(57)【要約】【課題】透過光の高消光比と反射光の低減を両立し、且つ低散乱の吸収型の偏光素子を得ることが難しいという課題があった。【解決手段】可視波長帯域の最小波長より小さい周期で配列した１次元格子構造の黒色樹脂組成物からなる吸収層を有しており、可視波長帯域内の第一波長帯域の光に対して、１次元格子構造の周期方向の偏光方向成分を透過し、格子方向の偏光方向成分を吸収する特性を有する偏光素子およびそれを有する光学系、投影装置を提供することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可視波長帯域の最小波長より小さい周期で配列した１次元格子構造の黒色樹脂組成物からなる吸収層を有することを特徴とする偏光素子。
【請求項２】
前記吸収層の平均充填率ＦＦａが以下を満足する請求項１に記載の偏光素子。
０．０５  ＜  ＦＦａ  ＜  ０．３
【請求項３】
前記吸収層を構成する材料の消衰係数ｋａが以下を満足する請求項１又は請求項２に記載の偏光素子。
０．１  ＜  ｋａ  ＜  ０．５
【請求項４】
前記吸収層が以下の条件を満たすことを特徴とする請求項１乃至請求項３の何れか一項に記載の偏光素子。
１／４ ＜ ｎ（ＴＥ）×ｄａ／λ0 ＜ ５／４
ｄａは吸収層の格子高さ、ｎ（ＴＥ）は構造複屈折の以下に示す式、λ0は波長550nmである。
ｎ（ＴＥ）＝｛ｎｍａｔ2×ＦＦａ＋ｎａｉｒ2×（１−ＦＦａ）｝
ｎｍａｔは材料の屈折率、ｎａｉｒは空気の屈折率である。
【請求項５】
可視波長帯域の最小波長より小さい周期で前記吸収層の１次元格子構造の方向と同じ方向に配列した１次元格子構造の反射層を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４の何れか一項に記載の偏光素子。
【請求項６】
前記反射層の平均充填率ＦＦｒが以下を満足することを特徴とする請求項５に記載の偏光素子。
０．０５  ＜  ＦＦｒ  ＜  ０．５
【請求項７】
前記反射層が金属層であることを特徴とする請求項５又は請求項６に記載の偏光素子。
【請求項８】
前記反射層が高屈折率薄膜層と低屈折率薄膜層を交互に積層した多層膜層であることを特徴とする請求項５に記載の偏光素子。
【請求項９】
波長５５０ｎｍにおける前記高屈折率薄膜層の屈折率ｎＨ、前記低屈折率薄膜層の屈折率ｎＬが以下であることを特徴とする請求項８に記載の偏光素子。
１．８  ＜  ｎＨ  ＜  ２．５
１．２  ＜  ｎＬ  ＜  １．６
【請求項１０】
前記吸収層と前記反射層が吸収層、反射層、吸収層の順に積層されていることを特徴とする請求項５乃至請求項９の何れか一項に記載の偏光素子。
【請求項１１】
前記黒色樹脂組成物は黒色粒子を分散した樹脂組成物であることを特徴とする請求項１乃至請求項１０の何れか一項に記載の偏光素子。
【請求項１２】
前記黒色樹脂組成物は炭素、炭化物、金属、酸化物、硫化物を分散した樹脂組成物であることを特徴とする請求項１乃至請求項１１の何れか一項に記載の偏光素子。
【請求項１３】
前記黒色樹脂組成物はエネルギー硬化特性を有している樹脂組成物であることを特徴とする請求項１乃至請求項１２の何れか一項に記載の偏光素子。
【請求項１４】
請求項１乃至請求項１３の何れか一項に記載の偏光素子の製造方法であって、
前記吸収層を1次元格子構造形状に露光法またはナノインプリント法を用いて形成する工程を用いることを特徴とする偏光素子の製造方法。
【請求項１５】
請求項１乃至請求項１３の何れか一項に記載の偏光素子を有することを特徴とする光学系。
【請求項１６】
画像表示素子と、
請求項１５に記載の光学系と、
を備えることを特徴とする投影装置。
【請求項１７】
複数の画像表示素子と、
光源からの照明光で前記複数の画像表示素子を照明する照明光学系と、
前記複数の画像表示素子からの画像光を被投影面に投影する投影光学系と、
前記照明光学系からの照明光を分離して前記複数の画像表示素子に導くと共に、前記複数の画像表示素子からの画像光を合成して前記投影光学系に導く色分離合成光学系と、
を備え、
前記色分離合成光学系が、請求項１５に記載の光学系であることを特徴とする画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光素子およびこれを有する投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、耐久性向上のために無機材料で構成され、耐久性が高く、無機微粒子層と反射層がワイヤグリッド構造となっている吸収型の偏光素子およびそれを有する液晶プロジェクターが開示されている。
【０００３】
また、特許文献２、３には、各種無機吸収材料で構成された吸収層と反射材料で構成された反射層がワイヤグリッド構造となっている偏光素子およびバックライト型照光装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２１６９５７号公報
【特許文献２】特開２００９−１８６９２９号公報
【特許文献３】特開２００９−１９２５８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１は、無機微粒子層と反射層がワイヤグリッド構造となっている吸収型の偏光素子を開示しているが、吸収材料として斜めスパッタによって成膜される微粒子を用いているため、微粒子のランダムな大きさや位置揺らぎによる屈折率分布が発生するため、散乱光が発生してしまうという課題があった。特に、投影装置は近年、明るさ向上の要望が強いため、大光量が偏光素子に照射されることで発生する散乱光がコントラストを低減させてしまうという課題があった。
【０００６】
また、特許文献２、３は、各種無機吸収材料で構成された吸収層と反射材料で構成された反射層がワイヤグリッド構造となっている偏光素子を開示しているが、バックライト型照光装置に適用することを想定している。このため、投影装置の適用を想定した構造に適しておらず、透過光の消光比と反射光の低減が十分でないという課題があった。
【０００７】
そこで、本発明は、透過光の高消光比と反射光の低減を両立し、且つ低散乱の吸収型の偏光素子およびそれを用いた投影装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、本発明に係る偏光素子は、
可視波長帯域の最小波長より小さい周期で配列した１次元格子構造の黒色樹脂組成物からなる吸収層を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、透過光の高消光比と反射光の低減を両立し、且つ低散乱の吸収型の偏光素子およびそれを有する光学系、投影装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】偏光素子の素子構造を示す模式図
【図２】実施例１の偏光素子の透過率および反射率のグラフ
【図３】実施例２の偏光素子の透過率および反射率のグラフ
【図４】実施例３の偏光素子の透過率および反射率のグラフ
【図５】実施例４の偏光素子の素子構造を示す模式図
【図６】ＴｉＯ２およびＳｉＯ２の構造複屈折を説明するためのグラフ
【図７】実施例４の偏光素子の透過率および反射率のグラフ
【図８】実施例１〜４の偏光素子の別形態の素子構造を示す模式図
【図９】実施例５の偏光素子の素子構造を示す模式図
【図１０】実施例５の偏光素子の透過率および反射率のグラフ
【図１１】実施例６の投影装置の構造を示す図
【図１２】実施例７の投影装置の構造を示す図
【図１３】比較例１の偏光素子の透過率および反射率のグラフ
【図１４】比較例２の偏光素子の透過率および反射率のグラフ
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づいて説明する。
【００１２】
図１は本発明の波長選択偏光素子１の断面図及び平面図である。
【００１３】
本発明の偏光素子１は、可視波長帯域（波長４３０ｎｍ〜６５０ｎｍ）の光に対して透明な基板４上に１次元格子構造の吸収層２と１次元格子構造の反射層３が形成されている。吸収層２の１次元格子は図１の紙面左右方向の周期方向に可視波長帯域の最小波長より小さい格子周期ｐａで一定間隔に配列され、格子と平行な方向（格子方向）に延びるように矩形形状が形成されている。吸収層２を構成する材料は黒色樹脂組成物で構成されている。この吸収層２の形状異方性により吸収の異方性が発生する。このため、１次元格子構造の吸収層２の周期方向の偏光方向成分を透過し、格子方向の偏光方向成分を吸収する特性を有し、偏光素子を得ることができる。ただし、１次元格子構造の吸収層２だけでは偏光素子として消光比が低いため、反射層３を設けることにより、消光比を向上させることができる。
【００１４】
反射層３の１次元格子構造は周期方向に可視波長帯域の最小波長より小さい格子周期ｐｒで一定間隔に配列され、格子と平行な方向（格子方向）に延びるように矩形形状が形成されている。反射層３を構成する材料に金属を用いると、１次元格子構造の反射層３は周期方向の偏光成分を可視波長帯域全域で透過し、格子方向の偏光成分を反射することができる。図１のように吸収層２を入射側にすることによって、格子方向の偏光成分を吸収するが、吸収せずに透過する成分を反射層３で反射させ、吸収層２で再吸収させることができる。このため、透過光の消光比を向上させることができる。
【００１５】
吸収層２の平均充填率ＦＦａが以下を満足することが好ましいことを見出した。
【００１６】
０．０５  ＜  ＦＦａ  ＜  ０．３                        （１）
ここで、充填率は１次元格子構造の吸収層２の格子周期ｐａに対するライン幅ｗａの割合（ｗａ／ｐａ）で定義し、平均充填率ＦＦａは吸収層全域における充填率の平均で定義している。この式の上限を満足しないと偏光素子の透過光の高消光比と反射光の低減を両立することができなくなるので好ましくない。また、下限を満足しないと偏光素子の吸収層のライン幅が狭く、透過光の消光比を得るために格子高さが増加するので、素子を製造することが困難になるので好ましくない。ここで、図１のような理想的な１次元構造が好ましいが、製造方法によっては縦壁の角度が傾いたテーパー形状となったり、材料の種類によっては凹凸形状が発現するが、充填率として平均充填率として（１）式を満たせば良い。
【００１７】
また、吸収層２を構成する材料の消衰係数ｋａが以下を満足することが好ましいことを見出した。
【００１８】
０．１  ＜  ｋａ  ＜  ０．５                                   （２）
この式の下限を満足しないと偏光素子の透過光の消光比が低減するので好ましくない。また、上限を満足しないと吸収でなく通常のワイヤグリッドと同様に、格子方向の偏光成分の反射光が増加するので好ましくない。同時に、黒色樹脂組成物の材料選択性が困難になるので好ましくない。
【００１９】
また、前記吸収層が以下の条件を満たすことが好ましいことを見出した。
【００２０】
１／４ ＜ ｎ（ＴＥ）×ｄａ／λ０＜ ５／４                    （３）
ｄａは吸収層の格子高さ、λ０は波長５５０ｎｍ、ｎ（ＴＥ）は構造複屈折の有効屈折率法（ＥＭＴ：Ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ  Ｍｅｄｉｕｍ  Ｔｈｅｏｒｙ）で求められ、以下の式で表せられる。
【００２１】
ｎ（ＴＥ）＝｛ｎｍａｔ2×ＦＦａ＋ｎａｉｒ2×（１−ＦＦａ）｝１／２    （４）
ｎｍａｔは材料の屈折率、ｎａｉｒは空気の屈折率である。
【００２２】
この（３）式を満足すると吸収層２の層内部で干渉し、反射防止膜として機能する。（３）式を満足しないと格子方向の反射が増加するので好ましくなくなる。また、（３）式の値が（２ｍ＋１）／４（ただし、ｍは２以上の整数）の場合も反射が低減するが、格子高さが増加し、微細構造のアスペクト比が増加するため、製造が困難になるため、好ましくなくなる。また、（３）式の値が１／４の場合も反射が低減するが、格子高さが低く、吸収が低減するため、消光比が低減するため、好ましくない。このため、（３）式は次式のほうがより好ましい。
【００２３】
１／２ ＜ ｎ（ＴＥ）×ｄａ／λ0 ＜ １                          （５）
吸収層の黒色樹脂組成物は黒色粒子を分散した樹脂組成物で構成され、所望の特性を得ることができる。黒色粒子は分光透過率特性、耐熱性、耐光性、樹脂への分散性およびその安定性を考慮して選択することができ、炭素、炭化物、金属、酸化物、硫化物等が挙げられる。具体的にはカーボンブラック，チタンブラック，金属粒子、黒鉛、金属酸化物、金属硫化物、金属炭酸塩、複合粒子など種々あり、さらにそれらを混合することによって所望の材料が得られる。黒色粒子の微粒子径は分光透過率特性、分散性、均一性、安定性を考慮して選択することができる。黒色粒子を分散するベース樹脂材料は光重合型アクリル系材料や光架橋型ポリビニルアルコール系材料に代表される感光性樹脂（ブラックレジスト）やポリイミド系材料に代表される非感光性樹脂が公的に用いられる。
【００２４】
反射層の材料は金属で構成され、いわゆるワイヤグリッド構造となっている。アルミニウムや銀が用いられる。
【００２５】
吸収層の製造はスクリーン印刷法、インクジェット法、フォトリソグラフィー法、ナノインプリント法等を用いることができる。吸収層は波長以下の格子周期のため、フォトリソグラフィー法やナノインプリント法がより適している。
【００２６】
黒色粒子を分散するベース樹脂材料が感光性材料の場合、材料塗布後に露光、現像を行う簡易な製造工程で１次元格子形状を製造することができる。黒色粒子を分散するベース樹脂材料が非感光性材料ではレジストを用いて塗布、露光、現像を行いレジストのパターニングを行った後、エッチングにより１次元格子形状を製造することができる。感光性材料と比較して、製造工程数が増えるが、着色特性や耐熱性の点で優れたベース材料を選択することができる。
【００２７】
また、ナノインプリント法を用いて黒色粒子を分散した黒色樹脂組成物を直接１次元格子構造を製造することもできる。その場合、着色特性や耐熱性により優れた材料を選択することができるが、ナノインプリントによる成形性の高い材料を選択するほうが好ましい。
【００２８】
反射層は真空蒸着法やスパッタ法やゾルゲル法を用いて成膜し、フォトリソグラフィー法を用いて１次元格子構造を製造することができる。図１のように反射層上に吸収層が設けられた構成で、吸収層が黒色粒子を分散した光感光性樹脂組成物（ブラックレジスト）を用いた場合、多層膜および吸収層を成膜後、吸収層を露光、現像し、吸収層をマスクとして多層膜をエッチングすることで製造することができる。また、吸収層の露光および現像はナノインプリント法を用いることもできる。
【００２９】
図５は本発明の別の形態の偏光素子１１の断面図及び平面図である。
【００３０】
可視波長帯域の光に対して透明な基板４上に前記１次元格子構造の吸収層２と１次元格子構造の多層膜層３１が形成されている。多層膜層３１の１次元格子は図５の左右方向の周期方向に可視波長帯域の最小波長より小さい格子周期ｐｒで一定間隔に配列され、格子と平行な方向（格子方向）に延びるように矩形形状が形成されている。多層膜層３１は高屈折率の薄膜層と低屈折率の薄膜層が交互に積層された構成である。周期方向は屈折率差が小さいため、可視波長帯域全域で透過率が高い。格子方向は屈折率差が大きいため、多層膜反射が発生する。膜厚を調整することによって反射することが可能になる。１次元格子構造の多層膜層３１を有することによっても偏光素子を得ることができる。
【００３１】
また、多層膜層３１の平均充填率ＦＦｒが以下を満足することが好ましいことを見出した。
【００３２】
０．０５  ＜  ＦＦｒ  ＜  ０．５                        （６）
ここで、充填率は１次元格子構造の多層膜層３１の格子周期ｐｒに対するライン幅ｗｒの割合（ｗｒ／ｐｒ）で定義し、平均充填率ＦＦｒは多層膜層全域における充填率の平均で定義している。この式の上限を満足しないと、多層膜層３１において周期方向の偏光成分の反射が増加するので好ましくない。
【００３３】
また、周期方向の反射を下げるために以下の式を満足することが好ましい。
【００３４】
０  ≦  ｜ｎＨ（ＴＭ）−ｎＬ（ＴＭ）｜ ＜ ０．３        （７）
ここでｎＨ（ＴＭ）、ｎＬ（ＴＭ）は高屈折率薄膜層および低屈折率薄膜層の構造複屈折の有効屈折率法で求められ、以下の式で表せられる。
ｎ（ＴＭ）＝［ｎｍａｔ2×ｎａｉｒ2／｛ｎａｉｒ2×ＦＦｒ＋ｎｍａｔ2×（１−ＦＦｒ）｝］１／２                                                                     （８）
また、波長５５０ｎｍにおける高屈折率の薄膜層の材料の屈折率ｎＨ、低屈折率の薄膜層の材料の屈折率ｎＬが以下を満足することが好ましい。
【００３５】
１．８  ＜  ｎＨ  ＜  ２．５
１．２  ＜  ｎＬ  ＜  １．６
この式を満足しないと、周期方向の偏光成分の透過率が低下するため好ましくなくなる。
【００３６】
薄膜層は酸化物やフッ化物で構成され、適切に選択することができる。具体的な材料は高屈折率層はＴｉＯ２、Ｎｂ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＺｎＯ、ＨｆＯ２、ＺｒＯ２、低屈折率層はＳｉＯ２、ＭｇＦ２などが適している。
【００３７】
吸収層と反射層を有する偏光素子は吸収層と反射層を適宜変更することによって所望の透過率および反射率を得ることができる。
【００３８】
また、吸収層２と反射３多層膜層３１は直接積層されているが、干渉効果を有効に利用しているわけではないので、必ずしも積層する必要はない。このため、図８（ａ）のように吸収層２と反射層３または多層膜層３を別基板上に作成しても良い。また、図８（ｂ）のように同一基板の両側に作成しても良い。
【００３９】
図９は本発明の別の形態の波長選択偏光素子１２の断面図及び平面図である。
【００４０】
可視波長帯域の光に対して透明な基板４上に前記１次元格子構造の吸収層２２が１次元格子構造の反射層３の両側に形成されている。基板側から入射する光の反射光を低減することができ、投影装置に波長選択偏光素子を用いた場合のゴーストを低減することができる。
【００４１】
図１１は本発明の偏光素子を用いた投影装置の色分離合成光学系である。
【００４２】
投影装置は光源と照明光学系と色分離合成系と投射光学系を有している。色分離合成系は無偏光の光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、可視波長帯域の光をそれぞれ透過と反射に分離するダイクロミラーと、特定波長帯域の偏光方向を９０度変換する波長選択位相子と、偏光状態により光を透過と反射に分離する偏光ビームスプリッタと、反射型液晶光変調素子と、本発明の偏光素子を有している。本発明の透過光の高消光比と反射光の低減を両立し、低散乱の吸収型の偏光素子を用いることによってコントラストを向上させることができる。図１１では偏光素子を単独素子として用いているが、偏光ビームスプリッタや波長選択位相子上に作成することもできる。
【００４３】
図１２は本発明の偏光素子を用いた別の形態の投影装置の色分離合成光学系である。
【００４４】
色分離合成系は無偏光の光の偏光方向を揃える偏光変換素子と、可視波長帯域の光をそれぞれ透過と反射に分離するダイクロミラーと、透過型液晶光変調素子と、光変調された光を合成する合成プリズムと、本発明の偏光素子を有している。本発明の透過光の高消光比と反射光の低減を両立し、低散乱の吸収型の偏光素子は透過型光変調素子と合成プリズムの間に設けることによってコントラストを向上させることができる。
【実施例１】
【００４５】
以下に、本発明の実施例を、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
【００４６】
図１は本発明の実施例１の波長選択偏光素子１の素子構造を示す模式図で、断面図及び平面図を示している。
【００４７】
本発明の偏光素子１は、可視波長帯域の光に対して透明な基板４上に１次元格子構造の吸収層２と１次元格子構造の反射層３が形成されている。吸収層２は１次元格子構造で、周期方向に可視波長帯域の最小波長より小さい図１の左右方向の格子周期ｐａで一定間隔に配列され、格子と平行な方向（格子方向）に延びるように矩形形状が形成されている。吸収層２の材料として可視波長帯域を吸収する特性を有する材料で、一般的に黒色樹脂組成物である。このため、周期方向の偏光成分を透過し、格子方向の偏光成分を吸収する偏光子となる。さらに消光比を上げるための反射層３の１次元格子構造は周期方向に可視波長帯域の最小波長より小さい格子周期ｐｒで一定間隔に配列され、格子と平行な方向（格子方向）に延びるように矩形形状が形成されている。反射層３を構成する材料に金属を用いると、１次元格子構造の反射層３は周期方向の偏光成分を可視波長帯域全域で透過し、格子方向の偏光成分を反射することができる。図１のように吸収層２を入射側にすることによって、格子方向の偏光成分を吸収するが、吸収せずに透過する成分を反射層３で反射させ、吸収層２で再吸収させることができ、透過光の消光比を向上させることができる。
【００４８】
吸収層２を構成する材料は波長５５０ｎｍにおける屈折率１．５７、消衰係数０．３５の黒色樹脂組成物、反射層３を構成する材料はアルミニウムである。吸収層２の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦａ（吸収層ライン幅ｗａ／格子周期ｐａ）は０．２、格子高さｄａは１７０ｎｍ、反射層３の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦｒ（反射層ライン幅ｗｒ／格子周期ｐｒ）は０．２、格子高さｄｒは１００ｎｍである。
【００４９】
格子高さｄａ、ｄｒは所望の特性になるように適宜変更することができる。また、入射側の媒質は空気、基板ガラスの波長５５０ｎｍにおける屈折率は１．５である。これらについては以下の実施例でも同様である。
【００５０】
図２に、この波長選択偏光素子の格子方向の偏光成分の透過率および反射率、周期方向の偏光成分の透過率および反射率を厳密結合波解析（ＲＣＷＡ）で計算した結果を示す。
【００５１】
入射光は吸収層２側から入射している。図２に示す格子方向Ｔ、格子方向Ｒはそれぞれ格子方向の偏光成分の透過率、反射率、周期方向Ｔ、周期方向Ｒはそれぞれ周期方向の偏光成分の透過率、反射率である。周期方向Ｔが８０％以上と高く、格子方向Ｔが１５％以下と低いため透過光の消光比が高いことがわかる。また、格子方向Ｒが３０％以下であるため、格子方向の偏光成分は６０％以上吸収していることがわかる。図２より、周期方向の偏光成分を透過し、格子方向の偏光成分を吸収する、透過光の高消光比と反射光の低減を両立した偏光素子が得られている。
【００５２】
また、吸収層２の平均充填率ＦＦａと反射層３の平均充填率ＦＦｒが同じであるが、異なっていても良く、適宜設計変えることが可能である。
【００５３】
また、吸収層２と反射層３は直接積層されているが、相互干渉効果を有効に利用しているわけではないので、必ずしも積層する必要はない。これらは以下の実施例でも同様である。
【実施例２】
【００５４】
実施例２は実施例１と同じ素子構成で反射層の格子高さｄｒが異なった実施例である。素子構成は吸収層２を構成する材料は波長５５０ｎｍにおける屈折率１．５７、消衰係数０．３５の黒色樹脂組成物、反射層３を構成する材料はアルミニウムである。吸収層２の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦａは０．２、格子高さｄａは１７０ｎｍ、反射層３の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦｒは０．２、格子高さｄｒは２００ｎｍである。
【００５５】
図３に、この偏光素子の透過率および反射率をＲＣＷＡ計算した結果を示す。
【００５６】
実施例１と比較して周期方向の偏光成分の反射が高いが、格子方向の透過率が低く、透過光の偏光成分の消光比が高い偏光素子が得られている。
【実施例３】
【００５７】
実施例３は実施例１、２と同じ素子構成で吸収層の格子高さｄａが異なった実施例である。素子構成は吸収層２を構成する材料は波長５５０ｎｍにおける屈折率１．５７、消衰係数０．３５の黒色樹脂組成物、反射層３を構成する材料はアルミニウムである。吸収層２の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦａは０．２、格子高さｄａは４００ｎｍ、反射層３の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦｒは０．２、格子高さｄｒは１００ｎｍである。
【００５８】
図４に、この偏光素子の透過率および反射率をＲＣＷＡ計算した結果を示す。
【００５９】
実施例１と比較して格子方向の偏光成分の透過が低いが、周期方向の偏光成分の反射が低い偏光素子が得られている。
[比較例１]
【００６０】
本発明の効果をより明らかにするために比較例１を示す。比較例１は実施例１〜３と同じ素子構成で平均充填率ＦＦａが異なった実施例である。素子構成は吸収層２を構成する材料は波長５５０ｎｍにおける屈折率１．５７、消衰係数０．３５の黒色樹脂組成物、反射層３を構成する材料はアルミニウムである。吸収層２の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦａは０．４、格子高さｄａは５０ｎｍ、反射層３の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦｒは０．４、格子高さｄｒは１００ｎｍである。
【００６１】
図１３に、この波長選択偏光素子の透過率および反射率をＲＣＷＡ計算した結果を示す。
【００６２】
実施例１〜３と比較して吸収層２の消光比が低減するため、反射層３による反射光を再吸収することが困難になる。このため、透過光の消光比は高いが、周期方向の偏光成分の反射が増加してしまう。
[比較例２]
【００６３】
本発明の効果をより明らかにするために比較例２を示す。比較例２は比較例１に対して、吸収層の格子高さｄａが異なった比較例である。素子構成は吸収層２を構成する材料は波長５５０ｎｍにおける屈折率１．５７、消衰係数０．３５の黒色樹脂組成物、反射層３を構成する材料はアルミニウムである。吸収層２の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦａは０．４、格子高さｄａは２００ｎｍ、反射層３の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦｒは０．４、格子高さｄｒは１００ｎｍである。
【００６４】
図１４に、この波長選択偏光素子の透過率および反射率をＲＣＷＡ計算した結果を示す。
【００６５】
比較例１と比較して吸収層２の格子高さが高いため、周期方向の偏光成分の反射は低減しているが、格子方向の透過が低減し、透過光の消光比が低減してしまう。
【００６６】
実施例１〜３および比較例１〜３より吸収層の平均充填率ＦＦａは（１）式の上限を満足することによって偏光素子の透過率の高消光比と反射率の低減を両立することができる。
【実施例４】
【００６７】
実施例４は吸収層と可視波長帯域の光に対して透明な多層膜層を有している場合である。
【００６８】
図５は本発明の実施例４の偏光素子１１の素子構造を示す模式図を示している。
【００６９】
吸収層２は実施例１〜３と同様に、周期方向に可視波長帯域の最小波長より小さい格子周期ｐａで一定間隔に配列された１次元格子構造であり、可視波長帯域を吸収する特性を有する材料である。多層膜層３１は１次元格子構造で、周期方向に可視波長帯域の最小波長より小さい格子周期ｐｒで一定間隔に配列され、格子と平行な方向（格子方向）に延びるように矩形形状が形成されている。多層膜層３１は高屈折率の薄膜層と低屈折率の薄膜層が交互に積層され、可視波長帯域の光に対して透明な誘電体薄膜材料で構成である。
【００７０】
吸収層２を構成する材料は波長５５０ｎｍにおける屈折率１．５７、消衰係数０．３５の黒色樹脂組成物である。吸収層２の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦａは０．４、格子高さｄａは４００ｎｍである。多層膜層３１を構成する材料はＴｉＯ２およびＳｉＯ２であり、格子周期２００ｎｍ、波長５５０ｎｍにおける周期方向の屈折率ｎｐ、格子方向の屈折率ｎｇは図６のような構造複屈折を有する材料となる。周期方向はＴｉＯ２−ｎｐとＳｉＯ２−ｎｐの屈折率差が小さいため、可視波長帯域全域で透過率が高い。格子方向はＴｉＯ２−ｎｇとＳｉＯ２−ｎｇ屈折率が大きいため、多層膜反射が発生する。膜厚を調整することによって可視波長帯域を反射することが可能になる。
【００７１】
多層膜層３１は具体的には格子周期ｐｒは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦｒは０．２、格子高さ１００ｎｍのＴｉＯ２と格子高さ８０ｎｍのＳｉＯ２の薄膜を交互に１０層、格子高さ１２０ｎｍのＴｉＯ２と格子高さ１００ｎｍのＳｉＯ２の薄膜をＴｉＯ２とＳiＯ２は交互に１６層、格子高さ１４５ｎｍのＴｉＯ２と格子高さ１１５ｎｍのＳｉＯ２の薄膜を交互に１０層、合計３６層積層している。
【００７２】
図７に、吸収層２と多層膜層３１を有した実施例４の偏光素子の透過率および反射率をＲＣＷＡ計算した結果を示す。
【００７３】
多層膜を用いても周期方向の偏光成分を透過し、格子方向の偏光成分を吸収する、透過光の高消光比と反射光の低減を両立した偏光素子が得られている。
【００７４】
また、本実施例の多層膜層は高屈折率薄膜、低屈折率薄膜が同じ膜厚で繰り返している構造であるため、多層膜干渉によるリップルが発生している。それぞれの膜厚を最適化することによりリップルの量を低減することが可能であり、適宜設計することができる。
【実施例５】
【００７５】
実施例５は吸収層を反射層の両側に用いた場合の実施例である。
【００７６】
図９は本発明の実施例５の偏光素子１２の素子構造を示す模式図を示している。
【００７７】
吸収層２２が反射層３の両側に用いられている。素子構成は吸収層２２を構成する材料は波長５５０ｎｍにおける屈折率１．５７、消衰係数０．３５の黒色樹脂組成物、反射層３を構成する材料はアルミニウムである。両側の吸収層２２の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦａは０．２、格子高さｄａは３００ｎｍ、反射層３の格子周期ｐａは２００ｎｍ、平均充填率ＦＦｒは０．２、格子高さｄｒは２０ｎｍである。
【００７８】
図１０に、実施例５の偏光素子の透過率および反射率をＲＣＷＡ計算した結果を示す。
【００７９】
多層膜を用いても周期方向の偏光成分を透過し、格子方向の偏光成分を吸収する、透過光の高消光比と反射光の低減を両立した偏光素子が得られている。
【００８０】
実施例１〜４のような吸収層と反射層を用いる素子構成において、基板側から光が入射した場合、反射層に入射するために反射が発生してしまう。投影装置に偏光素子を用いた場合、ゴーストとなるため好ましくない。実施例５は吸収層が多層膜の両側に設けられているため、光が基板側から入射した場合でも反射光が等しくすることができる。実施例５は対称構造であるため、基板側から入射する場合の特性も図１０とほぼ等しくなる。
【００８１】
なお、実施例５では対称構造である例を示しているが、両側の吸収層の厚いが同じでなくても良く、所望の特性が得られるように適宜変更することができる。
【実施例６】
【００８２】
図１１には、本発明の素子を用いた実施例６である投影装置５（液晶プロジェクタ）の概略構成を示している。
【００８３】
本実施例の投影装置は、実施例１〜５の偏光素子と複数の反射型液晶表示素子（画像表示素子、液晶表示素子）を用いている。図１１の矢印は白表示における赤色光Ｒ（波長５８０ｎｍ〜６５０ｎｍ）、緑色光Ｇ（波長５１０ｎｍ〜５７０ｎｍ）、青色光Ｂ（波長４３０ｎｍ〜４９０ｎｍ）のそれぞれの光線の光路を示している。実線がＳ偏光（紙面垂直方向に電場が振動する偏光状態）、破線がＰ偏光（紙面内で電場が振動する偏光状態）である。
【００８４】
高圧水銀ランプ等の光源６０から発光した白色光がリフレクタで反射され、略平行光束に変換されて射出される。この略平行光束は不表示の照明光学系により反射型液晶表示素子に照明される。これらの光は照明光学系の中にある偏光変換素子５１によってＰ偏光に偏光が揃えられる。偏光変換素子５１から射出した光は緑色光を透過、青色および赤色光を反射するダイクロイックミラー５２で、緑色光Ｇが分離される。
【００８５】
ダイクロイックミラー５２を透過したＰ偏光の緑色光Ｇは１／２波長板５３を透過してＳ偏光に変換され、偏光素子５４を透過して偏光度が向上し、偏光ビームスプリッタ５５ｇに入射する。偏光ビームスプリッタ５５ｇで反射した緑色光Ｇは光学位相補償素子５６ｇを透過し、緑用反射型液晶表示素子６１ｇに入射し、変調される。白表示の場合、変調された光はＰ偏光となって射出され、偏光ビームスプリッタ５５ｇを透過する。偏光ビームスプリッタ５５ｇを透過した緑色光Ｇは１／２波長板５３を透過してＳ偏光に変換され、本発明の吸収型偏光素子１を透過して偏光度が向上し、偏光ビームスプリッタ５５で反射され投射光学系６２により投影される。
【００８６】
ダイクロイックミラー５２を反射した青色光Ｂは偏光素子５４を透過して偏光度が向上し、波長選択位相子５８ｒｂをＰ偏光の状態を維持したまま透過し、偏光ビームスプリッタ５５ｂｒに入射する。波長選択位相子５８ｒｂは赤色光の偏光方向を９０度回転させる素子である。偏光ビームスプリッタ５５ｂｒを透過した青色光Ｂは光学位相補償素子５６ｂを透過し、青用反射型液晶表示素子６１ｂに入射し、変調される。白表示の場合、青用反射型液晶表示素子６１ｂで変調された光はＳ偏光となって射出され、偏光ビームスプリッタ５５ｂｒで反射する。偏光ビームスプリッタ５５ｂｒを反射した青色光Ｂは波長選択位相子５８ｂｒをＰ偏光に変換されて透過し、偏光ビームスプリッタ５５を透過して投射光学系６２により投影される。波長選択位相子５８ｂｒは青色光の偏光方向を９０度回転させる素子である。
【００８７】
ダイクロイックミラー５２を反射した赤色光Ｒは偏光素子５４を透過して偏光度が向上し、波長選択位相子５８ｒｂでＳ偏光に変換されて透過し、偏光ビームスプリッタ５５ｂｒに入射する。偏光ビームスプリッタ５５ｂｒで反射した赤色光Ｒは光学位相補償素子５６ｒを透過し、赤用反射型液晶表示素子６１ｒに入射し、変調される。白表示の場合、赤用反射型液晶表示素子６１ｒで変調された光はＰ偏光となって射出され、偏光ビームスプリッタ５５ｂｒを透過する。偏光ビームスプリッタ５５ｂｒを透過した赤色光Ｒは波長選択位相子５５ｂｒをＰ偏光の状態のまま透過し、偏光ビームスプリッタ５５を透過して投射光学系６２により投影される。
【００８８】
以上のように、本発明の吸収型の偏光素子を用いることによって、黒表示時の検光性能を向上させコントラストを向上させることができる。
【００８９】
また、本実施例では偏光ビームスプリッタ５５ｂｒと５５および偏光ビームスプリッタ５５ｇと５５との間に偏光素子を用いてまた、本実施例は反射型液晶表示素子を３枚用いた投影装置の構成例であって、反射型液晶表示素子の数、各光学素子配置、波長帯域、光路構成等を適宜変更し、それに適した偏光素子を用いても良い。
【実施例７】
【００９０】
図１２には、本発明の実施例１０である投影装置７（液晶プロジェクタ）の概略構成を示している。
【００９１】
本実施例の投影装置は、実施例１〜５の偏光素子と複数の透過型液晶表示素子を用いている。高圧水銀ランプ等の光源６０から発光した白色光がリフレクタで反射され、略平行光束に変換されて射出され、不表示の照明光学系により透過型液晶表示素子に照明される。これらの光は照明光学系の中になる偏光変換素子５１によって偏光が揃えられ、ダイクロイックミラーで青色光Ｂ、緑色光Ｇ、赤色光Ｒに分離され、それぞれ透過型液晶表示素子に入射し、変調される。白表示の場合、変調された青色光Ｂ、緑色光Ｇ、赤色光Ｒはそれぞれ青用波長選択偏光素子１２ｂ、緑用波長選択偏光素子１２ｇ、赤用波長選択偏光素子１２ｒを透過し、合成プリズム５９で合成され、投射光学系６２により投影される。本発明の偏光素子を用いることによってコントラストを向上させることができる。
【００９２】
また、透過型液晶表示素子内部には入射側偏光子と液晶層と射出側偏光子が設けられている。この入射側偏光子および射出側偏光子にも本発明の偏光素子を用いることができる。
【符号の説明】
【００９３】
１，１１，１２  偏光素子、２，２２  吸収層、３  反射層、３１  多層膜層、
４  基板、５，７  投影装置、５１  偏光変換素子、５２  ダイクロイックミラー、
５３  １／２波長板、５４  偏光素子、
５５，５５ｇ，５５ｂｒ  偏光ビームスプリッタ、
５６ｒ，５６ｇ，５６ｒ  光学位相補償素子、５７  ミラー、５８  波長選択位相子、
５９  合成プリズム、６０  光源、６１ｂ，６１ｇ，６１ｒ  反射型液晶表示素子、
６２ｂ，６２ｇ，６２ｒ  透過型液晶表示素子、６２  投射光学系
【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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