(57)【要約】【課題】変換効率が高く、安価な材料で容易に作製でき、かつ小型化も可能な偏光変換素子を提供する。【解決手段】本発明による偏光変換素子は、入射光の直交する２つの偏光成分を空間的に分離させる偏光分離部であって、直交する２つの偏光成分の光の出射波面を、各々少なくとも１つの凹形状を含み、かつ一方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部の位置と他方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部の位置とが重ならない形状に形成し、前記直交する２つの偏光成分の光を、前記偏光制御部が配置される位置において異なる領域に集光させる偏光分離部と、前記偏光分離部によって分離された光が入射する位置に応じて領域が分割されており、前記分割された領域のうち少なくとも一方の偏光成分の光が入射する位置に、入射光に対して所定の位相差を生じさせる偏光制御層を有する偏光制御部と備える。【選択図】図１
2015011295.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の直交する２つの偏光成分を空間的に分離させる偏光分離部と、
前記偏光分離部と所定の距離を隔てて配置され、前記偏光分離部によって空間的に分離された一方の偏光成分の光と他方の偏光成分の光とを同じ偏光に揃えて出射する偏光制御部とを備え、
前記偏光分離部は、直交する２つの偏光成分の光の出射波面を、各々少なくとも１つの凹形状を含み、かつ一方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部の位置と他方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部の位置とが重ならない形状に形成し、
前記偏光分離部によって出射された前記直交する２つの偏光成分の光は、前記偏光制御部が配置される位置において異なる領域に集光し、
前記偏光制御部は、前記偏光分離部によって分離された光が入射する位置に応じて領域が分割されており、前記分割された領域のうち少なくとも一方の偏光成分の光が入射する位置に、入射光に対して所定の位相差を生じさせる偏光制御層を有する
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
前記偏光分離部は、直交する２つの偏光成分の光の出射波面を、各々凹形状が２以上連なった形状であり、かつ一方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部と底部の間に他方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部が位置する形状に形成し、
前記偏光分離部によって出射された前記直交する２つの偏光成分の光は、前記偏光制御部が配置される位置において互いに重ならない領域に周期的に集光する
請求項１に記載の偏光変換素子。
【請求項３】
前記偏光分離部は、入射光を互いに独立な直線偏光成分の光に分離させるものであり、逆方向に向かって傾斜する２つの傾斜面を有し、断面が凸形状の複屈折材料からなる構造体である複屈折構造体を２以上並べた複屈折構造体アレイと、前記複屈折構造体アレイによって形成される凹部を少なくとも埋めるように配される等方性材料層とを有し、
前記偏光制御部は、前記分割された領域のうち一方の直線偏光成分の光が入射する位置に、１／２波長板として作用する偏光制御層を有する
請求項１または請求項２に記載の偏光変換素子。
【請求項４】
前記偏光分離部は、入射光を互いに独立な円偏光成分の光に分離させるものであり、素子の面内において、複屈折材料の光学軸の角度が、０°から１８０°へと段階的に変化する第１の領域と、１８０°から０°へと段階的に変化する第２の領域とが繰り返される最小単位を１セットとして、前記セットが２以上連続する分布を示す複屈折層を有し、
前記偏光制御部は、前記偏光分離部によって空間的に分離された一方の円偏光成分の光と他方の円偏光成分の光とを同じ直線偏光成分の光に変換して出射するものであり、前記分割された領域のうち一方の円偏光成分の光が入射する位置に１／４波長板として作用する第１の偏光制御層を有し、他方の円偏光成分の光が入射する位置に１／４波長板として第２の偏光制御層を有し、前記第１の偏光制御層と前記第２の偏光制御層の光学軸が９０°異なっている
請求項１または請求項２に記載の偏光変換素子。
【請求項５】
前記偏光分離部は、入射光を互いに独立な円偏光成分の光に分離させるものであり、素子の面内において、複屈折材料の光学軸の角度が、０°から１８０°へと段階的に変化する第１の領域または１８０°から０°へと段階的に変化する第２の領域のいずれか一方が所定のピッチで繰り返される分布を示す複屈折層と、前記複屈折層の入射面に配され、前記複屈折層により互いに異なる方向に偏向されて出射される直交する２つの円偏光成分の光を前記偏光制御部が配置される位置において互いに重ならない領域に集光させるレンチキュラーレンズとを有し、
前記偏光制御部は、前記偏光分離部によって空間的に分離された一方の円偏光成分の光と他方の円偏光成分の光とを同じ直線偏光成分の光に変換して出射するものであり、前記分割された領域のうち一方の円偏光成分の光が入射する位置に１／４波長板として作用する第１の偏光制御層を有し、他方の円偏光成分の光が入射する位置に１／４波長板として第２の偏光制御層を有し、前記第１の偏光制御層と前記第２の偏光制御層の光学軸が９０°異なっている
請求項１または請求項２に記載の偏光変換素子。
【請求項６】
前記等方性材料の屈折率をｎｓとし、前記複屈折構造体の材料である複屈折材料の常光屈折率をｎｏとし、異常光屈折率をｎｅとするとき、ｎｏ＞ｎｓ＞ｎｅまたはｎｅ＞ｎｓ＞ｎｏを満たす
請求項３に記載の偏光変換素子。
【請求項７】
前記最小単位が、２以上の第１の領域と２以上の第２の領域の繰り返しである
請求項４に記載の偏光変換素子。
【請求項８】
前記複屈折層のリタデーションが、入射光の波長λに対してλ／２±０．２λを満たす
請求項４、５、７のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項９】
前記複屈折材料が高分子液晶である
請求項３、４、５、７、８のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項１０】
前記所定の距離が、１０ｍｍ以下である
請求項１〜９のいずれかに記載の偏光変換素子。
【請求項１１】
ランダム偏光を発光する光源部と、前記光源部が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成部と、前記画像光を投射する投射部とを備えた投射型表示装置であって、
前記光源部と前記画像光生成部との間の光路中に、請求項１〜１０のいずれかに記載の偏光変換素子を備える
ことを特徴とする投射型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射するランダム偏光の光を、特定の直線偏光成分の光に変換して出射する偏光変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光変換素子に関連する技術として、偏光分離機能と偏光回転機能とを組み合わせて偏光変換を行う技術が様々開発されている。
【０００３】
例えば、直交する偏光成分のうちの一方の偏光成分の光を直進させ、他方の偏光成分の光を反射させて偏光分離を行う偏光ビームスプリッタ等の偏光分離素子を用いて入射光を偏光分離させ、偏光分離された一方の偏光成分の光の光路にのみ１／２波長板等の偏光回転素子を配置することにより、偏波面の揃った直線偏光のみを得る技術がある。
【０００４】
この他にも偏光分離機能を有する素子として、複屈折結晶のウォークオフ角を利用した素子や、結晶を用いた偏光レンズなどがある。
【０００５】
また、特許文献１には、小型化を目的として、偏光ビームスプリッタと位相差板とを有する変換ユニットをアレイ化して備えるディスプレイシステム用光学変換モジュールが記載されている。
【０００６】
また、特許文献２には、製造工程の複雑化を低減することを目的として、ウォークオフ角を利用して偏光分離を行う複屈折板と、その複屈折板により所定の距離だけ離れた光路において分離される異常光線を偏光回転させる１／２波長板とを組み合わせた偏光変換素子が記載されている。
【０００７】
また、特許文献３には、一方の偏光成分の光に対して集光機能を発現させる液晶層と偏光回転機能とを組み合わせた偏光変換素子が記載されている。特許文献３に記載されている偏光変換素子は、電極に印加する電界によって屈折率分布を制御可能な液晶層と、入射する光の偏光を回転させる偏光回転領域と回転させない非回転領域とが周期的に配置される偏光変換層とを備えている。液晶層において電極ピッチに対応した比較的大きな凸レンズ状の異常光に対する屈折率分布を生じさせることにより、一方の偏光成分の光を周期的に設けられた偏光回転領域に集光させ、集光させた一方の偏光成分の光がその偏光回転領域を通過する際に偏光回転させられることにより、偏波面が揃った直線偏光を出射するとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００５−２１５６６９号公報
【特許文献２】特開２００７−９３９６４号公報
【特許文献３】特開２００８−１３９６８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
偏光分離機能と偏光回転機能とを組み合わせれば、一方の偏光成分の光を透過し、他方の偏光成分の光を吸収する偏光子を用いる場合に比べて、光の吸収損失なしに偏光変換できる。
【００１０】
しかし、偏光分離機能として、直交する偏光成分のうちの一方の偏光成分の光を直進させ、他方の偏光成分の光を反射させる偏光ビームスプリッタを用いると、光学系が大型化する問題があった。なお、特許文献１に記載されているように偏光ビームスプリッタをアレイ化すれば薄型化が可能であるが、偏光ビームスプリッタのアレイを作成するのは容易ではなく、また製造コストが高くなる問題がある。
【００１１】
また、特許文献２に記載されているような複屈折性材料のウォークオフ角を利用する場合、ＬｉＮｂＯ３などの無機結晶を利用する必要があり、材料が高価なためにコストが高くなる問題がある。
【００１２】
また、特許文献３に記載された方法は、液晶層において一方の偏光成分のみを集光し、他方は集光しない。集光されない偏光成分の光が本来必要でない偏光回転領域に入射することになり、光の利用効率が低下する問題がある。
【００１３】
そこで、本発明は、変換効率が高く、安価な材料で容易に作製でき、かつ小型化も可能な偏光変換素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明による偏光変換素子は、入射光の直交する２つの偏光成分を空間的に分離させる偏光分離部と、前記偏光分離部と所定の距離を隔てて配置され、前記偏光分離部によって空間的に分離された一方の偏光成分の光と他方の偏光成分の光とを同じ偏光に揃えて出射する偏光制御部とを備え、前記偏光分離部は、直交する２つの偏光成分の光の出射波面を、各々少なくとも１つの凹形状を含み、かつ一方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部の位置と他方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部の位置とが重ならない形状に形成し、前記偏光分離部によって出射された前記直交する２つの偏光成分の光は、前記偏光制御部が配置される位置において異なる領域に集光し、前記偏光制御部は、前記偏光分離部によって分離された光が入射する位置に応じて領域が分割されており、前記分割された領域のうち少なくとも一方の偏光成分の光が入射する位置に、入射光に対して所定の位相差を生じさせる偏光制御層を有することを特徴とする。
【００１５】
また、本発明による偏光変換素子において、前記偏光分離部は、直交する２つの偏光成分の光の出射波面を、各々凹形状が２以上連なった形状であり、かつ一方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部と底部の間に他方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部が位置する形状に形成し、前記偏光分離部によって出射された前記直交する２つの偏光成分の光は、前記偏光制御部が配置される位置において互いに重ならない領域に周期的に集光してもよい。
【００１６】
また、本発明による偏光変換素子において、前記偏光分離部は、入射光を互いに独立な直線偏光成分の光に分離させるものであり、逆方向に向かって傾斜する２つの傾斜面を有し、断面が凸形状の複屈折材料からなる構造体である複屈折構造体を２以上並べた複屈折構造体アレイと、前記複屈折構造体アレイによって形成される凹部を少なくとも埋めるように配される等方性材料層とを有し、前記偏光制御部は、前記分割された領域のうち一方の直線偏光成分の光が入射する位置に、１／２波長板として作用する偏光制御層を有してもいてもよい。
【００１７】
また、本発明による偏光変換素子において、前記偏光分離部は、入射光を互いに独立な円偏光成分の光に分離させるものであり、素子の面内において、複屈折材料の光学軸の角度が、０°から１８０°へと段階的に変化する第１の領域と、１８０°から０°へと段階的に変化する第２の領域とが繰り返される最小単位を１セットとして、前記セットが２以上連続する分布を示す複屈折層を有し、前記偏光制御部は、前記偏光分離部によって空間的に分離された一方の円偏光成分の光と他方の円偏光成分の光とを同じ直線偏光成分の光に変換して出射するものであり、前記分割された領域のうち一方の円偏光成分の光が入射する位置に１／４波長板として作用する第１の偏光制御層を有し、他方の円偏光成分の光が入射する位置に１／４波長板として第２の偏光制御層を有し、前記第１の偏光制御層と前記第２の偏光制御層の光学軸が９０°異なっていてもよい。
【００１８】
また、本発明による偏光変換素子において、前記偏光分離部は、入射光を互いに独立な円偏光成分の光に分離させるものであり、素子の面内において、複屈折材料の光学軸の角度が、０°から１８０°へと段階的に変化する第１の領域または１８０°から０°へと段階的に変化する第２の領域のいずれか一方が所定のピッチで繰り返される分布を示す複屈折層と、前記複屈折層の入射面に配され、前記複屈折層により互いに異なる方向に偏向されて出射される直交する２つの円偏光成分の光を前記偏光制御部が配置される位置において互いに重ならない領域に集光させるレンチキュラーレンズとを有し、前記偏光制御部は、前記偏光分離部によって空間的に分離された一方の円偏光成分の光と他方の円偏光成分の光とを同じ直線偏光成分の光に変換して出射するものであり、前記分割された領域のうち一方の円偏光成分の光が入射する位置に１／４波長板として作用する第１の偏光制御層を有し、他方の円偏光成分の光が入射する位置に１／４波長板として第２の偏光制御層を有し、前記第１の偏光制御層と前記第２の偏光制御層の光学軸が９０°異なっていてもよい。
【００１９】
また、本発明による偏光変換素子は、前記等方性材料の屈折率をｎｓとし、前記複屈折構造体の材料である複屈折材料の常光屈折率をｎｏとし、異常光屈折率をｎｅとするとき、ｎｏ＞ｎｓ＞ｎｅまたはｎｅ＞ｎｓ＞ｎｏを満たすものであってもよい。
【００２０】
また、本発明による偏光変換素子は、前記最小単位が、２以上の第１の領域と２以上の第２の領域の繰り返しであってもよい。
【００２１】
また、本発明による偏光変換素子は、前記複屈折層のリタデーションが、入射光の波長λに対してλ／２±０．２λを満たすものであってもよい。
【００２２】
また、本発明による偏光変換素子は、前記複屈折材料が高分子液晶であってもよい。
【００２３】
また、本発明による偏光変換素子は、前記所定の距離が、１０ｍｍ以下であってもよい。
【００２４】
また、本発明による投射型表示装置は、ランダム偏光を発光する光源部と、前記光源部が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成部と、前記画像光を投射する投射部とを備えた投射型表示装置であって、前記光源部と前記画像光生成部との間の光路中に、上述のいずれかの偏光変換素子を備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、変換効率が高く、安価な材料で容易に作製でき、かつ小型化も可能な偏光変換素子を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の偏光変換素子による偏光変換の例を示す説明図である。
【図２】本発明の偏光変換素子による偏光変換の例を示す説明図である。
【図３】第１の実施形態の偏光変換素子１００の構成例を模式的に示す模式断面図である。
【図４】偏光分離部１１の構成例を示す説明図である。
【図５】偏光分離部１１の他の構成例を示す説明図である。
【図６】複屈折構造体１１３の傾斜面による屈折率の面内分布を利用した偏光ごとの光路例を示す説明図である。
【図７】複屈折構造体１１３の傾斜面による屈折率の面内分布を利用した偏光ごとの光路例を示す説明図である。
【図８】偏光分離部１１全体での入射光の光路例を示す説明図である。
【図９】偏光分離部１１の他の例を示す断面図である。
【図１０】偏光分離部１１の他の例を示す断面図である。
【図１１】偏光変換素子１００全体での入射光の光路例を示す説明図である。
【図１２】偏光制御部１２の構成例を示す模式斜視図である。
【図１３】第２の実施形態の偏光変換素子２００の構成例を示す説明図である。
【図１４】第２の実施形態の偏光変換素子２００の他の例を示す説明図である。
【図１５】ランダム偏光の光が偏光分離部２１に入射した場合の光路例を示す説明図である。
【図１６】ランダム偏光の光が偏光分離部２１に入射した場合の光路例を示す説明図である。
【図１７】偏光変換素子２００全体での入射光の光路例を示す説明図である。
【図１８】偏光制御部２２の構成例を示す要部分解斜視図である。
【図１９】偏光分離部２１における配向処理の一例を模式的に表した模式平面図である。
【図２０】偏光制御部２２における配向処理の一例を模式的に表した模式平面図である。
【図２１】第３の実施形態の偏光変換素子３００の構成例を示す説明図である。
【図２２】偏光分離部３１の構成例を模式的に示す模式斜視図である。
【図２３】ランダム偏光の光が集光されずに複屈折層３１３に入射した場合の光路例を示す説明図である。
【図２４】ランダム偏光の光がレンチキュラーレンズ３１４によって集光されて複屈折層３１３に入射した場合の光路例を示す説明図である。
【図２５】偏光変換素子３００全体での入射光の光路例を示す説明図である。
【図２６】第４の実施形態の投射型表示装置の構成例を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
まず、本発明の概要について説明する。図１は、本発明の偏光変換素子による偏光変換の例を示す説明図である。図１に示すように、本発明の偏光変換素子は、入射光の直交する２つの偏光成分（例えば、ｎｏ偏光とｎｅ偏光）を各々集光された状態で空間的に分離させる偏光分離部１と、偏光分離部１によって偏光分離された一方の偏光成分の光と他方の偏光成分の光を同じ偏波面を有する光に変換して出射する偏光制御部２とを組み合わせることによって、入射するランダム偏光の光を特定の直線偏光成分の光に変換して出射する。
【００２８】
なお、図中において、符号５０１はｎｅ偏光光の集光位置を表し、符号５０２はｎｏ偏光光の集光位置を表している。また、符号５０３はｎｅ偏光光の波面を表し、符号５０４はｎｏ偏光光の波面を表している。
【００２９】
集光位置５０１，５０２により表されるように、偏光分離部１は、単に偏光を分離するだけでなく、各々の偏光成分の光を集光させつつ互いに分離させる。より具体的には、偏光分離部１は、直交する２つの偏光成分の光の出射波面を、各々少なくとも１つの凹形状を含み、かつ一方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部の位置と他方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部の位置とが重ならない形状に形成することにより、直交する偏光成分の光を偏光制御部２０が配置される位置において異なる領域に集光させる。ここで、出射波面の形状における「底部」とは、１つの凹形状内に表れる最も低い部分をいう。また、凹形状が２以上連なるとその連なりによって１つ以上の凸形状が表れる。以下、１つの凸形状内において最も高い部分を「頂部」という。
【００３０】
図１に示す例では、偏光分離部１は、直交する偏光成分の光の出射波面を、各々凹形状が２以上連なった形状であり、かつ一方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部と底部の間に他方の偏光成分の光の出射波面の凹形状の底部が位置する形状に形成している。すなわち、当該偏光分離部１から偏光制御部２が配置される位置よりも手前のある所定の距離離れた地点での出射波面の形状に着目したときに、一方の偏光成分の光の出射波面（例えば、図中の波面５０３）の形状における底部と底部の間に他方の偏光成分の光の出射波面（例えば、図中の波面５０４）の形状における底部が１つ位置し、同様に、他方の偏光成分の光の出射波面（例えば、図中の波面５０４）の形状における底部と底部の間に他方の偏光成分の光の出射波面（例えば、図中の波面５０３）の形状における底部が１つ位置するように形成している。これにより、直交する偏光成分の光を偏光制御部２が配置される位置において互いに重ならない領域に交互に集光させている。
【００３１】
なお、偏光制御部２が配置される位置よりも手前の所定の地点において、一方の偏光成分の光の出射波面の凹凸形状と他方の偏光成分の光の出射波面の凹凸形状が互い違いになるように、すなわち、一方の偏光成分の光の出射波面の形状において底部が表れる位置に他方の偏光成分の光の出射波面の形状における頂部が表れ、一方の偏光成分の光の出射波面の形状において頂部が表れる位置に他方の偏光成分の光の出射波面の形状における底部が表れるように形成すると、２つの偏光成分の光の集光特性が揃うため好ましい。
【００３２】
なお、図１には、偏光分離部１の例として、断面が三角形状の複屈折材料からなる構造体である複屈折構造体３のアレイを備える構成が示されているが、偏光分離部１の構成はこの限りではなく、例えば断面が球面、放物面のような曲面やサイン波のような波状の形状でもよい。
【００３３】
偏光制御部２は、偏光分離部１によって分離された各偏光成分の光が入射する位置に応じて領域が分割されており、分割された領域のうち少なくとも一方の偏光成分の光が入射する位置に、入射光に対して所定の位相差を生じさせる偏光制御層（図中の例では、偏光制御層４）を有していればよい。
【００３４】
例えば、偏光分離部１が入射光を直交する２つの直線偏光に分離して出射する構成の場合、偏光制御部２は、領域分割された１／２波長板であってもよい。より具体的には、一方の偏光成分の光が入射する位置（例えば、図中の集光位置５０１に対応する位置）に、１／２波長板として作用する第１の偏光制御層４を有していればよい。なお、他方の偏光成分の光が入射する位置（例えば、図中の集光位置５０２に対応する位置）には何も設けなくてもよい。すなわち、符号５は空気層でよい。また、偏光制御層４を設ける位置は集光位置５０１に対応する位置ではなく、集光位置５０２に対応する位置であってもよい。その場合、集光位置５０１に対応する位置が空気層となる。
【００３５】
また、図２は、本発明の偏光変換素子による偏光変換の他の例を示す説明図である。図２に示すように、偏光分離部１は入射光を左円偏光と右円偏光とに分離して出射するものであってもよい。そのような場合には、偏光制御部２は、各々の偏光成分の光が入射する位置に１／４波長板として作用する偏光制御層を有していればよい。具体的には、一方の円偏光成分の光が入射する位置（例えば、図中の集光位置５０１に対応する位置）に１／４波長板として作用する第１の偏光制御層４を有し、かつ他方の円偏光成分の光が入射する位置（例えば、図中の集光位置５０２に対応する位置）に１／４波長板として作用する第２の偏光制御層５を有し、第１の偏光制御層４と第２の偏光制御層５とで光学軸を９０°異ならせればよい。
【００３６】
図２において、符号５０１は右円偏光の集光位置を表し、符号５０２は左円偏光の集光位置を表している。また、符号５０３は右円偏光の波面を表し、符号５０４は左円偏光の波面を表している。なお、このような波面形状は、例えば偏光分離部１として、複屈折材料の光学軸が所定の面内分布を示すよう配向制御された複屈折層６を備えることにより実現できる。なお、偏光分離部１の構成はこの限りではない。
【００３７】
以下、本発明の偏光変換素子のより具体的な構成について図面を参照して説明する。
【００３８】
実施形態１．
図３は、第１の実施形態の偏光変換素子１００の構成例を模式的に示す模式断面図である。図３に示す偏光変換素子１００は、偏光分離部１１と、偏光分離部１１と所定の距離を隔てて配置される偏光制御部１２とを備えている。
【００３９】
本実施形態の偏光分離部１１は、入射光を互いに独立な直線偏光成分の光に分離させる。偏光分離部１１は、例えば図３に示すように、一対の透明基板１１１，１１２を有し、一方の透明基板１１１の面上に、逆方向に向かって傾斜する２つの傾斜面１１３１ａ，１１３１ｂを有し、かつ断面が凸形状の複屈折構造体１１３が２以上並んで配置されているとともに、その２以上並んだ複屈折構造体１１３によって形成される凹部を少なくとも埋めるように、透明基板１１１と１１２の間の隙間領域に光学的等方性を有する材料（以下、等方性材料という。）からなる等方性材料層１１５が配置されていてもよい。
【００４０】
なお、各複屈折構造体１１３は、同一面上に、逆方向に向かって傾斜する傾斜面によって形成される凸形状が連なるように並べられることによって、複屈折構造体アレイ１１４を構成している。
【００４１】
また本実施形態において、等方性材料層１１５は、等方性材料からなる構造体によって構成されていてもよい。そのような場合、偏光分離部１１は、一対の透明基板１１１，１１２の間に、互いの形状が対向面で勘合している複屈折構造体アレイ１１４と等方性構造体アレイとを備えていると言うこともできる。
【００４２】
図４は、本実施形態の偏光分離部１１の構成例を示す説明図である。なお、図４（ａ）は図３に示した偏光分離部１１の模式斜視図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）に示した偏光分離部１１が備えるうちの１つの複屈折構造体１１３を上から見た上面図である。図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、偏光分離部１１は、断面形状が三角形であり一方向（図の例では、Ｙ軸方向）に延伸している複屈折構造体１１３が並べて配置された構成であってもよい。本例の各複屈折構造体１１３は、それぞれ傾斜方向１の傾斜面と傾斜方向２の傾斜面を有している。本発明では、傾斜面の上辺略中央位置から下辺略中央位置へと下る方向を正の傾斜方向としており、傾斜方向１と傾斜方向２とでは傾斜方向が稜線とＺ軸を含む面に対して対称となっている。本実施形態の偏光分離部１１は、このように逆方向に向かって傾斜する傾斜面に入射した光線が、偏光によってそれぞれ異なる方向に屈折する性質を利用して光を分離させる。
【００４３】
なお、傾斜面は、一様に傾斜するものに限らない。すなわち、複屈折構造体１１３は、断面が三角形状などの直線形状に限らず、ｓｉｎカーブ形状や半球状などの曲線形状や、これらを階段状に近似した形状であってもよい。また、三角形状の頂点と谷を滑らかにした形状や台形状であってもよい。なお、半球状や台形状の場合、複屈折構造体アレイ１１４は、半球状や台形状の各複屈折構造体１１３を凹型と凸型が交互に並ぶように配置したものであってもよい。
【００４４】
また、各複屈折構造体１１３は、必ずしも同一形状でなくてもよい。すなわち、複屈折構造体アレイ１１４は、サイズや形状の異なる複屈折構造体１１３の組み合わせであってもよい。また、図４の例では、各複屈折構造体１１３の伸長方向が全てＹ軸方向というように揃っているが、各複屈折構造体１１３の伸長方向は異なっていてもよく、また直線に限らず、曲線であってもよい。例えば、同心円を描くように各複屈折構造体１１３が配置された構成であってもよい。
【００４５】
また、複屈折構造体１１３は、逆方向に傾斜する２つの傾斜面を１セットとして、そのような傾斜面のセットを２セット以上有する構造体であってもよい。図５は、本実施形態の偏光分離部１１の他の構成例を示す説明図である。なお、図５（ａ）は、本実施形態の偏光分離部１１の他の例を示す模式斜視図であり、図５（ｂ）は、そのうちの１つの複屈折構造体１１３を上面から見た要部上面図である。例えば図５に示すように、複屈折構造体１１３は多角錐形状であってもよい。
【００４６】
複屈折構造体１１３の材料である複屈折材料は、有機材料が好ましい。例えば、樹脂材料であれば、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリケトンサルファイド、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリアリレート、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、セルロース系プラスチックス、ポリオレフィンなどが挙げられる。また、複屈折性が得られる高分子液晶を含む液晶材料であってもよい。
【００４７】
なお、液晶材料を用いる場合には、複屈折構造体１１３の伸長方向（図４の例ではＹ軸方向。）と液晶分子の長軸方向が一致する様に液晶分子を配向させる方が液晶の配向異常が低減されるため好ましい。
【００４８】
また、透明基板１１１，１１２は、いずれも入射する光に対して透明であればよく、樹脂板、樹脂フィルムなど種々の材料を用いることができる。なお、ガラスや石英ガラスなどの無機材料を用いると、耐久性の面で好ましい。また、等方性材料を用いると、透過光に複屈折性の影響を与えないため好ましい。
【００４９】
また、等方性材料層１１５の材料は、等方性材料であって、透明材料であればよい。例えば、樹脂やガラスなどの無機材料であってもよい。
【００５０】
なお、図示を省略しているが、透明基板１１１，１１２と空気との界面に多層膜による反射防止膜を備えると、フレネル反射による光反射損失を低減できる。また、素子厚を低減するため、透明基板１１１を除去してもよい。
【００５１】
本実施形態の偏光分離部１１では、傾斜を有する複屈折構造体１１３を備えることにより、直交する偏光成分の光に対して素子面内の屈折率分布における屈折率の差を表す傾斜を異ならせている。図６および図７は、複屈折構造体１１３の傾斜面によって生じる屈折率分布における傾斜の違いを利用した偏光ごとの光路例を示す説明図である。なお、図６（ａ）は、複屈折構造体１１３の一方の傾斜面が形成されている領域に紙面に平行な第１の偏光方向の光がｎｏ偏光光として入射した場合の光路例を示す説明図である。また、図６（ｂ）は、同領域に紙面に垂直な第２の偏光方向の光がｎｅ偏光光として入射した場合の光路例を示す説明図である。また、図７（ａ）は、複屈折構造体１１３の他方の傾斜面が形成されている領域に紙面に平行な第１の偏光方向の光がｎｏ偏光光として入射した場合の光路例を示す説明図である。また、図７（ｂ）は、同領域に紙面に垂直な第２の偏光方向の光がｎｅ偏光光として入射した場合の光路例を示す説明図である。
【００５２】
まず、図６（ａ）および図６（ｂ）を参照して、複屈折構造体１１３の図面左側半分の領域に光が入射した場合について説明する。以下、等方性材料層１１５の材料である等方性材料の屈折率をｎｓ、複屈折構造体１１３の材料である複屈折材料の異常光屈折率をｎｅ、常光屈折率をｎｏと記す。第１の偏光方向の光に対する当該領域での屈折率は、左端ではｎｓ、右端（図の中央）ではｎｏとなる（図６（ａ）参照。）。一方、第２の偏光方向の光に対する当該領域での屈折率は、左端ではｎｓ、右端（図の中央）ではｎｅとなる（図６（ｂ）参照。）。なお、当該領域の厚さｄは、複屈折構造体１１３において１つの傾斜面が形成される領域の高さとする。また、当該領域の幅Ｗは、複屈折構造体１１３において１つの傾斜面が形成される領域の幅とする。
【００５３】
ここで、複屈折構造体１１３の傾斜面は一様に傾斜していると仮定する。すると、当該領域における各々の偏光光に対する屈折率分布も傾斜に沿って一様に変化する。この構造的な傾斜があることによって、同じ偏光方向の光に対しても当該領域を通過した光線の出射波面の傾斜角度をその入射位置により異ならせることができる。本実施形態では構造的な傾斜を利用して入射位置に応じて出射波面の傾斜角度を異ならせることにより各偏光光を所定の位置へ集光させている。ここで傾斜面による出射波面の傾斜つまり屈折は、当該領域の一方の端での屈折率をｎ１、他方の端での屈折率をｎ２、当該領域の幅をＷ［μｍ］、当該領域の厚さをｄ［μｍ］、当該領域での屈折角をαとすると、以下の式（１）のように表すことができる。ここで屈折角αは、複屈折構造体１１３と等方性材料層１１５の界面から出射される光の進行方向と、複屈折構造体１１３への入射面の法線ｂとがなす角度とする。
【００５４】
ｓｉｎα＝（ｎ２−ｎ１）・ｄ／Ｗ  ・・・式（１）
【００５５】
これを偏光ごとに表現すると次のようになる。まず、当該領域に入射した第１の偏光方向の光に対して形成される出射波面の傾斜は、以下の式（２）で表される。ここで、α１は第１の偏光方向の光に対する当該領域での屈折角である。
【００５６】
ｓｉｎα１＝（ｎｏ−ｎｓ）・ｄ／Ｗ  ・・・式（２）
【００５７】
一方、当該領域に入射した第２の偏光方向の光に対して形成される出射波面の傾斜は、以下の式（３）で表される。ここで、α２は第２の偏光方向の光に対する当該領域での屈折角である。
【００５８】
ｓｉｎα２＝（ｎｅ−ｎｓ）・ｄ／Ｗ  ・・・式（３）
【００５９】
式（２）および式（３）より、第１の偏光成分の光と第２の偏光成分の光とを逆方向に屈折させるためには、（ｎｏ−ｎｓ）の符号と（ｎｅ−ｎｓ）の符号が逆であればよいことがわかる。すなわち、ｎｏ＞ｎｓ＞ｎｅまたはｎｅ＞ｎｓ＞ｎｏであればよいことがわかる。
【００６０】
同様のことが、もう一方の傾斜面すなわち複屈折構造体１１３の図面右側半分の領域においても言える。ただし、図７に示すように、傾斜方向がＺ軸に対して対称であるので、もう一方の傾斜面での屈折角は、他方の傾斜面での屈折角と逆の符号となる。すなわち、一方の傾斜面での屈折角が＋（プラス）の角度であれば、他方の傾斜面での屈折角は−（マイナス）の角度となる。
【００６１】
図８（ａ）および図８（ｂ）は、本実施形態の偏光分離部１１全体での各領域への入射光の光路例を示す説明図である。なお、図８（ａ）は、本実施形態の偏光分離部１１全体での各領域への入射光の光路を簡略化して示す説明図であり、図８（ｂ）は、本実施形態の偏光分離部１１全体での各領域への入射光の偏光制御部１２までの光路をより詳細に示す説明図である。
【００６２】
図８（ａ）および図８（ｂ）に示すように、偏光分離部１１は、傾斜面を有する複屈折構造体１１３を有することにより、直交する偏光方向で異なる屈折角を持たせられるので、直交する偏光成分ごとに異なる方向に屈折させて出射させられる。さらに、１つの傾斜面において発現させる偏光ごとの屈折角の正負を逆にした上で、逆方向に傾斜する複屈折構造体１１３を２以上並べることにより、各偏光光に対して異なる位置への集光機能を付与している。
【００６３】
以下、複屈折構造体１１３に入射した光の偏光制御部１２の偏光制御層１２３が形成される位置における分離幅Ｄについて図８（ｂ）を参照して説明する。ここでは、複屈折構造体１１３と等方性材料層１１５との界面により屈折された光のその後の光路を考える。以下では、屈折を生じさせる界面ごとにその界面を形成している出射側の層を「出射層」と呼び、第１の界面である複屈折構造体１１３と等方性材料層１１５の界面の出射側の層に相当する等方性材料層１１５を第１の出射層とし、以降、偏光制御層１２３が形成されている位置に光が到達するまでに存在する界面の出射側の層を、順番に第２〜第４の出射層とする。また、偏光分離部１１と偏光制御部１２との間の層を中間層１３と呼ぶ。
【００６４】
なお、第２の界面は等方性材料層１１５と透明基板１１２の界面であり、その出射側に位置する透明基板１１２が第２の出射層となる。また、第３の界面は透明基板１１２と中間層１３との界面であり、その出射側に位置する中間層１３が第３の出射層となる。また、第４の界面は中間層１３と偏光制御部１２の透明基板１２１との界面であり、その出射側に位置する透明基板１２１が第４の出射層となる。
【００６５】
各界面での屈折角を考慮すると、複屈折構造体１１３に入射した光の偏光制御層１２３が形成されている位置における分離幅Ｄは、以下の式（４）のように表される。
【００６６】
Ｄ＝Ｄ１＋Ｄ２  ・・・式（４）
ただし、
Ｄ１＝ｄ２・ｔａｎα１２＋ｄ３・ｔａｎα１３＋ｄ４・ｔａｎα１４
Ｄ２＝ｄ２・ｔａｎα２２＋ｄ３・ｔａｎα２３＋ｄ４・ｔａｎα２４
【００６７】
ここで、ｄ２は第２の出射層である透明基板１１２の厚み［μｍ］である。また、ｄ３は第３の出射層である中間層１３の厚み［μｍ］である。なお、ｄ３は偏光分離部１１と偏光制御層１２との間の距離と言ってもよい。また、ｄ４は第４の出射層である透明基板１２１の厚み［μｍ］である。
【００６８】
また、α１２，α２２は第２の界面である等方性材料層１１５と透明基板１１２の界面による素子入射光の偏光ごとの屈折角である。また、α１３，α２３は第３の界面である透明基板１１２と中間層１３の界面による素子入射光の偏光ごとの屈折角である。また、α１４，α２４は第４の界面である中間層１３と透明基板１２１の界面による素子入射光の偏光ごとの屈折角である。なお、これら屈折角はいずれも、当該界面から出射される光の進行方向と、複屈折構造体１１３への入射面の法線とがなす角度として表される。
【００６９】
図８（ｂ）には、上記屈折角に加えて、第１の界面である複屈折構造体１１３と等方性材料層１１５の界面による素子入射光の偏光ごとの屈折角α１１，α１２が示されているが、上記式（４）では、α１１，α２１による分離幅については第１の出射層である等方性材料層１１５の厚さが数１０μｍと薄く、第３の出射層である中間層１３の厚みに比べて１／１００程度しかないことから無視している。
【００７０】
これら界面によって生じる偏光ごとの屈折角α１１，α２１，α１２，α２２，α１３，α２３，α１４，α２４はそれぞれ以下の式（５）〜（８）のように表される。なお、α１Ｘ（ｘ＝１〜４のいずれか）が第１の偏光方向の光の屈折角であり、α２Ｘ（ｘ＝１〜４のいずれか）が第２の偏光方向の光の屈折角である。
【００７１】
ｓｉｎα１１＝（ｎｏ−ｎｓ）・ｄ／ｎｓ・Ｗ
ｓｉｎα２１＝（ｎｅ−ｎｓ）・ｄ／ｎｓ・Ｗ
・・・式（５）
【００７２】
ｓｉｎα１２＝（ｎｏ−ｎｓ）・ｄ／ｎ２・Ｗ
ｓｉｎα２２＝（ｎｅ−ｎｓ）・ｄ／ｎ２・Ｗ
・・・式（６）
【００７３】
ｓｉｎα１３＝（ｎｏ−ｎｓ）・ｄ／ｎ３・Ｗ
ｓｉｎα２３＝（ｎｅ−ｎｓ）・ｄ／ｎ３・Ｗ
・・・式（７）
【００７４】
ｓｉｎα１４＝（ｎｏ−ｎｓ）・ｄ／ｎ４・Ｗ
ｓｉｎα２４＝（ｎｅ−ｎｓ）・ｄ／ｎ４・Ｗ
・・・式（８）
【００７５】
ここで、ｎｓは第１の出射層である等方材料層１１５の屈折率である。また、ｎ２は第２の出射層である透明基板１１２の屈折率である。また、ｎ３は第３の出射層である中間層１３の屈折率である。また、ｎ４は第４の出射層である透明基板１２１の屈折率である。
【００７６】
ｎｓ＝（ｎｅ＋ｎｏ）／２のとき、上述の式（４）は、以下の式（９）に置き換えられる。
【００７７】
Ｄ＝２・ｄ２・ｔａｎ（β２／２）＋２・ｄ３・ｔａｎ（β３／２）＋２・ｄ４・ｔａｎ（β４／２）  ・・・式（９）
【００７８】
ここで、β２は第２の出射層での分離角であり、α１２＋α２２で与えられる。また、β３は第３の出射層での分離角であり、α１３＋α２３で与えられる。また、β４は第４の出射層での分離角であり、α１４＋α２４で与えられる。
【００７９】
ところで、上記式（４）および式（９）では、中間層１３の屈折率と透明基板１１２、１２１の屈折率が異なる場合を想定しているが、中間層１３と透明基板１１２と透明基板１２１の屈折率を等しくした場合や、中間層１３を透明基板で構成して透明基板１１２、１２１を省略するなど、第２〜第４の出射層をほぼ等しい屈折率として、分離角の点で第２〜第４の出射層を一つの層として扱えるように設計する場合も多く予想される。
【００８０】
図８（ａ）では、以上のことを踏まえた上で、複屈折構造体１１３の１つの傾斜面による光の分離幅Ｄを簡略化して表現している。すなわち、等方性材料層１１５と透明基板１１２の界面による偏光ごとの屈折角α１２，α２２を足し合わせたものを複屈折構造体１１３の１つの傾斜面における第１の偏光方向の光と第２の偏光方向の光の分離角βとみなし、かつ等方性材料層１１５と偏光制御層１２３の間には屈折率が等しい層が形成されているものとして、そのような分離角βと、等方性材料層１１５と偏光制御層１２３の間の距離Ｌとを用いて実質的な分離幅Ｄを表現している。
【００８１】
この場合の分離角βおよび分離幅Ｄは、より具体的には以下のように表わされる。
【００８２】
β＝α１＋α２  ・・・式（１０）
Ｄ＝Ｌｔａｎα１＋Ｌｔａｎα２  ・・・式（１１）
ただし、
α１＝ａｒｃｓｉｎ（Δｎ１ｄ／ｎ３Ｗ）
α２＝ａｒｃｓｉｎ（Δｎ２ｄ／ｎ３Ｗ）
【００８３】
ここで、Δｎ１は第１の偏光方向の光に対する屈折率の差すなわち｜ｎｏ−ｎｓ｜を表し、Δｎ２は第２の偏光方向の光に対する屈折率の差すなわち｜ｎｅ−ｎｓ｜を表している。また、ｎ３は中間層１３の屈折率である。また、Ｗ［μｍ］は当該傾斜面の領域幅であり、ｄ［μｍ］は当該傾斜面を有する複屈折構造体１１３の高さである。なお、Ｌは、等方性材料層１１５と透明基板１１２との界面からの距離である。ここでは、複屈折構造体１１３と等方性材料層１１５とによって構成される層を１つの構造体１１６とみなして、Ｌをその構造体１１６の出射面からの距離とし、ｎ３をその構造体１１６からの光の出射層の屈折率としている。なお、式（１０），式（１１）におけるパラメータと図８（ｂ）に示したパラメータとの関係は、Ｌ＝ｄ２＋ｄ３＋ｄ４、α１＝α１２、α２＝α２２（ただしｎ１＝ｎ２＝ｎ３）である。
【００８４】
以下説明を簡単にするために、複屈折構造体１１３の１つの傾斜面による光の分離角βおよび分離幅Ｄをいう場合に、上記式（１０）および式（１１）によって示される簡略化したものを用いる。なお、必要に応じて上記式（１０）および式（１１）は上記式（４）および式（９）に置き換えられる。
【００８５】
式（１０）および式（１１）において、Δｎ＝｜ｎｅ−ｎｓ｜＝｜ｎｏ−ｎｓ｜すなわち、ｎｓ＝（ｎｅ＋ｎｏ）／２のとき、β＝２ａｒｃｓｉｎ（２Δｎｄ／ｎ３Ｐｓ）、Ｄ＝２Ｌｔａｎ（β／２）となる。
【００８６】
このように、ｎｓ＝（ｎｅ＋ｎｏ）／２であると、２つの偏光光の屈折角の大きさが等しくなる、すなわち｜α１｜＝｜α２｜となるため、集光位置の制御がしやすく好ましい。また、複屈折構造体１１３の断面形状が中心を軸に左右対称であり、全ての複屈折構造体１１３が同じ形状であると、隣り合う複屈折構造体１１３間で集光特性が揃うため、集光位置の制御がしやすく好ましい。
【００８７】
また、高さｄは、液晶材料を用いる場合、液晶の配向を考えると１００μｍ以下が良く、２０μｍ以下が好ましく、１０μｍ以下がより好ましい。また、複屈折構造体１１３を並べるピッチＰｓは回折の影響を低減するため、１００μｍ以上が好ましく、５００μｍ以上がより好ましい。
【００８８】
また、図９および図１０は、偏光分離部１１の他の例を示す断面図である。例えば図９に示すように、複屈折構造体１１３の傾斜面は分割されていてもよい。この場合、１方向に傾斜する傾斜面とその逆方向に傾斜する傾斜面とが同じ数だけ繰り返される最小単位を１つの複屈折構造体１１３とみなし、そのような複屈折構造体１１３が同一面上に２以上並んで配置されていればよい。このようにすると、複屈折構造体１１３の高さｄを減らすことができ、作製しやすくなる場合がある。なお、図９には、図８に示した複屈折構造体１１３の各傾斜面を２つに分割した例が示されている。なお、分離幅Ｄは屈折率分布の傾斜角度によって決まるため、分割前と分割後とで変化はない。
【００８９】
また、例えば図１０に示すように、偏光分離部１１の中心付近の複屈折構造体１１３の高さｄ１を、他の複屈折構造体１１３の高さｄ２よりも低くなるように形成してもよい。そのようにすると、中心付近の複屈折構造体１１３の傾斜面の傾斜角Ａ１＜中心付近以外の複屈折構造体１１３の傾斜面の傾斜角Ａ２とでき、中心付近の分離幅Ｄ’を小さく、中心付近以外の分離幅Ｄ’’を大きくできる。なお、高さｄを異ならせる代わりに、ピッチＰｓを異ならせてもよい。
【００９０】
また、図１１は、本実施形態の偏光変換素子１００全体での入射光の光路例を示す説明図である。図１１に示すように、偏光制御部１２は、偏光分離部１１との関係において、偏光分離部１１から出射される直交する偏光成分の光が異なる領域に集光されるようになる距離Ｌを隔てて配置されていればよい。
【００９１】
偏光制御部１２の構成としては、偏光分離部１１から出射される光のうち一方の直線偏光成分の光（図の例では、紙面に垂直な第２の偏光方向の光）が入射される位置に合わせて、λ／２板として作用する偏光制御層１２３が形成されていればよい。
【００９２】
なお、図１１には、偏光制御部１１から出射される第２の偏光方向の光の入射位置に合わせて、偏光制御層１２３を設ける例が示されているが、例えば偏光制御部１１から出射される第１の偏光方向の光の入射位置に合わせて偏光制御層１２３が設けられていてもよい。
【００９３】
図１２は、偏光制御部１２の構成例を示す模式斜視図である。図１２に示すように、本実施形態の偏光制御部１２は、例えば、一対の透明基板１２１，１２２を有し、一方の透明基板１２１の面上に、λ／２板として作用する偏光制御層１２３が所定の隙間を空けて形成された構成であってもよい。図１２には、Ｙ軸方向に延伸する長辺を有する長方形状の偏光制御層１２３が形成された例が示されている。
【００９４】
偏光制御層１２３は、例えば、入射光に対して位相差πを与える厚みに設定された複屈折材料からなる層であってもよい。また、偏光制御層１２３は、入射する直線偏光に対し光学軸が４５°をなすように設定されてもよい。すなわち、偏光制御層１２３の材料である複屈折材料の光学軸が、偏光分離部１１の複屈折構造体１１３の光学軸と４５°をなすように偏光制御層１２３を形成してもよい。
【００９５】
偏光制御層１２３の形成位置は、偏光分離部１１から偏光分離されて出射される一方の直線偏光が入射される領域を含みつつ、他方の直線偏光が入射する領域を含まない位置が好ましい。このような条件は、偏光分離部１１の集光機能、より具体的には複屈折構造体１１３の高さｄおよびピッチＰｓと、距離Ｌとを調整することで満たせる。
【００９６】
以下、好ましい条件を挙げると、偏光制御部１２において偏光制御層１２３が形成される位置における偏光分離部１１による光の分離幅Ｄに対して、周期的に配置される偏光制御層１２３の幅をＷｃ［μｍ］、偏光制御層１２３が繰り返し配置される間隔（ピッチ）をＰｃ［μｍ］としたとき、Ｐｃ／２＝Ｄ、Ｐｃ＝２Ｗｃであるとよい。換言すると、偏光分離部１１の分離幅Ｄを、偏光制御部１２における偏光制御層１２３のピッチＰｃの半分に等しくなるように調整するとよい。このとき、Ｐｃ＝Ｐｓ、Ｐｓ＝（Ｗｓ１＋Ｗｓ２）＝一定、Ｗｓ１＝Ｗｓ２であると好ましい。ここで、Ｗｓ１［μｍ］は偏光分離部１１において１つの複屈折構造体１１３の逆方向に傾斜する傾斜面のうち一方の傾斜面が形成される領域の幅であり、Ｗｓ２［μｍ］は他方の傾斜面が形成される領域の幅である（図１１参照。）。
【００９７】
また、偏光制御部１２は、少なくとも偏光制御層１２３間の隙間を埋めるように、透明基板１２１と１２２の間の隙間領域に等方性材料からなる等方性材料層１２４が設けられた構成であってもよい。なお、等方性材料層１２４は空気層であってもよい。
【００９８】
なお、図示省略しているが、透明基板１２１，１２２と空気との界面に多層膜による反射防止膜を備えると、フレネル反射による光反射損失を低減できる。また、素子厚を低減するため、透明基板１２２を除去してもよい。また、透明基板１２１は、偏光分離部１１の透明基板１１２と一体であってもよい。この場合、透明基板１１２と中間層１３と透明基板１２１とが１枚の透明基板で形成される。
【００９９】
偏光制御層１２３の材料は、所望の波長板の機能を発現できる材料であれば特に問わない。例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリケトンサルファイド、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリアリレート、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、セルロース系プラスチックス、ポリオレフィンなどの複屈折性を有する樹脂材料であってもよい。また、複屈折性が得られる高分子液晶を含む液晶材料であってもよい。
【０１００】
また、等方性材料層１２４の材料は、等方性材料であって、透明材料であればよい。例えば、樹脂やガラスなどの無機材料であってもよい。ここで、等方性材料層１２４の材料とする等方性材料の屈折率をｎｓ’、偏光制御層１２３の材料とする複屈折材料の異常光屈折率をｎｅ’、常光屈折率をｎｏ’とすると、ｎｓ’＝（ｎｅ’＋ｎｏ’）／２であると偏光制御層１２３と等方性材料層１２４との界面によるフレネル反射が抑制されるため、好ましい。
【０１０１】
次に、本実施形態の偏光変換素子１００の製造方法の一例を示す。
【０１０２】
偏光分離部１１は、例えば次のような方法で作製できる。まず、切削加工等により形成した成形型を用いて一方の透明基板１１２の面上に、等方性材料層１１５となる等方性材料による構造体のアレイ（等方性構造体アレイ）を形成する。ここで形成される等方性構造体アレイは、透明基板１１１上に形成される複屈折構造体アレイ１１４の凹凸形状のネガ型の凸凹形状を有する構造体であればよい。等方性構造体アレイの形成には、例えばＵＶインプリント加工や熱インプリント加工等を使用できる。
【０１０３】
次に、他方の透明基板１１１の、透明基板１１２と対向する側の面に配向膜を塗布し、ラビング処理する。そして、透明基板１１２の等方性構造体アレイが形成されている面を内側にして、透明基板１１１と透明基板１１２とを所定の間隔を空けて張り合わせて空セルを作製する。次に、その空セルのセルギャップに光重合性高分子液晶などの複屈折材料（モノマー）を注入し、空セルの隙間を複屈折材料により充填し、紫外線などを照射して硬化させることにより、透明基板１１１の面上に２以上の複屈折構造体１１３が並ぶ複屈折構造体アレイ１１４が形成された偏光分離部１１を得る。
【０１０４】
このように、等方性構造体アレイの凹部に複屈折材料を充填させることにより複屈折構造体アレイ１１４を形成する方法であれば、水晶を用いる場合に比べて複屈折材料に安価な材料を用いることができ、また加工が容易であるために屈折率の面内傾斜に影響を与える傾斜面を精度よく作製できる。
【０１０５】
なお、上記例は、複屈折構造体アレイ１１４を、その凹凸形状のネガ型である凸凹形状を有する等方性構造体アレイが対向面上に形成された空セルに複屈折材料を充填することにより形成する例であるが、偏光分離部１１の製造方法はこの限りではない。例えば、透明基板１１１の面上に複屈折材料を成膜し、その膜をドライエッチングプロセス等により複屈折構造体アレイ１１４の形状に加工し、その後、形成された複屈折構造体アレイ１１４の凹部に等方性材料を充填する方法であってもよい。
【０１０６】
また、偏光制御部１２は、例えば次のような方法で作製できる。まず、一方の透明基板１２１の面上に高分子液晶などの複屈折材料を所定の厚さで成膜する。ここでは、λ／２板機能を発現できる厚さに成膜する。また、このとき複屈折材料の光学軸が組み合わされる偏光分離部１１の複屈折構造体１１３の光学軸と４５°をなすようにする。光学軸の制御は、例えば、複屈折材料を塗布する前に、透明基板１２１の面上に配向膜を塗布し、ラビング処理することにより行ってもよい。
【０１０７】
次に、成膜した複屈折膜のうち波長板機能を有さない部分すなわち偏光制御層１２３となる部分以外の部分を、ドライエッチングプロセスなどを用いて除去する。そのようにして、領域分割された偏光制御層１２３を有する偏光制御部１２が得られる。なお、空気層以外の等方性材料層１２４を設ける場合には、さらに偏光制御層１２３が形成されている面を内側にして透明基板１２１と透明基板１２２とを所定の間隔を空けて張り合わせて空セルを作製し、その空セルの空隙を等方性材料により充填して、偏光制御部１２を得てもよい。
【０１０８】
以上のように、本実施形態によれば、入射光の直交する２つの直線偏光成分を各々集光させつつ空間的に分離させられる偏光分離部１１を、容易にかつ安価に、さらに光学系を大型化させずに得ることができるので、その集光位置に合わせて領域分割された偏光制御層１２３を有する偏光制御部１２を設けることにより、変換効率が高く、安価な材料で容易に作製できる偏光変換素子が得られる。また、偏光分離部１１の複屈折構造体１１３のピッチＰｓ、高さｄを調整すれば、分離角βが大きいすなわち２つの偏光光を空間的に分離するまでの距離が短い偏光分離部１１を容易に得られるので、偏光分離部１１と偏光制御部１２との距離Ｌが小さい偏光変換素子を得られる。すなわち、変換効率が高く、安価な材料で容易に作製でき、さらに小型化も可能な偏光変換素子を得られる。
【０１０９】
実施形態２．
図１３は、第２の実施形態の偏光変換素子２００の例を示す説明図である。まず、図１３（ａ）を参照して、本実施形態の偏光変換素子２００の構成について説明する。図１３（ａ）は、本実施形態の偏光変換素子２００の構成例を模式的に示す模式断面図である。図１３（ａ）に示すように、本実施形態の偏光変換素子２００は、偏光分離部２１と、該偏光分離部２１と所定の距離Ｌを隔てて配置される偏光制御部２２とを備えている。
【０１１０】
偏光分離部２１は、入射光を互いに独立な円偏光成分の光に分離させるものである。偏光分離部２１は、例えば図１３（ａ）に示すように、一対の透明基板２１１，２１２を有し、その透明基板２１１，２１２の間に、複屈折材料の光学軸が所定の面内分布を有する制御された複屈折層２１３を備えた構成であってもよい。
【０１１１】
以下、複屈折層２１３を構成している複屈折材料が液晶である場合を例に、複屈折層２１３における複屈折材料の光学軸の面内分布について説明する。図１３（ｂ）は、図１３（ａ）に示す偏光変換素子２００が備える偏光分離部２１を素子上面から見た場合の複屈折層２１３における液晶分子の配向状態を一部抜粋して模式的に示す模式平面図である。
【０１１２】
図１３（ｂ）に示すように、複屈折層２１３は、複屈折材料の光学軸が、ある１つの軸（本例ではＹ軸）を基準に０°から１８０°へと段階的に変化する第１の領域Ｒ１と、１８０°から０°へと段階的に変化する第２の領域Ｒ２とが繰り返される最小単位を１セットとして、そのようなセットが２以上連続する分布となるように、面内配向が制御されている。
【０１１３】
なお、図１３（ｂ）には、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とが、それぞれ１つずつ並んだ領域を１セットとして、そのようなセットが繰り返される例が示されているが、最小単位とされる１セット内の第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２の数は同じ数が好ましく、２以上であってもよい。
【０１１４】
また、図１３（ｃ）は、図１３（ｂ）に示す複屈折層２１３における液晶分子の光学軸の角度φの面内分布を示すグラフである。図１３（ｃ）において、縦軸は複屈折層２１３における液晶分子の光学軸の角度φを表し、横軸は素子の面内位置をＸ軸上の座標ｘで表したものである（以下、図１４（ｃ）において同じ。）。ここでは、光学軸の角度φを、液晶分子のダイレクタ（配向ベクトルとも呼ばれる）とＹ軸とのなす角として示している。
【０１１５】
図１３（ｃ）に示すように、複屈折層２１３における複屈折材料の光学軸の角度φの面内分布は、第１の実施形態の複屈折構造体１１３の凸形状と対応している。なお、本実施形態においても、光学軸の角度φの面内分布における光学軸の角度変化すなわちグラフにおける傾斜形状は、一様に変化するものに限らない。例えば、ｓｉｎカーブを描くように変化するものであってもよい。また、階段状で近似される変化であってもよい。また、光学軸の角度φの面内分布は、その様子を示すグラフ形状において、三角形状の頂点と谷を滑らかにした形状や台形状であってもよい。なお、半球状や台形状の場合、光学軸の角度φの面内分布は、その半球状や台形状の領域を凹型と凸型が交互に並ぶように配置されたものであってもよい。
【０１１６】
図１４は、本実施形態の偏光変換素子２００の他の例を示す説明図である。なお、図１４（ａ）は、本実施形態の偏光変換素子２００の他の構成例を模式的に示す模式断面図である。また、図１４（ｂ）は、図１４（ａ）に示す偏光変換素子２００が備える偏光分離部２１を素子上面から見た場合の複屈折層２１３における液晶分子の配向状態を一部抜粋して模式的に示す模式平面図である。また、図１４（ｃ）は、図１４（ｂ）に示す複屈折層２１３における液晶分子の光学軸の角度φの面内分布を示すグラフである。
【０１１７】
図１４（ｂ）および図１４（ｃ）に示すように、本例の偏光変換素子２００の偏光分離部２１は、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とが、それぞれ２つずつ並んだ領域を１セットとして、そのようなセットが繰り返される面内分布を示す複屈折層２１３を有している。
【０１１８】
なお、図１４（ｃ）に示すように、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とがそれぞれ２以上並んだ領域を１セットする構成は、複屈折層２１３における複屈折材料の光学軸の角度φの面内分布を示すグラフ形状において、各傾斜が分割されたものとみなしてもよい。
【０１１９】
次に、本実施形態の複屈折層２１３による偏光分離機能について説明する。以下では、複屈折層２１３としてリタデーションがΔｎｄのホモジニアス液晶セルに、直線偏光Ｅｉ＝（ｃｏｓΨｐ，ｓｉｎΨｐ）が入射する場合について考える。なお、Ψｐは、偏光方向がＸ軸に対してなす角度である。また、Δｎは液晶分子の複屈折すなわち｜ｎｅ−ｎｏ｜であり、ｄ［μｍ］は液晶セルの厚みである。
【０１２０】
ホモジニアス液晶セルのジョーンズマトリクスＰは、以下の式（１２）により表される。ここで、γ＝πΔｎｄ／λである。なお、λは入射光の波長である。また、φ’［ｒａｄ］は液晶分子のダイレクタがＸ軸に対してなす角度である。なお、上述のφと該φ’の関係は、φ’［ｒａｄ］＝π／２−φ［ｒａｄ］である。
【０１２１】
【数１】
2015011295.tif 000003
【０１２２】
また、透過光は、以下の式（１３）のように直線偏光、左回り円偏光および右回り円偏光の和として表される。
【０１２３】
【数２】
2015011295.tif 000004
【０１２４】
ここで、式（１３）の右辺の各項とφ’の関係に注目すると、第１項はφ’を含まないため、液晶セルをそのまま素通りする成分であると言える。また、第２項はφ’の増加とともに位相が増大する成分であり、第３項はφ’の増加とともに位相が減少する成分であると言える。なお、当該複屈折層２１３を透過型液晶ブレーズ化回折格子として見ると、第１項は０次光に寄与する成分であり、第２項と第３項は互いに逆方向に回折する±１次光に寄与する成分であると言える。
【０１２５】
次に、各領域ごとの第２項および第３項が寄与する成分の変化をみると、φ’が−π／２からπ／２へと変化する領域、すなわちφが１８０°から０°へと変化する第１の領域Ｒ１では、式（１３）の右辺第２項の位相が−π−Ψｐからπ−Ψｐまで２πだけ増加し、式（１３）の右辺第３項の位相がπ＋Ψｐから−π＋Ψｐまで２πだけ減少する。一方、φ’がπ／２から−π／２へと変化する領域、すなわちφが０°から１８０°へと変化する第２の領域Ｒ２では、式（１３）の右辺第２項の位相がπ−Ψｐから−π−Ψｐまで２πだけ減少し、式（１３）の右辺第３項の位相が−π＋Ψｐからπ＋Ψｐまで２πだけ増加する。
【０１２６】
今、γ＝π／２、すなわちΔｎｄ＝λ／２の場合を考える。このとき、いずれの領域においても第１項は消滅し、第２項および第３項が寄与する等しい強度の±１次光が生じる。本実施形態では、複屈折層２１３を、Δｎｄ＝λ／２となるように複屈折材料の複屈折および厚みを調整する。
【０１２７】
ところで、第２項と第３項の位相の変化量は入射光の偏光成分Ψｐに関係なく２πである。このため、＋１次光と−１次光はともに偏光無依存性を示すことがわかる。なお、本実施形態の偏光分離部２１は、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とで第２項および第３項の位相の増減が逆になるように光学軸の角度分布φを制御していると言える。このため、これら領域間で第２項および第３項が寄与する成分の回折方向も逆となる。すなわち、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とでは、左回り円偏光成分と右回り円偏光成分の回折方向が逆となる。以下、右回り円偏光成分の光を第１の偏光方向の光とし、左回り円偏光成分の光を第２の偏光方向の光として説明する。
【０１２８】
図１５および図１６は、ランダム偏光の光が本実施形態の偏光分離部２１に入射した場合の光路例を示す説明図である。なお、図１５および図１６に示す例では、複屈折層２１３のΔｎｄ＝λ／２とする。複屈折層２１３の各領域における第１の偏光方向の光と第２の偏光方向の光の分離角βは、以下の式（１４）によって表される。なお、ここでは、偏光分離部２１と偏光制御部２２との間の中間層２３が光学的等方性を有しているとして、その中間層２３の屈折率をｎ３としている。また、Ｗ［μｍ］は第１の領域Ｒ１の領域幅Ｗｓ２１［μｍ］または第２の領域Ｒ２の領域幅Ｗｓ２２［μｍ］である。
【０１２９】
β＝２ａｒｃｓｉｎ（λ／ｎ３Ｗ）  ・・・式（１４）
【０１３０】
また、分離幅Ｄ［μｍ］は、以下の式（１５）によって表される。
【０１３１】
Ｄ＝２Ｌｔａｎ（β／２）  ・・・式（１５）
【０１３２】
なお、図１５に示す例において、Ｗｓ２１＝Ｗｓ２２であれば、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とで分離角βおよび分離幅Ｄが同じになる。
【０１３３】
また、例えば図１６に示すように、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２とが２以上連続する場合であっても、各領域における第１の偏光方向の光と第２の偏光方向の光の分離角βは、上述の式（１４）によって表される。同様に、分離幅Ｄも上述の式（１５）によって表される。なお、上述の式（１５）は、透明基板２１２および２２１と中間層２３の屈折率が等しいと仮定したときの分離幅Ｄであるので、等しくない場合は第１の実施形態において式（４）〜式（８）で示したように、屈折を生じさせる界面ごとに素子入射光の偏光ごとの屈折角を求め、各界面での屈折角と出射層の厚さおよび屈折率から各出射層における分離幅を求め、それらを足し合わせればよい。以下、本実施形態においても説明を簡単にするため、偏光分離部２１による光の分離角βおよび分離幅Ｄをいう場合には、上記式（１４）および式（１５）で示される簡易化表現のものを用いる。
【０１３４】
例えば、分離角βを小さくすると、偏光制御部２２に垂直に近い入射ができる。一方、分離角βを大きくすると、集光特性が増すので偏光制御部２２をより近づけて配置できる。
【０１３５】
また、図１７は、本実施形態の偏光変換素子２００全体での入射光の光路例を示す説明図である。図１７に示すように、偏光制御部２２は、偏光分離部２１との関係において、偏光分離部２１から出射される直交する円偏光成分の光が異なる領域に集光されるようになる距離Ｌを隔てて配置されていればよい。
【０１３６】
偏光制御部２２の構成としては、偏光分離部２１から出射される光のうち一方の円偏光成分の光が入射される位置に合わせてλ／４板として作用する第１の偏光制御層２２３が形成されるとともに、他方の円偏光成分の光が入射される位置に合わせてλ／４板として作用する第２の偏光制御層２２４が形成され、これら第１の偏光制御層２２３と第２の偏光制御層２２４の光学軸が９０°異なっていればよい。
【０１３７】
図１８は、偏光制御部２２の構成例を示す要部分解斜視図である。図１８に示すように、偏光制御部２２は、例えば、一対の透明基板２２１，２２２を有し、一対の透明基板２２１，２２２の間に、λ／４板として作用する第１の偏光制御層２２３と、第１の偏光制御層２２３と同じくλ／４板として作用するが第１の偏光制御層２２３とは光学軸の角度が９０°異なっている第２の偏光制御層２２４とが交互に位置するように形成された構成であってもよい。図１８には、Ｙ軸方向に延伸する長辺を有する長方形状の第１の偏光制御層２２３および第２の偏光制御層２２４がＸ軸方向に交互に配列された例が示されている。以下、第１の偏光制御層２２３および第２の偏光制御層２２４が形成されている層を、分割λ／４層２２５と表現する場合がある。
【０１３８】
第１の偏光制御層２２３および第２の偏光制御層２２４は、例えば、入射光に対して位相差π／２を与える厚みに設定された複屈折材料からなる層であってもよい。その場合、第１の偏光制御層２２３の光学軸と第２の偏光制御層２２４の光学軸とが直交するように配置すればよい。例えば、第１の偏光制御層２２３では複屈折材料の光学軸がＸ軸に対して＋４５°をなすように形成し、第２の偏光制御層２２４では複屈折材料の光学軸がＸ軸に対して−４５°をなすように形成してもよい。
【０１３９】
第１の偏光制御層２２３および第２の偏光制御層２２４の形成位置は、各々変換対象とする円偏光の光が入射される領域を含みつつ、他方の円偏光が入射する領域を含まない位置が好ましい。このような条件は、偏光分離部２１の集光機能より具体的には複屈折層２１３の各領域幅Ｗｓ２１，Ｗｓ２２およびピッチＰｓと、距離Ｌを調整することで満たせる。
【０１４０】
以下、好ましい条件を挙げると、偏光制御部２２が形成される位置における偏光分離部２１による分離幅Ｄに対して、偏光制御部２２に配置される第１の偏光制御層２２３の幅をＷｃ１［μｍ］、第２の偏光制御層２２４の幅をＷｃ２［μｍ］とし、第１の偏光制御層２２３と第２の偏光制御層２２４が繰り返し配置される間隔（ピッチ）をＰｃ［μｍ］としたとき、Ｐｃ／２＝Ｄ、Ｐｃ＝Ｗｃ１＋Ｗｃ２であるとよい。換言すると、偏光分離部２１の分離幅Ｄを、偏光制御部２２における第１の偏光制御層２２３および第２の偏光制御層２２４のピッチＰｃの半分に等しくなるように調整するとよい。このとき、Ｐｃ＝Ｐｓ、Ｐｓ＝（２Ｗ×ｋ）＝一定、Ｗ＝Ｗｓ２１＝Ｗｓ２２であると好ましい。ここで、ｋは最小単位に含まれる第１の領域Ｒ１の数（＝第２の領域Ｒ２の数）を表す整数である。すなわち、第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の幅は等しく、かつ最小単位に含まれる第１の領域Ｒ１の数および第２の領域Ｒ２の数は整数が好ましい。
【０１４１】
また図示省略しているが、本実施形態においても透明基板２２１，２２２と空気との界面に多層膜による反射防止膜を備えると、フレネル反射による光反射損失を低減できる。また、素子厚を低減するため、透明基板２２１，２２２を除去してもよい。
【０１４２】
第１の偏光制御層２２３および第２の偏光制御層２２４の材料は、所望の波長板の機能を発現できる材料であれば特に問わない。例えば、ポリイミド、ポリアミドイミド、ポリアミド、ポリエーテルイミド、ポリエーテルエーテルケトン、ポリエーテルケトン、ポリケトンサルファイド、ポリエーテルスルフォン、ポリスルフォン、ポリフェニレンサルファイド、ポリフェニレンオキサイド、ポリエチレンテレフタレート、ポリブチレンテレフタレート、ポリエチレンナフタレート、ポリアセタール、ポリカーボネート、ポリアリレート、アクリル樹脂、ポリビニルアルコール、ポリプロピレン、セルロース系プラスチックス、ポリオレフィンなどの複屈折性を有する樹脂材料であってもよい。また、複屈折性が得られる高分子液晶を含む液晶材料であってもよい。なお、第１の偏光制御層２２３および第２の偏光制御層２２４とで同じ材料を用いると厚さが等しくできて好ましい。
【０１４３】
次に、本実施形態の偏光変換素子２００の製造方法の一例を示す。
【０１４４】
偏光分離部２１は、例えば次のような方法で作製できる。まず、透明基板２１１、２１２に配向膜を塗布、焼成し、配向膜を形成する。配向膜を形成した面を内側にして、透明基板２１１と透明基板２１２とを所定の間隔を空けて張り合わせて空セルを作製する。得られた空セルにスリット状の開口マスクをあて、空セルに対する開口マスクの位置を徐々にずらしながら直線偏光の紫外線を、開口マスクの位置をずらすごとに偏光方向を回転させながら照射する。これにより、面内で配向方向が連続的に変化する配向処理された配向膜を有する空セルを作製する。なお、空セルを作製する前に、配向膜を塗布した各透明基板２２１、２２２に対して、スリット状の開口マスクを用いて所定の配向分布を持つ配向膜を形成した後で、配向膜が形成された各透明基板２２１，２２２を張り合わせて空セルを作製してもよい。
【０１４５】
図１９は、本実施形態の偏光分離部２１における配向処理の一例を模式的に表した模式平面図である。図１９において、符号４０１はスリット状の開口マスクを表し、４０１１はその開口部を表している。また、符号２１１’は配向膜が塗布された透明基板２１１を表している。また、符号４０２は照射する紫外線の偏光方向を表している。図１９に示す例では、ピッチＰｓに対応したスリット状の開口部４０１１を有する開口マスク４０１を用い、その開口マスク４０１を徐々に右にずらしながら幅Ｗｓ２１分進める間に、直線偏光の紫外線の偏光方向をＹ軸に対して１８０°から０°まで回転させながら照射する。その後、第２の領域Ｒ２が続くのであれば、回転方向を逆方向にして開口マスク４０１をさらに右にずらしながら幅Ｗｓ２２分進める間に、直線偏光の紫外線の偏光方向をＹ軸に対して０°から１８０°まで回転させながら照射する。なお、第１の領域Ｒ１が２以上続くのであれば、一度１８０°から０°まで回転させた後で、その領域が続く分だけ再度同じ方向に回転させながら紫外線を照射させればよい。すなわち、第１の領域Ｒ１が２つ続くのであれば、開口マスク４０１を徐々に右にずらしながら幅Ｗｓ２１×２分進める間に、直線偏光の紫外線の偏光方向をＹ軸に対して１８０°から−１８０°まで回転させながら照射すればよい。そして、その後は回転方向を逆にして、開口マスク４０１を徐々に右にずらしながら幅Ｗｓ２２×２分進める間に、直線偏光の紫外線の偏光方向をＹ軸に対して−１８０°から１８０°まで回転させながら照射すればよい。なお、図１９には、開口マスク４０１を右に幅Ｗｓ２１分進める間にＹ軸に対して１８０°から０°まで回転させて照射する様子が示されている。同様の処理を透明基板２１２に対しても行う。ただし、基板を張り合わせた際に配向方向が各場所で平行となるようにするため、一方の透明基板２１２に対しては直線偏光の回転方向を反転させる、もしくは裏側から照射する。
【０１４６】
このようにして配向処理された空セルを得ると、その空セルのセルギャップに光重合性高分子液晶などの複屈折材料（モノマー）を注入し、空セルの隙間を複屈折材料により充填し、紫外線などを照射して硬化させることにより、所望の光学軸の角度分布を有する複屈折層２１３を有する偏光分離部２１を得る。
【０１４７】
また、偏光制御部２２は、例えば次のような方法で作製できる。偏光制御部２２は、例えば偏光分離部２１と同様の光配向技術を利用して、所定の配向分布を持つ配向膜を形成した透明基板２２１，２２２を所定の間隔を空けて張り合わせた空セル内に複屈折材料を充填、硬化させることによって得られる。このとき、配向膜の配向分布は、第１の偏光制御層２２３の形成位置と第２の偏光制御層２２４の形成位置とで液晶分子の配向方向が９０°異なるようにする。例えば、第１の偏光制御層２２３の形成位置では液晶分子の配向方向が上面から見てＸ軸に対して−４５°となるようにし、一方第２の偏光制御層２２４の形成位置では液晶分子の配向方向が上面から見てＸ軸に対して＋４５°となるようにしてもよい。また、逆に第１の偏光制御層２２３の形成位置では液晶分子の配向方向が上面から見てＸ軸に対して＋４５°となるようにし、一方第２の偏光制御層２２４の形成位置では液晶分子の配向方向が上面から見てＸ軸に対して−４５°となるようにしてもよい。また、セルギャップはリタデーションΔｎｄが約λ／４となるようにする。
【０１４８】
図２０は、本実施形態の偏光制御部２２における配向処理の一例を模式的に表した模式平面図である。図２０において、符号４０３はスリット状の開口マスクを表し、４０３１はその開口部を表している。また、符号２２１’は配向膜が塗布された透明基板２２１を表している。また、符号４０４は照射する紫外線の偏光方向を表している。図２０には、ピッチＰｃに対応したスリット状の開口部４０３１を有する開口マスク４０３を用いる例が示されている。具体的には、そのような開口マスク４０３の開口部４０３１を第１の偏光制御層２２３の形成位置に合わせた状態で、直線偏光の紫外線の偏光方向をＸ軸に対して＋４５°にして照射した後で、開口マスク４０３の開口部４０３１を第２の偏光制御層２２４の形成位置に合わせた状態で、直線偏光の紫外線の偏光方向をＸ軸に対して−４５°にして照射する。
【０１４９】
以上のように、本実施形態によれば、入射光の直交する２つの円偏光成分を空間的に分離させられる偏光分離部２１を、容易にかつ安価に、さらに光学系を大型化させずに得ることができるので、その集光位置に合わせて領域分割された分割λ／４層２２５を有する偏光制御部２２を設けることにより、変換効率が高く、安価な材料で容易に作製できる偏光変換素子が得られる。また、偏光分離部２１の複屈折層２１３の各領域幅Ｗｓ２１，Ｗｓ２２を調整すれば、分離角βが大きいすなわち２つの偏光光を空間的に分離するまでの距離が短い偏光分離部２１を容易に得られるので、偏光分離部２１と偏光制御部２２との距離Ｌが小さい偏光変換素子を得られる。すなわち、変換効率が高く、安価な材料で容易に作製でき、さらに小型化も可能な偏光変換素子を得られる。
【０１５０】
実施形態３．
図２１は、第３の実施形態の偏光変換素子３００の構成例を示す説明図である。まず、図２１（ａ）を参照して、本実施形態の偏光変換素子３００の構成について説明する。図２１（ａ）は、本実施形態の偏光変換素子３００の構成例を模式的に示す模式断面図である。図２１（ａ）に示すように、本実施形態の偏光変換素子３００は、偏光分離部３１と、該偏光分離部３１と所定の距離Ｌを隔てて配置される偏光制御部３２とを備えている。
【０１５１】
偏光分離部３１は、入射光を互いに独立な円偏光成分の光に分離させるものである。偏光分離部３１は、例えば図２１（ａ）に示すように、一対の透明基板３１１，３１２を有し、その透明基板３１１，３１２の間に、複屈折材料の光学軸が所定の面内分布を有するよう制御された複屈折層３１３と、その複屈折層３１３の入射面に配されるレンチキュラーレンズ３１４とを備えた構成であってもよい。
【０１５２】
以下、複屈折層３１３を構成している複屈折材料が液晶である場合を例に、複屈折層３１３における複屈折材料の光学軸の面内分布について説明する。図２１（ｂ）は、図２１（ａ）に示す偏光分離部３１を素子上面から見た場合の複屈折層３１３における液晶分子の配向状態を一部抜粋して模式的に示す模式平面図である。
【０１５３】
図２１（ｂ）に示すように、複屈折層３１３は、複屈折材料の光学軸が、ある１つの軸（本例ではＹ軸）を基準に１８０°から０°へと段階的に変化する第１の領域Ｒ１または０°から１８０°へと段階的に変化する第２の領域Ｒ２のいずれか一方が繰り返される分布となるように、面内配向が制御されている。なお、図２１（ｂ）には、第１の領域Ｒ１が幅Ｗｓ３［μｍ］で繰り返される分布となるように面内配向が制御された複屈折層３１３の例が示されているが、第２の領域Ｒ２が幅Ｗｓ３で繰り返される分布であってもよい。
【０１５４】
また、図２１（ｃ）は、図２１（ｂ）に示す複屈折層３１３における液晶分子の光学軸の角度φの面内分布を示すグラフである。図２１（ｃ）において、縦軸は複屈折層３１３における液晶分子の光学軸の角度φを表し、横軸は素子の面内位置をＸ軸上の座標ｘで表したものである。本実施形態においても、光学軸の角度φを液晶分子のダイレクタとＹ軸とのなす角として示している。
【０１５５】
図２１（ｃ）に示すように、本実施形態における複屈折層３１３の複屈折材料の光学軸の角度φの面内分布のグラフ形状は、ブレーズ形状となっている。なお、本実施形態においても、光学軸の角度φの面内分布における光学軸の角度変化すなわちグラフにおける傾斜形状は、一様に変化するものに限らない。例えば、ｓｉｎカーブを描くように変化するものであってもよい。また、階段状で近似される変化であってもよい。
【０１５６】
本実施形態の複屈折層３１３は、第２の実施形態の複屈折層２１３における第１の領域Ｒ１または第２の領域Ｒ２のいずれか一方が連続して配置されたものである。したがって、複屈折層３１３による偏光分離機能は、第２の実施形態の複屈折層２１３におけるいずれか一方の領域におけるそれと同様である。
【０１５７】
なお、複屈折層３１３の各領域における第１の偏光方向の光（右回り円偏光成分の光）と第２の偏光方向の光（左回り円偏光成分の光）の分離角βも、第２の実施形態と同様に上述の式（１４）で表される。なお、ｎ３は偏光分離部３１と偏光制御部３２との間の中間層３３の屈折率である。また、Ｗ［μｍ］は複屈折層３１３において複屈折材料の光学軸が１８０°回転するのにかかる領域幅（ピッチ）Ｗｓ３［μｍ］である。また、分離幅Ｄ［μｍ］も、第２の実施形態と同様に上述の式（１５）によって表される。また、本実施形態においても、複屈折層３１３は、０次光を発生させないようΔｎｄ＝λ／２となるように複屈折材料の複屈折および／または厚みが調整される。
【０１５８】
本実施形態の複屈折層３１３は、第１の領域Ｒ１または第２の領域Ｒ２のいずれか一方しか有していないため、左回り円偏光成分と右回り円偏光成分の回折方向はいずれの領域においても同じとなる。したがって、複屈折層３１３単体では集光機能を有さない。このため、本実施形態では、複屈折層３１３の入射側に集光機能を有するレンチキュラーレンズ３１４を設けている。これにより、複屈折層３１３により互いに異なる方向に偏向されて出射される直交する２つの円偏光成分の光を偏光制御部３２が配置される位置において互いに重ならない領域に集光させる。
【０１５９】
図２２は、偏光分離部３１の構成例を模式的に示す模式斜視図である。図２２に示すように、偏光分離部３１は、複屈折層３１３の入射側に、集光機能を有するレンチキュラーレンズ３１４を有している。レンチキュラーレンズ３１４は、例えば、長手軸に直交する断面の形状がかまぼこ型（半円または半楕円と方形との組み合わせ形状）の凸レンズであるシリンドリカルレンズを、同一の径および同一の曲率で、伸長方向が互いに平行となるように所定のピッチＰｓで複数配列したものであってもよい。
【０１６０】
図２３は、ランダム偏光の光が集光されずに複屈折層３１３に入射した場合の光路例を示す説明図である。なお、図２３に示す例は、レンチキュラーレンズ３１４を設けずに、複屈折層３１３にランダム偏光の光を入射させた場合の光路例である。図２３に示すように、本実施形態の複屈折層３１３の複屈折材料の光学軸の面内配向では、入射光を２つの直交する円偏光成分の光に分離できても、各偏光成分の光は集光されずに出射される。図２３に示す例では、左円偏光成分の光は紙面左斜め上方向に偏向されて出射され、右円偏光成分の光は紙面右斜め上方向に偏向されて出射される。
【０１６１】
一方、図２４は、複屈折層３１３の入射面にレンチキュラーレンズ３１４を設けた場合の光路例である。図２４には、ランダム偏光の光がレンチキュラーレンズ３１４によって集光されて複屈折層３１３に入射した場合の光路例が示されている。図２４に示すように、レンチキュラーレンズ３１４を設けることによって、複屈折層３１３から出射される各偏光光を集光させられる。なお、レンチキュラーレンズ３１４を設けなくても、十分な距離Ｌを設けられば、２つの直交する偏光を空間的に分離させることはできるが、集光させない場合、光の広がりによって偏光制御部３２が水平方向に大きくなってしまう。
【０１６２】
図２５は、本実施形態の偏光変換素子３００全体での入射光の光路例を示す説明図である。図２５に示すように、偏光制御部３２は、偏光分離部３１との関係において、偏光分離部３１から出射される直交する円偏光成分の光が異なる領域に集光されるようになる距離Ｌを隔てて配置されていればよい。
【０１６３】
偏光制御部３２の構成は、第２の実施形態の偏光制御部２２と同様でよい。すなわち、偏光分離部３１から出射される光のうち一方の円偏光成分の光が入射される位置に合わせてλ／４板として作用する第１の偏光制御層３２３が形成されるとともに、他方の円偏光成分の光が入射される位置に合わせてλ／４板として作用する第２の偏光制御層３２４が形成され、これら第１の偏光制御層３２３と第２の偏光制御層３２４の光学軸が９０°異なっていればよい。
【０１６４】
以下、好ましい条件を挙げると、偏光制御部３２が形成される位置における偏光分離部３１による分離幅Ｄに対して、第１の偏光制御層３２３の幅をＷｃ１［μｍ］、第２の偏光制御層３２４の幅をＷｃ２［μｍ］とし、第１の偏光制御層３２３と第２の偏光制御層３２４が繰り返し配置される間隔（ピッチ）をＰｃ［μｍ］としたとき、Ｐｃ／２＝Ｄ、Ｐｃ＝Ｗｃ１＋Ｗｃ２であるとよい。換言すると、偏光分離部３１の分離幅Ｄを、偏光制御部３２における第１の偏光制御層３２３および第２の偏光制御層３２４のピッチＰｃの半分に等しくなるように調整するとよい。このとき、Ｐｃ＝Ｐｓ、Ｗｃ１＝Ｗｃ２＝一定であると好ましい。すなわち、偏光制御部３２における第１の偏光制御層３２３と第２の偏光制御層３２４の幅が等しく、かつそれら第１の偏光制御層３２３および第２の偏光制御層３２４のピッチＰｃとレンチキュラーレンズ３１４のピッチＰｓとが等しく設定されるのが好ましい。また、レンチキュラーレンズ３１４に含まれる各凸レンズは、偏光制御部３２が配置される位置で集光する焦点を有しているのが好ましい。
【０１６５】
また図示省略しているが、本実施形態においても透明基板３２１，３２２と空気との界面に多層膜による反射防止膜を備えると、フレネル反射による光反射損失を低減できる。また、素子厚を低減するため、透明基板３２１，３２２を除去してもよい。
【０１６６】
本実施形態の偏光変換素子３００は、レンチキュラーレンズ３１４を備える点および偏光分離部３１における複屈折層３１３の光学軸の面内配向が異なる点を除けば、第２の実施形態の偏光変換素子２００と同様であるので、第２の実施形態の偏光変換素子２００と同様の方法で作製できる。なお、複屈折層３１３の配向処理を行う際には、領域幅Ｗｓ３に対応したスリット状の開口部を有する開口マスクを用いればよい。
【０１６７】
以上のように、本実施形態によれば、入射光の直交する２つの円偏光成分を空間的に分離させられる偏光分離部３１を、容易にかつ安価に、さらに光学系を大型化させずに得ることができるので、その集光位置に合わせて領域分割された分割λ／４層３２５を有する偏光制御部３２を設けることにより、変換効率が高く、安価な材料で容易に作製できる偏光変換素子が得られる。また、偏光分離部３１の複屈折層３１３の領域幅Ｗｓ３とレンチキュラーレンズ３１４の集光距離を調整すれば、分離角βが大きくまた集光距離の短いすなわち２つの偏光光を空間的に分離するまでの距離が短い偏光分離部３１を容易に得られるので、偏光分離部３１と偏光制御部３２との距離Ｌが小さい偏光変換素子を得られる。すなわち、変換効率が高く、安価な材料で容易に作製でき、さらに小型化も可能な偏光変換素子を得られる。
【０１６８】
実施形態４．
図２６は、本実施形態に係る投射型表示装置の構成例を示す模式図である。図２６（ａ）に示す投射型表示装置６００ａは、ランダム偏光を発光する光源６１と、光源６１から発光した光を画像光生成部６４に集光する集光レンズ６３と、光源６１からの光を変調して画像光を生成する画像光生成部６４と、画像光生成部６４が生成した画像光をスクリーン６６に投影する投影レンズ６５とを備える。また、投射型表示装置６００ａは、光源６１と画像光生成部６４との間の光路中に、上述の偏光変換素子１００が設けられている。
【０１６９】
光源６１は、例えば、高圧水銀放電管等による光源ランプやＬＥＤであってもよい。光源６１から発光されたランダム偏光は、ミラー６２によって収束する光束に変換された後、偏光変換素子１００に入射される。偏光変換素子１００に入射された光は、偏光変換素子１００で所定の偏光方向を有する直線偏光に変換されて集光レンズ６３に入射される。
【０１７０】
集光レンズ６３に入射した光は、集光レンズ６３によって画像光生成部６４へ照射される。集光レンズ６３としては、例えば、開口数が大きなコンデンサレンズを使用すると、光を効率よく取り込めるので光利用効率を高くできる。
【０１７１】
画像光生成部６４に入射した光は、画像信号に応じて変調され、投影レンズ６５によってスクリーン６６などに投影される。画像光生成部６４としては、典型的には透過型の液晶パネルが使用可能であるが、反射型の液晶パネルやデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）などを使用してもよい。なお、反射型の液晶パネルを用いる場合には、集光レンズ６３からの光を画像光生成部６４へ導くと共に、画像光生成部６４からの光を投影レンズ６５に導く偏光ビームスプリッター等を設ければよい。
【０１７２】
例えば、画像光生成部６４が偏光依存性のある光学素子である場合など、偏光変換素子１００によって偏光状態を揃えることにより、光の利用効率を高めることができる。
【０１７３】
なお、図２６（ａ）では、集光光学系として集光レンズ６３のみを示しているが、集光光学系は集光レンズ６３のみに限られない。同様に、図２６（ａ）では、投射光学系として投影レンズ６５のみを示しているが、投射光学系は投影レンズ６５のみに限られない。また、図２６（ａ）では、ランダム偏光の光を直線偏光の光に変換するための偏光変換素子として、第１の実施形態による偏光変換素子１００を備える例を示しているが、偏光変換素子は他の実施形態による偏光変換素子２００，３００であってもよい。
【０１７４】
また、図１６（ｂ）に示す投射型表示装置６００ｂのように、偏光変換素子１００の前段に、さらに１組のレンズアレイ６７，６８からなるインテグレータ６９を備えていてもよい。光源６１からの光をインテグレータ６９で均一化し、偏光変換素子１００により特定の偏光方向に揃えた後、画像生成部６４に入射する。
【０１７５】
インテグレータ６９を備えることにより、円形のランプ光束を矩形の照明領域に変換・整形することができるので、画像光の照度を均一化できる。したがって、輝度ムラや色ムラの少ない均一な映像を再現できる。
【実施例】
【０１７６】
以下、上述した偏光変換素子１００，２００および３００について具体的な数値等を用いて説明する。
【０１７７】
（例１）
以下、第１の例について示す。本例の偏光変換素子１００は、第１の実施形態の偏光変換素子１００の一例である。以下、図１１を参照して、本例の変更変換素子１００を説明する。
【０１７８】
本例の偏光変換素子１００は、偏光分離部１１の複屈折構造体１１３を、断面が三角形状で、逆方向に傾斜する各傾斜面に対応する領域幅Ｗｓ１，Ｗｓ２が各々１００μｍ、高さｄが３０μｍとなるように形成する。なお、複屈折構造体１１３のピッチＰｓはＷｓ１＋Ｗｓ２＝２００μｍである。また、複屈折構造体１１３の材料である複屈折材料には、波長５４６ｎｍで異常光屈折率ｎｅが１．６９８、常光屈折率ｎｏが１．５６２の高分子液晶を用いる。また、等方性材料層１１５の材料である等方性材料には、波長５４６ｎｍで屈折率ｎｓが１．６３の樹脂材料を用いる。また、透明基板１１１、１１２、には、波長５４６ｎｍでの屈折率が１．５２５のガラス基板を用いる。
【０１７９】
本例の偏光分離部１１の作製方法は、次のとおりである。まず、切削加工等により、複屈折構造体１１３の形状と同じ凹凸形状を有する成形型を用意する。次いで、０．２ｍｍ厚の透明基板１１２の表面に、用意した成形型を用いたインプリント加工により等方性構造体アレイを形成し、等方性材料層１１５とする。ここでは、透明基板１１２の表面上に塗布した等方性材料である樹脂材料に成形型を押し付けることにより、成形型の形状が転写された等方性構造体アレイを形成する。
【０１８０】
次いで、透明基板１１２の対向基板である、厚さ０．２ｍｍの透明基板１１１の表面に配向膜を塗布し、複屈折構造体１１３の伸長方向となる方向（図１１の例では、Ｘ軸方向）にラビング処理をする。なお、複屈折構造体１１３の伸長方向となる方向は、対向基板である透明基板１１２上に形成されている等方性構造体アレイの溝方向すなわち等方性構造体アレイの凹部の底の伸長方向といってもよい。このように等方性構造体アレイの溝方向と平行になるように、透明基板１１１上の配向膜をラビング処理することによって、対向基板１１１上に複屈折構造体１１３を形成する際に液晶分子の配向において不連続な部分を生じさせずに済むため、配向異常による散乱などが低減できる。
【０１８１】
ラビング処理を完了すると、等方性構造体アレイが形成された透明基板１１２と、配向膜が形成された透明基板１１１とを用いて空セルを作製する。このとき、セルギャップはセル内において複屈折構造体１１３の高さｄが確保できる厚さとする。すなわちｄ以上とする。
【０１８２】
次に、作製した空セルに、複屈折構造体１１３の材料である光重合性液晶モノマーを注入し、空セルの隙間をその光重合性液晶モノマーにより充填させる。その後、紫外線を照射し硬化させることにより、高分子液晶による複屈折構造体１１３を形成する。このようにして、素子厚が約４３０μｍ（ガラス基板厚２００×２μｍ＋セルギャップ約３０μｍ）、波長５４６ｎｍで分離角β＝２．３°の偏光分離部１１を得る。
【０１８３】
また、本例の偏光変換素子１００は、偏光制御部１２を、透明基板１２１上に、厚みが６．８μｍ、幅Ｗｃが１００μｍの偏光制御層１２３がピッチＰｃ＝２００μｍで配置されるように形成する。偏光制御層１２３の材料である複屈折材料には、波長５４６ｎｍで異常光屈折率ｎｅが１．５６４、常光屈折率ｎｏが１．５２４の高分子液晶を用いる。また、等方性材料層１２４の材料である等方性材料には、波長５４６ｎｍで屈折率ｎｓが１．５４４の樹脂材料を用いる。また、透明基板１２１、１２２、には、波長５４６ｎｍでの屈折率が１．５２５のガラス基板を用いる。
【０１８４】
本例の偏光制御部１２の作製方法は、次のとおりである。まず、０．２ｍｍ厚の透明基板１２１の表面に厚さが６．８μｍの一様方向に配向した高分子液晶膜を形成する。次いで、形成した高分子液晶膜に対してフォトリソグラフィーとドライエッチング技術を施して、周期２００μｍで幅１００μｍの長方形状の高分子液晶膜を残し、他の不要な部分を除去する。このような高分子液晶膜のパターニングにより、透明基板１２１上に周期的に配置された高分子液晶膜による偏光制御層１２３を得る。次いで、透明基板１２１上の偏光制御層１２３による凹凸面の凹部を少なくとも埋めるように等方性材料を充填して、対向基板である透明基板１２２を接着させる。このようにして、幅１００μｍの領域においてλ／２板として機能する偏光制御層１２３を２００μｍ間隔で備えた偏光制御部１２を得る。
【０１８５】
最後に、作製した偏光分離部１１と偏光制御部１２とを３ｍｍの間隔で配置して、本字例の偏光変換素子１００を得る。このとき、偏光分離部１１の各複屈折構造体１１３の凸位置に、偏光制御部１２の各偏光制御層１２３の中心がくるように配置する。また、偏光分離部１１の各複屈折構造体１１３中の複屈折材料の光学軸と、偏光制御部１２の偏光制御層１２３中の複屈折材料の光学軸とが４５°をなすように配置する。これは、例えば偏光制御部１２の偏光制御層１２３となる高分子液晶膜を成膜する際に、４５°方向にラビング処理した配向膜を利用するなどして、高分子液晶膜の材料である高分子液晶の光学軸が所定の軸（ここでは、Ｙ軸方向）に対して４５°をなすように成膜すればよい。
【０１８６】
このようにして得られる偏光変換素子１００は、ランダム偏光で入射する光を直線偏光に変換して出射できる。
【０１８７】
（例２）
以下、第２の例について示す。本例の偏光変換素子２００は、第２の実施形態の偏光変換素子２００の一例である。以下、図１７を参照して、本例の偏光変換素子２００を説明する。
【０１８８】
本例の偏光変換素子２００は、偏光分離部２１の複屈折層２１３を、幅５０μｍの間で複屈折材料の光学軸がＹ軸に対して１８０°から０°まで変化する第１の領域Ｒ１が２つ並んだ後に、幅５０μｍの間に複屈折材料の光学軸が０°から１８０°まで変化する第２の領域Ｒ２が２つ並んだ状態を１セットとして、そのようなセットがピッチＰｓ＝２００μｍで繰り返される面内分布を有するように形成する。
【０１８９】
複屈折層２１３の材料である複屈折材料には、波長５４６ｎｍで異常光屈折率ｎｅが１．５６４、常光屈折率ｎｏが１．５２４の高分子液晶を用いる。また、複屈折層２１３の厚みｄは６．８μｍとする。また、透明基板１１１、１１２、には、波長５４６ｎｍでの屈折率が１．５２５のガラス基板を用いる。
【０１９０】
本例の偏光分離部２１の作製方法は、次のとおりである。まず、各透明基板２１１，２１２の一方の面上に配向膜を塗布、焼成し、配向膜を形成する。次いで、図１９に示すようなスリット状の開口部を２００μｍ周期で有する開口マスクを用意し、塗布した配向膜にあてる。その状態で開口マスクを周期分すなわち２００μｍだけずらしながら直線偏光の紫外線の偏光方向を、１００μｍ進む間に３６０°（すなわち１８０°から０°までの変化を２回分）回転させながら配向膜に照射し、さらに１００μｍ進む間に逆方向に３６０°回転させながら配向膜に照射する。そのようにして各透明基板２１１，２１２上に第１の領域Ｒ１および第２の領域Ｒ２が配される位置に合わせて上述の光学軸の角度分布に対応する配向分布を持つ配向膜を形成する。なお、透明基板２１２上の配向膜に対して行う場合は、透明基板２１１と対向させたときに配向方向が各場所で平行となるようにマスクをずらす方向および照射する直線偏光の紫外線の偏光方向を逆向きにする。
【０１９１】
各透明基板２１１，２１２上の配向膜に対して光配向処理が完了すると、配向膜が形成されている面を内側にして、配向方向が各場所で平行となるように両基板を張り合わせて空セルを形成する。このとき、空セルのセルギャップが６．８μｍとなるように球状のスペーサを透明基板２１１，２１２間に挟持させる。
【０１９２】
このようにして得た空セルに、複屈折層２１３の材料である光重合性液晶モノマーを注入し、紫外線を照射し硬化させることにより、波長５４６ｎｍでリタデーションΔｎｄが約λ／２であり、光学軸が面内で分布している高分子液晶による複屈折層２１３を得る。なお、本例の偏光分離部２１は素子厚が約４１０μｍ（ガラス基板厚２００×２μｍ＋セルギャップ約１０μｍ）であり、波長５４６ｎｍでの分離角β＝１．３°である。
【０１９３】
また、本例の偏光変換素子２００は、偏光制御部２２を、ある軸上（本例では、Ｘ軸上）に、厚みが３．４μｍで幅Ｗｃ１が１００μｍの第１の偏光制御層２２３と、厚みが同じく３．４μｍで幅Ｗｃ２が１００μｍの第２の偏光制御層２２４とが交互にピッチＰｃ＝２００μｍで並ぶように形成する。第１の偏光制御層２２３および第２の偏光制御層２２４の材料である複屈折材料には、波長５４６ｎｍで異常光屈折率ｎｅが１．５６４、常光屈折率ｎｏが１．５２４の高分子液晶を用いる。また、透明基板１２１、１２２、には、波長５４６ｎｍでの屈折率が１．５２５のガラス基板を用いる。
【０１９４】
本例の偏光制御部２２の作製方法は、次のとおりである。まず、各透明基板２２１，２２２の一方の面上に光硬化型の配向膜を塗布する。次いで、図２０に示すような幅１００μｍのスリット状の開口部を２００μｍ周期で有する開口マスクを用意し、各透明基板上に塗布した配向膜にあてる。その状態で、ある軸（本例ではＸ軸）に対して＋４５°の偏光方向の直線偏光の紫外線を照射し、次に開口マスクを周期の半分すなわち１００μｍずらした状態で−４５°の偏光方向の直線偏光の紫外線を照射する。そのようにして、各透明基板２２１，２２２上に第１の偏光制御層２２３および第２の偏光制御層２２４が配される位置に合わせて上述の光学軸の角度分布に対応する配向分布を持つ配向膜を形成する。なお、透明基板２２２上の配向膜に対して行う場合は、透明基板２２１と対向させたときに配向方向が各場所で平行となるようにマスクをずらす方向および照射する直線偏光の紫外線の偏光方向を逆向きにする。
【０１９５】
各透明基板２２１，２２２上の配向膜に対して光配向処理が完了すると、配向膜が形成されている面を内側にして、配向方向が各場所で平行となるように両基板を張り合わせて空セルを形成する。このとき、空セルのセルギャップが３．４μｍとなるように球状のスペーサを透明基板２２１，２２２間に挟持させる。
【０１９６】
このようにして得た空セルに、第１の偏光制御層２２３および第２の偏光制御層２２４の材料である光重合性液晶モノマーを注入し、紫外線を照射し硬化させることにより、波長５４６ｎｍでリタデーションΔｎｄが約λ／４であり、光学軸が面内で分布している高分子液晶による分割λ／４層２２５を得る。
【０１９７】
最後に、作製した偏光分離部２１と偏光制御部２２とを６ｍｍの間隔で配置して、本例の偏光変換素子２００を得る。このとき、偏光分離部２１の複屈折層２１３において液晶分子の回転方向が変化する位置すなわち第１の領域Ｒ１と第２の領域Ｒ２の境目の位置に、偏光制御部２２の第１の偏光制御層２２３または第２の偏光制御層２２４の中心がくるように配置する。
【０１９８】
このようにして得られる偏光変換素子２００は、ランダム偏光で入射する光を直線偏光に変換して出射できる。
【０１９９】
（例３）
以下、第３の例について示す。本例の偏光変換素子３００は、第３の実施形態の偏光変換素子３００の一例である。以下、図２５を参照して、本例の偏光変換素子３００を説明する。
【０２００】
本例の偏光変換素子３００は、偏光分離部３１の複屈折層３１３を、幅５０μｍの間に複屈折材料の光学軸がＹ軸に対して１８０°から０°まで変化する第１の領域Ｒ１が繰り返される面内分布を有するように形成する。
【０２０１】
複屈折層３１３の材料である複屈折材料には、波長５４６ｎｍで異常光屈折率ｎｅが１．５６４、常光屈折率ｎｏが１．５２４の高分子液晶を用いる。また、複屈折層３１３の厚みｄは６．８μｍとする。また、透明基板１１１、１１２、には、波長５４６ｎｍでの屈折率が１．５２５のガラス基板を用いる。
【０２０２】
また、本例の偏光分離部３１は、複屈折層３１３の光入射側に、レンチキュラーレンズ３１４として、ピッチＰｓ＝２００μｍで並ぶ焦点距離が６ｍｍのシリンドリカルレンズアレイを設ける。
【０２０３】
本例の偏光分離部３１の作製方法は、次のとおりである。まず、切削加工等により、上述のシリンドリカルレンズアレイの形状に対してネガ型となる成形型を用意する。次いで、透明基板３１１の一方の表面に、用意した成形型を用いたインプリント加工により、等方性材料によるシリンドリカルレンズアレイを形成して、レンチキュラーレンズ３１４を得る。
【０２０４】
次いで、透明基板３１１の他方の面上、および対向基板である透明基板３１２の一方の面上に、それぞれ配向膜を塗布する。次いで、図２０に示すようなスリット状の開口部を５０μｍ周期で有する開口マスクを用意し、塗布した配向膜にあてる。その状態で開口マスクを周期分すなわち５０μｍだけずらしながら直線偏光の紫外線の偏光方向を、５０μｍ進む間に１８０°から０°回転させながら配向膜に照射する。そのようにして各透明基板３１１，３１２上に第１の領域Ｒ１が配される位置に合わせて上述の光学軸の角度分布に対応する配向分布を持つ配向膜を形成する。なお、透明基板３１２上の配向膜に対して行う場合は、透明基板３１１と対向させたときに配向方向が各場所で平行となるようにマスクをずらす方向および照射する直線偏光の紫外線の偏光方向を逆向きにする。
【０２０５】
各透明基板３１１，３１２上の配向膜に対して光配向処理が完了すると、配向膜が形成されている面を内側にして、配向方向が各場所で平行となるように両基板を張り合わせて空セルを形成する。このとき、空セルのセルギャップが６．８μｍとなるように球状のスペーサを透明基板３１１，３１２間に挟持させる。
【０２０６】
このようにして得た空セルに、複屈折層３１３の材料である光重合性液晶モノマーを注入し、紫外線を照射し硬化させることにより、波長５４６ｎｍでリタデーションΔｎｄが約λ／２であり、光学軸が面内で分布している高分子液晶による複屈折層３１３を得る。なお、本例の偏光分離部３１は波長５４６ｎｍでの分離角β＝１．３°である。
【０２０７】
なお、本例の偏光変換素子３００の偏光制御部３２は、第２の例の偏光変換素子２００の偏光制御部２２と同じであるため説明を省略する。
【０２０８】
そのようにして作製した偏光分離部３１と偏光制御部３２とを６ｍｍの間隔で配置して、本例の偏光変換素子３００を得る。このとき、偏光制御部３２における第１の偏光制御層３２３と第２の偏光制御層３２４の境界位置が、偏光分離部３１のレンチキュラーレンズ３１４におけるシリンドリカルレンズの中心および境界位置に一致するように配置する。
【０２０９】
このようにして得られる偏光変換素子３００は、ランダム偏光で入射する光を直線偏光に変換して出射できる。
【産業上の利用可能性】
【０２１０】
本発明は、ランダム偏光の光を直線偏光成分の光に変換して利用するものであれば好適に適用可能である。
【符号の説明】
【０２１１】
１  偏光分離部
２  偏光制御部
３  複屈折構造体
４  第１の偏光制御層
５  第２の偏光制御層
６  複屈折層
１００  偏光変換素子
１１  偏光分離部
１１１、１１２  透明基板
１１３  複屈折構造体
１１４  複屈折構造体アレイ
１１５  等方性材料層
１１６  構造体
１２  偏光制御部
１２１、１２２  透明基板
１２３  偏光制御層
１２４  等方性材料層
１３  中間層
２００  偏光変換素子
２１  偏光分離部
２１１、２１２  透明基板
２１３  複屈折層
２２  偏光制御部
２２１、２２２  透明基板
２２３  第１の偏光制御層
２２４  第２の偏光制御層
２２５  分割λ／４層
２３  中間層
３００  偏光変換素子
３１  偏光分離部
３１１、３１２  透明基板
３１３  複屈折層
３１４  レンチキュラーレンズ
３２  偏光制御部
３２１、３２２  透明基板
３２３  第１の偏光制御層
３２４  第２の偏光制御層
３２５  分割λ／４層
３３  中間層
５０１、５０２  集光位置
５０３、５０４  出射波面
６００ａ、６００ｂ  投影型表示装置
６１  光源
６２  ミラー
６３  集光レンズ
６４  画像光生成部
６５  投影レンズ
６６  スクリーン
６７  第１のレンズアレイ
６８  第２のレンズアレイ
６９  インテグレータ
【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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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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