JP2010152391A - 偏光分離素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶プロジェクタなどに最適な、可視光全域と言う広い波長範囲と、小さいＦＮｏ．で使用可能な広い角度特性をもつ偏光分離素子を得ることを目的とする。
【解決手段】 構造複屈折を有する層を複数層積層した構成よりなる偏光分離層を、２つの光学部材の間に設けた偏光分離素子において、前記構造複屈折層の高い屈折率を示す偏光方向が、隣り合う層の間で互いにほぼ直交する方向に配置し積層した事を特徴とする偏光分離素子を提供する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、複数の波長、あるいは帯域光で、かつ、比較的広い入射角度範囲で使用する偏光分離素子に関し、例えば、撮影光学系、投写型表示装置（プロジェクタ）、画像処理装置、半導体製造装置、等の各種光学機器に関するものである。

従来より、偏光分離素子は誘電体多層膜を用いた物が知られている。図１６に示すように、多層膜１７に入射してきたｐ偏光（１８）に関しては、ブリュースター角での透過（１９）を用い、ｓ偏光（２０）に関しては多層膜の干渉による反射（２１）をさせるものである。

多層膜は異なる屈折率の誘電体層の積層よりなる。高い屈折率ｎＨを持つ層をＨ層、それより低い屈折率ｎＬを持つ層をＬ層とする。一般的に屈折率ｎ１、ｎ２を持つ２つの媒質の間のブリュースター角θ_Ｂは式（１０）で与えられる。この角度で入射した光線のうちｐ偏光成分は全て透過する。
ｔａｎθ_Ｂ＝ｎ_２／ｎ_１・・・（１０）

偏光分離素子として構成するためには、この屈折率と角度の関係がプリズム媒質および、Ｈ層、Ｌ層の界面で同時に成り立つ必要がある。そのため、プリズム媒質の屈折率ｎ_ｐと、薄膜を形成する２つの誘電体媒質の屈折率ｎ_Ｈとｎ_Ｌとの間には、下記の関係式が成り立つ必要がある。

ｓ偏光に関しては、高屈折率媒質と、低屈折率媒質の屈折率ｎ_Ｈとｎ_Ｌの屈折率差から生じる界面での反射を用いて、多層膜干渉による反射膜を構成する。各層の膜厚を最適化させ、２０〜４０層の膜を積層することで可視光全域に対する反射膜を実現することが可能である。ｓ偏光に関しては、膜の層数を増やすことで広い角度特性、波長特性を設計することが可能であるが、ｐ偏光の透過率に関しては、媒質間の屈折率と角度だけに依存するため、膜厚の影響を受けない。また逆に層数を増やせば増やすほどブリュースター角からのズレに伴うｐ偏光に対する反射率が増加し、透過率の波長特性、角度特性は悪化する。

一方、特許文献１に開示されるように誘電体多層膜のかわりに複屈折性をもつ接着材をプリズムに挟む偏光分離素子が知られている。これは、複屈折性の材料の常光線と異常光線の屈折率差を用いたもので、屈折率差は小さいものの、約６０°と言う大きな入射角で使用することで、選択的に一方の偏光を全反射させることにより偏光分離を実現している。

全反射が起こるためには、臨界角θ_Ｃ以上で有る必要があるが、臨界角θ_Ｃは次式であたえられる。

ｓｉｎθ_Ｃ＝ｎ_２／ｎ_１・・・（１２）
構造複屈折を用いた偏光分離素子としは、図１５のように多層膜をエッチングして、１次元格子状にした物が知られている。ＴｉＯ_２などのＨ層１５と、ＳｉＯ_２などのＬ層１６を交互に積層させてそれを１次元格子となるようにエッチングしたものである。１次元格子の周期は波長より短い構造として構造複屈折を形成している。

このようなＳＷＳ格子に関しては有効屈折率で取り扱うことができる、図１０（ａ）のような格子において、格子と平行な方向の偏光をＴＥ、格子と直交する方向の偏光をＴＭとするとき、一般的にｎ_１、ｎ_２の媒質がａ：ｂの比で繰り返す一次元格子でそれぞれの偏光の有効屈折率は式（１３）（１４）で表されることが知られている。

このとき、ａ：ｂの比率によらずｎ_ＴＥ＞ｎ_ＴＭである。

１次元格子においてｎ１を誘電体、ｎ２を空気としたとき、媒質のピッチに対する比率であるフィリングファクターｆは式（１５）で示される。この例ではフィリングファクターを約０．５程度になるようにエッチングしたものである。
ｆ＝ａ／（ａ＋ｂ） ・・・（１５）

図１０（ｂ）はｎ１をＴｉＯ_２、ｎ２を空気とした格子のＴｉＯ_２のフィリングファクタｆに対する有効屈折率の変化を表したグラフである。同様に図１０（ｃ）はｎ１をＳｉＯ_２としたときの有効屈折率のグラフである。このグラフより、ＴＥ方向では、Ｈ層とＬ層の屈折率差が大きく、ＴＭ方向ではＨ層とＬ層の屈折率差が小さくなっていることがわかる。適切なプリズム媒質をとるとＴＭ方向でブリュースター角の条件が成り立ちｐ偏光を透過させることができる。各層の厚さはブリュースター角の条件とは独立であることから、Ｈ層、Ｌ層の膜厚を最適化することで、誘電体多層膜を形成することが可能である。それによりｓ偏光を反射させ、偏光分離素子としての機能を得られる。これは、誘電体薄膜だけで構成した偏光分離素子よりも、ｐ偏光において、ブリュースター角の条件を満たす媒質の選択自由度が上がる。そのため、同時にｓ偏光における反射率を高くとることが可能である。これによって、可視光全域をカバーする偏光分離素子が２０層程度で構成できるという特徴がある。

一方、ＳＷＳの井桁構造の製法として特許文献２に開示されているように、使用波長より小さい格子ピッチの１次元格子層を、直交方向に積層した形状の製造方法が提案されている。周期的に積層された積層構造での感光材料の配置を実現している。

特登録２９５８３７７号公報 特開２００１−２０９１８９号公報

しかしながら、誘電体多層膜を用いた偏光分離素子では、ｐ偏光の透過にブリュースター角の条件を用いるために、プリズム硝材や、薄膜の媒質の屈折率に（６）式の制約を受けるとともに、角度特性を広くとる事が難しい。これは層数を増やしても改善されない。

複屈折性をもつ高分子材質をプリズムに挟んだ偏光分離素子では、高分子材料の常光線と異常光線の屈折率差が大きくないために全反射させるためには入射角度を約６０°以上に大きく取らなければならず、使用できる光学系の用途が限られていると言う問題点がある。また、複屈折素子として高分子材料などを用いることから、耐熱性、耐光性の観点で劣る。

ＳＷＳ構造を用いた矩形格子の積層型の偏光分離素子では、構成が複雑であり製造にかかるコストが高くなることと、ｐ偏光の透過にブリュースター角の条件を用いているために、誘電体多層膜と同様広い角度特性が得られない。特に図１５に示す格子の構造から明らかなように入射角が大きくなるにつれ、ＴＥとＴＭの屈折率差がなくなるために、ブリュースター角を越えた入射角での反射率の増加が誘電体薄膜を用いたときより大きく、角度特性を広げることが阻害され、十分な性能を持つ素子が得られない。

また、構造複屈折を用いた偏光素子である特許文献２は、井桁形状のＳＷＳ格子の製法に関して示されているが、用途としてフォトニックバンドギャップ構造を作る事を前提としており、偏光分離素子としての具体的な形状に関する記載は無い。また、媒質として、屈折率の低い有機材料を用いているので、十分な構造複屈折が得られない。特許文献２で示される実施例の中には何らかの偏光特性を示すものもあるが、４５度くらいの入射角度で高い消光比を実現する事は不可能でる。また、広い入射角度範囲での偏光分離はを実現することは出来ない。

液晶プロジェクタなどに使用する偏光分離素子は、可視光全域と言う広い波長範囲と、明るさを得るための小さいＦＮｏ、すなわち広い角度特性が必要なためにこれらの従来例では不適である。

本発明は、これらの問題を鑑み、液晶プロジェクタなどに最適な、可視光全域と言う広い波長範囲と、小さいＦＮｏ．で使用可能な広い角度特性をもつ偏光分離素子を得ることを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は、構造複屈折層が複数層積層された偏光分離層が光学部材の間に配置された偏光分離素子であって、
前記構造複屈折層は、格子が使用する波長よりも短い周期構造の構造を備えかつ構造複屈折を備えており、入射する偏光に対して高い屈折率を示す前記構造複屈折層の方向が隣り合う層の間でほぼ直交する方向に配置されていることを特徴とする偏光分離素子とした。

本発明によれば、前述のように、偏光分離素子に関して、構造的にも、設計的にも簡素な構成でありながらも、波長特性、入射角度特性ともに広い範囲で高い消光比を持った偏光分離素子を実現することができるという効果がある。

本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子の構成図 本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子の模式図 本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図で（ａ）は斜視図、（ｂ）は方向Ａからの格子断面図、（ｃ）は方向Ｂからの格子断面図 本発明の第２実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図で（ａ）は斜視図、（ｂ）は方向Ａからの格子断面図、（ｃ）は方向Ｂからの格子断面図 本発明の第３実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図で（ａ）は斜視図、（ｂ）は方向Ａからの格子断面図、（ｃ）は方向Ｂからの格子断面図 本発明の第４実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図で（ａ）は斜視図、（ｂ）は方向Ａからの格子断面図、（ｃ）は方向Ｂからの格子断面図 本発明の第５実施例に対応する偏光分離素子の構成図 本発明の第６実施例に対応する偏光分離素子の構成図 本発明の第７実施例に対応する偏光分離素子を反射型液晶プロジェクタ光学系に組み込んだ構成図 （ａ）は一次元型ＳＷＳ格子の有効屈折率のモデルを説明する図、（ｂ）は一次元型ＳＷＳ格子にＴｉＯ２を用いたときの構造複屈折を表すグラフ、（ｃ）は一次元型ＳＷＳ格子にＳｉＯ２を用いたときの構造複屈折を表すグラフ、（ｄ）は一次元型ＳＷＳ格子にＺｒＯ２を用いたときの構造複屈折を表すグラフ 本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフで、（ａ）は入射角度３５．０°での各偏光の反射率の波長特性、（ｂ）は入射角度４５．０°での各偏光の反射率の波長特性、（ｃ）は入射角度５５．０°での各偏光の反射率の波長特性 本発明の第２実施例に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフで、（ａ）は入射角度３５．０°での各偏光の反射率の波長特性、（ｂ）は入射角度４５．０°での各偏光の反射率の波長特性、（ｃ）は入射角度５５．０°での各偏光の反射率の波長特性 本発明の第３実施例に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフで、（ａ）は入射角度３５．０°での各偏光の反射率の波長特性、（ｂ）は入射角度４５．０°での各偏光の反射率の波長特性、（ｃ）は入射角度５５．０°での各偏光の反射率の波長特性 本発明の第４実施例に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフで、（ａ）は入射角度３５．０°での各偏光の反射率の波長特性、（ｂ）は入射角度４５．０°での各偏光の反射率の波長特性、（ｃ）か入射角度５５．０°での各偏光の反射率の波長特性 従来の多層膜エッチング型の偏光分離素子の模式図 従来の多層膜偏光分離素子の模式図

本発明では、構造複屈折を有する層を複数層積層した構成よりなる偏光分離層を、２つの光学部材の間に設けた偏光分離素子において、前記構造複屈折層の高い屈折率を示す偏光方向が、隣り合う層の間で互いにほぼ直交する方向に配置し積層する事で、上記問題を克服するものである。

また、本発明では、前記偏光分離層に入射する光線のうち、主として反射する光線の偏光成分と、主として透過する光線の偏光成分は互いに直交し、その２方向と、前記構造複屈折層の高い屈折率を示す偏光方向の直交する２方向とが、ほぼ等しい構成とするものである。

また、前記２つの光学部材のうち、一方の光学部材に設けた入射面から入射した光線の前記偏光分離層における透過光が射出する射出面は、もう一方の光学部材に設けられ、前記偏光分離層における反射光が射出する射出面は、前記入射面と同じ光学部材に設けられ、反射光の方向は、前記入射光とは異なる角度で構成するものである。

入射光の前記偏光分離層に入射する際の入射平面と平行な方向の偏光成分をｐ偏光、入射平面と直交する方向の偏光成分をｓ偏光とするとき、ｐ偏光を透過、ｓ偏光を反射するようにしたものであり、前記偏光分離層は第一の構造複屈折を有する層と、第二の構造複屈折を有する層が交互に積層した構造であり、第一の構造複屈折を有する層のｓ偏光、ｐ偏光に対する有効屈折率をそれぞれｎ１ｓ、ｎ１ｐとし、第２の構造複屈折を有する層のｓ偏光、ｐ偏光に対する有効屈折率をそれぞれをｎ２ｓ、ｎ２ｐとするとき、以下の条件式を満たす構成とするものである。
ｎ１ｐ＜ｎ１ｓ ・・・（１）
ｎ２ｐ＞ｎ２ｓ ・・・（２）
｜ｎ１ｓ−ｎ２ｓ｜＞｜ｎ１ｐ−ｎ２ｐ｜ ・・・（３）

さらに、前記構造構造複屈折を有する層はそれぞれ、少なくとも２つの媒質からなる一次元格子からなり、格子は使用する波長よりも短い周期構造を有する構成とする。
そして、２つの媒質のうち少なくとも１つは誘電体、少なくとも他の１つは空気である構成とする。

前記構造複屈折を構成する２つの媒質のうち少なくとも１つは誘電体、少なくとも他の１つは空気とし、また、前記誘電体の屈折率ｎ１が以下の式を満たすものとする。
１．５＜ｎｉ ・・・（４）
特に、前記誘電体は酸化チタン（ＴｉＯ_２）とする。

前記第一の構造複屈折を有する層と、前記第二の構造複屈折を有する層のｐ偏光に対する有効屈折率ｎ１ｐ、ｎ２ｐが下記条件式を満たすものとする。
０．９５＜ｎ１ｐ／ｎ２ｐ＜１．２ ・・・（５）

前記第一の構造複屈折を有する層と、前記第二の構造複屈折を有する層のｐ偏光に対する有効屈折率で決定されるブリュースター角を含む角度範囲で前記偏光分離層に光線が入射することとする。

さらに、前記第一の構造複屈折を有する層と、前記第二の構造複屈折を有する層のｓ偏光に対する有効屈折率で決定される臨界角より大きな角度で、光線の少なくとも一部が入射することとする。

前記第一の構造複屈折を有する層の厚さｄ１と、前記第二の構造複屈折を有する層の厚さｄ２と、最も短波長側の使用波長λ_Ｓとの関係が下記条件式を満たすようにする。
（ｎ_１ｓｄ_１・ｃｏｓθ）／λ_Ｓ＜０．５ ・・・（６）
０．２＜ｄ_２／λ_Ｓ＜１．０ ・・・（７）
ただし、θ：前記入射光線の偏光分離層への入射角。

また、前記構造複屈折を有する１次元格子における誘電体の格子ピッチに占める誘電体媒質の割合（フィリングファクタ）ｆ１、ｆ２が以下の条件式を満たすこととする。ただし、ｆ１、ｆ２はそれぞれ前記第一、第二の構造複屈折を有する層のフィリングファクタ。
０．１５＜ｆ１＜０．９ ・・・（８）
０．１０＜ｆ２＜０．８ ・・・（９）

さらに、前記光学部材の光弾性定数の絶対値が０．１×１０^−８ｃｍ^２／Ｎより小さいものを使い、この偏光分離素子を用いて、光源部からの光束を画像信号に基づいて変調する変調手段に導光し、該変調手段により変調された光束を投写光学系によって所定面上に投写する投写型表示装置を構成することで、有効な光学装置が得られる。

（実施例）
図１は本発明、実施例１の偏光分離素子の構成図である。表１に実施例１の構成をあらわす設計値を示す。図１において、プリズムの入射面（２５）に対して、偏光分離層（２３）は４５°傾いている。入射面（２５）に垂直に入射する光線（１８）（２０）が偏光分離層（２３）に入射する際の入射平面と偏光分離層の第１の一次元格子は図２のように直交し、その方向を格子方向Ｖとする。第２の一次元格子は図２のように入射平面と平行な配置であり、その方向は格子方向Ｐとする。偏光分離層で、Ｓ偏光は反射（２１）させ、入射側プリズム（２５）にある入射面（２５）とは別の射出面（２６）から射出させる。また、Ｐ偏光は透過（２２）させ、射出側プリズム（２４）にある射出面（２７）から射出させる構成となっている。

図３（ａ）は格子の斜めから見た図であり、図３（ｂ）は図２の２９の矢印で示す方向Ａから見た格子の断面構造図であり、図３（ｃ）は図２の３０の矢印で示す方向Ｂから見た格子の断面構造図である。第１の一次元格子は空気と誘電体が交互に繰り返す格子方向ＶのＨ層（１０１，１０３，１０５）である、第２の一次元格子は空気と誘電体が交互に繰り返す格子方向ＰのＬ層（１０２，１０４）より構成されている。全体で５層と言う比較的簡易な構成で偏光分離を実現することが可能である。また、誘電体としてはＴｉＯ_２を用いている。

それぞれの層をＨ層、Ｌ層としているのは、反射させるＳ偏光に対してのそれぞれの有効屈折率の高低を表している。格子方向Ｖの一次元格子層の厚さは７３〜７５ｎｍであり、条件式（６）を十分満たしている。条件式（６）は、Ｓ偏光の反射を完全に達成するためのものである。一般的に高屈折率の媒質から低屈折率の媒質に入射するときに入射角度が臨界角θ_Ｃ以上では、一切透過せずに全反射することが知られている。しかし、この時に、境界面近傍の極めて微小な領域において、エバネセント光がしみ出ている。この光の到達領域に次の媒質があると光が透過してしまう。この現象が全反射減衰（ａｔｔｅｎｕａｔｅｄ ｔｏｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＡＴＲ）である。このＡＴＲの光同士の干渉を利用して広い角度範囲、波長範囲で高い反射率を得るための条件式が（６）である。条件式（６）の上限になると、すなわち、入射角度を考慮した膜厚が波長の１／２になると、ＡＴＲでの反射光同士が干渉してしまい、反射率を下げてしまう。この干渉による反射率の低下は、膜厚を変化させて行ったとき１／２波長ごとに起こる。広い使用波長範囲でこの干渉が起こらない様にするための条件式が（６）である。

一方、格子方向Ｐの一次元格子のからなるＬ層の厚さは３１８ｎｍであり、条件式（７）を満たしている。条件式（７）はＡＴＲによる反射を有効に活用するためのものである。

（７）の下限を超えて膜厚が薄くなると、臨界角以上の入射角度領域ではＡＴＲによる透過が大きくなり、十分な反射が得られない。

一方、上限値の設定について、ＡＴＲの観点からは、膜厚が厚ければ厚いほど好ましい。しかしながら、膜厚を増しても、反射率は全反射に漸近してしまうため、膜厚を増やしただけの効果は得られない。この一次元格子の形状では、膜厚を増すほど製造の難易度は上がる。そのため、（７）の上限程度に設定することが好ましい。

また、使用角度の範囲に臨界角以下の通常反射を含むが、そこでの干渉においては（７）の上限以下に設定することで、最適な結果が得られた。

実施例１では表１の設計値１に示すとおり、プリズムの硝材に屈折率が約１．６０３と比較的低い物を使用した。格子方向Ｖの一次元格子であるＨ層と、格子方向Ｐの一次元格子であるＬ層の誘電体はともにＴｉＯ_２であり、屈折率２．２８２の高屈折率な物を使用し、フィリングファクタを条件式（８）、（９）の範囲に設定することで、効率よく複屈折を生じさせている。

構造性複屈折は、前述の式（１３）、（１４）で与えられる。ここで、ＴＥが格子と平行な方向の偏光成分、ＴＭが格子と直交する方向の偏光成分に相当する。格子方向Ｖの一次元格子の層に関しては、Ｐ偏光がＴＭ、Ｓ偏光がＴＥとなる。また、格子方向Ｐの一次元格子の層に関しては、Ｐ偏光がＴＥ、Ｓ偏光がＴＭとなる。

（１３）、（１４）の式において、一方の媒質をＴｉＯ_２、他方を空気として、フィリングファクタｆ（ピッチに対するＴｉＯ_２の割合）ｆを変化させたときのそれぞれの偏光の有効屈折率を表すグラフは図１０（ｄ）の様になる。

Ｐ偏光に関して、表２に示すとおり第１の一次元格子ではｆ＝０．７の時、ＴＭ方向の有効屈折率は１．６０となり、第２の一次元格子ではｆ＝０．３の時、ＴＥ方向の有効屈折率は１．５７となる。これらの屈折率はプリズム媒質の屈折率とも近いため、反射せず高い透過率を示す。

式（１１）にｎＨ＝１．６０、ｎｌ＝１．５７、ｎＰ＝１．６０３を代入すると、ブリュースター角はθｂ＝約４４．３°となる。よって、４５°の入射角を中心とした光束に対してほぼ透過の条件を満たす構成となっている。

一方のＳ偏光に関して、表２に示すとおり第１の一次元格子ではＴＥ方向の有効屈折率は２．０５となり、第２の一次元格子ではＴＭ方向の有効屈折率は１．１６となる。式（１２）にｎ_１＝１．６０３、ｎ_２＝１．１６を代入すると、臨界角θ_Ｃ＝約４６°となる。これより高入射角側では全反射のＡＴＲによる反射が起こっている。低入射角側でも、通常の誘電体界面での反射ではあるが、入射角が臨界角に近く、また、２．０５と、１．１６と屈折率差が大きいために各界面では高い反射率が得られている。

このように、第１と第２の１次元格子層との有効屈折率がＰ偏光に関しては近い値となり、Ｓ偏光に関しては大きな屈折率差を生じさせることで、それぞれの偏光の光線の透過、反射を実現している。

この第１と第２の１次元格子層との有効屈折率の関係は条件式（１）（２）（３）を満たす事で効率よく実現できる。

図１１の（ａ）〜（ｃ）図がこの設計値の厳密結合波解析計算（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ：ＲＣＷＡ）による性能のシミュレーション結果である。Ｐ偏光では、高入射角で、透過率が落ちているが、実使用時の角度特性のウエートを考慮するとほとんど問題ないレベルである。

Ｓ偏光に関しては低入射角の短波長側で性能が劣化している以外は３５〜５５°と言うかなり広い入射角範囲で透過する光線がほとんど無く、完全な反射率を達成している。

条件式（８）、（９）は前記ｆ（フィリングファクター）の範囲を規定しているものであるが、主に、構造複屈折を効率よく発生させるための条件である。前述の図１０（ｂ）のグラフの様に、ＴＥとＴＭの有効屈折率に大きな差があることで、大きな複屈折が生じている。媒質のｆに対しての屈折率差はｆ＝０、ｆ＝１では０になっており、ｆ＝０．５付近で最大である。このことから条件式（８）、（９）の範囲でｆを選択することで効率よく有効屈折率を利用することが可能となる。

表３に実施例２の構成の設計値を示す。実施例１と同様に、図１において、プリズムの入射面（２５）に対して、偏光分離層（２３）は４５°傾いている。入射面（２５）に垂直に入射する光線（１８）（２０）が偏光分離層（２３）に入射する際の入射平面と偏光分離層の第２の一次元格子は図２のように平行な格子方向Ｐとなっており、第１の一次元格子は入射平面と直交する格子方向Ｖの配置となっている。偏光分離層で、Ｓ偏光は反射（２１）させ、入射側プリズム（２５）にある入射面（２５）とは別の射出面（２６）から射出させる。また、Ｐ偏光は透過（２２）させ、射出側プリズム（２４）にある射出面（２７）から射出させる構成となっている。

図４（ａ）は実施例２の構成を格子の斜めから見た図であり、図４（ｂ）は図２の２９の矢印で示す方向Ａから見た格子の断面構造図であり、図４（ｃ）は図２の３０の矢印で示す方向Ｂから見た格子の断面構造図である。一次元格子はそれぞれ空気とＴｉＯ２が交互に繰り返す構造であり、第２の一次元格子は格子方向ＰのＬ層（２０１，２０３）である、第１の一次元格子は格子方向ＶのＨ層（２０２）より構成されている。格子のフィリングファクタは条件式（８）（９）を満たすものであり、構造複屈折を効率よく生じさせており、全体で３層と言う簡易な構成で偏光分離を実現することが可能である。

表４のとおりに条件式（６）、（７）を満たす構成となっている。

図１２の（ａ）〜（ｃ）図がこの設計値のＲＣＷＡ計算による性能のシミュレーション結果である。低入射角ではＳ偏光の反射が劣化し、全波長域で透過しているが、４５°、５５°では十分な反射率となっている。またＰ偏光の透過率に関しては、全角度範囲、全波長範囲において十分な透過率を示し、良好な性能を示している。

同様に、表５に実施例３の設計値、図５（ａ）、図５（ｂ）、図５（ｃ）に断面形状を示す。

表６のとおりに条件式（６）、（７）を満たす構成となっている。

図１３にＲＣＷＡ計算による性能のシミュレーション結果を示す。

ＨＬＨＬＨの５層構造をとっており、Ｓ偏光の低入射角側での短波長の反射率が劣化しているが、Ｐ偏光の透過率は向上しており、全体として良好な性能を実現している。

表７に実施例４の設計値、図６（ａ）、図６（ｂ）、図６（ｃ）に断面形状を示す。

表８のとおりに条件式（６）、（７）を満たす構成となっている。

図１４にＲＣＷＡ計算による性能のシミュレーション結果を示す。

ＨＬＨＬＨの５層構造であるが、Ｌ層を示す第２の一次元格子の誘電体にＺｒＯ２を用いている。ｆ＝０．３では、ほぼ、ＴｉＯ_２同等の複屈折を得ている。Ｐ偏光の透過率が低入射角と、高入射角で落ちているが、Ｓ偏光の反射率は全入射角、全波長域で良好な性能を示している。

図７は本発明、第５実施例の偏光分離素子プリズムの構成図である。ひし形に傾いたプリズムに、実施例１〜実施例４の偏光分離素子をはさみこんだものである。図左側からの入射光はプリズム面と垂直に入射し、偏光分離素子に４５°よりも大きな角度で入射する。全反射させることに関しては入射角度が大きいほど有利であるが、プリズムをこのようにひし形に約１０°くらい傾けることで入射角度は５°変化させることができる。

図８は本発明、第６実施例の偏光分離素子プリズムの構成図である。実施例１〜実施例４の偏光分離素子をプリズムとほぼ同等の平板の媒質ではさみこんだものを更に三角プリズムではさみ込んだ物である。微細加工を必要とする偏光分離素子を平板ガラスではさみ込みユニットとすることで、角度、寸法、面精度等の形状的な性能を必要とするプリズムを分離することで、生産性を高めている。

図９には、本発明の第７実施例である本発明の偏光分離素子を用いた反射型画像変調装置を示している。図中、１は高圧水銀ランプなどからなる光源、２は光源１から光を所定の方向に放射するためのリフレクター、３は均一な照明強度を有する照明領域を形成するためのインテグレーターであり、フライアイレンズ３ａ、３ｂから構成されており、４は無偏光な光を所定の偏光方向に揃える偏光変換素子であり、５は照明光を集光するコンデンサーレンズ、６はミラー、７は照明光をテレセントリックな光にするフィールドレンズ、８は緑の波長領域光を透過するダイクロイックミラー、９ａ１、９ｂ１、９ｃ１はそれぞれ実施例１〜４の偏光分離素子であり、Ｓ偏光を反射してＰ偏光を透過させる特性をもつ、９ａ、９ｂ、９ｃはそれぞれ偏光分離素子９ａ１、９ｂ１、９ｃ１を有する偏光分離プリズム、１０ａ、１０ｂはそれぞれ所定波長領域の光の偏光方向を９０°変換（回転）する色選択性位相差板、１１ｒ、１１ｇ、１１ｂはそれぞれ入射した照明光を反射するとともに画像信号に応じて変調して画像光を形成する反射型液晶表示素子、１２ｒ、１２ｇ、１２ｂはそれぞれ１／４位相差板、１４は投射レンズ系である。以上の構成のように実施例１〜４の偏光分離素子を配置すると、入射角度特性、波長特性に優れているため、光学系全体で得られるコントラストが極めて高い反射型液晶プロジェクタを実現できる。

１ 高圧水銀ランプなどからなる光源
２ リフレクター
３ インテグレーター
３ａ，３ｂ フライアイレンズ
４ 偏光変換素子
５ コンデンサーレンズ
６ ミラー
７ フィールドレンズ
８ ダイクロイックミラー
９ａ１、９ｂ１、９ｃ１ 偏光分離膜
９ａ、９ｂ、９ｃ 偏光分離膜
９ａ１、９ｂ１、９ｃ１ 偏光ビームスプリッター
１０ａ、１０ｂ 色選択性位相差板
１１ｒ、１１ｇ、１１ｂ 反射型液晶表示素子
１２ｒ、１２ｇ、１２ｂ １／４位相差板
１４ 投射レンズ系
１５ Ｈ層（第１の一次元格子）
１６ Ｌ層（第２の一次元格子）
１７ 多層膜
１８ Ｐ偏光入射光
１９ Ｐ偏光透過光
２０ Ｓ偏光入射光
２１ Ｓ偏光反射光
２２ 入射側プリズム
２３ 偏光分離素子
２４ 射出側プリズム
２５ 入射面
２６ Ｓ偏光反射光の射出面
２７ Ｐ偏光透過光の射出面
２８ 入射平面
２９ 格子断面観察方向Ａを示す矢印
３０ 格子断面観察方向Ｂを示す矢印
１０１〜１０５ 第１実施例の入射側から１番目〜５番目の各層
２０１〜２０５ 第２実施例の入射側から１番目〜３番目の各層
３０１〜３０４ 第３実施例の入射側から１番目〜５番目の各層
４０１〜４０３ 第４実施例の入射側から１番目〜５番目の各層

Claims (16)

1. 構造複屈折層が複数層積層された偏光分離層が光学部材の間に配置された偏光分離素子であって、
   前記構造複屈折層は、格子が使用する波長よりも短い周期構造の構造を備えかつ構造複屈折を備えており、
   入射する偏光に対して高い屈折率を示す前記構造複屈折層の方向が隣り合う層の間でほぼ直交する方向に配置されている特徴とする偏光分離素子。
2. 前記偏光分離層に入射する光線のうち、主として反射する光線の偏光成分と、主として透過する光線の偏光成分は互いにほぼ直交し、その２方向と入射する偏光に対して高い屈折率を示す前記構造複屈折層の方向とほぼ直交する２方向とがほぼ等しい請求項１に記載の偏光分離素子。
3. 前記２つの光学部材のうち、一方の光学部材に設けた入射面から入射した光線の前記偏光分離層における透過光が射出する射出面は、もう一方の光学部材に設けられ、前記偏光分離層における反射光が射出する射出面は、前記入射面と同じ光学部材に設けられ、反射光の方向は、前記入射光とは異なる角度である請求項２に記載の偏光分離素子。
4. 入射光の前記偏光分離層に入射する際の入射平面と平行な方向の偏光成分をｐ偏光、入射平面とほぼ直交する方向の偏光成分をｓ偏光とするとき、ｐ偏光を透過、ｓ偏光を反射する請求項３に記載の偏光分離素子。
5. 前記偏光分離層は、第一の構造複屈折を有する構造複屈折層と、第二の構造複屈折を有する構造複屈折層が交互に積層した構造であり、前記第一の構造複屈折を有する構造複屈折層のｓ偏光、ｐ偏光に対する有効屈折率をそれぞれｎ１ｓ、ｎ１ｐとし、前記第２の構造複屈折を有する構造複屈折層のｓ偏光、ｐ偏光に対する有効屈折率をそれぞれをｎ２ｓ、ｎ２ｐとするとき、以下の条件式を満たす請求項４に記載の偏光分離素子。
   ｎ１ｐ＜ｎ１ｓ
   ｎ２ｐ＞ｎ２ｓ
   ｜ｎ１ｓ−ｎ２ｓ｜＞｜ｎ１ｐ−ｎ２ｐ｜
6. 前記複数層の構造複屈折層の各々は、少なくとも２つの媒質からなる一次元格子からなり、格子は使用する波長よりも短い周期構造を有する請求項５に記載の偏光分離素子。
7. 前記構造複屈折層を構成する２つの媒質のうち少なくとも１つは誘電体、少なくとも他の１つは空気である請求項６に記載の偏光分離素子。
8. 前記誘電体の屈折率ｎｉが以下の式を満たす請求項７に記載の偏光分離素子。
   １．５＜ｎｉ
9. 前記誘電体は、酸化チタン（ＴｉＯ２）である請求項８に記載の偏光分離素子。
10. 前記第一の構造複屈折を有する構造複屈折層と、前記第二の構造複屈折を有する構造複屈折層のｐ偏光に対する有効屈折率ｎ１ｐ、ｎ２ｐが下記条件式を満たす請求項５乃至９の何れか一項に記載の偏光分離素子。
    ０．９５＜ｎ１ｐ／ｎ２ｐ＜１．２
11. 前記第一の構造複屈折を有する構造複屈折層と、前記第二の構造複屈折を有する構造複屈折層のｐ偏光に対する有効屈折率で決定されるブリュースター角を含む角度範囲で前記偏光分離層に光線が入射する請求項５乃至１０の何れか一項に記載の偏光分離素子。
12. 前記第一の構造複屈折を有する構造複屈折層と、前記第二の構造複屈折を有する構造複屈折層のｓ偏光に対する有効屈折率で決定される臨界角より大きな角度で、光線の少なくとも一部が入射する請求項５乃至１１の何れか一項に記載の偏光分離素子。
13. 前記第一の構造複屈折を有する構造複屈折層の厚さｄ１と、前記第二の構造複屈折を有する構造複屈折層の厚さｄ２と、最も短波長側の使用波長λＳとの関係が下記条件式を満たす請求項５乃至１１の何れか一項に記載の偏光分離素子。
    （ｎ１ｓｄ１・ｃｏｓθ）／λＳ＜０．５
    ０．２＜ｄ２／λＳ＜１．０
    ただし、θ：前記入射光線の偏光分離層への入射角。
14. 前記構造複屈折を有する１次元格子における誘電体の格子ピッチに占める誘電体媒質の割合ｆ１、ｆ２が以下の条件式を満たす請求項５乃至１３の何れか一項に記載の偏光分離素子。
    ０．１５＜ｆ１＜０．９
    ０．１０＜ｆ２＜０．８
    但し、ｆ１、ｆ２は、前記第一の構造複屈折を有する構造複屈折層のフィリングファクタ、第二の構造複屈折を有する構造複屈折層のフィリングファクタである
15. 前記光学部材の光弾性定数の絶対値が０．１×１０−８ｃｍ２／Ｎより小さい請求項１乃至１４の何れか一項に記載の偏光分離素子。
16. 請求項１乃至１４の何れか一項に記載の偏光分離素子を用いて、光源部からの光束を画像信号に基づいて変調する変調手段に導光し、該変調手段により変調された光束を投写光学系によって所定面上に投写していることを特徴とする投写型表示装置。

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