JP2004170550A - 偏光変換素子及びその製造方法、並びに当該偏光変換素子を用いた照明光学系 - Google Patents
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Abstract
【課題】高価な反射膜を用いることなく反射損失を低減して、安価に照明効率の向上を図ることができると共に、不要な偏光成分が照明領域に到達することを防止して、信頼性の向上を図ることのできる偏光変換素子を実現する。
【解決手段】入射面１１に対し略４５゜の角度をなして配置され、入射する光のＰ偏光成分を透過し、Ｐ偏光成分と直交するＳ偏光成分を反射する偏光分離膜１２と、偏光分離膜１２で反射された成分をさらに反射する反射面１４とを備えている。入射面１１と偏光分離膜１２と反射面１４と反射出射面１５とで囲まれた、断面が平行四辺形状の領域は透明媒体により構成され、反射面１４の前記透明媒体と反対側の領域は空気により構成されている。
【選択図】 図１
【解決手段】入射面１１に対し略４５゜の角度をなして配置され、入射する光のＰ偏光成分を透過し、Ｐ偏光成分と直交するＳ偏光成分を反射する偏光分離膜１２と、偏光分離膜１２で反射された成分をさらに反射する反射面１４とを備えている。入射面１１と偏光分離膜１２と反射面１４と反射出射面１５とで囲まれた、断面が平行四辺形状の領域は透明媒体により構成され、反射面１４の前記透明媒体と反対側の領域は空気により構成されている。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光変換素子及びその製造方法、並びに当該偏光変換素子を用いた照明光学系に関する。特に、本発明は、ランプ光源からの非偏光光を一方向の偏光に変換する、液晶ディスプレイ用の照明装置として好適な偏光変換素子及びその製造方法、並びに当該偏光変換素子を用いた照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非偏光光（入射光）を一方向の偏光に変換する偏光変換素子としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。図５に、当該従来技術における偏光変換素子の断面図を示す。図５に示すように、従来の偏光変換素子は、互いに平行な、光の入射面及び出射面に対して、斜め方向に層を形成するように、第１の基板５１と第２の基板５２とが交互に配置されて構成されている。第１の基板５１には、第２の基板５２と接する面の一方に偏光分離膜５１１が形成され、第２の基板５２と接する面の他方に反射膜５１２が形成されている。そして、第２の基板５２と偏光分離膜５１１及び反射膜５１２とは、接着剤層５６を介して接着されている。また、第２の基板５２の出射面側の表面には、１／２波長板５３が貼り付けられている。
【０００３】
光源からの非偏光光（入射光）５４は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含んでおり（Ｓ＋Ｐ）、偏光変換素子の入射面に対して垂直に入射する。入射光５４は、第１の基板５１に入射し、偏光分離膜５１１を透過するＰ偏光成分と、偏光分離膜５１１で反射するＳ偏光成分とに分離される。そして、偏光分離膜５１１を透過したＰ偏光成分は、第２の基板５２の出射面側の表面に設けられた１／２波長板５３の作用により、Ｓ偏光に変換されて、Ｓ偏光の出射光５５１となる。一方、偏光分離膜５１１で反射したＳ偏光成分は、反射膜５１２で反射して、Ｓ偏光の出射光５５２となる。すなわち、偏光変換素子の出射面から出射される光はＳ偏光成分のみとなり、非偏光光を一方向の偏光に変換することができる。
【０００４】
ここで、反射膜５１２としては、アルミ、銀などからなる金属膜、あるいは誘電体多層膜が用いられている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２９８２１２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、反射膜５１２として金属膜を用いた場合には、数％の光吸収が生じ、これが損失になると共に、発熱の原因にもなり、好ましくない。一方、反射膜５１２として誘電体多層膜を用いた場合には、反射効率を向上させることはできるが、数十層の膜を積層する必要があり、コスト高になるという問題がある。
【０００７】
また、有効入射部分である偏光分離膜部ではなく、非有効入射部分である反射膜部に入射した光は、反射膜５１２で反射した後に偏光分離膜５１１で反射したＳ偏光が１／２波長板５３によってＰ偏光に変換される。また、偏光分離膜５１１を透過したＰ偏光は、隣接する反射膜５１２で反射して、Ｐ偏光として出射する。
【０００８】
しかし、この成分は、明るさに寄与する有効成分とはならず、液晶ディスプレイの入射側偏光板などの温度上昇などをもたらし、それにダメージを与える悪性の成分となる。そして、このような副作用を防止するためには、偏光変換素子の非有効入射部分を遮光するなどの特別な手段が必要となる。
【０００９】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、高価な反射膜を用いることなく反射損失を低減して、安価に照明効率の向上を図ることができると共に、不要な偏光成分が照明領域に到達することを防止して、信頼性の向上を図ることのできる偏光変換素子及びその製造方法、並びに当該偏光変換素子を用いた照明光学系を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る偏光変換素子の構成は、入射光を一方向の偏光に変換する偏光変換素子であって、光が入射する入射面と、前記入射面に対し略４５゜の角度をなして配置され、前記入射する光の一方の偏光成分を透過し、前記一方の偏光成分と直交する他方の偏光成分を反射する偏光分離面と、前記入射面と対向した位置に前記入射面と略平行に配置され、前記偏光分離面からの透過光の出射部となる透過出射面と、前記透過出射面上に設けられ、前記透過光を、その偏光軸を９０゜回転させて出射する１／２波長板と、前記偏光分離面と略平行に配置され、前記偏光分離面で反射された成分をさらに反射する反射面と、前記入射面と略平行に配置され、前記反射成分を出射する反射出射面とを備え、前記入射面と前記偏光分離面と前記反射面と前記反射出射面とで囲まれた領域は透明媒体からなり、前記反射面の前記透明媒体と反対側の領域は空気からなることを特徴とする。
【００１１】
この偏光変換素子の構成によれば、偏光分離面で反射した光を、空気との界面を反射面として全反射させることができる。その結果、高価な誘電体多層膜を形成することなく理想的な反射を実現することができるので、安価に照明効率の向上を図ることができる。また、非有効入射部分に入射した光（不正規入射光）に対しては、反射面が屈折面として作用し、不正規入射光は、照明領域外に向けて屈折されるので、非有効入射部分を遮光するなどの特別な手段を施さなくとも、不要な偏光成分が照明領域に到達することを防止することができる。その結果、簡易に信頼性の向上を図ることができる。
【００１２】
また、本発明に係る偏光変換素子の第１の製造方法は、内角がそれぞれ略４５°、略１３５°で、短辺と長辺の長さの比が２の平方根である平行四辺形を断面とする平行四辺プリズムと、直角部分と対向する辺の長さが前記平行四辺形の長辺の長さと略等しい直角二等辺三角形を断面とする直角プリズムとを準備する工程と、前記平行四辺プリズムの長辺側の一方の側面に偏光分離膜を成膜する工程と、前記平行四辺プリズムと前記直角プリズムとを、前記平行四辺プリズムの前記偏光分離膜が成膜された面と前記直角プリズムの直角部分と対向する面を接合面として接合する工程と、前記直角プリズムの、前記平行四辺プリズムの鈍角側に隣接する側面に１／２波長板を貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る偏光変換素子の第２の製造方法は、内角がそれぞれ略４５°、略１３５°で、短辺と長辺の長さの比が２の平方根である平行四辺形を断面とする平行四辺プリズムと、直角部分と対向する辺の長さが前記平行四辺形の長辺の長さと略等しい直角二等辺三角形を断面とする直角プリズムとを準備する工程と、前記直角プリズムの直角部分と対向する面に偏光分離膜を成膜する工程と、前記直角プリズムと前記平行四辺プリズムとを、前記直角プリズムの前記偏光分離膜が成膜された面と前記平行四辺プリズムの長辺側の一方の側面を接合面として接合する工程と、前記直角プリズムの、前記平行四辺プリズムの鈍角側に隣接する側面に１／２波長板を貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
これら偏光変換素子の第１又は第２の製造方法によれば、必要な部分のみに偏光分離膜を成膜することができるので、偏光分離膜の成膜後に接合し、切断していた従来の製造方法に比べて、材料のロスや製造時間のロスの発生を低減することができる。
【００１５】
また、本発明に係る照明光学系の構成は、略平行な光線束を出射する光源と、前記略平行な光線束を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記部分光束を照明領域上に結像する第２のレンズアレイと、前記第２のレンズアレイの出射側に設けられ、前記部分光束を一方向の偏光に変換する偏光変換素子とを備えた照明光学系であって、前記偏光変換素子は、前記第２のレンズアレイからの出射光が入射する入射面と、前記入射面に対し略４５゜の角度をなして配置され、前記入射する光の一方の偏光成分を透過し、前記一方の偏光成分と直交する他方の偏光成分を反射する偏光分離面と、前記入射面と対向した位置に前記入射面と略平行に配置され、前記偏光分離面からの透過光の出射部となる透過出射面と、前記透過出射面上に設けられ、前記透過光を、その偏光軸を９０゜回転させて出射する１／２波長板と、前記偏光分離面と略平行に配置され、前記偏光分離面で反射された成分をさらに反射する反射面と、前記入射面と略平行に配置され、前記反射成分を出射する反射出射面とを備え、前記入射面と前記偏光分離面と前記反射面と前記反射出射面とで囲まれた領域は透明媒体からなり、前記反射面の前記透明媒体と反対側の領域は空気からなることを特徴とする。
【００１６】
この照明光学系の構成によれば、偏光分離面で反射した光を、空気との界面を反射面として全反射させることができる。その結果、反射面によって透過損失や吸収損失が発生することはないので、照明効率の良好な照明光学系を実現することができる。また、非有効入射部分に入射した光（不正規入射光）に対しては、反射面が屈折面として作用し、不正規入射光は、照明領域外に向けて屈折されるので、非有効入射部分を遮光するなどの特別な手段を施さなくとも、液晶ディスプレイの入射側偏光板などの温度上昇などをもたらすことはない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００１８】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態における偏光変換素子の構成を示す断面図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態の偏光変換素子は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含んだ非偏光光が入射する入射面１１と、入射面１１に対し略４５゜の角度をなして配置され、入射する光のＰ偏光成分を透過し、Ｐ偏光成分と直交するＳ偏光成分を反射する偏光分離膜１２と、入射面１１と対向した位置に入射面１１と略平行に配置され、偏光分離膜１２からの透過光の出射部となる透過出射面１６と、透過出射面１６上に設けられ、偏光分離膜１２からの透過光を、その偏光軸を９０゜回転させて出射する１／２波長板１７と、偏光分離膜１２と略平行に配置され、偏光分離膜１２で反射された成分をさらに反射する反射面１４と、入射面１１と略平行に配置され、偏光分離膜１２からの反射成分を出射する反射出射面１５とを備えている。ここで、偏光分離膜１２としては、低屈折率材料（例えば、ＳｉＯ２ ）と高屈折率材料（例えば、ＴｉＯ５ ）を交互に４０層前後積層した光学多層膜が用いられている。そして、入射面１１と偏光分離膜１２と反射面１４と反射出射面１５とで囲まれた、断面が平行四辺形状の領域は、ガラス、プラスチック等の透明媒体により構成されており、反射面１４の前記透明媒体と反対側の領域は空気により構成されている。また、偏光分離膜１２と透過出射面１６とで囲まれた領域は、断面が直角三角形状の透明媒体により構成されており、当該透明媒体の直角部分と対向する面（斜面）は偏光分離膜１２に熱硬化型接着剤、紫外線硬化型接着剤などからなる透明接着層１３を介して接着されている。
【００２０】
次に、以上のように構成された偏光変換素子の作用について、図１を参照しながら説明する。
【００２１】
光源からの非偏光光（入射光）は、偏光変換素子の入射面１１に対して垂直に入射する。入射面１１に入射した光のＰ偏光成分は、偏光分離膜１２を透過して透過出射面１６に至り、透過出射面１６上に設けられた１／２波長板１７の作用により、Ｓ偏光に変換されて、Ｓ偏光の出射光となる。一方、偏光分離膜１２で反射したＳ偏光成分は、さらに反射面１４で反射し、Ｓ偏光を維持した状態で反射出射面１５から出射する。すなわち、偏光変換素子の出射面（反射出射面１５と透過出射面１６）から出射される光はＳ偏光成分のみとなり、非偏光光を一方向の偏光に変換することができる。
【００２２】
本実施の形態によれば、偏光変換素子を上記のように構成したことにより、偏光分離膜１２で反射した光を、空気との界面を反射面として全反射させることができる。その結果、高価な誘電体多層膜を形成することなく理想的な反射を実現することができるので、安価に照明効率の向上を図ることができる。また、非有効入射部分に入射する僅かな迷光（不正規入射光）に対しては、反射面１４が屈折面として作用し、不正規入射光は、照明領域外に向けて屈折されるので、非有効入射部分を遮光するなどの特別な手段を施さなくとも、不要な偏光成分が照明領域に到達することを防止することができる。その結果、簡易に信頼性の向上を図ることができる。
【００２３】
［第２の実施の形態］
上記第１の実施の形態の偏光変換素子は、以下のようにして作製することができる。図２は本発明の第２の実施の形態における偏光変換素子の製造方法を示す工程図である。
【００２４】
まず、図２（ａ）に示すように、内角がそれぞれ略４５°、略１３５°で、短辺と長辺の長さの比が２の平方根である平行四辺形を断面とする平行四辺プリズム２１と、直角部分と対向する辺の長さが前記平行四辺形の長辺の長さと略等しい直角二等辺三角形を断面とする直角プリズム２２とを準備する。
【００２５】
次に、図２（ｂ）に示すように、複数の平行四辺プリズム２１を成膜治具２３の凹所２３ａ内に整列させて並べ、これら複数の平行四辺プリズム２１の長辺側の一方の側面に一括して偏光分離膜１２を成膜する。尚、偏光分離膜１２の成膜には、蒸着法やスパッタ法を用いることができる。
【００２６】
次に、図２（ｃ）に示すように、偏光分離膜１２が成膜された平行四辺プリズム２１と直角プリズム２２とを、平行四辺プリズム２１の偏光分離膜１２が成膜された面と直角プリズム２２の直角部分と対向する面を接合面として透明接着剤１３により接合する。
【００２７】
最後に、図２（ｄ）に示すように、直角プリズム２２の、平行四辺プリズム２１の鈍角側に隣接する側面（図１の透過出射面１６）に１／２波長板１７を貼り合わせる。
【００２８】
以上の工程により偏光変換素子を作製すれば、必要な部分のみに偏光分離膜１２を成膜することができるので、偏光分離膜の成膜後に接合し、切断していた従来の製造方法に比べて、材料のロスや製造時間のロスの発生を低減することができる。
【００２９】
［第３の実施の形態］
また、上記第１の実施の形態の偏光変換素子は、以下のようにして作製することもできる。図３は本発明の第３の実施の形態における偏光変換素子の製造方法を示す工程図である。
【００３０】
まず、図３（ａ）に示すように、内角がそれぞれ略４５°、略１３５°で、短辺と長辺の長さの比が２の平方根である平行四辺形を断面とする平行四辺プリズム２１と、直角部分と対向する辺の長さが前記平行四辺形の長辺の長さと略等しい直角二等辺三角形を断面とする直角プリズム２２とを準備する。
【００３１】
次に、図３（ｂ）に示すように、複数の直角プリズム２２を成膜治具２４の凹所２４ａ内に整列させて並べ、直角プリズム２２の直角部分と対向する面に一括して偏光分離膜１２を成膜する。
【００３２】
次に、図３（ｃ）に示すように、偏光分離膜１２が成膜された直角プリズム２２と平行四辺プリズム２１とを、直角プリズム２２の偏光分離膜１２が成膜された面と平行四辺プリズム２１の長辺側の一方の側面を接合面として透明接着剤１３により接合する。
【００３３】
最後に、図３（ｄ）に示すように、直角プリズム２２の、平行四辺プリズム２１の鈍角側に隣接する側面（図１の透過出射面１６）に１／２波長板１７を貼り合わせる。
【００３４】
以上の工程により偏光変換素子を作製した場合にも、上記第２の実施の形態の場合と同様に、必要な部分のみに偏光分離膜１２を成膜することができるので、偏光分離膜の成膜後に接合し、切断していた従来の製造方法に比べて、材料のロスや製造時間のロスの発生を低減することができる。
【００３５】
［第４の実施の形態］
図４は本発明の第４の実施の形態における照明光学系の構成を示す断面図である。
【００３６】
図４に示すように、本実施の形態の照明光学系は、光源４１としての、ランプ４１１、及びランプ４１１からの光を略平行な光線束に変換して出射するレフレクタ４１２と、前記光源からの略平行な光線束を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイ４２と、前記部分光束を照明領域上に結像する第２のレンズアレイ４３と、第２のレンズアレイ４３の出射側に設けられ、前記部分光束を一方向の偏光に変換する偏光変換素子４４とを備えている。ここで、第１のレンズアレイ４２は、アレイ状レンズのそれぞれに対応するように入射光を複数の部分光束に分割する。
【００３７】
偏光変換素子４４としては、上記第１の実施の形態と同じ構造の偏光変換素子が用いられている。すなわち、偏光変換素子４４は、第２のレンズアレイ４３からの出射光が入射する入射面１１と、入射面１１に対し略４５゜の角度をなして配置され、入射する光のＰ偏光成分を透過し、Ｐ偏光成分と直交するＳ偏光成分を反射する偏光分離膜１２と、入射面１１と対向した位置に入射面１１と略平行に配置され、偏光分離膜１２からの透過光の出射部となる透過出射面１６と、透過出射面１６上に設けられ、前記透過光を、その偏光軸を９０゜回転させて出射する１／２波長板１７と、偏光分離膜１２と略平行に配置され、偏光分離膜１２で反射された成分をさらに反射する反射面１４と、入射面１１と略平行に配置され、前記反射成分を出射する反射出射面１５とを備え、入射面１１と偏光分離膜１２と反射面１４と反射出射面１５とで囲まれた領域は透明媒体により構成され、反射面１４の前記透明媒体と反対側の領域は空気により構成されている。ここで、偏光変換素子４４は、その入射面１１が前記部分光束の集光部となるように設置される。
【００３８】
次に、以上のように構成された照明光学系の作用について、図４を参照しながら説明する。
【００３９】
ランプ４１１からの光（Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含んだ非偏光光）は、レフレクタ４１２によって略平行な光線束に変換されて、第１のレンズアレイ４２に入射する。この第１のレンズアレイ４２は、入射光をアレイ状レンズのそれぞれに対応する複数の部分光束に分割し、第２のレンズアレイ４３は、それぞれの部分光束を照明領域上に結像する。
【００４０】
偏光変換素子４４の入射面１１に入射した光のＰ偏光成分は、偏光分離膜１２を透過して透過出射面１６に至り、透過出射面１６上に設けられた１／２波長板１７の作用により、Ｓ偏光に変換されて、Ｓ偏光の出射光となる。一方、偏光分離膜１２で反射したＳ偏光成分は、さらに反射面１４で反射し、Ｓ偏光を維持した状態で反射出射面１５から出射する。すなわち、偏光変換素子４４の出射面（反射出射面１５と透過出射面１６）から出射される光はＳ偏光成分のみとなり、非偏光光を一方向の偏光に変換することができる。
【００４１】
本実施の形態によれば、照明光学系を上記のように構成したことにより、偏光分離膜１２で反射した光を、空気との界面を反射面として全反射させることができる。その結果、反射面１４によって透過損失や吸収損失が発生することはないので、照明効率の良好な照明光学系を実現することができる。また、非有効入射部分に入射する僅かな迷光（不正規入射光）に対しては、反射面１４が屈折面として作用し、不正規入射光は、照明領域外に向けて屈折されるので、非有効入射部分を遮光するなどの特別な手段を施さなくとも、液晶ディスプレイの入射側偏光板などの温度上昇などをもたらすことはない。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高価な反射膜を用いることなく反射損失を低減して、安価に照明効率の向上を図ることができると共に、不要な偏光成分が照明領域に到達することを防止して、信頼性の向上を図ることができる。また、不要偏光成分が照明領域に到達することを防止して、明るくて信頼性に優れた投射システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における偏光変換素子の構成を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態における偏光変換素子の製造方法を示す工程図
【図３】本発明の第３の実施の形態における偏光変換素子の製造方法を示す工程図
【図４】本発明の第４の実施の形態における照明光学系の構成を示す断面図
【図５】従来技術における偏光変換素子の構成を示す断面図
【符号の説明】
１１ 入射面
１２ 偏光分離膜
１３ 透明接着層
１４ 反射面
１５ 反射出射面
１６ 透過出射面
１７ １／２波長板
２１ 平行四辺プリズム
２２ 直角プリズム
２３、２４ 成膜治具
４１ 光源
４２ 第１のレンズアレイ
４３ 第２のレンズアレイ
４４ 偏光変換素子
４１１ ランプ
４１２ レフレクタ
【発明の属する技術分野】
本発明は、偏光変換素子及びその製造方法、並びに当該偏光変換素子を用いた照明光学系に関する。特に、本発明は、ランプ光源からの非偏光光を一方向の偏光に変換する、液晶ディスプレイ用の照明装置として好適な偏光変換素子及びその製造方法、並びに当該偏光変換素子を用いた照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非偏光光（入射光）を一方向の偏光に変換する偏光変換素子としては、例えば、特許文献１に開示されたものが知られている。図５に、当該従来技術における偏光変換素子の断面図を示す。図５に示すように、従来の偏光変換素子は、互いに平行な、光の入射面及び出射面に対して、斜め方向に層を形成するように、第１の基板５１と第２の基板５２とが交互に配置されて構成されている。第１の基板５１には、第２の基板５２と接する面の一方に偏光分離膜５１１が形成され、第２の基板５２と接する面の他方に反射膜５１２が形成されている。そして、第２の基板５２と偏光分離膜５１１及び反射膜５１２とは、接着剤層５６を介して接着されている。また、第２の基板５２の出射面側の表面には、１／２波長板５３が貼り付けられている。
【０００３】
光源からの非偏光光（入射光）５４は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含んでおり（Ｓ＋Ｐ）、偏光変換素子の入射面に対して垂直に入射する。入射光５４は、第１の基板５１に入射し、偏光分離膜５１１を透過するＰ偏光成分と、偏光分離膜５１１で反射するＳ偏光成分とに分離される。そして、偏光分離膜５１１を透過したＰ偏光成分は、第２の基板５２の出射面側の表面に設けられた１／２波長板５３の作用により、Ｓ偏光に変換されて、Ｓ偏光の出射光５５１となる。一方、偏光分離膜５１１で反射したＳ偏光成分は、反射膜５１２で反射して、Ｓ偏光の出射光５５２となる。すなわち、偏光変換素子の出射面から出射される光はＳ偏光成分のみとなり、非偏光光を一方向の偏光に変換することができる。
【０００４】
ここで、反射膜５１２としては、アルミ、銀などからなる金属膜、あるいは誘電体多層膜が用いられている。
【０００５】
【特許文献１】特開２０００−２９８２１２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、反射膜５１２として金属膜を用いた場合には、数％の光吸収が生じ、これが損失になると共に、発熱の原因にもなり、好ましくない。一方、反射膜５１２として誘電体多層膜を用いた場合には、反射効率を向上させることはできるが、数十層の膜を積層する必要があり、コスト高になるという問題がある。
【０００７】
また、有効入射部分である偏光分離膜部ではなく、非有効入射部分である反射膜部に入射した光は、反射膜５１２で反射した後に偏光分離膜５１１で反射したＳ偏光が１／２波長板５３によってＰ偏光に変換される。また、偏光分離膜５１１を透過したＰ偏光は、隣接する反射膜５１２で反射して、Ｐ偏光として出射する。
【０００８】
しかし、この成分は、明るさに寄与する有効成分とはならず、液晶ディスプレイの入射側偏光板などの温度上昇などをもたらし、それにダメージを与える悪性の成分となる。そして、このような副作用を防止するためには、偏光変換素子の非有効入射部分を遮光するなどの特別な手段が必要となる。
【０００９】
本発明は、従来技術における前記課題を解決するためになされたものであり、高価な反射膜を用いることなく反射損失を低減して、安価に照明効率の向上を図ることができると共に、不要な偏光成分が照明領域に到達することを防止して、信頼性の向上を図ることのできる偏光変換素子及びその製造方法、並びに当該偏光変換素子を用いた照明光学系を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するため、本発明に係る偏光変換素子の構成は、入射光を一方向の偏光に変換する偏光変換素子であって、光が入射する入射面と、前記入射面に対し略４５゜の角度をなして配置され、前記入射する光の一方の偏光成分を透過し、前記一方の偏光成分と直交する他方の偏光成分を反射する偏光分離面と、前記入射面と対向した位置に前記入射面と略平行に配置され、前記偏光分離面からの透過光の出射部となる透過出射面と、前記透過出射面上に設けられ、前記透過光を、その偏光軸を９０゜回転させて出射する１／２波長板と、前記偏光分離面と略平行に配置され、前記偏光分離面で反射された成分をさらに反射する反射面と、前記入射面と略平行に配置され、前記反射成分を出射する反射出射面とを備え、前記入射面と前記偏光分離面と前記反射面と前記反射出射面とで囲まれた領域は透明媒体からなり、前記反射面の前記透明媒体と反対側の領域は空気からなることを特徴とする。
【００１１】
この偏光変換素子の構成によれば、偏光分離面で反射した光を、空気との界面を反射面として全反射させることができる。その結果、高価な誘電体多層膜を形成することなく理想的な反射を実現することができるので、安価に照明効率の向上を図ることができる。また、非有効入射部分に入射した光（不正規入射光）に対しては、反射面が屈折面として作用し、不正規入射光は、照明領域外に向けて屈折されるので、非有効入射部分を遮光するなどの特別な手段を施さなくとも、不要な偏光成分が照明領域に到達することを防止することができる。その結果、簡易に信頼性の向上を図ることができる。
【００１２】
また、本発明に係る偏光変換素子の第１の製造方法は、内角がそれぞれ略４５°、略１３５°で、短辺と長辺の長さの比が２の平方根である平行四辺形を断面とする平行四辺プリズムと、直角部分と対向する辺の長さが前記平行四辺形の長辺の長さと略等しい直角二等辺三角形を断面とする直角プリズムとを準備する工程と、前記平行四辺プリズムの長辺側の一方の側面に偏光分離膜を成膜する工程と、前記平行四辺プリズムと前記直角プリズムとを、前記平行四辺プリズムの前記偏光分離膜が成膜された面と前記直角プリズムの直角部分と対向する面を接合面として接合する工程と、前記直角プリズムの、前記平行四辺プリズムの鈍角側に隣接する側面に１／２波長板を貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする。
【００１３】
また、本発明に係る偏光変換素子の第２の製造方法は、内角がそれぞれ略４５°、略１３５°で、短辺と長辺の長さの比が２の平方根である平行四辺形を断面とする平行四辺プリズムと、直角部分と対向する辺の長さが前記平行四辺形の長辺の長さと略等しい直角二等辺三角形を断面とする直角プリズムとを準備する工程と、前記直角プリズムの直角部分と対向する面に偏光分離膜を成膜する工程と、前記直角プリズムと前記平行四辺プリズムとを、前記直角プリズムの前記偏光分離膜が成膜された面と前記平行四辺プリズムの長辺側の一方の側面を接合面として接合する工程と、前記直角プリズムの、前記平行四辺プリズムの鈍角側に隣接する側面に１／２波長板を貼り合わせる工程とを含むことを特徴とする。
【００１４】
これら偏光変換素子の第１又は第２の製造方法によれば、必要な部分のみに偏光分離膜を成膜することができるので、偏光分離膜の成膜後に接合し、切断していた従来の製造方法に比べて、材料のロスや製造時間のロスの発生を低減することができる。
【００１５】
また、本発明に係る照明光学系の構成は、略平行な光線束を出射する光源と、前記略平行な光線束を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記部分光束を照明領域上に結像する第２のレンズアレイと、前記第２のレンズアレイの出射側に設けられ、前記部分光束を一方向の偏光に変換する偏光変換素子とを備えた照明光学系であって、前記偏光変換素子は、前記第２のレンズアレイからの出射光が入射する入射面と、前記入射面に対し略４５゜の角度をなして配置され、前記入射する光の一方の偏光成分を透過し、前記一方の偏光成分と直交する他方の偏光成分を反射する偏光分離面と、前記入射面と対向した位置に前記入射面と略平行に配置され、前記偏光分離面からの透過光の出射部となる透過出射面と、前記透過出射面上に設けられ、前記透過光を、その偏光軸を９０゜回転させて出射する１／２波長板と、前記偏光分離面と略平行に配置され、前記偏光分離面で反射された成分をさらに反射する反射面と、前記入射面と略平行に配置され、前記反射成分を出射する反射出射面とを備え、前記入射面と前記偏光分離面と前記反射面と前記反射出射面とで囲まれた領域は透明媒体からなり、前記反射面の前記透明媒体と反対側の領域は空気からなることを特徴とする。
【００１６】
この照明光学系の構成によれば、偏光分離面で反射した光を、空気との界面を反射面として全反射させることができる。その結果、反射面によって透過損失や吸収損失が発生することはないので、照明効率の良好な照明光学系を実現することができる。また、非有効入射部分に入射した光（不正規入射光）に対しては、反射面が屈折面として作用し、不正規入射光は、照明領域外に向けて屈折されるので、非有効入射部分を遮光するなどの特別な手段を施さなくとも、液晶ディスプレイの入射側偏光板などの温度上昇などをもたらすことはない。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、実施の形態を用いて本発明をさらに具体的に説明する。
【００１８】
［第１の実施の形態］
図１は本発明の第１の実施の形態における偏光変換素子の構成を示す断面図である。
【００１９】
図１に示すように、本実施の形態の偏光変換素子は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含んだ非偏光光が入射する入射面１１と、入射面１１に対し略４５゜の角度をなして配置され、入射する光のＰ偏光成分を透過し、Ｐ偏光成分と直交するＳ偏光成分を反射する偏光分離膜１２と、入射面１１と対向した位置に入射面１１と略平行に配置され、偏光分離膜１２からの透過光の出射部となる透過出射面１６と、透過出射面１６上に設けられ、偏光分離膜１２からの透過光を、その偏光軸を９０゜回転させて出射する１／２波長板１７と、偏光分離膜１２と略平行に配置され、偏光分離膜１２で反射された成分をさらに反射する反射面１４と、入射面１１と略平行に配置され、偏光分離膜１２からの反射成分を出射する反射出射面１５とを備えている。ここで、偏光分離膜１２としては、低屈折率材料（例えば、ＳｉＯ２ ）と高屈折率材料（例えば、ＴｉＯ５ ）を交互に４０層前後積層した光学多層膜が用いられている。そして、入射面１１と偏光分離膜１２と反射面１４と反射出射面１５とで囲まれた、断面が平行四辺形状の領域は、ガラス、プラスチック等の透明媒体により構成されており、反射面１４の前記透明媒体と反対側の領域は空気により構成されている。また、偏光分離膜１２と透過出射面１６とで囲まれた領域は、断面が直角三角形状の透明媒体により構成されており、当該透明媒体の直角部分と対向する面（斜面）は偏光分離膜１２に熱硬化型接着剤、紫外線硬化型接着剤などからなる透明接着層１３を介して接着されている。
【００２０】
次に、以上のように構成された偏光変換素子の作用について、図１を参照しながら説明する。
【００２１】
光源からの非偏光光（入射光）は、偏光変換素子の入射面１１に対して垂直に入射する。入射面１１に入射した光のＰ偏光成分は、偏光分離膜１２を透過して透過出射面１６に至り、透過出射面１６上に設けられた１／２波長板１７の作用により、Ｓ偏光に変換されて、Ｓ偏光の出射光となる。一方、偏光分離膜１２で反射したＳ偏光成分は、さらに反射面１４で反射し、Ｓ偏光を維持した状態で反射出射面１５から出射する。すなわち、偏光変換素子の出射面（反射出射面１５と透過出射面１６）から出射される光はＳ偏光成分のみとなり、非偏光光を一方向の偏光に変換することができる。
【００２２】
本実施の形態によれば、偏光変換素子を上記のように構成したことにより、偏光分離膜１２で反射した光を、空気との界面を反射面として全反射させることができる。その結果、高価な誘電体多層膜を形成することなく理想的な反射を実現することができるので、安価に照明効率の向上を図ることができる。また、非有効入射部分に入射する僅かな迷光（不正規入射光）に対しては、反射面１４が屈折面として作用し、不正規入射光は、照明領域外に向けて屈折されるので、非有効入射部分を遮光するなどの特別な手段を施さなくとも、不要な偏光成分が照明領域に到達することを防止することができる。その結果、簡易に信頼性の向上を図ることができる。
【００２３】
［第２の実施の形態］
上記第１の実施の形態の偏光変換素子は、以下のようにして作製することができる。図２は本発明の第２の実施の形態における偏光変換素子の製造方法を示す工程図である。
【００２４】
まず、図２（ａ）に示すように、内角がそれぞれ略４５°、略１３５°で、短辺と長辺の長さの比が２の平方根である平行四辺形を断面とする平行四辺プリズム２１と、直角部分と対向する辺の長さが前記平行四辺形の長辺の長さと略等しい直角二等辺三角形を断面とする直角プリズム２２とを準備する。
【００２５】
次に、図２（ｂ）に示すように、複数の平行四辺プリズム２１を成膜治具２３の凹所２３ａ内に整列させて並べ、これら複数の平行四辺プリズム２１の長辺側の一方の側面に一括して偏光分離膜１２を成膜する。尚、偏光分離膜１２の成膜には、蒸着法やスパッタ法を用いることができる。
【００２６】
次に、図２（ｃ）に示すように、偏光分離膜１２が成膜された平行四辺プリズム２１と直角プリズム２２とを、平行四辺プリズム２１の偏光分離膜１２が成膜された面と直角プリズム２２の直角部分と対向する面を接合面として透明接着剤１３により接合する。
【００２７】
最後に、図２（ｄ）に示すように、直角プリズム２２の、平行四辺プリズム２１の鈍角側に隣接する側面（図１の透過出射面１６）に１／２波長板１７を貼り合わせる。
【００２８】
以上の工程により偏光変換素子を作製すれば、必要な部分のみに偏光分離膜１２を成膜することができるので、偏光分離膜の成膜後に接合し、切断していた従来の製造方法に比べて、材料のロスや製造時間のロスの発生を低減することができる。
【００２９】
［第３の実施の形態］
また、上記第１の実施の形態の偏光変換素子は、以下のようにして作製することもできる。図３は本発明の第３の実施の形態における偏光変換素子の製造方法を示す工程図である。
【００３０】
まず、図３（ａ）に示すように、内角がそれぞれ略４５°、略１３５°で、短辺と長辺の長さの比が２の平方根である平行四辺形を断面とする平行四辺プリズム２１と、直角部分と対向する辺の長さが前記平行四辺形の長辺の長さと略等しい直角二等辺三角形を断面とする直角プリズム２２とを準備する。
【００３１】
次に、図３（ｂ）に示すように、複数の直角プリズム２２を成膜治具２４の凹所２４ａ内に整列させて並べ、直角プリズム２２の直角部分と対向する面に一括して偏光分離膜１２を成膜する。
【００３２】
次に、図３（ｃ）に示すように、偏光分離膜１２が成膜された直角プリズム２２と平行四辺プリズム２１とを、直角プリズム２２の偏光分離膜１２が成膜された面と平行四辺プリズム２１の長辺側の一方の側面を接合面として透明接着剤１３により接合する。
【００３３】
最後に、図３（ｄ）に示すように、直角プリズム２２の、平行四辺プリズム２１の鈍角側に隣接する側面（図１の透過出射面１６）に１／２波長板１７を貼り合わせる。
【００３４】
以上の工程により偏光変換素子を作製した場合にも、上記第２の実施の形態の場合と同様に、必要な部分のみに偏光分離膜１２を成膜することができるので、偏光分離膜の成膜後に接合し、切断していた従来の製造方法に比べて、材料のロスや製造時間のロスの発生を低減することができる。
【００３５】
［第４の実施の形態］
図４は本発明の第４の実施の形態における照明光学系の構成を示す断面図である。
【００３６】
図４に示すように、本実施の形態の照明光学系は、光源４１としての、ランプ４１１、及びランプ４１１からの光を略平行な光線束に変換して出射するレフレクタ４１２と、前記光源からの略平行な光線束を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイ４２と、前記部分光束を照明領域上に結像する第２のレンズアレイ４３と、第２のレンズアレイ４３の出射側に設けられ、前記部分光束を一方向の偏光に変換する偏光変換素子４４とを備えている。ここで、第１のレンズアレイ４２は、アレイ状レンズのそれぞれに対応するように入射光を複数の部分光束に分割する。
【００３７】
偏光変換素子４４としては、上記第１の実施の形態と同じ構造の偏光変換素子が用いられている。すなわち、偏光変換素子４４は、第２のレンズアレイ４３からの出射光が入射する入射面１１と、入射面１１に対し略４５゜の角度をなして配置され、入射する光のＰ偏光成分を透過し、Ｐ偏光成分と直交するＳ偏光成分を反射する偏光分離膜１２と、入射面１１と対向した位置に入射面１１と略平行に配置され、偏光分離膜１２からの透過光の出射部となる透過出射面１６と、透過出射面１６上に設けられ、前記透過光を、その偏光軸を９０゜回転させて出射する１／２波長板１７と、偏光分離膜１２と略平行に配置され、偏光分離膜１２で反射された成分をさらに反射する反射面１４と、入射面１１と略平行に配置され、前記反射成分を出射する反射出射面１５とを備え、入射面１１と偏光分離膜１２と反射面１４と反射出射面１５とで囲まれた領域は透明媒体により構成され、反射面１４の前記透明媒体と反対側の領域は空気により構成されている。ここで、偏光変換素子４４は、その入射面１１が前記部分光束の集光部となるように設置される。
【００３８】
次に、以上のように構成された照明光学系の作用について、図４を参照しながら説明する。
【００３９】
ランプ４１１からの光（Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含んだ非偏光光）は、レフレクタ４１２によって略平行な光線束に変換されて、第１のレンズアレイ４２に入射する。この第１のレンズアレイ４２は、入射光をアレイ状レンズのそれぞれに対応する複数の部分光束に分割し、第２のレンズアレイ４３は、それぞれの部分光束を照明領域上に結像する。
【００４０】
偏光変換素子４４の入射面１１に入射した光のＰ偏光成分は、偏光分離膜１２を透過して透過出射面１６に至り、透過出射面１６上に設けられた１／２波長板１７の作用により、Ｓ偏光に変換されて、Ｓ偏光の出射光となる。一方、偏光分離膜１２で反射したＳ偏光成分は、さらに反射面１４で反射し、Ｓ偏光を維持した状態で反射出射面１５から出射する。すなわち、偏光変換素子４４の出射面（反射出射面１５と透過出射面１６）から出射される光はＳ偏光成分のみとなり、非偏光光を一方向の偏光に変換することができる。
【００４１】
本実施の形態によれば、照明光学系を上記のように構成したことにより、偏光分離膜１２で反射した光を、空気との界面を反射面として全反射させることができる。その結果、反射面１４によって透過損失や吸収損失が発生することはないので、照明効率の良好な照明光学系を実現することができる。また、非有効入射部分に入射する僅かな迷光（不正規入射光）に対しては、反射面１４が屈折面として作用し、不正規入射光は、照明領域外に向けて屈折されるので、非有効入射部分を遮光するなどの特別な手段を施さなくとも、液晶ディスプレイの入射側偏光板などの温度上昇などをもたらすことはない。
【００４２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、高価な反射膜を用いることなく反射損失を低減して、安価に照明効率の向上を図ることができると共に、不要な偏光成分が照明領域に到達することを防止して、信頼性の向上を図ることができる。また、不要偏光成分が照明領域に到達することを防止して、明るくて信頼性に優れた投射システムを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における偏光変換素子の構成を示す断面図
【図２】本発明の第２の実施の形態における偏光変換素子の製造方法を示す工程図
【図３】本発明の第３の実施の形態における偏光変換素子の製造方法を示す工程図
【図４】本発明の第４の実施の形態における照明光学系の構成を示す断面図
【図５】従来技術における偏光変換素子の構成を示す断面図
【符号の説明】
１１ 入射面
１２ 偏光分離膜
１３ 透明接着層
１４ 反射面
１５ 反射出射面
１６ 透過出射面
１７ １／２波長板
２１ 平行四辺プリズム
２２ 直角プリズム
２３、２４ 成膜治具
４１ 光源
４２ 第１のレンズアレイ
４３ 第２のレンズアレイ
４４ 偏光変換素子
４１１ ランプ
４１２ レフレクタ
Claims (4)
- 入射光を一方向の偏光に変換する偏光変換素子であって、
光が入射する入射面と、
前記入射面に対し略４５゜の角度をなして配置され、前記入射する光の一方の偏光成分を透過し、前記一方の偏光成分と直交する他方の偏光成分を反射する偏光分離面と、
前記入射面と対向した位置に前記入射面と略平行に配置され、前記偏光分離面からの透過光の出射部となる透過出射面と、
前記透過出射面上に設けられ、前記透過光を、その偏光軸を９０゜回転させて出射する１／２波長板と、
前記偏光分離面と略平行に配置され、前記偏光分離面で反射された成分をさらに反射する反射面と、
前記入射面と略平行に配置され、前記反射成分を出射する反射出射面とを備え、
前記入射面と前記偏光分離面と前記反射面と前記反射出射面とで囲まれた領域は透明媒体からなり、前記反射面の前記透明媒体と反対側の領域は空気からなることを特徴とする偏光変換素子。 - 内角がそれぞれ略４５°、略１３５°で、短辺と長辺の長さの比が２の平方根である平行四辺形を断面とする平行四辺プリズムと、直角部分と対向する辺の長さが前記平行四辺形の長辺の長さと略等しい直角二等辺三角形を断面とする直角プリズムとを準備する工程と、
前記平行四辺プリズムの長辺側の一方の側面に偏光分離膜を成膜する工程と、前記平行四辺プリズムと前記直角プリズムとを、前記平行四辺プリズムの前記偏光分離膜が成膜された面と前記直角プリズムの直角部分と対向する面を接合面として接合する工程と、
前記直角プリズムの、前記平行四辺プリズムの鈍角側に隣接する側面に１／２波長板を貼り合わせる工程とを含む偏光変換素子の製造方法。 - 内角がそれぞれ略４５°、略１３５°で、短辺と長辺の長さの比が２の平方根である平行四辺形を断面とする平行四辺プリズムと、直角部分と対向する辺の長さが前記平行四辺形の長辺の長さと略等しい直角二等辺三角形を断面とする直角プリズムとを準備する工程と、
前記直角プリズムの直角部分と対向する面に偏光分離膜を成膜する工程と、
前記直角プリズムと前記平行四辺プリズムとを、前記直角プリズムの前記偏光分離膜が成膜された面と前記平行四辺プリズムの長辺側の一方の側面を接合面として接合する工程と、
前記直角プリズムの、前記平行四辺プリズムの鈍角側に隣接する側面に１／２波長板を貼り合わせる工程とを含む偏光変換素子の製造方法。 - 略平行な光線束を出射する光源と、前記略平行な光線束を複数の部分光束に分割する第１のレンズアレイと、前記部分光束を照明領域上に結像する第２のレンズアレイと、前記第２のレンズアレイの出射側に設けられ、前記部分光束を一方向の偏光に変換する偏光変換素子とを備えた照明光学系であって、
前記偏光変換素子は、前記第２のレンズアレイからの出射光が入射する入射面と、前記入射面に対し略４５゜の角度をなして配置され、前記入射する光の一方の偏光成分を透過し、前記一方の偏光成分と直交する他方の偏光成分を反射する偏光分離面と、前記入射面と対向した位置に前記入射面と略平行に配置され、前記偏光分離面からの透過光の出射部となる透過出射面と、前記透過出射面上に設けられ、前記透過光を、その偏光軸を９０゜回転させて出射する１／２波長板と、前記偏光分離面と略平行に配置され、前記偏光分離面で反射された成分をさらに反射する反射面と、前記入射面と略平行に配置され、前記反射成分を出射する反射出射面とを備え、前記入射面と前記偏光分離面と前記反射面と前記反射出射面とで囲まれた領域は透明媒体からなり、前記反射面の前記透明媒体と反対側の領域は空気からなることを特徴とする照明光学系。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8279523B2 (en) | 2007-08-22 | 2012-10-02 | Seiko Epson Corporation | Polarization conversion element and method for manufacturing the same |
| JP2014092663A (ja) * | 2012-11-02 | 2014-05-19 | Sony Corp | 偏光分離合波素子、光学系および表示装置 |
| CN111610169A (zh) * | 2019-02-22 | 2020-09-01 | 希森美康株式会社 | 试样测定装置及试样测定方法 |
-
2002
- 2002-11-18 JP JP2002334259A patent/JP2004170550A/ja not_active Withdrawn
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| US9774417B2 (en) | 2012-11-02 | 2017-09-26 | Sony Corporation | Polarization splitting multiplexing device, optical system, and display unit |
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