JP2012133270A - 波長板、偏光変換素子、偏光変換ユニット及び投写装置 - Google Patents

Abstract

【課題】波長板を構成する水晶基板に対して位相差補正素子を積層して、波長板全体として任意に位相差を調整することで、異なるピーク波長の光に対して波長板として機能可能な波長板を実現し、これを用いた低コスト且つ高性能な偏光変換素子を提供する。
【解決手段】２つ以上の波長板ユニットを備えて波長λの光に対して位相差δを与える積層波長板ユニットであり、それぞれの波長板ユニット（２０Ａ、２０Ｂ）は、波長λに対して位相誤差を加味した位相差を与える水晶波長板（３０Ａ、３０Ｂ）と、誤差を相殺する補正を行う液晶素子と、液晶素子に、誤差を相殺する位相差を発生させるように電圧を印可する電圧源と、を備えた。
【選択図】図９

Description

本発明は、水晶のような複屈折性を有する無機光学結晶材料からなる位相差板と、液晶素子からなる位相差調整素子と、配置してなる波長板に関する。

従来、液晶プロジェクター等の投射装置は、特許文献１や特許文献２に開示されているような構造を有する偏光変換素子を備えている。前記偏光変換素子は、光源から出射されるランダム偏光光束（互いに偏光面が直交するＰ偏光光束とＳ偏光光束や偏光面の方向がさまざまな直線偏光が混在した光束）を所定の直線偏光光束に統一して出射する素子である。
かかる偏光変換素子は、一般に、両主面にＰＢＳ膜（互いに直交関係のＰ偏光とＳ偏光のうち、何れか一方の直線偏光を透過させ、他方の直線偏光を反射させる機能を有する光学機能膜、所謂偏光分離膜）と反射ミラー膜とを夫々形成された無色透明なガラス等の透光性基板を幾重にも交互に積層してなる積層体を作成し、入射面（積層面）に対して所定の角度、例えば４５度（あるいは１３５度）の角度に切断して得た偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）アレイの出射側表面に、有機系材料、例えばポリカーボネートフィルム製の１／２波長板を有機系の接着剤により接着した構成を備えており、光源からのランダム偏光光束は、光路上に配置された遮光板により選択的にＰＢＳ膜に入射してＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離され、Ｐ偏光光束は、前記ＰＢＳ膜を透過し、Ｓ偏光光束は、前記ＰＢＳ膜を反射する。

前記ＰＢＳ膜を透過したＰ偏光束は、１／２波長板に入射すると、位相が１８０度ずれることにより、Ｓ偏光の光に変換されて１／２波長板から入射し、前記ＰＢＳ膜を反射したＳ偏光束は、反射ミラー膜でさらに反射して、前記ＰＢＳアレイの１／２波長板が配置されていない領域の出射面から出射する。
結果として、前記偏光変換素子から出射する光は、Ｓ偏光の光に統一されることとなる。
ところで、かかる構成を有する偏光変換素子を採用した液晶プロジェクター等に用いられる光源としての白色の光源ランプは、近年、高出力化、短アーク長化が進行しおり、上述のＰＢＳアレイ、及び１／２波長板に対する熱負荷が増大している。特に、樹脂フィルムからなり、光や熱による性能劣化（偏光回転効率や光透過性の劣化）を生じ易い１／２波長板への熱負荷の影響は顕著である。
かかる問題に対し、特許文献３、特許文献４には、少なくとも一方の偏光光束（直線偏光光束）の偏光方向を回転させる１／２波長板を構成する材料として、一般的な透明ガラス（熱伝導率：０．８Ｗ／ｍ／Ｋ）よりも高い熱伝導性を有する水晶を用いることが提案されている。
すなわち、同文献では、水晶１／２波長板をＰＢＳの出射側面に、耐熱・耐光性に優れた紫外線硬化樹脂又は無機系材料の接着剤を用いることで、冷却ファンによる強制冷却を不要とする液晶プロジェクターを実現しようとしている。

特開２０００−２９８２１２公報 特許第３３０９８４６号 特開２００４−３０９８５３公報 特開２００９−１０３８６３公報

しかしながら、１／２波長板の材料として水晶を用いる場合、以下のような問題がある。すなわち、プロジェクターのメーカー毎に、光源光量の波長分布、特に、ピーク波長に微妙な違いがあるため、顧客の要求仕様に基づいて、水晶等の複屈折光学結晶から形成される１／２波長板を設計しようとした場合、設計波長が微妙に異なってくるため、仕様毎に新規に設計せざるを得ない。異なる設計波長に対応するために、水晶波長板の厚みも異なってくるため、光学部品の共有化もできない。従って、製造コスト削減という観点から大きな問題点となっていた。
本発明は、以上の問題点を考慮して、１／２波長板を構成する水晶基板（水晶波長板）に対して位相差補正素子を積層して、１／２波長板全体として、入射光に与える位相差を任意に調整することで、波長分布が異なる光に対して正確に１／２波長板として機能することが可能な１／２波長板を実現し、これを用いた低コスト且つ高性能な偏光変換素子を提供することを目的とする。

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、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。

［適用例１］本適用例の波長板は、波長λの光に対して全体として位相差δを与えて、入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた直線偏光に変換して出射する波長板であって、前記波長λの光に対して位相誤差ａを有し位相差δ±ａを与え、材料が無機光学結晶からなる位相差板と、該位相差板に積層され、前記位相誤差ａを補正する液晶素子を備えた位相差補正素子と、を備え、前記位相差補正素子は、前記液晶素子に電圧を印加する電圧源を備えた。

本適用例によれば、波長板を組み込むプロジェクター等の光源の波長分布、特にピーク波長が異なったとしても、電圧源の電圧を調整して、位相差補正素子に発生させる位相差を適宜調整することで、全体として入射光に対して所望の位相差を正確に与えることが可能となる。

［適用例２］本適用例の波長板は、適用例１に記載の波長板において、請求項１に記載の波長板において、前記位相誤差ａが正の値の場合は、前記液晶素子における液晶の配向方向が前記位相差板の光学軸と直交するように配向し、前記位相誤差ａが負の値の場合は、前記液晶素子における液晶の配向方向が前記位相差板の光学軸と平行となるように配向した。

本適用例によれば、光源の、波長分布、特にピーク波長が異なることで、水晶波長板で発生する位相差に誤差が発生する場合に、位相差が大きすぎる場合は、位相差補正素子の配向方向を水晶波長板の結晶軸と直交させて逆向きの位相差を与えて相殺し、小さすぎる場合は、位相差補正素子の配向方向を水晶波長板の結晶軸と平行にすることで、水晶波長板と同じ向きの位相差を与えて補完することにより、容易に波長板ユニットの位相差を調整して偏光変換効率を高めることが出来る。

［適用例３］本適用例の波長板は、光路上に配置された第１の波長板と第２の波長板とを備え、波長λの光に対して位相差δを与えて、入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた直線偏光として出射する、或いは前記光の直線偏光を円偏光に変換して出射する波長板であって、前記第１の波長板は、前記光の直線偏光の偏光面と光学軸とのなす角を方位角θ１とし、前記波長λの光に対して位相誤差ａを有し位相差δ１±ａを与え、材料が無機光学結晶からなる第１の位相差板と、該第１の位相差板に積層され、前記位相誤差ａを補正する第１の液晶素子を備えた第１の位相差補正素子と、を備え、前記第１の位相差補正素子は、前記第１の液晶素子に電圧を印加する第１の電圧源を備え、前記第２の波長板は、前記光の直線偏光の偏光面と光学軸とのなす角を方位角θとし、前記波長λの光に対し位相誤差ｂを有し位相差δ２±ｂを与え、材料が無機光学結晶からなる第２の位相差板と、該第２の位相差板に積層され、前記位相誤差ｂを補正する第２の液晶素子を備えた第２の位相差補正素子と、を備え、前記第２の位相差補正素子は、前記第２の液晶素子に電圧を印加する第２の電圧源を備えた。

本適用例によれば、波長板を組み込むプロジェクター等の光源光量の波長分布、特にピーク波長が異なったとしても、電圧源の電圧を調整して、位相差補正素子に発生させる位相差を適宜調整することで、全体として、入射光に対して所望の位相差を正確に与えることが可能となる。

［適用例４］本適用例の波長板は、適用例３に記載の波長板において、入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた直線偏光に変換して出射し、前記方位角θ１を４５°、前記方位角θ２を１３５°とし、位相差δ１を３６０°×Ｎ１＋１８０°、位相差δ２を３６０°×Ｎ２とし（Ｎ１及びＮ２はそれぞれ０から始まる自然数）、前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが正の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子における液晶の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸と直交するように配向し、前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが負の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子における液晶の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸に対して平行になるように配向した。

本適用例によれば、光源光量の波長分布、特にピーク波長が異なることで、複数枚の水晶波長板において発生する位相差に誤差が生じる場合、位相差が大きすぎる場合は、位相差補正素子の配向方向を水晶波長板の結晶軸と直交させて逆向きの位相差を与えて相殺し、小さすぎる場合は、位相差補正素子の配向方向を水晶波長板の結晶軸と平行にすることで、水晶波長板と同じ向きの位相差を与えて補完することにより、容易に積層１／２波長板ユニットの位相差を調整して、複数波長（広帯域）における偏光変換効率を高めることが出来る。

［適用例５］本適用例の波長板は、適用例３に記載の波長板において、入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた円偏光に変換して出射し、前記方位角θ１を４５°、前記方位角θ２を１３５°とし、位相差δ１を３６０°×Ｎ１＋（９０°又は２７０°）、位相差δ２を３６０°×Ｎ２とし（Ｎ１及びＮ２はそれぞれ０から始まる自然数）、前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが正の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸と直交するように配向し、前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが負の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸に対して平行になるように配向した。

本適用例によれば、光源光量の波長分布、特にピーク波長が異なることで、複数枚の水晶波長板において発生する位相差に誤差が生じる場合、位相差が大きすぎる場合は、位相差補正素子の配向方向を水晶波長板の結晶軸と直交させて逆向きの位相差を与えて相殺し、小さすぎる場合は、位相差補正素子の配向方向を水晶波長板の結晶軸と平行にすることで、水晶波長板と同じ向きの位相差を与えて補完することにより、容易に積層λ／４波長板ユニットの位相差を調整して、複数波長における偏光変換効率を高めることが出来る。

［適用例６］本適用例の波長板は、適用例３に記載の波長板において、入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた直線偏光に変換して出射し、前記方位角θ１を２２．５°、前記方位角θ２を６７．５°とし、位相差δ１を１９６°、位相差δ２を１９６°とし、前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが正の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸と直交するように配向し、前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが負の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸に対して平行になるように配向する。

本適用例によれば、光源光量の波長分布、特にピーク波長が異なることで、複数枚の水晶波長板において発生する位相差に誤差が生じる場合、位相差が大きすぎる場合は、位相差補正素子の配向方向を水晶波長板の結晶軸と直交させて逆向きの位相差を与えて相殺し、小さすぎる場合は、位相差補正素子の配向方向を水晶波長板の結晶軸と平行にすることで、水晶波長板と同じ向きの位相差を与えて補完することにより、容易に積層１／２波長板ユニットの位相差を調整して、複数波長における偏光変換効率を高めることが出来る。

［適用例７］本適用例の波長板は、適用例３に記載の波長板において、入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた直線偏光に変換して出射し、前記方位角θ１を２２．５°、前記方位角θ２を６７．５°とし、位相差δ１を３６０°×Ｎ１＋１８０°、位相差δ２を３６０°×Ｎ２とし（Ｎ１及びＮ２はそれぞれ１から始まる自然数）、前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが正の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子における液晶の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸と直交するように配向し、前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが負の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子における液晶の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸に対して平行になるように配向する。

本適用例によれば、光源光量の波長分布が異なることで、複数枚の水晶波長板において発生する位相差に誤差が生じる場合、位相差が大きすぎる場合は、位相差補正素子の配向方向を水晶波長板の結晶軸と直交させて逆向きの位相差を与えて相殺し、小さすぎる場合は、位相差補正素子の配向方向を水晶波長板の結晶軸と平行にすることで、水晶波長板と同じ向きの位相差を与えて補完することにより、容易に積層１／２波長板ユニットの位相差を調整して、複数波長における偏光変換効率を高めることが出来る。

［適用例８］本適用例の波長板は、適用例３乃至７の何れか一項に記載の波長板において、前記波長λの光に対する前記第１の位相差補正素子の位相差が前記位相誤差ａとなり、前記波長λに対する光に対する前記第２の位相差補正素子の位相差が前記位相誤差ｂとなるように、液晶の常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ、屈折率差Δｎ＝（ｎｅ−ｎｏ）としたとき、ａ＝２Π／λ×Δｎ×Ｔ１（但し、Ｔ１は、第１の液晶素子の厚み）となるように、前記第１の電圧源により前記第１の液晶素子に電圧を印加して屈折率差Δｎを可変し、ｂ＝２Π／λ×Δｎ×Ｔ２（但し、Ｔ２は、第２の液晶素子の厚み）となるように、前記第２の電圧源により前記第２の液晶素子に電圧を印加して屈折率差Δｎを可変する。

本適用例によれば、位相差補正素子を構成する液晶素子において、液晶層に印加する電圧を可変して、屈折率差を調整することにより、容易に位相差調整素子で発生する位相差を調整して水晶波長板における位相誤差を補償し、偏光変換効率を高めることが出来る。

［適用例９］本適用例の偏光変換素子は、互いに略平行な光入射面及び光出射面を有し、前記光出射面に対して所定の傾斜角度を有した接合面によって接合された複数の透光性基板と、複数の前記透光性基板の接合面間に交互に設けられ、前記光入射面に入射した光束を偏光方向が互いに直交して異なる２種類の直線偏光光束に分離して一方の直線偏光光束を透過させ、他方の直線偏光光束を反射させる偏光分離手段と、反射された前記他方の直線偏光光束を反射し、光路の向きをかえる反射手段と、前記光出射面側に配置され、前記２種類の偏光光束のうち何れか一方の直線偏光光束の偏光面を回転させて他方の直線偏光光束の偏光面と平行な直線偏光光束に変換して出射する偏光回転素子と、を備え、前記偏光回転素子は、適用例１、２、３、４、６又は７に記載の波長板であることを特徴とする。

本適用例によれば、低コスト且つ耐熱性が強く、偏光変換効率が高い偏光変換素子を提供することが出来る。

［適用例１０］本適用例の偏光変換ユニットは、適用例９に記載の偏光変換素子と、当該偏光変換素子及び光源からの光束を選択的に前記偏光分離膜に入射させるための遮光板と、を着脱可能に組み込むための治具と、を備える。

本適用例によれば、適用例９の偏光変換素子を投写装置等の装置に組み込む際に、最も偏光変換効率の高い方向から光が入射するように、正確に位置決めをして組み込むことが出来る。

［適用例１１］本適用例の投写装置は、前記光源と、適用例１０に記載の偏光変換ユニットと、前記偏光変換ユニットから出射された光を画像信号に基づいて変調する光変調手段と、前記光変調手段から射出された変調光を投写する投写光学系と、を備える。

本適用例によれば、適用例１０の偏光変換ユニットを組み込むことで、低コスト且つ耐熱性能が高く高性能な投写装置を提供することが出来る。

本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を適用した液晶プロジェクターの一例を示す図。 本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を組み込んだ偏光変換ユニットの外観を示す図。 図２に示す偏光変換ユニットの分解図。 本発明の実施の形態に係る偏光変換素子の一例を示す断面図。 本発明の実施の形態に係る偏光変換素子の一例を示す分解斜視図。 本発明の実施の形態に係る偏光回転素子の断面図。 水晶波長板３０に、位相差補正素子４０を積層した場合の偏光状態の遷移をポアンカレ球で示す図。 本発明の実施の形態にかかる広帯域積層波長板の構成例を示す図。 第１のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図。 図９の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第１のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図。 図１１の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第１のタイプの積層λ／４波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図。 図１３の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第１のタイプの積層λ／４波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図。 図１５の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第２のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図。 図１７の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第２のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図。 図１９の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第３のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図。 図２１の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第３のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図。 図２３の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第２のタイプの積層λ／４波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図。 図２５の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第２のタイプのλ／４波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図。 図２７の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第３のタイプの積層λ／４波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図。 図２９の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第３のタイプの積層λ／４波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図。 図３１の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図。 第１のタイプの波長板ユニットの偏光変換効率を示す図。 第１のタイプの波長板ユニットの偏光変換効率を示す図。

以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図１は、本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を適用した液晶プロジェクターの一例を示す図である。
図１に示す投写型表示装置（液晶プロジェクター）１００は、光源１１０と、第１のレンズアレイ１１１と、本発に係る偏光変換素子を組み込んだ偏光変換ユニット１２０と、重畳レンズ１２１と、で構成される照明光学系を備えている。また、ダイクロイックミラー１３１、１３２と、反射ミラー１３３とを含む色光分離光学系１３０を備えている。さらに、入射側レンズ１４０と、リレーレンズ１４１と、反射ミラー１４２、１４３とを含む導光光学系を備えている。また、３枚のフィールドレンズ１４４、１４５、１４６と、３枚の液晶ライトバルブ１５０Ｒ、１５０Ｇ、１５０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１６０と、投写レンズ１７０とを備えている。

反射ミラー１４７は、重畳レンズから射出された光を色光分離光学系１３０の方向に反射する機能を有している。色光分離光学系１３０は、２枚のダイクロイックミラー１３１、１３２により、重畳レンズ１２１から射出される光を、赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有している。第１のダイクロイックミラー１３１は、重畳レンズ１２１から射出される光のうち赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー１３１を透過した赤色光は、反射ミラー１３３で反射され、フィールドレンズ１４４を通って赤光用の液晶ライトバルブ１５０Ｒに達する。このフィールドレンズ１４４は、重畳レンズ１２１から射出された各部分光束をその中心軸（主光線）に対して平行な光束に変換する。他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ１４５、１４６も同様である。
第１のダイクロイックミラー１３１で反射された青色光と緑色光のうちで、緑色光は第２のダイクロイックミラー１３２によって反射され、フィールドレンズ１４５を通って緑光用の液晶ライトバルブ１５０Ｇに達する。一方、青色光は、第２のダイクロイックミラー１３２を透過し、導光光学系、すなわち、入射側レンズ１４０、反射ミラー１４２、リレーレンズ１４１、反射ミラー１４３を通り、さらに、フィールドレンズ１４６を通って青色光用の液晶ライトバルブ１５０Ｂに達する。
なお、青色光に導光光学系が用いられているのは、青色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いため、光の拡散等による光の利用効率の低下を防止するためである。すなわち、入射側レンズ１４０に入射した光束をそのまま、フィールドレンズ１４６に伝えるためである。

３つの液晶ライトバルブ１５０Ｒ、１５０Ｇ、１５０Ｂは、入射した光を、与えられた画像情報（画像信号）に従って変調する光変調手段としての機能を有している。これにより、３つの液晶ライトバルブ１５０Ｒ、１５０Ｇ、１５０Ｂに入射した各色光は、与えられた画像情報に従って変調されて各色光の画像を形成する。
３つの液晶ライトバルブ１５０Ｒ、１５０Ｇ、１５０Ｂから射出された３色の変調光は、クロスダイクロイックプリズム１６０に入射する。
クロスダイクロイックプリズム１６０は、３色の変調光を合成してカラー画像を形成する色光合成部としての機能を有している。クロスダイクロイックプリズム１６０には、赤光を反射する誘電体多層膜と、青光を反射する誘電体多層膜とが、４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３色の変調光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。クロスダイクロイックプリズム１６０で生成された合成光は、投写レンズ１７０の方向に射出される。投写レンズ１７０は、この合成光を投写スクリーン上に投写する機能を有し、投写スクリーン上にカラー画像を表示する。

図２は、図１の液晶プロジェクターの光学エンジン内に搭載される、本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を組み込んだ偏光変換ユニットの外観を示す図である。
図３は、図２の偏光変換ユニットの分解斜視図である。
図２、図３に示す偏光変換ユニット１２０は、ユニット枠２００と、本発明の偏光変換素子１、遮光板２１０と、レンズアレイ２２０と、クリップ２３０と、を備えている。ユニット枠２００の一方の開口面（図３では下面）側からは、後述する２つの偏光変換素子本体を有する偏光変換素子１が挿入され、もう一方の開口面（図３では上面）側からは、遮光板２１０とレンズアレイ２２０とがこの順に挿入される。これらの光学素子２１０、２２０は、ユニット枠２００に収納された状態で、４つのクリップ２３０で上下２方向から挟持される。クリップ２３０は弾性体で形成されているので容易に着脱することができ、偏光変換ユニット１２０の各部品もユニット枠に容易に着脱することができる。
かかるユニット枠２００によって、液晶プロジェクターに対して、偏光変換素子１を、光源からの光束が偏光変換素子１（特に後述のＰＢＳ膜）に入射する角度が常に一定になって、ＰＳ変換が正確に行える姿勢で組み込むことが出来る。
後述するような、耐熱・耐光性能に優れた本発明の偏光変換素子を備えた偏光変換ユニットを組み込むことで、高輝度・高発熱の光源を使って鮮明な映像を長時間投影可能な液晶プロジェクターとすることが出来る。

図４は、本発明の実施の形態に係る偏光変換素子の一例を示す断面図である。
図４に示す偏光変換素子１は、互いに略平行な光入射面１１及び光出射面１２を備え、図１に示す遮光板２１０からのランダム偏光光束の、光入射面１１への入射方向と直交する方向に２つ結合された素子本体としての偏光分離手段（偏光分離スプリッター。以下、ＰＢＳと称する）１０（１０Ａ、１０Ｂ）アレイと、ＰＢＳアレイ１０の出射面上に接着された、水晶波長板を含む偏光回転素子（以下、１／２位相差素子と記載する）２０と、を備えている。
ＰＢＳアレイ１０上の１／２位相差素子２０は、変性アクリルレート又は変性メタクリレートを主成分とする接着剤あるいはプラズマ重合法（特開２０１０−１１３０５６号公報）などでなどを用いて接合することが可能である。
各ＰＢＳアレイ１０は、互いに略平行な光入射面１３ａ及び光出射面１３ｂ、並びに前記光出射面に対して所定の傾斜角度（例えば、４５度あるいは１３５度）を有した接合面１３ｃを備え、且つ互いの接合面によって直列に接合された透光性ユニット１３と、透光性ユニット１３の間に交互に設けられた偏光分離膜（ＰＢＳ膜）１４及び反射ミラー膜１５と、を備えている。
なお、ＰＢＳアレイ１０は、ガラス等の無色透明基板、ＰＢＳ膜１４、及び反射ミラー膜１５を、接着剤（変性メタクリレートを主成分とするＵＴ２０、あるいは変性アクリルレートを主成分とするフォトボンドＰＢ３００等）により交互に幾重にも積層・接着し、上述の光出射面に対する角度で切断して形成している。

偏光分離膜１４は、互いに偏光面が直交するＰ偏光光束及びＳ偏光光束が混在したランダム偏光光束が入射すると、Ｐ偏光光束を選択的に透過させ、Ｓ偏光光束を反射させる。
従って、光入射面１１から入射したランダム偏光光束は、偏光分離膜１４に入射すると、偏光分離膜１４によってＰ偏光光束とＳ偏光光束に分離される。
分離された偏光光束のうち、Ｐ偏光光束は、偏光分離膜１４を透過し、ＰＢＳアレイ１０の出射面から出射される。
さらに、偏光分離膜１４で反射されたＳ偏光光束は、反射ミラー膜１５で反射されて、１／２位相差素子２０に入射する。
１／２位相差素子２０に入射したＳ偏光光束は、１／２位相差素子を透過する過程で、１８０度位相がずれるので偏光面が９０度回転されて、Ｐ偏光光束に変換されて出射されることになる。
これにより、偏光変換素子１に入射したランダム偏光光束は、すべて１種類の偏光光束（Ｐ偏光光束）に揃えられて出射されることになる。

図５は、本発明の実施の形態に係る偏光変換素子の一例を示す分解斜視図である。
図６は、本発明の実施の形態に係る偏光回転素子の断面図である。
図５、６に示すように、偏光回転素子２０は、水晶波長板３０に、位相差補正素子４０を積層して構成されている。
位相差補正素子４０は、一対の対向するガラス基板等の透明基板４２間に挟持され、且つ周囲をシール４３で封じた液晶層４１からなる液晶セルで構成されている。
各透明基板４２の対向面には、夫々透明電極４４が形成され、且つその上に配向膜４１ａ、４１ｂが形成されている。また、透明電極４４は、電圧源４５に接続されている。
液晶層４１は、例えばネマティック液晶よりなり、配向膜４１ａ、４１ｂにより、透明電極４４への印加電圧が０の時に、液晶分子の長軸が透明基板４２間で一定方向に揃うように配向されている。
液晶層４１において、液晶分子の屈折率差の大きさをΔｎ（異常光屈折率ｎｅと常光屈折率ｎｏの差）及び液晶層の厚みをＴとしたときに、リタデーション値ＲがΔｎ・Ｔとして定義される。
さらに、液晶層４１を通過すべき光束の波長（設計波長）をλとすると、位相差補正素子４０で発生する位相差ψと、波長λ、リタデーション値Ｒとの間の関係は、ψ＝２π／λ・Ｒ（＝Δｎ・Ｔ）で定義出来る。
すなわち、液晶層４１の厚みＴが一定の場合、電圧源４５により電圧を印加して、Δｎの調整することで、位相差ψを任意に調整することが可能になる。
液晶層４１に、誘電率異方性Δεが正の液晶を用いる場合は、液晶分子の配向方向を、印加電圧が０の状態において、ＸＹ面内でＸ軸と４５°の角度をなす方向に揃える。

ここで、ＸＹ面は、透明基板４２の基板面に平行な平面であり、Ｘ軸方向は、位相差補正素子を積層する水晶波長板の光学軸の向きと一致するか、又は直交させる。
液晶層４１は、透明電極４２への印加電圧の増加と共に、液晶分子の配向方向が透明基板４２の基板面に対して垂直な方向に立ち上がる。
この液晶分子の立ち上がりの程度（角度）により、入射光に対して、液晶分子の長軸と短軸との屈折率の差（複屈折の差）に基づく任意の位相差を与えることが出来る。
さて、入射する直線偏光を９０°回転させて出射させる場合には、方位角θは、水晶波長板（光学時）と位相差補正素子（液晶分子の配向方向）ともに４５°に設定する。
また、入射する直線偏光を所定の角度αだけ回転させて出射させたい場合は、方位角θは、水晶波長板と位相差補正素子ともに、θ＝α／２に設定する。
例えば、本実施形態の偏光回転素子（積層波長板ユニット）２０を、プロジェクター等に適用する場合、白色光源のピーク波長に基づいて、設計波長λが設定される。

図７は、水晶波長板３０に、位相差補正素子４０を積層した場合の偏光状態の遷移をポアンカレ球で示す図である。
波長λにおける水晶波長板３０の位相差をΓ_Ａ１とし、位相差補正素子４０の位相差ψをΓ_Ａ２としたときに、この積層型１／２波長板は、位相差が１８０°となる。すなわち、
Γ_Ａ１（λ）＋Γ_Ａ２（λ）＝１８０°
Γ_Ａ２（λ）＝１８０°−Γ_Ａ１（λ）
となる。
水晶波長板３０は、板厚を固定されており、設計波長λにより位相差が決定される。
しかしながら、本実施形態の積層波長板ユニットを、プロジェクター等の製品に組み込む場合、光源光量の波長分布、特にピーク波長がメーカーによって微妙に異なるため、ある設計波長（ピーク波長）に基づいて位相差を決定した水晶波長板に対して、この設計波長とは異なるピーク波長の光が入光した場合は、位相誤差（位相のずれが付き過ぎたり、足らなかったりする）が生じ、正確にＰＳ変換等が出来なくなるという問題がある。
そこで、水晶波長板３０に、上述の液晶層４１を有する位相差補正素子４０を積層し、誤差分の位相差を補正する。

図７（ａ）のポアンカレ球を用いて説明すると、座標Ｐ１に直線偏光が入射する。上記のように水晶波長板３０の方位角θは４５°であるので、水晶波長板３０に板厚誤差がなければ、Ｓ２軸を中心に回転して北極を経て座標Ｐ３に達し、偏光面が９０°回転された状態で出射される。ただし、光源光量のピーク波長と、設計波長が異なることで、水晶波長板３０の位相差Γ１が、Γ_Ａ１＝１８０°−ａであるとすると、液晶型位相差補正素子４０の位相差Γ_Ａ２を、Γ_Ａ２＝ａとなるように構成する。
ここで、位相差補正素子４０の方位角を４５°としておけば、水晶波長板３０の場合と同方向に回転するため、−ａ分を補完して座標Ｐ３に到達し、偏光面が９０°回転された直線偏光として出射される。
逆に、位相差が過剰（位相がずれすぎる）となる場合は、水晶波長板３０の光学軸と位相差補正素子４０の液晶分子の配向方向を直交させる。
図７（ｂ）のポアンカレ球を用いて説明すると、水晶波長板３０に余剰な位相差が付いた場合、Ｐ１に入射した直線偏光光は、座標Ｐ３よりも＋ａだけ余分に回転したＰ２に至る。
そこで、位相差補正素子４０の方位角を水晶波長板３０と直交する１３５°することで、Ｓ２軸を中心に、水晶波長板３０の場合とは逆方向に−ａだけ回転し、座標Ｐ３に至る。

なお、液晶素子によって発生させる位相差φは、上述したように、図６に示す電圧源４５によって液晶分子に印加する電圧を調整し、液晶分子の複屈折率Δｎの値を可変させることにより調整可能である。
よって、位相差補正素子の位相差が、ａ＝Γ_Ａ２＝２Π／λ×Δｎ×Ｔを満足するようにΔｎの値を決定すれば良い。
が求められる。
なお、位相差補正素子４０は、液晶型位相差補正素子であるので、耐熱性の観点から耐久性の問題があるものの、熱伝導性の高い水晶に積層されているために、位相差補正素子に熱が滞留することを防止でき、劣化の心配がなく、長寿命化を図ることが可能である。
なお、以上説明してきたのは、水晶基板を１枚使用したタイプの波長板であるが、１枚の水晶波長板の場合、波長依存性が強く、複数の波長帯（広帯域）で、高い偏光変換効率を確保するのが難しいという問題がある。

そこで、以下では、２枚以上の水晶波長板を積層した広帯域の積層波長板の場合について説明する。
複屈折性を有する水晶波長板を積層することで、広帯域で偏光変換効率を高めることが出来る。
また、本実施形態に特徴的な液晶素子を用いた水晶波長板の位相差調整は、上記したプロジェクター等に用いられる１／２波長板のみならず、光ピックアップ装置などに用いられるλ／４波長板にも当然適用出来るものである。
以下では、２枚の水晶波長板を用いる場合で、光源光量のピーク波長と設計波長が何れの水晶波長板についても異なって、位相誤差が発生する場合について説明する。
出来る。

図８は、本発明の実施の形態にかかる広帯域積層波長板の構成例を示す図である。
図８（ａ）は、水晶波長板３０Ａに位相差補正素子４０Ａを積層した第１の波長板ユニットに、水晶波長板３０Ｂに位相差補正素子４０Ｂを積層した第２の波長板ユニットを積層した構成である。
また、位相差補正素子４０A、位相差補正素子４０Ｂによって発生させる位相差は、それぞれの位相差補正素子の透明電極に接続した電圧源４５Ａ、４５Ｂにより印加する電圧によって調整するものする。
また、図８（ｂ）は、２枚の水晶波長板３０Ａ、３０Ｂにより、位相差補正素子４０Ａ、位相差補正素子４０Ｂを挟持し、位相差補正素子間をガラス等の透明基板で仕切ったものである。
なお、以下に例示する積層波長板ユニットの構成は、図８（ａ）の構成で、２枚の水晶波長板双方の板厚がずれている場合の位相差補正を示すものである。

図９は、第１のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図である。
図９に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝４５°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝１３５°であり、両水晶波長板の光学軸は直交している。
また、両水晶波長板のカット角は、いずれも９０°Ｚ（Ｙカット）となっている。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板３０Ａの位相差δ１が、設計波長λに対してδ１＝３６０°×Ｎ＋１８０°（Ｎは０以上の正の整数）、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対してδ２＝３６０°×Ｎ（Ｎは０以上の正の整数）となる。この場合、積層波長板ユニット２０全体の位相差は１８０°となり、完全に広帯域１／２波長板として機能し得る。

ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、δ１＝３６０×Ｎ１＋１５０（Ｎ１は０以上の正の整数）となっている。
また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、δ２＝３６０°×Ｎ２−３０°（Ｎ２は０以上の正の整数）となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°加えることで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域１／２波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子４０Ａにおいて、第１の水晶波長板３０Ａの位相差にさらに位相差を加えるために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａと同じく（平行に）している。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相差にさらに位相差を加えるために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂと同じく（平行に）にしている。
こうすることで、δ１＝３６０°×Ｎ１＋１５０°＋３０°、δ２＝３６０°×Ｎ２となり、積層波長板ユニット２０は、完全に１／２波長板として機能する。

ところで、水晶波長板の位相差を調整するための位相差補正素子について、何度の位相差を調整できるかは、液晶素子の屈折率差（複屈折）、液晶層の厚み等によって決定される。
第１の位相差補正素子４０Ａと第２の位相差補正素子４０Ｂの液晶層４１の厚みをそれぞれＴ１、Ｔ２とし（本実施形態においては固定とする）、第１の位相差補正素子４０Ａ、第２の位相差補正素子４０Ｂで調整すべき位相差（ここでは３０°）を、それぞれａ、ｂで表す場合、下記の式においてΔｎが、それぞれ、
ａ＝２Π／λ×Δｎ×Ｔ１
ｂ＝２Π／λ×Δｎ×Ｔ２
（但し、屈折率Δｎは、液晶の常光屈折率ｎｏ−異常光屈折率ｎｅ）
を満たすように、図８に示す電圧源４５Ａ、４５Ｂにより電圧を印加してΔｎを調整すればよい。
液晶素子で発生させる位相差の調整は、下記の実施例においても同様に適用するものとする。

図１０は、図９の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。ただし、図９で示した式において、Ｎ＝１とする。
図１０（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射したＰＢＳアレイ１０からの直線偏光（Ｓ偏光）は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が４５°であるので、Ｘ１軸を中心に、北極、南極を経由して、５１０°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸（方位角）が同じく４５°であるので、同じ回転軸Ｘ１で同方向に３０°回転し、座標Ｐ２（−１，０，０）に到達する。
すなわち、入射した直線偏光に対して１８０°位相がずれた、偏光面が直交する直線偏光として出射される。
次に、図１０（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、第１の水晶波長板３０Ａとは光学軸が直交する１３５°である。従って、回転方向が、図１０（ａ）の場合とは逆になる。
直線偏光は、座標Ｐ４から、Ｘ２軸を中心に図１０（ａ）とは逆方向に回転し、北極、南極を経て、３３０°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が平行である第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ２軸を中心に座標Ｐ４（−１，０，０）まで３０°回転される。
座標Ｐ４における光は、Ｐ１の直線偏光と偏光面が直交する光、すなわちＰ偏光である。
これにより、図９の積層波長板ユニットが全体として１／２波長板として機能していることが分かる。

図１１は、第１のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図である。
図１１に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの光学軸（直線偏光の偏光面と光学軸とのなす角：方位角）θ１はθ１＝４５°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの光学軸（直線偏光の偏光面と光学軸とのなす角：方位角）θ２は、θ２＝１３５°であり、両水晶波長板の光学軸は直交している。
また、両水晶波長板のカット角は、いずれも９０°Ｚ（Ｙカット）となっている。
この場合、図９の場合と同様に、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝３６０°×Ｎ１＋１８０°（Ｎ１は０以上の正の整数）、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対してδ２＝３６０°×Ｎ２（Ｎ２は０以上の正の整数）となり、積層波長板ユニット２０全体の位相差は１８０°となり、完全に広帯域１／２波長板として機能し得る。

ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、δ１＝３６０°×Ｎ１＋２１０°（Ｎは０以上の正の整数）となっている。
また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、δ２＝３６０°×Ｎ２＋３０°（Ｎは０以上の正の整数）となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°戻す（減らす）ことで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域１／２波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａと直交するようにしている（１１２．５°）。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の水晶波長板３０Ｂの位相を戻す（減らす）ために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂと直交するようにしている（１５７．５°）。
こうすることで、δ１＝３６０°×Ｎ１＋２１０°−３０°、δ２＝３６０°×Ｎ２＋３０°−３０°となり、積層波長板ユニット２０は、完全に１／２波長板として機能する。

図１２は、図１１の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。ただし、図１１で示した式において、Ｎ＝１とする。
図１２（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射したＰＢＳアレイ１０からの直線偏光（Ｓ偏光）は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が４５°であるので、Ｘ３軸を中心に北極、南極を経由して、５７０°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸（方位角）が第１の水晶波長板３０Ａと直交する１３５°であるので、Ｘ４軸を中心に逆方向に３０°回転し、座標Ｐ２（−１，０，０）に到達する。
すなわち、入射した直線偏光に対して直交する直線偏光として出射される。

次に、図１２（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、第１の水晶波長板３０Ａとは光学軸が直交する１３５°である。従って、回転方向が、図１２（ａ）の場合とは逆になる。
直線偏光は、座標Ｐ４から、Ｘ５軸を中心に図１２（ａ）とは逆回転に北極、南極を経て、３９０°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が直交し、回転方向が逆になる第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ６軸を中心に、座標Ｐ４（−１，０，０）まで３０°回転される。
座標Ｐ４における光は、Ｐ１の直線偏光と偏光面が直交する偏光、すなわちＰ偏光である。
これにより、図１１の積層波長板ユニットが全体として１／２波長板として機能していることが分かる。

図１３は、第１のタイプの積層λ／４波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図である。
図１３に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝４５°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝１３５°であり、両水晶波長板の光学軸は直交している。
また、両水晶波長板のカット角は、いずれも９０°Ｚ（Ｙカット）となっている。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝３６０°×Ｎ１＋９０°（Ｎは０以上の正の整数）、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対してδ２＝３６０°×Ｎ２（Ｎは０以上の正の整数）となり、積層波長板ユニット全体の位相差δ１＋δ２は９０°となり、完全に広帯域λ／４波長板として機能し得る。

ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、δ１＝３６０×Ｎ１＋６０（Ｎ１は０以上の正の整数）となっている。
また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、δ２＝３６０°×Ｎ２−３０°（Ｎ２は０以上の正の整数）となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°加えることで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域λ／４波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相差にさらに位相差を加えるために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａと同じく（平行に）している。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相差にさらに位相差を加えるために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂと同じく（平行に）にしている。
こうすることで、δ１＝３６０°×Ｎ１＋６０°＋３０°、δ２＝３６０°×Ｎ２−３０°＋３０°となり、積層波長板ユニット２０は、完全にλ／４波長板として機能する。

図１４は、図１３の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。ただし、図１３で示した式において、Ｎ＝１とする。
図１２（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射した直線偏光は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が４５°であるので、Ｘ７軸を中心に北極、南極を経由して、４２０°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸が第１の水晶波長板３０Ａと平行であるので、同じＸ７軸で同方向に３０°回転し、座標Ｐ３（０，０，１）に到達する。
座標Ｐ３は赤道であり円偏光として出射される。

次に、図１２（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、第１の水晶波長板３０Ａとは光学軸が直交する１３５°である。従って、回転方向が、（ａ）の場合とは逆になる。
直線偏光は、座標Ｐ４から、Ｘ８軸を中心に、（ａ）とは逆回転に北極、南極を経て、３３０°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が平行であり、回転方向が同じである第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ８軸を中心に、座標Ｐ４まで３０°回転される。
北極である座標Ｐ４における光は円偏光である。これにより、図１１の積層波長板ユニットが全体としてλ／４波長板として機能していることが分かる。

図１５は、第１のタイプの積層λ／４波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図である。
図１５に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝４５°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝１３５°であり、両水晶波長板の光学軸は直交している。
また、両水晶波長板のカット角は、いずれも９０°Ｚ（Ｙカット）となっている。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝３６０°×Ｎ＋９０°（Ｎは０以上の正の整数）、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対してδ２＝３６０°×Ｎ（Ｎは０以上の正の整数）となり、積層波長板ユニット全体の位相差δ１＋δ２は９０°となり、この場合、完全に広帯域λ／４波長板として機能し得る。

ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、δ１＝３６０×Ｎ１＋６０°（Ｎは０以上の正の整数）となっている。
また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、δ２＝３６０°×Ｎ２＋３０°（Ｎは０以上の正の整数）となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°戻すことで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域λ／４波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相を戻す（減らす）ために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａに対して直交させている。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相差を３０°戻すために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂに対して直交させている。
こうすることで、δ１＝３６０°×Ｎ１＋１２０−３０°、δ２＝３６０°×Ｎ２＋３０°−３０°となり、積層波長板ユニット２０は、完全にλ／４波長板として機能する。

図１６は、図１５の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。ただし、図１３で示した式において、Ｎ１、Ｎ２＝１とする。
図１６（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射した直線偏光は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が４５°であるので、Ｘ９軸を中心に北極、南極を経由して、４８０°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸が第１の水晶波長板３０Ａと直交するので、Ｘ１０軸を中心に逆方向に３０°回転し、座標Ｐ３（０，０，１）に到達する。
座標Ｐ３は赤道であり円偏光として出射される。
次に、図１２（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、第１の水晶波長板３０Ａとは光学軸が直交する１３５°である。従って、回転方向が、（ａ）の場合とは逆になる。
直線偏光は、座標Ｐ４から、Ｘ１１軸を中心に、（ａ）とは逆回転に北極、南極を経て、３９０°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が直交し、回転方向が逆になる第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ１２軸を中心に、座標Ｐ４まで３０°回転される。
北極である座標Ｐ４における光は円偏光である。これにより、図１５の積層波長板ユニットが全体としてλ／４波長板として機能していることが分かる。

図１７は、第２のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図である。
図１７に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝２２．５°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝６７．５°である。
また、両水晶波長板のカット角は、いずれも１３°Ｚ（Ｙカット）となっている。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝１９６°、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対して１９６°となり、この場合、完全に広帯域１／２波長板として機能し得る。
設計波長に対して必要な位相差が１９６°であるのは、水晶波長板のカット角が１３°Ｚであるからである。

ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、１６６°となっている。
また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、１６６°となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°加えることで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域１／２波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相差にさらに位相差を加えるために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａに対して平行にしている。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相差にさらに位相差を加えるために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂに対して平行にしている。
こうすることで、δ１＝１９６°、δ２＝１９６°となり、積層波長板ユニット２０は、完全に１／２波長板として機能する。

図１８は、図１７の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。
図１８（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射した直線偏光（Ｓ偏光）は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が２２．５°であるので、Ｘ１３軸を中心に、北極、南極を通らずに１６６°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸が第１の水晶波長板３０Ａと平行であるので、Ｘ１３軸を中心に、同方向に３０°回転し、座標Ｐ３（０，１，０）に到達する。
次に、図１８（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、光学軸（方位角）が６７．５°である。（ａ）の場合とは異なるＸ１４軸を中心に、北極、南極を経ずに、１６６°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が平行であり、回転方向が同じになる第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ１４軸を中心に、座標Ｐ６（−１，０，０）まで３０°回転される。
座標Ｐ６における光は、Ｐ１の直線偏光と偏光面が直交する偏光、すなわちＰ偏光である。
これにより、図１７の積層波長板ユニットが全体として１／２波長板として機能していることが分かる。

図１９は、第２のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図である。
図１９に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝２２．５°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝６７．５°である。
また、両水晶波長板のカット角は、いずれも１３°Ｚ（Ｙカット）となっている。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝１９６°、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対して１９６°となり、この場合、完全に広帯域１／２波長板として機能し得る。
設計波長に対して必要な位相差が１９６°であるのは、水晶波長板のカット角が１３°Ｚであるからである。
ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、２２６°となっている。

また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、２２６°となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°戻すことで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域１／２波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａに対して直交させている。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂに対して直交させている。
こうすることで、δ１＝１９６°、δ２＝１９６°となり、積層波長板ユニット２０は、完全に１／２波長板として機能する。

図２０は、図１９の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。
図２０（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射した直線偏光（Ｓ偏光）は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が２２．５°であるので、Ｘ１５軸を中心に、北極、南極を通らず２６６°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸が第１の水晶波長板３０Ａと直交するので、Ｘ１６軸を中心に、逆方向に３０°回転し、座標Ｐ３（０，１，０）に到達する。

次に、図２０（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、光学軸（方位角）が６７．５°である。（ａ）の場合とは異なるＸ１７軸を中心に、北極、南極を経ずに、１６６°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が直交する第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ１８軸を中心に、座標Ｐ６（−１，０，０）まで逆方向に３０°回転される。
座標Ｐ６における光は、Ｐ１の直線偏光と偏光面が直交する偏光、すなわちＰ偏光である。
これにより、図１９の積層波長板ユニットが全体として１／２波長板として機能していることが分かる。

図２１は、第３のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図である。
図２１に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝２２．５°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝６７．５°である。
また、両水晶波長板のカット角は、いずれも９０°Ｚ（Ｙカット）となっている。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝３６０°×Ｎ１＋１８０、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対してδ２＝３６０°×Ｎ２となり、この場合、完全に広帯域１／２波長板として機能し得る。
ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、δ１＝３６０°×Ｎ１＋１５０°となっている。

また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、δ２＝３６０×Ｎ２−３０°となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°加えることで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域１／２波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相差にさらに位相差を加えるために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａに対して平行にしている。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相差にさらに位相差を加えるために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂに対して平行にしている。
こうすることで、δ１＝３６０°×Ｎ１＋１８０、δ２＝３６０°×Ｎ２となり、積層波長板ユニット２０は、完全に１／２波長板として機能する。
液晶層の板厚の設定は、上記の場合と同様である。

図２２は、図２１の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。
図２２（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射した直線偏光（Ｓ偏光）は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が２２．５°であるので、Ｘ１９軸を中心に、北極、南極を通らず５１０°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸が第１の水晶波長板３０Ａと平行であるので、同じＸ１９軸を中心に、同方向に３０°回転し、座標Ｐ３に到達する。

次に、図２２（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、光学軸（方位角）が６７．５°であり、（ａ）の場合とは異なるＸ２０軸を中心に、北極、南極を経ずに、３３０°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が平行である第２の位相調整素子４０Ｂによって、同じＸ２０軸を中心に、座標Ｐ６（−１，０，０）まで逆方向に３０°回転される。
座標Ｐ６における光は、Ｐ１の直線偏光と偏光面が直交する偏光、すなわちＰ偏光である。
これにより、図２１の積層波長板ユニットが全体として１／２波長板として機能していることが分かる。

図２３は、第３のタイプの積層１／２波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図である。
図２３に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝２２．５°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝６７．５°である。
また、両水晶波長板のカット角は、いずれも９０°Ｚ（Ｙカット）となっている。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝３６０°×Ｎ＋１８０、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対してδ２＝３６０°×Ｎとなり、δ１＋δ２＝１８０°となって完全に広帯域１／２波長板として機能し得る。

ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、δ１＝３６０°×Ｎ＋２１０°となっている。
また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、δ２＝３６０×Ｎ＋３０°となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°戻すことで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域１／２波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａに対して直交させている。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂに対して平行にしている。
こうすることで、δ１＝３６０°×Ｎ１＋１８０、δ２＝３６０°×Ｎ２となり、積層波長板ユニット２０は、完全に１／２波長板として機能する。

図２４は、図２３の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。
図２４（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射した直線偏光（Ｓ偏光）は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が２２．５°であるので、Ｘ２１軸を中心に、北極、南極を通らず５７０°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸が第１の水晶波長板３０Ａと直交するので、Ｘ２２軸を中心に、逆方向に３０°回転し、座標Ｐ３に到達する。
次に、図２４（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、光学軸が６７．５°であり、（ａ）の場合とは異なるＸ２３軸を中心に、北極、南極を経ずに、３９０°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が直交する第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ２４軸を中心に、座標Ｐ６（−１，０，０）まで逆方向に３０°回転される。
座標Ｐ６における光は、Ｐ１の直線偏光と偏光面が直交する偏光、すなわちＰ偏光である。
これにより、図２１の積層波長板ユニットが全体として１／２波長板として機能していることが分かる。

図２５は、第２のタイプの積層λ／４波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図である。
図２５に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝１５．０°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝７６．０°である。
また、第１の水晶波長板のカット角は、１６．３°Ｚ、第２の水晶波長板のカット角は１４．５°Ｚである。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝１８０°、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対してδ２＝１００°となって完全に広帯域λ／４波長板として機能し得る。

ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、δ１＝１５０°となっている。
また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、δ２＝７０°となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°加えることで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域１／２波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相差にさらに位相差を加えるために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａに対して平行にしている。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相差にさらに位相差を加えるために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂに対して平行にしている。
こうすることで、δ１＝１８０°、δ２＝１００°となり、積層波長板ユニット２０は、完全にλ／４波長板として機能する。

図２６は、図２５の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。
図２６（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射した直線偏光は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が１５°であるので、Ｘ２５軸を中心に、北極、南極を通らず１５０°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸が第１の水晶波長板３０Ａと平行であるので、同じＸ２５軸を中心に、同方向に３０°回転し、座標Ｐ３に到達する。
次に、図２４（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、光学軸（方位角）が７６°であり、（ａ）の場合とは異なるＸ２６軸を中心に、北極、南極を経ずに、７０°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が平行となる第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ２６軸を中心に、座標Ｐ６まで同方向に３０°回転される。
座標Ｐ６は北極であり、円偏光になっている。
これにより、図２５の積層波長板ユニットが全体としてλ／４波長板として機能していることが分かる。

図２７は、第２のタイプのλ／４波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図である。
図２７に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝１５．０°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝７６．０°である。
また、第１の水晶波長板のカット角は、１６．３°Ｚ、第２の水晶波長板のカット角は１４．５°Ｚである。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝１８０°、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対してδ２＝１００°となって完全に広帯域λ／４波長板として機能し得る。

ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、δ１＝２１０°となっている。
また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、δ２＝１３０°となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°戻すことで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域λ／４波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａに対して直交させている。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂに対して直交させている。
こうすることで、δ１＝１８０°、δ２＝１００°となり、積層波長板ユニット２０は、完全にλ／４波長板として機能する。

図２８は、図２７の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。
図２８（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射した直線偏光は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が１５°であるので、Ｘ２７軸を中心に、北極、南極を通らず２１０°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸が第１の水晶波長板３０Ａと直交するので、Ｘ２８軸を中心に、逆方向に３０°回転し、座標Ｐ３に到達する。
次に、図２８（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、光学軸（方位角）が７６°であり、（ａ）の場合とは異なるＸ２９軸を中心に、北極、南極を経ずに、１３０°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が直交する第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ３０軸を中心に、座標Ｐ６まで逆方向に３０°回転される。
座標Ｐ６は赤道であり、円偏光になっている。
これにより、図２７の積層波長板ユニットが全体としてλ／４波長板として機能していることが分かる。

図２９は、第３のタイプの積層λ／４波長板において、光源光量のピーク波長が異なることで位相のずれが足りない倍の位相差補正を示す図である。
図２９に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝１５．０°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝７５．０°である。
また、第１の水晶波長板のカット角は、９０°Ｚ、第２の水晶波長板のカット角は９０°Ｚである。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝３６０°×Ｎ＋１８０°、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対してδ２＝３６０°×Ｍ＋９０°となって、この場合、完全に広帯域λ／４波長板として機能し得る。

ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、δ１＝３６０×Ｎ＋１５０°となっている。
また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、δ２＝３６０°×Ｍ＋６０°となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°加えることで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域λ／４波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａに対して平行にしている。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂに対して平行にしている。
こうすることで、δ１＝３６０°×Ｎ＋１８０°、δ２＝３６０°×Ｍ＋９０°となり、この場合、積層波長板ユニット２０は、完全にλ／４波長板として機能する。

図３０は、図２９の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。なお、図２９の式において、Ｎ、Ｍは何れも１とする。
図３０（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射した直線偏光は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が１５°であるので、Ｘ３１軸を中心に、北極、南極を通らず５１０°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸が第１の水晶波長板３０Ａと平行であるので、Ｘ３１軸を中心に、同方向に３０°回転し、座標Ｐ３に到達する。
次に、図３０（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、光学軸（方位角）が７５°であり、（ａ）の場合とは異なるＸ３２軸を中心に、北極、南極を経ずに、４２０°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が平行となる第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ３２軸を中心に、座標Ｐ６まで同方向に３０°回転される。
座標Ｐ６は赤道であり、円偏光になっている。
これにより、図２７の積層波長板ユニットが全体としてλ／４波長板として機能していることが分かる。

図３１は、第３のタイプの積層λ／４波長板において、光源光量のピーク波長と設計波長が異なることで位相のずれが過剰となる場合の位相差補正を示す図である。
図３１に示す積層波長板ユニットにおいて、第１の波長板ユニット２０Ａを構成する水晶波長板３０Ａの方位角θ１はθ１＝１５．０°、第２の波長板ユニット２０Ｂを構成する水晶波長板３０Ｂの方位角θ２は、θ２＝７５．０°である。
また、第１の水晶波長板のカット角は、９０°Ｚ、第２の水晶波長板のカット角は９０°Ｚである。
この場合、両水晶波長板の設計波長と、光源光量のピーク波長が一致していれば、第１の水晶波長板の位相差δ１が、設計波長λに対して、δ１＝３６０°×Ｎ＋１８０°、第２の水晶波長板の位相差δ２が、設計波長λに対してδ２＝３６０°×Ｍ＋９０°となって、この場合、完全に広帯域λ／４波長板として機能し得る。

ここで、水晶波長板（水晶基板）３０Ａの位相差δ１は、δ１＝３６０×Ｎ＋２１０°となっている。
また、水晶波長板３０Ｂの位相差δ２は、δ２＝３６０°×Ｍ＋１２０°となっている。
この場合、第１の水晶波長板３０Ａ、第２の水晶波長板３０Ｂについて、位相差補正素子によって位相差を３０°戻すことで、両水晶波長板について、光源光量の波長分布の違いによる影響を回避して、積層波長板ユニット全体として完全に広帯域λ／４波長板として機能させることが出来る。
そのために、まず、第１の水晶波長板３０Ａに積層する第１の位相差補正素子において、第１の水晶波長板３０Ａの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第１の水晶波長板３０Ａに対して直交させている。
また、第２の水晶波長板３０Ｂに積層する第２の位相差補正素子４０Ｂにおいても、第２の波長板３０Ｂの位相を戻すために、液晶分子の配向方向を、第２の水晶波長板３０Ｂに対して直交させている。
こうすることで、δ１＝３６０°×Ｎ＋１８０°、δ２＝３６０°×Ｍ＋９０°となり、この場合、積層波長板ユニット２０は、完全にλ／４波長板として機能する。

図３２は、図３１の場合における偏光状態の遷移をポアンカレ球により示す図であり、（ａ）は、第１の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図、（ｂ）は、第２の波長板ユニットにおける偏光状態の遷移を示す図である。なお、図３１の式において、Ｎ、Ｍは何れも１とする。
図３２（ａ）において、座標Ｐ１（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）＝（１，０，０）に入射した直線偏光は、第１の水晶波長板３０Ａの光学軸（方位角）が１５°であるので、Ｘ３３軸を中心に、北極、南極を通らず５７０°回転した座標Ｐ２に到達する。
さらに、第１の位相差補正素子４０Ａは、光学軸が第１の水晶波長板３０Ａと直交しているので、Ｘ３４軸を中心に、同方向に３０°回転し、座標Ｐ３に到達する。
次に、図３２（ｂ）において、第１の波長板ユニット２０Ａを出射した直線偏光は、座標Ｐ４に入射する。
第２の波長板ユニットの第２の水晶波長板３０Ｂは、光学軸（方位角）が７５°であり、（ａ）の場合とは異なるＸ３５軸を中心に、北極、南極を経ずに、４８０°回転した座標Ｐ５に至る。
次いで、第２の水晶波長板３０Ｂと光学軸が直交する第２の位相調整素子４０Ｂによって、Ｘ３６軸を中心に、座標Ｐ６まで逆方向に３０°回転される。
座標Ｐ６は赤道であり、円偏光になっている。
これにより、図３１の積層波長板ユニットが全体としてλ／４波長板として機能していることが分かる。

次に、本発明の実施の形態に係る位相差補正素子の他の特徴について説明する。
上記の説明では、光源光量の波長分布、特に、ピーク波長が微妙に異なる場合に、水晶波長板に積層した位相差補正素子に含まれる水晶素子に印加する電圧を可変し、位相差を調整することで、異なるピーク波長の光に対して全体として１／２波長板、λ／４波長板として機能出来るようにしている。
それに対し、位相差補正素子で波長板ユニットの位相差を変更し、偏光変換効率が最大となる波長帯域を変更する。
図３３は、上記した第１のタイプの波長板ユニットの偏光変換効率を示す図である。設計波長λは５５０ｎｍであり、波長が５５０ｎｍの直線偏光（グリーン帯域）に対して、偏光変換効率が最大になっている。図３４の場合のように、位相差補正素子により、位相差をずらし、設計波長は５５０ｎｍながら、偏光変換効率が最大となる帯域をブルー帯域にシフトさせ、プロジェクターなどでは、カラーバランスの調整に好適に用いることも出来る。

１ 偏光変換素子、１０、ＰＢＳアレイ、１２ 光出射面、１３ 透光性ユニット、１３ａ 光入射面、１３ｂ 光出射面、１３ｃ 接合面、１４ ＰＢＳ膜、１５ 反射ミラー膜、２０ 位相差板、２０ 積層波長板ユニット、２０ 偏光回転素子、２０Ａ 波長板ユニット、２０Ｂ 波長板ユニット、３０ 水晶波長板、３０Ａ 水晶波長板、３０Ｂ 水晶波長板、３０Ｂ 波長板、４０ 位相差補正素子、４０Ａ 位相差補正素子、４０Ｂ 位相差補正素子、４０Ｂ 位相調整素子、４１ 液晶層、４１ａ 配向膜、４２ 透明基板、１１０ 光源、１１１ レンズアレイ、１２０ 偏光変換ユニット、１２１ 重畳レンズ、１３０ 色光分離光学系、１３１ ダイクロイックミラー、１３２ ダイクロイックミラー、１３３ 反射ミラー、１４０ 入射側レンズ、１４１ リレーレンズ、１４２ 反射ミラー、１４３ 反射ミラー、１４４ フィールドレンズ、１４５ フィールドレンズ、１４６ フィールドレンズ、１４６ 反射ミラー、１５０Ｂ 液晶ライトバルブ、１５０Ｇ 液晶ライトバルブ、１５０Ｒ 液晶ライトバルブ、１６０ クロスダイクロイックプリズム、１７０ 投写レンズ、２００ ユニット枠、２１０ 遮光板、２２０ レンズアレイ、２３０ クリップ

Claims (11)

1. 波長λの光に対して全体として位相差δを与えて、入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた直線偏光に変換して出射する波長板であって、
   前記波長λの光に対して位相誤差ａを有し位相差δ±ａを与え、材料が無機光学結晶からなる位相差板と、
   該位相差板に積層され、前記位相誤差ａを補正する液晶素子を備えた位相差補正素子と、を備え、
   前記位相差補正素子は、前記液晶素子に電圧を印加する電圧源を備えたことを特徴とする波長板。
2. 請求項１に記載の波長板において、
   前記位相誤差ａが正の値の場合は、前記液晶素子における液晶の配向方向が前記位相差板の光学軸と直交するように配向され、
   前記位相誤差ａが負の値の場合は、前記液晶素子における液晶の配向方向が前記位相差板の光学軸と平行となるように配向されたことを特徴とする波長板。
3. 光路上に配置された第１の波長板と第２の波長板とを備え、
   波長λの光に対して位相差δを与えて、入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた直線偏光として出射する、或いは前記光の直線偏光を円偏光に変換して出射する波長板であって、
   前記第１の波長板は、
   前記光の直線偏光の偏光面と光学軸とのなす角を方位角θ１とし、前記波長λの光に対して位相誤差ａを有し位相差δ１±ａを与え、材料が無機光学結晶からなる第１の位相差板と、
   該第１の位相差板に積層され、前記位相誤差ａを補正する第１の液晶素子を備えた第１の位相差補正素子と、を備え、
   前記第１の位相差補正素子は、前記第１の液晶素子に電圧を印加する第１の電圧源を備え、
   前記第２の波長板は、
   前記光の直線偏光の偏光面と光学軸とのなす角を方位角θとし、前記波長λの光に対し位相誤差ｂを有し位相差δ２±ｂを与え、材料が無機光学結晶からなる第２の位相差板と、
   該第２の位相差板に積層され、前記位相誤差ｂを補正する第２の液晶素子を備えた第２の位相差補正素子と、を備え、
   前記第２の位相差補正素子は、前記第２の液晶素子に電圧を印加する第２の電圧源を備えたことを特徴とする波長板。
4. 請求項３に記載の波長板において、
   入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた直線偏光に変換して出射し、
   前記方位角θ１を４５°、前記方位角θ２を１３５°とし、
   位相差δ１を３６０°×Ｎ１＋１８０°、位相差δ２を３６０°×Ｎ２とし（Ｎ１及びＮ２はそれぞれ０から始まる自然数）、
   前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが正の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子における液晶の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸と直交するように配向し、
   前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが負の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子における液晶の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸に対して平行になるように配向することを特徴とする波長板。
5. 請求項３に記載の波長板において、
   入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた円偏光に変換して出射し、
   前記方位角θ１を４５°、前記方位角θ２を１３５°とし、
   位相差δ１を３６０°×Ｎ１＋（９０°又は２７０°）、位相差δ２を３６０°×Ｎ２とし（Ｎ１及びＮ２はそれぞれ０から始まる自然数）、
   前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが正の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸と直交するように配向し、
   前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが負の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸に対して平行になるように配向することを特徴とする波長板。
6. 請求項３に記載の波長板において、
   入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた直線偏光に変換して出射し、
   前記方位角θ１を２２．５°、前記方位角θ２を６７．５°とし、
   位相差δ１を１９６°、位相差δ２を１９６°とし、
   前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが正の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸と直交するように配向し、
   前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが負の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸に対して平行になるように配向することを特徴とする波長板。
7. 請求項３に記載の波長板において、
   入射する前記光の直線偏光の偏光面を回転させた直線偏光に変換して出射し、
   前記方位角θ１を２２．５°、前記方位角θ２を６７．５°とし、
   位相差δ１を３６０°×Ｎ１＋１８０°、位相差δ２を３６０°×Ｎ２とし（Ｎ１及びＮ２はそれぞれ１から始まる自然数）、
   前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが正の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子における液晶の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸と直交するように配向し、
   前記位相誤差ａ又は位相誤差ｂが負の値の場合は、前記第１の位相差補正素子又は前記第２の位相差補正素子における液晶の配向方向を、前記第１の位相差板又は前記第２の位相差板の光学軸に対して平行になるように配向することを特徴とする波長板。
8. 請求項３乃至７の何れか一項に記載の波長板において、
   前記波長λの光に対する前記第１の位相差補正素子の位相差が前記位相誤差ａとなり、前記波長λに対する光に対する前記第２の位相差補正素子の位相差が前記位相誤差ｂとなるように、
   液晶の常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ、屈折率差Δｎ＝（ｎｅ−ｎｏ）としたとき、
   ａ＝２Π／λ×Δｎ×Ｔ１（但し、Ｔ１は、第１の液晶素子の厚み）となるように、前記第１の電圧源により前記第１の液晶素子に電圧を印加して屈折率差Δｎを可変し、
   ｂ＝２Π／λ×Δｎ×Ｔ２（但し、Ｔ２は、第２の液晶素子の厚み）となるように、前記第２の電圧源により前記第２の液晶素子に電圧を印加して屈折率差Δｎを可変することを特徴とする波長板。
9. 互いに略平行な光入射面及び光出射面を有し、前記光出射面に対して所定の傾斜角度を有した接合面によって接合された複数の透光性基板と、
   複数の前記透光性基板の接合面間に交互に設けられ、前記光入射面に入射した光束を偏光方向が互いに直交して異なる２種類の直線偏光光束に分離して一方の直線偏光光束を透過させ、他方の直線偏光光束を反射させる偏光分離手段と、
   反射された前記他方の直線偏光光束を反射し、光路の向きをかえる反射手段と、
   前記光出射面側に配置され、前記２種類の偏光光束のうち何れか一方の直線偏光光束の偏光面を回転させて他方の直線偏光光束の偏光面と平行な直線偏光光束に変換して出射する偏光回転素子と、を備え、
   前記偏光回転素子は、請求項１、２、３、４、６又は７に記載の波長板であることを特徴とする偏光変換素子。
10. 請求項９に記載の偏光変換素子と、当該偏光変換素子及び光源からの光束を選択的に前記偏光分離膜に入射させるための遮光板と、を着脱可能に組み込むための治具と、を備えることを特徴とする偏光変換ユニット。
11. 前記光源と、請求項１０に記載の偏光変換ユニットと、前記偏光変換ユニットから出射された光を画像信号に基づいて変調する光変調手段と、前記光変調手段から射出された変調光を投写する投写光学系と、を備えることを特徴とする投写装置。

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