JP2005274847A - Method for forming phase distribution and diffraction optical element - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a technique for obtaining a diffraction optical element for which manufacturing processes of relief structure and a pattern electrode, etc. are unnecessary, which operates without imparting voltage, having large diffraction efficiency and with which deviation, condensing and polarization split effects are obtained and its element. <P>SOLUTION: After fixing two transparent substrates having an optically transparent electrode membrane and an orientation membrane with a fixed gap, a liquid crystal is enclosed in the gap. On one or both of the surfaces of the orientation membrane, polarization, condensing and emission effects of outgoing radiation light depending on polarization accompanying the large diffraction efficiency at a state that voltage is not impressed are obtained by performing appropriate orientation processing so that orientation azimuth of the liquid crystal is spatially distributed. As a result, a function as a polarization separation split element is realized. In addition, a function for controlling the polarization, condensing and emission effects is realized by varying the diffraction efficiency by impression of voltage. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、位相板の光学軸の方位角を空間的に分布させることによって光の位相の空間的な分布状態を制御する方法と、その方法を用いて実現される回折光学素子に関するものである。 The present invention relates to a method for controlling the spatial distribution of the phase of light by spatially distributing the azimuth angle of the optical axis of a phase plate, and a diffractive optical element realized by using the method. .

回折光学素子は入射光の集光や偏向、ビーム整形など種々の制御を可能とするため、光インターコネクションや光ピックアップ及び投射型表示装置用の光学系などにおいて用いられている。特に、液晶などの複屈折を有する材料を用いると、回折光学素子に偏光に依存した光制御特性を付加することができ、偏光分離素子やそれを利用した偏光変換素子などを実現することができる。また、液晶は大きな電気光学効果と低いしきい電圧を有するため、光学的特性を低い印加電圧により制御することが可能であり、光スイッチとしての利用方法も提案されている。   The diffractive optical element is used in an optical system for an optical interconnection, an optical pickup, a projection display device, and the like in order to enable various controls such as condensing and deflecting incident light and beam shaping. In particular, when a material having birefringence such as liquid crystal is used, light control characteristics depending on polarization can be added to the diffractive optical element, and a polarization separation element or a polarization conversion element using the same can be realized. . In addition, since the liquid crystal has a large electro-optical effect and a low threshold voltage, the optical characteristics can be controlled by a low applied voltage, and a method of using it as an optical switch has been proposed.

これまでに提案されている例において、液晶を用いて回折光学素子を実現する方法は２種類に分類できる。すなわち、（１）格子状あるいはフレネルレンズ状の表面レリーフ構造を有する基板を用いて液晶セルを構成する方法。（例えば、非特許文献１、非特許文献２、特許文献１参照。）
および、（２）回折格子やフレネルゾーンプレートを実現する屈折率分布を生じさせるようなパターン電極および駆動方法を用いる方法である。（例えば、非特許文献３、非特許文献４、非特許文献５、特許文献２、特許文献３参照。）
特開２００２−６１３５ 特開平５−１８８３４３ 特開平５−１００２０１ Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．（Ｖｏｌ．３９、頁６５４５−６５５５） Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．（Ｖｏｌ．１８、頁１６７９−１６８４） Ａｐｐｌ．Ｏｐｔ．（Ｖｏｌ．３３、頁２８０４−２８１１） Ｏｐｔ．Ｌｅｔｔ．（Ｖｏｌ．２１、頁６８９−６９１） Ｏｐｔ．Ｃｏｍｕｎ．（Ｖｏｌ．１３８、頁１５１−１５７） In the examples proposed so far, methods for realizing a diffractive optical element using liquid crystal can be classified into two types. That is, (1) A method of forming a liquid crystal cell using a substrate having a lattice-like or Fresnel lens-like surface relief structure. (For example, see Non-Patent Document 1, Non-Patent Document 2, and Patent Document 1.)
And (2) a method using a pattern electrode and a driving method that generate a refractive index distribution that realizes a diffraction grating or a Fresnel zone plate. (For example, refer nonpatent literature 3, nonpatent literature 4, nonpatent literature 5, patent literature 2, and patent literature 3.)
JP2002-6135 Japanese Patent Laid-Open No. 5-188343 JP-A-5-100201 Appl. Opt. (Vol. 39, pages 6545-6555) Jpn. J. et al. Appl. Phys. (Vol. 18, pages 1679-1684) Appl. Opt. (Vol. 33, pages 2804-2811) Opt. Lett. (Vol. 21, pages 689-691) Opt. Comun. (Vol. 138, pages 151-157)

表面レリーフ構造を利用した回折光学素子においては、基板表面に格子状あるいはフレネルレンズ状の表面構造を形成するための特別な工程が必要であり、電子ビームリソグラフィー技術やプラスチックの射出形成技術など通常の液晶デバイス作製技術とは異なる工程が必要であるため作製手順が複雑である。さらに、形成したレリーフ構造の表面に均一な配向膜を塗布し、かつラビング処理法などによって均質な配向処理を施すことは困難であり、レリーフ構造の凸部と凹部において斑が生じやすい。   In a diffractive optical element using a surface relief structure, a special process for forming a grating-like or Fresnel lens-like surface structure on the substrate surface is required, and a normal process such as an electron beam lithography technique or a plastic injection molding technique is required. Since a process different from the liquid crystal device manufacturing technique is required, the manufacturing procedure is complicated. Furthermore, it is difficult to apply a uniform alignment film on the surface of the formed relief structure and to perform a uniform alignment process by a rubbing process or the like, and spots are easily formed on the convex and concave portions of the relief structure.

パターン電極による不均一な電界分布状態を利用した回折光学素子においては、目的とする屈折率分布状態を得るために絶えず電圧を印加する必要があり、常に電力が消費されることになる。また、液晶層内において急峻な電界分布特性を得ることは困難であり、微細な屈折率分布パターンが得にくい欠点がある。   In a diffractive optical element using a non-uniform electric field distribution state by a pattern electrode, it is necessary to constantly apply a voltage in order to obtain a target refractive index distribution state, and power is always consumed. Further, it is difficult to obtain a steep electric field distribution characteristic in the liquid crystal layer, and there is a disadvantage that it is difficult to obtain a fine refractive index distribution pattern.

上述の問題点を解決するための請求項１に関わる発明は、如何なる表面レリーフ構造及びパターン電極も不要であり、位相板の光学軸の方位角を空間的に分布させることのみによって光の位相の空間的な分布状態を制御する方法であることを特徴とする。ただし、位相板に直線偏光を入射したときの透過光の常光及び異常光成分の光路長の差Ｒが（ｎ＋１／２）λに一致する必要がある（ｎは整数、λは使用波長である）。 The invention according to claim 1 for solving the above-described problem does not require any surface relief structure and pattern electrode, and only by spatially distributing the azimuth angle of the optical axis of the phase plate, the phase of the light. It is a method for controlling a spatial distribution state. However, the difference R in the optical path length between the ordinary light and the extraordinary light component of the transmitted light when linearly polarized light is incident on the phase plate must be equal to (n + 1/2) λ (n is an integer, and λ is a wavelength used) ).

上述の問題点を解決するための請求項２に関わる発明は、基板面内における液晶の配向方位を分布させることによって効率的な偏向特性を実現し、如何なる表面レリーフ構造及びパターン電極も不要であり、電圧無印加時おいて大きな回折効率が得られ、かつ偏光分離機能を有するブレーズ化回折格子であることを特徴とする。 The invention according to claim 2 for solving the above problem realizes an efficient deflection characteristic by distributing the orientation direction of the liquid crystal in the substrate surface, and does not require any surface relief structure and pattern electrode. The blazed diffraction grating has a large diffraction efficiency when no voltage is applied and has a polarization separation function.

上述の問題点を解決するための請求項３に関わる発明は、基板面内における液晶の配向方位を分布させることによって効率的な１次元の集光特性を実現し、如何なる表面レリーフ構造及びパターン電極も不要であり、電圧無印加時おいて大きな回折効率が得られ、かつ偏光分離機能を有する１次元のフレネルゾーンプレートであることを特徴とする。 The invention according to claim 3 for solving the above problem realizes an effective one-dimensional light collecting characteristic by distributing the orientation direction of the liquid crystal in the substrate surface, and any surface relief structure and pattern electrode. Is a one-dimensional Fresnel zone plate having a large diffraction efficiency when no voltage is applied and having a polarization separation function.

上述の問題点を解決するための請求項４に関わる発明は、基板面内における液晶の配向方位を分布させることによって効率的な２次元の集光特性を実現し、如何なる表面レリーフ構造及びパターン電極も不要であり、電圧無印加時おいて大きな回折効率が得られ、かつ偏光分離機能を有する２次元のフレネルゾーンプレートであることを特徴とする。 The invention according to claim 4 for solving the above problem realizes an efficient two-dimensional light collecting characteristic by distributing the orientation direction of the liquid crystal in the substrate surface, and any surface relief structure and pattern electrode. Is a two-dimensional Fresnel zone plate having a large diffraction efficiency when no voltage is applied and having a polarization separation function.

上述の問題点を解決するための請求項５に関わる発明は、請求項２、請求項３及び請求項４に記載の回折光学素子において、液晶層に電圧を印加する手段を具備し、かつ印加電圧によって回折効率が制御可能であるブレーズ化回折格子、１次元のフレネルゾーンプレート及び２次元のフレネルゾーンプレートであることを特徴とする。 The invention according to claim 5 for solving the above-described problem is the diffractive optical element according to claim 2, claim 3 or claim 4, further comprising means for applying a voltage to the liquid crystal layer, and the application. A blazed diffraction grating whose diffraction efficiency can be controlled by voltage, a one-dimensional Fresnel zone plate, and a two-dimensional Fresnel zone plate.

上述の問題点を解決するための請求項６に関わる発明は、請求項２、請求項３、請求項４及び請求項５に記載の回折光学素子において、回折光学素子の入射光側にλ／４板を設置し、直線偏光の入射光に対して大きな回折効率を得ることを特徴としたブレーズ化回折格子、１次元のフレネルゾーンプレート及び２次元のフレネルゾーンプレートであることを特徴とする。 The invention related to claim 6 for solving the above-mentioned problem is that in the diffractive optical element according to claim 2, claim 3, claim 4 and claim 5, the λ / A blazed diffraction grating, a one-dimensional Fresnel zone plate, and a two-dimensional Fresnel zone plate are characterized in that four plates are installed and a large diffraction efficiency is obtained for linearly polarized incident light.

この発明に係るブレーズ化回折格子、１次元のフレネルゾーンプレートおよび２次元のフレネルゾーンプレートによるときは、如何なる表面レリーフ構造やパターン電極を必要とせずに微細な配向パターン作製技術によって入射光の偏光に依存した良好な偏向あるいは集光効果を得ることができ、任意の偏光状態を有する入射光や非偏光を右回りおよび左回り円偏光の状態を有する出射光に分離することができる。   When the blazed diffraction grating, the one-dimensional Fresnel zone plate, and the two-dimensional Fresnel zone plate according to the present invention are used, the incident light is polarized by a fine alignment pattern fabrication technique without any surface relief structure or pattern electrode. Thus, it is possible to obtain a good deflection or condensing effect depending on the incident light, and to separate incident light and non-polarized light having an arbitrary polarization state into outgoing light having a clockwise and counterclockwise circularly polarized state.

なお、液晶分子配向状態の種類、液晶層の厚みおよび液晶材料の屈折率を適切に選ぶと電圧を印加しない状態において１００％の回折効率が達成できるため電力を消費しない。さらに、液晶層に電圧を印加することによって回折効率を０％から１００％まで制御することができる。 In addition, when the kind of liquid crystal molecular alignment state, the thickness of the liquid crystal layer, and the refractive index of the liquid crystal material are appropriately selected, 100% diffraction efficiency can be achieved in a state where no voltage is applied. Furthermore, the diffraction efficiency can be controlled from 0% to 100% by applying a voltage to the liquid crystal layer.

一方、液晶層に電圧を印加しない状態において回折効率が１００％に達しない場合においても、液晶層の厚みが十分厚い場合においては、１００％に調整する事が可能である。さらにこの状態から液晶層に電圧を印加することによって回折効率を１００％から０％まで制御することができる。 On the other hand, even when the diffraction efficiency does not reach 100% in the state where no voltage is applied to the liquid crystal layer, it can be adjusted to 100% when the thickness of the liquid crystal layer is sufficiently thick. Furthermore, the diffraction efficiency can be controlled from 100% to 0% by applying a voltage to the liquid crystal layer from this state.

以下、液晶の配向方位の角度（方位角）によって入射円偏光の位相を制御する方法についてジョーンズ行列を用いて説明する。λ／２板の遅軸がｘｙ座標系においてｘ軸となす角をφとすると、ジョーンズ行列Ｗは次式により表される。   Hereinafter, a method for controlling the phase of the incident circularly polarized light by the angle of orientation (azimuth angle) of the liquid crystal will be described using a Jones matrix. If the angle formed by the slow axis of the λ / 2 plate and the x axis in the xy coordinate system is φ, the Jones matrix W is expressed by the following equation.

Figure 2005274847
よって、入射光の偏光のｘおよびｙ成分を（Ｅxi、Ｅyi）、出射光の偏光のｘおよびｙ成分を（Ｅxo、Ｅyo）として、入射光と出射光の関係は次式のように書ける。
Figure 2005274847
 Therefore, assuming that the x and y components of the polarized light of the incident light are (E xi , E yi ) and the x and y components of the polarized light of the emitted light are (E xo , E yo ), the relationship between the incident light and the emitted light is Can be written as

Figure 2005274847
ここで、右回り円偏光は
Figure 2005274847
 Here, clockwise circularly polarized light is

Figure 2005274847
と表されるため、出射光は
Figure 2005274847
 The emitted light is

Figure 2005274847
となる。（４）式より、出射光の偏光のｘ成分はｙ成分よりもπ／２だけ位相が進んでおり、左回り円偏光であることがわかる。さらに、λ／２板の光学軸の方位角φをΔφだけ変化させると、透過光の左回り円偏光の位相を２Δφだけ進めることができ、位相を０から２πの範囲において制御するためには方位角φを０からπの範囲で制御すればよい。
Figure 2005274847
 It becomes. From the equation (4), it can be seen that the x component of the polarized light of the outgoing light has a phase advance of π / 2 relative to the y component and is counterclockwise circularly polarized light. Furthermore, if the azimuth angle φ of the optical axis of the λ / 2 plate is changed by Δφ, the phase of the counterclockwise circularly polarized light of the transmitted light can be advanced by 2Δφ, and the phase can be controlled in the range of 0 to 2π. The azimuth angle φ may be controlled in the range of 0 to π.

次に、入射光が左回り円偏光の場合について考える。左回り円偏光は   Next, consider the case where the incident light is counterclockwise circularly polarized light. Counterclockwise circularly polarized light

Figure 2005274847
と表されるため、透過光は
Figure 2005274847
 The transmitted light is

Figure 2005274847
となる。すなわち、出射光の偏光のｘ成分はｙ成分よりもπ／２だけ位相が遅れており、右回り円偏光であることがわかる。さらに、λ／２板の光学軸の方位角φをΔφだけ変化させると、透過光の左回り円偏光の位相を２Δφだけ遅らせることができ、入射光が右回り円偏光の場合と変化の方向が逆になる。また、右回り円偏光が入射した場合と同様に、透過光の位相を０から２πの範囲において制御するためには方位角φを０からπの範囲で制御すればよい。以上の議論から、λ／２板に円偏光を入射すると、光学軸の方位角によって透過光の円偏光の位相を０から２πの範囲において制御可能であることが示された。
Figure 2005274847
 It becomes. That is, it can be seen that the x component of the polarized light of the outgoing light is delayed in phase by π / 2 with respect to the y component, and is clockwise circularly polarized light. Further, if the azimuth angle φ of the optical axis of the λ / 2 plate is changed by Δφ, the phase of the counterclockwise circularly polarized light of the transmitted light can be delayed by 2Δφ, and the direction of the change is the case where the incident light is clockwise circularly polarized light. Is reversed. Similarly to the case where clockwise circularly polarized light is incident, the azimuth angle φ may be controlled in the range of 0 to π in order to control the phase of transmitted light in the range of 0 to 2π. From the above discussion, it was shown that when the circularly polarized light is incident on the λ / 2 plate, the phase of the circularly polarized light of the transmitted light can be controlled in the range of 0 to 2π by the azimuth angle of the optical axis.

請求項２〜４に記載のブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートとしての液晶セルの断面を図１に示す。液晶セルは２枚の配向膜３ａ、３ｂおよび透明電極膜２ａ、２ｂを有した透明基板１ａ、１ｂによって液晶層５ａを挟み込むことによって構成される。基板は散乱や光吸収のない透明なものならば何でもよく、ガラスや高分子基板を利用することができる。透明電極は光透過率が高く導電率が高いものなら何でもよく、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ−Ｔｉｎ−Ｏｘｉｄｅ）膜やネサ膜が知られている。配向膜としては、適切な配向処理法によって良好な液晶分子配向特性を示す材料なら何でもよく、ラビング処理法ならばポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）やポリビニルアルコール（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ Ａｌｃｏｈｏｌ）、光配向法ならばポリビニルシンナメート（Ｐｏｌｙｖｉｎｙｌ Ｃｉｎｎａｍａｔｅ）などが知られている。液晶層の厚みは適切な大きさのスペーサー４ａ、４ｂによって保持される。スペーサーは電気絶縁性が高く変形しにくいものなら何でもよく、液晶セルギャップ制御用としてガラスや高分子の球形及び円柱形微粒子が市販されている。   The cross section of the liquid crystal cell as a blazed diffraction grating and a Fresnel zone plate according to claims 2 to 4 is shown in FIG. The liquid crystal cell is configured by sandwiching a liquid crystal layer 5a between transparent substrates 1a and 1b having two alignment films 3a and 3b and transparent electrode films 2a and 2b. The substrate may be any transparent material that does not scatter or absorb light, and glass or a polymer substrate can be used. The transparent electrode may be anything as long as it has high light transmittance and high conductivity, and an ITO (Indium-Tin-Oxide) film or a Nesa film is known. As the alignment film, any material can be used as long as it exhibits good liquid crystal molecular alignment characteristics by an appropriate alignment treatment method. Polyimide or polyvinyl alcohol is used for the rubbing treatment method, and polyvinyl cinnamate is used for the photo alignment method (polyvinyl alcohol). Polyvinyl Cinamate) is known. The thickness of the liquid crystal layer is held by spacers 4a and 4b having appropriate sizes. The spacer is not particularly limited as long as it has high electrical insulation and is not easily deformed, and glass and polymer spherical and cylindrical fine particles are commercially available for controlling the liquid crystal cell gap.

請求項２に記載のブレーズ化回折格子を正面から観察した場合における液晶分子配向状態を図２（ａ）に示す。図において、任意のｘ座標における液晶分子配向状態の方位角をφ、ｘ座標の原点における方位角をφ０、格子周期をｐとおくと、回折効率１００％を得る最適な方位角φの分布関数は（７）式のようになる。 FIG. 2A shows the alignment state of liquid crystal molecules when the blazed diffraction grating according to claim 2 is observed from the front. In the figure, when the azimuth angle of the liquid crystal molecule alignment state at an arbitrary x coordinate is φ, the azimuth angle at the origin of the x coordinate is φ 0 , and the grating period is p, the optimal azimuth angle φ distribution for obtaining a diffraction efficiency of 100% is shown. The function is as shown in equation (7).

Figure 2005274847
方位角φは周期ｐの周期関数でありｘに対して図２（ｂ）のような周期性を示す。ここで、回折効率はφ０に依存しないため任意の値に設定してよい。（図２（ｂ）の例においてはφ０＝−π／２とした。）１００％の回折効率が必要でない場合においては、（７）式により表される方位角φの分布関数を図２（ｃ）に示すように階段状に近似してマルチレベルとしてよい。近似の方法は任意であるが、例えば、各々のレベルにおける幅Δｘが等間隔になるように近似する場合においては、レベル数をＬとするとΔｘは（８）式のようになる。
Figure 2005274847
 The azimuth angle φ is a periodic function of the period p, and exhibits periodicity as shown in FIG. Here, the diffraction efficiency can be set to any value that does not have any phi 0. (In the example of FIG. 2B, φ 0 = −π / 2.) When the diffraction efficiency of 100% is not necessary, the distribution function of the azimuth angle φ expressed by the equation (7) is shown in FIG. As shown in (c), it may be approximated like a staircase to be multilevel. Although the approximation method is arbitrary, for example, in the case of approximation so that the widths Δx at each level are equally spaced, if the number of levels is L, Δx is expressed by the following equation (8).

Figure 2005274847
なお、１次光の回折効率ηは近似した階段の段数Ｌに依存し、その依存性は（９）式により表される。
Figure 2005274847
 Note that the diffraction efficiency η of the first-order light depends on the approximate number of steps L, and the dependency is expressed by equation (9).

Figure 2005274847
例えば、レベル数Ｌが１６のとき９８．７％の回折効率が得られる。
Figure 2005274847
 For example, when the level number L is 16, a diffraction efficiency of 98.7% can be obtained.

液晶の配向方向に平行な方向に偏光した光すなわち異常光と垂直な方向に偏光した光すなわち常光に対する光路長の差をリタデーションというが、請求項２に記載のブレーズ化回折格子において、回折効率が１００％となるためにはリタデーションＲが（１０）式を満足する必要がある。 The difference in optical path length with respect to light polarized in a direction parallel to the alignment direction of the liquid crystal, that is, light polarized in a direction perpendicular to the extraordinary light, that is, normal light is referred to as retardation. In order to be 100%, the retardation R needs to satisfy the formula (10).

Figure 2005274847
ただし、ｎは整数である。換言すれば、（７）式および（１０）式を同時に満たすならば液晶層の配向状態の種類は何でもよく、図３（ａ）に示すホモジニアス配向状態や図３（ｂ）に示すハイブリッド配向状態を採用することができる。ホモジニアス配向状態を利用するためには、配向膜３a及び３ｂの両方に（７）式で表される方位角の分布関数を生じさせる配向処理パターンを書き込み、それぞれのパターンを互いに正確に重なるように位置合わせを行う必要がある。一方、ハイブリッド配向状態を利用する場合においては、配向膜３ａあるいは３ｂのいずれかに（７）式で表される方位角の分布関数を生じさせる配向処理パターンを書き込むだけでよい。もう一方の配向膜には配向処理を行う必要はなく、その表面において液晶分子を垂直に配向させる性質を有するものなら何でもよい。例えば、レシチン（Ｌｅｃｉｔｈｉｎ）やフッ素を導入したポリイミド（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）などが知られている。なお、配向処理方法は微細な配向パターンが形成可能な方法ならば何でもよく、ラビング法およびマイクロラビング法や光配向法を利用できる。
Figure 2005274847
 However, n is an integer. In other words, as long as the equations (7) and (10) are satisfied at the same time, the alignment state of the liquid crystal layer may be any type, such as the homogeneous alignment state shown in FIG. 3 (a) or the hybrid alignment state shown in FIG. 3 (b). Can be adopted. In order to use the homogeneous alignment state, an alignment treatment pattern that generates the distribution function of the azimuth angle expressed by the equation (7) is written in both the alignment films 3a and 3b so that the patterns overlap each other accurately. Need to align. On the other hand, in the case of using the hybrid alignment state, it is only necessary to write an alignment treatment pattern that generates the distribution function of the azimuth angle expressed by the equation (7) in either the alignment film 3a or 3b. The other alignment film does not need to be subjected to alignment treatment, and any film having the property of vertically aligning liquid crystal molecules on the surface thereof may be used. For example, lecithin (Lecithin) and polyimide (Polyimide) into which fluorine is introduced are known. Any alignment treatment method may be used as long as a fine alignment pattern can be formed, and a rubbing method, a micro-rubbing method, and a photo-alignment method can be used.

液晶層の液晶分子配向状態としてホモジニアス及びハイブリッド配向状態を採用したいずれの場合においても、透明電極２ａ及び２ｂの間に電圧を印可すると基板に対する液晶の立ち上がり角すなわちティルト角を変化させることができ、リタデーションＲを所望の値に制御することが可能である。回折効率はリタデーションＲに依存し（１０）式が満足される場合において１００％となる。印可電圧が十分高い場合においては、図３（ｃ）に示すように液晶層の液晶分子は基板に対してほとんど立ち上がり、リタデーションＲは０すなわち回折効率は０％となる。なお印可電圧が十分高くない場合でも、リタデーションＲが使用波長λの整数倍である場合においては０％となる。したがって、印可電圧によってリタデーションＲを変化させ、その結果として回折効率を０％から１００％まで制御することができる。 In any case where a homogeneous and hybrid alignment state is adopted as the liquid crystal molecule alignment state of the liquid crystal layer, when a voltage is applied between the transparent electrodes 2a and 2b, the rising angle of the liquid crystal with respect to the substrate, that is, the tilt angle can be changed. It is possible to control the retardation R to a desired value. The diffraction efficiency depends on the retardation R and is 100% when the expression (10) is satisfied. When the applied voltage is sufficiently high, the liquid crystal molecules in the liquid crystal layer almost rise with respect to the substrate as shown in FIG. 3C, and the retardation R is 0, that is, the diffraction efficiency is 0%. Even when the applied voltage is not sufficiently high, it becomes 0% when the retardation R is an integral multiple of the operating wavelength λ. Therefore, the retardation R is changed by the applied voltage, and as a result, the diffraction efficiency can be controlled from 0% to 100%.

一方、回折効率を制御する必要がない場合においては透明電極が不要であるが、１００％の回折効率を得るためには、（１０）式が満足されるように液晶の屈折率、液晶層の厚み及び液晶分子配向状態を適切に設定する必要がある。 On the other hand, when it is not necessary to control the diffraction efficiency, a transparent electrode is not necessary. However, in order to obtain 100% diffraction efficiency, the refractive index of the liquid crystal and the liquid crystal layer must satisfy the formula (10). It is necessary to appropriately set the thickness and the liquid crystal molecule alignment state.

液晶の配向の方位角分布関数が（７）式を満足するブレーズ化回折格子に右回り円偏光を入射した場合における、液晶層を通過直後の透過光の相対的な位相の分布特性を図４（ａ）に示す。一方、左回り円偏光を入射した場合における、液晶層を通過直後の透過光の相対的な位相の分布特性を図４（ｂ）に示す。図４（ａ）及び（ｂ）からわかるように、方位角の分布関数が（７）式を満足すると１００％の回折効率が達成されるのこぎり状の理想的な位相分布特性が得られるが、一方で、右回り及び左回り円偏光状態の入射光においてのこぎり形の向きが互いに逆になる。すなわち、右回り円偏光を入射した場合において回折光は＋１次方向に生じ、左回り円偏光を入射した場合において回折光は−１次方向に生じる。このときの回折の様子を図５（ａ）および（ｂ）に示す。   FIG. 4 shows the distribution characteristics of the relative phase of the transmitted light immediately after passing through the liquid crystal layer when the clockwise circularly polarized light is incident on the blazed diffraction grating whose liquid crystal orientation azimuth distribution function satisfies the equation (7). Shown in (a). On the other hand, FIG. 4B shows the relative phase distribution characteristics of the transmitted light immediately after passing through the liquid crystal layer when the counterclockwise circularly polarized light is incident. As can be seen from FIGS. 4A and 4B, when the azimuth distribution function satisfies the equation (7), a diffraction efficiency of 100% is achieved, and an ideal sawtooth phase distribution characteristic is obtained. On the other hand, the saw-tooth directions are reversed in the incident light in the clockwise and counterclockwise circular polarization states. That is, when clockwise circularly polarized light is incident, diffracted light is generated in the + 1st order direction, and when counterclockwise circularly polarized light is incident, diffracted light is generated in the −1st order direction. The state of diffraction at this time is shown in FIGS.

直線偏光は振幅が等しい右回りおよび左回り円偏光の和として表されるため、入射光が直線偏光の場合においては図５（ｃ）に示すように等しい強度の＋１次光及び−１次光が生じ、それらの偏光状態はそれぞれ左回りおよび右回り円偏光である。すなわち、請求項２に記載のブレーズ化回折格子は直線偏光を等しい強度の左回りおよび右回り円偏光に分離する偏光分離素子として機能する。なお、この偏光分離特性は任意の直線偏光に対して等しく現れるため、非偏光に対しても良好な偏光分離素子として機能する。なお、透明基板１ａ及び１ｂのいずれの方向から光を入射しても同等の効果が得られる。 Since linearly polarized light is expressed as the sum of clockwise and counterclockwise circularly polarized light having the same amplitude, when the incident light is linearly polarized light, as shown in FIG. And their polarization states are counterclockwise and clockwise circularly polarized light, respectively. That is, the blazed diffraction grating according to claim 2 functions as a polarization separation element that separates linearly polarized light into counterclockwise and clockwise circularly polarized light having equal intensity. This polarization separation characteristic appears equally for any linearly polarized light, and therefore functions as a good polarization separation element for non-polarized light. The same effect can be obtained even if light is incident from either direction of the transparent substrates 1a and 1b.

次に、請求項３に記載の１次元のフレネルゾーンプレートについて述べる。図２（ａ）に示すブレーズ化回折格子における周期的な液晶分子配向状態の代わりに、図６（ａ）に示すような左右対称な液晶分子配向状態を実現すると、液晶セルは１次元のフレネルゾーンプレートとして機能する。ただし、１次元のフレネルゾーンプレートの構造や材料、作製方法などは前記ブレーズ化回折格子のものと同一でよい。なお、１００％の回折効率を得るためには、液晶セルのリタデーションＲは前記ブレーズ化回折格子と同様に（１０）式を満足する必要がある。液晶分子配向状態の方位角φはｙ方向には一様であるが、ｘ方向においては図６（ｂ）に示すように分布する。良好なフレネルゾーンプレートとして機能するためには、方位角φの分布関数は（１１）式を満足する必要がある。 Next, the one-dimensional Fresnel zone plate according to claim 3 will be described. When a symmetric liquid crystal molecule alignment state as shown in FIG. 6A is realized instead of the periodic liquid crystal molecule alignment state in the blazed diffraction grating shown in FIG. 2A, the liquid crystal cell becomes a one-dimensional Fresnel. Functions as a zone plate. However, the structure, material, manufacturing method and the like of the one-dimensional Fresnel zone plate may be the same as those of the blazed diffraction grating. In order to obtain 100% diffraction efficiency, the retardation R of the liquid crystal cell needs to satisfy the expression (10) like the blazed diffraction grating. The azimuth angle φ of the liquid crystal molecule alignment state is uniform in the y direction, but is distributed as shown in FIG. 6B in the x direction. In order to function as a good Fresnel zone plate, the distribution function of the azimuth angle φ needs to satisfy the expression (11).

Figure 2005274847
ここで、λは使用波長、ｆは焦点距離、ｍは０以上の整数、φ０はｘ座標の原点における方位角である。また、ｘｍ≦ｘ＜ｘｍ＋１においてのみ（１１）式が定義されるということに注意したい。図６（ｂ）においてはφ０＝π／２としてあるが、φ０の値はフレネルゾーンプレートの光学的特性には無関係であるため任意に設定してよい。方位角φがπだけ不連続に切り替わるｘ座標のうち、ｘ座標の原点から数えてｍ番目の座標ｘｍは（１２）式となる
Figure 2005274847
 Here, λ is the wavelength used, f is the focal length, m is an integer greater than or equal to 0 , and φ 0 is the azimuth angle at the origin of the x coordinate. It should be noted that the expression (11) is defined only when x m ≦ x <x m + 1 . In FIG. 6B, φ 0 = π / 2, but the value of φ 0 may be arbitrarily set since it is not related to the optical characteristics of the Fresnel zone plate. Of the x coordinates where the azimuth angle φ switches discontinuously by π, the m-th coordinate x m counted from the origin of the x coordinate is expressed by equation (12).

Figure 2005274847
Figure 2005274847

方位角φの分布関数が（１１）式を満足すると良好なフレネルゾーンプレートが得られるが、１００％の回折効率を必要としない場合においては、図６（ｂ）のように滑らかに変化する形状を図６（ｃ）に示すように階段状に近似することができる。階段の段数Ｌと回折効率ηの関係はブレーズ化回折格子の場合と等しく（９）式により表される。   When the distribution function of the azimuth angle φ satisfies the expression (11), a good Fresnel zone plate can be obtained. However, when the diffraction efficiency of 100% is not required, the shape changes smoothly as shown in FIG. Can be approximated like a step as shown in FIG. The relationship between the number of steps L and the diffraction efficiency η is the same as in the case of the blazed diffraction grating and is expressed by the equation (9).

液晶の配向の方位角分布関数が（１１）式を満足する１次元のフレネルゾーンプレートに右回り円偏光を入射した場合における、液晶層を通過直後の透過光の相対的な位相の分布特性を図７（ａ）に示す。図からわかるように、入射光が右回り円偏光の場合においては、通常の位相型フレネルゾーンプレートと同様の凸レンズとしての集光作用を得ることができる。一方、左回り円偏光を入射した場合における、液晶層を通過直後の透過光の相対的な位相の分布特性を図７（ｂ）に示す。図からわかるように、入射光が左回り円偏光の場合においては、入射光が右回り円偏光の場合とは逆に凹レンズとして機能する。 The distribution characteristics of the relative phase of the transmitted light immediately after passing through the liquid crystal layer in the case where clockwise circularly polarized light is incident on a one-dimensional Fresnel zone plate whose liquid crystal orientation azimuth distribution function satisfies equation (11). As shown in FIG. As can be seen from the figure, when the incident light is clockwise circularly polarized light, it is possible to obtain a condensing function as a convex lens similar to a normal phase type Fresnel zone plate. On the other hand, FIG. 7B shows the relative phase distribution characteristics of the transmitted light immediately after passing through the liquid crystal layer when the counterclockwise circularly polarized light is incident. As can be seen from the figure, when the incident light is counterclockwise circularly polarized light, it functions as a concave lens contrary to the case where the incident light is clockwise circularly polarized light.

なお、入射光が右回りおよび左回り円偏光である場合における透過光の集光および発散の様子をそれぞれ図８（ａ）および（ｂ）に示す。ブレーズ化回折格子の場合と同様に、入射光と出射光における円偏光状態の回転の向きは逆である。直線偏光が入射した場合においては、図８（ｃ）に示すように５０％ずつの強度比で集光する波面と発散する波面が形成され、それぞれ右回り円偏光および左回り円偏光となる。すなわち、右回りおよび左回り円偏光に分離する偏光分離素子として利用できる。この偏光分離特性は任意の偏光方向の直線偏光および非偏光について得られる。なお、液晶層に電圧を印加するとリタデーションＲが変化し、回折効率を０％から１００％まで制御することができる。 FIGS. 8A and 8B show how the transmitted light is collected and diverged when the incident light is clockwise and counterclockwise circularly polarized light, respectively. As in the case of the blazed diffraction grating, the directions of rotation of the circularly polarized states in the incident light and the outgoing light are opposite. When linearly polarized light is incident, as shown in FIG. 8C, a wavefront that converges and a wavefront that diverges with an intensity ratio of 50% are formed, which become clockwise circularly polarized light and counterclockwise circularly polarized light, respectively. That is, it can be used as a polarization separation element that separates clockwise and counterclockwise circularly polarized light. This polarization separation characteristic is obtained for linearly polarized light and non-polarized light in any polarization direction. When a voltage is applied to the liquid crystal layer, the retardation R changes, and the diffraction efficiency can be controlled from 0% to 100%.

図６（ａ）に示した液晶分子配向状態において左右反転した配向状態を図９（ａ）に示す。このような液晶分子配向状態を有する１次元のフレネルゾーンプレートは、図６（ａ）に示した１次元のフレネルゾーンプレートを裏表反転した場合と同一である。図９（ａ）に示した液晶分子配向状態における方位角φのｘ座標依存性は（１３）式のようになる。 FIG. 9A shows an alignment state that is horizontally reversed in the liquid crystal molecule alignment state shown in FIG. The one-dimensional Fresnel zone plate having such a liquid crystal molecule alignment state is the same as the case where the one-dimensional Fresnel zone plate shown in FIG. The x-coordinate dependence of the azimuth angle φ in the liquid crystal molecule alignment state shown in FIG.

Figure 2005274847
すなわち、図６（ａ）に示した１次元のフレネルゾーンプレートの場合とは逆の依存性となり、ｘの絶対値が増すにつれて方位角φも増加する。したがって、右回り円偏光の入射に対しては凹レンズとして、左回り円偏光の入射に対しては凸レンズとして作用する。すなわちこのとき、右回り円偏光状態の出射光が集光し、左回り円偏光状態の出射光が発散するタイプの偏光分離素子として機能する。
Figure 2005274847
 That is, the dependence is opposite to that of the one-dimensional Fresnel zone plate shown in FIG. 6A, and the azimuth angle φ increases as the absolute value of x increases. Therefore, it acts as a concave lens for the incidence of clockwise circularly polarized light and as a convex lens for the incidence of counterclockwise circularly polarized light. That is, at this time, it functions as a polarization separation element of the type in which the outgoing light in the clockwise circular polarization state is condensed and the outgoing light in the counterclockwise circular polarization state diverges.

請求項４に記載の２次元のフレネルゾーンプレートを正面から観察した場合における液晶分子配向状態の様子を図１０（ａ）および（ｂ）に示す。２次元のフレネルゾーンプレートの構造や材料、作製方法などは前記ブレーズ化回折格子及び１次元のフレネルゾーンプレートの場合と同一でよく、１００％の回折効率を得るためにはリタデーションＲが（１０）式を満足する必要がある。図１０からわかるように、１次元のフレネルゾーンプレートとは異なり、液晶分子配向状態の方位角φの分布状態が点対称になる。図１０（ａ）および（ｂ）に示す２次元のフレネルゾーンプレートにおいて、良好な回折効率が得られる方位角φの分布関数はそれぞれ 10A and 10B show the state of liquid crystal molecule alignment when the two-dimensional Fresnel zone plate according to claim 4 is observed from the front. The structure, material, manufacturing method, etc. of the two-dimensional Fresnel zone plate may be the same as those of the blazed diffraction grating and the one-dimensional Fresnel zone plate, and the retardation R is (10) to obtain 100% diffraction efficiency. It is necessary to satisfy the formula. As can be seen from FIG. 10, unlike the one-dimensional Fresnel zone plate, the distribution state of the azimuth angle φ of the liquid crystal molecule alignment state is point-symmetric. In the two-dimensional Fresnel zone plate shown in FIGS. 10A and 10B, the distribution function of the azimuth angle φ at which good diffraction efficiency is obtained is

Figure 2005274847
および
Figure 2005274847
 and

Figure 2005274847
となる。ここで、λは使用波長、ｆは焦点距離、ｍは０以上の整数、φ０はフレネルゾーンプレートの中心における方位角、ｒはあるｘｙ座標におけるフレネルゾーンプレートの中心からの距離すなわち半径である。１次元のフレネルゾーンプレートと同様に、２次元のフレネルゾーンプレートにおいても方位角φの分布関数を階段状に近似することができ、そのレベル数をＬとしたときの回折効率は（９）式に等しい。方位角φがπだけ不連続に切り替わる半径ｒのうち、ｘｙ座標の原点から数えてｍ番目の半径ｒｍ、すなわちｍ番目の輪帯の半径ｒｍは（１６）式となる
Figure 2005274847
 It becomes. Where λ is the wavelength used, f is the focal length, m is an integer greater than or equal to 0 , φ 0 is the azimuth angle at the center of the Fresnel zone plate, and r is the distance or radius from the center of the Fresnel zone plate in a certain xy coordinate. . Similar to the one-dimensional Fresnel zone plate, the distribution function of the azimuth angle φ can be approximated in a step-like manner in the two-dimensional Fresnel zone plate, and the diffraction efficiency when the number of levels is L is expressed by Equation (9). be equivalent to. Of the radius r azimuth φ is switched discontinuously by [pi, m-th radius r m as counted from the origin of the xy coordinates, i.e. the radius r m of the m-th ring zone is (16)

Figure 2005274847
図１０（ａ）に示す２次元のフレネルゾーンプレートに右回り円偏光が入射すると集光する左回り円偏光が出射し、左回り円偏光が入射すると発散する右回り円偏光が出射する。一方、図１０（ｂ）に示す２次元のフレネルゾーンプレートに右回り円偏光が入射すると発散する左回り円偏光が出射し、左回り円偏光が入射すると集光する右回り円偏光が出射する。この関係は１次元のフレネルゾーンプレートと同様であるが、ｘ方向だけでなくｙ方向にも透過光の集光および発散作用が生じることが特徴的である。
Figure 2005274847
 When clockwise circularly polarized light is incident on the two-dimensional Fresnel zone plate shown in FIG. 10 (a), condensing counterclockwise circularly polarized light is emitted, and when counterclockwise circularly polarized light is incident, divergent clockwise circularly polarized light is emitted. On the other hand, when clockwise circularly polarized light is incident on the two-dimensional Fresnel zone plate shown in FIG. 10B, diverging counterclockwise circularly polarized light is emitted, and when counterclockwise circularly polarized light is incident, condensing clockwise circularly polarized light is emitted. . This relationship is the same as that of the one-dimensional Fresnel zone plate, but is characterized by the fact that transmitted light is condensed and diverged not only in the x direction but also in the y direction.

請求項６に記載の回折光学素子を図１１に示す。すなわち、請求項２〜５に記載の回折光学素子の入射光側にλ／４板を設置した構造となっている。（１）式〜（６）式の議論から明らかなように、入射光が円偏光である場合にのみ透過光の位相を任意に制御することができる。よって、入射光が直線偏光である場合においては、図１１に示すように、回折光学素子の入射光側にλ／４板を設置することによって直線偏光を円偏光に変換すると高い回折効率が得られる。ここで、λ／４板の進相軸を入射直線偏光に対して４５°あるいは１３５°に設定する必要がある。   A diffractive optical element according to a sixth aspect is shown in FIG. That is, a λ / 4 plate is provided on the incident light side of the diffractive optical element according to claims 2 to 5. As is clear from the discussion of equations (1) to (6), the phase of transmitted light can be arbitrarily controlled only when the incident light is circularly polarized light. Therefore, when the incident light is linearly polarized light, a high diffraction efficiency can be obtained by converting the linearly polarized light into circularly polarized light by installing a λ / 4 plate on the incident light side of the diffractive optical element as shown in FIG. It is done. Here, it is necessary to set the fast axis of the λ / 4 plate to 45 ° or 135 ° with respect to the incident linearly polarized light.

本発明の偏光分離機能を有するブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートの素子構造の断面図である。It is sectional drawing of the element structure of the blazed diffraction grating and Fresnel zone plate which have the polarization separation function of this invention. （ａ）は本発明におけるブレーズ化回折格子における液晶分子配向状態の方位角の空間的な分布状態を表すものである。（ｂ）は方位角のｘ座標依存性を表すものである。（ｃ）は方位角のｘ座標依存性を階段状に近似したものである。(A) represents the spatial distribution state of the azimuth angle of the liquid crystal molecule alignment state in the blazed diffraction grating in the present invention. (B) represents the x coordinate dependency of the azimuth angle. (C) approximates the x-coordinate dependence of the azimuth angle in a staircase pattern. （ａ）は本発明のブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートの断面図であり、液晶層の液晶分子配向状態がホモジニアス配向状態でかつ電圧が印加されていない場合を表したものである。（ｂ）は本発明のブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートの断面図であり、液晶層の液晶分子配向状態がハイブリッド配向状態でかつ電圧が印加されていない場合を表したものである。（ｃ）は本発明のブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートの断面図であり、液晶層の液晶分子配向状態がホモジニアスあるいはハイブリッド配向状態でかつ電圧が印加されていない場合を表したものである。(A) is sectional drawing of the blazed diffraction grating and Fresnel zone plate of this invention, and represents the case where the liquid crystal molecule alignment state of a liquid crystal layer is a homogeneous alignment state, and the voltage is not applied. (B) is a cross-sectional view of the blazed diffraction grating and the Fresnel zone plate of the present invention, showing the case where the liquid crystal molecule alignment state of the liquid crystal layer is in a hybrid alignment state and no voltage is applied. (C) is a cross-sectional view of the blazed diffraction grating and the Fresnel zone plate of the present invention, and shows a case where the liquid crystal molecule alignment state of the liquid crystal layer is homogeneous or hybrid alignment state and no voltage is applied. （ａ）は本発明のブレーズ化回折格子が図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が右回り円偏光である場合における、液晶層を通過直後の出射光の位相分布状態を表したものである。（ｂ）は本発明のブレーズ化回折格子が図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が左回り円偏光である場合における、液晶層を通過直後の出射光の位相分布状態を表したものである。(A) is the phase distribution of the emitted light immediately after passing through the liquid crystal layer when the blazed diffraction grating of the present invention is in the azimuth distribution state shown in FIG. 2 (b) and the incident light is clockwise circularly polarized light. It represents the state. (B) is the phase distribution of the outgoing light immediately after passing through the liquid crystal layer when the blazed diffraction grating of the present invention is in the azimuth distribution state shown in FIG. 2 (b) and the incident light is counterclockwise circularly polarized light. It represents the state. （ａ）は本発明のブレーズ化回折格子が図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が右回り円偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。（ｂ）は本発明のブレーズ化回折格子が図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が左回り円偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。（ｃ）は本発明のブレーズ化回折格子が図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が直線偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。(A) shows the state of diffraction of outgoing light when the blazed diffraction grating of the present invention is in the azimuth distribution state shown in FIG. 2 (b) and the incident light is clockwise circularly polarized light. is there. (B) shows the state of diffraction of the emitted light when the blazed diffraction grating of the present invention is in the azimuth distribution state shown in FIG. 2 (b) and the incident light is counterclockwise circularly polarized light. is there. FIG. 2C shows the state of diffraction of the emitted light when the blazed diffraction grating of the present invention is in the azimuth distribution state shown in FIG. 2B and the incident light is linearly polarized light. （ａ）は本発明の入射光が右回り円偏光の場合に集光するタイプの１次元のフレネルゾーンプレートにおいて、液晶分子配向状態の方位角の空間的な分布状態を表すものである。（ｂ）は方位角のｘ座標依存性を表すものである。（ｃ）は方位角のｘ座標依存性を階段状に近似したものである。(A) represents a spatial distribution state of azimuth angles of liquid crystal molecule alignment states in a one-dimensional Fresnel zone plate of a type that condenses when incident light of the present invention is clockwise circularly polarized light. (B) represents the x coordinate dependency of the azimuth angle. (C) approximates the x-coordinate dependence of the azimuth angle in a staircase pattern. （ａ）は本発明の１次元のフレネルゾーンプレートが図６（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が右回り円偏光である場合における、液晶層を通過直後の出射光の位相分布状態を表したものである。（ｂ）は本発明の１次元のフレネルゾーンプレートが図６（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が左回り円偏光である場合における、液晶層を通過直後の出射光の位相分布状態を表したものである。(A) is a state in which the one-dimensional Fresnel zone plate of the present invention is in the azimuth distribution state shown in FIG. 6 (b) and the incident light is right-handed circularly polarized light. It represents a phase distribution state. FIG. 6B shows the output light immediately after passing through the liquid crystal layer when the one-dimensional Fresnel zone plate of the present invention is in the azimuth distribution state shown in FIG. 6B and the incident light is counterclockwise circularly polarized light. It represents a phase distribution state. （ａ）は本発明の１次元のフレネルゾーンプレートが図６（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が右回り円偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。（ｂ）は本発明の１次元のフレネルゾーンプレートが図６（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が左回り円偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。（ｃ）は本発明の１次元のフレネルゾーンプレートが図２（ｂ）に示す方位角分布状態であり、かつ入射光が直線偏光である場合における、出射光の回折の様子を表したものである。(A) represents the state of diffraction of the emitted light when the one-dimensional Fresnel zone plate of the present invention is in the azimuth distribution state shown in FIG. 6 (b) and the incident light is clockwise circularly polarized light. Is. FIG. 6B shows the state of diffraction of the emitted light when the one-dimensional Fresnel zone plate of the present invention is in the azimuth distribution state shown in FIG. 6B and the incident light is counterclockwise circularly polarized light. Is. (C) shows the state of diffraction of the emitted light when the one-dimensional Fresnel zone plate of the present invention is in the azimuth distribution state shown in FIG. 2 (b) and the incident light is linearly polarized light. is there. （ａ）は本発明の入射光が左回り円偏光の場合に集光するタイプの１次元のフレネルゾーンプレートにおいて、液晶分子配向状態の方位角の空間的な分布状態を表すものである。（ｂ）は方位角のｘ座標依存性を表すものである。(A) represents a spatial distribution state of azimuth angles of liquid crystal molecule alignment states in a one-dimensional Fresnel zone plate of a type that collects when incident light of the present invention is counterclockwise circularly polarized light. (B) represents the x coordinate dependency of the azimuth angle. （ａ）は本発明の入射光が右回り円偏光の場合に集光するタイプの２次元のフレネルゾーンプレートにおいて、液晶分子配向状態の方位角の空間的な分布状態を表すものである。（ｂ）は本発明の入射光が左回り円偏の場合に集光するタイプの２次元のフレネルゾーンプレートにおいて、液晶分子配向状態の方位角の空間的な分布状態を表すものである。(A) represents a spatial distribution state of azimuth angles of liquid crystal molecule alignment states in a two-dimensional Fresnel zone plate of a type that condenses when incident light of the present invention is clockwise circularly polarized light. (B) represents a spatial distribution state of azimuth angles of liquid crystal molecule alignment states in a two-dimensional Fresnel zone plate of a type that condenses when incident light of the present invention is counterclockwise circularly polarized. 本発明の入射直線偏光に対して高い回折効率が得られるブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレートの素子構造の断面図である。It is sectional drawing of the element structure of the blazed diffraction grating and Fresnel zone plate which can obtain high diffraction efficiency with respect to the incident linearly polarized light of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

１ａ、１ｂ 透明基板
２ａ、２ｂ 透明電極
３ａ、３ｂ 配向膜
４ａ、４ｂ スペーサー
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 液晶層
６ ブレーズ化回折格子
７ フレネルゾーンプレート
８ 回折光学素子（ブレーズ化回折格子及びフレネルゾーンプレート）
９ λ／４板


DESCRIPTION OF SYMBOLS 1a, 1b Transparent substrate 2a, 2b Transparent electrode 3a, 3b Alignment film | membrane 4a, 4b Spacer 5a, 5b, 5c, 5d Liquid crystal layer 6 Blaze diffraction grating 7 Fresnel zone plate 8 Diffractive optical element (blazed diffraction grating and Fresnel zone plate) )
9 λ / 4 plate


Claims (6)

位相板の光学軸の方位角が空間的に分布した状態であることを特徴とした光の位相の空間的な分布状態の制御方法。ただし、位相板に直線偏光を入射したときの透過光の常光及び異常光成分の光路長の差Rが（ｎ＋１／２）λに一致する必要がある（ｎは整数、λは使用波長である）。 A method for controlling a spatial distribution state of light phases, wherein the azimuth angle of the optical axis of the phase plate is spatially distributed. However, the difference R between the optical path lengths of the ordinary light and extraordinary light components when linearly polarized light is incident on the phase plate must match (n + 1/2) λ (n is an integer, and λ is the wavelength used) ). 光学的に透明な電極膜と配向膜を有する２枚の透明基板が一定の隙間を保って保持され、かつその隙間に液晶が封入され、前記配向膜の片方あるいは両方の表面において、液晶の配向方位が一方向に周期的に分布するように配向処理が施されていることを特徴とする偏光分離機能を有するブレーズ化回折格子。 Two transparent substrates having an optically transparent electrode film and an alignment film are held with a certain gap, and liquid crystal is sealed in the gap, and the alignment of the liquid crystal is performed on one or both surfaces of the alignment film. A blazed diffraction grating having a polarization separation function, characterized in that an orientation treatment is performed so that an orientation is periodically distributed in one direction. 光学的に透明な電極膜と配向膜を有する２枚の透明基板が一定の隙間を保って保持され、かつその隙間に液晶が封入され、前記配向膜の片方あるいは両方の表面において、液晶の配向方位が一方向に左右対称に分布するように配向処理が施されていることを特徴とする偏光分離機能を有する１次元のフレネルゾーンプレート。 Two transparent substrates having an optically transparent electrode film and an alignment film are held with a certain gap, and liquid crystal is sealed in the gap, and the alignment of the liquid crystal is performed on one or both surfaces of the alignment film. A one-dimensional Fresnel zone plate having a polarization separation function, characterized in that orientation processing is performed so that the orientation is distributed symmetrically in one direction. 光学的に透明な電極膜と配向膜を有する２枚の透明基板が一定の隙間を保って保持され、かつその隙間に液晶が封入され、前記配向膜の片方あるいは両方の表面において、液晶の配向方位が点対称に分布するように配向処理が施されていることを特徴とする偏光分離機能を有する２次元のフレネルゾーンプレート。 Two transparent substrates having an optically transparent electrode film and an alignment film are held with a certain gap, and liquid crystal is sealed in the gap, and the alignment of the liquid crystal is performed on one or both surfaces of the alignment film. A two-dimensional Fresnel zone plate having a polarization separation function, characterized in that an orientation process is performed so that the orientation is distributed point-symmetrically. 請求項２〜４に記載の発明のうち、液晶層に電圧を印加する手段を具備し、印加電圧によって回折効率が可変であり、かつ偏光分離機能を有することを特徴としたブレーズ化回折格子、１次元のフレネルゾーンプレート及び２次元のフレネルゾーンプレート。 A blazed diffraction grating comprising a means for applying a voltage to the liquid crystal layer, the diffraction efficiency being variable depending on the applied voltage, and a polarization separation function. One-dimensional Fresnel zone plate and two-dimensional Fresnel zone plate. 請求項２〜５に記載の発明のうち、回折光学素子の入射光側にλ／４板を設置し、直線偏光の入射光に対して大きな回折効率を得ることを特徴としたブレーズ化回折格子、１次元のフレネルゾーンプレート及び２次元のフレネルゾーンプレート。

The blazed diffraction grating according to any one of claims 2 to 5, wherein a λ / 4 plate is provided on the incident light side of the diffractive optical element to obtain a large diffraction efficiency with respect to linearly polarized incident light. One-dimensional Fresnel zone plate and two-dimensional Fresnel zone plate.

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