CN112578492A - 相位调制元件和显示装置 - Google Patents

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Abstract

提供相位调制元件和显示装置，能够对包含多个光成分的光适当地进行像差校正。本发明的相位调制元件具有：基材；以及多个柱状结构体，它们由设置于基材的第1面的电介质材料构成，多个柱状结构体具有使包含第1光成分和第2光成分的入射光产生波导效应的折射率和间距，基材的第1面具有第1区域和第2区域，在第1区域中设置有对第1光成分进行相位调制的多个第1柱状结构体，在第2区域中设置有对具有与第1光成分的参数不同的参数的第2光成分进行相位调制的多个第2柱状结构体。

Description

相位调制元件和显示装置
技术领域
本发明涉及相位调制元件和显示装置。
背景技术
例如在投影仪等显示装置中，以提高显示品质为目的，有时使用相位调制元件，该相位调制元件通过对光的相位进行调制，对由透镜等光学元件产生的各种像差进行校正。在下述的专利文献1中，公开了一种元透镜，该元透镜具有基板和在基板上配置的多个纳米结构体，光相移依赖于纳米结构体的位置而变化。
专利文献1：日本特表2019-516128号公报
为了通过高精度且小型的光学元件实现像差校正，考虑使用专利文献1的元透镜那样的相位调制元件。但是，在专利文献1的元透镜中，对于具有特定波长或特定入射角等特定参数的入射光，多个纳米结构体的尺寸和方向根据位置而变化。因此，即使使用专利文献1的元透镜，也存在难以对包含多个光成分的光适当地进行像差校正的问题，该多个光成分具有互不相同的参数。
发明内容
为了解决上述问题，本发明一个方式的相位调制元件具有：基材；以及多个柱状结构体，它们设置于所述基材的第1面，所述多个柱状结构体具有使入射光产生波导效应的折射率和间距，所述入射光包含第1光成分和第2光成分，所述第2光成分具有与所述第1光成分的特性参数不同的特性参数，所述基材的所述第1面具有第1区域和第2区域，在所述第1区域中设置有对所述第1光成分进行相位调制的多个第1柱状结构体，在所述第2区域中设置有对所述第2光成分进行相位调制的多个第2柱状结构体。
在本发明一个方式的相位调制元件中，也可以是，所述第1光成分和所述第2光成分的波长、入射角以及偏振状态中的至少一个特性参数互不相同。
在本发明一个方式的相位调制元件中，也可以是，所述第1柱状结构体和所述第2柱状结构体的直径、间距、高度以及形状中的至少一个结构参数互不相同。
在本发明一个方式的相位调制元件中，也可以是，当从所述入射光的射出方向观察所述基材时，所述基材的形状为圆形，所述第1区域和所述第2区域以同心圆状、格子状、扇形以及不规则形状中的任意一个形式来配置。
在本发明一个方式的相位调制元件中，也可以是，所述基材具有透光性基板，该透光性基板具有第1面和第2面，所述多个柱状结构体设置于所述透光性基板的第1面，所述入射光从所述透光性基板的所述第1面和所述第2面中的任意一方入射，并从所述第1面和所述第2面中的任意另一方射出。
在本发明一个方式的相位调制元件中，也可以是，所述基材具有间隔层和反射层，所述间隔层具有第1面和第2面，所述多个柱状结构体设置于所述间隔层的第1面，所述反射层设置于所述间隔层的第2面，所述入射光从所述间隔层的所述第1面入射，被所述反射层反射而从所述间隔层的所述第1面射出。
本发明一个方式的显示装置具有本发明一个方式的相位调制元件。
附图说明
图1是第1实施方式的投影仪的概略结构图。
图2是照明装置的概略结构图。
图3是光学装置的侧视图。
图4是相位调制元件的主视图。
图5是相位调制元件的侧视图。
图6是示出柱状结构体的直径和相移量之间的关系的曲线图。
图7是示出纵向波导模式的概念的示意图。
图8是示出横向波导模式的概念的示意图。
图9是示出相位调制元件的光强度的波长依赖性的曲线图。
图10是示出相位调制元件的光强度的入射角依赖性的曲线图。
图11是示出光垂直入射到相位调制元件时的等相位面的图。
图12是示出光倾斜入射到相位调制元件时的等相位面的图。
图13是第4实施方式的光学装置的侧视图。
图14是第1变形例的相位调制元件的主视图。
图15是第2变形例的相位调制元件的主视图。
图16是第3变形例的相位调制元件的主视图。
图17是第4变形例的相位调制元件的主视图。
标号说明
1：投影仪(显示装置)；22、37、71、72、73、74：相位调制元件；38：基材；221：基板(基材)；221a：第1面；222：柱状结构体；222A：第1柱状结构体；222B：第2柱状结构体；223、711、721、731、741：第1区域；224、712、722、732、742：第2区域；381：间隔层；382：反射层；L：入射光。
具体实施方式
[第1实施方式]
以下，使用图1～图9来说明本发明的第1实施方式。
在本实施方式中，作为显示装置的一例，举出投影仪进行说明。
图1是示出第1实施方式的投影仪的概略结构图。
图2是照明装置的侧视图。
另外，在以下的各附图中，为了易于观察各结构要素，有时根据结构要素而使尺寸的比例尺不同来进行示出。
本实施方式的投影仪是使用了3个透射型液晶光阀作为光调制装置的投影仪的一例。另外，作为光调制装置，还能够使用反射型液晶光阀。此外，作为光调制装置，还可以采用使用了微镜的器件、例如使用了DMD(Digital Micromirror Device：数字微镜器件)等的光调制装置等除液晶以外的光调制装置。
如图1所示，投影仪1具有照明装置2、色分离光学***3、光调制装置4R、光调制装置4G、光调制装置4B、光合成光学***5和投影光学***6。另外，投影仪1具有后述的相位调制元件22。照明装置2射出照明光WL。色分离光学***3将来自照明装置2的照明光WL分离为红色光LR、绿色光LG和蓝色光LB。光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B分别根据图像信息对红色光LR、绿色光LG和蓝色光LB进行调制，形成各色的图像光。光合成光学***5对来自各光调制装置4R、4G、4B的各色的图像光进行合成。投影光学***6朝向屏幕SCR投射来自光合成光学***5的合成后的图像光。
如图2所示，照明装置2射出白色的照明光WL，该白色的照明光WL包含：从半导体激光器射出的蓝色的激励光中的、未进行波长转换而射出的蓝色的激励光B的一部分；以及通过荧光轮50对激励光B的波长转换而生成的黄色的荧光YL。照明装置2朝向色分离光学***3射出被调整成具有大致均匀的照度分布的照明光WL。之后对照明装置2的具体结构进行叙述。
如图1所示，色分离光学***3具有第1分色镜7a、第2分色镜7b、第1反射镜8a、第2反射镜8b、第3反射镜8c和中继透镜8d。
第1分色镜7a将从照明装置2射出的照明光WL分离为红色光LR、以及绿色光LG和蓝色光LB的混合光。因此，第1分色镜7a使红色光LR透过，并反射绿色光LG和蓝色光LB。第2分色镜7b将绿色光LG和蓝色光LB的混合光分离为绿色光LG和蓝色光LB。因此，第2分色镜7b反射绿色光LG，并使蓝色光LB透过。
第1反射镜8a配置在红色光LR的光路中，将透过了第1分色镜7a的红色光LR朝向光调制装置4R进行反射。第2反射镜8b和第3反射镜8c配置在蓝色光LB的光路中，将透过了第2分色镜7b的蓝色光LB引导至光调制装置4B。
光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B各自由液晶面板构成。光调制装置4R在使红色光LR通过的期间根据图像信息对该红色光LR进行调制，形成红色的图像光。同样地，光调制装置4G在使绿色光LG通过的期间根据图像信息对该绿色光LG进行调制，形成绿色的图像光。光调制装置4B在使蓝色光LB通过的期间根据图像信息对该蓝色光LB进行调制，形成蓝色的图像光。在光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B各自的光入射侧和光射出侧分别配置有偏振片(省略图示)。
在光调制装置4R的光入射侧，设置有使入射到光调制装置4R的红色光LR平行化的场透镜10R。在光调制装置4G的光入射侧，设置有使入射到光调制装置4G的绿色光LG平行化的场透镜10G。在光调制装置4B的光入射侧，设置有使入射到光调制装置4B的蓝色光LB平行化的场透镜10B。
光合成光学***5由十字分色棱镜构成。光合成光学***5对从光调制装置4R、光调制装置4G以及光调制装置4B各自射出的各色的图像光进行合成，并将所合成的图像光朝向投影光学***6射出。
投影光学***6由多个投影透镜构成。投影光学***6朝向屏幕SCR放大投射由光合成光学***5合成后的图像光。由此，在屏幕SCR上显示放大的彩色影像。另外，投影光学***6也可以由一个投影透镜构成。
(照明装置)
接下来，对照明装置2的结构进行说明。
如图2所示，照明装置2具有射出激励光的阵列光源30、准直光学***40、聚光光学***42、荧光轮50、拾取光学***60、集成光学***110、偏振转换元件120和重叠透镜130。
阵列光源30具有射出蓝色光作为激励光B的多个半导体激光器31，该激励光B用于激励后述的荧光轮50所具有的荧光体层51。半导体激光器31的发光强度峰值例如约为445nm。另外，作为阵列光源，也可以代替通过蓝色光激励荧光体层的结构，而使用具有射出蓝色光的激光光源、射出绿色光的激光光源、射出红色光的激光光源的阵列光源。
另外，只要是能够激励后述的荧光体层51的波长的光，则半导体激光器31也可以射出具有445nm以外的峰值波长的色光。
准直光学***40将从阵列光源30射出的激励光B转换为平行光。准直光学***40例如由与多个半导体激光器31的排列对应地排列为阵列状的多个准直透镜41构成。透过准直光学***40而被转换为平行光的激励光B入射到聚光光学***42。
聚光光学***42例如由1片凸透镜构成。聚光光学***42配置在从阵列光源30射出的激励光B的光线轴上，使通过准直光学***40平行化的激励光B会聚在荧光轮50上。
荧光轮50具有使从阵列光源30射出的蓝色的激励光B的一部分透过、并将剩余的激励光B转换为荧光的功能。荧光轮50具有旋转基板50a、荧光体层51、分色膜52和电机55b。旋转基板50a例如由具有透光性的玻璃或树脂构成。
旋转基板50a从旋转轴O的方向观察形成为圆形。但是，旋转基板50a的外形不限于圆形，例如也可以是多边形。电机55b使旋转基板50a绕规定的旋转轴O旋转。旋转基板50a在与入射到旋转基板50a的激励光B的光轴大致垂直的面内旋转。荧光体层51包含吸收激励光B而射出包含红色光和绿色光的黄色荧光YL的荧光体粒子。荧光YL的发光强度峰值例如约为550nm。
作为荧光体粒子，例如可使用YAG(钇铝石榴石)系荧光体。另外，荧光体粒子的形成材料可以是1种，也可以是使用2种以上的材料形成的粒子混合而成的材料。
分色膜52设置于荧光体层51与旋转基板50a之间。分色膜52使激励光B透过而使荧光YL反射。
荧光YL和透过荧光体层51的激励光B的一部分光(即，蓝色光B1)合成，由此生成白色的照明光WL。即，照明光WL由包含荧光YL和激光所构成的激励光B的光构成。
拾取光学***60具有拾取透镜61和拾取透镜62。拾取光学***60取入从荧光体层51射出的照明光WL，并且使其大致平行化而朝向集成光学***110射出。
集成光学***110具有第1透镜阵列111和第2透镜阵列112。第1透镜阵列111具有配置成矩阵状的多个透镜。第2透镜阵列112具有与第1透镜阵列111的多个透镜对应的多个透镜。第1透镜阵列111将来自拾取光学***60的照明光WL分割为多个分割光束，并会聚各分割光束。第2透镜阵列112以规定的发散角射出来自第1透镜阵列111的分割光束。
偏振转换元件120将从第2透镜阵列112射出的光转换为线偏振光。偏振转换元件120例如具有偏振分离膜和相位差板(均省略图示)。即，偏振转换元件120将非偏振光转换为一个方向的线偏振光。
重叠透镜130使从偏振转换元件120射出的多个分割光束在光调制装置4R、光调制装置4G、光调制装置4B各自的被照明区域重叠。即，第2透镜阵列112和重叠透镜130使第1透镜阵列111的各透镜的像成像于光调制装置4R、光调制装置4G和光调制装置4B的图像形成区域的附近。
(光学装置)
以下，说明本实施方式的光学装置。
图3是光学装置20的侧视图。
在图1所示的投影仪1和图2所示的照明装置2中，本实施方式的光学装置20能够应用于例如拾取光学***60、准直透镜41、重叠透镜130、中继透镜8d、场透镜10R、10G、10B等聚光元件。
如图3所示，光学装置20具有透镜21和相位调制元件22。透镜21由球面透镜构成。相位调制元件22设置在透镜21的光射出侧，通过对入射光L的相位进行调制，对由透镜21引起的像差进行校正。
图4是相位调制元件22的主视图。图5是相位调制元件22的侧视图。
如图4所示，相位调制元件22具有基板221(基材)和设置在基板221的第1面221a上的多个柱状结构体222。如图5所示，从基板221的第1面221a的法线方向观察，多个柱状结构体222呈二维状地周期性排列设置。多个柱状结构体222设置在基板221的第1面221a的整个区域上。柱状结构体222具有nm级的直径，有时也被称为纳米柱等。
柱状结构体222例如由氧化钛(TiO2)、氮化硅(SiN)、磷化镓(GaP)等高折射率的电介质材料构成。柱状结构体222的形状例如是圆柱状、正四棱柱状等旋转对称形状。基板221由具有比柱状结构体222的折射率低的折射率的玻璃(SiO2)等透光性基板构成。从透镜21射出并入射到相位调制元件22的入射光L从基板221的第2面221b入射，从第1面221a射出。另外，相位调制元件22也可以与图3相反，配置为入射光L从基板221的第1面221a入射，从第2面221b射出的朝向。另外，柱状结构体222也可以由例如金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铂(Pt)、钯(Pd)、镍(Ni)、铝(Al)等金属材料构成。
多个柱状结构体222具有使入射光L产生波导效应的折射率和间距。柱状结构体222的折射率为2.2～4.0左右的范围。例如作为柱状结构体222的材料的TiO2的折射率为2.28～2.42左右，SiN的折射率约为2.0～2.1左右，GaP的折射率为3.1～4.0左右。
柱状结构体222的粗细、即柱状结构体222的直径W例如为50～700nm左右。相邻的柱状结构体222之间的间距P例如为100～700nm左右。另外，间距P是相邻的柱状结构体222的中心轴间的距离。柱状结构体222的高度H例如为100～1000nm左右。
如图4所示，从入射光L的射出方向观察基板221时，基板221的形状为圆形。基板221的第1面221a具有：第1区域223，在该第1区域223中设置有对第1光成分进行相位调制的多个第1柱状结构体222A；以及第2区域224，在该第2区域224中设置有对第2光成分进行相位调制的多个第2柱状结构体222B，该第2光成分具有与第1光成分的特性参数不同的特性参数。在本实施方式的情况下，第1区域223以及第2区域224分别具有将形成基板221的外形的圆分割为扇形而得的半圆状的形状。另外，基板221的形状不一定是圆形，也可以是包含四边形的多边形等其他形状。
在本说明书中，特性参数是指表示入射到相位调制元件22的光的特性的参数，具体而言与波长、入射角、偏振状态中的任意一个对应。
在本实施方式中，第1光成分和第2光成分的作为光的特性参数的波长互不相同。换言之，基板221的第1面221a被分割为第1区域223和第2区域224，在第1区域223中设置有针对第1波长为最优化的多个第1柱状结构体222A，在第2区域224中设置有针对与第1波长不同的第2波长为最优化的多个第2柱状结构体222B。
为了针对具有第1波长的第1光成分和具有第2波长的第2光成分分别为最优化，作为柱状结构体222的第1柱状结构体222A和第2柱状结构体222B的直径、间距、高度和形状中的至少一个结构参数互不相同。
在本说明书中，结构参数是指与柱状结构体222的结构相关的参数，具体而言，对应于柱状结构体222的直径、间距、高度以及形状中的任意一个。
利用柱状结构体222的形成区域R内的光封闭效应，相位调制元件22用作纳米级尺寸的光谐振器。此外，如后所述，相位调制元件22通过具有例如直径W1、W2不同的柱状结构体222A、222B，能够对通过相位调制元件22的光的相位进行调制，并且能够校正由其他光学元件引起的像差。
相位调制通过柱状结构体222的形成区域R内的波导效应(Waveguide effect)而得到。在设入射光L的波长为λ、柱状结构体222的有效折射率为neff、柱状结构体222的高度为H时，相位调制量φ由以下的(1)式表示。
φ＝2π/λ×(neff×H)…(1)
这里，对相位调制元件22中的光的波导模式进行说明。
当光入射到柱状结构体222的形成区域时，产生基于以下两种波导模式的光的波导。
图7是示出纵向波导模式的概念的示意图。图8是示出横向波导模式的概念的示意图。
如图7所示，垂直入射到相位调制元件22的光L在柱状结构体222的形成区域R与其外侧空间的界面处被垂直反射，由此反射光L1在柱状结构体222的形成区域R内往复，产生谐振并进行导波。将该波导模式称为纵向波导模式。纵向波导模式是根据与法布里-珀罗谐振器相同的原理产生的波导模式。
此外，入射到相位调制元件22的光对应于柱状结构体222的间距P而以规定的角度被衍射。此时，多个柱状结构体222用作衍射光栅。特别是在衍射角为90°的条件下，如图8所示，衍射光L2相对于入射光L沿垂直方向导波。将该波导模式称为横向波导模式。
在相位调制元件22中，纵向波导模式下的光传播和横向波导模式下的光传播在空气中重合，从而确定从相位调制元件22射出的光的相位。
这里，式(1)中的有效折射率neff取决于柱状结构体222的直径W。因此，关于柱状结构体222内的光的封闭，柱状结构体222的直径W越大，基本模式的封闭越增加。因此，通过改变柱状结构体222的直径W，波导模式改变，并且有效折射率neff也改变。结果，即使柱状结构体222的高度恒定，也可以进行相位调制。
在此，本发明人通过FDTD法进行了使柱状结构体222的直径W变化时的相移量的仿真。在此，仅使柱状结构体222的直径W变化，柱状结构体222的间距及高度恒定。
图6示出仿真结果的曲线图。曲线图的横轴为柱状结构体的直径(nm)，曲线图的纵轴为相移量(/2π)。
如图6所示，当柱状结构体222的直径W从250nm变化到420nm时，相移量(/2π)从约0.05变化到了1。即，可知如果增大柱状结构体222的直径W，则能够增大相位调制量。由此，如果根据入射光L在照射区域内的位置来改变柱状结构体222的直径W，则能够使相位调制量变化。
此外，本发明人对相位调制元件22进行了光强度分布的波长依赖性的仿真，该相位调制元件22针对单色光(即，具有特定波长的光)进行了最优化设计。这里，使用对波长550nm的入射光进行了最优化设计的相位调制元件。
图9示出仿真结果的曲线图。曲线图的横轴为距透镜的焦点位置的距离X(μm)，曲线图的纵轴为光强度(a.u.)。
如图9所示，对于波长550nm的入射光能够得到足够大的光强度，但是，随着入射光的波长从作为设计值的550nm到525nm或575nm这样与设计波长的偏差增大，光强度降低到设计光强度的一半以下。即，可知由于聚光效率因入射光的波长偏差而急剧降低，所以对于具有设计波长以外的波长的光成分，不能进行期望的相位调制。这样的相位调制元件只能用于单色显示的投影仪。
与此相对，在本实施方式的相位调制元件22中，一个基板221被划分成两个区域、即第1区域223和第2区域224，并且在两个区域中的每一个中分别设置有针对波长互不相同的光成分为最优化的多个柱状结构体222。通常，在单球面透镜产生的像差能够通过使用其他多个透镜进行相位调制而降低，但是在该方式中存在光学***变大的缺点。另一方面，在本实施方式的光学装置20中，因为将薄型的相位调制元件22***到了透镜21的后级，所以只要确保基板221的厚度量的空间即可，能够得到投影图像的分辨率高且小型的光学装置20。
另外，在论文(“Achromatic Metalens over 60nm Bandwidth in the Visibleand Metalens with Reverse Chromatic Dispersion”，NanoLetters，2017，17，pp1819-1824)中提出了能够与多个波长对应的相位调制元件的设计方法。但是，在该方法中，多波长化和效率处于折衷的关系，元件的设计复杂、难度高且聚光效率低成为课题。
另一方面，单波长用的相位调制元件的聚光效率高，设计方法也简单。因此，在本实施方式的相位调制元件22中，当将具有互不相同的结构参数的柱状结构体222A、222B分割配置在两个区域223、224时，虽然存在产生入射光L的波长与设计波长不一致的区域的缺点，但可得到如下效果：能够容易地实现可与具有多个波长的入射光L对应的相位调制元件22。
由此，即使在入射光L包含具有互不相同的波长的多个光成分的情况下，也能够实现由球面像差、彗形像差、像散、像面弯曲、畸变像差等各种像差引起的图像质量下降少的紧凑的光学装置20。
另外，也可以在相位调制元件22的前级配置具有与分割后的每一个区域223、224的设计波长相同的分布的波长滤波器。由此，能够减少具有与设计波长不同的波长的入射光L入射到特定区域时产生的噪声光，能够消除上述缺点。
在本实施方式的光学装置20中，由于透镜21和相位调制元件22作为单独的部件而构成，所以容易制造相位调制元件22，容易得到期望的校正性能。
另外，在本实施方式中，由于柱状结构体222的形状是圆柱状等旋转对称形状，所以在相位调制元件22中，不产生结构性双折射的效应，能够不依赖于入射光L的偏振状态地，得到像差校正的效果。另外，柱状结构体222的形状也可以不一定是圆柱状等旋转对称形状。
本实施方式的投影仪1通过采用上述的光学装置20，投影图像的分辨率高、显示质量优良，并且能够实现小型化。
如本实施方式那样，在将具有区域223、224的相位调制元件22应用于投影仪1的情况下，适合用于例如荧光轮50的后级的拾取光学***60，区域223、224与具有互不相同的波长的光成分对应。在拾取光学***60中，从荧光轮50射出的激励光B和具有朗伯分布的荧光YL的发光强度分布不同。因此，相位调制元件22的中心附近被设计为用于蓝色光的波长，相位调制元件22的周缘附近被设计为用于黄色光的波长。由此，能够实现光量损耗少且可得到均匀的光强度分布的光学***。
[第2实施方式]
以下，使用图10对本发明的第2实施方式进行说明。
第2实施方式的光学装置的基本结构与第1实施方式相同，但是相位调制元件的各区域内的柱状结构体的设计与第1实施方式不同。因此，省略光学装置的整体结构的说明。
在本实施方式中，也与第1实施方式同样，基板的第1面具有第1区域和第2区域，在第1区域中设置有对第1光成分进行相位调制的多个第1柱状结构体，在第2区域中设置有对第2光成分进行相位调制的多个第2柱状结构体。
在本实施方式中，第1光成分和第2光成分的作为光的特性参数的入射角互不相同。换言之，基板的第1面被分割为第1区域和第2区域，在第1区域中设置有针对第1入射角为最优化的多个第1柱状结构体，在第2区域中设置有针对与第1入射角不同的第2入射角为最优化的多个第2柱状结构体。
为了针对具有第1入射角的第1光成分和具有第2入射角的第2光成分为最优化，作为柱状结构体的第1柱状结构体和第2柱状结构体的直径、间距、高度和形状中的至少一个结构参数互不相同。
本发明人对相位调制元件进行了光强度分布的入射角依赖性的仿真，该相位调制元件针对具有特定波长的光进行了最优化设计。这里，使用针对入射角为0°的入射光进行了最优化设计的相位调制元件。
图10示出仿真结果的曲线图。曲线图的横轴为距透镜的焦点位置的距离X(μm)，曲线图的纵轴为光强度(a.u.)。
如图10所示，对于入射角为0°的入射光能够得到足够大的光强度，但随着从作为设计入射角的0°到2°、4°、6°这样与设计入射角的偏差增大，光强度急剧降低。即，可知由于聚光效率因入射角的偏差而急剧降低，所以对于具有设计入射角以外的入射角的光成分，不能进行期望的相位调制。因此，在可能入射有具有宽入射角范围的光的光学***或变焦透镜中，难以使用该相位调制元件。
与此相对，在本实施方式的相位调制元件中，在基板上的两个区域的各个区域中分别设置有针对入射角互不相同的光成分为最优化的多个柱状结构体。因此，能够容易地实现可与具有多个入射角的光对应的相位调制元件。
[第3实施方式]
以下，对本发明的第3实施方式进行说明。
第3实施方式的光学装置的基本结构与第1实施方式相同，但是相位调制元件的各区域内的柱状结构体的设计与第1实施方式不同。因此，省略光学装置的整体结构的说明。
在本实施方式中，也与第1实施方式同样，基板的第1面具有第1区域和第2区域，在第1区域中设置有对第1光成分进行相位调制的多个第1柱状结构体，在第2区域中设置有对第2光成分进行相位调制的多个第2柱状结构体。
在本实施方式中，第1光成分和第2光成分的作为入射光的特性参数的偏振状态互不相同。换言之，基板的第1面被分割为第1区域和第2区域，在第1区域中设置有针对具有第1偏振状态的入射光为最优化的多个第1柱状结构体，在第2区域中设置有针对具有与第1偏振状态不同的第2偏振状态的入射光为最优化的多个第2柱状结构体。
为了针对具有第1偏振状态的第1光成分和具有第2偏振状态的第2光成分为最优化，作为柱状结构体的第1柱状结构体和第2柱状结构体的直径、间距、高度和形状中的至少一个结构参数互不相同。
如第1实施方式那样，在柱状结构体的形状是圆柱状等旋转对称形状的情况下，相位调制特性不依赖于入射光的偏振状态，但柱状结构体的设计自由度受到限制，另一方面，在柱状结构体的形状不是旋转对称形状的情况下，柱状结构体的设计参数增多，所以设计自由度增加，但另一方面，相位调制特性依赖于入射光的偏振状态。
与此相对，在本实施方式的相位调制元件中，在基板上的两个区域的各个区域中分别设置有针对具有互不相同的偏振状态的光成分为最优化的多个柱状结构体。因此，能够容易地实现可与具有多个偏振状态的光对应的相位调制元件。
另外，也可以在相位调制元件的前级配置具有与分割后的区域的偏振状态相同的偏振分布的偏振滤光器。由此，能够减少因具有与设计偏振不同的偏振状态的入射光入射到特定区域而产生的噪声光。
[关于柱状结构体的结构参数]
如上所述，即使在针对波长、入射角和偏振状态这些入射光的特性参数中的任意一个使各区域最优化时，也可以在每个区域中使柱状结构体的直径、间距、高度和形状中的任意一个结构参数不同。但是，如下所示，存在对各特性参数影响最大的柱状结构体的结构参数。
具体而言，如第1实施方式那样，在按照每个区域使设计波长不同的情况下，柱状结构体的间距带来的影响最大。如第2实施方式那样，在按照每个区域使设计入射角不同的情况下，柱状结构体的直径带来的影响最大。如第3实施方式那样，在按照每个区域使设计偏振状态不同的情况下，柱状结构体的截面形状带来的影响最大。但是，在使入射光的各特性参数不同的情况下，不一定限于仅使上述的结构参数不同。除了影响最大的结构参数以外，还考虑使其他结构参数同时不同。在上述中，只是示出了影响最大的结构参数。
(关于设计波长)
作为相位调制元件用作透镜的条件，相位调制元件的柱状结构体的间距P需要满足根据下述式(1)所表示的奈奎斯特采样定理导出的关系式。
P<λ/N.A.…(1)
λ：波长、N.A.：透镜的数值孔径
因此，柱状结构体的间距P的最大值根据波长而不同。此外，在利用了导模共振的相位调制元件的情况下，共振波长取决于柱状结构体的间距P，因此柱状结构体的间距P根据相位调制元件的设计波长而变化。
(关于设计入射角)
图11是示出入射光L垂直入射到相位调制元件22时的等相位面T的图。图12是示出入射光L倾斜入射到相位调制元件22时的等相位面T的图。
如图11所示，当由平面波构成的入射光L垂直入射到相位调制元件22时，相位全部相同的波入射到柱状结构体222。另一方面，如图12所示，当由平面波构成的入射光L倾斜入射到相位调制元件22时，入射到柱状结构体222的光波的相位对于每个柱状结构体222是不同的。
因此，需要使相位调制元件22产生用于获得透镜功能的相位差、和用于校正由倾斜入射引起的相位差的双方。其结果，对于在相邻的柱状结构体222中产生的相位差的变化量，为入射光L倾斜入射时比入射光L垂直入射时大。在柱状结构体222中产生的相位差能够通过柱状结构体222的直径进行调整，因此相邻的柱状结构体的直径变化量根据设计入射角而不同。
(关于设计偏振)
在柱状结构体的形状为圆柱等旋转对称形状的情况下，能够不依赖于入射偏振状态而产生期望的相位差。另一方面，在柱状结构体的形状例如是截面为长方形的四棱柱等非旋转对称形状的情况下，波阵面的延迟因入射光的振动方向而不对称地产生，因此产生的相位差较大程度地受到偏振状态的影响。
因此，在设计仅对特定偏振状态的光产生期望相位差的相位调制元件的情况下，由于柱状结构体的形状为非旋转对称形状，所以根据设计偏振方向，柱状结构体的截面形状互不相同。
[第4实施方式]
以下，使用图13对本发明的第4实施方式进行说明。
第4实施方式的光学装置的基本结构与第1实施方式相同，相位调制元件的结构与第1实施方式不同。因此，省略光学装置的整体结构的说明。
图13是第4实施方式的光学装置的侧视图。
在图13中，对与第1实施方式所使用的图3相同的结构要素标注相同标号并省略说明。
在第1～第3实施方式的光学装置中，使用透射型的相位调制元件，相对于此，在第4实施方式的光学装置36中，使用反射型的相位调制元件37。因此，本实施方式的光学装置36能够应用于图1所示的投影仪1中的例如采用第1反射镜8a、第2反射镜8b、第3反射镜8c等反射元件的部位。
如图14所示，本实施方式的光学装置36具有透镜21和相位调制元件37。相位调制元件37包含基材38和设置在基材38上的多个柱状结构体222。基材38具备：具有第1面381a和第2面381b的间隔层381；和设置在间隔层381的第2面381b上的反射层382。
作为间隔层381的构成材料，例如使用SiO2等。间隔层381具有比柱状结构体222的折射率低的折射率。间隔层381的折射率例如为1.3～2.1左右。如第1实施方式所述，柱状结构体222的折射率为2.2～4.0左右，因此柱状结构体222的折射率与间隔层381的折射率之差优选为0.1以上。另外，作为反射层382的构成材料，使用具有高反射率的金属膜或电介质多层膜。
由于本实施方式的相位调制元件37是反射型的相位调制元件，所以从透镜21射出的光从间隔层381的第1面381a入射后，被反射层382反射，并从间隔层381的第1面381a向后级的光学***射出。
光学装置36的其他结构与第1实施方式相同。即，基板38的第1面具有：第1区域223，在该第1区域223中设置有对第1光成分进行相位调制的多个第1柱状结构体222A；以及第2区域224，在该第2区域224中设置有对第2光成分进行相位调制的多个第2柱状结构体222B，该第2光成分具有与第1光成分的特性参数不同的特性参数。第1光成分和第2光成分的作为光的特性参数的波长互不相同。另外，作为第1光成分和第2光成分的光的特性参数，也可以如第2实施方式那样是入射角互不相同，还可以如第3实施方式那样是偏振状态互不相同。
本实施方式也可得到与第1至第3实施方式相同的效果，即，能够容易地实现可与具有多个波长、多个入射角和多个偏振状态等多个特性参数的光对应的相位调制元件37。
此外，在本实施方式中，由于相位调制元件37和反射镜一体化，所以能够实现由各种像差引起的图像质量下降少的紧凑的光学装置36。
[与多个区域的配置相关的变形例]
在第1～第4实施方式的相位调制元件中，除了上述第1区域和第2区域之外，还可以设置更多的区域。另外，这些区域也可以如下所示地配置。
图14是第1变形例的相位调制元件71的主视图。
如图14所示，在第1变型例的相位调制元件71中，基板221的第1面具有：第1区域711，在该第1区域711中设置有对第1光成分进行相位调制的多个第1柱状结构体(省略图示)；第2区域712，在该第2区域712中设置有对具有与第1光成分的特性参数不同的特性参数的第2光成分进行相位调制的多个第2柱状结构体(省略图示)；第3区域713，在该第3区域713中设置有对具有与第1光成分和第2光成分的特性参数不同的特性参数的第3光成分进行相位调制的多个第3柱状结构体(省略图示)；以及第4区域714，在该第4区域714中设置有对具有与第1光成分、第2光成分和第3光成分的特性参数不同的特性参数的第4光成分进行相位调制的多个第4柱状结构体(省略图示)。
在本变形例的情况下，第1区域711、第2区域712、第3区域713和第4区域714相对于基板221的中心配置成同心圆状。
本变形例也可得到与第1至第4实施方式相同的效果，即，能够容易地实现可与具有多个波长、多个入射角和多个偏振状态等多个特性参数的光对应的相位调制元件71。
另外，在本变形例的情况下，由于第1区域711、第2区域712、第3区域713和第4区域714被配置成同心圆状，所以即使在入射光的入射位置偏离所设计的位置的情况下，也能够入射到多个区域711、712、713、714中的某个区域。
图15是第2变形例的相位调制元件72的主视图。
如图15所示，在第2变形例的相位调制元件72中，也与第1变形例同样，基板221的第1面具有第1区域721、第2区域722、第3区域723和第4区域724。
在本变形例的情况下，第1区域721、第2区域722、第3区域723和第4区域724相对于基板221的中心配置成格子状。如何针对基板221被分割为格子状的矩形的各区域来配置第1区域721、第2区域722、第3区域723和第4区域724是任意的。例如4个区域的配置不具有规则性，第1区域721、第2区域722、第3区域723和第4区域724可以随机配置。
本变形例也可得到与第1至第4实施方式相同的效果，即，能够容易地实现可与具有多个波长、多个入射角和多个偏振状态等多个特性参数的光对应的相位调制元件72。
特别是在第1区域721、第2区域722、第3区域723和第4区域724被随机配置的情况下，即使在入射光的入射位置从设计位置偏离的情况下，也能够抑制入射光的强度偏向于与特定的特性参数对应的区域而分布。
图16是第3变形例的相位调制元件73的主视图。
如图16所示，在第3变形例的相位调制元件73中，也与第1变形例同样，基板221的第1面具有第1区域731、第2区域732、第3区域733和第4区域734。
在本变形例的情况下，第1区域731、第2区域732、第3区域733和第4区域734相对于基板221的中心配置成扇形。第1区域731、第2区域732、第3区域733和第4区域734可以沿着基板221的周向依次配置，也可以以随机的顺序配置。
本变形例也可得到与第1至第4实施方式相同的效果，即，能够容易地实现可与具有多个波长、多个入射角和多个偏振状态等多个特性参数的光对应的相位调制元件73。
特别是在本变形例中，在使光入射到基板221的中心的情况下，由于所有的区域731、732、733、734集中配置在光强度较强的基板221的中心，所以能够可靠地进行针对多个波长、入射角以及偏振状态的相位调制。
图17是第4变形例的相位调制元件74的主视图。
如图17所示，在第4变形例的相位调制元件74中，也与第1变形例同样，基板221的第1面具有第1区域741、第2区域742、第3区域743和第4区域744。
在本变形例的情况下，第1区域741、第2区域742、第3区域743和第4区域744以不规则形状布置在基板221上。各区域741、742、743、744的面积可以如图17所示那样适当不同，也可以相同。
本变形例也可得到与第1至第4实施方式相同的效果，即，能够容易地实现可与具有多个波长、多个入射角和多个偏振状态等多个特性参数的光对应的相位调制元件74。
尤其在本变形例的情况下，在入射光的面内的光强度分布不均匀的情况下，能够使特定规格的区域741、742、743、744的面积增加而使光利用效率提高，或者通过对区域741、742、743、744的面积进行调整而对具有特定的特性参数的光成分的强度进行调整。
另外，本发明的技术范围并不限于上述实施方式，在不脱离本发明主旨的范围内能够施加各种变更。
例如，在上述实施方式中，列举了相位调制元件的各区域与光的波长、入射角以及偏振状态中的任意一个特性参数对应的例子，但相位调制元件的各区域也可以与2个以上的特性参数对应。另外，相位调制元件也可以具有透镜功能，在该情况下也可以不必与透镜组合使用。
另外，在上述实施方式中，例示了柱状结构体为圆柱状、正四棱柱状等的情况，但也可以具有底面的面积比上表面的面积大的锥形。根据该结构，例如即使在透镜的曲面上形成柱状结构体，也能够维持相邻的柱状结构体的侧面彼此的平行度。例如锥面的倾斜角度相对于法线方向为大约15°以下即可。另外，作为形成纳米级柱状结构体的方法之一，可以举出纳米压印法。在使用纳米压印法形成柱状结构体的情况下，如果柱状结构体具有锥形，则能够容易地进行从柱状结构体材料剥离转印模时的剥离作业，容易得到具有期望形状的柱状结构体。
另外，构成相位调制元件的各构成要素的形状、数量、配置、材料等具体结构不限于上述实施方式，可以适当变更。另外，在上述实施方式中，在照明装置具有射出蓝色的激励光的光源和荧光轮、并向荧光轮上的荧光体层照射激励光而得到荧光的方式的照明装置中应用了本发明，但也可以在具有射出蓝色光的激光光源、射出绿色光的激光光源以及射出红色光的激光光源并使用来自这些激光光源的各色光而直接显示图像的投影仪中应用本发明。
并且，上述实施方式的相位调制元件不限于应用于图1所示的投影仪的光学***，也可以应用于扫描仪装置、交互式投影仪用的感测用红外波长投影光学装置、照相机等摄像装置等。另外，光学装置不限于应用于投影仪，也可以应用于头戴式显示器等显示装置。

Claims (7)

1.一种相位调制元件，其具有：
基材；以及
多个柱状结构体，它们设置于所述基材的第1面，
所述多个柱状结构体具有使入射光产生波导效应的折射率和间距，所述入射光包含第1光成分和第2光成分，所述第2光成分具有与所述第1光成分的特性参数不同的特性参数，
所述基材的所述第1面具有第1区域和第2区域，在所述第1区域中设置有对所述第1光成分进行相位调制的多个第1柱状结构体，在所述第2区域中设置有对所述第2光成分进行相位调制的多个第2柱状结构体。
2.根据权利要求1所述的相位调制元件，其中，
所述第1光成分和所述第2光成分的波长、入射角以及偏振状态中的至少一个特性参数互不相同。
3.根据权利要求2所述的相位调制元件，其中，
所述第1柱状结构体和所述第2柱状结构体的直径、间距、高度以及形状中的至少一个结构参数互不相同。
4.根据权利要求1至3中的任意一项所述的相位调制元件，其中，
当从所述入射光的射出方向观察所述基材时，所述基材的形状为圆形，
所述第1区域和所述第2区域以同心圆状、格子状、扇形以及不规则形状中的任意一个形式来配置。
5.根据权利要求1所述的相位调制元件，其中，
所述基材具有透光性基板，该透光性基板具有第1面和第2面，
所述多个柱状结构体设置于所述透光性基板的第1面，
所述入射光从所述透光性基板的所述第1面和所述第2面中的任意一方入射，并从所述第1面和所述第2面中的任意另一方射出。
6.根据权利要求1所述的相位调制元件，其中，
所述基材具有间隔层和反射层，所述间隔层具有第1面和第2面，
所述多个柱状结构体设置于所述间隔层的第1面，
所述反射层设置于所述间隔层的第2面，
所述入射光从所述间隔层的所述第1面入射，被所述反射层反射而从所述间隔层的所述第1面射出。
7.一种显示装置，其中，该显示装置具有权利要求1至6中的任意一项所述的相位调制元件。
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