JP5230129B2 - 波長選択性偏光変換素子、照明光学系、光学ユニット及び画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射した光から偏光方向及び波長領域が異なる２つの光成分を生成する波長選択性偏光変換素子及びこれを備えた照明光学系、光学ユニット及び画像投射装置に関する。

いわゆる３板式のプロジェクタ（画像投射装置）では、光源からの白色光を３つの色光成分（例えば、赤光成分、緑光成分及び青光成分）に色分解して３つの液晶パネル等の画像形成素子に導く。

３板式プロジェクタにおいて、色分解光学系での色分解を可能とするために、光源からの白色無偏光光を偏光方向が互いに異なる２つの波長成分（例えば、緑のＰ偏光と、赤及び青のＳ偏光）を生成する照明光学系を有するものが、特許文献１に開示されている。この照明光学系では、光源からの白色無偏光光を、偏光プリズムの偏光分離面で赤及び緑のＳ偏光と青のＰ偏光とに分離し、さらに１／２波長板で青のＰ偏光をＳ偏光に変換する。そして、赤、緑及び青のＳ偏光は偏光変換ダイクロイックミラーに入射し、ここで緑のＳ偏光のみがＰ偏光に変換されて、緑のＰ偏光と赤及び青のＳ偏光が色分解光学系に向かう。

偏光変換ダイクロイックミラーは、光入射側から順に、ダイクロイック面と１／４波長板とミラー面とを有する。ダイクロイック面は、緑のＳ偏光を透過させるとともに赤及び青のＳ偏光を反射する。１／４波長板は、ダイクロイック面を透過した緑のＳ偏光がミラー面での反射の前後でこれを２回通過することで、該緑のＳ偏光をＰ偏光に変換する。これにより、偏光変換ダイクロイックミラーから、緑のＰ偏光と赤及び青のＳ偏光が射出する。
特開２０００−９９３３号公報

しかしながら、特許文献１にて開示された照明光学系では、偏光変換ダイクロイックミラーに入射する赤光成分、緑光成分及び青光成分を、予め偏光プリズムと１／２波長板によってすべてＳ偏光に揃えておく必要がある。このように偏光プリズムと１／２波長板を介して偏光変換ダイクロイックミラーに導くことにより、光源からの光の利用効率が低下する。また、光源からの光が偏光プリズムと偏光変換ダイクロイックミラーで反射する構成であるため、照明光学系の設計自由度が制限されるとともに大型化し易い。

本発明は、光の利用効率の低下を抑えつつ、コンパクトな構成で、無偏光光から偏光方向及び波長領域が異なる複数の光成分を生成できるようにした波長選択性偏光変換素子及びこれを備えた照明光学系、光学ユニット及び画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての波長選択性偏光変換素子は、光入射面と該光入射面に平行な光射出面を有する波長選択性偏光変換素子であって、光入射方向に対して４５度傾いており、該光入射方向に垂直な方向に複数配置され、入射した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する偏光分離面と、前記光入射方向に垂直な方向に、前記偏光分離面と交互に、且つ、前記偏光分離面と平行に複数配置され、前記偏光分離面により反射されたＳ偏光を反射させる反射膜と、前記光射出面に配置され、前記偏光分離面を透過したＰ偏光と前記反射膜により反射されたＳ偏光のうち、一方の偏光成分の偏光方向を他方の偏光成分の偏光方向に一致させる複数の位相板と、前記複数の偏光分離面と前記複数の位相板との間に、前記光入射方向に対して４５度傾いて配置され、前記偏光分離面を透過したＰ偏光を互いに異なる２つの波長領域成分に分離する第１のダイクロイック面と、前記複数の偏光分離面と前記複数の位相板との間に、前記光入射方向に対して４５度傾いて配置され、前記反射面を反射したＳ偏光を互いに異なる２つの波長領域成分に分離する第２のダイクロイック面を有する波長選択性偏光変換素子であって、前記波長選択性偏光変換素子は、前記偏光分離面と前記第２のダイクロイック面とが、ガラス基板の同一面上であって、該ガラス基板の面に平行な方向に交互に形成された第１のガラス基板と、前記反射面と前記第１のダイクロイック面とが、ガラス基板の同一面上であって、該ガラス基板の面に平行な方向に交互に形成された第２のガラス基板とを、前記第１のダイクロイック面と前記第２のダイクロイック面の位置が、前記ガラス基板に垂直な方向から見て半ピッチずれるように重ね合わせることにより構成されていることを特徴とする。

また、本発明の他の側面としての照明光学系は、光源からの光を複数の光束に分割するレンズアレイと、該レンズアレイからの複数の光束が入射する上記波長選択性偏光変換素子と、該波長選択性偏光変換素子からの複数の光束を被照明面上にて重ね合わせるコンデンサーレンズとを有することを特徴とする。

また、上記照明光学系と、該照明光学系からの互いに偏光方向が異なる２つの波長領域成分を互いに波長が異なる３つの光成分に分離して３つの画像形成素子に導き、該３つの画像形成素子からの前記３つの光成分を合成する色分解合成光学系と、該色分解合成光学系からの合成光を投射する投射光学系とを有することを特徴とする光学ユニットも本発明の他の側面を構成する。

さらに、上記光学ユニットを有する画像投射装置及び画像投射装置と画像供給装置とを有する画像表示システムも本発明の他の側面を構成する。

本発明によれば、コンパクトな構成でありながらも、光を効率良く利用でき、無偏光光から互いに偏光方向が異なる２つの波長領域成分を生成できる波長選択性偏光変換素子を実現できる。このため、この波長選択性偏光変換素子を用いた照明光学系、光学ユニット及び画像投射装置によって、光源からの光を効率良く利用した明るい画像を投射することができる。

以下、本発明の好ましい実施例について図面を参照しながら説明する。

まず、図１８には、後述する実施例１の波長選択性偏光変換素子（以下、ダイクロイック偏光変換アレイ）を用いるプロジェクタ（画像投射装置）の光学ユニットの構成を示している。なお、以下の説明において、Ｒは赤（赤色光）、Ｇは緑（緑色光）、Ｂは青（青色光）を意味する。赤色光、緑色光、青色光それぞれは、第１色光、第２色光、第３色光と表現してもよい。

１０１は、白色（ほぼ白色）の無偏光状態の光束（無偏光光）を発する超高圧水銀放電管等の光源、１０２は光源１０１からの光束を平行光束化するリフレクタである。光源１０１及びリフレクタ１０２は、光源ランプとして一体で光学ユニットに対して交換可能であり、それ自体は光学ユニットを構成しない。

１０３は第１のレンズアレイ、１０４は第２のレンズアレイ、１０６は波長選択性偏光変換素子としてのダイクロイック偏光変換アレイである。１０７は集光光学系としてのコンデンサーレンズである。第１のレンズアレイ１０３〜コンデンサーレンズ１０７により照明光学系が構成される。

１１７はダイクロイックミラーである。１０８はＲＢ用偏光ビームスプリッタ（以下、ＲＢ用ＰＢＳという）、１０９はＧ用偏光ビームスプリッタ（以下、Ｇ用ＰＢＳという）である。１１０，１１１，１１２はそれぞれ、Ｇ，Ｒ，Ｂ用の反射型画像形成素子であり、反射型液晶表示素子により構成されている。なお、本実施例では、液晶表示素子を画像形成素子として用いる場合について説明するが、ＤＭＤ（デジタルマイクロミラーデバイス）を画像形成素子として用いてもよい。

画像形成素子１１０〜１１２は、駆動回路１５０に接続されている。駆動回路１５０には、パーソナルコンピュータ、ＤＶＤプレーヤ、テレビチューナ等の画像供給装置１６０が接続されている。画像供給装置１６０からの画像信号が入力された駆動回路１５０は、該画像信号に応じて各画像形成素子を駆動し、各色用の原画を形成させる。画像供給装置１６０とプロジェクタとにより画像表示システムが構成される。

１１３，１１４，１１５はそれぞれ、Ｇ，Ｒ，Ｂ用の１／２位相板である。１１６は色合成プリズムである。１１８投射レンズである。

光源１０１からリフレクタ１０２を介して照明光学系に入射した白色無偏光光は、第１のフライアイレンズ１０３によって複数の光束に分割される。該複数の光束は、第２のフライアイレンズ１０４を介してダイクロイック偏光変換アレイ１０６に入射する。

ダイクロイック偏光変換アレイ１０６は、第１のレンズアレイ１０３で集光される光束の集光位置又はその近傍に配置されている。

ダイクロイック偏光変換アレイ１０６は、本実施例では、入射した白色無偏光光から、ＲのＰ偏光（Ｒｐ）とＢＧのＳ偏光（ＢＧｓ）とからなる偏光方向が異なる２つの波長領域成分（２つの光成分）を生成して射出する。ダイクロイック偏光変換アレイ１０６の詳しい構成及び光学作用については後述する。

ダイクロイック偏光変換アレイ１０６から射出した複数の光束は、コンデンサーレンズ１０７を介してダイクロイックミラー１１７に向かう。コンデンサーレンズ１０７は、該複数の光束を、被照明面としての３つの画像形成素子１１０〜１１２上にて重ね合わせる役割を有する。

ダイクロイックミラー１１７は、コンデンサーレンズ１０７からの光のうちＧ光（Ｇｓ）を透過して、Ｒ光（Ｒｐ）及びＢ光（Ｂｓ）を反射することで、これらＧ光とＲ光及びＢ光を分離する。

ただし、ダイクロイック偏光変換アレイ１０６のうち後述するダイクロイック膜（ダイクロイック面）と偏光分離膜（偏光分離面）とは、実際には、図１８のダイクロイックミラー１１７の面に対して光軸ＡＸＬに対して９０°ねじれた関係を有する。これによりダイクロイックミラーに対しては各色光の偏光状態が入れ替わる。つまり、ダイクロイックミラー１１７に入射した光は、ＧのＰ偏光（Ｇｐ）と、ＲのＳ偏光（Ｒｓ）及びＢのＰ偏光（Ｂｐ）とに分離される。Ｇ光は、Ｇ用ＰＢＳ１０９を透過し、１／２位相板１１３を通過してＧ用画像形成素子１１０に入射する。Ｇ用画像形成素子１１０にて原画に応じて変調及び反射されたＧ光は、１／２位相板１１３を再度通過してＳ偏光としてＧ用ＰＢＳ１０９に入射し、該Ｇ用ＰＢＳ１０９で反射して色合成プリズム１１６に導かれる。

また、ダイクロイックミラー１１７で反射したＲ光は、ＲＢ用ＰＢＳ１０８で反射し、１／２位相板１１４を通過してＲ用画像形成素子１１１に入射する。Ｒ用画像形成素子１１１にて原画に応じて変調及び反射されたＲ光は、１／２位相板１１４を再度通過してＰ偏光としてＲＢ用ＰＢＳ１０８に入射し、該ＲＢ用ＰＢＳ１０８を透過して色合成プリズム１１６に入射する。

ダイクロイックミラー１１７で反射したＢ光は、ＲＢ用ＰＢＳ１０８を透過し、１／２位相板１１５を通過してＢ用画像形成素子１１２に入射する。Ｂ用画像形成素子１１２にて原画に応じて変調及び反射されたＢ光は、１／２位相板１１５を再度通過してＳ偏光としてＲＢ用ＰＢＳ１０８に入射し、該ＲＢ用ＰＢＳ１０８で反射して色合成プリズム１１６に導かれる。

色合成プリズム１１６は、入射したＧ光を反射し、Ｒ光及びＢ光を透過することでこれらを合成し、投射レンズ（投射光学系）１１８に向けて射出する。投射レンズ１１８は、該合成光を不図示のスクリーン等の被投射面に投射する。なお、ダイクロイックミラー１１７から色合成プリズム１１６までの光学素子によって色分解合成光学系が構成される。

このように、ダイクロイック偏光変換アレイ１０６と、ダイクロイックミラー１１７と、ＲＢ用ＰＢＳ１０８とによって、光源１０１からの白色無偏光光（白色の無偏光状態の光束）を波長領域及び偏光方向が異なる３つの光成分に分離することができる。
（参考例１）
図１には、上記光学ユニットにて用いられているダイクロイック偏光変換アレイ１０６の構成を示している。

図中の１は偏光分離アレイ部（第１の素子部）であり、２はダイクロイックアレイ部（第２の素子部）である。３はダイクロイックアレイ部２の射出面側に設けられた１／２位相板であり、４は偏光分離アレイ部１の入射面側に設けられた遮光マスクである。なお、図には、偏光分離アレイ部１とダイクロイックアレイ部２とが分離された状態で示されているが、実際にはこれらは接着等によって一体化されて１つの素子として取り扱われる。本参考例のダイクロイック偏光変換アレイ１０６は、光入射側から順に、偏光分離膜（偏光分離面）１３、ダイクロイック膜（ダイクロイック面）２３及び１／２位相板（１／２波長板）３が配置されたダイクロイック偏光変換アレイである。

ここで、偏光分離膜１３、ダイクロイック膜２３及び１／２位相板３は、光入射方向（図中の左側から右側）に直交する方向（第１の方向、図中の上下方向）に沿って複数個ずつ配置されている。また、偏光分離膜１３、ダイクロイック膜２３それぞれは、光入射方向に対しても、光入射方向に直交する方向に対しても傾いて（４５度傾いて）配置されている。１／２位相板３は、光入射方向と直交するように（光入射方向と直交する方向に対して平行に）配置されている。

また、偏光分離面、ダイクロイック面は、膜構造に限らず微細な周期構造体によって構成されていても構わないし、その他の構成であっても構わない。また、１／２位相板は、板状の素子では無く、膜でも（単層膜でも多層膜でも）構わないし、微細な周期構造体によって構成されていても構わない。

偏光分離アレイ部１は、入射面１１と該入射面１１に平行な射出面１２とを有する。入射面１１と射出面１２との間には、それぞれ入射面１１に対して４５°の角度をなす複数の偏光分離膜１３と複数の反射膜（反射面）１４が光入射方向に対して直交する方向（第１の方向）に交互に、かつ互いに平行に設けられている。入射面１１のうち複数の偏光分離膜１３に入射する光が通る複数のスリット状の開口領域Ｃ以外の各領域には、遮光マスク４が貼り付けられている。ここで、遮光マスク４は、前述の１／２位相板と同様に、光入射方向に直交する方向に沿って複数個配置されている。更に、これらの遮光マスク４はそれぞれ、光入射方向に直交する方向に対して平行に配置されている。

ダイクロイックアレイ部２は、入射面２１と該入射面２１に平行な射出面２２とを有する。入射面２１と射出面２２との間には、入射面２１に対して４５°の角度をなす複数のダイクロイック膜２３が、光入射方向に対して直交する方向に複数設けられている。射出面２２には、複数のダイクロイック膜２３を透過した光が射出する複数のスリット状の開口領域Ｄと、複数のダイクロイック膜２３で反射した光が射出する複数のスリット状の開口領域Ｅとがあり、各開口領域Ｅには１／２位相板３が貼り付けられている。この構成により、複数のダイクロイック膜２３は、複数の偏光分離膜１３と複数の位相板３との間に配置される。

偏光分離アレイ部１における偏光分離膜１３と反射膜１４間のピッチｂと、ダイクロイックアレイ部２におけるダイクロイック膜２３間のピッチａは互いに等しい。そして、偏光分離アレイ部１の射出面１２のうち偏光分離膜１３を透過した光が射出するスリット状の開口領域Ｂと、ダイクロイックアレイ部２の入射面２１におけるこの光が入射するスリット状の開口領域Ａとは、互いに対向するように近接している。また、偏光分離アレイ部１の射出面１２のうち偏光分離膜１３で反射し、さらに反射膜１４で反射した光が射出するスリット状の開口領域Ｆと、ダイクロイックアレイ部２の入射面２１におけるこの光が入射するスリット状の開口領域Ｈも、互いに対向するように近接している。

偏光分離アレイ部１の偏光分離膜１３は、入射した光を互いに異なる偏光方向を有する２つの偏光成分に分離する機能を有する。具体的には、偏光分離膜１３は、入射した光のうちＰ偏光を透過して、Ｓ偏光を反射する特性を有する。このため、反射膜１４は、Ｓ偏光を反射することになる。

また、ダイクロイックアレイ部２のダイクロイック膜２３は、入射した光を互いに異なる２つの波長領域成分に分離する。具体的には、ダイクロイック膜２３は、図５に示すように、入射した光のうちＲ光を透過し、ＢとＧの光を反射する特性を有する。

１／２位相板３は、各偏光分離膜１３からの２つの偏光成分のうち一方の偏光成分の偏光方向を他方の偏光成分の偏光方向に一致させる。本参考例では、１／２位相板３は、スリット開口領域Ｅの長手方向に対して４５°の方向に進相軸を傾けて設けられている。これにより、１／２位相板３は、Ｐ偏光として入射した光の偏光方向を９０度回転させてＳ偏光として射出し、Ｓ偏光として入射した光の偏光方向を９０度回転させてＰ偏光として射出する。

次に、図２〜図４を用いてダイクロイック偏光変換アレイ１０６の光学作用について説明する。

図２において、Ｗｎは白色無偏光光を示す。白色無偏光光Ｗｎは、まず偏光分離アレイ部１の偏光分離膜１３でＰ偏光の白色光ＷｐとＳ偏光の白色光Ｗｓとに分離される。偏光分離膜１３を透過したＰ偏光の白色光Ｗｐは、偏光分離アレイ部１の射出面１２の開口領域Ｂから射出する。一方、偏光分離膜１３で反射したＳ偏光の白色光Ｗｓは反射膜１４で反射して、Ｐ偏光の白色光Ｗｐと同方向に向かい、該Ｐ偏光の白色光Ｗｐが射出した開口領域Ｂの隣の開口領域Ｆから射出する。

図３において、Ｐ偏光の白色光Ｗｐは、ダイクロイックアレイ部２にその入射面２１における開口領域Ａから入射し、ダイクロイック膜２３でＰ偏光の赤光ＲｐとＰ偏光の青緑光ＢＧｐとに分離される。ダイクロイック膜２３を透過したＰ偏光の赤光Ｒｐは、ダイクロイックアレイ部２の射出面２２における開口領域Ｄから射出する。一方、ダイクロイック膜２３で反射したＰ偏光の青緑光ＢＧｐは、その隣のダイクロイック膜２３で反射してＰ偏光の赤光Ｒｐと同方向に向かう。そして、ダイクロイックアレイ部２の射出面２２におけるＰ偏光の赤光Ｒｐが射出した開口領域Ｄの隣の開口領域Ｅから射出し、１／２位相板３を透過することでＳ偏光の青緑光ＢＧｓとなる。

また、図４に示すように、Ｓ偏光の白色光Ｗｓは、Ｐ偏光の白色光Ｗｐとは異なる開口領域Ｈからダイクロイックアレイ部２に入射する。そして、ダイクロイック膜２３でＳ偏光の赤光ＲｓとＳ偏光の青緑光ＢＧｓとに分離される。ダイクロイック膜２３を透過したＳ偏光の赤光Ｒｓは、ダイクロイックアレイ部の射出面２２の開口領域Ｅから射出し、１／２位相板３を透過することでＰ偏光の赤光Ｒｐとなる。ダイクロイック膜２３で反射したＳ偏光の青緑光ＢＧｓは、その隣のダイクロイック膜２３で反射してＳ偏光の赤光Ｒｓと同方向に向かい、該赤光Ｒｓが射出する開口領域Ｅの隣の開口領域Ｄから射出する。

以上の図２〜４で説明したように、Ｓ偏光の青色光（第１色光）とＳ偏光の緑色光（第２色光）とＰ偏光の赤色光（第３色光）とを１つの光束（第１光束）として開口領域Ｄを通過する。その結果、それぞれの色光は、開口領域Ｄを通過する前の偏光状態を保ったまま（第１光束として合成された際の偏光状態を保ったまま）で、この波長選択性偏光変換素子から射出する。

次に、１／２位相板３が配置された開口領域Ｅには、Ｐ偏光の青色光（第１色光）とＰ偏光の緑色光（第２色光）とＳ偏光の赤色光（第３色光）とが一つの光束（第２光束）として入射する。その結果、これらの色光は１／２位相板の作用によって偏光方向が９０度回転させられて、Ｓ偏光の青色光（第１色光）とＳ偏光の緑色光（第２色光）とＰ偏光の赤色光（第３色光）に変換されて、波長選択性偏光変換素子から射出する。すなわち、開口領域Ｄ及びＥを通過する直前の段階で、開口領域Ｄを通過する光束（第１光束）と、開口領域Ｅを通過する光束（第２光束）とは、それぞれ互いに偏光方向が異なる（９０度異なる又は直交する）３つの色光を合成した光束に変換されている。ここで、開口領域Ｄ或いはＥに入射する２つの光束（第１光束、第２光束）のうち一方に対して、１／２位相板３の作用によって９０度の位相差を与えることによって、その２つの光束の偏光方向を色光毎に一致させている。

以上のようにして、白色無偏光光ＷｎからＰ偏光の赤光ＲｐとＳ偏光の青緑光ＢＧｓとが生成される。そして、本参考例のダイクロイック偏光変換アレイ１０６によって、光源１０１からの光を効率良く利用することができる。

この参考例１においては、青色光（第１色光）及び緑色光（第２色光）をＳ偏光に変換し、赤色光（第３色光）をＰ偏光に変換したがその限りでは無い。Ｓ偏光やＰ偏光を入れ換えても構わないし、また青色光のみをＳ偏光とし、緑色光及び赤色光の２つの色光をＰ偏光としても構わない。また、ここで言うＳ偏光、Ｐ偏光とは、偏光変換素子が持つ偏光分離面に対するＳ偏光、Ｐ偏光のことである。

なお、近年ではフィルム素子により同様な作用を有する素子が考案されているが、本参考例のダイクロイック偏光変換アレイ１０６は、ガラスをベース部材として構成することができるので、高輝度のプロジェクタにおいて高い熱的耐久性を発揮する。

また、１／２位相板３としては、一般にはフィルムを延伸したものが用いられるが、熱的耐久性を高めるために、いわゆるサブ波長構造を有する格子で構成してもよい。

この参考例１においては、光入射側から順に、第１の方向（照明光学系の光軸を横切る方向でもよい）に沿って配置された複数の遮光マスク（遮光部材）、複数の偏光分離面（第１光学面）、複数のダイクロイック面（第２光学面）、及び複数の１／２位相板を配置している。

ここで、光入射側に配置されている複数の偏光分離面（第１光学面）は、複数の反射面と交互に配置されている。そして、光射出側に配置されているダイクロイック面（第２光学面）は、反射面を挟まずに連続してダイクロイック面（第２光学面）のみが配置されている。そして、遮光マスク（遮光部材）と１／２位相板は、前述の複数の反射面に対応する位置、すなわち偏光分離面（第１光学面）が存在しない位置に対応する位置に配置されている。

すなわち、遮光マスクと１／２位相板は、第１の方向に沿って配置された複数のダイクロイック面のうち１つおきのダイクロイック面に対応する位置に配置されている。つまり、ある位置に配置されたダイクロイック面の光射出側に１／２位相板が配置されている場合、そのダイクロイック面に隣接する２つのダイクロイック面の光射出側には１／２位相板が配置されていないこととなる。言い換えれば、光射出側に１／２位相板が配置されていないダイクロイック面に隣接するダイクロイック面の光射出側には１／２位相板が配置されていることとなる。

また、この参考例１においては、光入射側に配置された第１光学面が偏光分離面であり、光射出側に配置された第２光学面がダイクロイック面であるが、勿論偏光分離面とダイクロイック面の順番は逆であっても構わない（参考例３等）。すなわち、ダイクロイック面を第１光学面（光入射側に配置された光学面）として反射面と交互に配置し、そのダイクロイック面（第１光学面）よりも光射出側に、連続して（反射面を挟まずに）複数の偏光分離面（第２光学面）を配置してもよい。
（参考例２）
図６には、本発明の参考例２であるダイクロイック偏光変換アレイを示す。本参考例は、参考例１のダイクロイック偏光変換アレイ１０６に対して１／２位相板３が設けられている開口領域が異なる。これにより、本参考例のダイクロイック偏光変換アレイ１０６Ａは、赤のＳ偏光と青緑のＰ偏光とを生成する。その他の構成については参考例１のダイクロイック偏光変換アレイ１０６と同じである。参考例１と共通する構成要素には、参考例１と同符号を付す。また、本参考例のダイクロイック偏光変換アレイ１０６Ａは、参考例１で説明したプロジェクタの光学ユニットと同様の（ただし、偏光方向の違いにより偏光ビームスプリッタでの反射と透過の関係が異なる）光学ユニットに用いられる。

図７〜図９を用いて本参考例のダイクロイック偏光変換アレイ１０６Ａの光学作用について説明する。

図７において、白色無偏光光Ｗｎは、まず偏光分離アレイ部１の偏光分離膜（偏光分離面）１３でＰ偏光の白色光ＷｐとＳ偏光の白色光Ｗｓとに分離される。偏光分離膜１３を透過したＰ偏光の白色光Ｗｐは、偏光分離アレイ部１の射出面１２の開口領域Ｂから射出する。一方、偏光分離膜１３で反射したＳ偏光の白色光Ｗｓは反射膜１４で反射して、Ｐ偏光の白色光Ｗｐと同方向に向かい、該Ｐ偏光の白色光Ｗｐが射出した開口領域Ｂの隣の開口領域Ｆから射出する。

図８において、Ｐ偏光の白色光Ｗｐは、ダイクロイックアレイ部２にその入射面２１における開口領域Ａから入射し、ダイクロイック膜（ダイクロイック面）２３でＰ偏光の赤光ＲｐとＰ偏光の青緑光ＢＧｐとに分離される。ダイクロイック膜２３を透過したＰ偏光の赤光Ｒｐは、ダイクロイックアレイ部２の射出面２２における開口領域Ｄから射出し、１／２位相板３を透過することでＳ偏光の赤光Ｒｓとなる。

一方、ダイクロイック膜２３で反射したＰ偏光の青緑光ＢＧｐは、その隣のダイクロイック膜２３で反射してＰ偏光の赤光Ｒｐと同方向に向かう。そして、ダイクロイックアレイ部２の射出面２２におけるＰ偏光の赤光Ｒｐが射出した開口領域Ｄの隣の開口領域Ｅから射出する。

また、図９に示すように、Ｓ偏光の白色光Ｗｓは、Ｐ偏光の白色光Ｗｐとは異なる開口領域Ｈからダイクロイックアレイ部２に入射する。そして、ダイクロイック膜２３でＳ偏光の赤光ＲｓとＳ偏光の青緑光ＢＧｓとに分離される。ダイクロイック膜２３を透過したＳ偏光の赤光Ｒｓは、ダイクロイックアレイ部の射出面２２の開口領域Ｅから射出する。また、ダイクロイック膜２３で反射したＳ偏光の青緑光ＢＧｓは、その隣のダイクロイック膜２３で反射してＳ偏光の赤光Ｒｓと同方向に向かい、それが射出する開口領域Ｅの隣の開口領域Ｄから射出する。そして、１／２位相板３を透過することでＰ偏光の青緑光ＢＧｐとなる。

以上のようにして、白色無偏光光ＷｎからＳ偏光の赤光ＲｓとＰ偏光の青緑光ＢＧｐとが生成される。そして、本参考例のダイクロイック偏光変換アレイ１０６Ａによって、光源１０１からの光を効率良く利用することができる。
（参考例３）
図１０には、本発明の参考例３であるダイクロイック偏光変換アレイを示す。本参考例のダイクロイック偏光変換アレイ１０６Ｂも、参考例１で説明したプロジェクタの光学ユニットと同じ光学ユニットに用いられる。

図中の３１はダイクロイックアレイ部（第１の素子部）であり、３２は偏光分離アレイ部（第２の素子部）である。３３は偏光分離アレイ部３２の射出面側に設けられた１／２位相板であり、３４はダイクロイックアレイ部３１の入射面側に設けられた遮光マスクである。なお、図には、ダイクロイックアレイ部３１と偏光分離アレイ部３２とが分離された状態で示されているが、実際にはこれらは接着等によって一体化されて１つの素子として取り扱われる。本参考例のダイクロイック偏光変換アレイは、光入射側から順に、ダイクロイック膜（ダイクロイック面）４３、偏光分離膜（偏光分離面）５３及び１／２位相板３３が配置されたダイクロイック偏光変換アレイである。

ダイクロイックアレイ部３１は、入射面４１と該入射面４１に平行な射出面４２とを有する。入射面４１と射出面４２との間には、それぞれ入射面１１に対して４５°の角度をなす複数のダイクロイック膜４３が光入射方向（図の左側から右側）に対して直交する方向に互いに平行に設けられている。入射面４１のうち複数のダイクロイック膜４３に入射する光が通る複数のスリット状の開口領域以外の各領域には、遮光マスク３４が貼り付けられている。

偏光分離アレイ部３２は、入射面５１と該入射面５１に平行な射出面５２とを有する。入射面５１と射出面２２との間には、入射面５１に対して４５°の角度をなす複数の偏光分離膜５３が光入射方向に対して直交する方向に複数設けられている。射出面５２には、複数の偏光分離膜５３を透過した光が射出する複数のスリット状の開口領域Ｄと、複数のダイクロイック膜５３で反射した光が射出する複数のスリット状の開口領域Ｅとがあり、各開口領域Ｅには１／２位相板３３が貼り付けられている。この構成により、複数のダイクロイック膜４３は、複数の偏光分離膜５３よりも光入射側に配置される。

ダイクロイックアレイ部３１におけるダイクロイック膜４３間のピッチｅと偏光分離アレイ部３２における偏光分離膜５３間のピッチｆとは互いに等しい。そして、ダイクロイックアレイ部３１の射出面４２のうちダイクロイック膜４３を透過した光が射出するスリット状の開口領域Ｂと、偏光分離アレイ部３２の入射面５１におけるこの光が入射するスリット状の開口領域Ａとは、互いに対向するように近接している。また、ダイクロイックアレイ部３１における射出面４２のうちダイクロイック膜４３で反射した光が射出するスリット状の開口領域Ｆと、偏光分離アレイ部３２の入射面５１におけるこの光が入射するスリット状の開口領域Ｈも、互いに対向するように近接している。

ダイクロイックアレイ部３１のダイクロイック膜４３は、入射した光を互いに異なる２つの波長領域成分に分離する。具体的には、ダイクロイック膜４３は、図５に示すように、入射した光のうちＲ光を透過し、ＢとＧの光を反射する特性を有する。

また、偏光分離アレイ部３２の偏光分離膜５３は、入射した光を互いに異なる偏光方向を有する２つの偏光成分に分離する機能を有する。具体的には、偏光分離膜５３は、入射した光のうちＰ偏光を透過して、Ｓ偏光を反射する特性を有する。

また、１／２位相板３３は、各偏光分離膜５３からの２つの偏光成分のうち一方の偏光成分の偏光方向を他方の偏光成分の偏光方向に一致させる。本実施例では、１／２位相板３３は、スリット開口領域Ｅの長手方向に対して４５°の方向に進相軸を傾けて設けられている。これにより、１／２位相板３３は、Ｓ偏光として入射した光の偏光方向を９０度回転させてＰ偏光として射出する。

次に、図１１〜図１３を用いてダイクロイック偏光変換アレイ１０６の光学作用について説明する。

図１１において、Ｗｎは白色無偏光光を示す。白色無偏光光Ｗｎは、ダイクロイックアレイ部３１の入射面４１における開口領域からダイクロイックアレイ部３１に入射し、ダイクロイック膜４３で無偏光の赤光Ｒｎと無偏光の青緑光ＢＧｎとに分離される。ダイクロイック膜４３を透過した無偏光の赤光Ｒｎは、ダイクロイックアレイ部３１の射出面４２における開口領域Ｂから射出する。また、ダイクロイック膜４３で反射した無偏光の青緑光ＢＧｎは、その隣のダイクロイック膜４３で再び反射して、無偏光の赤光Ｒｎと同方向に向かう。そして、無偏光の赤光Ｒｎが射出する開口領域Ｂの隣の開口領域Ｆから射出する。

図１２において、無偏光の赤光Ｒｎは、偏光分離アレイ部３２の入射面５１における開口領域Ａから偏光分離アレイ部３２に入射し、偏光分離膜５３でＰ偏光の赤光ＲｐとＳ偏光の赤光Ｒｓとに分離される。偏光分離膜５３を透過したＰ偏光の赤光Ｒｐは、偏光分離アレイ部３２の射出面５２における開口領域Ｄから射出する。一方、偏光分離膜５３で反射したＳ偏光の赤光Ｒｓは、その隣の偏光分離膜５３で再び反射し、Ｐ偏光の赤光Ｒｐと同方向に向かう。そして、Ｐ偏光の赤光Ｒｐが射出する開口領域Ｄの隣の開口領域Ｅから射出し、１／２位相板３３を透過することでＰ偏光の赤光Ｒｐとなる。

また、図１３において、無偏光の青緑光ＢＧｎは、赤光Ｒｎとは異なる開口領域Ｈから偏光分離アレイ部３２に入射し、偏光分離膜５３でＰ偏光の青緑光ＢＧｐとＳ偏光の青緑光ＢＧｓとに分離される。偏光分離膜５３を透過したＰ偏光の青緑光ＢＧｐは、射出面５２における開口領域Ｅから射出し、１／２位相板３３を透過することでＳ偏光の青緑光ＢＧｓとなる。また、偏光分離膜５３で反射したＳ偏光の青緑光ＢＧｓは、その隣の偏光分離膜５３で再び反射し、Ｐ偏光の青緑光ＢＧｐと同方向に向かい、Ｐ偏光の青緑光ＢＧｐが射出する開口領域Ｅの隣の開口領域Ｄから射出する。

以上のようにして、白色無偏光光ＷｎからＰ偏光の赤光ＲｐとＳ偏光の青緑光ＢＧｓとが生成される。そして、本参考例のダイクロイック偏光変換アレイ１０６Ｂによって、光源１０１からの光を効率良く利用することができる。

なお、以上の参考例では、互いに異なる偏光方向を有する赤光と青緑光を生成する場合について説明したが、ダイクロイック偏光変換アレイに設けるダイクロイック膜の特性によって、分離される色光とその偏光方向との組み合わせは任意である。

図１４には、本発明の実施例１であるダイクロイック偏光変換アレイを示している。この実施例１のダイクロイック偏光変換アレイ１０６Ｄは、参考例１（〜３）にて説明した偏光分離アレイ部とダイクロイックアレイ部とを接合するのではなく、はじめから一体の素子として製作される。光学作用は、参考例１のダイクロイック偏光変換アレイ１０６と同じである。

本実施例のダイクロイック偏光変換アレイ１０６Ｄの製造方法について簡単に説明する。まず、図１５に示すように、１枚のガラス基板の同一面上に偏光分離膜部ＰＢとダイクロイック膜部ＤＭとを特定方向（第１の方向）に交互に形成した基板７１を用意する。また、他の１枚のガラス基板の同一面上に反射膜部ＲＦとダイクロイック膜部ＤＭとを上記特定方向に交互に形成した基板７２を用意する。

これら基板７１，７２を、図１６に示すように、基板７１の偏光分離膜部ＰＢと基板７２の反射膜部ＲＦ、又は、基板７１，７２のダイクロイック膜部ＤＭの位置が、図中の垂直方向Ｖから見て半ピッチずれるように基板７１と基板７２とを交互に貼り合わせる（重ね合わせる）。

そして、これを図１６中の点線に沿って、重ね合わせ方向に対して４５°の方向にカットする。ここで、膜部ＰＢ，ＲＦ，ＤＭの幅は、各基板の厚さｋの２倍に設定している。

これにより、参考例１（〜３）と同様の光学作用を有するダイクロイック偏光変換アレイを容易に製作することができる。
（参考例４）
図１７には、本発明の参考例４であるダイクロイック偏光変換アレイを示している。このダイクロイック偏光変換アレイ１０６Ｅは、偏光分離アレイ部８１の偏光分離膜９１とダイクロイックアレイ部８２のダイクロイック膜９２とが、光入射方向において互いに反対向きに傾くように配置されている。すなわち、偏光分離膜９１とダイクロイック膜９２とが９０°をなすように配置されている。光学作用は、参考例１のダイクロイック偏光変換アレイ１０６と同じである。

このような構成にすると、分離した光成分のずれ量（図４のΔ、図１７のΔ′）が小さくなる（ただし、Δ′＜Δ）ので、光学ユニットが大型化することを防ぐことができる。

本発明の参考例１であるダイクロイック偏光変換アレイの構成を示す断面図。 参考例１のダイクロイック偏光変換アレイの光学作用を示す断面図。 参考例１のダイクロイック偏光変換アレイの光学作用を示す断面図。 参考例１のダイクロイック偏光変換アレイの光学作用を示す断面図。 上記ダイクロイック偏光変換アレイで用いられているダイクロイック膜の特性を示す図。 本発明の参考例２であるダイクロイック偏光変換アレイの構成を示す断面図。 参考例２のダイクロイック偏光変換アレイの光学作用を示す断面図。 参考例２のダイクロイック偏光変換アレイの光学作用を示す断面図。 参考例２のダイクロイック偏光変換アレイの光学作用を示す断面図。 本発明の参考例３であるダイクロイック偏光変換アレイの構成を示す断面図。 参考例３のダイクロイック偏光変換アレイの光学作用を示す断面図。 参考例３のダイクロイック偏光変換アレイの光学作用を示す断面図。 参考例３のダイクロイック偏光変換アレイの光学作用を示す断面図。 本発明の実施例１であるダイクロイック偏光変換アレイの構成を示す断面図。 実施例１のダイクロイック偏光変換アレイの製作方法を説明する図。 実施例１のダイクロイック偏光変換アレイの製作方法を説明する図。 本発明の参考例４であるダイクロイック偏光変換アレイの構成を示す断面図。 実施例１のダイクロイック偏光変換アレイを用いたプロジェクタの構成を示す図。

１，３２ 偏光分離アレイ部
２，３１ ダイクロイックアレイ部
３，３３ １／２位相板
４，３４ 遮光マスク
１３，５３ 偏光分離膜
１４ 反射膜
２３，４３ ダイクロイック膜
１０６〜１０６Ｄ ダイクロイック偏光変換アレイ

Claims (4)

1. 光入射面と該光入射面に平行な光射出面を有する波長選択性偏光変換素子であって、
   光入射方向に対して４５度傾いており、該光入射方向に垂直な方向に複数配置され、入射した光をＰ偏光とＳ偏光に分離する偏光分離面と、
   前記光入射方向に垂直な方向に、前記偏光分離面と交互に、且つ、前記偏光分離面と平行に複数配置され、前記偏光分離面により反射されたＳ偏光を反射させる反射膜と、
   前記光射出面に配置され、前記偏光分離面を透過したＰ偏光と前記反射膜により反射されたＳ偏光のうち、一方の偏光成分の偏光方向を他方の偏光成分の偏光方向に一致させる複数の位相板と、
   前記複数の偏光分離面と前記複数の位相板との間に、前記光入射方向に対して４５度傾いて配置され、前記偏光分離面を透過したＰ偏光を互いに異なる２つの波長領域成分に分離する第１のダイクロイック面と、
   前記複数の偏光分離面と前記複数の位相板との間に、前記光入射方向に対して４５度傾いて配置され、前記反射面を反射したＳ偏光を互いに異なる２つの波長領域成分に分離する第２のダイクロイック面を有する波長選択性偏光変換素子であって、
   前記波長選択性偏光変換素子は、前記偏光分離面と前記第２のダイクロイック面とが、ガラス基板の同一面上であって、該ガラス基板の面に平行な方向に交互に形成された第１のガラス基板と、前記反射面と前記第１のダイクロイック面とが、ガラス基板の同一面上であって、該ガラス基板の面に平行な方向に交互に形成された第２のガラス基板とを、前記第１のダイクロイック面と前記第２のダイクロイック面の位置が、前記ガラス基板に垂直な方向から見て半ピッチずれるように重ね合わせることにより構成されていることを特徴とする波長選択性偏光変換素子。
2. 光源からの光を複数の光束に分割するレンズアレイと、
   該レンズアレイからの複数の光束が入射する請求項１に記載の波長選択性偏光変換素子と、
   該波長選択性偏光変換素子からの複数の光束を被照明面にて重ね合わせるコンデンサーレンズとを有することを特徴とする照明光学系。
3. 請求項２に記載の照明光学系と、
   該照明光学系からの互いに偏光方向が異なる２つの波長領域成分を互いに波長が異なる３つの光成分に分離して３つの画像形成素子に導き、該３つの画像形成素子からの前記３つの光成分を合成する色分解合成光学系と、
   該色分解合成光学系からの合成光を投射する投射光学系とを有することを特徴とする光学ユニット。
4. 請求項３に記載の光学ユニットを有することを特徴とする画像投射装置。