JP2009192825A - Polarization state conversion method, polarization state conversion device, and liquid crystal display - Google Patents

Polarization state conversion method, polarization state conversion device, and liquid crystal display Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method etc., of converting completely-polarized light included in input light into completely-polarized light in a desired target polarization state and outputting it by selecting orientation directions of two retardation plates. <P>SOLUTION: The retardation plates 1 and 2 are disposed in parallel, and light including an initial polarization state SA (for example, output light from a prism sheet on a light transmission plate) is made incident vertically on the retardation plate 1 and passed in the order of the retardation plates 1 and 2 to obtain light in a target final polarization state SB (for example, 45° horizontal linearly polarized light to be made incident on a liquid crystal display panel). The retardation plates 1 and 2 are used which satisfy the condition that the sum Δ1+Δ2 of phase difference imparting capabilities Δ1 and Δ2 is ≥π and at least one of Δ1 and Δ2 is equal to π/2. A set of angles θ1 and θ2 representing the orientation directions of the retardation plates 1 and 2 is selected so as to satisfy SB=R(Δ2, θ1)R(Δ1, θ1). <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、偏光状態変換方法、偏光状態変換装置、並びに同偏光状態変換装置を用いた液晶表示装置に関し、更に詳しく言えば、任意の偏光状態(初期入力偏光状態)にある光を、2枚の位相差板を利用して、所望の別の偏光状態(最終偏光状態)の光に変換する方法と装置、並びに、同装置を用いた液晶表示装置に関する。   The present invention relates to a polarization state conversion method, a polarization state conversion device, and a liquid crystal display device using the polarization state conversion device. More specifically, the present invention relates to two pieces of light in an arbitrary polarization state (initial input polarization state). The present invention relates to a method and apparatus for converting light into another desired polarization state (final polarization state) using the above retardation plate, and a liquid crystal display device using the same.

光には、「偏りのない光」(無偏光)と、「何らかの偏りのある光」(偏光)があることは良く知られていることであり、自然光は前者の代表例である。後者は、「何らかの偏りのある光」であり、一般には「無偏光」と「完全偏光」を合成した(重ね合わせた)光と考えることができる。但し、「無偏光」の成分がゼロの場合(完全偏光のみ)もあり得る。また、「完全偏光」には、直線偏光、円偏光、楕円偏光の3種類があることや、直線偏光と円偏光は楕円偏光の特殊なケースとして扱い得ることなども周知の事項である。   It is well known that light includes “unbiased light” (non-polarized light) and “some polarized light” (polarized light), and natural light is a typical example of the former. The latter is “light with some polarization”, and can be generally considered as light obtained by combining (superimposing) “non-polarized light” and “perfectly polarized light”. However, there may be a case where the “non-polarized light” component is zero (completely polarized light only). In addition, there are three types of “completely polarized light”: linearly polarized light, circularly polarized light, and elliptically polarized light, and that linearly polarized light and circularly polarized light can be handled as a special case of elliptically polarized light.

一方、光学の応用分野では、ある特定の偏光状態の完全偏光を多く含む光を効率的に生成したいというニーズが存在する。その代表例が、面光源装置を用いて液晶ディスプレイの液晶表示パネルを照明する場合である。この場合、「液晶表示パネルの光入力側に配置される偏光板(以下、「光入力側偏光板」とも云う)の透過軸方向に一致した偏り方向を持つ直線偏光」(あるいはそれに近い楕円偏光;以下、同様)を多く含んだ照明光を生成することが望まれる。   On the other hand, in the field of optical applications, there is a need to efficiently generate light containing a large amount of complete polarized light in a specific polarization state. A typical example is when a liquid crystal display panel of a liquid crystal display is illuminated using a surface light source device. In this case, “linearly polarized light having a polarization direction that coincides with the transmission axis direction of a polarizing plate (hereinafter also referred to as“ light input side polarizing plate ”) disposed on the light input side of the liquid crystal display panel (or an elliptically polarized light close thereto) It is desirable to generate illumination light containing a lot of the same below.

多くの場合、面光源装置の出射面は矩形であり、液晶表示パネルの光入力側偏光板の透過軸方向はその矩形の各辺に対して45度傾斜した方向に設定されている。その場合、その45度傾斜した方向に平行な偏り方向を持つ直線偏光をできるだけ多く含んだ照明光が液晶表示パネルに供給されることが望まれることになる。   In many cases, the exit surface of the surface light source device is rectangular, and the transmission axis direction of the light input side polarizing plate of the liquid crystal display panel is set to a direction inclined by 45 degrees with respect to each side of the rectangle. In that case, it is desired that illumination light containing as much linearly polarized light as possible with a polarization direction parallel to the direction inclined by 45 degrees is supplied to the liquid crystal display panel.

一方、液晶ディスプレイの照明手段として多用されている面光源装置では、導光板の側端部に設けられた入射面から導入した光を出射面から出射させ、この出射光の進行方向(通常、入射面から離れる側に65度〜75度程度傾斜)を、プリズムシート(光進行方向修正手段)を用いて出射面の正面方向に修正した上で液晶表示パネルに供給している。   On the other hand, in a surface light source device that is widely used as a lighting means for a liquid crystal display, light introduced from an incident surface provided at a side end of a light guide plate is emitted from an emission surface, and the traveling direction of this emitted light (usually incident light) An inclination of about 65 to 75 degrees on the side away from the surface is corrected in the front direction of the emission surface using a prism sheet (light traveling direction correcting means) and then supplied to the liquid crystal display panel.

ここで、導光板の入射面から導入される光(一次光)は、通常、冷陰極管あるいはLEDの光であり、実質的に「偏りの無い光(偏光度ゼロの光)」であるが、周知の通り、指向性の強い光を出射する導光板の出射面からの出射光(斜め出射光)はかなりの偏りを有している。この斜め出射光を、無偏光と完全偏光に分けて考えた時、完全偏光の偏光状態は、直線偏光あるいはそれに近い楕円偏光となっている。プリズムシートによる方向修正を行った後の光では、その偏光状態が若干変化するが、直線偏光あるいはそれに近い楕円偏光であることに変わりはない。なお、プリズムシートを通ることにより偏光状態変化する1つの原因は、その材料、特にそのベースシートの部分に使用される樹脂材料が複屈折性を有していることにある。   Here, the light (primary light) introduced from the incident surface of the light guide plate is usually cold-cathode tube or LED light, which is substantially “uneven light (light with zero degree of polarization)”. As is well known, the emitted light (obliquely emitted light) from the exit surface of the light guide plate that emits light with strong directivity has a considerable bias. When this obliquely emitted light is divided into non-polarized light and completely polarized light, the polarization state of the completely polarized light is linearly polarized light or elliptically polarized light close thereto. In the light after the direction correction by the prism sheet, the polarization state slightly changes, but it remains the linearly polarized light or the elliptically polarized light close thereto. Note that one cause of the polarization state change by passing through the prism sheet is that the material, particularly the resin material used for the base sheet portion, has birefringence.

ところで、プリズムシートによる方向修正後の光に含まれる完全偏光が、直線偏光、あるいはそれに近い楕円偏光のいずれであっても、その偏り方向(楕円偏光の場合はその長軸の方向)が上記した典型ケース「45度」とかなり相違することが通例で、「一致あるいは略一致」するケースはまれである。また、仮に略一致する場合であっても、楕円偏光である場合にはその楕円率(定義は後述)の大きさに応じて、上記した「45度」の透過軸に適合しなくなる。   By the way, even if the completely polarized light included in the light whose direction has been corrected by the prism sheet is either linearly polarized light or elliptical polarized light that is close to it, the polarization direction (in the case of elliptically polarized light, the direction of the major axis) is described above. It is usually quite different from the typical case “45 degrees”, and the case of “matching or substantially matching” is rare. Even in the case of substantially coincidence, in the case of elliptically polarized light, it does not conform to the transmission axis of “45 degrees” described above, depending on the size of the ellipticity (the definition will be described later).

このような状況から、殆どの場合、プリズムシートによる方向修正後の光(以下、「正面照明光」とも云う)に含まれる完全偏光は、「光入力側偏光板の透過軸方向に一致した偏り方向を持つ直線偏光」にはなっていない。そのため、この完全偏光の内の無視できない部分が光入力側偏光板でブロックされ、無駄となる(液晶表示パネルによる表示作用に寄与できない)。なお、正面照明光に含まれる「偏りの無い光」(無偏光)については、原理的に考えて判るように、その光量(光エネルギ)の略50%が光入力側偏光板を透過し、液晶表示パネルによる表示作用に寄与する(残りの略50%は光入力側偏光板を透過できない)。   From this situation, in most cases, the completely polarized light included in the light whose direction has been corrected by the prism sheet (hereinafter also referred to as “front illumination light”) is “a bias that matches the transmission axis direction of the polarizing plate on the light input side”. It is not “linearly polarized light with direction”. For this reason, a non-negligible part of this completely polarized light is blocked by the light input side polarizing plate, and is wasted (cannot contribute to the display action by the liquid crystal display panel). As for the “unbiased light” (non-polarized light) included in the front illumination light, as understood in principle, approximately 50% of the light amount (light energy) is transmitted through the light input side polarizing plate, This contributes to the display function of the liquid crystal display panel (the remaining approximately 50% cannot be transmitted through the light input side polarizing plate).

従って、トータルで考えた場合、正面光に含まれる完全偏光を、入力側偏光板を透過し易いように修正することができれば、光入力側偏光板でブロックされる光量を減らし、全体として、光の利用効率を向上させることが可能になる。
この考え方に基づいていくつかの提案が既になされている。その1つが、下記特許文献1に開示されている。即ち、同特許文献1では、偏向シート7(プリズムシート)から略正面方向に出射された光(正面照明光)を偏光変換シート6を介して液晶表示パネルの偏光板8(入力側偏光板)に供給する構成が示されている。
Therefore, when considered in total, if the completely polarized light included in the front light can be corrected so as to easily pass through the input side polarizing plate, the amount of light blocked by the light input side polarizing plate is reduced, and the light as a whole is reduced. It is possible to improve the use efficiency of the.
Several proposals have already been made based on this concept. One of them is disclosed in Patent Document 1 below. That is, in the patent document 1, light (front illumination light) emitted from the deflection sheet 7 (prism sheet) in a substantially front direction through the polarization conversion sheet 6 is used for the polarizing plate 8 (input side polarizing plate) of the liquid crystal display panel. The configuration to supply is shown.

偏光変換シート6の実体は、一枚の位相差板(2分の1波長板あるいは4分の1波長板)であり、位相差板の配向方向(進相軸の方向)を、偏光板8(入力側偏光板)の透過率が最大になるように調節することが説明されている。
この例が示すように、1枚の4分の1波長板あるいは2分の1波長板を通すことで、配向方向に応じた偏光状態の制御が可能であることは確かである。しかし、このような1枚の4分の1波長板あるいは1枚の2分の1波長板を使用する方法では、偏光状態の変換内容を制御するために自由に調整乃至選択できるのは、「位相差板の配向」のみであるために、変換前後の偏光状態の関係の多様性に対して柔軟に対応することができない。このことについてやや詳しく説明すれば次のようになる。
The substance of the polarization conversion sheet 6 is a single retardation plate (a half-wave plate or a quarter-wave plate), and the orientation direction of the retardation plate (the direction of the fast axis) is changed to the polarizing plate 8. It is described that adjustment is performed so that the transmittance of the (input-side polarizing plate) is maximized.
As shown in this example, it is certain that the polarization state can be controlled in accordance with the orientation direction by passing one quarter-wave plate or half-wave plate. However, in such a method using one quarter-wave plate or one half-wave plate, it is possible to freely adjust or select to control the conversion contents of the polarization state. Since only “orientation of the phase difference plate” is used, it is not possible to flexibly cope with the diversity of the relationship between the polarization states before and after the conversion. This can be explained in more detail as follows.

先ず、上記の液晶ディスプレイの例のように、位相差板による偏光状態の変換が望まれるケースにおいては、「変換前の偏光状態」(位相差板への入力光の完全偏光成分の変換前の偏光状態)を自由に選ぶことはできず、且つ、その偏光状態が一種類とは限らないということがある。上記した液晶ディスプレイの例で云えば、位相差板への入力光は、プリズムシートの出力光であるが、この出力光の完全偏光成分の偏光状態は、概ね導光板の種類とプリズムシートの種類の組み合わせで決まっており、自由に選ぶことは事実上困難である。また、導光板の種類とプリズムシートの種類の組み合わせが変われば変化する。   First, as in the case of the above liquid crystal display, in the case where the polarization state conversion by the retardation plate is desired, the “polarization state before conversion” (before the conversion of the complete polarization component of the input light to the retardation plate) (Polarization state) cannot be freely selected, and the polarization state is not always one type. In the example of the liquid crystal display described above, the input light to the retardation plate is the output light of the prism sheet. The polarization state of the completely polarized component of this output light is roughly the type of the light guide plate and the type of the prism sheet. It is difficult to choose freely. Moreover, it changes if the combination of the type of light guide plate and the type of prism sheet changes.

一方、「変換後の偏光状態」(位相差板からの出力光の完全偏光成分の変換後の偏光状態)は、一般に「希望する偏光状態」が状況に応じて設定されるのが一般的である。なお、本明細書ではこのように設定される偏光変換後の偏光状態を「目標偏光状態」と云うことにする。
上記した液晶ディスプレイの例で設定される1つの典型的な目標偏光状態は、「矩形の導光板の各辺の延在方向に対して45度傾斜した方向に平行な偏り方向を持つ直線偏光」である。ここで、「45度の傾斜」には、液晶表示パネル側から見て左回り(+45度傾斜)と、右回り(−45度傾斜)とがある。また、入力側偏光板の配向によっては、他の目標偏光状態が設定されることもあり得る。
On the other hand, the “polarization state after conversion” (the polarization state after conversion of the complete polarization component of the output light from the phase difference plate) is generally set according to the situation. is there. In this specification, the polarization state after polarization conversion set in this way is referred to as a “target polarization state”.
One typical target polarization state set in the above liquid crystal display example is “linearly polarized light having a polarization direction parallel to a direction inclined by 45 degrees with respect to the extending direction of each side of the rectangular light guide plate”. It is. Here, the “45 degree inclination” includes a counterclockwise direction (+45 degree inclination) and a clockwise direction (−45 degree inclination) when viewed from the liquid crystal display panel side. Further, depending on the orientation of the input side polarizing plate, another target polarization state may be set.

このように、偏光状態変換前後の偏光状態の関係にはかなりの多様性が想定されるところであり、そのような多様性に柔軟に対応できる偏光変換の技術が求められる訳であるが、上記した1枚の4分の1波長板あるいは1枚の2分の1波長板を使用した従来技術はこの要望に応えることができない。先ず、1枚の4分の1波長板を使用する手法では、「位相差板への入力光の完全偏光成分の偏光状態(以下、「入力偏光状態」と云う)が与えられた時に、「位相差板からの出力光の完全偏光成分の偏光状態(以下、「出力偏光状態」と云う)について実現可能な範囲に大きな制約が、位相差付与能力が小さいこと(π未満)に起因して原理的に存在する(理由は後述)。また、既述のように、自由に調整可能なのが、「1枚の位相差板の配向方向」だけであることも、「出力偏光状態」と「入力偏光状態」の関係に制約が生じる。   Thus, considerable diversity is assumed in the relationship between the polarization states before and after the polarization state conversion, and a polarization conversion technique that can flexibly cope with such diversity is required. The prior art using one quarter wave plate or one half wave plate cannot meet this demand. First, in the method using one quarter-wave plate, “when the polarization state of the completely polarized component of the input light to the retardation plate (hereinafter referred to as“ input polarization state ”) is given, A major limitation on the realizable range of the polarization state of the completely polarized component of the output light from the phase difference plate (hereinafter referred to as “output polarization state”) is due to the small phase difference imparting ability (less than π). It exists in principle (the reason is described later). In addition, as described above, the fact that only the “alignment direction of one phase difference plate” can be freely adjusted also restricts the relationship between the “output polarization state” and the “input polarization state”.

次に、1枚の2分の1波長板を使用する手法では、4分の1波長板の場合のように、位相差付与能力が小さいことに起因する制約は生じないが(理由は後述)、自由に調整乃至選択できるのが「1枚の位相差板の配向方向」だけであることから、「出力偏光状態」と「入力偏光状態」の関係に制約が生じる。つまり、4分の1波長板、2分の1波長板のいずれであっても、自由に調整乃至選択できるのが「1枚の位相差板の配向方向のみ」(位相差付与能力は固定)という状況下では、「任意に設定された目標偏光状態を与えられた入力偏光状態から生成する」という一般性は得られない。   Next, in the method using one half-wave plate, there is no restriction due to the small phase difference imparting ability as in the case of the quarter-wave plate (the reason will be described later). Since only the “orientation direction of one retardation plate” can be freely adjusted or selected, there is a restriction on the relationship between the “output polarization state” and the “input polarization state”. In other words, it is possible to freely adjust or select either a quarter-wave plate or a half-wave plate “only the orientation direction of one retardation plate” (the retardation imparting ability is fixed). Under such circumstances, the generality of “generating an arbitrarily set target polarization state from a given input polarization state” cannot be obtained.

後述するように、何らかの偏りを持つ任意の入力光の偏光度(定義は後述)を維持しつつ、そこに含まれる完全偏光が所望する「目標偏光状態の完全偏光」に変換された出力光とするには、一般に、位相差付与能力の合計がπ(2分の1波長に対応する位相差)以上となる2枚の位相差板が必要であり、且つ、それら位相差板の位相差Δと配向θについて、入力偏光状態と目標偏光状態(出力偏光状態)に応じた「特定の関係」が満たされなければならない。しかし、下記特許文献1には、「2枚の位相差板の使用」についての言及はなく、その当然の結果として、上記「特定の関係」に関する記述も無い。   As will be described later, while maintaining the degree of polarization of any input light having some bias (the definition will be described later), the output light converted into the “completely polarized light in the target polarization state” in which the completely polarized light included therein is desired In general, two phase difference plates having a total phase difference imparting ability equal to or greater than π (a phase difference corresponding to a half wavelength) are required, and the phase difference Δ between the phase difference plates is required. And the orientation θ must satisfy a “specific relationship” corresponding to the input polarization state and the target polarization state (output polarization state). However, the following Patent Document 1 does not mention “use of two retardation plates”, and as a natural result thereof, there is no description about the “specific relationship”.

なお、この他に、入力側偏光板の透過率を向上させる技術として、下記特許文献2に記載された手法がある。この手法は、延伸成形によって製造されるプリズムシートのベースフィルムの切り出し母材(大サイズのシート)の持つ旋光特性が、場所によって異なることを利用して、最善の旋光特性を持つ部分から切り出したベースフィルムを採用して、入力側偏光板の透過軸方向に整合した偏り方向の光を得ようとするものである。この手法により、大まかな偏光状態制御は可能であるが、特許文献1と同様、多様な偏光状態をとり得る入力光中の完全偏光を、所望する目標偏光状態の完全偏光に変換する汎用的な方法を提供するものではない。   In addition, as a technique for improving the transmittance of the input-side polarizing plate, there is a method described in Patent Document 2 below. This method uses the fact that the optical rotation characteristics of the base material (large size sheet) of the base film of the prism sheet produced by stretch molding differ depending on the location, and cut out from the part with the best optical rotation characteristics A base film is employed to obtain light in a bias direction aligned with the transmission axis direction of the input side polarizing plate. Although this method allows rough control of the polarization state, as in Patent Document 1, it is a general-purpose device that converts completely polarized light in input light that can take various polarization states into completely polarized light of a desired target polarization state. It does not provide a method.

なお、液晶ディスプレイの分野以外の光学分野一般に範囲を広げても、偏光度がゼロでない任意の入力光に含まれる完全偏光の偏光状態を、入力光が持っている偏光度を維持しつつ、別の目標とする偏光状態に変換して出力光とするといった高い汎用度を持つ偏光制御技術の開示例は見いだせない。   Even if the optical field other than the liquid crystal display field is expanded in general, the polarization state of the completely polarized light included in any input light having a non-zero degree of polarization is maintained while maintaining the degree of polarization of the input light. No disclosure example of a polarization control technique having a high degree of versatility, such as conversion to the target polarization state of the light and output light, cannot be found.

特開2006−39056号公報JP 2006-39056 A 特開2001−166302号公報JP 2001-166302 A

本発明の1つの目的は、偏光度がゼロでない任意の入力光について、偏光度を維持しつつ、そこに含まれる完全偏光の偏光状態を別の目標とする偏光状態に変換して出力光とする方法及び装置を提供することにある。また、本発明のもう1つの目的は、同装置を用いて、光の利用効率に優れた液晶ディスプレイを提供することにある。   One object of the present invention is to convert the polarization state of completely polarized light contained in any input light having a non-zero degree of polarization into another target polarization state while maintaining the degree of polarization. It is an object of the present invention to provide a method and apparatus. Another object of the present invention is to provide a liquid crystal display excellent in light utilization efficiency using the same apparatus.

上記課題を達成するために、本発明は先ず、「初期入力偏光状態Aの完全偏光と無偏光からなり、且つ、偏光度がゼロでない入力光を、目標偏光状態として予め定められ、前記初期入力偏光状態Aと異なる最終偏光状態Bの完全偏光と、無偏光とからなる出力光に変換する、偏光状態変換方法」を提供する。   In order to achieve the above-mentioned object, the present invention firstly reads: “Input light consisting of completely polarized light and non-polarized light in the initial input polarization state A and having a polarization degree not zero is predetermined as a target polarization state, and the initial input There is provided a polarization state conversion method for converting into output light composed of completely polarized light in a final polarization state B different from the polarization state A and non-polarized light.

本発明の特徴に従えば、同方法は、前記入力光を第1の位相差板に対して垂直に入力して該第1の位相差板を通過させることにより、一次変換光を生成する第1の段階と、前記一次変換光を第2の位相差板に対して垂直に入力して該第2の位相差板を通過させることにより、二次変換光を生成する第2の段階からなる。   According to the feature of the present invention, the method includes the step of generating the primary converted light by inputting the input light perpendicularly to the first retardation plate and passing the input light through the first retardation plate. 1 stage, and the 2nd stage which produces | generates a secondary conversion light by inputting the said primary conversion light perpendicularly | vertically with respect to a 2nd phase difference plate, and making it pass through this 2nd phase difference plate .

そして、前記第1の位相差板の位相差付与能力をΔ1とし、前記第2の位相差板の位相差付与能力をΔ2とした時、Δ1+Δ2≧πであり、且つ、Δ1及びΔ2の内、少なくとも一方の値はπ/2に等しい。換言すれば、前記第1の位相差板及び前記第2の位相差板の内、少なくとも一方として、4分の1波長板を使用する。   When the phase difference providing ability of the first phase difference plate is Δ1, and the phase difference providing ability of the second phase difference plate is Δ2, Δ1 + Δ2 ≧ π, and among Δ1 and Δ2, At least one value is equal to π / 2. In other words, a quarter wavelength plate is used as at least one of the first retardation plate and the second retardation plate.

更に、前記初期入力偏光状態Aを1組のストークスパラメータを4成分とし、規格化されたベクトルをSA、前記最終偏光状態Bを別の1組のストークスパラメータを4成分とし、規格化されたベクトルをSBで各々表わすとともに、
前記第1の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをR(Δ1,θ1)[但し、θ1は前記第1の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第1の位相差板の第1の配向方向を表わす角度]とし、
前記第2の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをR(Δ2,θ2)[但し、θ2は前記第2の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第2の位相差板の第2の配向方向を表わす角度]とした時、
(i)Δ1で表わされる前記第1の位相差付与能力、
(ii)θ1で表わされる前記第1の配向方向、
(iii)Δ2で表わされる前記第2の位相差付与能力、及び、
(iv)θ2で表わされる前記第2の配向方向の組み合わせが、関係式、
R(Δ2,θ2){R(Δ1,θ1)SA}=SB
を満たすように、前記第1の配向方向及び前記第2の配向方向が定められる。これにより、前記二次変換光に含まれる完全偏光の偏光状態が前記最終偏光状態Bに一致する。
Further, the initial input polarization state A has one set of Stokes parameters as four components, the normalized vector is SA, and the final polarization state B is another set of Stokes parameters as four components, and the normalized vector Is represented by SB,
The Mueller matrix expressing the polarization conversion action of the first retardation plate is R (Δ1, θ1) [where θ1 is the first position in the plane perpendicular to the thickness direction of the first retardation plate. An angle representing the first orientation direction of the phase difference plate],
The Mueller matrix expressing the polarization conversion action of the second retardation plate is R (Δ2, θ2), where θ2 is the second position in the plane perpendicular to the thickness direction of the second retardation plate. Angle representing the second orientation direction of the phase difference plate]
(I) the first phase difference providing ability represented by Δ1,
(Ii) the first orientation direction represented by θ1;
(Iii) the second phase difference imparting ability represented by Δ2, and
(Iv) A combination of the second orientation directions represented by θ2 is a relational expression:
R (Δ2, θ2) {R (Δ1, θ1) SA} = SB
The first alignment direction and the second alignment direction are determined so as to satisfy the above. Thereby, the polarization state of the completely polarized light included in the secondary converted light matches the final polarization state B.

ここで、前記第1の位相差板及び前記第2の位相差板のいずれもが4分の1波長板であっても良い。また、前記第1の位相差板及び前記第2の位相差板の内の一方は、2分の1波長板であっても良い。また、前記第1の配向方向と前記第2の配向方向が互いに異なっていることが一般的である。前記入力光を、導光板の出射面から斜め出射され、次いで、出射面の正面方向に進行方向修正された光とし、前記出力光を、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルに供給される光とし、前記最終偏光状態Bを、前記出力光に含まれる直線偏光成分の偏り方向が、前記偏光板の透過軸方向と平行となるように定めることもできる。   Here, both the first retardation plate and the second retardation plate may be quarter-wave plates. One of the first retardation plate and the second retardation plate may be a half-wave plate. In general, the first alignment direction and the second alignment direction are different from each other. A liquid crystal display panel including a polarizing plate disposed on the light input side, wherein the input light is emitted obliquely from the exit surface of the light guide plate and then corrected in the traveling direction in the front direction of the exit surface. The final polarization state B can be determined so that the polarization direction of the linearly polarized light component included in the output light is parallel to the transmission axis direction of the polarizing plate.

上記課題を達成するために、本発明はまた、「初期入力偏光状態Aの完全偏光と無偏光からなり、且つ、偏光度がゼロでない入力光を、目標偏光状態として予め定められ、前記初期入力偏光状態Aと異なる最終偏光状態Bの完全偏光と、無偏光とからなる出力光に変換する、偏光状態変換装置」を提供する。
本発明の特徴に従えば、同偏光状態変換装置は、互いに平行に配置された第1の位相差板及び第2の位相差板を備え、前記第1の位相差板は、前記入力光を前記第1の位相差板に対して垂直に入力させ、一次変換光を出力するように配置さる。
In order to achieve the above-mentioned object, the present invention also provides that “the input light consisting of completely polarized light and non-polarized light in the initial input polarization state A and having a non-polarization degree of zero is predetermined as the target polarization state, and the initial input There is provided a polarization state conversion device that converts output light composed of completely polarized light in a final polarization state B different from the polarization state A and non-polarized light.
According to a feature of the present invention, the polarization state conversion device includes a first retardation plate and a second retardation plate arranged in parallel with each other, and the first retardation plate transmits the input light. It arrange | positions so that it may input perpendicularly | vertically with respect to the said 1st phase difference plate, and may output primary conversion light.

そして、前記第2の位相差板は、前記第1の位相差板によって出力された前記一次変換光を前記第2の位相差板に対して垂直に入力させ、二次変換光を出力するように配置されている。
また、前記第1の位相差板の位相差付与能力をΔ1とし、前記第2の位相差板の位相差付与能力をΔ2とした時、Δ1+Δ2≧πであり、且つ、Δ1及びΔ2の内、少なくとも一方の値はπ/2に等しい。換言すれば、前記第1の位相差板及び前記第2の位相差板の内、少なくとも一方は、4分の1波長板とされる。
The second retardation plate causes the primary converted light output by the first retardation plate to be input perpendicularly to the second retardation plate and outputs secondary converted light. Is arranged.
Further, when the phase difference providing ability of the first phase difference plate is Δ1, and the phase difference providing ability of the second phase difference plate is Δ2, Δ1 + Δ2 ≧ π, and among Δ1 and Δ2, At least one value is equal to π / 2. In other words, at least one of the first retardation plate and the second retardation plate is a quarter-wave plate.

更に、前記初期入力偏光状態Aを1組のストークスパラメータを4成分とし、規格化されたベクトルをSA、前記最終偏光状態Bを別の1組のストークスパラメータを4成分とし、規格化されたベクトルをSBで各々表わすとともに、
前記第1の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをR(Δ1,θ1)[但し、θ1は前記第1の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第1の位相差板の第1の配向方向を表わす角度]とし、
前記第2の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをR(Δ2,θ2)[但し、θ2は前記第2の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第2の位相差板の第2の配向方向を表わす角度]とした時、
(i)Δ1で表わされる前記第1の位相差付与能力、
(ii)θ1で表わされる前記第1の配向方向、
(iii)Δ2で表わされる前記第2の位相差付与能力、及び、
(iv)θ2で表わされる前記第2の配向方向の組み合わせが、関係式、
R(Δ2,θ2){R(Δ1,θ1)SA}=SB
を満たすように前記第1の配向方向及び前記第2の配向方向が定められている。これにより、前記二次変換光に含まれる完全偏光の偏光状態が前記最終偏光状態Bに一致する。
Further, the initial input polarization state A has one set of Stokes parameters as four components, the normalized vector is SA, and the final polarization state B is another set of Stokes parameters as four components, and the normalized vector Is represented by SB,
The Mueller matrix expressing the polarization conversion action of the first retardation plate is R (Δ1, θ1) [where θ1 is the first position in the plane perpendicular to the thickness direction of the first retardation plate. An angle representing the first orientation direction of the phase difference plate],
The Mueller matrix expressing the polarization conversion action of the second retardation plate is R (Δ2, θ2), where θ2 is the second position in the plane perpendicular to the thickness direction of the second retardation plate. Angle representing the second orientation direction of the phase difference plate]
(I) the first phase difference providing ability represented by Δ1,
(Ii) the first orientation direction represented by θ1;
(Iii) the second phase difference imparting ability represented by Δ2, and
(Iv) A combination of the second orientation directions represented by θ2 is a relational expression:
R (Δ2, θ2) {R (Δ1, θ1) SA} = SB
The first alignment direction and the second alignment direction are determined so as to satisfy the above. Thereby, the polarization state of the completely polarized light included in the secondary converted light matches the final polarization state B.

ここで、前記第1の位相差板及び前記第2の位相差板のいずれも4分の1波長板であって良い。あるいは、前記第1の位相差板及び前記第2の位相差板の内の一方は、2分の1波長板であっても良い。なお、典型的なケースでは、前記第1の配向方向と前記第2の配向方向が互いに異なったものとされる。   Here, both the first retardation plate and the second retardation plate may be quarter-wave plates. Alternatively, one of the first retardation plate and the second retardation plate may be a half-wave plate. In a typical case, the first alignment direction and the second alignment direction are different from each other.

更に本発明は、「面光源装置として、偏光状態変換装置と、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルとを備えた液晶ディスプレイ」を提供する。
本発明の特徴に従えば、前記面光源装置は、入射面及び出射面を有する導光板と、前記入射面を通して前記導光板に一次光を供給する一次光源と、前記入射面に沿って配置され、前記出射面から斜め出射された出射光の進行方向を前記出射面の正面方向に修正する進行方向修正部材とを備えたものが用いられる。
Furthermore, the present invention provides a “liquid crystal display including a polarization state conversion device as a surface light source device and a liquid crystal display panel including a polarizing plate disposed on the light input side”.
According to a feature of the invention, the surface light source device is disposed along the incident surface, a light guide plate having an incident surface and an output surface, a primary light source that supplies primary light to the light guide plate through the incident surface, and A member provided with a traveling direction correcting member for correcting the traveling direction of the outgoing light obliquely emitted from the emitting surface to the front direction of the emitting surface is used.

前記偏光状態変換装置には、請求項9に記載された偏光状態変換装置が採用され、前記進行方向修正部材によって進行方向を前記正面方向に修正された、前記出射面からの出射光を、前記入力光として前記第1の位相差板に入力させるように配置され、前記出力光が、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルに供給される。   The polarization state conversion device according to claim 9 is adopted as the polarization state conversion device, and the outgoing light from the emission surface whose traveling direction has been corrected to the front direction by the traveling direction correction member, It arrange | positions so that it may input into the said 1st phase difference plate as input light, The said output light is supplied to the liquid crystal display panel containing the polarizing plate arrange | positioned at the light input side.

そして、前記最終偏光状態Bは、前記偏光板の透過軸方向と平行な偏り方向を持つ直線偏光を表わすように定められる。
典型的なケースにおいて、前記導光板の前記出射面は矩形であり、前記偏光板の透過軸方位が前記矩形の各辺の延在方向に対して45度の角度をなしている。また、前記第1の位相差板が、前記進行方向修正部材と一体化されていても良い。前記二次変換光を拡散する光拡散部材が前記偏光板の光入力側に配置されていても良く、前記第2の位相差板が前記光拡散部材と一体化されていても良い。
The final polarization state B is determined to represent linearly polarized light having a polarization direction parallel to the transmission axis direction of the polarizing plate.
In a typical case, the light exit surface of the light guide plate is rectangular, and the transmission axis direction of the polarizing plate forms an angle of 45 degrees with respect to the extending direction of each side of the rectangle. Further, the first retardation plate may be integrated with the traveling direction correcting member. A light diffusing member that diffuses the secondary converted light may be disposed on the light input side of the polarizing plate, and the second retardation plate may be integrated with the light diffusing member.

本発明によれば、多様な偏光状態をとり得る入力光(例えば、面光源装置からの正面照明光)を、同じ偏光度を持ち、所望の目標偏光状態(例えば、偏光成分が液晶表示パネルの入力側偏光板透過軸と同じく導光板の各辺に対して45度傾斜した方向に整合した直線偏光)を完全偏光の成分に持つ出力光に変換できる汎用性の高い偏光状態制御が可能になる。特に、入力偏光状態と目標偏光状態の組み合わせがどのように変わっても、両位相差板の位相差付与能力Δ1,Δ2に変更を加えることなく、両位相差板の配向方向を調整するだけで、目標偏光状態への変換が可能になることは実用上非常に有利である。   According to the present invention, input light that can have various polarization states (for example, front illumination light from a surface light source device) has the same degree of polarization, and a desired target polarization state (for example, a polarization component of a liquid crystal display panel). Like the input-side polarizing plate transmission axis, it is possible to perform highly versatile polarization state control that can convert linearly polarized light (aligned in a direction inclined by 45 degrees with respect to each side of the light guide plate) into output light having a completely polarized component. . In particular, no matter how the combination of the input polarization state and the target polarization state changes, it is only necessary to adjust the orientation direction of both retardation plates without changing the retardation imparting ability Δ1, Δ2 of both retardation plates. It is very advantageous in practice to enable conversion to the target polarization state.

また、同偏光状態制御を行う装置を液晶ディスプレイに組み込んで、液晶ディスプレイの光の利用効率を向上させることが可能になる。そして、その際に、入力偏光状態(プリズムシートの出力光の完全変更成分)と目標偏光状態(液晶表示パネルの入力側偏光板の透過軸に平行な偏り方向を持つ直線偏光)の組み合わせがどのように変わっても、両位相差板の位相差付与能力Δ1,Δ2に変更を加えることなく、両位相差板の配向方向を調整するだけで、目標偏光状態への変換が可能になることは、液晶ディスプレイを製造する上で非常に有利である。   In addition, it is possible to improve the light use efficiency of the liquid crystal display by incorporating a device for controlling the polarization state into the liquid crystal display. At that time, what is the combination of the input polarization state (completely changing component of the output light of the prism sheet) and the target polarization state (linear polarization having a polarization direction parallel to the transmission axis of the input side polarizing plate of the liquid crystal display panel)? Even if it changes, it is possible to convert to the target polarization state by adjusting the orientation direction of both phase difference plates without changing the phase difference imparting ability Δ1, Δ2 of both phase difference plates. It is very advantageous in manufacturing a liquid crystal display.

本発明の実施形態について説明するに先立って、前提となる諸事項(偏光状態を記述する際の一般事項、ストークスパラメータを用いた偏光状態の表現法、同す表現法に関連して用いられるポアンカレ球、並びに位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックス等について概略を説明する。   Prior to the description of the embodiments of the present invention, assumptions (general matters when describing a polarization state, a polarization state representation method using Stokes parameters, and a Poincare method used in connection with the representation method) An outline of the sphere and the Mueller matrix expressing the polarization conversion action of the retardation plate will be described.

(I)偏光状態を記述する諸事項;
本発明では、第1の位相差板と第2の位相差板を用いて偏光変換が行われるが、入力光として想定するのは、「何らかの偏りのある光」であり、既述の通り、一般には「無偏光」と「完全偏光」を合成した(重ね合わせた)光と考えることができる。「無偏光」の成分がゼロの場合(完全偏光のみ)もあり得るが、無偏光のみの入力は想定されない。各位相差板への入力(入射)は垂直に行われる。この状況下で、「無偏光」と「完全偏光」の合成光を位相差板に入力した場合の偏光変換作用は、「無偏光」の成分に対する作用と「完全偏光」の成分に対する作用に分けて考えることができる。
(I) Items describing the polarization state;
In the present invention, the polarization conversion is performed using the first retardation plate and the second retardation plate, but it is assumed that the input light is “light with some bias”, as described above. In general, it can be considered as light that is a combination (superposition) of “non-polarized light” and “perfectly polarized light”. There may be a case where the component of “non-polarized light” is zero (completely polarized light only), but an input of only non-polarized light is not assumed. Input (incident) to each phase difference plate is performed vertically. Under this circumstance, the polarization conversion action when the combined light of “non-polarized light” and “completely polarized light” is input to the phase difference plate is divided into the action for the “non-polarized light” component and the action for the “completely polarized light” component. Can think.

先ず、無偏光に対する作用についは、トータルとしてニュートラル(無作用)であることが知られている。即ち、無偏光を位相差板に垂直入射させても、同位相差板から出射される光も無偏光である(理論的根拠については省略)。
そこで、本発明のケースでは、入力光に含まれる「完全偏光」に注目し、完全偏光に対する位相差板の偏光変換作用を考えれば十分であるということになる。
First, it is known that the action against non-polarized light is neutral (no action) as a whole. That is, even if non-polarized light is perpendicularly incident on the phase difference plate, the light emitted from the phase difference plate is also non-polarized (the theoretical basis is omitted).
Therefore, in the case of the present invention, it is sufficient to pay attention to the “completely polarized light” included in the input light and consider the polarization conversion action of the retardation plate for the completely polarized light.

図1は、z軸方向(図示省略;xy平面に垂直)に進行する完全偏光の偏光状態を説明する図である。周知の通り、一般の完全偏光は楕円偏光として記述することが可能であり、直線偏光や円偏光は楕円偏光の特殊なケースとして扱うことができる。図1において、楕円図形で描かれているのはz軸方向に垂直に進行する完全偏光の偏波ベクトル(x方向偏波成分とy方向偏波成分を合成したベクトル)の先端が描く軌跡を表わしている。同図において、符号ξは楕円の長軸を表わし、符号ηは楕円の短軸方向を表わしている。   FIG. 1 is a diagram for explaining the polarization state of completely polarized light traveling in the z-axis direction (not shown; perpendicular to the xy plane). As is well known, general completely polarized light can be described as elliptically polarized light, and linearly polarized light and circularly polarized light can be treated as a special case of elliptically polarized light. In FIG. 1, an ellipse figure shows a locus drawn by the tip of a completely polarized polarization vector (a vector obtained by combining an x-direction polarization component and a y-direction polarization component) that travels perpendicular to the z-axis direction. It represents. In the figure, symbol ξ represents the major axis of the ellipse, and symbol η represents the minor axis direction of the ellipse.

Θはx軸方向を基準に測った長軸方位で、正負符号は左回りが正、右回りが負である。また、βは楕円に接する矩形を考え、その対角線の方向が長軸ξに対してなす角度を、左回りを正、右回りを負で表現した角度(楕円率角)である。但し、対角線は2本(β値が正と負)が存在するので、右回り楕円偏光ではβ>0とし、左回り楕円偏光ではβ<0とする。楕円率は、Tan βで定義できる。
なお、β=0は直線偏光を表わし、楕円率Tan β=0となる。また、円偏光では、ξ、η方向は任意(不定)であるが、例えばξ方向=x方向、η方向=y方向(Θ=0度)とする。また、楕円率角については、β=−45度(左回り円偏光)あるいはβ=+45度(右回り円偏光)とする。
Θ is the major axis orientation measured with respect to the x-axis direction, and the positive / negative sign is positive for counterclockwise and negative for clockwise. Further, β is an angle (ellipticity angle) in which a rectangle in contact with an ellipse is considered and an angle formed by the diagonal direction with respect to the major axis ξ is represented by positive in the counterclockwise direction and negative in the clockwise direction. However, since there are two diagonal lines (β value is positive and negative), β> 0 for clockwise elliptically polarized light and β <0 for counterclockwise elliptically polarized light. The ellipticity can be defined by Tan β.
Note that β = 0 represents linearly polarized light, and the ellipticity Tan β = 0. In circularly polarized light, the ξ and η directions are arbitrary (undefined). For example, the ξ direction = x direction and the η direction = y direction (Θ = 0 degrees). The ellipticity angle is β = −45 degrees (counterclockwise circularly polarized light) or β = + 45 degrees (clockwise circularly polarized light).

(II)ストークスパラメータを用いた偏光状態の表現及びポアンカレ球について;
一般の光の偏光状態を表現法として、ストークスパラメータを4成分とするベクトル(以下、ストークスベクトルと云う)を用いる方法が知られている。ストークスベクトルの4成分を構成するストークスパラメータは次のように定義される。
S0=強度
S1=水平直線偏光成分
S2=45度直線偏光成分
S3=右回り円偏光成分
また、偏光度VをV=[(S12+S22+S32)/S021/2で定義することができる。完全偏光の場合、S12+S22+S32=S02となり、V=1となる。
(II) Representation of polarization state using Stokes parameters and Poincare sphere;
As a method for expressing the polarization state of general light, a method using a vector having four components of Stokes parameters (hereinafter referred to as a Stokes vector) is known. Stokes parameters constituting the four components of the Stokes vector are defined as follows.
S0 = intensity S1 = horizontal linearly polarized light component S2 = 45 degree linearly polarized light component S3 = clockwise circularly polarized light component Also, the degree of polarization V is defined by V = [(S1 2 + S2 2 + S3 2 ) / S0 2 ] 1/2 be able to. In the case of complete polarization, S1 2 + S2 2 + S3 2 = S0 2 and V = 1.

既述の通り、ここでは完全偏光に注目して、位相差板の偏光変換作用を考えるので、S0=1として規格化されたストークスベクトルを考え、第1の位相差板へ入力される光の完全偏光成分の偏光状態(=初期入力偏光状態)を、規格化されたストークスベクトルSAで表わすことにする。同様に、2枚の位相差板を通過して出力された光の完全偏光成分の偏光状態(=最終偏光状態)を、規格化されたストークスベクトルSBで表わすことにする。   As described above, since the polarization conversion action of the phase difference plate is considered focusing on complete polarization here, the Stokes vector normalized as S0 = 1 is considered, and the light input to the first phase difference plate is considered. The polarization state of the complete polarization component (= initial input polarization state) will be represented by a normalized Stokes vector SA. Similarly, the polarization state (= final polarization state) of the completely polarized component of the light output after passing through the two retardation plates is expressed by a standardized Stokes vector SB.

さて、上述したストークスベクトルを幾何学的乃至視覚的に表現する手法として、ポアンカレ球を用いた方法がある。ポアンカレ球は、図2に示したように、各ストークスパラメータS1、S2、S3に対応する直交座標軸(S1軸、S2軸及びS3軸)を考え、半径S0の球を定義したものである。このポアンカレ球を用いれば、ストークスベクトルとポアンカレ球上の点とは、「一対一」で対応する。ここでは規格化したストークスベクトルを考えるので、S0=1である。なお、図2中には、水平直線偏光を表わすポアンカレ球上の点、45度直線偏光、及び右回り円偏光を表わすポアンカレ球上の各点が例示されている。
S0=1として、水平直線偏光の座標値は(1,0,0)であり、45度直線偏光の座標値は(0,1,0)である。また、右回り円偏光の座標値は(0,0,1)である。
As a technique for geometrically or visually expressing the above-mentioned Stokes vector, there is a method using a Poincare sphere. As shown in FIG. 2, the Poincare sphere defines a sphere having a radius S0 in consideration of orthogonal coordinate axes (S1, A2, and S3 axes) corresponding to the Stokes parameters S1, S2, and S3. If this Poincare sphere is used, the Stokes vector and the point on the Poincare sphere correspond one-on-one. Here, since a normalized Stokes vector is considered, S0 = 1. FIG. 2 illustrates points on the Poincare sphere representing horizontal linearly polarized light, points on the Poincare sphere representing 45 degree linearly polarized light, and clockwise circularly polarized light.
With S0 = 1, the coordinate value of horizontal linearly polarized light is (1, 0, 0), and the coordinate value of 45 degree linearly polarized light is (0, 1, 0). The coordinate value of clockwise circularly polarized light is (0, 0, 1).

(III)ストークスパラメータと長軸方位角Θ、楕円率角β等との関係について;
既述の通り、完全偏光について、上記(I)で説明した長軸方位角Θ、楕円率角β等を用いた表現と、上記(II)で説明したストークスパラメータを用いた表現が可能である。これら表現の関係は次のようになることが知られている。以下、この式を便宜上「偏光状態表現換算式」という。
・S1=cos2Θcos2β
・S2=sin2Θcos2β
・S3=sin2β
なお、ここでは規格化されたストークスベクトルを考えているので、S0=1である。
(III) Relationship between Stokes parameters and major axis azimuth angle Θ, ellipticity angle β, etc .;
As described above, complete polarization can be expressed using the major axis azimuth angle Θ and ellipticity angle β described in (I) above and the Stokes parameter described in (II) above. . It is known that the relationship between these expressions is as follows. Hereinafter, this formula is referred to as “polarization state expression conversion formula” for convenience.
・ S1 = cos2Θcos2β
・ S2 = sin2Θcos2β
・ S3 = sin2β
Here, since a standardized Stokes vector is considered, S0 = 1.

(IV)ミュラーマトリックスについて;
上記したストークスベクトルで偏光状態を表現した場合、その偏光状態を位相差板に垂直入射させた場合の偏光変換作用をミュラーマトリックスで表現できることが知られている。シミュレーションは、4行4列のマトリックスで、行列要素にパラメータとして、位相差板の位相差付与能力Δと、位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における同位相差板の配向方向を表わす角度θを含んでいる。ミュラーマトリックスR(Δ、θ)を便宜上下記のように一般表現する。なお、この行列は、直線位相子行列と呼ばれることもある。
(IV) About Mueller Matrix;
When the polarization state is expressed by the Stokes vector, it is known that the polarization conversion action when the polarization state is perpendicularly incident on the phase difference plate can be expressed by a Mueller matrix. The simulation is a matrix of 4 rows and 4 columns, and the phase difference imparting ability Δ of the phase difference plate and the angle indicating the orientation direction of the phase difference plate in a plane perpendicular to the thickness direction of the phase difference plate are used as parameters in the matrix element. θ is included. The Mueller matrix R (Δ, θ) is generally expressed as follows for convenience. This matrix is sometimes called a linear phaser matrix.

Figure 2009192825
Figure 2009192825

各行列要素r11〜r44は次のようになる。
・r11=1
・r12=r13=r14=0
・r21=0
・r22=1−(1−cosΔ)sin22θ
・r23=(1−cosΔ)sin2θcos2θ
・r24=−sinΔsin2θ
・r31=0
・r32=(1−cosΔ)sin2θcos2θ
・r33=1−(1−cosΔ)cos22θ
・r34=sinΔcos2θ
・r41=0
・r42=sinΔsin2θ
・r43=−sinΔcos2θ
・r44=cosΔ
Each matrix element r11 to r44 is as follows.
・ R11 = 1
・ R12 = r13 = r14 = 0
・ R21 = 0
R22 = 1- (1-cosΔ) sin 2
R23 = (1-cosΔ) sin2θcos2θ
・ R24 = −sinΔsin2θ
・ R31 = 0
R32 = (1-cosΔ) sin2θcos2θ
R33 = 1- (1-cosΔ) cos 2
・ R34 = sinΔcos2θ
・ R41 = 0
・ R42 = sinΔsin2θ
・ R43 = −sinΔcos2θ
・ R44 = cosΔ

ここで、Δは位相差板の位相差付与能力(位相差板に垂直入射した光が位相差板から出力されるまでに通過で与えられる位相差=位相差板通過により、進相軸方向の偏波成分と遅相軸方向の偏波成分との間に生じる位相差)である。周知のように、この位相差付与能力Δ=π/2(4分の1波長分の位相)である位相差板が4分の1波長板であり、位相差付与能力Δ=π(2分の1波長分の位相)である位相差板が2分の1波長板である。なお、位相差板のΔは通常0<Δ<2πの範囲で表現される。2πを越える位相差を与えることも可能であるが、光波の周期性から考えて2πの正整数倍の位相差分は無視して表現される。例えば、2分の3波長分の位相差(3π)を付ける位相差板は、2分の1波長板と同等であるので、両者を区別しない。また、Δ=0やΔ=2πの場合には、位相差付与能力が無い(従って、そのような光学要素は「位相差板」と呼ばれない)。   Here, Δ is the phase difference imparting ability of the phase difference plate (the phase difference given by the passage of light perpendicularly incident on the phase difference plate until it is output from the phase difference plate = the phase difference plate direction, The phase difference between the polarization component and the polarization component in the slow axis direction). As is well known, a retardation plate having this retardation providing ability Δ = π / 2 (a phase corresponding to a quarter wavelength) is a quarter-wave plate, and the retardation providing ability Δ = π (two minutes). Is a half-wave plate. Note that Δ of the phase difference plate is normally expressed in a range of 0 <Δ <2π. Although it is possible to give a phase difference exceeding 2π, in consideration of the periodicity of the light wave, a phase difference that is a positive integer multiple of 2π is ignored and expressed. For example, a phase difference plate that gives a phase difference (3π) for three-half wavelengths is equivalent to a half-wave plate, so that they are not distinguished from each other. Further, when Δ = 0 or Δ = 2π, there is no phase difference imparting ability (thus, such an optical element is not called a “retardation plate”).

また、θで表わされる位相差板の配向方向は、「位相差板の進相軸の方向が“基準となる方向”に対してなす角度」を表わしている。ここで“基準となる方向(基準方向)”は、通常、水平方向(図1の描示においてx方向)であり、θのとり得るレンジは、0度≦θ<180度である。   Further, the orientation direction of the retardation plate represented by θ represents “an angle formed by the direction of the fast axis of the retardation plate with respect to the“ reference direction ””. Here, the “reference direction (reference direction)” is usually the horizontal direction (x direction in the drawing of FIG. 1), and the range that θ can take is 0 degree ≦ θ <180 degrees.

今、位相差板が4分の1波長板(位相差付与能力Δ=π/2)であれば、ミュラーマトリックスの各行列要素は次のようになる。
・r11=1
・r12=r13=r14=0
・r21=0
・r22=1−sin22θ=cos22θ
・r23=sin2θcos2θ
・r24=−sin2θ
・r31=0
・r32=sin2θcos2θ
・r33=1−cos22θ=sin22θ
・r34=cos2θ
・r41=0
・r42=sin2θ
・r43=−cos2θ
・r44=0
If the phase difference plate is a quarter-wave plate (phase difference providing ability Δ = π / 2), each matrix element of the Mueller matrix is as follows.
・ R11 = 1
・ R12 = r13 = r14 = 0
・ R21 = 0
・ R22 = 1−sin 2 2θ = cos 2
・ R23 = sin2θcos2θ
・ R24 = −sin2θ
・ R31 = 0
・ R32 = sin2θcos2θ
・ R33 = 1−cos 2 2θ = sin 2
・ R34 = cos2θ
・ R41 = 0
・ R42 = sin2θ
・ R43 = -cos2θ
・ R44 = 0

また、位相差板が2分の1波長板(位相差付与能力Δ=π)であれば、次のようになる。
・r11=1
・r12=r13=r14=0
・r21=0
・r22=1−2sin22θ=cos4θ
・r23=2sin2θcos2θ=sin4θ
・r24=0
・r31=0
・r32=2sin2θcos2θ=sin4θ
・r33=1−2cos22θ=−cos4θ
・r34=0
・r41=0
・r42=0
・r43=0
・r44=−1
Further, if the retardation plate is a half-wave plate (retardation imparting ability Δ = π), the following is obtained.
・ R11 = 1
・ R12 = r13 = r14 = 0
・ R21 = 0
・ R22 = 1−2sin 2 2θ = cos4θ
・ R23 = 2sin2θcos2θ = sin4θ
・ R24 = 0
・ R31 = 0
・ R32 = 2sin2θcos2θ = sin4θ
・ R33 = 1−2 cos 2 2θ = −cos 4θ
・ R34 = 0
・ R41 = 0
・ R42 = 0
・ R43 = 0
・ R44 = -1

ミュラーマトリックスで表わされる位相差板の偏光変換作用は、一般に、入力光の偏光状態を表わすストークスベクトルSに同ミュラーマトリックスR(Δ、θ)を左側から乗じた式R(Δ、θ)Sで表すことができる。図3は、これを幾何学的なイメージで説明する図である。同図において、入力光(ここでは完全偏光を想定)の偏光状態を表わすストークスベクトルSをSAとする。SAの4成分S0〜S4については次のように表記する。
・S0=SA0(但し、ここではSA0=1とする)
・S1=SA1
・S2=SA2
・S3=SA3
そして、ストークスパラメータ(偏光状態)SAが表わすポアンカレ球上の位置は、図3(a)中のAであるとする。
The polarization conversion action of the retardation plate represented by the Mueller matrix is generally expressed by the equation R (Δ, θ) S obtained by multiplying the Stokes vector S representing the polarization state of the input light by the Mueller matrix R (Δ, θ) from the left side. Can be represented. FIG. 3 is a diagram illustrating this with a geometric image. In the figure, the Stokes vector S representing the polarization state of the input light (here, assuming perfect polarization) is SA. The four components S0 to S4 of SA are expressed as follows.
・ S0 = SA0 (however, here SA0 = 1)
・ S1 = SA1
・ S2 = SA2
・ S3 = SA3
The position on the Poincare sphere represented by the Stokes parameter (polarization state) SA is assumed to be A in FIG.

ところで、ミュラーマトリックスR(Δ、θ)による偏光変換を行うことは、下記(i)の幾何学的操作を行い、次いで下記(ii)の幾何学的操作を行うことと等価であることが知られている。
(i)ポアンカレ球面上の点Aの位置(図3(a)参照)を維持したまま、ポアンカレ球のS3軸を回転軸として、S1軸をS3軸回りで2θ回転させたものに相当する軸a−aを定める。この軸a−aは次の操作(ii)のための回転軸a−aとされる軸である。
(ii)図3(b)に示したように、上記(i)の操作で定められた軸a−aに対して垂直な平面P上で、点AをΔだけ軸a−a回りで回転移動させる。移動後のポアンカレ球上位置をBとする。
この点Bに対応するストークスベクトルをSBとすれば、上記(i)、(ii)の操作は、次のように表現できる。
R(Δ、θ)SA=SB
By the way, performing polarization conversion using the Mueller matrix R (Δ, θ) is equivalent to performing the following geometric operation (i) and then performing the geometric operation (ii) below. It has been.
(I) An axis corresponding to a point obtained by rotating the S1 axis about the S3 axis by 2θ while maintaining the position of the point A on the Poincare sphere (refer to FIG. 3A), with the S3 axis of the Poincare sphere as the rotation axis. Define aa. The axis aa is an axis that is a rotation axis aa for the next operation (ii).
(Ii) As shown in FIG. 3B, the point A is rotated around the axis aa by Δ on the plane P perpendicular to the axis aa determined by the operation (i). Move. Let B be the position on the Poincare sphere after movement.
If the Stokes vector corresponding to this point B is SB, the operations (i) and (ii) can be expressed as follows.
R (Δ, θ) SA = SB

上記(i)、(ii)の操作内容から、ミュラーマトリックスR(Δ、θ)の偏光変換作用は、幾何学的に見れば、「θによる回転操作(i)」と、「Δによる回転操作(ii)」からなるということができる。ここで、従来技術のように1枚の位相差板を使用するケースを考えてみると、位相差板の配向方向θは自由に選択できるが位相差付与能力Δは変えられない。例えば2分1波長板であればΔ=πに固定され、4分1波長板であればΔ=π/2に固定されてしまう。従って、Δにどのような値(固定値)を設定したとしても、ポアンカレ球上の出発点Aと移動後の点Bの関係はきわめて制限されたものとなる。   From the operation contents of the above (i) and (ii), the polarization conversion action of the Mueller matrix R (Δ, θ) is geometrically viewed as “rotation operation (i) by θ” and “rotation operation by Δ. (Ii) ". Here, considering the case of using one retardation plate as in the prior art, the orientation direction θ of the retardation plate can be freely selected, but the retardation providing ability Δ cannot be changed. For example, a half-wave plate is fixed to Δ = π, and a quarter-wave plate is fixed to Δ = π / 2. Therefore, no matter what value (fixed value) is set for Δ, the relationship between the starting point A on the Poincare sphere and the point B after movement is extremely limited.

即ち、図3(a)、(b)において、θをいくら変化させても、上記操作(i)、(ii)を施した後の点は、ポアンカレ球面上で1本の閉曲線上でしか動けない。今、Δを固定してθを0からπ(0度から180度)まで変化させることを考えてみる。出発点Aに上記(i)、(ii)の幾何学的操作を施した点は、θ=0の下では、「点Aを通りS1軸に対して垂直な平面(S2S3平面に平行な面)上で、点AをΔだけS1軸回りで回転移動させた点」となる。この点を図3(a)中にB0で示した。そして、θを徐々にπまで増大させていくと、操作(i)、(ii)完了後の点は、点B0から離れ、途中で図3(b)中に示した点Bを通り、θ=πでは元のB0に戻ることになる。このことは、「1枚の位相差板では、点Aと点Bの位置関係に強い制約があり、自由に設定できない」と云うことを意味している。つまり、1枚の位相差付与能力が固定された位相差板では、配向方向をいかに調整しても、ポアンカレ球上を自由に動けないということである。   That is, in FIGS. 3A and 3B, no matter how much θ is changed, the point after the above operations (i) and (ii) can move only on one closed curve on the Poincare sphere. Absent. Now, let's consider changing Δ from 0 to π (0 degrees to 180 degrees) with Δ fixed. The point where the above geometrical operations (i) and (ii) are applied to the starting point A is as follows: under θ = 0, “a plane passing through the point A and perpendicular to the S1 axis (a plane parallel to the S2S3 plane ) Above, the point A is a point that is rotated about the S1 axis by Δ. This point is indicated by B0 in FIG. Then, when θ is gradually increased to π, the point after the completion of the operations (i) and (ii) is separated from the point B0 and passes through the point B shown in FIG. = Π will return to the original B0. This means that “a single phase difference plate has a strong restriction on the positional relationship between point A and point B and cannot be freely set”. In other words, a single retardation plate with a fixed retardation providing ability cannot move freely on the Poincare sphere no matter how the orientation direction is adjusted.

本願の発明者は、上記制約について考察し、要するに、「自由に調整乃至選択できるファクタが1つ(位相差板の配向方向)しかないこと」に根本的な原因があると考え、2枚の位相差板を組み合わせることで「自由に調整乃至選択できるファクタが2つ存在する状況」が生まれることに着目した。つまり、各位相差板の配向方向を独立に選べるならば、2枚の位相差板の位相差付与能力が十分である限り、ポアンカレ球上を自由に動けるということである。   The inventor of the present application considers the above-mentioned restrictions, and in short, thinks that there is a fundamental cause in “there is only one factor that can be freely adjusted or selected (the orientation direction of the retardation film)”. We paid attention to the fact that “a situation where there are two factors that can be freely adjusted or selected” is created by combining the phase difference plates. That is, if the orientation direction of each phase difference plate can be selected independently, it can move freely on the Poincare sphere as long as the phase difference providing ability of the two phase difference plates is sufficient.

ここで、「2枚の位相差板の位相差付与能力が十分」という条件は、具体的に云えば、「2枚の位相差付与能力の合計がπ(180度)以上」あれば良いということである。このことは、図3(a)、(b)を使って説明した1枚の位相差板の偏光変換作用の内容から理解できる。その理由は次の通りである。
即ち、2枚の位相差板を通過させるということは、上記(i)、(ii)の操作をもう一度、θを自由に選んで実行できるということである。と云うことは、1枚目の位相板の通過で到達したB点から、再度a−a軸を自由に定め直し、次いで、その定め直されたa−a軸に対して垂直な平面上で、固定回転移動(2枚目のΔの移動)できるということである。
Here, specifically, the condition that “the retardation providing ability of the two retardation plates is sufficient” is, specifically, “the total of the two retardation providing ability is π (180 degrees) or more”. That is. This can be understood from the content of the polarization conversion action of one retardation plate described with reference to FIGS. 3 (a) and 3 (b). The reason is as follows.
That is, passing through the two retardation plates means that the operations (i) and (ii) can be executed once again by freely selecting θ. This is because the aa axis is freely re-determined again from the point B reached by passing through the first phase plate, and then on a plane perpendicular to the re-determined aa axis. The fixed rotational movement (movement of Δ of the second sheet) is possible.

図4は、この考え方に沿った本発明の実施形態の基本形を示している。図4において、左側の位相差板1(第1の位相差板)と、右側の位相差板2は互いに平行に配置されており、入力光(偏光変換されるべき光)は、位相差板1の左側から垂直に入射する。この入力光は「偏光度Vがゼロでない光」(少なくともなんらかの偏り成分を含む光)である。既述の通り、このような入力光は、「無偏光」と「完全偏光」の合成光(重ね合わせ光)であり、各位相差板の作用は、重ね合わせの原理から考えて、「無偏光」と「完全偏光」に分けて考えることができる。そして、無偏光は位相差板1、2を相次いで通過しても、各位相差板の位相差付与能力や配向角度の組み合わせに影響されず、無偏光のままである。従って、位相差板1、2による偏光変換作用を論ずるには、完全偏光のみを考えれば良い。   FIG. 4 shows a basic form of an embodiment of the present invention along this concept. In FIG. 4, a left retardation plate 1 (first retardation plate) and a right retardation plate 2 are arranged in parallel to each other, and input light (light to be polarization-converted) is a retardation plate. Incident vertically from the left side of 1. This input light is “light whose polarization degree V is not zero” (light including at least some polarization component). As described above, such input light is combined light (superimposed light) of “non-polarized light” and “completely polarized light”, and the action of each phase difference plate is considered to be “non-polarized light” in view of the principle of superposition. ”And“ completely polarized light ”. Even if the non-polarized light passes through the phase difference plates 1 and 2 one after another, it remains unpolarized without being influenced by the combination of the phase difference imparting ability and the orientation angle of each phase difference plate. Therefore, in order to discuss the polarization conversion action by the phase difference plates 1 and 2, only complete polarization needs to be considered.

図4において、「初期入力偏光状態A」と記されているのは、入力光に含まれるこの完全偏光であり、これをストークスベクトルで表わしたものをSAとする。図中に並記したように、SAの各成分(ストークスパラメータ)をSA0,SA1,SA2,SA3と表記する(但し、ここでは規格化されたストークスベクトルを考えるのでSA0=1である)。位相差板1、2の偏光変換作用を表わすミュラーマトリックスをそれぞれR(Δ1,θ1)、R(Δ2,θ2)とすると、位相差板1から出力される光に含まれる完全偏光の偏光状態(一次変換状態A’)は、R(Δ1,θ1)SAとなる。   In FIG. 4, “initial input polarization state A” is this complete polarization included in the input light, and this is represented by Stokes vector as SA. As shown in the figure, each component (Stokes parameter) of SA is expressed as SA0, SA1, SA2, and SA3 (however, here, SA0 = 1 is considered because a standardized Stokes vector is considered). If the Mueller matrices representing the polarization conversion action of the phase difference plates 1 and 2 are R (Δ1, θ1) and R (Δ2, θ2), respectively, the polarization state of completely polarized light contained in the light output from the phase difference plate 1 ( The primary conversion state A ′) is R (Δ1, θ1) SA.

一次変換状態A’を表わすストークスベクトルをSA'とし、各成分(ストークスパラメータ)をSA'0,SA'1,SA'2,SA'3と表記する(但し、ミュラーマトリックスの形から明かなようにSA'0=SA0で、ここではSA'0=SA0=1である)。更に、位相差板1から出力された光を位相差板2に垂直入射させて、偏光変換させる。得られる出力光に含まれる完全偏光の状態(最終偏光態B)は、R(Δ2,θ2)SA'となる。   The Stokes vector representing the primary conversion state A ′ is denoted by SA ′, and each component (Stokes parameter) is denoted by SA′0, SA′1, SA′2, SA′3 (however, as apparent from the Mueller matrix form). SA′0 = SA0, where SA′0 = SA0 = 1). Further, the light output from the phase difference plate 1 is vertically incident on the phase difference plate 2 to undergo polarization conversion. The state of complete polarization (final polarization state B) contained in the output light obtained is R (Δ2, θ2) SA ′.

最終偏光状態Bを表わすストークスベクトルをSBとし、各成分(ストークスパラメータ)をSB0,SB1,SB2,SB3と表記する(但し、ミュラーマトリックスの形から明かなようにSB0=SA'0=SA0で、ここではSB0=SA'0=SA0=1である)。以上のことから、初期入力偏光状態Aと最終偏光状態Bの関係は、次の基本式(#1)で表わされる。
SB=R(Δ2,θ2)R(Δ1,θ1)SA ・・・(#1)
The Stokes vector representing the final polarization state B is SB, and each component (Stokes parameter) is expressed as SB0, SB1, SB2, SB3 (provided that SB0 = SA'0 = SA0, as apparent from the Mueller matrix) Here, SB0 = SA'0 = SA0 = 1). From the above, the relationship between the initial input polarization state A and the final polarization state B is expressed by the following basic formula (# 1).
SB = R (Δ2, θ2) R (Δ1, θ1) SA (# 1)

但し、本発明では実際上の利便性を考慮して、位相差板1、2の内の少なくとも一方には4分の1波長板を採用する。また、前述したミュラーマトリックスの偏光変換作用の幾何学的イメーシの議論から、2枚の位相差板を合わせた位相差付与能力について、2π未満の範囲で十分な大きさ(π以上=2分の1波長に対応する位相差以上)を備えることを要請する。即ち、本発明では、使用される位相差板1、2について、下記付加条件(#2)、(#3)を課している。
Δ1またはΔ2の内の少なくとも一方=π/2 ・・・(#2)
π≦Δ1+Δ2<2π ・・・(#3)
However, in the present invention, in consideration of practical convenience, a quarter-wave plate is adopted for at least one of the phase difference plates 1 and 2. Further, from the discussion of the geometrical image of the polarization conversion action of the Mueller matrix described above, the phase difference imparting ability of the two retardation plates combined is sufficiently large in the range of less than 2π (π or more = 2 minutes). The phase difference corresponding to one wavelength). That is, in the present invention, the following additional conditions (# 2) and (# 3) are imposed on the retardation plates 1 and 2 used.
At least one of Δ1 or Δ2 = π / 2 (# 2)
π ≦ Δ1 + Δ2 <2π (# 3)

さて、実際に偏光変換を実行したい状況を考えてみると、前述した液晶ディスプレイでの例で判るように、「最終偏光状態B」と「初期入力偏光状態A」を自由に変えるということは考え難い。即ち、殆どの場合、所与の初期入力偏光状態Aを希望する最終偏光状態Bに如何にして変換するかが重要な事項となる。この要望にこたえるには、SA、SBを既知として、上記基本式(#1)を満たすようにミュラーマトリックスR(Δ1,θ1)、R(Δ2,θ2)を定めてやれば良い訳である。前述した通り、両ミュラーマトリックスに含まれるパラメータは、Δ1,θ1,Δ2,θ2であり、基本式(#1)は一応4つの変数を含む形の方程式と考えることができる。しかし、実際上、無理なく変えられる変数はθ1,θ2のみである。   Now, when considering the situation where it is actually desired to perform polarization conversion, it is considered that “final polarization state B” and “initial input polarization state A” can be freely changed, as can be seen in the example of the liquid crystal display described above. hard. That is, in most cases, how to convert a given initial input polarization state A to the desired final polarization state B is an important matter. In order to meet this demand, SA and SB should be known and the Mueller matrices R (Δ1, θ1) and R (Δ2, θ2) should be determined so as to satisfy the basic formula (# 1). As described above, the parameters included in both Mueller matrices are Δ1, θ1, Δ2, and θ2, and the basic equation (# 1) can be considered as an equation that includes four variables. However, in practice, only θ1 and θ2 can be changed without difficulty.

なぜならば、位相差板の位相差付与能力Δを変えるには位相差板の構造自体を可変とするか、きわめて多種類の位相差付与能力Δを持つ位相差板を予め用意するといったことが必要になるが、位相差板の構造自体を可変とすることは事実上不可能である。また、種々の位相差付与能力Δを持つ多数の位相差板を安価に入手することも難しい。そこで、基本式(#1)を2つの変数θ1、θ2を含む方程式と考え、Δ1、Δ2は定数パラメータとみなすことにする。但し、その場合、それら定数パラメータについて、上記付加条件(#2)、(#3)を課している。   This is because, in order to change the phase difference imparting ability Δ of the phase difference plate, it is necessary to make the structure of the phase difference plate itself variable or to prepare in advance a phase difference plate having various kinds of phase difference imparting ability Δ. However, it is practically impossible to make the structure of the retardation plate itself variable. In addition, it is difficult to obtain a large number of retardation plates having various retardation providing ability Δ at low cost. Therefore, the basic formula (# 1) is considered as an equation including two variables θ1 and θ2, and Δ1 and Δ2 are regarded as constant parameters. However, in that case, the additional conditions (# 2) and (# 3) are imposed on the constant parameters.

なお、付加条件(#2)には、2枚の位相差板の内少なくとも1枚には、最も一般的で安価に入手可能な位相差板と云って良い4分の1波長板を使用するという意味がある。また、付加条件(#3)には、付加条件2と併せて、きわめて多様な、「最終偏光状態Bと初期入力偏光状態Aの組み合わせ」について、基本式(#1)が表わす方程式が解ける(0≦θ1<2π,0≦θ2<2πの解が存在する)ようにするという意味がある。   For the additional condition (# 2), a quarter-wave plate, which can be called the most common and inexpensively available retardation plate, is used for at least one of the two retardation plates. There is a meaning. In addition, in addition condition (# 3), in addition to addition condition 2, the equation represented by basic formula (# 1) can be solved for a very diverse “combination of final polarization state B and initial input polarization state A” ( 0 ≦ θ1 <2π and 0 ≦ θ2 <2π exist).

以上述べたことから、本発明に従って偏光変換方法を実施する手順は例えば次のようになる。
(1)位相差板1、2を用意する。組み合わせは、色々あるが典型的な組み合わせは次の3つである。
(組み合わせ例1);
・位相差板1=4分の1波長板
・位相差板2=4分の1波長板
(組み合わせ例2);
・位相差板1=4分の1波長板
・位相差板2=2分の1波長板
(組み合わせ例3);
・位相差板1=2分の1波長板
・位相差板2=4分の1波長板
As described above, the procedure for carrying out the polarization conversion method according to the present invention is as follows, for example.
(1) The retardation plates 1 and 2 are prepared. There are various combinations, but the following three are typical combinations.
(Combination example 1);
-Retardation plate 1 = 1/4 wavelength plate-Retardation plate 2 = 1/4 wavelength plate (Combination example 2);
-Phase difference plate 1 = 1/4 wavelength plate-Phase difference plate 2 = 1/2 wavelength plate (Combination Example 3);
-Retardation plate 1 = 1/2 wavelength plate-Retardation plate 2 = 1/4 wavelength plate

(2)目標とする最終偏光状態Bを定める。最終偏光状態Bは、通常、長軸方位Θと楕円率角βで表現するのが判り易い。例えば、液晶ディスプレイで要望されることが多い、B=45度方向直線偏光状態ではΘ=45度、β=0度となる。また、B=水平方向直線偏光状態であれば、Θ=β=0度となる。
(3)ストークスベクトルSBを前出の偏光状態表現換算式を用いて計算する。
(4)使用しようとする入力光(例えば導光板上のプリズムシートから出射される光)の初期入力偏光状態Aを求める。これを求める計測法は周知なので、説明を省略する。計測結果から、入力光に含まれる完全偏光について、長軸方位Θと楕円率角βを定める。
(2) A target final polarization state B is determined. The final polarization state B is usually easily expressed by the major axis azimuth Θ and the ellipticity angle β. For example, in the B = 45 degree direction linearly polarized state, which is often required for a liquid crystal display, Θ = 45 degrees and β = 0 degrees. If B = horizontal polarization in the horizontal direction, Θ = β = 0 degree.
(3) The Stokes vector SB is calculated using the above-described polarization state expression conversion formula.
(4) An initial input polarization state A of input light to be used (for example, light emitted from a prism sheet on the light guide plate) is obtained. Since the measurement method for obtaining this is well known, description thereof is omitted. From the measurement result, the major axis direction Θ and the ellipticity angle β are determined for the completely polarized light included in the input light.

(5)ストークスベクトルSAを前出の偏光状態表現換算式を用いて計算する。
(6)上記(3)及び(5)で求められたSA、SBについて、前出の基本式(#1)を満たすミュラーマトリックスR(Δ1,θ1)、R(Δ2,θ2)を求める。
具体的には次の2つの方法が採用可能である。
(5) The Stokes vector SA is calculated using the above-described polarization state expression conversion formula.
(6) With respect to SA and SB obtained in the above (3) and (5), the Mueller matrices R (Δ1, θ1) and R (Δ2, θ2) satisfying the basic formula (# 1) are obtained.
Specifically, the following two methods can be employed.

(イ)先述したように、基本式(#1)に既知数値(即ち、SA、SBの各要素の値及びパラメータΔ1,Δ2の値)を代入し、数値開放により、解となる(θ1、θ2)のセットを求める。
(ロ)(θ1、θ2)の多数のセットを用意し、各セットについて基本式(#1)に既知数値(即ち、SA、SBの各要素の値及びパラメータΔ1,Δ2の値)とともに代入し、式(#1)の右辺R(Δ2,θ2)R(Δ1,θ1)SAを計算する。得られた多数のベクトルの中から、実質的にSBとみなせるものを与える(θ1、θ2)のセットを解とする。(θ1、θ2)のセットの用意の仕方としては、例えばθ1値とθ2値を各々1度刻み(0度、1度、2度・・・・179度)で用意し、すべての数値ペアについて式(#1)の右辺R(Δ2,θ2)R(Δ1,θ1)SAを計算し、実質的にSBとみなせるものを与える(θ1、θ2)のセットを解とすれば良い。より精密な解が欲しい場合は、θ1値とθ2値の刻みを更に細かく(例えば0.1度刻み)とすれば良い。
(A) As described above, by substituting the known numerical values (that is, the values of the elements SA and SB and the values of the parameters Δ1, Δ2) into the basic formula (# 1), the solution is obtained by releasing the numerical values (θ1, Find the set of θ2).
(B) Prepare a large number of sets (θ1, θ2), and substitute for each set with the basic values (# 1) together with known values (ie, the values of each element of SA and SB and the values of parameters Δ1, Δ2). The right side R (Δ2, θ2) R (Δ1, θ1) SA of the equation (# 1) is calculated. The solution is a set of (θ1, θ2) that gives what can be substantially regarded as SB from among the obtained many vectors. As a method of preparing a set of (θ1, θ2), for example, θ1 value and θ2 value are prepared in 1 degree increments (0 degree, 1 degree, 2 degrees,... 179 degrees), and for all numerical value pairs The right side R (Δ2, θ2) R (Δ1, θ1) SA of the equation (# 1) is calculated, and a set of (θ1, θ2) that gives what can be substantially regarded as SB may be solved. If a more precise solution is desired, the increments of θ1 value and θ2 value may be made finer (for example, in increments of 0.1 degrees).

(7)求められた配向角度θ1、θ2で位相差板1、2を図4に示したように平行配置し、上記初期入力偏光状態Aの光を位相差板1に垂直入射させる。すると、位相差板2の出力光について、実質的に最終偏光状態Bとなる。   (7) The retardation plates 1 and 2 are arranged in parallel at the obtained orientation angles θ 1 and θ 2 as shown in FIG. 4 so that the light of the initial input polarization state A is perpendicularly incident on the retardation plate 1. Then, the output light of the phase difference plate 2 is substantially in the final polarization state B.

次に、最終偏光状態Bを位相差板1、2(図4参照)の配向方向を選択することで、種々の初期入力偏光状態Aから生成する具体例について記す。最終偏光状態Bは、「希望する偏光状態」であり、一般には図1を参照して説明した任意の楕円偏光を設定することができるが、ここでは液晶ディスプレイへの適用を考慮して、最終偏光状態Bとして下記B(1)〜B(3)の3種類の直線偏光B(1)〜B(3)を考える。図1を参照して説明したように、直線偏光は「楕円率角β=0度、長軸方位Θ(0≦Θ<180度)の楕円偏光」のことである。
・B(1);45度直線偏光(β=0、Θ=45度)
・B(2);水平直線偏光(β=0、Θ=0度)
・B(3);30度直線偏光(β=0、Θ=30度)
Next, specific examples of generating the final polarization state B from various initial input polarization states A by selecting the orientation direction of the phase difference plates 1 and 2 (see FIG. 4) will be described. The final polarization state B is a “desired polarization state”, and in general, any of the elliptical polarization described with reference to FIG. 1 can be set. As the polarization state B, the following three types of linearly polarized light B (1) to B (3) B (1) to B (3) are considered. As described with reference to FIG. 1, linearly polarized light is “ellipsoidal light with an ellipticity angle β = 0 ° and a major axis azimuth Θ (0 ≦ Θ <180 °)”.
B (1); 45 degree linearly polarized light (β = 0, Θ = 45 degree)
B (2): Horizontal linearly polarized light (β = 0, Θ = 0 degrees)
B (3): 30 degree linearly polarized light (β = 0, Θ = 30 degrees)

配置する位相差板1、2としては、前述の付加条件#2、#3を考慮して、入手が容易で安価な次の3種類の組み合わせを考える。
●配置1;
・位相差板1=4分の1波長板(Δ1=π/2)
・位相差板2=4分の1波長板(Δ2=π/2)
●配置2;
・位相差板1=4分の1波長板(Δ1=π/2)
・位相差板2=2分の1波長板(Δ2=π)
●配置3;
・位相差板1=2分の1波長板(Δ1=π)
・位相差板2=4分の1波長板(Δ2=π/2)
As the retardation plates 1 and 2 to be arranged, the following three types of combinations that are easily available and inexpensive are considered in consideration of the above-mentioned additional conditions # 2 and # 3.
Arrangement 1;
-Phase difference plate 1 = 1/4 wavelength plate (Δ1 = π / 2)
-Phase difference plate 2 = 1/4 wavelength plate (Δ2 = π / 2)
Arrangement 2;
-Phase difference plate 1 = 1/4 wavelength plate (Δ1 = π / 2)
-Retardation plate 2 = 1/2 wavelength plate (Δ2 = π)
Arrangement 3;
-Retardation plate 1 = 1/2 wavelength plate (Δ1 = π)
-Phase difference plate 2 = 1/4 wavelength plate (Δ2 = π / 2)

初期入力偏光状態Aについては、既述の通り、一般に自由に選ぶという訳にはいかない。そこで、ここでは次の状態1〜状態12を定義し、それらの全部あるいは一部について、最終偏光状態B(1)〜B(3)が得られる位相差板1、2の各配置例について、位相差板1、2の配向方向(角度θ1,θ2)の組み合わせを、前述した計算法に従って求めてみた。得られた結果を図5〜図7に表形式(表1〜表3)で示した。   As described above, the initial input polarization state A cannot generally be freely selected. Therefore, here, the following states 1 to 12 are defined, and for each of the arrangement examples of the phase difference plates 1 and 2 from which the final polarization states B (1) to B (3) are obtained for all or part of them, The combinations of the orientation directions (angles θ1, θ2) of the retardation plates 1 and 2 were determined according to the calculation method described above. The obtained results are shown in table form (Tables 1 to 3) in FIGS.

●状態1(直線偏光);
・楕円率角β=0度
・長軸方位Θ=−22.5度
●状態2(楕円偏光);
・楕円率角β=15.0度
・長軸方位Θ=12.1度
●状態3(楕円偏光);
・楕円率角β=15.0度
・長軸方位Θ=33.0度
●状態4(楕円偏光);
・楕円率角β=22.5度
・長軸方位Θ=−22.5度
●状態5(楕円偏光);
・楕円率角β=−22.5度
・長軸方位Θ=−15.0度
●状態6(楕円偏光);
・楕円率角β=−22.5度
・長軸方位Θ=−60.0度
● State 1 (linearly polarized light);
・ Elliptic angle β = 0 degrees ・ Long axis orientation Θ = −22.5 degrees ● State 2 (elliptical polarization);
・ Elliptic angle β = 15.0 degrees ・ Long axis orientation Θ = 12.1 degrees ● State 3 (elliptical polarization);
・ Elliptic angle β = 15.0 degrees ・ Long axis orientation Θ = 33.0 degrees ● State 4 (elliptical polarization);
・ Elliptic angle β = 22.5 degrees ・ Long axis orientation Θ = −22.5 degrees ● State 5 (elliptical polarization);
・ Elliptic angle β = −22.5 degrees ・ Long axis orientation Θ = −15.0 degrees ● State 6 (elliptical polarization);
・ Elliptic angle β = -22.5 degrees ・ Long axis orientation Θ = -60.0 degrees

●状態7(楕円偏光);
・楕円率角β=26.1度
・長軸方位Θ=27.4度
●状態8(楕円偏光);
・楕円率角β=−30.0度
・長軸方位Θ=22.5度
●状態9(楕円偏光);
・楕円率角β=30.0度
・長軸方位Θ=45.0度
●状態10(楕円偏光);
・楕円率角β=30.0度
・長軸方位Θ=0.0度
●状態11(楕円偏光);
・楕円率角β=30.0度
・長軸方位Θ=−45.0度
●状態12(円偏光);
・楕円率角β=−45.0度
・長軸方位Θ=0.0度
● State 7 (elliptical polarization);
・ Elliptic angle β = 26.1 degrees ・ Long axis orientation Θ = 27.4 degrees ● State 8 (elliptical polarization);
・ Elliptic angle β = −30.0 degrees ・ Long axis orientation Θ = 22.5 degrees ● State 9 (elliptical polarization);
・ Elliptic angle β = 30.0 degrees ・ Long axis orientation Θ = 45.0 degrees ● State 10 (elliptical polarization);
・ Elliptic angle β = 30.0 degrees ・ Long axis orientation Θ = 0.0 degrees ● State 11 (elliptical polarization);
・ Elliptic angle β = 30.0 degrees ・ Long axis orientation Θ = −45.0 degrees ● State 12 (circularly polarized light);
・ Elliptic angle β = -45.0 degrees ・ Long axis orientation Θ = 0.0 degrees

図5の表1に示した結果から判るように、2枚の4分の1波長板あるいは4分の1波長板と2分の1波長板を組み合わせた配置1〜配置3のいずれにおいても、目標とする最終偏光状態B(1)を実現させる、位相差板1、2の配向方向が具体的なθ1、θ2のセット(θ1、θ2の解)が得られている。なお、θ1、θ2の解は1組とは限らず、2組得られる場合もある。例えば、状態4からB(1)を得る別解として次のものがある。
・配置1における別解
(θ1、θ2)=(1.3度、29.3度)
・配置2における別解
(θ1、θ2)=(67.5度、0.0度)
・配置3における別解
(θ1、θ2)=(0.0度、−67.5度)
As can be seen from the results shown in Table 1 of FIG. 5, in any of the arrangements 1 to 3 in which two quarter wave plates or a quarter wave plate and a half wave plate are combined, A set of θ1 and θ2 (solutions of θ1 and θ2) in which the orientation directions of the phase difference plates 1 and 2 that realize the target final polarization state B (1) are specific is obtained. Note that the solutions of θ1 and θ2 are not limited to one set, and two sets may be obtained. For example, another solution for obtaining B (1) from state 4 is as follows.
・ Another solution in arrangement 1 (θ1, θ2) = (1.3 degrees, 29.3 degrees)
・ Another solution in arrangement 2 (θ1, θ2) = (67.5 degrees, 0.0 degrees)
・ Another solution in arrangement 3 (θ1, θ2) = (0.0 degrees, −67.5 degrees)

以上が、本発明に係る偏光変換方法の概要とその具体例であり、既述の通り、この方法を実行する偏光変換装置を液晶ディスプレイに組み込むこともできる。図8は、その基本配置を示す。同図に示したように、液晶ディスプレイLCDは、液晶表示パネルLPと、液晶表示パネルLPに照明光を供給する面光源装置で構成されている。面光源装置は、一次光源10と、リフレクタ11と、導光板20と、プリズムシート30と、位相差板33を備えている。なお、この他に、導光板20の背面に沿って反射シートが配置されることが多いが、図示は省略した。また、例えば位相差板33と液晶表示パネルLPの間、あるいは、導光板20とプリズムシート30の間に光拡散板が配置されることもある。   The above is the outline and specific example of the polarization conversion method according to the present invention. As described above, a polarization conversion device that executes this method can be incorporated into a liquid crystal display. FIG. 8 shows the basic arrangement. As shown in the figure, the liquid crystal display LCD includes a liquid crystal display panel LP and a surface light source device that supplies illumination light to the liquid crystal display panel LP. The surface light source device includes a primary light source 10, a reflector 11, a light guide plate 20, a prism sheet 30, and a phase difference plate 33. In addition to this, a reflective sheet is often arranged along the back surface of the light guide plate 20, but the illustration is omitted. Further, for example, a light diffusion plate may be disposed between the phase difference plate 33 and the liquid crystal display panel LP or between the light guide plate 20 and the prism sheet 30.

プリズムシート30は、ここでは位相差板を兼ねたもので、符号32が位相差板を提供するベース部で、その内側に多数のプリズム状突起31が形成されている。このベース部が、これまでの説明における位相差板1に対応し、位相差板33がこれまでの説明における位相差板2に対応している。なお、プリズムシート30のベース部32を位相差板とせず、位相差板をプリズムシートとは別構成とすることもできる。   Here, the prism sheet 30 also serves as a phase difference plate. Reference numeral 32 denotes a base portion that provides the phase difference plate, and a large number of prism-like projections 31 are formed on the inside thereof. This base portion corresponds to the phase difference plate 1 in the above description, and the phase difference plate 33 corresponds to the phase difference plate 2 in the above description. The base portion 32 of the prism sheet 30 may not be a retardation plate, and the retardation plate may be configured separately from the prism sheet.

面光源装置を構成する諸要素の内、ベース部(位相差板1)と位相差板(位相差板2)33を除く部分は、周知の構造と作用を持つ。本実施形態では、これにベース部(位相差板1)と位相差板(位相差板2)33が加えられており、この付加部分が、偏光変換装置に対応する。導光板20の材料は周知で、例えばPMMA等の透光性樹脂が用いられる。また、導光板20内部に散乱能(微小散乱子)を分散させた光散乱導光体を用いることもある。また、図示されているように、厚さを入射面21aから末端面23に向かって漸減することが好ましい。   Of the various elements constituting the surface light source device, the portion excluding the base portion (phase difference plate 1) and the phase difference plate (phase difference plate 2) 33 has a known structure and action. In the present embodiment, a base portion (phase difference plate 1) and a phase difference plate (phase difference plate 2) 33 are added to this, and this additional portion corresponds to the polarization conversion device. The material of the light guide plate 20 is well known, and for example, a translucent resin such as PMMA is used. In addition, a light scattering light guide in which scattering power (fine scatterers) is dispersed inside the light guide plate 20 may be used. Further, as shown in the drawing, it is preferable to gradually reduce the thickness from the incident surface 21 a toward the end surface 23.

良く知られているように、一次光源(例えば冷陰極管あるいはLED光源)からの光(一次光)は、導光板2の入射面21aから導光板20内へ入り、末端面23に向けて近づくように内部伝播する。その過程で、出射面21bや裏面22による繰り返し反射などを受け、出射面21bから徐々に出射する。通常、一次光には偏りは殆ど無いが、出射面21bと裏面22での繰り返し反射するなどする過程や出射面21bからの出射時の偏光特性等により、出射光にはある程度の偏り(偏光度)が生じる。この出射光の偏光度Vは、導光板20の種類(構成材料、表面形状、寸法、添加散乱子の有無と種類など)によって異なるが、V=0.1〜0.20程度であることが多い。云うまでもなく、偏光度に応じて、出射面21bからの出射光には完全偏光が含まれることになる。   As is well known, light (primary light) from a primary light source (for example, a cold cathode tube or an LED light source) enters the light guide plate 20 from the incident surface 21 a of the light guide plate 2 and approaches toward the end surface 23. To propagate internally. In the process, the light is repeatedly reflected from the emission surface 21b and the back surface 22 and gradually emitted from the emission surface 21b. Usually, there is almost no bias in the primary light, but due to the process of repeatedly reflecting on the emission surface 21b and the back surface 22, the polarization characteristics at the time of emission from the emission surface 21b, etc., the emission light has a certain degree of polarization (degree of polarization). ) Occurs. The degree of polarization V of the emitted light varies depending on the type of the light guide plate 20 (construction material, surface shape, size, presence / absence and type of added scatterer, etc.), but may be about V = 0.1 to 0.20. Many. Needless to say, completely polarized light is included in the outgoing light from the outgoing surface 21b according to the degree of polarization.

このような偏光度0でない出射光は、周知の如く、斜め前方に指向出射する。図8中に描かれた光線40はその代表光線で、正面方向(z方向)に対して、65度から75度程度前方へ傾斜している。プリズム状突起31は、周知の作用でこの代表光線40を正面方向に方向修正する。その結果、代表光線40はベース部32の位相差板1に垂直入射する。この光の完全偏光成分の偏光状態が、図4における「初期入力偏光状態A」に対応する。この入力光は、ベース部(位相差板1)32、位相差板(位相差板2)33を経て、液晶表示パネルLPの入力側偏光板50に入射する。   As is well known, such outgoing light having a non-polarization degree of 0 is emitted obliquely forward. The light ray 40 depicted in FIG. 8 is the representative light ray, and is inclined forward by about 65 to 75 degrees with respect to the front direction (z direction). The prism-shaped protrusion 31 corrects the direction of the representative light beam 40 in the front direction by a known action. As a result, the representative light beam 40 is perpendicularly incident on the phase difference plate 1 of the base portion 32. The polarization state of the complete polarization component of this light corresponds to “initial input polarization state A” in FIG. This input light is incident on the input-side polarizing plate 50 of the liquid crystal display panel LP via the base portion (phase difference plate 1) 32 and the phase difference plate (phase difference plate 2) 33.

入力側偏光板50の透過軸方向(最大の透過率を与える偏り方向)は、多くの場合45度方向(導光板20の4つ辺に対してそれぞれ45度傾斜した方向)となっている。従って、これに対応した45度直線偏光の成分が多く含まれる光程、光の利用効率が高くなる。この偏光状態は、前述した最終偏光状態B(1)に他ならない。従って、この場合、ベース部(位相差板1)32、位相差板(位相差板2)33の配向方向(最適のθ1,θ2のセット)を、最終偏光状態B(1)が実現できるように定めれば良い。   In many cases, the transmission axis direction of the input-side polarizing plate 50 (bias direction giving the maximum transmittance) is 45 degrees (direction inclined by 45 degrees with respect to the four sides of the light guide plate 20). Therefore, the light utilization efficiency increases as the light amount that includes a large amount of 45-degree linearly polarized light component corresponding thereto. This polarization state is nothing but the final polarization state B (1) described above. Therefore, in this case, the final polarization state B (1) can be realized with the orientation direction (optimum θ1 and θ2 set) of the base portion (phase difference plate 1) 32 and the phase difference plate (phase difference plate 2) 33. It is sufficient to set

但し、これまでの議論から判るように、最適のθ1,θ2のセットは、使用する位相差板12(ベース部32と位相差板33)の位相差付与能力Δ1,Δ2の組み合わせ、及び、初期入力偏光状態Aに依存して変化する。1つの典型例において、初期入力偏光状態Aは直線偏光で、楕円率角β=0度で、長軸方位Θ=90度である。そして、使用する位相差板1(ベース部32)と位相差板2(位相差板33)をいずれも4分の1波長板とした場合、最適解は2つあり、(θ1,θ2)=(45度、90度)または(−45度、0度)となる。   However, as can be understood from the discussion so far, the optimum set of θ1 and θ2 is the combination of the phase difference imparting ability Δ1, Δ2 of the phase difference plate 12 (base portion 32 and phase difference plate 33) to be used, and the initial setting. It varies depending on the input polarization state A. In one typical example, the initial input polarization state A is linearly polarized light with an ellipticity angle β = 0 degrees and a major axis orientation Θ = 90 degrees. If both the phase difference plate 1 (base portion 32) and the phase difference plate 2 (phase difference plate 33) to be used are quarter wave plates, there are two optimum solutions, and (θ1, θ2) = (45 degrees, 90 degrees) or (-45 degrees, 0 degrees).

また、入力側偏光板50の透過軸方向が他の角度、例えば0度の場合もある。その場合、これに対応した水平直線偏光の成分が多く含まれる光程、光の利用効率が高くなる。この偏光状態は、前述した最終偏光状態B(2)に他ならない。従って、この場合は、ベース部(位相差板1)32、位相差板(位相差板2)33の配向方向(最適のθ1,θ2のセット)を、前述した基本式(#1)を解く形で、最終偏光状態B(2)が実現できるように定めれば良い。定め方の詳細は、同様の説明の繰り返しになるので省略する。   Further, the transmission axis direction of the input side polarizing plate 50 may be another angle, for example, 0 degree. In such a case, the light utilization efficiency increases as the amount of light that contains a large amount of the horizontal linearly polarized light component corresponding thereto. This polarization state is nothing but the final polarization state B (2) described above. Therefore, in this case, the basic direction (# 1) described above is solved for the orientation directions (optimum set of θ1 and θ2) of the base portion (phase difference plate 1) 32 and the phase difference plate (phase difference plate 2) 33. In this way, the final polarization state B (2) may be determined. The details of the determination method will be omitted because the same description is repeated.

なお、以上説明した諸例では、4分の1波長板同士の組み合わせか、4分の1波長板と2分の1波長板を用いているが、付加条件#2、#3を守る前提で、それ以外の組み合わせを採用しても、4分の1波長板同士あるいは4分の1波長板と2分の1波長板の組み合わせを用いた場合と同様の多様性で、初期入力偏光状態Aから最終偏光状態Bへの変換が可能である。図9、図10はポアンカレ球を用いてこれを例証するための図である。   In the examples described above, a combination of quarter-wave plates or a quarter-wave plate and a half-wave plate is used, but it is assumed that the additional conditions # 2 and # 3 are observed. Even if other combinations are adopted, the initial input polarization state A can be obtained with the same diversity as in the case of using the quarter wave plates or the combination of the quarter wave plate and the half wave plate. To the final polarization state B is possible. 9 and 10 are diagrams for illustrating this using a Poincare sphere.

即ち、図9、図10には、初期入力偏光状態Aとして45度直線偏光を仮定し、次の組み合わせ(i)、(ii)の下で、θ1の値とθ2の値を、0度〜180度の範囲で変化させた場合に得られる多数の最終偏光状態Bを、ポアンカレ球上にプロットした結果を示した。
●組み合わせ(i);図9
・位相差板1=3分の1波長板(Δ1=2π/3)
・位相差板2=4分の1波長板(Δ2=π/2)
●組み合わせ(ii);図10
・位相差板1=5分の2波長板(Δ1=4π/5)
・位相差板2=3分の1波長板(Δ2=π/2)
That is, in FIGS. 9 and 10, assuming that the initial input polarization state A is 45 degrees linearly polarized light, the values of θ1 and θ2 are set to 0 degrees to 0 degrees under the following combinations (i) and (ii). The result of plotting on the Poincare sphere a number of final polarization states B obtained when changing in the range of 180 degrees is shown.
● Combination (i); Fig. 9
Phase difference plate 1 = 1/3 wavelength plate (Δ1 = 2π / 3)
-Phase difference plate 2 = 1/4 wavelength plate (Δ2 = π / 2)
● Combination (ii); FIG.
Phase difference plate 1 = 2/5 wavelength plate (Δ1 = 4π / 5)
-Phase difference plate 2 = 1/3 wavelength plate (Δ2 = π / 2)

図9、図10のプロット点の分布は、ポアンカレ球上でほぼまんべんなく全体に及んでおり、「変換で到達できないポアンカレ球上のエリア」は存在しないことが読み取れます。ここで、上記(i)、(ii)は前述の条件(#1)、(#2)を満たしているが、もしも条件(#3)が満たされないと、2枚の位相差板の偏光変換作用に対応する「ポアンカレ球上の点の移動範囲」が制限される。図11、図12はポアンカレ球を用いてこれを例証するための図である。   The distribution of the plot points in Fig. 9 and Fig. 10 extends almost evenly on the Poincare sphere, and it can be seen that there is no "area on the Poincare sphere that cannot be reached by conversion". Here, (i) and (ii) satisfy the above conditions (# 1) and (# 2), but if the condition (# 3) is not satisfied, the polarization conversion of the two retardation plates The “range of movement of the point on the Poincare sphere” corresponding to the action is limited. 11 and 12 are diagrams for illustrating this using a Poincare sphere.

即ち、図11、図12には、初期入力偏光状態Aとして45度直線偏光を仮定し、次の組み合わせ(iii)、(iv)の下で、θ1の値とθ2の値を、0度〜180度の範囲で変化させた場合に得られる多数の最終偏光状態Bを、ポアンカレ球上にプロットした結果を示した。
●組み合わせ(iii);図11
・位相差板1=6分の1波長板(Δ1=π/3)
・位相差板2=4分の1波長板(Δ2=π/2)
●組み合わせ(iv);図12
・位相差板1=5分の1波長板(Δ1=2π/5)
・位相差板2=3分の1波長板(Δ2=π/2)
That is, FIGS. 11 and 12 assume 45-degree linearly polarized light as the initial input polarization state A, and the values of θ1 and θ2 are set to 0 degrees to 0 degrees under the following combinations (iii) and (iv). The result of plotting on the Poincare sphere a number of final polarization states B obtained when changing in the range of 180 degrees is shown.
● Combination (iii); FIG.
-Phase difference plate 1 = 1/6 wavelength plate (Δ1 = π / 3)
-Phase difference plate 2 = 1/4 wavelength plate (Δ2 = π / 2)
● Combination (iv); FIG.
-Phase difference plate 1 = 1/5 wavelength plate (Δ1 = 2π / 5)
-Phase difference plate 2 = 1/3 wavelength plate (Δ2 = π / 2)

図11、図12のプロット点の分布は、図9、図10に示したものとは明瞭に異なり、ポアンカレ球上に空白エリアが生じている。図11、図12のいずれにおいても、空白エリアは初期入力偏光状態を表わすポアンカレ球上の点から遠い部分に生じている。このことから、位相差板1、2の位相差付与能力Δ1、Δ2の和をπ(2分の1波長相当)以上(付加条件#2)とすることが、位相差板1、2を用いた偏光変換の汎用性を高める上で有利なことが理解される。   The distribution of plot points in FIGS. 11 and 12 is clearly different from that shown in FIGS. 9 and 10, and a blank area is generated on the Poincare sphere. In both FIG. 11 and FIG. 12, the blank area occurs in a portion far from the point on the Poincare sphere representing the initial input polarization state. Therefore, it is possible to use the retardation plates 1 and 2 so that the sum of the retardation imparting capacities Δ1 and Δ2 of the retardation plates 1 and 2 is π (corresponding to a half wavelength) or more (additional condition # 2). It is understood that it is advantageous in increasing the versatility of polarization conversion.

なお、より一般的のケースで、位相差板1、2による偏光変換の可否をチェックするには、前述した基本式#1が、与えられたパラメータ値(Δ1,Δ2,SAの各要素値及びSBの各要素値)の条件の下でθ1、θ2について解けるかどうか調べれば良い。即ち、0度≦θ1<180度、0度≦θ2<180度の範囲で、基本式#1を満たすセット(θ1,θ2)が存在すれば、位相差板1、2の配向を適正に選択(即ち、位相差板1をθ1で配向配置し、位相差板2をθ2で配向配置)すれば、そのSAが表わす初期偏光状態からSBが表わす最終偏光状態への変換が実現されると云うことである。   In a more general case, in order to check whether or not the polarization conversion by the phase difference plates 1 and 2 is possible, the above-described basic equation # 1 is obtained by using the given parameter values (Δ1, Δ2, SA element values and It is only necessary to check whether θ1 and θ2 can be solved under the condition of each element value of SB). That is, if there is a set (θ1, θ2) that satisfies the basic formula # 1 in the range of 0 ° ≦ θ1 <180 ° and 0 ° ≦ θ2 <180 °, the orientation of the retardation plates 1 and 2 is appropriately selected. If the phase difference plate 1 is oriented and arranged at θ1 and the phase difference plate 2 is oriented at θ2, the conversion from the initial polarization state represented by SA to the final polarization state represented by SB can be realized. That is.

z軸方向(図示省略;xy平面に垂直)に進行する完全偏光の偏光状態を説明する図である。It is a figure explaining the polarization state of the completely polarized light which progresses in az axis direction (illustration omitted; perpendicular to xy plane). ポアンカレ球を用いて偏光状態を表現する方法について説明する図である。It is a figure explaining the method of expressing a polarization state using a Poincare sphere. ミュラーマトリックスR(Δ、θ)で表わされる位相差板の偏光変換作用を幾何学的なイメージで説明する図である。It is a figure explaining the polarization conversion effect | action of the phase difference plate represented by Mueller matrix R ((DELTA), (theta)) by a geometric image. 本発明の実施形態の基本形について説明する図である。It is a figure explaining the basic form of embodiment of this invention. 最終偏光状態B(1)を実現できる(θ1,θ2)の例を表形式(表1)で示したものである。An example of (θ1, θ2) that can realize the final polarization state B (1) is shown in a table format (Table 1). 最終偏光状態B(2)を実現できる(θ1,θ2)の例を表形式(表2)で示したものである。An example of (θ1, θ2) that can realize the final polarization state B (2) is shown in a table format (Table 2). 最終偏光状態B(3)を実現できる(θ1,θ2)の例を表形式(表3)で示したものである。An example of (θ1, θ2) that can realize the final polarization state B (3) is shown in a table format (Table 3). 本発明に従った偏光変換装置を組み込んだ液晶ディスプレイの概略構造を断面図で示したものである。1 is a cross-sectional view of a schematic structure of a liquid crystal display incorporating a polarization conversion device according to the present invention. 組み合わせ(i)について各位相差板1、2の各配向方向を小刻み且つ自由に変えていった場合に、実現される変更状態を表わすポアンカレ球上の点をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the point on the Poincare sphere showing the change state implement | achieved when each orientation direction of each phase difference plate 1 and 2 is changed little by little about combination (i). 組み合わせ(ii)について各位相差板1、2の各配向方向を小刻み且つ自由に変えていった場合に、実現される変更状態を表わすポアンカレ球上の点をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the point on the Poincare sphere showing the change state implement | achieved when each orientation direction of each phase difference plate 1 and 2 is changed little by little about combination (ii). 組み合わせ(iii)について各位相差板1、2の各配向方向を小刻み且つ自由に変えていった場合に、実現される変更状態を表わすポアンカレ球上の点をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the point on the Poincare sphere showing the change state implement | achieved when each orientation direction of each phase difference plate 1 and 2 is changed little by little about combination (iii). 組み合わせ(iv)について各位相差板1、2の各配向方向を小刻み且つ自由に変えていった場合に、実現される変更状態を表わすポアンカレ球上の点をプロットしたグラフである。It is the graph which plotted the point on the Poincare sphere showing the change state implement | achieved when each orientation direction of each phase difference plate 1 and 2 is changed little by little about combination (iv).

符号の説明Explanation of symbols

10 一次光源
11 リフレクタ
20 導光板
21a 入射面
21b 出射面
22 裏面
23 末端面
30 プリズムシート
31 プリズム状突起
32 ベース部(位相差板1)
33 位相差板(位相差板2)
40 出射光を代表する光線
50 液晶表示パネルの入力側偏光板
LCD 液晶表示装置
LP 液晶表示パネル
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Primary light source 11 Reflector 20 Light guide plate 21a Incident surface 21b Output surface 22 Back surface 23 Terminal surface 30 Prism sheet 31 Prism-like protrusion 32 Base part (retardation plate 1)
33 Phase difference plate (Phase difference plate 2)
40 Light Rays Representing Outgoing Light 50 Input Side Polarizer of Liquid Crystal Display Panel LCD Liquid Crystal Display Device LP Liquid Crystal Display Panel

Claims (14)

初期入力偏光状態Aの完全偏光と無偏光からなり、且つ、偏光度がゼロでない入力光を、目標偏光状態として予め定められ、前記初期入力偏光状態Aと異なる最終偏光状態Bの完全偏光と、無偏光とからなる出力光に変換する、偏光状態変換方法であって;
前記入力光を第1の位相差板に対して垂直に入力して該第1の位相差板を通過させることにより、一次変換光を生成する第1の段階と、前記一次変換光を第2の位相差板に対して垂直に入力して該第2の位相差板を通過させることにより、二次変換光を生成する第2の段階からなり、
前記第1の位相差板の位相差付与能力をΔ1とし、前記第2の位相差板の位相差付与能力をΔ2とした時、Δ1+Δ2≧πであり、且つ、Δ1及びΔ2の内、少なくとも一方の値はπ/2に等しく、
更に、前記初期入力偏光状態Aを1組のストークスパラメータを4成分とし、規格化されたベクトルをSA、前記最終偏光状態Bを別の1組のストークスパラメータを4成分とし、規格化されたベクトルをSBで各々表わすとともに、
前記第1の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをR(Δ1,θ1)[但し、θ1は前記第1の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第1の位相差板の第1の配向方向を表わす角度]とし、
前記第2の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをR(Δ2,θ2)[但し、θ2は前記第2の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第2の位相差板の第2の配向方向を表わす角度]とした時、
(i)Δ1で表わされる前記第1の位相差付与能力、
(ii)θ1で表わされる前記第1の配向方向、
(iii)Δ2で表わされる前記第2の位相差付与能力、及び、
(iv)θ2で表わされる前記第2の配向方向の組み合わせが、関係式、
R(Δ2,θ2){R(Δ1,θ1)SA}=SB
を満たすように、前記第1の配向方向及び前記第2の配向方向が定められており、
それにより、前記二次変換光に含まれる完全偏光の偏光状態が前記最終偏光状態Bに一致していることを特徴とする、前記偏光状態変換方法。
Input light consisting of completely polarized light and non-polarized light in the initial input polarization state A and having a polarization degree other than zero is predetermined as a target polarization state, and is completely polarized in a final polarization state B different from the initial input polarization state A; A polarization state conversion method for converting to output light comprising non-polarized light;
A first stage of generating primary converted light by inputting the input light perpendicularly to the first phase difference plate and passing through the first phase difference plate, and secondly converting the primary converted light to the second phase difference plate. A second step of generating a secondary converted light by passing the second retardation plate perpendicularly to the retardation plate
When the phase difference imparting ability of the first retardation plate is Δ1, and the phase difference imparting ability of the second retardation plate is Δ2, Δ1 + Δ2 ≧ π and at least one of Δ1 and Δ2 Is equal to π / 2,
Further, the initial input polarization state A has one set of Stokes parameters as four components, the normalized vector is SA, and the final polarization state B is another set of Stokes parameters as four components, and the normalized vector Is represented by SB,
The Mueller matrix expressing the polarization conversion action of the first retardation plate is R (Δ1, θ1) [where θ1 is the first position in the plane perpendicular to the thickness direction of the first retardation plate. An angle representing the first orientation direction of the phase difference plate],
The Mueller matrix expressing the polarization conversion action of the second retardation plate is R (Δ2, θ2), where θ2 is the second position in the plane perpendicular to the thickness direction of the second retardation plate. Angle representing the second orientation direction of the phase difference plate]
(I) the first phase difference providing ability represented by Δ1,
(Ii) the first orientation direction represented by θ1;
(Iii) the second phase difference imparting ability represented by Δ2, and
(Iv) A combination of the second orientation directions represented by θ2 is a relational expression:
R (Δ2, θ2) {R (Δ1, θ1) SA} = SB
The first alignment direction and the second alignment direction are determined so as to satisfy
Thereby, the polarization state of the completely polarized light contained in the secondary converted light coincides with the final polarization state B.
前記第1の位相差板及び前記第2の位相差板のいずれも4分の1波長板であることを特徴とする、請求項1に記載の偏光状態変換方法。   2. The polarization state conversion method according to claim 1, wherein each of the first retardation plate and the second retardation plate is a quarter-wave plate. 前記第1の位相差板及び前記第2の位相差板の内の一方は、2分の1波長板であることを特徴とする、請求項1に記載の偏光状態変換方法。   2. The polarization state conversion method according to claim 1, wherein one of the first retardation plate and the second retardation plate is a half-wave plate. 前記第1の配向方向と前記第2の配向方向が互いに異なっていることを特徴とする、請求項1〜請求項3の内のいずれか1項に記載の偏光状態変換方法。   The polarization state conversion method according to any one of claims 1 to 3, wherein the first alignment direction and the second alignment direction are different from each other. 前記入力光が、導光板の出射面から斜め出射され、次いで、出射面の正面方向に進行方向修正された光であり、
前記出力光が、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルに供給され、
前記最終偏光状態Bは、前記出力光に含まれる直線偏光成分の偏り方向が、前記偏光板の透過軸方向と平行となるように定められていることを特徴とする、請求項4に記載の偏光状態変換方法。
The input light is emitted obliquely from the exit surface of the light guide plate, and then the traveling direction is corrected in the front direction of the exit surface,
The output light is supplied to a liquid crystal display panel including a polarizing plate disposed on the light input side,
5. The final polarization state B is defined such that a direction of polarization of a linearly polarized light component included in the output light is parallel to a transmission axis direction of the polarizing plate. Polarization state conversion method.
初期入力偏光状態Aの完全偏光と無偏光からなり、且つ、偏光度がゼロでない入力光を、目標偏光状態として予め定められ、前記初期入力偏光状態Aと異なる最終偏光状態Bの完全偏光と、無偏光とからなる出力光に変換する、偏光状態変換装置であって;
互いに平行に配置された第1の位相差板及び第2の位相差板を備え、
前記第1の位相差板は、前記入力光を前記第1の位相差板に対して垂直に入力させ、一次変換光を出力するように配置され、
前記第2の位相差板は、前記第1の位相差板によって出力された前記一次変換光を前記第2の位相差板に対して垂直に入力させ、二次変換光を出力するように配置されており、
前記第1の位相差板の位相差付与能力をΔ1とし、前記第2の位相差板の位相差付与能力をΔ2とした時、Δ1+Δ2≧πであり、且つ、Δ1及びΔ2の内、少なくとも一方の値はπ/2に等しく、
更に、前記初期入力偏光状態Aを1組のストークスパラメータを4成分とし、規格化されたベクトルをSA、前記最終偏光状態Bを別の1組のストークスパラメータを4成分とし、規格化されたベクトルをSBで各々表わすとともに、
前記第1の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをR(Δ1,θ1)[但し、θ1は前記第1の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第1の位相差板の第1の配向方向を表わす角度]とし、
前記第2の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをR(Δ2,θ2)[但し、θ2は前記第2の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第2の位相差板の第2の配向方向を表わす角度]とした時、
(i)Δ1で表わされる前記第1の位相差付与能力、
(ii)θ1で表わされる前記第1の配向方向、
(iii)Δ2で表わされる前記第2の位相差付与能力、及び、
(iv)θ2で表わされる前記第2の配向方向の組み合わせが、関係式、
R(Δ2,θ2){R(Δ1,θ1)SA}=SB
を満たすように前記第1の配向方向及び前記第2の配向方向が定められており、それにより、前記二次変換光に含まれる完全偏光の偏光状態が前記最終偏光状態Bに一致していることを特徴とする、前記偏光状態変換装置。
Input light consisting of completely polarized light and non-polarized light in the initial input polarization state A and having a polarization degree other than zero is predetermined as a target polarization state, and is completely polarized in a final polarization state B different from the initial input polarization state A; A polarization state conversion device that converts light into non-polarized output light;
A first retardation plate and a second retardation plate arranged in parallel with each other;
The first retardation plate is arranged to input the input light perpendicularly to the first retardation plate and output primary converted light,
The second phase difference plate is arranged so that the primary converted light output by the first phase difference plate is input perpendicularly to the second phase difference plate and a secondary converted light is output. Has been
When the phase difference imparting ability of the first retardation plate is Δ1, and the phase difference imparting ability of the second retardation plate is Δ2, Δ1 + Δ2 ≧ π and at least one of Δ1 and Δ2 Is equal to π / 2,
Further, the initial input polarization state A has one set of Stokes parameters as four components, the normalized vector is SA, and the final polarization state B is another set of Stokes parameters as four components, and the normalized vector Is represented by SB,
The Mueller matrix expressing the polarization conversion action of the first retardation plate is R (Δ1, θ1) [where θ1 is the first position in the plane perpendicular to the thickness direction of the first retardation plate. An angle representing the first orientation direction of the phase difference plate],
The Mueller matrix expressing the polarization conversion action of the second retardation plate is R (Δ2, θ2), where θ2 is the second position in the plane perpendicular to the thickness direction of the second retardation plate. Angle representing the second orientation direction of the phase difference plate]
(I) the first phase difference providing ability represented by Δ1,
(Ii) the first orientation direction represented by θ1;
(Iii) the second phase difference imparting ability represented by Δ2, and
(Iv) A combination of the second orientation directions represented by θ2 is a relational expression:
R (Δ2, θ2) {R (Δ1, θ1) SA} = SB
The first alignment direction and the second alignment direction are determined so as to satisfy the condition, whereby the polarization state of the completely polarized light included in the secondary converted light matches the final polarization state B. The polarization state conversion device characterized by the above.
前記第1の位相差板及び前記第2の位相差板のいずれも4分の1波長板であることを特徴とする、請求項6に記載の偏光状態変換装置。   The polarization state conversion apparatus according to claim 6, wherein each of the first retardation plate and the second retardation plate is a quarter-wave plate. 前記第1の位相差板及び前記第2の位相差板の内の一方は、2分の1波長板であることを特徴とする、請求項6に記載の偏光状態変換装置。   The polarization state conversion device according to claim 6, wherein one of the first retardation plate and the second retardation plate is a half-wave plate. 前記第1の配向方向と前記第2の配向方向が互いに異なっていることを特徴とする、請求項6〜請求項8の内のいずれか1項に記載の偏光状態変換装置。   The polarization state conversion device according to any one of claims 6 to 8, wherein the first alignment direction and the second alignment direction are different from each other. 面光源装置と、偏光状態変換装置と、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルとを備えた液晶ディスプレイであって;
前記面光源装置は、入射面及び出射面を有する導光板と、前記入射面を通して前記導光板に一次光を供給する一次光源と、前記入射面に沿って配置され、前記出射面から斜め出射された出射光の進行方向を前記出射面の正面方向に修正する進行方向修正部材とを備え、
前記偏光状態変換装置は、請求項9に記載された偏光状態変換装置であり、且つ、前記進行方向修正部材によって進行方向を前記正面方向に修正された、前記出射面からの出射光を、前記入力光として前記第1の位相差板に入力させるように配置されており、
前記出力光が、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルに供給され、
前記最終偏光状態Bは、前記偏光板の透過軸方向と平行な偏り方向を持つ直線偏光を表わすように定められていることを特徴とする、前記液晶ディスプレイ。
A liquid crystal display comprising a surface light source device, a polarization state conversion device, and a liquid crystal display panel including a polarizing plate disposed on a light input side;
The surface light source device is disposed along a light guide plate having an entrance surface and an exit surface, a primary light source that supplies primary light to the light guide plate through the entrance surface, and is obliquely emitted from the exit surface. A traveling direction correcting member that corrects the traveling direction of the emitted light to the front direction of the emitting surface,
The polarization state conversion device is the polarization state conversion device according to claim 9, and the emission light from the emission surface whose traveling direction is corrected to the front direction by the traveling direction correcting member, It is arranged so as to be input to the first retardation plate as input light,
The output light is supplied to a liquid crystal display panel including a polarizing plate disposed on the light input side,
The liquid crystal display according to claim 1, wherein the final polarization state B is determined to represent linearly polarized light having a polarization direction parallel to a transmission axis direction of the polarizing plate.
前記導光板の前記出射面は矩形であり、前記偏光板の透過軸方位が前記矩形の各辺の延在方向に対して45度の角度をなしていることを特徴とする、請求項10に記載の液晶ディスプレイ。   The exit surface of the light guide plate is rectangular, and the transmission axis direction of the polarizing plate forms an angle of 45 degrees with respect to the extending direction of each side of the rectangle. The liquid crystal display as described. 前記第1の位相差板が、前記進行方向修正部材と一体化されていることを特徴とする、請求項6または請求項7に記載の液晶ディスプレイ。   The liquid crystal display according to claim 6 or 7, wherein the first retardation plate is integrated with the traveling direction correcting member. 前記二次変換光を拡散する光拡散部材が前記偏光板の光入力側に配置されていることを特徴とする、請求項10〜請求項12の内、いずれか1項に記載の液晶ディスプレイ。   The liquid crystal display according to any one of claims 10 to 12, wherein a light diffusing member for diffusing the secondary converted light is disposed on a light input side of the polarizing plate. 前記第2の位相差板が、前記光拡散部材と一体化されていることを特徴とする、請求項13に記載の液晶ディスプレイ。   The liquid crystal display according to claim 13, wherein the second retardation plate is integrated with the light diffusion member.
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