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、投影仪光学系统和光学设备系统

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。

说明书

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1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(A1)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″nB″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″nA″部分和材料″nB″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″pA″，并且填充因子″fA″限定为材料″nA″部分与光栅周期″pA″的长度比。此外，材料″nA″部分和材料″nB″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″nB″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。

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1：Hisao KIKUTA，Koichi IWATA″Formation of Wavefrontand Polarization with Sub-Wavelength Gratings″，Optics，1998，Vol.27，No.1，p.12-17

非专利文件2：Yuzo ONO，″Polarizing Holographic Optical Element″，Oplus E，1991 March，No.136，p86-90

非专利文件3：Nao SATO″Forming Dielectric Photonic Crystals andApplied device″，O plus E，1999 December，Vol.21，No.12，p1554-1559

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息。

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。

附图说明

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8I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10A至10G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

p1、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、24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、24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、24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、24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、24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L1、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、24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、24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21BL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(即，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24中，凹槽形成为在使亚波长凹凸结构24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24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24以这样的方式形成，亚波长凹凸结构24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24的区域中所示的粗线24BL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和25的周期长度的每一个(即节距p1、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p1、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。此外，如图2B1、2B2、2B3、2B4和2B5所示，符号q1、q2、q3、q4和q5分别表示亚波长凹凸结构21、22、23、24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、24和25的填充因子f1、f2、f3、f4和f5分别定义为q1/p1、q2/p2、q3/p3、q4/p4和q5/p5。填充因子f1、f2、f3、f4和f5用于计算下述的有效折射系数。

此外，当节距p1、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p1、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p1、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p1、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、24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、24和25，发生(呈现)通常所知的″形状双折射(form birefringence)″。

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、24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n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n(TE)和n(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。

公式1

$>\left(\begin{array}{c}n\left(\mathrm{TE}\right)=\sqrt{f{·n}^2+(1-f)}\\ n\left(\mathrm{TM}\right)=\sqrt{f/n^2+(1-f)}\end{array}\right)$>

因此，在亚波长凹凸结构21、22、23、24和25当中，这里，入射光的偏振方向平行(TE方向)于亚波长凹凸结构21和25的凹槽延伸方向时的有效折射系数分别给定为n1(TE)和n5(TE)，并且入射光的偏振方向垂直(TM方向)于亚波长凹凸结构21和25的凹槽延伸方向时的有效折射系数分别给定为n1(TM)和n5(TM)。接下来，在下面的公式中描述n1(TE)、n1(TM)、n5(TE)和n5(TM)：

公式2

$>\left(\begin{array}{c}n1\left(\mathrm{TE}\right)=\sqrt{f1·n^2+(1-f1)}\\ n1\left(\mathrm{TM}\right)=\sqrt{f1/n^2+(1-f1)}\\ n5\left(\mathrm{TE}\right)=\sqrt{f5·n^2+(1-f5)}\\ n5\left(\mathrm{TM}\right)=\sqrt{f5/n^2+(1-f5)}\end{array}\right).$>

在亚波长凹凸结构21、22、23、24和25当中，凹槽延伸方向既不平行于也不垂直于入射光的任何偏振方向的亚波长凹凸结构22、23和24的有效折射系数根据下面的描述决定：

在亚波长凹凸结构23中，亚波长凹凸结构23的凹槽延伸方向定向在亚波长凹凸结构21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中途。因此，当假设填充因子f3等于f1和f5(即f1＝f5＝f3)时，亚波长凹凸结构23的有效折射系数为亚波长凹凸结构21和25的有效折射系数之间的中间值。

以相同的方式，在亚波长凹凸结构22中，亚波长凹凸结构22的凹槽延伸方向定向在亚波长凹凸结构21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中途。因此，当假定填充因子f2等于f1和f3(即f1＝f3＝f2)时，亚波长凹凸结构22的有效折射系数为亚波长凹凸结构21和23的有效折射系数之间的中间值。此外，在亚波长凹凸结构24中，亚波长凹凸结构24的凹槽延伸方向定向在亚波长凹凸结构23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中途。因此，当假设填充因子f4等于f3和f5(即f3＝f5＝f4)时，亚波长凹凸结构24的有效折射系数为亚波长凹凸结构23和25的有效折射系数之间的中间值。

接下来，更加详细地描述形状双折射。当波长分别等于或大于亚波长凹凸结构21、22、23、24和25的节距p1、p2、p3、p4和p5两倍的入射光垂直入射到亚波长凹凸结构21、22、23、24和25时，亚波长凹凸结构21、22、23、24和25透射入射光而不衍射入射光，并且显示出双折射效应而具有取决于入射光偏振方向的不同折射系数。

图4示出了根据计算结果的有效折射系数和填充因子之间的示范性关系。在计算中，假设亚波长凹凸结构的折射系数″n″为2.313(即n＝2.313)，并且入射光的波长为405nm。如图4所示，具有如上所述定向的凹槽延伸方向的亚波长凹凸结构21、22、23、24和25的有效折射系数根据填充因子而变化。

在图4的关系中，当假设fl＝0.30，f2＝0.40，f3＝0.50，f4＝0.60，并且f5＝0.70时，获得下面的结果。

亚波长凹凸结构21在TE方向上的有效折射系数：n1(P偏振)＝1.52

亚波长凹凸结构21在TM方向上的有效折射系数：n1(S偏振)＝1.15

亚波长凹凸结构22在TE方向上的有效折射系数：n2(P偏振)＝1.52

亚波长凹凸结构22在TM方向上的有效折射系数：n2(S偏振)＝1.31

亚波长凹凸结构23在TE方向上的有效折射系数：n3(P偏振)＝1.52

亚波长凹凸结构23在TM方向上的有效折射系数：n3(S偏振)＝1.52

亚波长凹凸结构24在TE方向上的有效折射系数：n4(P偏振)＝1.52

亚波长凹凸结构24在TM方向上的有效折射系数：n4(S偏振)＝1.77

亚波长凹凸结构25在TE方向上的有效折射系数：n5(P偏振)＝1.52

亚波长凹凸结构25在TM方向上的有效折射系数：n5(S偏振)＝2.01

因此，n1(P偏振)、n2(P偏振)、n3(P偏振)、n4(P偏振)和n5(P偏振)具有相同的值1.52(即n1(P偏振)＝n2(P偏振)＝n3(P偏振)＝n4(P偏振)＝n5(P偏振)＝1.52)。

因此，根据本发明的该实施例，可以提供具有彼此不同的凹槽延伸方向且具有适当的填充因子f1、f2、f3、f4和f5的亚波长凹凸结构21、22、23、24和25，从而亚波长凹凸结构21、22、23、24和25对于P-偏振成分的有效折射系数具有基本上相同的值，P-偏振成分与由亚波长凹凸结构21、22、23、24和25衍射的S-偏振成分不同。

另一方面，如图4所示，n1(S偏振)、n2(S偏振)、n3(S偏振)、n4(S偏振)和n5(S偏振)的值随着对应的填充因子而线性变化。

因此，通过具有参考图3A如上所述的这样的构造，光学元件10可成为板状体，其对于入射光的P-偏振成分基本上具有相同的有效折射系数，入射光的P-偏振成分的偏振方向为平行于光学元件10中衍射结构的周期方向的方向，从而入射光传播通过光学元件10，而不被光学元件10衍射。此外，在此情况下，如图3B所示，板状体(即光学元件10)可用作衍射元件，其中对于入射光的S-偏振成分，有效折射系数在衍射光栅周期内变化，入射光的S-偏振成分的偏振方向为垂直于光学元件10中衍射结构的周期方向的方向，从而衍射入射光。

如上所述，能用作衍射元件的光学元件10可用作能执行偏振选择性光路分路的偏振分离元件。

接下来，参考图5描述光学元件10的衍射效率的另一个特性。如图5所示，光学元件10的衍射效率根据亚波长凹凸结构21、22、23、24和25的凹槽的深度″d″(在下文可称为″凹槽深度″)(即衍射结构12的凹槽的深度)变化。图5示出了凹槽深度″d″和衍射效率之间的关系，除了上述的条件外，假设节距Pn为5μm，并且宽度L1、L2、L3、L4和L5的每一个都为1μm。

由图5可见，在光学元件10中，+1级衍射光的衍射效率值与-1级衍射光的衍射效率值不同。例如，当凹槽深度″d″的范围为0.3＜d≤0.4时，+1级衍射光的衍射效率远大于-1级衍射光的衍射效率。这可解释为，当包括多个分开的亚波长凹凸结构的衍射结构12的凹槽深度″d″被适当确定(调整)时，入射光可主要衍射到指定的级(例如，主要到+1级衍射光，如图5所示)。这也可应用于任何其它级衍射光。就是说，入射光可通过确定(调整)凹槽深度″d″而对于入射光中的预定偏振成分主要衍射到指定的级的衍射光。

如上所述，根据本发明实施例的光学元件10可以这样的方式提供，入射到光学元件10的光通量(light flux)的衍射方向根据光通量的偏振方向而不同，并且对于每个偏振方向的光通量可主要衍射到指定的级。

此外，图3B中的符号″α″表示由于光学元件10的衍射光栅表面(即衍射结构12)对于衍射的入射光的S-偏振成分的衍射角。衍射角″α″由下面的公式表示：

公式3

sin(α)＝λ1/Pn

其中符号″λ1″和″Pn″分别表示入射光的波长和节距。

因此，节距″Pn″是可根据使用光学元件10的目的选择的。

光学元件10的制造方法

在描述光学元件10的制造方法前，描述制造光学元件10所用的模子图案(在下文可简称为图案)的形成方法。

以石英为基板的图案

图6A至6D示意性且顺序示出了形成制造光学元件10所用石英图案的工艺。

首先，如图6A所示，形成石英基板，并且用于绘制电子束的抗蚀剂以预定的厚度施加到石英基板的表面，随后进行预烘焙。根据具体设计的程序，形成对应于要形成在石英基板上的衍射光栅的规格的节距和线宽。如图6B所示，在抗蚀剂显影且冲洗后，对应于亚波长凹凸结构的结构形成在抗蚀剂上。在该结构中，石英基板在该结构的凹槽的底部中暴露。

接下来，如图6C所示，使用对应于亚波长凹凸结构的抗蚀剂图案结构为掩模执行石英的干蚀刻。在该蚀刻工艺中，CF₄或CF₃气体应用于干蚀刻设备中，该设备例如为RIENLD或TCP等。此外，通过给石英基板施加偏压，执行垂直于石英基板表面的蚀刻。

接下来，如图6D所示，剥离抗蚀剂。抗蚀剂剥离通过在干蚀刻设备中引入氧气且在氧气等离子体中去除抗蚀剂的方法进行，或者通过从该设备取出基板而抗蚀剂由CAROS清洗去除抗蚀剂的方法进行。所形成的图案用作石英图案。

以硅为基板的图案

图7A至7D示意性且顺序示出了形成制造光学元件10要用的硅图案的工艺。

首先，如图7A所示，形成硅基板(110)，并且用于绘制电子束的抗蚀剂以预定的厚度施加到硅基板的表面，随后进行预烘焙。根据具体设计的程序，形成对应于要形成在硅基板上的衍射光栅的规格的节距和线宽。如图7B所示，在抗蚀剂显影且冲洗后，对应于亚波长凹凸结构的结构形成在抗蚀剂上。在该结构中，硅基板在该结构的凹槽的底部中暴露。

接下来，如图7C所示，以对应于亚波长凹凸结构的抗蚀剂图案结构为掩模执行硅的碱性湿蚀刻(采用KOH溶液)。在此情况下，在深度方向上蚀刻硅基板，同时采用(111)面为壁保持节距不变。此外，采用博施工艺(Bosch process)的干蚀刻可用于形成类似的结构。

接下来，如图7D所示，剥离抗蚀剂。所形成的图案用作硅图案。

如上所述形成的石英图案或硅图案可称为模子图案(mold pattern)。

利用模子图案制造衍射光栅

接下来，参考图8A至8I以及9A至9G描述通过采用图6和7的方法的模子图案形成衍射结构而制造光学元件10的方法。

图8A至8I示意性且顺序示出了采用硅膜和模子图案在玻璃基板上形成衍射结构的工艺。

首先，如图8A所示，形成玻璃基板，并且在玻璃基板的表面上形成硅膜(Si膜)。作为形成硅膜的方法，在下面的条件下执行溅射法：

1.基板温度：70℃至100℃。

2.膜形成压力：(7至8)×10^-4Torr

3.膜形成速度：0.5至

4.RF功率：100至200W

如图8B所示，UV可硬化树脂施加到硅膜的表面，并且向下按压模子图案。作为UV可硬化树脂，采用Grandic RC8790(由DIC Corp.制造)。作为模子图案，可采用硅图案或石英图案的任何一个。然而，在形成微细结构的纳米压印工艺(nanoimprint process)中，可优选采用石英图案，因为其与硅图案相比具有较高的透光性。

接下来，如图8C所示，从模子图案的后侧(即从图8C的上侧)照射紫外线(UV)光以固化树脂。然而，当采用硅图案作为模子图案时，从玻璃基板侧(即从图8C的下侧)照射UV光。

接下来，如图8D所示，去除模子，从而形成具有由UV可硬化树脂制造的凸起形状的微细结构。

接下来，如图8E所示，执行干蚀刻以去除树脂，直到暴露硅膜。

在下面的条件下执行干蚀刻：

1.气体类型：氧气(O₂)

2.气体流入量：20sccm

3.压力：0.4Pa

4.树脂蚀刻速度：30nm/sec

5.上偏置功率：1KW

6.下偏置功率：60W

接下来，如图8F所示，执行干蚀刻以去除硅和树脂，直到暴露玻璃。

在下面的条件下执行干蚀刻：

1.气体类型：SF₆、CHF₃

2.气体流入量

SF₆：20sccm

CHF₃：5sccm

3.压力：0.3Pa

4.树脂蚀刻速度：5nm/sec

硅蚀刻速度：30nm/sec

5.上偏置功率：1KW

6.下偏置功率：50W

接下来，如图8G所示，执行干蚀刻，使玻璃凹槽具有所希望的深度。

在下面的条件下执行干蚀刻：

1.气体类型：CHF₃、Ar

2.气体流入量

Ar：5sccm

CHF₃：20sccm

3.压力：0.3Pa

4.硅蚀刻速度：4nm/sec

玻璃蚀刻速度：12nm/sec

5.上偏置功率：1KW

6.下偏置功率：400W

接下来，如图8H所示，剥离最上面部分上残留的硅膜。采用碱性(KOH)溶液湿剥离硅掩模。

然后，在形成如图8I所示的图案时形成衍射元件，其中玻璃的一侧变为衍射元件。

图9A至9G示意性且顺序示出了在玻璃基板上形成Ti₂O₅膜的工艺，并且采用模子图案形成由Ti₂O₅膜制造的衍射结构。

首先，如图9A所示，形成玻璃基板，并且Ti₂O₅(五氧化钽)膜形成在玻璃基板的表面上。作为形成Ti₂O₅膜的方法，在下面的条件下执行溅射法：

1.基板温度：70℃至100℃

2.膜形成压力：(5至8)×10^-4Torr

3.膜形成速度：0.7至

4.RF功率：300至500W

如图9B所示，UV可硬化树脂施加到Ti₂O₅膜的表面，并且向下按压模子图案。作为UV可硬化树脂，采用Grandic RC8790(由DIC Corp.制造)。作为模子图案，可采用硅图案或石英图案的任何一个。然而，在形成微细结构的纳米压印工艺中，可优选采用石英图案，因为其与硅图案相比具有较高的透光性。

接下来，如图9C所示，从模子图案的后侧(即从图9C的上侧)照射紫外线(UV)光以固化树脂。然而，当硅图案用作模子图案时，从玻璃基板侧(即从图9C的下侧)照射UV光。

接下来，如图9D所示，去除模子，从而形成具有由UV可硬化树脂制造的凸起形状的微细结构。

接下来，如图9E所示，执行干蚀刻以去除树脂，直到暴露Ti₂O₅膜。

在下面的条件下执行干蚀刻：

1.气体类型：氧气(O₂)

2.气体流入量：20sccm

3.压力：0.4Pa

4.树脂蚀刻速度：30nm/sec

5.上偏置功率：1KW

6.下偏置功率：60W

接下来，如图9F所示，执行干蚀刻以使Ti₂O₅膜的凹槽具有所希望的深度。

在下面的条件下执行干蚀刻：

1.气体类型：CHF₃、Ar

2.气体流入量

Ar：5sccm

CHF₃：20sccm

3.压力：0.3Pa

4.Ti₂O₅蚀刻速度：8nm/sec

5.上偏置功率：1KW

6.下偏置功率：400W

接下来，通过在氧气(等离子体)中干蚀刻去除残留在最上面部分上的树脂掩模。

然后，在形成图9G所示的图案时形成衍射元件，其中玻璃的一侧上形成的Ti₂O₅图案变为衍射元件。

不采用任何模子图案制造衍射光栅

图10A至10G示意性且顺序示出了不采用任何模子图案形成玻璃基板的衍射结构的工艺。

首先，如图10A所示，形成玻璃基板，并且在玻璃基板的表面上形成硅(Si)膜。作为形成硅膜的方法，在下面的条件下执行溅射法：

1.基板温度：70℃至100℃

2.膜形成压力：(7至8)×10^-4Torr

3.膜形成速度：0.5至

4.RF功率：100至200W

接下来，如图10B所示，绘制电子束的抗蚀剂施加到硅膜。接下来，如图10C所示，作为上微细图案印刷曝光设备，采用i线步进机(i-line stepper)。在曝光后，执行显影，并且抗蚀剂被部分地去除以暴露硅膜。剩余的抗蚀剂图案用作稍后在蚀刻工艺中的掩模图案。

接下来，如图10D所示，执行干蚀刻以去除硅，直到暴露玻璃。

在下面的条件下执行干蚀刻：

1.气体类型：SF₆、CHF₃

2.气体流入量

SF₆：20sccm

CHF₃：5sccm

3.压力：0.4Pa

4.硅蚀刻速度：30nm/sec

5.上偏置功率：1KW

6.下偏置功率：50W

接下来，如图10E所示，执行干蚀刻以使玻璃的凹槽具有所希望的深度。

在下面的条件下执行干蚀刻：

1.气体类型：CHF₃、Ar

2.气体流入量

Ar：5sccm

CHF₃：20sccm

3压力：0.3Pa

4.玻璃蚀刻速度：12nm/sec

5.上偏置功率：1KW

6.下偏置功率：400W

接下来，如图10F所示，剥离最上面部分上残留的硅膜。采用碱性(KOH)溶液湿剥离硅掩模。

然后，在形成图10G所示的图案时形成衍射元件，其中玻璃基板的一侧变为衍射元件。

形成基板11和衍射结构12的材料根据使用条件而适当地选择。例如，当具有较短波长且具有高能量密度的光用作入射光时，考虑到对光的耐久性，玻璃或无机材料可用作基板11的材料。此外，在入射光波长处具有高透射率的材料也可用作基板11的材料。类似地，衍射结构12的材料可考虑耐久性和使用目的而选择。

在上面的实施例中，描述了衍射结构12形成在基板11的一侧表面上的情况。然而，本发明不限于该构造。例如，实际上可提供具有多个光学元件的光学元件，从而相同或不同的衍射结构12也形成在基板11的另一侧表面上。

图11示出了这样光学元件20的示例。如图11所示，光学元件20包括两个衍射结构12，形成在基板11的两个相对侧表面上，从而衍射结构12之一仅衍射入射光的P-偏振成分，并且透射(不衍射)入射光的S-偏振成分，而另一个衍射结构12仅衍射入射光的S-偏振成分，并且透射(不衍射)入射光的P-偏振成分。通过形成亚波长凹凸结构的凹槽延伸方向并且设定填充因子，使衍射结构12彼此具有不同的衍射方向，如图11所示，光学元件20可用作能衍射入射光的S-偏振成分和P-偏振成分二者的光学元件，并且增加了这些衍射方向之间的分离角″α1″。如上所述，通过利用多个光学元件，使已经传播通过一个光学元件的光入射到另一个光学元件，可获得具有各种构造(功能)的元件设备(光学元件)，如下面参考图15所述。

上述的光学元件10和20以及衍射结构12是透射式元件，其中入射光分别透射通过元件和结构。然而，也可提供如图12所示的根据本发明实施例的反射式光学元件30。在该光学元件30中，包括反射入射光的反射膜，并且反射膜可通过适当的方法形成，例如溅射法等。

在图12的光学元件30中，反射膜(未示出)提供在基板11和衍射结构12之间；因此，在入射光的任意偏振方向当中，入射光的P-偏振成分透射(不衍射)通过衍射结构12，并且从反射膜的反射表面镜面反射，而入射光的S-偏振成分衍射为衍射反射到与光学元件30的入射侧相同的一侧。因为反射膜设置在基板11和衍射结构12之间作为衍射结构12的所谓的基底，所以入射光的S-偏振成分经受两次衍射而增加衍射角″α2″。反射膜可形成在衍射结构12的表面上。此外，例如，反射式光学元件30可用于替代设置在如图11所示的光学元件20的右手侧的衍射结构12，从而反射式光学元件30可与透射式光学元件一起使用。此外，它可变为能够根据使用的目的通过调整反射膜的反射率和改变衍射结构12的构造等任意确定(调整)入射光的每个偏振成分的强度比率和/或衍射光的方向。

下面，参考图13至16，描述采用光学元件10的可变修改。然而，本发明不限于这些修改。此外，光学元件20和30也可根据使用目的所需的功能被有效利用。

图13示出了能通过在记录介质41上记录信息并且读取在记录介质41上记录的信息来处理信息的光学信息处理设备50的一部分，该记录介质41用作诸如光盘的光学记录介质。为此，光学信息处理设备50包括光学检波器40。

如图13所示，光学检波器40包括用作光源的半导体激光器42、将从半导体激光器42发射的激光引导到记录介质41的光学检波器光学系统43以及光接收元件44，光接收元件44接收通过光学检波器光学系统43引导到记录介质41、然后从记录介质41发射、并且再一次透射通过光学检波器光学系统43的激光。

如图13所示，光学检波器光学系统43包括：光学元件10，用作偏振分离元件，能使从半导体激光器42发射的激光线性地偏振；准直透镜45，校准透射通过光学元件10的激光；四分之一波长板46，将准直透镜45校准的激光转换成圆偏振光；以及物镜47，将透射通过四分之一波长板46的激光聚集在记录介质41上。光学检波器光学系统43通过将激光集聚在记录介质41上而将信息记录在记录介质41上，并且从记录介质41再现信息。

从记录介质41反射的激光再一次传播通过物镜47。然后，在转换成垂直于照射到记录介质41的激光的圆偏振光后，该激光透射通过准直透镜45，并且再一次入射到光学元件10，以在与来自半导体激光器42的激光的方向不同的方向被衍射，从而被引导进入光接收元件44。此外，诸如聚光透镜的光接收光学系统可提供在光学元件10和光接收元件44之间。

光接收元件44根据来自记录介质41的信息和操作驱动器(未示出)以移动物镜47的伺服信号形成(产生)信息信号。作为伺服信号，它通常被认为是产生象散法(Astigmatism method)中的聚焦错误信号和推挽法(Push-Pull method)中的跟随错误信号等。

如上所述，根据本发明实施例的光学元件10用作光学检波器光学系统43中对于从半导体激光器42发射的激光和从记录介质41反射以引导到光接收元件44的激光的光路分路元件(light path branching element)，从而光学元件10用作防止激光再一次返回到半导体激光器42的隔离器。

如上所述，当光学元件10用作光学检波器40的偏振分离元件时，光学系统的尺寸可小于具有立体形状且将三角形棱镜接合在一起的偏振分离元件的尺寸。特别是，为了集成到当前的膝上型个人电脑(PC)中，强烈地需要紧凑的光学检波器光学系统，因此重要的是减小光学元件的尺寸。为此，如上所述，根据本发明实施例的光学元件10可用作能主要衍射到指定的级的偏振分离元件；因此，它可变得能够提供(实现)高效率偏振光学系统作为光学检波器。

此外，根据本发明实施例的光学系统10还可用作采用最近越来越引起人们注意的全息图技术在光学记录介质中记录信息的光学检波器。作为应用全息图技术的光学检波器，光学元件10可用作将入射光分成在入射光的光轴之外的方向上传播的彼此垂直的两个线性偏振光的偏振分离元件。

此外，根据本发明实施例的光学系统10还可采用所谓的孪生激光器芯片用在光学系统等中，该激光器芯片包括集成在单一封装中的彼此具有不同波长的半导体芯片。更具体地讲，根据本发明实施例的光学系统10还可用作偏振选择光路纠正装置，其中采用波长选择半波长板使与另一个激光具有不同波长的一个激光的偏振方向垂直于该另一个激光的偏振方向，从而两个激光具有相同的光轴。

图14示出了液晶元件60和采用该液晶元件60的电压可变光学衰减器70，液晶元件60中直线传播光的效率是可变的。

如图14所示，液晶元件60包括每一个都具有电极的一对基板61、液晶层62和密封构件63，该密封构件63通过在该对基板61之间包封液晶层62的液晶而形成液晶层62。

光学衰减器70包括液晶元件60、在该对基板61之间施加电压以控制形成液晶层62的液晶取向的电压施加部分71以及在液晶元件60的两侧提供的光学元件10。

在这样的光学衰减器70中，当偏振方向彼此垂直的两个线性偏振光入射到液晶元件60时，该两个线性偏振光根据其偏振方向透射通过液晶元件60中不同的行进路径，这由用作第一偏振分束器的具有偏振衍射结构的一个光学元件10决定。此外，当液晶层62具有指定的延迟值时，入射到用作第二偏振分束器的具有偏振衍射结构的另一个光学元件10的上述两个线性偏振光的每一个都在与已经入射到液晶元件60的对应线性偏振光相同的行进方向上发射。

因此，在光学衰减器70中，当电压由电压施加部分71施加到液晶元件60从而两个线性偏振光在与已经入射在液晶元件60中的线性偏振光相同的行进方向上发射时，直线透射光量最大；但是，当光的行进方向从光的入射方向因衍射而偏移时，衰减了直线透射光量。在此情况下，液晶元件60可用作衰减装置，用于衰减透射通过光学元件10的光。

如上所述，当光学元件10用在光学衰减器70中时，通过在基板11上形成衍射结构12可易于获得上述效果(功能)，衍射结构12用于执行偏振分路(polarization branching)，并且基板11夹持液晶层62；从而能减少光学衰减器70中包括的部件数。

图15示出了能够将随机偏振光的各种方向排列到一个方向的偏振转换元件80。如图15所示，偏振转换元件80包括：光学元件10；挡光构件82，具有开口部分81，入射光通过其入射到光学元件10；半波长板83，在光学元件10的光发射侧且在与开口部分81相对的位置上形成在基板上；以及棱镜84，形成在基板上，从而夹持半波长板83。

在偏振转换元件80中，具有随机偏振方向透射通过开口部分81的光通量入射到衍射结构12。然后，入射光的P-偏振成分直线透射为零级衍射光而不被衍射，并且入射光的S-偏振成分被衍射且分离为第一级衍射光。直线透射通过衍射结构12的入射光的P-偏振成分进一步透射通过光学元件10，并且P-偏振成分的偏振方向由半波长板83变成S-偏振成分的偏振方向。半波长板83用作转换元件，转换透射通过光学元件10的入射光的偏振成分的偏振方向。另一方面，入射到衍射结构12的S-偏振成分被衍射结构12衍射，且被棱镜84偏振，以发射为具有相同S-偏振成分的光，且在与已经行进(透射)通过半波长板83的光通量的行进方向相同的方向上透射。因此，棱镜84用作作为改变光通量的发射方向的偏振构件的光学构件，从而基本上平行于入射到偏振转换元件80的光通量的入射方向。这样，当从偏振转换元件发射入射光时，偏振转换元件80可排列入射到偏振转换元件80的随机偏振光的各种方向到入射光的S-偏振成分的一个偏振方向。

此外，取代使用半波长板83和棱镜84，偏振转换元件80可包括与半波长板83和棱镜84具有相同功能的衍射结构12。在此情况下，偏振转换元件80可通过在单一玻璃基板11的两侧表面的每一侧上形成衍射结构12而简单地提供。

通过以如上所述的方式在偏振转换元件中采用光学元件10，可提供具有简单构造的高精度偏振转换元件。

图16示意性地示出了投影仪90的一部分，它是作为称为投影体的图像形成设备的称为投影设备的光学设备，投影体通过在屏幕上投射预定的图像而形成图像。如图16所示，投影仪90包括发射具有P-偏振成分和S-偏振成分的光通量的光源部分92、采用从光源部分92发射的光通量在屏幕91上投射图像的投影仪光学系统93以及诸如计算机的图像处理部分94，图像处理部分94用于处理由投影仪光学系统93投射在屏幕91上的图像。

投影仪光学系统93包括：光学元件10，提供在光源部分92和屏幕91之间；反射镜95，用于反射从光源部分92发射的一部分光通量，以将从光学元件的侧面到反射镜95的光行进方向改变为从反射镜95到光学元件10侧面的方向；液晶面板96，用作光学调制装置，根据给定的图像信号调制从光学元件10发射的光通量并由液晶元件等制成；以及投影光学系统97，具有根据透射通过液晶面板96的光通量在屏幕91上形成图像的功能，从而投影仪光学系统93将由光学元件10调制的光通量投射在屏幕91上，以在屏幕91上形成由液晶面板96调整的图像。在此情况下，光学元件10用作投影仪光学系统93的关键部分。

此外，投影仪光学系统93可选择地包括上述各种光学元件10、20和30、光学衰减器70和偏振转换元件80等的任何元件。投影仪90可选择地包括上述各种光学元件10、20和30、光学检波器40、光学信息处理设备50、光学衰减器70和偏振转换元件80等的任何元件。

尽管本发明为了完整且清楚的公开已经关于指定的实施例进行了描述，但是所附权利要求不因此而受限，而是解释为体现对本领域的技术人员可发生的公正地落入这里所阐述的基本教导内的所有修改和可替换结构。

例如，在上面的实施例中，已经描述了五(5)个亚波长凹凸结构包括在每个周期结构中的情况。然而，只要每个周期结构中要包括的亚波长凹凸结构的数量为三(3)或更多个，本发明就可实现。当周期结构中有五(5)个亚波长凹凸结构时，周期结构可等同于包括具有五(5)个隆起(bump)的台阶棱镜(stepped prism)的光学元件。

指定级的衍射光的最大衍射效率根据亚波长凹凸结构的类型数量确定；就是说，衍射光的强度根据指定凹槽深度的设定而确定。换言之，亚波长凹凸结构的类型数量越多(即亚波长凹凸结构的区域数越多)，衍射效率变得越大。此外，光学元件中包括的亚波长凹凸结构的类型数量越多，约接近具有等同于光学元件的三角形棱镜的图17所示偏振分离元件的形状。

此外，周期结构中亚波长凹凸结构的数量不必彼此相等。

此外，周期结构的节距不必彼此相同，而是可以彼此不同。在此情况下，最短节距需要等于或大于入射光的波长。此外，通过使要衍射的偏振成分的衍射角在周期结构中彼此不同且设定衍射角为定向到它们的指定方向，并且通过设定周期结构的衍射角使周期结构具有彼此不同的节距以将由周期结构衍射的光聚焦成单一点，可提供具有透镜功能的光学元件或者衍射元件。

在本发明的上面的实施例中，描述了在光学元件中衍射结构具有排列到预定凹槽延伸方向的直线图案的情况。然而，衍射结构可具有弯曲图案。通过具有这样的弯曲图案，光学元件可具有透镜功能等，或者可用于像差修正(aberration correction)等。

此外，在本发明的上面的实施例中，描述了衍射结构形成在平板上的情况。然而，本发明不限于此，衍射结构也可形成在弯曲板上。

包括根据本发明实施例的光学元件的光学设备不仅可包括上述的投影仪，而且可包括光纤通讯等中所用的通讯设备、图像形成光学系统以及具有图像形成光学系统的诸如成像设备、复印机和打印机等的图像形成设备，等等。

本发明实施例中描述的效果是本发明所产生的最优选效果的示例；而本发明的效果不限于本发明实施例中描述的效果。

本申请基于且要求2009年1月15日提交的日本专利申请No.2009-006527的优先权，其全部内容通过引用结合于此。