CN114341713A - 偏振分束器以及显示系统 - Google Patents

Abstract

本实施方式的PBS1具备：棱镜(10)，其具有相互交叉的第一输入面(11)、第二输入面(12)、以及对角面(13)；棱镜(20)，其具有：对角面(21)，其与对角面(13)对置配置；反射面(22)，其形成为与对角面(21)交叉的曲面状，并设置有向内反射光的反射膜(22a)；以及输出面(23)，其与对角面(21)以及反射面(22)分别交叉；以及偏振部件(30)，其具有：偏振镜(31)，其配置于对角面(13)、(21)之间；以及波长板(34)，其设置于与对角面(21)对置的偏振镜(31)的一面侧。通过与偏振镜(31)相邻地将波长板(34)设置在偏振部件(30)内，从而在不设置与棱镜(20)独立的相位板、透镜元件以及反射光学元件的情况下将棱镜(20)的反射面(22)形成为曲面状，由此能够构成具备透镜功能的紧凑的(PBS1)。

Description

偏振分束器以及显示系统

技术领域

本发明涉及偏振分束器以及显示系统。

背景技术

偏振分束器(PBS)是通过根据偏振光将光的一部分反射并使其他部分透射来分割入射光的光学元件，例如，用于将在显示系统中偏振后的光引导至光调制器，并将由光调制器调制后的光引导至用户。

在专利文献1中公开了具备PBS、光源、反射光学元件以及光调制器的显示系统。如果在PBS和光源之间配置前置偏光器，光源的光经由前置偏光器，则该一偏振光成分(例如，S偏振光成分)进入PBS，通过PBS的偏光镜朝向反射光学元件被反射。另外，在PBS和反射光学元件之间配置有四分之一波长板，被PBS反射的光以及被反射光学元件反射的光经由四分之一波长板，从而其偏振光被转换成P偏振光，透射PBS的偏光镜被送至光调制器。反射光学元件是凹面镜，由此也可以使光会聚。光调制器例如是LCOS调制器，对入射光进行调制而形成图像，并且转换为S偏振光而朝向PBS反射。由光调制器调制后的光进入PBS，通过PBS的偏光镜朝向用户反射。也可以在PBS和用户之间配置折射光学元件来使光会聚。

专利文献1：日本特表2019-512108号公报

发明内容

(一)要解决的技术问题

但是，为了控制由PBS的偏振镜进行的光的反射和透射，必须在PBS与光源、反射光学元件以及光调制器的每一个之间配置用于转换光的偏振光的光学元件，无法使显示系统的尺寸足够小。

(二)技术方案

(项目1)

偏振分束器可以具备第一棱镜，该第一棱镜具有相互交叉的第一面、第二面以及第三面。

偏振分束器可以具备第二棱镜，该第二棱镜具有：第四面，其与第三面对置配置；第五面，其形成为与第四面交叉的曲面状，并设置有向内反射光的反射面；以及第六面，其与第四面和第五面分别交叉。

偏振分束器可以具备偏振部件，该偏振部件具有：偏振镜，其配置于第三面与第四面之间；以及第一波长板，其设置于与第四面对置的偏振镜的一面侧。

(项目2)

偏振部件还可以具有设置于与第三面对置的偏振镜的另一面侧的第二波长板。

(项目3)

第二面可以设置有向内反射光的反射面。

(项目4)

第二面可以是曲面。

(项目5)

偏振部件还可以具有设置于第一波长板上的视场角补偿膜。

(项目6)

第一波长板可以使用压敏粘接剂固定于偏振镜。

(项目7)

显示系统可以具备项目1至6中任一项所述的偏振分束器。

显示系统可以具备与第一面或第二面对置配置的显示器。

另外，上述发明的概要并未列举出本发明的全部特征。另外，这些特征组的子组合也能够成为发明。

附图说明

图1A表示本实施方式的偏振分束器的结构。

图1B表示本实施方式的偏振分束器的分解结构。

图2表示组装了本实施方式的偏振分束器的显示系统的概要结构。

图3A表示由波长板产生的相位差的入射角依赖性的例子。

图3B表示基于光学补偿膜的光学特性的视场角补偿效果的例子。

图4A表示由波长板产生的相位差的波长依赖性的例子。

图4B表示设置有光学补偿膜的情况下的由波长板产生的相位差的波长依赖性的例子。

图5A表示由波长板产生的进相轴的波长依赖性的例子。

图5B表示设置有光学补偿膜的情况下的由波长板产生的进相轴的波长依赖性的例子。

图6A表示第一变形例的偏振分束器的结构。

图6B表示第一变形例的偏振分束器的分解结构。

图7表示组装了第一变形例的偏振分束器的显示系统的概要结构。

图8A表示第二变形例的偏振分束器的结构。

图8B表示第二变形例的偏振分束器的分解结构。

图9表示组装了第二变形例的偏振分束器的显示系统的概要结构。

具体实施方式

以下，通过发明的实施方式对本发明进行说明，但以下的实施方式并不限定权利要求书的发明。另外，实施方式中说明的特征的全部组合不一定是发明的解决手段所必须的。

图1A和图1B分别表示本实施方式的偏振分束器(PBS)1的结构和分解结构。PBS1是通过根据偏振光将光的一部分(即，S偏振光成分)反射，并使其他部分(P偏振光成分)透射来分割入射光的光学元件，具备两个棱镜10、20以及偏振部件30。

棱镜10是从外部输入光的输入用棱镜。作为一例，棱镜10是具有相互平行的两个侧面14、15以及在它们之间划定的第一输入面11、第二输入面12和对角面13作为外表面的三棱柱状的立方体。此外，将侧面14、15扩展的相互正交的方向设为X轴以及Z轴方向，将侧面14、15分离的方向设为Y轴方向。

侧面14、15在正面观察(+Y方向观察)下具有直角三角形状，且使斜边朝向+X、+Z方向配置。

第一输入面11(第一面的一例)是在侧面14、15各自的一个邻边(-X侧的邻边)之间朝向-X方向划定的棱镜10的一个外表面，具有矩形形状(在本实施方式中为正方形)。来自外部的光经由第一输入面11向+X方向输入至棱镜10内。

第二输入面12(第二面的一例)是在侧面14、15各自的另一个邻边(-Z侧的邻边)之间朝向-Z方向划定的棱镜10的另一个外表面，具有矩形形状(在本实施方式中为正方形)。光经由第二输入面11从棱镜10向-Z方向输出，并且来自外部的光向+Z方向输入至棱镜10内。

对角面13(第三面的一例)是在侧面14、15各自的斜边之间朝向+X、+Z方向划定的棱镜10的又一个外表面，具有矩形形状。光经由对角面13从棱镜10向+X方向或+Z方向输出，并且来自外部的光向-Z方向输入至棱镜10内。

棱镜10可以使用透明的聚合物、例如像聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)那样的丙烯酸树脂、像乙烯·四环十二烯共聚物(环状烯烃共聚物、COC)那样的聚合物通过注塑成型来进行成型加工。通过使用这样的原材料，可以获得良好的光学特性、特别是高透光性和强度。

另外，也可以使棱镜10的第一输入面11以及第二输入面12中的至少一个形成为与后述的棱镜20的反射面22同样地弯曲并向外侧鼓起成拱状或者圆顶状或者向内凹陷为倒拱状或者倒圆顶状的曲面。由此，棱镜10表现出透镜效果，能够使在棱镜10内引导的光会聚或漫射而输出至棱镜10外。

棱镜20例如是将形成了图像的光向外部输出的输出用棱镜。作为一例，棱镜20是具有相互平行的两个侧面24、25以及在它们之间划定的对角面21、反射面22以及输出面23作为外表面的大致三角柱状的立方体。

侧面24、25在正面观察(+Y方向观察)下具有将直角三角形和具有以其一个邻边作为弦而向外侧弯曲的圆弧的弓形连结而成的形状，并且与XZ面平行且使斜边朝向-X、-Z方向配置。

对角面21(第四面的一例)是在侧面24、25各自的斜边之间朝向-X、-Z方向划定的棱镜20的一个外表面，具有矩形形状。对角面21在PBS1中与棱镜10的对角面13对置配置。来自外部的光经由对角面21向+Z方向或+X方向输入至棱镜20内，并且光从棱镜20向-Z方向输出。

反射面22(第五面的一例)是在侧面24、25的圆弧之间朝向+Z方向划定成与对角面21交叉的曲面状的棱镜20的另一个外表面。此外，作为曲面的反射面22与作为平面的对角面21交叉是指，反射面22上的所有位置处的法线与对角面21的法线交叉(不平行)。在本实施方式中，设为在XZ面内向外(+Z方向)弯曲成拱状的曲面，但不限于此，也可以是向内(-Z方向)弯曲成倒拱状的曲面，也可以是不仅在XZ面内而且也在YZ面内弯曲并向+Z方向鼓起的圆顶状或向-Z方向凹陷的倒圆顶状的曲面。通过该形状，反射面22表现出使光会聚或漫射的透镜效果。

在反射面22上设置有反射膜22a。反射膜22a可以使用银、金、铝等金属，通过真空蒸镀、溅射等公知的薄膜形成法来形成。由此，反射面22使从棱镜20内向+Z方向进入反射面22的光一边向内聚光一边反射。

输出面23(第六面的一例)是在侧面24、25各自的邻边(+X侧的邻边)之间朝向+X方向以与对角面21以及反射面22分别交叉的方式划定的棱镜20的一个外表面，具有矩形状(在本实施方式中为正方形状)。光经由输出面23从棱镜20向+X方向输出。

另外，在本实施方式的PBS1中，将棱镜20的反射面22形成为弯曲面状而表现出透镜效果，但也可以取而代之或在此基础上，使输出面23弯曲而形成为向外(+X方向)鼓起为拱状或圆顶状或者向内(-X方向)凹陷为倒拱状或倒圆顶状的曲面。由此，棱镜20表现出透镜效果，使在棱镜20内朝向+X方向的光会聚或漫射而输出至棱镜20外。

棱镜20能够使用与棱镜10相同的材料进行成型加工。

偏振部件30是通过根据偏振光对光的一部分进行反射并使其他部分透射来分割入射光的光学部件，其包含偏振镜31、波长板32、34以及光学补偿膜32a、34a。

偏振镜31是使P偏振光成分透射并反射S偏振光成分的光学元件，可以采用由微细的金属的栅格(或狭缝)图案形成的线栅型偏振镜、层叠多个双折射膜而形成的双折射型偏振镜、利用电介质膜的反射率的入射角依赖性的薄膜型偏振镜等。

波长板32、34(分别为第二波长板以及第一波长板的一例)是对两个偏振光成分设置相位差(即光程差)来转换偏振状态的光学元件。在本实施方式中，作为波长板32，采用在光透射时赋予四分之一波长的相位差而将直线偏振光转换为圆偏振光或者将圆偏振光转换为直线偏振光、即在光往复时将P偏振光转换为S偏振光或者将S偏振光转换为P偏振光的四分之一波长板。波长板32、34例如使用水晶、云母等双折射材料形成为薄膜状。波长板32例如经由由压敏粘接剂(PSA)等透光性的光学粘接剂构成的粘接层33而固定于与棱镜10的对角面13对置的偏振镜31的一面侧。波长板34经由与粘接层33同样的粘接层35固定于与棱镜20的对角面21对置的偏振镜31的另一面侧。

另外，在后述的显示系统100中，在使用透射型或自发光型的显示器代替反射型的显示器92而从第一输入面11或第二输入面12使光进入棱镜10，进而经由偏振部件30使其进入棱镜20的情况等、无需利用偏振部件30反射从棱镜10的对角面13射出的光而使其返回棱镜10的情况下，可以不在偏振部件30设置波长板32以及光学补偿膜32a。

光学补偿膜32a、34a是在光倾斜地(以90度以外的入射角)入射至波长板32、34的情况下，对随着入射角的增大而劣化的波长板32、34的光学特性进行补偿、即对视场角进行补偿的光学膜(也称为视场角补偿膜)。光学补偿膜32a、34a成型为膜状，分别经由PSA等粘接层(未图示)而固定在波长板32、34上。光学补偿膜32a、34a具有与波长板32、34的厚度方向的延迟的符号相反的厚度方向的延迟，由此通过抵消波长板32、34的厚度方向延迟来保证视场角。另外，光学补偿膜32a、34a可以进一步具有为零的面内延迟，以使得不产生面内的相位差。后文对基于光学补偿膜32a和34a的光学特性的视场角补偿效果进行说明。

就偏振部件30而言，例如能够通过在玻璃基板、膜基板等基板上将光学补偿膜32a、波长板32、偏振镜31、波长板34和光学补偿膜34a经由粘接层依次层叠，从而以保持在基板上的状态形成。或者，就偏振部件30而言，能够通过在第一基板上将偏振镜31、波长板32和光学补偿膜32a经由粘接层依次层叠，在其上固定第二基板，并除去第一基板而将偏振镜31、波长板32和光学补偿膜32a转移到第二基板上，在转移到第二基板上的偏振镜31上将波长板34和光学补偿膜34a经由粘接层依次层叠，从而以保持在第二基板上的状态形成。另外，在这些制法中，偏振部件30在基板上与光学补偿膜32a抵接而被保持，并且将光学补偿膜34a的表面露出。

PBS1通过使棱镜10、20的对角面13、21对置，在它们之间配置偏振部件30(偏振镜31)，使用PSA等光学粘接剂(未图示)将它们分别固定而形成。更详细而言，首先，将保持在基板上的偏振部件30以光学补偿膜34a的表面朝向上方的方式支承，在该偏振部件30的上方，将棱镜20以其对角面21朝向下方、分别设置于偏振部件30以及棱镜20的直角边重叠的方式进行定位，并且将棱镜20的对角面21经由光学粘接剂按压于光学补偿膜34a的表面。接着，从固定在棱镜20的对角面21上的偏振部件30除去基板。最后，将棱镜20以其对角面21朝向上方的方式支承，在固定于其对角面21上的偏振部件30的上方，将棱镜10以其对角面13朝向下方、分别设置于偏振部件30、棱镜20以及棱镜10的直角边重叠的方式进行定位，将棱镜10的对角面13经由光学粘接剂按压于偏振部件30的光学补偿膜32a的表面。由此，在棱镜10、20之间固定偏振部件30，它们被一体化为PBS1。

图2表示组装了本实施方式的PBS1的显示系统100的概要结构。作为一例，显示系统100是通过将光源91的光向显示器92照明而形成图像光，并将其会聚并经由导光板93向用户放射的系统，具备上述PBS1、光源91、显示器92以及导光板93。

光源91是生成对显示器92进行照明的照明光的装置。光源91与PBS1的第一输入面11对置配置，将照明光L1朝向第一输入面11射出。另外，也可以在光源91或第一输入面11上设置偏振板(未图示)。照明光L1通过该偏振板，从而能够如后述那样仅包含通过波长板32而转换为S偏振光的圆偏振光成分而进入偏振部件30。

显示器92是生成图像光的装置。作为显示器92，作为一例，可以采用：具有在受光面上排列成矩阵状的多个微镜，在照射照明光时通过使多个微镜分别独立地偏斜来空间调制照明光的反射型的空间光调制器(SLM)、对液晶进行电压控制而对光进行相位调制的LCOS-SLM等。显示器92与PBS1的第二输入面12对置配置，接收从第二输入面12输出的照明光L2，并使反射光作为图像光L3经由第二输入面12进入PBS1。

导光板93是将图像光朝向用户引导的光学部件。导光板93与PBS1的输出面23对置地配置在PBS1与用户之间，将从PBS1的输出面23输出的图像光L5朝向用户引导。另外，也可以代替导光板93或者与导光板93一起在PBS1与用户之间配置透镜元件等光学元件或者包含多个这样的光学元件而将图像光朝向用户引导的光学器具。或者，如上所述，也可以将输出面23形成为曲面来承担透镜元件或光学器具的一部分功能。

在上述结构的显示系统100中，当由光源91生成照明光L1时，首先，照明光L1经由第一输入面11进入棱镜10。接着，照明光L1经由对角面13从棱镜10射出而进入偏振部件30。在此，进入偏振部件30的照明光L1中的、通过波长板32从而转换为S偏振光的成分(即圆偏振光成分)被偏振镜31反射(另外，转换为P偏振光的反向圆偏振光成分可以被光源91或第一输入面11上的波长板截断)。仅包含由偏振镜31反射的S偏振光成分的照明光L2经由偏振部件30的波长板32以及对角面13返回棱镜10，进而经由第二输入面12输出至棱镜10外，进入显示器92。

接着，当由照明光L2对显示器92进行照明时，反射照明光L2而生成图像光L3。图像光L3经由第二输入面12进入棱镜10，经由对角面13从棱镜10射出而再次进入偏振部件30。在此，仅包含先前被偏振镜31反射的S偏振光成分的照明光L2透射波长板32，被显示器92反射而作为图像光L3再次透射波长板32，从而转换为P偏振光。因此，图像光L3透射偏振镜31，经由偏振部件30的波长板34以及对角面21进入棱镜20。

接着，进入棱镜20的图像光L3进入曲面状的反射面22，由此向内会聚而被反射。会聚后的图像光L4经由对角面21从棱镜20射出，进入偏振部件30。在此，仅包含先前透射偏振镜31的P偏振光成分的图像光L3透射波长板34，被反射面22反射而作为图像光L4再次透射波长板32，从而转换为S偏振光。因此，图像光L4被偏振镜31反射，经由偏振部件30的波长板34以及对角面21而作为图像光L5返回棱镜20。

最后，返回到棱镜20的图像光L5经由输出面23从棱镜20输出并经由导光板93朝向用户放射。

本实施方式的PBS1通过在偏振部件30中在偏振镜31的两面分别设置波长板32、34，从而在不使用与PBS1独立的波长板、透镜元件以及反射光学元件的情况下将棱镜20的反射面22形成为曲面状，由此能够紧凑地构成具备透镜功能的偏振分束器、即透镜一体型偏振分束器。

对基于设置在偏振部件30的波长板32、34上的光学补偿膜32a、34a的视角补偿效果进行说明。在基板上层叠与波长板32、34同样的波长板，在其上经由PSA层叠与光学补偿膜32a、34a同样的光学补偿膜，由此构成证实用样品。另外，使用PSA在基板上仅固定波长板而构成比较用样品。在本实施例中，作为基板使用了0.7mm厚的蓝板(浮法玻璃)，作为波长板使用了帝人公司制造的相位差膜(FM143)，作为光学补偿膜使用了JX液晶公司制造的NV膜。另外，关于光学补偿膜，使用面内的主折射率nx、与其正交的方向的折射率ny(＜nx)、厚度方向的折射率nz、厚度d，则面内延迟Re＝(nx-ny)d＝0，即nx＝ny，厚度方向的延迟Rth＝((nx+ny)/2-nz)d与相位板的延迟的符号相反，即<0。也就是说，由于面内延迟为零，光学补偿膜不会产生面内的相位差，由于厚度方向的延迟与相位板的延迟的符号相反，从而抵消波长板的厚度方向的延迟。在本例中，相对于波长板的Rth＝91.8nm(波长550nm)，采用了Rth＝-100nm的NV膜以将其大致抵消。向证实用样品和比较用样品倾斜地照射光，使用OptoScience(日语：オプトサイエンス)(株)的AxoScan对透射样品的光的相位差进行了测量。

图3A和图4A分别表示使用比较用样品测量的由波长板产生的光的相位差的入射角依赖性和波长依赖性。光的入射角以波长板的法线方向为基准给出。在光的波长450nm、550nm、590nm及630nm的每一个中，相位差表现出在入射角为0度的情况下最小，随着入射角的增加而逐渐增大的倾向。关于入射角60度下的相位差相对于入射角0度的增大量，相对于波长450nm、550nm、590nm及630nm分别为3.50nm、5.21nm、5.51nm以及5.53nm。

图3B和图4B分别表示使用证实用样品测量的由波长板产生的光的相位差的入射角依赖性和波长依赖性。光的入射角以波长板的法线方向为基准给出。在光的波长450nm、550nm、590nm及630nm的每一个中，相位差表现出在入射角为0度到40度基本恒定，如果超过50度则随着入射角的增加而逐渐减小的倾向。关于入射角60度下的相位差相对于入射角0度的增大量，相对于波长450nm、550nm、590nm及630nm分别为-0.87nm、-1.92nm、-2.05nm以及-1.80nm。与比较用样品的测量结果相比较可知，通过设置光学补偿膜，光通过透射波长板而接收的相位差的入射角依赖性被抑制在二分之一以下。也就是说，可知对于光通过透射波长板而接收的相位差而言，补偿了由于光倾斜入射而引起的劣化，在较宽的入射角范围内得到与垂直入射同等的光学特性。

图5A示出使用比较用样品测量的由波长板产生的进相轴角度的波长依赖性的例子。光的入射角以波长板的法线方向为基准给出。在波长范围400～780nm中，对于入射角0度和20度，进相轴角度与波长的增大无关而大致恒定，对于入射角40度和60度，进相轴角度随着波长的增大而缓慢地增大。另外，相对于入射角的增大，朝向0度而增大。入射角60度下的进相轴的角度相对于入射角0度的增大量约为6～9度。

图5B示出使用证实用样品测量的由波长板产生的进相轴角度的波长依赖性的例子。光的入射角以波长板的法线方向为基准给出。在波长范围400～780nm中，对于入射角0度和20度，进相轴角度与波长的增大无关而大致恒定，对于入射角40度和60度，进相轴角度随着波长的增大而缓慢地增大，在约600nm处呈现极大，进而随着波长的增大而缓慢地减少。另外，在波长范围400～480nm以及700～780nm中，进相轴角度相对于入射角的增大而向负方向增大，在波长范围480～780nm中，进相轴角度相对于入射角的增大而向正方向减小。入射角60度下的进相轴的角度相对于入射角0度的变化量约为-4～2度，是比较用样品中的变化的二分之一左右。

因此，通过如本实施方式的偏振部件30那样在波长板32、34上分别设置光学补偿膜32a、34a，对于光的倾斜入射，能够得到与垂直入射的情况大致同等的光学效果、即相位差。

本实施方式的PBS1具备：棱镜10，其具有相互交叉的第一输入面11、第二输入面12以及对角面13；棱镜20，其具有与对角面13对置配置的对角面21、形成为与对角面21交叉的曲面状且设置有向内反射光的反射膜22a的反射面22、以及与对角面21和反射面22分别交叉的输出面23；以及偏振部件30，其具有配置于对角面13、21之间的偏振镜31、以及设置于与对角面21对置的偏振镜31的一面侧的波长板34。通过与偏振镜31相邻地将波长板34设置在偏振部件30内，能够将棱镜20的反射面22形成为曲面状而将透镜元件以及反射光学元件与棱镜20一体化，由此能够提供具备透镜功能、部件数少、轻量且紧凑的PBS1。

在本实施方式的PBS1中，在棱镜10中设置了使照明光L1进入的第一输入面11和使通过使用照明光L2对显示器92进行照明而生成的图像光L3进入的第二输入面12这两个输入面，但在使用透射型显示器或自发光型显示器生成图像光的情况等不需要将照明光L1输入至PBS1的情况下，只要在棱镜10中仅设置一个输入面即可。

图6A和图6B分别表示第一变形例的PBS1a的结构和分解结构。PBS1a具备两个棱镜10a、20以及偏振部件30。在此，棱镜20及偏振部件30与上述相同地构成。

棱镜10a是从外部输入图像光的输入用棱镜。作为一例，棱镜10a是具有相互平行的两个侧面14、15以及在它们之间划定的输入面11、反射面12和对角面13作为外表面的三棱柱状的立方体。侧面14、15、输入面11以及对角面13与上述的侧面14、15、第一输入面11以及对角面13同样地构成。此外，将侧面14、15扩展的相互正交的方向设为X轴以及Z轴方向，将侧面14、15分离的方向设为Y轴方向。

反射面12(第二面的一例)是在侧面14、15各自的-Z侧的邻边之间朝向-Z方向划定的棱镜10的外表面，具有矩形状(在本实施方式中为正方形状)。在反射面12上设置有反射膜12a。反射膜12a可以使用银、金、铝等金属，通过真空蒸镀、溅射等公知的薄膜形成法来形成。由此，反射面12将从棱镜10内向-Z方向进入反射面12的光向内(+Z方向)反射。

棱镜10a也与棱镜10相同，可以使用透明的聚合物、例如像聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)那样的丙烯酸树脂、像乙烯·四环十二烯共聚物(环状烯烃共聚物、COC)那样的聚合物通过注塑成型来进行成型加工。通过使用这样的原材料，可以获得良好的光学特性、特别是高透光性和强度。

图7表示组装了第一变形例的PBS1a的显示系统100a的概要结构。显示系统100a是将由显示器92a生成的图像光会聚并经由导光板93朝向用户放射的系统，其具备上述的PBS1a、显示器92a以及导光板93。导光板93与上述的导光板相同地构成。

显示器92a是生成图像光的装置。作为显示器92a，作为一例，能够采用使用背光源的透射型液晶微型显示器、自发光型的有机EL显示器或者微型LED显示器等。显示器92a与PBS1a的输入面11对置配置，朝向输入面11射出图像光L1。另外，图像光L1也可以以仅包含当透射了偏振部件30的波长板32时被转换为S偏振光的圆偏振光成分的方式生成。

在上述结构的显示系统100a中，当通过显示器92a生成图像光L1时，首先，图像光L1经由输入面11进入棱镜10a。接着，图像光L1经由对角面13从棱镜10射出而进入偏振部件30。在此，进入偏振部件30的图像光L1中的、通过波长板32而转换为S偏振光的成分(即圆偏振光成分)被偏振镜31反射(转换为P偏振光的反向圆偏振光成分透射偏振镜31)。仅包含由偏振镜31反射的S偏振光成分的图像光L2经由偏振部件30的波长板32以及对角面13返回棱镜10a。

接着，返回到棱镜10a的图像光L2进入反射面12，从而被反射。被反射的图像光L3经由对角面13从棱镜10a射出而再次进入偏振部件30。在此，仅包含先前被偏振镜31反射的S偏振光成分的图像光L2透射波长板32，被反射面12反射而作为图像光L3再次透射波长板32，从而转换为P偏振光。因此，图像光L3透射偏振镜31，经由偏振部件30的波长板34以及对角面21进入棱镜20。

接着，进入了棱镜20的图像光L3进入曲面状的反射面22，由此向内会聚而被反射。会聚后的图像光L4经由对角面21从棱镜20射出，进入偏振部件30。在此，仅包含先前透射偏振镜31的P偏振光成分的图像光L3透射波长板34，被反射面22反射而作为图像光L4再次透射波长板32，从而转换为S偏振光。因此，图像光L4被偏振镜31反射，经由偏振部件30的波长板34以及对角面21而作为图像光L5返回棱镜20。

最后，返回到棱镜20的图像光L5经由输出面23从棱镜20输出，并经由导光板93朝向用户放射。

图8A和图8B分别表示第二变形例的PBS1b的结构和分解结构。PBS1b具备两个棱镜10b、20以及偏振部件30。在此，棱镜20及偏振部件30与上述相同地构成。

棱镜10b是从外部输入图像光的输入用棱镜。作为一例，棱镜10b是具有相互平行的两个侧面14、15以及在它们之间划定的输入面11、反射面12以及对角面13作为外表面的大致三角柱状的立方体。输入面11及对角面13与前述的第一输入面11及对角面13同样地构成。此外，将侧面14、15扩展的相互正交的方向设为X轴以及Z轴方向，将侧面14、15分离的方向设为Y轴方向。

侧面14、15在正面观察(+Y方向观察)下具有将直角三角形和具有以其一个邻边作为弦而向外弯曲的圆弧的弓形连结而成的形状，并且与XZ面平行且使斜边朝向+X、+Z方向配置。

反射面12(第二面的一例)是在侧面14、15的圆弧之间朝向-Z方向划定成与输入面11以及对角面13交叉的曲面状的棱镜20的外表面。此外，作为曲面的反射面12与作为平面的输入面11以及对角面13交叉是指反射面12上的所有位置处的法线与输入面11以及对角面13的法线交叉(不平行)。在本实施方式中，设为在XZ面内向外(-Z方向)弯曲成拱状的曲面，但不限于此，也可以是向内(+Z方向)弯曲成倒拱状的曲面，也可以是不仅在XZ面内而且在YZ面内也弯曲而向-Z方向鼓起的圆顶状或向+Z方向凹陷的倒圆顶状的曲面。通过该形状，反射面12表现出使光会聚或漫射的透镜效果。

在反射面12上设置有反射膜12a。反射膜12a可以使用银、金、铝等金属，通过真空蒸镀、溅射等公知的薄膜形成法来形成。由此，反射面12使从棱镜10内向-Z方向进入反射面12的光一边向内聚光一边反射。

棱镜10b与棱镜10同样地也可以使用透明的聚合物、例如像聚甲基丙烯酸甲酯树脂(PMMA)那样的丙烯酸树脂、像乙烯·四环十二烯共聚物(环状烯烃共聚物、COC)那样的聚合物通过注塑成型来进行成型加工。通过使用这样的原材料，可以获得良好的光学特性、特别是高透光性和强度。

图9表示组装了第二变形例的PBS1b的显示系统100b的概要结构。显示系统100b是将由显示器92a生成的图像光会聚并经由导光板93朝向用户放射的系统，具备上述的PBS1b、显示器92a以及导光板93。显示器92a和导光板93与上述同样地构成。

在显示系统100b中，当图像光L2在棱镜10b内进入曲面状的反射面12时，由此向内会聚而被反射、会聚后的图像光L3经由对角面13进入偏振部件30，除此以外，与上述的显示系统100a发挥相同的功能。

另外，在变形例的PBS1b中，将棱镜10b的反射面12形成为弯曲面状而表现出透镜效果，但也可以取而代之或在此基础上，使输入面11弯曲而形成为向外鼓起为拱状或圆顶状、或者向内凹陷为倒拱状或倒圆顶状的曲面。由此，棱镜10表现出透镜效果，能够使在棱镜10内被引导的光会聚或漫射而输出至棱镜10外。

另外，在变形例的PBS1a、1b中，也可以将偏振镜31、波长板34以及光学补偿膜34a依次经由粘接层层叠而构成偏振部件30。在该情况下，显示器92a也可以生成仅包含S偏振光成分的图像光L1。

在变形例的PBS1a、1b中，通过在偏振部件30中至少在偏振镜31的一面上设置波长板34，从而在不使用与PBS1a、1b独立的波长板、透镜元件以及反射光学元件的情况下将棱镜20的反射面22形成为曲面状，由此能够紧凑地构成具备透镜功能的偏振分束器、即透镜一体型偏振分束器。

以上，使用实施方式对本发明进行了说明，但本发明的技术范围并不限定于上述实施方式所记载的范围。对于本领域技术人员来说显而易见的是，能够对上述实施方式施加多种变更或改良。根据权利要求书的记载可知，施加了这样的变更或改良的方式也包含在本发明的技术范围内。

应当注意的是，权利要求书、说明书和附图中所示的装置、系统、程序和方法中的动作、顺序、步骤和阶段等各处理的执行顺序只要没有特别明示“在…之前”、“之前”等，或者只要不是在后面的处理中使用之前处理的输出，就能够以任意的顺序实现。关于权利要求书、说明书和附图中的动作流程，即使为了方便而使用“首先”、“接着”等进行了说明，也不意味着必须按照该顺序实施。

附图标记

10，10a，10b，20…棱镜、11…第一输入面(输入面)、12…第二输入面(反射面)、12a…反射膜、13…对角面、14，15…侧面、21…对角面、22…反射面、22a…反射膜、23…输出面、24，25…侧面、30…偏振部件、31…偏振镜、32，34…波长板、32a，34a…光学补偿膜、33，35…粘接层、91…光源、92，92a…显示器、93…导光板、100，100a，100b…显示系统、L1，L2…照明光(图像光)、L3，L4，L5…图像光。

Claims (7)

1.一种偏振分束器，其具备：

第一棱镜，其具有相互交叉的第一面、第二面以及第三面；

第二棱镜，其具有：第四面，其与所述第三面对置配置；第五面，其形成为与该第四面交叉的曲面状，并设置有向内反射光的反射面；以及第六面，其与所述第四面和所述第五面分别交叉；以及

偏振部件，其具有：偏振镜，其配置于所述第三面与所述第四面之间；以及第一波长板，其设置于与所述第四面对置的所述偏振镜的一面侧。

2.根据权利要求1所述的偏振分束器，其中，

所述偏振部件还具有第二波长板，所述第二波长板设置于与所述第三面对置的所述偏振镜的另一面侧。

3.根据权利要求1或2所述的偏振分束器，其中，

所述第二面设置有向内反射光的反射面。

4.根据权利要求3所述的偏振分束器，其中，

所述第二面是曲面。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的偏振分束器，其中，

所述偏振部件还具有设置于所述第一波长板上的视场角补偿膜，所述视场角补偿膜具有与所述第一波长板的厚度方向延迟的符号相反的厚度方向延迟。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的偏振分束器，其中，

所述第一波长板使用压敏粘接剂固定于所述偏振镜。

7.一种显示系统，其具备：

权利要求1至6中任一项所述的偏振分束器；以及

与所述第一面或所述第二面对置配置的显示器。

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