(57)【要約】【課題】レリーフ構造やパターン電極などの作製工程が不要で、電圧を印加することなしに動作し、大きな回折効率を有する偏向、集光及び偏光分離効果が得られる回折光学素子を得る手法及びその素子を提供する。【解決手段】光学的に透明な電極膜と配向膜を有する２枚の透明基板を一定の隙間を保って固定した後、その隙間に液晶を封入する。前記配向膜の片方あるいは両方の表面において、液晶の配向方位が空間的に分布するように適切な配向処理を施すことによって、電圧無印加の状態において大きな回折効率を伴う偏光に依存した出射光の偏向、集光および発散効果を得る。その結果として偏光分離素子としての機能を実現する。また、電圧の印加によって回折効率を変化させることによって、上記の偏光、集光及び発散効果を制御する機能を実現する。【選択図】図２
2005274847.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
位相板の光学軸の方位角が空間的に分布した状態であることを特徴とした光の位相の空間的な分布状態の制御方法。ただし、位相板に直線偏光を入射したときの透過光の常光及び異常光成分の光路長の差Rが（ｎ＋１／２）λに一致する必要がある（ｎは整数、λは使用波長である）。
【請求項２】
光学的に透明な電極膜と配向膜を有する２枚の透明基板が一定の隙間を保って保持され、かつその隙間に液晶が封入され、前記配向膜の片方あるいは両方の表面において、液晶の配向方位が一方向に周期的に分布するように配向処理が施されていることを特徴とする偏光分離機能を有するブレーズ化回折格子。
【請求項３】
光学的に透明な電極膜と配向膜を有する２枚の透明基板が一定の隙間を保って保持され、かつその隙間に液晶が封入され、前記配向膜の片方あるいは両方の表面において、液晶の配向方位が一方向に左右対称に分布するように配向処理が施されていることを特徴とする偏光分離機能を有する１次元のフレネルゾーンプレート。
【請求項４】
光学的に透明な電極膜と配向膜を有する２枚の透明基板が一定の隙間を保って保持され、かつその隙間に液晶が封入され、前記配向膜の片方あるいは両方の表面において、液晶の配向方位が点対称に分布するように配向処理が施されていることを特徴とする偏光分離機能を有する２次元のフレネルゾーンプレート。
【請求項５】
請求項２〜４に記載の発明のうち、液晶層に電圧を印加する手段を具備し、印加電圧によって回折効率が可変であり、かつ偏光分離機能を有することを特徴としたブレーズ化回折格子、１次元のフレネルゾーンプレート及び２次元のフレネルゾーンプレート。
【請求項６】
請求項２〜５に記載の発明のうち、回折光学素子の入射光側にλ／４板を設置し、直線偏光の入射光に対して大きな回折効率を得ることを特徴としたブレーズ化回折格子、１次元のフレネルゾーンプレート及び２次元のフレネルゾーンプレート。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、位相板の光学軸の方位角を空間的に分布させることによって光の位相の空間的な分布状態を制御する方法と、その方法を用いて実現される回折光学素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
回折光学素子は入射光の集光や偏向、ビーム整形など種々の制御を可能とするため、光インターコネクションや光ピックアップ及び投射型表示装置用の光学系などにおいて用いられている。特に、液晶などの複屈折を有する材料を用いると、回折光学素子に偏光に依存した光制御特性を付加することができ、偏光分離素子やそれを利用した偏光変換素子などを実現することができる。また、液晶は大きな電気光学効果と低いしきい電圧を有するため、光学的特性を低い印加電圧により制御することが可能であり、光スイッチとしての利用方法も提案されている。
【０００３】
これまでに提案されている例において、液晶を用いて回折光学素子を実現する方法は２種類に分類できる。すなわち、（１）格子状あるいはフレネルレンズ状の表面レリーフ構造を有する基板を用いて液晶セルを構成する方法。（例えば、非特許文献１、非特許文献２、特許文献１参照。）
および、（２）回折格子やフレネルゾーンプレートを実現する屈折率分布を生じさせるようなパターン電極および駆動方法を用いる方法である。（例えば、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５、特許文献２、特許文献３参照。）
【特許文献１】特開２００２−６１３５
【特許文献２】特開平５−１８８３４３
【特許文献３】特開平５−１００２０１
【非特許文献１】Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．（Ｖｏｌ．３９、頁６５４５−６５５５）
【非特許文献２】Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．（Ｖｏｌ．１８、頁１６７９−１６８４）
【非特許文献３】Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．（Ｖｏｌ．３３、頁２８０４−２８１１）
【非特許文献４】Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．（Ｖｏｌ．２１、頁６８９−６９１）
【非特許文献５】Ｏｐｔ．Ｃｏｍｕｎ．（Ｖｏｌ．１３８、頁１５１−１５７）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
表面レリーフ構造を利用した回折光学素子においては、基板表面に格子状あるいはフレネルレンズ状の表面構造を形成するための特別な工程が必要であり、電子ビームリソグラフィー技術やプラスチックの射出形成技術など通常の液晶デバイス作製技術とは異なる工程が必要であるため作製手順が複雑である。さらに、形成したレリーフ構造の表面に均一な配向膜を塗布し、かつラビング処理法などによって均質な配向処理を施すことは困難であり、レリーフ構造の凸部と凹部において斑が生じやすい。
【０００５】
パターン電極による不均一な電界分布状態を利用した回折光学素子においては、目的とする屈折率分布状態を得るために絶えず電圧を印加する必要があり、常に電力が消費されることになる。また、液晶層内において急峻な電界分布特性を得ることは困難であり、微細な屈折率分布パターンが得にくい欠点がある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の問題点を解決するための請求項１に関わる発明は、如何なる表面レリーフ構造及びパターン電極も不要であり、位相板の光学軸の方位角を空間的に分布させることのみによって光の位相の空間的な分布状態を制御する方法であることを特徴とする。ただし、位相板に直線偏光を入射したときの透過光の常光及び異常光成分の光路長の差Ｒが（ｎ＋１／２）λに一致する必要がある（ｎは整数、λは使用波長である）。 
【０００７】
上述の問題点を解決するための請求項２に関わる発明は、基板面内における液晶の配向方位を分布させることによって効率的な偏向特性を実現し、如何なる表面レリーフ構造及びパターン電極も不要であり、電圧無印加時おいて大きな回折効率が得られ、かつ偏光分離機能を有するブレーズ化回折格子であることを特徴とする。 
【０００８】
上述の問題点を解決するための請求項３に関わる発明は、基板面内における液晶の配向方位を分布させることによって効率的な１次元の集光特性を実現し、如何なる表面レリーフ構造及びパターン電極も不要であり、電圧無印加時おいて大きな回折効率が得られ、かつ偏光分離機能を有する１次元のフレネルゾーンプレートであることを特徴とする。
【０００９】
上述の問題点を解決するための請求項４に関わる発明は、基板面内における液晶の配向方位を分布させることによって効率的な２次元の集光特性を実現し、如何なる表面レリーフ構造及びパターン電極も不要であり、電圧無印加時おいて大きな回折効率が得られ、かつ偏光分離機能を有する２次元のフレネルゾーンプレートであることを特徴とする。
【００１０】
上述の問題点を解決するための請求項５に関わる発明は、請求項２、請求項３及び請求項４に記載の回折光学素子において、液晶層に電圧を印加する手段を具備し、かつ印加電圧によって回折効率が制御可能であるブレーズ化回折格子、１次元のフレネルゾーンプレート及び２次元のフレネルゾーンプレートであることを特徴とする。
【００１１】
上述の問題点を解決するための請求項６に関わる発明は、請求項２、請求項３、請求項４及び請求項５に記載の回折光学素子において、回折光学素子の入射光側にλ／４板を設置し、直線偏光の入射光に対して大きな回折効率を得ることを特徴としたブレーズ化回折格子、１次元のフレネルゾーンプレート及び２次元のフレネルゾーンプレートであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
この発明に係るブレーズ化回折格子、１次元のフレネルゾーンプレートおよび２次元のフレネルゾーンプレートによるときは、如何なる表面レリーフ構造やパターン電極を必要とせずに微細な配向パターン作製技術によって入射光の偏光に依存した良好な偏向あるいは集光効果を得ることができ、任意の偏光状態を有する入射光や非偏光を右回りおよび左回り円偏光の状態を有する出射光に分離することができる。
【００１３】
なお、液晶分子配向状態の種類、液晶層の厚みおよび液晶材料の屈折率を適切に選ぶと電圧を印加しない状態において１００％の回折効率が達成できるため電力を消費しない。さらに、液晶層に電圧を印加することによって回折効率を０％から１００％まで制御することができる。
【００１４】
一方、液晶層に電圧を印加しない状態において回折効率が１００％に達しない場合においても、液晶層の厚みが十分厚い場合においては、１００％に調整する事が可能である。さらにこの状態から液晶層に電圧を印加することによって回折効率を１００％から０％まで制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、液晶の配向方位の角度（方位角）によって入射円偏光の位相を制御する方法についてジョーンズ行列を用いて説明する。λ／２板の遅軸がｘｙ座標系においてｘ軸となす角をφとすると、ジョーンズ行列Ｗは次式により表される。
【００１６】
【数１】
2005274847.tif 000003
よって、入射光の偏光のｘおよびｙ成分を（Ｅxi、Ｅyi）、出射光の偏光のｘおよびｙ成分を（Ｅxo、Ｅyo）として、入射光と出射光の関係は次式のように書ける。
【００１７】
【数２】
2005274847.tif 000004
ここで、右回り円偏光は
【００１８】
【数３】
2005274847.tif 000005
と表されるため、出射光は
【００１９】
【数４】
2005274847.tif 000006
となる。（４）式より、出射光の偏光のｘ成分はｙ成分よりもπ／２だけ位相が進んでおり、左回り円偏光であることがわかる。さらに、λ／２板の光学軸の方位角φをΔφだけ変化させると、透過光の左回り円偏光の位相を２Δφだけ進めることができ、位相を０から２πの範囲において制御するためには方位角φを０からπの範囲で制御すればよい。
【００２０】
次に、入射光が左回り円偏光の場合について考える。左回り円偏光は
【００２１】
【数５】
2005274847.tif 000007
と表されるため、透過光は
【００２２】
【数６】
2005274847.tif 000008
となる。すなわち、出射光の偏光のｘ成分はｙ成分よりもπ／２だけ位相が遅れており、右回り円偏光であることがわかる。さらに、λ／２板の光学軸の方位角φをΔφだけ変化させると、透過光の左回り円偏光の位相を２Δφだけ遅らせることができ、入射光が右回り円偏光の場合と変化の方向が逆になる。また、右回り円偏光が入射した場合と同様に、透過光の位相を０から２πの範囲において制御するためには方位角φを０からπの範囲で制御すればよい。以上の議論から、λ／２板に円偏光を入射すると、光学軸の方位角によって透過光の円偏光の位相を０から２πの範囲において制御可能であることが示された。
【００２３】
請求項２〜４に記載のブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートとしての液晶セルの断面を図１に示す。液晶セルは２枚の配向膜３ａ、３ｂおよび透明電極膜２ａ、２ｂを有した透明基板１ａ、１ｂによって液晶層５ａを挟み込むことによって構成される。基板は散乱や光吸収のない透明なものならば何でもよく、ガラスや高分子基板を利用することができる。透明電極は光透過率が高く導電率が高いものなら何でもよく、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）膜やネサ膜が知られている。配向膜としては、適切な配向処理法によって良好な液晶分子配向特性を示す材料なら何でもよく、ラビング処理法ならばポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）やポリビニルアルコール（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ  Ａｌｃｏｈｏｌ）、光配向法ならばポリビニルシンナメート（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ  Ｃｉｎｎａｍａｔｅ）などが知られている。液晶層の厚みは適切な大きさのスペーサー４ａ、４ｂによって保持される。スペーサーは電気絶縁性が高く変形しにくいものなら何でもよく、液晶セルギャップ制御用としてガラスや高分子の球形及び円柱形微粒子が市販されている。
【００２４】
請求項２に記載のブレーズ化回折格子を正面から観察した場合における液晶分子配向状態を図２（ａ）に示す。図において、任意のｘ座標における液晶分子配向状態の方位角をφ、ｘ座標の原点における方位角をφ０、格子周期をｐとおくと、回折効率１００％を得る最適な方位角φの分布関数は（７）式のようになる。
【００２５】
【数７】
2005274847.tif 000009
方位角φは周期ｐの周期関数でありｘに対して図２（ｂ）のような周期性を示す。ここで、回折効率はφ０に依存しないため任意の値に設定してよい。（図２（ｂ）の例においてはφ０＝−π／２とした。）１００％の回折効率が必要でない場合においては、（７）式により表される方位角φの分布関数を図２（ｃ）に示すように階段状に近似してマルチレベルとしてよい。近似の方法は任意であるが、例えば、各々のレベルにおける幅Δｘが等間隔になるように近似する場合においては、レベル数をＬとするとΔｘは（８）式のようになる。
【００２６】
【数８】
2005274847.tif 000010
なお、１次光の回折効率ηは近似した階段の段数Ｌに依存し、その依存性は（９）式により表される。
【００２７】
【数９】
2005274847.tif 000011
例えば、レベル数Ｌが１６のとき９８．７％の回折効率が得られる。
【００２８】
液晶の配向方向に平行な方向に偏光した光すなわち異常光と垂直な方向に偏光した光すなわち常光に対する光路長の差をリタデーションというが、請求項２に記載のブレーズ化回折格子において、回折効率が１００％となるためにはリタデーションＲが（１０）式を満足する必要がある。
【００２９】
【数１０】
2005274847.tif 000012
ただし、ｎは整数である。換言すれば、（７）式および（１０）式を同時に満たすならば液晶層の配向状態の種類は何でもよく、図３（ａ）に示すホモジニアス配向状態や図３（ｂ）に示すハイブリッド配向状態を採用することができる。ホモジニアス配向状態を利用するためには、配向膜３a及び３ｂの両方に（７）式で表される方位角の分布関数を生じさせる配向処理パターンを書き込み、それぞれのパターンを互いに正確に重なるように位置合わせを行う必要がある。一方、ハイブリッド配向状態を利用する場合においては、配向膜３ａあるいは３ｂのいずれかに（７）式で表される方位角の分布関数を生じさせる配向処理パターンを書き込むだけでよい。もう一方の配向膜には配向処理を行う必要はなく、その表面において液晶分子を垂直に配向させる性質を有するものなら何でもよい。例えば、レシチン（Ｌｅｃｉｔｈｉｎ）やフッ素を導入したポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）などが知られている。なお、配向処理方法は微細な配向パターンが形成可能な方法ならば何でもよく、ラビング法およびマイクロラビング法や光配向法を利用できる。
【００３０】
液晶層の液晶分子配向状態としてホモジニアス及びハイブリッド配向状態を採用したいずれの場合においても、透明電極２ａ及び２ｂの間に電圧を印可すると基板に対する液晶の立ち上がり角すなわちティルト角を変化させることができ、リタデーションＲを所望の値に制御することが可能である。回折効率はリタデーションＲに依存し（１０）式が満足される場合において１００％となる。印可電圧が十分高い場合においては、図３（ｃ）に示すように液晶層の液晶分子は基板に対してほとんど立ち上がり、リタデーションＲは０すなわち回折効率は０％となる。なお印可電圧が十分高くない場合でも、リタデーションＲが使用波長λの整数倍である場合においては０％となる。したがって、印可電圧によってリタデーションＲを変化させ、その結果として回折効率を０％から１００％まで制御することができる。
【００３１】
一方、回折効率を制御する必要がない場合においては透明電極が不要であるが、１００％の回折効率を得るためには、（１０）式が満足されるように液晶の屈折率、液晶層の厚み及び液晶分子配向状態を適切に設定する必要がある。
【００３２】
液晶の配向の方位角分布関数が（７）式を満足するブレーズ化回折格子に右回り円偏光を入射した場合における、液晶層を通過直後の透過光の相対的な位相の分布特性を図４（ａ）に示す。一方、左回り円偏光を入射した場合における、液晶層を通過直後の透過光の相対的な位相の分布特性を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）及び（ｂ）からわかるように、方位角の分布関数が（７）式を満足すると１００％の回折効率が達成されるのこぎり状の理想的な位相分布特性が得られるが、一方で、右回り及び左回り円偏光状態の入射光においてのこぎり形の向きが互いに逆になる。すなわち、右回り円偏光を入射した場合において回折光は＋１次方向に生じ、左回り円偏光を入射した場合において回折光は−１次方向に生じる。このときの回折の様子を図５（ａ）および（ｂ）に示す。
【００３３】
直線偏光は振幅が等しい右回りおよび左回り円偏光の和として表されるため、入射光が直線偏光の場合においては図５（ｃ）に示すように等しい強度の＋１次光及び−１次光が生じ、それらの偏光状態はそれぞれ左回りおよび右回り円偏光である。すなわち、請求項２に記載のブレーズ化回折格子は直線偏光を等しい強度の左回りおよび右回り円偏光に分離する偏光分離素子として機能する。なお、この偏光分離特性は任意の直線偏光に対して等しく現れるため、非偏光に対しても良好な偏光分離素子として機能する。なお、透明基板１ａ及び１ｂのいずれの方向から光を入射しても同等の効果が得られる。
【００３４】
次に、請求項３に記載の１次元のフレネルゾーンプレートについて述べる。図２（ａ）に示すブレーズ化回折格子における周期的な液晶分子配向状態の代わりに、図６（ａ）に示すような左右対称な液晶分子配向状態を実現すると、液晶セルは１次元のフレネルゾーンプレートとして機能する。ただし、１次元のフレネルゾーンプレートの構造や材料、作製方法などは前記ブレーズ化回折格子のものと同一でよい。なお、１００％の回折効率を得るためには、液晶セルのリタデーションＲは前記ブレーズ化回折格子と同様に（１０）式を満足する必要がある。液晶分子配向状態の方位角φはｙ方向には一様であるが、ｘ方向においては図６（ｂ）に示すように分布する。良好なフレネルゾーンプレートとして機能するためには、方位角φの分布関数は（１１）式を満足する必要がある。
【００３５】
【数１１】
2005274847.tif 000013
ここで、λは使用波長、ｆは焦点距離、ｍは０以上の整数、φ０はｘ座標の原点における方位角である。また、ｘｍ≦ｘ＜ｘｍ＋１においてのみ（１１）式が定義されるということに注意したい。図６（ｂ）においてはφ０＝π／２としてあるが、φ０の値はフレネルゾーンプレートの光学的特性には無関係であるため任意に設定してよい。方位角φがπだけ不連続に切り替わるｘ座標のうち、ｘ座標の原点から数えてｍ番目の座標ｘｍは（１２）式となる
【００３６】
【数１２】
2005274847.tif 000014
【００３７】
方位角φの分布関数が（１１）式を満足すると良好なフレネルゾーンプレートが得られるが、１００％の回折効率を必要としない場合においては、図６（ｂ）のように滑らかに変化する形状を図６（ｃ）に示すように階段状に近似することができる。階段の段数Ｌと回折効率ηの関係はブレーズ化回折格子の場合と等しく（９）式により表される。
【００３８】
液晶の配向の方位角分布関数が（１１）式を満足する１次元のフレネルゾーンプレートに右回り円偏光を入射した場合における、液晶層を通過直後の透過光の相対的な位相の分布特性を図７（ａ）に示す。図からわかるように、入射光が右回り円偏光の場合においては、通常の位相型フレネルゾーンプレートと同様の凸レンズとしての集光作用を得ることができる。一方、左回り円偏光を入射した場合における、液晶層を通過直後の透過光の相対的な位相の分布特性を図７（ｂ）に示す。図からわかるように、入射光が左回り円偏光の場合においては、入射光が右回り円偏光の場合とは逆に凹レンズとして機能する。
【００３９】
なお、入射光が右回りおよび左回り円偏光である場合における透過光の集光および発散の様子をそれぞれ図８（ａ）および（ｂ）に示す。ブレーズ化回折格子の場合と同様に、入射光と出射光における円偏光状態の回転の向きは逆である。直線偏光が入射した場合においては、図８（ｃ）に示すように５０％ずつの強度比で集光する波面と発散する波面が形成され、それぞれ右回り円偏光および左回り円偏光となる。すなわち、右回りおよび左回り円偏光に分離する偏光分離素子として利用できる。この偏光分離特性は任意の偏光方向の直線偏光および非偏光について得られる。なお、液晶層に電圧を印加するとリタデーションＲが変化し、回折効率を０％から１００％まで制御することができる。
【００４０】
図６（ａ）に示した液晶分子配向状態において左右反転した配向状態を図９（ａ）に示す。このような液晶分子配向状態を有する１次元のフレネルゾーンプレートは、図６（ａ）に示した１次元のフレネルゾーンプレートを裏表反転した場合と同一である。図９（ａ）に示した液晶分子配向状態における方位角φのｘ座標依存性は（１３）式のようになる。
【００４１】
【数１３】
2005274847.tif 000015
すなわち、図６（ａ）に示した１次元のフレネルゾーンプレートの場合とは逆の依存性となり、ｘの絶対値が増すにつれて方位角φも増加する。したがって、右回り円偏光の入射に対しては凹レンズとして、左回り円偏光の入射に対しては凸レンズとして作用する。すなわちこのとき、右回り円偏光状態の出射光が集光し、左回り円偏光状態の出射光が発散するタイプの偏光分離素子として機能する。 
【００４２】
請求項４に記載の２次元のフレネルゾーンプレートを正面から観察した場合における液晶分子配向状態の様子を図１０（ａ）および（ｂ）に示す。２次元のフレネルゾーンプレートの構造や材料、作製方法などは前記ブレーズ化回折格子及び１次元のフレネルゾーンプレートの場合と同一でよく、１００％の回折効率を得るためにはリタデーションＲが（１０）式を満足する必要がある。図１０からわかるように、１次元のフレネルゾーンプレートとは異なり、液晶分子配向状態の方位角φの分布状態が点対称になる。図１０（ａ）および（ｂ）に示す２次元のフレネルゾーンプレートにおいて、良好な回折効率が得られる方位角φの分布関数はそれぞれ
【００４３】
【数１４】
2005274847.tif 000016
および
【００４４】
【数１５】
2005274847.tif 000017
となる。ここで、λは使用波長、ｆは焦点距離、ｍは０以上の整数、φ０はフレネルゾーンプレートの中心における方位角、ｒはあるｘｙ座標におけるフレネルゾーンプレートの中心からの距離すなわち半径である。１次元のフレネルゾーンプレートと同様に、２次元のフレネルゾーンプレートにおいても方位角φの分布関数を階段状に近似することができ、そのレベル数をＬとしたときの回折効率は（９）式に等しい。方位角φがπだけ不連続に切り替わる半径ｒのうち、ｘｙ座標の原点から数えてｍ番目の半径ｒｍ、すなわちｍ番目の輪帯の半径ｒｍは（１６）式となる
【００４５】
【数１６】
2005274847.tif 000018
図１０（ａ）に示す２次元のフレネルゾーンプレートに右回り円偏光が入射すると集光する左回り円偏光が出射し、左回り円偏光が入射すると発散する右回り円偏光が出射する。一方、図１０（ｂ）に示す２次元のフレネルゾーンプレートに右回り円偏光が入射すると発散する左回り円偏光が出射し、左回り円偏光が入射すると集光する右回り円偏光が出射する。この関係は１次元のフレネルゾーンプレートと同様であるが、ｘ方向だけでなくｙ方向にも透過光の集光および発散作用が生じることが特徴的である。
【００４６】
請求項６に記載の回折光学素子を図１１に示す。すなわち、請求項２〜５に記載の回折光学素子の入射光側にλ／４板を設置した構造となっている。（１）式〜（６）式の議論から明らかなように、入射光が円偏光である場合にのみ透過光の位相を任意に制御することができる。よって、入射光が直線偏光である場合においては、図１１に示すように、回折光学素子の入射光側にλ／４板を設置することによって直線偏光を円偏光に変換すると高い回折効率が得られる。ここで、λ／４板の進相軸を入射直線偏光に対して４５°あるいは１３５°に設定する必要がある。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明の偏光分離機能を有するブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートの素子構造の断面図である。
【図２】（ａ）は本発明におけるブレーズ化回折格子における液晶分子配向状態の方位角の空間的な分布状態を表すものである。（ｂ）は方位角のｘ座標依存性を表すものである。（ｃ）は方位角のｘ座標依存性を階段状に近似したものである。
【図３】（ａ）は本発明のブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートの断面図であり、液晶層の液晶分子配向状態がホモジニアス配向状態でかつ電圧が印加されていない場合を表したものである。（ｂ）は本発明のブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートの断面図であり、液晶層の液晶分子配向状態がハイブリッド配向状態でかつ電圧が印加されていない場合を表したものである。（ｃ）は本発明のブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートの断面図であり、液晶層の液晶分子配向状態がホモジニアスあるいはハイブリッド配向状態でかつ電圧が印加されていない場合を表したものである。
【図４】（ａ）は本発明のブレーズ化回折格子が図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が右回り円偏光である場合における、液晶層を通過直後の出射光の位相分布状態を表したものである。（ｂ）は本発明のブレーズ化回折格子が図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が左回り円偏光である場合における、液晶層を通過直後の出射光の位相分布状態を表したものである。
【図５】（ａ）は本発明のブレーズ化回折格子が図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が右回り円偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。（ｂ）は本発明のブレーズ化回折格子が図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が左回り円偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。（ｃ）は本発明のブレーズ化回折格子が図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が直線偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。
【図６】（ａ）は本発明の入射光が右回り円偏光の場合に集光するタイプの１次元のフレネルゾーンプレートにおいて、液晶分子配向状態の方位角の空間的な分布状態を表すものである。（ｂ）は方位角のｘ座標依存性を表すものである。（ｃ）は方位角のｘ座標依存性を階段状に近似したものである。
【図７】（ａ）は本発明の１次元のフレネルゾーンプレートが図６（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が右回り円偏光である場合における、液晶層を通過直後の出射光の位相分布状態を表したものである。（ｂ）は本発明の１次元のフレネルゾーンプレートが図６（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が左回り円偏光である場合における、液晶層を通過直後の出射光の位相分布状態を表したものである。
【図８】（ａ）は本発明の１次元のフレネルゾーンプレートが図６（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が右回り円偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。（ｂ）は本発明の１次元のフレネルゾーンプレートが図６（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が左回り円偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。（ｃ）は本発明の１次元のフレネルゾーンプレートが図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が直線偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。
【図９】（ａ）は本発明の入射光が左回り円偏光の場合に集光するタイプの１次元のフレネルゾーンプレートにおいて、液晶分子配向状態の方位角の空間的な分布状態を表すものである。（ｂ）は方位角のｘ座標依存性を表すものである。
【図１０】（ａ）は本発明の入射光が右回り円偏光の場合に集光するタイプの２次元のフレネルゾーンプレートにおいて、液晶分子配向状態の方位角の空間的な分布状態を表すものである。（ｂ）は本発明の入射光が左回り円偏の場合に集光するタイプの２次元のフレネルゾーンプレートにおいて、液晶分子配向状態の方位角の空間的な分布状態を表すものである。
【図１１】本発明の入射直線偏光に対して高い回折効率が得られるブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートの素子構造の断面図である。
【符号の説明】
【００４８】
１ａ、１ｂ  透明基板
２ａ、２ｂ  透明電極
３ａ、３ｂ  配向膜
４ａ、４ｂ  スペーサー
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ  液晶層
６  ブレーズ化回折格子
７  フレネルゾーンプレート
８  回折光学素子（ブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレート）
９  λ／４板
【図１】
2005274847.tif 000019
【図２】
2005274847.tif 000020
【図３】
2005274847.tif 000021
【図４】
2005274847.tif 000022
【図５】
2005274847.tif 000023
【図６】
2005274847.tif 000024
【図７】
2005274847.tif 000025
【図８】
2005274847.tif 000026
【図９】
2005274847.tif 000027
【図１０】
2005274847.tif 000028
【図１１】
2005274847.tif 000029