JP2009092714A - 偏光方向変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易的な構成で、配置している入射光の進行方向に対して垂直方向の回転角によらずに入射する偏光の偏光方向を特定の方向に変換できる偏光方向変換素子を提供することを目的とする。
【解決手段】入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を提供する。
【選択図】図１Ｂ

Description

本発明は、偏光の偏光方向を変換する偏光方向変換素子に係り、特に、入射光の進行方向に対して垂直方向の回転角によらずに入射する偏光の偏光方向を特定の方向に変換できる偏光方向変換素子に関する。

今日、カメラ、顕微鏡、投影装置や光信号処理など多くの分野において、偏光の偏光方向を変換する素子や技術が用いられている。例えば、偏光の偏光方向を変換する素子としては、波長板が挙げられる。波長板の中でも１／２波長板（λ／２板とも言う）は、光の直交している偏光成分間の位相差を半波長（λ／２）分与えることができ、光学分野において頻繁に用いられている。

図８は、入射光の直線偏光の偏光方向を変換する一般的な１／２波長板を用いている構成を模式的に示している。
図８では、１／２波長板８０の光軸（双方向の矢印）が入射する偏光の偏向方向（双方向の矢印）に対してπ／４になるように１／２波長板８０を配置している。そして、入射する偏光が１／２波長板８０を通過することで入射する偏光の直交している偏光成分間の位相差が半波長（λ／２）分与えられ偏光方向が変換され、その結果、偏光方向が変換された射出光の偏光方向（双方向の矢印）は、入射光の偏光方向に対してπ／２回転される。ここで、特定の時間だけ１／２波長板８０を用いて偏光の偏光方向を変換する場合には、その偏光を変換したい時間に応じて光路中に１／２波長板８０を出し入れする必要があるだけでなく、１／２波長板８０の光軸が入射光の進行方向に対して必ずπ／４となるように１／２波長板８０を制御する必要がある。

また、特定の時間だけ１／２波長板を用いて偏光の偏光方向を変換するために透明フィルムと１／２波長板を含む光学部材を回転させるという方法を採用する場合、その１／２波長板を透過した射出光の偏光方向が、回転させた角度の２倍分の偏光方向になってしまうという問題がある。したがって、特定の時間だけ１／２波長板を用いて入射光の偏光方向を変換をする場合には、１／２波長板を回転させるような回転機構を用いることができず、特定の時間に応じて直線的な動作による１／２波長板の出し入れをしなければならない。しかしながら、偏光の偏光方向の素早い変換が必要な用途に対して、この直線的な動作による１／２波長板の出し入れを行い偏光方向を変換させる場合には、１／２波長板の出し入れにともなって大きなノイズや振動を発生させてしまうと言う問題がある。

なお、特許文献１では、非常に大きなリターデーションを有する２枚の波長板を特定の角度で貼り合わせることで、所定の波長に対して１／４波長板として機能する偏光方向変換素子を開示している。このような偏光方向変換素子を用いることで直線偏光を円偏光に変化させることができる。この特許文献１の記載する偏光方向変換素子は、所定の波長に対して１／４波長板の効果を得るための素子における製造上の問題を解決しようとするものである。
特開２００７−８６１０５公報

簡易的な構成で、配置している入射光の進行方向に対して垂直方向の回転角によらずに入射する偏光の偏光方向を特定の方向に変換できる偏光方向変換素子を提供することを目的とする。

本発明の第１の観点としては、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成されていることを特徴とする偏光方向変換素子を提供する。
本発明の第２の観点としては、第１の観点に記載の偏光方向変換素子において、偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板の光軸とが互いに任意の角度異なっていることを特徴とする偏光方向変換素子を提供する。

本発明の第３の観点としては、第２の観点に記載の偏光方向変換素子において、任意の角度が光の偏光方向を変換する角度の半分であることを特徴とする偏光方向変換素子を提供する。

本発明の第４の観点としては、第２の観点に記載の偏光方向変換素子において、任意の角度がπ／４であることを特徴とする偏光方向変換素子を提供する。
本発明の第５の観点としては、第２の観点に記載の偏光方向変換素子において、回転されることを特徴とする偏光方向変換素子を提供する。

本発明の第６の観点としては、第２の観点に記載の偏光方向変換素子において、偶数枚の１／２波長板のうち偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板が個別に設けられており、偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板とを共に回転させ、双方の１／２波長板の回転速度を一定にすることで任意の角度異なっていることを特徴とする偏光方向変換素子を提供する。

本発明の第７の観点としては、第１の観点に記載の偏光方向変換素子において、１／２波長板が波長選択性を有することを特徴とする偏光方向変換素子を提供する。
本発明の第８の観点としては、第１の観点に記載の偏光方向変換素子において、１／２波長板が構造性複屈折する性質を有することを特徴とする偏光方向変換素子を提供する。

本発明の第９の観点としては、第１の観点に記載の偏光方向変換素子において、１／２波長板が光学結晶もしくは高分子膜によって構成されていることを特徴とする偏光方向変換素子を提供する。

本発明の第１０の観点としては、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成されている偏光方向変換素子を一部に含むことを特徴とする光学部材を提供する。

本発明の第１１の観点としては、第１０の観点に記載の光学部材において、回転されることを特徴とする光学部材を提供する。
本発明の第１２の観点としては、第１０の観点に記載の光学部材において、透明フィルタを含むことを特徴とする光学部材を提供する。

本発明の第１３の観点としては、光を発する光源と、光源から発した光の偏光方向を変換するために入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成されている偏光方向変換素子と、偏光方向変換素子を透過した光を投影するための投影レンズと、を含むことを特徴とする投影装置を提供する。

本発明の第１４の観点としては、第１３の観点に記載の投影装置において、偏光方向変換素子において、偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板の光軸とが互いに任意の角度異なっていることを特徴とする投影装置を提供する。

本発明の第１５の観点としては、第１３の観点に記載の投影装置において、偏光方向変換素子が回転可能であることを特徴とする投影装置を提供する。
本発明の第１６の観点としては、第１３の観点に記載の投影装置において、光学部材の一部に偏光方向変換素子を含むことを特徴とする投影装置を提供する。

本発明の第１７の観点としては、第１４の観点に記載の投影装置において、偶数枚の１／２波長板のうち偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板が個別に設けられており、偏光方向変換素子において、偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板とを共に回転させ、双方の１／２波長板の回転速度を一定にすることで任意の角度異なっていることを特徴とする投影装置を提供する。

本発明の第１８の観点としては、光の直交している偏光成分間の位相差を与える波長板と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材を併用することで直線偏光の方向を変換することを特徴とする偏光方向変換手段を提供する。

本発明の第１９の観点としては、光の直交している偏光成分間の位相差を与える波長板と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材を併用することで直線偏光を円偏光に変換する、もしくは、円偏光を直線偏光、逆回りの円偏光、楕円偏光に変換することを特徴とする偏光方向変換手段を提供する。

本発明の第２０の観点としては、第１８または第１９の観点に記載の偏光方向変換手段において、波長板が１／４波長板であることを特徴とする偏光方向変換手段を提供する。
本発明の第２１の観点としては、光の直交している偏光成分間の位相差を与える波長板と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材を併用することで直線偏光を楕円偏光に変換するあるいは円偏光を楕円偏光に変換する、もしくは、楕円偏光を直線偏光、円偏光、逆回りの楕円偏光に変換する、ことを特徴とする偏光方向変換手段を提供する。

本発明の第２２の観点としては、光の偏光方向に基づいて光を透過／反射する偏光方向透過／反射部材と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材併用することで光の進行する経路を変えることを特徴とする光経路変更手段を提供する。

本発明の第２３の観点としては、第２２の観点に記載の光経路変更手段において、偏光方向透過／反射部材がＰＢＳ(Polarizing Beam Splitter)もしくはワイヤーグリッド偏光子であることを特徴とする光経路変更手段を提供する。

本発明の第２４の観点としては、第２２の観点に記載の光経路変更手段において、偏光方向変換素子における偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板の光軸とが互いに任意の角度異なっていることを特徴とする光経路変更手段を提供する。

本発明の第２５の観点としては、特定の偏光方向の光のみを透過し、それ以外の偏光方向の光を遮光する偏光板と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材を併用することで光の透過および遮光を制御することを特徴とする光透過／遮光制御手段を提供する。

本発明の第２６の観点としては、第２５の観点に記載の光透過／遮光制御手段において、偏光方向変換素子における偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板の光軸とが互いに任意の角度異なっていることを特徴とする光透過／遮光制御手段を提供する。

本発明によれば、簡易的な構成で、配置している入射光の進行方向に対して垂直方向の回転角によらずに入射する偏光の偏光方向を特定の方向に変換することができる。そして、この偏光方向変換素子を用いることで、偏光の偏光方向の素早い変換が必要な用途に対して従来よりも素早く偏光の偏光方向を変換することができる。

また、偏光方向変換素子と波長板やＰＢＳ(Polarizing Beam Splitter)や偏光板を組み合わせることで、偏光の種類の変換、偏光の光路の切り替え、偏光の透過／遮断の制御をすることなどができる。

本発明の偏光方向変換素子は、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される。以下に、本発明の偏光方向変換素子の実施の形態を説明をする。
本発明の偏光方向変換素子の実施の形態では、例として、１／２波長板を２枚組み合わせた偏光方向変換素子について述べる。

図１Ａは、１／２波長板を２枚組み合わせてなる偏光方向変換素子の構成を示している。
偏光方向変換素子１０は、第１の１／２波長板１１と第２の１／２波長板１２を組み合わせて構成されている。ここでの第１の１／２波長板１１と第２の１／２波長板１２は、それぞれ１／２波長板の光軸（双方向の矢印）が互いにπ／４をなすように組み合わせられている。この偏光方向変換素子１０は、接合されていても、接合されていなくともよい。

図１Ｂは、図１Ａで示した偏光方向変換素子を用いることで入射する直線偏光の偏光方向をπ／２変換することを示している。
図１Ｂでは、図１Ａで示した偏光方向変換素子１０の第１の１／２波長板１１を、入射光の進行方向に対して垂直方向の任意の回転角（図１Ｂにおけるｘｙ平面方向の回転角）で配置している。このようにすることで、偏光方向変換素子１０の第１の１／２波長板１１と第２の１／２波長板１２を透過した射出光は、入射する偏光の直交している偏光成分間の位相差が半波長（λ／２）分与えられ偏光方向がπ／２変換される。すなわち、図１Ｂでは、水平方向の偏光方向を有している直線偏光が、偏光方向変換素子１０を透過することで鉛直方向の偏光方向を有する直線偏光に変換される。

以下に図１Ａで示した偏光方向変換素子１０を用いることで入射光の偏光方向がπ／２変換する原理を説明する。
一般に、いくつかの波長板を透過した光の偏光の方向がどのように変化するかを表現する場合には、以下のようなジョーンズ行列が用いられる。

ここで、θは波長板の方位角（すなわち、入射光の進行方向に対して垂直方向の回転角）であり、δｃは波長板の位相角（すなわち、入射する偏光の直交している偏光成分間に位相差を与える量）である。

本実施形態では、１／２波長板を用いているので、位相角δｃ＝πとなる。したがって、第１の１／２波長板１１のジョーンズ行列は、

となる。これが、第１の１／２波長板１１のジョーンズ行列である。
ここで、入射光の偏光のジョーンズベクトルを

すると、第１の１／２波長板１１による作用を、

と表すことができる。
ここで、従来では、１つの１／２波長板を入射光の偏光方向に対してその光軸がπ／４になるように設けているので方位角θはπ／４となる。また、入射光の偏光方向が、図１Ｂで示しているようにｘ軸方向に一致しているとすると、入射光の偏光方向のジョーンズベクトルを

として表すことができる。したがって、［数３］は、

となり、入射光の偏光方向がｘ軸方向からｙ軸方向へ変換される。つまり、１つの１／２波長板の光軸を入射光の偏光方向に対してπ／４となるように配置すると、入射光の偏光方向がπ／２変換される。

次に、第２の１／２波長板１２のジョーンズ行列を求める。
第２の１／２波長板１２は、第１の１／２波長板１１に対して光軸方向が互いにπ／４異なるように配置されている。したがって、第１の１／２波長板１１の方位角をθとしたので、第２の１／２波長板１２の方位角は、［数１］の方位角θをθ＋π／４として表すことができ、位相角δｃ＝πとして第２の１／２波長板１２のジョーンズ行列を求めると、

となる。これが、第２の１／２波長板１２のジョーンズ行列である。
ここで図１Ａの偏光方向変換素子１０では、第１の１／２波長板１１と第２の１／２波長板１２を組み合わせているので、第１のジョーンズ行列と第２のジョーンズ行列を積算する。このようにすることで、図１Ａの偏光方向変換素子１０のジョーンズ行列が求められる。

したがって、図１Ａの偏光方向変換素子１０のジョーンズ行列は、

となる。この図１Ａの偏光方向変換素子１０のジョーンズ行列は、方位角θに依存せず一定となる。したがって、図１Ａの偏光方向変換素子１０を入射光の偏光方向に対してどの方位角になるように配置しても同じ作用を得ることができる。

また、入射光の偏光のジョーンズベクトルを

すると、図１Ａの偏光方向変換素子１０による作用を、

と表すことができる。そして、入射光の偏光方向が図１Ｂで示しているようにｘ軸方向に一致しているとすると、入射光の偏光方向のジョーンズベクトルを

として表すことができる。したがって、［数７］は、

となり、入射光の偏光方向がｘ軸方向からｙ軸方向へ変換される。つまり、図１Ａの偏光方向変換素子を入射光の偏光方向に対してどの方位角θに配置しても、入射光の偏光方向をπ／２変換することができる。

このような結果より、図１Ａの偏光方向変換素子１０を入射光の進行方向と略垂直になる方向に回転させても、常に、入射光の偏光方向をπ／２変換させることができる。
次に、図２Ａを参照して、ポアンカレ球表示で、再度、本実施形態の図１Ａの偏光方向変換素子１０の作用を説明する。

図２Ａは、図１Ａの偏光方向変換素子のポアンカレ球表示における赤道面での平面図を模式的に示している。
図２Ａでは、点Ｐにおいて、入射光の偏光方向を水平方向（すなわち、図１Ｂにおけるｘ軸方向）の直線偏光として示している。

また、点Ｑにおいて、実空間では、偏光方向変換素子の第１の１／２波長板１１の光軸が入射光の偏光方向に対して方位角θ傾くように第１の１／２波長板を配置している。なお、ポアンカレ球表示では、第１の１／２波長板１１の光軸は、入射光（点Ｐ）の軸に対して２θの角度を有する点として示される。

そして、点Ｓにおいて、実空間では、偏光方向変換素子の第２の１／２波長板１２の光軸が第１の１／２波長板１１の光軸と方位角π／４なすように第２の１／２波長板１２を配置している。なお、ポアンカレ球表示では、第２の１／２波長板１２の光軸は第１の１／２波長板１１の光軸に対してπ／２の角度を有する点として示される。すなわち、ポアンカレ球表示では、偏光方向変換素子１０の第２の１／２波長板１２の光軸が、入射光（点Ｐ）の軸に対してπ／２＋２θの角度を有するように示される。

ここで、点Ｐにおいて偏光方向が水平な入射光が、点Ｑにおける、実空間で方位角θ傾いている偏光方向変換素子の第１の１／２波長板の光軸を通過すると、ポアンカレ球上では第１の１／２波長板の作用により、∠ＰＯＱ＝∠ＱＯＲ＝２θとなるように、入射光の偏光方向が点Ｒでの偏光方向に変換される。

次に、点Ｒにおける偏光方向に変換された入射光は、実空間で第１の１／２波長板の光軸に対してπ／４なすように配置されている第２の１／２波長板の光軸を通過することで、ポアンカレ球上では、第２の１／２波長板の作用により、∠ＲＯＳ＝∠ＳＯＴ＝π／２−２θとなるように入射光の偏光方向が点Ｔにおける偏光方向に変換される。

ポアンカレ球表示における点Ｔは、入射光の偏光方向と直交する方向（すなわち、図１Ｂにおけるｙ軸方向）の直線偏光なので、入射光の直線偏光の偏光方向は、図１Ａの偏光方向変換素子１０によってπ／２回転されることになる。

図１Ａの偏光方向変換素子１０の構成によれば、ポアンカレ球表示において∠ＰＯＱ＋∠ＱＯＲ＋∠ＲＯＳ＋∠ＳＯＴ＝πとなる。結果、図１Ａの偏光方向変換素子１０によって、偏光方向変換素子１０の方位角θによらず入射光の直線偏光の偏光方向がπ／２変換される。

したがって、このような偏光方向変換素子の構成をすることで、偏光方向変換素子の方位角に関係なく、入射光の偏光方向と直交する直線偏光を得ることができる。その結果、従来の１枚の１／２波長板では必要であった方位角をπ／４としなければならない調整が不要となり、偏光方向変換素子を入射光の進行方向に対して垂直方向に回転させて、常に入射光の偏向方向をπ／２変換する作用を得ることができる。

上記の結果から、同様に１／２波長板を偶数枚含み、偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板の光軸とが互いに任意の角度異なり、偶数枚の１／２波長板の光軸の違いの総和がπ／４なるように構成されることで本実施形態の入射光の偏向方向をπ／２変換する偏光方向変換素子の作用を達成することができる。

次に、図２Ａの一般化した例として、図２Ｂを参照して、図１Ａの偏光方向変換素子１０の第２の１／２波長板１２の光軸が、実空間において、第１の１／２波長板１１の光軸と方位角αなすように２つの１／２波長板を配置している例を説明する。

図２Ｂは、偏光方向変換素子１０の第２の１／２波長板１２の光軸が、実空間において、第１の１／２波長板１１の光軸とαなすように第２の１／２波長板１２を配置している偏光方向変換素子１０のポアンカレ球表示における赤道面での平面図を模式的に示している。

図２Ｂでも、点Ｐにおいて、入射光の偏光方向を水平方向（すなわち、図１Ｂにおけるｘ軸方向）の直線偏光として示している。
点Ｑも図２Ａと同様に、実空間で、偏光方向変換素子１０の第１の１／２波長板１１の光軸が入射光の偏光方向に対して方位角θ傾くように第１の１／２波長板１１を配置している。なお、ポアンカレ球表示では、第１の１／２波長板１１の光軸は、入射光（点Ｐ）の軸に対して２θの角度を有する点として示される。

そして、点Ｓ’において、偏光方向変換素子１０の第２の１／２波長板１２の光軸が、実空間において、第１の１／２波長板１１の光軸と方位角αなすように第２の１／２波長板１２を配置している。なお、ポアンカレ球表示では、第２の１／２波長板１２の光軸は第１の１／２波長板１１の光軸に対して２αの角度を有する点として示される。すなわち、ポアンカレ球表示では、偏光方向変換素子１０の第２の１／２波長板１２の光軸が、入射光（点Ｐ）の軸に対して２α＋２θ傾くように配置しているように示される。

点Ｐにおいて偏光方向の水平な入射光が、点Ｑにおける、実空間で方位角θ傾いている偏光方向変換素子１０の第１の１／２波長板１１の光軸を通過すると、ポアンカレ球上では、図２Ａと同様に第１の１／２波長板１１の作用により、∠ＰＯＱ＝∠ＱＯＲ＝２θとなるように入射光の偏光方向が点Ｒでの偏光方向に変換される。

次に、点Ｒにおける偏光方向に変換された入射光は、実空間で第１の１／２波長板１１の光軸に対して方位角αなすように配置されている第２の１／２波長板１２の光軸を通過することで、ポアンカレ球上で第２の１／２波長板１２の作用により、∠ＲＯＳ＝∠ＳＯＴ＝２α−２θとなるように、入射光の偏光方向が点Ｔ’における偏光方向に変換される。

ポアンカレ球表示における点Ｔ’では、実空間の入射光の直線偏光の偏光方向が、図１Ａの偏光方向変換素子１０によって２α回転されることに等しい。
図２Ｂの偏光方向変換素子１０の構成によれば、∠ＰＯＱ＋∠ＱＯＲ＋∠ＲＯＳ＋∠ＳＯＴ＝４αとなる。結果、この偏光方向変換素子１０によって、方位角θによらず入射光の直線偏光の偏光方向が２α変換される。

したがって、このような偏光方向変換素子１０の構成をすることで、偏光方向変換素子１０の方位角θに関係なく、偏光方向変換素子１０を入射光の進行方向に対して垂直方向に回転させて、常に入射光の偏向方向を２α変換する作用を得ることができる。例えば、入射光の偏向方向をπ／４変換したければ、偏光方向変換素子の第２の１／２波長板１２の光軸が第１の１／２波長板１１の光軸とπ／８なすように偏光方向変換素子１０の第２の１／２波長板１２を配置すればよい。

上記の説明から、同様に１／２波長板を偶数枚含み、偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板の光軸とが互いに任意の角度異なり、偶数枚の１／２波長板の光軸の違いの総和が、所望の角度の半分異なるように構成されることで、本実施形態の入射光の偏向方向を所望の角度変換する偏光方向変換素子の作用を達成することができる。

また、上記のような原理より、偶数枚の１／２波長板のうち偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板が個別に設けられており、偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板とを共に回転させ、双方の１／２波長板の回転速度を一定にすることで任意の角度異なるようにして、入射光の偏光方向を所望の角度だけ変換することもできる。

次に、図３を参照して上述の偏光方向変換素子を回転可能な回転光学部材の一部として用いた例を挙げる。なお、上述したように本実施形態の偏光方向変換素子を回転させてもその作用は常に保たれる。

図３は、回転光学部材の一部に上述の偏光方向変換素子を用いた例を示している。
図３における回転光学部材３０は、円盤状であり、その円盤状の一部として偏光方向変換素子１０を備えている。図３では、左半分を複屈折性のない光学部材として、例えば透明フィルタ３１で構成しており、一方で右半分を本実施形態の偏光方向変換素子１０で構成している。光束が複屈折性のない透明フィルタ３１に入射するときは、射出光の偏光方向は入射光の偏光方向を維持する。一方で、この円盤状の回転光学部材３０を回転させることで、光束を上述したような偶数枚含む１／２波長板を所定の角度で組み合わせている偏光方向変換素子１０に入射するときは、射出光の偏光方向が入射光の偏光方向から変換される。このように、回転光学部材３０を回転させることで射出光の偏光方向を自由に切り替えることができる。これによって、従来技術で問題になっている偏光の振動面の問題を克服することができる。

なお、図３に示している回転方向は、特にこの方向に限定するものではなく、回転光学部材３０が透明フィルタ３１や偏光方向変換素子１０の平面方向に回転することを例示するために描いている。また、光学部材のフィルタなどの区分けする数などもこれに限定するものではない。

図４Ａ、図４Ｂ、図４Ｃ、図５では、本実施形態の偏光方向変換素子を含む図３の回転光学部材３０を用いた入射光の偏光方向の変換を模式的に示している。
図４Ａは、図３の回転光学部材を用いて、入射する直線偏光を円偏光に変換する例を示している。

図４Ａでは、図３の回転光学部材３０において、入射光の偏光方向をπ／４だけ変換する構成をした偏光方向変換素子１０ａを用いている。すなわち、偏光方向変換素子１０ａの第２の１／２波長板の光軸が第１の１／２波長板の光軸とπ／８なすように偏光方向変換素子の第２の１／２波長板を配置した構成の偏光方向変換素子１０ａを用いている。

また、回転光学部材３０を透過した後段の光路上にλ／４板４１を配置している。
以下に、図４Ａで示している入射光の偏光方向を変換する過程を説明する。
図４Ａでは、入射光の偏光方向が水平方向の直線偏光である場合を想定する。

入射光が回転光学部材３０の透明フィルタ３１を透過する場合は、入射光の偏光方向が保たれる。そして、回転光学部材３０の後段のλ／４板４１の光軸を水平方向として入射光の偏光方向と一致させておくことでλ／４板を透過した光は、入射光の偏光方向を保ったまま（すなわち、水平方向）のまま射出される。

一方で、入射光が偏光方向変換素子１０ａを透過する場合は、入射光の水平方向の直線偏光が上述の原理よりπ／４変換される。そして、回転光学部材３０の後段のλ／４板４１の光軸を水平方向として入射光の偏光方向と一致させておくことでλ／４板４１を透過した光は、右回りの円偏光に変換されて射出される。したがって、偏光方向変換素子１０ａを透過させることで、入射光を直線偏光から円偏光に変換することができる。

このように回転光学部材３０を回転させることで透明フィルタ３１もしくは偏光方向変換素子１０ａのどちらを光路上に配置するかを切り替えることができ、λ／４板４１と組み合わせることで、直線偏光の入射光を従来よりも素早く簡易的に円偏光に切り替えることができる。これは、本実施形態の偏光方向変換素子１０ａが、入射光の偏光方向に対して配置されている方位角θに依存せずに常に同様の偏光方向を変換する作用を得ることが可能となることによって実現される。また、λ／４板４１の光軸の方向を変えることにより、左回りの円偏光を得ることもできる。

図４Ｂは、図３の回転光学部材を用いて、入射する円偏光を反対回りの円偏光や直線偏光に変換する例を示している。
図４Ｂでは、図４Ａと同様に、図３の回転光学部材３０において、入射光の偏光方向をπ／４だけ変換する構成をした偏光方向変換素子１０ａを用いている。すなわち、偏光方向変換素子１０ａの第２の１／２波長板の光軸が第１の１／２波長板の光軸とπ／８なすように偏光方向変換素子の第２の１／２波長板を配置した構成の偏光方向変換素子１０ａを用いている。

また、回転光学部材３０を透過する前段の光路上に第１のλ／４板４２を、回転光学部材３０を透過した後段の光路上にλ／４板４３を配置している。
以下に、図４Ｂで示している入射光の偏光方向を変換する過程を説明する。

図４Ｂでは、入射光の偏光方向が右回りの円偏光である場合を想定する。
入射光は、水平方向に対して３π／４傾いた光軸を有するように配置された第１のλ／４板４２を透過することで、右回りの円偏光から光の進行方向と鉛直をなす直線偏光に変換される。

そして、入射光が回転光学部材３０の透明フィルタ３１を透過する場合は、入射光の偏光方向が保たれ、直線偏光の偏光方向が維持される。そして、回転光学部材３０の後段の第２のλ／４板４３の光軸と、回転光学部材３０の前段の第１のλ／４板４２の光軸を一致させておくことで第２のλ／４板４３を透過した光は、光の進行方向と鉛直をなす直線偏光から左回りの円偏光に変換されて射出される。

一方で、入射光が偏光方向変換素子１０ａを透過する場合は、入射光の鉛直方向の直線偏光が上述の原理よりπ／４変換される。そして、第２のλ／４板４３の光軸を第１のλ／４板４２の光軸と一致させておくことで第２のλ／４板４３を透過した光は、偏光方向変換素子１０ａを透過した時の光の偏光方向が保たれ、その直線偏光の偏光方向が維持される。

したがって、偏光方向変換素子１０ａを透過させることで、入射光を円偏光から直線偏光に変換することができる。
このように回転光学部材３０を回転させることで透明フィルタ３１もしくは偏光方向変換素子１０ａのどちらを光路上に配置するかを切り替えることができ、いくつかのλ／４波長板と組み合わせることで、円偏光の入射光を従来よりも素早く簡易的に直線偏光に切り替えることができる。

図４Ｃは、図３の回転光学部材を用いて、入射する円偏光を反対回りの円偏光に変換する例を示している。
図４Ｃでは、図４Ａとは異なり、図３の回転光学部材３０において、入射光の偏光方向をπ／２だけ変換する構成をした偏光方向変換素子１０ｂを用いている。すなわち、偏光方向変換素子１０ｂの第２の１／２波長板の光軸が第１の１／２波長板の光軸とπ／４なすように第２の１／２波長板を配置した構成の偏光方向変換素子１０ｂを用いている。

また、回転光学部材３０を透過する前段の光路上に第１のλ／４板４４を、回転光学部材３０を透過した後段の光路上にλ／４板４５を配置している。
以下に、図４Ｃで示している入射光の偏光方向を変換する過程を説明する。

図４Ｃでは、入射光の偏光方向が右回りの円偏光である場合を想定する。
入射光は、水平方向に対して３π／４傾いた光軸を有するように配置された第１のλ／４板４４を透過することで、右回りの円偏光から光の進行方向と鉛直をなす直線偏光に変換される。

そして、入射光が回転光学部材３０の透明フィルタ３１を透過する場合は、入射光の偏光方向が保たれ、直線偏光の偏光方向が維持される。そして、回転光学部材３０の後段の第２のλ／４板４５の光軸と、回転光学部材３０の前段の第１のλ／４板４４の光軸を直交するような関係にさせておくことで第２のλ／４板４５を透過した光は、光の進行方向と鉛直をなす直線偏光から右回りの円偏光に変換されて射出される。このようにすることで、最初の入射光の右回りの円偏光の偏光方向が維持されて射出される。

一方で、入射光が偏光方向変換素子１０ｂを透過する場合は、入射光の鉛直方向の直線偏光が上述の原理よりπ／２変換され、水平方向の直線偏光となる。そして、第２のλ／４板４５の光軸を第１のλ／４板４４の光軸と直交させておくことで第２のλ／４板４５を透過した光は、偏光方向変換素子１０ｂを透過した時の入射光の鉛直方向の直線偏光から左回りの円偏光となる。

したがって、偏光方向変換素子１０ｂを透過させることで、入射光を異なる方向の円偏光の方向に変換することができる。
このように回転光学部材３０を回転させることで透明フィルタ３１もしくは偏光方向変換素子１０ｂのどちらを光路上に配置するかを切り替えることができ、いくつかのλ／４波長板と組み合わせることで、入射光の円偏光の方向を従来よりも素早く簡易的に切り替えることができる。

なお、適切な波長板を用いることで直線偏光を楕円偏光に変換したり、楕円偏光を直線偏光にしたりすることもできる。
以上より、波長板と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を上述の偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材を併用することで直線偏光の方向を変換すること、直線偏光を円偏光に変換すること、もしくは、円偏光を直線偏光、逆回りの円偏光、楕円偏光に変換すること、直線偏光を楕円偏光に変換するあるいは円偏光を楕円偏光に変換すること、もしくは、楕円偏光を直線偏光、円偏光、逆回りの楕円偏光に変換することができる。

次に、図５を参照して本実施の形態の偏光方向変換素子を光路中に複数配置することで適宜所望の角度分だけ直線偏光の偏光方向を変換することができることを説明する。
図５は、複数の偏光方向変換素子を用いて入射光の偏光方向を所望の角度に変換する構成を示している。

図５における入射光の偏光方向を鉛直方向とすると、第１の偏光方向変換素子１０ｃで直線偏光の偏光方向をφ１だけ傾ける。そして、φ１だけ傾いた直線偏光が第２の偏光方向変換素子１０ｄを透過することで、さらに直線偏光の偏光方向がφ２傾き、全体として入射光の直線偏光は、初期の鉛直方向からφ１＋φ２だけ偏光方向が傾くことになる。このように、複数の偏光方向変換素子を用いることで入射光の偏光方向を所望の角度に変換することができる。

以上をふまえて、この偏光方向変換素子を複数用いて適宜所望の角度分だけ直線偏光の偏光方向を変換することができる。言い換えれば、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される。

また、上述の回転光学部材を構成するフィルタや偏光方向変換素子の数、フィルタや偏光方向変換素子の形状、各フィルタや偏光方向変換素子の特性、回転光学部材におけるフィルタや偏光方向変換素子の配置、フィルタや偏光方向変換素子の切り替え方式（回転方式やスライド方式）、回転光学部材自体の形態などは、それぞれ適宜選択すること、あるいは、変更することが可能である。例えば、透明フィルタの他に、青色フィルタ、緑色フィルタ、赤色フィルタ、偏光板フィルタ、および偏光方向変換素子の６つで回転光学部材を構成してもよい。そして、回転光学部材は、円盤状の形態をとらずとも偏光方向変換素子が配置されている方位角に依存せず入射光に対して所望の角度に変換した偏光方向の偏光を得ることができる。これらの結果より、投影装置などの光学部材の配置調整が大幅に簡易化される。

なお、本実施形態の偏光方向変換素子を用いる１／２波長板は、単純な構成のものに限らず、広帯域の１／２波長板、特定の波長帯域にのみに作用する１／２波長板であってもよい。そして、１／２波長板を光学結晶、高分子膜で構成してもよい。また、構造性複屈折の性質を有する１／２波長板を用いてもよい。

このような本実施形態で記載した偏光方向変換素子は、投影装置、光通信機器、光スイッチング手段として、多義の分野にわたって用いることができる。
例えば、図６を参照して本実施形態の偏光方向変換素子を用いた２板式投影装置の構成と投影原理について説明する。

図６は、本実施形態の偏光方向変換素子を用いた２板式投影装置の簡易的な構成を示している。
この２板式投影装置１００は、光源１０１と、偏光変換部材１１６と、ロッドインテグレータ１０５と、波長選択性の本実施形態の偏光方向変換素子を含むカラーセレクトホイール１０６と、コリメータレンズ１０７と、ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム１１７と、ダイクロイックプリズム１１８と、２つの空間光変調器１１９と、不図示の空間光変調器を制御する制御回路と、偏光板１１３と、投影レンズ１１４とを含んで構成される。なお、図６では、空間光変調器１１９の例として、ミラーデバイス１１１，１１２を使用している。

光源１０１は、光を発する役割を果たす。本実施の形態では、水銀ランプ光源のような複数の波長および複数の偏光方向を含んでいる光を発する光源を用いるものとする。この光源１０１としては、単一波長で指向性が強く偏光特性を有しているようなレーザー光源、発光ダイオードなどを適宜用いてもよい。なお、光源１０１が複数のサブ光源から構成されていてもよい。

偏光変換部材１１６は、光源１０１から発した光を特定の偏光方向に変換する役割を果たす。本実施の形態では、偏光変換部材１１６を、Ｐ偏光とＳ偏光を分離するＰＢＳ面(Polarization Beam Splitter)を有するプリズム１０２と、プリズムに設けられた反射部１０３と、１／２波長板１０４で構成している。例えば、光源１０１から発した光は、Ｐ偏光とＳ偏光を分離するＰＢＳ面を有するプリズム１０２に入射する。ＰＢＳ面でＰ偏光の光はそのまま透過し、Ｓ偏光は反射する。透過したＰ偏光はプリズム射出部に設けられた１／２波長板１０４で偏光方向がπ／２回転されＳ偏光へと変換される。一方で、反射したＳ偏光の光は、プリズム１０２に設けられた反射部１０３、例えばミラー、により、Ｐ偏光の光と同一の方向へと射出される。

ロッドインテグレータ１０５は、光の照度の均一化を行う役割を果たす。ロッドインテグレータ１０５に入射した光は、内部で全反射を繰り返す。このことで、光の照度は均一になる。そして、照度が均一になった光は、ロッドインテグレータ１０５の射出面から射出される。

また、偏光変換部材１１６とロッドインテグレータ１０５の配置は、逆でもかまわない。
カラーセレクトホイール１０６は、図３で示されるような回転可能な回転光学部材３０ｅで構成され、波長選択的に光の偏光方向を変換する役割を果たす。好ましくは、回転光学部材３０ｅを、赤色の波長の光、緑色の波長の光、および青色の波長の光のいずれかの偏光方向のみを変換できる波長選択性の上述の偏光方向変換素子を少なくとも１つ含んで構成するとよい。本実施形態では、回転光学部材３０ｅを、青色に相当する各波長の光の偏光方向を変換することができる偏光方向変換素子１０ｅと、緑色に相当する各波長の光の偏光方向を変換することができる偏光方向変換素子１０ｆの２種類の偏光方向変換素子で構成している。

コリメータレンズ１０７は、入射する光を平行光とする役割を果たす。
ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム１１７は、第１プリズム１０８と第２プリズム１０９の２つの三角プリズムによって構成される。そして、第１プリズム１０８は、臨界角以上で入射する光を全反射する役割を果たす。そして、第２プリズム１０９は、臨界角以下で入射する光を透過する役割を果たす。このとき、第２プリズム１０９を透過する光がＰ偏光の場合は、第２プリズム１０９を透過する光がＳ偏向の場合よりも光の透過率が高くなる。このことは、小檜山光信著「光学薄膜の基礎理論」の図２．７臨界角に記載されている内容により裏付けられる。よって、投影される光の光量の損失を最小にするために、ＴＩＲプリズムの第２プリズム１０９を透過するＰ偏向の光をスクリーン１１５に投影するような光学構成とするとより良い。本明細書におけるＴＩＲプリズム１１７の代わりに一般的なミラーを用いてもよい。

ダイクロイックプリズム１１８は、ダイクロイックプリズム内における光の透過／反射面（例えば、ダイクロイック膜）１１０で、特定の波長の光のみを反射し、それ以外の波長の光を透過する光を分離および合成する役割を果たす。図６では、ＴＩＲプリズムの第１プリズム１０８で全反射された光の光路上に光の透過／反射面１１０を設けている。本明細書中では、このような光の波長に基づいて透過／反射する部材を波長透過／反射部材とよぶ。また、波長透過／反射部材として、２つのプリズムを接合して、各プリズムの接合面である光の透過／反射面にダイクロイックコーティングを施した部材を用いてもよい。さらに、ダイクロイックプリズム１１８の代わりにダイクロイックミラーを用いてもよい。なお、波長透過／選択部材、例えばダイクロイックプリズム１１８、を、逆に、特定の波長の光のみを反射し、それ以外の波長の光を透過するように構成することも可能である。

空間光変調器１１９は、入射した光を制御回路から受信した画像信号から生成された制御信号に基づいて変調する役割を果たす。空間光変調器１１９には、例えば、透過型のＬＣＤ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｄｅｖｉｃｅ）、反射型のＬＣＯＳ（Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）やミラーデバイスなどがあるが、これらに限定されない。図６の投影装置１００では、空間光変調器１１９としてミラーデバイス１１１，１１２を用いている。ミラーデバイス１１１，１１２は、反射型光学デバイスとして一般に知られているので、本明細書では説明を省略する。なお、この空間光変調器１１９を複数備えている投影装置は多板式投影装置と言うことができ、空間光変調器１１９を１つ備えている投影装置は単板式投影装置と言うことができる。図６の投影装置１００は、ミラーデバイスを２つ備えた多板式投影装置である。

不図示の空間光変調器１１９を制御する制御回路は、空間光変調器１１９の画像信号に基づいて生成した制御信号を送信し、空間光変調器１１９を構成しているそれぞれの光変調素子、例えばミラーデバイスを構成しているそれぞれのミラーや、液晶デバイスを構成している液晶の動作などを制御する役割を果たす。また、空間光変調器１１９と回転光学部材３０ｅの回転や回転光学部材に相当する部材をスライドさせることなどによって、偏光方向変換素子や透明フィルタや波長選択性の色フィルタなどを切り替える駆動タイミングを同期制御することもできる。なお、この空間光変調器１１９と回転光学部材３０ｅの駆動タイミングの同期制御は別の回路を備えて行うこともできる。

偏光板１１３は、特定の偏光方向を有する光のみを透過し、それ以外の偏光方向を有する光を反射、もしくは、除去する役割を果たす。
投影レンズ１１４は、スクリーン１１５にむけて偏光を拡大して投影する役割を果たす。

なお、スクリーン１１５は、偏光方向の揃った光を投影することで鮮明な画像が表示される偏光スクリーンを用いてもよい。
以上によって、図６の２板式投影装置１００は構成されている。

次に、図６の２板式投影装置１００を用いたカラー画像の投影原理を説明する。
光源１０１は、複数の波長および複数の偏光方向を含む光６１を発する。光源１０１からの光は、光を特定の偏光方向に変換する偏光変換部材１１６のＰ偏光とＳ偏光を分離するＰＢＳ(Polarization Beam Splitter)面を有するプリズム１０２に入射する。光６１は、プリズム１０２のＰＢＳ面でＰ偏光とＳ偏光が分離される。ここで、Ｐ偏光の光はＰＢＳ面を透過し、Ｓ偏光の光はＰＢＳ面で反射する。ＰＢＳ面を透過したＰ偏光は、プリズム１０２の射出部に設けられた１／２波長板１０４で偏光方向がπ／２回転され、Ｓ偏光６２へと変換される。一方、反射したＳ偏光の光６３は、プリズム１０２に設けられた反射部１０３、例えばミラー、により、Ｐ偏光の光と同一の方向へと射出される。このように偏光変換部材１１６を用いることで、光を特定の偏光方向にそろえることができる。本実施の形態では、偏光変換部材１１６で光源１０１からの光６１をＳ偏光の光６２，６３に変換している。

偏光変換部材１１６から射出されたＳ偏光の光６２，６３は、次にロッドインテグレータ１０５に入射する。そして、ロッドインテグレータ１０５に入射したＳ偏光の光６２，６３は、内部で全反射を繰り返す。これによって、Ｓ偏光の光６２，６３の照度は均一になる。そして、照度が均一になったＳ偏光の光６２，６３は、ロッドインテグレータ１０５の射出面から射出される。

ロッドインテグレータ１０５から射出されたＳ偏光の光６２，６３は、カラーセレクトホイール１０６に入射する。図６のカラーセレクトホイール１０６は、光の進行方向と垂直な面で回転可能な円形状の回転光学部材３０ｅを有する。そして、回転光学部材３０ｅは、赤色の波長の光、緑色の波長の光、および青色の波長の光のいずれか１つの光の偏光方向のみを変換できる波長選択性の図２で示される各偏光方向変換素子によって構成されている。図６では、青色の波長の光の偏光方向のみをＳ偏光からＰ偏光に変える偏光方向変換素子１０ｅと、緑色の波長の光の偏光方向のみをＳ偏光からＰ偏光に変える偏光方向変換素子１０ｆによって構成されている回転光学部材３０ｅを示している。さらに、図６では、この各波長選択性の偏光方向変換部材１０ｅ，１０ｆの回転、すなわち各波長選択性の偏光方向変換部材１０ｅ，１０ｆの切り替え、を上述の不図示の制御回路によってミラーデバイス１１１と同期制御している。

図６では、青色の波長の光の偏光方向のみをＳ偏光からＰ偏光に変える場合を示している。
カラーセレクトホイール１０６では、入射したＳ偏光のみの光６２，６３が、波長選択性の偏光方向変換素子１０ｅによって青色の波長の光の偏光方向のみがＳ偏光からＰ偏光に変えられる。すなわち、光の原色に基づくと、青色の波長の光はＰ偏光６５になり、赤色の波長の光６４および緑色の波長の光６６はＳ偏光を維持する。

青色の波長の光のみがＰ偏光となった光６４，６５，６６は、コリメータレンズ１０７を通過して平行光にされた後、ＴＩＲプリズムの第１プリズム１０８に臨界角以上で入射する。そして、第１プリズム１０８によってＰ偏光を含む光６４，６５，６６は、ダイクロイックプリズム１１８にむけて全反射される。なお、図６では、ダイクロイックプリズム１１８内の透過／反射面１１０を、赤色の波長の光を反射し、それ以外の波長の光を透過するような構成としている。

Ｐ偏光を含む光６４，６５，６６が入射したダイクロイックプリズム１１８では、その透過／反射面１１０でＰ偏光を含む光のうちの赤色の波長の光６４を反射し、それ以外の波長の光（すなわち青色の波長の光と緑色の波長の光）６５，６６を透過する。そして、Ｓ偏光の赤色の光６４がダイクロイックプリズム１１８の側面に設けられたミラーデバイス１１２に入射し、一方でＰ偏光の青色の波長の光６５とＳ偏光の緑色の波長の光６６もダイクロイックプリズム１１８の側面に設けられたもう片方のミラーデバイス１１１に入射する。

そして、各ミラーデバイス１１１，１１２は、不図示の制御回路から受信した各色の波長の光に対応する画像信号に基づいて生成された制御信号に基づいて入射された光を変調する。

ここで、赤色の波長の光６４が入射したミラーデバイス１１２では、常時、赤色の波長の光６４に対応する画像信号に基づいて生成された制御信号に基づいて赤色の波長の光を変調する。

一方で、異なる偏光方向（Ｐ偏光とＳ偏光）が混在している青色の波長の光６５と緑色の波長の光６６が入射したミラーデバイス１１１は、不図示の制御回路によってカラーセレクトホイール１０６の各波長選択性の偏光方向変換素子１０ｅ，１０ｆの回転タイミングと同期制御される。すなわち、図６では、ミラーデバイス１１１によって光を変調する制御が、青色の波長の光の偏光方向のみをＳ偏光からＰ偏光に変える偏光方向変換素子１０ｅに同期して行われる。そして、図６では、カラーセレクトホイール１０６で青色の波長の光６５をＰ偏光にしたので、不図示の制御回路は、その逆のＳ偏光の緑色の波長の光６６に基づいた画像信号に基づいて生成された制御信号をミラーデバイス１１１に送信する。ここで緑色の波長の光６６を変調の対象とするのは、後にＰ偏光に変換された青色の波長の光６５を除去するためである。そして、青色の波長の光６５と緑色の波長の光６６が入射したミラーデバイス１１１は、受信した緑の波長の光６６に基づく制御信号にしたがって入射した青色の波長の光６５と緑色の波長の光６６を変調する。

各ミラーデバイス１１１，１１２によって変調された各光６４，６５，６６は、各ミラーデバイス１１１，１１２を構成しているミラーによって再びダイクロイックプリズム１１８にむけて反射され、ダイクロイックプリズム１１８に入射する。その後、各光６４，６５，６６は、ダイクロイックプリズム内の透過／反射面１１０に達し、前回同様に赤色の波長の光６４は透過／反射面１１０で反射され、青色の波長の光６５と緑色の波長の光６６は透過／反射面１１０を透過する。

ここで、赤色の波長の光６４の反射する光軸および青色の波長の光６５と緑色の波長の光６６の透過する光軸が同一の光軸になるように構成をしておくことで各色の波長の光６４，６５，６６が合成される。合成された光は、ＴＩＲプリズムの第２プリズム１０９にむけて進む。

そして、合成された光は、ＴＩＲプリズムの第２プリズム１０９に臨界角以下で入射することで第２プリズム１０９を透過し、偏光板１１３に入射する。ここで、偏光板１１３は特定の偏光方向の光のみを透過するように構成されている。例えば、図６では、Ｐ偏光の光を透過せず、Ｓ偏光を透過するように構成されている。その結果、Ｐ偏光の青色の波長の光６５は偏光板１１３を透過できず、一方で、Ｓ偏光の赤色の波長の光６４および緑色の波長の光６６は偏光板１１３を透過する。

偏光板１１３を透過したＳ偏光の赤色の波長の光６４および緑色の波長の光６６は、投影レンズ１１４を含む投影光学系を介してスクリーン１１５に投影され、Ｓ偏光に揃っている画像が表示される。

そして、カラーセレクトホイール１０６の回転光学部材３０ｅをミラーデバイス１１１の制御と同期して回転させ、光路上に緑色の波長の光６６の偏光方向のみをＳ偏光からＰ偏光に変える偏光方向変換素子１０ｆを配置することによって、同様の行程を経て赤色の波長の光６４および青色の波長の光６５をスクリーンに投影することができる。このように、カラーセレクトホイール１０６の回転光学部材３０ｅを回転させることで、変調された青色の波長の光６５と変調された緑色の波長の光６６を交互に投影することができる。

以上のように、赤色の波長の光６４が常に投影され、青色の波長の光と緑色の波長の光に対応するサブフレームの時間にしたがって青色の波長の光６５と緑色の波長の光６６が交互に順次投影されることで、Ｓ偏光に揃ったカラー画像を投影することができる。

なお、光源１０１として水銀ランプ光源を用いている場合、水銀ランプから出力される光は赤色の波長の光が不足しているので、常に赤色の波長の光を変調するような上記の構成を行うことが特に望ましい。

以上が、図６の２板式投影装置１００を用いてカラー画像を投影する投影原理である。
また、特定の偏光方向に変換する偏光変換部材１１６によっては、光源の光６１を図６で示しているＳ偏光に変換する代わりにＰ偏光に変換することができる。そして、カラーセレクトホイール１０６の回転光学部材３０ｅに赤色の波長の光、緑色の波長の光、青色の波長の光のいずれかの偏光をＰ偏光からＳ偏光に変換する少なくとも一つの偏光方向変換素子を備えることで、赤色の波長の光、緑色の波長の光、青色の波長の光のいずれかのＰ偏光の光をＳ偏光の光にすることができる。それから、Ｐ偏光の光のみを透過するように構成された偏光板１１３を用いることで、Ｓ偏光に変換された赤色の波長の光、緑色の波長の光、青色の波長の光のいずれかの光を透過しないようにすることができる。このような構成をして上述と同様の行程を経ることで、Ｓ偏光の赤色の波長の光、緑色の波長の光、青色の波長の光のうち、いずれかの一色の波長の光を一方の空間光変調器（図６におけるミラーデバイス１１２）で変調して常に投影し、Ｓ偏光とＰ偏光が混在している残りの２色の波長の光をもう一方の空間光変調器（図６におけるミラーデバイス１１１）で交互に変調して、赤色の波長の光、緑色の波長の光、青色の波長の光のうちのＰ偏光に揃った２色の光を順次スクリーン１１５に投影することができる。このようにして、Ｐ偏光に揃ったカラー画像を得ることもできる。

以上より、従来のカラーセレクトホイールでは、回転光学部材の回転により偏光方向の変換の効果が変化してしまうという問題があったが、回転光学部材に本実施形態の偏光方向変換素子を含むことで、回転光学部材を回転させても偏光方向の変換の効果を保つことができる効果が得られる。

このように、光源と、光源から発した光の偏光方向を変換する入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される波長選択性の特性を有する偏光方向変換素子と、投影レンズを含んで投影装置を構成することで、カラー画像を投影することが可能である。なお、図示していないが、上述の偏光方向変換素子において、波長選択性の特性を有さずとも、偏光方向変換素子と様々なフィルタ（例えば、透明フィルタや波長選択性フィルタ）を組み合わせたような回転光学部材を用いることで画像を投影することができる。したがって、投影装置の構成において用いることのできる偏光方向変換素子は、波長選択性の特性を有するものに限るものではない。

さらに、本実施の形態の偏光方向変換素子を他の多板式投影装置や単板式投影装置に応用することも可能である。
また、本実施の形態の偏光方向変換素子の他の用途の例としては、上述の入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材と、ＰＢＳ(Polarizing Beam Splitter)プリズムなどを併用することで光の進行する経路を変えることができる。

図７Ａは、偏光方向変換素子を含む部材とＰＢＳプリズムを併用して光の進行する経路を変える光経路変更手段を模式的に示している。
図７Ａでは、上述の図３で説明した偏光方向変換素子１０と透明フィルタ３１を含む回転光学部材３０とＰＢＳプリズム７１を併用する場合を示している。

ＰＢＳプリズム７１は、ＰＢＳプリズム内における光の透過／反射面（例えば、ＰＢＳ膜）７２で、特定の偏光方向の光のみを反射し、それ以外の偏光方向の光を透過する役割を果たす。逆に、特定の偏光方向の光のみを透過し、それ以外の偏光方向の光を反射する役割を果たすこともある。図７Ａでは、ＰＢＳプリズム７１内に一つの光の透過／反射面７２を設けており、Ｓ偏光を有する光を反射し、それ以外の偏光方向を有する光を反射するような構成にしている。本明細書中では、このような光の偏光方向に基づいて光を透過／反射する部材を偏光方向透過／反射部材とよぶ。また、偏光方向透過／選択部材として、いくつかのプリズムを接合して、各プリズムの接合面である光の透過／反射面７２にＰＢＳコーティングを施した部材を用いてもよい。さらに、ＰＢＳミラーを用いることもできる。そして、ＰＢＳプリズム７１の代用としてワイヤーグリッド偏光子を用いてもよい。

図７Ａにおいて、例えばＰ偏光となっている入射光が回転光学部材３０の透明フィルタ３１を通過する場合は、Ｐ偏光が保持された状態でＰＢＳプリズム７１に入射する。そして、光がＰＢＳプリズム７１の透過／反射面７２に達し、Ｐ偏光の入射光が透過する。

一方で、Ｐ偏光となっている入射光が回転光学部材３０の偏光方向変換素子１０を通過する場合は、Ｐ偏光がＳ偏光に変換されてＰＢＳプリズム７１に入射する。そして、光がＰＢＳプリズム７１の光の透過／反射面７２に達し、Ｓ偏光の入射光が反射される。

このように回転光学部材３０を回転させて、光路上の透明フィルタ３１と偏光方向変換素子１０を切り替えることで、光の偏向方向を変え、後段に備えているＰＢＳプリズム７１などで光の進行経路を素早く変更することができる。

さらなる、他の用途としては、上述の入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材と偏光板を併用することで光の透過および遮光を制御することができる。

図７Ｂは、偏光方向変換素子を含む部材と偏光板を併用して光の透過および遮光を制御する光透過／遮光制御手段を模式的に示している。
図７Ｂでは、上述の図３で説明した偏光方向変換素子と透明フィルタを含む回転光学部材と偏光板を併用する場合を示している。

偏光板７３は、特定の偏光方向の光のみを透過し、それ以外の偏光方向の光を遮光する役割を果たす。図７Ｂでは、偏光板７３をＰ偏光の光を透過し、それ以外の偏光方向の光を遮光するような構成にしている。

図７Ｂにおいて、例えばＰ偏光となっている入射光が回転光学部材３０の透明フィルタ３１を通過する場合は、Ｐ偏光が保持された状態で偏光板７３に入射する。そして、偏光板７３においてＰ偏光の入射光が透過する。

一方で、Ｐ偏光となっている入射光が回転光学部材３０の偏光方向変換素子１０を通過する場合は、Ｐ偏光がＳ偏光に変換されて偏光板７３に入射する。そして、偏光板７３において、Ｓ偏光の入射光は遮光される。

このように回転光学部材３０を回転させて、光路上の透明フィルタ３１と偏光方向変換素子１０を切り替えることで、光の偏向方向を変え、後段に備えている偏光板７３で光の透過／遮光を素早く制御することができる。

本明細書において、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を記載した。このような構成をすることで、簡易的な構成で、配置している入射光の進行方向に対して垂直方向の回転角によらずに入射する偏光の偏光方向を特定の方向に変換することができる。そして、この偏光方向変換素子を用いることで従来よりも素早く偏光の偏光方向を変換することができる。また、偏光方向変換素子と波長板やＰＢＳ(Polarizing Beam Splitter)や偏光板を組み合わせることで、偏光の種類の変換、偏光の光路を切り替え、遮断することなどができる。

以上のように、本明細書では、偏光方向変換素子を含む部材を用いているいくつかの例を示したが、ここで記載されている用途に限らず、本発明の偏光方向変換素子を偏光に関する技術の多くの用途に応用することが可能である。

１／２波長板を２枚組み合わせて構成される偏光方向変換素子の構成を示している。 図１Ａで示した偏光方向変換素子を用いることで入射する直線偏光の偏光方向をπ／２変換することを示している。 図１Ａの偏光方向変換素子のポアンカレ球表示における赤道面での平面図を模式的に示している。 偏光方向変換素子の第２の１／２波長板の光軸が、実空間において、第１の１／２波長板の光軸とαなすように２つの１／２波長板を配置している偏光方向変換素子のポアンカレ球表示における赤道面での平面図を模式的に示している。 回転光学部材の一部に偏光方向変換素子を用いた例を示している。 図３の回転光学部材を用いて、入射する直線偏光を円偏光に変換する例を示している。 図３の回転光学部材を用いて、入射する円偏光を反対回りの円偏光や直線偏光に変換する例を示している。 図３の回転光学部材を用いて、入射する円偏光を反対回りの円偏光に変換する例を示している。 複数の偏光方向変換素子を用いて、入射光の偏光方向を所望の角度に変換する構成を示している。 本実施形態の偏光方向変換素子を用いた２板式投影装置の簡易的な構成を示している。 偏光方向変換素子を含む部材とＰＢＳ(Polarizing Beam Splitter)プリズムを併用して光の進行する経路を変える光経路変更手段を模式的に示している。 偏光方向変換素子を含む部材と偏光板を併用して光の透過および遮光を制御する光透過／遮光制御手段を模式的に示している。 入射光の直線偏光の偏光方向を変換する一般的な１／２波長板を用いている構成を模式的に示している。

符号の説明

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ，１０ｄ，１０ｅ，１０ｆ 偏光方向変換素子
１１ 第１の１／２波長板
１２ 第２の１／２波長板
３０，３０ｅ 回転光学部材
３１ 透明フィルタ
４１、４２、４３、４４、４５ λ／４板 ６１ 光源からの光
６２，６３ 偏光変換部材から射出された光
６４ 赤色の波長の光
６５ 青色の波長の光
６６ 緑色の波長の光
７１ ＰＢＳ(Polarizing Beam Splitter)プリズム
７２ ＰＢＳ(Polarizing Beam Splitter)プリズムの透過／反射面
７３ 偏光板
８０ １／２波長板
１００ ２板式投影装置
１０１ 光源
１０２ ＰＢＳ(Polarization Beam Splitter)面を有するプリズム
１０３ 反射部
１０４ １／２波長板
１０５ ロッドインテグレータ
１０６ カラーセレクトホイール
１０７ コリメータレンズ
１０８ ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズムの第１プリズム
１０９ ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズムの第２プリズム
１１０ ダイクロイックプリズムの透過／反射面
１１１，１１２ ミラーデバイス
１１３ 偏光板
１１４ 投影レンズ
１１５ スクリーン
１１６ 偏光変換部材
１１７ ＴＩＲ(Total Internal Reflection)プリズム
１１８ ダイクロイックプリズム
１１９ 空間光変調器

Claims (26)

1. 入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成されている、
   ことを特徴とする偏光方向変換素子。
2. 前記偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板の光軸とが互いに任意の角度異なっている、
   ことを特徴とする請求項１記載の偏光方向変換素子。
3. 前記任意の角度が、光の偏光方向を変換する角度の半分である、
   ことを特徴とする請求項２記載の偏光方向変換素子。
4. 前記任意の角度がπ／４である、
   ことを特徴とする請求項２記載の偏光方向変換素子。
5. 回転されることを特徴とする請求項２記載の偏光方向変換素子。
6. 前記偶数枚の１／２波長板のうち前記偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板が個別に設けられており、前記偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板とを共に回転させ、前記双方の１／２波長板の回転速度を一定にすることで前記任意の角度異なっている、
   ことを特徴とする請求項２記載の偏光方向変換素子。
7. 前記１／２波長板が波長選択性を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の偏光方向変換素子。
8. 前記１／２波長板が構造性複屈折する性質を有する、
   ことを特徴とする請求項１記載の偏光方向変換素子。
9. 前記１／２波長板が光学結晶もしくは高分子膜によって構成されている、
   ことを特徴とする請求項１記載の偏光方向変換素子。
10. 入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成されている偏光方向変換素子を一部に含む、
    ことを特徴とする光学部材。
11. 回転されることを特徴とする請求項１０記載の光学部材。
12. 透明フィルタを含む、
    ことを特徴とする請求項１０記載の光学部材。
13. 光を発する光源と、
    前記光源から発した光の偏光方向を変換するために入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成されている偏光方向変換素子と、
    前記偏光方向変換素子を透過した光を投影するための投影レンズと、
    を含むことを特徴とする投影装置。
14. 前記偏光方向変換素子において、偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板の光軸とが互いに任意の角度異なっている、
    ことを特徴とする請求項１３記載の投影装置。
15. 前記偏光方向変換素子が回転可能である、
    ことを特徴とする請求項１３記載の投影装置。
16. 光学部材の一部に前記偏光方向変換素子を含む、
    ことを特徴とする請求項１３記載の投影装置。
17. 前記偶数枚の１／２波長板のうち前記偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板が個別に設けられており、前記偏光方向変換素子において、前記偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板とを共に回転させ、前記双方の１／２波長板の回転速度を一定にすることで前記任意の角度異なっている、
    ことを特徴とする請求項１４記載の投影装置。
18. 光の直交している偏光成分間の位相差を与える波長板と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材を併用することで直線偏光の方向を変換する、
    ことを特徴とする偏光方向変換手段。
19. 光の直交している偏光成分間の位相差を与える波長板と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材を併用することで直線偏光を円偏光に変換する、もしくは、円偏光を直線偏光、逆回りの円偏光、楕円偏光に変換する、
    ことを特徴とする偏光方向変換手段。
20. 前記波長板が１／４波長板である、
    ことを特徴とする請求項１８または請求項１９記載の偏光方向変換手段。
21. 光の直交している偏光成分間の位相差を与える波長板と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材を併用することで直線偏光を楕円偏光に変換するあるいは円偏光を楕円偏光に変換する、もしくは、楕円偏光を直線偏光、円偏光、逆回りの楕円偏光に変換する、
    ことを特徴とする偏光方向変換手段。
22. 光の偏光方向に基づいて光を透過／反射する偏光方向透過／反射部材と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材併用することで光の進行する経路を変える、
    ことを特徴とする光経路変更手段。
23. 前記偏光方向透過／反射部材が、ＰＢＳ(Polarizing Beam Splitter)もしくはワイヤーグリッド偏光子である、
    ことを特徴とする請求項２２記載の光経路変更手段。
24. 前記偏光方向変換素子における偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板の光軸とが互いに任意の角度異なっている、
    ことを特徴とする請求項２２記載の光経路変更手段。
25. 特定の偏光方向の光のみを透過し、それ以外の偏光方向の光を遮光する偏光板と、入射光の進行方向に対して直列に１／２波長板を偶数枚含んで構成される偏光方向変換素子を含む部材を併用することで光の透過および遮光を制御する、
    ことを特徴とする光透過／遮光制御手段。
26. 前記偏光方向変換素子における偶数枚の１／２波長板の２番目以降に配置されている１／２波長板とその直前の１／２波長板の光軸とが互いに任意の角度異なっている、
    ことを特徴とする請求項２５記載の光透過／遮光制御手段。