(57)【要約】【課題】光量損失を抑制可能な偏光分離素子およびそれを用いた画像投射装置を提供すること。【解決手段】偏光分離素子は、基板と、第１の方向に沿って延びるとともに、基板上または基板内に、第１の方向に直交する第２の方向に沿って所定の周期で配置された複数の部材と、を有する偏光分離素子であって、部材は、所定の波長において、２．８以上の屈折率、および１以下の消衰係数を有し、第１の方向に対して９０度、および第２の方向に対して４５度の角度をなす入射光の入射方向および第１の方向に垂直な第１偏光方向の光の所定の波長の透過率と、第１の方向に平行な第２偏光方向の光の所定の波長の反射率との積は８５％以上となる。【選択図】図１
2019061234.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
第１の方向に沿って延びるとともに、前記基板上または前記基板内に、前記第１の方向に直交する第２の方向に沿って所定の周期で配置された複数の部材と、を有する偏光分離素子であって、
前記部材は、所定の波長において、２．８以上の屈折率、および１以下の消衰係数を有し、
前記第１の方向に対して９０度、および前記第２の方向に対して４５度の角度をなす入射光の入射方向および前記第１の方向に垂直な第１偏光方向の光の前記所定の波長の透過率と、前記第１の方向に平行な第２偏光方向の光の前記所定の波長の反射率との積は８５％以上となることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
前記複数の部材は、前記基板の第１面に配置され、
前記偏光分離素子は、前記第１面とは反対側の第２面に入射した前記第１偏光方向の光を透過させ、前記第１面に入射した前記第２偏光方向の光を反射する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】
前記所定の波長をλ、前記所定の波長における前記部材の屈折率をｎ、前記所定の周期をＰ、前記基板の前記所定の波長における基板屈折率をｎ＿ｂａｓｅとするとき、
λ／ｎ＜Ｐ＜λ／ｎ＿ｂａｓｅ
なる条件式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】
前記所定の周期をＰ、前記部材の幅をＷとするとき、
０．１≦Ｗ／Ｐ≦０．６
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の偏光分離素子。
【請求項５】
前記部材の幅をＷ、前記部材の高さをｔとするとき、
０．３≦ｔ／Ｗ≦１．４
なる条件式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１項に記載の偏光分離素子。
【請求項６】
透過率と反射率との積が８５％以上となる波長帯域の帯域幅をΔλ、透過率と反射率との積が８５％以上となる前記波長帯域に含まれる波長であって、透過率と反射率との積が最大となる波長をλ＿ｍａｘとするとき、
Δλ／λ＿ｍａｘ≧０．１
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の偏光分離素子。
【請求項７】
前記複数の部材は、前記基板上に配置され、
前記所定の波長における前記部材の屈折率をｎ、前記所定の波長における基板屈折率をｎ＿ｂａｓｅとするとき、
ｎ／ｎ＿ｂａｓｅ≧２
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の偏光分離素子。
【請求項８】
前記複数の部材は、前記基板内に形成され、
前記所定の波長における前記部材の屈折率をｎ、前記所定の波長における基板屈折率をｎ＿ｂａｓｅとするとき、
ｎ／ｎ＿ｂａｓｅ≧２．５
なる条件式を満足することを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の偏光分離素子。
【請求項９】
前記部材は、シリコン、ビスマスフェライトおよびガリウム砒素のうち少なくともいずれかを含むことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の偏光分離素子。
【請求項１０】
前記所定の波長は、４００〜７００ｎｍの波長を含むことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の偏光分離素子。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の偏光分離素子と、
前記偏光分離素子を透過した前記第１偏光方向の光を前記第２偏光方向の光に変調し、前記第２偏光方向の光を前記偏光分離素子に対して射出する光変調素子と、を有することを特徴とする画像投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光分離素子、およびそれを用いた画像投射装置（プロジェクタ）に関し、特に、使用波長よりも小さい周期の格子構造を有する偏光分離素子、およびそれを用いた画像投射装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、偏光方向が異なる光を分離させるために、可視波長オーダーの微細な周期で配列された１次元格子構造を有するワイヤーグリッド型の偏光分離素子が提案されている。しかしながら、ワイヤーグリッド型の偏光分離素子では、１次元格子構造が主に金属から構成されているため、金属由来の光量損失を生じてしまう。したがって、ワイヤーグリッド型の偏光分離素子は、画像投射装置に使用された場合、光量低下の原因になってしまう。 
【０００３】
非特許文献１では、光量損失を抑制可能な高屈折率材料で構成された格子構造を有する光学素子が提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｒｏｂｅｒｔ  Ｍａｇｎｕｓｓｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅｈｒｄａｄ  Ｓｈｏｋｏｏｈ−Ｓａｒｅｍｉ，“Ｐｈｙｓｉｃａｌ  ｂａｓｉｓ  ｆｏｒ  ｗｉｄｅｂａｎｄ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ"，Ｏｐｔｉｃｓ  ｅｘｐｒｅｓｓ，Ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ，２００８，Ｖｏｌ．１６，Ｉｓｓｕｅ  ５，ｐｐ．３４５６−３４６２
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、非特許文献１に開示された光学素子は、レーザー向けの狭帯域ミラーや広帯域ミラーとして使用され、入射光が素子面に対して垂直入射することを前提としている。すなわち、非特許文献１に開示された光学素子は、特定の入射角度で入射した偏光光を透過させ、入射光と偏光方向が直交する偏光光を反射する偏光分離素子に使用されることは想定されていない。
【０００６】
本発明は、光量損失を抑制可能な偏光分離素子およびそれを用いた画像投射装置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】
【０００７】
本発明の一側面としての偏光分離素子は、基板と、第１の方向に沿って延びるとともに、基板上または基板内に、第１の方向に直交する第２の方向に沿って所定の周期で配置された複数の部材と、を有する偏光分離素子であって、部材は、所定の波長において、２．８以上の屈折率、および１以下の消衰係数を有し、第１の方向に対して９０度、および第２の方向に対して４５度の角度をなす入射光の入射方向および第１の方向に垂直な第１偏光方向の光の所定の波長の透過率と、第１の方向に平行な第２偏光方向の光の所定の波長の反射率との積は８５％以上となることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、光量損失を抑制可能な偏光分離素子およびそれを用いた画像投射装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の実施形態に係る偏光分離素子の模式図である。
【図２】偏光分離素子の断面図である。
【図３】偏光分離素子の変形例の断面図である。
【図４】偏光分離素子の断面図の拡大図である。
【図５】偏光分離素子の使用方法の一例を示す図である。
【図６】シリコンの屈折率および消衰係数を示すグラフである。
【図７】実施例１の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図８】実施例１の偏光分離素子の偏光ごとの光量損失を示すグラフである。
【図９】実施例２の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図１０】実施例３の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図１１】実施例４の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図１２】実施例５の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図１３】実施例６の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図１４】実施例７の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図１５】実施例８の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図１６】実施例９の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図１７】実施例１０の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図１８】実施例１１の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図１９】実施例１２の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図２０】実施例１３の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図２１】実施例１４の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図２２】実施例１５の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図２３】実施例１６の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図２４】実施例１７の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図２５】実施例１８の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図２６】実施例１９の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図２７】実施例２０の偏光分離素子の効率を示すグラフである。
【図２８】実施例２１の画像投射装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。各図において、同一の部材については同一の参照番号を付し、重複する説明は省略する。
【００１１】
図１は、本発明の実施形態に係る偏光分離素子１００の模式図である。図２は、偏光分離素子１００の断面図である。偏光分離素子１００は、基板１、および基板１上に設けられ、延伸方向（第１の方向）に沿って延びる部材２を有する。基板１上には、部材２を延伸方向に直交する直交方向（第２の方向）に沿って所定の周期で配置した格子構造が形成されている。なお、本実施形態では、部材２は、基板１上に配置されているが、図３に示されるように、基板１内に設けられていてもよい。
【００１２】
ワイヤーグリッド型の偏光分離素子（以下、ワイヤーグリッド型偏光子という）の格子構造は、金属材料から構成されている。そのため、格子構造を構成する部材の長手方向に平行な方向へ偏光された入射光は、自由電子が電場を打ち消す方向へ移動するため、主に反射される。また、長手方向に垂直な方向へ偏光された入射光は、自由電子が電場を打ち消す方向への移動を制限されているため、主に透過する。このように、ワイヤーグリッド型偏光子の効果は金属由来の効果であり、物性としては材料の使用波長（入射する光の波長または波長帯域）における消衰係数が所定値より高い値であることが必要不可欠である。
【００１３】
しかしながら、消衰係数が所定値より高い値である場合、吸収による光量損失が生じてしまう。これにより、ワイヤーグリッド型偏光子では、格子構造を構成する部材の長手方向に垂直な方向へ偏光された入射光の透過率および長手方向に平行な方向へ偏光された入射光の反射率を一定以上の値にできない。具体的には、透過率と反射率との積は、８０％程度であることが知られている。
【００１４】
本実施形態の偏光分離素子１００の格子構造は、構造の大きさと屈折率の差異による共鳴現象を発生させる点でワイヤーグリッド型偏光子と異なる。一般的に、高屈折率材料を格子構造に使用することで、特異な現象を発生するものはＨｉｇｈ  Ｃｏｎｔｒａｓｔ  Ｇｒａｔｉｎｇ（以下、ＨＣＧという）と呼ばれている。ＨＣＧでは、格子構造を構成する部材と格子間媒質との高い屈折率比、および構造の大きさに起因する共鳴現象による効果（共鳴効果）が用いられる。共鳴効果の発現には、高い屈折率が必要である。また、共鳴現象を発生させる格子構造では消衰係数は共鳴効果の発現には不要であるが、消衰係数は透過・反射時の損失量と相関があるため、使用波長における消衰係数は低いことが望ましい。
【００１５】
本実施形態では、共鳴効果を得るために、部材２は、使用波長において、２．８以上の屈折率ｎ、１以下の消衰係数ｋを有する。すなわち、本実施形態の格子構造は、ワイヤーグリッド型偏光子の格子構造とは異なり、使用波長において高い屈折率および低い消衰係数を有する材料から構成されている。屈折率ｎが２．８未満である場合、部材２と部材間媒質との屈折率比、および部材２と基板１との屈折率比が低くなるため、共鳴効果を得ることが難しい。また、消衰係数が１より大きい場合、透過・反射時の光量損失が大きくなってしまう。
【００１６】
偏光分離素子１００は、高屈折率かつ低消衰係数の部材２から構成された格子構造を有することで、吸収量をワイヤーグリッド型偏光子の使用時に比べて小さくすることができる。吸収量を小さくすることができるため、発熱量を小さくすることができ、偏光分離素子１００を画像投射装置等に用いた際に有用である。
【００１７】
部材２の屈折率が高いほど、屈折率比が大きくなるとともに、高効率となる波長範囲（波長帯域）が広がる。屈折率ｎが３．５以上となることが望ましく、屈折率ｎが４以上であることが更に望ましい。
【００１８】
部材２の消減係数は低いほど、光量損失が小さくなる。そのため、材料の消衰係数ｋは、０．１５以下であることが望ましく、０．１以下であることが更に望ましい。
【００１９】
なお、本実施形態では、図２に示されるように、部材２の断面形状は長方形であるが、本発明はこれに限定されない。部材２の断面形状は、角が丸みを帯びた形状であってもよいし、楕円等の円形状に近い形状であってもよい。後述する条件式を適用する場合、これらの形状を有する部材の幅や高さはそれぞれ、高さ方向および幅方向の平均値を用いればよい。
【００２０】
図５は、本実施形態の偏光分離素子１００の使用方法の一例を示す図である。以下の説明では、基板１の格子構造が形成された面を第１面、第１面とは反対側の面、すなわち格子構造が形成されていない面を第２面とする。
【００２１】
偏光分離素子１００は、光源（不図示）から射出された入射光に対して略４５度の角度をなすように配置されている。本実施形態では、入射面は、部材２の延伸方向に直交する面、すなわち紙面に平行な方向を含む面である。
【００２２】
光源から射出され、偏光分離素子１００に対して略４５度の角度をなす入射光（以下、４５度入射光という）は、第２面に入射する。偏光分離素子１００は、入射光のうち第１偏光方向に偏光されたＰ偏光を透過させる。第１偏光方向は、延伸方向および入射光の入射方向に垂直な方向である。第２面からＰ偏光を入射させることで、第２面の反射率による効率低下の影響を小さくすることができる。また、第２面に反射防止膜を設けることで、反射率による影響を更に小さくすることができる。なお、光源は、レーザーといった単波長の光を射出するものでも、所定の波長帯域のスペクトルを有する光を射出するものでもよく、偏光された光とするための偏光板といった偏光素子を含んでもよい。
【００２３】
光変調素子２００は、偏光分離素子１００を透過したＰ偏光の偏光方向を９０度変化させることで、Ｐ偏光を第２偏光方向に偏光されたＳ偏光に変調し、Ｓ偏光を偏光分離素子１００に対して射出する。第２偏光方向は、第１偏光方向に直交する方向であり、本実施形態では、延伸方向に平行な方向である。なお、本実施形態では、液晶で構成される光変調素子２００を使用しているが、偏光方位を変更可能であれば他の光変調手段を使用してもよい。
【００２４】
偏光分離素子１００は、光変調素子２００から射出され、第１面に入射したＳ偏光を反射することで偏光分離を実現する。
【００２５】
偏光分離素子１００は、高屈折率材料を使用した格子構造を有し、上記方法で使用することで、広波長帯域で光量損失を抑制し、高効率化を実現することが可能である。ここで、効率とは、図５に示されるように４５度入射光のうち、Ｐ偏光の透過率ＴｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとの積である。高効率とは、Ｐ偏光の透過率ＴｐとＳ偏光の反射率Ｒｓとの積が８５％以上であることをいう。偏光分離素子１００は、特に、可視域（４００〜７００ｎｍ）の光に対して使用することで、ワイヤーグリッド型偏光子に対して効率を大きくすることができる。
【００２６】
本実施形態では、第２面による反射はＰ偏光の入射時においてのみ起こる。これは、第１面によりＳ偏光が反射され、第２面に入射する光の強度は十分小さくなっているため、反射の影響は無視することができるからである。そのため、偏光分離素子１００は、４５度入射光に対して、ブリュースター付近の角度であり反射率を低減しやすいＰ偏光の反射のみ第２面の反射が寄与する構成とすることで、望ましい特性を得ることができる。
【００２７】
また、偏光分離素子１００では、消衰係数が厳密に０でない場合、格子構造側（空気側）からのＳ偏光の反射率Ｒｓと基板１側からのＳ偏光の反射率が異なる（空気側からのＳ偏光の反射率Ｒｓは基板１側からのＳ偏光の反射率に比べて僅かに高い）。これは、格子構造を均一な膜とする場合、空気と格子構造との屈折率差異は、基板１と格子構造との屈折率差異に比べて大きいためである。したがって、格子構造側（空気側）からのＳ偏光を反射するように偏光分離素子１００を配置することで、表面反射成分が高くなるとともに、格子構造の内部に透過する成分が小さくなるため、損失の影響を受けづらくなる。
【００２８】
なお、本実施形態では、入射光は、第２面に入射し、光変調素子２００に反射された後、第１面で反射されるが、第１面に入射し、光変調素子２００に反射された後、第２面で反射されてもよい。
【００２９】
以下、格子構造のパラメータの適切な範囲について説明する。図４は、偏光分離素子１００の断面図の拡大図であり、周期Ｐ、部材２の幅（部材幅）Ｗおよび高さｔを示している。
（周期）
本実施形態では、格子構造の周期Ｐは、基板１の使用波長λにおける基板屈折率をｎ＿ｂａｓｅ、部材２の使用波長λにおける屈折率をｎとするとき、以下の条件式（１）を満足する。
【００３０】
【数１】
2019061234.tif 000003
【００３１】
条件式（１）を満足するように、使用波長λに応じて周期Ｐを適切に設定することで、高効率化および広波長帯域化を実現することができる。条件式（１）の上限値を超えると、一次以上の回折成分が発生してしまう。また、条件式（１）の下限値を超えると、有効媒質近似が可能となり、共鳴効果を得ることが困難になる。
【００３２】
なお、高い偏光分離効果を有すると考えられる効率８５％以上となる任意の波長において条件式（１）を満足してもよいが、効率８５％以上となる全ての波長において条件式（１）を満足することがより好ましい。
【００３３】
また、条件式（１）の数値範囲を以下のように設定することが好ましい。
【００３４】
【数２】
2019061234.tif 000004
【００３５】
さらに、条件式（１）の数値範囲を以下のように設定することがより好ましい。
【００３６】
【数３】
2019061234.tif 000005
【００３７】
（部材の幅）
偏光分離素子１００では、一定以上の幅を有する波長範囲において、偏光分離効果を有することが望ましい。プロジェクタ等の光学機器では同一の偏光分離素子を用いて赤、緑、青のうちの１色の偏光分離が行われるため、偏光分離素子は各色に対応する一定の波長範囲において偏光分離効果を有することが望まれるためである。また、レーザーといった単波長の光源使用時においても、光源からの光は一般的に一定の角度範囲を有する光束として入射する。そのため、偏光分離素子は、４５度入射光だけでなく、素子面に対して４５度近辺の角度（例えば、４０度から５０度）をなす入射光に対しても偏光分離効果を有することが望ましい。
【００３８】
偏光分離素子１００では、入射角度の変化による共鳴条件の変化により、概ね効率が最大となる波長のシフトが起こる。そこで、偏光分離素子１００は、可視域で使用される場合、偏光分離効果を得ることが可能な波長範囲として４０ｎｍといった一定以上の幅を有することが望ましい。
【００３９】
偏光分離素子１００は、一定以上の波長帯域で高効率を取得するために、透過および反射どちらの特性においても高い効率を得る必要がある。そこで、本実施形態では、部材２の幅Ｗは、格子構造における充填率の観点から条件式（４）を満足する。
【００４０】
【数４】
2019061234.tif 000006
【００４１】
条件式（４）を満足することで、より広い波長範囲において高い偏光分離効果を得る（効率が８５％以上となる）ことが可能である。条件式（４）の上限値を超えると、充填率が大きすぎ、高屈折材料の寄与が大きくなるため、Ｐ偏光の反射率が大きくなってしまう。そのため、Ｐ偏光の透過率が低下してしまう。また、条件式（４）の下限値を超えると、高屈折率材料の寄与が小さくなるため、共鳴効果が小さくなり、効率を高くすることができない。そのため、Ｓ偏光の反射率が低下してしまう。
【００４２】
また、条件式（４）の数値範囲を以下のように設定することが好ましい。
【００４３】
【数５】
2019061234.tif 000007
【００４４】
さらに、条件式（４）の数値範囲を以下のように設定することがより好ましい。
【００４５】
【数６】
2019061234.tif 000008
【００４６】
（部材の高さ）
部材の高さｔは、格子構造による位相遅延量に影響を与えるため、Ｓ偏光の反射を高めるためには、適切な高さを選択することが必要である。本実施形態では、高さｔは、部材２のアスペクト比の観点から以下の条件式（７）を満足する。
【００４７】
【数７】
2019061234.tif 000009
【００４８】
条件式（７）を満足することで、偏光分離効果を得ることが可能な波長範囲を広げることができる。条件式（７）の上限値を超えると、効率が８５％以上となる波長帯域の幅が減少するとともに、製造安定性も低下する。また、条件式（７）の下限値を超えると、効率が８５％以上となる波長帯域の幅が減少する。
【００４９】
また、条件式（７）の数値範囲を以下のように設定することが好ましい。
【００５０】
【数８】
2019061234.tif 000010
【００５１】
さらに、条件式（７）の数値範囲を以下のように設定することがより好ましい。
【００５２】
【数９】
2019061234.tif 000011
【００５３】
（製造方法）
偏光分離素子１００は、例えば、基板１上に蒸着やスピンコート等の方法で部材２の材料の均一な薄膜を形成した後、エッチング等の方法で格子構造を作成すればよい。すなわち、偏光分離素子１００は、基板上または基板内に格子構造の作成という少ない加工工程で製造可能である。部材２上にマスクを作成してエッチングを行う場合、偏光分離素子１００の特性に影響が小さい範囲で格子構造上にマスク材料が残存していても構わない。また、エッチング等で格子構造を作成する際、偏光分離素子１００の特性に影響が小さい範囲で基板１が削られても構わない。また、格子構造の周期は、使用波長以下であるものの、有効媒質近似が可能な周期より大きいため、有効媒質近似を前提とする既存のワイヤーグリッド等に比較して、格子構造の作成は容易である。なお、本実施形態の製造方法は一例であり、本発明はこれに限定されない。
（屈折率比）
部材２の屈折率と格子間媒質や基板１との屈折率との比に応じて、共鳴効果が発生する。図２に示されるように、基板１上に格子構造が形成されている場合、基板１と部材２との屈折率比（部材２の屈折率／基板１の屈折率）は２以上であることが望ましい。例えば、基板１の屈折率が１．５の場合、部材２の屈折率は３以上であることが望ましい。また、図３に示されるように、基板１内に格子構造が形成されている場合、基板１と部材２との屈折率比（部材２の屈折率／基板１の屈折率）は２．５以上であることが望ましい。基板１上に格子構造が形成された後、部材間および格子構造上を基板１と別の媒質で埋めた場合、基板１と部材２との屈折率比、および格子間媒質と部材２との屈折率比のいずれかが２．５以上であることが望ましい。基板１と部材２との屈折率比、および格子間媒質と部材２との屈折率比が２．５以上であることが更に望ましい。
（部材２の材料）
上述したように、部材２の使用波長における屈折率ｎは高く、消衰係数ｋは低いことが望ましい。例えば、可視光では、部材２がシリコン（アモルファス状態を除く）、ビスマスフェライト、およびガリウム砒素（短波長においては不適）のうちいずれかを含んでいる場合に上記条件を満足する。部材２は、上記材料のいずれかを９０％以上含んでいることが好ましい。上記材料のうちシリコンは、屈折率が可視域に対し３．５を超えるものの、消衰係数が低いことから、部材２の構成材料としてより望ましい。図６（ａ）および図６（ｂ）はそれぞれ、シリコンの結晶状態における、屈折率および消衰係数を示している。図６の屈折率および消衰係数の数値は、後述する実施例の透過率や反射率の計算で用いられる。
（基板１の材料）
偏光分離素子１００が透過および反射のいずれにおいても所望の偏光分離効果を得るために、基板１は使用波長において透明である（損失が小さい）ことが必要である。また、偏光分離素子１００は、基板１上に形成される格子構造以外にも、例えば、格子構造が形成されていない第２面に反射防止膜を設けてもよい。しかしながら、偏光分離素子として使用する際の光路内に金属等の高吸収材料の層があると、光量損失が大きくなってしまう。そのため、金属等の消衰係数が１以上の媒質が１０ｎｍ以上形成されていないことが求められる。
【００５４】
基板１は、例えば、可視光に対して偏光分離素子１００を使用する場合、一般の光学ガラスで構成されていればよい。また、前述したように、共鳴効果を得るために屈折率比が高くすることが望ましいため、基板１の屈折率は低いことが望ましい。そのため、基板１は、例えば、可視光に対して偏光分離素子１００を使用する場合、石英基板等の屈折率１．５以下の基板であることが望ましい。
（効果帯域）
偏光分離素子１００は、前述したように、偏光分離効果を得ることが可能な波長範囲を有することが望ましい。そのため、上述した条件式（１）〜（９）のいずれか（望ましくは全て）を満足する上で、以下の条件式（１０）を満足することが望ましい。
【００５５】
【数１０】
2019061234.tif 000012
【００５６】
ここで、Δλは効率が８５％以上となる波長範囲の幅（波長帯域幅）、λ＿ｍａｘは波長帯域幅Δλに含まれる波長であって、効率が最大となる波長である。
【００５７】
条件式（１０）を満足することで、偏光分離効果を得ることが可能な波長範囲が一定以上広いことに対応するため、広い波長範囲または広い入射角度に対応することが可能である。したがって、偏光分離素子１００が画像投射装置に使用され、所定の入射角度を有する光束が入射した場合でも、８５％以上の効率を有することができるため、良好な特性を実現することができる。
【００５８】
また、条件式（１０）の数値範囲を以下のように設定することが好ましい。
【００５９】
【数１１】
2019061234.tif 000013
【００６０】
［実施例１］
本実施例の偏光分離素子は、図１に示されるように、基板と、基板上に形成される格子構造と、を有する。格子構造では、延伸方向に沿って延びる部材が、延伸方向に直交する直交方向に沿って周期２３０ｎｍで規則的に配列している。部材の幅および高さはそれぞれ、６８ｎｍおよび６０ｎｍである。部材の材料はシリコン、基板は石英（可視域では屈折率１．４６で透過率・反射率計算時には分散はないものとする）である。本実施例の偏光分離素子は、波長５５０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。
【００６１】
本実施例の偏光分離素子に４５度入射光が入射される場合であって、延伸方向および入射方向に垂直な偏光方向の光の可視域の波長における透過率をＴｐ、延伸方向に平行な偏光方向の光の可視域の波長における反射率をＲｓとする。図７は、可視域の波長における透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積である効率を示している。透過率Ｔｐおよび反射率Ｒｓは、ＲＣＷＡ（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ  ｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅ  ａｎａｌｙｓｉｓ）法と呼ばれる方法で算出されている。ここで、透過率ＴｐはＰ偏光の基板への透過率であり、基板の裏面の反射影響は考慮していない。実際には、偏光分離素子としての使用時には基板面の反射率が効率の低下に寄与するものの、基板面の反射率については基板の屈折率に合わせた反射防止膜を設けることで反射の影響を小さくすることができる。
【００６２】
図７に示されるように、本実施例の偏光分離素子は、透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積が８５％を超える良好な特性を得ることができる。すなわち、本実施例の偏光分離素子は、基板側（格子構造の形成されていない側）から延伸方向および入射方向に垂直な偏光方向の光を透過し、格子構造側から延伸方向に平行な偏光方向の光を反射することで偏光分離を行う偏光分離素子として有用である。
【００６３】
図７には、入射角が４０度における効率と５０度における効率がそれぞれ点線と破線で示されている。本実施例の偏光分離素子は、入射角が４５度を中心として５度変化した場合であっても５４０〜５９０ｎｍの波長では効率８５％以上を維持することができる。すなわち、本実施例の偏光分離素子は、所定の入射角度範囲を有する光束について使用する偏光分離素子としても有用である。入射角は、図２に示される格子構造の断面における基板に対する入射角に対応し、（９０度−（直交方向となす角度））［度］とも同義である。
【００６４】
図８（ａ）は、偏光分離素子に４５度入射光が入射される場合のＰ偏光の透過率、反射率、および光量損失を示している。図８（ｂ）は、偏光分離素子に４５度入射光が入射される場合のＳ偏光の透過率、反射率、および光量損失を示している。図８に実線で示されるように、Ｐ偏光およびＳ偏光の損失は小さい。特に、効率が８５％以上となる５３０〜６００ｎｍの波長では、透過時のＰ偏光の光量損失は１％以下、反射時のＳ偏光の光量損失は５％以下と小さい。これにより、高輝度光源を使用した場合でも偏光分離素子の発熱を小さくすることができる。本実施例では、シリコンといった低消衰係数の材料を用いて格子構造を構成することで、損失の小さい偏光分離素子を実現することができる。
［実施例２〜７］
実施例２〜７の偏光分離素子はそれぞれ、実施例１の偏光分離素子と充填率（部材の幅／格子構造の周期）が異なる。他の構成は、実施例１の偏光分離素子と同様である。図９から図１４はそれぞれ、実施例２〜７の偏光分離素子の可視域の波長における効率を示している。実施例２の偏光分離素子は、波長５００ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例３の偏光分離素子は、波長５２０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例４の偏光分離素子は、波長５３０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例５の偏光分離素子は、波長５８０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例６の偏光分離素子は、波長６２０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例７の偏光分離素子は、波長６６０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。
【００６５】
各実施例の偏光分離素子は、条件式（４）を満足することで、効率が８５％以上となる波長帯域を有し、良好な特性を取得することができる。また、実施例３〜６の偏光分離素子は、式（５）を満足することで、効率が８５％以上となる波長帯域幅がより広くなり、より良好な特性を取得することができる。また、実施例４、５の偏光分離素子は、式（６）を満足することで、効率が８５％以上となる波長帯域幅が更に広くなり、更に良好な特性を取得することができる。
［実施例８］
本実施例の偏光分離素子は、実施例１の偏光分離素子と同様の構成を有する。格子構造の周期は、２８０ｎｍである。また、部材の幅および高さはそれぞれ、８４ｎｍおよび７０ｎｍである。部材の材料はシリコン、基板の材料は石英（可視域では屈折率１．４６で透過率・反射率計算時には分散はないものとする）である。本実施例の偏光分離素子は、波長６５０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。
【００６６】
図１５は、本実施例の偏光分離素子に４５度入射光が入射される場合であって、可視域の波長における透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積である効率を示している。図１５に示されるように、本実施例の偏光分離素子は、透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積が８５％を超える良好な特性を取得することができる。すなわち、本実施例の偏光分離素子は、基板側（格子構造の形成されていない側）から延伸方向および入射方向に垂直な偏光方向の光を透過し、格子構造側から延伸方向に平行な偏光方向の光を反射することで偏光分離を行う偏光分離素子として有用な素子である。
［実施例９〜１３］
実施例９〜１３の偏光分離素子はそれぞれ、実施例８の偏光分離素子と部材の高さが異なる。他の構成は、実施例８の偏光分離素子と同様である。図１６から図２０はそれぞれ、実施例９〜１３の偏光分離素子の可視域の波長における効率を示している。実施例９の偏光分離素子は、波長６１０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例１０の偏光分離素子は、波長６２０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例１１の偏光分離素子は、波長６５０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例１２の偏光分離素子は、波長６５０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例１３の偏光分離素子は、波長６４０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。
【００６７】
各実施例の偏光分離素子は、条件式（７）を満足することで、効率が８５％以上となる波長帯域を有し、良好な特性を得ることができる。また、実施例１０〜１３の偏光分離素子は、式（８）を満足することで、効率が８５％以上となる波長帯域幅がより広くなり、より良好な特性を得ることができる。また、実施例１１、１２の偏光分離素子は、式（９）を満足することで、効率が８５％以上となる波長帯域幅が更に広くなり、更に良好な特性を得ることができる。
［実施例１４］
本実施例の偏光分離素子は、実施例１の偏光分離素子と同様の構成を有する。格子構造の周期は、１８０ｎｍである。また、部材の幅および高さはそれぞれ、５４ｎｍおよび４０ｎｍである。部材の材料はシリコンで構成され、基板の材料は石英（可視域では屈折率１．４６で透過率・反射率計算時には分散はないものとする）である。本実施例の偏光分離素子は、波長４６０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。
【００６８】
図２１は、本実施例の偏光分離素子に４５度入射光が入射される場合であって、可視域の波長における透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積である効率を示している。図２１に示されるように、本実施例の偏光分離素子は、透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積が８５％を超える良好な特性を取得することができる。すなわち、本実施例の偏光分離素子は、基板側（格子構造の形成されていない側）から延伸方向および入射方向に垂直な偏光方向の光を透過し、格子構造側から延伸方向に平行な偏光方向の光を反射することで偏光分離を行う偏光分離素子として有用な素子である。
［実施例１５］
本実施例の偏光分離素子は、実施例１の偏光分離素子と同様の構成を有する。格子構造の周期は、２３０ｎｍである。また、部材の幅および高さはそれぞれ、６８ｎｍおよび６０ｎｍである。部材の材料はシリコン、基板は屈折率２（分散なし）の仮想基板である。本実施例の偏光分離素子は、波長５８０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。
【００６９】
図２２は、本実施例の偏光分離素子に４５度入射光が入射される場合であって、可視域の波長における透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積である効率を示している。図２２に示されるように、本実施例の偏光分離素子は、透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積が８５％を超える良好な特性を取得することができる。すなわち、本実施例の偏光分離素子は、基板側（格子構造の形成されていない側）から延伸方向および入射方向に垂直な偏光方向の光を透過し、格子構造側から延伸方向に平行な偏光方向の光を反射することで偏光分離を行う偏光分離素子として有用な素子である。
［実施例１６〜１８］
実施例１６〜１８の偏光分離素子はそれぞれ、実施例１の偏光分離素子と同様の構成を有する。格子構造の周期は、２３０ｎｍである。また、部材の幅および高さはそれぞれ、６８ｎｍおよび６０ｎｍである。実施例１６〜１８の格子の材料はそれぞれ、屈折率が２．８、３、３．５である屈折率分散のない仮想材料である。基板の材料は、石英（可視域では屈折率１．４６で透過率・反射率計算時には分散はないものとする）である。実施例１６の偏光分離素子は、波長５００ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例１７の偏光分離素子は、波長５００ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。実施例１８の偏光分離素子は、波長５１０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。
【００７０】
図２３〜２５はそれぞれ、実施例１６〜１８の偏光分離素子に４５度入射光が入射される場合であって、可視域の波長における透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積である効率を示している。図２３〜図２５に示されるように、各実施例の偏光分離素子は、透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積が８５％を超える良好な特性を取得することができる。すなわち、各実施例の偏光分離素子は、基板側（格子構造の形成されていない側）から延伸方向および入射方向に垂直な偏光方向の光を透過し、格子構造側から延伸方向に平行な偏光方向の光を反射することで偏光分離を行う偏光分離素子として有用な素子である。
［実施例１９］
本実施例の偏光分離素子は、図３に示されるように、基板と、基板内に形成される格子構造と、を有する。格子構造の周期は、２００ｎｍである。また、部材の幅および高さはそれぞれ、６０ｎｍおよび６０ｎｍである。部材の材料はシリコン、基板は石英（可視域では屈折率１．４６で透過率・反射率計算時には分散はないものとする）である。本実施例の偏光分離素子は、波長５１０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。
【００７１】
図２６は、本実施例の偏光分離素子に４５度入射光が入射される場合であって、可視域の波長における透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積である効率を示している。図２６に示されるように、本実施例の偏光分離素子は、透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積が８５％を超える良好な特性を取得することができる。すなわち、本実施例の偏光分離素子は、基板側（格子構造の形成されていない側）から延伸方向および入射方向に垂直な偏光方向の光を透過し、格子構造側から延伸方向に平行な偏光方向の光を反射することで偏光分離を行う偏光分離素子として有用な素子である。
［実施例２０］
本実施例の偏光分離素子は、実施例１９の偏光分離素子と同様の構成を有する。格子構造の周期は、２８０ｎｍである。また、部材の幅および高さはそれぞれ、８４ｎｍおよび８０ｎｍである。部材の材料はシリコン、基板は石英（可視域では屈折率１．４６で透過率・反射率計算時には分散はないものとする）である。本実施例の偏光分離素子は、波長６９０ｎｍ付近の波長の光に対する偏光分離機能を有する。
【００７２】
図２７は、本実施例の偏光分離素子に４５度入射光が入射される場合であって、可視域の波長における透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積である効率を示している。図２７に示されるように、本実施例の偏光分離素子は、透過率Ｔｐと反射率Ｒｓとの積が８５％を超える良好な特性を取得することができる。すなわち、本実施例の偏光分離素子は、基板側（格子構造の形成されていない側）から延伸方向および入射方向に垂直な偏光方向の光を透過し、格子構造側から延伸方向に平行な偏光方向の光を反射することで偏光分離を行う偏光分離素子として有用な素子である。
［実施例２１］
図２８は、各実施例のいずれかの偏光分離素子を用いた液晶プロジェクタ（画像投射装置）５００の構成を示す図である。液晶プロジェクタ５００は、光源ランプ２１０と、偏光変換素子２２と、ダイクロイックミラー２４と、波長選択性位相差板２５と、偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂとを有する。偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂのうち少なくとも一方が、各実施例のいずれかにて説明された偏光分離素子に相当する。なお、偏光分離素子は、実施例１で説明した緑色用の偏光分離素子または実施例８で説明した赤色用の偏光分離素子を使用することが好ましい。
【００７３】
また、液晶プロジェクタ５００は、光変調素子である反射型液晶パネル２３ｇ，２３ｂ，２３ｒと、位相差板２２ｂ，２２ｇ、２２ｒと、色合成プリズム２７と、投射レンズ（投射光学系）３０とを有する。
【００７４】
光源ランプ２１から発せられた白色光（緑色光１２ｇ、青色光１２ｂおよび赤色光１２ｒ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１１となって偏光変換素子２０に入射する。
【００７５】
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１３ｇ，青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒ）に変換する。次に、ダイクロイックミラー２４に入射した緑偏光１３ｇ，青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒのうち緑偏光１３ｇはダイクロイックミラー２４により反射され、青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒはダイクロイックミラー２４を透過する。緑偏光１３ｇは、偏光ビームスプリッタ１０ａにて反射され、位相差板２２ｇを通過して緑用反射型液晶パネル２３ｇに入射する。一方、青偏光１３ｂおよび赤偏光１３ｒは波長選択性位相差板２５に入射し、赤偏光１３ｒのみが該波長選択性位相差板２５によって偏光方向を９０°変換される。これにより、青偏光１３ｂはＳ偏光のまま、赤偏光１３ｒはｐ偏光として偏光ビームスプリッタ１０ｂに入射する。
【００７６】
そして、青偏光１３ｂは偏光ビームスプリッタ１０ｂにより反射され、位相差板２２ｂを通過して青用反射型液晶パネル２３ｂに入射する。また、赤偏光１３ｒは、偏光ビームスプリッタ１０ｂを透過して、位相差板２２ｒを通過して赤用反射型液晶パネル２３ｒに入射する。ダイクロイックミラー２４から偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂ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。
【００７７】
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（緑色画像光２６ｇ，青色画像光２６ｂおよび赤色画像光２６ｒ）となる。緑用反射型液晶パネル２３ｇにより変調された緑色画像光２６ｇは、位相差板２２ｇ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２７に入射する。また、青用反射型液晶パネル２３ｂにより変調された青色画像光２６ｂは、位相差板２２ｂを再び通過し、偏光ビームスプリッタ１０ｂを透過して色合成プリズム２７に入射する。赤用反射型液晶パネル２３ｒにより変調された赤色画像光２６ｒは、位相差板２２ｒを再び通過し、偏光ビームスプリッタ１０ｂで反射されて色合成プリズム２７に入射する。
【００７８】
緑色光２６ｇは色合成プリズム２７内のダイクロイック膜２７ａによって反射され、青色画像光２６ｂおよび赤色画像光２６ｒはダイクロイック膜２７ａを透過する。これにより、緑色光２６ｇ、青色画像光２６ｂおよび赤色画像光２６ｒ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１０ｂおよび色合成プリズム２７により色合成光学系が構成される。 
【００７９】
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。
【００８０】
本実施例の液晶プロジェクタは、偏光ビームスプリッタ１０ａ，１０ｂのうち少なくとも一方に各実施例のいずれかにて説明した偏光分離素子を用いることにより、光量損失を抑制することが可能である。
【００８１】
なお、本実施例では、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、ダイクロイックミラー２４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。
【００８２】
表１は、各実施例の格子構造のパラメータ、最大の効率を示す波長、および効率が８５％以上となる波長範囲の帯域幅を示している。
【００８３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。
【００８４】
【表１】
2019061234.tif 000014
【符号の説明】
【００８５】
１      基板
２      部材
１００  偏光分離素子
【図１】
2019061234.tif 000015
【図２】
2019061234.tif 000016
【図３】
2019061234.tif 000017
【図４】
2019061234.tif 000018
【図５】
2019061234.tif 000019
【図６】
2019061234.tif 000020
【図７】
2019061234.tif 000021
【図８】
2019061234.tif 000022
【図９】
2019061234.tif 000023
【図１０】
2019061234.tif 000024
【図１１】
2019061234.tif 000025
【図１２】
2019061234.tif 000026
【図１３】
2019061234.tif 000027
【図１４】
2019061234.tif 000028
【図１５】
2019061234.tif 000029
【図１６】
2019061234.tif 000030
【図１７】
2019061234.tif 000031
【図１８】
2019061234.tif 000032
【図１９】
2019061234.tif 000033
【図２０】
2019061234.tif 000034
【図２１】
2019061234.tif 000035
【図２２】
2019061234.tif 000036
【図２３】
2019061234.tif 000037
【図２４】
2019061234.tif 000038
【図２５】
2019061234.tif 000039
【図２６】
2019061234.tif 000040
【図２７】
2019061234.tif 000041
【図２８】
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