本発明は、複数の波長、あるいは帯域光で使用する偏光分離素子に関し、例えば、撮影光学系、投影光学系（プロジェクタ）、画像処理装置、半導体製造装置、等の各種光学機器に関するものである。

従来より、偏光分離素子は２種類の媒質から成る誘電体多層膜をもちいた物が知られている。 図１２に示すように、多層膜１７に入射してきたｐ偏光（１８）に関してブリュースター角での透過（１９）を用い、ｓ偏光（２０）に関しては多層膜の干渉による反射（２１）をさせるものである。

一般に、１つの界面を挟んで入射側の媒質の媒質の屈折率をｎ _１ 、出射側の媒質の屈折率をｎ _２とするときブリュースター角θ _Ｂは式（１）で与えられる。

ｔａｎθ _Ｂ ＝ｎ _２ ／ｎ _１・・・（１）
この関係がプリズム媒質および、誘電体を形成する複数の媒質で成り立つ必要がある。 そのため、プリズム媒質の屈折率ｎ _ｐと誘電体を形成する高屈折率層の屈折率ｎ _Ｈと低屈折率層の屈折率ｎ _Ｌとの間には、下記の関係式が成り立つ必要がある。

ｓ偏光に関しては、高屈折率層の媒質Ｈと、低屈折率層の媒質Ｌの反射率を用いて、多層膜干渉による反射膜を構成する。 ２０〜４０層で可視光全域に対する反射膜を実現することが可能である。 ｓ偏光に関しては、膜の層数を増やすことで角度特性、波長特性を広く取ることが可能である。

一方、特開平０３−１７４５０２号公報に開示されるように誘電体多層膜のかわりに複屈折性をもつ接着材をプリズムに挟む偏光分離素子が知られている。 これは、複屈折性の材料の常光線と異常光線の屈折率差を用いたもので、屈折率差は大きく無いものの、６０°くらいの大きな入射角で使用することで、選択的に一方の偏光を全反射させることにより偏光分離を実現している。

全反射が起こるためには、臨界角θ _Ｃ以上で有る必要があるが、臨界角θ _Ｃは次式であたえられる。

ｓｉｎθ _Ｃ ＝ｎ _２ ／ｎ _１・・・（３）
ＳＷＳ構造を用いた偏光分離素子としは、図１１のように多層膜をエッチングして、矩形格子状にした物が知られている。 ＴｉＯ２などの高屈折率層（Ｈ層）１５と、ＳｉＯ２などの低屈折率層（Ｌ層）１６を交互に積層させて、それをピッチに対する媒質の比ｆ（フィリングファクター）を約０．５程度になるようにエッチングしたものである。 矩形格子の周期は波長より短い構造として構造複屈折を形成している。

図８−１のような屈折率ｎ _１ 、ｎ _２の媒質がａ：ｂの比で繰り返す（すなわち、フィリングファクター＝ａ／（ａ＋ｂ）となる）矩形格子において、格子と平行な方向をＴＥ、格子と直交する方向をＴＭとすると、ＴＥ方向とＴＭ方向での構造複屈折は式（４）、（５）で表されることが知られている。

このときａ：ｂの比率によらずｎ _ＴＥ ＞ｎ _ＴＭであることから、ＴＥ方向では、Ｈ層とＬ層の屈折率差が大きく、ＴＭ方向ではＨ層とＬ層の屈折率差が小さくいこととなる。 適切なプリズム媒質をとるとＴＭ方向でブリュースター角の条件が成り立ちｐ偏光を透過させることができる。 各層の厚さはブリュースター角の条件とは独立であることから、Ｈ層、Ｌ層の膜厚を最適化することで、誘電体多層膜を形成することが可能である。 それによりｓ偏光を反射させ、偏光分離素子としての機能を得られる。 これは、誘電体薄膜だけで構成した偏光分離素子よりも、ｐ偏光において、ブリュースター角の条件を満たす媒質の選択自由度が上がる。 そのため、同時にｓ偏光における反射率を高くとることが可能である。 これによって、可視光全域をカバーする偏光分離素子が２０層程度で構成できるという特徴がある。

特開平０３−１７４５０２号公報

しかしながら、誘電体多層膜を用いた偏光分離素子では、ｐ偏光の透過にブリュースター角の条件を用いるために、プリズム硝材や、薄膜の媒質の屈折率に（２）式の制約を受けるとともに、角度特性を広くとる事が難しい。 これは層数を増やしても改善されない。

複屈折性をもつ高分子材質をプリズムに挟んだ偏光分離素子では、高分子材料の常光線と異常光線の屈折率差が大きくないために全反射させるためには入射角度を約６０°以上に大きく取らなければならず、使用できる光学系の用途が限られていると言う問題点がある。 また、複屈折素子として高分子材料などを用いることから、耐熱性、耐光性の観点で劣る。

ＳＷＳ構造を用いた矩形格子の積層型の偏光分離素子では、構成が複雑であり製造にかかるコストが高くなることと、ｐ偏光の透過にブリュースター角の条件を用いているために、誘電体多層膜と同様広い角度特性が得られない。 特に図１１に示す格子の構造から明らかなように入射角が大きくなるにつれ、ＴＥとＴＭの屈折率差がなくなるために、ブリュースター角を越えた入射角での反射率の増加が誘電体薄膜を用いたときより大きく、角度特性を広げることを阻害しているため十分な性能を持つ素子が得られない。

上記の課題を解決するために、本願発明の偏光分離素子は、第１方向に平行な複数の格子を、前記第１方向と直交する第２方向に周期的に配置した構造を有する偏光分離層を有する偏光分離素子であって、前記偏光分離素子に入射する光のうち、前記第１方向と平行な偏光成分の光を主に透過し、前記第２方向と平行な偏光成分の光を主に反射することを特徴としている。

ここで、使用波長領域の光に対して、前記第１方向と平行な偏光成分の光の透過率が９０％以上で、前記第２方向と平行な偏光成分の光の反射率が９０％以上であることが望ましい。 ここで、前記使用波長領域とは、可視光領域であることが望ましい。 勿論、紫外波長領域の光や赤外波長領域の光を使用しても構わない。

ここで、前記複数の格子は、使用波長よりも短い周期で配列されていることが望ましい。

また、前記第２方向と平行な偏光成分の光は、全反射を用いて反射させることが望ましい。

また、前記偏光分離素子に光線が入射する面を第１面とし、該第１面と偏光分離層は平行ではないある角度をもって対面する配置とし、該第１面の法線と前記偏光分離層の法線とを含む面を第２面としたとき、前記第２面に対して前記第１方向が略平行であることが望ましい。

また、前記偏光分離素子は、二等辺三角形を底面にもつ、２つの実質的に同形状の三角柱の透明部材を、それぞれの二等辺三角形の底辺を含む側面を互いに接合して得られるひし形形状の底面を有する四角柱型の形状を有していることが望ましい。 ここで、前記第１方向が前記ひし形の底面と平行になるように配置すると尚良い。

また、前記複数の格子の材料が誘電体であり、該複数の格子の間は空気で満たされていることが望ましい。 ここで、前記誘電体は酸化チタン（ＴｉＯ _２ ）であると尚良い。 前記複数の格子が配列されている周期のうち前記誘電体が占める割合をｆとしたとき、
０．２＜ｆ＜０．８ ・・・（６）
を満足することが望ましい。 ここで、前記偏光分離層は、２つの光学部材に挟まれていることが望ましい。 また、前記２つの光学部材の光弾性定数の絶対値が、０．１×１０ ^−８ ｃｍ ^２ ／Ｎより小さいことが望ましい。 前記２つの光学部材は、同じ屈折率を有していることが望ましい。

ここで、前記光学部材の屈折率をｎ _Ｐ 、前記誘電体の屈折率をｎ _Ｇ 、前記誘電体が前記複数の格子が配列されている周期のうち前記誘電体が占める割合をｆ（フィリングファクタ）としたとき、以下の条件式を満たすと尚良い。

また、前記光学部材の屈折率をｎ _Ｐ 、前記誘電体の屈折率をｎ _Ｇ 、前記誘電体が前記複数の格子が配列されている周期のうち前記誘電体が占める割合をｆ（フィリングファクタ）、前記偏光分離素子への光の入射角をθとしたとき、以下の条件式を満たすと尚良い。

また、前記光学部材の媒質の屈折率と前記第１方向と平行な偏光成分を有する光に対する前記偏光分離層の有効屈折率とから決定されるブリュースター角を含む角度範囲で前記偏光分離層に光線が入射するように構成すると尚良い。

また、前記光学部材の媒質の屈折率と、前記偏光分離層の前記第１方向と平行な偏光成分を有する光に対する有効屈折率を実質的に等しくすると尚良い。

前記偏光分離層の厚さｄは、使用波長領域の光のうち最も短波長側の使用波長λ _Ｓとの関係が下記条件式を満たすと尚良い。

０．５ ＜ ｄ／λ _Ｓ・・・（９）
また、偏光分離素子に対して入射する光のうち、Ｐ偏光を主に反射し、Ｓ偏光を主に透過するように構成するのが望ましい。

また、本願発明の偏光分離素子は、第１方向に平行な複数の格子を、前記第１方向と直交する第２方向に周期的に配置した構造を有する偏光分離層を有しており、前記偏光分離素子に入射する光のうち、前記第１方向と平行な偏光成分の光を主に透過し、前記第２方向と平行な偏光成分の光を主に反射することを特徴としている。

ここで、Ｐ偏光、Ｓ偏光は、一般的な呼び方であり、入射平面（一般的に入射光線と境界面（今は偏光素子面）の法線とを含む面。本件の場合は入射光線と反射光線と透過光線を含む面と定義される。）に平行に電場が振動する偏光をＰ偏光、入射平面と直交する方向に電場が振動する偏光がＳ偏光である。

また、本願の画像表示装置は、少なくとも１つの表示素子と、前記少なくとも１つの表示素子を光源からの光で照明する照明光学系と、請求項１乃至２１いずれかに記載の偏光分離素子とを有していることを特徴としている。

また、前記少なくとも１つの表示素子からの光を被投射面に投射する投射光学系を有すると尚望ましい。

また、前記少なくとも１つの表示素子は、反射型の表示素子であることが望ましい。 また、前記少なくとも１つの表示素子が複数の表示素子であって、光源からの光を前記複数の表示素子に導く際に波長ごと（色ごと）に色分解する色分解系と、前記複数の表示素子からの反射光を合成する色合成系とを有するように構成すると尚良い。 ここで、前記色分解系及び前記色合成系の少なくとも一方が、前記偏光分離素子を有していると尚望ましい。 さらに、前記色分解系及び前記色合成系がそれぞれ、少なくとも１つの前記偏光分離素子を有しているとさらに良い。

本発明によれば、前述のように、偏光分離素子に関して、構造的にも、設計的にも簡素な構成でありながらも、波長特性、入射角度特性ともに広い範囲で高い消光比を持った偏光分離素子を実現することができるという効果がある。

いかに、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明、第１実施例の偏光分離素子の構成図である。 表１、２にこの実施例１に用いるＳＷＳ格子の設計例１に構成の数値を示す。

図１において、プリズムの入射面に対して、偏光分離層は４５°傾いている（４５度以外は駄目ですか？）。 ４５°以外は他の実施例はで示しています。 ４５°からずれると格子の設計値もずれます。 ＳＷＳ格子は図２のように入射平面と平行な配置となっており、Ｓ偏光を反射、Ｐ偏光を透過させる構成となっている。 このＳＷＳ格子は図３のような構成を採っており、図３−２に示すように格子（この格子と平行な方向、すなわち図３−２の紙面に垂直な方向をＡ方向と称する）の断面構造は空気とＴｉＯ２（他の媒質でも構わない）が１次元的に交互に繰り返す矩形格子構造（この格子のピッチ方向、すなわち図３−２の紙面に平行な方向をＢ方向と称する）となっており、この１層だけで偏光分離を実現する極めてシンプルな構造となっている。 勿論、ＴｉＯ２の格子の部分は、格子の高さ方向（すなわち図３−２の上下方向）に関して複数の異なる媒質を積層して形成しても良いし、また空気の層は空気以外の媒質を用いても構わない。

格子の高さは７００ｎｍであり、可視光領域の波長の光（使用波長領域の光）に対して、条件式（６）を十分満たしている。

条件式（６）は、全反射を完全に達成するための条件を表している。 一般的に高屈折率の媒質から低屈折率の媒質に入射するときに入射角度が臨界角θ _Ｃ以上では、一切透過せずに全反射することが知られている。 しかし、この時に、境界面近傍の極めて微小な領域において、エバネセント波という光がしみ出ている。 この光の到達領域に次の媒質があると光が透過してしまう。 この現象が全反射減衰（ａｔｔｅｅｎｕａｔｅｄ ｔｏｔａｌ ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ：ＡＴＲ）であり、このＡＴＲを防ぐための条件式が（６）である。

実施例１では表１の設計例１の通り、プリズムの硝材に屈折率が約１．８４７と高い物を選択し、格子を構成する誘電体にも屈折率が約２．３３９と高いＴｉＯ _２を使用し、格子のフィリングファクターを条件式（７）、（８）の範囲に設定している。

条件式（７）は格子構造に対してＡ方向の偏光成分の透過、条件式（８）は格子構造に対してＢ方向の偏光成分の全反射の条件を規定するものである。 ここで、ＴＥをＡ方向の偏光成分、ＴＭをＢ方向の偏光成分としたとき、構造性複屈折の各方向の屈折率は、前述の式（４）、（５）で与えられる。

光学部材の屈折率がｎ _Ｐ 、１次元格子が誘電体ｎ _Ｇと空気（屈折率１とする）で構成されているとするとき、式（４）、（５）はフィリングファクタをｆを用いて（１０）、（１１）のように表される。

ブリュースター角に関しては、式（５）で与えられるが、式（５）の右辺に式（１０）を代入したものに条件範囲を設定したのもが式（２）のである。

よって、式（２）はブリュースター角θ _Ｂのｔａｎの値であり、この値の上限、下限を規定している。 上限、下限を超えると、すなわち、２つの媒質の屈折率の差が大きくなると反射率が増しＡ方向の偏光成分の透過が阻害される。

全反射条件に関しては、式（７）で与えられるが、式（７）の右辺に式（１１）を代入し整理したものが式（３）である。

よって、式（３）は臨界角θ _Ｃのｓｉｎの値であり、この値が入射角より小さいとき全光束の角度領域で全反射が起こる。

これにより、格子の有効屈折率がＰ偏光に関しては略同屈折率となり、Ｓ偏光に関しては大きな屈折率差を生じ、それぞれの偏光の光線が透過、全反射している。

図９−Ａ〜Ｃがこの設計値の厳密結合波解析計算（Ｒｉｇｏｒｏｕｓ ｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ：ＲＣＷＡ）による性能のシミュレーション結果である。 全反射条件が崩れる低入射角側ではＳ偏光の反射率が低下しているが、それ以外では、ほぼ完璧な性能を示している。

条件式（６）はｆ（フィリングファクター）の範囲を規定しているものであるが、主に、構造複屈折を効率よく発生させるための条件である。 図８−１のようなＳＷＳ格子において各偏光方向での有効屈折率は上述の式（４）（５）で求まるが、それをグラフ化したのが図８−２である。 図の通り、ＴＥとＴＭの有効屈折率に差があることが大きな複屈折を持つことであるが、媒質のｆに対しての屈折率差はｆ＝０、ｆ＝１では０になっており、ｆ＝０．５付近で最大となっており、ｆは０．２以上０．７以下であることが好ましい。 さらに望ましくは０．２５以上０．５５以下であることが望ましい。 このことから条件式（６）の範囲でｆを選択することが効率よく有効屈折率を利用することになる。

図４−１、４−２は本発明、第２実施例の偏光分離素子のＳＷＳ格子構造の図である。 表１及び表２にこの実施例２のＳＷＳ格子の設計例２に構成を示す。 第１実施例と同様に、プリズムの入射面に対して、偏光分離層は４５°傾いており、Ｓ偏光を反射、Ｐ偏光を透過させる構成となっている。 断面構造は空気とＴｉＯ２が交互に繰り返す矩形格子構造となっている。 表２のとおりに条件式（７）、（８）を満たす構造となっている。 第２実施例では、式（７）の条件の下限に近い値になるようにｆを設定することで、（８）の全反射に関して角度特性を短波長側に広く設定できている。

図１０−Ａ〜Ｃがこの設計値のＲＣＷＡ計算による性能のシミュレーション結果である。 低入射角側に全反射条件が広がっている。 それと引き換えに、Ｐ偏光の反射率が高入射角側で高くなっている。

図５は本発明、第３実施例の偏光分離素子プリズムの構成図である。 ひし形に傾いたプリズムに、表１、表２に記載した設計例１の偏光分離素子をはさみこんだものである。 図左側からの入射光はプリズム面と垂直に入射し、偏光分離素子に４５°よりも大きな角度で入射する。 全反射させることに関しては入射角度が大きいほど有利であるが、プリズムをこのようにひし形に約１０°くらい傾けることで入射角度は５°変化させることができる。

図６は、本発明、第４実施例の偏光分離素子プリズムの構成図である。 ４５°のプリズムに設計例１の偏光分離素子をはさみこんだものである。 格子の方向が入射平面に対して直交している。 通常のブリュースター角を使った多層膜の偏光分離素子では実現できない分離する偏光の透過と反射を逆にしたものである。 光を導きたい方向と偏光の方向をコントロールすることが可能である。

図７には、本発明の第５実施例である本発明の偏光分離素子を用いた反射型画像変調装置を示している。 図中、１は高圧水銀ランプなどからなる光源、２は光源１から光を所定の方向に放射するためのリフレクター、３は均一な照明強度を有する照明領域を形成するためのインテグレーターであり、フライアイレンズ３ａ、３ｂから構成されており、４は無偏光な光を所定の直線偏光に変換する（偏光方向に揃える）偏光変換素子であり、５は照明光を集光するコンデンサーレンズ、６はミラー、７は照明光をテレセントリックな光にするフィールドレンズ、８は緑の波長領域光を透過するダイクロイックミラー、９ａ、９ｂ、９ｃはそれぞれ偏光分離ＳＷＳ格子９ａ１、９ｂ１、９ｃ１を有する偏光分離プリズムであり、このＳＷＳ格子９ａ１、９ｂ１、９ｃ１はそれぞれ表１、表２の設計例１又は設計例２の偏光分離ＳＷＳ格子であり、Ｓ偏光を反射してＰ偏光を透過させる特性をもつ。 １０ａ、１０ｂはそれぞれ所定波長領域の光の偏光方向を９０°変換（回転）する色選択性位相差板、１１ｒ、１１ｇ、１１ｂはそれぞれ入射した照明光を反射するとともに画像信号に応じて変調して画像光を形成する反射型液晶表示素子、１２ｒ、１２ｇ、１２ｂはそれぞれ１／４位相差板、１４は投射レンズ系（ミラーを含んでも構わないし、ミラーのみで構成しても構わない）である。

以上の構成のようにＳＷＳ格子構造を有する偏光分離素子を用いると、入射角度特性、波長特性に優れているため、コントラストが極めて高い画像を投射することが可能な反射型液晶プロジェクタを実現することができる。

本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子の構成図

本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子の模式図

本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図

本発明の第２実施例に対応する偏光分離素子の格子形状の構成図

本発明の第３実施例に対応する偏光分離素子の構成図

本発明の第４実施例に対応する偏光分離素子の構成図

本発明の第５実施例に対応する偏光分離素子を反射型液晶プロジェクタ光学系に組み込んだ構成図

矩形型ＳＷＳ格子の説明図。 図８−１は、矩形型ＳＷＳ格子の有効屈折率のモデルを説明する図で、図８−２は、矩形型ＳＷＳ格子にＴｉＯ２を用いたときの構造複屈折を表すグラフである。

本発明の第１実施例に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ。 図３−Ａは、入射角度４２．０°での各偏光の反射率の波長特性で、図３−Ｂは、入射角度４５．０°での各偏光の反射率の波長特性で、図３−Ｃは、入射角度５５．０°での各偏光の反射率の波長特性である。

本発明の第２実施例に対応する偏光分離素子のＲＣＷＡ計算による可視光領域での偏光分離特性を表すグラフ。 図１０−Ａは、入射角度３７．０°での各偏光の反射率の波長特性であり、図１０−Ｂは、入射角度４５．０°での各偏光の反射率の波長特性であり、図１０−Ｃは、入射角度５０．０°での各偏光の反射率の波長特性である。

従来例多層膜エッチング型の偏光分離素子の模式図

従来例 多層膜偏光分離素子の模式図

符号の説明

１ 高圧水銀ランプなどからなる光源 ２ リフレクター ３ インテグレーター ３ａ，３ｂ フライアイレンズ ４ 偏光変換素子 ５ コンデンサーレンズ ６ ミラー ７ フィールドレンズ ８ ダイクロイックミラー ９ａ１、９ｂ１、９ｃ１ 偏光分離膜 ９ａ、９ｂ、９ｃ 偏光分離膜 ９ａ１、９ｂ１、９ｃ１ 偏光ビームスプリッター １０ａ、１０ｂ 色選択性位相差板 １１ｒ、１１ｇ、１１ｂ 反射型液晶表示素子 １２ｒ、１２ｇ、１２ｂ １／４位相差板 １４ 投射レンズ系 １５ Ｈ層（ＴｉＯ２）
１６ Ｌ層（ＳｉＯ２）
１７ 多層膜 １８ Ｐ偏光入射光 １９ Ｐ偏光透過光 ２０ Ｓ偏光入射光 ２１ Ｓ偏光反射光