JP2000171754A

JP2000171754A - 偏光変換素子及びそれを用いた表示装置

Info

Publication number: JP2000171754A
Application number: JP10342024A
Authority: JP
Inventors: Yoshiharu Oi; 好晴大井
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1998-12-01
Filing date: 1998-12-01
Publication date: 2000-06-23

Abstract

(57)【要約】【課題】偏光変換素子の変換効率を高め、薄型化及び製
造容易化を図る。【解決手段】入射光を第１の偏光成分と第２の偏光成分
に分離する偏光分離部２は入射側媒質４１と複屈折層５
と光出射側媒質４２を有し、入射側媒質４１と複屈折層
５の界面に鋸波形状を有し、偏光分離部２、レンズ手段
６及び偏光回転層３Ｒと偏光非回転層３Ｎを有する偏光
集光層３の順に配置される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、自然光、つまりラ
ンダム偏光の入射光を単一偏光に変換する偏光変換素
子、及び、その偏光変換素子を用いた表示装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】情報端末機器の表示素子として、ＴＮ型
液晶表示素子やＳＴＮ型液晶表示素子が普及している。
しかし、これらの液晶表示素子は偏光板を用いることに
よりコントラスト表示を実現しているため表示が暗くな
り、その分消費電力が大きく明るい照明光が必要となる
という欠点を有していた。

【０００３】これは、用いられる照明光は一般にランダ
ムな偏光（自然光）であるが、「偏光方式」の液晶表示
素子の光入射側に置かれた偏光板で、入射光のうちの偏
光成分の多くが吸収されてしまう。このため液晶表示素
子を透過し表示に寄与する偏光成分の比率が総合で半分
以下となる。この表示に寄与せず、損失分となってしま
う偏光成分を有効に利用するため、種々の光学素子が考
案されている。

【０００４】第１に、従来の光吸収型でない偏光素子と
して、特開平７−４９４９６号公報記載の発明が重要で
ある。製造が容易であり、薄型の直視型液晶表示装置用
のバックライトの構成が初めて示された。第２に、投射
型液晶表示素子の偏光変換素子として、特開平１０−９
０５２０号公報に記載された偏光ビームスプリッタアレ
イが実用化されている。第３に、複屈折層が屈折率の異
なる一対のレンズアレイ板で狭持された構造の光学素子
が特開平１−３０２２２１号公報に提案されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】従来技術における、第
１の偏光素子は、入射光を互いに直交する偏光成分に分
離する偏光分離機能を有するが、分離された偏光成分光
のうち、一方の偏光成分の偏波面を他方の偏光成分の偏
波面に変換する光学素子が一体化されていない。

【０００６】偏光分離された一方の偏光成分が他の光学
素子を伝搬中に偏光解消する（楕円偏光となる）ことに
より一部偏光変換された他方の偏光成分を再利用し、積
極的に偏光変換する構成ではないので偏光変換効率が充
分高くなかった。

【０００７】また、第２の偏光変換素子は、偏光分離部
と偏光回転部とが一体化された平板構造となっていて、
指向性の揃った照明光に対して高い偏光変換効率を示
す。偏光分離機能を発現する誘電体多層膜が成膜された
ガラス板を切断及び接着し、さらにλ／２位相差板を帯
状に接着することにより作製されるため、製法上大面積
化が困難であるとともに高価なものとなっている。ま
た、誘電体多層膜の偏光分離機能は入射角の角度依存性
及び波長依存性が高いため、指向性の乱れた入射光に対
してはその効果が劣化するといった欠点があった。

【０００８】また、第３の偏光変換素子は、図１２に示
す断面構造を有し一対のレンズ手段４ｘ、６ｘの曲面の
内側に狭持された複屈折層５を設け、この複屈折層５と
レンズ手段４ｘ、６ｘで偏光分離部２を構成し、偏光分
離部２によって分離された偏光成分の偏波面を任意の方
向に変換可能な偏光回転部３ｘ（偏光回転層及び偏光非
回転層）とからなる。この構成において、屈折率の異な
る一対のレンズアレイ板を必要とし、それぞれが複屈折
層の常光屈折率ｎ_o と異常光屈折率ｎ_e に一致させる必
要があるため、使用材料の選択条件に制約が生じる。

【０００９】また、常光屈折率ｎ_o と異常光屈折率ｎ_e
との差に応じて単一界面での屈折で焦点距離が規定され
るため、レンズのパワーが小さな値となり、結果として
指向性の揃った入射光でないと高い偏光変換効率が得ら
れないといった問題があった。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、前述の課題を
解決すべくなされたものであり、使用材料の制約条件が
少なく、大面積化及び低コスト化が可能で、高い偏光変
換効率を実現する偏光変換素子及びそれを用いた表示装
置を提供するものである。

【００１１】すなわち、本発明の態様１は、入射光を第
１の偏光成分と第２の偏光成分に分離する偏光分離部
は、空間的に厚みが分布せしめられた複屈折層を有し、
偏光分離部とレンズ手段と偏光集光層とが順に配置さ
れ、偏光集光層に偏光回転層と偏光非回転層が備えられ
た偏光変換素子を提供する。

【００１２】また、態様２は、光源、態様１に記載の偏
光変換素子と、表示素子と、投射光学系とが備えられ、
光源から出射された光が偏光変換素子を通過して表示素
子に入射され、表示素子からの出射光が投射光学系によ
り投射画像として投射される投射型表示装置を提供す
る。

【００１３】また、態様３は、観測者と反対側から表示
素子を照明するバックライトと、光透過型の表示素子と
の間に態様１に記載の偏光変換素子が配置されてなる直
視透過型の表示装置を提供する。

【００１４】また、態様４は、観測者と、光反射型の表
示素子との間に態様１に記載の偏光変換素子が配置され
てなる直視反射型の表示装置を提供する。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の偏光変換素子の構成及び
その作用について、偏光分離部の複屈折層５の拡大断面
図である図１０を用いて以下に説明する。ここで、複屈
折層５は均質屈折率ｎ_o の光入射側媒質４１と光出射側
媒質４２との間に狭持され、その厚さが空間的に分布し
ている。紙面内に偏波面を有する入射光（ｐ偏光と呼
ぶ）に対する複屈折層５の屈折率ｎ_o が両側の均質透明
媒質（光入射側媒質４１及び光出射側媒質４２）と略一
致し、紙面に垂直な偏波面を有する入射光（ｓ偏光と呼
ぶ）に対する複屈折層５の屈折率ｎ_e がｎ_o に比べて大
きな場合における、ｐ偏光及びｓ偏光の角度分離につい
て以下に説明する。

【００１６】図１０（ａ）、（ｂ）はいずれも複屈折層
の光入射側媒質４１との接面及び光出射側媒質４２との
接面で決まる２辺のなす角がαである。図１０（ａ）で
は入射光の光軸に対して１辺が垂直な場合を示し、図１
０（ｂ）では入射光の光軸に対して両辺がα／２の角度
をなす場合を示す。いずれの構成においても、ｐ偏光は
屈折率ｎ_o の均質媒質中の伝搬であるため複屈折層界面
で屈折することなく直進する。

【００１７】この際、ｓ偏光は屈折率ｎ_o とｎ_e の相違
と傾斜角αに応じてｐ偏光に対して図１０（ａ）では角
度θ₁ をなす方向に、図１０（ｂ）では角度θ₂ をなす
方向に偏向して伝搬する。角度θ₁ 及び角度θ₂ はスネ
ル屈折則から式（１）及び式（２）で計算される。

【００１８】

【数１】 θ₁ ＝sin^-1(ｎ_e ×sin(α−sin^-1(ｎ_o ×sin α／ｎ_e)) ／ｎ_o) ・・・(1) θ₂ ＝sin^-1(ｎ_e ×sin(α−sin^-1(ｎ_o ×sin(α／２) ／ｎ_e ）) ／ｎ_o ） −α／２・・・(2)

【００１９】この式（１）、式（２）に従って、ｎ_o ＝
１. ５とｎ_e ＝１. ８の複屈折媒質の場合について、α
＝１０〜６０°のときのθ₁ とθ₂ を計算した結果を表
１に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】従って、角度αが大きなほど、分離角θ
₁ 、θ₂ は大きな値となり、また、複屈折△ｎ＝ｎ_e −
ｎ_o の値が大きなほど、分離角θ₁ 、θ₂ は大きな値と
なる。次に複屈折層とレンズ手段との関係について、図
１１を参照して説明を行う。

【００２２】図１０に示した複屈折層５の光入射側にレ
ンズのような集光機能を有する集光手段が配置されるこ
とにより、複屈折層５で角度分離された複数の偏光成分
は、その分離角度θに応じて、集光手段の焦点面におい
て、空間的に異なる位置に集光される。

【００２３】このとき、集光手段に入射する入射光の角
度バラツキの全角をδとすると、偏光分離部２として用
いる場合は分離角θが大きなほど、δの大きな入射光に
対しも空間的により離れた集光点に偏光分離可能である
ため好ましい。具体的には、θ≧δであることが好まし
い。

【００２４】一方、複屈折層５を作製する上で、αは小
さな程均一な複屈折層の配向制御がしやすいとともに、
光学的に均質な材料を用いる光入射側媒質４１、光出射
側媒質４２の作製が容易となる。従って、図１０（ａ）
に比べて、図１０（ｂ）の構成のように傾斜面が多い方
が入射光に対する傾斜面の角度が小さな値であっても、
大きな偏向角が得られる。すなわち、図１０に示した単
位構成を積層することにより複屈折率△ｎが同じでも大
きな偏向角θが得られるので、多層構造がより好まし
い。

【００２５】次に、集光機能を有するレンズ手段の焦点
位置に設けられた偏光集光層と、レンズ手段との関係に
ついて説明する。開口幅ａで焦点距離ｆのレンズ手段に
バラツキ全角δの入射光が垂直に入射した場合、その焦
点位置での集光幅ｗは式（３）で近似的に記述される。
よって、光出射面に配置され、空間的に異なる位置に分
離集光された２つの偏光成分のうち、一方の偏光成分の
偏波面のみを９０°回転させる偏光回転層３Ｒの幅を略
ｗとすれば効率よく偏光変換できる。

【００２６】

【数２】ｗ＝ｆ×ｔａｎδ ・・・（３）

【００２７】このような構成により、複屈折層５におい
て、なす光軸角度θで偏光分離された２つの直交偏光成
分は、光入射面側表面が円筒形状のレンズアレイ状に形
成されたレンズ手段によりその焦点面においていずれも
ほぼ同等の集光幅ｗで集光され、２つの直交偏光成分を
焦点位置で混在することなく分離するとともに、偏光集
光層のうちの偏光回転層により一方の偏光成分の偏波面
を９０°回転して偏光変換し、光出射面において、ほぼ
同じ偏光成分を出射させることができる。

【００２８】開口幅ａのレンズ手段に入射した光を有効
に偏光変換するためには、レンズの開口幅ａと各偏光成
分の集光幅ｗとの関係が、ａ≧２×ｗを満たすことが好
ましい。レンズのＦナンバーはＦ＝ｆ／ａで定義される
ため、以上の関係をまとめると、レンズのＦナンバーと
入射光の指向性のバラツキ全角δとの好ましい関係は式
（４）となる。

【００２９】

【数３】Ｆ≦１／（２×ｔａｎδ）・・・（４）

【００３０】なお、θ＜δあるいはＦ＞１／（２×ｔａ
ｎδ）の場合も偏光変換効率は低下するが、本素子の使
用による効果は得られる。以下、実施例について説明す
る。ただし、本発明は以下の実施例に限定されるもので
はない。

【００３１】

【実施例】（実施例１）図１は実施例１の偏光変換素子
１の構成を模式的に示した断面図である。本例では入射
光を互いに直交する２種類の偏光成分の光軸が角度をな
すように角度分離する偏光分離部２と、偏光分離部２に
よって角度分離された偏光成分の光束を空間的に異なる
位置に集光せしめるレンズアレイからなるレンズ手段６
と、空間分離された互いに直交する２種類の偏光成分の
うちの一方の偏光成分の偏波面を他方の偏光成分の偏波
面に変換せしめる偏光回転層３Ｒとを組み合わせて作成
される。

【００３２】偏光集光層３はレンズ手段６の集光位置に
ほぼ置かれ、偏光回転層３Ｒと偏光非回転層３Ｎとが幾
何学的に配置されている。偏光回転層３Ｒはそこを通過
する偏光成分の偏波面を回転せしめ、偏光非回転層３Ｎ
ではそこを通過する偏光成分の偏波面に対し作用しない
ように設ける。また、本例では偏光分離部２とレンズ手
段６との間が空間で分離されており、２つの偏光成分の
角度分離をより良好に行うことができる。

【００３３】偏光分離部２は、屈折率１. ５の均質透明
な光入射側媒質４１と複屈折層５と屈折率１. ５の均質
透明な光出射側媒質４２とが備えられる。本例では光入
射側媒質４１が複屈折層５と接する面で鋸波形状に一定
の傾斜面を有するように加工されている。複屈折層５は
紙面内に偏波面をもつ入射光（ｐ偏光と呼ぶ）に対する
屈折率ｎ_o は光入射側媒質４１及び光出射側媒質４２と
略等しく、１. ５の値を有し、紙面に垂直な偏波面をも
つ入射光（ｓ偏光と呼ぶ）に対する屈折率ｎ_eは１. ８
とする。

【００３４】光入射側媒質４１及び光出射側媒質４２は
その空気界面が平坦な形状を有する。本例では、光入射
側媒質４１及び光出射側媒質４２はプラスティック成型
品であり、複屈折層５として高分子液晶を用い、複屈折
層５に接する界面に配行処理を施すことにより複屈折の
方向を揃える。

【００３５】このような構成の偏光分離部２にランダム
偏光の光が垂直に入射すると、複屈折層５はｐ偏光に対
して光入射側媒質４１及び光出射側媒質４２と略同じ屈
折率ｎ_o ＝１. ５であるため、図１の実線で示すよう
に、複屈折層５を直進して透過する。

【００３６】一方、複屈折層５はｓ偏光に対して、光入
射側媒質４１及び光出射側媒質４２に比べ、屈折率ｎ_e
＝１. ８と高屈折率であり、傾斜面を有しているため、
複屈折層５を通過するときにプリズムによる屈折と同様
の原理で屈折する。その結果、図１の点線で示すように
ｓ偏光の光軸がｐ偏光の光軸と角度をなすように空間的
に分離されることになる。なお、この複屈折層５は、液
晶セルの対向電極の一方の電極面を鋸歯状に形成し、他
方の電極を平坦化することでも得られる。

【００３７】このように角度分離されたｓ偏光、ｐ偏光
がレンズ手段６に入射すると、図１の実線及び点線で示
されるようにレンズ手段６の集光作用によりその焦点面
位置（偏光集光層３）にｐ偏光の入射角に応じて空間的
に異なる位置に集光される。レンズ手段６の光入射側の
断面が図１のように凸レンズ形状で、紙面に垂直方向に
は曲率を持たない複数の円筒レンズ形状に加工されたレ
ンズアレイ構造を有しているため、円筒レンズ形状の複
数のレンズ部の焦点位置はストライプ状となり、ｓ偏光
とｐ偏光がストライプ状に交互に分離集光される。

【００３８】このようにｓ偏光とｐ偏光が分離される集
光位置に偏光回転層３Ｒと偏光非回転層３Ｎとを配置す
る。図１と垂直な面で光出射面を下側から見た平面図を
図２に示す。偏光集光層３のうち偏光回転層３Ｒはｓ偏
光とｐ偏光のうち、いずれか一方の偏光成分の偏波面を
９０°回転させて他方の偏光成分の偏波面と略一致させ
る機能を有していればよい。例えば、可視波長入射光の
中心波長λに対してｓ偏光の集光領域にｓ偏光をｐ偏光
に変換するλ／２位相差板を偏光回転層３Ｒとして、図
２のように表面が円筒レンズ状に形成されたレンズアレ
イ手段６のレンズ部分と平行にストライプ状に配置すれ
ばよい。

【００３９】本例では、偏光分離部２とレンズ手段６と
が空間的に分離配置されているので、２つの偏光成分の
良好な分離状態をより確保しやすく、また、位置合わせ
が容易であって、偏光変換素子の生産性が良いという利
点がある。偏光集光層３の別な構成として、例えばＴＮ
型液晶セルを用いてもよい。ＴＮ型液晶セルの一対の基
板の少なくとも一方の透明電極をｓ偏光とｐ偏光が分離
される集光領域に対応してストライプ状にパターニング
し、ｓ偏光とｐ偏光のうち一方の偏光が９０°回転する
ように電圧を印加すればよい。

【００４０】また、上記のように別途作成したλ／２位
相差板を偏光回転層３Ｒとして設ける以外に、複屈折を
有する高分子液晶を用いて形成することもできる。レン
ズ手段６の構成部材の裏面側表面にあらかじめ配向処理
を施し、高分子液晶を配して形成した後、図２のように
パターニングしてもよい。偏光集光層３の９０°偏光回
転層３Ｒはｐ偏光集光点に形成してもよいし、ｓ偏光集
光点に形成してもよい。

【００４１】光入射側媒質４１、光出射側媒質４２、レ
ンズ手段６の材料はいずれも均質屈折率材料であればよ
い。特定の材料を選択する必要がなく、成型しやすいプ
ラスティックやガラスを用いることが好ましい。また、
その屈折率値に関する制約はない。本例では複屈折層５
の屈折率ｎ_o に略等しい屈折率１. ５の媒質について説
明したが、１. ５と異なる値の場合も、ｓ偏光とｐ偏光
の光の集光位置は変化するが偏光分離作用は発現する。

【００４２】複屈折層５はその傾斜面に対して空間的に
揃った複屈折を有する材料であればよい。方解石のよう
な無機結晶やＰＥＴのような有機材料でもよいし、高分
子液晶や液晶樹脂複合体、さらに液晶のような液体でも
よい。偏光分離部２の偏光分離角を大きな値にするため
には複屈折率△ｎ＝ｎ_e −ｎ_o が大きなほど好ましい。
従って、比較的大きな△ｎを有し大面積で安価に作製可
能な高分子液晶を用いることが好ましい。

【００４３】また、偏光変換素子１の各要素の大きさに
ついてはその用途に応じて異なるが、入射光が複屈折層
５の傾斜面を透過する際に直交する偏光によって光軸角
度が分離される程度の大きさであれば、偏光変換作用は
発現する。従って、レンズ手段６の円筒形状レンズアレ
イの幅や鋸波形状の傾斜面のピッチは１μｍ以上であれ
ばよい。この偏光変換素子１が表示素子の表示面近傍に
配置される場合は、表示素子の解像度や均一性を劣化さ
せないために、レンズアレイの各円筒レンズ部の幅や鋸
波形状の傾斜面のピッチはその表示画素に比べて小さく
することが好ましい。

【００４４】また、図１では複屈折層の界面を鋸波状と
することにより層の厚さが空間的に異なる構造とした偏
光分離部２と、レンズアレイ状のレンズ手段６としたの
で、比較的薄い厚みの偏光変換素子１が得られる。偏光
変換素子としての機能は単一のレンズ及び単一の傾斜面
を有する三角形状の断面の複屈折媒体であっても発現す
るため、そのような単純な構成のものでもよい。

【００４５】このようにして作製される偏光変換素子１
を用いることにより、ランダム偏光の入射光を効率よく
直線偏光に変換することができる。また、構成において
材料の制約が少ないため大面積で安価に作製することが
可能である。

【００４６】（実施例２）図３は実施例２の偏光変換素
子１の構成を模式的に示した断面図である。本例では、
偏光分離部２の構成要素である複屈折層５は、実施例１
と異なり光入射側媒質４１及び光出射側媒質４２の両方
に接する面に鋸波形状の傾斜面が形成されている。この
ように両側を傾斜面とすることにより、ｓ偏光及びｐ偏
光の偏光分離角を大きくできる。その結果、入射光の分
散角が比較的広い場合でも高い偏光変換効率を実現でき
る。

【００４７】（実施例３）図４は実施例３の偏光変換素
子１の構成を模式的に示した断面図である。本例では、
偏光分離部２の構成要素である複屈折層５は、実施例１
と異なり、両面に鋸波形状の傾斜面が形成されている均
質屈折率を有する接合媒質７を介して２層に分離されて
いる。

【００４８】そして、光入射側媒質４１及び光入射側媒
質４２の複屈折層５に接する面は平坦面としている。こ
のような構成により、実施例２と同様にｓ及びｐ偏光の
偏光分離角を大きくできる。その結果、入射光の分散角
が比較的広い場合でも高い偏光変換効率を実現できる。
また、光入射側媒質４１及び光出射側媒質４２が複屈折
層５に接する面は平坦面であるため、加工が容易とな
る。

【００４９】（実施例４）図５は実施例４である偏光変
換素子１の構成を模式的に示した断面図である。本例で
は、偏光分離部２の構成要素である複屈折層５は、実施
例３で用いた両面に鋸波形状の傾斜面が形成された均質
屈折率の接合媒質７を複数用いて複数層に分離されてい
る。そして、光入射側媒質４１及び光出射側媒質４２の
複屈折層５に接する面は平坦面としている。このような
構成により、実施例３に比べてさらにｓ偏光及びｐ偏光
の偏光分離角を大きくできる。その結果、入射光の分散
角が比較的広い場合でも高い偏光変換効率を実現でき
る。

【００５０】（実施例５）図６は実施例５である偏光変
換素子１の構成を模式的に示した断面図である。本例で
は、偏光分離部２の構成要素である複屈折層５は、実施
例１〜４で用いられた鋸波形状の傾斜面ではなく２等辺
三角形状の傾斜面を有している。この場合は、その傾斜
角度に応じてｓ偏光成分の集光点の両側にｐ偏光成分の
集光点が生じることとなるが、このような構成でも偏光
変換素子としての機能は発現する。

【００５１】（実施例６）図７は本発明の偏光変換素子
１を用いた直視型の透過型表示装置１００の構成を模式
的に示した断面図である。すなわち、照明系であるバッ
クライト３０（光源１３、集光鏡１４、導光板１５）と
表示の観測者４０とが表示素子２０に対して反対側に配
置された場合を示す。透過型表示装置１００には表示素
子２０とバックライト３０との間に偏光変換素子１が配
置されている。

【００５２】表示素子２０は偏光変調素子１２の光入射
面及び光出射面に偏光板１０、１１がそれぞれ配置され
ていて、直線偏光を光変調することによりコントラスト
表示を行う。偏光変調素子１２はＴＮ液晶素子、ＳＴＮ
液晶素子、強誘電液晶素子、反強電液晶素子、垂直配向
液晶素子等の液晶素子やＰＬＺＴ（ＰｂＬａＺｒＴｉ）
等の電気光学セラミクスやＬｉＮｂＯ₃ 等の電気光学結
晶など、直線偏光を光変調することによりコントラスト
表示を行う素子であればいずれのものでもよい。

【００５３】図７において、バックライト３０は冷陰極
管や熱陰極管等のランプである光源１３からの放出光を
集光鏡１４で導光板１５に集光し、導光板中を伝搬して
全反射条件を満たさない光が偏光変換素子１側に出射す
る従来技術のエッジライト方式を採用している。また、
バックライト３０の方式としてはエッジライト方式に限
定されず直接ランプ１３を偏光変換素子１の下部に配置
した直下型方式でもよい。また、表示素子２０とバック
ライト３０との間にプリズムアレイシートやフィルタ等
の光学素子を配置して配光特性や照明均一性や色バラン
スを補正してもよい。

【００５４】偏光変換素子１はその出射光の偏波面が偏
光板１１の偏光軸と略一致するように配置され、偏光板
１１による光吸収が最小となるようにする。このよう
に、表示素子２０とバックライト３０とが備えられた従
来の直視透過型の表示装置に実施例１〜５に示した偏光
変換素子１を導入した構成の直視型の透過型表示装置１
００とすることにより、バックライト３０から出射され
たランダム偏光が偏光変換素子１により直線偏光に効率
よく変換されるため、従来技術では偏光板１１で半分以
上の光が吸収されていたがその損失が低減される。

【００５５】従って、同じ消費電力の光源１３を用いた
場合は明るい表示が実現できる。また、同じ明るさを得
るためには低消費電力の光源１３で充分となるため、表
示装置全体の低消費電力化を達成できる。

【００５６】（実施例７）図８は本発明の偏光変換素子
１を用いた直視型の反射型表示装置２００の構成を模式
的に示した断面図である。すなわち、照明光である外光
３２やフロントライト３１と表示の観測者４０とが表示
素子２１に対して同じ側に配置された場合を示す。

【００５７】反射型表示装置２００は表示素子２１と外
光３２またはフロントライト３１との間に偏光変換素子
１が配置されている。表示素子２１は偏光変調素子１２
の裏面に反射板１７が配置され、光出射面側に偏光板１
０が配置されていて、直線偏光を光変調することにより
コントラスト表示を行う。偏光変調素子１２は実施例６
と同様のものであって、直線偏光を光変調することによ
りコントラスト表示を行う素子であればいずれのもので
もよい。

【００５８】また、偏光板を偏光変調素子１２の裏面に
用いてもよい。また、反射板１７が偏光変調素子１２の
内部に一体化されて形成された方が表示のボケがなくな
るため好ましい。

【００５９】図８において、フロントライト３１は冷陰
極管や熱陰極管等のランプである光源１３からの放出光
を集光鏡１４で導光板１６に集光し、導光板１６中を伝
搬して全反射条件を満たさない光が偏光変換素子１側に
出射するエッジライト方式の例を示しているが、このよ
うなフロントライト３１を用いない簡単な構成でもよ
い。その場合には、太陽光や室内照明光の外光３２を照
明光として利用する。

【００６０】エッジライト方式のフロントライト３１の
詳細な構成は、例えばＳＩＤ９５ダイジェスト、３７５
〜３７８頁、「反射型表示素子用の透過・全面照射シス
テム（A Transparent Frontlighting System for Refle
ctive-Type Displays, C.Y.Tai, H.Zou, P-K.Tai, Clio
Technologies, Inc., Holland,OH ）」に記載されてい
る。

【００６１】また、表示素子２０とフロントライト３１
との間に光拡散シートやフィルタ等の光学素子を配置し
て配光特性や照明均一性や色バランスを補正してもよ
い。偏光変換素子１はその出射光の偏波面が偏光板１０
の偏光軸と略一致するように配置され、偏光板１０によ
る光吸収が最小となるようにする。

【００６２】このように、表示素子２１と外光３２また
はフロントライト３１が備えられた従来の反射型表示装
置に実施例１〜５に示した偏光変換素子１を導入した構
成の直視型の反射型表示装置２００とすることにより、
外光３２またはフロントライト３１から入射するランダ
ム偏光が偏光変換素子１により直線偏光に効率よく変換
されるため、従来技術では偏光板１０で半分以上の光が
吸収されていたがその損失が低減される。

【００６３】従って、フロントライト３１を用いた構成
では、同じ消費電力の光源１３を用いた場合は明るい表
示が実現できる。また、同じ明るさを得るためには低消
費電力の光源１３で充分となるため、表示装置全体の低
消費電力化を達成できる。

【００６４】（実施例８）図９は本発明の偏光変換素子
１を用いた投射型表示装置３００の構成を模式的に示し
た断面図である。すなわち、超高圧水銀ランプやメタル
ハライドランプやキセノンランプ等の高輝度ランプを用
いた光源１３から放出された光を集光鏡１４を用いて表
示素子２２に集光して照射し、表示素子２２を通過した
表示光を投射レンズ１９により、図示されていないスク
リーン上に投影結像する。

【００６５】図９では、表示素子として透過型表示素子
を用いた場合を図示しているが、反射型表示素子を用い
てもよい。いずれの場合も、偏光変換素子１は照明系３
３と表示素子２２との間に配置される。

【００６６】表示素子２２は偏光変調素子１２の光入射
面側及び光出射面側に偏光板１０、１１がそれぞれ配置
されていて、直線偏光を光変調することによりコントラ
スト表示を行う。偏光変調素子１２は実施例６と同じ
で、直線偏光を光変調することによりコントラスト表示
を行う素子であればいずれのものでもよい。

【００６７】また、図９では表示素子の照明光を効率よ
く投射レンズに集光するために表示素子２２の光入射側
にレンズ１８が配置されている。また、図９では単一の
表示素子を用いた簡単な構成が示されているが、照明系
３３からの白色の出射光をダイクロイックミラーを用い
てＲＧＢ３色に色分離し、ＲＧＢ各色に対応した表示素
子を３枚設けて各色の画像を生成した後、ダイクロイッ
クミラーを用いてＲＧＢ３色を色合成してカラー画像と
して単一の投射レンズによりスクリーン上にカラー投射
像を形成する構成としてもよい。

【００６８】このように、表示素子２２と照明系３３と
の間に実施例１〜５に示した偏光変換素子１を導入した
構成の投射型表示装置３００とすることにより、照明系
３３から入射するランダム偏光が偏光変換素子１により
直線偏光に効率よく変換されるため、従来技術では偏光
板１０で半分以上の光が吸収されていたがその損失が低
減される。

【００６９】

【発明の効果】本発明の偏光変換素子は従来技術の偏光
変換素子に比べて、製造が容易であって、かつ安価な材
料で構成できるとともに、入射光の角度依存性や波長依
存性を低減できるため高い偏光変換効率が実現可能で、
汎用な用途に利用できる。

【００７０】また、本発明により、偏光分離を行う偏光
変換素子の薄型化を達成でき、かつ容易に製造すること
ができるようになった。また、バックライト方式のみな
らず、フロントライト方式であっても、偏光変換できる
構成を得たので、より明るく、小型で薄い表示素子用の
光源ユニットを作成できた。本発明は、このほか、本発
明の効果を損しない範囲で種々の応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】偏光変換素子の実施例１を示す断面図。

【図２】実施例１の光出射面側の平面図。

【図３】偏光変換素子の実施例２を示す断面図。

【図４】偏光変換素子の実施例３の構成例を示す断面
図。

【図５】偏光変換素子の実施例４の構成例を示す断面
図。

【図６】偏光変換素子の実施例５の構成例を示す断面
図。

【図７】本発明の直視型の透過型表示装置１００を示す
側面図。

【図８】本発明の直視型の反射型表示装置２００を示す
側面図。

【図９】本発明の投射型表示装置３００を示す側面図。

【図１０】本発明の偏光変換素子の構成と作用を示す断
面図であり（ａ）は複屈折層の接合面の一方が光路に対
して垂直な場合の断面図、（ｂ）は両方の接合面が光路
に対して傾斜している場合の断面図。

【図１１】本発明の偏光変換素子の構成と作用を示す断
面図。

【図１２】従来技術（偏光変換素子）の構成例を示す断
面図。

【符号の説明】

１：偏光変換素子２：偏光分離部３Ｒ：偏光回転層３Ｎ：偏光非回転層３：偏光集光層４１：光入射側媒質４２：光出射側媒質５：複屈折層６：レンズ手段７：接合媒質

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Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を第１の偏光成分と第２の偏光成分
に分離する偏光分離部は、空間的に厚みが分布せしめら
れた複屈折層を有し、偏光分離部とレンズ手段と偏光集
光層とが順に配置され、偏光集光層に偏光回転層と偏光
非回転層が備えられた偏光変換素子。
【請求項２】光源、請求項１に記載の偏光変換素子と、
表示素子と、投射光学系とが備えられ、光源から出射さ
れた光が偏光変換素子を通過して表示素子に入射され、
表示素子からの出射光が投射光学系により投射画像とし
て投射される投射型表示装置。
【請求項３】観測者と反対側から表示素子を照明するバ
ックライトと、光透過型の表示素子との間に請求項１に
記載の偏光変換素子が配置されてなる直視透過型の表示
装置。
【請求項４】観測者と、光反射型の表示素子との間に請
求項１に記載の偏光変換素子が配置されてなる直視反射
型の表示装置。