JP2005128241A

JP2005128241A - 偏光変換素子

Info

Publication number: JP2005128241A
Application number: JP2003363539A
Authority: JP
Inventors: Akira Niwayama; 晃庭山
Original assignee: Enplas Corp
Current assignee: Enplas Corp
Priority date: 2003-10-23
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2005-05-19

Abstract

【課題】１／２波長板を光透過性部材に後付けする場合に生じる弊害（貼付け位置の位置ずれ、気泡の混入、透過率の低下等）を有効に回避することができ、また、反射防止層の反射率特性を均一にすることができ、あわせて小型化を実現することができる偏光変換素子を提供すること。
【解決手段】複数の光透過性部材２が接合面３を介して互いに隣接するように接合され、互いに隣接する光透過性部材２の接合面３間に、偏光分離層１３または反射層７が交互に配設され、かつ、偏光分離層１３が配設された接合面３間に、１／２波長板相当の機能を有する微細周期構造体１６が配設されていること。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光変換素子に係り、特に、光源光を直線偏光に変換することによって照明効率を向上するのに好適な偏光変換素子に関する。

従来から、液晶表示パネルに対して背後から照射した光源光を液晶表示パネルを透過させた後にスクリーン上に結像させることによって、スクリーン上に液晶表示パネルの拡大投影画像を得る液晶プロジェクタにおいては、光源光の照明効率を向上するための工夫がなされてきた。

すなわち、光源から出射された光源光（たとえば自然光）をそのまま液晶表示パネルに入射させる場合、液晶表示パネルの入射側に配置される偏光板によって光源光の多くが失われるため、照明効率を低下させるといった不具合が生じてしまう。したがって、このような不具合を回避して照明効率を向上する手段として、光源光を予め直線偏光に変換した後に液晶表示パネルに入射させる偏光変換素子が採用されていた。

図５は、このような偏光変換素子の一例を示したものであり、この偏光変換素子１は、複数の光透過性部材２が接合面３を介して互いに隣接するように接合されることによって、板状の形状を呈している。

各光透過性部材２は、ガラス等からなる断面形状が平行四辺形を呈する六面体とされており、各光透過性部材２の接合面３は、光の入射側の表面４および透過側の表面５に対して所定の傾斜角度（例えば４５°）を有している。

また、互いに隣接する光透過性部材２の接合面３間には、偏光分離層６または反射層７が光透過性部材２の隣接方向に沿って交互に配設されている。

なお、このような構造を得るには、通常、成膜技術を用いて偏光分離層を構成する薄膜層が形成された基板と、同様に成膜技術を用いて反射層を構成する薄膜層が形成された基板とを厚み方向に交互に繰り返し重ね合わせ、各基板同士をＵＶ接着剤等を用いて互いに接合した後、この接合した基板を厚み方向に対して所定の傾斜角度を有する切断線にて複数に分断するようにしている。

光透過性部材２の光の透過側の表面５（図５における上面）であって偏光分離層６に厚み方向において臨む位置には、偏光の振動方向を９０°変換させる１／２波長板９が、隣接方向に沿って断続的に配設されている。この１／２波長板９は、所定の厚み（０．２ｍｍ程度）を有する高分子フィルムからなる。

また、光透過性部材２の光の入射側の表面４（図５における下面）および透過側の表面５には、反射防止層１０が配設されている。

このような偏光変換素子１によれば、光源光を光透過性部材２の入射側の表面４から入射させると、この入射光が、偏光分離層６においてＰ偏光とＳ偏光とに分離され、一方の偏光（例えばＰ偏光）のみが偏光分離層６を透過し、他方の偏光（Ｓ偏光）は、偏光分離層６において反射される。

偏光分離層６を透過した偏光は、光透過性部材２の透過側の表面５の外側に配置された１／２波長板９によって偏光を変換され（Ｐ偏光ならばＳ偏光に変換され）、その後、反射防止層１０を経て偏光変換素子１の外部に出射される。

一方、偏光分離層６において反射された偏光は、この偏光の進行方向に位置する反射層７において反射された後、光透過性部材２の透過側の表面５から外部に出射される。

このように、Ｐ偏光およびＳ偏光の双方を含んだ光源光の偏光を一つの偏光（Ｓ偏光）に変換し、この偏光を偏光変換素子１の光の出射側に位置する図示しない液晶表示パネルに入射することによって、液晶表示パネルにおいて失う光源光を少なくして照明効率の向上を図るようになっていた。

特開２００２−４０２４６号公報

しかしながら、従来は、偏光変換素子１の製造工程において、光透過性部材２に１／２波長板９を後付け（貼付け）する必要があったため、１／２波長板９の貼付け位置の位置ずれや、１／２波長板９と光透過性部材２との界面への気泡の混入、透過率の低下等の問題が生じる虞があった。

さらに、１／２波長板９と光透過性部材２とでは光の屈折率が異なるため、１／２波長板９の形成部位と非形成部位とが混在する光透過性部材２の表面上に反射防止層１０を配設していた従来においては、反射防止層１０の反射率特性を厳密には最適化することができないといった問題が生じていた。

そこで、本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、１／２波長板を光透過性部材に後付けする場合に生じる弊害（貼付け位置の位置ずれ、気泡の混入、透過率の低下等）を有効に回避することができ、また、反射防止層の反射率特性を均一にすることができ、あわせて小型化を実現することができる偏光変換素子を提供することを目的とするものである。

前述した目的を達成するため、本発明の請求項１に係る偏光変換素子の特徴は、複数の光透過性部材が接合面を介して互いに隣接するように接合され、かつ、互いに隣接する光透過性部材の接合面間に、偏光分離層または反射層が隣接方向に沿って交互に配設され、さらに、前記偏光分離層が配設された接合面間に、１／２波長板相当の機能を有する微細周期構造体が配設されている点にある。

そして、この請求項１に係る発明によれば、１／２波長板を代替する微細周期構造体を偏光分離層とともに接合面間に形成するものであるため、従来のような１／２波長板を後付けすることにともなう弊害を除去することが可能となる。

また、従来の１／２波長板を、光透過性部材の表面上から除去することによって、光透過性部材の表面を屈折率が均一な状態にすることができるため、この光透過性部材の表面に反射防止層を配設した場合に、反射防止層の反射率特性を均一にすることが可能となる。

さらに、所定の厚みを有する従来の１／２波長板の代りに、さらに薄型の微細周期構造体を用いることによって、さらなる小型化を実現することが可能となる。

本発明の請求項２に係る偏光変換素子の特徴は、請求項１において、前記偏光分離素子層が、微細周期構造体からなる点にある。

そして、この請求項２に係る発明によれば、より薄型の微細周期構造体を用いて偏光分離層を形成することができるため、さらなる小型化を実現することが可能となる。

また、前述した１／２波長板相当の機能を有する微細周期構造体と同様の微細加工技術を用いることによって、微細周期構造体からなる偏光分離層を形成することができるため、双方の微細周期構造体を効率的に形成することが可能となる。

請求項３に係る偏光変換素子の特徴は、請求項１または請求項２において、前記光透過性部材の表面に、反射防止層が配設されている点にある。

そして、この請求項３に係る発明によれば、反射防止層の反射率特性を均一化することが可能となる。

請求項１に係る発明によれば、１／２波長板を光透過性部材に後付けする場合に生じる弊害（貼付け位置の位置ずれ、気泡の混入、透過率の低下等）を有効に回避することができ、また、反射防止層の反射率特性を均一にすることができ、あわせて小型化を図ることができる偏光変換素子を実現することができる。

請求項２に係る発明によれば、より小型で、かつ製造効率に優れた偏光変換素子を実現することができる。

請求項３に係る発明によれば、反射防止層の反射率特性を均一化することができ、ひいては偏光変換素子の光学性能を向上することができる偏光変換素子を実現することができる。

以下、本発明に係る偏光変換素子の実施形態について、図１乃至図４を参照して説明する。

なお、従来と基本的構成の同一もしくはこれに類する箇所については、同一の符号を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態における偏光変換素子１２は、ガラス等からなる断面形状が平行四辺形を呈する複数の光透過性部材２を有しており、各光透過性部材２は、接合面３を介して互いに隣接するように接合されることによって、板状の形状を呈している。また、各光透過性部材２の接合面３は、光の入射側の表面４および透過側の表面５に対して所定の傾斜角度（例えば４５°）を有している。
さらに、互いに隣接する光透過性部材２の接合面間３には、偏光分離層１３または反射層７が光透過性部材２の隣接方向に沿って交互に配設されている。

より具体的には、図２に示すように、偏光分離層１３および反射層７は、それぞれ各層１３，７の図２における右方に位置する光透過性部材２の接合面３上に形成されている。また、偏光分離層１３および反射層７は、各層１３，７の図２における左方に位置する光透過性部材２の接合面３に、ＵＶ設着剤等からなる接着層１５を介して接着されている。

そして、本実施形態において、偏光分離層１３の配設された接合面３間であって、偏光分離層１３に対して図２における左方の側には、１／２波長板相当の機能を有する微細周期構造体としてのサブ波長構造体１６が配設されている。

このサブ波長構造体１６は、ナノ加工技術等の微細加工技術を用いて形成ピッチ（凹凸ピッチ）が使用する光の波長よりも小さい大きさに形成された構造体である。なお、図２に示す構造体は、断面矩形の格子状に形成されているが、これ以外の断面形状（例えば鋸歯状）を選択することも可能である。

また、サブ波長構造体１６を構成する材料としては、各種誘電体材料を適宜選択することができる。

このようなサブ波長構造体１６は、偏光分離層１３とともに接合面３上に形成されるものであるため、従来のような１／２波長板９を後付けすることによる弊害（貼付け位置の位置ずれ、気泡の混入、透過率の低下等）を回避することが可能となる。

さらに、本実施形態においては、図２に示すように、偏光分離層１３が、微細周期構造体としてのサブ波長構造体１７によって形成されている。このサブ波長構造体１７は、前述したサブ波長構造体１６と同様に、ナノ加工技術等の微細加工技術を用いて形成ピッチ（凹凸ピッチ）が使用する光の波長よりも小さい大きさに形成された構造体である。

なお、図２におけるサブ波長構造体１７は、Ａｕ等の金属を格子状に整列させたいわゆるワイヤグリッド型のサブ波長構造体１７である。

このサブ波長構造体１７の構成材料としては、Ａｕの他にも、Ａｇ、ＣｕまたはＡｌ等の材料を選択することができる。

これにより、ミクロンオーダーの薄型のサブ波長構造体１７を用いて偏光分離層１３を形成することができるため、偏光変換素子１のさらなる小型化を実現することが可能となる。

また、各サブ波長構造体１６，１７の間およびサブ波長構造体１６と接着層１５との間には、ＳｉＯ_２等からなる薄膜層２１が必要に応じて介在されている。

なお、サブ波長構造体１７に限らず、図３に示すように、例えば、ＳｉＯ_２等の低屈折率誘電体からなる薄膜層１９と、ＺｒＯ_２等の高屈折率誘電体からなる薄膜層２０とを接合面３上に交互に繰り返し（例えば、２０〜３０回ずつ）積層することによって偏光分離層を形成するようにしてもよい。

図１に戻って、本実施形態において、光透過性部材２の光の入射側の表面４および透過側の表面５には、反射防止層２２が配設されている。

この反射防止層２２は、従来の１／２波長板９が除去された屈折率が均一な表面５上に配設されているものであるため、反射率特性が均一なものとなっている。このような反射防止層２２によれば、光源光をむらのない状態で出射することができる。

反射防止層２２の材料としては、例えば、チタン、ハフニウム、ジルコニウム、タンタル、ニオブ、アルミニウムまたは珪素等を酸化させた酸化物、Ｍｇ_２Ｆ、あるいは、これら各物質を適宜混合させた混合物等の誘電体材料が挙げられる。

また、反射層７の構造としては、例えば、ＳｉＯ_２からなる薄膜層とＴｉＯ_２からなる薄膜層とを交互に繰り返し（例えば、２０回ずつ）積層させた多層構造が挙げられる。

次に、図２に示した偏光変換素子１２の製造方法について、図４を参照して説明する。

図２の偏光変換素子１２を製造するには、まず、図４のステップ１（ＳＴ１）に示すように、偏光分離層１３側、反射層７側の二種類の光透過性部材２（基板状のもの）を用意する。

次いで、ステップ２（ＳＴ２）において、偏光分離層１３側の光透過性部材２の上に、微細加工技術を用いてサブ波長構造体１７からなる偏光分離層１３を形成し、反射層７側の光透過性部材２の上に、反射層７を形成する。

次いで、ステップ３（ＳＴ３）においては、偏光分離層１３側の光透過性部材２のサブ波長構造体１７の上に、ＳｉＯ_２等からなる薄膜層２１を形成する。

次いで、ステップ４（ＳＴ４）においは、ステップ３（ＳＴ３）において形成した薄膜層２１の上に、微細加工技術を用いて１／２波長板相当の機能を有するサブ波長構造体１６を形成する。

次いで、ステップ５においては、ステップ４（ＳＴ４）において形成したサブ波長構造体１６の上に、薄膜層２１を形成し、続いて、ステップ６においては、ステップ５（ＳＴ５）において形成した薄膜層２１の上に、接着層１５を塗布する。

そして、ステップ７においては、ステップ６で形成した接着層１５の上に反射層７側の光透過性部材２を重ねることによって、偏光分離層１３側の光透過性部材２と反射層７側の光透過性部材２とを互いに接着する。これによって、偏光変換素子１３側の光透過性部材２と反射層７側の光透過性部材２との接合体２４が得られる。

次に、ステップ８（ＳＴ８）においては、ステップ７（ＳＴ７）において得られた光透過性部材２の接合体２４を、さらに厚み方向に繰り返し接合することによって、光透過性部材２の連続接合体２５を得る。

そして、この連続接合体２５を、ステップ８（ＳＴ８）において二点差線で示す切断線において複数に分断するとともに、分断された各連続接合体２５の分断面に反射防止層２２を形成することによって、図２に示す偏光変換素子１２が完成する。

なお、図３に示した偏光変換素子１２を製造する場合は、ステップ２（ＳＴ２）において、サブ波長構造体１７を形成する代りに、薄膜層１９，２０を交互に繰り返し形成すればよい。

次に、本実施形態の作用について説明する。

本実施形態における偏光変換素子１２を用いて偏光の変換を行うには、偏光変換素子１２を構成する複数の光透過性部材２の光の入射側の表面４側から、この表面４に対して光源光を垂直に入射させる。

そして、入射側の表面４を介して偏光変換素子１２内に入射した光源光は、図１に示すように、偏光分離層１３においてＰ偏光とＳ偏光とに分離され、一方の偏光（図１においてＰ偏光）のみが偏光分離層１３を透過し、他方の偏光（Ｓ偏光）は、偏光分離層１３において反射される。

次いで、偏光分離層１３を透過した偏光は、その直後に、偏光分離層１３の透過側に配設されたサブ波長構造体１６によって偏光を変換され（Ｐ偏光ならばＳ偏光に変換され）、その後、反射防止層２２を経て偏光変換素子１２の外部に出射される。

一方、偏光分離層１３において反射された偏光は、この偏光の進行方向に位置する反射層７において反射された後、光透過性部材２の透過側の表面５から偏光変換素子１２の外部に出射される。

このように、本実施形態における偏光変換素子１２によれば、サブ波長構造体１６によって従来の１／２波長板９を代替することができる。

なお、本発明は、前述した実施の形態に限定されるものではなく、必要に応じて種々の変更が可能である。

例えば、前述した１／２波長板相当の機能を有するサブ波長構造体および偏光分離層を構成するサブ波長構造体は、図２に示したように、それぞれが単層の構造である必要はない。例えば、各サブ波長構造体が、それぞれ複層構造のサブ波長構造体であってもよいし、各サブ波長構造体にさらに他の薄膜層を組み合わせた構造を採用してもよい。そのようにすれば、さらに広帯域の光源光の波長に対応するのに好適な構造にすることが可能となる。

本発明に係る偏光変換素子の実施形態を模式的に示す断面図本発明に係る偏光変換素子の実施形態において、接合面付近の構造を示す拡大断面図本発明に係る偏光変換素子の実施形態において、図２と異なる他の形態を示す拡大断面図本発明に係る偏光変換素子の実施形態において、図２に示した偏光変換素子の製造工程を示す流れ図従来から採用されていた偏光変換素子の一例を模式的に示す断面図

符号の説明

２光透過性部材
３接合面
４入射側の表面
５透過側の表面
７反射層
１２偏光変換素子
１３偏光分離層
１６，１７サブ波長構造体
２２反射防止層

Claims

複数の光透過性部材が接合面を介して互いに隣接するように接合され、かつ、互いに隣接する光透過性部材の接合面間に、偏光分離層または反射層が隣接方向に沿って交互に配設され、さらに、前記偏光分離層が配設された接合面間に、１／２波長板相当の機能を有する微細周期構造体が配設されていることを特徴とする偏光変換素子。
前記偏光分離素子層が、微細周期構造体からなることを特徴とする請求項１に記載の偏光変換素子。
前記光透過性部材の表面に、反射防止層が配設されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の偏光変換素子。