(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
波長λの光が入射して光の位相を変調して出射する回折素子であって、
前記回折素子は、透光性基板上に回折格子が形成され、前記回折格子は単位領域が周期的に配列されて構成され、
前記単位領域は、前記波長λの光に対して位相が異なって透過する３以上の区画に分割されており、
前記単位領域を透過する前記波長λの光の前記単位領域あたりの位相の平均値とそれぞれの前記区画を透過する前記波長λの光の位相と、の差である位相差がπの整数倍であり、
前記区画は、前記位相差がゼロの小領域と、前記位相差が＋ｎπとなる小領域および、前記位相差が−ｎπとなる小領域からなる少なくとも３以上の小領域のいずれかであり（ｎ≧１の整数）、
前記位相差が＋ｎπとなる前記小領域の面積と、前記位相差が−ｎπとなる前記小領域の面積と、が実質的に等しい回折素子。
【請求項２】
前記単位領域は、前記位相差がゼロである１つの小領域と前記位相差が＋πずつ異なるｍ個の小領域と前記位相差が−πずつ異なるｍ個の小領域からなり（ｍ≧１の整数）、
前記位相差がｊπとなる小領域の面積をＳｊで表したとき（ｊは−ｍ〜ｍの整数）、
ｉは（−ｍ＋１）〜（ｍ−１）の整数として、
Ｓ−ｍ：…：Ｓｉ：…：Ｓｍの比率が、
１：…：（２ｍ）！／｛（ｉ＋ｍ）！×（ｍ−ｉ）！｝：…：１、である請求項１に記載の回折素子。
【請求項３】
前記単位領域は、面積Ｓ０からなる前記位相差がゼロの小領域、面積Ｓ＋１からなる前記位相差がπの小領域、面積Ｓ−１からなる前記位相差が−πの小領域からなり、
前記面積Ｓ−１：前記面積Ｓ０：前記面積Ｓ＋１の比が１：２：１である請求項２に記載の回折素子。
【請求項４】
前記単位領域は、面積Ｓ０からなる前記位相差がゼロの小領域、面積Ｓ＋２からなる前記位相差が２πの小領域、面積Ｓ＋１からなる前記位相差がπの小領域、面積Ｓ−１からなる前記位相差が−πの小領域、面積Ｓ−２からなる前記位相差が−２πの小領域からなり、
前記面積Ｓ−２：前記面積Ｓ−１：前記面積Ｓ０：前記面積Ｓ＋１：前記面積Ｓ＋２の比が１：４：６：４：１である請求項２に記載の回折素子。
【請求項５】
前記回折格子は、複屈折性を有する複屈折性材料と等方性透明材料とが、前記回折格子の凸部と凹部を構成してなる偏光回折格子であって、
前記複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）のいずれか一方の屈折率が等方性透明材料の屈折率ｎｓと等しい請求項１〜４いずれか１項に記載の回折素子。
【請求項６】
前記偏光回折格子は、格子の厚さ方向の段差の値がいずれも前記段差の最小値ｄの自然数倍であるとともに、リタデーション値｜ｎｅ−ｎｏ｜×ｄが前記波長λの（ｐ＋１／２）倍（ｐは０または正の整数）である請求項５に記載の回折素子。
【請求項７】
前記偏光回折格子を２個積層し、
それぞれの前記偏光回折格子の複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅと等方性透明材料の屈折率ｎｓとが一致する方向を、前記２個の偏光回折格子で同じとする請求項５または請求項６に記載の回折素子。
【請求項８】
２個の前記偏光回折格子の間に、電極への電圧印加により前記波長λの光に対してリタデーション値をゼロからλ／２の間で変化させる液晶層を配置し、
前記偏光回折格子の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅと等方性透明材料の屈折率ｎｓとが一致する方向を、前記２個の偏光回折格子で互いに直交するまたは同じとする請求項５または請求項６に記載の回折素子。
【請求項９】
前記偏光回折格子と反射性の基板との間に、電極への電圧印加により前記波長λの光に対してリタデーション値をゼロからλ／４の間で変化させる液晶層を配置した請求項５または請求項６に記載の回折素子。
【請求項１０】
請求項８または請求項９に記載の回折素子を直進透過または正規反射する出射方向の光を伝搬し、前記出射方向と異なる方向へ出射する光を遮断する機構を備え、
前記液晶層に印加される電圧の大きさに応じて伝搬する光量が変化する光減衰器。
【請求項１１】
少なくとも波長λの光を出射する光源と、
前記光源と光ディスクとの間に順に配置されたビームスプリッタおよび対物レンズと、
前記ビームスプリッタと前記光ディスクとの間に配置された、波長λの光に対して１／４波長の位相差を生じる１／４波長板と、
前記光ディスクからの戻り光を、前記ビームスプリッタを経由して受光する光検出器を備える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に請求項５または請求項６に記載の回折素子が配される光ヘッド装置。
【請求項１２】
光源と、
表示する画像に応じて前記光源から出射された可視光を変調する液晶ライトバルブと、
前記光源と前記液晶ライトバルブとの間の光路中に配置され光の偏光状態を変える第１の偏光手段と、
前記液晶ライトバルブの光を出射する側に配置され光の偏光状態を変える第２の偏光手段と、
前記液晶ライトバルブにより生成された画像を拡大投影する投影手段と、を備えた投射型表示装置において、
前記第１の偏光手段および前記第２の偏光手段のうちの少なくとも一方の偏光手段が、請求項５〜７のいずれか１項に記載の回折素子で構成される投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射する光に対して直進透過する光を安定して遮断したり、入射する光のうち互いに直交する偏光成分の直進透過率の比率で表す偏光消光比を高くしたりする回折素子、該回折素子を用いる光減衰器、光ヘッド装置および投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
回折格子構造を有する光学素子（以下、回折素子という）は、光記録媒体を記録または再生する光ヘッド装置、プロジェクタなどの投影装置において多く利用されている。回折素子に入射する光の直進透過光の光量と回折光の光量との比率を変えて制御することによって、例えば直進透過光の光量を制御することができる。例えば非特許文献１に記載される回折素子は、ガラスやプラスティック等の等方性透明材料の表面を加工し、断面が図２２（ａ）に示す矩形あるいは図２２（ｂ）に示す鋸歯または図２２（ｃ）に示す鋸歯を階段状に近似した形状で、断面に直交する方向に直線状あるいは曲線状である格子が周期的に連続した構造を有する。
【０００３】
ここで、波長λの入射光に対する直進透過光が最小となる完全回折の条件は、図２２（ｃ）に示すＮ段の階段状ブレーズ回折格子の場合は凹凸部の最大透過位相差が２π×（Ｎ−１）／Ｎであることが知られている。すなわち、図２２（ａ）矩形回折格子構造を有する回折素子ではπ、図２２（ｂ）の鋸歯ブレーズ回折格子構造を有する回折素子では２πとなる。
【０００４】
また、このほかの回折格子構造を有する回折素子として、偏光性の回折格子構造を積層する回折素子とすることにより、単一の偏光性の回折格子構造からなる回折素子よりも得られる消光比を改善できることが記載されている（特許文献１）。このような積層構造とすることにより再現性よく消光比の高い回折素子（複層回折型偏光子）が実現できている。さらに、この複層回折型偏光子を液晶素子に一体化することにより、印加電圧に応じて直進透過光を調整できる可変光減衰器の消光比が向上することが報告されている。
【０００５】
【特許文献１】国際公開０３／０１９２４７号
【非特許文献１】小野雄三、塩野照弘他著、「回折光学入門」、（株）オプトロニクス社、平成９年５月２０日、ｐ１１，ｐ６４−６５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、非特許文献１の回折素子では、特定の波長の光に対して直進透過光を大きく低減することができるが、例えば光源となる半導体レーザの個別素子のばらつきや温度変動にともなう波長変動が生じると直進透過光が発現してしまう。その結果、使用環境などによって安定して直進透過光を低減することができない、といった課題があった。また、特許文献１の複層回折型偏光子は、１層の回折格子構造からなる回折素子に対して偏光消光比は高くなるものの、広い波長帯域の入射光に対して安定したさらに高いレベルの偏光消光比を得ることができていないという課題があった。
【０００７】
本発明は上述の実情に鑑み、単一の回折格子形成面を用いて安定して直進透過光を低減できる回折素子を提供することを目的とする。さらに、安定して高い偏光消光比が実現できる回折素子およびそれを用いた可変光減衰機能を有する回折素子および可変光減衰器、光ヘッド装置および投射型表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、波長λの光が入射して光の位相を変調して出射する回折素子であって、前記回折素子は、透光性基板上に回折格子が形成され、前記回折格子は単位領域が周期的に配列されて構成され、前記単位領域は、前記波長λの光に対して位相が異なって透過する３以上の区画に分割されており、前記単位領域を透過する前記波長λの光の前記単位領域あたりの位相の平均値とそれぞれの前記区画を透過する前記波長λの光の位相と、の差である位相差がπの整数倍であり、前記区画は、前記位相差がゼロの小領域と、前記位相差が＋ｎπとなる小領域および、前記位相差が−ｎπとなる小領域からなる少なくとも３以上の小領域のいずれかであり（ｎ≧１の整数）、前記位相差が＋ｎπとなる前記小領域の面積と、前記位相差が−ｎπとなる前記小領域の面積と、が実質的に等しい回折素子を提供する。
【０００９】
また、前記単位領域は、前記位相差がゼロである１つの小領域と前記位相差が＋πずつ異なるｍ個の小領域と前記位相差が−πずつ異なるｍ個の小領域からなり（ｍ≧１の整数）、前記位相差がｊπとなる小領域の面積をＳｊで表したとき（ｊは−ｍ〜ｍの整数）、ｉは（−ｍ＋１）〜（ｍ−１）の整数として、Ｓ−ｍ：…：Ｓｉ：…：Ｓｍの比率が、１：…：（２ｍ）！／｛（ｉ＋ｍ）！×（ｍ−ｉ）！｝：…：１、である上記に記載の回折素子を提供する。
【００１０】
また、前記単位領域は、面積Ｓ０からなる前記位相差がゼロの小領域、面積Ｓ＋１からなる前記位相差がπの小領域、面積Ｓ−１からなる前記位相差が−πの小領域からなり、前記面積Ｓ−１：前記面積Ｓ０：前記面積Ｓ＋１の比が１：２：１である上記に記載の回折素子を提供する。
【００１１】
この構成により、波長λで入射する光および波長λよりずれた波長に対しても光の直進透過率を大きく低減することができるとともに、比較的作製が容易である回折格子構造を有する回折素子を実現できる。
【００１２】
また、前記単位領域は、面積Ｓ０からなる前記位相差がゼロの小領域、面積Ｓ＋２からなる前記位相差が２πの小領域、面積Ｓ＋１からなる前記位相差がπの小領域、面積Ｓ−１からなる前記位相差が−πの小領域、面積Ｓ−２からなる前記位相差が−２πの小領域からなり、
前記面積Ｓ−２：前記面積Ｓ−１：前記面積Ｓ０：前記面積Ｓ＋１：前記面積Ｓ＋２の比が１：４：６：４：１である上記に記載の回折素子を提供する。
【００１３】
この構成により、３つの小領域の回折格子形状の回折素子よりもさらに波長λよりもずれた波長で入射する光に対しても直進透過率を低減させる回折素子を実現できる。
【００１４】
また、前記回折格子は、複屈折性を有する複屈折性材料と等方性透明材料とが、前記回折格子の凸部と凹部を構成してなる偏光回折格子であって、前記複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）のいずれか一方の屈折率が等方性透明材料の屈折率ｎｓと等しい上記に記載の回折素子を提供する。また、前記偏光回折格子は、格子の厚さ方向の段差の値がいずれも前記段差の最小値ｄの自然数倍であるとともに、リタデーション値｜ｎｅ−ｎｏ｜×ｄが前記波長λの（ｐ＋１／２）倍（ｐは０または正の整数）である上記に記載の回折素子を提供する。また、前記偏光回折格子を２個積層し、それぞれの前記偏光回折格子の複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅと等方性透明材料の屈折率ｎｓとが一致する方向を、前記２個の偏光回折格子で同じとする上記に記載の回折素子を提供する。
【００１５】
この構成において、前記偏光回折格子の複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅと前記等方性透明材料の屈折率ｎｓとが一致する方向を、前記２個の偏光回折格子で同じとすることにより、入射する波長λの光の偏光方向によって光の直進透過率を変えることができ、さらに、第１の偏光方向の光と、第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向の光とで透過する光の偏光消光比を大きくする回折素子を実現できる。
【００１６】
また、２個の前記偏光回折格子の間に、電極への電圧印加により前記波長λの光に対してリタデーション値をゼロからλ／２の間で変化させる液晶層を配置し、前記偏光回折格子の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅと等方性透明材料の屈折率ｎｓとが一致する方向を、前記２個の偏光回折格子で互いに直交するまたは同じとする上記に記載の回折素子を提供する。
【００１７】
また、前記偏光回折格子と反射性の基板との間に、電極への電圧印加により前記波長λの光に対してリタデーション値をゼロからλ／４の間で変化させる液晶層を配置した上記に記載の回折素子を提供する。さらに、上記に記載の回折素子を直進透過または正規反射する出射方向の光を伝搬し、前記出射方向と異なる方向へ出射する光を遮断する機構を備え、前記液晶層に印加される電圧の大きさに応じて伝搬する光量が変化する光減衰器を提供する。
【００１８】
この構成により、液晶セルで入射する波長λの光の偏光状態を制御よく変化させることにより、直進透過する光の効率を制御することができる回折素子を実現できるとともに、該回折素子の制御性を利用した光減衰器を実現することができる。
【００１９】
また、少なくとも波長λの光を出射する光源と、前記光源と光ディスクとの間に順に配置されたビームスプリッタおよび対物レンズと、前記ビームスプリッタと前記光ディスクとの間に配置された、波長λの光に対して１／４波長の位相差を生じる１／４波長板と、前記光ディスクからの戻り光を、前記ビームスプリッタを経由して受光する光検出器を備える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に上記に記載の回折素子が配される光ヘッド装置を提供する。
【００２０】
この構成により、光源から光ディスクへ向かう光路では特定の直線偏光方向の光のみを透過するとともに、光ディスクから反射された光は効率よく回折することにより光源への戻り光を低減でき、光源の発振を安定させることができる。
【００２１】
さらに、光源と、表示する画像に応じて前記光源から出射された可視光を変調する液晶ライトバルブと、前記光源と前記液晶ライトバルブとの間の光路中に配置され光の偏光状態を変える第１の偏光手段と、前記液晶ライトバルブの光を出射する側に配置され光の偏光状態を変える第２の偏光手段と、前記液晶ライトバルブにより生成された画像を拡大投影する投影手段と、を備えた投射型表示装置において、前記第１の偏光手段および前記第２の偏光手段のうちの少なくとも一方の偏光手段が、上記に記載の回折素子で構成される投射型表示装置を提供する。
【００２２】
この構成により、光量の大きい光に対して光吸収を伴わず、特定の直線偏光を回折することなく効率よく透過し、それと直交する直線偏光を効率よく回折し、偏光に応じて直進透過光を制御できる偏光手段となるため、偏光手段で発生する発熱を低減することができ、投射型表示装置の安定した動作および高い品質を得ることができる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明は、単一の回折格子形成面を有する回折素子を実現することにより入射する光の直進透過光を低減する効果を有する回折素子および該回折素子を用いた光減衰器、光ヘッド装置および投射型表示装置を提供できるものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
（第１の実施態様）
例えば図１に示すように、透過光の位相を空間的に変調する単位領域１０が周期的に配列した回折素子１００を考える。この単位領域１０は、同相で波長λの光が入射するとき、透過光の位相が異なる（２Ｎ＋１）の奇数の領域（Ｎは自然数）からなり、図１の例では３つの小領域からなる。なお、図１、図２の単位領域１０は、Ｘ−Ｙ平面で４つの幾何学的な区画に分かれている。この区画は、その区画内では位相が同じあり、１つの単位領域内において複数の区画が同じ位相を有していてもよい。したがって、単位領域１０の場合は、４つの区画から構成されていて、３つの小領域からなることになる。次に、単位領域１０の全体を透過する波長λの透過光の単位領域あたりの平均位相に対する、区画ごとに透過する光の位相で表される位相差を考える。このとき、同じ位相差を有する複数の区画がある場合、幾何学的に分離している場合でも１つの小領域とする。そして、複数の小領域のうち透過光の位相差ゼロの小領域の透過光複素振幅をＵ（０）、位相差がφ（ｍ）の小領域の透過光複素振幅をＵ（ｍ）とする。ただし、ｍは整数で、−Ｎから＋Ｎの値とする。図２の単位領域１０は、Ｎ＝１であって、具体的にＵ（０）、Ｕ（−１）、Ｕ（＋１）の透過光複素振幅を有する３つの小領域からなる例を示すものである。この場合、Ｕ（０）を有する２個の区画は幾何学的に分離しているが、これらをまとめて１つの小領域としているものである。
【００２５】
小領域ごとに上記の位相差を異なるようにするためには、例えば、等方性屈折率ｎｓを有する透明基板に格子状に凹凸部を形成し、簡単のため周囲媒体を空気として、透明基板面に対して垂直方向から波長λの光が入射するとき、｜ｎｓ−１｜・ｄ＝（ｍ＋λ／２）となるように、位相差の異なる小領域間の凹部の段差ｄを決定するようにする。なお、凹凸部の段差と接触する媒体は空気に限らず別の透明材料であってもよく、透明基板上に格子状に凹凸部を有する光学材料の層を形成してもよい。また、位相差を発現するために凹凸を形成する材料は等方性材料であっても複屈折性を有する材料であってもよい。以下に、本発明の回折素子の作用について説明する。
【００２６】
上記のように単位領域が周期的に配列した回折素子に波長λの光が透過するとき回折光が発生する。透過光の透過光複素振幅空間分布は、例えば「光波電子工学」（小山次郎・西原浩著、コロナ社発行、１９７８年出版）の第３章に記載されている。この単位領域が光損失のない透明材料からなる場合、位相差φ（ｍ）の小領域の透過光複素振幅Ｕ（ｍ）は（１）式で表わされる。
Ｕ（ｍ）＝ｅｘｐ｛ｊφ（ｍ）｝  ・・・  （１）
なお、ｊは虚数単位である。ここでいう周期的という意味は、単位領域がいずれかの方向において周期的に繰り返し配置されていることを意味する。たとえば、図１の回折素子１００のようにＸ−Ｙ平面において単位領域１０をＸ方向およびＹ方向に配列している状態であったり、後述する図３の回折素子２００のように帯状の単位領域２０がＸ方向にピッチＰｘで配列している状態であったりしていてもよい。なお、図３の回折素子２００では、Ｙ方向は任意のピッチＰｙで繰り返されているとしてもよい。したがって、周期的というのは少なくとも一方向に単位領域が配列をなしているものであればよい。また、光が回折素子に入射する領域を有効領域としたとき、有効領域は、回折素子１００で単位領域１０が少なくとも３×３以上配列した構成であって、回折素子２００では少なくとも単位領域２０のＰｘが３以上配列した構成であるとよい。
【００２７】
ここで、ｍの符号の正負が異なる小領域において、単位領域の全体に対する各小領域の面積比率Ｓ（ｍ）が等しい場合、直進透過する０次回折光の複素振幅Ａは（２）式で表わされる。
Ａ＝Ｓ（０）
＋［ｅｘｐ｛ｊφ（−１）｝＋ｅｘｐ｛ｊφ（＋１）｝］×Ｓ（１）
＋［ｅｘｐ｛ｊφ（−２）｝＋ｅｘｐ｛ｊφ（＋２）｝］×Ｓ（２）＋…
＋［ｅｘｐ｛ｊφ（−Ｎ）｝＋ｅｘｐ｛ｊφ（＋Ｎ）｝］×Ｓ（Ｎ）  ・・・（２）
なお、φ（０）＝０である。
【００２８】
さらに、ｍの符号の正負が異なる小領域において、前記位相差φ（ｍ）の絶対値が等しく符号が互いに逆の場合、（２）式は、
Ａ＝Ｓ（０）
＋２×［ｃｏｓ｛φ（１）｝×Ｓ（１）
＋ｃｏｓ｛φ（２）｝×Ｓ（２）＋…
＋ｃｏｓ｛φ（Ｎ）｝×Ｓ（Ｎ）］  ・・・  （３）
となる。
【００２９】
ここで、（３）式において、φ（ｍ）＝ｍπ（但し、ｍは整数）の場合、ｃｏｓ｛φ（ｍ）｝＝（−１）ｍのため、（３）式は、
Ａ＝［Ｓ（０）＋２×｛−Ｓ（１）＋Ｓ（２）−…
＋（−１）Ｎ×Ｓ（Ｎ）｝］  ・・・  （４）
となる。
【００３０】
すなわち、（４）式がゼロとなる小領域の面積比率Ｓ（ｍ）の条件、
Ｓ（０）＝２×｛Ｓ（１）−Ｓ（２）＋…−（−１）Ｎ×Ｓ（Ｎ）｝  ・・・  （５）
を満たし、かつφ（ｍ）＝ｍπのとき、０次回折光である直進透過光の複素振幅Ａはゼロとなる。
【００３１】
例えば、位相差φ（ｍ）がｍπからδ、φ（−ｍ）が−ｍπから−δだけずれた位相差を有する場合、（３）式は、
Ａ＝２×｛１−ｃｏｓ（δ）｝×Ｓ（１）
−２×｛１−ｃｏｓ（δ）｝×Ｓ（２）＋…
−２（−１）Ｎ×｛１−ｃｏｓ（δ）｝×Ｓ（Ｎ）
＝４×｛ｓｉｎ（δ／２）｝２
×｛Ｓ（１）−Ｓ（２）＋…−（−１）Ｎ×Ｓ（Ｎ）｝  ・・・  （６）
で表される。
【００３２】
また、（５）式の条件より、この時の複素振幅Ａは、
Ａ＝−２×Ｓ（０）×｛ｓｉｎ（δ／２）｝２  ・・・  （７）
となる。
【００３３】
また、複素振幅Ａの絶対値の二乗が光強度のため、直進透過光の光強度ＩＡは、
ＩＡ＝｛２×Ｓ（０）｝２×｛ｓｉｎ（δ／２）｝４  ・・・  （８）
で表される。
【００３４】
なお、従来の回折格子構造（図示せず）として、格子の凹凸断面形状が矩形状で単位領域が凹部と凸部の２領域からなる場合、直進透過光がゼロとなる条件は凹部と凸部の面積比が１：１かつ２領域の波長λの透過光の位相差がπであることが知られている。この場合、２領域の波長λの透過光の位相差がπからδだけずれた場合、０次回折光である直進透過光の複素振幅Ｂは、
Ｂ＝１／２＋ｅｘｐ｛ｊ（π＋δ）｝／２
＝（−ｊ）×ｅｘｐ（ｊδ／２）×ｓｉｎ（δ／２）  ・・・  （９）
で表される。
【００３５】
したがって、直進透過光の光強度ＩＢは、
ＩＢ＝｛ｓｉｎ（δ／２）｝２  ・・・  （１０）
で表される。
【００３６】
従来の他の回折格子構造（図示せず）として、格子のＸ方向の凹凸断面形状が鋸歯状でＹ方向が直線状のブレーズ型回折格子構造の場合、直進透過光がゼロとなる条件は波長λの透過光の単位領域のＸ方向の位相差が２πＸ（Ｘは格子周期Ｐｘで規格化され、０≦Ｘ≦１の範囲の値）で記述される場合であることが知られている。ここで、波長λの透過光の位相差におけるＸに対する係数が２πからδだけずれた場合、直進透過光の複素振幅Ｃは、
Ｃ＝［ｅｘｐ｛ｊ（２π＋δ）｝−１］／（２π＋δ）
＝２ｊ／（２π＋δ）×ｅｘｐ（ｊδ／２）×ｓｉｎ（δ／２）  ・・・  （１１）
で表される。
【００３７】
したがって、直進透過光の光強度Ｉｃは、
ＩＣ＝｛２／（２π＋δ）｝２×｛ｓｉｎ（δ／２）｝２  ・・・  （１２）
で表される。ここで（８）式と（１０）式および（１２）式を比較すると、透過光の位相差のずれ量δに対する直進透過光の光強度において、ｓｉｎ（δ／２）の、べき数が本発明の回折格子構造では４乗に対して従来の回折格子構造では２乗となっている。
【００３８】
その結果、位相差のずれ量δが生じても、本発明の回折格子構造では直進透過光の光強度はゼロに近い小さな値を維持することができる。ここで位相差のずれ量δの要因として、小領域の透過光の位相差φ（ｍ）＝ｍπとなる入射光の波長λが異なる場合、回折格子形状の加工など作製時の製造ばらつきに起因して位相差がｍπからずれた場合などが想定される。すなわち、本発明の回折格子を用いることにより、広い波長帯域で入射する光に対して直進透過光の光強度が小さな値を維持できる。また、製造ばらつきがあっても直進透過光の光強度を小さな値に維持できるため、安定した特性が実現できる。
【００３９】
なお、（６）式から（８）式は位相差φ（ｍ）がｍπから＋δ、φ（−ｍ）が−ｍπから−δだけずれた場合に適用されるが、ｍ毎にずれ量δが異なる場合も従来の回折格子に比べて同様の効果が期待できる。次に、本発明の回折格子構造の具体的な構成例と作用について説明する。
【００４０】
具体的に図１に示す本発明の第１の実施態様にかかる回折素子１００の構成を説明する。回折素子１００は、透光性基板１の表面に、Ｘ方向の周期構造の格子ピッチＰｘでＹ方向の周期構造の格子ピッチＰｙの単位領域１０から形成されている。図２に単位領域１０の平面図を示す。上記の説明のように、単位領域１０は４つの等しい面積の区画かつ波長λの透過光の位相が異なる３つの小領域に分割され、単位領域の全体を透過する波長λの透過光の平均位相に対する透過光の位相差が、ゼロとなる透過光複素振幅Ｕ（０）の小領域、−πとなる透過光複素振幅Ｕ（−１）の小領域、πとなる透過光複素振幅Ｕ（＋１）の小領域からなる。単位領域１０はＰｘ分割幅をｘ１とｘ２、Ｐｙ分割幅をｙ１とｙ２で得られる区画の面積が等しくなるようにｘ１＝ｘ２およびｙ１＝ｙ２で４つの区画から構成されている。その結果、Ｕ（−１）とＵ（０）とＵ（＋１）の面積比は１：２：１となる。
【００４１】
このとき、（３）式においてφ（１）＝π＋δとすると、（８）式より直進透過光の光強度ＩＡは、
ＩＡ＝｛ｓｉｎ（δ／２）｝４  ・・・  （１３）
となる。なお、Ｕ（０）とＵ（−１）とＵ（＋１）の面積比Ｓ（−１）：Ｓ（０）：Ｓ（＋１）は１：２：１が最適値であるが、最適値に対して、Ｓ（０）は±２％以内、Ｓ（−１）およびＳ（＋１）は±５％以内の範囲で面積が最適値からずれた場合でも所望の効果が得られる。
【００４２】
（第２の実施態様）
図３は本発明の第２の実施態様にかかる回折素子２００の構成を示す平面図である。回折素子２００は、透光性基板１の表面に、Ｘ方向の周期構造の格子ピッチＰｘでＹ方向は直線状構造の単位領域２０から形成されている。図４に単位領域２０の平面図を示す。第１の実施態様と同様に、単位領域２０は波長λの透過光の位相が異なる３つの小領域に分割され、単位領域の全体を透過する波長λの透過光の平均位相に対する透過光の位相差が、ゼロとなる透過光複素振幅Ｕ（０）の小領域、−πとなる透過光複素振幅Ｕ（−１）の小領域、πとなる透過光複素振幅Ｕ（＋１）の小領域からなる。単位領域２０はＰｘ分割幅をｘ１とｘ２とｘ３で、ｘ１＝ｘ３＝０．５×ｘ２となるように３分割されて３つの区画に分割されている。その結果、Ｕ（−１）とＵ（０）とＵ（＋１）の面積比は１：２：１となる。このとき、（３）式においてφ（１）＝π＋δとすると、（８）式より直進透過光の光強度ＩＡは第１の実施態様と同様に前記の（１３）式となる。
【００４３】
図５に単位領域２０のＸ方向の断面模式図を示す。また凹凸の形状は、透光性基板１の表面を直接微細加工して格子２を形成してもよいし、透光性基板１の表面に誘電体膜を成膜し、誘電体膜を格子２の形状に加工してもよい。格子２の微細加工法としては、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィとドライエッチングする、あるいは、格子２の転写型を用いて透光性基板１の表面を直接成形加工する、または、透光性基板１の表面にコートされた透光性樹脂に格子を転写成形してもよい。透過光複素振幅Ｕ（０）の小領域に対する透過光複素振幅Ｕ（−１）およびＵ（＋１）の小領域の格子２の深さをｄ（−１）とｄ（＋１）とし、格子２を構成する材料の屈折率をｎ、格子２と接する空気などの等方性透明材料３の屈折率をｎｓとすると、波長λの入射光に対する透過光複素振幅Ｕ（０）、Ｕ（−１）およびＵ（＋１）の小領域の位相差は
φ（０）＝０、
φ（−１）＝２π×（ｎ−ｎｓ）×｛−ｄ（−１）｝／λ、
φ（＋１）＝２π×（ｎ−ｎｓ）×ｄ（＋１）／λ、
となる。ここで、
φ（＋１）＝−φ（−１）＝π、
とするためには、格子２の小領域の格子深さを、ｄ（−１）＝ｄ（＋１）＝λ／｛２×（ｎ−ｎｓ）｝とすればよい。第１の実施態様における単位領域１０からなる回折素子１００の格子の小領域の格子深さの加工も同様である。
【００４４】
第１および第２の実施態様の単位領域は何れも透過光複素振幅の異なるＵ（−１）、Ｕ（０）、Ｕ（＋１）の３つの小領域からなり、その面積比が１：２：１であれば直進透過光の光強度ＩＡは同じ数式にて表記されるため、第１および第２の実施態様以外の分割パターンであってもよい。
【００４５】
第１および第２の実施態様を比較して説明する。単位領域１０と単位領域２０のＰｘとＰｙの長さを同じとすると、単位領域１０からなる回折素子１００では主に（Ｘ、Ｙ）方向に対して（±１次回折光、±１次回折光）がＸ方向およびＹ方向と４５°の角度をなす方向に発生するが、単位領域２０からなる回折素子２００では主にＸ方向の±１次回折光が発生する。本発明の回折素子によって生成される回折光を利用する場合、このような特徴を考慮して光学系を設計すればよい。また、回折素子１００の区画の最小寸法がＰｘ／２またはＰｙ／２に対して、回折素子２００の区画の最小寸法はＰｘ／４のため、回折素子１００は作製の容易性がある。
【００４６】
（第３の実施態様）
図６は本発明の第３の実施態様である回折素子の単位領域３０の構成を示す平面図である。単位領域３０は６つの区画に分割されるとともに、波長λの透過光の位相が異なる５つの小領域に分割され、単位領域の全体を透過する波長λの透過光の平均位相に対する透過光の位相差が、ゼロとなる透過光複素振幅Ｕ（０）の小領域、−２πとなる透過光複素振幅Ｕ（−２）の小領域、−πとなる透過光複素振幅Ｕ（−１）の小領域、πとなる透過光複素振幅Ｕ（＋１）の小領域、２πとなる透過光複素振幅Ｕ（＋２）の小領域からなる。
【００４７】
図６に示すように、単位領域３０はＰｘ分割幅がｘ１とｘ２とｘ３とｘ４、Ｐｙ分割幅をｙ１とｙ２とｙ３とｙ４で６つの区画に分割され、ｘ１＝ｘ２＝ｘ３＝ｘ４＝Ｐｘ／４かつｙ１＝ｙ２＝ｙ３＝ｙ４＝Ｐｙ／４となるように５つの透過光複素振幅が異なる小領域から構成されている。ここで、透過光複素振幅Ｕ（−２）とＵ（−１）とＵ（０）とＵ（＋１）とＵ（＋２）の面積比Ｓ（−２）：Ｓ（−１）：Ｓ（０）：Ｓ（＋１）：Ｓ（＋２）は、１：４：６：４：１である。
【００４８】
このとき、（３）式においてφ（１）＝π＋δ、φ（２）＝２π＋δとすると、（８）式より直進透過光の光強度ＩＡは、
ＩＡ＝（３／４）２×｛ｓｉｎ（δ／２）｝４  ・・・  （１４）
で表される。第１および第２の実施態様に比べて小領域の数の増加に伴い透過光複素振幅Ｕ（０）の面積比が低下するため、直進透過光の光強度ＩＡは比率として（３／４）２倍になり、有効に低下する。
【００４９】
また、（３）式においてφ（１）＝π＋δ、φ（２）＝２（π＋δ）とすると、（８）式より直進透過光の光強度ＩＡは、
ＩＡ＝｛ｓｉｎ（δ／２）｝８  ・・・  （１５）
で表される。第１および第２の実施態様に比べてｓｉｎ（δ／２）の、べき数が大きなため、位相差の設計値からのずれ量δに対する直進透過光の光強度ＩＡが有効に低下する。
【００５０】
なお、Ｕ（−２）とＵ（−１）とＵ（０）とＵ（＋１）とＵ（＋２）の面積比Ｓ（−２）：Ｓ（−１）：Ｓ（０）：Ｓ（＋１）：Ｓ（＋２）は１：４：６：４：１が最適値であるが、最適値に対して、Ｓ（０）は±２％以内、Ｓ（−１）およびＳ（＋１）およびＳ（−２）およびＳ（＋２）は±５％以内の範囲で面積が最適値からずれた場合でも所望の効果が得られる。
【００５１】
ここで、単位領域が３以上の奇数個の小領域からなる場合、単位領域の平均の位相差をゼロとし、位相差がゼロとなる小領域の面積をＳ０、位相差がπずつ異なるｍ個の小領域の面積をＳｍ、位相差が−πずつ異なるｍ個の小領域をＳ−ｍとすると、
Ｓ−ｍ：  …  ：Ｓ０：  …  ：Ｓｍの比率は、２ｍ個からｋ個を選ぶ組み合わせで表される二項分布の関係である、２ｍ！／｛ｋ！×（２ｍ−ｋ）！｝を、ｋ＝０〜２ｍの間の整数、とするときの関係を満たす。ここで、ｊ＝−ｍ〜ｍの間の整数として位相差がｊπ異なる小領域の面積をＳｊとすると、
（２ｍ）！／｛（ｊ＋ｍ）！×（ｍ−ｊ）！｝  ・・・  （１６）
で表すことができる。したがって、単位領域が７個または９個の小領域から構成される場合であっても（１６）式の面積比を満たすように設計するとよい。
【００５２】
（第４の実施態様）
図７は本発明の第４の実施態様である回折素子の単位領域４０の構成を示す平面図である。単位領域４０は５つの区画に分割されるとともに、波長λの透過光の位相が異なる５つの小領域に分割され、単位領域の全体を透過する波長λの透過光の平均位相に対する透過光の位相差が、ゼロとなる透過光複素振幅Ｕ（０）の小領域、−２πとなる透過光複素振幅Ｕ（−２）の小領域、−πとなる透過光複素振幅Ｕ（−１）の小領域、πとなる透過光複素振幅Ｕ（＋１）の小領域、２πとなる透過光複素振幅Ｕ（＋２）の小領域からなる。
【００５３】
図７に示すように、単位領域４０はＰｘ分割幅がｘ１とｘ２とｘ３とｘ４とｘ５で、ｘ１＝ｘ５＝（１／４）×ｘ２＝（１／４）×ｘ４＝（１／６）×ｘ３＝となるように５分割されて５つの区画を構成している。これらの区画はそれぞれ１つの小領域とされている。その結果、Ｕ（−２）とＵ（−１）とＵ（０）とＵ（＋１）とＵ（＋２）の面積比は１：４：６：４：１となる。このとき、（３）式においてφ（１）＝π＋δ、φ（２）＝２π＋δとすると、（８）式より直進透過光の光強度ＩＡは第３の実施態様と同様に（１４）式となる。また、（３）式においてφ（１）＝π＋δ、φ（２）＝２（π＋δ）とすると、（８）式より直進透過光の光強度ＩＡは第３の実施態様と同様に前記（１５）式となる。
【００５４】
図８に単位領域４０のＸ方向の断面模式図を示す。第２の実施態様と同様の部分は同じ番号を付して説明の重複を避ける。図８に示す格子２に追加された透過光複素振幅Ｕ（−２）およびＵ（＋２）の小領域の格子２の深さをｄ（−２）とｄ（＋２）とすると、波長λの入射光に対する透過光複素振幅Ｕ（−２）とＵ（＋２）の小領域の位相差は次式で表わされる。
φ（−２）＝２π×（ｎ−ｎｓ）×｛−ｄ（−２）｝／λ、
φ（＋２）＝２π×（ｎ−ｎｓ）×ｄ（＋２）／λ、
ここで、φ（＋２）＝−φ（−２）＝２πとするためには、格子２の小領域の格子深さを、ｄ（−２）＝ｄ（＋２）＝λ／（ｎ−ｎｓ）とすればよい。
【００５５】
第３の実施態様における単位領域３０の格子の小領域の格子深さの加工も同様である。また、第３と第４の実施態様の単位領域は何れも透過光複素振幅の異なるＵ（−２）、Ｕ（−１）、Ｕ（０）、Ｕ（＋１）、Ｕ（＋２）の５つの小領域からなり、その面積比が１：４：６：４：１であれば直進透過光の光強度ＩＡは同じ数式にて表記されるため、分割パターンはこれに限らず、第３と第４の実施態様以外の分割パターンであってもよい。
【００５６】
（第５の実施態様）
図９は本発明の第５の実施態様である回折素子３００の平面図を示し、図１０は回折素子３００の単位領域５０の構成を示す断面模式図である。回折素子３００の構成および単位領域５０を示す平面図は、第２の実施態様を示す図３および図４と同様である。透光性基板１ａの片面に、常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅ（ｎｏ≠ｎｅ）の複屈折性材料を用いて複屈折性材料層を、その進相軸（常光屈折率を示す方向）が図１０のＸ方向に揃うように形成する。次に複屈折性材料層を厚さごとに３つの小領域に分割し、各小領域の複屈折性材料層の厚さがゼロ、ｄ（−１）、ｄ（−１）＋ｄ（＋１）で、Ｐｘ分割幅がそれぞれｘ１とｘ２とｘ３で、ｘ１＝ｘ３＝（１／２）×ｘ２となるよう加工し、複屈折性材料層からなる格子４を形成する。
【００５７】
次いで、前記格子４の少なくとも凹部に複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅに等しい屈折率ｎｓの等方性透明材料５を充填し、透光性基板１ｂに接着して単位領域５０からなる回折素子３００を構成する。ここで、少なくとも凹部にという意味は、凹部のみが充填されていてもよいし、凹凸部を埋めるように充填されていてもよい。なお、等方性透明材料とは、屈折率が等方的な透明材料のことである。複屈折性材料としては、水晶やＬｉＮｂＯ３などの複屈折結晶や、例えばポリカーボネートなどの有機フィルムを延伸させた複屈折フィルムや、複屈折を有する液晶モノマーを一方向に配向させた後に重合固化させた高分子液晶などが用いられる。図１０に示す第５の実施態様は複屈折性材料として高分子液晶を用いる場合の例に相当する。
【００５８】
ここで、回折素子３００の入射光の波長λに対して、
｜ｎｅ−ｎｏ｜×ｄ（−１）＝｜ｎｅ−ｎｏ｜×ｄ（＋１）＝λ／２、
となるようにｄ（−１）およびｄ（＋１）を調整する。このようにして作製された回折素子３００において、ｎｏ＝ｎｓの場合はＸ方向の直線偏光を、ｎｅ＝ｎｓの場合はＹ方向の直線偏光を第１の偏光方向とすると、第１の偏光方向の光が回折素子３００に入射するとき、光は回折作用をせず直進透過する。
【００５９】
一方、第１の偏光方向に対して直交する第２の偏光方向の光が回折素子３００に入射するとき回折作用をし、波長λの入射光に対する透過光複素振幅Ｕ（０）、Ｕ（−１）およびＵ（＋１）の小領域の位相差は次式で記述される。
φ（０）＝０、
φ（−１）＝２π×｜ｎｅ−ｎｏ｜×｛−ｄ（−１）｝／λ＝−π、
φ（＋１）＝２π×｜ｎｅ−ｎｏ｜×ｄ（＋１）／λ＝＋π、
また、Ｕ（−１）とＵ（０）とＵ（＋１）の面積比は１：２：１となる。
【００６０】
その結果、広い入射光の波長帯域に対して、第１の偏光方向の入射光に対しては高い直進透過率が得られるとともに、第２の偏光方向の入射光に対しては安定して直進透過光を遮断する機能が得られる。すなわち、入射する光のうち互いに直交する偏光成分の直進透過率の比率で表す偏光消光比が高い回折素子が実現できる。本実施態様の回折素子３００では第２の実施態様と同様の３つの小領域からなる単位領域について説明したが、第１から第４の実施態様のいずれかの小領域のからなる単位領域としても構わない。
【００６１】
（第６の実施態様）
図１１は本発明の第６の実施態様である回折素子４００の構成を示す斜視図であり、図１２は、単位領域６０の構成を示す斜視図である。この例は、偏光回折格子を２個積層し、それぞれの偏光回折格子の複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅと等方性透明材料の屈折率ｎｓとが一致する方向を、２個の偏光回折格子で同じ方向とした例である。単位領域６０は、第５の実施態様の単位領域５０の偏光回折格子と同じ格子形状の２種の格子４ａ、４ｂを、格子の長手方向が直交するように対向させてできた空隙を、等方性透明材料５を用いて充填した構造である。ここで、格子４ａと４ｂの常光屈折率ｎｏおよび異常光屈折率ｎｅは同じ方向、すなわち、格子４ａと４ｂの進相軸および遅相軸はＸ−Ｙ面からみて一致するように設定する。
【００６２】
回折素子４００にＺ方向から光が入射すると、入射光のうち等方性透明材料５の屈折率ｎｓと格子４ａ、４ｂの屈折率が一致する第１の偏光方向の成分の光は透過し、屈折率が異なる第２の偏光方向の成分の光は回折される。ここで、第２の偏光方向の光が入射して回折される回折光は２つの偏光回折格子の両方で発生するため、単一の偏光回折格子を備える回折素子３００と比べて第２の偏光方向の直進透過光が減少して遮断機能が向上する。その結果、１つの偏光回折格子からなる構造に対してさらに高い偏光消光比を有する回折素子が実現できる。
【００６３】
（第７の実施態様）
図１３は本発明の第７の実施態様である回折素子５００の構成を示す断面模式図である。この例は、２個の偏光回折格子の間に、電極への電圧印加により前記波長λの光に対してリタデーション値をゼロからλ／２の間で変化させる液晶層を配置し、偏光回折格子の複屈折性材料の常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅと等方性透明材料の屈折率ｎｓとが一致する方向を、２個の偏光回折格子で互いに直交するまたは同じとしたものである。第７の実施態様で示す回折素子５００は、第５の実施態様の単位領域５０からなる回折素子３００と同じ格子形状の２個の格子５０４ａと５０４ｂが等方性透明材料５０５で充填され、それぞれ透光性基板５０１ａと５０１ｂを介して液晶セル５１０の光入射側と光出射側に接合されている。なお、透光性基板と複屈折材料の格子と等方性透明材料が一体化された部分を偏光回折格子部といい、ここでは、３００ａおよび３００ｂがそれに相当する。ここで、格子５０４ａの複屈折材料の常光屈折率ｎｏとなる方向（進相軸）がＸ方向で格子長手方向をＸ方向とし、格子５０４ｂの複屈折材料の常光屈折率ｎｏとなる方向（進相軸）がＹ方向で格子長手方向をＹ方向とし、等方性透明材料５０５の屈折率ｎｓと格子５０４ａおよび５０４ｂの複屈折材料の常光屈折率ｎｏとが一致する構成とする。
【００６４】
液晶セル５１０は、透光性基板５０１ｃと５０１ｄの片面に形成された透明電極５０６ａと５０６ｂの上に、例えば液晶分子の配向方向がＸ方向からＹ方向に４５°の角度をなして揃うように配向膜（図示せず）が形成され、シール５０８を用いて液晶５０７が層厚ｄＬＣとなるよう密封されている。液晶５０７は屈折率異方性Δｎと誘電率異方性Δεを有し、透明電極５０６ａと５０６ｂに印加される電圧に応じて液晶分子の配向方向が変化する。誘電率異方性Δεが正の場合、電圧非印加時に液晶５０７が前記４５°方向で透光性基板に平行方向に揃う配向膜を使用すると、印加電圧の増加とともに液晶分子が透光性基板に垂直となるＺ軸方向に揃う。誘電率異方性Δεが負の場合、前記と同様の配向膜を用い、必要に応じて配向膜表面を垂直配向処理すると、電圧非印加時に液晶５０７が透光性基板に垂直に配向し、印加電圧の増加とともに液晶分子が上記４５°方向で透光性基板に平行方向に配向する。
【００６５】
特定の印加電圧において液晶層中の分子が上記４５°方向で透光性基板に平行方向に傾斜する時に生成されるリタデーション値Ｒが、入射光の波長λに対してλ／２となるように液晶５０７の層厚ｄＬＣを調整する。これにより、液晶セル５１０は１／２波長板として機能し、Ｘ方向の直線偏光がＺ方向に進行して入射するとＹ方向の直線偏光となって出射する。一方、液晶層中の分子が透光性基板に垂直なＺ方向に揃う時はリタデーション値Ｒがゼロとなるため、Ｘ方向の直線偏光が入射すると同じ直線偏光のまま出射する。このように、液晶５０７への印加電圧に応じてリタデーション値Ｒがゼロからλ／２まで変化するため、Ｘ方向とＹ方向の直線偏光の出射光成分が変化する。
【００６６】
なお、液晶５０７は液晶層内で一方向に液晶分子を配向させたホモジニアス配向以外にツイスト配向としてもよい。液晶はネマティック液晶が一般的だが、スメクティック液晶やコレステリック液晶を用いてもよい。また、液晶セルを構成する基板と回折素子を構成する基板を共通の基板としてもよい。また、液晶セル５１０に位相板（図示せず）を一体化した構成としてもよい。このとき、位相板の進相軸方向およびリタデーション値と液晶セル５１０のリタデーション値を適宜設定することにより、位相板一体化液晶セル全体のリタデーション値がλの自然数倍およびλ／２の奇数倍となる電圧を調整できるため電圧設定の設計自由度が増す。
【００６７】
このようにして得られた回折素子５００にＸ方向の直線偏光が入射した場合、偏光回折格子部３００ａおよび液晶セル５１０を直進透過する。例えば、液晶セル５１０でＸ方向の直線偏光の成分とＹ方向の直線偏光の成分が発現するとき、偏光回折格子部３００ｂによりＸ方向の直線偏光は回折されて、Ｙ方向の直線偏光は直線透過する。液晶セル５１０を透過する光の偏光状態は印加する電圧によって制御できるので、液晶セル５１０のリタデーション値Ｒが印加電圧に応じてλ／２からゼロに変化すると、入射光の光量に対する出射光の光量の比で表される直進透過率が１００％からゼロまで変化する可変光減衰器が得られる。なお、偏光回折格子部３００ａが無い場合、入射光にＹ方向の偏光方向の成分の光が混在して液晶セル５１０に入射すると直進透過光の消光比を大きくすることができなくなる。そのため、液晶セル５１０の入射側に偏光回折格子部３００ａを配置してＹ方向の偏光成分の光が入射しても偏光回折格子部３００ａで回折させることができるので偏光消光比の低下を抑制することができる。
【００６８】
偏光回折格子部において直進透過光と回折光とを分離する光学系の一例として図１４に光ファイバによる伝送手段の断面模式図を示す。図１４では、回折素子５００に平行光を入射させ、出射する光のうち回折素子５００を直進透過する光の成分は集光レンズ１１によって開口部を有する受光系として光ファイバ１２の開口部に集光させるものである。一方、回折素子５００により回折されて出射した光は集光レンズ１１により光ファイバ１２の開口部と異なる位置に集光されるため、光ファイバ１２中を伝搬することができない。このように回折素子５００の液晶セル５１０に印加する電圧を制御することによって回折素子５００を直進透過する光強度を制御することができる。なお、偏光回折格子部３００ａにはＸ方向の直線偏光が入るように図示したが、Ｙ方向の直線偏光が入るものであってもよく、それに合わせて偏光回折格子５０４ａと等方性透明材料５０５の屈折率を調整することによって実現できる組み合わせを自由に設定できる。例えば等方性透明材料の屈折率ｎｓを複屈折性材料の異常光屈折率ｎｅに合わせる設定、高分子液晶を用いる場合、配向方向を回折格子の長手方向またはそれと直交する方向という設定が可能である。
【００６９】
（第８の実施態様）
図１５は本発明の第８の実施態様である回折素子６００の構成を示す断面模式図である。この例は、偏光回折格子と反射性の基板との間に電極への電圧印加により前記波長λの光に対してリタデーション値をゼロからλ／４の間で変化させる液晶層を配置したものである。第７の実施態様で示す偏光回折格子部３００ｂが液晶セルと光反射層が一体化された反射型液晶セル６１０の光入出射側に接合されている。また、第７の実施態様の回折素子５００で重複する部分は同じ番号を付して説明の重複を避ける。
【００７０】
次に反射型液晶セル６１０について説明する。反射型液晶セル６１０が第７の実施態様の液晶セル５１０との相違する点は、まず、光反射層６０９が透光性基板６０１の表面に形成されている点である。そしてもう一つは、特定の印加電圧において液晶層中の分子が上記４５°方向で透光性基板に平行方向に配向するときに生成されるリタデーション値Ｒが入射光の波長λに対してλ／４となるように液晶６０７の層厚ｄＬＣを調整されている点で、他の構成は液晶セル５１０と同様である。この例では、透光性基板６０１の内面に光反射層６０９を設けているが、外面側に反射層を設けたり、基板自体を反射性基板としたり、透光性基板６０１の外部に反射板を設けてもよい。
【００７１】
反射型液晶セル６１０のＹ方向の直線偏光で入射する光は光反射層６０９により反射されて液晶層を２回透過するため、光の往復で２倍のリタデーション値Ｒの波長板として機能する。その結果、液晶５０７へ印加する電圧の大きさに応じてリタデーション値Ｒがゼロからλ／４まで変化するとＸ方向とＹ方向の直線偏光で出射する光の成分が変化する。このようにして得られた回折素子６００にＹ方向の直線偏光が入射した場合、偏光回折格子部３００ｂおよび反射型液晶セル６１０の液晶６０７の層を直進透過し、光反射層６０９により反射されて液晶層を２回透過して偏光回折格子部３００ｂに再び入射する。
【００７２】
そして、再び入射した光は偏光回折格子部３００ｂによりＸ方向の直線偏光は回折されてＹ方向の直線偏光のみが直線透過する。したがって、反射型液晶セル６１０のリタデーション値Ｒが印加電圧に応じてλ／４からゼロに変化すると、直進透過率がゼロから１００％まで変化する可変光減衰器が得られる。
【００７３】
偏光回折格子部において直進透過光と回折光とを分離する光学系の一例として図１６に光ファイバによる伝送手段の断面模式図を示す。光ファイバ１２の開口部から出射した発散光を、集光レンズ１１を用いて平行光化して回折素子６００に入射させ、光反射層６０９で反射して再び集光レンズ１１に入射する光のうち直進透過する成分を光ファイバ１２の開口部に集光させて光ファイバ中を伝搬させるものである。一方、回折素子６００により回折されて出射した光は集光レンズ１１により光ファイバ１２の開口部と異なる位置に集光されるため、光ファイバ中を帰還して伝搬することができない。
【００７４】
（第９の実施態様）
図１７は本発明の第９の実施態様である光ヘッド装置７００の構成を示す模式図である。光ディスクとしてＤＶＤ用の波長６６０ｎｍ波長帯の光を出射する半導体レーザとＣＤ用の波長７８５ｎｍ波長帯の光を出射する半導体レーザが集積化された２波長レーザ光源１３から出射する紙面垂直方向の偏光方向の直線偏光の発散光が、本発明の回折素子３００に入射して直進透過する。さらに、ビームスプリッタ１４を反射した一部の光は集光レンズ１５により平行光化され、１／４波長板１６により円偏光となって透過し、対物レンズ１７により光ディスク１８の情報記録面に集光される。
【００７５】
情報記録面で反射された光は対物レンズ１７により平行光化されて１／４波長板１６に入射し、紙面平行方向の直線偏光となって透過する。さらに、集光レンズ１５により、ビームスプリッタ１４を透過する光は光検出器１９の受光面に集光される。また、ビームスプリッタ１４を紙面平行方向の直線偏光で反射する一部の光は回折素子３００に入射して回折され、２波長レーザ光源１３の発光点に帰還する光が遮断される。
【００７６】
従来の回折素子では、波長６６０ｎｍと波長７８５ｎｍの両方のレーザ波長に対して充分低い直進透過率を実現できないため、光源１３の発光点に光ディスクで反射されて帰還する光が発生するため、光源のレーザ発振を不安定にするといった問題があった。特に、光ディスクへの情報記録に用いられる高出力の２波長の光を発する光源１３おいてレーザ発振が不安定な場合、記録エラーの原因となるためとくに光ディスクで反射されてく光源に到達する戻り光の遮断が必要となる。このため、本発明の回折素子３００を用いることにより、広い波長帯域の戻り光の直線偏光に対して高い直線透過光遮断機能が発現するため、２波長の光を発する光源１３のレーザ発振を安定化することができる。なお、ここでは、回折素子３００を用いたが、これに限らず本願発明の偏光回折格子を有する他の回折素子を用いてもよい。
【００７７】
（第１０の実施態様）
図１８は、本発明の第１０の実施態様である投射型液晶表示装置８００の構成を示す模式図である。投射用光源３１は可視光を出射する光源であり、出射された可視光は偏光型回折素子３２によりＹ方向の直線偏光が透過し、Ｘ方向の直線偏光は回折される。また、ダイクロイックプリズム３８は、後述する青色光および赤色光は反射し、緑色光は透過する機能を有している。ダイクロイックミラー３３では波長４２０〜４８０ｎｍの青色光を透過し、全反射ミラー３５ａで反射されて青色用の透過画像を形成する液晶ライトバルブ３６Ｂに入射する。液晶ライトバルブ３６Ｂにより形成されたＹ方向の直線偏光成分の画像は偏光型回折素子３７ＢによりＹ方向の直線偏光が透過し、それと直交する直線偏光成分は回折され、ダイクロイックプリズム３８の青色波長反射面で反射され、透過光は投射レンズ４０の開口絞り３９の開口部に集光される。
【００７８】
次に、波長５２０〜５６０ｎｍの緑色光はダイクロイックミラー３３およびダイクロイックミラー３４で反射された後、緑色用の透過画像を形成する液晶ライトバルブ３６Ｇに入射する。液晶ライトバルブ３６Ｇにより形成されたＸ方向の直線偏光成分の画像は偏光型回折素子３７ＧによりＸ方向の直線偏光が透過し、それと直交する直線偏光成分は回折され、ダイクロイックプリズム３８を透過し、透過光は投射レンズ４０の開口絞り３９の開口部に集光される。
【００７９】
さらに、波長６１０〜６７０ｎｍの赤色光はダイクロイックミラー３３で反射され、ダイクロイックミラー３４を透過し、２個の全反射ミラー３５ｂおよび３５ｃで反射された後、赤色用の透過画像を形成する液晶ライトバルブ３６Ｒに入射する。液晶ライトバルブ３６Ｒにより形成されたＹ方向の直線偏光成分の画像は偏光型回折素子３７ＲによりＹ方向の直線偏光が透過し、それと直交する直線偏光成分は回折され、ダイクロイックプリズム３８の赤色波長反射面で反射され、透過光は投射レンズ４０の開口絞り３９の開口部に集光される。
【００８０】
液晶ライトバルブ３６Ｂ、３６Ｇおよび３６Ｒで生成された青色、緑色および赤色の透過光はダイクロイックプリズム３８により光軸が揃うように合成され、投射レンズ４０により液晶ライトバルブの合成画像がスクリーン４１に結像される。一方、偏光型回折素子３２および３７Ｂ、３７Ｇ、３７Ｒによって回折された光は開口絞り３９の開口部を透過できず遮断されるため、スクリーン４１に結像されない。この偏光型回折素子３２および３７Ｂ、３７Ｇ、３７Ｒの位置に本願発明の偏光回折格子を有する透過型の回折素子いずれも配置することができるが、コントラストが大きい投射画像とするために第６の実施態様である回折素子４００を配置することが好ましい。
【００８１】
ここで、投射用光源３１として、可視波長光を出射する高圧水銀ランプが用いられるが、青色用、緑色用、赤色用のＬＥＤ光源やＬＤ光源を用いてもよい。また、光源３１と本発明の回折素子３２の間の、光路に光源から出射されるランダム偏光の光を効率よくＹ方向の直線偏光に変換する偏光変換素子や、液晶ライトバルブの照明光を均一化するためにインテグレータレンズアレイ等を配置してもよい。偏光変換素子から出射される直線偏光は偏光純度が低いため、本発明の回折素子３２を用いて偏光純度を向上することが、投射像の高コントラスト化に有効である。なお、投射型液晶表示装置に用いられる投射用光源、液晶ライトバルブ、ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズム、偏光変換素子、インテグレータレンズアレイは公知であるため説明を省略する。
【００８２】
（実施例１）
透光性基板１ａとして石英ガラス基板の片面を、フォトマスクを用いたフォトリソグラフィとドライエッチングにより格子形状に加工し、石英ガラス基板の両面に反射防止膜を形成する。このとき、格子形状を第１および第２の実施態様の３つの小領域に分割される回折格子形状、第３および第４の実施態様の５つの小領域に分割される回折格子形状を想定する。ここで、各小領域の格子の波長７１０ｎｍの光における上記位相差φ（ｍ）がｍπ（ただし、ｍ＝−２、−１、０、１、２）となるような格子の深さに加工する。例えば、図３に示す回折素子２００の単位領域２０において、石英ガラス基板の屈折率が７１０ｎｍで１．４５５であってｄ（−１）およびｄ（＋１）の高さが０．７８μｍとし、図８に示す回折素子４００の単位領域４０においてｄ（−２）、ｄ（−１）、ｄ（＋１）およびｄ（＋２）の高さが０．７８μｍとなるように加工する。このようにして得られる３つおよび５つの小領域に分割される回折格子形状に波長５００から１０００ｎｍの光が入射した場合、直進透過光率の計算結果を図１９に示す。比較として、従来のように２領域等分割の矩形断面形状の回折格子の直進透過光率の計算結果も図１９に併記する。この結果より、従来の２領域等分割の回折格子に比べ、本発明の３つおよび５つの小領域に分割される回折格子形状では、広い波長帯域で直進透過率を低くすることができる。
【００８３】
第１および第２の実施態様の３つの小領域に分割される回折格子形状あるいは第３および第４の実施態様の５つの小領域に分割される回折格子形状を第５の実施態様に示した回折素子３００に示すような偏光回折格子を有する場合を考える。偏光回折格子が回折作用を発現しない直進透過する第１の偏光方向を有する入射光の直進透過率と第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向を有する入射光の直進透過率の比率で規定される偏光回折格子の偏光消光比をｄＢ単位で表記すると、図２０に示す計算結果となる。従来の２領域等分割の偏光回折格子に比べ、本発明の３つおよび５つの小領域に分割される回折格子形状を有する偏光回折格子では、広い波長帯域で高い偏光消光比が得られる。
【００８４】
図１９および図２０に示した計算結果は、格子ピッチが波長に比べて十分大きく、格子深さが比較的薄い場合に適用されるスカラー回折理論による近似計算に基づく。格子ピッチに対して格子深さが比較的厚い場合は格子壁面の影響により直進透過率が計算結果に比べて増加するが、相対的な関係は維持される。
【００８５】
（実施例２）
第５の実施態様である回折素子３００の実施例を示す。回折素子３００の単位領域５０の断面模式図を図１０に示すように、石英ガラス基板１ａの片面にＹ方向に配向処理された図示しない配向膜を形成する。その上に液晶モノマーを塗布した後に紫外線を照射して重合固化させ、Ｙ方向に異常光屈折率の方向に相当する液晶分子配向がそろった高分子液晶からなる複屈折性材料層を作製する。ここで、高分子液晶層は波長７２０ｎｍで常光屈折率ｎｏ＝１．５５および異常光屈折率ｎｅ＝１．７０を有し、層の厚さは４．８μｍとする。
【００８６】
次に、フォトリソグラフィとエッチングの技術により、高分子液晶層をＸ方向の断面が図１０に示すように厚さが３段の階段状で、Ｙ方向に直線状の偏光回折格子４に加工する。図１０において、格子ピッチＰｘ＝６μｍ、ｘ１＝ｘ３＝１．５μｍ、ｘ２＝３μｍで、ｄ（−１）＝ｄ（＋１）＝２．４μｍとしている。
【００８７】
さらに、常光屈折率ｎｏに等しい屈折率ｎｓ＝１．５５の等方性透明材料５である接着材を用いて、偏光回折格子４の凹部を充填するとともに透光性基板１ｂとして石英ガラス基板に接着して単位領域５０からなる回折素子３００とする。なお、石英ガラス基板となる透光性基板１ａと１ｂの空気界面には反射防止膜（図示せず）が形成されている。このとき、回折素子３００の入射光の波長λ＝７２０ｎｍに対して、｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ（−１）＝｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ（＋１）＝λ／２の関係を満たす。
【００８８】
このようにして作製された回折素子３００に入射するＸ方向の偏光方向の光は直進透過し、Ｙ方向の偏光方向の光は回折されて直進透過しない。このとき、波長６３０ｎｍから８００ｎｍの入射光に対して、Ｘ方向の偏光の直進透過率は９５％以上で、Ｙ方向の偏光の直進透過率は０．１％以下となり、Ｙ方向の偏光に対するＸ方向の偏光の直進透過率比である偏光消光比は１０００以上の高い値が得られる。
【００８９】
また、従来の矩形断面形状の偏光回折格子を２層積層した構成とすることで実施例１の回折素子３００と同等の偏光消光比が得られる。このようにして得られた回折素子３００を図１７に示した光ヘッド装置７００に搭載して用いる。その結果、光ディスク１８の情報記録面で反射された光は回折素子３００で回折されるため２波長レーザ光源１３の発光点に帰還する光が有効に遮断され、２波長レーザ光源１３のレーザ発振を安定化することができる。
【００９０】
（比較例１）
比較例として、図示しない偏光回折格子を有する回折素子の単位領域のＰｘの構成を、図１０を用いて、ｘ１＝ｘ２＝３μｍとしてさらに、ｘ３とｄ（＋１）がゼロに相当する従来の矩形断面形状の偏光回折格子の場合、Ｙ方向の偏光方向の光の直進透過率が０．１％以下となる波長が７００ｎｍから７３０ｎｍと狭い波長帯域に限定され、波長６３０ｎｍから８００ｎｍの入射光に対する平均として低い偏光消光比に留まる。
【００９１】
（実施例３）
第７の実施態様である回折素子５００の実施例を示す。図１３に示す回折素子５００の断面模式図において、２種の偏光回折格子部３００ａと３００ｂは実施例２と同様の高分子液晶層を複屈折材料として用いた偏光回折格子とする。偏光回折格子部３００ａと３００ｂの格子５０４ａと５０４ｂは、波長１５５０ｎｍで常光屈折率ｎｏ＝１．５４および異常光屈折率ｎｅ＝１．６９を有し、図１０に示す３つの小領域からなる単位領域５０の断面模式図の例において、格子ピッチＰｘ＝２０μｍ、ｘ１＝ｘ３＝５μｍ、ｘ２＝１０μｍで、ｄ（−１）＝ｄ（＋１）＝５．１７μｍとしている。さらに、常光屈折率ｎｏに等しい屈折率ｎｓ＝１．５４の等方性透明材料５０５である接着材を用いて、格子５０４ａと５０４ｂの凹部を充填するとともに偏光回折格子部３００ａは石英ガラス基板からなる透光性基板５０１ａと５０１ｃとで挟持され、また、偏光回折格子部３００ｂは石英ガラス基板からなる透光性基板５０１ｂと５０１ｄとで挟持されている。
【００９２】
ここで、格子５０４ａの常光屈折率ｎｏがＸ方向で格子長手方向をＸ方向とし、格子５０４ｂの常光屈折率ｎｏがＹ方向で格子長手方向をＹ方向とする。このとき、偏光回折格子部３００ａと３００ｂの入射光の波長λ＝１５５０ｎｍに対して、｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ（−１）＝｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ（＋１）＝λ／２の関係を満たす。
【００９３】
なお、回折素子５００の偏光回折格子が５つの小領域からなる単位領域の場合は、格子５０４ａと５０４ｂを図８に示す格子２のような厚さに加工し、格子ピッチＰｘ＝２０μｍ、ｘ１＝ｘ５＝１．２５μｍ、ｘ２＝ｘ４＝５μｍ、ｘ３＝７．５μｍで、ｄ（−２）＝ｄ（−１）＝ｄ（＋１）＝ｄ（＋２）＝５．１７μｍとする。
【００９４】
液晶セル５１０は、石英ガラス基板からなる透光性基板５０１ｃと５０１ｄの片面に形成された例えばＩＴＯからなる透明電極５０６ａと５０６ｂの上に、透明電極間へ電圧印加時に液晶５０７の分子配向が＋Ｘから＋Ｙの方向に４５°の角度をなして揃うようにポリイミド膜をラビングによって配向処理し、それぞれ垂直配向処理剤となるアミノシランを塗布して図示しない垂直配向膜が形成されている。透明電極および配向膜を施された透光性基板５０１ｃおよび５０１ｄの周縁部にエポキシ樹脂等のシール５０８を環状に塗布する。シールには、約８．０μｍのセルギャップを得るためのスペーサ、電圧印加のための導電経路となる導電性微粒子を予め混ぜる。この空隙に図示しない注入口から液晶５０７を注入して充填し、液晶セル５１０とする。液晶５０７は、負の誘電率異方性を有し、屈折率異方性△ｎ＝０．１５のネマティック液晶を用い、層厚ｄＬＣ＝８．０μｍとなる。このとき、透光性基板５０１ｃと５０１ｄに電圧非印加時に液晶層中の分子が透光性基板に垂直に揃うため、液晶層のリタデーション値Ｒはゼロとなる。一方、実効交流電圧Ｖ＝４〜５Ｖｒｍｓを印加したとき、入射光の波長λ＝１４８０〜１６２０ｎｍに対して液晶層のリタデーション値Ｒ＝λ／２となり、印加電圧をゼロから５Ｖｒｍｓまで変えるとリタデーション値Ｒがゼロからλ／２まで変化する液晶セル５１０となる。
【００９５】
このようにして得られた回折素子５００に波長λ＝１４８０〜１６２０ｎｍのＸ方向の直線偏光が入射した場合、液晶セル５１０へゼロから５Ｖｒｍｓまで電圧を印加すると、直線透過率がゼロから最大９５％まで変化する。
【００９６】
３つの小領域からなる単位領域を有する偏光回折格子を用いた回折素子５００を図１４に示す光学系に配置し、波長１４８０から１６２０ｎｍの光を光ファイバ１２中に伝搬させる。回折素子５００を配置しないときの光ファイバ中を伝搬する光量を基準に、液晶セル５１０への印加電圧Ｖが０Ｖｒｍｓのときの光ファイバ伝搬効率と、５Ｖｒｍｓまで印加電圧を増加させるときの光ファイバ伝搬最大効率をｄＢ単位で図２１に示す。また、５つの小領域からなる単位領域を有する偏光回折格子を用いた回折素子の場合の液晶セル５１０への印加電圧Ｖが０Ｖｒｍｓのときの光ファイバ伝搬効率も図２１に併記して示す。なお、スカラー回折理論では波長１５５０ｎｍにおける０Ｖｒｍｓの時の光ファイバ伝搬効率計算値は−∞ｄＢであるが、実際の回折格子における格子深さを２つの領域分割（領域の幅は等しい）とする従来例では−４０ｄＢ、本願発明の３つの小領域からなる場合は−８０ｄＢ、本願発明の５つの小領域からなる場合は−１００ｄＢに設定している。このように、１４８０から１６２０ｎｍの広い波長帯域の光に対して、低駆動電圧で高い消光比を示すとともに小型化が可能な電圧可変光減衰器を提供できる。
【００９７】
（実施例４）
第１０の実施態様である投射型液晶表示装置８００を構成する偏光型回折素子３２の位置に本願発明第５の実施態様である単位領域５０からなる回折素子３００を配置し、偏光回折素子３７Ｂ、３７Ｇ、３７Ｒの位置に本願発明第５の実施態様である単位領域５０の代わりに単位領域３０からなる回折素子を配置する。以下に、本実施例に用いられる回折素子の詳細を説明する。
【００９８】
偏光型回折素子３２の位置には、本願発明の回折素子が用いられ、単位領域の偏光回折格子の形状は図６に示す単位領域３０の形状をした５つの領域からなるようにする。ここで、偏光型回折格子は、波長５２０ｎｍの光に対して常光屈折率ｎｏ＝１．５５および異常光屈折率ｎｅ＝１．７５の高分子液晶からなり、単位領域３０の透過複素振幅Ｕ（ｍ）と透過複素振幅Ｕ（ｍ−１）との厚さの差（ｍは−１、０、＋１、＋２）がそれぞれ１．３μｍとなるようにフォトリソグラフィとエッチングで加工する。とくに透過複素振幅Ｕ（−２）となる小領域は高分子液晶の厚さがゼロとなるようにエッチングする。また、単位領域３０の格子ピッチＰｘおよびＰｙを３．２μｍとし、ｘ１＝ｘ２＝ｘ３＝ｘ４＝ｙ１＝ｙ２＝ｙ３＝ｙ４＝０．８μｍとする。また、高分子液晶の常光屈折率ｎｏの方向をＹ方向とし、常光屈折率ｎｏに等しい屈折率ｎｓ＝１．５５の等方性透明材料で偏光回折格子の空隙を埋めて回折素子とする。
【００９９】
このように作製した回折素子を図１８の投射型液晶表示装置８００の偏光型回折素子３２の位置に常光屈折率ｎｏとなる方向がＹ方向となるように配置する。投射用光源３１より出射される可視光のうち、Ｙ方向の直線偏光は偏光型回折素子３２を直進透過し、Ｘ方向の直線偏光は偏光型回折素子３２によりＸ方向およびＹ方向に回折される。その結果、偏光型回折素子３２の直進透過光の偏光消光比は、波長４６０から６００ｎｍに対しては５０ｄＢ以上、波長４３０から６６０ｎｍに対しては３５ｄＢ以上の計算値となり、広い波長域で偏光純度の高い直進透過光が得られる。
【０１００】
偏光型回折素子３７Ｂ、３７Ｇ、３７Ｒの位置に、はいずれも単位領域５０の偏光回折格子の断面形状が３つの小領域からなる本願発明の回折素子を配置する。偏光回折格子に用いられる高分子液晶および等方性透明材料は偏光型回折素子３２として配置する回折素子と同じだが、偏光型回折素子３７Ｂ、３７Ｇ、３７Ｒとして配置する本願発明の回折素子は、図１０に示す偏光回折格子４の３つの小領域の各層厚ｄ（−１）＝ｄ（＋１）が、それぞれ１．１５μｍ、１．４μｍ、１．５８μｍとなるようにフォトリソグラフィおよびエッチング加工する。また単位領域５０の格子ピッチＰｘおよびＰｙを３．２μｍとし、ｘ１＝ｘ２／２＝ｘ３＝０．８μｍとする。また、高分子液晶の常光屈折率ｎｏの方向を、偏光型回折素子３７Ｂ、３７Ｒに配置する回折素子はＹ方向とし、偏光型回折素子３７Ｇに配置する回折素子はＸ方向とし、常光屈折率ｎｏに等しい屈折率ｎｓ＝１．５５の等方性透明材料で対向させた偏光回折格子の空隙を埋める。また、それぞれの偏光型回折素子３７Ｒ、３７Ｇ、３７Ｂに配置される回折素子の格子の長手方向が、投射型液晶表示装置８００において、３７ＧはＸ方向およびＹ方向に対して４５°の角度をなし、３７Ｂおよび３７ＲはＹ方向およびＺ方向に対して４５°の角度をなすように配置する。
【０１０１】
その結果、投射型液晶表示装置８００において、液晶ライトバルブ３６Ｂより出射する波長４２０〜４８０ｎｍの青色光および液晶ライトバルブ３６Ｒより出射する波長６１０〜６７０ｎｍの赤色光のうち、Ｙ方向の直線偏光はそれぞれ偏光型回折素子３７Ｂと３７Ｒを直進透過し、それと直交する直線偏光は偏光型回折素子３７Ｂと３７Ｒにより格子長手方向に直交する方向に回折される。また、液晶ライトバルブ３６Ｇより出射する波長５２０〜５６０ｎｍの緑色光のうち、Ｘ方向の直線偏光は偏光型回折素子３７Ｇを直進透過し、それと直交する直線偏光は偏光型回折素子３７Ｇにより格子長手方向に直交する方向に回折される。その結果、各波長域における直進透過光の偏光消光比は４０ｄＢ以上の計算値となり、偏光純度の高い直進透過光が得られる。なお、本実施例では可視光を青色光・緑色光・赤色光に波長分離し、３種の液晶ライトバルブを用いて画像を形成した後、波長合成してカラー投射画像を形成する例を示した。カラー画像を生成する１種類の液晶ライトバルブを用い、入射および出射側に本発明の偏光型回折素子を配置しても同様の効果が得られる。
【０１０２】
このように本願発明の回折素子を投射型表示装置に用いることで、従来の投射型表示装置に用いられた一方の直線偏光を吸収しそれと直交する直線偏光を透過する偏光フィルムの場合に生じた高い光強度の光が入射した際に光吸収に伴う発熱により特性が劣化するといった問題を解消できることが期待できる。とくに発熱に対して、空冷用のファンを用いた放熱対策が必要となり、使用する投射用光源の光強度の制限に伴う投射画像の明るさが向上できず、また、騒音および消費電力の増大を招いていたが、本実施例の回折素子は光吸収に伴う発熱が生じないため、このような問題を解消するものと期待できる。
【産業上の利用可能性】
【０１０３】
以上説明したように、本発明の回折格子形状の回折素子を用いることにより広い入射光の波長帯域に対して直進透過光の光強度が小さな値を維持できる。また、半導体レーザなどの個別素子の製造ばらつきがあっても直進透過光の光強度を小さな値に維持できるため、安定した特性が実現できる。とくに、３つの小領域に分割あるいは５つの小領域に分割された単位領域が周期的に配列した回折格子とする比較的簡単な構成により安定して低い直進透過率を実現できる。さらに、本発明の回折素子を用いることにより、広い入射光の波長帯域に対して、第１の偏光方向の入射光に対しては高い直進透過率が得られるとともに、第１の偏光方向と直交する第２の偏光方向の入射光に対しては安定して直進透過光を遮断する機能が得られ、高い偏光消光比を有する回折素子が実現できる。また、本発明の偏光回折格子を積層した構成とすることにより、さらに消光比が向上した回折素子が実現できる。さらに、本発明の回折素子を用いた比較的簡単な構成により、広い波長帯域の光に対して、低い駆動電圧で高い消光比を示す小型な電圧可変光減衰器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【０１０４】
【図１】本発明の第１の実施態様の回折素子の構成例を示す平面模式図。
【図２】本発明の第１の実施態様の回折素子の単位領域を示す平面模式図。
【図３】本発明の第２の実施態様の回折素子の構成例を示す平面模式図。
【図４】本発明の第２の実施態様の回折素子の単位領域を示す平面模式図。
【図５】本発明の第２の実施態様の回折素子の単位領域を示す断面模式図。
【図６】本発明の第３の実施態様の回折素子の単位領域を示す平面模式図。
【図７】本発明の第４の実施態様の回折素子の単位領域を示す平面模式図。
【図８】本発明の第４の実施態様の回折素子の単位領域を示す断面模式図。
【図９】本発明の第５の実施態様の回折素子の構成例を示す平面模式図。
【図１０】本発明の第５の実施態様の回折素子の単位領域を示す断面模式図。
【図１１】本発明の第６の実施態様の回折素子の構成例を示す模式図。
【図１２】本発明の第６の実施態様の回折素子の構成例を示す斜視図。
【図１３】本発明の第７の実施態様の回折素子の構成例を示す断面模式図。
【図１４】本発明の第７の実施態様の回折素子の構成例を示す断面模式図と、直進透過光と回折光を分離する光学系の一例を示す断面模式図。
【図１５】本発明の第８の実施態様の回折素子の構成例を示す模式図。
【図１６】本発明の第８の実施態様の回折素子構成例を示す断面模式図と、直進透過光と回折光を分離する光学系の一例を示す模式図。
【図１７】本発明の第９の実施態様の光ヘッド装置の構成例を示す模式図。
【図１８】本発明の第１０の実施態様の投射型液晶表示装置の構成例を示す模式図。
【図１９】実施例１の３つの小領域に分割された回折格子および５つの小領域に分割された回折格子と従来の２領域等分割回折格子の直進透過光率の計算結果。
【図２０】実施例１の３つの小領域に分割された偏光回折格子および５つの小領域に分割された偏光回折格子と従来の２領域等分割偏光回折格子の偏光消光比の波長依存性を示す計算結果。
【図２１】実施例３の液晶素子において、３つの小領域に分割された偏光回折格子および５つの小領域に分割された偏光回折格子と従来の２領域等分割偏光回折格子を用いた場合の印加電圧０Ｖｒｍｓにおける光ファイバ伝搬効率と、印加電圧５Ｖｒｍｓまでの最大光ファイバ伝搬効率の計算結果。
【図２２】従来の回折格子を示す断面図（図１９（ａ）は矩形回折格子形状、図１９（ｂ）は鋸波ブレーズ回折格子形状、図１９（ｃ）は階段状ブレーズ回折格子形状）。
【符号の説明】
【０１０５】
１、１ａ、１ｂ、５０１ａ、５０１ｂ、５０１ｃ、５０１ｄ、６０１  透光性基板
２、４、４ａ、４ｂ、５０４ａ、５０４ｂ  格子
３  透明媒質（空気）
５、５０５  等方性透明材料
１０、２０、３０、４０、５０、６０  単位領域
１１、１５  集光レンズ
１２  光ファイバ
１３  ２波長レーザ光源
１４  ビームスプリッタ
１６  １／４波長板
１７  対物レンズ
１８  光ディスク
１９  光検出器
３１  投射用光源
３２、３７Ｂ、３７Ｇ、３７Ｒ  偏光型回折素子
３３、３４  ダイクロイックミラー
３５ａ、３５ｂ、３５ｃ  全反射ミラー
３６Ｂ、３６Ｇ、３６Ｒ  液晶ライトバルブ
３８  ダイクロイックプリズム
３９  開口絞り
４０  投射レンズ
４１  スクリーン
３００ａ、３００ｂ  偏光回折格子部
１００、２００、３００、４００、５００、６００  回折素子
５０６ａ、５０６ｂ  透明電極
５０７、６０７  液晶
５０８  シール
５１０、６１０  液晶セル
６０９  光反射層
７００  光ヘッド装置
８００  投射型液晶表示装置
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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