JP2007249090A - 偏光変換素子およびその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 偏光変換素子を容易に量産可能にするとともに、偏光変換特性のすぐれた偏光変化素子を提供する。
【解決手段】 偏光分離膜４２を備えた第１の透光部材３２と、反射膜４４を備えた第２の透光部材３４とを、前記偏光分離膜４２と前記反射膜４４の膜面を平行向きとし、前記第１の透光部材３２と前記第２の透光部材３４の端面間で２分の１波長板４０を挟む配置として構成されたユニットを、直列に複数連接して形成された偏光変換素子３０であって、前記偏光分離膜４２により、前記第１の透光部材３２の一方の面から入射した入射光を２つの偏光成分に分離し、一方の偏光成分については前記偏光分離膜４２を透過してそのまま前記第１の透光部材３２の他方の面から出射し、他方の偏光成分については、前記２分の１波長板４０により前記一方の偏光成分と同一の偏光に変換した後、前記反射膜４４により反射されて前記第２の透光部材３４の他方の面から出射するように設けられ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およびその製造方法に関する。

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８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ている（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９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９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９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１０は、図８に示す偏光変換素子の製造方法を示す。この製造方法においては、ガラス板の片面に偏光分離膜５を形成した偏光板５ａと、ガラス板の片面に反射膜６を形成した反射板６ａを用意し（図１０（ａ））、偏光板５ａと反射板６ａを交互に貼り合わせ（４ａはダミー板）（図１０（ｂ））、ワイヤソーを用いて、４５°カットにより積層体を所定間隔で平行に切断して偏光分離膜５と反射膜６が交互に４５°の傾斜配置とされた平板体２０を形成し（図１０（ｃ））、平板体２０の両端面を直角に切り落とし（図１０（ｄ））、平板体２０の出射面に２分の１波長板７を接着して偏光変換素子２２を形成する（図１０（ｅ））。
この製造方法の場合は、偏光分離膜５と反射膜６を備えた平板体２０を形成した後、平板体２０の所定位置に２分の１波長板７を１枚ずつ貼り付ける必要があり、量産性に劣るという問題があった。

また、図９に示す偏光変換素子の場合には、偏光分離膜８を形成した第１の透光部材１４と、反射膜９ｂを形成した第２の透光部材１６を、４分の１波長板９ａを挟むようにして貼り合わせ、ワイヤソーにより積層体を４５°カットして偏光変換素子としている。この方法による場合は、平板体に１枚ずつ２分の１波長板を貼り付けるといった必要がなく、製造作業は効率化されるが、斜面に形成される４分の１波長板９ａの特性により、偏光変換素子の入射角依存性といった特性が劣るという問題があった。

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、偏光変換素子の構成を量産化が可能な構成として、偏光変換素子を容易に量産することを可能にするとともに、入射角依存性といった特性的にもすぐれた偏光変換素子およびその製造方法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、偏光分離膜を備えた第１の透光部材と、反射膜を備えた第２の透光部材とを、前記偏光分離膜と前記反射膜の膜面を平行向きとし、前記第１の透光部材と前記第２の透光部材の端面間で２分の１波長板を挟む配置として構成されたユニットを、直列に複数連接して形成された偏光変換素子であって、前記偏光分離膜により、前記第１の透光部材の一方の面から入射した入射光を２つの偏光成分に分離し、一方の偏光成分については前記偏光分離膜を透過してそのまま前記第１の透光部材の他方の面から出射し、他方の偏光成分については、前記２分の１波長板により前記一方の偏光成分と同一の偏光に変換した後、前記反射膜により反射されて前記第２の透光部材の他方の面から出射するように設けられたことを特徴とする。

また、前記第１の透光部材は、端面形状が正方形のブロック体に形成され、前記偏光分離膜が、前記ブロック体の、端面から見て対角線方向に形成され、前記第２の透光部材は、端面形状が正方形のブロック体に形成され、前記反射膜が、前記ブロック体の、端面から見て対角線方向に形成されていることを特徴とする。
また、前記２分の１波長板は、第１の水晶板と第２の水晶板を貼り合わせて形成されていることにより、特性のすぐれた偏光変換素子として提供される。

また、前記偏光分離膜備えた第１の透光部材を構成するための偏光板ブロックを形成する工程と、前記反射膜を備えた第２の透光部材を構成する反射板ブロックを形成する工程と、これら偏光板ブロックおよび反射板ブロックを、中間に前記２分の１波長板を挟んで貼り合わせて貼り合わせ体を形成し、貼り合わせ体から平板体を切り出しして前記偏光変換素子を形成する工程とを備える偏光変換素子の製造方法であって、前記偏光板ブロックを形成する工程においては、片面に偏光分離膜が形成された偏光板を、前記偏光分離膜を同じ向きとして複数枚積層して貼り合わせ、偏光板の積層体を４５度カットして偏光板ブロックを形成し、前記反射板ブロックを形成する工程においては、片面に反射膜が形成された反射板を、前記反射膜を同じ向きとして複数枚積層して貼り合わせ、反射板の積層体を４５度カットして反射板ブロックを形成することを特徴とする。
また、前記貼り合わせ体を形成する工程において、前記２分の１波長板として、第１の水晶板と第２の水晶板を、偏光板ブロックと反射板ブロックにより挟み込むようにして貼り合わせて貼り合わせ体を形成することを特徴とする。

本発明に係る偏光変換素子の製造方法によれば、水晶板を偏光変換素子の平面方向に垂直方向に組み込んだ偏光変換素子を効率的に製造することができる。

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）は偏光変換素子の１ユニット部分を端面方向から見た状態を拡大して示す。本実施形態の偏光変換素子３０は、端面形状が正方形のブロック体に形成された第１の透光部材３２と、同じく端面形状が正方形のブロック体に形成された第２の透光部材３４と、第１の透光部材３２と第２の透光部材３４の端面間に２分の１波長板４０を介在させ、これらを直列に連設して形成されている。

第１の透光部材３２には、ブロック体を端面方向から見て対角線方向に偏光分離膜４２が設けられている。第２の透光部材３４には、ブロック体を端面方向から見て対角線方向に反射膜４４が設けられている。第１の透光部材３２と第２の透光部材３４は偏光分離膜４２と反射膜４４の膜面を平行向きとし、２分の１波長板４０を第１の透光部材３２と第２の透光部材３４により挟む配置として、これら第１の透光部材３２と２分の１波長板４０と第２の透光部材３４を１ユニットとして、長手方向に複数ユニット連接して偏光変換素子３０が形成される。
図１（ｂ）に示すように、本実施形態においては２分の１波長板４０は、第１の水晶板４０ａと第２の水晶板４０ｂとからなる。２分の１波長板４０を第１の水晶板４０ａと第２の水晶板４０ｂによって構成しているのは、広帯域での特性を良好にするためである。もちろん、２分の１波長板を１枚の水晶板によって形成することもできる。

図２は、本実施形態の偏光変換素子３０の斜視図を示す。細長のブロック体に形成された第１の透光部材３２と第２の透光部材３４が、偏光分離膜４２と反射膜４４を平行向きとし、第１の透光部材３２、２分の１波長板４０、第２の透光部材３４の配置順とするユニットが、直列状に連接されて形成されている。本実施形態においては、第１の透光部材３２と第２の透光部材３４の基材はガラスである。

図１（ａ）に示すように、本実施形態の偏光変換素子３０では、第１の透光部材３２の一方の面が光の入射面となる。第１の透光部材３２に入射した光は、偏光分離膜４２によりｐ波とｓ波に分離され、ｐ波はそのまま偏光分離膜４２を透過して第１の透光部材３２の他方の面から出射する。
偏光分離膜４２によって反射されたｓ波は、入射方向と直角に反射して偏光変換素子３０の長手方向に平行に進み、２分の１波長板４０を透過してｐ波に変換された後、反射膜４４により直角に反射して、第２の透光部材３４の他方の面から出射する。
こうして、偏光変換素子３０の一方の面から入射した光は、偏光変換素子３０の他方の面からすべて偏光方向がそろったｐ波として出射する。

図３、４は本実施形態の偏光変換素子３０と図９に示す構成を有する偏光変換素子について、透過率と反射率の波長依存性を計算した結果を示す。図３は偏光変換素子にｐ波を入射させた際の透過率と反射率を示し、図４は偏光変換素子にｓ波を入射させた際の透過率と反射率を示す。
Tp（0deg）、Ts（0deg）は、垂直入射させた場合の透過率、Tp（＋8deg）、Tp（−8deg）、Ts（＋8deg）、Ts（−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。また、Rp（0deg）、Rs（0deg）は、垂直入射させた場合の反射率、Rp（＋8deg）、Rp（−8deg）、Rs（＋8deg）、Rs（−8deg）は、入射面内での空気中の入射角を＋８°、−８°とした場合の反射率を示す。 図３、図４に示す計算結果を比較すると、本実施形態の偏光変換素子３０は、図９に示す従来の偏光変換素子とくらべて、透過率および反射率のいずれについても特性が改善されている。

（偏光変換素子の製造方法）
図５〜７は、上述した偏光変換素子３０の製造方法を示す。
本実施形態の偏光変換素子３０の製造方法では、偏光分離膜４２を備えた第１の透光部材３２を構成するための偏光板ブロックと、反射膜４４を備えた第２の透光部材３４を構成するための反射板ブロックをあらかじめ形成し、これら偏光板ブロックおよび反射板ブロックと、２分の１波長板４０となる第１の水晶板４０ａおよび第２の水晶板４０ｂとを組み合わせて偏光変換素子３０を組み立てることを特徴とする。

図５は、偏光板ブロック３２ｂを形成するまでの工程を示す。すなわち、まず第１の透光部材の基材となるガラス板に偏光分離膜４２を被着形成して偏光板３２ａを形成する。図５（ａ）はガラス板の一方の面に偏光分離膜４２が形成された偏光板３２ａを示す。
次に、偏光分離膜４２を同じ向きとして、偏光板３２ａを複数枚、積層して貼り合わせる（図５（ｂ））。偏光板３２ａを積層して貼り合わせた後、ワイヤソーを用いて、偏光板３２ａの板面に対する切断角度を角度４５°として、所定間隔で積層体を切断する。図５（ｂ）の破線が、切断位置を示す。偏光板３２ａの積層体をカットする際の無駄をなくすため、偏光板３２ａを積層する際に段ごとに積み重ね位置をずらして貼り合わせる。

図５（ｃ）は、偏光板３２ａの積層体をカットして得られた１枚の偏光板ブロック３２ｂを示す。この偏光板ブロック３２ｂのカット面（両面）を研磨して平坦面とする。図５（ｄ）は、偏光板ブロック３２ｂの両端面を直角に切り落として形成した組立用の偏光板ブロック３２ｂである。この偏光板ブロック３２ｂは、偏光板ブロック３２ｂの面方向に対して角度４５°に傾斜し、偏光板ブロック３２ｂの長手方向に所定間隔で偏光分離膜４２が形成されたものとなる。言い換えれば、偏光板ブロック３２ｂは、偏光分離膜４２により端面形状が平行四辺形に形成されたブロックが、傾斜面を貼り合わせて一体の平板体に形成されたものである。

図６は、反射板ブロック３４ｂを形成するまでの工程を示す。反射板ブロック３４ｂも偏光板ブロック３２ｂを形成する場合と同様に、ガラス板の一方の面に反射膜４４を形成した反射板３４ａ（図６（ａ））を、反射膜４４を同じ向きとして複数枚積層して貼り合わせ（図６（ｂ））、反射板３４ａの積層体をワイヤソーで４５°カットする。図６（ｃ）は、反射板３４ａの積層体をカットして得られた１枚の反射板ブロック３４ｂを示す。この反射板ブロック３４ｂのカット面（両面）を研磨し、反射板ブロック３４ｂの両端面を直角に切り落として、組立用の反射板ブロック３４ｂを形成する（図６（ｄ））。

図７は、図５、６に示す方法によって形成した偏光板ブロック３２ｂと反射板ブロック３４ｂと、第１の水晶板４０ａと第２の水晶板４０ｂとを貼り合わせて偏光変換素子３０を形成するまでの工程を示す。
すなわち、図７（ａ）は、偏光板ブロック３２ｂと反射板ブロック３４ｂとで挟む配置に第１の水晶板４０ａと第２の水晶板４０ｂを配置して組み立てることを示す。図７（ｂ）は、偏光板ブロック３２ｂと、第１の水晶板４０ａおよび第２の水晶板４０ｂと、反射板ブロック３４ｂを、この順に貼り合わせて貼り合わせ体を形成した状態を示す。この貼り合わせ操作では、偏光板ブロック３２ｂと反射板ブロック３４ｂと第１、第２の水晶板４０ａ、４０ｂの外形位置を位置合わせして貼り合わせる。

偏光板ブロック３２ｂと、第１の水晶板４０ａおよび第２の水晶板４０ｂと、反射板ブロック３４ｂを貼り合わせた後、偏光分離膜４２と反射膜４４の位置（ブロックの端面に交差する位置）に合わせて、貼り合わせ体を切断する。図７（ｂ）のＡ線が、貼り合わせ体の切断位置を示す。
図７（ｃ）は、貼り合わせ体から切り出しした１つの偏光変換素子３０を示す。貼り合わせ体から平板体に切り出すことにより、図１に示す実施形態の偏光変換素子３０が得られる。平板体に切り出しした後、カット面（両面）を研磨し、必要に応じて反射防止膜をコートして偏光変換素子３０とする。

このように、本実施形態における偏光変換素子の製造方法は、偏光板ブロック３２ｂと反射板ブロック３４ｂをあらかじめ形成しておき、これらの偏光板ブロック３２ｂおよび反射板ブロック３４ｂと、２分の１波長板４０を組み合わせて偏光変換素子３０とすることが特徴である。偏光板ブロック３２ｂと反射板ブロック３４ｂとで第１の水晶板４０ａと第２の水晶板４０ｂを挟み込むようにして偏光変換素子３０を形成することができるのは、本発明に係る偏光変換素子３０では偏光変換素子３０の平面に直角に２分の１波長板４０を挟み込む構成としていることによる。
２分の１波長板として水晶板を使用する場合に、本実施形態のように、偏光板ブロック３２ｂと反射板ブロック３４ｂにより２分の１波長板を挟み込むようにして製造する方法は、図８に示すような、後工程で２分の１波長板７を接着する方法とくらべて作業性を向上させることができる。

また、本実施形態では、偏光板ブロック３２ｂと反射板ブロック３４ｂをあらかじめ形成する際に積層体を形成してワイヤソーで切断する工程が必要になるが、これらの工程では、偏光板ブロック３２ｂを形成する場合も、反射板ブロック３４ｂを形成する場合も、単一種類の偏光板３２ａと反射板３４ａを貼り合わせて形成する工程となるから、ワークの取り扱い上は、規格化され、作業効率が向上できるという利点がある。すなわち、異種の部材を交互に貼り合わせるといった操作の際には、作業工程が複雑になるが、単一の部材であれば貼り合わせ作業を自動化したり、ワイヤソーによる切断操作も容易に自動化でき、作業精度のばらつきを小さくできる。
また、偏光板ブロック３２ｂと反射板ブロック３４ｂは別途作業として量産しておくことが可能であるから、偏光板ブロック３２ｂと反射板ブロック３４ｂと２分の１波長板とを組み合わせて偏光変換素子３０を製造する工程を容易化することによって、偏光変換素子３０を効率的に製造することが可能となる。

なお、本実施形態では２分の１波長板として水晶板を使用した場合について説明したが、ポリカーボネイト系フィルムやポリアクリレート系フィルム等の樹脂フィルムや、構造複屈折体であるフォトニック結晶等を用いてもよい。

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斜視図である。 本発明に係る偏光変換素子の透過率と反射率を示すグラフである。 図９に示す従来の偏光変換素子の透過率と反射率を示すグラフである。 偏光板ブロックの製造工程を示す説明図である。 反射板ブロックの製造工程を示す説明図である。 偏光板ブロック、反射板ブロック、第１、第２の水晶板から偏光変換素子を製造する工程を示す説明図である。 偏光変換素子の従来の構成を示す端面図である。 偏光変換素子の従来の他の構成を示す端面図である。 図８に示す偏光変換素子の製造方法を示す説明図である。

符号の説明

３０ 偏光変換素子
３２ 第１の透光部材
３２ａ 偏光板
３２ｂ 偏光板ブロック
３４ 第２の透光部材
３４ａ 反射板
３４ｂ 反射板ブロック
４０ａ 第１の水晶板
４０ａ 第２の水晶板
４２ 偏光分離膜
４４ 反射膜

Claims (5)

1. 偏光分離膜を備えた第１の透光部材と、反射膜を備えた第２の透光部材とを、前記偏光分離膜と前記反射膜の膜面を平行向きとし、前記第１の透光部材と前記第２の透光部材の端面間で２分の１波長板を挟む配置として構成されたユニットを、直列に複数連接して形成された偏光変換素子であって、
   前記偏光分離膜により、前記第１の透光部材の一方の面から入射した入射光を２つの偏光成分に分離し、一方の偏光成分については前記偏光分離膜を透過してそのまま前記第１の透光部材の他方の面から出射し、他方の偏光成分については、前記２分の１波長板により前記一方の偏光成分と同一の偏光に変換した後、前記反射膜により反射されて前記第２の透光部材の他方の面から出射するように設けられたことを特徴とする偏光変換素子。
2. 前記第１の透光部材は、端面形状が正方形のブロック体に形成され、前記偏光分離膜が、前記ブロック体の、端面から見て対角線方向に形成され、
   前記第２の透光部材は、端面形状が正方形のブロック体に形成され、前記反射膜が、前記ブロック体の、端面から見て対角線方向に形成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波長板は、第１の水晶板と第２の水晶板を貼り合わせて形成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。
4. 請求項１記載の偏光変換素子の製造方法であって、
   前記偏光分離膜備えた第１の透光部材を構成するための偏光板ブロックを形成する工程と、
   前記反射膜を備えた第２の透光部材を構成する反射板ブロックを形成する工程と、
   これら偏光板ブロックおよび反射板ブロックを、中間に前記２分の１波長板を挟んで貼り合わせて貼り合わせ体を形成し、貼り合わせ体から平板体を切り出しして前記偏光変換素子を形成する工程とを備える偏光変換素子の製造方法であって、
   前記偏光板ブロックを形成する工程においては、片面に偏光分離膜が形成された偏光板を、前記偏光分離膜を同じ向きとして複数枚積層して貼り合わせ、偏光板の積層体を４５度カットして偏光板ブロックを形成し、
   前記反射板ブロックを形成する工程においては、片面に反射膜が形成された反射板を、前記反射膜を同じ向きとして複数枚積層して貼り合わせ、反射板の積層体を４５度カットして反射板ブロックを形成することを特徴とする偏光変換素子の製造方法。
5. 前記貼り合わせ体を形成する工程において、前記２分の１波長板として、第１の水晶板と第２の水晶板を、偏光板ブロックと反射板ブロックにより挟み込むようにして貼り合わせて貼り合わせ体を形成することを特徴とする請求項４記載の偏光変換素子の製造方法。