(57)【要約】【課題】接着剤として、耐熱・耐光性能に優れた紫外線硬化製樹脂接着剤を用い、複数の波長帯における広い範囲で１／２波長板として機能する波長板を備えた偏光変換素子の構造を実現する。【解決手段】複数の透光性基板と、透光性基板間に交互に設けた偏光分離膜及び反射膜と、を有する光学素子と、光学素子の光出射面に配置し、光学素子からの出射光の偏光面をθ回転させる積層波長板２０と、を備えた偏光変換素子において、透光性基板を接着する接着層の厚みを５μｍ以上１０μｍ以下とし、積層波長板２０は、複数の波長帯のうちの何れかに含まれる設計波長λの光に対して、位相差Γ１の第１の波長板３０と、位相差Γ２の第２の波長板４０と、を各々の光学軸方位角θ１、θ２が交差するように積層し、Γ１＝１８０＋３６０×ｎ（ｄｅｇ）Γ２＝１８０＋３６０×ｎ（ｄｅｇ）｜θ１−θ２｜＜４５（ｄｅｇ）となるようにした（ｎは１からはじまる自然数）。【選択図】図１６
2012220909.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
互いに略平行な光入射面及び光出射面を有し、
前記光入射面あるいは前記光出射面に対して所定の傾斜角度を有する接合面によって接着剤を介して接合された複数の透光性基板と、
複数の前記透光性基板の間の境界部に交互に設けられ、前記光入射面に入射した光を偏光方向が互いに直交する異なる２種類の直線偏光に分離して一方の直線偏光を透過させ、他方の直線偏光を反射する偏光分離部と、反射された前記他方の直線偏光光束を反射し、光路の向きを変える反射部と、を有する光学素子と、
前記光出射面に配置され、前記２種類の直線偏光のうち何れか一方の直線偏光の偏光面を回転させて他方の直線偏光の偏光面と平行な直線偏光に変換して出射する位相差板と、を備え、
前記接着層は、紫外線硬化型の接着剤であり、厚みが５μｍ以上１０μｍ以下であり、
前記位相差板は、前記光出射面であって、前記偏光分離部の上部の領域又は前記反射部の上部の領域に配置され、
波長λの光に対して、位相差Γ１の第１の波長板と、波長λの光に対して、位相差Γ２の第２の波長板と、を各々の光学軸が交差するように積層してなり、
互いに波長帯が異なる複数の波長帯において、入射する直線偏光の偏光面を回転角θ（ｄｅｇ）回転させた直線偏光に変換して出射する位相差板であって、
前記波長λは、前記複数の波長帯のうちの何れかの波長帯に含まれる波長であり、
下式（１）及び（２）を満足し、
Γ１＝１８０＋３６０×ｎ（ｄｅｇ）・・・（１）
Γ２＝１８０＋３６０×ｎ（ｄｅｇ）・・・（２）
但し、ｎは１からはじまる自然数
前記第１の波長板の光学軸方位角θ１と前記第２の波長板の光学軸方位角θ２が、
２２．５（ｄｅｇ）＜θ１＜４５．０（ｄｅｇ）
４５．０（ｄｅｇ）＜θ２＜６７．５（ｄｅｇ）
又は、
４５．０（ｄｅｇ）＜θ１＜６７．５（ｄｅｇ）
２２．５（ｄｅｇ）＜θ２＜４５．０（ｄｅｇ）
を満足し、
若しくは、
１３５．０（ｄｅｇ）＜θ１＜１５７．５（ｄｅｇ）
１１２．５（ｄｅｇ）＜θ２＜１３５（ｄｅｇ）
又は、
１１２．５（ｄｅｇ）＜θ１＜１３５．０（ｄｅｇ）
１３５．０（ｄｅｇ）＜θ２＜１５７．５（ｄｅｇ）
を満足することを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
前記位相差板は、
前記光学素子の端縁部に、前記偏光分離部と前記反射部とが交互に並べられた方向に沿って接合された基部と、
該基部に連続して形成され、且つ前記偏光分離部又は前記反射部の前記光出射面側に配置された複数の位相差部本体と、を備えていることを特徴とする請求項１に記載の偏光変換素子。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の偏光変換素子において、
前記接着層は、変性アクリレート又は変性メタクリレートを主成分とすることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項４】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の偏光変換素子において、
前記位相差板と前記光出射面とは、接合層により接合され、
前記接合層は、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ）を含む原子構造を有するＳｉ骨格と、該Ｓｉ骨格に結合する脱離基と、を含み、前記Ｓｉ骨格のうち、前記脱離基が脱離したＳｉ骨格の未結合手が活性手となって、前記位相差板と前記光出射面と接合していることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか一項に記載の偏光変換素子において、
前記透光性基板と前記位相差板とは、接合層により接合され、
前記接合層は、前記透光性基板に設けられた微結晶連続薄膜と、前記位相差板に設けられた微結晶連続薄膜とを接触させて、前記透光性基板の微結晶連続薄膜と前記位相差板の微結晶連続薄膜との接触界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせる原子拡散接合法により形成される、又は、前記透光性基板及び前記位相差板のうちの何れか一方に設けられた微結晶連続薄膜と、何れか他方に設けられた微結晶構造とを接触させて、前記微結晶連続薄膜と前記微結晶構造との接触界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせる原子拡散接合法により形成されることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項６】
請求項１乃至５の何れか一項に記載の偏光変換素子において、
前記位相差板の材質が、無機光学結晶であることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項７】
請求項１乃至６の何れか一項に記載の偏光変換素子と、当該偏光変換素子を固定する固定枠と、を備えることを特徴とする偏光変換ユニット。
【請求項８】
光を出射する光源装置と、
該光源装置からの光を、１種類の偏光光に変換する請求項７に記載の偏光変換ユニットと、
当該偏光変換ユニットからの偏光光を画像情報に応じて光学像を形成する光変調装置と、
該光変調装置にて形成された前記光学像を拡大投射する投射光学装置と、
を備えることを特徴とする投射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源からのランダム偏光光束を一種類の偏光光束に変換するための偏光変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクター等の投影型映像装置（投射装置）は、光源装置から出射された光を画像情報に応じて変調し、この変調された光学像をスクリーン上に拡大投射する装置である。
この投射装置では、光の利用効率を向上させるために、光源装置から出射されたランダムな偏光（互いに偏光面が直交するＰ偏光とＳ偏光や、偏光面の方向が様々な直線偏光が混在した光、円偏光、楕円偏光、等の偏光）を有する光（以下、ランダム光と称す）を複数の中間光束に分割し、この分割された中間光束を１種類の直線偏光光に変換し、統一して出射するために偏光変換素子が用いられている。
なお、かかる偏光変換素子は、特許文献１や特許文献２に開示されているような構造を有するものが一般的であった。
【０００３】
かかる偏光変換素子は、一般に、両主面にＰＢＳ膜（互いに直交関係のＰ偏光とＳ偏光のうち、何れか一方の直線偏光を透過させ、他方の直線偏光を反射させる機能を有する光学機能膜、所謂、偏光分離膜）と反射ミラー膜とを夫々形成された無色透明なガラス等の透光性基板を幾重にも交互に積層してなる積層体を作成し、入射面（積層面）に対して所定の角度、例えば４５（ｄｅｇ）（あるいは１３５（ｄｅｇ））の角度に切断して得た偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ：Polarizing Beam Splitter）アレイ（プリズムアレイ）の出射側表面に、有機系材料、例えばポリカーボネートフィルム製の１／２波長板を有機系の接着剤により接着した構成を備えており、光源から出射されたランダム光は、光路上に配置された遮光板により選択的にＰＢＳ膜に入射してＳ偏光光束とＰ偏光光束とに分離され、例えばＰ偏光光束は、前記ＰＢＳ膜を透過し、Ｓ偏光光束は、前記ＰＢＳ膜を反射する。
前記ＰＢＳ膜を透過したＰ偏光光束は、１／２波長板に入射すると、位相が１８０（ｄｅｇ）ずれることにより、Ｓ偏光の光に変換されて１／２波長板から入射し、前記ＰＢＳ膜を反射したＳ偏光光束は、反射ミラー膜でさらに反射して、前記ＰＢＳアレイの１／２波長板が配置されていない領域の出射面から出射する。
結果として、前記偏光変換素子から出射する光はＳ偏光の光に統一されることとなる。
ただし、上記とは逆に、前記ＰＢＳ膜においてＳ偏光光束を透過してＰ偏光光束を反射するようにし、前記ＰＢＳ膜を透過したＳ偏光光束を１／２波長板によりＰ偏光光束に変換し、前記ＰＢＳ膜で反射したＰ偏光光束を反射ミラー膜で反射して前記ＰＢＳアレイの１／２波長板が配置されていない領域の出射面から出射させるようにすることで、偏光変換素子から出射する光をＰ偏光に統一することも出来る。
【０００４】
図３７は、一般的な偏光変換素子の構成を説明する図である。
偏光分離膜９１及び反射（ミラー）膜９２が形成された透光性基板９８と、これらの膜が形成されていない透光性基板９８と、を接着層９３により交互に貼り合わせ、この貼り合わせた積層体を所定の角度、例えば４５（ｄｅｇ）（あるいは１３５（ｄｅｇ））で切り出し、その切断面を研磨して、光入射面９５１及び光出射面９５２を形成した素子本体９５に、接合層９６を介して位相差板９７を接合している。
ところで、上記のような構成を有する偏光変換素子を採用した液晶プロジェクター等に用いられる光源としての白色の光源ランプは、近年、高出力化、短アーク長化が進行しており、上述のＰＢＳアレイ、及び１／２波長板に対する熱負荷が増大している。
そこで、図３７に示したような偏光変換素子を作成する際に、透光性基板９８を積層して接着するために従来用いられる接着剤（接着層９３）だと、高輝度ランプ光に対応出来ず、劣化して光の透過率が低下してしまうという問題があった。
その原因としては、従来用いられる接着剤が短波長光の吸収率が高い成分で構成されていること、粘度が高いために塗布量が多くなって接着層９３が厚くなりその結果光の吸収量が多くなること、分解温度が低い成分で構成されていること、などが考えられる。
【０００５】
また、図３７に示す従来の偏光変換素子においては、上記のように接着層９３が厚くなるが、このように接着層９３が厚い状態で積層体が切り出されると、接着層９３の端部に歪みが生じてしまう。この歪みが生じた状態で、切断面が研磨されると、図３８に示すように接着層９３近傍における透光性基板９８の角部９８１が削られてしまう。これにより、素子本体９５に位相差板９７を接合するための接合層９６に隙間が生じて、位相差板９７が剥がれやすくなり、また気泡９６１が形成されて、光の透過率が低下するなどの問題もある。
また、接着層９３近傍における透光性基板９８の角部９８１が削られることで、光が有効に透過する領域が小さくなるという問題もある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０００−２９８２１２公報
【特許文献２】特許第３３０９８４６号
【特許文献３】特許第２５１９１９８号
【特許文献４】特開２０１０−１２８３２９公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
これらの問題に対して、特許文献３、４には、第１の波長板と第２の波長板からなる積層波長板の例においてこれらの波長板を積層せずに空間的に離間して配置する構成が開示されており、このような構成を偏光変換素子に適用して、偏光変換素子を構成する透光性基板同士を、接着剤を用いずに離間して配置することで、接着剤の劣化や、研磨時に透光性基板の角部が削られることに伴う偏光変換素子の光学特性の劣化の影響を回避することも可能であるが、透光性基板同士の光学軸の交差角度の制御や、各々の波長板の表裏面に反射防止膜を形成し設けなければならない、等の製造上の煩雑性やコスト高、光学素子の大型化等の問題が発生するために好ましくない。
さらに、以上説明したような偏光変換素子に用いられる１／２波長板（位相差板）としては、光の三原色であるＲ、Ｇ、Ｂの３波長帯を用いる液晶プロジェクターに適用可能なように、広帯域の波長で位相差が１８０（ｄｅｇ）となり、偏光変換効率が１となって確実にＰ偏光をＳ偏光に変換し、あるいはＳ偏光をＰ偏光に変換可能な仕様を有する１／２波長板が求められている。
本発明の目的は、上記の課題を解決するためになされたものであり、接着剤として、耐熱・耐光性能に優れた紫外線硬化製樹脂接着剤を用い、更に、複数の波長帯の光に対して１／２波長板として機能する波長板を備えた偏光変換素子の構造を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態又は適用例として実現することが可能である。
【０００９】
［適用例１］本適用例の偏光変換素子は、互いに略平行な光入射面及び光出射面を有し、
前記光入射面あるいは前記光出射面に対して所定の傾斜角度を有する接合面によって接着剤を介して接合された複数の透光性基板と、複数の前記透光性基板の間の境界部に交互に設けられ、前記光入射面に入射した光を偏光方向が互いに直交する異なる２種類の直線偏光に分離して一方の直線偏光を透過させ、他方の直線偏光を反射する偏光分離部と、反射された前記他方の直線偏光光束を反射し、光路の向きを変える反射部と、を有する光学素子と、前記光出射面に配置され、前記２種類の直線偏光のうち何れか一方の直線偏光の偏光面を回転させて他方の直線偏光の偏光面と平行な直線偏光に変換して出射する位相差板と、を備え、前記接着層は、紫外線硬化型の接着剤であり、厚みが５μｍ以上１０μｍ以下であり、前記位相差板は、前記光出射面であって、前記偏光分離部の上部の領域又は前記反射部の上部の領域に配置され、波長λの光に対して、位相差Γ１の第１の波長板と、波長λの光に対して、位相差Γ２の第２の波長板と、を各々の光学軸が交差するように積層してなり、互いに波長帯が異なる複数の波長帯において、入射する直線偏光の偏光面を回転角θ（ｄｅｇ）回転させた直線偏光に変換して出射する位相差板であって、前記波長λは、前記複数の波長帯のうちの何れかの波長帯に含まれる波長であり、下式（１）及び（２）を満足し、
Γ１＝１８０＋３６０×ｎ（ｄｅｇ）・・・（１）
Γ２＝１８０＋３６０×ｎ（ｄｅｇ）・・・（２）
但し、ｎは１からはじまる自然数
前記第１の波長板の光学軸方位角θ１と前記第２の波長板の光学軸方位角θ２が、
２２．５（ｄｅｇ）＜θ１＜４５．０（ｄｅｇ）
４５．０（ｄｅｇ）＜θ２＜６７．５（ｄｅｇ）
又は、
４５．０（ｄｅｇ）＜θ１＜６７．５（ｄｅｇ）
２２．５（ｄｅｇ）＜θ２＜４５．０（ｄｅｇ）
を満足し、
若しくは、
１３５．０（ｄｅｇ）＜θ１＜１５７．５（ｄｅｇ）
１１２．５（ｄｅｇ）＜θ２＜１３５（ｄｅｇ）
又は、
１１２．５（ｄｅｇ）＜θ１＜１３５．０（ｄｅｇ）
１３５．０（ｄｅｇ）＜θ２＜１５７．５（ｄｅｇ）
を満足することを特徴とする。
【００１０】
本適用例によれば、光学素子を作成する際の接着剤として耐熱・耐光性能に優れた紫外線硬化製樹脂接着剤を用いることで高耐熱・高耐光性であり、更に、光学軸方位角を上記のように設定することで、複数の波長帯において、広い範囲で１／２波長板として機能する位相差板を備えた偏光変換素子の構造を実現することが出来る。
また、接着層の厚みが１０μｍ以下であり、十分に薄いため、光入射面などを研磨する際に透光性基板の角部が削られてしまうことがない。従って、光の透過領域を狭くなるという問題もない。
【００１１】
［適用例２］本適用例の偏光変換素子は、適用例１の偏光変換素子において、前記位相差板は、前記光学素子の端縁部に、前記偏光分離膜と前記反射膜とが交互に並べられた方向に沿って接合された基部と、該基部に連続して形成され、且つ前記偏光分離膜又は前記反射膜の前記光出射面側に配置された複数の位相差部本体と、を備えている。
【００１２】
本適用例によれば、位相差板を構成する位相差部本体が、光学素子に直に接合されないので、両者の接合に接着剤を用いる必要が無く、接着剤の劣化による光学特性の劣化を防止出来る。
【００１３】
［適用例３］本適用例の偏光変換素子は、適用例１又は２の偏光変換素子において、前記接着層は、変性アクリレート又は変性メタクリレートを主成分とする。
【００１４】
本適用例によれば、透明基板の接着に耐熱・耐光性能に優れた紫外線硬化製樹脂接着剤を用いることで、偏光変換素子を高耐熱性・高耐光性として長寿命とすることが出来る。
【００１５】
［適用例４］本適用例の偏光変換素子は、適用例１乃至３の何れかの偏光変換素子において、前記位相差板と前記光出射面とは、接合層により接合され、前記接合層は、シロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ）を含む原子構造を有するＳｉ骨格と、該Ｓｉ骨格に結合する脱離基と、を含み、前記Ｓｉ骨格のうち、前記脱離基が脱離したＳｉ骨格の未結合手が活性手となって、前記位相差板と前記光出射面と接合している。
【００１６】
本適用例によれば、無機的な方法で透光性基板と位相差板とを接合するため、接着剤が熱劣化することなく、偏光変換素子を高耐熱性・高耐光性として長寿命とすることが出来る。
【００１７】
［適用例５］本適用例の偏光変換素子は、適用例１乃至３の何れかの偏光変換素子において、前記透光性基板と前記位相差板とは、接合層により接合され、前記接合層は、前記透光性基板に設けられた微結晶連続薄膜と、前記位相差板に設けられた微結晶連続薄膜とを接触させて、前記透光性基板の微結晶連続薄膜と前記位相差板の微結晶連続薄膜との接触界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせる原子拡散接合法により形成される、又は、前記透光性基板及び前記位相差板のうちの何れか一方に設けられた微結晶連続薄膜と、何れか他方に設けられた微結晶構造とを接触させて、前記微結晶連続薄膜と前記微結晶構造との接触界面及び結晶粒界に原子拡散を生じさせる原子拡散接合法により形成される。
【００１８】
本適用例によれば、無機的な方法で透光性基板と位相差板とを接合するため、接着剤が熱劣化することなく、偏光変換素子を高耐熱性・高耐光性として長寿命とすることが出来る。
【００１９】
［適用例６］本適用例の偏光変換素子は、適用例１乃至５の何れかの偏光変換素子において、前記位相差板の材質が、無機光学結晶である。
【００２０】
本適用例によれば、位相差板として放熱性の高い無機光学結晶を用いることで、位相差板を高耐熱性・高耐光性として長寿命とすることが出来る。
【００２１】
［適用例７］本適用例の偏光変換ユニットは、適用例１乃至６の何れかの偏光変換素子と、当該偏光変換素子を固定する固定枠と、を備える。
【００２２】
本適用例によれば、本発明の偏光変換素子を備えることで、長寿命で光学特性に優れた偏光変換ユニットとすることが出来る。
【００２３】
［適用例８］本適用例の偏光変換ユニットは、光を出射する光源装置と、該光源装置からの光を、１種類の偏光光に変換する適用例７の偏光変換ユニットと、当該偏光変換ユニットからの偏光光を画像情報に応じて光学像を形成する光変調装置と、該光変調装置にて形成された前記光学像を拡大投射する投射光学装置と、を備える。
【００２４】
本適用例によれば、本発明の偏光変換素子を用いることで、長寿命で光学特性に優れた投光装置とすることが出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る偏光変換素子の一例を示す図。
【図２】プラズマ重合膜の組成を説明する概略図。
【図３】他の実施形態に係る偏光変換素子を示す分解斜視図。
【図４】図３の偏光変換素子の一部分を拡大して示した断面図。
【図５】本実施形態にかかる偏光変換素子の製造工程を説明する図。
【図６】本実施形態にかかる偏光変換素子の製造工程を説明する図。
【図７】硬化試験における引張強度の測定結果を示す図。
【図８】硬化試験におけるせん断強度の測定結果を示す図。
【図９】本実施形態にかかる偏光変換素子の製造工程を説明する図。
【図１０】本実施形態にかかる偏光変換素子の製造工程を説明する図。
【図１１】本実施形態にかかる偏光変換素子の製造工程を説明する図。
【図１２】本実施形態にかかる実施例及び従来例の耐熱性試験を示す図。
【図１３】本実施形態にかかる実施例の平坦度試験の結果を示す図。
【図１４】本実施形態に係る実施例の平坦度試験の結果を示す図。
【図１５】比較例の平坦度試験の結果を示す図。
【図１６】高次モード積層１／２波長板の構成を示す図。
【図１７】本発明の他の実施の形態に係る位相差板の一例としての高次モード積層１／２波長板構成を示す分解斜視図。
【図１８】従来の積層１／２波長板における偏光状態の軌跡を示すポアンカレ球を示す図。
【図１９】図１６に示す積層１／２波長板における偏光状態の軌跡を示すポアンカレ球を示す図。
【図２０】図１４に示す場合において各波長板の光学軸方位角を入れ替えた場合の、直線偏光のポアンカレ球上での軌道の推移を説明するための図。
【図２１】図１５に示す構成の積層１／２波長板における直線偏光のポアンカレ球上での軌道の推移を説明するための図。
【図２２】図１８に示す場合において各波長板の光学軸方位角を入れ替えた場合の、直線偏光のポアンカレ球上での軌跡の推移を示す図。
【図２３】積層１／２波長板の光学軸調整量ａに対する変換効率を示す図。
【図２４】異なる光学軸調整量ａについて積層１／２波長板の周波数に対する変換効率を示す図。
【図２５】光学軸調整量ａに対する変換効率の最小値Ｔｍｉｎ及び変換効率の最大値と最小値との差ΔＴを示す図。
【図２６】光学軸調整量ａに対する変換比率ＲＴを示す図。
【図２７】異なる偏光面回転角度θについて光学軸調整量ａに対する変換比率ＲＴを示す図。
【図２８】高次モード次数ｎ＝１の場合に、変換比率がａ＝０（ｄｅｇ）よりも良くなる光学軸調整量ａの最大値ａｍａｘと偏光面回転角度ψとの関係を示す図。
【図２９】高次モード次数ｎ＝２の場合に、変換比率がａ＝０（ｄｅｇ）よりも良くなる光学軸調整量ａの最大値ａｍａｘと偏光面回転角度θとの関係を示す図。
【図３０】青・緑・赤の各色光の波長域について波長に対する変換効率を示す図。
【図３１】４００ｎｍから７００ｎｍに対する積層１／２波長板の変換効率を示す図。
【図３２】４００ｎｍから７００ｎｍに対する積層１／２波長板の変換効率を示す図。
【図３３】４００ｎｍから７００ｎｍに対する積層１／２波長板の変換効率を示す図。
【図３４】本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を組み込んだ偏光変換ユニットの外観を示す図。
【図３５】図３４の偏光変換ユニットの分解斜視図。
【図３６】本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を適用した投光装置の一例としての液晶プロジェクターを示す図。
【図３７】一般的な偏光変換素子の構成を説明する図。
【図３８】一般的な偏光変換素子の構成を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
以下に、図面を参照して、本発明の実施の形態例を詳細に説明する。
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る偏光変換素子の一例を示す図である。
図１に示すように、本発明に係る偏光変換素子１は、上述のＰＢＳアレイである素子本体（光学素子）１０と、素子本体１０に選択的に接合された、水晶等の無機光学結晶からなる位相差板（積層１／２波長板）２０と、を備える。
水晶等の無機光学結晶は、熱伝導性に優れるため、背景技術で述べた有機系材料で作製した位相板に比べ、耐熱性に優れ、高熱による光学特性の劣化の懸念がない。
また、位相差板の材質としては、水晶の他に、リチウムタンタレート、サファイアなども適用可能である。
なお、偏光変換素子１は、プロジェクター等の投光装置に組み込む際には、２つの素子本体１０を連結して組み込むが、図１では、一部のみを表示している。
【００２７】
図１に示すように、素子本体１０は、複数の透光性基板１１と、複数の透光性基板１１の間に交互に設けられた偏光分離膜（偏光分離部）１２及び反射膜（反射部）１３と、複数の透光性基板１１の間にそれぞれ設けられて、透光性基板１１を接着する接着層１４と、を備えている。
また、素子本体１０は、互いに略平行な光入射面１６と、光出射面１７と、を有する。
また、素子本体１０は、光入射面１６あるいは光出射面１７に対して所定の傾斜角度を有する接合面１１ａにより複数の透光性基板１１を偏光分離膜（偏光分離部）１２と反射膜（反射部）１３とを交互に挟んで接着層１４により接合されている。
偏光分離膜１２は、外部からの入力光（Ｓ偏光光及びＰ偏光光）のうち、Ｐ偏光光を選択的に透過させ、Ｓ偏光光を反射させる。
反射膜１３は、偏光分離膜１２により反射されたＳ偏光光を、光出射面１７に向けて反射させる。
【００２８】
ここで、接着層１４は、その厚みが５μｍ以上１０μｍ以下である。
接着層１４は、変性アクリレート又は変性メタクリレートを主成分とする紫外線硬化型の接着剤により形成されるため、上記のような厚みとすることが出来る。
従来の紫外線硬化型の接着剤では、変性アクレート又は変性メタクリレートを主成分としていなかったために、粘度が高く、接着層の厚みが１０μｍ以上２０μｍ以下となってしまっていた。
このように、接着層の厚みが１０μｍを超える場合、後に図５乃至図１１を用いて説明する偏光変換素子の製造工程において、接着層の端部に歪みが生じてしまう。そのため、光入射面１６及び光出射面１７を研磨する（図１１）際に、歪み近傍の透光性基板１１の角部が削られてしまう。その結果、透光性基板１１の光出射面１７に、位相差板２０を接合する際に、透光性基板１１と、位相差板２０との間に隙間が生じ、気泡が発生してしまう。
これにより、透光性基板１１と位相差板２０とが十分に接合されず、位相差板２０が、剥がれやすくなる。
【００２９】
また、透光性基板１１と、位相差板２０との間に発生した気泡により光の透過率が落ちる。
一方、接着層の厚みが、５μｍ未満の場合は、接着層にごみなどが混入した場合、ごみなどによって、接着層の接着強度が低下する。
しかし、接着層の厚みが５μｍ以上１０μｍ以下であれば、透光性基板１１の角部が削れにくい為に気泡が発生せず、位相差板２０が透光性基板１１から剥がれやすくなったり、光の透過率が落ちたりする不具合を解消することが出来る。
なお、本実施形態に用いられる接着剤としては、例えば、ＵＴ２０、ＨＲ５４（商品名、株式会社アーデル製）などが挙げられる。
【００３０】
また、図１において、位相差板２０は、接合層２１により、透光性基板１１の光出射面１７おける偏光分離膜１２の上部の領域に接合されている。
この位相差板２０は、上記のように水晶により作製された１／２波長板であり、偏光分離膜１２を透過したＰ偏光光をＳ偏光光に変換する。
ただし、偏光変換素子１において、Ｐ偏光光に統一して出射する場合には、位相差板２０を反射膜１３の上部に設けるようにする。
なお、接合層２１は、分子接合するプラズマ重合膜であり、その主材料は、ポリオルガノシロキサンである。プラズマ重合膜は、プラズマ重合法により形成されてシロキサン結合を含み、結晶化度が４５％以下であるＳｉ骨格と、このＳｉ骨格に結合する有機基からなる脱離機とを含む。そして、エネルギーを付与して表面付近に存在する脱離基がＳｉ骨格から脱離することにより、接着性を発現する。
【００３１】
図２は、プラズマ重合膜の組成を説明する概略図であり、（Ａ）は、エネルギーを付与する前の組成を示し、（Ｂ）は、エネルギーを付与した後の組成を示している。
上記したが、図２（Ａ）に示すように、プラズマ重合膜は、Ｓｉ骨格２１Ｂを含むシロキサン結合（Ｓｉ−Ｏ）２１Ａと、Ｓｉ骨格２１Ｂと結合している脱離基２１Ｃと、を含む。
図２（Ａ）に示すようなプラズマ重合膜よりなる接合層２１にエネルギーが付与されると、図２（Ｂ）に示す通り、図２（Ａ）に示されていた脱離基２１Ｃが、Ｓｉ骨格２１Ｂから脱離する。これにより、接合層２１の表面及び内部に、活性手２１Ｄが生じ、活性化される。
その結果、接合層２１の表面に接着性が発現する。このような接着性が発現すると、接合層２１は強固に接合可能となる。なお、接合層２１のＳｉ骨格２１Ｂの結晶化度は４５％以下であることが好ましく、４０％以下であることがより好ましい。これにより、Ｓｉ骨格２１Ｂは充分にランダムな原子構造を含むものとなり、これにより、Ｓｉ骨格２１Ｂの特性が顕在化する。
ここで、「活性化させる」とは、接合層２１の表面及び内部の脱離基２１Ｃが脱離して、Ｓｉ骨格２１Ｂにおいて終端化されていない結合手（以下、「未結合手」または「ダングリングボンド」ともいう。）が生じた状態や、この未結合手が水酸基（ＯＨ基）によって終端化された状態、または、これらの状態が混在した状態のことをいう。
従って、活性手２１Ｄとは、未結合手（ダングリングボンド）、または未結合手が水酸基によって終端化されたもののことをいい、このような活性手２１Ｄによれば、接合層２１の強固な接合が可能となる。
【００３２】
前述の通り、このプラズマ重合膜は、エネルギーが付与されると、その表面及び内部に活性手が生じるため、プラズマ重合膜に強力な接着性が発現する。
また、接着剤を用いない無機的な接合方法であるので、接着剤の劣化によって光学特性が影響を受けることがない。
また、接着層１４の厚みが５μｍ以上１０μ以下であることで、透光性基板１１の角部が削れにくいことで、プラズマ重合法により隙間無く接合層２１を形成して、透光性基板１１と位相差板２０とを強力に接合出来る。
なお、位相差板２０と光出射面１７との接合方法は、このプラズマ重合法に限ることはなく、上記した変性メタクリレート又は変性アクリレートを主成分とする接着剤によって接合してもよい。
【００３３】
また、接合層２１は、プラズマ重合法のみならず、原子拡散接合法により形成してもよい。
原子拡散接合法とは、まず、真空容器内におけるスパッタリングやイオンプレーティング等の真空成膜により、素子本体１０を構成する透光性基板１１及び位相差板２０に、それぞれ微結晶連続薄膜を成膜する。そして、微結晶連続薄膜同士を、成膜中又は成膜後に重ね合わせて、接合界面及び結晶粒界において原子拡散を生じさせることにより、透光性基板１１及び位相差板２０の間で強固に接合する方法である。
なお、微結晶連続薄膜同士を重ね合わせるだけでなく、透光性基板１１及び位相差板２０のいずれか一方に微結晶連続薄膜を形成し、他方に微結晶構造を形成し、そしてこれらの微結晶連続薄膜と微結晶構造とを重ね合わせることにより、原子拡散接合を実施することも出来る。
この場合も、接着剤を用いない無機的な接合方法であるので、接着剤の劣化によって光学特性が影響を受けることがない。
【００３４】
図３は、他の実施形態に係る偏光変換素子を示す分解斜視図である。
図４は、図３の偏光変換素子の一部分を拡大して示した断面図である。
なお、図１と同様の構成については、同じ符号を付して詳細な説明を省略している。
図３、図４に示す偏光変換素子は、ＰＢＳアレイとしての素子本体１０と、素子本体１０に接合され、１／２波長板として機能し、入射した直線偏光の偏光面を９０（ｄｅｇ）回転させて出射する水晶製の位相差板２０と、を備える。
素子本体１０は、略直方体形状であり、２つの素子本体１０Ａ、１０Ｂが向かい合う長手方向の端部同士を互いに接合し、接合面１０Ｃに対して対称関係となっている。
この素子本体１０は、互いに略平行な光入射面１０Ｄと光出射面１０Ｅとを有する。
また、素子本体１０は、複数の透光性基板１１との間に、長手方向に沿って交互に並んで配置された偏光分離膜１２と反射膜１３とを有する。
また、複数の透光性基板１１は、それぞれ光入射面１０Ｄ或いは、光出射面１０Ｅに対して所定の傾斜角度を有した接合面１１ａによって接合されている。
偏光分離膜１２と反射膜１３とは、複数の透光性基板１１との間の境界部１１Ｂに交互に設けられている。
偏光分離膜１２は、光入射面１０Ｄに入射した光を、偏光方向が互いに直交する異なる２種類の直線偏光に分離して一方の直線偏光を透過させ、他方の直線偏光を反射させる。
【００３５】
本実施形態では、偏光分離膜１２は、光入射面１０Ｄに入射したランダム偏光光のうちＰ偏光光を選択的に透過させ、Ｓ偏光光を反射させる。
反射膜１３は、偏光分離膜１２により反射された他方の直線偏光を反射し、光路の向きを変える。即ち、反射膜１３は、偏光分離膜１２にて反射されたＳ偏光光を光出射面１０Ｅに向けて反射させる。
素子本体１０は、図４に示すように、複数の透光性基板１１を互いに接合する接着層１４を有する。
【００３６】
ここで、接着層１４は、紫外線硬化型等の光学系接着剤を用いることが出来る。紫外線硬化型の接着剤を用いた場合、粘度が高く、接着層１４の厚みは、およそ１０μｍ以上２０μｍ以下程度となる。
更に、変性アクリレート又は変性メタクリレートを主成分とする紫外線硬化型の接着剤を用いると、接着層１４の厚みを５μｍ以上１０μｍと薄くできる。変性アクリレート又は変性メタクリレートを主成分とする紫外線硬化型の接着剤としては、例えば、ＵＴ２０、ＨＲ１５４（商品名、株式会社アーデル製）などが挙げられる。接着層１４は、所定の厚さＷ１を有する。
【００３７】
位相差板２０（２０Ａ、２０Ｂ）は、２つの素子本体１０Ａ、１０Ｂの光出射面１０Ｅに夫々配置されている。
位相差板２０は、偏光分離膜１２を透過したＰ偏光光に１８０（ｄｅｇ）の位相差を生じさせて当該Ｐ偏光光の偏光面を９０（ｄｅｇ）回転させるので、反射膜１３により反射されたＳ偏光光の偏光面と平行な直線偏光、即ち、Ｓ偏光光に変換して出射する。
また、図３に示す位相差板２０は、櫛状（すだれ状）である。
この位相差板２０（２０Ａ、２０Ｂ）は素子本体１０に接合されて光が透過しない基部２０Ｃ（２０Ｃ１、２０Ｃ２）と、この基部２０Ｃから延在され、光が透過する位相差部２０Ｄ（２０Ｄ１、２０Ｄ２）と、を有する。
即ち、基部２０Ｃは、素子本体１０の光学領域である有効エリア（Ｅ）の外に配置されている。基部２０Ｃの長手方向、即ち、偏光分離膜１２と反射膜１３とが交互に並べられた方向に沿って、接合されている。
そして、一方の位相差板２０Ａの基部２０Ｃ１は、素子本体１０における長手方向に平行な端縁部のうち一方の端縁部１０Ｆに接合され、他方の位相差板２０Ｂの基部２０Ｃ２は、一方の位相差板２０Ａにおける位相差部２０Ｄ１の先端部２０Ｅ１に接近している。
即ち、一方の位相差板２０Ａの基部２０Ｃ１は、他方の位相差板２０Ｂにおける位相差部２０Ｄ２の先端部２０Ｅ２に接近しており、他方の位相差板２０Ｂの基部２０Ｃ２は、一方の位相差板２０Ａにおける位相差部２０Ｄ１の先端部２０Ｅ１に接近している。
なお、基部２０Ｃは、その主平面が、長尺の矩形状であり、その幅は、例えば３ｍｍから４ｍｍ程度である。
【００３８】
基部２０Ｃは、素子本体１０に、図示しない接合膜により接合されている。
この接合膜は、接着層１４と同様に、紫外線硬化型等の光学系接着剤やプラズマ重合膜により設けられている。接合膜は、光路上に配置されない、光学領域である有効エリアＥの外側に配置されることが望ましいため、基部２０Ｃと素子本体１０の長手方向に並行な端縁部１０Ｆ、１０Ｇとの間にのみ形成されていることが望ましい。
位相差板２０（位相差部２０Ｄ）は、いわば短冊状であり、その厚さは基部２０Ｃと同じである。位相差部２０Ｄは、基部２０Ｃから延在され、素子本体１０の光出射面１０Ｅにおける偏光分離膜１２の上部の領域に配置されている。隣り合う複数の位相差部２０Ｄは、互いに所定幅の隙間Ｗ２をもって配置されており、隙間Ｗ２には、反射膜１３で反射されたＳ偏光光がそのまま通過する。
位相差部２０Ｄは、図４に示すように、それぞれ素子本体１０の光出射面１０Ｅに対向する光入射面２０Ｆを有する。
【００３９】
この位相差部２０Ｄの光入射面２０Ｆと、素子本体１０の光出射面１０Ｅとの間には、僅かな隙間Ｗ３が設けられている。そのため、位相差部２０Ｄの光入射面２０Ｆと光学素子３１０の光出射面１０Ｅとには、それぞれ図示しない反射防止膜が形成されていることが望ましい。
図３、図４の構成によれば、位相差板２０の位相差部２０Ｄが、素子本体１０に接着剤により接着されないので、接着剤の劣化による光学特性の劣化を回避することが出来る。
また、複数の位相差部２０Ｄが、基部２０Ｃと一体となっているため、位相差板２０の素子本体１０への組み付けも容易である。
【００４０】
次に、図１乃至３における素子本体１０の製造工程をより詳しく説明する。
製造工程は、大きく分けて膜形成工程と、接着工程と、切断工程と、研磨工程と、から成っている。
図５乃至図１１は、本実施形態にかかる偏光変換素子、特に素子本体の製造工程を説明する図である。
［膜形成工程］
最初の膜形成工程では、図５に示すように、まず複数の透光性基板（ガラス等の無色透明基板）１１Ａが準備される。これらの透光性基板１１Ａは、互いに略平行な第１面１１Ａ１及び第２面１１Ａ２を有している。
複数の透光性基板１１Ａのうち、いくつかの透光性基板１１Ａの第１面１１Ａ１には、偏光分離膜１２が形成され、第２面１１Ａ２には、反射膜１３が形成される。
その他の透光性基板１１Ａの第１面１１Ａ１及び第２面１１Ａ２には、これらの膜の何れかが形成されるか、あるいは何れの膜も形成されていない。
【００４１】
［接着工程］
図６に示す接着工程では、偏光分離膜１２及び反射膜１３が形成された透光性基板１１Ａと、これらの膜が形成されていない透光性基板１１Ａと、が接着剤１４Ａによって交互に貼り合わされる。このとき、偏光分離膜１２と反射膜１３とが透光性基板１１Ａを挟んで交互に積層されるようにする。
ここで、接着剤１４Ａとして変成アクリレート又は変性メタクリレートを主成分とする接着剤を使用し、その塗布量は、硬化後の厚みが５〜１０μｍとなるように調整する。
次に、図７に示すように、透光性基板１１Ａの第１面１１Ａ１にほぼ垂直な方向から紫外線が照射される。なお、紫外線は、偏光分離膜１２及び反射膜１３を通過するため、図７中全ての接着剤１４Ａは同時に硬化される。
これにより、偏光分離膜１２と透光性基板１１Ａの間と、反射膜１３及び第２の透光性基板の間に、それぞれ接着層１４が形成される。そして、複数の透光性基板１１Ａが接合された積層体４００が形成される。
なお、透光性基板１１Ａの第１面１１Ａ１にほぼ平行な方向から紫外線を照射してもよい。
【００４２】
ここで、接着剤１４Ａの硬化条件と、各硬化条件によって得られる接着層１４の接着強度との関係について説明する。
下記の表１に示したように、紫外線（ＵＶ）照射量を変化させて硬化試験１から硬化試験７までを実施した。その結果、引張強度については、表１、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すようになり、せん断強度については、表１、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すようになった。
すなわち、図８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、紫外線照射量が１５，０００ｍＪ／ｃｍ２以上４５，０００ｍＪ／ｃｍ２以下、特に２０，０００ｍＪ／ｃｍ２以上３５，０００ｍＪ／ｃｍ２以下の場合、接着層１４の引張強度が高くなるため好ましい。また、図９（Ａ）、（Ｂ）に示すように、紫外線照射量が１５，０００ｍＪ／ｃｍ２以上６０，０００ｍＪ／ｃｍ２以下、特に２５，０００ｍＪ／ｃｍ２以上５０，０００ｍＪ／ｃｍ２以下の場合は、接着層１４のせん断強度が高くなるために好ましい。なお、表１中、各硬化試験は、２回ずつ実施している。
【００４３】
引張強度試験、せん断強度試験は、以下の試験方法で実施した。すなわち、１０ｍｍ×１０ｍｍの大きさの白色ガラス板２枚を接着剤１４Ａで接着して作成した試験品を、引張試験機で、接着面に対し垂直あるいは平行方向に引張加重をかけ、２枚の白色ガラス板が分離した時の加重を測定した。
［表１］
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【００４４】
次に、図１０に示すように、切断工程として、第１面１１Ａ１と所定の角度θ（約４５度）をなす切断面でほぼ平行に積層体４００が切断されて、積層ブロック４１０が切り出される。
図１１に示す、続く研磨工程では、切り出された積層ブロック４１０の切断面４１０Ａを研磨装置５００で研磨することにより、偏光変換素子１の素子本体１０が得られる。
【００４５】
［耐熱性試験］
実施例１及び比較例１により、本発明に用いる接着剤（接着層）の耐熱性について評価した。
図１２は、実施例１及び従来例１の耐熱性試験を示す図である。
実施例１では、接着剤（ＵＴ２０  株式会社アーデル製）により、２枚のガラス板を貼り合わせ、所定量の紫外線を照射した。これにより、実施例１の試験片６００を作製した。
一方、比較例１では、従来の接着剤（ＰＨＯＴＯボンド３００  サンライズＭＳＩ株式会社製）により２枚のガラス板を貼り合わせ、所定量の紫外線を照射した。これにより、比較例１の試験片６０１を作製した。
これら試験片６００、６０１を固定枠６１０内に固定した後、試験片６００、６０１をプロジェクターの偏光変換素子を設置すべき場所に組み込み、試験片６００、６０１に光源ランプの光が照射された時、試験片の温度が１２０℃となるようにプロジェクターの冷却機構を調整した。図１２では、３８００時間この環境下に放置した場合の試験結果が示されている。
【００４６】
図１２に示すように、試験片６０１の接着層では、一部に黄変６２０が見られた一方で、試験片６００の接着層では、黄変が見られなかった。
さらに、試験片６００、６０１をこの環境下に放置し続けた結果、４８００時間後に、試験６０１の接着層では激しい黄変が見られた。一方で、試験片６００の接着層では、光学特性に影響のない程度の若干の黄変が見られるに留まった。
従って、本発明の接着剤により形成された接着層は耐熱性に優れていることが分かる。
【００４７】
［平坦度試験］
（実施例２から実施例１１まで、及び比較例２）
実施例２から実施例１１まで、及び比較例２により、本発明の偏光変換素子における光入射面及び光出射面の平坦度を評価した。
図１３は、本発明に係る実施例２から実施例６までの平坦度試験の結果を示す図であり、図１４は、本発明に係る実施例７から実施例１１までの平坦度試験の結果を示す図であり、図１５は、比較例２の平坦度試験の結果を示す図である。
（実施例２から実施例６まで）
実施例２では、実施例１と同様の接着剤を用いて、後述する図３５に示すような偏光変換素子１に用いる素子本体を作製した。そして、図３５に示される左右の２つの素子本体のうち、左側の素子本体１０を用いた。そして、下記の測定方法により、その素子本体１０の光入射面１６の略中央における断面図を得た。ここで、断面図は、図３５の左右方向の断面図である。
得られた断面図において、比較的上側に大きく膨らんだ凸部を選び、その凸部の左右近傍の凹部の頂点を線で結んだ。この線から、凸部の頂点までの距離を縦軸のスケールで換算して、「高低差」を算出した。
実施例３から実施例６でも、実施例２と同様に素子本体１０を作製して、その光入射面１６について測定し、断面図を得た。そして、断面図より、実施例２と同様に、「高低差」を２点算出した。図１３には、それらの結果が示されている。
【００４８】
（実施例７から実施例１１まで、及び比較例２）
実施例７から実施例１１まででは、それぞれ実施例２から実施例６までで作製した素子本体１０の光出射面１７について、実施例２と同様に断面図を得た。得られた断面図により、実施例２と同様にして、「高低差」を２点算出した。
比較例２では、接着剤として、比較例１と同様の接着剤を用いた以外は、実施例２と同様にして素子本体を作製し、その光出射面を測定した断面図を得た。得られた断面図より実施例２と同様にして、「高低差」を２点算出した。
【００４９】
実施例７から、実施例１１まで及び比較例２の結果を、図１４、１５に示す。
断面図の測定方法としては、レーザー干渉計Ｇ１０２Ｓ（フジノン株式会社（現富士フイルム株式会社製））により、素子本体の光入射面又は光出射面を照射して、素子本体からの反射光と元々の平行光とを干渉させることによって、干渉縞を得る。なお、レーザー干渉計で設定した光の波長は、６８５ｎｍである。
得られた干渉縞を干渉縞解析ソフトウェア（フジノン株式会社（現富士フイルム株式会社製））で解析することにより、光入射面又は光出射面の断面図を得る。
図１３、１４で示すように、本発明の接着剤を用いた実施例２から実施例１１まででは、光入射面及び光出射面における高低差が小さいため、平坦度が優れていることがわかった。
一方、図１５に示すように、従来の接着剤を用いた比較例では、光入射面における高低差が大きいため、平坦度が悪いことが分かった。
【００５０】
［波長板の構造］
以下に、本発明の実施の形態に係る位相差板の構成を説明する。
図１６は、本発明の実施の形態に係る位相差板の一例としての高次モード積層１／２波長板（以下、積層１／２波長板）の構成を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は分解斜視図である。
図１６（ａ）に示すように、本発明に係る積層１／２波長板２０は、水晶等の無機光学結晶を用いた高次モードの第１の波長板３０と、第２の波長板４０と、を夫々の光学軸３１、４１が交差するように貼り合わせた構成を備え、全体として、光源側から入射する直線偏光光Ａの位相を１８０（ｄｅｇ）ずらし、偏光面を９０（ｄｅｇ）回転させた直線偏光光Ｂに変換して出射する１／２波長板として機能するように構成する。
また、図１６（ｂ）に示すように、第１の波長板３０の光学軸方位角をθ１、第２の波長板４０の光学軸方位角をθ２とする。
なお、光学軸方位角とは、結晶光学軸と、積層波長板に入射する直線偏光光の偏光面とのなす角度である。
また、第１の波長板３０及び第２の波長板４０の切断角度は、夫々９０（ｄｅｇ）Ｚ（水晶板の主面における法線方向と光学軸（Ｚ軸）の交差角度が９０（ｄｅｇ））とである。
【００５１】
本発明においては、積層１／２波長板２０を液晶プロジェクターに組み込む偏光変換素子に用いる場合、所定の設計波長λ、例えば５２０ｎｍの光（緑）に対する第１の波長板３０の位相差をΓ１、第２の波長板４０の位相差をΓ２とし、
Γ１＝１８０＋３６０×ｎ（ｄｅｇ）・・・（１）
Γ２＝１８０＋３６０×ｎ（ｄｅｇ）・・・（２）
を満足するように第１及び第２の波長板３０、４０の厚みを設定する。ここで、ｎは高次モードの次数で、１からはじまる自然数とする。
波長λの光に対する位相差Γと波長板の板厚ｔとの関係は、Γ＝２π／λ×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔ（ｎｅは異常光の屈折率、ｎｅは常光の屈折率）であり、第１の波長板４３０及び第２の波長板４０の板厚ｔ１、ｔ２は、ｔ１＝ｔ２＝０．３１６８ｍｍとした。
積層１／２波長板２０は、液晶プロジェクターに必要な各波長帯（Ｒ（赤：４００ｎｍ帯）、Ｇ（緑：５００ｎｍ帯）、Ｂ（青：６７５ｎｍ））において、偏光変換効率が１となり、位相差が１８０（ｄｅｇ）となること求められる。
なお、上記のような位相差を有する１／２積層波長板において、偏光面を回転させるべき角度をθとした時に、（本発明の場合、１／２波長板であるのでθ＝９０（ｄｅｇ））、第１の波長板３０の光学軸方位角θ１が、θ１＝θ／４（θ＝９０（ｄｅｇ）の場合２２．５（ｄｅｇ））、θ２＝θ３／４（θ＝９０（ｄｅｇ）の場合６７．５（ｄｅｇ））を満足し、｜θ１−θ２｜＝４５（ｄｅｇ）を満足することで、上記３波長帯の光に対して位相差が１８０（ｄｅｇ）となり、偏光変換効率がほぼ１となることが従来知られている（特許第４６２３０４２号）。
【００５２】
それに対し、本発明においては、光学軸方位角θ１と光学軸方位角θ２との差をより少なくし（光学軸同士を寄らせ）｜θ１−θ２｜＜４５（ｄｅｇ）とすることにより、Ｒ、Ｇ、Ｂの各波長帯において、より広い波長帯で位相差がほぼ１８０（ｄｅｇ）となり、変更変換効率がほぼ１となるようにした。
且つ、θ１＝θ／４、θ２＝θ３／４の関係を満たす従来の光学軸方位角θ１、θ２に対し、光学軸調整量ａ（ｄｅｇ）を加算、減算してθ１＝θ／４＋ａ、θ２＝θ３／４−ａを満足するようにした。
このようにすると、設計波長の中心波長でこそ偏光変換効率が１にならないものの、許容可能な高い偏光変換効率を達成し、且つ設計波長λの中心波長の前後の波長で偏光変換効率が１となるようにして、広い範囲で位相差をほぼ１８０（ｄｅｇ）とすることが出来る。
従って、光源に用いられる発光素子の発熱等により、入力光Ａに波長変動があったとしても、確実に入力光の偏光面を９０（ｄｅｇ）回転させることが可能な１／２波長板とすることが出来る。
【００５３】
特に、本発明においては、第１の波長板３０の光学軸方位角θ１が、
２２．５（ｄｅｇ）＜θ１＜４５．０（ｄｅｇ）
を満足し、第２の波長板４０の光学軸方位角θ２が、
４５．０（ｄｅｇ）＜θ２＜６７．５（ｄｅｇ）
を満足するようにしている。
例えば、光学軸方位角θ１、θ２は、θ１＝２６．５（ｄｅｇ）（θ／４＋４）、θ２＝６３．５（ｄｅｇ）（θ３／４−４）を取りうる。
ここで、設計波長λの取りうる値の範囲は、５０５≦λ≦５３５（ｎｍ）となる（後述）。
なお、第１の波長板３０及び第２の波長板４０の光学軸方位角θ１、θ２は、必ずしもθ２＞θ１の場合に限定されることはなく、｜θ２−θ１｜＜４５（ｄｅｇ）を満足すれば、第１の波長板３０の光学軸方位角θ１が、
４５．０（ｄｅｇ）＜θ１＜６７．５（ｄｅｇ）
を満足し、第２の波長板４０の光学軸方位角θ２が、
２２．５（ｄｅｇ）＜θ２＜４５．０（ｄｅｇ）
を満足するように構成してもよい。
【００５４】
図１７は、本発明の他の実施の形態に係る位相差板の一例としての高次モード積層１／２波長板（以下、積層１／２波長板）の構成を示す分解斜視図である。
図１７では、図１６の場合とは異なり、第１の波長板３０の光学軸方位角θ１、第２の波長板４０の光学軸方位角θ２を互いに（入射光の偏光面に対して）鈍角としている。
この場合、第１の波長板３０の光学軸方位角θ１が、
１３５（ｄｅｇ）＜θ１＜１５７．５（ｄｅｇ）
を満足し、第２の波長板４０の光学軸方位角θ２が、
１１２．５（ｄｅｇ）＜θ２＜１３５（ｄｅｇ）
を満足することにより、上記３波長帯の光に対して位相差が１８０（ｄｅｇ）となり、偏光変換効率がほぼ１となる。
【００５５】
例えば、光学軸方位角θ１、θ２は、θ１＝１５３．５（ｄｅｇ）、θ２＝１１６．５（ｄｅｇ）を取り得る。
なお、この場合も、θ１＞θ２に限らず、第１の波長板３０の光学軸方位角θ１が、
１１２．５（ｄｅｇ）＜θ１＜１３５（ｄｅｇ）
を満足し、第２の波長板４０の光学軸方位角θ２が、
１３５（ｄｅｇ）＜θ２＜１５７．５（ｄｅｇ）
を満足するように構成してもよい。
またこの場合も、設計波長λの取りうる値の範囲は、５０５≦λ≦５３５（ｎｍ）となる。
【００５６】
ここで、従来知られる１／２積層波長板において上記３波長帯の光に対して位相差が１８０（ｄｅｇ）となる光学軸方位角（θ１＝２２．５（ｄｅｇ）、θ２＝６７．５（ｄｅｇ））が如何に見いだされたかを説明する。
第１及び第２の波長板３０、４０に高次モードの波長板を用いて全体として１／２波長板２０を構成する場合、所望する複数の波長帯で位相差を１８０（ｄｅｇ）とするために、積層１／２波長板１の構成パラメータである第１及び第２の波長板３０、４０の夫々の高次モード次数ｎ１、ｎ２、所定の波長での夫々の位相差Γ１、Γ２、夫々の光学軸方位角θ１、θ２を、種々変化させて位相差、変換効率等を求める手法がとられる。
なお、各波長板に付する符号については本発明と同じ符号を使用する。
【００５７】
はじめに、各光学軸方位角を導くための計算手法を簡単に説明する。
直線偏光が２枚の波長板を透過した後の偏光状態は、ミューラ行列、又はジョンズ行列を用いて表すことができる。
Ｅ＝Ｒ２・Ｒ１・Ｉ・・・（４）
ここで、Ｉは入射光の偏光状態、Ｅは出射光の偏光状態を表すベクトルである。Ｒ１は積層１／２波長板２０における第１の波長板３０のミューラ行列、Ｒ２は第２の波長板４０のミューラ行列で、夫々次式で表される。
2012220909.tif 000004
2012220909.tif 000005
第１及び第２の波長板３０、４０の高次モード次数ｎを決め、夫々の位相差Γ１、Γ２、光学軸方位角度θ１、θ２を設定して、式（５）、（６）よりミューラ行列Ｒ１、Ｒ２を求める。
【００５８】
そして、入射光の偏光状態Ｉを設定すると、式（４）より出射光の偏光状態Ｅを算出することができる。
行列としてミューラ行列を用いた場合について説明すると、出射光の偏光状態Ｅは次式で表される。
2012220909.tif 000006
Ｅの行列要素Ｓ０１、Ｓ１１、Ｓ２１、Ｓ３１はストークスパラメータと呼ばれ、偏光状態を表している。このストークスパラメータを用いて、波長板の位相差Γは次式のように表される。
2012220909.tif 000007
Γ＝（２ｍ−１）×π    但し、ｍは正の整数
このように、式（８）を用いて位相差を算出することができる。
また、上記のように、積層１／２波長板２０は、直線偏光の偏光面を、所定の回転角度θだけ回転させる機能を有しており、例えば、水平方向の振動面を持つ直線偏光Ａを入力光として、偏光面をθ＝９０（ｄｅｇ）だけ回転（位相変調）させて水平方向の振動面を持つ直線偏光Ｂとして出射させる。
【００５９】
図１８は、従来の積層１／２波長板における偏光状態の軌跡を示すポアンカレ球を示す図である。
この位相変調（９０（ｄｅｇ）回転）は図１８のポアンカレ球で考えると、入射、偏光状態Ｐ０からＰ２へ変調させることであり、このとき必要な位相差は１８０（ｄｅｇ）である。
積層１／２波長板２０が、完全に１／２波長板として機能している場合、赤道上の所定の位置Ｐ０から偏光方向が赤道に対して平行な方向となる直線偏光Ａとして光線が入射すると、第１の波長板３０によって光軸Ｒ１（２・θ１）を中心にして１８０（ｄｅｇ）回転しＰ１（赤道上）へ移され、さらに第２の波長板４０によって光軸Ｒ２（２・θ２）を中心にして１８０（ｄｅｇ）回転しＰ２（赤道上）に到達し、直線偏光Ａに対して偏光面がθ＝９０（ｄｅｇ）だけ回転した直線偏光Ｂとなって１／２波長板２０を出射することになる。
なお、Ｐ２は、Ｐ０から１８０（ｄｅｇ）回転した赤道上の点である。
【００６０】
図１８（ｂ）は、図１８（ａ）に示したポアンカレ球において１／２波長板２０に入射した光線の偏光状態の軌跡をＳ３軸方向から見た図（Ｓ１Ｓ２平面に投影した図）である。
第１の波長板３０の光学軸方位角θ１、第２の波長板４０の光学軸方位角θ２及び直線偏光Ａ（入射光）に対する直線偏光Ｂ（出射光）の回転角θの関係は、ポアンカレ球上では図１８（ｂ）のように表すことができる。
点Ｏ、Ｐ０、Ｐ１を結んでなる三角形ＯＰ０Ｐ１は点Ｏを頂点とする二等辺三角形であり光軸Ｒ１は三角形ＯＰ０Ｐ１の二等分線となり、辺ＯＰ０と光軸Ｒ１とのなす角及び辺ＯＰ１と光軸Ｒ１とのなす角は２θ１となる。点Ｏ、Ｐ１、Ｐ２を結んでなる三角形ＯＰ１Ｐ２は点Ｏを頂点とする二等辺三角形であり、光軸Ｒ２は三角形ＯＰ１Ｐ２の二等分線となる。
【００６１】
ここで、辺ＯＰ１と光軸Ｒ２とのなす角α及び辺ＯＰ２と光軸Ｒ２とのなす角αは、以下のように求められる。
２θ＝２×２θ１＋２α
α＝θ−２θ１
従って、辺ＯＰ０と光軸Ｒ２とのなす角２θ２は、以下のように表すことができる。
２θ２＝α＋２×２θ１＝θ−２θ１＋２×２θ１＝θ＋２θ１
従って、θ２は、
θ２＝θ１＋θ／２・・・（９）
と表すことができる。
【００６２】
しかしながら、図１８のポアンカレ球において、Ｐ０からＰａへ、Ｐ０からＰｂへ変調させた場合も、位相差は同じく１８０（ｄｅｇ）となる。即ち、位相差を用いて評価した場合、必要な偏光状態に変調されているかを判断することができない。ポアンカレ球上（赤道上）のＰ２と異なるＰａ、Ｐｂの点は偏光面の方位である。
これを検出するため、出射光の偏光状態を表す行列Ｅと、偏光子の行列Ｐとの積を計算し、得られた光量を評価値とすれば、偏光状態を正確に判定することができる。これを変換効率と定義する。
具体的には、偏光子の行列Ｐの透過軸を９０（ｄｅｇ）に設定し、行列Ｐと出射光偏光状態を表す行列Ｅとの積から得られる行列Ｔのストークスパラメータより、９０（ｄｅｇ）方向の偏光面成分の光量を算出することができる。出射光偏光状態を表す行列Ｅと、偏光子の行列Ｐとの、積は次式のようになる。
即ち、偏光子の行列Ｐの透過軸を所定の角度に設定し、前記光射光の偏光状態Ｅを表わす行列Ｅと偏光子の行列Ｐとの積をＴとすると、Ｔは次式で表される。
【００６３】
Ｔ＝Ｐ・Ｅ                        （１０）
ここで、行列Ｔは変換効率を表し、その要素のストークスパラメータで表すと次式のように表される。
2012220909.tif 000008
ここで、ベクトルＴのストークスパラメータのＳ０２が光量を表している。入射光量を１に設定すればＳ０２が変換効率となる。
ここで、ベクトルＴのストークスパラメータＳ０２が光量を表し、入射光量を１に設定
すると、ストークスパラメータＳ０２が変換効率となる。従って、積層１／２波長板１の
変換効率Ｔは、第１及び第２の波長板２、３の高次モード次数ｎ、所定の波長（例えば波
長が、設計波長λ＝５２０ｎｍのとき）での位相差Γ１、Γ２、光学軸方位角θ１、θ２を様々に変化させて、シミュレーションすることができる。
位相差、変換効率とも積層１／２波長板を透過した後の偏光状態を表す行列Ｅから求めることができる。
【００６４】
上記の変換効率を評価基準とし、積層１／２波長板の諸パラメータである第１及び第２の波長板３０、４０の高次モード次数ｎ、所定の波長（例えば波長５２０ｎｍ）での夫々の位相差Γ１、Γ２、夫々の光学軸方位角θ１、θ２を種々変化させ、計算機を用いてシミュレーションする。
シミュレーションを繰り返し行い、所望の複数の波長帯において、変換効率が良い場合の上記パラメータを選び出した。高次モード次数ｎが大き過ぎると、変換効率が１に近い波長帯域幅が狭くなり、積層１／２波長板としても使いづらくなるので、製造し易さ等を含めて上記パラメータを選定する。
【００６５】
その結果、積層１／２波長板２０の第１及び第２の波長板３０、４０の切断角度が夫々９０（ｄｅｇ）Ｚ（水晶板の主面における法線方向と光学軸（Ｚ軸）との交差角度が９０（ｄｅｇ））、高次モードの次数ｎが４で、波長λを５２０ｎｍとしたとき、第１の波長板３０の位相差Γ１、光学軸方位角θ１が夫々１６２０（＝１８０＋３６０×４）（ｄｅｇ）、２２．５（ｄｅｇ）、第２の波長板の位相差Γ２、光学軸方位角θ２が夫々１６２０（＝１８０＋３６０×４）（ｄｅｇ）、６７．５（ｄｅｇ）に設定した場合に、または、高次モードの次数ｎが５で、波長λを５２０ｎｍとしたとき、第１の波長板３０の位相差Γ１、光学軸方位角θ１が夫々１９８０（＝１８０＋３６０×５）（ｄｅｇ）、２２．５（ｄｅｇ）、第２の波長板の位相差Γ２、光学軸方位角θ２が夫々１９８０（＝１８０＋３６０×５）（ｄｅｇ）、６７．５（ｄｅｇ）に設定した場合に、積層１／２波長板２０の変換効率をシミュレーションにより求めた結果良好な波長−変換効率（偏光変換効率）が得られる。
【００６６】
以上の説明を踏まえ、本発明の積層１／２波長板の偏光状態を、ポアンカレ球を使用して説明する。
図１９は、図１６に示す本発明の積層１／２波長板における偏光状態の軌跡を示すポアンカレ球を示す図である。
上記したように、図１９の場合において各光学軸方位角θ１、θ２は、
２２．５（ｄｅｇ）＜θ１＜４５．０（ｄｅｇ）
４５．０（ｄｅｇ）＜θ２＜６７．５（ｄｅｇ）
｜θ１−θ２｜＜４５（ｄｅｇ）
を満足している。
また、例えばθ１＝２６．５（ｄｅｇ）、θ２＝６３．５（ｄｅｇ）である。
【００６７】
図１９（ａ）は、積層１／２波長板２０に入射した直線偏光Ａのポアンカレ球上での軌道の推移を説明するための図である。直線偏光Ａが入射する赤道上の位置をＳ１軸上の点Ｐ０に設定した。
図１９（ｂ）は、図１９（ａ）のポアンカレ球において、積層１／２波長板２０に入射した偏光状態の軌跡をＳ２軸方向から見た図、即ちＳ１Ｓ３平面への投影図である。
図１９（ｃ）は、図１９（ａ）のポアンカレ球において、積層１／２波長板２０に入射した偏光状態の軌跡をＳ３軸方向から見た図、即ちＳ１Ｓ２平面への投影図である。
入射光の基準点をＰ０＝（１，０，０）として、第１の波長板３０の回転軸Ｒ１１をＳ１軸から２θ１回転した位置に設定する。
【００６８】
本実施例では、光学軸方位角θ１を上述したように設定したので、回転軸Ｒ１１は、図１８のθ１＝２２．５（ｄｅｇ）の場合の回転軸Ｒ１よりも更に角度２ａだけ回転させた位置にくる。
また、第２の波長板４０の回転軸Ｒ２２を、同様にＳ１軸から２θ２回転した位置に設定する。
光学軸方位角θ２を上述したように設定したことにより、回転軸Ｒ２２は、図１８に示したθ２＝６７．５（ｄｅｇ）の場合の回転軸Ｒ２よりも角度２ａだけ戻した位置にくる。
第１の波長板３０の出射光の位置は、回転軸Ｒ１１を中心に基準点Ｐ０を位相差Γ１だけ右方向に回転させたときにポアンカレ球に描かれる軌跡の円Ｃ１上の点である。
円Ｃ１は、Ｓ２軸とＳ３軸とを含むＳ２−Ｓ３平面と２点で交差している。従って、位相差Γ１が上記設定値の通りである場合、ポアンカレ球の点（０，１，０）から基準点Ｐ０とは逆方向に少しずれた赤道上の点Ｐ１１が前記第１の波長板３０の出射光の位置となる。
【００６９】
第２の波長板４０の出射光の位置は、回転軸Ｒ２２を中心に点Ｐ１１を位相差Γ２だけ右方向に回転させたポアンカレ球上の点である。
位相差Γ２が上記設定値の通りである場合、ポアンカレ球の点Ｐ２（−１，０，０）から基準点Ｐ０側に少し戻った赤道上の点Ｐ２１が前記第２の波長板の出射光の位置、即ち積層１／２波長板４０の出射光の位置となる。その結果、出射光は、偏光面の回転が所望の角度θ＝９０（ｄｅｇ）からずれることになる。
出射光の偏光面の回転角度が９０（ｄｅｇ）となるためには、ポアンカレ球上で出射光の位置が点Ｐ２（−１，０，０）に到達する必要がある。その場合、第１の波長板３０の出射光の位置は、回転軸Ｒ２２を中心に点Ｐ１１を位相差Γ２だけ逆方向即ち左方向に回転させたポアンカレ球上の点でなければならない。このとき、回転軸Ｒ２２を中心に点Ｐ１１を回転させることによりポアンカレ球上に描かれる軌跡の円Ｃ２は、Ｓ２−Ｓ３平面に関して円Ｃ１と対称即ち鏡像の関係になる。
円Ｃ１と円Ｃ２とは、Ｓ２−Ｓ３平面上に２つの交点Ｐ１２、Ｐ１３を有する。
【００７０】
第１の波長板３０と第２の波長板４０とは、位相差Γ１、Γ２を等しく設定したので、入射光の波長のずれによる位相差のずれ量ΔΓ１，ΔΓ２も等しくなる。従って、ポアンカレ球上において、第１の波長板３０の出射光の位置が、位相差Γ１のずれにより円Ｃ１と円Ｃ２との一方の交点Ｐ１２又はＰ１３となる場合、第２の波長板４０の出射光の位置は、点Ｐ２（−１，０，０）に到達する。
その結果、積層１／２波長板２０の出射光は、偏光面の回転角度が所望のθ＝９０（ｄｅｇ）となる波長が、設計波長λを中心としてその正負両側に各１点存在することになる。
設計波長λにおいて積層１／２波長板２０が１／２波長板として要求される十分な機能を発揮する場合、設計された位相差Γ１、Γ２に対して、少なくともポアンカレ球上の２点Ｐ１２、Ｐ１３における位相差のずれ量ΔΓ１、ΔΓ２を許容されるずれの最大値とする位相差の範囲に対応する波長の範囲が、設計波長λを中心とする積層１／２波長板２０の使用可能な波長範囲と解される。
【００７１】
図２０は、図１６に示す積層１／２波長板において各積層１／２波長板の光学軸方位角を入れ替えた場合の偏光状態の軌跡を示すポアンカレ球を示す図である。
すなわち、図２０の場合において、各光学軸方位角θ１、θ２は、
４５．０（ｄｅｇ）＜θ１＜６７．５（ｄｅｇ）
２２．５（ｄｅｇ）＜θ２＜４５．０（ｄｅｇ）
｜θ１−θ２｜＜４５（ｄｅｇ）
を満足している。
この場合、例えば光学軸方位角θ１、θ２は、それぞれθ１＝６３．５（ｄｅｇ）、θ２＝２６．５（ｄｅｇ）を取りうる。
この場合も、図１９の場合と同様に、第２の波長板４０からの出射光は点Ｐ２から外れた点Ｐ２２に到達するが、ポアンカレ球上において、第１の波長板３０の出射光の位置が、位相差Γ１のずれにより円Ｃ１と円Ｃ２との一方の交点Ｐ１２又はＰ１３となる場合、第２の波長板４０の出射光の位置は、点Ｐ２（−１，０，０）に到達する。
その結果、積層１／２波長板２０の出射光は、偏光面の回転角度が所望のθ＝９０（ｄｅｇ）となる波長が、設計波長λを中心としてその正負両側に各１点存在することになる。
【００７２】
図２１は、図１７に示す積層１／２波長板における偏光状態の軌跡を示すポアンカレ球を示す図である。
図２１の場合において、各光学軸方位角θ１、θ２は、
１３５．０（ｄｅｇ）＜θ１＜１５７．５（ｄｅｇ）
１１２．５（ｄｅｇ）＜θ２＜１３５（ｄｅｇ）
｜θ１−θ２｜＜４５（ｄｅｇ）
を満足している。
この場合、光学軸方位角θ１、θ２は、例えば、θ１＝１５３．５（ｄｅｇ）、θ２＝１１６．５（ｄｅｇ）を取りうる。
この場合も、図１９の場合と同様に、第２の波長板４０からの出射光は点Ｐ２から外れた点Ｐ２２に到達するが、ポアンカレ球上において、第１の波長板３０の出射光の位置が、位相差Γ１のずれにより円Ｃ１と円Ｃ２との一方の交点Ｐ１２又はＰ１３となる場合、第２の波長板４０の出射光の位置は、点Ｐ２（−１，０，０）に到達する。
その結果、積層１／２波長板２０の出射光は、偏光面の回転角度が所望のθ＝９０（ｄｅｇ）となる波長が、設計波長λを中心としてその正負両側に各１点存在することになる。
【００７３】
図２２は、図１７に示す積層１／２波長板において、各積層波長板の光学軸方位角を入れ替えた場合の偏光状態の軌跡を示すポアンカレ球を示す図である。
図２２の場合において、各光学軸方位角θ１、θ２は、
１１２．５（ｄｅｇ）＜θ１＜１３５（ｄｅｇ）
１３５．０（ｄｅｇ）＜θ２＜１５７．５（ｄｅｇ）
を満足している。
光学軸方位角θ１、θ２は、例えば、θ１＝１１６．５（ｄｅｇ）、θ２＝１５３．５（ｄｅｇ）を取りうる。
【００７４】
この場合も、図１９の場合と同様に、第２の波長板４０からの出射光は点Ｐ２から外れた点Ｐ２２に到達するが、ポアンカレ球上において、第１の波長板３０の出射光の位置が、位相差Γ１のずれにより円Ｃ１と円Ｃ２との一方の交点Ｐ１２又はＰ１３となる場合、第２の波長板４０の出射光の位置は、点Ｐ２（−１，０，０）に到達する。
その結果、積層１／２波長板２０の出射光は、偏光面の回転角度が所望のθ＝９０（ｄｅｇ）となる波長が、設計波長λを中心としてその正負両側に各１点存在することになる。
従って、何れの場合（図１９〜図２２）も、設計波長では偏光変換効率が１にならないものの、その正負両側に偏光変換効率が１となる波長があり、結果的に、広帯域で１／２波長板として機能していることが分かる（ワイド化）。
この１／２波長板として要求される機能を発揮し得る使用可能な波長範囲は、ポアンカレ球上における回転軸Ｒ１１、Ｒ２２の設定位置によって、即ち光学軸調整量ａの設定値によって決定される。そこで、光学軸調整量ａに対する積層１／２波長板１１の変換効率を、従来技術に関連して上述した計算手法を用いてシミュレーションした。
【００７５】
図２３は、０（ｄｅｇ）≦ａ≦３．０（ｄｅｇ）の範囲において、使用波長範囲を４０５ｎｍ±２０ｎｍとして算出した変換効率の平均値を示している。
同図に示すように、変換効率が最大値をとる光学軸調整量ａが存在するので、変換効率の劣化を最小限にするａの最適範囲の存在が推測される。尚、以下の説明において、本発明の積層１／２波長板の変換効率は同じ計算手法を用いてシミュレーションしたものである。
更に、中心波長λ０＝４０５ｎｍ、波長範囲３５５ｎｍ≦λ≦４５０ｎｍとして、光学軸調整量ａを０（ｄｅｇ）から３．５（ｄｅｇ）まで０．５（ｄｅｇ）毎に変換効率をシミュレーションした。その結果を図２４に示す。
同図から、光学軸調整量ａを大きくするほど、変換効率が１となる波長位置が中心波長λ０の正負両側に大きく移動する反面、中心波長λ０における変換効率が劣化することが分かる。
実際の使用時には、積層１／２波長板の用途、仕様に応じて、中心波長における変換効率の許容値、使用帯域幅を決定し、それに応じて光学軸調整量ａを決定すればよい。
【００７６】
第１及び第２の波長板３０、４０の位相差Γ１、Γ２の高次モード次数は、ｎ＝１又は２に設定することが好ましい。ｎ＝３以上に設定すると、１又は１に近い良好な変換効率が得られる波長帯域幅が狭くなり、本発明の広帯域化の効果を十分に発揮することが困難になる。以下のシミュレーションでは、特に明示しない限り、高次モード次数ｎ＝１の場合を説明したものである。
出射光の偏光面回転角度をθ＝９０（ｄｅｇ）に固定し、中心波長λ０＝４０５ｎｍ、使用波長範囲３７５ｎｍ≦λ≦４３５ｎｍとした場合に、光学軸調整量ａ（０（ｄｅｇ）≦ａ≦８．０（ｄｅｇ））に対する変換効率の最小値Ｔｍｉｎをシミュレーションした。
更に、光学軸調整量ａに対する変換効率の最大値と最小値との差ΔＴをシミュレーションした。それらの結果を図２５に示す。
【００７７】
同図から、Ｔｍｉｎ及びΔＴがいずれもａ＝２（ｄｅｇ）付近で明確に最良値となることが分かる。
更に同図は、Ｔｍｉｎが大きくかつΔＴが小さくなるような光学軸調整量ａが最適値であることを示している。
そこで、変換効率の最小値Ｔｍｉｎを変換効率の最大値と最小値との差ΔＴで除した値を変換比率ＲＴと称し、これを変換効率の評価値として使用すると、図２５は図２６のように表すことができる。
即ち、図２６は、光学軸調整量ａに対する変換比率ＲＴの変化を示している。同図から、０＜ａ＜３．５（ｄｅｇ）の範囲において、ａ＝０（ｄｅｇ）よりも変換比率が良くなる、即ち変換効率が良いことが分かる。
更に、中心波長λ０＝４０５ｎｍ、使用波長範囲３７５ｎｍ≦λ≦４３５ｎｍとして、偏光面回転角度θを１５（ｄｅｇ）、３０（ｄｅｇ）、４５（ｄｅｇ）、６０（ｄｅｇ）、７５（ｄｅｇ）、９０（ｄｅｇ）とした場合に、光学軸調整量ａに対する変換比率ＲＴの変化をシミュレーションした。その結果を図２７に示す。同図から、それぞれの偏光面回転角度θについて、ａ＝０（ｄｅｇ）よりも変換比率を良くする光学軸調整量ａの最大値ａｍａｘが存在することが確認された。
【００７８】
図２７から、変換比率がａ＝０（ｄｅｇ）よりも向上する各偏光面回転角度θの光学軸調整量最大値ａｍａｘを抽出し、その相関関係を図２８に表した。この相関関係を近似式で表すと、次式のようになる。
ａｍａｘ＝Ａ０＋Ａ１・θ＋Ａ２・θ２
Ａ０＝−０．０６０３２
Ａ１＝０．０７１７
Ａ２＝−０．０００３５
この関係式を用いることによって、本発明の積層１／２波長板が高次モード次数ｎ＝１の場合に、偏光面回転角度θを設定すれば、より広帯域の波長範囲で変換効率の劣化を最小限に抑制し、良好な変換効率が得られるための光学軸調整量ａの最大値ａｍａｘを簡単に決定することができる。
更に、積層１／２波長板が高次モード次数ｎ＝２の場合についても、同様に偏光面回転角度ψを１５（ｄｅｇ）、３０（ｄｅｇ）、４５（ｄｅｇ）、６０（ｄｅｇ）、７５（ｄｅｇ）、９０（ｄｅｇ）とし、光学軸調整量ａに対する変換比率ＲＴの変化をシミュレーションした。このシミュレーション結果から、それぞれの偏光面回転角度ψについて、ａ＝０（ｄｅｇ）よりも変換比率を良くする光学軸調整量ａの最大値ａｍａｘを抽出した。
【００７９】
その偏光面回転角度θと光学軸調整量最大値ａｍａｘとの相関関係を図２９に示す。図２９から、光学軸調整量ａの最大値ａｍａｘの範囲は次のようになる。
０＜ａｍａｘ＜７．０
図２９から、偏光面回転角度θと光学軸調整量最大値ａｍａｘとの相関関係を近似式で表すと、次式のようになる。
ａｍａｘ＝Ａ０＋Ａ１・θ＋Ａ２・θ２
Ａ０＝−０．１５８６９
Ａ１＝０．１３９１２
Ａ２＝−０．０００６６
この関係式を用いることによって、本発明の積層１／２波長板が高次モード次数ｎ＝２の場合にも、偏光面回転角度θを設定すれば、より広帯域の波長範囲で変換効率の劣化を最小限に抑制し、良好な変換効率が得られるための光学軸調整量ａの最大値ａｍａｘを簡単に決定することができる。
上記シミュレーションは、いずれも４０５ｎｍを中心波長とする波長域について行ったものであるが、これは他の波長域についても同様に適用することができる。
【００８０】
図３０は、中心波長４０５ｎｍの青色光の波長域に加えて、５３０ｎｍ及び６６０ｎｍをそれぞれ中心波長とする緑色光及び赤色光の各波長域について、波長に対する変換効率の変化を示している。同図において、実線で表した各線は、青・緑・赤の各色光にそれぞれ本発明を適用して、前記第１及び第２の波長板の光学軸調整量ａを適当な値に設定した場合に得られる変換効率である。これに対し、破線で表した各線は、光学軸調整量ａを設定しない従来技術の第１及び第２の波長板について得られる変換効率である。同図から、緑色光及び赤色光の各波長域についても、より広帯域の波長範囲で変換効率の劣化を最小限に抑制し、１に近い良好な変換効率を得られることが分かる。
【００８１】
図３１は波長４００ｎｍから７００ｎｍに対する本発明の積層１／２波長板２０の変換効率を示す図であり、（ａ）は各波長板の設計波長λを５０５ｎｍ（Ｇ）として、入射角を−３（ｄｅｇ）から＋３（ｄｅｇ）まで変化させた場合の、波長毎の偏光変換効率の変化を示すグラフ図であり、（ｂ）は各波長板の設計波長λを５０５ｎｍとして、入射角を−１０（ｄｅｇ）から＋１０（ｄｅｇ）まで変化させた場合の、波長毎の偏光変換効率の変化を示すグラフ図である。
いずれの場合も、全ての曲線がほぼ重なった状態であり、液晶プロジェクターで用いる青、緑、赤の波長は夫々４００ｎｍ帯、５００ｎｍ帯、６７５ｎｍ帯であるので、上記パラメータの積層１／２波長板１の変換効率は、入射角に±１０までのズレがあったとしても、図３０と同様に、必要な波長帯において、広い範囲でほぼ１となることが判明した。
【００８２】
図３２は波長４００ｎｍから７００ｎｍに対する本発明の積層１／２波長板２０の変換効率を示す図であり、（ａ）は各波長板の設計波長λを５３０ｎｍとして、入射角を−３（ｄｅｇ）から＋３（ｄｅｇ）まで変化させた場合の、波長毎の偏光変換効率の変化を示すグラフ図であり、（ｂ）は、各波長板の設計波長λを５３０ｎｍとして、入射角を−１０（ｄｅｇ）から＋１０（ｄｅｇ）まで変化させた場合の、波長毎の偏光変換効率の変化を示すグラフ図である。
いずれの場合も、全ての曲線がほぼ重なった状態であり、液晶プロジェクターで用いる青、緑、赤の波長は夫々４００ｎｍ帯、５００ｎｍ帯、６７５ｎｍ帯であるので、上記パラメータの積層１／２波長板１の変換効率は、入射角に±１０（ｄｅｇ）までのズレがあったとしても、必要な波長帯において、広い範囲でほぼ１となることが判明した。
【００８３】
図３３は波長４００ｎｍから７００ｎｍに対する本発明の積層１／２波長板２０の変換効率を示す図であり、（ａ）は各波長板の設計波長λを５３５ｎｍとして、入射角を−３（ｄｅｇ）から＋３（ｄｅｇ）まで変化させた場合の、波長毎の偏光変換効率の変化を示すグラフ図であり、（ｂ）は各波長板の設計波長λを５３５ｎｍとして、入射角を−１０（ｄｅｇ）から＋１０（ｄｅｇ）まで変化させた場合の、波長毎の偏光変換効率の変化を示すグラフ図である。
いずれの場合も、全ての曲線がほぼ重なった状態であり、液晶プロジェクターで用いる青、緑、赤の波長は夫々４００ｎｍ帯、５００ｎｍ帯、６７５ｎｍ帯であるので、上記パラメータの積層１／２波長板１の変換効率は、入射角に±１０（ｄｅｇ）までのズレがあったとしても、必要な波長帯におおいて、広い範囲でほぼ１となることが判明した。
なお、積層１／２波長板が対応すべき波長帯は、ＲＧＢのみならず、他の波長の色を加えた、４波長、５波長にも対応可能としてもよい。
この場合、ピーク波長が図３１〜図３３に示したカーブに４つのピーク波長が出来る様にし、ピーク波長の何れかを設計波長とする。
【００８４】
図３４は、本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を組み込んだ偏光変換ユニットの外観を示す図である。
図３５は、図３４の偏光変換ユニットの分解斜視図である。
図３４、図３５に示す偏光変換ユニット１２０は、ユニット枠２００と、本発明の偏光変換素子１と、遮光板２１０と、レンズアレイ２２０と、クリップ２３０と、を備えている。ユニット枠２００の一方の開口面（図３５では下面）側からは、後述する２つの偏光変換素子本体を有する偏光変換素子１が挿入され、もう一方の開口面（図３５では上面）側からは、遮光板２１０とレンズアレイ２２０とがこの順に挿入される。これらの光学素子２１０、２２０は、ユニット枠２００に収納された状態で、４つのクリップ２３０で上下２方向から挟持される。クリップ２３０は弾性体で形成されているので容易に着脱することができ、偏光変換ユニット１２０の各部品もユニット枠に容易に着脱することができる。
かかるユニット枠２００によって、偏光変換素子１を、光源からの光束が偏光変換素子１（特に後述のＰＢＳ膜）に入射する角度が常に一定になってＰＳ変換が正確に行える姿勢で、液晶プロジェクターに組み込むことが出来る。
【００８５】
図３６は、本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を適用した投光装置の一例としての液晶プロジェクターを示す図である。
図３６に示す投写型表示装置（液晶プロジェクター）１００は、光源１１０と、第１のレンズアレイ１１１と、本発明に係る偏光変換素子を組み込んだ偏光変換ユニット１２０と、重畳レンズ１２１と、で構成される照明光学系を備えている。また、ダイクロイックミラー１３１、１３２と、反射ミラー１３３とを含む色光分離光学系１３０を備えている。さらに、入射側レンズ１４０と、リレーレンズ１４１と、反射ミラー１４２、１４３とを含む導光光学系を備えている。また、３枚のフィールドレンズ１４４、１４５、１４６と、３枚の液晶ライトバルブ１５０Ｒ、１５０Ｇ、１５０Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１６０と、投写レンズ１７０と、を備えている。
反射ミラー１４６は、重畳レンズ１２１から射出された光を色光分離光学系１３０の方向に反射する機能を有している。色光分離光学系１３０は、２枚のダイクロイックミラー１３１、１３２により、重畳レンズ１２１から射出される光を、赤、緑、青の３色の色光に分離する機能を有している。第１のダイクロイックミラー１３１は、重畳レンズ１２１から射出される光のうち赤色光成分を透過させるとともに、青色光成分と緑色光成分とを反射する。第１のダイクロイックミラー１３１を透過した赤色光は、反射ミラー１３３で反射され、フィールドレンズ１４４を通って赤光用の液晶ライトバルブ１５０Ｒに達する。このフィールドレンズ１４４は、重畳レンズ１２１から射出された各部分光束をその中心軸（主光線）に対して平行な光束に変換する。他の液晶ライトバルブの前に設けられたフィールドレンズ１４５、１４６も同様である。
【００８６】
第１のダイクロイックミラー１３１で反射された青色光と緑色光のうちで、緑色光は第２のダイクロイックミラー１３２によって反射され、フィールドレンズ１４５を通って緑光用の液晶ライトバルブ１５０Ｇに達する。一方、青色光は、第２のダイクロイックミラー１３２を透過し、導光光学系、すなわち、入射側レンズ１４０、反射ミラー１４２、リレーレンズ１４１、反射ミラー１４３を通り、さらに、フィールドレンズ１４６を通って青色光用の液晶ライトバルブ１５０Ｂに達する。
なお、青色光に導光光学系が用いられているのは、青色光の光路の長さが他の色光の光路の長さよりも長いため、光の拡散等による光の利用効率の低下を防止するためである。すなわち、入射側レンズ１４０に入射した光束をそのまま、フィールドレンズ１４６に伝えるためである。
【００８７】
３つの液晶ライトバルブ１５０Ｒ、１５０Ｇ、１５０Ｂは、入射した光を、与えられた画像情報（画像信号）に従って変調する光変調手段としての機能を有している。これにより、３つの液晶ライトバルブ１５０Ｒ、１５０Ｇ、１５０Ｂに入射した各色光は、与えられた画像情報に従って変調されて各色光の画像を形成する。
３つの液晶ライトバルブ１５０Ｒ、１５０Ｇ、１５０Ｂから射出された３色の変調光は、クロスダイクロイックプリズム１６０に入射する。
クロスダイクロイックプリズム１６０は、３色の変調光を合成してカラー画像を形成する色光合成部としての機能を有している。クロスダイクロイックプリズム１６０には、赤光を反射する誘電体多層膜と、青光を反射する誘電体多層膜と、が４つの直角プリズムの界面に略Ｘ字状に形成されている。これらの誘電体多層膜によって３色の変調光が合成されて、カラー画像を投写するための合成光が形成される。クロスダイクロイックプリズム１６０で生成された合成光は、投写レンズ１７０の方向に射出される。投写レンズ１７０は、この合成光を投写スクリーン上に投写する機能を有し、投写スクリーン上にカラー画像を表示する。
【００８８】
図３４に示すような、耐熱・耐光性能に優れた本発明の偏光変換素子を備えた偏光変換ユニットを組み込むことで、高輝度・高発熱の光源を使って鮮明な映像を長時間投影可能な液晶プロジェクターとすることが出来る。
また、本発明にように、本発明の偏光変換素子は、後述する構成によって、異なる複数の波長帯で、確実に１／２波長板として機能する位相差板（積層１／２波長板）を備えているので、高輝度で鮮明な映像を投射可能な液晶プロジェクターを実現できる。
【符号の説明】
【００８９】
１  偏光変換素子、１０  ＰＢＳアレイ（素子本体）、１０Ａ  素子本体、１０Ｃ  接合面、１０Ｄ  光入射面、１０Ｅ  光出射面、１０Ｆ  端縁部、１１  透光性基板、１１Ａ  透光性板材、１２  偏光分離膜、１３  反射膜、１４  接着層、１４Ａ  接着剤、１６  光入射面、１７  光出射面、２０  波長板、２０Ａ  位相差板、２０Ｂ  位相差板、２０Ｃ  基部、２０Ｃ１  基部、２０Ｃ２  基部、２０Ｄ  位相差部、２０Ｄ１  位相差部、２０Ｄ２  位相差部、２０Ｅ  先端部、２０Ｅ１  先端部、２０Ｅ２  先端部、２０Ｆ  光入射面、２１  接合層、３０  波長板、３１  光学軸、３１Ａ  接合面、３１Ａ１  境界部、４０  波長板、９１  偏光分離膜、９２  反射膜、９３  接着層、９５  素子本体、９６  接合層、９７  位相差板、９８  透光性基板、１１０  光源、１１１  レンズアレイ、１２０  偏光変換ユニット、１２１  重畳レンズ、１３０  色光分離光学系、１３１  ダイクロイックミラー、１３２  ダイクロイックミラー、１３３  反射ミラー、１４０  入射側レンズ、１４１  リレーレンズ、１４２  反射ミラー、１４３  反射ミラー、１４４  フィールドレンズ、１４５  フィールドレンズ、１４６  フィールドレンズ、
１４６  反射ミラー、１５０Ｂ  液晶ライトバルブ、１５０Ｇ  液晶ライトバルブ、
１５０Ｒ  液晶ライトバルブ、１６０  クロスダイクロイックプリズム、１７０  投写レンズ、２００  ユニット枠、２１０  光学素子、２１０  遮光板、２２０  レンズアレイ、２３０  クリップ、３１０  光学素子、４００  積層体、４１０  積層ブロック、４１０Ａ  切断面、５００  研磨装置、６００  試験片、６０１  試験、６０１  試験片、
６１０  固定枠、６２０  黄変、９５１  光入射面、９５２  光出射面、９６１  気泡、
９８１  角部
【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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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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【図３８】
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