JP2007033676A - 偏光変換光学素子、光変調モジュール及び投射型画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】経時において性能劣化が小さく、且つ低コストな偏光変換光学系を実現する。
【解決手段】本発明では、２つの直交する偏光成分を分離する偏光分離手段１と、偏光状態を変化させる偏光変化手段２と、を少なくとも有し、入射光の偏光状態によらず射出光の偏光状態を一方向に揃えることが可能な偏光変換光学系において、前記偏光分離手段１と前記偏光変化手段２のうちの少なくとも一方は、使用する波長よりも短いピッチの微細凹凸構造を有することを特徴としており、偏光分離手段１と偏光変化手段２の少なくともどちらか一方は波長以下の微細凹凸構造を用いて実現しているため、ナノインプリンティングやフォトリソグラフィー等の手段により安価に大量に作製できるだけでなく、経時での性能の安定性を向上させることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ランダム偏光の光源からの光の偏光方向を揃える偏光変換光学素子と、該偏光変換光学素子を用いた光変調モジュール、及び、該光変調モジュールを用いた投射型画像表示装置に関する。

プロジェクタ等の従来の投射型画像表示装置では、光源として高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどの放電ランプを用い、光源からの光は液晶等のライトバルブに導かれ、ライトバルブで変調された光が投射レンズによりスクリーン上に投射される。このとき、液晶に入射される光は、単一の方向に振動する直線偏光である必要があるが、放電ランプからの光はランダム偏光であるため、液晶で利用される光は、放電ランプからの光の１／２以下になり、光利用効率が悪くなってしまう。従って、光源からの光の偏光方向を一方向に揃える「偏光変換光学系」が必要である。従来では、そのような偏光変換光学系として、特許文献１（特開２００２−２３１０６号公報）や特許文献２（特開２００２−２４４２１１号公報）に開示されるような、偏光ビームスプリッタと位相差板を組み合わせた偏光変換光学系が用いられている。その代表的構造例を図１４に示す。

図１４では、図示しない放電ランプからの光は図示しないリフレクタにより略平行光に変換され、マイクロレンズアレイ２０１，２０２により集光された光は偏光ビームスプリッタ２０３に入射し、偏光ビームスプリッタ２０３を透過した光をλ／２板（位相差板）２０４により偏光方向を９０°回転させて図示しない重畳レンズに入射させ、偏光ビームスプリッタ２０３により反射された光は、ミラー２０５により光路が９０°折り曲げられて図示しない重畳レンズに入射する。重畳レンズに入射した光は図示しない液晶等のライトバルブ上で重ね合わせられ、偏光方向の揃った直線偏光の光で液晶等のライトバルブを均一に照射する。

特開２００２−２３１０６号公報 特開２００２−２４４２１１号公報 Mool C.Gupta and S.T.Peng, "Diffraction characteristics of surface-relief gratings", Appl.Opt., Vol.32, No.16(1993)

上記、図１４における偏光変換光学系において、偏光ビームスプリッタ２０３は、通常、多数の屈折率の異なる光学膜を基板上に多数積層した多層膜構造により実現される。この多層膜構造を用いた偏光ビームスプリッタは、工数が多い、真空での蒸着が必要である等の理由により、高価になってしまう。さらに、プロジェクタの内部は非常に高温であり、前記偏光変換光学系は高温環境で使用されることになるため、マイクロクラック等の発生により経時で性能が劣化してしまう等の問題点がある。また、偏光分離機能を高めるためには、更に多数の光学膜を必要とすることから、高性能化と低コスト化の両立が難しい。さらに、各層の膜厚の制御が難しく、所望の偏光分離機能を実現するのが難しいといった問題がある。

また、上記のλ／２板（位相差板）２０４は、高分子を用いて実現されることが多いが、高分子を用いた位相差板も、上記の偏光ビームスプリッタと同様、熱に弱いという欠点があるため、経時で性能が劣化してしまう。

本発明は上記事情に鑑みなされたものであり、その目的は、経時において性能劣化が小さく、且つ低コストな偏光変換光学系と、その偏光変換光学系を用いた光変調モジュール、及び、該光変調モジュールを用いた投射型画像表示装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、本発明では以下のような技術的手段を採っている。
本発明の第１の手段は、２つの直交する偏光成分を分離する偏光分離手段と、偏光状態を変化させる偏光変化手段と、を少なくとも有し、入射光の偏光状態によらず射出光の偏光状態を一方向に揃えることが可能な偏光変換光学系において、前記偏光分離手段と前記偏光変化手段のうちの少なくとも一方は、使用する波長よりも短いピッチの微細凹凸構造を有することを特徴とする（請求項１）。

本発明の第２の手段は、第１の手段の偏光変換光学系において、反射手段と位相変化手段を有し、前記偏光分離手段は、２つの直交する直線偏光のうち、一方の直線偏光成分を反射し、他方の直線偏光成分を透過するように構成し、該反射された直線偏光成分を前記反射手段にて反射させるとともに、前記位相変化手段を通過させることを特徴とする（請求項２）。
また、本発明の第３の手段は、第１の手段の偏光変換光学系において、反射手段と位相変化手段を有し、前記偏光分離手段は、２つの直交する直線偏光のうち、一方の直線偏光成分を反射し、他方の直線偏光成分を透過するように構成し、該透過された直線偏光成分を前記反射手段にて反射させるとともに、前記位相変化手段を通過させることを特徴とする（請求項３）。

本発明の第４の手段は、第１乃至第３のいずれか一つの手段の偏光変換光学系において、少なくとも前記偏光分離手段と前記偏光変化手段は、互いに平行になるように構成することを特徴とする（請求項４）。
また、本発明の第５の手段は、第１乃至第４のいずれか一つの手段の偏光変換光学系において、前記偏光分離手段と前記偏光変化手段は、単一の光学素子上に集積されていることを特徴とする（請求項５）。
さらに本発明の第６の手段は、第１乃至第５のいずれか一つの手段の偏光変換光学系において、単一の光学素子の同一の面を複数の領域に分割し、前記分割された領域のそれぞれに、前記偏光分離手段と前記偏光変化手段を形成することを特徴とする（請求項６）。

本発明の第７の手段は、第２乃至第６のいずれか一つの手段の偏光変換光学系において、前記反射手段と前記偏光変化手段は、単一の光学素子上に集積化されていることを特徴とする（請求項７）。
また、本発明の第８の手段は、第２乃至第７のいずれか一つの手段の偏光変換光学系において、前記反射手段と前記偏光分離手段と前記偏光変化手段は、単一の光学素子上に集積化されていることを特徴とする（請求項８）。

本発明の第９の手段は、第１の手段の偏光変換光学系において、前記偏光分離手段は、２つの直交する直線偏光のうち、一方の直線偏光成分を屈曲させて透過し、他方の直線偏光成分をそのまま透過するように、２つの直交する直線偏光の進行方向を分離するように構成し、前記分離した直線偏光の一方の成分は、偏光変化手段を透過させて偏光方向を９０°回転させ、前記分離した直線偏光の他方の成分は、光路偏向手段によりもう一度屈曲させるとともに、前記偏光変化手段を透過した直線偏光成分と前記光路偏向手段を透過した直線偏光成分の進行方向を、略平行になるように構成することを特徴とする（請求項９）。

本発明の第１０の手段は、第９の手段の偏光変換光学系において、前記光路偏向手段は、使用する波長よりも短いピッチの微細凹凸構造を有することを特徴とする（請求項１０）。
また、本発明の第１１の手段は、第９または第１０の手段の偏光変換光学系において、前記偏光変化手段と前記光路偏向手段は、単一の光学素子上に集積されていることを特徴とする（請求項１１）。

本発明の第１２の手段は、光変調モジュールであり、光源と、第１乃至第１１のいずれか一つの手段の偏光変換光学系と、前記光源の強度分布を変調する光変調手段と、を有することを特徴とする（請求項１２）。
また、本発明の第１３の手段は、第１２の手段の光変調モジュールにおいて、前記光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする（請求項１３）。
さらに本発明の第１４の手段は、第１２または第１３の手段の光変調モジュールにおいて、前記光源はＬＥＤアレイとし、前記ＬＥＤアレイの１つのＬＥＤに対応して、第１乃至第１１のいずれか一つの手段の偏光変換光学系を設けることを特徴とする（請求項１４）。

本発明の第１５の手段は、投射型画像表示装置であり、第１２乃至第１４のいずれか一つの手段の光変調モジュールと、該光変調モジュールの強度分布を像面に投影する投影レンズと、を有することを特徴とする（請求項１５）。

本発明の第１〜３の手段の偏光変換光学系においては、偏光分離手段と偏光変化手段の少なくともどちらか一方は波長以下の微細凹凸構造を用いて実現しているため、ナノインプリンティングやフォトリソグラフィー等の手段により安価に大量に作製できるだけでなく、経時での性能の安定性を向上させることができる。

本発明の第４の手段の偏光変換光学系においては、偏光分離手段と偏光変化手段が平行になるように構成しているため、偏光変換光学系の小型化が実現できる。
また、本発明の第５、第６の手段の偏光変換光学系においては、偏光分離手段と偏光変化手段を集積化していることから、経時での相対的な位置変動の低減による高安定化とアライメント工程の省略や部品点数削減等による低コスト化を実現することができる。

本発明の第７の手段の偏光変換光学系においては、反射手段と偏光変化手段を集積化していることから、経時での相対的な位置変動の低減による高安定化とアライメント工程の省略や部品点数削減等による低コスト化を実現することができる。
また、本発明の第８の手段の偏光変換光学系においては、反射手段と偏光変化手段と偏光分離機能を集積化していることから、経時での相対的な位置変動の低減による高安定化とアライメント工程の省略や部品点数削減等による低コスト化を実現することができる。

本発明の第９、第１０の手段の偏光変換光学系においては、偏光分離手段と偏光変化手段の少なくともどちらか一方は波長以下の微細構造を用いて実現しているため、ナノインプリンティングやフォトリソグラフィー等の手段により安価に大量に作製できるだけでなく、経時での性能の安定性を向上させることができる。
また、本発明の第１１の手段の偏光変換光学系においては、偏光変化手段と偏光分離手段を集積化していることから、経時での相対的な位置変動の低減による高安定化とアライメント工程の省略や部品点数削減等による低コスト化を実現することができる。

本発明の第１２の手段の光変調モジュールにおいては、経時における性能が安定しており、且つ低コストな偏光変換光学系を用いることより、高安定且つ低コストな光変調モジュールを実現することができる。
また、本発明の第１３、第１４の手段の光変調モジュールにおいては、光源としてＬＥＤを用いることにより、低消費電力である光変調モジュールを実現することができる。

本発明の第１５の手段の投射型画像表示装置においては、高安定且つ低コストな光変調モジュールを用いることから、高安定且つ低コストな投射型画像表示装置を実現することができる。

以下、本発明に係る偏光変換光学系と、それを用いた光変調モジュール、及び該光変調モジュールを用いた投射型画像表示装置の実施例を、図面を参照して詳細に説明する。

［実施例１（第１、第２の手段の実施例）］
本発明の第１の実施例として、偏光変換光学系の一実施例を図１に示す。図１（ａ）の偏光変換光学系は、偏光分離手段１と、偏光変化手段２と、反射手段３により構成されており、具体的には、偏光分離手段１は反射型の偏光ビームスプリッタ、偏光変化手段２は位相差板、反射手段３はミラーで構成されている。図１（ａ）において、本実施例の偏光変換光学系では、偏光分離手段（偏光ビームスプリッタ）１と位相変化手段（位相差板）２と反射手段（ミラー）３を略平行に配置しており、入射光を偏光分離手段（偏光ビームスプリッタ）１に対して斜めから入射させている。

次に、図１に示す偏光変換光学系の動作原理を説明する。図１（ａ）において、ランダム偏光である入射光は、まず、反射型の偏光ビームスプリッタ１で、２つの直線偏光（Ｓ偏光とＰ偏光）に分離される。図１（ａ）では、偏光分離手段１は、Ｓ偏光を反射し、Ｐ偏光を透過させるような偏光ビームスプリッタとしているが、Ｐ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過する偏光ビームスプリッタでも良い。偏光ビームスプリッタ１により反射された光は位相差板２に入射し、位相差板２により偏光状態が変化させられた後、ミラー３による反射により、再度位相差板２で偏光状態が変化させられた後、再度偏光ビームスプリッタ１に入射させる。ここで、位相差板２が入射光に対して往復でλ／２波長板（片側でλ／４波長板）として機能するように位相差板２を設計しておけば、最初に偏光ビームスプリッタ１を透過した光の偏光方向と、位相差板２を透過した光の偏光方向が一致するため、図１（ａ）のような光学系は、光源からの光の偏光方向を一方向に揃える「偏光変換光学系」として機能させることができる。

なお、図１のように、偏光ビームスプリッタ１、位相差板２、ミラー３は平行になるように配置するのが最も良いが、必ずしも平行にする必要はなく、偏光変換光学系が大型化してしまうというデメリットはあるが、同等の機能を実現することが可能である。

ここで、図１（ａ）のような偏光変換光学系では、入射光がミラーにより遮光されないように、レンズ等を用いて入射光の発散角を制御するのが良い。その様子を図１（ｂ）に示す。図１（ｂ）では入射光がレンズ４により収束光束に変換されるように描いてあるが、ミラー３により遮光されなければ、収束光束である必要はなく、平行光束でも発散光束でも良い。

反射型の偏光ビームスプリッタ１としては、ワイヤーグリッド型の偏光ビームスプリッタを用いるのがよい。図２にそのワイヤーグリッド型の偏光ビームスプリッタの代表的な構造を示す。図２では、透明基板１ａ上に、アルミニウム等の金属１ｂが形成された（埋め込まれた）微小グリッド構造を形成している。この微小グリッド構造を波長オーダー以下の構造とすることで、反射型偏光ビームスプリッタとして機能させることが可能であり、微小グリッド構造の細線方向に平行な偏光は反射し、直交する方向の偏光は透過する。

また、反射型偏光ビームスプリッタとして機能する別の構成例として、非特許文献１（Mool C.Gupta and S.T.Peng, “Diffraction characteristics of surface-relief gratings”, Appl.Opt., Vol.32, No.16(1993)）に記載のように、波長以下の微細凹凸構造を用いて一方の偏光を反射し、他方の光を透過させるようにしても良い。

上記の２種類の偏光ビームスプリッタにおける共通点は、波長以下の微細凹凸構造を用いているという点である。上記のような構造は、例えば図２に示すようなワイヤーグリッド型の偏光ビームスプリッタであればフォトリソグラフィー技術を利用して作製することができ、また、前述の非特許文献１に記載の反射型の偏光ビームスプリッタであれば、ナノインプリンティング技術等を用いて作製することができ、どちらも安価に大量に作製できる。さらには、上記の２種類の偏光ビームスプリッタは、どちらも素子自体の構造により偏光ビームスプリッタ機能を実現していることから、高温環境での使用時においても、経時での性能劣化が非常に少なく、安定性がよい。従って、本実施例の構成を用いることで、低コストで経時においても性能が非常に安定している偏光変換光学系を実現することができる。

次に、図３に波長以下の微細凹凸構造を用いて位相差板２を構成した例を示す。基板２ａ上に波長以下の微細凹凸構造２ｂを形成して図３のような構成を実現すると、偏光方向に応じて強い複屈折性が生じる。従って、微細凹凸構造２ｂの周期や深さ、フィルファクター（微細凹凸構造の凸の領域と凹の領域の比）を制御することで任意の位相遅れ量を実現することができるため、任意の波長板を得ることができる。

図１おいては、位相差板２を２度通過する実施例を示しており、偏光ビームスプリッタ１を透過した光に対して、最初に偏光ビームスプリッタ１を透過してから、再度偏光ビームスプリッタ１に入射するまでに、往復でλ／２の位相変化をもたらすような位相差板２を設計している。また、ミラー３で反射する前後のどちらか１度だけ通過するような光学系を実現しても良いが、位相差板２は２度通過させる方が良い。何故なら、位相差板２を２度通過させることで、１度の通過ではλ／４板として機能すればよく、１回の位相差板１を通過することによる位相変化量を低減できるため、上記の微細凹凸構造２ｂのアスペクト比（微細凹凸構造２ｂのピッチと深さの比）を小さくすることができ、作製が容易になる。

上記の位相差板２を波長以下の微細凹凸構造２ｂを用いて実現するメリットとして、上記の偏光ビームスプリッタ１と同様、素子自体の構造により位相変化を実現するため、高温環境での使用時においても、経時での性能劣化が非常に少なく、安定性が良いということが挙げられる。

［実施例２（第１、第３の手段の実施例）］
本発明の第２の実施例として、偏光変換光学系の別の実施例を図４に示す。図４（ａ）では、ランダム偏光である入射光は、まず偏光分離手段である反射型の偏光ビームスプリッタ１により一方の直線偏光成分の光は透過し、もう一方の直線偏光の成分は反射させる。図４（ａ）では、Ｓ偏光の光は反射し、Ｐ偏光の光は透過させる偏光ビームスプリッタを用いているが、Ｐ偏光の光を反射し、Ｓ偏光の光を透過させる偏光ビームスプリッタを用いても良い。偏光ビームスプリッタ１を透過した光は、ミラー３により反射され再度偏光ビームスプリッタ１を通った後、位相差板２を通過して偏光状態が変化させられる。このとき、位相差板２をλ／２板として設計しておけば、ランダム偏光の光の偏光方向を一方向に揃えることができる「偏光変換光学系」が得られる。

図４（ａ）において、偏光ビームスプリッタ１に入射する前に位相差板２を通過した光はうまく偏光変換されないため、入射光は図４（ｂ）に示すようにレンズ４等を用いて入射光の発散角を制御して、偏光ビームスプリッタ１のみに入射するように構成するのがよい。図４（ｂ）では、レンズ４で収束光束に変換したように描いているが、必ずしも収束光束である必要はなく、偏光ビームスプリッタ１のみに入射するのであれば、平行光束でも発散光束でも良い。

なお、図４のように、偏光ビームスプリッタ１、位相差板２、ミラー３は平行になるように配置するのが最も良いが、必ずしも平行にする必要はなく、偏光変換光学系が大型化してしまうというデメリットはあるが、同等の機能を実現することが可能である。

［実施例３（第４、第５の手段の実施例）］
以上の第１の実施例または第２の実施例において、偏光ビームスプリッタ等の偏光分離手段１と、位相差板等の偏光変化手段２は、平行になるように構成するのが良い（第４の手段）。そうすることで、偏光変換光学系の小型化を実現することができる。

また、第１、第２の実施例において、偏光分離手段（偏光ビームスプリッタ）１と偏光変化手段（位相差板）２は、単一の光学素子上に集積化して形成するのがよく、そうすることで、経時での相対的な位置変動等による性能劣化がなく、経時での安定性を更に向上させることができるだけでなく、集積して形成することにより、アライメント工程等の省略や部品点数削減等による低コスト化を実現することができる。

図５に、波長以下の微細凹凸構造を用いて偏光ビームスプリッタ及び位相差板を構成し、単一の光学素子上に集積化した例を示す。図５（ａ）は、単一の基板１０の一方の面（入射面側）に波長以下の微細凹凸構造を用いて構成した偏光ビームスプリッタ１１を形成し、他方の面（出射面側）に波長以下の微細凹凸構造を用いて構成した位相差板１２を形成した光学素子１３の例であり、図５（ｂ）は、単一の基板２０の一方の面に、波長以下の微細凹凸構造を用いて実現した偏光ビームスプリッタ２１と、波長以下の微細凹凸構造を用いて実現した位相差板２２を重ね合わせて形成した光学素子２３の例を示す。なお、図５（ａ），（ｂ）に示す光学素子１３，２３を用いた偏光変換光学系の動作原理は、図１と同様であるので、ここでは説明を省略する。

［実施例４（第６の手段の実施例）］
本発明の第４の実施例として、図６に、偏光変換光学系の偏光分離手段（偏光ビームスプリッタ）と偏光変化手段（位相差板）を、単一の光学素子上に集積化して形成する別の実施例を示す。
図６（ａ），（ｂ）では、単一の光学素子３３（または３４）の基板３０の同一の面を複数の領域に分割し、前記分割された領域のそれぞれに、前記偏光分離手段（偏光ビームスプリッタ）３１と偏光変化手段（位相差板）３２を形成している。ここで、図６（ａ）は、直線偏光の方向が揃った光が、偏光変換光学系を透過した方向に得られるものであり、動作原理は、図１と同様である。図６（ｂ）は、直線偏光の方向が揃った光が、偏光変換光学系を反射した方向に得られるものであり、図４と同様の動作原理である。図６（ａ），（ｂ）ともに、単一の基板３０の一方の面に、偏光ビームスプリッタ３１として機能する波長以下の微細凹凸構造と、位相差板３２として機能する波長以下の微細凹凸構造を、領域を分割して形成している。

［実施例５（第７の手段の実施例）］
本発明の第５の実施例として、図７に、偏光変換光学系のミラーと波長以下の微細凹凸構造を用いた位相差板を集積化した光学素子の例を示す。同一の基板にミラーと位相差板を集積化することにより、経時での相対的な位置変動等による性能劣化がなく、経時での安定性を更に向上させることができるだけでなく、集積して形成することにより、アライメント工程等の省略や部品点数削減等による低コスト化を実現することができる。
さらに、この光学素子を用いた偏光変換光学系では、微細凹凸構造の位相差板を２度通過することになるので、微細凹凸構造のアスペクト比を低減することができ、作製が容易になり、低コスト化を実現することができる。

図７（ａ−１）は、前記の微細凹凸構造を用いた位相差板４２を形成した基板４１の背面に金属を形成しミラー４３として作用させた光学素子４０の例であり、図７（ａ−２）は、この光学素子４０を用いた偏光変換光学系の構成例を示している。この偏光変換光学系の動作原理は図１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
また、図７（ｂ−１）は、基板５１上に形成した微細凹凸構造の上に金属を形成し、ミラー５３として作用させた光学素子５０の例であり、図７（ｂ−２）は、この光学素子５０を用いた偏光変換光学系の構成例を示している。この偏光変換光学系の動作原理は図１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
また、上記の例では、反射手段としてミラーを用いた例を示したが、反射手段として全反射を利用しても良い。

［実施例６（第８の手段の実施例）］
本発明の第６の実施例として、図８（ａ），（ｂ）に、偏光ビームスプリッタ６１と位相差板６２とミラー６３を同一の光学素子６４，６５上に集積化した例を示す。このように、使用する全ての光学部品を単一の光学素子上に集積化することで、経時での相対的な位置変動等による性能劣化を大幅に低減でき、経時での安定性を更に向上させることができるだけでなく、集積して形成することにより、アライメント工程等の省略や部品点数削減等による低コスト化を実現することができる。

図８（ａ）は、図６（ａ）と同様に同一の基板（またはスペーサ等）６０に偏光ビームスプリッタ６１と位相差板６２を形成した構成の光学素子６４に更にミラー６３を集積化した図である。この光学素子６４を用いた偏光変換光学系の動作原理は図１と同様であるので、ここでは説明を省略する。
また、図８（ｂ）は、図６（ｂ）と同様に同一の基板（またはスペーサ等）６０に偏光ビームスプリッタ６１と位相差板６２を形成した構成の光学素子６５に更にミラー６３を集積化した図である。この光学素子６５を用いた偏光変換光学系の動作原理は図４と同様であるので、ここでは説明を省略する。

［実施例７（第９〜１１の手段の実施例）］
本発明の第７の実施例として、図９に、偏光変換光学系の別の実施例を示す。まず、偏光変換光学系の動作原理について図９（ａ）を用いて説明する。図示しない光源からのランダム偏光の光は、偏光分離手段７１により２つの直交する直線偏光成分の進行方向を分離し（図では、Ｐ偏光はそのまま真っ直ぐ進み、Ｓ偏光は光路が折り曲げられて進むように図示している）、分離された直線偏光成分のうち、折り曲げられた偏光成分は光路偏向手段７３により折り曲げられて進む。つまり、図９（ａ）における偏光分離手段７１は透過型の偏光ビームスプリッタである。一方、偏光分離手段７１を真っ直ぐ透過した直線偏光成分は位相差板（λ／２板）７２を透過することにより、偏光方向が９０°回転させられる。このとき、位相差板７２を透過した直線偏光成分と、光路偏向手段７３により折り曲げられた直線偏光成分の進行方向は、略平行になるようにするのが良い。

ここで、透過型の偏光ビームスプリッタ７１、位相差板７２、光路偏向手段７３は、波長以下の微細凹凸構造を用いて構成するのがよく、そうすることで、プロジェクタ装置内部のような高温環境で使用時においても、経時での性能劣化が非常に少なく、安定性がよい。

波長以下の微細凹凸構造を用いて透過型の偏光ビームスプリッタを構成した例を図９（ｂ）に示す。次に動作原理を説明する。図９（ｂ）では、波長以下のピッチで微細凹凸構造形成しており、且つ場所により凸部の幅が異なり、また凸部の高さは使用波長に対して２πとなるように設定しておく。そのような構造の偏光ビームスプリッタに図のように(1) と(2) の２種類の直線偏光を入射させると、溝に平行な直線偏光（(2) の直線偏光）に対しては溝の高さが２πなので、溝がないように感じるため、そのまま透過する。溝に垂直な直線偏光（(1) の直線偏光）を入射すると、凸部の幅が場所により異なり、図９（ｂ）の場合では、紙面左側の方が屈折率が高く感じられ、右の方では屈折率が低く感じられる。従って、図９（ｂ）は図９（ｃ）のように、プリズムと等価になり、図９（ｂ）のように、一方の直線偏光はそのまま透過するが、他方の直線偏光は屈曲して透過する。なお、上記の現象は、微細凹凸構造のピッチが波長以下になったときに現れる現象である。

ここで、偏光分離手段以外に入射する光は偏光が変換されないため、図９（ｄ）に示すように、偏光変換光学系に入射させる光は、レンズ７５等により発散角を制御して偏光分離手段にのみ入射させる必要がある。図９（ａ）や図９（ｄ）では、偏光分離手段７１以外に入射する光を遮光板７４で遮光している実施例を示しているが、図９（ｄ）のように、レンズ７５等を用いて偏光分離手段７１にのみ光を入射させる場合は、この遮光板７４は必ずしも必要ではない。
なお、波長以下の微細凹凸構造を用いて構成した光路偏向素子７３については、図９（ｂ）と同様の構成にすることで実現できる。

ここで、図９（ａ）に示すように、位相差板７２と光路偏向手段７３はともに波長以下の微細凹凸構造を用いて構成し、且つ単一の基板上に集積化した光学素子として形成するのがよい。単一の光学素子上に位相差板７２と光路偏向手段７３を集積化することで、位相差板７２と光路偏光手段７３を一括して作製することができるため、低コスト化を実現することができるだけでなく、経時においても位相差板７２と光路偏向手段７３の相対的位置変動を大きく低減できるため、経時における性能安定化を実現することができる。

［実施例８（第１２〜１４の手段の実施例）］
本発明の第８の実施例として、図１０に本発明の偏光変換光学系を用いて構成した光変調モジュールの実施例を示す。図１０（ａ）は、光源として高圧水銀ランプやメタルハライドランプなどの放電ランプ８１を用いて、本発明の偏光変換光学系８５により偏光方向を単一の方向の直線偏光に変換した例であり、図１０（ｂ）は、光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）９１を用いて、ＬＥＤ９１からの光を偏光変換光学系９３に入射させて偏光方向を単一の方向の直線偏光に変換した例であり、図１０（ｃ）は、光源として、複数のＬＥＤ９１を配列したＬＥＤアレイ９８を用いて、各ＬＥＤ９１に対して１つの偏光変換光学系９３を設けた例である。

まず、図１０（ａ）の光変調モジュールについて説明する。放電ランプ８１から放出されたランダム偏光の光束はリフレクタ８２により略平行光に変換された後、レンズアレイ８３，８４により複数の光束に分割され、分割された光束は、偏光変換光学系８５により偏光方向が単一の方向の直線偏光に変換される。単一の方向の直線偏光である分割光束は、重畳レンズ８６により液晶パネル８８上で重畳されて均一に照明される。ここで、フィールドレンズ８７は、分割光束を略平行光として液晶パネル８８上に入射させる役割を担っている。

次に図１０（ｂ）の光変調モジュールについては、ＬＥＤ９１から放出されたランダム偏光の光束は、レンズ９２によって収束光束に変換され、偏光変換光学系９３により単一の直線偏光に変換された後、レンズアレイ９４により複数の光束に分割され、重畳レンズ９５により液晶パネル９７上で重畳されて、液晶パネル９７を均一に照明する。ここで、フィールドレンズ８７は、分割光束を略平行光として液晶パネル８８上に入射させる役割を担っている。
図１０（ｂ）において、ＬＥＤ９１からの光をレンズ９２により収束光束に変換しているのは、ＬＥＤ９１からの光束が偏光変換光学系９３に入射したときに、ミラー３等により遮光されずに確実に偏光ビームスプリッタ３１に入射させるためであり、必ずしもレンズ９２を用いる必要はなく、発光点近くに偏光変換光学系９３を配置すれば、レンズを用いなくても、遮光等による光量ロスなく偏光変換が可能である。

次に図１０（ｃ）の光変調モジュールについては、ＬＥＤアレイ９８の各ＬＥＤ９１から放出されたランダム偏光の光束は偏光変換光学系９３により単一の直線偏光に変換された後、レンズアレイ９４により複数の光束に分割され、重畳レンズ９５により液晶パネル９７上で重畳され、液晶パネル９７を均一に照明する。ここで、フィールドレンズ８７は、分割光束を略平行光として液晶パネル８８上に入射させる役割を担っている。
図１０（ｃ）の光変調モジュールでは、複数のＬＥＤ９１に対して同様の構成にすることで、液晶パネル９７上での照明光の強度を増大させることができる。

前述のように、図１４に示した従来の偏光変換光学系では、通常、多層膜構造により構成した偏光ビームスプリッタ２０３が用いられており、高価になってしまうばかりでなく、熱に弱いため、高温環境で使用されることにより発生するマイクロクラック等が原因で、経時で性能が劣化してしまうという問題点がある。また、偏光分離機能を高めるためには、更に多数の光学膜を必要とすることから、高性能化と低コスト化の両立が難しいということや、各層の膜厚の制御が難しく、所望の偏光分離機能を実現するのが難しいといった問題もある。
また、図１４において用いられているλ／２板（位相差板）２０４は、高分子を用いて実現されることが多いが、高分子を用いた位相差板も、上記の偏光ビームスプリッタと同様、熱に弱いという欠点があるため、経時で性能が劣化してしまうという問題点がある。

これに対して本発明の偏光変換光学系では、前述の実施例１〜７で説明したように、多層膜構造を用いずに波長以下の微細凹凸構造のみで偏光ビームスプリッタとしての機能を実現しており、図２のワイヤーグリッド型の偏光ビームスプリッタであればフォトリソグラフィー技術等を用いて作製でき、非特許文献１に記載の偏光ビームスプリッタであればナノインプリンティング技術等を用いて作製でき、どちらも安価に作製することができる。さらには、上記の２種類の偏光ビームスプリッタは、どちらも微細凹凸構造により偏光ビームスプリッタ機能を実現していることから、高温環境での使用時においても、経時での性能劣化が非常に少なく、安定性がよい。従って、本発明の偏光変換光学系を用いることで、低コストで且つ経時での性能安定性が良い光変調モジュールを実現することができる。

また、上記の図１０（ｂ）、（ｃ）のように、ＬＥＤ９１やＬＥＤアレイ９８を光源として用いた光変調モジュールは、ＬＥＤの電力−光変換効率が高いため、低消費電力に非常に有利である。また、ＬＥＤは非常に薄いため、小型化にも有利である。しかし、ＬＥＤからの光はランダム偏光であるため、光の有効利用のためには偏光変換光学系９３が必要である。そこで本発明の偏光変換光学系を用いることで、低消費電力である光変調モジュールを実現することができる。

［実施例９（第１５の手段の実施例）］
本発明の第９の実施例として、図１１〜１３に、本発明の偏光変換光学系を用いた光変調モジュールと投影光学系で構成した投射型画像表示装置（例えば液晶プロジェクタ）の構成例を示す。
まず、図１１を用いて構成、動作について説明する。この液晶プロジェクタは、実施例８で説明したような構成の光変調モジュールと、該光変調モジュールの強度分布を像面に投影する投影レンズ等からなる投影光学系とを有しており、光源１０１（ここではＬＥＤアレイとする）から出たランダム偏光の光は、本発明の偏光変換光学系１０２によって単一の直線偏光に変換される。この際、レンズ等によってＬＥＤの発散角を制御し、偏光変換光学系１０２での光量ロスがないようにしている。その後、レンズアレイ１０３により複数の光束に分割される。複数の光束は重畳レンズ１０４によって液晶パネル１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂ上で重畳される。各液晶パネル１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂの前にはフィールドレンズ（図示しない）を配置し、液晶パネルが略平行光で照明されるようにしている。

光源１０１では１つの基板上に赤（Ｒ）、緑（Ｇ）、青（Ｂ）の３色のＬＥＤアレイが同時に搭載されており、各ＬＥＤに対応してレンズ及び偏光変換光学系１０２を設けている。このように構成することで、光源部が小型になり、プロジェクタ全体の小型化が実現できる。重畳レンズ１０４を透過した光は、色光分離光学系により各色ごとに分解される。まず重畳レンズ１０４を透過した光は、ダイクロイックミラー１０５により、赤色成分は透過し、その他の成分は反射される。ダイクロイックミラー１０５を透過した赤色成分は、ミラー１１１で反射されて赤用の液晶パネル１１２Ｒに照射される。ダイクロイックミラー１０５により反射された赤色光成分以外の光は、ダイクロイックミラー１０６により緑色成分は反射し、青色成分は透過する。このダイクロイックミラー１０６により反射された緑色成分は緑用の液晶パネル１１２Ｇに照射される。ダイクロイックミラー１０６を透過した青色成分は、レンズ１０７，１０９やミラー１０８，１１０を介して青用の液晶パネル１１２Ｂに照射される。

上記のようにして、Ｒ，Ｇ，Ｂの各色は、それぞれ対応した液晶パネル１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂに導かれる。そして、液晶パネル１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂにより各色ごとに変調された後、合成プリズム１１４で合成され、投影レンズ等からなる投影光学系１１３により図示しないスクリーン上に投影される。

図１１の例は、所謂「３板式」と言われている液晶プロジェクタの構成例であり、Ｒ，Ｇ，Ｂそれぞれに対応した液晶パネル１１２Ｒ，１１２Ｇ，１１２Ｂを有している。
一方、図１２はＲ，Ｇ，ＢそれぞれのＬＥＤアレイ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂ及び偏光変換光学系１０２Ｒ，１０２Ｇ，１０２Ｂと、１枚の液晶パネル１１２で構成し、Ｒ，Ｇ，Ｂを時分割で順次切り替え、それに同期させて液晶パネル１１２をスイッチングする、所謂「フィールドシーケンシャル方式」を用いて構成した液晶プロジェクタの例である。光源としてＬＥＤを用いることのメリットの１つとして、ＬＥＤは高速にＯＮ／ＯＦＦを切り替えることができるため、フィールドシーケンシャル方式を用いることができ、液晶パネル１１２をＲ，Ｇ，Ｂで共通化することができ、小型化及び低コスト化を実現することができ。

また、図１２では、Ｒ，Ｇ，ＢのＬＥＤアレイ１０１Ｒ，１０１Ｇ，１０１Ｂを別々の基板としたが、図１３の構成例のように、一つのＬＥＤアレイ１０１上にＲ，Ｇ，Ｂの３色のＬＥＤを搭載する方が望ましい。図１３のようにすることで、さらなる小型化、低コスト化が実現できるので、最も好適である。

なお、図１１〜１３の液晶プロジェクタでは、図１に示すような透過型の偏光変換光学系を用いて構成したが、図４に示すような反射型の偏光変換光学系を用いて構成することもできる。

本発明の一実施例を示す図であって、偏光変換光学系の構成・動作の説明図である。 本発明の偏光変換光学系に用いられる偏光分離手段の一例を示す図であって、ワイヤーグリッド型の偏光ビームスプリッタの概略斜視図である。 本発明の偏光変換光学系に用いられる位相差板の一例を示す図であって、波長以下の微細凹凸構造を用いて構成した位相差板の概略斜視図である。 本発明の別の実施例を示す図であって、偏光変換光学系の構成・動作の説明図である。 本発明の偏光変換光学系に用いられる光学素子の一例を示す図であって、偏光分離手段と偏光変化手段を基板上に集積化した光学素子の構成、動作の説明図である。 本発明の偏光変換光学系に用いられる光学素子の別の例を示す図であって、偏光分離手段と偏光変化手段を基板の同一面上に集積化した光学素子の構成、動作の説明図である。 本発明の偏光変換光学系に用いられる光学素子の別の例を示す図であって、偏光変化手段とミラーを基板上に集積化した光学素子の構成、動作の説明図である。 本発明の偏光変換光学系に用いられる光学素子の別の例を示す図であって、偏光分離手段と偏光変化手段とミラーを基板上に集積化した光学素子の構成例を示す図である。 本発明のさらに別の実施例を示す図であって、偏光変換光学系の構成・動作の説明図である。 本発明の偏光変換光学系を用いて構成した光変調モジュールの構成例を示す図である。 本発明の偏光変換光学系を用いて構成した投射型画像表示装置（液晶プロジェクタ）の一例を示す概略構成図である。 本発明の偏光変換光学系を用いて構成した投射型画像表示装置（液晶プロジェクタ）の別の例を示す概略構成図である。 本発明の偏光変換光学系を用いて構成した投射型画像表示装置（液晶プロジェクタ）のさらに別の例を示す概略構成図である。 従来の偏光変換光学系の一例を示す図である。

符号の説明

１，１１，２１，３１，６１，７１：偏光分離手段（偏光ビームスプリッタ）
２，１２，２２，３２，４２，５２，６２，７２：偏光変化手段（位相差板）
３，４３，５３，６３：ミラー
４，７５：レンズ
７３：光路偏向手段
８１：放電ランプ
８２：リフレクタ
８３，８４，９４，１０３：レンズアレイ
８５，９３，１０２：偏光変換光学系
８６，９５，１０４：重畳レンズ
８７，９６：フィールドレンズ
８８，９７，１１２：液晶パネル
９１：発光ダイオード（ＬＥＤ）
９８：ＬＥＤアレイ
１１３：投影光学系（投影レンズ等）

Claims (15)

1. ２つの直交する偏光成分を分離する偏光分離手段と、偏光状態を変化させる偏光変化手段と、を少なくとも有し、入射光の偏光状態によらず射出光の偏光状態を一方向に揃えることが可能な偏光変換光学系において、
   前記偏光分離手段と前記偏光変化手段のうちの少なくとも一方は、使用する波長よりも短いピッチの微細凹凸構造を有することを特徴とする偏光変換光学系。
2. 請求項１に記載の偏光変換光学系において、
   反射手段と位相変化手段を有し、前記偏光分離手段は、２つの直交する直線偏光のうち、一方の直線偏光成分を反射し、他方の直線偏光成分を透過するように構成し、該反射された直線偏光成分を前記反射手段にて反射させるとともに、前記位相変化手段を通過させることを特徴とする偏光変換光学系。
3. 請求項１に記載の偏光変換光学系において、
   反射手段と位相変化手段を有し、前記偏光分離手段は、２つの直交する直線偏光のうち、一方の直線偏光成分を反射し、他方の直線偏光成分を透過するように構成し、該透過された直線偏光成分を前記反射手段にて反射させるとともに、前記位相変化手段を通過させることを特徴とする偏光変換光学系。
4. 請求項１乃至３のいずれか一つに記載の偏光変換光学系において、
   少なくとも前記偏光分離手段と前記偏光変化手段は、互いに平行になるように構成することを特徴とする偏光変換光学系。
5. 請求項１乃至４のいずれか一つに記載の偏光変換光学系において、
   前記偏光分離手段と前記偏光変化手段は、単一の光学素子上に集積されていることを特徴とする偏光変換光学系。
6. 請求項１乃至５のいずれか一つに記載の偏光変換光学系において、
   単一の光学素子の同一の面を複数の領域に分割し、前記分割された領域のそれぞれに、前記偏光分離手段と前記偏光変化手段を形成することを特徴とする偏光変換光学系。
7. 請求項２乃至６のいずれか一つに記載の偏光変換光学系において、
   前記反射手段と前記偏光変化手段は、単一の光学素子上に集積化されていることを特徴とする偏光変換光学系。
8. 請求項２乃至７のいずれか一つに記載の偏光変換光学系において、
   前記反射手段と前記偏光分離手段と前記偏光変化手段は、単一の光学素子上に集積化されていることを特徴とする偏光変換光学系。
9. 請求項１に記載の偏光変換光学系において、
   前記偏光分離手段は、２つの直交する直線偏光のうち、一方の直線偏光成分を屈曲させて透過し、他方の直線偏光成分をそのまま透過するように、２つの直交する直線偏光の進行方向を分離するように構成し、前記分離した直線偏光の一方の成分は、偏光変化手段を透過させて偏光方向を９０°回転させ、前記分離した直線偏光の他方の成分は、光路偏向手段によりもう一度屈曲させるとともに、前記偏光変化手段を透過した直線偏光成分と前記光路偏向手段を透過した直線偏光成分の進行方向を、略平行になるように構成することを特徴とする偏光変換光学系。
10. 請求項９に記載の偏光変換光学系において、
    前記光路偏向手段は、使用する波長よりも短いピッチの微細凹凸構造を有することを特徴とする偏光変換光学系。
11. 請求項９または１０に記載の偏光変換光学系において、
    前記偏光変化手段と前記光路偏向手段は、単一の光学素子上に集積されていることを特徴とする偏光変換光学系。
12. 光源と、請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の偏光変換光学系と、前記光源の強度分布を変調する光変調手段と、を有することを特徴とする光変調モジュール。
13. 請求項１２に記載の光変調モジュールにおいて、
    前記光源は発光ダイオード（ＬＥＤ）であることを特徴とする光変調モジュール。
14. 請求項１２または１３に記載の光変調モジュールにおいて、
    前記光源はＬＥＤアレイとし、前記ＬＥＤアレイの１つのＬＥＤに対応して、請求項１乃至１１のいずれか一つに記載の偏光変換光学系を設けることを特徴とする光変調モジュール。
15. 請求項１２乃至１４のいずれか一つに記載の光変調モジュールと、該光変調モジュールの強度分布を像面に投影する投影レンズと、を有することを特徴とする投射型画像表示装置。
    

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