JP2009294417A - Polarized beam splitter, polarization conversion element and image display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回折光学素子を利用した偏光分離素子、偏光変換素子及び画像表示装置に関する。 The present invention relates to a polarization separation element, a polarization conversion element, and an image display device using a diffractive optical element.
光源からの光を液晶パネルにより変調し、投影レンズによりスクリーン上に拡大投写する投写装置(プロジェクタ)が開示されている(例えば、特許文献1を参照)。 A projection apparatus (projector) that modulates light from a light source with a liquid crystal panel and enlarges and projects it on a screen by a projection lens is disclosed (for example, see Patent Document 1).
液晶パネルのように特定偏光の光変調により画像表示を行うライトバルブでは、特定偏光のみが有効に作用し、それに直交する偏光成分はコントラストの低下等の劣化要因となる。このため、液晶パネルの前段(および後段)に偏光子を入れて偏光状態をコントロールしている。しかしながら、光源から発せられる照明光は無偏光ビーム(自然光)であることが多いため、偏光子によって特定の一方向のみの偏光成分が選択されると、その約半分は光量損失となってしまう。 In a light valve that displays an image by light modulation of specific polarization, such as a liquid crystal panel, only the specific polarization works effectively, and a polarization component orthogonal to the specific polarization causes deterioration such as a decrease in contrast. For this reason, a polarizer is inserted in the front stage (and rear stage) of the liquid crystal panel to control the polarization state. However, since the illumination light emitted from the light source is often a non-polarized beam (natural light), when a polarized light component in only one specific direction is selected by the polarizer, about half of the light is lost.
ところで近年、プロジェクタのような画像表示装置の使用において、室内をあまり暗くしなくても認識できる明るい投写画像への要求が高いため、液晶ライトバルブの光利用効率の向上が重要である。また、プロジェクタは、家庭用やビジネス時のプレゼンテーション用として持ち運び可能であることが求められており、これに伴い搭載される偏光分離素子及び偏光変換素子にも小型化・薄型化が期待される。 By the way, in recent years, in the use of an image display device such as a projector, there is a high demand for a bright projection image that can be recognized without making the room too dark, and thus it is important to improve the light utilization efficiency of the liquid crystal light valve. In addition, projectors are required to be portable for home use and business presentations, and accordingly, the polarization separation element and the polarization conversion element to be mounted are expected to be reduced in size and thickness.
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、光の利用効率を向上させつつ、小型化・薄型化を達成することができる偏光分離素子及びこれを有する偏光変換素子を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of such problems, and provides a polarization separation element that can achieve downsizing and thinning while improving the light utilization efficiency, and a polarization conversion element having the polarization separation element. For the purpose.
このような目的を達成するため、本発明を例示する第一の態様に従えば、等方性の光学材料からなる第1の回折光学面を有する第1光学素子要素と、前記第1光学素子要素に隣接した複屈折性の光学材料からなる第2の回折光学面を有する第2光学素子要素とを有し、前記等方性の光学材料の屈折率をN1とし、前記複屈折性の光学材料の常光線に対する屈折率をNo及び異常光線に対する屈折率をNeとし、これら屈折率No,Neのうち前記屈折率N1に近い方の値をN2nとしたとき、次式|N1−N2n|<0.01及び|Ne−No|>0.05の条件を満足することを特徴とする偏光分離素子が提供される。 In order to achieve such an object, according to a first aspect illustrating the present invention, a first optical element element having a first diffractive optical surface made of an isotropic optical material, and the first optical element A second optical element element having a second diffractive optical surface made of a birefringent optical material adjacent to the element, wherein the refractive index of the isotropic optical material is N1, and the birefringent optics When the refractive index with respect to the ordinary ray of the material is No and the refractive index with respect to the extraordinary ray is Ne, and the value closer to the refractive index N1 among these refractive indexes No and Ne is N2n, the following expression | N1-N2n | < Provided is a polarization separation element that satisfies the conditions of 0.01 and | Ne-No |> 0.05.
また、本発明を例示する第二の態様に従えば、光源側から順に並んだ、上記第一の態様の偏光分離素子と、透過する光の偏光面を90°回転変換する1/2波長板とを有することを特徴とする偏光変換素子が提供される。 Further, according to the second aspect exemplifying the present invention, the polarization separation element according to the first aspect and the half-wave plate that rotates the polarization plane of the transmitted light by 90 °, which are arranged in order from the light source side. There is provided a polarization conversion element characterized by comprising:
また、本発明を例示する第三の態様に従えば、上記第二の態様の偏光変換素子と、前記偏光変換素子から射出した光を変調して画像光を生成する画像生成光学系とを有することを特徴とする画像表示装置が提供される。 According to a third aspect of the present invention, the polarization conversion element according to the second aspect and an image generation optical system that modulates light emitted from the polarization conversion element to generate image light are provided. An image display device is provided.
以上説明したように、本発明によれば、回折光学素子を利用することにより、広波長域に亘って高い回折効率を得て光の利用効率を向上させつつ、小型化・薄型化を達成した偏光分離素子及びこれを有する偏光変換素子を提供することができる。 As described above, according to the present invention, by using a diffractive optical element, a high diffraction efficiency is obtained over a wide wavelength range, and the light utilization efficiency is improved, and a reduction in size and thickness is achieved. A polarization separation element and a polarization conversion element having the polarization separation element can be provided.
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
従来より、屈折光学系や反射光学系では達し得ない高性能化・小型化を目指して、例えば光ディスク用のピックアップ用レンズなどの光学系に回折光学面を組み込む試みが種々行われてきた。しかしながら、このような回折光学面を有する単層型の光学回折素子では、設計波長からずれた波長域の光によりフレアが発生し、画質・結像性能を損ねてしまう問題があり、その使用はレーザー光源などの単一波長や狭い波長域での使用に限られていた。 Conventionally, various attempts have been made to incorporate a diffractive optical surface into an optical system such as a pickup lens for an optical disk, in order to achieve high performance and miniaturization that cannot be achieved by a refractive optical system or a reflective optical system. However, in a single-layer type optical diffractive element having such a diffractive optical surface, there is a problem that flare occurs due to light in a wavelength region deviated from the design wavelength, and the image quality and imaging performance are impaired. It was limited to use in a single wavelength such as a laser light source or a narrow wavelength range.
そこで、近年、複層型(または積層型)と呼ばれる回折光学素子が提案されている。このタイプの回折光学素子は、例えば、鋸歯状に形成された回折光学面(レリーフパターン)を有し、異なる屈折率及び分散を有した複数の光学素子要素を分離あるいは密着させた形で積層させてなるものであり、所望の広波長域(例えば、可視光領域)のほぼ全域で高い回折効率が保たれる。すなわち、回折効率の波長特性が良好であるという特徴を有している。 Therefore, in recent years, a diffractive optical element called a multilayer type (or laminated type) has been proposed. This type of diffractive optical element has, for example, a diffractive optical surface (relief pattern) formed in a sawtooth shape, and a plurality of optical element elements having different refractive indexes and dispersions are laminated in a separated or closely contacted manner. Thus, high diffraction efficiency is maintained in almost the entire desired wide wavelength range (for example, visible light range). That is, the wavelength characteristic of the diffraction efficiency is good.
ここで、複層型の回折光学素子の構造について説明すると、一般に、図5(a),(b)に示すように、第1の材質からなる第1光学素子要素111と、これとは屈折率や分散値が異なる第2の材質からなる第2光学素子要素112とから構成され、それぞれの光学素子要素の対向し合う面には鋸歯状の回折格子111a,112aが形成されている。そして、特定の2波長に対して色消し条件を満足させるように、第1光学素子要素111の格子高さ(溝の高さ)h1を所定の値に決定し、第2光学素子要素112の格子高さh2を別の所定の値に決定する。これにより、特定の2波長に対しては回折効率が1.0となり、その他の波長に対してもかなり高い回折効率を得ることができるようになる。このように、回折光学素子を複層型にすることで、回折光学素子をほぼ全波長に対して適用することができるようになる。なお、回折効率とは、透過型の回折光学素子において、該回折光学素子に入射する光の強度I0と、回折光学素子を透過した光に含まれる一次回折光の強度I1との割合η(=I1/I0)として定義される。
Here, the structure of the multi-layer diffractive optical element will be described. Generally, as shown in FIGS. 5A and 5B, the first
また、所定条件を満たすことにより、図5(b)に示すように、第1光学素子要素111の格子高さh1と、第2光学素子要素112の格子高さh2とを一致させた、いわゆる密着複層型の回折光学素子を達成することが可能となる。この密着複層型の回折光学素子では、図5(a)に示す分離複層型に比べ、格子高さの誤差感度(公差)が緩くなったり、格子面の面粗さの誤差感度(公差)が緩くなったりする等、製造し易くなるメリットがあり、生産性に優れ、量産性が高く、光学製品のコストダウンに好都合であるという利点を有している。
In addition, by satisfying the predetermined condition, as shown in FIG. 5B, the lattice height h1 of the first
また、第1光学素子要素111および第2光学素子要素112のうち、いずれか一方の光学素子要素を先に精密に形成し、その後、他方の光学素子要素をUV硬化型樹脂等に流し込んで成型することもできる。この場合、先に形成した格子が型となって後に成型する格子も精密に形成でき、両者の偏心も全く生じないという利点を持っている。
Further, either one of the first
このような密着複層型の回折光学素子を構成する2つの光学素子要素は、一方の光学素子要素が相対的に高屈折率低分散の材料であり、他方の光学素子要素が相対的に低屈折率高分散の材料からなることが必須であるが、どちらの材料が物体側(光の入射側)に配置されても構わない。但し、製造上の誤差感度を所望の程度まで低減させるためには、d線における2つの光学素子要素の屈折率差が0.45以下であることが好ましい。また、2つの光学素子要素の屈折率差が0.2以下であれば、なお好ましい。 Two optical element elements constituting such a contact multilayer diffractive optical element are such that one optical element element is a material having a relatively high refractive index and low dispersion and the other optical element element is relatively low. Although it is essential to be made of a material having a high refractive index dispersion, either material may be disposed on the object side (light incident side). However, in order to reduce the manufacturing error sensitivity to a desired level, it is preferable that the refractive index difference between the two optical element elements in the d-line is 0.45 or less. Moreover, it is still more preferable if the refractive index difference of two optical element elements is 0.2 or less.
本発明の偏光分離素子及びこれを有する偏光変換素子は、以上のような複層型の回折光学素子の性質を応用することにより、広波長域に亘って高い回折効率を得て光の利用効率を向上させつつ、小型化・薄型化の達成を実現している。 The polarization separation element of the present invention and the polarization conversion element having the same obtain the high diffraction efficiency over a wide wavelength region by applying the properties of the multilayered diffractive optical element as described above, and the light utilization efficiency. While achieving this, it is possible to achieve downsizing and thinning.
まず、図1を用いて、本実施形態に係る(偏光分離素子を含む)偏光変換素子を搭載した画像表示装置(プロジェクタ)について説明する。プロジェクタは、光源部20と、照明光学系と、画像生成光学系と、投影レンズ60とを有している。
First, an image display apparatus (projector) equipped with a polarization conversion element (including a polarization separation element) according to the present embodiment will be described with reference to FIG. The projector includes a
光源部20は、白色光を発光する光源22と、光源22からの照明光を照明光学系へ向けて反射させるリフレクタ24とからなる。光源部20からの照明光は、照明光軸26に沿って照明光学系に入射される。
The
照明光学系は、偏光変換素子32と、リレーレンズ34とからなる。偏光変換素子32は、図2にも示すように、光源側から順に並んだ、第1フライアイレンズ32aと、偏光分離素子10と、1/2波長板32bと、第2フライアイレンズ32cとを有する。第1,第2フライアイレンズ32a,32cは、照明光軸26と垂直な面に複数の小型のレンズが配置され、入射した光を均斉化させて出射させる。偏光分離素子10は、詳細は後述するが、光源22からの照明光を偏光面が互いに直交する2つの直線成分(P偏光とS偏光)に分離する。1/2波長板32bは、偏光分離素子10により分離された一方の直線偏光の偏光面を90度回転させ、前記2つの直線偏光の偏光面を同じにする。リレーレンズ34は、第2フライアイレンズ32cから出射した照明光を画像生成光学系へ中継する。なお、図2においては、第2光学素子要素12の光学部材のNeとNoのいずれかが、第1光学素子要素11に比して小さい値となっている。逆に、第2光学素子要素12の光学部材のNeとNoのいずれかが、第1光学素子要素11に比して大きい値の場合には、回折光(破線)は図中で上側に進行する。
The illumination optical system includes a
画像生成光学系は、反射鏡40、42、44と、ダイクロイックミラー46、48、3枚の透過型の液晶パネル50R,50G,50Bと、クロスダイクロイックプリズム52とからなる。照明光学系にて均斉化された照明光は、反射鏡28によって光路が折り曲げられた後、ダイクロイックミラー46に入射する。ダイクロイックミラー46は、白色光に含まれる青色光(B光)を透過し、赤色光(R光)、緑色光(G光)を反射することによりB光を分離する。分離されたB光は、反射鏡40により反射されて液晶パネル50Bに入射する。ダイクロイックミラー46により反射されたR光及びG光は、ダイクロイックミラー48に入射する。ダイクロイックミラー48はR光を透過させ、G光を反射させ、R光とG光を分離する。G光は、そのまま液晶パネル50Gに入射し、R光は反射鏡42、44により反射されて液晶パネル50Rに入射する。
The image generation optical system includes reflecting
液晶パネル50R,50G,50Bでは、それぞれ入射したR光、G光、B光に画像情報が付与される。液晶パネル50R,50G,50Bを透過した各光束は、クロスダイクロイックプリズム52に入射する。クロスダイクロイックプリズム52は、4つの直角プリズムを組み合わせて構成され、互いに直交した2種類のダイクロイック面を有している。ダイクロイック面は、クロスダイクロイックプリズム52の側面から入射した光束をその偏光特性及び波長に応じて入射時と異なる方向に出射させるもので、R光を反射するR光反射面52aと、B光を反射するB光反射面52bとからなる。
In the
液晶パネル50Rを透過したR光は、R光反射面52aによって投映光学系に向かって直角方向に反射される。液晶パネル50Gを透過したG光は、R光反射面52a及びB光反射面52bを透過して直進し、投映光学系に入射する。液晶パネル50Bを透過したB光は、B光反射面52bによって投映光学系に向かって直角方向に反射される。これにより、R、G、B各色の画像光が合成され、カラーの画像光が生成される。合成済みの画像光は投映光軸56に沿って投影レンズ60に入射して拡大されて、スクリーン70に投映されるようになっている。
The R light transmitted through the
なお、上記液晶パネル50R,50G,50Bとして透過型のものを用いたが、これに限定されず、反射型の液晶パネルを用いてもよい。
Although the transmissive type is used as the
ここで、偏光分離素子10について説明する。図3に示すように、偏光分離素子10は、等方性の光学材料からなる第1の回折光学面を有する第1光学素子要素11と、前記第1光学素子要素11に隣接した複屈折性の光学材料からなる第2の回折光学面を有する第2光学素子要素12とを有し、これら第1光学素子要素11と第2光学素子要素12とが互いに対向して配置され、複層型の回折光学素子を構成している。なお、図では省略しているが、第2光学素子要素12を構成する複屈折性の光学材料は、第3の光学材料により封入された形となっている。このように、偏光分離素子10に複層型の回折光学素子を利用することにより、広い波長範囲に亘って色収差が良好に補正され、十分に高い回折効率が確保された、小型軽量薄型で且つ優れた光学性能を達成することができる。換言すれば、本実施形態の偏光分離素子10は、複層型の回折光学素子の特性を利用することで、片側の格子形成層に屈折力を与えて収差補正自由度を増し、優れた光学性能を達成している。
Here, the
第2光学素子要素12を構成する複屈折性の光学材料は、常光線に対する屈折率Noと、異常光線に対する屈折率Neとが異なる。したがって、第1光学素子要素11を構成する等方性の光学材料との格子界面(回折光学面)13が及ぼす回折作用も、常光線と異常光線とでは異なる。この偏光分離素子10では、第2光学素子要素12に係る光学材料の常光線,異常光線のうちのいずれか一方に対する屈折率が、第1光学素子要素11に係る光学材料の屈折率とほぼ同じになるように材料が選択されている。
The birefringent optical material constituting the second
例えば、常光線に対する第1光学素子要素11に係る光学材料の屈折率N1と、第2光学素子要素12に係る光学材料の屈折率Noとを同じにした場合、常光線が回折作用を受けずに格子界面13を透過し、異常光線が格子界面13での回折作用を受けて偏向することになる。逆に、異常光線に対する第1光学素子要素11に係る光学材料の屈折率N1と、第2光学素子要素12に係る光学材料の屈折率Neとを同じにした場合、異常光線が回折作用を受けずに格子界面13を透過し、常光線が格子界面13での回折作用を受けて偏向することになる。このように偏光分離素子10は、第1光学素子要素11と第2光学素子要素12とを対向して配置することにより、入射してきた照明光を偏光面が互いに直交する2つの直線偏光に分離することができる。
For example, when the refractive index N1 of the optical material related to the first
上記構成の基に、本実施形態の偏光分離素子10は、等方性の光学材料の屈折率をN1とし、複屈折性の光学材料の常光線に対する屈折率をNo及び異常光線に対する屈折率をNeとし、これら屈折率No,Neのうち前記屈折率N1に近い方の値をN2nとしたとき、次式(1)及び(2)の条件を満足する。
Based on the above configuration, the
|N1−N2n|<0.01 …(1)
|Ne−No|>0.05 …(2)
| N1-N2n | <0.01 (1)
| Ne-No |> 0.05 (2)
上記条件式(1)は、第1光学素子要素11と第2光学素子要素12との格子界面13で、第2光学素子要素12において前記屈折率N1に近い(屈折率差の小さい)方に相当する偏光が略直進するための要件である。この条件式(1)の上限値を上回ると、格子界面13で透過光が偏角を生じてしまい、偏光分離素子10の後方(投写側)に配置される光学系や光学素子において、照明光がけられて光量損失が発生するため好ましくない。また、所謂フレネル反射が出て、この反射による光量損失が大きくなってしまい、照明系としての透過率が下がるため好ましくない。なお、条件式(1)の効果を十分に発揮するには、上限値を0.005とすることが好ましい。
The above conditional expression (1) is the
上記条件式(2)は、第2光学素子要素12を形成する複屈折率量(=|Ne−No|)を規定するものである。この条件式(2)の満足することで、偏光分離素子10の回折角を大きく取ることができるとともに、1/2波長板32bの数を増やすことなく偏光変換素子32の全長を短縮することができる。さらには、1/2波長板32bの微細加工が不要となり、生産コストも抑えることができる。なお、条件式(2)の下限値を下回ると、偏光変換素子32が大型化するだけなく、薄膜のエッジ部分の欠けや1/2波長板32bの寸法誤差等によるケラレで発生する光量損失が大きくなるおそれもあり、好ましくない。なお、条件式(2)の効果を十分に発揮するには、下限値を0.1とすることが好ましい。
The conditional expression (2) defines the birefringence amount (= | Ne−No |) that forms the second
なお、より優れた偏光分離素子10及び偏光変換素子32を得るためには、条件式(1)及び(2)を同時に満たすことが好ましい。
In order to obtain a more excellent
また、本実施形態においては、第2光学素子要素12を構成する複屈折性の光学材料の常光線に対する屈折率をNo及び異常光線に対する屈折率をNeとし、これら屈折率No,Neのうち、第1光学素子要素11を構成する等方性の光学材料の屈折率N1から離れている方の値をN2fとしたとき、次式(3)の条件を満足することが好ましい。
In the present embodiment, the refractive index for the ordinary ray of the birefringent optical material constituting the second
0.02<|N1−N2f|<0.45 …(3) 0.02 <| N1-N2f | <0.45 (3)
上記条件式(3)は、第1光学素子要素11を構成する光学材料N1と、第2光学素子要素12を構成する光学材料の屈折率N2fとの屈折率差について、適切な範囲を規定するものである。この条件式(3)の上限値を上回ると、屈折率差が大きくなり過ぎてしまい、格子界面13における格子の製造誤差に対する感度が大きくなり過ぎるという不都合が生じる。一方、条件式(3)の下限値を下回ると、格子界面13に要求される格子高さが大きくなり過ぎて製造上不利になったり、格子の段差部分により影が生じてブレーズ光の回折効率の低下を招いたり、格子の壁面に入射する光の散乱や反射による迷光が大きく発生して、画質を損ねる原因となったりしてしまう。なお、条件式(3)の効果を確実にするために、上限値を0.20にすることが好ましい。また、条件式(3)の効果を確実にするために、条件式(3)の下限値を0.03にすることが好ましい。
Conditional expression (3) defines an appropriate range for the refractive index difference between the optical material N1 constituting the first
具体的には、複屈折性の光学材料で第2光学素子要素12を形成する際、屈折率N2fで定まる偏光方向が、図2において紙面と平行方向(P偏光と定義する)である。また、前記偏光方向と直交する方向が、図2において紙面と直交方向(S偏光と定義する)である。すなわち、光学軸はこの両偏光方向に対して45度をなしている。本発明は、このように偏光方向によって屈折率が異なる「二色性」の回折光学素子と、密着複層型の回折光学素子を組み合わせて構成した偏光分離素子10である。
Specifically, when the second
なお、優れた偏光分離素子10及び偏光変換素子32を得るためには、条件式(1)、(2)、(3)を同時に満たすことが好ましい。
In order to obtain an excellent
また、本実施形態においては、第1光学素子要素11のピッチと第2光学素子要素12のピッチはほぼ等しく、前記第1光学素子要素11のピッチをpとし、設計主波長であるd線(波長587.6nm)をλとしたとき、次式(4)の条件を満足することが好ましい。
In the present embodiment, the pitch of the first
p/λ>10.0 …(4) p / λ> 10.0 (4)
上記条件式(4)は、適正なる格子ピッチの大きさpを、波長の大きさλで換算して規定するものである。回折の一般的性質として、格子のピッチの大きさが細かくなり過ぎると、高次回折光が発生して光利用効率が下がってしまう。これを回避するために、本実施形態では条件式(4)を規定している。なお、回折現象は波長の大きさに応じて生ずるため、条件式(4)では、格子ピッチの大きさpを、波長の大きさλで規格化して考察している。このような条件式(4)の下限値を下回ると、1次光の回折効率が約60%以下に低下し、実用レベルから外れるため、好ましくない(なお、1次光の回折効率の値は、拡張スカラー理論によれば概算で約56%となる。また、電磁場解析計算(FDTD法など)によればさらに正確な計算が可能となる)。また、条件式(4)は、回折光に顕著な偏光特性が付加されないようにするための条件にもなっており、該条件式(4)の下限値を下回ると、回折光に所望の偏光成分と異なる成分の偏光が混入してくるため、所望の偏光成分の光量低下と、迷光発生によるコントラスト低下とを招きやすくなり、好ましくない。なお、条件式(4)の効果を十分に発揮するには、下限値を20.0とすることが好ましい。 Conditional expression (4) defines an appropriate grating pitch size p by converting it to a wavelength size λ. As a general property of diffraction, if the pitch of the grating becomes too fine, high-order diffracted light is generated and the light utilization efficiency is lowered. In order to avoid this, conditional expression (4) is defined in this embodiment. Since the diffraction phenomenon occurs according to the wavelength, the conditional expression (4) considers the size p of the grating pitch normalized by the wavelength λ. When lower than the lower limit value of the conditional expression (4), the diffraction efficiency of the first-order light is reduced to about 60% or less and deviates from the practical level. Therefore, the value of the diffraction efficiency of the first-order light is not preferable. According to the extended scalar theory, the approximate value is about 56%, and according to the electromagnetic field analysis calculation (FDTD method or the like), more accurate calculation is possible). Conditional expression (4) is also a condition for preventing a significant polarization characteristic from being added to the diffracted light. If the lower limit of conditional expression (4) is not reached, the diffracted light has a desired polarization. Since polarized light of a component different from the component is mixed in, it is not preferable because the amount of light of the desired polarization component is likely to decrease and the contrast is decreased due to the generation of stray light. In order to fully exhibit the effect of conditional expression (4), it is preferable to set the lower limit to 20.0.
また、本実施形態においては、第1の回折光学面と第2の回折光学面とが互いに接するように配置され、前記第1光学素子要素11の格子高さをhとし、前記第1光学素子要素11のピッチをpとしたとき、次式(5)の条件を満足することが好ましい。
In the present embodiment, the first diffractive optical surface and the second diffractive optical surface are arranged so as to be in contact with each other, the grating height of the first
0.01<h/p<3.0 …(5) 0.01 <h / p <3.0 (5)
上記条件式(5)は、格子の高さhと、ピッチの大きさpとの適切な関係を規定するものである。この条件式(5)の上限値を上回ると、格子ピッチpが小さくなり過ぎてしまい、回折角が大きくなって、回折面の色分散が大きくなり、被照射面での照明領域の周辺に色づきが発生する。すると、照明領域を狭めて使用せざるを得ない不都合が生じる。さらに、加工しづらくなるばかりか、回折効率の低下を招き、不要なフレア光による画質を損ねる不都合が発生する。このように、最小の格子ピッチpを適切に設定することが重要である。一方、条件式(5)の下限値を下回ると、格子ピッチpが大きくなり過ぎてしまい、回折角が大きくなって、偏光分離素子10及びこれを有する偏光変換素子32の全長が伸びてしまう不都合が発生する。なお、条件式(5)の効果を十分に発揮するには、上限値を1.0とすることが好ましい。また、条件式(5)の効果を十分に発揮するには、下限値を0.05とすることが好ましい。
The conditional expression (5) defines an appropriate relationship between the grating height h and the pitch size p. When the upper limit of conditional expression (5) is exceeded, the grating pitch p becomes too small, the diffraction angle increases, the chromatic dispersion of the diffracting surface increases, and the illumination area on the irradiated surface is colored. Will occur. As a result, a disadvantage arises in which the illumination area must be narrowed and used. Further, not only is it difficult to process, but the diffraction efficiency is lowered, and there is a disadvantage that the image quality is deteriorated due to unnecessary flare light. Thus, it is important to set the minimum lattice pitch p appropriately. On the other hand, if the lower limit value of conditional expression (5) is not reached, the grating pitch p becomes too large, the diffraction angle becomes large, and the total length of the
また、本実施形態においては、前記等方性の光学材料において、前記屈折率N1はd線に対する屈折率であり、C線に対する屈折率をnC1とし、F線に対する屈折率をnF1とし、前記複屈折性の光学材料において、前記屈折率N2fはd線に対する屈折率であり、C線に対する屈折率をnC2とし、F線に対する屈折率をnF2とし、前記等方性の光学材料と、前記複屈折性の光学材料との主分散の差をΔ(NF−NC)={(NF1−NC1)−(NF2−NC2)}としたとき、次式(6)の条件を満足することが好ましい。 In this embodiment, in the isotropic optical material, the refractive index N1 is a refractive index with respect to the d-line, a refractive index with respect to the C-line is nC1, a refractive index with respect to the F-line is nF1, and the compound In the refractive optical material, the refractive index N2f is a refractive index for the d-line, a refractive index for the C-line is nC2, a refractive index for the F-line is nF2, and the isotropic optical material and the birefringence When the difference in main dispersion with the optical material is Δ (NF−NC) = {(NF1−NC1) − (NF2−NC2)}, it is preferable that the condition of the following formula (6) is satisfied.
−50.0<|N1−N2f|/Δ(NF−NC)<−1.0 …(6) -50.0 <| N1-N2f | / Δ (NF-NC) <− 1.0 (6)
上記条件式(6)は、第1光学素子要素11及び第2光学素子要素12を構成する光学材料における、(格子界面13での)d線に対する屈折率の差|N1−N2f|と、主分散NF−NCの差Δ(NF−NC)との適切な関係を規定するものである。この条件式(6)は、本実施形態のような密着複層型の回折光学素子において、広波長域に亘り高い回折効率を得るために重要な条件である。この条件式(6)の範囲を逸脱すると、使用波長域の全域に亘る高い回折効率を得ることができず、光の利用効率が低下するという不都合が生じる。この条件式(6)の効果を十分に発揮するには、下限値を−45.0とすることが好ましい。
The conditional expression (6) is expressed as follows: the refractive index difference | N1-N2f | with respect to the d-line (at the lattice interface 13) in the optical material constituting the first
また、本実施形態においては、d線での回折効率をEdとし、g線での回折効率をEgとし、C線での回折効率をECとしたとき、次式(7)の条件を満足することが好ましい。 In the present embodiment, when the diffraction efficiency at the d-line is Ed, the diffraction efficiency at the g-line is Eg, and the diffraction efficiency at the C-line is EC, the condition of the following expression (7) is satisfied. It is preferable.
(Eg+EC)/(2×Ed)>0.80 …(7) (Eg + EC) / (2 × Ed)> 0.80 (7)
上記条件式(7)は、広波長域化した使用光に対する回折効率のバランスについて適切な範囲を規定するものである。この条件式(7)の下限値を下回ると、主波長であるd線に対して、相対的に短波長であるg線及び長波長であるC線のうち、少なくとも一方の波長において回折効率が低下しすぎて、回折フレアが大きくなり、画質を損ねてしまう。すなわち、ブレーズされた以外の波長や画角等の光が不要な回折光となってしまい、フレアの発生が大きくなってしまい、良好な画質が得られなくなってしまう。なお、条件式(7)の効果を確実にするために、上限値を0.98にすることが好ましい。また、条件式(7)の効果を確実にするために、下限値を0.82にすることが好ましい。 The conditional expression (7) defines an appropriate range for the balance of diffraction efficiency with respect to the used light having a wide wavelength range. When the lower limit of conditional expression (7) is not reached, the diffraction efficiency is at least at one of the g-line having a relatively short wavelength and the C-line having a long wavelength with respect to the d-line that is the dominant wavelength. If it is too low, the diffraction flare becomes large and the image quality is impaired. That is, light having a wavelength or angle of view other than the blazed light becomes unnecessary diffracted light, and the occurrence of flare increases, so that good image quality cannot be obtained. In order to secure the effect of conditional expression (7), it is preferable to set the upper limit value to 0.98. In order to secure the effect of the conditional expression (7), it is preferable to set the lower limit value to 0.82.
また、本実施形態においては、第1光学素子要素11と第2光学素子要素12は、同じ格子高さで密着し、ピッチはほぼ等しく、前記第1光学素子要素11の格子高さをhとし、前記第1光学素子要素11のピッチをpとしたとき、次式(8),(9)の条件をそれぞれ満足することが好ましい。
In the present embodiment, the first
p≧10μm …(8)
h≦30μm …(9)
p ≧ 10 μm (8)
h ≦ 30 μm (9)
上記条件式(8)及び(9)を満足することにより、ピッチpが緩く、格子高さhが低く抑えられ、回折効率の角度特性(入射光線の入射角の変化に対する回折効率の低下の度合い)が向上し、使用可能な角度範囲が広くなる。すなわち、不要回折光によるフレアを減ずることができるため、好ましい。また、ピッチが緩く、格子高さが低く抑えられることにより、加工精度が出しやすい等、回折格子の加工が容易となり、ひいては製造コストを抑えることができる。但し、条件式(8)の下限値を下回った場合、ピッチが狭くなり過ぎてしまい、加工しづらくなるばかりか、回折効率の低下を招き、不要なフレア光による画質を損ねる不都合が発生する。この条件式(8)の効果を確実にするために、下限値を30μmにすることが好ましい。 By satisfying the conditional expressions (8) and (9), the pitch p is loose and the grating height h is kept low, and the angular characteristics of the diffraction efficiency (the degree of decrease in diffraction efficiency with respect to the change in the incident angle of incident light). ) And the usable angle range is widened. That is, it is preferable because flare due to unnecessary diffracted light can be reduced. In addition, since the pitch is loose and the grating height is kept low, the processing of the diffraction grating is facilitated, such as easy processing accuracy, and thus the manufacturing cost can be reduced. However, if the lower limit value of conditional expression (8) is not reached, the pitch becomes too narrow and it becomes difficult to process, and the diffraction efficiency is lowered and the image quality due to unnecessary flare light is impaired. In order to ensure the effect of the conditional expression (8), the lower limit value is preferably set to 30 μm.
また、条件式(9)の上限値を上回った場合、格子高さhが高くなり過ぎてしまい、光透過時の損失が大きくなり、角度特性が悪くなるおそれがある。この条件式(9)の効果を確実にするために、上限値を25μmにすることが好ましい。 On the other hand, if the upper limit value of conditional expression (9) is exceeded, the grating height h becomes too high, the loss during light transmission increases, and the angular characteristics may deteriorate. In order to ensure the effect of the conditional expression (9), the upper limit value is preferably set to 25 μm.
さらに、本実施形態においては、以下の条件を満足することが好ましい。 Furthermore, in the present embodiment, it is preferable that the following conditions are satisfied.
第1光学素子要素11(等方性の光学材料)と第2光学素子要素12(複屈折性の光学材料)とのd線における屈折率差をΔNd(上記の屈折率N1とN2fの差)とし、第1光学素子要素11と第2光学素子要素12とのd線に対するアッベ数の差Δνdとしたとき、次式(10)の条件を満足することが好ましい。
ΔNd (difference between the above-mentioned refractive indexes N1 and N2f) is the difference in refractive index at the d-line between the first optical element element 11 (isotropic optical material) and the second optical element element 12 (birefringent optical material). And the Abbe number difference Δνd between the first
0.001<Δνd/ΔNd<0.01 …(10) 0.001 <Δνd / ΔNd <0.01 (10)
上記条件式(10)は、高い回折効率を所定の波長域に亘って得るために、複層型の回折光学素子を構成する、高屈折率低分散の材料と低屈折率高分散の材料との適切な関係を規定するものである。この条件式(10)の上限値を上回ると、広波長域に亘っての高い回折効率が得られず、ブレーズされた以外の波長や画角等の光が不要な回折光となってしまい、フレアの発生が大きくなって、良好な画質が得られなくなってしまう。一方、条件式(10)の下限値を下回ると、同様に広波長域に亘っての高い回折効率が得られない。なお、条件式(10)の効果を確実にするために、上限値を0.015にすることが好ましい。また、条件式(10)の効果を確実にするために、下限値を0.002にすることが好ましい。 In order to obtain high diffraction efficiency over a predetermined wavelength range, the above conditional expression (10) indicates that a high refractive index and low dispersion material and a low refractive index and high dispersion material constituting a multilayer diffractive optical element It defines the appropriate relationship. If the upper limit value of the conditional expression (10) is exceeded, high diffraction efficiency over a wide wavelength range cannot be obtained, and light with a wavelength or angle of view other than blazed becomes unnecessary diffracted light, The occurrence of flare increases, and good image quality cannot be obtained. On the other hand, if the lower limit value of conditional expression (10) is not reached, high diffraction efficiency over a wide wavelength range cannot be obtained. In order to secure the effect of conditional expression (10), it is preferable to set the upper limit to 0.015. In order to secure the effect of conditional expression (10), it is preferable to set the lower limit to 0.002.
また、本実施形態においては、偏光分離素子10と組み合わせて使用されるフライアイレンズ32a,32cを構成する単独のマイクロレンズの焦点距離をfとし、前記マイクロレンズの入射最大径をDとしたとき、次式(11)の条件を満足することが好ましい。
In the present embodiment, when the focal length of the single microlens constituting the fly-
f/D>1.5 …(11) f / D> 1.5 (11)
上記条件式(11)は、フライアイレンズ32a,32cを構成するマイクロレンズの、焦点距離fと、入射最大径Dとの適切な比を規定したものである。この条件式(11)の下限値を下回ると、マイクロレンズによる収差が発生し、光線のケラレによる光量損失が発生する不都合が生じやすい。また、第1のフライアイレンズ32aに適用する場合、条件式(11)の下限値を下回ると、後方(投写側)に設けた偏光分離素子10への入射角が大きくなり過ぎて、透過特性と反射特性が劣化して、高い偏光変換効率が得られなくなり、好ましくない。なお、条件式(11)の効果を確実にするために、下限値を−2.0にすることが好ましい。
Conditional expression (11) defines an appropriate ratio between the focal length f and the maximum incident diameter D of the microlenses constituting the fly-
また、本実施形態においては、等方性の光学材料からなる第1光学素子要素11のリタデーションをR(nm/cm)としたとき、次式(12)の条件を満足することが好ましい。
Moreover, in this embodiment, when the retardation of the 1st
R<50 …(12) R <50 (12)
この条件式(12)の上限値を上回ると、偏光分離素子10を通過する直線偏光が楕円偏光になってしまい、高い偏光変換効率が得られなくなり、好ましくない。なお、条件式(12)の効果を確実にするために、上限値を20にすることが好ましい。
If the upper limit value of the conditional expression (12) is exceeded, the linearly polarized light passing through the
また、本実施形態においては、偏光分離素子10の全厚をLとし、第2光学素子要素12の厚さLbとしたとき、次式(13)の条件を満足することが好ましい(図3参照)。
Further, in the present embodiment, it is preferable that the condition of the following expression (13) is satisfied when the total thickness of the
0.05<Lb/L<0.5 …(13) 0.05 <Lb / L <0.5 (13)
上記条件式(13)は、偏光分離素子10の全厚Lと、第2光学素子要素12の厚さLbとの適切な比を規定するものである。この条件式(13)の上限値を上回ると、第2光学素子要素12の厚さLbが大きくなり過ぎ、複屈折性の材料による吸収のため、光透過率が低下するばかりか、残存するリタデーションにより消光比が劣化するため、好ましくない。一方、条件式(13)の下限値を下回ると、第2光学素子要素12の厚さLbが小さくなり過ぎ、第2光学素子要素12を製作し辛くなる製造上の問題が生じやすくなり、好ましくない。なお、使用波長のオーダの数倍程度が、所定の回折波を発生せしめることができる下限である。
Conditional expression (13) defines an appropriate ratio between the total thickness L of the
本実施形態においては、上記のように、光源側に位置する第1光学素子要素11を等方性の光学材料で構成し、投射側に位置する第2光学素子要素12を複屈折性の光学材料で構成している(図2参照)。この構成のように、光源22からの照明光が等方性の光学材料を先に通る場合には、リタデーションがないので、該材料中では偏光状態が変化することなく、回折界面13において偏光分離が行われる。特に、光源22から発せられるのが自然光(無偏光)の場合、S偏光とP偏光とに50%ずつ分かれるので「偏光分離素子」として都合がよい。
In the present embodiment, as described above, the first
しかしながら、本実施形態においては、逆の組み合わせ、すなわち光源側に位置する第1光学素子要素11を複屈折性の光学材料で構成し、投射側に位置する第2光学素子要素12を等方性の光学材料で構成することも可能である。但し、光源22からの照明光が複屈折性の光学材料を先に通る場合には、リタデーションがあるので、該材料中では偏光状態が変化してしまい、所定の偏光分離特性が得られない。例えば、回折界面13に対する斜入射光が偏光成分の偏りを持ってしまい、直線偏光が楕円偏光となってしまう等の不都合が生じる。また、複屈折性の部材が厚くなると、楕円偏光が発生し易くなり、照明ムラなどの不具合の原因となってしまう。
However, in this embodiment, the reverse optical combination, that is, the first
さらに、本実施形態においては、以下の条件を満足することがより好ましい。 Furthermore, in this embodiment, it is more preferable to satisfy the following conditions.
本実施形態においては、第1及び第2光学素子要素11,12の壁(段差部分)による散乱とブレーズ光の回折効率の低下を軽減するために、第1及び第2光学素子要素11,12の壁を照明光学系の通過後の光学系の入射瞳に向けて勾配を与え、傾けることが好ましい。より具体的には、主光線に倣って勾配を与えることが好ましい。その結果、第1及び第2光学素子要素11,12は、金型を用いて樹脂整形により製造することが可能となり、量産性が向上し、コストダウンを図ることができる。
In the present embodiment, the first and second
また、本実施形態においては、小型化・軽量化のため、第1光学素子要素11を構成する光学材料を、比重が2.0以下の樹脂材料で構成することが好ましい。樹脂は、ガラス等に比して比重が小さいため、光学系の軽量化に非常に有効である。なお、効果を十分に発揮するには、比重は1.6以下であることが好ましい。さらに、第1及び第2の回折格子11,12を構成する光学材料は、空気との界面に正屈折力の屈折面を有し、この屈折面が非球面であることが好ましい。これにより小型化・軽量化を促進できる。
In the present embodiment, it is preferable that the optical material constituting the first
また、本実施形態においては、第2光学素子要素12を構成する複屈折性の材料としては、後述の実施例に示したネマチック液晶に留まらず、一軸性の結晶で複屈折率性の材料であれば、液晶や結晶など、同様な効果を発揮するものであればよい(例えば、水晶や方解石など)。
In this embodiment, the birefringent material constituting the second
また、本実施形態においては、第1光学素子要素11を構成する等方性の材料として、後述の実施例に示した光学ガラスに留まらず、UV硬化樹脂や熱可塑性樹脂などを用いてもよい。但し、UV硬化樹脂を用いる場合は、成形性を良好に保ち、優れた量産性を確保するために、材料の粘度(未硬化物粘度)が少なくとも40以上であるものを用いることが好ましい。材料の粘度が40以下であると、成形中に樹脂が流れやすくなってしまい、精密形状を成形することが困難となり、好ましくない。
In the present embodiment, the isotropic material constituting the first
また、本実施形態においては、第1光学素子要素11と第2光学素子要素12との格子界面13における面粗さは、格子界面13における散乱(回折)フレアを減じるために、RMS値で設計基準波長の1/100以下であることが好ましい。
In the present embodiment, the surface roughness at the
また、本実施形態においては、偏光分離素子10を構成する場合には、第1,第2フライアイレンズ32a,32cと、1/2波長板32bとを1次元配列とすることが、製作上好ましい。但し、2次元配列でも構わない。
In the present embodiment, when the
さらに、本実施形態においては、第1フライアイレンズ32aと第2フライアイレンズ32cを同一形状としておけば、量産性が向上してコストダウンが図れて好ましい。
Furthermore, in the present embodiment, it is preferable that the first fly-
以上のような本発明の偏光分離素子10あるいは偏光変換素子32を組み込んで得られる、複数の構成要素からなる光学系も、本発明の範囲を逸脱するものではない。さらには、屈折率分布型レンズ、結晶材料レンズなどを組み込んで得られる光学系に関しても同様である。
An optical system composed of a plurality of components obtained by incorporating the
(第1実施例)
本実施例における偏光分離素子10では、第1光学素子要素11を構成する等方性の光学材料を(株)オハラ製のSLAM3とし、第2光学素子要素12を構成する複屈折性の光学材料を5CB液晶(OPTICAL ENGINEERING,Vol.32,No.8,P.1775-1780(1993))とした。以下の表1に、第1実施例における偏光分離素子10の光学データと、上記条件式(1)〜(13)に対応する値を示す。なお、光学データにおけるng、nF、ne、nd、nCは、g線(波長435.835nm)に対する屈折率、F線(波長486.133nm)に対する屈折率、e線(波長546.074nm)に対する屈折率、d線(波長587.562nm)に対する屈折率、C線(波長656.273nm)に対する屈折率をそれぞれ示す。以上の説明は、他の実施例においても同様とし、その説明を省略する。なお、複屈折性の光学材料(5CB液晶)のd線以外での波長(g線、F線、e線、C線)での屈折率も上記論文から計算可能である。
(First embodiment)
In the
(表1)
[光学データ]
ng nF ne nd nC
等方性材料 (SLAM3) 1.735870 1.724790 1.720560 1.717000 1.712530
複屈折性材料(5CB) 1.555500 1.543200 1.534500 1.530500 1.525800
[条件式対応値]
N1=1.71700
N2n=1.7171(=No)
N2f=1.5305(=Ne)
p=30
λ=0.5876
h=3.158
Δ(NF−NC)=-0.00514
Eg=72.6
EC=96.7
Ed=100.0
Δνd=27.9943
ΔNd=0.1865
f=15
D=5
R=20
Lb=2
L=5
条件式(1)|N1−N2n|=0.0001
条件式(2)|Ne−No|=0.1866
条件式(3)|N1−N2f|=0.1865
条件式(4)p/λ=51.055
条件式(5)h/p=5.374
条件式(6)|N1−N2f|/Δ(NF−NC)=-36.28
条件式(7)(Eg+EC)/(2×Ed)=0.8465
条件式(8)p=30
条件式(9)h=3.158
条件式(10)Δνd/ΔNd=0.00666
条件式(11)f/D=3
条件式(12)R=20
条件式(13)Lb/L=0.4
(Table 1)
[Optical data]
ng nF ne nd nC
Isotropic material (SLAM3) 1.735870 1.724790 1.720560 1.717000 1.712530
Birefringent material (5CB) 1.555500 1.543200 1.534500 1.530500 1.525800
[Conditional expression values]
N1 = 1.71700
N2n = 1.7171 (= No)
N2f = 1.5305 (= Ne)
p = 30
λ = 0.5876
h = 3.158
Δ (NF-NC) =-0.00514
Eg = 72.6
EC = 96.7
Ed = 100.0
Δνd = 27.9943
ΔNd = 0.1865
f = 15
D = 5
R = 20
Lb = 2
L = 5
Conditional expression (1) | N1-N2n | = 0.0001
Conditional expression (2) | Ne-No | = 0.1866
Conditional expression (3) | N1-N2f | = 0.1865
Conditional expression (4) p / λ = 51.055
Conditional expression (5) h / p = 5.374
Conditional Expression (6) | N1-N2f | / Δ (NF-NC) = − 36.28
Conditional expression (7) (Eg + EC) / (2 × Ed) = 0.8465
Conditional expression (8) p = 30
Conditional expression (9) h = 3.158
Conditional expression (10) Δνd / ΔNd = 0.00666
Conditional expression (11) f / D = 3
Conditional expression (12) R = 20
Conditional expression (13) Lb / L = 0.4
本実施例では、上記条件式(1)〜(13)が全て満たされていることが分かる。図4(a)に示す曲線は、本実施例の偏光分離素子10においてd線での回折効率が100%となるように設定した場合の回折効率の分布、すなわち等方性の光学材料(SLAM3)と複屈折性の光学材料(5CB液晶)とからなる複層型の回折光学素子における回折効率を示している。図から分かるように、本実施例においては、g線からC線までの波長領域において0.73以上の高い回折効率(回折光強度)を得ることができた。
In the present embodiment, it is understood that all the conditional expressions (1) to (13) are satisfied. The curve shown in FIG. 4A shows the distribution of diffraction efficiency when the
(第2実施例)
本実施例における偏光分離素子10では、第1光学素子要素11を構成する等方性の光学材料を(株)オハラ製のSLAL8とし、第2光学素子要素12を構成する複屈折性の光学材料を5CB液晶とした。以下の表2に、第2実施例における偏光分離素子10の光学データと、上記条件式(1)〜(13)に対応する値を示す。
(Second embodiment)
In the
(表2)
[光学データ]
ng nF ne nd nC
等方性材料 (SLAL8) 1.729430 1.722210 1.716150 1.713000 1.708970
複屈折性材料(5CB) 1.555500 1.543200 1.534500 1.530500 1.525800
[条件式対応値]
N1=1.71300
N2n=1.7171(=No)
N2f=1.5305(=Ne)
p=15
λ=0.5876
h=3.220
Δ(NF−NC)=-0.00041
Eg=76.0
EC=96.7
Ed=100.0
Δνd=23.3634
ΔNd=0.1825
f=20
D=10
R=20
Lb=2
L=5
条件式(1)|N1−N2n|=0.0041
条件式(2)|Ne−No|=0.1866
条件式(3)|N1−N2f|=0.1825
条件式(4)p/λ=25.523
条件式(5)h/p=5.480
条件式(6)|N1−N2f|/Δ(NF−NC)=-43.87
条件式(7)(Eg+EC)/(2×Ed)=0.863
条件式(8)p=15
条件式(9)h=3.220
条件式(10)Δνd/ΔNd=0.00781
条件式(11)f/D=2
条件式(12)R=20
条件式(13)Lb/L=0.4
(Table 2)
[Optical data]
ng nF ne nd nC
Isotropic material (SLAL8) 1.729430 1.722210 1.716150 1.713000 1.708970
Birefringent material (5CB) 1.555500 1.543200 1.534500 1.530500 1.525800
[Conditional expression values]
N1 = 1.71300
N2n = 1.7171 (= No)
N2f = 1.5305 (= Ne)
p = 15
λ = 0.5876
h = 3.220
Δ (NF−NC) = − 0.00041
Eg = 76.0
EC = 96.7
Ed = 100.0
Δνd = 23.3634
ΔNd = 0.1825
f = 20
D = 10
R = 20
Lb = 2
L = 5
Conditional expression (1) | N1-N2n | = 0.0041
Conditional expression (2) | Ne-No | = 0.1866
Conditional expression (3) | N1-N2f | = 0.1825
Conditional expression (4) p / λ = 25.523
Conditional expression (5) h / p = 5.480
Conditional expression (6) | N1-N2f | / Δ (NF-NC) = − 43.87
Conditional expression (7) (Eg + EC) / (2 × Ed) = 0.863
Conditional expression (8) p = 15
Conditional expression (9) h = 3.220
Conditional expression (10) Δνd / ΔNd = 0.00781
Conditional expression (11) f / D = 2
Conditional expression (12) R = 20
Conditional expression (13) Lb / L = 0.4
本実施例では、上記条件式(1)〜(13)が全て満たされていることが分かる。図4(b)に示す曲線は、本実施例の偏光分離素子10においてd線での回折効率が100%となるように設定した場合の回折効率の分布、すなわち等方性の光学材料(SLAL8)と複屈折性の光学材料(5CB液晶)とからなる複層型の回折光学素子における回折効率を示している。図から分かるように、本実施例においては、g線からC線までの波長領域において0.76以上の高い回折効率(回折光強度)を得ることができた。
In the present embodiment, it is understood that all the conditional expressions (1) to (13) are satisfied. The curve shown in FIG. 4B shows the distribution of diffraction efficiency when the
(第3実施例)
本実施例における偏光分離素子10では、第1光学素子要素11を構成する等方性の光学材料を(株)オハラ製の光学ガラスSBAL12とし、第2光学素子要素12を構成する複屈折性の光学材料をLQC液晶(長岡技科大の論文(2005年 日本液晶学会討論会 265〜266ページ参照))とした。以下の表3に、第3実施例における偏光分離素子10の光学データと、上記条件式(1)〜(13)に対応する値を示す。なお、複屈折性の光学材料(LQC液晶)のd線以外での波長(g線、F線、e線、C線)での屈折率も上記論文から、推定可能である。
(Third embodiment)
In the polarized
(表3)
[光学データ]
ng nF ne nd nC
等方性材料 (SBAL12) 1.551220 1.546270 1.542120 1.539960 1.537190
複屈折性材料(LQC) 1.482000 1.475000 1.470000 1.468000 1.464000
[条件式対応値]
N1=1.53996
N2n=1.535(=Ne)
N2f=1.468(=No)
p=80
λ=0.5876
h=7.927
Δ(NF−NC)=-0.00192
Eg=79.8
EC=95.7
Ed=99.7
Δνd=16.922
ΔNd=0.07198
f=30
D=10
R=20
Lb=1
L=2
条件式(1)|N1−N2n|=0.00496
条件式(2)|Ne−No|=0.067
条件式(3)|N1−N2f|=0.07196
条件式(4)p/λ=136.15
条件式(5)h/p=13.490
条件式(6)|N1−N2f|/Δ(NF−NC)=-37.48
条件式(7)(Eg+EC)/(2×Ed)=0.8801
条件式(8)p=80
条件式(9)h=7.927
条件式(10)Δνd/ΔNd=0.00425
条件式(11)f/D=3
条件式(12)R=20
条件式(13)Lb/L=0.5
(Table 3)
[Optical data]
ng nF ne nd nC
Isotropic material (SBAL12) 1.551220 1.546270 1.542120 1.539960 1.537190
Birefringent material (LQC) 1.482000 1.475000 1.470000 1.468000 1.464000
[Conditional expression values]
N1 = 1.53996
N2n = 1.535 (= Ne)
N2f = 1.468 (= No)
p = 80
λ = 0.5876
h = 7.927
Δ (NF-NC) =-0.00192
Eg = 79.8
EC = 95.7
Ed = 99.7
Δνd = 16.922
ΔNd = 0.07198
f = 30
D = 10
R = 20
Lb = 1
L = 2
Conditional expression (1) | N1-N2n | = 0.00496
Conditional expression (2) | Ne-No | = 0.067
Conditional expression (3) | N1-N2f | = 0.07196
Conditional expression (4) p / λ = 136.15
Conditional expression (5) h / p = 13.490
Conditional Expression (6) | N1-N2f | / Δ (NF-NC) = − 37.48
Conditional expression (7) (Eg + EC) / (2 × Ed) = 0.8801
Conditional expression (8) p = 80
Conditional expression (9) h = 7.927
Conditional expression (10) Δνd / ΔNd = 0.00425
Conditional expression (11) f / D = 3
Conditional expression (12) R = 20
Conditional expression (13) Lb / L = 0.5
本実施例では、上記条件式(1)〜(13)が全て満たされていることが分かる。図4(c)に示す曲線は、本実施例の偏光分離素子10においてd線での回折効率が100%となるように設定した場合の回折効率の分布、すなわち等方性の光学材料(SBAL12)と複屈折性の光学材料(LQC液晶)とからなる複層型の回折光学素子における回折効率を示している。図から分かるように、本実施例においては、g線からC線までの波長領域において0.80以上の高い回折効率(回折光強度)を得ることができた。
In the present embodiment, it is understood that all the conditional expressions (1) to (13) are satisfied. The curve shown in FIG. 4C is a diffraction efficiency distribution when the diffraction efficiency at the d-line is set to 100% in the
以上のように、本発明を分かりやすくするため、実施形態の構成要件を付して説明したが、本発明がこれに限定されるものではないことは言うまでもない。 As described above, in order to make the present invention easy to understand, the configuration requirements of the embodiment have been described, but it goes without saying that the present invention is not limited to this.
10 偏光分離素子
11 第1光学素子要素
12 第2光学素子要素
13 格子界面(回折光学面)
32 偏光変換素子
32a 第1フライアイレンズ
32b 1/2波長板
32c 第2フライアイレンズ
DESCRIPTION OF
32
Claims (12)
前記等方性の光学材料の屈折率をN1とし、
前記複屈折性の光学材料の常光線に対する屈折率をNo及び異常光線に対する屈折率をNeとし、これら屈折率No,Neのうち前記屈折率N1に近い方の値をN2nとしたとき、次式
|N1−N2n|<0.01
|Ne−No|>0.05
の条件を満足することを特徴とする偏光分離素子。 A first optical element element having a first diffractive optical surface made of an isotropic optical material, and a second optical element element having a second diffractive optical surface made of a birefringent optical material adjacent to the first optical element element. An optical element element,
The refractive index of the isotropic optical material is N1,
When the refractive index for ordinary light of the birefringent optical material is No and the refractive index for extraordinary light is Ne, and the value closer to the refractive index N1 among these refractive indexes No and Ne is N2n, | N1-N2n | <0.01
| Ne-No |> 0.05
A polarization separation element satisfying the following conditions:
0.02<|N1−N2f|<0.45
の条件を満足することを特徴とする請求項1に記載の偏光分離素子。 When the refractive index with respect to ordinary light of the birefringent optical material is No, the refractive index with respect to extraordinary light is Ne, and the value farther from the refractive index N1 among these refractive indexes No and Ne is N2f. 0.02 <| N1-N2f | <0.45
The polarization separation element according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
前記第1光学素子要素のピッチをpとし、d線の波長をλとしたとき、次式
p/λ>10.0
の条件を満足することを特徴とする請求項1又は2に記載の偏光分離素子。 The pitch of the first optical element element and the pitch of the second optical element element are substantially equal,
When the pitch of the first optical element element is p and the wavelength of the d-line is λ, the following formula is given: p / λ> 10.0
The polarization separating element according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
前記第1光学素子要素の格子高さをhとし、前記第1光学素子要素のピッチをpとしたとき、次式
0.01<h/p<3.0
の条件を満足することを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の偏光分離素子。 The first diffractive optical surface and the second diffractive optical surface are disposed so as to contact each other;
When the grating height of the first optical element element is h and the pitch of the first optical element element is p, the following expression 0.01 <h / p <3.0
The polarization separation element according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
前記複屈折性の光学材料において、前記屈折率N2fはd線に対する屈折率であり、C線に対する屈折率をnC2とし、F線に対する屈折率をnF2とし、
前記等方性の光学材料と、前記複屈折性の光学材料との主分散の差をΔ(NF−NC)={(NF1−NC1)−(NF2−NC2)}としたとき、次式
−50.0<|N1−N2f|/Δ(NF−NC)<−1.0
の条件を満足することを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の偏光分離素子。 In the isotropic optical material, the refractive index N1 is a refractive index for the d-line, a refractive index for the C-line is nC1, and a refractive index for the F-line is nF1.
In the birefringent optical material, the refractive index N2f is a refractive index for the d-line, a refractive index for the C-line is nC2, and a refractive index for the F-line is nF2.
When the difference in main dispersion between the isotropic optical material and the birefringent optical material is Δ (NF−NC) = {(NF1−NC1) − (NF2−NC2)}, the following formula − 50.0 <| N1-N2f | / Δ (NF-NC) <− 1.0
The polarization separation element according to claim 2, wherein the following condition is satisfied.
(Eg+EC)/(2×Ed)>0.80
の条件を満足することを特徴とする請求項1〜5のいずれか一項に記載の偏光分離素子。 When the diffraction efficiency at the d line is Ed, the diffraction efficiency at the g line is Eg, and the diffraction efficiency at the C line is EC, the following equation (Eg + EC) / (2 × Ed)> 0.80
The polarization separation element according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
前記第1光学素子要素のピッチをp(μm)としたとき、次式
p≧10
の条件を満足することを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の偏光分離素子。 The pitch of the first optical element element and the pitch of the second optical element element are substantially equal,
When the pitch of the first optical element element is p (μm), the following formula p ≧ 10
The polarization separation element according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
前記第1光学素子要素の格子高さをh(μm)としたとき、次式
h≦30
の条件を満足することを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の偏光分離素子。 The first diffractive optical surface and the second diffractive optical surface are disposed so as to contact each other;
When the grating height of the first optical element element is h (μm), the following formula h ≦ 30
The polarization separation element according to claim 1, wherein the following condition is satisfied.
請求項1〜8のいずれか一項に記載の偏光分離素子と、
透過する光の偏光面を90°回転変換する1/2波長板とを有することを特徴とする偏光変換素子。 Arranged in order from the light source side,
The polarization separation element according to any one of claims 1 to 8,
A polarization conversion element, comprising: a half-wave plate that rotates and converts a polarization plane of transmitted light by 90 °.
前記偏光変換素子から射出した光を変調して画像光を生成する画像生成光学系とを有することを特徴とする画像表示装置。 The polarization conversion element according to any one of claims 9 to 11,
An image display apparatus comprising: an image generation optical system that modulates light emitted from the polarization conversion element to generate image light.
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JP2010237649A (en) * | 2009-03-11 | 2010-10-21 | Jsr Corp | Polarizing diffraction element |
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