JP4814002B2 - 位相板の製造方法・光学素子および画像投射装置 - Google Patents

Description

この発明は、位相板・光学素子および画像投射装置に関する。

光学素子の１種として知られる位相板は、互いに直交する偏光成分間に位相差を与える光学機能を持ち、種々の光学装置に用いられている。従来、位相板は、人造または天然の、ルチル、方解石、水晶など「複屈折性を示す一軸異方性結晶」を用いたものが知られているが、人造のものは「結晶を均一に成長させる」ことが難しく、天然の結晶は「光学的に均一で大きな形状のもの」が入手困難で高価である。また、このような「結晶材料を用いた位相板」は動作波長範囲が狭い。

近来「広帯域の波長範囲に対して機能できる位相板」として、サブ波長構造（ＳＷＳ）による位相板が提案されている（特許文献１、２）。
サブ波長構造の光学作用に関しては非特許文献１等に説明がされている。また、サブ波長構造の形成方法の１例として非特許文献２記載のものが知られている。

特許文献１には、サブ波長構造を「ガラス基板の表面構造」として形成した位相板が開示されている。特許文献２には「平行平板を基板として平面状に格子構造を転写した位相板」が開示されているが、平行平板や格子構造を転写される部分の材質に関しては全く記載されていない。

非特許文献２には、サブ波長構造の形成方法として、樹脂バルク材を用いる熱式ナノインプリント方法が開示されている。この熱式ナノインプリント方法は、比較的容易にサブ波長構造を形成できるが、樹脂バルク材の１例としてＰＭＭＡを用いる場合を考えてみると、以下の如き問題がある。

即ち、サブ波長構造により「互いに直交する偏光成分に対して与えられる位相差」は、サブ波長構造のアスペクト比に比例的であるため、例えば１／２波長の位相差を実現するためにはアスペクト比が１０近くなり、樹脂が型の奥まで十分に入りにくく、正確なサブ波長構造を形成することが困難である。

また、ＰＭＭＡの樹脂バルクにエッチングでサブ波長構造を形成する場合にも、アスペクト比が大きいため、エッチング種が凹部の奥まで十分に入り込まず、形成される断面形状がテーパ状になり易い。即ち、サブ波長構造のピッチの微細さと高アスペクト比とは、トレードオフの関係にある。

特開２００５− ４４４２９号公報 特開２００５−１０６９０１号公報 菊田久雄 構造性複屈折とその光学素子への応用 回折光学素子入門 （平成９年５月２０日 第１版第１刷発行） ｐ１５８−１６７ オプトロニクス社刊行 ＫＯＮＩＣＡ ＭＩＮＯＬＴＡ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＲＥＰＯＲＴ ＶＯＬ．２（２００５） ｐ９７−１００ 「ナノインプリント技術を利用したサブ波長構造広帯域波長板の作製」

この発明は、上述したところに鑑み、製造が容易で、広い波長帯域において位相板として良好な光学特性（透過率、リタデーションが略一定している）を有する新規な位相板、新規な光学素子、これらを用いる新規な画像投射装置の提供を課題とする。

この発明の位相板は、以下の如きものである（請求項１）。
即ち、ガラス平板の少なくとも一方の面に、酸化チタンによる薄層が形成され、該薄層の表面に「ランドとスペースによる断面矩形波状の微細凹凸構造」がサブ波長構造として形成されている。即ち、サブ波長構造は１次元的であって、１方向に凹凸構造を有し、その断面形状が矩形波状である。矩形波状は勿論「近似的な矩形波形状」の意味である。「ランドとスペース」については後述するが、簡単に言えば、「ランド」は微細凹凸構造における凸部に相当する部分であり、「スペース」は微細凹凸構造の凹部に相当する部分である。

また、断面矩形波状の微細凹凸構造が「サブ波長構造として形成」されているとは、微細凹凸構造をなす矩形波形状のピッチが使用波長（位相板として用いられるときの光の波長）より小さいことを意味するが、この発明の位相板は、広い波長領域において一定した光学特性を持つものであることから、この場合の使用波長は「上記波長領域の下限値」を意味する。

酸化チタンによる薄層は「ガラス平板の少なくとも一方の面」に形成されるから、ガラス平板の片面のみに形成されてもよいし、両面に形成されてもよい。

ガラス平板は、両面が平行な「平行平板ガラス」でよいことは勿論であるが、断面が楔状の平板でもよい。

微細凹凸構造を特徴づけるパラメータとしてピッチ：Ｐやフリングファクタ：ｆがあるが、請求項１記載の位相板における「ランドの幅がスペースの幅より広い微細凹凸構造」は、微細凹凸構造のピッチ：Ｐ、フィリングファクタ：ｆが、条件：
（１） ０．１μｍ＜Ｐ＜０．４μｍ
（２） ０．５＜ｆ≦０．８
を満足する。

請求項１記載の位相板は、反射防止膜を形成されている。
この反射防止膜は、酸化チタンの屈折率よりも低い表面層を有する。

即ち、請求項１記載の位相板は「微細凹凸構造のランドの上のみに反射防止膜を形成された構成」である。「微細凹凸構造のランドの上のみに反射防止膜を形成された構成」とは、反射防止膜が「微細凹凸構造の凸部の頂部のみ」に形成された構成である。

請求項２記載の光学素子は「プリズム機能を持つ光学基体の平坦な面」に、請求項１記載の位相板を一体化してなる。

請求項３記載の画像投射装置は、光源からの光束を液晶表示素子に導光し、液晶表示素子の表示画像を投射レンズで表示面上に投射する画像投射装置であって、請求項１記載の位相板、及び／または、請求項２記載の光学素子が用いられたことを特徴とする。「表示面」は通常、スクリーンである。

請求項３記載の画像投射装置は、３原色に対応し各色の映像を個別に形成する３つの液晶表示素子と、これら各液晶表示素子から射出した各色の映像光を合成するクロスプリズムを有し、各液晶表示素子とクロスプリズムとの間の３光路の１以上に「１／２波長板相当の位相板」として、請求項１記載の位相板、または、請求項２記載の光学素子を配置した構成とすることができる（請求項４）。

請求項４記載の画像投射装置はまた、３原色に対応し各色の映像を個別に形成する３つの反射型液晶表示素子と、これら各反射型液晶表示素子から射出した各色の映像光を合成するクロスプリズムを有し、各反射型液晶表示素子とクロスプリズムとの間の３光路の１以上に「１／４波長板相当の位相板」として、請求項１記載の位相板、または、請求項２記載の光学素子を配置した構成とすることができる（請求項５）。

薄膜を形成する「酸化チタン（ＴｉＯ２）」は、後述のように、２以上の屈折率を有する。

酸化チタン（ＴｉＯ２）は、スパッタリングや蒸着等の成膜技術で薄層を形成する。
「酸化チタン（ＴｉＯ２）による薄層」は２００℃以上の耐熱性があり、高温環境で使用する位相板や光学素子の薄層として適している。

なお、ランドとスペースによる微細凹凸構造は、例えば、薄層の上に「電子ビームの走査により潜像の形成されるレジスト層」を形成し、このレジストに「微細凹凸構造に対応するパターン」を電子ビームにより描画して潜像を形成し、これを現像して「微細凹凸構造に対応するレジストパターン」を得、このレジストパターンをマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）等のエッチングで「薄層を所望の溝深さにエッチングする」ことによって形成することができる。

上に説明したように、この発明の位相板や光学素子は、サブ波長構造として構成される薄層が「屈折率：２以上の酸化チタンで」構成されるため、透過光に与えられる位相差を大きくしても、微細凹凸構造のアスペクト比が過大にならず、製造容易である。特に、平行平板状のガラス平板の両面に「酸化チタンにより微細凹凸構造を有する薄層」を形成する場合、各面の薄層に形成する微細凹凸構造のアスペクト比は、片面にのみ形成する場合よりも更に小さくすることができる。

後述する実施例のように、この発明の位相板や光学素子における薄層は、広い波長領域にわたって、透過率やリタデーションが一定している。

この発明の光学素子は、光学基体自体がプリズム機能を有するが、これらの光学機能と位相板としての機能とを組み合わせて複合的な光学機能を実現できる。

この発明の位相板や光学素子を用いることにより、良好な画像投射機能を持った画像投射装置を実現できる。

以下、発明の実施の形態を説明する。
図１は、位相板を説明するための図である。
この位相板は、図１（ａ）に示すように、平行平板状のガラス平板１１の両面に薄層１２ａ、１２ｂが形成された構成となっている。
薄層１２ａ、１２ｂは酸化チタンにより形成され、その表面形状として「ランドとスペースによる断面矩形波状の微細凹凸構造」がサブ波長構造として形成されている。

ここで、以下の説明のため、図１（ｂ）を参照して用語を説明する。
図１（ｂ）は薄層に形成された「断面矩形波状の微細凹凸構造」を説明図的に示している。微細凹凸構造の凹凸は断面形状が「矩形波形状」であり、このような矩形波状の凹凸が、図面に直交する方向へ均一な断面形状で形成されている。従って、微細凹凸構造における凸部は図面に直交する方向に長い「凸条」をなし、凹部は図面に直交する方向に長い「凹条」をなす。凸条をなす凸部を「ランド」と呼び、凹条をなす凹部を「スペース」と呼ぶのである。

断面矩形波状の微細凹凸構造のピッチ：Ｐは、図に示すように、１対をなすランドとスペースのランドの幅（以下、図示の如く「ランド幅」という。）：ａとスペースの幅（以下、図示の如く「スペース幅」という。）：ｂの和：（ａ＋ｂ）である。また、スペース底部に対するランドの高さを「溝深さ：Ｈ」とする。

このとき、フィリングファクタは「ａ／Ｐ」、アスペクト比は「Ｈ／ａ」である。即ち「フィリングファクタが大きい」ことは、ピッチ：Ｐに占めるランド幅：ａが大きい（スペース幅：ｂが小さい）ことを意味し、「アスペクト比が大きい」ほど、ランド幅：ａに対する溝深さ：Ｈが大きい。アスペクト比は、微細凹凸構造形成の容易さの観点から「１０よりも小さい」こと、より好ましくは、５程度以下が良い。

非特許文献１、２等により知られたように、微細凹凸構造がサブ波長構造であると、そのピッチよりも大きい波長の光は回折せず「０次光」としてそのまま透過する（このときの透過率を「０次透過率」と呼ぶ。）が、入射光に対して複屈折性を示す。

即ち、図１（ｃ）に示すように、微細凹凸構造へ「空気領域から入射」する入射光において、微細凹凸構造の周期方向（図の左右方向）に平行に振動する偏光成分：ＴＭ、ランド長手方向（図面に直交する方向）に平行に振動する偏光成分：ＴＥに対し、微細凹凸構造は「屈折率が異なる媒質」のように作用する。

微細凹凸構造の部分における有効屈折率を、偏光成分：ＴＭにつきｎ(ＴＭ)、偏光成分：ＴＥについてｎ(ＴＥ)とすると、これらの有効屈折率は、微細凹凸構造が形成された薄層の材料の屈折率：ｎ、微細凹凸構造のフィリングファクタ：ｆを用いて以下のように表される。
ｎ(ＴＥ)＝√{ｆｎ^２＋(１−ｆ)} （１）
ｎ(ＴＭ)＝√［ｎ^２／｛ｆ＋(１−ｆ)ｎ^２｝］ （２）
このため、透過光における偏光成分：ＴＭに対し、偏光成分：ＴＥは、図１（ｃ）に示すように位相が「δ」だけ遅れることになる。

即ち、溝深さ：Ｈを用いると、微細凹凸構造の「光学的厚さ」は、偏光成分：ＴＭに対して「Ｈ・ｎ(ＴＭ)」、偏光成分：ＴＥに対して「Ｈ・ｎ(ＴＥ)」であるので、これら光学的厚さの差：Ｈ｛ｎ(ＴＥ)−ｎ(ＴＭ)｝に応じて「位相遅れ：δ」が生ずる。この「位相遅れ：δ」が「リタデーション」である。
光学的厚さの差：Ｈ｛ｎ(ＴＥ)−ｎ(ＴＭ)｝をＤとし、波長をλとすると、δ＝２πＤ／λであるが、微細凹凸構造においては「波長：λの広い領域にわたって、略一定のリタデーション」が得られる。

ｎ(ＴＥ)、ｎ(ＴＭ)は、薄層の材料の屈折率：ｎと、フィリングファクタ：ｆにより決定され、リタデーション：δは、屈折率：ｎ、フィリングファクタ：ｆ、溝深さ：Ｈにより定まるから、結局、リタデーションは薄層の材料（ｎが定まる。）と微細凹凸構造の形態（フィリングファクタ：ｆと溝深さ：Ｈが定まる。）を調整することにより所望のものを得ることができる。

図１（ａ）に示す実施の形態のように、ガラス平板１１の両面に微細凹凸構造が形成されている場合、微細凹凸構造１２ａによるリタデーションを「δ１」、微細凹凸構造１２ｂによるリタデーション「δ２」とすれば、位相板としてのリタデーションは「δ１＋δ２」となる。

従って、図１（ａ）に示す位相板の場合には、リタデーション：δ１＋δ２を調整することにより、偏光成分：ＴＭ、ＴＥに対する位相差を、例えば「πやπ／２」に設定でき、各種波長板を実現できる。

図２は、薄層に形成された微細凹凸構造により「所望のリタデーション（例えば「π／２」）」を実現するための「薄層材料の屈折率とアスペクト比との関係」を示している。所望のリタデーションを実現するのに「薄層材料の屈折率：ｎが小さいほど、アスペクト比を大きくする必要がある」ことが分かる。

微細凹凸構造形成の容易性から前述の如くアスペクト比を１０以下とすると、薄層材料の屈折率は１．６以上であること必要である。即ち、薄層材料の屈折率を１．６以上とするのは、アスペクト比を１０以下とし、微細凹凸構造の形成を容易にする（所望のピッチ：Ｐ、フィリングファクタ：ｆ、溝深さ：Ｈをもった微細凹凸構造を確実に形成できる）ための条件である。

図２に示す場合において、アスペクト比を「より好ましい５程度以下」とするには、屈折率：２．０以上の薄層材料が必要である。

図３は、薄層材料の屈折率：ｎとフィリングファクタ：ｆとをパラメータとし、溝深さＨ（横軸：μｍ単位）とリタデーション：δ（縦軸：波長単位）との関係を示している。溝深さ：Ｈの増大と共にリタデーション：δが線形に増加することがわかる。
これは、微細凹凸構造の「光学的厚さ」の、偏光成分：ＴＭ、ＴＥに対する差：Ｈ{ｎ(ＴＥ)−ｎ(ＴＭ)}が溝深さ：Ｈの１次関数であることによる。

図４は、微細凹凸構造のピッチ：Ｐをパラメータとしたときの、「微細凹凸構造への入射光の偏光方向（単位：度）」と「０次透過率」との関係を示している。このときの薄層材料の屈折率：ｎ＝２．２５である。

微細凹凸構造を有する光学素子としての位相板を光学特性の面から見ると、０次透過率が大きく「入射光の偏光方向に対する依存性が小さい」ことが好ましい。このような、光学機能としての好ましい特性を「入射光の偏光方向の範囲：−１８０度〜＋１８０度の範囲において、０次透過率：０．８以上」としてみると、図４から、ピッチは０．４以下であるべきことが分かる。

図５は、薄層材料の屈折率：ｎ＝２．２９（波長：４２０ｎｍ）、２．２３（波長：４７０ｎｍ）、２．２０（波長：５２０ｎｍ）、２．１７（波長：５７０ｎｍ）、２．１６（波長：６２０ｎｍ）、２．１４（波長：７００ｎｍ）とし、微細凹凸構造における溝深さ：Ｈ＝１μｍ、フィリングファクタ：ｆ＝０．７において、ピッチ：Ｐをパラメータとして変化させたとき、リタデーション：δが波長と共にどのように変化するかを示す図である。広い波長領域でリタデーションが安定した位相板であるためには、横軸の波長範囲において「リタデーションの変化が小さく略一定」であることが望まれる。

この条件を満足するのは、パラメータであるピッチ：Ｐが０．２〜０．４の範囲にある場合である。

従って、先に述べた、ピッチ：Ｐとフィリングファクタ：ｆに対する条件（１）を満足することにより「広い波長範囲で略一定したリタデーションを有する位相板」が得られることが分かる。

図６は、屈折率：ｎ＝２．２９（波長：４２０ｎｍ）、２．２３（波長：４７０ｎｍ）、２．２０（波長：５２０ｎｍ）、２．１７（波長：５７０ｎｍ）、２．１６（波長：６２０ｎｍ）、２．１４（波長：７００ｎｍ）の薄層に、ピッチ：Ｐ＝０．３μｍ、溝深さ：Ｈ＝１μｍで形成された微細凹凸構造に入射させる光の波長：λをパラメータとし、４２０ｎｍ、４７０ｎｍ、５２０ｎｍに変化させたとき（図６（ａ））、５２０ｎｍ、５７０ｎｍ、６２０ｎｍに変化させたとき、および（図６（ｂ））と６２０ｎｍ、７００ｎｍに変化させたとき（図６（ｃ））の、フィリングファクタ（横軸）とリタデーション（波長単位 縦軸）の関係を示している。

使用波長の領域を４２０ｎｍ〜７００ｎｍとした場合を想定し、この波長領域の入射光に対して略同一と見做し得るリタデーション（リタデーション変動：Δδ＜±１０％）を得るには、フィリングファクタの範囲として、０．５〜０．８の範囲（図６（ａ）〜図６（ｃ）において破線で囲った範囲）が好適である。即ち、
０．５＜ｆ≦０．８
であり、これが条件（２）の意義である。

条件（１）、（２）を満足することにより、入射光の偏光方向の範囲：±１８０度、０次透過率：８０％で、リタデーション変動：Δδ＜±１０％の位相板を実現できる。

この発明の位相板における薄層の材料である酸化チタンは屈折率が高い。このため、微細凹凸構造に接する空気との屈折率差が大きいため、薄層表面での反射が大きくなりやすい。

従って、微細凹凸構造の上に反射防止膜を形成することにより、薄層表面での反射を抑えることが好ましい。
図７は、このように反射防止膜を形成した実施の形態を説明するための図である。
図７（ａ）に示す薄層７０は、屈折率：ｎ＝２．２５の材料で形成され、微細凹凸構造はピッチ：Ｐ＝０．２２μｍ、溝深さ：Ｈ＝１．０８６μｍ、フィリングファクタ：ｆ＝０．７のものである。微細凹凸構造７０の上、即ち、微細凹凸構造７０のランドの上とスペースの底部に反射防止膜７１が形成されている。

反射防止膜７１は４層構造であり、図７（ｂ）に示されたように、薄層側から数えて第１層が屈折率：２．３５、厚さ：７６ｎｍの「高屈折率層」、第２層が屈折率：１．４６、厚さ：７ｎｍの「低屈折率層」、第３層が屈折率：２．３５、厚さ：１８ｎｍの「高屈折率層」、第４層が屈折率：１．４６、厚さ：７８ｎｍの「低屈折率層」である。
図１６（ａ）は、反射防止膜を形成しない場合の偏光成分：ＴＥ（図１６において「ＴＥ方向」）の０次透過率である。「Ｒ」は赤色波長領域、「Ｇ」は緑色波長領域、「Ｂ」は青色波長領域である。凡例に示すとおり、入射角を０度、５度、１０度、１５度としている。入射角：０度のときには、波長：４８０ｎｍ以下では「０次透過率が８０％以下」になってしまっている。図１６（ｂ）は偏光成分：ＴＭ（図１６において「ＴＭ方向」）の０次透過率である。

図１６（ａ）、（ｂ）の各場合につき、微細凹凸構造の上に上記図７（ｂ）に構成を示す反射防止膜（図において「ＡＲコート」）を形成した場合の、偏光成分：ＴＥの０次透過率を図１６（ｃ）に、偏光成分：ＴＭの０次透過率を１６（ｄ）に示す。

図１６（ｃ）、（ｄ）に示すように、０次透過率は偏光成分：ＴＥ、ＴＭとも、波長：４２０ｎｍから波長：７００ｎｍの範囲（Ｂ〜Ｒの波長領域）で８８％以上となる。
なお、図１６（ａ）、（ｂ）では、符号Ｒ、Ｇ、Ｂで示す、各色波長領域の各短波長側に、０次透過率が低下する場合が「ひげ状」に存在するが、この部分は「１次回折光」により０次透過率が低下している箇所である。０次透過率の低下する「ひげ状の部分」は、図１６（ｃ）でも、Ｂ、Ｇの波長領域の各短波長側に存在し、図１６（ｄ）でも、Ｂの波長領域の短波長側に若干存在するが、このような「１次回折光が発生してない領域」については、図１６（ｃ）、（ｄ）において「略９９％以上の高０次透過率」を確保できている。

図１６（ｃ）、（ｄ）は、反射防止膜を、図７に示すように微細工凸構造のランドとスペースとに設けた場合であるが、反射防止膜を「ランドの上のみ」に設けることによっても上記と同様の効果を得ることができる。

即ち、図１７（ｃ）、（ｄ）は、上に説明したのと同じ反射防止膜を、ランドの上のみに形成した場合における偏光成分：ＴＥ、ＴＭ（図１７においてＴＥ方向、ＴＭ方向）の０次透過率を示す図で、図１７（ａ）、（ｂ）は図１６（ｃ）、（ｄ）と同一である。

図１７の（ａ）と（ｃ）、（ｂ）と（ｄ）とを比較すれば明らかなように、偏光成分：ＴＥ、ＴＭの０次透過率は、反射防止膜をランドの上のみに形成した場合でも（反射防止膜をランドとスペースに形成した場合に比して、やや劣るが）８８％以上の０次透過率を確保できている。

図１８は「反射防止膜を形成することによる位相差への影響」を説明するための図である。図１８（ａ）は「微細凹凸構造」を説明図的に示す図である。ピッチ：Ｐ＝０．２μｍ、フィリングファクタ：ｆ＝０．８、溝深さ：Ｈ＝０．３μｍ、屈折率：２．１５の構造とした場合であり、波長：λ＝６６０ｎｍの光を入射させたときに発生するリタデーションは０．１１λである。

図１８（ｂ）は反射防止膜を説明する図であり、屈折率：２．１５の平行平板の表面に、図の如く、空気側から屈折率：１．４で厚さ：１００ｎｍの第１層、屈折率：２．３で厚さ：３０ｎｍの第２層、屈折率：１．４で厚さ：１０ｎｍの第３層、屈折率：２．３で厚さ：８０ｎｍの第４層からなる４層構造で、ピッチ：Ｐ＝０．２μｍ、フィリングファクタ：ｆ＝０．８の反射防止膜を形成した状態を示す。この反射防止膜に波長：λ＝６６０ｎｍの光を入射させたときに発生するリタデーションは０．０２λである。

図１８（ｃ）は、図１８（ａ）に示した微細凹凸構造のランドの上のみに（ｂ）に即して説明した４層構造の反射防止膜を形成した場合であり、このとき上記と同様に波長：λ＝６６０ｎｍの光を入射させた場合のリタデーションは０．１９λとなる。

図１８（ｄ）は、図１８（ａ）に示す微細凹凸構造のランドとスペースとに、１８（ｂ）に即して説明した４層構造の反射防止膜を形成した場合であり、波長：λ＝６６０ｎｍの光を入射させた場合のリタデーションは０．１２λである。ランドとスペースとに反射防止膜を形成する図１８（ｄ）の場合に比して、ランドの上のみに反射防止膜を形成する図１８（ｃ）の場合の方が、リタデーションを大きくすることが可能である。

このように、反射防止膜はランドの上にのみ形成しても反射防止機能が発現し、高０次透過率を確保しつつ、リタデーションを大きくすることが可能である。なお、このような「ランドの上のみに反射防止機能を形成する構成」は、非特許文献１や２に掲載されている他のサブ波長構造の素子（偏光選択性の回折素子や、ある特定の波長域のみ光を透過させるフィルタなど）に関しても同様に反射防止機能を確保することが可能である。

また、ランドの上のみに反射防止機能を形成する方法としては、上記の「高屈折率の薄層」で微細凹凸構造を形成したのちに、スペースに一旦「仮の部材」を充填して反射防止膜を蒸着し、その後「充填した部材とともにスペース上の仮の部材に蒸着されている反射防止膜」を除去する方法などを用いればよい。

以下、画像投射装置の実施の形態を説明する。
図８は、画像投射装置の実施の１形態を示し、３原色に対応する各色の映像を個別に形成する３つの液晶表示素子１１０、１１１、１１２と、これら各液晶表示素子から射出した各色の映像光を合成するクロスプリズム１１３を有し、各液晶表示素子とクロスプリズム１１３との間の３光路に、１／２波長板相当の位相板１１６、１１７、１１８を有している。
白色光源１０１から放射された白色光はリフレクタ１０２により反射され、ダイクロイックミラー１０３に入射する。ダイクロイックミラー１０３は、青色波長以下の光を透過させ、青色波長より長い波長の光を反射する。従って、ダイクロイックミラー１０３に入射する白色光の内、青色成分はダイクロイックミラー１０３を透過し、緑色成分と赤色成分はダイクロイックミラー１０３により反射されてダイクロイックミラー１０４に入射する。

ダイクロイックミラー１０４は赤色波長以上の波長の光を透過させ、赤色波長より短い波長の光を反射する。従って、ダイクロイックミラー１０４に入射した光のうち、緑色成分はダイクロイックミラー１０４に反射され、赤色成分はダイクロイックミラー１０４を透過する。このようにして、ダイクロイックミラー１０３、１０４により白色光源１０１からの白色光が、赤、緑、青の３原色の成分光に色分解される。

ダイクロイックミラー１０３を透過した「青色成分光」は、ミラー１０５により反射され、液晶表示素子１１０に入射し、ダイクロイックミラー１０４に反射された「緑色成分光」は、液晶表示素子１１１に入射する。また、ダイクロイックミラー１０４を透過した「赤色成分光」は、リレーレンズ１０８、ミラー１０６、リレーレンズ１０９、ミラー１０７により構成される光路を辿って液晶表示素子１１２に入射する。リレーレンズ１０８と１０９とは、赤色成分光の光路長補正を行う。

液晶表示素子１１０、１１１、１１２は「液晶層を１対の偏光子で挟持」してなり、液晶層を挟持する１対の偏光子は互いに偏光方向を直交させている。
各色成分光は、対応する液晶表示素子の入射側偏光子を透過すると直線偏光となって液晶層に入射する。液晶表示素子１１０、１１１、１１２にはそれぞれ、青色画像、緑色画像、赤色画像を表示するように画像信号が印加され、「投射すべき映像の画素」の位置の液晶層を透過する光は偏光面が９０度旋回し、射出側偏光子と同じ偏光方向になって射出側偏光子を透過する。

このようにして、液晶表示素子１１０からは「青色画像に応じて２次元的に強度変調された青色成分光（以下「青色映像光」という。）」が射出する。同様に、液晶表示素子１１１からは「緑色画像に応じて２次元的に強度変調された緑色成分光（以下「緑色映像光」という。）」が射出し、液晶表示素子１１２からは「赤色画像に応じて２次元的に強度変調された赤色成分光（以下「赤色映像光」という。）」が射出する。即ち、液晶表示素子１１０、１１１、１１２は、３原色（青、緑、青）に対応する映像を個別に形成する。

これら各液晶表示素子から射出した各色映像光は、その偏光方向が図面の面内に平行な方向となっている。
液晶表示素子１１０から射出した青色映像光は位相板１１６に入射し、液晶表示素子１１１、１１２からそれぞれ射出した緑色映像光、赤色映像光は、それぞれ位相板１１７、１１８に入射する。

位相板１１６、１１７、１１８は「１／２波長板相当」であって、透過する光の直交２成分に対して１／２波長分の位相差を与える。これら位相板に入射する各色映像光は、上記の如く図面に平行な面内に偏光しているから、透過光はその偏光面が入射時の方向から９０度旋回し、図面に直交する方向に偏光した光束となって、クロスプリズム１１３に、それぞれ対応する面から入射する。

クロスプリズム１１３は、図面に直交する方向からみた断面形状が正方形となる光透過性素材による直方体であり、互いに直交する反射面１１３ａ，１１３ｂを有している。反射面１１３ａは「青色波長以下の波長の光を反射し、青色波長より長い波長の光を透過するダイクロイックミラー」となっており、反射面１１３ｂは「赤色波長以上の波長の光を反射し、赤色波長より短い波長の光を透過するダイクロイックミラー」となっている。

反射面１１３ａ、１１３ｂは、その「反射光の偏光軸」について方向性を有する。反射面１１３ａは、青色波長以下の光のうち図面に直交する偏光成分の光（青色映像光）を良好に反射させるが、図面に直交する偏光成分の緑色映像光・赤色映像光は良好に透過させる。反射面１１３ｂは、図面に直交する偏光成分の赤色映像光を良好に反射させ、図面に直交する偏光成分の青色映像光と緑色映像光は良好に透過させる。

クロスプリズム１１３に入射する各色映像光のうち、青色映像光は反射面１１３ａに反射され、赤色映像光は反射面１１３ｂに反射され、緑色映像光は反射面１１３ａ、１１３ｂを透過し、いずれも同一の方向となり、色合成されてクロスプリズム１１３から射出する。射出した光束は投射レンズ１１４に入射し、投射レンズ１１４により「表示面」であるスクリーン１１５上に拡大投射されて投射映像を表示する。

図９は、図８に示した実施の形態の変形例である。繁雑を避けるため、混同の恐れが無いと思われるものについては図８におけると同一の符号を付し、これらについての説明は図８に関する説明を援用する。

図９の画像投射装置は、図８の画像投射装置に対し、白色光源１０１とダイクロイックミラー１０３との間に、均一照明手段２０１（オプチカルインテグレータ）と偏光変換素子２０２とを付加したものである。

「オプチカルインテグレータ」である均一照明手段２０１は、液晶表示素子への照射光の光量を略均一にする手段であり、例えばフライアイレンズ、ロッドレンズ、矩形レンズアレイ等から成る公知のものを適宜利用できる。

偏光変換素子２０２は、白色光源１０１からの光を有効に使い、スクリーン上の投射映像を明るくするために液晶表示素子へ入射する光の偏光方向を揃えるのに用いられる。

液晶表示素子１１０、１１１、１１２は、液晶の持つ偏光特性を利用しており、高いコントラストを実現できるが、１対の偏光子で液晶を挟持しているため、図８に示した実施の形態におけるように「各液晶表示素子に入射する照射光が自然偏光状態である」と、各液晶表示素子の「入射側偏光子」を透過する際に、照明光量の１／２が遮断されてしまうことになり、光の利用効率が悪い。

偏光変換素子２０２は、光源側からの照明光の偏光状態を「照明光の光強度を略保存しつつ、自然偏光状態から直線偏光状態」に変換するものである。このようにして直線偏光化された照明光の偏光方向を、液晶表示素子における入射側偏光子の偏光方向と揃えれば、光源側からの照明光の略１００％を投射画像の表示に利用することができる。

図１０は、光源からの白色光束が均一照明手段２０１により均一化され、偏光変換手段２０２により偏光状態を変換される状態を説明するための図である。

光源側からの白色光束は「１対の集光レンズアレイ（フライアイレンズアレイ）を対向配置して構成」した公知の均一照明手段２０１を透過して、偏光変換手段２０２に入射する。

偏光変換手段２０２は、請求項１１記載の光学素子に対する実施の１形態をなすものであり、光学基体２０２Ａと、位相板部分２０２Ｂとを有している。
図１０（ａ）に示すように、光学基体２０２Ａの部分は、照明光の光軸に対して４５度傾いた偏光分離面２０２１と反射面２０２２とを交互に有する。

偏光分離面２０２１は、入射光を偏光面が互いに直交する反射光Ｓ（以下「Ｓ成分」という。）と透過光Ｐ（以下「Ｐ成分」という。）とに分割する。反射面２０２２は、Ｓ成分を反射してＰ成分の進行方向と略同じ方向に向ける。

偏光分離面２０２１と反射面２０２２の組み合わせを１ユニットとし、このようなユニットの複数ユニットが、照明光の透過領域に渡って設けられて所謂「偏光プリズムレンズアレイ」をなし、アレイを構成する個々の偏光プリズムごとに、透過する照明光をＳ成分とＰ成分に分ける。

位相板部分２０２Ｂは、光学基体２０２Ａから射出するＳ成分の偏光面を９０度旋回させ、Ｐ成分の偏光方向に揃える。このようにして、偏光方向が揃った直線偏光の照明光が得られる。この照明光の偏光方向は勿論「各液晶表示素子の入射側偏光子の偏光方向」と同じである。

図１０（ｂ）は位相板部分２０２Ｂの部分を説明する図である。位相板部分２０２Ｂは、ガラス平板２０２Ｂ１の片面に形成された「屈折率：１．６以上の材料」による薄層２０２Ｂ２の表面に、断面矩形波状の微細凹凸構造２０２１Ｂ、２０２２Ｂ、２０２３Ｂ等がサブ波長構造として形成され、各微細凹凸構造２０２１Ｂ等は「２／１波長板相当の位相板」としての機能を付与されている。ガラス平板２０２Ｂ１は光学基体２０２Ａにおける「方向の揃った照明光が射出する側の面」に一体化され、微細凹凸構造２０２１Ｂ等は「Ｓ成分が射出する部分」に形成されている。なお、位相板部分２０２Ｂと光学基体２０２Ａとの接合は、薄層２０２Ｂ２を光学基体２０２Ａの側としてもよく、このようにすると、微細凹凸構造をガラス平板２０２Ｂ１により良好に保護することができる。

またガラス平板２０２Ｂ１を用いず、薄層２０２Ｂ２を光学基体２０２Ａに直接形成してもよい。

図１１は、請求項１４記載の画像投射装置の実施の１形態を説明するための図である。繁雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては図８におけると同一の符号を付した。

白色光源１０１から放射される白色光はリフレクタ１０２により反射され、ダイクロイックミラー１０３に入射すると、青色成分光が分離されてダイクロイックミラー１０３を透過し、緑色成分光と赤色成分光は反射されてダイクロイックミラー１０４に入射する。

緑色成分光はダイクロイックミラー１０４により反射され、赤色成分光はダイクロイックミラー１０４を透過する。このようにして、白色光が青、緑、赤の３原色に色分解される。青色成分光はミラー１０５により反射され、偏光ビームスプリッタ３０１に入射し、Ｓ偏光成分が反射され、１／４波長板相当の位相板３０７を介して反射型液晶表示素子３０４に入射する。

緑色成分光は、偏光ビームスプリッタ３０２に入射し、Ｓ偏光成分が反射され、１／４波長板相当の位相板３０８を介して反射型液晶表示素子３０５に入射する。赤色成分光は偏光ビームスプリッタ３０３に入射し、Ｓ偏光成分が反射され、１／４波長板相当の位相板３０９を介して反射型液晶表示素子３０６に入射する。

各色成分光は対応する位相板を透過することにより円偏光となって、対応する反射型液晶表示素子に入射する。各反射型液晶表示素子３０４、３０５、３０６は、画像信号により反射光を変調し、変調された映像光を入射時と逆周りの円偏光とする。これらは、位相板３０７、３０８、３０９を透過することにより、往路の状態から偏光面が９０度旋回し、対応する偏光ビームスプリッタ３０１、３０２、３０３に対してＰ偏光成分となり、偏光ビームスプリッタ３０１、３０２、３０３を透過してクロスプリズム１１３に入射し、図８の実施の形態と同様にして色合成されてクロスプリズム３１３から射出し、投射レンズ１１４によってスクリーン１１５にカラー映像として拡大投射される。このようにして、スクリーン１１５には画像が表示される。

勿論、図１１の実施の形態においても、図９の実施の形態と同様、白色光源１０１とダイクロイックミラー１０３との間に、均一照明手段２０１（オプチカルインテグレータ）と偏光変換素子２０２とを付加することにより、光利用効率を増大させることができる。
「具体例１」

図８、図９に示した画像投射装置の実施の形態における位相板１１６、１１７、１１８の具体的な実施例を挙げる。

位相板１１６、１１７、１１８は何れも、厚さ：１．０ｍｍ、屈折率：１．４５の平行平板状の石英ガラスを「ガラス平板」とし、その両面に「屈折率：１．６以上の材料」として「ＴｉＯ_２（屈折率：２.２５）」を用い、厚さ：１μｍの薄層をスパッタリングで形成し、これらの薄層の表面に断面矩形波状の微細凹凸構造をサブ波長構造として形成したものである。

微細凹凸構造は、薄層の上に「電子ビームの走査により潜像の形成されるレジスト層」を形成し、このレジストに微細凹凸構造に対応するパターンを電子ビームにより描画して潜像を形成し、これを現像して「微細凹凸構造に対応するレジストパターン」を得、このレジストパターンをマスクとしてＲＩＥ（反応性イオンエッチング）で薄層を所望の溝深さにエッチングすることによって形成した。
各位相板の仕様と特性は以下のとおりである。

位相板１１６（青色映像光に対する１／２波長板相当の位相板）
薄層表面の微細凹凸構造
ピッチ：Ｐ＝０．２０μｍ
フィリングファクタ：ｆ＝０．６
ランドの幅：ａ＝０．１２０μｍ
スペースの幅：ｂ＝０．０８０μｍ
溝深さ：Ｈ＝０．３８０μｍ
光学特性
使用波長：４２０〜５２０ｎｍ
リタデーション：５０±３％（５０％は位相差：π）
０次透過率：０．８８±７％（偏光成分：ＴＥ）
０．９３±７％（偏光成分：ＴＭ） 。

位相板１１７（緑色映像光に対する１／２波長板相当の位相板）
薄層表面の微細凹凸構造
ピッチ：Ｐ＝０．２２μｍ
フィリングファクタ：ｆ＝０．７
ランドの幅：ａ＝０．１５４μｍ
スペースの幅：ｂ＝０．０６６μｍ
溝深さ：Ｈ＝０．５４３μｍ
光学特性
使用波長：５２０〜６２０ｎｍ
リタデーション：５０±３％（５０％は位相差：π）
０次透過率：０．８８±９％（偏光成分：ＴＥ）
０．９３±５％（偏光成分：ＴＭ） 。

位相板１１８（赤色映像光に対する１／２波長板相当の位相板）
薄層表面の微細凹凸構造
ピッチ：Ｐ＝０．３０μｍ
フィリングファクタ：ｆ＝０．５
ランドの幅：ａ＝０．１５０μｍ
スペースの幅：ｂ＝０．１５０μｍ
溝深さ：Ｈ＝０．４７５μｍ
光学特性
使用波長：６２０〜７００ｎｍ
リタデーション：５０±４％（５０％は位相差：π）
０次透過率：０．８８±５％（偏光成分：ＴＥ）
０．９３±４％（偏光成分：ＴＭ） 。

この実施例１における各位相板１１６、１１７、１１８の「リタデーション特性」を図１２示す。３原色（青（Ｂ）：４２０〜５２０ｎｍ、緑（Ｇ）：５２０〜６２０ｎｍ、赤（Ｒ）：６２０〜７００ｎｍ）の各波長領域で、安定したリタデーションを確保できている。

位相板１１６、１１７、１１８の「０次透過率」を図１３に示す。上記３原色の範囲で８０％以上の０次透過率を確保できている。図１４は、上記各位相板におけるリタデーションの、入射角：０の場合と１０度の場合の様子を示す。また、図１５は上記各位相板について、０次透過率が入射角とともにどのように変化するかを示している。
位相板１１６、１１７、１１８のように、液晶表示素子の直後に配置されるような場合、入射角の変化は±１０度程度を見積もればよく、その範囲においては各特性ともに安定した性能である。

なお、実施例１では、位相板における薄層をガラス平板の両面に形成しているが、薄層をガラス平板の片面のみに形成し、この薄層に形成する微細凹凸形状の溝深さ：Ｈを、実施例１の場合の２倍（両面の薄層の、溝深さの和）としてもよい。

また、実施例１において形成された平板ガラス両面の薄層のうち、片面側の薄層を省略すれば、位相板は「１／４波長板相当」となり、図１１の実施の形態における位相板３０７，３０８、３０９として用いることができる。

なお、図８、図９の実施の形態では、３色いずれに対しても偏光軸の９０度回転を必要とする場合を示しているが、３原色のいずれか１に対してのみ１／２波長板相当の位相板を必要とするような構成も可能である。

位相板を説明するための図である。 薄層材料の屈折率とアスペクト比の関係を説明するための図である。 溝深さとリタデーションとの関係を説明するための図である。 微細凹凸構造への入射光の偏光方向と０次透過率との関係を説明するための図である。 微細凹凸構造のピッチをパラメータとして、リタデーションが波長と共にどのように変化するかを示す図である。 フィリングファクタとリタデーションの関係を示す図である。 反射防止膜を形成した実施の形態を説明するための図である。 画像投射装置の実施の１形態を説明するための図である。 画像投射装置の実施の別形態を説明するための図である。 偏光変換素子を説明するための図である。 画像形成装置の実施の他の形態を説明するための図である。 具体例１の各位相板のリタデーションの波長依存性を示す図である。 具体例１の各位相板の０次透過率の波長依存性を示す図である。 具体例１の各位相板のリタデーション特性の入射角依存性を示す図である。 具体例１の各位相板の０次透過率の入射角依存性を示す図である。 反射防止膜による効果を説明するための図である。 反射防止膜をランドのみに形成する場合の効果を説明するための図である。 反射防止膜のリタデーションに対する作用を説明するための図である。

符号の説明

１１ ガラス平板
１２ａ 薄層
１２ｂ 薄層

Claims (5)

1. ガラス平板の少なくとも一方の面に、酸化チタンによる薄層が形成され、上記薄層の表
   面に、ランドとスペースによる断面矩形波状の微細凹凸構造がサブ波長構造として形成さ
   れ、
   上記微細凹凸構造のピッチ：Ｐ、フィリングファクタ：ｆが、条件
   （１） ０．１μｍ＜Ｐ＜０．４μｍ
   （２） ０．５＜ｆ≦０．８
   を満足し、且つ、上記微細凹凸構造のランドの上のみに反射防止膜が形成され、
   該反射防止膜が、上記酸化チタンの屈折率よりも低い表面層を有することを特徴とする位相板。
2. プリズム機能を持つ光学基体の平坦な面に、請求項１記載の位相板を一体化してなる光
   学素子。
3. 光源からの光束を液晶表示素子に導光し、該液晶表示素子の表示画像を投射レンズで表
   示面上に投射する画像投射装置において、
   請求項１記載の位相板、及び／または、請求項２記載の光学素子が用いられたことを特
   徴とする画像投射装置。
4. 請求項３記載の画像投射装置において、
   ３原色に対応し各色の映像を個別に形成する３つの液晶表示素子と、
   各液晶表示素子から射出した各色の映像光を合成するクロスプリズムを有し、
   上記各液晶表示素子と上記クロスプリズムとの間の３光路の１以上に、１／２波長板相
   当の位相板として、請求項１記載の位相板または請求項２記載の光学素子を配置したこと
   を特徴とする画像投射装置。
5. 請求項４記載の画像投射装置において、
   ３原色に対応し各色の映像を個別に形成する３つの反射型液晶表示素子と、
   各反射型液晶表示素子から射出した各色の映像光を合成するクロスプリズムを有し、
   上記各反射型液晶表示素子と上記クロスプリズムとの間の３光路の１以上に、１／４波
   長板相当の位相板として、請求項１記載の位相板または請求項２記載の光学素子を配置したことを特徴とする画像投射装置。

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