CN101846810B - 偏振变换元件、偏振照明光学元件以及液晶投影仪 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种偏振变换元件、偏振照明光学元件以及液晶投影仪，提高从非偏振光有效地提出偏振方向为一定的线偏振光的偏振照明光学元件的耐热性，并且制造成本也控制得较低。在构成偏振光束分离器阵列(24)的棱镜柱(24a)、(24b)相互的接合面交替设置偏振分离膜(26)和反射膜(27)。将偏振变换元件(25)接合于在偏振分离膜(26)进行反射且在反射膜(47)进行反射的线偏振光出射的棱镜柱(24b)的出射面。偏振变换元件(25)的直角棱镜要素(30a)的各棱线(30b)相对于入射而来的线偏振光的偏振方向倾斜45°。斜面的法线和光学轴一致的相位差膜(32)在直角棱镜要素(30)的各斜面成膜，相位差膜(32)作为将1/2波长的相位差给予入射的光线的单轴性的负C板而发挥作用。

Description

偏振变换元件、偏振照明光学元件以及液晶投影仪
技术领域
本发明涉及一种使线偏振光的偏振方向旋转90°的偏振变换元件，而且涉及使用该偏振变换元件，将非偏振的照明光变换成具有一定的偏振方向的线偏振的照明光的偏振照明光学元件以及将此使用于照明光学系统中的液晶投影仪。
背景技术
用来自光源灯的光照明显示在液晶显示板的图像而投影于屏幕的液晶投影仪被各种各样地产品化。如众所周知，液晶显示板具备：封装液晶分子的预定厚度的液晶层；分别配置在该入射面侧和出射面侧的偏振体和检光体。偏振体和检光体以各偏振方向相互正交(直交)或者平行的形式配置，根据液晶分子的取向倾向控制入射到液晶层的线偏振光的通过，进行通过检光体而出射的线偏振光的光量调节。
另一面，通常在液晶投影仪的照明光学系统中，使用将来自光源的非偏振光变换成与液晶显示板的偏振体相同方向的偏振方向的线偏振光的偏振变换元件。如由专利文献1可知，作为这种偏振变换元件多用组装偏振光束分离器和1/2波长板的棱镜阵列。偏振光束分离器具备使偏振方向相互正交的2种线偏振光中的一方透过、使另一方反射的偏振分离面，通过使在该偏振分离面分离的2种线偏振光的任意1个通过1/2波长板，使偏振方向旋转90度之后，与另一方的线偏振光合并，从而得到偏振方向调齐的线偏振光。
专利文献1：日本专利公开2008-129190号公报
专利文献2：日本专利公开2006-64871号公报
以往的1/2波长板大部分是使用有机材料的薄膜片制的材料，若在光源的附近长时间使用，则容易产生如下问题，即：容易产生褪色，偏振变换效率也劣化等。为了改善耐热性，也提出在1/2波长板上使用水晶等的双折射性的结晶体，但结晶本身价格高，而且必须精密地管理结晶的光学轴并进行加工，所以制造成本也变高。在这方面，专利文献1、2所记载的偏振变换元件上使用由电介质多层膜构成的1/2波长板，不仅具有大大改善耐热性的优点，还具有制造成本控制得较低的优点。
专利文献1、2所记载的使用于偏振变换元件的1/2波长板由基于斜向蒸镀的电介质多层膜构成。但是，由斜向蒸镀(斜方蒸着)的电介质多层膜构成的相位差膜可应用到1/4波长板，但若作为1/2波长板将膜厚增加到可以利用的程度，则产生白浊且透过率下降的问题，尤其在短波长侧的透过率下降显著，对彩色平衡带来坏影响。而且，基于斜向蒸镀的电介质多层膜容易吸收水分，随此，也存在光学性质变动大的难点。
发明内容
本发明是考虑以上情况而提出的，其目的在于，提供一种利用不需要斜向蒸镀的电介质多层膜，实现使线偏振光的偏振方向旋转90°的1/2波长板，优越于耐热性，并且还抑制成本负担的偏振变换元件，其目的还在于，提供一种利用该偏振变换元件的偏振照明光学元件以及液晶投影仪。
为了实现上述目的，本发明的偏振变换元件由：排列成由细长的多个直角棱镜要素的一对斜面构成的各棱线相互平行并排列在相同面上的棱镜薄板和由电介质多层膜构成的相位差膜构成，该电介质多层膜以光学轴与上述直角棱镜要素的各斜面的法线大致一致的形式在上述各斜面成膜，从上述直角棱镜要素的底面侧大致垂直地入射到上述棱镜薄板并对透过的光给予1/2波长的相位差，相对于上述一方的线偏振光的偏振方向配置成上述棱线大致倾斜45°。而且，本发明即使以重叠2个偏振变换元件要素的方式也可实现。此时，各偏振变换元件要素由成膜由电介质多层膜构成的相位差膜的要素而构成，该电介质多层膜在各自的上述棱镜薄板的各斜面，光学轴大致与其法线一致，从上述直角棱镜要素的底面侧大致垂直地入射到上述棱镜薄板并对透过的光给予1/4波长的相位差，这些偏振变换元件要素使各上述棱线相互平行并相对于上述一方的线偏振光的偏振方向大致倾斜45°而配置。
由电介质多层膜构成的相位差膜基于预先设定好的中心波长进行膜设计，一般示出若作为对象的波长区域扩展，则伴随从中心波长脱离，偏振变换效率下降的倾向，但如上述，采用重叠2个偏振变换元件要素的状态时，考虑偏振变换效率的分光波长特性，相对于上述线偏振光的偏振方向也能够以不同的角度配置各偏振变换元件要素的棱线。例如，如可见光区域，以大致550nm左右的中心波长设计相位差膜，并在440nm～650nm宽的波长区域要求高的变换效率时，对于一方的偏振变换元件要素，使其棱线相对于上述一方的线偏振光的偏振方向仅倾斜角θ1，对于另一方的偏振变换元件要素，使其棱线相对于上述偏振方向仅倾斜角θ2而配置时，使得满足
Figure GSA00000024602100031
的关系，若进一步设定在60°≤θ1≤70°，并且15°≤θ2≤25°的范围，则经过可见光全区域可获得高的变换效率。
通过在棱镜相互的接合面具备偏振分离膜，在入射到上述偏振分离膜的非偏振光中，使偏振方向相互正交的第1或第2线偏振光的一方透过，并在使另一方反射的偏振光束分离器组装上述偏振变换元件，可以获得将来自照明光源的非偏振光变换成偏振方向与一方向调齐的线偏振光的偏振照明光学元件。而且，若以上述直角棱镜的棱线相互平行并排列在相同面上的形式，多个排列与上述偏振变换元件组装的偏振光束分离器，则可以使其有效地利用于液晶投影仪的照明光学系统。
尤其，在具备照明光学系统的液晶投影仪中，该照明光学系统利用排列多个微透镜的一对微透镜阵列分割来自光源灯的照明光，使分割的照明光在液晶显示板上重叠且进行照明，因为分割的各照明光束的扩散角在周围也成为至多5°～6°左右的有限光束，所以在一对微透镜阵列的出射面的正后面配置上述偏振照明光学元件而使用的方式也是本发明的有效的一个方式。
根据本发明，可以获得优越于耐热性并制造成本也可以控制得较低的偏振变换元件，具有相互正交的偏振方向的第1或第2线偏振光的一方入射时，能够高效率地将此变换成其他的线偏振光。使用于本发明的偏振变换元件的相位差膜可以用相对于基板面从大致垂直的方向进行蒸镀的通常的蒸镀方法来制造，在通过斜向蒸镀的相位差膜不出现容易产生的白浊，可以获得在物理性的耐久性方面也优越的相位差膜。而且，通过将这种偏振变换元件作为偏振照明光学元件而利用于液晶投影仪的照明光学系统中，从而能够高效率地获得液晶显示板照明用的线偏振光，并能够提高投影图像的对比度。
附图说明
图1是表示液晶投影仪的照明光学系统的重要部分的概略图。
图2是表示液晶投影仪的光源装置的重要部分的概略图。
图3是偏振照明光学元件的外观图。
图4是表示偏振照明光学元件的结构的局部破断立体图。
图5是偏振变换元件的概略剖面图。
图6是表示偏振变换元件的制造工序的一例的说明图。
图7是表示偏振照明光学元件的其他方式的重要部分的剖面图。
图8是表示偏振变换元件的制造工序的其他例子的说明图。
图9是表示偏振变换元件的其他例子的概略剖面图。
图10是表示图9所示的偏振变换元件的制造工序的说明图。
图11是表示本发明的偏振变换元件的其他例子的概略剖面图。
图12是表示使棱镜薄板的棱线倾斜的状态的说明图。
图13是使棱线倾斜时的功能说明图。
图14是表示偏振变换元件的分光变换效率特性的倾向的图表。
图15是表示偏振光束分离器阵列的另外例子的概略图。
图16是偏振光束分离器阵列的另一例子的概略图。
图中：7-偏振照明光学元件，24-偏振光束分离器阵列，25-偏振变换元件，26-偏振分离膜，27-反射膜，30-棱镜薄板，30a-直角棱镜要素，30b-棱线，32-相位差膜，33-保护层，42-相位差膜，45-偏光变换元件要素，52-角度选择膜，53-吸收膜，60-玻璃板。
具体实施方式
液晶投影仪的光学系统与光源装置S一起概略地如图1构成。如图2所示，光源装置S具备超高压水银灯等高亮度的光源灯2，与反射器3一起使用。在照明光路中设置红外线及紫外线截止用滤光片4，各种偏振光混在的非偏振/可见区域的照明光大致成为平行光而入射到第1微透镜阵列5。第1微透镜阵列5是将多个微透镜以模仿液晶显示板的矩形形状的形式排列成矩形矩阵状的器件，并在具有同样的结构的第2微透镜阵列6上形成与微透镜个数相同的人造光源。
来自形成于第2微透镜阵列6上的人造光源的照明光在周围光也以5～6°左右的小的入射角入射到偏振照明光学元件7。偏振照明光学元件7具有以下作用，即从包含各种偏振光的非偏振的照明光中，使具有与纸面垂直的偏振方向的线偏振光分离而入射到照明透镜8。照明透镜8将针对每个人造光源将从偏振照明光学元件7成为线偏振而出射的各照明光引导至分别设置在B(蓝色光)通道、G(绿色光)通道、R(红色光)通道(チヤンネル)的液晶显示板的有效画面整体，并使之重叠，由此均匀地照明各通道的液晶显示板。
如图1所示，通过照明透镜8从光源装置S出射的照明光，首先入射到分色反射镜(ダイクロイツクミラ一)10，并使蓝色光透过，使其他色光反射。蓝色光经过全反射镜11入射到场透镜(フイ一ルドレンズ)12B。通过照明透镜8的作用，来自人造光源的光束重叠于场透镜12B上，对设置在其背面的液晶显示板14B的有效画面内均匀地进行照明。而且，在分色反射镜10反射的色光中的绿色光在接下来的分色反射镜15反射，同样地，经过场透镜12G而对液晶显示板14G均匀地进行照明。
透过分色反射镜15的红色光经过第1中继透镜16、全反射镜17、第2中继透镜18、全反射镜19引导至场透镜12R，同样地，从背面侧均匀地照明液晶显示板14R。R通道的照明光路长比B、G通道长，所以以这种状态，照明透镜8的作用在R通道受损，但通过使用第1、第2中继透镜16、18，在R通道也同样地保持照明透镜8的作用。
通过场透镜12B、12G、12R，在不使周围光量下降的情况下，从背面侧以线偏振的照明光均匀地照明各液晶显示板14B、14G、14R。而且，透过各液晶显示板14B、14G、14R的各通道的图像光在十字形分色棱镜(クロスダイクロイツクプリズム)20被合成，并作为全色彩的图像光入射到投射透镜22并向屏幕投射。
如图3所示，使用于光源装置S的偏振照明光学元件7具有大致矩形板状的外观，由偏振光束分离器阵列24和在其光出射面侧留一定间隔而接合的偏振变换元件25构成。偏振光束分离器阵列24是接合多个剖面为平行四边形的纵长的棱镜柱24a、24b，在相互的接合面交替形成有由电介质多层膜构成的偏振分离膜26和由金属膜构成的反射膜27。棱镜柱24a、24b成为以偏振分离膜26及反射膜27相对于入射面的法线具有45°的倾斜的方式整形为同一的形状的器件。
偏振分离膜26具有以下作用，即，从自棱镜柱24b的入射面(图中背面侧)大致垂直地入射的非偏振的照明光中，使P偏振成分的线偏振光(具有与包括偏振分离膜26的法线和入射光线的面平行的偏振方向)透过，使S偏振成分的线偏振光(具有与P偏振成分的线偏振光的偏振方向正交的偏振方向)反射的作用。相对于透过偏振分离膜26的P偏振光直接通过棱镜柱24a从出射面侧出射，被偏振分离膜26反射的S偏振光在反射膜27反射而垂直入射到偏振变换元件25。另外，在另一方的棱镜柱24a的入射面侧成膜遮光膜或反射膜，来自光源灯2的非偏振光不入射到棱镜柱24a。
偏振变换元件25具有使垂直入射的线偏振光的偏振方向旋转90°而出射的1/2波长板的功能，因此，在透过偏振变换元件25期间，S偏振光变换成P偏振光之后从出射面侧出射。通过使这种棱镜柱24a、24b的一对包括偏振分离膜27及反射膜27而交替排列，获得如图示的板状的偏振照明光学元件7，并能够以在图2所示的第2微透镜阵列6的出射面的正后面遮盖出射面全面的方式进行配置。
在表示偏振照明光学元件的7的结构的图4中，偏振变换元件25以整体覆盖棱镜柱24b的出射面的形式整形为纵长的矩形状，将以相互的棱线30b平行并在相同面上排列的方式排列细长的多个直角棱镜要素30a后的棱镜薄板30，作为基材。这种棱镜柱30可以由透明的塑料或玻璃制造。而且，该偏振变换元件25以保持使直角棱镜要素30a的棱线30b相对于S偏振成分的线偏振光的偏振方向(垂直方向)倾斜45°的状态的方式，将直角棱镜要素30a的底面侧接合(接合)于棱镜柱24b的出射面。
还如图5所示，以同样地覆盖棱镜薄板30的斜面整体的形式成膜具有光学各向异性的相位差膜32。可以通过将折射率互不相同的2种电介质薄膜交替层叠至例如140层左右而制造相位差膜32。此时，各电介质薄膜的光学膜厚非常薄，是在所谓光学干涉薄膜多用的λ/4、λ/2的数十分之1以下。公知：发现光学各向异性的双折射Δn的值由所被层叠的2种电介质薄膜的折射率差及各膜厚比决定，根据电介质多层膜整体的物理性膜厚d和双折射Δn的积决定延迟(レタデ一シヨン)。
成膜相位差膜32时，以各棱线30b的排列面侧正对2种蒸镀源的方式，将棱镜薄板30组装在蒸镀装置，从各蒸镀源交替进行蒸镀，并层叠折射率互不相同的2种电介质薄膜即可。若考虑从直角棱镜要素30a的棱线30b到谷的深度至多为1mm左右，从蒸镀源的距离有1m或以上，则从直角棱镜要素30a的棱线30b到谷的距离差在这种通常的蒸镀中没有意义。从而，在直角棱镜要素30a的各斜面，在其法线方向依次层叠2种电介质薄膜。
这样，在直角棱镜要素30a的斜面成膜的相位差膜32成为光学轴与各斜面的法线一致的单轴性的负C板。而且，通过考虑预先设定的双折射Δn的值、以及在相位差膜32内的光路长而调整整体的膜厚d，可以从棱镜薄板30的底面大致垂直地入射并对透过相位差膜32的光线给予1/2波长的相位差。在相位差膜32的表面旋涂聚硅氮烷(ポリシラザン)而设置保护层33使表面变得平滑，以免透过相位差膜32的光线再进行内面全反射。旋涂聚硅氮烷时使用有机溶剂，但有机溶剂通过干燥挥发，保护层33本身也成为无机材料。另外，在使用于相位差膜32的蒸镀材料上作为高折射材料能够使用TiO2、ZrO2、Ta2O5、Nb2O5，作为低折射材料能够使用SiO2、MgF2、CaF2等公知的材料，保护层33也能够通过蒸镀而形成。
在图6表示包括棱镜薄板30的制造方法的偏振变换元件25的制造方法的一例。如该图(A)所示，例如使1mm厚的光学玻璃板36倾斜45°，并以在底面侧呈现上述直角棱镜要素30a的方式相互接合。而且，如该图(B)所示，在直角棱镜要素30a的排列面蒸镀相位差膜32。在蒸镀之后，用以双点划线所示的切断线切断并研磨分割面。而且，在相位差膜32旋涂保护层33，使其表面变得平滑而获得上述偏振变换元件25。另外，因为在光学玻璃板36的接合面上使用折射率与上述光学玻璃板36大致相同的粘结剂，所以实质上整体视为一体的棱镜薄板30也无妨。
如以上构成的偏振照明光学元件7的作用如下。主光线从构成第2微透镜阵列6的各微透镜大致平行地出射的非偏振光的照明光，按每个微透镜入射到偏振照明光学元件7。如图3所示，从微透镜出射而从棱镜柱24b的入射面大致垂直地入射的照明光以45°的入射角入射到偏振分离膜26。
偏振分离膜26从入射的照明光中透过P偏振成分的线偏振光，并以45°反射S偏振成分的线偏振光。透过的P偏振成分的线偏振光直接以P偏振成分的线偏振光从棱镜柱24b的出射面出射。被偏振分离膜26反射成的S偏振成分的线偏振光大致垂直地入射到接合于棱镜柱24b的出射面的偏振变换元件25。
使用于偏振变换元件25的相位差膜32由相对于直角棱镜要素30a的各斜面在其法线方向层叠的多层电介质膜构成，所以相位差膜32的光学轴在每个斜面与其法线方向一致。但是，直角棱镜要素30a的每个，其棱线30b相对于S偏振光的偏振方向倾斜45°，所以与各斜面的法线一致的光学轴也相对于S偏振光的偏振方向倾斜±45°，S偏振成分的线偏振光相对于相位差膜32，等价地以45°的倾斜入射。从而，通过考虑倾斜入射而调整好相位差膜32的膜厚，S偏振成分的线偏振光在透过相位差膜32期间其偏振方向(偏振面)旋转90°，作为P偏振成分的线偏振光从偏振变换元件25出射。
如以上，若来自光源灯2的照明光入射到偏振照明光学元件7，则从各种偏振光中只有偏振方向向水平方向调齐(揃ぅ)的P偏振成分的线偏振光出射，可以使用于在每个颜色通道设置的液晶显示板14B、14G、14R的照明。如众所周知，在光源灯2上利用高亮度的灯，周围达到相当的温度，但使用于该偏振照明光学元件7的相位差膜32为无机材料制，而且不需要斜向蒸镀而可以作为各电介质薄膜的膜厚监视也容易的膜而制造，所以优越于耐久性，并且由其适于批量生产在成本方面也可以得到利处。
在图7所示的实施方式将透过偏振分离膜26的P偏振光在相位差膜32变换成S偏振光，用反射膜27反射由偏振分离膜26反射的S偏振光，并使之直接出射。这样，通过在偏振光束分离器阵列24的出射面的哪个位置利用相位差膜32，均能够取出P偏振光/S偏振光的任意1个。
而且，在该实施方式中，在偏振光束分离器阵列24的出射面整体接合成为一系列的棱镜薄板30。但是，在棱镜薄板30的直角棱镜要素30a蒸镀相位差膜32时，在与棱镜柱24a的出射面相接合的区域利用屏蔽等的方法不使相位差膜32成膜。如果利用该方法，则可以在每个棱镜柱24a、24b的出射面定位上述的偏振变换元件25，并且可以省去个别接合的工夫。
在图8示出偏振变换元件25的另一制造方法。如该图(A)所示，在该制造方法中，在光学玻璃板36的一方的面蒸镀相位差膜32。如该图(B)所示，使蒸镀相位差膜32的光学玻璃板36以一定间距偏移并接合之后，根据该图中用双点划线所示的切断线进行切断，并研磨切断面。由此，如该图(C)所示，可以获得以一定的间距在内部具有相位差膜32的梯形型的棱镜柱40。
接着，如该图(D)所示，在纵向接合棱镜柱40。此时，交替更换棱镜柱40的方向，以使相位差膜32成为V字形。在接合之后，如果根据用双点划线示出的分割线水平分割并研磨，则可以获得该图(E)示出的状态的偏振变换元件25。这样制造出的偏振变换元件25因为相位差膜32不呈现在表面，并也不会有透过相位差膜32的光线在与空气的界面进行全反射的现象，所以不需要上述的保护层33。另外，在该图(B)、(D)中，有分割工序和研磨工序，所以考虑切割费用或研磨费用需要调整尺寸。
在至此的实施方式中，相位差膜32具有1/2波长板的功能，但如图9所示，将在各棱镜柱43的直角棱镜要素30a的斜面上成膜了作为1/4波长板发挥作用的相位差膜42后的2个偏振变换元件要素45接合，可以将此作为以1/2波长板发挥功能的1个偏振变换元件25而使用。当然，也能够仅将一方的偏振变换元件要素45作为1/4波长板使用在各种用途上，此时，也由无机材料构成，而且具有不需要斜向蒸镀便可以简单并以低成本制造的优点。
在图9所示的偏振变换元件25，例如可以用如图10所示的方法简单地制造。即，在图6(B)说明的制造工序中，替换赋予1/2波长的相位差的相位差膜32，蒸镀赋予1/4波长的相位差的相位差膜42，并以直角棱镜要素30a的各斜面紧贴的方式将该一对接合。然后，如果沿着在图10(B)用双点划线示出的切断线进行切断并研磨，则可以得到该图(C)所示的偏振变换元件25。
在图11所示的实施方式中，示出了将作为1/4波长板发挥功能的2个偏振变换元件要素45接合而作为1/2波长板发挥功能的偏振变换元件25的其他例子。该图(A)表示在平面之间将把图6(C)所示的相位差膜32替换为相位差膜42的一对接合后的例子。而且，图11(B)表示将吧把图8(E)所示的相位差膜32替换为相位差膜42的一对接合后的例子。这样，即使不使相位差膜42紧贴，只要这些相位差膜42在光线的透过区域重叠，就可以完全相同地获得作为1/2波长板的功能。
因为图11(A)、(B)所示的偏振变换元件25均不互相使直角棱镜要素紧贴，而在平面之间进行接合，所以可以使直角棱镜要素的棱线相交而使用。图12是示出其状态的图，以直角棱镜要素的棱线48a、48b互相相交的方式，将在直角棱镜要素的斜面成膜了赋予1/4波长相位差的相位差膜42后的2个棱镜薄板47a、47b，倾斜而接合。在此接合时，对于一方的棱镜薄板47a，使其棱线48a相对于垂直线以角度θ1倾斜，对于另一方的棱镜薄板47b，使其棱线48b相对于垂直线以角度θ2倾斜。其后，在用虚线所示的切断线切断而获得条状的偏振变换元件25。
若假设偏振方向与垂直方向一致的P偏振成分的线偏振光入射到该偏振变换元件25，则在上述一方的棱镜薄板47a成膜的相位差膜42的光学轴[1]与棱线48a正交，所以如图12所示，从入射的线偏振光的偏振方向PO沿逆时针方向倾斜角δ1(＝“90°-θ1”)。从而，在偏振方向PO入射的线偏振光变换成沿逆时针方向倾斜2δ1后的偏振方向P1的线偏振光。而且，棱线48b从垂直方向倾斜角θ2的另一方的棱镜薄板47b的相位差膜42的光学轴[2]同样地从偏振方向PO倾斜角δ2(＝“90°-θ2”)，所以线偏振光的偏振方向P1进一步倾斜2(δ2-2δ1)，而成为偏振方向P2的线偏振光。从而，如果以“2δ1+2(δ2-2δ1)”的值，即“2(θ1-θ2)”的值符合于90°的形式决定角θ1、θ2的值，则偏振方向垂直的P偏振成分的线偏振光变换成偏振方向水平的S偏振成分的线偏振光。
另外，构成直角棱镜要素30的一对斜面互相正交，从而，在各斜面成膜的相位差膜42的光学轴也互相正交。因此，在一方的斜面的偏振方向的旋转如图12的情况，在另一方的斜面成膜的相位差膜42进行使图12的线偏振光PO以与顺时针方向相同的角度旋转的作用，所以以满足“(θ1-θ2＝45°)”的关系的形式决定角θ1、θ2的值，从而组装一对偏振变换元件45的偏振变换元件25也可以作为1/2波长板而利用。而且，作为1/2波长板而利用时，对于θ1、θ2的任意一方或双方，也能够作为“θ1±n×90°”、“θ2±n×90°”而组装。
这样，组装2个偏振变换元件45而使用时，与使直角棱镜要素30的棱线倾斜45°的上述的实施方式相比，有以下优点。例如，如图4所示，在图14用虚线所示的相对变换效率特性E1表示使1个偏振变换元件25倾斜45°而使用时的分光特性，虽然在相位差膜32的设计中心波长λ0附近表示良好的变换效率，但随着从中心波长λ0远离，变换效率容易下降。对此，确认了在将2个偏振变换元件要素45设为“θ1＝55°，θ2＝10°”的角度使用的偏振变换元件中可获得特性E2，以“θ1＝63°，θ2＝18°”的角度使用的偏振变换元件中可得到特性E3，并改善了波长特性。θ1、θ2的值能够设定成多种多样，但如果考虑分光特性的对称性，则可推定优选“60°≤θ1≤70°，15°≤θ2≤25°”的范围。
然而，如图15所示，也已知在图3或图4所示的偏光分束器阵列24中，组装圆柱状的直角棱镜50a、50b构成棱镜柱24b，而且组装同样的51a、51b构成棱镜柱24a的偏光分束器阵列。另外，对功能相同的偏振变换元件25、偏振分离膜26、反射膜27附加同符号。
利用具有该结构的偏光分束器阵列24时，在直角棱镜50a、50b的接合面形成角度选择膜52也有效。角度选择膜52例如是以500nm左右的膜厚使折射率1.46的SiO2膜成膜，并具有以下作用：即可见光波长区域的光线以0°～10°的较小的入射角入射时大致100％透过，相反以80°～90°的较大的角度入射时大致100％被反射。
如上述，在使用微透镜阵列的照明光学系统中，也有以5～6°的扩散角入射到偏振光束分离器阵列24的光线。这种光线K以较大的角度入射到角度选择膜52，并且光线大部分被反射，如用实线所示，入射到偏振分离膜26，所以其后成为直接透过的P偏振成分的线偏振光和被偏振分离膜26反射的S偏振成分的线偏振光。被反射的S偏振成分的线偏振光是较小的入射角，所以直接透过角度选择膜52，并被反射膜27反射，在透过偏振变换元件25期间，偏振方向旋转90°并变换成P偏振成分的线偏振光。从而，如用虚线所示，可以防止非偏振的光线K透过偏振变换元件25而出射，能够减少干扰光。
在图16所示的实施方式中，在上述圆柱状的直角棱镜51a的出射面接合有成为光波导的玻璃板60。省略该玻璃板60时，在斜入光线Q中透过偏振分离膜26的P偏振成分的线偏振光从直角棱镜51a的出射面成为如用虚线所示的折射光QX而出射，有时在邻接的偏振变换元件25的侧面产生重影(ケラレ：eclipse)，在有效地利用P偏振成分的线偏振光的方面变得不利。
在此方面，如果将具有与直角棱镜51a相同的折射率的玻璃板60接合于该出射面，则透过偏振分离膜26的线偏振光不在出射面折射而引导至玻璃板60的表面，在邻接的偏振变换元件25的侧面不产生重影(ケラレ：eclipse)。而且，玻璃板60的表面成为与空气接触的界面，所以优选在其表面成膜反射防止膜。而且，与上述的角度选择膜52同样地，如果使对于入射角大的光线进行反射的选择反射膜58在玻璃板60的侧面成膜，则可以进一步提高利用效率。
而且，如果在将由偏振分离膜26反射的S偏振成分的线偏振光向偏振变换元件25反射的反射膜27的背后，形成吸收膜53，可以吸收稍微透过反射膜27的光、或者仅是稍微透过形成在直角棱镜51b的入射面侧的反射膜或遮光膜55的光，则在提高以液晶投影仪投影的图像的对比度方面更加有效。
以上，基于图示的实施方式进行了说明，但本发明的偏振变换元件可以适当地使用在液晶投影仪的偏振照明光学元件，但在进行偏振的领域中，根据用途需要使来自包括激光的各种光源的光的偏振方向旋转90°。在这种情况，也可以将上述偏振变换元件25作为1/2波长板而使用，而且对于作为1/4波长板发挥功能的偏振变换元件，可以单独作为1/4波长板而使用。并且，如图13所示，可以利用2个偏振变换元件以2阶段旋转偏振方向并变换成希望的方向，例如通过以适当的角度组装3个或4个偏振变换元件，原理上也能够以3阶段或4阶段使偏振方向旋转任意的角度。

Claims (7)

1.一种偏振变换元件，其中偏振方向相互正交的第1和第2线偏振光的其中一方入射时，变换成使其偏振方向旋转90°后的另一方的线偏振光，其特征在于，
由以下构件而构成：
棱镜薄板，其以由细长的多个直角棱镜要素的一对斜面构成的各棱线相互平行并在同一面上并列的方式排列；
相位差膜，其以光学轴与上述直角棱镜要素的各斜面的法线大致一致的方式在上述各斜面成膜，并由电介质多层膜构成，该电介质多层膜对从上述直角棱镜要素的底面侧大致垂直地入射到上述棱镜薄板而透过的光赋予1/2波长的相位差，
配置为相对于上述一方的线偏振光的偏振方向上述棱线大致倾斜45°。
2.一种偏振变换元件，偏振方向相互正交的第1和第2线偏振光的其中一方入射时，变换成使其偏振方向旋转90°后的另一方的线偏振光，其特征在于，
具备2个偏振变换元件要素，该2个偏振变换元件要素均由以下构件构成：
棱镜薄板，其以由细长的多个直角棱镜要素的一对斜面构成的各棱线相互平行并在同一面上并列的方式排列；
相位差膜，其以光学轴与上述直角棱镜要素的各斜面的法线大致一致的方式在上述各斜面成膜，并由电介质多层膜构成，所述电介质多层膜对从上述直角棱镜要素的底面侧大致垂直地入射到上述棱镜薄板而透过的光赋予1/4波长的相位差，
这些偏振变换元件要素，以使各上述棱线相互平行，并且相对于上述一方的线偏振光的偏振方向倾斜45°的方式被配置。
3.一种偏振变换元件，偏振方向相互正交的第1和第2线偏振光的任意一方入射时，变换成使其偏振方向旋转90°后的另一方的线偏振光，其特征在于，
具备2个偏振变换元件要素，该2个偏振变换元件要素均由以下构成：
棱镜薄板，其以由细长的多个直角棱镜要素的一对斜面构成的各棱线相互平行并在同一面上并列的方式排列；
相位差膜，其以光学轴与上述直角棱镜要素的各斜面的法线大致一致的方式在上述各斜面成膜，由电介质多层膜构成，该电介质多层膜对从上述直角棱镜要素的底面侧大致垂直地入射到上述棱镜薄板而透过的光赋予1/4波长的相位差，
上述偏振变换元件要素的一方以其棱线相对于上述一方的线偏振光的偏振方向倾斜角θ1而配置，上述偏振变换元件要素的另一方以其棱线相对于上述一方的线偏振光的偏振方向倾斜角θ2而配置，并且2(θ1-θ2)大致为90°。
4.如权利要求3所述的偏振变换元件，其特征在于，
满足60°≤θ1≤70°、15°≤θ2≤25°的条件。
5.一种偏振照明光学元件，其特征在于，
由以下构件构成：
偏振光束分离器，其在棱镜相互的接合面具备偏振分离膜，使入射到上述偏振分离膜的非偏振光中，使偏振方向相互正交的第1和第2线偏振光的一方透过，并使另一方反射；
权利要求1～4中任一项所记载的偏振变换元件，其接合在由上述偏振分离膜反射的另一方的线偏振光所出射的偏振光束分离器的出射面；
将从照明光源入射到上述偏振光束分离器的非偏振光，变换成偏振照明光，所述偏振照明光由透过上述偏振分离膜的一方的线偏振光、和通过由上述偏振分离膜反射并且透过上述偏振变换元件而使偏振方向旋转90°的一方的线偏振光构成。
6.如权利要求5所述的偏振照明光学元件，其特征在于，
以上述直角棱镜要素的棱线互相平行且排列在同一面上的方式，排列多个所述偏振光束分离器。
7.一种液晶投影仪，其特征在于，
具备：利用排列多个微透镜的一对微透镜阵列对来自光源灯的照明光进行分割，并使分割后的照明光在液晶显示板上重叠而进行照明的照明光学系统，并且在上述一对微透镜阵列的出射面的正后面设置权利要求5或6所述的偏振照明光学元件。
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