JP4541757B2

JP4541757B2 - 偏光素子

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Description

本発明は、複数の波長、あるいは帯域光で、かつ、比較的広い入射角度範囲で使用する偏光分離素子などの偏光素子に関し、例えば、撮影光学系、投写型表示装置（プロジェクタ）、画像処理装置、半導体製造装置、等の各種光学機器に関するものである。

従来より、波長以下の周期の一次元格子形状を持つＳＷＳ（ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）素子が構造複屈折性を有する事は知られてる。

一般的に図２４に示すような一次元格子においてｎ_１、ｎ_２の媒質がａ：ｂの比で繰り返す一次元格子でそれぞれの偏光の有効屈折率は式（１）（２）で表される。

１次元格子においてｎ１を誘電体、ｎ２を空気としたとき、媒質のピッチに対する比率であるフィリングファクターｆは式（３）で示される。この例ではフィリングファクターを約０．５程度になるようにエッチングしたものである。
ｆ＝ａ／（ａ＋ｂ）・・・（３）
図２５は、一次元格子の誘電体をＴｉＯ２（ｎ１＝２．３０４）を、一方を空気（ｎ２＝１．０）とした格子でのＴｉＯ２のフィリングファクタｆに対する有効屈折率の変化を表したグラフである。

図２５よりｆの値によらずｎ_ＴＥ＞ｎ_ＴＭである。

上記のような一次元格子が有効屈折率で記述できる条件としては、格子のピッチが十分に小さく、回折が起こらないことが必要である。

図３に示すようなピッチｄの格子の入射側媒質の屈折率をｎ１、射出側媒質の屈折率をｎ２とし、入射光の入射角をθ１、回折による射出光の射出角をθ２とすると、隣あう、光線の光路差（Ｌ１−Ｌ２）が波長の整数倍となるとき回折光が発生する。これは条件式（４）で表われ、この式が成り立つときに回折が発生する。
ｄｎ１ｓｉｎθ１−ｄｎ２ｓｉｎθ２＝ｍλ ・・・（４）
ただし、ｍは整数
この式（４）がｍ＝０以外に解が存在しないようにすれば回折が生じない。

入射側、射出側の媒質をともにｎとして、式（４）を式（５）のように変形する。
ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ２＝ｍλ／ｄｎ・・・（５）
θ１、θ２が任意の値をとると考えると、式（５）の左辺は式（６）の範囲となる。
−２ ≦ 左辺 ≦ ２・・・（６）
よって、λ／ｄｎが左辺より大きければ回折は生じない。すなわち、式（７）が全ての入射角で回折を生じさせないための条件となる。
ｄ＜ λ ／２ｎ・・・（７）
この一次元格子を互いに直交する様に積層したいわゆる井桁構造の素子に関して製法が特許文献１に提案されている。周期的に積層された感光特性のことなる感光材料を積層構造に配置し、それぞれを感光、エッチングすることで井桁構造を実現している。実施例としては井桁構造の模式図だけであり、具体的な形状の大きさを示す数値実施例の記載はないが、フォトニック結晶として使用するには格子のピッチが波長以下である必要があり、また上記の回折の生じない条件を満たさなければならない。素子の入射側、射出側の媒質は空気（ｎ＝１．０）であり条件式（７）より波長の半分程度のピッチで構成されていると考えられる。
特開２００１−２０９１８９号公報

しかしながら、上記の素子を偏光分離素子などの様に２つのプリズムの間に埋め込んだ構成で使用する際には、上記条件式（７）において屈折率ｎが空気に比べて大きくなる分、回折を生じさせないためのピッチが狭くなる。上記のような一次元格子では、ピッチに占める媒質の比（フィリングファクタ）と格子の厚み（ｈ）とを変えずにピッチを狭めると、格子の高さと幅の比（アスペクト比）が大きくなることになり、製造上の難易度が増すと言う問題があった。

本発明は、これらの問題を鑑み、使用する光束の入射角度と方向に応じてピッチを最適に設定することで、全光束に対して回折が発生しない条件を保ちながらも、製造が簡易となる構成の偏光素子を得ることを目的とする。

上記の問題を解決するために、本発明は、所定面と平行な第１の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層と、前記所定面と平行で前記第１の周期方向と垂直な第２の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層とが前記所定面と垂直な方向に積層されている偏光分離層の両側をプリズムで挟み込んだ偏光素子であって、
前記プリズムの光弾性定数の絶対値が１．０×１０−８ｃｍ２／Ｎより小さく、前記２つのプリズムのうち入射側プリズムの入射面に対して、前記偏光分離層は４５°傾いており、前記第１の周期方向及び前記第２の周期方向のうち、前記偏光素子に入射する光束のうち入射角度が最大となる光線の入射平面に対して平行に近い周期方向における周期をＰＡ、それと直交する周期方向における周期をＰＢとするとき、以下の条件式を満たす事を特徴とする偏光素子とした。
ＰＡ＜ＰＢ

本発明は、所定面と平行な第１の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層と、前記所定面と平行で前記第１の周期方向と垂直な第２の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層とが前記所定面と垂直な方向に積層されている偏光分離層の両側をプリズムで挟み込んだ偏光素子であって、
前記プリズムの光弾性定数の絶対値が１．０×１０−８ｃｍ２／Ｎより小さく、前記２つのプリズムのうち入射側プリズムの入射面に対して、前記偏光分離層は４５°傾いており、前記偏光素子に入射する光束のうち光束の中心光線を代表光線とするとき、前記第１の周期方向及び前記第２の周期方向のうち、前記代表光線が前記偏光素子に入射するときの入射平面に対して平行に近い周期方向における周期をＰＡ、それと直交する周期方向における周期をＰＢとするとき、以下の条件式を満たす事を特徴とする偏光素子とした。
ＰＡ＜ＰＢ

本発明は、所定面と平行な第１の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層と、前記所定面と平行で前記第１の周期方向と垂直な第２の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層とが前記所定面と垂直な方向に積層されている偏光分離層の両側をプリズムで挟み込んだ偏光素子であって、
前記プリズムは光弾性定数の絶対値が１．０×１０−８ｃｍ２／Ｎより小さく、前記２つのプリズムのうち入射側プリズムの入射面に対して、前記偏光分離層は４５°傾いており、前記偏光素子から射出する光束のうち射出側に置かれた前記２つのプリズムのうち射出側プリズムの光軸を通る光線を代表光線とするとき、前記第１の周期方向及び前記第２の周期方向のうち、前記代表光線が前記偏光素子に入射するときの入射平面に対して平行に近い周期方向における周期をＰＡ、それと直交する周期方向における周期をＰＢとするとき、以下の条件式を満たす事を特徴とする偏光素子とした。
ＰＡ＜ＰＢ

上記の偏光素子を用いて、光源部からの光束を画像信号に基づいて変調する変調手段に導光し、該変調手段により変調された光束を投写光学系によって所定面上に投写していることで有効な投写型表示装置が得られる。

本発明によれば、前述のように、偏光素子をプリズムに挟んだ構造に関して、製造上簡易な形状をであり、偏光素子性能も、波長特性、入射角度特性ともに広い範囲で高い性能を持った偏光素子素子を実現することができるという効果がある。

図１は本発明の実施例１の偏光分離プリズムの構成図である。表１に実施例１の構成をあらわす設計値を示す。

図１において、プリズムの入射面（２５）に対して、偏光分離層（２３）は４５°傾いている。入射面（２５）に垂直に入射する光線のＰ偏光（１８）、Ｓ偏光（２０）が偏光分離層（２３）に入射し、Ｓ偏光は反射（２１）させ、図１の入射側プリズム（２２）にある入射面（２５）とは別の射出面（２６）から射出させる。また、Ｐ偏光は透過（１９）させ、射出側プリズム（２４）にある射出面（２７）から射出させる構成となっている。

図２に格子の方向を表す模式図を示す。偏光分離層（２３）に入射する際の入射平面（２８）と偏光分離層の第１の一次元格子は図２のように平行となり、その方向を格子方向Ｐとする。第２の一次元格子は図２のように入射平面と直交する配置であり、その方向は格子方向Ｖとする。

図４は格子を斜めから見た図であり、図５は図２の２９の矢印で示す方向Ａから見た格子の断面構造図であり、図６は図２の３０の矢印で示す方向Ｂから見た格子の断面構造図である。第１の一次元格子は空気と誘電体が交互に繰り返す格子方向ＰのＬ層（１０１，１０３）である、第２の一次元格子は空気と誘電体が交互に繰り返す格子方向ＶのＨ層（１０２）より構成されている。全体で３層と言う比較的簡易な構成で偏光分離を実現することが可能である。また、誘電体としてはＴｉＯ２を用いている。

それぞれの層をＨ層、Ｌ層としているのは、反射させるＳ偏光に対してのそれぞれの有効屈折率の高低を表している。格子方向Ｖの一次元格子層の厚さは６４ｎｍであり、Ｓ偏光の反射を完全に達成するのに十分な厚さとなっている。一般的に高屈折率の媒質から低屈折率の媒質に入射するときに入射角度が臨界角以上では、一切透過せずに全反射することが知られている。しかし、この時に、境界面近傍の極めて微小な領域において、エバネセント光がしみ出ている。この光の到達領域に次の媒質があると光が透過してしまう。この現象が全反射減衰（ａｔｔｅｎｕａｔｅｄｔｏｔａｌｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＡＴＲ）である。このＡＴＲの光同士の干渉を利用して広い角度範囲、波長範囲で高い反射率を得るのである。一方、格子方向Ｐの一次元格子のからなるＬ層の厚さは３７０ｎｍであり、この数字はＡＴＲによる反射を有効に活用するためのものである。

この膜厚が薄くなると、臨界角以上の入射角度領域ではＡＴＲによる透過が大きくなり、十分な反射が得られない。

一方、ＡＴＲの観点からは、膜厚が厚ければ厚いほど好ましい。しかしながら、膜厚を増しても、反射率は全反射に漸近してしまうため、膜厚を増やしただけの効果は得られない。この一次元格子の形状では、膜厚を増すほど製造の難易度は上がる。そのため、実施例の厚み程度に設定することが好ましい。

また、使用角度の範囲に臨界角以下の通常反射を含むが、そこでの干渉においては実施例での厚みに設定することで、最適な結果が得られた。

実施例１では表１に設計値を示すとおり、プリズムの硝材に屈折率が約１．６０３と比較的低い物を使用した。格子方向Ｖの一次元格子であるＨ層と、格子方向Ｐの一次元格子であるＬ層の誘電体はともにＴｉＯ_２であり、屈折率２．２８２の高屈折率な物を使用し、フィリングファクタをＬ層＝０．１８、Ｈ層＝０．８４に設定することで、効率よく複屈折を生じさせている。

格子方向Ｖの一次元格子の層に関しては、Ｐ偏光がＴＭ、Ｓ偏光がＴＥとなる。また、格子方向Ｐの一次元格子の層に関しては、Ｐ偏光がＴＥ、Ｓ偏光がＴＭとなる。

（１）、（２）の式において、一方の媒質をＴｉＯ_２、他方を空気として、フィリングファクタｆ（ピッチに対するＴｉＯ_２の割合）を変化させたときのそれぞれの偏光に対する有効屈折率を表すグラフは図２５の様になる。

Ｐ偏光に関して、表１に示すとおり第１の一次元格子がｆ＝０．１８の時、ＴＥ方向の有効屈折率は１．３５となり、第２の一次元格子ではｆ＝０．８４の時、ＴＭ方向の有効屈折率は１．８３となる。

一方のＳ偏光に関して、表１に示すとおり第１の一次元格子ではＴＭ方向の有効屈折率は１．０７となり、第２の一次元格子ではＴＥ方向の有効屈折率は２．１８となる。

このように、第１と第２の１次元格子層との有効屈折率がＰ偏光に関しては近い値となり、Ｓ偏光に関しては大きな屈折率差を生じさせることで、それぞれの偏光の光線の透過、反射を実現している。

プリズム形状を図１０に示す。入射側プリズム（２２）と射出側プリズム（２４）の間にＬ層格子（１０１，１０３）が図１０に示す様に斜面方向に、Ｈ層格子（１０２）がそれと直交する方向で挟んだ形状である。

図１１に入射光束を示す。このプリズムに入射光は図１１の様に偏光素子面に４５°をなす光軸（３２）を中心に円形の開口をもって約Ｆｎｏ．２．０光束（３１）として入射する。その際、図１３に示すようなＰ方向の格子の周期方向と光軸（３２）を含む平面を断面（３３）としたとき、断面（３３）内での入射光束の角度は、図１４で示され、光軸に対してθ３の幅をもつ。

また、図１５に示すようなＶ方向の格子の周期方向と光軸（３２）を含む平面を断面（３４）としたとき、断面（３４）内での入射光束の角度は、図１６で示されるように、光軸がθ０傾き、入射角度が最大となる光線の角度はθ３となる。

それぞれの断面における入射角度と、格子ピッチが回折を起こさないようにする必要がある。図１４の断面では光軸の格子に対する入射角度θ０は０°であり、入射角が最大となる光線はＦｎｏ２．０のθ３＝約１４．５°となる。

ここで、前述の回折の条件式（５）において、
ｓｉｎθ１−ｓｉｎθ２＝ｍλ／ｄｎ・・・（５）
入射光の入射角θ１は以下の範囲（９）であり、ｓｉｎθ１は以下の範囲（１０）となる。
−１４．５≦θ１≦１４．５・・・（９）
−０．２５≦ｓｉｎθ１≦０．２５・・・（１０）
θ２が任意であるとき、式（６）の左辺の取りうる値は以下のようである。
−１．２５≦左辺≦１．２５・・・（１１）
よって、以下の条件をみたすときに式（５）はｍ＝０以外の解が存在しない。
１．２５＜λ／ｄｎ・・・（１２）
すなわち、格子のピッチｄが以下の条件式（１３）を満たすとき回折は生じない。
ｄ＜λ／１．２５ｎ・・・（１３）
使用波長のうち、最も短い波長λ＝４３０ｎｍ、プリズムの屈折率ｎ＝１．６０３を代入すると以下のようになる。
ｄ＜２１５［ｎｍ］・・・（１４）
図１４の断面図で示される格子ピッチ、すなわちＬ層の格子ピッチは表１に示すように２００ｎｍとして上記の条件をほぼ満たす値としている。

一方、図１６の断面では光軸の格子に対する入射角度はθ０＝４５°であり、入射角度が最大になる光線の角度はθ３＝５９．５°となる。式（５）を用いて上記と同様に扱えば、式（５）の左辺の取りうる値は式（１５）の範囲であり、格子ピッチｄが以下の条件式（１６）を満たすとき回折は生じない。
−１．８７≦左辺≦１．８７・・・（１５）
ｄ＜λ／１．８７ｎ・・・（１６）
使用波長のうち、最も短い波長λ＝４３０ｎｍ、プリズムの屈折率ｎ＝１．６０３を代入すると以下のようになる。
ｄ＜１４３［ｎｍ］・・・（１７）
図１６の断面図で示される格子ピッチ、すなわちＨ層の格子ピッチは表１に示すように１４０ｎｍとして上記の条件をほぼ満たす値としている。

光軸の入射角度θ０に関しても、最大光線の入射角度θ３に関しても、最大となる方向は入射平面がＶ方向なため。Ｌ層格子（１０１，１０３）のピッチがＰＢ、Ｈ層格子（１０２）のピッチがＰＡとなる。これは、表３に示すように条件式（８）を満たす値となっている。

表１に示す様に、Ｌ層格子の方がピッチが大きくなっているが、Ｌ層格子では媒質の幅の割合が小さく、層が厚いので、アスペクト比（格子幅に対する格子厚さの比）大きくなっているが、ピッチを少しでも大きくすることでアスペクト比が減少し製造上の難易度が軽減している。

図２６の（ａ）〜（ｃ）図がこの設計値の厳密結合波解析計算（Ｒｉｇｏｒｏｕｓｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅａｎａｌｙｓｉｓ：ＲＣＷＡ）による性能のシミュレーション結果である。Ｐ偏光では、高入射角で、透過率が落ちているが、実使用時の角度特性のウエートを考慮するとほとんど問題ないレベルである。

Ｓ偏光に関しては低入射角の短波長側で性能が劣化している以外は３５〜５５°と言うかなり広い入射角範囲で透過する光線がほとんど無く、完全な反射率を達成している。

図７に実施例２の偏光分離素子の構成を示す。図７は格子を斜めから見た図である。実施例１と同様に図２のような方向から見た断面図がそれぞれ図８と図９である。

第１の一次元格子は空気と誘電体が交互に繰り返す格子方向ＶのＨ層（２０１，２０３，２０５）である。第２の一次元格子は空気と誘電体が交互に繰り返す格子方向ＰのＬ層（２０２，２０４）より構成されている。

全体で５層と言う比較的簡易な構成で偏光分離を実現することが可能である。また、誘電体としてはＴｉＯ２を用いている。

実施例２では表２に設計値を示すとおり、プリズムの硝材に屈折率が約１．６０３と比較的低い物を使用した。格子方向Ｖの一次元格子であるＨ層と、格子方向Ｐの一次元格子であるＬ層の誘電体はともにＴｉＯ_２であり、屈折率２．２８２の高屈折率な物を使用し、フィリングファクタをＬ層＝０．３０、Ｈ層＝０．９０に設定することで、効率よく複屈折を生じさせている。

Ｐ偏光に関して、表２に示すとおり第１の一次元格子ではｆ＝０．３０の時、ＴＥ方向の有効屈折率は１．５５となり、第２の一次元格子ではｆ＝０．９０の時、ＴＭ方向の有効屈折率は１．９８となる。

一方のＳ偏光に関して、表２に示すとおり第１の一次元格子ではＴＭ方向の有効屈折率は１．１７となり、第２の一次元格子ではＴＥ方向の有効屈折率は２．２１となる。

プリズム形状を図１２に示す。入射側プリズム（２２）と射出側プリズム（２４）の間にＬ層格子（２０２，２０４）が図１０に示す様に斜面方向に、Ｈ層格子（２０１，２０３，２０５）がそれと直交する方向で挟んだ形状である。

入射光束に関しては実施例１と同様であり図１１に示す。

図１４，１６において各断面（３３）、（３４）での入射角度と、格子ピッチが回折を起こさないようにする必要があり、その時の各格子のピッチの条件は同様に上記式（１４）、（１７）となる。

表２に示すようにＨ層の格子のピッチは１２０ｎｍと条件式（１７）を満たすものとしている。一方、Ｌ層の格子のピッチは３００ｎｍと条件式（１４）を超えているが性能上実質問題のない範囲まで広げている。

光軸の入射角度θ０に関しても、最大光線の入射角度θ３に関しても、最大となる方向は入射平面がＶ方向なため。Ｌ層格子（２０２，２０４）のピッチがＰＢ、Ｈ層格子（２０１，２０３，２０５）のピッチがＰＡとなり、表３に示すように条件式（８）を満たす値となっている。

表２に示す様に、Ｌ層格子の方がピッチが大きくなっているが、Ｌ層格子では媒質の幅の割合が小さく、層が厚いので、アスペクト比（格子幅に対する格子厚さの比）は大きくなっているが、ピッチを少しでも大きくすることでアスペクト比が減少し製造上の難易度が軽減している。

図２７の（ａ）〜（ｃ）図がこの設計値の厳密結合波解析計算（Ｒｉｇｏｒｏｕｓｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅａｎａｌｙｓｉｓ：ＲＣＷＡ）による性能のシミュレーション結果である。Ｐ偏光では、低入射角で、多少透過率が落ちているが、それ以外は、ほぼ良好な性能を達成している。

図１７は、実施例３の偏光素子を示すものである。位相板などのように入射角が０°で入射するような構成で使用する素子である。図の様に一次元格子（３５）、（３６）が互いに直交するように積層された構造である。図１８は実施例３の入射光束を示すもので、図のように光軸（３２）は入射角度０°で入射し、それを中心に楕円の開口を持った光束である。図１９に示すように、開口の楕円の長軸を含む断面（３７）での光束は、図２１のようになる。また図２０に示すように、開口の楕円の短軸を含む断面（３８）での光束は、図２２で示すようになる。

図２１で示す断面（３７）での入射光束はＦＮｏ．＝２．０の開口を持ちθ４＝１４．５°となる。よって、この断面方向の格子ピッチは第１実施例と同様に式（１４）を満たすことが必要である。
ｄ＜２１５［ｎｍ］・・・（１４）
一方、図２２で示す断面（３８）での入射光束はＦＮｏ．＝４．０の開口であり、θ５＝７．２°となる。この断面方向の格子ピッチは同様に計算すると式（１８）となる。
ｄ＜２３８［ｎｍ］・・・（１８）
表３に示すようにそれぞれの格子のピッチは条件式（１４）、（１８）を満たしているため回折は生じない。

実施例３において図２１でしめす断面（３７）が入射平面となる光束が最大入射角度を持つため、この断面図で示される格子ピッチがＰＡ、それと直交する格子ピッチがＰＢとなる。これらは表３に示すように条件式（８）を満たす値となっている。

図２３は、本発明の第４実施例である。本発明の偏光分離素子を用いた反射型画像変調装置を示している。図中、１は高圧水銀ランプなどからなる光源、２は光源１から光を所定の方向に放射するためのリフレクター、３は均一な照明強度を有する照明領域を形成するためのインテグレーターであり、フライアイレンズ３ａ、３ｂから構成されており、４は無偏光な光を所定の偏光方向に揃える偏光変換素子であり、５は照明光を集光するコンデンサーレンズ、６はミラー、７は照明光をテレセントリックな光にするフィールドレンズ、８は緑の波長領域光を透過するダイクロイックミラー、９ａ１、９ｂ１、９ｃ１はそれぞれ偏光分離層であり、Ｓ偏光を反射してＰ偏光を透過させる特性をもつ、９ａ、９ｂ、９ｃは偏光分離層９ａ１、９ｂ１、９ｃ１を有する実施例１，２の偏光分離プリズムである。図１１に示す光軸（３２）と射出側の投射レンズ（１４）の光軸を光学的に一致させた配置をとっており、その際の偏光分離素子の格子ピッチは実施例１，２の通り条件式（１）を満たす構成となっている。１０ａ、１０ｂはそれぞれ所定波長領域の光の偏光方向を９０°変換（回転）する色選択性位相差板、１１ｒ、１１ｇ、１１ｂはそれぞれ入射した照明光を反射するとともに画像信号に応じて変調して画像光を形成する反射型液晶表示素子、１４は投射レンズ系である。以上の構成のように実施例１、２の偏光分離素子を配置すると、入射角度特性、波長特性に優れているため、光学系全体で得られるコントラストが極めて高い反射型液晶プロジェクタを実現できる。

本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子の構成図本発明の第１，２実施例に対応する偏光分離素子の方向を説明する模式図格子による回折を説明する模式図本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の斜視図本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の方向Ａからの格子断面図本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の方向Ｂからの格子断面図本発明の第２実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の斜視図本発明の第２実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の方向Ａからの格子断面図本発明の第２実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の方向Ｂからの格子断面図本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子プリズムの構成図本発明の第１，２実施例に対応する偏光分離素子プリズムへの入射光束を示す模式図本発明の第２実施例に対応する偏光分離素子プリズムの構成図本発明の第１，２実施例に対応する偏光分離素子プリズムへの入射光束を示す模式図本発明の第１，２実施例に対応する偏光分離素子プリズムへの入射光束を示す模式図本発明の第１，２実施例に対応する偏光分離素子プリズムへの入射光束を示す模式図本発明の第１，２実施例に対応する偏光分離素子プリズムへの入射光束を示す模式図本発明の第３実施例に対応する位相素子の構成図本発明の第３実施例に対応する位相素子への入射光束を示す模式図本発明の第３実施例に対応する位相素子への入射光束を示す模式図本発明の第３実施例に対応する位相素子への入射光束を示す模式図本発明の第３実施例に対応する位相素子への入射光束を示す模式図本発明の第３実施例に対応する位相素子への入射光束を示す模式図本発明の第４実施例に対応する偏光分離素子を反射型液晶プロジェクタ光学系に組み込んだ構成図一次元型ＳＷＳ格子の有効屈折率のモデルを説明する図一次元型ＳＷＳ格子にＴｉＯ２を用いたときの構造複屈折を表すグラフ第１実施例に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ（ａ）は入射角度３５．０°（ｂ）は入射角度４５．０°（ｃ）は入射角度５５．０°での各偏光の透過率の波長特性第２実施例に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ（ａ）は入射角度３５．０°（ｂ）は入射角度４５．０°（ｃ）は入射角度５５．０°での各偏光の透過率の波長特性

符号の説明

１高圧水銀ランプなどからなる光源
２リフレクター
３インテグレーター
３ａ，３ｂフライアイレンズ
４偏光変換素子
５コンデンサーレンズ
６ミラー
７フィールドレンズ
８ダイクロイックミラー
９ａ、９ｂ、９ｃ偏光分離プリズム
９ａ１、９ｂ１、９ｃ１偏光分離層
１０ａ、１０ｂ色選択性位相差板
１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ反射型液晶表示素子
１４投射レンズ系
１８Ｐ偏光入射光
１９Ｐ偏光透過光
２０Ｓ偏光入射光
２１Ｓ偏光反射光
２２入射側プリズム
２３偏光分離層
２４射出側プリズム
２５入射面
２６Ｓ偏光反射光の射出面
２７Ｐ偏光透過光の射出面
２８入射平面
２９格子断面観察方向Ａを示す矢印
３０格子断面観察方向Ｂを示す矢印
３１入射光束
３２入射光束の光軸
３３入射光束の光軸を含む横断面
３４入射光束の光軸を含む縦断面
３５位相板を構成する格子
３６位相板を構成する格子
３７入射光束の光軸と開口の長軸を含む断面
３８入射光束の光軸と開口の短軸を含む断面

Claims

所定面と平行な第１の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層と、前記所定面と平行で前記第１の周期方向と垂直な第２の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層とが前記所定面と垂直な方向に積層されている偏光分離層の両側をプリズムで挟み込んだ偏光素子であって、
前記プリズムの光弾性定数の絶対値が１．０×１０−８ｃｍ２／Ｎより小さく、
前記２つのプリズムのうち入射側プリズムの入射面に対して、前記偏光分離層は４５°傾いており、
前記第１の周期方向及び前記第２の周期方向のうち、前記偏光素子に入射する光束のうち入射角度が最大となる光線の入射平面に対して平行に近い周期方向における周期をＰＡ、それと直交する周期方向における周期をＰＢとするとき、以下の条件式を満たす事を特徴とする偏光素子。
ＰＡ＜ＰＢ
所定面と平行な第１の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層と、前記所定面と平行で前記第１の周期方向と垂直な第２の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層とが前記所定面と垂直な方向に積層されている偏光分離層の両側をプリズムで挟み込んだ偏光素子であって、
前記プリズムの光弾性定数の絶対値が１．０×１０−８ｃｍ２／Ｎより小さく、
前記２つのプリズムのうち入射側プリズムの入射面に対して、前記偏光分離層は４５°傾いており、
前記偏光素子に入射する光束のうち光束の中心光線を代表光線とするとき、
前記第１の周期方向及び前記第２の周期方向のうち、前記代表光線が前記偏光素子に入射するときの入射平面に対して平行に近い周期方向における周期をＰＡ、それと直交する周期方向における周期をＰＢとするとき、以下の条件式を満たす事を特徴とする偏光素子。
ＰＡ＜ＰＢ
所定面と平行な第１の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層と、前記所定面と平行で前記第１の周期方向と垂直な第２の周期方向において使用波長以下の周期の屈折率周期構造を持つ層とが前記所定面と垂直な方向に積層されている偏光分離層の両側をプリズムで挟み込んだ偏光素子であって、
前記プリズムの光弾性定数の絶対値が１．０×１０−８ｃｍ２／Ｎより小さく、
前記２つのプリズムのうち入射側プリズムの入射面に対して、前記偏光分離層は４５°傾いており、
前記偏光素子から射出する光束のうち射出側に置かれた前記２つのプリズムのうち射出側プリズムの光軸を通る光線を代表光線とするとき、
前記第１の周期方向及び前記第２の周期方向のうち、前記代表光線が前記偏光素子に入射するときの入射平面に対して平行に近い周期方向における周期をＰＡ、それと直交する周期方向における周期をＰＢとするとき、以下の条件式を満たす事を特徴とする偏光素子。
ＰＡ＜ＰＢ
請求項１乃至３の何れか一項に記載の偏光素子を用いて、光源部からの光束を画像信号に基づいて変調する変調手段に導光し、該変調手段により変調された光束を投写光学系によって所定面上に投写していることを特徴とする投写型表示装置。