(57)【要約】【課題】使用波長領域および使用画角全域で，高い偏光分離性能を達成るとともに，高温下での耐久性や量産性にも優れた偏光分離素子およびそれを用いた光学系を得る。【解決手段】使用波長よりも小さな周期で配列された回折格子からなる偏光分離素子において，回折格子を複数の金属ないしは金属化合物を積層して形成する。【選択図】　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
使用波長領域において実質透明な基板上に，使用波長よりも小さな周期で配列した回折格子からなる偏光分離素子において，該回折格子は複数の金属ないしは金属化合物より構成されていることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
前記複数の金属ないしは金属化合物において，基板に接する側の材料が基板に接していない側の材料に比べ融点が高い材料であ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】
前記複数の金属ないし金属化合物において，基板に接する側の材料は基板に接していない側の材料に比べ基板に対する拡散係数が小さい材料であ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４】
前記回折格子は，アルミニウム，金，銀，クロム，ジルコニウム，チタン，銅，タングステン，マグネシウム，タンタル，白金およびそれらの化合物のいずれか２つ以上の材料で構成されてい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５】
前記透明な基板は，石英基板ないしは石英基板上にＭｇＦ２又はＮａ３ＡｌＦ６からなる薄膜を積層した基板であ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６】
前記使用波長よりも小さな周期は３０ｎｍ以上，２００ｎｍ以下であ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７】
前記使用波長領域は，可視領域ないしは可視域の一部であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の偏光分離素子。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の偏光分離素子を１つ以上有していることを特徴とする光学系。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，偏光分離素子およびそれを用いた光学系に関するものであり，さらに詳しくは，使用波長よりも小さな周期で複数の金属ないしはその化合物からなる回折格子を配列することで，使用波長領域および使用画角全域で，高い偏光分離特性を達成し，かつ，高温下での耐久性や量産性にも優れた偏光分離素子およびそれを用いた光学系に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より偏光の異なる光線を分離する手段として，薄膜のブリュースター反射を利用したものが多く用いられている。
【０００３】
しかし，ブリュースター反射を利用した素子では，ある特定の入射角を持った光線に対しては極めて高い偏光分離性能を発揮するが，それ以外の入射角を持った光線に対しては偏光分離性能が急激に劣化してしまう。図２５に薄膜のブリュースター反射を利用した設計入射角４５°の偏光分離素子の入射角特性を示す。図から分かるとおり，設計入射角において極めて高い偏光分離性能を発揮しているが，設計入射角以外では，大きく性能が劣化してしまっている。このことは，例えば液晶プロジェクターなどの投影光学系に，この偏光分離素子を用いた場合，コントラストの低下を招き，高コントラストと高輝度を両立した投影光学系を実現することを困難なものとしている。
【０００４】
ところで，金属からなる回折格子（ワイヤーグリッド）を光（電磁波）の波長よりも小さな周期で配列すると，偏光の異なる光線が分離されることは古くから知られており，その概要や試作例がＪ．Ｐ．Ａｕｔｏｎ，”Ｉｎｆｒａｒｅｄ　Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ　Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ　ｂｙ　Ｐｈｏｔｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ”，Ａｐｐｌｉｅｄ．Ｏｐｔｉｃｓ．Ｖｏｌ．６．１０２３（１９６７）などに記載されている。
【０００５】
また，この原理に基づく可視光ないしは赤外線用の偏光分離素子が特開平９−２８８２１１号公報，米国特許第６１２２１０３号，第６２０８４６３号，第６２４３１９９号などに開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし，この原理の基づく偏光分離素子は，入射角特性は優れているものの，金属からなる格子が入射光のエネルギーの一部を吸収し，ジュール熱として熱に変換してしまう。
【０００７】
また，可視域で高い偏光分離性能を発揮するための格子の材料として，複素屈折率の値の観点からＡｌを用いることがもっとも好ましいが，Ａｌは融点が約６６０℃と低く，また石英基板に対する拡散係数も大きい。
【０００８】
このため，前記従来の偏光分離素子は，輝度の低い光源を用いた光学系などに用いる場合は問題ないが，高輝度な液晶プロジェクターの光学系などに用いた場合，熱耐久性に問題があった。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
そこで本発明では，Ａｌからなる回折格子と基板との間に，Ａｌよりも融点が高い，ないしは基板に対する拡散係数は小さい金属ないしは金属化合物を配置することで，高温下での耐久性を向上した構成としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
図１は，本発明第１実施例の偏光分離素子の要部正面図である。同図において，偏光分離素子１は，石英基板２の表面にＡｌおよびＴｉＮ（窒化チタン）からなる回折格子部３が配置された構成となっている。
【００１２】
図２は，第１実施例の偏光分離素子を図１中のＡ−Ａ’の位置で切断した断面を模式的に示したものである。石英基板２上にＡｌからなる回折格子４とＴｉからなる回折格子５が積層してある。
【００１３】
図３は，図２の部分拡大図である。
【００１４】
本実施例では，入射角（θ）４５°において可視域全域で高い偏光分離性能を発揮するように，格子周期ｐを７７ｎｍ，格子部の幅ｗを３７ｎｍ，Ａｌからなる回折格子４の厚さｄ１を８８ｎｍ，ＴｉＮからなる回折格子５の厚さｄ２を８ｎｍとしている。
【００１５】
図４はｐ偏光（電場の振動方向が入射面に対して垂直）光の反射率Ｒｐおよび透過率Ｔｐの入射角特性を示すものである。また，図５はｓ偏光（電場の振動方向が入射面に対して平行）光の反射率Ｒｓおよび透過率Ｔｓの入射角特性を示すものである。
【００１６】
図２５に示した従来の偏光分離素子に比べ，設計入射角である４５°での性能では劣るものの，入射角の変化に対する性能劣化が極めて小さいものであることが分かる。
【００１７】
また，第１実施例の偏光分離素子では反射率と透過率の和が１００％になっていないが，これは，金属からなる回折格子が入射光のエネルギーの一部を吸収したことによるものであり，そのエネルギーはジュール熱として熱に変換されるため，高輝度の光源を用いた光学系に使用した際，非常に高温となる。
【００１８】
しかし，本実施例では，Ａｌからなる回折格子４と石英基板２との間に，融点が高く，石英基板に対する拡散係数も小さいＴｉＮからなる回折格子５を配置したことで，可視域全域で優れた入射角特性を実現しつつ，高温下での耐久性にも優れたものとなっている。
【００１９】
図６は，本発明第２実施例の要部断面図である。
【００２０】
本実施例では，入射角（θ）４５°において可視域全域で高い偏光分離性能を発揮するように，格子周期ｐを６５ｎｍ，格子幅ｗを３２ｎｍ，Ａｌからなる回折格子４の厚さｄ１を７７ｎｍ，Ｔｉからなる回折格子５の厚さｄ２を１２ｎｍとしている。
【００２１】
図７，図８に第２実施例のｐ偏光，ｓ偏光に対する透過率，反射率の入射角特性を示す。
【００２２】
Ｔｉの融点は１６６６℃であり，Ａｌの融点に比べて１０００℃以上も高く，また，石英に対する密着性にも優れている。本実施例では，Ａｌからなる回折格子４と石英基板との間に，Ｔｉからなる回折格子５を配置したことで，高温下での耐久性に優れているばかりか，製造時のフォトレジスト除去プロセス時の耐剥離性にも優れ，製造歩留まりも向上する構成となっている。
【００２３】
図９は，本発明第３実施例の要部断面図である。
【００２４】
本実施例では，入射角（θ）４５°において可視域全域で高い偏光分離性能を発揮するように，格子周期ｐを９０ｎｍ，格子幅ｗを４１ｎｍ，Ａｌからなる回折格子４の厚さｄ１を７７ｎｍ，Ｃｒからなる回折格子５の厚さｄ２を１５ｎｍとしている。
【００２５】
図１０，図１１に第３実施例のｐ偏光，ｓ偏光に対する透過率，反射率の入射角特性を示す。
【００２６】
Ｃｒの融点は，１８５７℃であり，Ａｌの融点に比べ非常に高い。本実施例では，Ａｌからなる回折格子４と石英基板との間に，Ｃｒからなる格子５を配置したことで，高温下での耐久性に優れたものとなっている。
【００２７】
図１２は，本発明第４実施例の要部断面図である。
【００２８】
本実施例では，入射角（θ）４５°において赤色領域（６００〜７００ｎｍ）で高い偏光分離性能を発揮するように，格子周期ｐを１１０ｎｍ，格子幅ｗを５１ｎｍ，Ａｌなる回折格子４の厚さｄ１を１３２ｎｍ，Ａｇからなる回折格子５の厚さｄ２を１０ｎｍとしている。
【００２９】
図１３，図１４に第４実施例の波長６００ｎｍ，６５０ｎｍ，７００ｎｍにおけるｐ偏光，ｓ偏光に対する透過率，反射率の入射角特性を示す。
【００３０】
Ａｇの融点は約９６２℃であり，Ａｌの融点に比べて高い。本実施例では，Ａｌからなる回折格子４と石英基板との間にＡｇからなる格子５を配置したことで，高温下での耐久性に優れたものとなっている。
【００３１】
図１５は，本発明第５実施例の要部断面図である。
【００３２】
本実施例では，入射角（θ）４５°において可視域全域で高い偏光分離性能を発揮するように，格子周期ｐを５７ｎｍ，格子幅ｗを２８．８ｎｍ，Ａｌからなる回折格子４の厚さｄ１を８１ｎｍ，Ｔｉなる回折格子５の厚さｄ２を８ｎｍ，Ｔｉなる回折格子６の厚さｄ３を５ｎｍとしている。
【００３３】
図１６，図１７に第５実施例のｐ偏光，ｓ偏光に対する分離性能の入射角特性を示す。
【００３４】
Ａｌからなる回折格子４と石英基板との間にＴｉからなる回折格子５を，さらに回折格子４の上にもＴｉからなる回折格子６を配置しているので，第２実施例の特徴に加え，製造時のフォトリソグラフィ工程におけるＡｌ表面での不要反射光の発生を抑制し，レジスト線幅を制御性のよいものにするので，高い歩留まりで品質の安定した偏光分離素子を製造することができる。
【００３５】
図１８は，本発明第６実施例の要部断面図である。石英基板２上にＭｇＦ２膜７が形成してあり，その上にＡｌからなる回折格子４とＴｉからなる回折格子５が積層してある。
【００３６】
図１９は図１８の部分拡大図である。
【００３７】
本実施例では，入射角（θ）４５°において，可視域全域で高い偏光分離性能を発揮するように，ＭｇＦ２膜７上において，格子周期ｐを８１ｎｍ，格子幅ｗを３７．７ｎｍ，Ａｌからなる回折格子４の厚さｄ１を８５ｎｍ，Ｔｉなる回折格子５の厚さｄ２を９ｎｍとしている。
【００３８】
図２０，図２１に第６実施例のｐ偏光，ｓ偏光に対する透過率，反射率の入射角特性を示す。
【００３９】
Ａｌからなる回折格子４とＭｇＦ２膜７との間に，融点の高いＴｉからなる回折格子５を配置しているので，高温下での耐久性に優れた構造となっている。また，ＭｇＦ２は可視域全域でＳｉＯ２より屈折率が小さいため，ＳｉＯ２基板上に直接素子を形成した場合に比べ，より高い偏光分離特性を得ることができる。
【００４０】
次に本発明の第７実施例として，保護構造を加えた偏光分離素子の形態を図２２に示す。同図において，８はスペーサー，９は透明保護部材である。保護構造により，非常に微細な構造をもった回折格子部を保護しているので，取り扱いの容易な素子が得られる。スペーサー８と透明保護部材９により密閉された空間１０は空気でもよいが，ヘリウム，窒素，アルゴンなどの不活性ガスを封入する方が好ましい。
【００４１】
Ａｌからなる回折格子４と石英基板ないしはＭｇＦ２膜との間に，Ａｌよりも融点の高い材質からなる回折格子５を配置することで高温下での耐久性を向上し，さらに回折格子部を保護する構造を設け，不活性ガスを封入することで，回折格子の酸化や空気中の水分などによる腐蝕，ハンドリングによる破損を抑制することができるので，さらに耐久性に優れ，取り扱いも容易な偏光分離素子を得ることができる。
【００４２】
本発明の第８実施例として，プリズム面に偏光分離素子を組み込んだ形態を図２３に示す。本図は説明のために素子部分を拡大して示している。本実施例では，偏光分離素子１をスペーサー８を介してプリズム１１に密着することで，非常に微細な構造をもった回折格子部を保護しているので，取り扱い容易とすることができる。スペーサー８とプリズム１１により密閉された空間１０は空気でもよいが，ヘリウム，窒素，アルゴンなどの不活性ガスを封入する方が好ましい。
【００４３】
Ａｌからなる回折格子４と石英基板ないしはＭｇＦ２膜との間に，Ａｌよりも融点の高い材質からなる回折格子５を配置することで高温下での耐久性を向上し，さらに回折格子部を保護するようにスペーサーを介してプリズムに密着し，密閉された空間に不活性ガスを封入することで，回折格子の酸化や空気中の水分などによる腐蝕，ハンドリングによる破損を抑制することができるので，さらに耐久性に優れ，取り扱いも容易な偏光分離素子付きプリズムを得ることができる。
【００４４】
図２４に本発明の第９実施例として，偏光分離素子を投影光学系の一部に用いた形態を示す。図２４は，反射型液晶パネルを用いた液晶プロジェクターの光学系断面図である。同図において，１２は光源，１３ａ，１３ｂはフライアイインテグレーター，１４は偏光変換素子，１５はコンデンサーレンズ，１６は全反射ミラー，１７はフィールドレンズ，２０ａ，２０ｂ，２０ｃは反射型液晶パネル，２１は投影レンズである。
【００４５】
ここに用いた１ａ，１ｂ，１ｃの偏光分離素子では，使用波長よりも小さな周期で金属からなる回折格子を形成することで，広い入射角で優れた偏光分離特性を実現しており，さらにＡｌからなる回折格子４と石英基板ないしはＭｇＦ２膜との間に，Ａｌよりも融点の高い部材からなる回折格子５を配置したことで，高温下での耐久性を向上しているので，極めて高輝度な光源を用いても，耐久性に優れた液晶プロジェクターを実現することができる。
【００４６】
【発明の効果】
本発明によれば，使用波長よりも小さな周期で複数の金属ないしは金属化合物からなる回折格子を配列することで，使用波長領域および使用画角全域で高い偏光分離特性を達成し，さらにＡｌからなる回折格子と基板との間に，Ａｌよりも融点の高い，ないしは基板に対する拡散係数の小さい，ないしは基板に対する密着性に優れた金属あるいは金属化合物を配置したことで，高温下での耐久性を向上しているので，液晶プロジェクターなどにおいて，高コントラストと高輝度を両立した光学系を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明第１実施例の要部正面図
【図２】本発明第１実施例の要部断面図
【図３】本発明第１実施例に要部断面の部分拡大図
【図４】本発明第１実施例におけるｐ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図５】本発明第１実施例におけるｓ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図６】本発明第２実施例の要部断面の部分拡大図
【図７】本発明第２実施例におけるｐ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図８】本発明第２実施例におけるｓ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図９】本発明第３実施例の要部断面の部分拡大図
【図１０】本発明第３実施例におけるｐ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図１１】本発明第３実施例におけるｓ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図１２】本発明第４実施例の要部断面の部分拡大図
【図１３】本発明第４実施例におけるｐ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図１４】本発明第４実施例におけるｓ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図１５】本発明第５実施例の要部断面の部分拡大図
【図１６】本発明第５実施例におけるｐ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図１７】本発明第５実施例におけるｓ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図１８】本発明第６実施例の要部断面図
【図１９】本発明第６実施例の要部断面の部分拡大図
【図２０】本発明第６実施例におけるｐ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図２１】本発明第６実施例におけるｓ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図２２】本発明第７実施例の要部断面図
【図２３】本発明第８実施例の要部断面図
【図２４】本発明第９実施例の光学系の断面図
【図２５】従来の技術におけるｐ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【図２６】従来の技術におけるｓ偏光の透過率，反射率の入射角特性
【符号の説明】
１：偏光分離素子
２：基板
３：回折格子部
４：回折格子
５：回折格子
６：回折格子
７：薄膜
８：スペーサー
９：透明保護部材
１０：密封された空間
１１：プリズム
１２：光源
１３ａ，１３ｂ：フライアイインテグレーター
１４：偏光変換素子
１５：コンデンサーレンズ
１６：全反射ミラー
１７：フィールドレンズ
２０ａ，２０ｂ，２０ｃ：反射型液晶パネル
２１：投影レンズ
【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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