(57)【要約】【課題】  使用波長帯域内で最も短波長の波長λにおいて、λ/２＜Ｐ＜λの周期をもつ周期構造を波長板として用いたときに、使用波長帯域内で所望の位相差を生じかつ高い０次光透過率を得ることが可能であり製造が容易な波長板を提供する。【解決手段】  この波長板１０は、λ/２＜Ｐ＜λの凹凸周期構造を有する波長板素子を複数枚用い、光透過率が高くなるように各波長板素子１１，１２の構造寸法を決定して組み合わせたものである。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
λ/２＜Ｐ＜λの凹凸周期構造を有する波長板素子を複数枚用い、光透過率が高くなるように前記各波長板素子の構造寸法を決定して組み合わせ、
前記波長板素子の少なくとも１枚が次式（１）を満足する構造寸法を有することを特徴とする波長板。
ｈ＝２ｆ＋４×(Ｐ−０．３４)＋α  （-0.125≦α≦+0.125）  （１）
但し、λ：波長
Ｐ：構造周期
ｈ：構造高さ
ｆ：フィリングファクタ（＝Ｌ／Ｐ）
Ｌ：構造幅
【請求項２】
λ/２＜Ｐ＜λの凹凸周期構造を有する波長板素子を複数枚用い、光透過率が高くなるように前記各波長板素子の構造寸法を決定して組み合わせ、
前記波長板素子の少なくとも１枚が次式（２）を満足する構造寸法を有することを特徴とする請求項１に記載の波長板。
ｈ＝１．５ｆ＋２．５×(Ｐ−０．３４)−０．５７５＋β（-0.15≦β≦+0.15）  （２）
但し、λ：波長
Ｐ：構造周期
ｈ：構造高さ
ｆ：フィリングファクタ（＝Ｌ／Ｐ）
Ｌ：構造幅
【請求項３】
λ/２＜Ｐ＜λの凹凸周期構造を有する波長板素子を複数枚用い、光透過率が高くなるように前記各波長板素子の構造寸法を決定して組み合わせ、
前記波長板素子の少なくとも２枚が次式（３）、（４）をそれぞれ満足する構造寸法を有することを特徴とする請求項１に記載の波長板。
ｈA＝２ｆA＋４×(ＰA−０．３４)＋α  （-0.125≦α≦+0.125）  （３）
ｈB＝１．５ｆB＋２．５×(ＰB−０．３４)−０．５７５＋β  （-0.15≦β≦+0.15）  （４）
但し、λ：波長
ＰA、ＰB：構造周期
ｈA、ｈB：構造高さ
ｆA：フィリングファクタ（＝ＬA／ＰA）
ｆB：フィリングファクタ（＝ＬB／ＰB）
ＬA、ＬB：構造幅
【請求項４】
前記式（３）を満足する凹凸周期構造の位相差をφAとし、前記式（４）を満足する凹凸周期構造の位相差をφBとすると、位相差（φA＋φB）が次式（５）を満たすことを特徴とする請求項３に記載の波長板。
φA＋φB＝（０．２５＋γ）λ  （-0.03≦γ≦+0.03）  （５）
但し、λ＝４０５ｎｍ
【請求項５】
１/４波長板であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の波長板。
【請求項６】
使用波長帯域が６５０乃至８００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の波長板。
【請求項７】
使用波長帯域が４００乃至８００ｎｍであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の波長板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長板素子を複数枚用いた波長板に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
下記特許文献１は、屈折率が互いに異なる２種の媒体が周期長１００〜３００ｎｍで交互に並び、かつ構造複屈折を示す屈折率周期構造を有し、該構造複屈折により位相差がもたらされる位相差板を開示する。また、下記特許文献２は、使用する光の波長よりも微小な周期構造を有する構造体を積層させる光学素子であって、使用波長帯域内の少なくとも２つの波長で所望の位相差が得られる条件を設定した光学素子を開示する。
【０００３】
上述のように、従来、構造性複屈折を利用した波長板は、構造周期Ｐ（μｍ）が波長λ（μｍ）よりも十分に小さい周期構造が用いられている。λ/２＜Ｐ＜λの周期構造の場合、高次の回折光が発生して０次光の回折効率が低下してしまうため、波長板としては採用されていなかった。一方、Ｐ≦λ/２の周期が短く溝深さの大きい構造の波長板は製造が困難であるという欠点がある。
【特許文献１】特開２００４−１７０６２３号公報
【特許文献２】特開２００４−１３９００１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、上述のような従来技術の問題に鑑み、使用波長帯域内で最も短波長の波長λにおいて、λ/２＜Ｐ＜λの周期をもつ周期構造を波長板として用いたときに、使用波長帯域内で所望の位相差を生じかつ高い０次光透過率を得ることが可能であり製造が容易な波長板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】
【０００５】
最初に、１／４波長板を１枚構成で構成した場合の問題点について図１乃至図３を参照して説明する。
【０００６】
図１は、凹凸周期構造を有する１枚構成の波長板を模式的に示す側面図である。図２は凹凸周期構造（Ｐ０．３５／ｆ０．６９）を有する図１の波長板の構造高さによる０次光透過率及び位相差の各変化を示すグラフである。図３は図２とは寸法が異なる凹凸周期構造（Ｐ０．３８／ｆ０．６６）を有する図１の波長板の構造高さによる０次光透過率及び位相差の各変化を示すグラフである。
【０００７】
図１に示す波長板５０は、構造周期Ｐ、構造高さｈ、及び構造幅Ｌの凹凸周期構造を有し、１／４波長板である。波長板５０が図２のＰ：０．３５、フィリングファクタｆ(＝Ｌ／Ｐ)：０．６９の凹凸周期構造の場合、波長板５０の０次光透過率は、構造高さｈに対して図２のように周期的に変化することが分かる（波長λが４０５ｎｍのとき）。このとき、TE波（P偏光）とTM波（S偏光）の各０次光透過率は異なった周期で変動する。図２の構造によれば、０．２５λの位相差を得ることのできる構造高さｈでは、０次光透過率が低い。
【０００８】
また、波長板５０が図３のようにＰ：０．３８、フィリングファクタｆ(＝Ｌ／Ｐ)：０．６６の凹凸周期構造を有する場合、０．２５λの位相差を得ることのできる構造高さｈで０次光透過率が高くなる。
【０００９】
図２，図３から分かるように、０次光透過率の周期性は構造周期Ｐとフィリングファクタｆ(＝Ｌ／Ｐ)によっても異なる。このため、高いTE−TM平均０次光透過率を得ることのできる凹凸周期構造の各寸法Ｐ、ｆ、ｈの組み合わせは限られてくる。
【００１０】
更に、波長板５０が広帯域波長板として機能するためには、使用波長帯域内で所望の位相差を満たす必要がある。位相差も同様に各寸法Ｐ、ｆ、ｈに依存するので、所望の位相差と高い透過率の両方を満たす構造寸法はさらに限定される。
【００１１】
そこで、本発明による波長板は、λ/２＜Ｐ＜λの凹凸周期構造を有する波長板素子を複数枚用い、光透過率が高くなるように各波長板素子の構造寸法を決定して組み合わせたものである。なお、上記光透過率は例えば８５％以上である。
【００１２】
具体的には、次のように構造寸法を決定した。
【００１３】
(1)本発明による波長板が前記波長板素子の少なくとも１枚が次式（１）を満足する構造寸法を有する。
【００１４】
ｈ＝２ｆ＋４×(Ｐ−０．３４)＋α  （-0.125≦α≦+0.125）  （１）
但し、Ｐ：構造周期
ｈ：構造高さ
ｆ：フィリングファクタ（＝Ｌ／Ｐ）
Ｌ：構造幅
【００１５】
(2)本発明による波長板が前記波長板素子の少なくとも１枚が次式（２）を満足する構造寸法を有する。
【００１６】
ｈ＝１．５ｆ＋２．５×(Ｐ−０．３４)−０．５７５＋β  （-0.15≦β≦+0.15）  （２）
但し、Ｐ：構造周期
ｈ：構造高さ
ｆ：フィリングファクタ（＝Ｌ／Ｐ）
Ｌ：構造幅
【００１７】
(3)本発明による波長板が前記波長板素子の少なくとも２枚が次式（３）、（４）をそれぞれ満足する構造寸法を有する。
【００１８】
ｈA＝２ｆA＋４×(ＰA−０．３４)＋α  （-0.125≦α≦+0.125）  （３）
ｈB＝１．５ｆB＋２．５×(ＰB−０．３４)−０．５７５＋β  （-0.15≦β≦+0.15）  （４）
但し、ＰA、ＰB：構造周期
ｈA、ｈB：構造高さ
ｆA：フィリングファクタ（＝ＬA／ＰA）
ｆB：フィリングファクタ（＝ＬB／ＰB）
ＬA、ＬB：構造幅
【００１９】
上記波長板において、式（３）を満足する凹凸周期構造の位相差をφAとし、式（４）を満足する凹凸周期構造の位相差をφBとすると、位相差（φA＋φB）について次式（５）を満たす波長板が光透過率の高い１／４波長板に構成される。
【００２０】
φA＋φB＝（０．２５＋γ）λ  （-0.03≦γ≦+0.03）  （５）
但し、λ：４０５ｎｍ
【発明の効果】
【００２１】
本発明の波長板によれば、使用波長帯域内で最も短波長の波長λにおいて、λ/２＜Ｐ＜λの周期をもつ周期構造を波長板として用いたときに、使用波長帯域内で所望の位相差を生じかつ高い０次光透過率を得ることが可能であり、また、１枚構成の波長板と比べて構造高さが低くなるので、製造が容易となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明を実施するための最良の形態について図面を用いて説明する。図４は本実施の形態による波長板を模式的に示す側面図である。
【００２３】
図４に示すように、波長板１０は、第１の波長板素子１１と、第２の波長板素子１２とから構成され、１/４波長板である。第１の波長板素子１１は、上述の式（３）を満たす構造寸法を有するパターンＡの凹凸周期構造を有する。第２の波長板素子１２は、上述の式（４）を満たす構造寸法を有するパターンＢの凹凸周期構造を有する。第１の波長板素子１１と第２の波長板素子１２は互いの主軸が平行になるように配置される。なお、この場合の主軸は各波長板素子の凹凸周期構造の方向と一致する。
【００２４】
図４の波長板１０の使用波長帯域を６５０ｎｍ〜８００ｎｍの中帯域とすることができ、更に４００ｎｍ〜８００ｎｍの比較的広帯域とすることができる。
【００２５】
図４の波長板１０によれば、使用波長帯域内で最も短波長の波長λにおいて、λ/２＜Ｐ＜λの周期をもつ周期構造を波長板として用いたときに、パターンＡの凹凸周期構造を有する第１の波長板素子１１と、パターンＢの凹凸周期構造を有する第２の波長板素子１２とを組み合わせた２枚構成とすることで、上述の式（５）の最適位相差の範囲内で高透過率を満たすことができる。
【００２６】
また、第１の波長板素子１１及び第２の波長板素子１２は、それらの各凹凸周期構造の各構造高さｈA、ｈBが１枚構成の波長板の構造高さと比べて低くなるので、製造が容易となる。
【実施例】
【００２７】
次に、本発明を実施例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではない。
【００２８】
表１に示すように設計１乃至１０として図４の波長板の波長板素子の各パターンＡ，Ｂを構成した。このうち、設計１，２，３が実施例１，２，３に対応し、上記式（３）、（４）、（５）を満たし、４００ｎｍ〜８００ｎｍの広帯域１／４波長板である。
【００２９】
また、設計４，５，６，７，８が実施例４，５，６，７，８に対応し、上記式（３）、（４）の少なくともいずれか一方を満たし、６５０ｎｍ〜８００ｎｍの中帯域１／４波長板である。なお、設計９，１０が比較例１，２である。
【００３０】
上記設計１乃至１０について各波長板の位相差と０次光透過率のシミュレーション結果を表１に併せて示す。図５に、実施例１、３で、波長４０５ｎｍのときのＰ０．３７／ｆ０．６３の凹凸周期構造を有する波長板の構造高さによる０次光透過率及び位相差の各変化を示す。
【００３１】
なお、シミュレーションには、ベクトル解析である厳密結合波理論（Rigorous Coupled Wave Analysis）を用いた。また、本実施例では、材料にポリオレフィン樹脂を用い、その屈折率は、次のとおりである。
n=1.560135(λ405nm)
n=1.540895(λ650nm)
n=1.537340(λ780nm)
【００３２】
【表１】
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【００３３】
なお、上記表１において、総合評価＊２は次のようにして行った。
(1)透過率85％以上、
(2)λ=405nmにおける位相差φ405＝0.25±0.0１[λ] 以内、
(3)λ=650nmにおける位相差φ650＝0.25±0.02[λ] 以内、
(4)λ=780nmにおける位相差φ780＝0.25±0.04[λ] 以内、
をすべて満たすものを◎とする。
また、λ=650nm、780nmにおける各位相差が上記(3),(4)の各式の範囲内にあり、その各波長で透過率85％以上のものを○とする。
【００３４】
表１より、実施例１〜３で、上記式（３）、（４）、（５）を満たす構造寸法を用いることで、λ/２＜Ｐ＜λの構造周期でも波長によらず位相差がほぼ０．２５でありかつ高い０次光透過率を持つ４００ｎｍ〜８００ｎｍの広帯域波長板を実現できることがわかる。
【００３５】
また、実施例４〜８で、上記式（３）、（４）のいずれか一方を満たす（実施例４は両式を満たす）構造寸法を用いることで、λ/２＜Ｐ＜λの構造周期でも波長によらず位相差がほぼ０．２５でありかつ高い０次光透過率を持つ６５０ｎｍ〜８００ｎｍの中帯域波長板を実現できることがわかる。
【００３６】
以上のように本発明を実施するための最良の形態及び実施例について説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想の範囲内で各種の変形が可能である。例えば、図４では、各波長板素子１１，１２は、凹凸周期構造同士が対向するように配置されているが、凹凸周期構造と裏板とが対向するように配置してもよく、また、裏板同士が対向するように配置してもよい。また、光は凹凸周期構造側から入射しても裏面から入射してもよい。更に、光の入射は、第１の波長板素子１１側からでも、第２の波長板素子１２側からでもよい。
【００３７】
また、図４では、波長板素子を２枚組み合わせたが、本発明の波長板はこれに限定されず、３枚またはそれ以上組み合わせてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】凹凸周期構造を有する１枚構成の波長板を模式的に示す側面図である。
【図２】凹凸周期構造（Ｐ０．３５／ｆ０．６９）を有する図１の波長板の構造高さによる０次光透過率及び位相差の各変化を示すグラフである。
【図３】図２と寸法が異なる凹凸周期構造（Ｐ０．３８／ｆ０．６６）を有する図１の波長板の構造高さによる０次光透過率及び位相差の各変化を示すグラフである。
【図４】本実施の形態による波長板を模式的に示す側面図である。
【図５】図５は、実施例１、３で、Ｐ０．３７／ｆ０．６３の凹凸周期構造を有する波長板の構造高さによる０次光透過率及び位相差の各変化（波長４０５ｎｍ）を示すグラフである。
【符号の説明】
【００３９】
１０ 波長板
１１，１２ 波長板素子
λ 波長
Ｌ 構造幅
Ｐ 構造周期
ｈ 構造高さ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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