JP2011107309A

JP2011107309A - 偏光光源

Info

Publication number: JP2011107309A
Application number: JP2009260814A
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

Abstract

【課題】小型化が可能であると共に、光の利用効率及び偏光度が高い偏光光源を提供することを目的の一とする。
【解決手段】発光面が１００ｍｍ^２以下で発光面近傍の温度が１５０℃以下の発光体と、偏光ビームスプリッタ及び偏光ビームスプリッタで反射された反射光を偏光変換する位相差板を有する偏光変換素子とを具備し、偏光ビームスプリッタをワイヤグリッド偏光板で形成し、発光体の中心部と偏光ビームスプリッタとの平均距離を発光体の発光幅の１／２〜１０倍とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、偏光光源及び当該偏光光源を有する照明装置に関する。

直線偏光光源は、プロジェクタの光源や、液晶ＴＶ等の大面積バックライトに用いられる光源として古くから知られている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、特許文献１に示されるようなプロジェクタ光源は、大光量を得ることができるものの発熱の大きなメタルハライドランプなどの光源を対象としており、高温への対処として、反射型偏光分離素子はガラス上に真空成膜された無機多層膜や、ガラス基材ワイヤグリッド偏光板で構成する必要があり、高価となることから汎用的に直線偏光光源として用いることは難しかった。

液晶ＴＶなどのバックライトには、樹脂複屈折を利用した多層膜からなる反射型偏光分離素子が用いられていたが、ＬＣＤのバックライトとしてのみ設計されたもので、汎用的な直線偏光光源とはいえなかった。また、樹脂複屈折を利用した多層膜からなる反射型偏光分離素子と蛍光灯を組み合わせた直線偏光光源は読書灯などとして実用化されているものの、光の利用効率や得られる光の偏光度が十分とはいえなかった。

他にも、自動車のヘッドランプを直線偏光光源とすることで、視認性を高めることが提案されているが（例えば、特許文献２、特許文献３参照）、発熱が大きいもしくは発量の少ない光源を用いることを前提としており、構造が複雑で製造コストの点で問題があった。

また、近年、発光ダイオード（ＬＥＤ）をプロジェクタ等の光源として適用することが提案されている（例えば、特許文献４、特許文献５参照）。

特開平０３−１３９８３号公報特開２００３−１４１９０７号公報特開２００８−２９３８５２号公報特開２００７−６５４０８号公報特開２００８−２９２５８９号公報

しかしながら、特許文献４、特許文献５では、偏光光源の小型化が十分に図れているとはいえなかった。また、偏光光源において、偏光膜に加えて反射部材と位相差板を用いることにより、偏光膜の透過光及び反射光を取り出して光の利用効率を向上させているが、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、取り出す光の偏光度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、小型化が可能であると共に、光の利用効率及び偏光度が高い偏光光源を提供することを目的の一とする。

本発明の偏光光源の一態様は、発光面が１００ｍｍ^２以下で発光面近傍の温度が１５０℃以下の発光体と、偏光ビームスプリッタ及び偏光ビームスプリッタで反射された反射光を偏光変換する位相差板を有する偏光変換素子と、を具備し、偏光ビームスプリッタがワイヤグリッド偏光板で形成され、発光体の中心部と偏光ビームスプリッタとの平均距離が、発光体の発光幅の１／２〜１０倍であることを特徴としている。また、偏光ビームスプリッタの面積が発光体の発光面積の１０倍以下であることが好ましい。

本発明の偏光光源の一態様は、発光面が１００ｍｍ^２以下で発光面近傍の温度が１５０℃以下の発光体と、発光体の光を特定の偏光成分の光に変換して出光する偏光変換素子とを具備し、偏光変換素子は、偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタで反射された反射光を偏光変換する位相差板と、位相差板を透過した光を偏光分離する偏光分離膜とを有し、偏光ビームスプリッタと偏光分離膜が同じ偏光軸を有するワイヤグリッド偏光板で形成されている。

本発明の偏光光源の一態様において、偏光ビームスプリッタを形成するワイヤグリッド偏光板と、偏光分離膜を形成するワイヤグリッド偏光板が一体形成されていることが好ましい。

本発明の偏光光源の一態様において、発光体がＬＥＤであることが好ましい。

本発明の偏光光源の一態様において、発光体と偏光変換素子が透明固体で結合されていることが好ましい。

本発明の偏光光源の一態様において、偏光変換素子は、自然光に対する変換効率が７０％以上であることが好ましい。

本発明の偏光光源の一態様において、偏光変換素子は、白色光の全波長域において偏光度が９０％以上であることが好ましい。

本発明の一態様によれば、発光面近傍の温度が低い発光体と、偏光ビームスプリッタ及び当該偏光ビームスプリッタで反射された反射光を偏光変換する位相差板を有する偏光変換素子とを具備する偏光光源において、偏光ビームスプリッタを樹脂基材を用いたワイヤグリッド偏光板で設けることにより、小型化が可能であると共に、偏光光源の光の利用効率と偏光度を向上させることができる。

本発明の実施の形態に係る偏光光源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光源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、発光面近傍の温度が低い発光体と、偏光ビームスプリッタ及び当該偏光ビームスプリッタで反射された反射光を偏光変換する位相差板を有する偏光変換素子とを具備する偏光光源において、偏光ビームスプリッタをワイヤグリッド偏光板で設けることにより、高い光の利用効率を保ちながら、偏光度を向上できることを見出した。特に、位相差板を透過した光を偏光分離膜を介して出光させることにより、偏光光源から出光する光の偏光度を効果的に向上できることを見出した。以下に、偏光光源の構造について、図面を参照して説明する。

本実施の形態で示す偏光光源１００は、光源となる発光体１０１と、当該発光体１０１の光を特定の偏光成分の光（ｐ偏光又はｓ偏光）に変換して出光する偏光変換素子１０２とを具備している。偏光変換素子１０２は、少なくとも偏光分離膜で構成される偏光ビームスプリッタ１０３と、当該偏光ビームスプリッタ１０３で反射された反射光を偏光変換する位相差板１０４を有し、偏光ビームスプリッタ１０３がワイヤグリッド偏光板で形成されている（図１（Ａ）参照）。

偏光ビームスプリッタ１０３は、発光体１０１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、偏光ビームスプリッタ１０３の反射光の光路に、当該偏光ビームスプリッタ１０３と概略平行となるように反射部１０６を設けることにより、偏光ビームスプリッタ１０３の反射光と透過光を概略同じ方向に出光させることができる。これにより、光の利用効率を向上させることができる。偏光光源１００において、自然光に対する偏光変換素子１０２の変換効率を７０％以上とすることが好ましい。

発光体１０１は、発光面が１００ｍｍ^２以下で発光面近傍の温度が１５０℃以下の発光体を用いることができる。このような発光体として、ＬＥＤを用いることができる。発光面近傍の温度が低い発光体を用いることにより、偏光変換素子１０２の基材や発光体との間の空間を充填する透明体に、加工性に優れるものの耐熱性が低い樹脂素材等を用いることが可能となり、例えば、偏光ビームスプリッタ１０３を樹脂基材で形成されたワイヤグリッド偏光板で形成することにより、偏光光源１００の低コスト化や軽量化を図ることができる。また、発光体１０１の発光面とは、白色ＬＥＤや蛍光管であれば蛍光体で構成され実際に発光している面を指す。

発光体１０１として、ＬＥＤのような微小な発光体を用いる場合には、偏光光源全体の大きさを小さくし、コストを低減するために偏光ビームスプリッタ１０３の面積を発光体１０１の発光面積の１０倍以下とすることが好ましく、５倍以下が特に好ましい。偏光ビームスプリッタ１０３の面積を小さくするためには、発光体１０１からの光が広がる前に偏光ビームスプリッタ１０３に光を導くことが重要であり、発光体１０１と偏光ビームスプリッタ１０３との距離を、できるだけ小さくすることが好ましい。具体的には、発光体１０１の中心部と偏光ビームスプリッタ１０３との平均距離を、発光体１０１の発光幅の１／２〜１０倍とすることが好ましく、特に１／２〜５倍とすることが好ましい。ここで、発光体１０１の発光幅とは、図１、図２に示すような、偏光ビームスプリッタ１０３における透過光と反射光の経路を含む平面内での発光幅を示す。

反射部１０６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か、透明プリズムと空気間の屈折率差による全反射を用いることができる。特に、多層膜型反射素材や界面の全反射は反射率が高いことから、これらを利用することが好ましい。

位相差板１０４としては、１／２波長膜を用いることができる。この場合、偏光ビームスプリッタ１０３で反射された反射光（例えば、ｓ偏光）が１／２波長膜を透過することによりｐ偏光に偏光変換され、偏光変換したｐ偏光が偏光変換素子１０２から出光する。

また、図１（Ａ）の偏光変換素子１０２において、位相差板１０４の出光面側に偏光ビームスプリッタ１０３を形成する偏光分離膜と同じ偏光軸を有する偏光分離膜１１１を設けることが偏光度を高めるために好ましい（図１（Ｂ）参照）。これにより、偏光変換素子１０２から出光する光が、偏光ビームスプリッタ１０３又は偏光分離膜１１１のいずれかを通過する構成とすることができる。

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光が得られない場合がある。そのため、位相差板１０４を透過して偏光変換した光が、偏光分離膜１１１を透過する構成とすることにより、偏光変換素子１０２から出光する光の偏光度を向上させることができる。

偏光分離膜１１１は、偏光ビームスプリッタ１０３と同じ材料（例えば、ワイヤグリッド偏光板）で設けることが好ましい。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ため、偏光変換素子１０２から出光する全ての光がワイヤグリッド偏光板を透過する構成とすることにより、白色光の全波長域において偏光変換素子１０２の偏光度を９０％以上とすることができる。

また、偏光ビームスプリッタ１０３を形成するワイヤグリッド偏光板と偏光分離膜１１１を形成するワイヤグリッド偏光板を一体形成することが望ましい（図１（Ｃ）参照）。これにより、偏光変換素子１０２の出光面全体をすき間が形成されないようにワイヤグリッド偏光板１０８で覆うことができるため、偏光変換素子１０２から出光する光の偏光度を効果的に向上させることができる。

偏光変換素子１０２の出光面全体をワイヤグリッド偏光板１０８で形成する場合には、ワイヤグリッド偏光板１０８を曲げて設ける必要があるが、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により、光学特性を損なうことなく設けることができる。

また、図１に示した偏光光源１００において、発光体１０１と偏光変換素子１０２を透明固体１１２で結合させるように設けてもよい（図２（Ａ）参照）。透明固体１１２を設けることにより、屈折率変化に起因する界面反射損失等を低減し、光の利用効率を向上することができる。特に、発光体１０１、偏光ビームスプリッタ１０３、反射部１０６、位相差板１０４と密着させるように透明固体１１２を設けることによって、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、発光体１０１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。

また、偏光ビームスプリッタ１０３の出光面側に透明固体１１３を設けた構成としてもよい（図２（Ｂ）参照）。透明固体１１３を設けることにより、偏光ビームスプリッタ１０３から出光する光（透過光）の角度を制御することができる。

（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、偏光分離膜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、分光光度計を用い透過率と反射率を測定した。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、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ＰＭＭＡ樹脂製プリズムを用いて、図２（Ｂ）に示す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７８％で、偏光度９９．９７％であった。図１（Ａ）のような位相差板の出光面側に偏光分離膜を設けない構成では、透過率は８６％と高まるが、偏光度は９８．８％であった。

（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。

＜偏光光源の使用形態＞
上述した偏光光源は、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、偏光光源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、偏光光源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。例えば、上記実施の形態では、ビームスプリッタを構成する偏光分離膜で反射された反射光に対して位相差板を設ける場合を示しているが、ビームスプリッタを構成する偏光分離膜の透過光に対して位相差板を設ける構成としてもよい。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。

本発明の偏光光源は、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偏光光源
１０１発光体
１０２偏光変換素子
１０３偏光ビームスプリッタ
１０４位相差板
１０６反射部
１１１偏光分離膜
１１２透明固体
１１３透明固体

Claims

発光面が１００ｍｍ^２以下で発光面近傍の温度が１５０℃以下の発光体と、偏光ビームスプリッタ及び前記偏光ビームスプリッタで反射された反射光を偏光変換する位相差板を有する偏光変換素子と、を具備し、前記偏光ビームスプリッタがワイヤグリッド偏光板で形成され、前記発光体の中心部と前記偏光ビームスプリッタとの平均距離が、前記発光体の発光幅の１／２〜１０倍であることを特徴とする偏光光源。
前記偏光ビームスプリッタの面積が前記発光体の発光面積の１０倍以下であることを特徴とする請求項１に記載の偏光光源。
発光面が１００ｍｍ^２以下で発光面近傍の温度が１５０℃以下の発光体と、前記発光体の光を特定の偏光成分の光に変換して出光する偏光変換素子とを具備し、
前記偏光変換素子は、偏光ビームスプリッタと、前記偏光ビームスプリッタで反射された反射光を偏光変換する位相差板と、前記位相差板を透過した光を偏光分離する偏光分離膜とを有し、
前記偏光ビームスプリッタと前記偏光分離膜が同じ偏光軸を有するワイヤグリッド偏光板で形成されていることを特徴とする偏光光源。
前記偏光ビームスプリッタを形成するワイヤグリッド偏光板と、前記偏光分離膜を形成するワイヤグリッド偏光板が一体形成されていることを特徴とする請求項３に記載の偏光光源。
前記発光体がＬＥＤ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光源。
前記発光体と前記偏光変換素子が透明固体で結合されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の偏光光源。
前記偏光変換素子は、自然光に対する変換効率が７０％以上であ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光源。
前記偏光変換素子は、白色光の全波長域において偏光度が９０％以上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光源。