JP2001296424A - 偏光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 製作が容易で製造コストを低減でき、しか
も、良好な偏光特性が得られる反射型の偏光素子を提供
する。 【解決手段】 偏光素子は、入射した自然光（Ｉ）を偏
光分離し且つ主にＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ₀）を所
定方向に出射させる回折格子（１）から成る。回折格子
（１）は、自然光（Ｉ）をＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ
₀）とＴＥ成分のゼロ次透過光（Ｔ₂）に偏光分離する格
子面（１１）、および、当該格子面で回折されたＴＥ成
分の一次透過光（Ｔ₁）を全反射させる出射面（１２）
を備えている。しかも、格子面（１１）は、ＴＭ成分の
ゼロ次透過光（Ｔ₀）の回折効率が７０％以上で且つＴ
Ｅ成分のゼロ次透過光（Ｔ₂）の回折効率が３０％以下
の偏光分離機能を有し、ＴＭ成分のゼロ次透過光
（Ｔ₀）と同方向に進行するＴＥ成分のゼロ次透過光
（Ｔ₂）を低減させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、偏光素子に関する
ものであり、詳しくは、製作が容易で製造コストを低減
でき、しかも、良好な偏光特性が得られる反射型の偏光
素子に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】偏光素子（偏光板）は、液晶プロジェク
ター（液晶表示装置）などにおいて所定の直線偏光を利
用するために使用される偏光制御用の光学部品である。
斯かる偏光素子として、例えば、特開平１１−２７１５
３３号公報には、素子に入射する自然光から一の直線偏
光成分を透過させ、他の直線偏光成分を反射させる体積
ホログラムを利用した「ホログラム偏光分離素子」が記
載されている。

【０００３】上記「ホログラム偏光分離素子」は、ガラ
ス基板にホログラムを形成して成る反射型の偏光素子で
あり、斯かる偏光素子においては、ホログラムの作用に
より、入射した自然光をＴＥ成分の一次透過光とＴＭ成
分のゼロ次透過光とに回折分離し、更に、ガラス基板内
部に進行したＴＥ成分の一次透過光をガラス基板の界面
で全反射させることにより、主にＴＭ成分のゼロ次透過
光を所定方向に出射させる。

【０００４】上記の様な反射型偏光素子は、二色性色素
を使用した偏光素子の様に、入射された自然光から特定
の成分の吸収によって所定の直線偏光を得る素子ではな
いので、光量の減少や素子の発熱などの問題がなく、発
熱によって劣化し易い液晶表示装置に好適である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、体積ホログ
ラムを利用した反射型偏光素子は、二色性色素を使用し
た偏光素子に比べて上記の様な優れた効用が得られるも
のの、体積ホログラムの作製において特殊な感光材料を
使用しなければならず、製造コストが高くなる。本発明
は、斯かる実情に鑑みなされたものであり、その目的
は、製作が容易で製造コストを低減でき、しかも、良好
な偏光特性が得られる反射型の偏光素子を提供すること
にある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の偏光素子は、入射した自然光（Ｉ）を偏光
分離する回折格子（１）から成る偏光素子であって、回
折格子（１）は、自然光（Ｉ）をＴＭ成分のゼロ次透過
光（Ｔ₀）とＴＥ成分のゼロ次透過光（Ｔ₂）に偏光分離
する格子面（１１）、および、当該格子面で回折された
ＴＥ成分の一次透過光（Ｔ₁）を全反射させる出射面
（１２）を備え、格子面（１１）は、ＴＭ成分のゼロ次
透過光（Ｔ₀）の回折効率が７０％以上で且つＴＥ成分
のゼロ次透過光（Ｔ₂）の回折効率が３０％以下の偏光
分離機能を有していることを特徴とする。

【０００７】すなわち、上記の偏光素子おいて、入射光
をＴＥ成分のゼロ次透過光とＴＭ成分のゼロ次透過光と
に分離する回折格子の格子面は、ＴＭ成分のゼロ次透過
光とＴＥ成分のゼロ次透過光の各回折効率が上記の様な
特定の割合となる偏光分離機能を有しているため、ＴＭ
成分のゼロ次透過光を多く含む光を出射面に向けて進行
させ、また、出射面は、ＴＥ成分の一次透過光を全反射
させる。従って、主にＴＭ成分のゼロ次透過光だけを効
率的に取り出すことが出来る。

【０００８】

【発明の実施の形態】本発明に係る偏光素子の一実施形
態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明に係る偏
光素子の外形を示す光路に沿った断面図であり、図２
は、偏光素子における回折格子の格子面の構造例を示す
断面図である。

【０００９】本発明の偏光素子は、図１に示す様に、入
射した自然光（Ｉ）を偏光分離し、主にＴＭ成分のゼロ
次透過光（Ｔ₀）を所定方向に出射させる回折格子
（１）によって構成された偏光素子であり、回折格子
（１）の格子構造によって偏光制御効果を発現する様に
なされている。図１に例示した偏光素子は、プレート状
又はブロック状に形成された回折格子（１）及びプリズ
ム構造体（２）を組み合わせて構成される。

【００１０】回折格子（１）及びプリズム構造体（２）
は、例えば、ポリメチルメタクリレート、ポリエチレン
テレフタレート等の同一材料でそれぞれ三角柱に形成さ
れる。回折格子（１）は、自然光（入射光）（Ｉ）を実
質的に偏光分離するブロックであり、プリズム構造体
（２）は、自然光（Ｉ）と平行に出射光を屈折させるブ
ロックである。通常、回折格子（１）及びプリズム構造
体（２）は、光の透過効率が略１００％の透明体であ
り、これらの屈折率は、可視光線領域で１．４〜１．７
程度に設定される。

【００１１】（段落追加）回折格子（１）及びプリズム
構造体（２）は、隙間距離が１０〜１０００μｍ程度の
空気層（区間部）を間に介在させて接合される。具体的
な接合方法としては、例えば、上記の大きさの隙間に相
当する高さのリブを回折格子（１）の後述する出射面
（１２）又はプリズム構造体（２）の入射面に設け、ウ
レタン系、エポキシ系、アクリル系などの接着剤を使前
記リブの端面に塗布して接合する方法が挙げられる。

【００１２】回折格子（１）は、自然光（Ｉ）をＴＭ成
分のゼロ次透過光（Ｔ₀）とＴＥ成分のゼロ次透過光
（Ｔ₂）に偏光分離する格子面（１１）、および、当該
格子面で回折されたＴＥ成分の一次透過光（Ｔ₁）を全
反射させる出射面（１２）を備えている。そして、回折
格子（１）は、入射光に対し、格子面（１１）で分離さ
れたＴＥ成分の一次透過光（Ｔ₁）が出射面（１２）で
全反射する角度で使用される。ＴＥ成分の一次透過光
（Ｔ₁）は、格子面（１１）の入射面に対して垂直方向
に振動するＳ偏光の一次透過光であり、ＴＭ成分のゼロ
次透過光（Ｔ₀）は、入射面内で振動するＰ偏光のゼロ
次透過光である。また、ＴＥ成分のゼロ次透過光
（Ｔ₂）は、格子面（１１）の入射面に対して垂直方向
に振動するＳ偏光のゼロ次透過光である。

【００１３】三角柱の回折格子（１）の断面形状は、Ｔ
Ｅ成分の一次透過光（Ｔ₁）の格子面（１１）における
回折角度および出射面（１２）における全反射の臨界角
度を考慮し、自然光（Ｉ）に対する格子面（１１）の傾
斜角度や格子面（１１）に対する出射面（１２）の角度
が所定の範囲となる様に設定される。

【００１４】すなわち、回折格子（１）の断面形状（三
角形の形状）は、回折格子（１）に入射する自然光
（Ｉ）のうち、ＴＥ成分の一次透過光（Ｔ₁）を出射面
（１２）において全反射させることにより、回折格子
（１）の第２の出射面（１３）から外部に出射し、ま
た、主にＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ₀）だけをプリズ
ム構造体（２）に入射させることにより、プリズム構造
体（２）の出射面（２２）から外部に自然光（Ｉ）と平
行な光として出射する様に設計される。

【００１５】具体的には、例えば、４００〜７００ｎｍ
の波長から選択される一定波長の光を自然光（Ｉ）とし
て使用する場合、回折格子（１）の断面形状は、格子面
（１１）上の点（Ｒ）に入射する自然光（Ｉ）と点
（Ｒ）を通る格子面（１１）の法線（Ｐ）とのなす入射
角（θ）が１０〜９０°となり、出射面（１２）上の点
（Ｓ）達するＴＥ成分の一次透過光（Ｔ₁）と点（Ｓ）
を通る出射面（１２）の法線（Ｍ）とのなす入射角（θ
₃）が全反射の臨界角よりも大きくなる様に規定され
る。

【００１６】また、本発明は、出来る限りＴＭ成分のゼ
ロ次透過光（Ｔ₀）だけを回折格子（１）からプリズム
構造体（２）へ透過させるため、格子面（１１）は、回
折格子（１）の内部でＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ₀）
と同方向に進行するＴＥ成分のゼロ次透過光（Ｔ₂）の
回折効率がより小さくなる様な格子構造を備えている必
要がある。すなわち、格子面（１１）は、ＴＭ成分のゼ
ロ次透過光（Ｔ₀）の回折効率が７０％以上で且つＴＥ
成分のゼロ次透過光（Ｔ₂）の回折効率が３０％以下の
偏光分離機能を有していることが必要である。

【００１７】自然光（Ｉ）を上記の様に偏光分離する格
子面（１１）としては、表面視して微細なスリット状の
凹凸を構成する種々の断面形状の格子面が挙げられる。
例えば、格子面（１１）の断面形状は、鋸歯状や三角形
の他、図２に示す様な断面が方形の突条を配列した凹凸
面に形成される。そして、斯かる格子面（１１）の偏光
分離能は、ＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ₀）の回折効率
が７０％以上、好ましくは９０％以上、更に好ましくは
９５％以上であって、かつ、ＴＥ成分のゼロ次透過光
（Ｔ₂）の回折効率が３０％以下、好ましくは２％以
下、更に好ましくは１％以下となる様に設計される。

【００１８】具体的には、図２に示す様な凹凸構造の場
合、格子面（１１）における周期（Ｌ）は０.１〜２.０
μｍ、デューティー比（ａ／ｂ）は０.１〜１０、格子
の高さ（ｄ）は０.３〜３.０μｍに設定される。格子面
（１１）における偏光分離能を上記の様に規定すること
により、ＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ₀）を自然光
（Ｉ）から取り出すことが出来、偏光素子としての有効
性を一層高めることが出来る。

【００１９】本発明の偏光素子においては、所定波長の
自然光（Ｉ）を格子面（１１）上の点（Ｒ）に入射角
（θ）で入射すると、格子面（１１）は、ＴＭ成分のゼ
ロ次透過光（Ｔ₀）とＴＥ成分のゼロ次透過光（Ｔ₂）に
偏光分離する。その際、格子面（１１）は、ＴＭ成分の
ゼロ次透過光（Ｔ₀）の回折効率が７０％以上で且つ回
折格子（１）の内部でＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ₀）
と同方向に進行するＴＥ成分のゼロ次透過光（Ｔ₂）の
回折効率が３０％以下になる格子構造を備えているた
め、ＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ₀）を多く含む光をを
出射面（１２）に向けて進行させることが出来る。

【００２０】偏光分離されたＴＭ成分のゼロ次透過光
（Ｔ₀）は、法線（Ｐ）とのなす回折角（θ₁）で回折格
子（１）の内部を進行し、出射面（１２）上の点（Ｗ）
を通ってプリズム構造体（２）に入る。他方、ＴＥ成分
の一次透過光（Ｔ₁）は、格子面（１１）において法線
（Ｐ）となす回折角（θ₂）で回折され、入射角（θ₃）
で出射面（１２）の点（Ｓ）に達する。出射面（１２）
は、当該出射面における全反射の臨界角よりも入射角
（θ₃）が大きな場合、点（Ｓ）においてＴＥ成分の一
次透過光（Ｔ₁）を全反射させ、そして、回折格子
（１）の第２の出射面（１３）は、出射面（１２）で反
射されたＴＥ成分の一次透過光（Ｔ₁）を外部に出射す
る。

【００２１】従って、本発明の偏光素子においては、プ
リズム構造体（２）の出射面（２２）から主にＴＭ成分
のゼロ次透過光（Ｔ₀）だけを自然光（Ｉ）と平行な光
として効率的に取り出すことが出来る。そして、本発明
の偏光素子は、回折格子（１）を金型などで容易に製作
でき、かつ、格子面（１１）の設計だけで所定の直線偏
光を得ることが出来るため、製造コストを一層低減でき
る。

【００２２】因に、図１に示す形態の偏光素子は、例え
ば次の様な仕様で作製される。偏光素子は、厚さ（隙間
距離）が５００μｍの薄い空気層を挟んで回折格子
（１）及びプリズム構造体（２）によって構成される。
回折格子（１）及びプリズム構造体（２）は、屈折率が
１.５３の透明なポリメチルメタクリレートによって形
成され、屈折率１．０の空気に対する全反射の臨界角は
４０.８°である。回折格子（１）の格子面（１１）の
傾斜角（α）を２６．０°、出射面（１２）の傾斜角
（β）を１１０．０°に設定される。格子面（１１）
は、図２に示す様な凹凸構造に構成し、格子周期（Ｌ）
を０．２８μｍ、デューティー比（ａ／ｂ）を１．０、
格子高さ（ｄ）を０．５１μｍに設定される。

【００２３】そして、上記の偏光素子に対し、入射角
（θ）を６４．２°に設定し、波長（λ）が５１４.５
ｎｍの自然光（Ｉ）を照射した場合、空気の屈折率１.
０とすると、ＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ₀）の回折角
（θ₁）は３６．０°、ＴＥ成分の一次透過光（Ｔ₁）の
回折角（θ₂）は−３６．０°（法線（Ｐ）に対してθ₁
と逆方向の角）、出射面（１２）に対する入射角
（θ₃）は８０．０°となる。従って、ポリメチルメタ
クリレートの空気に対する全反射の臨界角４０．８°よ
りも大きくなり、ＴＥ成分の一次透過光（Ｔ₁）を全反
射させ、ＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ₀）を出射面（２
２）から取り出すことが出来る。また、入射角（θ）を
６４．２°とした場合は、傾斜角（β）を１００．２°
＜β＜１４９．４°に設定設定することにより、出射面
（１２）に対するＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ₀）及び
ＴＥ成分のゼロ次透過光（Ｔ₂）の入射角が臨界角より
も小さく、かつ、出射面（１２）に対するＴＥ成分の一
次透過光（Ｔ₁）の入射角が臨界角よりも大きくなる。

【００２４】

【発明の効果】以上説明した様に、本発明の偏光素子に
よれば、特定の格子構造の回折格子の格子面がＴＭ成分
のゼロ次透過光を多く含む光を出射面に向けて進行さ
せ、また、出射面がＴＥ成分の一次透過光を全反射させ
るため、主にＴＭ成分のゼロ次透過光だけを効率的に取
り出すことが出来る。しかも、回折格子を金型などで容
易に製作できるため、製造コストを一層低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る偏光素子の外形を示す光路に沿っ
た断面図

【図２】偏光素子における回折格子の格子面の構造例を
示す断面図

【符号の説明】

１ ：回折格子 １１：格子面 １２：出射面 １３：出射面 ２ ：プリズム構造体 ２２：出射面 Ｉ ：自然光 Ｔ₀：ＴＭ成分のゼロ次透過光 Ｔ₁：ＴＥ成分の一次透過光 Ｔ₂：ＴＥ成分のゼロ次透過光

フロントページの続き (72)発明者 半田 敬信 三重県四日市市東邦町１番地 三菱化学株 式会社四日市事業所内 (72)発明者 西原 英一郎 神奈川県横浜市青葉区鴨志田町1000番地 三菱化学株式会社横浜総合研究所内 Ｆターム(参考） 2H049 AA03 AA13 AA43 AA60 AA64 BA05 BA45 BB44 BB46 BB61 BB63 BC22 2H091 FA08X FA08Z FA19X FA19Z FA21X FA21Z FC19 KA10 LA04 LA16

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 入射した自然光（Ｉ）を偏光分離する回
   折格子（１）から成る偏光素子であって、回折格子
   （１）は、自然光（Ｉ）をＴＭ成分のゼロ次透過光（Ｔ
   ₀）とＴＥ成分のゼロ次透過光（Ｔ₂）に偏光分離する格
   子面（１１）、および、当該格子面で回折されたＴＥ成
   分の一次透過光（Ｔ₁）を全反射させる出射面（１２）
   を備え、格子面（１１）は、ＴＭ成分のゼロ次透過光
   （Ｔ₀）の回折効率が７０％以上で且つＴＥ成分のゼロ
   次透過光（Ｔ₂）の回折効率が３０％以下の偏光分離機
   能を有していることを特徴とする偏光素子。
2. 【請求項２】 格子面（１１）における周期（Ｌ）が
   ０．１〜０．２μｍ、デューティー比（ａ／ｂ）が０．
   １〜１０、格子の高さ（ｄ）が０．３〜３μｍである請
   求項１に記載の偏光素子。