JP2007114375A - 光照射装置および液晶表示装置および液晶投射装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光源から放射される無偏光の光を、利用効率よく直線偏光化して照射光とすることができる新規な光照射装置を実現する。
【解決手段】実質的に単色光で無偏光の光を放射する光源１と、この光源を半ば囲繞して設けられ、上記光源から放射された実質的に単色光で無偏光の光を反射するリフレクタ２と、このリフレクタの開口部に設けられ、単色光のうち所定方向の直線偏光成分を透過させ、残りを反射する偏光子３と、この偏光子とリフレクタ２との間に配設され、偏光子により反射された光の偏光状態を変化させる複屈折手段４とを有し、偏光子３が、光源から放射される実質的に単色光で無偏光の光に対して、偏光子として作用するように構成されたフォトニック結晶素子であることを特徴とする。
【選択図】図１

Description

この発明は、光照射装置および液晶表示装置および液晶プロジェクタ装置に関する。

反射型の液晶パネルを用いる液晶プロジェクタにおいては、直線偏光状態の照明光が用いられる。ＬＥＤから放射される光のように「実質的に単色光で無偏光の光」から、直線偏光状態の光を得るには、上記無偏光な光をして偏光子を透過せしめればよいが、この方法では、光源から放射される光量の略１／２が利用されず、光の利用効率が低い。

このような「光利用効率の低さ」を改良し得る光照射装置として、特許文献１記載のものが知られている。

特許文献１に記載の光照射装置では、偏光子として「光が透過する基板上に、数千Åピッチで導電性の金属線状パターンを形成したもの」を用い、導電性金属線状パターンの線方向に直交する偏光成分を透過させ、線方向に平行な偏光成分を反射させる。

そして、反射された偏光成分を光源の後方に配置された反射鏡で反射させるとともに、光源と偏光子との間に配置された１／４位相差板を往復透過させて、反射光の偏光面を９０度旋回させ、偏光子を透過する光に変換して偏光子を透過させる。

この光照射装置では光利用効率を高めることができるが、「光が透過する基板上に、数千Åのピッチで導電性の金属線状パターンを形成した偏光子」は、数千Åピッチで導電性金属線状パターンを形成するのが必ずしも容易ではなく、また、温度変化や湿度の影響で導電性の金属線状パターンが基板から剥離しやすい等の問題がある。

一方、近来、新規な光学素子として「フォトニック結晶素子」が提案されている。とくに、特許文献２に記載のフォトニック結晶素子は、その構成により、偏光子としての機能や位相差板としての機能を実現でき、環境変化に対しても安定しており、製造も比較的容易である。

特許第３５９５１４２号公報 特許第３３２５８２５号公報

この発明は、上述した事情に鑑み、光源から放射される無偏光の光を利用効率よく、直線偏光化して照射光とすることができる新規な光照射装置の実現を課題とする。この発明はまた、上記新規な光走査装置を用いる液晶表示装置や、液晶プロジェクタ装置の実現を課題とする。

この発明の光照射装置は、光源と、リフレクタと、偏光子と、複屈折手段とを有する。

「光源」は、実質的に単色光で無偏光の光を放射する。
「リフレクタ」は、光源を半ば囲繞して設けられ、光源から放射された実質的に単色光で無偏光の光を反射する反射部材である。
「偏光子」は、リフレクタの開口部に設けられ、上記単色光のうち所定方向の直線偏光成分を透過させ、残りを反射する光学素子である。

「複屈折手段」は、偏光子とリフレクタとの間に配設され、偏光子により反射された光の偏光状態を変化させる。

そして、上記偏光子は「光源から放射される実質的に単色光で無偏光の光に対して、偏光子として作用するように構成されたフォトニック結晶素子」である（請求項１）。

請求項１記載の光照射装置における複屈折手段は「光源からの実質的な単色光に対して１／４波長板として作用するもの」であることが好ましい（請求項２）。請求項１または２記載の光照射装置における複屈折手段を板状とし、偏光子とリフレクタとの間（偏光子と光源との間、あるいは、光源とリフレクタの間）に、偏光子と平行に配設することができる（請求項３）。

請求項３記載の光照射装置における「板状の複屈折手段」は、光源から放射される実質的な単色光に対して複屈折作用を有するように構成されたフォトニック結晶素子であることができる（請求項４）。

請求項１または２記載の光照射装置において用いられる「複屈折手段」はまた、リフレクタの反射面に層状に形成されていることができる（請求項５）。
請求項１記載の光照射装置において、複屈折手段が「リフレクタ内において光源を封止する」ことができる（請求項６）。

上記請求項１〜６の任意の１に記載の光照射装置における光源としてはＬＥＤが好適である（請求項７）が、光源はＬＥＤに限らず、たとえばナトリウムランプやＥＬ発光素子、蛍光発光体等、実質的に単色光で無偏光の光を放射するものであれば適宜に用いることができる。あるいはまた「白色光源からの光を、フィルタ等を通して実質的な単色光として取り出すようにしたもの」を光源としても良い。

なお、光源から放射される「実質的な単色光」は、完全な単色光（単一波長の光）に限らず、実質的に単色光と見られる程度の波長領域に広がった波長分布を持つ光を謂う。たとえば、後述の実施例において光源として用いられるＬＥＤは、発光スペクトルとして、中心波長：４７０ｎｍの周りに±２０ｎｍの波長分布を有する。

この発明の液晶表示装置は、液晶を照明する光照射装置として、上記請求項１〜７の任意の１に記載の光照射装置を用いたものであり（請求項８）、この発明の液晶プロジェクタ装置は、液晶パネルを照明する投射用光源装置として、上記請求項１〜７の任意の１に記載の光照射装置を用いたものである（請求項９）。請求項８の液晶表示装置における光照射装置以外の部分については公知の液晶表示装置の構成を適宜利用でき、請求項９の液晶プロジェクタ装置における投射用光源装置以外の部分は、公知の液晶プロジェクタ装置の構成を適宜利用できる。

ここで、この発明の光照射装置において偏光子あるいは「板状の複屈折手段」として用いられる「フォトニック結晶素子」について、図２を参照して説明する。
図２（ａ）において符号３０で示すのは「フォトニック結晶素子のベースとなる基板」である。図の如くにｘ、ｙ、ｚ方向を設定すると、基板３０は「ｘｙ面に平行な板状」であり、ｘｙ面に平行な一方の表面（図２（ａ）において上方の面）には、ｙ方向に「所定周期の凹凸」による凹凸構造３１が形成されている。凹凸構造３１は、これをｘｚ面に平行な仮想的断面で切断したときの断面形状がｙ方向に一様であり、上記仮想的断面がｙ方向のどの位置にあっても、断面形状は同じである。

図２（ａ）に示す図では、凹凸構造３１の、ｘｚ面に平行な仮想的断面による断面形状は「矩形波状」であるが、凸部の断面形状は必ずしも矩形である必要は無く、台形形状や三角形状、さらには波型であってもよい。しかし、凹凸構造の形成の容易さという実用的な面から見ると、凸部の断面形状は矩形あるいは台形形状が適当である。

基板３０に形成する凹凸構造３１の周期は、光源から放射される単色光の波長（分光スペクトルが波長幅をもって広がっているときは中心波長）よりも小さく設定される。従って、凹凸構造３１は極めて微細なものである。また、凹凸構造３１の凸部の高さは、凹凸構造の周期を１として、１／３〜１程度が好適である。

図２（ｂ）は「フォトニック結晶素子」の構造を模式的に示している。
フォトニック結晶素子は、基板３０に形成された微細な凹凸構造の上に、高屈折率の層と、低屈折率の層とをｚ方向に交互に積層した積層構造３２を有する。高屈折率の層も低屈折率の層も「光源から放射される実質的な単色光に対して透明な材料」によるものである。これら積層される層は「互いに隣接する高屈折率の層と低屈折率の層」を１ペアとして、複数ペアが積層される。各層の層形成には、真空蒸着やスパッタリング等の公知の成膜技術が用いられる。また、各層の層厚は前記「光源から放射される単色光の波長」よりも小さく設定される。

基板３０の微細な凹凸構造３１の上に、上記の如く、高屈折率の層と低屈折率の層とを交互に積層していくと、図２（ｂ）に示す如く、積層構造３２の最上層は、基板３０における凹凸構造の周期に従って「滑らかに波打つ」ように表面形状が形成される（特許文献２により知られた「自己クローニング技術」）。即ち、積層構造３２に上面の形状は、微細な凹凸構造３２における凹凸の周期構造を反映したものとなっている。

このような形態に構成されたものがこの発明で用いられる「フォトニック結晶素子」である。必要に応じて、表面部に「高屈折率の膜と低屈折率の膜とを積層した保護層」を形成することもできる。

また後述の具体例３に示すように、１ペアを構成する「高屈折率の層と低屈折率の層」における各層の材料や厚さを変えて別の１ペアを構成し、このように構成される複数種のペアを、ペア：Ａ、ペア：Ｂ等とするとき、基板３０上にペア：Ａを複数ペア積層し、その上にペア：Ｂを複数ペア積層し、というように、基板上に複数種の積層構造を順次に形成してもよい。このようなフォトニック結晶素子は、特許文献２により知られたものの１形態である。

上記の如きフォトニック結晶素子は、基板表面の微細な凹凸構造における周期、交互に積層される高屈折率層の屈折率と厚さ、低屈折率層の屈折率と厚さ、これらの層によるペアの積層されるペア数等をパラメータとして変化させることにより、光学特性や光学機能を調製することができる。たとえば後述の具体例のように、高屈折率層の層厚、低屈折率層の層厚を異ならせることにより「偏光子として機能するフォトニック結晶素子」や「板状の複屈折手段として機能するフォトニック結晶素子」を作製することができる。

上述の如く、この発明によれば、新規な光照射装置を実現できる。
この光照射装置では、光源から放射される実質的に単色光で無偏光の光は、フォトニック結晶素子による偏光子に入射すると、前記ｙ方向の偏光成分（「ＴＥ偏光成分」という。）が反射され、前記ｘ方向の偏光成分（「ＴＭ偏光成分」という。）が透過する。反射されたＴＥ偏光成分はリフレクタに反射されて再び偏光子に向かうが、その間に複屈折手段を往復通過することにより偏光状態が変化し、偏光子に再度到達するときには、偏光子を透過する偏光成分（ＴＭ偏光成分）を含んだ光になっており、したがってこの成分の光が偏光子を透過して取り出される。

このようにして、偏光子で反射される光が複屈折手段の作用で「偏光子を透過する偏光成分を含んだ光」に変換されるので、光源から放射される無偏光の光を、偏光方向の揃った直線偏光として効率よく取り出すことができる。

以下、発明の実施の形態を説明する。

図１（ａ）は、光照射装置の実施の１形態を説明するための図である。
図１（ａ）において、符号１は光源、符号２はリフレクタ、符号３は偏光子、符号４は複屈折手段をそれぞれ示している。
光源１は「実質的に単色光で無偏光の光」を放射するものであり、この実施の形態においてはＬＥＤが用いられている。リフレクタ２は、光源１を半ば囲繞して設けられ、光源１から放射された実質的に単色光で無偏光の光を反射するように、内側の面が反射面として形成されている。リフレクタ２の反射面形状は、例えば、光源１の発光部の位置を焦点とする回転放物面や回転楕円面として形成することができる。

偏光子３は、光源１から放射される実質的に単色光で無偏光の光に対して、偏光子として作用するように構成されたフォトニック結晶素子である。偏光子３は板状に構成され、リフレクタ２の開口部（光取り出し用の開口部）を塞ぐように配設されている。

複屈折手段４は、図の如く、偏光子３とリフレクタ２との間に配設され、偏光子３により反射された光の偏光状態を変化させる手段であるが、この実施の形態においては、板状に形成され、光源１と偏光子３との間の位置に配設されている。この実施の形態において、板状の複屈折手段は、光源１からの実質的な単色光に対して１／４波長板として作用するものである。

図１（ｂ）は、（ａ）に示す光照射装置の光学的な機能を説明するための図である。
光源１から放射された実質的な単色光Ｌ０は、直接的に、またはリフレクタ２により反射されて板状の複屈折手段４に入射してこれを透過する。複屈折手段４は単色光Ｌ０に対して１／４波長板として作用するが、単色光Ｌ０は無偏光であるので、複屈折手段４を透過した透過単色光Ｌ１も無偏光のままである。

透過単色光Ｌ１は次いで、偏光子３に入射する。そして、偏光子３における透過方向の偏光成分（「Ｐ成分（前述のＴＭ偏光成分）」と呼ぶ。）が、第１次Ｐ偏光Ｐ１として偏光子３から射出する。

偏光子３に入射する透過単色光Ｌ１に含まれる、偏光子３における透過方向に直交する方向の偏光成分（「Ｓ成分（前述のＴＥ偏光成分）」と呼ぶ。）は、偏光子３により反射されて反射Ｓ偏光Ｓ１となって複屈折手段４を透過して円偏光Ｌ１１となってリフレクタ２により再度反射され、円偏光Ｌ１２となって複屈折手段４を偏光子３側へ透過して光Ｌ２となる。このとき、複屈折手段４は、単色光Ｌ０に対して１／４波長板として作用するので、光Ｌ２においては反射Ｓ偏光Ｓ１の偏光面が９０度旋回し、偏光子３に対してＰ成分光となっており、偏光子３を透過して第２次Ｐ偏光Ｐ２として射出する。

従って、仮に複屈折手段４が設けられていなければ、光照射装置から取り出される光は第１次Ｐ偏光Ｐ１のみであり、これは光源１が放射する光量の１／２に過ぎないが、単色光Ｌ０に対して１／４波長板として作用する複屈折手段４が存在するため、第１Ｐ偏光Ｐ１のみならず、第２次Ｐ偏光Ｐ２も取り出されるため、光源１から放射される単色光Ｌ０の略１００％を「偏光方向の揃ったＰ偏光成分光」として取り出すことができる。

実際には、複屈折手段４を透過する光の大部分は、複屈折手段４を斜めに透過するので、これらの光に対しては正確な１／４波長板として機能するわけではないが、偏光子３により反射される反射Ｓ偏光Ｓ１は常にＳ成分光であり、これが、複屈折手段４を往復透過したのちの光Ｌ２は、Ｓ偏光状態から変化してＰ偏光成分を含む光となるため、その一部が偏光子３を透過する。このような偏光子３とリフレクタ２による反射のプロセスが繰り返されるたびに偏光子３に再入射する光Ｌ２には、偏光子３に対するＰ偏光成分が含まれることになるので、光照射装置から取り出される「偏光方向の揃った光の光量」を有効に増大させて、光源１に対する光利用効率を有効に１００％に近づけることができるのである。

ここで、フォトニック結晶素子の具体例を図２に即して説明する。

具体例１
基板３０として、平行平板状の石英基板（厚さ：１ｍｍ、幅：３０ｍｍ、長さ：４０ｍｍ）の平滑な両面のうちの一方に、微細な凹凸構造３１を形成した。凹凸構造３１の周期（ピッチ）は１９０ｎｍ、断面形状は「矩形波形状」であり、凸部の幅：６０ｎｍ、溝部の幅：１３０ｎｍ、凸部の高さ：１００ｎｍで、周期方向は石英基板の長さ方向である。

この凹凸構造の上に、高屈折率の層と、低屈折率の層とをｚ方向に交互に積層した積層構造３２をスパッタリング成膜により形成した。
光屈折率層を構成する高屈折率の材料は「Ｎｂ_２Ｏ_５」、低屈折率層を構成する低屈折率の材料は「ＳｉＯ_２」である。

「Ｎｂ_２Ｏ_５」の層の層厚を９６ｎｍ、「ＳｉＯ_２」の層の層厚を１４０ｎｍとし、これらの層を交互に積層するが、「Ｎｂ_２Ｏ_５の層とＳｉＯ_２の層を１ペア」として１０ペアを基板３０上に積層形成し、その上に保護層（ＡＲ層）として、「Ｎｂ_２Ｏ_５による厚さ：９６ｎｍの膜」と、「ＳｉＯ_２による厚さ：６８ｎｍの膜」をこの順序に１層づつ形成して「フォトニック結晶素子による偏光子」とした。

フォトニック結晶素子の「偏光子としての機能」は、基板３０における凹凸構造３１の周期と、積層構造３２を構成する「層厚：９６ｎｍのＮｂ_２Ｏ_５層」と「層厚：１４０ｎｍのＳｉＯ_２層」の組み合わせ（ペア）のバンド構造により決定される。

「層厚：９６ｎｍのＮｂ_２Ｏ_５層」と「層厚：１４０ｎｍのＳｉＯ_２層」の１ペアの「バンド図（シミュレーションにより計算したもの）」を、図３（ａ）に示す。このバンド図における横軸は「波数」であり、ａは「上記１ペアの格子定数」である。格子定数：ａは以下のように決定される。

即ち、格子定数：ａは「ｚ方向での積層周期」であり、上記１ペア分の厚みである。説明中の例で言えば、ａ＝９６ｎｍ＋１４０ｎｍ＝２３６ｎｍである。

縦軸は波長（単位：ｎｍ）である。「ＴＥ」とあるのは「図２におけるｙ方向」に振動するＴＥ偏光成分で、ＴＭとあるのは「図２におけるｘ方向」に振動するＴＭ偏光成分である。この図において、ＴＥ（黒丸印）もしくはＴＭ（×印）のある部分は、上記１ペアの層内に「ＴＥ偏光成分もしくはＴＭ偏光成分の定常波が存在できるための、波数と波長の関係」を表している。

ここで、このバンド図における波長領域として４００〜６００ｎｍの領域を見てみると、ＴＭ偏光成分（×印）はこの波長領域にわたって連続的に分布しており、したがって上記波長領域内においては波長に拘わらず定常波が存在できる。この条件は、波長：４００〜６００ｎｍの範囲では、ＴＭ偏光成分が上記１ペアの層を良好に透過できることを示している。

これに対し、ＴＥ偏光成分（黒丸印）は、波長：４４０〜４７０ｎｍの領域では、定常波として存在できない。このことは、ＴＥ偏光成分は上記４４０〜４７０ｎｍの波長領域では上記１ペアの層を「安定して透過することができない」ことを意味する。このような「ＴＥ偏光成分の定常波が存在できない波長領域」を図示の如く「ＴＥバンドギャップ」と呼ぶ。

偏光子３では、積層構造３２は「Ｎｂ_２Ｏ_５の層とＳｉＯ_２の層を１ペアとして、基板３０上に１０ペア積層形成」したものである。この１０ペアに対して波長３００〜６００ｎｎのＴＥ偏光、ＴＭ偏光を入射させたときの分光透過率の図（シミュレーションで計算したもの、以下の具体例においても同様である。）を図３（ｂ）に示す。

図３（ｂ）における縦軸が「波長」、横軸は「透過率」で、「太線」はＴＥ偏光成分、「細線」はＴＭ偏光成分である。この図を見ると明らかなように、説明中の偏光子においてＴＭ偏光成分は分光透過率が４００〜６００ｎｍの波長領域では略１であるのに対し、ＴＥ偏光成分のほうは、前述のＴＥバンドギャップ（４４０〜４７０ｎｍ）の部分で、透過率が略０である。

換言すると、この具体例１のフォトニック結晶素子は、波長：４４０〜４７０ｎｍの領域の光に対しては、ＴＥ偏光成分を略１００％反射し、ＴＭ偏光成分を略１００％透過させる「偏光子としての機能」を有することになる。

具体例２
基板３０として、平行平板状の石英基板（厚さ：１ｍｍ、幅：３０ｍｍ、長さ：４０ｍｍ）の平滑な両面のうちの一方に、微細な凹凸構造３１を形成した。凹凸構造３１の周期（ピッチ）は１９０ｎｍ、断面形状は「矩形波形状」であり、凸部の幅：６０ｎｍ、溝部の幅：１３０ｎｍ、凸部の高さ：１００ｎｍで、周期方向は石英基板の長さ方向である。

この凹凸構造の上に、「Ｎｂ_２Ｏ_５の層」の層厚を１０３ｎｍ、「ＳｉＯ_２の層」の層厚を１５０ｎｍとし、これら「Ｎｂ_２Ｏ_５の層とＳｉＯ_２の層を１ペア」として、１０ペアを基板３０上に積層形成し、その上に保護層（ＡＲ層）として「ＳｉＯ_２」による厚さ：６８ｎｍの膜を１層形成して「フォトニック結晶素子による偏光子」とした。

この場合における、「Ｎｂ_２Ｏ_５の層とＳｉＯ_２の層の１ペア」に対するバンド図と、具体例２の分光透過率の図を、それぞれ、図４（ａ）、（ｂ）に示す。

バンド図から明らかなように、具体例２のフォトニック結晶素子では、４７０〜４９５ｎｍの波長領域がＴＥバンドギャップであり、分光透過図から明らかなように、具体例２のフォトニック結晶素子は、波長：４７０〜４９５ｎｍの領域の光に対しては、ＴＥ偏光成分を略１００％反射し、ＴＭ偏光成分を略１００％透過させる「偏光子としての機能」を有することが分かる。

具体例３
基板３０として、平行平板状の石英基板（厚さ：１ｍｍ、幅：３０ｍｍ、長さ：４０ｍｍ）の平滑な両面のうちの一方に、微細な凹凸構造３１を形成した。凹凸構造３１の周期（ピッチ）は１９０ｎｍ、断面形状は「矩形波形状」であり、凸部の幅：６０ｎｍ、溝部の幅：１３０ｎｍ、凸部の高さ：１００ｎｍで、周期方向は石英基板の長さ方向である。

この凹凸構造の上に、具体例２におけると同じく「Ｎｂ_２Ｏ_５」の層の層厚を１０３ｎｍ、「ＳｉＯ_２」の層の層厚を１５０ｎｍとし、これら「Ｎｂ_２Ｏ_５の層とＳｉＯ_２の層を１ペア」として、１５ペアを基板３０上に積層形成して「第１の積層構造」とし、この第１の積層構造の上に、具体例１におけると同じく「Ｎｂ_２Ｏ_５の層」の層厚を９６ｎｍ、「ＳｉＯ_２の層」の層厚を１４０ｎｍとし、これら「Ｎｂ_２Ｏ_５の層とＳｉＯ_２の層を１ペア」として、１５ペアを基板３０上に積層形成して「第２の積層構造」とし、この第２の積層構造の上にＡＲ層として「ＳｉＯ_２の厚さ：６８ｎｍの膜と、Ｎｂ_２Ｏ_５の厚さ：１４０ｎｍの膜」を１層ずつ上記順序に積層した。

このように形成された具体例３のフォトニック結晶素子の分光透過図を図５に示す。
この図５から明らかなように、具体例３のフォトニック結晶素子は、波長：４４０〜４９５ｎｍの領域の光に対しては、ＴＥ偏光成分を略１００％反射し、ＴＭ偏光成分を略１００％透過させる「偏光子としての機能」を有することが分かる。

上に説明した具体例１〜３のフォトニック結晶素子は、特定の波長領域において偏光子としての機能を有するものであった。フォトニック結晶素子はまた「複屈折手段」として構成することもできる。この場合の具体例を具体例４として説明する。素子の構造は図２を参照する。

具体例４
基板３０として、平行平板状の石英基板（厚さ：１ｍｍ、幅：３０ｍｍ、長さ：４０ｍｍ）の平滑な両面のうちの一方に、微細な凹凸構造３１を形成した。凹凸構造３１の周期（ピッチ）は１９０ｎｍ、断面形状は「矩形波形状」であり、凸部の幅：６０ｎｍ、溝部の幅：１３０ｎｍ、凸部の高さ：１００ｎｍで、周期方向は石英基板の長さ方向である。

この凹凸構造の上に、高屈折率の層と、低屈折率の層とをｚ方向に交互に積層した積層構造３２をスパッタリング成膜により形成した。
光屈折率層を構成する高屈折率の材料は「Ｎｂ_２Ｏ_５」、低屈折率層を構成する低屈折率の材料は「ＳｉＯ_２」である。

「Ｎｂ_２Ｏ_５の層」の層厚を８０ｎｍ、「ＳｉＯ_２の層」の層厚を１００ｎｍとし、「Ｎｂ_２Ｏ_５の層とＳｉＯ_２の層を１ペア」として、４ペアを基板３０上に積層形成し、その上にＡＲ層として、「Ｎｂ_２Ｏ_５」による厚さ：８０ｎｍの膜と、「ＳｉＯ_２」による厚さ：６８ｎｍの膜をこの順序に１層づつ形成して「フォトニック結晶素子による複屈折手段」とした。

このときの「Ｎｂ_２Ｏ_５の層とＳｉＯ_２の層を１ペアに対するバンド図」を図６（ａ）に示す。このバンド図から明らかなように具体例４のフォトニック結晶素子は、４２０〜５７０ｎｍの波長領域において、ＴＥ偏光成分、ＴＭ偏光成分ともバンドギャップがない。したがって、上記波長領域のＴＥ偏光成分、ＴＭ偏光成分は共に、具体例４のフォトニック結晶素子を透過するが、このときＴＥ偏光方向は「速軸」、ＴＭ偏光方向は「遅軸」として作用し、透過したＴＥ偏光とＴＭ偏光とに位相差が生じる。

具体例４に光を透過させたときの、透過光の波長と、発生する位相差との関係を、図６（ｂ）に示す。この図から明らかなように、具体例４のフォトニック結晶素子は「略４６０ｎｍの光」に対し、１／４波長板として機能する。

図１に実施の形態を説明とした光照射装置の具体的実施例を以下の如くに構成した。
光源１として「波長：４７０±２０ｎｍの実質的な単色光」を無偏光な光として放射するＬＥＤを用い、これを、回転放物面形状の反射面を持つリフレクタ２の、上記回転放物面の焦点位置に発光部が位置するようにセットした。

偏光子３として上記具体例３のフォトニック結晶素子を用い、複屈折手段４として「複屈折性樹脂フィルムによる板状の１／４波長板」を用いた。

このような構成で、光源であるＬＥＤから放射される無偏光な光を、直線偏光に変換して効率よく取り出すことができた。

実施例１における複屈折手段に代えて、具体例４のフォトニック結晶素子を用いた。この場合の構成図を図７（ａ）に示す。混同の恐れがないと思われるものについては図１における同一の符号を付し、これらについての説明は図１に関する説明を援用する。

図７（ａ）において、符号４Ａが、フォトニック結晶素子による複屈折手段（１／４波長板）を示している。
図７（ｂ）は、（ａ）に示す光照射装置の光学的な機能を説明するための図である。混同の恐れがないと思われるものについては、図１（ｂ）におけると同一の符号を付した。

図７（ｂ）において上下方向は、偏光子３における透過方向（Ｐ偏光方向）に対応し、この方向は、偏光子３の基板における凹凸構造のピッチ方向（矩形波状の波列方向）である。複屈折手段として用いられるフォトニック結晶素子４Ａは、光源１と偏光子３との間に、偏光子３と平行に配置されるが、フォトニック結晶４Ａの「基板における凹凸構造のピッチ方向」は、図７（ｂ）に示すように、偏光子３におけるＰ偏光方向に対応する方向（図の上下方向）に対して４５度傾くように設定される。

このような構成により、光源１（波長：４７０±２０ｎｍの、実質的に単色光で無偏光な光を放射するＬＥＤ）から放射される無偏光な単色光Ｌ０を偏光方向の揃った照射光Ｐ１、Ｐ２として効率よく取り出して照射することができる。

上に説明した実施例１（２）の光照射装置は、実質的に単色光で無偏光の光を放射する光源１と、この光源１を半ば囲繞して設けられ、光源１から放射された実質的に単色光で無偏光の光を反射するリフレクタ２と、このリフレクタの開口部に設けられ、放射された単色光のうち所定方向の直線偏光成分Ｐ１、Ｐ２を透過させ、残りＳ１を反射する偏光子３と、この偏光子３とリフレクタ２との間に配設され、偏光子３により反射された光Ｓ３の偏光状態を変化させる複屈折手段４（４Ａ）とを有し、偏光子３が、光源１から放射される実質的に単色光で無偏光の光Ｌ０に対して偏光子として作用するように構成されたフォトニック結晶素子である（請求項１）。

実施例１、２における複屈折手段４、４Ａは、光源１からの実質的な単色光に対して１／４波長板として作用するものであり（請求項２）、板状で偏光子３とリフレクタ２との間に、偏光子３と平行に配設され（請求項３）、実施例２における板状の複屈折手段４Ａは、光源１から放射される実質的な単色光に対して複屈折作用を有するように構成されたフォトニック結晶素子である（請求項４）。

以下、光照射装置の変形例を挙げる。煩雑を避けるため、混同の恐れがないと思われるものについては、図１におけると同一の符号を用い、これらについての説明は図１に関する説明を援用する。

図８（ａ）に示す実施の形態は、板状の複屈折手段４Ｂが、リフレクタ２の内部に収納された形で、偏光子３と平行に配置された例である。図１の実施の形態における複屈折手段４に比して小型のものを用いることができ、コスト低減が可能である。
図８（ｂ）に示す実施の形態は、複屈折手段４Ｃが、リフレクタ２の反射面に層状に形成された例（請求項５）であり、図８（ｃ）に示す実施の形態は、樹脂等による複屈折手段４Ｄが、リフレクタ２内において「光源１を封止」する構成となっていることを特徴とする（請求項６）。
上に説明した各実施の形態や実施例において、光源１はＬＥＤである（請求項７）。

従って、上に説明した実施の各形態や実施例に示した光照射装置を、公知の液晶表示装置において、照明用光源装置として用いることにより請求項８記載の液晶表示装置を実現でき、また、公知の液晶プロジェクタ装置における投射用光源装置として用いることにより請求項９記載の液晶プロジェクタ装置を実現できる。

なお、光源の発光波長によっては、上記の具体例１や具体例２のフォトニック結晶素子も偏光子として光照射装置に組み込むことができることはいうまでもない。

光照射装置の実施の１形態を説明するための図である。 フォトニック結晶素子を説明するための図である。 フォトニック結晶素子の具体例１における偏光子としての機能を説明するためのバンド図と分光透過率の図である。 フォトニック結晶素子の具体例２における偏光子としての機能を説明するためのバンド図と分光透過率の図である。 フォトニック結晶素子の具体例３における偏光子としての機能を説明するための分光透過率の図である。 フォトニック結晶素子の具体例４における複屈折手段としての機能を説明するためのバンド図と位相変化図である。 光照射装置の実施の別形態を説明するための図である。 光照射手段の実施の他の形態を３例示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ リフレクタ
３ フォトニック結晶素子による偏光子
４ 複屈折手段
Ｌ０ 光源から放射される無偏光で実施的な単色光
Ｐ１、Ｐ２ 偏光方向が揃えられて光照射装置から取り出される照射光

Claims (9)

1. 実質的に単色光で無偏光の光を放射する光源と、
   この光源を半ば囲繞して設けられ、上記光源から放射された実質的に単色光で無偏光の光を反射するリフレクタと、
   このリフレクタの開口部に設けられ、上記単色光のうち所定方向の直線偏光成分を透過させ、残りを反射する偏光子と、
   この偏光子と上記リフレクタとの間に配設され、上記偏光子により反射された光の偏光状態を変化させる複屈折手段とを有し、
   上記偏光子が、上記光源から放射される実質的に単色光で無偏光の光に対して、偏光子として作用するように構成されたフォトニック結晶素子であることを特徴とする光照射装置。
2. 請求項１記載の光照射装置において、
   複屈折手段が、光源からの実質的な単色光に対して１／４波長板として作用するものであることを特徴とする光照射装置。
3. 請求項１または２記載の光照射装置において、
   複屈折手段が板状であり、偏光子とリフレクタとの間に、偏光子と平行に配設されたことを特徴とする光照射装置。
4. 請求項３記載の光照射装置において、
   板状の複屈折手段が、光源から放射される実質的な単色光に対して複屈折作用を有するように構成されたフォトニック結晶素子であることを特徴とする光照射装置。
5. 請求項１または２記載の光照射装置において、
   複屈折手段が、リフレクタの反射面に層状に形成されていることを特徴とする光照射装置。
6. 請求項１記載の光照射装置において、
   複屈折手段が、リフレクタ内において光源を封止することを特徴とする光照射装置。
7. 請求項１〜６の任意の１に記載の光照射装置において、
   光源がＬＥＤであることを特徴とする光照射装置。
8. 請求項１〜７の任意の１に記載の光照射装置を、照明用光源装置として用いた液晶表示装置。
9. 請求項１〜７の任意の１に記載の光照射装置を、投射用光源装置として用いた液晶プロジェクタ装置。

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