(57)【要約】【課題】信頼性に優れた広帯域の波長板を提供する。【解決手段】本発明に係る波長板（１／２波長板）２５は、ＫＴＰ結晶からなる２枚の複屈折板２５Ａ，２５Ｂをそれらの面内の光軸Ｄ１，Ｄ２が直交するように貼り合わせて構成される。ＫＴＰ結晶は、可視域から近赤外域まで透明な二軸性複屈折結晶であり、複屈折材料としてＫＴＰ結晶を用いた場合、４００〜７００ｎｍの可視光帯域での複屈折変化は最大で約０．００５であり、水晶の１／２である。従って、波長４００〜７００ｎｍでの位相シフト量も小さく抑えることが可能となり、広帯域にわたって安定した透過特性を得ることができる。また、ＫＴＰは水晶に比べて波長依存性が小さいため、貼り合わせ枚数を少なくできる。これにより、信頼性の高い広帯域の０次波長板を低コストで得ることが可能となる。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数枚の複屈折板をそれらの光軸が直交するように貼り合わせてなる波長板であって、
前記複屈折板は、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶からなる
ことを特徴とする波長板。
【請求項２】
前記複数枚のＫＴＰ基板の厚みが相互に異なっている
ことを特徴とする請求項１に記載の波長板。
【請求項３】
当該波長板は、１／２波長板である
ことを特徴とする請求項２に記載の波長板。
【請求項４】
当該波長板は、１／４波長板である
ことを特徴とする請求項２に記載の波長板。
【請求項５】
複数枚の複屈折板をそれらの光軸が直交するように貼り合わせてなる波長板を備えた光学装置であって、
前記複屈折板は、ＫＴＰ（ＫＴｉＯＰＯ4）結晶からなる
ことを特徴とする光学装置。
【請求項６】
前記波長板は、一方の直線偏光を他方の直線偏光に変換する偏光変換素子として用いられる
ことを特徴とする請求項５に記載の光学装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば液晶プロジェクタの光学系に組み込まれる偏光変換素子に用いて好適な波長板及びこれを備えた光学装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、薄型テレビやプレゼンテーションツールとして、超高圧水銀ランプなどの光源からの光束を、反射型もしくは透過型の液晶ライトバルブからなる光変調素子と投射レンズを通してスクリーン上に投影する液晶プロジェクタが広く使用されている。液晶デバイスは偏光回転デバイスであるため、画面の明暗制御は直線偏光の光に対してのみ有効である。プロジェクタの光学系では、ランプからの光は無偏光であるため、これを一定の直線偏光に変換する偏光変換素子（ＰＢＣ）が用いられている。
【０００３】
一方、薄型ディスプレイデバイス技術の進展によって、画像の高輝度化やコントラストに対する要求が近年高まっている。プロジェクタシステムでは投射画像の高輝度化を図るために光源のパワーを大きくする必要がある。光量が大きくなると光学部品で発生する熱が大きくなってしまうという問題がある。位相差板など有機材料からなるものについてはその影響が大きく、特に偏光子のような光吸収性のデバイスでは吸収による発熱が大きく、有機材料である偏光子自体の熱破壊などが生じてしまう場合がある。
【０００４】
上記偏光変換素子に用いられている波長板では、光源近傍の高出力の光パワーが照射されるため、材料劣化による吸収増大によって破壊に至る場合や、接着層の劣化による剥がれなどの問題が生じる。また、これら材料の変質による明らかな劣化でなくても、液晶パネルに置かれた位相差板では発熱による複屈折率の変化によって画面の色むらやコントラストの劣化が生じてしまうという問題があった。従って、高輝度を要求される場合には、下記特許文献１にあるように、有機材料を避けて水晶など無機複屈折結晶を用いて構成することが考えられている。
【０００５】
無機波長板は、複屈折材料を結晶軸がその表面方向となるように切断し、所望の位相シフトとなる厚さに研磨することで得ることができる。例えば、水晶を用いた場合、λ（波長）＝５４６ｎｍにおいて、ｎｅ（異常光線の屈折率）＝１．５５５３４、ｎｏ（常光線の屈折率）＝１．５４６１７で、複屈折は０．００９１７である。１／４波長板とするためには、厚さをｔとして、
（ｎｅ−ｎｏ）ｔ＝λ／４
とすればよく、λ＝５４６ｎｍの場合、厚さｔは、１４．８μｍとなる。
【０００６】
しかし、この厚さでは薄すぎて取り扱いが困難であるために、通常、使用する波長範囲が狭い場合は、
（ｎｅ−ｎｏ）ｔ＝｛ｍ＋（１／４）｝λ
として中心波長近傍のみ位相シフト条件を満たすようにしている。例えば、ｍ＝９とすれば、厚さｔは、５５１μｍとなる。
【０００７】
ここで、ｍは次数である。ｍ≠０の波長板は、高次波長板とよばれ、ｍ＝０の波長板は、０次の波長板とよばれる。０次の波長板は、厚さを薄くするだけでなく、２枚の複屈折材料を互いに異方性軸が直交するように貼り合わせることでも作製することが可能である。この場合、１枚目と２枚目で位相シフトの符号がキャンセルされる。この構成の場合、２枚の貼り合わせる複屈折材料の厚さの差を、単板での０次の波長板厚さと一致させる必要がある。
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１７０８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
波長板の波長依存性は、波長と厚さの関係による本質的なものと、屈折率や複屈折率の分散による材料起因によるものとに大別することができる。高分子材料では材料の最適化によって前者の本質的な部分をキャンセル、もしくは後者の材料起因による部分を低減するよう設計することが可能である。しかしながら、光学結晶などの無機材料の場合には、屈折率分散の向きや大きさ（短波長ほど屈折率、複屈折は大きくなる）は大きく変化できないため、材料に起因する部分が波長板の動作帯域を決める重要なファクターとなっている。
【００１０】
このようなことから、０次波長板であっても波長４００〜７００ｎｍの広帯域にわたって動作することは不可能である。一方、特許文献１に開示されているように、波長板をその異方性軸が所定の関係となるように貼り合わせることで１枚目と２枚目で波長依存性をキャンセルすることも可能である。
【００１１】
しかしながら、貼り合わせる２枚の波長板が高次のものであると、高次であることによる波長依存性が桁違いに大きいため、貼り合わせによる効果が小さくなる。２枚の波長板がともに０次であるとき波長４００〜７００ｎｍの広い帯域で動作する波長板が得られるが、０次波長板を構成するのに２枚の複屈折板を使用する場合には合計で４枚の複屈折板が必要になり、非常に高価なものになる。
【００１２】
一方、直交貼り合わせタイプの０次波長板では、動作帯域を決定する大きな要因は材料の屈折率分散であり、分散の小さい材料を用いることで波長板の広帯域化を図ることができる。しかし、無機複屈折率材料として最も一般的に用いられている水晶は、４００〜７００ｎｍの可視光帯域で、最大で約０．０１の複屈折変化が生じており、これを用いて０次の１／４波長板を構成したときの位相シフト量の波長依存性は、波長４００〜７００ｎｍで最大１８０度以上となり、信頼性の高い広帯域の波長板は得られない。
【００１３】
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、信頼性に優れた広帯域の波長板及びこれを備えた光学装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
以上の課題を解決するに当たり、本発明の波長板は、複数枚の複屈折板をそれらの光軸が直交するように貼り合わせてなる波長板であって、上記複屈折板は、ＫＴＰ結晶からなることを特徴とする。
【００１５】
ＫＴＰ（リン酸チタン酸カリウム：ＫＴｉＯＰＯ4）結晶は、可視域から近赤外域まで透明な二軸性複屈折結晶であり、波長５８８ｎｍでのａ軸、ｂ軸及びｃ軸の屈折率は、ｎａ：１．７７８９、ｎｂ：１．７６８０９、ｎｃ：１．８７４２９である。複屈折は、ｂ軸とｃ軸間で０．１０６、ａ軸のｂ軸間で０．０１０８となっている。複屈折材料としてＫＴＰ結晶を用いた場合、４００〜７００ｎｍの可視光帯域での複屈折変化は最大で約０．００５であり、水晶の１／２である。従って、波長４００〜７００ｎｍでの位相シフト量も小さく抑えることが可能となり、広帯域にわたって安定した透過特性を得ることができる。また、ＫＴＰは水晶に比べて波長依存性が小さいため、貼り合わせ枚数を少なくできる。これにより、信頼性の高い広帯域の０次波長板を低コストで得ることが可能となる。
【００１６】
本発明に係る波長板は、１／２波長板、１／４波長板等として構成することができる。例えば、２枚の１／２波長板を貼り合わせて０次の１／２波長板を作製する場合、これら２枚の１／２波長板の厚みを相互に異ならせ、その厚みの差Δｔが、（ｎｅ−ｎｏ）Δｔ＝（１／２）λの関係を満たすようにする。
【００１７】
１／２波長板の適用例としては、液晶プロジェクタ等の光学装置における偏光変換素子（ＰＢＣ）等が好適である。本発明に係る波長板は、無機材料で構成されているため、光源近傍に配置しても熱吸収による複屈折の変化が生じにくい。また、屈折率の波長依存性が水晶等に比べて小さいため、信頼性の高い光学特性が得られるとともに、貼り合わせ枚数を少なくして波長板を構成することが可能となるので、素子の小型化・薄型化と低コスト化に貢献できる。
【発明の効果】
【００１８】
以上述べたように、本発明によれば、信頼性に優れた広帯域の波長板を低コストで得ることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明の各実施形態について図面を参照して説明する。
【００２０】
図１は本発明の実施形態による光学装置１０の概略構成図である。本実施形態の光学装置１０は、液晶プロジェクタ（画像表示装置）として構成されている。
【００２１】
光学装置１０において、例えば超高圧水銀ランプからなる光源１１は、白色の照明光Ｌを一対のフライアイレンズからなるインテグレータレンズ１２へ向けて照射する。インテグレータレンズ１２は、照明光Ｌの光量分布を均一化して偏光変換素子１３へ入射させる。偏光変換素子１３は、入射した照明光ＬについてＰ偏光成分をＳ偏光成分へ変換してコンデンサーレンズ１４へ入射させる。コンデンサーレンズ１４は、偏光変換素子１３の出射光を次段の色分離光学系の光路長に合わせた光線に変換して出射する。
【００２２】
上記色分離光学系は、コンデンサーレンズ１４から出射された照明光Ｌについて、青色帯域の光を反射し赤色及び緑色帯域の光を透過する第１ダイクロイックミラー１５Ａと、緑色帯域の光を反射し赤色帯域の光を透過する第２ダイクロイックミラー１５Ｂで構成されている。
【００２３】
第１ダイクロイックミラー１５Ａで反射された青色光Ｌｂは、ミラー１６で全反射して光路が９０度変換されて青色用空間変調素子１７ｂへ入射する。一方、第２ダイクロイックミラー１５Ｂで反射された緑色光Ｌｇは緑色用空間変調素子１７ｇへ入射し、第２ダイクロイックミラー１５Ｂを透過した赤色光Ｌｒは、ミラー１８，１９で全反射して光路がそれぞれ９０度変換された後、赤色用空間変調素子１７ｒへ入射する。
【００２４】
青色用空間変調素子Ｌｂ、緑色用空間変調素子Ｌｇ及び赤色用空間変調素子Ｌｒは、それぞれ透過型液晶表示パネルで構成されており、空間変調した青色光Ｌｂ、緑色光Ｌｇ及び赤色光Ｌｒを合成プリズム２０へ出射する。合成プリズム２０は、入射した各色光を合成して投影レンズ系２１を介して図示しないスクリーンへ画像光ＰＬを投射する。
【００２５】
次に、以上のように構成される本実施形態の光学装置１０における偏光変換素子１３の詳細について説明する。図２は、偏光変換素子１３の構成及び機能を説明する概略図である。
【００２６】
偏光変換素子１３は、無偏光の照明光Ｌを一定の直線偏光（Ｓ偏光）に変換する光学素子である。偏光変換素子１３は、プリズムの斜面に光学薄膜２３を成膜したプリズムアレイ２４の所定位置に１／２波長板２５を備えた構造を有している。光学薄膜２３は、例えば光学多層膜からなり、Ｐ偏光成分は透過しＳ偏光成分は反射する光学特性を有している。１／２波長板２５は、プリズムアレイ２４の出射面において光学薄膜２３を介して透過するＰ偏光成分の出射領域に選択的に設置されており、入射するＰ偏光成分に１８０度の位相差を与え、Ｓ偏光として出射させる機能を果たす。
【００２７】
図３は１／２波長板２５の概略構成図である。本実施形態の１／２波長板２５は、ＫＴＰ（リン酸チタン酸カリウム：ＫＴｉＯＰＯ4）結晶からなる２枚の複屈折板２５Ａ，２５Ｂをそれらの光軸（光学軸）Ｄ１，Ｄ２が直交するように貼り合わせて構成されている。複屈折板２５Ａ，２５Ｂは、厚さが異なる２枚の１／２波長板として構成されており、透明な接着剤を介して貼り合わされている。
【００２８】
２枚の複屈折板２５Ａ，２５Ｂは、面内の光軸Ｄ１，Ｄ２が互いに直交するように貼り合わされることにより、同一の厚さ範囲で位相シフトの符号がキャンセルされる。このとき、複屈折板２５Ａ，２５Ｂの厚さの差Δｔ（ｔ１−ｔ２）が、（ｎｅ−ｎｏ）Δｔ＝｛ｍ＋（１／２）｝λの関係を満たすように複屈折板２５Ａ，２５Ｂの厚さが選定される。ｍ＝０の場合は０次の１／２波長板が得られ、ｍ≠０の場合は高次の１／２波長板が得られることになる。本実施形態では、Δｔが０次の波長板厚さと一致するように設計される。これにより、取り扱い性を損なわない程度の厚さで０次の１／２波長板を容易に構成することが可能となる。
【００２９】
ＫＴＰ結晶は、可視域から近赤外域まで透明な二軸性結晶であり、波長５８８ｎｍでのａ軸、ｂ軸及びｃ軸の屈折率は、ｎａ：１．７７８９、ｎｂ：１．７６８０９、ｎｃ：１．８７４２９である。複屈折は、ｂ軸とｃ軸間で０．１０６、ａ軸のｂ軸間で０．０１０８となっている。
【００３０】
図４及び図５は、ＫＴＰ結晶（ａ−ｂ軸間）と水晶について測定した可視光帯域における複屈折変化と位相シフト量の波長依存をそれぞれ示している。各図において、実線はＫＴＰ結晶、一点鎖線は水晶を表している。なお、図５は、０次の１／４波長板をサンプルに用いたときの実験結果である。
【００３１】
図４に示すように、複屈折材料としてＫＴＰ結晶を用いた場合、４００〜７００ｎｍの可視光帯域での複屈折変化は最大で約０．００５であり、水晶の複屈折変化（約０．０１）の実に半分である。従って、図５に示すように波長４００〜７００ｎｍでの位相シフト量も、±３０度と小さく抑えられる。これにより、広帯域にわたって高いＰＳ偏光変換効率を得ることができる。
【００３２】
本発明者は、水晶及びＫＴＰ結晶からなる１／２波長板を用いて偏光変換素子を構成したときのそれぞれの偏光透過率（４００〜７００ｎｍの透過率平均値）を測定した。実験結果によれば、水晶の場合は７４％であったのに対し、ＫＴＰ結晶の場合は８８％であった。可視光帯域の光に対して位相シフト量が１８０度からずれると、偏光変換が完全でなくなり透過率が低下する。すなわち、各々の偏光透過率の違いは、ＫＴＰの複屈折の波長依存性が水晶に比べて小さいことによるもので、本発明の優位性を示している。
【００３３】
また、ＫＴＰ結晶は水晶に比べて波長依存性が小さいため、水晶を用いた場合のように貼り合わせ枚数を増やして波長依存性をキャンセルする必要がなくなり、貼り合わせ枚数を少なくして低コスト、小型・薄型の１／２波長板２５を作製することが可能となる。なお、高次ほど波長依存の影響が少なくなるので、ＫＴＰ結晶基板を複数枚貼り合わせて高次の波長板を作製することも勿論可能である。
【００３４】
また、ＫＴＰ結晶は二軸性結晶であるため、光学軸のひとつが複屈折板の面内方向にあり入射光が複屈折板の表面に垂直に入射する条件において、一軸性結晶と同様な解析で波長板の光学設計が可能である。また、二軸性結晶は一軸性結晶よりも光学軸が多いため、光学軸の選定の仕方で複数の複屈折性を得ることができ、これにより波長板の設計自由度の向上が図れるようになる。
【００３５】
以上のように、本実施形態によれば、１／２波長板２５を構成する複屈折材料にＫＴＰ結晶を用いているので、可視光帯域における複屈折の波長依存性を従来の水晶波長板に比べて低くすることができる。これにより、可視光全域において安定した位相差特性が得られ、高い偏光変換効率を確保できるようになる。その結果、偏光透過率が向上して、光利用効率が高まり、画像の高輝度化を図ることができるとともに、光学装置１０全体の低消費電力化に貢献することができるようになる。
【００３６】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
【００３７】
例えば以上の実施形態では、本発明に係る波長板を１／２波長板として構成した例について説明したが、１／４波長板、１／８波長板等の他の位相差板として構成することも可能である。
【００３８】
１／４波長板は、目的とする波長帯域の直線偏光を円偏光に又は円偏光を直線偏光に変換する素子である。適用例としては、液晶プロジェクタにおいて、空間変調素子を反射型液晶表示パネルで構成した場合に当該液晶表示パネルの前面に設置される１／４波長板が挙げられる。あるいは、光ピックアップ装置に組み込まれる１／４波長板にも、本発明は適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態による光学装置としての液晶プロジェクタの概略構成図である。
【図２】図１の液晶プロジェクタにおける偏光変換素子の構成及び作用を説明する図である。
【図３】本発明の実施形態による波長板の概略構成を示す斜視図である。
【図４】ＫＴＰ結晶及び水晶の可視広帯域における複屈折の波長依存性を示す図である。
【図５】ＫＴＰ結晶及び水晶の可視光帯域における位相シフト量の波長依存性を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
１０…光学装置（液晶プロジェクタ）、１１…光源、１３…偏光変換素子、１５Ａ，１５Ｂ…ダイクロイックミラー、１７ｒ，１７ｇ，１７ｂ…空間変調素子（透過型液晶表示パネル）、２５…１／２波長板、２５Ａ，２５Ｂ…複屈折板
【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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