JP2008268901A - 積層位相差板、投射型映像装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射光の偏光変換効率が、従来技術より向上した積層位相差板を提供することを目的とする。
【解決手段】第１の位相差板１０と第２の位相差板２０とが光学軸１１，１２を交差するように貼り合わされることにより、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域において１／２波長位相差板として機能する積層位相差板１であって、第１の位相差板１０及び第２の位相差板２０の各板厚が、位相差のずれ量を互いに補正できる範囲であることにより、入射光の偏光変換効率が、従来技術より向上した積層位相差板１を提供することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、複数の水晶板を貼り合わせて構成された積層位相差板およびこの積層位相板を用いた投射型映像装置に関する。

従来、液晶プロジェクタなどに用いられ、光源からの入射光の偏光をそろえる光学素子として、特許文献１に開示されているような積層位相差板が知られている。
この積層位相差板は、水晶基板からなる２枚の位相差板により構成される。前記の位相差板の結晶光学軸（以下、光学軸と示す）が交差するように貼り合わされている。
この積層位相差板は、１／２波長位相差板として機能し、入射光の偏光面を９０°回転した偏光面に変換する。この入射光は光源によって、三色波長帯（概ね４００ｎｍ〜７００ｎｍ）、青色波長帯（概ね４００ｎｍ〜５００ｎｍ）、緑色波長帯（概ね５００ｎｍ〜６００ｎｍ）、赤色波長帯（概ね６００ｎｍ〜７００ｎｍ）、のいずれかの波長帯に属する光である。
特許文献２に開示されているように、液晶プロジェクタ等では様々な光学素子を用いて、光源から上記の複数の波長帯の光を取り出し、これらの光を液晶シャッタで階調した後、再びこれらを合成し、映像情報を投射する。これらの光学素子で構成される光路中では多数の位相差板が用いられる。これらの位相差板に入射する光は前記のいずれかの波長帯に属する。なお、上記の波長帯の範囲は一例であって、液晶プロジェクタの設計に基づいて上記以外も設定される。

特開２００４−１７０８５３号公報 特開２００６−３３０２８２号公報

特許文献１に開示されている積層位相差板は、実施形態における最適な条件として、２枚の位相差板の板厚を共に１００μｍとしている。さらに、２枚の位相差板の水晶原石からの切り出し方向を共にＺカット、光学軸方位角をそれぞれ１９°、６４°に設定している。この設計により４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長域での偏光変換効率の向上を得ている。

しかしながら、上記の従来技術の積層位相差板は、入射光の波長帯における、更なる偏光変換効率の向上要求に対して、不十分である。この偏光変換効率とは、例えばＰ波からＳ波に偏光する場合に、変換される割合を示し、Ｐ波が全てＳ波に偏光変換されたとすると、理想値の１．００として示される。この偏光変換効率が理想値１．００に近い程、積層位相差板を通過した光量は損失が少なく、明るい映像を有する液晶プロジェクタを生産するのに好適である。
また、液晶プロジェクタには様々な波長帯の入射光に対する積層位相差板が用いられるが、前記の様々な波長帯に対して、各々の波長帯に最適な偏光変換効率を向上できる手段が従来提案されていなかった。

本発明は、上記の課題に着目して、従来技術より偏光変換効率が向上し、光線の波長帯に好適な積層位相差板および該積層位相差板を用いた投射型映像装置を提供することを目的とする。

本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
［適用例１］本適用例に係る積層位相差板は、複数の水晶板をそれぞれ第１の位相差板と第２の位相差板とし、前記第１の位相差板と前記第２の位相差板とを貼り合わせた積層位相差板であって、前記第１の位相差板の光学軸方位角θａと前記第２の位相差板の光学軸方位角θｂとが、θｂ＝θａ＋α、０＜θａ＜４５°、４０°＜α＜５０°、であり、且つ前記第１の位相差板の位相差Γａと、前記位相差Γａの設計目標値とのずれ量ΔΓａと、前記第２の位相差板の位相差Γｂと前記位相差Γｂの設計目標値とのずれ量ΔΓｂとが、Γａ＝１８０°、Γｂ＝１８０°であり、下記の式（１）であることを特徴とする。

第１の位相差板と第２の位相差板は水晶原石から切断された水晶基材を研磨して、貼り合わせ前の基板の厚みが設計上の厚みの目標値に加工される。この加工後の厚み値と設計上の厚みの目標値とのずれ量は、第１の位相差板と第２の位相差板を透過した光線の位相差の目標値とのずれ量に影響する。第１の位相差板の位相差の目標値とのずれ量に対し、第２の位相差板の位相差を制御すれば、貼り合わせ後の上気積層位相差板を透過した光線の位相差の目標値とのずれ量を小さくでき、偏光変換効率を向上できる。
そこで、第２の位相差板の位相差Γｂの設計目標値からのずれ量ΔΓｂを、第１の位相差板の位相差Γａの設計目標値からのずれ量ΔΓａと第２の位相差板の光学軸方位角θｂから求める手段を見出した。そして、この手段により、位相差板の貼り合わせにおいて、位相差Γａの設計目標値からのずれ量ΔΓａを有する第１の位相差板と、これに最適な位相差Γｂの設計目標値からのずれ量ΔΓｂを有する第２の位相差板と、を貼りあわせて積層できる。この手段で得られた積層位相差板は、位相差Γａの設計目標値からのずれ量ΔΓａを位相差Γｂの設計目標値からのずれ量ΔΓｂで相殺するので、高い偏光変換効率を有することができる。

［適用例２］上記適用例に係る積層位相差板であって、前記第１の位相差板の板厚が２４μｍ〜３１μｍの範囲であり、且つ前記第２の位相差板の板厚が２４μｍ〜３１μｍの範囲である、ことを特徴とする。

前記範囲の板厚を有する第１の位相差板と前記範囲の板厚を有する第２の位相差板とを上記適用例に係る方法で貼りあわせた積層位相差板は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域の入射光において、従来技術の積層位相差板と比較して高い偏光変換効率を得ることができる。

［適用例３］上記適用例に係る積層位相差板であって、前記第１の位相差板の板厚が２１μｍ〜２６μｍの範囲であり、且つ前記第２の位相差板の板厚が２１μｍ〜２６μｍの範囲である、ことを特徴とする。

前記範囲の板厚を有する第１の位相差板と前記範囲の板厚を有する第２の位相差板とを上記適用例に係る方法で貼りあわせた積層位相差板は、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域の入射光において、従来技術の積層位相差板と比較して高い偏光変換効率を得ることができる。

［適用例４］上記適用例に係る積層位相差板であって、前記第１の位相差板の板厚が２５μｍ〜３５μｍｍの範囲であり、且つ前記第２の位相差板の板厚が２５μｍ〜３５μｍの範囲である、ことを特徴とする。

前記範囲の板厚を有する第１の位相差板と前記範囲の板厚を有する第２の位相差板とを上記適用例に係る方法で貼りあわせた積層位相差板は、５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域の入射光において、従来技術の積層位相差板と比較して高い偏光変換効率を得ることができる。

［適用例５］上記適用例に係る積層位相差板であって、前記第１の位相差板の板厚が２４μｍ〜４７μｍの範囲であり、且つ前記第２の位相差板の板厚が２４μｍ〜４７μｍの範囲である、ことを特徴とする。

前記範囲の板厚を有する第１の位相差板と前記範囲の板厚を有する第２の位相差板とを上記適用例に係る方法で貼りあわせた積層位相差板は、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域の入射光において、従来技術の積層位相差板と比較して高い偏光変換効率を得ることができる。

［適用例６］本適用例に係る投射型映像装置は、上記適用例に係る少なくともいずれかの積層位相差板を用いたことを特徴とする。

従来技術より偏光変換効率が向上した積層位相差板を用いた投射型映像装置では、光利用効率が向上し、同じ輝度の光源を採用しても更に明るい映像を表示することができる。特に、複数の異なる波長域の光源を組みあわせて用いる投射型映像装置では、光源の波長域毎に最も高い偏光変換効率を有する位相差板を用いることができるので、光利用効率の向上ができる。

以下、本発明に係る積層位相差板の実施形態について図面を参照して説明する。なお、以下の各実施形態における積層位相差板の板厚、光学軸方位角、偏光変換効率などは以下の式（２）、式（３）及びミューラ行列式などに基づいて得た。

ここで、Γ：位相差、ｄ：板厚、Ｎｅ：異常光線屈折率、Ｎｏ：常光線屈折率、λ：波長、Ｔ：偏光変換効率、θ：光学軸方位角を表す。
上記の式により、５ｎｍ間隔の波長ごとに偏光変換効率を得て、偏光変換効率の理想値１．００との差を乖離値とした。目的とする波長領域において、それぞれの乖離値を累積して累積乖離値を得た。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の積層位相差板を説明する説明図である。図１は、入射光の偏光変換を説明する図、図２は、光学軸方位角を説明する図である。
図１に示すように、積層位相差板１は、第１の位相差板１０と第２の位相差板２０とを含んで構成されている。
図２に示すように、第１の位相差板１０と第２の位相差板２０とは、光学軸１１，２１が交差するように貼り合わされている。

図３は、本願発明に係わる１／２波長位相差板のポアンカレ球を示す。そこで、本ポアンカレ球を用いて１／２波長位相差板の位相差のずれを極小にする方法を説明する。先ず、設定条件を、入射偏光面：図３中、水平方向とする。
第１の位相差板：位相差Γａ＝１８０°
光学軸方位角；θａ
第２の位相差板：位相差Γｂ＝１８０°
光学軸方位角；θｂ
とすると、第１の位相差板、第２の位相差板を透過する光の偏光状態は、以下のように考察することができる。

１／２波長位相差板の機能は、偏光面を概ね９０°回転させることにあり、これをポアンカレ球にて表すと座標Ｐ０（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）の位置から座標Ｐ２（−１，０，０）に移動させることである。そこで、開始点をＳ１軸と球面の交点としての座標Ｐ０とする。次に、Ｓ１軸を２θａ反時計回りに回転させた位置に回転軸Ｒ１を設定する。Ｒ１軸を回転軸としてＰ０を位相差１８０°時計方向に回転させ、到達した地点をＰ１とする。次に、Ｓ１軸を２θｂ反時計回りに回転させた位置に回転軸Ｒ２を設定する。Ｒ２軸を回転軸としてＰ１を位相差１８０ｄｅｇ時計方向に回転させ、到達した地点をＰ２とする。

上記によると、Ｐ２が（−１，０，０）に到達するためには、光学軸方位角θａ、及び光学軸方位角θｂが次式の条件を満足すればよい。なお、位相差αは貼り合わせ精度を考慮して設定値の±５°とした。

図４は、図３のポアンカレ球を、Ｓ３軸から見た図を示す。座標Ｐ０から座標Ｐ１に移動する場合の回転軸Ｒ１は、Ｓ１軸から２θａ回転させた位置にある。また、座標Ｐ１から座標Ｐ２に移動する場合の回転軸Ｒ２は、Ｓ１軸から２θｂ回転させた位置にある。
よってポアンカレ球の中心をＯとし、座標Ｐ０と座標Ｐ１と中心Ｏとからなる角度を∠Ｐ０−Ｏ−Ｐ１、また、座標Ｐ１と座標Ｐ２と中心Ｏとからなる角度を∠Ｐ１−Ｏ−Ｐ２とすると、

図５は、図３のポアンカレ球の赤道面において、偏光が座標Ｐ０から座標Ｐ２へ移動する場合の位相差を直線的に表した図を示す。座標Ｐ０から座標Ｐ１を通過してＰ２に至る赤道面は曲線で表すべきであるが、わかりやすくする為に直線状で表した。ｒｘは座標Ｐ０から座標Ｐ１へ、Ｒ１軸を回転軸として移動する場合の回転半径である。また、ｒｚは座標Ｐ１から座標Ｐ２に、Ｒ２軸を回転軸として移動する場合の回転半径である。ポアンカレ球での回転半径ｒ１でＰ０からＰ１に移動するように加工した第１の位相差板において、位相差板の厚みの加工精度が設計値からずれると、Ｐ１に移動できずにＰ１ｘとなる。Ｐ１からＰ２へ回転半径ｒｚで移動するように加工する第２の位相差板において、Ｐ１をＰ１ｚになるように加工すれば、Ｐ１−Ｐ１ｘ＝Ｐ１−Ｐ１ｚとなり、Ｐ２の位置に移動できて正確な１／２波長位相差板の機能を有する積層位相差板を提供できる。

Ｌ＝Ｐ１−Ｐ１ｘ＝Ｐ１−Ｐ１ｚとすると、

式（８）及び式（９）より

ポアンカレ球の半径をｋとすると

式（１０）、式（１１）、および式（１２）より

上記より、ずれ量ΔΓｂは以下の式に導かれる。

複数の位相差板を組み合わせて貼り合わせる積層位相板において、式（１）を用いれば、互いに最適な位相差ΔΓを有する位相差板を組み合わせることができる。この式（１）の選択によって、積層位相差板としての位相差は上記のポアンカレ球で説明したように目標値通りとなり、偏光変換効率が最も良くなる。

図６に式（１）より求められた最適な位相差を有する積層位相差板の第１位相差板と第２位相差板の板厚を式（２）および式（３）から求め、グラフとして示す。
光学軸方位角により、このような様々な好適な組み合わせがある。光学軸方位角θａが２２．５°の場合のみ、２枚の板厚は光学軸方位角θａに依存せず常に同じ板厚が最適値となる。

表１に、１枚目の板厚Ｔ１の位相差板と二枚目の板厚Ｔ２の位相差板を貼り合わせた積層位相板の偏光変換効率について示す。これらは図７に示す条件の板厚の組み合わせでおこなった結果である。ＦとＧとＨは最適な条件を示す線上で組み合わされ、ＪとＫはこの線上からはずれた、つまり最適でない組み合わせの積層位相板である。偏光変換効率ロスとは、図８の灰色部の乖離範囲５６で示した偏光変換効率１．００に未達の部分の比率を示す。この比率が大きい程、変換効率の悪い積層位相差板となる。よって、偏光変換効率ロスは小さいほど良く、ＦとＧとＨはＪとＫよりも偏光変換効率ロスが小さいので高い偏光変換効率であるといえる。つまり、図７で示した実線部に沿った条件、すなわち式（１）を用いて組み合わせた積層位相差板は高い偏光変換効率を得ることができる。

次に、式（１）を用いて最適に組み合わされた積層位相板の波長依存性に好適な板厚の範囲に関する実施形態について説明する。
図１に示した積層位相差板１は、第１の位相差板１０及び第２の位相差板２０の各板厚が２３．８０μｍ〜３１．３９μｍの範囲であるように形成されている。なお、第１の位相差板１０と第２の位相差板２０とは、概ね同程度の板厚で形成されている。
第１の位相差板１０及び第２の位相差板２０は、光学軸１１，１２が板面に沿って存在するＹカット水晶基板から形成されている。

積層位相差板１では、第１の位相差板１０の光学軸方位角θａ及び第２の位相差板２０の光学軸方位角θｂが、式（２）、式（３）及びミューラ行列式などから、設定されている。
光学軸方位角θａ及び光学軸方位角θｂは、入射光の水平の振動面１３，１４に対する光学軸１１，１２の成す角度を、振動面１３，１４から反時計回りに表したものである。
ここで、第１の位相差板１０及び第２の位相差板２０の板厚の範囲における光学軸方位角θａ及び光学軸方位角θｂの設定可能範囲を例示する。

表２は、第１の位相差板１０及び第２の位相差板２０の上記３種類の板厚における光学軸方位角θａ及び光学軸方位角θｂの設定可能範囲を示したものである。
表２に示すように、板厚が下限値の２３．８０μｍの場合には、光学軸方位角θａは、２１．７°〜２３．３°の範囲、光学軸方位角θｂは、６６．７°〜６８．３°の範囲である。
板厚が略中心値の２７．７３μｍの場合には、光学軸方位角θａは、１２．０°〜３３．０°の範囲、光学軸方位角θｂは、５７．０°〜７８．０°の範囲である。
板厚が上限値の３１．３９μｍの場合には、光学軸方位角θａは、２１．４°〜２３．６°の範囲、光学軸方位角θｂは、６６．４°〜６８．６°の範囲である。

なお、光学軸方位角θｂは、光学軸方位角θａの設定値にαを加えた値である。上記の光学軸方位角θｂの値は、光学軸方位角θａと光学軸方位角θｂとの成す角αを、４５°として算出してある。
この光学軸方位角θａと光学軸方位角θｂとの成す角αは、４５°に限定するものではなく、板厚と光学軸方位角θａとの組み合わせにより４５°と異なる角度の設定も可能である。

上記の構成では、図１に示した積層位相差板１は、１／２波長位相差板として機能する。この積層位相差板１では、入射光のうちＰ偏光成分である直線偏光３０が入射すると、直線偏光３０の位相が１８０°ずれることにより偏光面が９０°回転して、Ｓ偏光成分である直線偏光４０に偏光変換されて出射する。

ここで、第１の実施形態の積層位相差板１によるＰ偏光成分のＳ偏光成分への偏光変換効率について、前述した累積乖離値を用いて従来技術の積層位相差板と比較した結果を説明する。

図８は、累積乖離値について説明するグラフである。図８に示すように、累積乖離値とは、入射光の５ｎｍ間隔の波長ごとの偏光変換効率を得て、偏光変換効率の理想値１．００との差を乖離値として、その乖離値を該当する波長領域全体で累積した値である。
例えば、図８で波長が６５０ｎｍの場合には、偏光変換効率が０．９７であり乖離値５５は、１．００−０．９７＝０．０３となる。累積乖離値は、このように該当する波長領域全体で行い、結果を累積して求める。
累積乖離値は、図８のグラフにおける乖離範囲５６の概略面積を表しており、小さいほど偏光変換効率が高い。

図９は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域において、第１の実施形態の積層位相差板の偏光変換効率と、従来技術の積層位相差板の偏光変換効率とを、位相差板の板厚における累積乖離値を用いて比較したグラフである。第１位相差板と第２位相差板は概ね同等と仮定して算出している。
ここで、図９の横軸は、位相差板の板厚を表し、図９の縦軸は、累積乖離値を表している。以下の図１２、図１３、図１４も同様である。

図９において、曲線６０は、各板厚における累積乖離値を結んだ線である。
直線７０は、従来技術の積層位相差板の累積乖離値を、横軸と平行に引いた線である。直線７０よりも下であれば、累積乖離値が従来技術の積層位相差板よりも小さいことを意味する。なお、従来技術の上記偏光変換効率は特許文献１より算出した。

図９に示すように、積層位相差板１は、第１の位相差板１０及び第２の位相差板２０の各板厚が２４μｍ〜３１μｍの範囲で、累積乖離値が従来技術の積層位相差板を下回っており、従来の積層位相差板より偏光変換効率が向上していることが分かる。この板厚の範囲において、式（１）を用いて、第１位相差板と第２位相差板を組み合わせることにより、更に偏光変換効率を向上できる。

前記の板厚を有する積層位相差板１は、４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域において、従来技術の積層位相差板よりも高い偏光変換効率を得ることができる。上記の板厚の範囲の最適化では、二枚の位相板を概ね同等としたが、式（１）による二枚の板厚の最適化をこの板厚範囲の設定に組み合わせることにより更に４００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域において高い偏光変換効率を得ることができる。

ここで、第１の実施形態の積層位相差板１を用いた偏光変換の光学素子の一例について説明する。
図１０は、第１の実施形態の積層位相差板を備えた偏光変換の光学素子としての偏光ビームスプリッタ（以降、ＰＢＳ（Polarization Beam Splitter）という）２の要部構成図である。
図１０に示すように、ＰＢＳ２は、ガラスなどからなるプリズム５１の斜面に、偏光分離膜５２が形成されたプリズムアレイ５０において、光の出射側の所定の位置に複数の積層位相差板１を備えて構成されている。
ＰＢＳ２は、図１０の紙面左側からランダム偏光の光が入射光として入射されると、ＰＢＳ２内で偏光成分が一つにそろえられ、図１０の紙面右側へ出射されるという偏光変換機能を有する。

ここで、ＰＢＳ２の偏光変換機能を説明する。ＰＢＳ２は、ランダム偏光の入射光が入射すると、第１の経路５３では、入射光のＰ偏光成分がその光学特性により偏光分離膜５２を透過して積層位相差板１に入り、積層位相差板１により偏光変換され、偏光面が９０°回転されてＳ偏光成分として出射される。
第２の経路５４では、入射光のＳ偏光成分がその光学特性により偏光分離膜５２で図１０の紙面下側へ反射されて、さらに下側の偏光分離膜５２で右側へ反射されることにより、Ｓ偏光成分のまま出射される。
これにより、ＰＢＳ２は、ランダム偏光の入射光の大部分がＳ偏光成分に偏光変換されて出射される。

ここで、上記のＰＢＳを用いた投射型映像装置の一例について説明する。図１１は複数の光源を有する投射型映像装置の一例の要部構成図である。
図１１に示すように、上記のＰＢＳは偏光変換素子５４０あるいは偏光変換素子５４１として用いられる。
この投射型映像装置は白色光源としてランプ５０１とリフレクタ５１１を有する。この光源から導かれた光はマルチレンズ５３１、マルチレンズ５３２等で分散、あるいは集光され、上記のＰＢＳを用いた偏光変換素子５４０に入射する。上記の白色光源は概ね４００ｎｍから７００ｎｍの波長帯の自然光であり、第１の実施形態の積層位相差板１を用いたＰＢＳを用いることにより、高い偏光変換効率であるので、光源からの光を有効に利用できる。よって、明るさに優れた投射型映像装置を提供できる。

また、図１１に示す光源５０２は発光ダイオードからなる単色光源である。この光源から導かれた光はマルチレンズ５３３、マルチレンズ５３４等で分散、あるいは集光され、上記のＰＢＳを用いた偏光変換素子５４１に入射する。この単色光源は例えば、青色波長帯（概ね４００ｎｍ〜５００ｎｍ）、緑色波長帯（概ね５００ｎｍ〜６００ｎｍ）、赤色波長帯（概ね６００ｎｍ〜７００ｎｍ）のいずれかに属する光を提供できる。このような偏光変換素子に好適なＰＢＳについては以下の実施形態で記述する。
なお、図１１は一例として示されており、本願発明をランプによる白色光源のみの投射型映像装置、あるいは複数の単色光源のみの投射型映像装置に用いても好適である。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の積層位相差板を始めとする以下の各実施形態における積層位相差板は、第１の実施形態の積層位相差板と比較して、第１の位相差板及び第２の位相差板の板厚の範囲及び光学軸方位角の範囲が異なる。
以下の各実施形態の説明では、図１および図２を共用し、図１および図２の符号を一部読み替えることにより第１の実施形態の積層位相差板と異なる点を中心に説明する。なお、読み替え前の符号を括弧付きで最初に示す。

図１および図２に示すように、第２の実施形態の積層位相差板１０１（１）は、第１の位相差板１１０（１０）と第２の位相差板１２０（２０）とを含んで構成されている。
積層位相差板１０１は、第１の位相差板１１０及び第２の位相差板１２０の各板厚が２０．７３μｍ〜２６．３４μｍの範囲であるように形成されている。なお、第１の位相差板１１０と第２の位相差板１２０とは、概ね同程度の板厚で形成されている。
積層位相差板１０１は、第１の位相差板１１０及び第２の位相差板１２０が、Ｙカット水晶基板から形成されている。

積層位相差板１０１では、第１の位相差板１１０の光学軸方位角θａ及び第２の位相差板１２０の光学軸方位角θｂが、式（２）、式（３）及びミューラ行列式などから、設定されている。
ここで、第１の位相差板１１０及び第２の位相差板１２０の板厚の範囲における光学軸方位角θａ及び光学軸方位角θｂの設定可能範囲を例示する。

表３は、第１の位相差板１１０及び第２の位相差板１２０の上記３種類の板厚における光学軸方位角θａ及び光学軸方位角θｂの設定可能範囲を示したものである。
表３に示すように、板厚が下限値の２０．７３μｍの場合には、光学軸方位角θａは、２１．４°〜２３．６°の範囲、光学軸方位角θｂは、６６．４°〜６８．６°の範囲である。
板厚が略中心値の２３．６１μｍの場合には、光学軸方位角θａは、１１．５°〜３３．５°の範囲、光学軸方位角θｂは、５６．５°〜７８．５°の範囲である。
板厚が上限値の２６．３４μｍの場合には、光学軸方位角θａは、２１．３°〜２３．７°の範囲、光学軸方位角θｂは、６６．３°〜６８．７°の範囲である。

なお、上記の光学軸方位角θｂの値は、光学軸方位角θａと光学軸方位角θｂとの成す角αを、４５°として算出してある。従って、光学軸方位角θｂは、光学軸方位角θａの設定値に４５°を加えた値となる。
この光学軸方位角θａと光学軸方位角θｂとの成す角αは、４５°に限定するものではなく、板厚と光学軸方位角θａとの組み合わせにより４５°と異なる角度の設定も可能である。

上記の構成により、積層位相差板１０１は、１／２波長位相差板として機能する。これにより積層位相差板１０１は、入射光のうちＰ偏光成分である直線偏光３０が入射されると、直線偏光３０の位相が１８０°ずれることにより偏光面が９０°回転させられて、Ｓ偏光成分である直線偏光４０に偏光変換されて出射される。

ここで、積層位相差板１０１によるＰ偏光成分のＳ偏光成分への偏光変換効率について、従来の積層位相差板と比較した結果を図５に示す。
図１２は、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域において、積層位相差板１０１の偏光変換効率と、従来の積層位相差板の偏光変換効率とを、各板厚における累積乖離値を用いて比較したグラフである。

図１２において、曲線１６０は、積層位相差板１０１の各板厚における累積乖離値を結んだ線である。
直線１７０は、従来技術の積層位相差板の累積乖離値を、横軸と平行に引いた線である。

図１２に示すように、積層位相差板１０１は、第１の位相差板１１０及び第２の位相差板１２０の各板厚が２１μｍ〜２６μｍの範囲で、累積乖離値が従来技術の積層位相差板を下回っており、従来の積層位相差板より高い偏光変換効率を得ていることが分かる。

積層位相差板１０１は、４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域において、従来技術の積層位相差板よりも高い偏光変換効率を得ることができる。上記の板厚の範囲の最適化では、二枚の位相板を概ね同等としたが、式（１）による二枚の板厚の最適化をこの板厚範囲の設定に組み合わせることにより更に４００ｎｍ〜５００ｎｍの波長領域において高い偏光変換効率を得ることができる。
なお、第２の実施形態の積層位相差板１０１は、第１の実施形態の積層位相差板１と同様にＰＢＳ等の光学素子に用いられ、入射光が青色波長帯（概ね４００ｎｍ〜５００ｎｍ）である場合に偏光変換効率が高く、好適である。

（第３の実施形態）
図２に示すように、第３の実施形態の積層位相差板２０１（１）は、第１の位相差板２１０（１０）と第２の位相差板２２０（２０）とを含んで構成されている。
積層位相差板２０１は、第１の位相差板２１０及び第２の位相差板２２０の各板厚が２４．０４μｍ〜３５．２８μｍの範囲であるように形成されている。なお、第１の位相差板２１０と第２の位相差板２２０とは、概ね同程度の板厚で形成されている。
積層位相差板２０１は、第１の位相差板２１０及び第２の位相差板２２０が、Ｙカット水晶基板から形成されている。

積層位相差板２０１では、第１の位相差板２１０の光学軸方位角θａ及び第２の位相差板２２０の光学軸方位角θｂが、式（１）、式（２）及びミューラ行列式などから、設定されている。
ここで、第１の位相差板２１０及び第２の位相差板２２０の板厚の範囲における光学軸方位角θａ及び光学軸方位角θｂの設定可能範囲を例示する。

表４は、第１の位相差板２１０及び第２の位相差板２２０の上記３種類の板厚における光学軸方位角θａ及び光学軸方位角θｂの設定可能範囲を示したものである。
表４に示すように、板厚が下限値の２４．０４μｍの場合には、光学軸方位角θａは、２１．２°〜２３．８°の範囲、光学軸方位角θｂは、６６．２°〜６８．８°の範囲である。
板厚が略中心値の２９．７７μｍの場合には、光学軸方位角θａは、−４．２°〜４９．２°の範囲、光学軸方位角θｂは、４０．８°〜９４．２°の範囲である。
板厚が上限値の３５．２８μｍの場合には、光学軸方位角θａは、２２．２°〜２２．８°の範囲、光学軸方位角θｂは、６７．２°〜６７．８°の範囲である。

なお、上記の光学軸方位角θｂの値は、光学軸方位角θａと光学軸方位角θｂとの成す角αを、４５°として算出してある。従って、光学軸方位角θｂは、光学軸方位角θａの設定値に４５°を加えた値となる。
この光学軸方位角θａと光学軸方位角θｂとの成す角αは、４５°に限定するものではなく、板厚と光学軸方位角θａとの組み合わせにより４５°と異なる角度の設定も可能である。

上記の構成により、積層位相差板２０１は、１／２波長位相差板として機能する。これにより積層位相差板２０１は、入射光のうちＰ偏光成分である直線偏光３０が入射されると、直線偏光３０の位相が１８０°ずれることにより偏光面が９０°回転させられて、Ｓ偏光成分である直線偏光４０に偏光変換されて出射される。

ここで、積層位相差板２０１によるＰ偏光成分のＳ偏光成分への偏光変換効率について、従来の積層位相差板と比較した結果を図６に示す。
図１３は、５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域において、積層位相差板２０１の偏光変換効率と、従来技術の積層水晶位相差板の偏光変換効率とを、各板厚における累積乖離値を用いて比較したグラフである。

図１３において、曲線２６０は、積層位相差板２０１の各板厚における累積乖離値を結んだ線である。
直線２７０は、従来技術の積層位相差板の累積乖離値を、横軸と平行に引いた線である。

図１３に示すように、積層位相差板２０１は、第１の位相差板２１０及び第２の位相差板２２０の各板厚が２５μｍ〜３５μｍの範囲で、累積乖離値が従来技術の積層位相差板を下回っており、従来技術の積層位相差板より高い偏光変換効率を得ていることが分かる。

積層位相差板２０１は、５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域において、従来技術の積層位相差板よりも高い偏光変換効率を得ることができる。上記の板厚の範囲の最適化では、二枚の位相板を概ね同等としたが、式（１）による二枚の板厚の最適化をこの板厚範囲の設定に組み合わせることにより更に５００ｎｍ〜６００ｎｍの波長領域において高い偏光変換効率を得ることができる。
なお、第３の実施形態の積層位相差板２０１は、第１の実施形態の積層位相差板１と同様にＰＢＳ等の光学素子に用いられ、入射光が緑色波長帯（概ね５００ｎｍ〜６００ｎｍ）である場合に偏光変換効率が高く、好適である。

（第４の実施形態）
図２に示すように、第４の実施形態の積層位相差板３０１（１）は、第１の位相差板３１０（１０）と第２の位相差板３２０（２０）とを含んで構成されている。
積層位相差板３０１は、第１の位相差板３１０及び第２の位相差板３２０の各板厚が２３．９８μｍ〜４７．４１μｍの範囲であるように形成されている。なお、第１の位相差板３１０と第２の位相差板３２０とは、概ね同程度の板厚で形成されている。
積層位相差板３０１は、第１の位相差板３１０及び第２の位相差板３２０が、Ｙカット水晶基板から形成されている。

積層位相差板３０１では、第１の位相差板３１０の光学軸方位角θａ及び第２の位相差板３２０の光学軸方位角θｂが、式（１）、式（２）及びミューラ行列式などから、設定されている。
ここで、第１の位相差板３１０及び第２の位相差板３２０の板厚の範囲における光学軸方位角θａ及び光学軸方位角θｂの設定可能範囲を例示する。

表５は、第１の位相差板３１０及び第２の位相差板３２０の上記３種類の板厚における光学軸方位角θａ及び光学軸方位角θｂの設定可能範囲を示したものである。
表５に示すように、板厚が下限値の２３．９８μｍの場合には、光学軸方位角θａは、２１．１°〜２３．９°の範囲、光学軸方位角θｂは、６６．１°〜６８．９°の範囲である。
板厚が略中心値の３５．７６μｍの場合には、光学軸方位角θａは、０．０°〜１８０．０°の範囲、光学軸方位角θｂは、４５．０°〜２２５．０°の範囲である。
板厚が上限値の４７．４１μｍの場合には、光学軸方位角θａは、２１．１°〜２３．９°の範囲、光学軸方位角θｂは、６６．１°〜６８．９°の範囲である。

なお、上記の光学軸方位角θｂの値は、光学軸方位角θａと光学軸方位角θｂとの成す角αを、４５°として算出してある。従って、光学軸方位角θｂは、光学軸方位角θａの設定値に４５°を加えた値となる。
この光学軸方位角θａと光学軸方位角θｂとの成す角αは、４５°に限定するものではなく、板厚と光学軸方位角θａとの組み合わせにより４５°と異なる角度の設定も可能である。

上記の構成により、積層位相差板３０１は、１／２波長位相差板として機能する。これにより積層位相差板３０１は、入射光のうちＰ偏光成分である直線偏光３０が入射されると、直線偏光３０の位相が１８０°ずれることにより偏光面が９０°回転させられて、Ｓ偏光成分である直線偏光４０に偏光変換されて出射される。

ここで、積層位相差板３０１によるＰ偏光成分のＳ偏光成分への偏光変換効率について、従来技術の積層位相差板と比較した結果を図７に示す。
図１４は、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域において、積層位相差板３０１の偏光変換効率と、従来技術の積層位相差板の偏光変換効率とを、各板厚における累積乖離値を用いて比較したグラフである。

図１４において、曲線３６０は、積層位相差板３０１の各板厚における累積乖離値を結んだ線である。直線３７０は、従来技術の積層位相差板の累積乖離値を、横軸と平行に引いた線である。

図１４に示すように、積層位相差板３０１は、第１の位相差板３１０及び第２の位相差板３２０の各板厚が２４μｍ〜４７μｍの範囲で、累積乖離値が従来技術の積層位相差板を下回っており、従来技術の積層位相差板より高い偏光変換効率を得ていることが分かる。

積層位相差板３０１は、６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域において、従来技術の積層位相差板よりも高い偏光変換効率を得ることができる。上記の板厚の範囲の最適化では、二枚の位相板を概ね同等としたが、式（１）による二枚の板厚の最適化をこの板厚範囲の設定に組み合わせることにより更に６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域において高い偏光変換効率を得ることができる。
なお、第４の実施形態の積層位相差板３０１は、第１の実施形態の積層位相差板１と同様にＰＢＳ等の光学素子に用いられ、入射光が赤色波長帯（概ね６００ｎｍ〜７００ｎｍ）である場合に偏光変換効率が高く、好適である。

なお、第１〜第４の実施形態の説明において積層位相差板１，１０１，２０１，３０１の用途としてＰＢＳを例示したが、これに限定するものではなく、例えば図９に示すクロスプリズム５９０の近くに設置される位相板５７２あるいは位相板５７３等に用いてもよい。

積層位相差板の偏光の説明図。 積層位相差板の光学軸方位の説明図。 ポアンカレ球を示す図。 ポアンカレ球をＳ３軸方向から示した図。 ポアンカレ球の赤道面の偏光を直線上に示した図。 本発明の好適な二枚の位相板の板厚の組み合わせを示すグラフ。 本発明の好適な二枚の位相板の板厚の組み合わせとの比較例を示すグラフ。 本発明の実施形態における累積乖離値を説明するグラフ。 第１の実施形態における積層位相差板と従来技術の積層位相差板との累積乖離値を比較したグラフ。 積層位相差板を備えたＰＢＳの要部構成図。 積層位相差板を備えた投射型映像装置の要部構成図。 第２の実施形態における積層位相差板と従来技術の積層位相差板との累積乖離値を比較したグラフ。 第３の実施形態における積層位相差板と従来技術の積層位相差板との累積乖離値を比較したグラフ。 第４の実施形態における積層位相差板と従来技術の積層位相差板との累積乖離値を比較したグラフ。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１…積層位相差板、２…ＰＢＳ、１０，１１０，２１０，３１０…第１の位相差板、１１，１２，２１…光学軸、１３，１４…振動面、２０，１２０，２２０，３２０…第２の位相差板、３０，４０…直線偏光、５０…プリズムアレイ、５１…プリズム、５２…偏光分離膜、５３…第１の経路、５４…第２の経路、５５…乖離値、５６…乖離範囲、６０，１６０，２６０，３６０…曲線、７０，１７０，２７０，３７０…直線、５０１…ランプ、５０２…光源、５１１…リフレクタ、５３１，５３２，５３３，５３４…マルチレンズ、５４０，５４１…偏光変換素子、５７２，５７３…位相板、５９０…クロスプリズム、Ｏ…中心、Ｒ１，Ｒ２…回転軸、Ｔ１，Ｔ２…板厚、Γａ，Γｂ，ΔΓ…位相差、ΔΓａ，ΔΓｂ…ずれ量、θａ…第１の位相差板の光学軸方位角、θｂ…第２の位相差板の光学軸方位角。

Claims (6)

1. 複数の水晶板をそれぞれ第１の位相差板と第２の位相差板とし、前記第１の位相差板と前記第２の位相差板とを貼り合わせた積層位相差板であって、
   前記第１の位相差板の光学軸方位角θａと前記第２の位相差板の光学軸方位角θｂとがθｂ＝θａ＋α、０°＜θａ＜４５°、４０°＜α＜５０°の関係であり、且つ
   前記第１の位相差板の位相差Γａと、前記位相差Γａの設計目標値とのずれ量ΔΓａと、前記第２の位相差板の位相差Γｂと、前記位相差Γｂの設計目標値とのずれ量ΔΓｂとがΓａ＝１８０°Γｂ＝１８０°であり、下記の式（１）であることを特徴とする積層位相差板。
   

   
2. 前記第１の位相差板の板厚が２４μｍ〜３１μｍの範囲であり、且つ前記第２の位相差板の板厚が２４μｍ〜３１μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の積層位相差板。
3. 前記第１の位相差板の板厚が２１μｍ〜２６μｍの範囲であり、且つ前記第２の位相差板の板厚が２１μｍ〜２６μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の積層位相差板。
4. 前記第１の位相差板の板厚が２５μｍ〜３５μｍの範囲であり、且つ前記第２の位相差板の板厚が２５μｍ〜３５μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の積層位相差板。
5. 前記第１の位相差板の板厚が２４μｍ〜４７μｍの範囲であり、且つ前記第２の位相差板の板厚が２４μｍ〜４７μｍの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の積層位相差板。
6. 投射型映像装置であって、
   請求項２乃至請求項５のいずれか一項に記載の積層位相差板を用いていることを特徴とする投射型映像装置。

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