(57)【要約】【課題】波長帯が異なる３つの直線偏光が入射して１つの波長帯の直線方向に対して他の２つの波長帯の直線偏光が略直交して出射する波長選択波長板を提供する。【解決手段】光学軸が平面に平行で、厚さ方向に揃った２つの波長板を光学軸が交差するように重ね、入射する直線偏光の方向と第１の波長板および第２の波長板の光学軸とがなす角度であるプレチルト角α１、α２および、３種の波長λ１、波長λ２および波長λ３に対する、第１の波長板のリタデーション値Ｒｄ１（λ１）、Ｒｄ１（λ２）、Ｒｄ１（λ３）および、第２の波長板のリタデーション値Ｒｄ２（λ１）、Ｒｄ２（λ２）、Ｒｄ２（λ３）を調整する。【選択図】  図１
2011233208.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の異なる帯域を有する３種の波長λ１、波長λ２、波長λ３（λ１＜λ２＜λ３）で入射する直線偏光の光のうち少なくとも１種の波長の直線偏光の光の偏光状態を変える波長選択波長板において、
前記波長選択波長板は、光が入射する側から順に第１の波長板と第２の波長板と、が備えられ、
前記第１の波長板および前記第２の波長板は、光学軸が各波長板面に平行であるとともに、厚さ方向に揃っており、
前記第１の波長板に入射する前記波長λ１の光、前記波長λ２の光および前記波長λ３の光が同一方向の直線偏光の光であって、入射する前記直線偏光の光の偏光方向を基準として、前記第１の波長板の遅相軸と前記第２の波長板の遅相軸との組み合わせ、または、前記第１の波長板の進相軸と前記第２の波長板の進相軸との組み合わせからなる角度をそれぞれ、プレツイスト角α１［°］、α２［°］とするとき、
前記波長選択波長板から出射する前記波長λ１の光、前記波長λ２の光および前記波長λ３の光の楕円率がいずれも０．５以下であり、
さらに、第１の方向と、前記第１の方向と直交する第２の方向を与えるとき、前記第１の方向に対して、いずれか１つの波長の光の最も振動が大きい成分の偏光方向とがなす角度が−２６〜２６［°］の範囲にあって、この波長で出射する光の全成分のうち前記第１の方向の光成分の割合が８０％以上となるとともに、前記第２の方向に対して他の２つの波長の光の最も振動が大きい成分の偏光方向とがなす角度が−２６〜２６［°］の範囲にあって、これらの波長で出射する光のそれぞれの全成分のうち前記第２の方向のそれぞれの光成分の割合が８０％以上となるように、前記α１、前記α２、前記第１の波長板のリタデーション値Ｒｄ１および前記第２の波長板のリタデーション値Ｒｄ２が設定されている波長選択波長板。
【請求項２】
前記第１の波長板の前記波長λ１の光に対するリタデーション値をＲｄ１（λ１）、前記第２の波長板の前記波長λ１の光に対するリタデーション値をＲｄ２（λ１）とするとき、
Ｒｄ１（λ１）の値がλ１の値の２以上の略整数倍であるとともに、Ｒｄ２（λ１）の値がλ１の値の０．５の略整数倍である請求項１に記載の波長選択波長板。
【請求項３】
前記波長λ１は３９５〜４２０ｎｍの範囲である４０５ｎｍ波長帯であり、前記波長λ２は６４０〜６８０ｎｍの範囲である６６０ｎｍ波長帯であり、前記波長λ３は７６５〜８０５ｎｍの範囲である７８５ｎｍ波長帯である請求項１または請求項２に記載の波長選択波長板。
【請求項４】
前記波長λ１は４２０〜４８０ｎｍの範囲である４５０ｎｍ波長帯であり、前記波長λ２は５２０〜５６０ｎｍの範囲である５３３ｎｍ波長帯であり、前記波長λ３は６１０〜６７０ｎｍの範囲である６４５ｎｍ波長帯である請求項１または請求項２に記載の波長選択波長板。
【請求項５】
透明基板上に常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅとなる複屈折性を有する複屈折性材料層からなって凹凸が形成され、前記複屈折材料層の凹部に前記ｎｏまたは前記ｎｅと等しい屈折率の光学材料が形成された偏光回折素子と、
請求項１〜請求項４に記載の波長選択波長板のうちの少なくとも１つと、が備えられた波長選択回折素子。
【請求項６】
前記複屈折性材料層の凹凸の断面は、フレネルレンズ形状である請求項５に記載の波長選択回折素子。
【請求項７】
異なる３種の波長の光を出射する少なくとも一つの光源と、
前記光源から出射する光を光記録媒体上に集光する対物レンズと、
前記光記録媒体から反射される光を検出する光検出器と、
前記光源から前記光記録媒体へ向かう光を透過するとともに、前記光記録媒体から前記光検出器へ向かう光を反射するかまたは、前記光源から前記光記録媒体へ向かう光を反射するとともに、前記光記録媒体から前記光検出器へ向かう光を透過する偏光ビームスプリッタと、
を備えた光ヘッド装置であって、
前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの間の光路中および／または、前記偏光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５または請求項６に記載の波長選択回折素子が配置された光ヘッド装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、波長が異なる複数の光を選択的に位相変調させる波長選択波長板および、これらの光を選択的に透過または回折させる波長選択回折素子、光ストレージを扱う光学系として、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（以下、「光ディスク」という）に情報の記録および／または再生（以下、「記録・再生」という。）を行う光ヘッド装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤ等の複数の光ディスクに対応した光ヘッド装置では、異なる規格の光ディスク毎に、波長の異なる半導体レーザ等の光源が用いられ、開口数ＮＡの異なる対物レンズにより光ディスクの情報記録面に光源からの出射光が集光され、その反射光をビームスプリッタにより分岐して光検出器にて受光することで、電気信号に変換して情報の記録・再生を行う。具体的には、ＢＤでは３９５ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲に対応した４０５ｎｍ波長帯の光を出射する半導体レーザ、ＤＶＤでは６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長範囲に対応した６６０ｎｍ波長帯の光を出射する半導体レーザ、そして、ＣＤでは７６５ｎｍ〜８０５ｎｍの波長範囲に対応した７８５ｎｍ波長帯の光を出射する半導体レーザが用いられる。
【０００３】
ここで、光ヘッド装置を、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤの光ディスク毎、個別に空間配置した部品を用いて構成する場合、光ヘッド装置が大形化し、重量が増加するとともに、光学部品の部品点数が増えるという問題がある。とくに、薄型のノートパソコン等に、ＢＤ、ＤＶＤ、ＣＤを記録・再生できる光ヘッド装置を搭載する場合、より小型化、軽量化が要求される。そこで、光学部品の部品点数を増やすことなく小型化、軽量化を実現するために、ＢＤ用、ＤＶＤ用、ＣＤ用の各波長帯の光の光路、とくに３つの光路を共通化し、これらの波長帯の光に対して所望の光学特性を得る光学部品を備える構成とすることが有効である。具体的には、これら３種類の波長帯（以下、「３波長」という。）に対応した光源からの出射光を合波して共通化し、その光路中に光学部品を備えことができる。または、光ディスクの情報記録面で反射した信号光を受光する光検出器を、３波長の光に対して共通化することもできる。
【０００４】
既に、ＤＶＤとＣＤと、の両方を記録・再生する光ヘッド装置において、ＤＶＤ用の光を発射する半導体レーザとＣＤ用の光を発射する半導体レーザと、が集積化された２波長用半導体レーザが製品化されたものが用いられている。また、ＤＶＤで反射される信号光とＣＤで反射される信号光と、を共通の単一パッケージで受光する光検出器も用いられている。さらに、光源として、ＤＶＤ用、ＣＤ用を含む２波長用半導体レーザに、ＢＤ用半導体レーザが一体化された３波長用半導体レーザも開発されている。
【０００５】
また、光ヘッド装置の記録・再生において、半導体レーザなどの光源から発射されたレーザ光を光ディスクの情報記録面のトラック上にトレースさせるために、トラッキングサーボ信号の検出機能が要求される。つまり、半導体レーザから光ディスクに至る往路の光路中に回折素子を配置し、回折素子を直進透過する直進透過光（０次回折光）と±１次回折光に分岐した３ビームの光を用いてトラッキングサーボ信号とする３ビーム方式が用いられることが多い。また、光ディスクから光検出器に至る復路の光路中に、入射光束に対して格子パターンが異なる複数の領域に分割された回折素子（「ホログラム回折素子」ともいう。）を配置し、信号光を複数の回折光に分岐してトラッキングサーボ信号を生成するホログラム方式も用いられる。
【０００６】
このとき、３ビーム方式では、ＢＤ用、ＤＶＤ用、およびＣＤ用の各半導体レーザの光源から出射され、例えば、これら３波長の光が共通する光路中に回折素子を配置し、各光ディスクの情報記録面の規格に適合した±１次回折光を生成することが望ましい。この場合、回折素子としては、格子ピッチや格子の長手方向といった回折格子のパターンを調整し、例えば、特定の波長の光に対してのみ所望の回折効率となる±１次回折光を発生させ、他の波長の光に対して±１次回折光を発生させない波長選択性の回折素子を用いることが考えられる。
【０００７】
同様に、ホログラム方式においても、３波長の光が共通する光路中にホログラム回折素子を配置することが考えられる。例えば、ホログラム回折素子は、入射光束に対して回折方向や回折角が異なる複数の領域を有し、単一パッケージの光検出器に含まれる受光面に対して、複数の波長の回折光が共通に入射できるように、回折格子のパターンを調整する。例えば、特定の波長の光に対してのみ所望の回折光を発生させ、他の波長の光に対して回折光を発生させない波長選択性の回折素子として用いることが考えられる。これにより、光検出器の受光面の数を少なくしたり、受光面の面積を小さくしたりする効果が期待できる。
【０００８】
なお、光ヘッド装置は、記録・再生する光ディスクの種類に応じて、上記の３ビーム方式とホログラム方式と、が使い分けられる設計であったり、あるいは、トラッキングサーボ信号の検出を３ビーム方式で行い、フォーカスサーボ信号の検出をホログラム方式で行う設計であったりしてもよい。例えば、ＤＶＤとＣＤを記録・再生する場合は３ビーム方式を用い、ＢＤを記録・再生する場合はホログラム方式を用いるものであってもよい。いずれの場合も、これら３波長の光に共通する光路中に配置される回折素子を、特定の波長の光に対してのみ回折する波長選択性の回折素子とすることにより、本来回折すべきではない波長の光について、光量損失や迷光の発生が低減されるので安定した記録・再生が実現できる。また、復路においてこれら３波長の光が共通する光路中にホログラム回折素子として配置することで、光検出器の受光面の数および受光面の面積を低減できるため、小型化が期待できる。
【０００９】
このように、３波長の光が入射する波長選択性の回折素子としては、波長板と回折格子と、が交互に複数層積層された回折光学素子が報告されている（特許文献１）。そして、この回折光学素子に含まれる波長板は、例えば、ＴＭ偏光で入射する３波長の光のうち、特定の１種類の波長帯の光に対して１／２波長板として機能させるとともに、それ以外の波長帯の光に対して全波長板として機能する位相差を有する。そして、特定の１種類の波長帯の光のみが、偏光方向を９０°回転させてＴＥ偏光の光とし、ＴＥ偏光の光のみを回折させるとともに、ＴＭ偏光の光は回折させない、偏光性の回折格子が備わっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２００５−３５３２２５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
特許文献１の回折光学素子に用いられる波長板は、３つの波長を４００ｎｍ、６５０ｎｍ、７８０ｎｍの組み合わせとし、偏光方向を９０°回転させる対象の波長を６５０ｎｍとする例が記載されている。そして、このとき、波長板は、４００ｎｍの光に対して２π×４の位相差、６５０ｎｍの光に対してπ×４．９２、そして７８０ｎｍの光に対して２π×２．０５の位相差を発生させるように調整されている。しかし、このような波長板は、特定の位相差を発生するために、複屈折性を有する材料の厚さを調整して実現しており、この場合、入射する光の波長が特定の値に対して変動してしまうと、位相差も大きく変動してしまうという問題がある。つまり、本来、波長板をＴＥ偏光の光として出射させるべき光が、ＴＭ偏光の光の成分も含み、また、ＴＭ偏光の光として出射させるべき光が、ＴＥ偏光の光の成分も含み、かつ、波長の変動に対してこれらの偏光成分が安定しないという問題があった。これより、例えば、回折格子に入射するＴＥ偏光の光の光量も安定せず、このため、回折光学素子としては回折効率も安定しないという問題があった。
【００１２】
さらに、特許文献１の回折光学素子は、３波長の光のうち、例えば、任意の２つの波長の光を回折させる場合、１つの波長板と１つの回折格子との組み合わせを、２つ以上備えなければならない。さらに、この場合、３波長の光は、２つの波長板を透過することになるので、入射する波長が変動することで、所望の位相差に対する変動がより大きく、安定した特性を得ることが困難となるという問題点もあった。
【００１３】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、とくに波長が異なる３つの波長の光が入射するとき、１つの波長の光の偏光方向と他の２つの光の偏光方向とが互いに直交する波長選択波長板を提供するとともに、偏光成分によって透過または回折を制御する偏光回折素子を組み合わせ、少なくとも１つの波長の光に対して回折せず、また、少なくとも１つの波長に対して所望の回折効率を得ることができ、さらに、回折効率の波長依存性の小さく、光利用効率の高い波長選択回折素子およびそれを用いた光ヘッド装置、レーザプロジェクタなどの表示装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明は、所定の異なる帯域を有する３種の波長λ１、波長λ２、波長λ３（λ１＜λ２＜λ３）で入射する直線偏光の光のうち少なくとも１種の波長の直線偏光の光の偏光状態を変える波長選択波長板において、前記波長選択波長板は、光が入射する側から順に第１の波長板と第２の波長板と、が備えられ、前記第１の波長板および前記第２の波長板は、光学軸が各波長板面に平行であるとともに、厚さ方向に揃っており、前記第１の波長板に入射する前記波長λ１の光、前記波長λ２の光および前記波長λ３の光が同一方向の直線偏光の光であって、入射する前記直線偏光の光の偏光方向を基準として、前記第１の波長板の遅相軸と前記第２の波長板の遅相軸との組み合わせ、または、前記第１の波長板の進相軸と前記第２の波長板の進相軸との組み合わせからなる角度をそれぞれ、プレツイスト角α１［°］、α２［°］とするとき、前記波長選択波長板から出射する前記波長λ１の光、前記波長λ２の光および前記波長λ３の光の楕円率がいずれも０．５以下であり、さらに、第１の方向と、前記第１の方向と直交する第２の方向を与えるとき、前記第１の方向に対して、いずれか１つの波長の光の最も振動が大きい成分の偏光方向とがなす角度が−２６〜２６［°］の範囲にあって、この波長で出射する光の全成分のうち前記第１の方向の光成分の割合が８０％以上となるとともに、前記第２の方向に対して他の２つの波長の光の最も振動が大きい成分の偏光方向とがなす角度が−２６〜２６［°］の範囲にあって、これらの波長で出射する光のそれぞれの全成分のうち前記第２の方向のそれぞれの光成分の割合が８０％以上となるように、前記α１、前記α２、前記第１の波長板のリタデーション値Ｒｄ１および前記第２の波長板のリタデーション値Ｒｄ２が設定されている波長選択波長板を提供する。
【００１５】
また、前記第１の波長板の前記波長λ１の光に対するリタデーション値をＲｄ１（λ１）、前記第２の波長板の前記波長λ１の光に対するリタデーション値をＲｄ２（λ１）とするとき、Ｒｄ１（λ１）の値がλ１の値の２以上の略整数倍であるとともに、Ｒｄ２（λ１）の値がλ１の値の０．５の略整数倍である上記の波長選択波長板を提供する。
【００１６】
また、前記波長λ１は３９５〜４２０ｎｍの範囲である４０５ｎｍ波長帯であり、前記波長λ２は６４０〜６８０ｎｍの範囲である６６０ｎｍ波長帯であり、前記波長λ３は７６５〜８０５ｎｍの範囲である７８５ｎｍ波長帯である上記の波長選択波長板を提供する。
【００１７】
また、前記波長λ１は４２０〜４８０ｎｍの範囲である４５０ｎｍ波長帯であり、前記波長λ２は５２０〜５６０ｎｍの範囲である５３３ｎｍ波長帯であり、前記波長λ３は６１０〜６７０ｎｍの範囲である６４５ｎｍ波長帯である上記の波長選択波長板を提供する。
【００１８】
また、透明基板上に常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅとなる複屈折性を有する複屈折性材料層からなって凹凸が形成され、前記複屈折材料層の凹部に前記ｎｏまたは前記ｎｅと等しい光学材料が形成された偏光回折素子と、上記の波長選択波長板のうちの少なくとも１つと、が備えられた波長選択回折素子を提供する。
【００１９】
また、前記複屈折性材料層の凹凸の断面は、フレネルレンズ形状である上記の波長選択回折素子を提供する。
【００２０】
さらに、異なる３種の波長の光を出射する少なくとも一つの光源と、前記光源から出射する光を光記録媒体上に集光する対物レンズと、前記光記録媒体から反射される光を検出する光検出器と、前記光源から前記光記録媒体へ向かう光を透過するとともに、前記光記録媒体から前記光検出器へ向かう光を反射するかまたは、前記光源から前記光記録媒体へ向かう光を反射するとともに、前記光記録媒体から前記光検出器へ向かう光を透過するビームスプリッタと、備えた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／または、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波長選択回折素子が配置された光ヘッド装置を提供する。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、少なくとも３つの異なる波長帯である波長λ１、波長λ２および波長λ３で入射する直線偏光に対し、これら３波長の光のうち１つの波長帯の光と他の２つの波長帯の光とが互いに直交する偏光状態で出射させる波長選択波長板を提供することができる。また、波長選択波長板を出射した光を偏光方向によって回折効率が異なる偏光回折素子を、波長選択波長板とともに配置する波長選択回折素子を提供することができる。さらに、この波長選択波長板、波長選択回折素子を用いた光ヘッド装置やレーザプロジェクタなどの表示装置に適用させることで、安定した光学特性を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】波長選択波長板の光学的機能の例を示す模式図。
【図２】波長選択波長板および波長選択回折素子の断面模式図および入射する直線偏光の偏光方向と光学軸との関係を示す平面模式図。
【図３】波長選択波長板を出射する光の方位角誤差ΔΨと楕円率κによる利用効率ηの分布を示すグラフ。
【図４】偏光状態を表すポワンカレ球の説明図。
【図５】設計例に係る波長選択波長板の偏光透過率の波長（Λ）依存性を示すグラフ。
【図６】比較例に係る波長選択波長板の偏光透過率の波長（Λ）依存性を示すグラフ。
【図７】設計例に係る波長選択波長板のプレツイスト角に関するパラメータを変更した際における、偏光透過率の波長（Λ）依存性の変化を示すグラフ。
【図８】波長選択波長板を透過する各波長の偏光状態をポワンカレ球上の軌道により示す説明図。
【図９】光ヘッド装置に係る第１の実施の形態の模式図。
【図１０】光ヘッド装置に係る第１の実施の形態に用いられる波長選択回折素子のレンズ作用の説明図および波長選択回折素子の断面模式図。
【図１１】光ヘッド装置に係る第２の実施の形態の模式図。
【図１２】光ヘッド装置に係る第２の実施の形態に用いられる波長選択回折素子の断面模式図。
【図１３】光ヘッド装置に係る第３の実施の形態の模式図。
【図１４】光ヘッド装置に係る第３の実施の形態に用いられる波長選択回折素子の断面模式図。
【図１５】表示装置用光学系に係る実施の形態の模式図。
【図１６】実施例１〜６に基づく波長選択回折素子の断面模式図および入射する直線偏光の偏光方向と光学軸との関係を示す平面模式図。
【図１７】実施例１の波長選択波長板に係る楕円率および方位角の波長依存性を示すグラフ。
【図１８】実施例１の波長選択回折素子に係る波長選択波長板における光の利用効率の波長依存性を示すグラフ。
【図１９】実施例２の波長選択回折素子に係る波長選択波長板における光の利用効率の波長依存性を示すグラフ。
【図２０】実施例３の波長選択回折素子に係る波長選択波長板における光の利用効率の波長依存性を示すグラフ。
【図２１】実施例４の波長選択回折素子に係る波長選択波長板における光の利用効率の波長依存性を示すグラフ。
【図２２】実施例５の波長選択回折素子に係る波長選択波長板における光の利用効率の波長依存性を示すグラフ。
【図２３】実施例６の波長選択回折素子に係る波長選択波長板における光の利用効率の波長依存性を示すグラフ。
【図２４】実施例６の波長選択回折素子に係る波長選択波長板において、第１の波長板の厚さ（ｄ１）および第２の波長板の厚さ（ｄ２）によってプレツイスト角α１が取り得る値の分布を示す図。
【図２５】実施例６の波長選択回折素子に係る波長選択波長板において、第１の波長板の厚さ（ｄ１）および第２の波長板の厚さ（ｄ２）によってプレツイスト角α２が取り得る値の分布を示す図。
【図２６】実施例７の波長選択回折素子に係る波長選択波長板における光の利用効率の波長依存性を示すグラフ。
【図２７】実施例８の波長選択回折素子に係る波長選択波長板における光の利用効率の波長依存性を示すグラフ。
【図２８】実施例９の波長選択回折素子に係る波長選択波長板における光の利用効率の波長依存性を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、本発明に係る波長選択波長板に入射する波長λ１の光、波長λ２の光および波長λ３の光（λ１＜λ２＜λ３）に対して、出射する光の偏光状態を示す模式図である。ここで、それぞれの波長の光は同じ偏光方向となる直線偏光の光、つまり図１では、いずれもＸ方向の直線偏光の光がＺ方向に進行する様子を示したものである。図１（ａ）は、波長λ１の光は偏光方向を変えず、波長λ２の光および波長λ３の光は、波長λ１の光と直交する直線偏光の光となって出射する波長選択波長板１を示す。また、偏光状態を変えない光の波長と、偏光状態を直交する直線偏光に変える光の波長の組み合わせとしては、これに限らず、例えば、図１（ｂ）の波長選択波長板２のように、波長λ１の光および波長λ２の光と、波長λ３の光と、の組み合わせであったり、図１（ｃ）の波長選択波長板３のように、波長λ２の光と、波長λ１の光および波長λ３の光と、の組み合わせであったりしてもよい。
【００２４】
また、図１は、３波長の光のうち少なくとも１つの波長の光は、入射する直線偏光の光の偏光方向と、出射する直線偏光の光の偏光方向と、が一致する例として説明しているが、これに限らない。後述するように、波長選択波長板を出射する光のうち、Ｘ−Ｙ平面からみた偏光方向が必ずしも１つはＸ方向とＹ方向に一致していなくてもよく、その場合であってもＸ−Ｙ平面内で出射する３波長の光のうち、２つの波長の光と、もう１つの波長の光とが互いに直交する関係にあればよい。
【００２５】
このように、入射する、３波長の光のうち２つの波長の光と、もう１つの波長の光とを直交させて出射する機能を有する波長選択波長板は、後述するように、偏光方向によって回折効率が異なる偏光回折素子と組み合わせたり、偏光ビームスプリッタと組み合わせたり、入射する光の波長毎に異なる機能を持たせる光学系に用いることができる。図１に示す波長選択波長板１、２および３は、遅相軸または進相軸に対応した複屈折性材料の光学軸方向が、波長選択波長板の平面に平行でかつ、厚さ方向に揃った複屈折性材料層からなる複数枚の波長板によって構成される。そして、各々の波長板のリタデーション値および光学軸方向が異なるとともに所定の範囲に設定されることによって、所望の特性を得ることができ、かつ、入射する光の波長変動に対して光学特性が大きく変化しない、つまり、波長依存性が低い安定した光学特性を得ることができる。
【００２６】
以下、具体的な波長選択波長板の構成について説明する。とくに、以下では、波長選択波長板の機能を利用する複合的な光学素子として、波長選択波長板と、偏光方向によって回折効率が異なる特性を有する偏光回折素子と、を備えた波長選択回折素子について説明する。
【００２７】
（波長選択波長板および波長選択回折素子の実施の形態）
図２（ａ）は、本実施の形態に係る波長選択回折素子の基本構成を示す断面模式図である。波長選択回折素子２０は、波長選択波長板２３と偏光回折素子１２とを含む構成を有する。波長選択波長板２３は、第１の波長板２１と第２の波長板２２と、を有し、波長λ１の光、波長λ２の光および波長λ３の光（λ１＜λ２＜λ３）が入射し、後述するように入射する各波長の光に対して、それぞれ所望の位相差を発生させる機能を有する。偏光回折素子１２は、透明基板１３上に複屈折性材料層１４ａが周期的なピッチを有して回折格子１４が形成され、回折格子１４の凹部に透明材料１５が形成されてなる。また、回折格子１４の凸部は、この複屈折性材料層１４ａに相当し、凹部は複屈折性材料層１４ａの間の部分を指す。透明材料１５は、この少なくとも凹部に形成されていればよいが、等方性材料であれば図２（ａ）に示すように凸部を覆う部分に形成されていてもよい。
【００２８】
波長選択波長板２３は、波長選択波長板２３の平面に平行でかつ、厚さ方向に光学軸が揃った複屈折性材料からなる波長板が２枚以上、これらの光学軸が交差するように重ねられて構成されている。具体的には、第１の波長板２１と第２の波長板２２と、を有し、後述するように各波長板の厚さ、入射光と光学軸との角度などのパラメータを設定して所望の光学特性が得られるようにしたものである。また、波長板の光学軸を厚さ方向に揃える手法については、用いる複屈折性材料によって異なるが、公知の手法を用いることができる。
【００２９】
波長選択波長板２３を構成する、第１の波長板２１および第２の波長板２２は、水晶やＬｉＮｂＯ３などの複屈折結晶や、ポリカーボネート、アクリル、ポリエステルなどの有機材料を延伸させることにより延伸方向に光学軸が揃った複屈折性の膜を用いることができる。また、これに限らず、液晶や高分子液晶からなる液晶層を有する波長板、構造性複屈折を有する波長板、斜方蒸着により形成される波長板、フォトニック結晶などを利用することができる。
【００３０】
波長選択波長板２３は、入射する波長λ１の光、波長λ２の光および、波長λ３の光のうち、任意の２つの波長の光に対し、残りの１つの波長の光が略直交するように、設定される。そして、波長選択波長板２３を出射する光の光軸に直交する平面において互いに直交する第１の直線偏光方向と第２の直線偏光方向と、を与えたとき、例えば、特定の２つの波長の光は第１の直線偏光方向の光の成分のみ、残りの１つの波長の光は第２の直線偏光方向の光の成分のみ、となるのが理想である。つまり、波長選択波長板２３を透過した光の所望の方位角Ψに対してずれる角度、即ち、方位角誤差ΔΨが０［°］であり、かつ、偏光状態が直線偏光であって、楕円率κが０であることが理想である。
【００３１】
このような理想的な透過光の場合、特定の偏光方向の成分の光を利用する場合、それと直交する偏光方向の成分の光が無いので、光量を損失する成分がなく、後述する偏光回折素子において、透過または回折に用いる光の利用効率は１００％となる。つまり、波長選択波長板を透過した全ての光のうち、所望の直線偏光方向の成分を１００％として利用効率ηを定義することができる。
【００３２】
本発明の波長選択波長板２３は、このような光の利用効率ηが８０％以上であると、光学系として損失する光成分が少なくて好ましく、利用効率ηが９０％以上であるとより好ましく、９５％以上であるとさらに好ましい。図３は、波長選択波長板２３を透過した光について、横軸に方位角誤差ΔΨ［°］、縦軸に楕円率κを与え、このときの利用効率ηの分布を示したものである。なお、楕円偏光となって透過した場合、楕円の長軸方向を透過した光の方位角としている。図３では、利用効率η＝８０％、９０％および９５％となる組み合わせとなる条件を繋いだ線を示している。これより、利用効率ηが８０％以上となる領域はη＝８０％と示した線の内側の（ΔΨ＝０を含む）領域となる。利用効率ηが９０％以上、９５％以上となる領域も同様の考え方で示される。したがって、所望の利用効率ηを得る場合は、波長選択波長板２３を透過する光のΔΨおよびκを図３の組み合わせに基づいて設定し、実現できる。
【００３３】
図３より、例えば、波長選択波長板２３を出射する光の光軸に直交する平面において互いに直交する第１の方向と第２の方向を与え、入射する波長λ１の光、波長λ２の光および波長λ３の光のうち、波長選択波長板２３を出射する１つの光が第１の方向を基準としたとき、ΔΨは−２６〜２６［°］の範囲であると、利用効率ηが８０％以上となる解を有する。また、楕円率κが大きい値であっても、ΔΨの絶対値が小さい値であると利用効率ηは８０％以上となる。一方、他の２つの波長の光が第２の方向を基準としたとき、ΔΨがいずれも−２６〜２６［°］の範囲であると、利用効率ηが８０％以上となる解を有する。このように、３つの波長の光のうち、１つは第１の方向に対して利用効率ηが８０％以上、かつ、他の２つは第２の方向に対して利用効率ηが８０％以上となる特性を有する、波長選択波長板２３を構成する各波長板の条件を設定する。
【００３４】
このように波長選択波長板２３は、入射する各波長の光に対して所望の偏光状態となるように、第１の波長板２１と第２の波長板２２の各パラメータを設定する。具体的に、ポワンカレ球を用いた設計の原理を説明する。ここで、入射する光の波長近傍の波長λＲにおける第１の波長板２１のリタデーション値をＲｄ１（λＲ）、第２の波長板２２のリタデーション値をＲｄ２（λＲ）とし、波長λＲの光に対する、第１の波長板２１の位相差と第２の波長板２２の位相差を、それぞれΦ１、Φ２とするとき、
Φ１＝Ｒｄ１（λＲ）／λＲ＝（ｍ１／２）λＲ          ・・・  （１ａ）
Φ２＝Ｒｄ２（λＲ）／λＲ＝（ｍ２／２）λＲ          ・・・  （１ｂ）
（ただし、ｍ１，ｍ２は自然数）、
が成立する特性を有するものとする。
【００３５】
このとき、波長選択波長板２３を透過する光の偏光状態をストークスパラメータＳで表し、後述するミュラー行列を解くことによって、Ｒｄ１（λＲ）およびＲｄ２（λＲ）の条件を求めることができる。なお、ストークスパラメータＳは、通常（Ｓ０、Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）の４次元ベクトルで表すことができ、Ｓ０は光の強度、Ｓ１は例えばＸ軸方向を基準に０°方向に振動する電場の強度、Ｓ２は４５°方向に振動する電場の強度、そしてＳ３は円偏光の強さを意味するものである。以降、ストークスパラメータＳは光の強度Ｓ０を省略して（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の３次元ベクトルとして説明をする。
【００３６】
ここで、完全偏光状態のストークスパラメータを用いて入射する光のストークパラメータＳａを、Ｓａ＝（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）とし、この光が第１の波長板２１、第２の波長板２２の順にＺ方向に進行して入射するものとする。図２（ｂ）は、波長選択波長板２３の平面を示す模式図であり、波長選択波長板２３に入射する直線偏光の偏光方向２４をＸ軸方向とし、これを基準にして第１の波長板２１の光学軸２５とのなす角度をα１［°］、第２の波長板２２の光学軸２５とのなす角度をα２［°］、とする。角度の符号の考え方は、光が入射する面から見て、入射する直線偏光の偏光方向２４を基準に反時計回りにプラス（＋）、時計回りにマイナス（−）とする。また、第１の波長板２１の光学軸２５と第２の波長板の光学軸２６とは、互いに遅相軸同士、または互いに進相軸同士のいずれかの組み合わせであって、以下、とくに説明がない場合は、互いに遅相軸同士の組み合わせであるものとする。なお、このα１およびα２はプレチルト角ともいう。
【００３７】
さらに、入射する互いに異なる波長の光の数をｎ個（ｎ≧２の整数）とし、ｋを１〜ｎの間のいずれか１つの整数として、波長λｋの光が第1の波長板２１で発生する位相差をΦ１ｋとしたとき、第1の波長板２１を出射する光の偏光状態を表すストークスパラメータＳｋｂ＝（Ｓ１ｋｂ，Ｓ２ｋｂ，Ｓ３ｋｂ）は、以下の式（２）で表すことができる。
【００３８】
【数１】
2011233208.tif 000003
【００３９】
ここで、波長λ１の光（ｋ＝１）が入射するとき、第１の波長板の常光屈折率ｎｏ１（λ１）と異常光屈折率ｎｅ１（λ１）との差の絶対値で表される屈折率異方性をΔｎ１（λ１）、第１の波長板２１の厚さ（ギャップ）をｄ１とすると、
Δｎ１（λ１）×ｄ１＝ｐ×λ１                          ・・・  （３）
（ただし、ｐ≧２の整数）、
となるように厚さｄ１を調整する。また、波長λ２の光が入射するとき、第１の波長板２１を出射する光のストークスパラメータは、上記の式（２）においてｋ＝２として表すことができる。したがって、この場合、位相差はΦ１２で表すことができる。
【００４０】
また、図４は、ポワンカレ球を示すものであって、任意の偏光状態である点Ａを与えたときのポワンカレ球上の偏光の緯度をθ２ｂＳ１、ポワンカレ球上の偏光の緯度をθ２ｂＳ３とすると、これらは以下の式（４ａ）および式（４ｂ）で表すことができる。ここで例えば、角度θ２ｂＳ１の「２ｂＳ１」のうち、「２」は「ｋ」番目の波長を表し、「ｂ」は（第１の波長板を）出射した光という意味で、「Ｓ１」はＳ１軸に関するものとする。なお、式（４ａ）において、Ｓ１２ｂは任意の点ＡにおけるＳ１軸の成分、Ｓ２２ｂは任意の点ＡにおけるＳ２軸の成分、そしてＳ２２ｂは任意の点ＡにおけるＳ２軸の成分を表す。
【００４１】
【数２】
2011233208.tif 000004
【００４２】
ただし、θ２ｂＳ１は、Ｓ２２ｂ＜０となる場合、符号がマイナスとなる。また、波長λ１および波長λ２といずれも異なる波長である波長λ３の光についても同様に、ポワンカレ球を用いてθ３ｂＳ１、θ３ｂＳ３を求めることができる。
【００４３】
次に、第２の波長板２２を透過する光の偏光状態の変化について説明する。第２の波長板２２に波長λ１の光が入射するとき、常光屈折率ｎｏ２（λ１）と異常光屈折率ｎｅ２（λ１）との差の絶対値で表される屈折率異方性をΔｎ２（λ１）、第２の波長板２２の厚さ（ギャップ）をｄ２とすると、
Δｎ２（λ１）×ｄ２＝｛（２ｑ＋１）／２｝×λ１              ・・・  （５）
（ただし、ｑ≧０の整数）、
となるように厚さｄ２を調整する。
【００４４】
ここで、波長λｋの光に対して、第２の波長板２２で発生する位相差をΦ２ｋとするとき、波長λ２の光の位相差Φ２２および波長λ３の光の位相差Φ２３を用いて、
Φ２２±θ２ｂＳ３≒ｉπ                    ・・・  （６ａ）
Φ２３±θ３ｂＳ３≒ｊπ                    ・・・  （６ｂ）
（ただし、ｉ，ｊは整数）、
を満たし、さらに、波長λ１の光、波長λ２の光および波長λ３の光うち、いずれか１つの波長の光の偏光状態が、他の波長の光の偏光状態と異なるようにすることによって、出射する光の偏光状態の波長選択性を与えることができる。このとき、とくに、屈折率異方性Δｎ（λ）の波長依存性、つまり波長分散特性を調整することによって、上記の特性となるように調整することができる。
【００４５】
また、第２の波長板２２を出射する光のうち、波長λ１の光の偏光状態と、波長λ２の光の偏光状態および／または波長λ３の光の偏光状態と、を直交させるため、第１の波長板２１に入射する直線偏光の偏光方向と、第２の波長板２２の光学軸とがなす角度であるプレツイスト角α２［°］は、
４５＋（θ３ｂＳ１／４）−１０≦α２≦４５＋（θ３ｂＳ１／４）＋１０          
・・・（７ａ）
４５＋（θ２ｂＳ１／４）−１０≦α２≦４５＋（θ２ｂＳ１／４）＋１０          
・・・（７ｂ）
−４５＋（θ３ｂＳ１／４）−１０≦α２≦−４５＋（θ３ｂＳ１／４）＋１０      
・・・（７ｃ）
−４５＋（θ２ｂＳ１／４）−１０≦α２≦−４５＋（θ２ｂＳ１／４）＋１０      
・・・（７ｄ）
のいずれかを満足するとよい。
【００４６】
また、波長選択波長板２３は、α１およびα２が取り得る範囲をそれぞれ、−１８０［°］＜α１≦＋１８０［°］、−１８０［°］＜α２≦＋１８０［°］としたとき、α１、α２の値がそれぞれ、元の値に対してさらに１８０［°］加えるかまたは、差し引いた値（角度）であっても利用効率ηの値は変化しない。
【００４７】
また、α１、α２の値をそれぞれ、元の値に対して符号を変えた場合も、利用効率ηは変化しない。さらに、α１、α２の値をそれぞれ、元の値に対してさらに９０［°］加えるかまたは、差し引いた値（角度）であれば、これまで光学軸を遅相軸同士として説明していた関係を、進相軸同士として表すことに相当するので、利用効率ηは変化しない。
【００４８】
また、これまで、光が入射する順に第１の波長板２１、第２の波長板２２として説明したが、入射する光の偏光方向を基準としたとき、第１の波長板２１の光学軸とがなす角度、および第２の波長板２２の光学軸とがなす角度をそれぞれ同じように配置すると、光が入射する順が逆（第２の波長板２２、第１の波長板２１の順）になっても同様の光学特性を有する波長選択性を発生する。なお、第１の波長板２１および第２の波長板２２は、それぞれ、入射する光の屈折率の波長分散特性を満足すれば互いに同一の材料で構成されていても、異なる材料で構成されていてもよい。同一の材料で構成されていれば、例えば、温度変化に対する変形が生じてもこれらの波長板間で大きな歪みなどが発生しないので、構造上好ましい。
【００４９】
次に、入射する光の波長と第１の波長板２１の厚さ、第２の波長板２２の厚さと、固有である複屈折性材料の屈折率の波長分散特性との関係を一般化することを考える。ここで、任意の波長をλ、特定の波長をλＡとし、波長λの光に対する波長板の常光屈折率をｎｏ（λ）、異常光屈折率をｎｅ（λ）とし、波長λＡの光に対する波長板の常光屈折率をｎｏ（λＡ）、異常光屈折率をｎｅ（λＡ）とすると、それぞれの波長の光に対する屈折率異方性Δｎ（λ）、Δｎ（λＡ）は、
Δｎ（λ）＝｜ｎｅ（λ）−ｎｏ（λ）｜                  ・・・  （８ａ）
Δｎ（λＡ）＝｜ｎｅ（λＡ）−ｎｏ（λＡ）｜            ・・・  （８ｂ）
となる。
【００５０】
また、それぞれの波長の屈折率異方性Δｎ（λ）、Δｎ（λＡ）を用いて、波長選択波長板２３に入射する光の波長依存性を表すパラメータΛを、
Λ＝｛Δｎ（λＡ）・λ｝／｛Δｎ（λ）・λＡ｝          ・・・  （９）
で与える。
【００５１】
次に、厚さｄ１の第１の波長板２１に、特定の波長λＡの光が入射したとき、波長λＡを基準とした厚さをｄ１（λＡ）とし、厚さｄ２の第２の波長板２２に、特定の波長λＡの光が入射したとき、波長λＡを基準とした厚さをｄ２（λＡ）とすると、
ｄ１（λＡ）＝Δｎ（λＡ）・ｄ１／λＡ                    ・・・  （１０ａ）
ｄ２（λＡ）＝Δｎ（λＡ）・ｄ２／λＡ                    ・・・  （１０ｂ）
となる。なお、ここでは、第１の波長板２１と、第２の波長板２２はいずれも同じ材料、つまり、同じ屈折率異方性を有するものとする。
【００５２】
このとき、第１の波長板２１と第２の波長板２２から構成される波長選択波長板２３のｄ１（λＡ）およびｄ２（λＡ）を、下記の表１の設計例１に示すようにそれぞれ２、１とし、プレツイスト角α１、α２をそれぞれ設定した。なお、比較例１として、第２の波長板２２を設けない場合についての条件も示す。
【００５３】
【表１】
2011233208.tif 000005
【００５４】
表１の条件において、波長選択波長板２３へ入射する直線偏光の光の偏光方向を０°（図２のＸ軸方向）とし、出射側に直線偏光の透過偏光方向が０°となるように偏光子を設置した際の透過率特性を考える。図５は、設計例１の条件において、式（９）で定義したΛに対する、偏光透過率Ｔｐ［％］を示したものである。なお、波長選択波長板２３へ入射する０°方向の直線偏光の光強度を１００％としたものである。
【００５５】
図５より、偏光透過率Ｔｐが１００％付近の帯域と０％付近の帯域は出射偏光が直交している状態を表している。つまり、波長選択波長板２３へ入射する直線偏光の偏光方向がＸ軸方向である場合、偏光透過率Ｔｐが１００％付近では、出射する光の偏光方向がほぼＸ軸方向となるが、一方、偏光透過率Ｔｐが０％付近では、出射する光の偏光方向がほぼＹ軸方向となる。そのため、波長選択波長板２３に入射する複数の波長帯の光のうち、例えば、２つの光を互いに直交した直線偏光の光として出射させる場合、それぞれの光の波長帯が、偏光透過率Ｔｐが０％となる１／２波長板として機能させる波長帯と、Ｔｐが１００％となる波長板（λ板）として機能させる波長帯となるように、ｄ１、ｄ２を調整することで任意の波長域に対して選択的に機能する波長選択波長板とすることができる。
【００５６】
なお、図５は、偏光透過率Ｔｐが約１００％となるΛの値、偏光透過率Ｔｐが約０％となるΛの値が得られる。波長選択波長板に入射する３つの光の波長の組み合わせを考えたとき、３波長のうち、１つはＴｐが約１００％、他の２つはＴｐが約０％の組み合わせとなるようにするかまたは、２つはＴｐが約１００％、他の１つはＴｐが約０％の組み合わせとなるように設計するとよい。なお、偏光透過率Ｔｐと上記の利用効率ηとの関係を考えたとき、上記の説明のように利用効率ηが８０％以上であれば好ましいので、Ｔｐ＝１００％が理想となる波長帯の光に対してＴｐ≧８０％であるとともに、Ｔｐ＝０％が理想となる波長帯の光に対してＴｐ≦２０％が実現できると好ましい。
【００５７】
また、Ｔｐ＝１００％が理想となる波長帯の光に対してＴｐ≧９０％であるとともに、Ｔｐ＝０％が理想となる波長帯の光に対してＴｐ≦１０％が実現できるとより好ましく、Ｔｐ＝１００％が理想となる波長帯の光に対してＴｐ≧９５％であるとともに、Ｔｐ＝０％が理想となる波長帯の光に対してＴｐ≦５％が実現できるとさらに好ましい。このように波長選択波長板に入射する３波長の光の組み合わせに対して、以降の設計例においても、それぞれ利用効率ηを８０％以上となるように設計することが好ましい。
【００５８】
具体的な設計手法として、例えば、波長λ１の光に対して、第１の波長板２１のリタデーション値Ｒｄ１（λ１）がｓ１・λ１、そして、第２の波長板２２のリタデーション値Ｒｄ２（λ１）がｓ２・λ１と設定（ｓ１，ｓ２≧１の整数）して、第１の波長板２１および第２の波長板２２それぞれが、λ１の整数倍の波長板となる条件において設計の中心値を定める。そして、Λ全体に対して、利用効率ηが８０％以上、つまりＴｐ≧８０％、Ｔｐ≦２０％となるΛの範囲が大きくなるように繰り返し計算をし、さらに、３波長の光に対して、所望のＴｐが得られるようにすることで、第１の波長板２１および第２の波長板２２の各設計条件を求めることができる。
【００５９】
図６は、比較例１の条件において、式（９）で定義したΛに対する、偏光透過率Ｔｐ［％］を示したものである。図５と図６とを比較すると、設計例１の条件における図５は、偏光透過率Ｔｐが１００％付近の帯域と、０％付近の帯域が広がり、その間の過渡領域の帯域が狭まっていることがわかる。一方、比較例１の条件における図６は、偏光透過率Ｔｐが１００％付近の帯域と、０％付近の帯域が狭まっており、設計例１に比べて波長選択の任意性が低い。つまり、設計例１に比べると比較例１では、Ｔｐ＝０％とする波長の光と、Ｔｐ＝１００％とする波長の光との組み合わせを多数得ることができないため、一方の波長の光のＴｐを所望の値（０％または１００％）にすると、他方の波長の光のＴｐが中間的なレベルになってしまうことがある。このように、設計例１は波長選択波長板として機能する波長域が広帯域化されており、比較例１に対して波長依存性の特性が大きく改善されていることがわかる。
【００６０】
このように、設計例１において、プレツイスト角α１、α２がそれぞれ１６°、−４３°で図５のように、それぞれの波長帯の光に対して波長選択波長板２３を出射する光を互いに直交させる例を示したが、任意の波長帯の組み合わせにおいて、波長選択波長板２３を出射する光を互いに直交させる場合は、設計例１のα１、α２を基準として、プレチルト角α１´、α２´を、
α１´＝α１＋θ                                ・・・  （１１ａ）
α２´＝α２＋ｋ・θ                            ・・・  （１１ｂ）
として（ｋは係数、θは角度［°］）調整するとよい。図７は、ｋ＝１．５と固定し、θ＝０、５、１０、１５、２０、２５［°］と変化させたときにおける、式（９）で定義したΛに対する、偏光透過率Ｔｐ［％］を示したものである。
【００６１】
図７に示すように、θの値を変化させることで特定の波長帯における偏光透過率Ｔｐは変化する。このように、プレツイスト角を調整する方法で、波長選択する波長帯の組み合わせを制御することができる。また、kの取り得る範囲は、１〜２の範囲となり、１から２へ変化すると、帯域の制御範囲が広がるが、Λの変化に対するＴｐの変化が緩やかとなるので、波長選択する波長帯の組み合わせが互いに近い波長帯、比較的遠い波長帯である場合など、目的とする仕様に応じてｋの値を設定するとよい。また、θの取り得る範囲は、０〜２０°の範囲と０〜−２０°の範囲でも成立し、総じて−２０°〜＋２０°程度となる。
【００６２】
以下に、上記に示した設計例１を初期値に設定して、対象となる３つの波長帯の光について実際に設計し、最適化した場合の各パラメータ値の取り得る範囲の一例を示す。想定している３つの波長の組み合わせは、４０５ｎｍ、６６０ｎｍ、７９０ｎｍ、もしくは、４６０ｎｍ、５３０ｎｍ、６６０ｎｍ付近とする。最適化の方法としては、偏光透過率が所望の値に近づくように各パラメータを個別に変化させることを繰り返せば容易に可能である。
【００６３】
ここで、波長λに依存するパラメータとしてＷ（λ）を、
Ｗ（λ）＝Δｎ（λ）・ｄ／λ                  ・・・  （１２）
として与える。また、対象となる３つの波長は、それぞれλａ、λｂ、λｃとして与え、波長λａは、他の２つの波長λｂ、λｃの偏光と出射光が直交する波長であるものとする。また、例えば、式（１２）を用いて、２つの波長λａ、λｂに対して得られる値の差分ΔＷａｂは、ΔＷａｂ＝Ｗ（λａ）−Ｗ（λｂ）で表すものとする。なお、Ｗ１（λａ）とする場合、上記の式（１２）に基づき、波長λａの光に対する第１の波長板２２のパラメータに相当する。
【００６４】
ここで、対象となる３つの波長の大小関係を、λａ＜λｂ＜λｃとして考える。ΔＷｂａ、ΔＷｃｂを変数として考え、第１の波長板２１のプレツイスト角α１、第２の波長板２２のプレツイスト角α２、波長λａの光における第１の波長板のＷ１（λａ）、波長λａの光における第２の波長板のＷ２（λａ）の条件を計算すると以下の結果を得た。
【００６５】
後述するように、３つの波長を光ヘッド装置用の波長の組み合わせ、投射型表示装置用の波長の組み合わせとして考えたとき、使用する複屈折性材料を考慮すると、実用的な範囲では以下のように設計すればよい場合が多い。ここで、α１、α２、Ｗ１（λａ）およびＷ２（λａ）をパラメータとして、以下、
α１＝２０°、
α１−α２＝５５°、
Ｗ１（λａ）＝２．０、
Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）＝２．０、
をパラメータの中心値として波長選択波長板２３を設計することで最適値を容易に得ることができる。
【００６６】
また、上記の各パラメータを変更する範囲として、α１に対して変化させるΔα１の値は、−１０°〜＋１０°の範囲、（α１−α２）に対して変化させるΔ（α１−α２）の値は、−１０°〜＋１０°の範囲、Ｗ１（λａ）に対して変化させるΔＷ１（λａ）の値は、−０．１５〜＋０．１５の範囲、そして、｛Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）｝に対して変化させるΔ｛Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）｝の値は−０．１５〜＋０．１５の範囲を想定しておけばよい。
【００６７】
次に、対象となる３つの波長の大小関係が、λｂ＜λａ＜λｃとなる場合を考える。そして、α１、α２、Ｗ１（λａ）、Ｗ２（λａ）を計算により求めると、０．２５＜Ｗ１（λｂ）／Ｗ１（λａ）≦０．７５、の場合は、上記のように実用的な範囲では、
α１＝２０°、
α１−α２＝５５°、
Ｗ１（λａ）＝１．９、
Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）＝２．０、
と設計すればよい場合が多い。
【００６８】
もしくは、
Ｗ１（λａ）＝２．２、
Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）＝３．０、
をパラメータの中心値として波長選択波長板２３を設計することで最適値を容易に得ることができる。
【００６９】
また、上記の各パラメータを変更する範囲としては、α１に対して変化させるΔα１の値は、−１０°〜＋１０°の範囲、（α１−α２）に対して変化させるΔ（α１−α２）の値は、−１０°〜＋１０°の範囲、Ｗ１（λａ）に対して変化させるΔＷ１（λａ）の値は、−０．２〜＋０．２の範囲、そして、｛Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）｝に対して変化させるΔ｛Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）｝の値は−０．１５〜＋０．１５の範囲を想定しておけばよい。
【００７０】
また、０．７５＜Ｗ１（λｂ）／Ｗ１（λａ）＜１．２５の場合は、上記のように実用的な範囲では、
α１＝４０°、
α１−α２＝４５°、
Ｗ１（λａ）＝２．０、
２．０＜Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）＜３．０、
をパラメータの中心値として波長選択波長板２３を設計することで最適値を容易に得ることができる。
【００７１】
また、上記の各パラメータを変更する範囲としては、α１に対して変化させるΔα１の値は、−１０°〜＋１０°の範囲、（α１−α２）に対して変化させるΔ（α１−α２）の値は、−１０°〜＋１０°の範囲、そして、Ｗ１（λａ）に対して変化させるΔＷ１（λａ）の値は、−０．１５〜＋０．１５の範囲を想定しておけばよい。
【００７２】
次に、対象となる３つの波長の大小関係が、λｂ＜λｃ＜λａとなる場合を考える。そして、α１、α２、Ｗ１（λａ）、Ｗ２（λａ）を計算より求めると、Ｗ１（λｂ）／Ｗ１（λａ）≦０．５の場合は、上記のように実用的な範囲では、
α１＝２０°、
α１−α２＝５５°、
Ｗ１（λａ）＝２．０、
Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）＝２．０、
をパラメータの中心値として波長選択波長板２３を設計することで最適値を容易に得ることができる。
【００７３】
また、上記の各パラメータを変更する範囲としては、α１に対して変化させるΔα１の値は、−１０°〜＋１０°の範囲、（α１−α２）に対して変化させるΔ（α１−α２）の値は、−１０°〜＋１０°の範囲、Ｗ１（λａ）に対して変化させるΔＷ１（λａ）の値は、−０．１５〜＋０．１５の範囲、そして、｛Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）｝に対して変化させるΔ｛Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）｝の値は−０．１５〜＋０．１５の範囲を想定しておけばよい。
【００７４】
また、Ｗ１（λｂ）／Ｗ１（λａ）＞０．５の場合は、上記のように実用的な範囲では、
α１＝３０°、
α１−α２＝３７°、
Ｗ１（λａ）＝１．７もしくは、２．７
Ｗ２（λａ）＝１．０
をパラメータの中心値として波長選択波長板２３を設計することで最適値を容易に得ることができる。
【００７５】
また、上記の各パラメータを変更する範囲としては、α１に対して変化させるΔα１の値は、−１０°〜＋１０°の範囲、（α１−α２）に対して変化させるΔ（α１−α２）の値は、−１０°〜＋１０°の範囲、Ｗ１（λａ）に対して変化させるΔＷ１（λａ）の値は、−０．１５〜＋０．１５の範囲、そして、｛Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）｝に対して変化させるΔ｛Ｗ１（λａ）／Ｗ２（λａ）｝の値は−０．１５〜＋０．１５の範囲程度を想定しておけばよい。
【００７６】
次に、波長λ１の光、波長λ２の光および波長λ３の光を光ヘッド装置に対応した波長の光として、具体的にそれぞれ波長λ１＝４０５ｎｍ、波長λ２＝６６０ｎｍ、そして波長λ３＝７８５ｎｍとして考える。そして、波長λ１の光の偏光状態と、波長λ２の光の偏光状態および波長λ３の光の偏光状態とを直交させるための第１の波長板２１および第２の波長板２２の各パラメータを設定するものとする。各パラメータに関しては、前記のλａ＜λｂ＜λｃの場合を用いた。また、３９５ｎｍ〜４２０ｎｍの波長範囲を４０５ｎｍ波長帯、６４０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長範囲を６６０ｎｍ波長帯、そして、７６５ｎｍ〜８０５ｎｍの波長範囲を７８５ｎｍ波長帯と定義する。
【００７７】
このとき、波長λ１の光に対して、第１の波長板２１のリタデーション値Ｒｄ１（λ１）が２λ１（＝８１０ｎｍ）、そして、第２の波長板のリタデーション値Ｒｄ２（λ１）が約λ１（≒４０６ｎｍ）と設定されたものを組み合わせることによって波長選択性を有する波長選択波長板２３とすることができる。このとき、第１の波長板２１および第２の波長板２２を形成する材料としては、一般的な複屈折性を有する材料を用いることができ、４０５ｎｍの波長の光に対する屈折率異方性Δｎ（４０５）に対する、６６０ｎｍの波長の光に対する屈折率異方性Δｎ（６６０）の比率で定義される分散比が、例えば１．０〜１．３の範囲にある材料において実現することができる。
【００７８】
なお、波長λ１の光に対して、第１の波長板２１のリタデーション値Ｒｄ１（λ１）が、２λ１としたが、Ｒｄ１（λ１）はλ１の３以上の整数倍とほぼ同じ値であってもよい。さらに、波長λ１の光に対して、第２の波長板のリタデーション値Ｒｄ２（λ１）が約λ１としたが、λ１の０．５の整数倍とほぼ同じ値であってもよい。
【００７９】
次に、具体的に波長選択波長板２３に、波長λ１の光、波長λ２の光および波長λ３の光が入射して出射するまでの偏光状態の変化について説明する。図８は、各波長の光の偏光状態の変化を表すポワンカレ球であり、図８（ａ）は波長λ１の光、図８（ｂ）は波長λ２の光、そして図８（ｃ）は波長λ３の光に対するものである。そして、波長選択波長板２３の入射するいずれの波長の光ともＳ１軸成分、つまりＸ軸方向に振動方向を有する直線偏光の光である。
【００８０】
また、図８（ａ）、図８（ｂ）および図８（ｃ）は、それぞれ波長選択波長板２３を出射する光の偏光状態に至るまでのポワンカレ球上の軌跡について模式的に示している。波長λ１（＝４０５ｎｍ）の光は、第１の波長板２１におけるポワンカレ球上の軌跡４１ａを経て、その後、第２の波長板２２におけるポワンカレ球上の軌跡４２ａを経て出射されるが、図８（ａ）に示すように、第１の波長板２１に入射するＸ軸方向の直線偏光の光となって出射される。
【００８１】
波長λ２（＝６６０ｎｍ）の光は、第１の波長板２１におけるポワンカレ球上の軌跡４１ｂを経た後、第２の波長板２２におけるポワンカレ球上の軌跡４２ｂを経て出射されるが、図８（ｂ）に示すように第１の波長板２１に入射するＸ軸方向の直線偏光の光と直交するＹ軸方向の直線偏光の光となって出射される。波長λ３（＝７８５ｎｍ）の光も、図８（ｃ）に示すように第１の波長板２１におけるポワンカレ球上の軌跡４１ｃおよび、第２の波長板２２におけるポワンカレ球上の軌跡４２ｃを経てＹ軸方向の直線偏光の光となって出射される。
【００８２】
このように各波長の光によってそれぞれポワンカレ球上で軌跡を有するが、この中で、とくに波長λ１の光に対し、第１の波長板２１は位相差が２λ１発生する２λ板として機能し、さらに第２の波長板２２は位相差がλ１発生するλ板として機能するので、入射するときと同一の位置に戻るような軌跡を辿る。また、図８より、波長λ１の光は、波長λ２の光および波長λ３の光の軌跡に比べて、ポワンカレ球上での移動距離が長くなっている。これは、波長λ１の光が第１の波長板２１を透過する際に移動した軌跡に対して、第２の波長板２２を透過する際に移動する軌跡によって元の位置に戻るように配置することで、波長λ２の光および波長λ３の光に対して大きな波長依存性を有することなく波長λ１の光の偏光方向に対して直交した偏光方向としているからである。
【００８３】
また、波長λ１を４０５ｎｍとしたが、３９５〜４２０ｎｍの波長帯域とする４０５ｎｍ波長帯のいずれかの波長の光であっても、波長選択波長板２３を出射する光の偏光状態が大きく変わらず安定する。同様に、波長λ２を６４０〜６８０ｎｍの波長帯域とする６６０ｎｍ波長帯のいずれかの波長の光、波長λ３を７６５〜８０５ｎｍの波長帯域とする７８５ｎｍ波長帯のいずれかの波長の光としても、波長選択波長板２３を出射する光の偏光状態が大きく変わらず安定する。
【００８４】
上記では、波長選択波長板２３を出射する波長λ１の光の偏光方向と、波長選択波長板２３を出射する波長λ２の光の偏光方向および波長λ３の光の偏光方向と、がなす角度を９０°とするようにしたがこれに限らない。波長選択波長板２３に入射する光の偏光方向と第１の波長板２１の光学軸とがなす角度、第１の波長板２１の光学軸と第２の波長板２２の光学軸とがなす角度を調整することによって、例えば同じ偏光方向で入射する波長λ１の光、波長λ２の光、波長λ３の光に対して、波長選択波長板２３を出射する波長λ１の光の偏光方向と、波長選択波長板２３を出射する波長λ２の光および波長λ３の光の偏光方向との差を任意に与えるような設計ができる。このような場合でも、第１の波長板２１および第２の波長板２２を構成する材料の屈折率の分散特性を利用するものであるが、同じ材料で構成されても異なる材料で構成されてもよい。
【００８５】
また、これまで波長λ１の光、波長λ２の光および波長λ３の光は具体的に光ヘッド装置に用いられる波長を具体的に例示したが、これに限らない。例えば、このほかに３色のレーザ光を用いた投射型表示装置（プロジェクタ）用として用いられるＢｌｕｅ（４２０〜４８０ｎｍ）となる４５０ｎｍ波長帯、Ｇｒｅｅｎ（５２０〜５６０ｎｍ）となる５３３ｎｍ波長帯およびＲｅｄ（６１０〜６７０ｎｍ）となる６４５ｎｍ波長帯をそれぞれ、これら波長λ１、波長λ２および波長λ３として設計するものであってもよい。
【００８６】
次に、偏光回折素子１２の機能について説明する。図２（ａ）に、例として波長λ１の光と波長λ２の光、波長λ３の光とが、Ｘ方向の直線偏光の光として第１の波長板２１からＺ方向に進行し、波長選択波長板２３によって、波長λ１の光はＸ方向の直線偏光の光、波長λ２の光および波長λ３の光はＹ方向の直線偏光の光となって偏光回折素子１２に入射する場合について考える。ここで、偏光回折素子１２は、Ｘ方向の直線偏光の光で入射する波長λ１の光は直進透過させ、波長選択波長板２３によってＹ方向の直線偏光の光に変化して入射する波長λ２の光、波長λ３の光は回折させる機能を有する。
【００８７】
この場合、例えば、回折格子１４を形成する複屈折性材料層１４ａは、常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅを有し、透明材料１５が等方性屈折率ｎｓであってｎｏと略等しい屈折率を有するもので構成されており、さらに、複屈折性材料層１４ａの異常光屈折率となる方向が回折格子１４の長手方向であるＹ方向とする。このとき、Ｘ方向の直線偏光の光で入射する波長λ１の光は屈折率ｎｓと常光屈折率ｎｏとの間で屈折率の差が発生しないので直進透過し、Ｙ方向の直線偏光の光で入射する波長λ２の光、波長λ３の光は屈折率ｎｓと異常光屈折率ｎｅとの間で屈折率の差を有するので、回折する。
【００８８】
また、偏光回折素子１２は、Ｘ方向の直線偏光の光を透過し、Ｙ方向の直線偏光の光を回折するとしたが、波長選択波長板２３の機能によって、この透過／回折する偏光方向が変わってもよい。例えば、波長選択波長板２３に３波長の光がいずれもＸ方向の直線偏光の光として入射し、波長λ１の光がＸ方向より２５°の直線偏光の光となって出射、波長λ２の光および波長λ３の光が−６５°の直線偏光の光となって出射するものであって、回折格子１４の凹凸の長手方向が例えば−６５°の方向に一致していていれば、同様に波長λ１の光が高い効率で透過し、波長λ２の光および波長λ３の光は高い効率で回折する。また、図２（ａ）に示す回折格子１４は回折格子構造を模式的に表したものであって、凹凸の長手方向がＹ方向としているが、波長選択波長板２３の機能に応じて凹凸の長手方向を調整した構造であってもよい。
【００８９】
偏光回折素子１２は、波長選択回折素子２０に要求される機能によって様々な形態が考えられるが、例えば、図２（ａ）のように回折格子１４の断面が周期的なピッチを有する矩形状の凹凸を有する場合、回折によって±１次回折光、±２次回折光、・・・、を発生させることができる。また、回折によって０次回折光（直進透過光）を発生させないようにしたり、０次回折光と±１次回折光との光量比を一定の割合で発生させたりすることもできる。例えば、複屈折性材料層１４ａの高さをｈとし、屈折率異方性Δｎ（＝｜ｎｅ−ｎｏ｜）、ｈとΔｎとの積からなる複屈折性材料層１４ａのリタデーション値を調整することによって、０次回折光の回折効率η０、±１次回折光の回折効率η±１などを調整することができる。
【００９０】
また、回折格子１４の断面が矩形状のものとして説明したが、これに限らない。例えば、＋１次回折光のみの回折効率を高くするために断面がブレーズ形状であったり、ブレーズ形状を階段状に近似させた疑似ブレーズ形状のものであったりしてもよい。さらに、入射する光の光軸を中心として平面が同心円状の凹凸を有するフレネルレンズ形状を有するものであってもよく、この場合、入射する光の偏光方向によってレンズ機能を発生し、進行する光の発散状態を変えることができる。なお、複屈折性材料層１４ａとして、液晶、高分子液晶、フォトニック結晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、水晶など利用できる。
【００９１】
また、透明材料１５は、入射する光において透明であればいずれの材料であってもよく、複屈折性がない等方性材料を用いることができるが、これに限らない。例えば、複屈折性材料で構成する場合、複屈折性材料層１４ａに用いる材料の光学軸方向における屈折率および屈折率の波長分散が一致するような材料であるとよい。特定の光学軸方向となって偏光回折素子１２に入射する波長λの光について、複屈折性材料層１４ａと透明材料１５との間の屈折率の差をΔｎＡとすると、回折格子１４におけるこれらの材料を透過する波長λの光の光路差ΔｎＡ・ｈを、０．１λ以下とすることで直進透過率（＝０次回折効率：η０）が８０％以上となるので好ましい。さらにΔｎＡ・ｈを、０．０５λ以下とすることでη０が９０％以上となるのでより好ましい。
【００９２】
また、偏光回折素子１２に入射する光のうち回折させる波長の光の偏光方向は、偏光回折素子１２で回折する偏光方向と一致すると高い回折効率で回折させることができる。例えば偏光回折素子１２において回折格子１４の凹凸の長手方向に相当するＹ方向が、回折する偏光方向とすると、偏光回折素子１２に入射する光のうち回折させる波長の光の偏光方向がＹ方向を基準に１０°以内（−１０°〜＋１０°の範囲内）であると好ましく、５°以内（−５°〜＋５°の範囲内）であるとより好ましい。
【００９３】
つまり、このことは図３に示す利用効率ηと関係があり、Ｙ方向を基準に１０°以内であれば、楕円率κが０．４５以下であっても利用効率ηが８０％以上となり、さらに５°以内であれば、楕円率が約０．５以上であっても利用効率ηが８０％以上となる。また、この角度（方位角ΔΨ）が２５°以内であっても、楕円率κが０．１５以内であれば、利用効率ηが８０％以上となる。
【００９４】
（光ヘッド装置に係る第１の実施の形態）
本実施形態は、３波長のレーザ光が共通する光路中に波長選択回折素子を配置した光ヘッド装置である。また、光ヘッド装置の構成によって、要求される波長選択回折素子の機能、それに基づく構造が異なるので、光ヘッド装置の構成と関連させて、波長選択回折素子についても説明する。
【００９５】
図９は、３波長の光を用い、それぞれの規格の光ディスクの記録・再生を行う互換性のある光ヘッド装置１００の模式図である。半導体レーザ等の光源１０１ａからＸ方向に発射された４０５ｎｍ波長帯の光は、グレーティング素子１０２ａで回折されて３ビームとなり、ダイクロイックプリズム１０３、１０４、そして偏光ビームスプリッタ１０５を透過し、コリメータレンズ１０６で平行光となって、ミラー１０７によってＺ方向に偏向され１／４波長板１０８を透過して対物レンズ１０９によって集光されて光ディスク１１０の情報記録面に集光する。なお、光源から光ディスクに至るまでの光路を「往路」とし、（反射して）光ディスクから光検出器に至るまでの光路を「復路」とする。
【００９６】
ダイクロイックプリズム１０３は４０５ｎｍ波長帯の光を透過し、６６０ｎｍ波長帯の光を反射する機能を有する。また、ダイクロイックプリズム１０４は、４０５ｎｍ波長帯の光および６６０ｎｍ波長帯の光を透過し、７８５ｎｍ波長帯の光を反射する機能を有する。また、対物レンズ１０９は、これら３波長の光に対して互換性があり、とくにＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯の光を発散しながら入射させることで光の利用効率が高くなる。
【００９７】
光源１０１ｂから発射された６６０ｎｍ波長帯の光は、グレーティング素子１０２ｂで回折されて３ビームとなり、ダイクロイックプリズム１０３を反射し、ダイクロイックプリズム１０４および偏光ビームスプリッタ１０５を透過する。光源１０１ｃから発射された７８５ｎｍ波長帯の光は、グレーティング素子１０２ｃで回折されて３ビームとなり、ダイクロイックプリズム１０４を反射し、偏光ビームスプリッタ１０５を透過する。偏光ビームスプリッタを透過した６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光は、４０５ｎｍ波長帯の光と同様に光ディスク１１０に到達する。
【００９８】
光ディスク１１０を反射した各波長帯の復路の光は、対物レンズ１０９を透過し、１／４波長板１０８を透過した際に往路の直線偏光の光と直交する直線偏光の光となり、反射ミラー１０７で反射され、コリメータレンズ１０６を透過し、偏光ビームスプリッタ１０５を反射する。そして、シリンドリカルレンズ１１１を透過し、後述する波長選択回折素子５０を透過して光検出器１１２に到達する。ここで、３つの波長の光は、光検出器１１２のいずれも同じ位置に到達するように、波長選択回折素子５０によってＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯の光に対してのみ凹レンズ機能を発生させ、復路の光の焦点距離を調整している。なお、図９では、ＢＤ用の４０５ｎｍ波長帯の光およびＤＶＤ用の６６０ｎｍ波長帯の光の軌道は実線、ＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯の光の軌道は点線で示す。
【００９９】
次に、具体的に波長選択回折素子５０について説明する。図１０（ａ）は、波長選択回折素子５０の構成を示す断面模式図であり、波長選択波長板５１と偏光回折素子５２から構成されている。波長選択波長板５１は、波長選択波長板の実施の形態で説明したように、光学軸が厚さ方向に揃った波長板を、光学軸を交差させて２層に積層した構成のものを用いる。偏光回折素子５２は、透明基板５３上に複屈折性材料層５４ａが、断面がフレネルレンズ形状をした回折格子５４として形成され、回折格子５４の凹部に透明材料５５が形成されてなる。また、回折格子５４の凸部は、この複屈折性材料層５４ａに相当し、凹部は複屈折性材料層５４ａの間の部分を指す。透明材料５５は、この少なくとも凹部に形成されていればよいが、等方性材料であれば図１０（ａ）に示すように凸部を覆う部分に形成されていてもよい。
【０１００】
次に、フレネルレンズの形状について説明する。フレネルレンズは、光軸を中心に同心円状のブレーズ形状をなしており、各ブレーズ形状の頂点を結んでできる円をブレーズ輪とする。そして、断面のブレーズ形状は、階段状に近似した形状の疑似ブレーズ形状であってもよい。図１０（ｂ）は、凹レンズ作用を発生させるフレネルレンズの形状について説明するための図であり、図１０（ｂ）の曲線αは、レンズを通過した後の光が受ける位相の変化量の差分の分布を示すものである。ここで、凹レンズの機能とする場合、位相の変化量の差分の分布は式（１３）で表される。
φ（ｒ）＝ａ１ｒ２＋ａ２ｒ４＋ａ３ｒ６＋ａ４ｒ８＋・・・    ・・・  （１３）
ここで、ｒは光軸からの半径方向の距離であり、ａｉ（ｉ＝１、２、３、４、・・・）は定数であり、φ（ｒ）は距離ｒにおける位相の変化量の差分の分布である。
【０１０１】
そして、凹レンズ機能を発生させたい波長の光、ここでは波長７８５ｎｍ（＝波長λ３）であって、曲線αに対して、波長λ３の整数倍の位相差を差し引いても分布は変化しないため、フレネルレンズは等価的に曲線βまたは曲線γのような形状とすることができるものである。複屈折性材料層５４ａは波長λ３（＝７８５ｎｍ）の光に対する常光屈折率をｎｏ（λ３）、異常光屈折率をｎｅ（λ３）とし、波長λ３の光に対する透明材料５５の屈折率ｎｓ（λ３）がｎｏ（λ３）と一致させるようにする。
【０１０２】
ここで、光ヘッド装置１００において、光ディスク１１０から反射された各波長帯の復路の光は、Ｙ方向の直線偏光の光となって波長選択回折素子５０に入射するので、ＣＤ用の７８５ｎｍ波長帯の光に対してのみ凹レンズとして機能するように波長選択回折素子５０を構成するとよい。
【０１０３】
図１０（ｃ）は、波長選択回折素子５０を透過する７８５ｎｍ波長帯（波長λ３）の光の様子を示したものである。ここで、波長選択波長板５１は、４０５ｎｍ波長帯（波長λ１）の光および６６０ｎｍ波長帯（波長λ２）の光の偏光状態を変えずに透過させ、７８５ｎｍ波長帯（波長λ３）の光の偏光状態を直交させる（方位角Ψ３＝９０°）機能を有するものとする。そして、偏光回折素子５２は、複屈折性材料層５４ａの遅相軸方向がＸ方向となるフレネルレンズ形状を有する回折格子５４を有するものとする。
【０１０４】
このとき、波長λ１の光と波長λ２の光は、偏光回折素子５２ではレンズ作用が生じずに発散状態を変えずにそのまま透過するのに対し、波長λ３の光は図１０（ｃ）に示すように偏光回折素子５２で凹レンズとして機能するので、発散状態が変わる（拡がる）ため焦点距離が変化し、光ヘッド装置１００の光検出器１１２に集光させることができる。また、この場合、波長選択波長板５１は、波長λ１の光および波長λ２の光の偏光状態を変えるものであってもよく（方位角Ψ１、Ψ２≠０）、その場合であっても波長λ３の光の偏光状態と直交する関係にあり、さらに、複屈折性材料層５４ａの遅相軸方向が波長λ３の偏光方向と平行となるようにすればよい。
【０１０５】
また、透明材料５５の屈折率ｎｓ（λ３）は、複屈折性材料層の常光屈折率ｎｏ（λ３）と一致させる場合に限らず、異常光屈折率ｎｅ（λ３）と一致させ、複屈折性材料層５４ａの進相軸方向が波長λ３の偏光方向と平行となるようにしてもよい。このように光ヘッド装置１００のうちこれらの波長の光が共通する光路中に波長選択回折素子５０を配置することによって複数（３以上）の波長の光に対して１つの光検出器を共有することができ、光ヘッド装置の小型化が実現できる。
【０１０６】
（光ヘッド装置に係る第２の実施の形態）
光ヘッド装置において上記と異なる機能を持たせるための波長選択回折素子の形態について説明する。図１１は、本実施形態に基づき、３波長の光を用いてそれぞれの規格の光ディスクの記録・再生を行う互換性のある光ヘッド装置２００の模式図である。光ヘッド装置２００が光ヘッド装置１００と大きく異なるのは、３波長の光を発射する半導体レーザ等の光源が、１つの光源２０１として配置されているところである。
【０１０７】
光ヘッド装置２００の場合、それぞれ機能が異なる波長選択回折素子６０および／または波長選択回折素子７０を配置することができる。まず、光源２０１からＸ方向に発射された４０５ｎｍ波長帯の光は、入射する光の波長によって選択的に３ビームを発生させる波長選択回折素子６０を透過する。これより、光ヘッド装置２００において、光ディスクの規格に応じた記録・再生について１ビーム法を用いたり、０次回折光と±１次回折光を用いる３ビーム法を用いたり切り替えることができる。波長選択回折素子６０の具体的な構成は後述する。
【０１０８】
波長選択回折素子６０を直進透過または回折透過した４０５ｎｍ波長帯の光は、偏光ビームスプリッタ２０２を透過し、コリメータレンズ２０３で平行光となる。そして、コリメータレンズ２０３を透過した４０５ｎｍ波長帯の光は、ダイクロイックプリズム２０４で反射されてＺ方向に偏向され、１／４波長板２０６ａを透過して対物レンズ２０７ａによって集光されてＢＤなどの光ディスク２０８ａの情報記録面に集光する。また、ダイクロイックプリズム２０４は、４０５ｎｍ波長帯の光を反射し、６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光を透過する機能を有する。
【０１０９】
次に、光源２０１から発射された６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光は、波長選択回折素子６０を直進透過または回折透過し、偏光ビームスプリッタ２０２を透過し、コリメータレンズ２０３で平行光となり、ダイクロイックプリズム２０４を透過し、ミラー２０５で反射されてＺ方向に偏向され、１／４波長板２０６ｂを透過して対物レンズ２０７ｂによって集光されてＤＶＤやＣＤなどの光ディスク２０８ｂの情報記録面に集光する。
【０１１０】
光ディスク２０８ａまたは２０８ｂを反射した各波長帯の復路の光は、１／４波長板２０６ａまたは２０６ｂを往復した際に往路の直線偏光と直交する直線偏光となり、偏光ビームスプリッタ２０２まで往路と同じ光路で進む。そして、偏光ビームスプリッタ２０２で反射されて、波長選択回折素子７０で直進透過または回折透過してシリンドリカルレンズ２０９を透過して光検出器２１０に到達する。
【０１１１】
次に、具体的に波長選択回折素子６０の構成について説明する。図１２（ａ）は、波長選択回折素子６０の構成を示す断面模式図であり、波長選択波長板６１と偏光回折素子１２、そして波長選択波長板６２から構成されている。波長選択波長板６１および６２は、波長選択波長板の実施の形態で説明したように、光学軸が厚さ方向に揃った波長板を、光学軸を交差させて２層に積層した構成のものを用いる。
【０１１２】
例えば、光ヘッド装置２００において、４０５ｎｍ波長帯の光に対してのみ１ビーム法を用い、６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光に対して回折させて３ビームを発生させる３ビーム法を用いる場合に適応させる波長選択回折素子６０として考える。このとき、図１２（ａ）に示す波長選択回折素子６０に対してＺ方向の偏光方向でＸ方向に進行する直線偏光の光が入射するものとして説明する。波長選択波長板６１は、４０５ｎｍ波長帯（波長λ１）の光のみＺ方向の直線偏光の光のまま透過させ、６６０ｎｍ波長帯（波長λ２）の光および７８５ｎｍ波長帯（波長λ３）の光はＹ方向の直線偏光の光として透過する機能を有するものを用いる。
【０１１３】
偏光回折素子１２は、Ｚ方向の直線偏光の光に対して回折光を発生させＹ方向の直線偏光の光に対してのみ直進透過させる機能を有するので、６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光について、回折光を含む３ビームが発生する。そして、波長選択波長板６１と同じ機能を有する波長選択波長板６２を配置することで、偏光回折素子１２を透過した６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光が、再びＺ方向の直線偏光の光とすることができる。また、波長選択波長板６２は、４０５ｎｍ波長帯のＺ方向の直線偏光の光に対して、偏光状態を変えずにそのまま透過する。したがって、波長選択回折素子６０を透過するこれらの光は、特定の波長帯の光のみを回折する機能を有する。
【０１１４】
このように、波長選択回折素子６０を透過した各波長の直線偏光の光の偏光方向を揃えることによって、光ヘッド装置２００の偏光ビームスプリッタ２０２に入射する各波長の往路の光と復路の光とで偏向分離ができるので、光ヘッド装置の小型化が実現できる。また、波長選択回折素子６０は、６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光を回折させる例を示したが、この機能を有する構成に限らず、４０５ｎｍ波長帯の光に対してのみ回折させてもよく、３つの波長帯の光のうち選択的に２つの波長帯の光を回折させるものであってもよい。
【０１１５】
次いで、波長選択回折素子７０について説明する。波長選択回折素子７０は、光ヘッド装置２００のうち、これら３つの波長の光の復路において共通する光路中に配置される。光ヘッド装置２００において波長選択回折素子７０の機能としては、２つ挙げられる。１つは、光検出器２１０に各波長帯の光がそれぞれ受光する受光エリアが設けられている場合、波長選択回折素子７０に入射する３つの光の進行方向をそれぞれ異なるように調整する分波機能を与えるものである。
【０１１６】
もう１つの機能としては、光ヘッド装置の構成上で発生する各波長帯の光の光軸を補正するものである。例えば、光源２０１は３波長の光を発射するがその発光点が物理的に異なるために生じるわずかな光軸のずれを補正する機能を有し、これによって光検出器２１０において光ディスクからの信号光を高精度で検出する効果を得ることができる。波長選択回折素子７０の位置は、復路のみの光路中に限らず、往路のみの光路中であってもよいが、復路のみの光路中に用いると光ディスク２０８ａおよび２０８ｂへの到達する光の利用効率を高めることができる。また、復路のみの光路中に波長選択回折素子７０を用いる場合、シリンドリカルレンズ２０９と光検出器２１０との間の光路中に配置してもよい。
【０１１７】
次に、具体的に波長選択回折素子７０の構成例について説明する。図１２（ｂ）は、波長選択回折素子７０の構成を示す断面模式図であり、２つの波長選択回折素子を重ねるように配置した構成である。偏光回折素子７２ａは、透明基板７３上に複屈折性材料層７４ａが周期的なピッチを有して断面がブレーズ形状となる回折格子７４が形成され、回折格子７４の凹部に透明材料７５が形成されてなり、偏光回折素子７２ａ上に波長選択波長板７１ａが形成される。同様にして、偏光回折素子７２ｂは、透明基板７６上に複屈折性材料層７７ａが周期的なピッチを有して断面がブレーズ形状となる回折格子７７が形成され、回折格子７７の凹部に透明材料７８が形成されてなり、偏光回折素子７２ｂ上に波長選択波長板７１ｂが形成される。なお、回折格子の断面形状はブレーズ形状を階段状に近似した疑似ブレーズ形状であってもよい。また、断面形状が矩形のものであってもよいが、回折させる光利用効率の優位性から、ブレーズ形状または疑似ブレーズ形状が好ましい。
【０１１８】
波長選択波長板７１ａおよび７１ｂは、波長選択波長板の実施の形態で説明したように、光学軸が厚さ方向に揃った波長板を、光学軸を交差させて２層に積層した構成のものを用いる。また、図１２（ｂ）では、回折格子７４および回折格子７７のブレーズ形状は異なるものとしたが、ブレーズ形状は同じもので、例えばピッチが互いに異なって、回折させる波長の光に対するそれぞれの回折角が異なるように設計してもよい。ここでは、偏光回折素子７２ａおよび７２ｂの遅相軸方向はＹ方向となり、透明材料７５は複屈折性材料層７４ａの常光屈折率と同等の屈折率を有し、透明材料７８は複屈折性材料層７７ａの常光屈折率と同等の屈折率を有するものとする。
【０１１９】
ここで、波長選択回折素子７０の最初の機能として説明した分波機能について説明する。光ヘッド装置２００の偏光ビームスプリッタ２０２で反射した各波長の光はＹ方向の直線偏光で波長選択回折素子７０に入射する。このとき、波長選択波長板７１ａは、４０５ｎｍ波長帯（波長λ１）の光に対して偏光状態を変えずに透過させ６６０ｎｍ波長帯（波長λ２）の光および７８５ｎｍ波長帯（波長λ３）の光に対してＸ方向の直線偏光の光とする機能を有するものを用いる。
【０１２０】
波長選択波長板７１ａを透過した各波長帯の光のうち、Ｙ方向の直線偏光の光である４０５ｎｍ波長帯の光のみ回折格子７４で回折し、６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光は直進透過する。そして、波長選択波長板７１ｂは、４０５ｎｍ波長帯の光をＸ方向の直線偏光の光とし、７８５ｎｍ波長帯の光をＹ方向の直線偏光の光とし、６６０ｎｍ波長帯の光は偏光状態を変えずにそのまま透過させる機能を有するものを用いる。そして、波長選択波長板７１ｂを透過した各波長帯の光のうち、Ｙ方向の直線偏光の光である７８５ｎｍ波長帯の光のみ回折格子７７で回折させ、４０５ｎｍ波長帯の光および６６０ｎｍ波長帯の光は直進透過させることによって、各波長帯の光の進行方向を分離させることができる。これによって、光検出器２１０に各波長帯の光に対する受光エリアを設けてそれぞれの波長帯の光信号を検出することができる。
【０１２１】
また、波長選択回折素子７０は、各波長帯の光を分波する機能について説明したが、合波させるものであってもよい。つまり、波長選択回折素子７０に入射する４０５ｎｍ波長帯の光、６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光の進行方向（光軸）が互いに異なるが、出射する光の光軸を揃えて出射させる場合であって同じ構成で機能させることができる。この場合、例えば、光検出器２１０の受光エリアが各波長帯の光を共通で使用する場合であっても精度よく各光ディスクからの信号光を到達させることができ、光検出器２１０および光ヘッド装置２００の小型化を実現できる。
【０１２２】
なお、図１２（ａ）および図１２（ｂ）において、波長選択回折素子６０および７０は、説明のためにそれぞれＸ−Ｚ平面に沿って回折するように示したが、これに限らず、各波長選択波長板が有する各波長帯の光に対するそれぞれの方位角に合わせて回折格子の凹凸の長手方向を決定すればよい。したがって、例えば、波長選択回折素子７０の回折格子７４の凹凸の長手方向と回折格子７７の長手方向を平行としない構成であってもよい。また、波長選択回折素子７０は、回折格子７４、７７が例えば、複数の領域に分割された構造を有するホログラム回折素子としてもよい。この場合、分割された領域毎に回折格子の長手方向や形状が設定されていてもよい。
【０１２３】
（光ヘッド装置に係る第３の実施の形態）
図１３は、本実施形態に基づき、３つの異なる波長の光を用いてそれぞれの規格の光ディスクの記録・再生を行う互換性のある光ヘッド装置２５０の模式図であって、光ヘッド装置２００と共通する部分には同じ番号を用いて説明の重複を避ける。また、光ヘッド装置２５０が光ヘッド装置２００と異なるのは、往路の光路中に３ビームを発生させる（波長選択）回折素子を備えないことで、光源２０１から発射される、４０５ｎｍ波長帯の光、６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光は、いずれも１ビーム法を用い、復路の光路中に配置された波長選択回折素子８０で回折をさせるところである。
【０１２４】
次に、具体的に波長選択回折素子８０の構成について説明する。図１４は、波長選択回折素子８０の構成を示す断面模式図であり、２つの波長選択回折素子を重ねるように配置した構成である。偏光回折素子８２ａは、透明基板８３上に複屈折性材料層８４ａが周期的なピッチを有して断面がブレーズ形状となる回折格子８４が形成され、回折格子８４の凹部に透明材料８５が形成されてなり、偏光回折素子８２ａ上に波長選択波長板８１が形成される。同様にして、偏光回折素子８２ｂは、透明基板８６上に複屈折性材料層８７ａが周期的なピッチを有して断面がブレーズ形状となる回折格子８７が形成され、回折格子８７の凹部に透明材料８８が形成されてなる。なお、回折格子の断面形状はブレーズ形状を階段状に近似した疑似ブレーズ形状であってもよい。また、断面形状が矩形のものであってもよいが、回折させる光利用効率の優位性から、ブレーズ形状または疑似ブレーズ形状が好ましい。
【０１２５】
波長選択波長板８１は、波長選択波長板の実施の形態で説明したように、光学軸が厚さ方向に揃った波長板を、光学軸を交差させて２層に積層した構成のものを用いる。また、図１４では、回折格子８４および回折格子８７のブレーズ形状は異なるものとしたが、ブレーズ形状は同じもので、例えばピッチが互いに異なって、回折させる波長の光に対するそれぞれの回折角が異なるように設計してもよい。ここでは、偏光回折素子８２ａの遅相軸方向はＹ方向となり、透明材料８５は複屈折性材料層８４ａの常光屈折率と同等の屈折率を有するものとする。さらに、偏光回折素子８２ｂの遅相軸方向はＸ方向となり、透明材料８８は複屈折性材料層８７ａの常光屈折率と同等の屈折率を有するものとする。
【０１２６】
ここで、波長選択回折素子８０の分波機能について説明する。光ヘッド装置２５０の偏光ビームスプリッタ２０２で反射した各波長の光はＹ方向の直線偏光で波長選択回折素子８０に入射する。このとき、波長選択波長板８１は、４０５ｎｍ波長帯（波長λ１）の光および６６０ｎｍ波長帯（波長λ２）の光に対して偏光状態を変えずに透過させ、７８５ｎｍ波長帯（波長λ３）の光に対してＸ方向の直線偏光の光とする機能を有するものを用いる。
【０１２７】
波長選択波長板８１を透過した各波長帯の光のうち、Ｙ方向の直線偏光の光である４０５ｎｍ波長帯の光および６６０ｎｍ波長帯の光を回折格子８４で回折し、７８５ｎｍ波長帯の光は直進透過する。そして、偏光回折素子８２ａを透過した各波長帯の光のうち、回折格子８７は、Ｘ方向の直線偏光の光である７８５ｎｍ波長帯の光のみ回折させ、４０５ｎｍ波長帯の光および６６０ｎｍ波長帯の光は直進透過させる。このとき、例えば、６６０ｎｍ波長帯の光と７８５ｎｍ波長帯の光が回折して光検出器２１０の図示しない受光エリアに共通して受光させることもできる。
【０１２８】
具体的に図１４の波長選択回折素子８０の回折格子８４の格子ピッチをＰＤとし、回折格子８７の格子ピッチをＰＣとすると、ＰＣは、ＰＤ×λ３／λ２に略等しくなるように調整すると、６６０ｎｍ波長帯の光と７８５ｎｍ波長帯の光の回折方向が略同一となり、これらの波長帯の光を同一の受光エリアにて受光させることができる。また、受光エリアを共通化する波長帯の組み合わせは、これに限らず、４０５ｎｍ波長帯の光と６６０ｎｍ波長帯の光であったりしてもよく、さらには、これら３つの波長帯の光すべてに共通化するように設定するものであってもよい。
【０１２９】
なお、図１４において、波長選択回折素子８０は、説明のためにそれぞれＸ−Ｚ平面に沿って回折するように示したが、これに限らず、各波長選択波長板が有する各波長帯の光に対するそれぞれの方位角に合わせて回折格子の凹凸の長手方向を決定すればよい。したがって、例えば、波長選択回折素子８０の回折格子８４の凹凸の長手方向と回折格子８７の長手方向を平行としない構成であってもよい。また、波長選択回折素子８０は、回折格子８４、８７が例えば、複数の領域に分割された構造を有するホログラム回折素子としてもよい。この場合、分割された領域毎に回折格子の長手方向や形状が設定されていてもよい。
【０１３０】
（表示装置用光学系に係る実施の形態）
これまで、波長が異なる３つの光を、４０５ｎｍ波長帯の光、６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光を用いる光ヘッド装置について説明したが、これ以外の波長帯の光の組み合せとして投射型表示装置用の光学系に波長選択波長板を用いることができる。図１５は、赤色となる６４５ｎｍ波長帯（６１０〜６７０ｎｍ）の光を出射する光源３０１Ｒ、緑色となる５３３ｎｍ波長帯（５２０〜５６０ｎｍ）の光を出射する光源３０１Ｇ、そして青色となる４５０ｎｍ波長帯（４２０〜４８０ｎｍ）の光を出射する光源３０１Ｂを扱う表示装置用光学系３００の模式図である。
【０１３１】
表示装置用光学系３００では、これら３つの光源３０１Ｒ、３０１Ｇおよび３０１Ｂからの光を合成して映像とすることができるが、これら３つの波長帯の光を合波させるための構成について説明する。光源３０１Ｒから出射する赤色の光はＺ方向の直線偏光の光でＸ方向に進行し、光源３０１Ｇから出射する緑色の光はＹ方向の直線偏光の光でＺ方向に進行する。偏光ビームスプリッタ３０２はＺ方向の直線偏光の光を透過させ、Ｙ方向の直線偏光の光を反射させる機能を有し、赤色の光および緑色の光を合波させ、これらの光をＸ方向へ偏向させる。波長選択波長板３０３は、赤色の光に対して偏光状態を変えずに透過させ、緑色の光に対して入射する直線偏光の光の方向と直交した直線偏光の光、つまりＺ方向の直線偏光の光に変換する。
【０１３２】
また、光源３０１Ｂから出射する青色の光はＹ方向の直線偏光の光でＺ方向に進行する。偏光ビームスプリッタ３０４は、偏光ビームスプリッタ３０２と同様にＺ方向の直線偏光の光を透過させ、Ｙ方向の直線偏光の光を反射させる機能を有する。これより、赤色の光および緑色の光を直進透過させるとともに、青色の光を反射させてこれら３つの光を合波する。偏光ビームスプリッタ３０４を出射したこれら３つの光のうち、赤色の光および緑色の光の偏光方向と青色の光の偏光方向とが直交した状態で波長選択波長板３０５に入射する。
【０１３３】
波長選択波長板３０５は、赤色の光および緑色の光に対して入射する直線偏光の光の方向と直交した直線偏光の光、つまりＸ方向の直線偏光の光に変換し、青色の光に対して偏光状態を変えずに透過させる。これによって、コリメートレンズ３０６に入射するこれら３色の光は同じ方向の直線偏光の光、つまり、Ｙ方向の直線偏光の光となる。このように直線偏光の方向を揃えることによってコリメータレンズ３０６から映像表示に至るまでの光学系において、光の映像信号を偏向しやすいなど制御性が向上する。
【実施例】
【０１３４】
（波長選択波長板および波長選択回折素子に基づく実施例）
本実施例は、波長選択波長板２０の構成に基づくものである。図１６（ａ）は、実施例１に基づく波長選択波長板４００の構成を示すものであり、製造方法および設計の例について説明する。
【０１３５】
水平配向処理をした配向膜４０２ａが片面に形成された透明基板４０１ａ上に、配向膜４０２ａの配向処理方向に高分子液晶が配向され、その膜厚が約８．６μｍとなる高分子液晶層４０３ａを形成する。形成された高分子液晶層４０３ａの屈折率異方性Δｎは波長４０５ｎｍの光において約０．０９２、波長６６０ｎｍの光において約０．０７７、そして波長７８５ｎｍの光において約０．０７５である。
【０１３６】
次に、同様の製造方法において、同じ高分子液晶材料からなる膜厚約４．３μｍの高分子液晶層４０３ｂを、水平配向処理をした配向膜４０２ｂが片面に形成された透明基板４０１ｂ上に形成する。なお、図２における波長選択波長板２０の第１の波長板２１および第２の波長板２２が、それぞれ、図１６（ａ）における、高分子液晶層４０３ａ、４０３ｂに相当する。
【０１３７】
次に、高分子液晶層４０３ａの液晶分子の配向方向と高分子液晶層４０３ｂの液晶分子の配向方向とが６２°の角度をなすように対向させ、透明接着剤４０４を用いて接着することにより、波長選択波長板４０７を形成する。
【０１３８】
そして、まず作製した波長選択波長板４０７の光学特性を調べる。図１６（ｂ）に示す入射する直線偏光の偏光方向４１０を基準としたとき、第１の波長板である高分子液晶層４０３ａの遅相軸４１１に相当する配向方向とがなす角度α１が＋１８°、第２の波長板である高分子液晶層４０３ｂの遅相軸４１２に相当する配向方向とがなす角度α２が−４４°、となるように偏光方向を調整する。また、上記各パラメータの条件における実施例を実施例１とし、整理して表２に示す。なお、高分子液晶層４０３ａ、４０３ｂは、光学軸が厚さ方向に揃っているので、ツイスト角に関するパラメータβ１およびβ２は、それぞれ０［°］である。
【０１３９】
【表２】
2011233208.tif 000006
【０１４０】
実施例１の条件で、入射する直線偏光の光の偏光方向を変えず、入射する光の波長を変化させたときの光学特性を計算した。図１７は、このとき、波長選択波長板４０７を出射する光の楕円率κおよび方位角Ψの連続的な波長（λ）依存性を計算したものである。なお、方位角Ψは、入射する直線偏光の光の偏光方向に対して、出射する直線偏光の光の偏光方向または、出射する楕円偏光の光の長軸方向がなす角度であり、符号の考え方も同じように光が入射する面から見て入射する直線偏光の光の方向を基準に左回りにプラス（＋）、右回りにマイナス（−）である。
【０１４１】
この結果より、４０５ｎｍ波長帯の光は楕円率κおよび方位角Ψともほぼ０であり、出射する光の偏光方向と入射する直線偏光の光の偏光方向とはほぼ同じであった。そして、６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光は、楕円率κがほぼ０であるが、方位角Ψが約９０°となって出射する。したがって、これらの波長帯で出射する光は、方位角Ψが約９０°となる直線偏光の光、つまり、入射する直線偏光の光の偏光方向とほぼ直交した直線偏光の光を得ることができる。
【０１４２】
また、図１８は各波長帯（λ）の光に対する光の利用効率ηを示したものである。図１８（ａ）は、４０５ｎｍ波長帯において波長選択波長板４０７を出射した光強度のうち、使用する光の偏光方向である方位角Ψ＝０［°］における光強度の割合（成分）に相当する利用効率ηを示すものである。図１８（ｂ）および図１８（ｃ）は、それぞれ６６０ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光において波長選択波長板４０７を出射した光強度のうち、使用する光の偏光方向である方位角Ψ＝９０［°］における光強度の割合（成分）に相当する利用効率ηを示す。この場合、いずれも波長依存性が小さく、かつ、高い利用効率を得ることができる。
【０１４３】
ここで、波長４０５ｎｍの光に対する方位角をΨ１［°］、波長６６０ｎｍの光に対する方位角をΨ２［°］、波長７８５ｎｍの光に対する方位角をΨ３［°］としたときの実施例１の結果を整理して表３に示す。また、波長選択波長板４０７を出射する光の方位角に合わせて、後述する偏光回折素子４０８（回折格子４０５）の光学軸との位置関係についても、併せて表３に示す。
【０１４４】
【表３】
2011233208.tif 000007
【０１４５】
次いで、偏光回折素子４０８を含む波長選択回折素子４００の製造方法を説明する。高分子液晶層４０３ａ、４０３ｂと同様の製造方法にて高分子液晶が特定方向に配向した膜厚約１．２μｍの高分子液晶層を透明基板４０１ｃ上に形成する。得られた高分子液晶層の屈折率異方性Δｎは波長４０５ｎｍの光において約０．１７３、波長６６０ｎｍの光において約０．１４７、そして波長７８５ｎｍの光において約０．１４４である。
【０１４６】
次に、フォトリソグラフィーとエッチングを利用した微細加工プロセスにて、高分子液晶からなる凸部の高さが約１．２μｍの回折格子４０５を形成する。なお、ここでは、回折格子４０５の凹凸の長手方向が配向方向、つまり回折格子４０５の遅相軸と、平行になるように凹凸を形成する。
【０１４７】
そして、回折格子４０５側と透明基板４０１ｂの配向膜４０２ｂと反対側の面に、高分子液晶層４０３ａの遅相軸と回折格子４０５の長手方向（回折格子４０５の遅相軸方向）が４４°となるように対向させる。つまり、波長選択波長板４０７の透明基板４０１ａ側からみたとき、高分子液晶層４０３ａの遅相軸を基準に右回りに１８°の方向に回折格子４０５の長手方向（遅相軸）が位置するようにする。そして、回折格子４０５を形成する高分子液晶の常光屈折率（ｎｏ）と略等しい均一屈折率の透明接着剤４０６を用いて回折格子４０５の凹部を充填し、偏光性回折素子４０８を含む波長選択回折素子４００を形成する。
【０１４８】
作製した波長選択波長板４０７に、図１６（ｂ）に示すように、偏光方向４１０となる４０５ｎｍの直線偏光となるレーザ光を入射すると、０次回折効率（＝直進透過率）η０（４０５）が０．５％以下となり、一方、±１次回折効率η±１（４０５）が３８％以上となることが確認できる。
【０１４９】
同様に、偏光方向４１０となる６６０ｎｍおよび７８５ｎｍの直線偏光となるレーザ光を入射すると、それぞれの波長の光における０次回折光率η０（６６０）およびη０（７８５）が９８％以上となることが確認され、入射する光の波長に依存して回折効率が変化する波長選択回折素子４００を得ることができる。
【０１５０】
また、実施例２および実施例３は、実施例１と同じ製造方法を用いて表２に示すように高分子液晶層４０３ａの厚さｄ１および高分子液晶層４０３ｂの厚さｄ２、およびα１、α２を満足するように配置を変えて調整した条件において、実施例１と同様の光学特性を計算した。
【０１５１】
実施例２は、表２に示す条件によって、表３に示すように波長４０５ｎｍの光および波長６６０ｎｍの光に対するそれぞれの方位角Ψ１およびΨ２が８４［°］、波長７８５ｎｍの光に対する方位角Ψ３が−６［°］であって、Ψ１とΨ３および、Ψ２とΨ３とがなす角度を直交させることができる。また、偏光回折素子４０８（回折格子４０５）の配向方向となる遅相軸を−６［°］に合わせて波長選択回折素子４００を作製することによって、入射する４０５ｎｍ波長帯の光および６６０ｎｍ波長帯の光に対して高い効率で直進透過させ、入射する７８５ｎｍ波長帯の光に対して高い効率で回折させる波長選択回折素子４００を得ることができる。
【０１５２】
図１９（ａ）、図１９（ｂ）および図１９（ｃ）は、実施例２の条件に基づいて作製した波長選択回折素子４００に対して、４０５ｎｍ波長帯、６６０ｎｍ波長帯および７８５ｎｍ波長帯の光に対する光の利用効率ηを示したものである。この場合、いずれも波長依存性が小さく、かつ、高い利用効率ηを得ることができる。
【０１５３】
実施例３は、表２に示す条件によって、表３に示すように波長４０５ｎｍの光および波長７８５ｎｍの光に対するそれぞれの方位角Ψ１およびΨ３が１２４［°］、波長６６０ｎｍの光に対する方位角Ψ２が３４［°］であって、Ψ１とΨ２および、Ψ２とΨ３とがなす角度を直交させることができる。また、偏光回折素子４０８（回折格子４０５）の配向方向となる遅相軸を３４［°］に合わせて波長選択回折素子４００を作製することによって、入射する４０５ｎｍ波長帯の光および７８５ｎｍ波長帯の光に対して高い効率で直進透過させ、入射する６６０ｎｍ波長帯の光に対して高い効率で回折させる波長選択回折素子４００を得ることができる。
【０１５４】
図２０（ａ）、図２０（ｂ）および図２０（ｃ）は、実施例３の条件に基づいて作製した波長選択回折素子４００に対して、４０５ｎｍ波長帯、６６０ｎｍ波長帯および７８５ｎｍ波長帯の光に対する光の利用効率ηを示したものである。この場合、いずれも波長依存性が小さく、かつ、高い利用効率ηを得ることができる。
【０１５５】
また、上記に定義したように、波長４０５ｎｍの光に対する方位角をΨ１［°］、波長６６０ｎｍの光に対する方位角をΨ２［°］、そして波長７８５ｎｍの光に対する方位角をΨ３［°］とし、そのうち、２つが９０°、残り１つが０°となる構成を実施例４〜６として表４に示す。さらに、その条件における結果を整理して、表５に示す。
【０１５６】
【表４】
2011233208.tif 000008
【０１５７】
【表５】
2011233208.tif 000009
【０１５８】
実施例４〜６の波長選択波長板は、これら同じ偏光方向の直線偏光の光で入射する３波長の光に対して、出射する光の偏光方向がいずれも、０°または９０°であり、波長選択回折素子の作製上、波長選択波長板を出射した光の偏光方向と偏光回折素子の複屈折性材料層の光学軸方向とが一致するように自由に設定できない場合に、とくに、偏光プリズムを利用するよう場合など有効となる。
【０１５９】
実施例４は、方位角Ψ１が、方位角Ψ２および方位角Ψ３と直交する構成を示し、図２１（ａ）、図２１（ｂ）および図２１（ｃ）は、実施例４の条件に基づいて作製した波長選択回折素子４００に対して、４０５ｎｍ波長帯、６６０ｎｍ波長帯および７８５ｎｍ波長帯の光に対する光の利用効率ηを示したものである。
【０１６０】
実施例５は、方位角Ψ２が、方位角Ψ１および方位角Ψ３と直交する構成を示し、図２２（ａ）、図２２（ｂ）および図２２（ｃ）は、実施例５の条件に基づいて作製した波長選択回折素子４００に対して、４０５ｎｍ波長帯、６６０ｎｍ波長帯および７８５ｎｍ波長帯の光に対する光の利用効率ηを示したものである。
【０１６１】
実施例６は、方位角Ψ３が、方位角Ψ１および方位角Ψ２と直交する構成を示し、図２３（ａ）、図２３（ｂ）および図２３（ｃ）は、実施例６の条件に基づいて作製した波長選択回折素子４００に対して、４０５ｎｍ波長帯、６６０ｎｍ波長帯および７８５ｎｍ波長帯の光に対する光の利用効率ηを示したものである。
【０１６２】
また、この実施例のうち例として、表４に示す実施例５の条件の値を基準としたとき、作製上における誤差範囲を考慮した場合について考える。このとき、厚さｄ１、厚さｄ２をパラメータ（変数）として、α１とα２を計算した結果をそれぞれ、図２４、図２５に示す。図２４は、第１の波長板の厚さｄ１および第２の波長板の厚さｄ２の条件におけるα１が取り得る角度を示す分布図であって、例えば、α１が、３４〜３５［°］の領域に該当するｄ１およびｄ２の条件では、α１が、３４〜３５［°］の範囲内に最適の解が含まれる。同様に、図２５は、第１の波長板の厚さｄ１および第２の波長板の厚さｄ２の条件におけるα２が取り得る角度を示す分布図であって、例えば、α２が、−２６〜−２４［°］の領域に該当するｄ１およびｄ２の条件では、α２が、−２６〜−２４［°］の範囲内に最適の解が含まれる。
【０１６３】
なお、これらの結果を、係数Ａ〜Ｌを与えて以下の経験式、
Ｘ＝Ａ＋Ｂｃｏｓ（Ｃ（ｄ１−Ｄ））＋Ｅｃｏｓ（Ｆ（ｄ２−Ｇ））
＋Ｈｃｏｓ（Ｉ（ｄ１−Ｊ））ｃｏｓ（Ｋ（ｄ２−Ｌ））        ・・・  （１４）
で表すと表６のようになる。つまり、式（１４）の左辺Ｘがα１のとき、α１列の係数Ａ〜Ｌをそれぞれ与え、α２のとき、α２列の係数Ａ〜Ｌをそれぞれ与える。
【０１６４】
【表６】
2011233208.tif 000010
【０１６５】
なお、ｄ１およびｄ２を決めたときのα１、α２の誤差範囲は、図２４、図２５それぞれの分布において、−２０〜＋２０［°］の範囲であれば好ましく、−１０〜＋１０［°］の範囲であればより好ましく、−５〜＋５［°］の範囲であればさらに好ましい。
【０１６６】
また、波長選択回折素子に基づく実施例として、波長４０５ｎｍ、波長６６０ｎｍおよび波長７８５ｎｍの組み合わせ以外に、波長４５０ｎｍ、波長５３３ｎｍおよび波長６４５ｎｍの組み合わせについて、波長選択波長板４０７を構成する第１の波長板である高分子液晶層４０３ａ、第２の波長板である高分子液晶層４０３ｂの条件を実施例７〜９として与え、それぞれの条件を表７に整理した。なお、製造方法および使用する材料は、実施例１と同じものを用い、高分子液晶層４０３ａ、４０３ｂの厚さｄ１、ｄ２およびプレツイスト角α１、α２を変えたものである。
【０１６７】
【表７】
2011233208.tif 000011
【０１６８】
ここで、表７の条件で作製したそれぞれの波長選択波長板４０７において、波長４５０ｎｍの光に対する方位角をΨ１［°］、波長５３３ｎｍの光に対する方位角をΨ２［°］、波長６４５ｎｍの光に対する方位角をΨ３［°］としたときの各実施例の結果を整理して表８に示す。
【０１６９】
【表８】
2011233208.tif 000012
【０１７０】
実施例７は、表７に示す条件によって、表８に示す結果のように波長４５０ｎｍの光に対する方位角Ψ１が０［°］、波長５３３ｎｍの光および波長６４５ｎｍの光に対するそれぞれの方位角Ψ２およびΨ３が９０［°］であって、Ψ１とΨ２および、Ψ１とΨ３とがなす角度を直交させることができる。また、偏光回折素子４０８（回折格子４０５）の配向方向となる遅相軸を０［°］に合わせて波長選択回折素子４００を作製することによって、入射する４５０ｎｍの光に対して回折させ、入射する５３３ｎｍの光および６４５ｎｍの光に対して高い効率で直進透過させる波長選択回折素子４００を得ることができる。
【０１７１】
同様に、表７に示す実施例８の条件によって、Ψ１とΨ２および、Ψ２とΨ３とがなす角度を直交させることができ、実施例９の条件によって、Ψ１とΨ３および、Ψ２とΨ３とがなす角度を直交させることができる。これによって、一方の波長の光を高い効率で直進透過させ、他方の波長の光を高い効率で回折させる波長選択回折素子４００を得ることができる。
【０１７２】
また、実施例７〜９の条件で作製した波長選択回折素子の各波長帯の光における透過または回折の利用効率をそれぞれ、図２６〜図２８に示す。この結果より、４５０ｎｍ波長帯（４４０ｎｍ〜４７０ｎｍ）、５３３ｎｍ波長帯（５２０ｎｍ〜５５０ｎｍ）および６４５ｎｍ波長帯（６３０ｎｍ〜６６０ｎｍ）における光の利用効率はいずれも高い値を示す。
【符号の説明】
【０１７３】
１、２、３、２３、５１、６１、６２、７１ａ、７１ｂ、８１、３０３、３０５、４０７  波長選択波長板
２０、５０、６０、７０、８０、４００  波長選択回折素子
１２、５２、７２ａ、７２ｂ、８２ａ、８２ｂ、４０８  偏光回折素子
１３、５３、７３、７６、８３、８６、４０１ａ、４０１ｂ、４０１ｃ  透明基板
１４、５４、７４、７７、８４、８７、４０５  回折格子
１４ａ、５４ａ、７４ａ、７７ａ、８４ａ、８７ａ  複屈折材料層
１５、５５、７５、７８、８５、８８  透明材料
２４、４１０  入射する直線偏光の偏光方向
２１  第１の波長板
２２  第２の波長板
２５、４１１  第１の波長板の光学軸
２６、４１２  第２の波長板の光学軸
４１ａ、４１ｂ、４１ｃ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ  ポワンカレ球上の軌跡
１００、２００、２５０  光ヘッド装置
１０１ａ、１０ｂ、１０１ｃ、２０１、３０１Ｒ、３０１Ｇ、３０１Ｂ  光源
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ  グレーティング素子
１０３、１０４、２０４  ダイクロイックプリズム
１０５、２０２、３０２、３０４  偏光ビームスプリッタ
１０６、２０３、３０６  コリメートレンズ
１０７、２０５  ミラー
１０８、２０６ａ、２０６ｂ  １／４波長板
１０９、２０７ａ、２０７ｂ  対物レンズ
１１０、２０８ａ、２０８ｂ  光ディスク
１１１、２０９  シリンドリカルレンズ
１１２、２１０  光検出器
３００  表示装置用光学系
４０２ａ、４０２ｂ  配向膜
４０３ａ、４０３ｂ  高分子液晶層
４０４、４０６  接着剤
【図１】
2011233208.tif 000013
【図２】
2011233208.tif 000014
【図３】
2011233208.tif 000015
【図４】
2011233208.tif 000016
【図５】
2011233208.tif 000017
【図６】
2011233208.tif 000018
【図７】
2011233208.tif 000019
【図８】
2011233208.tif 000020
【図９】
2011233208.tif 000021
【図１０】
2011233208.tif 000022
【図１１】
2011233208.tif 000023
【図１２】
2011233208.tif 000024
【図１３】
2011233208.tif 000025
【図１４】
2011233208.tif 000026
【図１５】
2011233208.tif 000027
【図１６】
2011233208.tif 000028
【図１７】
2011233208.tif 000029
【図１８】
2011233208.tif 000030
【図１９】
2011233208.tif 000031
【図２０】
2011233208.tif 000032
【図２１】
2011233208.tif 000033
【図２２】
2011233208.tif 000034
【図２３】
2011233208.tif 000035
【図２４】
2011233208.tif 000036
【図２５】
2011233208.tif 000037
【図２６】
2011233208.tif 000038
【図２７】
2011233208.tif 000039
【図２８】
2011233208.tif 000040