(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明基板と、該透明基板の基板面上に形成された、可視光波長以下の周期の周期構造体と、を備えた位相差板であって、
前記位相差板は、前記基板面に対して垂直に入射する前記可視光波長の所定の設計波長の光に対して１／４波長以上かつ３／４波長以下の位相差を与えるように構成されており、
前記周期構造体は、前記透明基板の前記基板面と平行な面において前記透明基板から離れるに従って体積占有率が減少するように構成され、該基板面から２００ｎｍ以上の高さを有し、
前記周期構造体の周期方向及び前記基板面の法線方向の両方に平行な断面において、該周期構造体の最も前記基板面に近い位置における単位周期構造の幅の中心と該基板面から最も離れた位置における単位周期構造の幅の中心とを結ぶ第１方向が、該基板面の法線方向に対して同じ方向に傾いており、且つ前記第１方向と前記基板面の法線方向とのなす角度は５度以上かつ３０度以下である、ことを特徴とする位相差板。
【請求項２】
前記周期構造体の前記周期は、５０ｎｍ以上かつ３５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の位相差板。
【請求項３】
前記周期構造体の上には、該周期構造体を構成する材質とは異なる屈折率を有し、高さが該周期構造体の高さ以下である層が形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の位相差板。
【請求項４】
前記周期構造体の前記断面において、前記単位周期構造の２つの底角は９０度以下であり、かつ、該２つの底角の一方は８５度以上であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の位相差板。
【請求項５】
前記第１方向と前記基板面の法線方向とのなす角度は、５度以上かつ２５度以下であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の位相差板。
【請求項６】
透明基板と、可視光波長以下の周期を有し、前記透明基板の第１基板面及び第２基板面のそれぞれに形成された第１周期構造体及び第２周期構造体と、を備えた位相差板であって、
前記位相差板は、前記第１基板面に対して垂直に入射する前記可視光波長の所定の設計波長の光に対して１／４波長以上かつ３／４波長以下の位相差を与えるように構成されており、
前記第１周期構造体は、前記透明基板の前記第１基板面と平行な面において該透明基板から離れるに従って体積占有率が減少するように構成され、該第１基板面から１００ｎｍ以上の高さを有し、
前記第２周期構造体は、前記透明基板の前記第２基板面と平行な面において該透明基板から離れるに従って体積占有率が減少するように構成され、該第２基板面から１００ｎｍ以上の高さを有し、
前記第１周期構造体と前記第２周期構造体の周期方向は互いに平行であり、
前記第１周期構造体及び前記第２周期構造体の前記周期方向と前記第１基板面及び前記第２基板面の法線方向と平行な面である断面において、前記第１周期構造体の最も前記第１基板面に近い位置における単位周期構造の幅の中心と該第１基板面から最も離れた位置における単位周期構造の幅の中心とを結ぶ第１方向と、前記第２周期構造体の最も前記第２基板面に近い位置における単位周期構造の幅の中心と該第２基板面から最も離れた位置における単位周期構造の幅の中心とを結ぶ第２方向とのなす角度は０度以上かつ５度以下であり、
前記第１方向が、前記第１基板面の法線方向に対して同じ方向に傾いており、且つ前記第１方向と前記第１基板面の法線方向とのなす角度は５度以上かつ３０度以下であり、
前記第２方向が、前記第２基板面の法線方向に対して同じ方向に傾いており、且つ前記第２方向と前記第２基板面の法線方向とのなす角度は５度以上かつ３０度以下である、ことを特徴とする位相差板。
【請求項７】
画像表示素子と、光源からの照明光で該画像表示素子を照明する照明光学系と、該画像表示素子から出射する画像光を投射する投射光学系とを備える投射型画像表示装置であって、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の位相差板を備えることを特徴とする投射型画像表示装置。
【請求項８】
前記照明光学系からの照明光を前記画像表示素子に導くと共に、前記画像表示素子からの画像光を前記投射光学系に導く偏光分離素子を備えており、
前記位相差板が、前記画像表示素子と前記偏光分離素子との間に配置されていることを特徴とする請求項７に記載の投射型画像表示装置。
【請求項９】
前記偏光分離素子の偏光分離面の法線方向と前記第１方向とが同一平面内にあることを特徴とする請求項７又は８に記載の投射型画像表示装置。
【請求項１０】
前記基板面、又は、前記第１基板面及び前記第２基板面が、前記画像表示素子の光入射面と平行であることを特徴とする請求項７乃至９のいずれか１項に記載の投射型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は位相差板に係り、特に可視光波長以下の微細な周期構造体を有する位相差板に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、透過する直線偏光に対して位相差を与える光学素子として１／４波長板、１／２波長板などの位相差板が知られている。また、面法線方向から傾斜した任意の方向に光学軸を持つ位相差板がある。このような位相差板は、例えば投射型画像表示装置に用いられ、偏光分離素子や画像表示素子等で生じる位相ずれを補償し、投射画像中の光漏れを低減させ投射画像のコントラストを向上させる効果がある。
【０００３】
位相差板は、位相差を付与する光の波長よりも短い周期を有する微細構造を用い、その周期方向及び形状を制御することによって製造される。この際、光学軸が面法線から傾いた位相差板を得るには、構造の周期方向自体を基板面から傾くようにすればよい。特許文献１には、光学軸が面法線から任意の角度に傾いたものと同等の屈折率異方性を持つような微細構造を用いた位相差板が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１６３４５０公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献１のような微細構造を作製するのは困難である。従来、このような微細構造を加工する手法として、上述の微細周期構造を持つ型で材料に形状を転写するナノインプリントによる手法や、微細なマスクを用いたエッチングによる加工方法が知られている。しかし、加工寸法が波長以下であり、かつ、周期構造が素子面に対して傾いているため、ナノインプリントのような方法では成形後の型の離型が困難である。またエッチングを用いる場合でも、基板面に対して斜め方向に形状を掘る必要があり、特許文献１のような斜方格子形状を均一に加工することは困難である。
【０００６】
そこで本発明は、製造が容易で、透明基板の基板面の法線とは異なる方向に光学軸を有する位相差板を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一側面としての位相差板は、透明基板と、該透明基板の基板面上に形成された、可視光波長以下の周期の周期構造体と、を備えた位相差板であって、前記位相差板は、前記基板面に対して垂直に入射する前記可視光波長の所定の設計波長の光に対して１／４波長以上かつ３／４波長以下の位相差を与えるように構成されており、前記周期構造体は、前記透明基板の前記基板面と平行な面において前記透明基板から離れるに従って体積占有率が減少するように構成され、該基板面から２００ｎｍ以上の高さを有し、前記周期構造体の周期方向及び前記基板面の法線方向の両方に平行な断面において、該周期構造体の最も前記基板面に近い位置における単位周期構造の幅の中心と該基板面から最も離れた位置における単位周期構造の幅の中心とを結ぶ第１方向が、該基板面の法線方向に対して同じ方向に傾いており、且つ前記第１方向と前記基板面の法線方向とのなす角度は５度以上かつ３０度以下である。
【０００８】
本発明の他の一側面としての位相差板は、  透明基板と、可視光波長以下の周期を有し、前記透明基板の第１基板面及び第２基板面のそれぞれに形成された第１周期構造体及び第２周期構造体と、を備えた位相差板であって、前記位相差板は、前記第１基板面に対して垂直に入射する前記可視光波長の所定の設計波長の光に対して１／４波長以上かつ３／４波長以下の位相差を与えるように構成されており、前記第１周期構造体は、前記透明基板の前記第１基板面と平行な面において該透明基板から離れるに従って体積占有率が減少するように構成され、該第１基板面から１００ｎｍ以上の高さを有し、前記第２周期構造体は、前記透明基板の前記第２基板面と平行な面において該透明基板から離れるに従って体積占有率が減少するように構成され、該第２基板面から１００ｎｍ以上の高さを有し、前記第１周期構造体と前記第２周期構造体の周期方向は互いに平行であり、前記第１周期構造体及び前記第２周期構造体の前記周期方向と前記第１基板面及び前記第２基板面の法線方向と平行な面である断面において、前記第１周期構造体の最も前記第１基板面に近い位置における単位周期構造の幅の中心と該第１基板面から最も離れた位置における単位周期構造の幅の中心とを結ぶ第１方向と、前記第２周期構造体の最も前記第２基板面に近い位置における単位周期構造の幅の中心と該第２基板面から最も離れた位置における単位周期構造の幅の中心とを結ぶ第２方向とのなす角度は０度以上かつ５度以下であり、前記第１方向が、前記第１基板面の法線方向に対して同じ方向に傾いており、且つ前記第１方向と前記第１基板面の法線方向とのなす角度は５度以上かつ３０度以下であり、前記第２方向が、前記第２基板面の法線方向に対して同じ方向に傾いており、且つ前記第２方向と前記第２基板面の法線方向とのなす角度は５度以上かつ３０度以下である。
【０００９】
また、前記位相差板、画像表示素子、照明光学系、及び、投射光学系を備えた投射型画像表示装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【００１０】
本発明の他の目的及び特徴は、以下の実施例において説明される。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、製造が容易で、透明基板の基板面の法線とは異なる方向に光学軸を有する位相差板を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施例１における位相差板の概略図である。
【図２】一般的な１次元周期構造を有する位相差板の概略図である。
【図３】図２の１次元周期構造と入射偏光に対する有効屈折率の相関図である。
【図４】図１及び図２の１次元周期構造へ垂直入射及び斜入射する偏光を示す図である。
【図５】図４の光線に対する透過位相差分光特性である。
【図６】図４の１次元周期構造と１軸性屈折率楕円形状との関係図である。
【図７】実施例１における位相差板の位相差入射角度特性である。
【図８】実施例１における位相差板の他の形態を示す図である。
【図９】実施例１における位相差板の断面形状を示す図である。
【図１０】実施例１における位相差板の位相差特性である。
【図１１】実施例２における位相差板の概略図である。
【図１２】実施例２における位相差板の位相差特性である。
【図１３】実施例３における位相差板の概略図である。
【図１４】実施例３における位相差板の位相差特性である。
【図１５】実施例４における投射型画像表示装置の概略図である。
【図１６】実施例４における位相差板の位相差特性（（ａ）Ｂ光路用、（ｂ）Ｇ光路用、（ｃ）Ｒ光路用）である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施例について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【実施例１】
【００１４】
まず、本発明の実施例１における位相差板について説明する。図１（ａ）は、本実施例における位相差板１００の構成を示す概略図である。また図１（ｂ）は、図１（ａ）のｘｚ面での断面形状を示す図である。位相差板１００は、可視光波長以下の格子周期Ｐを有し、透明基板１の基板面上に形成された格子高さｈの周期構造体２（１次元格子）を備えて構成される。また位相差板１００は、前記基板面に対して垂直に入射する、可視光波長である所定の設計波長の光に対して、１／４波長以上かつ３／４波長以下の位相差を与えるように構成されている。つまり、この位相差板１００の光学軸は、透明基板１の基板面の法線とは異なる方向（非平行）である。更に、この位相差板の光学軸は周期構造体を構成する基板面に対しても非平行であり、光学軸が基板面に対してなす角度が１度以上４５度以下（好ましくは３度以上３０度以下）であることが望ましい。
【００１５】
周期構造体２は、透明基板１の基板面と平行な面において、透明基板１から離れるに従って体積占有率が減少するように構成され、基板面から例えば２００ｎｍ以上の高さを有する。周期構造体２の周期方向ｘ及び基板面の法線方向ｚの両方と平行な面（ｘｚ面）である断面において、周期構造体２の最も基板面に近い位置での単位周期構造の幅の中心Ｏ１と基板面から最も離れた位置での幅の中心Ｏ２とを結ぶ方向（第１方向）をＬとする。このとき、方向Ｌと基板面の法線方向ｚとのなす角度は５度以上かつ３０度以下である。より好ましくは、この角度は５度以上かつ２５度以下に設定される。本実施例の位相差板１００は、透明基板１側に底辺、最表面側（透明基板１から最も離れた位置）に頂点を有する三角形状となっている。このため位相差板１００の場合、単位周期構造の幅の中心Ｏ２は、基板面から最も離れた位置における三角形の頂点となる。
【００１６】
周期構造体２は、可視光波長よりも短い格子周期Ｐで複数の単位周期構造を方向ｘに配列して構成される。本実施例において、可視光波長とは約４００ｎｍから７００ｎｍの範囲の波長であり、位相差板１００は可視光波長の範囲で使用される。可視光波長以下の周期を有する微細な周期構造体２による構造複屈折により、位相差板１００を透過する偏光には微細周期形状に応じた位相差が与えられる。
【００１７】
次に、図２を参照して、構造複屈折及び有効屈折率法について説明する。図２は、微細な１次元矩形格子構造に入射する２つの偏光（ＴＥ偏光、ＴＭ偏光）を示している。１次元格子の周期が入射する偏光の波長以下である場合、周期構造と偏光方向（ＴＥ方向又はＴＭ方向）によって屈折率異方性が生じる（構造複屈折）。有効屈折率法とは、回折限界以下の微細な周期構造体について、見かけの屈折率（有効屈折率）を求める手法である。図２の１次元格子において、格子周期に直交するＴＥ偏光、ＴＥ偏光と入射面に垂直なＴＭ偏光それぞれの偏光成分に対する有効屈折率ｎ（ＴＥ）、ｎ（ＴＭ）は、それぞれ以下の式（１）、（２）で与えられる。
【００１８】
【数１】
0005700984.tif 000002
【００１９】
【数２】
0005700984.tif 000003
【００２０】
式（１）、（２）において、ｎａは格子間の媒質の屈折率であり、ｎｍは格子材質の屈折率である。また、ｆｆはフィリングファクタであり、構造周期Ｐ、格子幅Ｗに対して、ｆｆ＝Ｗ／Ｐで定義される。
【００２１】
図３は、図２の構造において、ｎａ＝１．０、ｎｍ＝２．３として横軸ｆｆ、縦軸に有効屈折率ｎ（式（１）、（２））をプロットした結果である。図３に示されるように、２つの偏光（ＴＥ偏光、ＴＭ偏光）に対する有効屈折率の間に差が生じている。このことから、可視光波長以下の微細な周期構造を透過する偏光は、その構造や材質に応じた位相差を受けることがわかる。微細構造の詳細な設計の際には、厳密結合波解析等の電磁波解析を行う必要があるが、上記手法により簡易に有効屈折率を概算でき、大まかな特性を掴むことができる。図１に示される構造を有する位相差板１００も、図２の微細な１次元周期構造の重ね合わせであり、位相差板１００は透過偏光に位相差を付与する位相差板として機能する。
【００２２】
次に、本実施例における位相差板に斜入射する偏光に対して生じる位相差について説明する。図４（ａ）は、本実施例における位相差板に垂直入射及びｘｚ面内で斜入射する偏光を示す図である。垂直入射光線は（０）、斜入射光線については入射角度の方向に応じて（＋ｘ）、（−ｘ）で表される。これと同様に、比較例として、図４（ｂ）は、矩形１次元格子の場合を示している。
【００２３】
図５（ａ）、（ｂ）は、それぞれ、図４（ａ）、（ｂ）に示される３本の入射偏光（垂直入射光線（０）、斜入射光線（＋ｘ）、（−ｘ））に生じる透過位相差の傾向を示す図である。比較例としての図４（ｂ）の矩形格子形状では、図５（ｂ）に示されるように、斜入射光線（＋ｘ）、（−ｘ）の間に差は生じない。これに対し、本実施例の三角格子形状では、図５（ａ）に示されるように、斜入射光線（＋ｘ）、（−ｘ）において位相差は互いに等しくならず、入射方向よって差が生じる。これは、ｘｚ面内での断面形状の非対称性に起因するものであり、１次元格子の傾斜方向Ｌが面法線ｚ方向と平行でない場合には、斜入射光線（−ｘ）（＋ｘ）の角度に対して非対称な位相差特性が生じる。
【００２４】
一般的に、位相差板を透過した際に生じる位相差は、入射する偏光の入射角度、入射方位、及び、位相差板の屈折率異方性により決定される。そこで、図４（ａ）、（ｂ）それぞれの屈折率異方性の違いを表すために、両図の構造について屈折率楕円体として表したものを図６（ａ）、（ｂ）に示す。屈折率楕円体は、屈折率異方性を回転楕円体で表現したもので、各入射光線に対する屈折率異方性は媒質を透過する光線方向と垂直な面での断面における楕円の長軸長、短軸長として表現される。まず、図６（ｂ）に示される矩形格子の場合、図３で示されるように有効屈折率の大きさはｎ（ＴＥ）＞ｎ（ＴＭ）である。このため、ｘ方向と平行に振動する偏光に対する有効屈折率は、ｙ方向と平行な偏光に対する有効屈折率に対して小さな値を有する。ｙ方向とｚ方向の構造対称性は略等しいとすると、図６（ｂ）のようにｙ、ｚ方向の偏光に対しては等しく、ｘ方向の偏光に対して相対的に小さな屈折率を有し、かつ、ｘ軸方向に光学軸を有する１軸性の屈折率楕円体として考えることができる。実際には、ｚ方向の格子高さはｙ方向の格子の長さに比べて小さく、１軸性の近似から外れることもあるが、そのような場合でもｘ軸と平行な偏光に対して相対的に小さな屈折率を持つ屈折率楕円体となると考えられる。この場合、図５に示される斜入射光線（−ｘ）、（＋ｘ）に対する屈折率異方性は等しく、２つの斜入射光線（−ｘ）、（＋ｘ）には同じ位相差が付与される。
【００２５】
図６（ａ）の場合も、矩形１次元格子の重ね合わせと考えることにより、ｙ方向と平行な偏光に対する屈折率よりもｘ方向と平行な偏光に対する屈折率の方が小さな屈折率を持つことは容易に想像できる。しかし格子側面が傾斜しているため、斜入射光線（−ｘ）、（＋ｘ）のそれぞれに対する屈折率異方性が異なり、透過位相差は変化する。つまり、本実施例の位相差板（図４（ａ））の有効屈折率の最も小さな方向はｘ方向と平行ではなくｘｚ面内で傾いており、それと同様に、屈折率異方性の分布も図６（ｂ）のように傾いていると考えることができる。
【００２６】
図７は、位相差板を透過する位相差の入射角度変化をプロットした図である。ここで入射角度は、図１中のｘｚ面内を入射面としたｚ軸に対する角度と定義する。図７中の実線は、図６（ａ）に示されるように、屈折率楕円体の光学軸がｘｚ面内でｘ方向と約５．７°傾いた位相差板を仮定し、透過位相差について計算したものである。図７中の点線は、図１（ｂ）の格子形状において、Ｌ方向がｚ方向に対して約５．７°傾いた三角格子形状を透過する位相差を、厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）にて計算した結果を示している。なお、屈折率異方性の平均を取った屈折率は両者で等しく、また、０度入射での位相差が同一となるように設定されている。両者を比較すると、入射角度に対する位相差の変化量に違いはあるものの、位相差の入射角度変化のピーク位置は略同一の１８°付近となっている。このことから、図４（ａ）に示される微細周期形状を、屈折率楕円体で近似した場合の光学軸の方向は、Ｌ方向と直交する方向に傾斜したものと等しいといえる。つまり、図４（ａ）のような微細な三角格子周期構造は、図６（ａ）に示されるような傾斜した光学軸を有する位相差板として機能する。
【００２７】
このように、本実施例のような形状とすることで、従来は作製が困難であった、光学軸が面法線から傾いた微細周期構造の位相差板を、容易に製造することができる。また、位相差板の形状の制御も容易になる。このとき、位相差板の異方性の方向は、三角格子の基板側の格子幅の中心部と、入射側の格子幅の中心部（頂点部）を結ぶ方向Ｌにより制御できる。このため、光学軸の角度が決定されると、略三角格子の相似的な形状が決定される。しかしその上で、必要な位相差を得つつも周期構造による回折を抑制するなど、形状決定において光学特性に悪影響が起こらないようにする必要がある。このため、本実施例の位相差板においては、望ましい特性を得るために、格子周期Ｐ、格子高さｈ、及び、格子材質の屈折率ｎｍを所定の範囲内に収めることが好ましい。
【００２８】
まず、格子周期Ｐについては、格子周期Ｐが入射する光の波長よりも大きい場合には格子周期構造による回折光を生じる。しかし、回折光が発生すると０次の透過光量が低減するだけでなく、所望しない方向へ光が分散するなど、光学素子としては好ましくない。このため、格子周期Ｐは、使用する光の最短波長よりも小さく設定することが好ましく、本実施例の位相差板においては、可視光波長内で回折を抑えるために３５０ｎｍ以下に抑えることが好ましい。また、反対に格子周期Ｐが小さいと形状の微細化により製造難易度が増すだけでなく、充分な位相差が得られにくくなる。三角格子の形状は、異方性の方向からほぼ決定されるため、格子周期Ｐが小さいと相似的に格子高さｈを低減せざるを得なくなり、結果として充分な位相差が得られにくくなる。本実施例の位相差板では、格子周期Ｐは少なくとも５０ｎｍ以上に設定されることが望ましい。
【００２９】
さらに、位相差板として充分な位相差を有するには、それに見合った屈折率差又は格子高さが必要となる。格子高さが高ければ必要十分な位相差を確保できるが、格子形状が決定しているため、格子高さｈを大きくすると格子周期Ｐも増大する。しかし、格子周期Ｐは上記制限の範囲内（５０ｎｍ以上かつ３５０ｎｍ以下）とする必要がある。または、有効屈折率の式（１）、（２）に表されるように、（ｎａは一定として）格子材質の屈折率ｎｍが高ければ、屈折率異方性の差｜ｎ（ＴＥ）−ｎ（ＴＭ）｜を大きく取ることが可能である。本実施例の位相差板においては、垂直入射光線に対して可視光波長の範囲内で１／４波長から３／４波長の位相差を有する位相差板として機能させることを想定されている。このため、格子高さｈは少なくとも２００ｎｍ以上であることが好ましい。格子高さｈが２００ｎｍ以下である場合、格子形状の構成上十分な位相差が得られない。同様に、十分な屈折率差の確保のためには、格子を構成する材質の屈折率ｎｍは１．６０以上であることが好ましい。また、位相差を十分確保しつつＬ方向をｚ方向から大きく傾けた形状とするには、格子周期Ｐを大きく取る必要がある。回折限界の範囲内で簡易な形状で十分な位相差を得る場合、Ｌ方向のｚ方向に対する傾斜角度は５度以上かつ３０度以下に設定することが好ましい。
【００３０】
このような微細周期構造体を有する位相差板の製造方法としては、例えばマスクエッチングによる方法や、インプリントリソグラフィによる方法（型を用いた転写成形プロセス）などがある。マスクエッチングによる方法では、干渉露光や自己組織化膜等によって格子材質上に微細なマスク構造を形成した後に、エッチングガスにより格子材質部分を選択的にエッチングする。その後、マスクを除去することによって基板上に微細な周期構造を形成することができる。この方法では、上述の一連の加工を大面積で行うことにより、製造コストを低減することが可能である。
【００３１】
また、インプリントリソグラフィによる方法では、予め電子線による微細加工や前記マスクエッチングにより微細周期構造を転写するための型を作製し、その型を用いて格子材質層に微細構造を転写することにより微細な周期構造を作製することができる。インプリントリソグラフィの場合、同じ形状の型を用いて連続的に転写することにより、同一の形状を短時間で作製可能である。以上、代表的な微細周期構造の作製方法を示したが、本実施例の位相差板の製造方法は上記のみに限定されるものではなく、他の様々な加工手法により作製されたものであっても本実施例の効果を損なうものではない。
【００３２】
光学軸が傾いた特性を持つ位相差板を微細周期構造で実現するには、従来では特許文献１に開示されているように、微細格子全体が板面から傾いた構造とする必要があり、このような構造を上記に示すような加工方法で作製することは困難であった。一方、本実施例の位相差板は、より簡易な構造で容易に製造可能であり、かつ従来の傾斜微細構造の位相差板と略同等の特性を得ることができる。
【００３３】
本実施例では、図１に示されるように、格子断面が三角形状の場合を例として説明したが、本実施例はこれに限定されるものではない。本実施例の位相差板は、基板側から離れるにつれて格子幅が徐々に狭まる形状で、かつ、格子側壁方向が面法線に対し非対称に形成されていればよい。例えば、図８（ａ）、（ｂ）、（ｃ）に示されるような形状であっても、図８（ｄ）に示される位相差板と同等の効果を得ることができる。ただし、格子側壁の一方の面は位相差板の面法線方向と略平行となるように形成され、格子ｘｚ断面形状（単位周期構造）の２つの底角は９０度以下であり、底角のいずれか一方は８５度以上となるように形成されていることが好ましい。両方の格子側面が上記条件から外れて面法線から大きく傾いた構造である場合には、屈折率異方性の非対称性が弱まるため好ましくない。また、図９（ａ）に示されるように、ｘｚ面での格子断面形状において、格子高さｈ＝ａ（ｘ）としてｘ座標の関数としたとき、格子高さｈがｘについての一価の関数となることが好ましい。図９（ｂ）のように、格子高さｈがｘに対して一価の関数でなく、１つのｘに２つのｈがあるような場合には、製造がやや困難となる。つまり、周期構造体の周期方向と基板面の法線との両者に平行な断面（図１（ｂ）や図９の断面）において、周期構造体を構成する単位周期構造（単位周期構造体、１つの構造体）が以下を満足する。上述の断面において、単位周期構造の３角形の内角が全て９０度以下である。別の言い方をすれば、この単位周期構造の３角形の３つの頂点のうち、基板面から離れている頂点から基板面に下ろした垂線は、他の２つの頂点の間（同じ位置も含む）の位置で基板面と交差する。更に別の言い方をすれば、単位周期構造の３角形を構成する（基板面を除く）２つの面の、３角形の外側に向かって伸びる法線ベクトルは、基板面から遠ざかる方向に伸びている。これらを満足すれば、製造は行いやすくなる。
本実施例における位相差板の詳細値を表１に示す。
【００３４】
【表１】
0005700984.tif 000004
【００３５】
表１に示されるように、位相差板は、格子周期Ｐ＝１００ｎｍ、格子高さｈ＝５００ｎｍのＴｉＯ２格子（屈折率ｎ＝２．４（設計波長：５５０ｎｍ））から構成される。ｘｚ面での格子断面は、図１（ｂ）に示されるように三角形状であり、また一方の格子側面はｙｚ面と平行となるよう配置されている。また、図１０に本実施例の位相差板における分光位相差特性を示す。線種の違いは、＋１０°入射、垂直入射、−１０°入射のそれぞれにおける位相差の違いを示している。本実施例の位相差板は、設計波長５５０ｎｍの光に対して略位相差０．３５λの位相差板として機能する。ここでいう設計波長とは可視光波長であり、位相差板として使用する主たる波長帯域内のある波長を指し、通常その波長帯域の中心付近から選択される。また本実施例の位相差板の光学軸は、面内方向から約５．７°傾いたものと同等の特性を有する。
【実施例２】
【００３６】
次に、本発明の実施例２における位相差板について説明する。図１１（ａ）は、本実施例の位相差板２００の構成を示す概略図である。また図１１（ｂ）は、図１１（ａ）のｘｚ面での断面形状を示す図である。位相差板２００は、透明基板１の第１基板面１ａ及び第２基板面１ｂ（両面）のそれぞれに形成された周期構造体２（第１周期構造体）及び周期構造体３（第２周期構造体）を備える。また位相差板２００は、実施例１と同様に、所定の設計波長の光に対して１／４波長以上かつ３／４波長以下の位相差を与えるように構成され、透明基板１の第１基板面及び第２基板面の法線とは異なる方向に光学軸を有する。周期構造体２、３の周期方向は互いに平行（ｘ方向）であり、またいずれの格子のｘｙ断面形状も基板側を底辺とする三角形状を有する。
【００３７】
このように、微細な周期構造を基板の両面に形成することにより、所定の位相差を得るために必要な構造高さを低減させることができる。本実施例では、周期構造体２、３は、第１基板面及び第２基板面からそれぞれ１００ｎｍ以上の高さを有する。一般的に、サブミクロン程度の微細形状を形成する際は、構造周期に対する構造高さの比が大きいと製造が困難になる。そこで本実施例のように両面に微細周期構造を形成し、構造高さを低減させることで、位相差板自体を容易に製造することが可能となる。
【００３８】
本実施例では、図１１（ｂ）のように周期構造体２、３の断面（ｘｚ面）で、周期構造体２の最も第１基板面１ａに近い位置における単位周期構造の幅の中心Ｏ１と第１基板面１ａから最も離れた位置における幅の中心Ｏ２とを結ぶ方向（第１方向）をＬ１とする。また、周期構造体３の最も第２基板面１ｂに近い位置における単位周期構造の幅の中心Ｏ３と第２基板面１ｂから最も離れた位置における幅の中心Ｏ４とを結ぶ方向（第２方向）をＬ２とする。本実施例では、中心Ｏ２、Ｏ４は三角形の頂点に相当する。このとき、方向Ｌ１、Ｌ２は互いに略平行になるように形成される。略平行とは、全ての単位周期構造の方向Ｌ１、Ｌ２が厳密に平行である場合に限らず、それぞれの方向Ｌ１、Ｌ２のなす角度に５度程度のばらつきがあったとしても、本実施例の効果が損なわれるものではないことを意味する。本実施例において、方向Ｌ１、Ｌ２のなす角度は０度以上５度以下であることが好ましい。また本実施例において、方向Ｌ１と第１基板面１ａの法線方向（ｚ方向）とのなす角度は５度以上かつ３０度以下であることが好ましい。同様に、方向Ｌ２と第２基板面１ｂの法線方向（ｚ方向）とのなす角度も５度以上かつ３０度以下であることが好ましい。このように、微細周期格子を基板両面に形成することにより、実施例１の形状に比べて格子高さを低減して、位相差板をより容易に製造することができる。
【００３９】
本実施例における位相差板の詳細値を表２に示す。
【００４０】
【表２】
0005700984.tif 000005
【００４１】
本実施例の位相差板には、基板の両面に格子周期Ｐ１＝Ｐ２＝１８０ｎｍ、格子高さｈ１＝ｈ２＝３６０ｎｍのＴｉＯ２格子（屈折率ｎ＝２．４、設計波長：５５０ｎｍ）が形成されている。ここで、格子傾斜方向Ｌ１、Ｌ２は略平行となるように形成される。ｘｚ面での格子断面は、図１１（ｂ）に示されるように三角形状であり、また一方の格子側面はｙｚ面と平行となるように配置されている。また、図１２に本実施例の位相差板における分光位相差特性を示す。線種の違いは＋１０°入射、垂直入射、−１０°入射における位相差の違いである。本実施例の位相差板は、設計波長５５０ｎｍの光に対して略位相差０．４６λの位相差板として機能し、その光学軸は面内方向から約１４°傾いたものと同等の特性を有する。
【実施例３】
【００４２】
次に、本発明の実施例３における位相差板について説明する。図１３（ａ）は、本実施例における位相差板３００の構成を示す概略図である。また図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のｘｚ面での断面形状を示す図である。位相差板３００は、透明基板１の上面に微細な周期構造体２が形成されている。また、周期構造体２の上には、周期構造体２を構成する材質とは異なる屈折率を有する層４が形成されている。層４の高さｈ４は、周期構造体２の格子高さｈ３以下に設定されることが好ましい。また層４の屈折率は、周期構造体２の屈折率よりも高い。このため、傾斜構造を維持したまま周期構造全体の高さを増大させ、位相差板の位相差を増大させることができる。なお、本実施例では、周期構造体２の屈折率は１．６以上である必要はなく、層４との屈折率差が大きい方が大きな位相差を得やすい。
【００４３】
屈折率異方性の方向Ｌは、層４の頂点部の幅の中心と周期構造体２の底面部の幅の中心を結ぶ方向ではなく、周期構造体２の頂点部（表面側）の幅の中心と底面部（基板側）の幅の中心を結んだ方向と考えればよい。層４の影響により位相差板全体としての屈折率異方性の傾斜角度が方向Ｌから外れることも考えられる。しかし、層４の高さｈ４が低い場合には屈折率異方性の傾斜に対する影響は小さく、また層４の高さｈ４が周期構造体２の格子高さｈ３程度に大きい場合には層４自体が面法線に対して傾斜した周期構造として機能する。その場合の屈折率異方性の傾斜方向は、周期構造体２から求めた方向Ｌと平行となる。このため、概略的には、屈折率異方性の方向Ｌは周期構造体２の頂点部（表面側）の幅の中心と底面部（基板側）の幅の中心を結んだ方向と考えても問題はない。
【００４４】
本実施例における位相差板の詳細設計値を表３に示す。
【００４５】
【表３】
0005700984.tif 000006
【００４６】
本実施例の位相差板では、基板の一方の面に格子周期１８０ｎｍ、格子高さｈ３＝２８０ｎｍのＳｉＯ２格子（ｎ＝１．４８、設計波長：５５０ｎｍ）が形成されている。また、その上面に厚みｈ４＝２８０ｎｍのＴｉＯ２層（屈折率ｎ＝２．４、設計波長：５５０ｎｍ）が形成されている。ｘｚ面での格子断面の概略図は、図１３（ｂ）に示されるように三角形状であり、また一方の格子側面はｙｚ面と平行となるよう配置されている。また、図１４に本実施例の位相差板における分光位相差特性を示す。線種の違いは、＋１０°入射、垂直入射、−１０°入射における位相差の違いである。本実施例の位相差板は、波長５５０ｎｍに対する０．２５λ位相差板として機能し、その光学軸は面内方向から約１８°傾いたものと同等の特性を有する。
【００４７】
なお、本実施例の説明では、層４の屈折率が周期構造体２の屈折率より大きい場合について示したが、本実施例の位相差板においては層４の屈折率が周期構造体２の屈折率よりも小さくてもよい。その場合には、層４が反射防止層として機能する。周期構造体２より小さな屈折率の層４で周期構造の上面をカバーすることにより、入射側から基板側への有効屈折率の変化が緩やかになる。その結果、周期構造体２で生じる反射を低減することができ、透過率の高い位相差板を得ることができる。
【実施例４】
【００４８】
次に、本発明の実施例４における位相差板を有する投射型画像表示装置について説明する。図１５は、本実施例における投射型画像表示装置の構成を示す概略図である。投射型画像表示装置４００は、光源４１、偏光変換素子４３、ダイクロイックミラー４５、偏光板４６、色選択性位相差板４７、緑色用の偏光分離素子４９ａ、及び、青、赤色用の偏光分離素子４９ｂを有する。また投射型画像表示装置４００は、画像表示素子５１ｇ、５１ｂ、５１ｒ、位相差板５２ｇ、５２ｂ、５２ｒ、合成プリズム５８、及び、投射レンズ光学系６０（投射光学系）を有する。
【００４９】
投射レンズ光学系６０は、画像表示素子５１ｇ、５１ｂ、５１ｒから出射する画像光を投射する。なお、偏光変換素子４３、ダイクロイックミラー４５、偏光板４６、及び、色選択性位相差板４７は、光源４１からの照明光で画像表示素子５１ｇ、５１ｂ、５１ｒを照明する照明光学系を構成する。偏光分離素子４９ａは、照明光学系からの照明光を画像表示素子５１ｇに導くと共に、画像表示素子５１ｇからの画像光を投射レンズ光学系６０に導く。同様に、偏光分離素子４９ｂは、照明光学系からの照明光を画像表示素子５１ｂ、５１ｒに導くと共に、画像表示素子５１ｂ、５１ｒからの画像光を投射レンズ光学系６０に導く。また投射型画像表示装置４００において、位相差板５２ｇの基板面（第１基板面及び第２基板面）は、画像表示素子５１ｇの光入射面と平行に配置されている。同様に、位相差板５２ｂ、５２ｒの基板面（第１基板面及び第２基板面）は、画像表示素子５１ｂ、５１ｒのそれぞれの光入射面と平行に配置されている。
【００５０】
光源４１から照射される光束は、リフレクタによって反射され、略平行光束４２となって偏光変換素子４３に入射する。図１５では、白色平行光束４２を緑、青、赤色の３原色の光に分解して、それぞれ緑色光４２ｇ、青色光４２ｂ、赤色光４２ｒとして示している。勿論、この緑、青、赤色光のそれぞれは、図１５中では便宜上空間的に分離して記載しているが、この３つの光はこの段階では空間的に分離されているものではない。以下、緑色光はＧ、青色光はＢ、赤色光はＲと省略する。
【００５１】
光源４１から発せられる各色の光は、偏光変換素子４３を透過することにより、一様な偏光方向へ揃えられてＧ偏光４４ｇ、Ｂ偏光４４ｂ、Ｒ偏光４４ｒとなり、ダイクロイックミラー４５へ入射する。ダイクロイックミラー４５は、Ｇ帯域のみ反射する特性を有し、Ｇ偏光は反射され、Ｒ、Ｂ偏光は透過することでＧ偏光が色分離される。Ｇ偏光は、そのまま偏光分離素子４９ａに入射し、位相差板５２ｇを透過してＧ用の画像表示素子５１ｇに入射する。色分離されたＲ偏光、Ｂ偏光は、偏光板４６を透過することにより偏光度が向上した後に色選択性位相差板４７に入射する。色選択性位相差板４７は、Ｂ偏光のみ偏光方向を９０°変換させる特性を有し、Ｒ偏光の偏光状態は維持したまま、Ｂ偏光は９０°偏光方向が回転した状態で偏光分離素子４９ｂに入射する。偏光分離素子４９ａ、４９ｂは、偏光分離面４９ａ１、４９ｂ１に入射する偏光のうち、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する素子である。このような作用を有する素子は、例えば屈折率の異なる薄膜を偏光分離面４９ａ１、４９ｂ１に積層したものなどがある。偏光分離素子４９ｂの偏光分離面９ｂ１により、Ｂ偏光は反射、Ｒ偏光は透過して色分離され、位相差板５２ｂ、５２ｒを透過して各色に対応する画像表示素子５１ｂ、５１ｒに入射する。画像表示素子５１ｂ、５１ｒ、５１ｇに照明された光は、画像信号に応じて画素ごとにその偏光方向が変換され、反射されることにより画像光となる。ＢとＲの画像光は、再び位相差板５２ｂ、５２ｒを透過した後に偏光分離素子４９ｂに再入射する。ここで、Ｂ偏光の画像光は透過され青色光５５ｂとなり、Ｒ偏光の画像光は偏光分離面４９ｂ１に反射され赤色光５５ｒとなって偏光分離素子４９ｂを出射することで青色光５５ｂ、赤色光５５ｒが合成される。Ｇ偏光の画像光も、位相差板５２ｇを透過した後に偏光分離素子４９ａの偏光分離面４９ａ１により反射され、合成プリズム５８に入射する。合成プリズム５８内のダイクロイック膜５９により、Ｇの画像光は反射され、ＢとＲの画像光（青色光５５ｂ、赤色光５５ｒ）は透過することで、ＧとＲとＢの光が合成されて出射される。色合成された画像光は、投射レンズ光学系６０によりスクリーンに投影され、結像される。
【００５２】
偏光分離素子４９ａ、４９ｂは、Ｐ偏光を透過、Ｓ偏光を反射することで画像光と照明光を分離する機能を有する素子である。また、偏光分離面４９ａ１、４９ｂ１に入射する角度や入射方位により、偏光分離面に対するＰ偏光、Ｓ偏光の方向、つまり透過、反射する光の振動方向（これを偏光軸とする）が変化する。画像表示素子５１ｇ、５１ｂ、５１ｒに垂直に入射する光線に対して、偏光分離面４９ａ１、４９ｂ１は所定の角度傾いている。このため、画像表示素子５１ｇ、５１ｂ、５１ｒに等しい角度で入射する偏光であっても、入射方位が異なる場合には偏光軸の方向が異なる。よって、偏光分離素子４９ａ、４９ｂにより分離された偏光は、入射角度や方位に依存した非対称な偏光状態を有する。このような偏光状態の乱れがあると、黒表示状態であるにも関わらず、偏光分離素子による検光の際に所望しない光漏れを生じ、投射画像のコントラストを低下させる。
【００５３】
このような課題に対し、本実施例の位相差板５２ｇ、５２ｂ、５２ｒは、それぞれ、偏光分離素子４９ａ、４９ｂと画像表示素子５１ｇ、５１ｂ、５１ｒとの間に配置される。特に、偏光分離素子４９ａ、４９ｂにより引き起こされる、入射角度に依存した非対称な位相差の変化を補償する。位相差板５２ｇ、５２ｂ、５２ｒは、屈折率異方性が周期構造から決定される方向Ｌｇ，Ｌｂ，Ｌｒに傾いているため、位相差板を透過する偏光は入射角度、方位により非対称な位相変化を受ける。偏光分離素子に斜入射する光線に生じる非対称な偏光軸のずれを、位相差板５２ｇ、５２ｂ、５２ｒを透過する際に生じる非対称な位相変化により補償し、変更分離素子での検光の際に生じる光漏れを効果的に抑制することができる。その際、十分な位相補償効果を得るには、位相差板の位相差は、各光路の中心波長に対して０．２５λよりも大きく０．７５λ以下の位相差を有することが好ましく、略０．５λ程度の位相差を有することが特に好ましい。また図１５に示されるように、位相差板５２ｇ、５２ｂ、５２ｒの周期構造の方向Ｌｇ，Ｌｂ，Ｌｒ、位相差板の面法線方向（第１方向）、及び、偏光分離面４９ａ１、４９ｂ１の法線方向ｎが同一平面内となるように位相差板を配置することが望ましい。
【００５４】
本実施例における投射型画像表示装置の位相差板５２ｇ、５２ｂ、５２ｒの詳細な設計値を表４に示す。
【００５５】
【表４】
0005700984.tif 000007
【００５６】
本実施例の位相差板は、基板の両面に三角形の断面形状を有する周期構造体２、及び、その上面に高屈折率の層４が形成された形状を有する。また、実施例２の位相差板２００のように、各面の格子方向Ｌ１、Ｌ２は略平行となるように配置されている。図１６（ａ）〜（ｃ）に、本実施例における位相差板５２ｂ、５２ｇ、５２ｒの分光位相差特性をそれぞれ示す。線種の違いは＋１０°入射、垂直入射、−１０°入射における位相差の違いである。本実施例の位相差板５２ｂは、波長４５０ｎｍに対する０．５０λ位相差板として機能し、位相差板５２ｇは波長５５０ｎｍに対する０．５０λ位相差板として機能し、位相差板５２ｒは波長６３０ｎｍに対する０．５０λ位相差板として機能する。また、その光学軸は、それぞれ面内方向から約１５°乃至１９°傾いたものと同等の特性を有する。
【００５７】
本実施例の位相差板に加えて、液晶を用いた画像表示素子に対する入射角度特性を補償するための位相差板や、液晶プレチルト角補償のための位相差板を追加してもよい。その際、画像表示素子を補償するための位相差板は、画像表示素子と本実施例の位相差板との間に追加することが好ましい。このような構成により、光漏れを更に抑制してコントラストを向上させることができる。
【００５８】
また、位相差板５２ｇ、５２ｂ、５２ｒを無機材料からなる位相差板とすることにより、光源の光強度を増大させて高輝度化した場合でも、熱や紫外光に対する耐久性を向上でき、長時間に渡り安定した画像を表示することができる。このように、本実施例の位相差板を用いることにより、簡易な作製手法で投射型画像表示装置の高輝度化と高コントラスト化の両立に寄与する。
【００５９】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【符号の説明】
【００６０】
１：透明基板
２：周期構造体
１００：位相差板
【図３】
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【図５】
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【図９】
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【図１０】
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【図１２】
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【図１４】
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【図１６】
0005700984.tif 000014
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１５】
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