JP2012226208A - 偏光分離素子、及びそれを用いた偏光変換素子及び画像投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】入射角度特性を向上させる。
【解決手段】光入射側から順に媒質４と、互いに屈折率の異なる少なくとも２つの薄膜の層を有し、屈折率ｎＨを有する薄膜７の光学厚みｎＨ・ｄＨの平均値をｎｄＨとし、屈折率ｎＬを有する薄膜６の光学厚みｎＬ・ｄＬの平均値をｎｄＬとしたとき、下記条件式を満たすことを特徴とする偏光分離素子。３８°＜ｓｉｎ−１（ｓｉｎ（θｃ）＊ｎＨ／ｎｂ）＜５２°、１００ｎｍ＜ｎｄＬ＜３５０ｎｍ、１００ｎｍ＜ｎｄＨ／ｃｏｓ（θｃ）＜２００ｎｍただし、θｃ＝ｃｏｓ−１（√（ｎＨ２−ｎＬ２）／ｎＨ）
【選択図】図１

Description

本発明は偏光分離素子に関し、特に積層薄膜を有するものに関する。

偏光を用いて画像を表示する装置において、入射光を互いに直交する２つの偏光へと分離する偏光分離素子が用いられている。偏光分離素子としては、光源からの非偏光光を偏光方向が揃えられた光へと変換する偏光変換素子に用いる素子や、照明光を反射型液晶表示素子へ導くとともに、反射型液晶表示素子により反射された画像光となる偏光光と他の偏光光を分離する素子がある。このような偏光分離素子には、プリズムの接合面に薄膜を積層することにより、ブリュースター角の特性を用いてＰ偏光を透過しつつ、薄膜干渉によりＳ偏光を反射させる、いわゆるマクニール型の偏光分離素子がある。本願では、Ｓ偏光をＳ偏光光、Ｐ偏光をＰ偏光光の意味で使用している。

一方で特許文献１には、光の波長以下の微小なピッチで金属グリッドを形成することで、グリッドと垂直に振動する偏光を透過し、グリッドと平行に振動する偏光を反射する素子が開示されている。

特許文献２には、屈折率異方性を有するフィルムの異方性の方向を異ならせて積層させ、偏光方向に対する屈折率差を制御することにより、一方の偏光を透過し、他方の偏光を反射させる偏光分離素子が開示されている。

特表２００３−５１９８１８号公報 特表２００４−５３０１６５号公報

しかしながら、特許文献１に開示された素子はグリッドに金属材料を用いるため、偏光分離の際に金属材質による吸収が発生して光量を低下させてしまうという課題があった。

また特許文献２に開示された偏光分離素子は、実用可能な程度の性能を得るためにはフィルム層を１００層以上積層する必要があり、膜の総数が多いため光吸収による光量低下が無視できないという課題があった。

そこで、上記課題を解決するために本発明の偏光分離素子は、
入射光のＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光分離素子であって、
光入射側から順に、媒質と、互いに屈折率の異なる少なくとも２つの薄膜の層とを有し、
前記媒質の屈折率をｎｂ、
前記薄膜のうち最も屈折率の高い薄膜の屈折率をｎＨ、厚みをｄＨとしたとき、屈折率ｎＨを有する薄膜の光学厚みｎＨ・ｄＨの平均値をｎｄＨとし、
前記薄膜のうち最も屈折率の低い薄膜の屈折率をｎＬ、厚みをｄＬとしたとき、屈折率ｎＬを有する薄膜の光学厚みｎＬ・ｄＬの平均値をｎｄＬとしたとき、下記条件式を満たすことを特徴とする偏光分離素子。
３８°＜ ｓｉｎ^−１（ｓｉｎ（θｃ）＊ｎＨ／ｎｂ） ＜５２°
１００ｎｍ＜ｎｄＬ＜３５０ｎｍ
１００ｎｍ＜ｎｄＨ／ｃｏｓ（θｃ）＜２００ｎｍ
ただし、θｃ＝ｃｏｓ^−１ （√（ｎＨ^２−ｎＬ^２）／ｎＨ）であり、
前記平均値とは前記媒質と隣接する層を除く各層の薄膜の光学厚みの総和を膜層数で割った値とする。

本発明によれば、光量低下を小さくすることが可能な偏光分離素子を提供することができる。

本発明の偏光分離素子の概略構成図 計算モデルに使用した偏光分離素子の構成図 Ｌ層の厚みと偏光透過率の関係を示す図 Ｌ層の厚みの違いによる特性の違いを示す説明図 実施例１の偏光分離素子の分光透過率 比較例の偏光分離素子の分光透過率 実施例１の偏光分離素子における光入射角度と透過率の関係を示す図 比較例の偏光分離素子における光入射角度と透過率の関係を示す図 実施例１の青色帯域用の偏光分離素子の分光透過率 実施例１における赤色帯域用の偏光分離素子の分光透過率 実施例２の偏光変換素子の分光透過率 実施例３の偏光変換素子の分光透過率 実施例４の偏光変換素子の分光透過率 実施例４の偏光変換素子の透過率の入射角度依存性 実施例５の偏光変換素子の分光透過率 実施例６の偏光変換素子の分光透過率 実施例７の偏光変換素子の構成概略図 実施例８の画像投射装置の構成概略図 従来の偏光分離の説明図

以下に本発明の好ましい実施の形態を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。図１（ａ）は本発明の偏光分離素子１０と、偏光分離素子１０が、可視光線である入射光１２を分離する様子を示す斜視図である。偏光分離素子１０は、基材（媒質）であるプリズム３とプリズム４の間に偏光分離膜５が挟まれている。偏光分離素子１０にＰ偏光１（Ｐ偏光成分）、Ｓ偏光２（Ｓ偏光成分）を含んだ入射光１２が入射すると、偏光分離膜５によってＰ偏光１は透過し、Ｓ偏光２は反射され、偏光分離が行われる。図１（ｂ）は、偏光分離膜５の構成を抜き出し、拡大した図である。偏光分離膜５は、屈折率ｎＬを有する低屈折率層（以下、Ｌ層６とする）と、屈折率ｎＨを有する高屈折率層（以下、Ｈ層７とする）の薄膜が交互に積層されている。

まず、比較のためにブリュースター角を用いて偏光分離を行う偏光分離素子について図１９を用いて簡単に説明する。図１９はブリュースター角を用いた偏光分離を示す模式図である。まず、屈折率ｎｂのプリズム３から屈折率ｎＨを持つＨ層７に入射角度θｉで入射した光線は、プリズム３とＨ層７の界面で屈折または反射する。このときの屈折角θＨはスネルの法則から導く事が出来る。その後、入射光１２は屈折率ｎＬ（ｎＨ＞ｎＬ）を有するＬ層６に入射し、Ｈ層７とＬ層６の界面において、屈折角θＬで屈折または反射角θＨで反射する。ここでθＨ＋θＬ＝９０［ｄｅｇ］となるθＨの時にブリュースター角の条件を満たし、Ｈ層７とＬ層６の界面でのＰ偏光の反射は０となる。それに対して、Ｓ偏光の反射率は０にはならず、複数の界面での反射の繰り返しにより、ほぼ全てのＳ偏光は反射角θｉで反射される。所定の入射角度θｉに対して上記の条件を満たすように、プリズムの屈折率ｎｂ、及びＨ層７の屈折率ｎＨ、Ｌ層６の屈折率ｎＬを適切に選択すれば、Ｐ偏光を透過しＳ偏光を反射する偏光分離素子が得られる。例えば、θｉ＝４５［ｄｅｇ］、ｎｂ＝１．８０、ｎＨ＝２．４０、ｎＬ＝１．５０とすると、上記の条件をほぼ満足する。

これに対して本発明の偏光分離素子は、ブリュースター角を用いず、界面で全反射する角度領域でのＰ偏光とＳ偏光の透過率の差を利用して偏光分離を行う。高屈折率層側（Ｈ層）から低屈折率層側（Ｌ層）へ入射する場合、入射角よりも屈折角の方が大きくなるため、ある角度（臨界角）以上で入射する光線に対しては、屈折角が９０［ｄｅｇ］を超え、全ての入射光線が反射する全反射が起こる。

しかし、Ｌ層の厚みが極めて薄い場合には、全反射の領域であっても全ての光が反射せず、一部の光はＬ層を透過する現象が起こる。この透過する光の光量は、当然のことながらＬ層の厚みに大きく依存するが、それ以外に入射光の偏光状態にも大きく依存する。

図２に光の入射側から順に、プリズム３、高屈折率層（Ｈ層７）、低屈折率層（Ｌ層６）、高屈折率層（Ｈ層７）、プリズム４で構成された偏光分離素子を示す。

図３には、図２のＨ層７に対して４５°で光が入射する場合の各偏光の透過率とＬ層の物理厚みの関係を示す。尚、図３の計算はＨ層の屈折率ｎＨ＝２．４、Ｈ層の厚みｄＨは約６０ｎｍ、プリズム３の屈折率ｎｂ＝１．８０、Ｌ層の屈折率ｎＬ＝１．２５としている。この場合、Ｈ層７に対して４５°で入射する光線のＬ層６での屈折角は９０°以上となり、全反射の条件を満足する。

また図４（ａ）、（ｂ）、（ｃ）には、図３においてＬ層６の物理厚みが互いに異なる（ａ）、（ｂ）、（ｃ）の領域での光線の振る舞いの違いを示した模式図を示す。図３（ｃ）に示す通り、Ｌ層の物理厚みが充分厚い（８２０ｎｍ付近から１０００ｎｍ付近）場合は、入射偏光に依らず全ての入射光が反射されるため入射光の透過率はほぼゼロとなる。一方で、図３（ａ）の領域、つまりＬ層の物理厚みが充分薄ければ、どちらの偏光も透過する。しかし、図３（ｂ）の点線の範囲内（物理厚みがおよそ７５ｎｍから３００ｎｍ付近の領域）においては、Ｐ偏光の透過率とＳ偏光の透過率との間に大きな差が生じていることがわかる。この特性を活かし、Ｈ層７とＬ層６を重ね合わせることによりＰ偏光、Ｓ偏光を偏光方向に応じて透過光、反射光に分離する事が出来る。

さらに、Ｈ層の光学厚みを使用波長に対し略λ／４として干渉を用いることで、Ｐ偏光の反射を抑え、更にＰ偏光の透過率を増大させることができる。このように、適切な屈折率の薄膜を適切な厚みで繰り返し積層することにより、ブリュースター角を用いることなくＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射させる偏光分離素子を構成することができる。

上記の説明の通り、本発明の効果を得るためには、薄膜の材料（屈折率）や厚み、基材（媒質）の屈折率などを適切に選択する必要がある。本発明の偏光分離素子を実施するために、偏光分離素子を構成する要素の各々のパラメータは、下記条件式を満たすことが好ましい。
３８°＜ ｓｉｎ^−１（ｓｉｎ（θｃ）＊ｎＨ／ｎｂ） ＜５２°・・・（１）
１００ｎｍ＜ｎｄＬ＜３５０ｎｍ ・・・（２）
１００ｎｍ＜ｎｄＨ／ｃｏｓ（θｃ）＜２００ｎｍ ・・・（３）
ただし、θｃ＝ｃｏｓ^−１ （√（ｎＨ^２−ｎＬ^２）／ｎＨ） ・・・（４）
式（１）は、さらに以下を満足すると、より好ましい。
４２°＜ ｓｉｎ^−１（ｓｉｎ（θｃ）＊ｎＨ／ｎｂ） ＜４８°・・・（１ａ）
式（２）は、さらに以下を満足すると、より好ましい。
１１０ｎｍ＜ｎｄＬ＜２９０ｎｍ ・・・（２ａ）
式（３）は、さらに以下を満足すると、より好ましい。
１２０ｎｍ＜ｎｄＨ／ｃｏｓ（θｃ）＜２００ｎｍ ・・・（３ａ）
ここで、（４）式のθｃはＬ層で全反射となる臨界角である。本発明の偏光分離素子においては、図１（ａ）のようにプリズム中で偏光分離膜に４５［ｄｅｇ］付近で入射することを想定している。（１）式は、入射角度が４５［ｄｅｇ］付近において、Ｌ層で全反射となる臨界角条件を満たすようにｎＨ、ｎＬ、ｎｂを選択する条件を与えるものである。ただし、厳密に４５［ｄｅｇ］とする必要はなく、設計に応じて若干の変更が可能であり、およそ３８［ｄｅｇ］から５２［ｄｅｇ］の範囲となるようにすれば、本発明の効果を得ることができる。もし（１）式の値が下限値以下となる場合には、偏光分離素子としての作用は期待できない。また上限値以上となる場合は、従来のブリュースター角条件を用いた偏光分離が可能であるが、角度特性が敏感となり本発明の効果は得られないため好ましくない。

また（２）式は、Ｌ層の適切な厚みを規定する式であり、図３に示したように最も屈折率の低い屈折率ｎＬを有するＬ層の光学厚みｎＬ・ｄＬのｎｄＬが、上記範囲となるように選択することで、本発明の効果を得ることができる。ただし、ここでの平均値とは、基材と隣接する層（最外層）を除いた各Ｌ層の光学厚みの総和を、基材と隣接する層を除いたＬ層の膜層数で割った値とする。基材に隣接する層を除く理由は、基材に隣接する層は反射防止効果との兼ね合いから本発明の効果を得るために必要な膜厚から大きくずれる可能性があるためである。

さらに（３）式は、Ｈ層の適切な厚みを規定する式である。ｎｄＨは最も屈折率の高い屈折率ｎＨを有するＨ層の光学厚みｎＨ・ｄＨの平均値である。ここでの平均値とは、基材と隣接する層（最外層）を除いた各Ｈ層の光学厚みの総和を、基材と隣接する層を除いたＨ層の膜総数で割った値とする。ｎｄＨ／ｃｏｓ（θｃ）はＨ層を伝搬する光の実効的な光路長を表し、この値が、使用波長帯域である４００ｎｍから８００ｎｍの範囲のある波長λに対して、およそλ／４となるようにすることで、Ｐ偏光の反射を抑え良好に偏光分離を行うことができる。ここで、使用波長帯域とは、偏光分離素子が偏光分離（Ｐ偏光を５０％以上透過し、Ｓ偏光を５０％以上反射する）を行う波長帯域を指す。（３）式の上限値あるいは下限値を外れると、偏光分離時にＰ偏光の透過率が低減するか、もしくはＳ偏光の反射率が低減してしまうため、偏光分離素子としての性能が低下してしまう。尚、式（１）から式（４）の各パラメータは、屈折率分散等により波長に依存するが、使用波長帯域内のある波長λで成り立っていれば良く、より好ましくは使用波長帯域の中心波長であるλ０について成り立っていれば良い。例えば、４５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲で偏光分離素子として動作する場合、λ０＝５５０ｎｍとしたときに、上記の条件式を満足することがより好ましい。

ここまで本発明の効果を得るために必要な条件式を示してきたが、偏光分離素子が、上記条件式を満たす場合に、基材の材質を一般的なガラスと考えると、特にＬ層はかなり低屈折率である必要がある。基材の屈折率ｎｂがおよそ１．５から２．０の範囲と考えると、本発明の偏光分離素子におけるＬ層の屈折率ｎＬは１．３０以下、かつＨ層の屈折率ｎＨは２．０以上であることが好ましい。

また、Ｌ層は耐熱性や耐ＵＶなどの信頼性の観点から、無機材料で構成されていることが好ましい。Ｌ層として好ましい材料としては、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３などや、これらを１種類以上含む誘電体材料からなることが好ましい。Ｈ層として好ましい材料としては、ＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２、ＭｇＯ、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｎｂ_２Ｏ_３、Ａｌ_２Ｏ_３などの金属酸化物を含む誘電体材料を用いることが好ましい。プリズム及び薄膜を無機誘電体で構成すると、吸収損失が抑えられるという効果を得ることができる。また、高い光強度の環境下に配置しても長期に亘って安定した性能を維持することができる。

本発明の偏光分離素子は、積層された薄膜を有する構造であり、様々な方法で作製可能である。例えば、真空蒸着やスパッタリングによる成膜が一般的である。Ｌ層はかなり低屈折率であることが好ましいと記載したが、Ｌ層に使用する材料の屈折率ｎＬが１．３０以上であっても、通常の蒸着法やスパッタリングであっても、斜め蒸着法などの低密度な膜を形成する成膜方法を用いる事で、低屈折率な膜が作成可能である。他にも、低密度な膜を成膜する方法としてはゾルゲル法などがあり、これらの方法またはその組合せによって所望の積層薄膜を製造することが可能である。尚、積層薄膜の製造方法についていくつか例を挙げたが、本発明の偏光分離素子はこれらの製造方法のみに限定されるものではない。

尚、図１においてプリズム３とプリズム４に多層膜が挟まれた偏光分離素子の概略構成図を示したが、プリズム３及びプリズム４の両方が必ずしも必要なわけではなく、入射光１２が入射する側のみにある形態であっても、本発明の効果を得ることができる。

また図１（ｂ）では、光入射側のプリズム３、Ｐ偏光１が透過する側のプリズム４に接する層は共にＬ層としているが、その片側のみをＬ層としてもよい。

（実施例１）
では、本発明の実施例１である偏光分離素子について説明する。実施例１では、赤緑青の３つの波長帯域の光に対応し、各波長帯域の３種類の設計例を説明する。まず表１に緑色帯域用で動作する偏光分離素子の設計値と条件式の値を示す。偏光分離素子の構成概略図は図１と同等のため省略する。Ｈ層７としてｎＨ＝２．３９、Ｌ層６としてｎＬ＝１．２５の薄膜を１１層積層した構造を、ｎｂ＝１．８０５の２つの直角プリズムの間に挟みこんだ構造とした。

このような屈折率を有する膜の材料として、Ｈ層はＴｉＯ_２またはＴｉＯ_２、ＺｒＯ_２の混合層、Ｌ層は低密度なＳｉＯ_２層などがある。ＳｉＯ_２の場合、空気とＳｉＯ_２の比率が４４：５６程度となるようにすると、およそｎＬ＝１．２５の屈折率を有する層が得られる。尚、表１の接着層とは、偏光分離素子をもう一方の直角プリズムと接合するための層である。このような構成とすることで、入射光が偏光分離膜のどちらの界面から入射しても光学的な特性が保たれる。

図５（ａ）に実施例１のＰ偏光透過率、図５（ｂ）にＳ偏光透過率を示す。ＴｐがＰ偏光の透過率、ＴｓはＳ偏光の透過率を表わし、図中の線種の違いは、偏光分離膜に対する光の入射角度の違いを表している。

ここで、比較例として従来のブリュースター角を用いた緑色帯域用の偏光分離素子の設計値と条件式（１）〜（３）の値を表２に示す。表１の実施例１は、各条件式（１）（２）（３）式を満足しているが、表２の比較例１は、入射角度がおよそ４５［ｄｅｇ］でブリュースター角となるよう設計されているため、条件式（１）の値が５４．５［ｄｅｇ］となり、（１）式を満足しない。

図６（ａ）、（ｂ）に比較例１のＰ偏光、Ｓ偏光の分光透過率を示す。図５と図６を比較すると、特にＰ偏光の特性に大きな違いが出ている。比較例１では、ブリュースター角を用いるために、入射角度が４５［ｄｅｇ］付近から外れると、Ｐ偏光の透過率が急激に低下する。それに対して、本発明の偏光分離素子では、入射角度が変化しても非常に高いＰ偏光透過率を有している。さらに、比較例１の半分以下の層数でそれを実現しているので、光量低下を小さくすることができる。

図７は、実施例１の偏光分離素子の入射角度と透過率の関係を示す図である。凡例のＴｐ、ＴｓはそれぞれＰ偏光透過率とＳ偏光透過率を表わしており、線種の違いは波長の違いを表している。比較例１についても同様の図を図８に示す。２つの図についてＴｐが高透過率（８０％以上）かつＴｓが低透過率（２０％以下）の角度領域（図中矢印で示す）を比較すると、図８に比べて図７の方は領域が広い。つまり、本発明の偏光分離素子は、従来型に比べて広い入射角度範囲で高い検光性能を得ることが可能である。また他の効果としては、少ない膜の層数で所望の偏光分離性能を出すことができる点が挙げられる。

表１に示す例は、緑色帯域用の偏光分離素子であったが、層の厚みを変えることによって青色帯域用、赤色帯域用に応用可能である。実施例１の青色帯域用の偏光分離素子の設計値と条件式（１）〜（３）の値を表３に示し，同様に赤色帯域用の例を表４に示す。どちらも各々の条件式を全て満足している。

図９（ａ）、（ｂ）に、図７（ａ）、（ｂ）と同じように、表３の青色帯域用の偏光分離素子の分光透過率を示し、図１０（ａ）、（ｂ）に表４の赤色帯域用の偏光分離素子の分光透過率を示す。図７、図９、図１０の各図から明らかなように、波長帯域が変化しても、実施例１の各帯域用の偏光分離素子は、およそ１００ｎｍ程度の波長帯域幅で、良好なＰ偏光透過率を示す。つまり、本発明の偏光変換素子は波長帯域に依らず、ブリュースター角を用いた従来の偏光分離素子に対してより良好な角度特性を有している。

（実施例２）
次に、表５に実施例２の偏光分離素子の設計値と、条件式（１）〜（３）の値を示す。尚、実施例２の偏光分離素子の設計波長は５４０ｎｍであり、緑色帯域にて特に良好な性能を示す。実施例２の偏光分離素子は、基材となるプリズムの屈折率ｎｂが１．６であり、それに合わせて低屈折率層の屈折率が１．２５から１．１７６へと下がることにより、各条件式を満足し、実施例１と同じ層数で、ほぼ同等の性能を得る事ができる。Ｌ層が低密度ＳｉＯ_２層である場合、空気とＳｉＯ_２の比率は、６０：４０程度とすることで低い屈折率を実現できる。

図１１（ａ）、（ｂ）に実施例２の偏光分離素子の分光透過率を示す。プリズムの屈折率が１．６に低下した場合においても、特にＰ偏光において、広い角度範囲で透過率の低下を抑え、良好な偏光分離特性を示す。

（実施例３）
次に、表６に実施例３の偏光分離素子の設計値と条件式（１）〜（３）の値を示す。尚、設計波長は５４０ｎｍである。実施例３の偏光分離素子は、実施例２と同様に、基材となるプリズムの屈折率ｎｂが１．６の場合であり、実施例２と同じ材料と層数で膜厚の異なる設計値の例を示している。条件式の値について実施例２と比較すると、実施例３はＨ層、Ｌ層の膜厚を変えることにより、条件式（２）は下限値寄り、（３）は上限値寄りとなっているが、各条件式は満足している。

図１２（ａ）、（ｂ）に、実施例３の偏光分離素子の分光透過率を示す。実施例３の偏光分離素子も、Ｓ偏光の反射はもちろんのことＰ偏光においても広い角度範囲でも透過率が低下せず良好な偏光分離特性となっていることが判る。このように、偏光分離素子を構成する要素が、条件式の範囲を満足すれば、その値が条件式の中心値からは多少外れていても、良好な偏光分離特性を示すことがわかる。

（実施例４）
次に、表７に実施例４の偏光分離素子の設計値と条件式（１）〜（３）の値を示す。実施例４の偏光分離素子は、屈折率ｎｂが１．６０の直角プリズムの間に、１７層の積層薄膜を挟んだ構造となっている。これまでの実施例１から３に比べて層数を１１層から１７層に増加させることで、白色光のような、より広い波長帯域において、良好な偏光分離特性を示す偏光分離素子としている。尚、低屈折率層の屈折率ｎＬは１．１７６、高屈折率層の屈折率ｎＨは２．３９となっており、表７に示す通り、実施例４の偏光分離素子は各条件式を満足している。

図１３（ａ）、（ｂ）に実施例４の偏光分離素子の分光透過率を示す。図１３から、実施例４の偏光分離素子は、波長４５０ｎｍから６５０ｎｍの広い波長範囲において、良好な偏光分離特性を示している。また、図１４に図７と同じように、実施例４の偏光分離素子の入射角度と透過率の関係を示す。図１４から、入射角度が４０度から５０度の範囲において、４５０ｎｍから６５０ｎｍの波長に対して良好な偏光分離特性が得られていることがわかる。このように実施例４では、従来に比べ、広い帯域特性、広い角度特性を両立した偏光分離素子を得る事が出来る。

（実施例５）
次に、表８に実施例５の偏光分離素子の設計値と条件式（１）〜（３）の値を示す。実施例５の偏光分離素子は屈折率ｎｂが１．８０の直角プリズムの間に、積層薄膜を挟んだ構造となっており、実施例４に比べて高い屈折率を有するプリズムを有する偏光分離素子の例となっている。それに対応して、低屈折率層の屈折率ｎＬが１．２０、高屈折率層の屈折率ｎＨが２．３９となっており、実施例５の偏光分離素子は各条件式を満足している。

図１５（ａ）、（ｂ）に実施例５の偏光分離素子の分光透過率を示す。実施例５においても波長４５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲で良好な偏光分離特性を示していることがわかる。

（実施例６）
次に、表９に実施例６の偏光分離素子の設計値と条件式（１）〜（３）の値を示す。実施例６の偏光分離素子は、屈折率ｎｂが１．７１の直角プリズムの間に３種類の異なる屈折率の積層薄膜を挟んだ構造となっている。低屈折率層（ｎＬ＝１．１７６）と高屈折率層（ｎＨ＝２．３９）の間に屈折率ｎが１．６２の層を適宜挿入することにより、角度依存性の向上や透過率、反射率のリップルを良好に抑えることができる。実施例６の偏光分離素子は各条件式を満足している。

図１６（ａ）、（ｂ）に実施例６の偏光分離素子の分光透過率を示す。実施例６のように３種類以上の膜材料で構成される場合においても、波長４５０ｎｍから６５０ｎｍの範囲で良好な偏光分離特性を示す。

（実施例７）
次に、本発明の実施例７の偏光変換素子について説明する。図１７は、偏光変換素子２０の構成概略図である。偏光変換素子は、入射する非偏光を偏光方向が揃った偏光へと変換する素子である。非偏光の入射光１２（Ｐ偏光１とＳ偏光２が混ざった状態として表現している）は、偏光分離素子１０ａに入射すると、偏光分離膜５において、Ｐ偏光１は透過し、Ｓ偏光２は反射される。偏光分離膜５を透過したＰ偏光１は、さらに、出射側に設けられたλ／２位相差板１１を透過する。λ／２位相差板１１は、入射光の偏光方向を９０［ｄｅｇ］回転させる機能を有するので、入射したＰ偏光１はＳ偏光２へと変換されて出射する。また、偏光分離膜５で反射されたＳ偏光は、偏光分離素子１０ｂにて再度反射され、λ／２位相差板１１を透過したＳ偏光と同一方向に出射される。

偏光変換素子２０の光入射側から偏光分離素子１０ｂへと入射する光は、遮光部１３により反射され、不図示のランプユニットへ戻る。この結果、偏光変換素子２０へ入射した非偏光の入射光１２は、Ｓ偏光２へと揃えられて出射する。偏光変換素子は、光量損失が少なく、かつ出射される偏光の偏光度（本実施例の場合、出射光のうちＳ偏光とＰ偏光の比）が高い方が好ましい。

しかし、従来の偏光分離素子では、良好に偏光分離できる角度範囲が狭いため偏光度が低下しやすかった。また、広い波長帯域で使用する場合にはさらに偏光度が低下していた。そこで偏光分離素子１０ａ、１０ｂに、例えば、本発明の実施例４または実施例５の偏光分離素子を用いることにより、可視光のほぼ全域の広い波長帯域において良好に偏光が分離されるので、偏光度を高めることができる。さらに、他の効果として、広い入射角度に対して良好に偏光分離を行うことが可能となるので、入射光の平行度が低いような場合においても、偏光度の低下を抑えることができる。もちろん実施例１から実施例３の偏光分離素子を用いても、入射角度変化に対する依存が小さい偏光変換素子を提供することができる。尚、本実施例ではＳ偏光へと偏光を揃える偏光変換素子について説明したが、λ／２位相差板１１の配置箇所や位相差をλ／２からλ／４変える等によって、Ｐ偏光や左右円偏光など、任意の偏光状態に揃えることが可能な偏光変換素子としてもよい。つまり、本発明は実施例の偏光変換素子の形態に限定されるものではない。

また、λ／２位相差板１１は、使用される波長帯域の全域について略一定の位相差を有するものを使用することが好ましい。このような位相差板としては、延伸方向を制御したフィルムを積層したものがある。さらに、位相差板は無機材料で構成されることが好ましい。例えば、無機誘電体結晶を積層したものや、波長以下の微細な周期構造を、適切な周期と構造幅とすることで、使用される波長帯域の全域において、略一定の位相差を有する位相差板を作製することが可能である。

また入射角度による位相のズレや偏光軸のズレを補償するような位相補償板を偏光分離素子１０ａ、１０ｂの入射側または出射側に配置すると、出射偏光方向を入射角度によらず一定方向へ揃えることができるため、尚好ましい。

（実施例８）
次に、本発明の実施例８の画像表示素子（反射型液晶表示素子）を用いた画像投射装置について説明する。図１８は画像投射装置１００Ａの構成概略図の一例である。画像投射装置１００の光源２１から照射される光束は、リフレクタによって反射され、略平行な光束となって偏光変換素子２０に入射する。この図においては、白色平行光束４２を緑色、青色、赤色の３原色の光に分解して図示しており、それぞれを緑色光１２ｇ、青色光１２ｂ、赤色光１２ｒとして図示している。この緑色光、青色光、赤色光それぞれを、図上では便宜上、空間的に分離して記載しているが、これら３色の光は、この段階では空間的に分離されている訳ではない。以下、緑色はＧ，青色はＢ、赤色はＲと略記する。

光源２１から発せられる各色の光は、偏光変換素子２０を透過することにより、偏光方向へ揃えられてＧ偏光２ｇ、Ｂ偏光２ｂ、Ｒ偏光２ｒとなり、ダイクロイックミラー２４へ入射する。ダイクロイックミラー２４は、Ｇ偏光２ｇのみ反射する特性を有し、Ｇ偏光２ｇは反射され、Ｒ偏光２ｒ、Ｂ偏光２ｂは、ダイクロイックミラー２４を透過するので、Ｇ偏光が色分離される。Ｇ偏光２ｇは、そのまま偏光分離素子１０ｃに入射し、偏光分離膜５ｃを透過したのち、位相差板２２ｇを透過して、Ｇ用の画像表示素子２３ｇに入射する。Ｒ偏光２ｒとＢ偏光２ｂは、偏光板２５を透過するので偏光度が向上した状態で、波長選択性位相差板２６に入射する。波長選択性位相差板２６は、Ｂ偏光２ｂのみ、その偏光方向を９０°変換させる特性を有している。これによりＲ偏光２ｒの偏光状態は維持されたまま、Ｂ偏光２ｂの偏光方向のみが９０°回転され、偏光分離素子１０ｄに入射する。偏光分離素子１０ｄの偏光分離膜５ｄにより、Ｂ偏光２ｂは反射され、位相差板２２ｂを透過して、Ｂ用の画像表示素子２３ｂに入射する。Ｒ偏光２ｒは、偏光分離膜５ｄ、位相差板２２ｒを透過して、Ｒ用の画像表示素子２３ｒに入射する。

画像表示素子２３ｂ、２３ｒ、２３ｇに入射した光は、画像信号に応じて、画素ごとにその偏光状態が変えられ、反射されることにより画像光となる。画像光とは、画像表示素子により偏光状態が変えられた光のうち、偏光分離素子１０ｃあるいは１０ｄによって投射レンズ３０側に導かれる偏光光のことである。また、位相差板２２ｇ，２２ｂ，２２ｒは偏光分離素子と画像表示素子によって生じる位相のズレを補正して、黒表示時にコントラストを低下させる要因となる漏れ光を低減する。

画像表示素子２３ｂと２３ｒにより反射されたＢ、Ｒの画像光は、再び位相差板２２ｂ、２２ｒを透過し、偏光分離素子１０ｄに再入射する。偏光分離膜５ｄを透過したＢの画像光２７ｂと、偏光分離膜５ｄにより反射されたＲ画像光２７ｒは、偏光分離素子１０ｄを出射して、合成プリズム２８に入射する。画像表示素子２３ｇにより反射されたＧの画像光も、位相差板２２ｇを透過した後に、偏光分離素子１０ｃの偏光分離膜５ｃにより反射され、合成プリズム２８に入射する。合成プリズム２８のダイクロイック膜２８ａにより、Ｇ画像光は反射され、Ｒ、Ｂ画像光２７ｂ、２７ｒはダイクロイック膜２８ａを透過することで、Ｇ、Ｒ、Ｂの光が合成される。合成プリズム２８により、合成された画像光は、投射レンズ３０（投射光学系）によりスクリーン（被投射面）に投射される。

尚、実施例８の画像投射装置においては、偏光分離素子１０ｃに実施例１の偏光分離素子を用いており、偏光分離素子１０ｄや偏光変換素子２０に本発明の実施例４あるいは実施例５の偏光分離素子を用いているが、これに限られない。少なくともいずれか１つに対して用いられれば、本発明の効果を得ることができ、明るい投射画像を得ることができる。その他の効果として、本発明の偏光分離素子を用いることにより、コントラストの改善等の効果が得られる。

実施例８のように、反射型の画像表示素子を用いる場合には、画像表示素子からの画像光と非画像光の分離を偏光分離素子が担っている。そのため、偏光分離素子の特性は表示画像の品位に直接的に影響を与える。例えば、偏光分離特性が十分ではない場合、Ｇ光路において、画像表示素子により反射され、偏光分離膜５ｃを透過して光源側へ戻されるはずのＰ偏光が一部反射されてしまい、画像光ではないのに、投射レンズ側へ向かってしまうためコントラストが低下する。あるいは、ダイクロイックミラー２４から偏光分離素子１０ｂに入射して、偏光分離膜５ｃを透過することにより画像表示素子を照明するはずの光が、偏光分離膜５ｃにより反射されてしまうので、光量が低下して表示画像の輝度が下がってしまう。このように、特に明るさとコントラストの高さを要求される画像投射装置においては、偏光分離素子の特性により投射する映像の品位が大きく左右される。このような画像投射装置に、本発明の偏光分離素子を用いることにより、高輝度でありながらコントラストが高く、質の高い画像を表示する画像投射装置を提供する事が出来る。

尚、他の実施例として、透過型の画像表示装置（液晶表示素子）を用いた画像投射装置に、本発明の偏光変換素子を適用すれば、偏光度が向上する、あるいは、光量低下を小さくできるので、明るい投射画像を得ることができる。

尚、図１８においては、ダイクロイックミラー２４と波長選択性位相差板２６を用いてＧ光路単体とＲ，Ｂ共通光路に分離した光学系としたが、波長選択性位相差板２６の特性に応じてＲ光路単体とＢ，Ｇ共通光路や、Ｒ光路単体とＢ，Ｇ共通光路としても良い。また波長選択性位相差板２６を用いずに、Ｒ、Ｇ、Ｂ光路を全て分離した光学系であっても良く、これら色分離合成系は本実施例の構成に限定されない。どのような色分離合成系の場合でも本発明の実施例１から実施例５の偏光分離素子を適宜用いる事により、上記説明と同等の効果が得られる。また、各画像表示素子の配置場所は適宜変更してもよい。

また、光源は白色光に限られず偏光光を出射するレーザー等であってもよい。また、実施例８においては投射レンズを含んだ画像投射装置について説明したが、投射レンズを含まない、画像投射装置本体１００Ｂであっても本発明の効果を得ることができる。

１ Ｓ偏光
２ Ｐ偏光
３，４ 基材
５，５ｃ，５ｄ 偏光分離面
６ 低屈折率層
７ 高屈折率層
１０ 偏光分離素子

Claims (7)

1. 入射光のＰ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射する偏光分離素子であって、
   光入射側から順に、媒質と、互いに屈折率の異なる少なくとも２つの薄膜の層とを有し、
   前記媒質の屈折率をｎｂ、
   前記薄膜のうち最も屈折率の高い薄膜の屈折率をｎＨ、厚みをｄＨとしたとき、屈折率ｎＨを有する薄膜の光学厚みｎＨ・ｄＨの平均値をｎｄＨとし、
   前記薄膜のうち最も屈折率の低い薄膜の屈折率をｎＬ、厚みをｄＬとしたとき、屈折率ｎＬを有する薄膜の光学厚みｎＬ・ｄＬの平均値をｎｄＬとしたとき、下記条件式を満たすことを特徴とする偏光分離素子。
   ３８°＜ ｓｉｎ^−１（ｓｉｎ（θｃ）＊ｎＨ／ｎｂ） ＜５２°
   １００ｎｍ＜ｎｄＬ＜３５０ｎｍ
   １００ｎｍ＜ｎｄＨ／ｃｏｓ（θｃ）＜２００ｎｍ
   ただし、θｃ＝ｃｏｓ^−１ （√（ｎＨ^２−ｎＬ^２）／ｎＨ）であり、
   前記平均値とは前記媒質と隣接する層を除く各層の薄膜の光学厚みの総和を膜層数で割った値とする。
2. 前記屈折率ｎＬは１．３０以下であることを特徴とする請求項１に記載の偏光分離素子。
3. 前記媒質と前記薄膜は無機材料であることを特徴とする請求項１または２に記載の偏光分離素子。
4. 屈折率がｎＬの層はＳｉＯ_２、ＭｇＦ_２、Ａｌ_２Ｏ_３のうち少なくとも１種類を含む材料からなることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の偏光分離素子。
5. 請求項１乃至４いずれか１項に記載の偏光分離素子を有する偏光変換素子。
6. 請求項１乃至４いずれか１項に記載の偏光分離素子あるいは請求項５に記載の偏光変換素子を有する画像投射装置本体。
7. 画像を被投射面に投射する投射光学系と、
   請求項１乃至４いずれか１項に記載の偏光分離素子あるいは請求項５に記載の偏光変換素子を有する画像投射装置。