JP2007279199A - 偏光変換素子、及び偏光変換素子の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】透光性板材間を接着する接着剤の膜厚のバラツキによる光量の低下を防止するこ
とができる偏光変換素子を提供することを目的とする。
【解決手段】第１の膜形成面２ｃ上に形成された偏光分離膜４と、第２の膜形成面２ｄ上
に形成され、偏光分離膜４の応力によって発生する凹状、或いは凸状の反りを矯正する反
り矯正膜１１とを備えた第１の透光性板材２と、第１の透光性板材２と交互に貼り合わさ
れ、第３の膜形成面３ｃ上に形成された反射膜６と、第４の膜形成面３ｄ上に形成され、
反射膜６の応力によって膜形成面側において発生する凹状、或いは凸状の反りを矯正する
反り矯正膜１２とを備えた第２の透光性板材３と、偏光分離膜４を透過した偏光光の光路
上又は反射膜６により反射された偏光光の光路上のいずれか一方に配置された偏光光を変
換する偏光変換部材５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から出射される光を１種類の直線偏光光に変換する偏光変換素子と、そ
の製造方法に関するものである。

従来から液晶プロジェクタ等の投射型表示装置に用いられる液晶ライトバルブを照明す
る照明装置としては、２枚のレンズ板を用いた所謂フライアイインテグレータを使用した
ものがある。そして、このような照明装置における照明効率をさらに向上させたものとし
て２枚のレンズ板のうち、出射側に配置したレンズ板の出射面側に偏光ビームスプリッタ
アレイと１／２波長板とにより構成したＰＳ変換素子アレイを配置して、光源光の利用効
率を高めるようにした偏光照明装置並びにその偏光照明装置を使用した投射型表示装置が
提案されている（特許文献１）。

図６は、従来のＰＳ変換素子アレイの構造を示した図であり、この図６に示す従来のＰ
Ｓ変換素子アレイ５０は断面が平行四辺形のプリズム５１と５２との側面同士を、複数個
光学接着剤にて接合して構成したものである。プリズム５２の一方の側面には偏光分離膜
５４が形成され、プリズム５１の一方の側面には反射膜５５が形成されている。このよう
にプリズム５１と５２とを交互にその側面同士を接合することにより、偏光分離膜５４と
反射膜５５とが交互に配置される。さらに、直線偏光光を一種類にするため、プリズム５
１の側面である直線偏光光の出射面５１ａに、１／２波長板５３を備えている。このよう
なＰＳ変換素子アレイ５０では、Ｐ偏光光ＬｐとＳ偏光光Ｌｓから成る入射光Ｌｏが偏光
分離膜５４に入射すると、Ｓ偏光光Ｌｓは偏光分離膜５４、反射膜５５にて順次反射する
ことにより出射面側から出射する一方、Ｌ偏光光Ｌｐは１／２波長板５３を透過する際に
Ｓ偏光光Ｌｓに変換されて出射される。この結果、偏光変換素子に入射したランダムな偏
光方向を有する光束は全てＳ偏光光Ｌｓとなって出射される。

ここで、上記したＰＳ変換素子アレイの製造方法を簡単に説明すると、先ず、ガラス板
材における一方の主面に偏光分離膜を形成し、他方の主面に反射膜を形成した第１の透光
性板材と、両主面に何も形成されていないガラス板材からなる第２の透光性板材を用意す
る。
次に、第１の透光性板材と第２の透光性板材とを交互に積層することになるが、このと
きに積層する第１及び第２の透光性板材間の形成角度が略４５度の傾斜角度となるように
面方向の位置を順次ずらして接着剤を介して階段状に積層して積層体を形成する。この後
、積層体を略４５度の傾斜角度に沿った所定ピッチの複数の平行な切断面により複数の積
層分割体に切断し、切断した積層分割体の両端の突出部が平坦になるよう切断した後、そ
の積層分割体の出射面側の一部に１／２波長板を貼付するようにしていた。このようなＰ
Ｓ変換素子アレイの製造方法は特許文献２等に開示されている。
特開平８−３０４７３９号公報 特許第３４８６５１６号公報

ところで、液晶プロジェクタ等の照明装置に使用するＰＳ変換素子アレイ５０は、比較
的光源の近傍に配置されることから高温になるため、通常、１／２波長板５３を熱に強い
水晶基板を用いるようにしていた。しかしながら、Ｚカットの水晶基板を用いてシングル
モードの１／２波長板を構成した場合、屈折率の変動が急峻な切断角を使用しているため
入射光線の入射角変化に対する位相変化が大きくなることが知られている。このため、Ｐ
Ｓ変換素子アレイ５０を構成する１／２波長板５３に入射する入射光は、１／２波長板５
３の板面に対して直交する方向から入射光を入射する必要がある。
しかしながら、従来のＰＳ変換素子アレイ５０においては、１／２波長板５３に入射さ
れる入射光の入射角変化が大きくなり、１／２波長板５３の入射角依存性に影響を与える
という欠点があった。

以下、従来のＰＳ変換素子アレイ５０において１／２波長板５３に入射される入射光の
入射角変化が大きくなる要因について説明する。
図７はガラス基板に薄膜を形成した時にガラス基板に作用する膜応力を説明するための
図である。
この図７（ａ）に示すようなガラス基板６１の一方の主表面６１ａに、例えば偏光分離
膜等の光学膜（薄膜）６２を成膜した場合、ガラス基板６１と光学膜６２との熱膨張係数
の違い等の影響により、ガラス基板６１の主表面６１ａ側に応力が発生する。このとき、
ガラス基板６１の主表面６１ａ側に発生する応力が引張応力である場合は、図７（ｂ）に
示すようにガラス基板６１の主表面６１ａ側に凹状の反りが発生する。一方、ガラス基板
６１の主表面６１ａ側に発生する応力が圧縮応力である場合は、図７（ｃ）に示すように
ガラス基板６１の主表面６１ｂ側に凸状の反りが発生する。
このため、図６に示したように一方の主面に偏光分離膜５４を形成し、他方の主面に反
射膜５５を形成したプリズム５２では、ベースとなるガラス板と偏光分離膜５４、或いは
ガラス板と反射膜５５との熱膨張率差に起因して発生する偏光分離膜５４の応力、或いは
反射膜５５の応力によってガラス板に反りが発生する。

図８は、偏光分離膜５４側に反りが発生したプリズム５２と、反りの無いプリズム５１
とを交互に階段状に積層して接着剤５６によって接合した状態を示した図である。
一方のプリズム５２に反りが発生すると、プリズム５１とプリズム５２とを接着した時
に、接着剤５６の厚みが一定にならず接合面に沿った接着剤５６に厚みむらが発生する。
このように接着剤５６の厚みがプリズム５２間の接合面全体に渡って均一でない場合には
、厚みの異なる箇所を光が通過する際に屈折を起こし、厚みが均一な箇所を通過してきた
正規の出射光との間に角度が形成されることになる。この結果、従来のＰＳ変換素子アレ
イ５０においては、１／２波長板５３に入射される入射光の入射角変化が大きくなり１／
２波長板５３の入射角依存性の影響により光量の低下を招くという欠点があった。
また従来のＰＳ変換素子アレイ５０においては、夫々のＰＳ変換素子アレイから出射さ
れる出射光の傾きにバラツキが生じるため、光学ヘッド内の部品を配置する際には、光軸
調整を行うことが必要になり、光学ヘッドの組み立て作業が煩雑になるという欠点があっ
た。

本発明は、上記したような点を鑑みてなされたものであり、透光性板材間を接着する接
着剤の膜厚のバラツキによる光量の低下を防止することができる偏光変換素子とその製造
方法を提供することを目的とする。また、光学ヘッドに用いた場合において、光軸の調整
を容易に行うことができ、組み立て作業が簡単な偏光変換素子とその製造方法を提供する
ことを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係る偏光変換素子は、光入射面と該光入射面に平行
な光出射面とを有し、光入射面及び光出射面と所定の角度をなすように形成された第１及
び第２の膜形成面と、第１の膜形成面上に形成された偏光分離膜と、第２の膜形成面上に
形成され、偏光分離膜の応力によって発生する凹状、或いは凸状の反りを矯正する第１の
反り矯正膜と、を備えた第１の透光性板材と、第１の透光性板材と交互に貼り合わされ、
第１の透光性板材の各光入射面及び各光出射面と夫々同一平面に形成された光入射面及び
光出射面を夫々有し、光入射面及び光出射面と所定の角度をなすように形成された第３の
及び第４の膜形成面と、第３の膜形成面上に形成された反射膜と、第４の膜形成面上に形
成され、反射膜の応力によって膜形成面側において発生する凹状、或いは凸状の反りを矯
正する第２の反り矯正膜と、を備えた第２の透光性板材と、偏光分離膜を透過した偏光光
の光路上又は反射膜により反射された偏光光の光路上のいずれか一方に配置された偏光光
を変換する偏光変換部材とを備えるようにした。

本発明においては、第１の透光性板材では第１の膜形成面上に成膜した偏光分離膜の応
力をキャンセルする第１の反り矯正膜を第２の膜形成面上に成膜すると共に、第２の透光
性板材では第３の膜形成面上に成膜した反射膜の応力をキャンセルする第２の反り矯正膜
を第４の膜形成面上に成膜したことで、第１及び第２の透光性板材の反りをなくすことが
できるので、接着剤により第１及び第２の透光性板材を交互に貼り合わせた場合でも接着
剤の膜厚の均一化を図ることができる。これにより、本発明の偏光変換素子では、第１及
び第２の透光性板材間を接着する接着剤の膜厚のバラツキによる光量の低下を防止するこ
とができる。また、出射面からは傾きのない出射光が出射されることから、光学ヘッドに
用いた場合においても光軸調整が容易で組み立て作業を簡単に行うことができる。

また本発明は、光入射面と該光入射面に平行な光出射面とを有し、光入射面及び光出射
面と所定の角度をなすように形成された第１及び第２の膜形成面と、第１の膜形成面上に
形成された偏光分離膜と、第２の膜形成面上に形成された反射膜と、第２の膜形成面上に
形成され、偏光分離膜の応力によって発生する凹状、或いは凸状の反りを矯正する反り矯
正膜と、を備えた第１の透光性板材と、接着剤により第１の透光性板材と交互に貼り合わ
され、第１の透光性板材の各光入射面及び各光出射面と夫々同一平面に形成された光入射
面及び光出射面を夫々有する複数の第２の透光性板材と、偏光分離膜を透過した偏光光の
光路上又は反射膜により反射された偏光光の光路上のいずれか一方に配置された偏光光を
変換する偏光変換部材とを備えるようにした。

本発明においては、第１の透光性板材では第１の膜形成面上に成膜した偏光分離膜の応
力と、第２の膜形成面上に成膜した反射膜の応力をキャンセルする反り矯正膜を成膜した
ことで、第１の透光性板材の反りをなくすことができるので、接着剤により第１及び第２
の透光性板材を交互に貼り合わせた場合でも接着剤の膜厚の均一化を図ることができる。
これにより、本発明の偏光変換素子では、第１及び第２の透光性板材間を接着する接着剤
の膜厚のバラツキによる光量の低下を防止することができる。また、出射面からは傾きの
ない出射光が出射されることから、光学ヘッドに用いた場合においても光軸調整が容易で
組み立て作業を簡単に行うことができる。

また本発明に係る偏光変換素子は、反り矯正膜の屈折率が、透光性板材の屈折率と略同
等である。反り矯正膜の屈折率を透光性板材の屈折率と略同等にすると、透光性板材と反
り矯正膜との屈折率の違いによる光学特性の劣化を最小限に抑えることができる。
また本発明に係る偏光変換素子は、反り矯正膜がＳｉＯ₂膜であることを特徴とする。
反り矯正膜をＳｉＯ₂膜により形成すると、透光性板材と反り矯正膜との屈折率をほぼ同
じにできるので透光性板材と反り矯正膜との屈折率の違いによる光学特性の劣化を最小限
に抑えることができる。

また本発明は、偏光変換素子の製造方法であって、平行平板である第１の透光性板材と
、平行平板である第２の透光性板材とを準備する準備工程と、第１の透光性板材における
一方の主面に偏光分離膜を形成すると共に、他方の主面に偏光分離膜の応力によって第１
の透光性板材に発生する凹状、或いは凸状の反りを矯正する反り矯正膜を形成する第１の
成膜工程と、第２の透光性板材における一方の主面に反射膜を形成すると共に、他方の主
面に反射膜の応力によって第２の透光性板材に発生する凹状、或いは凸状の反りを矯正す
る反り矯正膜を形成する第２の成膜工程と、第１の透光性板材と第２の透光性板材との端
縁を結ぶ平面と第１及び第２の透光性板材との間の形成角度が略４５度の傾斜角度となる
ように第１及び第２の透光性板材の面方向の位置を順次ずらして接着剤を介して階段状に
積層して積層体を形成する積層体形成工程と、積層体形成工程において一体化された積層
体を、略４５度の傾斜角度に沿った所定ピッチの複数の平行な切断面にて複数の積層分割
体に切断する第１の切断工程と、積層分割体の両端を切断する第２の切断工程と、両端を
切断した積層分割体の一部に偏光変換板を貼付する貼付工程とを有するようにした。

このような本発明では、一方の主面上に成膜した偏光分離膜の応力をキャンセルする第
１の反り矯正膜を他方の主面上に成膜した第１の透光性板材と、一方の主面上に成膜した
反射膜の応力をキャンセルする第２の反り矯正膜を他方の主面上に成膜した第２の透光性
板材とを用いて、上記の各工程を実施することにより、接着剤により第１及び第２の透光
性板材を交互に貼り合わせた場合でも接着剤の膜厚の均一化を図ることができる。これに
より、本発明では、第１及び第２の透光性板材間を接着する接着剤の膜厚のバラツキによ
る光量の低下を防止した偏光変換素子を製造することが可能になる。

また本発明は、偏光変換素子の製造方法であって、平行平板である第１の透光性板材と
、平行平板である第２の透光性板材とを準備する準備工程と、第１の透光性板材における
一方の主面に偏光分離膜を形成すると共に、第１の透光性板材における他方の主面に反射
膜と、偏光分離膜の応力によって第１の透光性板材に発生する凹状、或いは凸状の反りを
矯正する反り矯正膜を形成する成膜工程と、第１の透光性板材と第２の透光性板材との端
縁を結ぶ平面と第１及び第２の透光性板材との間の形成角度が略４５度の傾斜角度となる
ように第１及び第２の透光性板材の面方向の位置を順次ずらして接着剤を介して階段状に
積層して積層体を形成する積層体形成工程と、積層体形成工程において一体化された積層
体を、略４５度の傾斜角度に沿った所定ピッチの複数の平行な切断面にて複数の積層分割
体に切断する第１の切断工程と、積層分割体の両端を切断する第２の切断工程と、両端を
切断した積層分割体の一部に偏光変換板を貼付する貼付工程とを有するようにした。

このような本発明では、一方の主面上成膜した偏光分離膜の応力と、他方の主面上に成
膜した反射膜の応力をキャンセルする反り矯正膜を成膜した第１の透光性板材と、第２の
透光性板材とを用いて、上記の各工程を実施することにより、接着剤により第１及び第２
の透光性板材を交互に貼り合わせた場合でも接着剤の膜厚の均一化を図ることができる。
これにより、本発明では、第１及び第２の透光性板材間を接着する接着剤の膜厚のバラツ
キによる光量の低下を防止した偏光変換素子を製造することが可能になる。

以下、本発明の実施形態を詳細に説明する。
図１は本発明の第１の実施形態に係る偏光変換素子の構造を示した図である。
図１に示す偏光変換素子であるＰＳ変換素子アレイ１は、断面が平行四辺形の第１の透
光性板材２と、断面が平行四辺形の第２の透光性板材３との側面同士を複数個、光学接着
剤１３により交互に貼り合わるようにして構成したものである。
第１の透光性板材２は、光の入射面２ａと、入射面２ａにほぼ平行な光の出射面２ｂと
を有する。また入射面２ａ及び出射面２ｂと所定角度（例えば４５°）をなすように形成
された、ほぼ平行な第１及び第２の膜形成面２ｃ、２ｄのうち、第１の膜形成面２ｃに偏
光分離膜４が形成され、第２の膜形成面２ｄに偏光分離膜４の応力によって発生する凹状
、或いは凸状の反りを矯正する反り矯正膜（第１の反り矯正膜）１１が形成されている。

第２の透光性板材３は、第１の透光性板材２の入射面２ａ及び出射面２ｂとそれぞれ同
一平面に形成された入射面３ａ及び出射面３ｂを夫々有し、入射面３ａ及び出射面３ｂと
所定角度（例えば４５°）をなすように形成された、略平行な第３の及び第４の膜形成面
３ｃ、３ｄのうち、第３の膜形成面３ｃに反射膜６が形成され、第４の膜形成面３ｄに反
射膜６の応力によって発生する凹状、或いは凸状の反りを矯正する反り矯正膜（第２の反
り矯正膜）１２が形成されている。さらに第２の透光性板材３の出射面３ｂには直線偏光
光を一種類にするため、偏光変換部材として１／２波長板５が設けられている。
偏光分離膜４は、Ｓ偏光光とＰ偏光光のいずれか一方を選択的に透過させ、他方を選択
的に反射する性質を有する膜である。偏光分離膜４については後述する。

反射膜６は、偏光分離膜４で反射された直線偏光成分（Ｓ偏光光またはＰ偏光光）を反
射するような誘電体多層膜で構成されたものが好ましい。なお、反射膜６はアルミニウム
を蒸着することによって形成するようにしてもよい。
誘電体多層膜で反射膜６を形成した場合には、特定の直線偏光成分（たとえばＳ偏光）
を約９８％程度の反射率で反射することができる。一方、アルミニウム膜では、反射率は
高々９２％程度である。従って、誘電体多層膜で反射膜６を形成するようにすれば、ＰＳ
変換素子アレイ１から出射される光量を高めることができる。さらに、誘電体多層膜は、
アルミニウム膜よりも光の吸収が少ないので、発熱も少ないという利点もある。なお、特
定の直線偏光成分の反射率を向上させるには、反射膜６を構成する誘電体多層膜（通常は
２種類の膜が交互に積層された構造である）を構成するそれぞれの膜の厚さ、あるいは膜
の材料を最適化すれば良い。

反り矯正膜１１は、第１の膜形成面２ｃに成膜した偏光分離膜４の応力により、第１の
透光性板材２に反りが発生しないように、偏光分離膜４の応力を相殺して応力の均衡（バ
ランス）を図るようにしている。また反り矯正膜１２は、第３の膜形成面３ｃに成膜した
反射膜６の応力により、第２の透光性板材３に反りが発生しないように、反射膜６の応力
を相殺して応力の均衡を図るようにしている。
透光性板材の反りδは下記の式(１)で示す如く膜厚Ｄとの関係式で表すことができるの
で、反り矯正膜１１の膜厚で矯正量を任意に調整することができる。

σ＝Ｅｓ×Ｂ²×δ／３(１−νｓ)×Ｄ×Ｌ² ・・・（１）
σ：膜応力、Ｅｓ：基板のヤング率、Ｂ：基板の厚さ、δ：基板先端の変位量（反り量
）、νｓ：基板のポアソン比、Ｌ：基板の長さ、Ｄ：薄膜の厚さ

またこの場合の反り矯正膜１１は第１の透光性板材２、反り矯正膜１２は第２の透光性
板材３の光学特性を夫々妨げないように、第１及び第２の透光性板材２、３とほぼ同等の
屈折率を有する膜材料により構成した。例えば第１及び第２の透光性板材２、３として白
板ガラス（屈折率＝６２）を用いる場合は、屈折率が白板ガラスに近いＳｉＯ₂膜（屈折
率＝１．４６）を用いて反り矯正膜１１、１２を形成するようにした。

なお、第１及び第２の透光性板材２、３としては、白板ガラス以外にも屈折率が１．４
６のＳｉＯ₂基板や、屈折率が６１のＢＫ７（ボロシリケートクラウンガラス）等を用い
ることが可能である。
また、偏光分離膜４又は反射膜６の膜材料が圧縮応力でなく引張応力を有する場合は、
反り矯正膜１１、１２を引張応力の膜材料、例えばＡｌ₂Ｏ₃膜（屈折率＝１．６２）或い
はＭｇＦ₂膜（屈折率＝１．３８）等を用いることも可能である。
なお、本実施形態では偏光分離膜４を透過した偏光光の光路上に１／２波長板５を設け
るようにしているが、反射膜６により反射された偏光光の光路上、即ち第１の透光性板材
２の出射面２ｂに１／２波長板５を設けるようにしてもよい。
第１、第２の透光性板材２、３としては板ガラスが用いられる。なお、ガラス以外の透
光性の板状材料を用いることも可能である。

このように構成されるＰＳ変換素子アレイ１では、Ｐ偏光光ＬｐとＳ偏光光Ｌｓから成
る入射光Ｌｏが偏光分離膜４に入射すると、Ｓ偏光光Ｌｓは偏光分離膜４、反射膜６にて
順次反射することにより出射面側から出射する一方、Ｌ偏光光Ｌｐは１／２波長板５を透
過する際にＳ偏光光Ｌｓに変換されて出射される。この結果、偏光変換素子に入射したラ
ンダムな偏光方向を有する光束は全てＳ偏光光Ｌｓとなって出射される。

また、ＰＳ変換素子アレイ１においては、第１の透光性板材２に第１の膜形成面２ｃ上
に成膜した偏光分離膜４の応力をキャンセルする反り矯正膜１１を第２の膜形成面２ｄ上
に成膜すると共に、第２の透光性板材３では、第３の膜形成面３ｃ上に成膜した反射膜６
の応力をキャンセルする反り矯正膜１１を第４の膜形成面３ｄ上に成膜したことで、第１
及び第２の透光性板材２、３の反りをなくすことができるので、光学接着剤１３により第
１及び第２の透光性板材２、３を交互に貼り合わせた場合でも光学接着剤１３の膜厚の均
一化を図ることができる。これにより、ＰＳ変換素子アレイ１では、第１及び第２の透光
性板材２、３間を接着する光学接着剤１３の膜厚のバラツキによる光量の低下を防止する
ことが可能になる。
またＰＳ変換素子アレイ１の出射面２ｂ、３ｂからは、傾きのない出射光が出射される
ことから、ＰＳ変換素子アレイ１を光学ヘッドに適用した場合においても光軸調整が容易
で組み立て作業を簡単に行うことができる。

ここで、本実施形態のＰＳ変換素子アレイが適用される偏光照明装置の光学系について
説明しておく。図５は偏光照明装置の光学系の概略構成を示した図である。
図５に示す偏光照明装置１０１は、システム光軸Ｌに沿って配置した光源部１０２、第
１のレンズ板１０３、第２のレンズ板１０４から構成されている。光源部１０２から出射
された光は、第１のレンズ板１０３により第２のレンズ板１０４内に集光され、第２のレ
ンズ板１０４を通過する過程においてランダムな偏光光は偏光方向が揃った１種類の偏光
光に変換され、照明領域１０５に至るようになっている。

光源部１０２は、光源ランプ２０１と放物面リフレクター２０２とから構成されている
。光源ランプ２０１から放射されたランダムな偏光光は、放物面リフレクター２０２によ
って一方向に反射されて、略平行な光束となって第１のレンズ板１０３に入射される。こ
のとき、光源光軸Ｒはシステム光軸Ｌに対して一定の角度だけ傾斜させてある。
第１のレンズ板１０３は、矩形状の輪郭をした微小な矩形集光レンズ３０１が縦横に複
数配列した構成である。第１のレンズ板１０３に入射した光は、矩形集光レンズ３０１の
集光作用により、システム光軸Ｌと垂直な平面内に矩形集光レンズ３０１の数と同数の集
光像を形成する。なお、この複数の集光像は光源ランプの投写像に他ならないため、以下
では２次光源像と呼ぶ。

第２のレンズ板１０４は、集光レンズアレイ４１０、ＰＳ変換素子アレイ４２０、及び
出射側レンズ４４０から構成される複合積層体であり、第１のレンズ板１０３による２次
光源像が形成される位置の近傍におけるシステム光軸Ｌに対して垂直な平面内に配置され
ている。この第２のレンズ板１０４は、インデクレータ光学系の第２のレンズ板としての
機能、偏光分離素子としての機能、及び偏光変換素子としての機能を併せ持っている。
集光レンズアレイ４１０は、第１のレンズ板１０３とほぼ同様な構成となっている。即
ち、第１のレンズ板１０３を構成する矩形集光レンズ３０１と同数の集光レンズ４１１を
複数配列したものであり、第１のレンズ板１０３からの光を集光する作用がある。集光レ
ンズアレイ４１０は、インテグレータ光学系の第２のレンズ板に相当するものである。

ＰＳ変換素子アレイ４２０は、内部に偏光分離膜を備えた四角柱状のプリズム合成体か
らなる偏光ビームスプリッタ４２１と、同じく内部に反射膜を備えた四角柱状のプリズム
合成体からなる反射ミラー４２２とからなる対を基本構成単位とし、その対を平面的に複
数配列したものである。集光レンズアレイ４１０を構成する集光レンズ４１１に対して１
対の基本構成単位が対応するように規則的に配置されている。
ここで、第１のレンズ板１０３により形成される２次光源像が偏光ビームスプリッタ４
２１の部分に位置するように、ＰＳ変換素子アレイ４２０を含む第２のレンズ板１０４が
配置されている。そのために、光源部１０２はその光源光軸Ｒがシステム光軸Ｌに対して
僅かに角度をなすように配置されている。

ＰＳ変換素子アレイ４２０に入射したランダムな偏光光は偏光ビームスプリッタ４２１
により偏光方向の異なるＰ偏光光とＳ偏光光の２種類の偏光光に分離される。Ｐ偏光光は
進行方向を変えずに偏光ビームスプリッタ４２１をそのまま通過する。これに対して、Ｓ
偏光光は偏光ビームスプリッタ４２１の偏光分離膜４２３で反射して進行方向を約９０度
変え、隣接する反射ミラー４２２の反射面４２４で反射して進行方向を約９０度変え、最
終的にはＰ偏光光とほぼ平行な角度で出射する。

ＰＳ変換素子アレイ４２０を構成する偏光ビームスプリッタ４２１の出射面には、λ／
２位相差膜４３１が規則的に配置され、反射ミラー４２２の出射面部分にはλ／２位相差
膜４３１は配置されていない。このようなλ／２位相差膜４３１の配置状態により、偏光
ビームスプリッタ４２１から出射されたＰ偏光光は、λ／２位相差膜４３１を通過する際
に偏光面の回転作用を受けＳ偏光光へと変換される。一方、反射ミラー４２２から出射さ
れたＳ偏光光はλ／２位相差膜４３１を通過しないので、偏光面の回転作用は一切受けず
、Ｓ偏光光のままλ／２位相差板４３０を通過する。つまり、ＰＳ変換素子アレイ４２０
に入射されるランダムな偏光光は、１種類の偏光光（この場合はＳ偏光光）に変換されて
出射されることになる。このようにしてＳ偏光光に揃えられた光束は、出射側レンズ４４
０により照明領域１０５へと導かれ、照明領域１０５上で重畳結合されることになる。
従って、このような偏光照明装置の光学系に、本実施形態のＰＳ変換素子アレイ１を適
用すれば、ＰＳ変換素子アレイ１の出射面からは傾きのない出射光が出射されることから
、光軸調整等が容易になり組み立て作業を簡単に行うことができる。

次に、本発明の第１の実施形態に係る偏光変換素子の製造方法を説明する。
図２は図１に示したＰＳ変換素子アレイの製造方法を示した工程図である。
この場合は、先ず準備工程として第１の透光性板材２及び第２の透光性板材３のベース
となるガラス板材３１を用意する。
次に、第１の成膜工程として、図２（ａ）に示すように、第１の透光性板材２を構成す
るガラス板材３１における一方の主面３１ａに偏光分離膜４を成膜すると共に、他方の主
面３１ｂに偏光分離膜４の応力をキャンセルする反り矯正膜１１を成膜する。
次に、第２の成膜工程として、図２（ａ）に示すように、第２の透光性板材３を構成す
るガラス板材１における一方の主面３１ｃに反射膜６を成膜すると共に、他方の主面３１
ｄに反射膜６の応力をキャンセルする反り矯正膜１２を成膜する。

次に、積層体形成工程として、図２（ｂ）に示すような治具３２を用いて、第１の透光
性板材２と第２の透光性板材３とを交互に積層するが、このときに積層する第１の透光性
板材２と第２の透光性板材３との端縁を結ぶ平面と、第１及び第２の透光性板材２、３と
の間の形成角度が略４５度の傾斜角度となるように第１及び第２の透光性板材２、３の面
方向位置を順次ずらして階段状に積層して積層体２１を形成する。このとき第１及び第２
の透光性板材２、３との間に紫外線硬化型の光学接着剤１３を塗布しておき、積層体２１
を加圧して光学接着剤１３を均一に展開させた状態で、図示しない紫外線照射装置から紫
外線を積層体２１に照射し、光学接着剤１３を硬化させて積層体２１を貼り合わせるよう
にしている。

次に、第１の切断工程として、上記積層体形成工程において一体化した積層体２１を治
具３２から取り出し、図示しない固定板に積層体２１の背面側の側面を剥離可能な接着剤
等により仮固定した後、図２（ｃ）に点線で示した略４５度の傾斜角度に沿った所定ピッ
チＰの複数の平行な切断面３４にて積層体２１を切断して複数の積層分割体２２に切断す
る。

次いで、第２の切断工程として、図２（ｄ）に示すように切断した積層分割体２２の両
端の鋭角状に突出した突出部２３を点線で示した切断面で切断する。ここで、突出部２３
の切断にはロータリー研削装置やダイシング装置等を用いて積層分割体の両端を切断する
。この後、両端を切断した積層分割体の一部に１／２波長板を貼付する貼付工程とを有す
るようにした。

このように第１の実施形態では、ガラス板材３１の一方の主面３１ａ上に成膜した偏光
分離膜４の応力をキャンセルする反り矯正膜１１を他方の主面３１ｂ上に成膜した第１の
透光性板材２と、ガラス板材３１の一方の主面３１ｃ上に成膜した反射膜６の応力をキャ
ンセルする反り矯正膜１２を他方の主面３１ｄ上に成膜した第２の透光性板材３と、を用
いて、上記の各工程を実施するようにした。これにより、光学接着剤１３により第１及び
第２の透光性板材２、３を交互に貼り合わせた場合でも光学接着剤１３の膜厚の均一化を
図ることができ、第１及び第２の透光性板材２、３間を接着する光学接着剤１３の膜厚の
バラツキによる光量の低下を防止したＰＳ変換素子アレイ１を製造することが可能になる
。

次に、本発明の第２の実施形態の偏光変換素子について説明する。
図３は本発明の第２の実施形態に係るＰＳ変換素子アレイの構造を示した図である。な
お、図１に示したＰＳ変換素子アレイ１と同一部位には同一符号を付して説明は省略する
。
図３に示すＰＳ変換素子アレイ４０は、第１の膜形成面２ｃ上に偏光分離膜４を成膜す
ると共に、第２の膜形成面２ｄ上に反射膜６と、偏光分離膜４の応力によって発生する凹
状、或いは凸状の反りを矯正する反り矯正膜１１とを備えた第１の透光性板材２と、第２
の透光性板材３とを光学接着剤１３により交互に貼り合わせるようにした点が、図１に示
したＰＳ変換素子アレイ１と異なる。
このように構成されるＰＳ変換素子アレイ４０においても、Ｐ偏光光ＬｐとＳ偏光光Ｌ
ｓｔからなる入射光Ｌｏが偏光分離膜４に入射すると、Ｓ偏光光Ｌｓは偏光分離膜４、反
射膜６にて順次反射することにより出射面側から出射する一方、Ｌ偏光光Ｌｐは１／２波
長板５を透過する際にＳ偏光光Ｌｓに変換されて出射される。この結果、偏光変換素子に
入射したランダムな偏光方向を有する光束は全てＳ偏光光Ｌｓとなって出射される。

また、このようなＰＳ変換素子アレイ４０においては、第１の透光性板材２に第１の膜
形成面２ｃ上に成膜した偏光分離膜４の応力と第２の膜形成面２ｄ上に成膜した反射膜６
の応力をキャンセルする反り矯正膜１１を成膜したことで、第１の透光性板材２の反りを
なくすことができるので、光学接着剤１３により第１及び第２の透光性板材２、３を交互
に貼り合わせた場合でも光学接着剤１３の膜厚の均一化を図ることができる。これにより
、第２の実施形態のＰＳ偏光変換素子アレイでも、第１及び第２の透光性板材２、３間を
接着する光学接着剤１３の膜厚のバラツキによる光量の低下を防止することができる。
またＰＳ変換素子アレイ１の出射面２ｂ、３ｂからは、傾きのない出射光が出射される
ことから、ＰＳ変換素子アレイ１を光学ヘッドに用いた場合においても光軸調整が容易で
組み立て作業を簡単に行うことができる。

次に、上記した第２の実施形態に係る偏光変換素子の製造方法を説明する。
図４は図３に示したＰＳ変換素子アレイの製造方法を示した工程図である。
この場合、先ず、準備工程として、第１の透光性板材２及び第２の透光性板材３のベー
スとなるガラス板材３１を用意する。
次に、第１の成膜工程として、図４（ａ）に示すように、第１の透光性板材２を構成す
るガラス板材３１の一方の主面３１ａに偏光分離膜４を成膜すると共に、他方の主面３１
ｂに反射膜６と偏光分離膜４の応力をキャンセルする反り矯正膜１１を成膜する。なお、
この場合は第２の透光性板材３を構成するガラス板材３１の両主面には何も形成しない。

次に、積層体形成工程として、図４（ｂ）に示すような治具３２を用いて、第１の透光
性板材２と第２の透光性板材３とを交互に積層するが、このときに積層する第１の透光性
板材２と第２の透光性板材３との端縁を結ぶ平面と、第１及び第２の透光性板材２、３と
の間の形成角度が略４５度の傾斜角度となるように第１及び第２の透光性板材２、３の面
方向位置を順次ずらして階段状に積層して積層体２１を形成する。このとき第１及び第２
の透光性板材２、３との間に紫外線硬化型の光学接着剤１３を塗布しておき、積層体２１
を加圧して光学接着剤１３を均一に展開させた状態で、図示しない紫外線照射装置から紫
外線を積層体２１に照射し、光学接着剤１３を硬化させて積層体２１を貼り合わせるよう
にしている。

次に、第１の切断工程として、上記積層体形成工程において一体化した積層体２１を治
具３２から取り出し、図示しない固定板に積層体２１の背面側の側面を剥離可能な接着剤
等により仮固定した後、図４（ｃ）に点線で示した略４５度の傾斜角度に沿った所定ピッ
チＰの複数の平行な切断面３４にて積層体２１を切断して複数の積層分割体２２に切断す
る。
次いで、第２の切断工程として、図４（ｄ）に示すように切断した積層分割体２２の両
端の鋭角状に突出した突出部２３を点線で示した切断面で切断する。ここで、突出部２３
の切断にはロータリー研削装置やダイシング装置等を用いて積層分割体の両端を切断する
。
この後、両端を切断した積層分割体の一部に１／２波長板を貼付する貼付工程とを有す
るようにした。

このように第２の実施形態では、第１の透光性板材２にガラス板材３１の一方の主面３
１ａ上に成膜した偏光分離膜４の応力と、他方の主面３１ｂ上を成膜した反射膜６の応力
をキャンセルするための反り矯正膜１１を他方の主面３１ｂ上に成膜する。そして上記の
成膜した第１の透光性板材２と第２の透光性板材３とを用いて上記の各工程を実施するよ
うにした。これにより、光学接着剤１３により第１及び第２の透光性板材２、３を交互に
貼り合わせた場合でも光学接着剤１３の膜厚の均一化を図ることができ、第１及び第２の
透光性板材２、３間を接着する光学接着剤１３の膜厚のバラツキによる光量の低下を防止
したＰＳ偏光素子アレイ４０を製造することが可能になる。

本発明の第１の実施形態に係るＰＳ変換素子アレイの構造を示した図。 第１の実施形態に係る偏光変換素子の製造方法を示した工程図。 第２の実施形態に係るＰＳ変換素子アレイの構造を示した図。 第１の実施形態に係る偏光変換素子の製造方法を示した工程図。 本実施形態のＰＳ変換素子アレイが適用される偏光照明装置の光学系の概略構成を示した図。 従来のＰＳ変換素子アレイの構造を示した図。 ガラス基板に薄膜を形成した時にガラス基板に作用する膜応力を説明するための図。 反りが発生したプリズムと反りの無いプリズム５１とを交互に階段状に積層して接合した状態を示した図。

符号の説明

１…ＰＳ変換素子アレイ、２、３…透光性板材、４…偏光分離膜、５…１／２波長板、
６…反射膜、１１、１２…反り矯正膜、１３…光学接着剤、２１…積層体、２２…積層分
割体、２３…突出部、３１…ガラス板材、３２…治具、３４…切断面、４０…ＰＳ変換素
子アレイ、１０１…偏光照明装置、１０２…光源部、１０３…第１のレンズ板、１０４…
第２のレンズ板、１０５…照明領域、２０１…光源ランプ、２０２…放物面リフレクター
、３０１…矩形集光レンズ、４１０…集光レンズアレイ、４１１…集光レンズ、４２０…
ＰＳ変換素子アレイ、４２１…偏光ビームスプリッタ、４２２…反射ミラー、４２３…偏
光分離膜、４２４…反射面、４３０…位相差板、４３１…位相差膜、４４０…出射側レン
ズ

Claims (6)

1. 光入射面と該光入射面に平行な光出射面とを有し、前記光入射面及び光出射面と所定の
   角度をなすように形成された第１及び第２の膜形成面と、前記第１の膜形成面上に形成さ
   れた偏光分離膜と、前記第２の膜形成面上に形成され、前記偏光分離膜の応力によって発
   生する凹状、或いは凸状の反りを矯正する第１の反り矯正膜と、を備えた第１の透光性板
   材と、
   接着剤により前記第１の透光性板材と交互に貼り合わされ、第１の透光性板材の前記各
   光入射面及び各光出射面と夫々同一平面に形成された光入射面及び光出射面を夫々有し、
   前記光入射面及び光出射面と所定の角度をなすように形成された第３の及び第４の膜形成
   面と、前記第３の膜形成面上に形成された反射膜と、前記第４の膜形成面上に形成され、
   前記反射膜の応力によって前記膜形成面側において発生する凹状、或いは凸状の反りを矯
   正する第２の反り矯正膜と、を備えた第２の透光性板材と、
   前記偏光分離膜を透過した偏光光の光路上又は前記反射膜により反射された偏光光の光
   路上のいずれか一方に配置された偏光光を変換する偏光変換部材と、
   を備えたことを特徴とする偏光変換素子。
2. 光入射面と該光入射面に平行な光出射面とを有し、前記光入射面及び光出射面と所定の
   角度をなすように形成された第１及び第２の膜形成面と、前記第１の膜形成面上に形成さ
   れた偏光分離膜と、前記第２の膜形成面上に形成された反射膜と、前記第２の膜形成面上
   に形成され、前記偏光分離膜の応力によって発生する凹状、或いは凸状の反りを矯正する
   反り矯正膜と、を備えた第１の透光性板材と、
   接着剤により前記第１の透光性板材と交互に貼り合わされ、前記第１の透光性板材の前
   記各光入射面及び各光出射面と夫々同一平面に形成された光入射面及び光出射面を夫々有
   する複数の第２の透光性板材と、
   前記偏光分離膜を透過した偏光光の光路上又は前記反射膜により反射された偏光光の光
   路上のいずれか一方に配置された偏光光を変換する偏光変換部材と、
   を備えたことを特徴とする偏光変換素子。
3. 前記反り矯正膜の屈折率は、前記透光性板材の屈折率と略同等であることを特徴とする
   請求項１又は２に記載の偏光変換素子。
4. 前記反り矯正膜は、ＳｉＯ₂膜であることを特徴とする請求項３に記載の偏光変換素子
   。
5. 偏光変換素子の製造方法であって、
   平行平板である第１の透光性板材と、平行平板である第２の透光性板材とを準備する準
   備工程と、
   前記第１の透光性板材における一方の主面に偏光分離膜を形成すると共に、他方の主面
   に前記偏光分離膜の応力によって前記第１の透光性板材に発生する凹状、或いは凸状の反
   りを矯正する反り矯正膜を形成する第１の成膜工程と、
   前記第２の透光性板材における一方の主面に反射膜を形成すると共に、他方の主面に前
   記反射膜の応力によって前記第２の透光性板材に発生する凹状、或いは凸状の反りを矯正
   する反り矯正膜を形成する第２の成膜工程と、
   前記第１の透光性板材と前記第２の透光性板材との端縁を結ぶ平面と前記第１及び第２
   の透光性板材との間の形成角度が略４５度の傾斜角度となるように前記第１及び第２の透
   光性板材の面方向の位置を順次ずらして接着剤を介して階段状に積層して積層体を形成す
   る積層体形成工程と、
   前記積層体形成工程において一体化された積層体を、前記略４５度の傾斜角度に沿った
   所定ピッチの複数の平行な切断面にて複数の積層分割体に切断する第１の切断工程と、
   前記積層分割体の両端を切断する第２の切断工程と、
   両端を切断した前記積層分割体の一部に偏光変換板を貼付する貼付工程と、
   を有することを特徴とする偏光変換素子の製造方法。
6. 偏光変換素子の製造方法であって、
   平行平板である第１の透光性板材と、平行平板である第２の透光性板材とを準備する準
   備工程と、
   前記第１の透光性板材における一方の主面に偏光分離膜を形成すると共に、第１の透光
   性板材における他方の主面に反射膜と、前記偏光分離膜の応力によって前記第１の透光性
   板材に発生する凹状、或いは凸状の反りを矯正する反り矯正膜を形成する成膜工程と、
   前記第１の透光性板材と前記第２の透光性板材との端縁を結ぶ平面と前記第１及び第２
   の透光性板材との間の形成角度が略４５度の傾斜角度となるように前記第１及び第２の透
   光性板材の面方向の位置を順次ずらして接着剤を介して階段状に積層して積層体を形成す
   る積層体形成工程と、
   前記積層体形成工程において一体化された積層体を、前記略４５度の傾斜角度に沿った
   所定ピッチの複数の平行な切断面にて複数の積層分割体に切断する第１の切断工程と、
   前記積層分割体の両端を切断する第２の切断工程と、
   両端を切断した前記積層分割体の一部に偏光変換板を貼付する貼付工程と、
   を有することを特徴とする偏光変換素子の製造方法。

Images