JP2007206225A - 偏光変換素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 液晶プロジェクター等に使用し、耐熱性、入射角依存性等にすぐれた偏光変換素子を提供。
【解決手段】第１の透光部材２２と第２の透光部材２４の境界面に、反射膜２６と偏光分離変換層３０とが交互に挟み込まれて形成され、一方の面から入射する入射光を２つの偏光成分に分離し、前記２つの偏光成分の光を同一方向の偏光光とした後に、他方の面から出射するように構成された偏光変換素子において、前記偏光分離変換層３０は、前記一方の面側に配置された偏光分離膜２９と、該偏光分離膜の後面に配置された２分の１波長板として機能する水晶板２８ａ、２８ｂとによって形成されており、前記偏光分離膜２９で偏光分離された一方の偏光成分の光が、前記反射膜２６で反射されて前記他方の面から出射し、前記偏光分離膜２９と前記水晶板２８ａ、２８ｂを透過した他方の偏光成分の光が、そのまま前記他方の面から出射するようにしたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は液晶プロジェクター装置等の光学装置に用いられる偏光変換素子に関する。

液晶プロジェクター装置では、映像を形成する光学素子として、光源から放射された光をｓ波あるいはｐ波の偏光として出射させる偏光変換素子が用いられている。
図９は、偏光変換素子の一例を示すもので、偏光分離膜５を備えた透光ブロック１０と、反射膜６を備えた透光ブロック１２とを１つのユニットとし、このユニットを直列に連設して形成されたものである（特許文献１参照）。各々のユニットは光源側に配置されたレンズアレイのピッチに合わせた大きさ（ピッチ）に設定されており、偏光変換素子に入射した光は、偏光分離膜５によりｐ波とｓ波に分離され、偏光分離膜５を透過したｐ波は、２分の１波長板７によりｓ波として偏光変換素子から出射し、偏光分離膜５により分離されたｓ波は、反射膜６により反射されて偏光変換素子から出射する。
図９は、偏光変換素子からの出射光がｓ波となるように設定した例であるが、偏光変換素子からの出射光をｐ波とする設定も可能である。

図１０は、偏光変換素子の他の例を示すもので、断面形状が平行四辺形となる第１の透光部材１４と第２の透光部材１６とが隣接する境界面に、偏光分離膜８と、４分の１波長板９ａおよび反射膜９ｂからなる複合層９とを交互に配置して形成された偏光変換素子を示す（特許文献２参照）。この偏光変換素子の場合は、偏光分離膜８によって分離されたｓ波が複合層９によって反射される際にｓ波がｐ波に変換され、偏光変換素子からの出射光がｐ波に揃えられる。図１０において、偏光分離膜８の後面に２分の１波長板を置き、複合層９から４分の１波長板を除くことにより、偏光変換素子からｓ波が出射される構成とすることもできる。
また、図１０に示すような波長板を封入する形式の偏光変換素子において、波長板として樹脂フィルムからなる位相差フィルムを使用する方法も提案されている（特許文献３参照）。
特開２００３−３０２５２３号公報 特開２００３−１６７１２５号公報 特開２００４−３７５４３号公報

図９に示す偏光変換素子は、透光ブロック１０の端面に水晶からなる２分の１波長板７を接合して形成するから、水晶板を所定の大きさに切断したり、水晶板を接合したりする必要があり、製造工程が煩雑になるという問題があった。これに対して、図１０に示す偏光変換素子の場合は、４分の１波長板９ａが第１の透光部材１４と第２の透光部材１６に重ね合わせて配置される構成となることから、ガラス板と４分の１波長板を大判のまま重ね合わせて積層体を形成し、積層体を切断して形成できるから、図９に示す偏光変換素子にくらべて生産性にすぐれるという利点がある。
しかしながら、図１０に示す偏光変換素子は、４分の１波長板として樹脂フィルムを使用しているために、水晶板を４分の１波長板として使用する場合と比較して耐熱性の点で劣るという問題と、４分の１波長板の入射角依存性が図９に示す偏光変換素子に用いられる２分の１波長板にくらべて劣るという問題があった。

そこで、本発明はこれらの課題を解決すべくなされたものであり、生産性にすぐれるとともに液晶プロジェクター等に使用するに十分な耐熱性を備え、なおかつ入射角依存性等の光学的特性にすぐれた偏光変換素子を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明は次の構成を備える。
すなわち、第１の透光部材と第２の透光部材とが交互に長手方向に連設され、第１の透光部材と第２の透光部材の境界面に、反射膜と偏光分離変換層とが交互に挟み込まれて形成され、前記第１または第２の透光部材の前記長手方向における一方の面から入射する入射光を２つの偏光成分の光に分離し、前記２つの偏光成分の光を同一方向の偏光光とした後に、前記長手方向における他方の面から出射するように構成された偏光変換素子において、前記偏光分離変換層は、前記一方の面側に配置された、前記入射光を２つの偏光成分の光に分離する偏光分離膜と、該偏光分離膜の後面に配置された２分の１波長板として機能する水晶板とによって形成されており、前記偏光分離膜で偏光分離された一方の偏光成分の光が、前記反射膜で反射されて前記他方の面から出射し、前記偏光分離膜と前記水晶板を透過した他方の偏光成分の光が、そのまま前記他方の面から出射するようにしたことを特徴とする。

また、前記第１の透光部材と前記第２の透光部材は、一つの内角が４５度となる端面形状が平行四辺形に形成され、傾斜面を前記境界面として連設されていることを特徴とする。これによって、偏光変換素子は、全体形状が平板状に形成され、第１の透光部材と第２の透光部材の傾斜面に、偏光分離膜と２分の１波長板としての水晶板の積層体と反射膜とが交互に配置されることになる。
また、前記２分の１波長板として機能する水晶板は、第１の水晶板と第２の水晶板を積層して形成されたものであることを特徴とする。

また、入射面内にあり、かつ前記水晶板中を伝播する光の進行方向に直交する方向をXとしたとき、前記第１の水晶板のX方向に対する光軸の方位角α₁が１７．５〜２７．５度であり、前記第２の水晶板のX方向に対する光軸の方位角α₂が６２．５〜７２．５度であるもの、また、前記第１および第２の水晶板の主面に対する光軸の切断角γが０〜４５度であるものが有効に使用できる。

本発明に係る偏光変換素子は、偏光分離変換層を構成する２分の１波長板として機能する水晶板を透光部材に封入する形態として組み込むことによって、偏光変換素子のｐ波とｓ波の変換効率にすぐれ、、かつ入射角依存性にもすぐれるという光学的特性を備えるとともに、量産が容易で、かつ耐熱性にすぐれ、特性の安定した偏光変換素子として提供することができる。

以下、本発明の好適な実施の形態について、添付図面にしたがって詳細に説明する。
（偏光変換素子の構成）
図１（ａ）は、本発明に係る偏光変換素子を端面方向から見た状態を示し、図１（ｂ）は図１（ａ）の円内の構成を拡大して示している。
本発明に係る偏光変換素子２０は一つの内角を４５度とする端面形状が平行四辺形をなす第１の透光部材２２と、同じく一つの内角を４５度とする端面形状が平行四辺形をなす第２の透光部材２４とを傾斜面を隣接させて、交互に直列状に連設し、第１の透光部材２２と第２の透光部材２４の境界面に、各々、反射膜２６と偏光分離変換層３０とを交互に挟み込むようにして形成されている。
図１（ｂ）に示すように、偏光分離変換層３０は偏光分離膜２９と２分の１波長板２８とからなり、２分の１波長板２８は第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂとからなる。

偏光変換素子２０は、第１の透光部材２２と第２の透光部材２４と、反射膜２６、偏光分離変換層３０によって一つのユニットが構成される。本実施形態では、偏光変換素子２０の一方の面が光の入射する面であり、偏光変換素子２０の他方の面が光（偏光）の出射する面である。光の入射する面である偏光変換素子２０の一方の面では、第２の透光部材２４に向けて光が入射するように設定される。第２の透光部材２４（一つのユニット）は、光源側の光の入射ピッチに合わせたピッチ配置に設定されている。

図２は、偏光変換素子２０の全体構成を示す斜視図である。図のように、偏光変換素子２０を構成する第１の透光部材２２と第２の透光部材２４は端面形状が平行四辺形をなす細長のブロック体に形成されている。第１の透光部材２２と第２の透光部材２４との境界面に、反射膜２６と偏光分離変換層３０が交互に封入されている。

（偏光変換素子の設計）
次に、本発明に係る偏光変換素子において特徴的な構成部分である２枚の水晶板２８ａ、２８ｂからなる２分の１波長板２８と偏光分離膜２９の特性について説明する。
図４は、２分の１波長板２８を構成する第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂ、および偏光分離膜２９の配置を拡大して示したものである。
図のように、本実施形態の偏光変換素子２０では、第２の透光部材２４の一方の面から光が入射する。偏光分離膜２９は光の入射側に位置し、偏光分離膜２９の後面に第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂが位置する。

偏光分離膜２９に入射した光はｐ波とｓ波に分離され、ｐ波は第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂに向けて屈折し、ｓ波は反射して反射膜２６に向けて第２の透光部材２４中を透過する。このｓ波は反射膜２６によって反射され第２の透光部材２４中を透過して偏光変換素子２０の他方の面から出射する。一方、第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂを進行するｐ波は、第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂが２分の１波長板として形成されていることにより、第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂを透過することによりｓ波に変換され、第１の透光部材２２を透過して偏光変換素子２０の他方の面からｓ波として出射する。図１は、偏光変換素子２０の一方の面に入射した光が偏光変換素子２０の他方の面からｓ波として出射する作用を示している。

このように、本発明に係る偏光変換素子においては、偏光分離膜２９とともに第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂによって形成された２分の１波長板が特徴的な作用をなしている。以下では、この水晶板による偏光特性について実際の設計例とともに説明する。
図４に、設計上のパラメータを示す。図４（ｃ）において、ｎ_Gは第２の透光部材２４の屈折率、θ_Gは第２の透光部材２４中における偏光分離膜２９への入射角、θは第１の水晶板２８ａにおける屈折角である。また、図４（ａ）は、水晶板中を伝播する光の進行方向を見たときの水晶板の状態を示し、第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂの光軸の方位角をα₁、α₂とする。また、図４（ｂ）は、水晶板を正面から見たときの状態を示し、第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂの光軸の方位角をβ₁、β₂とする。

表１は、偏光変換素子を構成する２枚の水晶板２８ａ、２８ｂについて具体的にパラメータを設計する際におけるα、β、γの角度とretardationの関係を示す。λ₀は使用中心波長である。

β₁＝tan^-1（tanα₁・cosθ）、β₂＝tan^-1（tanα₂・cosθ）であり、θは水晶板における屈折角である。
なお、表１の設計条件は、光路上で第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂの配置が入れ替わってもかまわない。

（実施例１）
表１の設計条件下で実際に第１の水晶板と第２の水晶板を設計した設計例を表２に示す。

なお、第２の透光部材の屈折率ｎ_G＝１．５２５、第２の透光部材中の入射角θ_G＝４５°、λ₀＝５０５ｎｍとした。

図５は、表２の設計値に基づいて、偏光分離膜を透過したｐ偏光（強度１００％）が第１の水晶板と第２の水晶板を透過した後の透過率を計算した結果をグラフに表したものである。ただし、界面反射は無視した。グラフ中で、Ｔ0は、第１の水晶板と第２の水晶板（２分の１波長板）を透過した後のｐ偏光光量を示す。Ｔ90は、第１の水晶板と第２の水晶板（２分の１波長板）を透過した後のｓ偏光光量を示す。
Ｔ0（0deg）、Ｔ90（0deg）は、第２の透光部材の面への入射角が０°（垂直入射）の場合である。Ｔ0（＋8deg）、Ｔ0（−8deg）、Ｔ90（＋8deg）、Ｔ90（−8deg）は、透過率の入射角特性をみるために、入射面内での空気中の入射角を＋８°、−８°とした場合の透過率を示す。なお、Ｔ0（ｓ＋8deg）、Ｔ0（ｓ−8deg）、Ｔ90（ｓ＋8deg）、Ｔ90（ｓ−8deg）は、入射面と直交する面において、空気中の入射角を＋８°、−８°とした場合を示す。

（実施例２）
第１の水晶板と第２の水晶板についての他の設計例を表３に示す。

なお、第２の透光部材の屈折率ｎ_G＝１．５２５、第２の透光部材中の入射角θ_G＝４５°、λ₀＝５０５ｎｍは実施例１と同様である。本設計例では、γ₁＝γ₂＝１５°とした。

図６は、表３の設計値に基づいて、第１の水晶板と第２の水晶板を透過した後の透過率を計算した結果をグラフに表したものである。
なお、２枚の水晶板よりなる２分の１波長板が好ましい偏光変換特性（低Ｔ０、高Ｔ９０）を持つためには、α₁、α₂、γ₁、γ₂、Ｒｅｔ₁、Ｒｅｔ₂は表１の範囲に限定され、この範囲をはみ出すと２分の１波長板のＴ０が増加し、Ｔ９０が減少して、偏光変換特性が劣化する。

（比較例）
比較例として、樹脂フィルム製の２分の１波長板について実際に透過率の測定を行った。図７に、測定に使用した素子の構成を示す。測定で使用した素子は、透光部材（屈折率ｎ_G＝1.52）により樹脂フィルム３０ａを挟んだ構成としたものである。樹脂フィルムとしては市販の樹脂フィルムを使用した。この素子について透過率を測定した結果を図８に示す。なお、この測定結果は、空気と透光部材との界面での反射を計算上で除去したものである。

上述した実施例１、実施例２の２分の１波長板と比較例の２分の１波長板との特性を比較すると、実施例１および実施例２の２分の１波長板は比較例の２分の１波長板にくらべて透過率の波長特性が向上していること、とくに可視域で長波長側での特性が改善されている。また、実施例の２分の１波長板の場合は、入射角を±８°として入射角を垂直入射から動かした場合でも比較例にくらべて透過率が変化する割合が小さく、入射角依存性についても比較例と比較してすぐれていることが確かめられた。

また、従来の樹脂フィルムを２分の１波長板に使用した偏光変換素子の場合には、樹脂フィルムの厚さが１５０μｍ程度であるのに対して、上述した実施例の場合には、第１の水晶板と第２の水晶板の厚さを合わせた厚さが５０μｍ程度であり、従来の偏光変換素子にくらべて２分１波長板の厚さを薄くできるという利点がある。
また、樹脂フィルムを２分の１波長板として使用する場合は、樹脂フィルムの耐熱性が１００℃程度であるのに対して、２分の１波長板に水晶板を使用した場合は１５０℃程度まで耐熱性を改善することができる。したがって、本発明に係る偏光変換素子は、液晶プロジェクターに使用する偏光変換素子のように、耐熱性が要求される条件において有効に使用することができる。

（偏光変換素子の製造方法）
本発明に係る偏光変換素子の製造方法は、透光部材に２分の１波長板を封入する形態に形成する従来の偏光変換素子の製造方法と同様である。すなわち、図３に示すように、片面に反射膜２６が形成された第１の透光部材２２となるガラス板２２ａと、偏光分離変換層３０と、第２の透光部材２４となるガラス板２４ａとを順次、重ね合わせて、相互に接着して積層体を形成した後、積層体を所定の角度（４５°）、所定のピッチで切断することによって得られる。図３でＢ部分が平板状のブロック体として切り出される一つ一つの偏光変換素子となる。平板状のブロック体として切り出した後、切断面を研磨して最終製品となる。

第１の水晶板２８ａと第２の水晶板２８ｂについては、ガラス板２２ａにセットする大判の水晶板を製作する際に、結晶軸方向を所定の方向に合わせて製作しておき、ガラス板２２ａに位置合わせして順次重ね合わせることにより、水晶板の結晶軸が所定の向きに合致するようにすればよい。
偏光分離膜２９は構成部材を重ね合わせる際に、あらかじめ第１の水晶板２８ａに蒸着しておいても良いし、第２の透光部材２４となるガラス板２４ａに蒸着しておいてもよい。

このように、ガラス板２２ａ、２２ｂと偏光分離変換層３０を重ね合わせた積層体を形成し、積層体を所定角度で切断して偏光変換素子を形成する方法によれば、２分の１波長板を、別工程で貼り付けるといった必要がなく、偏光変換素子を容易に量産することができる。また、本発明に係る偏光変換素子は、２分の１波長板として水晶板を使用することにより、光学的特性にすぐれるとともに特性が安定した偏光変換素子として提供することができる。

本発明に係る偏光変換素子の一実施形態の構成を示す端面図である。 本発明に係る偏光変換素子の一実施形態の構成を示す斜視図である。 本発明に係る偏光変換素子の製造方法を示す説明図である。 偏光変換素子の設計に係るパラメータを示す説明図である。 実施例１の偏光変換素子についての透過率の計算結果を示すグラフである。 実施例２の偏光変換素子についての透過率の計算結果を示すグラフである。 比較例の偏光変換素子の透過率測定に使用した素子の構成を示す説明図である。 図７に示す素子について透過率を測定した結果を示すグラフである。 従来の偏光変換素子の構成を示す説明図である。 従来の偏光変換素子の他の構成を示す説明図である。

符号の説明

２０ 偏光変換素子
２２ 第１の透光部材
２２ａ、２２ｂ ガラス板
２４ 第２の透光部材
２６ 反射膜
２８ ２分の１波長板
２８ａ 第１の水晶板
２８ｂ 第２の水晶板
２９ 偏光分離膜
３０ 偏光分離変換層
３０ａ 樹脂フィルム

Claims (5)

1. 第１の透光部材と第２の透光部材とが交互に長手方向に連設され、第１の透光部材と第２の透光部材の境界面に、反射膜と偏光分離変換層とが交互に挟み込まれて形成され、
   前記第１または第２の透光部材の前記長手方向における一方の面から入射する入射光を２つの偏光成分の光に分離し、前記２つの偏光成分の光を同一方向の偏光光とした後に、前記長手方向における他方の面から出射するように構成された偏光変換素子において、
   前記偏光分離変換層は、
   前記一方の面側に配置された、前記入射光を２つの偏光成分の光に分離する偏光分離膜と、
   該偏光分離膜の後面に配置された２分の１波長板として機能する水晶板とによって形成されており、
   前記偏光分離膜で偏光分離された一方の偏光成分の光が、前記反射膜で反射されて前記他方の面から出射し、
   前記偏光分離膜と前記水晶板を透過した他方の偏光成分の光が、そのまま前記他方の面から出射するようにした
   ことを特徴とする偏光変換素子。
2. 前記第１の透光部材と前記第２の透光部材は、一つの内角が４５度となる端面形状が平行四辺形に形成され、傾斜面を前記境界面として連設されていることを特徴とする請求項１記載の偏光変換素子。
3. 前記２分の１波長板として機能する水晶板は、第１の水晶板と第２の水晶板を積層して形成されたものであることを特徴とする請求項１または２記載の偏光変換素子。
4. 入射面内にあり、かつ前記水晶板中を伝播する光の進行方向に直交する方向をXとしたとき、
   前記第１の水晶板のX方向に対する光軸の方位角α₁が１７．５〜２７．５度であり、前記第２の水晶板のX方向に対する光軸の方位角α₂が６２．５〜７２．５度であることを特徴とする請求項３記載の偏光変換素子。
5. 前記第１および第２の水晶板の主面に対する光軸の切断角γが０〜４５度であることを特徴とする請求項３または４記載の偏光変換素子。

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