(57)【要約】【課題】薄型軽量な偏光デバイスを提供する。【解決手段】基板３０の一方の面上に形成された偏光分離素子アレイ１０と、基板３０の他方の面上に形成された偏光変換素子アレイ２０とを備え、１０は、入射光を回折して所定の偏光方向と垂直な偏光方向の０次回折光を出射すると共に、所定の偏光方向と平行な偏光方向の±１次回折光を出射する偏光分離素子１１と、入射光を回折して所定の偏光方向と平行な偏光方向の０次回折光を出射すると共に、所定の偏光方向と垂直な偏光方向の±１次回折光を出射する偏光分離素子１２とを有し、２０は、偏光分離素子１１からの０次回折光および偏光分離素子１２からの±１次回折光の偏光方向を９０度回転させる第１偏光変換素子と、偏光分離素子１２からの０次回折光および偏光分離素子１１からの±１次回折光の偏光方向を変化させることなく透過させる偏光変換素子２２とを有する。【選択図】  図１
2006098705.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光を、所定の偏光方向を有する偏光光に変換する偏光デバイスであって、
基板の一方の面上に形成された偏光分離部と、
前記基板の他方の面上に形成された偏光変換部と
を備え、
前記偏光分離部は、前記入射光を回折して前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第１偏光分離素子と、前記入射光を回折して前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第２偏光分離素子とを有し、
前記偏光変換部は、前記第１偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第２偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を９０度回転させる第１偏光変換素子と、前記第２偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第１偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を変化させることなく透過させる第２偏光変換素子とを有する
ことを特徴とする偏光デバイス。
【請求項２】
前記第１偏光分離素子は、第１格子定数の第１回折格子と、前期第１格子定数より小さい第２格子定数の第２回折格子とを組み合わせた２重周期回折格子であり、
前記第２偏光分離素子は、第３格子定数の第３回折格子と、前期第３格子定数より小さい第４格子定数の第４回折格子とを組み合わせた２重周期回折格子であり、
前記第１および前記第２回折格子は、前記所定の偏光方向と垂直な格子ベクトルを有し、
前記第３および第４回折格子は、前記所定の偏光方向と垂直または平行な格子ベクトルを有する
ことを特徴とする請求項１記載の偏光デバイス。
【請求項３】
前記入射光の波長をλ、第１格子定数をｄ１、前記第１回折格子の格子深さをｈ１、第２格子定数をΛ１、前記第２回折格子の格子深さをｈ２、第３格子定数をｄ３、前記第３回折格子の格子深さをｈ３、第４格子定数をΛ２、前記第４回折格子の格子深さをｈ４、前記第２回折格子の格子ベクトルと平行な方向の実効屈折率をｎ＃１、前記第２回折格子の格子ベクトルと垂直な方向の実効屈折率をｎ⊥１、前記第４回折格子の格子ベクトルと平行な方向の実効屈折率をｎ＃２、前記第４回折格子の格子ベクトルと垂直な方向の実効屈折率をｎ⊥２、前記偏光分離部の、前記基板と反対側の表面に接している媒質の屈折率をｎ０、前記第１偏光分離素子を構成する物質の屈折率をｎ１、前記第２偏光分離素子を構成する物質の屈折率をｎ２とすると、
ｄ１≦２λ、
ｄ２≦２λ、
Λ１≦λ／２
およびΛ２≦λ／２
を満たすｄ１、ｄ２、Λ１およびΛ２を設定すると共に、
φ１＝２π・（ｎ＃１−ｎ⊥１）・ｈ２／λ
およびφ２＝２π・（ｎ＃２−ｎ⊥２）・ｈ４／λ
の式において、φ１，φ２がπとなるようにｈ２，ｈ４を設定し、さらに、
φ３＝２π・｛ｎ⊥１・ｈ２−ｎ１・（ｈ２−ｈ１）−ｎ０・ｈ１｝／λ、
φ４＝２π・｛ｎ＃１・ｈ２−ｎ１・（ｈ２−ｈ１）−ｎ０・ｈ１｝／λ、
φ５＝２π・｛ｎ⊥２・ｈ４−ｎ２・（ｈ４−ｈ３）−ｎ０・ｈ３｝／λ
およびφ６＝２π・｛ｎ＃２・ｈ４−ｎ２・（ｈ４−ｈ３）−ｎ０・ｈ３｝／λ
の式において、φ３がπ（２ｊ＋１）、φ４が２π（ｊ＋１）となるようにｈ１を設定すると共に、φ５がπ（２ｊ＋１）、φ６が２π（ｊ＋１）となるようにｈ３を設定する  （ｊは、０以上の整数）
ことを特徴とする請求項２記載の偏光デバイス。
【請求項４】
前記入射光の波長をλ、第１格子定数をｄ１、前記第１回折格子の格子深さをｈ１、第２格子定数をΛ１、前記第２回折格子の格子深さをｈ２、第３格子定数をｄ３、前記第３回折格子の格子深さをｈ３、第４格子定数をΛ２、前記第４回折格子の格子深さをｈ４、前記第２回折格子の格子ベクトルと平行な方向の実効屈折率をｎ＃１、前記第２回折格子の格子ベクトルと垂直な方向の実効屈折率をｎ⊥１、前記第４回折格子の格子ベクトルと平行な方向の実効屈折率をｎ＃２、前記第４回折格子の格子ベクトルと垂直な方向の実効屈折率をｎ⊥２、前記偏光分離部の、前記基板と反対側の表面に接している媒質の屈折率をｎ０、前記第１偏光分離素子を構成する物質の屈折率をｎ１、前記第２偏光分離素子を構成する物質の屈折率をｎ２とすると、
ｄ１≦２λ、
ｄ２≦２λ、
Λ１≦λ／２
およびΛ２≦λ／２
を満たすｄ１、ｄ２、Λ１およびΛ２を設定すると共に、
φ１＝２π・（ｎ＃１−ｎ⊥１）・ｈ２／λ
およびφ２＝２π・（ｎ＃２−ｎ⊥２）・ｈ４／λ
の式において、φ１，φ２がπとなるようにｈ２，ｈ４を設定し、さらに、
φ３＝２π・｛ｎ⊥１・ｈ２−ｎ１・（ｈ２−ｈ１）−ｎ０・ｈ１｝／λ、
φ４＝２π・｛ｎ＃１・ｈ２−ｎ１・（ｈ２−ｈ１）−ｎ０・ｈ１｝／λ、
φ５＝２π・｛ｎ⊥２・ｈ４−ｎ２・（ｈ４−ｈ３）−ｎ０・ｈ３｝／λ
およびφ６＝２π・｛ｎ＃２・ｈ４−ｎ２・（ｈ４−ｈ３）−ｎ０・ｈ３｝／λ
の式において、φ３がπ（２ｊ＋１）、φ４が２π（ｊ＋１）となるようにｈ１を設定すると共に、φ５が２π（ｊ＋１）、φ６がπ（２ｊ＋３）となるようにｈ３を設定する  （ｊは、０以上の整数）
ことを特徴とする請求項２記載の偏光デバイス。
【請求項５】
前記第１偏光変換素子は、第５格子定数の第５回折格子であり、
前記第５回折格子の格子ベクトルは、前記所定の偏光方向からほぼ４５度の傾きを有する
ことを特徴とする請求項１記載の偏光デバイス。
【請求項６】
入射光を、所定の偏光方向を有する偏光光に変換する偏光デバイスであって、
基板の一方の面上に形成された偏光分離部と、
前記基板の他方の面上に形成された偏光変換部と
を備え、
前記偏光分離部は、前記入射光を回折して前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第１偏光分離素子と、前記入射光を回折して前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第２偏光分離素子とを有し、
前記偏光変換部は、前記第１偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第２偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を変化させることなく透過させる第２偏光変換素子と、前記第２偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第１偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を９０度回転させる第１偏光変換素子とを有する
ことを特徴とする偏光デバイス。
【請求項７】
前記第１偏光分離素子は、第１格子定数の第１回折格子と、前期第１格子定数より小さい第２格子定数の第２回折格子とを組み合わせた２重周期回折格子であり、
前記第２偏光分離素子は、第３格子定数の第３回折格子と、前期第３格子定数より小さい第４格子定数の第４回折格子とを組み合わせた２重周期回折格子であり、
前記第１および前記第２回折格子は、前記所定の偏光方向と平行な格子ベクトルを有し、
前記第３および第４回折格子は、前記所定の偏光方向と垂直または平行な格子ベクトルを有する
ことを特徴とする請求項６記載の偏光デバイス。
【請求項８】
前記入射光の波長をλ、第１格子定数をｄ１、前記第１回折格子の格子深さをｈ１、第２格子定数をΛ１、前記第２回折格子の格子深さをｈ２、第３格子定数をｄ３、前記第３回折格子の格子深さをｈ３、第４格子定数をΛ２、前記第４回折格子の格子深さをｈ４、前記第２回折格子の格子ベクトルと平行な方向の実効屈折率をｎ＃１、前記第２回折格子の格子ベクトルと垂直な方向の実効屈折率をｎ⊥１、前記第４回折格子の格子ベクトルと平行な方向の実効屈折率をｎ＃２、前記第４回折格子の格子ベクトルと垂直な方向の実効屈折率をｎ⊥２、前記偏光分離部の、前記基板と反対側の表面に接している媒質の屈折率をｎ０、前記第１偏光分離素子を構成する物質の屈折率をｎ１、前記第２偏光分離素子を構成する物質の屈折率をｎ２とすると、
ｄ１≦２λ、
ｄ２≦２λ、
Λ１≦λ／２
およびΛ２≦λ／２
を満たすｄ１、ｄ２、Λ１およびΛ２を設定すると共に、
φ１＝２π・（ｎ＃１−ｎ⊥１）・ｈ２／λ
およびφ２＝２π・（ｎ＃２−ｎ⊥２）・ｈ４／λ
の式において、φ１，φ２がπとなるようにｈ２，ｈ４を設定し、さらに、
φ３＝２π・｛ｎ⊥１・ｈ２−ｎ１・（ｈ２−ｈ１）−ｎ０・ｈ１｝／λ、
φ４＝２π・｛ｎ＃１・ｈ２−ｎ１・（ｈ２−ｈ１）−ｎ０・ｈ１｝／λ、
φ５＝２π・｛ｎ⊥２・ｈ４−ｎ２・（ｈ４−ｈ３）−ｎ０・ｈ３｝／λ
およびφ６＝２π・｛ｎ＃２・ｈ４−ｎ２・（ｈ４−ｈ３）−ｎ０・ｈ３｝／λ
の式において、φ３がπ（２ｊ＋１）、φ４が２π（ｊ＋１）となるようにｈ１を設定すると共に、φ５がπ（２ｊ＋１）、φ６が２π（ｊ＋１）となるようにｈ３を設定する  （ｊは、０以上の整数）
ことを特徴とする請求項７記載の偏光デバイス。
【請求項９】
前記入射光の波長をλ、第１格子定数をｄ１、前記第１回折格子の格子深さをｈ１、第２格子定数をΛ１、前記第２回折格子の格子深さをｈ２、第３格子定数をｄ３、前記第３回折格子の格子深さをｈ３、第４格子定数をΛ２、前記第４回折格子の格子深さをｈ４、前記第２回折格子の格子ベクトルと平行な方向の実効屈折率をｎ＃１、前記第２回折格子の格子ベクトルと垂直な方向の実効屈折率をｎ⊥１、前記第４回折格子の格子ベクトルと平行な方向の実効屈折率をｎ＃２、前記第４回折格子の格子ベクトルと垂直な方向の実効屈折率をｎ⊥２、前記偏光分離部の、前記基板と反対側の表面に接している媒質の屈折率をｎ０、前記第１偏光分離素子を構成する物質の屈折率をｎ１、前記第２偏光分離素子を構成する物質の屈折率をｎ２とすると、
ｄ１≦２λ、
ｄ２≦２λ、
Λ１≦λ／２
およびΛ２≦λ／２
を満たすｄ１、ｄ２、Λ１およびΛ２を設定すると共に、
φ１＝２π・（ｎ＃１−ｎ⊥１）・ｈ２／λ
およびφ２＝２π・（ｎ＃２−ｎ⊥２）・ｈ４／λ
の式において、φ１，φ２がπとなるようにｈ２，ｈ４を設定し、さらに、
φ３＝２π・｛ｎ⊥１・ｈ２−ｎ１・（ｈ２−ｈ１）−ｎ０・ｈ１｝／λ、
φ４＝２π・｛ｎ＃１・ｈ２−ｎ１・（ｈ２−ｈ１）−ｎ０・ｈ１｝／λ、
φ５＝２π・｛ｎ⊥２・ｈ４−ｎ２・（ｈ４−ｈ３）−ｎ０・ｈ３｝／λ
およびφ６＝２π・｛ｎ＃２・ｈ４−ｎ２・（ｈ４−ｈ３）−ｎ０・ｈ３｝／λ
の式において、φ３がπ（２ｊ＋１）、φ４が２π（ｊ＋１）となるようにｈ１を設定すると共に、φ５が２π（ｊ＋１）、φ６がπ（２ｊ＋３）となるようにｈ３を設定する  （ｊは、０以上の整数）
ことを特徴とする請求項７記載の偏光デバイス。
【請求項１０】
前記第１偏光変換素子は、第５格子定数の第５回折格子となっており、
前記第５回折格子の格子ベクトルは、前記所定の偏光方向からほぼ４５度の傾きを有する
ことを特徴とする請求項６記載の偏光デバイス。
【請求項１１】
液晶セルの入射側の面に偏光デバイス、出射側の面にカラーフィルタをそれぞれ配設した構成を有する液晶表示パネルであって、
前記偏光デバイスは、
基板の一方の面上に形成された偏光分離部と、
前記基板の他方の面上に形成された偏光変換部と
を備え、
前記偏光分離部は、入射光を回折して前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第１偏光分離素子と、前記入射光を回折して前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第２偏光分離素子とを有し、
前記偏光変換部は、前記第１偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第２偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を９０度回転させる第１偏光変換素子と、前記第２偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第１偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を変化させることなく透過させる第２偏光変換素子とを有する
ことを特徴とする液晶表示パネル。
【請求項１２】
液晶セルの入射側の面に偏光デバイス、出射側の面にカラーフィルタをそれぞれ配設した構成を有する液晶表示パネルであって、
基板の一方の面上に形成された偏光分離部と、
前記基板の他方の面上に形成された偏光変換部と
を備え、
前記偏光分離部は、入射光を回折して前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第１偏光分離素子と、前記入射光を回折して前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第２偏光分離素子とを有し、
前記偏光変換部は、前記第１偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第２偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を変化させることなく透過させる第２偏光変換素子と、前記第２偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第１偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を９０度回転させる第１偏光変換素子とを有する
ことを特徴とする液晶表示パネル。                                              
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射光を所定の偏光光に変換する偏光デバイス、およびそれを利用した液晶表示パネルに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、偏光光を利用した装置が知られている。例えば、液晶表示パネルなどを用いた投射型表示装置（プロジェクタ）では、液晶表示パネルに対する照明光として直線偏光光を用いている。このような装置では、所定の偏光光を得るために、偏光デバイスが用いられている。
【０００３】
図１５は、プロジェクタなどに用いられる照明光学系の例を示している。この照明光学系は、光源（図示せず）と、オプティカルインテグレータ１１２と、偏光変換素子アレイ１１３とを備えている。この照明光学系の各構成要素は、これらの光軸が光軸ＡＸと一致するように、光軸ＡＸに沿って順次配置されている。
【０００４】
オプティカルインテグレータ１１２は、例えばガラスからなるレンズアレイを用いて構成されている。具体的には、マトリクス状に配置されたｎ個のレンズを含む第１のレンズアレイ１１２Ａと、この第１のレンズアレイ１１２Ａの各レンズに対応して配置されたｎ個のレンズを含む第２のレンズアレイ１１２Ｂとにより構成されている。
【０００５】
偏光変換素子アレイ１１３は、図１６に拡大して示したように、ガラス基板１１３Ａと、偏光分離膜１１３Ｂと、反射膜１１３Ｃとを有し、それらが接着剤（図示せず）を介して交互に複数配置されている。この偏光変換素子アレイ１１３の出射側には、１／２波長板１１３Ｄが所定間隔で複数配置されている。また、入射側には、所定箇所に開口部１３０Ａが設けられた遮光板１３０が配置されている。偏光分離膜１１３Ｂと反射膜１１３Ｃは、光軸ＡＸに対しほぼ４５°の角度で設けられている。
【０００６】
この照明光学系では、光源からの光が、第１レンズアレイ１１２Ａの各レンズセル１１２Ａｊ（１≦ｊ≦ｎ）によりｎ個の光束に分割され、対応する第２レンズアレイ１１２Ｂの各レンズセル１１２Ｂｊ（１≦ｊ≦ｎ）の開口部近傍に集光される。第２レンズアレイ１１２Ｂを透過した無偏光の光束は、遮光板１３０の開口部１３０Ａから偏光変換素子アレイ１１３に入射する。
【０００７】
偏光変換素子アレイ１１３では、図１６に示したように、入射光が偏光分離膜１１３ＢによりＳ偏光とＰ偏光とに分離される。偏光分離膜１１３Ｂで反射されたＳ偏光は、さらに反射膜１１３Ｃで反射され、偏光変換素子アレイ１１３から射出される。一方、偏光分離膜１１３Ｂを透過したＰ偏光は、１／２波長板１１３Ｄを透過し、その際に、Ｓ偏光に変換され偏光変換素子アレイ１１３から射出される。この結果、偏光変換素子アレイ１１３から射出される光束はすべて直線偏光のＳ偏光として射出される。このＳ偏光が、例えば表示パネルへの照明光として利用される。なお、例えば１／２波長板１１３Ｄを設ける位置をずらすことにより、最終的な偏光成分をＰ偏光にすることも可能である。
【０００８】
偏光分離面と反射面とを利用して直線偏光光を得る偏光デバイスの従来例としては、以下の文献記載のものがある。
【特許文献１】特許第３２９８５８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上記の照明光学系の各光学部品はガラスで構成されているため、薄型化するには限界がある。また、ガラス製の光学部品は重いため、軽量化を妨げる要因ともなっている。さらに、偏光変換素子アレイ１１３のガラス基板１１３Ａは、ガラスを機械加工して形成されるため、製造プロセスのスループットの改善を妨げる要因となっている。
【００１０】
本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その第１の目的は、薄型軽量な偏光デバイスを提供することにある。
【００１１】
また、本発明の第２の目的は、製造プロセスに要する時間が短い偏光デバイスを提供することにある。
【００１２】
また、本発明の第３の目的は、上記偏光デバイスを利用した液晶表示パネルを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の第１の偏光デバイスは、以下の（Ａ）〜（Ｅ）の構成要素を備えたものである。
（Ａ）基板
（Ｂ）基板の一方の面上に形成された偏光分離部
（Ｃ）基板の他方の面上に形成された偏光変換部
（Ｄ）上記偏光分離部は、前記入射光を回折して前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第１偏光分離素子と、前記入射光を回折して前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第２偏光分離素子とを有すること
（Ｅ）上記偏光変換部は、前記第１偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第２偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を９０度回転させる第１偏光変換素子と、前記第２偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第１偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を変化させることなく透過させる第２偏光変換素子とを有すること
【００１４】
上記第１，第２偏光分離素子としては、具体的には以下の態様が考えられる。
（ａ）第１偏光分離素子は、第１格子定数の第１回折格子と、第１格子定数より小さい第２格子定数の第２回折格子とを組み合わせた２重周期回折格子となっている。
ここで、第１回折格子が所定の偏光方向と垂直な格子ベクトルを有している。一方、第２回折格子は、所定の偏光方向と垂直な格子ベクトルを有していてもよいし、逆に所定の偏光方向と平行な格子ベクトルを有していてもよい。
（ｂ）第２偏光分離素子は、第３格子定数の第３回折格子と、第３格子定数より小さい第４格子定数の第４回折格子とを組み合わせた２重周期回折格子となっている。
ここで、第３回折格子は、所定の偏光方向と垂直な格子ベクトルを有している。一方、第４回折格子は、所定の偏光方向と垂直な格子ベクトルを有していてもよいし、逆に所定の偏光方向と平行な格子ベクトルを有していてもよい。
【００１５】
本発明の第２の偏光デバイスは、以下の（Ａ）〜（Ｅ）の構成要素を備えたものである。
（Ａ）基板
（Ｂ）基板の一方の面上に形成された偏光分離部
（Ｃ）基板の他方の面上に形成された偏光変換部
（Ｄ）上記偏光分離部は、前記入射光を回折して前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第１偏光分離素子と、前記入射光を回折して前記所定の偏光方向と垂直な偏光方向を有する０次回折光を出射すると共に、前記所定の偏光方向と平行な偏光方向を有する±１次回折光を出射する第２偏光分離素子とを有すること
（Ｅ）上記偏光変換部は、前記第１偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第２偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を変化させることなく透過させる第２偏光変換素子と、前記第２偏光分離素子から出射された０次回折光および前記第１偏光分離素子から出射された±１次回折光の偏光方向を９０度回転させる第１偏光変換素子とを有すること
【００１６】
上記第１，第２偏光分離素子としては、具体的には以下の態様が考えられる。
（ａ）第１偏光分離素子は、第１格子定数の第１回折格子と、第１格子定数より小さい第２格子定数の第２回折格子とを組み合わせた２重周期回折格子となっている。
ここで、第１回折格子が所定の偏光方向と平行な格子ベクトルを有している。一方、第２回折格子は、所定の偏光方向と垂直な格子ベクトルを有していてもよいし、逆に所定の偏光方向と平行な格子ベクトルを有していてもよい。
（ｂ）第２偏光分離素子は、第３格子定数の第３回折格子と、第３格子定数より小さい第４格子定数の第４回折格子とを組み合わせた２重周期回折格子となっている。
ここで、第３回折格子は、所定の偏光方向と平行な格子ベクトルを有している。一方、第４回折格子は、所定の偏光方向と垂直な格子ベクトルを有していてもよいし、逆に所定の偏光方向と平行な格子ベクトルを有していてもよい。
【００１７】
本発明の偏光デバイスでは、入射光は互いに垂直な直線偏光性を有するＰ偏光およびＳ偏光に空間分離される。その空間分離されたＰ偏光およびＳ偏光のいずれか一方の偏光方向は他方の偏光方向と平行となるように偏光変換される。
【００１８】
本発明の液晶表示パネルは、上記偏光デバイスを備えたものである。
【００１９】
本発明の液晶表示パネルでは、入射光は上記偏光デバイスで所定の偏光光に変換される。その偏光光は液晶セルに入射され、液晶セルを透過した光はカラーフィルタを透過して出射される。入射光は、白色光であってもよいし、カラーフィルタに応じた色の波長を有する光であってもよい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明の偏光デバイスによれば、薄膜を積み重ねた構造としたので、薄型軽量化することができる。また、金型などによる形成加工またはＲＩＥ(Reactive Ion Etching:反応性イオンエッチング) により偏光分離部および偏光変換部を形成する場合には、製造プロセスに要する時間を短くすることができる。
【００２１】
また、本発明の液晶表示パネルによれば、上記偏光デバイスを用いるようにしたので、薄型軽量化することができると共に、製造プロセスに要する時間を短縮することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明の一実施の形態に係る偏光デバイス１を斜視的に表したものである。この偏光デバイス１は、偏光分離素子アレイ１０、偏光変換素子アレイ２０および基板３０を備えている。偏光分離素子アレイ１０は、それぞれ２つの偏光分離素子１１，１２を含んで構成されており、偏光変換素子アレイ２０は、それぞれ２つの偏光変換素子２１，２２を含んで構成されている。
【００２４】
偏光分離素子アレイ１０は、例えばシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）からなる基板３０の一方の側に設けられており、偏光変換素子アレイ２０は、基板３０の他方の側に設けられている。偏光分離素子１１，１２および偏光変換素子２１，２２は、巨視的には、Ｘ軸方向に幅Ｄ、Ｙ軸方向に奥行きＷ、Ｚ軸方向に高さＴの直方体で構成されており、Ｘ軸方向に交互に配置されている。ここで、偏光分離素子１１は、偏光変換素子２１と対向する部位に配置されており、偏光分離素子１２は、偏光変換素子２２と対向する部位に配置されている。
【００２５】
図２は、上記の偏光分離素子１１，１２の一部を拡大して平面的に表したものである。偏光分離素子１１は、複数の複屈折領域１３および複数の等方領域１５を含んで構成されており、偏光分離素子１２は、複数の複屈折領域１４および複数の等方領域１６を含んで構成されている。複屈折領域１３，１４および等方領域１５，１６は、Ｘ軸方向の幅がｄ／２、Ｙ軸方向の奥行きがＷの領域で構成されており、Ｘ軸方向に交互に配置して構成されている。
【００２６】
図３は、偏光分離素子１１を図２における矢視方向Ａ−Ａで切断した断面を表したものである。偏光分離素子１１は、周期ｄ（格子定数ｄ）が入射光Ｃ１の波長λより大きい  （ｄ＞λ）周期構造をＸ軸方向に有する長周期回折格子で構成されている。複屈折領域１３は、周期Λ（格子定数Λ）が入射光Ｃ１の波長λの１／２以下（Λ＜λ／２）の周期構造をＸ軸方向に有する微細回折格子で構成されている。等方領域１５は、複屈折領域１３に挟まれた領域であり、等方性の媒質で満たされている。
【００２７】
この偏光分離素子１１は、透過光の波面をこの回折格子の凹凸や屈折率に比例して位相シフトし、ファーフィールドで回折波にするようになっている。また、複屈折領域１３は、入射光Ｃ１にとっては、ある屈折率を持つ一様な媒質と等価であり、その屈折率は微細回折格子の凹凸やそれを構成する物質の屈折率で決定されるようになっている。さらに、その微細構造の方向性に応じて構造性複屈折と呼ばれる光学異方性が生じるようになっている。すなわち、複屈折領域１３の微細回折格子では、上述の超周期回折格子のように回折波は発生せず、偏光方向が微細回折格子の格子ベクトル（Ｙ軸方向）と平行なＳ偏光および偏光方向が微細回折格子の格子ベクトル（Ｙ軸方向）と直交するＰ偏光に対してそれぞれ異なる屈折率を有する複屈折媒質と同様の性質を有する。具体的には、複屈折領域１３は、等方領域１５の移相量を基準として、微細回折格子が形成された複屈折領域１３におけるＰ偏光に対する移相量がπ（２ｊ＋１）、Ｓ偏光に対する移相量が２π（ｊ＋１）（ｊは０以上の整数）となる偏光特性を有する。
【００２８】
図４は、偏光デバイス１をＹ軸方向から見たものである。上記のような偏光特性の複屈折領域１３を有する偏光分離素子１１は、０次回折光のＳ偏光（Ｓ（０））を生じさせると共に、±１次回折光のＰ偏光（Ｐ（±１））を生じさせるようになっている。さらに、０次回折光のＰ偏光（Ｐ（０））を減衰させると共に、±１次回折光のＳ偏光（Ｓ（±１））を減衰させるようになっている。
【００２９】
図５は、偏光分離素子１２を図２における矢視方向Ｂ−Ｂで切断した断面を表したものである。図６は、偏光分離素子１２を図２における矢視方向Ｃ−Ｃで切断した断面を表したものである。偏光分離素子１２は、図５に示したように、上記偏光分離素子１１と同様に、周期ｄ（格子定数ｄ）が入射光Ｃ１の波長λより大きい（ｄ＞λ）周期構造をＸ軸方向に有する長周期回折格子で構成されている。複屈折領域１４は、図６に示したように、周期Λ（格子定数Λ）が入射光Ｃ１の波長λの１／２以下（Λ＜λ／２）の周期構造をＹ軸方向に有する微細回折格子で構成されている。等方領域１６は、複屈折領域１４に挟まれた領域であり、等方性の媒質で満たされている。
【００３０】
この偏光分離素子１２は、透過光の波面をこの回折格子の凹凸や屈折率に比例して位相シフトし、ファーフィールドで回折波にするものである。また、複屈折領域１４は、上記複屈折領域１３と同様に、入射光Ｃ１にとっては、ある屈折率を持つ一様な媒質と等価であり、その屈折率は微細回折格子の凹凸やそれを構成する物質の屈折率で決定されるようになっている。さらに、その微細構造の方向性に応じて構造性複屈折と呼ばれる光学異方性が生じるようになっている。すなわち、複屈折領域１４は、上記複屈折領域１３と同様に、上述の超周期回折格子のように回折波は発生せず、偏光方向が微細回折格子の格子ベクトル（Ｙ軸方向）と平行なＳ偏光および偏光方向が微細回折格子の格子ベクトル（Ｙ軸方向）と直交するＰ偏光に対してそれぞれ異なる屈折率を有する複屈折媒質と同様の性質を有する。ただし、その微細構造の周期方向は、上記複屈折領域１３の周期方向と９０度ずれているので、この複屈折領域１４は、上記複屈折領域１３とは反対の偏光特性を示すようになっている。具体的には、複屈折領域１４は、等方領域１６の移相量を基準として、微細回折格子が形成された複屈折領域１４におけるＰ偏光に対する移相量がπ  （２ｊ＋１）、Ｓ偏光に対する移相量が２π（ｊ＋１）（ｊは０以上の整数）となる偏光特性を有する。
【００３１】
上記のような偏光特性の複屈折領域１４を有する偏光分離素子１２は、図４に示したように、０次回折光のＰ偏光（Ｐ（０））を生じさせると共に、±１次回折光のＳ偏光（Ｓ（±１））を生じさせるようになっている。さらに、０次回折光のＳ偏光（Ｓ（０））を減衰させると共に、±１次回折光のＰ偏光（Ｐ（±１））を減衰させるようになっている。
【００３２】
上記より、偏光分離素子１１，１２は、それぞれ格子定数ｄの長周期回折格子と、格子定数Λの微細回折格子を組み合わせた、いわゆる２重周期回折格子となっていることが分かる。これらの２重周期回折格子は、複屈折領域１３，１４における光学異方性を利用することにより、上述のように、入射光Ｃ１からＰ偏光およびＳ偏光を空間分離することができるようになっている。
【００３３】
ここで、偏光変換素子２１は、上記において空間分離されたＳ偏光（Ｓ（０）、Ｓ（±１））が集まる部位に配置されており、Ｓ偏光（Ｓ（０）、Ｓ（±１））の直線偏光方向を９０度回転してＰ偏光に変換した後、偏光デバイス１から出射させるようになっている。また、偏光変換素子２２は、上記において空間分離されたＰ偏光（Ｐ（０）、Ｐ（±１））が集まる部位に配置されており、Ｐ偏光（Ｐ（０）、Ｐ（±１））を透過させて偏光デバイス１から出射させるようになっている。従って、偏光デバイス１は、無偏光の入射光Ｃ１をＰ偏光に変換して出射するようになっている。
【００３４】
次に、上記の偏光特性を生じるのに必要な偏光分離素子１１，１２の凹凸や屈折率を設定する方法について説明する。なお、以下では、凹凸の大きさや幅が同一であって、微細回折格子の格子ベクトルが互いに直交する偏光分離素子１１、１２を金型などの成形加工により形成すると共に、偏光分離素子１１の回折次数を１以下に限定した例について説明する。
【００３５】
まず、成形加工に適しており、複屈折の少ない光学材料としては、例えばシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）やアクリル樹脂（ＰＭＭＡ）などが挙げられる。これらの光学材料の屈折率（ｎ）は、ほぼ１．５である。そこで、本実施の形態では、偏光分離素子１１，１２の光学材料として、屈折率１．５のＣＯＰを用いることにする。また、偏光分離素子１１，１２の等方領域１５，１６や複屈折領域１３，１４の溝には、屈折率（ｎ０）１．０の空気が満たされているものとする。
【００３６】
これより、屈折率１．５の媒質と屈折率１．０の空気との周期構造を含んで構成された複屈折領域１３のＳ偏光に対する実効屈折率（ｎ＃１）およびＰ偏光に対する実効屈折率（ｎ⊥１）、ならびに複屈折領域１５のＳ偏光に対する実効屈折率（ｎ⊥２）およびＰ偏光に対する実効屈折率（ｎ＃２）を求めることができる。ここで、ｎ＃１, ２、ｎ⊥１，２は、例えば図７、８に示したように、フラクショナルファクタｆ（凸領域の幅／（凸領域の幅＋凹領域の幅））の関数になっている。さらに、ｎ＃１とｎ⊥１との差分から求まる複屈折Δｎ１（＝ｎ＃１−ｎ⊥１）、およびｎ＃２とｎ⊥２との差分から求まる複屈折Δｎ２（＝ｎ＃２−ｎ⊥２）は、例えば図７、８に示したように、フラクショナルファクタｆがほぼ０．５で最大となる。そこで、ここでは、複屈折Δｎ１，２が最大（０．１）となるようにフラクショナルファクタｆを０．５に設定しておく。これに伴い、ｎ＃１は１．３、ｎ⊥１は１．２、ｎ＃２は１．３、ｎ⊥２は１．２に設定される。
【００３７】
次に、偏光分離素子１１，１２における長周期回折格子の構造を決定する。
【００３８】
図３に示したように、例えば回折してθｍ方向に進む光線について、長周期回折格子の間隔がｄの場合の回折光の光路差は、ｄ・ｓｉｎθｍとなる。これが入射光の波長λの整数倍（ｍλ）となるとき、隣り合う複屈折領域１３からの光は互いに強め合う。従って、回折光の次数を１次以下に限定するには、ｓｉｎ９０°≦ｓｉｎθ２＝２・λ／ｄとなるような格子定数ｄに設定すれば良いので、格子定数ｄの最大値は、２・λとなる。ここで、本実施の形態の偏光デバイス１は、主に画像表示装置に用いられることから、入射光Ｃ１は可視光（波長λは、およそ０．４μｍ〜０．８μｍ）であり、また格子定数ｄは大きい方が製造しやすいことから、可視光をカバーできる程度の格子定数ｄに設定する。ここでは、格子定数ｄを２・０．４μｍ＝０．８μｍに設定する。
【００３９】
次に、±１次回折光の回折角θ１は、ｓｉｎθ１＝λ／ｄ＝０．４μｍ／０．８μｍ＝０．５より、３０°となるので、偏光分離素子１１，１２の±１次回折光を偏光変換素子２２に入射するようにするには、図４に示したように、偏光分離素子１１，１２の幅Ｄが、Ｌ・ｔａｎθ１を満たすことが必要となる。ここで、Ｌは、偏光デバイス１のＺ方向の厚みを指す。偏光分離素子１１，１２の幅Ｄがなるべく大きい方が回折効率の観点から好ましいので、偏光分離素子１１，１２の幅Ｄが適度な幅となるように偏光デバイス１の厚みＬを決定する。ただし、偏光デバイス１の厚みＬは、画像表示装置を設計する上で問題が生じない程度の厚みとするのが好ましい。ここでは、偏光デバイス１の厚みＬを５００μｍに設定する。これにより、偏光分離素子１１，１２の幅Ｄは５００μｍ・０．５７７＝２８９μｍに設定される。なお、長周期回折格子の格子深さｈ２は、後述の微細回折格子の構造を決定することにより決定される。
【００４０】
次に、偏光分離素子１１，１２における微細回折格子の構造を決定する。
【００４１】
複屈折領域１３，１４において構造複屈折を生じさせるには、微細回折格子の格子定数Λを入射光Ｃ１の波長λの１／２以下（Λ＜λ／２）にすることが必要である。そこで、本実施の形態では、可視光をカバーできる程度の格子定数Λに設定する。ここでは、格子定数Λを０．４μｍ／２＝０．２μｍに設定する。なお、上記のように、フラクショナルファクタｆを０．５に設定したので、微細回折格子の幅（ｆ・Λ）は、０．５・０．２μｍ＝０．１μｍとなる。
【００４２】
次に、偏光分離素子１１，１２の微細回折格子の格子深さｈ２，ｈ４を決定する。
【００４３】
複屈折領域１３，１４が、上述のような偏光特性を有するためには、複屈折Δｎ１，Δｎ２による移相量がπとなる必要がある。従って、以下の式において、φ１，φ２がπとなるように格子深さｈ２，ｈ４を設定する。
φ１＝２π・Δｎ・ｈ２／λ……式（１）
φ１＝２π・Δｎ・ｈ４／λ……式（２）
式（１），（２）を計算してｈ２，ｈ４を求めると、ｈ２，ｈ４はπ・０．４／（２π・０．１）＝２μｍとなる。なお、微細回折格子のアスペクト比（ｈ１／（ｆ・Λ），ｈ２／（ｆ・Λ））は、２μｍ／０．１μｍ＝２０となる。
【００４４】
次に、偏光分離素子１１，１２の長周期回折格子の格子深さｈ１，ｈ３を決定する。
【００４５】
上記のように、偏光分離素子１１において、０次回折光のＳ偏光（Ｓ（０））を生じさせると共に、±１次回折光のＰ偏光（Ｐ（±１））を生じさせ、さらに、０次回折光のＰ偏光（Ｐ（０））を減衰させると共に、±１次回折光のＳ偏光（Ｓ（±１））を減衰させるには、以下の条件を満たすことが必要である。
【００４６】
すなわち、等方領域１５を通過した入射光Ｃ１のＰ偏光成分と複屈折領域１３で回折された０次回折光のＰ偏光成分の位相差がπ（２ｊ＋１）となる必要がある（ｊは、０以上の整数）。さらに、等方領域１５を通過した入射光Ｃ１のＳ偏光成分と複屈折領域１３で回折された０次回折光のＳ偏光成分の位相差が２π（ｊ＋１）となる必要がある。従って、以下の式において、φ３がπ（２ｊ＋１）、φ４が２π（ｊ＋１）となるように格子深さｈ１を設定する。
φ３＝２π・｛ｎ⊥１・ｈ２−ｎ１・（ｈ２−ｈ１）−ｎ０・ｈ１｝／λ……式（３）
φ４＝２π・｛ｎ＃１・ｈ２−ｎ１・（ｈ２−ｈ１）−ｎ０・ｈ１｝／λ……式（４）
【００４７】
式（３），（４）に数値を代入して整理すると、
ｈ１＝（０．２・（２ｊ＋１）＋０．６）／０．５となる。そこで、例えばｊ＝２とした場合には、ｈ１＝３．２μｍとなる。このときの偏光分離素子１１の断面は図３のようになる。
【００４８】
同様にして、偏光分離素子１２において、０次回折光のＰ偏光（Ｐ（０））を生じさせると共に、±１次回折光のＳ偏光（Ｓ（±１））を生じさせ、さらに、０次回折光のＳ偏光（Ｓ（０））を減衰させると共に、±１次回折光のＰ偏光（Ｐ（±１））を減衰させるには、以下の条件を満たすことが必要である。
【００４９】
すなわち、等方領域１６を通過した入射光Ｃ１のＳ偏光成分と複屈折領域１４で回折された０次回折光のＳ偏光成分の位相差がπ（２ｊ＋１）となる必要がある。さらに、等方領域１６を通過した入射光Ｃ１のＰ偏光成分と複屈折領域１４で回折された０次回折光のＰ偏光成分の位相差が２π（ｊ＋１）となる必要がある。従って、以下の式において、φ５がπ（２ｊ＋１）、φ６が２π（ｊ＋１）となるように格子深さｈ３を設定する。
φ５＝２π・｛ｎ⊥２・ｈ４−ｎ２・（ｈ４−ｈ３）−ｎ０・ｈ３｝／λ……式（５）
φ６＝２π・｛ｎ＃２・ｈ４−ｎ２・（ｈ４−ｈ３）−ｎ０・ｈ３｝／λ……式（６）
【００５０】
式（５），（６）に数値を代入して整理すると、
ｈ３＝（０．４・（ｊ＋１）＋０．４）／０．５となる。そこで、例えばｊ＝２とした場合には、ｈ３＝３．２μｍとなる。つまり、偏光分離素子１１，１２の長周期回折格子の格子深さｈ１，ｈ３は同じということになる。このようにして、偏光分離素子１１，１２の構造は決定される。
【００５１】
次に、上記の偏光特性を生じるのに必要な偏光変換素子２１，２２の構造について説明する。
【００５２】
図９は、偏光変換素子２１，２２の平面図を表す。図１０は、偏光変換素子２１を図９における矢視方向Ａ−Ａで切断した断面を表したものである。図９に示したように、本実施の形態では、偏光変換素子２１は、格子ベクトルが所定の偏光方向とほぼ４５度の角度を有する微細回折格子から構成されており、材質は偏光分離素子１１，１２と同一のものから構成されているものとする。また、偏光変換素子２２は、光学異方性を有さないので、基板３０と同様の材質から構成されたものとする。そこで、以下では、偏光変換素子２１について説明する。
【００５３】
偏光変換素子２１が、上述のような偏光特性を有するためには、微細回折格子の格子ベクトルと平行な偏光方向を有する偏光光とそれと直交する偏光方向を有する偏光光とに対する位相差φ７がπとなることが必要である。従って、以下の式において、φ７がπとなるように格子深さｈ５を設定する。
φ７＝２π・Δｎ・ｈ５／λ……式（７）
【００５４】
式（７）を計算してｈ５を求めると、ｈ５はπ・０．４／（２π・０．１）＝２μｍとなる。なお、微細回折格子のアスペクト比（ｈ１／（ｆ・Λ），ｈ２／（ｆ・Λ））は、２μｍ／０．１μｍ＝２０となる。このようにして、偏光変換素子２１の構造は決定される。
【００５５】
次に、図４を参照して、上記の構成を有する偏光デバイス１の作用について説明する。
【００５６】
偏光分離素子１１は、入射光Ｃ１を回折させて、０次回折光のＳ偏光（Ｓ（０））および±１次回折光のＰ偏光（Ｐ（±１））を出射する一方で、０次回折光のＰ偏光（Ｐ（０））および±１次回折光のＳ偏光（Ｓ（±１））を減衰させる。また、偏光分離素子１２は、０次回折光のＰ偏光（Ｐ（０））および±１次回折光のＳ偏光（Ｓ（±１））を出射する一方で、０次回折光のＳ偏光（Ｓ（０））および±１次回折光のＰ偏光（Ｐ（±１））を減衰させる。このようにして、偏光分離素子１１は、入射光Ｃ１からＰ偏光およびＳ偏光を空間分離する。
【００５７】
偏光変換素子２１は、上記において空間分離されたＳ偏光（Ｓ（０）、Ｓ（±１））の直線偏光方向を９０度回転してＰ偏光に変換した後、そのＰ偏光を偏光デバイス１から出射する。また、偏光変換素子２２は、上記において空間分離されたＰ偏光（Ｐ（０）、Ｐ（±１））を透過させて偏光デバイス１から出射する。このようにして、偏光デバイス１は、無偏光の入射光Ｃ１をＰ偏光に変換して出射する。
【００５８】
本実施の形態の偏光デバイス１によれば、偏光変換部２０、基板３０および偏光分離部１０を積み重ねた構造としたので、薄型軽量化することができる。また、金型などによる形成加工により偏光分離部１０および偏光変換部２０を形成するようにしたので、製造プロセスに要する時間を短くすることができる。
【００５９】
（液晶表示パネル）
次に、上述した偏光デバイス１を用いた液晶表示パネルについて説明する。この液晶表示パネルは、例えばＲＧＢ各色用の液晶表示パネルを用いて照明光を基に３色の画像光を形成すると共に、これらの画像光を合成してカラー画像を生成し投影表示する液晶プロジェクタに用いられる。
【００６０】
図１１は、本実施の形態に係る液晶表示パネル５０の概略構成を表したものである。この液晶表示パネル５０は、液晶セル５１の入射側の面に偏光デバイス１、出射側の面にカラーフィルタ５２をそれぞれ配設した構成を有している。ここで、偏光デバイス１は、２つの赤用偏光デバイス１Ｒ、２つの緑用偏光デバイス１Ｇ、２つの青用偏光デバイス１Ｂを含んで構成されている。カラーフィルタ５２は、２つの赤用フィルタ５２Ｒ、２つの緑用フィルタ５２Ｇ、２つの青用フィルタ５２Ｂを含んで構成されている。
【００６１】
赤、緑、青用偏光デバイス１Ｒ, １Ｇ，１Ｂは、液晶セル５１を間にして上記赤、緑、青用フィルタ５２Ｒ，５２Ｇ，５２Ｂに対向する部位にそれぞれ配置されている。また、赤、緑、青用偏光デバイス１Ｒ, １Ｇ，１Ｂは、各色の光の波長に応じた凹凸や屈折率を有している。なお、各色の光の波長に応じた凹凸や屈折率を設定する方法は、上記と同様である。
【００６２】
この液晶表示パネル５０に入射した光は、前述のように偏光デバイス１において所定の偏光方向を有する偏光光に変換された後、液晶セル５１において、その偏光光の透過率が映像信号に応じて変更される。そして、この液晶セル５１を透過した光は、カラーフィルタ５２においてＲＧＢ各色からなるカラー画像光に変換される。
【００６３】
このように、本実施の形態の液晶表示パネルでは、偏光デバイス１において、各色に応じて凹凸や屈折率を設定するようにしたので、回折角や複屈折量を波長によらず一定とすることができ、赤、緑、青用偏光デバイス１Ｒ, １Ｇ，１Ｂの偏光変換効率を一定にすることができる。
【００６４】
また、この液晶表示パネル５０では、上記偏光デバイス１を用いるようにしたので、薄型軽量化することができる。また、長寿命化することができるだけでなく、製造プロセスに要する時間を短縮することができる。
【００６５】
以上、実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、種々変形可能である。
【００６６】
例えば、本実施の形態の偏光デバイス１では、偏光分離素子１１，１２の格子ベクトルが互いに直交するようにしていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１２に示したように、偏光分離素子１１，６２の格子ベクトルが平行になるようにしてもよい。ただし、この場合には、複屈折領域６４が、等方領域６６の移相量を基準として、微細回折格子が形成された複屈折領域６４におけるＰ偏光に対する移相量が２π（ｊ＋１）、Ｓ偏光に対する移相量がπ（２ｊ＋３）（ｊは０以上の整数）となる偏光特性を有するように、偏光分離素子６２における長周期回折格子や微細回折格子の格子深さを設定することが必要となる。なお、Ｓ偏光に対する移相量がπとならないのは、複屈折領域６４における構造複屈折の性質上、Ｓ偏光に対する屈折率の方がＰ偏光に対する屈折率よりも大きくなるからであり、Ｓ偏光に対する移相量がＰ偏光に対する移相量を上回ることは無いからである。従って、この場合には、偏光分離素子１１，６２は異なる格子深さを有することになる。
【００６７】
また、本実施の形態の偏光デバイス１では、偏光分離素子１１と偏光変換素子２１とが対向配置されており、さらに偏光変換素子１２と偏光変換素子２２とが対向配置されていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、図１３に示した偏光デバイス４０ように、偏光分離素子１１と偏光変換素子２２とが対向配置され、さらに偏光変換素子１２と偏光変換素子２１とが対向配置されるようにしてもよい。このような配置にすることにより、図１４に示したように、本実施の形態における偏光デバイス１から出射される出射光Ｃ２の偏光方向と垂直な偏光方向を有する出射光Ｃ２を出射することができるようになる。
【００６８】
また、本実施の形態の偏光デバイス１では、０次回折光および１次回折光を用いるようにしていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、偏光デバイスから出射される光の強度が十分大きい場合には、０次回折光のみを用いるようにしてもよい。なお、この場合には、１次回折光が生じないように偏光デバイスの構造を設定することが必要になる。
【００６９】
また、本実施の形態の偏光デバイス１では、偏光分離素子１１，１２の光学材料として屈折率１．５程度のＣＯＰを用いたが、本発明はこれに限定されるものではない。ただし、精密成形性、低複屈折性を有する光学材料であって、上記光学材料よりも屈折率が高い材料を用いた場合には、偏光分離素子１１，１２の凹凸のアスペクト比を小さくすることができるので、そのような光学材料を用いて偏光分離素子１１，１２を形成するのがより好ましい。
【００７０】
また、本実施の形態の偏光デバイス１では、偏光分離素子１１，１２の凹凸を成形加工により形成する例について説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えばリアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）により偏光分離素子１１，１２の凹凸を形成するようにしてもよい。
【００７１】
また、本実施の形態の偏光デバイス１では、偏光分離素子１１，１２の等方領域１５，１６や複屈折領域１３，１４の溝には、屈折率１．０の空気が満たされていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、空気以外の何らかの媒質で満たしても構わない。ただし、その媒質の屈折率が空気の屈折率１．０を越える場合には、屈折率差Δｎを大きく取れるように、偏光分離素子１１，１２の光学材料の屈折率を十分に大きくしておくことが望ましい。
【００７２】
また、本実施の形態の偏光デバイス１では、ｈ１とｈ２が異なるように設定したが、本発明はこれに限定されるものではなく、ｈ１とｈ２が同じになるように偏光分離素子１１，１２の凹凸および屈折率を設定しても構わない。ｈ１とｈ２が同じであっても、複屈折領域１３，１４に対して構造複屈折性を生じさせることができるからである。
【００７３】
また、本実施の形態の偏光デバイス１では、複屈折領域１３，１４および偏光変換素子２１に微細回折格子を形成したが、本発明はこれに限定されるものではなく、微細回折格子の代わりに、同様の光学異方性を有する複屈折媒体を用いても構わない。
【００７４】
また、本実施の形態の液晶表示パネル５０では、Ｒ，Ｇ，Ｂ各色の光を入射するようにしていたが、本発明はこれに限定されるものではなく、単に白色光を入射するようにしてもよい。ただし、この場合には、白色光（波長λは、およそ０．４μｍ〜０．８μｍ）の波長に応じて偏光デバイス１の凹凸や屈折率を変更する必要がある。このように白色光を入射光として利用できるように設定された液晶表示パネルは、例えば液晶表示装置に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【００７５】
【図１】本発明の一実施の形態に係る偏光デバイスの斜視図である。
【図２】図１の偏光分離素子の平面図である。
【図３】図２における矢視方向Ａ−Ａの断面図である。
【図４】偏光デバイスの断面図である。
【図５】図２における矢視方向Ｂ−Ｂの断面図である。
【図６】図２における矢視方向Ｃ−Ｃの断面図である。
【図７】複屈折領域の実行屈折率とフラクショナルファクタの関係図である。
【図８】複屈折領域の複屈折とフラクショナルファクタの関係図である。
【図９】偏光変換素子の平面図である。
【図１０】図９における矢視方向Ａ−Ａの断面図である。
【図１１】液晶表示パネルの斜視図である。
【図１２】偏光分離素子の変形例の平面図である。
【図１３】偏光デバイスの変形例の斜視図である。
【図１４】偏光デバイスの変形例の断面図である。
【図１５】従来の偏光デバイスの断面図である。
【図１６】図９の偏光デバイスの拡大図である。
【符号の説明】
【００７６】
１，４０…偏光デバイス、１Ｒ…赤用偏光デバイス、１Ｇ…緑用偏光デバイス、１Ｂ…青用偏光デバイス、１０…偏光分離素子アレイ、１１，１２，６２…偏光分離素子、１３，１４，６４…複屈折領域、１５，１６，６６…等方領域、２０…偏光変換素子アレイ、２１，２２…偏光変換素子、３０…基板、５０…液晶表示パネル、５１…液晶セル、５２…カラーフィルタ、５２Ｒ…赤用カラーフィルタ、５２Ｇ…緑用カラーフィルタ、５２Ｂ…青用カラーフィルタ、Ｃ１…入射光、Ｃ２…出射光、Ｃ（０）…０次回折光、Ｃ（１）…１次回折光、Ｃ（−１）…−１次回折光、ｄ…偏光分離素子における長周期回折格子の格子定数、Ｄ…偏光分離素子の幅、ｆ…フラクショナルファクタ、ｈ１，ｈ３…偏光分離素子における長周期回折格子の格子深さ、ｈ２，ｈ４…偏光分離素子における微細回折格子の格子深さ、ｎ＃１，ｎ＃２…格子ベクトルに平行な偏光光に対する実効屈折率、ｎ⊥１，ｎ⊥２…格子ベクトルに垂直な偏光光に対する実効屈折率、Ｌ…偏光デバイスの厚さ、Ｐ（０）…０次回折光のＰ偏光成分，Ｐ（１）…１次回折光のＰ偏光成分，Ｐ（−１）…−１次回折光のＰ偏光成分、Ｓ（０）…０次回折光のＳ偏光成分，Ｓ（１）…１次回折光のＳ偏光成分，Ｓ（−１）…−１次回折光のＳ偏光成分、Ｔ…偏光分離素子および偏光変換素子の厚さ、Ｗ…偏光分離素子および偏光変換素子の奥行き、Δｎ１，Δｎ２…複屈折、θ１…１次回折光の回折角、λ…入射光の波長、Λ…偏光分離素子における微細回折格子の格子定数
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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