(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
露光量を屈折率変調として記録することが可能な感光材料に対し、その感光材料表面の法線に関して対称又は略対称に同一波長のコヒーレントな２光束を入射させることにより、その２光束で構成される干渉縞で前記感光材料に対する露光を行う、屈折率変調型のホログラムから成る偏光位相変調素子の製造方法であって、
前記干渉縞のピッチを使用波長よりも小さくするとともに、前記感光材料表面の露光を受ける領域が所定のパターンを成すようにマスクを介して前記露光を行い、前記マスクで生じた回折光を回折光カット光学系で除去することにより、０次光のみで前記２光束の干渉を行うことを特徴とする偏光位相変調素子の製造方法。
【請求項２】
前記露光を複数回繰り返すとともに、前記パターン及び前記干渉縞を各露光ごとに異なったものに切り換えることを特徴とする請求項１記載の偏光位相変調素子の製造方法。
【請求項３】
前記パターンの切り換えを前記マスクの交換により行うことを特徴とする請求項２記載の偏光位相変調素子の製造方法。
【請求項４】
さらに斜めエッチングによって前記感光材料表面にブレーズ形状の回折格子面を形成し、そのブレーズ形状の凹部に光学的な等方性又は略等方性を有する樹脂を充填することによって樹脂平面を構成することを特徴とする請求項１，２又は３記載の偏光位相変調素子の製造方法。
【請求項５】
前記感光材料表面の露光を受ける領域が0.001〜0.1mmピッチの周期構造を成すようにマスクを介して前記露光を行うことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の偏光位相変調素子の製造方法。
【請求項６】
0.001〜0.1mmピッチの干渉縞での露光を前記露光と重ねて行うことを特徴とする請求項１，２，３又は４記載の偏光位相変調素子の製造方法。
【請求項７】
前記感光材料表面に導光プリズムを密着状態又は液浸状態で取り付けて前記露光を行うことを特徴とする請求項１，２，３，４，５又は６記載の偏光位相変調素子の製造方法。
【請求項８】
露光量を屈折率変調として記録することが可能な感光材料に対し、その感光材料表面の法線に関して対称又は略対称に同一波長のコヒーレントな２光束を入射させることにより、その２光束で構成される干渉縞で前記感光材料に対する露光を行う、屈折率変調型のホログラムから成る偏光位相変調素子の製造装置であって、
前記干渉縞のピッチが使用波長よりも小さくなるように、前記２光束の角度差が大きく設定されており、
前記感光材料表面の露光を受ける領域が所定のパターンを成すように、その所定のパターンから成る開口が形成されたマスクを有し、前記２光束の干渉が０次光のみで行われるように、前記マスクで生じた回折光を除去する回折光カット光学系を有することを特徴とする偏光位相変調素子の製造装置。
【請求項９】
前記回折光カット光学系が、２枚のレンズと、その間に配置されたスリット板と、で構成されており、前記スリット板には０次光のみを通過させるスリットが形成されていることを特徴とする請求項８記載の偏光位相変調素子の製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は偏光位相変調素子の製造方法及び製造装置に関するものであり、例えば、プロジェクターの照明システムに用いられるインテグレータ光学系に偏光変換機能を付加して光利用効率を向上させることが可能な偏光位相変調素子の製造方法及び製造装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネルのように特定偏光の光変調により画像表示を行う空間光変調素子では、特定偏光以外の照明光は偏光子で吸収されるため、一般に照明光の約半分は光量損失となる。この問題を解決して光利用効率を向上させるために、偏光の分離と偏波面(すなわち電気ベクトルの振動面)の回転とにより偏光変換を行う照明システムが各種提案されている。その一例を図２１に示す。
【０００３】
図２１は、液晶パネル(28)の表示画像を投影レンズ(29)でスクリーン面(不図示)上に投影する液晶プロジェクターを示している。この液晶プロジェクターは液晶パネル(28)を照明するために、ランプ(20)，第１レンズアレイ(22A)，第２レンズアレイ(22B)，ＰＢＳ(polarizing beam splitter)アレイ(24)，１／２波長板(25)，重ね合わせレンズ(26)及びコンデンサーレンズ(27)から成る照明システムを備えている。ランプ(20)は、照明光を発する光源(20a)と、光源(20a)からの照明光を略平行光にする放物面鏡(20b)と、から成っており、ランプ(20)から射出した照明光は、第１，第２レンズアレイ(22A,22B)から成るレンズアレイ方式のインテグレータ光学系に入射する。
【０００４】
図２２に、第１レンズアレイ(22A)のレンズセルパターン(P1)を示す。この第１レンズアレイ(22A)は、液晶パネル(28)と略相似な矩形のレンズセルを２次元のアレイ状に配列して成るものであり、複数のレンズセルで入射光を分割する。そして、第１レンズアレイ(22A)と同様のアレイ構造を有する第２レンズアレイ(22B)の近傍に、複数の光源像(図２３中の楕円)を形成する。第１レンズアレイ(22A)の各レンズセルと液晶パネル(28)とは、第２レンズアレイ(22B)の各レンズセルを介して共役な関係にあるため、照明光の空間的なエネルギー分布は均一化されて液晶パネル(28)は無駄なく均一に照明される。
【０００５】
第２レンズアレイ(22B)を射出した照明光は、その近傍に位置するＰＢＳアレイ(24)に入射して、偏波面が互いに直交する２つの直線偏光(すなわちＴＭ偏光とＴＥ偏光)に分離される。図２１中、実線がＴＭ偏光(電気ベクトルの振動方向が紙面に平行)、破線がＴＥ偏光(電気ベクトルの振動方向が紙面に垂直)である。ＰＢＳアレイ(24)の射出側面には短冊状の１／２波長板(25)が貼り付けられており、ＰＢＳアレイ(24)で分離された２つの偏光のうち、ＴＥ偏光のみが１／２波長板(25)に入射する。
【０００６】
図２３に、第２レンズアレイ(22B)のレンズセルパターン(P2)と、第１レンズアレイ(22A)により形成される光源像の配置と、１／２波長板(25，斜線部)の貼り付けパターンと、の関係を示す。図２３中、１／２波長板(25)にオーバーラップしている楕円がＴＥ偏光から成る光源像であり、その各光源像と同じレンズセル上に位置する楕円(クロスハッチ部)がＴＭ偏光から成る光源像である(偏光方向：楕円中の矢印方向)。１／２波長板(25)は、ＴＥ偏光の偏波面を90°回転させることにより、ＴＥ偏光をＴＭ偏光に変換する。したがって照明光は全てＴＭ偏光となる。ＴＭ偏光に揃えられた照明光は、重ね合わせレンズ(26)とコンデンサーレンズ(27)を通過した後、液晶パネル(28)を照明する。
【０００７】
図２１〜図２３から分かるように、上述したレンズアレイ方式のインテグレータ光学系では、第２レンズアレイ(22B)が第１レンズアレイ(22A)と同じ形状・サイズのレンズセルから成っている。このため、高い光利用効率を保持しつつインテグレータ光学系をコンパクト化することは困難である。またＦナンバーの制約があるため、投影レンズ(29)のコンパクト化も困難である。なお、図２１中、第１レンズアレイ(22A)のレンズセルサイズをd1、第１レンズアレイ(22A)から第２レンズアレイ(22B)までの光学距離をF1、液晶パネル(28)のサイズをd2、重ね合わせレンズ(26)からコンデンサーレンズ(27)までの光学距離をF2、とすると、d1：F1＝d2：F2の関係がほぼ成り立ち、また、照明ＦナンバーはほぼF1／Dで決まる。
【０００８】
上記問題を解決するために、開口形状や開口サイズの異なる複数種類のレンズセルで第２レンズアレイを構成したインテグレータ光学系が特開平１０−１９７８２７号公報で提案されている。その構成によれば、光源像の間隔が狭くなってＦナンバーが大きくなるため、光利用効率の向上及びコンパクト化が可能となる。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−１９７８２７号公報記載のインテグレータ光学系では、照明光を偏光分離素子で偏波面が互いに直交する２つの直線偏光に分離し、第２レンズアレイの各レンズセルに貼り付けた１／２波長板で一方の直線偏光の偏波面を90°回転させることにより、２つの直線偏光の偏波面を同じにしている。この偏光変換により、偏波面が揃った直線偏光のみを偏光子に入射させることができるため、偏光子による光量損失はほとんどなくなり、空間光変調素子に対して光利用効率の高い照明が達成可能となる。しかし第２レンズアレイは、開口形状や開口サイズの異なる複数種類のレンズセルで構成されているため、その各レンズセルに１／２波長板を貼り付けることは困難である。また、レンズセルは第２レンズアレイの中心部から離れるほど微細化するため、様々な形状の微細な１／２波長板の切り貼りを行うことは実際には不可能である。
【００１０】
本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、製造容易でコンパクトな偏光位相変調素子の製造方法及び製造装置を提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、第１の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、露光量を屈折率変調として記録することが可能な感光材料に対し、その感光材料表面の法線に関して対称又は略対称に同一波長のコヒーレントな２光束を入射させることにより、その２光束で構成される干渉縞で前記感光材料に対する露光を行う、屈折率変調型のホログラムから成る偏光位相変調素子の製造方法であって、前記干渉縞のピッチを使用波長よりも小さくするとともに、前記感光材料表面の露光を受ける領域が所定のパターンを成すようにマスクを介して前記露光を行い、前記マスクで生じた回折光を回折光カット光学系で除去することにより、０次光のみで前記２光束の干渉を行うことを特徴とする。
【００１２】
第２の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第１の発明の構成において、前記露光を複数回繰り返すとともに、前記パターン及び前記干渉縞を各露光ごとに異なったものに切り換えることを特徴とする。
【００１３】
第３の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第２の発明の構成において、前記パターンの切り換えを前記マスクの交換により行うことを特徴とする。
【００１４】
第４の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第１，第２又は第３の発明の構成において、さらに斜めエッチングによって前記感光材料表面にブレーズ形状の回折格子面を形成し、そのブレーズ形状の凹部に光学的な等方性又は略等方性を有する樹脂を充填することによって樹脂平面を構成することを特徴とする。
【００１５】
第５の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第１，第２，第３又は第４の発明の構成において、前記感光材料表面の露光を受ける領域が0.001〜0.1mmピッチの周期構造を成すようにマスクを介して前記露光を行うことを特徴とする。
【００１６】
第６の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第１，第２，第３又は第４の発明の構成において、0.001〜0.1mmピッチの干渉縞での露光を前記露光と重ねて行うことを特徴とする。
【００１７】
第７の発明の偏光位相変調素子の製造方法は、上記第１，第２，第３，第４，第５又は第６の発明の構成において、前記感光材料表面に導光プリズムを密着状態又は液浸状態で取り付けて前記露光を行うことを特徴とする。
【００１８】
第８の発明の偏光位相変調素子の製造装置は、露光量を屈折率変調として記録することが可能な感光材料に対し、その感光材料表面の法線に関して対称又は略対称に同一波長のコヒーレントな２光束を入射させることにより、その２光束で構成される干渉縞で前記感光材料に対する露光を行う、屈折率変調型のホログラムから成る偏光位相変調素子の製造装置であって、前記干渉縞のピッチが使用波長よりも小さくなるように、前記２光束の角度差が大きく設定されており、前記感光材料表面の露光を受ける領域が所定のパターンを成すように、その所定のパターンから成る開口が形成されたマスクを有し、前記２光束の干渉が０次光のみで行われるように、前記マスクで生じた回折光を除去する回折光カット光学系を有することを特徴とする。
【００１９】
第９の発明の偏光位相変調素子の製造装置は、上記第８の発明の構成において、前記回折光カット光学系が、２枚のレンズと、その間に配置されたスリット板と、で構成されており、前記スリット板には０次光のみを通過させるスリットが形成されていることを特徴とする。
【００２９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を実施した偏光位相変調素子の製造方法及び製造装置等を、図面を参照しつつ説明する。なお、前記従来例や各実施の形態の相互で同一の部分や相当する部分には同一の符号を付して重複説明を適宜省略する。
【００３０】
《構造性複屈折とホログラム》
微細構造に方向性をもたせると、構造性複屈折とよばれる光学異方性が発生する。例えば図８に示すように、２種類の等方性誘電体から成る１次元周期性多層構造の中を、層に対して平行に光が進む場合を考える。この周期構造のピッチΛが光の波長に比べて十分に小さければ、この微細構造は光に対して負の一軸結晶のように作用する{光学軸(ax)は層に対して垂直である。}。したがって、ＴＥ波(電気ベクトルの振動方向が層に平行)とＴＭ波(電気ベクトルの振動方向が層に垂直)とで、使用光に対する屈折率は異なる。
【００３１】
ホログラムに光の波長よりも小さなピッチの干渉縞を記録すれば、周期的な屈折率分布を有する上記微細構造を構成することが可能である。例えば、露光量を屈折率変調として記録する(つまり露光量の大小で屈折率差を生じる)ことが可能な感光材料に対し、その感光材料表面の法線に関して対称又は略対称に、同一波長のコヒーレントな２光束を入射させる。すると、２光束で構成される干渉縞(つまりエネルギー分布)で感光材料が露光されて、屈折率変調型のホログラムが得られる。
【００３２】
図７に、製作波長500(nm)で、屈折率1.5の感光材料にホログラムを作成するときの２光束(すなわち物体光と参照光)の角度差(°)と、干渉縞間隔(μｍ)と、の関係を示す。図７のグラフから分かるように、２光束の角度差を大きくすることにより、干渉縞のピッチを使用波長よりも小さくすること(つまりフリンジピッチの微細化)が可能である。例えば、製作波長：532(nm)，フリンジピッチ(Λ，干渉縞間隔)：200(nm)とし、前記等方性誘電体(図８)の各誘電率を1.41，1.35とすれば、前記微細構造を厚さ：200(μｍ)で１／２波長板として機能させることが可能となる。
【００３３】
《ホログラムタイプの偏光位相変調素子》
ホログラムの作成においては、上記のようにフリンジピッチの微細化が可能であるため、構造性複屈折が生じる領域のパターニングにより、様々な機能を持った偏光位相変調素子を簡単に製造することができる。その偏光位相変調素子の例として、位相板の機能を有するホログラム位相素子，偏光分離機能を有する偏光分離素子及びそれらの製造方法を以下に説明する。
【００３４】
図１は、ホログラム位相素子の製造装置を模式的に示すシステム構成図である。この製造装置は、レーザー光源(10)，エキスパンダー(11)，マスク(M)，マスクホルダー(12)，回折光カット光学系(13)，ハーフミラー(14)，ミラー(15A,15B)，導光プリズム(16)，回転ステージ(19)等を備えている。レーザー光源(10)から発せられたレーザー光は、エキスパンダー(11)でビーム径が拡大され、マスクホルダー(12)に取り付けられているマスク(M)で光束規制される。マスク(M)を通過したレーザー光は、回折光カット光学系(13)を透過した後、ハーフミラー(14)で２光束(物体光，参照光)に分割され、ミラー(15A,15B)での反射後、それぞれ導光プリズム(16)に入射して感光材料(17)を露光する。この感光材料(17)は、露光量を屈折率変調として記録することが可能な、フォトポリマーから成るホログラム感材である。
【００３５】
マスクホルダー(12)は、複数のマスク(M)を使用する場合にその交換及び位置決めを容易にするためのものであって、図２はその一例を示している。図２に示すマスクホルダー(12)は３種類のマスク(M1〜M3)が固定可能になっており、レーザー光が入射するマスク(M1〜M3)はマスクホルダー(12)の回転(X1：回転軸)によって切り換えられる。図４，図５にマスク(M)の具体例を示す。マスク(M0〜M3)には、所定のパターン(Q0〜Q3)から成る開口が形成されている。したがって、各開口に入射したレーザー光のみを回折光カット光学系(13)に入射させることが可能である。
【００３６】
マスク(M)の位置は、エキスパンダー(11)とハーフミラー(14)との間に限らない。例えば、感光材料(17)表面にマスク(M)を配置して露光を行うことも可能である。しかし、マスク(M)の開口幅が小さくなると、回折によるゴーストの発生が無視できなくなる。このため図１に示すように、レーザー光をハーフミラー(14)で２光束に分離する前にマスク(M)で光束規制することが望ましく、マスク(M)とハーフミラー(14)との間に回折光カット光学系(13)を配置することが更に望ましい。
【００３７】
図３に、回折光カット光学系(13)の具体例を示す。図３中、短い破線が０次光、長い破線が±１次光をそれぞれ示している。回折光カット光学系(13)は、２枚のレンズ(L1,L2)と、その間に配置されたスリット板(PL)と、で構成されている。スリット板(PL)には０次光のみを通過させるスリット(SL)が形成されており、±１次光はスリット板(PL)で遮光される。したがって、マスク(M)で回折光が生じても、生じた回折光は回折光カット光学系(13)により除去される。
【００３８】
感光材料(17)は、ガラス基板(18)の表面に貼り付けられた(又は塗布された)状態で、図１に示すように回転ステージ(19)にセットされる。回転ステージ(19)の回転軸(X2)は感光材料(17)表面の法線に対して平行になっているため、回転ステージ(19)が回転しても感光材料(17)の表面に対する光束入射角度は変化しない。なお、感光材料(17)を透過した不要光による悪影響を防ぐために、不要光を吸収する黒色の吸収板(不図示)が、ガラス基板(18)の裏面に密着状態又は液浸状態で取り付けられている。
【００３９】
また感光材料(17)の表面には、導光プリズム(16)が密着状態又は液浸状態で取り付けられる。例えば、感光材料(17)と同じ屈折率を有する液体(パラフィン等)を介して、導光プリズム(16)が感光材料(17)に密着するように配置される。このように導光プリズム(16)を用いると、導光プリズム(16)と感光材料(17)との間の空気層がなくなるため、界面反射に起因するゴーストの発生を防止しながらフリンジピッチを小さくすることができる。
【００４０】
導光プリズム(16)の作用を更に詳しく説明する。図６(A)にレーザー光が導光プリズム(16)を通って感光材料(17)に入射する場合の光路を示し、図６(B)にレーザー光が感光材料(17)に直接入射する場合の光路を示す。レーザー光は角度θで感光材料(17)に入射し、角度θ'で感光材料(17)中を進むことになるが、フリンジピッチを小さくするためには、感光材料(17)中の角度θ'を大きくする必要がある(図７)。図６(B)に示すように導光プリズム(16)が無い場合、角度θ'を大きくしようとすれば、表面反射によるロスが増大しゴーストも発生しやすくなる。そして、角度θ'は臨界角が限界となる。図６(A)に示すように、導光プリズム(16)等の導光部材を設ければ、導光プリズム(16)の２面に対して略垂直に各レーザー光を入射させて、臨界角以上のθ'を上記ロス等なしに実現することができる。
【００４１】
図１に示すように、感光材料(17)表面の法線(X2)に関して対称(又は略対称)に、同一波長のコヒーレントな２光束を入射させることにより、その２光束で構成される干渉縞で感光材料(17)に対する露光を行うことができる。このとき、２光束の角度差を大きくすることによって、干渉縞のピッチを使用波長よりも小さくすることが可能である(図７)。したがって、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞を屈折率分布として記録することができる。
【００４２】
感光材料(17)に対する露光は前述のマスク(M)を介して行われるため、感光材料(17)表面の露光を受ける領域は、マスク(M)に形成されている開口と同じパターンを成すことになる。したがって、使用波長よりも小さなピッチの干渉縞が屈折率分布として記録された微細な構造性複屈折領域を、所定のパターンで構成することができる。例えば図４のマスク(M0)を用いれば、１／２波長板として機能する構造性複屈折領域を図１０に示すパターン(Q0，斜線部)で有するホログラム位相素子を得ることができる。また、短冊状の開口を有するマスクを用いれば、１／２波長板として機能する構造性複屈折領域を従来例と同じ短冊状のパターン{図２３中の１／２波長板(25)の貼り付けパターン(斜線部)}で有するホログラム位相素子を得ることができる。
【００４３】
上記のようにマスク(M)を用いたホログラム露光によって、構造性複屈折領域を微細なパターンで簡単に構成することができ、それと同時にマスク(M)での遮光(非露光)により光学的な等方性(又は略等方性)を有する非構造性複屈折領域を微細なパターンで構成することができる。そして、感光材料(17)表面に対して垂直又は略垂直(法線方向又は略法線方向)に使用光が入射するように配置すれば、パターン化された構造性複屈折領域を位相板(１／２波長板等)として機能させることが可能となる。なお、製作波長と使用波長とは異なっていてもよく、例えば製作波長が紫外域波長、使用波長が可視域波長でもよい。
【００４４】
また、感光材料(17)に対する露光を複数回繰り返すとともに、前記パターン及び干渉縞を各露光ごとに異なったものに切り換えれば、構造性複屈折領域を２種類以上のパターンで有するとともに、各パターンの構造性複屈折領域に記録されている干渉縞が互いに異なったホログラム位相素子を製造することができる。例えば、マスクホルダー(12)を回転させてマスク(M1〜M3；図２，図５)を交換すれば、パターン(Q1〜Q3)の切り換えを行うことができる。また、回転ステージ(19)を回転させて２光束の入射方向を切り換えれば、干渉縞の方向{つまり光学軸(ax)の方向}を切り換えることができる。このパターン及び干渉縞の切り換えを順次行うことにより、図１２に示す３種類のパターン(Q1〜Q3)の構造性複屈折領域を有するホログラム位相素子が得られる。なお、２光束の波長や光束入射角度を変えることによりフリンジピッチの切り換えを行うことも可能であり、その場合、位相板としての機能が異なる複数の構造性複屈折領域(１／２波長板，１／４波長板等)を複数のパターンで混在させることも可能である。
【００４５】
一定の周期性を有するパターンの開口をマスク(M)に形成すれば、図１３に示すように、使用波長よりも小さなピッチ(Λ2)の干渉縞が屈折率分布として記録された微細な構造性複屈折領域(α)を、マスク(M)に形成されている開口と同じ周期性(ピッチ：Λ1)のパターンで構成することができる。図１３中のβは、マスク(M)での遮光により露光を受けなかった屈折率一定領域、すなわち非構造性複屈折領域に相当する。したがって、光学軸(ax)方向の位置(X)での屈折率(n)の分布は、図１４に示すようになる。例えば、感光材料(17)表面の露光を受ける領域(α)が0.001〜0.1mmピッチの周期構造を成すようにマスク(M)を介して前述の露光(図１)を行えば、構造性複屈折領域(α)と非構造性複屈折領域(β)とが交互に並ぶ一定の周期構造(タイプ１の回折格子構造)が得られ、その周期構造のピッチ(Λ1)は回折が発生する0.001〜0.1mmとなる。
【００４６】
また、使用波長よりも大きいピッチの干渉縞での露光を、使用波長よりも小さいピッチの干渉縞での露光と重ねて行えば、図１５に示すように、使用波長よりも小さなピッチ(Λ2)の干渉縞が屈折率分布として記録された微細な構造性複屈折領域(α)を、重ね合わせにより屈折率が飽和した領域(γ)を含む周期性(ピッチ：Λ1)のパターンで構成することができる。図１５中の飽和した領域(γ)は、非構造性複屈折領域(屈折率一定)に相当する。したがって、光学軸(ax)方向の位置(X)での屈折率(n)の分布は、図１６に示すようになる。例えば、0.001〜0.1mmピッチの干渉縞での露光を前述の露光(図１)と重ねて行えば、構造性複屈折領域(α)と非構造性複屈折領域(γ)とが交互に並ぶ一定の周期構造(タイプ２の回折格子構造)がマスク(M)なしで得られ、その周期構造のピッチ(Λ1)は回折が発生する0.001〜0.1mmとなる。
【００４７】
上記のように構造性複屈折を示す微細周期構造を持つ部分(α)と持たない部分(β，γ)とが周期的に並ぶバイナリー型の回折格子構造(図１３，図１５)では、構造性複屈折領域(α)を通る光と非構造性複屈折領域(β，γ)を通る光との位相差が2πの整数倍ならば回折せずにすべて透過し(L0：透過光)、位相差がπならば直進する透過光がなくなってすべて回折波になる(L1：回折光)。つまり、入射光の電界方向が干渉縞に平行な場合をＴＥ波、磁界方向が平行な場合をＴＭ波とし、ＴＥ波，ＴＭ波に対する構造性複屈折領域(α)の屈折率をｎTE,ｎTM、ＴＥ波，ＴＭ波に対する非構造性複屈折領域(β，γ)の屈折率をｎ0TE,ｎ0TMとすると、ｎ0TE＝ｎ0TM、ｎTE≠ｎTMとなるので、例えば、ΔｎTE＝ｎTE−ｎ0TE＝2mπ，ΔｎTM＝ｎTM−ｎ0TM＝(2m+1)πであれば(m：整数)、ＴＥ波は０次光(L0)として直進し、ＴＭ波は±１次光(L1)として回折することになる。したがって、バイナリー型の回折格子構造(図１３，図１５)は、偏光分離素子(つまりＰＢＳ：polarizing beam splitter)としての機能(偏光分離機能)を有することになる。
【００４８】
次に、上記バイナリー型の回折格子構造(図１３，図１５)と同様に偏光分離機能を有する、ブレーズ型の回折格子構造(図１７)を説明する。この回折格子構造は、図１７(D)に示すように屈折率変調型のホログラム(17H)を有する偏光位相変調素子において構成されるものである。ホログラム(17H)内には使用波長よりも小さなピッチの干渉縞が屈折率分布として記録されており、ホログラム(17H)表面には干渉縞に対して平行な溝から成るブレーズ形状の回折格子面(17d)が形成されている。また、回折格子面(17d)のブレーズ形状の凹部には、光学的な等方性(又は略等方性)を有する樹脂(17I)が充填されている。
【００４９】
回折格子面(17d)のブレーズ形状は１種類であってもよいが、ブレーズ形状(回折格子ピッチ，溝方向等)の異なる２種類以上の領域で回折格子面(17d)を構成してもよい。図９，図１１に、回折格子面(17d)を構成する各領域のブレーズパターン(R1〜R6)の例を示す。図９は回折格子ピッチの異なる３種類のブレーズパターン(R1〜R3)を示しており、図１１は回折格子ピッチと溝方向の異なる６種類のブレーズパターン(R1〜R6)を示している。各領域での回折格子面(17d)の溝方向と、ホログラム(17H)内の屈折率分布による構造性複屈折の方向と、を対応させることにより、偏光分離方向を領域毎に変えることが可能である。また、回折格子ピッチの大小に応じて、偏光分離角度を領域毎に変えることが可能である。
【００５０】
図１７(D)に示す回折格子構造を構成するに際し、まず使用波長よりも小さなピッチの干渉縞で感光材料を露光することにより、図１７(A)に示すホログラム(17H)を作成する。感光材料表面の露光を受ける領域が所定のパターンを成すように、前記製造装置(図１)によりマスク(M)を介して露光を行ってもよく、パターニングの必要がなければマスク(M)なしに露光を行ってもよい。次に、図１７(B)に示すように、斜めエッチングによって上記感光材料表面{つまりホログラム(17H)の表面}にブレーズ形状の回折格子面(17d)を形成する。そして、図１７(C)に示すように、そのブレーズ形状の凹部に光学的な等方性(又は略等方性)を有する樹脂(17I)を充填することによって樹脂平面(17f)を構成する(素子の平板化)。
【００５１】
上記回折格子構造(図１７)は少ない工程数で製作可能であるが、液晶等の複屈折材料を用いた場合と同様の複屈折作用をホログラム(17H)の構造性複屈折で実現して、偏光分離を可能とする。そこで、液晶の複屈折性を利用した偏光分離素子の例を挙げて、以下に偏光分離機能を詳述する。
【００５２】
図１８は、表面レリーフ型(膜厚変調型)の回折格子(2)と、ネマティック液晶又はスメクティック液晶から成る液晶(3)と、対向平板(4)と、シール剤(5)と、を主な構成要素として備えた偏光分離素子(1)である。回折格子(2)は、光学的な略等方性を有する樹脂製の透明シートから成り、かつ、ブレーズ形状の回折格子面(2a)を有している。この回折格子面(2a)に隣接する液晶(3)は、光学的な異方性を有する一軸性の光学的異方体層を成しており、前記ホログラム(17H)はこの液晶(3)に相当する。また、液晶(3)を回折格子(2)との間で挟むようにして液晶(3)と隣接する対向平板(4)は、樹脂製又はガラス製の透明基板である。対向平板(4)の液晶(3)側の面には配向膜(4a)が設けられており、配向膜(4a)には回折格子面(2a)の溝方向に沿って液晶(3)がホモジニアス配向するようにラビング処理が施されている。前記ホログラム(17H)に記録されている干渉縞の方向は、液晶(3)の配向方向に相当する。
【００５３】
液晶(3)は光学的な異方性を有する複屈折材料であるため、常光に対する屈折率と異常光に対する屈折率とは異なる。したがって、光学的に略等方な回折格子(2)との境界に位置する回折格子面(2a)が及ぼす回折作用も、常光と異常光とでは異なる。この偏光分離素子(1)では、常光，異常光のうちのいずれか一方に対する屈折率が回折格子(2)の屈折率と同じになるように各材料が選択されている。例えば、常光に対する液晶(3)の屈折率と回折格子(2)の屈折率とを同じにした場合、常光が回折作用を受けずに回折格子面(2a)を透過し、異常光が回折格子面(2a)での回折作用を受けて偏向することになる。逆に、異常光に対する液晶(3)の屈折率と回折格子(2)の屈折率とを同じにした場合、異常光が回折作用を受けずに回折格子面(2a)を透過し、常光が回折格子面(2a)での回折作用を受けて偏向することになる。前記ホログラム(17H)も液晶(3)と同様に作用するので、常光，異常光のうちのいずれか一方{図１７中の回折光(L0)}が回折格子面(17d)での回折作用を受けて偏向することになる。
【００５４】
上記のように液晶(3)又はホログラム(17H)を回折格子面(2a又は17d)に隣接させることにより、入射してきた照明光を偏波面が互いに直交する２つの直線偏光{例えば図１７中の透過光(L0)と回折光(L1)}に分離することができる。しかも、回折格子面(2a又は17d)がブレーズ形状を成しているため高い回折効率が得られる。回折格子面(2a又は17d)での回折効率が高ければ偏光変換効率も高くなるため、光利用効率を向上させることが可能である。
【００５５】
《インテグレータ光学系》
次に、前述のホログラム位相素子や偏光分離素子を用いた、偏光変換機能を有するレンズアレイ方式のインテグレータ光学系を説明する。図１９，図２０に示す液晶プロジェクターは、いずれも前記従来例(図２１)とは異なるタイプのインテグレータ光学系を備えている。図１９に示すインテグレータ光学系は、偏光分離素子(21)と、第１，第２レンズアレイ(22a,22b)が１つの光学素子として一体化された一体型レンズアレイ(22)と、ホログラム位相素子(23)と、で構成されており、図２０に示すインテグレータ光学系は、偏光分離素子(21)と、第１，第２レンズアレイ(22A,22B)と、第２レンズアレイ(22B)に一体化されたホログラム位相素子(23A)と、で構成されている。
【００５６】
第１レンズアレイ(22a,22A)は、液晶パネル(28)と略相似な矩形のレンズセルを２次元のアレイ状に配列して成るものであり、複数のレンズセルで入射光を分割する。そして、第１レンズアレイ(22a,22A)と同じ数のレンズセルから成るアレイ構造{第１，第２レンズアレイ(22a,22A;22b,22B)の各レンズセルは対を成す。}を有する第２レンズアレイ(22b,22B)の近傍に、複数の光源像(図１０，図１２中の楕円)を形成する。第１レンズアレイ(22a,22A)の各レンズセルと液晶パネル(28)とは、第２レンズアレイ(22b,22B)の各レンズセルを介して共役な関係にあるため、照明光の空間的なエネルギー分布は均一化されて液晶パネル(28)は無駄なく均一に照明される。
【００５７】
図１９，図２０に示すインテグレータ光学系では、第１レンズアレイ(22a,22A)近傍(又はその共役位置の近傍でもよい。)に配置された偏光分離素子(21)によって偏光分離が行われ、第２レンズアレイ(22b,22B)近傍(又はその共役位置の近傍でもよい。)に配置されたホログラム位相素子(23,23A)によって偏波面の回転が行われる。偏光分離素子(21)としては、前記ホログラム(17H)の構造性複屈折を利用したブレーズ型回折格子構造から成る偏光位相変調素子(図１７)、又は液晶(3)の複屈折性を利用したブレーズ型回折格子構造から成る偏光分離素子(1，図１８)が用いられる。また、ホログラム位相素子(23,23A)としては、前記製造装置(図１)により得られる偏光位相変調素子、つまり使用波長よりも小さなピッチの干渉縞が屈折率分布として記録された(１／２波長板として機能する)構造性複屈折領域を所定のパターンで有するホログラム位相素子が用いられる。
【００５８】
ところで、前記従来例(図２１)のように偏光分離をＰＢＳアレイ(24)で行い偏波面の回転を１／２波長板(25)で行う構成では、ＰＢＳアレイ(24)の形状・加工精度，１／２波長板(25)の貼り付け精度等に物理的な制約が生じる。このため、ＰＢＳアレイ(24)のピッチや１／２波長板(25)の幅を小さくしようとしても、2mm程度が限界となる。前記製造装置(図１)を用いれば、１／２波長板として機能する幅2mm以下の構造性複屈折領域を微細かつ複雑にパターニングすることができる。そして、マスク(M)の開口に対応する構造性複屈折領域と、マスク(M)の遮光領域に対応する非構造性複屈折領域と、をそれぞれ幅2mm以下で構成したホログラム位相素子(23,23A)を用いることにより、従来よりも微細かつ複雑な偏光制御が可能となる。この微細かつ複雑なパターンでの偏波面の回転に対する偏光分離のマッチングを考えた場合、偏光分離は前記ブレーズ型の回折格子構造(図１７，図１８)で行うことが望ましい。ブレーズ型回折格子構造を有する偏光分離素子(21)をホログラム位相素子(23,23A)と組み合わせることによって、図１９に示すようにインテグレータ光学系の小型化等が達成可能となる。
【００５９】
レンズセルサイズ(d1)と光学距離(F1)との比(d1：F1)を保ちながらレンズセルサイズ(d1)を小さくすると、光学距離(F1)が短縮されるためインテグレータ光学系は小さくなる。したがって、図１９に示すように第１，第２レンズアレイ(22a,22b)の一体成型が可能となり、小型化と共にコストダウンを達成することができる。前記ＰＢＳアレイ(24)の微細化は不可能であるが、ブレーズ型回折格子構造を有する偏光分離素子(21)の構造自体はレンズセルサイズ(d1)に依存しない。また、ホログラム位相素子(23,23A)において構造性複屈折領域のパターンを微細化することは、前述したように容易である。したがって、レンズセルサイズ(d1)を小さくすることは可能である。なお、図１９では従来例(図２１)の１／３サイズでレンズセルサイズ(d1)を示してあるが、実際はもっと細かいピッチで構成することができる。
【００６０】
従来例(図２１)におけるレンズセルパターン(P2)と光源像(楕円)との位置関係(図２３)から分かるように、その周辺に位置するレンズセルほど光源像が占める相対的な面積は小さい。したがって、レンズセルの開口を周辺ほど小さくして光源像を密にすれば、第２レンズアレイ(22B)全体のサイズを小さくすることができる。第２レンズアレイ(22B)全体のサイズを小さくすれば、照明システム(図２１)のＦナンバーが大きくなるため、投影レンズ(29)に必要なＦナンバーも大きくすることができる。したがって、高い光利用効率を保持しつつ投影レンズ(29)の小型化及び低コスト化を達成することができる。
【００６１】
図１９，図２０に示すインテグレータ光学系に用いる第２レンズアレイ(22b,22B)において、周辺に位置するレンズセルほど開口を小さく(いわゆる異形化)し、また、第１レンズアレイ(22a,22A)の各レンズセルを適宜偏心させることによりレンズセル単位で光源像を密にすれば、上記のように第２レンズアレイ(22b,22B)全体のサイズを小さくすることができる。図１０に、レンズセルの開口を上下１方向に異形化した第２レンズアレイ(22b,22B)のレンズセルパターン(P2)を示し、図１２に、レンズセルの開口を上下左右斜めの複数方向に異形化した第２レンズアレイ(22b,22B)のレンズセルパターン(P2)を示す。図２３，図１０，図１２に示す各レンズセルパターン(P2)の外周円(一点鎖線)を比較すると分かるように、開口の異形化方向を増やすほどレンズセルを密に詰めることができ、第２レンズアレイ(22b,22B)全体のサイズ(外周円の直径)を小さくすることができる。
【００６２】
図１０，図１２のレンズセルパターン(P2)で示すように、第２レンズアレイ(22b,22B)が開口形状や開口サイズの異なる２種類以上のレンズセルで構成されている場合には、偏光分離された一対の光源像(つまり各レンズセル上のＴＭ偏光の像とＴＥ偏光の像)を近づけて密にするために、偏光分離素子(21)による偏光分離の角度や方向もレンズセル単位で調整する必要がある。つまり、レンズセルパターン(P2)の周辺ほど、偏光分離角を小さくするとともに、偏光分離方向を異形化方向に対して略垂直に近づけることが望ましいといえる。
【００６３】
図１０に示すレンズセルパターン(P2)の第２レンズアレイ(22b,22B)を用いる場合には、図９に示すように２つの直線偏光の分離角(つまり回折角)が第１レンズアレイ(22a,22A)のレンズセル単位で異なるように、回折格子ピッチが異なる３種類のブレーズパターン(R1〜R3)の偏光分離素子(21)を用いる。このブレーズパターン(R1〜R3)の回折格子ピッチは、上下の１方向に沿って周辺ほど粗くなっている。また、図１２に示すレンズセルパターン(P2)の第２レンズアレイ(22b,22B)を用いる場合には、図１１に示すように２つの直線偏光の分離角及び分離方向が第１レンズアレイ(22a,22A)のレンズセル単位で異なるように、回折格子ピッチ及び溝方向が異なる６種類のブレーズパターン(R1〜R6)の偏光分離素子(21)を用いる。このブレーズパターン(R1〜R6)の回折格子ピッチは、上下左右斜めの４方向に沿って周辺ほど粗くなっており、また溝方向は前記異形化方向に対応した略放射状になっている。
【００６４】
偏光分離素子(21)は前述の複屈折作用及び回折作用によって、照明光を偏波面が互いに直交する２つの直線偏光(ＴＭ偏光とＴＥ偏光)に分離する。図１９，図２０中、実線がＴＭ偏光、破線がＴＥ偏光である。また、図１０，図１２中、クロスハッチで表示されている楕円がＴＭ偏光から成る光源像、その各光源像と同じレンズセル上に位置する楕円がＴＥ偏光から成る光源像であり、楕円中の矢印方向が偏光方向である。また図１０，図１２中、斜線で表示されている構造性複屈折領域パターン(Q0〜Q3)が、ホログラム位相素子(23,23A)において１／２波長板{斜線は光学軸(ax)方向(±22.5°,45°)を表す。}として機能する構造性複屈折領域である。前述したように、図１０の構造性複屈折領域パターン(Q0)は図４のマスク(M0)を用いて製造され、図１２の構造性複屈折領域パターン(Q1〜Q3)は図５(A)〜(C)のマスク(M1〜M3)を用いて製造される。
【００６５】
偏光分離素子(21)で分離された２つの偏光のうちの少なくとも一方(図１０ではＴＥ偏光のみ)が、ホログラム位相素子(23,23A)の構造性複屈折領域に入射する。そして、パターン(Q0〜Q3)を成す構造性複屈折領域は、入射光の偏波面を所定角度(図１０では90°)回転させることにより、入射光を上下の１方向に偏光方向が揃った偏光(図１０ではＴＭ偏光)に変換する。偏光方向が揃えられた照明光は、重ね合わせレンズ(26)とコンデンサーレンズ(27)を通過した後、液晶パネル(28)を照明する。
【００６６】
図１２に示す第２レンズアレイ(22b,22B)のレンズセルパターン(P2)のようにレンズセルの開口を複数方向に異形化すると、Ｆナンバーを大きくすることはできるが、偏光分離方向を第１レンズアレイ(22a,22A)のレンズセル単位で変えなければならなくなる。図１１に示すブレーズパターン(P1)による偏光分離方向は４種類なので、光源像の偏光方向(矢印)も４種類存在してしまうことになるが、１／２波長板として機能する構造性複屈折領域は、第２レンズアレイ(22b,22B)のレンズセル単位で光学軸(ax)方向が異なる３種類のパターン(Q1〜Q3)で構成されているため、入射光をすべて同一の偏光方向に揃えることが可能である。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、製造容易でコンパクトな偏光位相変調素子を実現することができる。また、その偏光分離素子を用いることにより、光利用効率の高いインテグレータ光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ホログラム位相素子の製造装置を模式的に示すシステム構成図。
【図２】図１の製造装置に用いられるマスクホルダーの一例を示す平面図。
【図３】図１の製造装置に用いられる回折光カット光学系の一例を示す光学構成図。
【図４】１種類の構造性複屈折領域を形成するためのマスクの具体例を示す平面図。
【図５】３種類の構造性複屈折領域を形成するためのマスクの具体例を示す平面図。
【図６】感光材料を露光する際の入射光束に対する導光プリズムの作用を説明するための光路図。
【図７】２光束が成す角度に対する干渉縞間隔の依存性を示すグラフ。
【図８】構造性複屈折を生じる１次元周期性多層構造を示す模式図。
【図９】第１レンズアレイのレンズセルパターンと、１方向の偏光分離を行う偏光分離素子のブレーズパターンと、の関係を示す平面図。
【図１０】第２レンズアレイのレンズセルパターンと、第１レンズアレイにより形成される光源像の配置と、１種類の構造性複屈折領域を有するホログラム位相素子の構造性複屈折領域パターンと、の関係を示す平面図。
【図１１】第１レンズアレイのレンズセルパターンと、４方向の偏光分離を行う偏光分離素子のブレーズパターンと、の関係を示す平面図。
【図１２】第２レンズアレイのレンズセルパターンと、第１レンズアレイにより形成される光源像の配置と、３種類の構造性複屈折領域を有するホログラム位相素子の構造性複屈折領域パターンと、の関係を示す平面図。
【図１３】構造性複屈折領域と非構造性複屈折領域とが周期的に並ぶバイナリー型の回折格子構造(タイプ１)を示す模式図。
【図１４】図１３の回折格子構造(タイプ１)における屈折率分布を示すグラフ。
【図１５】構造性複屈折領域と非構造性複屈折領域とが周期的に並ぶバイナリー型の回折格子構造(タイプ２)を示す模式図。
【図１６】図１５の回折格子構造(タイプ２)における屈折率分布を示すグラフ。
【図１７】構造性複屈折を示すホログラムから成るブレーズ型の回折格子構造の製造方法を示す工程図。
【図１８】液晶とブレーズ形状の回折格子とから成るブレーズ型の偏光分離素子を示す断面図。
【図１９】第１，第２レンズアレイが一体化されたインテグレータ光学系を照明システムに備えた液晶プロジェクターを示す光学構成図。
【図２０】第２レンズアレイとホログラム位相素子とが一体化されたインテグレータ光学系を照明システムに備えた液晶プロジェクターを示す光学構成図。
【図２１】従来の偏光変換機能を有するインテグレータ光学系を照明システムに備えた液晶プロジェクターを示す光学構成図。
【図２２】図２１中の第１レンズアレイのレンズセルパターンを示す平面図。
【図２３】図２１中のインテグレータ光学系における、第２レンズアレイのレンズセルパターンと、第１レンズアレイにより形成される光源像の配置と、１／２波長板の貼り付けパターンと、の関係を示す平面図。
【符号の説明】
1  …偏光分離素子
2  …回折格子
2a  …回折格子面
3  …液晶
12  …マスクホルダー
M,M0〜M3  …マスク
17  …感光材料
17H  …ホログラム
17d  …回折格子面
17I  …樹脂
17f  …樹脂平面
21  …偏光分離素子
22  …一体型レンズアレイ
22A,22a  …第１レンズアレイ
22B,22b  …第２レンズアレイ
23,23A  …ホログラム位相素子
28  …液晶パネル
P1  …第１レンズアレイのレンズセルパターン
P2  …第２レンズアレイのレンズセルパターン
Q0〜Q3  …構造性複屈折領域パターン(マスクの開口パターン)
R1〜R6  …ブレーズパターン
α  …構造性複屈折領域
β，γ  …非構造性複屈折領域
L0  …透過光
L1  …回折光
【図１】
0004258958.tif 000002
【図２】
0004258958.tif 000003
【図３】
0004258958.tif 000004
【図４】
0004258958.tif 000005
【図５】
0004258958.tif 000006
【図６】
0004258958.tif 000007
【図７】
0004258958.tif 000008
【図８】
0004258958.tif 000009
【図９】
0004258958.tif 000010
【図１０】
0004258958.tif 000011
【図１１】
0004258958.tif 000012
【図１２】
0004258958.tif 000013
【図１３】
0004258958.tif 000014
【図１４】
0004258958.tif 000015
【図１５】
0004258958.tif 000016
【図１６】
0004258958.tif 000017
【図１７】
0004258958.tif 000018
【図１８】
0004258958.tif 000019
【図１９】
0004258958.tif 000020
【図２０】
0004258958.tif 000021
【図２１】
0004258958.tif 000022
【図２２】
0004258958.tif 000023
【図２３】
0004258958.tif 000024