JPWO2014027458A1 - 偏光素子、光学装置及び映像表示装置 - Google Patents

Abstract

偏光子と、偏光子に密着して配置された結晶基板と、を備え、結晶基板は、光学軸が、基板面からの起き上がり角が±１５°以内、方位角φｉが偏光子透過軸から４５°±１０°以内または−４５°±１０°以内であり、位相差が、整数の位相差次数ｍを用いて、（９０°＋１８０°×ｍ）±２０°以内であり、位相差次数ｍが２以下の一軸性結晶基板である。

Description

本発明は、光の偏光状態を変換する偏光素子、光学装置及び映像表示装置に関する。

プロジェクタは、光源と、光源からの出射光が入射される照明光学系と、照明光学系からの光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系とを備えている。このようなプロジェクタでは、変調素子として液晶パネル等の偏光依存性を有する素子が使用されることがある。

液晶パネルは、液晶セルと、その前後に配置された偏光子とを備えている。液晶セルの前に配置された偏光子は、光源から出射した光を特定の偏光状態に変換し、液晶セルは入射した光の偏光状態を別の偏光状態に変換する。そして、液晶セルの後に配置した偏光子は、液晶セルを透過した光のうち、特定の偏光のみを透過させる。

偏光子としては、透過軸方向以外の方向の偏光を吸収する吸収型偏光子や透過軸方向以外の方向の偏光を反射する反射型偏光子が挙げられる。いずれの素子においても、透過軸方向に振動する直線偏光が出射される。

特許文献１には、反射型偏光子を用いて反射される偏光を再利用し、液晶表示体の輝度を向上させる方法が提案されている。

反射型偏光子であるグリッド偏光子を利用して、透過光はそのまま液晶パネルに入射させ、反射光は４分の１波長板を前面に配置したミラーで反射させる。これにより、偏光面を９０°回転させて偏光子を通過させ、液晶パネルに入射させる。この結果、偏光子での光の損失が減少し、画面の輝度が向上する。

ここで、偏光子は、わずかでも光の吸収が生じると発熱する。発熱により偏光子の温度が上昇すると、透過方向透過率の低下、吸収（または反射）方向透過率の上昇、ヘイズの上昇といった偏光子の特性劣化が生じる。偏光子の特性劣化は、プロジェクタのコントラスト低下や輝度低下、色ずれを引き起こす要因となる。そこで、偏光子の放熱効果を高めるために、熱伝導率の高い水晶基板やサファイア基板といった結晶基板を冷却板として密着させる提案がなされている（特許文献２、３）。

このような各特許文献に開示された技術に基づき、４分の１波長板として機能する結晶基板と、反射型偏光子とを組み合わせて形成し、結晶基板に冷却板と４分の１波長板の両機能を持たせる構成が考えられる。

特開昭６３−１６８６２６号公報 特許第３４４３５４９号公報 特許第３９７９１０６号公報

しかしながら、水晶基板やサファイア基板は、１つの光学軸を有する一軸性結晶基板であるため、以下のような問題があった。即ち、結晶基板の位相差には入射角依存性があることから、光の入射角によって、位相差が９０°（４分の１波長）と異なる値になる。この結果、光の入射角によっては、偏光再利用効率が極端に低下してしまう問題が生じる。例えば、結晶基板の位相差が１８０°のとき、結晶基板を２度通過すると、偏光が１８０°回転し、元の偏光に戻ってしまうことから、反射した偏光を再利用することができない。

このように反射型偏光子と４分の１波長板とを組み合わせて偏光再利用を行う構成においては、偏光子の放熱効果を向上し、また偏光再利用効率の角度依存性の抑制を同時に行う技術が求められている。

そこで、本発明の主目的は、結晶基板を用いて偏光子の放熱効果を向上させると共に、偏光再利用効率の角度依存性が抑制できる偏光素子、光学装置及び映像表示装置を提供することである。

上記の課題を解決するために、偏光素子は、直線偏光を透過させ、それ以外の偏光を反射する偏光子と、前記偏光子に密着して配置された結晶基板と、を備え、前記結晶基板は、光学軸が、基板面からの起き上がり角が±１５°以内、方位角φ_ｉが前記偏光子透過軸から４５°±１０°以内または−４５°±１０°以内であり、位相差が、整数の位相差次数ｍを用いて、（９０°＋１８０°×ｍ）±２０°以内であり、位相差次数ｍが２以下の一軸性結晶基板であることを特徴とする。

また、光学装置は、上記偏光素子を備えると共に、前記偏光素子に送風を送る冷却ファン、前記偏光素子の前記結晶基板に密着して設けられたヒートシンク、前記偏光素子に向けて光を出射する光源の少なくとも１つを備えたことを特徴とする。

さらに、映像表示装置は、上記光学装置と、入射光の偏光状態を変える液晶セルと、備えることを特徴とする。

本発明によれば、結晶基板を用いて、偏光子の放熱効果を高めつつ、偏光子の透過前後での偏光状態の変化の角度依存性を抑えた偏光素子を提供することができる。

本発明の第１の実施形態の偏光素子の構成を模式的に示す斜視図である。 光の方位角、極角等の角度を定義する斜視図である。 本発明の第１の実施形態の実施例の第１実施モデルのシミュレーション結果を示した図である。 本発明の第１の実施形態の実施例の結果を示した図で、（ａ）は第２実施モデルのシミュレーション結果、（ｂ）は第３実施モデルのシミュレーション結果である。 本発明の第１の実施形態の実施例の結果を示した図で、（ａ）は第４実施モデルのシミュレーション結果、（ｂ）は第５実施モデルのシミュレーション結果である。 本発明の第１の実施形態の実施例の比較モデルのシミュレーション結果を示した図である。 本発明の第１の実施形態の別な偏光素子の構成を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の偏光素子の構成を模式的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態の原理を示す断面図である。 本発明の第２の実施形態の実施例の第１実施モデルのシミュレーション結果を示した図である。 本発明の第２の実施形態の別な偏光素子の構成を示す斜視図である。 本発明の第３の実施形態の光学装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の光学装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の別な光学装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第４の実施形態の別な光学装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態の光学装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態の別の光学装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第５の実施形態の別の光学装置の構成を示す斜視図である。 本発明の第６の実施形態の映像表示装置の構成を示す配置図である。 本発明の第７の実施形態の映像表示装置の構成を示す配置図である。 本発明の第７の実施形態の別の映像表示装置の構成を示す配置図である。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態を説明する。図１は、本実施形態にかかる偏光素子２Ａの斜視図である。この偏光素子２Ａは、偏光子１０と、偏光子１０に密着して配置された結晶基板１１とから構成されている。以下の説明では、偏光素子２Ａに入射する光は、結晶基板１１側から入射させるとする。

図２は、光の進行方向Ｄをｘｙｚ座標において入射角度（方位角φ_ｉと極角θ_ｉ）を用いて定義した図である。

偏光子１０は、特に反射型偏光子である。このような偏光子１０として、例えば等方性フィルムと異方性フィルムとを多層積層させた多層フィルム反射型偏光子、金属をグリッド状に配置したワイヤグリッド偏光子、無機の多層膜で形成されたフォトニック構造を有するフォトニック結晶偏光子等が挙げられる。

結晶基板１１は、一軸性結晶基板である。そして、この結晶基板１１の光学軸５１は、基板面からの起き上がり角が±１５°以内、方位角φ_ｉは偏光子透過軸５０から４５°±１０°以内または−４５°±１０°以内である。また、位相差は、整数の位相差次数ｍを用いて、（９０°＋１８０°×ｍ）±２０°以内である。ここで、位相差次数ｍは２以下の正の整数である。

結晶基板１１の熱伝導率は、５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上が好ましい。また、可視光波長領域で透明なものが好ましい。このような結晶基板１１として、例えば水晶やサファイアが挙げられる。結晶基板１１の光学軸５１は、基板面からの起き上がり角が±１５°以内、方位角φ_ｉが偏光子透過軸５０から４５°±１０°以内または−４５°±１０°以内とする。より好ましくは、基板面からの起き上がり角が±５°以内、方位角φ_ｉが偏光子透過軸５０から４５°±３°以内または−４５°±１０°以内である。位相差Δは、ｍを正の整数として、（９０°＋１８０°×ｍ）±２０°以内である。より好ましくは、（９０°＋１８０°×ｍ）±５°以内である。ここで、ｍは位相差次数であり、２以下である。より好ましくは、位相差次数ｍは、０である。

次に、このような構成の偏光素子２Ａの動作を説明する。このとき、結晶基板１１や偏光子１０の面は、ｘｙ面内であり、これらの厚み方向はｚ軸方向とする。方位角φ_ｉは、光の進行方向Ｄをｘｙ面内に投影した際の投影写像がｘ軸とのなす角である。極角θ_ｉは、光の進行方向Ｄとｚ軸とのなす角である。以下、偏光子１０の透過軸５０は、ｙ軸方向に平行とする。

また、光源からの光はランダム偏光であり、光源、結晶基板１１及び偏光子１０で回折や拡散は生じないとする。そして、結晶基板１１は、入射した光をそのまま（入射光がランダム偏光であればランダム偏光のまま）出射する。

偏光子１０は、透過軸５０の方向の直線偏光を透過させるが、それ以外の方向の偏光は反射する。反射された光は、結晶基板１１に入射する。結晶基板１１に入射した反射光は、結晶基板１１の位相差Δ_ｓにより偏光状態が変化して、出射する。光の波長がλのとき、結晶基板１１の屈折率楕円体の長軸方向屈折率をｎ_ｓ／／、短軸方向屈折率をｎ_ｓ⊥、厚みをｄ_ｓとすると、

に示す位相差Δ_ｓが生じる。

光学軸５１がずれると、位相差Δ_ｓが式１で表される値から変化する。位相差の変化について検討したところ、光学軸５１は、基板面からの起き上がり角が±１５°以内、方位角φ_ｉが偏光子１０の透過軸５０から４５°±１０°以内または−４５°±１０°以内であれば、その影響は小さいことがわかった。より好ましくは、基板面からの起き上がり角が±５°以内、方位角φ_ｉが偏光子１０の透過軸５０から４５°±３°以内である。

位相差Δ_ｓは、（９０°＋１８０°×ｍ）に等しいとき、光源と反射型偏光子１０とを組み合わせた光源ユニットにおいて、最も効率的に偏光を再利用することができる。そして、（９０°＋１８０°×ｍ）からの差が２０°以内であれば、位相差のずれによる影響は小さい。より好ましくは５°以内である。

ここで、式１から次数ｍが大きくなる（即ち、厚みｄ_ｓが大きくなる）につれて、位相差Δ_ｓの入射極角θ_ｉ依存性が大きくなることがわかる。この入射極角θ_ｉ依存性を低減させるためには、次数ｍは２以下が好ましい。より好ましい位相差次数ｍは０である。

（実施例）
次に、実施例を説明する。本実施例では、後述する第１実施モデル〜第５実施モデル、比較モデルの偏光素子を用いて、その偏光状態に関するシミュレーションを行った。

＜第１実施モデル＞ 第１実施モデルの偏光素子は、偏光子１０として透過軸方位角φ_ｉが９０°の多層フィルム反射型偏光子、結晶基板１１として光学軸が極角θ_ｉが９０°、方位角φ_ｉが４５°のサファイア基板（屈折率：ｎ_ｓ／／＝１．７６３７，ｎ_ｓ⊥＝１．７７１８、厚み：ｄ_ｓ＝１６．３μｍ（次数０））を用いた。

＜第２実施モデル＞ 第２実施モデルの偏光素子は、偏光子１０として透過軸方位角φ_ｉが９０°の多層フィルム反射型偏光子、結晶基板１１として光学軸が極角θ_ｉが７５°、方位角φ_ｉが４５°のサファイア基板（屈折率：ｎ_ｓ／／＝１．７６３７，ｎ_ｓ⊥＝１．７７１８、厚み：ｄ_ｓ＝１６．３μｍ「次数０」）を用いた。

＜第３実施モデル＞ 第３実施モデルの偏光素子は、偏光子１０として透過軸方位角φ_ｉが９０°の多層フィルム反射型偏光子、結晶基板１１として、光学軸が極角θ_ｉが９０°、方位角φ_ｉが３５°のサファイア基板（屈折率：ｎ_ｓ／／＝１．７６３７，ｎ_ｓ⊥＝１．７７１８、厚み：ｄ_ｓ＝１６．３μｍ「次数０」）を用いた。

＜第４実施モデル＞ 第４実施モデルの偏光素子は、偏光子１０として透過軸方位角φ_ｉが９０°の多層フィルム反射型偏光子、結晶基板１１として光学軸が極角θ_ｉが９０°、方位角φ_ｉが４５°のサファイア基板（屈折率：ｎ_ｓ／／＝１．７６３７，ｎ_ｓ⊥＝１．７７１８、厚み：ｄ_ｓ＝１２．６μｍ「位相差７０°」）を用いた。

＜第５実施モデル＞ 第５実施モデルの偏光素子は、偏光子１０として透過軸方位角φ_ｉが９０°の多層フィルム反射型偏光子、結晶基板１１として光学軸が極角θ_ｉが９０°、方位角φ_ｉが４５°の水晶基板（屈折率：ｎ_ｓ／／＝１．５５６２，ｎ_ｓ⊥＝１．５４７０、厚み：ｄ_ｓ＝７１．９μｍ「次数２」）を用いた。

＜比較モデル＞ 比較モデルの偏光素子は、偏光子１０として透過軸方位が９０°の多層フィルム反射型偏光子、結晶基板１１として光学軸が極角θ_ｉが９０°、方位角φ_ｉが４５°のサファイア基板（屈折率：ｎ_ｓ／／＝１．７６３７，ｎ_ｓ⊥＝１．７７１８、厚み：ｄ_ｓ＝３４１．５μｍ「次数１０」）を用いた。

これらの偏光素子に対して、光源は結晶基板１１側に配置され、その出射光はランダム偏光とした。なお、光源の反射率は０．６で、偏光状態が保存される正反射であるとした。そして、偏光子１０の透過偏光方向の透過率の角度依存性をシミュレーションした。

図３は、第１実施モデルのシミュレーション結果を示した図である。図４（ａ）は、第２実施モデルのシミュレーション結果を示す図、図４（ｂ）は第３実施モデルのシミュレーション結果を示す図である。また、図５（ａ）は第４実施モデルのシミュレーション結果を示す図、図５（ｂ）は第５実施モデルのシミュレーション結果を示す図である。さらに、図６は、比較モデルのシミュレーション結果を示す図である。

図３から、第１実施モデルの偏光素子では、透過光強度の角度依存性が小さく、偏光再利用効率が高い結果を得ることができた。また、図４（ａ）及び図４（ｂ）から、結晶基板１１の光学軸５１が基板面からの起き上がり角±１５°以内、方位角φ_ｉが偏光子１０の透過軸５０から４５°±１０°以内または−４５°±１０°以内であれば、角度依存性が比較的小さく、偏光再利用効率が高い結果を得ることが確認できた。図５（ａ）及び図５（ｂ）から、位相差Δが９０°±２０°以内であり、位相差次数ｍが２以下であれば、角度依存性は比較的小さく、高い偏光再利用効率を得ることが確認できた。

また、図６から、位相差次数が１０のとき、特に方位角φ_ｉが４５°、１３５°、２２５°、３１５°での角度依存性が大きいことが示された。この結果、偏光再利用効率が低下する。

以上から、本構成の偏光素子によれば、偏光状態の変化の角度依存性が小さい結晶基板を用いて偏光子の放熱効果を高めることができるので、偏光を効率的に再利用することができるようになる。具体的には、透過偏光を特定方向の直線偏光、反射偏光を円偏光とし、それらの角度依存性を抑えることができる。

なお、本構成の偏光素子２Ａでは、偏光子１０の片面のみに結晶基板１１を密着配置する構成を示したが、本実施形態は、これに限定されない。例えば、図７に示すように、第２の結晶基板１４を追設して、この第２の結晶基板１４と偏光子１０とで結晶基板１１を挟むように設けた偏光素子２Ｂでも良い。この場合、偏光子１０と結晶基板１１、結晶基板１１と第２の結晶基板１４は、それぞれ密着して配置する。

第２の結晶基板１４の光学軸５４を偏光子１０の透過軸５０とほぼ平行又はほぼ直交、或はほぼ厚み方向とすることで、透過偏光を特定方向の直線偏光、反射偏光を円偏光とした状態で、放熱効果をさらに高めることができる。なお、結晶基板１１の位相差は、用途に合わせて適宜変更することができる。

（第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態を説明する。なお、第１の実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

図８は、本実施形態にかかる偏光素子２Ｃの斜視図である。偏光素子２Ｃには、第１の実施形態にかかる偏光素子２Ａに対して光学補償媒体１２が追設されている。そして、この光学補償媒体１２と偏光子１０とで結晶基板１１を挟んでいる。光学補償媒体１２は、光学軸５２が結晶基板１１の光学軸５１とほぼ平行な異方性媒体である。

光学補償媒体１２の材料は、例えば水晶やサファイア等の結晶やポリカーボネートのような異方性フィルム、フォトニック結晶といった微細構造の偏光素子が挙げられる。

光学軸５２は、結晶基板１１の光学軸５１とほぼ平行な方向であり、例えば光学軸５１からの差が極角θ_ｉが１５°以内、方位角φ_ｉが１０°以内である。より好ましくは、極角θ_ｉが５°以内、方位角φ_ｉが３°以内である。

特に、結晶基板１１の屈折率と光学補償媒体１２の屈折率（屈折率楕円体の長軸方向屈折率ｎ_ｃ／／、短軸方向屈折率ｎ_ｃ⊥）とは、以下の関係を満たすことが好ましい。

即ち、結晶基板１１の屈折率異方性が正（ｎ_ｓ／／＞ｎ_ｓ⊥）のときは、光学補償媒体１２の屈折率異方性が負（ｎ_ｃ／／＜ｎ_ｃ⊥）であること、又は結晶基板１１の屈折率異方性が負（ｎ_ｓ／／＜ｎ_ｓ⊥）のときは、光学補償媒体１２の屈折率異方性が正（ｎ_ｃ／／＞ｎ_ｃ⊥）であることが望まれる。

サファイアの屈折率異方性は負であり、水晶の屈折率異方性は正である。このとき、光学補償媒体１２の厚みｄ_ｃは、

で与えられる。ここでｋは正の整数である。なお、この式２で示される光学補償媒体１２の厚みｄ_ｃは、結晶基板１１と光学補償基板１２とを透過した光の偏光状態が、入射角度が変わってもほぼ同じになる厚みである。

そこで、実際の光学補償媒体１２の厚みは、式２で与えられる厚みｄ_ｃの±１０％以内とする。より好ましくは、±３％以内とする。そして、ｋは、

から得られるｋ'に最も近い整数から±２以内の値とする。より好ましくは、最も近い整数である。また、光学補償媒体１２の光学軸と、結晶基板１１の光学軸５１との差は１０°以内とする。

次に、このように構成された偏光素子２Ｃの動作について説明する。なお、偏光素子２Ｃに入射する光の方向は、光学補償基板１２側からとする。

図９は、結晶基板１１と光学補償媒体１２とにおける、光の偏光状態の変化を示す原理図である。入射角が小さい低入射角（θ≒０）のときは、光学補償媒体１２では位相差Δ_ｃ０、結晶基板１１では位相差Δ_ｓ０生じる。従って、結晶基板１１からは、両者の和Δ_０＝Δ_ｓ０＋Δ_ｃ０の位相差の光が出射する。

一方、入射角が大きい考入射角（θ≒９０°）のときは、光学補償媒体１２では位相差Δ_ｃ９０、結晶基板１１では位相差Δ_ｓ９０生じる。従って、結晶基板１１からは、両者の和Δ_９０＝Δ_ｓ９０＋Δ_ｃ９０の位相差の光が出射する。

そこで、所望の位相差をΔとして、Δ_０＝Δとなるように光学補償媒体１２の厚みｄ_ｃを定めると、通常位相差Δ_９０はΔと異なる値となる（Δ_９０≠Δ）。

しかし、結晶基板１１の屈折率と光学補償媒体１２の屈折率とについて、結晶基板１１の屈折率異方性が正、かつ、光学補償媒体１２の屈折率異方性が負、又は、結晶基板１１の屈折率異方性が負、かつ、光学補償媒体１２の屈折率異方性が正とすることで、Δ_９０をΔに近づけることができる。また、光学補償媒体１２の厚みｄ_ｃを、式２、３で表される値とすることで、Δ_９０をΔにさらに近づけることができる。

（実施例）
次に、実施例を説明する。本実施例では、後述する第１実施モデルを用いて、その偏光状態に関するシミュレーションを行った。

＜第１実施モデル＞ 第１実施モデルの偏光素子は、偏光子１０として透過軸方位が９０°の多層フィルム反射型偏光子、結晶基板１１として光学軸がｘｙ面内で方位角φ_ｉが４５°のサファイア基板（屈折率：ｎ_ｓ／／＝１．７６３７，ｎ_ｓ⊥＝１．７７１８、厚み：ｄ_ｓ＝３００μｍ）、水晶製光学補償媒体（屈折率：ｎ_ｓ／／＝１．５５６２，ｎ_ｓ⊥＝１．５４７０、厚み：ｄ_ｓ＝１９３．５μｍ）を用いた。

光源は光学補償媒体１２側に配置され、ランダム偏光で全ての角度に１つの光を入射するものとした。また、光源の反射率は０．６で偏光状態が保存される正反射であるとした。

そして、偏光子１０の透過偏光方向の透過率の角度依存性をシミュレーションした。

図１０は、第１実施モデルの偏光子１０の透過偏光方向の透過率の角度依存性のシミュレーション結果を示している。図１０に示すシミュレーション結果は、図３に示すシミュレーション結果とほぼ同等で、透過光強度の角度依存性は小さく、偏光再利用効率が高いことを示している。

従って、本構成の偏光素子によれば、偏光状態の変化の角度依存性が小さい結晶基板を用いて偏光素子の放熱効果を高めることができると共に、偏光を効率的に再利用することができる。

また、光学補償媒体を用いることにより結晶基板の厚みを厚くすることが可能になり、加工の容易性や取扱い易さ等が向上する。

なお、上記説明では、偏光子の片面のみに結晶基板を密着配置する構成を示したが、本実施形態はこれに限定するものではない。例えば、図１１に示すような構成の偏光素子２Ｄが可能である。この偏光素子２Ｄは、偏光素子２Ｃに対して第２の結晶基板１４が追設されている。

そして、結晶基板１１と第２の結晶基板１４との間には偏光子１０が密着して配置され、結晶基板１１側に光学補償媒体１２が配置された構成である。第２の結晶基板１４の光学軸５４は、偏光子１０の透過軸５０とほぼ平行又はほぼ直交、或はほぼ厚み方向にすることで、さらに放熱効果を高めることができる。

また、結晶基板１１と光学補償媒体１２とを組み合わせたときの位相差は、用途に合わせて適宜変更することができる。なお、光学補償媒体１２は複数の異方性媒体を組み合わせた構成としてもよい。

（第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

図１２は、上述した偏光素子を備えた光学装置３Ａの斜視図である。なお、偏光素子として上述した各種の偏光素子２Ａ〜偏光素子２Ｄが利用できるが、以下の説明では、偏光素子２Ａを利用する場合を例に説明する。

光学装置３Ａは、偏光素子２Ａを冷却する冷却ファン１５を備える。この冷却ファン１５は、結晶基板１１及び偏光子１０に向けて送風する。従って、結晶基板１１及び偏光子１０の熱を効率よく放散させることが可能になる。

よって、本構成の光学装置によれば、偏光状態の変化の角度依存性が小さい結晶基板を用いて偏光子の放熱効果を高めることができるので、偏光を効率的に再利用することができるようになる。

（第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

本実施形態にかかる光学装置は、結晶基板の放熱を促進するヒートシンクを設けたものである。

図１３は、上述した偏光素子を備えた光学装置３Ｂの斜視図である。なお、偏光素子として上述した各種の偏光素子２Ａ〜偏光素子２Ｄが利用できるが、以下の説明では、偏光素子２Ａを例に説明する。

光学装置３Ｂは、偏光子１０側の結晶基板１１面にヒートシンク１６が設けられた構成である。なお、本実施形態は、ヒートシンク１６を結晶基板１１に取付ける際の取付け態様を限定するものではない。従って、図１４に示すように、偏光子１０と反対側の結晶基板１１面にヒートシンク１６を設けても良く、また図１５に示すように、結晶基板１１の端面にヒートシンクを設けても良い。但し、結晶基板１１の熱伝導を妨げないように、ヒートシンク１６は結晶基板１１と密着して取付ける必要がある。金属と結晶基板との間に熱伝導シートもしくは熱伝導ジェルを挟んでも良い。

このようなヒートシンク１６として、アルミニウムや銅等の熱伝導率が高い金属材料が挙げられる。このように、ヒートシンクを設けることで、結晶基板の熱の放散が効率よく行えるようになる。

よって、本構成の光学装置によれば、偏光状態の変化の角度依存性が小さい結晶基板を用いて偏光子の放熱効果を高めるとともに、偏光を効率的に再利用することができるようになる。

（第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

本実施形態にかかる光学装置は、上述した偏光素子と光源とを備える。図１６は、本実施形態にかかる光学装置３Ｅの斜視図である。なお、偏光素子として上述した各種の偏光素子２Ａ〜偏光素子２Ｄが利用できるが、以下の説明では、偏光素子２Ａを例に説明する。

光源２０として、半導体発光素子（ＬＥＤ）、冷陰極管、有機ＥＬ、無機ＥＬ、高圧水銀ランプ、メタルハライドランプが例示できる。このとき、光を偏光素子に導くための導光部を光源に含めることは可能である。

この光源２０から出射される光は、本実施形態においては、ランダム偏光であり、かつ、可視光であるとする。偏光素子２Ａは、特定の偏光のみ透過させ、それ以外の光は反射する。この偏光素子２Ａで反射された光は、光源２０で反射されて、再度偏光素子２Ａに入射する。従って、光源２０で発光した光の有効利用を図りながら、特定の偏光のみを取り出すことが可能になる。

光学装置３Ｅとして、光源２０と偏光素子２Ａとは、全て密着配置させた構成が好ましい。このような構成とすることで、各要素の表面で生じる反射回数を減らすことができる。従って、効率的に特定の偏光状態の光が取り出せるようになる。

なお、本実施形態は、上述した構成に限定しない。例えば、図１７に示す光源装置３Ｆや図１８に示す光源装置３Ｇが可能である。

図１７に示す光源装置３Ｆは、光源２０と偏光素子２Ａとの間に光学素子２１が配置されている。この光学素子２１は、特定の入射角範囲に入射した光のみを透過させ、それ以外の光を反射させる誘電体多層膜角度制御フィルタ、偏光状態を維持したまま光を拡散させる拡散素子、あるいは、これらを組み合わせた構成が可能である。

これにより、光学素子２１によって光の角度が制御される。従って、偏光を再利用しながら、より効率的に特定の偏光を取り出すことができる。なお、上述した光学素子２１は偏光素子２Ａと光源２０との間に配置した構成であるが、光学素子２１と光源２０とで偏光素子２Ａを挟むように配置しても良い。

図１８に示す光源装置３Ｇは、光源２０と偏光素子２Ａとの間に導光部２２が配置されている。導光部２２は、テーパ状に形成され、面積が小さく、かつ、指向性の低い光から、より面積が大きく、かつ、指向性の高い照明光を偏光素子２Ａに入射させる。

このとき、導光部２２は、偏光素子２Ａ及び光源２０とそれぞれ密着して設けるならば、表面反射の回数を少なくできるので好ましい。なお、導光部２２は、テーパ形状を有していなくてもよい。また、光源２０と導光部２２の間、もしくは導光部２２と結晶基板１１の間に、光学素子２１を配置してもよい。

また、上記説明では、光源２０、導光部２２、偏光素子２Ａの順に配置したが、光源２０、偏光素子２Ａ、導光部２２の順に配置しても良い。また、光源２０と偏光素子２Ａとの間に光学補償媒体１２を配置してもよい。光源２０と、導光部２２との間、あるいは導光部２２と偏光素子２Ａとの間に、光学素子２１を配置してもよい。

さらに、上記偏光素子２Ａは偏光子１０と結晶基板１１とにより構成されていたが、先に述べた第２の結晶基板を用いて、第２の結晶基板、偏光子１０、結晶基板１１が順次積層されていても良い。このとき第２の結晶基板１４の光学軸５２は、偏光子１０の透過軸５０とほぼ平行又はほぼ直交、或はほぼ厚み方向とした構成とする。

（第６の実施形態）
次に、本発明の第６の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

本実施形態にかかる映像表示装置は、上述した光学装置を備える。なお、以下においては、光学装置として光学装置３Ｅを例に説明するが、これに限定しない。

図１９は、本実施形態にかかる映像表示装置４Ａの断面図である。映像表示装置４Ａは、光学装置３Ｅ、液晶セル３３、偏光子３４が、この順で配置された構成となっている。

偏光子３４は、ポリビニルアルコールを主体に、ヨウ素化合物分子を吸着配向させて作られた吸収型偏光子、等方性フィルムと異方性フィルムとを多層積層させた有機多層膜反射型偏光子、金属をグリッド状に配置したワイヤグリッド偏光子、無機の多層膜で形成されたフォトニック構造のフォトニック結晶偏光子等を用いることが可能である。

そして、偏光素子２Ａは、入射した光から偏光子１０の透過軸方向の成分のみの直線偏光として液晶セル３３に出射する。液晶セル３３は、入力された映像信号に応じて入射した偏光の位相を変調し、偏光状態を変化させる空間光変調素子である。液晶セル３３から出射された光は偏光子３４に入射し、この偏光子３４は、入射した偏光のうち偏光子３４の透過軸方向成分のみを出射する。これにより、映像信号に応じた映像が表示できるようになる。

以上の構成により、放熱効果の高い偏光素子を用いた映像表示装置で表示される映像のコントラスト低下や輝度低下、色ずれが抑制できる。ここで、コントラストを向上させるために、偏光素子２Ａと液晶セル３３との間に別の偏光素子を配置しても良い。

（第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態を説明する。なお、上記実施形態と同一構成に関しては同一符号を用いて説明を適宜省略する。

図２０は、本実施形態にかかる映像表示装置（プロジェクタ）４Ｂの概略構成図である。この映像表示装置４Ｂは、光源２０Ｒ、２０Ｇ及び２０Ｂと、照明光学系４２Ｒ、４２Ｇ及び４２Ｂと、光学装置３Ｅと、液晶セル３３Ｒ、３３Ｇ及び３３Ｂと、クロスダイクロイックプリズム４３と、投射光学系４４とを備える。

そして、光源２０Ｒ、２０Ｇ及び２０Ｂは、それぞれ異なる波長の光を発生するものとする。以下、光源２０Ｒから赤色（Ｒ）光が出射され、光源２０Ｇから緑色（Ｇ）光が出射され、光源２０Ｂから青色（Ｂ）光が出射されるものとする。

照明光学系４２Ｒ、４２Ｇ及び４２Ｂは、光源２０Ｒ、２０Ｇ及び２０Ｂから発生した各色光を、偏光素子２Ａに導いて入射させる。偏光素子２Ａを透過した各色の直線偏光は、液晶セル３３Ｒ、３３Ｇ及び３３Ｂに入射する。液晶セル３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂは、入射された各色光を映像信号に応じて変調して出射する空間光変調素子である。液晶セル３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂを透過した光は、偏光子３４で変調される。

そして、変調された光のうち特定の偏光方向の光のみが透過する。クロスダイクロイックプリズム４３は、偏光素子２Ａからのそれぞれの変調光を合成して出射する。投射光学系４４は、クロスダイクロイックプリズム４３から出射された合成光をスクリーンＳに投射して、スクリーンＳ上に映像信号に応じた映像を表示する。

なお、本実施形態は、上述構成に限定しない。例えば、図２１に示すような構成でも良い。

図２１は、本実施形態の映像表示装置（プロジェクタ）の構成の別の例を示す配置図である。図２１において、映像表示装置４Ｃは、光源２０Ｒ、２０Ｇ及び２０Ｂと、偏光素子２Ａと、液晶パネル３５と、偏光子３４と、照明光学系４５と、投射光学系４６とを有する。

偏光素子２Ａは、偏光素子２Ｂ〜２Ｄ、光学装置３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄのいずれでもよい。なお、液晶パネル３５として、本実施形態では第６の実施形態における映像表示装置４Ａを用いるとする。

そして、照明光学系４５は、光源２０Ｒ、２０Ｇ及び２０Ｂから発生した各色光を合成して、偏光素子２Ａに出射する。偏光素子２Ａを透過した直線偏光は、液晶セル３３に入射する。液晶セル３３は、入射された合成光を映像信号に応じて変調して出射する空間光変調素子である。液晶セルを透過後、偏光子３４で、変調された光のうち特定の偏光方向の光のみ透過する。

投射光学系４５は、偏光子３４から出射された変調光をスクリーンＳに投射して、スクリーンＳ上に映像信号に応じた映像を表示する。

以上説明した映像投射装置によれば、偏光素子の放熱効果を向上させた上で、映像表示装置のコントラスト低下や、輝度低下、色ずれを抑えることができる。

なお、液晶セルの入射前後以外の位置にも、偏光素子を適宜配置してよい。例えば、光源と照明光学系の間、あるいは照明光学系内、光源と照明光学系の間、あるいは照明光学系内に、偏光素子を配置することができる。

以上説明した各実施形態において、図示した構成は単なる一例であって、本発明はその構成に限定されるものではない。例えば、上記実施の形態における数値、材質等は例示的なものであり、適宜変更して実施することが可能である。 上記実施の形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
＜付記１＞
偏光子と、
前記偏光子に密着して配置された結晶基板と、を備え、
前記結晶基板は、光学軸が、基板面からの起き上がり角が±１５°以内、方位角φ_ｉが前記偏光子透過軸から４５°±１０°以内または−４５°±１０°以内であり、位相差が、整数の位相差次数ｍを用いて、（９０°＋１８０°×ｍ）±２０°以内であり、位相差次数ｍが２以下の一軸性結晶基板であることを特徴とする偏光素子。
＜付記２＞
前記偏光子が反射型偏光子であることを特徴とする付記１に記載の偏光素子。
＜付記３＞
前記結晶基板が、５Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有していることを特徴とする付記１又は２に記載の偏光素子。
＜付記４＞
前記結晶基板が、サファイアであることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の偏光素子。
＜付記５＞
前記結晶基板が、水晶であることを特徴とする付記１乃至３のいずれか１項に記載の偏光素子。
＜付記６＞
前記偏光子の、前記結晶基板の反対側の面に密着して設けられて、前記結晶基板とで当該偏光素子を挟むように第２の結晶基板を設けたことを特徴とする付記１乃至５のいずれか１項に記載の偏光素子
＜付記７＞
前記第２の結晶基板の光学軸が、前記偏光子透過軸とほぼ平行又は前記偏光子透過軸とほぼ直交、又は厚み方向にほぼ等しいことを特徴とする付記６に記載の偏光素子。
＜付記８＞
前記結晶基板の、前記偏光子の反対側の面に密着して、前記結晶基板を前記偏光子とで挟む光学補償媒体を設け、
前記光学補償媒体の光学軸が、前記結晶基板の光学軸とほぼ平行であることを特徴とする付記１乃至７のいずれか１項に記載の偏光素子。
＜付記９＞
前記光学補償媒体の光学軸が、前記結晶基板の光学軸との差が１０°以内であることを特徴とする付記８に記載の偏光素子。
＜付記１０＞
前記結晶基板の屈折率異方性の正負符号と、光学補償媒体の屈折率異方性の正負符号とが、逆であることを特徴とする付記８又は９に記載の偏光素子
＜付記１１＞
前記結晶基板の屈折率異方性が正で、前記光学補償媒体の屈折率異方性が負であることを特徴とする付記８乃至１０のいずれか１項に記載の偏光素子。
＜付記１２＞
前記結晶基板の屈折率異方性が負で、前記光学補償媒体の屈折率異方性が正であることを特徴とする付記８乃至１０のいずれか１項に記載の偏光素子。
＜付記１３＞
前記光学補償媒体の厚みは、入射角度を変えたときの透過光の偏光状態が入射光の偏光状態と同じになる厚みに設定されていることを特徴とする付記８乃至１２のいずれか１項に記載の偏光素子。
＜付記１４＞
前記光学補償媒体の厚みｄ_ｃは、前記結晶基板の長軸方向の屈折率がｎ_ｓ／／、短軸方向の屈折率がｎ_ｓ⊥、厚みがｄ_ｓであり、前記光学補償媒体の長軸方向の屈折率がｎ_ｃ／／、短軸方向の屈折率がｎ_ｃ⊥のとき、整数ｋを用いて、

で得られる値の±１０％の範囲の値に当該前記光学補償媒体の厚みを設定したことを特徴とする付記１３に記載の偏光素子。
＜付記１５＞
前記整数ｋが、

で表されるｋ'に最も近い整数から±２以内の値であることを特徴とする付記１４に記載の偏光素子。
＜付記１６＞
付記１乃至１５のいずれか１項に記載の偏光素子を備えると共に、
前記偏光素子に送風を送る冷却ファン、前記偏光素子の前記結晶基板に密着して設けられたヒートシンク、前記偏光素子に向けて光を出射する光源の少なくとも１つを備えたことを特徴とする光学装置。
＜付記１７＞
前記光源と前記偏光素子との間に、光学素子を設けたことを特徴とする付記１６に記載の光学装置。
＜付記１８＞
前記光学素子が、特定の入射角範囲に入射した光のみを透過させ、それ以外の光を反射させる角度制御フィルタ、偏光状態を維持したまま光を拡散させる拡散素子、あるいは、これらを組み合わせた構成、であることを特徴とする付記１７に記載の光学装置。
＜付記１９＞
付記１乃至１５のいずれか１項に記載の偏光素子と、
光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、を備えることを特徴とする映像表示装置。
＜付記２０＞
付記１６乃至１８のいずれか１項に記載の光学装置と、
光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、を備えることを特徴とする映像表示装置。
＜付記２１＞
付記１乃至１５のいずれか１項に記載の偏光素子と、
光源からの出射光が入射し、変調素子に入射させる照明光学系と、
光を映像信号に応じて変調させる変調素子と、
前記変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系と、
を備えることを特徴とする映像表示装置。
＜付記２２＞
付記１６乃至１８のいずれか１項に記載の光学装置と、
光源からの出射光が入射し、変調素子に入射させる照明光学系と、
光を映像信号に応じて変調させる変調素子と、
前記変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系と、
を備えることを特徴とする映像表示装置。
＜付記２３＞
前記変調素子は、液晶セルであることを特徴とする付記１９乃至２２のいずれか１項に記載の映像表示装置。
この出願は、２０１２年８月１４日に出願された日本出願特願２０１２−１７９８３０を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

２Ａ〜２Ｄ 偏光素子
３Ａ〜３Ｇ 光学装置
４Ａ〜４Ｃ 映像表示装置
１０ 偏光子
１１ 結晶基板
１２、１３ 光学補償媒体
１４ 結晶基板
１５ 冷却ファン
１６ ヒートシンク
２０、２０Ｒ、２０Ｇ、２０Ｂ 光源
２１ 光学素子
２２ 導光部
３３、３３Ｒ、３３Ｇ、３３Ｂ 液晶セル
３４ 偏光子
３５ 液晶パネル（液晶表示装置）
４２Ｒ、４２Ｇ、４２Ｂ、４５ 照明光学系
４３ クロスダイクロイックプリズム
４４、４６ 投射光学系

Claims (10)

1. 偏光子と、
   前記偏光子に密着して配置された結晶基板と、を備え、
   前記結晶基板は、光学軸が、基板面からの起き上がり角が±１５°以内、方位角φ_ｉが前記偏光子透過軸から４５°±１０°以内または−４５°±１０°以内であり、位相差が、整数の位相差次数ｍを用いて、（９０°＋１８０°×ｍ）±２０°以内であり、位相差次数ｍが２以下の一軸性結晶基板であることを特徴とする偏光素子。
2. 前記結晶基板の、前記偏光子の反対側に設けられて、前記結晶基板を前記偏光素子とで挟む位置に設けられた光学補償媒体を備え、
   前記光学補償媒体の光学軸が、前記結晶基板の光学軸とほぼ平行であることを特徴とする請求項１に記載の偏光素子。
3. 前記結晶基板の屈折率異方性の正負符号と、光学補償媒体の屈折率異方性の正負符号とが、逆であることを特徴とする請求項２に記載の偏光素子
4. 前記光学補償媒体の厚みは、入射角度を変えたときの透過光の偏光状態が入射光の偏光状態と同じになる厚みに設定されていることを特徴とする請求項２または３に記載の偏光素子。
5. 前記光学補償媒体の光学軸が、前記結晶基板の光学軸との差が１０°以内であることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載の偏光素子。
6. 前記偏光子の、前記結晶基板の反対側の面に密着して設けられて、前記結晶基板とで当該偏光子を挟むように設けられた第２の結晶基板を備え、
   前記第２の結晶基板の光学軸が、前記偏光子透過軸とほぼ平行又は前記偏光子透過軸とほぼ直交、又は厚み方向にほぼ等しいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の偏光素子。
7. 前記結晶基板が、５Ｗ／（ｍ・Ｋ）より大きな値の熱伝導率を有することを特徴とする請求項１乃至は６のいずれか一項に記載の偏光素子。
8. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の偏光素子を備えると共に、
   前記偏光素子に送風を送る冷却ファン、前記結晶基板に密着して設けられたヒートシンク、前記偏光素子に向けて光を出射する光源の少なくとも１つを備えたことを特徴とする光学装置。
9. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の偏光素子と、
   光を映像信号に応じて変調して出射する変調素子と、を備えることを特徴とする映像表示装置。
10. 請求項１乃至７のいずれか１項に記載の偏光素子と、
    光源からの出射光が入射し、変調素子に入射させる照明光学系と、
    光を映像信号に応じて変調させる変調素子と、
    前記変調素子からの光をスクリーンに投射する投射光学系と、
    を備えることを特徴とする映像表示装置。

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