(57)【要約】【課題】液晶プロジェクタなどに最適な、可視光全域と言う広い波長範囲と、小さいＦＮo．で使用可能な広い角度特性をもつ偏光分離素子を得ること。【解決手段】屈折率が均質な層と、２層以上の構造複屈折を有する層とを積層した偏光分離層を、２つの光学部材の間に設けた偏光分離素子であって、前記２つの光学部材は、一方の光学部材の入射面から入射し、前記偏光分離層に入射する光線のうち前記偏光分離層を透過した透過光が他方の光学部材の射出面から射出し、前記偏光分離層で反射した反射光が前記一方の光学部材の前記入射面と異なる透過面より、前記入射光の入射方向とは異なる角度で射出する構成よりなること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
屈折率が均質な層と、２層以上の構造複屈折を有する層とを積層した偏光分離層を、２つの光学部材の間に設けた偏光分離素子であって、前記２つの光学部材は、一方の光学部材の入射面から入射し、前記偏光分離層に入射する光線のうち前記偏光分離層を透過した透過光が他方の光学部材の射出面から射出し、前記偏光分離層で反射した反射光が前記一方の光学部材の前記入射面と異なる透過面より、前記入射光の入射方向とは異なる角度で射出する構成よりなることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
屈折率が均質な層と、２層以上の構造複屈折を有する層とを積層した偏光分離層を、２つの光学部材の間に設けた偏光分離素子であって、前記２つの光学部材は、一方の光学部材の入射面から入射し、前記偏光分離層に入射する光線のうち、前記偏光分離層を透過した透過光が他方の光学部材の前記入射面とはほぼ平行な射出面から射出し、前記偏光分離層で反射した反射光が前記一方の光学部材の前記入射面とは異なる透過面より前記入射光の入射方向とは異なる角度で射出する構成より成り、前記偏光分離層は、前記一方の光学部材の入射面及び射出面と平行でない角度で設定されていることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項３】
前記構造複屈折を有する層は、１次元格子からなり、前記偏光分離層に入射する光のうち該１次元格子と平行な方向の偏光成分の光を主として透過し、これと直交する方向の偏光成分の光を主として反射することを特徴とする請求項１又は２の偏光分離素子。
【請求項４】
前記構造複屈折を有する層は少なくとも２つの媒質からなる１次元格子よりなり、該１次元格子は使用する波長よりも短い周期構造を有することを特徴とする請求項１，２又は３の偏光分離素子。
【請求項５】
前記入射面に垂直に入射する光線が前記偏光分離層へ入射する際の入射平面と、前記１次元格子の方向が略平行であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項の偏光分離素子。
【請求項６】
前記構造複屈折を有する層は、２つの媒質を交互に１次元方向に配列した１次元格子より成り、該２つの媒質のうち１つは誘電体、他の１つは空気であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項の偏光分離素子。
【請求項７】
前記誘電体の屈折率をｎ1とするとき
１．５  ＜  ｎ1
の条件を満足することを特徴とする請求項６の偏光分離素子。
【請求項８】
前記誘電体は酸化チタンであることを特徴とする請求項６の偏光分離素子。
【請求項９】
前記屈折率が均質な層の媒質の屈折率と、前記構造複屈折を含む層の格子と平行な方向の偏光に対する有効屈折率が略等しいことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項の偏光分離素子。
【請求項１０】
前記構造複屈折を有する層は、２つの媒質を交互に１次元方向に配列した１次元格子より成り、該２つの媒質のうち１つは誘電体より成り、該誘電体の格子ピッチに占める誘電体媒質の割合をｆとするとき
０．１５＜ｆ＜０．８
の条件を満たすことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項の偏光分離素子。
【請求項１１】
前記２つの光学部材のうち、少なくとも一方は光弾性定数の絶対値が０．１×１０−８ｃｍ２／Ｎより小さい材料より成ることを特徴とする請求項１から１０のいずれか１項の偏光分離素子。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項の偏光分離素子を含む光学系であって、該偏光分離素子の偏光分離面には、光線が前記屈折率が均質な層の媒質の屈折率と、前記構造複屈折を有する層の格子と平行な方向の偏光に対する有効屈折率で決定されるブリュースター角を含む角度範囲で入射することを特徴とする光学系。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか１項の偏光分離素子を含む光学系であって、該偏光分離素子の偏光分離面には、光線の一部が前記屈折率が均質な層の媒質の屈折率と、前記構造複屈折を有する層の格子と直角方向の偏光に対する有効屈折率で決定される臨界角より大きな角度で、入射することを特徴とする光学系。
【請求項１４】
請求項１から１１のいずれか１項の偏光分離素子を含む光学系であって、前記屈折率が均質な層の厚さと屈折率を各々ｄa ，ｎa、前記構造複屈折を有する層の厚さをｄb、最も短波長側の使用波長をλＳ 、前記入射面に垂直な光線の偏光分離層への入射角θとするとき、
（ｎaｄa  ・cosθ）／λＳ ＜０．５
０．２  ＜ ｄｂ／λＳ ＜１．０
の条件を満たすことを特徴とする光学系。
【請求項１５】
請求項１２から１４のいずれか１項の光学系と、光源部からの光束を画像信号に基づいて変調する変調手段と、該変調手段により変調された光束を所定面上に投写する投射光学系とを有することを特徴とする投写型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は偏光分離素子及びそれを有する光学系に関し、複数の波長、あるいは帯域光で、かつ、比較的広い入射角度範囲で良好なる偏光分離特性を有する、例えば、撮影光学系、投写型表示装置（プロジェクタ）、画像処理装置、半導体製造装置、等の各種光学機器に好適なものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、入射光をＰ偏光とＳ偏光に分離する偏光分離素子として誘電体多層膜を用いたものが知られている。
【０００３】
図２１は、偏光分離の説明図である。図２１において、多層膜１７に入射してきたｐ偏光（１８）は、ブリュースター角において透過し、透過光１９となる。一方ｓ偏光（２０）は多層膜１７での反射による干渉によって反射光２１となる。
【０００４】
多層膜１７は異なる屈折率の誘電体層を積層した構成よりなる。高い屈折率ｎHを持つ層をH層、それより低い屈折率ｎLを持つ層をL層とする。
【０００５】
一般的に屈折率ｎ1、n2を持つ２つの媒質の間のブリュースター角θBは式（ａ１）で与えられる。このブリュースター角度θBで入射した光線のうちｐ偏光成分は全て透過する。
【０００６】
ｔａｎθB＝ｎ2／ｎ1・・・（ａ１）
偏光分離素子を構成するためには、この媒質の屈折率ｎ1，ｎ2と角度θBの関係がプリズム媒質および、H層、L層の界面で同時に成り立つ必要がある。そのため、プリズム媒質の屈折率ｎpと、薄膜を形成する２つの誘電体媒質の屈折率ｎHとｎＬとの間には、下記の関係式が成り立つ必要がある。
【０００７】
【数１】
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【０００８】
ｓ偏光に関しては、高屈折率媒質の屈折率ｎHと、低屈折率媒質の屈折率ｎＬの屈折率差ｎＨ−ｎＬから生じる界面での反射を用いて、多層膜干渉による反射膜を構成する。
【０００９】
各層の膜厚を最適化させ、２０〜４０層の膜を積層することで可視光全域に対する反射膜を実現し、Ｓ偏光を得るようにしている。
【００１０】
ｓ偏光は、膜の層数を増やすことで広い角度特性、波長特性を設計することが可能である。しかしながらｐ偏光の透過率は、媒質間の屈折率と入射角度だけに依存するため、膜の層数の影響を受けない。また逆に層数を増やせば増やすほどブリュースター角からのズレに伴うｐ偏光の反射率が増加し、透過率の波長特性、角度特性は悪化する。
【００１１】
誘電体多層膜のかわりに複屈折性をもつ接着材をプリズムに挟んだ構成の偏光分離素子が知られている（特許文献１）。
【００１２】
特許文献１は、複屈折性の材料の常光線と異常光線の屈折率差を利用したもので、屈折率差は小さいものの、約６０°と言う大きな入射角で使用することで、選択的に一方の偏光を全反射させることにより偏光分離を実現している。
【００１３】
全反射が起こるためには、光線の入射角が臨界角θＣ以上で有ることが必要である。臨界角θＣは媒質の屈折率をｎ1，ｎ2（ｎ２＜ｎ１）とすると次式であたえられる。
【００１４】
ｓｉｎθＣ＝ｎ2／ｎ1・・・（ａ３）
構造複屈折を用いた偏光分離素子は、図20に示すように多層膜をエッチングして、１次元格子状にした構造が知られている（特許文献２）。
【００１５】
媒質TiO2と空気等から成る１次元格子状のＨ層１５と、媒質SiO2と空気等から成る１次元格子状のＬ層１６を交互に積層させてそれを１次元格子となるようにエッチングして製造している。誘電体の１次元格子の周期は波長より短い構造（sub-wavelength structure）として構造複屈折を形成している。
【００１６】
このような構造の一次元格子（SWS格子）に関しては屈折率を有効屈折率で取り扱うことができる。図12（Ａ）のような格子において、格子と平行な方向の偏光をTE、格子と直交する方向の偏光をTMとするとき、格子部ＲＰの屈折率をｎ1、格子部ＲＰと格子部ＲＰとの間の媒質の屈折率をｎ２とするとき一般的にｎ１、ｎ２の媒質がa：ｂの比で繰り返す一次元格子でそれぞれの偏光の有効屈折率ｎTE，ｎTMは式（ａ４），（ａ５）で表されることが知られている。
【００１７】
【数２】
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【００１８】
このとき、ａ：ｂの比率によらずｎTE＞ｎTMである。
【００１９】
１次元格子においてｎ1を誘電体ＲＰ、ｎ2を空気としたとき、媒質のピッチに対する比率であるフィルングファクターｆは式（ａ６）で示される。この図１２（Ａ）の例ではフィリングファクタを約０．５程度になるようにエッチングしたものである。
【００２０】
ｆ＝a ／（ａ＋ｂ） ・・・（ａ６）
図12（Ｂ）は屈折率ｎ1をTiO2、屈折率ｎ2を空気とした一次元格子のTiO2のフィリングファクタｆに対する有効屈折率の変化を表したグラフである。同様に図12（Ｃ）は屈折率ｎ1をSiO2としたときの有効屈折率のグラフである。
【００２１】
このグラフより、TE方向では、Ｈ層とＬ層の屈折率差が大きく、TM方向ではＨ層とＬ層の屈折率差が小さくなっていることがわかる。適切なプリズム媒質をとるとＴＭ方向でブリュースター角の条件が成り立ちｐ偏光を透過させることができる。各層の厚さはブリュースター角の条件とは独立であることから、Ｈ層、Ｌ層の膜厚を最適化することで、誘電体多層膜を形成することができる。
【００２２】
それによりｓ偏光を反射させ、偏光分離素子としての機能が得られる。これは、誘電体薄膜だけで構成した偏光分離素子よりも、ｐ偏光において、ブリュースター角の条件を満たす媒質の選択自由度が上がる。そのため、同時にｓ偏光における反射率を高くとることが可能である。
【００２３】
これによって、可視光全域をカバーする偏光分離素子が２０層程度で構成できる。
【００２４】
特許文献２で開示されているSWS構造を用いた偏光分離素子は、使用波長より小さい格子ピッチの層と、空隙層あるいは透電体層とを積層した形状を提案している。直交する２つの偏光のいずれかの方向に対して１/4波長の層厚となる構成として片方の偏光だけを選択的に反射させることで偏光分離素子を構成している。入射角度は偏光分離素子に垂直であるが、高い偏光分離を実現している。
【特許文献１】特許第２９５８３７７号
【特許文献２】特開平１１−９５０２７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
誘電体多層膜を用いた偏光分離素子では、ｐ偏光の透過にブリュースター角の条件を用いるために、プリズム硝材や、薄膜の媒質の屈折率に（ａ２）式の制約を受けるとともに、角度特性を広くとる事が難しい。これは層数を増やしても改善されない。
【００２６】
複屈折性をもつ高分子材質をプリズムに挟んだ偏光分離素子では、高分子材料の常光線と異常光線の屈折率差が大きくないために全反射させるためには入射角度を約６０°以上に大きく取らなければならず、使用できる光学系の用途が限られていると言う問題点がある。
【００２７】
また、複屈折素子として高分子材料などを用いることから、耐熱性、耐光性の観点で劣る。
【００２８】
SWS構造を用いた矩形一次元格子の積層型の偏光分離素子では、構成が複雑であり製造が難しいことと、ｐ偏光の透過にブリュースター角の条件を用いているために、誘電体多層膜と同様広い角度特性が得られない。
【００２９】
特に図２０に示す一次元格子の構造から明らかなように入射角が大きくなるにつれ、偏光ＴＥと偏光ＴＭの屈折率差ｎTE−ｎTMがなくなるために、ブリュースター角を越えた入射角での反射率の増加が誘電体薄膜を用いたときより大きく、角度特性を広げることが阻害され、十分な性能を持つ素子が得られない。
【００３０】
また、構造複屈折を用いた偏光分離素子は、一方の偏光に対しては高い反射率は得られているが、他方の偏光の透過光に関して各層での屈折率差があるために界面での反射があり十分な透過率が得られない。積層数を増やす事で反射光に関しては、波長特性、角度特性を広くする事は可能であるが、透過光に関しては、狭い波長範囲でしか光学性能が得られない。
【００３１】
この概念を拡張して、入射角を約４５度として、層の厚さを入射角度を考慮し反射膜として干渉が成り立つように構成しなおしたときには、一方の偏光の反射膜としての性能は達成可能であるが、他方の透過光となる偏光に関しては、界面での反射率が更に増加するため十分な性能が得られない。
【００３２】
液晶プロジェクタの光学系などに使用する偏光分離素子は、可視光全域と言う広い波長範囲と、明るさを得るための小さいＦＮo（Ｆナンバー）、すなわち広い角度特性が必要となる。
【００３３】
本発明は、液晶プロジェクタなどに最適な、可視光全域と言う広い波長範囲と、小さいＦＮo．で使用可能な広い角度特性をもつ偏光分離素子を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００３４】
請求項１の発明の偏光分離素子は、屈折率が均質な層と、２層以上の構造複屈折を有する層とを積層した偏光分離層を、２つの光学部材の間に設けた偏光分離素子であって、前記２つの光学部材は、一方の光学部材の入射面から入射し、前記偏光分離層に入射する光線のうち前記偏光分離層を透過した透過光が他方の光学部材の射出面から射出し、前記偏光分離層で反射した反射光が前記一方の光学部材の前記入射面と異なる透過面より、前記入射光の入射方向とは異なる角度で射出する構成よりなることを特徴としている。
【００３５】
請求項２の発明の偏光分離素子は、屈折率が均質な層と、２層以上の構造複屈折を有する層とを積層した偏光分離層を、２つの光学部材の間に設けた偏光分離素子であって、前記２つの光学部材は、一方の光学部材の入射面から入射し、前記偏光分離層に入射する光線のうち、前記偏光分離層を透過した透過光が他方の光学部材の前記入射面とはほぼ平行な射出面から射出し、前記偏光分離層で反射した反射光が前記一方の光学部材の前記入射面とは異なる透過面より前記入射光の入射方向とは異なる角度で射出する構成より成り、前記偏光分離層は、前記一方の光学部材の入射面及び射出面と平行でない角度で設定されていることを特徴としている。
【００３６】
請求項３の発明は請求項１又は２の発明において、前記構造複屈折を有する層は、１次元格子からなり、前記偏光分離層に入射する光のうち該１次元格子と平行な方向の偏光成分の光を主として透過し、これと直交する方向の偏光成分の光を主として反射することを特徴としている。
【００３７】
請求項４の発明は請求項１，２又は３の発明において、前記構造複屈折を有する層は少なくとも２つの媒質からなる１次元格子よりなり、該１次元格子は使用する波長よりも短い周期構造を有することを特徴としている。
【００３８】
請求項５の請求項１〜４のいずれか１項の発明において、前記入射面に垂直に入射する光線が前記偏光分離層へ入射する際の入射平面と、前記１次元格子の方向が略平行であることを特徴としている。
【００３９】
請求項６の発明は請求項１〜５のいずれか１項の発明において、前記構造複屈折を有する層は、２つの媒質を交互に１次元方向に配列した１次元格子より成り、該２つの媒質のうち１つは誘電体、他の１つは空気であることを特徴としている。
【００４０】
請求項７の発明は請求項６の発明において、前記誘電体の屈折率をｎ1とするとき
１．５  ＜  ｎ1
の条件を満足することを特徴としている。
【００４１】
請求項８の発明は請求項６の発明において、前記誘電体は酸化チタン（TiO２）であることを特徴としている。
【００４２】
請求項９の発明は請求項１〜８のいずれか１項の発明において、前記屈折率が均質な層の媒質の屈折率と、前記構造複屈折を含む層の格子と平行な方向の偏光に対する有効屈折率が略等しいことを特徴としている。
【００４３】
請求項１０の発明は請求項１〜９の発明において、前記構造複屈折を有する層は、２つの媒質を交互に１次元方向に配列した１次元格子より成り、該２つの媒質のうち１つは誘電体より成り、該誘電体の格子ピッチに占める誘電体媒質の割合（フィリングファクタ）をｆとするとき
０．１５＜ｆ＜０．８
の条件を満たすことを特徴としている。
【００４４】
請求項１１の発明は請求項１〜１０のいずれか１項の発明において、前記２つの光学部材のうち、少なくとも一方は光弾性定数の絶対値が０．１×１０−８ｃｍ２／Ｎより小さい材料より成ることを特徴としている。
【００４５】
請求項１２の発明の光学系は、請求項１から１１のいずれか１項の偏光分離素子を含む光学系であって、該偏光分離素子の偏光分離面には、光線が前記屈折率が均質な層の媒質の屈折率と、前記構造複屈折を有する層の格子と平行な方向の偏光に対する有効屈折率で決定されるブリュースター角を含む角度範囲で射することを特徴としている。
【００４６】
請求項１３の発明の光学系は、請求項１から１１のいずれか１項の偏光分離素子を含む光学系であって、該偏光分離素子の偏光分離面には、光線の一部が前記屈折率が均質な層の媒質の屈折率と、前記構造複屈折を有する層の格子と直角方向の偏光に対する有効屈折率で決定される臨界角より大きな角度で、入射することを特徴としている。
【００４７】
請求項１４の発明の光学系は請求項１から１１のいずれか１項の偏光分離素子を含む光学系であって、前記屈折率が均質な層の厚さと屈折率を各々ｄa ，ｎa、前記構造複屈折を有する層の厚さをｄb、最も短波長側の使用波長をλＳ 、前記入射面に垂直な光線の偏光分離層への入射角θとするとき、
（ｎaｄa  ・cosθ）／λＳ ＜０．５
０．２  ＜ ｄｂ／λＳ ＜１．０
の条件を満たすことを特徴としている。
【００４８】
請求項１５の発明の投射型画像表示装置は、請求項１２から１４のいずれか１項の光学系と、光源部からの光束を画像信号に基づいて変調する変調手段と、該変調手段により変調された光束を所定面上に投写する投射光学系とを有することを特徴としている。
【発明の効果】
【００４９】
本発明によれば、液晶プロジェクタなどに最適な、可視光全域と言う広い波長範囲と、小さいＦＮo．で使用可能な広い角度特性をもつ偏光分離素子を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５０】
本実施例の偏光分離素子及びそれを有する光学系の特徴は次のとおりである。尚、参考のために図１〜図３の実施例１の各部材の符番を付して説明する。
【００５１】
ここで図１は本発明の偏光分離素子の実施例１の構成図である。表１に実施例１の構成の設計値を示す。
【００５２】
図３（Ａ），（Ｂ）は実施例１の偏光分離素子の要部概略図である。
【００５３】
◎屈折率が均質な層１０１，１０３，１０５と、２層以上の構造複屈折を有する層１０２，１０４とを積層した偏光分離層２３を、２つの光学部材２２，２４の間に設けている。２つの光学部材２２，２４は、一方の光学部材２２の入射面２５から入射し、偏光分離層２３に入射する光線のうち偏光分離層２３を透過した透過光１９が他方の光学部材２４の射出面２７から射出し、偏光分離層２３で反射した反射光２１が一方の光学部材２２の入射面２５と異なる透過面２６より、入射光１８，２０の入射方向とは異なる角度で射出する構成よりなる。
【００５４】
ここで入射面２５と射出面２７は略平行である。又偏光分離層２３は一方の光学部材２２の入射面２５及び射出面２７と平行でない角度で設定されている。
【００５５】
◎光学部材２２の入射面２５に垂直に入射する光線が偏光分離層２３へ入射する際の入射平面２８と、１次元格子の方向２３ａが略平行である。
【００５６】
◎２つの光学部材２２，２４のうち、少なくとも一方は光弾性定数の絶対値が０．１×１０−８ｃｍ２／Ｎより小さい材料より成る。
【００５７】
◎構造複屈折を有する層１０２，１０４は、１次元格子からなり、偏光分離層２３に入射する光のうち該１次元格子と平行な方向の偏光成分の光（ＴＥ偏光）（Ｐ偏光）１９を主として透過し、これと直交する方向の偏光成分の光（ＴＭ偏光）（Ｓ偏光）２１を主として反射する。
【００５８】
◎構造複屈折を有する層１０２，１０４は少なくとも２つの媒質からなる１次元格子よりなり、該１次元格子は使用する波長よりも短い周期構造を有する。
【００５９】
◎構造複屈折を有する層１０２，１０４は、２つの媒質を交互に１次元方向に配列した１次元格子より成り、該２つの媒質のうち１つは誘電体、他の１つは空気である。
【００６０】
この誘電体の格子ピッチに占める誘電体媒質の割合（フィリングファクタ）をｆとするとき
０．１５＜ｆ＜０．８      ・・・（３）
の条件を満たしている。
【００６１】
◎誘電体の屈折率をｎ1とするとき
１．５  ＜  ｎ1
の条件を満足している。
【００６２】
誘電体は酸化チタン（TiO２）又は酸化亜鉛（ＺｒＯ2）である。
【００６３】
◎屈折率が均質な層１０１，１０３，１０５の媒質の屈折率と、構造複屈折を含む層１０２，１０４の格子と平行な方向の偏光（ＴＥ）に対する有効屈折率が略等しい。
【００６４】
具体的な構成は表１５に示すとおりである。屈折率が均質な層の媒質の屈折率ｎは
ｎ＝２．０２７９
又、偏光ＴＥの有効屈折率ｎTE  は
ｎTE  ＝１．９３１
である。
【００６５】
本実施例の偏光分離素子を光学系に用いるときの特徴は次のとおりである。
【００６６】
◎偏光分離素子の偏光分離面２３には、光線が屈折率が均質な層１０１，１０３，１０５の媒質の屈折率と、構造複屈折を有する層１０２，１０４の格子と平行な方向の偏光（ＴＥ）に対する有効屈折率ｎTEで決定されるブリュースター角を含む角度範囲で入射する。
【００６７】
◎屈折率が均質な層１０１，１０３，１０５の媒質の屈折率と、構造複屈折を有する層１０２，１０４の格子と直角方向の偏光（ＴＭ）に対する有効屈折率ｎTMで決定される臨界角より大きな角度で、入射する。
【００６８】
◎屈折率が均質な層１０１，１０３，１０５の厚さと屈折率を各々ｄa ，ｎa 、構造複屈折を有する層１０２，１０４の厚さをｄb、最も短波長側の使用波長をλＳ 、入射面２５に垂直な光線１８，２０の偏光分離層２３への入射角θとするとき、
（ｎaｄa  ・cosθ）／λＳ ＜０．５  ・・・（１）
０．２  ＜ ｄｂ／λＳ ＜１．０     ・・・（２）
の条件を満たす。
【００６９】
◎本発明の投写型画像表示装置では、前述した光学系と、光源部からの光束を画像信号に基づいて変調する変調手段と、該変調手段とにより変調された光束を所定面上に投写する投射光学系とを有している。
【００７０】
次に各実施例の公正の特徴について順次説明する。
【実施例１】
【００７１】
図１は本発明の偏光分離素子の実施例１の構成概略図である。表１に実施例１の構成の設計値を示す。図１において、プリズム（光学部材２２）の入射面（25）に対して、偏光分離層(23)は４５°傾いている。
【００７２】
入射面（25）に垂直に入射する光線（18）（20）が偏光分離層（23）に入射する際の入射平面２８と偏光分離層の１次元格子の方向２３ａは図２のように平行な配置となっている。偏光分離層２３で、Ｓ偏光２１を反射させ、入射側のプリズム２２にある入射面（25）とは別の射出面（26）から射出させる。
【００７３】
また、Ｐ偏光１９は偏光分離層２３を透過させ、射出側のプリズム（光学部材）（24）の射出面（27）から射出させる構成となっている。
【００７４】
図３（Ａ）、図３（Ｂ）に示すように格子の断面構造は均質媒質の均質層からなるＨ層（101,103,105）と、空気とＴｉＯ2が交互に繰り返す一次元格子構造の一次元格子層からなるＬ層（102,104）を交互に積層して構成されている。２２，２４は図１の入射側プリズムと射出側プリズムに相当している。実施例１では全体で５層と言う比較的簡易な構成で偏光分離を実現している。
【００７５】
それぞれの層をＨ層、Ｌ層としているのは、反射させるＳ偏光に対してのそれぞれの有効屈折率の高低を表している。均質層のＨ層１０１，１０３，１０５の厚さは73〜75nmであり、条件式（１）を満たしている。
【００７６】
条件式（１）は、Ｓ偏光の反射を完全に達成するためのものである。一般的に高屈折率の媒質から低屈折率の媒質に入射するときに入射角度が臨界角θC以上では、一切透過せずに全反射することが知られている。しかし、この時に、境界面近傍の極めて微小な領域において、エバネセント光がしみ出ている。このエバネセント光の到達領域に次の媒質があると光が透過してしまう。この現象が全反射減衰（attenuated total reflection：ＡＴＲ）である。
【００７７】
このＡＴＲの光同士の干渉を利用して広い角度範囲、波長範囲で高い反射率を得るための条件式が（１）である。条件式（１）の上限になると、すなわち、入射角度θを考慮した膜厚が波長の1/2以上になると、ＡＴＲでの反射光同士が干渉してしまい、反射率を下げてしまう。この干渉による反射率の低下は、膜厚を変化させて行ったとき1/2波長ごとに起こる。広い使用波長範囲でこの干渉が起こらない様にするための条件式が（１）である。
【００７８】
一方、一次元格子のからなるＬ層の厚さは318nmであり、条件式（２）を満たしている。条件式（２）はＡＴＲによる反射を有効に活用するためのものである。
【００７９】
（２）の下限を超えて膜厚が薄くなると、臨界角以上の入射角度領域ではＡＴＲによる透過が大きくなり、十分な反射が得られない。
【００８０】
一方、上限値の設定について、ＡＴＲの観点からは、膜厚が厚ければ厚いほど好ましい。しかしながら、膜厚を増しても、反射率は全反射に漸近してしまうため、膜厚を増やしただけの効果は得られない。この一次元格子の形状では、膜厚を増すほど製造の難易度は上がる。そのため、（２）の上限程度に設定することが好ましい。
【００８１】
また、使用角度の範囲に臨界角以下の通常反射を含むが、そこでの干渉においては（２）の上限以下に設定することで、最適な結果が得ている。
【００８２】
実施例１では表１の設計値１の通り、プリズム２２，２４の硝材に屈折率が約1.603と比較的低い材料を使用した。均質層であるH層１０１，１０３，１０５の誘電体はＺｒＯ2であり屈折率2.038とプリズム２２，２４の材料より高い材料を用いている。一次元格子を構成するＬ層１０２，１０４の誘電体には屈折率がさらに高く約2.282のＴｉＯ2を使用し、一次元格子のフィリングファクタｆを条件式（３）の範囲に設定することにより効率よく複屈折を生じさせている。
【００８３】
構造性複屈折は、前述の式（ａ４）、（ａ５）で与えられる。ここで、格子と平行な方向の偏光成分（Ｐ偏光）ＴＥの屈折率をｎTE、格子と直交する方向の偏光成分（Ｓ偏光）ＴＭの屈折率ｎTMに相当する。一方の媒質をＴｉＯ2、他方を空気として、フィリングファクタｆ（ピッチに対するＴｉＯ2の割合）ｆを変化させたときのそれぞれの偏光の有効屈折率を表すグラフが図１２（Ｂ）の様になる。
【００８４】
フィリングファクタｆ＝０．２のとき、Ｐ偏光（ＴＥ方向）の有効屈折率ｎTEは1.3986となる。式（ａ２）にｎH＝3.038、ｎl（ｎTE）＝1.3986、ｎP＝1.603を代入すると、ブリュースター角はθB＝約４６°となる。よって、４５°の入射角を中心とした光束に対してほぼ透過の条件を満たす構成となっている。
【００８５】
もう一方のＳ偏光（ＴＭ方向）に関しては有効屈折率ｎTMは1.097である。
【００８６】
式（ａ３）にｎ1＝1.603、ｎ2（ｎTM）＝1.097を代入すると、臨界角θＣ＝約４３°となる。これより高い入射角側では全反射のＡＴＲによる反射が起こっている。低入射角側でも、通常の誘電体界面での反射ではあるが、入射角が臨界角に近いために各界面では高い反射率が得られている。
【００８７】
このように、均質層（Ｈ層）と１次元格子構造のＬ層との有効屈折率がＰ偏光に関しては近い値となり、Ｓ偏光に関しては大きな屈折率差を生じさせることで、それぞれの偏光の光線の透過、反射を効率よく達成している。
【００８８】
図１３（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）がこの設計値の厳密結合波解析計算（Rigorous coupled-wave analysis : RCWA）による性能のシミュレーション結果である。
【００８９】
Ｐ偏光では、低い入射角側で、短波長側が、高い入射角側で、長波長側の透過率が落ちているが、実使用時の角度特性、波長特性のウエートを考慮するとほとんど問題ないレベルである。
【００９０】
Ｓ偏光に関しては３５°〜５５°と言うかなり広い入射角範囲で透過する光線がほとんど無く、完全な反射率を達成している。
【００９１】
条件式（３）はフィリングファクタｆの範囲を規定しているものであるが、主に、構造複屈折を効率よく発生させるための条件である。前述の図１２（Ｂ）のグラフの様に、偏光ＴＥと偏光ＴＭの有効屈折率ｎTE,ｎTMに大きな差があることで、大きな複屈折が生じている。媒質のフィリングファクタｆに対しての屈折率差はｆ＝０、ｆ＝１では０になっており、ｆ＝０．５付近で最大である。このことから条件式（３）の範囲でフィリングファクタｆを選択することが効率よく有効屈折率を利用することになる。
【００９２】
表２に実施例２の膜構成の設計値を示す。実施例１と同様に、図１において、プリズム２２の入射面（25）に対して、偏光分離層(23)は４５°傾いている。入射面（25）に垂直に入射する光線（18）（20）が偏光分離層（23）に入射する際の入射平面と偏光分離層２３の１次元格子の方向２３ａは図２のように平行な配置となっている。
【００９３】
偏光分離層２３で、Ｓ偏光２１を反射させ、入射側プリズム２２の入射面（25）とは別の射出面（26）から射出させる。また、Ｐ偏光１９は透過させ、射出側プリズム（24）にある射出面（27）から射出させる構成となっている。
【００９４】
図４（Ａ）、図４（Ｂ）に示すように格子の断面構造は断面構造は空気とＴｉＯ2が交互に繰り返す一次元格子構造のＬ層（201,203,205）とＺｒＯ2の均質層からなるＨ層（202,204）との積層構造となっている。
【００９５】
全体で５層と言う比較的簡易な構成で偏光分離を実現している。
【００９６】
表９のとおりに条件式（１）、（２）を満たす構成となっている。図１４（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）がこの設計値のＲＣＷＡ計算による性能のシミュレーション結果である。低い入射角側の短波長側でわずかにＰ偏光の透過率が劣化しているが全角度範囲、全波長範囲においてＰ偏光の透過率、Ｓ偏光の反射率ともに良好な性能を示している。
【００９７】
同様に、表３に実施例３の設計値、図５（Ａ）、図５（Ｂ）に断面形状を示す。表１０のとおりに条件式（１）、（２）を満たす構成となっている。
【００９８】
図１５（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にＲＣＷＡ計算による性能のシミュレーション結果を示す。Ｈ，Ｌ，Ｈ，Ｌの４層構造をとっており、Ｐ偏光の透過率は向上しているが、Ｓ偏光の反射率が多少減少している。表４に実施例４の設計値、図６（Ａ），図６（Ｂ）に断面形状を示す。表１１のとおりに条件式（１）、（２）を満たす構成となっている。
【００９９】
図１６（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にＲＣＷＡ計算による性能のシミュレーション結果を示す。ＬＨＬの３層構造であるが、Ｌ層のｆ＝０．２とすることで低屈折率化することで、Ｓ偏光の反射率を増加させている。同時にＰ偏光の透過に関して悪影響を及ぼすが、面数が少ないため透過率の劣化は高入射角側のみとなっている。
【０１００】
表５に実施例５の設計値、図７（Ａ）、図７（Ｂ）に断面形状を示す。表１２のとおりに条件式（１）、（２）を満たす構成となっている。
【０１０１】
図１７（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にＲＣＷＡ計算による性能のシミュレーション結果を示す。Ｈ，Ｌ，Ｈ，Ｌ，Ｈ，Ｌ，Ｈの７層構造であるが、Ｌ層のｆ＝０．３５とすることで高屈折率化し、Ｐ偏光の透過率を向上させている。一方、Ｓ偏光の反射率が低下するが、層数を７層と増やすことで全入射角度範囲で反射率を向上させている。
【０１０２】
表６に実施例６の設計値、図８（Ａ）、図８（Ｂ）に断面形状を示す。
【０１０３】
表１３のとおりに条件式（１）、（２）を満たす構成となっている。
【０１０４】
図１８（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にＲＣＷＡ計算による性能のシミュレーション結果を示す。Ｈ，Ｌ，Ｈ，Ｌ，Ｈの５層構造であるが、Ｌ層、Ｈ層ともに誘電体の媒質としてＺｒＯ2を用いている。Ｐ偏光の透過率の入射角度特性が多少劣化しているが、全体として良好な性能を示しており、同じ媒質で構成する利点がある。
【０１０５】
表７に実施例７の設計値、図９（Ａ）、図９（Ｂ）に断面形状を示す。表１４のとおりに条件式（２）、（３）を満たす構成となっている。
【０１０６】
図１９（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にＲＣＷＡ計算による性能のシミュレーション結果を示す。Ｌ，Ｈ，Ｌの３層構造であるが、Ｌ層、Ｈ層ともに誘電体媒質としてＴｉＯ2を用いている。Ｐ偏光の高入射角側での透過率が多少劣化しているが、全体として良好な性能を示しており、同じ媒質で構成する利点がある。
【０１０７】
図１０（Ａ）は本発明の実施例８の偏光分離素子プリズムの構成図である。ひし形に傾いたプリズム２２，２４に、実施例１〜実施例７の偏光分離層２３をはさみこんだものである。図左側からの入射光１８，２０はプリズム面２５と垂直に入射し、偏光分離層２３に４５°よりも大きな角度で入射する。全反射させることに関しては入射角度が大きいほど有利であるが、プリズムをこのようにひし形に約１０°くらい傾けることで入射角度は５°変化させることができる。
【０１０８】
図１０（Ｂ）は本発明の実施例９の偏光分離素子の構成図である。実施例１〜実施例７の偏光分離素子をプリズム２２，２４とほぼ同等の平板の媒質ではさみこんだものを更に三角プリズム２２ａ，２４ａではさみ込んだ物である。
【０１０９】
微細加工を必要とする偏光分離素子を平板ガラスではさみ込みユニットとすることで、角度、寸法、面精度等の形状的な性能を必要とするプリズムを分離することで、生産性を高めている。
【０１１０】
図１１には、本発明の実施例１０の偏光分離素子を用いた反射型の画像投射装置の概略図である。
【０１１１】
図中、１は高圧水銀ランプなどからなる光源、２は光源1から光を所定の方向に放射するためのリフレクター、３は均一な照明強度を有する照明領域を形成するためのインテグレーターであり、フライアイレンズ3a、3bから構成されている。４は無偏光な光を所定の偏光方向に揃える偏光変換素子である。
【０１１２】
５は照明光を集光するコンデンサーレンズ、６はミラー、７は照明光をテレセントリックな光にするフィールドレンズ、８は緑の波長領域光Ｇを透過するダイクロイックミラー、９a1、９b1、９c1はそれぞれ実施例１〜７の偏光分離素子であり、S偏光を反射してP偏光を透過させる特性をもっている。
【０１１３】
９a、９b、９cはそれぞれ偏光分離素子９a1、９b1、９c1を有する偏光分離プリズム、10a、10bはそれぞれ所定波長領域の光の偏光方向を90°変換（回転）する色選択性位相差板、11r、11g、11bはそれぞれ入射した照明光を反射するとともに画像信号に応じて変調して画像光を形成する反射型の液晶表示素子、12r、12g、12bはそれぞれ1/4位相差板、14は投射レンズ系である。
【０１１４】
以上の構成のように実施例１〜７の偏光分離素子を配置することにより、入射角度特性、波長特性に優れているため、光学系全体で得られるコントラストが極めて高い反射型液晶プロジェクタを実現している。
【０１１５】
【表１】
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【０１１６】
【表２】
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【０１１７】
【表３】
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【０１１８】
【表４】
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【０１１９】
【表５】
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【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の実施例１に対応する偏光分離素子の構成図
【図２】本発明の実施例１に対応する偏光分離素子の模式図
【図３】本発明の実施例１に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図
【図４】本発明の実施例２に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図
【図５】本発明の実施例３に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図
【図６】本発明の実施例４に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図
【図７】本発明の実施例５に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図
【図８】本発明の実施例６に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図
【図９】本発明の実施例７に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図
【図１０】（Ａ）本発明の実施例８に対応する偏光分離素子の構成図（Ｂ）本発明の実施例９に対応する偏光分離素子の構成図
【図１１】本発明の実施例１０に対応する偏光分離素子を反射型液晶プロジェクタ光学系に組み込んだ構成図
【図１２（Ａ）】一次元型ＳＷＳ格子の有効屈折率のモデルを説明する図
【図１２（Ｂ）】一次元型ＳＷＳ格子にＴｉＯ2を用いたときの構造複屈折を表すグラフ
【図１２（Ｃ）】一次元型ＳＷＳ格子にＳｉＯ2を用いたときの構造複屈折を表すグラフ
【図１３】本発明の実施例１に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ
【図１４】本発明の実施例２に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ
【図１５】本発明の実施例３に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ
【図１６】本発明の実施例４に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ
【図１７】本発明の実施例５に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ
【図１８】本発明の実施例６に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ
【図１９】本発明の実施例７に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ
【図２０】従来例の多層膜エッチング型の偏光分離素子の模式図
【図２１】従来例の多層膜偏光分離素子の模式図
【符号の説明】
【０１２１】
１：高圧水銀ランプなどからなる光源
２：リフレクター
３：インテグレーター
３ａ，３ｂ：フライアイレンズ
４：偏光変換素子
５：コンデンサーレンズ
６：ミラー
７：フィールドレンズ
８：ダイクロイックミラー
９a1、９b1、９c1：偏光分離膜
９a、９b、９c：偏光分離膜
９a1、9b1、9c1：偏光ビームスプリッター
10a、10b：色選択性位相差板
11r、11g、11b：反射型液晶表示素子
12r、12g、12b：1/4位相差板
14：投射レンズ系
15：Ｈ層（ＴｉＯ2）
16：Ｌ層（ＳｉＯ2）
17：多層膜
18：Ｐ偏光入射光
19：Ｐ偏光透過光
20：Ｓ偏光入射光
21：Ｓ偏光反射光
22：入射側プリズム
23：偏光分離素子
24：射出側プリズム
25：入射面
26：Ｓ偏光反射光の射出面
27：Ｐ偏光透過光の射出面
28：入射平面
101〜105：実施例１の入射側から1番目〜５番目の各層
201〜205：実施例２の入射側から1番目〜５番目の各層
301〜304：実施例３の入射側から1番目〜４番目の各層
401〜403：実施例４の入射側から1番目〜３番目の各層
501〜507：実施例５の入射側から1番目〜７番目の各層
601〜605：実施例６の入射側から1番目〜５番目の各層
701〜703：実施例７の入射側から1番目〜３番目の各層
【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（Ａ）】
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【図１２（Ｂ）】
2006133402.tif 000022
【図１２（Ｃ）】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
2006133402.tif 000026
【図１６】
2006133402.tif 000027
【図１７】
2006133402.tif 000028
【図１８】
2006133402.tif 000029
【図１９】
2006133402.tif 000030
【図２０】
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【図２１】
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