(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を偏光分離する機能を有する光学素子であって、
前記入射光に対して透明な基板と、
断面形状が矩形であり交互に配列された複数の凹部及び凸部を含み、前記基板の一面側に設けられた回折構造部と、
一方向に延在する複数の細線を含み、前記基板の一面側であって前記回折構造部の上面に沿って設けられたグリッド部と、
を備え、
前記入射光の波長をλ、前記複数の細線の相互間隔をｄ、前記複数の凸部の相互間隔をδ、前記基板の構成材料の屈折率をｎとしたときに、これらのパラメータが、ｄ＜λ、かつ、λ／ｎ＜δ≦λ、の関係を満たす、
光学素子。
【請求項２】
ｍを０以上の整数としたときに、前記回折構造部の前記凹部と前記凸部との段差が(２ｍ＋１)λ／４ｎと設定された、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項３】
前記回折構造部の前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々の延在方向と前記グリッド部の前記複数の細線の各々の延在方向とが略平行である、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項４】
前記回折構造部の前記複数の凹部および前記複数の凸部の各々の延在方向と前記グリッド部の前記複数の細線の各々の延在方向とが交差している、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項５】
前記基板の端部側に配置された光減衰部を更に備える、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項６】
前記一面の法線方向の前記基板の厚みをＴ、前記回折構造部で回折した１次回折光が平面視した前記一面で進行する方向の前記基板の幅をＷ、前記回折構造部で回折した１次回折光が前記法線方向となす回折角をθとしたときに、これらのパラメータが、θ＞ｔａｎ−１（Ｗ／２Ｔ）、の関係を満たす、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項７】
前記基板の一面側に前記複数の凹部と前記複数の凸部とを平坦化する平坦化層を備え、前記平坦化層の屈折率と前記基板の屈折率とが略同一である、
請求項１に記載の光学素子。
【請求項８】
光源から入射した光を変調して射出する透過型の液晶装置であって、
入射側に配置される第１基板と、
射出側に前記第１基板と対向して配置される第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に設けられる液晶層と、
前記第２基板における前記液晶層と反対側に該第２基板と間隙を介して接合され、偏光分離機能を有する光学素子と、
を備え、
前記光学素子として請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の光学素子が用いられる、
液晶装置。
【請求項９】
前記第２基板と前記光学素子とが、前記間隙を環状に囲むシール材を介して接合され、
前記第２基板、前記光学素子、及び前記シール材により前記間隙が封止されている、
請求項８に記載の液晶装置。
【請求項１０】
投写型の表示装置であって、
光源と、
偏光分離機能を有し、前記光源の後段側に配置された第１の光学素子と、
入射光を変調する機能を有し、前記第１の光学素子の後段側に配置された液晶ライトバルブと、
偏光分離機能を有し、前記液晶ライトバルブの後段側に配置された第２の光学素子と、
前記第２の光学素子の後段側に配置された投射レンズと、
を含み、
前記第２の光学素子として請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の光学素子が用いられ、かつ当該光学素子は前記回折構造部及び前記グリッド部を設けた一面が後段側に配置される、
表示装置。
【請求項１１】
更に、前記第１の光学素子として請求項１乃至請求項７の何れか１項に記載の光学素子が用いられ、かつ当該光学素子は前記回折構造部及び前記グリッド部を設けた一面が後段側に配置される、
請求項１０に記載の表示装置。
【請求項１２】
前記第２の光学素子の後段側であって前記投射レンズよりも前段側に配置されたフィールドレンズを更に備える、
請求項１０又は１１に記載の表示装置。
【請求項１３】
前記光源がレーザー光源である、
請求項１０乃至請求項１２の何れか１項に記載の表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光分離機能を有する光学素子およびこの光学素子を利用した液晶装置、表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光分離機能を有する光学素子の１つとして、ワイヤーグリッド型偏光分離素子が知られている。このワイヤーグリッド型偏光分離素子は、ガラス基板等の表面に多数の微細なワイヤー（例えば、アルミニウム細線）が並べられたものであり、各ワイヤーの相互間隔（周期）は光の波長よりも短く設定される。ワイヤーグリッド型偏光分離素子は、偏光分離性能が高いことに加え、構成材料が無機物であることから耐光性にも優れるという特徴がある。このため、種々の光学系において、従来の高分子を素材とした偏光分離素子に代替して用いることが検討されている。ワイヤーグリッド型偏光分離素子の応用例の１つとして、液晶プロジェクタのような投写型表示装置が挙げられる。
【０００３】
上述の投写型表示装置においては、ワイヤーグリッド型偏光分離素子は、液晶パネル（液晶ライトバルブ）の前面又は背面の少なくとも一方に配置される。投写型表示装置では、表示される画像の輝度を向上させる等のために比較的に強度の高い光が液晶パネルに入力される。ところが、原理上、ワイヤーグリッド型偏光分離素子は、入射光のうちＴＭ偏光成分はほぼ全て透過させるもののＴＥ偏光成分についてはほぼ全て反射するため、この反射光（ＴＥ偏光成分）が液晶パネルに再度入射して液晶パネルの動作を不安定にすることが懸念される。また、このような懸念は投写型表示装置に限られたものではなく、ワイヤーグリッド型偏光分離素子を用いて構成される種々の光学的装置にも共通して言えることである。いかなる光学的装置においても、光路上において不要な反射光が発生することは好ましくないからである。
【特許文献１】特開２００２−３７２７４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明に係る具体的態様は、反射光による悪影響を抑制することが可能な光学素子を提供することを１つの目的とする。
本発明に係る具体的態様は、上記の光学素子を用いて構成される高性能な液晶装置を提供することを他の１つの目的とする。
本発明に係る具体的態様は、上記の光学素子を用いて構成される高性能な表示装置を提供することを他の１つの目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明に係る光学素子は、入射光を偏光分離する機能を有する光学素子であって、（ａ）上記入射光に対して透明な基板と、（ｂ）断面形状が矩形であり交互に配列された複数の凹部及び凸部を含み、上記基板の一面側に設けられた回折構造部と、（ｃ）一方向に延在する複数の細線を含み、上記基板の一面側であって上記回折構造部の上面に沿って設けられたグリッド部と、を備え、上記入射光の波長をλ、上記複数の細線の相互間隔をｄ、上記複数の凸部の相互間隔をδ、上記基板の構成材料の屈折率をｎ、としたときに、これらのパラメータが、ｄ＜λ、かつ、λ／ｎ＜δ≦λ、の関係を満たすものである。
【０００６】
この光学素子では、グリッド部の作用により入射光のうち一方の偏光成分が反射され、他方の偏光成分が透過する。また、この反射される偏光成分（反射光）は、回折構造部の作用により、十分に大きな角度で回折される。上記したパラメータの関係が満たされることにより、この回折された反射光は、基板の他面とその周囲の媒体（例えば空気）との界面において全反射され、基板中を伝搬し、基板端部へ向かう。したがって、本発明に係る光学素子を所望の光学系に用いた際には、グリッド部によって生じた反射光のほとんどが光路の前段側へ戻ることがなく、不要な反射光による悪影響が抑制される。
【０００７】
好ましくは、上記光学素子は、上記回折構造部の上記凹部と上記凸部との段差が(２ｍ＋１)λ／４ｎと設定される。ここで、ｍが０以上の整数（０，１，２・・・）である。λは上記のように入射光の波長、ｎは基板の構成材料の屈折率である。
【０００８】
この条件が満たされることにより、光学素子の回折構造部における反射光の回折効果を十分に高め、かつ透過光（透過する偏光成分）の回折効果を十分に抑えることが可能となる。それにより、透過光量の大部分が非回折成分となるため、光の利用効率をより高めることが可能となる。
【０００９】
上記光学素子においては、例えば、上記回折構造部の上記複数の凹部および上記複数の凸部の各々の延在方向と上記グリッド部の上記複数の細線の各々の延在方向とを略平行とすることができる。また、上記回折構造部の上記複数の凹部および上記複数の凸部の各々の延在方向と上記グリッド部の上記複数の細線の各々の延在方向とが交差していてもよい。
【００１０】
各凹部および凸部と各細線を交差させた場合には、各凹部と各凸部との段差の近傍における細線の形成がより容易となる。交差させる角度は任意であり、例えば、４５°およびこの倍数の９０°、１３５°などに設定することが可能である。
【００１１】
上記した光学素子は、上記基板の端部側に配置された光減衰部を更に備えることも好ましい。この光減衰部は、基板端部に接して配置されてもよいし、基板端部から離間した位置に配置されてもよい。光減衰部は、例えば暗色の樹脂膜や、反射防止膜等である。
【００１２】
これにより、基板中を伝搬して基板端部に到達した反射光を吸収することにより、或いは外部に逃がすことにより、光学素子に閉じ込められる光の強度を低下させることができる。
【００１３】
上記した光学素子は、前記一面の法線方向の前記基板の厚みをＴ、前記回折構造部で回折した１次回折光が平面視した前記一面で進行する方向の前記基板の幅をＷ、前記回折構造部で回折した１次回折光が前記法線方向となす回折角をθとしたときに、これらのパラメータが、θ＞ｔａｎ−１（Ｗ／２Ｔ）、の関係を満たすことも好ましい。
【００１４】
これにより、回折構造部における反射光のうちの１次以上の回折光は、基板における他面で反射回折した後に、基板の幅方向の端面に入射する。したがって、他面で反射回折した光が、一面に直接入射することがなく、回折構造部で再回折しない。よって、再回折した光が光路の前段側へ戻ることがなく、前段側に戻った光による悪影響が抑制される。なお、上記基板の幅Ｗとしては、例えば凹部が溝状である場合には凹部の延在方向に直交する方向の基板の幅Ｗを定義すればよい。また、例えば凹部が平面視略長方形の窪み状であり、１次回折光が平面視した一面において進行する方向が複数ある場合には、複数の方向で基板の幅が最小になる方向で基板の幅Ｗを定義すればよい。
【００１５】
上記した光学素子は、基板の一面側に複数の凹部と複数の凸部とを平坦化する平坦化層を備え、平坦化層の屈折率と基板の屈折率とが略同一であることも好ましい。
これにより、透過光が回折構造部でほとんど回折しなくなり、透過光量の大部分が非回折成分となるため、光の利用効率をより高めることが可能となる。
【００１６】
本発明に係る液晶装置は、光源から入射した光を変調して射出する透過型の液晶装置であって、（ａ）入射側に配置される第１基板と、（ｂ）射出側に上記第１基板と対向して配置される第２基板と、（ｃ）上記第１基板と上記第２基板との間に設けられる液晶層と、（ｄ）上記第２基板における上記液晶層と反対側に該第２基板と間隙を介して接合され、偏光分離機能を有する光学素子と、を備え、上記光学素子として上記の本発明に係る光学素子が用いられる。
【００１７】
この液晶装置では、液晶層から射出された光が光学素子により偏光分離され、光学素子を透過した光が画像表示等に用いられる。また、光学素子の一面へ入射した光は、回折構造部の作用により、十分に大きな角度で反射回折される。この回折された反射光は、光学素子の基板と間隙との界面において全反射され、基板中を伝搬し、基板端部へ向かう。したがって、グリッド部によって生じた反射光のほとんどが第２基板や液晶層に再度入射することがなく、不要な反射光による悪影響が抑制される。また、光学素子と第２基板とが間隙を介して接合されているので、光学素子の熱が第２基板側に伝わることによる悪影響も抑制される。
【００１８】
上記の液晶装置は、上記第２基板と上記光学素子とが、上記間隙を環状に囲むシール材を介して接合され、上記第２基板、上記光学素子、及び上記シール材により上記間隙が封止されていることが好ましい。
これにより、第２基板と光学素子との間隙に塵埃が入り込むことが防止される。したがって、塵埃が画像光に影となって入り込むことを防止する防塵ガラスを取り付ける必要がなくなり、液晶装置を小型化することが可能になる。
【００１９】
本発明に係る投写型の表示装置は、（ａ）水銀ランプなどの光源と、（ｂ）偏光分離機能を有し、上記光源の後段側に配置された第１の光学素子と、（ｃ）入射光を変調する機能を有し、上記第１の光学素子の後段側に配置された液晶ライトバルブと、（ｄ）偏光分離機能を有し、上記液晶ライトバルブの後段側に配置された第２の光学素子と、（ｅ）上記第２の光学素子の後段側に配置された投射レンズと、を含み、少なくとも上記第２の光学素子として、上記の本発明に係る光学素子が用いられる。このとき、当該光学素子は、上記回折構造部及び上記グリッド部を設けた一面が後段側に配置される。
【００２０】
少なくとも第２の光学素子として上記光学素子が用いられることにより、グリッド部による反射光が液晶ライトバルブへ入射することを回避できる。それにより、不要な光が入射することによって液晶ライトバルブの安定動作が妨げられることがない。具体的には、例えば液晶ライトバルブに薄膜トランジスタが含まれる場合に、不要な光が入射するとこの薄膜トランジスタに誤動作を生じさせ、表示品質を低下させる等の不都合が考えられる。本発明に係る表示装置によれば、このような不都合が回避される。また、複数の金属細線からなるグリッド部によって偏光分離素子として用いるので、耐光性に優れた表示装置を実現できる。よって、本発明によれば高性能な表示装置を提供することが可能となる。
【００２１】
上記の表示装置において、更に上記第１の光学素子としても上記の本発明に係る光学素子が用いられることも好ましい。このとき、当該光学素子は、上記回折構造部及び上記グリッド部を設けた一面が後段側に配置される。
【００２２】
第１の光学素子として上記光学素子が用いられることにより、グリッド部による反射光が前段側（例えば、光源）へ戻ることを回避できる。また、複数の金属細線からなるグリッド部によって偏光分離素子として用いるので、耐光性に優れた表示装置を実現できる。よって、更に高性能、高品質な表示装置を提供することが可能となる。
【００２３】
好ましくは、上記表示装置は、上記第２の光学素子の後段側であって上記レンズよりも前段側に配置されたフィールドレンズを更に備える。
【００２４】
このようなフィールドレンズを備えることで、より多くの透過回折光を投射レンズへ入射させることが可能となる。それにより、表示画像の明るさをより向上させることが可能となる。
【００２５】
上記表示装置において、上記光源は、レーザー光源であってもよい。
【００２６】
レーザー光源は、光の波長幅が極めて狭いため、本発明に係る光学素子による光の制御性が更に向上する。それにより、表示装置の表示品質を更に高めることが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。なお、各図においては、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。
【００２８】
図１は、本発明を適用した一実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。図１に示す本実施形態の光学素子１は、基板２と、回折構造部３と、グリッド部４と、光減衰部５と、を備える。この光学素子１は、グリッド部４の作用により入射光を偏光分離する機能を有する。
【００２９】
基板２は、入射光の波長に対して透明な基板である。基板２としては、例えばガラス基板（石英基板）などの無機材料からなる基板が用いられる。基板２の厚さは、例えば０．７ｍｍ程度である。この基板２の一面側に回折構造部３が設けられている。また、基板２の他面は図示のように平面である。
【００３０】
回折構造部３は、基板２の一面側に設けられている。この回折構造部３は、交互に配列された複数の凹部３ａ及び凸部３ｂを含む。なお、図中では便宜上、各１つずつの凹部３ａおよび凸部３ｂについて符号を付している。これらの凹部３ａおよび凸部３ｂからなる回折構造部３は図示のようにその断面形状が矩形である。なお、多少のテーパを有する形状であってもよい。本実施形態では、回折構造部３は、基板２の一面側を加工することによって形成されている。すなわち、基板２と回折構造部３とは一体に構成されている。
【００３１】
グリッド部４は、基板２の一面側であって回折構造部３の上面に沿って設けられている。このグリッド部４は、一方向に延在する複数の細線（微細ワイヤー）４ａを含む。なお、図中では便宜上、１つの細線４ａについてのみ符号を付している。各細線４ａは、例えばアルミニウム等の金属膜である。
【００３２】
光減衰部５は、基板２の各端部に設けられている。この光減衰部５は、例えば暗色の樹脂膜である。この光減衰部５には、回折構造部３において生じ、基板２の他面と空気との界面において全反射された回折光が入射する。光減衰部５は、この入射した回折光を吸収し、あるいはその強度を減衰させる。なお、光減衰部５は、基板２の各端部に接して配置される場合のほか、図２に示すように基板２の各端部と離間した位置に設けられてもよい。
【００３３】
図３は、光学素子の他の態様を説明する模式断面図である。図３に示す光学素子１ａは、図１に示した光学素子１と同様の構成を有し、更に基板２の他面上に反射防止膜６を有する。この反射防止膜６は、例えば誘電体多層膜である。なお、反射防止膜６以外の構成要素については図１における光学素子１と共通の符号を付しており、それらについての説明を省略する。反射防止膜６を有することにより、基板２の他面側から入射する光の一部成分が反射することを抑制できる。
【００３４】
図４は、光学素子の他の態様を説明する模式断面図である。図４に示す光学素子１ｂは、図１に示した光学素子１と同様の構成を有し、基板２の各端部に光減衰部５ａとして、ＡＲフィルム等からなる反射防止膜が設けられている。ここでは、各端部と離間した位置に光減衰部５ａを通った光を吸収する光吸収部材５ｂが設けられている。反射防止膜を設けた場合には、端部と空気との界面において光の反射率が格段に低くなるので、この界面で反射した光の強度が反射前に比べて減衰される。これにより、端部の界面で反射した光が、グリッド部４に再度入射することが格段に低減される。また、光減衰部５ａを通った光は光吸収部５ｂに吸収され、この光が迷光になることが防止される。光吸収部材５ｂとしては、放熱板等の冷却手段を有するものであってもよく、これにより光の吸収による熱を管理して逃がすことができる。
【００３５】
図５は、光学素子の他の態様を説明する模式断面図である。図５に示す光学素子１ｃは、図１に示した光学素子１と同様の構成を有し、基板２の回折構造部３側に平坦化膜３ｃが設けられている。平坦化膜３ｃは、凹部３ａと凸部３ｂとの段差を平坦化するものであり、ここでは凹部３ａ、凸部３ｂ、細線４ａを覆って設けられている。平坦化膜３ｃは、例えば塗布法等の液相法を用いてＳＯＧ（Ｓｐｉｎ  Ｏｎ  Ｇｌａｓｓ）やポリシラザン等を成膜することにより形成されている。平坦化膜３ｃは、基板２と屈折率が略同一のものであり、光学素子１ｂを透過する光は、凹部３ａと凸部３ｂとの段差に影響されなくなる。これにより、光学素子１ｂを透過する光がほとんど回折されなくなるので、光の利用効率をより高めることが可能となる。
【００３６】
図６は、グリッド部４の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。この図６に基づいてグリッド部４の有する機能を説明する。グリッド部４への入射光８０は、各細線４ａの延在方向（長軸方向）と平行な偏光軸を有する成分ｐ（ＴＥ偏光成分）が反射され、各細線４ａの延在方向と直交する偏光軸を有する成分ｓ（ＴＭ偏光成分）が透過する。すなわち、グリッド部４は入射光８０を互いに偏光状態の異なる反射光８０ｒと透過光８０ｔとに分離する機能（偏光分離機能）を有する。本実施形態の光学素子１は、このような偏光分離機能を果たすグリッド部４が基板２の一面側に設けられている。
【００３７】
図７は、回折構造部３の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。図７（Ａ）に示すように、回折構造部３は、一方向（図示のＹ方向）に延在する複数の凹部３ａおよび凸部３ｂを有する。これらの凹部３ａおよび凸部３ｂは、図示のようにストライプ形状となっており、Ｘ方向に沿って周期的に配列されている。なお、各凹部３ａおよび凸部３ｂは図７（Ａ）に示したような一次元状の配列に限定されず、例えば図７（Ｂ）に示すように各凹部３ａおよび凸部３ｂが二次元状に配列されていてもよい。
【００３８】
図８は、回折構造部３およびグリッド部４の一部を拡大して示した模式断面図である。この図８に基づいて回折構造部３およびグリッド部４の構造を更に詳細に説明する。図示のように、回折構造部３の各凸部３ｂの相互間隔（凹凸構造の周期）をδ（ｎｍ）、グリッド部４の各細線４ａの相互間隔（グリッド周期）をｄ（ｎｍ）、入射光の波長をλ（ｎｍ）、基板２の構成材料の屈折率をｎ、基板２の周囲の空気の屈折率をｎair（＝１）、とする。本実施形態の光学素子１においては、この入射光の波長λと回折構造およびグリッド構造との間には以下の関係がある。
ｄ＜λ  かつ  λ／ｎ＜δ≦λ              （１）
【００３９】
例えば、入射光の波長がλ＝６００ｎｍ、基板２の構成材料の屈折率がｎ＝１．５（例えば、ＳｉＯ２の場合）である場合、上記（１）の関係を満たすためには、例えばグリッド周期をｄ＝１４０ｎｍ、凹凸構造の周期をδ＝６００ｎｍ、と設定することができる。また、基板２の周囲に部材を設ける場合には、この部材の屈折率に対する基板２の構成材料の屈折率の比をｎ（＞１）として、グリッド周期、及び凹凸構造の周期を設定することができる。このような光学素子１に対して基板２の他面２ｂから入射した光は、グリッド部４の作用によって偏光分離される。すなわち、上記のようにＴＥ偏光成分は反射され、ＴＭ偏光成分は基板２を透過する。また、これと併せて回折構造部３の作用により、ＴＥ偏光成分は大きな角度で回折される。この回折されたＴＥ偏光成分は、空気と基板２との界面で全反射を生じることにより、基板２の内部を伝搬して基板２の端部へ進行する。上記のように基板２に光減衰部５が設けられている場合には、この基板２内部を伝搬したＴＥ偏光成分は光減衰部５によって吸収され、又は強度が低下する。このように回折によって生じたＴＥ偏光成分が基板２と空気との界面において全反射を生じるための条件、すなわち上記（１）式の条件について次に詳述する。
【００４０】
（Ａ）λ／ｎ＜δの関係の導出
基板２の内部へｍ次の回折光が存在するためには、以下の関係式を満足する必要がある。
ｓｉｎθm＝ｍλ／（ｎδ）＜１              （２）
ただし、図示のように基板２の内部での回折角をθmとする。また、上記のようにλは空気中での入射光の波長、ｎは基板２の構成材料の屈折率、δは凹凸構造の周期である。基板２の内部へ全ての回折光を閉じこめるとした場合、上記の（２）式において回折次数をｍ＝１とする。これにより、下記の（３）式が導かれる。
λ／ｎ＜δ              （３）
（Ｂ）δ≦λの関係の導出
基板２の内部へｍ次の回折光を閉じこめるには、回折角θmが臨界角θc（全反射が起こる角度）よりも大きいこと、すなわち基板２と空気との界面におけるｍ次の回折光の入射角θiが臨界角θcよりも大きいことが必要である。そのためには、以下の式を満足する必要がある。
ｓｉｎθm＝ｍλ／（ｎδ）≧ｓｉｎθc                （４）
基板２の内部へ全ての回折光を閉じこめるとした場合、上記の（４）式において回折次数をｍ＝１とする。これにより、下記の（５）式が導かれる。
δ≦λ／（ｎｓｉｎθc）                （５）
全反射条件では、ｎｓｉｎθc＝１であるから、上記の（５）式は以下のようになる。
δ≦λ              （６）
以上の（３）式および（６）式から、λ／ｎ＜δ≦λの関係が導かれる。
【００４１】
なお、１次の回折光の回折角θｍと臨界角θｃとを一致させるのも好ましい。具体的には、以下のようになる。
ｓｉｎθm＝ｍλ／（ｎδ）＝ｓｉｎθc              （７）
全反射条件では、ｎｓｉｎθc＝１であるから、ｍ＝１として、上記の（７）式は以下のようになる。
δ＝λ              （８）
すなわち、入射光の波長λと回折構造部３の凹凸構造の周期δとを等しくすることにより、１次の回折光の回折角θmと臨界角θcとを一致させることができる。
【００４２】
上記の説明は、入射媒質が空気である場合について行ったが、入射媒質が空気と異なる場合に基板２の内部へｍ次の回折光を閉じこめる条件は以下のようになる。
入射媒質が空気と異なる場合にも、基板２の内部へｍ次の回折光を閉じこめるには回折角θmが臨界角θcよりも大きいことが必要であり、上記の（４）式、（５）式を満たす必要がある。入射媒質が空気と異なる場合には、全反射条件が入射媒質の屈折率ｎｓを用いてｎｓｉｎθc＝ｎｓで表される。したがって、全反射条件と（５）式から以下の関係が導かれる。
δ≦ｍλ／ｎｓ              （９）
【００４３】
このように、入射媒質が空気と異なる場合には、（９）式を用いて凹凸構造の周期の上限を設定することができる。すなわち、（９）式でｍ＝１とおいてσ≦λ／ｎｓの関係を満たす必要があることが分かる。
【００４４】
次に、回折構造部３の凹凸構造の深さ（凹部３ａと凸部３ｂとの段差）についての好適な条件を説明する。図８に示すように凹凸構造の深さをｇとする。また、光学素子１に対する入射光が基板２の他面２ｂに対して垂直となる状況を考える。他面２ｂで反射した偏光の強度に占めるｍ次回折光の強度をｍ次の反射回折効率とする。
【００４５】
ＴＥ偏光成分の０次の反射回折成分は、反射により１８０°折り返されて入射時と同じ光軸に沿って光学素子１から射出される。この成分を最小とする観点から、ＴＥ偏光成分の０次の反射回折効率が最小となることが好ましいと考えられる。凹凸構造の周期が波長に比べて十分大きいと仮定しスカラー領域で近似を行うと、反射回折効率の偏光依存性が無視できる。０次反射回折効率が最小となる場合の深さｇ（以下、便宜上「ｇｈ」とする）は、ＴＥ偏光成分及びＴＭ偏光成分のいずれについても、以下の式で表される。
ｇｈ＝λ/4n…                （１０）
一方、凹凸構造の周期が波長に比べて同程度以下である場合には、反射回折効率の偏光依存性が大きくなるため、ベクトル領域での考察が必要になる。
【００４６】
図９は、偏光を考慮した厳密結合波解析の手法を用いて、凹凸構造の深さに対する反射回折効率の厳密解を求めた結果を示すグラフである。図９（Ａ）には、他面２ｂに対してほぼ垂直に入射したＴＥ偏光成分の反射回折効率を示しており、図９（Ｂ）には、他面２ｂに対してほぼ垂直に入射したＴＭ偏光成分の反射回折効率を示している。なお、図９（Ａ）、（ｂ）は、λ＝６３３ｎｍ、ｎ＝１．４６に対する解の例である。
【００４７】
ＴＥ偏光成分の０次の反射回折効率が極小となるｇの値として、（１０）式から計算される値はｇ＝１０８ｎｍ程度であるのに対して、図９（Ａ）のグラフから得られる値は１９０ｎｍ程度である。
ＴＭ偏光成分の０次の反射回折効率が極小となるｇの値として、（１０）式から計算される値はｇ＝１０８ｎｍ程度であるのに対して、図９（Ｂ）のグラフから得られる値は１００ｎｍ程度である。
【００４８】
以上のように、凹凸構造の周期が波長に比べて同程度以下である場合には、ベクトル領域での考察結果に基づいてｇを設定すればよいことが分かる。
【００４９】
反射光の回折効果が最大となる場合の深さｇ（以下、便宜上「ｇｒ」とする）は近似的に以下の式で与えられる。
ｇｒ＝(2m+1)λ/4n：  m=0,1,2,…                （１１）
他方、透過光の回折効果が最大となる場合の深さｇ（以下、便宜上「ｇｔ」とする）は近似的に以下の式で与えられる。
ｇｔ＝(2m+1)λ/2(n-1)：  m=0,1,2,…                （１２）
上記の（１１）式および（１２）式から、反射光の回折効果が最大となる深さｇｒと透過光の回折効果が最大となる深さｇｔとは異なることが分かる。したがって、回折構造部３の深さｇをｇｒに等しくすれば、透過光の回折効果を十分に抑えることが可能である。例えば、λ＝６００ｎｍの場合、ｍ＝０に対して、ｇｒ＝１００ｎｍ、ｇｔ＝６００ｎｍとなる。ただし、屈折率ｎが１．５であるとする。そこで、例えば回折構造部３の深さｇをｇｒに等しい１００ｎｍと設定したとすると、透過光量の９６％が非回折成分とすることができる。例えば、この光学素子１の後段にレンズを配置した場合であれば、ほぼ全ての光をこのレンズへ入射させることができる。
【００５０】
図１０は、回折構造部３とグリッド部４を部分的に拡大して示す模式斜視図である。この図に基づき、回折構造部３とグリッド部４との配置関係について説明する。回折構造部３とグリッド部４との相互の配置関係は、例えば図１０（Ａ）に示すような態様とすることができる。具体的には、図１０（Ａ）に示す例では、回折構造部３の各凹部３ａおよび各凸部３ｂはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの凹部３ａおよび凸部３ｂはＸ方向に沿って交互に配置されている。同様に、グリッド部４の各細線４ａはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの細線４ａはＸ方向に沿って交互に配置されている。すなわち、各凹部３ａおよび各凸部３ｂの延在方向と細線４ａの延在方向とが平行である。
【００５１】
また、回折構造部３とグリッド部４との相互の配置関係は、図１０（Ｂ）や図１０（Ｃ）に示すように、各凹部３ａおよび各凸部３ｂの延在方向と各細線４ａの延在方向とがある角度で交差するようにすることも好ましい。具体的には、図１０（Ｂ）に示す例では、回折構造部３の各凹部３ａおよび各凸部３ｂはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの凹部３ａおよび凸部３ｂはＸ方向に沿って交互に配置されている。これに対して、グリッド部４の各細線４ａはそれぞれ図示のＹ方向に対してほぼ４５°の角度で交差した方向に沿って延在しており、かつこれらの細線４ａは当該交差方向と直交する方向に沿って交互に配置されている。図１０（Ｃ）に示す例では、回折構造部３の各凹部３ａおよび各凸部３ｂはそれぞれ図示のＹ方向に沿って延在しており、かつこれらの凹部３ａおよび凸部３ｂはＸ方向に沿って交互に配置されている。これに対して、グリッド部４の各細線４ａはそれぞれ図示のＹ方向に対してほぼ９０°の角度で交差した方向（すなわちＸ方向）に沿って延在しており、かつこれらの細線４ａは当該交差方向と直交する方向（すなわちＹ方向）に沿って交互に配置されている。このように、各凹部３ａおよび凸部３ｂと各細線４ａとの間を交差させることにより、各凹部３ａと各凸部３ｂとの段差の近傍における細線４ａの形成がより容易となる。各凹部３ａおよび各凸部３ｂの延在方向と各細線４ａの延在方向との交差角度は適宜設定すればよい。上記の一例とした交差角度である４５°および９０°は、光学系一般においてよく用いられる角度であるために好ましい。
【００５２】
本実施形態の光学素子１は以上のような構成を有しており、次にこの光学素子１の製造方法の一例について説明する。
図１１および図１２は、光学素子１の製造方法の一例を示す模式工程図である。光学素子１の断面の一部が拡大して示されている。
【００５３】
まず、基板２の一面に凹部３ａおよび凸部３ｂからなる回折構造部３が形成される（図１１（Ａ））。本工程は、例えば周知のフォトリソグラフィ技術およびエッチング技術を用いて実現できる。具体的には、基板２の一面上に感光膜（レジスト膜等）を形成しておき、各凹部３ａおよび凸部３ｂに対応した露光パターンを有する露光マスクを用いてこの感光膜を露光し、現像する。その後、この現像後の感光膜をエッチングマスクとして用いて、ドライエッチングまたはウェットエッチングを行う。それにより、露光マスクのパターンが基板２の一面に所定の凹凸形状が形成される。ここで、基板２は、例えば上記のようにガラス基板であり、その板厚は例えば０．７ｍｍである。また、凹部３ａと凸部３ｂとの段差（すなわち回折構造部３の深さｇ）は、例えば上記のように１００ｎｍである。この深さｇは、エッチング時間等によって制御する。
【００５４】
次に、基板２の一面上に、各凹部３ａおよび凸部３ｂを覆う金属膜７が形成される（図１１（Ｂ））。この金属膜７は、後の工程において加工され、上記のグリッド部４を構成する各細線４ａとなるものである。金属膜７は、例えばアルミニウム膜、銀膜、ニッケル膜などであり、その膜厚は例えば１２０ｎｍ程度である。このような金属膜７は、例えば真空蒸着法やスパッタリング法などの物理気相堆積法を用いて形成することができる。
【００５５】
次に、基板２の一面上に、金属膜７を覆う反射防止膜８が形成される（図１１（Ｃ））。この反射防止膜８は、後の工程において感光膜を露光する際に露光精度を向上する目的で用いられる。このような反射防止膜８としては、例えばＳｉＯＮ（酸化窒化硅素）膜、ＳｎＯ（酸化錫膜）、ＩＴＯ（インジウム錫酸化物）膜などが適している。反射防止膜８の膜厚は、例えば数十ｎｍ程度である。ある膜が反射防止膜として利用できるかどうかはその膜の材料が有する複素屈折率に依存し、例えば、複素屈折率の実部の値が＋１．４以上、複素屈折率の虚部の値が−０．１〜−１．５くらいであることが望ましい。
【００５６】
次に、基板２の一面上に、反射防止膜８（又は金属膜７）を覆う感光膜９が形成される（図１１（Ｃ））。感光膜９は、例えばネガ型またはポジ型のレジスト膜である。感光膜９は、例えばスピンコート法を用いて形成することができる。この感光膜９の膜厚は適宜設定すればよいが、少なくとも各凹部３ａおよび凸部３ｂに重畳する領域を全て覆い、かつ図示のように膜表面がほぼ平坦となるようにすることが望ましい。この場合、回折構造部３の上部（凸部３ｂに対応する領域）における感光膜９の膜厚と回折構造部３の下部（凹部３ａに対応する領域）における感光膜９の膜厚との差は、上記した回折構造部３の深さｇとほぼ等しい。
【００５７】
次に、基板２の一面上に形成された感光膜９に対して、レーザー干渉露光が行われる（図１２（Ａ））。レーザー干渉露光に用いられる光源としては、例えば波長２６６ｎｍの連続発振ＤＵＶ（Deep Ultra Violet）レーザーが挙げられる。このレーザーから出力されるレーザー光を適宜２本のレーザー光に分岐し、図示のように所定の角度θLで交叉させる。それにより、周期的な明暗からなる干渉縞を含む光（干渉光）が発生する。干渉縞のピッチ（明暗の周期）は上記の交叉角度θLによって決まる。例えば、交叉角度θLを７２°に設定することにより、干渉縞のピッチを１４０ｎｍとすることができる。このような干渉光を感光膜９に照射することにより、感光膜９には干渉縞のピッチに対応した潜像パターンが形成される。このとき、上述したように感光膜９の下側に反射防止膜８が設けられていることにより、レーザー光が金属膜７によって反射され、露光精度が低下するという不都合を回避することができる。
【００５８】
次に、干渉光を用いて潜像パターンが形成された感光膜９が現像される（図１２（Ｂ））。それにより、図示のように干渉縞のピッチに対応した周期を有する感光膜パターン９ａが形成される。例えば、干渉縞のピッチを１４０ｎｍとした場合には、この感光膜パターン９ａの周期も概ね１４０ｎｍとなる。
【００５９】
次に、感光膜パターン９ａをマスクとしてエッチング（例えば、ドライエッチング）が行われる（図１２（Ｃ））。それにより、図示のように感光膜パターン９ａのパターンが反射防止膜８に転写され、更に当該パターンが金属膜７に転写される。その後、感光膜パターン９ａおよび反射防止膜８が除去される。それにより、図示のように基板２の一面上に、回折構造部３の各凹部３ａおよび凸部３ｂの表面に沿ってグリッド部４（すなわち、各細線４ａ）が形成される。
【００６０】
なお、上述の製造方法においては、反射防止膜８と金属膜７との間に極薄い膜厚（例えば、２０ｎｍ程度）のＳｉＯ２膜を設けておくことも好ましい。それにより、金属膜７に対するエッチング選択比をより向上させることが可能となり、感光膜９をより薄くすることができる。このことは、潜像パターンが浅くなることを意味し、安定した露光を行う点でより有利になる。この場合には、上記の反射防止膜８を形成する工程の後、金属膜７を形成する工程に先だって、ＳｉＯ２膜を形成する工程を行えばよい。ＳｉＯ２膜は、例えば化学気相堆積法によって形成することができる。また、プロセス条件等によっては反射防止膜８を省略することもできる。
【００６１】
上記した本実施形態の光学素子１は、種々の液晶装置に組み込んで用いることができる。以下、液晶装置の一例として、液晶ライトバルブについて説明する。
【００６２】
図１３は、本実施形態に係る光学素子を含んで構成される液晶装置の構成例を示す模式図である。図１３（Ａ）には液晶ライトバルブ（液晶装置）７０の概略斜視図を示しており、図１３（Ｂ）には液晶装置７０の要部断面図を示している。
【００６３】
図１３（Ａ）に示すように液晶ライトバルブ７０は、入射側に配置される第１基板７１と、射出側に配置される第２基板７２とを備えている。図１３（Ｂ）に示すように、第１基板７１と第２基板７２との間には、液晶層７３が設けられている。第２基板７２における液晶層７３と反対側には、シール材７２５を介して光学素子７２７が接合されている。光学素子７２７は、本実施形態に係る光学素子を含んで構成されている。シール材７２５は、第２基板７２の周縁部と平面的に重ね合わされる枠状のものである。第２基板７２と光学素子７２７との間において、枠状のシール材７２５に囲まれる領域は間隙７２６になっている。間隙７２６は気密封止されており、ここに塵埃が侵入しないようになっている。
【００６４】
第１基板７１は、ガラスや石英等からなる透明基板７１Ａを基体にして形成されている。透明基板７１Ａの液晶層７３側には共通電極７１１が設けられている。共通電極７１１と液晶層７３との間には、液晶層７３の配向状態を制御する配向膜７１２が設けられている。透明基板７１Ａにおける液晶層７３と反対側には、偏光板７１３が設けられている。
【００６５】
第２基板７２は、例えばアクティブマトリクス型のものであり、ガラスや石英等からなる透明基板７２Ａを基体にして形成されている。透明基板７２Ａの液晶層７３側には、スイッチング素子として機能する薄膜トランジスタ（以下、ＴＦＴと称す）７２１が設けられている。
【００６６】
ＴＦＴ７２１は、例えば多結晶シリコン技術を用いて形成されている。ＴＦＴ７２１のソース領域は、データ線（図示略）を介して、画像信号を供給する信号源と電気的に接続されている。ＴＦＴ７２１のゲート電極は、走査線（図示略）を介して、走査信号を供給する信号源と電気的に接続されている。
【００６７】
ＴＦＴ７２１を覆って層間絶縁膜７２２が設けられており、層間絶縁膜７２２において画素と重なる部分には島状の画素電極７２３が設けられている。層間絶縁膜７２２には、コンタクトホールが設けられており、画素電極７２３はコンタクトホールを介してＴＦＴ７２１のドレイン領域と電気的に接続されている。画素電極７２３と液晶層７３との間には、液晶層７３の配向状態を制御する配向膜７２４が設けられている。透明基板７２Ａにおける液晶層７３と反対側には、間隙７２６を介して光学素子７２７が設けられている。光学素子７２７は、ＴＥ偏光成分の０次の反射回折効率が最小となるように凹凸の深さが調整されている。
【００６８】
以上のような構成の液晶ライトバルブ７０において、ＴＦＴ７２１のゲート電極に走査信号が供給されるとＴＦＴ７２１がオンになる。ＴＦＴ７２１がオンになると、データ線及びＴＦＴ７２１を介して、画像信号が画素電極７２３に伝達される。すると、画素電極７２３と共通電極７１２との間に画像信号に応じた電圧が印加され、画素ごとに液晶層７３に電界が印加される。これにより、液晶層７３の液晶分子の方位角が、印加された電界に応じて制御される。
【００６９】
一方、図示略の光源から第１基板７１に入射した光は、偏光板７１３を通ることにより、所定の偏光（例えば、直線偏光）になって液晶層７３に入射する。液晶層７３に入射した光は、液晶分子の方位角に応じて偏光状態が変化し、例えば液晶層に入射時と異なる方向の直線偏光になって第２基板７２に入射する。第２基板７２に入射した光は、間隙７２６を通って光学素子７２７に入射する。光学素子７２７に入射した光のＴＥ偏光成分は光学素子７２７で反射し、そのＴＭ偏光成分は７２７を透過する。光学素子７２７を通った光は、ＴＭ偏光成分が分離されることにより画像信号に応じた階調の光となる。
【００７０】
光学素子７２７で反射したＴＥ偏光成分は、上記のように０次の回折光の強度が最小となるようにされている。また、１次以上の回折光が、間隙７２６と光学素子７２７との界面で全反射する。以上のように、ＴＥ偏光成分のうちのほとんどは、間隙７２６を通ることが防止されており、ＴＥ偏光成分に起因する反射光が第２基板７２に再度入射することが格段に低減される。したがって、ＴＦＴ７２１に反射光が入射することにより誤作動を生じることや、第１基板７１と第２基板７２との間に反射光が吸収されることにより発熱を生じること、光源から第１基板７１に入射する光と反射光とが干渉することによるコントラスト低下等の悪影響が回避される。
【００７１】
また、第２基板７２と光学素子７２７との間の間隙７２６が気密封止されており、ここに塵埃が侵入しないので、塵埃により間隙７２６を通る光に影を生じることが防止される。したがって、塵埃の侵入を防止する防塵ガラス等を設ける必要がなくなり、液晶ライトバルブ７０を小型化することが可能になる。また、第２基板７２と光学素子７２７とが間隙７２６を介していることにより、光学素子７２７の熱が第２基板７２にほとんど伝播しなくなり、液晶ライトバルブ７０の耐熱性が向上する。
なお、上記ではＴＥ偏光を反射させＴＭ偏光を画像形成に用いる場合の構成について述べたが、ＴＭ偏光を反射させＴＥ偏光を画像形成に用いる構成も可能である。また、本発明の光学素子を適用可能な液晶装置としては、上記の液晶ライトバルブの他に、直視型の液晶表示装置に用いられる液晶装置が挙げられる。
【００７２】
上記した本実施形態の光学素子１は、種々の光学装置に組み込んで用いることもできる。以下、光学装置の一例として、液晶ライトバルブを用いた投写型の表示装置（液晶プロジェクタ）について説明する。なお、本例では上記の液晶装置と異なり、液晶ライトバルブと独立して光学素子１が設けられている。
【００７３】
図１４は、本実施形態に係る光学素子を含んで構成される投写型の表示装置の構成例を示す模式図である。図１４では原理的な構成を説明するために１つの光学系のみを示している。図１４に示す表示装置は、水銀ランプ等の光源５０、光学素子５１、液晶ライトバルブ（液晶パネル）５２、光学素子５３、瞳５４ａ、投射レンズ５４、を含む。図中の１点鎖線は、光源５０から出力される光の光路を示している。この光路上に、光学素子５１、液晶ライトバルブ５２、光学素子５３、投射レンズ５４が順に配置されている。この表示装置において、少なくとも光学素子５３として本実施形態に係る光学素子が用いられる。
【００７４】
光学素子５１は、偏光分離機能を有する素子である。すなわち、光源５０から出力された光がこの光学素子５１に入射すると、一方の偏光成分だけが透過し、他方の偏光成分は透過しない。光学素子５１は、例えば樹脂を一軸延伸する等によって得られる高分子タイプの偏光板である。また、光学素子５１は、上記のグリッド部のような微細な多数の細線を透明基板上に設けたものであってもよい。このような構造の光学素子は、耐光性に優れており、入射光のうち各細線と平行な偏光成分を反射し、各細線と直交する偏光成分を透過させる。
【００７５】
液晶ライトバルブ５２は、対向配置された２つの透明基板間に液晶材料（液晶層）が配置されている。この液晶ライトバルブ５２は、各透明基板に設けられた電極を通じて液晶材料に適宜電圧を印加することにより、液晶分子の配向状態が制御される。この液晶分子の配向状態を制御することにより、光学素子５１を透過した光の偏光状態を適宜変化させることができる。この光の偏光状態の変化に基づいて、スクリーン６０に投射されるべき画像が形成される。すなわち、液晶ライトバルブ５２は、光変調装置（光変調手段）としての機能を果たす。
【００７６】
光学素子５３は、上記したように本実施形態に係る光学素子である。この光学素子５３は、回折構造部およびグリッド部（図示を省略）が設けられた一面５３ａが光路の後段側に配置され、これらの回折構造部等が設けられていない他面５３ｂが光路の前段側（光源５０側）に配置される。このように配置することにより、液晶ライトバルブ５２を透過した光のうち、ＴＥ成分が上述したようにして回折および全反射し、光学素子５３の基板中を基板端部へ向かって伝搬する。それにより、液晶ライトバルブ５２への戻り光が著しく軽減され、液晶ライトバルブ５２の誤動作等の不具合を防止することが可能となる。
【００７７】
なお、上記の光学素子５１についても本実施形態に係る光学素子が用いられてもよい。その場合には、光学素子５３と同様に配置される。すなわち、この場合の光学素子５１は、回折構造部およびグリッド部（図示を省略）が設けられた一面５１ａが光路の後段側（液晶ライトバルブ５２側）に配置され、これらの回折構造部等が設けられていない他面５１ｂが光路の前段側（光源５０側）に配置される。
【００７８】
これらの光学素子５１、液晶ライトバルブ５２および光学素子５３によって形成された画像は、瞳５４ａを介して投射レンズ５４に入射し、投射レンズ５４によって拡大されてスクリーン６０に結像する。それにより、拡大された画像がスクリーン６０上に表示される。
【００７９】
図１５は、図１４に示す光学系の変形例である。なお、各図において共通する構成要素については同符号を付しており、それらの説明は省略する。図１５に示す投写型の表示装置においては、フィールドレンズ５５が更に追加されている。このフィールドレンズ５５は、光路上における光学素子５３の後段側であって投射レンズ５４よりも前段側に（すなわち、光学素子５３と投射レンズ５４の間に）配置されている。このようなフィールドレンズ５５を用いることによって、より多くの透過回折光を投射レンズ５４の瞳５４ａへ集めることが可能となる。よって、スクリーン６０上における画像の明るさ（輝度）をより高めることが可能となる。
【００８０】
次に、上記した投写型の表示装置の更なる応用例として、３つの光学系を有する投写型の表示装置の構成例を説明する。なお、以下の各応用例において、上記図１４に示した表示装置と共通する構成要素については同符号を付し、それらの詳細な説明は省略する。
【００８１】
図１６は、３つの光学系を有する投写型表示装置の構成例を示す模式図である。図１６に示す投写型の表示装置は、図示のように、プリズム（光合成手段）５６の有する４面のうち、１つの面に光学素子５１Ｂ、液晶ライトバルブ５２Ｂ及び光学素子５３Ｂが対向配置され、他の１つの面に光学素子５１Ｇ、液晶ライトバルブ５２Ｇ及び光学素子５３Ｇが対向配置され、他の１つの面に光学素子５１Ｒ、液晶ライトバルブ５２Ｒ及び光学素子５３Ｒが対向配置されている。
【００８２】
この投写型表示装置においては、光源５０から出力された光はダイクロイックミラー５８ａに入射する。この入射光のうち、青色成分は透過し、残りの成分は反射される。透過した青色成分（以下「青色光」という。）は、ミラー５７ａによって反射され、光学素子５１Ｂに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｂによって適宜変調され、光学素子５３Ｂを通過してプリズム５６の１つの面に入射する。また、ダイクロイックミラー５８ａによって反射された光成分はダイクロイックミラー５８ｂに入射する。この入射光のうち、赤色成分は透過し、緑色成分は反射される。透過した赤色成分（以下「赤色光」という。）は、各ミラー５７ｂ、５７ｃによって反射され、光学素子５１Ｒに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｒによって適宜変調され、光学素子５３Ｒを通過してプリズム５６の他の１面に入射する。反射した緑色成分（以下「緑色光」という。）は、光学素子５１Ｇに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｇによって適宜変調され、光学素子５３Ｇを通過してプリズム５６の他の１面に入射する。プリズム５６の３面にそれぞれ入射した青色光、緑色光、赤色光は、プリズム５６によって合成され、当該プリズム５６の他の１面から出射する。この出射した合成光が投射レンズ５５によって拡大され、スクリーン６０上に投射される。
【００８３】
なお、図１５に示す光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂが上記実施形態の光学素子５１に相当し、液晶ライトバルブ５２Ｒ、５２Ｇ、５２Ｂが上記実施形態の液晶ライトバルブ５２に相当し、光学素子５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂが上記実施形態の光学素子５３に相当する。各光学素子５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂは、それぞれ回折構造部およびグリッド部が設けられる一面側が光路上の後段側（プリズム側）に配置され、他面側が光路上の前段側（液晶ライトバルブ側）に配置される。また、各光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂにも回折構造部等を設ける場合には、各光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは、それぞれ回折構造部およびグリッド部が設けられる一面側が光路上の後段側（液晶ライトバルブ側）に配置され、他面側が光路上の前段側（ミラー又はダイクロイックミラー側）に配置される。
【００８４】
図１７は、３つの光学系を有する投写型表示装置の他の構成例を示す模式図である。この構成例は、上記図１２に示した投写型表示装置とは異なり、プリズムを用いないで構成された投写型表示装置である。
【００８５】
この投写型表示装置においては、光源５０から出力された光はダイクロイックミラー５８ａに入射する。この入射光のうち、赤色成分のみが反射され、残りの各成分は透過する。透過した各成分は、ダイクロイックミラー５８ｂに入射する。この入射光のうち、緑色成分（緑色光）は反射され、青色成分（青色光）は透過する。透過した青色光は光学素子５１Ｂに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｂによって適宜変調され、光学素子５３Ｂを通過してミラー５７ｂに入射する。ミラー５７ｂに入射した青色光は反射され、ダイクロイックミラー５８ｄに入射し、当該ダイクロイックミラー５８ｄによって反射され、投射レンズ５５に入射する。また、ダイクロイックミラー５８ａによって反射された赤色光はミラー５７ａに入射し、反射される。この反射された赤色光は光学素子５１Ｒに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｒによって適宜変調され、光学素子５３Ｒを通過してダイクロイックミラー５８ｃに入射する。ダイクロイックミラー５８ｃに入射した赤色光は、当該ダイクロイックミラー５８ｃを透過してダイクロイックミラー５８ｄに入射する。ダイクロイックミラー５８ｄに入射した赤色光は当該ダイクロイックミラー５８ｄを透過し、投射レンズ５５に入射する。また、ダイクロイックミラー５８ｂによって反射された緑色光は光学素子５１Ｇに入射し、液晶ライトバルブ５２Ｇによって適宜変調され、光学素子５３Ｇを通過してダイクロイックミラー５８ｃに入射する。ダイクロイックミラー５８ｃに入射した緑色光は当該ダイクロイックミラー５８ｃに反射され、ダイクロイックミラー５８ｄに入射し、当該ダイクロイックミラー５８ｄを透過し、投射レンズ５５に入射する。このようにして最終的に合成され、投射レンズ５５に入射した合成光（青色光、緑色光、赤色光の合成光）が投射レンズ５５によって拡大され、スクリーン６０上に投射される。
【００８６】
本例においても、光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂが上記実施形態の光学素子５１に相当し、液晶ライトバルブ５２Ｒ、５２Ｇ、５２Ｂが上記実施形態の液晶ライトバルブ５２に相当し、光学素子５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂが上記実施形態の光学素子５３に相当する。各光学素子５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂは、それぞれ回折構造部およびグリッド部が設けられる一面側が光路上の後段側（ミラー又はダイクロイックミラー側）に配置され、他面側が光路上の前段側（液晶ライトバルブ側）に配置される。また、各光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂにも回折構造部等を設ける場合には、各光学素子５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂは、それぞれ回折構造部およびグリッド部が設けられる一面側が光路上の後段側（液晶ライトバルブ側）に配置され、他面側が光路上の前段側（ミラー又はダイクロイックミラー側）に配置される。
【００８７】
なお、上記図１６、図１７に示す実施形態の投写型表示装置においても、更にフィールドレンズを備えることも好ましい（図１５参照）。また、各実施形態の投写型表示装置において、光源５０はレーザー光源であってもよい。その場合、光の波長幅が極めて狭いため、本実施形態に係る光学素子による光の制御性が更に向上する。
【００８８】
また、各光学素子は、それぞれが対象とする光の波長λに応じて回折構造部およびグリッド部の構造が最適化されることも好ましい。例えば、上記図１６又は図１７に示す光学系において、青色光に対応する光学素子５３Ｂに対しては波長λを４５０ｎｍ、緑色光に対応する光学素子５３Ｇに対しては波長λを５５０ｎｍ、赤色光に対応する光学素子５３Ｒに対しては波長λを６５０ｎｍとして上記（１）式〜（１２）式の各関係式を適用することにより、各光学素子の構造を各波長ごとに最適化することができる。
【００８９】
このように、本実施形態の光学素子によれば、グリッド部の作用により入射光のうち一方の偏光成分が反射され、他方の偏光成分が透過する。また、この反射される偏光成分（反射光）は、回折構造部の作用により、十分に大きな角度で回折される。上記したパラメータの関係が満たされることにより、この回折された反射光は、基板の他面とその周囲の媒体（例えば空気）との界面において全反射され、基板中を伝搬し、基板端部へ向かう。したがって、本発明に係る光学素子を所望の光学系に用いた際には、グリッド部によって生じた反射光が光路の前段側へ戻ることがなく、不要な反射光による悪影響が抑制される。
【００９０】
また、本実施形態の投写型表示装置によれば、少なくとも液晶ライトバルブの後段側の光学素子として回折構造部とグリッド部とを有する上記の光学素子が用いられることにより、グリッド部による反射光が液晶ライトバルブへ入射することを回避できる。それにより、不要な光が入射することによって液晶ライトバルブの安定動作が妨げられることがない。また、複数の金属細線からなるグリッド部によって偏光分離素子として用いるので、耐光性に優れた表示装置を実現できる。よって、本発明によれば高性能な表示装置を提供することが可能となる。また、液晶ライトバルブの前段側の光学素子としても回折構造部とグリッド部とを有する上記の光学素子が用いられた場合には、更に高性能、高品質な表示装置を提供することが可能となる。
【００９１】
なお、本発明は上述した実施形態の内容に限定されず、本発明の要旨の範囲内において種々に変形して実施をすることが可能である。
【００９２】
例えば、上述した実施形態では、基板の一面側に対してエッチング等の加工を行うことによって回折構造部を形成していたが、他の製造方法を採用することも可能である。具体的には、基板の一面上にポリマー（高分子樹脂）膜を形成し、その後このポリマー膜に対してフォトマスク露光およびウェットエッチングを行うことによって、上記と同様な光学素子を形成することも可能である。この方法によって形成した光学素子の構造例を図１４に示す。図１８に示す光学素子１０１は、ガラス等の基板１０２の一面側に、ポリマー膜を用いて形成された回折構造部１０３が配置されている。回折構造部１０３は凹部１０３ａおよび凸部１０３ｂを含み、これらの凹部１０３ａおよび凸部１０３ｂの表面に沿って、複数の細線１０４ａからなるグリッド部１０４が配置されている。また、これ以外にも、型成形が可能な光屈折率ガラス（ｎ＝２．０程度）を用いて、回折構造部を有する基板を一体成形してもよい。この場合、屈折率が高いことにより、回折構造部の深さｇをより小さくすることが可能となるので、グリッド部を形成する上で好ましい。また、基板上に他の膜（例えば、ＳｉＯ２などの無機膜）を形成し、この膜を選択的にエッチングすることにより回折構造部を形成することもできる。この方法によって形成された光学素子の構造例を図１９に示す。図１９に示す光学素子１１１は、ガラス等の基板１１２の一面側に、ＳｉＯ２などの膜を用いて形成された回折構造部１１３が配置されている。回折構造部１１３は凹部１１３ａおよび凸部１１３ｂを含み、これらの凹部１１３ａおよび凸部１１３ｂの表面に沿って、複数の細線１１４ａからなるグリッド部１１４が配置されている。
【００９３】
また、上述した実施形態では、光学素子の用途の一例として投写型表示装置を例示していたが、本発明に係る光学素子の応用例はこれに限定されるものではない。投写型表示装置は本発明に係る光学素子を備える光学装置の一例に過ぎない。本発明に係る光学素子は、他にも例えば偏光分離層を必要とする液晶ディスプレイへも適用することが可能である。もちろん、本発明に係る光学素子の表示用途の光学装置に限定されず、偏光分離機能を必要とする種々の光学装置一般に対し、本発明に係る光学素子を用いることが可能である。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】一実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。
【図２】一実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。
【図３】一実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。
【図４】一実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。
【図５】一実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。
【図６】グリッド部の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。
【図７】回折構造部の一部を拡大して示した模式的な斜視図である。
【図８】回折構造部およびグリッド部の一部を拡大して示した模式断面図である。
【図９】凹凸構造の深さに対する反射回折効率を示すグラフである。
【図１０】回折構造部とグリッド部を部分的に拡大して示す模式平面図である。
【図１１】光学素子の製造方法の一例を示す模式工程図である。
【図１２】光学素子の製造方法の一例を示す模式工程図である。
【図１３】液晶装置の構成例を示す模式図である。
【図１４】投写型の表示装置の構成例を示す模式図である。
【図１５】投写型の表示装置の構成例を示す模式図である。
【図１６】３つの光学系を有する投写型表示装置の構成例を示す模式図である。
【図１７】３つの光学系を有する投写型表示装置の構成例を示す模式図である。
【図１８】他の実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。
【図１９】他の実施形態の光学素子の断面構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００９５】
１：光学素子、２：基板、３：回折構造部、３ａ：凹部、３ｂ：凸部、４：グリッド部、４ａ：細線、５：光減衰部、６：反射防止膜、７：金属膜、８：反射防止膜、９：感光膜、５０：光源、５１Ｒ、５１Ｇ、５１Ｂ：光学素子、５２Ｒ、５２Ｇ、５２Ｂ：液晶ライトバルブ、５３Ｒ、５３Ｇ、５３Ｂ：光学素子、５４：投射レンズ、５５：フィールドレンズ、５６：プリズム、７０：液晶ライトバルブ（液晶装置）、７１：第１基板、７２：第２基板、７３：液晶層、７２５：シール材、７２６：間隙、７２７：光学素子
【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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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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