JP5361302B2 - 光学素子及び光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、光学異方性媒質を用いた光学素子、及びこれを用いたプロジェクタ等の光学機器に関する。

光学異方性を用いた光学素子は、偏光制御や光束分離等の用途に広く用いられている。例えば、λ／４板やλ／２板に代表される位相板、偏光分離素子に代表される偏光板、及び光学ローパスフィルタとして用いられている。

光学異方性とは、入射する偏光の振動方向によって屈折率が異なる性質を指す。これを利用すると、例えば、同じ方向から入射する光であっても、その偏光方向によって振る舞いを異ならせることが可能となる。

このような光学異方性を持つ材料としては、水晶、方解石等の結晶材料や、液晶材料や、プラスチック、高分子等の有機材料がある。これらの材料の光学異方性の程度は、偏光方向に対する屈折率で表される。

光学異方性を得る方法として、使用する光の波長（以下、使用波長という）よりも小さい構造による構造異方性を用いる方法が特許文献１，２にて開示されている。

使用波長よりも小さい構造では、光はその構造を直接は認識できずに均質な媒質のように振る舞うことが知られている。このとき、光はその構造の充填率に準じた屈折率を示し、該屈折率は有効屈折率法と呼ばれる手法により求めることができる。構造の充填率に応じて、偏光方向によって屈折率が異なる性質を構造異方性と呼ぶ。そして、構造の充填率を任意に設定することで、屈折率を調整することができる。また、構造異方性を利用することにより、通常の光学異方性材料に比べて偏光方向による屈折率の差を大きくすることができるため，所望の複屈折特性を得るための厚みを薄くすることができる。

特許文献１には、構造異方性を利用した位相板が開示されている。該位相板では、構造異方性によって屈折率が調整できることを利用し、複数の構造異方性層（周期構造体）を組み合わせることで位相差特性の波長による変化を抑えている。

特許文献２には、基板の一方の面に面法線方向の構造異方性層が形成され、他方の面に面内方向の構造異方性層が形成された光学素子が開示されている。各面での構造異方性により屈折率を調整し、それら屈折率を組み合わせることで、位相補償板を得ている。また、反射防止層を挿入することで、反射防止機能を付与している。
特開２００４−１３９００１号公報 特開２００７−１５６４４１号公報

特許文献１では、高屈折率の媒質を用いた構造異方性の上部に、同じ周期性を有する低屈折率の材料を配置する例が開示されている。これにより、各構造異方性層の屈折率に比べて低い屈折率の材料が上部に積層される形となるため、表面での反射はある程度抑えられる。しかし、この構成では、反射防止性能としては不十分である。

また、特許文献２には，構造異方性の層に反射防止膜を付与しているが、反射防止機能を発揮させるための必要な構成が開示されていない。

このように偏光方向による屈折率の差が大きな材料を用いると、偏光方向に対する反射-透過特性が大きく異なってくる。また、反射防止コーティングを付与しようとしても、屈折率が大きく異なるために、偏光方向ごとに特性を最適化することは困難である。

本発明は、光学異方性を用いた光学素子であって、十分な反射防止性能を有する光学素子及びこれを備えた光学機器を提供する。

本発明の一側面としての光学素子は、光学異方性媒質と、第１の媒質と、
第２の媒質を含む。光学異方性媒質は、第１の媒質と第２の媒質の間に配置されており、光学異方性媒質の使用中心波長における最小屈折率をｎ _ｌ 、光学異方性媒質の使用中心波長における最大屈折率をｎ _ｈ 、第１の媒質の使用中心波長における屈折率をｎ _ｔ１ 、第２の媒質の使用中心波長における屈折率をｎ _ｔ２ とするとき、最小屈折率ｎ_ｌと最大屈折率ｎ_ｈとの差が０．１以上ある。

を満足し、使用中心波長に対して１／４波長分の位相差を付与することを特徴とする。

また、本発明の他の側面としての光学素子は、構造異方性層と、第１の媒質と第２の媒質を含む。構造異方性層は、第１の媒質と第２の媒質の間に配置されており、構造異方性層は、２つの材料のみからなり、構造異方性層の使用中心波長における最小屈折率をｎ _ｌ 、構造異方性層の使用中心波長における最大屈折率をｎ _ｈ 、第１の媒質の使用中心波長における屈折率をｎ _ｔ１ 、第２の媒質の使用中心波長における屈折率をｎ _ｔ２ とするとき、最小屈折率ｎ _ｌ と最大屈折率ｎ _ｈ との差が０．１以上ある。

を満足し、使用中心波長に対して１／４波長分の位相差を付与することを特徴とする。

なお、上記光学素子を有する光学機器も本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、光学異方性媒質を用いたときに該光学異方性媒質の層を薄く形成できることを利用して、該光学異方性媒質層を干渉層として機能させることができる。また、光学異方性媒質層とこれに光学的に隣接する媒質（層）の屈折率や厚みを適切な範囲に設定することで、光学異方性の強い媒質を用いた場合でも、反射防止性能と偏光ごとの反射・透過特性に優れた光学素子を実現することができる。そして、この光学素子を用いることで、高性能な光学機器を提供することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、具体的な実施例の説明に先立って、各実施例の光学素子に共通する特徴について説明する。図１には、光学素子の基本的な構成例を示す。

０１１は光学異方性を持つ媒質（光学異方性媒質：以下、光学異方性層という）である。０１２は均質な等方性の薄膜として形成され、光学異方性層０１１に光学的に隣接する媒質（以下、薄膜層という）である。０１３は均質な等方性の薄膜として形成され、薄膜層０１２とは異なる界面で光学異方性層０１１に光学的に隣接する媒質（以下、薄膜層という）である。

「光学的に隣接する」とは、図１に示すように光学異方性層０１１と薄膜層０１２又は０１３とが１つの界面で接する（機械的に隣接する）場合だけでなく、これらの間に、これらの層に比べてきわめて薄く、光学的な影響が少ない挿入層を挟んでいる場合を含む。なお、以下の説明において、光学的に隣接することを、単に隣接するともいう。

０１４はレンズ等のベース部材（以下、基板という）である。０１５は光学異方性層０１１と薄膜層０１２，０１３により構成される反射防止層（反射防止膜）を示す。

なお、図１に示す構成では、薄膜層０１２，０１３のうち一方が第１の媒質に、他方が第２の媒質に相当する。ただし、薄膜層０１３はなくてもよく、この場合は、光学異方性層０１１に隣接する媒質は基板０１４となる。

以下の説明において、屈折率とは、使用する光の波長帯域（使用波長）における中心の波長（使用中心波長）λでの屈折率をいう。

光学異方性層０１１は、本実施例では、ｙ軸方向に光学軸を持つ一軸性の光学異方性材料とする。光学異方性層０１１のｘ及びｚ方向に振動する光（第１の偏光）に対する屈折率をｎ_ｈとし、ｙ方向に振動する光（第２の偏光）に対する屈折率をｎ_ｌ（＜ｎ_ｈ）とする。ここで、ｎ_ｈとｎ_ｌはそれぞれ、光学異方性層０１１の最大屈折率と最小屈折率である。なお、実施例では、光学異方性層０１１を一軸性の光学異方性材料により形成する場合について説明するが、光学異方性層を二軸性の光学異方性材料により形成してもよい。

実施例では、ｎ_ｈとｎ_ｌの差が０．１以上ある。この条件を満足することで、所望の複屈折特性を得るための光学異方性層０１１の厚みを薄くすることができる。このように、光学異方性層０１１の厚みを十分に薄くできるため、該光学異方性層０１１を干渉層として機能させることができる。ｎ_ｈとｎ_ｌの差が０．１より小さい場合は、偏光ごとの屈折率差が小さいために所望の複屈折特性を得るには光学異方性層０１１の厚みをかなり大きくする必要があり、好ましくない。

図２には、図１に示した構成の屈折率構造を示す。図２では、横軸が光学膜厚を示し、縦軸が屈折率を示している。光は、図の右側から入射する。

０２１，０２５はそれぞれ、光学異方性層０１１のｘ方向（ａ）及びｙ方向（ｂ）での屈折率ｎと光学膜厚ｎ・ｄを示す。また、図２中の「ｕｐ」及び「ｄｏｗｎ」は、層間の界面での屈折率変化が基板０１４の逆側（光入射側）から見て「増加」及び「減少」であることをそれぞれ示す。

０２２は薄膜層０１２のｘ及びｙ方向での屈折率と光学膜厚を示し、０２３は薄膜層０１３のｘ及びｙ方向での屈折率と光学膜厚を示す。さらに、０２４は基板０１４のｘ及びｙ方向での屈折率と光学膜厚を示す。

薄膜層０１２，０１３及び基板０１４は、等方性媒質であるため、屈折率は方向によらず一定であるが、光学異方性層０１１はｘ及びｙ方向で屈折率が異なる。このため、全体として、ｘ及びｙ方向で屈折率が異なる屈折率構造が得られる。また、光学異方性層０１１の光学膜厚もｘ及びｙ方向での屈折率の比に準じて異なる。

従来の反射防止技術では、基板に入射する光を複数の界面で反射させ、その反射光同士を波に見立てて干渉させることで反射防止機能を得ている。ここで、従来の反射防止技術において反射光を干渉させる方法について簡単に説明する。

まず、基板のみからなる光学素子について考える。その構成例を図１６に示す。１６１は基板であり、等方性媒質により形成されている。基板１６１の屈折率構造を図３に示す。０３１は基板１６１の屈折率であり、０３３は基板１６１と該基板１６１への入射光が進んでくる媒質（入射媒質）との界面である。入射光は界面０３３で反射し、その反射光の波の振幅は、入射媒質と基板１６１との屈折率差から求められる。該振幅はフレネル係数で表され、界面０３３での屈折率変化が入射側から見て屈折率増加の場合は負の値に、屈折率減少の場合は正の値になる。これは界面０３３で反射する光の位相変化量を表している。

図１６の基板１６１に、単層の反射防止層を設けた例を図１７に示す。１７１は基板であり、１７２は反射防止層としての薄膜層である。この場合の屈折率構造を図４及び図５に示す。０４１，０５１は基板１７１の屈折率、０４２，０５２は薄膜層１７２の屈折率と光学膜厚を示す。０４３は基板１７１と薄膜層１７２の界面を、０４４は入射媒質と薄膜層１７２との界面を示す。また、０５３は基板１７１と薄膜層１７２との界面を、０５４は入射媒質と薄膜層１７２との界面を示す。

図４に示す構成は、基板１７１と入射媒質との間に、これらの屈折率の間の屈折率（中間屈折率）を有する薄膜層を挿入した例である。この屈折率構造での光の反射は、界面０４３と界面０４４での反射光の重ね合わせとなる。この重ね合わせの状態は、薄膜層１７２の光学膜厚によって決まる。

図４に示すように、薄膜層１７２の両界面０４３，０４４での屈折率の変化が両者とも増加である場合は、両界面０４３，０４４で反射した光の波の位相の変化は同じになる。これらの波同士が打ち消し合う条件は、光学膜厚がλ／４であり、波同士が強め合う条件は、光学膜厚がλ／２である。後者の場合、図３における界面０３３での反射光と同じ強さになる。

なお、図４では、薄膜層１７２の両界面０４３，０４４での屈折率の変化がともに増加である場合を示したが、両界面での屈折率の変化がともに減少である場合も、同様となる。

図４の構成の場合、各界面での反射光の振幅は、エネルギー保存則により、図３の界面０３３での反射光の振幅より大きくはならない。波の干渉を考えると、波同士が強め合う条件でも図３に示す構成での反射光量と同等の反射光量しか生じないため、図４の構成での反射の波の総量は、図３の構成よりも減少する。つまり、両界面での屈折率変化の方向が同じ薄膜層は「反射光量を減らす」層になることが分かる。

図５に示す構成は、基板１７１と入射媒質との間に、これらの屈折率よりも高い屈折率を有する薄膜層を挿入した例である。

この構成での光の反射は、界面０５３と界面０５４での反射の重ね合わせとなる。この重ね合わせの方法は、薄膜層１７２の光学膜厚によって決まる。

薄膜層１７２の両界面０５３，０５４での屈折率の変化がそれぞれ増加と減少というように異なる場合には、両界面０５３，０５４で反射した光の波の位相変化は逆となる。これらの波同士が打ち消しあう条件は光学膜厚がλ／２であり、波同士が強め合う条件は光学膜厚がλ／４である。前者では、図３に示す界面０３３の反射光と同じ強さの反射光が生ずる。なお、この例では、両界面での屈折率変化が増加と減少である場合を述べたが、両界面での屈折率変化が減少と増加である場合でも同様となる。

この構成の場合、どちらか一方の界面での反射光の振幅は、図３の界面０３３での反射光の振幅より大きくなる。波の干渉を考えると、打ち消し合う条件でも図３の反射光量と同等の反射光量が生ずるため、図５での反射の波の総量は図３の構成よりも大きくなる。つまり、両界面での屈折率変化の方向が異なる薄膜層は、「反射光量を増やす」層となることがわかる。

反射防止層としては、上記の２種類の薄膜層を組み合わせて形成する場合が多い。前者の構成は単純に用いるだけで反射光量が低下する。しかし、反射防止層として用いることが可能な材料は、離散的かつ選択的であるため、前者の構成だけでは高性能な反射防止機能は得られにくい。そこで、後者の構成を併せ用いることで、一部の反射光の強度を調整し、前者の構成で反射光の強度を減少させる。これにより、高性能な反射防止層（反射防止膜）が得られる。

上述したように、波の干渉を考えると、λ／４とλ／２の光学膜厚は正反対の特性を持つ。また、「λ／４」という光学膜厚は、ｍを自然数（ｍ＝１，２，３，．．．）としたときに、(２ｍ−１)λ／４と表すこともでき（つまり、同じ特性が得られ）、「λ／２」という光学膜厚は、ｍλ／２或いは（２ｍ−１）λ／２と表すこともできる。

この理論を元にすると、反射光をそれぞれの薄膜層ごとに減らすためには、薄膜層の光学膜厚を、該薄膜層の両側の界面での屈折率変化に対応した膜厚に設定することが良いと分かる。例えば、基板の屈折率に対して順に低くなる屈折率の薄膜層を２層積層した場合には、それぞれの薄膜層の界面での屈折率変化は全て正（増加）となる。このため、これらの薄膜層の光学膜厚は、２層ともλ／４に設定するほうが良いことが分かる。厳密には、界面の屈折率差から求められる反射光の強度を考慮する必要があるが、ここでの説明は省略する。

上記理論を元に、図２に示す光学素子での屈折率構造を考えると、光学異方性層０１１の光学膜厚０２１，０２５がｘ及びｙ方向で異なっている。これは屈折率が方向によって異なるため、物理膜厚は一定でも光学膜厚が方向によって異なってしまうためである。このような光学素子の場合、例えばλ／４板の場合では、両偏光の光学膜厚差はλ／４となる。このため、光学膜厚が偏光方向に対してそれぞれλ／４，λ／２となってしまい、前述した反射防止構造において正反対の性質を持つ層になることがある。

この場合の屈折率構造を図１８に示す。１８１，１８５は光学異方性層０１１のｘ及びｙ方向での屈折率（ｎ_ｈ，ｎ_ｌ）と光学膜厚を、１８２は薄膜層０１２のｘ及びｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚を示す。また、１８３は薄膜層０１３のｘ及びｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚を示す。１８４は基板０１４のｘ及びｙ方向での同一の屈折率と光学膜厚を示す。

光学異方性層０１１のｘ方向での光学膜厚１８１は３λ／４であり、ｙ方向での光学膜厚１８５はλ／２である。また、薄膜層０１２の屈折率１８２は光学異方性層０１１の屈折率１８１（ｎ_ｈ）及び１８５（ｎ_ｌ）より小さく、薄膜層０１３の屈折率１８３は基板０１４の屈折率１８４と光学異方性層０１１の屈折率１８１（ｎ_ｈ）との中間の値である。

ｘ方向の構成では、光学異方性層０１１の屈折率１８１の両界面での屈折率変化は同じであるため、３λ／４の光学膜厚は反射防止層として適している。つまり、全ての層（膜）で理想的な構成となるため、反射防止性能は非常に良いものとなる。

ｙ方向の構成では、光学異方性層０１１の屈折率１８５の両界面での屈折率変化は同じであるため、λ／２の光学膜厚では反射防止に適していない。

このように、光学異方性層０１１に隣接する薄膜層０１２，０１３の屈折率１８２，１８３が、光学異方性層０１１の屈折率１８１，１８５の中間にない場合は、ｘ及びｙ方向の双方において光学膜厚を最適な構成にすることができない。

そこで、実施例では、光学異方性層０１１の最小屈折率ｎ_ｌ及び最大屈折率ｎ_ｈと、該光学異方性層０１１に光学的に隣接する薄膜層０１２，０１３のうち一方（第１の媒質）の屈折率ｎ_ｔ１とが以下の条件（１）を満足することを特徴とする。

…（１）
図１及び図２において、光学異方性層０１１は、薄膜層０１２，０１３と隣接している。ここで、薄膜層（第１の媒質）０１３の屈折率０２３がｎ_ｔ１であり、光学異方性層０１１の屈折率０２１がｎ_ｈで、屈折率０２５がｎ_ｌであるとする。条件（１）は、屈折率ｎ_ｔ１が屈折率ｎ_ｈと屈折率ｎ_ｌの間の値（中間値）であることを意味している。

条件（１）を満足すると、図２に示すように、光学異方性層０１１と薄膜層０１３との界面での屈折率変化がｘ方向とｙ方向とで異なる。屈折率差の大きな光学異方性媒質では、偏光ごとの光学膜厚が大きく変わるため、ｘ方向とｙ方向とで異なる屈折率変化を持たせることで、両偏光に対してともに良好な反射防止性能が得られる。

一方、条件（１）を満足しない場合は、光学異方性層０１１と薄膜層０１３との界面での屈折率変化が両偏光に対して同じになる。このため、偏光ごとの反射防止性能が大きく異なり、好ましくない。

また、実施例では、屈折率ｎ_ｔ１の第１の媒質との界面とは異なる界面で光学異方性層に隣接する第２の媒質の屈折率ｎ_ｔ２は以下の条件（２）を満足することがより好ましい。

…（２）
ここで、薄膜層（第２の媒質）０１２の屈折率０２２がｎ_ｔ２とする。条件（２）は、屈折率ｎ_ｔ２が屈折率ｎ_ｌ及びｎ_ｈ以下もしくは屈折率ｎ_ｌ及びｎ_ｈ以上となることを指す。図２では、前者を例にして説明している。条件（２）を満足することで、図２に示すように、光学異方性層０１１と薄膜層０１２との界面での屈折率変化がｘ方向とｙ方向で同じになる。これにより、光学異方性層０１１の屈折率の構成を、方向によって「反射光量を減らす」層と「反射光量を増やす」層にすることができる。屈折率差の大きな光学異方性媒質では、光学膜厚が両偏光で大きく異なるため、上記のように屈折率の構成を変えることで、膜厚差をキャンセルすることができる。

また、実施例では、光学異方性層０１１の最小屈折率ｎ_ｌ及び最大屈折率ｎ_ｈのうち、屈折率ｎ_ｔ１，ｎ_ｔ２との関係が以下の条件（３）を満足する屈折率をｎとする。

…（３）
そして、光学異方性層０１１の厚みをｄとするときに、以下の条件（４）を満足することがより好ましい。

…（４）
ただし、λは使用中心波長であり、ｍは自然数である。

条件（３）は、光学異方性層０１１の屈折率のうち、両界面での屈折率変化が異なる方向での屈折率を示す。このことを図２を用いて説明する。図２では、ｘ方向においては、薄膜層０１２から光学異方性層０１１へは屈折率が増加し、光学異方性層０１１から薄膜層０１３へは屈折率が減少する。このため、屈折率０２１（ｎ_ｈ）をｎとしたとき、条件（３）を満足する。

ｙ方向においては、薄膜層０１２から光学異方性層０１１へは屈折率が増加し、光学異方性層０１１から薄膜層０１３へも屈折率が増加する。このため、屈折率０２５（ｎ_ｌ）は、条件（３）を満足しない。したがって、条件（３）を満足するのは、ｘ方向での屈折率０２１である。

また、条件（４）は、条件（３）を満足する偏光方向の屈折率と膜厚の積算値とがある範囲内にあることを示している。図２では、上述したように、ｘ方向が式（３）を満足する。このため、屈折率０２１と光学異方性層０１１の膜厚の積算値が、条件（４）を満足する。

条件（４）を満足することで、ｘ方向については、光学異方性層０１１の屈折率０２１が適した値となる。一方、ｙ方向については、光学異方性層０１１での屈折率の変化の方向性が異なる。図２に示すように、両界面で屈折率が増加する場合は、必然的に光学異方性層０１１とそれを挟む薄膜層０１２，０１３との屈折率差は小さくなる。このため、膜厚が適した値でなくても、反射率の変動は少ない。つまり、ｘ方向及びｙ方向で良好な反射防止性能を得ることができる。

また、ｘ方向及びｙ方向ともに、条件（３）を満足する構成もあり得る。この場合、ｘ方向及びｙ方向でともに条件（３）を満たすことで、ｘ方向及びｙ方向で良好な反射防止性能を得ることができる。

以上のような屈折率構造は、光学異方性が強い媒質を用いた光学素子の全てに有効である。例えば、λ／４板の場合は、偏光ごとの光学膜厚差がλ／４ある。つまり、薄膜層０１２，０１３のうち一方の光学膜厚をλ／２に設定すると、他方の光学膜厚はλ／４となる。これにより、薄膜層０１２，０１３の反射防止機能においては、偏光方向によって互いに正反対の性質を持つ。しかし、実施例のように薄膜層０１２，０１３のうち一方の光学膜厚がλ／２となる偏光を設定することで、光学膜厚がλ／４となる偏光と反射−透過特性のバランスをとることが可能となる。

また、本発明をλ／４板以外の光学異方性媒質を用いた光学素子に適用する場合には、λ／４板に比べて光学膜厚の差は反射防止性能への影響が少ない。このため、全ての光学異方性媒質を用いた光学素子において、両偏光に対する反射−透過特性を良好にすることができる。

さらに、実施例では、光学異方性層と、該光学異方性層に隣接する第１の媒質との間に第３の媒質としての薄膜層（以下、挿入層という）を設けてもよい。この場合に、光学異方性層に隣接する第１の媒質の屈折率をｎ_ｄ１とし、挿入層の屈折率をｎ_ｏ１とし、膜厚をｄ_ｏ１とするときに、以下の条件（５）を満足することが好ましい。

…（５）
条件（５）を満足する光学素子の構成例を図１９に示す。１９１は光学異方性層、１９２，１９３，１９６は均質な等方性の薄膜により形成された薄膜層である。このうち薄膜層１９６が第３の媒質としての薄膜層（挿入層）である。１９４は基板、１９５は光学異方性層１９１及び薄膜層１９２，１９３，１９６により構成される反射防止膜である。また、この光学素子の屈折率構造を図２０に示す。２０１，２０５は光学異方性層１９１のｘ方向（ａ）とｙ方向（ｂ）での屈折率ｎと光学膜厚ｎ・ｄを示す。２０２は薄膜層１９２のｘ及びｙ方向での屈折率と光学膜厚、２０３は薄膜層１９３のｘ及びｙ方向での屈折率と光学膜厚を示す。２０４は薄膜層１９４のｘ，ｙ方向での屈折率と光学膜厚を示し、２０６は挿入層１９６のｘ及びｙ方向での屈折率と光学膜厚を示す。

図１９に示す光学素子において、挿入層１９６の屈折率をｎ_ｈ以上とすると、前述した条件から外れてしまう。しかし、この挿入層１９６は光学膜厚が薄いため、光学特性への影響が少ない。このため、挿入層１９６が設けられている場合でも、薄膜層１９３と光学異方性層１９１とが光学的に隣接するとみなすことができる。つまり、前述の条件（５）の１つ目の条件、或いは後述する条件（６）の１つ目の条件を満足する挿入層を挟んでいても、その挿入層の両側の２つの層（基板も含む）は、光学的に隣接しているものとみなす。なお、この挿入層１９６としては、ハードコート層、防眩層及び接着層等が該当する。

挿入層１９６の光学膜厚は、好ましくはλ／８以下、さらに好ましくはλ／１０以下がよい。

また、実施例では、図示はしないが、光学異方性層１９１と薄膜層（第２の媒質）１９２との間に、第４の媒質としての薄膜層（以下、挿入層という）を設けてもよい。この場合、薄膜層１９２の屈折率をｎ_ｄ２とし、第４の媒質としての挿入層の屈折率をｎ_ｏ２とし、厚みをｄ_ｏ２とするときに、以下の条件（６）を満足することが好ましい。

…（６）
この場合において、光学異方性層１９１の最小屈折率ｎ_ｌ及び最大屈折率ｎ_ｈのうち、上記２つの薄膜層の屈折率ｎ_ｄ１，ｎ_ｄ２との関係が以下の条件（７）を満足する屈折率をｎとする。

…（７）
そして、光学異方性層１９１の厚みをｄとするときに、以下の条件（８）を満足することが好ましい。

…（８）
ただし、ｍは自然数である。

また、実施例では、光学異方性層として、使用中心波長λより小さい（好ましくは、使用波長領域内の光のうち最も短い波長よりも小さい）構造が複数形成されることにより実現される構造異方性を有する層を用いてもよい。この層は、使用中心波長λ（好ましくは、使用波長領域の光のうち最も短い波長）よりも短い周期を持つ周期構造の層でも良い。なお、この場合の使用中心波長とは、例えば５５０ｎｍの波長の光のように、可視領域の中心に近い波長、つまり５００ｎｍ以上６００ｎｍ以下（好ましくは５３０ｎｍ以上５７０ｎｍ以下）の波長であることが望ましい。

構造異方性を有する第１の層の構造例を図６に示す。０６１は基板、０６２は構造異方性を有する層（以下、構造異方性層という）である。構造異方性層０６２には、材料０６３で形成された矩形の格子と、材料０６３とは異なる材料０６４で形成された矩形の格子とが、一次元方向に交互に、かつ周期的に形成されている。材料０６３による格子０６３と材料０６４による格子とにより使用中心波長λより小さい１つの構造が構成され、該構造が構造異方性層０６２に複数形成されている。該構造は、ｘｚ方向で均一であり、かつｙ方向で周期的である。ａは材料０６３による格子の幅であり、ｂは材料０６４による格子の幅（材料０６３による格子間の間隔）である。そして、ａ＋ｂが使用中心波長λよりも小さい。

入射する光の波長よりも小さい構造に対して、該光はその構造を直接は認識できず、均質な媒質が存在するかのように振る舞う。図６の場合、構造異方性層０６２は均質な膜と等価な屈折率を持つ層として機能し、その周期構造に応じた特性を持つ。

材料０６３の屈折率をｎ_１とし、材料０６４の屈折率をｎ_２とすると、構造異方性層０６２のｘ方向を偏光方向とする偏光に対する屈折率ｎ_ｘとｙ方向を偏光方向とする偏光に対する屈折率ｎ_ｙはそれぞれ、以下の式（９），（１０）により表される。

…（９）

…（１０）
式（９），（１０）は、０次の有効屈折率法と呼ばれる手法に基づく。この手法は、構造異方性層を構成する材料とその充填率ｆｆ｛＝ａ／（ａ＋ｂ）｝によって、その層の屈折率を求めることができる。厳密には、構造の間隔や使用する波長等も影響するが、ここではこれらの説明は省略する。

構造異方性層０６２に強い光学異方性を持たせるには、構造異方性層０６２を構成する材料０６３，０６４の屈折率差を大きくすることが有効である。このため、材料０６３としては高屈折率の材料を用い、材料０６４としては空気を用いることが一般的である。例えば、材料０６３としてＴｉＯ_２（屈折率２．３）を用い、材料０６４として空気（屈折率１．０）を用いてａ＝ｂとすると、ｎ_ｘは１．７７で、ｎ_ｙは１．３０となり、非常に大きな屈折率差が得られる。

これを利用すると、所望の位相差を得るための構造異方性層０６２の厚みを非常に薄くできる。例えば、構造異方性層０６２をλ/４板として使用する場合であって使用中心波長λが５５０ｎｍのとき、構造異方性層０６２の厚みは３２０ｎｍとなる。

図６では説明を簡単にするために、複数の矩形の格子が一次元方向に周期的に配列された光学素子を示したが、２次元方向や３次元方向に周期的に配列してもよい。また、各構造部は矩形でなくても、円柱形や球形でもよい。さらに、１つの構造部が使用中心波長よりも小さければ、該構造部を周期的に配列しなくてもよい。

また、実施例において、光学異方性を有する媒質として無機材料を用いてもよい。無機材料は、有機系材料に比べて、耐候性や耐熱性に優れる。この特性を利用することで、厳しい環境条件や温度条件で用いられる光学素子においても、十分な性能を発揮できる。

以下に、具体的な実施例を、設計値（実験値）及び入射角０°での反射率特性とともに示す。各実施例での使用波長範囲は５００〜６００ｎｍであり、使用中心波長は５５０ｎｍである。ただし、これらは例に過ぎず、本発明の実施例はこれらの条件に限定されるものではない。

実施例１では、屈折率１．７５の基板を用意し、その表面に光学異方性層を積層した。さらに、光学異方性層の表面に、屈折率１．３８、物理膜厚（以下、単に膜厚ともいう）１００ｎｍの薄膜層［１］を積層した。光学異方性層の屈折率はｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が２．０５で、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が１．７２であった。また、光学異方性層の膜厚は４００ｎｍとした。本実施例において、光学異方性層に隣接する第１の媒質は基板であり、第２の媒質は薄膜層［１］である。

入射媒質は、空気であり、屈折率は１．００である。入射媒質については後述する他の実施例も同じである。本実施例は、条件（１）〜（４）を満足している。

本実施例の特性を図７に示す。図７によれば、波長５００〜６００ｎｍで両偏光（ｘ偏光及びｙ偏光）に対する反射率が十分に低くなっている。

実施例２では、屈折率１．８０の基板を用意し、その表面に屈折率２．１０、膜厚１３１ｎｍの薄膜層［３］（第１の媒質）を積層した。該薄膜層［３］の表面に、光学異方性層を積層した。さらに、光学異方性層の表面に屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜層［１］（第２の媒質）を積層した。光学異方性層は、使用中心波長より小さい複数の格子（屈折率２．４）を一次元方向に配列することで構成した。充填率は０．８８とした。光学異方性層の屈折率はｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が２．２８で、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が１．９０であった。また、光学異方性層の膜厚は３６２ｎｍとした。本実施例は、条件（１）〜（４）を満足している。

本実施例の特性を図８に示す。図８によれば、使用中心波長５５０ｎｍで両偏光（ｘ偏光及びｙ偏光）に対する反射率が極小値を示し、かつ十分に低くなっている。

実施例３では、屈折率２．０の基板を用意し、その表面に屈折率１．８０、膜厚８７ｎｍの薄膜層［３］（第１の媒質）を積層した。該薄膜層［３］の表面に、光学異方性層を積層した。さらに、光学異方性層の表面に屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜層［１］（第２の媒質）を積層した。光学異方性層の屈折率はｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が１．８５で、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が１．７０であった。また、光学異方性層の膜厚は８９０ｎｍとした。本実施例は、条件（１）〜（４）を満足している。

本実施例の特性を図９に示す。図９によれば、波長５００〜６００ｎｍで両偏光の反射率が十分に低く、かつバランスがとれている。

実施例４では、屈折率１．５３の基板を用意し、その表面に屈折率１．７８、膜厚７６ｎｍの薄膜層［３］を積層した。該薄膜層［３］の表面に、屈折率２．００、膜厚１３３ｎｍの薄膜層［２］（第２の媒質）を積層し、該薄膜層［２］の表面に光学異方性層を積層した。さらに、光学異方性層の表面に屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜層［１］（第１の媒質）を積層した。光学異方性層の屈折率はｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が２．１１で、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が１．９０であった。また、光学異方性層の膜厚は６５１ｎｍとした。本実施例は、条件（１）〜（４）を満足している。

本実施例の特性を図１０に示す。図１０によれば、波長５００〜６００ｎｍで両偏光の反射率が十分に低くなっている。

実施例５では、屈折率１．５３の基板を用意し、その表面に屈折率１．７８、膜厚７６ｎｍの薄膜層［３］（第２の媒質）を積層した。該薄膜層［３］の表面に、屈折率２．３０、膜厚１０ｎｍの挿入層（第３の媒質）を積層し、該挿入層の表面に光学異方性層を積層した。さらに、光学異方性層の表面に屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜層［１］（第１の媒質）を積層した。光学異方性層の屈折率はｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が２．１１で、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が１．９０であった。また、光学異方性層の膜厚は６５１ｎｍとした。なお、本実施例では、光学異方性層に基板側にて隣接する挿入層の光学膜厚が２３ｎｍと非常に薄いため、光学異方性層に対して薄膜層［３］（第２の媒質）が光学的に隣接しているとみなせる。本実施例は、条件（１）〜（５）を満足している。

本実施例の特性を図１１に示す。図１１によれば、波長５００〜６００ｎｍで両偏光の反射率が十分に低くなっている。

以上の実施例１〜５の数値及び条件を満足する（○）か否かを表１にまとめて示す。ここで、表１中の薄膜層に付された丸囲みの１〜３は、上記薄膜層［１］〜［３］を示す。また、表１中の＊１は、光学異方性層に光学的に隣接するのは、屈折率１．７８、膜厚７６ｎｍの薄膜層［３］であるとみなして計算を行ったことを示す。

以下に、実施例１〜５に対する比較例１，２を示す。これらの比較例は、表２に示すように、条件（１）を満足していない（×）例である。
（比較例１）
比較例１では、屈折率１．８０の基板を用意し、その表面に光学異方性層を積層した。さらに、光学異方性層の表面に、屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜層［１］を積層した。光学異方性層は、使用中心波長より小さい複数の格子を一次元方向に配列することで構成した。充填率は０．８０とした。光学異方性層の屈折率はｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が１．６７で、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が１．５０であった。また、光学異方性層の物理膜厚は８２５ｎｍとした。本実施例は、条件（１）を満足していない。

本比較例の特性を図１２に示す。図１２によれば、本比較例では反射防止のために低屈折率の薄膜層が光入射側に形成されているものの、屈折率の関係や膜厚が適切に設定されていないために、両偏光に対する反射率が大きく異なり、特にｙ偏光に対する反射率が高くなった。
（比較例２）
比較例２では、屈折率１．５３の基板を用意し、その表面に屈折率２．３０、膜厚１２０ｎｍの薄膜層［３］を積層した。該薄膜層［３］の表面に、光学異方性層を積層した。さらに、光学異方性層の表面に屈折率１．３８、膜厚１００ｎｍの薄膜層［１］を積層した。光学異方性層は、使用中心波長より小さい複数の格子（屈折率２．３）を一次元方向に配列することで構成した。充填率は０．８０とした。光学異方性層の屈折率はｎ_ｘ（ｎ_ｈ）が２．１１で、ｎ_ｙ（ｎ_ｌ）が１．６９であった。また、光学異方性層の膜厚は３２５ｎｍとした。本実施例は、条件（１）を満足していない。

本比較例の特性を図１３に示す。図１３によれば、本比較例は、光学異方性層の両界面に薄膜層が形成されているものの、ｘ偏光に対する反射率が高く、反射防止機能を果たしていない。

以下、上記実施例１〜５の光学素子を用いた光学機器の例として、液晶プロジェクタと光ピックアップ装置を示す。ただし、各実施例の光学素子は、これら以外の光学機器にも使用することができる。

まず図１４には、液晶プロジェクタの構成を示す。１４０は光源（ランプ）、１４１ｒは赤色光の光路、１４１gは緑色光の光路、１４１ｂは青色光の光路を示す。１４２は偏光変換素子であり、１４３はダイクロイックミラーである。１４４は偏光板であり、１４５は波長選択性位相板（波長選択性位相差板）である。

１４６ｉは緑色用偏光ビームスプリッタ、１４６ｐは青・赤色用偏光ビームスプリッタである。１４７ｒ，１４７ｇ，１４７ｂはそれぞれ赤、緑、青色用の１/４λ板である。１４８ｒ，１４８ｇ，１４８ｂはそれぞれ、赤、緑、青色用の反射型液晶パネル（画像形成素子）である。１４９は色合成プリズム、１４０１は投射レンズである。

光源１４０からの光束は、偏光変換素子１４２で特定の偏光方向を有する光束に変換される。さらに、この偏光光束は、波長選択性位相板１４５及び１／４λ板１４７ｒ，１４７ｇ，１４７ｂによって色ごとにＰ偏光又はＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ１４６ｉ，１４６ｐにて反射又は透過する。これにより、各色光は、対応する光路を辿って投射レンズ１４０１により不図示のスクリーン等の被投射面に投射され、該被投射面上にカラー画像を形成する。波長選択性位相板とは、可視領域内の赤色光、緑色光及び青色光のうち、１つの色光に対しては位相板（位相差板）として機能して位相差を与え、他の１つの色光に対しては実質的に位相差を与えない機能をもつ光学素子である。

実施例１〜５の光学素子は、波長選択性位相板１４５及び１／４λ板（位相板）１４７ｒ，１４７ｇ，１４７ｂとして用いることができる。勿論、波長選択性位相板１４５及び１／４λ板（位相板）１４７ｒ，１４７ｇ，１４７ｂのうち、いずれか１つに実施例１〜５の光学素子（位相板）を用いてもよい。

実施例１〜５の光学素子は、その厚みを薄くできるために小型化が可能であり、かつ入射するＰ偏光及びＳ偏光に対する位相板としての高い透過率を実現することができる。この結果、高性能なプロジェクタを提供することができる。また、光学素子の第１の層に無機材料を使用することで、耐熱性や耐候性に優れたプロジェクタを提供することができる。

図１５には、光ディスク用の光ピックアップ装置における光源の周辺の光学系を示している。１５１は光源（レーザ）であり、１５１ａは偏光板である。１５２は偏光ビームスプリッタであり、１５３，１５５は集光レンズである。１５４，１５６は受光器である。１５７は光学ディスクであり、１５８は位相板である。

光源１５１からの光束は、偏光板１５１ａによって特定の偏光方向を有する光束（ここでは、Ｐ偏光とする）として偏光ビームスプリッタ１５２に入射する。該偏光光束の一部は、偏光ビームスプリッタ１５２で反射され、集光レンズ１５３を介して受光器１５４によりモニタされる。

一方、偏光ビームスプリッタ１５２を透過した偏光光束は、位相板１５８を介して集光レンズ１５５で光学ディスク１５７上に結像する。光ディスク１５７で光変調された反射光は、位相板１５８でその偏光方向が９０°回転されてＳ偏光となり、偏光ビームスプリッタ１５２にて反射される。そして、この反射光は、再生信号光を検出するための受光器１５６で検出される。

実施例１〜５の光学素子は、位相板１５８として使用することができる。実施例１〜５の光学素子は、その厚みを薄くできるために小型化が可能であり、かつ入射するＰ偏光及びＳ偏光に対する位相板としての高い透過率を実現することができる。この結果、高性能な光ピックアップ装置を提供することができる。また、光学素子の第１の層に無機材料を使用することで、耐熱性や耐候性に優れた光ピックアップ装置を提供することができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

本発明の実施例である光学素子の基本構成を示す断面図。 実施例の光学素子の屈折率構造を示す図。 光学素子の基板のみの屈折率構造を示す図。 基板上にこれよりも低い屈折率の薄膜を形成した場合の屈折率構造を示す図。 基板上にこれよりも高い屈折率の薄膜を形成した場合の屈折率構造を示す図。 構造異方性層を有する実施例の光学素子の模式図。 実施例１の光学素子の反射率特性を示す図。 実施例２の光学素子の反射率特性を示す図。 実施例３の光学素子の反射率特性を示す図。 実施例４の光学素子の反射率特性を示す図。 実施例５の光学素子の反射率特性を示す図。 比較例１の光学素子の反射率特性を示す図。 比較例１の光学素子の反射率特性を示す図。 実施例１〜５の光学素子を用いた液晶プロジェクタの構成を示す図。 実施例１〜５の光学素子を用いた光ピックアップ装置の構成を示す図。 基板のみにより構成される光学素子の断面図。 基板上に薄膜を形成した光学素子の断面図。 基板上に光学異方性層及び薄膜を積層した光学素子の屈折率構造を示す図。 図１の基本構成に挿入層を追加した実施例の光学素子の断面図。 図１９の光学素子の屈折率構造を示す図。

符号の説明

０１１，１９１ 光学異方性層
０１２，０１３，１７２，１９２，１９３ 薄膜層
０１４，１６１，１７１，１９４ 基板
０１５，１９５ 反射防止層
１９６ 挿入層
０６３，０６４ 材料

Claims (11)

1. 光学異方性媒質と、
   第１の媒質と、
   第２の媒質を有し、
   前記光学異方性媒質は、前記第１の媒質と前記第２の媒質の間に配置されており、
   前記光学異方性媒質の使用中心波長における最小屈折率をｎ _ｌ 、前記光学異方性媒質の使用中心波長における最大屈折率をｎ _ｈ 、前記第１の媒質の前記使用中心波長における屈折率をｎ _ｔ１ 、前記第２の媒質の前記使用中心波長における屈折率をｎ _ｔ２ とするとき、
   前記最小屈折率ｎ_ｌと前記最大屈折率ｎ_ｈとの差が０．１以上あり、
   
   
   を満足し、
   前記使用中心波長に対して１／４波長分の位相差を付与することを特徴とする光学素子。
2. 前記光学異方性媒質の前記最小屈折率ｎ_ｌ及び前記最大屈折率ｎ_ｈのうち、前記第１及び第２の媒質の屈折率ｎ_ｔ１，ｎ_ｔ２との関係が以下の条件を満足する屈折率をｎとし、
   
   前記光学異方性媒質の厚みをｄとするときに、以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の光学素子。
   
   ただし、λは前記使用中心波長であり、ｍは自然数である。
3. 前記光学異方性媒質と前記第１の媒質との間に配置された第３の媒質を有し、
   前記第３の媒質の前記使用中心波長における屈折率をｎ_ｏ１とし、前記第３の媒質の厚みをｄ_ｏ１ 、前記使用中心波長をλとするとき、
   
   を満足することを特徴とする請求項１又は２に記載の光学素子。
4. 前記光学異方性媒質と前記第２の媒質との間に配置された第４の媒質を有し、
   前記第４の媒質の前記使用中心波長における屈折率をｎ_ｏ２、前記第４の媒質の厚みをｄ_ｏ２ 、前記使用中心波長をλとするとき、
   
   を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載の光学素子。
5. 前記光学異方性媒質の厚みをｄとするとき、
   ３６２（ｎｍ）≦ｄ≦８９０（ｎｍ）
   を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか１つに記載の光学素子。
6. 構造異方性層と、
   第１の媒質と
   第２の媒質を有し、
   前記構造異方性層は、前記第１の媒質と前記第２の媒質の間に配置されており、
   前記構造異方性層は、２つの材料のみからなり、
   前記構造異方性層の使用中心波長における最小屈折率をｎ _ｌ 、前記構造異方性層の使用中心波長における最大屈折率をｎ _ｈ 、前記第１の媒質の前記使用中心波長における屈折率をｎ _ｔ１ 、前記第２の媒質の前記使用中心波長における屈折率をｎ _ｔ２ とするとき、
   前記最小屈折率ｎ _ｌ と前記最大屈折率ｎ _ｈ との差が０．１以上あり、
   
   
   を満足し、
   前記使用中心波長に対して１／４波長分の位相差を付与することを特徴とする光学素子。
7. 前記構造異方性層は、１つの材料で形成された矩形の格子が、１次元方向に配列された構造を含み、
   前記最大屈折率ｎ _ｈ は、前記１次元方向と直交する方向に振動する光に対する前記構造異方性層の屈折率であり、前記最小屈折率ｎ _ｌ は、前記１次元方向に振動する光に対する前記構造異方性層の屈折率であることを特徴とする請求項６に記載の光学素子。
8. 前記構造異方性層の厚みをｄとするとき、
   ３６２（ｎｍ）≦ｄ≦８９０（ｎｍ）
   を満足することを特徴とする請求項６又は７に記載の光学素子。
9. 前記第１、及び第２の媒質は、光学等方性媒質であることを特徴とする請求項１から８のいずれか１つに記載の光学素子。
10. 前記使用中心波長は、５００ｎｍと６００ｎｍの間の波長であることを特徴とする請求項１から９のいずれか１つに記載の光学素子。
11. 請求項１から１０のいずれか１つに記載の光学素子を有することを特徴とする光学機器。