(57)【要約】【課題】広い波長域の光に対して、入射する光を分離させることなく、かつ入射する光の偏光状態に依存せずに、位相差に空間的分布を発現させる。また、広い波長域の光に対して、高い偏光解消性を得る。【解決手段】偏光解消素子は、第１の複屈折性媒質層と第２の複屈折性媒質層とを備え、前記第１の複屈折性媒質層および前記第２の複屈折性媒質層は、それぞれ厚さが均一であり、かつそれぞれ素子面内に、位相差が等しく進相軸方向が異なる２種類の領域を少なくとも各々１つ含み、前記第１の複屈折性媒質層に含まれる各領域の境界線と前記第２の複屈折性媒質層に含まれる各領域の境界線とが一致しており、前記第１の複屈折性媒質層の有する位相差と前記第２の複屈折性媒質層の有する位相差の比が２±０．１：１であり、前記第２の複屈折性媒質層に含まれる前記２種類の領域の進相軸のなす角度が４５°±４°であることを特徴とする。【選択図】図１
2013130810.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の複屈折性媒質層と、
第２の複屈折性媒質層とを備え、
前記第１の複屈折性媒質層および前記第２の複屈折性媒質層は、それぞれ厚さが均一であり、かつそれぞれ素子面内に、位相差が等しく進相軸方向が異なる２種類の領域を少なくとも各々１つ含み、
前記第１の複屈折性媒質層に含まれる各領域の境界線と前記第２の複屈折性媒質層に含まれる各領域の境界線とが一致しており、
前記第１の複屈折性媒質層の有する位相差と前記第２の複屈折性媒質層の有する位相差の比が２±０．１：１であり、
前記第２の複屈折性媒質層に含まれる前記２種類の領域の進相軸のなす角度が４５°±４°である
ことを特徴とする偏光解消素子。
【請求項２】
前記第２の複屈折性媒質層の有する位相差は、当該偏光解消素子に入射する光のうち最も短い波長の光に対して３００°以下であるとともに、最も長い波長の光に対して６０°以上である
請求項１に記載の偏光解消素子。
【請求項３】
入射する光の波長が８００ｎｍ〜１７００ｎｍの帯域にあり、
前記第２の複屈折性媒質層の有する位相差は、入射する光のうち最も短い波長の光に対して３００°以下であるとともに、最も長い波長の光に対して６０°以上である
請求項１または請求項２に記載の偏光解消素子。
【請求項４】
入射する光の波長が３８０ｎｍ〜８２０ｎｍの帯域にあり、
前記第２の複屈折性媒質層の有する位相差は、入射する光のうち最も短い波長の光に対して３００°以下であるとともに、最も長い波長の光に対して６０°以上である
請求項１または請求項２に記載の偏光解消素子。
【請求項５】
前記第１の複屈折性媒質層および前記第２の複屈折性媒質層は、それぞれ素子面内に、位相差が等しく進相軸方向が異なる２種類の領域を各々２つ以上含み、
前記第１の複屈折性媒質層および前記第２の複屈折性媒質層において、第１の進相軸方向を有する領域と第２の進相軸方向を有する領域とがともに素子面内に均一に分布するよう配されている
請求項１から請求項４のうちのいずれか１項に記載の偏光解消素子。
【請求項６】
入射する被測定光を回折格子に導き、回折格子で回折された光をレンズまたは凹面鏡で絞り、焦点位置に配されたスリットに通して、光量を検出するツェルニ・ターナ型の光学系を有する光計測機器であって、
前記回折格子の前段に、請求項１〜４のいずれかに記載の偏光解消素子を備え、
前記偏光解消素子により、前記回折格子に入射する被測定光の位相差に空間的分布を発現させる
ことを特徴とする光計測機器。
【請求項７】
光源にレーザー光を使用する投射型表示装置であって、
光源と、前記光源が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成手段との間、または前記画像光生成手段と、前記画像光生成手段が生成した画像光を投影する投影手段との間に、請求項５に記載の偏光解消素子を備え、
前記偏光解消素子に特定の偏光方向の直線偏光を入射して、無偏光の光に変換させる
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、入射光の偏光性を解消する偏光解消素子、それを用いた光計測機器および投射型表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光計測機器の一つに、ツェルニ・ターナ型の光学系を有する光スペクトルアナライザがある。ツェルニ・ターナ型と呼ばれるこのような光計測機器では、入射する被測定光を回折格子に導き、回折格子で回折された光をレンズまたは凹面鏡で絞り、焦点位置に配されたスリットに通して、光量を検出する。このとき、回折格子で回折される方向が光の波長によって異なることを利用し、特定の波長光のみがスリットを通るように回折格子を適宜回転させることで、被測定光の波長毎の光量を計測できる。
【０００３】
ツェルニ・ターナ型の光計測機器において、回折格子は一般に斜入射で使われる。このため、入射面に平行なｐ偏光成分と入射面に垂直なｓ偏光成分に対する回折効率が異なり、被測定光の偏光状態によっては被測定光の波長毎の光量を正しく計測できないという問題があった。
【０００４】
このような、回折格子での回折効率の偏光依存性の影響を避けるために、ツェルニ・ターナ型の光計測機器では、回折格子の前に被測定光の偏光性を解消する偏光解消素子（偏光解消板、偏光スクランブラーとも呼ばれる。）を配置して、回折格子に入射する被測定光の偏光度を低減させ自然光に近い状態に変換することが行われていた。
【０００５】
図１９は、ツェルニ・ターナ型の光計測機器の一例を示す構成図である。図１９に示す例では、光は入射スリット９１から入射され、偏光解消素子９２を通過後、凹面鏡９３に収束される。そして、回折格子９４に入射され、回折格子９４の回折作用によって波長ごとに分散される。回折格子９４で回折された光は、凹面鏡９５により出射スリット９６上の焦点位置に結合される。このように焦点位置に配された出射スリット９６を通った光の光量を検出する。
【０００６】
このようなツェルニ・ターナ型の光計測機器に用いられる偏光解消素子の例が、特許文献１に記載されている。図２０は、特許文献１に記載されている偏光解消素子の例を示す構成図である。図２０に示す偏光解消素子９２は、楔形に加工した水晶などの複屈折性結晶を２枚貼り合わせて構成されている。より具体的には、２枚の楔形の複屈折性結晶９２１、９２２が、常光屈折を示す結晶軸である常光軸と異常光屈折を示す結晶軸である異常光軸とが互いに重なるように、斜面を向かい合わせて貼り合わされている。図２０において、９２３は１枚目の複屈折結晶９２１の常光軸を示し、９２４は２枚目の複屈折結晶９２２の常光軸を示している。
【０００７】
このような偏光解消素子９２に直線偏光や円偏光などの偏光性のある光を入射すると、入射した光は、１枚目の複屈折性結晶９２１の常光軸を進む偏光成分と異常軸を進む偏光成分とに分かれて結晶内を進み、それぞれ２枚目の複屈折性結晶９２２に入射する。１枚目の複屈折性結晶９２１の常光軸を進んだ偏光成分は、２枚目の複屈折性結晶９２２の異常光軸を進む。一方、１枚目の複屈折性結晶９２１の異常光軸を進んだ偏光成分は、２枚目の複屈折性結晶９２２の常光軸を進む。このとき、当該素子を透過する場所によって１枚目の複屈折性結晶９２１を進む距離と２枚目の複屈折性結晶９２２を進む距離とが異なるため、位相差に空間的分布が生じる。偏光解消素子９２は、この位相差の空間的分布を利用して、入射光を場所ごとに偏光状態が異なる光に変換する。結果、偏光解消素子９２から出射された光は、さまざまな偏光状態が重なりあい、平均として偏光性が解消されたとみなすことができる。
【０００８】
楔形の複屈折性結晶を２枚貼り合わせてなる偏光解消素子を用いる場合、貼り合わせ面である斜面によって入射光に屈折が生じ、光の進む方向が変わる。すなわち、１枚目の複屈折性結晶９２１の常光軸を進んで２枚目の複屈折性結晶９２２の異常光軸を進む偏光成分の屈折する角度と、１枚目の複屈折性結晶９２１の異常光軸を進んで２枚目の複屈折性結晶９２２の常光軸を進む偏光成分の屈折する角度とが異なるため、当該素子を出射する光はその偏光成分に応じて２つに分離する。さらに、光の波長によって屈折する角度が異なるため、出射する光の分離する角度は波長によって異なる。
【０００９】
光計測機器における回折格子９４の偏光依存性を解消するには、偏光解消素子９２によって分離される光の両方を出射スリット９６に通す必要がある。しかし、光の波長によって偏光解消素子９２が出射する光の分離する角度が異なるために、スリット幅が被測定光の最大波長によって制限されるという問題があった。なお、偏光解消素子の常光軸または異常光軸に沿って直線偏光を入射させれば光は分離しないが、この場合は同じ直線偏光で出射することになり、そもそもの目的である偏光性を解消できない。
【００１０】
その一方で、波長分解能を向上するには、スリット幅を狭めることが有効である。結果、波長分解能の向上と被測定光の最大波長とがトレードオフの関係をもつという望まない制約があった。
【００１１】
そこで、特許文献１には、複屈折性結晶の複屈折軸と楔形の傾斜方向を工夫して、スリットの長手方向に光を分離させることでスリット幅を狭くする方法が記載されている。特許文献１に記載されている光計測機器では、回折格子９４のｐ偏光成分とｓ偏光成分に対して、偏光解消素子９２の常光軸または異常光軸が４５°方向となるように偏光解消素子９２を配置することで偏光性を解消する機能を保持させつつ、偏光解消素子９２による光の分離方向がスリット幅の長手方向に合うようにしている。
【００１２】
ところで、偏光解消素子の他の用途として、スクリーンに投影画像を表示する投射型表示装置（プロジェクタ）におけるスペックルノイズを改善するために偏光解消素子を用いることが提案されている。
【００１３】
従来、投射型表示装置の光源は超高圧水銀（ＵＨＰ）ランプが使用されてきたが、単色性に優れていることや光源の長寿命化の観点から、光源にレーザーを使用することが提案されている。この他にも、ＵＨＰランプはその性質から赤色の波長である６４５ｎｍ近傍の波長帯域がブロードなスペクトルとなることから、赤色光源としてレーザーを使用し、青色・緑色波長帯にはＵＨＰランプを使用するといった併用型の光源を使用することなどが提案されている。
【００１４】
しかし、レーザーを光源とした投射型表示装置では、光源のコヒーレント性が高いため、画像を表示するスクリーンの凹凸によって散乱された光が眼の網膜上で干渉して粒状のスペックルノイズが発生するおそれがあるという問題があった。スペックルノイズが発生すると、投影画像の画質が劣化するため好ましくない。このような画像投射装置において、コヒーレント性を有する光を発光する光源と該光源が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成手段との間または画像光生成手段と該画像光生成手段が生成した画像光を投影する投影手段との間に偏光解消素子を配置し、入射光の位相を変調させることによって、スペックルノイズを低減できる。
【００１５】
例えば、特許文献２には、画像投影装置におけるスペックルノイズを低減させる目的で、ストライプ状または市松模様状の平面パターンを有する偏光解消素子を用いる例が記載されている。図２１および図２２は、特許文献２に記載されている偏光解消素子を示す構成図である。図２１および図２２に示す偏光解消素子８１、８２は、それぞれ緑色波長帯の光に対して１８０°の位相を有する１／２波長板として機能する複屈折性領域８０１と、等方性領域８０２とを１つの組みとして、この組を複数配置した構造を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特許第２９９５９８５号公報
【特許文献２】特開２００６−０４７４２１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
特許文献１に記載された方法によれば、光計測機器において、偏光解消素子による被測定光の最大波長の制約を受けずに、スリット幅を細くできる可能性がある。しかし、この方法においても偏光解消素子が被測定光を分離することに変わりはないため、装置への組み込み精度によって、スリット幅を狭められる限界が決められてしまう。
【００１８】
すなわち、従来の偏光解消素子では、計測する光が複数に分離してしまい、かつ、入射する光の波長によって分離する方向がかわってしまうという問題があった。このため、ツェルニ・ターナ型の光計測機器に用いた場合に、一定幅以上のスリットを使うしかなく、波長分解能の向上が難しかった。
【００１９】
また、従来の偏光解消素子では、特定の波長の光に対してしか高い偏光解消性を得ることができないという問題があった。このため、レーザー光のようにコヒーレント性の高い光を光源に使用する投射型表示装置に用いた場合に、青色、緑色、赤色のレーザー光の全てに対して高い偏光解消性を得るためには、青色、緑色、赤色のレーザー光用にそれぞれ最適化した３つの偏光解消素子を用意しなければならず、光学系の小型化・簡単化の妨げになっていた。また、小型化・簡単化のために視感度の高い緑色のレーザー光に対してのみ偏光解消素子を適用した場合には、青色のレーザー光および赤色のレーザー光によるスペックルノイズが残留してしまうという問題があった。
【００２０】
本発明は、かかる問題に鑑み、広い波長域の光に対して、入射する光を分離させることなく、かつ入射する光の偏光状態に依存せずに、位相差に空間的分布を発現させることができる偏光解消素子の提供を目的とする。より具体的には、広い波長域に対応可能で、入射する光を分離させることなく、かつ入射する光の偏光状態に依存せずに、出射する光の特定の偏光成分とそれに直交する偏光成分のそれぞれの光量を一定の割合に変換できる偏光解消素子の提供を目的とする。
【００２１】
また、本発明は、広い波長域の光に対して、高い偏光解消性を得られる偏光解消素子の提供を目的とする。より具体的には、広い波長域に対応可能で、入射する特定の偏光方向の直線偏光を無偏光、すなわち偏光度をゼロとする光に変換できる偏光解消素子の提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明による偏光解消素子は、第１の複屈折性媒質層と、第２の複屈折性媒質層とを備え、第１の複屈折性媒質層および第２の複屈折性媒質層は、それぞれ厚さが均一であり、かつそれぞれ素子面内に、位相差が等しく進相軸方向が異なる２種類の領域を少なくとも各々１つ含み、第１の複屈折性媒質層に含まれる各領域の境界線と第２の複屈折性媒質層に含まれる各領域の境界線とが一致しており、第１の複屈折性媒質層の有する位相差と第２の複屈折性媒質層の有する位相差の比が２±０．１：１であり、第２の複屈折性媒質層に含まれる２種類の領域の進相軸のなす角度が４５°±４°であることを特徴とする。なお厚さが均一であるとは、第１の複屈折性媒質層の表面と裏面、つまり両界面の平行度が０．１°以下をいい、第２の複屈折性媒質層においても両界面の平行度が０．１°以下をいう。
【００２３】
また、第２の複屈折性媒質層の有する位相差は、当該偏光解消素子に入射する光のうち最も短い波長の光に対して３００°以下であるとともに、最も長い波長の光に対して６０°以上であってもよい。
【００２４】
また、本発明による偏光解消素子は、入射する光の波長が８００ｎｍ〜１７００ｎｍの帯域にあり、第２の複屈折性媒質層の有する位相差は、入射する光のうち最も短い波長の光に対して３００°以下であるとともに、最も長い波長の光に対して６０°以上であってもよい。
【００２５】
また、本発明による偏光解消素子は、入射する光の波長が３８０ｎｍ〜８２０ｎｍの帯域にあり、第２の複屈折性媒質層の有する位相差は、入射する光のうち最も短い波長の光に対して３００°以下であるとともに、最も長い波長の光に対して６０°以上であってもよい。
【００２６】
また、第１の複屈折性媒質層および第２の複屈折性媒質層は、それぞれ素子面内に、位相差が等しく進相軸方向が異なる２種類の領域を各々２つ以上含み、第１の複屈折性媒質層および第２の複屈折性媒質層において、第１の進相軸方向を有する領域と第２の進相軸方向を有する領域とがともに素子面内に均一に分布するよう配置されていてもよい。
【００２７】
また、本発明による光計測機器は、入射する被測定光を回折格子に導き、回折格子で回折された光をレンズまたは凹面鏡で絞り、焦点位置に配されたスリットに通して、光量を検出するツェルニ・ターナ型の光学系を有する光計測機器であって、回折格子の前段に、上述のいずれかの偏光解消素子を備え、偏光解消素子により、回折格子に入射する被測定光の位相差に空間的分布を発現させることを特徴とする。
【００２８】
また、本発明による投射型表示装置は、光源にレーザー光を使用する投射型表示装置であって、光源と、光源が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成手段との間、または画像光生成手段と、画像光生成手段が生成した画像光を投影する投影手段との間に、上述の偏光解消素子のうち２種類の領域を各々２つ以上含む偏光解消素子を備え、偏光解消素子に特定の偏光方向の直線偏光を入射して、無偏光の光に変換させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、広い波長域の光に対して、入射する光を分離させることなく、かつ入射する光の偏光状態に依存せずに、位相差に空間的分布を発現させることができる偏光解消素子を提供できる。従って、ツェルニ・ターナ型の光計測機器に用いた場合に、回折格子の偏光依存性の影響をさけることができるだけでなく、被測定光の最大波長の制約を受けずに波長分解能を向上させることができる。
【００３０】
また、本発明によれば、広い波長域の光に対して、高い偏光解消性を得られる偏光解消素子を提供できる。従って、レーザーを光源に使用する投射型表示装置に用いた場合に、スペックルノイズを低減できるだけでなく、１つの偏光解消素子だけで、青色、緑色、赤色のレーザー光の全てに対して高い偏光解消性を得ることができるので、投射型表示装置を小型化・簡単化できる。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１の実施形態の偏光解消素子の構成例を示す断面図。
【図２】第１の実施形態の偏光解消素子の平面パターンの一例を示す説明図。
【図３】第１の実施形態の偏光解消素子の平面パターンの他の例を示す説明図。
【図４】第１の実施形態の偏光解消素子の平面パターンの他の例を示す説明図。
【図５】偏光解消素子に適用するパラメータに与える制約条件の一例を示す表。
【図６】偏光解消素子の光学設計における評価関数Ｆ（δ，θ）の値に対する、第１層第１領域１３１の進相軸方向θと第２の複屈折性媒質層１４の有する位相差δとの関係を示す等高線図。
【図７】偏光解消素子に適用するパラメータに与える制約条件の他の例を示す表。
【図８】第１の複屈折性媒質層１３における、光の波長λと位相差δの関係を示すグラフ。
【図９】第１の実施形態の偏光解消素子の他の構成例を示す断面図。
【図１０】第１の実施形態の偏光解消素子の他の構成例を示す断面図。
【図１１】第１の実施形態の偏光解消素子の他の構成例を示す断面図。
【図１２】第２の実施形態の偏光解消素子の構成例を示す断面図。
【図１３】第２の実施形態の偏光解消素子の平面パターンの一例を示す説明図。
【図１４】第１の実施例の偏光解消素子の評価結果を示すグラフ。
【図１５】第１の実施例の偏光解消素子の評価結果を示すグラフ。
【図１６】第１の実施例の偏光解消素子の評価結果を示すグラフ。
【図１７】第１の実施例の偏光解消素子の評価結果を示すグラフ。
【図１８】第２の実施例の偏光解消素子の評価結果を示すグラフ。
【図１９】ツェルニ・ターナ型の光計測機器の構成図。
【図２０】ツェルニ・ターナ型の光計測機器に用いられる従来の偏光解消素子の構成例を示す斜視図。
【図２１】画像投影装置に用いられる従来の偏光解消素子の平面パターンの例を示す説明図。
【図２２】画像投影装置に用いられる従来の偏光解消素子の平面パターンの他の例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
実施形態１．
以下、本発明の実施形態を図面を参照して説明する。本実施形態の偏光解消素子は、ツェルニ・ターナ型の光計測機器に用いる場合を想定し、入射する光を分離させることなく、広い波長域の光に対して、入射する光の偏光状態に依存せずに、光のＸ軸方向の偏光成分の強度とそれに直交するＹ軸方向の偏光成分の強度とが略等しい光を出射させる特性を発現させたものである。
【００３３】
図１は、第１の実施形態の偏光解消素子１０の例を示す断面図である。図１に示す偏光解消素子１０は、２枚の透明基板１１、１２の間に、２つの複屈折性媒質層すなわち第１の複屈折層１３と第２の複屈折性媒質層１４とが設けられている。２つの複屈折性媒質層１３、１４は、それぞれ素子面内において進相軸方向（または遅相軸方向）が異なる２種類の領域を各々１つ（図１に示す例では、領域１３１と１３２または領域１４１と１４２）を含んでいる。換言すると、２つの複屈折性媒質層１３、１４はそれぞれ平面上（図１におけるＸ−Ｙ平面上）で領域が２つに分割され、分割された２つの領域は互いに進相軸方向が異なっている。
【００３４】
図１に示す例では、第１の複屈折性媒質層１３において、第１の進相軸方向を持つ領域（図１では左側の領域）を第１層第１領域１３１とし、第２の進相軸方向を持つ領域（図１では右側の領域）を第１層第２領域１３２として示している。同様に、第２の複屈折性媒質層１４において、第１の進相軸方向を持つ領域（図１では左側の領域）を第２層第１領域１４１とし、第２の進相軸方向を持つ領域（図１では右側の領域）を第２層第２領域１４２として示している。
【００３５】
図２は、偏光解消素子１０の平面パターンの一例を示す説明図である。なお、図２（ａ）は、図１に示した偏光解消素子１０の透明基板１１を透して見た第１の複屈折性媒質層１３の平面パターンを模式的に示している。また、図２（ｂ）は、図１に示した偏光解消素子１０の透明基板１１および第１の複屈折性媒質層１３を透して見た第２の複屈折性媒質層１４の平面パターンを模式的に示している。なお、図２のＡ−Ａ’で切りだした断面図が図１に相当する。
【００３６】
偏光解消素子１０の平面パターンは、設計者によって自由に決めることができる。例えば、図３や図４に示すような平面パターンであってもよい。すなわち、当該素子を上面（入射面）から見た場合に、例えばその平面上を横方向に２分割するように形成してもよいし、また例えば、斜め方向に２分割するように形成してもよい。なお、図３および図４は、本実施形態に係る偏光解消素子１０の平面パターン図の一例であって、いずれも図１に示した偏光解消素子１０の透明基板１１を透して見た第１の複屈折性媒質層１３の平面パターンを模式的に示している。図３のＢ−Ｂ’、図４のＣ−Ｃ’で切りだした断面図が図１に相当する。
【００３７】
偏光解消素子１０の平面パターンは、入射する光の径内における第１層第１領域１３１と第１層第２領域１３２の面積比が５０：５０になるように設計するのが最適である。
【００３８】
ただし、偏光解消素子に入射する光の位置がずれて、光の径内における第１層第１領域１３１と第１層第２領域１３２の面積比が５０：５０を維持しなくても、面積比として４０：６０〜６０：４０の間であれば実用上所望の特性を得ることができる。実用上所望の特性については後述する。
【００３９】
また、図２（ａ）（ｂ）に示すように、第１の複屈折媒質層１３と第２の複屈折性媒質層１４の平面パターンは等しく、第１の複屈折媒質層１３と第２の複屈折媒質層１４とで境界線が一致していることが最も好ましい。このことから、入射する光の径内における第２層第１領域１４１と第２層第２領域１４２の面積比も５０：５０になるように偏光解消素子１０の平面パターンを設計するのが最適である。
【００４０】
なお、第１層境界線と第２層境界線とが一致していることは最も好ましいが、入射する光の直径に対して１／１００程度のずれであれば実用上所望の特性を得ることは可能である。実用上所望の特性については後述する。
【００４１】
また、第１層第１領域１３１と第１層第２領域１３２とは同じ複屈折性材料からなり、第１の複屈折性媒質層１３全体で均一な厚みを有している。従って、第１層第１領域１３１と第１層第２領域１３２とで位相差は等しい。なお均一な厚みとは、第１の複屈折性媒質層の両界面において界面の平行度が０．１°以下をいう。
【００４２】
同様に、第２層第１領域１４１と第２層第２領域１４２とは同じ複屈折性材料からなり、第２の複屈折性媒質層１４全体で均一な厚みを有している。従って、第２層第１領域１４１と第２層第２領域１４２とで位相差は等しい。
【００４３】
このように、偏光解消素子１０の２層の複屈折性媒質層１３、１４の厚みが均一であって、複屈折性媒質層の貼り合わせ面において斜面が形成されないため、楔形の複屈折性結晶を貼り合わせた従来の偏光解消素子のように斜面による屈折作用によって光が分離することはない。
【００４４】
次に、本実施形態に係る偏光解消素子１０の具体的な構成について図１および図２を用いて説明する。
【００４５】
透明基板１１、１２は、入射する光に対して透明であれば、樹脂板、樹脂フィルムなど種々の材料を使用できる。例えば、ガラスや石英ガラスなどの光学的等方性材料を用いてもよい。また、透明基板１１、１２の空気との界面に、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ので好ましい。
【００４６】
第１の複屈折性媒質層１３および第２の複屈折性媒質層１４を構成する複屈折性材料としては、複屈折性を有する液晶モノマーを配向させたのち重合した高分子液晶、微細な凹凸状の格子形状により発生する構造複屈折または、凹凸上の格子形状の上に光学多層膜を積層してなるフォトニック結晶、水晶やＬｉＮｂＯ３などの複屈折性結晶や、例えばポリカーボネートなどの有機フィルムを延伸した複屈折性フィルムも使用できる。
【００４７】
高分子液晶を用いる場合、液晶モノマーを配向させた方向が遅相軸の方向になる。複屈折性媒質層の材料として高分子液晶を用いることは、配向方向を変えることが容易であるため好ましい。すなわち、各複屈折性媒質層において、領域毎に異なる進相軸方向（または遅相軸方向）を持たせることが容易にできて好ましい。
【００４８】
また、フォトニック結晶を用いる場合は、微細な凹凸状の格子形状の長手方向とその長手方向と直交する方向が複屈折軸（進相軸あるいは遅相軸）の方向になる。複屈折性媒質層の材料としてフォトニック結晶を用いることは、微細な凹凸形状の長手方向を変えることが容易であるため好ましい。すなわち、高分子液晶を用いる場合と同様、各複屈折性媒質層において領域毎に異なる進相軸方向（または遅相軸方向）を持たせることが容易にできて好ましい。
【００４９】
また、複屈折性媒質層の材料として、複屈折性結晶や複屈折性フィルムも使用できる。この場合、各複屈折性媒質層における各分割領域のサイズに切り出した材料を並べて透明基板に貼り合わせることで、領域毎に異なる進相軸方向（または遅相軸方向）を持たせた構成とできる。
【００５０】
次に、本実施形態に係る偏光解消素子１０が所望の特性を得るための光学設計について説明する。ここで、所望の特性とは、偏光解消素子１０に入射する広い波長域の光に対し、その偏光状態に依存せず、出射する光のＸ軸方向の偏光成分の強度と、それに直交するＹ軸方向の偏光成分の強度とが略等しくなる特性をいう。
【００５１】
なお、以降の説明では、角度の定義として、図２の座標系において、Ｘ軸を基準（０°）としＹ軸方向（９０°）への時計回りの方向を正とする。
【００５２】
まず、光の偏光状態をストークスパラメータを用いて表現する。ストークスパラメータは、（Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の４成分からなり、Ｓ０は光の強度を表す。簡便化のために、偏光解消素子１０において、入射する光の強度を変える吸収、反射、散乱、偏光子等の要因はないものと考え、Ｓ０＝１とし、（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３）の３成分で偏光状態を考える。
【００５３】
Ｓ１２+Ｓ２２+Ｓ３２は０〜１の間の値を有し、０のとき無偏光（自然光に相当）、１のとき完全偏光であり、その中間のとき部分偏光という。自然光は、さまざまな完全偏光の集合、合成として考えられる。以下では偏光解消素子１０に入射する光を完全偏光として設計する。代表的な偏光をストークスパラメータを用いて例示すると、Ｘ方向の直線偏光は（１，０，０）、Ｙ方向の直線偏光は（−１，０，０）、４５°方向の直線偏光は（０，１，０）、−４５°方向の直線偏光は（０，−１，０）、右回り円偏光は（０，０，１）、左回り円偏光は（０，０，−１）である。
【００５４】
偏光解消素子１０に入射する光の偏光状態を（Ｓ１ｉｎ，Ｓ２ｉｎ，Ｓ３ｉｎ）とし、偏光解消素子１０から出射する光の偏光状態を（Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔ，Ｓ３ｏｕｔ）とする。また、偏光解消素子１０の第１層第１領域１３１および第２層第１領域１４１を透過する光を（Ｓ１ｏｕｔ１，Ｓ２ｏｕｔ１，Ｓ３ｏｕｔ１）とし、偏光解消素子１０の第１層第２領域１３２および第２層第２領域１４２を透過する光を（Ｓ１ｏｕｔ２，Ｓ２ｏｕｔ２，Ｓ３ｏｕｔ２）とする。さらに、入射する光の径内における第１層第１領域１３１の面積（第２層第１領域１４１も同じ）をＲ１、第１層第２領域１３２の面積（第２層第２領域１４２も同じ）をＲ２としたとき、以下の式（１）の関係が成り立つ。
【００５５】
【数１】
2013130810.tif 000003
【００５６】
次に、光が偏光解消素子１０の透明基板１１側から入射して、第１の複屈折性媒質層１３、第２の複屈折性媒質層１４の順に透過し、透明基板１２から出射するときの、２つの複屈折性媒質層１３，１４が入射する光の偏光状態に及ぼす作用について説明する。
【００５７】
第１の複屈折性媒質層１３の厚みは均一で第１層第１領域１３１の位相差と第１層第２領域１３２の位相差は等しくδ１とし、第１層第１領域１３１の進相軸方向をθ１１、第１層第２領域１３２の進相軸方向をθ１２とする。同様に、第２の複屈折性媒質層１４の厚みは均一で第２層第１領域１４１の位相差と第２層第２領域１４２の位相差は等しくδ２とし、第２層第１領域１４１の進相軸方向をθ２１、第２層第２領域１４２の進相軸方向をθ２２とする。すると、第ｉ層第ｊ領域による偏光状態を変化させる作用を、以下の式（２）のミューラー行列Ｍｉｊを用いて記述できる。ここで、ｉは１または２、ｊは１または２である。
【００５８】
【数２】
2013130810.tif 000004
【００５９】
このとき、偏光解消素子１０に入射する光のうち、第１層第１領域１３１と第２層第１領域１４１とを透過する光の偏光状態は、以下の式（３−１）で表される。また、第１層第２領域１３２と第２層第２領域１４２とを透過する光の偏光状態は、以下の式（３−２）で表される。
【００６０】
【数３】
2013130810.tif 000005
【００６１】
以上より、偏光解消素子１０を出射する光の偏光状態は、式（１）、式（３−１）、（式３−２）を用いて、以下の式（４）で表される。
【００６２】
【数４】
2013130810.tif 000006
【００６３】
次に、偏光解消素子１０の所望の特性、すなわち入射する光の偏光状態に依存せず、出射する光のＸ軸方向の偏光成分の強度とそれに直交するＹ軸方向の偏光成分の強度とが等しくなる特性と、出射の偏光状態を表すストークスパラメータとの関係について説明する。
【００６４】
出射光のＸ軸方向の偏光成分の強度ＩXとＹ軸方向の偏光成分の強度ＩＹは、ストークスパラメータを用いると、以下の式（５）のように表すことができる。
【００６５】
【数５】
2013130810.tif 000007
【００６６】
式（５）より、強度ＩXと強度ＩYが等しくなるには、Ｓ１ｏｕｔがゼロになればよいことがわかる。すなわち、偏光解消素子１０を構成する第ｉ層第ｊ領域の有する位相差δｉｊ、進相軸方向θｉｊの各パラメータを、入射する光の偏光状態に依存せずにＳ１ｏｕｔがゼロになるように決めればよい。
【００６７】
ところで、Ｓ１ｏｕｔの値は、式（４）に式（２）を代入して得られるが非常に煩雑である。さらに、偏光解消素子１０を特徴づけるパラメータは、δ１１，δ１２，δ２１，δ２２，θ１１，θ１２，θ２１，θ２２の計８個あるので、設計の簡便化のためにいくつかのパラメータに制約をあたえ、それらの制約のもとに値を求めたほうがよい。なお、制約を与えずに、コンピュータを用いて各パラメータを求めることも可能である。
【００６８】
入射する光の偏光状態の一例として、Ｘ軸方向の直線偏光（１、０、０）が偏光解消素子１０に入射するときにＳ１ｏｕｔがゼロになるように、偏光解消素子１０の各パラメータに制約を与える場合を以下に示す。
【００６９】
まず、実用上、入射する光の径内における第１層第１領域１３１の面積Ｒ１と第１層第２領域１３２の面積Ｒ２が等しいものとして考えるのは有効である。例えば、面積Ｒ１と面積Ｒ２の比を６：４のように故意に偏らせるほうが難しいからである。ここで、演算の便宜上、入射する光の面積を１として、面積Ｒ１＝面積Ｒ２＝０．５とする。なお、面積Ｒ１と面積Ｒ２が等しい条件からずれた場合の許容値すなわち面積比の公差については後述する。
【００７０】
次に、第１の複屈折性媒質層１３が有する位相差（より具体的には、第１層第１領域１３１および第１層第２領域１３２がともに有する位相差）δ１と、第２の複屈折性媒質層１４が有する位相差（より具体的には、第２層第１領域１４１および第２層第２領域１４２がともに有する位相差）δ２の比が２：１であるとし、位相差δ１を２π、位相差δ２をπとする。位相差は入射する光の波長によって異なる値であるので、位相差がδ１＝２π、δ２＝πとなる光の波長が入射していると考える。なお、位相差δ１と位相差δ２の比が２：１からずれた場合の許容値すなわち位相差比の公差については後述する。
【００７１】
第１の複屈折性媒質層１３が有する位相差δ１が２πであることから、第１層第１領域１３１および第１層第２領域１３２では、当該領域の進相軸方向θ１１、θ１２にかかわらず、透過する光の偏光状態を変えないことになる。
【００７２】
このとき、第２層第１領域１４１の進相軸方向θ２１が２２．５°、第２層第２領域１４２の進相軸方向θ２２が−２２．５°であれば、偏光解消素子１０に入射するＸ軸方向の直線偏光（１、０、０）は、第１領域側（より具体的には、第１層第１領域１３１と第２層第１領域１４１）を透過すれば４５°方向の直線偏光（０、１、０）に変換される。同様に、第２領域側（より具体的には、第１層第２領域１３２と第２層第２領域１４２）を透過すれば−４５°方向の直線偏光（０、−１、０）に変換される。
【００７３】
これらのパラメータおよび入射する光の偏光状態を上述の式（４）に代入すると、偏光解消素子１０を出射する光の偏光状態（Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔ，Ｓ３ｏｕｔ）として（０、０、０）が得られる。これは、Ｓ１ｏｕｔはゼロであって、出射光のＸ軸方向の偏光成分の強度ＩＸとＹ軸方向の偏光成分の強度ＩＹが等しい状態であることを意味している。
【００７４】
ここまでは、第１の複屈折性媒質層１３の位相差δ１が２π、第２の複屈折性媒質層１４の位相差δ２がπとなる特定の光の波長に対してのみ、Ｓ１ｏｕｔがゼロになるように、いくつかのパラメータを決めてきた。次に、より広い波長域の光に対して、かつ偏光解消素子１０に入射する光の偏光状態に依存せず、Ｓ１ｏｕｔをゼロにするための十分条件として、各パラメータに制約を与えていく。
【００７５】
光の波長域を拡げるということは、波長に依存する量である位相差の幅を拡げることである。以下では、一例として、第１の複屈折性媒質層１３の位相差δ１が２π、第２の複屈折性媒質層１４の位相差δ２がπという制約を、δ１がδ２の２倍であるという制約のみに変更する。すなわち、δ２＝δとし、δ１＝２δ２＝２δとする。
【００７６】
また、残りのパラメータである第１層第１領域１３１の進相軸方向θ１１および第１層第２領域１３２の進相軸方向θ１２に、θ１１＝θ、θ１２＝−θ１１＝−θという制約を与える。この制約によって、第１層第１領域１３１と第１層第２領域１３２の偏光状態を変化させる作用に相反性を持たせることができる。
【００７７】
図５は、ここまでに各パラメータに与えた制約を整理した表である。図５に示す値を偏光解消素子１０の各パラメータとして式（４）、式（２）に代入すると、Ｓ１ｏｕｔは以下の式（６）で与えられる。
【００７８】
【数６】
2013130810.tif 000008
【００７９】
式（６）において、入射する光の偏光状態に依存せずにＳ１ｏｕｔをゼロにする場合、式（６）の右辺のＳ１ｉｎの係数がゼロであればよいことがわかる。
【００８０】
ここで、Ｓ１ｉｎの係数を評価関数Ｆ（δ，θ）、すなわち以下の式（７）とする。
【００８１】
【数７】
2013130810.tif 000009
【００８２】
図６は、上述の式（７）を計算した結果、横軸をδ、縦軸をθとして得られる評価関数Ｆ（δ，θ）の値をプロットした等高線図である。図６において点線で囲って示すように、評価関数Ｆ（δ，θ）の値が０を示すδとθの組み合わせとして、第１層第１領域１３１の進相軸方向として定義したθが７９°の近傍にあるとき、第２の複屈折性媒質層１４の位相差として定義したδの値の範囲が最も広くなることがわかる。
【００８３】
ここで、偏光解消素子１０の実用上の所望の特性として、出射光のＸ軸方向の偏光成分の強度ＩＸとＹ軸方向の偏光成分の強度ＩＹが等しい状態に幅を持たせ、強度ＩＸの割合を０．４５〜０．５５としてもよい。これは、強度ＩＹの割合を０．５５〜０．４５とすることと同義である。このような場合には、上述の式（５）、式（６）から評価関数Ｆ（δ，θ）の値は−０．１〜０．１になる。
【００８４】
このような場合には、第１層第１領域１３１の進相軸方向として定義したθの範囲として７９±２°、第２の複屈折性媒質層１４の有する位相差として定義したδの範囲として８３°〜２７６°が得られる。既に説明した通り、位相差は光の波長に依存する量であるので、本例の場合は、偏光解消素子１０によって所望の特性が得られる波長の範囲としては、第２の複屈折性媒質層１４の有する位相差が８３°を示す波長から２７６°を示す波長までの範囲となることがわかる。
【００８５】
また、偏光解消素子１０の実用上の所望の特性として、出射光のＸ軸方向の偏光成分の強度ＩＸの割合を０．４〜０．６としてもよい。これは、強度ＩＹの割合を０．６〜０．４とすることと同義である。このような場合には、評価関数Ｆ（δ，θ）の値は−０．２〜０．２になる。すると、第１層第１領域１３１の進相軸方向として定義したθの範囲（許容幅）が拡大されて７８°±４°になる。なお、第２の複屈折性媒質層１４の位相差として定義したδの範囲は８３°〜２７６°のままである。第１層第１領域１３１の進相軸方向θの許容幅が拡大することは、偏光解消素子１０の製造時の誤差の許容範囲を拡げることができ好ましい。
【００８６】
または、第１層第１領域１３１の進相軸方向θの範囲（許容幅）を維持して７７°±２°とし、第２の複屈折性媒質層１４の位相差δの範囲を拡大して６０°〜３００°とする組み合わせを選択してもよい。この場合には、偏光解消素子１０に入射する光の波長域を拡げることができ好ましい。
【００８７】
また、例えば、図６において一点鎖線で囲って示すように、θが−５６°近傍のとき、δの範囲が１０５°〜２５０°となっており、位相差の条件として比較的広い範囲が得られることがわかる。換言すると、θが−５６°近傍のとき、偏光解消素子１０によって所望の特性が得られる波長の範囲として、第２の複屈折性媒質層１４の有する位相差が１０５°を示す波長から２５０°を示す波長までの範囲となることがわかる。このような場合にも、偏光解消素子１０として、広い帯域の波長で所望の特性を得られることがわかる。
【００８８】
また、例えば、図６において二点鎖線で囲って示すように、δが１２５°〜２３７°のとき、θが７１°±１１°という広い範囲が得られることがわかる。すなわち、偏光解消素子１０に入射する光の波長域が、第２の複屈折性媒質層１４の有する位相差δが１２５°を示す光の波長と２３７°を示す光の波長の間である場合に、第１層第１領域１３１の進相軸方向θが７１°±１１°という広い公差内で、偏光解消素子１０は所望の特性を得られる。
【００８９】
上述の例はあくまで一例であって、具体的には、偏光解消素子１０に求める特性、使用する光の波長域、偏光解消素子１０の製造時の誤差の許容範囲によって、第１層第１領域１３１の進相軸方向θの範囲、第２の複屈折性媒質層１４の有する位相差δの範囲を適宜決めればよい。なお、θとδが決まれば、図５に示した制約条件から他のパラメータの値も決まる。
【００９０】
また、分割領域の面積比が１：１からずれた場合の許容値、第１の複屈折性媒質層１３と第２の複屈折性媒質層１４との位相差比が２：１からずれた場合の許容値、または第２層第１領域１４１の進相軸方向θ２１が２２．５°からずれた場合もしくは第２層第２領域１４２の進相軸方向θ２２が−２２．５°からずれた場合の許容値の例を図７の表に示す。なお、図７に示す許容値は、偏光解消素子１０に入射する広い波長域の光に対し、その偏光状態に依存せず、出射する光のＸ軸方向の偏光成分の強度が０．４〜０．６であるとした場合の許容値である。
【００９１】
図７に示すように、分割領域の面積比については、入射する光の面積を１とした場合に、０．４５：０．５５〜０．５５：０．４５としてもよい。また、位相差比については、２±０．１：１としてもよい。また、第２層第１領域１４１の進相軸方向θ２１と第２層第２領域１４２の進相軸方向θ２２については、それぞれ±２°を公差としてもよい。
【００９２】
以上のような光学設計方法に基づき決定したパラメータを用いて偏光解消素子１０を作製することによって、上述したような所望の特性を有する偏光解消素子１０を得ることができる。
【００９３】
なお、偏光解消素子１０の特性をさらに一般化して、偏光解消素子１０に入射する広い波長域の光に対し、その偏光状態に依存せず、出射する光のＸ軸からθｏｕｔ回転した方向の偏光成分の強度とそれに直交する方向の偏光成分の強度とが略等しくなる特性を所望の特性としてもよい。この場合、偏光解消素子１０を特徴づけるパラメータのうち、各領域の進相軸方向にθｏｕｔ加算すればよい。
【００９４】
なお、上述の光学設計方法では、透明基板１１側から光が入射する前提で、本実施形態の偏光解消素子１０が所望の特性を得るための各パラメータを決めたが、これらのパラメータによれば、素子を９０°、１８０°、２７０°回転させたとしても同様の特性を得ることができる。さらには、表裏を反転させ、２×θｏｕｔ回転させた状態で透明基板１２側から入射しても同様の特性が得られる。
【００９５】
また、第１層第１領域１３１の進相軸方向と第１層第２領域１３２の進相軸方向を入れ替え、同時に、第２層第１領域１４１の進相軸方向と第２層第２領域１４２の進相軸方向を入れ替えた場合にも、同様の特性が得られる。
【００９６】
補足として、位相差と波長の関係を説明する。図８は、第１の複屈折性媒質層１３における、光の波長λ（横軸）と位相差δ（縦軸）の関係を示したグラフである。δとλには、以下の式（８）の関係がある。
【００９７】
【数８】
2013130810.tif 000010
【００９８】
ここで、ｄは複屈折性媒質層の厚みを示している。また、Δｎは複屈折性材料の複屈折の大きさであって、波長（λ）の関数である。Δｎは係数Ａ、Ｂ、Ｃを用いて以下の式（９のような波長分散式を用いて近似できる。Ａ、Ｂ、Ｃは複屈折性材料によって決まる固有の値である。これらの式をグラフ化したのが図８のグラフである。
【００９９】
【数９】
2013130810.tif 000011
【０１００】
すなわち、第２の複屈折性媒質層１４の有しうる最小の位相差がδｍｉｎのときに波長が最も長くなり（λｍａｘ）、最大の位相差がδｍａｘのときに波長が最も短くなる（λｍｉｎ）関係を有する。
【０１０１】
また、本実施形態に係る偏光解消素子１０は、構成要素である透明基板の枚数を減らして構成し、薄型化できる。図９〜図１１は、本実施形態に係る偏光解消素子１０の他の構成例を示す断面図である。例えば、図９に示すように、透明基板１２上に、第２層第１領域１４１と第２層第２領域１４２を含む第２の複屈折性媒質層１４を積層し、さらにその上に第１層第１領域１３１と第１層第２領域１３２を含む第１の複屈折性媒質層１３を積層した構成であってもよい。なお、第１の複屈折性媒質層１３と空気の界面に、図示しない反射防止膜を施してもよい。
【０１０２】
また、例えば図１０に示すように、透明基板１１上に、第１層第１領域１３１と第１層第２領域１３２を含む第１の複屈折性媒質層１３を積層し、さらにその上に第２層第１領域１４１と第２層第２領域１４２を含む第２の複屈折性媒質層１４を積層した構成であってもよい。なお、第２の複屈折性媒質層１４と空気の界面に、図示しない反射防止膜を施してもよい。
【０１０３】
また、例えば図１１に示すように、透明基板１１の一方の面に、第１層第１領域１３１と第１層第２領域１３２を含む第１の複屈折性媒質層１３を積層し、他方の面に、第２層第１領域１４１と第２層第２領域１４２を含む第２の複屈折性媒質層１４を積層した構成であってもよい。なお、第１の複屈折性媒質層１３と空気の界面および第２の複屈折性媒質層１４と空気の界面に、図示しない反射防止膜を施してもよい。
【０１０４】
以上のように、本実施形態によれば、入射する広い波長域の光に対し、その偏光状態に依存せず、出射する光のＸ軸方向の偏光成分の強度とそれに直交するＹ軸方向の偏光成分の強度とが略等しくなる偏光解消素子１０を得ることができる。
【０１０５】
また、本実施形態の偏光解消素子１０を用いれば、ツェルニ・ターナ型の光学系を有する光計測機器において、広い波長域の光に対して、入射する光を分離させることなく、かつ入射する光の偏光状態に依存せずに、回折格子に被測定光を入射させることができる。このため、偏光解消素子による被測定光の最大波長の制約を受けずに、スリット幅を小さくできる。従って、波長分解能を向上できる。
【０１０６】
なお、ツェルニ・ターナ型の光計測機器に組み込む場合には、図１９に示した例のように回折格子の前段に偏光解消素子１０を配置すればよい。
【０１０７】
実施形態２．
次に、本発明の第２の実施形態について図面を参照して説明する。本実施形態の偏光解消素子は、レーザーを光源とする投射型表示装置に用いる場合を想定し、広い波長域に対して、完全偏光として入射するθｉｎ方向の直線偏光を無偏光に変換する特性を発現させたものである。
【０１０８】
図１２は、本発明の第２の実施形態に係る偏光解消素子２０の例を示す断面図である。図１２に示す偏光解消素子１０は、第１の実施形態と同様、２枚の透明基板２１、２２の間に、２層の複屈折性媒質層すなわち第１の複屈折性媒質層２３と第２の複屈折性媒質層２４とが設けられている。また、２つの複屈折性媒質層２３、２４は、それぞれ素子面内において進相軸方向（または遅相軸方向）が異なる２種類の領域を各々２つ以上（図１２に示す例では、領域２３１群と２３２群または領域２４１群と２４２群）含んでいる。換言すると、２つの複屈折性媒質層２３、２４は、それぞれ平面上（図１２におけるＸ−Ｙ平面上）において領域が４以上に分割され、分割された各領域は２つの異なる進相軸方向のうちの一方の進相軸方向を有している。本実施形態では、さらに、各層において第１の進相軸方向を有する領域と第２の進相軸方向を有する領域がともに素子面内において均一に分布するよう配置する。なお、第１の進相軸方向を有する領域の面積と第２の進相軸方向を有する領域の面積は略同一であることが好ましい。
【０１０９】
例えば、第１の進相軸方向を有する領域と第２の進相軸方向を有する領域とを１つの組みとして、これらの組みを隣接する領域間で進相軸方向が異なるように配してもよい。すなわち、本実施形態の偏光解消素子２０は、第１の実施形態の偏光解消素子１０のサイズを光の径内に対して十分に小さくし、それを上下左右方向に連結して素子全体での領域分割数を増やしたものとみなしてもよい。
【０１１０】
図１２に示す例では、第１の複屈折性媒質層２３において、第１の進相軸方向を持つ領域をおのおの第１層第１領域２３１とし、第２の進相軸方向を持つ領域をおのおの第１層第２領域２３２として示している。同様に、第２の複屈折性媒質層２４において、第１の進相軸方向を持つ領域をおのおの第２層第１領域２４１とし、第２の進相軸方向を持つ領域をおのおの第２層第２領域２４２として示している。
【０１１１】
図１３は、本実施形態に係る偏光解消素子２０の平面パターンの一例を示す説明図である。なお、図１３（ａ）は、図１２に示した偏光解消素子２０の透明基板２１を透して見た第１の複屈折性媒質層２３の平面パターンを模式的に示している。また、図１３（ｂ）は、図１２に示した偏光解消素子２０の透明基板２１および第１の複屈折性媒質層２３を透して見た第２の複屈折性媒質層２４の平面パターンを模式的に示している。なお、図１３のＤ−Ｄ’で切りだした断面図が図１２に相当する。
【０１１２】
図１３（ａ）（ｂ）に示すように、本例では、第１の複屈折媒質層２３と第２の複屈折性媒質層２４の平面パターンは等しい。すなわち、第１層第１領域２３１と第１層第２領域２３２の境界線である第１層境界線と、第２層第１領域１４１と第２層第２領域１４２の境界線である第２層境界線とは一致している。なお、第１層境界線と第２層境界線とが一致していることは最も好ましいが、入射する光の直径に対して１／１００程度のずれであれば実用上所望の特性を得ることは可能である。実用上所望の特性については後述する。
【０１１３】
なお、図１３では、偏光解消素子２０の領域分割数を６４分割で示しているが、領域分割数はこの限りではない。例えば、領域分割数が多いほど、光の径内における両領域すなわち第１の進相軸方向を持つ領域と第２の進相軸方向を持つ領域の面積の占める割合が平均化されて等しくなるので、光が入射する位置と分割領域とのずれに対して寛容になるため好ましい。また、光の径内における領域数が多いほど、光の径内で不偏的に無偏光となるので好ましい。しかし、一つ一つの分割領域の面積が小さくなると、加工精度の要求が厳しくなるので、製造時の誤差の許容範囲を考慮して適宜決めればよい。
【０１１４】
偏光解消素子２０は、第１の実施形態に係る偏光解消素子１０と同様の光学設計で作製できる。以下では、本実施形態に係る偏光解消素子２０の機能を説明するために、図５に示した制約条件で各パラメータで設計した偏光解消素子２０を例に用いる。
【０１１５】
偏光解消素子２０を出射する光の偏光状態（Ｓ１ｏｕｔ，Ｓ２ｏｕｔ，Ｓ３ｏｕｔ）は、上述の式（２）、式（４）を用いて演算すると、以下の式（１０）で与えられる。なお、Ｒ１は入射する光の径内における第１層第１領域２３１群の面積の総和（第２層第１領域２３１群の面積の総和も同じとする）を用い、Ｒ２は入射する光の径内における第１層第２領域２３２群の面積の総和（第２層第２領域２４２群の面積の総和も同じとする）を用いればよい。
【０１１６】
【数１０】
2013130810.tif 000012
【０１１７】
なお、式（１０）のうち、Ｓ１ｏｕｔを示す式は、上述の式（６）と同じである。また、偏光解消素子２０に入射する光の偏光状態（Ｓ１ｉｎ，Ｓ２ｉｎ，Ｓ３ｉｎ）がＸ軸方向の直線偏光（１，０，０）である場合、Ｓ２ｏｕｔとＳ３ｏｕｔはゼロになる。また、Ｓ１ｏｕｔは、上述の式（７）で定義した評価関数Ｆ（δ，θ）と同じ数式で与えられる。
【０１１８】
ここで、光の偏光度合の指標として、以下の式（１１）で与えられる偏光度Ｐを考える。偏光度Ｐが０のとき無偏光すなわち自然光に相当し、１のとき完全偏光であり、その中間のとき部分偏光である。
【０１１９】
【数１１】
2013130810.tif 000013
【０１２０】
偏光解消素子２０の出射光の偏光状態は、Ｓ１ｏｕｔ＝Ｆ（δ，θ）、Ｓ２ｏｕｔ＝Ｓ３ｏｕｔ＝０であるので、出射偏光の偏光度ＰはＦ（δ，θ）に他ならない。すなわち、本実施形態の偏光解消素子２０は、特定の方向の直線偏光が入射されることを前提に、第１の実施形態で示した光学設計方法において、入射する光の波長域が広くても評価関数Ｆ（δ，θ）が略ゼロになるようなパラメータを有するように作製されればよいことがわかる。これは、第１の実施形態の偏光解消素子１０が有するパラメータを用いて作製された偏光解消素子２０に、０°の方向の直線偏光を入射すれば、第１の実施形態の偏光解消素子１０が許容した波長域の光に対して、出射光の偏光度が略ゼロである無偏光の光に変換されることを意味している。
【０１２１】
ここで、０°ではなく特定のθｉｎ方向の直線偏光を無偏光に変換する場合は、偏光解消素子２０を特徴づけるパラメータのうち、各領域の進相軸方向にθｉｎを加算すればよい。これにより、偏光解消素子２０の所望の特性である、広い波長域の光に対して、完全偏光として入射するθｉｎ方向の直線偏光を無偏光に変換する特性を発現できる。
【０１２２】
なお、本実施形態の偏光解消素子２０の所望の特性は、広い波長域に対して、完全偏光として入射するθｉｎ方向の直線偏光を無偏光に変換する特性であるが、出射光の偏光度Ｐは必ずしも０でなくてもよい。例えば、出射光の偏光度Ｐが０．１以下であれば、実用上無偏光とみなしてもよい。その上で、例えば、出射光の偏光度Ｐが０．０５以下や０．０１以下であれば、より無偏光状態に近いので、より良い特性とみなしてもよい。従って、用途によって偏光解消素子２０の所望の特性を設定し、各パラメータの中心値および公差を決めるのが好ましい。
【０１２３】
以上のように、本実施形態の偏光解消素子２０を用いれば、コヒーレント性の高いレーザー光などを光源とする投射型表示装置において、広い波長域の光に対して直線偏光を偏光度が略ゼロの無偏光に変換し、可干渉性を低減できる。従って、投射画像の全面にわたってスペックルノイズを安定して低減できる。また、これにより投射型表示装置に搭載する偏光解消素子の個数を削減でき、光学系を小型化・簡単化できる。
【０１２４】
なお、投射型表示装置に組み込む場合には、光源と、光源が発光した光を変調して画像光を生成する画像光生成手段との間、または、画像光生成手段と、画像光生成手段が生成した画像光を投影する投影手段との間に、特定の偏光方向の直線偏光が入射されるように偏光解消素子２０を配置すればよい。ここで、画像光生成手段とは、例えば、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）や液晶パネルなどの空間光変調器である。また、投影手段とは、例えば、空間光変調器によって変調された光をスクリーンに投影する投影レンズ系である。光源は、１つのレーザー光源のみを使用する構成であっても、異なる波長の光を出射するレーザー光源を複数配置する構成であっても、コヒーレント性を有さない光源とレーザー光源とを組み合わせて用いる構成であってもよい。また、レーザー光源より出射された光束をコリメートしたり集光したりするレンズ系を、レーザー光源と投影レンズとの間に追加してもかまわない。また、空間変調器をスキャニングミラーとして、レーザー光源からの光を直接スクリーンに掃引投影する構成であってもよい。
【０１２５】
このような投射型表示装置では、例えば、光源から出射された光が、位相変調素子としての偏光解消素子２０を経て、空間光変調器に入射する。空間光変調器に入射した光束は、画像信号に応じて変調され、投影レンズ系によりスクリーンなどに投影される。このとき、偏光解消素子２０には偏光方向が上述の角度の定義における０°またはθｉｎ方向の直線偏光が入射されるよう各部品を配置してもよい。
【０１２６】
このように構成することによって、レーザーを光源とする投射型表示装置では、広い波長域の光に対して直線偏光を偏光解消素子２０によって偏光度が略ゼロの無偏光に変換できるので、可干渉性を低減できる。
【実施例１】
【０１２７】
次に、具体的な例を用いて本発明の構成の一例を詳細に説明する。第１の実施例は、図１および図２に示した第１の実施形態に係る偏光解消素子１０の実施例である。本実施例では、波長８００ｎｍ〜１７００ｎｍの帯域の光に対して、その偏光状態に依存せず、出射する光のＸ軸（０°）方向の偏光成分の強度と、それに直交するＹ軸（９０°）方向の偏光成分の強度とが略等しい特性を有した偏光解消素子を作製する。
【０１２８】
本実施例では、透明基板１１として石英ガラスを用いる。まず、透明基板１１の空気側の面に反射防止膜を成膜する。次に、図示しないポリイミド膜を成膜したのち、ラビングを施して配向膜とする。このとき、第１層第１領域１３１のみを配向処理するため、第１層第２領域１３２をステンレス製のマスクを用いてマスキングしてから、−１１°の方向にラビングする。次に、第１層第２領域１３２のみを配向処理するため、第１層第１領域１３１をステンレス製のマスクを用いてマスキングしてから、＋１１°の方向にラビングする。
【０１２９】
次に、透明基板１１の配向処理を施した面に、厚さ９．３μｍの高分子液晶層を均一に成膜し、第１の複屈折性媒質層１３を形成する。高分子液晶は、上述の式（９）における複屈折Δｎの波長分散式の係数が、Ａ＝０．０９５、Ｂ＝０．００８２、Ｃ＝−２．３×１０−６となる物性を有するものを用いている。
【０１３０】
このとき、第１の複屈折性媒質層１３の有する位相差は、波長８００ｎｍの光に対して４５１°、波長１７００ｎｍの光に対して１９３°である。また、進相軸方向はラビング方向に直交するため、第１層第１領域１３１の進相軸方向θ１１は７９°である。また、第１層第２領域１３２の進相軸方向θ１２は−７９°である。
【０１３１】
次に、透明基板１１の場合と同様に、空気側の表面に反射防止膜を施した石英ガラスからなる透明基板１２に、第２層第１領域１４１と第２層第２領域１４２を有する第２の複屈折性媒質層１４を形成する。ここでは、第２層第１領域１４１の進相軸方向θ２１が、２２．５°、および第２層第２領域１４２の遅相軸方向θ２２が、−２２．５°になるように配向処理がなされている。なお、第２の複屈折性媒質層１４の材料は、第１の複屈折性媒質層１３の材料と同じ高分子液晶を用い、４．６５μｍの厚さに均一に成膜する。第２の複屈折性媒質層１４の有する位相差は、波長８００ｎｍの光に対して２２５．５°、波長１７００ｎｍの光に対して９６．５°である。
【０１３２】
次に、第１の複屈折性媒質層１３と第２の複屈折媒質層１４とが向かい合うように、図示しない透明な接着剤を用いて貼り合わせる。接着剤としては、紫外線硬化型の接着剤を用いる。
【０１３３】
このようにして作製された偏光解消素子１０の透明基板１１側から、図２の第１層第１領域１３１と第１層第２領域１３２のそれぞれの領域を通る光の面積が等しくなるように光を入射すると、屈折によって光が分離することなく、直進透過することを確認できる。これは、偏光解消素子１０の２層の複屈折性媒質層１３、１４の厚みが均一であり、境界面に斜面が形成されていないためである。
【０１３４】
次に、偏光解消素子１０の特性の評価結果を図１４〜１７に示す。図１４〜１７は、本実施例の偏光解消素子１０の評価結果を示すグラフである。図１４〜１７において、グラフの縦軸は、出射光量を１として規格化した、Ｘ軸方向の偏光成分の強度とＹ軸方向の偏光成分の強度を示している。また、グラフの横軸は、入射光の波長である。図１４〜１７では、入射光として、波長が８００ｎｍ〜１７００ｎｍの光について評価した結果を示している。
【０１３５】
図１４は、入射偏光として偏光方向が０°の直線偏光を入射して得られた結果を示すグラフである。また、図１５は、入射偏光として偏光方向が９０°の直線偏光を入射して得られた結果を示すグラフである。また、図１６は、入射偏光として右回りの円偏光を入射して得られた結果を示すグラフである。また、図１７は、入射偏光として左回りの円偏光を入射して得られた結果を示すグラフである。なお、いずれの場合も、偏光解消素子１０の透明基板１１側から、図２の第１の領域１３１、１４１と第２の領域１３２、１４２のそれぞれの領域を通る光の面積が等しくなるように入射している。
【０１３６】
なお、図１６〜１７においてＹ方向成分の強度を示す点線が消えている箇所は、Ｘ方向成分の強度を示す実線と重なっていることを示している。例えば、図１６および図１７では、Ｘ方向成分の強度とＹ方向成分の強度が等しいため線が重なって示されている。
【０１３７】
式（６）より、出射光のストークスパラメータのＳ１ｏｕｔ成分がゼロであれば、Ｘ方向成分の強度とＹ方向成分の強度が等しくなることが分かる。また、式（６）より、Ｓ１ｉｎがゼロまたはその係数となる評価関数Ｆ（δ，θ）がゼロになる場合にＳ１ｏｕｔがゼロになることが分かる。図１６および図１７に示す結果の通り、本実施例の偏光解消素子１０に、右回り円偏光や左回り円偏光のようにストークスパラメータのＳ１ｉｎ成分がゼロの光が入射した場合、波長に依存せずに、出射光のＸ方向成分の強度とＹ方向成分の強度とが等しくなる。
【０１３８】
また、偏光状態は、偏光方向が０°および９０°の直線偏光の合成、あるいは右回り円偏光と左回り円偏光の合成であると考えてもよいので、図１４と図１５とが示している結果、または図１６と図１７とが示している結果は、本実施例の偏光解消素子１０によれば、少なくとも波長が８００ｎｍ〜１７００ｎｍの光に対し、入射偏光に依らず、出射する光のＸ方向成分の強度とＹ方向成分の強度が略等しく０．５であることを意味している。
【実施例２】
【０１３９】
次に、第２の実施例について説明する。第２の実施例は、図１２および図１３に示した第２の実施形態に係る偏光解消素子２０の実施例である。本実施例では、波長３８０ｎｍ〜８２０ｎｍの帯域の光に対して、完全偏光として入射するθｉｎ方向の直線偏光を無偏光に変換する特性を得る偏光解消素子を作製する。
【０１４０】
作製方法は、第１の実施例の偏光解消素子１０と同様である。すなわち、まず、空気側の表面に反射防止膜を施した石英ガラスからなる透明基板２１に第１層第１領域２３１群と第１層第２領域２３２群とを有する第１の複屈折性媒質層２３を形成する。なお、第１層第１領域２３１群の進相軸方向θ１１はそれぞれ７９°になるように配向処理がなされている。また、第１層第２領域２３２群の進相軸方向θ１２はそれぞれ−７９°になるように配向処理がなされている。第１の複屈折性媒質層２３の複屈折性材料としての高分子液晶は、複屈折Δｎを示す式（９）の係数が、Ａ＝０．０８６１、Ｂ＝０．００３７、Ｃ＝−８．１×１０−７となる物性を有するものを用いている。
【０１４１】
第１の複屈折性媒質層２３の高分子液晶の厚みは４．６５μｍの均一の厚さとした。このとき、第１の複屈折性媒質層２３の有する位相差は、波長４００ｎｍの光に対して４５６°、波長７００ｎｍの光に対して２２４°である。
【０１４２】
次に、空気側の表面に反射防止膜を施した石英ガラスからなる透明基板２２に、第２層第１領域２４１群と第２層第２領域２４２群を有する第２の複屈折性媒質層２４を形成する。なお、第２層第１領域２４１群の進相軸方向θ２１はそれぞれ２２．５°になるように配向処理がなされている。また、第２層第２領域２４２群の進相軸方向θ２２はそれぞれ−２２．５°になるように配向処理がなされている。第２の複屈折性媒質層の複屈折性材料としての高分子液晶は、上述の式（９）の複屈折Δｎの波長分散式の係数が、Ａ＝０．０３１４、Ｂ＝０．００１３、Ｃ＝−５．５×１０−６となる物性を有するものを用いている。
【０１４３】
第２の複屈折性媒質層２４の高分子液晶の厚みを、６．３８μｍで均一とした。このとき、第２の複屈折性媒質層２４の有する位相差は、波長４００ｎｍの光に対して２２７°、波長７００ｎｍの光に対して１１２°である。
【０１４４】
次に、第１の複屈折性媒質層２３と第２の複屈折媒質層２４とが向かい合うように、図示しない透明な接着剤を用いて貼り合わせる。接着剤としては、紫外線硬化型の接着剤を用いる。
【０１４５】
このようにして作製された偏光解消素子２０の特性の評価結果を図１８に示す。図１８において、グラフの縦軸は、出射光の偏光度Ｐを示している。また、グラフの横軸は、入射光の波長である。図１８では、入射光として、波長が３５０ｎｍ〜８５０ｎｍで、偏光方向が０°の直線偏光の光について評価した結果を示している。より具体的には、そのような入射光を偏光解消素子２０の透明基板２１側から入射したときの出射光の偏光度の評価結果を示している。
【０１４６】
図１８に示すように、本実施例の偏光解消素子２０によれば、少なくとも波長が３５０ｎｍ〜８５０ｎｍの光に対して、出射光は、その偏光度が０．０５以下で略無偏光の状態に変換されることがわかる。
【０１４７】
（比較例）
次に、比較例として図２０に示すような斜面を有する偏光解消素子９２に入射する光が分離する事例について説明する。本比較例では、偏光解消素子９２として、小さいほうの頂角が１０°の楔型の水晶が、その斜面を向かい合わせてかつ、常光屈折を示す結晶軸（常光軸）と異常光屈折を示す結晶軸（異常光軸）が互いに重なるように、斜面を向かい合わせて貼り合わされたものを例に説明する。
【０１４８】
水晶の常光屈折率ｎｏの波長分散を以下の式（１２）で、また異常光屈折率ｎｅの波長分散を以下の式（１３）で近似的に与えるとする。なお、Ａｏ，Ｂｏ，Ｃｏ，Ａｅ，Ｂｅ，Ｃｅは定数であって、Ａｏ＝１．５１３７、Ｂｏ＝０．００４６、Ｃｏ＝−０．０００１、Ａｅ＝１．５４０５、Ｂｅ＝０．００４６、Ｃｅ＝−０．０００１である。
【０１４９】
【数１２】
2013130810.tif 000014
【０１５０】
【数１３】
2013130810.tif 000015
【０１５１】
入射する光の波長λが１３００ｎｍのとき、ｎｏ＝１．５３４３、ｎｅ＝１．５４３２である。波長１３００ｎｍであって、偏光方向が４５°の直線偏光が従来の偏光解消素子９２に垂直に入射する場合、１枚目の楔型水晶の常光軸を通って２枚目の楔形水晶の異常光軸を通る光の成分と、１枚目の楔型水晶の異常光軸を通って２枚目の楔形水晶の常光軸を通る光の成分の２つに分けられる。
【０１５２】
１枚目の楔型水晶の常光軸を通る光の成分は斜面に対し１０°で入射し、常光屈折率と異常光屈折率の差によって屈折し、斜面に対し９．９４２°の方向に進む。さらに、２枚目の楔型水晶の空気界面に対し−０．０５８°で入射し、異常光屈折率と空気の屈折率の差によって屈折し、空気界面に対し−０．０８９°の方向で空気中に出射する。なお、屈折して進む方向はスネルの法則により算出できる。
【０１５３】
同様に、１枚目の楔型水晶の異常光軸を通る光の成分は斜面に対し１０°で入射し、異常光屈折率と常光屈折率の差によって屈折し、斜面に対し１０．０５８°の方向に進む。さらに、２枚目の楔型水晶の空気界面に対し０．０５８°で入射し、常光屈折率と空気の屈折率の差によって屈折し、空気界面に対し０．０９０°の方向で空気中に出射する。
【０１５４】
すなわち、１枚目の楔型水晶の常光軸を通って２枚目の楔形水晶の異常光軸を通る光の成分と、１枚目の楔型水晶の異常光軸を通って２枚目の楔形水晶の常光軸を通る光の成分は、０．１７９°の分離角を持って従来の偏光解消素子９２を出射することになる。また、式（１２）および式（１３）にあるように、水晶の屈折率には波長分散を有しているので、分離角も波長によって異なることもわかる。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
本発明は、入射光の偏光性を解消する用途に幅広く適用できるが、特に、ツェルニ・ターナ型の光学系を有する光計測機器において波長分解能を向上する用途に好適に適用可能である。また、レーザーを光源とする投射型表示装置において、光学系を小型化・簡単化しつつスペックルノイズを低減する用途にも好適に適用可能である。
【符号の説明】
【０１５６】
１０、２０  偏光解消素子
１１、１２、２１、２２  透明基板
１３、２３  第１の複屈折性媒質層
１３１、２３１  第１層第１領域
１３２、２３２  第１層第２領域
１４、２４  第２の複屈折性媒質層
１４１、２４１  第２層第１領域
１４２、２４２  第２層第２領域
【図１】
2013130810.tif 000016
【図２】
2013130810.tif 000017
【図３】
2013130810.tif 000018
【図４】
2013130810.tif 000019
【図５】
2013130810.tif 000020
【図７】
2013130810.tif 000021
【図８】
2013130810.tif 000022
【図９】
2013130810.tif 000023
【図１０】
2013130810.tif 000024
【図１１】
2013130810.tif 000025
【図１２】
2013130810.tif 000026
【図１３】
2013130810.tif 000027
【図１４】
2013130810.tif 000028
【図１５】
2013130810.tif 000029
【図１６】
2013130810.tif 000030
【図１７】
2013130810.tif 000031
【図１８】
2013130810.tif 000032
【図１９】
2013130810.tif 000033
【図２０】
2013130810.tif 000034
【図２１】
2013130810.tif 000035
【図２２】
2013130810.tif 000036
【図６】
2013130810.tif 000037