JP2003035808A

JP2003035808A - 回折格子，偏光分離素子及び液晶プロジェクタ

Info

Publication number: JP2003035808A
Application number: JP2001220857A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Ishihara; 淳石原
Original assignee: Minolta Co Ltd
Current assignee: Minolta Co Ltd
Priority date: 2001-07-23
Filing date: 2001-07-23
Publication date: 2003-02-07

Abstract

(57)【要約】【課題】回折効率の波長依存性が低い回折格子，それ
を用いた偏光分離素子と液晶プロジェクタを提供する。【解決手段】高次回折光を利用するタイプのブレーズ
型回折格子であって、３≦｜{ＮＭ(λ)−ＮＧ(λ)}・ｈ
／λ｜≦１５(λ：使用波長、ｈ：回折格子高さ、ＮＧ
(λ)：使用波長λの光に対する回折格子の屈折率、ＮＭ
(λ)：使用波長λの光に対する、回折格子面(1a)に隣接
する媒質の屈折率)を満たし、回折格子高さｈに揺らぎ
を有する。回折格子高さｈの揺らぎは、(Ａ)では３種類
の回折格子高さを有する回折格子パターン(Ｐ)が繰り返
し配置されることにより形成され、(Ｂ),(Ｃ)では２種
類以上の回折格子高さがランダムに配置されることによ
り形成される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は回折格子，偏光分離
素子及び液晶プロジェクタに関するものであり、更に詳
しくは、高次回折光を利用するタイプのブレーズ型回折
格子と、ランダム偏光を２以上の直線偏光に分離する偏
光分離素子と、その偏光分離素子を照明光学系に用いた
液晶プロジェクタと、に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】液晶パネルのように特定偏光の光変調に
より画像表示を行うライトバルブでは、特定偏光以外の
照明光は入射側偏光板で吸収されるため、照明光がラン
ダム偏光の場合にはその約半分が光量損失となる。この
問題を解決して光利用効率を向上させるために、偏光分
離と偏光回転とにより偏光変換を行う照明光学系が各種
提案されている(特開平１０−１９７８２７号公報，特
開２０００−１３７１９４号公報等)。

【０００３】上記偏光変換において、偏光分離には複屈
折ＤＯＥ(Diffractive Optical Element)等の光学素子
が用いられ、偏光回転には１／２波長板等の光学素子が
用いられる。そして、ランダム偏光は偏光分離において
偏波面(すなわち電気ベクトルの振動面)が互いに直交す
る２種類の直線偏光に分離され、一方の直線偏光は偏光
回転によりその偏波面が回転して他方の直線偏光と同じ
偏光状態となる。この偏光変換により、偏波面が揃った
直線偏光のみを入射側偏光板に入射させることができ
る。したがって、入射側偏光板による光量損失はほとん
どなくなり、ライトバルブに対して光利用効率の高い照
明が達成可能となる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】上記複屈折ＤＯＥをブ
レーズ型回折格子で構成して、偏光分離に１次回折光を
利用しようとすると、回折格子構造は微細化することに
なる。その結果、回折格子の作製精度(金型作製精度，
成形転写精度等)が低下して、回折角度や回折効率が波
長により大きく変化することになる。特開２０００−１
３７１９４号公報記載の偏光分離素子では、この問題を
解決するために回折次数を高くすることにより回折格子
構造を大きくし、また、必要な波長での回折次数が異な
るとともに回折角差が小さい構成にしている。

【０００５】しかし、高次回折光を利用するタイプのブ
レーズ型回折格子では、ブレーズ形状を精度良く作製し
ても、波長により回折角度や回折効率にバラツキが生じ
てしまう。そのような回折格子で構成された複屈折ＤＯ
Ｅを用いた場合、温度変化等の影響で材料(例えば液晶
や樹脂)の屈折率が変化すると光利用効率が不安定にな
り、照明光の明るさや色にバラツキが生じることにな
る。

【０００６】本発明はこのような状況に鑑みてなされた
ものであって、回折効率の波長依存性が低い回折格子，
それを用いた偏光分離素子及び液晶プロジェクタを提供
することを目的とする。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、第１の発明の回折格子は、高次回折光を利用するタ
イプのブレーズ型回折格子であって、以下の条件式を
満たすとともに、回折格子高さに揺らぎを有することを
特徴とする。３≦｜{ＮＭ(λ)−ＮＧ(λ)}・ｈ／λ｜≦１５ … ただし、 λ：使用波長、ｈ：回折格子高さ、ＮＧ(λ)：使用波長λの光に対する回折格子の屈折率、ＮＭ(λ)：使用波長λの光に対する、回折格子面に隣接
する媒質の屈折率、である。

【０００８】第２の発明の回折格子は、上記第１の発明
の構成において、２種類以上の回折格子高さを有する回
折格子パターンが繰り返し配置されることにより、前記
回折格子高さの揺らぎが形成されていることを特徴とす
る。

【０００９】第３の発明の回折格子は、上記第１の発明
の構成において、２種類以上の回折格子高さがランダム
に配置されることにより、前記回折格子高さの揺らぎが
形成されていることを特徴とする。

【００１０】第４の発明の回折格子は、上記第１〜第３
のいずれか１つの発明の構成において、更に以下の条件
式を満たすように前記回折格子高さの揺らぎが形成さ
れていることを特徴とする。 λ／２＜｜{ＮＭ(λ)−ＮＧ(λ)}・(ｈ２−ｈ１)｜ … ただし、ｈ１：最も小さな回折格子高さ、ｈ２：最も大きな回折格子高さ、である。

【００１１】第５の発明の偏光分離素子は、上記第１〜
第４のいずれか１つの発明に係る回折格子と、その回折
格子面に隣接する複屈折材料層とを有し、入射光を偏波
面が互いに直交する第１直線偏光と第２直線偏光とに分
離する偏光分離素子であって、以下の条件式を満たす
ことを特徴とする。３≦｜Ｍ１−Ｍ２｜≦１５ … ただし、Ｍ１＝{Ｎ１(λ)−ＮＧ(λ)}・ｈ／λ，Ｍ２＝{Ｎ２(λ)−ＮＧ(λ)}・ｈ／λ，Ｎ１(λ)：使用波長λの第１直線偏光に対する複屈折材
料層の屈折率、Ｎ２(λ)：使用波長λの第２直線偏光に対する複屈折材
料層の屈折率、である。

【００１２】第６の発明の液晶プロジェクタは、上記第
５の発明に係る偏光分離素子を照明光学系に有すること
を特徴とする。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を実施した回折格
子，それを用いた偏光分離素子，照明光学系及び液晶プ
ロジェクタを、図面を参照しつつ説明する。なお、実施
の形態等の相互で同一の部分や相当する部分には同一の
符号を付して重複説明を適宜省略する。

【００１４】図４(Ａ)に、一般的なブレーズ型回折格子
における回折格子面の断面形状を示す。また、１次回折
光を利用するタイプのブレーズ型回折格子(１次ＤＯＥ)
を図４(Ｂ)に示し、高次回折光を利用するタイプのブレ
ーズ型回折格子(高次ＤＯＥ)を図４(Ｃ)に示す。図４
(Ａ)中、ｈは回折格子高さ(すなわちブレーズ高さ)、Λ
はピッチ、αはブレーズ角度、θ_mは回折角度である。
高次回折光を利用するタイプのブレーズ型回折格子にお
いて、回折次数をｍ、回折格子面前後の屈折率(使用波
長λの光に対する屈折率)の差をΔＮ(λ)とすると、回
折次数ｍで設計波長λ₀のときに最大の回折効率を得る
には、以下の式(i)を満たせばよい。ｈ・ΔＮ(λ)＝ｍ・λ₀ …(i)

【００１５】このとき、理想的なブレーズ形状の回折格
子における回折効率η_mは以下の式(ii)で表される。 η_m＝sinc²(ｈ・ΔＮ(λ)／λ−ｍ) …(ii) ここで、sinc(ｘ)＝sin(πｘ)／πｘであり、このとき
の回折角度θ_mは以下の式で表される。 θ_m＝sin^-1(ｍ・λ／Λ) …(iii)

【００１６】図４(Ｂ)に示すような１次回折光を利用す
るタイプの回折格子では、図５のグラフに示すような回
折効率[％]が得られる。このグラフから分かるように、
設計波長(ここではλ₀＝５５０ｎｍ)では所望の回折角
度で十分な回折効率が得られるが、波長(λ)が設計波長
(λ₀)からずれるに従って回折効率は低下していく。ま
た回折角度は波長(λ)とピッチ(Λ)とで決まるので、１
次回折光を利用するタイプでは回折格子構造の微細化に
より、大きな色分散(つまり波長による大きな回折角度
変化)を示すことになる。

【００１７】図４(Ｃ)に示すような高次回折光を利用す
るタイプの回折格子でも、１次回折光を利用するタイプ
{図４(Ｂ)}と同様、設計波長(λ₀)では十分な回折効率
が得られる。しかし前述したように、ブレーズ形状を精
度良く作製しても、波長(λ)により回折角度(θ_m)や回
折効率(η_m)にバラツキが生じてしまう。図６に高次Ｄ
ＯＥにおける波長[ｎｍ]と回折角度[degree]との関係を
示し、図７に高次ＤＯＥにおける波長[ｎｍ]と回折効率
[％]との関係を示す。この高次ＤＯＥは、設計波長λ₀
＝５５０ｎｍで５次の回折効率が最も高くなるように設
計されたブレーズ型５次ＤＯＥであり、ピッチΛ＝３
１．５５μｍ、回折格子高さｈ＝１３．７５μｍ、屈折
率差ΔＮ(λ)＝０．２となっている。図６，図７中、Ｊ
ｉ(ｉ＝１，２，３，…，９)はｉ次回折光の回折角度，
回折効率の計算結果をそれぞれ示している。図６のグラ
フから分かるように、回折光が高次になるほど波長によ
る回折角度の変化は大きくなり、また図７のグラフから
分かるように、回折効率が最大となる次数は波長に応じ
て変化する。

【００１８】液晶プロジェクタの照明光学系において偏
光分離を行う複屈折ＤＯＥを実際に回折格子で構成する
場合、回折角度が所定の範囲内にある回折光ならば照明
光として有効に利用することができる。そこで、狙いと
する回折角度を５°とし、それに対して±２．５°範囲
内(図６中の「有効な回折角度」の範囲内)の回折光が利
用できるものとすると、有効な回折効率[％]は図８中の
破線(ｆ０)で示すようになる。このように高次ＤＯＥに
よれば、図８中の破線(ｆ０)で示すように広い波長範囲
で高い「有効な回折効率」を得ることができる。

【００１９】しかしながら、図７のグラフと対比させれ
ば分かるように、回折次数(例えば、４次，５次，６次)
とマッチした波長ではほぼ１００％の回折効率が得られ
るものの、そこから外れた波長域では回折効率が数％低
下してしまい、有効な回折効率には波長によるバラツキ
が見られる。光は波長の違いにより特定の回折次数と位
相が整合している(つまり位相差が波長の整数倍になっ
ている)場合には、その回折次数に強い回折強度を持
ち、位相が整合していない波長の光はその近傍の複数の
回折次数に回折光が分散する。このため、回折効率に波
長依存性が生じるのである。回折効率の波長依存性が高
い回折格子で偏光変換用の複屈折ＤＯＥを構成すると、
温度変化等の影響で生じる材料の屈折率変化が光利用効
率を不安定化し、照明光の明るさや色にバラツキを生じ
させるおそれがある。

【００２０】高次回折光を利用するタイプのブレーズ型
回折格子(高次ＤＯＥ)において、上記バラツキを小さく
する(つまり回折効率の波長依存性を低減する)には、以
下の条件式を満たすとともに、回折格子高さ(ｈ)に揺
らぎを持たせることが有効である。条件式の下限を下
回らないように回折次数を３以上にすれば回折効率が良
くなり、条件式の上限を上回らないように回折次数を
１５以下にすればブレーズ形状が作り易くなる。３≦｜{ＮＭ(λ)−ＮＧ(λ)}・ｈ／λ｜≦１５ … ただし、 λ：使用波長、ｈ：回折格子高さ、ＮＧ(λ)：使用波長λの光に対する回折格子の屈折率、ＮＭ(λ)：使用波長λの光に対する、回折格子面に隣接
する媒質の屈折率、である。

【００２１】回折格子高さ(ｈ)に揺らぎを持たせるに
は、ピッチ(Λ)，ブレーズ角度(α)のうちの少なくとも
一方に揺らぎをもたせる(つまり大きさを変化させる)こ
とが望ましい。例えば、ピッチ(Λ)を一定にし、かつ、
ブレーズ角度(α)を変化させることにより、回折格子高
さ(ｈ)の寸法を変化させた場合には、ある波長(λ)の光
の回折角度は一定であっても、回折格子高さ(ｈ)の変化
により回折光の回折次数が変化することになる。ある回
折次数の回折効率が最も高かった場合、回折格子高さ
(ｈ)を高くすれば回折光の効率ピークが更に高次にシフ
トし、回折格子高さ(ｈ)を低くすれば低次にシフトす
る。こうすることで、位相の整合した波長の光も位相の
整合していない回折格子の影響を受けることになり、結
果的に、ある回折角度で射出する光の回折効率を波長に
よらない平均化されたものにすることができる。

【００２２】また、ブレーズ角度(α)を一定にし、か
つ、ピッチ(Λ)を変化させることにより、回折格子高さ
(ｈ)の寸法を変化させた場合には、回折格子高さ(ｈ)の
変化に伴ってピッチ(Λ)も変化するため、ある波長(λ)
の光に対する回折角度も変化することになる。しかしそ
の影響は軽微であり、むしろブレーズ角度(α)を一定に
することで加工が簡単になるといったメリットの方が大
きい。回折格子高さ(ｈ)が変わることで、上記と同様
に、波長によらない平均化された回折効率を得ることが
できる。

【００２３】更に以下の条件式を満たすように回折格
子高さ(ｈ)の揺らぎを形成することが望ましい。 λ／２＜｜{ＮＭ(λ)−ＮＧ(λ)}・(ｈ２−ｈ１)｜ … ただし、ｈ１：最も小さな回折格子高さ、ｈ２：最も大きな回折格子高さ、である。

【００２４】回折格子高さ(ｈ)に与える揺らぎの大きさ
が条件式を満たすことは、光の波長(λ)に対する位相
差｜{ＮＭ(λ)−ＮＧ(λ)}・(ｈ２−ｈ１)｜をλ／２
(つまり０．５位相)以上にすることで、回折次数を０．
５以上シフトさせることに対応する。このような揺らぎ
を与えることで、回折効率を波長によらず平均化するこ
とができ、波長依存性を低減させる効果が得られる。

【００２５】図１(Ａ)に、ブレーズ角度(α)が一定でピ
ッチ(Λ)の変化により回折格子高さ(ｈ)の寸法が変化し
た回折格子の一例(第１の実施の形態)を、回折格子面の
断面形状で示す。この回折格子では、３種類の回折格子
高さ(ｈ)を有する回折格子パターン(Ｐ)が繰り返し配置
されることにより、回折格子高さ(ｈ)の揺らぎが形成さ
れている。図６，図７の場合と同様、設計波長λ₀＝５
５０ｎｍで５次の回折効率が最も高くなるように設計さ
れており、屈折率差ΔＮ(λ)＝０．２になっている。ピ
ッチΛ＝３１．５５μｍ，回折格子高さｈ＝１３．７５
μｍのブレーズ成分を基準としてピッチΛ＝３１．５５
μｍを１とすると、３つのブレーズ成分のピッチ比が
１：０．９２２：１．０７８９となるように、ピッチ
(Λ)に揺らぎを持たせてある。ブレーズ角度(α)が一定
であるため、回折格子高さ(ｈ)もピッチ(Λ)に対応した
揺らぎを有している。

【００２６】図１(Ａ)に示す回折格子において、回折角
度＝５±２．５°の回折光が利用できるものとすると、
有効な回折効率[％]は図８中の実線(ｆ１)で示すように
なる。回折格子高さ(ｈ)に揺らぎの無い場合(ｆ０)と比
べると、回折格子高さ(ｈ)の揺らぎの効果(つまり回折
効率の波長依存性の低減)は明らかである。また図１
(Ａ)に示すように、２種類以上の回折格子高さ(ｈ)を有
する回折格子パターン(Ｐ)が繰り返し配置されることに
より、回折格子高さ(ｈ)の揺らぎが形成された回折格子
構造には、その周期構造の加工が簡単であるため低コス
ト化を容易に行うことができるというメリットもある。

【００２７】なお、回折格子パターン(Ｐ)を構成してい
るブレーズ成分の数は３つに限らず、回折格子高さ(ｈ)
も３種類に限らない。つまり、２，４，５又は６以上の
ブレーズ成分を用いて回折格子高さ(ｈ)に揺らぎを持た
せてもよく、ブレーズ成分の数とは無関係に、回折格子
パターン(Ｐ)が２，４，５又は６種類以上の回折格子高
さ(ｈ)を有するようにしてもよい。また、複数種類の回
折格子パターン(Ｐ)を規則的に繰り返し配置したり不規
則に配置したりしてもよい。

【００２８】図１(Ｂ)，(Ｃ)に、ブレーズ角度(α)が一
定でピッチ(Λ)の変化により回折格子高さ(ｈ)の寸法が
変化した回折格子の他の例(第２，第３の実施の形態)
を、回折格子面の断面形状で示す。また、図１(Ｂ)，
(Ｃ)に示されている回折格子の要部を、図２(Ａ)，(Ｂ)
に拡大して示す。これらの回折格子では、２種類以上の
回折格子高さ(ｈ)がランダムに配置されることにより、
回折格子高さ(ｈ)の揺らぎが形成されている。つまり、
一定のブレーズ角度(α)でピッチ(Λ)にランダムな揺ら
ぎを持たせているため、回折格子高さ(ｈ)もピッチ(Λ)
に対応したランダムな揺らぎを有している。回折格子高
さ(ｈ)の揺らぎの基準位置(一点鎖線)は、図２(Ａ)では
ブレーズ下端であり、図２(Ｂ)ではブレーズ中心であ
る。これら第２，第３の実施の形態の場合も前記第１の
実施の形態と同様、回折格子高さ(ｈ)の揺らぎにより回
折効率の波長依存性が低減するという効果が得られる。
また、回折格子高さ(ｈ)のランダムな配置を適宜調整す
ることにより、回折効率の波長依存性を最も低減した回
折格子を実現することが可能である。

【００２９】図３(Ａ)に、ピッチ(Λ)が一定でブレーズ
角度(α)の変化により回折格子高さ(ｈ)の寸法が変化し
た回折格子の一例(第４の実施の形態)を、回折格子面の
断面形状で示す。また図３(Ｂ)に、ピッチ(Λ)とブレー
ズ角度(α)の変化により回折格子高さ(ｈ)の寸法が変化
した回折格子の一例(第５の実施の形態)を、回折格子面
の断面形状で示す。これらの回折格子においても、前記
第２，第３の実施の形態(図２)と同様、２種類以上の回
折格子高さ(ｈ)がランダムに配置されることにより、回
折格子高さ(ｈ)の揺らぎが形成されている。ただし、図
３(Ａ)に示す第４の実施の形態では、一定のピッチ(Λ)
でブレーズ角度(α)にランダムな揺らぎを持たせている
ため、回折格子高さ(ｈ)もブレーズ角度(α)に対応した
ランダムな揺らぎを有している。図３(Ｂ)に示す第５の
実施の形態では、ピッチ(Λ)にもブレーズ角度(α)にも
ランダムな揺らぎを持たせているため、ピッチ(Λ)に対
応したランダムな揺らぎとブレーズ角度(α)に対応した
ランダムな揺らぎとのトータルで、回折格子高さ(ｈ)の
揺らぎを形成している。

【００３０】回折格子高さ(ｈ)の揺らぎの基準位置(一
点鎖線)は、図３(Ａ)ではブレーズ下端であり、図３
(Ｂ)ではブレーズ中心である。これら第４，第５の実施
の形態の場合も前記第１〜第３の実施の形態と同様、回
折格子高さ(ｈ)の揺らぎにより回折効率の波長依存性が
低減するという効果が得られる。また、回折格子高さ
(ｈ)のランダムな配置を適宜調整することにより、回折
効率の波長依存性を最も低減した回折格子を実現するこ
とが可能である。なお、第４，第５の実施の形態のよう
にブレーズ角度(α)の変化により回折格子高さ(ｈ)の寸
法を変化させる場合でも、図１(Ａ)に示す第１の実施の
形態と同様、２種類以上の回折格子高さ(ｈ)を有する回
折格子パターン(Ｐ)の(規則的又は不規則的な)繰り返し
配置により、回折格子高さ(ｈ)に揺らぎを持たせてもよ
い。

【００３１】次に、偏光変換の原理を図９に基づいて説
明する。ここで説明する偏光変換は、複屈折ＤＯＥ(4)
から成る偏光分離素子と、１／２波長板(5)から成る偏
光回転素子と、で行われる。複屈折ＤＯＥ(4)は、前述
した各実施の形態(図１〜図３)に相当する回折格子(1)
と、その回折格子面(1a)に隣接する(複屈折材料層とし
ての)液晶(2)と、透明なガラス基板(3)と、で構成され
ている。回折格子(1)は、光学的に等方な透明樹脂から
成る表面レリーフ型(膜厚変調型)の高次ＤＯＥであっ
て、ブレーズ形状の回折格子面(1a)を有している。その
回折格子面(1a)に隣接するように、ガラス基板(3)との
間には液晶(2)が隙間なく充填されている。そして、ガ
ラス基板(3)の回折格子面(1a)側の面には配向膜が設け
られており、その配向膜には回折格子面(1a)の溝方向に
沿って液晶(2)がホモジニアス配向するようにラビング
処理が施されている。

【００３２】回折格子(1)の構成材料としては熱可塑性
樹脂が望ましい。熱可塑性樹脂としては、例えば、ＰＡ
(polyamide)，ＰＥ(polyethylene)，ＰＳ(polystyren
e)，ＰＣ(polycarbonate)，ＰＶＣ(polyvinyl chlorid
e)，ＰＭＭＡ(polymethyl methacrylate)，非晶質ポリ
オレフィン系樹脂等が挙げられる。熱可塑性樹脂は紫外
線硬化型樹脂等に比べて材料自体が安価であり、また、
回折格子(1)の構成材料として熱可塑性樹脂を用いる
と、射出成形やプレス成型(熱可塑性樹脂シートの表面
に金型によるプレスで回折格子を形成すること)が可能
になるため、回折格子(1)を安価に作製することができ
る。

【００３３】液晶(2)は、光学的な異方性を有する複屈
折材料であるため、常光に対する屈折率と異常光に対す
る屈折率とは異なる。したがって、光学的に等方な回折
格子(1)との境界に位置する回折格子面(1a)が及ぼす回
折作用も、常光と異常光とでは異なる。複屈折ＤＯＥ
(4)では、常光，異常光のうちのいずれか一方に対する
屈折率が回折格子(1)の屈折率と同じになるように各材
料が選択されている。例えば、常光に対する液晶(2)の
屈折率と回折格子(1)の屈折率とを同じにした場合、常
光が回折作用を受けずに回折格子面(1a)を透過し、異常
光が回折格子面(1a)での回折作用を受けて偏向すること
になる。逆に、異常光に対する液晶(2)の屈折率と回折
格子(1)の屈折率とを同じにした場合、異常光が回折作
用を受けずに回折格子面(1a)を透過し、常光が回折格子
面(1a)での回折作用を受けて偏向することになる。した
がって、入射光(ランダム偏光)を偏波面が互いに直交す
る２つの直線偏光、すなわち第１直線偏光(L1，透過光)
と第２直線偏光(L2，回折光)とに分離することができ
る。

【００３４】また、前述した条件式を複屈折ＤＯＥ
(4)に適用すれば、以下の条件式を満たすように複屈
折ＤＯＥ(4)を構成することが望ましいといえる。この
条件式を満たすように第１，第２直線偏光(L1,L2)の
回折次数の差を設定することにより、回折効率を向上さ
せることができる。３≦｜Ｍ１−Ｍ２｜≦１５ … ただし、Ｍ１＝{Ｎ１(λ)−ＮＧ(λ)}・ｈ／λ，Ｍ２＝{Ｎ２(λ)−ＮＧ(λ)}・ｈ／λ，Ｎ１(λ)：使用波長λの第１直線偏光(L1)に対する液晶
(2，複屈折材料層)の屈折率、Ｎ２(λ)：使用波長λの第２直線偏光(L2)に対する液晶
(2，複屈折材料層)の屈折率、である。

【００３５】複屈折ＤＯＥ(4)により偏波面が互いに直
交する第１，第２直線偏光(L1,L2)に偏光分離された照
明光は、１／２波長板(5)に入射して偏光状態が一方向
に揃った直線偏光となる。この複屈折ＤＯＥ(4)では、
回折格子面(1a)がブレーズ形状を成しているため、高い
回折効率が得られる。そして、回折格子面(1a)での回折
効率が高ければ偏光変換効率も高くなるため、照明光学
系の光利用効率を向上させることが可能である。

【００３６】次に、レンズアレイ方式のインテグレータ
構造を備えた照明光学系及び液晶プロジェクタを説明す
る。図１０に、レンズアレイ方式のインテグレータ構造
を有する照明光学系の偏光変換部分を示し、図１１に、
それを照明光学系に備えた液晶プロジェクタの光学構成
を示す。この液晶プロジェクタは、ランプ(7)，ＵＶ(ul
traviolet ray)−ＩＲ(infrared ray)カットフィルター
(8)，複屈折ＤＯＥ(4)，第１レンズアレイ(6a)，１／２
波長板(5)，第２レンズアレイ(6b)，フィールドレンズ
(9)，ダイクロイックミラー(DM1,DM2)，ミラー(10A,10
B,10C)，リレーレンズ(11A,11B)，コンデンサレンズ(12
A,12B,12C)，液晶パネル(13A,13B,13C)，クロスダイク
ロイックプリズム(14)及び投影レンズ(15)を備えてお
り、ＲＧＢに対応する液晶パネル(13A,13B,13C)の表示
画像をスクリーンにカラー投影する構成になっている。

【００３７】ランプ(7)は、照明光としてランダム偏光
を放射する光源(7a)と、光源(7a)からの照明光を略平行
光にして所定方向へ光を導くリフレクタ(7b，放物面鏡)
と、から成っている。ランプ(7)としては例えば、超高
圧水銀ランプ，メタルハライドランプ，キセノンランプ
等が使用される。ランプ(7)から射出した照明光は、Ｕ
Ｖ−ＩＲカットフィルター(8)を通過した後、前述の複
屈折ＤＯＥ(4，図９)に入射して、偏波面が互いに直交
する第１直線偏光(L1)と第２直線偏光(L2)とに分離され
る。図１０中、実線が第１直線偏光(L1，電気ベクトル
の振動方向が紙面に平行)、破線が第２直線偏光(L2，電
気ベクトルの振動方向が紙面に垂直)である。この複屈
折ＤＯＥ(4)による偏光分離では、第１直線偏光(L1)が
回折格子面(1a)で回折せずにそのまま複屈折ＤＯＥ(4)
を透過し、第２直線偏光(L2)が回折格子面(1a)での回折
により偏向する。そしてこの偏光分離により、第１直線
偏光(L1)と第２直線偏光(L2)とで結像位置(すなわち光
源像位置)に光軸垂直方向のズレが生じることになる。

【００３８】複屈折ＤＯＥ(4)を射出した第１，第２直
線偏光(L1,L2)は、複屈折ＤＯＥ(4)の近傍に位置する第
１レンズアレイ(6a)に入射する。第１レンズアレイ(6a)
は、液晶パネル(13A,13B,13C)と略相似な矩形のレンズ
セルを２次元のアレイ状に配列して成るものであり、複
数のレンズセルで入射光を分割する。そして、第１レン
ズアレイ(6a)と同様のアレイ構造を有する第２レンズア
レイ(6b)上に、複数の光源像を形成する。第１レンズア
レイ(6a)の各レンズセルと液晶パネル(13A,13B,13C)と
は第２レンズアレイ(6b)の各レンズセルを介して共役な
関係にあるため、照明光の空間的なエネルギー分布が均
一化されて液晶パネル(13A,13B,13C)は無駄なく均一に
照明される。

【００３９】第２レンズアレイ(6b)の近傍には、第２直
線偏光(L2)のみが入射するように、前述の１／２波長板
(5，図９)が偏光回転素子として配置されている。第２
レンズアレイ(6b)の近傍では、第１直線偏光(L1)と第２
直線偏光(L2)とが互いにズレた位置で結像するため、第
２直線偏光(L2)のみを１／２波長板(5)に入射させるこ
とが可能である。１／２波長板(5)は、第２レンズアレ
イ(6b)からの射出光の偏光状態が揃うように、第２直線
偏光(L2)の偏波面を略90°回転させる。この偏波面の回
転により第２直線偏光(L2)は第１直線偏光(L1)と同じ偏
光状態に偏光変換され、その結果、照明光は全て偏光状
態が一方向に揃った直線偏光となる。このように１／２
波長板(5)を偏光回転素子として用いることにより、偏
波面の回転を安価に行うことができる。

【００４０】複屈折ＤＯＥ(4)と１／２波長板(5)とで偏
光変換された照明光は、フィールドレンズ(9)を通過し
た後、ダイクロイックミラー(DM1,DM2)で色分解され、
ミラー(10A,10B,10C)，リレーレンズ(11A,11B)及びコン
デンサレンズ(12A,12B,12C)を通過して、液晶パネル(13
A,13B,13C)を照明する。液晶パネル(13A,13B,13C)は、
以上の照明光学系から射出した直線偏光を変調すること
により画像表示を行う。液晶パネル(13A,13B,13C)での
光変調により構成された投影光は、クロスダイクロイッ
クプリズム(14)で色合成された後、投影レンズ(15)でス
クリーンに投影される。液晶パネル(13A,13B,13C)の入
射側偏光板は、照明光が透過できるようにその透過軸が
偏光方向と一致した配置になっている。このため照明光
は効率良く利用され、明るい表示画像を得ることができ
る。

【００４１】上述したプロジェクタでは液晶パネル(13
A,13B,13C)を用いているが、直線偏光を光変調するもの
であればどのようなライトバルブや表示パネルを用いて
も構わない。例えば、ＴＮ液晶，ＳＴＮ(Super Twisted
Nematic)液晶，強誘電性液晶，垂直配向の液晶等の液
晶表示素子、ＰＬＺＴ(PbLaZrTi)やLiNbO₃等の電気光学
セラミックスや結晶で構成された表示素子等を使用して
もよい。したがって、上述した照明光学系が搭載される
表示装置は液晶プロジェクタに限らない。

【００４２】次に、ロッド方式のインテグレータ構造を
備えた照明光学系を、図１２の光学構成図に基づいて説
明する。この照明光学系は、液晶パネル(29)を照明する
ための液晶プロジェクタ用照明光学系であって、ランプ
(20)，インテグレータロッド(22)，複屈折ＤＯＥ(4)，
コンデンサーレンズ(24)，リレーレンズ(25)，１／２波
長板(5)，トリミングフィルター(27)，及びフィールド
レンズ(28)を備えている。

【００４３】ランプ(20)は、照明光(ランダム偏光)を発
する光源(20a)と、光源(20a)からの照明光を集光するリ
フレクタ(20b，楕円鏡)と、から成っている。ランプ(2
0)から射出した照明光は、カレイドスコープ方式のイン
テグレータロッド(22)に入射する。インテグレータロッ
ド(22)は、多角柱形状のガラス体、あるいは複数枚のミ
ラーを組み合わせて成る中空筒体であり、入射光をその
側面で何度も繰り返し反射させることにより、照明光の
空間的なエネルギー分布(すなわち照度分布)を均一化す
る。インテグレータロッド(22)の射出端面は液晶パネル
(29)の表示面と共役な関係にあるため、液晶パネル(29)
の表示面を効率良く均一に照明することができる。

【００４４】インテグレータロッド(22)を射出した照明
光は、前述の複屈折ＤＯＥ(4，図９)に入射する。複屈
折ＤＯＥ(4)は、インテグレータロッド(22)から射出し
た照明光を、偏波面が互いに直交するＰ偏光とＳ偏光と
に分離する。この偏光分離では、Ｐ偏光が回折格子面(1
a)で回折せずにそのまま複屈折ＤＯＥ(4)を透過し、Ｓ
偏光が回折格子面(1a)での回折により偏向する。そして
この偏光分離により、Ｐ偏光とＳ偏光とで結像位置(す
なわち光源像位置)に光軸垂直方向のズレが生じること
になる。複屈折ＤＯＥ(4)を射出したＰ偏光とＳ偏光
は、集光用のコンデンサーレンズ(24)に入射する。

【００４５】コンデンサーレンズ(24)を通過した照明光
は、リレーレンズ(25)に入射する。２枚のリレーレンズ
(25)は、インテグレータロッド(22)の射出端面と液晶パ
ネル(29)の表示面とが共役になるように照明光をリレー
する。リレーレンズ(25)の絞り位置には、Ｓ偏光のみが
入射するように前述の１／２波長板(5，図９)が偏光回
転素子として配置されている。リレーレンズ(25)の絞り
位置近傍では、Ｓ偏光とＰ偏光とが互いにズレた位置で
結像するため、Ｓ偏光のみを１／２波長板(5)に入射さ
せることが可能である。１／２波長板(5)は、リレーレ
ンズ(25)からの射出光の偏光状態が揃うように、Ｓ偏光
の偏波面を略90°回転させる。この偏波面の回転により
Ｓ偏光はＰ偏光に変換され、その結果、照明光は全て偏
光状態が一方向に揃った直線偏光(Ｐ偏光)となる。な
お、Ｐ偏光は第１直線偏光(L1，図９)に相当し、Ｓ偏光
は第２直線偏光(L2，図９)に相当する。

【００４６】Ｐ偏光に揃えられた照明光は、リレーレン
ズ(25)の他に、色純度を上げるためのトリミングフィル
ター(27)と集光用のフィールドレンズ(28)を通過した
後、空間光変調素子である液晶パネル(29)を照明する。
液晶パネル(29)の入射側偏光板はＰ偏光を透過させる向
きに配置されているので、入射側偏光板による光量損失
はほとんどなく、液晶パネル(29)に対して光利用効率の
高い照明を達成することができる。

【００４７】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、回
折効率の波長依存性が低い回折格子を実現することがで
きる。また、本発明に係る回折格子を偏光分離素子に用
いることにより、安定した高い光利用効率を得ることが
でき、明るさや色のバラツキが少ない照明光を得ること
ができる。そして、本発明に係る偏光分離素子を照明光
学系に用いることにより、表示画像が明るく安定した液
晶プロジェクタを実現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】回折格子の第１〜第３の実施の形態を示す断面
図。

【図２】図１の第２，第３の実施の形態を拡大して示す
断面図。

【図３】回折格子の第４，第５の実施の形態を示す断面
図。

【図４】一般的なブレーズ型回折格子の構造を示す断面
図。

【図５】１次回折光を利用するタイプの回折格子の回折
効率を示すグラフ。

【図６】高次回折光を利用するタイプの回折格子におけ
る波長と回折角度との関係を示すグラフ。

【図７】高次回折光を利用するタイプの回折格子におけ
る波長と回折効率との関係を示すグラフ。

【図８】回折格子高さの揺らぎの効果を波長と有効な回
折効率との関係で示すグラフ。

【図９】複屈折ＤＯＥと１／２波長板による偏光変換の
原理を説明するための模式図。

【図１０】レンズアレイ方式のインテグレータ構造を有
する照明光学系の偏光変換部分を示す光学断面図。

【図１１】レンズアレイ方式のインテグレータ構造を照
明光学系に備えた液晶プロジェクタを示す光学断面図。

【図１２】ロッド方式のインテグレータ構造を備えた照
明光学系を示す光学断面図。

【符号の説明】

1 …回折格子 1a …回折格子面 2 …液晶(複屈折材料層) 3 …ガラス基板 4 …複屈折ＤＯＥ(偏光分離素子) 5 …１／２波長板(偏光回転素子) L1 …第１直線偏光 L2 …第２直線偏光

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/00 ＥＦターム(参考） 2H049 AA03 AA13 AA55 AA65 BA05 BA46 BB03 BB62 BC14 BC22 2H052 BA02 BA03 BA09 BA14 2H088 EA12 EA48 MA02 MA04 MA05 2H091 FA05Z FA08X FA08Z FA11X FA19Z FA26X FA41Z HA07 HA10 HA12 LA17 LA18 MA07

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】高次回折光を利用するタイプのブレーズ
型回折格子であって、以下の条件式を満たすととも
に、回折格子高さに揺らぎを有することを特徴とする回
折格子；３≦｜{ＮＭ(λ)−ＮＧ(λ)}・ｈ／λ｜≦１５ … ただし、 λ：使用波長、ｈ：回折格子高さ、ＮＧ(λ)：使用波長λの光に対する回折格子の屈折率、ＮＭ(λ)：使用波長λの光に対する、回折格子面に隣接
する媒質の屈折率、である。
【請求項２】２種類以上の回折格子高さを有する回折
格子パターンが繰り返し配置されることにより、前記回
折格子高さの揺らぎが形成されていることを特徴とする
請求項１記載の回折格子。
【請求項３】２種類以上の回折格子高さがランダムに
配置されることにより、前記回折格子高さの揺らぎが形
成されていることを特徴とする請求項１記載の回折格
子。
【請求項４】更に以下の条件式を満たすように前記
回折格子高さの揺らぎが形成されていることを特徴とす
る請求項１〜３のいずれか１項に記載の回折格子； λ／２＜｜{ＮＭ(λ)−ＮＧ(λ)}・(ｈ２−ｈ１)｜ … ただし、ｈ１：最も小さな回折格子高さ、ｈ２：最も大きな回折格子高さ、である。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか１項に記載の回
折格子と、その回折格子面に隣接する複屈折材料層とを
有し、入射光を偏波面が互いに直交する第１直線偏光と
第２直線偏光とに分離する偏光分離素子であって、以下
の条件式を満たすことを特徴とする偏光分離素子；３≦｜Ｍ１−Ｍ２｜≦１５ … ただし、Ｍ１＝{Ｎ１(λ)−ＮＧ(λ)}・ｈ／λ，Ｍ２＝{Ｎ２(λ)−ＮＧ(λ)}・ｈ／λ，Ｎ１(λ)：使用波長λの第１直線偏光に対する複屈折材
料層の屈折率、Ｎ２(λ)：使用波長λの第２直線偏光に対する複屈折材
料層の屈折率、である。
【請求項６】請求項５記載の偏光分離素子を照明光学
系に有することを特徴とする液晶プロジェクタ。