JP2009092730A - 偏光変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】誘電体多層膜などから成る反射膜を設けることなく入射する入射光を全反射することが可能な優れた反射性能を備えるとともに、耐熱性および耐光性に優れた偏光変換素子を提供する。
【解決手段】偏光変換素子１は、光入射面１ａおよび光射出面１ｂに略４５°の角度を成す複数の界面で順次貼り合わされた断面形状が略平行四辺形の柱状のガラス材１１と、複数の界面に交互に設けられた偏光分離膜１２および位相差板１３とを含み構成されている。位相差板１３は、１／２λ位相差機能を有する水晶基材で形成され、光入射面１ａ側および光射出面１ｂ側の両端部を凸面とする凹部（空気層）１３ａを有するメサ形状（段差形状）を成して、偏光分離膜１２から入射するｓ偏光光をｐ偏光光に変換するとともに、そのｐ偏光光を空気層１３ａに沿う反射面１３ｃにおいて全反射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランダムな偏光方向を有する光（非偏光光）を、一方向の偏光方向を有する光に変換する偏光変換素子に関する。

液晶プロジェクタなどの光学機器において、ランダムな偏光方向を有する光を、一方向の偏光方向を有する光に変換する光学素子として偏光変換素子が知られている。
図１０は、従来の一般的な偏光変換素子を説明するための模式図であり、（ａ）は偏光変換素子の斜視図、（ｂ）は（ａ）を＋ｚ軸方向から矢視した偏光変換素子の平面図である。
図１０（ａ）および図１０（ｂ）において、偏光変換素子５０は、入射した光を二種類の偏光光に分離するための偏光分離素子５１と、偏光分離素子５１の光射出面側に選択的に配置され、二種類の偏光光の一方を他方の偏光光に変換するための１／２λ位相差板５２とを備えている。なお、偏光変換素子５０に入射する光は、その主光線（中心軸）が、システム光軸ＡＬに略平行に入射する。

偏光分離素子５１は、システム光軸ＡＬに略直交する光入射面と、光入射面に略平行な光射出面と、光入射面および光射出面と所定の角度を成す複数の界面で順次貼り合わされた複数のガラス材５１ａと、複数の界面に交互に設けられた複数の偏光分離膜５１ｂ（図中に実線で示す）および反射膜５１ｃ（図中に破線で示す）とを備えている。
複数の界面の光入射面（光射出面）との所定の角度は、一般的に４５°であり、ガラス材５１ａは、ｘ−ｙ軸方向において略平行四辺形の断面形状を有しｚ軸方向に延伸する柱状を成している。

偏光分離膜５１ｂは誘電体多層膜で形成され、入射した光線束（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）を、ｓ偏光の部分光線束（ｓ偏光光）とｐ偏光の部分光線束（ｐ偏光光）とに分離して、ｓ偏光光を反射し、ｐ偏光光を透過する機能を有する。一方、反射膜５１ｃは誘電体多層膜または金属膜で形成され、反射膜５１ｃに入射したｓ偏光光を反射する機能を有する。
１／２λ位相差板５２は、偏光分離膜５１ｂを透過したｐ偏光光が通過するガラス材５１ａの光射出面に、格子状に配列して設けられている。この１／２λ位相差板５２は、入射するｐ偏光光を、偏光方向が直交するｓ偏光光に変換する機能を有している。

なお、偏光変換素子５０は、一般的に偏光変換素子５０に入射する光が偏光分離膜５１ｂのみに入射し、反射膜５１ｃには入射しないように配列された遮光板６０（図１０（ｂ）中に二点鎖線で示す）が、光入射面側に配設されて用いられる。

このように構成された偏光変換素子５０は、図１０（ｂ）に示すように、柱状のガラス材５１ａが延伸する方向をｚ軸方向に配置して用いられる。そして、遮光板６０の開口部６０ａより偏光分離素子５１のガラス材５１ａに入射した光（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）は、偏光分離膜５１ｂにおいてｓ偏光光とｐ偏光光の２つの部分光線束に分離される。偏光分離膜５１ｂで分離された一方のｓ偏光光が、反射膜５１ｃにおいて反射されるとともに、分離された他方のｐ偏光光が偏光分離膜５１ｂを透過して１／２λ位相差板５２においてｓ偏光光に変換される。すなわち、偏光変換素子５０において一種類の偏光光に変換されたｓ偏光光が、偏光変換素子５０からシステム光軸ＡＬと略平行方向に射出される。
なお、この例では、１／２λ位相差板５２をｐ偏光光が通過するガラス材５１ａの光射出面に格子状に配列して設けているが、ｓ偏光光が通過するガラス材５１ａの光射出面のみに設けてもよい。これにより、一種類の偏光光に変換されたｐ偏光光が得られる。

しかしながら偏光変換素子５０を構成する１／２λ位相差板５２として、有機材料系の位相差フィルムが用いられた従来の偏光変換素子５０は、光源から射出された光が通過することによって、位相差フィルムが黄変したり、発熱したりして、位相差フィルムの光学特性の劣化を招く。すなわち耐熱性および耐光性の信頼性に劣るという問題を有している。

こうした問題に対応するために、１／２λ位相差板を水晶を用いて構成した偏光変換素子（例えば、特許文献１参照）、および複数の透光性部材の傾斜端面同士が接合された透光性基材中に偏光分離膜と反射膜とが互いに平行、かつ透光性基材に対する入射光軸に斜めに配置され、第１の透光性部材の偏光分離膜が形成された傾斜端面と第２の透光性部材の傾斜端面との間に、一軸延伸された単層の高分子フィルムからなる１／２λ位相差フィルムとから構成された偏光変換素子が提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００３−３０２５２３号公報 特開２００４−１４５３０５号公報

しかしながら、特許文献１の偏光変換素子は、短冊状に加工された水晶よりなる多数の１／２λ位相差板を、偏光分離膜または反射膜に対応して一枚ずつ格子状に配列して、接着剤で貼り合せて製造される。したがって、耐熱性や耐光性の向上を図ることは可能であるが、１／２λ位相差板を短冊状に加工したり、その後の工程間の取り扱いにおいて、割れやクラックの発生などの不具合が発生し易いという課題を有する。

また、特許文献２の偏光変換素子は、ガラス製の第１の透光性部材および第２の透光性部材と、高分子フィルムからなる１／２λ位相差フィルムとは、線膨張係数が大きく異なることから、接合部の剥れなどの不具合が発生し易く、しかも長期間に亘る耐熱性および耐光性の確保の面から課題が残る。さらに、偏光変換素子を構成する反射膜には、一般的に誘電体多層膜が多く用いられる。誘電体多層膜の形成には多大な工数を有するとともに、高価であるという課題も有する。

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］
本適用例に係る偏光変換素子は、光入射面および前記光入射面に略平行な光射出面に略４５°の角度を成す複数の界面で順次貼り合わされた複数の透光性基材を有する偏光変換素子であって、前記複数の界面に、前記光入射面に入射する入射光を二種類の偏光光に分離する偏光分離膜と、水晶よりなる位相差板と、が交互に設けられ、前記位相差板は、前記透光性基材との間に空気層を形成する凹部を備え、前記空気層に沿う前記凹部の底面を反射面として前記偏光分離膜において分離されて入射する光を全反射して、前記光射出面より射出することを特徴とする。

これによれば、光入射面および光入射面に略平行な光射出面に略４５°の角度を成す複数の界面で順次貼り合わされた複数の透光性基材を有する偏光分離素子が、複数の界面に、入射光を二種類の偏光光に分離する偏光分離膜と、透光性基材との間に空気層を形成する凹部を備え空気層に沿う凹部の底面を反射面とする水晶よりなる位相差板と、が交互に設けられていることにより、偏光分離膜において分離されて位相差板に入射する一方の偏光光が、他方の偏光光に変換されるとともに、透光性基材との間に空気層を形成する凹部の底面を反射面として全反射される。そして偏光分離膜を透過した他方の偏光光とともに光射出面側に向かい、一種類の偏光方向に揃った偏光光が偏光変換素子の光射出面から射出される。

したがって、位相差板が透光性基材との間に空気層を備えることによって、従来の誘電体多層膜などから成る反射膜を設けることが不要となり、製造コストを低減するとともに製造リードタイムを短縮することが可能な偏光変換素子が得られる。因みに、誘電体より成る低屈折率層と中屈折率層とが交互に４０層程度形成された多層膜の成膜には、５時間程度の長い時間を要する。また、多少の光を吸収する誘電体多層膜に対して略１００％の反射（全反射）が得られることにより、優れた反射性能（偏光変換性能）を備えた偏光変換素子が得られる。さらに、位相差板が水晶よりなり、しかも透光性基材が順次貼り合わされた界面に設けられていることによって外部環境に曝されることがなく、耐熱性および耐光性に優れるとともに、薄型化した偏光変換素子が得られる。

［適用例２］
上記適用例に係る偏光変換素子において、前記空気層は、可視光波長域（略４２０ｎｍ〜略６８０ｎｍ）の入射光に対して少なくとも１μｍ以上の間隔を有するのが好ましい。
これによれば、位相差板と透光性基材との間に備えた空気層が、可視光波長域（略４２０ｎｍ〜略６８０ｎｍ）の入射光に対して少なくとも１μｍ以上の間隔を有することで、位相差板の反射面に入射する光が空気層側にエバネッセント光をしみだすことなく、全反射することができる。よって、優れた反射性能を備えた偏光変換素子が得られる。

［適用例３］
上記適用例に係る偏光変換素子において、前記空気層を形成する前記凹部は、エッチング法を用いて形成されていることが好ましい。
これによれば、空気層を形成する位相差板の凹部が、エッチング法を用いて形成されることにより、精度よく、しかも平行度の高い間隔の空気層を備えた偏光変換素子が容易に得られる。よって、優れた反射性能（偏光変換性能）を備えた偏光変換素子が得られる。

［適用例４］
上記適用例に係る偏光変換素子において、前記透光性基材の屈折率が１．４５〜１．６５の範囲であることが好ましい。
これによれば、透光性基材の屈折率が、１．４５〜１．６５の範囲であることにより、透光性基材と水晶位相板との界面での反射を抑制することができる。具体的には、偏光分離膜において分離されて位相差板に向かう一方の偏光光が、透光性基材と水晶位相板との界面に対し略４５°の入射角で入射しても、界面において反射されることなく位相差板に入射して、位相差板の反射面に到達する光量も減少しない。よって、優れた反射性能を備えた偏光変換素子が得られる。

以下、実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係る偏光変換素子の構成を模式的に示す断面図であり、図２（ａ）は、図１に示した偏光変換素子の一部を拡大した部分断面図であり、図２（ｂ）は図２（ａ）中のＡ部における偏光変換素子の部分拡大断面図である。なお、これらの図面は、説明の便宜のために各構成要素の寸法や比率を実際のものとは異ならせてある。

図１、図２（ａ）および図２（ｂ）において、偏光変換素子１は、光入射面１ａおよび光射出面１ｂに所定の角度を成す複数の界面で順次貼り合わされた柱状の透光性基材としてのガラス材１１（但し、両側最端部は三角柱形状を成している）と、複数の界面に交互に設けられた偏光分離膜１２および位相差板１３とを含み構成されている。

なお、複数の界面が光入射面１ａおよび光射出面１ｂと成す所定の角度は、略４５°である。したがって、ガラス材１１は光入射面１ａおよび光射出面１ｂを形成する相対面と、界面を形成する斜面の相対面とによって略平行四辺形の断面形状を成している。この偏光変換素子１は、光入射面１ａに入射したランダムな偏光方向を有する光を、一方向の偏光方向を有する光に変換する機能を有する。

ガラス材１１の一方の界面（斜面）には、偏光分離膜１２が形成され、他方の界面（斜面）には位相差板１３が配置されている。
偏光分離膜１２を介して互いに隣り合うガラス材１１同士は、接着剤１４（図示せず）により貼着されている。また、位相差板１３と位相差板１３の両面側に互いに隣り合うガラス材１１とは、それぞれ接着剤１４（図２（ｂ）参照）により貼着（貼り合せ）されている。接着剤１４としては、例えば、接着加工が容易で比較的高温度に耐えうる一液性エポキシまたは一液性アクリル系の紫外線硬化型接着剤が用いられる。接着剤（接着層）１４の厚さは、例えば５μｍ程度である。

なお、詳細は後述するが、ガラス材１１は、屈折率が１．４５〜１．６５（１．５５±０．１）の範囲の透光性基材であれば限定されない。本実施形態におけるガラス材１１は、例えば白板ガラスよりなる。因みに白板ガラスの屈折率は、１．５２程度である。

偏光分離膜１２は、誘電体多層膜で形成される。誘電体多層膜は、例えば、ＳｉＯ₂よりなる低屈折率層およびＭｇＦ₂よりなる低屈折率層と、例えば、Ｌａ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃の重量割合が１：３の混合物よりなる中屈折率層とが、所定の順序および光学膜厚で形成された多層膜が例示できる。偏光分離膜１２は、入射する光線束（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）を、ｓ偏光の部分光線束（ｓ偏光光）とｐ偏光の部分光線束（ｐ偏光光）とに分離して、ｓ偏光光を反射し、ｐ偏光光を透過する機能を有する。

位相差板１３は、１／２λ位相差機能を有する水晶基材で形成され、光入射面１ａ側および光射出面１ｂ側の両端部を凸面１３ｂとする凹部１３ａを有するメサ形状（段差形状）を成している。なお、水晶基材はＳｉＯ₂の単結晶であり、人工水晶または天然水晶のどちらであってもよい。なお、位相差板１３（水晶基材）の屈折率は１．５６程度である。

この凹部１３ａは、凸面１３ｂ上に貼着されたガラス材１１との間で空気層を形成する。また、凹部１３ａの底面１３ｃは、位相差板１３を介して互いに隣り合うガラス材１１の各斜面と略平行の面（光入射面１ａおよび光射出面１ｂに対して略４５°の角度の面）より成り、位相差板１３に入射する光線束を反射する反射面として機能を有する。したがって、以後において凹部１３ａを空気層１３ａ、底面１３ｃを反射面１３ｃと表す場合がある。

位相差板１３の凹部１３ａにおける厚さ（反射面１３ｃに相対する位相差板１３の他方面の法線における反射面１３ｃでの厚さ）αは１０μｍ〜１ｍｍの範囲から選ばれた所定厚さであり、例えば１５μｍ程度である。反射面１３ｃの深さ（凸面１３ｂとの段差）βは１０μｍ程度である。すなわち、空気層１３ａの間隔γ（反射面１３ｃと凸面１３ｂ上に貼り合わされたガラス材１１の斜面との間隔）は、少なくとも１０μｍ程度であり、接着層１４の厚さを考慮すると１５μｍ程度である。

なお、空気層１３ａは窒素ガスの層であっても同じ効果が得られる。また、図２（ｂ）中に示すＢ部は、位相差板１３と位相差板１３の両面側に互いに隣り合うガラス材１１との貼り合せの際に、接着剤１４が位相差板１３の凹部１３ａ内に侵入した態様を示すが、接着剤１４が凹部１３ａ内に侵入したとしても、偏光変換素子１へ与える弊害は存在しない。

このように配置された位相差板１３は、それぞれの偏光分離膜１２において反射されて入射するｓ偏光光（直線偏光光）をｐ偏光光（直線偏光光）に変換するとともに、そのｐ偏光光を反射面１３ｃにおいて全反射する機能を有する。

次に、このように構成された偏光変換素子１に入射する入射光の動作について説明する。
図２（ａ）において、システム光軸ＡＬに沿って偏光変換素子１の光入射面１ａに入射した光（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）は、ガラス材１１の一方の斜面に形成された偏光分離膜１２においてｓ偏光光とｐ偏光光の２つの部分光線束に分離される。そして、偏光分離膜１２で分離された一方のｓ偏光光が、ガラス材１１の他方の斜面を通過して位相差板１３に入射し、ｐ偏光光に変換されるとともに反射面１３ｃおいて全反射される。すなわち、偏光変換素子１の光入射面１ａに入射した光（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）は、一種類の偏光光に変換されたｐ偏光光が、光射出面１ｂからシステム光軸ＡＬに略平行方向に射出される。

具体的に説明すると、偏光分離膜１２により分離されたｓ偏光光は、ガラス材１１の他方の斜面を通過して位相差板１３に入射する。そして、反射面１３ｃに向かう。位相差板１３に入射したｓ偏光光は、位相差板１３中で等しい振幅を有する常光線と異常光線とに別れ、異なる位相速度で位相差板１３中を進み、入射するｓ偏光光の電界ベクトルの振動方向と直交する振動方向を有するｐ偏光光に変換される。そして、反射面１３ｃに対して略４５°の角度で入射して、反射面１３ｃで全反射される。そして、反射面１３ｃで全反射された反射光は、光射出面１ｂ側に向かう。

こうした入射光の動作において、偏光分離膜１２で分離されたｓ偏光光は、ガラス材１１の屈折率が１．４５〜１．６５の範囲で、しかもガラス材１１の屈折率と位相差板１３を構成する水晶板の屈折率とが、同程度の値であることにより、ガラス材１１と位相板１３との界面に対し、概４５°の入射角で入射しても、ガラス材１１の斜面において反射されることなく、ガラス材１１から位相差板１３に入射することができる。また、位相差板１３の反射面１３ｃに到達する光量が減少することもない。

図３は、ガラス材と水晶位相板との界面におけるガラス材の屈折率と入射光の界面反射率との関係を示すグラフである。グラフの横軸はガラス材１１の屈折率（ガラス材屈折率）を示し、縦軸は入射光の反射率（％）を示す。但し、位相板１３の屈折率は１．５６である。また、曲線は、ガラス材屈折率１．４０〜１．７０の範囲の０．０２５毎のプロット点を結んだ線図である。

図３において、ガラス材１１と位相板１３との界面に４５°の入射角で入射するｓ偏光光の界面反射率は、ガラス材１１と位相板１３との屈折率差が大きくなるに従って増加するが、ガラス材１１の屈折率が１．４５〜１．６５の範囲（図３中に範囲Ｄで示す）において、最大０．４７％（屈折率１．４５において）程度である。

また、位相差板１３に入射した光は、反射面１３ｃに沿って空気層１３ａを備えていることにより、反射面１３ｃにおいて反射される。この反射の際に、空気層１３ａが少なくとも１５μｍ程度の間隔γを有することにより、反射面１３ｃから空気層１３ａ側にエバネッセント光（近接陽光）がしみだすことなく、略１００％の反射率（全反射）が得られる。なお、エバネッセント光のしみだし深さ（反射面１３ｃからの高さ）は、可視光波長領域（４２０ｎｍ〜６８０ｎｍ程度）において１μｍ未満である。したがって、本実施形態における間隔γは、１５μｍ程度有する場合で説明したが、少なくとも１μｍ以上あればよい。一方、間隔γの上限値は、複数のガラス材１１が貼り合わされた光入射面１ａにおける界面間のピッチ寸法を考慮して設定することができる。よって、１００μｍ程度の値であってもよい。

こうした位相差板１３の反射面１３ｃに入射する入射光は、位相差板１３の屈折率が波長分散特性を有することから、入射光の波長が短いほど屈折率が高くなる。すなわち、臨界角も入射光の波長に依存する。したがって、反射面１３ｃにおける入射光の臨界角は、下記の一般式（１）に示す屈折率分散式（ハルトマンの分散式）に基づく近似式、および一般式（２）に示す全反射条件式に基づいて確認（設定）することができる。なお、以下の説明における基材の屈折率は、ｄ線（波長５８７．５６ｎｍ）における屈折率である。

Ｎｓ＝（１．５０９＋（（１１２．２４／（λ−２５０．４８）^1.6090））…（１）
但し、λは入射光の波長（ｎｍ）、Ｎｓは波長λの入射光における屈折率を表す。

θ_c＝ｓｉｎ^-1（１／Ｎｓ）…（２）
但し、θ_cは臨界角（°）であり、反射面１３ｃに対する入射角（反射面１３ｃの法線と入射光との挟角）を表す。

また、臨界角がθ_cになる（全反射が起こる）偏光変換素子１の光入射面１ａへの最大入射角φ（°）は、次の一般式（３）に基づいて確認することができる。
φ＝ｓｉｎ^-1（（Ｎｓ×ｓｉｎ（４５°−θ_c））…（３）
但し、Ｎｓは波長λの入射光における屈折率、θ_cは臨界角（°）を示す。

なお、一般式（３）における最大入射角φは、偏光変換素子１の光入射面１ａに垂直入射する方向を０°、すなわち偏光分離膜１２が形成された面（偏光分離膜１２と同じ）に対して４５°入射する角度を０°、４５°より小さくなる方向をマイナス（−）、大きくなる方向をプラス（＋）とした場合に、反射面１３ｃにおいて全反射するためのＰＢＳの光入射面１ａへの入射角θは９０°＞θ≧−φである。

図４は、一般式（１）および一般式（２）に基づいて算出した臨界角θ_cの波長分散特性および一般式（３）に基づいて算出した最大入射角φの波長分散特性を示すグラフである。グラフの横軸は、波長領域４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲における入射光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸に角度（°）を示す。
曲線ａは、臨界角θ_cの波長分散特性を示し、曲線ｂは最大入射角（−φ）の波長分散特性を示す。なお、各曲線は、波長領域４００ｎｍ〜８００ｎｍの１ｎｍ毎のプロット点を結んだ線図である。

図４において、曲線ａに示す臨界角θ_cは、可視光領域（４２０ｎｍ〜６８０ｎｍ程度）における変化は少なく、最小値は４０．０１°（波長４２０ｎｍ）、最大値は４０．４５°（波長６８０ｎｍ）、平均値は４０．２８°である。
一方、曲線ｂに示す最大入射角（−φ）は、可視光領域において７．０２°（波長６８０ｎｍ）〜７．７８°（波長４２０ｎｍ）の範囲にあり、平均値は７．３１°である。

これらのことから、光入射面１ａおよび光射出面１ｂと成す角度が４５°に構成された界面に、偏光分離膜１２および反射面１３ｃに沿う空気層１３ａを有するメサ形状の位相差板１３を備えた偏光変換素子１は、光入射面１ａへの最大入射角（−φ）が、少なくとも７．０２°以内の入射光において、位相差板１３の反射面１３ｃでの全反射が容易に得られる。すなわち、光入射面１ａに入射する入射光が位相差板１３の反射面１３ｃにおいて全反射する入射角許容値は、少なくとも７．０２°である。

図５は、光入射面１ａへの入射光の入射角による位相差板１３の反射面１３ｃにおける反射率の波長分散特性を示すグラフであり、図５（ａ）は入射角−７°の場合を示し、図５（ｂ）は入射角０°の場合、図５（ｃ）は入射角＋７°の場合を示す。
グラフの横軸は、波長領域３５０ｎｍ〜８００ｎｍの範囲における入射光の波長（ｎｍ）を示し、縦軸に反射率（％）を示す。なお、各図に示す曲線ｃ，ｄ，ｅは、波長領域３５０ｎｍ〜８００ｎｍの１ｎｍ毎のプロット点を結んだ線図である。

図５（ａ）〜図５（ｃ）において、位相差板１３の反射面１３ｃにおける反射率は、入射角−７°（曲線ｃ）、入射角０°（曲線ｄ）、入射角＋７°（曲線ｅ）のいずれも、可視光波長領域（４２０ｎｍ〜６８０ｎｍ）外の低波長域および高波長域において低い反射率を示す。また、低反射率領域は、入射角＋７°から入射角−７°に向かうに従って、高波長側に移行する。しかし、可視光波長領域における入射角０°を含む入射角±７°の反射率の平均値は、いずれも９９．５％以上の高い値を示し、最小値であっても９８．３４％（入射角−７°における波長４２６ｎｍポイント）の優れた反射性能を備えている。

この光入射面１ａへの入射光の入射角±７°の角度（システム光軸ＡＬに対する角度）は、ガラス材１１の平行四辺形を形成する斜面の傾きバラツキなどの各種バラツキなどに対応することが可能な範囲である。

なお、このように光入射面１ａへの入射光の入射角±７°の角度範囲において、光入射面１ａおよび光射出面１ｂに対して４５°の角度で構成された反射面１３ｃが全反射する位相差板１３（水晶基材）の屈折率Ｎｓの範囲は、１．５３７〜１．５６７である。
したがって、光入射面１ａに入射して偏光分離膜１２において分離された光（ｓ偏光光）が、位相差板１３が貼着されたガラス材１１の斜面において反射されることなく位相差板１３に入射することができるガラス材１１の屈折率Ｎｓは、位相差板１３の屈折率Ｎｓに近い値であることが求められる。

こうしたガラス材１１の屈折率Ｎｓとしては、少なくとも１．４５〜１．６５（１．５５±０．１）の範囲、好ましくは１．５０〜１．６０（１．５５±０．０５）の範囲、より好ましくは１．５３〜１．５７（１．５５±０．０２）の範囲である。こうしたガラス材１１の基材としては、白板（Ｎｓ：１．５２）の他に、ＦＫ５（１．４９）、ＢＡＫ２（Ｎｓ：１．５４）、ＬＬＦ２（Ｎｓ：１．５４）、ＬＬＦ１（Ｎｓ：１．５５）、ＳＫ１１（Ｎｓ：１．５６）、Ｎ−ＳＫ１６（Ｎｓ：１．６２）、ＳＫ１０（Ｎｓ：１．６２）などが挙げられる。

次に、このように構成された偏光変換素子１の製造方法について説明する。
偏光変換素子１の製造に先立ち、予めガラス材１１の一方の界面（斜面）に配置される位相差板１３を構成するための水晶板が作製される。
図６は、完成した水晶板の態様を示す模式図であり、図６（ａ）は水晶板の正面図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図である。

図６（ａ）および図６（ｂ）において、水晶板１３１は１／２λ位相差機能を有する水晶基材より成り、矩形状の外形形状を成している。水晶板１３１の一方の面上には、後述する図８（ｂ）に示す工程において切断されるそれぞれの切断線ＣＬが水晶板１３１の表面と交差する位置を中心線として、水晶板１３１の矩形状の外形形状の一辺に沿う凸面１３１ｂによって構成された多数の凹部１３１ａが、格子状に形成されている。

凹部１３１ａにおける水晶板１３１の厚さαは１５μｍ程度であり、反射面１３ｃの深さβ（凹部１３１ａの深さ）は１０μｍ程度である。また、凸面１３１ｂの幅δは、後に凸面１３１ｂ上にガラス板１１２を貼り合せる際の接合性能を考慮して設定されるが、できる限り小さいことが望ましい（図８（ｂ）参照）。
なお、偏光変換素子１が完成した際に、凹部１３１ａは空気層１３ａを形成し、凹部１３１ａの底面１３１ｃは反射面１３ｃを構成する（図２（ａ）および図２（ｂ）参照）。

こうした形状を有する水晶板１３１は、次のように製作される。
予め矩形状の外形形状に加工された所定の厚さの平板より成る水晶基材の一方の面に、凸面１３１ｂとなる領域にレジストを塗布した後に、レジストを乾燥するプレベーキング、フォトマスクを用いた露光、現像液による現像、レジストの密着性を高めるためのポストベーキングなどの各工程により、格子状のレジスト層が形成される。

そして、パターニングされたレジスト層をポジ型のエッチングレジストとして、エッチングが行われる。エッチングは、反応性ガスとしてトリフロメタン（ＣＨＦ₃）およびＯ₂（酸素）を用いた反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などのドライエッチング法、またはフッ化アンモニウム（Ｈ₄ＦＮ）などのエッチング液中に浸漬するウエットエッチング法を用いて行われる。

そして、アセトンなどのフォトレジスト剥離剤を用いてレジストが剥離される。これにより矩形状の外形形状の一辺に沿う凸面１３１ｂによって構成された多数の凹部１３１ａが格子状に形成された水晶板１３１が完成する。すなわち、凹部１３１ａは、凹部１３１ａの両側方向を凸面１３１ｂとするメサ形状（段差形状）を成している。

完成した水晶板１３１は、エッチング法を用いて形成されることにより、精度のよい（高い）凹部１３１ａ、すなわち底面１３１ｃが形成され、しかも凸面１３１ｂに対する平行度の高い水晶板１３１が得られる。
このようにして作製された水晶板１３１を用いて、次に示す工程により偏光変換素子１が製造される。

図７および図８は、本実施形態に係る偏光分離素子を製造する主要な工程を示す工程断面図である。なお、これらの図面は、説明の便宜のために各構成要素の寸法や比率を実際のものとは異ならせてある。

先ず、図７（ａ）に示す工程では、予め作製された複数の水晶板１３１と、複数の透光性基材としてのガラス板１１１と、複数の透光性基材としてのガラス板１１２とを準備する（準備工程）。このガラス板１１１およびガラス板１１２は、共に矩形状の外形形状で同じ所定厚さの白板ガラスより成り、後に略平行四辺形の断面形状を有する柱状のガラス材１１を形成する。

ガラス板１１２の２つの表面のうちの一方の表面上には、予め偏光分離膜１２が形成されている。偏光分離膜１２は、例えば、ＳｉＯ₂よりなる低屈折率層およびＭｇＦ₂よりなる低屈折率層と、例えば、Ｌａ₂Ｏ₃とＡｌ₂Ｏ₃の重量割合が１：３の混合物よりなる中屈折率層とが、所定の順序および光学膜厚で形成されている。
なお、図７（ａ）および図８を含む以後の図面において、透光性基材としてのガラス板は、実際の枚数とは異なる省略した枚数で示す。

そして、図７（ｂ）に示す工程では、それぞれのガラス板１１１の一方の面上に、水晶板１３１が紫外線硬化型接着剤（図示せず）によって互いに貼り合わされる（水晶板貼着工程）。

そして、図８（ａ）に示す工程では、それぞれの水晶板１３１が貼り合わされたガラス板１１１の他方の面とガラス板１１２の偏光分離膜１２が形成された面とが、紫外線硬化型接着剤（図示せず）によって互いに貼り合わされる（ガラスブロック形成工程）。これにより、それぞれのガラス板１１１とガラス板１１２とが１つのガラスブロックを構成し、ガラス板１１１の一方の面に水晶板１３１が配置され、他方の面、すなわちガラス板１１２との界面に偏光分離膜１２が配置される。

そして、図８（ｂ）に示す工程では、それぞれのガラスブロックのガラス板１１１の表面に貼り合わされた水晶板１３１の凸面１３１ｂに接着剤が塗布されて、複数のガラスブロック同士が互いに貼り合わされた後に、切断線ＣＬに沿って切断される（ガラスブロック貼り合せ・切断工程）。

ガラスブロックの貼り合せは、それぞれのガラスブロックの水晶板１３１の凸面１３１ｂの略中心線が、切断線ＣＬとなるように位置合せして、それぞれのガラスブロックの水晶板１３１とガラス板１１２とが、紫外線硬化型接着剤（図示せず）によって互いに貼り合わされる。そして、ケミカルランプや高圧水銀灯などの光（紫外線）を照射することによって、紫外線硬化型接着剤が硬化される。
この貼り合せの際に、紫外線硬化型接着剤が水晶板１３１の凹部１３１ａ内に侵入した（図２（ｂ）参照、図中にＢ部で示す）としても、完成した偏光変換素子１へ与える弊害は存在しない。

こうして互いに接着された複数のガラスブロックを、その表面と所定の角度εを成す切断線ＣＬ（図中、一点鎖線で示す）の位置で略平行に切断することによって、素子ブロックが切り出される。角度εの値は、略４５°である。切断線ＣＬの位置で切り出された一方の切断面が偏光変換素子１の光入射面１ａに対応し、他方の切断面が光射出面１ｂに対応する（図１および図２参照）。

切断線ＣＬの位置で切り出された素子ブロックは、両端面部が所定形状に整形されて、光入射面１ａおよび光射出面１ｂに略４５°の角度を成す複数の界面に、偏光分離膜１２と空気層１３ａが形成された位相差板１３とが交互に設けられた偏光変換素子１が完成する。完成した偏光変換素子１は、光入射面１ａに入射する非偏光光（ｓ偏光光＋ｐ偏光光）を一種類のｓ偏光光に変換して光射出面１ｂから射出することができる（図１および図２参照）。

なお、完成した偏光変換素子１は、一方の面または双方の面に、反射防止（ＡＲ）層を設けてもよい。偏光変換素子１は、構成要素が全て無機物で構成されて耐光性、耐熱性に優れることから、ＡＲ膜の形成の際に高温に加熱処理することが可能となり、例えば、二酸化珪素、酸化チタンなどの物質を蒸着またはスパッタリング処理した広帯域ＡＲ膜を形成することができる。

このように構成および製造された偏光変換素子１は、透過型プロジェクタ、反射型プロジェクタなどの照明光学系に好ましく用いることができる。
図９（ａ）は完成した偏光変換素子の正面、上面および側面を一括して示す模式図であり、図９（ｂ）は図９（ａ）に示す偏光変換素子の正面図に対して９０°の角度回転した状態の正面、上面および側面を一括して示す模式図である。

偏光変換素子１をプロジェクタなどの照明光学系に用いる場合に、図９（ａ）に示すように、偏光変換素子１を構成する柱状の各ガラス材１１が延伸する方向をｚ軸方向に配置して用いることによって、システム光軸ＡＬに略平行に光入射面１ａに入射する非偏光光を、電界が光入射面１ａに対して水平方向のｐ波（ＴＭ波）の偏光光を射出することができる。

一方、その偏光変換素子１を９０°の角度、右回転して、図９（ｂ）に示すように、偏光変換素子１を構成する柱状の各ガラス材１１が延伸する方向をｘ軸方向に配置して用いることによって、システム光軸ＡＬに略平行に光入射面１ａに入射する非偏光光を、電界が光入射面１ａに対して垂直方向のｓ波（ＴＥ波）の偏光光を射出することができる。
なお、偏光変換素子１の回転方向は、右回転または左回転のどちらであってもよい。

以上のように、偏光変換素子１は、複数のガラス材１１が順次貼り合わされた複数の界面に、光入射面１ａに入射する入射光を二種類の偏光光に分離する偏光分離膜１２と、水晶より成りガラス材１１との間に空気層１３ａを形成する位相差板１３とが交互に設けられることにより、偏光分離膜１２において分離されて位相差板１３に入射する一方の偏光光が、他方の偏光光に変換されるとともに、空気層（凹部）１３ａを形成する凹部１３ａの底面１３ｃを反射面として全反射されて、一種類の偏光方向に揃った偏光光を光射出面１ｂから射出することができる。

したがって偏光変換素子１は、位相差板１３がガラス材１１との間に空気層１３ａを備えることによって、誘電体多層膜などから成る反射膜を設けることが不要となり、製造コストを低減するとともに製造リードタイムを短縮することが可能になる。また、位相差板１３が水晶より成り、しかもガラス材１１が順次貼り合わされた界面に設けられていることによって外部環境に曝されることがなく、耐熱性および耐光性に優れるとともに、薄型化した偏光変換素子１が得られる。しかも、偏光分離膜または反射膜に対応して一枚ずつ格子状に配列して貼り合せる従来の構成における割れやクラックの発生による不具合を回避することができる。

また、偏光変換素子１は、位相差板１３とガラス材１１との間に備えた空気層１３ａが、可視光波長域（略４２０ｎｍ〜略６８０ｎｍ）の入射光に対して少なくとも１μｍ以上の間隔γを有することで、位相差板１３の反射面（凹部１３ａの底面１３ｃ）に入射する偏光光が空気層１３ａ側にエバネッセント光をしみだすことなく、全反射することができる。

さらに、空気層（凹部）１３ａを形成する位相差板１３が、水晶板１３１にエッチング法を用いて形成されることにより、精度よく、しかも平行度の高い間隔の空気層１３ａが容易に得られる。さらにまた、ガラス材１１の屈折率が、１．４５〜１．６５の範囲であることにより、偏光分離膜において分離されて位相差板に向かう一方の偏光光が、ガラス材１１と位相板１３との界面に対し、略４５°の入射角で入射しても、ガラス材１１の斜面において反射されることなく、ガラス材１１から位相差板１３に入射することができる。また、位相差板１３の反射面１３ｃに到達する光量が減少することもなく、反射面１３ｃに入射する偏光光の広い入射角許容値（±７°程度）に対応することができる。

なお、以上の本実施形態において、以下の変形例として挙げられているような形態であっても、本実施形態と同様な効果を得ることが可能である。

（変形例１）
上記実施形態において、ガラスブロックの貼り合せに、紫外線硬化型接着剤などの接着剤を用いた場合で説明したが、シランカップリング剤を塗布する又は／及び活性エネルギー線を照射する直接接合法を用いることができる。

（変形例２）
上記実施形態において、偏光変換素子１は、１／２λ位相差機能を有する位相差板１３を用いた場合を例示したが、本実施形態の技術的思想は直線偏光光を円偏光光に変換する１／４λ位相差機能を有する位相差板に対しても同様に適用することができる。

本実施形態に係る偏光変換素子の構成を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る偏光変換素子の一部の拡大断面図。 ガラス材と水晶位相板との界面におけるガラス材の屈折率と入射光の界面反射率との関係を示すグラフ。 臨界角の波長分散特性および最大入射角の波長分散特性を示すグラフ。 光入射面への入射角による反射率の波長分散特性を示すグラフ。 （ａ）は水晶板の正面図であり、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における断面図。 本実施形態に係る偏光分離素子を製造する主要な工程を示す工程断面図。 本実施形態に係る偏光分離素子を製造する主要な工程を示す工程断面図。 （ａ）は完成した偏光変換素子の正面、上面および側面を一括して示す模式図であり、（ｂ）は（ａ）に示す偏光変換素子の正面図に対して９０°の角度回転した状態の正面、上面および側面を一括して示す模式図。 （ａ）は従来の偏光変換素子の斜視図、（ｂ）は（ａ）を＋ｚ軸方向から矢視した偏光変換素子の平面図。

符号の説明

１…偏光変換素子、１ａ…光入射面、１ｂ…光射出面、１１…ガラス材、１２…偏光分離膜、１３…位相差板、１３ａ…空気層を形成する凹部、１３ｂ…凸面、１３ｃ…反射面としての底面、１４…接着剤（接着層）、１１１，１１２…ガラス板、１３１…水晶板、１３１ａ…凹部、１３１ｂ…凸面、１３１ｃ…底面、γ…空気層の間隔。

Claims (4)

1. 光入射面および前記光入射面に略平行な光射出面に略４５°の角度を成す複数の界面で順次貼り合わされた複数の透光性基材を有する偏光変換素子であって、
   前記複数の界面に、前記光入射面に入射する入射光を二種類の偏光光に分離する偏光分離膜と、水晶よりなる位相差板と、が交互に設けられ、
   前記位相差板は、前記透光性基材との間に空気層を形成する凹部を備え、前記空気層に沿う前記凹部の底面を反射面として、前記偏光分離膜において分離されて入射する光を全反射して、前記光射出面より射出することを特徴とする偏光変換素子。
2. 請求項１に記載の偏光変換素子において、
   前記空気層は、可視光波長域（略４２０ｎｍ〜略６８０ｎｍ）の入射光に対して少なくとも１μｍ以上の間隔を有することを特徴とする偏光変換素子。
3. 請求項１または請求項２に記載の偏光変換素子において、
   前記空気層を形成する前記凹部は、エッチング法を用いて形成されたことを特徴とする偏光変換素子。
4. 請求項１〜請求項３のいずれか一項に記載の偏光変換素子において、
   前記透光性基材の屈折率が１．４５〜１．６５の範囲であることを特徴とする偏光変換素子。

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