JP2011075968A - 偏光変換素子及びそれを用いた液晶表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光量の低下が少なく波長特性が良好であると共に、小型薄型化が可能な偏光変換素子を提供すること。
【解決手段】本発明の偏光変換素子は、入射光を集光するレンズ層１１と、レンズ層１１で集光された入射光の一方の偏光成分を透過すると共に、他方の偏光成分を反射する偏光分離層１２と、偏光分離層１２で反射された入射光の他方の偏光成分を反射する反射層１４と、偏光分離層１２と反射層１４との間に設けられると共に、入射光の偏光方向を回転させる位相差フィルム１３と、を具備し、位相差フィルム１３は、偏光分離層１２で反射された入射光の他方の偏光成分及び反射層１４で反射された入射光の他方の偏光成分の偏光方向を回転して一方の偏光成分に変換することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、光源から出光された光束を偏光方向の揃った偏光に変換する偏光変換素子及びそれを用いた液晶表示装置に関する。

従来、液晶ディスプレイなどの液晶表示装置としては、光源からの出射光を表示画像に対応する変調を施した後、投写光学系を介して投写画像を形成するものが知られている。この液晶表示装置で使用される液晶ライトバルブは、光源からの出射光のうち一方の偏光成分のみを使用するため、入射光の利用効率が低下する。近年、光源からの出射光の利用効率改善のため、偏光変換素子を利用した偏光光源装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

かかる偏光光源装置は、光源からの出射光の一方の偏光成分を透過し、他方の偏光成分を反射する偏光フィルムと、光源を介してこの偏光フィルムと対向するように配置され、偏光フィルムで反射された他方の偏光成分を反射する反射鏡とを備えている。また、偏光フィルムと反射鏡との間には、偏光フィルムで反射された他方の偏光成分の偏光方向を回転させる位相差フィルムが配置されている。

特許文献１記載の偏光光源装置への入射光の一方の偏光成分は、偏光フィルムを透過する。一方、入射光の他方の偏光成分は、偏光フィルムで反射された後、さらに反射鏡で偏光フィルムに向けて反射される。ここで、偏光フィルムで反射された入射光は、偏光フィルムと反射鏡との間に配置された位相差フィルムを往復し、偏光方向が回転して一方の偏光成分に変換されて偏光フィルムを透過する。このようにして、特許文献１記載の偏光光源装置においては、入射光の他方の偏光成分を一方の偏光成分に変換することにより、入射光の利用効率が改善される。

また、光の利用効率の改善を目的とし、多層フィルムを偏光変換素子として用いた偏光光源装置が提案されている（例えば、特許文献２参照）。かかる偏光光源装置の多層フィルムは、偏光フィルム上に屈折率が大きい高屈折性フィルムと、屈折率が小さい低屈折性フィルムと、を交互に複数積層して構成される。多層フィルムに入光した光は、高屈折性フィルムと低屈折性フィルムとの界面で偏光方向に応じた光の透過と屈折反射が繰り返される。この際に、一方の偏光成分は偏光フィルムを透過し、他方の偏光成分が屈折反射の過程において、一方の偏光方向に変換されて多層フィルムを透過する。このようにして、特許文献２記載の偏光光源装置においては、入射光の他方の偏光成分を一方の偏光成分に変換することにより、入射光の利用効率が改善される。

特開平１１−１６０６５５号公報 特表２００２−５０９２８２号公報

しかしながら、特許文献１記載の偏光光源装置では、光源を介して偏光フィルムと反射鏡とが対向して配置されため、偏光フィルム及び反射鏡での光の反射に伴い、光が偏光変換素子外へ分散する。このため、偏光変換素子への入射光の光量に対して偏光変換素子からの出射光の光量が低下する問題があった。

一方、特許文献２記載の多層フィルムを用いた液晶表示装置では、多層フィルム内で入射光が複数回反射されるため、光の分散による光量損失が抑制される。ところが、入射光が多層フィルム中で屈折反射される過程において、入射光の波長成分によって反射回数が異なるため、入射光の波長特性に対して出射光の波長特性が悪化する問題があった。

また、上述した従来の偏光光源素子においては、光源を介して偏光フィルムと反射鏡とを対向して配置するため、光源を介して反射型偏光フィルムと反射鏡とを設ける必要があることから、偏光光源素子の小型化が困難であった。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、光量の低下が少なく波長特性が良好であると共に、小型薄型化が可能な偏光変換素子を提供することを目的とする。

本発明の偏光変換素子は、入射光を集光する集光層と、前記集光層で集光された前記入射光の一方の偏光成分を透過すると共に、他方の偏光成分を反射する偏光分離層と、前記偏光分離層で反射された前記入射光の他方の偏光成分を反射する反射層と、前記偏光分離層と前記反射層との間に設けられると共に、前記入射光の偏光方向を回転させる偏光回転層と、を具備し、前記偏光回転層は、前記偏光分離層で反射された前記入射光の他方の偏光成分及び前記反射層で反射された前記入射光の他方の偏光成分の偏光方向を回転して前記一方の偏光成分に変換することを特徴とする。

この構成によれば、入射光を集光層で集光し、集光した入射光の他方の偏光成分を偏光分離層と反射層との間で反射することにより、偏光変換素子内で一方の偏光成分に偏光変換できるので、光の分散による出射光の光量低下を抑制することができる。また、他方の偏光成分は、偏光分離層と反射層との間の往復で一方の偏光成分に変換できるので、複屈折による光の波長特性の悪化を抑制できる。さらに、偏光成分の変換に必要な反射の回数が削減されるので、光の吸収による出射光の光量低下を低減することができる。また、入射光を集光して偏光変換することにより、集光層、反射層、偏光回転層及び偏光分離層の厚さを薄くすることができるので、偏光変換素子を小型薄型化することができる。

本発明の偏光変換素子においては、前記集光層は、一方の主面に少なくとも１つの曲面が形成されると共に、前記集光層の理想厚さＨｆを下記関係式（１）及び下記関係式（２）で表わした場合において、前記偏光分離層と前記反射層との間の距離Ｌが０．３Ｈｆ以上であり、前記集光層の厚さＨが０．５Ｈｆから１．５Ｈｆの範囲であることが好ましい。
Ｈｆ＝（ｆ＋Ｒ／２）…式（１）、ｆ＝Ｒ／（ｎ−１）…式（２）
（式（１）及び式（２）において、Ｈｆは理想的なレンズ層の厚み、ｆは集光層の焦点距離、Ｒは曲面の曲率半径、ｎは集光層の屈折率を表す。）

本発明の偏光変換素子においては、前記偏光回転層が、広帯域１／４波長位相差フィルムであることが好ましい。

本発明の偏光変換素子においては、前記偏光回転層が少なくとも１枚の１／４波長位相差フィルムと少なくとも１枚の１／２位相差フィルムとが設けられてなることが好ましい。

本発明の偏光変換素子においては、前記偏光分離層は、ワイヤグリッド偏光板であることが好ましい。

本発明の偏光変換素子においては、前記偏光分離層は、複屈折材料を有する多層フィルムであることが好ましい。

本発明の偏光変換素子においては、前記反射層は、前記集光層の前記曲面と反対側の主面に金属で形成され、前記集光面側から前記反射層にレーザ光を入射して形成される開口部を有することが好ましい。

本発明の偏光変換素子においては、総膜厚が３ｍｍ以下であることが好ましい。

本発明の偏光光源装置は、上記偏光変換素子を備えたことを特徴とする。

本発明の偏光光源装置においては、上記偏光変換素子と、前記偏光変換素子の入光面側に配置されるレンズと、を具備することが好ましい。

本発明の偏光光源装置においては、上記偏光変換素子と、前記偏光変換素子の出光面側に配置されるレンズと、を具備することが好ましい。

本発明の偏光光源装置においては、上記偏光変換素子と、前記偏光変換素子の出光面側に配置される吸収型偏光フィルムと、を具備することが好ましい。

本発明の投射型表示装置は、上記偏光変換素子から出光した偏光を用いることを特徴とする。

本発明の直視型ディスプレイは、上記偏光変換素子から出光した偏光を用いることを特徴とする。

本発明の液晶表示装置は、上記偏光光源装置をバックライトに用いたことを特徴とする。

本発明によれば、光量の低下が少なく波長特性が良好であると共に、小型化薄型化が可能な偏光変換素子を提供することができる。

本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を示す模式的な断面図である。 本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を用いた液晶プロジェクタの概念図である。 本発明の実施の形態に係る偏光変換素子を用いた偏光変換ＬＥＤ光源ユニットの概念図である。 本発明の実施例３の透過率Ｔｐ及びＷＧＦ単独の透過率Ｔｐと波長との関係を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本実施の形態に係る偏光変換素子１を示す模式的な断面図である。本実施の形態に係る偏光変換素子１は、光源側に配置され、入射光を集光するレンズ層１１と、このレンズ層１１と対向するように配置され、レンズ層１１で集光された入射光の一方の偏光成分を透過し、他方の偏光成分を反射する偏光分離層１２と、を備える。レンズ層１１と偏光分離層１２との間には、偏光分離層１２で反射された入射光の偏光方向を回転させる位相差フィルム１３が介設されている。レンズ層１１と位相差フィルム１３との間には、位相差フィルム１３で偏光方向が回転された入射光を反射する反射層１４が形成されている。

レンズ層１１の入光面側の主面上には、入射光を出光面側の焦点に向けて集光する複数のレンズ１５が並設されている。各レンズ１５は、入光面側が凸型の形状になるように凹凸形状に形成され、所定の曲率半径Ｒ及び直径（以下、ピッチ幅Ｐとする）を有している。なお、本実施の形態においては、レンズ１５が略円形形状に形成された例について説明するが、レンズ１５の形状は、入射光を集光できる形状であれば特に限定されない。

レンズ１５は、レンズ層１１の出光面側の焦点に合わせて曲率半径Ｒ及びピッチ幅Ｐが設定される。曲率半径Ｒ、レンズ層１１に用いる材料の屈折率ｎを一定値とした場合、焦点までの距離ｆはＲ／（ｎ−１）で表されるため一定となる。ここで、ピッチ幅Ｐを拡大すると光の出光角度が大きくなり、ピッチ幅Ｐを縮小すると光の出光角度は小さくなる。一方、ピッチ幅Ｐを一定値とした場合、焦点までの距離は、曲率半径Ｒを大きくすると長くなり、曲率半径Ｒを小さくすると短くなる。

本実施の形態に係る偏光変換素子１においては、ピッチ幅Ｐ及び曲率半径Ｒの調整により、出射光の出光角度を任意に調整することができる。ピッチを小さくした場合、レンズ１５によって集光される入射光の屈折角度θ（以下拡散角度θという）が小さくなるので、出射光の出光角度も小さくなる。一方、ピッチを大きくした場合、レンズ１５によって集光される入射光の拡散角度θが大きくなるので、出射光の出光角度は大きくなる。なお、拡散角度θは、偏光分離層１２での偏光分離効率の観点から、０°から８０°であることが好ましく、２°から７０°であることがより好ましい。なお、ここで、曲率半径Ｒが小さいほうが、レンズ層１１の薄型化を可能とする。

レンズ層１１は、入光面と出光面との間に所定の厚さＨを有する。レンズ層１１の厚さＨは、レンズ層１１に用いる材料の屈折率ｎに応じて任意に調整される。レンズ層１１の材料としては、例えば、アクリル樹脂などの各種紫外線硬化樹脂をＰＭＭＡ（アクリル樹脂）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、ＴＡＣなどの熱可塑性樹脂材料基材の上にＵＶ硬化することで形成できる。また該熱可塑性樹脂基材を直接熱プレスすることによっても形成する用いることができる。

本実施の形態においては、これらの材料の中から任意の材料を選択し、レンズ層１１の厚さＨ、レンズ１５の曲率半径Ｒ、レンズ１５のピッチ幅Ｐを設定することにより、入射光を出光面側の焦点に向けて集光するように調整する。

なお、本実施の形態においては、レンズ１５の形状としては、断面視において蒲鉾形状に形成されたレンチキュラー形状としているが、該レンズ越しの出光光の均整度の観点から、ピッチ幅Ｐが微少であるレンズ１５が複数形成されたマイクロレンズアレイ構造を用いることが好ましい。マイクロレンズアレイ構造としては、例えば、特開２００６−２０９０５７号公報に記載の構造を用いることができる。

本実施の形態においては、偏光分離層１２としてワイヤグリッド偏光板を用いることが好ましい。このワイヤグリッド偏光板は、格子状凹凸形状を有する基材１６と、基材１６の格子状凹凸形状の少なくとも一方の凸部の側面に接した金属ワイヤ１７とを備える。

基材１６は、出光面側の主面に一方向に向けて直線状の溝が形成される格子状凹凸形状を有する。格子状凹凸形状は、例えば、偏光分離層１２の延在方向に対する垂直方向の断面形状において、台形、矩形、方形、プリズム状や、半円状などの凹部と凸部とが繰り返される波形形状などが挙げられる。これらの中でも、格子状凹凸形状は光学対称性や偏光透過性能の観点から略矩形形状であることが好ましい。なお、波形形状の曲線部は、湾曲した曲線であればよく、例えば、凸部にくびれがある形状も波形形状に含める。

金属ワイヤ１７は、基材１６の格子状凹凸形状と略平行に所定の間隔（周期）をとって直線状に形成される。この直線状の金属ワイヤ１７の周期が可視光の波長よりも小さい場合、偏光変換層１２は、金属ワイヤ１７に対して平行に振動する偏光成分を反射し、垂直な偏光成分は透過する偏光素子となる。

偏光分離層１２は、基材１６の格子状凹凸形状（直線状の溝）の延在方向を変えることにより、入射光の偏光成分の透過及び反射を調整することができる。例えば、図１において、格子状凹凸形状の延在方向が紙面手前側から紙面奥側である場合、入射光の一方の偏光成分は透過されて他方の偏光成分が反射される。一方、格子状凹凸形状の延在方向が紙面左側方向から右側方向である場合、入射光の一方の偏光成分は反射されて他方の偏光成分が透過される。

偏光分離層１２の基材１６としては、ガラスなどの無機材料や樹脂材料を用いることが出来る。樹脂材料としては、例えば、ポリメタクリル酸メチル樹脂、ポリカーボネート樹脂、ポリスチレン樹脂、シクロオレフィン樹脂（ＣＯＰ）、架橋ポリエチレン樹脂、ポリ塩化ビニル樹脂、ポリアクリレート樹脂、ポリフェニレンエーテル樹脂、変性ポリフェニレンエーテル樹脂、ポリエーテルイミド樹脂、ポリエーテルサルフォン樹脂、ポリサルフォン樹脂、ポリエーテルケトン樹脂などの非晶性熱可塑性樹脂や、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）樹脂、ポリエチレンナフタレート樹脂、ポリエチレン樹脂、ポリプロピレン樹脂、ポリブチレンテレフタレート樹脂、芳香族ポリエステル樹脂、ポリアセタール樹脂、ポリアミド樹脂などの熱可塑性樹脂や、アクリル系、エポキシ系、ウレタン系などの紫外線（ＵＶ）硬化性樹脂や熱硬化性樹脂が挙げられる。また、紫外線硬化性樹脂や熱硬化性樹脂と、ガラスなどの無機基板、熱可塑性樹脂、トリアセテート樹脂とを組合わせたり、単独で用いてもよい。これらの中でも、偏光変換素子の光学特性の観点から複屈折のない材料であることが好ましく、ＴＡＣ（トリアセチルセルロース）樹脂、ＣＯＰ（シクロオレフィンポリマー）、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル：アクリル樹脂）などが好ましい。

偏光分離層１２の金属ワイヤ１７としては、アルミニウム、銀、銅、白金、金またはこれらの各金属を主成分とする合金を使用することができ、斜めスパッタリング法や斜め蒸着法により形成することができる。これら金属の中でも、生産性、コストなどの観点から、アルミニウムを用いることが好ましい。

なお、本実施の形態においては、偏光分離層１２の格子状凹凸形状は、偏光変換層１２の出光面側の主面上に設けられているが、入光面側の主面に設けられていてもよく、入光面側の主面及び出光面側の主面の双方に設けられていてもよい。

なお、偏光分離層１２は、偏光分離可能な部材であれば特に限定されず、ワイヤグリッド偏光板や、複屈折材料を有する多層フィルムなどを用いることができる。複屈折材料を用いた多層フィルムとしては、例えば、Ｄ−ＢＥＦ（商品名：スリーエム社製）などが挙げられるが、偏光特性の観点からみて、ワイヤグリッド偏光板が好ましく用いられる。

本実施の形態においては、位相差フィルム１３として位相差フィルム１３を透過する光の偏光方向を１／４波長回転する１／４波長板を用いる。位相差フィルム１３の材料としては、ＣＯＰ、ＴＡＣ基材の延伸品を用いることができる。位相差フィルム１３は、ＰＣ（ポリカーボネート）、ＣＯＰ、ＴＡＣ基材を用い、位相差フィルム１３に偏光分離層１２が設けられていてもよい。

なお、位相差フィルム１３は、他方の偏光成分を一方の偏光成分に変換できればよく、位相差フィルム１３の数及び位相差フィルム１３の回転角度は限定されない。例えば、本実施の形態においては、１枚の１／４波長板を用いるが、変換効率がピークとなる波長を調整するために、１／４波長板１枚と、１／２波長板１枚と、を組み合わせて用いる構成としても良い。この場合、２枚の位相差フィルム１３を積層しても良く、２枚の位相差フィルム１３間に中間層を介在させてもよい。また、１／８波長板を２枚用いても良い。

また、位相差フィルム１３としては、複数の複屈折結晶を組み合わせて構成され、位相差の波長依存性を抑えた広帯域波長板を用いることが好ましい。広帯域波長板を用いることにより、位相差の波長依存性が低下し、広帯域に亘って安定した光学特性を得ることができる。これらの広帯域波長板の中でも広帯域１／４波長板を用いることがより好ましい。

本実施の形態に係る偏光変換素子１においては、所望の波長特性に応じて位相差フィルム１３のリタデーションを選択することにより、出射光の波長特性を向上させることができる。例えば、１／４波長板を用いる場合、位相差フィルム１３のリタデーションを１５０ｎｍにすることにより、出射光の６００ｎｍ付近の波長域が増幅する。本実施の形態においては、増幅する波長域に応じて１／４波長板を選択することにより、出射光の任意の波長域が増幅されるので、偏光変換素子１を液晶表示装置などに用いた場合にコントラスト比を向上させることができる。

なお、本実施の形態に係る偏光変換素子１においては、偏光方向を回転できれば特に限定されず、波長板以外のその他の各種偏光回転素子を用いても良い。また、本実施の形態に係る偏光変換素子１においては、総膜厚（Ｈ＋Ｌ）を３ｍｍ以下に設計することが、小型薄型化の観点からより好ましく、１ｍｍ以下に設計することが、さらに好ましい。

反射層１４は、レンズ層１１の出光面側の主面上に形成され、偏光分離層１２で反射された入射光を偏光分離層１２に向けて反射する。また、反射層１４には、レンズ１５によって集光された入射光を透過する開口部１８が設けられる。なお、本実施の形態においては、反射層１４がレンズ層１１の出光面側の主面に形成される例について説明するが、反射層１４は、位相差フィルム１３上に形成してもよい。

本実施の形態においては、反射層１４は、レンズ層１１のレンズ１５と反対側の主面に真空蒸着や、スパッタリングなどにより、アルミニウムを積層して形成される。なお、反射層１４に用いる材料は光を反射する材料であれば特に限定されず、樹脂材料、ガラス材料、アルミニウムや銀など、各種金属材料を用いることができる。これらの中でも、光の反射率、吸光による光量低下を抑制する観点から、アルミニウム、またはＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２等の誘電体多層膜を用いることが好ましく、生産性の観点から、アルミニウムがより好ましい。ここで、アルミニウムとＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２を層構造として用いても良い。

反射層１４の厚みは、５ｎｍから３００ｎｍが好ましく、１０ｎｍから２００ｎｍがより好ましい。５ｎｍ以上であれば、反射効率の低下が起きず、３００ｎｍ以下であれば生産性に優れる。

反射層１４の開口部１８は、レンズ層１１のレンズ１５の焦点位置である反射層１４のピッチ幅Ｐの略中央に対応する位置にレーザ加工などにより形成される。なお、開口部１８の形状は、入射光を透過可能な形状であれば特に限定されず、レンズ層１１の形状により円形形状であっても矩形形状であっても良い。

次に、本実施の形態に係る偏光変換素子１の偏光変換の動作について説明する。
偏光変換素子１に照射された光は、レンズ層１１の入光面側に形成されたレンズ１５によって反射層１４の開口部１８に向けて集光される。集光された入射光は、反射層１４の開口部１８を透過し、位相差フィルム１３を介して偏光分離層１２に透過する。偏光分離層１２では、入射光の一方の偏光成分は透過されて出光され、他方の偏光成分が反射層１４へ向けて反射される。

偏光分離層１２で反射された入射光の他方の偏光成分は、位相差フィルム１３を透過して偏光方向が１／４回転変換される。この１／４回転した入射光の他方の偏光成分は、反射層１４で偏光分離層１２へ向けて反射され、位相差フィルム１３を透過し、さらに１／４波長回転されて合計１／２波長回転する。ここで、入射光の一方の偏光成分と他方の偏光成分とは、偏光方向が１／２波長異なるので、位相差フィルム１３によって１／２波長偏光方向が回転された入射光の他方の偏光成分は、入射光の一方の偏光成分と同一の偏光方向となる。このようにして、入射光の他方の偏光成分は、偏光変換素子１内で一方の偏光成分に偏光変換されて偏光分離層１２より出光される。

以上説明したように、本実施の形態に係る偏光変換素子１によれば、入射光他方の偏光成分を偏光変換素子１内で一方の偏光成分に偏光変換することにより、偏光変換素子１外への光の分散を抑制できるので、入射光に対する出射光の光量低下を低減することができる。また、偏光分離層１２と反射層１４との往復で偏光変換できるので、入射光に対する出射光の波長特性の悪化を抑制することができる。

次に、本発明者らは、偏光変換素子１の構成部材の数値関係について詳細に調べた。その結果、レンズ層１１及びレンズ１５の各種構成部材の数値関係は、下記関係式（１）及び下記関係式（２）によって示されることを見出した。
Ｈｆ＝（ｆ＋Ｒ／２）…式（１）、ｆ＝Ｒ／（ｎ−１）…式（２）
（式（１）及び式（２）において、Ｈｆは理想的なレンズ層１１の厚み、ｆはレンズ１５の焦点距離、Ｒはレンズ１５の曲率半径、ｎはレンズ層１１の屈折率を表す。）

なお、本実施の形態に係る偏光変換素子１においては、偏光分離層１２と反射層１４との間の距離Ｌが０．３Ｈｆ以上であり、レンズ層１１の厚さＨが０．５Ｈｆから１．５Ｈｆの範囲であることが好ましい。また、反射層１４の開口部１８形成時の加工性の観点から、レンズ層１１の厚さＨが０．３Ｈｆから１．３Ｈｆの範囲であること及び／又は偏光分離層１２と反射層１４との間の距離Ｌが０．５Ｈｆ以上であることがより好ましい。

レンズ１５の曲率半径Ｒは、理想的なレンズ層厚みＨｆ（Ｈｆ＝（ｆ＋Ｒ／２））に応じて設定されるが、偏光変換素子１の厚みを小さくしたい場合（薄型化したい場合）は、曲率半径Ｒが０．０１ｍｍから１ｍｍの範囲であることが好ましく、０．０２ｍｍから０．５ｍｍの範囲であることがより好ましい。また、ピッチ幅Ｐを０．０５Ｒ＜Ｐ＜２Ｒ（半円）にすれば加工性に優れ、好ましくは０．１Ｒ＜Ｐ＜１Ｒである。また、ピッチ幅Ｐを小さくすることで、偏光分離層１２への入射光角度が小さくなり、正面輝度の改善につながる。

なお、本実施の形態においては、反射層１４の開口部１８とレンズ層１１のレンズ１５によって集光される入射光の焦点とが略一致するように、レンズ層１１のレンズ１５の曲率半径Ｒ、ピッチ幅Ｐ及びレンズ層１１の厚みＨが設定される。また、レンズ層１１入光面から反射層１４までの距離Ｈと反射層１４と偏光分離層１２との間の距離Ｌとが略一致することが反射光率の面から好ましい。

なお、本実施の形態においては、反射層１４における開口部１８の割合を小さくすることにより、偏光変換層１２で反射された入射光の他方の偏光成分の反射率が向上し、光量損失を低下させることができる。

なお、上記関係式（１）及び上記関係式（２）は、偏光変換素子１の構成部材の数値関係の一例を示すものであり、偏光変換素子１は、上記関係式（１）及び上記関係式（２）以外の数値関係によって構成しても良い。

本実施の形態に係る偏光変換素子１は、投射型表示装置、直視型ディスプレイ、液晶表示装置及び液晶プロジェクタなど、各種偏光光源装置として用いることができる。図２、図３を参照して本実施の形態に係る偏光変換素子１が用いられる偏光光源装置について説明する。図２は、本実施の形態に係る偏光変換素子１を偏光光源装置として用いたＬＣＯＳ（Liquid Crystal On Silicon）方式の液晶プロジェクタの概念図である。図３は、本実施の形態に係る偏光変換素子１を偏光光源装置として用いた偏光変換ＬＥＤユニット３１の概念図である。

図２に示すように、本実施の形態に係る液晶プロジェクタは、ＬＥＤなどの光源２１と、光源２１からの光束を偏光変換する偏光変換素子１と、偏光変換された光束からＳ偏光及びＰ偏光を分離する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２２と、偏光をＲ、Ｇ、Ｂの各成分に分解するＬＣＯＳ２３と、偏光を拡大投射する投射レンズ２４と、を備えて構成される。

次に、液晶プロジェクタの動作について説明する。光源２１からの出射光は、偏光変換素子１に入光して単一の偏光成分（偏光）に偏光変換される。偏光変換素子１からの出射した偏光は、偏光ビームスプリッタ２２に入光する。偏光ビームスプリッタ２２を反射した偏光は、ＬＣＯＳ２３に入光して、変調され出光する。ＬＣＯＳ２３から出光された出射光は、偏光ビームスプリッタ２２を透過、投射レンズ２４で拡大された後、投影される。

本実施の形態に係る偏光変換素子１においては、光源２１からの出射光を、フレネルレンズを設けることにより、ＰＢＳ２２への入射光を平行光にすることが好ましい。

本実施の形態に係る偏光変換素子１においては、偏光変換素子１の出光面側にレンズを設けることによりＰＢＳ２２への入射光を平行光化できる。なお、偏光変換素子１の出光面側に設けるレンズは、投射レンズ２４に限定されず各種レンズを用いることができる。

また、本実施の形態に係る偏光変換素子１においては、偏光変換素子１の出光面側に吸収光型偏光フィルムを設けることにより、偏光変換素子１で変換された偏光の偏光方向をさらに整合でき、液晶プロジェクタに生じる迷光を除去することができる。なお、偏光変換素子１の出光面側に設ける吸収型偏光フィルムは、各種吸収型偏光フィルムを用いることができる。偏光ビームスプリッタ２２としては、ガラスに誘電体多層膜を形成したもの、ワイヤーグリッドフィルム、ＤＢＥＦを用いることができ、ワイヤーグリッドフィルム、ＤＢＥＦにおいては出光側（投射レンズ側）に吸収型偏光板を用いることでコントラストの向上が図れる。ここで、ワイヤーグリッドフィルムを用いることが、光学特性の点からみて、好ましく用いられる。

図３に示すように、本実施の形態に係る偏光ＬＥＤユニットは、ＬＥＤ光源３１と、ＬＥＤ光源３１の出光面側に配置される偏光変換素子１と、ＬＥＤ光源３１と偏光変換素子１との間に設けられるフレネルレンズ３２と、を備えて構成される。

ＬＥＤ光源３１からの出射光はフレネルレンズ３２へ入光する。フレネルレンズ３２では、入光した光が平行光として出光される。フレネルレンズ３２を出光した平行光は、偏光変換素子１に入力され、一方向の偏光に変換されて出光される。

本実施の形態に係る偏光変換素子１においては、入光面側にフレネルレンズ３２のようなレンズを設けることにより、入射光が平行光に整えられので、入射光の拡散角度を調整でき、入射光の利用効率が向上する。なお、本実施の形態においては、偏光変換素子１の入光面側に設けるレンズは、フレネルレンズ３２に限定されず、各種レンズを用いることができる。

次に、本実施の形態に係る偏光変換素子１の製造工程について説明する。
レンズ層１１のレンズ１５は、Ｎｉなどで形成されたレンズ金型を用い、熱可塑性樹脂などに熱プレスによって成形することができる。熱プレス時の温度は、例えば、１２０℃で成形することができる。プレス圧は、例えば、４０ｋｇ／ｃｍ^２で成形することができる。次いで、レンズ層１１の厚さＨを調整してレンズ層１１を作製する。

次に、レンズ層１１のレンズ１５が形成された主面の反対側の主面に、真空蒸着やスパッタリングなどにより反射層１４を形成する。次いで、レーザ加工などにより、反射層１４の開口部１８を形成する。開口部１８は、レンズ層１１の曲率半径Ｒ、ピッチ幅Ｐ及びレンズ層１１の厚みＨによって調整される入射光の焦点位置と反射層１４の開口部１８とが略一致するように形成する。レーザ加工により開口部１８を形成する場合、例えば、レンズ層１１側から波長１０６０ｎｍのレーザ光を入射し、入射光の焦点距離近辺のアルミニウムを溶解、昇華、アブレージョンすることにより形成できる。

最後に、レンズ層１１、偏光分離層１２、位相差フィルム１３及び反射層１４を重ね合わせ、または両面粘着材料、または接着材などで一体化することにより、偏光変換素子１が製造される。なお、重ね合わせ、接合に際して、偏光分離層１２の格子状凹凸形状の向きを調整することにより、偏光方向を調整することができる。例えば、偏光分離層１２の格子状凹凸形状を４５°ずらして接合した場合、一方の偏光成分を透過して他方の偏光成分を反射する。これに対して、偏光分離層１２の格子状凹凸形状を１３５°ずらして接合した場合、一方の偏光成分を反射して他方の偏光成分を透過する。ここで、必ずしも、粘着剤等により完全に一体化する必要はない。使用の仕方によっては分離して配置（配設）されるケースも想定される。

次に、本発明の効果を明確にするために行った実施例により本発明を詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例により何ら限定されるものではない。

以下の実施例１から実施例５では、レンズ層１１の厚みＨ、層間距離Ｌ、及び反射面比率＝（（反射層１４の表面積）／（開口部１８の表面積＋反射層１４の表面積）×１００（％））を変更した場合における偏光変換素子１の分光特性変化及び偏光変換素子の厚さを調べて比較した。なお、開口部１８の幅は、ピッチ幅Ｐ×（１−反射面比率／１００）で求められる。また、実施例１から実施例５で作製した偏光変換素子１とワイヤグリッド偏光板単独（ＷＧＦ単独）での性能とを比較した場合における分光特性の変化を表１に示した。

（実施例１）
レンズ層１１の材料にはＰＭＭＡ（ｎ＝１．４９）を使用した。次いで、ピッチ幅Ｐが０．５ｍｍ、曲率半径Ｒが０．５ｍｍのレンズ金型を用い、プレス温度１２０℃、プレス圧力４０ｋｇ／ｃｍ^２の条件でレンズ層１１の一方の主面に熱プレス形成してレンズ１５を形成した。レンズ１５は、レンチキュラーレンズ形状であった。このレンズ層１１を厚みＨが０．８ｍｍになるように形成し、レンズ層１１（Ｈｆ＝１．２７）を作製した。

次に、レンズ層１１のレンズ１５が形成された主面の反対側の主面にアルミニウムをスパッタリングにより成膜して反射層１４を作成した。反射層１４の厚みは１２０ｎｍであった。次いで、ＦＡＹｂレーザーマーカ（ＳＵＮＸ社製、ＬＰ−Ｖ１０Ｕ）を用い、レーザ出力５％、スキャンスピード８００ｍｍ／ｓｅｃ、パルス周期１０μｓ、ピッチ５０μｍの条件で３０ｍｍ角を全面スキャンして開口部１８を形成した。加工時間は約４５ｓｅｃであった。反射層１４は、入光面方向において、反射面比率＝（反射層１４の表面積）／（開口部１８の表面積＋反射層１４の表面積）×１００（％）が５２．４％であった。

偏光分離層１２には、ワイヤグリッド偏光子（ＷＧＦ）を用いた。位相差フィルム１３には、１／４波長板（波長：５５０ｎｍ）、位相差（リタデーション：１４０±１０ｎｍ）、厚さ４６μｍのＣＯＰ樹脂を用いた。位相差フィルム１３の遅相軸と偏光分離層１２の偏光軸とが４５度ずれるようにして接合して偏光変換素子１を作製した。なお、接合に際して、レンズ層１１の厚さＨ、レンズ層１１の入光面と反射層１４の反射面との間の距離、及び反射層１４の反射面と偏光分離層の金属ワイヤ１７との間の距離Ｌが一致するように接合した。偏光変換素子１の厚さは１．６ｍｍであった。

（性能評価）
分光光度計（島津製作所社製、ＵＶ３１５０）を使用して、波長５５０ｎｍにおける透過率、反射率など、各種分光特性を評価した。分光光度計の光源が偏光性を有することを考慮し、以下のようにして透過率を測定した。入射光及びリファレンス光のそれぞれに対して反射型偏光フィルムをＭＤ方向（Ｐ偏光成分）、ＴＤ方向（Ｓ偏光成分）に挿入し、個別にベースラインを作成して透過率を測定し、透過率＝（ＭＤ＋ＴＤ）／２として算出した。結果を表１に示す。

（実施例２）
レンズ層１１の厚みＨが１．０ｍｍ、層間距離１．０ｍｍ、反射層１４の反射面比率が６３．０％とした以外は、実施例１と同様にして偏光変換素子１を作製して各種分光特性を測定した。偏光変換素子１の厚さは２．０ｍｍであった。結果を表１に示す。

（実施例３）
レンズ層１１の厚みＨが１．３ｍｍ、層間距離１．３ｍｍ、反射層１４の反射面比率が７９．０％とした以外は、実施例１と同様にして偏光変換素子１を作製して各種分光特性を測定した。偏光変換素子１の厚さは２．６ｍｍであった。結果を表１に示す。

（実施例４）
レンズ層１１の厚みＨが０．１３ｍｍ、層間距離０．１ｍｍ、曲率半径Ｒが０．０５ｍｍ、ピッチ幅Ｐが０．１ｍｍ、反射層１４の反射面比率が７９．０％とした以外は、実施例１と同様にして偏光変換素子１（Ｈｆ＝０．１３）を作製して各種分光特性を測定した。偏光変換素子１の厚さは０．２３ｍｍであった。結果を表１に示す。
（実施例５）
レンズ層１１の厚みＨが１．０ｍｍ、層間距離１．０ｍｍ、曲率半径Ｒが０．４ｍｍ、ピッチ幅Ｐが０．２２２ｍｍ、反射層１４の反射面比率が８５．０％、レンズ１５をマイクロレンズアレイ形状とした以外は、実施例１と同様にして偏光変換素子１（Ｈｆ＝１．０２）を作製して各種分光特性を測定した。偏光変換素子１の厚さは２．０ｍｍであった。結果を表１に示す。

表１に示すように、ワイヤグリッド偏光板（ＷＧＦ）を単独で用いて偏光分離した場合と比較し、本実施の形態に係る偏光変換素子１を用いることにより、入射光が偏光変換されて透過率が向上することが分かる（実施例１〜実施例５）。また、ＷＧＦ単独で用いた場合と比較し、レンズの厚さＨが０．８から１．３の範囲に亘って、Ｈｆの値に近づくほど透過率が向上することが分かる。

また、ＨをＨｆに近づけることにより反射層１４における開口部１８の割合を小さくする（反射面比率を大きくする）ことができ、反射偏光効率が改善することがわかる。（実施例１〜実施例３）。図４に実施例３の透過率Ｔｐと、ＷＧＦ単独の透過率Ｔｐのデータを示す。実施例３の透過率Ｔｐが、４００ｎｍ〜８００ｎｍの波長領域において優れていることが分かる。

本発明の偏光変換素子は、液晶ディスプレイや、液晶表示装置など、各種光学機器に好適に使用できる。

１ 偏光変換素子
１１ レンズ層
１２ 偏光分離層
１３ 位相差フィルム
１４ 反射層
１５ レンズ
１６ 基材
１７ 金属ワイヤ
１８ 開口部
２１ 光源
２２ 偏光ビームスプリッタ
２３ ＬＣＯＳ
２４ 投射レンズ
３１ ＬＥＤ光源
３２ フレネルレンズ

Claims (15)

1. 入射光を集光する集光層と、
   前記集光層で集光された前記入射光の一方の偏光成分を透過すると共に、他方の偏光成分を反射する偏光分離層と、
   前記偏光分離層で反射された前記入射光の他方の偏光成分を反射する反射層と、
   前記偏光分離層と前記反射層との間に設けられると共に、前記入射光の偏光方向を回転させる偏光回転層と、を具備し、
   前記偏光回転層は、前記偏光分離層で反射された前記入射光の他方の偏光成分及び前記反射層で反射された前記入射光の他方の偏光成分の偏光方向を回転して前記一方の偏光成分に変換することを特徴とする偏光変換素子。
2. 前記集光層は、一方の主面に少なくとも１つの曲面が形成されると共に、前記集光層の理想厚さＨｆを下記関係式（１）及び下記関係式（２）で表わした場合において、前記偏光分離層と前記反射層との間の距離Ｌが０．３Ｈｆ以上であり、前記集光層の厚さＨが０．５Ｈｆから１．５Ｈｆの範囲であることを特徴とする請求項１記載の偏光変換素子。
   Ｈｆ＝（ｆ＋Ｒ／２）…式（１）、ｆ＝Ｒ／（ｎ−１）…式（２）
   （式（１）及び式（２）において、Ｈｆは理想的なレンズ層の厚み、ｆは集光層の焦点距離、Ｒは曲面の曲率半径、ｎは集光層の屈折率を表す。）
3. 前記偏光回転層が、広帯域１／４波長位相差フィルムであることを特徴とする請求項１または請求項２記載の偏光変換素子。
4. 前記偏光回転層が少なくとも１枚の１／４波長位相差フィルムと少なくとも１枚の１／２位相差フィルムとが設けられてなることを特徴とする請求項１または請求項２記載の偏光変換素子。
5. 前記偏光分離層は、ワイヤグリッド偏光板であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の偏光変換素子。
6. 前記偏光分離層は、複屈折材料を有する多層フィルムであることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載の偏光変換素子。
7. 前記反射層は、前記集光層の前記曲面と反対側の主面に金属で形成され、前記集光面側から前記反射層にレーザ光を入射して形成される開口部を有することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれかに記載の偏光変換素子。
8. 総膜厚が３ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載の偏光変換素子。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の偏光変換素子を備えたことを特徴とする偏光光源装置。
10. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の偏光変換素子と、前記偏光変換素子の入光面側に配置されるレンズと、を具備することを特徴とする偏光光源装置。
11. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の偏光変換素子と、前記偏光変換素子の出光面側に配置されるレンズと、を具備することを特徴とする偏光光源装置。
12. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の偏光変換素子と、前記偏光変換素子の出光面側に配置される吸収型偏光フィルムと、を具備することを特徴とする偏光光源装置。
13. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の偏光変換素子から出光した偏光を用いることを特徴とする投射型表示装置。
14. 請求項１から請求項８のいずれかに記載の偏光変換素子から出光した偏光を用いることを特徴とする直視型ディスプレイ。
15. 請求項９から請求項１２のいずれかに記載の偏光光源装置をバックライトに用いたことを特徴とする液晶表示装置。

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