲で変化させる。図３は、この条件において波長λに対する回折効率ηｑの特性を計算したものであって、とくに回折次数ｑ＝−１，０，＋１について示したものである。このように、使用する材料の波長分散特性を考慮すると例えば、波長λ１＝３９１［ｎｍ］の光に対して＋１次回折効率η＋１が６８．４％と最も高くなり、波長λ２＝７５３［ｎｍ］の光に対して−１次回折効率η−１が６８．４％と最も高くなる。なお、回折光の次数は、図２（ｂ）において透光性基板面１１１に入射する光の進行方向を基準に右側（＋Ｘ方向）に回折する光をプラス（＋）に次数の回折光、左側（−Ｘ方向）に回折する光をマイナス（−）の次数の回折光とし、他の実施形態においてもとくに説明がない場合はそのように解釈するものとする。
【００４０】
このように回折素子１００は、式（６ａ）および式（６ｂ）において、ｎ１＝１、ｎ２＝２としたが、ｎ１およびｎ２が自然数（ｎ１≠ｎ２）であればこの組み合わせに限らない。図４（ａ）は、回折素子の単位領域１３０を示す断面模式図であって、ｎ１＝１、ｎ２＝４である場合を示すものである。また、材料および小領域１３０ａ、１３０ｂおよび１３０ｃの分割幅Ｘ１、Ｘ２およびＸ３は、単位領域１１０と同じである。また、図４（ａ）では、段差に相当する部分を位相差φ（１）、φ（２）で示している。同様に、図４（ｂ）は、回折素子の単位領域１４０を示す断面模式図であって、ｎ１＝１、ｎ２＝３である場合を示すものであって、それ以外の条件は単位領域１３０と同じである。
【００４１】
ここで、単位領域１１０を有する回折素子１００と同様に式（５）を満足し、さらに特定の波長λａを５１０ｎｍと設定し、単位領域１３０はφ（１）＝π、φ（２）＝４πを有し、単位領域１４０はφ（１）＝π、φ（２）＝３πを有する回折素子を考える。同様に、石英ガラスを用いた場合、波長λの値を３８０〜８２０［ｎｍ］の範囲で変化させ、透光性基板面１３１または透光性基板面１４１の法線方向から光を入射させたときの回折効率ηｑの特性を計算する。図５（ａ）は、図４（ａ）に示す単位領域１３０を有する回折素子を構成する場合の特性、図５（ｂ）は、図４（ｂ）に示す単位領域１４０を有する回折素子を構成する場合の特性の計算結果である。
【００４２】
この結果より、図５（ａ）では、波長λ１＝４４６［ｎｍ］の光に対して＋１次回折効率η＋１が６４．６％と最も高くなり、波長λ２＝５９８［ｎｍ］の光に対して−１次回折効率η−１が６４．６％と最も高くなる。また、図５（ｂ）では、波長λ１＝４５０［ｎｍ］の光に対して−１次回折効率η−１が４４．０％と最も高くなり、波長λ２＝５９０［ｎｍ］の光に対して＋１次回折効率η＋１が４４．０％と最も高くなる。また、これまでの説明では、単位領域の断面の凹凸が図２（ｂ）のように右上がりの階段状の形状として説明したが、これに限らず、左上がりの階段状の形状を有するものであってもよい。また、異なる複数の波長の光においてそれぞれ最も高い回折効率は、光利用効率を高くするために４０％以上であれば好ましく、５０％以上であればより好ましく、６０％以上であればさらに好ましい。
【００４３】
また、入射光の進行方向と回折光の方向とがなす角度である回折角をθで与えると、波長λ、回折次数ｑおよび格子ピッチＰｘとの関係は、ブラッグの回折式より、
ｑλ＝Ｐｘ・ｓｉｎθ                                ・・・  （１０）
で与えられる。例えば、格子ピッチＰｘ＝５μｍである場合、図３より、波長４０５ｎｍの光のうち回折効率が最も高い＋１次回折光の回折角θ＋１（４０５）≒４．６°、波長６６０ｎｍの光のうち回折効率が最も高い−１次回折光の回折角θ−１（６６０）≒−７．６°、となり、これらの角度の差が１２．２°と比較的大きくできる。
【００４４】
一方、角度の差が同様に１２．２°とする回折格子として、本発明とは異なり、例えば、４０５ｎｍの光で０次回折光、６６０ｎｍの光で＋１次回折光を利用する回折格子の場合、回折格子のピッチを約３．１μｍにしなければならない。また、同じ角度の差の条件で、４０５ｎｍの光および６６０ｎｍの光いずれも＋１次回折光を利用する回折格子の場合、回折格子のピッチを約１．３μｍにしなければならず、本願発明の回折格子ピッチＰｘよりも小さくなる。これより、異なる波長の光に対して一定の角度で分光または合波させる光学装置に本願発明の回折素子を用いる場合でも従来の回折格子よりも格子ピッチＰｘを細かくする必要がなく、加工の容易性が得られる。このように、これまでは角度の差を大きくするためには格子ピッチＰｘを小さくしなければならず、格子ピッチＰｘを大きくすると異なる波長において利用する回折光の角度の差が小さくなるといったトレードオフの関係があったが、本願発明の回折素子ではこの角度の差を大きくすることができるので、これらの光を利用する光学部品の配置がしやすくなり、装置の小型化が実現できる。
【００４５】
（第２の実施形態）
図６（ａ）は第２の実施形態に係る回折素子２００を示す平面模式図であって、回折素子２００は、透過光の位相を空間的に変調する単位領域２１０が周期的に配列したものである。回折素子２００は、回折格子を形成する材料が複屈折性を有する材料で構成され、これによって入射する光の偏光依存性を発生させる点が回折素子１００と異なる。図６（ｂ）は、単位領域２１０の断面模式図であって、平行に配置される透光性基板２２０ａ、２２０ｂの間に、回折格子形状をなす複屈折性材料層２３０と、等方性材料層２４０とが挟持されて構成される。
【００４６】
また、単位領域２１０の平面（Ｘ−Ｙ面）の形状は、第１の実施形態に係る回折素子１００の単位領域１１０と同じであって、単位領域２１０は小領域２１０ａ、小領域２１０ｂおよび小領域２１０ｃからなる。また、単位領域２１０の周期である格子ピッチＰｘおよび小領域２１０ａ、小領域２１０ｂおよび小領域２１０ｃの分割幅Ｘ１、Ｘ２およびＸ３はそれぞれ単位領域１１０と同様に上記の式（５）を満足する。
【００４７】
複屈折性材料層２３０は、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）を有し、例えば、その進相軸（常光屈折率を示す方向）が図６（ｂ）のＸ方向に揃うように形成する。また、等方性材料層２４０は、光学的に透明で屈折率ｎＢの等方性の材料であって、ｎｏ＝ｎＢを満足するような材料で構成されるものとして考える。この場合、上記の式（８ａ）および式（８ｂ）において、ｎｓをｎｅ、１をｎＢに置き換え、
ｄ１＝λ／｛２・｜ｎｅ−ｎＢ｜｝                        ・・・  （１１ａ）
ｄ2＝２λ／｛２・｜ｎｅ−ｎＢ｜｝                      ・・・  （１１ｂ）
を満足するように複屈折性材料層２３０の段差ｄ１およびｄ２を決定する。なお、等方性材料層２４０は、複屈折性材料層２３０の凹凸（段差）を埋めるように形成されていればよく、図６（ｂ）のように複屈折性材料層２３０の凹凸（段差）の凸部を覆うように形成されていてもよい。
【００４８】
複屈折性材料層２３０を構成する材料としては、水晶やＬｉＮｂＯ３などの複屈折性結晶や、例えばポリカーボネートなどの有機フィルムを延伸させた複屈折性フィルム、複屈折性を有する液晶モノマーを一方向に配向させた後に重合固化させた高分子液晶などが用いられる。高分子液晶を用いると、回折格子の長手方向とは無関係に光学軸（進相軸および遅相軸）を与えることができ、設計自由度が高く好ましい。
【００４９】
このような単位領域２１０の構成とすることで、入射する光のうちＹ方向の直線偏光は、複屈折性材料層２３０と等方性材料層２４０とで屈折率の差が生じる（Δｎ＝｜ｎｅ−ｎＢ｜）ので、回折作用が生じるが、Ｘ方向の直線偏光は、複屈折性材料層２３０と等方性材料層２４０との間で屈折率の差がない（Δｎ＝｜ｎｏ−ｎＢ｜＝０）ので、回折されずにそのまま直進透過する。このように複屈折性材料層２３０を形成することで、入射する光に対して回折させるかまたは直進透過させるといった偏光依存性を発現させることができる。とくに、複屈折材料層２３０に入射する常光屈折率方向の波長分散特性または異常光屈折率方向の波長分散特性いずれか一方と等方性材料層２４０との波長分散特性が一致するように考慮すると、光を直進透過させる場合の（直進）透過率が高くなるので好ましい。
【００５０】
この結果、Ｙ方向の直線偏光が入射すると、例えば、＋１次回折効率η＋１が最も大きい波長帯域と、−１次回折効率η−１が最も大きい波長帯域とが異なる波長依存性を有し、Ｘ方向の直線偏光が入射すると透過率はほぼ１００％となり、回折光は発生しない。また、ｎｏ＝ｎＢ、ｎｅ≠ｎＢとして説明したが、等方性材料層２４０の屈折率ｎＢが複屈折性材料層２３０の異常光屈折率に等しい、つまり、ｎｏ≠ｎＢ、ｎｅ＝ｎＢであってもよい。また、等方性材料層２４０に複屈折性材料を用いることもでき、このとき、常光屈折率ｎｏ´、異常光屈折率ｎｅ´とすると、ｎｏ´またはｎｅ´のいずれか一方が、複屈折性材料層２３０のｎｏまたはｎｅいずれか一方と等しくなるように設計してもよい。
【００５１】
本実施形態では、単位領域１１０に相当する回折格子として単位領域２１０を有する回折素子２００について説明したが、これに限らず、特定の偏光方向の光に対して、第１の実施形態の単位領域１３０のようにφ（１）＝π、φ（２）＝４π、または単位領域１４０のようにφ（１）＝π、φ（２）＝３πを有するものであってもよい。
【００５２】
第２の実施形態の回折素子２００も同様に、異なる波長の光に対して一定の角度で分波または合波させる光学装置に本願発明の回折素子を用いる場合でも従来の回折格子よりも格子ピッチＰｘを細かくする必要がなく、加工の容易性が得られる。さらに、入射する光の偏光方向によって、分波および合波の制御をすることができる。また、同様にこれらの回折光を利用する光学装置の小型化を実現することができる。
【００５３】
（第３の実施形態）
図７は、第３の実施形態に係る回折素子３００の平面模式図である。回折素子３００は、透光性基板３２０上に透過光の位相を空間的に変調する単位領域３１０が周期的に配列したものである。例えば、図７の回折素子３００のように帯状の単位領域３１０がＸ方向にピッチＰｘで配列している状態であるとする。また、回折素子３００に光が入射する領域を有効領域としたとき、有効領域は、少なくとも単位領域３１０のＰｘが３以上配列したものを含むように構成されているとよい。
【００５４】
単位領域３１０は、複数の小領域からなり、本実施形態では、４つの幾何学的な区画である小領域３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃおよび３１０ｄから構成される。この小領域３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃおよび１１０ｃは、ある波長λの光が同相で入射したとき、透過する波長λの光の位相が互いに異なるものである。このように第１の実施形態に係る回折素子１００の単位領域１１０が３つの小領域で構成されるのに対し、本実施形態に係る回折素子３００の単位領域３１０は４つの小領域で構成される点が異なる。ここで、単位領域３１０は、透光性基板３２０と異なる材料で構成されていてもよく、また、透光性基板３２０と同じ材料であったり、透光性基板３２０の一つの面が凹凸状に加工されていたりしてもよい。
【００５５】
次に、各小領域に位相差を与える単位領域３１０の構成について説明する。図８（ａ）は、本実施形態の単位領域３１０を示す平面模式図であって、図８（ｂ）は、図８（ａ）に示す小領域３１０のＢ−Ｂ´の断面（Ｘ方向）を示す模式図であり、段差を有する回折格子が形成される。なお、光は平坦な透光性基板面３１１（Ｘ−Ｙ面）の法線方向（Ｚ方向）から入射するものとする。また、光の透過側は、小領域同士の境界で一定の値の段差を有し、小領域３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃおよび３１０ｄの光の透過側はいずれも透光性基板面３１１と平行で平坦な面（平坦部）である。この場合、ステップ数Ｎ＝４であって、Ｎは単位領域３１０を構成する小領域の数に相当する。
【００５６】
本実施形態では、波長が異なる複数の光が入射し、それぞれの波長の光のうち、最も回折効率が高い次数である回折次数ｑの符号が、少なくとも２つの波長の光の間で異なるという効果は第１および第２の実施形態と同じで、構成が異なる形態であって、小領域３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃおよび３１０ｄの分割幅をそれぞれ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３およびＸ４としたとき、
Ｘ１：Ｘ２：Ｘ３：Ｘ４＝３：７：７：３              ・・・  （１２）
を与える。
【００５７】
次に、回折素子３００の光の透過側の媒質が空気（屈折率＝１）であるとき、小領域３１０ａを透過する光を基準として、小領域３１０ｂ、小領域３１０ｃ、小領域３１０ｄを透過する光の位相差φ（０）、φ（１）、φ（２）、φ（３）をそれぞれ、
φ（０）＝０                                      ・・・  （１３ａ）
φ（１）＝ｎ１π［ｒａｄ］                        ・・・  （１３ｂ）
φ（２）＝ｎ２π［ｒａｄ］                        ・・・  （１３ｃ）
φ（３）＝ｎ３π［ｒａｄ］                        ・・・  （１３ｄ）
の関係を満たすようにする。なお、ｎ１，ｎ２およびｎ３は自然数である（ｎ１≠ｎ２≠ｎ３）。このとき、ｎ１＝１、ｎ２＝２そして、ｎ３＝３として、φ（１）＝π、φ（２）＝２π、φ（３）＝３πとなるように、段差を調整する。なお、位相差は小領域３１０ａを透過する光を基準としているのでφ（０）＝０である。
【００５８】
上記のように形成した回折格子によって、式（１２）および、φ（１）＝π、φ（２）＝２π、φ（３）＝３πとなる回折素子３００を与え、回折効率の式（３）を用いて、実際に入射する光の波長λを変化させたときの回折効率ηｑを計算によって求める。このとき、例えば、帯域を有する波長λの光に含まれる、帯域を持たない特定の波長λａにおける＋１次回折効率η＋１（ｑ＝＋１）および−１次回折効率η−１（ｑ＝−１）の値は約１４％と等しくなる。また、直進透過率に相当する０次回折効率η０（ｑ＝０）の値は約０％となる。
【００５９】
また、第１の実施形態と同様に、上記の式（９）のように波長分散を考慮し、回折素子３００が石英ガラスを加工して構成される場合について考える。ここで、特定の波長λａを５１５ｎｍに設定し、φ（１）＝π、φ（２）＝２π、φ（３）＝３πとなるように、小領域間の段差を与え、波長λの値を３７０〜８６０［ｎｍ］の範囲で変化させる。図９は、この条件において波長λに対する回折効率ηｑの特性を計算したものであって、とくにｑ＝−１，０，＋１について示したものである。このように、使用する材料の波長分散特性を考慮すると例えば、波長λ１＝３７６［ｎｍ］の光に対して＋１次回折効率η＋１が７１．６％と最も高くなり、波長λ２＝８５６［ｎｍ］の光に対して−１次回折効率η−１が７１．６％と最も高くなる。
【００６０】
このように回折素子３００は、式（１３ｂ）〜式（１３ｄ）において、ｎ１＝１、ｎ２＝２そしてｎ３＝３としたが、ｎ１、ｎ２およびｎ３が自然数（ｎ１≠ｎ２≠ｎ３）であればこの組み合わせに限らない。図１０（ａ）は、回折素子の単位領域３３０を示す断面模式図であって、ｎ１＝１、ｎ２＝５そしてｎ３＝３である場合の構成を示すものである。また、材料および小領域３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃおよび３３０ｄの分割幅Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３およびＸ４は単位領域３１０と同じである。また、図１０（ａ）では、段差に相当する部分を位相差φ（１）、φ（２）およびφ（３）で示している。同様に、図１０（ｂ）は、回折素子の単位領域３４０を示す断面模式図であって、ｎ１＝１、ｎ２＝４そしてｎ３＝３である場合を示すものであって、それ以外の条件は単位領域３３０と同じである。
【００６１】
ここで、単位領域３１０を有する回折素子３００と同様に式（１２）を満足し、さらに特定の波長λａを５１５ｎｍと設定し、単位領域３３０はφ（１）＝π、φ（２）＝５π、φ（３）＝３πを有し、単位領域３４０はφ（１）＝π、φ（２）＝４π、φ（３）＝３πを有する回折素子を考える。同様に、石英ガラスを用いた場合、波長λの値を３８０〜８２０［ｎｍ］の範囲で変化させ、透光性基板面３３１または透光性基板面３４１の法線方向から光を入射させたときの回折効率ηｑの特性を計算する。図１１（ａ）は、図１０（ａ）に示す単位領域３３０を有する回折素子を構成する場合の特性、図１１（ｂ）は、図１０（ｂ）に示す単位領域３４０を有する回折素子を構成する場合の特性の計算結果である。
【００６２】
この結果より、図１１（ａ）では、波長λ１＝３９１［ｎｍ］の光に対して＋１次回折効率η＋１が６８．４％と最も高くなり、波長λ２＝７７５［ｎｍ］の光に対して−１次回折効率η−１が６８．４％と最も高くなる。また、図１１（ｂ）では、波長λ１＝４４１［ｎｍ］の光に対して＋１次回折効率η＋１が３８．４％と最も高くなり、波長λ２＝６２１［ｎｍ］の光に対して−１次回折効率η−１が３８．４％と最も高くなる。
【００６３】
このように、波長の異なる複数の光が入射する場合、各波長の回折効率が最も高くなる回折光の符号が少なくとも２つの波長の光の間で異なる。これより、異なる波長の光に対して一定の角度で分波または合波させる光学装置に本願発明の回折素子を用いる場合でも従来の回折格子よりも格子ピッチＰｘを細かくする必要がなく、加工の容易性が得られる。また、第２の実施形態の図８（ｂ）に示す単位領域３１０のような位相差を有する回折素子３００を用いると、７０％以上の回折効率を得ることができ、さらに、従来の回折格子よりも格子ピッチＰｘを細かくする必要がなく、加工の容易性が得られる。また、同様にこれらの回折光を利用する光学装置の小型化を実現することができる。
【００６４】
（第４の実施形態）
図１２（ａ）は第４の実施形態に係る回折素子４００を示す平面模式図であって、回折素子４００は、透過光の位相を空間的に変調する単位領域４１０が周期的に配列したものである。回折素子４００は、回折格子を形成する材料が複屈折性を有する材料で構成され、これによって入射する光の偏光依存性を発生させる点が回折素子３００と異なる。図１２（ｂ）は、単位領域４１０の断面模式図であって、平行に配置される透光性基板４２０ａ、４２０ｂの間に、回折格子形状をなす複屈折性材料層４３０と、等方性材料層４４０とが挟持されて構成される。
【００６５】
また、単位領域４１０の平面（Ｘ−Ｙ面）の形状は、第３の実施形態に係る回折素子３００の単位領域３１０と同じであって、単位領域４１０は小領域４１０ａ、小領域４１０ｂ、小領域４１０ｃおよび小領域４１０ｄからなる。また、単位領域４１０の周期である格子ピッチＰｘおよび各小領域の分割幅Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３およびＸ４はそれぞれ単位領域３１０と同様に上記の式（１２）を満足する。
【００６６】
複屈折性材料層４３０は、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）を有し、例えば、その進相軸（常光屈折率を示す方向）が図１２（ｂ）のＸ方向に揃うように形成する。また、等方性材料層４４０には、光学的に透明で屈折率ｎＢの等方性の材料から構成され、ｎｏ＝ｎＢを満足するような材料で構成されるものとして考える。この場合、
ｄ１＝λ／｛２・｜ｎｅ−ｎＢ｜｝                        ・・・  （１４ａ）
ｄ２＝２λ／｛２・｜ｎｅ−ｎＢ｜｝                      ・・・  （１４ｂ）
ｄ３＝３λ／｛２・｜ｎｅ−ｎＢ｜｝                      ・・・  （１４ｃ）
を満足するように複屈折性材料層４３０の段差ｄ１、ｄ２およびｄ３を決定する。なお、等方性材料層４４０は、複屈折性材料層４３０の凹凸（段差）を埋めるように形成されていればよく、図１２（ｂ）のように複屈折性材料層４３０の凹凸（段差）の凸部を覆うように形成されていてもよい。なお、複屈折性材料層４３０は、第２の実施形態の複屈折性材料層４３０と同様の材料を用いることができる。
【００６７】
このような単位領域４１０の構成とすることで、第２の実施形態と同様に、入射する光のうちＹ方向の直線偏光は、複屈折性材料層４３０と等方性材料層４４０とで屈折率の差が生じる（Δｎ＝｜ｎｅ−ｎＢ｜）ので、回折作用が生じるが、Ｘ方向の直線偏光は、複屈折性材料層４３０と等方性材料層４４０との間で屈折率の差がない（Δｎ＝｜ｎｏ−ｎＢ｜＝０）ので、回折されずにそのまま直進透過する。このように複屈折性材料層４３０を形成することで、入射する光に対して回折させるかまたは直進透過させるといった偏光依存性を発現させることができる。とくに、複屈折材料層４３０に入射する常光屈折率方向の波長分散特性または異常光屈折率方向の波長分散特性いずれか一方と等方性材料層４４０との波長分散特性が一致するように考慮すると、光を直進透過させる場合の（直進）透過率が高くなるので好ましい。
【００６８】
この結果、Ｙ方向の直線偏光が入射すると、例えば、＋１次回折効率η＋１が最も大きい波長帯域と、−１次回折効率η−１が最も大きい波長帯域とが異なる波長依存性を有し、Ｘ方向の直線偏光が入射すると透過率はほぼ１００％となり、回折光は発生しない。また、ｎｏ＝ｎＢ、ｎｅ≠ｎＢとして説明したが、等方性材料層４４０の屈折率ｎＢが複屈折性材料層４３０の異常光屈折率に等しい、つまり、ｎｏ≠ｎＢ、ｎｅ＝ｎＢであってもよい。また、等方性材料層４４０に複屈折性材料を用いることもでき、このとき、常光屈折率ｎｏ´、異常光屈折率ｎｅ´とすると、ｎｏ´またはｎｅ´のいずれか一方が、複屈折性材料層４３０のｎｏまたはｎｅいずれか一方と等しくなるように設計してもよい。
【００６９】
本実施形態では、単位領域３１０に相当する回折格子として単位領域４１０を有する回折素子４００について説明したが、これに限らず、特定の偏光方向の光に対して、第３の実施形態の単位領域３３０のようにφ（１）＝π、φ（２）＝５π、φ（３）＝３π、または単位領域３４０のようにφ（１）＝π、φ（２）＝４π、φ（２）＝３πを有するものであってもよい。また、第４の実施形態の回折素子４００は、第３の実施形態の回折素子と同様に、異なる波長の光に対して一定の角度で分波または合波させる光学装置に本願発明の回折素子を用いる場合でも従来の回折格子よりも格子ピッチＰｘを細かくする必要がなく、加工の容易性が得られる。さらに、入射する光の偏光方向によって、分波および合波の制御をすることができる。また、同様にこれらの回折光を利用する光学装置の小型化を実現することができる。
【００７０】
（第５の実施形態）
図１３は第５の実施形態に係る回折素子として、回折レンズ５００の平面模式図および、Ｘ軸の断面を示す断面模式図である。ここで、光はＸ−Ｙ平面に対して法線方向から入射し、光軸は直交座標（ｘ，ｙ）＝（０，０）に一致するものとして説明する。そして、光軸を中心にＸ−Ｙ平面において同心円状に輪帯状の領域が形成されている。なお、回折レンズ５００は、光軸と交わる点である点Ａを含み円形の領域となる単位領域５１０、単位領域５１０の外縁と接して囲む輪帯状の単位領域５２０、単位領域５２０の外縁と接して囲む輪帯状の単位領域５３０が点Ａを中心に回転対称性を有して形成されている。また、回折レンズ５００は、単位領域５１０、５２０、５３０の構成を示したが、これは回折レンズ５００の特徴を示すための模式図であって、実際には単位領域５３０よりさらに外側に同心円状の輪帯状の単位領域が広がるように構成されている。また、「輪帯」とは、各単位領域の外縁として定義し、図１３の平面模式図において、太線部分、つまり輪帯５１１、５２１、５３１に相当する。また、この「輪帯」によってできる領域が単位領域と言い換えることもできる。
【００７１】
また、回折レンズ５００は、入射する光に対して発生する＋１次回折光または−１次回折光を用いた位相型のフレネルゾーンプレートとして考えることができる。ここで、＋１次回折光は光軸に近づくように回折する１次回折光、そして、−１次回折光は光軸から遠ざかるように回折する１次回折光として定義する。次に、点Ａを中心としたときの輪帯の半径の設定について説明する。前述のようにフレネルゾーンプレートとして考えたとき、各単位領域を透過する光の最大光路差は１波長、例えば４０５ｎｍの光が入射した場合の最大光路差が４０５ｎｍ、となるような形状を有する。そして、点Ａからｍ番目の輪帯の半径ｒｍは、
ｒｍ＝（２ｍλ０ｆ）１／２                          ・・・  （１５）
で表される。
【００７２】
ここで、λ０は最大回折効率を得るための基準となる波長であり、ｆはレンズ作用によって得られる焦点距離である。例えば、式（１５）に基づいて、波長λ０の光がＸ−Ｙ平面の法線方向から入射する場合、回折する光の焦点距離ｆが決まると、各輪帯の設定すべき半径を得ることができる。このようにｍ個の輪帯の各半径が決まるとｍ個の単位領域が与えられる。
【００７３】
次に、図１３の単位領域５１０、単位領域５２０および単位領域５３０の構成について説明する。ここで単位領域５１０は、式（１５）より平面が半径ｒ１の円形の領域であって、半径ｒ１に等しいピッチＰ１が点Ａを中心に回転してできた領域として考えることもできる。ここでピッチＰ１を有する単位領域５１０は、点Ａを中心とした半径Ｐ１１の円形となる小領域５１０ａ、同心円状で幅がＰ１２の輪帯状となる小領域５１０ｂおよび同心円状で幅がＰ１３の輪帯状となる小領域５１０ｃからなり、それぞれの小領域の分割幅Ｐ１１、Ｐ１２およびＰ１３は、
Ｐ１１＝Ｐ１２＝Ｐ１３＝Ｐ１／３                      ・・・  （１６ａ）
の関係を有する。
【００７４】
また、単位領域５２０のピッチＰ２はｒ２−ｒ１に相当し、単位領域５３０のピッチＰ３はｒ３−ｒ２に相当する。また、単位領域５２０は、３つの同心円状の小領域５２０ａ、小領域５２０ｂ、小領域５２０ｃからなり、それぞれの小領域の分割幅Ｐ２１、Ｐ２２およびＰ２３は、
Ｐ２１＝Ｐ２２＝Ｐ２３＝Ｐ２／３                      ・・・  （１６ｂ）
の関係を有し、単位領域５３０は、３つの同心円状の小領域５３０ａ、小領域５３０ｂ、小領域５３０ｃからなり、それぞれの小領域の分割幅Ｐ３１、Ｐ３２およびＰ３３は、
Ｐ３１＝Ｐ３２＝Ｐ３３＝Ｐ３／３                      ・・・  （１６ｃ）
の関係を有する。なお、小領域は、第１〜第４の実施形態と同様に、透過する光の位相が同じとなる区画を１つの単位として考える。
【００７５】
次に、位相差φ（ｍ）について考える。位相差φ（ｍ）は、第１〜第４の実施形態と同じ考え方に基づき、例えば、単位領域５１０のうち小領域５１０ｃを透過する光の位相を基準とし、小領域５１０ｂを透過する光の位相差をφ（１）、小領域５１０ａを透過する光の位相差をφ（２）として与えると、
φ（０）＝０                                    ・・・  （１７ａ）
φ（１）＝π［ｒａｄ］                          ・・・  （１７ｂ）
φ（２）＝２π［ｒａｄ］                        ・・・  （１７ｃ）
の関係を満たすようにする。
【００７６】
単位領域５２０は、小領域５２０ｃを基準とし、小領域５２０ｂ、小領域５２０ａの位相差がそれぞれ式（１７ｂ）、式（１７ｃ）となるようにする。単位領域５３０も同様に、小領域５３０ｃを基準とし、小領域５３０ｂ、小領域５３０ａの位相差がそれぞれ式（１７ｂ）、式（１７ｃ）となるようにする。また、式（１７ａ）〜（１７ｃ）を満足するように、それぞれ段差ｄ１およびｄ２を与えるが、回折レンズ５００が屈折率ｎｓの材料で形成され、また周辺の媒質が空気である場合、式（８ａ）および式（８ｂ）を用いて段差を設定するとよい。
【００７７】
このような条件において、例えば、ＢＤ用の波長４０５ｎｍの光については、＋１次回折光が凸レンズとして機能するように焦点距離ｆを決め、それに対応する輪帯の半径を式（１５）より決定する。また、回折効率ηｑの波長依存性は、第１の実施形態に係る回折素子１００の特性である図３のグラフに相当する特性を有し、例えば、ＢＤ用の波長４０５ｎｍの光に対して大きな＋１次回折効率となる、ＤＶＤ用の波長６６０ｎｍおよびＣＤ用の波長７８０ｎｍに対して大きな−１次回折効率となるので、ＤＶＤ、ＣＤに対して凹レンズとなるように、波長選択性の回折レンズを作製することが可能である。
【００７８】
図１４は、具体的に回折レンズ５００にＢＤ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用の３つの波長の光が入射したとき、それぞれの光の集光特性について示す模式図であって、具体的に、回折レンズから波長の異なる光が入射し、回折レンズ５００の光透過側に対物レンズ５６０、そして対物レンズの光透過側に光ディスク５７０を配置する光学系を示すものある。光ディスク５７０は、それぞれの規格によって情報記録面の位置が異なるため、回折レンズ５００を用いることによって、ＢＤ、ＤＶＤおよびＣＤの各情報記録面に対して良好に集光することができるものである。図１４（ａ）および図１４（ｂ）は、具体的にＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯の光５４０Ｂ、５５０Ｂの集光特性、ＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯の光５４０Ｄ、５５０Ｄの集光特性、ＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯の光５４０Ｃ、５５０Ｃの集光特性を示すものである。
【００７９】
また図１４（ａ）は、ＢＤ用、ＤＶＤ用およびＣＤ用の光は、いずれも回折レンズ５００に平行光として入射する光学系であって、図１５（ｂ）は、ＣＤ用の光について有限系配置とし回折レンズ５００に発散しながら進行する光として入射させると、焦点距離が長くなりレンズ設計上有利に働くため好ましい場合がある。
【００８０】
ここで、回折レンズ５００にＢＤ用の光が入射すると、回折レンズ５００は凸レンズとして機能するので、対物レンズ５６０を透過して光ディスク５７０の情報記録面５７０Ｂ（光ディスクの入射面より０．１ｍｍ）に集光する。また、回折レンズ５００にＤＶＤ用の光が入射すると、回折レンズ５００は凹レンズとして機能するので、対物レンズ５６０を透過して光ディスク５７０の情報記録面５７０Ｄ（光ディスクの入射面より０．６ｍｍ）に集光する。そして、回折レンズ５００にＣＤ用の光が入射すると、回折レンズは凹レンズとして機能し、光ディスク５７０の情報記録面５７０Ｃ（光ディスクの入射面より１．２ｍｍ）に集光する。このように回折レンズ５００と１つの対物レンズ５６０を用いることによって３つの異なる波長で規格の異なる光ディスクの各情報記録面に対して収差を抑えて良好に集光することができる。
【００８１】
また、回折レンズ５００は、図１３の模式図の形状として説明したがこれに限らない。図１５は、回折レンズの別の構成を示す例であって、図１５（ａ）は、図１３と同じ回折レンズ５００の断面模式図、図１５（ｂ）は、単位領域を構成する小領域の断面の階段形状の傾きが回折レンズ５００に対して逆方向となる回折レンズ５０１の断面模式図である。図１５（ｂ）に示す回折レンズ５０１は、ＢＤ用の光に対して凹レンズとして機能させ、ＤＶＤ用の光およびＣＤ用の光に対して凸レンズとして機能させることができる。また、図１５（ｃ）に示す回折レンズ５０２のように平行に配向される透光性基板５０３ａ、５０３ｂの間に回折レンズ５００と同じ格子形状を有する複屈折性材料層５０４と、複屈折材料層５０４と等方性材料層５０５によって構成されていてもよい。この場合、第２の実施形態と同様に、入射光に対して回折作用の偏光依存性を持たせることができる。
【００８２】
また、回折レンズ５００の単位領域を構成する３つの小領域の位相差は、式（１７ａ）〜式（１７ｃ）を満たすものに限らず、例えば図４（ａ）、図４（ｂ）に示すような位相差を有するものであってもよい。さらに、回折レンズの単位領域を構成する小領域の数は３に限らず、４であってもよく、４である場合、第３の実施形態に基づく分割幅が式（１２）を満たし、４つの小領域の位相差は、例えば図８（ｂ）、図１０（ａ）、図１０（ｂ）に示すような位相差を有するものであってもよい。
【００８３】
第５の実施形態の回折レンズ５００も同様に、異なる波長の光に対してそれぞれ異なる角度で回折させることができるが、例えば第１の実施形態の光学特性と同様に、ＢＤ用の波長の光で最も回折効率が高い＋１次回折光の回折角θ＋１（４０５）と、ＤＶＤ用の波長の光で最も回折効率が高い−１次回折光の回折角θ−１（６６０）との差が従来の回折レンズに比べると大きいので、従来の回折レンズに対してピッチＰ１、Ｐ２、Ｐ３、…を大きく設定することができる。したがって、本発明の回折レンズを用いる場合ピッチを細かくする必要がなく、加工の容易性が得られる。
【００８４】
（第６の実施形態）
図１６は本発明の第６の実施形態に係る光ヘッド装置６００の構成を示す模式図である。光源としては、ＢＤ用の波長である４０５ｎｍ波長帯の光を出射する半導体レーザ６１０Ｂ、ＤＶＤ用の波長である６６０ｎｍ波長帯の光とＣＤ用の波長として７８５ｎｍ波長帯の光を出射するハイブリッド型の半導体レーザ６１０Ｄとを用いる。なお、各半導体レーザを出射した光は進行方向に直交し紙面に平行な直線偏光を有するものとして説明する。各半導体レーザを出射した光は、回折素子６２０を透過してＺ方向の直線偏光となってＸ方向に進行し、偏光ビームスプリッタ６３０に入射して光ディスク６７０の方向（Ｚ方向）に進行する。そしてコリメータレンズ６４０を透過した光は１／４波長板６５０によって左回りの円偏光となって対物レンズ６６０を透過して光ディスク６７０に到達する。光ディスク６７０で反射された光は右回りの円偏光となって対物レンズ６６０を透過し、１／４波長板でＹ方向の直線偏光となる。そしてコリメータレンズ６４０および偏光ビームスプリッタ６３０を直進透過し、回折素子６８０に入射する。
【００８５】
回折素子６８０に入射した光は、入射する光の波長によって回折方向（角度）が異なり、ＢＤ用と、ＤＶＤとＣＤ併用の光検出器６９０Ｂ、６９０Ｄに到達する。例えば、ＢＤ用の光は＋１次回折光、ＤＶＤ用およびＣＤ用の光は−１次回折光を用いると、ＢＤ用の光に対して、ＤＶＤ用およびＣＤ用の光の回折方向（回折角）が大きく異なる。このように、回折されたＢＤ用の光、ＤＶＤ用およびＣＤ用の光は光検出器６９０Ｂ、６９０Ｄの各受光面に集光され、光ディスク６７０に記録された情報の再生信号、フォーカスエラー信号、トラッキングエラー信号などの光情報が検出される。なお、光ヘッド装置６００は、上記のフォーカスエラー信号に基づいて対物レンズ６６０を光軸方向に移動制御する図示しないフォーカスサーボと、上記のトラッキングエラー信号に基づいて対物レンズ６６０を光軸方向に垂直となる方向に制御する図示しないトラッキングサーボと、を備える。
【００８６】
また、光ヘッド装置６００に配置される回折素子６２０および回折素子６８０は、第１〜第４の実施形態に係る回折素子を用いることができる。ここでは、例として第１の実施形態に係る回折素子１００を配置するものとして説明する。第１の実施形態に係る回折素子の回折効率の波長依存性は、図３に示したように、ＢＤ用の波長（４０５ｎｍ）では、＋１次回折光が最も高く、ＤＶＤ用の波長（６６０ｎｍ）およびＣＤ用の波長（７８５ｎｍ）では−１次回折光が最も高い。
【００８７】
ここで、上記の式（１０）を用いて、回折素子６２０を透過するＢＤ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用のそれぞれの光が回折して進行する方向がＸ方向となるように、各半導体レーザの出射方向（角度）を決めることができる。例えば、ＢＤ用の波長の光は＋１次回折効率が高いので、ｑ＝＋１、λ＝４０５とし、回折素子６２０の固定のＰｘの値を決め、これによって回折角θ１を求めることができる。同様にして、ＤＶＤ、ＣＤについては−１次回折効率が最も高いので、それぞれｑ＝−１を与えて回折角θ２を求めることができる。ここで、ＤＶＤ用の光とＣＤ用の光の−１次回折光の回折角は式（１０）の計算により厳密には異なるが、格子ピッチＰｘの幅を調整することによって、この２つの波長の光の回折角の差を小さくでき、これによって回折角をほぼ同じ角度θ２とすることができる。図１６において、回折角の符号は光軸を基準として時計回りの方向をプラス（＋）、反時計周りの方向をマイナス（−）として表す。図１６では、Ｘ方向を基準にθ１およびθ２を与えているが符号の考え方は同じである。このように各半導体レーザの位置を調整すると、回折素子６２０を透過した光は同軸（Ｘ方向）上に進行することになるため、複数の異なる波長の光を用いる場合でも、回折素子６２０以降の光学部品を共通化できるという点で好ましい。
【００８８】
次に、回折素子６８０について説明する。回折素子６８０も回折素子６２０と同じ特性を有するものを配置することができ、光ディスク６７０で反射した複数の異なる波長の光が入射する。前述の説明と同様に、例えば、回折素子６８０に入射するＢＤ用の波長の光は＋１次回折効率が最も高く、ＤＶＤ用の波長の光およびＣＤ用の波長の光は−１次回折効率が最も高く、また、それぞれの回折光の回折角が異なるので、同じ進行方向で入射した３つの光のうちＢＤ用の光の回折角はθ１、ＤＶＤ用の光およびＣＤ用の光の回折角はθ２と大きく異なる。したがって、回折素子６８０に入射する、波長の異なる複数の光を大きく分離できるので、光検出器の配置等が容易となるので光ヘッド装置の小型化が実現でき、また、他の光がノイズとして光検出器に到達しにくくなるために品質のよい光ヘッド装置を実現できる。また、回折素子６２０と回折素子６８０とは同じものを用いてもよいが、それぞれ回折角の特性が異なる回折光を発生するものを用いてもよく、ＢＤ用の光として−１次回折光、ＤＶＤ用の光およびＣＤ用の光として＋１次回折光を用いるものであってもよい。
【００８９】
（第７の実施形態）
図１７は本発明の第７の実施形態に係る光ヘッド装置７００の構成を示す模式図であるって、第６の実施形態に係る光ヘッド装置６００と同じ光学部品には同じ番号を付して説明の重複を避ける。光ヘッド装置７００はＢＤ用、ＤＶＤ用およびＣＤ用の３つの異なる波長を発射するハイブリッド型の半導体レーザ７１０が備わっている。また、回折素子７２０は、第２の実施形態または第４の実施形態に係る偏光依存性を有する回折素子を用いることができる。
【００９０】
ここでは、回折素子７２０として、第２の実施形態に係る回折素子２００を用いる場合について説明する。半導体レーザ７１０より発射したＸ方向の直線偏光の光は、回折素子７２０に入射すると偏光状態を変えずに出射し、左回りの円偏光となって光ディスク６７０に到達する。光ディスク６７０で反射した光は１／４波長板６５０でＹ方向の直線偏光となって、再び回折素子７２０に入射する。このとき、回折素子では、複屈折材料層と等方性材料層との屈折率差より回折作用が生じ、ＢＤ用の波長の光は回折角θ１、ＤＶＤ用の波長の光およびＣＤ用の波長の光はそれぞれ回折角θ２となって、それぞれ光検出器６９０Ｂおよび６９０Ｄに到達する。このように、偏光依存性を有する回折素子７２０を用いることで、さらに光学部品を少なくなるために小型化が実現できるとともに、波長の異なる複数の光を大きく分離できるので光検出器の配置等が容易となり、さらに、他の光がノイズとして光検出器に到達しにくくなるために品質のよい光ヘッド装置を実現することができる。
【００９１】
（第８の実施形態）
図１８は、第８の実施形態に係る投射型液晶表示装置８００の構成を示す模式図である。投射用の光源として、青色の光を出射する半導体レーザ８１０Ｂ、緑色の光を出射する半導体レーザ８１０Ｇ、そして赤色の光を出射する半導体レーザ８１０Ｒが備わっている。そして、各半導体レーザを出射した青色の光は液晶ライトバルブ８２０Ｂ、緑色の光は液晶ライトバルブ８２０Ｇ、そして、赤色の光は液晶ライトバルブ８２０Ｒを透過して回折素子８３０に入射する。回折素子８３０により、透過または回折作用によって１つの方向に揃って透過した光は投射レンズ８４０に集光され各液晶ライトバルブの合成画像がスクリーン８５０に結像される。
【００９２】
回折素子８３０には第２の実施形態または第４の実施形態に係る偏光依存性を有する回折素子を用いることができる。ここでは、第２の実施形態に係る回折素子２００を用いる場合について説明する。このとき、青色の半導体レーザ８１０ＢからはＹ方向の直線偏光が出射し、液晶ライトバルブ８２０ＢにおいてＹ方向の直線偏光成分の画像信号が角度θ１で入射する。同様に赤色の半導体レーザ８１０ＲからＹ方向の直線偏光が出射し、液晶ライトバルブ８２０ＲにおいてＹ方向の直線偏光成分の画像信号が角度θ２で入射する。なお、この角度θ１と角度θ２は、回折素子８３０の回折角に相当し、各色の光の光軸を基準として時計回りの方向をプラス（＋）、反時計周りの方向をマイナス（−）として表す。図１８では、Ｚ方向を基準にθ１およびθ２を与えているが符号の考え方は同じである。
【００９３】
また、緑色の半導体レーザ８１０Ｇからは、Ｘ方向の直線偏光が出射し、液晶ライトバルブ８２０ＧにおいてＸ方向の直線偏光成分の画像信号が回折素子８３０の光軸に沿って入射する。また、回折素子８３０は、Ｙ方向の偏光方向で入射する光に対して回折させ、Ｘ方向の偏光方向で入射する光に対して透過させるようにすると、青色の光は、＋１次回折効率が最も高くなるように回折し、赤色の光は、−１次回折効率が最も高くなるように回折する。さらに緑色の光はＸ方向の偏光方向で入射するので回折せずにそのまま透過する。このとき、青色の光に対する＋１次回折光の回折角θ１だけ光軸から傾けて入射させるように半導体レーザ８１０Ｂおよび液晶ライトバルブ８２０Ｂを配置することで回折素子８３０を透過した青色の光は光軸に沿って進行する。同様に、赤色の光に対する−１次回折光の回折角θ２だけ光軸から傾けて入射させるように半導体レーザ８１０Ｒおよび液晶ライトバルブ８２０Ｒを配置することで回折素子８３０を透過した赤色の光は光軸に沿うので、青色、緑色そして赤色の３色の光は合成されて光軸に沿って投射レンズ８４０に進行し、スクリーン８５０上に結像されて表示される。
【００９４】
このように、偏光依存性のある回折素子を透過型液晶表示装置に用いることで、各色の光の合成を高い光利用効率を保った状態で１つの素子で実現できるので、光学部品点数を少なくすることができるとともに小型化を実現することができる。また、光源は半導体レーザに限らず、各色の発光ダイオード（ＬＥＤ）でもよい。なお、ここでは、青色の光および赤色の光に対して最も高い回折効率の次数をそれぞれ＋１、−１次としたが、これに限らず、−１次と＋１次との組み合わせや他の回折の次数を用いるものであってもよい。
【００９５】
（実施例１）
実施例１として、図１に基づいて第１の実施形態に係る回折素子１００を作製する。透光性基板１２０として石英ガラス基板を用い、その片面をフォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程によって１つの方向に延伸する回折格子形状に加工する。そして石英ガラス基板の両面に反射防止膜を形成する。このとき、図２に基づく単位領域１１０のピッチＰｘ＝５μｍとし、単位領域１１０を構成する小領域１１０ａ、小領域１１０ｂおよび小領域１１０ｃの分割幅Ｘ１、Ｘ２およびＸ３をそれぞれ１．６７μｍと均等に３分割する。そして、波長５１０ｎｍの光が入射するとき、小領域１１０ａを出射する光の位相を基準とし、小領域１１０ｂの位相差φ（１）＝π、小領域１１０ｃの位相差φ（２）＝２πを満たすため、段差ｄ１＝０．５５２μｍ、段差ｄ２＝１．１０４μｍとなるように加工する。
【００９６】
回折素子１００に３８０〜８２０ｎｍの光を入射すると、波長３９１ｎｍにおいて＋１次回折効率η＋１が６８．４％と最大となる。一方で波長７５３ｎｍにおいては、−１次回折効率η−１が６８．４％と最大となる。このように、回折素子１００に入射する光の波長が異なると回折効率が最も高い次数が異なり、入射する光の波長によって偏向分離できる効果を得ることができる。
【００９７】
（実施例２）
実施例２として、第２の実施形態である回折素子２００を作製する。図６において透光性基板２２０ａとして石英ガラス基板を用い、Ｙ方向に配向処理をした図示しない配向膜を形成する。そして、配向膜を形成したもう１枚の図示しない透光性基板を配向膜が対向しさらに配向方向が揃うように平行に配置してできる空隙の厚さが４．１８μｍとなるようにして周辺をシールする。その後、図示しない注入口から液晶モノマーを注入し、紫外線を照射して液晶を重合硬化させる。これによって、厚さ４．１８μｍで、波長４８３ｎｍの光に対するＸ方向の屈折率である常光屈折率ｎｏ＝１．５５５、Ｙ方向の屈折率である異常光屈折率ｎｅ＝１．６６９の高分子液晶層が形成される。なお、式（９）において、高分子液晶のＡ，ＢおよびＣは、常光屈折率方向においてＡ＝１．５２３、Ｂ＝０．００６７、そしてＣ＝０．０００１６８となり、異常光屈折率方向においてＡ＝１．６２１１、Ｂ＝０．００９０、そしてＣ＝０．０００４８８となる。
【００９８】
その後、図示しない透光性基板を離散し、フォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程によって高分子液晶層を１つの方向に延伸する回折格子形状に加工して、複屈折性材料層２３０を形成する。このとき、図６（ｂ）に基づく単位領域２１０のピッチＰｘ＝５μｍとし、単位領域２１０を構成する小領域２１０ａ、小領域２１０ｂおよび小領域２１０ｃの分割幅Ｘ１、Ｘ２およびＸ３をそれぞれ１．６７μｍと均等に３分割する。また、等方性材料層２４０は、式（９）において、Ａ＝１．５２３、Ｂ＝０．００７９、そしてＣ＝−０．０００１７８となり、高分子液晶層の常光屈折率方向の特性とほぼ同じ特性を示す透明接着剤を用いる。このようにすることで、常光屈折率方向で入射する光の透過率を高めることができる。一方、異常光屈折率方向の光が入射するとき、回折効率を大きくするために、４８３ｎｍの光が入射するとき、小領域２１０ａを出射する光の位相を基準とし、小領域２１０ｂの位相差φ（１）＝π、小領域２１０ｃの位相差φ（２）＝２πを満たすために、段差ｄ１＝２．０９μｍ、段差ｄ２＝４．１８μｍ、となるように加工する。
【００９９】
次いで、４８３ｎｍの光が入射するときの高分子液晶の常光屈折率ｎｏにほぼ等しい上記の等方性材料層２４０に相当する屈折率ｎＢ＝１．５５３の接着剤により、複屈折性材料層２３０の凹凸（段差）を充填し、透光性基板２２０ｂとなる石英ガラス基板と接着し平坦化する。なお、石英ガラス基板の界面（空気接触側）には図示しない反射防止膜を形成する。なお、このような複屈折性材料層２３０、等方性材料層２４０とすることで、波長４８３ｎｍの光のＹ方向の直線偏光、つまり異常光に対して、位相差φ（１）＝π、位相差φ（２）＝２π、位相差φ（３）＝３πとなるので回折し、一方、Ｘ方向の直線偏光、つまり常光に対しては位相差が生じないので直進透過する、偏光依存性を有する。
【０１００】
作製した回折素子２００に入射する光のうち、Ｙ方向の直線偏光の波長λの値を３８０〜８２０［ｎｍ］の範囲で変化させる。図１９（ａ）は、この条件において波長λに対する回折効率ηｑの特性を計算したものであって、とくに回折次数ｑ＝−１，０，＋１について示したものである。このとき、ＢＤ用の波長帯域である４０５±１０ｎｍの範囲における＋１次回折効率η＋１は６０％以上を示し、また、ＤＶＤ用の波長帯域である６６０±２０ｎｍの範囲における−１次回折効率η−１および、ＣＤ用の波長帯域である７８５±２０ｎｍの範囲における−１次回折効率η−１はいずれも６０％以上を示す。
【０１０１】
一方、図１９（ｂ）は、Ｘ方向の直線偏光の波長λの値を３８０〜８２０［ｎｍ］の範囲で変化させるとき、波長λに対する回折効率ηｑの特性を計算したものである。これより、ＢＤ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用のいずれの波長帯域においても直進透過率に相当する０次回折光η０は９４％以上となり、入射する光の偏光方向によって透過または回折の特性を有する回折素子を得ることができる。
【０１０２】
（実施例３）
実施例３として、第４の実施形態である回折素子４００を作製する。図１２において透光性基板４２０ａとして石英ガラス基板を用い、Ｙ方向に配向処理をした図示しない配向膜を形成する。そして、配向膜を形成したもう１枚の図示しない透光性基板を配向膜が対向しさらに配向方向が揃うように平行に配置してできる空隙の厚さが６．４μｍとなるようにして周辺をシールする。その後、図示しない注入口から液晶モノマーを注入し、紫外線を照射して液晶を重合硬化させる。これによって、厚さ６．４μｍで、波長４８９ｎｍの光に対するＸ方向の屈折率である常光屈折率ｎｏ＝１．５５４、Ｙ方向の屈折率である異常光屈折率ｎｅ＝１．６６７の高分子液晶層が形成される。なお、高分子液晶層の波長分散特性は、実施例２と同じ特性を有するものを用いる。
【０１０３】
その後、図示しない透光性基板を離散し、フォトリソグラフィ工程およびドライエッチング工程によって高分子液晶層を１つの方向に延伸する回折格子形状に加工して、複屈折性材料層４３０を形成する。このとき、図１２（ｂ）に基づく単位領域４１０のピッチＰｘ＝１０μｍとし、単位領域４１０を構成する小領域４１０ａ、小領域４１０ｂ、小領域４１０ｃおよび小領域４１０ｄの分割幅Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３およびＸ４のうち、Ｘ１＝Ｘ４＝１．５μｍ、Ｘ２＝Ｘ３＝３．５μｍとする。また、各小領域の段差は、等方性材料層４４０の屈折率ｎＢが常光屈折率ｎｏに等しい場合を考え、４８９ｎｍの光が入射するとき、小領域４１０ａを出射する光の位相を基準とし、小領域４１０ｂの位相差φ（１）＝π、小領域４１０ｃの位相差φ（２）＝２π、そして小領域４１０ｃの位相差φ（２）＝３πを満たすために、段差ｄ１＝２．１４μｍ、段差ｄ２＝４．２７μｍ、そして段差ｄ３＝６．４０μｍとなるように加工する。
【０１０４】
次いで、４８９ｎｍの光が入射するときの高分子液晶の常光屈折率ｎｏにほぼ等しい屈折率ｎＢ＝１．５５３の接着剤により、複屈折性材料層４３０の凹凸（段差）を充填し、透光性基板４２０ｂとして石英ガラス基板と接着し平坦化する。また、接着剤の波長分散特性は、実施例２と同じ特性を有するものを用いる。なお、石英ガラス基板の界面（空気接触側）には図示しない反射防止膜を形成する。このような複屈折性材料層４３０、等方性材料層４４０とすることで、波長４８９ｎｍの光のＹ方向の直線偏光、つまり異常光に対して、位相差φ（１）＝π、位相差φ（２）＝２π、位相差φ（３）＝３πとなるので回折し、一方、Ｘ方向の直線偏光、つまり常光に対しては位相差が生じないので直進透過する、偏光依存性を有する。
【０１０５】
作製した回折素子４００に入射する光のうち、Ｙ方向の直線偏光の波長λの値を３８０〜８２０［ｎｍ］の範囲で変化させる。図２０（ａ）は、この条件において波長λに対する回折効率ηｑの特性を計算したものであって、とくに回折次数ｑ＝−１，０，＋１について示したものである。このとき、ＢＤ用の波長帯域である４０５±１０ｎｍの範囲における＋１次回折効率η＋１は６０％以上を示し、また、ＤＶＤ用の波長帯域である６６０±２０ｎｍの範囲における−１次回折効率η−１および、ＣＤ用の波長帯域である７８５±２０ｎｍの範囲における−１次回折効率η−１はいずれも６０％以上を示す。
【０１０６】
一方、図２０（ｂ）は、Ｘ方向の直線偏光の波長λの値を３８０〜８２０［ｎｍ］の範囲で変化させるとき、波長λに対する回折効率ηｑの特性を計算したものである。これより、ＢＤ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用のいずれの波長帯域においても直進透過率に相当する０次回折光η０は９４％以上となり、入射する光の偏光方向によって透過または回折の特性を有する回折素子を得ることができる。
【０１０７】
（実施例４）
実施例４は、第８の実施形態に係る投射型液晶表示装置８００の回折素子８３０の位置に第２の実施形態に係る図６に示す回折素子２００を配置する。回折素子２００の作製方法は、実施例２と同じ方法であって、また、使用する材料および形状も同じものである。
【０１０８】
このようにして作製した回折素子２００を図１８の投射型液晶表示装置８００の回折素子８３０の位置に、複屈折性材料層２３０の常光屈折率ｎｏとなる方向が、Ｘ方向となるように配置する。ここで、青色光を出射する半導体レーザ８１０ＢからのＹ方向の直線偏光の光が液晶ライトバルブ８２０Ｂを透過して回折素子８３０に入射すると実施例２における光学特性と同様に、＋１次回折光の回折効率η＋１が６０％以上発生し、投射レンズ８４０の光軸に沿った方向へ進行する。同様に、赤色光を出射する半導体レーザ８１０ＲからのＹ方向の直線偏光の光が液晶ライトバルブ８２０Ｒを透過して回折素子８３０に入射すると−１次回折光の回折効率η−１が６０％以上発生し、投射レンズ８４０の光軸に沿った方向へ進行する。
【０１０９】
一方、緑色光を出射する半導体レーザ８１０ＧからのＸ方向の直線偏光の光が液晶ライトバルブ８２０Ｇを透過して回折素子８３０に入射すると９５％以上の直進透過率（０次回折効率）で投射レンズ８４０の光軸に沿った方向へ直進透過する。この結果、液晶ライトバルブ８２０Ｂ、８２０Ｇおよび８２０Ｒで生成された青色、緑色および赤色の透過光は本発明の回折素子２００により光軸が揃うように合成され、投射レンズ８４０により液晶ライトバルブの合成画像がスクリーン８５０に結像される。
【０１１０】
このように本願発明の回折素子を用いることで、従来の投射型液晶表示装置に用いられていた高価で、かつ立体形状のダイクロイックプリズムを用いることなく実現できるため、安価でかつ小型化が実現できる。とくにダイクロイックプリズムの場合、各波長の半導体レーザをダイクロイックプリズムの各入射面に垂直に配置しなければならない制限があるため、さらに小型化の面で困難を生じる。その点において、本実施例の回折素子は平板状で、かつ入射面に対し垂直もしくは斜めに入射するため小型化の面で大きな利点を有する。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
以上説明したように、本発明の回折格子形状の回折素子を用いることにより、複数の異なる波長の光が入射するとき、回折する光の次数の符号が波長によって異なるようにして大きく偏向させることができる。とくに、３つの小領域に分割あるいは４つの小領域に分割された単位領域が周期的に配列した回折格子であって、格子ピッチが従来の回折格子より細かくならない比較的簡単な構成により上記機能を実現できる。さらに、本発明の回折素子を用いることにより、複数の波長帯域の光に対して、第１の偏光方向の入射光は、いずれの波長の光も高い直進透過率が得られ、第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向の入射光は、波長を選択して透過する方向を偏向させることができる。このような回折素子を光ヘッド装置または投射型液晶表示装置に適用することで装置の小型化が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１２】
【図１】第１の実施形態に係る回折素子の構成例を示す平面模式図
【図２】第１の実施形態に係る回折素子の単位領域を示す平面模式図および断面模式図
【図３】第１の実施形態に係る回折素子へ入射する光の波長λに対する回折効率ηｑの特性を示す一例のグラフ
【図４】第１の実施形態に係る回折素子の他の構成を示す断面模式図
【図５】第１の実施形態に係る回折素子へ入射する光の波長λに対する回折効率ηｑの特性を示す一例のグラフ
【図６】第２の実施形態に係る回折素子の単位領域を示す平面模式図および断面模式図
【図７】第３の実施形態に係る回折素子の構成例を示す平面模式図
【図８】第３の実施形態に係る回折素子の単位領域を示す平面模式図および断面模式図
【図９】第３の実施形態に係る回折素子へ入射する光の波長λに対する回折効率ηｑの特性を示す一例のグラフ
【図１０】第３の実施形態に係る回折素子の他の構成を示す断面模式図
【図１１】第３の実施形態に係る回折素子へ入射する光の波長λに対する回折効率ηｑの特性を示す一例のグラフ
【図１２】第４の実施形態に係る回折素子の単位領域を示す平面模式図および断面模式図
【図１３】第５の実施形態に係る回折レンズの単位領域を示す平面模式図および断面模式図
【図１４】第５の実施形態に係る回折レンズを用いて規格の異なる光ディスクに集光させるための光学系の模式図
【図１５】第５の実施形態に係る回折レンズの他の構成を示す断面模式図
【図１６】第１〜第４の実施形態に係る回折素子を用いる光ヘッド装置の構成例
【図１７】第２、第４の実施形態に係る回折素子を用いる光ヘッド装置の構成例
【図１８】第２、第４の実施形態に係る回折素子を用いる投射型液晶表示装置の構成例
【図１９】実施例２において、回折素子へ入射する光の波長λに対する回折効率ηｑの特性を示す一例のグラフ
【図２０】実施例３において、回折素子へ入射する光の波長λに対する回折効率ηｑの特性を示す一例のグラフ
【符号の説明】
【０１１３】
１００、２００、３００、４００、６２０、６８０、７２０、８３０  回折素子
１１０、１３０、１４０、２１０、３１０、３３０、３４０、４１０、５１０、５２０、５３０  単位領域
１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃ、１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ、３１０ａ、３１０ｂ、３１０ｃ、３１０ｄ、３３０ａ、３３０ｂ、３３０ｃ、３３０ｄ、３４０ａ、３４０ｂ、３４０ｃ、３４０ｄ、４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ、４１０ｄ、５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃ、５２０ａ、５２０ｂ、５２０ｃ、５３０ａ、５３０ｂ、５３０ｃ  小領域
１１１、１３１、１４１、３１１、３３１、３４１  透光性基板面
１２０、２２０、２２０ａ、２２０ｂ、３２０、４２０、４２０ａ、４２０ｂ  透光性基板
２３０、４３０  複屈折性材料層
２４０、４４０  等方性材料層
５００、５０１、５０２  回折レンズ
５１１、５２１、５３１  輪帯
５４０Ｂ、５５０Ｂ  ＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯の光
５４０Ｄ、５５０Ｄ  ＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯の光
５４０Ｃ、５５０Ｃ  ＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯の光
５６０、６６０  対物レンズ
５７０、６７０  光ディスク
５７０Ｂ  ＢＤの情報記録面
５７０Ｄ  ＤＶＤの情報記録面
５７０Ｃ  ＣＤの情報記録面
６００、７００  光ヘッド装置
６１０Ｂ  ＢＤ用の半導体レーザ
６１０Ｄ  ＤＶＤ／ＣＤ用の２波長を出射する半導体レーザ
６３０  偏光ビームスプリッタ
６４０  コリメータレンズ
６５０  １／４波長板
６９０Ｂ  ＢＤ用の光検出器
６９０Ｄ  ＤＶＤ／ＣＤ用の光検出器
７１０  ＢＤ／ＤＶＤ／ＣＤ用の３波長を出射する半導体レーザ
８００  投射型液晶表示装置
８１０Ｂ  青色光用半導体レーザ
８１０Ｇ  緑色光用半導体レーザ
８１０Ｒ  赤色光用半導体レーザ
８２０Ｂ、８２０Ｇ、８２０Ｃ  液晶ライトバルブ
８４０  投射レンズ
８５０  スクリーン
【図１】
2010127977.tif 000004
【図２】
2010127977.tif 000005
【図３】
2010127977.tif 000006
【図４】
2010127977.tif 000007
【図５】
2010127977.tif 000008
【図６】
2010127977.tif 000009
【図７】
2010127977.tif 000010
【図８】
2010127977.tif 000011
【図９】
2010127977.tif 000012
【図１０】
2010127977.tif 000013
【図１１】
2010127977.tif 000014
【図１２】
2010127977.tif 000015
【図１３】
2010127977.tif 000016
【図１４】
2010127977.tif 000017
【図１５】
2010127977.tif 000018
【図１６】
2010127977.tif 000019
【図１７】
2010127977.tif 000020
【図１８】
2010127977.tif 000021
【図１９】
2010127977.tif 000022
【図２０】
2010127977.tif 000023