(57)【要約】【課題】無偏光光から偏光方向が一定の直線偏光光を抽出する偏光照明光学素子の耐熱性を高め、かつ製造コストも低く抑える。【解決手段】プリズムロッド２４ａ，２４ｂ相互の接合面に偏光分離膜２６と反射膜２７とを設ける。偏光分離膜２６で反射し、反射膜４７で反射した直線偏光光が出射する出射面に偏光変換素子２５を接合する。偏光変換素子２５は複数のプリズムロッド３０をその入射面に対して４５°傾いた側面を相互に接合したもので、接合面の相互間には透過光に１／２波長の位相差を与えるために誘電体多層膜からなる位相差膜が設けられている。位相差膜の光学軸が直線偏光光の偏光方向と４５°をなすように、入射する直線偏光光の入射光軸に垂直な面内で接合境界線３１とともに位相差膜も４５°傾けられる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに平行に対面する入射面及び出射面と、前記入射面に内角４５°で連なる第一側面及び前記出射面に内角４５°で連なる第二側面とを有する細長いプリズムロッドの複数本が並列するように、前記第一側面と第二側面とを順次に接合してなるプリズムシートと、互いに接合される前記プリズムロッドの前記第一側面または第二側面に、その法線と光学軸が略一致するように成膜され誘電体多層膜からなる光学異方性を有する位相差膜とを備え、前記入射面あるいは出射面側に露呈する前記複数本のプリズムロッドの各々の接合境界線が、入射する直線偏光光の入射光軸に垂直な面内で前記直線偏光光の偏光方向に対して４５°傾けられたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
前記プリズムシートが矩形状に整形され、矩形をなす各辺に対して前記接合境界線が４５°で交差することを特徴とする請求項１記載の偏光変換素子。
【請求項３】
互いに平行に対面する入射面及び出射面と、前記入射面に内角４５°で連なる第一側面及び前記出射面に内角４５°で連なる第二側面とを有する細長いプリズムロッドの複数本が並列するように、前記第一側面と第二側面とを順次に接合してなるプリズムシートと、互いに接合される前記プリズムロッドの前記第一側面または第二側面に、その法線と光学軸が略一致するように成膜された誘電体多層膜で構成され、前記入射面から垂直に入射した透過光に１／２波長の位相差を与える光学異方性を有する位相差膜とを備え、前記入射面あるいは出射面側に露呈する前記複数本のプリズムロッドの各々の接合境界線が、入射する直線偏光光の入射光軸に垂直な面内で前記直線偏光光の偏光方向に対して４５°傾けられたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項４】
互いに平行に対面する入射面及び出射面と、前記入射面に内角４５°で連なる第一側面及び前記出射面に内角４５°で連なる第二側面とを有する細長いプリズムロッドの複数本が並列するように、前記第一側面と第二側面とを順次に接合してなるプリズムシートと、互いに接合される前記プリズムロッドの前記第一側面または第二側面に、その法線と光学軸が略一致するように成膜された誘電体多層膜で構成され、前記入射面から垂直に入射した透過光に１／４波長の位相差を与える光学異方性を有する位相差膜とからなる偏光変換素子要素を二枚備え、前記二枚の偏光変換素子要素は、それぞれの接合境界線が、入射する直線偏光光の入射光軸に垂直な面内で前記直線偏光光の偏光方向に対して４５°傾けて配置されることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項５】
互いに平行に対面する入射面及び出射面と、前記入射面に内角４５°で連なる第一側面及び前記出射面に内角４５°で連なる第二側面とを有する細長いプリズムロッドの複数本が並列するように、前記第一側面と第二側面とを順次に接合してなるプリズムシートと、互いに接合される前記プリズムロッドの前記第一側面または第二側面に、その法線と光学軸が略一致するように成膜された誘電体多層膜で構成され、前記入射面から垂直に入射した透過光に１／４波長の位相差を与える光学異方性を有する位相差膜とからなる偏光変換素子要素を二枚備え、前記偏光変換素子要素の一方は、前記接合境界線が、入射する直線偏光光の入射光軸に垂直な面内で前記直線偏光光の偏光方向に対して角θ１傾けて配置され、前記偏光変換素子要素の他方は、前記接合境界線が、入射する直線偏光光の入射光軸に垂直な面内で前記直線偏光光の偏光方向に対して角θ２傾けて配置され、かつ２（θ１−θ２）が略９０°であることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項６】
６０°≦θ１≦７０°であり、１５°≦θ２≦２５°であることを特徴とする請求項５記載の偏光変換素子。
【請求項７】
プリズム相互の接合面に偏光分離膜を備え、前記偏光分離膜に入射した無偏光光のうち偏光方向が互いに直交する第一または第二の直線偏光光の一方を透過させ、他方を反射させる偏光ビームスプリッタと、
前記偏光分離膜で反射された他方の直線偏光光が出射する偏光ビームスプリッタの出射面に接合された請求項３〜６のいずれか記載の偏光変換素子とからなり、
照明光源から前記偏光ビームスプリッタに入射した無偏光光を、前記偏光分離膜を透過した一方の直線偏光光と、前記偏光分離膜で反射され、かつ前記偏光変換素子を透過することによって偏光方向が９０°回転した一方の直線偏光光とからなる偏光照明光に変換することを特徴とする偏光照明光学素子。
【請求項８】
前記偏光変換素子を出射面に接合した前記偏光ビームスプリッタが、前記偏光変換素子が同一面上に並ぶように複数個並列されたことを特徴とする請求項７記載の偏光照明光学素子。
【請求項９】
複数のマイクロレンズを配列した一対のマイクロレンズアレイを用いて光源ランプからの照明光を分割し、分割された照明光を液晶表示パネル上で重畳させて照明する照明光学系を備えるとともに、前記一対のマイクロレンズアレイの出射面の直後に請求項７または８記載の偏光照明光学素子が設けられたことを特徴とする液晶プロジェクタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直線偏光光の偏光方向を９０°回転させる偏光変換素子に関し、さらにはこの偏光変換素子を用いて無偏光の照明光を一定の偏光方向をもつ直線偏光の照明光に変換する偏光照明光学素子及びこれを照明光学系中に用いた液晶プロジェクタに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶表示パネルに表示させた画像を光源ランプからの光で照明してスクリーンに投写する液晶プロジェクタが種々製品化されている。よく知られるように、液晶表示パネルは液晶分子を封入した所定厚みの液晶層と、その入射面側と出射面側にそれぞれ配置された偏光子と検光子とを備えている。偏光子と検光子とはそれぞれの偏光方向が互いに直交、あるいは平行となるように配置され、液晶層に入射した直線偏光光の通過を液晶分子の配向姿勢に応じて制御し、検光子を通して出射する直線偏光光の光量調節を行う。
【０００３】
一方、液晶プロジェクタの照明光学系中には、光源からの無偏光光を液晶表示パネルの偏光子と同じ向きの偏光方向の直線偏光光に変換する偏光変換素子が用いられるのが通常である。このような偏光変換素子としては、特許文献１で知られるように、偏光ビームスプリッタと１／２波長板とを組み合わせたプリズムアレイが多用されている。偏光ビームスプリッタは、偏光方向が互いに直交する２種類の直線偏光光のうちの一方を透過させ他方を反射させる偏光分離面を備え、この偏光分離面で分離された二種類の直線偏光光のいずれかを１／２波長板を通して偏光方向を９０度回転させた後、他方の直線偏光光と併せることによって、偏光方向がそろった直線偏光光を得ている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１２９１９０号公報
【特許文献２】特開２００６−６４８７１号公報
【０００５】
従来の１／２波長板は有機材料を用いたフイルムシート製のものがほとんどで、光源の近くで長時間使用していると褪色が生じやすく偏光変換効率も劣化するなどの問題が生じやすい。耐熱性の改善のために、水晶などの複屈折性の結晶体を１／２波長板に用いることも提案されているが、結晶自体が高価であり、また結晶の光学軸を精密に管理しながら加工しなければならないため製造コストも高くなる。この点、特許文献１，２記載の偏光変換素子には誘電体多層膜からなる１／２波長板が用いられ、耐熱性が大きく改善されるだけでなく製造コストも低く抑えられるという利点がある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
特許文献１，２記載の偏光変換素子に用いられている１／２波長板は、斜方蒸着による誘電体多層膜で構成されている。ところが、斜方蒸着した誘電体多層膜からなる位相差膜は１／４波長板までは実用化が可能ではあるが、１／２波長板として利用できる程度まで膜厚を増やすと白濁して透過率が低下するという問題が生じ、特に短波長側での透過率低下は顕著でカラーバランスに悪影響を及ぼす。また、斜方蒸着による誘電体多層膜は水分を吸収しやすく、これに伴って光学的性質が大きく変動するという難点もある。
【０００７】
本発明は以上を考慮してなされたもので、斜方蒸着を要しない誘電体多層膜により直線偏光光の偏光方向を９０°回転させる１／２波長板を実現し、耐熱性に優れかつコスト負担も抑えた偏光変換素子を提供することを目的とし、またこの偏光変換素子を利用した偏光照明光学素子及び液晶プロジェクタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記目的を達成するために、本発明の偏光変換素子は、互いに平行に対面する入射面及び出射面と、前記入射面に内角４５°で隣接する第一側面及び前記出射面に内角４５°で隣接する第二側面とを有する細長いプリズムロッドの複数本が並列するように、前記第一側面と第二側面とを順次に接合してなるプリズムシートと、互いに接合される前記プリズムロッドの前記第一側面または第二側面に、その法線と光学軸が略一致するように成膜され誘電体多層膜からなる光学異方性を有する位相差膜とを備え、前記入射面または出射面に露呈する前記複数本のプリズムロッドの各々の接合境界線が、入射する直線偏光光の入射光軸に垂直な面内で前記直線偏光光の偏光方向に対して４５°傾けて用いられることを特徴とする。この偏光変換素子は好ましくは矩形状に整形され、矩形をなす四辺に対して前記接合境界線を４５°で交差させておくのがよい。
【０００９】
また本発明の偏光変換素子は、互いに平行に対面する入射面及び出射面と、前記入射面に内角４５°で連なる第一側面及び前記出射面に内角４５°で連なる第二側面とを有する細長いプリズムロッドの複数本が並列するように、前記第一側面と第二側面とを順次に接合してなるプリズムシートと、互いに接合される前記プリズムロッドの前記第一側面または第二側面に、その法線と光学軸が略一致するように成膜された誘電体多層膜で構成され、前記入射面から垂直に入射した透過光に１／２波長の位相差を与える光学異方性を有する位相差膜とを備え、前記入射面あるいは出射面側に露呈する前記複数本のプリズムロッドの各々の接合境界線が、入射する直線偏光光の入射光軸に垂直な面内で前記直線偏光光の偏光方向に対して４５°傾けられることを特徴とする。なお前記位相差膜により、同様に入射した直線偏光光の偏光方向を１／４波長の位相差が与えられるようにしておけば、これを１／４波長板として用いることも可能である。
【００１０】
さらに、本発明は同一構造をした二枚の偏光変換素子要素を重ね合わせた態様でも実現できる。この場合、各々の偏光変換素子要素は、互いに平行に対面する入射面及び出射面と、前記入射面に内角４５°で連なる第一側面及び前記出射面に内角４５°で連なる第二側面とを有する細長いプリズムロッドの複数本が並列するように、前記第一側面と第二側面とを順次に接合してなるプリズムシートと、互いに接合される前記プリズムロッドの前記第一側面または第二側面に、その法線と光学軸が略一致するように成膜された誘電体多層膜で構成され、前記入射面から垂直に入射した透過光に１／４波長の位相差を与える光学異方性を有する位相差膜とから構成される。これらの偏光変換素子要素は、それぞれの接合境界線を、入射する直線偏光光の入射光軸に垂直な面内で前記直線偏光光の偏光方向に対して４５°傾けて用いられ、入射した直線偏光光の偏光方向を９０°回転させる偏光変換素子として機能する。
【００１１】
誘電体多層膜からなる位相差膜は予め設計された中心波長に基づいて膜設計され、対象とする波長帯域が広くなると中心波長から離れるにしたがって偏光変換効率が低下する傾向を示すのが一般であるが、上記のように二枚の偏光変換素子要素を重ね合わせる態様を採る場合には、偏光変換効率の分光波長特性を考慮してそれぞれの接合境界線を異なる角度にして利用することも可能である。例えば可視光帯域のように、略５５０ｎｍの中心波長で位相差膜を設計しながらも、４４０ｎｍ〜６５０ｎｍと広い波長帯域で高い変換効率が要求されるような場合には、入射してくる直線偏光光の偏光方向に対し、一方はθ１傾け、他方をθ２傾けて用いるとき、２（θ１−θ２）≒９０°の関係を満たすようにし、好ましくは６０°≦θ１≦７０°、１５°≦θ２≦２５°の範囲に設定すれば、可視光全域にわたって高い変換効率を得ることができる。
【００１２】
本発明の偏光変換素子は液晶プロジェクタの照明光学系中の偏光照明光学素子の一部に好適に用いられ、この偏光照明光学素子は、プリズム相互の接合面に偏光分離膜を備え、前記偏光分離膜に入射した無偏光光のうち偏光方向が互いに直交する第一または第二の直線偏光光の一方を透過させ、他方を反射させる偏光ビームスプリッタと、前記偏光分離膜で反射された他方の直線偏光光が出射する偏光ビームスプリッタの出射面に接合された上記偏光変換素子とから構成され、照明光源から前記偏光ビームスプリッタに入射した無偏光光を、前記偏光分離膜を透過した一方の直線偏光光と、前記偏光分離膜で反射され、かつ前記偏光変換素子を透過することによって偏光方向が９０°回転した一方の直線偏光光とからなる偏光照明光に変換する。また、偏光変換素子を出射面に接合した偏光ビームスプリッタを、前記偏光変換素子が同一面上に並ぶように複数個並列させて用いることも効果的な手段である。
【００１３】
そして上記偏光照明光学素子は、複数のマイクロレンズを配列した一対のマイクロレンズアレイを用いて光源ランプからの照明光を分割し、分割された照明光を液晶表示パネル上で重畳させて照明する照明光学系を備えた液晶プロジェクタに用いたときにより有効であり、この場合には前記一対のマイクロレンズアレイの出射面の直後に偏光照明光学素子を配置するのがよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、耐熱性に優れ、かつ製造コストも低く抑えることができる偏光変換素子が得られ、互いに直交する偏光方向をもつ第一または第二の直線偏光光の一方が入射したとき、これを高効率で他の直線偏光光に変換することが可能となる。本発明の偏光変換素子に用いられている位相差膜は、基板面に対して略垂直な方向から蒸着を行う通常の蒸着手法で製造することができるから、斜方蒸着による位相差膜に生じやすい白濁もなく、物理的な耐久性の点でも優れたものが得られる。そして、かかる偏光変換素子を液晶プロジェクタの照明光学系中に偏光照明光学素子として利用することによって、液晶表示パネル照明用の直線偏光光を高い効率で得ることができ、投映画像のコントラストを高めることが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】液晶プロジェクタの照明光学系の要部を示す概略図である。
【図２】液晶プロジェクタの光源装置の要部を示す概略図である。
【図３】偏光照明光学素子の外観図である。
【図４】偏光照明光学素子の構造の概略を示す部分破断斜視図である。
【図５】偏光変換素子の断面図である。
【図６】偏光照明光学素子の作用説明図である。
【図７】偏光照明光学素子の他の例を示す作用説明図である。
【図８】偏光変換素子の製造工程の一例を示す説明図である。
【図９】偏光照明光学素子の他の例を示す部分破断斜視図である。
【図１０】２枚の偏光変換素子要素を組み合わせた例を示す概略断面図である。
【図１１】２枚のプリズムプレートの接合境界線を交差させた状態の説明図である。
【図１２】２枚の偏光変換素子要素による偏光方向の変化を示す説明図である。
【図１３】偏光変換素子の分光変換効率特性の傾向を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
液晶プロジェクタの光学系は、光源装置Ｓとともに概略的に図１のように構成されている。光源装置Ｓは、図２に示すように超高圧水銀ランプなどの高輝度の光源ランプ２を備え、リフレクタ３とともに用いられている。照明光路中には、赤外線及び紫外線カット用のフィルタ４が設けられ、種々の偏光光が混在した無偏光・可視域の照明光は第一マイクロレンズアレイ５にほぼ平行光となって入射する。第一マイクロレンズアレイ５は、複数のマイクロレンズを液晶表示パネルの矩形形状に倣うように矩形マトリクス状に配列したもので、同様の構造をもつ第二マイクロレンズアレイ６上に等価的にマイクロレンズの個数分の擬似光源を形成する。
【００１７】
第二マイクロレンズアレイ６上に形成された擬似光源からの照明光は、周辺光でも５〜６°程度の小さな入射角で偏光照明光学素子７に入射する。偏光照明光学素子７は、様々な偏光光を含む無偏光の照明光中から紙面と垂直な偏光方向をもった直線偏光光を分離して照明レンズ８に入射させる作用をもつ。照明レンズ８は、擬似光源ごとに偏光照明光学素子７から直線偏光となって出射した個々の照明光を、Ｂ（青色光）チャンネル、Ｇ（緑色光）チャンネル、Ｒ（赤色光）チャンネルのそれぞれに設けられた液晶表示パネルの有効画面全体に導いて重畳させ、これにより各チャンネルの液晶表示パネルを均一に照明する。
【００１８】
照明レンズ８を通して光源装置Ｓから出射した照明光は、図１に示すように、まずダイクロイックミラー１０に入射して青色光が透過し、他色光が反射される。青色光は全反射ミラー１１を経てフィールドレンズ１２Ｂに入射する。フィールドレンズ１２Ｂ上には、照明レンズ８の作用により擬似光源からの光束が重畳され、その背後に設けられた液晶表示パネル１４Ｂの有効画面内を均一に照明する。また、ダイクロイックミラー１０で反射された色光のうちの緑色光が次のダイクロイックミラー１５で反射され、同様にフィールドレンズ１２Ｇを経て液晶表示パネル１４Ｇに均一な照明を与える。
【００１９】
ダイクロイックミラー１５を透過した赤色光は、第１リレーレンズ１６、全反射ミラー１７、第２リレーレンズ１８、全反射ミラー１９を経てフィールドレンズ１２Ｒに導かれ、同様に液晶表示パネル１４Ｒを背面側から均一に照明する。Ｒチャンネルの照明光路長はＢ，Ｇチャンネルよりも長くなるため、そのままでは照明レンズ８の作用がＲチャンネルで損なわれるが、第１，第２リレーレンズ１６，１８を用いることにより照明レンズ８の作用はＲチャンネルでも同様に保たれる。
【００２０】
フィールドレンズ１２Ｂ，１２Ｇ，１２Ｒにより、周辺光量も落とすことなく各液晶表示パネル１４Ｂ，１４Ｇ，１４Ｒは背面側から直線偏光した照明光で均一に照明される。そして、それぞれの液晶表示パネル１４Ｂ，１４Ｇ，１４Ｒを透過したチャンネルごとの画像光はクロスダイクロイックプリズム２０で合成され、フルカラーの画像光として投射レンズ２２に入射し、スクリーンに向かって投射される。
【００２１】
光源装置Ｓに用いられている偏光照明光学素子７は、図３に示すようにほぼ矩形プレート状の外観を有し、偏光ビームスプリッタアレイ２４と、その光出射面側に一定間隔を明けて接合された偏光変換素子２５とから構成されている。偏光ビームスプリッタアレイ２４は、断面が平行四辺形の縦長のプリズムロッド２４ａ，２４ｂを複数本並列させて接合したもので、互いの接合面には誘電体多層膜からなる偏光分離膜２６と金属膜からなる反射膜２７とが交互に形成されている。プリズムロッド２４ａ，２４ｂは、入射面の法線に対して偏光分離膜２６及び反射膜２７が４５°の傾きをもつように整形された同一形状のものとなっている。
【００２２】
偏光分離膜２６は、プリズムロッド２４ｂの入射面（図中背面側）からほぼ垂直に入射した無偏光の照明光の中から、Ｐ偏光成分の直線偏光光（偏光分離膜２６の法線と入射光線とを含む面に平行な偏光方向をもつ）を透過させ、Ｓ偏光成分の直線偏光光（Ｐ偏光成分の直線偏光光の偏光方向と直交する偏光方向をもつ）反射させる作用をもつ。偏光分離膜２６を透過したＰ偏光光は、そのままプリズムロッド２４ａを通って出射面側から出射するのに対し、偏光分離膜２６で反射したＳ偏光光は反射膜２７で反射して偏光変換素子２５に垂直に入射する。なお、他方のプリズムロッド２４ａの入射面側には遮光膜２８が設けられ、プリズムロッド２４ａには光源ランプ２からの無偏光光が入射しないようにしてある。
【００２３】
偏光変換素子２５は偏光方向を９０°回転させる１／２波長板の機能を有し、したがって偏光変換素子２５を透過する間にＳ偏光光はＰ偏光光に変換された後に出射面側から出射する。このようなプリズムロッド２４ａ，２４ｂの対を、偏光分離膜２７及び反射膜２７を含めて交互に並列させることによって図示のようなプレート状の偏光照明光学素子７が得られ、図２に示す第二マイクロレンズアレイ６の出射面の直後に出射面全面をカバーするように配置することができる。
【００２４】
偏光照明光学素子７の構造の概略を示す図４において、偏光変換素子２５はプリズムロッド２４ｂの出射面を全体的に覆うように縦長矩形状に整形され、図５にその断面を示すように、偏光ビームスプリッタアレイ２４と同様に断面が平行四辺形のプリズムロッド３０を並列に配列したプリズムシート状になっている。プリズムロッド３０は、入射面３０ａ及び出射面３０ｂと、入射面３０ａと内角４５°で連なる第一側面３０ｃと、出射面３０ｂと内角４５°で連なる第二側面３０ｄとを有し、隣接するプリブムロッド３０はそれぞれの第一側面３０ｃと第二側面３０ｄとが相互に接合されている。ただし図４に示すように、その入射面３０ａあるいは出射面３０ｂに現れる接合境界線３１が、偏光変換素子２５の矩形状の輪郭線を形成している四辺に４５°で交差するように、各々のプリズムロッド３０は傾斜している。
【００２５】
各々のプリズムロッド３０の第一側面３０ｃには、隣接するプリズムロッド３０の第二側面３０ｄと接合される前に光学異方性をもつ位相差膜３２が成膜される。したがって、これらのプリズムロッド３０の全ての接合面の相互間には位相差膜３２が介在し、図４に示すように、接合境界線３１に対応して位相差膜３２の断面が現れる。なお、位相差膜３２を第二側面３０ｄに成膜することももちろん可能である。偏光変換素子２５の断面において位相差膜３２が入射面３０ａに対して４５°傾き、さらにプリズムロッド３０が偏光変換素子２５の輪郭をなす四辺に対して４５°傾けられていることから、偏光変換素子２５の入射面３０ａから垂直に入射した光線は必ず位相差膜３２に４５°で入射するようになる。
【００２６】
位相差膜３２は、第一側面３０ｃに屈折率が互いに異なる二種類の誘電体薄膜を例えば１４０層程度まで交互に積層して製造することができる。このとき、個々の誘電体薄膜の光学膜厚は十分に薄く、いわゆる光学干渉薄膜で多用されるλ／４、λ／２の十数分の１以下である。位相差膜３２を成膜するにあたっては、成膜対象となる第一側面３０ｃを二種類の蒸着源に略正対させる通常の蒸着手法でよく、膜厚を監視しながらそれぞれの蒸着源から交互に蒸着を行って屈折率が互いに異なる二種類の誘電体薄膜を積層してゆけばよい。なお、光学異方性を発現する複屈折Δｎの値は、積層される二種類の誘電体薄膜の屈折率差及び個々の膜厚比に応じて決まることが知られており、誘電体多層膜全体の物理的膜厚ｄと複屈折Δｎとの積によってレタデーションが決まる。
【００２７】
このような蒸着を行うことにより、第一側面３０ｃには光学軸が第一側面３０ｃの法線に一致した一軸性の負のＣプレートとして機能する位相差膜３２が成膜される。そして、予め設定した複屈折Δｎの値、及び位相差膜３２内における光路長を考慮して全体の膜厚ｄを調整することによって、入射面３０ａから垂直に入射して位相差膜３２を通過する光線に１／２波長分の位相差を与えることができる。また、位相差膜３２の膜厚調整により、入射面３０ａから垂直に入射する光に適宜の位相差、例えば１／４波長の位相差を与えることも可能であるから、これを１／４波長板として用いることもできる。なお、位相差膜３２に用いられる蒸着材料には、高屈折材料としてＴａ２Ｏ５，Ｔｉ２Ｏ３，ＴｉＯ２，ＺｒＯ２，Ｎｂ２Ｏ３、低屈折率材料にはＳｉＯ２，ＭｇＦ２，ＣａＦ２などの公知のものが利用可能である。
【００２８】
以上のように構成された偏光照明光学素子７の作用は以下のとおりである。第二マイクロレンズアレイ６を構成する個々のマイクロレンズから主光線が略平行に出射した無偏光の照明光は、それぞれのマイクロレンズごとに偏光照明光学素子７に入射する。図６に示すように、マイクロレンズから出射してプリズムロッド２４ｂの入射面から入射光軸Ｋにしたがって略垂直に入射した照明光は、偏光分離膜２６に４５°の入射角で入射する。
【００２９】
偏光分離膜２６は入射した照明光の中からＰ偏光成分の直線偏光光を透過し、Ｓ偏光成分の直線偏光光を４５°反射する。透過したＰ偏光成分の直線偏光光はそのままプリズムロッド２４ｂの出射面からＰ偏光成分の直線偏光光で出射する。偏光分離膜２６で反射されたＳ偏光成分の直線偏光光は、さらに反射膜２７で反射された後、プリズムロッド２４ｂの出射面に接合された偏光変換素子２５に略垂直に入射する。
【００３０】
偏光変換素子２５に用いられている位相差膜３２は、プリズムロッド３０の第一側面３０ｃに、その法線方向に積層された誘電体多層膜で構成されているから、位相差膜３２の光学軸は各々の第一側面３０ｃごとにその法線方向と一致している。ところが、第一側面３０ｃはＳ偏光成分の直線偏光光の光軸Ｌ（入射光軸Ｋと平行）に垂直な面内において、光軸Ｌを中心に４５°傾いているから、位相差膜３２の光学軸は紙面に対して垂直なＳ偏光成分の直線偏光光の偏光方向に対して４５°傾き、Ｓ偏光成分の直線偏光光は光学軸を考慮すると位相差膜３２に対しては等価的には４５°の斜め入射となる。
【００３１】
したがって、この斜め入射を考慮して位相差膜３２の膜厚を調整しておけば、Ｓ偏光成分の直線偏光光が位相差膜３２を等価する間に１／２波長の位相差を与えることができ、この結果、Ｓ偏光成分の直線偏光光はその偏光方向（偏光面）が９０°回転してＰ偏光成分の直線偏光光として偏光変換素子２５から出射するようになる
【００３２】
以上のように、光源ランプ２からの照明光が偏光照明光学素子７に入射すると、様々な偏光光の中から偏光方向が水平方向にそろったＰ偏光成分の直線偏光光だけが出射するようになり、色チャンネルごとに設けられた液晶表示パネル１４Ｂ，１４Ｇ，１４Ｒの照明に用いることができる。よく知られるように、光源ランプ２には高輝度のものが利用され周囲がかなりの温度に達するが、この偏光照明光学素子７に用いられている位相差膜３２は無機材料製であり、また斜方蒸着を要することなく、個々の誘電体薄膜の膜厚監視も容易な膜として製造することができるから、耐久性に優れ、かつその量産適性によりコスト面でも大きな利点が得られる。
【００３３】
ところで、偏光ビームスプリッタアレイ２４の中には、図７に示すように柱状の直角プリズムロッド４０ａ，４０ｂを組み合わせてプリズムロッド２４ｂとし、直角プリズムロッド４１ａ，４１ｂを組み合わせてプリズムロッド２４ａを構成したものも知られている。なお、図中、機能的に同一である偏光変換素子２５，偏光分離膜２６、反射膜２７については同符号を付してある。
【００３４】
この構造をもつ偏光ビームスプリッタアレイ２４を用いる場合には、直角プリズムロッド４０ａ，４０ｂの接合面に角度選択膜４３を形成しておくことも有効である。角度選択膜４３は、例えば屈折率１．４６のＳｉＯ２膜を５００ｎｍ程度の膜厚で成膜したもので、可視光波長域の光線が０°〜１０°程度の小さな入射角で入射したときにはこれをほぼ１００％透過し、逆に８０°〜９０°の大きな角度で入射したときにはこれをほぼ１００％反射する作用をもつ。
【００３５】
前述したように、マイクロレンズアレイを用いた照明光学系では、５〜６°程度の広がり角をもって偏光ビームスプリッタアレイ２４に入射する光線も含まれている。このような光線Ｑは、角度選択膜４３に大きな入射角で入射してそのほとんどが反射され、実線で示すように偏光分離膜２６に入射するようになるから、その後はそのまま透過するＰ偏光成分の直線偏光光と、偏光分離膜２６で反射するＳ偏光成分の直線偏光光となる。反射されたＳ偏光成分の直線偏光光は小さな入射角であるため角度選択膜４３を透過し、反射膜２７を介して偏光変換素子２５に向けられる。したがって、図中に破線で示すように、無偏光の光線Ｋが偏光変換素子２５を透過して出射することを防ぐことができ、ノイズ光を軽減する上で有利である。
【００３６】
また、光線Ｒのように角度をもって入射した光線のうち、偏光分離膜２６を透過したＰ偏光成分の直線偏光光が直角プリズムロッド４１ａの出射面から出射するときには、空気との界面で図示の方向に屈折し、偏光変換素子２５の側面でケラレが生じることもある。これを防ぐには、偏光変換素子２５と同程度の厚みをもち、直角プリズムロッド４１ａと同じ屈折率をもつガラスプレートを直角プリズムロッド４１ａの出射面全体を覆うように接合し、等価的にＰ偏光成分の直線偏光光の出射面を偏光変換素子２５の出射面にほぼそろえるようにしておけばよい。
【００３７】
上記偏光変換素子２５の製造方法の一例を図８に示す。同図（Ａ）に示すように、プリズムロッド３０の素材となるガラスプレート４５の片面に、位相差膜３２を斜方蒸着によらない通常の蒸着手法で成膜する。もちろん、蒸着設備の容量によっては多数枚のガラスプレート４５に一括して位相差膜３２を蒸着することができる。こうして得られたガラスプレート４５を（Ｂ）に示すように重ね合わせて接合する。
【００３８】
そして、同図（Ｂ）に二点鎖線で示すように、ガラスプレート４５の表面に４５°で交差するカットラインにしたがって積層体を切断し、その切断面を研磨して同図（Ｃ）に示すプリズムプレート４６を得る。このプリズムプレート４６の切断面の一方が偏光変換素子２５の入射面、他方が出射面となり、それぞれ長手方向に延びたガラスプレート４５の切断片がプリズムロッド３０に相当する。
【００３９】
こうして得たプリズムプレート４６を、同図（Ｄ）に破線で示すカットラインで矩形プレート状に切断し、切断面を研磨して前述した偏光変換素子２５を得ることができる。同図（Ｄ）に示すカットラインは、偏光変換素子２５の矩形状の外形輪郭線に相当するから、カットラインの短辺及び長辺はプリズムロッド３０の接合境界線３１あるいは位相差膜３２の切断面と４５°で交差するように設定され、またプリズムプレート４６の厚み方向に関しては垂直に切断するのがよい。
【００４０】
図４に示すように、一般に偏光照明光学素子７に用いられる偏光変換素子２５は細長い矩形状のシート形状にして多用される。したがって、上記のように接合境界線３１が偏光変換素子２５の外径輪郭線に対して４５°となるようにプリズムプレート４６から偏光変換素子２５を切り出しておくと、プリズムロッド２４ｂの出射面にこの偏光変換素子２５を接合する際、偏光変換素子２５を外形基準にして接合するだけで、位相差膜３２の光学軸を直線偏光光の偏光方向に適した向きに合わせることができるようになる。
【００４１】
上記実施形態では、入射面３０ａから垂直に入射する直線偏光光に対し、プリズムロッド３０の第一側面３０ｃに成膜された位相差膜３２が１／２波長板として機能し、直線偏光光の偏光方向を９０°回転させている。この１／２波長板としての機能は、１／４波長板を二枚組み合わせて実現することも可能である。このため、図９に示す実施形態で用いられている偏光変換素子２５は、図８に示す偏光変換素子２５の製造過程中、ガラスプレート４５に１／２波長板の機能を得るために成膜される位相差膜３２の代わりに、１／４波長板として機能する位相差膜を成膜した偏光変換素子要素２５ａ，２５ｂを二枚重ねに接合して用いている。もちろん、偏光変換素子要素２５ａ，２５ｂの一方だけを１／４波長板として他の用途に用いることも可能で、その場合でも無機材料で構成され、しかも斜方蒸着を要せずに簡便かつローコストで製造できるという利点がある。
【００４２】
偏光変換素子要素２５ａ，２５ｂの重ね方は、図９に示すように、隣接するプリズムロッド３０相互の接合境界線３１（位相差膜の断面に対応する）が一連であってもよく、また図１０（Ａ），（Ｂ）に示すように、１／４波長の位相差を与える位相差膜５３（接合境界線３１に対応する）がずれていても、直交していてもよい。これらのいずれの形態であっても、位相差膜５３の光学軸は偏光変換素子２５の入射面に投影したときの方向が入射してくる直線偏光光の偏光方向（偏光面）に対して４５°になるから、トータル的には直線偏光光の偏光方向を９０°（４５°×２）回転させることができる。
【００４３】
上記のように、１／４波長板として機能する位相差膜５３を成膜した２枚の偏光変換素子要素２５ａ，２５ｂを用いて偏光方向を９０°回転させるには、重ね合わされる２枚の偏光変換素子要素２５ａ，２５ｂの接合境界線３１を、入射する直線偏光光の偏光方向に対して４５°にそろえたり、一方を４５°にして他方をこれに直交させたりしなくてもよい。例えば図１１に示す実施形態では、図８（Ｃ）に示すプリズムプレート４６の位相差膜３２の代わりに位相差膜５３を成膜した２枚のプリズムプレート５５ａ，５５ｂを、それぞれのプリズムロッド３０，３０相互の接合境界線５６ａ，５６ｂが「θ１−θ２」の角度で交差するように接合し、これを破線で示すカットラインで切断して偏光変換素子２５として利用する例を示している。
【００４４】
破線で示すカットラインは、図９に示すプリズムロッド２４ｂの光出射面の形状に合わせて決められる。偏光変換素子２５の入射面から入射してくる直線偏光光の偏光方向に対し、接合境界線５６ａ，５６ｂのいずれも４５°の角度ではない。すなわち、一方の偏光変換素子要素２５ａに対応するプリズムプレート５５ａの接合境界線５６ａは、直線偏光光の偏光方向に対して角θ１傾き、他方のプリズムプレート５５ｂの接合境界線５６ｂは角θ２傾いており、これらの角θ１，θ２はいずれも４５°ではない。
【００４５】
図１１のカットラインで切り出された偏光変換素子２５に、偏光方向が垂直方向と一致したＰ偏光成分の直線偏光光が入射したとすると、その入射面に投影される偏光変換素子要素２５ａの光学軸［１］は、接合境界線５６ａに直交していることから、図１２に示すように偏光方向Ｐ０から反時計方向に角δ１（＝「９０°−θ１」）傾いている。したがって、偏光方向Ｐ０で入射した直線偏光光は、反時計方向に２δ１傾けられた偏光方向Ｐ１の直線偏光光に変換される。そして、接合境界線５６ｂが垂直方向から角θ２だけ傾けられた他方の偏光変換素子要素２５ｂの光学軸［２］は、同様に偏光方向Ｐ０から反時計方向にδ２（＝「９０°−θ２」）傾いているから、直線偏光光の偏光方向Ｐ１がさらに２（δ２−２δ１）だけ傾けられ、偏光方向Ｐ２の直線偏光光になる。したがって、「２δ１＋２（δ２−２δ１）＝２（δ２−δ１）」の値、すなわち「２（θ１−θ２）」の値が９０°に合致するように角θ１，θ２の値を決めておけば、偏光方向が垂直なＰ偏光成分の直線偏光光は、偏光方向が水平なＳ偏光成分の直線偏光光に変換されることになる。
【００４６】
なお、上記のように入射した直線偏光光の偏光方向を９０°回転させる目的で前記偏光変換素子要素２５ａ，２５ｂを組み合わせる場合には、θ１，θ２の任意の一方あるいは両方について、「θ１±ｎ×９０°」，「θ２±ｎ×９０°」として組み合わせることも可能である。そして、結果的には「θ１−θ２＝４５°」の関係を満足するように角θ１，角θ２の値を決めておけば、一対の偏光変換素子要素２５ａ，２５ｂを組み合わせた偏光変換素子２５も１／２波長板として利用することができる。
【００４７】
このように二枚の偏光変換素子要素２５ａ，２５ｂを組み合わせて用いる場合には、接合境界線３１を４５°傾けた前述の実施形態と比較して以下の利点がある。図１３に破線で示す相対変換効率特性Ｅ１は、例えば図４に示すように一枚の偏光変換素子２５を４５°傾けて使用したときの分光特性を表し、位相差膜３２の設計中心波長λ０付近では良好な変換効率を示すものの、中心波長λ０から離れるにつれて変換効率が低下しやすい。これに対し、図９における二枚の偏光変換素子要素２５ａ，２５ｂのそれぞれの接合境界線３１を垂直線に対して「θ１＝５５°、θ２＝１０°」の角度にして用いた偏光変換素子２５では特性Ｅ２、「θ１＝６３°、θ２＝１８°」の角度で用いた偏光変換素子２５では特性Ｅ３が得られ、θ１，θ２の調整により波長特性を改善できることが確認された。θ１，θ２の値は様々に設定可能ではあるが、分光特性の対称性を考慮すれば「６０°≦θ１≦７０°、１５°≦θ２≦２５°」の範囲が好ましいと推定できる。
【００４８】
以上、図示した実施形態に基づいて説明してきたが、本発明の偏光変換素子は液晶プロジェクタの偏光照明光学素子に好適に用いることができるが、偏光を扱う分野では用途に応じて偏光方向を９０°回転させる必要が生じてくる。こうした場合にも上記偏光変換素子２５を１／２波長板として利用することが可能であり、位相差膜の膜厚調整により１／４波長板として用いることも可能である。
【符号の説明】
【００４９】
７  偏光照明光学素子
２４  偏光ビームスプリッタアレイ
２５  偏光変換素子
２５ａ，２５ｂ  偏光変換素子要素
２６  偏光分離膜
２７  反射膜
３０  プリズムロッド
３２，５３  位相差膜
４３  角度選択膜
４６  プリズムプレート
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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