JP5762086B2 - 偏光分離素子および画像投射装置 - Google Patents

Description

本発明は、入射光を偏光方向に応じて分離する偏光分離素子に関し、特に入射光の波長よりも小さい格子周期を有するワイヤーグリッド（一次元格子構造）を有する偏光分離素子に関する。

金属により形成された１次元格子構造を入射光の波長（使用波長ともいう）よりも小さな格子周期で形成したワイヤーグリッドは、偏光方向が異なる光を分離する作用を有する。微細加工技術の進歩により、基板上に形成された可視波長オーダーの微細な格子周期を有するワイヤーグリッドが特許文献１にて開示されている。ワイヤーグリッドは、電界がグリッドの長手方向を含む面内で振動する偏光成分（第１偏光成分）を反射させ、その面に垂直に振動する偏光成分（第２偏光成分）を透過する。

また、基板によって発生する非点収差を抑えたり、格子の扱い易さを向上させたりすることを目的として、透明基板間やプリズムの間に挟み込んで用いるワイヤーグリッド偏光分離素子が特許文献２にて開示されている。

特表２００３−５０２７０８号公報 特表２００３−５１９８１８号公報

しかしながら、ワイヤーグリッドでは、十分に偏光を分離するために格子厚さを大きくする必要がある。このため、透過すべき第２偏光成分が吸収されて、第２偏光成分の透過率が低下する。

また、ワイヤーグリッド偏光分離素子を透明基板間やプリズム間に挟み込んで用いる場合、第２偏光成分に対する光学性能が劣化し易く、入射側を空気や真空とした場合に比べて反射率が高くなる。このため、ワイヤーグリッド偏光分離素子を画像投射装置における色分離に用いる場合に、各色の光路を共通化することができず、コストが高くなったり装置の小型化が困難となったりするという問題がある。

本発明は、第１偏光成分の反射率を高く維持しつつ、第２偏光成分の透過率も向上させることができるようにした偏光分離素子およびこれを用いた画像投射装置を提供する。

本発明の一側面としての偏光分離素子は、可視波長域の入射光を偏光方向によって分離する。該偏光分離素子は、入射光の波長よりも小さい格子周期を有し、金属により格子部が形成された一次元格子構造と、空気よりも屈折率が高く、透光性を有する材料により形成され、屈折率が互いに等しい２つの透光性部材とを有し、２つの透光性部材の間に、一次元格子構造が形成されている。一次元格子構造の格子周期が１２０ｎｍ以下であり、該一次元格子構造の厚みが３０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、該一次元格子構造の格子間部が真空または空気もしくは誘電体により構成されている。そして、格子周期Λ［ｎｍ］と該格子周期に対する格子部の幅ｗ［ｎｍ］の比ｗ／ΛであるフィリングファクタＦＦと、格子間部の屈折率ｎ_ａと、５５０［ｎｍ］の波長λ_ｇとが以下の条件を満足することを特徴とする。
（１．４ｎ_ａ−２．９）Λ／λ_ｇ−０．５７ｎ_ａ＋１．３２≦ＦＦ
≦（１．４ｎ_ａ−２．９）Λ／λ_ｇ−０．５７ｎ_ａ＋１．３９
なお、上記偏光分離素子を色分離光学系または色分離合成光学系に用いた画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。

本発明によれば、上述した各条件を満足することにより、第１偏光成分の反射率を高く維持しつつ、第２偏光成分の透過率も向上させた偏光分離素子を実現することができる。そして、このような偏光分離素子を色分離光学系または色分離合成光学系に用いることで、明るく良好なカラー画像を投射可能な画像投射装置を提供することができる。

本発明の代表的な実施例である偏光分離素子の構成を示す図。 図１に示した偏光分離素子の偏光分離部を拡大して示す図。 本発明の実施例１である偏光分離素子の特性を示す図。 本発明の実施例２である偏光分離素子の特性を示す図。 本発明の実施例３である偏光分離素子の特性を示す図。 本発明の実施例４である偏光分離素子の特性を示す図。 本発明の実施例５である偏光分離素子の構成を示す図。 実施例５の偏光分離素子の特性を示す図。 本発明の実施例６である偏光分離素子の特性を示す図。 本発明の実施例７である画像投射装置の構成を示す図。 本発明の実施例８である画像投射装置の構成を示す図。 比較例１である偏光分離素子の特性を示す図。 比較例２である偏光分離素子の特性を示す図。 比較例３である偏光分離素子の特性を示す図。 実施例の変形例を示す図。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

まず具体的な実施例の説明に先立って、本発明の代表的な実施例としての偏光分離素子の構成について、図１および図２を用いて説明する。

図１には、本発明の実施例１である偏光分離素子１０の構成を示している。該偏光分離素子１０は、透光性を有する材料により形成された透光性部材である２つのプリズム１，２と、これらプリズム１，２の間に挟まれた偏光分離部３とによって構成されている。

偏光分離部３は、図２に拡大して示すように、格子部４と、該格子部４の間の部分である格子間部５とが交互に配置されたワイヤーグリッドによって構成されている。ワイヤーグリッドは、格子部４が金属により形成され、入射光の波長より短い格子周期を有する一次元格子構造である。格子間部５は、真空であるか、または空気もしくは誘電体により構成される。図１において、格子部４および格子間部５はそれぞれ、図の紙面に垂直な方向を長手方向とするように延びている。

なお、本実施例では、偏光分離部３を間に挟むプリズム１，２を含めて偏光分離素子１０と称するが、偏光分離素子としては必ずしもプリズム１，２は必要ではない。例えば、図１５（ａ）に示すように、プリズム２と偏光分離部３とにより偏光分離素子１０′を構成してもよいし、図１５（ｂ）に示すように、２枚の透光性を有する平板１″，２″の間に偏光分離部３を配置して偏光分離素子１０″を構成してもよい。

第１偏光成分であるｓ偏光と第２偏光成分であるｐ偏光を含む（つまりは無偏光光である）入射光は、プリズム２を透過して偏光分離部３に入射する。ここで、入射光の代表的な入射方向に延びる軸（偏光分離素子１０を光学系に用いた場合の該光学系の光軸またはこれに相当する仮想軸）と偏光分離部３の入出射面の法線とを含む平面を入射平面と定義する。そして、この入射平面に沿った方向に電界が振動する光をｐ偏光とし、入射平面と垂直な方向に電界が振動する光をｓ偏光とする。なお、各実施例では、入射光の方位角が０度であることを前提として説明する。

偏光分離部３は、その偏光分離作用によって、入射光のうちｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過する。偏光分離部３で反射されたｓ偏光はプリズム２を透過して偏光分離素子１０から射出し、偏光分離部３を透過したｐ偏光はプリズム１を透過して偏光分離素子１０から射出する。入射光の波長（使用波長）は、４３０ｎｍ〜６８０ｎｍ（または４００〜７００ｎｍ）の可視波長域の全部または一部である。

実施例では、ワイヤーグリッドの反射率および透過率の周期依存性が、ｓ偏光とｐ偏光とで異なることを明らかにする。ワイヤーグリッドのｓ偏光に対する反射率および透過率は、格子周期の影響はあまり受けず、フィリングファクタと格子厚（ワイヤーグリッドの厚み）に大きく依存する。フィリングファクタおよび格子厚が大きい方がｓ偏光に対する反射率が高くなり、透過率は低くなる。ｓ偏光に対する透過率は消光比に大きく影響するため、ｓ偏光が透過しないためには十分な格子厚が必要となり、フィリングファクタが決まると、格子厚はほぼ自動的に決定される。

一方、ワイヤーグリッドのｐ偏光に対する反射率および透過率は、ｓ偏光に比べて格子周期の影響を受けやすく、フィリングファクタと格子厚に加えて格子周期にも大きく依存する。格子厚が一定であれば、格子周期が短いほど、また格子周期が一定であれば格子厚が小さいほど、大きいフィリングファクタであってもｐ偏光に対する透過率が高くなる。したがって、格子周期を短くすることで、ｐ偏光に対する透過率を低下させずに、フィリングファクタを大きくすることができる。フィリングファクタが大きくなると、ｓ偏光に対する透過率を低下させることができるため、格子厚を小さくすることが可能となる。格子厚が小さくなれば、よりｐ偏光に対する透過率を上げることが可能となる。

以上のことから、上述した可視波長域においてｓ偏光に対する反射率を高く維持し、かつｐ偏光に対する良好な透過率を得るためには、格子周期Λは１２０ｎｍ以下であり、格子厚ｄは１００ｎｍ以下であることが必要である。

また、実施例では、格子周期Λが１２０ｎｍ以下で格子厚ｄが１００ｎｍ以下の条件下で、ｐ偏光に対する反射率Ｒｐは格子周期ΛとフィリングファクタＦＦに依存することを確認する。ここで、フィリングファクタＦＦは、格子周期Λに対する格子部４の幅ｗの比で定義され、ＦＦ＝ｗ／Λである。

特に、４５°の入射角で入射するｐ偏光に対する反射率Ｒｐを抑えるためには、フィリングファクタＦＦが、格子周期Λ［ｎｍ］と格子間部５の屈折率ｎ_ａを用いて表現される以下の条件（１）を満足する必要がある。
（１．４ｎ_ａ−２．９）Λ／λ_ｇ−０．５７ｎ_ａ＋１．３２≦ＦＦ
≦（１．４ｎ_ａ−２．９）Λ／λ_ｇ−０．５７ｎ_ａ＋１．３９ …（１）
ただし、λ_ｇは、５５０［ｎｍ］である。

フィリングファクタＦＦが条件（１）の左辺の値を下回ると、ワイヤーグリッドのｓ偏光に対する透過率Ｔｓが増加し、偏光分離特性を十分発揮できなくなる。透過率Ｔｓを下げるために格子厚ｄを大きくすると、ｐ偏光に対する透過率Ｔｐが低下する。したがって、偏光分離特性を良好に保ったまま、十分なｐ偏光に対する透過率特性を得ることが困難となる。一方、フィリングファクタＦＦが条件（１）の右辺の値を超えと、ワイヤーグリッドのｐ偏光に対する透過率Ｔｐが低下する。透過率Ｔｐを上げるために、格子厚ｄを小さくすると、ｓ偏光に対する透過率Ｔｓが増大するため、偏光分離特性を良好に維持できなくなる。

さらに、格子間部５が真空の場合または空気により構成される場合は、４５°の入射角で入射するｐ偏光に対する反射率Ｒｐを抑えるためには、フィリングファクタＦＦが、プリズム１，２の屈折率ｎ_ｐを用いて表現される以下の条件（２）を満足するとさらによい。
０．１５２ｎ_ｐ−１．３７５（Λ／λ_ｇ）＋０．５≦ＦＦ
≦０．１５２ｎ_ｐ−１．３７５（Λ／λ_ｇ）＋０．６ …（２）
フィリングファクタＦＦが条件（２）の左辺の値を下回ると、条件（１）の左辺の値を下回る場合と同様に、十分なｐ偏光に対する透過率特性を得ることが困難となる。一方、フィリングファクタＦＦが条件（２）の右辺の値を超えると、条件（１）の右辺の値を超える場合と同様に、偏光分離特性を良好に維持できなくなる。

なお、格子部４を形成する金属材料としては、アルミニウム、金、銀等が挙げられる。特に、アルミニウムを使用する場合に上述した条件（１）を（好ましくは条件（２）も）満足すると、以下の実施例にも示すように良好な特性が得られる。

以下、具体的な実施例を示す。

実施例１の偏光分離素子１０は、屈折率ｎ＝１．５２を有するプリズム１，２と、これらプリズム１，２の間に挟まれた偏光分離部３とを有する。偏光分離部３は、アルミニウムにより形成された格子部４と空気により形成された格子間部５とにより構成されている。

本実施例では、格子周期Λは５０ｎｍであり、格子部４の幅ｗは３１ｎｍである。格子厚ｄは４５ｎｍであり、フィリングファクタＦＦは０．６２である。

図３（ａ）〜（ｃ）には、本実施例の偏光分離素子１０（偏光分離部３）の特性を示している。図３（ａ）は、波長が５５０ｎｍの入射光のうちｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐの入射角度依存性を示している。入射角度は、前述した入射平面内において入射光線と偏光分離部３の法線となす角度と定義する。このことは、後述する他の実施例でも同じである。図３（ａ）に示すように、本実施例は入射角度が４５°（以下、４５°入射という）のときにＲｐが最も低くなるように最適化されている。

図３（ｂ）は４５°入射のときの波長ごとのｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示している。また、図３（ｃ）は４５°入射のときの波長ごとのｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示している。図３（ｂ），（ｃ）から分かるように、本実施例では、４３０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域で、Ｒｐ＜０．１％、Ｔｐ＞９０％、Ｒｓ＞８５％、Ｔｓ＜０．５％と、優れた特性を有する。

実施例２の偏光分離素子１０は、屈折率ｎ＝１．５２を有するプリズム１，２と、これらプリズム１，２の間に挟まれた偏光分離部３とを有する。偏光分離部３は、アルミニウムにより形成された格子部４と空気により形成された格子間部５とにより構成されている。

本実施例では、格子周期Λは１００ｎｍであり、格子部４の幅ｗは５４ｎｍである。格子厚ｄは６０ｎｍであり、フィリングファクタＦＦは０．５４である。

図４（ａ）〜（ｃ）には、本実施例の偏光分離素子１０（偏光分離部３）の特性を示している。図４（ａ）は、波長が５５０ｎｍの入射光のうちｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐの入射角度依存性を示している。図４（ａ）に示すように、本実施例は４５°入射のときにＲｐが最も低くなるように最適化されている。

図４（ｂ）は４５°入射のときの波長ごとのｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示している。また、図４（ｃ）は４５°入射のときの波長ごとのｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示している。図４（ｂ），（ｃ）から分かるように、本実施例では、４３０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域で、Ｒｐ＜０．１％、Ｔｐ＞９０％、Ｒｓ＞８５％、Ｔｓ＜０．５％と、優れた特性を有する。

実施例３の偏光分離素子１０は、屈折率ｎ＝１．５２を有するプリズム１，２と、これらプリズム１，２の間に挟まれた偏光分離部３とを有する。偏光分離部３は、アルミニウムにより形成された格子部４と空気により形成された格子間部５とにより構成されている。

本実施例では、格子周期Λは１０ｎｍであり、格子部４の幅ｗは７．５ｎｍである。格子厚ｄは４０ｎｍであり、フィリングファクタＦＦは０．７５である。

図５（ａ）〜（ｃ）には、本実施例の偏光分離素子１０（偏光分離部３）の特性を示している。図５（ａ）は、波長が５５０ｎｍの入射光のうちｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐの入射角度依存性を示している。図５（ａ）に示すように、本実施例は４５°入射のときにＲｐが最も低くなるように最適化されている。

図５（ｂ）は４５°入射のときの波長ごとのｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示している。また、図５（ｃ）は４５°入射のときの波長ごとのｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示している。図５（ｂ），（ｃ）から分かるように、本実施例では、４３０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域で、Ｒｐ＜０．１％、Ｔｐ＞９０％、Ｒｓ＞８５％、Ｔｓ＜０．５％と、優れた特性を有する。

実施例４の偏光分離素子１０は、屈折率ｎ＝１．８を有するプリズム１，２と、これらプリズム１，２の間に挟まれた偏光分離部３とを有する。偏光分離部３は、アルミニウムにより形成された格子部４と空気により形成された格子間部５とにより構成されている。

本実施例では、格子周期Λは４０ｎｍであり、格子部４の幅ｗは２８ｎｍである。格子厚ｄは４０ｎｍであり、フィリングファクタＦＦは０．７である。

図６（ａ）〜（ｃ）には、本実施例の偏光分離素子１０（偏光分離部３）の特性を示している。図６（ａ）は、波長が５５０ｎｍの入射光のうちｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐの入射角度依存性を示している。図６（ａ）に示すように、本実施例は４５°入射のときにＲｐが最も低くなるように最適化されている。

図６（ｂ）は４５°入射のときの波長ごとのｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示している。また、図６（ｃ）は４５°入射のときの波長ごとのｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示している。図６（ｂ），（ｃ）から分かるように、本実施例では、４３０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域で、Ｒｐ＜０．３％、Ｔｐ＞８５％、Ｒｓ＞８５％、Ｔｓ＜０．６％と、優れた特性を有する。

実施例の偏光分離素子の特徴をより明らかにするために、比較例１，２を示す。
（比較例１）
図１２には、比較例１である偏光分離素子の４５°入射のときの波長ごとのｐ偏光の反射率Ｒｐおよび透過率Ｔｐを示す。本比較例において、プリズムの屈折率はｎ＝１．５２であり、格子周期Λは１３０ｎｍである。また、格子部の幅ｗは６２．４ｎｍであり、格子厚ｄは１３０ｎｍである。フィリングファクタＦＦは０．４８である。

図１２から分かるように、本比較例では、入射光の波長が短くなるにしたがってｐ偏光に対する反射率Ｒｐが高くなり、５００ｎｍ以下の波長域では１０〜２５％程度の高い反射率を示す。また，４３０〜６８０ｎｍの波長域での透過率Ｔｐは６０〜８３％程度となり、波長が短くなるにしたがって透過率Ｔｐが低くなる。
（比較例２）
図１３（ａ）〜（ｃ）には、比較例２である偏光分離素子の特性を示している。本比較例におけるプリズムの屈折率、格子周期Λ、格子部の幅ｗおよびフィリングファクタＦＦは比較例１と同じであり、格子厚ｄは６０ｎｍである。

図１３（ａ）は、波長が５５０ｎｍの入射光のうちｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐの入射角度依存性を示している。また、図１３（ｂ）は、４５°入射のときの波長ごとのｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示している。さらに、図１３（ｃ）は４５°入射のときの波長ごとのｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示している。

図１３（ａ），（ｂ）から分かるように、本比較例では、比較例１に比べて格子厚を小さくしたことにより、ｐ偏光に対する反射率Ｒｐおよび透過率Ｔｐが大幅に改善されている。しかし、図１３（ｃ）から分かるように、ｓ偏光に対する透過率Ｔｓが高くなり、５４０ｎｍより短い波長域では透過率Ｔｓが１％を超えており、この波長域では十分な偏光分離特性が得られない。

このように、従来のように格子周期が大きい場合に格子厚が小さいと、ｓ偏光に対する透過率Ｔｓが大きくなる。透過率Ｔｓを下げるためには格子厚を大きくする必要があるが、格子厚を大きくすることで、ｐ偏光に対する透過率Ｔｐが低下する。

以上のことから、４３０ｎｍ〜６８０ｎｍの可視光波長域でｓ偏光に対する高い反射率を維持し、かつｐ偏光に対する良好な透過率を得るためには、実施例のように、格子周期Λは１２０ｎｍ以下で、格子厚が１００ｎｍ以下であることが必要である。
（比較例３）
図１４（ａ）には、比較例３である偏光分離素子の４５°入射のときの波長ごとのｐ偏光の反射率Ｒｐおよび透過率Ｔｐを示す。また、図１４（ｂ）には、本比較例の４５°入射のときの波長ごとのｓ偏光の反射率Ｒｓおよび透過率Ｔｓを示す。

本比較例では、プリズムの屈折率はｎ＝１．５２であり、格子周期Λは５０ｎｍである。格子部の幅ｗは２９ｎｍであり、格子厚ｄは２０ｎｍである。フィリングファクタは０．５８である。

図１４（ａ）から分かるように、ｐ偏光については、４３０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域において、Ｒｐ＞９０％、Ｔｐ＜１％である。一方、図１４（ｂ）から分かるように、ｓ偏光については、Ｔｓ＞４％、Ｒｓ＜８０％と低い値である。ｓ偏光に対する特性を上げるためには、フィリングファクタを大きくするか格子厚ｄを大きくしなければならない。しかし、フィリングファクタをＦＦ＞０．９としても、ｓ偏光に対する透過率を１％より小さくすることができない。したがって、ｐ偏光とｓ偏光の双方に対する良好な特性を得るためには、格子厚ｄが３０ｎｍ以上であることが必要となる。

なお、上述した実施例１〜４では、プリズム１，２の屈折率をすべての波長に対してｎ＝１．５２もしくはｎ＝１．８としているが、波長分散を持った通常の材料でも同様に扱うことが可能である。また、１．５２や１．８以外の屈折率を持つ場合においても同様の考え方が可能であるため、プリズムの屈折率は実施例１〜４にて示したものに限定されない。さらに、製造上の理由等から、格子部４とプリズム１，２との間に隙間が存在してもよい。

図７に示す実施例５の偏光分離素子１０′は、屈折率ｎ＝１．５２を有するプリズム１，２と、これらプリズム１，２の間に挟まれた偏光分離部３′とを有する。偏光分離部３′は、アルミニウムにより形成された格子部４と、屈折率ｎ_ａ＝１．５の誘電体により形成された格子間部５′とにより構成されている。

本実施例では、格子周期Λは５０ｎｍであり、格子部４の幅ｗは２３ｎｍである。格子厚ｄは８０ｎｍであり、フィリングファクタＦＦは０．４６である。

図８（ａ）〜（ｃ）には、本実施例の偏光分離素子１０′（偏光分離部３′）の特性を示している。図８（ａ）は、波長が５５０ｎｍの入射光のうちｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐの入射角度依存性を示している。図８（ａ）に示すように、本実施例は４５°入射のときにＲｐが最も低くなるように最適化されている。

図８（ｂ）は４５°入射のときの波長ごとのｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示している。また、図８（ｃ）は４５°入射のときの波長ごとのｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示している。図８（ｂ），（ｃ）から分かるように、本実施例では、格子間部５′を誘電体により形成することで、そうでない場合と比べてｐ偏光の短波長側での性能が低下する傾向が見られる。しかし、４３０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域で、Ｒｐ＜１．０％、Ｔｐ＞８５％、Ｒｓ＞８５％、Ｔｓ＜０．２％と、良好な特性を有する。

実施例６の偏光分離素子１０′は、屈折率ｎ＝１．５２を有するプリズム１，２と、これらプリズム１，２の間に挟まれた偏光分離部３′とを有する。偏光分離部３′は、アルミニウムにより形成された格子部４と、屈折率ｎ_ａ＝１．４６の誘電体により形成された格子間部５′とにより構成されている。

本実施例では、格子周期Λは５０ｎｍであり、格子部４の幅ｗは２３ｎｍである。格子厚ｄは６０ｎｍであり、フィリングファクタＦＦは０．４６である。

図９（ａ）〜（ｃ）には、本実施例の偏光分離素子１０′（偏光分離部３′）の特性を示している。図９（ａ）は、波長が５５０ｎｍの入射光のうちｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐの入射角度依存性を示している。図９（ａ）に示すように、本実施例は４５°入射のときにＲｐが最も低くなるように最適化されている。

図９（ｂ）は４５°入射のときの波長ごとのｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示している。また、図９（ｃ）は４５°入射のときの波長ごとのｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示している。図９（ｂ），（ｃ）から分かるように、本実施例では、４３０ｎｍ〜６８０ｎｍの波長域で、Ｒｐ＜０．２％、Ｔｐ＞８８％、Ｒｓ＞８５％、Ｔｓ＜０．６％と、優れた特性を有する。

なお、実施例５，６の構成を採用することで、格子間部に誘電体としての樹脂を埋め込んでプリズム１，２と接着することができる。このため、偏光分離素子１０′の製造が容易となり、偏光分離素子としての強度を向上させることもできる。

なお、製造上の理由等から、格子部４とプリズム１，２との間に隙間が存在してもよい。

図１０には、本発明の実施例７として、実施例１〜６のいずれかに示した偏光分離素子１０，１０′を用いた画像投射装置（液晶プロジェクタ）の構成を示す。

画像投射装置１００は、光源ランプ２１と、複数の反射型液晶パネル（光変調素子）２３ｇ，２３ｂｒと、投射レンズ（投射光学系）３０と、偏光変換素子２０と、波長選択性位相差板２５とを有する。さらに、実施例１〜６のいずれかに示した偏光分離素子１０，１０′である偏光分離素子１０ａを有する。

本実施例では、光源ランプ２１からの白色光を、色分離合成光学系（色分離光学系）に含まれる偏光分離素子１０ａによって複数の色光（ここでは、緑光と青赤光）に偏光方向に応じて分離する。分離された複数の色光はそれぞれ反射型液晶パネル２３ｇ，２３ｂｒに導かれて変調される。そして、反射型液晶パネル２３ｇ，２３ｂｒにて変調された複数の色光は、偏光分離素子１０ａにより合成されて投射レンズ３０を介して被投射面に導かれる。

以下、画像投射装置１００の光学作用についてより詳しく説明する。光源ランプ２１から発せられた白色光は、不図示の照明光学系によって平行光束１１となって偏光変換素子２０に入射する。図においては、白色光を、緑光１２ｇと青赤光１２ｂｒの２つの光の合成された光として示している。

緑光１２ｇと青赤光１２ｂｒは、偏光変換素子２０を通過することにより、ｓ偏光である緑偏光１３ｇと青赤偏光１３ｂｒに変換され、波長選択性位相差板２５に入射する。波長選択性位相差板２５は、緑偏光１３ｇの偏光方向のみを９０°回転させ、青赤偏光１３ｂｒの偏光方向を回転させない特性を有する。これにより、緑偏光１３ｇはｐ偏光として、青赤偏光１３ｂｒはｓ偏光のまま偏光分離素子１０ａに入射する。

偏光分離素子１０ａは、ｐ偏光である緑偏光１３ｇを透過し、ｓ偏光である青赤偏光１３ｂｒを反射する。偏光分離素子１０ａを透過した緑偏光１３ｇは緑用反射型液晶パネル２３ｇに入射し、偏光分離素子１０ａで反射された青赤偏光１３ｂｒは青赤用反射型液晶パネル２３ｂｒに入射する。

各反射型液晶パネルに入射した光は、画像信号に応じて画素ごとに偏光方向が変換され、かつ反射されることにより画像光となる。緑画像光２６ｇおよび青赤画像光２６ｂｒは再び偏光分離素子１０ａに入射する。緑画像光２６ｇは偏光分離素子１０ａで反射され、青赤画像光２６ｂｒは偏光分離素子１０ａを透過する。こうして合成された緑画像光２６ｇと青赤画像光２６ｂｒは、投射レンズ３０によってスクリーン等の被投射面に投射される。

本実施例の画像投射装置１００では、偏光分離素子１０ａとして実施例１〜６いずれかに示した偏光分離素子１０，１０′を用いることにより、明るく高コントラストで良好なカラー画像を投射することができる。また、偏光分離素子１０ａのｐ偏光に対する反射率とｓ偏光に対する透過率がともに小さいため、緑偏光と青赤偏光に対して共通の偏光分離素子を用いても、高コントラストを維持することができる。したがって、緑偏光と青赤偏光の光路構成を共通化することができ、青、緑および赤の光路すべてを分離する光学系を有する画像投射装置に比べて、コントラストを低下させることなくコンパクトな画像投射装置を実現することができる。

なお、本実施例では、偏光分離素子によって白色光を緑色光と青赤色光に分離する場合について説明したが、波長選択性位相差板や液晶パネルの特性に応じてこれとは異なる構成を採用してもよい。また、本実施例では、偏光変換素子によって光源からの光をｓ偏光に変換する場合について説明したが、ｐ偏光に変換してもよい。

図１１には、本発明の実施例８として、実施例１〜６のいずれかに示した偏光分離素子１０，１０′を用いた画像投射装置（液晶プロジェクタ）の構成を示す。

画像投射装置２００は、光源ランプ２１と、偏光変換素子２０と、ダイクロイックミラー（色分離素子）２４と、波長選択性位相差板２５とを有する。また、実施例１〜６のいずれかに示した偏光分離素子１０，１０′である第１の偏光分離素子１０ｃおよび第２の偏光分離素子１０ｄを有する。また、緑用反射型液晶パネル（第１の光変調素子）２３ｇと、青用反射型液晶パネル（第２の光変調素子）２３ｂと、赤用反射型液晶パネル（第３の光変調素子）２３ｒとを有する。さらに、位相差板２２ｂ，２２ｇ，２２ｒと、合成プリズム（色合成素子）２７と、投射レンズ（投射光学系）３０とを有する。

光源ランプ２１から発せられた白色光は、不図示の照明光学系によって平行光束１１とされて偏光変換素子２０に入射する。図では、白色光を、緑光（第１の色光）１２ｇ、青光（第２の色光）１２ｂおよび赤光（第３の色光）１２ｒが合成された光として示している。なお、色光、偏光分離素子および反射型液晶パネルに付された「第１」、「第２」および「第３」は、説明を明りょうにするために付されているにすぎず、緑、青および赤を限定する意味を持つものではない。

偏光変換素子２０に入射した緑光１２ｇ、青光１２ｂおよび赤光１２ｒは、該偏光変換素子２０によってすべてｓ偏光に変換されて、緑偏光１３ｇ、青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒとなり、ダイクロイックミラー２４に入射する。

ダイクロイックミラー２４は、緑光のみを反射し、赤光および青光は透過する。これにより、緑偏光１３ｇが青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒに対して分離される。

ダイクロイックミラー２４からのｓ偏光としての緑偏光１３ｇは、第１の偏光分離素子１０ｃに入射し、該第１の偏光分離素子１０ｃにて反射されて位相差板２２ｇを通過して緑用反射型液晶パネル２３ｇに入射する。

一方、ダイクロイックミラー２４からのｓ偏光としての青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒは、波長選択性位相差板２５に入射する。

波長選択性位相差板２５は、青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒのうち一方である赤偏光１３ｒの偏光方向のみを９０°回転させ、他方である青偏光１３ｂの偏光方向は回転させない。このため、赤偏光１３ｒは、ｐ偏光に変換されて第２の偏光分離素子１０ｄに入射し、青偏光１３ｂはｓ偏光のまま第２の偏光分離素子１０ｄに入射する。

青偏光１３ｂは第２の偏光分離素子１０ｄで反射されて、位相差板２２ｂを介して青用反射型液晶パネル２３ｂに入射する。赤偏光１３ｒは第２の偏光分離素子１０ｄを透過して、位相差板２２ｒを介して赤用反射型液晶パネル２３ｒに入射する。

各反射型液晶パネルに入射した光は、画像信号に応じて画素ごとに偏光方向が変換され、かつ反射されることにより画像光となる。各位相差板は、各偏光分離素子と各反射型液晶パネルにより発生した位相のずれを補正して、いわゆる漏れ光を低減する。

緑画像光２６ｇは、再び位相差板２２ｇを通過した後に第１の偏光分離素子１０ｃにて反射され、合成プリズム２７に入射する。青画像光２６ｂは、再び位相差板２２ｂを通過した後に第２の偏光分離素子１０ｄを透過して合成プリズム２７に入射する。赤画像光２６ｒは、再び位相差板２２ｒを通過した後に第２の偏光分離素子１０ｄで反射されて合成プリズム２７に入射する。

合成プリズム２７は、ダイクロイック膜２７ａによって緑画像光２６ｇを反射し、青画像光２６ｂおよび赤画像光２６ｒを透過することで、これらの画像光２６ｇ，２６ｂ，２６ｒを合成する。合成された画像光２６ｇ，２６ｂ，２６ｒは、投射レンズ３０によってスクリーン等の被投射面に投射される。

本実施例の画像投射装置２００では、第１および第２の偏光分離素子１０ｃ，１０ｄとして実施例１〜６のいずれかに示した偏光分離素子１０，１０′を用いることにより、明るく高コントラストで良好なカラー画像を投射することができる。また、第１および第２の偏光分離素子１０ｃ，１０ｄのｐ偏光に対する反射率およびｓ偏光に対する透過率がともに小さいため、緑偏光と青赤偏光に対して同じ特性の偏光分離素子を用いても、高コントラストを維持することができる。したがって、青偏光と赤偏光の光路構成が共通化することができ、青、緑、赤のすべての光路を分離した光学系を用いる画像投射装置に比べて、コントラストを低下させることなくコンパクトな画像投射装置を実現することができる。

なお、本実施例では、偏光変換素子によって光源からの光をｓ偏光に変換する場合について説明したが、ｐ偏光に変換してもよい。また、本実施例では、光源からの白色光のうち緑光をまずダイクロイックミラーによって青赤光に対して分離する場合について説明した。しかし、ダイクロイックミラーや合成プリズム等の素子の特性によって、他の色分離を行ってもよい。

表１には、上述した実施例１〜６の偏光分離素子１０，１０′および比較例１〜３と条件（１），（２）との関係を示す。

実施例１から実施例８において、偏光分離素子の１次元格子構造によって定義される入射光の方位角が０度の場合について説明を行った。しかし、偏光分離性能を向上させるという効果は、方位角が０度以外の場合であっても得ることができる。

以上説明した各実施例は代表的な例にすぎず、本発明の実施に際しては、各実施例に対して種々の変形や変更が可能である。

良好な偏光分離特性を有する偏光分離素子およびこれを用いた画像投射装置を提供できる。

１，２ プリズム
３，３′ 偏光分離部
４ 格子部
５，５′ 格子間部
１０，１０′偏光分離素子

Claims (5)

1. 可視波長域の入射光を偏光方向によって分離する偏光分離素子であって、
   前記入射光の波長よりも小さい格子周期を有し、金属により格子部が形成された一次元格子構造と、
   空気よりも屈折率が高く、透光性を有する材料により形成され、屈折率が互いに等しい２つの透光性部材とを有し、
   前記２つの透光性部材の間に、前記一次元格子構造が形成されており、
   前記一次元格子構造の前記格子周期が１２０ｎｍ以下であり、該一次元格子構造の厚みが３０ｎｍ以上８０ｎｍ以下であり、該一次元格子構造の格子間部が真空または空気もしくは誘電体により構成されており、
   前記格子周期Λ［ｎｍ］と該格子周期に対する前記格子部の幅ｗ［ｎｍ］の比ｗ／ΛであるフィリングファクタＦＦと、前記格子間部の屈折率ｎ_ａと、５５０［ｎｍ］の波長λ_ｇとが以下の条件を満足することを特徴とする偏光分離素子。
   （１．４ｎ_ａ−２．９）Λ／λ_ｇ−０．５７ｎ_ａ＋１．３２≦ＦＦ≦（１．４ｎ_ａ−２．９）Λ／λ_ｇ−０．５７ｎ_ａ＋１．３９
2. 前記格子間部が真空または空気により構成されており、
   前記フィリングファクタＦＦと前記２つの透光性部材の材料の屈折率ｎ_ｐとが以下の条件を満足することを特徴とする請求項１に記載の偏光分離素子。
   ０．１５２ｎ_ｐ−１．３７５（Λ／λ_ｇ）＋０．５≦ＦＦ
   ≦０．１５２ｎ_ｐ−１．３７５（Λ／λ_ｇ）＋０．６
3. 前記金属が、アルミニウム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. 光源からの光を複数の色光に分離する色分離光学系と、
   前記複数の色光をそれぞれ変調する複数の光変調素子と、
   該複数の光変調素子からの前記複数の色光を被投射面に投射する投射光学系とを有し、前記色分離光学系に、請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光分離素子が含まれていることを特徴とする画像投射装置。
5. 第１の光変調素子、第２の光変調素子および第３の光変調素子と、
   光源からの光を第１の色光、第２の色光および第３の色光に分離してそれぞれ、前記第１の光変調素子、前記第２の光変調素子および前記第３の光変調素子に導き、該第１、第２および第３の光変調素子により変調された前記第１、第２および第３の色光を合成する色分離合成光学系と、
   該色分離合成光学系において前記第１、第２および第３の色光が合成された光を被投射面に投射する投射光学系とを有する画像投射装置であって、
   前記色分離合成光学系は、前記光源からの光を前記第１の色光と、前記第２および第３の色光とに分離する色分離素子と、
   前記第２および第３の色光のうち一方の偏光方向を９０°回転させ、他方の偏光方向を回転させない波長選択性位相差板と、
   前記第１の色光を前記第１の光変調素子に導く第１の偏光分離素子と、
   該波長選択性位相差板を介した前記第２および第３の色光のうち前記第２の色光を前記第２の光変調素子に導き、前記第３の色光を前記第３の光変調素子に導く第２の偏光分離素子と、
   前記第１、第２および第３の光変調素子により変調された前記第１、第２および第３の色光を合成する色合成素子とを有し、
   前記第１および第２の偏光分離素子が、請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光分離素子であることを特徴とする画像投射装置。