CN115903093A - 波面控制元件、照明装置和投影仪 - Google Patents

Abstract

波面控制元件、照明装置和投影仪。降低光通信用模块中的光源的位置偏移的影响。本发明的超构透镜(波面控制元件)是控制入射光的波面的波面控制元件，具有多个超构表面区域。多个超构表面区域配置成阵列状。

Description

波面控制元件、照明装置和投影仪

技术领域

本发明涉及波面控制元件、照明装置和投影仪。

背景技术

超构材料(metamaterials)由具有比波长小的尺寸的结构体构成，是对于包含光的电磁波表现出在自然界中无法得到的导磁率或在自然界中不存在的行为的人工物质。通过使用这样的超构材料，能够实现如具有负折射率的光学元件那样难以通过以往的折射型光学元件或衍射型光学元件实现的光学元件。另外，超构材料如上所述由比波长细的微细结构体(结构体)构成，具备小型且薄型的微小谐振器结构。超构材料主要分为由周期结构构成的多层膜等的1维结构、纳米天线或超构表面元件等的2维结构、或者鱼网结构等的3维结构。超构材料的维数越高，则可控制的光学特性越多，但可能微细结构体的制造误差变大，与所希望的光学特性的偏差扩大。由于在图像显示装置中使用的可见光具有比微波或红外光短的波长，所以，在图像显示装置中使用的超构材料与在使用微波或红外光的装置中使用的超构材料相比，要求高精度的制作技术。因此，在实用上，图像显示装置中使用的超构材料是1维结构或超构表面元件等的2维结构。

例如，专利文献1公开了用于成像的超构透镜(metalens)。超构透镜是一种超构表面。超构透镜结构体的高度、宽度、旋转角等的形状根据由超构透镜控制的光的相移量而设定。使沿着基材的表面的方向上的纳米(nm)级的结构体的形状变化，形成得到透镜功能的相位分布，由此实现超构透镜。

例如，专利文献2公开了投影仪用的超构透镜。另外，专利文献3公开了荧光照明系统用的超构透镜。这些超构透镜对投影仪或荧光照射系统的可见光表现出期望的光学功能。

专利文献1：日本特表2019-516128号公报

专利文献2：日本特开2019-086765号公报

专利文献3：日本特表2018-537804号公报。

在上述专利文献1～3公开的超构透镜的设计中，计算与微细构造体的形状相关的参数所对应的相位调制量，将能够得到计算出的期望的相位调制量的微细构造体配置在基材的表面上。在设计的相位调制量及微细构造体的形状的实际尺寸的评价中，由于实际尺寸为光的波长以下，所以，使用有限差分时域法(Finite Difference Time DomainMethod；FDTD法)等电磁波分析。但是，随着基材的表面的面积的增加，微细结构体的实际尺寸及配置的设计评价的计算负荷提高，计算时间增大。特别是，如专利文献2、3中公开的超构透镜那样，在对可见光进行作用的情况下，基材的表面具有厘米(cm)级的大小，所以，在微细结构体的实际尺寸及配置的评价中需要庞大的计算负荷及计算时间。因此，在计算微细构造体的实际尺寸及配置来进行设计评价时，也进行了导入机器学习的研究，但尚未达到实用。

发明内容

为了解决上述课题，本发明的一个方式的波面控制元件是控制入射光的波面的波面控制元件，具有多个超构表面区域。多个超构表面区域配置成阵列状且各自具有透镜功能。在多个超构表面区域各自中，使入射光会聚或发散。

附图说明

图1是具备第1实施方式的波面控制元件的投影仪的概略结构图。

图2是第1实施方式的波面控制元件的侧视图。

图3是图1所示的波面控制元件的主视图。

图4是图1所示的波面控制元件的超构表面区域的剖视图。

图5是用于说明图1所示的波面控制元件的超构表面区域的设计的立体图。

图6是用于说明图1所示的波面控制元件的另一超构表面区域的设计的立体图。

图7是用于说明图1所示的波面控制元件的又一超构表面区域的设计的立体图。

图8是第1实施方式的变形例的波面控制元件的侧视图。

图9是第2实施方式的波面控制元件的侧视图。

图10是图9所示的波面控制元件的超构表面区域的剖视图。

图11是第3实施方式的波面控制元件的侧视图。

图12是第4实施方式的波面控制元件的侧视图。

图13是第5实施方式的波面控制元件的侧视图。

图14是第6实施方式的波面控制元件的侧视图。

图15是第7实施方式的波面控制元件的侧视图。

图16是第8实施方式的波面控制元件的侧视图。

标号说明

111、112、113、114、115、116、117、118超构透镜(波面控制元件)；120超构表面区域；121超构表面区域(第1超构表面区域)；122、123超构表面区域(第2超构表面区域)；PF、PF1、PF2、PF3焦点位置。

具体实施方式

[第1实施方式]

以下，使用图1至图8对本发明的第1实施方式进行说明。

图1是具备第1实施方式的波面控制元件的投影仪1的概略结构图。另外，在以下的各图中，为了容易观察各构成要素，有时根据构成要素而改变尺寸的比例尺。

(投影仪)

如图1所示，投影仪1具备照明装置100、色分离光学系统200、光调制装置400R、400G、400B、十字分色棱镜500及投影光学系统600。照明装置100射出包含红色光(R)、绿色光(G)和蓝色光(B)的白色光WL。

照明装置100具备光源装置2、会聚光学系统30、旋转荧光板40、拾取光学系统60、第1透镜阵列70、第2透镜阵列80、偏振转换元件92和重叠透镜94。

光源装置2包括光源单元10和准直光学系统20。光源部10具备基板11和多个发光元件12。基板11在俯视时具有例如大致正方形或大致长方形等四边形状。基板11具有搭载发光元件12的搭载面，搭载面例如是平坦面。另外，也可以在与基板11的搭载面相反的一侧的面上设置散热器等散热部件。基板11的形成材料使用散热性高的材料例如金属材料。

多个发光元件12相对于基板11的搭载面配置成阵列状。在图1所示的结构中，沿着与基板11的搭载面平行的一个方向配置有4个发光元件12的列沿着与所述一个方向正交的方向排列有4列。发光元件12经由未图示的支承部件设置在基板11的搭载面上。发光元件12是激光光源，具有射出激光的射出面。发光元件12射出的光例如是具有445nm的波长的蓝色光。

从光源部10射出的各个光入射到准直光学系统20。准直光学系统20具有多个准直透镜21。准直透镜21与发光元件12以1对1的方式对应。因此，从各个发光元件12射出的光被对应的准直透镜21转换为平行光。

光源装置2向会聚光学系统30射出多个平行化的光。以下，将从光源装置2射出的多个光统称为光束LB。

会聚光学系统30包括超构透镜(波面控制元件)111。会聚光学系统30配置在从光源装置2到旋转荧光板40的光路中，使光束LB在大致会聚的状态下作为激励光入射到旋转荧光板40的荧光体层42。超构透镜111的详细结构在后面叙述。

旋转荧光板40具备荧光体层42和分色膜43。荧光体层42配置在能够通过电机50以光束LB的光轴为中心旋转的圆板41上，沿着圆板41的周向设置。圆板41由透过蓝色光的材料形成。圆板41的材料例如可举出石英玻璃、石英、蓝宝石、光学玻璃、透明树脂等。

如上所述，从光源装置2射出的光束LB在沿着光轴的方向上从圆板41侧入射到荧光体层42。荧光体层42被光束LB激发。荧光体层42将来自光源装置2的光束LB的一部分转换成荧光，并且不转换光束LB的剩余的一部分而使其通过。荧光体层42例如由含有作为YAG系荧光体的(Y,Gd)₃(Al,Ga)₅O₁₂:Ce的层构成。

分色膜43设置在荧光体层42与圆板41之间，透过由蓝色激光构成的光束LB，反射荧光。由此，旋转荧光板40将透过荧光体层42的蓝色的光束LB的一部分与从荧光体层42射出的荧光合成，朝向拾取光学系统60射出白色光WL。

拾取光学系统60具备透镜201，使从旋转荧光板40射出的白色光WL大致平行化。透镜201例如由凸透镜构成，但也可以由基于多个凸透镜的透镜光学系统构成。

被拾取光学系统60平行化的白色光WL入射到第1透镜阵列70。第1透镜阵列70具有用于将来自拾取光学系统60的光分割为多个部分光束的多个小透镜71。多个小透镜71在与照明装置100的照明光轴100ax正交的面内排列成矩阵状。第2透镜阵列80具有与第1透镜阵列70的多个小透镜71对应的多个小透镜81。第2透镜阵列80与重叠透镜94一起，使第1透镜阵列70的各个小透镜71的像形成于光调制装置400R、400G、400B各自的图像形成区域的附近。多个小透镜81在与照明光轴100ax正交的面内排列成矩阵状。

偏振转换元件92将由第1透镜阵列70分割的各部分光束转换为线偏振光。偏振转换元件92具有偏振分离层、反射层和相位差板。偏振转换元件92的偏振分离层使从照明装置100射出的白色光WL包含的偏振成分中的一方的线偏振成分透射，并将另一方的线偏振成分朝垂直于照明光轴100ax的方向反射。偏振转换元件92的反射层将偏振分离层反射的另一方的线偏振成分朝平行于照明光轴100ax的方向反射。偏振转换元件92的相位差板将由反射层反射的另一方的线偏振成分转换为一方的线偏振成分。

重叠透镜94对来自偏振转换元件92的各部分光束进行会聚而使其重叠于各光调制装置400R、400G、400B各自的图像形成区域的附近。第1透镜阵列70、第2透镜阵列80及重叠透镜94在图像形成区域构成使来自照明装置100的白色光WL的面内光强度分布均匀的积分光学系统。

色分离光学系统200具备分色镜210、220、反射镜230、240、250以及中继透镜260、270。色分离光学系统200将从照明装置100射出的白色光WL分离为红色光R、绿色光G及蓝色光B，将红色光R、绿色光G及蓝色光B向分别对应的光调制装置400R、400G、400B导光。在色分离光学系统200和光调制装置400R、400G、400B之间配置有场透镜300R、300G、300B。

分色镜210使红色光成分通过，反射绿色光成分和蓝色光成分。分色镜220反射绿色光成分，使蓝色光成分通过。反射镜230反射红色光成分。反射镜240、250反射蓝色光成分。

光调制装置400R、400G、400B分别由根据图像信息对入射的各色光进行调制而形成图像的液晶面板构成。液晶面板的工作模式可以是TN模式、VA模式、横向电场模式等中的任意一种，不限于特定的模式。光调制装置400R、400G、400B分别具备配置于光入射面侧的入射侧偏振板(未图示)和配置于光射出面侧的射出侧偏振板(未图示)。

十字分色棱镜500对从光调制装置400R、400G、400B各自射出的图像光进行合成而形成彩色图像。十字分色棱镜500贴合4个直角棱镜而构成，俯视呈大致正方形状。在十字分色棱镜500中，在使直角棱镜彼此贴合的大致X字状界面形成有电介质多层膜。

从十字分色棱镜500射出的彩色图像被投影光学系统600放大投影，在屏幕SCR上形成图像。

(波面控制元件)

接着，对上述投影仪1的照明装置100使用的超构透镜111进行说明。第1实施方式的超构透镜111是控制从光源装置2入射的由蓝色光构成的光束(入射光)LB的波面的波面控制元件，具体而言，将光束LB的大致平行化后的平行波面转换为朝向旋转荧光板40的荧光体层42的规定会聚点或会聚区域收敛的收敛波面。

以下，将与入射到超构透镜111的光束LB的光轴AX平行的方向设为Z方向，将Z方向的相对一侧设为+Z侧，将Z方向的相对另一侧设为-Z侧。另外，将与Z方向正交的一个方向设为X方向，将X方向的相对一侧设为+X侧，将X方向的相对另一侧设为-X侧。另外，将存在于与X方向相同的面内且与X方向以及Z方向双方正交的方向设为Y方向，将Y方向的相对一侧设为+Y侧，将Y方向的相对另一侧设为-Y侧。

图2是超构透镜111的侧视图。图3是超构透镜111的主视图。如图2及图3所示，超构透镜111具有多个超构表面(metasurface)区域120。多个超构表面区域120在包含X方向和Y方向的XY平面上配置成阵列状。即，超构透镜111具备以整体上能够作为1个光学元件发挥功能的方式相互具有相对位置关系地配置的多个超构表面区域120，而不是具备与相互的相对位置关系没有任何关联地配置的多个超构表面区域。

超构透镜111由在规定方向即图2所示的X方向以及Y方向上相互邻接配置的多个超构表面区域120构成。例如，如图2所示，超构透镜111在X方向和Y方向上分别由4个超构表面区域120构成，如图3所示，在XY平面上由合计16个超构表面区域120构成。

超构透镜111在沿着Z方向观察的主视下形成为矩形状。各个超构表面区域120在沿着Z方向观察的主视下形成为矩形状。如果将超构透镜111的X方向以及Y方向的大小设为尺寸S111，将超构表面区域120的X方向以及Y方向的大小设为尺寸S120，则S111＝4×S120。尺寸S111为厘米(cm)级，与此相对，尺寸S120为微米(μm)级。

超构透镜111的多个超构表面区域120被分类为4种超构表面区域121、122、123。各个超构表面区域121～123是透射型的超构表面区域，由各个透射型的超构透镜151～153构成。如图3所示，在超构透镜111中的XY平面上的中心侧的4个超构表面区域120配置有超构表面区域121。在超构透镜111中的XY平面上的中心侧的4个超构表面区域120周围的合计12个超构表面区域120配置有超构表面区域122、123。

如图2及图3所示，超构透镜111的X方向及Y方向的中心与光轴AX重叠。超构透镜111的焦点(一点)F与超构透镜111的+Z侧的表面相距焦距f而设定在该表面的+Z侧。另外，焦点F与参照图1说明的投影仪1的照明装置100中的旋转荧光板40的荧光体层42的规定的会聚点相同。即，超构透镜111将入射的光束LB会聚于荧光体层42的内部的焦点F。

在超构透镜111中，多个超构表面区域120的焦点位置PF彼此相同。即，超构表面区域(第1超构表面区域)121的焦点位置PF1与超构表面区域(第2超构表面区域)122的焦点位置PF2以及超构表面区域(第3超构表面区域)123的焦点位置PF3彼此相同。因此，从每个种类的超构表面区域来看，构成超构表面区域121的超构透镜151在XY平面上的中心和焦点F在X方向以及Y方向上位于互不相同的位置。如上所述，超构透镜111具体由4×4个超构表面区域120构成，在XY平面上，超构透镜111的中心和焦点F相互重叠，所以，对于超构透镜151而言，在沿着Z方向观察时，焦点F位于自身的区域的四个角中的某一个角。

构成超构表面区域122、123的超构透镜152、153在XY平面上的中心和焦点F在X方向以及Y方向上位于互不相同的位置。对于超构透镜152、153而言，在沿着Z方向观察时，焦点F位于自身的区域外。也就是说，超构透镜151～153分别是离轴型透镜。此外，超构透镜152和153是离轴量大于超构透镜151的透镜。此外，超构透镜153是离轴量比超构透镜152大的透镜。

图4是与XY平面平行地切断超构表面区域120的剖视图。超构表面区域120具有平板状的基材102和多个结构体103。基材102的+Z侧的表面102a以及-Z侧的背面102b与XY平面平行，在XY平面上延伸。基材102的X方向及Y方向的大小为尺寸S120。基材102的Z方向的大小没有特别限定，根据光束LB的波长或投影仪1所要求的光学性能等而适当设定。另外，多个超构表面区域120的基材102可以相互一体地形成，也可以各自独立地形成，在X方向和Y方向上排列时接合。

多个结构体103在基材102的表面102a上相互隔开间隔d而配置。各结构体103具有X方向上的宽度t(未示出)、Y方向上的宽度w和Z方向上的高度h。在图4中，多个结构体103的宽度w以相互大致相同的尺寸进行例示，但多个结构体103的宽度t、w分别相互独立地基于以下说明的方针进行设计。即，在XY平面上彼此相邻的结构体103、103彼此的宽度t、w分别可以是彼此相同的尺寸、也可以是彼此不同的尺寸。此外，在图3、图5至图7的各图中，省略了多个构造体103。

基材102和多个结构体103由对于光束LB的波段具有高透射率的材料形成。如果光束LB的波长在可见波长区域例如445nm，则基材102和多个结构体103的材料例如可举出光学玻璃、氧化硅(SiO₂)、氧化钛(TiO₂)等。

图5是用于说明构成超构表面区域121的超构透镜151的设计的立体图。如图5所示，超构透镜151在X方向以及Y方向上的中心121C与存在于焦点位置PF1的焦点F在X方向以及Y方向上分别相距尺寸S120×(1/2)，在Z方向上相距焦距f。按照尺寸S120、焦距f以及光束LB的中心波长(波长、峰值波长)设计超构表面区域121的多个结构体103(省略图示)各自的宽度t、w、在XY平面上相邻的结构体103彼此的间隔d以及结构体103的延伸方向，以使入射到超构表面区域121的光束LB会聚于如上所述在X方向、Y方向以及Z方向上相距各自的尺寸的+Z侧的焦点F。超构表面区域121的多个结构体103的高度h根据光束LB的中心波长和超构透镜151所要求的相位调制量来设定。

在图5所例示的超构表面区域121中，在沿Z方向观察时，焦点F与超构表面区域121的-X侧且-Y侧的角重叠。图5例示的超构表面区域121相当于图3例示的4个超构表面区域121中的+X侧且+Y侧的超构表面区域121。+X侧且+Y侧的超构表面区域121以外的3个超构表面区域121的多个结构体103的形状及分布是通过对应于与+X侧且+Y侧的超构表面区域121的相对配置、使+X侧且+Y侧的超构表面区域121的多个结构体103的形状及分布反转或旋转而得到的。

例如，图3例示的4个超构表面区域121中的+X侧且-Y侧的超构表面区域121的多个结构体103的形状及分布是使+X侧且+Y侧的超构表面区域121的多个结构体103的形状及分布以通过超构透镜111的XY平面上的中心111C并与X方向平行的虚拟轴为中心反转而得到的形状及分布。通过这样考虑相对于中心111C的对称性，4个超构表面区域121各自的多个结构体103的形状及分布的种类为1种。

图6是用于说明构成超构表面区域122的超构透镜152的设计的立体图。如图6所示，超构透镜152的X方向以及Y方向上的中心121C与存在于焦点位置PF2的焦点F在X方向上相距尺寸S120×(3/2)，在Y方向上分别相距尺寸S120×(1/2)，在Z方向上相距焦距f。根据尺寸S120、焦距f以及光束LB的中心波长(波长、峰值波长)设计超构表面区域122的多个结构体103(省略图示)各自的宽度t、w、在XY平面上相邻的结构体103彼此的间隔d以及结构体103的延伸方向，以使入射到超构表面区域122的光束LB如上述那样会聚于在X方向、Y方向以及Z方向上相距各自的尺寸的+Z侧的焦点F。超构表面区域122的多个结构体103的高度h根据光束LB的中心波长和超构透镜152所要求的相位调制量设定。

在图6例示的超构表面区域122中，当沿着Z方向观察时，焦点F位于比超构表面区域122更靠-X侧且-Y侧。图6例示的超构表面区域122相当于图3例示的8个超构表面区域122中的最靠+X侧且+Y侧的超构表面区域122。最靠+X侧且+Y侧的超构表面区域122以外的7个超构表面区域122的多个结构体103的形状及分布是通过对应于与最靠+X侧且+Y侧的超构表面区域122的相对配置而使最靠+X侧且+Y侧的超构表面区域122的多个结构体103的形状及分布反转或旋转而得到的。

例如，图3例示的8个超构表面区域122中的最靠+Y侧且+X侧的超构表面区域122的多个结构体103的形状及分布是使最靠+X侧且+Y侧的超构表面区域122的多个结构体103的形状及分布以通过超构透镜111的中心111C并相对于X方向的+X侧及Y方向的+Y侧成45°的假想轴为中心反转而得到的形状及分布。通过这样考虑相对于中心111C的对称性，8个超构表面区域122各自的多个结构体103的形状及分布的种类为1种。

图7是用于说明构成超构表面区域123的超构透镜153的设计的立体图。如图7所示，超构透镜153的X方向及Y方向上的中心121C和存在于焦点位置PF3的焦点F在X方向及Y方向上分别相距尺寸S120×(3/2)，在Z方向上相距焦距f。根据尺寸S120、焦距f以及光束LB的中心波长(波长、峰值波长)设计超构表面区域123的多个结构体103(省略图示)各自的宽度t、w、在XY平面上相邻的结构体103彼此的间隔d以及结构体103的延伸方向，以使入射到超构表面区域123的光束LB如上述那样会聚于在X方向、Y方向以及Z方向上相距各自的尺寸的+Z侧的焦点F。超构表面区域123的多个结构体103的高度h根据光束LB的中心波长及超构透镜153要求的相位调制量设定。

在图7例示的超构表面区域123中，当沿着Z方向观察时，焦点F位于比超构表面区域123更靠-X侧且-Y侧。图7例示的超构表面区域123相当于图3例示的4个超构表面区域123中的+X侧且+Y侧的超构表面区域123。+X侧且+Y侧的超构表面区域123以外的3个超构表面区域123的多个结构体103的形状以及分布是通过对应于与+X侧且+Y侧的超构表面区域123的相对配置而使+X侧且+Y侧的超构表面区域123的多个结构体103的形状以及分布反转或者旋转而得到的。

例如，图3例示的8个超构表面区域123中的-Y侧且-X侧的超构表面区域123的多个结构体103的形状及分布是将+X侧且+Y侧的超构表面区域123的多个结构体103的形状及分布以超构透镜111的中心111C为基准而在XY平面上旋转180°而得到的形状及分布。通过这样考虑相对于中心111C的对称性，4个超构表面区域123各自的多个结构体103的形状及分布的种类为1种。

超构透镜111的多个超构表面区域120的形状以及分布是通过3种超构表面区域121～123各自的形状以及分布的计算来设计的。3种超构表面区域121～123各自的结构体103的形状以及多个结构体103的分布的设计是通过如下方式进行的：根据对应的超构透镜151～153各自的位置和焦点F的上述位置关系，求出超构透镜151～153各自的理想相位分布，决定与该理想相位分布对应的宽度t、w和间隔d等与结构体103相关的尺寸。关于与理想相位分布对应的结构体103的尺寸的决定，与公知的超构透镜的设计同样地进行即可。关于使用了电磁波分析的3种超构表面区域121～123各自的形状及分布的设计，例如可参照上述的专利文献1等。3种超构表面区域121～123各自的形状及分布的设计评价是使用FDTD法等电磁波分析进行的。构造体103是光束LB的中心波长以下的微细构造体，所以，与设计出的构造体103相关的尺寸和制造出的超构透镜111的构造体103的实际尺寸之差对超构透镜111的光学功能的影响较大，在超构透镜111的实用中使用电磁波分析的设计评价是必不可少的。

以上说明的第1实施方式的超构透镜111是控制光束LB的波面的波面控制元件，具有多个超构表面区域120。多个超构表面区域120在XY平面上配置成阵列状。在第1实施方式的超构透镜111中，通过设计3种超构表面区域121～123各自的结构体103的形状以及分布，能够进行构成超构透镜111整体的超构表面的结构体的设计。超构透镜111的多个超构表面区域120各自的结构体103的宽度t、w以及高度h在光束LB的中心波长以下，所以，在设计结构体103的形状以及多个结构体103的分布时，需要进行电磁波分析。用于投影仪1且控制由蓝色光构成的光束LB的波面的超构透镜111的尺寸S111为cm级。如果如以往那样使用FDTD法等统一设计超构透镜111的整体中的结构体103的形状以及多个结构体103的分布，则计算负荷和计算时间急剧增大，不实用。另一方面，根据第1实施方式的超构透镜111，通过进行μm级的超构表面区域120具体而言3个超构表面区域121～123各自的结构体103的形状以及多个结构体103的分布的设计，可将使用FDTD法等电磁波分析时的计算负荷和计算时间抑制在实用的水平。根据第1实施方式的超构透镜111，通过将多个超构表面区域120即μm级的超构透镜151～153阵列化，能够在不增加设计评价时的计算负荷的情况下实现用于投影仪1的cm级的透镜。根据第1实施方式的超构透镜111，结构体103的实际尺寸以及配置的设计评价不需要庞大的计算负荷以及计算时间。

在第1实施方式的超构透镜111中，多个超构表面区域120具有超构表面区域121和超构表面区域122、123。超构表面区域121的焦点位置PF1和超构表面区域122、123各自的焦点位置PF2、PF3彼此相同。超构透镜111在沿着入射的光束LB的光轴AX的Z方向上，使光束LB在入射侧的相反侧即+Z侧会聚于焦点F。具体而言，超构表面区域121～123使光束LB会聚于彼此相同且共同的焦点F。根据第1实施方式的超构透镜111，能够实现电磁波分析的计算负荷和计算时间低至实用水平程度的、cm级的离轴式会聚透镜。

在第1实施方式的超构透镜111中，多个超构表面区域120分别是透射型超构表面。根据第1实施方式的超构透镜111，能够实现电磁波分析的计算负荷以及计算时间低至实用水平的透射型的会聚透镜。

另外，关于上述第1实施方式的超构透镜111，作为构成超构透镜111的多个超构表面区域120，如图2及图3所示，例示了在XY平面上以4×4个排列的合计16个超构表面区域120。但是，超构透镜111具备的超构表面区域120的数量不限于16个。为了进行使用了FDTD等电磁波分析的设计评价，优选根据适合且实用的尺寸来设定多个超构表面区域120的尺寸S120。如果超构透镜111的尺寸S111一定，则随着超构表面区域120的尺寸S120变小，超构表面区域120的阵列数增加。在超构透镜111中，如果随着超构表面区域120的阵列数的增加，超构表面区域120的多个结构体103的形状以及分布的种类数增加，则设计评价时的电磁波分析的计算次数以及计算负荷急速增加。但是，通过将多个超构表面区域120中的2个以上的超构表面区域120彼此配置在相对于超构透镜111的中心111C相互对称的位置，能够抑制超构表面区域120的多个结构体103的形状以及分布的种类数，将设计评价时的电磁波分析的计算次数以及计算负荷抑制在实用水平。

在第1实施方式的超构透镜111中，从与光束LB平行的Z方向观察时，多个超构表面区域120以超构透镜111的中心111C为基准相互具有对称性地配置。具体而言，如图3所示，4个超构表面区域121以通过中心111C的X方向或Y方向为基准相互具有对称性，或者以中心111C为基准配置成旋转对称。另外，8个超构表面区域122以通过中心111C的X方向或Y方向为基准相互具有对称性，或者以中心111C为基准配置成旋转对称。进而，超构表面区域123以通过中心111C的X方向或Y方向为基准相互具有对称性，或者以中心111C为基准配置成旋转对称。由此，阵列数16的超构透镜111的超构表面区域120的结构体103的形状以及多个结构体103的分布的设计以及评价可以通过超构表面区域121～123各自的结构体103的形状以及多个结构体103的分布即3种结构体103的形状以及多个结构体103的分布的设计以及评价来进行。即，通过使超构表面区域121～123的相对配置具有对称性，可将阵列数16的超构透镜111的设计评价时的计算时间以及计算负荷相对于16种超构表面区域120的计算时间以及计算负荷降低到(3/16)左右。

图8是第1实施方式的超构透镜111的变形例的超构透镜112的侧视图。在图2中，焦点F以点状示出。即，超构透镜111的超构表面区域120的尺寸S120比焦点F的大小大到可以将焦点F视为点的程度。但是，如图8所示，超构透镜112的超构表面区域120的尺寸S120也可以与焦点F的X方向以及Y方向的尺寸SF相等。在超构透镜112中，各个超构表面区域121～123由各个透射型的超构光栅154～156构成。另外，在图8中，超构表面区域122和超构光栅155没有出现。各个超构光栅154～156使作为平行光入射的光束LB向焦点F偏转。

在第1实施方式的变形例的超构透镜112中，也与第1实施方式的超构透镜111同样，为了进行使用了FDTD等电磁波分析的设计评价，优选根据适合且实用的尺寸设定多个超构表面区域120的尺寸S120。另外，优选通过使超构表面区域121～123的相对配置具有对称性，减少超构表面区域120的结构体103的形状以及多个结构体103的分布的种类数。

第1实施方式的照明装置100具备超构透镜111作为会聚光学系统30。根据第1实施方式的照明装置100，使用如上述那样将设计评价时的电磁波分析的计算负荷以及计算时间/计算次数适当地抑制为实用水平的超构透镜111，能够实现超薄型的会聚光学系统30。根据第1实施方式的照明装置100，能够实现装置整体的小型化及薄型化。

第1实施方式的投影仪1具备上述的超构透镜111。根据第1实施方式的投影仪1，将以照明装置100中使用的超构透镜111为代表的具有cm级大小的各种光学元件按照μm级的超构表面区域120进行阵列化，能够具备比以往更薄型的各种光学元件实现整体的小型化以及薄型化而不花费设计评价时的电磁波分析的计算负荷以及计算时间/计算次数。

另外，在第1实施方式的投影仪1中，除了会聚光学系统30之外，拾取光学系统60的透镜201也可以与超构透镜111同样地由通过多个超构表面区域120阵列化的超构透镜构成。此外，在第1实施方式的投影仪1中，色分离光学系统200的中继透镜260、270的至少一个也可以由与超构透镜111同样地通过多个超构表面区域120阵列化的超构透镜构成。此外，在第1实施方式的投影仪1中，第1透镜阵列70的多个小透镜71以及第2透镜阵列80的多个小透镜81中的至少一个小透镜也可以与超构透镜111同样地由通过多个超构表面区域120阵列化的超构透镜构成。

[第2实施方式]

接着，使用图9及图10说明本发明的第2实施方式。

图9是第2实施方式的超构透镜(波面控制元件)113的侧视图。在以下的第2实施方式以后的各实施方式的波面控制元件中，对于与上位的实施方式的波面控制元件共通的结构，标注与该共通的结构相同的标号，省略其说明。主要对第2实施方式以后的各实施方式的波面控制元件，仅对与上位的实施方式的波面控制不同的内容进行说明。

如图9所示，除了透射型的各超构表面区域121～123被置换成构成反射型的各超构表面区域124～126的反射型的各超构透镜157～159以外，超构透镜113具有与超构透镜111相同的结构。另外，在图9中，超构表面区域125和超构透镜158没有出现。在入射到超构透镜113的光束LB的行进方向上，在超构透镜113的近前侧配置有半反射镜186。在第2实施方式中，从投影仪1的光源装置2射出的光束LB入射到半反射镜186，朝向超构透镜113的+Z侧的表面113a反射。从表面113a即从+Z侧入射到超构透镜113的光束LB被多个超构表面区域124～126反射，透过半反射镜186，在Z方向上会聚于与入射侧相同的+Z侧(相同侧)的焦点F。

图10是与XY平面平行地切断超构透镜113的超构表面区域120的剖视图。在超构透镜113的超构表面区域120中，在Z方向上在基材102的内部设置有由铝(Al)等金属构成的反射层105。超构表面区域(第1超构表面区域)124的结构体103的形状以及多个结构体103的分布与超构表面区域121的结构体103的形状以及多个结构体103的分布同样地设计。超构表面区域(第2超构表面区域)125、126各自的结构体103的形状以及多个结构体103的分布与超构表面区域122、123各自的结构体103的形状以及多个结构体103的分布同样地设计。但是，各个超构表面区域124～126是反射型，所以，超构表面区域124～126各自的结构体103的高度h是透射型的超构表面区域121～123各自的结构体103的高度h的约(1/2)。

关于与第1实施方式的超构透镜111共同的结构，以上说明的第2实施方式的超构透镜113起到与第1实施方式的超构透镜111同样的作用效果。另外，具有第2实施方式的超构透镜113的照明装置100以及具有照明装置100的投影仪1起到与在第1实施方式中说明的照明装置100以及投影仪1相同的作用效果。

在第2实施方式的超构透镜113中，多个超构表面区域120分别是反射型超构表面。根据第2实施方式的超构透镜113，能够实现电磁波分析的计算负荷以及计算时间低至实用水平的反射型会聚透镜。并且，根据第2实施方式的超构透镜113，入射到超构透镜113的光束LB的一部分和从超构透镜113射出的光束LB的一部分在Z方向上共享光路，因此，与第1实施方式的照明装置100、投影仪1相比，能够实现搭载超构透镜113的照明装置100和投影仪1的小型化。

在参照图1说明的投影仪1中，对应于蓝色光B的反射镜250与中继透镜270也可以一体化。另外，与绿色光G对应的分色镜220和中继透镜260也可以一体化。在第2实施方式的投影仪1中，这些相互一体化的反射镜和中继透镜也可以由与超构透镜113同样地通过多个超构表面区域120阵列化的超构透镜或者波面控制元件构成。由此，能够实现搭载超构透镜113的照明装置100和投影仪1的进一步小型化。

[第3实施方式]

接着，使用图11说明本发明的第3实施方式。

图11是第3实施方式的超构透镜(波面控制元件)114的侧视图。如图11所示，除了将各个超构表面区域121～123置换为构成透射型的超构表面区域127的透射型的超构透镜161以外，超构透镜114具有与超构透镜111相同的结构。此外，代替图1所示的投影仪1的会聚光学系统30，超构透镜114应用于第1透镜阵列70以及第2透镜阵列80的至少一方。超构透镜114的多个超构表面区域120即超构表面区域127的超构透镜161相当于第1透镜阵列70的多个小透镜71以及第2透镜阵列80的多个小透镜81中的至少一个小透镜。

超构透镜161的X方向及Y方向上的中心127C和焦点F在X方向及Y方向上相互重叠，在Z方向上相距焦距f。根据尺寸S120、焦距f以及光束LB的中心波长(波长、峰值波长)设计超构表面区域127的多个结构体103(省略图示)各自的宽度t、w、在XY平面上相邻的结构体103之间的间隔d以及结构体103的延伸方向，以使入射到超构表面区域127的光束LB如上述那样会聚于在X方向、Y方向以及Z方向上相距各自的尺寸的+Z侧的焦点F。超构表面区域127的多个结构体103的高度h根据光束LB的中心波长及超构透镜161要求的相位调制量来设定。

在超构透镜114中，多个超构表面区域120的焦点位置PF在XY平面内互不相同。具体而言，在超构透镜114中，存在与超构表面区域120、127相同数量的焦点(多个点)F。此外，在超构透镜114中，焦点F相对于多个超构表面区域127各自的相对位置在多个超构表面区域127中彼此相同。因此，多个超构透镜114的多个超构表面区域120的形状以及分布通过仅1种超构表面区域127各自的形状以及分布的计算来设计。

关于与第1实施方式的超构透镜111共同的结构，以上说明的第3实施方式的超构透镜114起到与第1实施方式的超构透镜111同样的作用效果。另外，具有第3实施方式的超构透镜114的照明装置100以及具有照明装置100的投影仪1起到与在第1实施方式中说明的照明装置100以及投影仪1相同的作用效果。

在第3实施方式的超构透镜114中，多个超构表面区域120分别具有超构表面区域127。多个超构表面区域127的焦点位置在XY平面内互不相同。具体而言，多个超构表面区域127使光束LB会聚于各个焦点F。即，超构透镜114在沿着入射的光束LB的光轴AX的Z方向上，使光束LB在入射侧的相反侧即+Z侧会聚于与多个超构表面区域120相同数量的多个焦点F。根据第3实施方式的超构透镜114，能够实现电磁波分析的计算负荷以及计算时间低到实用水平程度的、cm级的轴上型的会聚透镜。另外，根据第3实施方式的超构透镜114，能够由具备nm级的结构体13的超构表面区域120构成比以往更薄型的透镜阵列。

另外，虽未图示，但作为第3实施方式的超构透镜114的变形例，超构透镜114的多个超构表面区域120也可以与第1实施方式的超构透镜111同样地具有第1超构表面区域和第2超构表面区域。在该情况下，第1超构表面区域的焦点位置和第2超构表面区域的焦点位置也可以相互不同。

[第4实施方式]

接着，使用图12说明本发明的第4实施方式。

图12是第4实施方式的超构透镜(波面控制元件)115的侧视图。如图12所示，除了透射型的超构表面区域127被置换为构成反射型的超构表面区域128的反射型的超构透镜162以外，超构透镜115具有与超构透镜114相同的结构。此外，在参照图1说明的投影仪1中，也可以将与蓝色光B对应的反射镜250和中继透镜270一体化。另外，也可以将与绿色光G对应的分色镜220和中继透镜260一体化。如上所述，超构透镜115应用于在投影仪1中相互一体化的反射镜和中继透镜。

在入射到超构透镜115的光束LB的行进方向上，在超构透镜115的近前侧配置有半反射镜186。在第4实施方式中，从投影仪1的光源装置2射出的光束LB入射到半反射镜186，朝向超构透镜115的+Z侧的表面115a反射。从表面115a即从+Z侧入射到超构透镜115的光束LB被多个超构表面区域128反射，透过半反射镜186，在Z方向上会聚于与入射侧相同的+Z侧(相同侧)的焦点F。

虽未图示，但在超构透镜115的超构表面区域120中，在Z方向上在基材102的内部设置有由Al等金属构成的反射层105。超构表面区域128的结构体103的形状以及多个结构体103的分布与超构表面区域127的结构体103的形状以及多个结构体103的分布同样地设计。但是，超构表面区域128是反射型，所以，超构表面区域128的结构体103的高度h是透射型的超构表面区域127的结构体103的高度h的约(1/2)。

关于与第3实施方式的超构透镜114共同的结构，以上说明的第4实施方式的超构透镜115起到与第3实施方式的超构透镜114同样的作用效果。另外，具有第4实施方式的超构透镜115的照明装置100以及具有照明装置100的投影仪1起到与在第1实施方式中说明的照明装置100以及投影仪1相同的作用效果。

在第4实施方式的超构透镜115中，多个超构表面区域120分别是反射型超构表面。根据第4实施方式的超构透镜115，能够实现电磁波分析的计算负荷以及计算时间低到实用水平程度的反射型的透镜阵列。并且，根据第4实施方式的超构透镜115，入射到超构透镜115的光束LB的一部分和从超构透镜115射出的光束LB的一部分在Z方向上共享光路，因此，与第3实施方式的照明装置100、投影仪1相比，能够实现搭载超构透镜115的照明装置100和投影仪1的小型化。

[第5实施方式]

接着，使用图13说明本发明的第5实施方式。

图13是第5实施方式的超构透镜(波面控制元件)116的侧视图。如图13所示，除了将各个超构表面区域121～123置换为构成透射型的超构表面区域131～133的透射型的超构透镜163～165以外，超构透镜116具有与超构透镜111相同的结构。另外，在图13中，超构表面区域132和超构透镜164没有出现。在图1所示的投影仪1中，超构透镜116被用作为了使由蓝色光构成的光束LB适当扩散而配置的扩散元件(省略图示)。

超构透镜163～165各自具有未示出的负焦距和发散功能。超构透镜163～165各自的焦点(省略图示)彼此相同，存在于比光束LB入射到超构透镜116的一侧的背面116b靠-Z侧的位置。超构透镜163的X方向及Y方向上的中心163C与未图示的焦点F在X方向及Y方向上分别相距尺寸S120×(1/2)，在Z方向上相距焦距-f。超构透镜164的X方向以及Y方向上的中心164C与焦点F在X方向上相距尺寸S120×(3/2)，在Y方向上分别相距尺寸S120×(1/2)，在Z方向上相距焦距-f。超构透镜165的X方向以及Y方向上的中心165C与焦点F在X方向以及Y方向上分别相距尺寸S120×(3/2)，在Z方向上相距焦距-f。根据尺寸S120、焦距f及光束LB的中心波长(波长、峰值波长)设计超构表面区域131～133各自的多个结构体103(省略图示)各自的宽度t、w、在XY平面上相邻的结构体103之间的间隔d以及结构体103的延伸方向，以使入射到各个超构表面区域131～133的光束LB如上述那样假定相距X方向、Y方向以及Z方向上的各自的尺寸的-Z侧的焦点F而向+Z侧发散。

关于与第1实施方式的超构透镜111共同的结构，以上说明的第5实施方式的超构透镜116起到与第1实施方式的超构透镜111同样的作用效果。另外，具备第5实施方式的超构透镜116的照明装置100以及具备照明装置100的投影仪1起到与在第1实施方式中说明的照明装置100以及投影仪1同样的作用效果。

在第5实施方式的超构透镜116中，超构表面区域(第1超构表面区域)131的焦点位置和超构表面区域(第2超构表面区域)132、133各自的焦点位置彼此相同，但存在于比超构透镜116靠-Z侧的位置。因此，超构表面区域131～133设想彼此相同且共同的焦点F而使入射的光束LB向+Z侧发散。即，超构透镜116在沿入射的光束LB的光轴AX的Z方向上，使光束LB在入射侧的相反侧即+Z侧发散。根据第5实施方式的超构透镜116，能够实现电磁波分析的计算负荷以及计算时间低至实用水平程度的cm级的离轴型的发散透镜。

[第6实施方式]

接着，使用图14说明本发明的第6实施方式。

图14是第6实施方式的超构透镜(波面控制元件)117的侧视图。如图14所示，除了透射型的超构表面区域131～133各自被置换为构成反射型的超构表面区域134～136的反射型的各个超构透镜166～168以外，超构透镜117具备与超构透镜116相同的结构。在图14中，没有出现超构表面区域135和超构透镜167。超构透镜117在图1所示的投影仪1中，被用作为了使由蓝色光构成的光束LB适当扩散而配置的扩散元件(省略图示)。

在入射到各个超构透镜166～168的光束LB的行进方向上，在各个超构透镜166～168的近前侧配置有半反射镜186。在第6实施方式中，在投影仪1中，由扩散对象的蓝色光构成的光束LB入射到半反射镜186，朝向超构透镜117的+Z侧的表面117a反射。从表面117a即从+Z侧入射到超构透镜117的光束LB分别通过多个超构表面区域134～136向+Z侧射出，透过半反射镜186，在Z方向上朝与入射侧相同的+Z侧(相同侧)发散。其结果，从超构透镜117向+Z侧射出的光束LB至少相对于光轴AX扩散。

虽未图示，但在超构透镜117的超构表面区域120中，在Z方向上在基材102的内部设置有由Al等金属构成的反射层105。超构表面区域134～136各自的结构体103的形状以及多个结构体103的分布与超构表面区域131～133各自的结构体103的形状以及多个结构体103的分布同样地设计。但是，超构表面区域134～136各自为反射型，因此，超构表面区域134～136各自的结构体103的高度h为透射型的超构表面区域131～133各自的结构体103的高度h的约(1/2)。

关于与第5实施方式的超构透镜116共通的结构，以上说明的第6实施方式的超构透镜117起到与第5实施方式的超构透镜116同样的作用效果。另外，具有第6实施方式的超构透镜117的照明装置100以及具有照明装置100的投影仪1起到与在第1实施方式中说明的照明装置100以及投影仪1相同的作用效果。

在第6实施方式的超构透镜117中，多个超构表面区域120分别是反射型超构表面。根据第6实施方式的超构透镜117，能够实现电磁波分析的计算负荷及计算时间低至实用水平的反射型发散透镜。并且，根据第6实施方式的超构透镜117，入射到超构透镜117的光束LB的一部分和从超构透镜117射出的光束LB的一部分在Z方向上共享光路，因此，与第5实施方式的照明装置100以及投影仪1相比，能够实现搭载超构透镜117的照明装置100和投影仪1的小型化。

[第7实施方式]

接着，使用图15说明本发明的第7实施方式。

图15是第7实施方式的超构透镜(波面控制元件)118的侧视图。参照图3可知，超构透镜118在XY平面上具有16个超构表面区域120。在超构透镜118中，16个超构表面区域120由16种超构表面区域141A～141P构成。16种超构表面区域141A～141P由16种超构透镜171A～171P构成。16种超构表面区域141A～141P以及超构透镜171A～171P的焦点F(省略图示)在XY平面内、Z方向上互不相同，随机配置。超构透镜118在图1所示的投影仪1中，被用作为了使由蓝色光构成的光束LB适当扩散而配置的扩散元件(省略图示)。

在图15中，作为16种超构表面区域141A～141P中的最靠-Y侧的4个超构表面区域120，例示了超构表面区域141A、141E、141I、141M。超构表面区域141A的焦点F(省略图示)相对于超构表面区域141A至少存在于X方向的+X侧且Z方向的+Z侧。超构表面区域141E的焦点F(省略图示)在X方向上存在2个，相对于超构表面区域141E至少存在于X方向的+X侧且Z方向的+Z侧。超构表面区域141I的焦点F(省略图示)相对于超构表面区域141I至少存在于X方向的+X侧且Z方向的+Z侧。超构表面区域141M的焦点F(省略图示)相对于超构表面区域141M至少存在于X方向的+X侧且Z方向的-Z侧。超构透镜118整体上在沿入射的光束LB的光轴AX的Z方向上使光束LB在入射侧的相反侧即+Z侧扩散(发散)。

根据尺寸S120、焦距f或焦距-f以及光束LB的中心波长(波长、峰值波长)设计超构表面区域141A～141P各自的多个结构体103(省略图示)各自的宽度t、w、在XY平面上相邻的结构体103之间的间隔d以及结构体103的延伸方向，以使入射到超构表面区域141A～141P各自的光束LB会聚于在X方向、Y方向以及Z方向上相距各自的尺寸的+Z侧的焦点F，或者向+Z侧发散。

关于与第5实施方式的超构透镜116共通的结构，以上说明的第7实施方式的超构透镜118起到与第5实施方式的超构透镜116同样的作用效果。另外，具有第7实施方式的超构透镜118的照明装置100以及具有照明装置100的投影仪1起到与在第1实施方式中说明的照明装置100以及投影仪1相同的作用效果。

在第7实施方式的超构透镜118中，16种超构表面区域141A～141P以及超构透镜171A～171P的焦点F(省略图示)在XY平面内以及Z方向上都是随机配置的。根据第7实施方式的超构透镜118，与第5实施方式的超构透镜116相比，能够提高对入射的光束LB的扩散度。

[第8实施方式]

接着，使用图16说明本发明的第8实施方式。

图16是第8实施方式的超构透镜(波面控制元件)119的侧视图。如图16所示，除了将透射型的超构表面区域141A～141P各自置换为构成反射型的超构表面区域142A～142P的反射型的每个超构透镜172A～172P以外，超构透镜119具有与超构透镜118相同的结构。另外，在图16中，仅例示了超构表面区域142A～142P以及超构透镜172A～172P中的超构表面区域142A、142E、142I、142M以及超构透镜172A、172E、172I、172M。在图1所示的投影仪1中，超构透镜119被用作为了使由蓝色光构成的光束LB适当扩散而配置的扩散元件(省略图示)。

在入射到各个超构透镜172A～172P的光束LB的行进方向上，在各个超构透镜172A～172P的近前侧配置有半反射镜186。在第8实施方式中，在投影仪1中，由扩散对象的蓝色光构成的光束LB入射到半反射镜186，朝向超构透镜119的+Z侧的表面119a反射。从表面119a即从+Z侧入射到超构透镜119的光束LB分别通过多个超构表面区域142A～142P向+Z侧射出，透过半反射镜186，在Z方向上会聚于与入射侧相同的+Z侧，或者向+Z侧发散。其结果，从超构透镜118向+Z侧(与入射侧相同的一侧)射出的光束LB至少相对于光轴AX扩散(发散)。

虽未图示，但在超构透镜119的超构表面区域120中，在Z方向上，在基材102的内部设置有由Al等金属构成的反射层105。超构表面区域142A～142P各自的结构体103的形状和多个结构体103的分布与超构表面区域141A～141P各自的结构体103的形状以及多个结构体103的分布同样地设计。但是，超构表面区域142A～142P各自是反射型，所以，超构表面区域142A～142P各自的结构体103的高度h是透射型的超构表面区域141A～141P各自的结构体103的高度h的约(1/2)。

关于与第7实施方式的超构透镜118共通的结构，以上说明的第8实施方式的超构透镜119起到与第7实施方式的超构透镜118同样的作用效果。另外，具有第8实施方式的超构透镜119的照明装置100以及具有照明装置100的投影仪1起到与在第1实施方式中说明的照明装置100以及投影仪1相同的作用效果。

在第8实施方式的超构透镜119中，多个超构表面区域120分别是反射型超构表面。根据第8实施方式的超构透镜119，能够实现电磁波分析的计算负荷及计算时间低到实用水平程度、且扩散程度比第5实施方式的超构透镜117高的反射型发散透镜。另外，根据第8实施方式的超构透镜119，入射到超构透镜119的光束LB的一部分和从超构透镜119射出的光束LB的一部分在Z方向上共享光路，因此，与第7实施方式的照明装置100以及投影仪1相比，能够实现搭载有超构透镜119的照明装置100和投影仪1的小型化。

以上对本发明的优选实施方式进行了详述，但本发明并不限于特定的实施方式，在权利要求书所记载的本发明的主旨的范围内，能够进行各种变形、变更。另外，多个实施方式的构成要素能够适当组合。

例如，在上述各实施方式的超构透镜(波面控制元件)中，作为多个超构表面区域120，例示了以在X方向以及Y方向的各个方向上位置彼此对齐的方式在沿着Z方向观察时排列成4行×4列的超构表面区域120。但是，多个超构表面区域120的相对配置及数量只要如上所述作为整体构成1个超构透镜(波面控制元件)并配置成阵列状，就没有特别限定，可适当自由地设计。例如，多个超构表面区域120也可以在X方向以及Y方向的各个方向上交错地配置。在该情况下，多个超构表面区域120如在上述各实施方式中说明的那样，通过相对于超构透镜的XY平面上的中心具有对称性，能够抑制作为设计评价对象的多个超构表面区域120的多个结构体103的图案的种类数量，能够抑制设计评价时的电磁波分析的计算负荷以及计算时间。

另外，在上述各实施方式的超构透镜(波面控制元件)中，多个超构表面区域120各自的从Z方向观察的形状不限于矩形，也可以是圆形或平行四边形等任意形状。

另外，在本发明的超构透镜(波面控制元件)中，也可以是，多个超构表面区域各自不具有会聚功能或发散功能，使光束(入射光)向与入射到超构透镜的入射方向交叉的方向偏转。在该情况下，作为超构透镜整体，能够构成由具备nm级结构体的多个超构表面区域组成的超薄型的透镜阵列。

例如，上述各实施方式的超构透镜也可以用于未图示的扫描仪光学系统的照明装置或光源装置。在该情况下，能够实现具备比以往小型且超薄型的超构透镜以及超构表面光学元件并抑制设计评价时的电磁波分析的计算负荷以及计算时间的扫描装置。

另外，上述各实施方式的超构透镜也可以用于在红外波段工作的感测用投射光学系统。在此情况下，实现具备比以往小型且超薄型的超构透镜及超构表面光学元件并抑制设计评价时的计算负荷及计算时间的交互式投影仪。进而，上述各实施方式的超构透镜也可以应用于头戴式显示器(Head Mounted Display；HMD)等显示装置的光源装置或投射装置。由此，能够实现HMD的光源装置或投射装置的小型化及超薄型化，并且能够将超构透镜的设计评价时的电磁波分析的计算负荷及计算时间降低到实用水平。

本发明的方式的波面控制元件也可以具有以下的结构。

本发明的一个方式的波面控制元件是控制入射光的波面的波面控制元件，具有多个超构表面区域。多个超构表面区域配置成阵列状且各自具有透镜功能。在多个超构表面区域各自中，使入射光会聚或发散。

在本发明的一个方式的波面控制元件中，多个超构表面区域具有第1超构表面区域和第2超构表面区域，第1超构表面区域的焦点位置和第2超构表面区域的焦点位置彼此相同。

在本发明的一个方式的波面控制元件中，多个超构表面区域具有第1超构表面区域和第2超构表面区域，第1超构表面区域的焦点位置和第2超构表面区域的焦点位置相互不同。

在本发明的一个方式的波面控制元件中，多个超构表面区域各自是透射型超构表面。

在本发明的一个方式的波面控制元件中，多个超构表面区域各自是反射型超构表面。

在本发明的一个方式的波面控制元件中，多个超构表面区域相对于中心相互具有对称性地配置。

在本发明的一个方式的波面控制元件中，在沿着入射光的光轴的方向上，使入射光在与入射侧相反的一侧或与入射侧相同的一侧会聚于一点。

在本发明的一个方式的波面控制元件中，在沿着入射光的光轴的方向上，使入射光在与入射侧相反的一侧或与入射侧相同的一侧会聚于与多个超构表面区域相同数量的多个点。

在本发明的一个方式的波面控制元件中，在沿着入射光的光轴的方向上，使入射光在与入射侧相反的一侧或与入射侧相同的一侧发散。

本发明的方式的照明装置也可以具有以下的结构。

本发明的一个方面的照明装置具有上述的波面控制元件。

本发明的方式的投影仪也可以具有以下的结构。

本发明的一个方式的投影仪具备：上述的照明装置；光调制装置，其根据图像信息对来自照明装置的光进行调制而形成图像光；以及投射光学系统，其投射图像光。

Claims (11)

1.一种波面控制元件，其控制入射光的波面，其中，

所述波面控制元件具有多个超构表面区域，

所述多个超构表面区域配置成阵列状且各自具有透镜功能，

在所述多个超构表面区域各自中，使所述入射光会聚或发散。

2.根据权利要求1所述的波面控制元件，其中，

所述多个超构表面区域具有第1超构表面区域和第2超构表面区域，

所述第1超构表面区域的焦点位置和所述第2超构表面区域的焦点位置彼此相同。

3.根据权利要求1所述的波面控制元件，其中，

所述多个超构表面区域具有第1超构表面区域和第2超构表面区域，

所述第1超构表面区域的焦点位置和所述第2超构表面区域的焦点位置相互不同。

4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的波面控制元件，其中，

所述多个超构表面区域各自是透射型超构表面。

5.根据权利要求1～3中的任意一项所述的波面控制元件，其中，

所述多个超构表面区域各自是反射型超构表面。

6.根据权利要求1～3中的任意一项所述的波面控制元件，其中，

所述多个超构表面区域相对于中心相互具有对称性地配置。

7.根据权利要求1～3中的任意一项所述的波面控制元件，其中，

在沿着所述入射光的光轴的方向上，使所述入射光在与入射侧相反的一侧或与入射侧相同的一侧会聚于一点。

8.根据权利要求1～3中的任意一项所述的波面控制元件，其中，

在沿着所述入射光的光轴的方向上使所述入射光在与入射侧相反的一侧或与入射侧相同的一侧会聚于与所述多个超构表面区域相同数量的多个点。

9.根据权利要求1～3中的任意一项所述的波面控制元件，其中，

在沿着所述入射光的光轴的方向上，使所述入射光在与入射侧相反的一侧或与入射侧相同的一侧发散。

10.一种照明装置，其具有权利要求1至9中的任意一项所述的波面控制元件。

11.一种投影仪，其具有：

权利要求10所述的照明装置；

光调制装置，其根据图像信息对来自所述照明装置的光进行调制而形成图像光；以及

投射光学系统，其投射所述图像光。

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