(57)【要約】【課題】簡易な構成により、必要な位相差量を確保しつつ、フレネル反射を有効に抑制して光のロスおよび透過出射光の強度の振動を低減させることができ、ひいては、光学特性の向上、コストの削減および製造不良の低減を図ることができ、あわせて製造性を向上させることができる優れた品質の偏光位相差板を提供する。【解決手段】回折格子１４の凸部１２の断面形状および高さによって、フレネル反射の抑制と位相差量の確保とを両立させ、金型を用いて偏光位相差板を成形する場合における金型への樹脂材料の充填性および金型からの成形品の離型性を向上させることが可能とした。【選択図】図１
2008096892.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板の厚み方向における少なくとも一方の表面に、複数の凸部が整列された一定の周期を有する回折格子が形成され、前記回折格子の構造複屈折を利用可能に形成された偏光位相差板であって、
前記回折格子の周期が、使用する光の波長以下の大きさに形成され、
前記凸部が、前記基板の厚み方向に所定の高さを有するとともに、前記基板の前記表面から前記厚み方向における前記凸部の突出方向に向かって順に、底部、中腹部および頂部を有し、
前記底部の断面形状が、前記凸部の仮想中心線を挟んで互いに線対称とされた前記底部の断面の２つの外形線であり、楕円方程式を満足する曲線状の２つの外形線によって規定される断面形状に形成され、
前記中腹部の断面形状が、前記凸部の仮想中心線を挟んで互いに線対称とされた前記中腹部の断面の２つの外形線であり、前記頂部に向かうにしたがって前記凸部の中心側に向かう直線状の２つの外形線によって規定されるテーパ状の断面形状に形成されていること
を特徴とする偏光位相差板。
【請求項２】
前記頂部の断面形状が、この頂部の断面の外形線であり、この外形線に接する接線についての前記厚み方向に対する傾きが前記頂部の最頂点に向かうにしたがって９０°に近くなるような楕円方程式を満足する曲線状の外形線によって規定される断面形状に形成されていること
を特徴とする請求項１に記載の偏光位相差板。
【請求項３】
前記凸部の整列方向に沿って互いに隣位する前記凸部同士における各底部が、前記整列方向において互いに連接され、かつ、前記各底部が互いに連接された位置において、前記各底部の断面の外形線に接する接線が互いに不一致とされ、
次の（１）の条件式、
０．３≦Ｂ／Ａ≦０．６      （１）
但し、
Ａ：前記凸部の前記整列方向の最大寸法を仮想矩形領域の一辺の寸法と仮定し、前記凸部の前記厚み方向の寸法を前記仮想矩形領域の前記一辺に直交する他の一辺の寸法と仮定した場合におけるこれら２つの一辺の寸法の積からなる前記仮想矩形領域の面積
Ｂ：前記凸部の断面積
Ｂ／Ａ：前記回折格子の断面積比
を満足すること
を特徴とする請求項１または２に記載の偏光位相差板。
【請求項４】
前記回折格子が、前記基板と同一の物質によって形成され、
前記回折格子の周期が、使用する光の波長の２／３以下の大きさに形成されていること
を特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の偏光位相差板。
【請求項５】
λ／２板、λ／４板またはλ／８板として機能するように形成されていること
を特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の偏光位相差板。
【請求項６】
基板の厚み方向における一方の表面に、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回折格子が形成され、かつ、前記基板の厚み方向における他方の表面に、使用する光の波長以上の周期を有する回折格子または請求項１〜５のいずれか１項に記載の回折格子が形成されてなること
を特徴とする回折光学素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光位相差板および回折光学素子に係り、特に、微細構造に起因した構造複屈折を利用するのに好適な偏光位相差板および回折光学素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光位相差板は、入射した光の偏光状態を複屈折によって変換させる光学素子であり、このような偏光位相差板としては、λ／２板、λ／４板およびλ／８板などがよく知られている。
【０００３】
偏光位相差板には、大きく分けて次の３つのタイプがあり、まず、１つ目のタイプは、光学的に一軸性の光学用高分子フィルムを延伸させて、使用する光の波長λに対して複屈折の総量（詳細は後述する）がλ／４（すなわち９０°）またはλ／２（すなわち１８０°）となるように形成された偏光位相差板である。
【０００４】
次に、２つ目のタイプは、水晶のような一軸性の結晶を光学研磨して膜厚を調整することにより、複屈折の総量が特定の波長λに対してλ／４（９０°）となるように形成された偏光位相差板である。
【０００５】
最後に、３つ目のタイプは、微細な周期構造から生じる構造複屈折を利用した偏光位相差板である。
【０００６】
このような３つのタイプの偏光位相差板の主たる使用目的は、いずれも、偏光の変換素子としての使用目的であった。
【０００７】
一例としては、直線偏光の光を偏光位相差板の速軸（進相軸）または遅軸（遅相軸）に対して４５°の方向に入射させることによって、当該直線偏光を円偏光に変換することや、逆に、円偏光を偏光位相差板に入射して当該円偏光を直線偏光に変換することが行われていた。
【０００８】
前述した構造複屈折についてさらに詳述すると、この構造複屈折は、光の波長程度以下の領域において、異方的な形状の１次元周期構造から複屈折が生じる現象として知られている。
【０００９】
この構造複屈折の一例として、例えば、図１４に示すように、特に、０次回折格子しか存在しないような微小サイズの領域において、誘電率ε１を有する媒質（空気層）と誘電率ε２を有する媒質（回折格子１の凸部２）との２種類の媒質が周期的に存在し、ｚ軸方向（図１４における縦方向）に光が入射したような場合を考える。
【００１０】
この場合、ｘ軸方向（図１４における横方向）、ｚ軸方向の平均的な誘電率は、有効屈折率法という考え方から次式のように表されることが知られている。
【００１１】
ε‖（０）＝（１−ｆ）・ε１＋ｆ・ε２  （充填率：ｆ＝ｗ／Λ）    （２−１）
１／ε⊥（０）＝（１−ｆ）／ε１＋ｆ／ε２                          （２−２）
【００１２】
但し、（２−１）、（２−２）の各式は、媒質がｘ軸、ｙ軸方向に無限に広がっていると仮定した場合に成立する式である。また、各式は、誘電率ε１、ε２の各媒質の周期Λ（図１４参照）が、光の波長より遙かに小さいと仮定した場合に近似的に成立する式である。なお、（２−１）式におけるｆは、充填率もしくはデューティ比と呼ばれるパラメータであり、周期Λに対する誘電率ε２を有する媒質（凸部２）のｘ軸方向の寸法の比ｗ／Λとして表される。尚、図１４の場合は、回折格子１の断面が矩形形状のため、デューティ比＝回折格子１の断面積比となる。
【００１３】
ここで、屈折率ｎの２乗が誘電率εである。また、複屈折量Δｎ、すなわち、偏光位相差板の単位高さ当たりに生じる複屈折の量（換言すれば、偏光位相差量）は、上式におけるε‖（０）−ε⊥（０）の量に比例する。さらに、偏光位相差板全体に生じる複屈折の量、すなわち、複屈折の総量は、回折格子１の格子の深さｄ（換言すれば、凸部２の高さ）にほぼ比例する。
（２−１）、（２−２）の各式から分かるように、構造複屈折を利用した一軸性の媒質を用いる場合には、複屈折量Δｎひいては複屈折の総量を、回折格子の周期構造の充填率ｆの値（充填ファクタ）を変えることによって人工的にコントロールできるという長所がある。
【００１４】
このことに関しては、Optical Review Vol.2(1995)92〜99に詳しく記述されている。このような場合の正確な複屈折量Δｎおよび複屈折の総量は、厳密な電磁解析法の１つであるＲＣＷＡ法（厳密波結合法）でほぼ正確に計算できることが知られている。
【００１５】
また、このような構造複屈折を有する偏光位相差板において、光の損失を少なくするためには、高次の回折光が生じないような周期Λのサイズにする必要がある。
【００１６】
ここで、１次以上の回折光が生じない条件式として、次の（３）式が成立する必要がある。
【００１７】
（Λ／λ）＜１／（ｍａｘ［ｎＳ、ｎｉ］＋ｎｊ・ｓｉｎθｍａｘ）    （３）
【００１８】
但し、（３）式において、Λは、偏光位相差板を構成する回折格子の周期であり、λは、使用する光の波長であり、θは、偏光位相差板に対する光の入射角度である。また、（３）式において、ｎＳは、偏光位相差板を構成する基材の屈折率であり、ｎｉは、入射側の媒質（空気）の屈折率である。
【００１９】
ここで、使用する光の波長λ＝６５０ｎｍ、屈折率ｎ＝１．５１２、入射角度０度と仮定すると、Λ＜０．４２９μｍとなる。
【００２０】
つまり、光の損失の少ない偏光位相差板を形成するには、周期を４２９ｎｍより小さくしなければならないことが分かる。
【００２１】
この種の構造複屈折を利用した偏光位相差板としては、これまでにも種々の提案がなされている。
【００２２】
例えば、特許文献１には、偏光位相差板として、図１５に示すようなサブ波長領域のラメラ形状の回折格子１を利用した波長板４が開示されている。
【００２３】
【特許文献１】特開２００３−２０７６３６号公報
【特許文献２】特開２００４−３６１４５１号公報
【特許文献３】特開昭６２−２１２９４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
しかしながら、従来の偏光位相差板には、以下に述べるような光学特性上または製造上の問題が生じていた。
【００２５】
すなわち、従来は、偏光位相差板の厚み方向の表面において、偏光位相差板を構成する回折格子と空気層との屈折率の違いからフレネル反射が生じ、このフレネル反射によって、偏光位相差板を透過する透過光の光パワーの損失（ロス）が増加するといった問題が生じていた。
【００２６】
さらに、従来は、偏光位相差板の厚み方向の一方の表面におけるフレネル反射と、偏光位相差板の厚み方向の他方の表面におけるフレネル反射との間で干渉（ファブリーペロー多重干渉）が生じ、これによって、特に、使用する光がレーザ光のような干渉性が高い光の場合には、偏光位相差板を透過した後に偏光位相差板から出射される透過出射光の強度が振動して不安定になりやすいといった問題が生じていた。
【００２７】
これらの問題は、偏光位相差板の品質を悪化させる原因となっていた。
【００２８】
ここで、特許文献２には、互いに半周期ずらされた微細周期の溝からなる微細周期構造がそれぞれ形成された２枚の基板が、両微細周期構造が互いに入り込むように対向配置されてなる組み合わせ複屈折構造と、両基板間の間隔を調整して微細周期構造のオーバラップ量を可変させる間隔調整手段とを２組備えた波長板において、溝形状を、基板表面に向かって幅広に、基板内部に向かって幅狭に形成する旨が開示されている。
【００２９】
このような特許文献２に記載の波長板は、溝形状が、屈折率の変化を緩やかにする形状であることによって反射をある程度抑えることは可能と思われる。しかしながら、このような波長板では、溝形状のみによって反射を十分に抑制することは困難であるうえに、部品点数が多すぎるためコストが高価になってしまい、量産化には適しておらず、また、小型軽量化を図ることができない。
【００３０】
また、特許文献３には、表面レリーフ型ホログラムによって実現された波長板が開示されており、表面レリーフ型ホログラムとして、断面形状が正弦波状のレリーフ格子が開示されている。
【００３１】
しかしながら、このような特許文献３に記載の波長板におけるレリーフ格子の形状では、必要な位相差量（すなわち、前述した複屈折の総量）及び反射ロス低減量を適切に確保することが困難である。
【００３２】
そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、簡易な構成により、必要な位相差量を確保しつつ、フレネル反射を有効に抑制して光のロスおよび透過出射光の強度の振動を低減させることができ、ひいては、光学特性の向上、コストの削減および製造不良の低減を図ることができる優れた品質の偏光位相差板および回折光学素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
前述した目的を達成するため、本発明の請求項１に係る偏光位相差板の特徴は、基板の厚み方向における少なくとも一方の表面に、複数の凸部が整列された一定の周期を有する回折格子が形成され、前記回折格子の構造複屈折を利用可能に形成された偏光位相差板であって、前記回折格子の周期が、使用する光の波長以下の大きさに形成され、前記凸部が、前記基板の厚み方向に所定の高さを有するとともに、前記基板の前記表面から前記厚み方向における前記凸部の突出方向に向かって順に、底部、中腹部および頂部を有し、前記底部の断面形状が、前記凸部の仮想中心線を挟んで互いに線対称とされた前記底部の断面の２つの外形線であり、楕円方程式を満足する曲線状の２つの外形線によって規定される断面形状に形成され、前記中腹部の断面形状が、前記凸部の仮想中心線を挟んで互いに線対称とされた前記中腹部の断面の２つの外形線であり、前記頂部に向かうにしたがって前記凸部の中心側に向かう直線状の２つの外形線によって規定されるテーパ状の断面形状に形成されている点にある。
【００３４】
そして、この請求項１に係る発明によれば、回折格子の凸部の断面形状および回折格子の高さによって、フレネル反射の抑制と位相差量の確保とを両立させることができるので、簡易な構成により、必要な位相差量を確保しつつ、フレネル反射を有効に抑制して光のロスおよび透過出射光の強度の振動を低減させることができ、ひいては、光学特性の向上、コストの削減および製造不良の低減を図ることが可能となる。
【００３５】
また、請求項２に係る偏光位相差板の特徴は、請求項１において、前記頂部の断面形状が、この頂部の断面の外形線であり、この外形線に接する接線についての前記厚み方向に対する傾きが前記頂部の最頂点に向かうにしたがって９０°に近くなるような楕円方程式を満足する曲線状の外形線によって規定される断面形状に形成されている点にある。
【００３６】
そして、この請求項２に係る発明によれば、更に、回折格子の凸部における頂部の断面形状を特定したことによって、金型を用いて偏光位相差板を成形する場合における金型への樹脂材料の充填性を向上させることができるので、製造不良をさらに低減させることができる。
【００３７】
さらに、請求項３に係る偏光位相差板の特徴は、請求項１または２において、前記凸部の整列方向に沿って互いに隣位する前記凸部同士における各底部が、前記整列方向において互いに連接され、かつ、前記各底部が互いに連接された位置において、前記各底部の断面の外形線に接する接線が互いに不一致とされ、
次の（１）の条件式、
０．３≦Ｂ／Ａ≦０．６      （１）
但し、
Ａ：前記凸部の前記整列方向の最大寸法を仮想矩形領域の一辺の寸法と仮定し、前記凸部の前記厚み方向の寸法を前記仮想矩形領域の前記一辺に直交する他の一辺の寸法と仮定した場合におけるこれら２つの一辺の寸法の積からなる前記仮想矩形領域の面積
Ｂ：前記凸部の断面積
Ｂ／Ａ：前記回折格子の断面積比
を満足する点にある。
【００３８】
そして、この請求項３に係る発明によれば、更に、回折格子の凸部における底部の断面形状を特定するとともに、回折格子の断面積比を特定したことによって、金型からの成形品の離型性を向上させて製造不良をさらに低減させることができるとともに、位相差量をさらに有効に確保するすることができる。
【００３９】
さらにまた、請求項４に係る偏光位相差板の特徴は、請求項１〜３のいずれか１項において、前記回折格子が、前記基板と同一の物質によって形成され、前記回折格子の周期が、使用する光の波長の２／３以下の大きさに形成されている点にある。
【００４０】
そして、この請求項４に係る発明によれば、更に、基板と回折格子とを同一物質によって形成することにより、コストを削減して量産性を向上させることが可能となり、また、回折格子の周期を使用波長の２／３以下とすることにより、フレネル反射をさらに有効に抑制することが可能となる。
【００４１】
また、請求項５に係る偏光位相差板の特徴は、請求項１〜４のいずれか１項において、λ／２板、λ／４板またはλ／８板として機能するように形成されている点にある。
【００４２】
そして、この請求項５に係る発明によれば、光学特性に優れたλ／２板、λ／４板またはλ／８板を簡便かつ安価に形成することが可能となる。
【００４３】
さらに、請求項６に係る回折光学素子の特徴は、基板の厚み方向における一方の表面に、請求項１〜５のいずれか１項に記載の回折格子が形成され、かつ、前記基板の厚み方向における他方の表面に、使用する光の波長以上の周期を有する回折格子または請求項１〜５のいずれか１項に記載の回折格子が形成されてなる点にある。
【００４４】
そして、この請求項６に係る発明によれば、フレネル反射の抑制と位相差量の確保とを両立させることができる偏光位相差板を用いることによって、回折光学素子の光学特性を向上させることが可能となる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明によれば、簡易な構成により、必要な位相差量を確保しつつ、フレネル反射を有効に抑制して光のロスおよび透過出射光の強度の振動を低減させることができ、ひいては、光学特性の向上、コストの削減および製造不良の低減を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４６】
以下、本発明の実施形態について、図１〜図１３を参照して説明する。
【００４７】
図１に示すように、本実施形態における偏光位相差板１０は、所定の厚みを有する基板１１を有しており、この基板１１の厚み方向（図１における縦方向）の一方の表面１１ａには、光学的構造体としての一定の周期Λを有する回折格子１４が形成されている。この回折格子１４は、図１における紙面垂直方向に長尺とされた複数の凸部１２が所定の整列方向（図１における横方向）に一定の周期Λで整列されることによって形成されている。
【００４８】
また、回折格子１４の周期Λは、使用する光の波長以下の大きさ（サブ波長）に形成されており、これにより、回折格子１４が構造複屈折を利用可能とされている。
【００４９】
本実施形態において、凸部１２は、基板１１の厚み方向に所定の高さを有するとともに、基板１１の表面１１ａから厚み方向における凸部１２の突出方向（図１における上方向）に向かって順に、底部１２ａ、中腹部１２ｂおよび頂部１２ｃを有している。図１においては、便宜上、１つの凸部１２にのみ、底部１２ａ、中腹部１２ｂまたは頂部１２ｃの別を分かり易くするための互いに異なる線種によるハッチングが施されている。なお、底部１２ａにおける最低部の整列方向の寸法は、回折格子１４の周期Λと等しくなっている。
【００５０】
底部１２ａの断面形状は、凸部１２の仮想中心線ＣＬを挟んで整列方向に互いに線対称とされた底部１２ａの断面の２つの外形線（以下、底部断面外形線Ｌａと称する）によって規定されている。
【００５１】
これら２つの底部断面外形線Ｌａは、各底部断面外形線Ｌａに接する接線についての基板１１の厚み方向に対する傾きが、中腹部１２ｂに向かうにしたがって０に近くなるような曲線状の外形線とされている。さらに、各底部断面外形線Ｌａは、長軸半径および短軸半径が互いに同一とされ、中心点が整列方向に互いにずれた互いに異なる楕円方程式を満足している。
【００５２】
中腹部１２ｂの断面形状は、凸部１２の仮想中心線ＣＬを挟んで整列方向に互いに線対称とされた中腹部１２ｂの断面の２つの外形線（以下、中腹部断面外形線Ｌｂと称する）によって規定されている。
【００５３】
これら２つの中腹部断面外形線Ｌｂは、頂部１２cに向かうにしたがって凸部１２の中心側に向かうような直線状に形成されており、これによって、中腹部１２ｂの断面形状がデーパ形状を呈している。
【００５４】
頂部１２ｃの断面形状は、凸部１２の仮想中心線ＣＬを挟んで整列方向に線対称形状とされた頂部１２ｃの断面の１つの外形線（以下、頂部断面外形線Ｌｃと称する）によって規定されている。
【００５５】
この頂部断面外形線Ｌｃは、頂部断面外形線Ｌｃに接する接線についての基板１１の厚み方向に対する傾きが、頂部１２ｃの最頂点に向かうにしたがって直角に近くなるような曲線状の外形線とされている。さらに、頂部断面外形線Ｌｃは、１つの楕円方程式を満足している。
【００５６】
また、図１に示すように、本実施形態において、整列方向において互いに隣位する凸部１２同士における各底部１２ａは、整列方向において互いに連接されている。そして、互いに連接された各底部１２ａの連接位置において、各底部１２ａの底部断面外形線Ｌａにそれぞれ接する接線Ｌ１、Ｌ２は、互いに交差しており、不連続（接線が不一致）となっている。
【００５７】
ところで、フレネル反射は、互いに屈折率が異なる２つの物質を透過する光が、両物質の境界面において反射する現象として知られている。例えば、図２に示すように、屈折率ｎ１、ｎ２の２つの物質の境界面に光が垂直に入射する場合には、フレネルの反射率Ｒおよび透過率Ｔは、それぞれ、次の（４）式および（５）式によって表される。
【００５８】
Ｒ＝｛（ｎ１−ｎ２）／（ｎ１＋ｎ２）｝２      （４）
Ｔ＝４ｎ１ｎ２／（ｎ１＋ｎ２）２            （５）
【００５９】
さて、（４）式に示すように、フレネル反射の反射率Ｒは、両物質の屈折率差が少ないほど、０に近づくことが分かる。
【００６０】
基板表面に複数の凸部が整列されてなる回折格子が形成された偏光位相差板においては、フレネル反射は、空気層と凸部の形成層（すなわち回折格子）との境界面、および、凸部の形成層と基板との境界面において生じると考えることができる。そして、凸部の形成層、すなわち、凸部および互いに隣位する凸部間の空気を、１つの等価屈折率をもった物質ととらえ、この等価屈折率と、空気層の屈折率とを（４）式にあてはめることによって、空気層と凸部の形成層との境界面において生じるフレネル反射の反射率を求めることができる。また、凸部の形成層の等価屈折率と基板の屈折率とを（４）式にあてはめることによって、凸部の形成層と基板との境界面において生じるフレネル反射の反射率を求めることができる。
【００６１】
ここで、仮に、回折格子の凸部として、図３（ａ）に示すような矩形状の凸部１９を考えた場合には、回折格子２０の厚み方向の屈折率変化は図３（ｂ）のグラフに示すようになる。なお、図３（ｂ）における縦軸（ｚ軸）は、図３（ａ）に示す回折格子２０の厚み方向における各位置を示すための座標軸であり、また、横軸（ｎ軸）は、回折格子２０の厚み方向における各位置に対応する回折格子２０の屈折率を示すための座標軸である。図３（ｂ）に示すように、矩形状の凸部１９を用いる場合には、空気層と凸部１９の形成層との境界面および凸部１９の形成層と基板１１との境界面のそれぞれにおいて、屈折率の変化が急峻となり、フレネル反射の反射率Ｒが高くなることが一目瞭然である。
【００６２】
一方、図４（ａ）に示すように、断面形状がテーパ形状に形成された凸部２１を用いる場合には、図４（ｂ）に示すように、回折格子２２の厚み方向の屈折率変化を緩やかにすることができ、フレネル反射を有効に抑制することができることが分かる。
【００６３】
したがって、回折格子の凸部は、フレネル反射を抑制する観点からは、断面形状がテーパ形状に形成されていることが望ましい。
【００６４】
しかしながら、フレネル反射の抑制を追究するあまり、凸部を図４（ａ）のように厚み方向における全範囲にわたって断面テーパ形状に形成した場合には、今度は、位相差板（例えば、λ／４板）として要求される位相差量の確保が凸部２１の高さを大きくし過ぎなければならない等の問題から困難となる。さらに、図４（ａ）の場合には、金型を用いた樹脂材料の射出成形によって偏光位相差板を成形する場合に、金型への樹脂材料の充填性および金型からの成形品の離型性が悪化することになり、凸部を所望の形状に形成することが困難となる。
【００６５】
これに対し、本実施形態においては、中腹部１２ｂの断面形状（テーパ形状）によってフレネル反射の抑制を担保しつつも、断面三角形状の場合に比較して樹脂材料が充填され易い頂部１２ｃの断面形状によって、金型への樹脂材料の充填性を確保することが可能となる。また、底部１２ａ同士の連接位置において成形品と金型との接触面積を小さくすることができるような底部１２ａの断面形状によって、金型からの成形品の離型性を確保することが可能となる。
【００６６】
また、本実施形態においては、凸部１２が所定の高さを有することによって、位相差量を有効に確保することができる。なお、凸部の高さは、例えば、λ／４板の場合、好ましくは、１．６μｍ〜２．０μｍとされている。
【００６７】
さらに、本実施形態においては、製造性を考慮しながら位相差量をより有効に確保すべく、次の（１）に示す条件式を満足するようにすることが好ましい。
【００６８】
０．３≦Ｂ／Ａ≦０．６      （１）
【００６９】
但し、（１）式におけるＡは、仮想矩形領域としての図５に示す仮想長方形領域１７の面積である。この仮想長方形領域１７の一辺としての短辺１７ａは、基板１１の表面１１ａに平行とされており、この短辺１７ａの寸法（長さ）は、凸部１２の整列方向の最大寸法すなわち底部１２ａにおける最低部の整列方向の寸法と同一とされている。また、この仮想長方形領域１７の他の一辺としての長辺１７ｂは、短辺１７ａに直交するとともに厚み方向に平行とされており、この長辺１７ｂの寸法は、凸部１２の厚み方向の寸法と同一とされている。仮想長方形領域１７の面積は、短辺１７ａの寸法と長辺１７ｂの寸法との積からなる。
【００７０】
また、（１）式におけるＢは、凸部１２の断面積である。
【００７１】
そして、（１）式におけるＢ／Ａは、仮想長方形領域１７の面積に対する凸部１２の断面積の割合、すなわち本実施形態における回折格子１４の断面積比である。
【００７２】
ここで、図６は、矩形状の凸部を有する回折格子についての断面積比に対する位相差量の特性を示すグラフである。なお、図６には、格子深さ（換言すれば、凸部の高さ、もしくは凸部の厚み方向の寸法）が異なる複数種類の回折格子についての位相差量の特性が、波長６５０ｎｍの光を使用した場合と、波長７８０ｎｍの光を使用した場合とに分けて示されている。ただし、いずれの回折格子についても、回折格子の周期（図６におけるΛ）は、４００ｎｍと共通している。（２−１）式でも述べたように、回折格子が矩形状の場合には、断面積比は、回折格子の周期Λに対する凸部の整列方向の寸法（図６におけるＷ）の割合Ｗ／Λによって表すことができる。
【００７３】
図６に示すように、位相差量の特性は、格子深さが同じ回折格子であっても、回折格子に照射する光の波長が異なれば異なり、逆に、回折格子に照射する光の波長が同じ場合であっても、回折格子の格子深さが異なれば異なることになる。
【００７４】
しかしながら、格子深さおよび光の波長がいずれの場合であっても、断面積比が０．３以上かつ０．６以下の範囲内において、位相差量が効率的に発現することが分かる。
【００７５】
この図６に示す位相差量の特性は、前述したように、矩形状の凸部を有する回折格子についてのものであるが、図７（ａ）に示すように、矩形状以外の形状（図７（ａ）において断面テーパ形状）を有する凸部２５についても、この凸部２５を図７（ｂ）に示すように複数層（図７（ｂ）において１０層）の矩形層２６の集合として近似したうえで図６の特性を有するものと推測することができる。なお、図１３は、このような複数層の矩形層２６の集合によって近似した断面テーパ形状の凸部を有する回折格子が、矩形状の凸部を有する回折格子と同様に、断面積比が０．３以上かつ０．６以下の範囲内において、位相差量を効率的に発現させることができることを示すＲＣＷＡ法を使ったシミュレーション解析結果である。
【００７６】
したがって、本実施形態においても、図６に基づいて（１）式を満足するようにすることによって、製造上の困難性を軽減し、位相差量を確保し易くすることができる。
【００７７】
上記構成に加えて、さらに、本実施形態においては、回折格子１４が、次の（６）〜（１０）の各条件式を満足するようにする。
【００７８】
ｘ≧０    （６）
ｙ≧０．０１７ｘ３−０．８８２ｘ２＋１２．７６９ｘ−１４．０３０  （７）
ｙ≧０．１９３ｘ２−０．１２６ｘ＋６．０６４      （８）
ｙ≦１．９４９ｘ２＋２．３９０ｘ＋２９．８５７    （９）
ｙ≦１００−ｘ        （１０）
【００７９】
但し、（６）〜（１０）式におけるｘは、凸部１２の厚み方向の寸法に対する頂部１２ｃの厚み方向の寸法の割合（％）である。また、（７）〜（１０）式におけるｙは、凸部１２の厚み方向の寸法に対する底部１２ａの厚み方向の寸法の割合（％）である。
【００８０】
ここで、図８は、偏光位相差板１０にλ／４板としての機能が発現する場合における回折格子１４の凸部１２の厚み方向の寸法（格子深さ）の特性をＲＣＷＡ法を使ったシミュレーションによって求めたグラフである。図８における横軸は、（６）〜（１０）式におけるｘの値であり、縦軸は、（７）〜（１０）式におけるｙの値である。また、このシミュレーションにおいては、波長６５０ｎｍの光を使用した。さらに、シミュレーションの際には、凸部１２を矩形層（３０層分）の集合として近似した。
【００８１】
図８に示すように、製造容易性の観点から格子深さを２．０μｍ以下に抑えるためには、少なくとも、ｘの値を０％以上１８％以下にするとともに、ｙの値を５％以上９５％以下にすればよいことが分かる。なお、図８では、破線で囲まれた範囲が、好ましいｘ、ｙの値の範囲とされている。
【００８２】
一方、図９は、偏光位相差板１０にλ／４板としての機能が発現する場合におけるフレネル反射の反射率の特性をＲＣＷＡ法を使ったシミュレーションによって求めたグラフである。図８と同様に、横軸は、（６）〜（１０）式におけるｘの値であり、縦軸は、（７）〜（１０）式におけるｙの値である。また、このシミュレーションにおいても、波長６５０ｎｍの光を使用し、凸部１２を矩形層（３０層分）の集合として近似した。
【００８３】
図９においては、フレネル反射の反射率を０．７％以下に抑えることができるｘ、ｙの値の範囲が好ましい範囲とされている。なお、図９における好ましくない（反射率が大きくなる）ｘ、ｙの値の範囲は、図８において好ましいとされるｘ、ｙの値の範囲に部分的に重複することになる。
【００８４】
さらに、図１０は、偏光位相差板１０にλ／４板としての機能が発現する場合における中腹部断面外形線Ｌｂと厚み方向とのなす角度であるテーパ角α（図１参照）の特性をＲＣＷＡ法を使ったシミュレーションによって求めたグラフである。図８、図９と同様に、図１０の横軸は、（６）〜（１０）式におけるｘの値であり、図１０の縦軸は、（７）〜（１０）式におけるｙの値である。また、このシミュレーションにおいては、波長６５０ｎｍの光を使用し、凸部１２を矩形層（３０層分）の集合として近似した。
【００８５】
図１０においては、テーパ角を０．５°以上かつ４．３°以下のｘ、ｙの値の範囲が、好ましいｘ、ｙの値の範囲とされている。但し、使用光が波長４００ｎｍの場合についてシミュレーションしたところ、テーパ角度の上限値は５．３°とすることが好ましいことが分かった。
【００８６】
そして、図１０において、矢印によって示されたｘ、ｙの値の範囲が、図８〜１０の全てのシミュレーションにおける共通の好ましいｘ、ｙの値の範囲とされている。この範囲を図１１のように近似した上で、近似された範囲を数式で表すと、前述した（６）〜（１０）の各条件式によって規定されることになる。
【００８７】
さらに、図１２は、図９〜１１と同様に、偏光位相差板１０にλ／４板としての機能が発現する場合における回折格子１４の断面積比の特性をＲＣＷＡ法を使ったシミュレーションによって求めたグラフである。
【００８８】
図１２に示すように、図８〜１０に共通の好ましいｘ、ｙの値の範囲（図１１において近似された範囲）と同一の範囲には、（１）式に示した断面積比の範囲を含んでいることが分かる。すなわち、図８〜１０に共通の好ましいｘ、ｙの値の範囲は、位相差量を確保するために好ましい範囲でもあることが分かる。
【００８９】
したがって、本実施形態においては、更に、（６）〜（１０）の各条件式を満足するようにすることにより、フレネル反射の抑制と位相差量の確保とをさらに良好にバランスさせることが可能となるとともに、格子深さを浅くして製造容易性を確保することが可能となる。
【００９０】
より好ましい実施形態としては、回折格子１４を基板１１と同一の物質によって形成し、回折格子１４の周期Λを、使用する光の波長の２／３以下の大きさに形成する。
【００９１】
このようにすれば、コストを削減して量産性を向上させることが可能となり、また、フレネル反射をさらに有効に抑制することが可能となる。
【００９２】
なお、回折格子１４および基板１１の形成材料としては、例えば、ポリオレフィン系、アクリル系またはポリカーボネート等の熱可塑性に樹脂材料を用いてもよい。
【００９３】
以上述べたように、本発明によれば、フレネル反射の抑制と位相差量の確保とを両立させることが可能となるとともに、金型を用いて偏光位相差板１０を成形する場合における金型への樹脂材料の充填性および金型からの成形品の離型性を向上させることが可能となる。
【００９４】
この結果、簡易な構成により、必要な位相差量を確保しつつ、フレネル反射を有効に抑制して光のロスおよび透過出射光の強度の振動を低減させることができ、ひいては、光学特性の向上、コストの削減および製造不良の低減を図ることができ、あわせて製造性を向上させることができる。
【００９５】
なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。
【００９６】
例えば、前記基板１１における回折格子１４が形成された表面１１ａの裏側の表面に、使用する光の波長以上の周期を有する回折格子を形成することによって回折光学素子を得るようにしてもよい。また、前記基板１１における回折格子１４が形成された表面１１ａの裏側の表面に回折格子１４を形成することにより、回折光学素子を得るようにしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明に係る偏光位相差板の実施形態を示す断面図
【図２】フレネル反射の発生原理を示す説明図
【図３】断面矩形状の凸部を有する回折格子およびこの回折格子の厚み方向の屈折率変化を示す概念図
【図４】断面テーパ形状の凸部を有する回折格子およびこの回折格子の厚み方向の屈折率変化を示す概念図
【図５】本発明に係る偏光位相差板の実施形態において、回折格子の断面積比を定義するために用いる説明図
【図６】断面矩形状の凸部を有する回折格子についての断面積比（デューティ比）に対する位相差量の特性を示すグラフ
【図７】断面テーパ形状の凸部をその近似形状とともに示す図
【図８】本発明に係る偏光位相差板の実施形態において、λ／４板としての機能が発現する場合における格子深さの特性をシミュレーションによって求めたグラフ
【図９】本発明に係る偏光位相差板の実施形態において、λ／４板としての機能が発現する場合におけるフレネル反射の反射率の特性をシミュレーションによって求めたグラフ
【図１０】本発明に係る偏光位相差板の実施形態において、λ／４板としての機能が発現する場合におけるテーパ角の特性をシミュレーションによって求めたグラフ
【図１１】本発明に係る偏光位相差板の実施形態において、図８〜１０に共通の好ましいｘ、ｙの値の範囲を近似した範囲を示すグラフ
【図１２】本発明に係る偏光位相差板の実施形態において、λ／４板としての機能が発現する場合における回折格子の断面積比の特性をシミュレーションによって求めたグラフ
【図１３】本発明に係る偏光位相差板における位相差量の特性を、矩形形状の凸部を備えた回折格子における位相差量の特性と比較したグラフ
【図１４】従来の偏光位相差板に用いられていた回折格子の構成を模式的に示す斜視図
【図１５】従来の偏光位相差板の全体構成を示す斜視図
【符号の説明】
【００９８】
１０  偏光位相差板
１１  基板
１２  凸部
１２ａ  底部
１２ｂ  中腹部
１２ｃ  頂部
１４  回折格子
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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