(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光をその偏光方向に応じて反射または透過する偏光分離素子であって、
光入射側から順に、
透光性を有するベース部材と、
誘電体により形成され、第１の方向に前記入射光の波長よりも小さい第１の格子周期を有する第１の一次元格子構造と、
金属により形成され、前記第１の方向に対して垂直な第２の方向に前記入射光の波長よりも小さい第２の格子周期を有する第２の一次元格子構造とを有し、
前記ベース部材と前記第１の一次元格子構造とは隣接し、
前記第１の一次元格子構造と前記第２の一次元格子構造とは隣接し、
偏光方向が前記第１の方向に対して垂直な第１の偏光光に対する前記第１の一次元格子構造の有効屈折率をｎＴＥとし、前記ベース部材の屈折率をｎｐとするとき、
０．９＜ｎＴＥ／ｎｐ＜１．１
を満足し、
偏光方向が前記第２の方向に対して垂直な第２の偏光光に対する前記第１の一次元格子構造の有効屈折率をｎＴＭとし、前記ベース部材の屈折率をｎｐとするとき、
ｎｐ＞ｎＴＭ
を満足することを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
前記第１および第２の格子周期が、１５０ｎｍより短いことを特徴とする請求項１に記載の偏光分離素子。
【請求項３】
前記第１の一次元格子構造の格子厚をｄ［ｎｍ］とし、偏光方向が前記第１の方向に平行な第２の偏光に対する前記第１の一次元格子構造の有効屈折率をｎＴＭとし、前記ベース部材の屈折率をｎｐとし、前記入射光の中心波長をλ［ｎｍ］とし、前記入射光に含まれる光線が前記ベース部材と前記第１の一次元格子構造の界面の法線に対してなす角度をθ［゜］とするとき、
０．２＜（ｎＴＭ×ｃｏｓθ）ｄ／λ＜０．３
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。
【請求項４】
前記第２の一次元格子構造において、前記第２の格子周期が１２０ｎｍ以下であり、格子厚が１００ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載の偏光分離素子。
【請求項５】
前記第２の一次元格子構造において、前記第２の格子周期をΛ［ｎｍ］とし、前記第２の方向での格子幅をｗ［ｎｍ］とし、フィリングファクタＦＦをｗ／Λと定義し、前記入射光の中心波長をλ［ｎｍ］とするとき、
Ａ(Λ／λ)２＋Ｂ(Λ／λ)＋０．７３＜ＦＦ＜Ａ(Λ／λ)２＋Ｂ(Λ／λ)＋０．９０
ただし、Ａ＝３．５
Ｂ＝−２．１
を満足することを特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載の偏光分離素子。
【請求項６】
光源からの光をその偏光方向に応じて反射または透過する請求項１から５のいずれか１項に記載の偏光分離素子と、
該偏光分離素子からの光を変調する光変調素子と、
該光変調素子から前記偏光分離素子を介して導かれた光を被投射面に投射する投射光学系とを有することを特徴とする画像投射装置。
【請求項７】
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５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。
【請求項８】
前記ベース部材における光入射面の法線および該ベース部材と前記第１の一次元格子構造との界面の法線を含む面を入射平面とするとき、該入射平面の法線が前記第１の方向に平行であることを特徴とする請求項６又は７に記載の画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光をその偏光方向に応じて反射または透過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。
【背景技術】
【０００２】
金属により入射光の波長（使用波長ともいう）よりも小さな格子周期で形成された一次元格子構造である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。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、一次元格子構造を透明基板やプリズムに挟み込んだ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。
【０００３】
一方、誘電体により使用波長よりも小さな格子周期で形成された一次元格子構造である誘電体グリッドは、格子の長手方向（格子周期の方向に直交する方向）と幅方向（格子周期の方向）とで異なる有効屈折率を持つ。特許文献３には、この特性を利用して、誘電体グリッドを、格子周期の方向が互いに直交するように積層して２つのプリズムの間に挟み込んだ偏光分離素子が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００３−５０２７０８号公報
【特許文献２】特表２００３−５１９８１８号公報
【特許文献３】特開２００５−３２１５６２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ワイヤーグリッドは、格子の長手方向に平行に電界が振動する偏光（以下、第１の偏光という)を反射し、第１の偏光に垂直に電界が振動する偏光（以下、第２の偏光という)を透過する。ただし、実際には、反射されるべき第１の偏光の一部が透過されたり吸収されたりするとともに、透過されるべき第２の偏光の一部が反射されたり吸収されたりする。従来のワイヤーグリッドでは、十分に偏光を分離するために（つまりは第１の偏光の透過を抑えるために）格子厚を大きくしているが、これにより、透過すべき第２の偏光の吸収が多くなり、透過率が低下するという問題がある。
また、透明基板やプリズムの間に挟み込んで用いられるワイヤーグリッド偏光分離素子では、透過すべき第２の偏光の特性が劣化しやすく、入射側を空気や真空とした場合に比べて反射率が大きくなるという問題がある。
【０００６】
一方、特許文献３にて開示された誘電体グリッドを用いた偏光分離素子では、ｓ偏光の反射に全反射を利用するため、入射角度が小さい領域では急激に反射率が低下するという問題がある。
【０００７】
本発明は、ワイヤーグリッドを用いた偏光分離素子であって、広い入射角度範囲において良好な透過率および反射率が得られ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。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面としての偏光分離素子は、入射光をその偏光方向によって反射または透過する。該偏光分離素子は、光入射側から順に、透光性を有するベース部材と、誘電体により形成され、第１の方向に入射光の波長よりも小さい第１の格子周期を有する第１の一次元格子構造と、金属により形成され、第１の方向に対して垂直な第２の方向に入射光の波長よりも小さい第２の格子周期を有する第２の一次元格子構造とを有する。ベース部材と第1の一次元格子構造は隣接し、第１の一次元格子構造と第２の一次元格子構造は隣接する。偏光方向が第１の方向に対して垂直な第１の偏光光に対する第１の一次元格子構造の有効屈折率をｎＴＥとし、ベース部材の屈折率をｎｐとするとき、条件０．９＜ｎＴＥ／ｎｐ＜１．１を満足し、偏光方向が第２の方向に対して垂直な第２の偏光光に対する第１の一次元格子構造の有効屈折率をｎＴＭとし、ベース部材の屈折率をｎｐとするとき、条件ｎｐ＞ｎＴＭを満足することを特徴とする。
【０００９】
なお、上記偏光分離素子を用いた画像投射装置も、本発明の他の一側面を構成する。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、広い入射角度範囲において良好な透過率および反射率が得られるワイヤーグリッド偏光分離素子を実現することができる。そして、このワイヤーグリッド偏光分離素子を用いることにより、良好なコントラストと明るさを有する画像を投射可能な画像投射装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】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２】図１の偏光分離素子の偏光分離部のうちワイヤーグリッドの構成を示す図。
【図３】本発明の実施例１である偏光分離素子の構成を示す図。
【図４】実施例１の偏光分離素子の偏光分離部の構成を示す図。
【図５】実施例１における偏光分離部のワイヤーグリッドの構成を示す図。
【図６】入射媒質の屈折率によるｓ偏光の反射率の波長特性を示す図。
【図７】本発明の実施例２である偏光分離素子の構成を示す図。
【図８】実施例２の偏光分離素子の偏光分離部の構成を示す図。
【図９】実施例１の偏光分離素子のｐ偏光とｓ偏光の反射率と透過率の波長特性を示す図。
【図１０】実施例１の偏光分離素子のｐ偏光とｓ偏光の反射率と透過率の入射角度特性を示す図。
【図１１】実施例２の偏光分離素子のｐ偏光とｓ偏光の反射率と透過率の波長特性を示す図。
【図１２】本発明の実施例３である偏光分離素子の構成を示す図。
【図１３】実施例３の偏光分離素子の偏光分離部の構成を示す図。
【図１４】実施例３の偏光分離素子のｐ偏光とｓ偏光の反射率と透過率の波長特性を示す図。
【図１５】本発明の実施例４である偏光分離素子のｐ偏光とｓ偏光の反射率と透過率の波長特性を示す図。
【図１６】本発明の実施例５である液晶プロジェクタの構成を示す図。
【図１７】本発明の実施例６である液晶プロジェクタの構成を示す図。
【図１８】比較例１の偏光分離素子のｐ偏光とｓ偏光の反射率と透過率の波長特性を示す図。
【図１９】比較例２の偏光分離素子のｐ偏光とｓ偏光の反射率と透過率の波長特性を示す図。
【図２０】実施例の変形例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
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。
【００１３】
偏光分離素子１０は、２つの透光性を有するベース部材であるプリズム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。
【００１４】
ここで、図１に示すように、プリズム１における光入射面の法線Ｎ１および該プリズム１と偏光分離部３（後述する誘電体グリッド）との界面の法線Ｎ２を含む面を入射平面（図示せず）とする。また、この入射平面内で電界が振動する光をｐ偏光（第１の偏光）といい、入射平面に直交する方向（入射平面の法線方向）にて電界が振動する光をｓ偏光（第２の偏光）という。
【００１５】
ｐ偏光とｓ偏光とを含む、つまりは無偏光光である入射光は、光入射側（および光反射射出側）のベース部材であるプリズム１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１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偏光は光透過射出側のベース部材であるプリズム２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（又は４３０）ｎｍ〜７００ｎｍの可視波長域の全部または一部である。
【００１６】
以下の説明において、光の電界の振動方向を、偏光方向という。また、偏光分離部３の詳しい構成については後述する。
【００１７】
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光透過射出側のプリズム２は必要ではない。例えば、図２０（ａ）に示すように、光入射側のプリズム１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。また、ベース部材としては必ずしもプリズムでなくてもよく、図２０（ｂ）に示すように、２枚の透光性を有するベース部材としての平板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。
【００１８】
図２には、本実施例の偏光分離素子１０における偏光分離部３のうちワイヤーグリッド３ａの概略構成を示す。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た一次元格子構造を有する。ワイヤーグリッド３ａ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、入射光の波長（使用波長）よりも十分に小さい格子周期Λを持つ。
【００１９】
図３には、図１に示した偏光分離素子１０のより詳しい構成を示す。また、図４には、図３に示した偏光分離素子１０の偏光分離部３の構成を示す。なお、図３および図４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や後述する誘電体グリッド３ｂ，３ｃ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。
【００２０】
プリズム１，２の間に挟まれた偏光分離部３は、図２に示したワイヤーグリッド３ａと、該ワイヤーグリッド３ａの格子厚方向の片側（光入射側）又は両側（光入射側および光透過射出側）に配置された誘電体グリッド３ｂ（３ｃ）とが積層されて構成されている。つまり、偏光分離素子１０は、光入射側から光透過射出側に順に、少なくともプリズム１と誘電体グリッド（第１の一次元格子構造）３ｂとワイヤーグリッド（第２の一次元格子構造）３ａとを有しており、必要に応じて誘電体グリッド３ｃとプリズム２も有している。
【００２１】
誘電体グリッド３ｂ（３ｃ）は、誘電体により形成された格子部（以下、誘電体格子部という）と、該誘電体格子部の間に挟まれた格子間部とが交互に配列されて構成された一次元格子構造を有する。誘電体グリッド３ｂ（３ｃ）の誘電体格子部の長手方向（図４中に実線矢印で示す）Ｄ２は、ワイヤーグリッド３ａの金属格子部４の長手方向（図４中に点線矢印で示す）Ｄ１に対して直交する。言い換えれば、誘電体格子部はその幅方向に相当する第１の方向Ｄ１に第１の格子周期を有し、金属格子部４はその幅方向に相当する、第１の方向Ｄ１に対して直交する第２の方向Ｄ２に第２の格子周期を有する。
【００２２】
なお、誘電体グリッド３ｂにおける誘電体格子部の格子周期（第１の格子周期）とワイヤーグリッド３ａにおける金属格子部４の格子周期（第２の格子周期）は互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。また、２つの誘電体グリッド３ｂ，３ｃを有する場合に、これら誘電体格子部３ｂ，３ｃの格子周期も互いに同じであってもよいし異なっていてもよい。
【００２３】
また、本実施例にいう「直交する」とは、完全に直交する場合に限らず、許容範囲内で完全な直交からずれている場合も含む。また、「平行である」についても、完全に平行である場合に限らず、許容範囲内で完全な平行からずれている場合も含む。
【００２４】
ワイヤーグリッド３ａの金属格子部４は、アルミニウム、銀、金、ニッケル、クロム、銅、プラチナ、タングステン等の金属により形成されている。また、誘電体グリッド３ｂ，３ｃにおける誘電体格子部は、ＭｇＦ２、ＳｉＯ２、ＴｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＺｒＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｎｂ２Ｏ３等の誘電体により形成されている。
【００２５】
ワイヤーグリッド３ａは、金属格子部４の長手方向（第１の方向Ｄ１）が、図３の紙面に相当する入射平面に直交する方向、つまりは入射平面の法線方向に平行となるように配置される。言い換えれば、ワイヤーグリッド３ａは、金属格子部４の格子周期方向である第２の方向Ｄ２が入射平面に対して平行となるように配置されている。ワイヤーグリッド３ａをこのように配置することで、ワイヤーグリッド３ａに入射したｐ偏光を透過してｓ偏光を反射する作用を持たせることができる。以下に説明する全ての実施例および比較例において、ワイヤーグリッド３ａの金属格子部４の長手方向は、入射平面に対して直交する（入射平面の法線方向に平行となる）方向である。
【００２６】
偏光方向が誘電体グリッド３ｂ（誘電体格子部）の長手方向である第２の方向に対して平行、つまりは第１の方向に直交する、さらに言えば入射平面に対して平行な第１の偏光としてのｐ偏光に対する誘電体グリッド３ｂの有効屈折率をｎＴＥとする。また、偏光方向が誘電体グリッド３ｂの長手方向である第２の方向に対して直交する、つまりは第１の方向に対して平行な、さらに言えば入射平面に対して直交する第２の偏光としてのｓ偏光に対する有効屈折率をｎＴＭとする。この場合、有効屈折率ｎＴＥ，ｎＴＭは、誘電体格子部の屈折率ｎ１と格子間部の屈折率ｎ２と誘電体格子部の幅ｗと格子周期Λとの比ｗ／Λによって定義されるフィリングファクタＦＦとから、次式（１），（２）のように求めることができる。
ｎＴＥ＝ＦＦ×ｎ１２＋（１−ＦＦ）×ｎ２２  ｝１／２      （１）
１／ｎＴＭ＝｛Ｆ×１／ｎ１２＋（１−ＦＦ）×１／ｎ２２｝−１／２    （２）
ここで、プリズム１と誘電体グリッド３ｂの界面におけるｐ偏光の反射を抑えるために、誘電体グリッド３ｂのｐ偏光に対する屈折率ｎＴＥとプリズム１の屈折率ｎｐは以下の条件（３）を満足することが望ましい。
０．９＜ｎＴＥ／ｎｐ＜１．１       （３）
条件（３）を満足することにより、プリズム１と誘電体グリッド３ｂとの間でのｐ偏光に対する屈折率差を小さくすることができるため、プリズム１と誘電体グリッド３ｂの界面でのｐ偏光の反射を抑えることができる。ｎＴＥ／ｎｐの値が条件（３）の上限を超えたり下限を下回ったりすると、プリズム１と誘電体グリッド３ｂとの間の屈折率差が大きくなり過ぎ、これらの界面での反射が大きくなるので、ｐ偏光に対する良好な特性を得ることが困難となる。
【００２７】
図５に示すように入射側の媒質（入射媒質）を透過した光線がワイヤーグリッドに４５°の入射角度で入射する場合において、ｓ偏光の反射率の波長特性を入射媒質の屈折率ごとに比較した結果を図６に示す。
【００２８】
ここでは、ワイヤーグリッドの金属格子部はアルミニウムにより形成され、格子厚は６０ｎｍ、格子周期は１００ｎｍ、格子幅は５４ｎｍである。また、射出側の媒質（射出媒質）の屈折率は１．５２である。入射媒質の屈折率は、１．０から１．６まで変化させた。
【００２９】
図６から分かるように、ワイヤーグリッドのｓ偏光に対する反射率Ｒｓは、入射媒質の屈折率が小さいほど大きくなり、波長特性も良好である。
【００３０】
誘電体グリッドでは、ｎＴＥ＞ｎＴＭであるため、ｓ偏光に対する良好な特性を得るためには、誘電体グリッドの長手方向とワイヤーグリッドの長手方向が直交する方がよい。
【００３１】
また、プリズム１の屈折率ｎｐと誘電体グリッド３ｂのｓ偏光に対する有効屈折率ｎＴＭが以下の条件（４）を満足することが望ましい。これにより、ワイヤーグリッド３ａがプリズム１に隣接している場合に比べてｓ偏光に対する反射率特性を向上させることができる。
ｎｐ＞ｎＴＭ    （４）
さらに、誘電体グリッド３ｂの格子厚ｄ［ｎｍ］およびｓ偏光に対する有効屈折率ｎＴＭと、入射光の中心波長λ［ｎｍ］と、入射光に含まれる光線がプリズム１と誘電体グリッド３ｂの界面の法線となす角度θ［゜］とが以下の条件（５）を満足することが望ましい。これにより、ｓ偏光に対する反射率をより効果的に向上させることができる。
０．２＜（ｎＴＭ×ｃｏｓθ）ｄ／λ＜０．３    （５）
（ｎＴＭ×ｃｏｓθ）ｄ／λの値が条件（５）の上限を超えるように格子厚ｄが大きくなると、格子幅に対する格子厚の比が大きくなるため、誘電体グリッド３ｂの強度が低くなりすぎ、製造も困難となる。また、（ｎＴＭ×ｃｏｓq）ｄ／λの値が条件（５）の下限を下回るように格子厚ｄが小さいと、反射率や透過率の変化が小さくなり、十分な性能を得ることができない。このため、ｓ偏光を効率的に反射させるために、条件（５）を満足することが好ましい。
【００３２】
偏光分離部３が、ワイヤーグリッド３ａと誘電体グリッド３ｂのみにより構成される場合には、構成が単純であるため、設計が容易であり、製造も簡単である。ただし、偏光分離部３をワイヤーグリッド３ａとこれを挟む２つの誘電体グリッド３ｂ，３ｃにより構成してもよい。特に、誘電体グリッド３ｂ，３ｃが同じ構成を有すると、光がプリズム１から入射する場合とプリズム２から入射する場合とでｐ偏光およびｓ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１０を使用する光学系の構成上の限定が少なくなり、偏光分離素子１０を幅広い構成の光学系にて使用することが可能となる。
【００３３】
また、ワイヤーグリッドにおいて、格子厚が一定であれば、格子周期が大きくなるほどｓ偏光に対する透過率が増加し、偏光分離特性が劣化する。さらに、格子周期が１２０ｎｍを超えると、５００ｎｍ程度までの短波長側でｐ偏光に対する反射率特性が急激に劣化する。特に、格子周期が１５０ｎｍを超えると、入射角度によっては回折が生じるため、良好な偏光分離特性が得られなくなる。
【００３４】
したがって、ワイヤーグリッドの格子周期は、１５０ｎｍ以下であることが望ましく、さらに短波長側で良好な偏光分離特性を得るためには、格子周期は１２０ｎｍ以下であることがより望ましい。
【００３５】
また、格子厚が大きくなると、透過すべきｐ偏光が吸収もしくは反射されて十分な透過率特性が得られにくくなる。また、格子幅に対する格子厚の比が増大することにより、ワイヤーグリッドの強度が低下するとともに、製造も難しくなる。したがって、ワイヤーグリッドの格子厚は、１００ｎｍ以下であることが望ましい。
【００３６】
さらに、プリズム１の光入射面と、該プリズム１と偏光分離部３の界面とがなす角度が４５°程度である場合、ワイヤーグリッドのフィリングファクタＦＦが以下の条件（６）を満足することが望ましい。
Ａ(Λ／λ)２＋Ｂ(Λ／λ)＋０．７３＜ＦＦ＜Ａ(Λ／λ)２＋Ｂ(Λ／λ)＋０．９０  （６）
ただし、Ａ＝３．５
Ｂ＝−２．１
Λ［ｎｍ］はワイヤーグリッドの格子周期（第２の格子周期）であり、ｗ［ｎｍ］はワイヤーグリッドの格子幅であり、フィリングファクタＦＦはｗ／Λである。λ［ｎｍ］は入射光の中心波長である。
【００３７】
良好な偏光分離特性を確保するためには、ｓ偏光に対する透過率が十分に低いことが必要であるが、ｓ偏光に対する透過率は、ワイヤーグリッドの格子厚に大きく依存する。このため、良好な偏光分離特性を確保するためのワイヤーグリッドの格子厚は、偏光分離素子に求められる仕様からほぼ決定される。
【００３８】
一方、最適な入射角度のｐ偏光に対する反射率を低く抑えるためには、プリズムの屈折率に合わせて、ワイヤーグリッドの格子厚とフィリングファクタＦＦとを最適化する必要がある。発明者は、ワイヤーグリッドのフィリングファクタＦＦが条件（６）を満足するときに、ｓ偏光に対する透過率が十分抑えられる格子厚によってｐ偏光に対する特性を最適化できる（反射率を十分に低くできる）ことを発見した。
【００３９】
フィリングファクタＦＦが条件（６）の下限を下回ると、ｐ偏光に対する反射率を抑えるために格子厚をより小さくすることが必要となり、これにより、ｓ偏光に対する透過率を十分に低く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（６）の上限を超えると、ｐ偏光に対する反射率を抑えるために格子厚をより大きくすることが必要となる。これにより、ｓ偏光に対する十分に低い透過率が得られるものの、ｐ偏光の吸収損失が大きくなり、ｐ偏光に対する十分に高い透過率が得られなくなる。したがって、ｐ偏光に対する良好な特性とｓ偏光に対する良好な特性の双方を得るためには、条件（６）を満足することが望ましい。
【００４０】
以下、具体的な実施例について説明する。
【実施例１】
【００４１】
図７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。図８には、本実施例の偏光分離素子１０における偏光分離部３の構成を示している。本実施例の偏光分離素子１０は、光入射側から光透過射出側に順に、プリズム１と、誘電体グリッド３ｂと、ワイヤーグリッド３ａと、プリズム２とから構成されている。
【００４２】
プリズム１，２の屈折率はｎ＝１．６である。誘電体グリッド３ｂ（誘電体格子部）は、屈折率がｎ＝２．３２の誘電体により形成されている。ワイヤーグリッド３ａ（金属格子部４）は、アルミニウムにより形成されている。誘電体グリッド３ｂのフィリングファクタは０．３３５であり、格子厚は１６５．８ｎｍである。また、ワイヤーグリッド３ａのフィリングファクタＦＦは０．５５であり、格子厚は６０ｎｍである。誘電体グリッド３ｂおよびワイヤーグリッド３ａの格子周期は、いずれもΛ＝１００ｎｍである。
【００４３】
プリズム１の光入射面に垂直に入射した光に対する波長ごとの偏光分離部３での反射率と透過率を図９（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図９（ａ），（ｂ）において、実線および左側の第１軸がｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示し、破線および右側の第２軸がｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示す。図９（ａ），（ｂ）から分かるように、本実施例は、４００（又は４３０）ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯域において、Ｒｓ＞９６％、Ｔｓ＜０．０９％、Ｒｐ＜０．１３％と優れた特性を示す。
【００４４】
図１０（ａ），（ｂ）にはそれぞれ、プリズム１と偏光分離部３の界面の法線に対して入射光線がなす角度（入射角度）を４０°から５０°まで変化させたときの偏光分離部３のｐ偏光に対する反射率Ｒｐおよび透過率Ｔｐを示している。また、図１０（ｃ），（ｄ）にはそれぞれ、上記入射角度を４０°から５０°まで変化させたときの偏光分離部３のｓ偏光に対する反射率Ｒｓおよび透過率Ｔｓを示している。本実施例では、ｓ偏光の反射に全反射を用いていないため、誘電体グリッドのみによって構成された特許文献３にて開示された偏光分離素子に比べて角度依存性が少ない、すなわち広い入射角度範囲において良好な特性が得られる。
（比較例１）
ここで、実施例１に対する比較例（比較例１）について説明する。本比較例の偏光分離素子は、実施例１と同様に２つのプリズムを有する一方、これらの間に挟まれた偏光分離部がワイヤーグリッドのみにより構成されている。本比較例において、プリズムの屈折率やワイヤーグリッドのパラメータは実施例１と同じである。
【００４５】
図１８（ａ），（ｂ）には、本比較例におけるプリズムの光入射面に垂直に入射した光に対する波長ごとの偏光分離部での反射率と透過率を示す。実施例１にて図９（ａ），（ｂ）に示した反射率および透過率の特性との比較から、比較例１では、Ｔｐは同程度であるのに対し、Ｒｓは１０％程度低くなっていることが分かる。また、Ｔｓは０．１９〜０．４５％と、誘電体グリッドが設けられている実施例１に比べて３倍以上となっており、偏光分離特性が大きく劣化していることが分かる。
【００４６】
以上のことから、偏光分離部をワイヤーグリッドのみで構成した場合には、実施例１のように、ｓ偏光に対する高い反射率Ｒｓと低い透過率Ｔｓを有する偏光分離素子の実現は困難となる。
【実施例２】
【００４７】
次に、本発明の実施例２である偏光分離素子について説明する。本実施例の偏光分離素子は、図７および図８に示した実施例１の偏光分離素子と同様に、光入射側から光透過射出側に順に、プリズム１と、誘電体グリッド３ｂと、ワイヤーグリッド３ａと、プリズム２とから構成されている。
【００４８】
プリズム１，２の屈折率と、誘電体グリッド３ｂの屈折率、フィリングファクタおよび格子厚は実施例１と同じである。ただし、誘電体グリッド３ｂおよびワイヤーグリッド３ａの格子周期はともにΛ＝１２０ｎｍであり、ワイヤーグリッド３ａのフィリングファクタＦＦは０．５４である。また、ワイヤーグリッド３ａの格子厚は７０ｎｍである。
【００４９】
プリズム１の光入射面に垂直に入射した光に対する波長ごとの偏光分離部３での反射率と透過率を図１１（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図１１（ａ），（ｂ）において、実線および第１軸がｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示し、破線および第２軸がｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示す。図１１（ａ），（ｂ）から分かるように、本実施例は、４００（又は４３０）ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯域において、Ｒｓ＞９６％、Ｔｓ＜０．０８％、Ｒｐ＜０．３％（４３０〜７００ｎｍ）と優れた特性を示す。
【００５０】
なお、本実施例は、実施例１と比較すると、短波長側でｐ偏光に対する反射率と透過率が若干悪くなっているが、実施例１に比べて格子周期が大きいため、製造が容易であるというメリットがある。
（比較例２）
ここで、実施例２に対する比較例（比較例２）について説明する。本比較例の偏光分離素子は、実施例２と同様に、２つのプリズムと、これらの間に挟まれた誘電体グリッドとワイヤーグリッドにより構成された偏光分離部とから構成されている。本比較例において、プリズムの屈折率や誘電体グリッドの屈折率、フィリングファクタおよび格子厚は、実施例１，２と同じである。ただし、誘電体グリッドおよびワイヤーグリッドの格子周期はともに１５０ｎｍであり、ワイヤーグリッドのフィリングファクタＦＦが０．５４である。また、ワイヤーグリッドの格子厚は８０ｎｍである。
【００５１】
図１９（ａ），（ｂ）には、比較例２におけるプリズムの光入射面に垂直に入射した光に対する波長ごとの偏光分離部での反射率と透過率を示す。ただし、４２０ｎｍより短い波長帯域では回折が生じるため、４３０ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯域での反射率と透過率を示す。本比較例のように格子周期が大きくなり過ぎると、短波長側では使用波長に対して十分に小さい格子周期ではなくなるため、偏光分離部が回折格子として機能してしまい、本来の偏光分離機能が得られなくなる。
【００５２】
また、格子周期が大きくなり過ぎると、ｓ偏光に対する透過率が大きくなる傾向があるため、ｓ偏光に対する透過率を十分に小さくするためには、本比較例のように、ワイヤーグリッドの格子厚を大きくすることが必要となる。さらに、回折が生じない波長帯域でも、ｐ偏光に対する特性の劣化が大きく、４６０ｎｍ以下の波長帯域では、Ｒｐ＞４．５％、Ｔｐ＜６５％と良好な特性が得られない。
【００５３】
以上より、周期が大きい場合には、本実施例のような可視光帯域全域で十分なｐ偏光特性を持った偏光分離素子の実現は困難である。
【００５４】
以上のことから、偏光分離部の格子周期が１５０ｎｍ以上であると、可視光の波長帯域の全域でｐ偏光に対する良好な特性を持つ偏光分離素子の実現は困難となる。
【実施例３】
【００５５】
図１２には、本発明の実施例３である偏光分離素子１０の構成を示している。また、図１３には、本実施例の偏光分離素子における偏光分離部３の構成を示している。本実施例の偏光分離素子１０は、光入射側から光透過射出側に順に、プリズム１と、誘電体グリッド３ｂと、ワイヤーグリッド３ａと、誘電体グリッド３ｃと、プリズム２とから構成されている。誘電体グリッド３ｂ，３ｃの構成は互いに同じである。
【００５６】
プリズム１，２の屈折率はｎ＝１．５２であり、誘電体グリッド３ｂ，３ｃ（誘電体格子部）は、屈折率ｎ＝２．３２の誘電体により形成されている。また、ワイヤーグリッド３ａ（金属格子部４）はアルミニウムにより形成されている。誘電体グリッド３ｂ，３ｃのフィリングファクタは０．３０で、格子厚は１６９ｎｍである。ワイヤーグリッド３ａのフィリングファクタＦＦは０．５３５であり、格子厚は６０ｎｍである。誘電体グリッド３ｂ，３ｃおよびワイヤーグリッド３ａの格子周期はいずれもΛ＝１００ｎｍである。
【００５７】
プリズム１の光入射面に垂直に入射した光に対する波長ごとの偏光分離部３での反射率と透過率を図１４（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図１４（ａ），（ｂ）において、実線および第１軸がｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示し、破線および第２軸がｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示す。図１４（ａ），（ｂ）から分かるように、本実施例は、４００（又は４３０）ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯域において、Ｒｓ＞９５％、Ｔｓ＜０．０３％、Ｒｐ＜０．５％と優れた特性を示す。
【００５８】
本実施例では、プリズム１から光が入射する場合とプリズム２から光が入射する場合のいずれにおいてもｓ偏光およびｐ偏光に対する特性が等しいため、前述したように、幅広い構成の光学系において偏光分離素子として使用することができる。
【実施例４】
【００５９】
次に、本発明の実施例４である偏光分離素子について説明する。本実施例の偏光分離素子は、図７および図８に示した実施例１（および実施例２）の偏光分離素子と同様に、光入射側から光透過射出側に順に、プリズム１と、誘電体グリッド３ｂと、ワイヤーグリッド３ａと、プリズム２とから構成されている。
【００６０】
プリズム１，２の屈折率は、ｎ＝１．８であり、誘電体グリッド３ｂ（誘電体格子部）は、屈折率がｎ＝２．３２の誘電体により形成されている。また、ワイヤーグリッド３ａ（金属格子部４）はアルミニウムにより形成されている。誘電体グリッド３ｂのフィリングファクタは０．５１であり、格子厚は１４８．６ｎｍである。ワイヤーグリッド３ａのフィリングファクタＦＦは０．５８であり、格子厚は６０ｎｍである。誘電体グリッド３ｂおよびワイヤーグリッド３ａの格子周期はいずれも、Λ＝１００ｎｍである。
【００６１】
プリズム１の光入射面に垂直に入射した光に対する波長ごとの偏光分離部３での反射率と透過率を図１５（ａ），（ｂ）にそれぞれ示す。図１５（ａ），（ｂ）において、実線および第１軸がｐ偏光に対する反射率Ｒｐと透過率Ｔｐを示し、破線および第２軸がｓ偏光に対する反射率Ｒｓと透過率Ｔｓを示す。本実施例では、プリズム１，２の屈折率が１．８と高いため、通常であれば入射媒質が空気や真空である場合に比べて偏光分離特性が劣化しやすい。しかし、図１５（ａ），（ｂ）から分かるように、本実施例は、４００（又は４３０）ｎｍ〜７００ｎｍの波長帯域において、Ｒｓ＞９５％、Ｔｓ＜０．０９％、Ｒｐ＜０．１５％（４３０〜７００ｎｍ）と優れた特性を示す。
【実施例５】
【００６２】
図１６には、本発明の実施例５として、実施例１〜実施例４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、偏光ビームスプリッタ１０と、光変調素子である反射型液晶パネル２５と、投射レンズ（投射光学系）３０とを有する。偏光ビームスプリッタ１０が、実施例１〜４のいずれかにて説明された偏光分離素子１０に相当する。
【００６３】
光源ランプ２１から発せられた白色光は、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偏光に変換する。偏光変換素子２０からのｓ偏光は、偏光ビームスプリッタ１０にて反射され、反射型液晶パネル２５に入射する。反射型液晶パネル２５にて反射および変調された画像光（ｐ偏光）１３は、偏光ビームスプリッタ１０を介して（透過して）投射レンズ３０に導かれ、該投射レンズ３０によってスクリーン等の被投射面に投射される。
【００６４】
本実施例では、偏光ビームスプリッタ１０として実施例１〜４のいずれかにて説明した偏光分離素子１０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。
【実施例６】
【００６５】
図１７には、本発明の実施例６として、実施例１〜実施例４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２２と、波長選択性位相差板２３と、偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｃとを有する。偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｃのうち少なくとも一方が、実施例１〜４のいずれかにて説明された偏光分離素子１０に相当する。
【００６６】
また、液晶プロジェクタ２００は、光変調素子である反射型液晶パネル２５ｇ，２５ｂ，２５ｒと、位相差板２４ｂ，２４ｇ、２４ｒと、色合成プリズム２６と、投射レンズ（投射光学系）３０とを有する。
【００６７】
光源ランプ２１から発せられた白色光（緑色光１１ｇ、青色光１１ｂおよび赤色光１１ｒを含む）は、偏光変換素子２０を含む照明光学系を通り、平行光束となって偏光変換素子２０に入射する。
【００６８】
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１２ｇ，青偏光１２ｂおよび赤偏光１２ｒ）に変換する。次に、ダイクロイックミラー２２に入射した緑偏光１２ｇ，青偏光１２ｂおよび赤偏光１２ｒのうち緑偏光１２ｇはダイクロイックミラー２２により反射され、青偏光１２ｂおよび赤偏光１２ｒはダイクロイックミラー２２を透過する。緑偏光１２ｇは、偏光ビームスプリッタ１０ａにて反射され、位相差板２４ｇを通過して緑用反射型液晶パネル２５ｇに入射する。一方、青偏光１２ｂおよび赤偏光１２ｒは波長選択性位相差板２３に入射し、赤偏光１２ｒのみが該波長選択性位相差板２３によって偏光方向を９０°変換される。これにより、青偏光１２ｂはｓ偏光のまま、赤偏光１２ｒはｐ偏光として偏光ビームスプリッタ１０ｃに入射する。
【００６９】
そして、青偏光１２ｂは偏光ビームスプリッタ１０ｃにより反射され、位相差板２４ｂを通過して青用反射型液晶パネル２５ｂに入射する。また、赤偏光１２ｒは、偏光ビームスプリッタ１０ｃを透過し、位相差板２４ｒを通過して赤用反射型液晶パネル２５ｒに入射する。ダイクロイックミラー２２から偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｃ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。
【００７０】
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（緑画像光１３ｇ，青画像光１３ｂおよび赤画像光１３ｒ）となる。緑用反射型液晶パネル２５ｇにより変調された緑画像光１３ｇは、位相差板２４ｇ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２６に入射する。また、青用反射型液晶パネル２５ｂにより変調された青画像光１３ｂは、位相差板２４ｂを再び通過し、偏光ビームスプリッタ１０ｃを透過して色合成プリズム２６に入射する。赤用反射型液晶パネル２５ｒにより変調された赤画像光１３ｒは、位相差板２４ｒを再び通過し、偏光ビームスプリッタ１０ｃで反射されて色合成プリズム２６に入射する。
【００７１】
緑画像光１３ｇは色合成プリズム２６内のダイクロイック膜によって反射され、青画像光１３ｂおよび赤画像光１３ｒはダイクロイック膜を透過する。これにより、緑画像光１３ｇ、青画像光１３ｂおよび赤画像光１３ｒ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１０ｃおよび色合成プリズム２６により色合成光学系が構成される。
【００７２】
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。
【００７３】
本実施例では、偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｃのうち少なくとも一方に実施例１〜４のいずれかにて説明した偏光分離素子１０を用いている（特に、偏光ビームスプリッタ１０ｃとして実施例３の偏光分離素子を用いることが好ましい）。これにより、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。
【００７４】
また、本実施例では、ｐ偏光に対する反射率およびｓ偏光に対する透過率が小さく、これらの波長依存性も少ないため、緑偏光と青偏光および赤偏光とに対して、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、青偏光と赤偏光の光路を共通化することができ、青、緑、赤の光路のすべてを分離した光学系に比べて、コントラストを低下させることなく、低コストおよび小型の装置を実現できる。
【００７５】
なお、本実施例および前述した実施例５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、本実施例では、ダイクロイックミラー２２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。
【００７６】
表１には、実施例１〜４と条件（１），（４），（５），（６）との関係をまとめて示す。条件（４）については、ｎｐとｎＴＭの値を示しており、これらからｎｐ＞ｎＴＭであることが分かる。
【００７７】
また、条件（５）については、中心波長λ＝５５０ｎｍを用いており、入射角度θが３５°および５５°の場合について値を示している。
【００７８】
さらに、条件（６）についても、中心波長λ ＝５５０ｎｍを用いており、表中のＦＦは、ワイヤーグリッド３ａのフィリングファクタを示す。表１に条件（６）の上限と下限を示すことにより、ＦＦがこれら上限と下限の範囲に含まれていることを示す。
【００７９】
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。
【００８０】
【表１】
0005930600.tif 000002
【産業上の利用可能性】
【００８１】
ｓ偏光およびｐ偏光に対して良好な偏光分離特性が得られる偏光分離素子およびこれを用いた液晶プロジェクタ等の画像投射装置を提供できる。
【符号の説明】
【００８２】
１，２  プリズム
３  偏光分離部
３ａ  ワイヤーグリッド
３ｂ，３ｃ  誘電体グリッド
４  金属格子部
１０  偏光分離素子
【図１】
0005930600.tif 000003
【図２】
0005930600.tif 000004
【図３】
0005930600.tif 000005
【図４】
0005930600.tif 000006
【図５】
0005930600.tif 000007
【図６】
0005930600.tif 000008
【図７】
0005930600.tif 000009
【図８】
0005930600.tif 000010
【図９】
0005930600.tif 000011
【図１０】
0005930600.tif 000012
【図１１】
0005930600.tif 000013
【図１２】
0005930600.tif 000014
【図１３】
0005930600.tif 000015
【図１４】
0005930600.tif 000016
【図１５】
0005930600.tif 000017
【図１６】
0005930600.tif 000018
【図１７】
0005930600.tif 000019
【図１８】
0005930600.tif 000020
【図１９】
0005930600.tif 000021
【図２０】
0005930600.tif 000022