JP2006133403A - 偏光分離素子 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】微細構造を持つ1次元格子より成る格子層を複数、積層して成る偏光分離層を、平行平板の面上に密着させた部材を、光入射面と光射出面及び該平行平板と密着する面とを有する第1光学部材と第1光学部材の光入射面からの光束のうち、該偏光分離層を通過した光束を出射させる光出射面を有する第2光学部材とで挟持し、第1光学部材の光入射面からの入射光束の偏光方向に応じて、光束を反射又は透過させる偏光分離素子であって、該複数の格子層は、P偏光に対する有効屈折率nHのH層と、有効屈折率nLのL層を交互に積層した積層構造より成り、該平行平板の材料の屈折率をnP、該光入射面と偏光分離層とのなす角をθBとするとき、
なる条件を満足すること。
【選択図】なし
Description
それぞれの層をH層、L層としているのは、反射させるS偏光に対してのそれぞれの有効屈折率の高低を表している。格子方向Vの一次元格子102の層の厚さは66nmであり、S偏光の反射を完全に達成するのに十分な厚さとなっている。一般的に高屈折率の媒質から低屈折率の媒質に入射するときに入射角度が臨界角θC以上では、一切透過せずに全反射することが知られている。
この膜厚が薄くなると、臨界角QC以上の入射角度領域ではATRによる透過が大きくなり、十分な反射が得られない。
また、使用角度の範囲に臨界角以下の通常反射を含むが、そこでの干渉においては実施例での厚みに設定することで、最適な結果が得られた。
一般的に使用波長以下の格子より成る微細構造SWS(sub-wavelength structure)の一次元格子に関しての有効屈折率は下記の(3)、(4)式で近似される。図11のような一次元格子ROにおいて、格子ROaと平行な方向の偏光をTE偏光、格子ROaと直交する方向の偏光をTM偏光とするとき、格子ROa側の媒質の屈折率をn1、格子ROaと逆側の媒質の屈折率をn2、、繰り替えす一次元格子ROの媒質の幅をa、b、とするとき、それぞれの偏光TE,TMの有効屈折率nTE,nTMは式(3)(4)で表されることが知られている。
(3)、(4)の式において、一次元格子を構成する2つの媒質のうち一方の媒質をTiO2、他方を空気airとして、フィリングファクタf(ピッチに対するTiO2の割合)fを変化させたときのそれぞれの偏光に対する有効屈折率n(TE),n(TM)は図12の様になる。
一般的に屈折率n1、n2を持つ2つの媒質の間のブリュースター角θBは式(5)で与えられる。この角度QBで入射したp偏光の光線は全て透過する。
さらに、偏光分離素子として構成するためには、この屈折率と角度の関係(5)式がプリズム媒質(ここでは平行平板の媒質)および、H層、L層の界面で同時に成り立つ必要がある。そのため、平行平板31の材料の屈折率npと、薄膜を形成する2つの誘電体媒質(H層とL層)の屈折率nHとnLとの間には、下記の関係式が成り立つ必要がある。
一方のS偏光に関して、表2に示すとおり第1の一次元格子101ではTM方向の有効屈折率は1.24となり、第2の一次元格子102ではTE方向の有効屈折率nSは2.05となる。
全反射が起こるためには、臨界角θC以上で入射する必要があるが、臨界角θCは次式(7)であたえられる。
sinθC=n2/n1・・・(7)
式(7)に表2の有効屈折率nSよりn1=2.05、n2=1.24を代入すると、臨界角θC=約37°となる。これより高入射角側では全反射のATRによる反射が起こっている。低入射角側でも、臨界角を越えており高い反射率をが得られている。
0.005mm<L<0.1mm程度が良い。
図13(A),(B),(C)がこの設計値の厳密結合波解析計算(Rigorous coupled-wave analysis : RCWA)による性能のシミュレーション結果である。P偏光では、高入射角で、透過率が落ちているが、実使用時の角度特性のウエートを考慮するとほとんど問題ないレベルである。
S偏光に関しては低入射角の短波長側で性能が劣化している以外は35〜55°と言うかなり広い入射角範囲で透過する光線がほとんど無く、完全な反射率を達成している。
図9は,実施例4の偏光分離素子の要部断面図である。実施例1と同様の偏光分離層(23)の両側を、平行平板(31a、31b)で挟んだのもを更に、1対のプリズム(22,24)に挟み込んでいる。偏光分離層23の両側の平行平板31a、31bの間にスペーサー32を配置している。
プリズム媒質nc=1.603
DC=0.5mm
L=0.010mm
以上のように各実施例によれば、偏光分離層をプリズムに挟んだ構造とすることにより、製造上簡易であり、又光学性能上も非点隔差の発生を抑えながら、偏光分離性能も、波長特性、入射角度特性ともに広い範囲で実現することができる。
2:リフレクター
3:インテグレーター
3a,3b:フライアイレンズ
4:偏光変換素子
5:コンデンサーレンズ
6:ミラー
7:フィールドレンズ
8:ダイクロイックミラー
9a、9b、9c:偏光分離プリズム
9a1、9b1、9c1:偏光分離層
10a、10b:色選択性位相差板
11r、11g、11b:反射型液晶表示素子
12r、12g、12b:1/4位相差板
14:投射レンズ系
18:P偏光入射光
19:P偏光透過光
20:S偏光入射光
21:S偏光反射光
22:入射側プリズム
23:偏光分離層
24:射出側プリズム
25:入射面
26:S偏光反射光の射出面
27:P偏光透過光の射出面
28:入射平面
29:格子断面観察方向Aを示す矢印
30:格子断面観察方向Bを示す矢印
31:平行平板
32:スペーサー
101〜103:実施例1の入射側から1番目〜3番目の各層
Claims (6)
- 微細構造を持つ1次元格子より成る格子層を複数、積層して成る偏光分離層を、平行平板の面上に密着させた部材を、光入射面と光射出面及び該平行平板と密着する面とを有する第1光学部材と第1光学部材の光入射面からの光束のうち、該偏光分離層を通過した光束を出射させる光出射面を有する第2光学部材とで挟持し、第1光学部材の光入射面からの入射光束の偏光方向に応じて、光束を反射又は透過させる偏光分離素子であって、該複数の格子層は、P偏光に対する有効屈折率nHのH層と、有効屈折率nLのL層を交互に積層した積層構造より成り、該平行平板の材料の屈折率をnP、該光入射面と偏光分離層とのなす角をθBとするとき、
- 前記第1光学部材の材料の屈折率をnC、前記平行平板の厚さをDC、該第1光学部材の光入射面側からの光束が該平行平板に入射角45°で入射したときの、該平行平板による入射光と出射光の光束の進行方向のずれ量をLとするとき、
- 前記第1、第2光学部材間には、それらの対向する面の間隔を制限するスペーサーが設けられていることを特徴とする請求項1又は2の偏光分離素子。
- 前記偏光分離層は、前記スペーサーと封止材により前記第1、第2光学部材間に封止されていることを特徴とする請求項3の偏光分離素子。
- 前記第1、第2光学部材のうち、少なくとも一方の光学部材の光弾性定数の絶対値は0.1×10−8cm2/Nより小さいことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項の偏光分離素子。
- 請求項1から5のいずれか1項の偏光分離素子を含む光学系を用いて、光源部からの光束を画像信号に基づいて変調する変調手段に導光し、該変調手段により変調された光束を投写光学系によって所定面上に投写することを特徴とする画像表示装置。
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