CN102809775A - 偏振变换元件、偏振变换单元以及投影型图像装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供如下偏振变换元件：在水晶等的具有双折射性和旋光性的晶体材料中，即使切断角度从设计值偏离而被切断的情况下，通过根据角度偏差，调整板厚，修正为最合适的设计板厚，由此改正设计相位差，可靠地将预定波长带域的偏振变换效率设为规定值以上。包含：由具有双折射性和旋光性的晶体材料形成的透光性基板；在该透光性基板的入射侧表面设置、透过P偏振光P且反射S偏振光的偏振分离部，构成偏振分离元件，将反射在偏振分离部反射的S偏振光S的反射元件与透光性基板大致平行地离开配置，设定预定的函数，使得：将透过偏振分离部而入射至透光性基板的P偏振光P变换为与S偏振光S的偏振波面平行，作为S偏振光出射。

Description

偏振变换元件、偏振变换单元以及投影型图像装置

技术领域

本发明关于偏振变换元件、包含该偏振变换元件的偏振变换单元以及投影型图像装置。

背景技术

液晶投影仪等的投影型图像装置，根据图像信息，对从光源装置出射的光进行调制，将此调制后的光学像在屏幕上放大投影。在此液晶投影仪中，为了提高光的利用效率，将从光源装置出射的包含随机的偏振光（偏振面相互垂直的P偏振光和S偏振光和/或偏振面的方向各种各样的直线偏振光、圆偏振光、椭圆偏振光等偏振光混合而成的光）的光（以下称为随机光）分割为多个中间光束，将此分割了的中间光束变换为一种直线偏振光统一出射，使用偏振变换元件。

偏振变换元件是在透明部件的内部交互配置偏振光分离膜和反射膜，成形偏振光分束器阵列，在此偏振光分束器阵列的表面设置相位差板的构造。在透明部件的光出射面侧，在对应于偏振光分离膜的位置，每隔预定间隔配置多个相位差板（专利文献1）。

现有技术中，作为相位差板，存在使用有机类材料例如聚碳酸酯薄膜制的1/2波长板的情况，通过有机类粘接剂粘接该1/2波长板和偏振光分束器阵列。

作为该偏振变换元件的制造方法，将在两个主面分别形成了偏振光分离膜和反射膜的无色透明玻璃等的第一透光性基板和在两个主面什么都没有形成的第二透光性基板交互层叠多层，或者将在一个面形成了偏振光分离膜的第一透光性基板和在一个面形成了反射膜的第二透光性基板交互层叠多层而制作层叠体，在相对于平行于层叠面的面，以例如45度的角度切断而得到的偏振光分束器阵列的光的出射面，通过粘接剂粘贴1/2波长板。

如此制作的偏振变换元件，在安装于平面矩形状的框架的状态下，搭载于液晶投影仪的光学引擎内（专利文献2）。

由于白色光源灯的高输出化、短弧长化的发展，对偏振光分束器阵列以及在该偏振光分束器阵列粘接的1/2波长板的热负荷也增大，能够考虑作为构成1/2波长板的材料使用水晶构成。此处，存在如下液晶投影仪：在用于将1/2波长板粘接于偏振光分束器阵列的光出射面而配置的情况下，作为粘接剂，使用耐热、耐光性能优良的紫外线硬化性树脂或者无机类材料的粘接剂，不需要通过冷却风扇强制进行空气冷却（专利文献3）。

此外，存在如下偏振变换元件：依次反复层叠具有平行的2个面的透光性板材、反射膜、具有平行的2个面的透光性板材、1/2波长板以及偏振光分离膜而成的层叠体，通过相对于该层叠面以预定角度被切断，由此将偏振光分离膜和相位差板和反射膜以相对于切断面在同一方向倾斜的状态下配置，形成相互平行的光入射面和光出射面（专利文献4）。并且，在与专利文献4同样结构的偏振变换元件中，作为1/2波长板，是将切断角度为Y切割（基板的主面的法线和晶体光学轴成的角度为90度）厚度为22.7~37.1μm的水晶板倾斜配置的情况（专利文献5）。进一步的，作为1/2波长板，提出了设定为板厚为21.2～50.0μm，13.5~31.9μm，在光学轴的第一光学轴方位角、第二光学轴方位角为16.3度、59.6度的状态下，层叠第一水晶板、第二水晶板构成的2个波长板（专利文献6）。在此专利文献6的现有例子中，能够使得三色波长带（波长为400nm~700nm）中的平均的偏振变换效率（称为三色偏振变换效率）在0.8以上。

近年来，伴随对作为光学部件的长寿命化的要求增加，产生了粘接剂的劣化的问题。

为了解决此问题，作为接合玻璃和/或水晶等的两个透光性基板的方法，提出了如下的接合方法：通过等离子聚合法，将包含在表面包含硅氧烷（Si-O）结合、结晶度在45%以下的Si骨架和结合于该Si骨架的有机基的脱离基的接合膜进行成膜，通过对此接合膜给予能量，使得在所述接合膜的表面附近存在的所述脱离基从所述Si骨架脱离，由此通过在接合膜的表面的所述区域出现的粘接性，接合所述两个透光性基板（专利文献7）。

通过采用此接合方法，使接合方式无机化，解决接合膜的劣化的问题，并且，能够实现使用此接合方法接合的光学部件的长寿命化。

并且，现有技术中，提出了如下偏振变换元件：具有光入射面和与此光入射面大致平行的光出射面，沿着这些光入射面和光出射面，配置多个透光性部件、偏振光分离膜、反射膜、相位板以及等离子聚合膜，在多个透光性部件中的一部分透光性部件的倾斜面上设置偏振光分离膜和反射膜的任一个，在透光性部件的倾斜面的表面、偏振光分离膜的表面以及反射膜的表面的至少一个的面上，设置等离子聚合膜（专利文献8）。在此专利文献8的现有例子中，通过等离子聚合膜，相邻的透光性部件和反射膜之间、相邻的透光性部件和相位板之间、相邻的相位板和偏振光分离膜之间的至少任一个进行分子接合，等离子聚合膜的主要材料是聚硅氧烷。

但是，在专利文献8的现有例子中，存在如下课题：由等离子聚合膜形成的接合膜由膜厚是数十nm的极薄的膜构成，使用等离子聚合法在透光性基板的表面形成此接合膜的过程中，在透光性基板的表面附着了灰尘和/或垃圾等的附着物时，因为附着物的高度比接合膜的膜厚高很多，所以以附着了附着物的区域为中心在预定区域中不能够接合透光性基板彼此，在该区域混入气泡等，在光学特性上、接合可靠性、产品寿命上给予很大的不良影响。

因此，作为没有使用等离子聚合膜的现有例子，存在专利文献9的情况。在此专利文献9中，光学块，相对于在基板上刻设的槽安装板状的PBS（偏振分离元件）、镜以及1/2波长板等的光学部件而构成。PBS是通过在玻璃板上表面蒸镀将例如TiO₂（高折射率材料）和SiO₂（低折射率材料）交替地反复层叠而成的电介质多层膜等而形成的，相对于光的入射方向以预定角度被压入安装于所述基板。镜是通过在长方形的玻璃板表面蒸镀例如铝和/或电介质多层膜等，由此能够反射入射的光。并且，以将由PBS反射的S波反射到出射侧的角度安装所述基板。1/2波长板，是在长方形的玻璃板上，粘贴例如将聚碳酸酯、聚（乙烯醇）、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜单轴拉伸而成的1/2相位差薄膜而形成。并且，在由镜反射的S波（S偏振光）入射的位置安装，将该S偏振光变换为P波（P偏振光）而出射。如此，能够通过由PBS、镜、1/2波长板等构成光学块，对入射的包含P波（P偏振光）和S波（S偏振光）的随机偏振的偏振光进行偏振，统一为P波（P偏振光）而出射，并且，能够使得入射侧、出射侧的面积大致相同。

公知的是，水晶不仅仅具有双折射性，还具有旋光性，此旋光性存在对水晶制波长板的相位差特性给予影响的问题。

对于此问题，提出了如下1/4波长板：将由具有旋光作用的光学晶体材料形成的2个波长板以预定的角度相互使各自的晶体光学轴交叉的方式配置并进行层叠，使用庞加莱球解析偏振光的轨迹，通过构成为使得两波长板的双折射相位差、光学轴方位角度、旋光作用、以及转轴和中性轴所成的角度的关系满足由近似公式求得的关系式，尝试降低由旋光作用产生的影响，在宽带域内使得特性良好（专利文献10）。

进一步，关于由水晶等的无机材料形成的1个波长板，提出了优良光学特性的如下1/4波长板：由具有双折射性以及旋光性，对于短波长、高输出的蓝紫色激光发挥充分的耐光性、可靠性的水晶等的无机材料的晶体板形成，并且，能够使得椭圆率最优即为0.9以上的高值或者实质上接近1（专利文献11）。

进一步的，存在如下偏振变换元件：将由水晶基板形成的1/2波长板45度倾斜配置，在入射面侧配置线网格偏振子，作为偏振光分束器阵列行使功能，将在与所述1/2波长板的主面平行地在主面形成了反射镜的玻璃基板和所述1/2波长板交替地依次配置而构成（专利文献12），还存在如下线网格型偏振子：在由具有双折射性的透明聚碳酸酯的板或者方解石形成的无机材料基板上，相互平行地以相同间隔配置直线状金属细线，使金属细线的长边方向与在基板面内的折射率最低的方向垂直，具有双折射率的基板为1/2波长板，在该基板面内折射率最低的方向和金属细线的长边方向以45度倾斜交叉（专利文献13）。

专利文献

【专利文献1】特开2000-298212号公报

【专利文献2】特许第3610764号公报

【专利文献3】特开2009-103863号公报

【专利文献4】特许第4080265号公报

【专利文献5】特开2009-128568号公报

【专利文献6】特开2009-244520号公报

【专利文献7】特许第4337935号公报

【专利文献8】特开2010-60770号公报

【专利文献9】再公表WO98/23993号公报

【专利文献10】特开2005-158121号公报

【专利文献11】特开2010-134414号公报

【专利文献12】特开2004-029168号公报

【专利文献13】特许第4527986号公报

发明内容

但是，在专利文献9中表示的现有的例子中，因为所述PBS是在玻璃基板的表面蒸镀电介质多层膜等而形成偏振光分离膜的，所述电介质多层膜是在玻璃板上交替地反复层叠例如TiO₂（高折射率材料）和SiO₂（低折射率材料）而构成的，所以不仅仅存在以热膨胀系数的不同为起因的热应变，引起所述玻璃基板和所述偏振光分离膜的界面的剥离的担忧，此外，玻璃板的散热也存在界限，不能充分满足耐热性和长寿命化的高要求。

于是，考虑到散热效果，如专利文献12所示，通过代替玻璃板，在水晶板的表面形成所述PBS，由此能够实现偏振变换元件的耐热性和长寿命化。

但是，因为如前所述，水晶不仅仅具有双折射性，还具有旋光性，简单地使用水晶板替换玻璃板，仅仅根据与入射的直线偏振光的偏振面的关系，确定晶体光学轴的方位使得产生相位差（180度），仍不能解决旋光性的问题，就会产生对所述入射的直线偏振光产生以旋光作用为起因的光学作用的问题。

于是，本申请发明者们，通过应用着眼于旋光作用对相位差给予影响的专利文献10和专利文献11中公开的现有例子中尝试的旋光作用补偿的技术思想，尝试实现能够产生光学作用，使得：使入射的P偏振光的偏振面旋转90度而变换为S偏振光出射的偏振变换元件。

也就是说，首先，基于图20考虑将专利文献10和专利文献11中公开的技术思想，应用到如下水晶制1/2波长板的光学设计中：以45度倾斜配置，使得夹入如所述的专利文献5和专利文献6中公开的棱镜阵列（偏振光分束器阵列）的层叠界面。

此情况下，夹持水晶制1/2波长板的透光性基材是一般的玻璃材料，根据玻璃材料的折射率n1=1.53、水晶的折射率n2=1.54的关系，透过棱镜阵列之中的光的光路（光轴），在光入射到水晶制1/2波长板时的玻璃和水晶制1/2波长板的界面、以及光从水晶制1/2波长板出射时的水晶制1/2波长板和玻璃的界面，几乎不发生折射，也就是说，光路（光轴）几乎不变化，光透过偏振变换元件。

在图20中，如果设从水晶制1/2波长板WP的主面（入射、出射面）的法线PL看的光学轴方位为θ₀，相对于在水晶制1/2波长板WP之中行进的光线R1的光学轴方位为θ₁，水晶制1/2波长板WP的主面的法线PL和所述光线R1所成的角度为θ₂，则这些角度间成为下面的关系。

θ₀=atan（tanθ₁×cosθ₂）                        （A1）

此时，根据θ₁=45度，θ₂=45度，能够算出θ₀是：

θ₀=atan（tan（45度）×cos（45度））

=atan（1/2^1/2）

=35.3度

然而，将在专利文献12中提出的水晶制1/2波长板倾斜45度配置，在入射面侧配置由线网格偏振元件和/或电介质多层膜等形成的偏振分离部，作为偏振光分束器行使功能，以与1/2波长板平行的方式将反射部倾斜45度配置，交替地依次配置这些而构成的偏振变换元件中，没有夹入水晶制1/2波长板的玻璃，与水晶制1/2波长板接触的是空气。也就是说，根据空气的折射率n0=1.00和水晶的折射率n2=1.54的关系，透过偏振变换元件的光的光路（光轴），因为：在光入射到水晶制1/2波长板时的空气和水晶制1/2波长板的界面以及光从水晶制1/2波长板出射时的水晶制1/2波长板和空气的界面，产生折射，所以光路（光轴）变化。

θ₀=atan（tanθ₁×cosθ₂）                    （A1）

此时，根据θ₁=45度，θ₂=27.2度，能够算出θ₀是：

θ₀=atan（tan（45度）×cos（27.2度））

=atan（1×0.88941）

=41.65度

于是，讨论了通过将水晶制1/2波长板45度倾斜，与空气接触由此在该水晶制1/2波长板的入出射面的界面在入射光的光轴产生折射的情况的水晶制1/2波长板的光学设计的结果，是以下的规格。

并且，切断角度定义为水晶制1/2波长板的主面的法线和晶体光学轴所成的角度。设计相位差，定义为从与水晶制1/2波长板的主面的法线平行的方向入射设计波长λ的光时的相位差。光学轴方位角（θ₀）是由从水晶制1/2波长板的主面（入射、出射面）的法线来看时入射的光的直线偏振光的偏振波面（偏振面）和晶体光学轴所成的角度定义。此情况下的水晶制1/2波长板的波长和偏振变换效率之间的关系在图21的图中作为设计值示出。

在设水晶制1/2波长板的内部的光路的距离为t1时，通过所述光路，透过水晶制1/2波长板的光的相位差Γ，由如下所示的关系式算出。

Γ1=2π/λ×（ne-no）×t1

在此式中，求出使得Γ1=180度的光路长度t1，求出水晶制1/2波长板的主面的法线方向的厚度to，算出所述法线方向的设计波长λ的相位差Γo。

Γo=2π/λ×（ne-no）×to

cos（θ₂）=to/t1

to=t1×cos（θ₂）

Γo=2π/λ×（ne-no）×t1×cos（θ₂）

将此Γo定义为设计相位差，此处，Γo=160.11（度）。

然而，水晶制1/2波长板是，从将对水晶原石进行整形（兰伯特加工）而得到的水晶兰伯特以作为设计值的预定切断角度，使用线锯等切断得到晶圆，分离为单片而进行制造。

但是，在此制造工序中，如果在晶圆从水晶兰伯特以错误的切断角度被切断，并且/或者以超过了容许范围的切断角度被切断的情况下，以所述的设计板厚to的厚度加工，则如表1所示，设计相位差Γo会产生偏差，也就是说，成为Γo≠160.11度，存在水晶制1/2波长板全部成为不合格品的问题。

【表1】

	设计值	角度偏差
			设计波长（nm）	520	520
设计相位差（度）	160.11	175.50
			光学轴方位（度）	41.65	41.65
切断角度（度）	90	80

在切断角度从设计值90度偏差到80度进行切断的情况下，不考虑此角度偏差，直接以所述设计板厚to进行加工时，设计相位差Γo从160.11度到175.50度，相位差很大的偏差。

这是因为，在Γo=2π/λ×（ne-no）×to的式中，异常光折射率ne和普通光折射率no依存于切断角度，它们的值根据切断角度进行变化。

因此，透过了45度倾斜配置的水晶制1/2波长板的内部的光路的距离t1的光的相位差Γ，从180度很大地偏差。

此结果是，偏振变换效率如图21所示很大地变化，存在在550nm以下的波长带中偏振变换效率很大地降低从而劣化的问题。

于是，本发明的目的是，在水晶等的具有双折射性和旋光性的晶体材料中，即使切断角度从设计值偏离而切断的情况下，通过根据角度偏差，调整板厚，修正为最合适的设计板厚，由此能够实现具有如下1/2波长板的偏振变换元件、偏振变换单元以及投影型图像装置：能够改正设计相位差，使得预定波长带域的偏振变换效率可靠地成为规定值以上。

应用例一

本应用例的偏振变换元件，其特征在于：包含：配置为相对于入射光成为预定角度的透光性基板；在该透光性基板的入射表面侧，将入射光分离为相互垂直的第一直线偏振光和第二直线偏振光，透过所述第一直线偏振光，反射第二直线偏振光的偏振分离部；和与所述透光性基板大致平行地离开配置的、反射由所述偏振分离部反射后的所述第二直线偏振光的反射元件，所述透光性基板，由具有双折射性和旋光性的无机晶体材料形成，是：构成为将透过所述偏振分离部而入射至所述透光性基板的所述第一直线偏振光，变换成与所述第二直线偏振光的偏振波面平行，作为第二直线偏振光出射的相位差元件，该相位差元件，满足下述的条件（A）、（B）、（C）中的任一个条件，

条件（A）

所述透光性基板为单板，

在设定设计波长λ、所述透光性基板的板厚to、所述无机晶体材料的切断角度为Z时，设计波长λ、切断角度Z以及板厚to的关系，满足式（1）（2）（3）（4），

λ≤-0.1293×Z²+22.402×Z-325.73        （1）

λ≥0.1199×Z²-20.762×Z+1348.6         （2）

to≤5E-06×Z²-0.0004×Z-0.0368          （3）

to≥2E-05×Z²-0.0029×Z+0.136            （4）

条件（B）

所述透光性基板层叠2个所述无机晶体材料而成，

在设定设计波长λ、所述透光性基板的板厚to、所述无机晶体材料的切断角度为Z的时候，设计波长λ、切断角度Z以及板厚to的关系，满足式（5）（6）（7）（8），

λ≤-10.75×Z²+1933.9×Z-86330            （5）

λ≥6.25×Z²-1126.6×Z+51216              （6）

to≤-0.0281×Z²+5.0512×Z-225.61          （7）

to≥0.0173×Z²-3.1146×Z+141.39           （8）

在设为所述透光性基板中行进的光线的行进方向的2个所述无机晶体材料中，第一无机晶体材料的相位差为Γ1，第二无机晶体材料的相位差为Γ2的时候，满足下式

|Γ1-Γ2|=180（度）                       （9）

条件（C）

所述透光性基板层叠2个所述无机晶体材料而成，

在设定设计波长λ、所述透光性基板的板厚to、所述无机晶体材料的切断角度为Z时，设计波长λ、切断角度Z以及板厚to的关系，满足式（10）（11）（12）（13），

λ≤-2E-07×Z⁶+0.0001×Z⁵-0.024×Z⁴+2.7749×Z³-178.61×Z²+6067.8×Z-84312                            （10）

λ≥-4E-05×Z³+0.0757×Z²-10.073×Z+696.9            （11）

to≤-2E-08×Z⁴+6E-06×Z³-0.0008×Z²+0.0495×Z-0.9488 （12）

to≥5E-07×Z³-0.0001×Z²+0.0065×Z-0.0924            （13）。

此结构的本应用例中，因为由在透光性基板设置了电介质多层膜的偏振分离部而成的偏振分离元件和反射元件构成阵列，不需要在它们之间设置的玻璃等的透明部件，结构紧凑。

并且，因为使用热传导率比玻璃高的晶体材料作为透光性基板，与现有技术相比散热效果高，能够实现耐热性和长寿命化。

并且，因为晶体材料具有双折射性和旋光性，存在如下课题：沿光轴方向传播的直线偏振光的振动面随着光的行进扭转，偏振光状态变化，偏振变换效率降低，在本应用例中，通过使设计波长λ、切断角度Z以及板厚to等的关系，满足条件（A）、（B）、（C）中的任一个，因为使透过偏振分离部入射到透光性基板的第一直线偏振光，作为与此第一直线偏振光的偏振波面垂直的第二直线偏振光，从透光性基板的出射侧表面出射，所以偏振变换效率高。

应用例二

本应用例的偏振变换元件，其特征在于，在条件（A）时，如果设从所述透光性基板的法线来看的光学轴方位是θ₀，相对于在所述透光性基板中行进的光线的光学轴方位为θ₁，此光线和晶体光学轴的法线所成的角度为θ₂，所述透光性基板的折射率为n_c，与所述透光性基板相邻的层的折射率为n_a，入射角为α，则满足式（A1）、（A2）

θ₀=atan（tanθ₁×cosθ₂）            （A1）

n_asinα=n_csinθ₂                      （A2）。

此结构的本应用例中，在透光性基板由单板构成的情况下，能够简易地提供变换效率良好的偏振变换元件。

应用例三

本应用例的偏振变换元件，其特征在于，在条件（B）或者条件（C）时，如果设从所述透光性基板的法线来看的所述第一无机晶体材料的光学轴方位是θ₀₁，相对于在所述第一无机晶体材料中行进的光线的光学轴方位为θ₁₁，此光线和晶体光学轴的法线所成的角度为θ₂₁，所述第一无机晶体材料的折射率为n_c1，与所述第一无机晶体材料邻接的层的折射率为n_a，入射角为α，则满足式（A11）、（A21）

θ₀₁=atan（tanθ₁₁×cosθ₂₁）                （A11）

n_asinα=n_c1sinθ₂₁                           （A21）

如果设从所述透光性基板的法线来看的所述第二无机晶体材料的光学轴方位是θ₀₂，相对于在所述第二无机晶体材料中行进的光线的光学轴方位为θ₁₂，此光线和晶体光学轴的法线所成的角度为θ₂₂，所述第二无机晶体材料的折射率为n_c2，与所述第二无机晶体材料相邻的所述第一无机晶体材料的折射率为n_c1，入射角为α，则满足式（A12）、（A22）

θ₀₂=atan（tanθ₁₂×cosθ₂₂）            （A12）

n_c1sinθ₂₁=n_c2sinθ₂₂                    （A22）。

此结构的本应用例中，在透光性基板由2个无机晶体材料构成的情况下，能够简易地提供变换效率良好的偏振变换元件。

应用例四

本应用例的偏振变换元件，其特征在于：所述入射角α为大致45度或者135度。

此结构的本应用例中，因为能够由偏振分离部，将第二直线偏振光以相对于入射光为大致直角地向反射元件反射，所以，能够将由反射元件反射的光线向与由透光性基板出射的第二直线偏振光的光路大致平行的方向反射。

应用例五

本应用例的偏振变换元件，其特征在于：所述晶体材料为水晶。

此结构的本应用例中，使用能够以与蓝宝石等晶体材料相比低价得到的水晶作为晶体材料，能够低价地提供偏振变换元件。

应用例六

本应用例的偏振变换元件，其特征在于：所述反射元件，包含水晶板和在该水晶板的表面设置的镜部。

此结构的本应用例中，因为设置了镜部的板材不是玻璃而是水晶，所以透光性基板以及反射元件，散热效果都高，能够实现耐热性和长寿命化。

应用例七

本应用例的偏振变换单元，其特征在于：包含：如前所述结构的偏振变换元件和保持此偏振变换元件的保持部件，所述保持部件，包含：分别保持所述透光性基板的两端部和所述反射元件的两端部的一对保持板，和分别连接该一对保持板的两端部的一对连接板。

此结构的本应用例中，因为能够紧凑地在保持部件中收纳包含透光性基板以及偏振分离部而构成的偏振分离元件和反射元件，所以便于处理。

应用例八

本应用例的偏振变换单元，其特征在于：所述一对保持板和所述一对连接板一体形成，在所述一对保持板的相互相对的部分，设置分别引导所述透光性基板和所述反射元件的引导槽，所述引导槽在所述一对保持板的一侧面分别开口。

此结构的本应用例中，因为仅仅通过分别将所述偏振分离元件和所述反射元件沿着引导槽插入而安装偏振变换单元，所以安装作业容易。

应用例九

本应用例的偏振变换单元，其特征在于：所述一对保持板和所述一对连接板分体形成，所述一对连接板包含对所述一对保持板在相互相对的方向施力的接合片。

此结构的本应用例中，由一对连接板对一对保持部件向相互接近的方向施力，可靠地保持偏振分离元件和反射元件，能够防止偏振分离元件和/或反射元件从偏振分离单元脱落。

应用例十

本应用例的投影型图像装置，其特征在于，包含：光源；将来自所述光源的光变换为所述第二直线偏振光而出射的偏振变换元件；根据要投影的图像信息调制来自所述偏振变换元件的出射光的光调制机构；以及投影由所述光调制部件调制了的光的投影光学系统，所述偏振变换元件是如前所述结构的偏振变换元件。

此结构的本应用例中，因为偏振变换元件的偏振变换效率高，所以，能够提供投影精度高的投影型图像装置。

应用例十一

本应用例的投影型图像装置，其特征在于：所述光调制机构是液晶面板。

此结构的本应用例中，能够提供能够起到如前所述的效果的液晶投影仪。

附图说明

图1是本发明的第一实施方式的偏振变换元件的概略图。

图2是用于说明第一实施方式的透光性基板的光学轴方位的图。

图3（A）是表示切断角度Z和设计波长λ的图，（B）是表示切断角度Z和板厚to的关系的图。

图4是表示第一实施方式的透光性基板的偏振变换效率的图。

图5是本发明的第二实施方式的偏振变换元件的概略图。

图6是用于说明第二实施方式的透光性基板的光学轴方位的图。

图7（A）是表示切断角度Z和设计波长λ的图，（B）是表示切断角度Z和板厚to的关系的图。

图8是表示第二实施方式的透光性基板的偏振变换效率的图。

图9是用于说明第三实施方式的透光性基板的光学轴方位的图。

图10（A）是表示切断角度Z和设计波长λ的图，（B）是表示切断角度Z和板厚to的关系的图。

图11是表示第三实施方式的透光性基板的偏振变换效率的图。

图12是安装了本发明第四实施方式的液晶投影仪的概略结构图。

图13是表示第四实施方式的偏振变换单元的立体图。

图14（A）是保持部件的平面图，（B）是保持部件的剖面图。

图15是表示保持部件的一部分的分解立体图。

图16是表示本发明的第五实施方式的偏振变换单元的立体图。

图17是表示保持部件的一部分的分解立体图。

图18是本发明的第六实施方式的偏振分离元件的立体图。

图19是本发明的变形例的偏振变换元件的概略图。

图20是用于说明作为本发明的前提的技术即水晶制1/2波长板的光学轴方位的图。

图21是表示现有例子的透光性基板的偏振变换效率的图。

符号的说明

1，4，6…偏振变换单元、2…偏振变换元件、3，5，7…保持部件、21…偏振分离元件、21A…透光性基板、21B…偏振分离部、22…反射元件、51…保持板、51A…引导槽、52，72…连接板、71…保持板、71A…引导槽、100…液晶投影仪（投影型图像装置）、111…光源装置、140…光调制装置（光调制单元）、141R，141G，141B…透过型液晶面板、150…投影光学装置（投影光学系统）、211…第一无机晶体材料、212…第二无机晶体材料、213…粘接层、P…P偏振光（第一直线偏振光）、PO，PO₁，PO₂…晶体光学轴、S…S偏振光（第二直线偏振光）

具体实施方式

基于附图说明本发明的实施方式。此处，在各个实施方式中，对同一结构单元给予同一符号，省略说明或简略地进行说明。

从图1到图4表示了第一实施方式。

图1表示第一实施方式的概略。

在图1中，第一实施方式的偏振变换单元1包含：偏振变换元件2、和保持此偏振变换元件2的保持部件3。保持部件3是平面矩阵状的例如合成树脂制的板材。

偏振变换元件2包含交替配置的偏振分离元件21以及反射元件22，这些偏振分离元件21和反射元件22的各自的一个端部，被嵌合于保持部件3的凹部（未图示）。

偏振分离元件21和反射元件22，在图1中，夹着保持部件3的中心而在左右配置多个，例如，两个两个配置，其中，相对于中心在左侧配置的偏振分离元件21以及反射元件22和在右侧配置的偏振分离元件21以及反射元件22，相对于所述中心配置为对称关系。

偏振分离元件21，包含：配置为使得其入射侧主表面以及出射侧主表面与入射光IL成预定角度（在本实施方式中为45度）的一个透光性基板21A；在此透光性基板21A的入射侧表面，将入射光IL分离为相互垂直的第一直线偏振光即P偏振光P和第二直线偏振光即S偏振光S，透过P偏振光P，反射S偏振光S的偏振分离部21B；以及在配置了此偏振分离部21B的透光性基板21A的与入射光IL入射侧的主面相反侧的主面（出射侧的主面）分别设置的反射防止部21C。

透光性基板21A，是由具有双折射性和旋光性的水晶构成的1/2波长板，并且，将透过偏振分离部21B入射的P偏振光P变换为与由反射元件22反射的S偏振光S的偏振波面平行，作为S偏振光S出射。

偏振分离部21B由在光学上面内均一的电介质多层膜构成，该电介质多层膜中以预定的顺序以及预定的光学膜厚形成由例如氧化硅（SiO₂）形成的低折射率层和由例如氧化铝（Al₂O₃）形成的高折射率层。

反射防止部21C，通过蒸镀将例如二氧化硅和氧化钛交替依次层叠而形成的电介质多层膜等的物质而形成。

反射元件22，具有水晶板22A和在此水晶板22A的表面上设置的镜部22B。

镜部22B，由通过蒸镀例如二氧化硅、氧化钛等物质而形成的多层膜构成。

图2是用于说明1/2波长板的光学轴方位的图。

图2中如果设从1/2波长板即透光性基板21A的法线来看的光学轴方位为θ₀，相对于在所述透光性基板21A中行进的光线R1的光学轴方位为θ₁，晶体光学轴PO的法线PL和光线R1所成的角度为θ₂，则这些角度满足如下的关系。

θ₀=atan（tanθ₁×cosθ₂）                （A1）

并且，如果设透光性基板21A的折射率为n_c，与透光性基板21A相邻的层为空气层，此空气的折射率为n_a，则因为在透光性基板21A的折射角为θ₂，所以根据司乃尔（snell）定律，成立以下的关系。

n_asinα=n_csinθ₂                          （A2）

在本实施方式中，透光性基板21A的无机晶体材料即水晶的折射率n_c为1.54，空气的折射率n_a为1.00，因为入射角α为45度，根据式（A2），θ₂是27.2度。

进一步的，因为θ₂是27.2度，θ₁是45度，根据式（A1），算出θ₀是

θ₀=atan（tan（45）×cos（27.2））=41.650

=41.7度。

在本实施方式中，在透光性基板21A为单板即A类型的情况下，在向透光性基板21A的入射角度以45（度）为中心，从此中心开始以±10（deg）度的范围的角度倾斜的情况下，通过仿真分析以5（度）阶段性变化入射角度时的偏振变换效率，在该波长带域使预定的波长带域的偏振变换效率平均化时，通过平均来评价此平均后的偏振变换效率的透过损失。也就是说，将在投射型影像装置搭载了本实施方式的偏振变换元件时的透过特性，设定为如下规格：

M：500~600nm带域中，透过损失在10%以内、

N：400~700nm带域中，透过损失在20%以内

设定设计条件使得满足这两个M，N的规格。

A类型中，以满足以下的条件（A）为条件。

条件（A）：设定设计波长为λ、透光性基板21A的板厚为to、构成透光性基板21A的无机晶体材料的切断角度为Z的时候，设计波长λ、切断角度Z以及板厚to的关系，满足式（1）（2）（3）（4），

λ≤-0.1293×Z²+22.402×Z-325.73             （1）

λ≥0.1199×Z²-20.762×Z+1348.6              （2）

to≤5E-06×Z²-0.0004×Z-0.0368               （3）

to≥2E-05×Z²-0.0029×Z+0.136                （4）

式（1）（2）表示设计波长λ和切断角度Z的关系，其中，式（1）是上限的关系式，式（2）是下限的关系式。并且，式（3）（4）表示切断角度Z和板厚to的关系，其中，式（3）是上限的关系式，式（4）是下限的关系式。

表2是通过仿真分析偏振变换效率的结果，表示切断角度Z和设计波长λ的关系以及切断角度Z和板厚to的关系。切断角度Z和设计波长λ的关系也在图3（A）中表示，切断角度Z和板厚to的关系也在图3（B）中表示。

【表2】

根据表2以及图3（A）（B），用于满足透过特性的设计波长λ和切断角度Z的范围是：

455≤λ≤640（nm）

65≤Z≤110（度）。

如果设计波长λ和切断角度Z的关系被设计为满足上限的关系式即式（3）和下限的关系式即式（4），例如，如图4所示，能够满足所述的透过特性（透过损失）的规格M，N。

图4表示本实施方式设计的1/2波长板即透光性基板21A的偏振变换效率。图4中，在粗的图示的曲线L上重叠显示多个数据。

如图4所示，能够充分满足：偏振变换效率，从波长为400nm开始直到700nm为0.8以上，透过损失的平均值为20%以内，从波长为500nm开始直到600nm示出0.9以上的高值，透过损失为10%以内的规格。

以上的结构的第一实施方式中，能够起到以下的作用效果。

（1）包含：由具有双折射性和旋光性的晶体材料形成的透光性基板21A和在此透光性基板21A的入射侧表面设置而透过P偏振光且反射S偏振光的偏振分离部21B，构成偏振分离元件21；将反射由偏振分离部21B反射后的S偏振光S的反射元件22，与透光性基板21A大致平行地离开配置，将透过偏振分离部21B入射到透光性基板21A的P偏振光P变换为与S偏振光S的偏振波面平行，作为S偏振光S出射。因此，因为由偏振分离元件21和反射元件22构成透镜阵列，所以不需要在它们之间设置的玻璃等的透明部件，结构紧凑。

（2）因为使用晶体材料作为透光性基板21A，此晶体材料与玻璃相比散热效果高，能够实现耐热性和长寿命化。而且，本实施方式中，虽然因为作为透光性基板21A，使用具有双折射性和旋光性的无机晶体材料，存在偏振光状态变化，偏振变换效率降低的担忧，但是因为将透过偏振分离部21B入射到透光性基板21A的P偏振光P维持其偏振波面而从透光性基板21A的出射面侧表面出射，因为设定条件（A）即设计波长λ、切断角度Z、板厚to的关系为满足λ≤-0.1293×Z²+22.402×Z-325.73…（1）、λ≥0.1199×Z²-20.762×Z+1348.6…（2）、to≤5E-06×Z²-0.0004×Z-0.0368…（3）、to≥2E-05×Z²-0.0029×Z+0.136…（4）的关系，所以能够消除偏振光状态的变化，能够得到良好的光学特性。

（3）关于1个偏振分离元件21，如果设透光性基板21A为一个，从透光性基板21A的法线来看的光学轴方位是θ₀，相对于在透光性基板21A中行进的光线的光学轴方位为θ₁，此光线和晶体光学轴PO的法线PL所成的角度为θ₂，透光性基板21A的折射率为n_c，与透光性基板21A相邻的空气层的折射率为n_a，则光学轴方位θ₀，根据θ₀=atan（tanθ₁×cosθ₂）（A1）、n_asinα=n_csinθ₂（A2）的式求得，所以在一个偏振分离元件21包括一个透光性基板21A的情况下，能够简易地提供变换效率良好的偏振变换元件2。

（4）因为将透光性基板21A配置为相对于入射光IL为45（度）或者135（度），所以能够由偏振分离元件21的偏振分离部21B，将S偏振光S相对于入射光大致成直角地向反射元件22反射，所以，能够使得由入射元件22反射的光S偏振光S与由透光性基板21A出射的S偏振光S大致平行。因此，因为能够容易的统一反射元件22的反射光和偏振分离元件21的透过光，能够容易地安装偏振变换元件2。

（5）因为由水晶形成透光性基板21A，水晶与蓝宝石等其他的晶体材料相比，容易低价地得到，所以能够低价地提供偏振变换元件2。

（6）在反射元件22中，因为设置了镜部22B的板材不是玻璃而是水晶，所以偏振分离元件21以及反射元件22，散热效果都高，能够实现耐热性和长寿命化。

（7）因为偏振分离部件21B是由电介质多层膜构成，所以能够简单地制造偏振分离元件21。

然后，基于图5到图8说明本发明的第二实施方式。

第二实施方式以由2个相位差板构成透光性基板21A的方面作为特征，其他的结构与第一实施方式相同。

图5中表示了本发明的第二实施方式的偏振变换元件的概略。

在图5中，透光性基板21A，由各自由水晶形成的板状的第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212构成，第一无机晶体材料211，在其一面形成反射防止部21C。在此反射防止部21C，设置偏振分离部21B。在第一无机晶体材料211的另一面，对置有第二无机晶体材料212的一面，在此第二无机晶体材料的另一面，形成反射防止部21C。并且，图5中，虽然表示了由粘接层213使得第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212相互粘接的结构，但是，在本实施方式中，也可以作为简单地层叠第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212的结构。

本实施例中，由图6表示透光性基板21A的光学轴方位。

如图6所示，由连接层213粘合，使得第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212的晶体光学轴PO₁、PO₂相互交叉。在本实施方式中，透光性基板21A是粘合第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212而成的通称D类型的相位差板。

由下面的公式求得第一无机晶体材料211的光学轴方位θ₀₁和第二无机晶体材料212的光学轴方位θ₀₂。

即，如果设从透光性基板21A的法线来看的第一无机晶体材料211的光学轴方位是θ₀₁，相对于在第一无机晶体材料211中行进的光线R1的光学轴方位为θ₁₁，此光线R1和晶体光学轴PO₁的法线所成的角度为θ₂₁（图6中省略图示），第一无机晶体材料211的折射率为n_c1，与第一无机晶体材料211相邻的空气层的折射率为n_a，则第一无机晶体材料211的光学轴方位θ₀₁根据下式求得。

θ₀₁=atan（tanθ₁₁×cosθ₂₁）                    （A11）

n_asinα=n_c1sinθ₂₁                               （A21）

同样的，如果设相对于在第二无机晶体材料212中行进的光线的光学轴方位为θ₁₂，此光线和晶体光学轴PO₂的法线所成的角度为θ₂₂（图6中省略图示），第二无机晶体材料212的折射率为n_c2，与第二无机晶体材料211相邻的第一无机晶体材料211的折射率为n_c1，则第二无机晶体材料212的光学轴方位θ₀₂根据下式求得。

θ₀₂=atan（tanθ₁₂×cosθ₂₂）                    （A12）

n_c1sinθ₂₁=n_c2sinθ₂₂                            （A22）。

此处，本实施方式中，光学轴方位θ₁₂和光学轴方位θ₁₁的差为90度。

第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212的材料即水晶的折射率n_c1、n_c2为1.54，空气的折射率n_a为1.00，入射角α为45度。进一步的，因为光学轴方位θ₁₁为45度，光学轴方位θ₁₂为135度（45度+90度）（例如，特开昭58-194004号、特开昭59-062807号），根据式（A11）（A21）（A12）（A22），能够求得光学轴方位θ₀₁、θ₀₂。

光学轴方位θ₀₁是：

n_asinα=n_c1sinθ₂₁                              （A21）

1.00×sin45度=1.54×sinθ₂₁

0.7071=1.54×sinθ₂₁

θ₂₁=27.32度

θ₀₁=atan（tanθ₁₁×cosθ₂₁）                   （A11）

=atan（tan45度×cos27.32度）

=atan（0.89）

=41.7（度）

光学轴方位θ₀₂是：

n_c1sinθ₂₁=n_c2sinθ₂₂                    （A22）

1.54×sin27.32度=1.54×sinθ₂₂

θ₂₂=27.32度

θ₀₂=atan（tanθ₁₂×cosθ₂₂）            （A11）

=atan（tan135度×cos27.32度）

=atan（-0.888）

=-41.7（度）

将光学轴方位θ₀₂的-41.7度结合图6的图示时，θ₀₂是138.3度。

本实施方式中，与第一实施方式同样，在向透光性基板21A的入射角度以45（度）为中心，从此中心开始以±10（度）度的范围的角度倾斜的情况下，通过仿真分析以5（度）阶段性变化入射角度时的偏振变换效率，在该波长带域平均化预定的波长带域的偏振变换效率时，通过平均来评价此平均后的偏振变换效率的透过损失。也就是说，将在投射型影像装置搭载了本实施方式的偏振变换元件时的透过特性，设定为如下规格：

M：500~600nm带域中，透过损失在10%以内、

N：400~700nm带域中，透过损失在20%以内

设定设计条件使得满足这两个规格。

通称为D类型的本实施方式的相位差板中，以满足以下的条件（B）为条件。

条件（B）：在设定设计波长λ、所述透光性基板的板厚to、所述无机晶体材料的切断角度为Z的时候，设计波长λ、切断角度Z以及板厚to的关系，满足式（5）（6）（7）（8），

λ≤-10.75×Z²+1933.9×Z-86330                    （5）

λ≥6.25×Z²-1126.6×Z+51216                      （6）

to≤-0.0281×Z²+5.0512×Z-225.61           （7）

to≥0.0173×Z²-3.1146×Z+141.39            （8）

此处，所述板厚to，定义为粘合所述第一无机晶体材料211和所述第二无机晶体材料212而成的相位差板的板厚。也就是说，是所述第一无机晶体材料211的板厚t211和所述第二无机晶体材料212的板厚t212合计的板厚。

在设在透光性基板21A中行进的光线的行进方向的2个无机晶体材料中的第一无机晶体材料211的相位差为Γ1，第二无机晶体材料212的相位差为Γ2的时候，满足下式

|Γ1-Γ2|=180（度）                        （9）

式（5）（6）表示设计波长λ和切断角度Z的关系，其中，式（5）是上限的关系式，式（6）是下限的关系式。并且，式（7）（8）表示切断角度Z和板厚to的关系，其中，式（7）是上限的关系式，式（8）是下限的关系式。

表3是通过仿真分析偏振变换效率的结果，表示切断角度Z和设计波长λ的关系和切断角度Z和板厚to的关系。切断角度Z和设计波长λ的关系也在图7（A）中表示，切断角度Z和板厚to的关系也在图7（B）中表示。

【表3】

根据表3以及图7（A）（B），用于满足透过特性的设计波长λ和切断角度Z的范围是：

450≤λ≤640（nm）

87≤Z≤93（度）。

如果设计波长λ和切断角度Z的关系设计为满足上限的关系式即式（5）和下限的关系式即式（6），则例如，如图8所示，能够满足所述的透过特性（透过损失）的规格M，N。

图8表示本实施方式设计的1/2波长板即透光性基板21A的偏振变换效率。图8中，在粗的图示的曲线L包含多个数据。

如图8所示，能够充分满足：偏振变换效率从波长为400nm开始直到700nm为0.8以上，透过损失的平均值为20%以内，从波长为500nm开始直到600nm示出0.9以上的高值，透过损失为10%以内的规格。

因此，如果设第一无机晶体材料211的板厚m₁为0.048mm，波长为520nm，则第一无机晶体材料211的相位差为270度，如果设第二无机晶体材料212的板厚m₂为0.020mm，波长为520nm，则第二无机晶体材料212的相位差为110度。

因此，在第二实施方式中，能够在起到与第一实施方式的（1）（3）~（7）同样的作用效果之外，起到以下的效果。

（8）本实施方式中，将透过偏振分离部21B入射到透光性基板21A的P偏振光P维持其偏振波面而从透光性基板21A的出射侧表面出射，所以在设定设计波长为λ、透光性基板21A的板厚为to、无机晶体材料的切断角度为Z的时候，设定设计波长λ、切断角度Z、板厚to的关系满足条件（B），也就是，λ≤-10.75×Z²+1933.9×Z-86330…（5）、λ≥6.25×Z²-1126.6×Z+51216…（6）、to≤-0.0281×Z²+5.0512×Z-225.61…（7）、to≥0.0173×Z²-3.1146×Z+141.39…（8）、在设第一无机晶体材料212的相位差为Γ1，第二无机晶体材料212的相位差为Γ2的时候，满足|Γ1-Γ2|=180（度）…（9）的关系，能够消除偏振光状态的变化，能够得到良好的光学特性。

（9）在由第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212的2个构成透光性基板21A，设从透光性基板21A的法线来看的第一无机晶体材料211的光学轴方位是θ₀₁，相对于在第一无机晶体材料211中行进的光线的光学轴方位为θ₁₁，此光线和晶体光学轴PO₁的法线所成的角度为θ₂₁，第一无机晶体材料211的折射率为n_c1，与第一无机晶体材料211相邻的空气层的折射率为n_a时，第一无机晶体材料211的光学轴方位θ₀₁，由θ₀₁=atan（tanθ₁₁×cosθ₂₁）（A11）、n_asinα=n_c1sinθ₂₁（A21）的式求得，在设从透光性基板21A的法线来看的第二无机晶体材料212的光学轴方位是θ₀₂，相对于在第二无机晶体材料212中行进的光线的光学轴方位为θ₁₂，此光线和晶体光学轴的法线PO₂所成的角度为θ₂₂，第二无机晶体材料212的折射率为n_c2，与第二无机晶体材料212相邻的第一无机晶体材料211的折射率为n_c1时，第二无机晶体材料212的光学轴方位θ₀₂，由式θ₀₂=atan（tanθ₁₂×cosθ₂₂）（A12）、n_c1sinθ₂₁=n_c2sinθ₂₂（A22）求得，在透光性基板21A是包括第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212的相位差板的情况下，能够简易地提供变换效率良好的偏振变换元件。

接着，基于图5、图9、图10，对本发明的第三实施方式进行说明。

如图5所示，第三实施方式中，虽然，在透光性基板21A包含2个第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212的方面，与第二实施方式相同，但是，第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212的具体的结构与第二实施方式不同。

在图9中，表示第三实施方式的透光性基板21A的光学轴方位。

在图9中，第三实施方式的透光性基板21A是1/2波长板，重叠第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212使得晶体光学轴PO₁、PO₂相互交叉而成。

在本实施方式中，在透光性基板21A是粘合第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212而成的通称为WB1型的宽带域的相位差板的情况下，第一无机晶体材料211的光学轴方位θ₀₁和第二无机晶体材料212的光学轴方位θ₀₂，与第二实施方式同样地求得。但是，在本实施方式中，光学轴方位θ₁₁和光学轴方位θ₁₂的和是90度。

第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212的材料即水晶的折射率n_c1、n_c2为1.54，空气的折射率n_a为1.00，光学轴方位θ₁₁为22.5度，光学轴方位θ₁₂为67.5度（=90度-22.5度），入射角α为45度。根据式（A11）（A21）（A12）（A22），能够求得光学轴方位θ₀₁、θ₀₂。

光学轴方位θ₀₁是：

n_asinα=n_c1sinθ₂₁                                （A21）

1.00×sin45度=1.54×sinθ₂₁

0.7071=1.54×sinθ₂₁

θ₂₁=27.32度

θ₀₁=atan（tanθ₁₁×cosθ₂₁）                     （A11）

=atan（tan45度×cos27.32度）

=atan（0.89）

=41.7（度）

光学轴方位θ₀₂是：

n_c1sinθ₂₁=n_c2sinθ₂₂                             （A22）

1.54×sin27.32度=1.54×sinθ₂₂

θ₂₂=27.32度

θ₀₂=atan（tanθ₁₂×cosθ₂₂）                     （A11）

=atan（tan67.5度×cos27.32度）

=atan（2.14）

=65.0（度）

第三实施方式中，与所述各个实施方式同样的，在向透光性基板21A的入射角度以45（度）为中心，从此中心开始以±10（度）度的范围的角度倾斜的情况下，通过仿真分析以5（度）阶段性变化入射角度的时候的偏振变换效率，在该波长带域平均化预定的波长带域的偏振变换效率的时候，通过平均来评价此平均后的偏振变换效率的透过损失。也就是说，将在投射型影像装置搭载了本实施方式的偏振变换元件的时候的透过特性，设定为如下规格：

M：500~600nm带域中，透过损失在10%以内、

N：400~700nm带域中，透过损失在20%以内

设定设计条件使得满足这两个规格。

通称为WB1类型的本实施方式的宽带域的相位差板中，以满足以下的条件（C）为条件。

条件（C）：在设定设计波长为λ、所述透光性基板的板厚为to、所述无机晶体材料的切断角度为Z的时候，设计波长λ、切断角度Z以及板厚to的关系，满足式（10）（11）（12）（13），

λ≤-2E-07×Z⁶+0.0001×Z⁵-0.024×Z⁴+2.7749×Z³-178.61×Z²+6067.8×Z-84312                 （10）

λ≥-4E-05×Z³+0.0757×Z²-10.073×Z+696.9               （11）

to≤-2E-08×Z⁴+6E-06×Z³-0.0008×Z²+0.0495×Z-0.9488    （12）

to≥5E-07×Z³-0.0001×Z²+0.0065×Z-0.0924               （13）

此处，所述板厚to，与第二实施方式同样定义为粘合了所述第一无机晶体材料211和所述第二无机晶体材料212而成的相位差板的板厚。也就是说，是所述第一无机晶体材料211的板厚t211和所述第二无机晶体材料212的板厚t212合计的板厚。

式（10）（11）表示了设计波长λ和切断角度Z的关系，其中，式（10）是上限的关系式，式（11）是下限的关系式。并且，式（12）（13）表示切断角度Z和板厚to的关系，其中，式（12）是上限的关系式，式（13）是下限的关系式。

表4是通过仿真分析偏振变换效率的结果，表示切断角度Z和设计波长λ的关系和切断角度Z和板厚to的关系。切断角度Z和设计波长λ的关系也在图10（A）中表示，切断角度Z和板厚to的关系也在图10（B）中表示。

【表4】

根据表4以及图10（A）（B），用于满足透过特性的设计波长λ和切断角度Z的范围是：

450≤λ≤640（nm）

87≤Z≤93（度）。

如果设计波长λ和切断角度Z的关系，设计为满足上限的关系式即式（10）、和下限的关系式即式（11），则例如，如图11所示，能够满足所述的透过特性（透过损失）的规格M，N。

图11表示本实施方式设计的1/2波长板即透光性基板21A的偏振变换效率。图11中，在粗的图示的曲线L包含多个数据。

如图11所示，能够充分满足：偏振变换效率从波长为400nm开始直到700nm为0.8以上（0.9以上），透过损失的平均值为20%以内，从波长为500nm开始直到600nm为0.9以上（非常接近1.0）的高值，透过损失为10%以内的规格。

因此，在设第一无机晶体材料211的板厚m₁为0.048mm，波长为520nm的时候，第一无机晶体材料211的相位差为270度，在设第二无机晶体材料212的板厚m₂为0.020mm，波长为520nm的时候，第二无机晶体材料212的相位差为110度。

因此，在第三实施方式中，能够在起到与第二实施方式的（1）（3）~（7）（9）同样的作用效果之外，起到以下的效果。

（10）本实施方式中，将透过偏振分离部21B入射到透光性基板21A的P偏振光P维持其偏振波面而从透光性基板21A的出射侧表面出射，所以在设定设计波长为λ、透光性基板21A的板厚为to、无机晶体材料的切断角度为Z的时候，设定设计波长λ、切断角度Z、板厚to的关系使得满足条件（C），也就是，λ≤-2E-07×Z⁶+0.0001×Z⁵-0.024×Z⁴+2.7749×Z³-178.61×Z²+6067.8×Z-84312··（10）、λ≥-4E-05×Z³+0.0757×Z²-10.073×Z+696.9··（11）、to≤-2E-08×Z⁴+6E-06×Z³-0.0008×Z²+0.0495×Z-0.9488··（12）、to≥5E-07×Z³-0.0001×Z²+0.0065×Z-0.0924··（13）的关系，能够消除偏振光状态的变化，能够得到良好的光学特性。

然后，基于图12到图15对本发明的第四实施方式进行说明。

第四实施方式是在投影型图像装置即液晶投影仪100中设置了偏振变换单元4的例子，保持部件5的结构与第一实施方式的变换单元1不同。

图12表示了液晶投影仪的概略结构。

图12中，液晶投影仪100，包含：积分照明光学系统110、色分离光学系统120、中继光学系统130、根据图像信息对从光源出射的光进行调制的光调制装置140、放大投射由光调制装置140调制后的光的投影光学装置150。

积分照明光学系统110，是用于几乎均一地照明后述的3个透过型液晶面板141R、141G、141B的图像形成区域的光学系统，包含：光源装置111、第一透镜阵列112、偏振变换装置200、和重叠透镜113。

光源装置111，将由光源灯114射出的辐射状的光线在反射镜115反射，成为大致平行的光线，将此大致平行的光线向外部射出。

偏振变换装置200，包含第二透镜阵列210、遮光板220、第二实施方式的偏振变换单元4。

色分离光学系统120，包含2个分色镜121、122和反射镜123，通过分色镜121、122，将从积分照明光学系统110射出的多个光分离为红、绿、蓝3个颜色的色光。由分色镜121分离出的蓝色光，由反射镜123反射，通过场透镜142，到达蓝色光用的透过型液晶面板141B。

在透过分色镜121的红色光和绿色光中，绿色光由分色镜122反射，通过场透镜142，到达绿色光用的透过型液晶面板141G。

中继光学系统130，包含：入射侧镜头131、中继镜头133和反射镜132、134。由色分离光学系统120分离出的红色光，透过分色镜122，通过中继光学系统130，进一步通过场透镜142，到达红色光用的透过型液晶面板141R。

光调制装置140，包含透过型液晶面板141R，141G，141B和交叉分色棱镜143。此交叉分色棱镜143，合成被调制成各色光的光学像，形成彩色的光学像。

偏振变换单元4，包含与第一实施方式相同结构的偏振变换元件2、和保持此偏振变换元件2的保持部件5。

保持部件5的具体的结构如图13到图15所示。

图13是保持部件5的立体图，图14（A）是保持部件5的平面图，图14（B）是保持部件5的剖面图。

这些图中，保持部件5是具有分别保持偏振分离元件21的两端部和反射元件22的两端部的一对保持板51和分别连接这一对保持板51的两端部的一对连接板52的结构。这些保持板51和连接板52是由合成树脂一体地形成为平面矩形的框架状。

在一对保持板51的相互相对的部分，形成多对分别引导偏振分离元件21和反射元件22的引导槽51A。这些引导槽51A，形成为其长边方向相对于入射光为45度或者135度。

并且，在图13以及图14中，引导槽51A，虽然图示了4对用于收纳偏振分离元件21，图示了2对用于收纳反射元件22，但是，这是为了容易理解引导槽51A的结构而放大表示，实际上，配合图1所示的偏振变换元件2，是设置4对用于收纳4个偏振分离元件21，设置4对用于收纳4个反射元件22的结构。而且，引导槽51A的数量不限定为所述的情况，对应于实际设置的偏振分离元件21和反射元件22的数量。

图15是表示保持部件5的一部分的分解立体图。在图15中，引导槽51A，一个端部在保持板51的一侧面开口，另一端部形成阶差使得偏振分离元件21或者反射元件22对接。引导槽51A，其宽度尺寸是与偏振分离元件21和/或反射元件22的宽度尺寸相同或者稍微大一点而形成，其长度尺寸是与偏振分离元件21和/或反射元件22的长度尺寸相同或者稍微大一点而形成。

因此，在第四实施方式中，在能够起到第一实施方式的（1）到（6）的作用效果相同的作用效果之外，还能够起到以下的作用效果。

（11）因为是包含：具有将来自光源装置111的光变换为S偏振光S而出射的偏振变换元件2的偏振变换单元4、根据图像信息对来自偏振变换元件2的出射光进行调制的光调制装置140、和投影由该光调制装置140调制后的光的投影光学装置150，而构成液晶投影仪100，所以随着偏振变换元件2的偏振变换效率高，液晶投影仪100的投影精度也高。

（12）因为光调制装置140是包含透过型液晶面板141R，141G，141B而构成，根据此点，也能够提供投影精度高的液晶投影仪100。

（13）偏振变换单元4，包含保持偏振变换元件2的保持部件5，因为此保持部件5是具有分别保持偏振分离元件21的两端部和反射元件22的两端部的一对保持板51和分别连接这些一对保持板51的两端部的一对连接板52的结构，所以能够将偏振分离元件21以及反射元件22紧凑地收纳于保持部件，安装方便。

（14）因为一体地形成一对保持板51和一对连接板52，所以能够通过注塑成型等的合适的方法，容易地制造保持部件5。

（15）因为在一对保持板51的相互相对的部分，形成分别引导偏振分离元件21和反射元件22的引导槽51A，这些引导槽分别在一对保持板51的一个侧面开口，所以仅仅通过将偏振分离元件21和反射元件22分别沿着引导槽51A插入，即可安装偏振变换单元4，安装作业变得容易。

然后，基于图16以及图17说明本发明的第五实施方式。

第五实施方式的保持部件的结构与第四实施方式不同，其他的结构与第四实施方式相同。

图16是表示第五实施方式的偏振变换单元的立体图，图17是表示保持部件的一部分的分解立体图。

这些图中，偏振变换单元6，包含：与第一实施方式相同结构的偏振变换元件2、和保持此偏振变换元件2的保持部件7。

保持部件7，包含：一对保持板71、和在一对保持板71端部设置的一对连接板72，一对保持板71和一对连接板72分体形成。

一对保持板71是由合成树脂形成的板状，在其相互相对的部分，形成多对分别引导偏振分离元件21和反射元件22的端部的引导槽71A。这些引导槽71A，形成为其长边方向相对于入射光成45度或者135度。并且，引导槽71A是平面为矩形状的凹部。

在第五实施方式中，虽然引导槽71A图示合计6对，但是，实际上，配合偏振变换元件2，是设置4对用于收纳4个偏振分离元件21，设置4对用于收纳4个反射元件22的结构。

一对连接板72，包含：长条状的板材721、和连接于此板材721的将一对保持板71向相互相对的方向施力的接合片722。

这些板材721和接合片722是由具有弹性的材料，例如，金属、合成树脂等一体地形成。接合片722是相对于板材721弯曲而形成，在其中央部分，形成与在保持板71形成的凹部71B接合的凸状的抑制部722A。凸状的抑制部722A和凹部71B是在与保持板71的长边方向垂直的方向延伸而形成。

因此，在第五实施方式中，能够起到与第四实施方式的（1）~（6）（11）~（15）的作用效果同样的作用效果之外，还能够起到以下的作用效果。

（16）保持部件7，包含：一对保持板71和在一对保持板71端部设置的一对连接板72；一对连接板72，包含长条状的板材721、和连接于此板材721的对一对保持板71在相互相对的方向施力的接合片722。因此，因为通过一对连接板72，对一对保持板71在相互接近的方向施力，所以能够由保持部件7可靠地保持偏振分离元件21和反射元件22，所以偏振分离元件21和/或反射元件22不会从保持部件7误脱落。

（17）因为接触片722，具有与在保持板71形成的凹部71B接合的抑制部722A，所以连接板72不会在保持板71的长边方向偏离而脱卸。因此，能够防止连接板72从保持板71误脱卸。

（18）因为在保持板71形成的保持偏振分离元件21和/或反射元件22的端部的引导槽71A是平面为矩形状的凹部，所以能够限制偏振分离元件21和反射元件22在保持板71的平面内的移动。因此，根据此点，偏振分离元件21和反射元件22也不会从保持部件7误脱落。

然后，基于图18说明本发明的第六实施方式。

第六实施方式的偏振分离元件的结构与第一实施方式不同，其他的结构与第一实施方式相同。

图18是第六实施方式的偏振分离元件21的偏振分离部210B的立体图。图18中，偏振分离元件21的偏振分离部210B由通过电介质基板21D支持的多个平行的由金属线制成的导电电极21E形成。导电电极21E，其间距或者周期是P，个别的导体的宽度是W，厚度为t。入射光IL以相对于垂线的角度R入射至偏振分离元件21。入射光IL作为S偏振光S反射，没有衍射，作为P偏振光P透过。此处，周期P、宽度W、厚度t，根据使用的光的频率区域的其他的条件设定。

因此，根据第六实施方式，在能够起到第一实施方式（1）~（6）同样的作用效果之外，能够起到以下的作用效果。

（19）因为偏振分离元件21的偏振分离部210B由金属线网格形成，所以能够简单地制造偏振变换元件。

并且，本发明不限定为所述的实施方式，不用说在能够实现本发明的目的以及效果的范围内的变形或者改良，也包含于本发明的内容中。

例如，在所述实施方式中，在构成偏振分离元件21的透光性基板21A的两面设置反射防止部21C，但是，在本发明中，不一定需要设置反射防止部21C。但是，如所述各个实施方式，如果设置反射防止部21C，则透过偏振分离元件21以及反射元件22的光的量会变多。

进一步的，在第二实施方式以及第三实施方式中，虽然是层叠了第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212的结构，但是，在本发明中，也可以如图19所示，离开配置第一无机晶体材料211和第二无机晶体材料212，并且，在第一无机晶体材料211的两面和第二无机晶体材料212的单面形成反射防止部21C。

并且，虽然，将偏振变换元件用于液晶投影仪，但是，在本发明中，也能够用于液晶投影仪以外的投影装置。

进一步的，反射元件22不一定需要使用水晶，代替水晶使用玻璃也可以。并且，在偏振分离元件21中，透光性基板21A也不一定需要使用水晶，代替水晶使用蓝宝石等的具有双折射性和旋光性的晶体材料也可以。

进一步的，所述实施方式中，使得偏振分离元件21相对于入射光IL为大致45（度）或者135（度），但是本发明中，不限定为此，例如，也可以是60（度）或者120（度）。

本发明能够用于液晶投影仪、其他投影型图像装置。

Claims (11)

1.一种偏振变换元件，其特征在于，包含：

配置为相对于入射光成预定角度的透光性基板；

在该透光性基板的入射侧表面，将入射光分离为相互垂直的第一直线偏振光和第二直线偏振光，透过所述第一直线偏振光，反射第二直线偏振光的偏振分离部；和

与所述透光性基板大致平行地离开配置、反射由所述偏振分离部反射后的所述第二直线偏振光的反射元件，

所述透光性基板，

由具有双折射性和旋光性的无机晶体材料形成，

是构成为将透过所述偏振分离部而入射至所述透光性基板的所述第一直线偏振光，变换成与所述第二直线偏振光的偏振波面平行，作为第二直线偏振光出射的相位差元件，

该相位差元件，满足下述的条件（A）、（B）、（C）中的任一个条件，

条件（A）

所述透光性基板为单板，

在设为设计波长λ、所述透光性基板的板厚to、所述无机晶体材料的切断角度为Z时，设计波长λ、切断角度Z以及板厚to的关系满足式（1）

（2）（3）（4），

λ≤-0.1293×Z²+22.402×Z-325.73                    （1）

λ≥0.1199×Z²-20.762×Z+1348.6                     （2）

to 5E-06×Z²-0.0004×Z-0.0368                       （3）

to≥2E-05×Z²-0.0029×Z+0.136                       （4）

条件（B）

所述透光性基板层叠2个所述无机晶体材料而构成，

在设为设计波长λ、所述透光性基板的板厚to、所述无机晶体材料的切断角度为Z时，设计波长λ、切断角度Z以及板厚to的关系满足式（5）（6）（7）（8），

λ≤-10.75×Z²+1933.9×Z-86330                    （5）

λ≥6.25×Z²-1126.6×Z+51216                      （6）

t o≤-0.0281×Z²+5.0512×Z-225.61                 （7）

to≥0.0173×Z²-3.1146×Z+141.39                   （8）

在设为在所述透光性基板中行进的光线的行进方向中的2个所述无机晶体材料中，第一无机晶体材料的相位差为Γ1，第二无机晶体材料的相位差为Γ2时，满足下式

|Γ1-Γ2|=180度                                （9）

条件（C）

所述透光性基板层叠2个所述无机晶体材料，

在设为设计波长λ、所述透光性基板的板厚to、所述无机晶体材料的切断角度为Z时，设计波长λ、切断角度Z以及板厚to的关系，满足式（10）（11）（12）（13），

λ≤-2E-07×Z⁶+0.0001×Z⁵-0.024×Z⁴+2.7749×Z³-178.61×Z²+6067.8×Z-84312                    （10）

λ≥-4E-05×Z³+0.0757×Z²-10.073×Z+696.9                （11）

to≤-2E-08×Z⁴+6E-06×Z³-0.0008×Z²+0.0495×Z-0.9488     （12）

t o≥5E-07×Z³-0.0001×Z²+0.0065×Z-0.0924               （13）。

2.如权利要求1所述的偏振变换元件，其特征在于：

在条件（A）时，

在设为从所述透光性基板的法线来看的光学轴方位为θ₀，相对于在所述透光性基板中行进的光线的光学轴方位为θ₁，该光线和晶体光学轴的法线所成的角度为θ₂，所述透光性基板的折射率为n_c，与所述透光性基板相邻的层的折射率为n_a，入射角为α时，满足式（A1）、（A2）

θ₀=atan（tanθ₁×cosθ₂）                    （A1）

n_asinα=n_csinθ₂                              （A2）。

3.如权利要求1所述的偏振变换元件，其特征在于：

在条件（B）或者条件（C）时，

在设为从所述透光性基板的法线来看的所述第一无机晶体材料的光学轴方位为θ₀₁，相对于在所述第一无机晶体材料中行进的光线的光学轴方位为θ₁₁，此光线和晶体光学轴的法线所成的角度为θ₂₁，所述第一无机晶体材料的折射率为n_c1，与所述第一无机晶体材料相邻的层的折射率为n_a，入射角为α时，满足式（A11）、（A21）

θ₀₁=atan（tanθ₁₁×cosθ₂₁）        （A11）

n_asinα=n_c1sinθ₂₁                   （A21）

在设为从所述透光性基板的法线来看的所述第二无机晶体材料的光学轴方位是θ₀₂，相对于在所述第二无机晶体材料中行进的光线的光学轴方位为θ₁₂，该光线和晶体光学轴的法线所成的角度为θ₂₂，所述第二无机晶体材料的折射率为n_c2，与所述第二无机晶体材料相邻的所述第一无机晶体材料的折射率为n_c1时，满足式（A12）、（A22）

θ₀₂=atan（tanθ₁₂×cosθ₂₂）                    （A12）

n_c1sinθ₂₁=n_c2sinθ₂₂                            （A22）。

4.如权利要求2或者3所述的偏振变换元件，其特征在于：

所述入射角α为大致45度或者135度。

5.如权利要求2至4中任一项所述的偏振变换元件，其特征在于：

所述晶体材料为水晶。

6.如权利要求1至5中任一项所述的偏振变换元件，其特征在于：

所述反射元件包含水晶板和在该水晶板的表面设置的镜部。

7.一种偏振变换单元，其特征在于，包含：如权利要求1至6中任一项所述的偏振变换元件和保持该偏振变换元件的保持部件，

所述保持部件，包含：分别保持所述透光性基板的两端部和所述反射元件的两端部的一对保持板；和分别连接该一对保持板的两端部的一对连接板。

8.如权利要求7所述的偏振变换单元，其特征在于：

所述一对保持板和所述一对连接板一体地形成，

在所述一对保持板的相互相对的部分，设置分别引导所述透光性基板和所述反射元件的引导槽，

所述引导槽在所述一对保持板的一侧面分别开口。

9.如权利要求8所述的偏振变换单元，其特征在于：

所述一对保持板和所述一对连接板分体形成，

所述一对连接板包含对所述一对保持板在相互相对的方向施力的接合片。

10.一种投影型图像装置，其特征在于，包含：

光源；

将来自所述光源的光变换为所述第二直线偏振光而出射的偏振变换元件；

根据将投影的图像信息调制来自所述偏振变换元件的出射光的光调制机构；和

将由所述光调制机构调制了的光投影的投影光学系统，

所述偏振变换元件是如权利要求1至9中任一项所述的偏振变换元件。

11.如权利要求10所述的投影型图像装置，其特征在于：

所述光调制机构是液晶面板。

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