JP2010230856A

JP2010230856A - 偏光変換素子及び偏光照明光学素子並びに液晶プロジェクタ

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Publication number: JP2010230856A
Application number: JP2009076845A
Authority: JP
Inventors: Nobuji Kawamura; 宜司川村
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2009-03-26
Filing date: 2009-03-26
Publication date: 2010-10-14
Also published as: CN101846810A; US20100245691A1; US8094246B2; CN101846810B

Abstract

【課題】無偏光光から偏光方向が一定の直線偏光光を効率的に抽出する偏光照明光学素子の耐熱性を高め、かつ製造コストも低く抑える。
【解決手段】偏光ビームスプリッタアレイ２４を構成するプリズムロッド２４ａ，２４ｂ相互の接合面に偏光分離膜２６と反射膜２７とを交互に設ける。偏光分離膜２６で反射し、反射膜４７で反射した直線偏光光が出射するプリズムロッド２４ｂの出射面に偏光変換素子２５を接合する。偏光変換素子２５は、直角プリズム要素３０ａの各稜線３０ｂが、入射してくる直線偏光光の偏光方向に対して４５°傾いている。直角プリズム要素３０の各斜面には、斜面の法線と光学軸が一致する位相差膜３２が成膜され、位相差膜３２は入射した光線に１／２波長の位相差を与える一軸性の負のＣプレートとして作用する。
【選択図】図４

Description

本発明は、直線偏光光の偏光方向を９０°回転させる偏光変換素子に関し、さらにはこの偏光変換素子を用いて無偏光の照明光を一定の偏光方向をもつ直線偏光の照明光に変換する偏光照明光学素子及びこれを照明光学系中に用いた液晶プロジェクタに関するものである。

液晶表示パネルに表示させた画像を光源ランプからの光で照明してスクリーンに投写する液晶プロジェクタが種々製品化されている。よく知られるように、液晶表示パネルは液晶分子を封入した所定厚みの液晶層と、その入射面側と出射面側にそれぞれ配置された偏光子と検光子とを備えている。偏光子と検光子とはそれぞれの偏光方向が互いに直交、あるいは平行となるように配置され、液晶層に入射した直線偏光光の通過を液晶分子の配向姿勢に応じて制御し、検光子を通して出射する直線偏光光の光量調節を行う。

一方、液晶プロジェクタの照明光学系中には、光源からの無偏光光を液晶表示パネルの偏光子と同じ向きの偏光方向の直線偏光光に変換する偏光変換素子が用いられるのが通常である。このような偏光変換素子としては、特許文献１で知られるように、偏光ビームスプリッタと１／２波長板とを組み合わせたプリズムアレイが多用されている。偏光ビームスプリッタは、偏光方向が互いに直交する２種類の直線偏光光のうちの一方を透過させ他方を反射させる偏光分離面を備え、この偏光分離面で分離された二種類の直線偏光光のいずれかを１／２波長板を通して偏光方向を９０度回転させた後、他方の直線偏光光と併せることによって、偏光方向がそろった直線偏光光を得ている。

特開２００８−１２９１９０号公報特開２００６−６４８７１号公報

従来の１／２波長板は有機材料を用いたフイルムシート製のものがほとんどで、光源の近くで長時間使用していると褪色が生じやすく偏光変換効率も劣化するなどの問題が生じやすい。耐熱性の改善のために、水晶などの複屈折性の結晶体を１／２波長板に用いることも提案されているが、結晶自体が高価であり、また結晶の光学軸を精密に管理しながら加工しなければならないため製造コストも高くなる。この点、特許文献１，２記載の偏光変換素子には誘電体多層膜からなる１／２波長板が用いられ、耐熱性が大きく改善されるだけでなく製造コストも低く抑えられるという利点がある。

特許文献１，２記載の偏光変換素子に用いられている１／２波長板は、斜方蒸着による誘電体多層膜で構成されている。ところが、斜方蒸着した誘電体多層膜からなる位相差膜は１／４波長板までは実用化が可能ではあるが、１／２波長板として利用できる程度まで膜厚を増やすと白濁して透過率が低下するという問題が生じ、特に短波長側での透過率低下は顕著でカラーバランスに悪影響を及ぼす。また、斜方蒸着による誘電体多層膜は水分を吸収しやすく、これに伴って光学的性質が大きく変動するという難点もある。

本発明は以上を考慮してなされたもので、斜方蒸着を要しない誘電体多層膜により直線偏光光の偏光方向を９０°回転させる１／２波長板を実現し、耐熱性に優れかつコスト負担も抑えた偏光変換素子を提供することを目的とし、またこの偏光変換素子を利用した偏光照明光学素子及び液晶プロジェクタを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の偏光変換素子は、細長い複数の直角プリズム要素の一対の斜面で構成される各々の稜線が互いに平行かつ同一面上に並ぶように配列されたプリズムシートと、前記直角プリズム要素の各斜面の法線に光学軸が略一致するように前記各々の斜面に成膜され、前記直角プリズム要素の底面側から前記プリズムシートに略垂直に入射して透過する光に１／２波長の位相差を与える誘電体多層膜で構成された位相差膜とからなり、前記一方の直線偏光光の偏光方向に対して前記稜線が略４５°傾くように配置される。また、本発明は二枚の偏光変換素子要素を重ね合わせた態様でも実現することができる。この場合、各々の偏光変換素子要素は、それぞれの上記プリズムシートの各斜面に、その法線に光学軸が略一致し、前記直角プリズム要素の底面側から前記プリズムシートに略垂直に入射して透過する光に１／４波長の位相差を与える誘電体多層膜からなる位相差膜を成膜したもので構成され、これらの偏光変換素子要素は、それぞれの前記稜線を互いに平行に、かつ前記一方の直線偏光光の偏光方向に対して略４５°傾けて配置される。

誘電体多層膜からなる位相差膜は予め設定された中心波長に基づいて膜設計され、対象とする波長帯域が広がってくると中心波長から離れるにしたがって偏光変換効率が低下する傾向を示すのが一般であるが、上記のように二枚の偏光変換素子要素を重ね合わせた態様を採る場合には、偏光変換効率の分光波長特性を考慮し、前記直線偏光光の偏光方向に対し、それぞれの偏光変換素子要素の稜線を異なる角度で配置することも可能である。例えば可視光帯域のように、略５５０ｎｍ近傍の中心波長で位相差膜を設計しながらも、４４０ｎｍ〜６５０ｎｍと広い波長帯域で高い変換効率が要求されるような場合には、一方の偏光変換素子要素についてはその稜線を前記一方の直線偏光光の偏光方向に対して角θ１だけ傾け、他方の偏光変換素子要素についてはその稜線を前記偏光方向に対して角θ２だけ傾けて配置するとき、２（θ１−θ２）≒９０°の関係を満たすようにし、さらには６０°≦θ１≦７０°かつ１５°≦θ２≦２５°の範囲に設定すれば、可視光全域にわたって高い変換効率が得られるようになる。

プリズム相互の接合面に偏光分離膜を備え、前記偏光分離膜に入射した無偏光光のうち偏光方向が互いに直交する第一または第二の直線偏光光の一方を透過させ、他方を反射させる偏光ビームスプリッタに上記偏光変換素子を組み合わせることによって、照明光源からの無偏光光を偏光方向が一方向にそろった直線偏光光に変換する偏光照明光学素子が得られる。さらに、前記偏光変換素子と組み合わされた偏光ビームスプリッタを、前記直角プリズムの稜線が互いに平行かつ同一面上に並ぶように複数個並列させれば、これを液晶プロジェクタの照明光学系に効果的に利用することができる。

特に、複数のマイクロレンズを配列した一対のマイクロレンズアレイを用いて光源ランプからの照明光を分割し、分割された照明光を液晶表示パネル上で重畳させて照明する照明光学系を備える液晶プロジェクタでは、分割された個々の照明光束の広がり角が周辺でも高々５°〜６°程度の有限光束になっているため、一対のマイクロレンズアレイの出射面の直後に上記偏光照明光学素子を配置して用いることも本発明の有効な一態様である。

本発明によれば、耐熱性に優れ、かつ製造コストも低く抑えることができる偏光変換素子が得られ、互いに直交する偏光方向をもつ第一または第二の直線偏光光の一方が入射したとき、これを高効率で他の直線偏光光に変換することが可能となる。本発明の偏光変換素子に用いられている位相差膜は、基板面に対して略垂直な方向から蒸着を行う通常の蒸着手法で製造することができるから、斜方蒸着による位相差膜に生じやすい白濁もなく、物理的な耐久性の点でも優れたものが得られる。そして、かかる偏光変換素子を液晶プロジェクタの照明光学系中に偏光照明光学素子として利用することによって、液晶表示パネル照明用の直線偏光光を高い効率で得ることができ、投映画像のコントラストを高めることが可能となる。

液晶プロジェクタの照明光学系の要部を示す概略図である。液晶プロジェクタの光源装置の要部を示す概略図である。偏光照明光学素子の外観図である。偏光照明光学素子の構造を示す部分破断斜視図である。偏光変換素子の概略断面図である。偏光変換素子の製造工程の一例を示す説明図である。偏光照明光学素子の他の形態を示す要部断面図である。偏光変換素子の製造工程の他の例を示す説明図である。偏光変換素子の他の例を示す概略断面図である。図９に示す偏光変換素子の製造工程を示す説明図である。本発明の偏光変換素子のさらに別の例を示す概略断面図である。プリズムシートの稜線を傾けた様子を示す説明図である。稜線を傾けたときの作用説明図である。偏光変換素子の分光変換効率特性の傾向を示すグラフである。偏光ビームスプリッタアレイの別の例を示す概略図である。偏光ビームスプリッタアレイのさらに別の例を示す概略図である。

液晶プロジェクタの光学系は、光源装置Ｓとともに概略的に図１のように構成されている。光源装置Ｓは、図２に示すように超高圧水銀ランプなどの高輝度の光源ランプ２を備え、リフレクタ３とともに用いられている。照明光路中には、赤外線及び紫外線カット用のフィルタ４が設けられ、種々の偏光光が混在した無偏光・可視域の照明光は第一マイクロレンズアレイ５にほぼ平行光となって入射する。第一マイクロレンズアレイ５は、複数のマイクロレンズを液晶表示パネルの矩形形状に倣うように矩形マトリクス状に配列したもので、同様の構造をもつ第二マイクロレンズアレイ６上に等価的にマイクロレンズの個数分の擬似光源を形成する。

第二マイクロレンズアレイ６上に形成された擬似光源からの照明光は、周辺光でも５〜６°程度の小さな入射角で偏光照明光学素子７に入射する。偏光照明光学素子７は、様々な偏光光を含む無偏光の照明光中から紙面と垂直な偏光方向をもった直線偏光光を分離して照明レンズ８に入射させる作用をもつ。照明レンズ８は、擬似光源ごとに偏光照明光学素子７から直線偏光となって出射した個々の照明光を、Ｂ（青色光）チャンネル、Ｇ（緑色光）チャンネル、Ｒ（赤色光）チャンネルのそれぞれに設けられた液晶表示パネルの有効画面全体に導いて重畳させ、これにより各チャンネルの液晶表示パネルを均一に照明する。

照明レンズ８を通して光源装置Ｓから出射した照明光は、図１に示すように、まずダイクロイックミラー１０に入射して青色光が透過し、他色光が反射される。青色光は全反射ミラー１１を経てフィールドレンズ１２Ｂに入射する。フィールドレンズ１２Ｂ上には、照明レンズ８の作用により擬似光源からの光束が重畳され、その背後に設けられた液晶表示パネル１４Ｂの有効画面内を均一に照明する。また、ダイクロイックミラー１０で反射された色光のうちの緑色光が次のダイクロイックミラー１５で反射され、同様にフィールドレンズ１２Ｇを経て液晶表示パネル１４Ｇに均一な照明を与える。

ダイクロイックミラー１５を透過した赤色光は、第１リレーレンズ１６、全反射ミラー１７、第２リレーレンズ１８、全反射ミラー１９を経てフィールドレンズ１２Ｒに導かれ、同様に液晶表示パネル１４Ｒを背面側から均一に照明する。Ｒチャンネルの照明光路長はＢ，Ｇチャンネルよりも長くなるため、そのままでは照明レンズ８の作用がＲチャンネルで損なわれるが、第１，第２リレーレンズ１６，１８を用いることにより照明レンズ８の作用はＲチャンネルでも同様に保たれる。

フィールドレンズ１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒにより、周辺光量も落とすことなく各液晶表示パネル１４Ｂ，１４Ｇ，１４Ｒは背面側から直線偏光した照明光で均一に照明される。そして、それぞれの液晶表示パネル１４Ｂ，１４Ｇ，１４Ｒを透過したチャンネルごとの画像光はクロスダイクロイックプリズム２０で合成され、フルカラーの画像光として投射レンズ２２に入射し、スクリーンに向かって投射される。

光源装置Ｓに用いられている偏光照明光学素子７は、図３に示すようにほぼ矩形プレート状の外観を有し、偏光ビームスプリッタアレイ２４と、その光出射面側に一定間隔を明けて接合された偏光変換素子２５とから構成されている。偏光ビームスプリッタアレイ２４は、断面が平行四辺形の縦長のプリズムロッド２４ａ，２４ｂを複数本接合したもので、互いの接合面には誘電体多層膜からなる偏光分離膜２６と金属膜からなる反射膜２７とが交互に形成されている。プリズムロッド２４ａ，２４ｂは、入射面の法線に対して偏光分離膜２６及び反射膜２７が４５°の傾きをもつように整形された同一形状のものとなっている。

偏光分離膜２６は、プリズムロッド２４ｂの入射面（図中背面側）からほぼ垂直に入射した無偏光の照明光の中から、Ｐ偏光成分の直線偏光光（偏光分離膜２６の法線と入射光線とを含む面に平行な偏光方向をもつ）を透過させ、Ｓ偏光成分の直線偏光光（Ｐ偏光成分の直線偏光光の偏光方向と直交する偏光方向をもつ）反射させる作用をもつ。偏光分離膜２６を透過したＰ偏光光は、そのままプリズムロッド２４ａを通って出射面側から出射するのに対し、偏光分離膜２６で反射したＳ偏光光は反射膜２７で反射して偏光変換素子２５に垂直に入射する。なお、他方のプリズムロッド２４ａの入射面側には遮光膜または反射膜が成膜され、プリズムロッド２４ａには光源ランプ２からの無偏光光が入射しないようにしてある。

偏光変換素子２５は垂直に入射する直線偏光光の偏光方向を９０°回転して出射させる１／２波長板の機能を有し、したがって偏光変換素子２５を透過する間にＳ偏光光はＰ偏光光に変換された後に出射面側から出射する。このようなプリズムロッド２４ａ，２４ｂの対を、偏光分離膜２７及び反射膜２７を含めて交互に並列させることによって図示のようなプレート状の偏光照明光学素子７が得られ、図２に示す第二マイクロレンズアレイ６の出射面の直後に出射面全面をカバーするように配置することができる。

偏光照明光学素子７の構造を示す図４において、偏光変換素子２５はプリズムロッド２４ｂの出射面を全体的に覆うように縦長の矩形状に整形されたもので、細長い複数の直角プリズム要素３０ａを互いの稜線３０ｂが平行かつ同一面上に並ぶように配列したプリズムシート３０を基材とする。このようなプリズムシート３０は、透明なプラスチックやガラスで製造することができる。そしてこの偏光変換素子２５は、直角プリズム要素３０ａの稜線３０ｂをＳ偏光成分の直線偏光光の偏光方向（垂直方向）に対して４５°傾けた姿勢を保つように、直角プリズム要素３０ａの底面側がプリズムロッド２４ｂの出射面に接合される。

図５にも示すように、プリズムシート３０の斜面全体を一様に覆うように光学異方性をもつ位相差膜３２が成膜されている。位相差膜３２は、屈折率が互いに異なる二種類の誘電体薄膜を例えば１４０層程度まで交互に積層して製造することができる。このとき、個々の誘電体薄膜の光学膜厚は十分に薄く、いわゆる光学干渉薄膜で多用されるλ／４、λ／２の十数分の１以下である。光学異方性を発現する複屈折Δｎの値は、積層される二種類の誘電体薄膜の屈折率差及び個々の膜厚比に応じて決まることが知られており、誘電体多層膜全体の物理的膜厚ｄと複屈折Δｎとの積によってレタデーションが決まる。

位相差膜３２を成膜するにあたっては、各稜線３０ｂの配列面側が二種類の蒸着源に正対するようにプリズムシート３０を蒸着装置にセットし、それぞれの蒸着源から交互に蒸着を行って屈折率が互いに異なる二種類の誘電体薄膜を積層してゆけばよい。直角プリズム要素３０ａの稜線３０ｂから谷までの深さは高々１ｍｍ程度で、蒸着源からの距離が１ｍあるいはそれ以上あることを考慮すると、直角プリズム要素３０ａの稜線３０ｂから谷部までの距離差はこのような通常の蒸着では有意なものではない。したがって、直角プリズム要素３０ａのそれぞれの斜面には、その法線方向に二種類の誘電体薄膜が順次に積層される。

こうして直角プリズム要素３０ａの斜面に成膜された位相差膜３２は、光学軸がそれぞれの斜面の法線と一致する一軸性の負のＣプレートとなる。そして予め設定した複屈折Δｎの値、及び位相差膜３２内における光路長を考慮して全体の膜厚ｄを調整することによって、プリズムシート３０の底面から略垂直に入射して位相差膜３２を透過する光線に１／２波長の位相差を与えることができる。さらに位相差膜３２を透過した光線が内面全反射することがないように、位相差膜３２の表面にポリシラザンをスピンコートしてオーバーコート層３３を設けて表面を平滑化する。ポリシラザンをスピンコートする際には有機溶媒が用いられるが、乾燥により有機溶剤は揮発してオーバーコート層３３自体も無機材となる。なお、位相差膜３２に用いられる蒸着材料には、高屈折材料としてＴｉＯ_２，ＺｒＯ_２，Ｔａ_２Ｏ_５，Ｎｂ_２Ｏ_５、低屈折材料としてＳｉＯ_２，ＭｇＦ_２，ＣａＦ_２などの公知のものが利用可能で、オーバーコート層３３も蒸着で形成することが可能である。

プリズムシート３０の製法を含む偏光変換素子２５の製造方法の一例を図６に示す。同図（Ａ）に示すように、例えば１ｍｍ厚の光学ガラスプレート３６を４５°傾け、底面側に上記直角プリズム要素３０ａが現れるように相互に接合する。そして、同図（Ｂ）に示すように、直角プリズム要素３０ａの配列面に位相差膜３２を蒸着する。蒸着後、二点鎖線で示す切断線でカットしてカット面を研磨する。そして、位相差膜３２にオーバーコート層３３をスピンコートしその表面を平滑化して上記偏光変換素子２５が得られる。なお、光学ガラスプレート３６の接合面には光学ガラスプレート３６と屈折率が略等しい接着剤が用いられるため、実質的には全体的に一体のプリズムシート３０とみなして差し支えない。

以上のように構成された偏光照明光学素子７の作用は以下のとおりである。第二マイクロレンズアレイ６を構成する個々のマイクロレンズから主光線が略平行に出射した無偏光の照明光は、それぞれのマイクロレンズごとに偏光照明光学素子７に入射する。図３に示すように、マイクロレンズから出射してプリズムロッド２４ｂの入射面から略垂直に入射した照明光は、偏光分離膜２６に４５°の入射角で入射する。

偏光分離膜２６は入射した照明光の中からＰ偏光成分の直線偏光光を透過し、Ｓ偏光成分の直線偏光光を４５°反射する。透過したＰ偏光成分の直線偏光光はそのままプリズムロッド２４ｂの出射面からＰ偏光成分の直線偏光光で出射する。偏光分離膜２６で反射されたＳ偏光成分の直線偏光光は、プリズムロッド２４ｂの出射面に接合された偏光変換素子２５に略垂直に入射する。

偏光変換素子２５に用いられている位相差膜３２は、直角プリズム要素３０ａの各斜面に対しその法線方向に積層された多層誘電体膜で構成されているから、位相差膜３２の光学軸は斜面ごとにその法線方向と一致している。ところが、直角プリズム要素３０ａのそれぞれは、その稜線３０ｂがＳ偏光光の偏光方向に対して４５°傾いていることから、各斜面の法線に一致する光学軸もＳ偏光光の偏光方向に対して±４５°傾き、Ｓ偏光成分の直線偏光光は位相差膜３２に対しては等価的に４５°の斜め入射となる。したがって、斜め入射を考慮して位相差膜３２の膜厚を調整しておくことによって、Ｓ偏光成分の直線偏光光は位相差膜３２を透過する間にその偏光方向（偏光面）が９０°回転し、Ｐ偏光成分の直線偏光光として偏光変換素子２５から出射するようになる。

以上のように、光源ランプ２からの照明光が偏光照明光学素子７に入射すると、様々な偏光光の中から偏光方向が水平方向にそろったＰ偏光成分の直線偏光光だけが出射するようになり、色チャンネルごとに設けられた液晶表示パネル１４Ｂ，１４Ｇ，１４Ｒの照明に用いることができる。よく知られるように、光源ランプ２には高輝度のものが利用され周囲がかなりの温度に達するが、この偏光照明光学素子７に用いられている位相差膜３２は無機材料製であり、また斜方蒸着を要することなく、個々の誘電体薄膜の膜厚監視も容易な膜として製造することができるから、耐久性に優れ、かつその量産適性によりコスト面でも大きな利点が得られる。

図７に示す実施形態は、偏光分離膜２６を透過したＰ偏光光を位相差膜３２でＳ偏光光に変換し、偏光分離膜２６で反射したＳ偏光光を反射膜２７で反射してそのまま出射させるようにしている。このように、偏光ビームスプリッタアレイ２４の出射面のどの位置に位相差膜３２を利用するかによって、Ｐ偏光光・Ｓ偏光光のいずれでも取り出すことが可能となる。

さらにこの実施形態では、偏光ビームスプリッタアレイ２４の出射面全体に一連となったプリズムシート３０を接合している。ただし、プリズムシート３０の直角プリズム要素３０ａに位相差膜３２を蒸着する際に、プリズムロッド２４ａの出射面に接合される領域にはマスキングなどの手法を用いて位相差膜３２成膜しないようにしている。この手法を用いれば、プリズムロッド２４ａ，２４ｂの出射面ごとに前述した偏光変換素子２５を位置決めしながら個別に接合する手間を省くことができる。

偏光変換素子２５の別の製造法を図８に示す。この製造法では、同図（Ａ）に示すように光学ガラスプレート３６の一方の面に位相差膜３２を蒸着する。位相差膜３２を蒸着した光学ガラスプレート３６を同図（Ｂ）に示すように一定ピッチずらして接合した後、同図中二点鎖線で示すカットラインにしたがって切断し、カット面を研磨する。これにより、同図（Ｃ）に示すように一定ピッチで位相差膜３２を内部に有する梯形型のプリズムロッド４０が得られる。

続いて同図（Ｄ）に示すようにプリズムロッド４０を長手方向で接合する。このとき、位相差膜３２がＶ字形になるようにプリズムロッド４０の方向を交互に入れ替える。接合後、二点鎖線で示すカットラインにしたがって水平に切断して研磨すれば、同図（Ｅ）に示す形態の偏光変換素子２５が得られる。こうして製造された偏光変換素子２５は位相差膜３２が表面に現れず、位相差膜３２を透過した光線が空気との界面で全反射することもないから、前述したオーバーコート層３３を要しない。なお、同図（Ｂ），（Ｄ）ではカット工程と研磨工程があるので、カット代や研磨代を考慮してサイズを調整しておく必要がある。

これまでの実施形態では、位相差膜３２が１／２波長板の機能を有しているが、図９に示すように、１／４波長板として作用する位相差膜４２をそれぞれのプリズムシート４３の直角プリズム要素３０ａの斜面に成膜した２枚の偏光変換素子要素４５を接合し、これを１／２波長板として機能する一枚の偏光変換素子２５として用いることもできる。もちろん、一方の偏光変換素子要素４５だけを１／４波長板として種々の用途に用いることも可能で、その場合でも無機材料で構成され、しかも斜方蒸着を要せずに簡便かつローコストで製造できるという利点がある。

図９に示す偏光変換素子２５は、例えば図１０に示す手法で簡便に製造することができる。すなわち、図６（Ｂ）で説明した製造工程中、１／２波長の位相差を与える位相差膜３２の代わりに、１／４波長の位相差を与える位相差膜４２を蒸着し、その一対を直角プリズム要素３０ａの各斜面が密着するように接合する。その後、図１０（Ｂ）に二点鎖線で示すカットラインにそって切断し研磨すれば同図（Ｃ）に示す偏光変換素子２５が得られる。

図１１に示す実施形態では、１／４波長板として機能する二枚の偏光変換素子要素４５を組み合わせて１／２波長板として機能する偏光変換素子２５の他の例を示す。同図（Ａ）は、図６（Ｃ）に示す位相差膜３２を位相差膜４２に代えた一対を、平面同士で接合した例を示す。また、図１１（Ｂ）は、図８（Ｅ）に示す位相差膜３２を位相差膜４２に代えた一対を接合した例を表す。このように位相差膜４２を密着させなくても、これらの位相差膜４２が光線の透過領域で重ね合わされていれば、全く同様に１／２波長板としての機能が得られる。

図１１（Ａ），（Ｂ）に示す偏光変換素子２５は、いずれも直角プリズム要素を互いに密着させず平面同士で接合を行っているため、直角プリズム要素の稜線を交差させて用いることができる。図１２はその様子を示すもので、１／４波長の位相差を与える位相差膜４２が直角プリズム要素の斜面に成膜された２枚のプリズムシート４７ａ，４７ｂを、直角プリズム要素の稜線４８ａ，４８ｂが互いに交差するように傾けて接合されている。この接合時に、一方のプリズムシート４７ａについてはその稜線４８ａを垂直線に対して角θ１だけ傾け、他方のプリズムシート４７ｂについてはその稜線４８ｂを垂直線に介して角θ２だけ傾ける。その後、破線で示すカットラインで切断して短冊状の偏光変換素子２５が得られる。

この偏光変換素子２５に偏光方向が垂直方向と一致したＰ偏光成分の直線偏光光が入射したとすると、前記一方のプリズムシート４７ａに成膜された位相差膜４２の光学軸[１]は、稜線４８ａに直交していることから、図１２に示すように、入射した直線偏光光の偏光方向Ｐ０から反時計方向に角δ１（＝「９０°−θ１」）傾いている。したがって偏光方向Ｐ０で入射した直線偏光光は、反時計方向に２δ１傾いた偏光方向Ｐ１の直線偏光光に変換される。そして、稜線４８ｂが垂直方向から角θ２傾けられた他方のプリズムシート４７ｂの位相差膜４２の光学軸[２]は、同様に偏光方向Ｐ０から角δ２（＝「９０°−θ２」）傾いているから、直線偏光光の偏光方向Ｐ１がさらに２（δ２−２δ１）傾けられ、偏光方向Ｐ２の直線偏光光になる。したがって、「２δ１＋２（δ２−２δ１）」の値、すなわち「２（θ１−θ２）」の値が９０°に合致するように角θ１，θ２の値を決めておけば、偏光方向が垂直なＰ偏光成分の直線偏光光は、偏光方向が水平なＳ偏光成分の直線偏光光に変換されることになる。

なお、直角プリズム要素３０を構成する一対の斜面は互いに直交し、したがってそれぞれの斜面に成膜された位相差膜４２の光学軸も互いに直交する。したがって、一方の斜面での偏光方向の回転が図１２のとおりである場合には、他方の斜面に成膜された位相差膜４２は図１２の直線偏光光Ｐ０を時計方向に同じ角度で回転させる作用を行うことになるから、「θ１−θ２＝４５°」の関係を満足するように角θ１，角θ２の値を決めることによって、一対の偏光変換素子４５を組み合わせた偏光変換素子２５も１／２波長板として利用することができる。また、１／２波長板として用いる場合には、θ１，θ２の任意の一方あるいは両方について、「θ１±ｎ×９０°」，「θ２±ｎ×９０°」として組み合わせることも可能である。

このように二枚の偏光変換素子４５を組み合わせて用いる場合には、直角プリズム要素３０の稜線を４５°傾けた前述の実施形態と比較して以下の利点がある。図１４に破線で示す相対変換効率特性Ｅ１は、例えば図４に示すように一枚の偏光変換素子２５を４５°傾けて使用したときの分光特性を表し、位相差膜３２の設計中心波長λ_０付近では良好な変換効率を示すものの、中心波長λ_０から離れるにつれて変換効率が低下しやすい。これに対し、二枚の偏光変換素子要素４５を「θ１＝５５°、θ２＝１０°」の角度にして用いた偏光変換素子では特性Ｅ２、「θ１＝６３°、θ２＝１８°」の角度で用いた偏光変換素子では特性Ｅ３が得られ、波長特性を改善することが確認された。θ１，θ２の値は様々に設定可能ではあるが、分光特性の対称性を考慮すれば「６０°≦θ１≦７０°、１５°≦θ２≦２５°」の範囲が好ましいと推定できる。

ところで、図３あるいは図４に示す偏光ビームスプリッタアレイ２４の中には、図１５に示すように、柱状の直角プリズム５０ａ，５０ｂを組み合わせてプリズムロッド２４ｂを、また同様の直角プリズム５１ａ，５１ｂを組み合わせてプリズムロッド２４ａを構成したものも知られている。なお、機能的に同一である偏光変換素子２５、偏光分離膜２６、反射膜２７については同符号を付してある。

この構造をもつ偏光ビームスプリッタアレイ２４を利用する場合には、直角プリズム５０ａ，５０ｂの接合面に角度選択膜５２を形成することも有効である。角度選択膜５２は例えば屈折率１．４６のＳｉＯ_２膜を５００ｎｍ程度の膜厚で成膜したもので、可視光波長域の光線が０°〜１０°の小さい入射角で入射したときにはこれをほぼ１００％透過し、逆に８０°〜９０°の大きな角度で入射したときにはこれをほぼ１００％反射する作用をもつ。

前述したように、マイクロレンズアレイを用いた照明光学系では、５〜６°の広がり角で偏光ビームスプリッタアレイ２４に入射する光線もある。このような光線Ｋは、角度選択膜５２に大きな角度で入射してそのほとんどが反射され、実線で示すように偏光分離膜２６に入射するようになるから、その後はそのまま透過するＰ偏光成分の直線偏光光と、偏光分離膜２６で反射するＳ偏光成分の直線偏光光となる。反射されたＳ偏光成分の直線偏光光は小さな入射角であるため角度選択膜５２をそのまま透過して反射膜２７で反射され、偏光変換素子２５を透過する間に偏光方向が９０°回転してＰ偏光成分の直線偏光光に変換される。したがって、破線で示すように、無偏光の光線Ｋが偏光変換素子２５を透過して出射することを防ぐことができ、ノイズ光を減らすことが可能となる。

図１６に示す実施形態では、上記柱状の直角プリズム５１ａの出射面に光ガイドとなるガラスプレート６０が接合されている。このガラスプレート６０が省略されている場合には、斜入光線Ｑのうち偏光分離膜２６を透過したＰ偏光成分の直線偏光光は、直角プリズム５１ａの出射面から破線で示すような屈折光ＱＸとなって出射し、隣接する偏光変換素子２５の側面でケラレることがあり、Ｐ偏光成分の直線偏光光を有効に利用するうえでは不利になる。

この点、直角プリズム５１ａと同じ屈折率をもつガラスプレート６０をその出射面に接合しておけば、偏光分離膜２６を透過した直線偏光光は出射面で屈折することなくガラスプレート６０の表面までガイドされ、隣接する偏光変換素子２５の側面でケラレが生じなくなる。また、ガラスプレート６０の表面は空気に接する界面となるから、その表面には反射防止膜を成膜しておくことが望ましい。さらにガラスプレート６０の側面に、前述した角度選択膜５２と同様に、入射角が大きい光線については反射する選択反射膜５８を成膜しておけば、より利用効率を高めることができる。

また、偏光分離膜２６で反射されたＳ偏光成分の直線偏光光を偏光変換素子２５に向けて反射する反射膜２７の背後に吸収膜５３を形成し、反射膜２７をわずかに透過してくる光、あるいは直角プリズム５１ｂの入射面側に形成される反射膜や遮光膜５５をわずかながら透過してくる光を吸収できるようにしておけば、液晶プロジェクタで投映される画像のコントラストを高めるうえでより効果的である。

以上、図示した実施形態に基づいて説明してきたが、本発明の偏光変換素子は液晶プロジェクタの偏光照明光学素子に好適に用いることができるが、偏光を扱う分野では用途に応じてレーザ光を含む種々の光源からの光の偏光方向を９０°回転させる必要が生じてくる。こうした場合にも上記偏光変換素子２５を１／２波長板として利用することが可能であり、また１／４波長板として機能する偏光変換素子については単独で１／４波長板として用いることができる。さらに、図１３に示すように、２枚の偏光変換素子を利用して偏光方向を２段階に回転して所望の向きに変換できることから、例えば３枚あるいは４枚の偏光変換素子を適宜の角度に組み合わせることにより、３段階あるいは４段階に偏光方向を任意の角度分だけ回転することも原理的には可能である。

７偏光照明光学素子
２４偏光ビームスプリッタアレイ
２５偏光変換素子
２６偏光分離膜
２７反射膜
３０プリズムシート
３０ａ直角プリズム要素
３０ｂ稜線
３２位相差膜
３３オーバーコート層
４２位相差膜
４５偏光変換素子要素
５２角度選択膜
５３吸収膜
６０ガラスプレート

Claims

偏光方向が互いに直交する第一又は第二の直線偏光光のいずれか一方が入射したとき、その偏光方向を９０°回転させた他方の直線偏光光に変換する偏光変換素子において、
細長い複数の直角プリズム要素の一対の斜面で構成される各々の稜線が互いに平行かつ同一面上に並ぶように配列されたプリズムシートと、前記直角プリズム要素の各斜面の法線に光学軸が略一致するように前記各々の斜面に成膜され、前記直角プリズム要素の底面側から前記プリズムシートに略垂直に入射して透過する光に１／２波長の位相差を与える誘電体多層膜で構成された位相差膜とからなり、前記一方の直線偏光光の偏光方向に対して前記稜線が略４５°傾くように配置されたことを特徴とする偏光変換素子。
偏光方向が互いに直交する第一又は第二の直線偏光光のいずれか一方が入射したとき、その偏光方向を９０°回転させた他方の直線偏光光に変換する偏光変換素子において、
細長い複数の直角プリズム要素の一対の斜面で構成される各々の稜線が互いに平行かつ同一面上に並ぶように配列されたプリズムシートと、前記直角プリズム要素の各斜面の法線に光学軸が略一致するように前記各々の斜面に成膜され、前記直角プリズム要素の底面側から前記プリズムシートに略垂直に入射して透過する光に１／４波長の位相差を与える誘電体多層膜で構成された位相差膜とからなる偏光変換素子要素を二枚備え、これらの偏光変換素子要素が、それぞれの前記稜線を互いに平行に、かつ前記一方の直線偏光光の偏光方向に対して４５°傾くように配置されたことを特徴とする偏光変換素子。
偏光方向が互いに直交する第一又は第二の直線偏光光のいずれか一方が入射したとき、その偏光方向を９０°回転させた他方の直線偏光光に変換する偏光変換素子において、
細長い複数の直角プリズム要素の一対の斜面で構成される各々の稜線が互いに平行かつ同一面上に並ぶように配列されたプリズムシートと、前記直角プリズム要素の各斜面の法線に光学軸が略一致するように前記各々の斜面に成膜され、前記直角プリズム要素の底面側から前記プリズムシートに略垂直に入射して透過する光に１／４波長の位相差を与える誘電体多層膜で構成された位相差膜とからなる偏光変換素子要素を二枚備え、前記偏光変換素子要素の一方はその稜線が前記一方の直線偏光光の偏光方向に対して角θ１だけ傾けて配置され、前記偏光変換素子要素の他方はその稜線が前記一方の直線偏光光の偏光方向に対して角θ２だけ傾けて配置され、かつ２（θ１−θ２）が略９０°であることを特徴とする偏光変換素子。
６０°≦θ１≦７０°であり、１５°≦θ２≦２５°であることを特徴とする請求項３記載の偏光変換素子。
プリズム相互の接合面に偏光分離膜を備え、前記偏光分離膜に入射した無偏光光のうち偏光方向が互いに直交する第一または第二の直線偏光光の一方を透過させ、他方を反射させる偏光ビームスプリッタと、
前記偏光分離膜で反射された他方の直線偏光光が出射する偏光ビームスプリッタの出射面に接合された請求項１〜４のいずれか記載の偏光変換素子とからなり、
照明光源から前記偏光ビームスプリッタに入射した無偏光光を、前記偏光分離膜を透過した一方の直線偏光光と、前記偏光分離膜で反射され、かつ前記偏光変換素子を透過することによって偏光方向が９０°回転した一方の直線偏光光とからなる偏光照明光に変換することを特徴とする偏光照明光学素子。
前記直角プリズム要素の稜線が互いに平行かつ同一面上に並ぶように前記偏光ビームスプリッタが複数個並列されたことを特徴とする請求項５記載の偏光照明光学素子。
複数のマイクロレンズを配列した一対のマイクロレンズアレイを用いて光源ランプからの照明光を分割し、分割された照明光を液晶表示パネル上で重畳させて照明する照明光学系を備えるとともに、前記一対のマイクロレンズアレイの出射面の直後に請求項５または６記載の偏光照明光学素子が設けられたことを特徴とする液晶プロジェクタ。