JP5765984B2 - 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）と誘電体膜の多層膜層とにより構成され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。

一般に、ワイヤーグリッドは、ｓ偏光を反射してｐ偏光を透過するように設計される。ただし、実際には、透過すべきｐ偏光が一部反射される。ｐ偏光が反射されると、偏光分離特性や光の利用効率が低下する。

そこで、ｐ偏光の反射を抑える目的で、ワイヤーグリッドと基板や入射媒質との界面に誘電体薄膜や誘電体グリッドを積層して形成した層を配置した偏光分離素子が特許文献２にて開示されている。また、基板により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、透明基板やプリズム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３にて開示されている。

特表２００３−５０２７０８号公報 特表２００８−５２３４２２号公報 特表２００３−５１９８１８号公報

しかしながら、特許文献１〜３にて開示された偏光分離素子では、十分なｓ偏光の反射率を得るために、ワイヤーグリッドの格子厚を大きくする必要があるため、透過すべきｐ偏光がワイヤーグリッドによって吸収されてしまう。

また，透明基板やプリズムに挟み込んで用いるワイヤーグリッド偏光分離素子は，基板による非点収差が発生しない反面、入射側を空気や真空とした場合に比べてｐ偏光反射率が大きくなる。

本発明は、ｐ偏光の反射率を抑えつつ十分なｓ偏光の反射率を確保でき、ワイヤーグリッドによる吸収損失を低減することを可能と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、入射光を偏光方向によって分離する。該偏光分離素子は、光入射側から順に、光学ガラスと、複数の誘電体膜が積層されて構成された入射側多層膜層と、入射光の波長よりも小さい格子周期を有し、金属により形成された一次元格子構造とを有する。一次元格子構造の厚みが５０ｎｍ以下であり、入射側多層膜層よりも光入射側にある光学ガラスを入射媒質とするとき、上記複数の誘電体膜は、入射媒質の屈折率よりも高い屈折率を有する誘電体膜と、入射媒質の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体膜とを少なくとも１つずつ含み、複数の誘電体膜の表面に垂直な方向に対して４５度の角度をなす入射方向から光が入射し、入射側多層膜層を構成する複数の誘電体膜の屈折率のうち最も高い屈折率をｎ _Ｈ とし、最も低い屈折率をｎ _Ｌ とし、複数の誘電体膜のうち最も低い屈折率ｎ _Ｌ を有する誘電体膜内を進行する入射光と該誘電体膜の法線とのなす角を屈折角θ _Ｌ とするとき、ｎ _Ｈ ，ｎ _Ｌ ，θ _Ｌ が０．９＜（ｎ _Ｌ ／ｎ _Ｈ ）×ｔａｎθ _Ｌ ＜１．１を満足することを特徴とする。

なお、該偏光分離素子を、色分離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。

本発明では、一次元格子構造（ワイヤーグリッド）よりも光入射側に、入射媒質の屈折率よりも高い屈折率を有する誘電体膜と入射媒質の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体膜とを積層した入射側多層膜層を配置している。これにより、ｐ偏光の反射率を抑えつつ十分なｓ偏光の反射率を確保でき、ワイヤーグリッドによる吸収損失を低減させるようにした偏光分離素子を実現することができる。

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の偏光分離素子の偏光分離部の構成を示す図。 本発明の実施例１である偏光分離素子の偏光分離部の構成を示す図。 実施例１の偏光分離部の特性を示す図。 本発明の実施例２である偏光分離素子の偏光分離部の構成を示す図。 実施例２の偏光分離部の特性を示す図。 本発明の実施例３である偏光分離素子の偏光分離部の構成を示す図。 実施例３の偏光分離部の特性を示す図。 実施例３の変形例を示す図。 本発明の実施例４である偏光分離素子の偏光分離部の構成を示す図。 実施例４の偏光分離部の特性を示す図。 本発明の実施例５である偏光分離素子の偏光分離部の構成を示す図。 実施例５の偏光分離部の特性を示す図。 本発明の実施例６である偏光分離素子の偏光分離部の構成を示す図。 実施例６の偏光分離部の特性を示す図。 本発明の実施例７である液晶プロジェクタの構成を示す図。 比較例１の偏光分離素子の構成および特性を示す図。 比較例２の偏光分離素子の構成および特性を示す図。 比較例３の偏光分離素子の構成および特性を示す図。 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（ａ），（ｂ）を用いて説明する。

偏光分離素子１０は、２つの透光性を有するプリズム１，２と、これらプリズム１，２の間に配置された偏光分離部３とによって構成されている。

ｓ偏光と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。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、４００〜７００ｎｍの可視波長域の全部または一部である。

ここで、入射光と偏光分離部３の法線とを含む平面を入射平面と称する。この入射平面内で電界が振動する光をｐ偏光といい、入射平面と垂直な方向にて電界が振動する光をｓ偏光という。また、偏光分離部３の詳しい構成については後述する。

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２０（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２０（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。また、プリズムも平板も用いず、偏光分離部３のみで偏光分離素子を構成してもよい。

図２（ａ）には、本実施例の偏光分離素子１０における偏光分離部３の概略構成を示す。偏光分離部３は、光入射側（プリズム２側）から光射出側（プリズム１側）に順に、入射側多層膜層３ｃと、ワイヤーグリッド３ａと、射出側多層膜層３ｂとを有する。入射側多層膜層３ｃと射出側多層膜層３ｂはそれぞれ、複数の誘電体膜が積層されて構成されている。ワイヤーグリッド３ａは、金属により形成され、入射光の波長より小さい格子周期を有する一次元格子構造である。射出側多層膜層３ｂは、必ずしも設けられなくてもよい。

なお、この図では、偏光分離部３の構造を分かりやすくするために、ワイヤーグリッド３ａや多層膜層３ｃ，３ｂの構造を誇張して示しており、プリズム１，２と偏光分離部３との実際の寸法関係はこの図とは異なる。

図２（ｂ）には、ワイヤーグリッド３ａの概略構成を示している。ワイヤーグリッド３ａは、金属により形成された格子部（以下、金属格子部という）４と、該金属格子部４の間に挟まれた格子間部５とが交互に配列されて構成されている。ワイヤーグリッドの偏光特性を決定するパラメータは、格子厚さｄ、金属格子部４の幅ｗおよび格子周期Λと格子幅ｗとの比ｗ／Λで表されるフィリングファクタＦＦである。ワイヤーグリッド３ａ（金属格子部４）は、先にも説明したが、入射光の波長よりも十分に小さい格子周期Λを持つ。

図１に示すように、プリズム２の入射面に垂直な方向に延びる軸（偏光分離部３の入射面に垂直な方向に対して４５度をなす方向に延びる軸）をｚ軸とし、入射光の各光線とｚ軸とがなす角度を入射角と定義する。このとき、プリズム２にはある程度の角度範囲（例えば、±１０°）の入射角で入射光が入射する。この角度範囲を入射角範囲と定義すると、ワイヤーグリッド３ａによるｐ偏光の反射率がこの入射角範囲内で最小値を持つためには、格子周期Λと格子幅ｗとが以下の条件（１）を満足する必要がある。
０．２５≦ｗ／Λ（＝ＦＦ）≦０．６０ （１）
フィリングファクタＦＦが条件（１）の上限値より大きくなると、ｐ偏光の反射率が最小となる角度が大きくなって入射角範囲を超えてしまう。このため、入射角範囲でｐ偏光の反射率を効果的に抑えることが困難となる。また、フィリングファクタＦＦが条件（１）の下限値より小さくなると、ｐ偏光の反射率が最小となる角度が小さくなり、入射角範囲を超えてしまう。このため、ｐ偏光の反射率を効果的に抑えることが困難になる。この結果、偏光分離部３を透過すべきｐ偏光が偏光分離部３で反射することになり、偏光分離特性が低下したり光の利用効率が低下したりする。

さらに、条件（１）の下限値と上限値の範囲内で、格子周期Λが小さいときにはフィリングファクタＦＦは大きく、格子周Λ期が大きくなるとフィリングファクタＦＦは小さい方が良好な偏光分離特性が得られることが分かった。

また、ワイヤーグリッド３ａが偏光分離特性を有するためには、ワイヤーグリッド３ａを入射光の波長より小さい格子周期で形成する必要がある。特に、良好な偏光分離特性を得るためには、格子周期が入射光の波長に対して十分に小さいことが好ましい。例えば、入射光の最小波長が４００ｎｍである場合には、格子周期を１２０ｎｍ以下に設定することが好ましい。

さらに、格子厚さｄと格子幅ｗが、以下の条件（２）を満足することが望ましい。
ｄ／ｗ≦２．０ （２）
ｄ／ｗが条件（２）の上限値を超えると、格子厚さｄが格子幅ｗに対して大きくなりすぎて格子の製造が困難になるとともに、格子の強度が低くなり、所望の偏光分離性能を得ることが難しくなる。また、式（２）を満足することにより、ワイヤーグリッドの格子厚さｄを薄くすることで、ワイヤーグリッドによる光の吸収損失を低減させることができる。

格子間部５は、空気または誘電体により形成される。格子間部５が空気により形成される場合には、より良好な偏光分離特性が得られるものの、格子の製造の容易さを考慮すると、格子間部５が誘電体により形成されることが好ましい。この場合、格子間部５の誘電体を、入射側多層膜層３ｃおよび射出側多層膜層３ｂのうち一方または両方を構成する複数の誘電体膜のうちワイヤーグリッド３ａに隣接する誘電体膜を形成している誘電体と同じ誘電体としてもよい。

本実施例では、入射側多層膜層３ｃおよび射出側多層膜層３ｂはそれぞれ、互いに異なる屈折率を有する少なくとも２つの誘電体膜により形成されている。さらに言えば、本実施例では、入射側多層膜層３ｃよりも光入射側の媒質を入射媒質とする。このとき、入射側および射出側多層膜層３ｃ，３ｂのそれぞれを構成する複数の誘電体膜は、入射媒質の屈折率よりも高い屈折率を有する誘電体膜（誘電体層）と、入射媒質の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体膜（誘電体層）とを少なくとも１つずつ含む。本実施例では、入射媒質は、プリズム２の内部を満たす光学ガラス等の材料である。入射側および射出側多層膜層３ｃ，３ｂのそれぞれを構成する複数の誘電体膜のうち、入射媒質の屈折率よりも高い屈折率を有する少なくとも１つの誘電体膜をＨ又はＨ層と表す（例えば、図３参照）。また、入射媒質の屈折率よりも低い屈折率を有する少なくとも１つの誘電体膜をＬ又はＬ層と表す。また、少なくとも１つのＨ層の屈折率のうち最も高い屈折率をｎ_Ｈ，とし、少なくとも１つのＬ層の屈折率のうち最も低い屈折率をｎ_Ｌとする。この場合、屈折率ｎ_Ｈと屈折率ｎ_Ｌは以下の条件（３）を満足することが望ましい。
ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ＞１．４ （３）
さらに、Ｌ層の誘電体膜内を進行する光線と該Ｌ層の法線とのなす角を屈折角θ_Ｌとする。この場合、ｎ_Ｈ，ｎ_Ｌ，θ_Ｌは以下の条件（４）を満足することが望ましい。
０．９＜（ｎ_Ｌ／ｎ_Ｈ）×ｔａｎθ_Ｌ ＜１．１ （４）
条件（３）は、Ｈ層とＬ層の界面にてｓ偏光を反射させるための条件である。ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌが条件（３）の下限値より小さくなると、ｓ偏光の反射率が低下し、良好な偏光分離特性を得ることが困難となる。また、条件（４）は、入射角範囲内のある入射角において、Ｈ層とＬ層の界面がブリュースター角の条件を満たすことを表す。

本実施例では、条件（３）と（４）を満足することにより、多層膜層３ｂ，３ｃに入射した光のうちｐ偏光を透過させ、かつｓ偏光を反射させる偏光分離作用を良好に得ることができる。このような効果は、射出側多層膜層３ｂを設けず、入射側多層膜層３ｃのみを設けるだけでも得られるので、射出側多層膜層３ｂが設けられていない場合も本発明の実施例の１つである。ただし、射出側多層膜層３ｂを設けることで、ごく僅かに入射側多層膜層３ｃで反射しきれなかったｓ偏光をも反射させることができるので、いわゆる漏れ光としてのｓ偏光を効果的に低減することができる。

以上のように構成された偏光分離部３により、ワイヤーグリッド３ａで反射すべきｓ偏光の一部を入射側多層膜層３ｃや射出側多層膜層３ｂで反射させることができるため、従来に比べてワイヤーグリッド３ａの格子厚を大幅に小さくすることができる。これにより、ワイヤーグリッド３ａで吸収されるｐ偏光を減少させることができる。言い換えれば、入射媒質の屈折率よりも高い屈折率を有する誘電体膜（誘電体層）と、入射媒質の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体膜（誘電体層）とを少なくとも１つずつ含むように構成することで、ｓ偏光が反射し、ｐ偏光が透過する構造となる。これにより、ワイヤーグリッド３ａによるｓ偏光の反射を補助する作用が働き、よりｓ偏光の反射率を高めることができる。なお、多層膜層において最も入射媒質側の層を、高い屈折率を有する層（Ｈ層）にすることにより、偏光分離特性が向上されるのでより好ましい。

一般的なワイヤーグリッドでは、十分なｓ偏光の反射特性を得るために、格子厚が１００ｎｍ以上に設定されることが多い。一方、本実施例では、ワイヤーグリッド３ａの格子厚を５０ｎｍ以下としても、ｓ偏光の反射率として９０％以上を得ることが可能となる。

また、偏光分離部３が良好な角度特性を得るためには、入射側多層膜層３ｃおよび射出側多層膜層３ｂにおいてワイヤーグリッド３ａに隣接する誘電体膜は、各多層膜層３ｃ，３ｂを構成する複数の誘電体膜のうち最も屈折率が低い誘電体膜であることが望ましい。

さらに、各多層膜層３ｂ，３ｃは、ワイヤーグリッド３ａに対して非対称な構造を有していてもよいが、対称な構造を有する場合には、プリズム２から光が入射する場合だけでなく、プリズム１から光が入射する場合でも各偏光に対する光学特性が等しくなる。このため、偏光分離素子を使用する光学系の構成の自由度が高くなる。

図３に、本発明の実施例１の偏光分離部３の構成を示す。図３には示していないプリズム（図１中のプリズム１，２）の屈折率は１．７５であり、入射側および射出側多層膜層はプリズム２よりも屈折率が高いＨ層と屈折率が低いＬ層の２種類の層が交互に積層されて構成されている。すなわち、偏光分離部３は、光入射側から順に、ＨＬＨＬＨＬワイヤーグリッドＬＨＬＨという構成を有する。入射側および射出側の多層膜層のいずれにおいても、ワイヤーグリッドに隣接する誘電体膜は、Ｌ層である。なお、本実施例では、すべてのＨ層の屈折率がｎ_Ｈで等しく、すべてのＬ層の屈折率がｎ_Ｌで等しい。

各層の屈折率と厚さを表１に示す。ワイヤーグリッドを形成する金属はアルミニウムであり、格子厚は２５ｎｍ、フィリングファクタは０．４５、格子周期は１００ｎｍである。格子間の媒質は空気である。

プリズム２の入射面に垂直に光が入射した場合、つまりは偏光分離部３にその表面に垂直な方向に対して４５度の角度をなす入射方向から光が入射した場合の波長ごとのｓ偏光およびｐ偏光の反射率を図４（ａ）に示し、波長ごとの吸収損失を図４（ｂ）に示す。

図４（ａ）の第１縦軸（左側の縦軸）はｐ偏光の反射率を、第２縦軸（右側の縦軸）はｓ偏光の反射率を表す。図４（ｂ）の縦軸は吸収損失を示す。これらの図の横軸は波長を示す。

図４（ａ），（ｂ）に示すように、本実施例の偏光分離部３は、波長５００〜６００ｎｍにおいて、ｓ偏光の反射率ＲｓはＲｓ＞９５％であり、ｓ偏光およびｐ偏光のそれぞれに対する吸収損失Ａｓ，Ａｐは、Ａｓ＜５％，Ａｐ＜５％と優れた特性を有する。

また、波長５５０ｎｍにおけるｐ偏光およびｓ偏光の反射率Ｒｐ，Ｒｓの入射角特性を図４（ｃ）に示す。図４（ｃ）の第１縦軸はｐ偏光の反射率を、第２縦軸はｓ偏光の反射率を、横軸は入射角を示す。ここにいう入射角とは、プリズム２内において光線が偏光分離部３の表面に垂直な方向となす角度であり、該垂直な方向を０°と定義する。図４（ｃ）から分かるように、本実施例は、プリズム２内での入射角が４５°付近であるときに、ｐ偏光の反射率Ｒｐが十分低くなるように最適化されている。

なお、本実施例では、２種類の誘電体膜のみを用いて多層膜層を構成したが、他の屈折率を持つ誘電体膜を含ませてもよい。
（比較例１）
図１７（ａ）に比較例１の偏光分離素子を示す。比較例１の偏光分離素子は、プリズム１，２，とそれらの間に配置された偏光分離部とにより構成されているが、偏光分離部はワイヤーグリッド３ａのみで構成されている。ワイヤーグリッド３ａのパラメータやプリズム１，２の屈折率は実施例１と同じである。

プリズム２の入射面に垂直に光が入射した（偏光分離部にその表面に垂直な方向に対して４５度の角度をなす方向から光が入射した）場合の波長ごとのｓ偏光およびｐ偏光の反射率を図１７（ｂ）に、波長ごとの吸収損失を図１７（ｃ）にそれぞれ示す。図１７（ｂ），（ｃ）中の縦軸および横軸は、図４（ａ），（ｂ）と同じである。このことは、後述する他の比較例でも同じである。

図１７（ｂ）に示すように、ｓ偏光反射率ＲｓはＲｓ＜７５％と小さく、多層膜層を設けない構造では、ワイヤーグリッド３ａの格子厚が薄い場合には、十分なｓ偏光の反射率が得られない。また、図１７（ｃ）に示すように、吸収損失は、実施例１に比べてｓ偏光およびｐ偏光ともに大きい。これは、実施例１では入射側多層膜層で一部が反射されていたｓ偏光が全てワイヤーグリッド３ａに入射し、ワイヤーグリッド３ａへのｓ偏光の入射量が実施例１より多いことから、ワイヤーグリッド３ａで吸収されるｓ偏光の量も大きくなるためである。

また、ｐ偏光の吸収損失が増加するのは、ワイヤーグリッド３ａと射出側のプリズム１の界面での反射が増加し、多重反射が起きやすくなるために、ワイヤーグリッド３ａで吸収されるｐ偏光が増えるためである。

このように、ワイヤーグリッドのみを用いて偏光分離部を構成する場合には、単純に薄いワイヤーグリッドを用いただけではｓ偏光の反射率が小さく、吸収損失も大きくなる。したがって、光の利用効率が低下し、実施例１のような低損失の偏光分離素子の実現は困難である。
（比較例２）
図１８（ａ）に、比較例２の偏光分離素子の構成を示す。比較例２の偏光分離素子は、比較例１と同様に、プリズム１，２の間に配置された偏光分離部がワイヤーグリッド３ａのみで構成されている。ワイヤーグリッド３ａの格子厚が１００ｎｍである以外は、パラメータやプリズム１，２の屈折率は実施例１と同じである。

プリズム２の入射面に垂直に光が入射した場合の波長ごとのｓ偏光およびｐ偏光の反射率を図１８（ｂ）に、波長ごとの吸収損失を図１８（ｃ）にそれぞれ示す。

図１８（ｂ）に示すように、ワイヤーグリッド３ａの格子厚を大きくしたことにより、ｐ偏光の反射率が１５％程度と高くなっている。ｓ偏光の反射率は９０％程度と比較例１よりは高いが、実施例１の方がさらに１０％程度高い。

また、図１８（ｃ）から、吸収損失は、ｓ偏光およびｐ偏光とも実施例１と比較して大きいことが分かる。ｐ偏光の吸収損失が増加するのは、ワイヤーグリッド３ａを厚くしたことにより、ここを透過する際に吸収されるｐ偏光が増加したためである。一方、ｓ偏光の吸収損失が増加したのは、比較例１と同様に、ワイヤーグリッド３ａに入射するｓ偏光が増加したためである。

このように、ワイヤーグリッドのみを用いて偏光分離部を構成する場合には、ｓ偏光の反射率を上げるためにワイヤーグリッドを厚くしても、実施例１ほどの反射率は得られない。また、ｐ偏光の反射率が大きくなり、吸収損失も増えてしまう。したがって、実施例１のような低損失の偏光分離素子の実現は困難である。
（比較例３）
図１９（ａ）に比較例３の偏光分離素子の偏光分離部３の構成を示す。比較例３では、偏光分離部３が、光入射側から順に、ＬＨＬＨワイヤーグリッドＨＬＨと、屈折率の高いＨ層がワイヤーグリッドに隣接する構成を有する。各層の屈折率と厚さを表７に示す。また、フィリングファクタが０．３であること以外は、ワイヤーグリッドのパラメータや不図示のプリズムの屈折率は実施例１と同じである。

波長５５０ｎｍにおけるｐ偏光およびｓ偏光の反射率の入射角特性を図１９（ｂ）に示す。この図から分かるように、本比較例は、実施例１と同様に、プリズム内での入射角４５°付近でのｐ偏光の反射率が最小となるよう最適化されている。しかし、実施例１と比較すると、入射角による反射率の変化がｐ偏光およびｓ偏光ともに実施例１より大きい。

このように、ワイヤーグリッドに隣接する誘電体膜が屈折率が高いＨ層であると、屈折率が小さいＬ層が隣接する場合に比べて入射角特性が低下し、広い入射角で使用した場合の偏光分離特性が低下する原因となる。したがって、ワイヤーグリッドに隣接する誘電体膜の屈折率は小さい（Ｌ層を隣接させる）方が望ましい。

図５には、本発明の実施例２である偏光分離素子における偏光分離部３の構成を示す。実施例１と同様の不図示の２つのプリズムの屈折率は、本実施例でも１．７５である。偏光分離部３は、入射媒質（プリズム）の屈折率よりも高い屈折率を有する誘電体膜をＨとし、入射媒質の屈折率より低い屈折率を有する誘電体膜をＬとすると、光入射側から順に、ＨＬＨＬワイヤーグリッドＬＨＬＨという構成を有する。各層の屈折率と厚さを表２に示す。また、ワイヤーグリッドはアルミニウムにより形成され、格子厚は１８ｎｍ、フィリングファクタは０．４０、格子周期は１００ｎｍである。格子間の媒質は空気である。

プリズムの入射面に垂直に光が入射した（偏光分離部３にその表面に垂直な方向に対して４５度の角度をなす入射方向から光が入射した）場合の波長ごとのｓ偏光およびｐ偏光の反射率を図６（ａ）に、波長ごとの吸収損失を図６（ｂ）にそれぞれ示す。これらの図中の縦軸および横軸は、図４（ａ），（ｂ）と同じである。このことは、後述する他の実施例でも同じである。

図６（ａ），（ｂ）に示すように、本実施例の偏光分離部３は、波長５００〜６００ｎｍにおいて、ｓ偏光の反射率ＲｐはＲｐ＞９５％であり、ｓ偏光およびｐ偏光のそれぞれに対する吸収損失Ａｓ，Ａｐは、Ａｓ＜５％，Ａｐ＜５％と優れた特性を有する。

この偏光分離部３は、ワイヤーグリッドに関して入射側多層膜層と射出側多層膜層とが対称な構成を有する。すなわち、入射側多層膜層と射出側多層膜層とがいずれも、ワイヤーグリッド側からＬＨＬＨの４層により構成されている。このような対称構造により、光がどちらの多層膜層から入射した場合でも、同じ光学特性を示す。これにより、本実施例の偏光分離素子を光学系の一部として利用する際に、偏光分離素子の配置自由度を高くすることができる。

図７には、本発明の実施例３である偏光分離素子の偏光分離部３の構成を示す。実施例１と同様の不図示の２つのプリズムの屈折率は、本実施例でも１．７５である。偏光分離部３は、光入射側から順に、ＨＬＨＬＨＬワイヤーグリッドＬＨＬＨという構成を有する。各層の屈折率と厚さを表３に示す。また、ワイヤーグリッドはアルミニウムにより形成され、格子厚は３２ｎｍ、フィリングファクタは０．３７、格子周期は１００ｎｍである。格子間の媒質はＬ層の誘電体膜と同じ誘電体である。

プリズムの入射面に垂直に光が入射した（偏光分離部３にその表面に垂直な方向に対して４５度の角度をなす入射方向から光が入射した）場合の波長ごとのｓ偏光およびｐ偏光の反射率を図８（ａ）に、波長ごとの吸収損失を図８（ｂ）にそれぞれ示す。

図８（ａ），（ｂ）に示すように、本実施例の偏光分離部３は、波長５００〜６００ｎｍにおいて、ｓ偏光の反射率ＲｓはＲｓ＞９５％であり、ｓ偏光およびｐ偏光のそれぞれに対する吸収損失Ａｓ，Ａｐは、Ａｓ＜５％，Ａｐ＜５％と優れた特性を有する。

本実施例では、ワイヤーグリッドに隣接するＬ層と格子間の媒質としての誘電体とが同じ誘電体により構成されている。この構成を採用することで、格子間の媒質が空気である場合に比べて、より簡単に偏光分離部３（つまりは偏光分離素子）を製造することができる。例えば、一方のプリズムの表面に多層膜層とワイヤーグリッドを形成した後、誘電体によってワイヤーグリッドの格子間の空間を埋め、さらにその上に同じ誘電体により薄膜を形成する。この場合、格子間の空間を誘電体によって完全に埋めてもよいし、部分的な隙間が残るように埋めてもよい。なお、偏光分離部３の製造方法はこれに限定されない。

本実施例では、入射側および射出側多層膜層の両方においてワイヤーグリッドにＬ層が隣接し、該Ｌ層と同じ誘電体がワイヤーグリッドの格子間に配置された場合について説明した。しかし、図９に示すように、入射側および射出側多層膜層のうち一方においてワイヤーグリッドにＬ層が隣接し、該Ｌ層と同じ誘電体がワイヤーグリッドの格子間に配置されるようにしてもよい。

図１０には、本発明の実施例４である偏光分離素子の偏光分離部３の構成を示す。実施例１と同様の不図示の２つのプリズムの屈折率は、本実施例では１．８である。偏光分離部３は、光入射側から順に、ＨＬＨＬＨＬワイヤーグリッドＬＨＬＨＬＨという構成を有する。各層の屈折率と厚さを表４に示す。また、ワイヤーグリッドはアルミニウムにより形成され、格子厚は３０ｎｍ、フィリングファクタは０．３５、格子周期は１００ｎｍである。格子間の媒質はＬ層の誘電体膜と同じ誘電体である。

プリズムの入射面に垂直に光が入射した（偏光分離部３にその表面に垂直な方向に対して４５度の角度をなす入射方向から光が入射した）場合の波長ごとのｓ偏光およびｐ偏光の反射率を図１１（ａ）に、波長ごとの吸収損失を図１１（ｂ）にそれぞれ示す。

図１１（ａ），（ｂ）に示すように、本実施例の偏光分離部３は、波長５００〜６００ｎｍにおいて、ｓ偏光の反射率ＲｓはＲｓ＞９５％であり、ｓ偏光およびｐ偏光のそれぞれに対する吸収損失Ａｓ，Ａｐは、Ａｓ＜５％，Ａｐ＜５％と優れた特性を有する。

図１２には、本発明の実施例５である偏光分離素子の偏光分離部３の構成を示す。実施例１と同様の不図示の２つのプリズムの屈折率は、本実施例では１．６である。偏光分離部３は、光入射側から順に、ＨＬＨＬＨＬワイヤーグリッドＬＨＬＨＬＨという構成を有する。各層の屈折率と厚さを表５に示す。また、ワイヤーグリッドはアルミニウムにより形成され、格子厚は３４ｎｍ、フィリングファクタは０．３５、格子周期は１００ｎｍである。格子間の媒質はＬ層の誘電体膜と同じ誘電体である。

プリズムの入射面に垂直に光が入射した（偏光分離部３にその表面に垂直な方向に対して４５度の角度をなす入射方向から光が入射した）場合の波長ごとのｓ偏光およびｐ偏光の反射率を図１３（ａ）に、波長ごとの吸収損失を図１３（ｂ）にそれぞれ示す。

図１３（ａ），（ｂ）に示すように、本実施例の偏光分離部３は、波長４２０〜５００ｎｍにおいて、ｓ偏光の反射率ＲｓはＲｓ＞９５％であり、ｓ偏光およびｐ偏光のそれぞれに対する吸収損失Ａｓ，Ａｐは、Ａｓ＜５％，Ａｐ＜５％と優れた特性を有する。

図１４には、本発明の実施例６である偏光分離素子の偏光分離部３の構成を示す。実施例１と同様の不図示の２つのプリズムの屈折率は、本実施例では１．６である。偏光分離部３は、光入射側から順に、ＨＬＨＬワイヤーグリッドという構成を有する。すなわち、本実施例では、入射側多層膜層は設けられているが、射出側多層膜層は設けられていない。

各層の屈折率と厚さを表６に示す。また、ワイヤーグリッドはアルミニウムにより形成され、格子厚は４５ｎｍ、フィリングファクタは０．４２、格子周期は１００ｎｍである。格子間の媒質はＬ層の誘電体膜と同じ誘電体である。

プリズムの入射面に垂直に光が入射した（偏光分離部３にその表面に垂直な方向に対して４５度の角度をなす入射方向から光が入射した）場合の波長ごとのｓ偏光およびｐ偏光の反射率を図１５（ａ）に、波長ごとの吸収損失を図１５（ｂ）にそれぞれ示す。

図１５（ａ），（ｂ）に示すように、本実施例の偏光分離部３は、波長５００〜６００ｎｍにおいて、ｓ偏光の反射率ＲｓはＲｓ＞９５％であり、ｓ偏光およびｐ偏光のそれぞれに対する吸収損失Ａｓ，Ａｐは、Ａｓ＜３％，Ａｐ＜７％と優れた特性を有する。

実施例１〜６における条件（１）〜（４）の値を表８にまとめて示す。

図１６には、本発明の実施例７として、実施例１〜実施例６のうちいずれかにて説明した偏光分離素子を用いた液晶プロジェクタ（画像投射装置）の構成を示す。液晶プロジェクタ１００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２４と、波長選択性位相差板２５と、偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂとを有する。偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂのうち少なくとも一方が、実施例１〜６のいずれかにて説明された偏光分離素子に相当する。

また、液晶プロジェクタ１００は、光変調素子である反射型液晶パネル２３ｇ，２３ｂ，２３ｒと、位相差板２２ｂ，２２ｇ、２２ｒと、色合成プリズム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（緑色光１２ｇ、青色光１２ｂおよび赤色光１２ｒを含む）は、偏光変換素子２０を含む照明光学系を通り、平行光束１１となって偏光変換素子２０に入射する。

偏光変換素子２０は、光源ランプ２１から入射した無偏光光を、ｓ偏光（緑偏光１３ｇ，青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒ）に変換する。次に、ダイクロイックミラー２４に入射した緑偏光１３ｇ，青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒのうち緑偏光１３ｇはダイクロイックミラー２４により反射され、青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒはダイクロイックミラー２４を透過する。緑偏光１３ｇは、偏光ビームスプリッタ１０ａにて反射され、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、青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒは波長選択性位相差板２５に入射し、赤偏光１３ｒのみが該波長選択性位相差板２５によって偏光方向を９０°変換される。これにより、青偏光１３ｂはｓ偏光のまま、赤偏光１３ｒはｐ偏光として偏光ビームスプリッタ１０ｂに入射する。

そして、青偏光１３ｂは偏光ビームスプリッタ１０ｂにより反射され、位相差板２２ｂを通過して青用反射型液晶パネル２３ｂに入射する。また、赤偏光１３ｒは、偏光ビームスプリッタ１０ｂを透過して、位相差板２２ｒを通過して赤用反射型液晶パネル２３ｒに入射する。ダイクロイックミラー２４から偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂまでの光学系が、光源からの光を複数の色光に分離する色分離光学系に相当する。

各反射型液晶パネルは、入射した光を画像信号に応じて反射されるとともに変調されて、画像光（緑色画像光２６ｇ，青色画像光２６ｂおよび赤色画像光２６ｒ）となる。緑用反射型液晶パネル２３ｇにより変調された緑色画像光２６ｇは、位相差板２２ｇを再び通過し、偏光ビームスプリッタ１０ａを透過して色合成プリズム２７に入射する。また、青用反射型液晶パネル２３ｂにより変調された青色画像光２６ｂは、位相差板２２ｂを再び通過し、偏光ビームスプリッタ１０ｂを透過して色合成プリズム２７に入射する。赤用反射型液晶パネル２３ｒにより変調された赤色画像光２６ｒは、位相差板２２ｒを再び通過し、偏光ビームスプリッタ１０ｂで反射されて色合成プリズム２７に入射する。

緑色光２６ｇは色合成プリズム２７内のダイクロイック膜２７ａによって反射され、青色画像光２６ｂおよび赤色画像光２６ｒはダイクロイック膜２７ａを透過する。これにより、緑色光２６ｇ、青色画像光２６ｂおよび赤色画像光２６ｒは合成されて投射レンズ３０に入射し、投射レンズ３０によって不図示のスクリーン等の被投射面に投射される。偏光ビームスプリッタ１０ｂおよび色合成プリズム２７により色合成光学系が構成される。

本実施例では、色分離光学系と色合成光学系とが一体の色分離合成光学系として形成されているが、例えば透過型液晶パネルを用いる場合のように色分離光学系と色合成光学系とがそれぞれ別々に構成されていてもよい。また、光変調素子として、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）等の液晶パネル以外のものを用いてもよい。

本実施例の液晶プロジェクタは、偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂのうち少なくとも一方に実施例１〜６のいずれかにて説明した偏光分離素子を用いることにより、明るく高コントラストな投射画像を表示することができる。

なお、本実施例では、偏光変換素子２０を用いて光源ランプ２１からの無偏光光を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、ダイクロイックミラー２４によって、白色光のうち緑色光を分離する場合について説明したが、他の色光を分離してもよい。

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。

ｐ偏光の反射率を抑えつつ十分なｓ偏光の反射率を確保でき、ワイヤーグリッドによる吸収損失を低減させ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 偏光分離部
３ａ ワイヤーグリッド
３ｂ，３ｃ 多層膜層

Claims (9)

1. 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、
   光入射側から順に、
   光学ガラスと、
   複数の誘電体膜が積層されて構成された入射側多層膜層と、
   前記入射光の波長よりも小さい格子周期を有し、金属により形成された一次元格子構造とを有し、
   前記一次元格子構造の厚みが５０ｎｍ以下であり、前記入射側多層膜層よりも光入射側にある前記光学ガラスを入射媒質とするとき、前記複数の誘電体膜は、前記入射媒質の屈折率よりも高い屈折率を有する誘電体膜と、前記入射媒質の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体膜とを少なくとも１つずつ含み、
   前記複数の誘電体膜の表面に垂直な方向に対して４５度の角度をなす入射方向から光が入射し、前記入射側多層膜層を構成する前記複数の誘電体膜の屈折率のうち最も高い屈折率をｎ _Ｈ とし、最も低い屈折率をｎ _Ｌ とし、前記複数の誘電体膜のうち前記最も低い屈折率ｎ _Ｌ を有する誘電体膜内を進行する前記入射光と該誘電体膜の法線とのなす角を屈折角θ _Ｌ とするとき、ｎ _Ｈ ，ｎ _Ｌ ，θ _Ｌ 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。
   ０．９＜（ｎ _Ｌ ／ｎ _Ｈ ）×ｔａｎθ _Ｌ ＜１．１
2. 前記一次元格子構造において、前記格子周期が１２０ｎｍ以下であり、かつ該格子周期Λと格子幅ｗ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。
   ０．２５≦ｗ／Λ≦０．６０
3. 前記最も高い屈折率ｎ_Ｈと前記最も低い屈折率ｎ_Ｌとが以下の条件を満足す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。
   ｎ_Ｈ／ｎ_Ｌ＞１．４
4. 前記一次元格子構造の格子間に、空気または誘電体が配置されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光分離素子。
5. 前記格子間に配置された前記誘電体が、前記入射側多層膜層を構成する前記複数の誘電体膜のうち前記一次元格子構造に隣接する誘電体膜を形成する誘電体と同じ誘電体であることを特徴とする請求項４に記載の偏光分離素子。
6. 前記入射側多層膜層を構成する前記複数の誘電体膜のうち前記一次元格子構造に隣接する誘電体膜の屈折率は、前記複数の誘電体膜の屈折率のうち最も低い屈折率であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の偏光分離素子。
7. 前記一次元格子構造よりも光射出側に、前記入射媒質の屈折率よりも高い屈折率を有する誘電体膜と、前記入射媒質の屈折率よりも低い屈折率を有する誘電体膜とを含む複数の誘電体膜が積層されて構成された射出側多層膜層を有することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の偏光分離素子。
8. 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７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。
9. 前記色分離光学系には、請求項７に記載の偏光分離素子が含まれており、
   前記色分離光学系は、前記偏光分離素子に互いに異なる波長帯域の複数の光が入射するように構成されており、
   前記偏光分離素子は、前記一次元格子構造に関して前記入射側多層膜層と前記射出側多層膜層が対称な構造を有する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の画像投射装置。