JP2004070299A - 偏光変換素子およびその製造方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】容易に製造でき、工数の増加、不良品の発生およびコストアップを防ぐ偏光変換素子およびその製造方法を提供する。
【解決手段】光が入射される入射面１０２と、入射面１０２に平行な出射面１０３とを有する板状の偏光変換素子１０１であって、入射光をＳ偏光およびＰ偏光に分離して、Ｓ偏光およびＰ偏光の内どちらか一方を透過し、他方を反射する偏光分離膜１０６と、光の偏光面を回転させる旋光子１０９とを備え、偏光分離膜１０６および旋光子１０９は、入射面１０２および出射面１０３の間に位置し、入射面１０２および出射面１０３に対して所定の角度だけ傾き、入射面１０２と平行な方向に周期的に配置されている。
【選択図】 図１
【解決手段】光が入射される入射面１０２と、入射面１０２に平行な出射面１０３とを有する板状の偏光変換素子１０１であって、入射光をＳ偏光およびＰ偏光に分離して、Ｓ偏光およびＰ偏光の内どちらか一方を透過し、他方を反射する偏光分離膜１０６と、光の偏光面を回転させる旋光子１０９とを備え、偏光分離膜１０６および旋光子１０９は、入射面１０２および出射面１０３の間に位置し、入射面１０２および出射面１０３に対して所定の角度だけ傾き、入射面１０２と平行な方向に周期的に配置されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光変換素子およびその製造方法に関するものである。特に、液晶表示素子用の照明装置に用いるランプ光源からの、非偏光光を１方向の偏光に変換する偏光変換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非偏光光を１方向の偏光に変換する従来の偏光変換素子は、例えば、特許文献１に開示されている。図１５は、従来の偏光変換素子の断面図である。また、図１６は、従来の偏光変換素子の斜視図である。従来の偏光変換素子６０１は、光の入射面６０２および出射面６０３に対して斜め方向に層を形成するように、第１の基板６０４と第２の基板６０５とが交互に配置されて構成されている。第１の基板６０４において、第２の基板６０５と接する面の一方には偏光分離膜６０６が、他方には反射膜６０７が形成され、それらと第２の基板６０５とは、接着剤層６０８を介して接着されている。また、出射面６０３には第２の基板６０５を覆うように、旋光子６０９が配置されている。
【０００３】
図示しない光源から発せられた入射光６１０は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光であり、偏光変換素子６０１の入射面６０２対して直角方向に入射される。入射光６１０は、第１の基板６０４を透過して、偏光分離膜６０６によってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。Ｐ偏光は、偏光分離膜６０６を透過して、直進し、接着剤層６０８および第２の基板６０５を透過して、旋光子６０９に入射する。
【０００４】
旋光子６０９は、入射した直線偏光を直線偏光に維持したまま、偏光軸を回転する機能を有する。したがって、旋光子６０９に入射したＰ偏光は、Ｓ偏光に変換されて出射される。
【０００５】
一方、偏光分離膜６０６によって分離されたＳ偏光は、偏光分離膜６０６において直角に反射されて、第１の基板６０４中を入射面６０２および出射面６０３と略平行に進んで、反射膜６０７において、さらに直角に反射され、出射面６０３から出射される。
【０００６】
したがって、出射面６０３側から出射されるのは、Ｓ偏光のみとなる。つまり、偏光変換素子６０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光をＳ偏光に偏光することができる。
【０００７】
上述のように、旋光子６０９は、入射した直線偏光を直線偏光に維持したまま、偏光軸（偏光面）を回転する機能を有する。旋光子６０９としては、例えば、入射光の波長の１／２の複屈折を有する複屈折板を用いればよい。なお、一般的に旋光子としては、このような複屈折板を用いるため、旋光子のことを１／２波長板あるいはλ／２板と呼ぶこともある。複屈折板には、水晶などの透明結晶を特定の角度で切り出したものもあるが、ポリカーボネート、アートンなどのプラスチックフィルムを延伸した複屈折フィルムを用いるのが一般的である。
【０００８】
波長の１／２の複屈折を有する複屈折板に、入射された直線偏光は、直線偏光性を維持したまま、直線偏光の偏光軸が回転して出射される。具体的には、複屈折板の異方軸を対称軸として入射光の偏光軸を折り返した位置に、偏光軸が回転して出射される。
【０００９】
したがって、入射した直線偏光の偏光軸と、複屈折板の異方軸の方向が一致した場合には、偏光軸が回転することはない。例えば、偏光軸と異方軸が４５度の角度をなすときは、偏光軸の回転角度は最大となる９０°である。なお、異方軸とは、複屈折板において、屈折率が最大および最小となる偏光軸のことである。これらの軸は互いに直交していて、屈折率が最大となる異方軸は遅相軸、屈折率が最小となる異方軸は進相軸である。また、遅相軸方向の偏光軸を持つ光と進相軸方向の偏光軸を持つ光との、旋光子透過後の位相差を、入射光の波長によって規格化した値を複屈折値という。
【００１０】
例えば、特定の波長λ３の光についてのみ旋光子として機能するためには、その波長λ３での複屈折値Ｒ３が、波長λ３の１／２（Ｒ３＝λ３／２）である複屈折板を用いればよい。しかし、カラーディスプレイなどの照明光学系に用いる旋光子は、可視域における広い波長範囲の光に対応する複屈折板でなければならない。このような場合には、一般的な複屈折板を一枚用いただけでは充分な特性が得られない。広い波長域の光に対応して旋光子として機能するということは、その波長域全ての光に対して、複屈折値が波長の１／２になるということである。つまり、入射する光の波長に対して複屈折値が比例するような特性を有するということである。このような特性を有する複屈折板が、広い波長域の光に対応して旋光子として機能する理想的な複屈折板である。しかし、そのような特性の材料は現時点では存在していないため、単純に複屈折板を一枚用いただけでは、広い波長域に渡る旋光子を実現することができない。
【００１１】
図１７は、複屈折板に入射する光の波長と、その波長に対する相対複屈折値との関係図を示している。なお、複屈折板の材料としては、ポリカーボネート（線Ｅ）とアートン（線Ｆ）とを用いて、延伸フィルム構造の複屈折板を用いた。これらポリカーボネートおよびアートンによる複屈折フィルムは、複屈折板としては一般的に用いられるものである。また、比較のため、波長に対して、複屈折値が比例する理想的な複屈折板（線Ｇ）についても示している。縦軸は、複屈折値を、波長５５０ｎｍにおける複屈折値を基準として示した相対複屈折値である。
【００１２】
図１７に示しているように、ポリカーボネートによる複屈折フィルムにおいてもアートンによる複屈折フィルムにおいても、波長の増加に対して複屈折値が減少している。このような複屈折板に直線偏光が入射すると、複屈折値が波長の１／２であるような、特定の波長に対してのみ完全な旋光子として機能する。しかし、それ以外の波長の光が入射された場合には、複屈折値が波長の１／２とはならず、不足または過剰となっていわゆる楕円偏光となって出射される。つまり、このような複屈折板を旋光子として用いると、入射された直線偏光の偏光軸を９０°回転させようとしても、９０°回転されない光が生じてしまい、入射された光の偏光軸と平行な偏光成分が残る。
【００１３】
したがって、このような旋光子を用いて、例えば、図１５に示した偏光変換素子を構成すると、変換特性が低下する。図１８は図１７に特性を示した複屈折板を旋光子６０９として用いた偏光変換素子６０１の、入射光の波長に対する変換効率を計算した結果を示したものである。旋光子６０９として、ポリカーボネートによる複屈折フィルムを用いた場合を線Ｉとして、旋光子６０９として、アートンによる複屈折フィルムを用いた場合を線Ｈとして示している。なお、変換効率とは、直線偏光が入射した場合に、入射光の偏光と直交する偏光成分に変換された出射光の割合である。
【００１４】
入射光の波長が５００ｎｍの場合に、複屈折値が入射光の波長の１／２になるように、複屈折板を設定している。なお、遅相軸は入射偏光軸に対し４５°の角度になるように設定している。複屈折値は、入射光の波長が５００ｎｍより小さい場合はその波長の１／２より大きく、入射光の波長が５００ｎｍより大きい場合はその波長の１／２より小さい。また、入射光の波長が５００ｎｍから離れる程、複屈折値も、波長の１／２から離れる。図１８より明らかなように、線Ｈおよび線Ｉのどちらにおいても、入射光の波長が５００ｎｍの場合は変換効率が１００％となり、理想的な偏光変換が実現している。しかし、入射光が、可視光域の両端部に当たる波長（４００ｎｍおよび７００ｎｍ）の場合は、線Ｈおよび線Ｉのどちらにおいても２０％程度の損失が発生している。
【００１５】
上記問題を緩和してより広い波長帯域の光に対して、理想的な特性を得る旋光子として、複数の複屈折フィルムの異方軸をずらして積層したものがある。図１９は、入射光の波長が５００ｎｍの場合に、複屈折値が入射光の波長の１／２になるポリカーボネート製複屈折フィルム１枚により構成された旋光子（以下、単層旋光子という）と、同じ複屈折フィルムを異方軸がずれるように２枚積層した旋光子（以下、２層旋光子という）とを用いた場合における、それぞれの変換効率の波長依存性を示している。線Ｊは単層旋光子の入射光の波長に対する変換効率を示しており、線Ｋは２層旋光子の入射光の波長に対する変換効率を示している。なお、２層旋光子は、一方の複屈折フィルムの遅相軸と入射光の偏光軸との角度が２２．５度で、他方の複屈折フィルムの遅相軸と入射光の偏光軸との角度が６７．５度となるようにしている。図１９から明らかなように、単層旋光子に比べて２層旋光子は、広い波長範囲において、高い変換効率を得ることができた。このような、２層旋光子を用いることで、可視光域全体に渡って高い変換効率を有する偏光変換素子を実現することができる。
【００１６】
【特許文献１】
特開２０００−２９８２１２号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
図１６に示している偏光変換素子６０１を製造するためには、旋光子６０９を第２の基板６０５上に細かい間隔で精密に多数個貼り合わせていく必要がある。しかし、図１６に示すように、従来の偏光変換素子６０１の旋光子６０９は非常に細長くて薄いシート状の物であるため、第２の基板６０５上に細かい間隔で精密に多数個貼り合わせていくことは非常に難しく、工数の増加、不良品の発生、コストアップの要因となる。
【００１８】
また、貼り合わせの位置が所定の位置からずれた領域では、本来変換されるべき偏光成分の変換が行われない、もしくは、変換されるべきでない成分が変換されてしまい、変換効率の低下が生じていた。
【００１９】
さらに、偏光変換素子６０１は、入射面６０２側に集光レンズアレイを貼り合わせ、出射面６０３側に平凸レンズを貼り合わせる形態で偏光照明装置の中において用いることが多いが、旋光子６０９が短冊状に間隔をおいて出射面６０３上に貼り付けられている従来の構造では出射面６０３上にレンズを貼り合わせると、出射面６０３は、レンズが旋光子６０９に接する箇所と空隙になる箇所とが生じるため貼り合わせにくい。
【００２０】
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、容易に製造でき、工数の増加、不良品の発生およびコストアップを防ぎ、旋光子の張り合わせ位置の誤差によって変換損失が発生することの無い、偏光変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２１】
また、入射面および出射面に容易にレンズを貼り付けることができる偏光変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏光変換素子は、光が入射される入射面と、前記入射面に平行な出射面とを有する板状の偏光変換素子であって、入射光をＳ偏光およびＰ偏光に分離して、前記Ｓ偏光および前記Ｐ偏光の内どちらか一方を透過し、他方を反射する偏光分離膜と、光の偏光面を回転させる旋光子とを備え、前記偏光分離膜および前記旋光子は、前記入射面および前記出射面の間に位置し、前記入射面および前記出射面に対して所定の角度だけ傾き、前記入射面と平行な方向に周期的に配置されたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の偏光変換素子の製造方法は、基板と旋光子とを所定の配列周期で積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、前記積層工程後に、前記積層体を前記基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に切断して、板状体を切り出す切断工程とを備えることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の他の偏光変換素子の製造方法は、基板の片面に偏光分離膜を形成する成膜工程と、前記偏光分離膜が形成された前記基板を、前記基板同士の間に一列おきに旋光子が配置されるように積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、前記積層工程後に、前記積層体を前記基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に切断して、板状体を切り出す切断工程と、切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備えることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の他の偏光変換素子の製造方法は、第１の基板の両面に偏光分離膜を形成する成膜工程と、前記成膜工程後に、前記第１の基板と前記第２の基板の間に一列おきに旋光子が配置されるように前記第１の基板と第２の基板とを交互に積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、前記積層工程後に、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に前記積層体を切断して、板状体を切り出す切断工程と、切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備えることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の他の偏光変換素子の製造方法は、第１の基板の片面に偏光分離膜を形成し、他方の面に反射膜を形成する成膜工程と、前記成膜工程後に、前記第１の基板の前記偏光分離膜側と前記第２の基板との間に旋光子が配置されるように、前記第１の基板と前記第２の基板とを交互に積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、前記積層工程後に、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に前記積層体を切断して、板状体を切り出す切断工程と、切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備えることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の他の偏光変換素子の製造方法は、第１の基板の片面に偏光分離膜を形成し、第２の基板の片面に反射膜を形成する成膜工程と、前記成膜工程後に、前記第１の基板の前記偏光分離膜側と前記第２の基板との間に旋光子が配置され、前記偏光分離膜と前記反射膜とが対向しないように、前記第１の基板と前記第２の基板とを交互に積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、前記積層工程後に、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に前記積層体を切断して、板状体を切り出す切断工程と、切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備えることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本実施の形態の偏光変換素子によれば、偏光分離膜および旋光子を、入射面および出射面の間に所定の角度だけ斜めに傾けて配置しているので、旋光子を細かい間隔で精密に多数個貼り合わせることなく容易に製造可能な偏光変換素子を得ることができる。また、偏光分離膜と隣接して旋光子を配置しているので、変換したい成分のみを有効に変換することが可能で、位置合わせの誤差による損失が発生することがない。また、偏光変換素子の表面に旋光子が設置されていないので、偏光素子の表面に容易にレンズを貼り付けることができる。
【００２９】
また、片面に前記偏光分離膜が形成された基板が、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に積層され、前記旋光子は、前記基板同士の間に一列おきに配置された構造としてもよい。
【００３０】
また、両面に前記偏光分離膜が形成された第１の基板と、第２の基板とを備え、前記第１の基板と前記第２の基板とが、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に交互に積層され、前記旋光子は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に一列おきに配置された構造としてもよい。
【００３１】
また、好ましくは、片面に前記偏光分離膜が形成され、他面に反射膜が形成された第１の基板と、第２の基板とを備え、前記第１の基板と前記第２の基板とが、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に交互に積層され、前記旋光子は、前記第１の基板の前記偏光分離膜が形成されている側と前記第２の基板との間に配置されている。それにより、前記反射膜を用いることで、偏光分離膜を用いた場合に比べて、損失がなく反射させることができる。そのため、損失の少ない偏光変換素子が実現できる。
【００３２】
また、片面に前記偏光分離膜が形成された第１の基板と、片面に反射膜が形成された第２の基板とを備え、前記偏光分離膜と前記反射膜とが対向しないように、前記第１の基板と前記第２の基板とが、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に交互に積層され、前記旋光子は、前記第１の基板の前記偏光分離膜が形成されている側と前記第２の基板との間に配置された構造としてもよい。
【００３３】
また、好ましくは、前記入射面または前記出射面のどちらか一方または両方に反射防止膜を形成する。それにより、前記偏光変換素子と空気との境界で生じる反射損失を低減することができる。
【００３４】
また、好ましくは、前記旋光子は、基準波長をλ０とした場合の基準波長複屈折値がそれぞれＲ１およびＲ２の２枚の複屈折フィルムを、それぞれの異方軸角度がθ１およびθ２となるように積層されて構成されている。ただし、λ０、Ｒ１、Ｒ２、θ１およびθ２は、それぞれ、以下の式を満たす数値である。
【００３５】
４５０ｎｍ＜λ０＜５５０ｎｍ
Ｒ１≒１．２３×λ０／２
Ｒ２≒０．７６×λ０／２
θ１≒７３°
θ２≒３１°
それにより、旋光子の面に対して斜めに光が入射しても、旋光子の特性が低下することが無い。そのため、十分な変換効率を有する偏光変換素子を提供できる。
【００３６】
なお、基準波長とは旋光子の最大変換効率が期待される入射光の波長である。また、前記基準波長複屈折値とは、複屈折フィルムに、その法線方向から前記基準波長の光が入射した場合の複屈折値のことである。さらに、異方軸角度とは、前記複屈折フィルムの主面と偏光変換素子の入射面とが交わる線と、前記複屈折フィルムの遅相軸とがなす角度である。
【００３７】
また、本実施の形態の偏光変換素子の製造方法によれば、基板と旋光子とを所定の配列周期で積層して接着し、所定の角度を有する方向に切断して偏光変換素子を製造するので、旋光子を細かい間隔で精密に多数個貼り合わせるといった手間のかかる工程が無くなり、工数短縮、不良品の減少、コストダウンが可能となる。
【００３８】
また、好ましくは、前記積層工程において、前記基板および前記旋光子を前記切断方向にずらして積層する。それにより、切断工程において、端材が少なくなるので、無駄なく前記板状体を切り出すことができる。
【００３９】
また、本実施の形態の他の偏光変換素子の製造方法によれば、第１の基板、第２の基板と旋光子とを所定の配列周期で積層して接着し、所定の角度を有する方向に切断して偏光変換素子を製造するので、旋光子を細かい間隔で精密に多数個貼り合わせるといった手間のかかる工程が無くなり、工数短縮、不良品の減少、コストダウンが可能となる。
【００４０】
また、本実施の形態の他の偏光変換素子の製造方法によれば、反射膜が形成された基板を用いて、偏光変換素子を製造する。それにより、損失の少ない偏光変換素子を製造できる。
【００４１】
また、好ましくは、前記積層工程において、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子を前記切断方向にずらして積層する。それにより、切断工程において、端材が少なくなるので、無駄なく前記板状体を切り出すことができる。
【００４２】
また、好ましくは、前記研磨工程後に、前記板状体の両面またはどちらか一方の面に反射防止膜を形成する工程を備える。それにより、前記偏光変換素子と空気との境界で生じる反射損失を低減した偏光変換素子を製造することができる。
【００４３】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る偏光変換素子１０１およびその製造方法について図を用いて説明する。図１は実施の形態１の偏光変換素子１０１の断面図である。
【００４４】
実施の形態１の偏光変換素子１０１は、光の入射面１０２および出射面１０３に対して略４５度の斜め方向に層を形成するように、一方の面に偏光分離膜１０６が形成された透明な基板１０４が複数配置されていて、さらに、基板１０４同士の間には、一層おきに、旋光子１０９が配置されている。
【００４５】
基板１０４同士および基板１０４と旋光子１０９とは、接着剤からなる接着剤層１０８を介して接着されている。また、出射面１０３には、反射防止膜１１１が形成されている。
【００４６】
なお、基板１０４同士を接着する接着剤層１０８および基板１０４と旋光子１０９とを接着する接着剤層１０８は、同一の材料でなくてもよく、異なる接着剤を用いてもよい。
【００４７】
光源から発せられた入射光１１０は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光であり、偏光変換素子１０１の入射面１０２に対して直角方向に入射される。入射光１１０は、基板１０４を透過して、偏光分離膜１０６によってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。偏光分離膜１０６は誘電体多層膜であり、Ｓ偏光かＰ偏光のいずれか一方を透過して他方を反射する特性を有するが、実施の形態１では、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を有する。
【００４８】
Ｐ偏光は、偏光分離膜１０６を透過して、直進し、接着剤層１０８を透過して、旋光子１０９に入射する。旋光子１０９は、偏光面を回転させるので、Ｐ偏光はＳ偏光に変換され、接着剤層１０８、隣の基板１０４、反射防止膜１１１を透過して、出射面１０３より出射される。
【００４９】
偏光分離膜１０６によって分離されたＳ偏光は、偏光分離膜１０６において直角に反射されて、基板１０４と接着剤層１０８中を入射面１０２および出射面１０３に対して略平行に進んで、隣接した基板１０４に形成された偏光分離膜１０６においてさらに直角に反射され、接着剤層１０８、基板１０４および反射防止膜１１１を透過して、出射面１０３から出射される。
【００５０】
したがって、出射面１０３から出射されるのは、Ｓ偏光のみとなる。つまり、偏光変換素子１０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光をＳ偏光に偏光することができる。
【００５１】
実施の形態１における旋光子１０９としては、入射された直線偏光を直線偏光に維持したまま、偏光軸（偏光面）を回転する機能を有していればよい。例えば、従来の偏光変換素子に用いていた、同一の複屈折フィルムの異方軸をずらして２枚積層して構成された上述の２層旋光子を用いてもよい。しかし、この旋光子を用いて偏光変換素子１０１を構成すると、変換効率が低くなる。図４には、従来の２層旋光子を用いた従来の偏光変換素子６０１（図１５を参照）と従来の２層旋光子を用いた実施の形態１の偏光変換素子１０１との、入射光の波長に対する変換効率を示している。なお、これらは、実測により求めている。図４において、線Ａは実施の形態１の偏光変換素子１０１を示し、線Ｂは従来の偏光変換素子６０１を示している。図４よりわかるように、実施の形態１の偏光変換素子の変換効率は、従来の偏光変換素子に比べて低い。
【００５２】
このように変換効率が低下するのは、図１５に示す従来の偏光変換素子６０１では、旋光子６０９の面の法線方向から光が入射するのに対して、図１に示す実施の形態１の偏光変換素子１０１では旋光子１０９の法線方向から傾いた斜めの方向から光が入射することによるものと考えられる。
【００５３】
そこで、発明者らは、屈折率異方性の分布状態を示す屈折率楕円体が、光軸から傾いた面内で回転するモデルを詳細に検討した。その結果、実施の形態１に係る偏光変換素子１０１の変換効率を低下させることのない旋光子１０９を構成するための条件を見出した。
【００５４】
具体的には、旋光子１０９は、基準波長複屈折値がＲ１である複屈折フィルムと、基準波長複屈折値がＲ２である複屈折フィルムとがそれぞれ異方軸角度θ１、異方軸角度θ２で積層された構成とすることが望ましい。
【００５５】
ここで、基準波長複屈折値とは、複屈折フィルム面の法線方向から基準波長λ０の光が複屈折フィルムに入射した場合の複屈折値である。異方軸角度とは、複屈折フィルムの主面と入射面１０２とが交わる線と、複屈折フィルムの遅相軸とがなす角度である。
【００５６】
ただし、これらは、以下の条件を満たしている。
【００５７】
４５０（ｎｍ）＜λ０＜６００（ｎｍ）
Ｒ１≒１．２３×λ０／２
Ｒ２≒０．７６×λ０／２
θ１≒７３°
θ２≒３１°
基準波長λ０とは旋光子１０９の最大変換効率が期待される入射光の波長である。４５０ｎｍを超えていて、６００ｎｍ未満の範囲で、短波長側の特性を特に良好にする場合には基準波長λ０を小さめに設定する。逆に、上記範囲内で、長波長側の特性を特に良好にする場合は基準波長λ０を大きめに設定する。基準波長λ０を４５０ｎｍ以下に設定すると、短波長領域では十分な変換効率が得られるが７００ｎｍ近傍の長波長領域で変換効率が低下するため好ましくない。また、基準波長λ０を６００ｎｍ以上に設定すると逆に４００ｎｍ近傍の短波長領域での変換効率が低下するため好ましくない。
【００５８】
基準波長複屈折率値Ｒ１およびＲ２は、λ０／２に補正係数（１．２３および０．７６）を乗じて求めている。これら補正係数は、複屈折フィルムの面に対して、斜めに入射する光における所定の実効複屈折を実現するための係数である。なお、各補正係数１．２３および０．７６は、１０％以内、より好ましくは５％以内の誤差が含まれている。また、異方軸角度θ１およびθ２は、それぞれ７３°および３１°のプラスマイナス３°、好ましくはプラスマイナス１°以内であればよい。
【００５９】
基準波長複屈折率値Ｒ１およびＲ２と異方軸角度θ１およびθ２とが上述の値から大きくずれると、最大変換効率を示す波長がシフトしたり、波長域全体に渡って変換効率が低下したりなど所望の特性を得ることができなくなる。
【００６０】
例えば、基準波長λ０を５１０ｎｍと設定し、波長５１０ｎｍの光に対しての複屈折値が約３１０ｎｍであるポリカーボネート製複屈折フィルムと、波長５１０ｎｍの光に対しての複屈折値が約１９０ｎｍのポリカーボネート製複屈折フィルムとを用いて、旋光子１０９を構成した。
【００６１】
さらに、それぞれの複屈折フィルムの遅相軸が、複屈折フィルム面内で偏光変換素子１０１の入射面１０２および出射面１０３となす角度がそれぞれ７３°および３１°になるように積層した。
【００６２】
この場合、
Ｒ１≒１．２３×λ０／２＝１．２３×５１０／２＝３１３．６５
であり、Ｒ１が約３１０ｎｍなので上記条件を満たす。また、
Ｒ２≒０．７６×λ０／２＝１９３．８
であり、Ｒ２が約１９０ｎｍなので、上記条件を満たす。また、θ１が７３°でθ２が３１°なので、上記条件を満たす。
【００６３】
上記条件で構成されたこの旋光子１０９を用いて、偏光変換素子１０１を構成し、入射光の波長と変換効率との関係を実測により求めた結果を図５に示す。なお、図５において、線Ｃは上記条件を満たした旋光子１０９を用いた偏光変換素子を示している。また、比較のために、従来の旋光子を用いた偏光変換素子１０１を示す線Ｄも図示している。図５から明らかなように、上記条件の旋光子１０９を用いることで、従来の旋光子を用いた場合に比べて、変換効率が向上している。
【００６４】
このように、実施の形態１に係る偏光変換素子１０１には、入射光が入射面の法線に対して、斜めに入射する場合に高特性を示す旋光子とすることが望ましく、上記条件を満たした旋光子１０９を用いることが望ましい。
【００６５】
また、出射面１０３に反射防止膜１１１が形成されていない場合には、基板１０４と空気との界面において４〜５％程度の光の反射が生じて損失となるが、反射防止膜１１１を形成することで光の損失を最小限に抑えることができる。
【００６６】
また、図示はしていないが、偏光変換素子１０１の入射面１０２側には、光源からの光を基板１０４に集光するためのレンズアレイを貼り合わせる。そのため、入射面１０２での光の反射はほぼ生じない。したがって、出射面１０３にのみ反射防止膜１１１を形成すればよい。しかし、偏光変換素子１０１を他の部材と貼り合わせることなく両面とも空気に接する状態で用いる場合には、入射面１０２と出射面１０３の両面に反射防止膜１１１を形成することで光の反射損失を抑えることができる。また、入射面１０２および出射面１０３に旋光子が貼り付けられていない構成なので、レンズアレイを容易に貼り合わせることができる。
【００６７】
以上の様に構成すれば、偏光分離膜１０６と旋光子１０９とが隣接して接合しているので、旋光子１０９は作用すべき偏光成分が透過する理想的な位置に自動的に配置される。その結果、微細な旋光子を多数精密に整列して貼り合わせる工程が不要となり、後述の様なプロセスにより効率よく製造可能となる。また従来の偏光変換素子の様に、位置合わせ誤差によって、変換すべき偏光成分を変換してしまうことや、変換してはならない偏光成分を変換してしまうことなどの損失を発生することが原理的に無い。さらに、旋光子１０９には、その面に対して斜めに光が入射しても、旋光子１０９の特性が低下しないような旋光子１０９を用いているので、偏光変換素子１０１の変換効率が低くなることはない。
【００６８】
次に、偏光変換素子１０１の製造方法を図２および図３を用いて説明する。まず、透明な平行基板である基板１０４の一方の表面に誘電体多層膜からなる偏光分離膜１０６を、蒸着法やスパッタ法を用いて形成する。基板１０４一つに対して一種類の偏光分離膜１０６を成膜すればよいので大量に安定して成膜することができる。
【００６９】
次に、図２で示すように、偏光分離膜１０６が形成された基板１０４を複数個配列し、基板１０４の間の１列おきに旋光子１０９を配置し、接着剤を用いてそれぞれを接着する。なお、図２および図３においては、見やすさを考慮して、接着剤層１０８の図示を省略している。
【００７０】
具体的には、旋光子１０９の一方の面に予め接着剤を塗布し、基板１０４に形成された偏光分離膜１０６と旋光子１０９とを先に接着する。次に、旋光子１０９が接着された基板１０４と、旋光子１０９が接着されていない基板１０４とを交互に配列して接着剤を塗布して接着する。従来は、旋光子の接着作業は、旋光子が細長く取り扱いにくい上、精密なピッチの位置決め精度が必要とされていた。しかし、このようにすることにより、旋光子１０９自体が大きく取り扱い易く、かつ接着位置も基板１０４全面を覆えば良いだけなので精密な位置決め装置や位置決め作業が不要である。それにより、工数短縮、不良品の減少、コストダウンを実現できる。
【００７１】
また、例えば、上記接着後に、基板１０４と旋光子１０９とが接着された部材の両面には、偏光分離膜１０６が形成されていない基板１０４を接着しておくとよい。それにより、偏光変換素子１０１完成後に、光学機器に取り付ける時の固定部としてこの部分を用いることができる。また、基板１０４の切断や研磨工程において欠けやすい端の箇所には、光学機能に影響のない基板が配置されていることになり、不良品が減少する。
【００７２】
次に、図３に示すように、上記の接着された部材１１２を、基板１０４の表面に対して斜めの方向に切断線１１３に沿って切断する。図３において、切断線１１３は一点鎖線で示している。切断後に、研磨等を行うので、その分を考慮して、偏光変換素子１０１完成後の厚みよりも余分の厚さになるように、適宜切断間隔を決定する。なお、切断線１１３が、入射面１０２もしくは出射面１０３側となる。切断には、例えば、ワイヤーソー、外周刃切断機および内周刃切断機などを用いることができる。
【００７３】
また、基板１０４と旋光子１０９とを配列して接着する場合に、図２、図３に示しているように、切断方向とほぼ同一方向に各部材をずらして配列して接着すれば、端材を最小に抑えることができ、偏光変換素子１０１を多く製造することができる。
【００７４】
次に、切り出した板材は切断面が粗いので上下両面を研磨して透明な表面に仕上げ、入射面１０２および出射面１０３を形成し、出射面１０３に反射防止膜１１１を蒸着法により形成する。以上の工程で偏光変換素子が製造される。実施の形態１の偏光変換素子とその製造方法によれば、１種類の基板だけを配列するので、基板の仕分けに手間を取られることや、配列順序を間違うことも無い。
【００７５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る偏光変換素子２０１およびその製造方法について図を用いて説明する。図６は実施の形態２の偏光変換素子２０１の断面図である。
【００７６】
実施の形態２の偏光変換素子２０１は、光の入射面２０２および出射面２０３に対して略４５度の斜め方向に層を形成するように、両側の面に偏光分離膜２０６が形成された透明な第１の基板２０４、透明な第２の基板２０５、旋光子２０９、が右方向に順に配置され、さらにそれらの層が繰り返して配置されて構成されている。
【００７７】
これらの各部材は、接着剤層２０８を介して接着されている。つまり、第１の基板２０４および第２の基板２０５の間には接着剤層２０８が形成されている。また、第２の基板２０５および旋光子２０９の間には接着剤層２０８が形成されている。また、旋光子２０９および第１の基板２０４の間には接着剤層２０８が形成されている。なお、これらの接着剤層２０８は、それぞれ、接着する各部材毎に異なる接着剤を用いてもよい。また、実施の形態１と同様に、出射面２０３には、反射防止膜２１１が形成され、空気との界面での反射による損失を低減させる。
【００７８】
なお、旋光子２０９は、実施の形態１で説明した旋光子１０９と同様の構成とすることが望ましい。入射光が旋光子２０９の面の法線に対して、斜めに入射する場合に高特性を示すことが望ましい。これにより、偏光変換素子２０１の変換効率は十分高い。
【００７９】
光源から発せられた入射光２１０は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光であり、偏光変換素子２０１の入射面２０２に対して直角方向に入射される。入射光２１０は、第１の基板２０４を透過して、偏光分離膜２０６によってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。実施の形態２では、偏光分離膜２０６は、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を有する。
【００８０】
Ｐ偏光は、偏光分離膜２０６を透過して、直進し、接着剤層２０８を透過して、旋光子２０９に入射し、Ｓ偏光に変換され、接着剤層２０８、第２の基板２０５、反射防止膜２１１を透過して、出射面２０３より出射される。
【００８１】
偏光分離膜２０６によって分離されたＳ偏光は、偏光分離膜２０６において直角に反射されて、第１の基板２０４中を入射面２０２および出射面２０３に対して略平行に進んで、第１の基板２０４に形成された反対側の偏光分離膜２０６においてさらに直角に反射され、第１の基板２０４および反射防止膜２１１を透過して、出射面２０３から出射される。
【００８２】
したがって、出射面２０３から出射されるのは、Ｓ偏光のみとなる。つまり、偏光変換素子２０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光をＳ偏光に偏光することができる。
【００８３】
また、偏光分離膜２０６によって分離されたＳ偏光が、出射面２０３から出射されるまでに、接着剤層２０８を透過することがないので、光の強度は低下しない。
【００８４】
次に、偏光変換素子２０１の製造方法を図７および図８を用いて説明する。まず、透明な平行基板である第１の基板２０４の両方の表面に誘電体多層膜からなる偏光分離膜２０６を、蒸着法やスパッタ法を用いて形成する。第１の基板２０４の両面に成膜する必要があるが、偏光分離膜２０６は同一種類であるので、手間がかからない。また、第２の基板２０５には、成膜する必要がないので、その分成膜工程に、時間およびコストがかからない。
【００８５】
次に、図７に示すように、第１の基板２０４と第２の基板２０５を交互に複数個配列し、それらの間の１列おきに旋光子２０９を配置し、接着剤を用いてそれぞれを接着する。なお、図７および図８においては、見やすさを考慮して、接着剤層２０８の図示を省略している。
【００８６】
具体的には、第１の基板２０４の上に接着剤を塗布して旋光子２０９を載せ置き、旋光子２０９の上に接着剤を塗布して第２の基板２０５を載せ置き、第２の基板２０５上に接着剤を塗布して第１の基板２０４を載せ置くという工程を繰り返して所定の枚数の各部材を配列してから接着剤を硬化して接着を行う。この方法によれば全ての部材を一度に接着硬化することができるので手間がかからず、合理的である。また、実施の形態１と同様に、旋光子２０９の接着作業が容易になり、工数短縮、不良品の減少、コストダウンを実現できる。
【００８７】
なお、実施の形態１で説明したように、上記接着によって接着された部材の両面には、偏光分離膜２０６が形成されていない基板２０４が接着されていてもよい。
【００８８】
次に、図８に示すように、上記の接着された部材２１２を、第１の基板２０４および第２の基板２０５の表面に対して斜めの方向に切断線２１３に沿って切断する。図８において、切断線２１３は一点鎖線で示している。切断後に、研磨等を行うので、その分を考慮して、偏光変換素子２０１完成後の厚みよりも余分の厚さになるように、適宜切断間隔を決定する。切断には、例えば、外周刃を利用するスライサーを用いる。図７、図８に示しているように、切断方向とほぼ同一方向に各部材をずらして配列することで、端材を最小に抑えることができる。
【００８９】
次に、切り出した板材は切断面が粗いので上下両面を研磨して透明な表面に仕上げ、入射面２０２および出射面２０３を形成し、出射面２０３に反射防止膜２１１を蒸着法により形成する。以上の工程で偏光変換素子２０１が製造される。
【００９０】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る偏光変換素子３０１およびその製造方法について図を用いて説明する。図９は実施の形態３の偏光変換素子３０１の断面図である。
【００９１】
実施の形態３の偏光変換素子３０１は、光の入射面３０２および出射面３０３に対して略４５度の斜め方向に層を形成するように、一方の面に偏光分離膜３０６が形成され、他方の面に反射膜３０７が形成された透明な第１の基板３０４、透明な第２の基板３０５、旋光子３０９が右方向に順に配置され、さらにそれらの層が繰り返して配置されて構成されている。ただし、第１の基板３０４の偏光分離膜３０６は旋光子３０９と隣接し、反射膜３０７は第２の基板３０５と隣接している。
【００９２】
これらの各部材は、接着剤層３０８を介して接着されている。つまり、第１の基板３０４および第２の基板３０５の間には、接着剤層３０８が形成されている。また、第２の基板３０５および旋光子３０９の間には、接着剤層３０８が形成されている。旋光子３０９および第１の基板３０４の間には、接着剤層３０８が形成されている。なお、これらの接着剤層３０８は、それぞれ、接着する各部材毎に異なる接着剤を用いてもよい。また、実施の形態１と同様に、出射面３０３には、反射防止膜３１１が形成され、空気との界面での反射による損失を低減させる。
【００９３】
なお、旋光子３０９は、実施の形態１で説明した旋光子１０９と同様の構成とすることが望ましい。入射光が旋光子３０９の面の法線に対して、斜めに入射する場合に高特性を示すことが望ましい。これにより、偏光変換素子３０１の変換効率は十分高い。
【００９４】
光源から発せられた入射光３１０は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光であり、偏光変換素子３０１の入射面３０２に対して直角方向に入射される。入射光３１０は、第１の基板３０４を透過して、偏光分離膜３０６によってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。実施の形態３では、偏光分離膜３０６は、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を有する。
【００９５】
Ｐ偏光は、偏光分離膜３０６を透過して、直進し、接着剤層３０８を透過して、旋光子３０９に入射し、Ｓ偏光に変換され、接着剤層３０８、第２の基板３０５、反射防止膜３１１を透過して、出射面３０３より出射される。
【００９６】
偏光分離膜３０６によって分離されたＳ偏光は、偏光分離膜３０６において直角に反射されて、第１の基板３０４中を入射面３０２および出射面３０３に対して略平行に進んで、第１の基板３０４に形成された反射膜３０７においてさらに直角に反射され、第１の基板３０４および反射防止膜３１１を透過して、出射面３０３から出射される。
【００９７】
反射膜３０７は、偏光分離膜３０６にくらべて効率よく、全ての光を反射することができる。反射膜３０７としては、例えば、金属膜、金属膜に誘電体膜を付加した増反射膜、誘電体多層膜を用いる。
【００９８】
以上より、出射面３０３から出射されるのは、Ｓ偏光のみとなる。つまり、偏光変換素子３０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光をＳ偏光に偏光することができる。
【００９９】
また、偏光分離膜３０６によって分離されたＳ偏光が、出射面３０３から出射されるまでに、接着剤層３０８を透過することがないので、光の強度は低下しない。
【０１００】
次に、偏光変換素子３０１の製造方法を図１０および図１１を用いて説明する。まず、透明な平行基板である第１の基板３０４に偏光分離膜３０６および反射膜３０７を、蒸着法やスパッタ法を用いて形成する。第３の基板３０５には、成膜する必要がないので、その分成膜工程に、時間およびコストがかからない。
【０１０１】
次に、図１０で示すように、第１の基板３０４と第２の基板３０５を交互に複数個配列し、第１の基板３０４に形成された偏光分離膜３０６と第２の基板３０５の間に、旋光子３０９を配置し、接着剤を用いてそれぞれを接着する。なお、図１０および図１１においては、見やすさを考慮して、接着剤層３０８の図示を省略している。
【０１０２】
具体的には、第１の基板３０４の偏光分離膜３０６が形成された側に接着剤を塗布して旋光子３０９を載せ置き、旋光子３０９の上に接着剤を塗布して第２の基板３０５を載せ置き、第２の基板３０５上に接着剤を塗布して、反射膜３０７側が下になるように第１の基板３０４を載せ置くという工程を繰り返して所定の枚数の各部材を配列してから接着剤を硬化して接着を行う。この方法によれば全ての部材を一度に接着硬化することができるので手間がかからず、合理的である。また、実施の形態１と同様に、旋光子３０９の接着作業が容易になり、工数短縮、不良品の減少、コストダウンを実現できる。
【０１０３】
なお、実施の形態１で説明したように、上記接着によって接着された部材の両面には、偏光分離膜３０６が形成されていない基板３０４が接着されていてもよい。
【０１０４】
次に、図１１に示すように、上記の接着された部材３１２を、第１の基板３０４および第２の基板３０５の表面に対して斜めの方向に切断線３１３に沿って切断する。図１１において、切断線３１３は一点鎖線で示している。切断後に、研磨等を行うので、その分を考慮して、偏光変換素子３０１完成後の厚みよりも余分の厚さになるように、適宜切断間隔を決定する。切断には、例えば、外周刃を利用するスライサーを用いる。図１０、図１１に示しているように、切断方向とほぼ同一方向に各部材をずらして配列することで、端材を最小に抑えることができる。
【０１０５】
次に、切り出した板材は切断面が粗いので上下両面を研磨して透明な表面に仕上げ、入射面３０２および出射面３０３を形成し、出射面３０３に反射防止膜３１１を蒸着法により形成する。以上の工程で偏光変換素子３０１が製造される。
【０１０６】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る偏光変換素子４０１およびその製造方法について図を用いて説明する。図１２は実施の形態４の偏光変換素子４０１の断面図である。
【０１０７】
実施の形態４の偏光変換素子４０１は、光の入射面４０２および出射面４０３に対して略４５度の斜め方向に層を形成するように、一方の面に偏光分離膜４０６が形成された透明な第１の基板４０４、一方の面に反射膜４０７が形成された透明な第２の基板４０５、旋光子４０９が右方向に順に配置され、さらにそれらの層が繰り返して配置されて構成されている。ただし、第１の基板４０４の偏光分離膜４０６は旋光子４０９と隣接し、第２の基板４０５の反射膜４０７は第１の基板４０４の何も形成されていない側と隣接し、旋光子４０９は、第２の基板４０５の何も形成されていない側と隣接している。
【０１０８】
これらの各部材は、接着剤層４０８を介して接着されている。つまり、第１の基板４０４および第２の基板４０５の間には、接着剤層４０８が形成されている。また、第２の基板４０５および旋光子４０９の間には、接着剤層４０８が形成されている。また、旋光子４０９および第１の基板４０４の間には、接着剤層４０８が形成されている。なお、これらの接着剤層４０８は、それぞれ、接着する各部材毎に異なる接着剤を用いてもよい。また、実施の形態１と同様に、出射面４０３には、反射防止膜４１１が形成され、空気との界面での反射による損失を低減させる。
【０１０９】
なお、旋光子４０９は、実施の形態１で説明した旋光子１０９と同様の構成とすることが望ましい。入射光が旋光子４０９の面の法線に対して、斜めに入射する場合に高特性を示すことが望ましい。これにより、偏光変換素子４０１の変換効率は十分高い。
【０１１０】
光源から発せられた入射光４１０は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光であり、偏光変換素子４０１の入射面４０２に対して直角方向に入射される。入射光４１０は、第１の基板４０４を透過して、偏光分離膜４０６によってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。実施の形態４では、偏光分離膜４０６は、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を有する。
【０１１１】
Ｐ偏光は、偏光分離膜４０６を透過して、直進し、接着剤層４０８を透過して、旋光子４０９に入射し、Ｓ偏光に変換され、接着剤層４０８、第２の基板４０５、反射防止膜４１１を透過して、出射面４０３より出射される。
【０１１２】
偏光分離膜４０６によって分離されたＳ偏光は、偏光分離膜４０６において直角に反射されて、第１の基板４０４および接着剤層４０８中を入射面４０２および出射面４０３に対して略平行に進んで、第２の基板４０５に形成された反射膜４０７においてさらに直角に反射され、接着剤層４０８、第１の基板４０４および反射防止膜４１１を透過して、出射面４０３から出射される。
【０１１３】
反射膜４０７は、偏光分離膜にくらべて効率よく、全ての光を反射することができる。反射膜４０７としては、例えば、金属膜、金属膜に誘電体膜を付加した増反射膜、誘電体多層膜を用いる。
【０１１４】
以上より、出射面４０３から出射されるのは、Ｓ偏光のみとなる。つまり、偏光変換素子４０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光をＳ偏光に偏光することができる。
【０１１５】
次に、偏光変換素子４０１の製造方法を図１３および図１５を用いて説明する。まず、透明な平行基板である第１の基板４０４に偏光分離膜４０６を形成し、透明な平行基板である第２の基板４０５に反射膜４０７を形成する。偏光分離膜４０６および反射膜４０７は、蒸着法やスパッタ法を用いて形成する。
【０１１６】
次に、図１３で示すように、第１の基板４０４と第２の基板４０５を交互に複数個配列し、第１の基板４０４に形成された偏光分離膜４０６と第２の基板４０５の反射膜４０７が形成されていない側との間に、旋光子４０９を配置し、接着剤層４０８を用いてそれぞれを接着する。なお、図１３および図１４においては、見やすさを考慮して、接着剤層４０８の図示を省略している。
【０１１７】
具体的には、第１の基板４０４の偏光分離膜４０６が形成された側に接着剤を塗布して旋光子４０９を載せ置き、旋光子４０９の上に接着剤を塗布して、反射膜４０７が上側になるように第２の基板４０５を載せ置き接着硬化させる。同様にして製造した、第１の基板４０４、旋光子４０９、第２の基板４０５からなる部材をさらに積み重ねて、それぞれを接着剤層４０８で接着する。また、実施の形態１と同様に、旋光子４０９の接着作業が容易になり、工数短縮、不良品の減少、コストダウンを実現できる。
【０１１８】
なお、実施の形態１で説明したように、上記接着によって接着された部材の両面には、偏光分離膜４０６が形成されていない基板４０４が接着されていてもよい。
【０１１９】
次に、図１４に示すように、上記の接着された部材４１２を、第１の基板４０４および第２の基板４０５の表面に対して斜めの方向に切断線４１３に沿って切断する。図１４において、切断線は一点鎖線で示している。切断後に、研磨等を行うので、その分を考慮して、偏光変換素子４０１完成後の厚みよりも余分の厚さになるように、適宜切断間隔を決定する。切断には、例えば、ワイヤーソーを用いる。図１３、図１４に示しているように、切断方向とほぼ同一方向に各部材をずらして配列することで、端材を最小に抑えることができる。
【０１２０】
次に、切り出した板材は切断面が粗いので上下両面を研磨して透明な表面に仕上げ、入射面４０２および出射面４０３を形成し、出射面４０３に反射防止膜４１１を蒸着法により形成する。以上の工程で偏光変換素子４０１が製造される。
【０１２１】
本実施の形態によれば、偏光分離膜および旋光子を、隣接するように接合しているので、旋光子は作用すべき偏光成分が透過する理想的な位置に自動的に配置される。その結果、微細な旋光子を多数精密に整列して張り合わせる工程が不要となり、効率よく製造可能となる。また従来の偏光変換素子のように、位置合わせ誤差によって、変換すべき偏光成分を変換しない、または、変換してはならない偏光成分を変換してしまうなどがないので、損失を発生することが原理的に無い。
【０１２２】
また、入射面、出射面ともに平坦に出来るので、レンズアレイ、フィールドレンズなどのほかの部材との張り合わせて界面反射を防止して効率を高めることが容易になる。
【０１２３】
【発明の効果】
本発明によれば、容易に製造でき、工数の増加、不良品の発生およびコストアップを防ぎ、旋光子の張り合わせ位置の誤差によって変換損失が発生することの無い、偏光変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０１２４】
また、本発明によれば、入射面および出射面に容易にレンズを貼り付けることができる偏光変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る偏光変換素子の構成を示す断面図
【図２】実施の形態１に係る偏光変換素子の製造工程における接着時の配列を示す図
【図３】実施の形態１に係る偏光変換素子の製造工程における切断位置を示す図
【図４】従来の２層旋光子を用いた従来の偏光変換素子と従来の２層旋光子を用いた実施の形態１の偏光変換素子との、入射光の波長に対する変換効率を示す図
【図５】実施の形態１の偏光変換素子における、入射光の波長と変換効率を示す図
【図６】実施の形態２に係る偏光変換素子の構成を示す断面図
【図７】実施の形態２に係る偏光変換素子の製造工程における接着時の配列を示す図
【図８】実施の形態２に係る偏光変換素子の製造工程における切断位置を示す図
【図９】実施の形態３に係る偏光変換素子の構成を示す断面図
【図１０】実施の形態３に係る偏光変換素子の製造工程における接着時の配列を示す図
【図１１】実施の形態３に係る偏光変換素子の製造工程における切断位置を示す図
【図１２】実施の形態４に係る偏光変換素子の構成を示す断面図
【図１３】実施の形態４に係る偏光変換素子の製造工程における接着時の配列を示す図
【図１４】実施の形態４に係る偏光変換素子の製造工程における切断位置を示す図
【図１５】従来の偏光変換素子の構成を示す断面図
【図１６】従来の偏光変換素子の構成を示す斜視図
【図１７】透過光の波長と、その波長に対する相対複屈折値との関係図
【図１８】従来の偏光変換素子の、入射光の波長に対する変換効率を示す図
【図１９】単層旋光子と２層旋光子とを用いた従来の偏光変換素子の、入射光の波長に対する変換効率を示す図
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１、４０１、６０１ 偏光変換素子
１０２、２０２、３０２、４０２、６０２ 入射面
１０３、２０３、３０３、４０３、６０３ 出射面
１０４ 基板
２０４、３０４、４０４、６０４ 第１の基板
２０５、３０５、４０５、６０５ 第２の基板
１０６、２０６、３０６、４０６、６０６ 偏光分離膜
３０７、４０７、５０７、６０７ 反射膜
１０８、２０８、３０８、４０８、６０８ 接着剤層
１０９、２０９、３０９、４０９、６０９ 旋光子
１１０、２１０、３１０、４１０、６１０ 入射光
１１１、２１１、３１１、４１１ 反射防止膜
１１２、２１２、３１２、４１２ 接着された部材
１１３、２１３、３１３、４１３ 切断線
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光変換素子およびその製造方法に関するものである。特に、液晶表示素子用の照明装置に用いるランプ光源からの、非偏光光を１方向の偏光に変換する偏光変換素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
非偏光光を１方向の偏光に変換する従来の偏光変換素子は、例えば、特許文献１に開示されている。図１５は、従来の偏光変換素子の断面図である。また、図１６は、従来の偏光変換素子の斜視図である。従来の偏光変換素子６０１は、光の入射面６０２および出射面６０３に対して斜め方向に層を形成するように、第１の基板６０４と第２の基板６０５とが交互に配置されて構成されている。第１の基板６０４において、第２の基板６０５と接する面の一方には偏光分離膜６０６が、他方には反射膜６０７が形成され、それらと第２の基板６０５とは、接着剤層６０８を介して接着されている。また、出射面６０３には第２の基板６０５を覆うように、旋光子６０９が配置されている。
【０００３】
図示しない光源から発せられた入射光６１０は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光であり、偏光変換素子６０１の入射面６０２対して直角方向に入射される。入射光６１０は、第１の基板６０４を透過して、偏光分離膜６０６によってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。Ｐ偏光は、偏光分離膜６０６を透過して、直進し、接着剤層６０８および第２の基板６０５を透過して、旋光子６０９に入射する。
【０００４】
旋光子６０９は、入射した直線偏光を直線偏光に維持したまま、偏光軸を回転する機能を有する。したがって、旋光子６０９に入射したＰ偏光は、Ｓ偏光に変換されて出射される。
【０００５】
一方、偏光分離膜６０６によって分離されたＳ偏光は、偏光分離膜６０６において直角に反射されて、第１の基板６０４中を入射面６０２および出射面６０３と略平行に進んで、反射膜６０７において、さらに直角に反射され、出射面６０３から出射される。
【０００６】
したがって、出射面６０３側から出射されるのは、Ｓ偏光のみとなる。つまり、偏光変換素子６０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光をＳ偏光に偏光することができる。
【０００７】
上述のように、旋光子６０９は、入射した直線偏光を直線偏光に維持したまま、偏光軸（偏光面）を回転する機能を有する。旋光子６０９としては、例えば、入射光の波長の１／２の複屈折を有する複屈折板を用いればよい。なお、一般的に旋光子としては、このような複屈折板を用いるため、旋光子のことを１／２波長板あるいはλ／２板と呼ぶこともある。複屈折板には、水晶などの透明結晶を特定の角度で切り出したものもあるが、ポリカーボネート、アートンなどのプラスチックフィルムを延伸した複屈折フィルムを用いるのが一般的である。
【０００８】
波長の１／２の複屈折を有する複屈折板に、入射された直線偏光は、直線偏光性を維持したまま、直線偏光の偏光軸が回転して出射される。具体的には、複屈折板の異方軸を対称軸として入射光の偏光軸を折り返した位置に、偏光軸が回転して出射される。
【０００９】
したがって、入射した直線偏光の偏光軸と、複屈折板の異方軸の方向が一致した場合には、偏光軸が回転することはない。例えば、偏光軸と異方軸が４５度の角度をなすときは、偏光軸の回転角度は最大となる９０°である。なお、異方軸とは、複屈折板において、屈折率が最大および最小となる偏光軸のことである。これらの軸は互いに直交していて、屈折率が最大となる異方軸は遅相軸、屈折率が最小となる異方軸は進相軸である。また、遅相軸方向の偏光軸を持つ光と進相軸方向の偏光軸を持つ光との、旋光子透過後の位相差を、入射光の波長によって規格化した値を複屈折値という。
【００１０】
例えば、特定の波長λ３の光についてのみ旋光子として機能するためには、その波長λ３での複屈折値Ｒ３が、波長λ３の１／２（Ｒ３＝λ３／２）である複屈折板を用いればよい。しかし、カラーディスプレイなどの照明光学系に用いる旋光子は、可視域における広い波長範囲の光に対応する複屈折板でなければならない。このような場合には、一般的な複屈折板を一枚用いただけでは充分な特性が得られない。広い波長域の光に対応して旋光子として機能するということは、その波長域全ての光に対して、複屈折値が波長の１／２になるということである。つまり、入射する光の波長に対して複屈折値が比例するような特性を有するということである。このような特性を有する複屈折板が、広い波長域の光に対応して旋光子として機能する理想的な複屈折板である。しかし、そのような特性の材料は現時点では存在していないため、単純に複屈折板を一枚用いただけでは、広い波長域に渡る旋光子を実現することができない。
【００１１】
図１７は、複屈折板に入射する光の波長と、その波長に対する相対複屈折値との関係図を示している。なお、複屈折板の材料としては、ポリカーボネート（線Ｅ）とアートン（線Ｆ）とを用いて、延伸フィルム構造の複屈折板を用いた。これらポリカーボネートおよびアートンによる複屈折フィルムは、複屈折板としては一般的に用いられるものである。また、比較のため、波長に対して、複屈折値が比例する理想的な複屈折板（線Ｇ）についても示している。縦軸は、複屈折値を、波長５５０ｎｍにおける複屈折値を基準として示した相対複屈折値である。
【００１２】
図１７に示しているように、ポリカーボネートによる複屈折フィルムにおいてもアートンによる複屈折フィルムにおいても、波長の増加に対して複屈折値が減少している。このような複屈折板に直線偏光が入射すると、複屈折値が波長の１／２であるような、特定の波長に対してのみ完全な旋光子として機能する。しかし、それ以外の波長の光が入射された場合には、複屈折値が波長の１／２とはならず、不足または過剰となっていわゆる楕円偏光となって出射される。つまり、このような複屈折板を旋光子として用いると、入射された直線偏光の偏光軸を９０°回転させようとしても、９０°回転されない光が生じてしまい、入射された光の偏光軸と平行な偏光成分が残る。
【００１３】
したがって、このような旋光子を用いて、例えば、図１５に示した偏光変換素子を構成すると、変換特性が低下する。図１８は図１７に特性を示した複屈折板を旋光子６０９として用いた偏光変換素子６０１の、入射光の波長に対する変換効率を計算した結果を示したものである。旋光子６０９として、ポリカーボネートによる複屈折フィルムを用いた場合を線Ｉとして、旋光子６０９として、アートンによる複屈折フィルムを用いた場合を線Ｈとして示している。なお、変換効率とは、直線偏光が入射した場合に、入射光の偏光と直交する偏光成分に変換された出射光の割合である。
【００１４】
入射光の波長が５００ｎｍの場合に、複屈折値が入射光の波長の１／２になるように、複屈折板を設定している。なお、遅相軸は入射偏光軸に対し４５°の角度になるように設定している。複屈折値は、入射光の波長が５００ｎｍより小さい場合はその波長の１／２より大きく、入射光の波長が５００ｎｍより大きい場合はその波長の１／２より小さい。また、入射光の波長が５００ｎｍから離れる程、複屈折値も、波長の１／２から離れる。図１８より明らかなように、線Ｈおよび線Ｉのどちらにおいても、入射光の波長が５００ｎｍの場合は変換効率が１００％となり、理想的な偏光変換が実現している。しかし、入射光が、可視光域の両端部に当たる波長（４００ｎｍおよび７００ｎｍ）の場合は、線Ｈおよび線Ｉのどちらにおいても２０％程度の損失が発生している。
【００１５】
上記問題を緩和してより広い波長帯域の光に対して、理想的な特性を得る旋光子として、複数の複屈折フィルムの異方軸をずらして積層したものがある。図１９は、入射光の波長が５００ｎｍの場合に、複屈折値が入射光の波長の１／２になるポリカーボネート製複屈折フィルム１枚により構成された旋光子（以下、単層旋光子という）と、同じ複屈折フィルムを異方軸がずれるように２枚積層した旋光子（以下、２層旋光子という）とを用いた場合における、それぞれの変換効率の波長依存性を示している。線Ｊは単層旋光子の入射光の波長に対する変換効率を示しており、線Ｋは２層旋光子の入射光の波長に対する変換効率を示している。なお、２層旋光子は、一方の複屈折フィルムの遅相軸と入射光の偏光軸との角度が２２．５度で、他方の複屈折フィルムの遅相軸と入射光の偏光軸との角度が６７．５度となるようにしている。図１９から明らかなように、単層旋光子に比べて２層旋光子は、広い波長範囲において、高い変換効率を得ることができた。このような、２層旋光子を用いることで、可視光域全体に渡って高い変換効率を有する偏光変換素子を実現することができる。
【００１６】
【特許文献１】
特開２０００−２９８２１２号公報
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
図１６に示している偏光変換素子６０１を製造するためには、旋光子６０９を第２の基板６０５上に細かい間隔で精密に多数個貼り合わせていく必要がある。しかし、図１６に示すように、従来の偏光変換素子６０１の旋光子６０９は非常に細長くて薄いシート状の物であるため、第２の基板６０５上に細かい間隔で精密に多数個貼り合わせていくことは非常に難しく、工数の増加、不良品の発生、コストアップの要因となる。
【００１８】
また、貼り合わせの位置が所定の位置からずれた領域では、本来変換されるべき偏光成分の変換が行われない、もしくは、変換されるべきでない成分が変換されてしまい、変換効率の低下が生じていた。
【００１９】
さらに、偏光変換素子６０１は、入射面６０２側に集光レンズアレイを貼り合わせ、出射面６０３側に平凸レンズを貼り合わせる形態で偏光照明装置の中において用いることが多いが、旋光子６０９が短冊状に間隔をおいて出射面６０３上に貼り付けられている従来の構造では出射面６０３上にレンズを貼り合わせると、出射面６０３は、レンズが旋光子６０９に接する箇所と空隙になる箇所とが生じるため貼り合わせにくい。
【００２０】
本発明は上記問題点に鑑みなされたもので、容易に製造でき、工数の増加、不良品の発生およびコストアップを防ぎ、旋光子の張り合わせ位置の誤差によって変換損失が発生することの無い、偏光変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２１】
また、入射面および出射面に容易にレンズを貼り付けることができる偏光変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏光変換素子は、光が入射される入射面と、前記入射面に平行な出射面とを有する板状の偏光変換素子であって、入射光をＳ偏光およびＰ偏光に分離して、前記Ｓ偏光および前記Ｐ偏光の内どちらか一方を透過し、他方を反射する偏光分離膜と、光の偏光面を回転させる旋光子とを備え、前記偏光分離膜および前記旋光子は、前記入射面および前記出射面の間に位置し、前記入射面および前記出射面に対して所定の角度だけ傾き、前記入射面と平行な方向に周期的に配置されたことを特徴とする。
【００２３】
また、本発明の偏光変換素子の製造方法は、基板と旋光子とを所定の配列周期で積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、前記積層工程後に、前記積層体を前記基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に切断して、板状体を切り出す切断工程とを備えることを特徴とする。
【００２４】
また、本発明の他の偏光変換素子の製造方法は、基板の片面に偏光分離膜を形成する成膜工程と、前記偏光分離膜が形成された前記基板を、前記基板同士の間に一列おきに旋光子が配置されるように積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、前記積層工程後に、前記積層体を前記基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に切断して、板状体を切り出す切断工程と、切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備えることを特徴とする。
【００２５】
また、本発明の他の偏光変換素子の製造方法は、第１の基板の両面に偏光分離膜を形成する成膜工程と、前記成膜工程後に、前記第１の基板と前記第２の基板の間に一列おきに旋光子が配置されるように前記第１の基板と第２の基板とを交互に積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、前記積層工程後に、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に前記積層体を切断して、板状体を切り出す切断工程と、切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備えることを特徴とする。
【００２６】
また、本発明の他の偏光変換素子の製造方法は、第１の基板の片面に偏光分離膜を形成し、他方の面に反射膜を形成する成膜工程と、前記成膜工程後に、前記第１の基板の前記偏光分離膜側と前記第２の基板との間に旋光子が配置されるように、前記第１の基板と前記第２の基板とを交互に積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、前記積層工程後に、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に前記積層体を切断して、板状体を切り出す切断工程と、切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備えることを特徴とする。
【００２７】
また、本発明の他の偏光変換素子の製造方法は、第１の基板の片面に偏光分離膜を形成し、第２の基板の片面に反射膜を形成する成膜工程と、前記成膜工程後に、前記第１の基板の前記偏光分離膜側と前記第２の基板との間に旋光子が配置され、前記偏光分離膜と前記反射膜とが対向しないように、前記第１の基板と前記第２の基板とを交互に積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、前記積層工程後に、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に前記積層体を切断して、板状体を切り出す切断工程と、切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備えることを特徴とする。
【００２８】
【発明の実施の形態】
本実施の形態の偏光変換素子によれば、偏光分離膜および旋光子を、入射面および出射面の間に所定の角度だけ斜めに傾けて配置しているので、旋光子を細かい間隔で精密に多数個貼り合わせることなく容易に製造可能な偏光変換素子を得ることができる。また、偏光分離膜と隣接して旋光子を配置しているので、変換したい成分のみを有効に変換することが可能で、位置合わせの誤差による損失が発生することがない。また、偏光変換素子の表面に旋光子が設置されていないので、偏光素子の表面に容易にレンズを貼り付けることができる。
【００２９】
また、片面に前記偏光分離膜が形成された基板が、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に積層され、前記旋光子は、前記基板同士の間に一列おきに配置された構造としてもよい。
【００３０】
また、両面に前記偏光分離膜が形成された第１の基板と、第２の基板とを備え、前記第１の基板と前記第２の基板とが、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に交互に積層され、前記旋光子は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に一列おきに配置された構造としてもよい。
【００３１】
また、好ましくは、片面に前記偏光分離膜が形成され、他面に反射膜が形成された第１の基板と、第２の基板とを備え、前記第１の基板と前記第２の基板とが、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に交互に積層され、前記旋光子は、前記第１の基板の前記偏光分離膜が形成されている側と前記第２の基板との間に配置されている。それにより、前記反射膜を用いることで、偏光分離膜を用いた場合に比べて、損失がなく反射させることができる。そのため、損失の少ない偏光変換素子が実現できる。
【００３２】
また、片面に前記偏光分離膜が形成された第１の基板と、片面に反射膜が形成された第２の基板とを備え、前記偏光分離膜と前記反射膜とが対向しないように、前記第１の基板と前記第２の基板とが、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に交互に積層され、前記旋光子は、前記第１の基板の前記偏光分離膜が形成されている側と前記第２の基板との間に配置された構造としてもよい。
【００３３】
また、好ましくは、前記入射面または前記出射面のどちらか一方または両方に反射防止膜を形成する。それにより、前記偏光変換素子と空気との境界で生じる反射損失を低減することができる。
【００３４】
また、好ましくは、前記旋光子は、基準波長をλ０とした場合の基準波長複屈折値がそれぞれＲ１およびＲ２の２枚の複屈折フィルムを、それぞれの異方軸角度がθ１およびθ２となるように積層されて構成されている。ただし、λ０、Ｒ１、Ｒ２、θ１およびθ２は、それぞれ、以下の式を満たす数値である。
【００３５】
４５０ｎｍ＜λ０＜５５０ｎｍ
Ｒ１≒１．２３×λ０／２
Ｒ２≒０．７６×λ０／２
θ１≒７３°
θ２≒３１°
それにより、旋光子の面に対して斜めに光が入射しても、旋光子の特性が低下することが無い。そのため、十分な変換効率を有する偏光変換素子を提供できる。
【００３６】
なお、基準波長とは旋光子の最大変換効率が期待される入射光の波長である。また、前記基準波長複屈折値とは、複屈折フィルムに、その法線方向から前記基準波長の光が入射した場合の複屈折値のことである。さらに、異方軸角度とは、前記複屈折フィルムの主面と偏光変換素子の入射面とが交わる線と、前記複屈折フィルムの遅相軸とがなす角度である。
【００３７】
また、本実施の形態の偏光変換素子の製造方法によれば、基板と旋光子とを所定の配列周期で積層して接着し、所定の角度を有する方向に切断して偏光変換素子を製造するので、旋光子を細かい間隔で精密に多数個貼り合わせるといった手間のかかる工程が無くなり、工数短縮、不良品の減少、コストダウンが可能となる。
【００３８】
また、好ましくは、前記積層工程において、前記基板および前記旋光子を前記切断方向にずらして積層する。それにより、切断工程において、端材が少なくなるので、無駄なく前記板状体を切り出すことができる。
【００３９】
また、本実施の形態の他の偏光変換素子の製造方法によれば、第１の基板、第２の基板と旋光子とを所定の配列周期で積層して接着し、所定の角度を有する方向に切断して偏光変換素子を製造するので、旋光子を細かい間隔で精密に多数個貼り合わせるといった手間のかかる工程が無くなり、工数短縮、不良品の減少、コストダウンが可能となる。
【００４０】
また、本実施の形態の他の偏光変換素子の製造方法によれば、反射膜が形成された基板を用いて、偏光変換素子を製造する。それにより、損失の少ない偏光変換素子を製造できる。
【００４１】
また、好ましくは、前記積層工程において、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子を前記切断方向にずらして積層する。それにより、切断工程において、端材が少なくなるので、無駄なく前記板状体を切り出すことができる。
【００４２】
また、好ましくは、前記研磨工程後に、前記板状体の両面またはどちらか一方の面に反射防止膜を形成する工程を備える。それにより、前記偏光変換素子と空気との境界で生じる反射損失を低減した偏光変換素子を製造することができる。
【００４３】
（実施の形態１）
本発明の実施の形態１に係る偏光変換素子１０１およびその製造方法について図を用いて説明する。図１は実施の形態１の偏光変換素子１０１の断面図である。
【００４４】
実施の形態１の偏光変換素子１０１は、光の入射面１０２および出射面１０３に対して略４５度の斜め方向に層を形成するように、一方の面に偏光分離膜１０６が形成された透明な基板１０４が複数配置されていて、さらに、基板１０４同士の間には、一層おきに、旋光子１０９が配置されている。
【００４５】
基板１０４同士および基板１０４と旋光子１０９とは、接着剤からなる接着剤層１０８を介して接着されている。また、出射面１０３には、反射防止膜１１１が形成されている。
【００４６】
なお、基板１０４同士を接着する接着剤層１０８および基板１０４と旋光子１０９とを接着する接着剤層１０８は、同一の材料でなくてもよく、異なる接着剤を用いてもよい。
【００４７】
光源から発せられた入射光１１０は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光であり、偏光変換素子１０１の入射面１０２に対して直角方向に入射される。入射光１１０は、基板１０４を透過して、偏光分離膜１０６によってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。偏光分離膜１０６は誘電体多層膜であり、Ｓ偏光かＰ偏光のいずれか一方を透過して他方を反射する特性を有するが、実施の形態１では、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を有する。
【００４８】
Ｐ偏光は、偏光分離膜１０６を透過して、直進し、接着剤層１０８を透過して、旋光子１０９に入射する。旋光子１０９は、偏光面を回転させるので、Ｐ偏光はＳ偏光に変換され、接着剤層１０８、隣の基板１０４、反射防止膜１１１を透過して、出射面１０３より出射される。
【００４９】
偏光分離膜１０６によって分離されたＳ偏光は、偏光分離膜１０６において直角に反射されて、基板１０４と接着剤層１０８中を入射面１０２および出射面１０３に対して略平行に進んで、隣接した基板１０４に形成された偏光分離膜１０６においてさらに直角に反射され、接着剤層１０８、基板１０４および反射防止膜１１１を透過して、出射面１０３から出射される。
【００５０】
したがって、出射面１０３から出射されるのは、Ｓ偏光のみとなる。つまり、偏光変換素子１０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光をＳ偏光に偏光することができる。
【００５１】
実施の形態１における旋光子１０９としては、入射された直線偏光を直線偏光に維持したまま、偏光軸（偏光面）を回転する機能を有していればよい。例えば、従来の偏光変換素子に用いていた、同一の複屈折フィルムの異方軸をずらして２枚積層して構成された上述の２層旋光子を用いてもよい。しかし、この旋光子を用いて偏光変換素子１０１を構成すると、変換効率が低くなる。図４には、従来の２層旋光子を用いた従来の偏光変換素子６０１（図１５を参照）と従来の２層旋光子を用いた実施の形態１の偏光変換素子１０１との、入射光の波長に対する変換効率を示している。なお、これらは、実測により求めている。図４において、線Ａは実施の形態１の偏光変換素子１０１を示し、線Ｂは従来の偏光変換素子６０１を示している。図４よりわかるように、実施の形態１の偏光変換素子の変換効率は、従来の偏光変換素子に比べて低い。
【００５２】
このように変換効率が低下するのは、図１５に示す従来の偏光変換素子６０１では、旋光子６０９の面の法線方向から光が入射するのに対して、図１に示す実施の形態１の偏光変換素子１０１では旋光子１０９の法線方向から傾いた斜めの方向から光が入射することによるものと考えられる。
【００５３】
そこで、発明者らは、屈折率異方性の分布状態を示す屈折率楕円体が、光軸から傾いた面内で回転するモデルを詳細に検討した。その結果、実施の形態１に係る偏光変換素子１０１の変換効率を低下させることのない旋光子１０９を構成するための条件を見出した。
【００５４】
具体的には、旋光子１０９は、基準波長複屈折値がＲ１である複屈折フィルムと、基準波長複屈折値がＲ２である複屈折フィルムとがそれぞれ異方軸角度θ１、異方軸角度θ２で積層された構成とすることが望ましい。
【００５５】
ここで、基準波長複屈折値とは、複屈折フィルム面の法線方向から基準波長λ０の光が複屈折フィルムに入射した場合の複屈折値である。異方軸角度とは、複屈折フィルムの主面と入射面１０２とが交わる線と、複屈折フィルムの遅相軸とがなす角度である。
【００５６】
ただし、これらは、以下の条件を満たしている。
【００５７】
４５０（ｎｍ）＜λ０＜６００（ｎｍ）
Ｒ１≒１．２３×λ０／２
Ｒ２≒０．７６×λ０／２
θ１≒７３°
θ２≒３１°
基準波長λ０とは旋光子１０９の最大変換効率が期待される入射光の波長である。４５０ｎｍを超えていて、６００ｎｍ未満の範囲で、短波長側の特性を特に良好にする場合には基準波長λ０を小さめに設定する。逆に、上記範囲内で、長波長側の特性を特に良好にする場合は基準波長λ０を大きめに設定する。基準波長λ０を４５０ｎｍ以下に設定すると、短波長領域では十分な変換効率が得られるが７００ｎｍ近傍の長波長領域で変換効率が低下するため好ましくない。また、基準波長λ０を６００ｎｍ以上に設定すると逆に４００ｎｍ近傍の短波長領域での変換効率が低下するため好ましくない。
【００５８】
基準波長複屈折率値Ｒ１およびＲ２は、λ０／２に補正係数（１．２３および０．７６）を乗じて求めている。これら補正係数は、複屈折フィルムの面に対して、斜めに入射する光における所定の実効複屈折を実現するための係数である。なお、各補正係数１．２３および０．７６は、１０％以内、より好ましくは５％以内の誤差が含まれている。また、異方軸角度θ１およびθ２は、それぞれ７３°および３１°のプラスマイナス３°、好ましくはプラスマイナス１°以内であればよい。
【００５９】
基準波長複屈折率値Ｒ１およびＲ２と異方軸角度θ１およびθ２とが上述の値から大きくずれると、最大変換効率を示す波長がシフトしたり、波長域全体に渡って変換効率が低下したりなど所望の特性を得ることができなくなる。
【００６０】
例えば、基準波長λ０を５１０ｎｍと設定し、波長５１０ｎｍの光に対しての複屈折値が約３１０ｎｍであるポリカーボネート製複屈折フィルムと、波長５１０ｎｍの光に対しての複屈折値が約１９０ｎｍのポリカーボネート製複屈折フィルムとを用いて、旋光子１０９を構成した。
【００６１】
さらに、それぞれの複屈折フィルムの遅相軸が、複屈折フィルム面内で偏光変換素子１０１の入射面１０２および出射面１０３となす角度がそれぞれ７３°および３１°になるように積層した。
【００６２】
この場合、
Ｒ１≒１．２３×λ０／２＝１．２３×５１０／２＝３１３．６５
であり、Ｒ１が約３１０ｎｍなので上記条件を満たす。また、
Ｒ２≒０．７６×λ０／２＝１９３．８
であり、Ｒ２が約１９０ｎｍなので、上記条件を満たす。また、θ１が７３°でθ２が３１°なので、上記条件を満たす。
【００６３】
上記条件で構成されたこの旋光子１０９を用いて、偏光変換素子１０１を構成し、入射光の波長と変換効率との関係を実測により求めた結果を図５に示す。なお、図５において、線Ｃは上記条件を満たした旋光子１０９を用いた偏光変換素子を示している。また、比較のために、従来の旋光子を用いた偏光変換素子１０１を示す線Ｄも図示している。図５から明らかなように、上記条件の旋光子１０９を用いることで、従来の旋光子を用いた場合に比べて、変換効率が向上している。
【００６４】
このように、実施の形態１に係る偏光変換素子１０１には、入射光が入射面の法線に対して、斜めに入射する場合に高特性を示す旋光子とすることが望ましく、上記条件を満たした旋光子１０９を用いることが望ましい。
【００６５】
また、出射面１０３に反射防止膜１１１が形成されていない場合には、基板１０４と空気との界面において４〜５％程度の光の反射が生じて損失となるが、反射防止膜１１１を形成することで光の損失を最小限に抑えることができる。
【００６６】
また、図示はしていないが、偏光変換素子１０１の入射面１０２側には、光源からの光を基板１０４に集光するためのレンズアレイを貼り合わせる。そのため、入射面１０２での光の反射はほぼ生じない。したがって、出射面１０３にのみ反射防止膜１１１を形成すればよい。しかし、偏光変換素子１０１を他の部材と貼り合わせることなく両面とも空気に接する状態で用いる場合には、入射面１０２と出射面１０３の両面に反射防止膜１１１を形成することで光の反射損失を抑えることができる。また、入射面１０２および出射面１０３に旋光子が貼り付けられていない構成なので、レンズアレイを容易に貼り合わせることができる。
【００６７】
以上の様に構成すれば、偏光分離膜１０６と旋光子１０９とが隣接して接合しているので、旋光子１０９は作用すべき偏光成分が透過する理想的な位置に自動的に配置される。その結果、微細な旋光子を多数精密に整列して貼り合わせる工程が不要となり、後述の様なプロセスにより効率よく製造可能となる。また従来の偏光変換素子の様に、位置合わせ誤差によって、変換すべき偏光成分を変換してしまうことや、変換してはならない偏光成分を変換してしまうことなどの損失を発生することが原理的に無い。さらに、旋光子１０９には、その面に対して斜めに光が入射しても、旋光子１０９の特性が低下しないような旋光子１０９を用いているので、偏光変換素子１０１の変換効率が低くなることはない。
【００６８】
次に、偏光変換素子１０１の製造方法を図２および図３を用いて説明する。まず、透明な平行基板である基板１０４の一方の表面に誘電体多層膜からなる偏光分離膜１０６を、蒸着法やスパッタ法を用いて形成する。基板１０４一つに対して一種類の偏光分離膜１０６を成膜すればよいので大量に安定して成膜することができる。
【００６９】
次に、図２で示すように、偏光分離膜１０６が形成された基板１０４を複数個配列し、基板１０４の間の１列おきに旋光子１０９を配置し、接着剤を用いてそれぞれを接着する。なお、図２および図３においては、見やすさを考慮して、接着剤層１０８の図示を省略している。
【００７０】
具体的には、旋光子１０９の一方の面に予め接着剤を塗布し、基板１０４に形成された偏光分離膜１０６と旋光子１０９とを先に接着する。次に、旋光子１０９が接着された基板１０４と、旋光子１０９が接着されていない基板１０４とを交互に配列して接着剤を塗布して接着する。従来は、旋光子の接着作業は、旋光子が細長く取り扱いにくい上、精密なピッチの位置決め精度が必要とされていた。しかし、このようにすることにより、旋光子１０９自体が大きく取り扱い易く、かつ接着位置も基板１０４全面を覆えば良いだけなので精密な位置決め装置や位置決め作業が不要である。それにより、工数短縮、不良品の減少、コストダウンを実現できる。
【００７１】
また、例えば、上記接着後に、基板１０４と旋光子１０９とが接着された部材の両面には、偏光分離膜１０６が形成されていない基板１０４を接着しておくとよい。それにより、偏光変換素子１０１完成後に、光学機器に取り付ける時の固定部としてこの部分を用いることができる。また、基板１０４の切断や研磨工程において欠けやすい端の箇所には、光学機能に影響のない基板が配置されていることになり、不良品が減少する。
【００７２】
次に、図３に示すように、上記の接着された部材１１２を、基板１０４の表面に対して斜めの方向に切断線１１３に沿って切断する。図３において、切断線１１３は一点鎖線で示している。切断後に、研磨等を行うので、その分を考慮して、偏光変換素子１０１完成後の厚みよりも余分の厚さになるように、適宜切断間隔を決定する。なお、切断線１１３が、入射面１０２もしくは出射面１０３側となる。切断には、例えば、ワイヤーソー、外周刃切断機および内周刃切断機などを用いることができる。
【００７３】
また、基板１０４と旋光子１０９とを配列して接着する場合に、図２、図３に示しているように、切断方向とほぼ同一方向に各部材をずらして配列して接着すれば、端材を最小に抑えることができ、偏光変換素子１０１を多く製造することができる。
【００７４】
次に、切り出した板材は切断面が粗いので上下両面を研磨して透明な表面に仕上げ、入射面１０２および出射面１０３を形成し、出射面１０３に反射防止膜１１１を蒸着法により形成する。以上の工程で偏光変換素子が製造される。実施の形態１の偏光変換素子とその製造方法によれば、１種類の基板だけを配列するので、基板の仕分けに手間を取られることや、配列順序を間違うことも無い。
【００７５】
（実施の形態２）
本発明の実施の形態２に係る偏光変換素子２０１およびその製造方法について図を用いて説明する。図６は実施の形態２の偏光変換素子２０１の断面図である。
【００７６】
実施の形態２の偏光変換素子２０１は、光の入射面２０２および出射面２０３に対して略４５度の斜め方向に層を形成するように、両側の面に偏光分離膜２０６が形成された透明な第１の基板２０４、透明な第２の基板２０５、旋光子２０９、が右方向に順に配置され、さらにそれらの層が繰り返して配置されて構成されている。
【００７７】
これらの各部材は、接着剤層２０８を介して接着されている。つまり、第１の基板２０４および第２の基板２０５の間には接着剤層２０８が形成されている。また、第２の基板２０５および旋光子２０９の間には接着剤層２０８が形成されている。また、旋光子２０９および第１の基板２０４の間には接着剤層２０８が形成されている。なお、これらの接着剤層２０８は、それぞれ、接着する各部材毎に異なる接着剤を用いてもよい。また、実施の形態１と同様に、出射面２０３には、反射防止膜２１１が形成され、空気との界面での反射による損失を低減させる。
【００７８】
なお、旋光子２０９は、実施の形態１で説明した旋光子１０９と同様の構成とすることが望ましい。入射光が旋光子２０９の面の法線に対して、斜めに入射する場合に高特性を示すことが望ましい。これにより、偏光変換素子２０１の変換効率は十分高い。
【００７９】
光源から発せられた入射光２１０は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光であり、偏光変換素子２０１の入射面２０２に対して直角方向に入射される。入射光２１０は、第１の基板２０４を透過して、偏光分離膜２０６によってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。実施の形態２では、偏光分離膜２０６は、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を有する。
【００８０】
Ｐ偏光は、偏光分離膜２０６を透過して、直進し、接着剤層２０８を透過して、旋光子２０９に入射し、Ｓ偏光に変換され、接着剤層２０８、第２の基板２０５、反射防止膜２１１を透過して、出射面２０３より出射される。
【００８１】
偏光分離膜２０６によって分離されたＳ偏光は、偏光分離膜２０６において直角に反射されて、第１の基板２０４中を入射面２０２および出射面２０３に対して略平行に進んで、第１の基板２０４に形成された反対側の偏光分離膜２０６においてさらに直角に反射され、第１の基板２０４および反射防止膜２１１を透過して、出射面２０３から出射される。
【００８２】
したがって、出射面２０３から出射されるのは、Ｓ偏光のみとなる。つまり、偏光変換素子２０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光をＳ偏光に偏光することができる。
【００８３】
また、偏光分離膜２０６によって分離されたＳ偏光が、出射面２０３から出射されるまでに、接着剤層２０８を透過することがないので、光の強度は低下しない。
【００８４】
次に、偏光変換素子２０１の製造方法を図７および図８を用いて説明する。まず、透明な平行基板である第１の基板２０４の両方の表面に誘電体多層膜からなる偏光分離膜２０６を、蒸着法やスパッタ法を用いて形成する。第１の基板２０４の両面に成膜する必要があるが、偏光分離膜２０６は同一種類であるので、手間がかからない。また、第２の基板２０５には、成膜する必要がないので、その分成膜工程に、時間およびコストがかからない。
【００８５】
次に、図７に示すように、第１の基板２０４と第２の基板２０５を交互に複数個配列し、それらの間の１列おきに旋光子２０９を配置し、接着剤を用いてそれぞれを接着する。なお、図７および図８においては、見やすさを考慮して、接着剤層２０８の図示を省略している。
【００８６】
具体的には、第１の基板２０４の上に接着剤を塗布して旋光子２０９を載せ置き、旋光子２０９の上に接着剤を塗布して第２の基板２０５を載せ置き、第２の基板２０５上に接着剤を塗布して第１の基板２０４を載せ置くという工程を繰り返して所定の枚数の各部材を配列してから接着剤を硬化して接着を行う。この方法によれば全ての部材を一度に接着硬化することができるので手間がかからず、合理的である。また、実施の形態１と同様に、旋光子２０９の接着作業が容易になり、工数短縮、不良品の減少、コストダウンを実現できる。
【００８７】
なお、実施の形態１で説明したように、上記接着によって接着された部材の両面には、偏光分離膜２０６が形成されていない基板２０４が接着されていてもよい。
【００８８】
次に、図８に示すように、上記の接着された部材２１２を、第１の基板２０４および第２の基板２０５の表面に対して斜めの方向に切断線２１３に沿って切断する。図８において、切断線２１３は一点鎖線で示している。切断後に、研磨等を行うので、その分を考慮して、偏光変換素子２０１完成後の厚みよりも余分の厚さになるように、適宜切断間隔を決定する。切断には、例えば、外周刃を利用するスライサーを用いる。図７、図８に示しているように、切断方向とほぼ同一方向に各部材をずらして配列することで、端材を最小に抑えることができる。
【００８９】
次に、切り出した板材は切断面が粗いので上下両面を研磨して透明な表面に仕上げ、入射面２０２および出射面２０３を形成し、出射面２０３に反射防止膜２１１を蒸着法により形成する。以上の工程で偏光変換素子２０１が製造される。
【００９０】
（実施の形態３）
本発明の実施の形態３に係る偏光変換素子３０１およびその製造方法について図を用いて説明する。図９は実施の形態３の偏光変換素子３０１の断面図である。
【００９１】
実施の形態３の偏光変換素子３０１は、光の入射面３０２および出射面３０３に対して略４５度の斜め方向に層を形成するように、一方の面に偏光分離膜３０６が形成され、他方の面に反射膜３０７が形成された透明な第１の基板３０４、透明な第２の基板３０５、旋光子３０９が右方向に順に配置され、さらにそれらの層が繰り返して配置されて構成されている。ただし、第１の基板３０４の偏光分離膜３０６は旋光子３０９と隣接し、反射膜３０７は第２の基板３０５と隣接している。
【００９２】
これらの各部材は、接着剤層３０８を介して接着されている。つまり、第１の基板３０４および第２の基板３０５の間には、接着剤層３０８が形成されている。また、第２の基板３０５および旋光子３０９の間には、接着剤層３０８が形成されている。旋光子３０９および第１の基板３０４の間には、接着剤層３０８が形成されている。なお、これらの接着剤層３０８は、それぞれ、接着する各部材毎に異なる接着剤を用いてもよい。また、実施の形態１と同様に、出射面３０３には、反射防止膜３１１が形成され、空気との界面での反射による損失を低減させる。
【００９３】
なお、旋光子３０９は、実施の形態１で説明した旋光子１０９と同様の構成とすることが望ましい。入射光が旋光子３０９の面の法線に対して、斜めに入射する場合に高特性を示すことが望ましい。これにより、偏光変換素子３０１の変換効率は十分高い。
【００９４】
光源から発せられた入射光３１０は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光であり、偏光変換素子３０１の入射面３０２に対して直角方向に入射される。入射光３１０は、第１の基板３０４を透過して、偏光分離膜３０６によってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。実施の形態３では、偏光分離膜３０６は、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を有する。
【００９５】
Ｐ偏光は、偏光分離膜３０６を透過して、直進し、接着剤層３０８を透過して、旋光子３０９に入射し、Ｓ偏光に変換され、接着剤層３０８、第２の基板３０５、反射防止膜３１１を透過して、出射面３０３より出射される。
【００９６】
偏光分離膜３０６によって分離されたＳ偏光は、偏光分離膜３０６において直角に反射されて、第１の基板３０４中を入射面３０２および出射面３０３に対して略平行に進んで、第１の基板３０４に形成された反射膜３０７においてさらに直角に反射され、第１の基板３０４および反射防止膜３１１を透過して、出射面３０３から出射される。
【００９７】
反射膜３０７は、偏光分離膜３０６にくらべて効率よく、全ての光を反射することができる。反射膜３０７としては、例えば、金属膜、金属膜に誘電体膜を付加した増反射膜、誘電体多層膜を用いる。
【００９８】
以上より、出射面３０３から出射されるのは、Ｓ偏光のみとなる。つまり、偏光変換素子３０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光をＳ偏光に偏光することができる。
【００９９】
また、偏光分離膜３０６によって分離されたＳ偏光が、出射面３０３から出射されるまでに、接着剤層３０８を透過することがないので、光の強度は低下しない。
【０１００】
次に、偏光変換素子３０１の製造方法を図１０および図１１を用いて説明する。まず、透明な平行基板である第１の基板３０４に偏光分離膜３０６および反射膜３０７を、蒸着法やスパッタ法を用いて形成する。第３の基板３０５には、成膜する必要がないので、その分成膜工程に、時間およびコストがかからない。
【０１０１】
次に、図１０で示すように、第１の基板３０４と第２の基板３０５を交互に複数個配列し、第１の基板３０４に形成された偏光分離膜３０６と第２の基板３０５の間に、旋光子３０９を配置し、接着剤を用いてそれぞれを接着する。なお、図１０および図１１においては、見やすさを考慮して、接着剤層３０８の図示を省略している。
【０１０２】
具体的には、第１の基板３０４の偏光分離膜３０６が形成された側に接着剤を塗布して旋光子３０９を載せ置き、旋光子３０９の上に接着剤を塗布して第２の基板３０５を載せ置き、第２の基板３０５上に接着剤を塗布して、反射膜３０７側が下になるように第１の基板３０４を載せ置くという工程を繰り返して所定の枚数の各部材を配列してから接着剤を硬化して接着を行う。この方法によれば全ての部材を一度に接着硬化することができるので手間がかからず、合理的である。また、実施の形態１と同様に、旋光子３０９の接着作業が容易になり、工数短縮、不良品の減少、コストダウンを実現できる。
【０１０３】
なお、実施の形態１で説明したように、上記接着によって接着された部材の両面には、偏光分離膜３０６が形成されていない基板３０４が接着されていてもよい。
【０１０４】
次に、図１１に示すように、上記の接着された部材３１２を、第１の基板３０４および第２の基板３０５の表面に対して斜めの方向に切断線３１３に沿って切断する。図１１において、切断線３１３は一点鎖線で示している。切断後に、研磨等を行うので、その分を考慮して、偏光変換素子３０１完成後の厚みよりも余分の厚さになるように、適宜切断間隔を決定する。切断には、例えば、外周刃を利用するスライサーを用いる。図１０、図１１に示しているように、切断方向とほぼ同一方向に各部材をずらして配列することで、端材を最小に抑えることができる。
【０１０５】
次に、切り出した板材は切断面が粗いので上下両面を研磨して透明な表面に仕上げ、入射面３０２および出射面３０３を形成し、出射面３０３に反射防止膜３１１を蒸着法により形成する。以上の工程で偏光変換素子３０１が製造される。
【０１０６】
（実施の形態４）
本発明の実施の形態４に係る偏光変換素子４０１およびその製造方法について図を用いて説明する。図１２は実施の形態４の偏光変換素子４０１の断面図である。
【０１０７】
実施の形態４の偏光変換素子４０１は、光の入射面４０２および出射面４０３に対して略４５度の斜め方向に層を形成するように、一方の面に偏光分離膜４０６が形成された透明な第１の基板４０４、一方の面に反射膜４０７が形成された透明な第２の基板４０５、旋光子４０９が右方向に順に配置され、さらにそれらの層が繰り返して配置されて構成されている。ただし、第１の基板４０４の偏光分離膜４０６は旋光子４０９と隣接し、第２の基板４０５の反射膜４０７は第１の基板４０４の何も形成されていない側と隣接し、旋光子４０９は、第２の基板４０５の何も形成されていない側と隣接している。
【０１０８】
これらの各部材は、接着剤層４０８を介して接着されている。つまり、第１の基板４０４および第２の基板４０５の間には、接着剤層４０８が形成されている。また、第２の基板４０５および旋光子４０９の間には、接着剤層４０８が形成されている。また、旋光子４０９および第１の基板４０４の間には、接着剤層４０８が形成されている。なお、これらの接着剤層４０８は、それぞれ、接着する各部材毎に異なる接着剤を用いてもよい。また、実施の形態１と同様に、出射面４０３には、反射防止膜４１１が形成され、空気との界面での反射による損失を低減させる。
【０１０９】
なお、旋光子４０９は、実施の形態１で説明した旋光子１０９と同様の構成とすることが望ましい。入射光が旋光子４０９の面の法線に対して、斜めに入射する場合に高特性を示すことが望ましい。これにより、偏光変換素子４０１の変換効率は十分高い。
【０１１０】
光源から発せられた入射光４１０は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光であり、偏光変換素子４０１の入射面４０２に対して直角方向に入射される。入射光４１０は、第１の基板４０４を透過して、偏光分離膜４０６によってＰ偏光とＳ偏光とに分離される。実施の形態４では、偏光分離膜４０６は、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する特性を有する。
【０１１１】
Ｐ偏光は、偏光分離膜４０６を透過して、直進し、接着剤層４０８を透過して、旋光子４０９に入射し、Ｓ偏光に変換され、接着剤層４０８、第２の基板４０５、反射防止膜４１１を透過して、出射面４０３より出射される。
【０１１２】
偏光分離膜４０６によって分離されたＳ偏光は、偏光分離膜４０６において直角に反射されて、第１の基板４０４および接着剤層４０８中を入射面４０２および出射面４０３に対して略平行に進んで、第２の基板４０５に形成された反射膜４０７においてさらに直角に反射され、接着剤層４０８、第１の基板４０４および反射防止膜４１１を透過して、出射面４０３から出射される。
【０１１３】
反射膜４０７は、偏光分離膜にくらべて効率よく、全ての光を反射することができる。反射膜４０７としては、例えば、金属膜、金属膜に誘電体膜を付加した増反射膜、誘電体多層膜を用いる。
【０１１４】
以上より、出射面４０３から出射されるのは、Ｓ偏光のみとなる。つまり、偏光変換素子４０１は、Ｐ偏光およびＳ偏光を含むランダム偏光をＳ偏光に偏光することができる。
【０１１５】
次に、偏光変換素子４０１の製造方法を図１３および図１５を用いて説明する。まず、透明な平行基板である第１の基板４０４に偏光分離膜４０６を形成し、透明な平行基板である第２の基板４０５に反射膜４０７を形成する。偏光分離膜４０６および反射膜４０７は、蒸着法やスパッタ法を用いて形成する。
【０１１６】
次に、図１３で示すように、第１の基板４０４と第２の基板４０５を交互に複数個配列し、第１の基板４０４に形成された偏光分離膜４０６と第２の基板４０５の反射膜４０７が形成されていない側との間に、旋光子４０９を配置し、接着剤層４０８を用いてそれぞれを接着する。なお、図１３および図１４においては、見やすさを考慮して、接着剤層４０８の図示を省略している。
【０１１７】
具体的には、第１の基板４０４の偏光分離膜４０６が形成された側に接着剤を塗布して旋光子４０９を載せ置き、旋光子４０９の上に接着剤を塗布して、反射膜４０７が上側になるように第２の基板４０５を載せ置き接着硬化させる。同様にして製造した、第１の基板４０４、旋光子４０９、第２の基板４０５からなる部材をさらに積み重ねて、それぞれを接着剤層４０８で接着する。また、実施の形態１と同様に、旋光子４０９の接着作業が容易になり、工数短縮、不良品の減少、コストダウンを実現できる。
【０１１８】
なお、実施の形態１で説明したように、上記接着によって接着された部材の両面には、偏光分離膜４０６が形成されていない基板４０４が接着されていてもよい。
【０１１９】
次に、図１４に示すように、上記の接着された部材４１２を、第１の基板４０４および第２の基板４０５の表面に対して斜めの方向に切断線４１３に沿って切断する。図１４において、切断線は一点鎖線で示している。切断後に、研磨等を行うので、その分を考慮して、偏光変換素子４０１完成後の厚みよりも余分の厚さになるように、適宜切断間隔を決定する。切断には、例えば、ワイヤーソーを用いる。図１３、図１４に示しているように、切断方向とほぼ同一方向に各部材をずらして配列することで、端材を最小に抑えることができる。
【０１２０】
次に、切り出した板材は切断面が粗いので上下両面を研磨して透明な表面に仕上げ、入射面４０２および出射面４０３を形成し、出射面４０３に反射防止膜４１１を蒸着法により形成する。以上の工程で偏光変換素子４０１が製造される。
【０１２１】
本実施の形態によれば、偏光分離膜および旋光子を、隣接するように接合しているので、旋光子は作用すべき偏光成分が透過する理想的な位置に自動的に配置される。その結果、微細な旋光子を多数精密に整列して張り合わせる工程が不要となり、効率よく製造可能となる。また従来の偏光変換素子のように、位置合わせ誤差によって、変換すべき偏光成分を変換しない、または、変換してはならない偏光成分を変換してしまうなどがないので、損失を発生することが原理的に無い。
【０１２２】
また、入射面、出射面ともに平坦に出来るので、レンズアレイ、フィールドレンズなどのほかの部材との張り合わせて界面反射を防止して効率を高めることが容易になる。
【０１２３】
【発明の効果】
本発明によれば、容易に製造でき、工数の増加、不良品の発生およびコストアップを防ぎ、旋光子の張り合わせ位置の誤差によって変換損失が発生することの無い、偏光変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【０１２４】
また、本発明によれば、入射面および出射面に容易にレンズを貼り付けることができる偏光変換素子およびその製造方法を提供することを目的とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１に係る偏光変換素子の構成を示す断面図
【図２】実施の形態１に係る偏光変換素子の製造工程における接着時の配列を示す図
【図３】実施の形態１に係る偏光変換素子の製造工程における切断位置を示す図
【図４】従来の２層旋光子を用いた従来の偏光変換素子と従来の２層旋光子を用いた実施の形態１の偏光変換素子との、入射光の波長に対する変換効率を示す図
【図５】実施の形態１の偏光変換素子における、入射光の波長と変換効率を示す図
【図６】実施の形態２に係る偏光変換素子の構成を示す断面図
【図７】実施の形態２に係る偏光変換素子の製造工程における接着時の配列を示す図
【図８】実施の形態２に係る偏光変換素子の製造工程における切断位置を示す図
【図９】実施の形態３に係る偏光変換素子の構成を示す断面図
【図１０】実施の形態３に係る偏光変換素子の製造工程における接着時の配列を示す図
【図１１】実施の形態３に係る偏光変換素子の製造工程における切断位置を示す図
【図１２】実施の形態４に係る偏光変換素子の構成を示す断面図
【図１３】実施の形態４に係る偏光変換素子の製造工程における接着時の配列を示す図
【図１４】実施の形態４に係る偏光変換素子の製造工程における切断位置を示す図
【図１５】従来の偏光変換素子の構成を示す断面図
【図１６】従来の偏光変換素子の構成を示す斜視図
【図１７】透過光の波長と、その波長に対する相対複屈折値との関係図
【図１８】従来の偏光変換素子の、入射光の波長に対する変換効率を示す図
【図１９】単層旋光子と２層旋光子とを用いた従来の偏光変換素子の、入射光の波長に対する変換効率を示す図
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１、４０１、６０１ 偏光変換素子
１０２、２０２、３０２、４０２、６０２ 入射面
１０３、２０３、３０３、４０３、６０３ 出射面
１０４ 基板
２０４、３０４、４０４、６０４ 第１の基板
２０５、３０５、４０５、６０５ 第２の基板
１０６、２０６、３０６、４０６、６０６ 偏光分離膜
３０７、４０７、５０７、６０７ 反射膜
１０８、２０８、３０８、４０８、６０８ 接着剤層
１０９、２０９、３０９、４０９、６０９ 旋光子
１１０、２１０、３１０、４１０、６１０ 入射光
１１１、２１１、３１１、４１１ 反射防止膜
１１２、２１２、３１２、４１２ 接着された部材
１１３、２１３、３１３、４１３ 切断線
Claims (15)
- 光が入射される入射面と、前記入射面に平行な出射面とを有する板状の偏光変換素子であって、
入射光をＳ偏光およびＰ偏光に分離して、前記Ｓ偏光および前記Ｐ偏光の内どちらか一方を透過し、他方を反射する偏光分離膜と、
光の偏光面を回転させる旋光子とを備え、
前記偏光分離膜および前記旋光子は、前記入射面および前記出射面の間に位置し、前記入射面および前記出射面に対して所定の角度だけ傾き、前記入射面と平行な方向に周期的に配置されたことを特徴とする偏光変換素子。 - 片面に前記偏光分離膜が形成された基板が、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に積層され、
前記旋光子は、前記基板同士の間に一列おきに配置された請求項１に記載の偏光変換素子。 - 両面に前記偏光分離膜が形成された第１の基板と、第２の基板とを備え、
前記第１の基板と前記第２の基板が、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に交互に積層され、
前記旋光子は、前記第１の基板と前記第２の基板との間に一列おきに配置された請求項１に記載の偏光変換素子。 - 片面に前記偏光分離膜が形成され、他面に反射膜が形成された第１の基板と、第２の基板とを備え、
前記第１の基板と前記第２の基板が、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に交互に積層され、
前記旋光子は、前記第１の基板の前記偏光分離膜が形成されている側と前記第２の基板との間に配置された請求項１に記載の偏光変換素子。 - 片面に前記偏光分離膜が形成された第１の基板と、
片面に反射膜が形成された第２の基板とを備え、
前記偏光分離膜と前記反射膜とが対向しないように、前記第１の基板と前記第２の基板が、前記入射面および前記出射面に対して前記旋光子と同様の傾き角を有し、前記入射面と平行な方向に交互に積層され、
前記旋光子は、前記第１の基板の前記偏光分離膜が形成されている側と前記第２の基板との間に配置された請求項１に記載の偏光変換素子。 - 前記入射面または前記出射面のどちらか一方または両方に反射防止膜が形成された請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の偏光変換素子。
- 前記旋光子は、基準波長をλ０とした場合の基準波長複屈折値がそれぞれＲ１およびＲ２の２枚の複屈折フィルムを、それぞれの異方軸角度がθ１およびθ２となるように積層されて構成されている、請求項１ないし請求項６のいずれかに記載の偏光変換素子。
ただし、λ０、Ｒ１、Ｒ２、θ１およびθ２は、それぞれ、以下の式を満たす数値である。
４５０ｎｍ＜λ０＜５５０ｎｍ
Ｒ１≒１．２３×λ０／２
Ｒ２≒０．７６×λ０／２
θ１≒７３°
θ２≒３１° - 基板と旋光子とを所定の配列周期で積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、
前記積層工程後に、前記積層体を前記基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に切断して、板状体を切り出す切断工程とを備える偏光変換素子の製造方法。 - 基板の片面に偏光分離膜を形成する成膜工程と、
前記偏光分離膜が形成された前記基板を、前記基板同士の間に一列おきに旋光子が配置されるように積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、
前記積層工程後に、前記積層体を前記基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に切断して、板状体を切り出す切断工程と、
切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備える偏光変換素子の製造方法。 - 前記積層工程において、前記基板および前記旋光子を前記切断方向にずらして積層した請求項８または請求項９に記載の偏光変換素子の製造方法。
- 第１の基板の両面に偏光分離膜を形成する成膜工程と、
前記成膜工程後に、前記第１の基板と前記第２の基板の間に一列おきに旋光子が配置されるように前記第１の基板と第２の基板とを交互に積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、
前記積層工程後に、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に前記積層体を切断して、板状体を切り出す切断工程と、
切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備える偏光変換素子の製造方法。 - 第１の基板の片面に偏光分離膜を形成し、他方の面に反射膜を形成する成膜工程と、
前記成膜工程後に、前記第１の基板の前記偏光分離膜側と前記第２の基板との間に旋光子が配置されるように、前記第１の基板と前記第２の基板とを交互に積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、
前記積層工程後に、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に前記積層体を切断して、板状体を切り出す切断工程と、
切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備える偏光変換素子の製造方法。 - 第１の基板の片面に偏光分離膜を形成し、第２の基板の片面に反射膜を形成する成膜工程と、
前記成膜工程後に、前記第１の基板の前記偏光分離膜側と前記第２の基板との間に旋光子が配置され、前記偏光分離膜と前記反射膜とが対向しないように、前記第１の基板と前記第２の基板とを交互に積層して接着し、積層体を形成する積層工程と、
前記積層工程後に、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子に対して所定の角度を有する方向に前記積層体を切断して、板状体を切り出す切断工程と、
切り出した前記板状体の表面を研磨する研磨工程とを備える偏光変換素子の製造方法。 - 前記積層工程において、前記第１の基板、前記第２の基板および前記旋光子を前記切断方向にずらして積層する請求項１１ないし請求項１３のいずれかに記載の偏光変換素子の製造方法。
- 前記研磨工程後に、前記板状体の両面またはどちらか一方の面に反射防止膜を形成する工程を備えた請求項９ないし請求項１４のいずれかに記載の偏光変換素子の製造方法。
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