(57)【要約】【課題】入射光の偏光状態に関わらず、印加電圧に応じて広い波長域にわたり光量を安定して高速に調整できる光変調液晶素子および可変光減衰器を実現する。【解決手段】入射光の互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光の偏光成分に対し、入射光の光軸を基準に互いに軸対称な方向に第１の直線偏光の光と第２の直線偏光の光を同じ角度だけ偏向する偏光分離素子と、第１の直線偏光および第２の直線偏光の透過光の偏光状態が印加電圧に応じて変化する反射型液晶素子とからなり、反射型液晶素子を構成する偏光変調素子と反射層のうち偏光変調素子は、電極付き基板間に液晶層が狭持され、電極間に印加される電圧に応じてリタデーション値が変化する液晶セルであり、入射光側より、偏光分離素子、偏光変調素子、反射層の順番で配置されたことを特徴とする光変調液晶素子。【選択図】図１２
2009294604.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の光強度を変調する光変調液晶素子であって、
前記光変調液晶素子は、偏光分離素子と、反射型液晶素子とで構成され、
前記偏光分離素子は、透光性基板上に複屈折性材料からなる断面がブレーズ形状またはブレーズ形状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状の複屈折性材料層と光学的に透明な光学材料層からなる偏光回折素子または、複屈折性材料の遅相軸が直交するように貼り合わされてなるウォラストンプリズムであり、
前記複屈折材料層のブレーズ形状または擬似ブレーズ形状を有する格子の長手方向、または前記ウォラストンプリズムの貼り合わせの界面の長手方向が、前記複屈折材料の遅相軸方向または進相軸方向と略一致し、
前記複屈折材料層の前記長手方向または前記ウォラストンプリズムの前記長手方向と平行する、偏光方向を第１の偏光方向、前記第１の偏光方向と直交する偏光方向を第２の偏光方向として、前記第１の偏光方向に対する前記複屈折材料層の屈折率と前記光学材料層の屈折率との差、または前記第１の偏光方向に対する前記ウォラストンプリズムの屈折率の差をΔｎ１（≠０）、前記第２の偏光方向に対する前記複屈折材料層の屈折率と前記光学材料層の屈折率との差、または前記第２の偏光方向に対する前記ウォラストンプリズムの屈折率の差をΔｎ２（≠０）とするとき、Δｎ１とΔｎ２とが略等しく、
前記反射型液晶素子は、電極と、前記電極より印加される電圧の大きさによってリタデーション値を変化させる液晶層を含む偏光変調素子と、前記液晶層に入射した光を正規反射させる反射層とを備えた、光変調液晶素子。
【請求項２】
前記偏光分離素子は、前記偏光回折素子であり、
前記偏光回折素子は、１つの前記複屈折性材料層と前記複屈折材料層の少なくとも凹部を充填するように１つの前記光学材料層を有し、
前記偏光回折素子の前記光学材料層は、光学的に等方性な均質屈折率透明材料層であって、
前記複屈折材料層の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅ、前記均質屈折率透明材料層の屈折率をｎｓとするとき、
ｎｓはｎｏとｎｅの実質的に中間の値を有するとともに、入射する光のうち1次回折効率が最大値となる波長を波長λ０とするとき、
前記複屈折性材料からなる断面がブレーズ形状では、
０．７×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜≦ｄ≦１．３×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜を満たし、
前記複屈折性材料からなる断面が擬似ブレーズ形状では、
０．８５×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜≦ｄ≦１．１５×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜を満たすように、前記複屈折材料層からなる偏光性回折格子の深さｄが設定されている請求項１に記載の光変調液晶素子。
【請求項３】
前記深さｄが、λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜に略等しいとき、
前記複屈折性材料からなる断面がブレーズ形状では、
０．７７×λ０≦λ≦１．４３×λ０を満たし、
前記複屈折性材料からなる断面が擬似ブレーズ形状では、
０．８７×λ０≦λ≦１．１８×λ０を満たすλの光が入射する請求項２に記載の光変調液晶素子。
【請求項４】
前記偏光分離素子は、前記偏光回折素子であり、
前記偏光回折素子は、前記複屈折性材料層を有する１対の前記透光性基板を有するとともに、１対の前記複屈折材料層の前記長手方向が一致し、
前記複屈折材料層の少なくとも凹部を充填する前記光学材料層を有し、
前記偏光回折素子の前記光学材料層は、光学的に等方性な均質屈折率透明材料層であって、
前記複屈折材料層の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅ、前記均質屈折率透明材料層の屈折率をｎｓとするとき、
一対の前記複屈折材料層の遅相軸方向が互いに直交するとともに前記屈折率ｎｓは、前記常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅのいずれか一方に実質的に等しいとともに、入射する光のうち1次回折効率が最大値となる波長を波長λ０とするとき、
前記複屈折性材料からなる断面がブレーズ形状では、
０．７×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜≦ｄ≦１．３×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜を満たし、
前記複屈折性材料からなる断面が擬似ブレーズ形状では、
０．８５×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜≦ｄ≦１．１５×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜を満たすように、前記複屈折材料層からなる記偏光回折格子の深さｄが設定されている請求項１に記載の光変調液晶素子。
【請求項５】
前記深さｄが、λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜に略等しいとき、
前記複屈折性材料からなる断面がブレーズ形状では、
０．７７×λ０≦λ≦１．４３×λ０を満たし、
前記複屈折性材料からなる断面が擬似ブレーズ形状では、
０．８７×λ０≦λ≦１．１８×λ０を満たすλの光が入射する請求項４に記載の光変調液晶素子。
【請求項６】
前記偏光分離素子は、前記複屈折材料層および前記光学材料からなる層がいずれも光学的に複屈折性を示す三角柱形状の直角プリズムからなり、
２つの前記直角プリズムの遅相軸が互いに直交しているウォラストンプリズムである請求項１に記載の光変調液晶素子。
【請求項７】
前記偏光変調素子は、前記液晶単体セルと位相板からなる液晶セルであり、
前記液晶単体セルに印加する電圧がＶ１のとき、前記波長λ０の光が前記液晶セルを往復するときのリタデーション値がλ０／２であるとともに、
前記液晶単体セルに印加する電圧がＶ２（Ｖ１≠Ｖ２）のとき、前記波長λ０の光が前記液晶セルを往復するときのリタデーション値がゼロである請求項１〜６いずれか１項に記載の光変調液晶素子。
【請求項８】
光源と、
集光レンズと、
前記集光レンズを透過した光の進行方向に請求項１〜７いずれか１項に記載の光変調液晶素子と、
前記光変調液晶素子で反射されて出射する特定の進行方向の光を受光する受光手段からなる可変光減衰器であって、
前記光変調液晶素子へ印加する電圧の大きさに応じて前記受光手段で受光する光量が変化する可変光減衰器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光の偏光状態に依存せず、印加する電圧の大きさに応じて反射して進行する光の方向を変える光変調液晶素子と可変光減衰器に関する。
【背景技術】
【０００２】
通信分野において特定の帯域を有する光を光ファイバーなどの通信媒体によって通信するとき、例えば光ファイバー間や半導体レーザ光源と光ファイバー間や光ファイバーと光検出器間に配置されて用いられる光学素子として、伝送する光量を可変できる可変光減衰器が知られている。可変光減衰器は、電圧制御により液晶層に印加する電圧の大きさに応じて伝送する光量を制御することができるものである。また、投射型表示装置では、投射する光量を時間的、空間的に変化させて像を映し出すものであり、電圧制御により液晶層に印加する電圧の大きさに応じて像を映し出すものである。
【０００３】
この従来の可変光減衰器の一例として、例えば特許文献１として図１８に示すような透過型の液晶素子３００が提案されている。液晶素子３００は、電極付き基板間に液晶層が狭持され、電極間に印加される電圧の大きさに応じて透過光のリタデーション値が変化する液晶セル３１０と、液晶セル３１０の光入射側に配置された第１の偏光性ビームスプリッタ３２０と液晶セル３１０の光出射側に配置された第２の偏光性ビームスプリッタ３３０とを備える。液晶素子３００へ入射する直交した２つの直線偏光は、第１の偏光性ビームスプリッタ３２０により偏光方向に応じて進行経路が互いに異なって液晶セルを透過し、液晶セル３１０が特定のリタデーション値を有するとき第２の偏光性ビームスプリッタ３３０を透過する前記２つの直線偏光は、液晶素子の入射光と同じ進行方向に互いにそろって液晶素子を出射する。このように、引用文献１の液晶素子では、第１の偏光性ビームスプリッタ３２０および第２の偏光性ビームスプリッタ３３０として、具体的に偏光性の回折格子を用いる記載がされており、出射した光のうち入射方向と同じ方向で直進透過する光を集光させ、直進透過する光の成分のみ伝送させる可変光減衰器が提案されている。
【０００４】
この他の例として、特許文献２には図１９に示すような投射型表示装置４００が提案されている。投射型表示装置４００は、投射レンズ４５０の光軸に対して斜め方向に進行する光源からの光がレンズ４１０、偏光分離器４２０、液晶パネル４３０の順に透過し、主要鏡４４０で反射される。このように反射されて投射レンズ４５０の光軸方向に進行する光を投射する機能を有するものである。図１９（ａ）と図１９（ｂ）は、それぞれ液晶パネルに異なる電圧を印加する場合の光の様子を示すものである。
【０００５】
具体的にこの偏光分離器４２０に用いられる偏光性の回折格子４２１は、互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光のうちいずれか一方を直進透過し、他方を回折する機能を有する。図１９（ａ）は、液晶パネル４３０によって第１の直線偏光を第２の直線偏光に、第２の直線偏光を第１の直線偏光に変換する電圧を印加したときの光の様子である。このとき、液晶パネル４３０と主要鏡４４０により液晶パネル４３０を往復透過した第１の直線偏光および第２の直線偏光が、図１９（ａ）に示す特定の印加電圧によってそれぞれ第２の直線偏光および第１の直線偏光に変換され、往路にて偏光性の回折格子４２１を直進透過した第１の直線偏光の入射光は復路で偏光性の回折格子４２１により１次回折され、往路にて偏光性の回折格子４２１により１次回折された第２の直線偏光の入射光は復路で偏光性の回折格子４２１を直進透過する。図１９（ｂ）では、液晶パネル４３０を往復する光の偏光状態は変化せず、第１の直線偏光および第２の直線偏光は、偏光性の回折格子４２１を往路、復路とも直進透過するかまたは、往路、復路とも１次回折をするため、Ｚ方向に光は進行しない。そして、第１および第２の直線偏光の光は何れも同一方向に揃ってレンズ４１０により投射レンズ４５０に集光された後液晶パネルの画像がスクリーン上に投影される投射型表示装置４００が提案されている。
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−３７４８０号公報
【特許文献２】特開平４−２３０７３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１の構成において、高い消光比の可変光減衰器を実現するためには、偏光変調手段である液晶セル３１０の印加電圧に応じたリタデーション値の変化量が入射光の波長λに対してλ／２以上必要となり、液晶層が比較的厚い構成となる。一般に印加電圧に応じた液晶セルの応答時間は液晶層の厚さの二乗に比例するため、電圧の変化に対して液晶の応答時間が長いといった問題があった。とくに、１．５５μｍの波長帯で使用される光通信用途においては可視波長に比べてリタデーション値の大きな変化量が必要となり、この応答時間は可変光減衰器としての用途の制約となる。
【０００８】
また、図１８の液晶素子３００において、第１の偏光性ビームスプリッタ３２０と第２の偏光性ビームスプリッタ３３０に入射する光のうち屈折率差のない偏光方向である常光偏光は回折されることなく高い効率で直進透過するが、常光偏光と直交する異常光偏光は第１の偏光性ビームスプリッタ３２０および第２の偏光性ビームスプリッタ３３０で回折され、１次回折効率に応じて直進透過光に光損失が生じやすく、その結果、出射光強度の偏光依存性が生じやすいといった問題があった。
【０００９】
また、特許文献２の構成では、光源から出射して投射レンズ４５０を透過してスクリーン上に投影される光は、偏光分離器４２０を構成する偏光性の回折格子により１回回折する１次回折光であるため、入射光が複数の波長あるいは波長帯域を有する場合、偏光性の回折格子による１次回折光となって出射する角度が波長に依存する。その結果、レンズ４１０による集光点が波長により異なるといった問題が生じ、投射型表示装置として用いた場合は投射画像が色収差により解像度が劣化する。また、特許文献２に記載の光学素子を利用する別の光学系として、入射光としてレーザや光ファイバーから出射する点光源に相当する光を用い、光変調素子の出射光を集光して光検出器で受光する光学系を想定する場合、広い波長帯域の光に対して回折して出射する角度の幅が大きくなるため、受光面積の大きな光検出器が必要となり、検出性能の劣化を招く。さらに、特許文献２に記載の光学素子を光ファイバーで受光して光を伝搬する場合も同様に、集光点位置が波長によりずれるため光ファイバーとの結合効率が低下し、伝搬効率の波長依存性が生じるという問題があった。
【００１０】
本発明は、従来の液晶素子およびそれを用いた可変光減衰器における課題を解決し、高速に応答するとともに入射する光の波長の変化に対して出射光方向が安定し、入射光の偏光状態に関わらず印加電圧の大きさに応じて直進透過光の効率が変化する光変調液晶素子およびそれを用いた可変光減衰器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】
【００１１】
本願発明は、上記問題を解決するためになされたものであり、入射光の光強度を変調する光変調液晶素子であって、前記光変調液晶素子は、偏光分離素子と、反射型液晶素子とで構成され、前記偏光分離素子は、透光性基板上に複屈折性材料からなる断面がブレーズ形状またはブレーズ形状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状の複屈折性材料層と光学的に透明な光学材料層からなる偏光回折素子または、複屈折性材料の遅相軸が直交するように貼り合わされてなるウォラストンプリズムであり、前記複屈折材料層のブレーズ形状または擬似ブレーズ形状を有する格子の長手方向、または前記ウォラストンプリズムの貼り合わせの界面の長手方向が、前記複屈折材料の遅相軸方向または進相軸方向と略一致し、前記複屈折材料層の前記長手方向または前記ウォラストンプリズムの前記長手方向と平行する、偏光方向を第１の偏光方向、前記第１の偏光方向と直交する偏光方向を第２の偏光方向として、前記第１の偏光方向に対する前記複屈折材料層の屈折率と前記光学材料層の屈折率との差、または前記第１の偏光方向に対する前記ウォラストンプリズムの屈折率の差をΔｎ１（≠０）、前記第２の偏光方向に対する前記複屈折材料層の屈折率と前記光学材料層の屈折率との差、または前記第２の偏光方向に対する前記ウォラストンプリズムの屈折率の差をΔｎ２（≠０）とするとき、Δｎ１とΔｎ２とが略等しく、前記反射型液晶素子は、電極と、前記電極より印加される電圧の大きさによってリタデーション値を変化させる液晶層を含む偏光変調素子と、前記液晶層に入射した光を正規反射させる反射層とを備えた、光変調液晶素子を提供する。
【００１２】
この構成により、偏光分離手段で入射する光のうち第１の偏光方向の光と第２の偏光方向の光とを入射する光軸に対して軸対称に分離し、分離して進行したこれら２つの成分の偏光が偏光変調手段を透過して反射手段で正規反射されて逆方向に進行する。このとき、偏光変調手段に印加する電圧によって液晶のリタデーション値を変化させることで、これら２つの成分の偏光の光変調液晶素子を出射する光の進行方向を、偏光成分に依存せずに変化させ、特定の方向に出射する光の光量の大きさを制御することができる。さらに、光は光変調液晶素子を往復し２回の回折を発現するので、広い波長帯域の光に対して特定の方向に出射する光の光量の大きさを制御することができる。なお、ここでいう略等しいとは、ずれが±１０％以内であるものとする。
【００１３】
また、前記偏光分離素子は、前記偏光回折素子であり、前記偏光回折素子は、１つの前記複屈折性材料層と前記複屈折材料層の少なくとも凹部を充填するように１つの前記光学材料層を有し、前記偏光回折素子の前記光学材料層は、光学的に等方性な均質屈折率透明材料層であって、前記複屈折材料層の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅ、前記均質屈折率透明材料層の屈折率をｎｓとするとき、ｎｓはｎｏとｎｅの実質的に中間の値を有するとともに、入射する光のうち1次回折効率が最大値となる波長を波長λ０とするとき、前記複屈折性材料からなる断面がブレーズ形状では、０．７×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜≦ｄ≦１．３×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜を満たし、前記複屈折性材料からなる断面が擬似ブレーズ形状では、０．８５×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜≦ｄ≦１．１５×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜を満たすように、前記複屈折材料層からなる偏光性回折格子の深さｄが設定されている上記に記載の光変調液晶素子を提供する。
【００１４】
また、前記深さｄが、λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜に略等しいとき、前記複屈折性材料からなる断面がブレーズ形状では、０．７７×λ０≦λ≦１．４３×λ０を満たし、前記複屈折性材料からなる断面が擬似ブレーズ形状では、０．８７×λ０≦λ≦１．１８×λ０を満たすλの光が入射する上記に記載の光変調液晶素子を提供する。
【００１５】
また、前記偏光分離素子は、前記偏光回折素子であり、前記偏光回折素子は、前記複屈折性材料層を有する１対の前記透光性基板を有するとともに、１対の前記複屈折材料層の前記長手方向が一致し、前記複屈折材料層の少なくとも凹部を充填する前記光学材料層を有し、前記偏光回折素子の前記光学材料層は、光学的に等方性な均質屈折率透明材料層であって、前記複屈折材料層の常光屈折率をｎｏ、異常光屈折率をｎｅ、前記均質屈折率透明材料層の屈折率をｎｓとするとき、一対の前記複屈折材料層の遅相軸方向が互いに直交するとともに前記屈折率ｎｓは、前記常光屈折率ｎｏまたは異常光屈折率ｎｅのいずれか一方に実質的に等しいとともに、入射する光のうち1次回折効率が最大値となる波長を波長λ０とするとき、前記複屈折性材料からなる断面がブレーズ形状では、０．７×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜≦ｄ≦１．３×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜を満たし、前記複屈折性材料からなる断面が擬似ブレーズ形状では、０．８５×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜≦ｄ≦１．１５×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜を満たすように、前記複屈折材料層からなる記偏光回折格子の深さｄが設定されている上記に記載の光変調液晶素子を提供する。
【００１６】
また、前記深さｄが、λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜に略等しいとき、前記複屈折性材料からなる断面がブレーズ形状では、０．７７×λ０≦λ≦１．４３×λ０を満たし、前記複屈折性材料からなる断面が擬似ブレーズ形状では、０．８７×λ０≦λ≦１．１８×λ０を満たすλの光が入射する上記に記載の光変調液晶素子を提供する。なお、ここでいう略等しい、実質的に等しいとは、ずれが±１０％以内であるものとする。
【００１７】
この構成により、偏光分離手段に入射する光が高い１次回折効率で出射するので、光利用効率が高く、特定の方向に出射する光の光量の大きさを変える制御性を高めることができるとともに設計自由度が高い光変調液晶素子を実現できる。
【００１８】
また、前記偏光分離手段は、前記複屈折材料層および前記光学材料からなる層がいずれも光学的に複屈折性を示す三角柱形状の直角プリズムからなり、２つの前記直角プリズムの遅相軸が互いに直交しているウォラストンプリズムである上記に記載の光変調液晶素子を提供する。
【００１９】
この構成により、第１の偏光方向と第２の偏光方向の光が光軸に対して軸対象となる方向へ屈折させることができ、高い効率で偏光分離性を高くすることができる。
【００２０】
また、前記偏光変調手段は、前記液晶単体セルと位相板からなる液晶セルであり、前記液晶単体セルに印加する電圧がＶ１のとき、前記波長λ０の光が前記液晶セルを往復するときのリタデーション値がλ０／２であるとともに、前記液晶単体セルに印加する電圧がＶ２（Ｖ１≠Ｖ２）のとき、前記波長λ０の光が前記液晶セルを往復するときのリタデーション値がゼロである上記に記載の光変調液晶素子を提供する。
【００２１】
この構成により、特定の方向に出射する光の光量の大きさが最大となるときの液晶に印加する電圧値と最小となる電圧値との差を小さくすることができるので、低電圧駆動が可能となる。また、透過型液晶単体セルに比べて液晶層が薄くできるため、光量を可変するときの応答時間を短くすることができる。その結果、より制御性のよい光変調液晶素子を実現できる。
【００２２】
さらに、光源と、集光レンズと、前記集光レンズを透過した光の進行方向に上記に記載の光変調液晶素子と、前記光変調液晶素子で反射されて出射する特定の進行方向の光を受光する受光手段からなる可変光減衰器であって、前記光変調液晶素子へ印加する電圧の大きさに応じて前記受光手段で受光する光量が変化する可変光減衰器を提供する。
【００２３】
この構成により、入射する光の偏光状態に依存せず、光変調液晶素子から特定の方向に出射した光のみを取り出して受光または伝搬させる、応答時間が短く制御性のよい可変光減衰器を実現することができる。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、波長帯域の広い入射光において偏光状態に依存せずに印加する電圧の大きさによって特定の方向に反射して進行する光の光量の大きさを制御できるとともに、高速の応答が可能な光変調液晶素子および光減衰器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
（第１の実施形態）
本発明の光変調液晶素子１００の基本構成を図１、図２に示す。光変調液晶素子１００は、光が入射する側から偏光分離素子１０１、偏光変調素子１０２、反射層１６の順に構成されている。図１および図２において光がＺ方向に進行する様子を示すが、入射光の偏光方向のうち、図１に示すＸ方向の偏光方向（以下、Ｓ偏光という）の光とＹ方向の偏光方向の光（以下、Ｐ偏光という）と、それぞれについて考える。ここでは、光変調液晶素子１００内におけるＳ偏光の光の進行方向とＰ偏光の光の進行方向とが異なるように制御し、反射層１６によって反射され、光変調液晶素子１００から出射して特定の方向に進行する光の光量を、遮光手段などで制御するものである。また、これらの素子などは分離して配置されていてもよいが一体化されていると小型化の実現や特性を安定化することができ好ましい。本実施形態では、以下に偏光分離素子１０１と、偏光変調素子１０２および反射層１６、について取り得る形態について説明する。なお、偏光変調素子１０２と反射層１６をまとめて反射型液晶素子１０４とする。
【００２６】
１．偏光分離素子
具体的に光変調液晶素子１００の構成要素である偏光分離素子１０１の機能について図３を用いて説明する。偏光分離素子１０１には−Ｚ方向に進行する光が入射し、上記のようにＳ偏光の光とＰ偏光の光との進行方向が異なるように分離するが、このとき入射光の進行方向（光軸）を基準に互いに軸対称な方向にＳ偏光の光とＰ偏光の光を同じ角度θだけ偏向して進行する。また、図３において図示しない反射層によって反射された光がθの角度で逆方向から＋Ｚ方向に入射する場合、同じ角度θだけ偏向して光軸と平行する進行方向で出射する。
【００２７】
次に、偏光分離素子として図４に偏光性回折格子を用いた偏光回折素子１０１ａの模式図を示す。偏光回折素子１０１ａは、断面が周期的な回折格子形状であって光学的に複屈折性を有する複屈折性材料層からなる偏光回折格子６と、偏光回折格子６の少なくとも凹部を充填する光学的に均質となる特性を有する均質屈折率透明材料からなる均質屈折率透明材料層７を一対の平行に配される透光性基板１および２で挟持された構造となっている。また、図４に示す偏光回折格子６の遅相軸方向は回折格子の長手方向と平行となるＸ方向とするが、遅相軸方向がＹ方向であってもよい。回折格子形状は、断面形状が鋸歯状となるいわゆるブレーズ形状や、ブレーズ形状を階段状に近似した擬似ブレーズ形状にするものであり、Ｓ偏光およびＰ偏光の偏光成分を高い効率で偏向分離できる。
【００２８】
偏光回折格子６を構成する複屈折性材料は、屈折率異方性Δｎを有し、Δｎは常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅとの差の絶対値（Δｎ＝｜ｎｅ−ｎｏ｜）で表される。また、均質屈折率透明材料の屈折率ｎｓは、常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅの平均値（ｎｏ＋ｎｅ）／２に略等しい値となるように設定する。このようにすることでＳ偏光の光における偏光回折格子６の屈折率と均質屈折率透明材料層７の屈折率との差をΔｎｓ（≠０）、Ｐ偏光の光における偏光回折格子６の屈折率と均質屈折率透明材料層７の屈折率との差をΔｎｐ（≠０）、とすると、ΔｎｓとΔｎｐとが実質的に等しくなるため、光軸に対して軸対称な方向に同じ角度θだけ互いに偏向分離して出射するとともに同じ回折次数の回折効率は等しくなる。
【００２９】
なお、透光性基板１、２は入射する光に対して透明であれば、樹脂板、樹脂フィルムなど種々の材料を用いることができるが、ガラスや石英ガラスなどの光学的等方性材料を用いると、透過光に複屈折性の影響を与えないため好ましい。また、複屈折性材料は、図示しない配向膜上に液晶モノマーを配して紫外線等で硬化させた高分子液晶で構成されているとよいが、これに限らず、水晶やＬｉＮｂＯ３（ニオブ酸リチウム）のような複屈折のある単結晶を加工したり、複屈折性のある樹脂フィルムを加工したり、樹脂の射出成型品により作製してもよい。なお、配向膜は作製のプロセスで必要になる場合もあるが、複屈折性材料を加工する場合は配さなくてもよい。さらに、均質屈折率透明材料としては接着材や充填材として用いられる有機材料でもよいし、ＳｉＯｘＮｙ膜（ｘ、ｙはＳｉに対するＯおよびＮの原子数比）、ＳｉＯ２膜、Ｓｉ３Ｎ４膜、Ａｌ２Ｏ３膜などの無機材料を用いてもよい。
【００３０】
ここで、ブレーズ形状の設計について具体的に説明する。入射光のうち特定の波長を波長λ０とし、この波長λ０の光が常光屈折率を感じる偏光方向（複屈折性材料の進相軸方向）および異常光屈折率を感じる偏光方向（複屈折性材料の遅相軸方向）に対する１次回折効率が最大になるようにする。また、凹凸の深さ、つまり偏光回折格子６の最大の厚さをｄとするとき、凹凸部の位相差が、
２π×｜ｎｏ−ｎｓ｜×ｄ／λ０≒２π、
２π×｜ｎｅ−ｎｓ｜×ｄ／λ０≒２π、
となるように設計する。なお、ブレーズ形状は階段形状で近似した疑似ブレーズ形状の回折格子形状としてもよい。その場合、４段から１６段程度の階段状の疑似ブレーズ形状とすることが好ましい。
【００３１】
次に、回折光のうち１次回折効率を大きくするための偏光回折格子６の形状について説明する。１次回折光を効率よく発現するときの１次回折効率は、７５％以上が好ましく、９０％以上であればより好ましい。このように、１次回折効率が７５％以上の大きな値とするためには、ブレーズ形状をした複屈折性材料層からなる偏光回折格子６の深さ（厚さ）ｄを調整することで実現できる。
【００３２】
ここで、波長λ０の光が入射するとき、｜ｎｏ−ｎｓ｜×ｄ／λ０に対する１次回折効率の計算結果を図５（ａ）に示す。また、１次回折効率が波長λ０で最大値となるように設計されているとき、波長λ０と波長λの比λ／λ０に対する１次回折効率の計算結果を図５（ｂ）に示す。このように、波長λ０は、１次回折効率が最大値となる波長と定義できる。図５（ａ）には、断面がブレーズ形状の回折格子と、断面がステップ数（Ｎ）＝４、８、１６の擬似ブレーズ形状の回折格子の場合における特性を示すものである。なお、ブレーズ形状の断面模式図は、図５（ｃ）に示すようにブレーズ形状の深さをｄとし、擬似ブレーズ形状の断面模式図は、図５（ｄ）に示すように擬似ブレーズ形状もブレーズ形状の深さｄとして計算する。なお、図５（ｄ）に示すように、擬似ブレーズ形状に加工するときの偏光回折格子６の物理的な厚さｄ´は、ステップ数Ｎの場合、ｄ×（Ｎ−１）／Ｎに相当する。なお、ステップ数は、格子の１周期において異なる段差の数を示すものであり、１つのステップの幅はいずれも同じである。
【００３３】
このとき、断面が擬似ブレーズ形状（Ｎ＝４）であるとき、波長λ０の光が入射して７５％以上の１次回折効率を実現するためには、深さｄが、
０．８５×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜≦ｄ≦１．１５×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜  ・・・  （１）
を満たすことで１次回折光以外の回折による光の損失を少なくでき好ましい。このように、使用する波長帯域の任意の波長で、式（１）を満足することが、使用する波長帯域全体で高い回折効率が得られるので好ましい。以下の各式でも、同様に使用する波長帯域の任意の波長で各式を満足することが好ましい。また、λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜＝ｄとなるように設計すると、後述するように広い帯域の波長に対して７５％以上の１次回折効率が得られる。なお、Ｎ＝４より大きいステップ数を有する擬似ブレーズ形状であれば、図５（ａ）においてＮ＝４における同じ深さｄであるとき、１次回折効率はより大きい値となり、例えばＮ＝８、１６のステップ数に示すように、ブレーズ形状における1次回折効率の特性に近づく。
【００３４】
また、断面がブレーズ形状であるとき、７５％以上の１次回折効率を実現するためには、深さｄが、
０．７×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜≦ｄ≦１．３×λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜  ・・・  （２）
を満たすとよく、さらに９０％以上の１次回折効率を実現するためには、深さｄが、上記（１）式を満たすことで１次回折光以外の回折による光の損失をより少なくでき好ましい。
【００３５】
次に、図５（ｂ）より、波長λ０に対して１次回折効率が最大になるように回折格子を設計し、波長λ０と波長λの比λ／λ０に対する偏光回折格子６の１次回折効率を７５％以上の値とするためには、断面が擬似ブレーズ形状（Ｎ＝４）であるとき、
０．８７×λ０≦λ≦１．１８×λ０  ・・・  （３）
を満たす波長λであることで回折による光の損失を少なくでき好ましい。なお、（３）式は、偏光回折格子深さｄ＝λ０／｜ｎｅ−ｎｓ｜の条件における入射波長λの取り得る範囲である。
【００３６】
また、断面がブレーズ形状であるとき、７５％以上の１次回折効率を実現するためには、
０．７７×λ０≦λ≦１．４３×λ０  ・・・  （４）
を満たすとよく、さらに９０％以上の１次回折効率を実現するためには、深さｄが、上記（３）式を満たすことで１次回折光以外の回折による光の損失をより少なくでき好ましい。
【００３７】
このようにして得られた偏光回折格子６と均質屈折率透明材料層７からなる偏光回折素子１０１ａに、常光屈折率を感じる偏光方向の光（Ｐ偏光の光）と異常光屈折率を感じる偏光方向の光（Ｓ偏光の光）が入射した場合、図４に模式的に示すように、ＹＺ面内で入射光の進行方向に対して軸対称な方向にＰ偏光の光とＳ偏光の光とが同じ角度θだけ偏向分離して出射する。なお、偏光回折格子６の凹部を充填する光学材料として均質な屈折率を有する材料について説明したが、これに限らない。例えば、複屈折性を有する材料であってもよいが、この場合は、上記のようにΔｎｓとΔｎｐとが実質的に等しくなるようにするように光学軸の方向を調整することで実現ができる。
【００３８】
次に、図６（ａ）および図６（ｂ）に偏光回折格子を用いた他の構成となる偏光回折素子１０１ｂおよび１０１ｃの模式図を示す。偏光回折素子１０１ｂは、偏光回折格子８および９を格子形状の長手方向を一致させて対向させるとともに、対向させたときにブレーズ形状の傾斜方向が同じになるように形成される。また、偏光回折格子８および９は偏光回折格子６と同様に複屈折性材料層からなり、それぞれ常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅを有するとともに周期的な回折格子形状の１周期分である格子ピッチも互いに等しい。また、複屈折性材料層の遅相軸が、偏光回折格子８ではＸ軸方向、偏光回折格子９ではＹ軸方向となるようにする。さらに、対向させた偏光回折格子８および９の空隙には、均質屈折率透明材料として複屈折性材料層の常光屈折率ｎｏに略等しい屈折率ｎｓの材料からなる均質屈折率透明材料層１０が充填されるように構成され、さらにこれらを透光性基板１および２で挟持する構成となる。また、偏光回折素子１０１ｃは、均質屈折率透明材料層１０がなく偏光回折格子８および９が隣り合う構造となっている。
【００３９】
ここで、偏光回折素子１０１ｂにおいてブレーズ形状の偏光回折格子８および９の機能および設計について具体的に説明する。Ｚ方向に進行する入射光がＳ偏光（Ｘ軸方向）の光では、偏光回折格子８と均質屈折率透明材料層１０との間で屈折率差が生じるので回折し、均質屈折率透明材料層１０と偏光回折格子９との間では屈折率差が生じないので直進透過する。一方、Ｐ偏光（Ｙ軸方向）の光では、偏光回折格子８と均質屈折率透明材料層１０との間で屈折率差が生じないので直進透過し、均質屈折率透明材料層１０と偏光回折格子９との間では屈折率差が生じるので回折する。偏光回折素子１０１ｂでは、偏光回折格子８および９がいずれも複屈折性材料層からなり、Ｓ偏光の光およびＰ偏光の光いずれも屈折率差が生じるので互いに軸対称となる角度θで回折する。
【００４０】
また、偏光回折素子１０１ｂおよび１０１ｃおいて断面が擬似ブレーズ形状（Ｎ＝４）であるとき、偏光回折格子８ではＳ偏光に対し、偏光回折格子９ではＰ偏光に対して７５％以上の１次回折効率を実現するためには、上記と同様に図５（ａ）のＸ軸のｎｓをｎｏと置き換えて表すことができ、
０．８５×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜≦ｄ≦１．１５×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜  ・・・  （５）
を満たすブレーズ形状の厚さｄであることで回折による光の損失を少なくでき好ましい。なお、Ｎ＝４より大きいステップ数を有する擬似ブレーズ形状であれば、図５（ａ）においてＮ＝４における同じ深さｄであるとき、１次回折効率はより大きい値となり、例えばＮ＝８、１６のステップ数に示すように、ブレーズ形状における1次回折効率の特性に近づく。
【００４１】
また、偏光回折格子８と９の断面がブレーズ形状であるとき、偏光回折格子８ではＳ偏光に対し、偏光回折格子９ではＰ偏光に対して７５％以上の１次回折効率を実現するためには、深さｄが、
０．７×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜≦ｄ≦１．３×λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜  ・・・  （６）
を満たすとよく、さらに９０％以上の１次回折効率を実現するためには、深さｄが、上記（５）式を満たすことで１次回折光以外の回折による光の損失をより少なくでき好ましい。
【００４２】
次に、波長λ０に対して１次回折効率が最大になるように回折格子を設計し、波長λと波長λ０との比λ／λ０に対する偏光回折格子８ではＳ偏光に対し、偏光回折格子９ではＰ偏光に対して７５％以上の１次回折効率を実現するためには、断面が擬似ブレーズ形状（Ｎ＝４）であるとき、
０．８７×λ０≦λ≦１．１８×λ０  ・・・  （７）
を満たす波長λであることで回折による光の損失を少なくでき好ましい。なお、（７）式は、偏光回折格子深さｄ＝λ０／｜ｎｅ−ｎｏ｜の条件における入射波長λの取り得る範囲である。
【００４３】
また、断面がブレーズ形状であるとき、７５％以上の１次回折効率を実現するためには、
０．７７×λ０≦λ≦１．４３×λ０  ・・・  （８）
を満たすとよく、さらに９０％以上の１次回折効率を実現するためには、深さｄが、上記（７）式を満たすことで１次回折光以外の回折による光の損失をより少なくでき好ましい。
【００４４】
なお、偏光回折素子１０１ｂおよび１０１ｃの構成はこれに限らず、複屈折材料層の遅相軸が偏光回折格子８でＹ軸方向、偏光回折格子９でＸ軸方向であってもよく、均質屈折率透明材料１０の屈折率は複屈折材料層の異常光屈折率と等しくしてもよい。また、ブレーズ形状の傾斜方向も図６では紙面上で右下がりであるが、紙面上で右上がりの方向であってもよく、図６において、Ｓ偏光の光における偏光回折格子８の屈折率と均質屈折率透明材料層１０の屈折率との差をΔｎｓ（≠０）、Ｐ偏光の光における偏光回折格子９の屈折率と均質屈折率透明材料層１０の屈折率との差をΔｎｐ（≠０）、とし、ΔｎｓとΔｎｐとが実質的に等しくなるようにすると、光軸に対して軸対称な方向に同じ角度θだけ互いに偏向分離して出射するとともに同じ回折次数の回折効率は等しくなる。
【００４５】
偏光回折素子１０１ａは、ブレーズ形状の偏光回折格子が１つであるため、作製が容易となる長所がある。一方、偏光回折素子１０１ｂおよび１０１ｃは、ブレーズ形状の偏光回折格子が２つであるため、同じ複屈折性材料を用いた場合、偏光回折格子８および９の深さｄが、偏光回折格子６の半分となり、ピッチが狭い形状であっても作製が容易であるとともに高い１次回折効率が実現しやすいため、回折角度すなわち偏光分離角度θを大きくできるといった長所がある。
【００４６】
次いで、偏光回折素子以外の偏光分離素子の構成について図７を用いて説明する。図７は、偏光分離手段としてウォラストンプリズム１０１ｄを用いた構成を示す模式図である。ウォラストンプリズムは、方解石やイットリウム・バナデート（ＹＶＯ４）結晶やルチル（ＴｉＯ２）結晶など光学的に複屈折性を示す材料からなる三角柱形状の２つの直角プリズム４と５からなり、図７のＸ−Ｙ平面からみて直角プリズム４の遅相軸と直角プリズム５の遅相軸とが互いに直交するように一体化されている。なお、図７に示すウォラストンプリズム１０１ｄを構成する直角プリズム４および５でできる境界線は、紙面上右下がりであり、Ｘ軸と直交するいずれの面（Ｙ−Ｚ平面）で同一である。ここで、この境界線の連続する方向を、直角プリズム４と直角プリズム５との貼り合わせの界面の長手方向とすると、貼り合わせの界面の長手方向はＸ軸方向に一致する。また、図７からウォラストンプリズムの界面の長手方向は、分離前の光が入射する方向に対して直交する方向に相当する。
【００４７】
ここで、直角プリズム４の遅相軸をＹ軸方向、直角プリズム５の遅相軸をＸ軸方向とし、直角プリズム４の進相軸をＸ軸方向、直角プリズム５の進相軸をＹ軸方向とする。このように設定することによって、Ｘ軸に平行なＳ偏光の光は、直角プリズム５の高屈折率媒質と直角プリズム４の低屈折率媒質の界面における屈折の法則により、光軸に対して角度θで＋Ｙ方向に傾いた方向に進行する。一方、Ｙ軸に平行なＰ偏光の光は、直角プリズム５の低屈折率媒質と直角プリズム４の高屈折率媒質の界面における屈折の法則により、光軸に対して角度θで−Ｙ方向に傾いた方向に進行する。つまり、Ｓ偏光の光とＰ偏光の光とがＹＺ面内で入射光の進行方向に対して軸対称な方向に同じ角度θだけ偏向分離して出射する。ここでは、直角プリズム４および直角プリズム５は同じ材料で構成されるので、常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅも同一の特性を有するものである。また、ウォラストンプリズムの遅相軸方向はこれに限らず、直角プリズム４の遅相軸をＸ軸方向、直角プリズム５の遅相軸をＹ軸方向としてもよい。
【００４８】
２．反射型液晶素子（偏光変調素子および反射層）
図１の光変調液晶素子１００の構成要素である反射型液晶素子１０４を構成する偏光変調素子１０２および反射層１６について説明する。偏光変調素子は、入射する光の偏光状態を変化させる機能を有するものである。具体的には、偏光状態を変化させる手段として液晶に印加する電圧の大きさによって制御するものであって、比較的低電圧で動作し、消費電力が少なく、小型軽量であり、量産性に優れている点で、電極付き基板間に液晶層が狭持され該電極間に印加される電圧に応じてリタデーション値が変化する液晶素子を用いることが好ましい。液晶素子以外の構成としては、電気光学結晶や光磁気光学結晶を用いてもよい。図１において偏光変調素子１０２は、電圧制御装置１０３より印加される電磁場等に応じて、入射光の偏光状態を変調することができ、さらに、入射光が反射層１６により反射されて偏光変調素子１０２を透過するときにも、偏光状態が変調される。
【００４９】
具体的構成について図８の反射型液晶素子１０４ａを用いて説明する。図８は、反射型液晶素子１０４ａの偏光変調素子として液晶単体セル１０２ａ、そして反射層１６を用いた場合の構成を示す模式図である。液晶単体セル１０２ａは、片面に透明電極１１ａおよび配向膜１２ａが形成された透光性基板２ｂと、片面に反射層１６ａ、透明電極１１ｂおよび配向膜１２ｂが形成された透光性基板３との間に液晶層１３がシール１４を用いて所望の厚さに狭持・密封された構成である。なお、液晶単体セル１０２ａは、少なくとも液晶層１３に電圧を印加する電極を含む構造を指し、例えば反射層１６ａが導電性の材料であって電圧制御装置１０３と電気的に接続されるものであれば、反射層１６ａも含んで液晶単体セルとする。
【００５０】
配向膜１２ａおよび１２ｂは、液晶層１３の液晶分子の配向ベクトル（分子配向軸）を基板と平行面内の特定方向（例えば、ＸＹ面内でＸ軸に対して４５°の方向）に揃うように配向機能を持たせるものである。配向膜としては、ラビング処理したポリイミド膜、無機材料として斜方蒸着させたＳｉＯ膜や斜方微細エッチングしたＳｉＯ２膜などが用いられる。液晶分子の配向ベクトルが配向膜１２ａおよび１２ｂで同一方向となる平行配向処理をすると液晶分子の配向がその方向に揃う。配向処理はこれに限らず、異なる方向となるツイスト配向処理としてもよい。
【００５１】
液晶層１３に用いる液晶は、ネマティック液晶を用いるとよいが、スメクティック液晶やコレステリック液晶であってもよい。誘電率異方性が正の液晶を用いる場合、透明電極１１ａおよび１２ａ間の電圧非印加時の液晶配向を透光性基板２ｂおよび３に対して数度のプレチルト角度をなしてほぼ平行となるように配向膜を形成する。電圧非印加時に、液晶層１３を往復透過する光の偏光状態が、Ｓ偏光の光はＰ偏光の光に、Ｐ偏光の光はＳ偏光の光に変換されるように、液晶層１３の厚さｄＬＣが調整されている。
【００５２】
このようにするために、液晶の屈折率異方性を△ｎとすると、配向膜１２ａおよび１２ｂが互いに平行に配向される場合は△ｎ×ｄＬＣが入射光の波長λに対して略λ／（４×△ｎ）とし、配向膜１２ａと１２ｂとで互いに直交するように配向される９０°ツイスト配向の場合は△ｎ×ｄＬＣを約１．５倍程度にすればよい。液晶層１３に印加する電圧を大きくするにしたがって液晶層１３の液晶分子の長軸方向の配向は透光性基板に対して垂直方向に向かって傾斜し、完全に垂直に揃うと液晶層１３のリタデーション値がゼロとなる。このとき、Ｓ偏光の光およびＰ偏光の光は液晶層１３を透過しても入射光と同じ偏光状態を維持する。このように、液晶層１３に印加する電圧の大きさに応じてＳ偏光の光およびＰ偏光がそれぞれ、Ｐ偏光の光およびＳ偏光の光に変換される割合が変化するので、電圧の大きさを制御することで偏光状態を調節することができる。
【００５３】
一方、誘電率異方性が負の液晶を用いる場合、電圧非印加時の液晶分子の長軸方向の配向が透光性基板２ｂおよび３の垂線に対して数度のプレチルト角度をなしてほぼ垂直配向となるように配向膜を形成する。このとき、液晶層１３のリタデーション値が略ゼロのため、Ｓ偏光の光およびＰ偏光の光は液晶層１３を透過しても入射光と同じ偏光状態を維持する。そして、液晶層１３に印加する電圧の増加とともに液晶層１３の液晶分子の長軸方向の配向は透光性基板に対して水平方向に向かって配向膜１２ａ、１２ｂで規定された配向方向となるように傾斜する。そして、液晶分子の長軸方向の配向が水平方向に揃うとき、Ｓ偏光の光はＰ偏光の光に、Ｐ偏光の光はＳ偏光の光に変換されるように、液晶層１３の厚さｄＬＣを調整する。同様に、液晶層１３に印加する電圧の大きさに応じてＳ偏光の光およびＰ偏光の光がそれぞれ、Ｐ偏光の光およびＳ偏光の光に変換される割合が変化するので、電圧の大きさを制御することで偏光状態を調節することができる。
【００５４】
次いで、図１の反射層１６について説明する。反射層１６は、入射する光を効率よく正規反射する機能を有するものであって、ＡｕやＡｌ等の金属材料からなる金属膜や、相対的に屈折率の小さな誘電体膜と大きな誘電体膜を入射光の波長λに対して光学膜厚が略λ／４となるように交互に積層した誘電体多層反射膜が用いられる。なお、金属膜の場合は液晶層１３に電圧を印加するための電極としても機能するため、この場合透明電極１１ｂは不要となる。誘電体多層反射膜を用いる場合、透明電極１１ｂは図８に示すように誘電体多層反射膜の光入射側に形成してもよい。また、透明電極１１ｂが形成された透光性基板３の表面に、電圧制御装置１０３の接続部分を除き、誘電体多層反射膜を形成してもよい。反射層１６ａは透明電極１１ｂと接するように配置されてもよいが、例えば、透光性基板３の光入射側と反対側の面に形成してもよい。
【００５５】
次に液晶層１３のリタデーション値を調整する電圧を低電圧化するための偏光変調素子１０４ｂの構成を、図９を用いて説明する。誘電率異方性が正の液晶を用い、電圧非印加時の液晶分子の配向方向が透光性基板２ｂおよび３と平行面内の特定方向に揃う平行配向の場合、印加電圧の増加とともに液晶層１３中の液晶分子配向が基板面に垂直方向に傾斜するためリタデーション値がゼロに近づくが、配向膜面の液晶分子は表面に束縛されるため、完全にリタデーション値がゼロとなるためには、例えば矩形波交流の印加電圧実効値として２０Ｖｒｍｓ以上の高い印加電圧が必要となる。このような高い印加電圧を低電圧化するため、液晶セル１０２ｂは液晶単体セル１０２ａの光入射側に液晶層１３のリタデーション値を相殺するための位相板１５を積層したものである。位相板１５としては、水晶などの複屈折結晶、ポリカーボネートなどの有機フィルムを延伸した複屈折フィルム、液晶モノマーを特定方向に配向させ紫外線などの光を照射して重合硬化した高分子液晶などが用いられる。なお、液晶セル１０２ｂは、透光性基板２ａを含んでもよい。
【００５６】
反射型液晶素子１０４ｂの、光が入射する面（ＸＹ面）からみた模式図を図１０に示す。図１０において、透明電極１１ａおよび１２ａにより液晶層１３に電圧を印加するために、導電性微粒子を混入したシール１４を介して、透明電極１１ａと透光性基板３の片面に形成された取り出し電極１１ｃのみと導通させ電圧制御装置１０３に接続している。また、透明電極１１ｂと導通した取り出し電極１１ｄとを電圧制御装置１０３に接続している。
【００５７】
さらに、位相板１５は遅相軸方向が、誘電率異方性が正の液晶を用いる液晶層１３の電圧非印加時の遅相軸方向に対して直交するように配置する。そして、ゼロではない特定の印加電圧において、液晶層１３を２回透過するときのリタデーション値ＲＬＣと、位相板１５を２回透過するときのリタデーション値ＲＷＰとが略等しくなるように設計することにより、液晶層１３と位相板１５との合計のリタデーション値Ｒ＝ＲＬＣ−ＲＷＰをゼロに相殺することができる。
【００５８】
このような構成の反射型液晶素子１０４ｂは、例えば、１０Ｖｒｍｓ以下の印加電圧変化で液晶層１３および位相板１５いずれも２回透過するときの合計リタデーション値Ｒの変化量がλ／２となるようにＲＬＣおよびＲＷＰを設定しておけば、後述するように低い印加電圧で高い消光比が得られる可変光減衰器が実現できる。
【００５９】
反射型液晶素子１０４ｂにおいて、液晶層１３に印加する電圧とリタデーション値について説明する。ここで、反射型液晶素子１０４ｂを光が２回透過するときの合計リタデーション値Ｒがλ／２となる印加電圧をＶ１、ゼロとなる印加電圧をＶ２とする。また、この電圧をＶ１、Ｖ２としたときの光の様子をそれぞれ模式的に、図１１（ａ）、図１１（ｂ）に示す。このように、Ｖ１では波長λの光が往復するとリタデーション値がλ／２となるので、Ｓ偏光の光およびＰ偏光の光は、それぞれＰ偏光の光およびＳ偏光の光となって出射する。一方、Ｖ２ではリタデーション値がゼロとなるので、Ｓ偏光の光およびＰ偏光の光は偏光状態が変化せず出射する。
【００６０】
図１２に偏光回折素子１０１ａと、反射型液晶素子１０４ｂと、が一体化された光変調液晶素子１１０の模式図を示す。また、液晶層１３への印加電圧がＶ１およびＶ２としたときの光の様子をそれぞれ模式的に、図１３（ａ）、（ｂ）および図１４（ａ）、（ｂ）に示す。なお、光が入射して反射層１６ａに到達するまでの光路を往路とし、反射層１６ａで光が反射されて出射するまでの光路を復路として説明する。図１３（ａ）に示すように印加電圧Ｖ１において、光変調液晶素子１１０に対して垂直に入射（−Ｚ方向）するＰ偏光の光は、往路にて偏光回折素子１０１ａにより−Ｙ方向に回折される。そして、反射層１６ａにより正規反射されて反射型液晶素子１０４ｂを往復した光は、Ｓ偏光の光となって復路にて偏光回折素子１０１ａに再入射し、＋Ｙ方向に回折され、入射光と同じ方向で逆向きに出射（＋Ｚ方向）する。
【００６１】
一方、図１３（ｂ）に示すように光変調液晶素子１１０に対して垂直に入射するＳ偏光の光は、往路にて偏光回折素子１０１ａにより＋Ｙ方向に回折される。そして、反射層１６ａにより正規反射されて反射型液晶素子１０４ｂを往復した光はＰ偏光の光となって復路にて偏光回折素子１０１ａに再入射し、−Ｙ方向に回折され、入射光と同じ方向で逆向きに出射（＋Ｚ方向）する。このように、印加電圧Ｖ１では、光変調液晶素子１１０に入射する光と光変調液晶素子１１０を出射する光は、光の偏光状態に関わらず、同じ方向で逆向きの進行方向となる。
【００６２】
次に、印加電圧Ｖ２における光変調液晶素子１１０を往復する光の様子を図１４（ａ）、（ｂ）を用いて説明する。まず、図１４（ａ）に示すように印加電圧Ｖ２において、光変調液晶素子１１０に対して垂直に入射するＰ偏光の光は、往路にて偏光回折素子１０１ａにより−Ｙ方向に回折される。そして、反射層１６ａにより正規反射されて反射型液晶素子１０４ｂを往復した光はＰ偏光の光のまま復路にて偏光回折素子１０１ａに再入射し、−Ｙ方向に回折され、入射光と異なる方向に出射する。なお、偏光回折素子１０１ａでの回折角度をθとするとき、入射光と出射光となす角度は近似的に２θとなる。
【００６３】
一方、図１４（ｂ）に示すように光変調液晶素子１１０に対して垂直に入射するＳ偏光の光は、往路にて偏光回折素子１０１ａにより＋Ｙ方向に回折される。そして、反射層１６ａにより正規反射されて反射型液晶素子１０４ｂを往復した光はＳ偏光の光のまま復路にて偏光回折素子１０１ａに再入射し、＋Ｙ方向に回折され、入射光と異なる方向に出射する。このように、印加電圧Ｖ２では、光変調液晶素子１１０に入射する光と光変調液晶素子１１０を出射する光は、光の偏光状態に関わらず、異なる進行方向となる。
【００６４】
なお、印加電圧がＶ１とＶ２との間であるとき、入射光と同じ方向で逆向きの出射光成分と、入射光と異なる方向の出射光成分が混在した状態、つまり、図１３と図１４に示す光の進行状態が混在した状態、となり、印加する電圧の大きさによってこれらの光の成分の光量の比が変わる。これより例えば、入射光と同じ方向で逆向きの出射光成分のみを受光することにより、印加電圧に応じて受光量が可変となる光変調液晶素子が得られる。
【００６５】
（第２の実施形態）
図１５に光ファイバー１８と集光レンズ１７と光変調液晶素子１１０からなる可変光減衰器２００の模式図の一例を示す。図１５（ａ）、図１５（ｂ）はそれぞれ、液晶層への印加電圧がＶ１、Ｖ２であるときの光変調液晶素子１１０光の伝搬の様子を示したものである。可変光減衰器２００は、光ファイバー１８から出射した発散光が、集光レンズ１７を透過して平行光となり、光変調液晶素子１１０で反射され、反射された光のうち集光レンズ１７により再び光ファイバー１８に集光する光を伝搬する機能を有する。なお、光ファイバー１８は、集光レンズ１７の焦点位置に設置される。光ファイバー１８から出射したＳ偏光の光とＰ偏光の光とが混在した光（以下、ランダム偏光という）は、集光レンズ１７により平行光となって光変調液晶素子１１０に入射する。
【００６６】
図１５（ａ）は、印加電圧がＶ１のときの状態を示す模式図であり、光変調液晶素子１１０に入射する光は反射されて進行方向と平行で逆向きの光となって進行し、集光レンズ１７により光ファイバー１８から光が出射する位置に集光され、光ファイバー１８中を逆向きに伝搬する。一方、図１５（ｂ）は、印加電圧がＶ２のときの状態を示す模式図であり、光変調液晶素子１１０に入射する光が反射されて入射方向と異なる方向の出射光となる。このように、集光レンズ１７により光ファイバー１８から光が出射する位置と異なる位置に集光されるため、光ファイバー中を伝搬できない。また、光変調液晶素子１１０の機能より、入射光の偏光状態に依存せず印加する電圧の大きさに応じて光ファイバーを帰還する光量が可変な光減衰器が実現する。
【００６７】
上記の例では、光ファイバーから出射する光の位置を集光レンズの光軸上の焦点位置に配置したため、反射して戻る光も同じ光ファイバーの位置に集光しているが、他の配置でも構わない。例えば、光ファイバーから出射する光の位置を図１５の光ファイバー１８の位置に対して＋Ｘ方向に距離Ａ（図示せず）だけずらして配置する。光ファイバーから出射する光の中心は、集光レンズ１７の中心を通らないので、光変調液晶素子１１０に対して光軸が傾いて入射する。このため、印加電圧Ｖ１のとき反射層１６ａで反射されて光変調液晶素子１１０を出射する光は再び集光レンズ１７を透過して、−Ｘ方向に同じ距離、つまり図１５の光ファイバー１８の位置に対して−Ｘ方向に距離Ａだけずれた位置に集光される。その集光点に光を出射する側の光ファイバーとは別の受光用光ファイバーを配置することにより、光は受光用光ファイバーに伝搬する。
【００６８】
また、光を出射する側の光学系（素子）として光ファイバーの代わりに半導体レーザなどを光源として用い、光検出器を受光側に用いた光学装置としてもよい。このように、光変調液晶素子１１０を、印加する電圧に応じて光量を可変させる光減衰器として用いる場合、高い消光比を得るためには、印加電圧Ｖ１において所定の集光点に帰還する光量を向上するとともに、印加電圧Ｖ２において同じ集光点に帰還する光量を低減することが重要となる。
【００６９】
とくに、図１５（ｂ）のように印加電圧Ｖ２のとき、光ファイバー１８から出射する光の位置と同じ点に帰還する光量が小さい方が高い消光比を得ることができる。このとき光ファイバー１８に帰還する光として、光変調液晶素子１１０を構成する反射層１６と平行な界面において、界面をなす材料の屈折率の相違に起因して発生するフレネル反射光が存在する。したがって、次のように、このフレネル反射光の光量を低減させることによって、より高い消光比を実現することができる。
【００７０】
具体的には、図１２に示す光変調液晶素子１１０において、空気（光が入射する媒体）と透光性基板１、透光性基板１と偏光回折格子６、均質屈折率透明材料７と透光性基板２ａ、透光性基板２ａと位相板１５、位相板１５と透光性基板２ｂ、透光性基板２ｂと透明電極１１ａとの界面で発生するフレネル反射光の低減が必要となる。これらの界面で発生する反射光の低減策として、例えば、透光性基板の表面に反射防止膜や微細な凹凸による光拡散面などを形成するとよい。
【００７１】
このほかに、界面で発生するフレネル反射光を光ファイバーで受光する光量を低減する構成について図１６に示す光変調液晶素子１２０を用いて説明するが、光変調液晶素子１１０と同じ光学部品は同じ符号を付して説明の重複を避ける。ここでは、光変調液晶素子１１０に対して反射層１６の反射面を傾斜させる点が異なる。光変調液晶素子１２０は、角度αの傾斜を有するウェッジ付き透光性基板３ａの片面に反射層１６ｂを形成して反射型液晶素子１０４ｃとし、偏光回折素子１０１ａと組み合わせて、反射面が傾斜した光変調液晶素子１２０とする。このようにすることで、反射層１６ｂで反射する光を受ける（光ファイバーなどの）位置に到達するフレネル反射光を低減させることができるので、より高い消光比を実現できる。
【００７２】
また、図１７に示す光変調液晶素子１３０において、屈折率差が大きなことに起因して発生するフレネル反射光の多い空気と透光性基板１ａとの界面を反射面に対して傾斜させることが有効である。ここでは、角度βの傾斜を有するウェッジ付き透光性基板１ａの光入射面に反射防止膜（図示せず）を形成し、偏光回折格子６と均質屈折率透明材料層７からなる偏光回折素子１０１ｅとし、入射面が反射層１６ａの反射面に対して傾斜した光変調液晶素子１３０となる。
【００７３】
本発明の光変調液晶素子および可変光減衰器は上記実施態様で説明した構成以外の偏光分離手段、偏光変調手段、反射手段からなる種々の形態により光変調液晶素子を実現できる。
【００７４】
（実施例１）
本発明の光変調液晶素子１１０の作製方法について、図１２を用いて説明する。まず、偏光分離素子として偏光回折素子１０１ａの作製方法について説明する。透光性基板１として石英ガラス基板の片面にポリイミドを塗布して硬化し、一方向にラビングをして図示しない配向膜を形成する。もう一つの、配向膜を形成した図示しない透光性基板を用意し、配向方向が平行するように互いの配向膜を対向させて一定の厚さのシール材を配し、できた空隙に液晶モノマーの溶液を注入して充填し、液晶分子の配向ベクトル（分子配向軸）を基板と平行面内の特定方向（図１２では、Ｘ軸方向）に揃うように配向させた後、紫外線光を照射して重合硬化させる。図示しないもう一方の透光性基板を離型処理し、波長１．５６μｍの光において常光屈折率ｎｏ＝１．５５および異常光屈折率ｎｅ＝１．７５で厚さ１４μｍの高分子液晶層を形成し、フォトリソグラフィとエッチングの技術により格子ピッチ４０μｍで、７段で８レベル（Ｎ＝８）の階段により近似した階段状の疑似ブレーズ回折格子形状に加工する。なお、擬似ブレーズ形状の長手方向を高分子液晶層の配向方向に平行となるようにする。
【００７５】
さらに、上記の疑似ブレーズ回折格子を設けた石英基板の回折格子が設けられた面と透光性基板２ａとして石英ガラス基板と３０μｍの間隔（格子の一番低い部分で）を持って対向するように配置し周辺をシールして、注入口から硬化後に等方屈折率を有する透明材料となる紫外線硬化性組成物を注入し、紫外線照射で硬化させる。このようにして、波長λ０＝１．５６μｍの光において、高分子液晶の常光屈折率ｎｏと異常光屈折率ｎｅの平均値（ｎｏ＋ｎｅ）／２に相当する屈折率ｎｓ＝１．６５の均質屈折率透明材料層７を形成し、偏光回折素子１０１ａとする。
【００７６】
次いで反射型液晶素子１０４ｂの作製方法について説明する。透光性基板３として石英ガラス基板の片面に、屈折率１．４５のＳｉＯ２と屈折率２．１５のＴａ２Ｏ５をその光学膜厚（屈折率×膜厚）が波長１．５６μｍの１／４となるようスパッタリング法により交互に積層し、反射層１６として、１４８０〜１６２０ｎｍの波長帯域で反射率が９８％以上となる誘電体多層反射膜を形成する。また、誘電体多層反射膜の表面および透光性基板２ｂとして同じ石英ガラス基板の片面に透明電極１１ｂ、１１ａとなるＩＴＯを成膜する。さらに、それぞれのＩＴＯの表面にポリイミドを塗布しラビング処理により配向膜１２ａおよび１２ｂを形成する。配向膜１２ａと１２ｂとを対向させ、厚さ約２．８μｍのシール１４を用いて平行に配し、これらの空隙に図示しない注入口から液晶を注入して充填、密封し、液晶層１３を形成する。
【００７７】
液晶として、波長１．５６μｍの光に対して常光屈折率ｎｏ＝１．５０および異常光屈折率ｎｅ＝１．６６となる誘電率異方性が正のネマティック液晶を用い、図８に示すように、液晶層１３の厚さｄＬＣを２．８μｍとした液晶単体セル１０２ａを作製する。ここで、液晶層１３の遅相軸方向が図１０に示すようにＹ軸方向に対して４５°方向で基板に対して平行配向となるように配向膜１２ａおよび１２ｂは配向処理されている。このとき、波長１．５６μｍの光に対し、液晶層に電圧を印加しない状態の液晶単体セル１０２ａのリタデーション値ＲＬＣが０．４５μｍで、電圧制御装置１０３により印加電圧実効値５Ｖｒｍｓの矩形波交流電圧を印加した状態では液晶単体セル１０２ａのリタデーション値ＲＬＣが０．０６μｍとする。
【００７８】
さらに、片面に反射防止膜（図示せず）が形成された偏光回折素子１０１ａの透光性基板２ａの面に、常光屈折率ｎｏ＝１．５５および異常光屈折率ｎｅ＝１．５９で厚さｄ＝１．５μｍの高分子液晶層からなる位相板１５を液晶単体セルに接着一体化して光変調液晶素子１１０とする。ここで、位相板１５の遅相軸方向が液晶層１３の遅相軸方向と直交するように配置し、リタデーション値ＲＷＰが０．０６μｍとなるようにする。その結果、印加電圧Ｖ２＝５Ｖｒｍｓでの液晶層１３に残留するリタデーション値０．０６μｍを相殺し、液晶セル１０２ｂのリタデーション値Ｒはゼロとなり、印加電圧ゼロ（Ｖ１＝０）で液晶セル１０２ｂのリタデーション値Ｒが０．３９μｍとなる。
【００７９】
このように作製した光変調液晶素子１１０は、印加電圧ゼロの時、偏光回折素子１０１ａに入射するＳ偏光の光とＰ偏光の光は液晶セル１０２ｂを往復透過してそれぞれＰ偏光の光とＳ偏光の光に変換されて出射する。一方、印加電圧Ｖ２＝５Ｖｒｍｓの時、液晶セル１０２ｂを往復透過するＳ偏光の光およびＰ偏光の光はそれぞれ偏光状態が変化することなく出射する。
【００８０】
（実施例２）
実施例１で作製した光変調液晶素子１１０と、光の出射と受光の両方の機能を有する光ファイバー１８および集光レンズ１７からなる図１５に示すような光減衰器２００を構成する。光ファイバー１８より出射する波長１．５２μｍから１．６０μｍのランダム偏光を集光レンズ１７により平行光化して光変調液晶素子１１０に入射し、光変調液晶素子１１０で反射した出射光が集光レンズ１７により光ファイバー１８周辺に集光される。光変調液晶素子１１０の液晶層１３に印加する矩形交流電圧の振幅をＶ１＝０ＶｒｍｓからＶ２＝５Ｖｒｍｓまで変化させると集光レンズ１７および光変調液晶素子１１０を往復して光ファイバーを伝送する光強度Ｉ（Ｖ）が最大から最小まで変化する可変光減衰器が実現する。
【００８１】
このとき、光強度比Ｉ（０Ｖｒｍｓ）／Ｉ（５Ｖｒｍｓ）で規定される消光比は２２ｄＢと高い値が得られる。また、光変調液晶素子１１０の使用に伴う光挿入損失ＩＬ（０Ｖｒｍｓ）は−１ｄＢ程度と低い値となる。また、印加電圧をＶ１＝０ＶｒｍｓとＶ２＝５Ｖｒｍｓに切り替えた時の光学応答時間は５ｍｓｅｃ以下となり、従来の透過型液晶素子に比べ液晶層の厚さが約半分のため応答時間は約１／４に高速化できる。さらに、入射光の波長が１．５２μｍから１．６０μｍまで変化しても、集光レンズ１７により光ファイバー１８に集光される集光点位置の変動はなく、光ファイバーを伝送する光の強度は安定する。
【００８２】
（実施例３）
実施例３として、ウォラストンプリズムを用いた偏光分離素子による光減衰器を構成する。実施例３の光減衰器は図示しないが、実施例２の光変調液晶素子１１０における偏光回折素子１０１ａの代わりに、図７に示す複屈折結晶からなるウォラストンプリズム１０１ｄを用いる。
【００８３】
ウォラストンプリズム１０１ｄは、複屈折結晶として常光屈折率ｎｏ＝１．９４５および異常光屈折率ｎｅ＝２．１４８のイットリウム・バナデート（ＹＶＯ４）結晶を用い、光透過面と斜面とが３０°の角度をなす三角柱形状の２つの直角プリズム４と５に加工し、互いの斜面を、接着材を用いて固定することによって作製する。なお、直角プリズム４と５の異常光屈折率を示す遅相軸は図７において、直角プリズム４がＹ方向、直角プリズム５がＸ方向となるようにする。ここで、ウォラストンプリズム１０１ｄに垂直に入射するＳ偏光の光およびＰ偏光の光は直角プリズム４と５の界面および出射面で屈折し、出射面が屈折率１．４５の石英ガラスの場合はそれぞれＳ偏光の光が−Ｙ方向にθ＝４．６°およびＰ偏光の光が＋Ｙ方向にθ＝４．７°の角度をなして出射する。
【００８４】
このようにして作製したウォラストンプリズム１０１ｄを実施例１の反射型液晶素子１０４ｂと一体化し、光変調液晶素子とする。図１５において、実施例１の光変調液晶素子１１０の代わりに本実施例の光変調液晶素子を配置し、液晶層１３に印加する矩形交流電圧の振幅をＶ１＝０ＶｒｍｓからＶ２＝５Ｖｒｍｓまで変化させると、光ファイバーを伝送する光強度Ｉ（Ｖ）が最大から最小まで変化する可変光減衰器が実現する。このとき、光強度比Ｉ（０Ｖｒｍｓ）／Ｉ（５Ｖｒｍｓ）で規定される消光比は３５ｄＢと高い値が得られる。また、光変調液晶素子の使用に伴う光挿入損失ＩＬ（０Ｖｒｍｓ）は−０．３ｄＢ程度と低い値となる。
【産業上の利用可能性】
【００８５】
以上説明したように、本発明により入射光の偏光方向に関わらず光挿入損失が低くかつ消光比の高い安定した光変調液晶素子およびそれを用いた可変光減衰器が実現できる。また、本発明の光変調液晶素子の構成とすることにより応答速度の速い光変調液晶素子およびそれを用いた可変光減衰器が実現できる。さらに、入射光の広い波長帯域に対して波長依存性の少ない安定した消光比が得られる可変光減衰器が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００８６】
【図１】本発明の光変調液晶素子の基本構成を示す側面模式図。
【図２】本発明の光変調液晶素子の基本構成を示す平面模式図。
【図３】本発明の光変調液晶素子の構成要素である偏光分離素子の機能を示す側面模式図。
【図４】本発明の光変調液晶素子の構成要素である偏光分離素子を偏光回折素子とした構成例を示す断面模式図。
【図５】回折格子の深さ変化に対する１次回折効率特性、回折格子に入射する光の波長変動に対する１次回折効率特性、およびブレーズ形状および擬似ブレーズ形状の深さの定義を示す模式図。
【図６】本発明の光変調液晶素子の構成要素である偏光分離素子を偏光回折素子とした他の構成例を示す断面模式図。
【図７】本発明の光変調液晶素子の構成要素である偏光分離素子をウォラストンプリズムとした構成例を示す断面模式図。
【図８】本発明の光変調液晶素子の構成要素である偏光変調素子および反射層を反射型液晶素子とした構成例を示す断面模式図。
【図９】本発明の光変調液晶素子の構成要素である偏光変調素子および反射層を反射型液晶素子とした他の構成例を示す断面模式図。
【図１０】反射型液晶素子の平面模式図。
【図１１】反射型液晶素子の機能を示す断面模式図。
【図１２】光変調液晶素子の構成例を示す断面模式図。
【図１３】光変調液晶素子の機能を示す断面模式図（電圧＝Ｖ１）。
【図１４】光変調液晶素子の機能を示す断面模式図（電圧＝Ｖ２）。
【図１５】本発明の光変調液晶素子からなる可変光減衰器の構成例を示す模式図。
【図１６】本発明の光変調液晶素子においてフレネル反射光低減の構成例を示す断面図。
【図１７】本発明の光変調液晶素子においてフレネル反射光低減の他の構成例を示す断面図。
【図１８】従来の可変光減衰器の構成例を示す断面模式図。
【図１９】従来の投影器の構成例を示す断面模式図。
【符号の説明】
【００８７】
１、１ａ、２、２ａ、２ｂ、３、３ａ  透光性基板
４、５  直角プリズム
６、８、９  偏光回折格子
７、１０  均質屈折率透明材料
１１ａ、１１ｂ  透明電極
１１ｃ、１１ｄ  取り出し電極
１２ａ、１２ｂ  配向膜
１３  液晶層
１４  シール
１５  位相板
１６  反射層
１６ａ、１６ｂ  反射層
１７  集光レンズ
１８  光ファイバー
１００、１１０、１２０、１３０  光変調液晶素子
１０１  偏光分離素子
１０１ａ、１０１ｂ、１０１ｄ、１０１ｅ  偏光回折素子
１０１ｄ  ウォラストンプリズム
１０２  偏光変調素子
１０２ａ  液晶単体セル
１０２ｂ  液晶セル
１０３  電圧制御装置
１０４、１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ  反射型液晶素子
２００  光減衰器
３００  液晶素子（従来）
３１０  液晶セル（従来）
３２０  第１の偏光ビームスプリッタ
３３０  第２の偏光ビームスプリッタ
４００  投影装置
４１０  レンズ
４２０  偏光分離器
４２１  偏光性の回折格子
４３０  液晶パネル
４４０  主要鏡
４５０  投射レンズ
【図１】
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【図２】
2009294604.tif 000004
【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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