偏光変換素子、偏光変換光学系および画像投影装置
【課題】無偏光光束を効率よく１偏光方向の光束に切り換えると同時に、偏光分離面の張り合わせ面数を減らして、製作性の優れた偏光変換素子を提供する。
【解決手段】本発明の偏光分離素子は、複数の偏光分離部１０と複数の位相変調部２０を備える。光束は各々の偏光分離部に入射して、各々透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離する。偏光分離部で反射された光束を隣接する偏光分離部の入射光位置と異なる位置で再度反射して、透過光と同一方向に出射する。位相変調部は、透過光と反射光のうちのいずれか一方の光路中に設けて、出射光をＰ偏光あるいはＳ偏光に揃える。偏光分離部で入射光位置と隣接の偏光分離部からの反射光の出射位置とをずらすことは、偏光分離部の角度を４５°からずらすことによって達成される。例えば、偏光分離部の角度を略３０°あるいは略６０°にする。
【解決手段】本発明の偏光分離素子は、複数の偏光分離部１０と複数の位相変調部２０を備える。光束は各々の偏光分離部に入射して、各々透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離する。偏光分離部で反射された光束を隣接する偏光分離部の入射光位置と異なる位置で再度反射して、透過光と同一方向に出射する。位相変調部は、透過光と反射光のうちのいずれか一方の光路中に設けて、出射光をＰ偏光あるいはＳ偏光に揃える。偏光分離部で入射光位置と隣接の偏光分離部からの反射光の出射位置とをずらすことは、偏光分離部の角度を４５°からずらすことによって達成される。例えば、偏光分離部の角度を略３０°あるいは略６０°にする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶を使用した画像投影装置（透過型液晶、反射型液晶とも）に用いられる偏光変換素子の改良にかかわり、更には、該偏光変換素子を備えた偏光変換光学系、及び該偏光変換光学系を適用した画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶を使用した画像投影装置に用いられる液晶画像形成素子は、一方向の偏光のみが有効に作用し、それに直交する偏光成分はコントラストの低下等の劣化要因となる。そのため液晶画像形成素子の前段（および後段）に偏光子を入れて偏光状態をコントロールしている。しかしながら、光源から発せられる光ビームは偏光方向の揃わない無偏光ビームであるため、偏光子によって一方向のみの偏光成分を選択するとき、光量も半分に減ってしまう。
【０００３】
これを防ぐために、光源からの無偏光ビームを効率よく１偏光方向の光ビームに切りかえるための偏光変換素子というものが、一般に偏光子の前段に配置されている。偏光変換素子は基本的には偏光ビームスプリッタで無偏光ビームをＰ偏光とＳ偏光に分離し、この分離した偏光の一方を何らかの手段を用いて偏光方向を９０°回転させることにより偏光方向を揃え、かつ両ビームの進行方向も揃えるようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記分離した偏光の一方の偏光方向を回転させる手段としては、大きくは２つの方式がある。一つは１／２波長板に代表されるように、方向による屈折率の違いを用いた方式である。もう一つは偏光分離後の光ビームを２枚のミラーで反射させる間に、２枚のミラーの反射方向を適当に設定して、ビーム全体を光軸周り回転させてしまう方式である。このうち後者は、単にミラーの反射であるので波長の影響を受けずきわめて効率のよい変換ができるが、画像投影装置の照明ビームは太さがあるため、これをミラーの反射によって変換すると変換部のサイズが大きなものとなってしまうと同時に、分離したビームを再合成する光学系の構成も難しいものとなる。小さいサイズに分割してアレイ化して並べれば薄くできるが、ミラータイプをアレイ化することは理屈ではできても実用化が難しい。これに対し１／２波長板を用いる方式は、簡単にアレイ化でき、照明光路中にあるフライアイレンズとの相性もいいため、現在の主流になっている。
【０００５】
図２７および図２８に液晶を使用した画像投影装置の一例であるプロジェクタの代表的な構成例を示す。図２７は透過型液晶を用いたもの、図２８は反射型液晶を用いたものであるが、どちらも液晶の画像形成素子を用いており、偏光選択性があり、その照明光学系はほぼ同じである。
【０００６】
ここで、図２７の構成例について動作を説明すると、白色ランプなどの光源１００１から発した無偏光光ビームはリフレクタ１００２で略平行光となり光インテグレータ１００３に入る。光インテグレータ１００３は画像形成素子を照射する照射光の照度を均一化するためのもので、一対のフライアイレンズ１００３−１、１００３−２により構成されている。フライアイレンズとは縦横に並んだレンズアレイで、そのレンズ一つずつは画像形成素子と相似形状をしており、第一のフライアイレンズ１００３−１の各レンズ部のビームを第２のフライアイレンズ１００３−２とその後段に配されるコンデンサレンズ１００５により画像形成素子上に重ねて投影することにより、画像形成素子上の照度分布を均一化するものである。光インテグレータ１００３を出た光ビームは偏光変換素子１００４に入る。偏光変換素子１００４はフライアイレンズのピッチに対応させて偏光ビームスプリッタ、反射膜面、１／２波長板等をアレイ化したものであり、無偏光光ビームを効率よく１偏光方向の光ビームに変換する。偏光変換素子１００４を出た光ビームはコンデンサレンズ１００５を通り、反射ミラー１００６で反射された後、ダイクロイックミラー１００７、１００８で赤、緑、青の各色用に分解されて、各々の画像形成素子に照射される。例えば、第１のダイクロイックミラー１００７を透過したビームは、ミラー１００９で反射された後、赤色用コンデンサレンズ１０１４−１を通って赤色用液晶１０１５−１に照射される。また、第1のダイクロイックミラー１００７で反射し、第２のダイクロイックミラー１００８で再び反射したビームは、緑色用コンデンサレンズ１０１４−２を通して緑色用液晶１０１５−２に照射され、第２のダイクロイックミラー１００８を透過したビームは、レンズ１０１０、ミラー１０１１、レンズ１０１２、ミラー１０１３を経由して青色用コンデンサレンズ１０１４−３を通り、青色用液晶１０１５−３に照射される。液晶１０１５−１、１０１５−２、１０１５−３は、各々画像形成素子を構成し、各偏光光を赤、緑、青の各色成分の画像信号に応じて変調する。液晶１０１５−１、１０１５−２、１０１５−３の各画像形成素子を経由したビームは色合成プリズム１０１６で合成されて、投射レンズ１０１７によりスクリーン１０１８上に投影される。
【０００７】
図２８の構成例の動作も図２７の場合と基本的に同様であるが、相違は、ダイクロイックプリズム１０２１、ミラー１０２２、１０２３、ダイクロイックミラー１０２４の光学系で偏光光ビームを赤、緑、青の各色用に分解して、赤色成分は赤色用偏光ビームスプリッタ１０２５−１と赤色用反射型液晶１０２６−１を通し、緑色成分は緑色用偏光ビームスプリッタ１０２５−２と緑色用反射型液晶１０２６−２を通し、また、青色成分は青色用偏光ビームスプリッタ１０２５−３と青色用反射型液晶１０２６−３を通して、各々色合成プリズム１０１６に入れていることである。
【０００８】
図２９（Ａ），（Ｂ）に、このような液晶を使用した画像投影装置の一例であるプロジェクタ装置に用いられる偏光変換素子の従来の構成例を示す。図２９（Ａ）は、偏光分離膜２０２１と反射膜２０２２及び１／２波長板２０２３を単位ユニット２０２０として、各単位ユニット２０２０がフライアイレンズ２０００の各ピッチに対応するようにアレイ化して構成したものである。各々の偏光分離膜２０２１は入射光軸に対して４５°の傾きを持ち、反射膜２０２２は偏光分離膜２０２１に対して並行に配されている。フライアイレンズ２０００を出た各光ビーム２０１０は各単位ユニット２０２０に入り、偏光分離膜２０２１で透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離され、反射光はさらに反射膜２０２２で反射されて透過光と平行な光ビームとなる。この透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）のうちのいずれか（ここではＳ偏光）を１／２波長板２０２３により偏光面を回転させて他方に揃えることにより、入射時には無偏光であった光ビーム２０１０が偏光の揃った光ビームに変換される。図２９（Ｂ）は、図２９（Ａ）の反射膜２０２２を偏光分離膜２０２１と同様の分離膜２０２４に置き換えたもので、動作は図２９（Ａ）と同じである。
【０００９】
【特許文献１】特許第３４９２３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図２９（Ａ）や（Ｂ）に示したような偏光変換素子は、無偏光光ビームを効率よく、１偏光方向の光ビームに変換することができるが、例えば、図２９（Ａ）の構成では、フライアイレンズの１ピッチに対して偏光分離面と反射面の２面が必要であり、膜の種類として２種類の膜を施したブロックを準備し、形状的にはフライアイレンズの配列数の２倍の数のブロックを張り合わせる必要があり、工数がかかる問題がある。実際の量産工程においては、偏光分離膜を施したガラス板と、反射膜を施したガラス板を交互に張り合わせた後、張り合わせ面に４５°の方向に切断して研磨する方法がとられるが、２種類の膜のガラス板を準備し、フライアイレンズ配列数の２倍の数（＋両端）のガラス板を張り合わせる必要があり、工数がかかる。膜の種類に関しては、図２９（Ｂ）に示すように、偏光分離膜で反射膜を兼ねることは可能であるが、フライアイレンズの１ピッチに対して２つの膜（２面）が必要であることにはかわりなく、ガラスの張り合わせ枚数を減らすことはできない。
【００１１】
本発明の目的は、機能は同等で、張り合わせ面数を減らして、製作性に優れた偏光変換素子を得ることにある。また、本発明の目的は、このような偏光変換素子を備えた偏光変換光学系、更には、該偏光変換光学系を適用した画像投影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の偏光分離素子は、複数の偏光分離部と複数の位相変調部を備える。光束は各々の偏光分離部に入射して、各々透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離する。偏光分離部で反射された光束を隣接する偏光分離部の入射光位置と異なる位置で再度反射して、透過光と同一方向に出射する。位相変調部は、透過光と反射光のうちのいずれか一方の光路中に設けて、出射光をＰ偏光あるいはＳ偏光に揃える。偏光分離部で入射光位置と隣接の偏光分離部からの反射光の出射位置とをずらすことは、偏光分離部の角度を４５°からずらすことによって達成される。例えば、偏光分離部の角度を略３０°あるいは略６０°にする。
【００１３】
一実施の形態では、出射面上に略等ピッチ間隔で位相変調部を配置する。また、別の実施の形態では、偏光分離部と平行に、該偏光分離部の略半分の領域と対峙して位相変調部を隣接配置する。さらに別の実施の形態では、偏光分離部と位相変調部とを互いに平行に対峙して隣接配置すると共に、これらと平行に第２の位相変調部を配置する。
【００１４】
また、必要によっては、偏光分離素子の入射面側に、有効光路以外を遮断する遮光手段を設ける。さらには偏光変換素子を光学系の中心対称に配置する。
【００１５】
偏光変換光学系は、このような偏光変換素子の前段に、レンズピッチが偏光変換素子の偏光分離部の配列ピッチと同一ピッチのレンチキュラレンズアレイあるいはフライアイレンズを配置し、ｉ番目のレンズを透過した光束をｉ番目の偏光分離部に入射するように構成する。また、偏光依存性のある画像形成素子の像を投影光学系によって投影する画像投影装置において、画像形成素子を照明する照明光学系の光路上に、この偏光変換光学系を配置する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の偏光分離素子によれば、各々の偏光分離部が入射光束を透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）とに分離する作用と、隣接の偏光分離部からの反射光を透過光と同一方向に反射する作用とを兼ねるため、従来の偏光分離素子で必要であった反射だけのための反射膜や分離膜が不要になり、レンチキュラレンズアレイやフライアイレンズなどと等ピッチの偏光分離膜のみで同様の効果が得られ、ピッチはほぼ２倍にできるので、製造性が改善される。また、偏光分離部と位相変調部とを平行に配置する構成を採用することにより、偏光分離素子を偏光分離素子上に密接して配置できるため、精度良く配置でき、製作も非常に容易となる。
【００１７】
また、本発明の偏光分離素子をレンチキュラレンズやフライアイレンズなどと組み合わせることで、光量損失の少ない偏光変換光学系が構成される。さらに、本発明に係わる偏光変換素子や偏光変換光学系を備えたプロジェクタ装置は、従来の光学構成を変えることなく偏光変換素子のみを置き換えることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に本発明の偏光変換素子の原理的な構成例を示す。本発明の偏光変換素子は複数の偏光分離部１０と位相変調部２０を持つ。各偏光分離部１０には光束１００が入射され偏光状態の異なる透過光と反射光に分離される。一般的な多層偏光分離膜で偏光分離部１０を構成する場合には、透過光がＰ偏光、反射光がＳ偏光となる。反射光は偏光分離部１０で反射された後、隣接する偏光分離部１０で再び反射され透過光と平行な光束となる。このとき、隣接する偏光分離部１０には隣接する光束１００が入射されているが、この表面からの入射光の位置と裏面からの反射光の位置をずらすことにより、透過光と反射光の出射位置をずらすことができる。透過光と反射光の出射位置をずらすことは、偏光分離部１０の入射光軸に対する角度を４５°からずらすことによって達成される。透過光の光路上には位相変調部２０が設けられ、透過光の偏光状態と同様にＳ偏光に揃えられる。なお、透過光をＳ偏光、反射光をＰ偏光となるように多層偏光分離膜を構成しても良い。
【００１９】
図２に本発明の偏光変換素子の他の原理的な構成例を示す。この偏光変換素子は、反射光の光路上に位相変調部２０を設けて、偏光状態を透過光に揃えるようにしたもので、動作は図１と基本的に同様である。
【００２０】
本発明の偏光変換素子では、図２９（Ｃ）に示すように、フライアイレンズ２０００と同ピッチの偏光分離膜２０２１のみで、図２９（Ａ），（Ｂ）と同等の機能が得られるため、ガラス張り合わせ枚数が減り（ほぼ半減）、アレイ化することが容易となる。すなわち、従来の偏光変換素子で必要であった反射面（反射だけのために利用される反射膜や分離膜）が不要になり、面ピッチを２倍にできるので製造性が改善される。また、偏光分離膜２０２１上に１／２波長板２０２３を密接配置しても図２９（Ｃ）と同様の作用効果が得られるが、その実施形態については後述する。
【００２１】
図３乃至図６に本発明のアレイ化した偏光変換素子の基本的な構成例を示す。いずれも、ｍを２以上の整数として、ｍ本の光束に対しｍ＋１個の偏光分離部（以下、偏光分離膜）とｍ個の位相変調部（以下、位相変調素子）を備えるようにしたものである。具体的には、入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射面とのなす角度（以下、入射角）が略３０°）あるいは略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロック（両端は適用な形状）を配列し、その接合面に偏光分離膜１０が施される。位相変調素子２０は、各ブロックの出射面の略左半分あるいは右半分の位置に配される。
【００２２】
図３は入射光束の光軸に対し略６０°（入射角略３０°）となるような角度で光束と同一ピッチに配された平行四辺形ブロック列を示し、各平行四辺形ブロックには各偏光分離膜１０が施され、入射面と出射面は光束の光軸に直交するように配されている。出射面側には各平行四辺形ブロックの出射面の略右半分の位置に位相変調素子２０が配されている。
【００２３】
入射光束１００は各平行四辺形ブロックの位相変調素子２０に対向する位置から入射される。ｉ番目の光束１００ｉはｉ番目の偏光分離膜１０ｉで透過光と反射光に分離される。一般的な偏光分離膜では透過光がＰ偏光、反射光がＳ偏光となる。透過光（Ｐ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉを透過した後、１／２波長板等の位相変調素子２０ｉによってＳ偏光に変換されて出射される。反射光（Ｓ偏光）はｉ番目の偏光分離１０ｉで反射された後、ｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で再び反射されて透過光と平行な光束となる。ｉ＋１番目の光束１００ｉ＋１はｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。ここで、各偏光分離膜の入射角を略３０°に設定することにより、ｉ番目の反射光はｉ番目の透過光とｉ＋１番目の透過光の略中間の位置に出射される。ここには位相変調素子は無いので、反射光はＳ偏光のまま出射される。他の反射光（Ｓ偏光）についても同様である。従って、全体として見れば、１からｍ番目の各偏光分離膜に無偏光で入射した各光束はＳ偏光に揃えられて出射される。
【００２４】
図４も入射光束の光軸に対し略６０°（入射角略３０°）となるような角度で光束と同一ピッチに配された平行四辺形ブロック列を示し、各平行四辺形ブロックには各偏光分離膜１０が施され、入射面と出射面は光束の光軸に直交するように配されている。ただし、図４では、出射面側には各平行四辺形ブロックの出射面の略左半分の位置に位相変調素子２０が配されている。
【００２５】
入射光束１００は各平行四辺形ブロックの位相変調素子２０の無い位置に対向する位置から入射される。ｉ番目の光束１００ｉはｉ番目の偏光分離膜１０ｉで透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離され、透過光（Ｐ偏光）は偏光分離膜１０ｉを透過してＰ偏光のまま出射される。反射光（Ｓ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉで反射された後、ｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で反射されて透過光と平行な光束となる。ｉ＋１番目の光束１００ｉ＋１はｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋1で透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。ここでも、各偏光分離膜の入射角を略３０°に設定することにより、ｉ番目の反射光はｍ番目の透過光とｍ＋１番目の透過光の略中間の位置に出射される。ここには１／２波長板等の位相変調素子２０ｉが配されており、反射光はＰ偏光に変換されて出射される。他の反射光についても同様である。従って、全体として見れば、１からｍ番目の各偏光分離膜に無偏光で入射した各光束１００はＰ偏光に揃えられて出射される。
【００２６】
図５は入射光束の光軸に対し略３０°（入射角略６０°）となるような角度で光束と同一ピッチに配された平行四辺形ブロック列を示し、各平行四辺形ブロックには各偏光分離膜１０が施され、入射面と出射面は光束の光軸に直交するように配されている。また、出射面側には各平行四辺形ブロックの出射面の略左半分の位置に位相変調素子２０が配されている。
【００２７】
入射光束１００は各ブロックの位相変調素子２０に対向する位置から入射される。ｉ番目の光束１００ｉはｉ番目の偏光分離膜１０ｉで透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。透過光（Ｐ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉを透過した後、１／２波長板等の位相変調素子２０ｉによってＳ偏光に変換されて出射される。反射光（Ｓ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉで反射された後、ｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で再び反射されて透過光と平行な光束となる。ｉ＋１番目の光束１００ｉ＋１はｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で透過光と反射光に分離され、ｉ＋２番目の光束１００ｉ＋２はｉ＋２番目の偏光分離膜１０ｉ＋２で透過光と反射光に分離される。ここで、各偏光分離膜の入射角を略６０°に設定することにより、ｉ番目の反射光はｉ＋１番目の透過光とｉ＋２番目の透過光の略中間の位置に出射される。ここには位相変調素子は無いので、反射光はＳ偏光のまま出射される。他の反射光についても同様である。従って、全体として見れば、１からｍ番目の各偏光分離膜に無偏光で入射した各光束１００はＳ偏光に揃えられて出射される。なお、四辺形ブロック内で透過光と前段からの反射光とが交叉するが、両者の光軸が異なるため支障はない。
【００２８】
図６も入射光束の光軸に対し略３０°（入射角略６０°）となるような角度で光束と同一ピッチに配された平行四辺形ブロック列を示し、各平行四辺形ブロックには各偏光分離１０が施され、入射面と出射面は光束の光軸に直交するように配されている。ただし、出射面側には各平行四辺形ブロックの出射面の略右半分の位置に位相変調素子２０が配されている。
【００２９】
入射光束１００は各平行四辺形ブロックの位相変調素子２０の無い位置に対向する位置から入射される。ｉ番目の光束１００ｉはｉ番目の偏光分離膜１０ｉで透過光と反射光に分離される。透過光（Ｐ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉを透過してＰ偏光のまま出射される。反射光（Ｓ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉで反射された後、ｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で再び反射されて透過光と平行な光束となる。ｉ＋１番目の光束１００ｉ＋１はｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で透過光と反射光に分離され、ｉ＋２番目の光束１００ｉ＋２はｉ＋２番目の偏光分離膜１０ｉ＋２で透過光と反射光に分離される。ここでも、各偏光分離膜の入射角を略６０°に設定することにより、ｉ番目の反射光はｉ＋１番目の透過光とｉ＋２番目の透過光の略中間の位置に出射される。ここには１／２波長板等の位相変調素子２０ｉが配されており、反射光はＰ偏光に変換されて出射される。他の反射光についても同様である。従って、全体として見れば、１からｍ番目の各偏光分離膜に無偏光で入射した各光束１００はＰ偏光に揃えられて出射される。この場合も、四辺形ブロック内で透過光と前段からの反射光とが交叉するが、両者の光軸が異なるため支障はない。
【００３０】
図２乃至図６に示したような平行四辺形ブロック列の場合、入射角をちょうど３０°あるいは６０°に設定したとき、透過光のちょうど中間の位置に反射光が出射される。但し、出射面側で反射光が透過光と重ならなければよいので、入射角は必ずしもちょうど３０°あるいは６０°である必要はなく、略３０°あるいは略６０°であればよい。また、入射されるビームが細いほど、平行四辺形ブロック内の光束を制御しやすくなり、出射も制御しやすくなる。このように入射されるビームが細ければ、入射角や入射位置の許容範囲は広くなる。
【００３１】
次に、本発明の偏光変換素子の端部の構成例について説明する。本発明の偏光変換素子の端部はさまざまな形状が採れる。その様子を図７および図８に示す。
図７は偏光分離膜（偏光分離面）の入射角が略３０°の場合で、（ａ）は平行四辺形のブロックをそのまま一つずつ両端に追加したものである。サイズ的には長くなるが、両端の形状が中間部と同一であるため、長い同一部材を必要枚数はりあわせたものを斜めに切断するだけで製作できる。また、（ｂ）、（ｃ）のように不要な端部をカットすれば寸法を短くでき、形状的には扱いやすくなる。（ｄ）は（ｃ）について最終面（ｍ＋１番目の偏光分離膜）をなくしたもので、最端の光束（ｍ番目の光束１００ｍ）の反射光は捨てることになるが、サイズはさらに小さくできるので、光量に余裕のある場合はこのような構成も採れる。なおこの場合、反射光側に位相変調素子２０を配する構成では、（ｅ）のように位相変調素子の数はｍ−１個になる。
【００３２】
図８は同様のことを入射角が略６０°の場合について示したものである。（ａ）は図７の（ａ）と同様に四辺形のブロックをそのまま一つずつ両端に追加したものである。（ｂ）は図７の（ｃ）に対応し、不要な端部をカットしたもの、（ｃ）は図７の（ｄ）に対応し、さらに最終面（ｍ＋１番目の偏光分離膜）をなくして最端のｍ番目の光束１００ｍの反射光は棄てるようにしたものである。（ｄ）は（ｃ）の場合について反射光側に位相変調素子２０を配する構成に適用したものである。（ｅ）は（ｄ）についてｍ番目の偏光分離膜１０ｍを延ばし、ｍ−１番目の位相変調素子２０ｍ−１を追加したものである。図８の効果は図７とほぼ同様であるが、サイズの短縮効果は入射角３０°の場合より大きくなる。また、（ｄ）の場合、ｍ−１番目とｍ番目の反射光が棄てられるため、位相変調素子の数はｍ−２個になる。このｍ−１番目の反射光を残すようにしたのが（ｅ）である。
【００３３】
図３乃至図６に示した構成と同様の作用は、並行四辺形ブロックの替わりにプレート状偏光素子を用いても得られる。図９、図１０にその一例を示す。図９は、図４に対応し、四辺形ブロック列の替わりに、複数のプレート状偏光分離素子３０を、その偏光分離面が入射光束の光軸に対し６０°（入射角略３０°）となるような角度でフライアイレンズ２０００の光束と同一ピッチで配置したものである。各プレート状偏光分離素子３０の入射面と出射面は光束の光軸に直交し、図４と同様に、出射面の左半分の位置に１／２波長板の位相変調素子４０が配される。図１０は図５に対応し、四辺形ブロック列に替わりに、複数のプレート状偏光分離素子５０を、その偏光分離面が入射光束の光軸に対し略３０°（入射角６０°）となるような角度でフライアレイレンズ２０００の光束と同一ピッチで配置したものである。各プレート状偏光分離素子５０の入射面と出射面は光束の光軸に直交し、図５と同様に、出射面の左半分の位置に１／２波長板の位相変調素子６０が配される。同様にして、図３、図６についても、四辺形ブロックをプレート状偏光分離素子に変えて構成することができる。動作は四辺形ブロックの場合と同じであるので、説明は省略する。
【００３４】
図９、図１０に示したようなプレートタイプの場合には、プレートならびに位相変調素子は適当な枠体に固定される。プレートタイプの場合、片面多層膜、両側を透明部材で挟んだ多層膜、ワイヤーグリッドフィルタといった偏光分離素子が考えられ、設計の幅が広げられる。また、研磨工程が不要になり、コストダウンが計れる。
【００３５】
さらに、図１１、図１２に示すように、プレートタイプの場合、位相変調素子を出射面以外の場所に置くことも可能である。図１１は、各プレート状偏光分離素子３０の間に位相変調素子４０を配置して、偏光分離素子３０での反射光（Ｓ偏光）を位相変調素子４０でＰ偏光に変換した後、次の偏光分離素子３０で反射させるようにしたものである。図１２についても同様である。
【００３６】
なお、プレートタイプの場合、偏光分離面の最適角度は板厚（プレートの厚み）の影響を受け、板厚が厚くなるほど入射角が大きくなる方向に、透過光と反射光が等ピッチで出射される解がある。最適入射角の板厚による変化は３０°タイプの場合は微量であるが、６０°タイプでは板厚が厚い場合は影響が大きい。但し、平行四辺形ブロックの場合と同様、透過光と反射光が重ならなければよいので、透過光と反射光が等ピッチで出射される必要はなく、ビームが細いほど角度の許容範囲は広くできる。
【００３７】
図１３、図１４は本発明の偏光変換素子の入射面側に遮光板（あるいは遮光膜）を設けた例を示している。図１３、図１４は、四辺形ブロックの入射面側に遮光板７０を設けた例であるが、プレート状偏光素子を用いた構成についても同様に遮光板を設けることが可能である。偏光変換素子の入射面側に遮光板７０を設けることにより不要光やフレア光をカットして偏光変換効率が高められる。この場合は、全面に渡って入射される平行光を半分だけ通して偏光変換するような使い方もできる。
【００３８】
図１５乃至図１８は本発明の偏光変換素子を光学系の中心対称に配置した例を示している。偏光変換動作は、これまでの説明と同じであるが、偏光変換素子を光学機器の中に配置したとき、中心対称に光路が構成できるので、全体の構成が容易になる。なお、中心対称に配するので光線本数ｍに対し、一般に偏光分離部はｍ＋２個、位相変調部はｍ個になる。最小単位は、図１６に示すようにｍ＝２の場合で、偏光分離部（偏光分離膜）は１０１〜１０４の４個、位相変調部（位相変調素子）は２０１、２０２の２個である。
【００３９】
図１５、図１７、図１８はプロジェクタ装置等の画像投影装置に用いられるフライアイレンズ２０００−１、２０００−２の光インテグレータ（図２７、図２８の１００３）と組み合わせた例を示している。図１５は２組の偏光変換素子２００、３００を第２フライアイレンズ２０００−２に対して中心対称に配置したものであり、図１７は各偏光変換素子２００、３００の入射光面にさらに遮光板７０を設けたものである。図１８は、第２のフライアイレンズ２０００−２に対して中心対称にプレート状偏光分離素子５０の列を配置して偏光変換素子４００を構成した例であり、かつ、位相変調素子６０を各プレート状偏光分離素子５０の間に配置したものである。図１５、図１７、図１８とも光束は平行光ではないが、第２フライアイレンズ２０００−２上でビームは絞られるため、偏光変換素子２００、３００あるいは４００に入射するビームは細く、光量損失を伴うことなく偏光変換が行われる。なお、図１７の場合は、第２のフライアイレンズ２０００−２で絞られた光束が偏光変換素子２００、３００に入射するので、遮光板７０は不要に見えるが、これをプロジェクタ等の画像投影装置に用いた場合、実際には不要部分にも光が回り込み、遮光板７０を用いることは有効である。
【００４０】
図１９は本発明の偏光変換素子の更にほかの実施例を示し、光束と偏光分離膜のピッチを変えて、偏光分離膜１０ｉからの反射光（Ｓ偏光）が次の偏光分離膜１０ｉ＋１の入射光位置と異なる位置で透過光（Ｐ偏光）と同一方向に反射されるようにして、偏光分離膜を４５°に設定可能にしたものである。偏光分離膜１０ｉ、１０ｉ＋１の透過光は一つの１／２波長板などの位相変調素子２０（ｉ＋１）／２でＳ偏光に変調して出射する。なお、位相変調素子２０を反射光の出射面に設ければ、光束をＰ偏光に揃えて出射することができる。また、プレート状偏光分離素子を用いる場合も、同様に、光束とプレート状偏光分離素子のピッチを変えることにより、プレート状偏光分離素子を４５°に設定することが可能である。このような構成の偏光変換素子では、位相変調素子を光束の半分程度に減らすことが可能となる。
【００４１】
次に、図２０乃至図２３に本発明の偏光変換素子の更にほかの実施例を示す。これらの実施例は、偏光分離部（以下、偏光分離素子）の近傍に位相変調部（以下、位相変調素子）を対峙させて平行に配置することを基本構成としたものである。特に偏光分離素子と位相変調素子を互いに平行に配置させる構成を採用することにより、平行平板を積層した構造や、位相変調素子を偏光分離素子上に密接して配置する構成を採用できるため、両者を精度よく配置でき、また、後述するように製作が非常に容易になる。
【００４２】
ここで、位相変調素子としては、他の実施例と同様に１／２波長板が好適である。１／２波長板の機能を有しているものであればいずれでもよく、位相差を有したフィルム状の１／２波長板、雲母、また構造複屈折により１／２波長作用を持たせてもよい。
【００４３】
偏光分離素子としては、偏光ピースプリッタと呼ばれる素子が好適である。誘電体多層膜で構成したものや、波長以下の金属の格子により偏光分離特性を有したワイヤーグリッド型の偏光ビームスプリッタでもよく、いずれにせよ、偏光方向によって分離作用を有するものであればよい。このような構成を採用することにより、他の実施例と同様に入射光線に対応した数のみ、偏光素子を配列すればよく、簡易な偏光変換素子を実現できる。また、位相変調素子を素子内部に持たせた構造であるため、素子として安定した構造をとることができる。また、波長板等を、ガラス基板等と両側から密着させることが可能となるため、熱伝導率を高め、耐熱性を向上させることが可能となる。
【００４４】
図２０の偏光変換素子は、先の図３と同様に、入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロック（以下、偏光素子）１１０を配列し、それぞれ接合面に偏光分離膜等の偏光分離素子１０１を設けたものであるが、位相変調素子１０２は偏光分離素子１０１上に密接して、該偏光分離素子１０１の略半分（図２０の実施例では上半分）の領域に配置したものである。
【００４５】
以下に図２０の動作を説明する。光束１００は各偏光素子１１０に入射する。ｉ番目の偏光素子１１０ｉに入射した光束１００ｉは、該偏光素子１１０ｉの偏光分離素子１０１ｉによって、Ｓ偏光が反射し、Ｐ偏光が透過するように分離される。透過光のＰ偏光は、位相変調素子１０２ｉを通過し、Ｓ偏光に変換されて出射される。偏光分離素子１０１ｉで反射したＳ偏光は、ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１の偏光分離素子１０１ｉ＋１における位相変調機能の生じない部分に入射して再び反射される。各偏光素子１１０はほぼ平行に配置されているので、偏光素子１１０ｉの透過光と偏光素子１１０ｉ＋１の反射光は同じ方向に出射される。
【００４６】
同様に、ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１に入射した光束１００ｉ＋１は、該偏光素子１１０ｉ＋１の偏光分離素子１０１ｉ＋１で透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。透過光のＰ偏光は、位相変調素子１０２ｉ＋１を通過し、Ｓ偏光に変換されて出射される。偏光分離素子１０１ｉ＋１の反射光のＳ偏光は、ｉ＋２番目の偏光素子１１０ｉ＋２の偏光分離素子１０１ｉ＋２における位相変調機能の生じない部分に入射して再び反射し、偏光素子１１０ｉ＋１の透過光と同じ方向に出射される。
【００４７】
このように、図２０の構成によれば、先の図３と同様に、ランダムあるいは無偏光に各偏光素子１１０に入射した各光束１００がＳ偏光に揃えられて出射される。また、位相変調素子１０２を偏光分離素子１０１上に密接して配置するため、精度良く配置でき、製作上も非常に簡易な構造となる。
【００４８】
なお、図２０において、各偏光素子１１０として、偏光分離素子１０１の下半分の領域に位相変調素子１０２を配置した構成とすれば、先の図４と同様に、各偏光素子１１０にランダムに入射した各光束１００はＰ偏光に揃えられて出射されることになる。
【００４９】
次に図２１の偏光変換素子は、先の図５と同様に、入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロック（以下、偏光素子）１１０を配列し、それぞれ接合面に偏光分離素子１０１を設け、該偏光分離素子１０１の略下半分の領域に位相変調素子１０２を密接して配置したものである。
【００５０】
図２１の動作は先の図２０と基本的に同様である。光束１００は各偏光素子１１０に入射する。ｉ番目の偏光素子１１０ｉに入射した光束１００ｉは、該偏光素子１１０ｉの偏光分離素子１０１ｉでＳ偏光が反射し、Ｐ偏光が透過する。透過光のＰ偏光は、位相変調素子１０２ｉを通過し、Ｓ偏光に変換されて出射される。偏光分離素子１０１ｉで反射したＳ偏光は、ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１の偏光分離素子１０１ｉ＋１における位相変調機能の生じない部分に入射して再び反射し、透過光と同じ方向に出射される。
【００５１】
ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１に入射した光束１００ｉ＋１は、該偏光素子１００ｉ＋１の偏光分離素子１０１ｉ＋１で透過光（Ｐ透過）と反射光（Ｓ偏光）に分離され、透過光のＰ偏光は、位相変調素子１０２ｉ＋１を通過し、Ｓ偏光に変換されて、光束１００ｉの透過光と反射光の略中間の位置に出射される。偏光分離素子１０１ｉ＋１の反射光のＳ偏光は、ｉ＋２番目の偏光素子１１０ｉ＋２の偏光分離素子１０１ｉ＋２における位相変調機能の生じない部分に入射して再び反射し、偏光素子１１０ｉ＋１の透過光と同じ方向に出射される。
【００５２】
このように、図２１の構成によれば、先の図５と同様に、ランダムあるいは無偏光に各偏光素子１１０に入射した各光束がＳ偏光に揃えられて出射される。また、位相変調素子１０２を偏光分離素子１０１上に密接して配置するため、精度よく配置でき、製作上も非常に簡易な構造となる。
【００５３】
なお、図２１において、各偏光素子１１０として、偏光分離素子１０１の上半分の領域に位相変調素子１０２を配置する構成とすれば、先の図６と同様に、各偏光素子１１０に入射した各光束１００はＰ偏光に揃えられて出射されることになる。
【００５４】
次に、図２２の偏光変換素子は、図２０と同様に、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の偏光素子１１０を平行に配置したものであるが、本実施例では、位相変調素子１０２を、偏光分離素子１０１の略全領域に対峙させて配置し、さらに、偏光素子１１０内部に偏光分離素子１０１及び位相変調素子１０２と平行に第２の位相変調素子１０３を配置させたものである。
【００５５】
以下に図２２の動作を説明する。光束１００は各偏光素子１１０に入射する。ｉ番目の偏光素子１１０ｉに入射した光束１００ｉは位相変調素子１０３ｉを通過し、偏光分離素子１０１ｉによって、Ｓ偏光が反射し、Ｐ偏光が透過するように分離される。透過光のＰ偏光は、位相変調素子１０２ｉが通過し、Ｓ偏光に変換されて出射される。偏光分離素子１０１ｉで反射したＳ偏光は、位相変調素子１０３ｉを通過してＰ偏光に変換され、偏光素子１１０ｉ＋１へと向かう。そして、偏光素子１１０ｉ＋１で位相変調素子１０２ｉ＋１を通過し（Ｓ偏光に変換）、偏光分離素子１０１ｉ＋１で反射し、位相変調素子１０２ｉ＋１を通過した後（Ｐ偏光に再変換）、再び位相変調素子１０３ｉを通過し、最終的にＳ偏光となって出射される。ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１に入射した光束１００ｉ＋１についても同様である。各偏光素子１１０はほぼ平行に配置されているので、透過光と反射光は同じ方向に出射される。
【００５６】
このように、図２２の構成によれば、ランダムあるいは無偏光に各偏光素子１１０に入射した各光束１００がＳ偏光に揃えられて出射される。また、偏光分離素子１０１、位相変調素子１０２、１０３はほぼ同一構造であるため、図２０や図２１の構成よりも製作がさらに容易であり、量産にも適している。
【００５７】
図２３は図２２の変形例で、各偏光素子１１０の接合面を構成する偏光分離素子１０１と位相変調素子１０２とを逆の配置にして、出射光をＰ偏光に揃えるようにしたものである。この偏光分離素子１０１と位相変調素子１０２とが逆の配置となっている以外、その他の構成は図２２と同様である。
【００５８】
以下に図２３の動作を説明する、光束１００は各偏光素子１１０に入射する。ｉ番目の偏光素子１１０ｉに入射した光束１００ｉは位相変調素子１０３ｉ、位相変調素子１０２ｉを順次通過し、偏光分離素子１０１ｉによって、Ｓ偏光が反射し、Ｐ偏光が透過するように分離される。そして、透過光のＰ偏光はそのまま出射光となる。偏光分離素子１０１ｉで反射したＳ偏光は、位相変調素子１０２ｉを通過してＰ偏光に変換され、更に位相変調素子１０３ｉを通過してＳ偏光に変換されて、変換素子１１０ｉ＋１へと向う。そして、偏光素子１１０ｉ＋１の偏光分離素子１０１ｉ＋１で反射し、再び位相変調素子１０３ｉを通過してＰ偏光に変換されて出射光となる。ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１に入射した光束１００ｉ＋１についも同様である。各偏光素子１１０はほぼ平行に配置されているので、透過光と反射光は同じ方向に出射される。
【００５９】
次に、図２０及び図２２に示した偏光変換素子の製造方法について説明する。
図２４は図２０に示した偏光変換素子の製造方法の一実施例を説明する図である。まず、概略平行基板（例えばガラス基板）１２０上に偏光分離素子１０１となる偏光分離膜を形成し、該偏光分離膜上に、位相変調素子１０２となる位相変調機能を有する個所と、有しない個所を直接あるいはバッファ層を介して等ピッチに形成する（工程１）。位相変調素子１０２となる個所は、例えば、フィルム状の１／２波長板を短冊状に貼り付けたり、あるいは、接着剤により密着固着して形成する。バッファ層とは、ここでは、粘着剤や粘着剤、あるいは接着強度を高めるために表面処理など、偏光分離素子１０１と位相変調素子１０２の間に配置されるものであり、必要に応じて形成する。工程１では、偏光分離素子１０１及び位相変調素子１０２が形成された基板（偏光素子基板）１２５を複数個作成する。
【００６０】
次に、偏光分離素子１０１及び位相変調素子１０２が形成された複数の偏光素子基板１２５を、それぞれ位相変調素子１０２の配列方向に一定量（Ｐ）シフトして積層し、密着接合する（工程２）。接合には、熱硬化型接着剤を利用したり、ＵＶ接着剤の塗布、紫外線による硬化接合などを利用する。偏光分離膜上に１／２波長板などが短冊状に配置されることにより、多少の段差ができても、接着剤で平坦化される。もちろん、構造複屈折による位相変調機能を有する素子を設けてもよい。その場合には、機能層の厚みなどを無視できるので好都合である。
【００６１】
次に、積層密着された偏光素子基板体（積層体）を、シフト量（Ｐ）に応じた量だけ積層方向に対して傾斜して平行に切断し、平行平板状に偏光変換素子を切り出す（工程３）。最終的には、切り出した面と光学的に鏡面仕上げなどして、平行線平板状に形成された偏光変換素子が得られる。
【００６２】
基板上に波長板を短冊状に貼り付ける構成では、粘着剤の耐熱性等によりヤケが発生したりする不具合があるが、本実施例では、基板内に偏光分離素子と一体に形成されるために、基板の熱伝導性が良くなり、波長板の耐熱性が向上するなど、信頼性の面で向上する。なお、図２１の偏光変換素子もまったく同様に製作することができる。
【００６３】
図２５は図２２に示した偏光変換素子の製造方法の実施例を示したものである。まず、概略平行平板基板（例えばガラス基板）１２０上に偏光分離素子１０１となる偏光分離膜を形成し、さらに該偏光分離膜上に、位相変調素子１０２となる位相変調膜を形成し、偏光素子基板１２５とする。また、基板120と同一形状、ほぼ同一厚みの基板（例えばガラス基板）１３０上に位相変調素子１０３となる位相変調膜を形成し、位相変調素子基板１３５とする。そして、偏光素子基板１２５の位相変調膜上に、位相変調素子基板１３５を接合して一つの積層ユニット１４０とする。これが工程１である。ここで、位相変調素子１０２、１０３は、１／２波長板が好適であり、単純に積層すればよい。また、偏光素子基板１２５と位相変調素子基板１３５の接合時には、粘着材や接着材、あるいは、接着強度を高めるための表面処理など、偏光分離膜と位相変調膜の間、位相変調膜と基板（ガラス基板）などの間にバッファ層を必要に応じて形成する。この工程１では、偏光素子基板１２５と位相変調素子基板１３５が積層された積層ユニット１４０を複数作成する。
【００６４】
次に、複数の積層ユニット１４０を積層して接合する（工程２）。接合には、熱硬化型接着剤を利用したり、ＵＶ接着剤を塗布、紫外線による効果接合などを利用する。
次に、複数の積層ユニット１４０が積層接合された積層ユニット体を、積層方向に対して傾斜して平行に切断し、平行平板状に偏光変換素子を切り出す（工程３）。最終的には、切り出した面を光学的に起用面仕上げなどし、平行平板状に形成された偏光変換素子（図２２）が形成される。
【００６５】
以上のように、図２２に示す偏光変換素子の製造では、１／２λ波長板を短冊状に貼る必要がなく、基本的には偏光分離素子、位相変調素子を平面状に堆積していくだけでよく、非常に単純な工程となる。なお、偏光素子基板１２５の偏光分離素子１０１と位相変調素子１０２の重ねる順番を逆にすると、図２３に示す偏光素子となる。
【００６６】
また、図２０に示す偏光素子の製造でも述べたように、基板上に波長板を短冊状に貼り付ける構成では、粘着剤の耐熱性等によりヤケが発生したりする不具合があるが、本実施例では、基板内に偏光分離素子と一体に形成されるために、基板の熱伝導性が良くなり、波長板の耐熱性が向上するなど、信頼性の面で向上する。また、同一パターンの素子基板を積層させて作成できるため、量産にも適している。
【００６７】
なお、図２０乃至図２３に示した偏光変換素子においても、図１３、図１４に示したように、偏光変換素子の入射面側に遮光板（あるいは遮光膜）を設けるようにしてもよい。また。図１５乃至図１８に示したように、偏光変換素子を光学系の中心対称に配置する構成とすることもできる。
【００６８】
図２６に照明光学系への適用例を示す。図２６では、変更変換素子としては図２０の構成例が示されているが、これは単なる一例であり、任意の偏光変換素子が適用可能である。
光源の光束４００は、集光素子４１０により複数の光束４２０に分割される。集光素子４１０は単一光源の光量光束を均一化する照明光学系の一要素であり、レンズアレイを２次元配置した集光素子アレイ（フライアレインズアレイ）が一般に用いられる。このフライアイレンズアレイを２対（４１０、４３０）用い、第１のレンズアレイ４１０の集光点近傍（瞳位置）に第２のレンズアレイ４３０を配置して、単一光源の像を複数作成する。この複数の像が二次点光源となり、フライアイレンズアレイの配列ピッチに応じてアレイ状に形成される。この複数の点光源をコンデンサーレンズ４６０などを用いて、所望の被照射物に照射、重畳させる均一照明を得る。この種の照明光学系は、均一な照明が必要な露光装置や投射装置などの照明装置に多く用いられている。
【００６９】
図１５や図１７と同様に、このような照明光学系において、複数に分割された照明光束を効率よく１偏光方向の光束に揃えるために本発明の偏光変換素子４５０を配置する。また、偏光変換素子４５０の入射側に遮光部４４０を配置する。これは図１７と同様である。
【００７０】
従来の照明光学系では、偏光変換素子４５０の位置に、図２９（Ａ），（Ｂ）に示すような構成の偏光変換素子を配置していたため、分割された光束の約２倍分の変更変換素子が必要であった。一方、本発明の偏光変換素子４５０では、分割された光束の数だけあればよい。厳密には、図２６に示したように、４つの光束４２０に対して、５つの偏光変換部があればよく、照明光束の数に対して一つ増やすだけでよい。
なお、図２６に示したのはあくまでも紙面上での配列数であって、照明光束の数は、偏光変換素子を構成する偏光素子のアレイ方向の数である。
【００７１】
このように、従来の偏光変換素子を搭載した照明系より、偏光素子の配列数が少なくなり、本発明の偏光変換素子を用いた照明系を低コストに構築できる。また、配列数が少なくなる、つまり、配列ピッチが相対的に大きくなるため、積層ピッチ誤差や、配置の誤差も少なくなり、偏光変換効率の高い照明系を実現できる。また、より偏光がそろった照明光学系とするために、図２６では、偏光変換素子４５０の入射側に遮光部４４０を配置した構成となっている。従来は、集光素子の周辺での収差や、光源の有限の大きさがあることにより、集光性が劣とり、偏光変換素子の必要な入射部以外から入射する光束によって、偏光度を落としてしまう要因となっていたが、このような構成を採用することで、より偏光度の高い照明光学系を提供できる。
【００７２】
以上、本発明の偏光変換素子の実施形態を説明したが、本発明は、図示の構成に限定されるものでないことはいうまでもない。本発明による偏光変換素子を照明光学系中に配して、図２７ないし図２８に示すような液晶を画像形成素子とするプロジェクタ装置（画像投影装置）が構成される。なお、プロジェクタに偏光変換素子を適用する場合、偏光変換素子によってＰ偏光に揃えるかＳ偏光に揃えるかは、ひとえに液晶素子等の画像形成素子の偏光依存性にかかわっており、画像形成素子の特性が得られる偏光方向に揃えられる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の偏光変換素子の原理的な構成図。
【図２】同じく本発明の偏光変換素子の原理的な構成図。
【図３】本発明のアレイ化した偏光変換素子の基本的な構成図。
【図４】同じく本発明のアレイ化した偏光変換素子の基本的な構成図。
【図５】同じく本発明のアレイ化した偏光変換素子の基本的な構成図。
【図６】同じく本発明のアレイ化した偏光変換素子の基本的な構成図。
【図７】本発明のアレイ化した偏光変換素子の端部の構成図。
【図８】同じく本発明のアレイ化した偏光変換素子の端部の構成図。
【図９】プレート状偏光分離素子を用いた場合の本発明の偏光変換素子の構成図。
【図１０】同じくプレート状偏光分離素子を用いた場合の本発明の偏光変換素子の構成図。
【図１１】プレート状偏光分離素子を用いた場合の本発明の偏光変換素子の変形構成図。
【図１２】同じくプレート状偏光分離素子を用いた場合の本発明の偏光変換素子の変形構成図。
【図１３】本発明の偏光変換素子の入射面に遮光板を設けた場合の構成図。
【図１４】同じく本発明の偏光変換素子の入射面に遮光板を設けた場合の構成図。
【図１５】本発明の偏光変換素子を光学系の中心対象に配置した場合の構成図。
【図１６】本発明の偏光変換素子を光学系の中心対象に配置した場合の構成図。
【図１７】同じく本発明の偏光変換素子を光学系の中心対象に配置した場合の構成図。
【図１８】同じく本発明の偏光変換素子を光学系の中心対象に配置した最小単位の構成図。
【図１９】本発明の偏光変換素子の別の原理的な構成図。
【図２０】本発明の偏光変換素子の更に別の構成図。
【図２１】同じく本発明の偏光変換素子の更に別の構成図。
【図２２】同じく本発明の偏光変換素子の更に別の構成図。
【図２３】同じく本発明の偏光変換素子の更に別の構成図。
【図２４】図２０の偏光変換素子の製造方法の説明図。
【図２５】図２２の偏光変換素子の製造方法の説明図。
【図２６】本発明による偏光変換素子を適用した照明光学系の一実施例の構成図。
【図２７】透過型液晶を用いたプロジェクタ装置の一般的な構成図。
【図２８】反射型液晶を用いたプロジェクタ装置の一般的な構成図。
【図２９】従来と本発明の偏光変換素子の構成比較図。
【符号の説明】
【００７４】
１０ 偏光分離部
２０ 位相変調部
３０、５０ プレート状偏光分離素子
４０、６０ 位相変調素子
７０ 遮光板
１００ 光束
【技術分野】
【０００１】
本発明は液晶を使用した画像投影装置（透過型液晶、反射型液晶とも）に用いられる偏光変換素子の改良にかかわり、更には、該偏光変換素子を備えた偏光変換光学系、及び該偏光変換光学系を適用した画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶を使用した画像投影装置に用いられる液晶画像形成素子は、一方向の偏光のみが有効に作用し、それに直交する偏光成分はコントラストの低下等の劣化要因となる。そのため液晶画像形成素子の前段（および後段）に偏光子を入れて偏光状態をコントロールしている。しかしながら、光源から発せられる光ビームは偏光方向の揃わない無偏光ビームであるため、偏光子によって一方向のみの偏光成分を選択するとき、光量も半分に減ってしまう。
【０００３】
これを防ぐために、光源からの無偏光ビームを効率よく１偏光方向の光ビームに切りかえるための偏光変換素子というものが、一般に偏光子の前段に配置されている。偏光変換素子は基本的には偏光ビームスプリッタで無偏光ビームをＰ偏光とＳ偏光に分離し、この分離した偏光の一方を何らかの手段を用いて偏光方向を９０°回転させることにより偏光方向を揃え、かつ両ビームの進行方向も揃えるようにしたものである（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
上記分離した偏光の一方の偏光方向を回転させる手段としては、大きくは２つの方式がある。一つは１／２波長板に代表されるように、方向による屈折率の違いを用いた方式である。もう一つは偏光分離後の光ビームを２枚のミラーで反射させる間に、２枚のミラーの反射方向を適当に設定して、ビーム全体を光軸周り回転させてしまう方式である。このうち後者は、単にミラーの反射であるので波長の影響を受けずきわめて効率のよい変換ができるが、画像投影装置の照明ビームは太さがあるため、これをミラーの反射によって変換すると変換部のサイズが大きなものとなってしまうと同時に、分離したビームを再合成する光学系の構成も難しいものとなる。小さいサイズに分割してアレイ化して並べれば薄くできるが、ミラータイプをアレイ化することは理屈ではできても実用化が難しい。これに対し１／２波長板を用いる方式は、簡単にアレイ化でき、照明光路中にあるフライアイレンズとの相性もいいため、現在の主流になっている。
【０００５】
図２７および図２８に液晶を使用した画像投影装置の一例であるプロジェクタの代表的な構成例を示す。図２７は透過型液晶を用いたもの、図２８は反射型液晶を用いたものであるが、どちらも液晶の画像形成素子を用いており、偏光選択性があり、その照明光学系はほぼ同じである。
【０００６】
ここで、図２７の構成例について動作を説明すると、白色ランプなどの光源１００１から発した無偏光光ビームはリフレクタ１００２で略平行光となり光インテグレータ１００３に入る。光インテグレータ１００３は画像形成素子を照射する照射光の照度を均一化するためのもので、一対のフライアイレンズ１００３−１、１００３−２により構成されている。フライアイレンズとは縦横に並んだレンズアレイで、そのレンズ一つずつは画像形成素子と相似形状をしており、第一のフライアイレンズ１００３−１の各レンズ部のビームを第２のフライアイレンズ１００３−２とその後段に配されるコンデンサレンズ１００５により画像形成素子上に重ねて投影することにより、画像形成素子上の照度分布を均一化するものである。光インテグレータ１００３を出た光ビームは偏光変換素子１００４に入る。偏光変換素子１００４はフライアイレンズのピッチに対応させて偏光ビームスプリッタ、反射膜面、１／２波長板等をアレイ化したものであり、無偏光光ビームを効率よく１偏光方向の光ビームに変換する。偏光変換素子１００４を出た光ビームはコンデンサレンズ１００５を通り、反射ミラー１００６で反射された後、ダイクロイックミラー１００７、１００８で赤、緑、青の各色用に分解されて、各々の画像形成素子に照射される。例えば、第１のダイクロイックミラー１００７を透過したビームは、ミラー１００９で反射された後、赤色用コンデンサレンズ１０１４−１を通って赤色用液晶１０１５−１に照射される。また、第1のダイクロイックミラー１００７で反射し、第２のダイクロイックミラー１００８で再び反射したビームは、緑色用コンデンサレンズ１０１４−２を通して緑色用液晶１０１５−２に照射され、第２のダイクロイックミラー１００８を透過したビームは、レンズ１０１０、ミラー１０１１、レンズ１０１２、ミラー１０１３を経由して青色用コンデンサレンズ１０１４−３を通り、青色用液晶１０１５−３に照射される。液晶１０１５−１、１０１５−２、１０１５−３は、各々画像形成素子を構成し、各偏光光を赤、緑、青の各色成分の画像信号に応じて変調する。液晶１０１５−１、１０１５−２、１０１５−３の各画像形成素子を経由したビームは色合成プリズム１０１６で合成されて、投射レンズ１０１７によりスクリーン１０１８上に投影される。
【０００７】
図２８の構成例の動作も図２７の場合と基本的に同様であるが、相違は、ダイクロイックプリズム１０２１、ミラー１０２２、１０２３、ダイクロイックミラー１０２４の光学系で偏光光ビームを赤、緑、青の各色用に分解して、赤色成分は赤色用偏光ビームスプリッタ１０２５−１と赤色用反射型液晶１０２６−１を通し、緑色成分は緑色用偏光ビームスプリッタ１０２５−２と緑色用反射型液晶１０２６−２を通し、また、青色成分は青色用偏光ビームスプリッタ１０２５−３と青色用反射型液晶１０２６−３を通して、各々色合成プリズム１０１６に入れていることである。
【０００８】
図２９（Ａ），（Ｂ）に、このような液晶を使用した画像投影装置の一例であるプロジェクタ装置に用いられる偏光変換素子の従来の構成例を示す。図２９（Ａ）は、偏光分離膜２０２１と反射膜２０２２及び１／２波長板２０２３を単位ユニット２０２０として、各単位ユニット２０２０がフライアイレンズ２０００の各ピッチに対応するようにアレイ化して構成したものである。各々の偏光分離膜２０２１は入射光軸に対して４５°の傾きを持ち、反射膜２０２２は偏光分離膜２０２１に対して並行に配されている。フライアイレンズ２０００を出た各光ビーム２０１０は各単位ユニット２０２０に入り、偏光分離膜２０２１で透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離され、反射光はさらに反射膜２０２２で反射されて透過光と平行な光ビームとなる。この透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）のうちのいずれか（ここではＳ偏光）を１／２波長板２０２３により偏光面を回転させて他方に揃えることにより、入射時には無偏光であった光ビーム２０１０が偏光の揃った光ビームに変換される。図２９（Ｂ）は、図２９（Ａ）の反射膜２０２２を偏光分離膜２０２１と同様の分離膜２０２４に置き換えたもので、動作は図２９（Ａ）と同じである。
【０００９】
【特許文献１】特許第３４９２３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
図２９（Ａ）や（Ｂ）に示したような偏光変換素子は、無偏光光ビームを効率よく、１偏光方向の光ビームに変換することができるが、例えば、図２９（Ａ）の構成では、フライアイレンズの１ピッチに対して偏光分離面と反射面の２面が必要であり、膜の種類として２種類の膜を施したブロックを準備し、形状的にはフライアイレンズの配列数の２倍の数のブロックを張り合わせる必要があり、工数がかかる問題がある。実際の量産工程においては、偏光分離膜を施したガラス板と、反射膜を施したガラス板を交互に張り合わせた後、張り合わせ面に４５°の方向に切断して研磨する方法がとられるが、２種類の膜のガラス板を準備し、フライアイレンズ配列数の２倍の数（＋両端）のガラス板を張り合わせる必要があり、工数がかかる。膜の種類に関しては、図２９（Ｂ）に示すように、偏光分離膜で反射膜を兼ねることは可能であるが、フライアイレンズの１ピッチに対して２つの膜（２面）が必要であることにはかわりなく、ガラスの張り合わせ枚数を減らすことはできない。
【００１１】
本発明の目的は、機能は同等で、張り合わせ面数を減らして、製作性に優れた偏光変換素子を得ることにある。また、本発明の目的は、このような偏光変換素子を備えた偏光変換光学系、更には、該偏光変換光学系を適用した画像投影装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の偏光分離素子は、複数の偏光分離部と複数の位相変調部を備える。光束は各々の偏光分離部に入射して、各々透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離する。偏光分離部で反射された光束を隣接する偏光分離部の入射光位置と異なる位置で再度反射して、透過光と同一方向に出射する。位相変調部は、透過光と反射光のうちのいずれか一方の光路中に設けて、出射光をＰ偏光あるいはＳ偏光に揃える。偏光分離部で入射光位置と隣接の偏光分離部からの反射光の出射位置とをずらすことは、偏光分離部の角度を４５°からずらすことによって達成される。例えば、偏光分離部の角度を略３０°あるいは略６０°にする。
【００１３】
一実施の形態では、出射面上に略等ピッチ間隔で位相変調部を配置する。また、別の実施の形態では、偏光分離部と平行に、該偏光分離部の略半分の領域と対峙して位相変調部を隣接配置する。さらに別の実施の形態では、偏光分離部と位相変調部とを互いに平行に対峙して隣接配置すると共に、これらと平行に第２の位相変調部を配置する。
【００１４】
また、必要によっては、偏光分離素子の入射面側に、有効光路以外を遮断する遮光手段を設ける。さらには偏光変換素子を光学系の中心対称に配置する。
【００１５】
偏光変換光学系は、このような偏光変換素子の前段に、レンズピッチが偏光変換素子の偏光分離部の配列ピッチと同一ピッチのレンチキュラレンズアレイあるいはフライアイレンズを配置し、ｉ番目のレンズを透過した光束をｉ番目の偏光分離部に入射するように構成する。また、偏光依存性のある画像形成素子の像を投影光学系によって投影する画像投影装置において、画像形成素子を照明する照明光学系の光路上に、この偏光変換光学系を配置する。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の偏光分離素子によれば、各々の偏光分離部が入射光束を透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）とに分離する作用と、隣接の偏光分離部からの反射光を透過光と同一方向に反射する作用とを兼ねるため、従来の偏光分離素子で必要であった反射だけのための反射膜や分離膜が不要になり、レンチキュラレンズアレイやフライアイレンズなどと等ピッチの偏光分離膜のみで同様の効果が得られ、ピッチはほぼ２倍にできるので、製造性が改善される。また、偏光分離部と位相変調部とを平行に配置する構成を採用することにより、偏光分離素子を偏光分離素子上に密接して配置できるため、精度良く配置でき、製作も非常に容易となる。
【００１７】
また、本発明の偏光分離素子をレンチキュラレンズやフライアイレンズなどと組み合わせることで、光量損失の少ない偏光変換光学系が構成される。さらに、本発明に係わる偏光変換素子や偏光変換光学系を備えたプロジェクタ装置は、従来の光学構成を変えることなく偏光変換素子のみを置き換えることが可能である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
図１に本発明の偏光変換素子の原理的な構成例を示す。本発明の偏光変換素子は複数の偏光分離部１０と位相変調部２０を持つ。各偏光分離部１０には光束１００が入射され偏光状態の異なる透過光と反射光に分離される。一般的な多層偏光分離膜で偏光分離部１０を構成する場合には、透過光がＰ偏光、反射光がＳ偏光となる。反射光は偏光分離部１０で反射された後、隣接する偏光分離部１０で再び反射され透過光と平行な光束となる。このとき、隣接する偏光分離部１０には隣接する光束１００が入射されているが、この表面からの入射光の位置と裏面からの反射光の位置をずらすことにより、透過光と反射光の出射位置をずらすことができる。透過光と反射光の出射位置をずらすことは、偏光分離部１０の入射光軸に対する角度を４５°からずらすことによって達成される。透過光の光路上には位相変調部２０が設けられ、透過光の偏光状態と同様にＳ偏光に揃えられる。なお、透過光をＳ偏光、反射光をＰ偏光となるように多層偏光分離膜を構成しても良い。
【００１９】
図２に本発明の偏光変換素子の他の原理的な構成例を示す。この偏光変換素子は、反射光の光路上に位相変調部２０を設けて、偏光状態を透過光に揃えるようにしたもので、動作は図１と基本的に同様である。
【００２０】
本発明の偏光変換素子では、図２９（Ｃ）に示すように、フライアイレンズ２０００と同ピッチの偏光分離膜２０２１のみで、図２９（Ａ），（Ｂ）と同等の機能が得られるため、ガラス張り合わせ枚数が減り（ほぼ半減）、アレイ化することが容易となる。すなわち、従来の偏光変換素子で必要であった反射面（反射だけのために利用される反射膜や分離膜）が不要になり、面ピッチを２倍にできるので製造性が改善される。また、偏光分離膜２０２１上に１／２波長板２０２３を密接配置しても図２９（Ｃ）と同様の作用効果が得られるが、その実施形態については後述する。
【００２１】
図３乃至図６に本発明のアレイ化した偏光変換素子の基本的な構成例を示す。いずれも、ｍを２以上の整数として、ｍ本の光束に対しｍ＋１個の偏光分離部（以下、偏光分離膜）とｍ個の位相変調部（以下、位相変調素子）を備えるようにしたものである。具体的には、入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射面とのなす角度（以下、入射角）が略３０°）あるいは略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロック（両端は適用な形状）を配列し、その接合面に偏光分離膜１０が施される。位相変調素子２０は、各ブロックの出射面の略左半分あるいは右半分の位置に配される。
【００２２】
図３は入射光束の光軸に対し略６０°（入射角略３０°）となるような角度で光束と同一ピッチに配された平行四辺形ブロック列を示し、各平行四辺形ブロックには各偏光分離膜１０が施され、入射面と出射面は光束の光軸に直交するように配されている。出射面側には各平行四辺形ブロックの出射面の略右半分の位置に位相変調素子２０が配されている。
【００２３】
入射光束１００は各平行四辺形ブロックの位相変調素子２０に対向する位置から入射される。ｉ番目の光束１００ｉはｉ番目の偏光分離膜１０ｉで透過光と反射光に分離される。一般的な偏光分離膜では透過光がＰ偏光、反射光がＳ偏光となる。透過光（Ｐ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉを透過した後、１／２波長板等の位相変調素子２０ｉによってＳ偏光に変換されて出射される。反射光（Ｓ偏光）はｉ番目の偏光分離１０ｉで反射された後、ｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で再び反射されて透過光と平行な光束となる。ｉ＋１番目の光束１００ｉ＋１はｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。ここで、各偏光分離膜の入射角を略３０°に設定することにより、ｉ番目の反射光はｉ番目の透過光とｉ＋１番目の透過光の略中間の位置に出射される。ここには位相変調素子は無いので、反射光はＳ偏光のまま出射される。他の反射光（Ｓ偏光）についても同様である。従って、全体として見れば、１からｍ番目の各偏光分離膜に無偏光で入射した各光束はＳ偏光に揃えられて出射される。
【００２４】
図４も入射光束の光軸に対し略６０°（入射角略３０°）となるような角度で光束と同一ピッチに配された平行四辺形ブロック列を示し、各平行四辺形ブロックには各偏光分離膜１０が施され、入射面と出射面は光束の光軸に直交するように配されている。ただし、図４では、出射面側には各平行四辺形ブロックの出射面の略左半分の位置に位相変調素子２０が配されている。
【００２５】
入射光束１００は各平行四辺形ブロックの位相変調素子２０の無い位置に対向する位置から入射される。ｉ番目の光束１００ｉはｉ番目の偏光分離膜１０ｉで透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離され、透過光（Ｐ偏光）は偏光分離膜１０ｉを透過してＰ偏光のまま出射される。反射光（Ｓ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉで反射された後、ｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で反射されて透過光と平行な光束となる。ｉ＋１番目の光束１００ｉ＋１はｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋1で透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。ここでも、各偏光分離膜の入射角を略３０°に設定することにより、ｉ番目の反射光はｍ番目の透過光とｍ＋１番目の透過光の略中間の位置に出射される。ここには１／２波長板等の位相変調素子２０ｉが配されており、反射光はＰ偏光に変換されて出射される。他の反射光についても同様である。従って、全体として見れば、１からｍ番目の各偏光分離膜に無偏光で入射した各光束１００はＰ偏光に揃えられて出射される。
【００２６】
図５は入射光束の光軸に対し略３０°（入射角略６０°）となるような角度で光束と同一ピッチに配された平行四辺形ブロック列を示し、各平行四辺形ブロックには各偏光分離膜１０が施され、入射面と出射面は光束の光軸に直交するように配されている。また、出射面側には各平行四辺形ブロックの出射面の略左半分の位置に位相変調素子２０が配されている。
【００２７】
入射光束１００は各ブロックの位相変調素子２０に対向する位置から入射される。ｉ番目の光束１００ｉはｉ番目の偏光分離膜１０ｉで透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。透過光（Ｐ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉを透過した後、１／２波長板等の位相変調素子２０ｉによってＳ偏光に変換されて出射される。反射光（Ｓ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉで反射された後、ｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で再び反射されて透過光と平行な光束となる。ｉ＋１番目の光束１００ｉ＋１はｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で透過光と反射光に分離され、ｉ＋２番目の光束１００ｉ＋２はｉ＋２番目の偏光分離膜１０ｉ＋２で透過光と反射光に分離される。ここで、各偏光分離膜の入射角を略６０°に設定することにより、ｉ番目の反射光はｉ＋１番目の透過光とｉ＋２番目の透過光の略中間の位置に出射される。ここには位相変調素子は無いので、反射光はＳ偏光のまま出射される。他の反射光についても同様である。従って、全体として見れば、１からｍ番目の各偏光分離膜に無偏光で入射した各光束１００はＳ偏光に揃えられて出射される。なお、四辺形ブロック内で透過光と前段からの反射光とが交叉するが、両者の光軸が異なるため支障はない。
【００２８】
図６も入射光束の光軸に対し略３０°（入射角略６０°）となるような角度で光束と同一ピッチに配された平行四辺形ブロック列を示し、各平行四辺形ブロックには各偏光分離１０が施され、入射面と出射面は光束の光軸に直交するように配されている。ただし、出射面側には各平行四辺形ブロックの出射面の略右半分の位置に位相変調素子２０が配されている。
【００２９】
入射光束１００は各平行四辺形ブロックの位相変調素子２０の無い位置に対向する位置から入射される。ｉ番目の光束１００ｉはｉ番目の偏光分離膜１０ｉで透過光と反射光に分離される。透過光（Ｐ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉを透過してＰ偏光のまま出射される。反射光（Ｓ偏光）はｉ番目の偏光分離膜１０ｉで反射された後、ｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で再び反射されて透過光と平行な光束となる。ｉ＋１番目の光束１００ｉ＋１はｉ＋１番目の偏光分離膜１０ｉ＋１で透過光と反射光に分離され、ｉ＋２番目の光束１００ｉ＋２はｉ＋２番目の偏光分離膜１０ｉ＋２で透過光と反射光に分離される。ここでも、各偏光分離膜の入射角を略６０°に設定することにより、ｉ番目の反射光はｉ＋１番目の透過光とｉ＋２番目の透過光の略中間の位置に出射される。ここには１／２波長板等の位相変調素子２０ｉが配されており、反射光はＰ偏光に変換されて出射される。他の反射光についても同様である。従って、全体として見れば、１からｍ番目の各偏光分離膜に無偏光で入射した各光束１００はＰ偏光に揃えられて出射される。この場合も、四辺形ブロック内で透過光と前段からの反射光とが交叉するが、両者の光軸が異なるため支障はない。
【００３０】
図２乃至図６に示したような平行四辺形ブロック列の場合、入射角をちょうど３０°あるいは６０°に設定したとき、透過光のちょうど中間の位置に反射光が出射される。但し、出射面側で反射光が透過光と重ならなければよいので、入射角は必ずしもちょうど３０°あるいは６０°である必要はなく、略３０°あるいは略６０°であればよい。また、入射されるビームが細いほど、平行四辺形ブロック内の光束を制御しやすくなり、出射も制御しやすくなる。このように入射されるビームが細ければ、入射角や入射位置の許容範囲は広くなる。
【００３１】
次に、本発明の偏光変換素子の端部の構成例について説明する。本発明の偏光変換素子の端部はさまざまな形状が採れる。その様子を図７および図８に示す。
図７は偏光分離膜（偏光分離面）の入射角が略３０°の場合で、（ａ）は平行四辺形のブロックをそのまま一つずつ両端に追加したものである。サイズ的には長くなるが、両端の形状が中間部と同一であるため、長い同一部材を必要枚数はりあわせたものを斜めに切断するだけで製作できる。また、（ｂ）、（ｃ）のように不要な端部をカットすれば寸法を短くでき、形状的には扱いやすくなる。（ｄ）は（ｃ）について最終面（ｍ＋１番目の偏光分離膜）をなくしたもので、最端の光束（ｍ番目の光束１００ｍ）の反射光は捨てることになるが、サイズはさらに小さくできるので、光量に余裕のある場合はこのような構成も採れる。なおこの場合、反射光側に位相変調素子２０を配する構成では、（ｅ）のように位相変調素子の数はｍ−１個になる。
【００３２】
図８は同様のことを入射角が略６０°の場合について示したものである。（ａ）は図７の（ａ）と同様に四辺形のブロックをそのまま一つずつ両端に追加したものである。（ｂ）は図７の（ｃ）に対応し、不要な端部をカットしたもの、（ｃ）は図７の（ｄ）に対応し、さらに最終面（ｍ＋１番目の偏光分離膜）をなくして最端のｍ番目の光束１００ｍの反射光は棄てるようにしたものである。（ｄ）は（ｃ）の場合について反射光側に位相変調素子２０を配する構成に適用したものである。（ｅ）は（ｄ）についてｍ番目の偏光分離膜１０ｍを延ばし、ｍ−１番目の位相変調素子２０ｍ−１を追加したものである。図８の効果は図７とほぼ同様であるが、サイズの短縮効果は入射角３０°の場合より大きくなる。また、（ｄ）の場合、ｍ−１番目とｍ番目の反射光が棄てられるため、位相変調素子の数はｍ−２個になる。このｍ−１番目の反射光を残すようにしたのが（ｅ）である。
【００３３】
図３乃至図６に示した構成と同様の作用は、並行四辺形ブロックの替わりにプレート状偏光素子を用いても得られる。図９、図１０にその一例を示す。図９は、図４に対応し、四辺形ブロック列の替わりに、複数のプレート状偏光分離素子３０を、その偏光分離面が入射光束の光軸に対し６０°（入射角略３０°）となるような角度でフライアイレンズ２０００の光束と同一ピッチで配置したものである。各プレート状偏光分離素子３０の入射面と出射面は光束の光軸に直交し、図４と同様に、出射面の左半分の位置に１／２波長板の位相変調素子４０が配される。図１０は図５に対応し、四辺形ブロック列に替わりに、複数のプレート状偏光分離素子５０を、その偏光分離面が入射光束の光軸に対し略３０°（入射角６０°）となるような角度でフライアレイレンズ２０００の光束と同一ピッチで配置したものである。各プレート状偏光分離素子５０の入射面と出射面は光束の光軸に直交し、図５と同様に、出射面の左半分の位置に１／２波長板の位相変調素子６０が配される。同様にして、図３、図６についても、四辺形ブロックをプレート状偏光分離素子に変えて構成することができる。動作は四辺形ブロックの場合と同じであるので、説明は省略する。
【００３４】
図９、図１０に示したようなプレートタイプの場合には、プレートならびに位相変調素子は適当な枠体に固定される。プレートタイプの場合、片面多層膜、両側を透明部材で挟んだ多層膜、ワイヤーグリッドフィルタといった偏光分離素子が考えられ、設計の幅が広げられる。また、研磨工程が不要になり、コストダウンが計れる。
【００３５】
さらに、図１１、図１２に示すように、プレートタイプの場合、位相変調素子を出射面以外の場所に置くことも可能である。図１１は、各プレート状偏光分離素子３０の間に位相変調素子４０を配置して、偏光分離素子３０での反射光（Ｓ偏光）を位相変調素子４０でＰ偏光に変換した後、次の偏光分離素子３０で反射させるようにしたものである。図１２についても同様である。
【００３６】
なお、プレートタイプの場合、偏光分離面の最適角度は板厚（プレートの厚み）の影響を受け、板厚が厚くなるほど入射角が大きくなる方向に、透過光と反射光が等ピッチで出射される解がある。最適入射角の板厚による変化は３０°タイプの場合は微量であるが、６０°タイプでは板厚が厚い場合は影響が大きい。但し、平行四辺形ブロックの場合と同様、透過光と反射光が重ならなければよいので、透過光と反射光が等ピッチで出射される必要はなく、ビームが細いほど角度の許容範囲は広くできる。
【００３７】
図１３、図１４は本発明の偏光変換素子の入射面側に遮光板（あるいは遮光膜）を設けた例を示している。図１３、図１４は、四辺形ブロックの入射面側に遮光板７０を設けた例であるが、プレート状偏光素子を用いた構成についても同様に遮光板を設けることが可能である。偏光変換素子の入射面側に遮光板７０を設けることにより不要光やフレア光をカットして偏光変換効率が高められる。この場合は、全面に渡って入射される平行光を半分だけ通して偏光変換するような使い方もできる。
【００３８】
図１５乃至図１８は本発明の偏光変換素子を光学系の中心対称に配置した例を示している。偏光変換動作は、これまでの説明と同じであるが、偏光変換素子を光学機器の中に配置したとき、中心対称に光路が構成できるので、全体の構成が容易になる。なお、中心対称に配するので光線本数ｍに対し、一般に偏光分離部はｍ＋２個、位相変調部はｍ個になる。最小単位は、図１６に示すようにｍ＝２の場合で、偏光分離部（偏光分離膜）は１０１〜１０４の４個、位相変調部（位相変調素子）は２０１、２０２の２個である。
【００３９】
図１５、図１７、図１８はプロジェクタ装置等の画像投影装置に用いられるフライアイレンズ２０００−１、２０００−２の光インテグレータ（図２７、図２８の１００３）と組み合わせた例を示している。図１５は２組の偏光変換素子２００、３００を第２フライアイレンズ２０００−２に対して中心対称に配置したものであり、図１７は各偏光変換素子２００、３００の入射光面にさらに遮光板７０を設けたものである。図１８は、第２のフライアイレンズ２０００−２に対して中心対称にプレート状偏光分離素子５０の列を配置して偏光変換素子４００を構成した例であり、かつ、位相変調素子６０を各プレート状偏光分離素子５０の間に配置したものである。図１５、図１７、図１８とも光束は平行光ではないが、第２フライアイレンズ２０００−２上でビームは絞られるため、偏光変換素子２００、３００あるいは４００に入射するビームは細く、光量損失を伴うことなく偏光変換が行われる。なお、図１７の場合は、第２のフライアイレンズ２０００−２で絞られた光束が偏光変換素子２００、３００に入射するので、遮光板７０は不要に見えるが、これをプロジェクタ等の画像投影装置に用いた場合、実際には不要部分にも光が回り込み、遮光板７０を用いることは有効である。
【００４０】
図１９は本発明の偏光変換素子の更にほかの実施例を示し、光束と偏光分離膜のピッチを変えて、偏光分離膜１０ｉからの反射光（Ｓ偏光）が次の偏光分離膜１０ｉ＋１の入射光位置と異なる位置で透過光（Ｐ偏光）と同一方向に反射されるようにして、偏光分離膜を４５°に設定可能にしたものである。偏光分離膜１０ｉ、１０ｉ＋１の透過光は一つの１／２波長板などの位相変調素子２０（ｉ＋１）／２でＳ偏光に変調して出射する。なお、位相変調素子２０を反射光の出射面に設ければ、光束をＰ偏光に揃えて出射することができる。また、プレート状偏光分離素子を用いる場合も、同様に、光束とプレート状偏光分離素子のピッチを変えることにより、プレート状偏光分離素子を４５°に設定することが可能である。このような構成の偏光変換素子では、位相変調素子を光束の半分程度に減らすことが可能となる。
【００４１】
次に、図２０乃至図２３に本発明の偏光変換素子の更にほかの実施例を示す。これらの実施例は、偏光分離部（以下、偏光分離素子）の近傍に位相変調部（以下、位相変調素子）を対峙させて平行に配置することを基本構成としたものである。特に偏光分離素子と位相変調素子を互いに平行に配置させる構成を採用することにより、平行平板を積層した構造や、位相変調素子を偏光分離素子上に密接して配置する構成を採用できるため、両者を精度よく配置でき、また、後述するように製作が非常に容易になる。
【００４２】
ここで、位相変調素子としては、他の実施例と同様に１／２波長板が好適である。１／２波長板の機能を有しているものであればいずれでもよく、位相差を有したフィルム状の１／２波長板、雲母、また構造複屈折により１／２波長作用を持たせてもよい。
【００４３】
偏光分離素子としては、偏光ピースプリッタと呼ばれる素子が好適である。誘電体多層膜で構成したものや、波長以下の金属の格子により偏光分離特性を有したワイヤーグリッド型の偏光ビームスプリッタでもよく、いずれにせよ、偏光方向によって分離作用を有するものであればよい。このような構成を採用することにより、他の実施例と同様に入射光線に対応した数のみ、偏光素子を配列すればよく、簡易な偏光変換素子を実現できる。また、位相変調素子を素子内部に持たせた構造であるため、素子として安定した構造をとることができる。また、波長板等を、ガラス基板等と両側から密着させることが可能となるため、熱伝導率を高め、耐熱性を向上させることが可能となる。
【００４４】
図２０の偏光変換素子は、先の図３と同様に、入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロック（以下、偏光素子）１１０を配列し、それぞれ接合面に偏光分離膜等の偏光分離素子１０１を設けたものであるが、位相変調素子１０２は偏光分離素子１０１上に密接して、該偏光分離素子１０１の略半分（図２０の実施例では上半分）の領域に配置したものである。
【００４５】
以下に図２０の動作を説明する。光束１００は各偏光素子１１０に入射する。ｉ番目の偏光素子１１０ｉに入射した光束１００ｉは、該偏光素子１１０ｉの偏光分離素子１０１ｉによって、Ｓ偏光が反射し、Ｐ偏光が透過するように分離される。透過光のＰ偏光は、位相変調素子１０２ｉを通過し、Ｓ偏光に変換されて出射される。偏光分離素子１０１ｉで反射したＳ偏光は、ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１の偏光分離素子１０１ｉ＋１における位相変調機能の生じない部分に入射して再び反射される。各偏光素子１１０はほぼ平行に配置されているので、偏光素子１１０ｉの透過光と偏光素子１１０ｉ＋１の反射光は同じ方向に出射される。
【００４６】
同様に、ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１に入射した光束１００ｉ＋１は、該偏光素子１１０ｉ＋１の偏光分離素子１０１ｉ＋１で透過光（Ｐ偏光）と反射光（Ｓ偏光）に分離される。透過光のＰ偏光は、位相変調素子１０２ｉ＋１を通過し、Ｓ偏光に変換されて出射される。偏光分離素子１０１ｉ＋１の反射光のＳ偏光は、ｉ＋２番目の偏光素子１１０ｉ＋２の偏光分離素子１０１ｉ＋２における位相変調機能の生じない部分に入射して再び反射し、偏光素子１１０ｉ＋１の透過光と同じ方向に出射される。
【００４７】
このように、図２０の構成によれば、先の図３と同様に、ランダムあるいは無偏光に各偏光素子１１０に入射した各光束１００がＳ偏光に揃えられて出射される。また、位相変調素子１０２を偏光分離素子１０１上に密接して配置するため、精度良く配置でき、製作上も非常に簡易な構造となる。
【００４８】
なお、図２０において、各偏光素子１１０として、偏光分離素子１０１の下半分の領域に位相変調素子１０２を配置した構成とすれば、先の図４と同様に、各偏光素子１１０にランダムに入射した各光束１００はＰ偏光に揃えられて出射されることになる。
【００４９】
次に図２１の偏光変換素子は、先の図５と同様に、入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロック（以下、偏光素子）１１０を配列し、それぞれ接合面に偏光分離素子１０１を設け、該偏光分離素子１０１の略下半分の領域に位相変調素子１０２を密接して配置したものである。
【００５０】
図２１の動作は先の図２０と基本的に同様である。光束１００は各偏光素子１１０に入射する。ｉ番目の偏光素子１１０ｉに入射した光束１００ｉは、該偏光素子１１０ｉの偏光分離素子１０１ｉでＳ偏光が反射し、Ｐ偏光が透過する。透過光のＰ偏光は、位相変調素子１０２ｉを通過し、Ｓ偏光に変換されて出射される。偏光分離素子１０１ｉで反射したＳ偏光は、ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１の偏光分離素子１０１ｉ＋１における位相変調機能の生じない部分に入射して再び反射し、透過光と同じ方向に出射される。
【００５１】
ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１に入射した光束１００ｉ＋１は、該偏光素子１００ｉ＋１の偏光分離素子１０１ｉ＋１で透過光（Ｐ透過）と反射光（Ｓ偏光）に分離され、透過光のＰ偏光は、位相変調素子１０２ｉ＋１を通過し、Ｓ偏光に変換されて、光束１００ｉの透過光と反射光の略中間の位置に出射される。偏光分離素子１０１ｉ＋１の反射光のＳ偏光は、ｉ＋２番目の偏光素子１１０ｉ＋２の偏光分離素子１０１ｉ＋２における位相変調機能の生じない部分に入射して再び反射し、偏光素子１１０ｉ＋１の透過光と同じ方向に出射される。
【００５２】
このように、図２１の構成によれば、先の図５と同様に、ランダムあるいは無偏光に各偏光素子１１０に入射した各光束がＳ偏光に揃えられて出射される。また、位相変調素子１０２を偏光分離素子１０１上に密接して配置するため、精度よく配置でき、製作上も非常に簡易な構造となる。
【００５３】
なお、図２１において、各偏光素子１１０として、偏光分離素子１０１の上半分の領域に位相変調素子１０２を配置する構成とすれば、先の図６と同様に、各偏光素子１１０に入射した各光束１００はＰ偏光に揃えられて出射されることになる。
【００５４】
次に、図２２の偏光変換素子は、図２０と同様に、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の偏光素子１１０を平行に配置したものであるが、本実施例では、位相変調素子１０２を、偏光分離素子１０１の略全領域に対峙させて配置し、さらに、偏光素子１１０内部に偏光分離素子１０１及び位相変調素子１０２と平行に第２の位相変調素子１０３を配置させたものである。
【００５５】
以下に図２２の動作を説明する。光束１００は各偏光素子１１０に入射する。ｉ番目の偏光素子１１０ｉに入射した光束１００ｉは位相変調素子１０３ｉを通過し、偏光分離素子１０１ｉによって、Ｓ偏光が反射し、Ｐ偏光が透過するように分離される。透過光のＰ偏光は、位相変調素子１０２ｉが通過し、Ｓ偏光に変換されて出射される。偏光分離素子１０１ｉで反射したＳ偏光は、位相変調素子１０３ｉを通過してＰ偏光に変換され、偏光素子１１０ｉ＋１へと向かう。そして、偏光素子１１０ｉ＋１で位相変調素子１０２ｉ＋１を通過し（Ｓ偏光に変換）、偏光分離素子１０１ｉ＋１で反射し、位相変調素子１０２ｉ＋１を通過した後（Ｐ偏光に再変換）、再び位相変調素子１０３ｉを通過し、最終的にＳ偏光となって出射される。ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１に入射した光束１００ｉ＋１についても同様である。各偏光素子１１０はほぼ平行に配置されているので、透過光と反射光は同じ方向に出射される。
【００５６】
このように、図２２の構成によれば、ランダムあるいは無偏光に各偏光素子１１０に入射した各光束１００がＳ偏光に揃えられて出射される。また、偏光分離素子１０１、位相変調素子１０２、１０３はほぼ同一構造であるため、図２０や図２１の構成よりも製作がさらに容易であり、量産にも適している。
【００５７】
図２３は図２２の変形例で、各偏光素子１１０の接合面を構成する偏光分離素子１０１と位相変調素子１０２とを逆の配置にして、出射光をＰ偏光に揃えるようにしたものである。この偏光分離素子１０１と位相変調素子１０２とが逆の配置となっている以外、その他の構成は図２２と同様である。
【００５８】
以下に図２３の動作を説明する、光束１００は各偏光素子１１０に入射する。ｉ番目の偏光素子１１０ｉに入射した光束１００ｉは位相変調素子１０３ｉ、位相変調素子１０２ｉを順次通過し、偏光分離素子１０１ｉによって、Ｓ偏光が反射し、Ｐ偏光が透過するように分離される。そして、透過光のＰ偏光はそのまま出射光となる。偏光分離素子１０１ｉで反射したＳ偏光は、位相変調素子１０２ｉを通過してＰ偏光に変換され、更に位相変調素子１０３ｉを通過してＳ偏光に変換されて、変換素子１１０ｉ＋１へと向う。そして、偏光素子１１０ｉ＋１の偏光分離素子１０１ｉ＋１で反射し、再び位相変調素子１０３ｉを通過してＰ偏光に変換されて出射光となる。ｉ＋１番目の偏光素子１１０ｉ＋１に入射した光束１００ｉ＋１についも同様である。各偏光素子１１０はほぼ平行に配置されているので、透過光と反射光は同じ方向に出射される。
【００５９】
次に、図２０及び図２２に示した偏光変換素子の製造方法について説明する。
図２４は図２０に示した偏光変換素子の製造方法の一実施例を説明する図である。まず、概略平行基板（例えばガラス基板）１２０上に偏光分離素子１０１となる偏光分離膜を形成し、該偏光分離膜上に、位相変調素子１０２となる位相変調機能を有する個所と、有しない個所を直接あるいはバッファ層を介して等ピッチに形成する（工程１）。位相変調素子１０２となる個所は、例えば、フィルム状の１／２波長板を短冊状に貼り付けたり、あるいは、接着剤により密着固着して形成する。バッファ層とは、ここでは、粘着剤や粘着剤、あるいは接着強度を高めるために表面処理など、偏光分離素子１０１と位相変調素子１０２の間に配置されるものであり、必要に応じて形成する。工程１では、偏光分離素子１０１及び位相変調素子１０２が形成された基板（偏光素子基板）１２５を複数個作成する。
【００６０】
次に、偏光分離素子１０１及び位相変調素子１０２が形成された複数の偏光素子基板１２５を、それぞれ位相変調素子１０２の配列方向に一定量（Ｐ）シフトして積層し、密着接合する（工程２）。接合には、熱硬化型接着剤を利用したり、ＵＶ接着剤の塗布、紫外線による硬化接合などを利用する。偏光分離膜上に１／２波長板などが短冊状に配置されることにより、多少の段差ができても、接着剤で平坦化される。もちろん、構造複屈折による位相変調機能を有する素子を設けてもよい。その場合には、機能層の厚みなどを無視できるので好都合である。
【００６１】
次に、積層密着された偏光素子基板体（積層体）を、シフト量（Ｐ）に応じた量だけ積層方向に対して傾斜して平行に切断し、平行平板状に偏光変換素子を切り出す（工程３）。最終的には、切り出した面と光学的に鏡面仕上げなどして、平行線平板状に形成された偏光変換素子が得られる。
【００６２】
基板上に波長板を短冊状に貼り付ける構成では、粘着剤の耐熱性等によりヤケが発生したりする不具合があるが、本実施例では、基板内に偏光分離素子と一体に形成されるために、基板の熱伝導性が良くなり、波長板の耐熱性が向上するなど、信頼性の面で向上する。なお、図２１の偏光変換素子もまったく同様に製作することができる。
【００６３】
図２５は図２２に示した偏光変換素子の製造方法の実施例を示したものである。まず、概略平行平板基板（例えばガラス基板）１２０上に偏光分離素子１０１となる偏光分離膜を形成し、さらに該偏光分離膜上に、位相変調素子１０２となる位相変調膜を形成し、偏光素子基板１２５とする。また、基板120と同一形状、ほぼ同一厚みの基板（例えばガラス基板）１３０上に位相変調素子１０３となる位相変調膜を形成し、位相変調素子基板１３５とする。そして、偏光素子基板１２５の位相変調膜上に、位相変調素子基板１３５を接合して一つの積層ユニット１４０とする。これが工程１である。ここで、位相変調素子１０２、１０３は、１／２波長板が好適であり、単純に積層すればよい。また、偏光素子基板１２５と位相変調素子基板１３５の接合時には、粘着材や接着材、あるいは、接着強度を高めるための表面処理など、偏光分離膜と位相変調膜の間、位相変調膜と基板（ガラス基板）などの間にバッファ層を必要に応じて形成する。この工程１では、偏光素子基板１２５と位相変調素子基板１３５が積層された積層ユニット１４０を複数作成する。
【００６４】
次に、複数の積層ユニット１４０を積層して接合する（工程２）。接合には、熱硬化型接着剤を利用したり、ＵＶ接着剤を塗布、紫外線による効果接合などを利用する。
次に、複数の積層ユニット１４０が積層接合された積層ユニット体を、積層方向に対して傾斜して平行に切断し、平行平板状に偏光変換素子を切り出す（工程３）。最終的には、切り出した面を光学的に起用面仕上げなどし、平行平板状に形成された偏光変換素子（図２２）が形成される。
【００６５】
以上のように、図２２に示す偏光変換素子の製造では、１／２λ波長板を短冊状に貼る必要がなく、基本的には偏光分離素子、位相変調素子を平面状に堆積していくだけでよく、非常に単純な工程となる。なお、偏光素子基板１２５の偏光分離素子１０１と位相変調素子１０２の重ねる順番を逆にすると、図２３に示す偏光素子となる。
【００６６】
また、図２０に示す偏光素子の製造でも述べたように、基板上に波長板を短冊状に貼り付ける構成では、粘着剤の耐熱性等によりヤケが発生したりする不具合があるが、本実施例では、基板内に偏光分離素子と一体に形成されるために、基板の熱伝導性が良くなり、波長板の耐熱性が向上するなど、信頼性の面で向上する。また、同一パターンの素子基板を積層させて作成できるため、量産にも適している。
【００６７】
なお、図２０乃至図２３に示した偏光変換素子においても、図１３、図１４に示したように、偏光変換素子の入射面側に遮光板（あるいは遮光膜）を設けるようにしてもよい。また。図１５乃至図１８に示したように、偏光変換素子を光学系の中心対称に配置する構成とすることもできる。
【００６８】
図２６に照明光学系への適用例を示す。図２６では、変更変換素子としては図２０の構成例が示されているが、これは単なる一例であり、任意の偏光変換素子が適用可能である。
光源の光束４００は、集光素子４１０により複数の光束４２０に分割される。集光素子４１０は単一光源の光量光束を均一化する照明光学系の一要素であり、レンズアレイを２次元配置した集光素子アレイ（フライアレインズアレイ）が一般に用いられる。このフライアイレンズアレイを２対（４１０、４３０）用い、第１のレンズアレイ４１０の集光点近傍（瞳位置）に第２のレンズアレイ４３０を配置して、単一光源の像を複数作成する。この複数の像が二次点光源となり、フライアイレンズアレイの配列ピッチに応じてアレイ状に形成される。この複数の点光源をコンデンサーレンズ４６０などを用いて、所望の被照射物に照射、重畳させる均一照明を得る。この種の照明光学系は、均一な照明が必要な露光装置や投射装置などの照明装置に多く用いられている。
【００６９】
図１５や図１７と同様に、このような照明光学系において、複数に分割された照明光束を効率よく１偏光方向の光束に揃えるために本発明の偏光変換素子４５０を配置する。また、偏光変換素子４５０の入射側に遮光部４４０を配置する。これは図１７と同様である。
【００７０】
従来の照明光学系では、偏光変換素子４５０の位置に、図２９（Ａ），（Ｂ）に示すような構成の偏光変換素子を配置していたため、分割された光束の約２倍分の変更変換素子が必要であった。一方、本発明の偏光変換素子４５０では、分割された光束の数だけあればよい。厳密には、図２６に示したように、４つの光束４２０に対して、５つの偏光変換部があればよく、照明光束の数に対して一つ増やすだけでよい。
なお、図２６に示したのはあくまでも紙面上での配列数であって、照明光束の数は、偏光変換素子を構成する偏光素子のアレイ方向の数である。
【００７１】
このように、従来の偏光変換素子を搭載した照明系より、偏光素子の配列数が少なくなり、本発明の偏光変換素子を用いた照明系を低コストに構築できる。また、配列数が少なくなる、つまり、配列ピッチが相対的に大きくなるため、積層ピッチ誤差や、配置の誤差も少なくなり、偏光変換効率の高い照明系を実現できる。また、より偏光がそろった照明光学系とするために、図２６では、偏光変換素子４５０の入射側に遮光部４４０を配置した構成となっている。従来は、集光素子の周辺での収差や、光源の有限の大きさがあることにより、集光性が劣とり、偏光変換素子の必要な入射部以外から入射する光束によって、偏光度を落としてしまう要因となっていたが、このような構成を採用することで、より偏光度の高い照明光学系を提供できる。
【００７２】
以上、本発明の偏光変換素子の実施形態を説明したが、本発明は、図示の構成に限定されるものでないことはいうまでもない。本発明による偏光変換素子を照明光学系中に配して、図２７ないし図２８に示すような液晶を画像形成素子とするプロジェクタ装置（画像投影装置）が構成される。なお、プロジェクタに偏光変換素子を適用する場合、偏光変換素子によってＰ偏光に揃えるかＳ偏光に揃えるかは、ひとえに液晶素子等の画像形成素子の偏光依存性にかかわっており、画像形成素子の特性が得られる偏光方向に揃えられる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明の偏光変換素子の原理的な構成図。
【図２】同じく本発明の偏光変換素子の原理的な構成図。
【図３】本発明のアレイ化した偏光変換素子の基本的な構成図。
【図４】同じく本発明のアレイ化した偏光変換素子の基本的な構成図。
【図５】同じく本発明のアレイ化した偏光変換素子の基本的な構成図。
【図６】同じく本発明のアレイ化した偏光変換素子の基本的な構成図。
【図７】本発明のアレイ化した偏光変換素子の端部の構成図。
【図８】同じく本発明のアレイ化した偏光変換素子の端部の構成図。
【図９】プレート状偏光分離素子を用いた場合の本発明の偏光変換素子の構成図。
【図１０】同じくプレート状偏光分離素子を用いた場合の本発明の偏光変換素子の構成図。
【図１１】プレート状偏光分離素子を用いた場合の本発明の偏光変換素子の変形構成図。
【図１２】同じくプレート状偏光分離素子を用いた場合の本発明の偏光変換素子の変形構成図。
【図１３】本発明の偏光変換素子の入射面に遮光板を設けた場合の構成図。
【図１４】同じく本発明の偏光変換素子の入射面に遮光板を設けた場合の構成図。
【図１５】本発明の偏光変換素子を光学系の中心対象に配置した場合の構成図。
【図１６】本発明の偏光変換素子を光学系の中心対象に配置した場合の構成図。
【図１７】同じく本発明の偏光変換素子を光学系の中心対象に配置した場合の構成図。
【図１８】同じく本発明の偏光変換素子を光学系の中心対象に配置した最小単位の構成図。
【図１９】本発明の偏光変換素子の別の原理的な構成図。
【図２０】本発明の偏光変換素子の更に別の構成図。
【図２１】同じく本発明の偏光変換素子の更に別の構成図。
【図２２】同じく本発明の偏光変換素子の更に別の構成図。
【図２３】同じく本発明の偏光変換素子の更に別の構成図。
【図２４】図２０の偏光変換素子の製造方法の説明図。
【図２５】図２２の偏光変換素子の製造方法の説明図。
【図２６】本発明による偏光変換素子を適用した照明光学系の一実施例の構成図。
【図２７】透過型液晶を用いたプロジェクタ装置の一般的な構成図。
【図２８】反射型液晶を用いたプロジェクタ装置の一般的な構成図。
【図２９】従来と本発明の偏光変換素子の構成比較図。
【符号の説明】
【００７４】
１０ 偏光分離部
２０ 位相変調部
３０、５０ プレート状偏光分離素子
４０、６０ 位相変調素子
７０ 遮光板
１００ 光束
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の偏光分離部と複数の位相変調部とを備え、
各々の偏光分離部に光束が入射して各々透過光と反射光に分離され、反射光が隣接する偏光分離部の入射光位置と異なる位置で再度反射されて透過光と同一方向に出射され、
透過光と反射光のうちいずれか一方の光路中に位相変調部を設けたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光変換素子において、
ｍを２以上の整数として、ｍ本の光束に対しｍ＋１個の偏光分離部とｍ個の位相変調部からなり、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｍ）の光束をｉ番目の偏光分離部で透過光と反射光に分離し、透過光はｉ番目の位相変調部で位相変調して出射し、反射光はｉ＋１番目の偏光分離部で再度反射して透過光と同一方向に出射する、
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項３】
請求項１記載の偏光変換素子において、
ｍを２以上の整数として、ｍ本の光束に対しｍ＋１個の偏光分離部とｍ個の位相変調部からなり、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｍ）の光束をｉ番目の偏光分離部で透過光と反射光に分離し、透過光は透過させ、反射光はｉ＋１番目の偏光分離部で再度反射して透過光と同一方向に出射し、ｉ番目の位相変調部で位相変調する、
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項４】
請求項２記載の偏光変換素子において、
最端部（ｍ＋１番目）の偏光分離部を無くし、ｍ個の偏光分離部とｍ個の位相変調部としたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項５】
請求項３記載の偏光変換素子において、
最端部（ｍ＋１番目）の偏光分離部を無くすると共に、ｍ番目の光束の反射光を位相変調するｍ番目の位相変調部を無くし、ｍ個の偏光分離部とｍ−１個の位相変調部としたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項６】
請求項５記載の偏光変換素子において、
ｍ−１番目の光束の反射光を位相変調するｍ−１番目の位相変調部をさらに無くし、ｍ個の偏光分離部とｍ−２個の位相変調部としたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項７】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、各ブロックの出射側面の略右半分の位置に位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項８】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、各ブロックの出射側面の略左半分の位置に位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項９】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、各ブロックの出射側面の略左半分の位置に位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１０】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、各ブロックの出射側面の略右半分の位置に位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１１】
請求項１記載の偏光変換素子において、
偏光分離部としてプレート状偏光分離素子を入射光軸に対し略６０°（入射角が略３０°）の角度で複数配列し、各偏光分離素子の透過光光路上に位相変調部として１／２波長板を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１２】
請求項１記載の偏光変換素子において、
偏光分離部としてプレート状偏光分離素子を入射光軸に対し略６０°（入射角が略３０°）の角度で複数配列し、各偏光分離素子の反射光光路上に位相変調部として１／２波長板を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１３】
請求項１記載の偏光変換素子において、
偏光分離部としてプレート状偏光分離素子を入射光軸に対し略３０°（入射角が略６０°）の角度で複数配列し、各偏光分離素子の透過光光路上に位相変調部として１／２波長板を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１４】
請求項１記載の偏光変換素子において、
偏光分離部としてプレート状偏光分離素子を入射光軸に対し略３０°（入射角が略６０°）の角度で複数配列し、
各偏光分離素子の反射光光路上に位相変調部として１／２波長板を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１５】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、該偏光分離部と平行に、該偏光分離部の略上半分の領域と対峙して位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１６】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、該偏光分離部と平行に、該偏光分離部の略下半分の領域と対峙して位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１７】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、該偏光分離部と平行に、該偏光分離部の略下半分の領域と対峙して位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１８】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、該偏光分離部と平行に、該偏光分離部の略上半分の領域と対峙して位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１９】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部と位相変調部とを互いに平行に対峙して配置すると共に、平行四辺形ブロック内に前記偏光分離部と位相変調部と平行に第２の位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２０】
請求項１９記載の偏光変換素子において、
接合面上に偏光分離部、位相変調部の順番に隣接配置されていることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２１】
請求項１９記載の偏光変換素子において、
接合面上に位相変調部、偏光分離部の順番に隣接配置されていることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２２】
請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の偏光変換素子の製造方法であって、
平行平板基板上に偏光分離部として偏光分離膜を形成し、該偏光分離膜上に、位相変調部として等ピッチに１／２波長板を固着して偏光素子基板を作成する工程と、
前記偏光素子基板を複数個、１／２波長板の配列方向に一定量シフトさせて積層し接合して積層体を作成する工程と、
前記積層体をシフト量に応じた量だけ積層方向に対して傾斜して平行に切断し、平行平板状に偏光変換素子を切り出す工程と、
を有することを特徴とする偏光変換素子の製造方法。
【請求項２３】
請求項１９乃至２１のいずれか１項に記載の偏光変換素子の製造方法であって、
第１の平行平板基板上に偏光分離部としての偏光分離膜と位相変調部としての１／２波長板の位相変調膜とを重ねて固着して偏光素子基板を作成し、前記第１の平行平板基板とほぼ同一形状、同一厚みの第２の平行平板基板上に第２の位相変調部としての１／２波長板の位相変調膜を固着して位相変調素子基板を作成し、前記偏光素子基板状に前記位相変調素子基板を接合して積層ユニットとする工程と、
前記積層ユニットを複数個、積層し接合して積層ユニット体を作成する工程と、
前記積層ユニット体を積層方向に対して傾斜して平行に切断し、平行平板状に偏光変換素子を切り出す工程と、
を有することを特徴とする偏光変換素子の製造方法。
【請求項２４】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の偏光変換素子において、入射側に有効光路以外を遮光する遮光手段を設けたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２５】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の偏光変換素子において、該偏光変換素子を中心対称に配置したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２６】
請求項１乃至２１、２４、２５のいずれか１項に記載の偏光変換素子を用いた偏光変換光学系であって、
偏光変換素子の前段に、レンズピッチが偏光変換素子の偏光分離部の配列ピッチと同一ピッチのレンチキュラレンズアレイあるいはフライアイレンズを配置し、ｉ番目のレンズを透過した光束をｉ番目の偏光分離部に入射するようにしたことを特徴とする偏光変換光学系。
【請求項２７】
偏光依存性のある画像形成素子の像を投影光学系によって投影する画像投影装置において、画像形成素子を照明する照明光学系の光路上に、請求項２６記載の偏光変換光学系を有することを特徴とする画像投影装置。
【請求項１】
複数の偏光分離部と複数の位相変調部とを備え、
各々の偏光分離部に光束が入射して各々透過光と反射光に分離され、反射光が隣接する偏光分離部の入射光位置と異なる位置で再度反射されて透過光と同一方向に出射され、
透過光と反射光のうちいずれか一方の光路中に位相変調部を設けたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光変換素子において、
ｍを２以上の整数として、ｍ本の光束に対しｍ＋１個の偏光分離部とｍ個の位相変調部からなり、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｍ）の光束をｉ番目の偏光分離部で透過光と反射光に分離し、透過光はｉ番目の位相変調部で位相変調して出射し、反射光はｉ＋１番目の偏光分離部で再度反射して透過光と同一方向に出射する、
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項３】
請求項１記載の偏光変換素子において、
ｍを２以上の整数として、ｍ本の光束に対しｍ＋１個の偏光分離部とｍ個の位相変調部からなり、ｉ番目（ｉ＝１，２，…，ｍ）の光束をｉ番目の偏光分離部で透過光と反射光に分離し、透過光は透過させ、反射光はｉ＋１番目の偏光分離部で再度反射して透過光と同一方向に出射し、ｉ番目の位相変調部で位相変調する、
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項４】
請求項２記載の偏光変換素子において、
最端部（ｍ＋１番目）の偏光分離部を無くし、ｍ個の偏光分離部とｍ個の位相変調部としたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項５】
請求項３記載の偏光変換素子において、
最端部（ｍ＋１番目）の偏光分離部を無くすると共に、ｍ番目の光束の反射光を位相変調するｍ番目の位相変調部を無くし、ｍ個の偏光分離部とｍ−１個の位相変調部としたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項６】
請求項５記載の偏光変換素子において、
ｍ−１番目の光束の反射光を位相変調するｍ−１番目の位相変調部をさらに無くし、ｍ個の偏光分離部とｍ−２個の位相変調部としたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項７】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、各ブロックの出射側面の略右半分の位置に位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項８】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、各ブロックの出射側面の略左半分の位置に位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項９】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、各ブロックの出射側面の略左半分の位置に位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１０】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、各ブロックの出射側面の略右半分の位置に位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１１】
請求項１記載の偏光変換素子において、
偏光分離部としてプレート状偏光分離素子を入射光軸に対し略６０°（入射角が略３０°）の角度で複数配列し、各偏光分離素子の透過光光路上に位相変調部として１／２波長板を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１２】
請求項１記載の偏光変換素子において、
偏光分離部としてプレート状偏光分離素子を入射光軸に対し略６０°（入射角が略３０°）の角度で複数配列し、各偏光分離素子の反射光光路上に位相変調部として１／２波長板を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１３】
請求項１記載の偏光変換素子において、
偏光分離部としてプレート状偏光分離素子を入射光軸に対し略３０°（入射角が略６０°）の角度で複数配列し、各偏光分離素子の透過光光路上に位相変調部として１／２波長板を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１４】
請求項１記載の偏光変換素子において、
偏光分離部としてプレート状偏光分離素子を入射光軸に対し略３０°（入射角が略６０°）の角度で複数配列し、
各偏光分離素子の反射光光路上に位相変調部として１／２波長板を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１５】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、該偏光分離部と平行に、該偏光分離部の略上半分の領域と対峙して位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１６】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、該偏光分離部と平行に、該偏光分離部の略下半分の領域と対峙して位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１７】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、該偏光分離部と平行に、該偏光分離部の略下半分の領域と対峙して位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１８】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略３０°（入射角が略６０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部を配置すると共に、該偏光分離部と平行に、該偏光分離部の略上半分の領域と対峙して位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項１９】
請求項１記載の偏光変換素子において、
入射面および出射面が入射光軸に対して直交し、接合面が入射光軸に対して略６０°（入射角が略３０°）の傾きを持つ複数の平行四辺形ブロックを配列し、接合面に偏光分離部と位相変調部とを互いに平行に対峙して配置すると共に、平行四辺形ブロック内に前記偏光分離部と位相変調部と平行に第２の位相変調部を配したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２０】
請求項１９記載の偏光変換素子において、
接合面上に偏光分離部、位相変調部の順番に隣接配置されていることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２１】
請求項１９記載の偏光変換素子において、
接合面上に位相変調部、偏光分離部の順番に隣接配置されていることを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２２】
請求項１５乃至１８のいずれか１項に記載の偏光変換素子の製造方法であって、
平行平板基板上に偏光分離部として偏光分離膜を形成し、該偏光分離膜上に、位相変調部として等ピッチに１／２波長板を固着して偏光素子基板を作成する工程と、
前記偏光素子基板を複数個、１／２波長板の配列方向に一定量シフトさせて積層し接合して積層体を作成する工程と、
前記積層体をシフト量に応じた量だけ積層方向に対して傾斜して平行に切断し、平行平板状に偏光変換素子を切り出す工程と、
を有することを特徴とする偏光変換素子の製造方法。
【請求項２３】
請求項１９乃至２１のいずれか１項に記載の偏光変換素子の製造方法であって、
第１の平行平板基板上に偏光分離部としての偏光分離膜と位相変調部としての１／２波長板の位相変調膜とを重ねて固着して偏光素子基板を作成し、前記第１の平行平板基板とほぼ同一形状、同一厚みの第２の平行平板基板上に第２の位相変調部としての１／２波長板の位相変調膜を固着して位相変調素子基板を作成し、前記偏光素子基板状に前記位相変調素子基板を接合して積層ユニットとする工程と、
前記積層ユニットを複数個、積層し接合して積層ユニット体を作成する工程と、
前記積層ユニット体を積層方向に対して傾斜して平行に切断し、平行平板状に偏光変換素子を切り出す工程と、
を有することを特徴とする偏光変換素子の製造方法。
【請求項２４】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の偏光変換素子において、入射側に有効光路以外を遮光する遮光手段を設けたことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２５】
請求項１乃至２１のいずれか１項に記載の偏光変換素子において、該偏光変換素子を中心対称に配置したことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２６】
請求項１乃至２１、２４、２５のいずれか１項に記載の偏光変換素子を用いた偏光変換光学系であって、
偏光変換素子の前段に、レンズピッチが偏光変換素子の偏光分離部の配列ピッチと同一ピッチのレンチキュラレンズアレイあるいはフライアイレンズを配置し、ｉ番目のレンズを透過した光束をｉ番目の偏光分離部に入射するようにしたことを特徴とする偏光変換光学系。
【請求項２７】
偏光依存性のある画像形成素子の像を投影光学系によって投影する画像投影装置において、画像形成素子を照明する照明光学系の光路上に、請求項２６記載の偏光変換光学系を有することを特徴とする画像投影装置。
【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】
【公開番号】特開２００７−７９５４２（Ｐ２００７−７９５４２Ａ）
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１５８２１７（Ｐ２００６−１５８２１７）
【出願日】平成１８年６月７日（２００６．６．７）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年３月２９日（２００７．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月７日（２００６．６．７）
【出願人】（０００００６７４７）株式会社リコー (37,907)
【Ｆターム（参考）】
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