特開 2024-18274 位相変調素子、プロジェクター、およびヘッドマウントディスプレイ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024018274

(43)【公開日】2024-02-08

(54)【発明の名称】位相変調素子、プロジェクター、およびヘッドマウントディスプレイ

(51)【国際特許分類】

   G02B 5/18 20060101AFI20240201BHJP

   G02B 27/02 20060101ALI20240201BHJP

   G03B 21/00 20060101ALI20240201BHJP

   H04N 5/64 20060101ALI20240201BHJP

   G02B 5/30 20060101ALI20240201BHJP

【ＦＩ】

G02B5/18

G02B27/02 Z

G03B21/00 D

H04N5/64 501D

H04N5/64 511A

G02B5/30

【審査請求】未請求

【請求項の数】9

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022121500

(22)【出願日】2022-07-29

(71)【出願人】

【識別番号】000002369

【氏名又は名称】セイコーエプソン株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100090387

【弁理士】

【氏名又は名称】布施 行夫

(74)【代理人】

【識別番号】100090398

【弁理士】

【氏名又は名称】大渕 美千栄

(74)【代理人】

【識別番号】100148323

【弁理士】

【氏名又は名称】川▲崎▼ 通

(74)【代理人】

【識別番号】100168860

【弁理士】

【氏名又は名称】松本 充史

(72)【発明者】

【氏名】山田 文香

【テーマコード（参考）】

2H149

2H199

2H249

2K203

【Ｆターム（参考）】

2H149AA02

2H149AA17

2H149AB01

2H149DA01

2H149DA13

2H199CA22

2H199CA42

2H199CA53

2H199CA65

2H249AA04

2H249AA08

2H249AA14

2H249AA18

2H249AA42

2H249AA60

2H249AA64

2K203FA03

2K203FA22

2K203FA25

2K203FA34

2K203FA44

2K203FA54

2K203FA62

2K203FA82

2K203FB04

2K203GC01

2K203HA62

2K203MA01

(57)【要約】

【課題】メタサーフェスの界面で反射される光を低減することができる光変調素子を提供する。
【解決手段】基板と、前記基板に設けられた複数の第１柱状部を有する第１メタサーフェスと、を有し、前記複数の第１柱状部の各々は、金属で構成され、前記複数の第１柱状部の各々の最も前記基板とは反対側を第１位置、前記第１位置と前記基板との間を第２位置とし、前記複数の第１柱状部の各々の前記基板との接触面の面積は、前記第２位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積よりも大きく、かつ、前記第１位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積は、前記第２位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積よりも小さい、位相変調素子。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に設けられた複数の第１柱状部を有する第１メタサーフェスと、
を有し、
前記複数の第１柱状部の各々は、金属で構成され、
前記複数の第１柱状部の各々の最も前記基板とは反対側を第１位置、前記第１位置と前記基板との間を第２位置とし、
前記複数の第１柱状部の各々の前記基板との接触面の面積は、前記第２位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積よりも大きく、かつ、前記第１位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積は、前記第２位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積よりも小さい、位相変調素子。

【請求項2】

請求項１において、
前記複数の第１柱状部の各々の断面積は、前記基板から前記第１位置に向けて漸減している、位相変調素子。

【請求項3】

請求項１において、
前記第１メタサーフェスで位相が変調された光を、前記第１メタサーフェスに向けて反射させる反射部を有する、位相変調素子。

【請求項4】

請求項１において、
前記基板の前記複数の第１柱状部とは反対側に設けられた複数の第２柱状部を有する第２メタサーフェスを有し、
前記複数の第２柱状部の各々は、金属で構成され、
前記複数の第２柱状部の各々の最も前記基板とは反対側を第３位置、前記第３位置と前記基板との間を第４位置とし、
前記複数の第２柱状部の各々の前記基板との接触面の面積は、前記第４位置における前記複数の第２柱状部の各々の断面積よりも大きく、かつ、前記第３位置における前記複数の第２柱状部の各々の断面積は、前記第４位置における前記複数の第２柱状部の各々の断面積よりも小さい、位相変調素子。

【請求項5】

請求項１において、
前記基板は、レンズである、位相変調素子。

【請求項6】

請求項１において、
前記基板は、絶縁性である、位相変調素子。

【請求項7】

請求項１において、
前記複数の第１柱状部の各々を被覆する被覆層を有し、
前記被覆層の材質は、誘電体である、位相変調素子。

【請求項8】

請求項１ないし７のいずれか１項に記載の位相変調素子を有する、プロジェクター。

【請求項9】

請求項１ないし７のいずれか１項に記載の位相変調素子を有する、ヘッドマウントディスプレイ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、位相変調素子、プロジェクター、およびヘッドマウントディスプレイに関する。

【背景技術】

【0002】

メタマテリアルは、光の波長よりも小さい人工構造物で構成され、自然界にない透磁率を得られるため、負の屈折率など従来の光学材料にはない機能を有する。このようなメタマテリアルのうち構造体の周期配列を二次元的に配置した人工表面としてメタサーフェスが知られている。

【0003】

例えば特許文献１には、基板と、基板上に配置されメタサーフェスを構成する複数のナノ構造体と、を具備し、ナノ構造体の位置に依存して変化する光位相シフトをもたらすメタレンズが記載されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0004】

【特許文献1】特表２０１９－５１６１２８号

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0005】

上記のようなメタレンズでは、メタサーフェスの界面で反射される光を低減することが望まれている。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本発明に係る位相変調素子の一態様は、
基板と、
前記基板に設けられた複数の第１柱状部を有する第１メタサーフェスと、
を有し、
前記複数の第１柱状部の各々は、金属で構成され、
前記複数の第１柱状部の各々の最も前記基板とは反対側を第１位置、前記第１位置と前記基板との間を第２位置とし、
前記複数の第１柱状部の各々の前記基板との接触面の面積は、前記第２位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積よりも大きく、かつ、前記第１位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積は、前記第２位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積よりも小さい。

【0007】

本発明に係るプロジェクターの一態様は、
前記位相変調素子の一態様を有する。

【0008】

本発明に係るヘッドマウントディスプレイの一態様は、
前記位相変調素子の一態様を有する。

【図面の簡単な説明】

【0009】

【図1】第１実施形態に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図2】第１実施形態に係る位相変調素子を模式的に示す平面図。

【図3】第１実施形態に係る位相変調素子の製造工程を模式的に示す断面図。

【図4】第１実施形態の第１変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図5】第１実施形態の第２変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図6】第１実施形態の第２変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図7】第１実施形態の第３変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図8】第１実施形態の第４変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図9】第１実施形態の第４変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図10】第１実施形態の第４変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図11】第１実施形態の第４変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図12】第１実施形態の第５変形例に係る位相変調素子を模式的に示す平面図。

【図13】第１実施形態の第５変形例に係る位相変調素子を模式的に示す平面図。

【図14】第１実施形態の第５変形例に係る位相変調素子を模式的に示す平面図。

【図15】第２実施形態に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図16】第２実施形態に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図17】第２実施形態に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図18】第２実施形態の変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図19】第２実施形態の変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図20】第２実施形態の変形例に係る位相変調素子を模式的に示す断面図。

【図21】第３実施形態に係るプロジェクターを模式的に示す図。

【図22】第４実施形態に係るヘッドマウントディスプレイを模式的に示す斜視図。

【図23】第４実施形態に係るヘッドマウントディスプレイの像形成装置および導光装置を模式的に示す図。

【発明を実施するための形態】

【0010】

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

【0011】

１． 第１実施形態
１．１． 位相変調素子
まず、第１実施形態に係る位相変調素子について、図面を参照しながら説明する。図１は、第１実施形態に係る位相変調素子１００を模式的に示す断面図である。図２は、第１実施形態に係る位相変調素子１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２のＩ－Ｉ線断面図である。

【0012】

位相変調素子１００は、図１に示すように、例えば、基板１０と、複数の第１柱状部２０を有する第１メタサーフェス２０ａと、を有している。

【0013】

基板１０の形状は、例えば、直方体である。基板１０は、例えば、第１主面１２と、第２主面１４と、を有している。図示の例では、第１主面１２および第２主面１４は、互いに平行である。

【0014】

基板１０は、入射した光を透過させる。基板１０は、絶縁性である。基板１０の材質は、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ_２）である。基板１０の材質は、不純物が意図的にドープされていないシリコン（Ｓｉ）基板であってもよい。

【0015】

第１柱状部２０は、基板１０に支持されている。第１柱状部２０は、基板１０の第１主面１２に設けられている。第１柱状部２０は、基板１０から第１主面１２の垂線Ｑ方向に突出している。図示の例では、第１主面１２は、平坦な面である。第１柱状部２０は、例えば、ナノコラム、ナノワイヤー、ナノロッド、ナノピラーとも呼ばれる。垂線Ｑ方向からみて、第１柱状部２０の形状は、例えば、円、四角形などの多角形ある。図２に示す例
では、第１柱状部２０の形状は、例えば、円である。垂線Ｑ方向は、基板１０の垂線方向である。

【0016】

第１柱状部２０は、図１に示すように、例えば、第１面２２と、第２面２４と、第１側面２６と、を有している。

【0017】

第１柱状部２０の第１面２２は、基板１０側の面である。第１面２２は、第１柱状部２０の基板１０に最も近い面である。第１面２２は、第１主面１２と接している接触面である。基板１０は、第１柱状部２０の第１面２２側に設けられている。図示の例では、第１面２２は、第２面２４および第１主面１２と平行である。

【0018】

第１柱状部２０の第２面２４は、第１柱状部２０の第１面２２とは反対側の面である。第２面２４は、第１柱状部２０の基板１０とは反対側の面である。第２面２４は、第１柱状部２０の基板１０から最も遠い面である。第２面２４の面積は、第１面２２の面積よりも小さい。なお、図示はしないが、第２面２４は、曲面であってもよい。

【0019】

第１柱状部２０の第１側面２６は、第１面２２と第２面２４とを接続している。第１側面２６の第２面２４に対する角度αは、例えば、９０°より大きく、１２０°以下である。角度αが１２０°以下であれば、隣り合う第１柱状部２０を互いに離隔させることができる。図示の例では、第１柱状部２０は、台形の断面形状を有している。第１柱状部２０
は、テーパー形状を有している。

【0020】

第１柱状部２０の最も基板１０とは反対側を第１位置Ｐ１とする。図示の例では、第１位置Ｐ１には、第２面２４が位置している。第１柱状部２０の第１位置Ｐ１と基板１０との間を第２位置Ｐ２とする。図示の例では、第１位置Ｐ１と第２位置Ｐ２との間の距離、および基板１０と第２位置Ｐ２との間の距離は、互いに等しい。図示の例では、第１位置Ｐ１は、垂線Ｑ方向において、第１柱状部２０の最も基板１０とは反対側の位置である。第２位置Ｐ２は、垂線Ｑ方向において、第１位置Ｐ１と基板１０との間の位置である。

【0021】

第１柱状部２０の第１面２２の面積Ｓ１は、第２位置Ｐ２における第１柱状部２０の断面積Ｓ３よりも大きい。第１位置Ｐ１における第１柱状部２０の断面積Ｓ２は、第２位置Ｐ２における第１柱状部２０の断面積Ｓ３よりも小さい。第１柱状部２０の断面積は、基板１０から第１位置Ｐ１に向けて漸減している。図示の例では、面積Ｓ１は、垂線Ｑ方向からみて、断面積Ｓ３よりも大きい。断面積Ｓ２は、断面積Ｓ３よりも小さい。図示の例では、断面積Ｓ２は、第２面２４の面積と同じ大きさである。

【0022】

なお、「第１柱状部２０の断面積」とは、第１柱状部２０の中心線Ｃ１と直交する平面で切断した断面積である。図示の例では、中心線Ｃ１は、第１面２２の中心と第２面２４の中心とを通る直線であり、垂線Ｑと平行である。

【0023】

第１柱状部２０の高さは、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは１００ｎｍ以上９００ｎｍ以下であり、より好ましくは３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。第１柱状部２０の高さは、例えば、第１柱状部２０の径よりも大きい。

【0024】

なお、「第１柱状部２０の高さ」とは、第１柱状部２０の中心線Ｃ１方向の大きさである。このことは、後述する第２柱状部３０において同様である。

【0025】

第１柱状部２０の第２面２４における径は、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であり、より好ましくは２００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。第１柱状部２０の径は、第２面２４から第１面２２に向けて漸増している。

【0026】

なお、「第１柱状部２０の径」とは、中心線Ｃ１方向からみて、第１柱状部２０の形状が円の場合は、直径であり、第１柱状部２０の形状が円ではない形状の場合は、最小包含円の直径である。例えば、第１柱状部２０の径は、中心線Ｃ１方向からみて、第１柱状部２０の形状が多角形の場合、該多角形を内部に含む最小の円の直径であり、第１柱状部２０の形状が楕円の場合、該楕円を内部に含む最小の円の直径である。このことは、後述する第２柱状部３０において同様である。

【0027】

第１柱状部２０は、複数設けられている。図示の例では、複数の第１柱状部２０の形状および大きさは、互いに同じである。複数の第１柱状部２０は、互いに離隔している。図示の例では、隣り合う第１柱状部２０の間は、空隙である。隣り合う第１柱状部２０の間隔は、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であり、より好ましくは２００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。

【0028】

複数の第１柱状部２０は、垂線Ｑ方向からみて、所定の方向に所定のピッチで配列されている。複数の第１柱状部２０は、垂線Ｑ方向からみて、例えば、正三角格子状、正方格子状に配列されている。図２に示す例では、複数の第１柱状部２０は、正方格子状に配列されている。

【0029】

なお、「第１柱状部２０のピッチ」とは、所定の方向に隣り合う第１柱状部２０の中心間の距離である。「第１柱状部２０の中心」とは、中心線Ｃ１方向からみて、第１柱状部２０の形状が円の場合は、該円の中心であり、第１柱状部２０の形状が円ではない形状の場合は、最小包含円の中心である。例えば、第１柱状部２０の中心は、中心線Ｃ１方向からみて、第１柱状部２０の形状が多角形の場合、該多角形を内部に含む最小の円の中心であり、第１柱状部２０の形状が楕円の場合、該楕円を内部に含む最小の円の中心である。このことは、後述する第２柱状部３０において同様である。

【0030】

第１柱状部２０は、金属で構成されている。第１柱状部２０の材質は、例えば、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはこれらの合金である。

【0031】

複数の第１柱状部２０は、図１に示すように、第１メタサーフェス２０ａを構成している。第１メタサーフェス２０ａは、例えば、複数の第１柱状部２０と、隣り合う第１柱状部２０の間の空隙と、で構成されている。

【0032】

図示の例では、基板１０側から第１メタサーフェス２０ａに光が入射する。第１メタサーフェス２０ａは、第１面２２側から入射した光の位相を変調させ、変調された位相の光を第２面２４側から出射する。

【0033】

第１メタサーフェス２０ａは、集光レンズの機能を有していてもよいし、凹レンズの機能を有していてもよいし、集光点がずれるオフアクシスレンズの機能を有していてもよいし、偏光の機能を有していてもよい。

【0034】

位相変調素子１００は、第１メタサーフェス２０ａに１種類の色光が入射され、変調された位相の色光を出射する単色用の位相変調素子であってもよい。この場合、第１メタサーフェス２０ａは、入射した光の伝搬距離の差によって位相遅延が生じる非共鳴型のメタサーフェスであってもよい。

【0035】

または、位相変調素子１００は、第１メタサーフェス２０ａに複数種類の色光が入射され、変調された位相の色光を出射する複数波長の色収差補正素子であってもよい。この場合、第１メタサーフェス２０ａは、入射した光によって第１柱状部２０の自由電子の振動
が励起され、励起された振動がプラズモン共鳴することによって、変調された位相の光を出射する共鳴型のメタサーフェスであってもよい。共鳴型のメタサーフェスは、非共鳴型のメタサーフェスに比べて、第１柱状部２０の高さを小さくすることができるため、作製が容易である。

【0036】

１．２． 位相変調素子の製造方法
次に、第１実施形態に係る位相変調素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。図３は、第１実施形態に係る位相変調素子１００の製造工程を模式的に示す断面図である。

【0037】

図３に示すように、基板１０に、金属層２を形成する。金属層２は、例えば、スパッタ法、真空蒸着法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法などによって形成される。

【0038】

図１に示すように、金属層２をパターニングして、複数の第１柱状部２０を形成する。パターニングは、例えば、所定のパターンを持つ型を金属層２に押し付けて、金属層２にパターンを転写させるナノインプリント法によって行われる。ナノインプリント法は、大面積を一括でパターニングすることができる。なお、パターニングは、ナノインプリント法に限定されない。パターニングは、例えば、集束イオンビーム （ＦＩＢ）、電子ビーム（ＥＢ）を用いて行われてもよい。

【0039】

以上の工程により、位相変調素子１００を製造することができる。

【0040】

１．３． 作用効果
位相変調素子１００では、基板１０と、基板１０に設けられた複数の第１柱状部２０を有する第１メタサーフェス２０ａと、を有する。複数の第１柱状部２０の各々は、金属で構成されている。複数の第１柱状部２０の各々の最も基板１０とは反対側を第１位置Ｐ１、第１位置Ｐ１と基板１０との間を第２位置Ｐ２とする。複数の第１柱状部２０の各々の基板１０との接触面としての第１面２２の面積Ｓ１は、第２位置Ｐ２における複数の第１柱状部２０の各々の断面積Ｓ３よりも大きい。第１位置Ｐ１における複数の第１柱状部２０の各々の断面積Ｓ２は、第２位置Ｐ２における複数の第１柱状部２０の各々の断面積Ｓ３よりも小さい。

【0041】

そのため、位相変調素子１００では、例えば第１柱状部の断面積がＳ３で一定である場合に比べて、第１面２２における第１メタサーフェス２０ａの面内方向の平均屈折率を高く、かつ第１位置Ｐ１における第１メタサーフェス２０ａの面内方向の平均屈折率を低くすることができる。これにより、第１面２２における第１メタサーフェス２０ａの平均屈折率を、基板１０の屈折率に近づけることができ、第１位置Ｐ１における第１メタサーフェス２０ａの平均屈折率を、空気の屈折率に近づけることができる。したがって、第１メタサーフェス２０ａの基板１０との界面、および第１メタサーフェス２０ａの空気との界面における反射を低減することができる。このように、第１メタサーフェス２０ａの界面で反射される光を低減することができる。その結果、第１メタサーフェス２０ａによって位相の変調を受けない光、および位相の変調を受けても迷光などのノイズとなる光を低減することでき、光の利用効率を高めることができる。

【0042】

なお、「面内方向」とは、中心線Ｃ１方向と直交する方向のことである。また、隣り合う第１柱状部２０の間は、空隙であるため、第１面２２における第１メタサーフェス２０ａの面内方向の平均屈折率は、基板１０の屈折率よりも低くなる。そのため、上記のように、第１面２２における第１メタサーフェス２０ａの面内方向の平均屈折率を高くすることが望まれる。

【0043】

さらに、位相変調素子１００では、第１柱状部２０は、金属で構成されている。金属における光の伝搬においては、誘電体内の光の伝搬と異なり、第１柱状部２０における光の入射では自由電子を介したプラズモン伝搬モードが生じる。位相変調素子１００では、例えば第１柱状部が誘電体で構成されている場合に比べて、第１柱状部２０の高さを小さくしても、位相遅延を生じさせることができる。これにより、第１柱状部２０を容易に形成することができる。

【0044】

さらに、位相変調素子１００では、ナノインプリント法によって金属層２がパターニングされる場合に、ナノインプリント法で用いられる型の離型を、第１柱状部２０の形状を崩さずに容易に行うことができる。

【0045】

位相変調素子１００では、複数の第１柱状部２０の各々の断面積は、基板１０から第１位置Ｐ１に向けて漸減している。そのため、位相変調素子１００では、第１メタサーフェス２０ａの面内方向の平均屈折率を、基板１０から第１位置Ｐ１に向かうにつれて徐々に低くすることができる。これにより、第１メタサーフェス２０ａにおける意図せぬ反射を低減することができる。

【0046】

位相変調素子１００では、基板１０は、絶縁性である。そのため、位相変調素子１００では、第１柱状部２０の自由電子が基板１０に流れることを抑制することができる。これは、特に、第１メタサーフェス２０ａが共鳴型である場合に有効である。

【0047】

１．４． 位相変調素子の変形例
１．４．１． 第１変形例
次に、第１実施形態の第１変形例に係る位相変調素子について、図面を参照しながら説明する。図４は、第１実施形態の第１変形例に係る位相変調素子１１０を模式的に示す断面図である。

【0048】

以下、第１実施形態の第１変形例に係る位相変調素子１１０において、上述した第１実施形態に係る位相変調素子１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。このことは、後述する第１実施形態の第２～第５変形例に係る位相変調素子において同様である。

【0049】

上述した位相変調素子１００では、図１に示すように、基板１０に光が入射し、基板１０を透過した光が第１メタサーフェス２０ａに入射した。

【0050】

これに対し、位相変調素子１１０では、図４に示すように、第１メタサーフェス２０ａに光が入射し、第１メタサーフェス２０ａで変調された光が基板１０を透過して出射される。

【0051】

位相変調素子１１０では、上述した位相変調素子１００と同様に、第１メタサーフェス２０ａの界面における反射を低減することができる。

【0052】

１．４．２． 第２変形例
次に、第１実施形態の第２変形例に係る位相変調素子について、図面を参照しながら説明する。図５は、第１実施形態の第２変形例に係る位相変調素子１２０を模式的に示す断面図である。

【0053】

位相変調素子１１０では、図５に示すように、複数の第２柱状部３０を有する第２メタサーフェス３０ａを有している点において、上述した位相変調素子１００と異なる。

【0054】

第２柱状部３０は、基板１０の第１柱状部２０とは反対側に設けられている。第２柱状
部３０は、基板１０の第２主面１４に設けられている。第２柱状部３０は、例えば、第３面３２と、第４面３４と、第２側面３６と、を有している。

【0055】

第２柱状部３０の第３面３２は、第２柱状部３０の基板１０側の面である。第３面３２は、第２柱状部３０の基板１０に最も近い面である。図示の例では、第３面３２は、第４面３４および第２主面１４と平行である。第３面３２は、第２主面１４と接している接触面である。

【0056】

第２柱状部３０の第４面３４は、第２柱状部３０の第３面３２とは反対側の面である。第４面３４は、第２柱状部３０の基板１０とは反対側の面である。第４面３４は、第２柱状部３０の基板１０から最も遠い面である。垂線Ｑ方向からみて、第４面３４の面積は、第３面３２の面積よりも小さい。なお、図示はしないが、第４面３４は、曲面であってもよい。

【0057】

第２柱状部３０の第２側面３６は、第３面３２と第４面３４とを接続している。第２側面３６の第４面３４に対する角度βは、例えば、９０°より大きく、１２０°以下である。角度βが１２０°以下であれば、隣り合う第２柱状部３０を互いに離隔させることができる。角度βは、角度αと同じであってもよいし、異なっていてもよい。図示の例では、第２柱状部３０は、台形の断面形状を有している。第２柱状部３０は、テーパー形状を有している。

【0058】

第２柱状部３０の最も基板１０とは反対側を第３位置Ｐ３とする。図示の例では、第３位置Ｐ３には、第４面３４が位置している。第２柱状部３０の第３位置Ｐ３と基板１０との間を第４位置Ｐ４とする。図示の例では、第３位置Ｐ３と基板１０との間の距離、および第４位置Ｐ４と基板１０との間の距離は、互いに等しい。

【0059】

第２柱状部３０の第３面３２の面積Ｓ４は、第４位置Ｐ４における第２柱状部３０の断面積Ｓ６よりも大きい。第３位置Ｐ３における第２柱状部３０の断面積Ｓ５は、第４位置Ｐ４における第２柱状部３０の断面積Ｓ６よりも小さい。第２柱状部３０の断面積は、基板１０から第３位置Ｐ３に向けて漸減している。

【0060】

なお、「第２柱状部３０の断面積」とは、第２柱状部３０の中心線Ｃ２と直交する平面で切断した断面積である。図示の例では、中心線Ｃ２は、第３面３２の中心と第４面３４の中心とを通る直線であり、垂線Ｑと平行である。

【0061】

第２柱状部３０の高さは、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは１００ｎｍ以上９００ｎｍ以下であり、より好ましくは３００ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。第２柱状部３０の高さは、例えば、第２柱状部３０の径よりも大きい。第２柱状部３０の高さは、第１柱状部２０の高さと同じであってもよいし、異なっていてもよい。

【0062】

第２柱状部３０の第４面３４における径は、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であり、より好ましくは２００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。第２柱状部３０の径は、第４面３４から第３面３２に向けて漸増している。第２柱状部３０の径は、第１柱状部２０の径と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

【0063】

第２柱状部３０は、複数設けられている。図示の例では、複数の第２柱状部３０の形状および大きさは、互いに同じである。複数の第２柱状部３０は、互いに離隔している。図示の例では、隣り合う第２柱状部３０の間は、空隙である。隣り合う第２柱状部３０の間隔は、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは１００ｎｍ以上８００ｎｍ以下であり、より好ましくは２００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。隣り合う第２柱状部３０の間隔
は、隣り合う第１柱状部２０の間隔と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

【0064】

複数の第２柱状部３０は、垂線Ｑ方向からみて、所定の方向に所定のピッチで配列されている。複数の第１柱状部２０は、垂線Ｑ方向からみて、例えば、正三角格子状、正方格子状に配列されている。

【0065】

第２柱状部３０は、金属で構成されている。第２柱状部３０の材質は、例えば、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、またはこれらの合金である。第２柱状部３０の材質は、第１柱状部２０と同じであってもよいし、異なっていてもよい。

【0066】

複数の第２柱状部３０は、第２メタサーフェス３０ａを構成している。第２メタサーフェス３０ａは、例えば、複数の第２柱状部３０と、隣り合う第２柱状部３０の間の空隙と、で構成されている。

【0067】

第１メタサーフェス２０ａと第２メタサーフェス３０ａとは、例えば、第１主面１２と平行な図示せぬ仮想平面に関して、対称である。第２柱状部３０は、例えば、第１柱状部２０と同じ方法で形成される。

【0068】

図５に示す例では、第２メタサーフェス３０ａに光が入射し、第２メタサーフェス３０ａは、入射した光の位相を変調させる。第２メタサーフェス３０ａで位相が変調された光は、基板１０を透過して第１メタサーフェス２０ａに入射する。第１メタサーフェス２０ａは、入射した光の位相を変調させ、光を出射する。

【0069】

第２メタサーフェス３０ａは、集光レンズの機能を有していてもよいし、凹レンズの機能を有していてもよいし、集光点がずれるオフアクシスレンズの機能を有していてもよいし、偏光の機能を有していてもよい。第２メタサーフェス３０ａは、非共鳴型であってもよいし、共鳴型であってもよい。

【0070】

位相変調素子１１０では、基板１０の複数の第１柱状部２０とは反対側に設けられた複数の第２柱状部３０を有する第２メタサーフェス３０ａを有する。複数の第２柱状部３０の各々は、金属で構成されている。複数の第２柱状部３０の各々の最も基板１０とは反対側を第３位置Ｐ３、第３位置Ｐ３と基板１０との間を第４位置Ｐ４とする。複数の第２柱状部３０の各々の基板１０との接触面としての第３面３２の面積Ｓ４は、第４位置Ｐ４における複数の第２柱状部３０の各々の断面積Ｓ６よりも大きい。第３位置Ｐ３における複数の第２柱状部３０の各々の断面積Ｓ５は、第４位置Ｐ４における複数の第２柱状部３０の各々の断面積Ｓ６よりも小さい。

【0071】

そのため、位相変調素子１１０では、第１メタサーフェス２０ａおよび第２メタサーフェス３０ａの２つによって、光の位相を変調することができる。これにより、例えば、第１メタサーフェス２０ａのみによって光を変調する場合に比べて、第１メタサーフェス２０ａの位相変調量を少なくできる。その結果、例えば、第１柱状部２０の高さを小さくすることができ、複数の第１柱状部２０を容易に形成することができる。

【0072】

なお、図６に示すように、複数の第１柱状部２０および複数の第２柱状部３０は、基板１０の所定の領域にのみ設けられていてもよい。例えばＦＩＢによって金属層２を加工する場合は、加工面積が広くなるほど加工時間が長くなり、ステージドリフトなどの影響により高精細な加工の難易度が上がる。複数の第１柱状部２０および複数の第２柱状部３０を基板１０の所定の領域にのみ形成すれば、加工面積を小さくすることができ、加工の難易度を下げることができる。さらに、金属からなる第１柱状部２０および第２柱状部３０による光の吸収を低減することができる。

【0073】

１．４．３． 第３変形例
次に、第１実施形態の第３変形例に係る位相変調素子について、図面を参照しながら説明する。図７は、第１実施形態の第３変形例に係る位相変調素子１３０を模式的に示す断面図である。

【0074】

上述した位相変調素子１００では、図１に示すように、基板１０の形状は、直方体であった。

【0075】

これに対し、位相変調素子１３０では、図６に示すように、基板１０は、曲面を有している。基板１０は、レンズである。基板１０は、例えば、屈折レンズである。基板１０の材質は、例えば、ガラスである。なお、基板１０のレンズの種類は、特に限定されず、凹レンズであってもよいし、オフアクシスレンズであってもよい。

【0076】

第１メタサーフェス２０ａは、レンズとしての基板１０の収差を補正する機能を有している。図示の例では、第１メタサーフェス２０ａに光が入射し、第１メタサーフェス２０ａで変調された光が基板１０を透過して出射される。

【0077】

位相変調素子１３０では、基板１０は、レンズである。そのため、位相変調素子１２０では、第１メタサーフェス２０ａおよび基板１０によって、光の位相を変調することができる。

【0078】

例えば、大面積のサイズのメタサーフェスは、製造コストが高い。そのため、レンズとしての基板１０で可能な機能は基板１０で行い、基板１０の機能の補強として最小限の面積で第１メタサーフェス２０ａを形成することにより、低コスト化を図ることができる。

【0079】

さらに、例えば、基板１０が屈折レンズの場合、第１メタサーフェス２０ａの屈折レンズとしてのレンズ効率は、基板１０よりも低い。そのため、基板１０と第１メタサーフェス２０ａとを組み合わせることにより、レンズ効率の低下を抑えつつ、基板１０では不可能な機能を第１メタサーフェス２０ａで付加することができる。例えば、第１メタサーフェス２０ａは、ＮＡ（Numerical Aperture）が高くなるほどレンズ効率が低下するため、レンズとしての基板１０で可能な機能は、基板１０を利用することが好ましい。なお、「屈折レンズとしてのレンズ効率」とは、焦点に集められる光の割合のことをいう。

【0080】

１．４．４． 第４変形例
次に、第１実施形態の第４変形例に係る位相変調素子について、図面を参照しながら説明する。図８は、第１実施形態の第４変形例に係る位相変調素子１４０を模式的に示す断面図である。

【0081】

位相変調素子１４０では、図８に示すように、被覆層４０を有している点において、上述した位相変調素子１００と異なる。

【0082】

被覆層４０は、第１柱状部２０を被覆している。被覆層４０が被覆されていても、隣り合う第１柱状部２０の間には、空隙が存在する。

【0083】

被覆層４０の材質は、誘電体である。被覆層４０の屈折率は、第１柱状部２０の屈折率に近いことが好ましい。これにより、第１柱状部２０と被覆層４０との界面における反射を低減することができる。被覆層４０の材質は、例えば、窒化シリコン（ＳｉＮ）、酸化チタン（ＴｉＯ_２）などである。被覆層４０は、例えば、ＣＶＤ法、ＡＬＤ（Atomic layer deposition）法によって形成される。

【0084】

位相変調素子１４０は、複数の第１柱状部２０の各々を被覆する被覆層４０を有し、被覆層４０の材質は、誘電体である。そのため、位相変調素子１４０では、酸化などによって第１柱状部２０の形状が崩れることを抑制することができる。

【0085】

なお、図９に示すように、第２柱状部３０を有する場合は、第２柱状部３０を被覆する被覆層４２を有していてもよい。被覆層４２の材質は、例えば、被覆層４０と同じである。また、図１０に示すように、複数の第１柱状部２０が基板１０の所定の領域にのみ設けられている場合において、被覆層４０は、第１柱状部２０を被覆していてもよい。また、図１１に示すように、基板１０がレンズである場合において、被覆層４０は、第１柱状部２０を被覆していてもよい。

【0086】

１．４．５． 第５変形例
次に、第１実施形態の第５変形例に係る位相変調素子について、図面を参照しながら説明する。図１２は、第１実施形態の第５変形例に係る位相変調素子１５０を模式的に示す平面図である。

【0087】

上述した位相変調素子１００は、図２に示すように、垂線Ｑ軸方向からみて、第１柱状部２０の形状は、円であった。

【0088】

これに対し、位相変調素子１５０では、図１２に示すように、垂線Ｑ軸方向からみて、第１柱状部２０の形状は、正方形である。

【0089】

図２および図１２に示す例では、複数の第１柱状部２０で構成される形状は、回転対称である。このように、複数の第１柱状部２０で構成される形状が回転対称である場合、偏光の向きに対する位相差を小さくすることができる。例えば、第１方向に偏光する光が入射した場合と、第１方向と直交する第２方向に偏光する光が入射した場合と、で位相変調素子１５０による位相差を小さくすることができる。すなわち、第１方向に偏光する光が入射した場合と、第２方向に偏光する光が入射した場合と、で位相変調素子１５０による位相変調量の差を小さくすることができる。

【0090】

位相変調素子１５０では、図１３に示すように、長方形であってもよいし、図１４に示すように、Ｖ字状であってもよい。

【0091】

図１３および図１４に示す例では、複数の第１柱状部２０で構成される形状は、回転対称ではい。このように、複数の第１柱状部２０で構成される形状が回転対称でない場合、偏光の向きに対する位相差を大きくすることができる。例えば、第１方向に偏光する光が入射した場合と、第１方向と直交する第２方向に偏光する光が入射した場合と、で位相変調素子１５０による位相差を大きくすることができる。すなわち、第１方向に偏光する光が入射した場合と、第２方向に偏光する光が入射した場合と、で位相変調素子１５０による位相変調量の差を大きくすることができる。

【0092】

上記のように、複数の第１柱状部２０の形状によって、偏光と位相変調量との関係を調製することができる。

【0093】

２． 第２実施形態
２．１． 位相変調素子
次に、第２実施形態に係る位相変調素子について、図面を参照しながら説明する。図１５は、第２実施形態に係る位相変調素子２００を模式的に示す断面図である。

【0094】

以下、第２実施形態に係る位相変調素子２００において、上述した第１実施形態に係る位相変調素子１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0095】

位相変調素子２００では、図１５に示すように、第１メタサーフェス２０ａで位相が変調された光を、第１メタサーフェス２０ａに向けて反射させる反射部５０を有している点において、上述した位相変調素子１００と異なる。

【0096】

反射部５０は、基板１０の第２主面１４に設けられている。反射部５０は、例えば、銀やアルミニウムなどの金属で構成された金属層である。図示の例では、第１メタサーフェス２０ａから光が入射される。第１メタサーフェス２０ａは、入射した光の位相を変調させる。第１メタサーフェス２０ａで位相が変調された光は、基板１０を透過して反射部５０に至る。反射部５０は、第１メタサーフェス２０ａで位相が変調された光を、第１メタサーフェス２０ａに向けて反射させる。反射された光は、再び、基板１０を透過し、第１メタサーフェス２０ａで位相が変調されて、第１メタサーフェスから出射される。

【0097】

２．２． 位相変調素子の製造方法
次に、第２実施形態に係る位相変調素子２００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。

【0098】

図１５に示すように、基板１０の第２主面１４に反射部５０を形成する。反射部５０は、例えば、スパッタ法、真空蒸着法によって形成される。

【0099】

次に、基板１０の第１主面１２に、複数の第１柱状部２０を形成する。第１柱状部２０の形成方法は、上述した位相変調素子１００の製造方法と、基本的に同じである。

【0100】

以上の工程により、位相変調素子２００を製造することができる。

【0101】

２．３． 作用効果
位相変調素子２００では、第１メタサーフェス２０ａで位相が変調された光を、第１メタサーフェス２０ａに向けて反射させる反射部５０を有する。そのため、位相変調素子２００では、第１メタサーフェス２０ａによって、光の位相を２回変調することができるため、第１メタサーフェス２０ａによる１回分の位相変調量を少なくすることができる。これにより、例えば、第１柱状部２０の高さを小さくすることができ、複数の第１柱状部２０を容易に形成することができる。

【0102】

なお、位相変調素子２００では、図１６に示すように、複数の第１柱状部２０は、基板１０の所定の領域にのみ設けられていてもよい。また、図１７に示すように、基板１０は、レンズであってもよい。

【0103】

２．４． 変形例
次に、第２実施形態の変形例に係る位相変調素子について、図面を参照しながら説明する。図１８は、第２実施形態の変形例係る位相変調素子２１０を模式的に示す断面図である。

【0104】

以下、第２実施形態の変形例に係る位相変調素子２１０において、上述した第２実施形態に係る位相変調素子２００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。

【0105】

位相変調素子２１０では、図１８に示すように、被覆層４０を有している点において、
上述した位相変調素子１００と異なる。被覆層４０の材質および機能などは、上述した位相変調素子１４０で説明したとおりである。

【0106】

なお、図１９に示すように、複数の第１柱状部２０が基板１０の所定の領域にのみ設けられている場合において、被覆層４０は、第１柱状部２０を被覆していてもよい。また、図２０に示すように、基板１０がレンズである場合において、被覆層４０は、第１柱状部２０を被覆していてもよい。

【0107】

３． 第３実施形態
次に、第３実施形態に係るプロジェクターについて、図面を参照しながら説明する。図２１は、第３実施形態に係るプロジェクター７００を模式的に示す図である。

【0108】

プロジェクター７００は、図示しない筐体と、図２１に示すように、図筐体内に設けられている赤色光、緑色光、青色光をそれぞれ出射する赤色光源７０２Ｒ、緑色光源７０２Ｇ、青色光源７０２Ｂと、を有している。光源７０２Ｒ，７０２Ｇ，７０２Ｂは、例えば、半導体レーザー、ＬＥＤ（Light Emitting Diode）で構成されている。

【0109】

プロジェクター７００は、さらに、光学素子として、位相変調素子１００を有している。

【0110】

プロジェクター７００は、筐体内に設けられた、第１光学素子１００Ｒと、第２光学素子１００Ｇと、第３光学素子１００Ｂと、第１光変調装置７０４Ｒと、第２光変調装置７０４Ｇと、第３光変調装置７０４Ｂと、投射装置７０８と、を有している。第１光変調装置７０４Ｒ、第２光変調装置７０４Ｇ、および第３光変調装置７０４Ｂは、例えば、透過型の液晶ライトバルブである。投射装置７０８は、例えば、投射レンズである。投射レンズは、位相変調素子１００によって構成されていてもよい。

【0111】

赤色光源７０２Ｒから出射された光は、第１光学素子１００Ｒに入射する。赤色光源７０２Ｒから出射された光は、第１光学素子１００Ｒによって集光される。なお、第１光学素子１００Ｒは、集光以外の機能を有していてもよい。後述する第２光学素子１００Ｇおよび第３光学素子１００Ｂについても同様である。

【0112】

第１光学素子１００Ｒによって集光された光は、第１光変調装置７０４Ｒに入射する。第１光変調装置７０４Ｒは、入射した光を画像情報に応じて変調させる。そして、投射装置７０８は、第１光変調装置７０４Ｒによって形成された像を拡大してスクリーン７１０に投射する。

【0113】

緑色光源７０２Ｇから出射された光は、第２光学素子１００Ｇに入射する。緑色光源７０２Ｇから出射された光は、第２光学素子１００Ｇによって集光される。

【0114】

第２光学素子１００Ｇによって集光された光は、第２光変調装置７０４Ｇに入射する。第２光変調装置７０４Ｇは、入射した光を画像情報に応じて変調させる。そして、投射装置７０８は、第２光変調装置７０４Ｇによって形成された像を拡大してスクリーン７１０に投射する。

【0115】

青色光源７０２Ｂから出射された光は、第３光学素子１００Ｂに入射する。青色光源７０２Ｂから出射された光は、第３光学素子１００Ｂによって集光される。

【0116】

第３光学素子１００Ｂによって集光された光は、第３光変調装置７０４Ｂに入射する。第３光変調装置７０４Ｂは、入射した光を画像情報に応じて変調させる。そして、投射装
置７０８は、第３光変調装置７０４Ｂによって形成された像を拡大してスクリーン７１０に投射する。

【0117】

プロジェクター７００は、さらに、第１光変調装置７０４Ｒ、第２光変調装置７０４Ｇ、および第３光変調装置７０４Ｂから出射された光を合成して投射装置７０８に導くクロスダイクロイックプリズム７０６を有している。

【0118】

第１光変調装置７０４Ｒ、第２光変調装置７０４Ｇ、および第３光変調装置７０４Ｂによって変調された３つの色光は、クロスダイクロイックプリズム７０６に入射する。クロスダイクロイックプリズム７０６は、４つの直角プリズムを貼り合わせて形成され、その内面に赤色光を反射する誘電体多層膜と青色光を反射する誘電体多層膜とが配置されている。これらの誘電体多層膜によって３つの色光が合成され、カラー画像を表す光が形成される。そして、合成された光は、投射装置７０８によりスクリーン７１０上に投射され、拡大された画像が表示される。

【0119】

なお、赤色光源７０２Ｒ、緑色光源７０２Ｇ、および青色光源７０２Ｂを、映像の画素として画像情報に応じて制御することで、第１光変調装置７０４Ｒ、第２光変調装置７０４Ｇ、および第３光変調装置７０４Ｂを用いずに、直接的に映像を形成してもよい。そして、投射装置７０８は、赤色光源７０２Ｒ、緑色光源７０２Ｇ、および青色光源７０２Ｂによって形成された映像を、拡大してスクリーン７１０に投射してもよい。

【0120】

また、上記の例では、光変調装置として透過型の液晶ライトバルブを用いたが、液晶以外のライトバルブを用いてもよいし、反射型のライトバルブを用いてもよい。このようなライトバルブとしては、例えば、反射型の液晶ライトバルブや、デジタルマイクロミラーデバイス（Digital Micro Mirror Device）が挙げられる。また、投射装置の構成は、使
用されるライトバルブの種類によって適宜変更される。

【0121】

また、光源を、光源からの光をスクリーン上で走査させることにより、表示面に所望の大きさの画像を表示させる画像形成装置である走査手段を有するような走査型の画像表示装置の光源装置にも適用することが可能である。

【0122】

また、クロスダイクロイックプリズム合成された光は、投射装置によって、スクリーンでなく、例えば、ホワイトボードや壁などに照射されてもよい。この場合、プロジェクターは、照射される領域の形状を、赤外線などによってセンシングする機能を有していてもよい。

【0123】

４． 第４実施形態
４．１． 全体の構成
次に、第４実施形態に係るヘッドマウントディスプレイについて、図面を参照しながら説明する。図２２は、第４実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ９００を模式的に示す斜視図である。なお、図２２では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。

【0124】

ヘッドマウントディスプレイ９００は、図２２に示すように、眼鏡のような外見を有する頭部装着型の表示装置である。ヘッドマウントディスプレイ９００は、観察者の頭部に装着される。観察者とは、ヘッドマウントディスプレイ９００を使用する使用者のことである。ヘッドマウントディスプレイ９００は、観察者に対して虚像による映像光を視認させることができるとともに、外界像をシースルーで視認させることができる。ヘッドマウントディスプレイ９００は、虚像表示装置ともいえる。

【0125】

ヘッドマウントディスプレイ９００は、例えば、第１表示部９１０ａと、第２表示部９１０ｂと、フレーム９２０と、第１テンプル９３０ａと、第２テンプル９３０ｂと、を有している。

【0126】

第１表示部９１０ａおよび第２表示部９１０ｂは、画像を表示する。具体的には、第１表示部９１０ａは、観察者の右眼用の虚像を表示する。第２表示部９１０ｂは、観察者の左眼用の虚像を表示する。図示の例では、第１表示部９１０ａは、第２表示部９１０ｂの－Ｘ軸方向に設けられている。表示部９１０ａ，９１０ｂ、例えば、像形成装置９１１と、導光装置９１６と、を有している。

【0127】

像形成装置９１１は、画像光を形成する。像形成装置９１１は、例えば、光源や投射装置などの光学系と、外部部材９１２と、を有している。外部部材９１２は、光源および投射装置などを収容している。

【0128】

導光装置９１６は、観察者の眼前を覆う。導光装置９１６は、像形成装置９１１で形成された映像光を導光させるとともに、外界光と映像光とを重複して観察者に視認させる。なお、像形成装置９１１および導光装置９１６の詳細については、後述する。

【0129】

フレーム９２０は、第１表示部９１０ａおよび第２表示部９１０ｂを支持している。フレーム９２０は、例えば、Ｙ軸方向からみて、表示部９１０ａ，９１０ｂを囲んでいる。図示の例では、第１表示部９１０ａの像形成装置９１１は、フレーム９２０の－Ｘ軸方向の端部に取り付けられている。第２表示部９１０ｂの像形成装置９１１は、フレーム９２０の＋Ｘ軸方向の端部に取り付けられている。

【0130】

第１テンプル９３０ａおよび第２テンプル９３０ｂは、フレーム９２０から延出している。図示の例では、第１テンプル９３０ａは、フレーム９２０の－Ｘ軸方向の端部から＋Ｙ軸方向に延出している。第２テンプル９３０ｂは、フレーム９２０の＋Ｘ軸方向の端部から＋Ｙ軸方向に延出している。

【0131】

第１テンプル９３０ａおよび第２テンプル９３０ｂは、ヘッドマウントディスプレイ９００が観察者に装着された場合に、観察者の耳に懸架される。テンプル９３０ａ，９３０ｂ間に、観察者の頭部が位置する。

【0132】

４．２． 像形成装置および導光装置
図２３は、第４実施形態に係るヘッドマウントディスプレイ９００の第１表示部９１０ａの像形成装置９１１および導光装置９１６を模式的に示す図である。なお、第１表示部９１０ａと第２表示部９１０ｂとは、基本的に同じ構成を有している。したがって、以下の第１表示部９１０ａの説明は、第２表示部９１０ｂに適用することができる。

【0133】

像形成装置９１１は、図２３に示すように、例えば、位相変調素子１００と、光源９１３と、光変調装置９１４と、結像用の投射装置９１５と、を有している。

【0134】

光源９１３は、光を出射する。光源９１３は、例えば、半導体レーザー、ＬＥＤで構成されている。光源９１３から出射された光は、位相変調素子１００に入射する。光源９１３から出射された光は、位相変調素子１００によって集光される。なお、位相変調素子１００は、集光以外の機能を有していてもよい。

【0135】

光変調装置９１４は、位相変調素子１００で集光された光を、画像情報に応じて変調して、映像光を出射する。光変調装置９１４は、透過型の液晶ライトバルブである。なお、光源９１３は、入力された画像情報に応じて発光する自発光型の光源であってもよい。こ
の場合、光変調装置９１４は、設けられない。

【0136】

投射装置９１５は、光変調装置９１４から出射された映像光を、導光装置９１６に向けて投射する。投射装置９１５は、例えば、投射レンズである。投射レンズは、位相変調素子１００によって構成されていてもよい。投射装置９１５を構成するレンズとして、軸対称面をレンズ面とするものを用いてもよい。

【0137】

導光装置９１６は、例えば、投射装置９１５の鏡筒にねじ止めされることにより、投射装置９１５に対して精度よく位置決めされている。導光装置９１６は、例えば、映像光を導光する映像光導光部材９１７と、透視用の透視部材９１９と、を有している。

【0138】

映像光導光部材９１７には、投射装置９１５から出射された映像光が入射する。映像光導光部材９１７は、映像光を、観察者の眼に向けて導光するプリズムである。映像光導光部材９１７に入射した映像光は、映像光導光部材９１７の内面において反射を繰り返した後、反射層９１８で反射されて映像光導光部材９１７から出射される。映像光導光部材９１７から出射された映像光は、観察者の眼に至る。図示の例では、反射層９１８は、映像光を＋Ｙ軸方向に反射させる。反射層９１８は、例えば、金属や、誘電体多層膜で構成されている。反射層９１８は、ハーフミラーであってもよい。

【0139】

透視部材９１９は、映像光導光部材９１７に隣接している。透視部材９１９は、映像光導光部材９１７に固定されている。透視部材９１９の外表面は、例えば、映像光導光部材９１７の外表面と連続している。透視部材９１９は、観察者に、外界光を透視させる。なお、映像光導光部材９１７についても、映像光を導光する機能の他に、観察者に外界光を透視させる機能を有している。

【0140】

上述した実施形態に係る位相変調素子は、プロジェクターおよびヘッドマウントディスプレイ以外にも用いられることができる。上述した実施形態に係る位相変調素子は、例えば、カメラ、スキャナー、眼鏡、眼内レンズ、コンタクトレンズに用いられることができる。

【0141】

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

【0142】

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成、例えば、機能、方法および結果が同一の構成、あるいは目的および効果が同一の構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成または同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

【0143】

上述した実施形態および変形例から以下の内容が導き出される。

【0144】

位相変調素子の一態様は、
基板と、
前記基板に設けられた複数の第１柱状部を有する第１メタサーフェスと、
を有し、
前記複数の第１柱状部の各々は、金属で構成され、
前記複数の第１柱状部の各々の最も前記基板とは反対側を第１位置、前記第１位置と前記基板との間を第２位置とし、
前記複数の第１柱状部の各々の前記基板との接触面の面積は、前記第２位置における前
記複数の第１柱状部の各々の断面積よりも大きく、かつ、前記第１位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積は、前記第２位置における前記複数の第１柱状部の各々の断面積よりも小さい。

【0145】

この位相変調素子によれば、メタサーフェスの界面で反射される光を低減することができる。

【0146】

前記位相変調素子の一態様において、
前記複数の第１柱状部の各々の断面積は、前記基板から前記第１位置に向けて漸減していてもよい。

【0147】

この位相変調素子によれば、第１メタサーフェスにおける意図せぬ反射を低減することができる。

【0148】

前記位相変調素子の一態様において、
前記第１メタサーフェスで位相が変調された光を、前記第１メタサーフェスに向けて反射させる反射部を有してもよい。

【0149】

この位相変調素子によれば、第１メタサーフェスによって、光の位相を２回変調することができる。

【0150】

前記位相変調素子の一態様において、
前記基板の前記複数の第１柱状部とは反対側に設けられた複数の第２柱状部を有する第２メタサーフェスを有し、
前記複数の第２柱状部の各々は、金属で構成され、
前記複数の第２柱状部の各々の最も前記基板とは反対側を第３位置、前記第３位置と前記基板との間を第４位置とし、
前記複数の第２柱状部の各々の前記基板との接触面の面積は、前記第４位置における前記複数の第２柱状部の各々の断面積よりも大きく、かつ、前記第３位置における前記複数の第２柱状部の各々の断面積は、前記第４位置における前記複数の第２柱状部の各々の断面積よりも小さくてもよい。

【0151】

この位相変調素子によれば、第１メタサーフェスおよび第２メタサーフェスの２つによって、光の位相を変調することができる。

【0152】

前記位相変調素子の一態様において、
前記基板は、レンズであってもよい。

【0153】

この位相変調素子によれば、第１メタサーフェスおよび基板によって、光の位相を変調することができる。

【0154】

前記位相変調素子の一態様において、
前記基板は、絶縁性であってもよい。

【0155】

この位相変調素子によれば、第１柱状部の自由電子が基板に流れることを抑制することができる。

【0156】

前記位相変調素子の一態様において、
前記複数の第１柱状部の各々を被覆する被覆層を有し、
前記被覆層の材質は、誘電体であってもよい。

【0157】

この位相変調素子によれば、酸化などによって第１柱状部の形状が崩れることを抑制することができる。

【0158】

プロジェクターの一態様は、
前記位相変調素子の一態様を有する。

【0159】

ヘッドマウントディスプレイの一態様は、
前記位相変調素子の一態様を有する。

【符号の説明】

【0160】

２…金属層、１０…基板、１２…第１主面、１４…第２主面、２０…第１柱状部、２０ａ…第１メタサーフェス、２２…第１面、２４…第２面、２６…第１側面、３０…第２柱状部、３０ａ…第２メタサーフェス、３２…第３面、３４…第４面、３６…第２側面、４０，４２…被覆層、５０…反射部、１００…位相変調素子、１００Ｒ…第１光学素子、１００Ｇ…第２光学素子、１００Ｂ…第３光学素子、１１０，１２０，１３０，１４０，１５０，２００，２１０…位相変調素子、７００…プロジェクター、７０２Ｒ…赤色光源、７０２Ｇ…緑色光源、７０２Ｂ…青色光源、７０４Ｒ…第１光変調装置、７０４Ｇ…第２光変調装置、７０４Ｂ…第３光変調装置、７０６…クロスダイクロイックプリズム、７０８…投射装置、７１０…スクリーン、９００…ヘッドマウントディスプレイ、９１０ａ…第１表示部、９１０ｂ…第２表示部、９１１…像形成装置、９１２…外部部材、９１３…光源、９１４…光変調装置、９１５…投射装置、９１６…導光装置、９１７…映像光導光部材、９１８…反射層、９１９…透視部材、９２０…フレーム、９３０ａ…第１テンプル、９３０ｂ…第２テンプル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】