偏光変換素子、偏光変換ユニット及び投写型映像装置
【課題】構造がコンパクトになるとともに耐熱性や長寿命化を図ることができ、変換効率の良好な偏光変換素子の提供。
【解決手段】偏光分離素子２１は、透光性基板２１Ａの入射側表面に、入射光をＰ偏光ＰとＳ偏光Ｓとに分離して、Ｐ偏光Ｐを透過させ、Ｓ偏光Ｓを反射する偏光分離部２１Ｂを備える。反射素子２２は、偏光分離部２１Ｂで反射されたＳ偏光Ｓを、偏光分離部２１Ｂを透過したＰ偏光Ｐの光路と略平行な方向に反射する。反射素子２２は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料の反射素子用基板２３と、反射素子用基板２３に設けられたミラー２４とを有し、反射素子用基板２３は、入射したＳ偏光Ｓが右に回転する円偏光の光線に変換され、この光線がミラー２４で左に回転する円偏光の光線として反射されてＰ偏光Ｐとして出射させる１／４波長板２３Ａを有する。
【解決手段】偏光分離素子２１は、透光性基板２１Ａの入射側表面に、入射光をＰ偏光ＰとＳ偏光Ｓとに分離して、Ｐ偏光Ｐを透過させ、Ｓ偏光Ｓを反射する偏光分離部２１Ｂを備える。反射素子２２は、偏光分離部２１Ｂで反射されたＳ偏光Ｓを、偏光分離部２１Ｂを透過したＰ偏光Ｐの光路と略平行な方向に反射する。反射素子２２は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料の反射素子用基板２３と、反射素子用基板２３に設けられたミラー２４とを有し、反射素子用基板２３は、入射したＳ偏光Ｓが右に回転する円偏光の光線に変換され、この光線がミラー２４で左に回転する円偏光の光線として反射されてＰ偏光Ｐとして出射させる１／４波長板２３Ａを有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光変換素子、この偏光変換素子を備えた偏光変換ユニット及び投写型映像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクター等の投影型映像装置は、光源装置から射出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の上に拡大投射するものである。この液晶プロジェクターでは、光の利用効率を向上させるため、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さまざまな直線偏光が混在した光）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。
【０００３】
偏光変換素子は、偏光分離膜と反射膜とを透明部材の内部に交互に配置して偏光ビームスプリッターアレイを成形し、この偏光ビームスプリッターアレイの表面に位相差板を設けた構造である。位相差板は、透明部材の光射出面側で偏光分離膜に対応した位置に所定間隔毎に複数配置されている（特許文献１）。
従来、位相差板としては、有機系材料、例えばポリカーボネートフィルム製の１／２波長板が用いられることがあり、この１／２波長板と偏光ビームスプリッターアレイとは有機系接着剤により接着されている。
この偏光変換素子の製造方法としては、両主面には偏光分離膜と反射膜とがそれぞれ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積層して積層体を作り、入射面に対して、例えば４５ｄｅｇの角度で切断して得られたレンズアレイの出射面に１／２波長板が接着剤により貼り付けられている。
このように製造された偏光変換素子は、平面矩形状のフレームに組み込まれた状態で、液晶プロジェクターの光学エンジン内に搭載されている（特許文献２）。
位相差板を透明部材の光射出面側に設ける代わりに、ポリカーボネート系フィルムやポリアクリレート系フィルムなどを２軸延伸したプラスチックフィルムを用いて製作された１／４波長板を反射膜に接着剤で接着固定した構造を有する偏光変換素子がある（特許文献３）。
【０００４】
近年、光学部品としての長寿命化の要求が増してきたことに伴って、接着剤の劣化の問題が生じてきた。特許文献１〜３で示される従来例では、反射膜が形成された透光性基板と他の透光性基板とを接着剤で接着固定しているため、接着剤の劣化の問題がある。
この問題を解決するために、ガラスや水晶等の２枚の透光性基板を接合する手段として、表面にシロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合を含み、結晶化度が４５％以下であるＳｉ骨格と、該Ｓｉ骨格に結合する有機基からなる脱離基とを含む接合膜とプラズマ重合法により成膜し、当該接合膜にエネルギーを付与することにより前記接合膜の表面付近に存在する前記脱離基が前記Ｓｉ骨格から脱離することにより、接合膜の表面の前記領域に発現した接着性によって、前記２枚の透光性基板を接合する接合方法が提案されている（特許文献４）。
この接合方法を採用することにより、接合手段は無機化され、接合膜の劣化の問題が解決されるとともに当該接合方法を用いて接合される光学部品の長寿命化を図ることが可能となる。
そして、特許文献４において提案された接合技術を用いて、多層膜からなる偏光分離膜の中間層のＳｉＯ２を接合層の一部として利用し、最上層に第１の接合層を配置された第１の多層膜が形成された第１の透光性基板と、最上層に第２の接合層を配置された第２の多層膜が形成された第２の透光性基板とを、第１、第２の前記接合層を分子接合することにより一体化するともに、第１の多層膜と第２の多層膜とを積層して前記偏光分離膜を構成する偏光ビームスプリッターが提案されている（特許文献５）。
【０００５】
しかしながら、特許文献５においては、プラズマ重合膜による分子接合膜の膜厚は数十ｎｍという極めて薄い膜で構成されており、この接合膜を透光性基板の表面にプラズマ重合法を用いて形成する過程で透光性基板の表面に塵やゴミ等の付着物が付着してしまうと、接合膜の膜厚よりも付着物の高さの方が遥かに高いため、付着物が付着している領域を中心として所定の領域において透光性基板同士を接合することができず、気泡などがその領域に混入してしまい、光学特性上や接合信頼性、製品寿命に大きな悪影響を与えるという課題がある。
そこで、本願発明者らは、特許文献６において提案されている偏光変換素子の構造に着目した。この特許文献６では、光学ブロック（偏光変換素子）は、基板上に刻設されている溝に対してＰＢＳ（偏光分離素子）、ミラー及び１／２波長板等の光学部品が装着されて構成されている。ＰＢＳはガラス板に例えばＴｉＯ２（高屈折率材料）とＳｉＯ２（低屈折率材料）とを交互に繰り返し積層してなる誘電体多層膜、等を表面蒸着することによって形成され、光の入射方向に対して所定の角度で基板に圧入装着されている。ミラーは長方形のガラス板に例えばアルミや誘電体多層膜等を表面蒸着することによって入射した光を反射することができるようになっている。そして、ＰＢＳで分離され反射したＳ波（Ｓ偏光）を出射側に反射する角度で前記基板に装着されている。１／２波長板は、長方形のガラス板に例えばポリカーボネート、ポリビニールアルコール、ポリエチレンテレフタレートフィルムを一軸延伸した１／２位相差フィルムを貼り付けて形成されている。そして、ミラーで反射されたＳ波（Ｓ偏光）が入射する位置に装着され、Ｐ波（Ｐ偏光）に変換して出射する。このように、ＰＢＳ、ミラー、１／２波長板等によって光学ブロックを構成することにより、入射したＰ波（Ｐ偏光）とＳ波（Ｓ偏光）を含むランダム偏光の光を、Ｐ波（Ｐ偏光）のみに統一して出射することができるとともに、光学ブロックの入射側面積と出射側面積とをほぼ同一にすることができるようになる。
【０００６】
ところで、水晶は複屈折性を有するだけでなく旋光性も有しており、この旋光性は、水晶製波長板の性能に影響を及ぼし得ることがよく知られている。
この問題に対して、旋光能を有する光学結晶材料からなる２つの波長板を互いに各々の結晶光学軸を所定の角度で交差するように配置して積層し、ポアンカレ球を用いて偏光の軌跡を解析し、両波長板の複屈折位相差、光学軸方位角度、旋光能、及び回転軸と中性軸のなす角との関係を近似式により求めた所定の関係式を満足するように構成することにより、旋光能による影響を低減し、広帯域において特性を良くすることを試みた１／４波長板が提案されている（特許文献７）。
さらに、水晶等の無機材料からなる１枚の波長板に関し、複屈折性及び旋光性を有し、短波長で高出力の青紫色レーザに対して十分な耐光性、信頼性を発揮する水晶等の無機材料の結晶板で形成され、かつ楕円率を最適に即ち０．９以上の高い値に又は実質的に１に近付けることが可能な優れた光学特性の１／４波長板が提案されている（特許文献８）。
さらに、水晶基板からなる１／２波長板を４５°傾斜して配置し、入射面側にワイヤーグリッド偏光子を配置して偏光ビームスプリッターとして機能させ、１／２波長板と主面に反射ミラーが形成されたガラス基板とを交互に順に配置することによって構成された偏光変換素子（特許文献９）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２９８２１２号公報
【特許文献２】特許第３６１０７６４号公報
【特許文献３】特許第４１９１１２５号公報
【特許文献４】特許第４３３７９３５号公報
【特許文献５】特開２０１０−６０７７０号公報
【特許文献６】再公表ＷＯ９８／２３９９３号公報
【特許文献７】特開２００５−１５８１２１号公報
【特許文献８】特開２０１０−１３４４１４号公報
【特許文献９】特開２００４−０２９１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献６で提案される従来の如き偏光変換素子では、ＰＢＳはガラス板の表面にＴｉＯ２（光屈折率材料）とＳｉＯ２（低屈折率材料）とを交互に繰り返し積層してなる誘電体多層膜、等を蒸着して偏光分離膜を形成しているため、熱膨張係数の違いに起因した熱歪みによるガラス基板と偏光分離膜との界面での剥離の恐れがあるだけでなく、ガラス板での放熱も限界があり、耐熱性や長寿命化の高い要請を十分に満足することができない。
ここで、放熱効果を考慮して、ガラス板に代えて水晶板をＰＢＳに用いることも考えられるが、水晶は複屈折性を有するだけでなく旋光性も有しているので、単に、ガラス板を水晶板に代えたのでは、旋光性の問題が解決されない。
特許文献７は、１／４波長板において、旋光性の問題を解決するものであるが、偏光変換素子を構成する反射素子に関するものではないので、これらのアイデアをそのまま特許文献６に用いることは困難である。
これら特許文献７や特許文献８に記載された技術思想をそのまま特許文献９に適用することによってだけでは、本願発明者らが掲げた以下に示すような問題の解決を図ることは困難であることが判明した。
【０００９】
そこで、本願発明者らは、旋光能が位相差に与える影響に着目した特許文献７や特許文献８で示される如き従来例で試みられている旋光能補償に係る技術思想を適用することによって、入射するＰ偏光の偏光面を９０ｄｅｇ回転させてＳ偏光に変換して出射させるように光学作用を生じせしめることを可能とする偏光変換素子の実現を試みることを検討した。
即ち、先ず、プリズムアレイ（偏光ビームスプリッターアレイ）の積層界面に挟み込むように、４５ｄｅｇに傾斜して配置した水晶製１／２波長板の光学設計に特許文献７や特許文献８において提案された技術思想を適用することを図５３に基づいて考える。
この場合、水晶製１／２波長板を狭持する透光性基材は一般的なガラス材であり、ガラス材の屈折率ｎ１＝１．５３と、水晶の屈折率ｎ２＝１．５４との関係から、プリズムアレイの中を透過する光の光路（光軸）は、光が水晶製１／２波長板へ入射するときのガラスと水晶製１／２波長板との界面、及び光が水晶製１／２波長板から出射するときの水晶製１／２波長板とガラスとの界面でほとんど屈折は起こらずに、即ち、光路（光軸）はほとんど変化することなく光が偏光変換素子を透過することとなる。
図５３において、水晶製１／２波長板ＷＰの主面（入、出射面）の法線ＰＬから見た光学軸方位をθ０とし、水晶製１／２波長板ＷＰの中を進む光線Ｒ１に対する光学軸方位をθ１とし、水晶製１／２波長板ＷＰの主面の法線ＰＬと前記光線Ｒ１とのなす角度をθ２とすると、これらの角度には次の関係がなりたつ。
θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２） （Ａ１）
このとき、θ１＝４５ｄｅｇ、θ２＝４５ｄｅｇであるから、θ０は、
θ０＝ａtan（tan（４５ｄｅｇ）×cos（４５ｄｅｇ））
＝ａtan（１／２１／２）
＝３５．３ｄｅｇ
と、算出される。
ところが、特許文献９で提案されているような水晶製１／２波長板を４５ｄｅｇ傾斜して配置し、入射面側にワイヤーグリッド偏光子や誘電体多層膜、等からなる偏光分離部を配置して偏光ビームスプリッターとして機能させ、１／２波長板と平行となるように反射部を４５ｄｅｇに傾斜して配置し、これらを交互に順に配置することによって構成された偏光変換素子においては、水晶製１／２波長板を挟み込むガラスはなく、水晶製１／２波長板が接しているものは空気である。つまり、空気の屈折率ｎ０＝１．００と、水晶の屈折率ｎ２＝１．５４との関係から、偏光変換素子を透過する光の光路（光軸）は、光が水晶製１／２波長板へ入射するときの空気と水晶製１／２波長板との界面、及び光が水晶製１／２波長板から出射するときの水晶製１／２波長板と空気との界面で屈折が生じるので、光路（光軸）が変化することとなる。
θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２） （Ａ１）
このとき、θ１＝４５ｄｅｇ、θ２＝２７．２ｄｅｇであるから、θ０は、
θ０＝ａtan（tan（４５ｄｅｇ）×cos（２７．２ｄｅｇ））
＝ａtan（１×０．８８９４１）
＝４１．６５ｄｅｇ
そこで、水晶製１／２波長板を４５ｄｅｇに傾斜させ、空気と接することにより当該水晶製１／２波長板の入出射面との界面で入射光の光軸に屈折が生じる場合の水晶製１／２波長板の光学設計を検討した結果、以下の仕様となった。
設計波長 ５２０ ｎｍ
設計位相差 ４６０．１１ ｄｅｇ
光学軸方位 ４１．６５ ｄｅｇ
切断角度 ９０ ｄｅｇ
なお、切断角度は、水晶製１／２波長板の主面の法線と結晶光学軸とのなす角度で定義されている。設計位相差は、水晶製１／２波長板の主面の法線に平行な方向から設計波長λの光が入射したときの位相差を設計位相差として定義されている。光学軸方位角（θ０）は水晶製１／２波長板の主面（入、出射面）の法線から見たときに入射する光の直線偏光の偏波面（偏光面）と結晶光学軸とのなす角度で定義されている。
この場合の水晶製１／２波長板の波長と偏光変換効率との関係が図５４のグラフに設計値として示されている。
水晶製１／２波長板の内部の光路の距離をｔ１としたとき、前記光路を通って、水晶製１／２波長板を透過する光の位相差Γは、以下に示す関係式に算出される。
Γ１＝２π／λ×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔ１
この式において、Γ１＝１８０ｄｅｇとなるように光路の長さｔ１が求まり、水晶製１／２波長板の主面の法線方向の厚みｔｏが求められ、前記法線方向の設計波長λにおける位相差Γｏが算出される。
Γｏ＝２π／λ×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔｏ
ｃｏｓ（θ２）＝ｔｏ／ｔ１
ｔｏ＝ｔ１×ｃｏｓ（θ２）
Γｏ＝２π／λ×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔ１×ｃｏｓ（θ２）
となり、このΓｏを設計位相差と定義し、ここでは、Γｏ＝１６０．１１（ｄｅｇ）である。
ところで、水晶製１／２波長板は、水晶原石を整形（ランバート加工）して得た水晶ランバートを設計値となる所定の切断角度でワイヤーソー等を用いて切断して得られたウェーハから個片に分離して製造される。
しかしながら、この製造工程において、ウェーハが水晶ランバートから誤った切断角度で切断されたり、許容範囲を超えた切断角度で切断されたりした場合、前述の設計板厚ｔｏの厚みで加工されてしまうと、表１に示される通り、設計位相差Γｏにズレが生じ、即ち、Γｏ≠１６０．１１ｄｅｇとなって、水晶製１／２波長板はすべて不良品となってしまうという問題があった。
【００１０】
【表１】
【００１１】
切断角度が設計値９０ｄｅｇから８０ｄｅｇにずれて切断されてしまった場合、その角度ズレを配慮せずに、前記設計板厚ｔｏのままで加工してしまうと、設計位相差Γｏは、１６０．１１ｄｅｇから１７５．５０ｄｅｇに位相差が大きくずれてしまう。
これは、Γｏ＝２π／λ×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔｏの式において、異常光屈折率ｎｅと常光屈折率ｎｏが、切断角度に依存しており、切断角度に応じてこれらの値が変化するからである。
従って、４５ｄｅｇに傾斜して配置された水晶製１／２波長板の内部の光路の距離ｔ１を透過した光の位相差Γは、１８０ｄｅｇから大きくずれてしまうことになる。
その結果、偏光変換効率は、図５４に示されるように大きく変化し、５５０ｎｍ以下の波長帯で偏光変換効率が大きく低下し劣化してしまうという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、水晶等の複屈折性と旋光性を有する結晶材料において、切断角度が設計値からずれて切断されてしまった場合でも、角度ズレに応じて、板厚を調整し、最適な設計板厚に修正することにより、設計位相差を見直し、所定の波長帯域における偏光変換効率を確実に規定値以上にすることを可能とした１／４波長板を備えた偏光変換素子、偏光変換ユニット及び投射型映像装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
［適用例１］
本適用例に係る偏光変換素子は、入射光に対して所定角度をなすように配置された透光性基板と、当該透光性基板の入射側表面に、入射光を互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離して、前記第１の直線偏光を透過させ、第２の直線偏光を反射する偏光分離部と、前記透光性基板と略平行かつ間に空気層を介して配置され、前記偏光分離部で反射された前記第２の直線偏光を、前記偏光分離部を透過した前記第１の直線偏光の光路と略平行な方向に反射する反射素子と、を有し、前記反射素子は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなる反射素子用基板と、当該反射素子用基板に設けられたミラーと、を有し、前記反射素子用基板は、入射した前記第２の直線偏光を第１の円偏光に変換し、当該第１の円偏光を前記ミラーで逆回転の第２の円偏光として反射し、当該第２の円偏光を第１の直線偏光に変換して出射する波長板であることを特徴とする。
この構成の本適用例では、偏光分離部が透光性基板に設けられて構成された偏光分離素子と、反射素子用基板にミラーが設けられた反射素子とからレンズアレイを構成しているので、これらの間に設けられたガラス等の透明部材が不要とされ、構造がコンパクトになる。
しかも、反射素子の反射素子用基板として、熱伝導率がガラスより高い結晶材料を用いており、反射素子と透光性基板との間には空気層が形成されているので、従来に比べて放熱効果が高く、耐熱性や長寿命化を図ることができる。
そして、結晶材料は複屈折性と旋光性を有するので、光軸方向に伝搬する直線偏光の振動面が光の進行につれてねじれてしまい、偏光状態が変化して偏光変換効率が低下するという課題があるが、本適用例では、反射素子用基板に直線偏光を円偏光に変換する波長板を用いているので、入射した第２の直線偏光が左右のいずれか一方に回転する円偏光に変換され、この円偏光がミラーで左右のいずれか他方に回転する円偏光として反射された後、第１の直線偏光として出射するため、偏光分離部で透過される第１の直線偏光と揃えて偏光状態の変化をなくすことができる。
【００１４】
［適用例２］
本適用例に係る偏光変換素子は、前記反射素子用基板は１枚の位相差板で構成され、前記反射素子用基板の法線から見た光学軸方位をθ０とし、前記反射素子用基板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１とし、前記光線の光路と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２とし、前記反射素子用基板の屈折率をｎｃ、前記反射素子用基板と隣接する層の屈折率をｎａとすると、光学軸方位θ０は
θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２） （Ａ１）
ｎａsinα＝ｎｃsinθ２ （Ａ２）
の式から求めることを特徴とする。
この構成の本適用例では、反射素子用基板が１枚からなる場合において、変換効率の良好な偏光変換素子を簡易に提供することができる。
【００１５】
［適用例３］
本適用例に係る偏光変換素子は、前記反射素子用基板を第１位相差板と第２位相差板との２枚の位相差板とし、前記反射素子用基板の法線から見た前記第１位相差板の光学軸方位をθ０１とし、前記第１位相差板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１１とし、この光線と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２１とし、前記第１位相差板の屈折率をｎｃ１、前記第１位相差板と隣接する層の屈折率をｎａとすると、
前記第１位相差板の光学軸方位θ０１は
θ０１＝ａtan（tanθ１１×cosθ２１） （Ａ１１）
ｎａsinα＝ｎｃ１sinθ２１ （Ａ２１）
の式から求め、
前記反射素子用基板の法線から見た前記第２位相差板の光学軸方位をθ０２とし、前記第２位相差板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１２とし、この光線と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２２とし、前記第２位相差板の屈折率をｎｃ２、前記第２位相差板と隣接する前記第１位相差板の屈折率をｎｃ１とすると、
前記第２位相差板の光学軸方位θ０２は
θ０２＝ａtan（tanθ１２×cosθ２２） （Ａ１２）
ｎＣ１sinα＝ｎｃ２sinθ２２ （Ａ２２）
の式から求めることを特徴とする。
この構成の本適用例では、反射素子用基板が２枚の位相差板からなる場合において、変換効率の良好な偏光変換素子を簡易に提供することができる。
【００１６】
［適用例４］
本適用例に係る偏光変換素子は、前記透光性基板は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなり、前記偏光分離部を透過し前記透光性基板に入射した前記第１の直線偏光は、この第１の直線偏光の偏波面を維持したまま前記透光性基板の出射側表面から出射することを特徴とする。
この構成の本適用例では、透光性基板も熱伝導率がガラスより高い結晶材料を用いているため、従来に比べて放熱効果が高く、耐熱性や長寿命化をより図ることができる。
【００１７】
［適用例５］
本適用例に係る偏光変換素子は、前記所定角度は略４５（ｄｅｇ）あるいは１３５（ｄｅｇ）であることを特徴とする。
この構成の本適用例では、偏光分離部によって第２の直線偏光を入射光に対して略直角に反射素子に向けて反射させることができるので、反射素子で反射される光線を第１の直線偏光の光路と略平行な方向に反射させることができる。
【００１８】
［適用例６］
本適用例に係る偏光変換素子は、前記結晶材料が水晶であることを特徴とする。
この構成の本適用例では、結晶材料としてサファイヤ等の結晶材料に比べて安価に入手できる水晶を用いることで、偏光変換素子を安価に提供することができる。
【００１９】
［適用例７］
本適用例に係る偏光変換ユニットは、前述の構成の偏光変換素子と、この偏光変換素子を保持する保持部材と、を備え、前記保持部材は、前記反射素子用基板の両端部と前記透光性基板の両端部とをそれぞれ保持する一対の保持板と、当該一対の保持板の両端部をそれぞれ連結する一対の連結板と、を有することを特徴とする。
この構成の本適用例では、透光性基板及び偏光分離部を備えて構成される偏光分離素子と反射素子とを保持部材にコンパクトに収納できるので、取り扱いが便利となる。
【００２０】
［適用例８］
本適用例に係る偏光変換ユニットは、前記一対の保持板と前記一対の連結板とは一体に形成され、前記一対の保持板の互いに対向する部分には前記透光性基板と前記反射素子用基板とをそれぞれ案内するガイド溝が設けられ、前記ガイド溝は前記一対の保持板の一側面にそれぞれ開口されていることを特徴とする。
この構成の本適用例では、前記偏光分離素子と前記反射素子とをそれぞれガイド溝に沿って差し込むだけで偏光変換ユニットが組み立てられるので、組立作業が容易となる。
【００２１】
［適用例９］
本適用例に係る偏光変換ユニットは、前記一対の保持板と前記一対の連結板とは別体に形成され、前記一対の連結板は前記一対の保持板を互いに向き合う方向に付勢する係合片を有することを特徴とする。
この構成の本適用例では、一対の連結板によって、一対の保持部材を互いに近接する方向に付勢して偏光分離素子と反射素子とを確実に保持することになり、偏光分離素子や反射素子が偏光分離ユニットから脱落することを防止することができる。
【００２２】
［適用例１０］
本適用例に係る投射型映像装置は、光源と、前記光源からの光を前記第２の直線偏光に変換して出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子からの出射光を、投写しようとする画像情報に応じて変調する光変調手段と、前記光変調手段により変調された光を投写する投写光学系と、を有し、前記偏光変換素子が前述の構成の偏光変換素子であることを特徴とする。
この構成の本適用例では、偏光変換素子の偏光変換効率が高いので、投影精度の高い投射型映像装置を提供することができる。
【００２３】
［適用例１１］
本適用例に係る投射型映像装置は、前記光変調手段は液晶パネルであることを特徴とする。
この構成の本適用例では、前述の効果を奏することができる液晶プロジェクターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる偏光変換素子の概略図。
【図２】反射素子を構成する１／４波長板の概略図。
【図３】図２の原理を説明するためのポアンカレ球を示す概略図。
【図４】１／４波長板の光学軸方位を説明するための図。
【図５】（Ａ）は切断角度Ｚと設計波長λとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すグラフである。
【図６】第１実施形態の１／４波長板の偏光変換効率を示すグラフ。
【図７】（Ａ）は偏光分離素子を構成する水晶板の端面図、（Ｂ）は水晶板の一部を示す正面図。
【図８】水晶の波長板における光学軸方位、板厚、切断角度の関係を示すもので、（Ａ）は端面図、（Ｂ）は斜視図。
【図９】図７の原理を説明するためのポアンカレ球を示す概略図。
【図１０】屈折角度φを説明するための概略図。
【図１１】切断角度qが０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図１２】切断角度qが０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図１３】切断角度qが１５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図１４】切断角度qが１５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図１５】切断角度qが３０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図１６】切断角度qが３０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図１７】切断角度qが４５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図１８】切断角度qが４５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図１９】切断角度qが６０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図２０】切断角度qが６０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図２１】切断角度qが７５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図２２】切断角度qが７５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図２３】切断角度qが９０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図２４】切断角度qが９０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図２５】切断角度qが１０５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図２６】切断角度qが１０５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図２７】切断角度qが１２０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図２８】切断角度qが１２０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図２９】切断角度qが１３５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図３０】切断角度qが１３５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図３１】切断角度qが１５０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図３２】切断角度qが１５０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図３３】切断角度qが１６５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図３４】切断角度qが１６５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図３５】交差角ｘと許容される板厚ｙoの最大値ｙとの関係を示すグラフ。
【図３６】（Ａ）は交差角ｘが−９０ｄｅｇの状態を示す概略図、（Ｂ）は交差角ｘが−４５ｄｅｇの状態を示す概略図、（Ｃ）は交差角ｘが０ｄｅｇの状態を示す概略図。
【図３７】本発明の第２実施形態にかかる偏光変換素子の概略図。
【図３８】１／４波長板の光学軸方位を説明するための図。
【図３９】図３８の１／４波長板とは異なる例の１／４波長板の光学軸方位を説明するための図。
【図４０】図３８の１／４波長板に関するもので（Ａ）は切断角度Ｚと設計波長λとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すグラフである。
【図４１】図３９の１／４波長板に関するもので（Ａ）は切断角度Ｚと設計波長λとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すグラフである。
【図４２】図３８で示される１／４波長板の偏光変換効率を示すグラフ。
【図４３】図３９で示される１／４波長板の偏光変換効率を示すグラフ。
【図４４】本発明の第３実施形態にかかる偏光変換素子の概略図。
【図４５】本発明の第４実施形態が組み込まれた液晶プロジェクターの概略構成図。
【図４６】第４実施形態にかかる偏光変換ユニットを示す斜視図。
【図４７】（Ａ）は保持部材の平面図、（Ｂ）は保持部材の断面図。
【図４８】保持部材の一部を示す分解斜視図。
【図４９】本発明の第５実施形態にかかる偏光変換ユニットを示す斜視図。
【図５０】保持部材の一部を示す分解斜視図。
【図５１】本発明の第６実施形態にかかる偏光分離素子の斜視図。
【図５２】本発明の変形例にかかる偏光変換素子の概略図。
【図５３】本発明の前提となる技術であって水晶製１／２波長板の光学軸方位を説明するための図。
【図５４】従来例の透光性基板の偏光変換効率を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ここで、各実施形態において、同一の構成要素は同一符号を付して説明を省略もしくは簡略にする。
図１から図３６には第１実施形態が示されている。
図１は第１実施形態の概略を示す。
図１において、第１実施形態の偏光変換ユニット１は、偏光変換素子２と、この偏光変換素子２を保持する保持部材３とを備える。保持部材３は平面矩形状の例えば合成樹脂製の板材である。
偏光変換素子２は交互に配置される偏光分離素子２１及び反射素子２２を備え、これらの偏光分離素子２１及び反射素子２２のそれぞれの一端部は、保持部材３の凹部（図示せず）に嵌合されている。
偏光分離素子２１及び反射素子２２は、図１中、保持部材３の中心を挟んで左右に複数枚、例えば、２枚ずつ配置され、このうち、中心に対して左側に配置された偏光分離素子２１及び反射素子２２と右側に配置された偏光分離素子２１及び反射素子２２とは、前記中心に対して対称関係に配置されている。
【００２６】
偏光分離素子２１は、その入射側主表面及び出射側主表面が入射光ＩＬに対して所定角度、本実施形態では、４５ｄｅｇをなすように配置された透光性基板２１Ａと、この透光性基板２１Ａの入射側表面に、入射光ＩＬを、互いに直交する第１の直線偏光であるＰ偏光Ｐと第２の直線偏光であるＳ偏光Ｓとに分離して、Ｐ偏光Ｐを透過させ、Ｓ偏光Ｓを反射する偏光分離部２１Ｂの表面と、この偏光分離部２１Ｂが配置された透光性基板２１Ａの入射光ＩＬが入射する側の主面とは反対側の主面（出射側の主面）にそれぞれ設けられた反射防止部２１Ｃとを有する。
透光性基板２１Ａは、複屈折性と旋光性を有する水晶から平面矩形の板状に形成されている。
偏光分離部２１Ｂは、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）よりなる低屈折率層と、例えば酸化アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）よりなる高屈折率層とが所定の順序及び光学膜厚で形成され、光学的に面内均一とされた誘電体多層膜から構成される。
反射防止部２１Ｃは、例えば、二酸化ケイ素と、酸化チタンとを交互に順次積層してなる誘電体多層膜、等の物質を蒸着することで形成される。
【００２７】
反射素子２２は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなる反射素子用基板２３と、この反射素子用基板２３に所定間隔離して設けられた板状のミラー２４とを有する。反射素子用基板２３とミラー２４とは、互いに平行配置され、かつ、偏光分離素子２１とも平行に配置されている。このミラー２４は、水晶板２４Ａと、この水晶板２４Ａの反射素子用基板２３と対向する面に設けられた反射膜２４Ｂとを有する。反射膜２４Ｂは、例えば、二酸化ケイ素、酸化チタン等の物質を蒸着することで形成される多層膜で構成される。
反射素子用基板２３は、板厚がｍの１／４波長板２３Ａと、１／４波長板２３Ａの両面に設けられた反射防止部２３Ｂとを有する。反射防止部２３Ｂは偏光分離素子２１の反射防止部２２Ｂと同じ構造である。
１／４波長板２３Ａの原理について、図２から図４に基づいて説明する。
図２には１／４波長板２３Ａの概略が示され、図３には図２の原理を説明するためのポアンカレ球が示されている。なお、図２は、１／４波長板２３Ａの光路を説明するための概略と１／４波長板２３Ａの法線から見た概略とが示されている。
【００２８】
図２において、１／４波長板２３Ａの一方の主面２３ａから入射角αが４５degで入射したＳ偏光Ｓは、位相差＝９０ｄｅｇがついて右に回転する円偏光に変換されて１／４波長板２３Ａの他方の主面２３ｂから出射する。出射した右回りの円偏光は、反射ミラー２４Ｂで反射され、回転方向が逆の円偏光となって、再度、１／４波長板２３Ａの他方の主面２３ｂに入射する。回転方向が左回りの円偏光は位相差＝９０ｄｅｇがついてＰ偏光Ｐに変換されて、１／４波長板２３Ａの一方の主面２３ａから出射することとなる。なお、図２では、１／４波長板２３Ａの中を進む往路の光線Ｔ１に対する光学軸方位がθ１として示され、１／４波長板２３Ａの中を進む復路の光線Ｔ１に対する光学軸方位がθ’１として示されている。１／４波長板２３Ａの主面に直交する法線ＰＬと結晶光学軸ＰＯとのなす角度が切断角度qであり、本実施形態では、切断角度ｑは９０degである。
【００２９】
以上の光学作用の原理を図３のポアンカレ球を用いて説明する。図３では、１／４波長板の主面に対する法線に沿って光線が入射される場合である。
図３において、まず、Ｓ１軸を２θ１だけ赤道上を回して往路の回転軸はＲ１軸となる。本実施形態に係る１／４波長板２３Ａでは、光学軸方位θ１が４５degであり（θ１＝４５deg）、ポアンカレ球上の光学軸Ｒ１（往路）の位置は、赤道上のＳ１軸から２θ１＝９０degのところに位置する。１／４波長板２３Ａに入射したＳ偏光Ｓは、位相差＝９０ｄｅｇがついて右回りの円偏光となる。即ち、図３で示すように、先ず往路において、Ｓ１軸の点Ｐ１から入射した直線偏光（Ｓ偏光Ｓ）は、Ｒ１軸を回転軸として位相差＝９０degだけ回転させると、点Ｐ１からポアンカレ球の北極である点Ｐ２に移動する。そして、円偏光の光線Ｒ１がミラー２４で反射されると、前記円偏光の回転方向が逆転する。したがって、復路では、回転が逆転した円偏光の光となるので、点Ｐ２は、ポアンカレ球の南極である点Ｐ３に変換され、光学軸方位θ１’は、
θ１’＝１８０ｄｅｇ−θ１＝１８０−４５＝１３５ｄｅｇ
になるから、
２θ１’＝２×１３５＝２７０ｄｅｇ
となる。
復路における光学軸Ｒ２は、光学軸方位θ’１が１３５degであり（θ’１＝１３５deg）、ポアンカレ球上の光学軸の位置は、赤道上のＳ１軸から２θ１＝２７０degのところに位置し、Ｒ２で示すことができる。
図３で示すように、Ｒ２軸を回転軸として位相差＝９０degだけ回転させると、南極である点Ｐ３から点Ｐ４へ至る軌跡を辿り、１／４波長板２３Ａから出射される光はＰ偏光Ｐとなる。
【００３０】
ここで、本実施形態では、１／４波長板２３Ａの法線ＰＬと内部を進む光線の方向とが一致していないので、実際の光学軸方位θ０は４５degではない。
図４は１／４波長板の光学軸方位を説明するための図である。
図４において、１／４波長板２３Ａの法線から見た光学軸方位をθ０とし、１／４波長板２３Ａの中を進む光線Ｑ１に対する光学軸方位をθ１とし、結晶光学軸ＰＯの法線ＰＬと光線Ｑ１とのなす角度をθ２とすると、これらの角度には次の関係がなりたつ。
θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２） （Ａ１）
また、１／４波長板２３Ａの屈折率をｎｃ、１／４波長板２３Ａと隣接する層を空気層とし、この空気の屈折率をｎａとすると、１／４波長板２３Ａでの屈折角はθ２であるから、スネルの方式により、次の関係がなりたつ。
ｎａsinα＝ｎｃsinθ２ （Ａ２）
本実施形態では、１／４波長板２３Ａの材料である水晶の屈折率ｎｃは１．５４であり、空気の屈折率ｎｃは１．００であり、入射角αは４５degであるので、式（Ａ２）から、θ２は２７．２degとなる。
さらに、θ２は２７．２degであり、θ１は４５degであるため、式（Ａ１）からθ０は４１．７degとなる。さらに、本実施形態では、１／４波長板２３Ａの板厚ｍを０．０１４ｍｍとし、波長を５２０ｎｍとし、位相差は８０degとして設計した。
【００３１】
本実施形態では、１／４波長板２３Ａが単板であるＡタイプの場合であり、１／４波長板２３Ａへの入射角度は４５（ｄｅｇ）を中心とし、当該中心から±１０（ｄｅｇ）度の範囲の角度で傾いた場合、５（ｄｅｇ）ステップで入射角度を変化させたときの偏光変換効率をシミュレーションにより分析し、所定の波長帯域の偏光変換効率を当該波長帯域で平均化したとき、その平均した偏光変換効率における透過損失を平均で評価した。即ち、本実施形態に係る偏光変換素子を投射型映像装置に搭載したときの透過特性を、
Ｍ：500〜600nm帯域では、透過損失を10％以内、
Ｎ：400〜700nm帯域では、透過損失を20％以内
という規格に設定し、これらの２つのＭ，Ｎの規格を満足するように設計条件を設定する。
Ａタイプでは、次の条件（Ａ）を満たすことが条件とされる。
条件（Ａ）：設計波長をλ、１／４波長板２３Ａの板厚をｔｏ、１／４波長板２３Ａを構成する無機結晶材料の切断角度をＺとしたとき、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、式(1)(2)(3)(4)を満足する。
λ ≦-0.1186×Ｚ２ + 20.288×Ｚ- 226.56 ・・・(1)
λ ≧ 0.1089×Ｚ２ - 18.802×Ｚ+ 1265.4 ・・・(2)
ｔｏ ≦ 3E-06×Ｚ２ - 0.0003×Ｚ+ 0.0209 ・・・(3)
ｔｏ ≧ 9E-06×Ｚ２ - 0.0013×Ｚ+ 0.0626 ・・・(4)
式(1)(2)は設計波長λと切断角度Ｚとの関係を示すものであり、このうち、式(1)は上限の関係式であり、式(2)は下限の関係式である。また、式(3)(4)は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すものであり、このうち、式(3)は上限の関係式であり、式(4)は下限の関係式である。
表２は偏光変換効率をシミュレーションにより分析した結果であり、切断角度Ｚと設計波長λとの関係と切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が示されている。切断角度Ｚと設計波長λとの関係が図５（Ａ）にも示され、切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が図５（Ｂ）にも示されている。
【００３２】
【表２】
【００３３】
表２及び図５（Ａ）（Ｂ）から、透過特性を満足させるための設計波長λと切断角度Ｚの範囲は、
４５５≦λ≦６４０（ｎｍ）
６５≦Ｚ≦１１０（ｄｅｇ）
である。
設計波長λと切断角度Ｚの関係が、上限の関係式である式(3)と、下限の関係式である式(4)とを満足するように設計すれば、例えば、図６に示される通り、前述の透過特性（透過損失）の規格Ｍ，Ｎを満足させることができる。
【００３４】
図６には、以上の通り、設計された１／４波長板２３Ａの偏光変換効率が示されている。図６では、横軸に波長が示され、縦軸に偏光変換効率が示されており、入射角αを３５deg、４０deg、４５deg、５０deg、５５degとしてＳ偏光Ｓを１／４波長板２３Ａに入射させ、１／４波長板２３Ａから出射されたＰ偏光Ｐの偏光変換効率が示されている。これらの入射角αにおいて、偏光変換効率に大きな相違がなく、図６では、太く図示した曲線Ｌに３５degから５５degまでの入射角αでのデータが含まれる。
図６で示される通り、偏光変換効率は波長が４００ｎｍから７００ｎｍまで０．７以上という値を示し、特に、波長が４５０ｎｍから６５０ｎｍまでは０．９以上という高い値を示す。
【００３５】
透光性基板２１Ａの概略構成が図７に示されている。図７（Ａ）は端面からみた透光性基板２１Ａの概略図であり、図７（Ｂ）は透光性基板２１Ａの一部を示す正面図である。
図７（Ａ）において、透光性基板２１Ａは、その板厚がｙoであり、入射光ＩＬが入射され、出射光ＯＬとして透過される。入射光ＩＬは発散角＋αから−αの範囲で入射される。入射光ＩＬに対応して出射光ＯＬも発散角＋αから−αの範囲で出射される。
透光性基板２１Ａの主面に直交する法線ＰＬと結晶光学軸ＰＯとのなす角度が切断角度qである。
透光性基板２１Ａの結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とのなす角が交差角ｘである。
【００３６】
偏光分離素子２１の透光性基板２１Ａは、複屈折性と旋光性を有する水晶板であるため、入射光ＩＬに対する出射光ＯＬの偏光変換効率が高くなるように設計する必要がある。
その設計に至った経緯について、図８及び図９に基づいて説明する。図８は、水晶の波長板における光学軸方位、板厚、切断角度の関係を示すもので、（Ａ）は端面図、（Ｂ）は斜視図である。
一般に、水晶からなる波長板を設計するためのパラメータとして、光学軸方位θ、切断角度qで設定される旋光能、板厚ｙoで設定される位相差Γがある。ここで、ポアンカレ球で定義される
図７に示される通り、本発明者らは、結晶光学軸ＰＯを設定して、直線複屈折性による位相差Γの生じない結晶板の構成を検討し、さらに、円複屈折性による位相差２ρ、所謂、旋光性による偏光の回転をも抑圧した光学素子を偏光変換素子に応用することを検討した。
入射光ＩＬの光軸に垂直な平面に結晶板の結晶光学軸ＰＯを投影した投影光学軸と、Ｐ偏光Ｐの偏波面とのなす角を方位角θとしたとき、θ＝０（ｄｅｇ）となるように水晶板を配置すると、直線複屈折位相差Γは０となる。
方位角θを０（ｄｅｇ）に固定し、旋光能に対応する２ｑよる位相差Γ’（板厚ｙoに対応）へ影響度をシミュレーションと実験と繰り返し評価、検証を行った。
図９には、偏光状態を説明するためのポアンカレ球の概略構成が示されている。
図９において、まず、Ｓ１軸上であって赤道上に直線偏光Ｐ１の偏光の位置を設定する。Ｓ１軸を２θだけ赤道上を回してＲ１軸とし、このＲ１軸を切断角度２ｑだけ起こしてＲ２軸とし、このＲ２軸を位相差Γに対応した角度だけ回転させてＰ１がＰ２となる。このＰ２を所望の偏光状態になるように、光学軸方位θ、切断角度ｑ、位相差Γを調整する。
【００３７】
本実施形態では、切断角度qを、透光性基板２１Ａの主面に対する法線ＰＬと結晶光学軸ＰＯとのなす角度と定義する。
各切断角度により切り出された透光性基板（水晶板）毎に、入射光ＩＬ（Ｐ偏光）に作用するΓ’の値を評価した。
【００３８】
【数１】
【００３９】
入射光ＩＬは、透光性基板２１Ａへ入射すると、屈折して透光性基板２１Ａの中を進行する。そして、透光性基板２１Ａから出射するとき入射光ＩＬの光軸と平行な方向に屈折した出射光となって出射することとなる。ここで、図１０に示される通り、入射光ＩＬが透光性基板２１Ａへ入射したときに屈折角度φで屈折することになる。
本願発明者らは、入射光が透光性基板２１Ａへ入射したときに屈折する屈折角度φが、実際の透光性基板２１Ａの中を進行する光の光軸と結晶光学軸ＰＯとのなす角度βを決定し、βに応じて、旋光能２ｑが変化することに着目して実験、評価を行った。
【００４０】
切断角度ｑと透光性基板２１Ａの透過特性との関係を説明する。
図１１は切断角度ｑが０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図１２は、その場合の透過特性としての０度方向強度を示すグラフである。図１２では、入射光ＩＬの入射角が０ｄｅｇとされている。透光性基板２１Ａは、その主面が入射角に対して４５ｄｅｇ傾けて配置されているため、透光性基板２１Ａの主面に直交する法線は１３５ｄｅｇである。一方、結晶光学軸ＰＯは図１１から明らかなように、１３５ｄｅｇとされている。そのため、図１１では、切断角度qは０ｄｅｇである。
図１２において、発散角αが−１０ｄｅｇの場合を−１０、発散角αが−５ｄｅｇの場合をα−５、発散角αが０ｄｅｇの場合をα０、発散角αが＋５ｄｅｇの場合をα＋５、発散角αが＋１０ｄｅｇの場合をα＋１０として表示する。図１２に対応する他の図でも同じである。
図１２において、α０、α＋５、α＋１０では、０度方向強度（透過特性）が０．９以上と高いが、α−１０、α−５では、波長によっては０度方向強度が０．８未満の場合もある。
【００４１】
図１３は、切断角度ｑが−１０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図１４は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図１４では、α−５、α０、α＋５、α−１０では、０度方向強度（透過特性）が０．９以上と高いが、α＋１０では、波長によっては０度方向強度が０．８未満の場合もある。
図１５は切断角度ｑが３０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図１６は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図１６では、α＋１０では、０度方向強度（透過特性）が０．９以上と高いが、α−５、α０、α＋５、α−１０では、波長によっては０度方向強度が０．８未満の場合もある。
【００４２】
図１７は切断角度ｑが４５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図１８は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図１８では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．９以上と高いものであった。
図１９は切断角度qが６０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図２０は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図２０では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
図２１は切断角度qが７５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図２２は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図２２では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
【００４３】
図２３は切断角度qが９０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図２４は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図２４では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
図２５は切断角度ｑが−７５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図２６は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図２６では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
図２７は切断角度qが−６０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図２８は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図２８では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
【００４４】
図２９は切断角度qが−４５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図３０は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図３０では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
図３１は切断角度qが−３０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図３２は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図３２では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
図３３は切断角度qが−１５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図３４は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図３４では、α―１０、α−５、α＋５、α＋１０で０度方向強度が０．８未満の場合があった。
【００４５】
以上の関係から交差角ｘと許容される板厚ｙoの最大値ｙとの関係を求める。交差角ｘと許容される板厚ｙoの最大値ｙとの関係が図３５に示されている。ここで、許容される板厚ｙoの最大値ｙは、全発散光（αが±１０ｄｅｇ）の範囲において偏光変換効率（０度方向強度）が０．８以上となる板厚である。
そして、透光性基板２１Ａの結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸との交点に、結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とを含む平面に垂直な方向にたてた軸を中心軸とし、結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とを含む平面に垂直な方向から見て、中心軸の反時計周りの方向を正（プラス）とすると、交差角ｘは、−９０（ｄｅｇ）≦ｘ≦＋９０（ｄｅｇ）である。
図３５において、交差角ｘが
−９０ｄｅｇ＜ｘ≦−８０ｄｅｇの場合（エリアＱ１）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙoの最大値ｙは、
ｙ＝−０．００５８ｘ２−０．９６７２ｘ−３８．８５８（ｍｍ）……（１）
で求められる。
ここで、交差角ｘが−９０ｄｅｇでは、ｙは０．８６５３ｍｍであり、交差角ｘが−８０ｄｅｇでは、ｙは１．１２５７ｍｍであるから、エリアＱ１の範囲では、
０．８６５３ｍｍ＜ｙ≦１．１２５７ｍｍ である。
なお、図３６（Ａ）には、交差角ｘが−９０ｄｅｇの状態が示されている。
【００４６】
交差角ｘが
−８０ｄｅｇ＜ｘ≦−５５ｄｅｇの場合（エリアＱ２）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙoの最大値ｙは、
ｙ＝２×１０−６ｘ５＋０．０００８ｘ４＋０．１１４５ｘ３
＋７．９７３８ｘ２＋２７６．９２ｘ＋３８４２．１（ｍｍ）……（２）
で求められる。
ここで、交差角ｘが−８０ｄｅｇでは、ｙは１．１２５７ｍｍであり、交差角ｘが−５５ｄｅｇでは、ｙは３．８５０６ｍｍであるから、エリアＱ２の範囲では、
１．１２５７ｍｍ＜ｙ≦３．８５０６ｍｍ である。
交差角ｘが
−５５ｄｅｇ＜ｘ≦−３５ｄｅｇの場合（エリアＱ３）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙoの最大値ｙは、
３．７（ｍｍ）≦ｙである。つまり、板厚ｙoの許容される最大値ｙは３．７ｍｍ以上であるならば、フリーである。
なお、図３６（Ｂ）には、交差角ｘが−４５ｄｅｇの状態が示されている。
【００４７】
交差角ｘが
−３５ｄｅｇ＜ｘ≦−１５ｄｅｇの場合（エリアＱ４）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙoの最大値ｙは、
ｙ＝−４×１０−５ｘ４−０．００４５ｘ３−０．１８２８ｘ２
−３．１８３１ｘ−１８．４４９ ……（３）
で求められる。
ここで、交差角ｘが−３５ｄｅｇでは、ｙは３．７０３０ｍｍであり、交差角ｘが−１５ｄｅｇでは、ｙは１．２９９９ｍｍであるから、エリアＱ４の範囲では、
３．７０３０ｍｍ＜ｙ≦１．２９９９ｍｍ である。
交差角ｘが
−１５ｄｅｇ＜ｘ≦＋５ｄｅｇの場合（エリアＱ５）では、透光性基板２１Ａの板厚ｙoの最大値ｙは、
ｙ＝９×１０−０６ｘ４＋０．０００２ｘ３＋０．００７１ｘ２
＋０．１７８６ｘ＋２．４６０７ ……（４）
で求められる。
ここで、交差角ｘが−１５ｄｅｇでは、ｙは１．２９９９ｍｍであり、交差角ｘが＋５ｄｅｇでは、ｙは３．５５５４ｍｍであるから、エリアＱ６の範囲では、１．２９９９ｍｍ＜ｙ≦３．５５５４ｍｍ である。
なお、図３６（Ｃ）には、交差角ｘが０ｄｅｇの状態が示されている。
交差角ｘが
＋５ｄｅｇ＜ｘ≦＋１０ｄｅｇの場合（エリアＱ６）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙは
ｙ＝−０．５５９７ｘ＋６．３５４１ ……（５）
で求められる。
ここで、交差角ｘが＋５ｄｅｇでは、ｙは３．５５５４ｍｍであり、交差角ｘが＋１０ｄｅｇでは、ｙは０．７５６６ｍｍであるから、エリアＱ６の範囲では、０．７５６６ｍｍ≦ｙ＜３．５５５４ｍｍである。
【００４８】
交差角ｘが
＋１０ｄｅｇ＜ｘ≦＋３０ｄｅｇの場合（エリアＱ７）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙは
ｙ＝１×１０−５ｘ４−０．０００８ｘ３−０．０２２４ｘ２−０．２８３３ｘ
＋２．０２７６ ……（６）
で求められる。
ここで、交差角ｘが＋１０ｄｅｇでは、ｙは０．７５６６ｍｍであり、交差角ｘが＋３０ｅｇでは、ｙは０．７０１６ｍｍであるから、エリアＱ７の範囲では、０．７０１６ｍｍ≦ｙ＜０．７５６６ｍｍである。
交差角ｘが
＋３０ｄｅｇ＜ｘ≦＋３５ｄｅｇの場合（エリアＱ８）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙは
ｙ＝０．３８７８ｘ−１０．９３１ ……（７）
で求められる。
ここで、交差角ｘが＋３０ｄｅｇでは、ｙは０．７０１６ｍｍであり、交差角ｘが＋３５ｄｅｇでは、ｙは２．６４０４ｍｍであるから、エリアＱ８の範囲では、０．７０１６ｍｍ≦ｙ＜２．６４０４ｍｍである。
【００４９】
交差角ｘが
＋３５ｄｅｇ＜ｘ≦＋７５ｄｅｇの場合（エリアＱ９）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙは
ｙ＝５×１０−９ｘ６−２×１０−６ｘ５＋０．０００２ｘ４−０．０１７６ｘ３
＋０．７４４１ｘ２−１６．９７２ｘ＋１６５．７２ ……（８）
で求められる。
ここで、＋３５ｄｅｇでは、ｙは２．６４０４ｍｍであり、交差角ｘが＋７０ｄｅｇでは、ｙは０．６９０６ｍｍであり、＋７５ｄｅｇでは、ｙは０．９５２０ｍｍであるから、エリアＱ９の範囲では０．６９０６ｍｍ≦ｙ≦２．６４０４ｍｍである。
交差角ｘが
＋７５ｄｅｇ＜ｘ＜＋９０ｄｅｇの場合（エリアＱ１０）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙは
ｙ＝９×１０−５ｘ３−０．０２１５ｘ２＋１．６７６１ｘ−４２．１７６……（９）
で求められる。
ここで、交差角ｘが＋７５ｄｅｇでは、ｙは０．９５２０ｍｍであり、交差角ｘが＋８５ｄｅｇでは、ｙは０．８２８４ｍｍであり、交差角ｘが＋９０ｄｅｇでは、ｙは０．８６５３ｍｍであるから、エリアＱ１０の範囲では、０．８２８４ｍｍ≦ｙ≦０．９５２０ｍｍである。
【００５０】
以上の構成の第１実施形態では、次の作用効果を奏することができる。
（１）偏光変換素子２は、偏光分離素子２１と反射素子２２とを備え、偏光分離素子２１は入射光ＩＬに対して所定角度をなすように配置された透光性基板２１Ａと、この透光性基板２１Ａの入射側表面に、入射光をＰ偏光ＰとＳ偏光Ｓとに分離して、Ｐ偏光Ｐを透過させ、Ｓ偏光Ｓを反射する偏光分離部２１Ｂとを備え、反射素子２２は、透光性基板２１Ａと略平行かつ間に空気層を介して配置され、偏光分離部２１Ｂで反射されたＳ偏光Ｓを、偏光分離部２１Ｂを透過したＰ偏光Ｐの光路と略平行な方向に反射するものである。反射素子２２は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなる反射素子用基板２３と、この反射素子用基板２３に設けられたミラー２４とを有し、反射素子用基板２３は、入射したＳ偏光Ｓが右に回転する円偏光の光線Ｒ１に変換され、この光線Ｒ１がミラー２４で左に回転する円偏光の光線Ｒ２として反射されてＰ偏光Ｐとして出射させる１／４波長板２３Ａを有する。従って、偏光分離部２１Ｂが透光性基板２１Ａに設けられて構成された偏光分離素子２１と、反射素子用基板２３にミラー２４が設けられた反射素子２２とから偏光変換素子２が構成されているので、これらの間に設けられたガラス等の透明部材が不要とされ、軽量かつ構造がコンパクトになる。しかも、反射素子用基板２３として、熱伝導率がガラスより高い結晶材料を用いており、反射素子２２と偏光分離素子２１との間には空気層が形成されているので、従来に比べて放熱効果が高く、耐熱性や長寿命化を図ることができる。そして、反射素子用基板２３として１／４波長板２３Ａを用いているので、入射したＳ偏光Ｓが右に回転する円偏光に変換され、この円偏光がミラー２４で左に回転する円偏光として反射された後、P偏光Pとして出射するため、偏光分離部２１Bで透過されるP偏光Pと揃えられることになって偏光状態の変化をなくすことができる。
【００５１】
（２）１／４波長板２３Ａを１つの反射素子２２に対して１枚とし、１／４波長板２３Ａの法線ＰＬから見た光学軸方位をθ０とし、１／４波長板２３Ａの中を進む光線Ｒ１に対する光学軸方位をθ１とし、この光線Ｒ１と結晶光学軸ＰＯの法線ＰＬとのなす角度をθ２とし、１／４波長板２３Ａの屈折率をｎｃ、１／４波長板２３Ａと隣接する空気層の屈折率をｎａとすると、光学軸方位θ０を、「θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２）（Ａ１）」「ｎａsinα＝ｎｃsinθ２（Ａ２）」の式から求めたから、１／４波長板２３Ａが１つの反射素子２２あたり１枚からなる場合において、変換効率の良好な偏光変換素子２を簡易に提供することができる。
【００５２】
（３）反射素子２２のミラー２４の一部を構成する板材がガラスではなく水晶板２４Ａであるため、この点からも、放熱効果が高くなり、耐熱性や長寿命化を一層図ることができる。
（４）透光性基板２１Ａとして結晶材料を用いているため、この結晶材料がガラスに比べて放熱効果が高いので、耐熱性や長寿命化を図ることができる。
（５）透光性基板２１Ａとして、複屈折性と旋光性を有する結晶材料を用いているため、偏光状態が変化して偏光変換効率が低下するという恐れがあるが、偏光分離部２１Ｂを透過し透光性基板２１Ａに入射したＰ偏光Ｐをこの偏波面を維持したまま透光性基板２１Ａの出射側表面から出射する構成としたので、偏光状態の変化をなくすことができ、光学特性を良好なものにできる。
【００５３】
（６）透光性基板２１Ａを、入射光ＩＬに対して略４５（ｄｅｇ）あるいは１３５（ｄｅｇ）として配置したから、偏光分離素子２１の偏光分離部２１ＢによってＳ偏光Ｓを入射光に対して略直角に反射素子２２に向けて反射させることができるので、反射素子２２で反射される光Ｓ偏光ＳをＰ偏光Ｐと略平行にすることができる。そのため、反射素子２２の反射光と偏光分離素子２１の透過光とを容易に揃えることができるので、偏光変換素子２を容易に組み立てることができる。
【００５４】
（７）透光性基板２１Ａは水晶から形成されるので、水晶がサファイヤ等の他の結晶材料に比べて安価に入手できるから、偏光変換素子２を安価に提供することができる。
（８）入射光ＩＬの光軸に垂直な平面に透光性基板２１Ａの結晶光学軸ＰＯを投影した投影光学軸とＰ偏光Ｐの偏波面とのなす角を方位角θとしたとき、θ＝０（ｄｅｇ）としたから、複屈折性による位相差Γの生じない（Γ＝０）という条件で、偏光変換効率が高い透光性基板２１Ａを容易に設定することができる。
【００５５】
（９）透光性基板２１Ａの結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とのなす角を交差角ｘとし、透光性基板２１Ａの結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸との交点に、結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とを含む平面に垂直な方向にたてた軸を中心軸とし、結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とを含む平面に垂直な方向から見て、中心軸の反時計周りの方向を正としたとき、交差角ｘを、−９０（ｄｅｇ）≦ｘ≦＋９０（ｄｅｇ）を満足するように設定した。そのため、偏光分離部２１Ｂを透過し透光性基板２１Ａに入射したＰ偏光Ｐを確実にその偏波面を維持したまま透光性基板２１Ａの出射側表面から出射させることができる。
【００５６】
（１０）交差角ｘと透光性基板２１Ａの板厚ｙｏの最大値ｙとを、複数のエリア毎に近似式から求めた。つまり、「−９０（ｄｅｇ）≦ｘ≦−８０（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝−０．００５８ｘ２−０．９６７２ｘ−３８．８５８（ｍｍ）」を満足するようにし、「−８０（ｄｅｇ）＜ｘ≦−５５（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝２×１０−６ｘ５＋０．０００８ｘ４＋０．１１４５ｘ３＋７．９７３８ｘ２＋２７６．９２ｘ＋３８４２．１（ｍｍ）」を満足するようにし、「−３５（ｄｅｇ）＜ｘ≦−１５（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝−４×１０−５ｘ４−０．００４５ｘ３−０．１８２８ｘ２−３．１８３１ｘ−１８．４４９（ｍｍ）」を満足するようにし、「−１５（ｄｅｇ）＜ｘ≦＋５（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝９×１０−６ｘ４＋０．０００２ｘ３＋０．００７１ｘ２＋０．１７８６ｘ＋２．４６０７（ｍｍ）」を満足するようにし、「＋５（ｄｅｇ）＜ｘ≦＋１０（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝−０．５５９７ｘ＋６．３５４１（ｍｍ）」を満足するようにし、「＋１０（ｄｅｇ）＜ｘ≦＋３０（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝１×１０−５ｘ４−０．０００８ｘ３−０．０２２４ｘ２−０．２８３３ｘ＋２．０２７６ （ｍｍ）」を満足するようにし、「＋３０（ｄｅｇ）＜ｘ≦＋３５（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝０．３８７８ｘ−１０．９３１（ｍｍ）」を満足するようにし、「＋３５（ｄｅｇ）＜ｘ≦＋７５（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝５×１０−９ｘ６−２×１０−６ｘ５＋０．０００２ｘ４−０．０１７６ｘ３＋０．７４４１ｘ２−１６．９７２ｘ＋１６５．７２（ｍｍ）」を満足するようにし、「＋７５（ｄｅｇ）＜ｘ＜＋９０（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝９×１０−５ｘ３−０．０２１５ｘ２＋１．６７６１ｘ−４２．１７６（ｍｍ）」を満足するようにした。従って、エリア毎に適正な板厚ｙｏの最大値ｙを求めることができるので、高い偏光変換効率を得ることで、光学特性を良好なものにできる。
【００５７】
（１１）交差角ｘを、−５５（ｄｅｇ）＜ｘ≦−３５（ｄｅｇ）を満足するように、特に、−４５（ｄｅｇ）に近づくように設定することで、板厚ｙｏの最大値ｙにかかわらず、良好な偏光変換効率を得ることができる。
（１２）偏光分離部２１Ｂは誘電体多層膜で構成されるから、簡単に偏光分離素子２１を製造することができる。
【００５８】
（１３）単板からなる１／４波長板２３Ａとして、複屈折性と旋光性を有する無機結晶材料を用いているため、偏光状態が変化して偏光変換効率が低下するという恐れがあるが、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、λ ≦-0.1186×Ｚ２ + 20.288×Ｚ- 226.56 ・・・(1)、λ ≧ 0.1089×Ｚ２ - 18.802×Ｚ+ 1265.4 ・・・(2)、ｔｏ ≦ 3E-06×Ｚ２ - 0.0003×Ｚ+ 0.0209 ・・・(3)、ｔｏ ≧ 9E-06×Ｚ２ - 0.0013×Ｚ+ 0.0626 ・・・(4)の関係を満足するように設定したから、偏光状態の変化をなくすことができ、光学特性を良好なものにできる。
【００５９】
次に、本発明の第２実施形態を図３７から図４１に基づいて説明する。
第２実施形態は１つの反射素子２２あたりの１／４波長板２３Ａの数を２枚にした点に特徴があり、他の構成は第１実施形態と同じである。
図３７には本発明の第２実施形態にかかる偏光変換素子の概略が示されている。
図３７において、１つの反射素子２２において、反射素子用基板２３は、積層１／４波長板２３Ａと、この１／４積層波長板２３Ａの偏光分離部２１Ｂに対向する側に設けられた反射膜（図示せず）とを備えている。積層１／４波長板２３Ａは、それぞれ水晶からなる第１位相差板２３１と第２位相差板２３２との２枚の位相差板から構成され、第１位相差板２３１には図示しない反射膜が設けられている。本実施形態では、ミラー２４は第２位相差板２３２に直接形成された反射膜２４Ｂである。
【００６０】
１／４積層波長板２３Ａとして、図３８に示される、通称Ｄタイプ、つまり、それぞれ水晶からなる第１の無機結晶材料２３１と第２の無機結晶材料２３２とを貼り合わせてなる積層位相差板や、図３９に示される、通称、ＷＢ１タイプ、第１の無機結晶材料２３１と第２の無機結晶材料２３２とを貼り合わせてなる広域帯の位相差板がある。
図３８に示されるＤタイプは、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２との結晶光学軸ＰＯ１，ＰＯ２が互いに交差するように貼り合わされ、第１位相差板２３１の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋ｎ×３６０°（但し、−９０°≦γ≦＋９０°、ｎ：非負整数）、第２位相差板２３２の位相差をΓ２＝Γ１−９０°又は２７０°とし、かつ、第１位相差板２３１の結晶光学軸ＰＯ１の方位角をθ０１＝４５°＋ｋ１、第２位相差板２３２の結晶光学軸ＰＯ２の方位角をθ０２＝１３５°＋ｋ２として、出射光の偏光状態が所望の楕円率を満足するように、第１位相差板２３１の位相差の許容偏差γ、第１位相差板２３１及び第２位相差板２３２の光学軸の方位の許容偏差ｋ１、ｋ２を決定する構成（例えば、特開２０１０−１０７９１２公報）である。
【００６１】
図３８で示される通称Ｄタイプの例は、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２の材料である水晶の屈折率ｎｃ１，ｎｃ２は１．５４であり、空気の屈折率ｎａは１．００であり、入射角αは４５degであるので、式（Ａ１２）式（Ａ２１）から、θ０１は４１．７degとなり、θ０２は１３８．３degとなる。さらに、例１では、第１位相差板２３１の板厚ｍ１を０．０５５ｍｍとし、波長を５２０ｎｍとし、位相差を３１０degとして設計し、第２位相差板２３２の板厚ｍ２を０．０４１ｍｍとし、波長を５２０ｎｍとし、位相差を２３０degとして設計した。
図３９に示される通称ＷＢ１タイプの例は、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２とを結晶光学軸ＰＯ１，ＰＯ２が互いに交差するよう重ね合わせ、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２のそれぞれの位相差、光学軸方位、旋光能を所定の数式を満たす構成（例えば、特許第４５５３０５６号公報）である。
通称ＷＢ１タイプの例では、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２の材料である水晶の屈折率ｎｃ１，ｎｃ２は１．５４であり、空気の屈折率ｎａは１．００であり、入射角αは４５degであるので、式（Ａ１２）式（Ａ２１）から、θ０１は２０．２degとなり、θ０２は９０degとなる。さらに、例２では、第１位相差板２３１の板厚ｍ１を０．０３１ｍｍとし、波長を５２０ｎｍとし、位相差を１６０degとして設計し、第２位相差板２３２の板厚ｍ２を０．０１３ｍｍとし、波長を５２０ｎｍとし、位相差を８０degとして設計した。
【００６２】
これらの図３８と図３９で示される例では、第１位相差板２３１の光学軸方位θ０１と、第２位相差板２３２の光学軸方位θ０２とは次の式から求められる。
つまり、第１位相差板２３１の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１１とし、光線と結晶光学軸ＰＯ１の法線とのなす角度をθ２１とし、第１位相差板２３１の屈折率をｎｃ１、空気層の屈折率をｎａとすると、
第１位相差板２３１の光学軸方位θ０１は
θ０１＝ａtan（tanθ１１×cosθ２１） （Ａ１１）
ｎａsinα＝ｎｃ１sinθ２１ （Ａ２１）
の式から求められる。
同様に、第２位相差板２３２の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１２とし、光線と結晶光学軸ＰＯ２の法線とのなす角度をθ２２とし、第２位相差板２３１の屈折率をｎｃ２、第２位相差板２３１と隣接する第１位相差板２３１の屈折率をｎｃ１とすると、
第２位相差板２３２の光学軸方位θ０２は
θ０２＝ａtan（tanθ１２×cosθ２２） （Ａ１２）
ｎＣ１sinα＝ｎｃ２sinθ２２ （Ａ２２）
の式から求められる。
【００６３】
図３８で示される通称Ｄタイプの例では、１／４波長板２３Ａへの入射角度は４５（ｄｅｇ）を中心とし、当該中心から±１０（ｄｅｇ）度の範囲の角度で傾いた場合、５（ｄｅｇ）ステップで入射角度を変化させたときの偏光変換効率をシミュレーションにより分析し、所定の波長帯域の偏光変換効率を当該波長帯域で平均化したとき、その平均した偏光変換効率における透過損失を平均で評価した。即ち、本実施形態に係る偏光変換素子を投射型映像装置に搭載したときの透過特性を、
Ｍ：500〜600nm帯域では、透過損失を10％以内、
Ｎ：400〜700nm帯域では、透過損失を20％以内
という規格に設定し、これらの２つのＭ，Ｎの規格を満足するように設計条件を設定する。
Ｄタイプでは、次の条件（Ｂ）を満たすことが条件とされる。
条件（Ｂ）：設計波長をλ、１／４波長板２３Ａの板厚をｔｏ、１／４波長板２３Ａを構成する無機結晶材料の切断角度をＺとしたとき、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、式(5)(6)(7)(8)を満足する。
λ ≦-10.899×Ｚ２ + 1959.9×Ｚ- 87469 ・・・(5)
λ ≧ 6.4048×Ｚ２ - 1154.5×Ｚ+ 52476 ・・・(6)
ｔｏ ≦ -0.0142×Ｚ２ + 2.5613×Ｚ- 114.36 ・・・(7)
ｔｏ ≧ 0.0088×Ｚ２ - 1.594×Ｚ+ 72.352 ・・・(8)
ここで、前記板厚ｔｏは、前記第１の無機結晶材料２３１と前記第２の無機結晶材料２３２とを貼り合わせてなる位相差板の板厚で定義されている。即ち、前記第１の無機結晶材料２３１の板厚ｍ１と前記第２の無機結晶材料２３２の板厚ｍ２との合計の板厚となっている。
式(5)(6)は設計波長λと切断角度Ｚとの関係を示すものであり、このうち、式(5)は上限の関係式であり、式(6)は下限の関係式である。また、式(7)(8)は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すものであり、このうち、式(7)は上限の関係式であり、式(8)は下限の関係式である。
表３は偏光変換効率をシミュレーションにより分析した結果であり、切断角度Ｚと設計波長λとの関係と切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が示されている。切断角度Ｚと設計波長λとの関係が図４０（Ａ）にも示され、切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が図４０（Ｂ）にも示されている。
【００６４】
【表３】
【００６５】
表３及び図４０（Ａ）（Ｂ）から、透過特性を満足させるための設計波長λと切断角度Ｚの範囲は、
４５５≦λ≦６４０（ｎｍ）
８７≦Ｚ≦９３（ｄｅｇ）
である。
設計波長λと切断角度Ｚの関係が、上限の関係式である式(7)と、下限の関係式である式(8)とを満足するように設計すれば、前述の透過特性（透過損失）の規格Ｍ，Ｎを満足させることができる。
【００６６】
図３９で示される通称ＷＢ１タイプの例では、１／４波長板２３Ａへの入射角度は４５（ｄｅｇ）を中心とし、当該中心から±１０（ｄｅｇ）度の範囲の角度で傾いた場合、５（ｄｅｇ）ステップで入射角度を変化させたときの偏光変換効率をシミュレーションにより分析し、所定の波長帯域の偏光変換効率を当該波長帯域で平均化したとき、その平均した偏光変換効率における透過損失を平均で評価した。即ち、本実施形態に係る偏光変換素子を投射型映像装置に搭載したときの透過特性を、
Ｍ：500〜600nm帯域では、透過損失を10％以内、
Ｎ：400〜700nm帯域では、透過損失を20％以内
という規格に設定し、これらの２つのＭ，Ｎの規格を満足するように設計条件を設定する。
ＷＢ１タイプでは、次の条件（Ｃ）を満たすことが条件とされる。
条件（Ｃ）：設計波長をλ、１／４波長板２３Ａの板厚をｔｏ、１／４波長板２３Ａを構成する無機結晶材料の切断角度をＺとしたとき、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、式(9)(10)(11)(12)を満足する。
λ ≦-0.0488×Ｚ２ + 5.8238×Ｚ+ 552.71 ・・・(9)
λ ≧ 0.0149×Ｚ２ -0.281×Ｚ+ 290.79 ・・(10)
ｔｏ ≦ 2E-05×Ｚ２ - 0.0024×Ｚ+ 0.1453 ・・(11)
ｔｏ ≧ 1E-05×Ｚ２ - 0.0018×Ｚ+ 0.0824 ・・・(12)
ここで、前記板厚ｔｏは、前記第１の無機結晶材料２３１と前記第２の無機結晶材料２３２とを貼り合わせてなる位相差板の板厚で定義されている。即ち、前記第１の無機結晶材料２３１の板厚ｍ１と前記第２の無機結晶材料２３２の板厚ｍ２との合計の板厚となっている。
式(9)(10)は設計波長λと切断角度Ｚとの関係を示すものであり、このうち、式(9)は上限の関係式であり、式(10)は下限の関係式である。また、式(11)(12)は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すものであり、このうち、式(11)は上限の関係式であり、式(12)は下限の関係式である。
表４は偏光変換効率をシミュレーションにより分析した結果であり、切断角度Ｚと設計波長λとの関係と切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が示されている。切断角度Ｚと設計波長λとの関係が図４１（Ａ）にも示され、切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が図４１（Ｂ）にも示されている。
【００６７】
【表４】
【００６８】
表４及び図４１（Ａ）（Ｂ）から、透過特性を満足させるための設計波長λと切断角度Ｚの範囲は、
３１５≦λ≦７２５（ｎｍ）
５０≦Ｚ≦１１０（ｄｅｇ）
である。
設計波長λと切断角度Ｚの関係が、上限の関係式である式(11)と、下限の関係式である式(12)とを満足するように設計すれば、前述の透過特性（透過損失）の規格Ｍ，Ｎを満足させることができる。
【００６９】
図４２には、以上の通り、通称Ｄタイプの例の積層１／４波長板２３Ａの偏光変換効率が示されている。図４２では、横軸に波長が示され、縦軸に偏光変換効率が示されており、入射角αを３５deg、４０deg、４５deg、５０deg、５５degとしてＳ偏光Ｓを積層１／４波長板２３Ａに入射させ、積層１／４波長板２３Ａから出射されたＰ偏光Ｐの偏光変換効率が示されている。これらの入射角αにおいて、偏光変換効率に大きな相違がなく、図４２では、太く図示した曲線Ｌに３５degから５５degまでの入射角αでのデータが含まれる。図４２で示される通り、偏光変換効率は波長が４００ｎｍから７００ｎｍまで０．７以上という値を示し、特に、波長が４５０ｎｍから６５０ｎｍまでは０．９以上という高い値を示す。
【００７０】
図４３には、以上の通り、通称ＷＢ１タイプの例の積層１／４波長板２３Ａの偏光変換効率が示されている。図４３では、横軸に波長が示され、縦軸に偏光変換効率が示されており、入射角αを３５deg、４０deg、４５deg、５０deg、５５degとしてＳ偏光Ｓを１／４波長板２３Ａに入射させ、１／４波長板２３Ａから出射されたＰ偏光Ｐの偏光変換効率が示されている。図４３において、符号Ｌ３５は入射角αが３５degの場合であり、Ｌ４０は入射角αが４０degの場合であり、Ｌ４５は入射角αが４５degの場合であり、Ｌ５０は入射角αが５０degの場合であり、Ｌ５５は入射角αが５５degの場合である。
図４３で示される通り、偏光変換効率は波長が４００ｎｍから７００ｎｍまで０．７以上という値を示し、特に、波長が４５０ｎｍから７００ｎｍまでは０．９以上という高い値を示す。
【００７１】
従って、第２実施形態では、第１実施形態の（１）（４）〜（１２）と同様の作用効果を奏する他、次の作用効果を奏することができる。
（１４）反射素子用基板２３を第１位相差板２３１と第２位相差板２３２との２枚組とし、法線ＰＬから見た第１位相差板２３１の光学軸方位をθ０１とし、第１位相差板２３１の中を進む光線Ｒ１に対する光学軸方位をθ１１とし、この光線Ｒ１と結晶光学軸ＰＯ１の法線とのなす角度をθ２１とし、第１位相差板２３１の屈折率をｎｃ１、空気層の屈折率をｎａとすると、第１位相差板２３１の光学軸方位θ０１を、θ０１＝ａtan（tanθ１１×cosθ２１）（Ａ１１）、ｎａsinα＝ｎｃ１sinθ２１（Ａ２１）の式から求める。そして、法線ＰＬから見た第２位相差板２３２の光学軸方位をθ０２とし、第２位相差板２３２の中を進む光線Ｒ１に対する光学軸方位をθ１２とし、この光線Ｒ２と結晶光学軸ＰＯ２の法線ＰＬとのなす角度をθ２２とし、第２位相差板２３２の屈折率をｎｃ２、第１位相差板２３１の屈折率をｎｃ１とすると、第２位相差板２３２の光学軸方位θ０２を、θ０２＝ａtan（tanθ１２×cosθ２２）（Ａ１２）、ｎＣ１sinα＝ｎｃ２sinθ２２（Ａ２２）の式から求める。そのため、反射素子用基板２３が２枚の位相差板２３１，２３２からなる場合において、変換効率の良好な偏光変換素子を簡易に提供することができる。
（１５）反射素子２２を第２位相差板２３２に直接設けられた反射膜２４Ｂから構成したから、水晶板２４Ａが不要となり、第１実施形態に比べて、偏光変換ユニットの軽量化を図ることができる。
【００７２】
（１６）通称Ｄタイプの積層型の１／４波長板２３Ａとして、複屈折性と旋光性を有する無機結晶材料を用いているため、偏光状態が変化して偏光変換効率が低下するという恐れがあるが、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、λ ≦-10.899×Ｚ２ + 1959.9×Ｚ- 87469 ・・・(5)、λ ≧ 6.4048×Ｚ２ - 1154.5×Ｚ+ 52476 ・・・(6)、ｔｏ ≦ -0.0142×Ｚ２ + 2.5613×Ｚ- 114.36 ・・・(7)、ｔｏ ≧ 0.0088×Ｚ２ - 1.594×Ｚ+ 72.352 ・・・(8)の関係を満足するように設定したから、偏光状態の変化をなくすことができ、光学特性を良好なものにできる。
（１７）通称ＷＢ１タイプの広帯域の１／４波長板２３Ａとして、複屈折性と旋光性を有する無機結晶材料を用いているため、偏光状態が変化して偏光変換効率が低下するという恐れがあるが、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、λ ≦-0.0488×Ｚ２ + 5.8238×Ｚ+ 552.71 ・・・(9)、λ ≧ 0.0149×Ｚ２ -0.281×Ｚ+ 290.79 ・・(10)、ｔｏ ≦ 2E-05×Ｚ２ - 0.0024×Ｚ+ 0.1453 ・・(11)、ｔｏ ≧ 1E-05×Ｚ２ - 0.0018×Ｚ+ 0.0824 ・・・(12)の関係を満足するように設定したから、偏光状態の変化をなくすことができ、光学特性を良好なものにできる。
【００７３】
次に、本発明の第３実施形態を図４４に基づいて説明する。
第３実施形態は反射素子の構造が第１実施形態と異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図４４には第３実施形態にかかる偏光変換素子の概略が示されている。
図４４において、第３実施形態では、１／４波長板２３Ａの両面に設けられた反射防止部２３Ｂのうち入射光が入射する面とは反対側の面に設けられた反射防止部２３Ｂに代えて反射膜２４Ｂを設けたものである。つまり、第３実施形態では、反射素子２２を１／４波長板２３Ａに直接設けられた反射膜２４Ｂから構成した。
従って、第３実施形態では、第１実施形態の（１）〜（１３）の効果と、第２実施形態の（１４）〜（１７）の効果とを奏することができる。
【００７４】
次に、本発明の第４実施形態を図４５から図４８に基づいて説明する。
第４実施形態は偏光変換ユニット４を投影型映像装置である液晶プロジェクター１００に設けた例であり、第３実施形態の偏光変換ユニット１とは保持部材５の構造が異なる。
図４５は液晶プロジェクターの概略構成を示す。
図４５において、液晶プロジェクター１００は、インテグレーター照明光学系１１０と、色分離光学系１２０と、リレー光学系１３０と、光源から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調装置１４０と、光変調装置１４０で変調された光を拡大投射する投写光学装置１５０とを備える。
インテグレーター照明光学系１１０は、後述する３枚の透過型液晶パネル１４１Ｒ，１４１Ｇ，１４１Ｂの画像形成領域をほぼ均一に照明するための光学系であり、光源装置１１１と、第１レンズアレイ１１２と、偏光変換装置２００と、重畳レンズ１１３とを備える。
【００７５】
光源装置１１１は、光源ランプ１１４から射出された輻射状の光線をリフレクター１１５で反射して略平行光線とし、この略平行光線を外部へと射出する。
偏光変換装置２００は、第２レンズアレイ２１０と、遮光板２２０と、偏光変換ユニット４とを備える。
色分離光学系１２０は、２枚のダイクロイックミラー１２１，１２２と、反射ミラー１２３とを備え、ダイクロイックミラー１２１、１２２によりインテグレーター照明光学系１１０から射出された複数の光を赤、緑、青の３色の色光に分離する。ダイクロイックミラー１２１で分離された青色光は、反射ミラー１２３によって反射され、フィールドレンズ１４２を通って、青色用の透過型液晶パネル１４１Ｂに到達する。
ダイクロイックミラー１２１を透過した赤色光と緑色光のうちで、緑色光は、ダイクロイックミラー１２２によって反射され、フィールドレンズ１４２を通って、緑色用の透過型液晶パネル１４１Ｇに到達する。
リレー光学系１３０は、入射側レンズ１３１と、リレーレンズ１３３と、反射ミラー１３２、１３４とを備える。色分離光学系１２０で分離された赤色光は、ダイクロイックミラー１２２を透過して、リレー光学系１３０を通り、さらにフィールドレンズ１４２を通って、赤色光用の透過型液晶パネル１４１Ｒに到達する。
光変調装置１４０は、透過型液晶パネル１４１Ｒ，１４１Ｇ，１４１Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１４３とを備える。このクロスダイクロイックプリズム１４３は、色光毎に変調された光学像を合成してカラーの光学像を形成するものである。
【００７６】
偏光変換ユニット４は、偏光変換素子２と、この偏光変換素子２を保持する保持部材５とを備える。
保持部材５の具体的な構造が図４６から図４８に示されている。
図４６は保持部材５の斜視図、図４７（Ａ）は保持部材５の平面図、図４７（Ｂ）は保持部材５の断面図である。
これらの図において、保持部材５は、偏光分離素子２１の両端部と反射素子２２の両端部とを、それぞれ保持する一対の保持板５１と、これらの一対の保持板５１の両端部をそれぞれ連結する一対の連結板５２とを有する構造である。これらの保持板５１及び連結板５２は合成樹脂から一体に平面矩形の枠状に形成されている。
一対の保持板５１の互いに対向する部分には、偏光分離素子２１と反射素子２２とをそれぞれ案内するガイド溝５１Ａが複数対形成されている。これらのガイド溝５１Ａは、その長手方向が入射光に対して４５ｄｅｇまたは１３５ｄｅｇとなるように形成されている。
【００７７】
なお、図４６及び図４７において、ガイド溝５１Ａは、偏光分離素子２１を収納するために４対が図示され、反射素子２２を収納するために２対が図示されているが、これは、ガイド溝５１Ａの構成をわかりやすく図示するために拡大図示したためであり、実際は、図４５に示される偏光変換素子２に合わせて、２枚の偏光分離素子２１を収納するために２対が設けられ、２枚の反射素子２２を収納するために２対が設けられる構造である。ただし、ガイド溝５１Ａの数は前述のものに限定されるものではなく、実際に設けられる偏光分離素子２１や反射素子２２の数に対応する。
【００７８】
図４８は保持部材５の一部の分解斜視図である。図４８において、ガイド溝５１Ａは、一端部が保持板５１の一側面に開口され、他端部が偏光分離素子２１や反射素子２２の端部が突き当たるように段差が形成されている。ガイド溝５１Ａは、その幅寸法が偏光分離素子２１や反射素子２２の幅寸法と同じあるいはやや大きく形成され、その長さ寸法が偏光分離素子２１や反射素子２２の長さ寸法と同じあるいはやや大きく形成されている。
【００７９】
従って、第４実施形態では、第３実施形態の（１）〜（１７）までの作用効果と同様の作用効果を奏することができる他に、次の作用効果を奏することができる。
（１８）光源装置１１１からの光をＰ偏光Ｐに変換して出射する偏光変換素子２を有する偏光変換ユニット４と、偏光変換素子２からの出射光を画像情報に応じて変調する光変調装置１４０と、この光変調装置１４０により変調された光を投写する投写光学装置１５０とを備えて液晶プロジェクター１００を構成したから、偏光変換素子２の偏光変換効率が高いことに伴って液晶プロジェクター１００の投影精度を高いものにできる。
【００８０】
（１９）光変調装置１４０は、透過型液晶パネル１４１Ｒ，１４１Ｇ，１４１Ｂを備えて構成されるので、この点からも、投影精度の高い液晶プロジェクター１００を提供することができる。
（２０）偏光変換ユニット４は、偏光変換素子２を保持する保持部材５を備え、この保持部材５は、偏光分離素子２１の両端部と反射素子２２の両端部とをそれぞれ保持する一対の保持板５１と、これらの一対の保持板５１の両端部をそれぞれ連結する一対の連結板５２とを有する構造であるため、偏光分離素子２１及び反射素子２２を保持部材にコンパクトに収納することができ、取り扱いが便利となる。
【００８１】
（２１）一対の保持板５１と一対の連結板５２とが一体に形成されているので、射出成形等の適宜な手段によって、保持部材５を容易に製造することができる。
（２２）一対の保持板５１の互いに対向する部分には偏光分離素子２１と反射素子２２とをそれぞれ案内するガイド溝５１Ａが形成され、これらのガイド溝は一対の保持板５１の一側面にそれぞれ開口されているので、偏光分離素子２１と反射素子２２とをそれぞれガイド溝５１Ａに沿って差し込むだけで偏光変換ユニット４が組み立てられることになり、組立作業が容易となる。
【００８２】
次に、本発明の第５実施形態を図４９及び図５０に基づいて説明する。
第５実施形態は保持部材の構造が第４実施形態とは異なるもので、他の構成は第４実施形態と同じである。
図４９は第５実施形態にかかる偏光変換ユニットを示す斜視図であり、図５０は保持部材の一部を示す分解斜視図である。
これらの図において、偏光変換ユニット６は第３実施形態と同じ構造の偏光変換素子２と、この偏光変換素子２を保持する保持部材７とを備える。
保持部材７は、一対の保持板７１と、一対の保持板７１の端部に設けられた一対の連結板７２とを備え、一対の保持板７１と一対の連結板７２とは別体に形成されている。
【００８３】
一対の保持板７１は合成樹脂から形成された板状であり、その互いに対向する部分には、偏光分離素子２１と反射素子２２との端部をそれぞれガイドするガイド溝７１Ａが複数対形成されている。これらのガイド溝７１Ａは、その長手方向が入射光に対して４５ｄｅｇまたは１３５ｄｅｇとなるように形成されている。そして、ガイド溝７１Ａは、平面が矩形状とされた凹部である。
なお、図４９において、ガイド溝７１Ａは、合計６対が図示されているが、実際には、偏光変換素子２に合わせて、４枚の偏光分離素子２１を収納するために４対が設けられ、４枚の反射素子２２を収納するために４対が設けられる構造である。
【００８４】
一対の連結板７２は、長尺状の板材７２１と、この板材７２１に連結され一対の保持板７１を互いに向き合う方向に付勢する係合片７２２とを有する。
これらの板材７２１と係合片７２２とは弾性を有する材料、例えば、金属、合成樹脂等から一体に形成されている。係合片７２２は板材７２１に対して折り曲げて形成されており、その中央部分に保持板７１に形成された凹部７１Ｂに係合する凸状の抑え部７２２Ａが形成されている。凸状の抑え部７２２Ａと凹部７１Ｂとは保持板７１の長手方向と直交する方向に延びて形成されている。
【００８５】
従って、第５実施形態では、第３実施形態の作用効果と同様の作用効果と、第４実施形態のの作用効果と同様の作用効果を奏することができる他に、次の作用効果を奏することができる。
（２３）保持部材７は、一対の保持板７１と、一対の保持板７１の端部に設けられた一対の連結板７２とを備え、一対の連結板７２は、長尺状の板材７２１と、この板材７２１に連結され一対の保持板７１を互いに向き合う方向に付勢する係合片７２２とを有する。そのため、一対の連結板７２によって、一対の保持板７１を互いに近接する方向に付勢するので、偏光分離素子２１と反射素子２２とを確実に保持部材７で保持することができるから、偏光分離素子２１や反射素子２２が保持部材７から誤って脱落することがない。
【００８６】
（２４）係合片７２２は保持板７１に形成された凹部７１Ｂに係合する抑え部７２２Ａを有するので、連結板７２が保持板７１の長手方向にずれて外れることがない。そのため、保持板７１から連結板７２が誤って外れることを防止できる。
（２５）保持板７１に形成され偏光分離素子２１や反射素子２２の端部が保持されるガイド溝７１Ａは、平面が矩形状とされた凹部であるため、保持板７１の平面内での偏光分離素子２１や反射素子２２の移動が規制される。そのため、この点からも、偏光分離素子２１や反射素子２２が保持部材７から誤って脱落することがない。
【００８７】
次に、本発明の第６実施形態を図５１に基づいて説明する。
第６実施形態は偏光分離素子の構成が第１実施形態と異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図５１は第５実施形態にかかる偏光分離素子２１の偏光分離部２１０Ｂの斜視図である。図５１において、偏光分離素子２１の偏光分離部２１０Ｂは誘電基板２１Ｄによって支持される多数の平行な金属ワイヤーからなる導電電極２１Ｅから形成される。導電電極２１Ｅは、そのピッチまたは周期がＰであり、個別の導体の幅がＷであり、その厚さがｔである。入射光ＩＬは、垂線からの角度Ｒで偏光分離素子２１に入射する。入射光ＩＬは、Ｓ偏光Ｓとして反射し、回折されないで、Ｐ偏光Ｐとして透過される。ここで、周期Ｐ、幅Ｗ、厚さｔは、使用する光の周波数領域、その他条件により設定される。
【００８８】
従って、第６実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（２６）偏光分離素子２１の偏光分離部２１０Ｂを金属ワイヤーグリッドで構成したから、簡単に偏光変換素子を製造することができる。
【００８９】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。
例えば、前記実施形態では、偏光分離素子２１及び反射素子２２の両面に反射防止部２１Ｃ，２２Ｂを設けたが、本発明では、必ずしも反射防止部２１Ｃ，２２Ｂを設けることを要しない。しかし、前記各実施形態のように、反射防止部２１Ｃ，２２Ｂを設ければ、偏光分離素子２１及び反射素子２２を透過する光の量が多くなる。
さらに、第２実施形態では、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２とを積層した構成としたが、本発明では、図５２に示される通り、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２とを離隔配置し、かつ、第１位相差板２３１の両面と第２位相差板２３２の片面とに反射防止部２３Ｂを形成するものでもよい。
【００９０】
また、偏光変換素子を液晶プロジェクターに用いたが、本発明では、液晶プロジェクター以外の投射装置に利用することができる。
さらに、反射素子２２は必ずしも水晶を用いることを要せず、水晶に代えてガラスを用いてもよい。そして、偏光分離素子２１では、透光性基板２１Ａに水晶を必ずしも用いることを要せず、水晶に代えてサファイヤ等の複屈折性と旋光性を有する結晶材料を用いてもよい。
さらに、前記実施形態では、偏光分離素子２１を入射光ＩＬに対して略４５（ｄｅｇ）あるいは１３５（ｄｅｇ）としたが、本発明では、これに限定されるものではなく、例えば、６０（ｄｅｇ）や１２０（ｄｅｇ）としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、液晶プロジェクター、その他の投写型映像装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１，４，６…偏光変換ユニット、２…偏光変換素子、３，５，７…保持部材、２１…偏光分離素子、２１Ａ…透光性基板、２１Ｂ…偏光分離部、２２…反射素子、２３…反射素子用基板、２３Ａ…１／４波長板、２３Ｂ…反射防止部、２３１…第１位相差板、２３２…第２位相差板、２４…ミラー、２４Ａ…水晶板、２４Ｂ…反射膜、５１，７１…保持板、５１Ａ，７１Ａ…ガイド溝、５２，７２…連結板、１００…液晶プロジェクター（投写型映像装置）、１１１…光源装置、１４０…光変調装置（光変調手段）、１４１Ｒ，１４１Ｇ，１４１Ｂ…透過型液晶パネル、１５０…投写光学装置（投写光学系）、２１０Ｂ…偏光分離部、７２２…係合片、７２２Ａ…抑え部、ＩＬ…入射光、ＯＬ…出射光、ＰＯ…結晶光学軸、Ｐ…Ｐ偏光（第１の直線偏光）、Ｓ…Ｓ偏光（第２の直線偏光）、ｘ…交差軸、ｑ…切断角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光変換素子、この偏光変換素子を備えた偏光変換ユニット及び投写型映像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶プロジェクター等の投影型映像装置は、光源装置から射出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の上に拡大投射するものである。この液晶プロジェクターでは、光の利用効率を向上させるため、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さまざまな直線偏光が混在した光）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。
【０００３】
偏光変換素子は、偏光分離膜と反射膜とを透明部材の内部に交互に配置して偏光ビームスプリッターアレイを成形し、この偏光ビームスプリッターアレイの表面に位相差板を設けた構造である。位相差板は、透明部材の光射出面側で偏光分離膜に対応した位置に所定間隔毎に複数配置されている（特許文献１）。
従来、位相差板としては、有機系材料、例えばポリカーボネートフィルム製の１／２波長板が用いられることがあり、この１／２波長板と偏光ビームスプリッターアレイとは有機系接着剤により接着されている。
この偏光変換素子の製造方法としては、両主面には偏光分離膜と反射膜とがそれぞれ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積層して積層体を作り、入射面に対して、例えば４５ｄｅｇの角度で切断して得られたレンズアレイの出射面に１／２波長板が接着剤により貼り付けられている。
このように製造された偏光変換素子は、平面矩形状のフレームに組み込まれた状態で、液晶プロジェクターの光学エンジン内に搭載されている（特許文献２）。
位相差板を透明部材の光射出面側に設ける代わりに、ポリカーボネート系フィルムやポリアクリレート系フィルムなどを２軸延伸したプラスチックフィルムを用いて製作された１／４波長板を反射膜に接着剤で接着固定した構造を有する偏光変換素子がある（特許文献３）。
【０００４】
近年、光学部品としての長寿命化の要求が増してきたことに伴って、接着剤の劣化の問題が生じてきた。特許文献１〜３で示される従来例では、反射膜が形成された透光性基板と他の透光性基板とを接着剤で接着固定しているため、接着剤の劣化の問題がある。
この問題を解決するために、ガラスや水晶等の２枚の透光性基板を接合する手段として、表面にシロキサン（Ｓｉ−Ｏ）結合を含み、結晶化度が４５％以下であるＳｉ骨格と、該Ｓｉ骨格に結合する有機基からなる脱離基とを含む接合膜とプラズマ重合法により成膜し、当該接合膜にエネルギーを付与することにより前記接合膜の表面付近に存在する前記脱離基が前記Ｓｉ骨格から脱離することにより、接合膜の表面の前記領域に発現した接着性によって、前記２枚の透光性基板を接合する接合方法が提案されている（特許文献４）。
この接合方法を採用することにより、接合手段は無機化され、接合膜の劣化の問題が解決されるとともに当該接合方法を用いて接合される光学部品の長寿命化を図ることが可能となる。
そして、特許文献４において提案された接合技術を用いて、多層膜からなる偏光分離膜の中間層のＳｉＯ２を接合層の一部として利用し、最上層に第１の接合層を配置された第１の多層膜が形成された第１の透光性基板と、最上層に第２の接合層を配置された第２の多層膜が形成された第２の透光性基板とを、第１、第２の前記接合層を分子接合することにより一体化するともに、第１の多層膜と第２の多層膜とを積層して前記偏光分離膜を構成する偏光ビームスプリッターが提案されている（特許文献５）。
【０００５】
しかしながら、特許文献５においては、プラズマ重合膜による分子接合膜の膜厚は数十ｎｍという極めて薄い膜で構成されており、この接合膜を透光性基板の表面にプラズマ重合法を用いて形成する過程で透光性基板の表面に塵やゴミ等の付着物が付着してしまうと、接合膜の膜厚よりも付着物の高さの方が遥かに高いため、付着物が付着している領域を中心として所定の領域において透光性基板同士を接合することができず、気泡などがその領域に混入してしまい、光学特性上や接合信頼性、製品寿命に大きな悪影響を与えるという課題がある。
そこで、本願発明者らは、特許文献６において提案されている偏光変換素子の構造に着目した。この特許文献６では、光学ブロック（偏光変換素子）は、基板上に刻設されている溝に対してＰＢＳ（偏光分離素子）、ミラー及び１／２波長板等の光学部品が装着されて構成されている。ＰＢＳはガラス板に例えばＴｉＯ２（高屈折率材料）とＳｉＯ２（低屈折率材料）とを交互に繰り返し積層してなる誘電体多層膜、等を表面蒸着することによって形成され、光の入射方向に対して所定の角度で基板に圧入装着されている。ミラーは長方形のガラス板に例えばアルミや誘電体多層膜等を表面蒸着することによって入射した光を反射することができるようになっている。そして、ＰＢＳで分離され反射したＳ波（Ｓ偏光）を出射側に反射する角度で前記基板に装着されている。１／２波長板は、長方形のガラス板に例えばポリカーボネート、ポリビニールアルコール、ポリエチレンテレフタレートフィルムを一軸延伸した１／２位相差フィルムを貼り付けて形成されている。そして、ミラーで反射されたＳ波（Ｓ偏光）が入射する位置に装着され、Ｐ波（Ｐ偏光）に変換して出射する。このように、ＰＢＳ、ミラー、１／２波長板等によって光学ブロックを構成することにより、入射したＰ波（Ｐ偏光）とＳ波（Ｓ偏光）を含むランダム偏光の光を、Ｐ波（Ｐ偏光）のみに統一して出射することができるとともに、光学ブロックの入射側面積と出射側面積とをほぼ同一にすることができるようになる。
【０００６】
ところで、水晶は複屈折性を有するだけでなく旋光性も有しており、この旋光性は、水晶製波長板の性能に影響を及ぼし得ることがよく知られている。
この問題に対して、旋光能を有する光学結晶材料からなる２つの波長板を互いに各々の結晶光学軸を所定の角度で交差するように配置して積層し、ポアンカレ球を用いて偏光の軌跡を解析し、両波長板の複屈折位相差、光学軸方位角度、旋光能、及び回転軸と中性軸のなす角との関係を近似式により求めた所定の関係式を満足するように構成することにより、旋光能による影響を低減し、広帯域において特性を良くすることを試みた１／４波長板が提案されている（特許文献７）。
さらに、水晶等の無機材料からなる１枚の波長板に関し、複屈折性及び旋光性を有し、短波長で高出力の青紫色レーザに対して十分な耐光性、信頼性を発揮する水晶等の無機材料の結晶板で形成され、かつ楕円率を最適に即ち０．９以上の高い値に又は実質的に１に近付けることが可能な優れた光学特性の１／４波長板が提案されている（特許文献８）。
さらに、水晶基板からなる１／２波長板を４５°傾斜して配置し、入射面側にワイヤーグリッド偏光子を配置して偏光ビームスプリッターとして機能させ、１／２波長板と主面に反射ミラーが形成されたガラス基板とを交互に順に配置することによって構成された偏光変換素子（特許文献９）
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２０００−２９８２１２号公報
【特許文献２】特許第３６１０７６４号公報
【特許文献３】特許第４１９１１２５号公報
【特許文献４】特許第４３３７９３５号公報
【特許文献５】特開２０１０−６０７７０号公報
【特許文献６】再公表ＷＯ９８／２３９９３号公報
【特許文献７】特開２００５−１５８１２１号公報
【特許文献８】特開２０１０−１３４４１４号公報
【特許文献９】特開２００４−０２９１６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献６で提案される従来の如き偏光変換素子では、ＰＢＳはガラス板の表面にＴｉＯ２（光屈折率材料）とＳｉＯ２（低屈折率材料）とを交互に繰り返し積層してなる誘電体多層膜、等を蒸着して偏光分離膜を形成しているため、熱膨張係数の違いに起因した熱歪みによるガラス基板と偏光分離膜との界面での剥離の恐れがあるだけでなく、ガラス板での放熱も限界があり、耐熱性や長寿命化の高い要請を十分に満足することができない。
ここで、放熱効果を考慮して、ガラス板に代えて水晶板をＰＢＳに用いることも考えられるが、水晶は複屈折性を有するだけでなく旋光性も有しているので、単に、ガラス板を水晶板に代えたのでは、旋光性の問題が解決されない。
特許文献７は、１／４波長板において、旋光性の問題を解決するものであるが、偏光変換素子を構成する反射素子に関するものではないので、これらのアイデアをそのまま特許文献６に用いることは困難である。
これら特許文献７や特許文献８に記載された技術思想をそのまま特許文献９に適用することによってだけでは、本願発明者らが掲げた以下に示すような問題の解決を図ることは困難であることが判明した。
【０００９】
そこで、本願発明者らは、旋光能が位相差に与える影響に着目した特許文献７や特許文献８で示される如き従来例で試みられている旋光能補償に係る技術思想を適用することによって、入射するＰ偏光の偏光面を９０ｄｅｇ回転させてＳ偏光に変換して出射させるように光学作用を生じせしめることを可能とする偏光変換素子の実現を試みることを検討した。
即ち、先ず、プリズムアレイ（偏光ビームスプリッターアレイ）の積層界面に挟み込むように、４５ｄｅｇに傾斜して配置した水晶製１／２波長板の光学設計に特許文献７や特許文献８において提案された技術思想を適用することを図５３に基づいて考える。
この場合、水晶製１／２波長板を狭持する透光性基材は一般的なガラス材であり、ガラス材の屈折率ｎ１＝１．５３と、水晶の屈折率ｎ２＝１．５４との関係から、プリズムアレイの中を透過する光の光路（光軸）は、光が水晶製１／２波長板へ入射するときのガラスと水晶製１／２波長板との界面、及び光が水晶製１／２波長板から出射するときの水晶製１／２波長板とガラスとの界面でほとんど屈折は起こらずに、即ち、光路（光軸）はほとんど変化することなく光が偏光変換素子を透過することとなる。
図５３において、水晶製１／２波長板ＷＰの主面（入、出射面）の法線ＰＬから見た光学軸方位をθ０とし、水晶製１／２波長板ＷＰの中を進む光線Ｒ１に対する光学軸方位をθ１とし、水晶製１／２波長板ＷＰの主面の法線ＰＬと前記光線Ｒ１とのなす角度をθ２とすると、これらの角度には次の関係がなりたつ。
θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２） （Ａ１）
このとき、θ１＝４５ｄｅｇ、θ２＝４５ｄｅｇであるから、θ０は、
θ０＝ａtan（tan（４５ｄｅｇ）×cos（４５ｄｅｇ））
＝ａtan（１／２１／２）
＝３５．３ｄｅｇ
と、算出される。
ところが、特許文献９で提案されているような水晶製１／２波長板を４５ｄｅｇ傾斜して配置し、入射面側にワイヤーグリッド偏光子や誘電体多層膜、等からなる偏光分離部を配置して偏光ビームスプリッターとして機能させ、１／２波長板と平行となるように反射部を４５ｄｅｇに傾斜して配置し、これらを交互に順に配置することによって構成された偏光変換素子においては、水晶製１／２波長板を挟み込むガラスはなく、水晶製１／２波長板が接しているものは空気である。つまり、空気の屈折率ｎ０＝１．００と、水晶の屈折率ｎ２＝１．５４との関係から、偏光変換素子を透過する光の光路（光軸）は、光が水晶製１／２波長板へ入射するときの空気と水晶製１／２波長板との界面、及び光が水晶製１／２波長板から出射するときの水晶製１／２波長板と空気との界面で屈折が生じるので、光路（光軸）が変化することとなる。
θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２） （Ａ１）
このとき、θ１＝４５ｄｅｇ、θ２＝２７．２ｄｅｇであるから、θ０は、
θ０＝ａtan（tan（４５ｄｅｇ）×cos（２７．２ｄｅｇ））
＝ａtan（１×０．８８９４１）
＝４１．６５ｄｅｇ
そこで、水晶製１／２波長板を４５ｄｅｇに傾斜させ、空気と接することにより当該水晶製１／２波長板の入出射面との界面で入射光の光軸に屈折が生じる場合の水晶製１／２波長板の光学設計を検討した結果、以下の仕様となった。
設計波長 ５２０ ｎｍ
設計位相差 ４６０．１１ ｄｅｇ
光学軸方位 ４１．６５ ｄｅｇ
切断角度 ９０ ｄｅｇ
なお、切断角度は、水晶製１／２波長板の主面の法線と結晶光学軸とのなす角度で定義されている。設計位相差は、水晶製１／２波長板の主面の法線に平行な方向から設計波長λの光が入射したときの位相差を設計位相差として定義されている。光学軸方位角（θ０）は水晶製１／２波長板の主面（入、出射面）の法線から見たときに入射する光の直線偏光の偏波面（偏光面）と結晶光学軸とのなす角度で定義されている。
この場合の水晶製１／２波長板の波長と偏光変換効率との関係が図５４のグラフに設計値として示されている。
水晶製１／２波長板の内部の光路の距離をｔ１としたとき、前記光路を通って、水晶製１／２波長板を透過する光の位相差Γは、以下に示す関係式に算出される。
Γ１＝２π／λ×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔ１
この式において、Γ１＝１８０ｄｅｇとなるように光路の長さｔ１が求まり、水晶製１／２波長板の主面の法線方向の厚みｔｏが求められ、前記法線方向の設計波長λにおける位相差Γｏが算出される。
Γｏ＝２π／λ×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔｏ
ｃｏｓ（θ２）＝ｔｏ／ｔ１
ｔｏ＝ｔ１×ｃｏｓ（θ２）
Γｏ＝２π／λ×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔ１×ｃｏｓ（θ２）
となり、このΓｏを設計位相差と定義し、ここでは、Γｏ＝１６０．１１（ｄｅｇ）である。
ところで、水晶製１／２波長板は、水晶原石を整形（ランバート加工）して得た水晶ランバートを設計値となる所定の切断角度でワイヤーソー等を用いて切断して得られたウェーハから個片に分離して製造される。
しかしながら、この製造工程において、ウェーハが水晶ランバートから誤った切断角度で切断されたり、許容範囲を超えた切断角度で切断されたりした場合、前述の設計板厚ｔｏの厚みで加工されてしまうと、表１に示される通り、設計位相差Γｏにズレが生じ、即ち、Γｏ≠１６０．１１ｄｅｇとなって、水晶製１／２波長板はすべて不良品となってしまうという問題があった。
【００１０】
【表１】
【００１１】
切断角度が設計値９０ｄｅｇから８０ｄｅｇにずれて切断されてしまった場合、その角度ズレを配慮せずに、前記設計板厚ｔｏのままで加工してしまうと、設計位相差Γｏは、１６０．１１ｄｅｇから１７５．５０ｄｅｇに位相差が大きくずれてしまう。
これは、Γｏ＝２π／λ×（ｎｅ−ｎｏ）×ｔｏの式において、異常光屈折率ｎｅと常光屈折率ｎｏが、切断角度に依存しており、切断角度に応じてこれらの値が変化するからである。
従って、４５ｄｅｇに傾斜して配置された水晶製１／２波長板の内部の光路の距離ｔ１を透過した光の位相差Γは、１８０ｄｅｇから大きくずれてしまうことになる。
その結果、偏光変換効率は、図５４に示されるように大きく変化し、５５０ｎｍ以下の波長帯で偏光変換効率が大きく低下し劣化してしまうという問題があった。
【００１２】
そこで、本発明の目的は、水晶等の複屈折性と旋光性を有する結晶材料において、切断角度が設計値からずれて切断されてしまった場合でも、角度ズレに応じて、板厚を調整し、最適な設計板厚に修正することにより、設計位相差を見直し、所定の波長帯域における偏光変換効率を確実に規定値以上にすることを可能とした１／４波長板を備えた偏光変換素子、偏光変換ユニット及び投射型映像装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
［適用例１］
本適用例に係る偏光変換素子は、入射光に対して所定角度をなすように配置された透光性基板と、当該透光性基板の入射側表面に、入射光を互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離して、前記第１の直線偏光を透過させ、第２の直線偏光を反射する偏光分離部と、前記透光性基板と略平行かつ間に空気層を介して配置され、前記偏光分離部で反射された前記第２の直線偏光を、前記偏光分離部を透過した前記第１の直線偏光の光路と略平行な方向に反射する反射素子と、を有し、前記反射素子は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなる反射素子用基板と、当該反射素子用基板に設けられたミラーと、を有し、前記反射素子用基板は、入射した前記第２の直線偏光を第１の円偏光に変換し、当該第１の円偏光を前記ミラーで逆回転の第２の円偏光として反射し、当該第２の円偏光を第１の直線偏光に変換して出射する波長板であることを特徴とする。
この構成の本適用例では、偏光分離部が透光性基板に設けられて構成された偏光分離素子と、反射素子用基板にミラーが設けられた反射素子とからレンズアレイを構成しているので、これらの間に設けられたガラス等の透明部材が不要とされ、構造がコンパクトになる。
しかも、反射素子の反射素子用基板として、熱伝導率がガラスより高い結晶材料を用いており、反射素子と透光性基板との間には空気層が形成されているので、従来に比べて放熱効果が高く、耐熱性や長寿命化を図ることができる。
そして、結晶材料は複屈折性と旋光性を有するので、光軸方向に伝搬する直線偏光の振動面が光の進行につれてねじれてしまい、偏光状態が変化して偏光変換効率が低下するという課題があるが、本適用例では、反射素子用基板に直線偏光を円偏光に変換する波長板を用いているので、入射した第２の直線偏光が左右のいずれか一方に回転する円偏光に変換され、この円偏光がミラーで左右のいずれか他方に回転する円偏光として反射された後、第１の直線偏光として出射するため、偏光分離部で透過される第１の直線偏光と揃えて偏光状態の変化をなくすことができる。
【００１４】
［適用例２］
本適用例に係る偏光変換素子は、前記反射素子用基板は１枚の位相差板で構成され、前記反射素子用基板の法線から見た光学軸方位をθ０とし、前記反射素子用基板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１とし、前記光線の光路と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２とし、前記反射素子用基板の屈折率をｎｃ、前記反射素子用基板と隣接する層の屈折率をｎａとすると、光学軸方位θ０は
θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２） （Ａ１）
ｎａsinα＝ｎｃsinθ２ （Ａ２）
の式から求めることを特徴とする。
この構成の本適用例では、反射素子用基板が１枚からなる場合において、変換効率の良好な偏光変換素子を簡易に提供することができる。
【００１５】
［適用例３］
本適用例に係る偏光変換素子は、前記反射素子用基板を第１位相差板と第２位相差板との２枚の位相差板とし、前記反射素子用基板の法線から見た前記第１位相差板の光学軸方位をθ０１とし、前記第１位相差板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１１とし、この光線と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２１とし、前記第１位相差板の屈折率をｎｃ１、前記第１位相差板と隣接する層の屈折率をｎａとすると、
前記第１位相差板の光学軸方位θ０１は
θ０１＝ａtan（tanθ１１×cosθ２１） （Ａ１１）
ｎａsinα＝ｎｃ１sinθ２１ （Ａ２１）
の式から求め、
前記反射素子用基板の法線から見た前記第２位相差板の光学軸方位をθ０２とし、前記第２位相差板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１２とし、この光線と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２２とし、前記第２位相差板の屈折率をｎｃ２、前記第２位相差板と隣接する前記第１位相差板の屈折率をｎｃ１とすると、
前記第２位相差板の光学軸方位θ０２は
θ０２＝ａtan（tanθ１２×cosθ２２） （Ａ１２）
ｎＣ１sinα＝ｎｃ２sinθ２２ （Ａ２２）
の式から求めることを特徴とする。
この構成の本適用例では、反射素子用基板が２枚の位相差板からなる場合において、変換効率の良好な偏光変換素子を簡易に提供することができる。
【００１６】
［適用例４］
本適用例に係る偏光変換素子は、前記透光性基板は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなり、前記偏光分離部を透過し前記透光性基板に入射した前記第１の直線偏光は、この第１の直線偏光の偏波面を維持したまま前記透光性基板の出射側表面から出射することを特徴とする。
この構成の本適用例では、透光性基板も熱伝導率がガラスより高い結晶材料を用いているため、従来に比べて放熱効果が高く、耐熱性や長寿命化をより図ることができる。
【００１７】
［適用例５］
本適用例に係る偏光変換素子は、前記所定角度は略４５（ｄｅｇ）あるいは１３５（ｄｅｇ）であることを特徴とする。
この構成の本適用例では、偏光分離部によって第２の直線偏光を入射光に対して略直角に反射素子に向けて反射させることができるので、反射素子で反射される光線を第１の直線偏光の光路と略平行な方向に反射させることができる。
【００１８】
［適用例６］
本適用例に係る偏光変換素子は、前記結晶材料が水晶であることを特徴とする。
この構成の本適用例では、結晶材料としてサファイヤ等の結晶材料に比べて安価に入手できる水晶を用いることで、偏光変換素子を安価に提供することができる。
【００１９】
［適用例７］
本適用例に係る偏光変換ユニットは、前述の構成の偏光変換素子と、この偏光変換素子を保持する保持部材と、を備え、前記保持部材は、前記反射素子用基板の両端部と前記透光性基板の両端部とをそれぞれ保持する一対の保持板と、当該一対の保持板の両端部をそれぞれ連結する一対の連結板と、を有することを特徴とする。
この構成の本適用例では、透光性基板及び偏光分離部を備えて構成される偏光分離素子と反射素子とを保持部材にコンパクトに収納できるので、取り扱いが便利となる。
【００２０】
［適用例８］
本適用例に係る偏光変換ユニットは、前記一対の保持板と前記一対の連結板とは一体に形成され、前記一対の保持板の互いに対向する部分には前記透光性基板と前記反射素子用基板とをそれぞれ案内するガイド溝が設けられ、前記ガイド溝は前記一対の保持板の一側面にそれぞれ開口されていることを特徴とする。
この構成の本適用例では、前記偏光分離素子と前記反射素子とをそれぞれガイド溝に沿って差し込むだけで偏光変換ユニットが組み立てられるので、組立作業が容易となる。
【００２１】
［適用例９］
本適用例に係る偏光変換ユニットは、前記一対の保持板と前記一対の連結板とは別体に形成され、前記一対の連結板は前記一対の保持板を互いに向き合う方向に付勢する係合片を有することを特徴とする。
この構成の本適用例では、一対の連結板によって、一対の保持部材を互いに近接する方向に付勢して偏光分離素子と反射素子とを確実に保持することになり、偏光分離素子や反射素子が偏光分離ユニットから脱落することを防止することができる。
【００２２】
［適用例１０］
本適用例に係る投射型映像装置は、光源と、前記光源からの光を前記第２の直線偏光に変換して出射する偏光変換素子と、前記偏光変換素子からの出射光を、投写しようとする画像情報に応じて変調する光変調手段と、前記光変調手段により変調された光を投写する投写光学系と、を有し、前記偏光変換素子が前述の構成の偏光変換素子であることを特徴とする。
この構成の本適用例では、偏光変換素子の偏光変換効率が高いので、投影精度の高い投射型映像装置を提供することができる。
【００２３】
［適用例１１］
本適用例に係る投射型映像装置は、前記光変調手段は液晶パネルであることを特徴とする。
この構成の本適用例では、前述の効果を奏することができる液晶プロジェクターを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる偏光変換素子の概略図。
【図２】反射素子を構成する１／４波長板の概略図。
【図３】図２の原理を説明するためのポアンカレ球を示す概略図。
【図４】１／４波長板の光学軸方位を説明するための図。
【図５】（Ａ）は切断角度Ｚと設計波長λとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すグラフである。
【図６】第１実施形態の１／４波長板の偏光変換効率を示すグラフ。
【図７】（Ａ）は偏光分離素子を構成する水晶板の端面図、（Ｂ）は水晶板の一部を示す正面図。
【図８】水晶の波長板における光学軸方位、板厚、切断角度の関係を示すもので、（Ａ）は端面図、（Ｂ）は斜視図。
【図９】図７の原理を説明するためのポアンカレ球を示す概略図。
【図１０】屈折角度φを説明するための概略図。
【図１１】切断角度qが０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図１２】切断角度qが０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図１３】切断角度qが１５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図１４】切断角度qが１５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図１５】切断角度qが３０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図１６】切断角度qが３０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図１７】切断角度qが４５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図１８】切断角度qが４５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図１９】切断角度qが６０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図２０】切断角度qが６０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図２１】切断角度qが７５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図２２】切断角度qが７５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図２３】切断角度qが９０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図２４】切断角度qが９０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図２５】切断角度qが１０５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図２６】切断角度qが１０５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図２７】切断角度qが１２０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図２８】切断角度qが１２０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図２９】切断角度qが１３５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図３０】切断角度qが１３５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図３１】切断角度qが１５０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図３２】切断角度qが１５０ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図３３】切断角度qが１６５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図。
【図３４】切断角度qが１６５ｄｅｇの場合の０度方向強度（透過特性）を示すグラフ。
【図３５】交差角ｘと許容される板厚ｙoの最大値ｙとの関係を示すグラフ。
【図３６】（Ａ）は交差角ｘが−９０ｄｅｇの状態を示す概略図、（Ｂ）は交差角ｘが−４５ｄｅｇの状態を示す概略図、（Ｃ）は交差角ｘが０ｄｅｇの状態を示す概略図。
【図３７】本発明の第２実施形態にかかる偏光変換素子の概略図。
【図３８】１／４波長板の光学軸方位を説明するための図。
【図３９】図３８の１／４波長板とは異なる例の１／４波長板の光学軸方位を説明するための図。
【図４０】図３８の１／４波長板に関するもので（Ａ）は切断角度Ｚと設計波長λとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すグラフである。
【図４１】図３９の１／４波長板に関するもので（Ａ）は切断角度Ｚと設計波長λとの関係を示すグラフであり、（Ｂ）は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すグラフである。
【図４２】図３８で示される１／４波長板の偏光変換効率を示すグラフ。
【図４３】図３９で示される１／４波長板の偏光変換効率を示すグラフ。
【図４４】本発明の第３実施形態にかかる偏光変換素子の概略図。
【図４５】本発明の第４実施形態が組み込まれた液晶プロジェクターの概略構成図。
【図４６】第４実施形態にかかる偏光変換ユニットを示す斜視図。
【図４７】（Ａ）は保持部材の平面図、（Ｂ）は保持部材の断面図。
【図４８】保持部材の一部を示す分解斜視図。
【図４９】本発明の第５実施形態にかかる偏光変換ユニットを示す斜視図。
【図５０】保持部材の一部を示す分解斜視図。
【図５１】本発明の第６実施形態にかかる偏光分離素子の斜視図。
【図５２】本発明の変形例にかかる偏光変換素子の概略図。
【図５３】本発明の前提となる技術であって水晶製１／２波長板の光学軸方位を説明するための図。
【図５４】従来例の透光性基板の偏光変換効率を示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。ここで、各実施形態において、同一の構成要素は同一符号を付して説明を省略もしくは簡略にする。
図１から図３６には第１実施形態が示されている。
図１は第１実施形態の概略を示す。
図１において、第１実施形態の偏光変換ユニット１は、偏光変換素子２と、この偏光変換素子２を保持する保持部材３とを備える。保持部材３は平面矩形状の例えば合成樹脂製の板材である。
偏光変換素子２は交互に配置される偏光分離素子２１及び反射素子２２を備え、これらの偏光分離素子２１及び反射素子２２のそれぞれの一端部は、保持部材３の凹部（図示せず）に嵌合されている。
偏光分離素子２１及び反射素子２２は、図１中、保持部材３の中心を挟んで左右に複数枚、例えば、２枚ずつ配置され、このうち、中心に対して左側に配置された偏光分離素子２１及び反射素子２２と右側に配置された偏光分離素子２１及び反射素子２２とは、前記中心に対して対称関係に配置されている。
【００２６】
偏光分離素子２１は、その入射側主表面及び出射側主表面が入射光ＩＬに対して所定角度、本実施形態では、４５ｄｅｇをなすように配置された透光性基板２１Ａと、この透光性基板２１Ａの入射側表面に、入射光ＩＬを、互いに直交する第１の直線偏光であるＰ偏光Ｐと第２の直線偏光であるＳ偏光Ｓとに分離して、Ｐ偏光Ｐを透過させ、Ｓ偏光Ｓを反射する偏光分離部２１Ｂの表面と、この偏光分離部２１Ｂが配置された透光性基板２１Ａの入射光ＩＬが入射する側の主面とは反対側の主面（出射側の主面）にそれぞれ設けられた反射防止部２１Ｃとを有する。
透光性基板２１Ａは、複屈折性と旋光性を有する水晶から平面矩形の板状に形成されている。
偏光分離部２１Ｂは、例えば、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）よりなる低屈折率層と、例えば酸化アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）よりなる高屈折率層とが所定の順序及び光学膜厚で形成され、光学的に面内均一とされた誘電体多層膜から構成される。
反射防止部２１Ｃは、例えば、二酸化ケイ素と、酸化チタンとを交互に順次積層してなる誘電体多層膜、等の物質を蒸着することで形成される。
【００２７】
反射素子２２は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなる反射素子用基板２３と、この反射素子用基板２３に所定間隔離して設けられた板状のミラー２４とを有する。反射素子用基板２３とミラー２４とは、互いに平行配置され、かつ、偏光分離素子２１とも平行に配置されている。このミラー２４は、水晶板２４Ａと、この水晶板２４Ａの反射素子用基板２３と対向する面に設けられた反射膜２４Ｂとを有する。反射膜２４Ｂは、例えば、二酸化ケイ素、酸化チタン等の物質を蒸着することで形成される多層膜で構成される。
反射素子用基板２３は、板厚がｍの１／４波長板２３Ａと、１／４波長板２３Ａの両面に設けられた反射防止部２３Ｂとを有する。反射防止部２３Ｂは偏光分離素子２１の反射防止部２２Ｂと同じ構造である。
１／４波長板２３Ａの原理について、図２から図４に基づいて説明する。
図２には１／４波長板２３Ａの概略が示され、図３には図２の原理を説明するためのポアンカレ球が示されている。なお、図２は、１／４波長板２３Ａの光路を説明するための概略と１／４波長板２３Ａの法線から見た概略とが示されている。
【００２８】
図２において、１／４波長板２３Ａの一方の主面２３ａから入射角αが４５degで入射したＳ偏光Ｓは、位相差＝９０ｄｅｇがついて右に回転する円偏光に変換されて１／４波長板２３Ａの他方の主面２３ｂから出射する。出射した右回りの円偏光は、反射ミラー２４Ｂで反射され、回転方向が逆の円偏光となって、再度、１／４波長板２３Ａの他方の主面２３ｂに入射する。回転方向が左回りの円偏光は位相差＝９０ｄｅｇがついてＰ偏光Ｐに変換されて、１／４波長板２３Ａの一方の主面２３ａから出射することとなる。なお、図２では、１／４波長板２３Ａの中を進む往路の光線Ｔ１に対する光学軸方位がθ１として示され、１／４波長板２３Ａの中を進む復路の光線Ｔ１に対する光学軸方位がθ’１として示されている。１／４波長板２３Ａの主面に直交する法線ＰＬと結晶光学軸ＰＯとのなす角度が切断角度qであり、本実施形態では、切断角度ｑは９０degである。
【００２９】
以上の光学作用の原理を図３のポアンカレ球を用いて説明する。図３では、１／４波長板の主面に対する法線に沿って光線が入射される場合である。
図３において、まず、Ｓ１軸を２θ１だけ赤道上を回して往路の回転軸はＲ１軸となる。本実施形態に係る１／４波長板２３Ａでは、光学軸方位θ１が４５degであり（θ１＝４５deg）、ポアンカレ球上の光学軸Ｒ１（往路）の位置は、赤道上のＳ１軸から２θ１＝９０degのところに位置する。１／４波長板２３Ａに入射したＳ偏光Ｓは、位相差＝９０ｄｅｇがついて右回りの円偏光となる。即ち、図３で示すように、先ず往路において、Ｓ１軸の点Ｐ１から入射した直線偏光（Ｓ偏光Ｓ）は、Ｒ１軸を回転軸として位相差＝９０degだけ回転させると、点Ｐ１からポアンカレ球の北極である点Ｐ２に移動する。そして、円偏光の光線Ｒ１がミラー２４で反射されると、前記円偏光の回転方向が逆転する。したがって、復路では、回転が逆転した円偏光の光となるので、点Ｐ２は、ポアンカレ球の南極である点Ｐ３に変換され、光学軸方位θ１’は、
θ１’＝１８０ｄｅｇ−θ１＝１８０−４５＝１３５ｄｅｇ
になるから、
２θ１’＝２×１３５＝２７０ｄｅｇ
となる。
復路における光学軸Ｒ２は、光学軸方位θ’１が１３５degであり（θ’１＝１３５deg）、ポアンカレ球上の光学軸の位置は、赤道上のＳ１軸から２θ１＝２７０degのところに位置し、Ｒ２で示すことができる。
図３で示すように、Ｒ２軸を回転軸として位相差＝９０degだけ回転させると、南極である点Ｐ３から点Ｐ４へ至る軌跡を辿り、１／４波長板２３Ａから出射される光はＰ偏光Ｐとなる。
【００３０】
ここで、本実施形態では、１／４波長板２３Ａの法線ＰＬと内部を進む光線の方向とが一致していないので、実際の光学軸方位θ０は４５degではない。
図４は１／４波長板の光学軸方位を説明するための図である。
図４において、１／４波長板２３Ａの法線から見た光学軸方位をθ０とし、１／４波長板２３Ａの中を進む光線Ｑ１に対する光学軸方位をθ１とし、結晶光学軸ＰＯの法線ＰＬと光線Ｑ１とのなす角度をθ２とすると、これらの角度には次の関係がなりたつ。
θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２） （Ａ１）
また、１／４波長板２３Ａの屈折率をｎｃ、１／４波長板２３Ａと隣接する層を空気層とし、この空気の屈折率をｎａとすると、１／４波長板２３Ａでの屈折角はθ２であるから、スネルの方式により、次の関係がなりたつ。
ｎａsinα＝ｎｃsinθ２ （Ａ２）
本実施形態では、１／４波長板２３Ａの材料である水晶の屈折率ｎｃは１．５４であり、空気の屈折率ｎｃは１．００であり、入射角αは４５degであるので、式（Ａ２）から、θ２は２７．２degとなる。
さらに、θ２は２７．２degであり、θ１は４５degであるため、式（Ａ１）からθ０は４１．７degとなる。さらに、本実施形態では、１／４波長板２３Ａの板厚ｍを０．０１４ｍｍとし、波長を５２０ｎｍとし、位相差は８０degとして設計した。
【００３１】
本実施形態では、１／４波長板２３Ａが単板であるＡタイプの場合であり、１／４波長板２３Ａへの入射角度は４５（ｄｅｇ）を中心とし、当該中心から±１０（ｄｅｇ）度の範囲の角度で傾いた場合、５（ｄｅｇ）ステップで入射角度を変化させたときの偏光変換効率をシミュレーションにより分析し、所定の波長帯域の偏光変換効率を当該波長帯域で平均化したとき、その平均した偏光変換効率における透過損失を平均で評価した。即ち、本実施形態に係る偏光変換素子を投射型映像装置に搭載したときの透過特性を、
Ｍ：500〜600nm帯域では、透過損失を10％以内、
Ｎ：400〜700nm帯域では、透過損失を20％以内
という規格に設定し、これらの２つのＭ，Ｎの規格を満足するように設計条件を設定する。
Ａタイプでは、次の条件（Ａ）を満たすことが条件とされる。
条件（Ａ）：設計波長をλ、１／４波長板２３Ａの板厚をｔｏ、１／４波長板２３Ａを構成する無機結晶材料の切断角度をＺとしたとき、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、式(1)(2)(3)(4)を満足する。
λ ≦-0.1186×Ｚ２ + 20.288×Ｚ- 226.56 ・・・(1)
λ ≧ 0.1089×Ｚ２ - 18.802×Ｚ+ 1265.4 ・・・(2)
ｔｏ ≦ 3E-06×Ｚ２ - 0.0003×Ｚ+ 0.0209 ・・・(3)
ｔｏ ≧ 9E-06×Ｚ２ - 0.0013×Ｚ+ 0.0626 ・・・(4)
式(1)(2)は設計波長λと切断角度Ｚとの関係を示すものであり、このうち、式(1)は上限の関係式であり、式(2)は下限の関係式である。また、式(3)(4)は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すものであり、このうち、式(3)は上限の関係式であり、式(4)は下限の関係式である。
表２は偏光変換効率をシミュレーションにより分析した結果であり、切断角度Ｚと設計波長λとの関係と切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が示されている。切断角度Ｚと設計波長λとの関係が図５（Ａ）にも示され、切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が図５（Ｂ）にも示されている。
【００３２】
【表２】
【００３３】
表２及び図５（Ａ）（Ｂ）から、透過特性を満足させるための設計波長λと切断角度Ｚの範囲は、
４５５≦λ≦６４０（ｎｍ）
６５≦Ｚ≦１１０（ｄｅｇ）
である。
設計波長λと切断角度Ｚの関係が、上限の関係式である式(3)と、下限の関係式である式(4)とを満足するように設計すれば、例えば、図６に示される通り、前述の透過特性（透過損失）の規格Ｍ，Ｎを満足させることができる。
【００３４】
図６には、以上の通り、設計された１／４波長板２３Ａの偏光変換効率が示されている。図６では、横軸に波長が示され、縦軸に偏光変換効率が示されており、入射角αを３５deg、４０deg、４５deg、５０deg、５５degとしてＳ偏光Ｓを１／４波長板２３Ａに入射させ、１／４波長板２３Ａから出射されたＰ偏光Ｐの偏光変換効率が示されている。これらの入射角αにおいて、偏光変換効率に大きな相違がなく、図６では、太く図示した曲線Ｌに３５degから５５degまでの入射角αでのデータが含まれる。
図６で示される通り、偏光変換効率は波長が４００ｎｍから７００ｎｍまで０．７以上という値を示し、特に、波長が４５０ｎｍから６５０ｎｍまでは０．９以上という高い値を示す。
【００３５】
透光性基板２１Ａの概略構成が図７に示されている。図７（Ａ）は端面からみた透光性基板２１Ａの概略図であり、図７（Ｂ）は透光性基板２１Ａの一部を示す正面図である。
図７（Ａ）において、透光性基板２１Ａは、その板厚がｙoであり、入射光ＩＬが入射され、出射光ＯＬとして透過される。入射光ＩＬは発散角＋αから−αの範囲で入射される。入射光ＩＬに対応して出射光ＯＬも発散角＋αから−αの範囲で出射される。
透光性基板２１Ａの主面に直交する法線ＰＬと結晶光学軸ＰＯとのなす角度が切断角度qである。
透光性基板２１Ａの結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とのなす角が交差角ｘである。
【００３６】
偏光分離素子２１の透光性基板２１Ａは、複屈折性と旋光性を有する水晶板であるため、入射光ＩＬに対する出射光ＯＬの偏光変換効率が高くなるように設計する必要がある。
その設計に至った経緯について、図８及び図９に基づいて説明する。図８は、水晶の波長板における光学軸方位、板厚、切断角度の関係を示すもので、（Ａ）は端面図、（Ｂ）は斜視図である。
一般に、水晶からなる波長板を設計するためのパラメータとして、光学軸方位θ、切断角度qで設定される旋光能、板厚ｙoで設定される位相差Γがある。ここで、ポアンカレ球で定義される
図７に示される通り、本発明者らは、結晶光学軸ＰＯを設定して、直線複屈折性による位相差Γの生じない結晶板の構成を検討し、さらに、円複屈折性による位相差２ρ、所謂、旋光性による偏光の回転をも抑圧した光学素子を偏光変換素子に応用することを検討した。
入射光ＩＬの光軸に垂直な平面に結晶板の結晶光学軸ＰＯを投影した投影光学軸と、Ｐ偏光Ｐの偏波面とのなす角を方位角θとしたとき、θ＝０（ｄｅｇ）となるように水晶板を配置すると、直線複屈折位相差Γは０となる。
方位角θを０（ｄｅｇ）に固定し、旋光能に対応する２ｑよる位相差Γ’（板厚ｙoに対応）へ影響度をシミュレーションと実験と繰り返し評価、検証を行った。
図９には、偏光状態を説明するためのポアンカレ球の概略構成が示されている。
図９において、まず、Ｓ１軸上であって赤道上に直線偏光Ｐ１の偏光の位置を設定する。Ｓ１軸を２θだけ赤道上を回してＲ１軸とし、このＲ１軸を切断角度２ｑだけ起こしてＲ２軸とし、このＲ２軸を位相差Γに対応した角度だけ回転させてＰ１がＰ２となる。このＰ２を所望の偏光状態になるように、光学軸方位θ、切断角度ｑ、位相差Γを調整する。
【００３７】
本実施形態では、切断角度qを、透光性基板２１Ａの主面に対する法線ＰＬと結晶光学軸ＰＯとのなす角度と定義する。
各切断角度により切り出された透光性基板（水晶板）毎に、入射光ＩＬ（Ｐ偏光）に作用するΓ’の値を評価した。
【００３８】
【数１】
【００３９】
入射光ＩＬは、透光性基板２１Ａへ入射すると、屈折して透光性基板２１Ａの中を進行する。そして、透光性基板２１Ａから出射するとき入射光ＩＬの光軸と平行な方向に屈折した出射光となって出射することとなる。ここで、図１０に示される通り、入射光ＩＬが透光性基板２１Ａへ入射したときに屈折角度φで屈折することになる。
本願発明者らは、入射光が透光性基板２１Ａへ入射したときに屈折する屈折角度φが、実際の透光性基板２１Ａの中を進行する光の光軸と結晶光学軸ＰＯとのなす角度βを決定し、βに応じて、旋光能２ｑが変化することに着目して実験、評価を行った。
【００４０】
切断角度ｑと透光性基板２１Ａの透過特性との関係を説明する。
図１１は切断角度ｑが０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図１２は、その場合の透過特性としての０度方向強度を示すグラフである。図１２では、入射光ＩＬの入射角が０ｄｅｇとされている。透光性基板２１Ａは、その主面が入射角に対して４５ｄｅｇ傾けて配置されているため、透光性基板２１Ａの主面に直交する法線は１３５ｄｅｇである。一方、結晶光学軸ＰＯは図１１から明らかなように、１３５ｄｅｇとされている。そのため、図１１では、切断角度qは０ｄｅｇである。
図１２において、発散角αが−１０ｄｅｇの場合を−１０、発散角αが−５ｄｅｇの場合をα−５、発散角αが０ｄｅｇの場合をα０、発散角αが＋５ｄｅｇの場合をα＋５、発散角αが＋１０ｄｅｇの場合をα＋１０として表示する。図１２に対応する他の図でも同じである。
図１２において、α０、α＋５、α＋１０では、０度方向強度（透過特性）が０．９以上と高いが、α−１０、α−５では、波長によっては０度方向強度が０．８未満の場合もある。
【００４１】
図１３は、切断角度ｑが−１０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図１４は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図１４では、α−５、α０、α＋５、α−１０では、０度方向強度（透過特性）が０．９以上と高いが、α＋１０では、波長によっては０度方向強度が０．８未満の場合もある。
図１５は切断角度ｑが３０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図１６は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図１６では、α＋１０では、０度方向強度（透過特性）が０．９以上と高いが、α−５、α０、α＋５、α−１０では、波長によっては０度方向強度が０．８未満の場合もある。
【００４２】
図１７は切断角度ｑが４５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図１８は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図１８では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．９以上と高いものであった。
図１９は切断角度qが６０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図２０は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図２０では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
図２１は切断角度qが７５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図２２は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図２２では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
【００４３】
図２３は切断角度qが９０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図２４は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図２４では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
図２５は切断角度ｑが−７５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図２６は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図２６では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
図２７は切断角度qが−６０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図２８は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図２８では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
【００４４】
図２９は切断角度qが−４５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図３０は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図３０では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
図３１は切断角度qが−３０ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図３２は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図３２では、α―１０、α−５、α０、α＋５、α＋１０の全てで０度方向強度が０．８未満の場合があった。
図３３は切断角度qが−１５ｄｅｇの場合の透光性基板の模式図であり、図３４は、その場合の０度方向強度を示すグラフである。
図３４では、α―１０、α−５、α＋５、α＋１０で０度方向強度が０．８未満の場合があった。
【００４５】
以上の関係から交差角ｘと許容される板厚ｙoの最大値ｙとの関係を求める。交差角ｘと許容される板厚ｙoの最大値ｙとの関係が図３５に示されている。ここで、許容される板厚ｙoの最大値ｙは、全発散光（αが±１０ｄｅｇ）の範囲において偏光変換効率（０度方向強度）が０．８以上となる板厚である。
そして、透光性基板２１Ａの結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸との交点に、結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とを含む平面に垂直な方向にたてた軸を中心軸とし、結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とを含む平面に垂直な方向から見て、中心軸の反時計周りの方向を正（プラス）とすると、交差角ｘは、−９０（ｄｅｇ）≦ｘ≦＋９０（ｄｅｇ）である。
図３５において、交差角ｘが
−９０ｄｅｇ＜ｘ≦−８０ｄｅｇの場合（エリアＱ１）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙoの最大値ｙは、
ｙ＝−０．００５８ｘ２−０．９６７２ｘ−３８．８５８（ｍｍ）……（１）
で求められる。
ここで、交差角ｘが−９０ｄｅｇでは、ｙは０．８６５３ｍｍであり、交差角ｘが−８０ｄｅｇでは、ｙは１．１２５７ｍｍであるから、エリアＱ１の範囲では、
０．８６５３ｍｍ＜ｙ≦１．１２５７ｍｍ である。
なお、図３６（Ａ）には、交差角ｘが−９０ｄｅｇの状態が示されている。
【００４６】
交差角ｘが
−８０ｄｅｇ＜ｘ≦−５５ｄｅｇの場合（エリアＱ２）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙoの最大値ｙは、
ｙ＝２×１０−６ｘ５＋０．０００８ｘ４＋０．１１４５ｘ３
＋７．９７３８ｘ２＋２７６．９２ｘ＋３８４２．１（ｍｍ）……（２）
で求められる。
ここで、交差角ｘが−８０ｄｅｇでは、ｙは１．１２５７ｍｍであり、交差角ｘが−５５ｄｅｇでは、ｙは３．８５０６ｍｍであるから、エリアＱ２の範囲では、
１．１２５７ｍｍ＜ｙ≦３．８５０６ｍｍ である。
交差角ｘが
−５５ｄｅｇ＜ｘ≦−３５ｄｅｇの場合（エリアＱ３）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙoの最大値ｙは、
３．７（ｍｍ）≦ｙである。つまり、板厚ｙoの許容される最大値ｙは３．７ｍｍ以上であるならば、フリーである。
なお、図３６（Ｂ）には、交差角ｘが−４５ｄｅｇの状態が示されている。
【００４７】
交差角ｘが
−３５ｄｅｇ＜ｘ≦−１５ｄｅｇの場合（エリアＱ４）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙoの最大値ｙは、
ｙ＝−４×１０−５ｘ４−０．００４５ｘ３−０．１８２８ｘ２
−３．１８３１ｘ−１８．４４９ ……（３）
で求められる。
ここで、交差角ｘが−３５ｄｅｇでは、ｙは３．７０３０ｍｍであり、交差角ｘが−１５ｄｅｇでは、ｙは１．２９９９ｍｍであるから、エリアＱ４の範囲では、
３．７０３０ｍｍ＜ｙ≦１．２９９９ｍｍ である。
交差角ｘが
−１５ｄｅｇ＜ｘ≦＋５ｄｅｇの場合（エリアＱ５）では、透光性基板２１Ａの板厚ｙoの最大値ｙは、
ｙ＝９×１０−０６ｘ４＋０．０００２ｘ３＋０．００７１ｘ２
＋０．１７８６ｘ＋２．４６０７ ……（４）
で求められる。
ここで、交差角ｘが−１５ｄｅｇでは、ｙは１．２９９９ｍｍであり、交差角ｘが＋５ｄｅｇでは、ｙは３．５５５４ｍｍであるから、エリアＱ６の範囲では、１．２９９９ｍｍ＜ｙ≦３．５５５４ｍｍ である。
なお、図３６（Ｃ）には、交差角ｘが０ｄｅｇの状態が示されている。
交差角ｘが
＋５ｄｅｇ＜ｘ≦＋１０ｄｅｇの場合（エリアＱ６）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙは
ｙ＝−０．５５９７ｘ＋６．３５４１ ……（５）
で求められる。
ここで、交差角ｘが＋５ｄｅｇでは、ｙは３．５５５４ｍｍであり、交差角ｘが＋１０ｄｅｇでは、ｙは０．７５６６ｍｍであるから、エリアＱ６の範囲では、０．７５６６ｍｍ≦ｙ＜３．５５５４ｍｍである。
【００４８】
交差角ｘが
＋１０ｄｅｇ＜ｘ≦＋３０ｄｅｇの場合（エリアＱ７）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙは
ｙ＝１×１０−５ｘ４−０．０００８ｘ３−０．０２２４ｘ２−０．２８３３ｘ
＋２．０２７６ ……（６）
で求められる。
ここで、交差角ｘが＋１０ｄｅｇでは、ｙは０．７５６６ｍｍであり、交差角ｘが＋３０ｅｇでは、ｙは０．７０１６ｍｍであるから、エリアＱ７の範囲では、０．７０１６ｍｍ≦ｙ＜０．７５６６ｍｍである。
交差角ｘが
＋３０ｄｅｇ＜ｘ≦＋３５ｄｅｇの場合（エリアＱ８）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙは
ｙ＝０．３８７８ｘ−１０．９３１ ……（７）
で求められる。
ここで、交差角ｘが＋３０ｄｅｇでは、ｙは０．７０１６ｍｍであり、交差角ｘが＋３５ｄｅｇでは、ｙは２．６４０４ｍｍであるから、エリアＱ８の範囲では、０．７０１６ｍｍ≦ｙ＜２．６４０４ｍｍである。
【００４９】
交差角ｘが
＋３５ｄｅｇ＜ｘ≦＋７５ｄｅｇの場合（エリアＱ９）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙは
ｙ＝５×１０−９ｘ６−２×１０−６ｘ５＋０．０００２ｘ４−０．０１７６ｘ３
＋０．７４４１ｘ２−１６．９７２ｘ＋１６５．７２ ……（８）
で求められる。
ここで、＋３５ｄｅｇでは、ｙは２．６４０４ｍｍであり、交差角ｘが＋７０ｄｅｇでは、ｙは０．６９０６ｍｍであり、＋７５ｄｅｇでは、ｙは０．９５２０ｍｍであるから、エリアＱ９の範囲では０．６９０６ｍｍ≦ｙ≦２．６４０４ｍｍである。
交差角ｘが
＋７５ｄｅｇ＜ｘ＜＋９０ｄｅｇの場合（エリアＱ１０）では、
透光性基板２１Ａの板厚ｙは
ｙ＝９×１０−５ｘ３−０．０２１５ｘ２＋１．６７６１ｘ−４２．１７６……（９）
で求められる。
ここで、交差角ｘが＋７５ｄｅｇでは、ｙは０．９５２０ｍｍであり、交差角ｘが＋８５ｄｅｇでは、ｙは０．８２８４ｍｍであり、交差角ｘが＋９０ｄｅｇでは、ｙは０．８６５３ｍｍであるから、エリアＱ１０の範囲では、０．８２８４ｍｍ≦ｙ≦０．９５２０ｍｍである。
【００５０】
以上の構成の第１実施形態では、次の作用効果を奏することができる。
（１）偏光変換素子２は、偏光分離素子２１と反射素子２２とを備え、偏光分離素子２１は入射光ＩＬに対して所定角度をなすように配置された透光性基板２１Ａと、この透光性基板２１Ａの入射側表面に、入射光をＰ偏光ＰとＳ偏光Ｓとに分離して、Ｐ偏光Ｐを透過させ、Ｓ偏光Ｓを反射する偏光分離部２１Ｂとを備え、反射素子２２は、透光性基板２１Ａと略平行かつ間に空気層を介して配置され、偏光分離部２１Ｂで反射されたＳ偏光Ｓを、偏光分離部２１Ｂを透過したＰ偏光Ｐの光路と略平行な方向に反射するものである。反射素子２２は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなる反射素子用基板２３と、この反射素子用基板２３に設けられたミラー２４とを有し、反射素子用基板２３は、入射したＳ偏光Ｓが右に回転する円偏光の光線Ｒ１に変換され、この光線Ｒ１がミラー２４で左に回転する円偏光の光線Ｒ２として反射されてＰ偏光Ｐとして出射させる１／４波長板２３Ａを有する。従って、偏光分離部２１Ｂが透光性基板２１Ａに設けられて構成された偏光分離素子２１と、反射素子用基板２３にミラー２４が設けられた反射素子２２とから偏光変換素子２が構成されているので、これらの間に設けられたガラス等の透明部材が不要とされ、軽量かつ構造がコンパクトになる。しかも、反射素子用基板２３として、熱伝導率がガラスより高い結晶材料を用いており、反射素子２２と偏光分離素子２１との間には空気層が形成されているので、従来に比べて放熱効果が高く、耐熱性や長寿命化を図ることができる。そして、反射素子用基板２３として１／４波長板２３Ａを用いているので、入射したＳ偏光Ｓが右に回転する円偏光に変換され、この円偏光がミラー２４で左に回転する円偏光として反射された後、P偏光Pとして出射するため、偏光分離部２１Bで透過されるP偏光Pと揃えられることになって偏光状態の変化をなくすことができる。
【００５１】
（２）１／４波長板２３Ａを１つの反射素子２２に対して１枚とし、１／４波長板２３Ａの法線ＰＬから見た光学軸方位をθ０とし、１／４波長板２３Ａの中を進む光線Ｒ１に対する光学軸方位をθ１とし、この光線Ｒ１と結晶光学軸ＰＯの法線ＰＬとのなす角度をθ２とし、１／４波長板２３Ａの屈折率をｎｃ、１／４波長板２３Ａと隣接する空気層の屈折率をｎａとすると、光学軸方位θ０を、「θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２）（Ａ１）」「ｎａsinα＝ｎｃsinθ２（Ａ２）」の式から求めたから、１／４波長板２３Ａが１つの反射素子２２あたり１枚からなる場合において、変換効率の良好な偏光変換素子２を簡易に提供することができる。
【００５２】
（３）反射素子２２のミラー２４の一部を構成する板材がガラスではなく水晶板２４Ａであるため、この点からも、放熱効果が高くなり、耐熱性や長寿命化を一層図ることができる。
（４）透光性基板２１Ａとして結晶材料を用いているため、この結晶材料がガラスに比べて放熱効果が高いので、耐熱性や長寿命化を図ることができる。
（５）透光性基板２１Ａとして、複屈折性と旋光性を有する結晶材料を用いているため、偏光状態が変化して偏光変換効率が低下するという恐れがあるが、偏光分離部２１Ｂを透過し透光性基板２１Ａに入射したＰ偏光Ｐをこの偏波面を維持したまま透光性基板２１Ａの出射側表面から出射する構成としたので、偏光状態の変化をなくすことができ、光学特性を良好なものにできる。
【００５３】
（６）透光性基板２１Ａを、入射光ＩＬに対して略４５（ｄｅｇ）あるいは１３５（ｄｅｇ）として配置したから、偏光分離素子２１の偏光分離部２１ＢによってＳ偏光Ｓを入射光に対して略直角に反射素子２２に向けて反射させることができるので、反射素子２２で反射される光Ｓ偏光ＳをＰ偏光Ｐと略平行にすることができる。そのため、反射素子２２の反射光と偏光分離素子２１の透過光とを容易に揃えることができるので、偏光変換素子２を容易に組み立てることができる。
【００５４】
（７）透光性基板２１Ａは水晶から形成されるので、水晶がサファイヤ等の他の結晶材料に比べて安価に入手できるから、偏光変換素子２を安価に提供することができる。
（８）入射光ＩＬの光軸に垂直な平面に透光性基板２１Ａの結晶光学軸ＰＯを投影した投影光学軸とＰ偏光Ｐの偏波面とのなす角を方位角θとしたとき、θ＝０（ｄｅｇ）としたから、複屈折性による位相差Γの生じない（Γ＝０）という条件で、偏光変換効率が高い透光性基板２１Ａを容易に設定することができる。
【００５５】
（９）透光性基板２１Ａの結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とのなす角を交差角ｘとし、透光性基板２１Ａの結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸との交点に、結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とを含む平面に垂直な方向にたてた軸を中心軸とし、結晶光学軸ＰＯと入射光ＩＬの光軸とを含む平面に垂直な方向から見て、中心軸の反時計周りの方向を正としたとき、交差角ｘを、−９０（ｄｅｇ）≦ｘ≦＋９０（ｄｅｇ）を満足するように設定した。そのため、偏光分離部２１Ｂを透過し透光性基板２１Ａに入射したＰ偏光Ｐを確実にその偏波面を維持したまま透光性基板２１Ａの出射側表面から出射させることができる。
【００５６】
（１０）交差角ｘと透光性基板２１Ａの板厚ｙｏの最大値ｙとを、複数のエリア毎に近似式から求めた。つまり、「−９０（ｄｅｇ）≦ｘ≦−８０（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝−０．００５８ｘ２−０．９６７２ｘ−３８．８５８（ｍｍ）」を満足するようにし、「−８０（ｄｅｇ）＜ｘ≦−５５（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝２×１０−６ｘ５＋０．０００８ｘ４＋０．１１４５ｘ３＋７．９７３８ｘ２＋２７６．９２ｘ＋３８４２．１（ｍｍ）」を満足するようにし、「−３５（ｄｅｇ）＜ｘ≦−１５（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝−４×１０−５ｘ４−０．００４５ｘ３−０．１８２８ｘ２−３．１８３１ｘ−１８．４４９（ｍｍ）」を満足するようにし、「−１５（ｄｅｇ）＜ｘ≦＋５（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝９×１０−６ｘ４＋０．０００２ｘ３＋０．００７１ｘ２＋０．１７８６ｘ＋２．４６０７（ｍｍ）」を満足するようにし、「＋５（ｄｅｇ）＜ｘ≦＋１０（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝−０．５５９７ｘ＋６．３５４１（ｍｍ）」を満足するようにし、「＋１０（ｄｅｇ）＜ｘ≦＋３０（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝１×１０−５ｘ４−０．０００８ｘ３−０．０２２４ｘ２−０．２８３３ｘ＋２．０２７６ （ｍｍ）」を満足するようにし、「＋３０（ｄｅｇ）＜ｘ≦＋３５（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝０．３８７８ｘ−１０．９３１（ｍｍ）」を満足するようにし、「＋３５（ｄｅｇ）＜ｘ≦＋７５（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝５×１０−９ｘ６−２×１０−６ｘ５＋０．０００２ｘ４−０．０１７６ｘ３＋０．７４４１ｘ２−１６．９７２ｘ＋１６５．７２（ｍｍ）」を満足するようにし、「＋７５（ｄｅｇ）＜ｘ＜＋９０（ｄｅｇ）」の場合に、「ｙ＝９×１０−５ｘ３−０．０２１５ｘ２＋１．６７６１ｘ−４２．１７６（ｍｍ）」を満足するようにした。従って、エリア毎に適正な板厚ｙｏの最大値ｙを求めることができるので、高い偏光変換効率を得ることで、光学特性を良好なものにできる。
【００５７】
（１１）交差角ｘを、−５５（ｄｅｇ）＜ｘ≦−３５（ｄｅｇ）を満足するように、特に、−４５（ｄｅｇ）に近づくように設定することで、板厚ｙｏの最大値ｙにかかわらず、良好な偏光変換効率を得ることができる。
（１２）偏光分離部２１Ｂは誘電体多層膜で構成されるから、簡単に偏光分離素子２１を製造することができる。
【００５８】
（１３）単板からなる１／４波長板２３Ａとして、複屈折性と旋光性を有する無機結晶材料を用いているため、偏光状態が変化して偏光変換効率が低下するという恐れがあるが、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、λ ≦-0.1186×Ｚ２ + 20.288×Ｚ- 226.56 ・・・(1)、λ ≧ 0.1089×Ｚ２ - 18.802×Ｚ+ 1265.4 ・・・(2)、ｔｏ ≦ 3E-06×Ｚ２ - 0.0003×Ｚ+ 0.0209 ・・・(3)、ｔｏ ≧ 9E-06×Ｚ２ - 0.0013×Ｚ+ 0.0626 ・・・(4)の関係を満足するように設定したから、偏光状態の変化をなくすことができ、光学特性を良好なものにできる。
【００５９】
次に、本発明の第２実施形態を図３７から図４１に基づいて説明する。
第２実施形態は１つの反射素子２２あたりの１／４波長板２３Ａの数を２枚にした点に特徴があり、他の構成は第１実施形態と同じである。
図３７には本発明の第２実施形態にかかる偏光変換素子の概略が示されている。
図３７において、１つの反射素子２２において、反射素子用基板２３は、積層１／４波長板２３Ａと、この１／４積層波長板２３Ａの偏光分離部２１Ｂに対向する側に設けられた反射膜（図示せず）とを備えている。積層１／４波長板２３Ａは、それぞれ水晶からなる第１位相差板２３１と第２位相差板２３２との２枚の位相差板から構成され、第１位相差板２３１には図示しない反射膜が設けられている。本実施形態では、ミラー２４は第２位相差板２３２に直接形成された反射膜２４Ｂである。
【００６０】
１／４積層波長板２３Ａとして、図３８に示される、通称Ｄタイプ、つまり、それぞれ水晶からなる第１の無機結晶材料２３１と第２の無機結晶材料２３２とを貼り合わせてなる積層位相差板や、図３９に示される、通称、ＷＢ１タイプ、第１の無機結晶材料２３１と第２の無機結晶材料２３２とを貼り合わせてなる広域帯の位相差板がある。
図３８に示されるＤタイプは、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２との結晶光学軸ＰＯ１，ＰＯ２が互いに交差するように貼り合わされ、第１位相差板２３１の位相差をΓ１＝３６０°＋γ＋ｎ×３６０°（但し、−９０°≦γ≦＋９０°、ｎ：非負整数）、第２位相差板２３２の位相差をΓ２＝Γ１−９０°又は２７０°とし、かつ、第１位相差板２３１の結晶光学軸ＰＯ１の方位角をθ０１＝４５°＋ｋ１、第２位相差板２３２の結晶光学軸ＰＯ２の方位角をθ０２＝１３５°＋ｋ２として、出射光の偏光状態が所望の楕円率を満足するように、第１位相差板２３１の位相差の許容偏差γ、第１位相差板２３１及び第２位相差板２３２の光学軸の方位の許容偏差ｋ１、ｋ２を決定する構成（例えば、特開２０１０−１０７９１２公報）である。
【００６１】
図３８で示される通称Ｄタイプの例は、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２の材料である水晶の屈折率ｎｃ１，ｎｃ２は１．５４であり、空気の屈折率ｎａは１．００であり、入射角αは４５degであるので、式（Ａ１２）式（Ａ２１）から、θ０１は４１．７degとなり、θ０２は１３８．３degとなる。さらに、例１では、第１位相差板２３１の板厚ｍ１を０．０５５ｍｍとし、波長を５２０ｎｍとし、位相差を３１０degとして設計し、第２位相差板２３２の板厚ｍ２を０．０４１ｍｍとし、波長を５２０ｎｍとし、位相差を２３０degとして設計した。
図３９に示される通称ＷＢ１タイプの例は、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２とを結晶光学軸ＰＯ１，ＰＯ２が互いに交差するよう重ね合わせ、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２のそれぞれの位相差、光学軸方位、旋光能を所定の数式を満たす構成（例えば、特許第４５５３０５６号公報）である。
通称ＷＢ１タイプの例では、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２の材料である水晶の屈折率ｎｃ１，ｎｃ２は１．５４であり、空気の屈折率ｎａは１．００であり、入射角αは４５degであるので、式（Ａ１２）式（Ａ２１）から、θ０１は２０．２degとなり、θ０２は９０degとなる。さらに、例２では、第１位相差板２３１の板厚ｍ１を０．０３１ｍｍとし、波長を５２０ｎｍとし、位相差を１６０degとして設計し、第２位相差板２３２の板厚ｍ２を０．０１３ｍｍとし、波長を５２０ｎｍとし、位相差を８０degとして設計した。
【００６２】
これらの図３８と図３９で示される例では、第１位相差板２３１の光学軸方位θ０１と、第２位相差板２３２の光学軸方位θ０２とは次の式から求められる。
つまり、第１位相差板２３１の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１１とし、光線と結晶光学軸ＰＯ１の法線とのなす角度をθ２１とし、第１位相差板２３１の屈折率をｎｃ１、空気層の屈折率をｎａとすると、
第１位相差板２３１の光学軸方位θ０１は
θ０１＝ａtan（tanθ１１×cosθ２１） （Ａ１１）
ｎａsinα＝ｎｃ１sinθ２１ （Ａ２１）
の式から求められる。
同様に、第２位相差板２３２の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１２とし、光線と結晶光学軸ＰＯ２の法線とのなす角度をθ２２とし、第２位相差板２３１の屈折率をｎｃ２、第２位相差板２３１と隣接する第１位相差板２３１の屈折率をｎｃ１とすると、
第２位相差板２３２の光学軸方位θ０２は
θ０２＝ａtan（tanθ１２×cosθ２２） （Ａ１２）
ｎＣ１sinα＝ｎｃ２sinθ２２ （Ａ２２）
の式から求められる。
【００６３】
図３８で示される通称Ｄタイプの例では、１／４波長板２３Ａへの入射角度は４５（ｄｅｇ）を中心とし、当該中心から±１０（ｄｅｇ）度の範囲の角度で傾いた場合、５（ｄｅｇ）ステップで入射角度を変化させたときの偏光変換効率をシミュレーションにより分析し、所定の波長帯域の偏光変換効率を当該波長帯域で平均化したとき、その平均した偏光変換効率における透過損失を平均で評価した。即ち、本実施形態に係る偏光変換素子を投射型映像装置に搭載したときの透過特性を、
Ｍ：500〜600nm帯域では、透過損失を10％以内、
Ｎ：400〜700nm帯域では、透過損失を20％以内
という規格に設定し、これらの２つのＭ，Ｎの規格を満足するように設計条件を設定する。
Ｄタイプでは、次の条件（Ｂ）を満たすことが条件とされる。
条件（Ｂ）：設計波長をλ、１／４波長板２３Ａの板厚をｔｏ、１／４波長板２３Ａを構成する無機結晶材料の切断角度をＺとしたとき、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、式(5)(6)(7)(8)を満足する。
λ ≦-10.899×Ｚ２ + 1959.9×Ｚ- 87469 ・・・(5)
λ ≧ 6.4048×Ｚ２ - 1154.5×Ｚ+ 52476 ・・・(6)
ｔｏ ≦ -0.0142×Ｚ２ + 2.5613×Ｚ- 114.36 ・・・(7)
ｔｏ ≧ 0.0088×Ｚ２ - 1.594×Ｚ+ 72.352 ・・・(8)
ここで、前記板厚ｔｏは、前記第１の無機結晶材料２３１と前記第２の無機結晶材料２３２とを貼り合わせてなる位相差板の板厚で定義されている。即ち、前記第１の無機結晶材料２３１の板厚ｍ１と前記第２の無機結晶材料２３２の板厚ｍ２との合計の板厚となっている。
式(5)(6)は設計波長λと切断角度Ｚとの関係を示すものであり、このうち、式(5)は上限の関係式であり、式(6)は下限の関係式である。また、式(7)(8)は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すものであり、このうち、式(7)は上限の関係式であり、式(8)は下限の関係式である。
表３は偏光変換効率をシミュレーションにより分析した結果であり、切断角度Ｚと設計波長λとの関係と切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が示されている。切断角度Ｚと設計波長λとの関係が図４０（Ａ）にも示され、切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が図４０（Ｂ）にも示されている。
【００６４】
【表３】
【００６５】
表３及び図４０（Ａ）（Ｂ）から、透過特性を満足させるための設計波長λと切断角度Ｚの範囲は、
４５５≦λ≦６４０（ｎｍ）
８７≦Ｚ≦９３（ｄｅｇ）
である。
設計波長λと切断角度Ｚの関係が、上限の関係式である式(7)と、下限の関係式である式(8)とを満足するように設計すれば、前述の透過特性（透過損失）の規格Ｍ，Ｎを満足させることができる。
【００６６】
図３９で示される通称ＷＢ１タイプの例では、１／４波長板２３Ａへの入射角度は４５（ｄｅｇ）を中心とし、当該中心から±１０（ｄｅｇ）度の範囲の角度で傾いた場合、５（ｄｅｇ）ステップで入射角度を変化させたときの偏光変換効率をシミュレーションにより分析し、所定の波長帯域の偏光変換効率を当該波長帯域で平均化したとき、その平均した偏光変換効率における透過損失を平均で評価した。即ち、本実施形態に係る偏光変換素子を投射型映像装置に搭載したときの透過特性を、
Ｍ：500〜600nm帯域では、透過損失を10％以内、
Ｎ：400〜700nm帯域では、透過損失を20％以内
という規格に設定し、これらの２つのＭ，Ｎの規格を満足するように設計条件を設定する。
ＷＢ１タイプでは、次の条件（Ｃ）を満たすことが条件とされる。
条件（Ｃ）：設計波長をλ、１／４波長板２３Ａの板厚をｔｏ、１／４波長板２３Ａを構成する無機結晶材料の切断角度をＺとしたとき、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、式(9)(10)(11)(12)を満足する。
λ ≦-0.0488×Ｚ２ + 5.8238×Ｚ+ 552.71 ・・・(9)
λ ≧ 0.0149×Ｚ２ -0.281×Ｚ+ 290.79 ・・(10)
ｔｏ ≦ 2E-05×Ｚ２ - 0.0024×Ｚ+ 0.1453 ・・(11)
ｔｏ ≧ 1E-05×Ｚ２ - 0.0018×Ｚ+ 0.0824 ・・・(12)
ここで、前記板厚ｔｏは、前記第１の無機結晶材料２３１と前記第２の無機結晶材料２３２とを貼り合わせてなる位相差板の板厚で定義されている。即ち、前記第１の無機結晶材料２３１の板厚ｍ１と前記第２の無機結晶材料２３２の板厚ｍ２との合計の板厚となっている。
式(9)(10)は設計波長λと切断角度Ｚとの関係を示すものであり、このうち、式(9)は上限の関係式であり、式(10)は下限の関係式である。また、式(11)(12)は切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係を示すものであり、このうち、式(11)は上限の関係式であり、式(12)は下限の関係式である。
表４は偏光変換効率をシミュレーションにより分析した結果であり、切断角度Ｚと設計波長λとの関係と切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が示されている。切断角度Ｚと設計波長λとの関係が図４１（Ａ）にも示され、切断角度Ｚと板厚ｔｏとの関係が図４１（Ｂ）にも示されている。
【００６７】
【表４】
【００６８】
表４及び図４１（Ａ）（Ｂ）から、透過特性を満足させるための設計波長λと切断角度Ｚの範囲は、
３１５≦λ≦７２５（ｎｍ）
５０≦Ｚ≦１１０（ｄｅｇ）
である。
設計波長λと切断角度Ｚの関係が、上限の関係式である式(11)と、下限の関係式である式(12)とを満足するように設計すれば、前述の透過特性（透過損失）の規格Ｍ，Ｎを満足させることができる。
【００６９】
図４２には、以上の通り、通称Ｄタイプの例の積層１／４波長板２３Ａの偏光変換効率が示されている。図４２では、横軸に波長が示され、縦軸に偏光変換効率が示されており、入射角αを３５deg、４０deg、４５deg、５０deg、５５degとしてＳ偏光Ｓを積層１／４波長板２３Ａに入射させ、積層１／４波長板２３Ａから出射されたＰ偏光Ｐの偏光変換効率が示されている。これらの入射角αにおいて、偏光変換効率に大きな相違がなく、図４２では、太く図示した曲線Ｌに３５degから５５degまでの入射角αでのデータが含まれる。図４２で示される通り、偏光変換効率は波長が４００ｎｍから７００ｎｍまで０．７以上という値を示し、特に、波長が４５０ｎｍから６５０ｎｍまでは０．９以上という高い値を示す。
【００７０】
図４３には、以上の通り、通称ＷＢ１タイプの例の積層１／４波長板２３Ａの偏光変換効率が示されている。図４３では、横軸に波長が示され、縦軸に偏光変換効率が示されており、入射角αを３５deg、４０deg、４５deg、５０deg、５５degとしてＳ偏光Ｓを１／４波長板２３Ａに入射させ、１／４波長板２３Ａから出射されたＰ偏光Ｐの偏光変換効率が示されている。図４３において、符号Ｌ３５は入射角αが３５degの場合であり、Ｌ４０は入射角αが４０degの場合であり、Ｌ４５は入射角αが４５degの場合であり、Ｌ５０は入射角αが５０degの場合であり、Ｌ５５は入射角αが５５degの場合である。
図４３で示される通り、偏光変換効率は波長が４００ｎｍから７００ｎｍまで０．７以上という値を示し、特に、波長が４５０ｎｍから７００ｎｍまでは０．９以上という高い値を示す。
【００７１】
従って、第２実施形態では、第１実施形態の（１）（４）〜（１２）と同様の作用効果を奏する他、次の作用効果を奏することができる。
（１４）反射素子用基板２３を第１位相差板２３１と第２位相差板２３２との２枚組とし、法線ＰＬから見た第１位相差板２３１の光学軸方位をθ０１とし、第１位相差板２３１の中を進む光線Ｒ１に対する光学軸方位をθ１１とし、この光線Ｒ１と結晶光学軸ＰＯ１の法線とのなす角度をθ２１とし、第１位相差板２３１の屈折率をｎｃ１、空気層の屈折率をｎａとすると、第１位相差板２３１の光学軸方位θ０１を、θ０１＝ａtan（tanθ１１×cosθ２１）（Ａ１１）、ｎａsinα＝ｎｃ１sinθ２１（Ａ２１）の式から求める。そして、法線ＰＬから見た第２位相差板２３２の光学軸方位をθ０２とし、第２位相差板２３２の中を進む光線Ｒ１に対する光学軸方位をθ１２とし、この光線Ｒ２と結晶光学軸ＰＯ２の法線ＰＬとのなす角度をθ２２とし、第２位相差板２３２の屈折率をｎｃ２、第１位相差板２３１の屈折率をｎｃ１とすると、第２位相差板２３２の光学軸方位θ０２を、θ０２＝ａtan（tanθ１２×cosθ２２）（Ａ１２）、ｎＣ１sinα＝ｎｃ２sinθ２２（Ａ２２）の式から求める。そのため、反射素子用基板２３が２枚の位相差板２３１，２３２からなる場合において、変換効率の良好な偏光変換素子を簡易に提供することができる。
（１５）反射素子２２を第２位相差板２３２に直接設けられた反射膜２４Ｂから構成したから、水晶板２４Ａが不要となり、第１実施形態に比べて、偏光変換ユニットの軽量化を図ることができる。
【００７２】
（１６）通称Ｄタイプの積層型の１／４波長板２３Ａとして、複屈折性と旋光性を有する無機結晶材料を用いているため、偏光状態が変化して偏光変換効率が低下するという恐れがあるが、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、λ ≦-10.899×Ｚ２ + 1959.9×Ｚ- 87469 ・・・(5)、λ ≧ 6.4048×Ｚ２ - 1154.5×Ｚ+ 52476 ・・・(6)、ｔｏ ≦ -0.0142×Ｚ２ + 2.5613×Ｚ- 114.36 ・・・(7)、ｔｏ ≧ 0.0088×Ｚ２ - 1.594×Ｚ+ 72.352 ・・・(8)の関係を満足するように設定したから、偏光状態の変化をなくすことができ、光学特性を良好なものにできる。
（１７）通称ＷＢ１タイプの広帯域の１／４波長板２３Ａとして、複屈折性と旋光性を有する無機結晶材料を用いているため、偏光状態が変化して偏光変換効率が低下するという恐れがあるが、設計波長λ、切断角度Ｚ、板厚ｔｏの関係が、λ ≦-0.0488×Ｚ２ + 5.8238×Ｚ+ 552.71 ・・・(9)、λ ≧ 0.0149×Ｚ２ -0.281×Ｚ+ 290.79 ・・(10)、ｔｏ ≦ 2E-05×Ｚ２ - 0.0024×Ｚ+ 0.1453 ・・(11)、ｔｏ ≧ 1E-05×Ｚ２ - 0.0018×Ｚ+ 0.0824 ・・・(12)の関係を満足するように設定したから、偏光状態の変化をなくすことができ、光学特性を良好なものにできる。
【００７３】
次に、本発明の第３実施形態を図４４に基づいて説明する。
第３実施形態は反射素子の構造が第１実施形態と異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図４４には第３実施形態にかかる偏光変換素子の概略が示されている。
図４４において、第３実施形態では、１／４波長板２３Ａの両面に設けられた反射防止部２３Ｂのうち入射光が入射する面とは反対側の面に設けられた反射防止部２３Ｂに代えて反射膜２４Ｂを設けたものである。つまり、第３実施形態では、反射素子２２を１／４波長板２３Ａに直接設けられた反射膜２４Ｂから構成した。
従って、第３実施形態では、第１実施形態の（１）〜（１３）の効果と、第２実施形態の（１４）〜（１７）の効果とを奏することができる。
【００７４】
次に、本発明の第４実施形態を図４５から図４８に基づいて説明する。
第４実施形態は偏光変換ユニット４を投影型映像装置である液晶プロジェクター１００に設けた例であり、第３実施形態の偏光変換ユニット１とは保持部材５の構造が異なる。
図４５は液晶プロジェクターの概略構成を示す。
図４５において、液晶プロジェクター１００は、インテグレーター照明光学系１１０と、色分離光学系１２０と、リレー光学系１３０と、光源から射出された光を画像情報に応じて変調する光変調装置１４０と、光変調装置１４０で変調された光を拡大投射する投写光学装置１５０とを備える。
インテグレーター照明光学系１１０は、後述する３枚の透過型液晶パネル１４１Ｒ，１４１Ｇ，１４１Ｂの画像形成領域をほぼ均一に照明するための光学系であり、光源装置１１１と、第１レンズアレイ１１２と、偏光変換装置２００と、重畳レンズ１１３とを備える。
【００７５】
光源装置１１１は、光源ランプ１１４から射出された輻射状の光線をリフレクター１１５で反射して略平行光線とし、この略平行光線を外部へと射出する。
偏光変換装置２００は、第２レンズアレイ２１０と、遮光板２２０と、偏光変換ユニット４とを備える。
色分離光学系１２０は、２枚のダイクロイックミラー１２１，１２２と、反射ミラー１２３とを備え、ダイクロイックミラー１２１、１２２によりインテグレーター照明光学系１１０から射出された複数の光を赤、緑、青の３色の色光に分離する。ダイクロイックミラー１２１で分離された青色光は、反射ミラー１２３によって反射され、フィールドレンズ１４２を通って、青色用の透過型液晶パネル１４１Ｂに到達する。
ダイクロイックミラー１２１を透過した赤色光と緑色光のうちで、緑色光は、ダイクロイックミラー１２２によって反射され、フィールドレンズ１４２を通って、緑色用の透過型液晶パネル１４１Ｇに到達する。
リレー光学系１３０は、入射側レンズ１３１と、リレーレンズ１３３と、反射ミラー１３２、１３４とを備える。色分離光学系１２０で分離された赤色光は、ダイクロイックミラー１２２を透過して、リレー光学系１３０を通り、さらにフィールドレンズ１４２を通って、赤色光用の透過型液晶パネル１４１Ｒに到達する。
光変調装置１４０は、透過型液晶パネル１４１Ｒ，１４１Ｇ，１４１Ｂと、クロスダイクロイックプリズム１４３とを備える。このクロスダイクロイックプリズム１４３は、色光毎に変調された光学像を合成してカラーの光学像を形成するものである。
【００７６】
偏光変換ユニット４は、偏光変換素子２と、この偏光変換素子２を保持する保持部材５とを備える。
保持部材５の具体的な構造が図４６から図４８に示されている。
図４６は保持部材５の斜視図、図４７（Ａ）は保持部材５の平面図、図４７（Ｂ）は保持部材５の断面図である。
これらの図において、保持部材５は、偏光分離素子２１の両端部と反射素子２２の両端部とを、それぞれ保持する一対の保持板５１と、これらの一対の保持板５１の両端部をそれぞれ連結する一対の連結板５２とを有する構造である。これらの保持板５１及び連結板５２は合成樹脂から一体に平面矩形の枠状に形成されている。
一対の保持板５１の互いに対向する部分には、偏光分離素子２１と反射素子２２とをそれぞれ案内するガイド溝５１Ａが複数対形成されている。これらのガイド溝５１Ａは、その長手方向が入射光に対して４５ｄｅｇまたは１３５ｄｅｇとなるように形成されている。
【００７７】
なお、図４６及び図４７において、ガイド溝５１Ａは、偏光分離素子２１を収納するために４対が図示され、反射素子２２を収納するために２対が図示されているが、これは、ガイド溝５１Ａの構成をわかりやすく図示するために拡大図示したためであり、実際は、図４５に示される偏光変換素子２に合わせて、２枚の偏光分離素子２１を収納するために２対が設けられ、２枚の反射素子２２を収納するために２対が設けられる構造である。ただし、ガイド溝５１Ａの数は前述のものに限定されるものではなく、実際に設けられる偏光分離素子２１や反射素子２２の数に対応する。
【００７８】
図４８は保持部材５の一部の分解斜視図である。図４８において、ガイド溝５１Ａは、一端部が保持板５１の一側面に開口され、他端部が偏光分離素子２１や反射素子２２の端部が突き当たるように段差が形成されている。ガイド溝５１Ａは、その幅寸法が偏光分離素子２１や反射素子２２の幅寸法と同じあるいはやや大きく形成され、その長さ寸法が偏光分離素子２１や反射素子２２の長さ寸法と同じあるいはやや大きく形成されている。
【００７９】
従って、第４実施形態では、第３実施形態の（１）〜（１７）までの作用効果と同様の作用効果を奏することができる他に、次の作用効果を奏することができる。
（１８）光源装置１１１からの光をＰ偏光Ｐに変換して出射する偏光変換素子２を有する偏光変換ユニット４と、偏光変換素子２からの出射光を画像情報に応じて変調する光変調装置１４０と、この光変調装置１４０により変調された光を投写する投写光学装置１５０とを備えて液晶プロジェクター１００を構成したから、偏光変換素子２の偏光変換効率が高いことに伴って液晶プロジェクター１００の投影精度を高いものにできる。
【００８０】
（１９）光変調装置１４０は、透過型液晶パネル１４１Ｒ，１４１Ｇ，１４１Ｂを備えて構成されるので、この点からも、投影精度の高い液晶プロジェクター１００を提供することができる。
（２０）偏光変換ユニット４は、偏光変換素子２を保持する保持部材５を備え、この保持部材５は、偏光分離素子２１の両端部と反射素子２２の両端部とをそれぞれ保持する一対の保持板５１と、これらの一対の保持板５１の両端部をそれぞれ連結する一対の連結板５２とを有する構造であるため、偏光分離素子２１及び反射素子２２を保持部材にコンパクトに収納することができ、取り扱いが便利となる。
【００８１】
（２１）一対の保持板５１と一対の連結板５２とが一体に形成されているので、射出成形等の適宜な手段によって、保持部材５を容易に製造することができる。
（２２）一対の保持板５１の互いに対向する部分には偏光分離素子２１と反射素子２２とをそれぞれ案内するガイド溝５１Ａが形成され、これらのガイド溝は一対の保持板５１の一側面にそれぞれ開口されているので、偏光分離素子２１と反射素子２２とをそれぞれガイド溝５１Ａに沿って差し込むだけで偏光変換ユニット４が組み立てられることになり、組立作業が容易となる。
【００８２】
次に、本発明の第５実施形態を図４９及び図５０に基づいて説明する。
第５実施形態は保持部材の構造が第４実施形態とは異なるもので、他の構成は第４実施形態と同じである。
図４９は第５実施形態にかかる偏光変換ユニットを示す斜視図であり、図５０は保持部材の一部を示す分解斜視図である。
これらの図において、偏光変換ユニット６は第３実施形態と同じ構造の偏光変換素子２と、この偏光変換素子２を保持する保持部材７とを備える。
保持部材７は、一対の保持板７１と、一対の保持板７１の端部に設けられた一対の連結板７２とを備え、一対の保持板７１と一対の連結板７２とは別体に形成されている。
【００８３】
一対の保持板７１は合成樹脂から形成された板状であり、その互いに対向する部分には、偏光分離素子２１と反射素子２２との端部をそれぞれガイドするガイド溝７１Ａが複数対形成されている。これらのガイド溝７１Ａは、その長手方向が入射光に対して４５ｄｅｇまたは１３５ｄｅｇとなるように形成されている。そして、ガイド溝７１Ａは、平面が矩形状とされた凹部である。
なお、図４９において、ガイド溝７１Ａは、合計６対が図示されているが、実際には、偏光変換素子２に合わせて、４枚の偏光分離素子２１を収納するために４対が設けられ、４枚の反射素子２２を収納するために４対が設けられる構造である。
【００８４】
一対の連結板７２は、長尺状の板材７２１と、この板材７２１に連結され一対の保持板７１を互いに向き合う方向に付勢する係合片７２２とを有する。
これらの板材７２１と係合片７２２とは弾性を有する材料、例えば、金属、合成樹脂等から一体に形成されている。係合片７２２は板材７２１に対して折り曲げて形成されており、その中央部分に保持板７１に形成された凹部７１Ｂに係合する凸状の抑え部７２２Ａが形成されている。凸状の抑え部７２２Ａと凹部７１Ｂとは保持板７１の長手方向と直交する方向に延びて形成されている。
【００８５】
従って、第５実施形態では、第３実施形態の作用効果と同様の作用効果と、第４実施形態のの作用効果と同様の作用効果を奏することができる他に、次の作用効果を奏することができる。
（２３）保持部材７は、一対の保持板７１と、一対の保持板７１の端部に設けられた一対の連結板７２とを備え、一対の連結板７２は、長尺状の板材７２１と、この板材７２１に連結され一対の保持板７１を互いに向き合う方向に付勢する係合片７２２とを有する。そのため、一対の連結板７２によって、一対の保持板７１を互いに近接する方向に付勢するので、偏光分離素子２１と反射素子２２とを確実に保持部材７で保持することができるから、偏光分離素子２１や反射素子２２が保持部材７から誤って脱落することがない。
【００８６】
（２４）係合片７２２は保持板７１に形成された凹部７１Ｂに係合する抑え部７２２Ａを有するので、連結板７２が保持板７１の長手方向にずれて外れることがない。そのため、保持板７１から連結板７２が誤って外れることを防止できる。
（２５）保持板７１に形成され偏光分離素子２１や反射素子２２の端部が保持されるガイド溝７１Ａは、平面が矩形状とされた凹部であるため、保持板７１の平面内での偏光分離素子２１や反射素子２２の移動が規制される。そのため、この点からも、偏光分離素子２１や反射素子２２が保持部材７から誤って脱落することがない。
【００８７】
次に、本発明の第６実施形態を図５１に基づいて説明する。
第６実施形態は偏光分離素子の構成が第１実施形態と異なるもので、他の構成は第１実施形態と同じである。
図５１は第５実施形態にかかる偏光分離素子２１の偏光分離部２１０Ｂの斜視図である。図５１において、偏光分離素子２１の偏光分離部２１０Ｂは誘電基板２１Ｄによって支持される多数の平行な金属ワイヤーからなる導電電極２１Ｅから形成される。導電電極２１Ｅは、そのピッチまたは周期がＰであり、個別の導体の幅がＷであり、その厚さがｔである。入射光ＩＬは、垂線からの角度Ｒで偏光分離素子２１に入射する。入射光ＩＬは、Ｓ偏光Ｓとして反射し、回折されないで、Ｐ偏光Ｐとして透過される。ここで、周期Ｐ、幅Ｗ、厚さｔは、使用する光の周波数領域、その他条件により設定される。
【００８８】
従って、第６実施形態によれば、第１実施形態と同様の作用効果を奏することができる他、次の作用効果を奏することができる。
（２６）偏光分離素子２１の偏光分離部２１０Ｂを金属ワイヤーグリッドで構成したから、簡単に偏光変換素子を製造することができる。
【００８９】
なお、本発明は前述の実施形態に限定されるものではなく、本発明の目的および効果を達成できる範囲内での変形や改良が、本発明の内容に含まれるものであることはいうまでもない。
例えば、前記実施形態では、偏光分離素子２１及び反射素子２２の両面に反射防止部２１Ｃ，２２Ｂを設けたが、本発明では、必ずしも反射防止部２１Ｃ，２２Ｂを設けることを要しない。しかし、前記各実施形態のように、反射防止部２１Ｃ，２２Ｂを設ければ、偏光分離素子２１及び反射素子２２を透過する光の量が多くなる。
さらに、第２実施形態では、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２とを積層した構成としたが、本発明では、図５２に示される通り、第１位相差板２３１と第２位相差板２３２とを離隔配置し、かつ、第１位相差板２３１の両面と第２位相差板２３２の片面とに反射防止部２３Ｂを形成するものでもよい。
【００９０】
また、偏光変換素子を液晶プロジェクターに用いたが、本発明では、液晶プロジェクター以外の投射装置に利用することができる。
さらに、反射素子２２は必ずしも水晶を用いることを要せず、水晶に代えてガラスを用いてもよい。そして、偏光分離素子２１では、透光性基板２１Ａに水晶を必ずしも用いることを要せず、水晶に代えてサファイヤ等の複屈折性と旋光性を有する結晶材料を用いてもよい。
さらに、前記実施形態では、偏光分離素子２１を入射光ＩＬに対して略４５（ｄｅｇ）あるいは１３５（ｄｅｇ）としたが、本発明では、これに限定されるものではなく、例えば、６０（ｄｅｇ）や１２０（ｄｅｇ）としてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９１】
本発明は、液晶プロジェクター、その他の投写型映像装置に利用することができる。
【符号の説明】
【００９２】
１，４，６…偏光変換ユニット、２…偏光変換素子、３，５，７…保持部材、２１…偏光分離素子、２１Ａ…透光性基板、２１Ｂ…偏光分離部、２２…反射素子、２３…反射素子用基板、２３Ａ…１／４波長板、２３Ｂ…反射防止部、２３１…第１位相差板、２３２…第２位相差板、２４…ミラー、２４Ａ…水晶板、２４Ｂ…反射膜、５１，７１…保持板、５１Ａ，７１Ａ…ガイド溝、５２，７２…連結板、１００…液晶プロジェクター（投写型映像装置）、１１１…光源装置、１４０…光変調装置（光変調手段）、１４１Ｒ，１４１Ｇ，１４１Ｂ…透過型液晶パネル、１５０…投写光学装置（投写光学系）、２１０Ｂ…偏光分離部、７２２…係合片、７２２Ａ…抑え部、ＩＬ…入射光、ＯＬ…出射光、ＰＯ…結晶光学軸、Ｐ…Ｐ偏光（第１の直線偏光）、Ｓ…Ｓ偏光（第２の直線偏光）、ｘ…交差軸、ｑ…切断角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光に対して所定角度をなすように配置された透光性基板と、
当該透光性基板の入射側表面に、入射光を互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離して、前記第１の直線偏光を透過させ、第２の直線偏光を反射する偏光分離部と、
前記透光性基板と略平行かつ間に空気層を介して配置され、前記偏光分離部で反射された前記第２の直線偏光を、前記偏光分離部を透過した前記第１の直線偏光の光路と略平行な方向に反射する反射素子と、
を有し、
前記反射素子は、
複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなる反射素子用基板と、
当該反射素子用基板に設けられたミラーと、
を有し、
前記反射素子用基板は、
入射した前記第２の直線偏光を第１の円偏光に変換し、
当該第１の円偏光を前記ミラーで逆回転の第２の円偏光として反射し、
当該第２の円偏光を第１の直線偏光に変換して出射する波長板であることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載された偏光変換素子において、
前記反射素子用基板は１枚の位相差板で構成され、
前記反射素子用基板の法線から見た光学軸方位をθ０とし、
前記反射素子用基板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１とし、
前記光線の光路と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２とし、
前記反射素子用基板の屈折率をｎｃ、前記反射素子用基板と隣接する層の屈折率をｎａとすると、光学軸方位θ０は
θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２） （Ａ１）
ｎａsinα＝ｎｃsinθ２ （Ａ２）
の式から求めることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項３】
請求項１に記載された偏光変換素子において、
前記反射素子用基板を第１位相差板と第２位相差板との２枚の位相差板とし、
前記反射素子用基板の法線から見た前記第１位相差板の光学軸方位をθ０１とし、前記第１位相差板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１１とし、この光線と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２１とし、前記第１位相差板の屈折率をｎｃ１、前記第１位相差板と隣接する層の屈折率をｎａとすると、前記第１位相差板の光学軸方位θ０１は
θ０１＝ａtan（tanθ１１×cosθ２１） （Ａ１１）
ｎａsinα＝ｎｃ１sinθ２１ （Ａ２１）
の式から求め、
前記反射素子用基板の法線から見た前記第２位相差板の光学軸方位をθ０２とし、前記第２位相差板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１２とし、この光線と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２２とし、前記第２位相差板の屈折率をｎｃ２、前記第２位相差板と隣接する前記第１位相差板の屈折率をｎｃ１とすると、前記第２位相差板の光学軸方位θ０２は
θ０２＝ａtan（tanθ１２×cosθ２２） （Ａ１２）
ｎＣ１sinα＝ｎｃ２sinθ２２ （Ａ２２）
の式から求めることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載された偏光変換素子において、
前記透光性基板は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなり、
前記偏光分離部を透過し前記透光性基板に入射した前記第１の直線偏光は、この第１の直線偏光の偏波面を維持したまま前記透光性基板の出射側表面から出射することを特徴とする偏光変換素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載された偏光変換素子において、
前記所定角度は略４５（ｄｅｇ）あるいは１３５（ｄｅｇ）であることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載された偏光変換素子において、
前記結晶材料が水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から請求項６のいずれかに記載された偏光変換素子と、この偏光変換素子を保持する保持部材と、を備え、
前記保持部材は、前記反射素子用基板の両端部と前記透光性基板の両端部とをそれぞれ保持する一対の保持板と、
当該一対の保持板の両端部をそれぞれ連結する一対の連結板と、を有することを特徴とする偏光変換ユニット。
【請求項８】
請求項７に記載された偏光変換ユニットにおいて、
前記一対の保持板と前記一対の連結板とは一体に形成され、
前記一対の保持板の互いに対向する部分には前記透光性基板と前記反射素子用基板とをそれぞれ案内するガイド溝が設けられ、
前記ガイド溝は前記一対の保持板の一側面にそれぞれ開口されていることを特徴とする偏光変換ユニット。
【請求項９】
請求項８に記載された偏光変換ユニットにおいて、
前記一対の保持板と前記一対の連結板とは別体に形成され、
前記一対の連結板は前記一対の保持板を互いに向き合う方向に付勢する係合片を有することを特徴とする偏光変換ユニット。
【請求項１０】
光源と、
前記光源からの光を前記第２の直線偏光に変換して出射する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの出射光を、投写しようとする画像情報に応じて変調する光変調手段と、
前記光変調手段により変調された光を投写する投写光学系と、
を有し、
前記偏光変換素子が請求項１から請求項６のいずれかに記載の偏光変換素子であることを特徴とする投写型映像装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載された投射型映像装置において、
前記光変調手段は液晶パネルであることを特徴とする投写型映像装置。
【請求項１】
入射光に対して所定角度をなすように配置された透光性基板と、
当該透光性基板の入射側表面に、入射光を互いに直交する第１の直線偏光と第２の直線偏光とに分離して、前記第１の直線偏光を透過させ、第２の直線偏光を反射する偏光分離部と、
前記透光性基板と略平行かつ間に空気層を介して配置され、前記偏光分離部で反射された前記第２の直線偏光を、前記偏光分離部を透過した前記第１の直線偏光の光路と略平行な方向に反射する反射素子と、
を有し、
前記反射素子は、
複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなる反射素子用基板と、
当該反射素子用基板に設けられたミラーと、
を有し、
前記反射素子用基板は、
入射した前記第２の直線偏光を第１の円偏光に変換し、
当該第１の円偏光を前記ミラーで逆回転の第２の円偏光として反射し、
当該第２の円偏光を第１の直線偏光に変換して出射する波長板であることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
請求項１に記載された偏光変換素子において、
前記反射素子用基板は１枚の位相差板で構成され、
前記反射素子用基板の法線から見た光学軸方位をθ０とし、
前記反射素子用基板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１とし、
前記光線の光路と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２とし、
前記反射素子用基板の屈折率をｎｃ、前記反射素子用基板と隣接する層の屈折率をｎａとすると、光学軸方位θ０は
θ０＝ａtan（tanθ１×cosθ２） （Ａ１）
ｎａsinα＝ｎｃsinθ２ （Ａ２）
の式から求めることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項３】
請求項１に記載された偏光変換素子において、
前記反射素子用基板を第１位相差板と第２位相差板との２枚の位相差板とし、
前記反射素子用基板の法線から見た前記第１位相差板の光学軸方位をθ０１とし、前記第１位相差板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１１とし、この光線と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２１とし、前記第１位相差板の屈折率をｎｃ１、前記第１位相差板と隣接する層の屈折率をｎａとすると、前記第１位相差板の光学軸方位θ０１は
θ０１＝ａtan（tanθ１１×cosθ２１） （Ａ１１）
ｎａsinα＝ｎｃ１sinθ２１ （Ａ２１）
の式から求め、
前記反射素子用基板の法線から見た前記第２位相差板の光学軸方位をθ０２とし、前記第２位相差板の中を進む光線に対する光学軸方位をθ１２とし、この光線と結晶光学軸の法線とのなす角度をθ２２とし、前記第２位相差板の屈折率をｎｃ２、前記第２位相差板と隣接する前記第１位相差板の屈折率をｎｃ１とすると、前記第２位相差板の光学軸方位θ０２は
θ０２＝ａtan（tanθ１２×cosθ２２） （Ａ１２）
ｎＣ１sinα＝ｎｃ２sinθ２２ （Ａ２２）
の式から求めることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項４】
請求項１から請求項３のいずれかに記載された偏光変換素子において、
前記透光性基板は、複屈折性と旋光性を有する結晶材料からなり、
前記偏光分離部を透過し前記透光性基板に入射した前記第１の直線偏光は、この第１の直線偏光の偏波面を維持したまま前記透光性基板の出射側表面から出射することを特徴とする偏光変換素子。
【請求項５】
請求項１から請求項４のいずれかに記載された偏光変換素子において、
前記所定角度は略４５（ｄｅｇ）あるいは１３５（ｄｅｇ）であることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載された偏光変換素子において、
前記結晶材料が水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から請求項６のいずれかに記載された偏光変換素子と、この偏光変換素子を保持する保持部材と、を備え、
前記保持部材は、前記反射素子用基板の両端部と前記透光性基板の両端部とをそれぞれ保持する一対の保持板と、
当該一対の保持板の両端部をそれぞれ連結する一対の連結板と、を有することを特徴とする偏光変換ユニット。
【請求項８】
請求項７に記載された偏光変換ユニットにおいて、
前記一対の保持板と前記一対の連結板とは一体に形成され、
前記一対の保持板の互いに対向する部分には前記透光性基板と前記反射素子用基板とをそれぞれ案内するガイド溝が設けられ、
前記ガイド溝は前記一対の保持板の一側面にそれぞれ開口されていることを特徴とする偏光変換ユニット。
【請求項９】
請求項８に記載された偏光変換ユニットにおいて、
前記一対の保持板と前記一対の連結板とは別体に形成され、
前記一対の連結板は前記一対の保持板を互いに向き合う方向に付勢する係合片を有することを特徴とする偏光変換ユニット。
【請求項１０】
光源と、
前記光源からの光を前記第２の直線偏光に変換して出射する偏光変換素子と、
前記偏光変換素子からの出射光を、投写しようとする画像情報に応じて変調する光変調手段と、
前記光変調手段により変調された光を投写する投写光学系と、
を有し、
前記偏光変換素子が請求項１から請求項６のいずれかに記載の偏光変換素子であることを特徴とする投写型映像装置。
【請求項１１】
請求項１０に記載された投射型映像装置において、
前記光変調手段は液晶パネルであることを特徴とする投写型映像装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図５１】
【図５２】
【図５３】
【図５４】
【公開番号】特開２０１２−２５５８２１（Ｐ２０１２−２５５８２１Ａ）
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１２７３０２（Ｐ２０１１−１２７３０２）
【出願日】平成２３年６月７日（２０１１．６．７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１２月２７日（２０１２．１２．２７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月７日（２０１１．６．７）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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