专利名称：光学元件、光学设备、光学检波器、光学信息处理设备、光学衰减器、偏振转换元件、投影仪 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及能根据光的偏振方向衍射光的光学元件、具有该光学元件的光学设备、具有该光学元件的光学检波器、具有该光学元件的光学信息处理设备、具有该光学元件的光学衰减器、具有该光学元件的偏振转换元件、具有该光学元件、该光学衰减器和该偏振转换元件的投影仪光学系统以及包括上述任何一项的光学设备系统。
背景技术：
在光学检波器、光学信息处理设备、光学衰减器、偏振转换元件、光学设备、投影仪光学系统、具有上述任何一项的投影仪以及具有上述任何一项的各种光学设备系统中，使用光学元件，例如能根据入射光的偏振方向使入射光的光路分离的偏振分离元件(例如， 见专利文件ι至7和非专利文件1至3)。作为光学元件的已知示例，图17示出了用于分离光路的采用薄膜102的偏振分离元件100(例如，见专利文件1)。如图17所示，偏振分离元件100包括两个三角形棱镜101 和形成在两个三角形棱镜101之间连接的边界表面上的薄膜102。通过具有这样的结构，偏振分离元件100通过透射P-偏振成分(Al)和反射S-偏振成分(A2)而将包括P-偏振成分和S-偏振成分的入射光"A"分离。然而，当采用如图17所示的包括两个三角形棱镜101 粘着在一起的结构的偏振分离元件100时，偏振分离元件100的尺寸大，并且入射光"A" 的透射率可能根据入射光"A"的入射角而大大波动。采用亚波长凹凸结构(1)的偏振分离元件另一方面，如图18和19所示，已经分别提出了光学元件110和120，通过具有亚波长凹凸结构而能够用作双折射波长板、防反射结构和偏振分离元件等，该亚波长凹凸结构具有节距小于入射光"A"的波长的微细周期结构(例如，见专利文件1和非专利文件1至 3)。据报道，光学元件因入射光的入射角变化引起的光学特性波动被较好地控制，从而改善光学元件的光学特性。如图18所示，光学元件110包括材料〃 nA〃部分和材料〃 ηΒ"部分，用作偏振分离元件，其具有沿着光栅周期"Pt"的一部分形成的亚波长凹凸结构"B"。在亚波长凹凸结构"B"中，材料"ηΑ"部分和材料"ηΒ"部分之间形成的元件边界具有矩形的光栅形状，以形成微细周期结构。微细周期结构的光栅周期限定为"ΡΑ"，并且填充因子〃 fA〃限定为材料〃 nA〃部分与光栅周期〃 ρΑ"的长度比。此外，材料〃 ηΑ〃部分和材料〃 ηΒ"部分的厚度分别给定为"dA"和〃 dB"。另一方面，如图19所示，光学元件120包括材料〃 nA〃部分、材料〃 ηΒ"部分和材料"nC"部分，光学元件120用作偏振分离元件，其具有沿着光栅周期"Pt"的一部分形成的亚波长凹凸结构"B"。在该亚波长凹凸结构"B"中，具有三角形的光栅，形成为包括材料"nA"部分和材料"nB"部分的多层膜的一部分。材料"nC"部分通过元件边界与多层膜接触。
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在光学元件110和120中，包括在入射光〃 A"中的S-偏振成分在一个方向上传播作为零级衍射光，另一方面，包括在入射光"A"中的P-偏振成分被分离成另个方向作为+/-1衍射光。就是说，指定偏振方向的光通量(在此情况下，P-偏振成分)分成两个不同的方向。结果，可能降低光通量的利用效率。采用亚波长凹凸结构(2)的偏振分离元件作为能克服该问题的光学元件，已经提出了如图20A和20B所示的偏振分离元件 130 (例如，也见专利文件1)。图20A是偏振分离元件130的透视图，而图20B是沿着图20A 中的b-b线剖取的偏振分离元件130的截面图。如图20A所示，在偏振分离元件130中，所提供的衍射光栅"D"执行衍射分离。 如图20B所示，衍射光栅"D"具有一维闪耀式光栅(blazed grating)形状，其具有沿着图 20A中b-b线的方向的光栅周期"Pt"。此外，如图20B所示，衍射光栅"D"的截面光栅形状包括第一衍射光栅部分"E"和第二衍射光栅部分"F"，第一衍射光栅部分"E"形成在基板"C"上，并且具有闪耀式形状，第二衍射光栅部分"F"形成在第一衍射光栅部分〃 E〃上。此外，在第二衍射光栅部分〃 F"中，叠加有亚波长凹凸结构〃 B"，其在整个光入射表面上具有微细周期结构，微细周期结构的节距小于入射光的波长。通过具有该结构，入射到衍射光栅"D"的光通量根据光通量的偏振方向衍射成不同的方向；此外，对于每个偏振方向的衍射方向主要定向到仅为指定的级的方向，从而偏振分离元件130可类似于具有薄膜的偏振分离元件使用。专利文件1 日本专利申请公开No. 2001-343512专利文件2 日本专利申请公开No. 2008-27771专利文件3 日本专利申请公开No. 2008-262620专利文件4 日本专利申请公开No. 2008-276823专利文件5 日本专利申请公开No. 2005-3758专利文件6 日本专利申请公开No. 2004-37480专利文件7 日本专利申请公开No. 2004-184505非专利文件l:Hisao KIKUTA, Koichi IffATA “ Formation of Wavefront and Polarization with Sub-Wavelength Gratings" , Optics, 1998, Vol. 27, No. 1,p.12-17非专禾Ij文件 2 :Yuzo 0N0, “ Polarizing Holographic Optical Element" ， 0 plus E, 1991 March, No. 136，p86_90非专利文件3:Nao SATO" Forming Dielectric Photonic Crystals and Applied device"，0 plus E，1999 December, Vol. 21, No. 12,pl554-1559
发明内容
本发明要解决的问题然而，不幸的是，可能难于形成如图20B所示的复杂的闪耀式形状。典型地，蚀刻方法用于形成这样的亚波长凹凸结构的凹槽，但是蚀刻方法适合于形成具有相同深度的凹槽；因此，在采用蚀刻方法时，在形成如图20B所示的具有深度连续变化的凹槽的这种闪耀式亚波长凹凸结构中可能产生问题。根据本发明的实施例，可提供能根据光的偏振方向将光主要衍射到指定的级的光学元件、具有该光学元件的光学检波器、具有该光学元件的光学信息处理设备、具有该光学元件的光学设备、具有该光学元件的光学衰减器、具有该光学元件的偏振转换元件、具有该光学元件、光学衰减器和偏振转换元件的投影仪光学系统以及包括上述任何一个的光学设备系统。解决问题的方法根据本发明的第一方面，所提供的光学元件包括三个或更多个亚波长凹凸结构和周期结构，该亚波长凹凸结构的节距小于入射到光学元件的入射光的波长，并且其凹槽深度彼此相等，周期结构具有该三个或更多个亚波长凹凸结构，周期结构的节距大于入射光的波长。在光学元件中，入射光的预定的偏振方向(成分)主要衍射到指定的级(order)。根据本发明的第二方面，提供了根据第一方面的光学元件，其中三个或更多个亚波长凹凸结构的凹槽延伸方向形成为彼此不同，并且三个或更多个亚波长凹凸结构的填充因子(filling factor)设定为使三个或更多个亚波长凹凸结构对于与预定偏振方向(成分)不同偏振方向(成分)的折射系数彼此相同。根据本发明的第三方面，提供根据第一或第二方面的光学元件，其中凹槽深度设定为使入射光的预定偏振方向(成分)主要衍射到指定的级。根据本发明的第四方面，提供根据第一至第三方面任何一个方面的光学元件，其中光学元件包括两个或更多个周期结构，并且两个或更多个周期结构的节距彼此不同，从而入射光的预定偏振方向(成分)主要衍射到指定的级。 根据本发明的第五方面，提供根据本发明第一至第四方面任何一个方面的光学元件，其中光学元件是透射式元件或反射式元件。根据本发明的第六方面，所提供的光学设备包括两个或更多个光学元件，其每一个都是根据第一至第五方面的任何一个，其中已经透射通过该光学元件之一的光入射到另一个光学元件。根据本发明的第七方面，所提供的光学检波器包括根据第一至第六方面任何一个方面的光学元件，其中通过光学检波器在记录介质中记录信息和/或从记录介质读取信肩、ο根据本发明的第八方面，所提供的光学信息处理设备包括根据第七方面的光学检波器，其中，通过采用光学检波器，处理记录介质的信息。根据本发明的第九方面，所提供的光学衰减器包括根据第一至第五方面任何一个方面的光学元件和根据根据第六方面的光学设备的至少一个，并且该衰减装置能够衰减透射通过该光学元件的光。根据本发明的第十方面，所提供的偏振转换元件包括根据第一至第五方面任何一个方面的光学元件和根据第六方面的光学设备的至少一个，并且该转换元件能转换透射通过光学元件的光的偏振方向。根据本发明的第十一方面，所提供的投影仪光学系统包括根据第一至第五方面的任何一个方面的光学元件、根据第六方面的光学设备、根据第九方面的光学衰减器以及根据第十方面的偏振转换元件的至少一个，从而投射透射通过光学元件的光。根据本发明的第十二方面，所提供的光学设备系统包括根据第一至第五方面的任何一个方面的光学元件、根据第六方面的光学设备、根据第七方面的光学检波器、根据第八方面的光学信息处理设备、根据第九方面的光学衰减器、根据第十方面的偏振转换元件以及根据第十一方面的投影仪光学系统的至少一个。本发明的效果根据本发明的实施例，光学元件包括三个或更多个亚波长凹凸结构，其节距小于入射到光学元件的入射光的波长，其凹槽深度彼此相等，并且该光学元件包括具有该三个或更多个亚波长凹凸结构的周期结构，该周期结构的节距大于入射光的波长，从而入射光的预定偏振方向(成分)主要衍射到指定的级。因此，根据入射光的偏振方向(成分)，光可衍射到指定的级。通过具有这些特征，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造，并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可减小，并且选择光学元件材料的自由度可得到提高。此外，与闪耀式光学元件相比，该光学元件的装配工艺和成本也可降低， 并且光学元件的强度可得到增强。根据本发明的实施例，三个或更多个亚波长凹凸结构的凹槽延伸方向形成为彼此不同，并且三个或更多个亚波长凹凸结构的填充因子被设定，从而使三个或更多个亚波长凹凸结构对于与预定偏振方向不同的偏振方向的折射系数彼此相同。通过具有这些特征， 适当地调整亚波长凹凸结构的凹槽延伸方向和填充因子，与预定的偏振方向(成分)不同的偏振方向(成分)可不被衍射，并且预定的偏振方向(成分)可被衍射。因此，通过具有这些特征，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造，并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外， 与闪耀式光学元件相比，光学元件的装配工艺和成本也可降低，并且光学元件的强度可得到增强。根据本发明的实施例，凹槽深度设定为使入射光的预定的偏振方向(成分)主要衍射到指定的级。通过具有该特征，根据凹槽深度的设定，可变得能够衍射入射光的预定的偏振方向(成分)主要到指定的级。因此，通过具有该特征，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造，并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外，与闪耀式光学元件相比，光学元件的装配工艺和成本也可降低，并且光学元件的强度可得到增强。根据本发明的实施例，光学元件包括两个或更多个周期结构，并且该两个或更多个周期结构的节距彼此不同，从而入射光的预定的偏振方向(成分)主要衍射到指定的级。 通过具有该特征，根据入射光的偏振方向(成分)，可变得能够衍射入射光的偏振方向(成分)主要到指定的级。因此，通过具有该特征，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造， 并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可得到减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外，与闪耀式光学元件相比，光学元件的装配工艺和成本也可得到降低，并且光学元件的强度可得到增强。此外，光学元件可具有透镜功能。根据本发明的实施例，光学元件是透射式元件或反射式元件。通过具有该特征，根据入射光的偏振方向(成分)，可变得能够衍射入射光的偏振方向(成分)主要到指定的级。因此，通过具有该特征，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造，并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可得到减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外，与闪耀式光学元件相比，光学元件的装配工艺和成本也可得到降低，并且光学元件的强度可得到增强。此外，根据使用的目的等，光学元件可形成为透射式元件或反射式元件。根据本发明的实施例，通过具有上述的两个或更多个光学元件，使已经透射通过光学元件之一的光入射到其他或另一个光学元件，根据入射光的偏振方向(成分)，可变得能够衍射入射光的偏振方向(成分)主要到指定的级。因此，通过具有该特征，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造，并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可得到减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外，光学元件的装配工艺和成本也可得到降低。此外，与闪耀式光学元件相比，光学元件的强度可得到增强，并且可提供具有更好光学特性的光学元件。根据本发明的实施例，光学检波器包括上述的任何一个光学元件，从而在记录介质中记录信息和/或从记录介质读取信息。通过具有该特征，根据入射光的偏振方向(成分)，可变得能够衍射入射光的偏振方向(成分)主要到指定的级。因此，通过具有该特征， 采用上述的光学元件可提供低成本且小尺寸的光学检波器。就是说，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造，并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可得到减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外，光学元件的装配工艺和成本也可得到降低。此外，与闪耀式光学元件相比，光学元件的强度可得到增强，并且可提供具有更好光学特性的光学元件。根据本发明的实施例，光学信息处理设备包括上述的光学检波器，从而，通过采用该光学检波器，处理记录介质的信息。因此，通过具有该特征，采用上述的光学元件可提供低成本且小尺寸的光学信息处理设备。就是说，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造， 并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可得到减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外，光学元件的装配工艺和成本也可得到降低。此外，与闪耀式光学元件相比，光学元件的强度可得到增强，并且可提供具有更好光学特性的光学元件。根据本发明的实施例，光学衰减器包括上述任何一个光学元件以及能衰减透射通过该光学元件的光的衰减装置。因此，通过具有该特征，采用上述光学元件可提供低成本且小尺寸的光学衰减器。就是说，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造，并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可得到减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外，光学元件的装配工艺和成本也可得到降低。此外，与闪耀式光学元件相比，光学元件的强度可得到增强，并且可提供具有更好光学特性的光学元件。根据本发明的实施例，偏振转换元件包括上述任何一个光学元件以及能转换透射通过该光学元件的光的偏振方向的转换元件。因此，通过具有该特征，采用上述光学元件可提供低成本且小尺寸的偏振转换元件。就是说，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造， 并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可得到减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外，光学元件的装配工艺和成本也可得到降低。此外，与闪耀式光学元件相比，光学元件的强度可得到增强，并且可提供具有更好光学特性的光学元件。根据本发明的实施例，投影仪光学系统包括上述光学元件、上述的光学衰减器以及上述的偏振转换元件的任何一者的至少一个，从而投射透射通过光学元件的光。因此，通过具有该特征，采用上述光学元件可提供低成本且小尺寸的投影仪光学系统。就是说，光学
8元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造，并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可得到减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外，光学元件的装配工艺和成本也可得到降低。此外，与闪耀式光学元件相比，光学元件的强度可得到增强， 并且可提供具有更好光学特性的光学元件。根据本发明的实施例，光学设备包括上述光学元件、上述的光学检波器、上述光学信息处理设备、上述的光学衰减器、上述的偏振转换元件以及上述的投影仪光学系统的任何一者的至少一个。因此，通过具有该特征，采用上述光学元件可提供低成本且小尺寸的光学设备。就是说，光学元件可易于采用光刻和蚀刻工艺制造，并且可同时制造很多光学元件。此外，光学元件的尺寸和重量可得到减小，并且光学元件的材料的选择自由度可得到提高。此外，光学元件的装配工艺和成本也可得到降低。此外，与闪耀式光学元件相比，光学元件的强度可得到增强，并且可提供具有更好光学特性的光学元件。
图1是示出根据本发明实施例的光学元件的示意图；图2A和2B1至2B5是示出图1的光学元件中形成的亚波长凹凸结构的示意图；图3A和;3B是示出入射光传播(透射)通过图1的光学元件时衍射方向的透视图；图4是示出图2A的亚波长凹凸结构中填充因子和有效折射系数之间关系的图；图5是示出图2的亚波长凹凸结构中凹槽深度和衍射效率之间关系的图；图6A至6D顺序地示出形成用于形成图1的光学元件的图案的工艺；图7A至7D顺序地示出形成用于形成图1的光学元件的另一图案的工艺；图8A至81顺序地示出形成图1的光学元件的工艺；图9A至9G顺序地示出形成图1的光学元件的另一个工艺；图IOA至IOG顺序地示出形成图1的光学元件的再一个工艺；图11是根据本发明实施例的包括多个光学元件的光学设备的示范性截面图；图12是示出根据本发明实施例的反射式光学元件的示意性透视图；图13是示出包括图1的光学元件的光学检波器和包括光学检波器的光学信息处理设备的一部分的示意性前视图；图14是包括图1的光学元件的光学衰减器的示意性截面图；图15是包括图1的光学元件的偏振转换元件的示意性截面图；图16是示出包括图1的光学元件的投影仪光学系统和包括投影仪光学系统的光学设备的一部分的示意图；图17是示出传统光学元件示例的前视图；图18是传统光学元件另一个示例的截面图；图19是传统光学元件再一个示例的截面图；以及图20A和20B是示出传统光学元件的又一个示例的示意图。参考标号的描述10,20,30 光学元件10 透射式光学元件
13 周期结构20 包括多个光学元件的光学元件21、22、23、24、25 亚波长凹凸结构30 反射式光学元件40 光学检波器41 记录介质50:光学信息处理设备60 衰减装置70 光学衰减器80 偏振转换元件83 转换元件90 光学设备d:凹槽深度pl、p2、p3、p4、p5 亚波长凹凸结构的节距Pn 周期结构的节距
具体实施例方式图1示意性地示出了根据本发明实施例的光学元件10。如图1所示，光学元件10 包括透明基板11和形成在基板11上的衍射结构12，并用作衍射元件。衍射结构12包括多个周期结构13。在图1中，为了简化目的，仅有两个周期结构13。然而，实际上可有更多的形成在基板11上的周期结构13。这里，周期结构13的周期长度(即宽度)定义为节距〃 Pn"，并且等于或大于入射到光学元件10的入射光的波长。每个周期结构13包括亚波长凹凸结构21、22、23、对和25。因此，在衍射结构12 中，提供有与周期结构13的节距"Pn"相同的衍射光栅周期，每一个周期结构13都包括作为一组的亚波长凹凸结构21、22、23、对和25。根据本发明的该实施例，每个周期结构13 包括五(5)个亚波长凹凸结构21、22、23、对和25。图2A是周期结构13的放大图，该周期结构13是基板11上形成的衍射结构12的循环部分。如图2A所示，在周期结构13中，亚波长凹凸结构21、22、23、对和25的宽度(Y 方向上)分别表示为L1、L2、L3、L4和L5，并且该宽度的每一个都等于或小于入射到光学元件10的入射光的波长。结果，在衍射结构12中，宽度等于或小于入射到光学元件10的入射光波长的亚波长凹凸结构21、22、23、M和25叠加在节距等于或大于入射到光学元件10 的入射光波长的周期结构13上。本发明的该实施例中宽度L1、L2、L3、L4和L5彼此相等， 然而，宽度Li、L2、L3、L4和L5可以彼此不同。在图2A中，符号X、Y和Z表示三(3)个彼此垂直的轴的方向。更具体地讲，X方向上的箭头表示入射到光学元件10的入射光的传播方向；并且Y方向上的箭头表示表示周期结构13、亚波长凹凸结构21、22、23、M和25以及衍射结构12的宽度方向，即周期结构13的周期方向。此外，在本发明的该实施例中，假设Y方向上的箭头表示入射到光学元件10的入射光中包括的S-偏振成分的偏振方向，并且Z方向上的箭头表示入射到光学元件10的入射光中包括的P-偏振成分的偏振方向。
图2B1、2B2、2B3、2B4和2B5分别示出了亚波长凹凸结构21、22、23、24和25的放大截面图。如图所示，亚波长凹凸结构21、22、23、对和25中形成的凹槽的深度彼此相同。在亚波长凹凸结构21中，凹槽形成为在Z方向上延伸；即Z方向与亚波长凹凸结构21的凹槽延伸方向一致。亚波长凹凸结构21以这样的方式形成，所有垂直于凹槽延伸方向的截面(即图2A中包括平行于Y方向的粗线2IBL的X-Y平面也算在内的所有X-Y平面的所有截面)具有相同的形状，如图2B1所示。在亚波长凹凸结构25中，凹槽形成为在Y方向上延伸；即Y方向与亚波长凹凸结构25的凹槽延伸方向一致。亚波长凹凸结构25以这样的方式形成，垂直于凹槽延伸方向的所有截面(即图2A中包括平行于Z方向的粗线25BL的Z-X平面也算在内的所有Z-X平面的所有截面)具有相同的形状，如图2B5所示。在亚波长凹凸结构23中，凹槽形成为在相对于亚波长凹凸结构21中的凹槽延伸方向以及亚波长凹凸结构25中的凹槽延伸方向成45度的方向上延伸；更具体地讲，凹槽形成为在相对于Z方向和Y方向(S卩，入射到光学元件10的入射光中包括的P-偏振成分的偏振方向和S-偏振成分的偏振方向)成45度的方向上延伸。因此，相对于亚波长凹凸结构21中的凹槽延伸方向以及亚波长凹凸结构25中的凹槽延伸方向成45度的方向与亚波长凹凸结构23的凹槽延伸方向一致。亚波长凹凸结构23以这样的方式形成，垂直于凹槽延伸方向的所有截面具有相同的形状，如图2B3所示。图2A中亚波长凹凸结构23的区域中示出的粗线23BL的延伸方向垂直于亚波长凹凸结构23的凹槽延伸方向。在亚波长凹凸结构22中，凹槽形成为在使亚波长凹凸结构22的凹槽延伸方向和亚波长凹凸结构21的凹槽延伸方向之间的角与亚波长凹凸结构22的凹槽延伸方向和亚波长凹凸结构23的凹槽延伸方向之间的角相同的方向上延伸。更具体地讲，亚波长凹凸结构 22的凹槽延伸方向相对于P-偏振成分的偏振方向倾斜22. 5度角，并且相对于S-偏振成分的偏振方向倾斜67. 5度角。亚波长凹凸结构22以这样的方式形成，亚波长凹凸结构22的垂直于凹槽延伸方向的所有截面具有相同的形状，如图2B2所示。图2A中亚波长凹凸结构 22的区域中所示的粗线22BL的延伸方向垂直于亚波长凹凸结构22的凹槽延伸方向。在亚波长凹凸结构M中，凹槽形成为在使亚波长凹凸结构M的凹槽延伸方向和亚波长凹凸结构23的凹槽延伸方向之间的角与亚波长凹凸结构M的凹槽延伸方向和亚波长凹凸结构25的凹槽延伸方向之间的角相同的方向上延伸。更具体地讲，亚波长凹凸结构 24的凹槽延伸方向相对于P-偏振成分的偏振方向成67. 5度角，并且相对于S-偏振成分的偏振方向成22. 5度角。亚波长凹凸结构M以这样的方式形成，亚波长凹凸结构M的垂直于凹槽延伸方向的所有截面具有相同的形状，如图2B4所示。图2A中亚波长凹凸结构M 的区域中所示的粗线MBL的延伸方向垂直于亚波长凹凸结构24的凹槽延伸方向。如图2B1、2B2、2B3、2B4和2B5所示，对应于亚波长凹凸结构21、22、23、24禾口 25的周期长度的每一个(即节距pl、p2、p3、p4和p5的每一个)等于或小于入射到光学元件10 的入射光的波长。特别是在本发明的该实施例中，周期长度的每一个(即节距pl、p2、p3、 p4和p5的每一个)等于或小于入射到光学元件10的入射光的半个(1/ 波长。此外，如图2B1、2B2、2B3、2B4和2B5所示，符号ql、q2、q3、q4和q5分别表示亚波长凹凸结构21、22、 23、对和25的凸起部分(台面部分)的宽度。因此，亚波长凹凸结构21、22、23、对和25的填充因子f 1、f2、f3、f4和f5分别定义为ql/pl、q2/p2、q3/p3、q4/p4和q5/p5。填充因子fl、f2、f3、f4和f5用于计算下述的有效折射系数。此外，当节距pl、p2、p3、p4和p5的每一个等于或小于入射到光学元件10的入射光的波长时，可获得下述的衍射效应。然而，甚至在此情况下，如果节距pl、p2、p3、p4和p5 的每一个几乎等于入射到光学元件10的入射光的波长，则可能发生称为谐振现象的不稳定现象，其中混合了衍射效应和所谓的亚波长效应。为了减小如上所述的亚波长效应的影响，优选节距pl、p2、p3、p4和p5的每一个等于或小于入射到光学元件10的入射光的半个 (1/2)波长。基于上述原因，在本发明的该实施例中，节距pl、p2、p3、p4和p5的每一个等于或小于入射到光学元件10的入射光的半个(1/2)波长。从技术观点看，对应于周期长度(即节距)等于或大于入射光波长的周期结构，入射光在光学元件中衍射；而对应于周期长度(即节距)等于或小于入射光波长的周期结构， 产生选择P-偏振成分和S-偏振成分中哪个被衍射的偏振选择性。在本发明的该实施例中， 由于亚波长凹凸结构21、22、23、对和25，呈现(提供)偏振选择性以使入射光的S-偏振成分被衍射。结果，包括在入射光中的P-偏振成分的光以如图3A所示的死区(dead-band) 方式(即作为零级衍射光在一个方向上传播)透射，另一方面，包括在入射光中的S-偏振成分的光如图3B所示衍射。由于亚波长凹凸结构21、22、23、对和25，发生(呈现)通常所知的〃形状双折射 (form birefringence)“ 0形状双折射是指这样的现象，当折射系数彼此不同且节距小于入射光的波长的两种类型的介质设置成类似于亚波长凹凸结构21、22、23、M和25的条形形状时，平行于条形形状方向的偏振成分(TE-波)的折射系数变得与垂直于条形形状方向的偏振成分 (TM-波)的折射系数不同，从而发生双折射效应。这里，假设，作为彼此具有不同折射系数的两种类型的介质，提供空气和可折射系数为η的介质，并且波长等于或大于亚波长凹凸结构节距两倍的光垂直入射。在此情况下， 根据入射光的偏振方向平行(TE方向)还是垂直(TM方向)于亚波长凹凸结构的凹槽延伸方向，亚波长凹凸结构的有效折射系数以下面的公式给出。在该公式中，符号η(ΤΕ)和 η(TM)分别表示入射光的偏振方向平行和垂直于亚波长凹凸结构的凹槽延伸方向时的有效折射系数，并且符号"f"表示填充因子。
权利要求
1.一种光学元件，包括三个或更多个亚波长凹凸结构，该三个或更多个亚波长凹凸结构的节距小于入射到该光学元件的入射光的波长，并且该三个或更多个亚波长凹凸结构的凹槽深度彼此相等；以及周期结构，具有该三个或更多个亚波长凹凸结构，该周期结构的节距大于该入射光的波长，其中该入射光的预定的偏振方向主要衍射到指定的级。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其中该三个或更多个亚波长凹凸结构的凹槽延伸方向形成为彼此不同，并且该三个或更多个亚波长凹凸结构的填充因子设定为使该三个或更多个亚波长凹凸结构的对于与该预定的偏振方向不同的偏振方向的折射系数彼此相同。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其中该凹槽深度设定为使该入射光的该预定的偏振方向主要衍射到该指定的级。
4.根据权利要求1至3任何一项所述的光学元件，其中该光学元件包括两个或更多个该周期结构，并且该两个或更多个周期结构的节距彼此不同，从而该入射光的该预定的偏振方向主要衍射到该指定的级。
5.根据权利要求1至4任何一项所述的光学元件，其中该光学元件是透射式元件或反射式元件。
6.一种光学设备，包括两个或更多个光学元件，每一个都是根据权利要求1至5的任何一项，其中已经透射通过该光学元件之一的光入射到另一个光学元件。
7.一种光学检波器，包括根据权利要求1至5任何一项所述的光学元件和根据权利要求6所述的光学设备的至少一个，其中通过该光学检波器在记录介质中记录信息和/或从记录介质读取信息。
8.一种光学信息处理设备，包括根据权利要求7所述的光学检波器，其中通过利用该光学检波器，处理该记录介质的该信息。
9.一种光学衰减器，包括根据权利要求1至5任何一项所述的光学元件和根据权利要求6所述的光学设备的至少一个，以及衰减装置，能使透射通过该光学元件的光衰减。
10.一种偏振转换元件，包括根据权利要求1至5任何一项所述的光学元件和根据权利要求6所述的光学设备的至少一个；以及转换元件，能转换透射通过该光学元件的光的偏振方向。
11.一种投影仪光学系统，包括根据权利要求1至5任何一项所述的光学元件、根据权利要求6所述的光学设备、根据权利要求9所述的光学衰减器以及根据权利要求10所述的偏振转换元件的至少一个，其中投射透射通过该光学元件的光。
12. 一种光学设备系统，包括根据权利要求1至5任何一项所述的光学元件、根据权利要求6所述的光学设备、根据权利要求7所述的光学检波器、根据权利要求8所述的光学信息处理设备、根据权利要求9 所述的光学衰减器、根据权利要求10所述的偏振转换元件以及根据权利要求11所述的投影仪光学系统的至少一个。
全文摘要
本发明所公开的光学元件包括三个或更多个亚波长凹凸结构和周期结构，亚波长凹凸结构的节距小于入射到光学元件的入射光的波长，并且其凹槽深度彼此相等，周期结构具有三个或更多个亚波长凹凸结构，周期结构的节距大于入射光的波长，其中入射光的预定的偏振方向主要衍射到指定的级。
文档编号G02B5/18GK102272641SQ20098015429
公开日2011年12月7日 申请日期2009年11月26日 优先权日2009年1月15日
发明者平井秀明 申请人:株式会社理光