JP5051830B2 - 偏光照明装置および投射型画像表示装置 - Google Patents

Description

この発明は、偏光照明装置および投射型画像表示装置に関する。

プロジェクタ等の投射型画像表示装置の光源としてＬＥＤ（発光ダイオード）を用いることが意図されている。また、近来「光源として赤、緑、青の３原色に対応した複数の発光ダイオードを光源として、１枚の空間光変調器に対し、時分割で各発光ダイオードを順次に点滅させることで、フルカラーの画像を投影表示する画像投射装置」が提案されている(特許文献１)。

投射型画像表示装置において「投射表示すべき画像に対応する像を表示する空間光変調器」としては、透過型あるいは反射型の液晶パネルが一般的であるが、これらは、照明光を空間光変調するのに「照明光の偏光状態を変化」させている。このため、空間変調器に照射される照明光としては「直線偏光状態」の光が用いられる。

光源としてＬＥＤを用いた場合、ＬＥＤから放射される光は「ランダム偏光」状態であり、光利用効率を高めるため、ＬＥＤから放射された光の偏光状態を「偏光変換素子を用いて直線偏光状態に揃える」ことが知られている(特許文献１)。偏光変換素子としてはまた特許文献２に記載のものが知られている。

これらの特許文献に記載されている偏光変換素子は「特定の波長域のみの偏光方向を変え、そのほかの波長域では偏光方向に変化が無いような素子」であり、複数の波長域の光に対して偏光変換を行うためには、複数の偏光変換素子が必要になる。

可視光全域のような広い波長範囲にわたってｐ偏光とｓ偏光を分離することが出来る偏光分離素子として、構造複屈折を利用するものが知られている(特許文献３等)。

また、高屈折率材料層と低屈折率材料層を交互に積層した光学多層膜によって「ある波長帯ではｓ偏光の透過率が高く、異なる波長帯ではｐ偏光の透過率が高い偏光分離素子」が提案されている（特許文献４）。

特開２００２−２４４２１１ 特許第３１３０５３７号公報 特開平１１−９５０２７ 特開２００６−４７９０３

この発明は、構造複屈折を利用した偏光変換素子を用い、複数の波長域の光を合成して偏光方向を実質的に同一方向に揃えた照明光を同一方向へ射出可能で、光利用効率が高く、構造が簡素で、偏光変換素子の設計の自由度が高い、新規な偏光照明装置の実現を課題とする。この発明はまた、かかる偏光照明装置を用いる投射型画像表示装置の実現を課題とする。

請求項１記載の偏光照明装置は、第１光源、第２光源、偏光変換光学系を有する。
「第１光源」は、波長：λ１を主とする第１波長域を有する非偏光の光を射出する光源である。即ち、波長：λ１は、第１光源が放射する第１波長域内に含まれ、第１波長域を代表する波長である。
「第２光源」は、波長：λ２(＜λ１)を主とする第２波長域を有する非偏光の光を射出する光源である。波長：λ２は、第２光源が放射する第２波長域内に含まれ、第２波長域を代表する波長である。

「非偏光の光」は、ランダム偏光状態もしくは自然偏光状態の光である。
「偏光変換光学系」は、第１光源からの光と、第２光源からの光とを偏光変換して同一方向の偏光とし、略同一方向へ射出させる光学系である。
偏光変換光学系は、偏光分離素子と、偏向手段と、１／２波長板とを有する。

「偏光分離素子」は、第１光源からの光と第２光源からの光とを、互いに異なる方向から、所定の角度：θで入射される偏光分離層を有し、第１光源からの光の反射成分と、第２光源からの光の透過成分が同じ方向の第１の偏光成分となり、第１光源からの光の透過成分と、第２光源からの光の反射成分が第１の偏光成分と直交する方向の第２の偏光成分となるように偏光分離を行う。
「偏光分離層」は、基板上に屈折率の異なる材料を積層した積層体が、１方向に微細周期構造をなし、構造複屈折を有する。
「偏向手段」は、偏光分離素子によって分離された光の一方の進行方向を、他方の進行方向に平行な方向に変換する手段である。
「１／２波長板」は、偏光分離素子によって分離された光の一方の偏光方向を９０度回転させる。

請求項１記載の偏光照明装置における「偏光分離層に形成された微細周期構造の周期方向」は、第１光源からの光の中心光軸と第２光源からの中心光軸と、偏光分離層によって分離された光の中心光軸とを共有する入射面に対して直交するように、偏光分離素子の配置が定められていることが好ましい(請求項２)。

請求項１または２記載の偏光照明装置は、偏光分離層の積層体が、厚さ：ｄ_Ｈの高屈折率材料層と、厚さ：ｄ_Ｌの低屈折率材料層とを交互に所定層数に積層した周期積層部を有し、「ｉ」をＨＴＥ、ＨＴＭ、ＬＴＥ、ＬＴＭの何れか、上記偏光分離層への入射光の中心入射角（入射光束の中心光線が入射する角度である。以下同じである。）をθ、入射側媒質の屈折率をｎ_０として、
ｃｏｓθ_ｉ＝√［１−｛（ｎ_０・ｓｉｎθ）／ｎ_ｉ｝^２］ （５）
で定義されるθ_ｉ、波長：λ１、λ２、上記厚さ：ｄ_Ｈ、ｄ_Ｌ、微細周期構造の周期方向に直交する偏光方向の光に対する高屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＨＴＥ、上記偏光方向の光に対する低屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＬＴＥ、微細周期構造の周期方向に平行な偏光方向を有する光に対する高屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＨＴＭ、低屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＬＴＭが、
λ１＝２（ｎ_ＨＴＥ・ｃｏｓθ_ＨＴＥ・ｄ_Ｈ＋ｎ_ＬＴＥ・ｃｏｓθ_ＬＴＥ・ｄ_Ｌ）
（１）
λ２＝２（ｎ_ＨＴＭ・ｃｏｓθ_ＨＴＭ・ｄ_Ｈ＋ｎ_ＬＴＭ・ｃｏｓθ_ＬＴＭ・ｄ_Ｌ）
（２）
λ２＜λ１／{１＋(２/π)［{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)−(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}/{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)＋(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}]} （３）
λ１＞λ２／{１−(２/π)［{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)−(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}/{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)＋(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}]} （４）
を満足することが好ましい(請求項３)。

請求項１〜３の任意の１に記載の偏光照明装置における偏光分離素子は「偏光分離層が２つの透明部材によって挟まれたプリズム形状」をしていることができる(請求項４)。

請求項５記載の偏光照明装置は、第１光源、第２光源、第３光源と、偏光変換光学系とを有する。

「第１光源」は、波長：λ１を主とする第１波長域を有する非偏光の光を射出する光源である。
「第２光源」は、波長：λ２（＜λ１）を主とする第２波長域を有する非偏光の光を射出する光源である。
「第３光源」は、波長：λ３（≠λ１、≠λ２）を主とする第３波長域を有する非偏光の光を射出する光源である。

「偏光変換光学系」は、第１ないし第３光源からの光を偏光変換して、同一偏光方向とし、略同一方向に射出させる光学系である。

偏光変換光学系は、第１偏光分離素子、第２偏光分離素子、第１ダイクロイックミラー、第２ダイクロイックミラー、１／２波長板、偏向手段を有する。
「第１偏光分離素子」は、第１光源からの光と、第２光源からの光が、互いに異なる方向から所定の角度：θで入射するように偏光分離層を有する。
「第２偏光分離素子」は、第３光源からの光を透過光と反射光として偏光分離する偏光分離層を有する。

「第１ダイクロイックミラー」は、第１偏光分離素子によって分離された光の一方と、第２偏光分離素子によって分離された光の一方とを合成して「同一偏光方向の第１の合成光」とする。
「第２ダイクロイックミラー」は、第１偏光分離素子によって分離された他方の光と第２偏光分離素子によって分離された他方の光を合成して「第１の合成光と直交する偏光方向の第２の合成光」とする。

「１／２波長板」は、第１および第２の合成光における一方の偏光方向を９０度回転させる。
「偏向手段」は、偏光変換された光の進行方向が略同一方向となるように揃える手段である。

「第１偏光分離素子の偏光分離層」は、基板上に屈折率の異なる材料を積層した積層体が、１方向に微細周期構造をなし、構造複屈折を有し、第１光源からの光の反射成分と、第２光源からの光の透過成分が同じ偏光方向の第１の偏光成分となり、第１光源からの光の透過成分と、第２光源からの光の反射成分が「第１の偏光成分と直交する偏光方向の第２の偏光成分」となるように偏光分離を行い、且つ、第３光源からの光を透過させるものである。

請求項５記載の偏光照明装置における第１偏光分離素子は、偏光分離層の積層体が、厚さ：ｄ_Ｈの高屈折率材料層と、厚さ：ｄ_Ｌの低屈折率材料層とを交互に所定層数に積層した周期積層部を有し、「ｉ」をＨＴＥ、ＨＴＭ、ＬＴＥ、ＬＴＭの何れか、偏光分離層への入射光の中心入射角をθ、入射側媒質の屈折率をｎ_０として、
ｃｏｓθ_ｉ＝√［１−｛（ｎ_０・ｓｉｎθ）／ｎ_ｉ｝^２］ （５）
で定義されるθ_ｉ、波長：λ１、λ２、厚さ：ｄ_Ｈ、ｄ_Ｌ、微細周期構造の周期方向に直交する偏光方向の光に対する高屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＨＴＥ、上記偏光方向の光に対する低屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＬＴＥ、微細周期構造の周期方向に平行な偏光方向を有する光に対する高屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＨＴＭ、低屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＬＴＭが、
λ１＝２（ｎ_ＨＴＥ・ｃｏｓθ_ＨＴＥ・ｄ_Ｈ＋ｎ_ＬＴＥ・ｃｏｓθ_ＬＴＥ・ｄ_Ｌ）
（１）
λ２＝２（ｎ_ＨＴＭ・ｃｏｓθ_ＨＴＭ・ｄ_Ｈ＋ｎ_ＬＴＭ・ｃｏｓθ_ＬＴＭ・ｄ_Ｌ）
（２）
λ２＜λ１／{１＋(２/π)［{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)−(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}/{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)＋(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}］} （３）
λ１＞λ２／{１−(２/π)［{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)−(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}/{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)＋(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}］} （４）
を満足し、且つ、波長：λ３に対して、
λ３＜λ２／{１＋(２/π)［{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)−(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}/{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)＋(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}］} （６）
または、
λ３＞λ１／{１−(２/π)［{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)−(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}/{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)＋(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}］} （７）
を満足することが好ましい(請求項６)。

請求項１〜６の任意の１に記載の偏光照明装置における波長：λ１、λ２、λ３の組合せは、赤色、緑色、青色に対応する波長域の組合せであることができる（請求項７）。即ち、請求項１〜４の任意の１に記載の偏光照明装置においては、λ１を赤、λ２を緑あるいは青とするか、あるいは、λ１を緑、λ２を青とすることができる。また、請求項５または６記載の偏光照明装置においては、λ１を赤、λ２を緑、λ３を青とする場合や、λ１を赤、λ２を青、λ３を緑とする場合、λ１を緑、λ２を青、λ３を赤とする場合が可能である。

請求項１〜７の任意の１に記載の偏光照明装置において用いられる光源（第１、第２光源、もしくはこれらと第３光源）の発光部としては、波長：λ１、λ２やλ３を主とする波長領域の非偏光の光を放射するもの、例えばレーザ光源や、有機エレクトロルミネッセンス素子、特定の波長域の光を主に射出するランプ光源等、あるいはこれらを互いに組合せて使用することが可能であるが、中でも、ＬＥＤ光源は好適である(請求項８)。

この発明の投射型画像表示装置は、投射表示すべき画像に対応する像を空間光変調器に表示し、表示された像を照明装置による照明光により照明し、上記像により変調された光を投射光学系により拡大投射して画像表示を行う投射型画像表示装置であって、照明装置として請求項１〜８の任意の１に記載の偏光照明装置を用いるものである（請求項９）。

以上の如く、この発明によれば従来に無い新規な偏光照明装置を提供できる。この偏光照明装置は、２色の光を単一の偏光分離素子を用いて偏光分離し、偏向手段と１／２波長板を用いて「偏光方向の揃った光束として略同一方向へ向けて放射」させることができ、別の偏光分離素子やダイクロイックミラー、偏向手段と組合せることにより３色以上の光を「偏光方向の揃った光束として略同一方向へ向けて放射」することができる。
従って、この発明の偏光照明装置を用いることにより、新規な投射型画像表示装置を実現できる。

以下、実施の形態を説明する。
以下の説明において「赤色波長域」、「緑色波長域」、「青色波長域」なる用語を用いるが、これらは、およそ６００ｎｍ〜７００ｎｍの波長領域(赤色波長域)、およそ５００ｎｍ〜５６０ｎｍ(緑色波長域)、およそ４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの波長領域（青色波長域）、である。勿論、これら波長範囲は１例であり、これらに限られるものでは無い。

図１(ａ)は、偏光照明装置の実施の１形態を要部のみ模式的に示している。
図中、符号１−１０１は「赤色波長域の非偏光の光」を発光する発光ダイオード（以下、ＬＥＤ１−１０１）、符号１−１０２はテーパロッドインテグレータを示す。ＬＥＤ１−１０１とテーパロッドインテグレータ１−１０２とは「第１光源」を構成する。また、ＬＥＤ１−１０３は「緑色波長域の非偏光の光」を放射し、テーパロッドインテグレータ１−１０４とともに「第２光源」を構成する。

符号１−１０５は偏光分離素子、符号１−１０６は「偏向手段」としてのミラー、符号１−１０７は「１／２波長板」を示している。
偏光分離素子１−１０５は、透明平行平板（基板）の片面に偏光分離層１−１０５０を有する。

偏光分離層１−１０５０の詳細については後述することとし、図１(ａ)の偏光照明装置の作用を説明する。
第１光源のＬＥＤ１−１０１から放射される赤色波長域の光（その主たる波長がλ１である。）は、テーパロッドインテグレータ１−１０２内を伝搬して偏光分離素子１−１０５に向かって射出する。第２光源のＬＥＤ１−１０３から放射される緑色波長域の光（その主たる波長がλ２である。）は、テーパロッドインテグレータ１−１０４内を伝搬して偏光分離素子１−１０５に向かって射出する。

テーパロッドインテグレータ１−１０２、１−１０４は公知のものであり、テーパロッドインテグレータ１−１０２を例にとって説明すると、図１（ｂ）に示すように、入射面（ＬＥＤ１−１０１側の面）よりも射出面が大きい面積となっている導光体であり、構造としては「中空で内周面が反射面となっているもの」や「内部が透明体で外周面に反射層が蒸着されたもの」あるいは「内部が透明体で周辺部は全反射によって反射するようになっているもの」等が可能である。

図１（ａ）に示す偏光照明装置は投射型画像表示装置（プロジェクタ）の光源装置としての使用が予定されているが、プロジェクタでは一般に「光源側からの光のうち取り込むことが可能な角度」に制限があるため、偏光照明装置としては「光源からの光束の発散角が所定の角度範囲内」となっている必要がある。

ＬＥＤ１−１０１から放射される非偏光の光は「指向性が低い発散角の大きい光束」である。このような光束の光線は、テーパロッドインテグレータ１−１０２の周面で反射されると、反射されるごとに、進行方向を中心光線（ＬＥＤ１−１０１の発光面から「発光面に直交する」ように放射される光線）に近い方向へ向けられる。
ＬＥＤ１−１０１から放射される光線のうちで、上記中心光線に対する角が大きい光線ほど、テーパロッドインテグレータ１−１０１の周面での反射の回数が多く、反射を繰り返すにつれて「中心光線の方向」に近づく。

このようにして、テーパロッドインテグレータ１−１０２から射出する光束の発散角を「所望の角度以内」に規制することができる。また、テーパロッドインテグレータ１−１０２は、入射側面がＬＥＤ１−１０１の発光部に近接もしくは密接して配置されており、このような配置により、テーパロッドインテグレータ１−１０２から放射される光束の「光束断面上の光強度分布」が均一化される。

この実施の形態においては、第１光源、第２光源を「ＬＥＤとテーパロッドインテグレータの組合せ」で構成しているが、これに限らず、偏光分離素子１−１０５に入射する光束の発散角の規制や強度分布の均一化は、ＬＥＤとレンズやレンズアレイを組合せて達成することも可能である。

図１（ａ）において、符号ＬＲＰは第１光源から放射される「赤色波長域の光」のｐ偏光成分、符号ＬＲＳは第１光源から放射される「赤色波長域の光」のｓ偏光成分を示し、符号ＬＧＰは第２光源から放射される「緑色波長域の光」のｐ偏光成分、符号ＬＧＳは第２光源から放射される「緑色波長域の光」のｓ偏光成分を示している。

周知の如く、「ｓ偏光成分」は「入射光、透過光、反射光を共有する面」に対して、電場の振動方向が垂直な偏光成分、「ｐ偏光成分」は「入射光、透過光、反射光を共有する面」に対して、電場の振動方向が平行な偏光成分である。即ち、図１（ａ）において、ｐ偏光成分ＬＲＰ、ＬＧＰは電場の振動方向が「図面に平行な面内」にあり、ｓ偏光成分ＬＲＳ、ＬＧＳは電場の振動方向が「図面に直交する方向」である。

図１（ａ）に示すように、偏光変換素子１−１０５は、その偏光分離層１−１０５０へ、第１光源、第２光源からの光が互いに異なる方向（第１光源からの光は図の左方から、第２光源からの光は図の下方から）入射するが、このときの入射角（偏光分離層１−１０５０の法線に対する入射光の角度(中心光線の入射角度)：θとする）は、所定の角であって、この実施の形態においてはθ＝４５度に設定されている。

また、図１に示すように、偏光分離素子１−１０５の偏光分離層１−１０５０は、第１光源からのｐ偏光成分ＬＲＰを反射し、ｓ偏光成分ＬＲＳを透過させる一方、第２光源からのｐ偏光成分ＬＧＰを透過させ、ｓ偏光成分ＬＧＳを反射する。
即ち、偏光分離層１−１０５０から図の上方へ向かう光は、ｐ偏光成分ＬＲＰとＬＧＰとであって「赤色波長域と緑色波長域の光が合成されて、図面に平行な方向に電場が振動する光束」となっている。この光を「第１の偏光成分」と呼ぶ。
偏光分離層１−１０５０から図の右方へ向かう光は、ｓ偏光成分ＬＲＳとＬＧＳとであって「赤色波長域と緑色波長域の光が合成されて、図面に直交する方向に電場が振動する光束」となっている。この光を「第２の偏光成分」と呼ぶ。
従って、第１の偏光成分と第２の偏光成分とは、偏光方向が互いに直交している。
換言すれば、偏光分離素子１−１０５の偏光分離層１−１０５０は、このような作用を実現するように構成されているのである。

図１（ａ）において、第２の偏光成分は、偏向手段としてのミラー１−１０６に入射して反射され、第１の偏光成分の進行方向に平行な方向に進行方向を変換される。ついで、進行方向を変換された第２偏光成分は、１／２波長板１−１０７を透過し、偏光面を９０度旋回されることにより偏光方向を第１の偏光成分の偏光方向と揃えられる。
このようにして、第１光源、第２光源からの光は、図１（ａ）の図面に平行な方向に電場が振動する「直線偏光の光束」として合成される。

図１（ｃ）に示す偏光照明装置は実施の態様の変形例である。繁雑を避けるため、混同の虞が無いと思われるものについては図１（ａ）と同一の符号を付した。
この実施の形態では、ｐ偏光成分ＬＲＰ、ＬＧＰの進行方向がミラー１−１０６により変換され、１／２波長板１−１０７により偏光面を９０度旋回される。このようにして、第１光源、第２光源からの光は「図面に直交する方向に電場が振動する直線偏光の光束」として合成される。

即ち、図１（ａ）、（ｃ）に実施の形態を示す偏光照明装置は、波長：λ１を主とする第１波長域（赤色波長域）を有する非偏光の光を射出する第１光源１−１０１、１−１０２と、波長：λ２(＜λ１)を主とする第２波長域（緑色波長域）を有する非偏光の光を射出する第２光源１−１０３、１−１０４と、第１光源からの光と第２光源からの光とを偏光変換して同一方向の偏光とし、略同一方向へ射出させる偏光変換光学系とを備えた偏光照明装置であって、偏光変換光学系は、第１光源からの光と、第２光源からの光が、互いに異なる方向（偏光分離素子の左側と下側）から、所定の角度：θ（＝４５度）で入射される偏光分離層１−１０５０を有する偏光分離素子１−１０５と、この偏光分離素子によって分離された光の一方の進行方向を、他方の進行方向に平行な方向に変換する偏向手段１−１０６と、偏光分離素子によって分離された光の一方の偏光方向を９０度回転させる１／２波長板１−１０７とを有し、偏光分離層１−１０５０は、第１光源からの光の反射成分と、第２光源からの光の透過成分が同じ偏光方向（ｐ偏光成分）の第１の偏光成分となり、第１光源からの光の透過成分と、第２光源からの光の反射成分が第１の偏光成分と直交する偏光方向（ｓ偏光成分）の第２の偏光成分となるように偏光分離を行う。

偏光分離層１−１０５０は、基板上に屈折率の異なる材料を積層した積層体が、１方向に微細周期構造をなし、構造複屈折を有するものであり、上述の如く、第１光源からの光の反射成分ＬＲＰと、第２光源からの光の透過成分ＬＧＰが同じ偏光方向の第１の偏光成分となり、第１光源からの光の透過成分ＬＲＳと、第２光源からの光の反射成分ＬＧＳが「第１の偏光成分と直交する偏光方向の第２の偏光成分」となるように偏光分離を行うものであるが、以下、偏光分離素子１−１０５について図２を参照して説明する。

図２（ａ）は、偏光分離素子１−１０５の構造と作用を模式的に表したものである。偏光分離素子１−１０５は平行平板状の透明基板２−１０１上に偏光分離層２−１０２（図１において符号１−１０５０で示した部分）が形成されたものである。第１光源からの光２−１０３は入射角：θで、図の斜め左上方から偏光分離層２−１０２へ入射し、ｐ偏光成分が反射して射出光２−１０４１になり、ｓ偏光成分が透過して射出光２−１０５１となる。
また、第２光源からの光２−１０６は、第１光源とは異なり、図の斜め左下側から入射角：θで偏光分離層２−１０２へ入射し、ｐ偏光成分が透過して射出光２−１０４２に、ｓ偏光成分が反射し射出光２−１０５２となる。このようにして、第１光源からの光と第２光源からの光は「色としては合成」され、偏光としては「ｐ偏光成分２−１０４１＋２−１０４２」と、「ｓ偏光成分２−１０５１＋２−１０５２」とに分離される。ｓ偏光成分・ｐ偏光成分の電場振動方向は、光２−１０３に関連して図中に矢印で示した通りである。

図２（ａ）において「入射面」は、偏光分離膜２−１０２に入射する入射光束２−１０３、２−１０６、透過光束２−１０４２、２−１０５１、反射光束２−１０４１、２−１０５２の中心光線により共有される平面である。

図２（ｂ）は、偏光分離素子１−１０５の断面構造を模式的に示している。
透明基板２−１０１上に形成された偏光分離層２−１０２は、図２（ｂ）右の拡大図に示すように、高屈折率：ｎ_Ｈを持つ高屈折率層（以下Ｈ層）２−２０１と低屈折率：ｎ_Ｌを持つ低屈折率層（以下Ｌ層）２−２０２を積層して積層体２−１０を形成するとともに、積層体間が平行な溝となって「微細周期構造」をなしている。

微細周期構造は、積層体２−１０と空隙２−２０３とがピッチ：ｐｔで周期的に形成された構造である。積層体２−１０の断面形状は、図２（ｂ）左図の図面に直交する方向へ同一である。

図２の例では「周期的に配列した積層体２−１０の間隙部２−２０３を「空隙」としているが、この部分に「透明材料を充填」しても良い。積層体２−１０の周期的配列方向の幅をピッチ：ｐｔと係数：ａとの積「ａ×ｐｔ」で表わすとき、係数：ａを「デューティ比」と呼ぶ。また、図２（ｂ）左図に示すように「偏光分離層２−１０２に入射する光について、微細周期構造の「周期方向（積層耐２−１０の配列方向、図２の左右方向）に垂直な偏光方向を持つ光」をＴＥ偏光、「周期方向に平行な偏光方向を持つ光」をＴＭ偏光と呼ぶ。

図２（ｂ）に示すような微細周期構造では、ピッチ：ｐｔが「光の波長よりも細かい周期（サブ波長周期）」であり、周期構造によって光の回折が生じないとき、微細周期構造を「実質的に有効屈折率で表される屈折率を有する均質な膜」として近似することが可能である。

この「有効屈折率」は、ＴＥ偏光、ＴＭ偏光それぞれに対して異なる値を取り、この現象は「構造複屈折」と呼ばれ広く知られている。微細周期構造を形成する材料の屈折率をｎ_１とすると、垂直入射光に対するＴＥ偏光の有効屈折率：ｎ_ＴＥおよび、ＴＭ偏光の有効屈折率：ｎ_ＴＭは、ピッチ：ｐｔが波長よりも十分短い（およそ０．２倍以下）とき、それぞれ下記のように近似的に表される。

ｎ_ＴＥ＝√｛ａ・ｎ_１ ^２＋（１−ａ）｝ （８）
ｎ_ＴＭ＝√［１/｛（ａ/ｎ_１ ^２）＋（１−ａ）｝］ （９）
図２（ｂ）に示すＨ層２−２０１のＴＥ偏光に対する有効屈折率：ｎ_ＨＴＥ、ＴＭ偏光に対する有効屈折率：ｎ_ＨＴＭは、上記（８）、（９）式におけるｎ_１をｎ_Ｈに、Ｌ層のＴＥ偏光に対する有効屈折率：ｎ_ＬＴＥ、ＴＭ偏光に対する有効屈折率：ｎ_ＬＴＭは上記（８）、（９）式においてｎ_１をｎ_Ｌに置き換えることで得ることができる。

（８）、（９）式は、ピッチ：ｐｔが「波長よりも十分短い」ときの近似式であるが、ピッチ：ｐｔが「波長に近い値のときの有効屈折率」はより複雑な式によって表されることになるが、その導出に関しては下記文献にその詳細が記載されている。
Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ ３６（７） １５６６
前述の式（１）〜（４）、（６）、（７）における有効屈折率：ｎ_ＴＥ、ｎ_ＴＭとして上記文献中の式から得られる値を用いることも可能である。

積層体および微細周期構造の構成と「偏光分離素子の配置方向（第１光源、第２光源からの光の入射方向と入射角：θが定まる）」によっては、図２（ａ）に示す機能（第１光源からの光のｐ偏光成分を反射し、ｓ偏光成分を透過させ、第２光源からの光のｐ偏光成分を透過させ、ｓ偏光成分を反射させる機能）を達成することが可能である。

図２（ｂ）の如き微細周期構造を形成するには、たとえば、基板上に高屈折率材料・低屈折率材料を必要な数だけ積層し、その後、フォトリソグラフィにより周期構造のパターンをパターニングし、空隙２−２０３の部分をエッチングで溝状に形成すればよい。

「偏光分離層の積層体の構成例」を図３（ａ）に示す。
この構成例は、ピッチ：ｐｔが５０ｎｍ、デューティ比：ａが０．６のときの構成となっている。高屈折率層Ｈは屈折率：２．２の材料、低屈折率層Ｌは屈折率：１．４５の材料、基板は屈折率：１．４５の透明ガラスとして設計を行った。屈折率：２．２は５酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）の屈折率と略等しく、屈折率：１．４５は酸化珪素（ＳｉＯ_２）の屈折率と略等しい。従って、実際には、これら「５酸化タンタルと酸化珪素の薄膜」の交互の積層により積層体を構成することができる。

図３（ａ）に示したように、積層体は「高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌがそれぞれ等しい膜厚：ｄＨ＝９５ｎｍ、ｄＬ＝１５５ｎｍで交互に積層された周期積層部２−３０１を有し、基板と高屈折率層Ｈ（第２層）との間に、これら両者間の屈折率整合を取るための整合層２−３０２が設けられ、最上層（第２４層）をなす高屈折率層Ｈと表面媒質（空気）との間に、これら両者間の屈折率整合を取るための整合層２−３０３が設けられている。
図２（ａ）では整合層２−３０２、２−３０３を「１層の低屈折率膜」で構成しているが、これらを「複数層として構成」してもよい。

積層体を構成する材料としては、様々なガラス材料、金属化合物、半導体材料、ポリマーなどを用いることが可能である。特にガラスや、金属酸化物、金属窒化物、金属フッ化物などが熱的、に安定で物理的強度が強く透過率も高いためより良い。

ここでは、積層体として、高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌの２種類の材料から成る例を示したが、３種類以上の材料を用いても良い。３種類以上の異なる屈折率材料を用いることによってより設計の自由度が増す。

図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）に即して説明した偏光分離素子に対し、微細周期構造の周期方向が「入射面と直交」するように設定し、入射角：θ＝４５度で、図２（ａ）の如く入射する光の透過および反射特性を「ＲＣＷＡ法」によってシミュレーションした。

このような設定では、上に述べた「ｓ偏光成分とＴＭ偏光成分が一致」し、「ｐ偏光成分とＴＥ偏光成分が一致」する。上記シミュレーション結果により得られた「分光透過特性」を図３（ｂ）に、「分光反射特性」を図３（ｃ）に示す。これらの図は説明図的な図であり、必ずしも正確なものではないが、定性的な傾向はこれらの図で十分に表現されている。）実線は「ｐ偏光に対する分光特性」、破線が「ｓ偏光に対する分光特性」を表している。

図３（ｂ）、（ｃ）に示すように、上述の偏光分離素子は「透過率」からすると、赤色の波長域（６００ｎｍ〜７００ｎｍ）においては「ｐ偏光成分が高い反射率の阻止帯域」となり、緑色の波長域（５００ｎｍ〜５６０ｎｍ）においては「ｓ偏光成分が高い反射率を持つ阻止帯域」となる。このような分光特性により、第１光源からの光はｐ偏光成分が高反射率で反射され、ｓ偏光成分は高透過率で透過する。また、第２光源からの光はｓ偏光成分が高反射率で反射され、ｐ偏光成分が高透過率で透過する。

従って、このような微細周期構造を持つ偏光分離素子を、図１（ａ）、（ｃ）における偏光分離素子１−１０５として用いることで、上記の如き偏光照明装置を実現することができる。

上に説明した偏光分離素子は、積層体を構成する材料の屈折率、各層の層厚、微細周期構造の周期：ｐｔ、デューティ比：ａなどを「独立した設計パラメータ」として用いることができ、光学多層膜に比べ自由な設計が可能である。

上述の偏光照明装置における、偏光分離素子１−１０５の配置方向としては、偏光分離素子１−１０５の偏光分離層に形成された微細周期構造の周期方向が、第１の光源からの光の中心光軸と、上記第２の光源からの中心光軸と、偏光分離素子によって透過または反射された光の光軸とが張る「入射面」に対して垂直となっていることが最も好ましい。

図３（ｂ）、（ｃ）では、このような「最も好ましい配置」、即ち「微細周期構造の周期方向が入射面と直交している」ときのｓ偏光成分・ｐ偏光成分の分光透過特性・分光反射特性が示されている。

これに対して、微細周期構造の周期方向が「入射面に対して平行」であるときの、ｓ偏光成分・ｐ偏光成分の分光透過特性と分光反射特性を図４（ａ）、（ｂ）に示す。図中「実線がｐ偏光成分」、「破線がｓ偏光成分」であり、ｓ偏光成分とＴＥ偏光が一致し、ｐ偏光成分とＴＭ偏光が一致している。図４(ａ)、（ｂ）から明らかなように、ｐ偏光成分では「反射率の高い領域」が非常に狭く、反射率も低い。

これは「斜入射光（説明中の例で、入射角：θ＝４５度である。）に対しては「光学薄膜の実効的な屈折率」がｐ偏光成分ではｓ偏光成分に対して小さい値になることに起因している（例えば「光学薄膜 Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ著 日刊工業新聞社刊行」参照）。

また、後述する（１０）式、（１１）式に示すように、ＴＭ偏光の屈折率はＴＥ偏光の屈折率よりも低い。

このように、「ＴＭ偏光とｐ偏光成分が一致するように偏光分離素子を配置」すると、ｐ偏光成分の実効的な屈折率が非常に小さい値となるため、高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌに「十分な屈折率差」を得ることが困難となり、阻止帯域における反射率の低下や「阻止帯域の狭帯域化」が起きる。このような現象は、偏光分離層における高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌの積層数を増やすことによって改善可能であるが、構造複雑となり素子の作製が困難となることは否めない。

また、図４（ｂ）に示すような「ｐ偏光成分の反射率低下」がある偏光分離素子を用いた偏光照明装置では、射出光における「偏光度（射出光全体の強度に対する所定偏光方向に揃った光の強度の割合）」が低下し偏光照明装置としての性能が低下する。
このような理由から、偏光分離素子の配設態位は、請求項２に記載のように「偏光分離層に形成された微細周期構造の周期方向が、第１光源からの光の中心光軸と第２光源からの中心光軸と、偏光分離層によって分離された光の中心光軸とを共有する入射面に対して直交する」ように、即ち、「微細周期構造の有効屈折率が大きいＴＥ偏光と、斜入射時の実効屈折率が小さいｐ偏光成分が一致し、有効屈折率が小さいＴＭ偏光と、斜入射時の実効屈折率が大きいｓ偏光成分が一致するような配置」を取ることが好ましい。

図３（ｂ）、（ｃ）で示される分光透過・反射特性のうち、高反射率となる波長域を「阻止帯域」と呼ぶ。ｓ偏光成分を反射する「ｓ偏光阻止帯域」の中心波長：λ_ｓ、ｐ偏光成分を反射する「ｐ偏光阻止帯域」の中心波長：λ_ｐはそれぞれ下式で与えられる。

λ_ｐ＝２（ｎ_ＨＴＥ・ｃｏｓθ_ＨＴＥ・ｄ_Ｈ＋ｎ_ＬＴＥ・ｃｏｓθ_ＬＴＥ・ｄ_Ｌ）
（１０）
λ_ｓ＝２（ｎ_ＨＴＭ・ｃｏｓθ_ＨＴＭ・ｄ_Ｈ＋ｎ_ＬＴＭ・ｃｏｓθ_ＬＴＭ・ｄ_Ｌ）
（１１）
即ち、（１０）、（１１）式は、前述の（１）、（２）式の左辺をλ_ｐ、λ_ｓで置き換えたものである。これら（１０）、（１１）式における「ｃｏｓθ_ｉ（ｉ＝ＨＴＥ、ＨＴＭ、ＬＴＥ、ＬＴＭの何れか）」は、前述の（５）式で与えられる。

従って、第１波長域（上に説明した例では「赤色波長域」）の主波長：λ１とλ_ｐ、第２波長域（実施例では「緑色波長域」）の主波長：λ２とλｓがそれぞれ一致するとき、第１波長域と第２波長域がそれぞれ、ｐ偏光阻止帯域、ｓ偏光阻止帯域と略一致し、効率的に高い反射率を得ることが出来る。
（８）、（９）、（１０）、（１１）、（５）式を用いて、図２（ａ）に示す膜構成における主波長：λ_ｐ、λ_ｓを求めると、それぞれ略６５２ｎｍ、略５２９ｎｍとなり、それぞれ赤色波長域の中心波長：λ１と緑色波長域の中心波長：λ２と略一致し、（１）、（２）式を満たす。

阻止帯域の上限波長：λ_ｐｍａｘ、λ_ｓｍａｘ、下限波長：λ_ｐｍｉｎ、λ_ｓｍｉｎは前述の「Ｈ．Ａ．Ｍａｃｌｅｏｄ著 光学薄膜」に示されているように以下の式で与えられる。

λ_ｐｍａｘ＝λ_ｐ/{１-(2/π)[{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)-(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}/{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)+(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}]} （１２）
λ_ｓｍａｘ＝λｓ/{１-(2/π)[{(ｎ_ＨＴＭ×ｃｏｓθ_ＨＴＭ)-(ｎ_ＬＴＭ×ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}/{(ｎ_ＨＴＭ×ｃｏｓθ_ＨＴＭ)+(ｎ_ＬＴＭ×ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}]} (１３)
λ_ｐｍｉｎ＝λ_ｐ/{１+(2/π)[{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)-(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}/{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)+(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}]} （１４）
λ_ｓｍｉｎ＝λ_ｓ/{１-(2/π)[{(ｎ_ＨＴＭ×ｃｏｓθ_ＨＴＭ)-(ｎ_ＬＴＭ×ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}/{(ｎ_ＨＴＭ×ｃｏｓθ_ＨＴＭ)+(ｎ_ＬＴＭ×ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}]} (１５)
λ１＜λ_ｓｍａｘでは、波長：λ１は「ｓ・ｐ偏光成分双方に対する阻止帯域」となり、波長：λ１に対する偏光特性が十分なものとならない。同様に、λ２＞λ_ｐｍｉｎでも偏光分離素子の性能が不十分となる。従って、偏光分離素子１−１０５の偏光分離層は、前述の（３）、（４）を満たすことが好ましい。

図３（ａ）に示す膜構成では、上限波長：λ_ｓｍａｘは略５６３ｎｍ、下限波長：λ_ｐｍｉｎは略６０５ｎｍであり、（３）、（４）を満たしている。
また、第１波長域、第２波長域はそれぞれ、ｐ偏光成分、ｓ偏光成分の阻止帯域内にあることが好ましい。

上に説明した実施の形態では、偏光分離素子へ入射する光の入射角：θ＝４５度としたが、これに限られるものではなく、上記と同様の機能を有する偏光分離素子を設計し実現することが可能である。

図１、図２に示した偏光分離素子１−１０５は、平行平板状の透明基板２−１０１の上に偏光分離層２−１０２が形成されているものであるが、偏光分離素子の形態は、このような平行平板状のものに限らず、請求項４に記載のように「プリズム状」になっていても良い。具体的な構成例を図５に示す。
なお、繁雑を避けるため、偏光分離層は一貫して符号２−１０２で示し、これを挟持する２個のプリズムを符号４−１０１、４−１０２で示す。

図５（ａ）は、偏光分離層２−１０２を、２個のプリズム４−１０１、４−１０２の長辺面部で挟持した構成のものである。同（ｂ）は、偏光分離層２−１０２を挟持する２つのプリズム４−１０１、４−１０２が直角プリズムである例である。同（ｃ）は、２個の「鈍角２等辺３角形状」の断面形状を持つ２個のプリズムで偏光分子層２−１０２を挟持した例、同（ｄ）は、多角柱形状の２個のプリズムで偏光分離層２−１０２を挟持した例である。

偏光分離層を構成する微細周期構造が空気中に露出していると、偏光照明装置の組み立て時の「他の部品との物理的接触や、埃・水分によるダメージ」を受けやすいが、図５に示す如く、２個のプリズム４−１０１、４−１０２で偏光分離層２−１０２を挟持することにより、偏光分離層２−１０２を「機械的外力や環境変化」に対して有効に保護することができ、偏光照明装置としての信頼性を高めることができる。

図５（ｂ）中に「光路の一部」を模式的に矢印によって示した。偏光分離素子が「プリズム状」であると、「中心光軸よりやや角度がついた入射光成分」も、プリズム内で全反射によって折り返されるので「偏光分離素子を通過する際の光の広がり」を抑えることができ、結果として光利用効率の低下を抑えることが可能となる。
なお、図５における他の符号の意味するとことは、図２（ａ）におけると同一である。

上に図１〜図３に即して説明した実施の形態において偏光分離素子１−１０５は、前述の如く図３（ｂ）、（ｃ）に示す如き分光特性を有している。
上に説明した実施の形態において、第１波長域は「赤色波長域（６００ｎｍ〜７００ｎｍ）」であり、第２波長域は「緑色波長域（５００ｎｍ〜５６０ｎｍ）であった。ここで、図３（ｂ）、（ｃ）を見ると、波長：４００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲の範囲の光（入射角：θ＝４５度）は偏光分離素子を「ｐ偏光成分・ｓ偏光成分を問わず、高い透過率を持って透過」している。

そこで、波長：λ３を主とする第３波長域として、４４０ｎｍ〜４８０ｎｍの「青色波長域」の非偏光の光を放射する第３光源を用い、この第３光源からの非偏光の光を、上の実施形態で用いた偏光分離素子１−１０５（以下「第１偏光分離素子」と呼ぶ。）とは異なる第２偏光分離素子によりｐ偏光成分とｓ偏光成分とに「透過光と反射光として偏光分離」し、このように分離されたｐ偏光成分を前記「第１の偏光成分」と合成し、ｓ偏光成分を前記「第２の偏光成分」と合成し、合成された一方の偏光成分を偏向手段により「他方の偏光成分と同方向」に偏向し、且つ、１／２波長板で、偏光面を９０度旋回させれば、赤色波長域・緑色波長域・青色波長域の「偏光方向が揃えられた照明光」を実現できる。

具体的な実施形態（特徴部分のみ模式的に示す。また、混同の虞が無いと思われるものについては図１におけると同一の符号を付した。）を図６に示す。

図６（ａ）に示す実施の形態は、図１（ａ）に示す構成に対して「第３光源」として、主たる波長：λ３が青色波長域にある青色光を放射するＬＥＤ５−１０１とテーパロッドインテグレータ５−１０２の組合せを加え、ＬＥＤ５−１０１から放射される青色波長域の光のうち、ｐ偏光成分を透過しｓ偏光成分を反射する偏光分離素子５−１０３、青色波長域の光を反射し、緑色波長域の光を透過する第２ダイクロイックミラー５−１０４を付加している。

また、図１（ａ）における偏光手段としてのミラー１−１０６が、「青色波長域の光を透過し、赤色波長域・緑色波長域の光を反射する第２ダイクロイックミラー５−１０５に変えられている。第２偏光分離素子５−１０３や第１ダイクロイックミラー５−１０４、第２ダイクロイックミラー５−１０５は、偏光分離機能を有する必要が無く、単に波長差により透過・反射を決定するものであるので、周知の「光学多層膜を有するダイクロイックミラー」を用いることができる。

ＬＥＤ４−１０１からの光は、テーパロッドインテグレータ１−１０２によって均一化されて発散角を規制され、第１偏光分離素子１−１０５によってｐ偏光成分ＬＲＰが反射され、第１偏光分離素子１−１０５を透過するｓ偏光成分ＬＲＳと分離する。透過したｓ偏光成分ＬＲＳは第２ダイクロイックミラー５−１０５によって光路を曲げられ、１／２波長板１−１０７によってｐ偏光に変換されて射出する。

ＬＥＤ１−１０３からの光は、テーパロッドインテグレータ１−１０４によって均一化されて発散角を規制され、第１ダイクロイックミラー５−１０４を透過した後に、第１偏光分離素子１−１０５によってｓ偏光成分ＬＧＳが反射され、第１偏光分離素子１−１０５を透過するｐ偏光成分ＬＧＰと分離する。第１偏光分離素子１−１０５により反射されたｓ偏光成分ＬＧＳは第２ダイクロイックミラー５−１０５によって光路を曲げられ、１／２波長板１−１０７によってｐ偏光に変換されて射出する。

ＬＥＤ５−１０１からの光は、テーパロッドインテグレータ５−１０２によって均一化されて発散角を規制され、第２偏光分離素子５−１０３によってｓ偏光成分ＬＢＳが反射され、第２偏光分離素子５−１０３を透過するｐ偏光成分ＬＢＰと分離する。第２偏光分離素子５−１０３により反射されたｓ偏光成分ＬＢＳは第２ダイクロイックミラー５−１０５を透過し、１／２波長板１−１０７によってｐ偏光に変換されて射出する。また、第２偏光分離素子５−１０３を透過したｐ偏光成分ＬＢＰは、第１ダイクロイックミラー５−１０４によって光路を変えられた後に、偏光分離素子１−１０５を透過し射出する。

即ち、図６（ａ）に実施の形態を示した辺個照明装置は、波長：λ１を主とする第１波長域を有する非偏光の光を射出する第１光源１−１０１、１−１０２と、波長：λ２（＜λ１）を主とする第２波長域を有する非偏光の光を射出する第２光源１−１０３、１−１０４と、波長：λ３（≠λ１、λ２）を主とする第３波長域を有する非偏光の光を射出する第３光源５−１０１、５−１０２と、これら第１ないし第３光源からの光を偏光変換して、同一偏光方向とし、略同一方向に射出させる偏光変換光学系とを備えた偏光照明装置であって、偏光変換光学系は、第１光源からの光と、第２光源からの光が、互いに異なる方向から所定の角度：θで入射するように偏光分離層を有する第１偏光分離素子１−１０５と、第３光源からの光を透過光と反射光として偏光分離する偏光分離層を有する第２偏光分離素子５−１０３と、第１偏光分離素子によって分離された光の一方と、第２偏光分離素子によって分離された光の一方とを合成して同一偏光方向の第１の合成光とする第１ダイクロイックミラー５−１０４と、第１偏光分離素子によって分離された他方の光と第２偏光分離素子によって分離された他方の光を合成して、第１の合成光と直交する偏光方向の第２の合成光とする第２ダイクロイックミラー５−１０５と、第１および第２の合成光のうちの一方の偏光方向を９０度回転させる１／２波長板１−１０７と、偏光変換された光の進行方向が略同一方向となるように揃える偏向手段５−１０５とを有し、第１偏光分離素子１−１０５の偏光分離層は、基板上に屈折率の異なる材料を積層した積層体が、１方向に微細周期構造をなし、構造複屈折を有し、第１光源からの光の反射成分と、第２光源からの光の透過成分が同じ偏光方向の第１の偏光成分となり、第１光源からの光の透過成分と、第２光源からの光の反射成分が第１の偏光成分と直交する偏光方向の第２の偏光成分となるように偏光分離を行い、第３光源からの光を透過させるものである。

即ち、この実施の形態では第２ダイクロイックミラー５−１０５が「偏向手段」を兼ねている。
ここで、第１偏光分離素子１−１０５が「第３波長域（上の例で「青色波長域」）の光を良好に透過させる条件」を説明する。

前述の如く、図２（ａ）、（ｂ）に即して説明した微細周期構造では、ｓ偏光成分に対する阻止帯域の最大波長：λ_ｓｍａｘおよび最小波長：λ_ｓｍｉｎ、ｐ偏光成分に対する阻止帯域の最大波長：λ_ｐｍａｘおよび最小波長：λ_ｐｍｉｎは、それぞれ（１２）、（１３）、（１４）、（１５）で与えられる。第３波長域の光が、第１偏光分離素子１−１０５を良く透過するためには、第３の波長域がｓ偏光成分の阻止帯域、ｐ偏光成分の阻止帯域の「どちらからも外れている」ことが必要である。

従って、第３の波長域の中心波長：λ３が、λ３＞λ_ｐｍａｘ、またはλ３＜λ_ｓｍｉｎのどちらかを満たせばよく、前述の（６）または（７）の何れかが満足されればよい。
図３（ａ）に示した膜構成では、波長：λ_ｓｍｉｎは略４９９ｎｍ、波長：λ３は略４６０ｎｍで（６）を満たす。

図６（ｂ）は、図６（ａ）の偏光照明装置の変形例を示す。
図６（ｂ）において、各ＬＥＤからの光の光路は図６（ａ）に示したものと略同じであるが、図６（ａ）における第１偏光分離素子１−１０５と第１ダイクロイックミラー５−１０４の機能が１つのクロスプリズム５−２０１に合体され、第２偏光分離素子５−１０３と第２ダイクロイックミラー５−１０５とがクロスプリズム５−２０２として合体されている。

図７（ａ）にクロスプリズム５−２０１の拡大図を示す。
クロスプリズム５−２０１は４つの直角三角柱プリズムＰ１〜Ｐ４を貼りあわせた構成になっている。図のように、直角三角柱プリズムのうち２つのプリズムＰ２、Ｐ４には１面に、偏光分離層５−３０１が形成されて「偏光分離素子の偏光分離層」をなし、他の２つのプリズムＰ１、Ｐ３には１面に「青色波長域の光を透過し、赤色および緑色波長域の光を反射する機能を持つ光学多層膜」によるダイクロイック層５−３０２が形成されて第１ダイクロイックミラーを構成している。

偏光分離層５−３０１は、図２（ａ）、（ｂ）、図３に即して説明した偏光分離層と全く同じものを用いることができる。４つの直角三角柱プリズムＰ１〜Ｐ４はそれぞれ、偏光分離層またはダイクロイック層が内側で向かい合うようにして、接着層５−３０３によって接着固定されている。

図７（ｂ）に、クロスプリズム５−２０２の拡大図を示す。
図７（ａ）に示したものと同じく、４個の直角三角柱プリズムＰ１〜Ｐ４が接着層５−４０３で接着されたものとなっている。プリズムのうち２つのプリズムＰ２、Ｐ４には１面に青色波長域の光に対してｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過させ、緑色・赤色波長域に対しては偏光に拘わらず透過させる偏光分離層５−４０２が形成されており、他の２つのプリズムＰ１、Ｐ３には「１面に青色波長域の光を透過し、赤色緑色波長域の光の反射する機能を持った光学多層膜」によるダイクロイック層５−４０１が形成され、それぞれの層内側で向かい合うようにして接着層５−４０３によって接着されている。クロスプリズム５−２０２は「偏向手段」を兼ねている。

図８に「透過型画像表意装置であるプロジェクタ」の実施の形態を要部のみ模式的に示す。偏光照明装置の部分は、図６（ａ）に示したものと同じである。この偏光照明装置から射出する照明光は、赤色波長域・緑色波長域・青色波長域の光が合成され、かつ、偏光状態を「同一方向の直線偏光状態」に揃えられている。

この照明光は、偏光ビームスプリッタ６−１０１により反射型液晶素子６−１０２へ入射する。反射型液晶素子６−１０２に表示された像に応じて「偏光面を旋回」された画像光は偏光ビームスプリッタ６−１０１を透過し、投影光学系６−１０３によって所望の位置に拡大投影される。ＬＥＤ１−１０１、ＬＥＤ１−１０３、ＬＥＤ５−１０１は「時分割でそれぞれが順番に点等する」ようになっており、反射型液晶素子６−１０２に表示される像は各ＬＥＤの点滅に同期して赤色成分画像・緑色成分画像・青色成分画像に循環的に変化する。このようにして「フィールドシーケンシャル方式」でフルカラー画像が表示される。

投影光学系６−１０３は、一般に「複数のレンズから成るもの」が用いられるが、一部にミラーが用いたものや「複数のミラーのみからなる反射型の投影光学系」を用いることもできる。

上述の実施の形態では、第１光源として「赤色波長域の光を射出するＬＥＤ」、第２光源として「緑色波長域の光を射出するＬＥＤ」、第３光源として「青色波長域の光を射出するＬＥＤ」としたが、これら光源の波長域は異なる組合せでも良い。例えば、第１光源として「緑色の波長域の光（主波長：λ１）」を射出するＬＥＤ、第２光源として「青色の波長域の光（主波長：λ２）」を射出するＬＥＤ、第３光源として「赤色の波長域の光（主波長：λ３）」を射出するＬＥＤを用いても良い。

偏光照明装置の実施の形態を２例説明するための図である。 図１における偏光分離素子を説明するための図である。 偏光分離素子の具体例の特性を説明するための図である。 偏光分離素子の具体例の特性を説明するための図である。 偏光分離素子の変形例を４例示す図である。 請求項５の偏光照明装置の実施の形態を２例説明するための図である。 図６のクロスプリズムを説明するための図である。 投射型画像表示装置の実施の１形態を説明するための図である。

符号の説明

１−１０１ ＬＥＤ
１−１０２ テーパロッドインテグレータ
１−１０５ 偏光分離素子
１−１０５０ 偏光分離層
１−１０６ 偏向手段としてのミラー
１−１０７ １／２波長板
ＬＲＰ、ＬＧＰ ｐ偏光成分
ＬＲＳ、ＬＧＳ ｓ偏光成分

Claims (9)

1. 波長：λ１を主とする第１波長域を有する非偏光の光を射出する第１光源と、
   波長：λ２(＜λ１)を主とする第２波長域を有する非偏光の光を射出する第２光源と、
   上記第１光源からの光と上記第２光源からの光とを偏光変換して同一方向の偏光とし、略同一方向へ射出させる偏光変換光学系とを備えた偏光照明装置であって、
   上記偏光変換光学系は、上記第１光源からの光と、上記第２光源からの光が、互いに異なる方向から、所定の角度：θで入射される偏光分離層を有する偏光分離素子と、この偏光分離素子によって分離された光の一方の進行方向を、他方の進行方向に平行な方向に変換する偏向手段と、上記偏光分離素子によって分離された光の一方の偏光方向を９０度回転させる１／２波長板とを有し、
   上記偏光分離層は、基板上に屈折率の異なる材料を積層した積層体が、１方向に微細周期構造をなし、構造複屈折を有するものであり、上記第１光源からの光の反射成分と、第２光源からの光の透過成分が同じ偏光方向の第１の偏光成分となり、上記第１光源からの光の透過成分と、第２光源からの光の反射成分が上記第１の偏光成分と直交する偏光方向の第２の偏光成分となるように偏光分離を行うことを特徴とする偏光照明装置。
2. 請求項１記載の偏光照明装置において、
   偏光分離層に形成された微細周期構造の周期方向が、第１光源からの光の中心光軸と第２光源からの中心光軸と、上記偏光分離層によって分離された光の中心光軸とを共有する入射面に対して直交するように、偏光分離素子の配置が定められていることを特徴とする偏光照明装置。
3. 請求項１または２記載の偏光照明装置において、
   偏光分離層の積層体が、厚さ：ｄ_Ｈの高屈折率材料層と、厚さ：ｄ_Ｌの低屈折率材料層とを交互に所定層数に積層した周期積層部を有し、
   ｉをＨＴＥ、ＨＴＭ、ＬＴＥ、ＬＴＭの何れか、上記偏光分離層への入射光の中心入射角をθ、入射側媒質の屈折率をｎ_０として、
   ｃｏｓθ_ｉ＝√［１−｛（ｎ_０・ｓｉｎθ）／ｎ_ｉ｝^２］ （５）
   で定義されるθ_ｉ、波長：λ１、λ２、上記厚さ：ｄ_Ｈ、ｄ_Ｌ、微細周期構造の周期方向に直交する偏光方向の光に対する高屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＨＴＥ、上記偏光方向の光に対する低屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＬＴＥ、上記微細周期構造の周期方向に平行な偏光方向を有する光に対する高屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＨＴＭ、低屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＬＴＭが、
   λ１＝２（ｎ_ＨＴＥ・ｃｏｓθ_ＨＴＥ・ｄ_Ｈ＋ｎ_ＬＴＥ・ｃｏｓθ_ＬＴＥ・ｄ_Ｌ）
   （１）
   λ２＝２（ｎ_ＨＴＭ・ｃｏｓθ_ＨＴＭ・ｄ_Ｈ＋ｎ_ＬＴＭ・ｃｏｓθ_ＬＴＭ・ｄ_Ｌ）
   （２）
   λ２＜λ１／{１＋(２/π)［{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)−(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}/{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)＋(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}］} （３）
   λ１＞λ２／{１−(２/π)［{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)−(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}/{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)＋(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}］} （４）
   を満足することを特徴とする偏光照明装置。
4. 請求項１〜３の任意の１に記載の偏光照明装置において、
   偏光分離素子が、偏光分離層が２つの透明部材によって挟まれたプリズム形状をしていることを特徴とする偏光照明装置。
5. 波長：λ１を主とする第１波長域を有する非偏光の光を射出する第１光源と、波長：λ２（＜λ１）を主とする第２波長域を有する非偏光の光を射出する第２光源と、波長：λ３（≠λ１、λ２）を主とする第３波長域を有する非偏光の光を射出する第３光源と、これら第１ないし第３光源からの光を偏光変換して、同一偏光方向とし、略同一方向に射出させる偏光変換光学系とを備えた偏光照明装置であって、
   上記偏光変換光学系は、第１光源からの光と、第２光源からの光が、互いに異なる方向から所定の角度：θで入射するように偏光分離層を有する第１偏光分離素子と、第３光源からの光を透過光と反射光として偏光分離する偏光分離層を有する第２偏光分離素子と、上記第１偏光分離素子によって分離された光の一方と、上記第２偏光分離素子によって分離された光の一方とを合成して同一偏光方向の第１の合成光とする第１ダイクロイックミラーと、上記第１偏光分離素子によって分離された他方の光と第２偏光分離素子によって分離された他方の光を合成して、上記第１の合成光と直交する偏光方向の第２の合成光とする第２ダイクロイックミラーと、上記第１および第２の合成光のうちの一方の偏光方向を９０度回転させる１／２波長板と、偏光変換された光の進行方向が略同一方向となるように揃える偏向手段とを有し、
   上記第１偏光分離素子の上記偏光分離層は、基板上に屈折率の異なる材料を積層した積層体が、１方向に微細周期構造をなし、構造複屈折を有し、上記第１光源からの光の反射成分と、第２光源からの光の透過成分が同じ偏光方向の第１の偏光成分となり、上記第１光源からの光の透過成分と、第２光源からの光の反射成分が上記第１の偏光成分と直交する偏光方向の第２の偏光成分となるように偏光分離を行い、上記第３光源からの光を透過させるものであることを特徴とする偏光照明装置。
6. 請求項５記載の偏光照明装置において、
   第１偏光分離素子は、偏光分離層の積層体が、厚さ：ｄ_Ｈの高屈折率材料層と、厚さ：ｄ_Ｌの低屈折率材料層とを交互に所定層数に積層した周期積層部を有し、
   ｉをＨＴＥ、ＨＴＭ、ＬＴＥ、ＬＴＭの何れか、上記偏光分離層への入射光の中心入射角をθ、入射側媒質の屈折率をｎ_０として、
   ｃｏｓθ_ｉ＝√［１−｛（ｎ_０・ｓｉｎθ）／ｎ_ｉ｝^２］ （５）
   で定義されるθ_ｉ、波長：λ１、λ２、上記厚さ：ｄ_Ｈ、ｄ_Ｌ、微細周期構造の周期方向に直交する偏光方向の光に対する高屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＨＴＥ、上記偏光方向の光に対する低屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＬＴＥ、上記微細周期構造の周期方向に平行な偏光方向を有する光に対する高屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＨＴＭ、低屈折率材料層の有効屈折率：ｎ_ＬＴＭが、
   λ１＝２（ｎ_ＨＴＥ・ｃｏｓθ_ＨＴＥ・ｄ_Ｈ＋ｎ_ＬＴＥ・ｃｏｓθ_ＬＴＥ・ｄ_Ｌ）
   （１）
   λ２＝２（ｎ_ＨＴＭ・ｃｏｓθ_ＨＴＭ・ｄ_Ｈ＋ｎ_ＬＴＭ・ｃｏｓθ_ＬＴＭ・ｄ_Ｌ）
   （２）
   λ２＜λ１／{１＋(２/π)［{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)−(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}/{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)＋(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}］} （３）
   λ１＞λ２／{１−(２/π)［{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)−(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}/{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)＋(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}］} （４）
   を満足し、且つ、波長：λ３に対して、
   λ３＜λ２／{１＋(２/π)［{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)−(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}/{(ｎ_ＨＴＥ/ｃｏｓθ_ＨＴＥ)＋(ｎ_ＬＴＥ/ｃｏｓθ_ＬＴＥ)}］} （６）
   または、
   λ３＞λ１／{１−(２/π)［{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)−(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}/{(ｎ_ＨＴＭ/ｃｏｓθ_ＨＴＭ)＋(ｎ_ＬＴＭ/ｃｏｓθ_ＬＴＭ)}］} （７）
   を満足することを特徴とする偏光照明装置。
7. 請求項１〜６の任意の１に記載の偏光照明装置において、
   波長：λ１、λ２、λ３の組合せが、赤色、緑色、青色に対応する波長域の組合せであることを特徴とする偏光照明装置。
8. 請求項１〜７の任意の１に記載の偏光照明装置において、
   各光源がＬＥＤ光源であることを特徴とする偏光照明装置。
9. 投射表示すべき画像に対応する像を空間光変調器に表示し、表示された像を照明装置による照明光により照明し、上記像により変調された光を投射光学系により拡大投射して画像表示を行う投射型画像表示装置において、
   照明装置として、請求項１〜８の任意の１に記載の偏光照明装置を用いることを特徴とする投射型画像表示装置。

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