JP2001074934A - 偏光光学素子 - Google Patents
偏光光学素子Info
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Abstract
率が50%以上の偏光光学素子を提供する。 【解決手段】(1)一方の領域(A)が、長さが光の波
長より長い長軸と光の波長より短い短軸を有する異方的
な形状であり、長軸に平行に振動する電気ベクトルを持
つ直線偏光に対する角度(ラジアン単位)で表した複屈
折位相差が、該領域Aの部分では、式1:δ
( δは任意の角度)であり、該領域以外の部分(領域
B)では、式2:δ+2nπ (nは整数でn≠
0、δは式1と同じ値)であり、領域Aの短軸に平行に
振動する電気ベクトルを持つ直線偏光に対して、式3:
δ+mπ (mは整数)になるように領域A、Bが形
成され、実質的に光の吸収や反射を伴わなずに、入射し
た自然光が領域A及び/又はBを経由して同一方向に振
動する直線偏光として、出射光の強さが入射光の強さの
50%を超えて取り出せる偏光光学素子。
Description
が混合された自然光を一方向の偏光に変換するための偏
光光学素子であり、偏光の分離・合成を伴わずに自然光
に対する透過率が50%を超える偏光光学素子および、
それを用いた表示装置、光源または記憶装置に関する。
板は、延伸された高分子フィルムにヨウ素や二色性色素
などの吸収に異方性を有する化合物を吸着、配向させて
なり、偏光板に入射した光のうち二色性色素の吸収軸に
平行な光を吸収し、それと直交する成分の光を透過する
ことにより直線偏光を得ている。このような吸収型の偏
光板では原理的に自然光に対する透過率は50%を超え
ることができないため、光の利用効率が悪かった。分光
分析などに用いられている偏光素子は、複屈折性結晶を
伝搬する固有偏光に対する屈折率の違いや、反射率の違
いを利用し、一方の固有偏光を光路からはずすことによ
り直線偏光を得ている。このような偏光素子の例として
グラン−トンプソンプリズムやニコルプリズムなどが挙
げられるが、自然光に対する透過率は原理的に50%を
超えることができない。また、可視光より波長の長い赤
外線に対しては、細い金属線を平行に並べたワイヤーグ
リッド偏光子が用いられている。ワイヤーグリッド偏光
子では、金属線に垂直に振動する電気ベクトルを持つよ
うな偏光を透過し、金属に平行に振動する電気ベクトル
を持つ偏光を反射することにより、直線偏光を得てい
る。
は、選択波長域の光が入射した場合に、コレステリック
液晶のネジレと同じ方向の円偏光は反射され、異なる方
向の円偏光が透過するいわゆる選択反射性を示す。コレ
ステリック液晶の選択反射を用いて円偏光板として、ま
たはコレステリック液晶層の後にλ/4板を配置するこ
とで、得られた円偏光を直線偏光に変換して直線偏光板
として使うことが試みられているが、この場合でも自然
光に対する透過率は50%を超えることができない。
る多層膜からなり、自然光を多層膜にブリュースター角
で入射することによりp偏光を透過し、s偏光を反射す
ることで直線偏光を得ている。この場合でも自然光に対
する透過率は50%を超えることができず、光の利用効
率が悪かった。異方性結晶基板に回折格子を形成し偏光
素子とすることも検討されている。特開平6−2732
2号公報には異方性を有する基板上に回折格子を形成
し、基板を伝搬する固有偏光のうちいずれかに対しては
回折が起こらず、残る固有偏光に対して回折が起こるよ
うに屈折率異方性を調整することにより、異なる固有偏
光の進行方向を変化させ、偏光分離できることが開示さ
れている。この方法でも偏光を分離しているため、自然
光に対する透過率は良くなかった。
然光に対する透過率が50%を超えることがなく光の利
用効率が悪かった。上記したような偏光の反射や屈折を
利用した偏光素子の場合、反射や屈折された光を、透過
した光の偏光状態と同じになるように変換し、透過光と
合わせて用いることにより、光の利用効率をあげること
が試みられている。例えば、特開平3−122631号
公報には、偏光ビームスプリッターを用い、図1に示す
ように偏光ビームスプリッター(1−2)に反射された
s偏光(1−4)の光路にλ/2波長板(1−5)を配
置しs偏光をp偏光(1−6)に変換した後、偏光ビー
ムスプリッターを透過したp偏光(1−3)と合成する
方法が開示されている。また、特開平10−28233
7号公報には、偏光ビームスプリッターの替わりに、直
角三角形柱列を用いる方法が例示されている。
分離された偏光の再利用が検討されている。例えば、欧
州公開特許第407830号明細書には、光源の背後に
反射板を配置し、コレステリック液晶により反射された
偏光を反対まわりの偏光に変換し、再度利用することが
開示されている。さらに、欧州公開特許第407830
号明細書には、コレステリック液晶を偏光ビームスプリ
ッターの代わりに使用することも開示されている。すな
わち、コレステリック液晶層への自然光の入射角が45
゜になるように配置し、右円偏光と左円偏光に分離し、
反射された円偏光を再度反射させるときに円偏光の向き
を逆転させ、透過した円偏光と同じ偏光状態に変換し、
2つの同じ円偏光を利用することが開示されている。
公報には、配向した旋光性物質層を透過した直線偏光の
旋光性が、偏光方向により異なることを利用し、ある特
定の方向の直線偏光の成分を強まるように偏光面をそろ
えるようにした偏光変換素子が開示されている。直線偏
光の偏光面をそろえる方法として、旋光性物質を配向さ
せて針状結晶のような異方性を有するものにすること
や、旋光性があっても良いベースポリマーに旋光性物質
の配向した結晶を分散する方法などが開示されている。
以上述べてきたように、従来の偏光板または偏光光学素
子で、自然光に対する透過率を50%以上にするために
は、偏光分離を行い、分離された一方の偏光状態を変換
し、2つの偏光を再度合成すると言った煩雑な工程を経
て、一つの偏光状態を得る必要があった。また、上記し
た先行文献には記載のないものもあるが、2つの偏光を
再度合成するための光学系が大きくなり、高精度の位置
調整が要求されるなどの問題もあった。さらに、複屈折
を用いたもので偏光分離を伴わず、偏光を得るための方
法はまったく知られていない。
分離・合成を用いずに自然光に対する透過率が50%を
超える偏光光学素子を提供すること、および該偏光光学
素子を用いた表示装置、偏光光源または記憶装置を提供
することにある。
題を解決するため鋭意検討を重ねた結果、異方的な形状
の部分による複屈折位相差と、そうでない部分の複屈折
位相差の違いを利用することにより、偏光分離を伴わず
に偏光が得られることを見出し、本発明を完成するに至
った。
(2)を提供する。 (1)一方の領域(領域A)が、長さが光の波長より長
い長軸と光の波長より短い短軸を有する異方的な形状で
あり、長軸に平行に振動する電気ベクトルを持つ直線偏
光に対する角度(ラジアン単位)で表した複屈折位相差
が、該領域Aの部分では、式1
式1と同じ値) であり、該領域Aの短軸に平行に振動する電気ベクトル
を持つ直線偏光に対して、式3
吸収や反射を伴わなずに、入射した自然光が領域A及び
/又は領域Bを経由して同一方向に振動する直線偏光と
して、出射光の強さが入射光の強さの50%を超えて取
り出せることを特徴とする偏光光学素子。 (2)上記(1)記載の偏光光学素子を用いた表示装
置、光源または記憶装置。
に説明する。図2のaは本発明の一例の偏光素子であ
り、透明で光学的に等方的な基板(2−1)の上に、異
方性を有し断面が矩形のストライプ状の異方的な構造
(2−2)が形成されている。ストライプは、例えば、
屈折率異方性を有する物質が矩形状の断面になるように
形成されており、図2のaの2−2で示されるストライ
プのある部分の光学的な複屈折位相差が光の波長に等し
く(領域Aに該当し、位相差2πで式1においてδ=2
πに該当)であり、図2のaの2−1で示される光学的
に等方的な基板が露出している部分の位相差が0(領域
Bに該当し、式2においてδ=2π、n=−1)になる
ように形成されている。ストライプの長さは光の波長と
比較して充分長く形成されている。ストライプの幅は光
の波長に対して短くなるよう形成されており、ストライ
プ状の領域Aと領域Bの幅が同じになるように形成され
ている場合を考える。
クトルが振動するような直線偏光が基板の下側から入射
し、z軸方向に伝播する場合を考える。図2のbは、図
2のaに示す2−2で示されるストライプが形成された
領域Aに入射したy方向に電気ベクトルが振動する直線
偏光の伝播の様子を示している。電気ベクトルの振動方
向が角柱(2−5)で示されており、角柱の長軸が電気
ベクトルの振動方向に該当する。領域Aの位相差が2π
なので、図2のbに示すように入射した光は偏光方向を
180゜回転され、ストライプと平行なy軸方向に電気
ベクトルが振動する直線偏光として出射する。また、ス
トライプの形成されていない領域Bに入射し、ストライ
プと平行なy軸方向に電気ベクトルが振動するような直
線偏光に対して、本発明の偏光素子は、位相差を生じな
いので、図2のcに示すように入射した光の偏光方向は
回転せず、ストライプと平行なy軸方向に電気ベクトル
が振動する直線偏光として出射する。従って、ストライ
プに平行なy軸方向に電気ベクトルが振動するような直
線偏光は、領域A及び領域Bのいずれを通ってもストラ
イプに平行なy軸方向に振動する直線偏光として出射す
る。
気ベクトルが振動するような直線偏光が、本発明の偏光
素子の下側から入射しz軸方向に伝播する場合を考え
る。ストライプの幅は光の波長より短くなるように形成
されているため、x方向に電気ベクトルが振動するよう
な直線偏光は位相差がπである領域A(2−2)と0で
ある領域B(2−1)に同時に入射するため、複数のス
トライプの位相差を平均して感じる。この例では、スト
ライプのある部分(領域A)と無い部分の(領域B)の
幅が等しくなるように形成されているため、位相差の平
均値がπ(式3においてδ=2π、m=−1)になる。
従って、図2のdに示すように入射したx軸方向に電気
ベクトルが振動する直線偏光は、光の偏光方向が90゜
回転され、ストライプに平行なy軸方向に電気ベクトル
を有する直線偏光として出射する。
プに平行なy軸方向に振動する直線偏光も、ストライプ
に直交する方向のx軸方向の直線偏光も、ストライプに
平行なy軸方向の直線偏光として出射することができ、
直交する2つの直線偏光を分離することなしに、1種類
の直線偏光を得ることができる直線偏光光学素子として
作用する。
だように見える光であり、強度の等しいx軸方向の直線
偏光とy軸方向の直線偏光の和と考えて良い。従って、
入射した自然光の強度を100とするとx軸方向の直線
偏光の強度が50、y軸方向の直線偏光の強度が50と
なる。
子では、入射した自然光のうち強度50のy軸方向の直
線偏光は強度を保ったまま、y軸方向の直線偏光として
偏光光学素子を出射し、入射した自然光のうち強度50
のx軸方向の直線偏光は強度を保ったままy軸方向の直
線偏光に変換されて偏光光学素子を出射する。従って、
本発明の偏光光学素子を出射するy軸方向の直線偏光強
度は50以上になり、本発明の偏光光学素子では偏光分
離・合成を伴わず自然光に対する透過率が50%を超え
ることができる。
場合を例にとって説明したが、複屈折の大きさと領域A
及び領域Bの幅は上記に限定されるものではない。例え
ば、上記の説明において、領域Aと領域Bの幅の比を
a:1−a(aは0から1の間の任意の数値である)と
すると領域Aの位相差と領域Bの位相差をそれぞれ2π
/aと0になるように設定すれば、ストライプの幅方向
の直線偏光が感じる位相差は、領域Aと領域Bの位相差
の加重平均になるので、上記の例と同様の効果が期待で
きる。
い、例えば、複屈折を有する基板上に溝を形成し、スト
ライプ状の異方的な構造を作り込み、溝のない部分の位
相差が式1で示されるようにし、溝が形成された部分の
位相差が式2で示されるように設定しても良い。
上記したストライプ状の形状に限定されるものではな
く、本発明の思想を損なわなければどのような形状であ
っても良い。例えば、図3のaに示すような等方的な媒
質(3−1)に複屈折性物質を分散し異方的な形状(3
−2)としたものでは、領域Aとして分散された複屈折
性物質が、領域Bとして等方的な媒質が相当する。ま
た、図3のbに示すように複屈折性の媒質(3−3)に
当方的な物質を分散させ異方的な形状(3−4)とした
ものなどでは、領域Aとして分散された等方的な物質
が、領域Bとして複屈折性の媒質が相当する。
ずに位相差だけを変える方法が例示される。このような
方法により異方的な形状を形成する具体的な方法とし
て、複屈折媒質の部分的な分子の配向度や結晶の配向度
を変化させる方法や、ドーピングなどを行って屈折率異
方性を変化させる方法などが挙げられる。このようにし
て複屈折位相差が異なる領域が交互に配置されたストラ
イプ状の位相差分布を有する偏光光学素子を得ても良
い。
m、kの組み合わせにも限定はなく、説明で用いたよう
な(δ,n,m,k)=(2π,−1,−1,2)の組
み合わせや、等方的な媒質中に複屈折物質を分散し2π
の位相差を持たせた場合では(δ,n,m,k)=(2
π,−1,−1,2)になる。また、2πの位相差を有
する複屈折媒質に等方的な媒質を分散させた場合は
(δ,n,m,k)=(0,1,1,0)になる。この
ように本発明の主旨を損なわない限り(δ,n,m,
k)の組み合わせは任意にして良い。
屈折を有する基板を用いることができる。等方的な基板
としてガラスやサファイアなどの無機基板や、延伸され
ていないポリマー板やフィルムなどが例示される。複屈
折を有する基板として無機物の結晶からなり異方性を有
するものや、配向した有機低分子化合物、配向したポリ
マー板やフィルム、無機物・有機物を問わず等方的な物
質に光の波長より小さな周期構造を導入し構造複屈折を
持たせたものなどが例示される。
とくに限定はなく、公知の微細加工技術が適用できる。
例えば、ストライプ状の異方的な形状を形成する場合
は、上記等方的な基板上に形成した複屈折性物質をフォ
トリソグラフィー、電子ビームリソグラフィーなどの公
知の方法でストライプ状にパターンニングし、基板を露
出させることにより複屈折の異なる2種類の領域を作製
する方法や、上記複屈折性の基板をフォトリソグラフィ
ー、電子ビームリソグラフィーなどの公知の方法でスト
ライプ状にパターンニングし、膜厚の違う部分を作製す
ることにより複屈折の異なる2種類の領域を作製する方
法などが例示される。
分散させる方法では、異方的な形状を有する結晶で複屈
折性のあるものなどを直接等方的な媒体に分散させて、
媒体を延伸する方法、分散させるときにシェアを加えて
異方的な形状のものを配向させる方法などが例示され
る。また、可塑性の媒体に物質を分散させて媒体を延伸
することにより分散したドメインの形状を変形させ、異
方的な形状を形成する方法なども例示される。
なく、自然光に対する透過率が50%を超えるため、光
を有効利用することができ、明るい光源が必要な場合
や、光源による消費電力が大きい装置に用いることがで
き、例えば、表示装置、光源、記憶装置などに使用でき
る。表示装置としては、液晶表示装置や投影型の液晶表
示装置の偏光板として好適に使用できる。光源として
は、偏光した光が必要な光源であり、発光源と照明した
い物体の間に本発明の偏光光学素子を配置することによ
り、偏光を照射する光源として使用することができ、自
動車用のヘッドライトや液晶プロジェクター用の偏光光
源などが例示される。記憶装置としては、光磁気ディス
クなどの偏光状態の変化により情報を記憶する装置の光
源もしくは光検出器に用いられる偏光素子として使用で
きる。
する。言うまでもないが、本発明の範囲は本実施例に限
定されるものではない。
明誘電体で複屈折を有する材料を形成した部分と形成し
ない部分を設け、矩形上の断面を有するストライプ状の
異方的な構造を作製する。複屈折を有する透明誘電体の
部分の厚みを、複屈折位相差が2πになるよう調整す
る。図2のaに示すような構造の偏光光学素子を得る。
得られた偏光光学素子に自然光を入射すると、ストライ
プの長手方向に平行な直線偏光が出射する。入射光と出
射光の強度比を測定すると出射光の強さは入射光の強さ
の50%以上を超える。
ムを用い、該フィルム上に溝を形成して矩形上の断面を
有する異方的なストライプを形成し、基板の厚みにより
ストライプと平行な方向の直線偏光に対する複屈折位相
差が5/2πの領域とπ/2の位相差の領域を形成し、
それぞれの領域の幅をストライプと直交する方向の直線
偏光に対する位相差が3/2πになるように調整し
(δ,n,m)=(π/2,1,1)にする。得られる
偏光光学素子に自然光を入射すると、ストライプに対し
て左回りの円偏光が出射する円偏光素子として作用す
る。入射光と出射光の強度比を測定すると出射光の強さ
は入射光の強さの50%以上を超える。
して用いるとバックライトの光を有効に使うことがで
き、明るい表示ができる。また、ノートパソコンに該液
晶表示装置を用いた場合、バックライトの輝度を落とす
ことができるため、消費電力を小さくすることが可能で
あり、バッテリーが小型化できるなどのメリットがあ
る。また、実施例1記載の偏光光学素子を投影型の液晶
表示装置の偏光板として用いると、非吸収型の偏光板で
あるため偏光板による吸熱が少なく、偏光板の冷却ファ
ンを省くことができると共に、光源の輝度を落とすこと
ができ、消費電力の削減が可能である。また従来の偏光
ビームスプリッターと比較して光学系が小型化できる。
用い、道路面に対して垂直な偏光が出射するように配置
する。車のヘッドライトからの光の路面への入射角は大
きいため、路面に水たまりがあった場合の水たまりによ
るs偏光とp偏光の反射率は大きく異なり、p偏光の反
射率が小さい。従ってヘッドライトからp偏光を出射す
る用に本願の偏光光学素子を配置すると、雨の日などの
対向車の運転者が感じるまぶしさが少なくなる。更に本
願の偏光光学素子は吸収型の偏光素子ではないため、光
のロスも少なく、ヘッドライトの光を有効に利用するこ
とができる。
複雑な光学系は必要なく、また、光の吸収、反射などを
伴わず光のロスがないため、光の利用効率が極めて高い
偏光素子が実現できる。
分離・合成法による偏光光学素子の作用を説明する図。
例。 等方的な基材上に複屈折を有するストライプ状の異方的
な形状を形成した状態を示す図。 b:本発明の偏光光学素子において位相差が2πの領域
をz方向に伝播し、入射時にはy方向に振動する直線偏
光が、出射時にはy方向に振動する直線偏光になる状況
を説明する図。 c:本発明の偏光光学素子において位相差が0の領域を
z方向に伝播し、入射時にはy方向に振動する直線偏光
が、偏光状態を変えず出射時にもy方向に振動する直線
偏光になる状況を説明する図。 d:本発明の偏光光学素子において、入射時にはx方向
に振動する直線偏光がz方向に伝播する間に、位相差が
2πの領域と0の領域の両方の位相差を平均として感
じ、出射時にはy方向に振動する直線偏光に変換される
状況を説明する図。
状を有する領域を形成している状態を示す図。 b:本発明の様態の例であり、異方的な媒質に等方的な
物資をが分散し、異方的な形状を有する領域を形成して
いる状態を示す図。
光 1−5:2分の1波長板(λ/2板) 1−6:λ/2板により変換されたp偏光 2−1:等方的な基板 2−2:等方的な基板上に形成された、矩形断面を有す
るストライプ構造 2−3:図2−aにおける座標系 2−4:光の進行方向 2−5:直線偏光の電気ベクトルの振動方向
Claims (3)
- 【請求項1】一方の領域(領域A)が、長さが光の波長
より長い長軸と光の波長より短い短軸を有する異方的な
形状であり、長軸に平行に振動する電気ベクトルを持つ
直線偏光に対する角度(ラジアン単位)で表した複屈折
位相差が、該領域Aの部分では、式1 【数1】δ ( δは任意の角度) であり、該領域以外の部分(領域B)では、式2 【数2】δ+2nπ (nは整数でn≠0、δは
式1と同じ値) であり、該領域Aの短軸に平行に振動する電気ベクトル
を持つ直線偏光に対して、式3 【数3】δ+mπ (mは整数) になるように領域A、領域Bが形成され、実質的に光の
吸収や反射を伴わなずに、入射した自然光が領域A及び
/又は領域Bを経由して同一方向に振動する直線偏光と
して、出射光の強さが入射光の強さの50%を超えて取
り出せることを特徴とする偏光光学素子。 - 【請求項2】請求項1の式1〜式3においてδがπ整数
倍であることを特徴とする直線偏光光学素子。 - 【請求項3】請求項1または2記載の偏光光学素子を用
いた表示装置、光源または記憶装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP24986299A JP2001074934A (ja) | 1999-09-03 | 1999-09-03 | 偏光光学素子 |
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Cited By (5)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005109020A (ja) * | 2003-09-29 | 2005-04-21 | Hamamatsu Photonics Kk | 半導体基板 |
JP2010107556A (ja) * | 2008-10-28 | 2010-05-13 | Kaneka Corp | 光学補償フィルムの製造方法および光学補償フィルム |
US8330790B2 (en) | 2007-08-28 | 2012-12-11 | Hewlett-Packard Company, L.P. | System and method of automating access to a videoconferencing room |
JP5520601B2 (ja) * | 2007-06-15 | 2014-06-11 | 株式会社カネカ | 光学素子、表示装置および光学デバイス |
CN110568527A (zh) * | 2019-08-29 | 2019-12-13 | 武汉大学 | 一种共振型soi超表面及其在纳米印刷术中的应用 |
-
1999
- 1999-09-03 JP JP24986299A patent/JP2001074934A/ja active Pending
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