JP2011107308A

JP2011107308A - 偏光変換素子

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Publication number: JP2011107308A
Application number: JP2009260813A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamaki; 宏山木
Original assignee: Asahi Kasei E Materials Corp
Current assignee: Asahi Kasei Corp
Priority date: 2009-11-16
Filing date: 2009-11-16
Publication date: 2011-06-02
Anticipated expiration: 2029-11-16
Also published as: JP5566667B2

Abstract

【課題】高い光の利用効率を保ちながら、簡易な方法で自由に光の出光方向を制御することができる偏光変換素子を提供することを目的の一とする。
【解決手段】反射光を集光する曲面を有する反射型偏光板と、反射光が集光する位置に設けられ反射光を再反射する反射板と、反射光を偏光変換する位相差板とを設け、反射型偏光板で反射された反射光を集光させて、反射板で再反射させると共に反射板に設けられた位相差板を用いて偏光変換した光を再度反射型偏光板に入光させることにより、光の利用効率を向上する。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光変換素子及び当該偏光変換素子を有する照明装置に関する。

偏光変換素子は、プロジェクタ等に好適に用いられる光学素子として古くから知られている（例えば、特許文献１参照）。

偏光変換素子の一つに反射型の偏光分離素子があるが、反射型偏光分離素子はガラス上に真空成膜された誘電体多層膜や、ガラス基板ワイヤグリッド偏光板で形成されており、曲げて使用することが難しい問題や、誘電体多層膜は偏光分離性能が入射角度に大きく依存する問題があることから、ガラスブロック中の平面として用いる必要があり、設計の自由度が制限されていた。

このような問題を解決するために、湾曲可能な偏光膜を半球状に設けてなる偏光変換素子が提案されている（例えば、特許文献２、特許文献３参照）

特開平０３−１３９８３号公報特開２００５−５２１７号公報特開２００９−１８１８４２号公報

しかしながら、特許文献２、特許文献３に開示された構成では、偏光膜で反射された光が光源に入光するため、光源での光の吸収損失が大きくなり光の利用効率が低下するおそれがある。

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、高い光の利用効率を保ちながら、簡易な方法で自由に光の出光方向を制御することができる偏光変換素子を提供することを目的の一とする。

本発明の偏光変換素子の一態様は、反射光を集光する曲面を有する反射型偏光板と、反射光が集光する位置に設けられ反射光を再反射する反射板と、反射板に設けられ反射光を偏光変換する位相差板とを具備する。

本発明の偏光変換素子の一態様において、反射型偏光板は、位相差板で偏光変換された光の一部又は全部を透過する構成とすることが好ましい。

本発明の偏光変換素子の一態様において、反射型偏光板と、反射型偏光板に光を照射する光源との間に透明固体を具備し、透明固体は、光源からの光が入光する入光面と、入光した光が出光する出光面との形状が異なることが好ましい。

本発明の偏光変換素子の一態様において、透明固体の出光面が凸曲面を有し、出光面に反射型偏光板が設けられていることが好ましい。

本発明の偏光変換素子の一態様において、反射型偏光板がワイヤグリッド偏光フィルムであることが好ましい。

本発明の偏光変換素子の一態様において、透明固体の出光面全体が、同じ偏光軸を有するワイヤグリッド偏光フィルムで覆われていることが好ましい。

本発明の偏光変換素子の一態様において、反射型偏光板の出光面側に形成された透明基材と、透明基材の表面に設けられた反射防止層を有することが好ましい。

本発明の一態様によれば、反射型偏光板の受光面を曲面形状とし、当該反射型偏光板で反射された光を集光させて、反射板で再反射させると共に位相差板を用いて偏光変換した光を再度反射型偏光板に入光させることにより、高い光の利用効率を保ちながら、簡易な方法で自由に光の出光方向を制御することができる。

本発明の実施の形態に係る偏光変換素子の一例を説明する図である。本発明の実施の形態に係る偏光変換素子の一例を説明する図である。本発明の実施例に係るワイヤグリッド偏光板の光学特性を示す図である。本発明の実施例に係る比較例である多層膜偏光子の光学特性を示す図である。

本発明者は、反射型偏光板の受光面を曲面形状とし、当該反射型偏光板で反射された光を集光させて、反射板で再反射させると共に位相差板を用いて偏光変換した光を再度反射型偏光板に入光させることにより、高い光の利用効率を保ちながら、簡易な方法で自由に光の出光方向を制御できることを見出した。また、反射型偏光板の受光面を曲面として反射光を集光させる構成とすることにより、平行光に限らず適用することができるため、簡易な構成で設けることが可能となる。以下に、偏光変換素子の構造について、図面を参照して説明する。

本実施の形態で示す偏光変換素子１００は、反射光を集光する曲面を有する反射型偏光板１０１と、反射型偏光板１０１に反射された反射光を再反射する反射板１０２と、反射光を偏光変換する位相差板１０３とを具備している（図１（Ａ）参照）。

反射型偏光板１０１は、光源１２０から入光した光に対して、特定の偏光成分の光（例えば、ｐ偏光）を透過すると共に当該特定の偏光成分に直交する偏光成分の光（例えば、ｓ偏光）を反射することにより偏光分離を行うものである。また、反射型偏光板１０１は反射光を集光できるように曲面で設けるため、可撓性を有する偏光板を用いることが望ましい。このような偏光板として、樹脂基材上に金属ワイヤが設けられた可撓性を有するワイヤグリッド偏光板を用いることが好ましい。ワイヤグリッド偏光板は、屈折率の異なる多層膜からなる多層膜偏光板と比較して、高い偏光度を得ることができるだけでなく耐熱性や加工性に優れるためである。

反射型偏光板１０１を樹脂基材上に金属ワイヤが設けられたワイヤグリッド偏光板で形成する場合、金属ワイヤを保護するために、金属ワイヤを覆うように透明基材１０５を形成することが好ましい。また、反射型偏光板１０１の出光面側に設けられる基材（ここでは、透明基材１０５）の表面に、光の透過損失を減らすための反射防止層１０６を形成することが好ましい（図１（Ｂ）参照）。

反射板１０２は、反射型偏光板１０１に反射された反射光が集光する位置に設けることが望ましい。これにより、反射型偏光板１０１で反射された光を反射板１０２で再反射させて、反射型偏光板１０１に効率的に再入光させることができる。一般的に、光は反射を繰り返すにつれて反射損失により減衰するため、図１に示すように反射光を集光させる位置に反射板１０２を設けて再反射した光を反射型偏光板１０１に再入光させることにより、偏光変換素子１００内での反射回数を低減し、光の利用効率を高めることができる。

反射板１０２は、アルミニウム、銀や層間の屈折率差を利用した多層膜型反射素材などの反射率が高い材料を用いて形成することができる。また、反射板１０２の形状を制御することにより、反射板１０２で再反射した光の光路を制御し、光の出光方向を制御することが可能となる。反射板１０２の形状は、例えば、平面だけでなく円柱や円錐形状もしくはその一部のような曲面形状など、出光方向に応じて適宜選択できる。反射板１０２は、できるだけ入射光の入射角が同じになるように表面の形状を選択することが、後述する偏光変換効率を向上させるために好ましい。また、反射板１０２の光源１２０側の形状は、光源１２０からの光ができるだけ、反射型偏光板１０１に向かうように、断面形状を楔形状などに選択することが好ましい。光源１２０から反射型偏光板１０１に至る底面部分も、反射板１０２と同様な反射材料で構成することが好ましい。

本実施の形態で示す偏光変換素子１００では、反射型偏光板１０１と光源１２０との間に反射板１０２を設ける。このように、反射板１０２を反射型偏光板１０１と光源１２０との間に配置することにより、反射型偏光板１０１で反射された反射光が光源１２０に入光することを低減することができ、これにより、光源１２０内での光の吸収損失を低減できる。

位相差板１０３は、１／４波長膜を用いることができる。この場合、反射型偏光板１０１で反射された反射光（例えば、ｓ偏光）が１／４波長膜を透過して円偏光に変換された後、反射板１０２に再反射された光が１／４波長膜を透過してｐ偏光となって反射型偏光板１０１に入光する。

また、位相差板１０３は、反射板１０２に取り付けて設けることが望ましい。これにより、位相差板１０３を通過して偏光変換される光の光路長を正確に制御することができ、偏光変換の効率を向上することができる。また、出光面全体を覆うように（反射型偏光板１０１の内側全面に）位相差板１０３を設ける必要がなくなり、位相差板１０３を小さく形成することもできる。

また、図１に示す偏光変換素子１００において、出光面全体を同じ偏光軸を有する反射型偏光板１０１で設けること、つまり、偏光変換素子１００から出光する光が必ず反射型偏光板１０１を通過する構成とすることが好ましい。一般的に、ワイヤグリッド偏光板は透過光の偏光度を高くすることができるが、反射光の偏光度は透過光の偏光度と比較して低くなるため、反射光を偏光変換しただけでは高い偏光度を持った偏光が得られない場合がある。そのため、偏光変換した反射光をワイヤグリッド偏光板を透過させる構成とすることで、偏光変換素子１００から出光する光の偏光度を向上させることができる。

また、上記偏光変換素子１００において、反射型偏光板１０１で反射された反射光を集光させる位置（反射板１０２を設ける位置）は、反射型偏光板１０１の曲面の形状や光源１２０との位置関係等により制御することができる。例えば、図１に示すように、反射型偏光板１０１の形状を半円柱状とし、円の中心付近に反射板１０２を同心円状に配置し、その下側に光源１２０を近接して設けることができる。他にも、図２（Ａ）に示すように、反射型偏光板１０１の形状を放物線状とし、放物線の焦点付近に反射板１０２を設けることができる。

また、上述した偏光変換素子１００において、光源１２０と反射型偏光板１０１の間に透明固体１０４を設けた構成とすることが好ましい（図２（Ｂ）参照）。透明固体１０４は、光源１２０からの光が入光する入光面１０４ａと、入光した光が出光する出光面１０４ｂを有しており、入光面１０４ａと出光面１０４ｂの形状を制御する（入光面１０４ａと入光面１０４ｂを異なる形状とする）ことにより、反射型偏光板１０１から出光する光（透過光）や反射する光の角度を調整することができる。

例えば、透明固体１０４の出光面１０４ｂが凸曲面を有し、当該出光面１０４ｂに反射型偏光板１０１を設けた構成とすることができる。また、透明固体１０４の屈折率を調整することにより、屈折率変化に起因する界面反射損失等を低減して光の利用効率を向上することもできるし、透過光や反射光の角度を調整することも可能となる。

また、図２（Ｂ）に示す構成において、出光面１０４ｂ全体を反射型偏光板１０１で覆うように設けることにより、偏光変換素子１００から出光する光が必ず反射型偏光板１０１を通過する構成とすることができる。これにより、偏光変換素子１００から出光する光の偏光度を向上させることができる。

透明固体１０４は、透明性の高いアクリル系樹脂、シリコーン系樹脂、エポキシ系樹脂などの材料を用いて形成することができる。特に、光源１２０と密着させるように透明固体１０４を設け、且つ透明固体１０４の屈折率を光源１２０の表面と同等としたり、屈折率を徐々に変化させることによって、屈折率変化に起因する界面反射損失等を効果的に低減し、光源１２０から入光する光の取り込み効率を向上させることができる。透明固体１０４は、光源１２０から反射型偏光板１０１までの光路における急激な屈折率変化を防止する役割を持つことから、固体に限らず、液体やゲル状物を封入することもできる。

なお、図１、図２において、偏光変換素子１００に光を入光する光源１２０としては、ＬＥＤや有機ＥＬを適用することができる。発光面積が小さくて明るいＬＥＤは、光路設計の精度を高めるために適しており、発熱が少ないことから偏光変換素子１００を樹脂で構成するためにも好適である。一方、有機ＥＬは、比較的広い面発光であることから、図２（Ａ）のような面光源が適する構成には好ましい。

（実施例）
以下本発明の効果を明確にするために行った実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施例に限定されるものではない。

本実施例では、反射型偏光板としてワイヤグリッド偏光板を作製し、その光学特性を測定した。

・紫外線硬化樹脂を用いた格子状凸部転写フィルムの作製
格子状凸部転写フィルムの作製には、格子状凸部のピッチが１４０ｎｍ、高さが１４５ｎｍで、格子状凸部の延在する方向に垂直な断面における凹部形状が略矩形のＮｉ製金型を用いた。厚み８０μｍのトリアセチルセルロース樹脂（以下、ＴＡＣと略す）フィルムに紫外線硬化性樹脂を約３μｍ塗布し、塗布面を下にし、金型とＴＡＣフィルム間に空気が入らないように乗せた。ＴＡＣフィルム側から中心波長３６５ｎｍの紫外線ランプを用いて紫外線を１０００ｍＪ／ｃｍ^２照射し、格子状凸部を転写した。ＴＡＣフィルムを金型から剥離し、縦３００ｍｍ、横２００ｍｍの格子状凸部を転写したフィルムを作製した。紫外線硬化性樹脂としては、例えば、特開２００９−１９１７４の実施例２に示す材料を適用することができる。

・スパッタリング法を用いた誘電体層の形成
上記のように紫外線硬化性樹脂を用いて作製した格子状凸部転写フィルムに、スパッタリング法を用い誘電体を被覆した。本実施例では、誘電体として酸化珪素を用いた場合について説明する。Ａｒガス圧力０．６７Ｐａ、スパッタリングパワー４Ｗ／ｃｍ^２、被覆速度０．２２ｎｍ／ｓにて誘電体の被覆を行った。層厚み比較用サンプルとして表面が平滑なガラス基板を格子状凸部転写フィルムと同時に装置に挿入し、平滑ガラス基板への誘電体積層厚みが３ｎｍとなるように成膜を行った。

・真空蒸着法を用いた金属の蒸着
格子状凸部転写フィルムに誘電体を積層した後、電子ビーム真空蒸着法（ＥＢ蒸着法）を用いて金属の積層を行った。本実施例では、金属としてアルミニウム（Ａｌ）を用いた場合について説明する。真空度２．５×１０^−３Ｐａ、蒸着速度１０ｎｍ／ｓ、常温下においてアルミニウムの蒸着を行った。層厚み比較用サンプルとして表面が平滑なガラス基板を誘電体積層格子状凸部転写フィルムと同時に装置に挿入し、平滑基板へのアルミニウム蒸着厚みが１００ｎｍとなるように蒸着を行った。このときアルミニウムの蒸着は、斜め蒸着法を用い、格子状凸部の延在する方向に垂直な平面内で、基材面の法線と蒸着源のなす入射角度θを２０°とした。

・エッチングによる不要金属の除去
Ａｌを積層した格子状凸部転写フィルムフィルムを室温下の０．１重量％水酸化ナトリウム水溶液中で５０秒間浸漬（エッチング）し、その後すぐに水洗いし、フィルムを乾燥させた。

・分光光度計による光学特性評価
得られたワイヤグリッド偏光板について、分光光度計を用い偏光度、反射率及び透過率を測定した。その結果を図３に示す。

図３から分かるように、本実施例で作製したワイヤグリッド偏光板は、可視光から近赤外領域のほぼ全領域にわたって優れた偏光性能を示した。可視光領域（４５０〜７５０ｎｍ）について、入射角０°と入射角４５°における各偏光成分の透過率と反射率を測定した結果、入射角０°においてｐ偏光の透過率（Ｔｐ）は８４％、ｓ偏光の透過率（Ｔｓ）は０．１％であり、入射角４５°においてｐ偏光の透過率（Ｔｐ）は８６％、ｓ偏光の反射率（Ｒｓ）は８５％であり、ｐ偏光の反射率（Ｒｐ）は１％であった。また、入射角０°における感度補正後の偏光度は９９．９７％と高い値を示した。このワイヤグリッド偏光板とシリコーン樹脂を用いて、図２（Ｂ）に断面形状示す半円柱状偏光変換素子を構成したところ、自然光に対する透過率が７５％で、偏光度９９．９７％の高い偏光度を示した。

（比較例）
屈折率の異なる多層膜からなる多層膜偏光子を用いて形成された偏光変換素子の光学特性を測定した。具体的には市販の液晶プロジェクタに使用されている日本真空光学製の偏光変換素子を用いた。その結果を図４に示す。

図４から分かるように、多層膜偏光変換素子では、透過率は高いものの、偏光度は９８％で、高い偏光度が得られず、可視光全波長域にわたり均一な透過偏光が得られなかった。

＜偏光変換素子の使用形態＞
上述した偏光変換素子は、偏光照明や各種映像表示装置用光源（液晶用ＬＥＤバックライト光源等）の照明装置に応用することができる。

例えば、偏光変換素子を姿見照明やショウウインドウ用の照明として適用することができる。この場合、特定の偏光成分の光（例えば、ｐ偏光）を所定の入射角度（４０°〜７０°）で照射することにより、対象物からの反射を抑制し視認性を向上することができる。ガラス等のケース内に置かれた商品等を照射する場合には、ガラス表面での反射を低減しガラス内の商品の視認性を向上することができる。また、ショウウインドウの照明として適用する場合、偏光面を回転させるように照射することにより、光量を一定のまま反射率を変化させることができる。これにより、一つの照明装置を用いて様々な演出へ応用することができる。

また、偏光変換素子を自動車の照明としても応用することができる。例えば、車内のルームランプに適用することにより、ガラス面への映りこみを低減し視認性を向上することができる。また、車のヘッドランプとして適用することにより、路面からの反射光量を向上させることができる。特に、雨天時において、特定の偏光成分の光（例えば、ｐ偏光）を所定の角度から照射することにより、路面上の水滴に反射される割合を低減し、路面からの反射光量を増加させることができ、視認性を向上することが可能となる。

なお、本発明は上記実施の形態に限定されず、種々変更して実施することができる。また、上記実施の形態における材質、数量などについては一例であり、適宜変更することができる。その他、本発明の技術的思想を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施することができる。

本発明の偏光変換素子は、偏光照明や各種映像表示装置用光源の照明装置に適用することができる。

１００偏光変換素子
１０１反射型偏光板
１０２反射板
１０３位相差板
１０４透明固体
１０５透明基材
１０６反射防止層
１２０光源

Claims

反射光を集光する曲面を有する反射型偏光板と、
前記反射光が集光する位置に設けられ、前記反射光を再反射する反射板と、
前記反射板に設けられ、前記反射光を偏光変換する位相差板と、を具備する偏光変換素子。
前記反射型偏光板は、前記位相差板で偏光変換された光の一部又は全部を透過することを特徴とする請求項１に記載の偏光変換素子。
前記反射型偏光板と、前記反射型偏光板に光を照射する光源との間に透明固体を具備し、前記透明固体は、光源からの光が入光する入光面と、入光した光が出光する出光面との形状が異なることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の偏光変換素子。
前記透明固体の出光面が凸曲面を有し、前記出光面に前記反射型偏光板が設けられていることを特徴とする請求項３に記載の偏光変換素子。
前記反射型偏光板がワイヤグリッド偏光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。
前記透明固体の出光面全体が、同じ偏光軸を有する前記ワイヤグリッド偏光フィルムで覆われていることを特徴とする請求項４又は請求項５に記載の偏光変換素子。
前記反射型偏光板の出光面側に形成された透明基材と、前記透明基材の表面に設けられた反射防止層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。