JP2671376B2 - 偏光素子 - Google Patents
偏光素子Info
- Publication number
- JP2671376B2 JP2671376B2 JP63104830A JP10483088A JP2671376B2 JP 2671376 B2 JP2671376 B2 JP 2671376B2 JP 63104830 A JP63104830 A JP 63104830A JP 10483088 A JP10483088 A JP 10483088A JP 2671376 B2 JP2671376 B2 JP 2671376B2
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- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- lens
- polarizing element
- liquid crystal
- birefringent lens
- Prior art date
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- Expired - Lifetime
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- Polarising Elements (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は表示体、光検出器等に有用な光の透過率の高
い偏光素子の構成に関する。
い偏光素子の構成に関する。
［従来の技術］ 従来の偏光素子は例えば、光学的測定（飯田修一田編
集、朝倉書店）P414に記載の如く、グラントムソンプリ
ズム等複屈折性結晶プリズムを組合わせた物、叉は光吸
収の二色性を利用した延伸配向フィルムが代表的であっ
た。
集、朝倉書店）P414に記載の如く、グラントムソンプリ
ズム等複屈折性結晶プリズムを組合わせた物、叉は光吸
収の二色性を利用した延伸配向フィルムが代表的であっ
た。
［発明が解決しようとする課題］ しかし、上記配向フィルムタイプは、本質的に光吸収
の二色性を利用しているために、偏光度の高いものは絶
対透過率が低く、高精度な液晶表示体や、高感度な偏光
検出器に用いる場合には、1.大出力の光源が必要とな
る。2.偏光素子が発熱により破壊する等の課題を有して
いた。叉結晶プリズムタイプは受光面の大きさとほぼ等
しいか叉はそれ以上の奥行きを要し、3.配置上扱いにく
い、4.組み込んだシステムが重い、5.価格が高い等の課
題を有していた。
の二色性を利用しているために、偏光度の高いものは絶
対透過率が低く、高精度な液晶表示体や、高感度な偏光
検出器に用いる場合には、1.大出力の光源が必要とな
る。2.偏光素子が発熱により破壊する等の課題を有して
いた。叉結晶プリズムタイプは受光面の大きさとほぼ等
しいか叉はそれ以上の奥行きを要し、3.配置上扱いにく
い、4.組み込んだシステムが重い、5.価格が高い等の課
題を有していた。
本発明の目的はかかる課題を解決すべく吸収が本質的
になく明るく、コンパクトで、安価な偏光素子を提供す
る点にある。
になく明るく、コンパクトで、安価な偏光素子を提供す
る点にある。
［課題を解決するための手段］ 本発明の偏光素子は、複屈折レンズと、選択的に開口
部を設けた旋光層とからなり、前記複屈折レンズによっ
て前記入射光を２つの異なる偏光成分の光束に分離し、
分離された一方の光束は前記開口部に集光し、他方の光
束は前記旋光層によって前記一方の光束と同一の偏光成
分に変換されることを特徴とする。
部を設けた旋光層とからなり、前記複屈折レンズによっ
て前記入射光を２つの異なる偏光成分の光束に分離し、
分離された一方の光束は前記開口部に集光し、他方の光
束は前記旋光層によって前記一方の光束と同一の偏光成
分に変換されることを特徴とする。
一般にランプ等のインコヒーレントな光源からの光は
任意の偏光面からなる自然偏光で、直交する二つの成分
（例えばPx,Py）に等価的に分けることができる。Px成
分を利用する場合、Pyを吸収により除去するか、偏光ビ
ームスプリッター等によりPyを光路より分離してやるこ
とが必要であり、このままでは光強度は1/2以下になっ
てしまう。そこで、本質的に光減少の少ない偏光素子
は、一度光束を複屈折レンズにより分離した後、一方の
みを選択的に位相差を与えて90度旋回し、両者を再度空
間的に合成することで得られる。その際、該複屈折レン
ズと旋光層の単位を複数配置することにより、小型で均
一性のよいシステムが得られる。
任意の偏光面からなる自然偏光で、直交する二つの成分
（例えばPx,Py）に等価的に分けることができる。Px成
分を利用する場合、Pyを吸収により除去するか、偏光ビ
ームスプリッター等によりPyを光路より分離してやるこ
とが必要であり、このままでは光強度は1/2以下になっ
てしまう。そこで、本質的に光減少の少ない偏光素子
は、一度光束を複屈折レンズにより分離した後、一方の
みを選択的に位相差を与えて90度旋回し、両者を再度空
間的に合成することで得られる。その際、該複屈折レン
ズと旋光層の単位を複数配置することにより、小型で均
一性のよいシステムが得られる。
［作用］ 第一図は本発明の作用を説明する為の原理図である。
Ｘ方向に一軸配向させ、この光学主軸に垂直な面内に曲
率を持たせた複屈折レンズ101へＹ方向に入射した自然
光102は等価的にX,Z方向に偏光した平面波Px（破線）,P
z（実線）の集りとみなせる。上記複屈折レンズ内に於
いては、各々に対し異なる屈折率Nx,Nzが存在し、界面1
03により異なる屈折を受ける。該複屈折レンズが凸レン
ズの場合、レンズの外側の媒体が空気等のレンズ媒体よ
り屈折率の小さなもので、且つNx＜Nzの場合にはPzの方
が大きな屈折を受けることになる。一般にレンズの像側
有効焦点距離:f″は、オプトロニクス1983.No.10,P80に
記載の如く、例えば空気中に置かれた平凸レンズの場合
次式で与えられる。
Ｘ方向に一軸配向させ、この光学主軸に垂直な面内に曲
率を持たせた複屈折レンズ101へＹ方向に入射した自然
光102は等価的にX,Z方向に偏光した平面波Px（破線）,P
z（実線）の集りとみなせる。上記複屈折レンズ内に於
いては、各々に対し異なる屈折率Nx,Nzが存在し、界面1
03により異なる屈折を受ける。該複屈折レンズが凸レン
ズの場合、レンズの外側の媒体が空気等のレンズ媒体よ
り屈折率の小さなもので、且つNx＜Nzの場合にはPzの方
が大きな屈折を受けることになる。一般にレンズの像側
有効焦点距離:f″は、オプトロニクス1983.No.10,P80に
記載の如く、例えば空気中に置かれた平凸レンズの場合
次式で与えられる。
ｆ″＝r2/（１−ｎ） （１） （但しr2は凸面の曲率半径、ｎはレンズの屈折率を示
す。） Pzの焦点Fzの近傍には、微小な開口部104を有する1/2
波長板よりなる旋光層105がその光学主軸をXY面内に於
てＸ（叉はＺ）軸より45度傾けて置かれている。Pz成分
は開口部に集光されるため偏光面な保持されるが、Px成
分は上記開口部を透過する微小量を除き、大半の成分は
1/2波長の位相差を受け90度の旋回によりPz成分に変換
される。レンズ形状がシリンドリカルな場合、レンズ径
2d、開口径2aとすると、旋光層105の後方に於けるPx、P
z両成分の強度割合Qx,Qzは次式で与えられる。
す。） Pzの焦点Fzの近傍には、微小な開口部104を有する1/2
波長板よりなる旋光層105がその光学主軸をXY面内に於
てＸ（叉はＺ）軸より45度傾けて置かれている。Pz成分
は開口部に集光されるため偏光面な保持されるが、Px成
分は上記開口部を透過する微小量を除き、大半の成分は
1/2波長の位相差を受け90度の旋回によりPz成分に変換
される。レンズ形状がシリンドリカルな場合、レンズ径
2d、開口径2aとすると、旋光層105の後方に於けるPx、P
z両成分の強度割合Qx,Qzは次式で与えられる。
Qx＝50＊a/d （２） Qz＝50＊（２−a/d） （３） 例えば、a/d＝0.1に於いて、Qzは95という大きな値と
なる。
なる。
一方第二図は第一図に記載のレンズ101と旋光層105の
単位を多数アレイ状に並べた場合の全体構成を示す。各
単位からの光束は重なりあってほとんど一様なPz偏向が
得られる。叉偏光度を高める為に後方にPz偏光を透過す
る通常の偏光板、叉は偏光素子201を設置すると効果的
である。以下実施例に基ずき本発明の偏光素子を説明す
る。
単位を多数アレイ状に並べた場合の全体構成を示す。各
単位からの光束は重なりあってほとんど一様なPz偏向が
得られる。叉偏光度を高める為に後方にPz偏光を透過す
る通常の偏光板、叉は偏光素子201を設置すると効果的
である。以下実施例に基ずき本発明の偏光素子を説明す
る。
［実施例］ 実施例１ 第三図は本発明の一実施例である複屈折レンズとして
ネマチック液晶層セルを用いた場合の構成の斜視図であ
る。透明基板301と、シリンドリカルな凹面アレイ302を
有する透明基板303の間にネマチック液晶304をＹ方向に
一軸配向させて挟持した複屈折レンズアレイと、該複屈
折レンズアレイの光軸上焦線近傍に開口部104を設けた
ポリカーボネイト（PC）製1/2波長板105を透明支持基板
305に固定した旋光層より成る。液晶層の最大厚みは約1
9μ、液晶には複屈折性の大きなシアノビフェニル系混
合物を用いた。叉凹面アレイのピッチは0.5mm,凹面の曲
率半径は約14.3mmである。シリンドリカルアレイの基板
には加工性がよく、屈折率が小さいアクリルを用いた。
ネマチック液晶層セルを用いた場合の構成の斜視図であ
る。透明基板301と、シリンドリカルな凹面アレイ302を
有する透明基板303の間にネマチック液晶304をＹ方向に
一軸配向させて挟持した複屈折レンズアレイと、該複屈
折レンズアレイの光軸上焦線近傍に開口部104を設けた
ポリカーボネイト（PC）製1/2波長板105を透明支持基板
305に固定した旋光層より成る。液晶層の最大厚みは約1
9μ、液晶には複屈折性の大きなシアノビフェニル系混
合物を用いた。叉凹面アレイのピッチは0.5mm,凹面の曲
率半径は約14.3mmである。シリンドリカルアレイの基板
には加工性がよく、屈折率が小さいアクリルを用いた。
第四図は前記構成の１単位に、X,Z方向に偏光した平
面波Px,Pzを垂直入射させた場合の代表的光線の軌跡を
示す。実線106がPx、破線107がPzを示す。液晶層に入射
したPx,Pzは各々ネマチック液晶層の常光、異常光の屈
折率Nx,Nzを感じる。凹状界面302に於いて、入射角θi,
出射角θｏはSnellの法則により互いに関係づけられ
る。Px,Pzに対する出射角θox,θozは次式で与えられ
る。
面波Px,Pzを垂直入射させた場合の代表的光線の軌跡を
示す。実線106がPx、破線107がPzを示す。液晶層に入射
したPx,Pzは各々ネマチック液晶層の常光、異常光の屈
折率Nx,Nzを感じる。凹状界面302に於いて、入射角θi,
出射角θｏはSnellの法則により互いに関係づけられ
る。Px,Pzに対する出射角θox,θozは次式で与えられ
る。
sinθox＝Nx/No＊sinθｉ （４） sinθoz＝Nz/No＊sinθｉ （５） （但しNoは第二の透明基板の屈折率出ある。） 一方θｉは凹面の曲率半径:r2、レンズの口径:2dとす
ると次式で与えられる。
ると次式で与えられる。
sinθｉ＝d/r2 （６） シアノビフェニル系液晶ではNx＞Nzであり（４），
（５）式からθox＞θozとなり、Px106が手前に集光さ
れ旋光層105の置かれた面内ではPxとPzは空間的に分離
される。旋光層の位置はPzの焦線面でもよいが、素子の
厚み等から手前のPxにあわせる方が好ましい。
（５）式からθox＞θozとなり、Px106が手前に集光さ
れ旋光層105の置かれた面内ではPxとPzは空間的に分離
される。旋光層の位置はPzの焦線面でもよいが、素子の
厚み等から手前のPxにあわせる方が好ましい。
旋光層の開口部104はPCをガラス基板に接着叉は圧着
後、幅50μのストライプ状に加熱除去、叉は選択溶出等
により形成した。この結果、直線偏光板201の後方401で
Px,Pzに対する透過率を測定したところ、各々５％、70
％であった。叉液晶層の厚みの制御をうまくすることに
より100mmサイズの物は比較的容易に作ることが可能で
あった。
後、幅50μのストライプ状に加熱除去、叉は選択溶出等
により形成した。この結果、直線偏光板201の後方401で
Px,Pzに対する透過率を測定したところ、各々５％、70
％であった。叉液晶層の厚みの制御をうまくすることに
より100mmサイズの物は比較的容易に作ることが可能で
あった。
本実施例に用いた材料の589nmに於ける屈折率の値を
表１に示す。
表１に示す。
実施例２ 複屈折レンズとしてPC叉はポリビニルアルコール（PV
A）に可視部に吸収の無い電子分極のおおきな分子を分
散等により含有させたポリマーを、射出等によりレンチ
キュラー状に成形後一軸的に延伸した物を用いた。構造
は第一図と同じである。この場合複屈折の値はPCで0.00
1、PVAで0.1程度と小さく、光束の分離度が悪いがPzに
対し実施例１と同様の効果が認められた。
A）に可視部に吸収の無い電子分極のおおきな分子を分
散等により含有させたポリマーを、射出等によりレンチ
キュラー状に成形後一軸的に延伸した物を用いた。構造
は第一図と同じである。この場合複屈折の値はPCで0.00
1、PVAで0.1程度と小さく、光束の分離度が悪いがPzに
対し実施例１と同様の効果が認められた。
上記実施例では光学的一軸性材料としてネマッチク液
晶、PC,PVAを用いたが、その他配向性の高い材料として
液晶ポリマー等も有用であることは自明である。
晶、PC,PVAを用いたが、その他配向性の高い材料として
液晶ポリマー等も有用であることは自明である。
［発明の効果］ 以上実施例からも明らかなように本発明によれば、光
学的一軸性材料の表面を、その光学主軸に垂直な面内に
曲率を持たせた複屈折レンズ、及び該複屈折レンズの一
方の焦線近傍に選択的に開口部を設けた旋光層、から成
る単位を、同一面内に複数配置したことにより、従来の
約1/2の光量の光源で同じ明るさが得られ、且つコンパ
クトで、吸収による発熱も少なく、大面積の偏光素子の
提供が可能となる。これにより従来、暗く見にくかった
液晶ディスプレイや、感度が問題であったアレイ状の偏
光検出器等の発展に大きく寄与するものと確信する。
学的一軸性材料の表面を、その光学主軸に垂直な面内に
曲率を持たせた複屈折レンズ、及び該複屈折レンズの一
方の焦線近傍に選択的に開口部を設けた旋光層、から成
る単位を、同一面内に複数配置したことにより、従来の
約1/2の光量の光源で同じ明るさが得られ、且つコンパ
クトで、吸収による発熱も少なく、大面積の偏光素子の
提供が可能となる。これにより従来、暗く見にくかった
液晶ディスプレイや、感度が問題であったアレイ状の偏
光検出器等の発展に大きく寄与するものと確信する。
第１図は本発明の偏光素子の作用を説明する原理図。 第２図は本発明の偏光素子の全体図。 第３図は本発明の液晶を用いた構成の斜視図。 第４図は本発明の偏光素子に於ける代表的光線の軌跡
図。 101……複屈折レンズ 104……開口部 105……1/2波長板 201……直線偏光板 303……シリンドリカルアレイ基板 304……ネマチック液晶 305……透明支持基板
図。 101……複屈折レンズ 104……開口部 105……1/2波長板 201……直線偏光板 303……シリンドリカルアレイ基板 304……ネマチック液晶 305……透明支持基板
Claims (1)
- 【請求項１】複屈折レンズと、選択的に開口部を設けた
旋光層とからなり、前記複屈折レンズによって前記入射
光を２つの異なる偏光成分の光束に分離し、分離された
一方の光束は前記開口部に集光し、他方の光束は前記旋
光層によって前記一方の光束と同一の偏光成分に変換さ
れることを特徴とする偏光素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63104830A JP2671376B2 (ja) | 1988-04-27 | 1988-04-27 | 偏光素子 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP63104830A JP2671376B2 (ja) | 1988-04-27 | 1988-04-27 | 偏光素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH01274103A JPH01274103A (ja) | 1989-11-01 |
| JP2671376B2 true JP2671376B2 (ja) | 1997-10-29 |
Family
ID=14391294
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP63104830A Expired - Lifetime JP2671376B2 (ja) | 1988-04-27 | 1988-04-27 | 偏光素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2671376B2 (ja) |
-
1988
- 1988-04-27 JP JP63104830A patent/JP2671376B2/ja not_active Expired - Lifetime
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH01274103A (ja) | 1989-11-01 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EXPY | Cancellation because of completion of term |