JP2830534B2 - 偏光変換素子 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、偏光変換素子に関し、
特に光源から出射される不定偏光光を効率良く直線偏光
光に変換することが可能な偏光変換素子に関する。

【０００２】

【従来の技術】偏光光を使用する機器その他の装置に
は、直線偏光光を利用するものがある。直線偏光光を利
用する装置の一例は、ＴＮ（ツイステッド・ネマティッ
ク）液晶表示素子の表示画像を、光源と投射レンズを用
いて、スクリーン上に拡大投射する投射型液晶表示装置
である。

【０００３】従来、このような装置において、光源とし
てハロゲンランプ，キセノンランプ，メタルハライドラ
ンプ等を使用する場合、それらの光源から発生する光は
不定偏光光であり、従って、直線偏光光を得るには、偏
光素子が用いられている。

【０００４】一例として、このような偏光素子として
は、ポリビニルアルコールフィルムに沃素等を配向させ
て吸着させることにより偏光膜を作製し、両面に保護の
ためプラスチックシートやガラス板等を接着した構造の
偏光板が用いられている。また、二つの直角プリズムの
一方の斜面に半透膜をコートして斜面どおしを接合し、
透過光と反射光とを互いに偏光方向が直交する直線偏光
光として取り出す偏光ビームスプリッタも用いられてい
る。

【０００５】しかし、このような偏光板や偏光ビームス
プリッタ等の偏光素子を、ハロゲンランプ等の光源に使
用する場合、不用な偏光成分の光を吸収、あるいは反射
してしまうため、光源からの光束の光利用効率は５０％
以下と低くならざるを得なかったので、光の損失が大き
いという問題がある。この問題は、例えば使用装置が投
射型液晶表示装置の場合には、所要の明るさの投射画面
を確保しようとするときには、その光源として、より輝
度の高いものの使用を要求することとなる。

【０００６】すなわち、既述したように、直線偏光光を
利用する装置の一例として、ＴＮ（ツイステッド・ネマ
ティック）液晶表示素子の表示画像を、光源と投射レン
ズを用いて、スクリーン上に拡大投射する投射型液晶表
示装置があるが、液晶表示素子の光の入出射面に偏光板
を配置する構成を採用した場合、光源からの光束の透過
率は偏光板だけでも４０％以下になってしまう。さら
に、液晶表示素子は、液晶や透明電極等の吸収、境界面
での反射、開口率等により、偏光板を含めた素子全体の
透過率は、かなり低い値にならざるを得なかった。この
ため、明るい投射画面を得るためには、光源に輝度の高
いものを使用しなくてはならない。

【０００７】輝度の高い光源が要求されれば、偏光板を
使用して直線偏光光を得る場合における光利用効率が低
いという問題は、それに留まらず、使用装置の消費電力
の増大、発熱による温度上昇、それに伴う偏光板や液晶
表示素子の性能低下や劣化、温度上昇を抑えるために使
用する空冷ファンからの騒音発生等にまで波及すること
になる。

【０００８】従来、このような偏光板による光量損失を
低減し、光源の光利用効率を向上させる技術として、例
えば特開昭５９−１２７０１９号公報に開示されている
様に、液晶シャッタ等の光学変調素子を用いるプリンタ
ヘッドにおいて、偏光ビームスプリッタ，反射ミラー，
および１／２波長板を用いた照明方法が提案されてい
る。この照明方法は、照明光束を偏光ビームスプリッタ
に入射させ、互いに偏光方向が直交する２つの直線偏光
光束に分離した後、一方の光束をそのまま液晶シャッタ
に入射させ、他方の光束については、１／２波長板で偏
光方向を９０度回転させ、一方の光束の偏光方向と等し
くするとともに、反射ミラーを用いて液晶シャッタに光
束を入射させることで、照明光の光利用効率の向上を実
現している。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかし、従来の照明方
法を投射型液晶表示装置に適用すると、照明光の光束径
が大きいので、大きな偏光ビームスプリッタを用いるこ
とが要求され、投射装置の大きさや重さ，製造コストに
影響を与えるのみならず、偏光ビームスプリッタで分離
した２光束を再び合成する時の合成角度が大きくなると
いう問題点が生じる。２光束の合成角度が大きくなると
いう問題点は、投射型液晶表示装置において、光の透
過，反射特性に入射角依存性のある液晶表示素子や光学
素子を用いているため投射画像の画質が劣化したり、投
射レンズの口径食により投射画像が暗くなるという不具
合を生じさせる。投射レンズで口径食が生じないように
するには、大きな口径の投射レンズが必要であり、投射
装置の大型化，製造コストの上昇を伴う。また、２光束
の合成角度を小さくするには、照明光の光路を長くしな
ければならず、装置が大きくなってしまうことや、照明
光束が発散するので、結局光利用効率が向上しないこと
になる。

【００１０】本発明の目的は、光源から出射される不定
偏光光を効率良く直線偏光光に変換することが可能であ
り、特に投射型液晶表示装置に用いる場合、偏光板や液
晶表示素子の劣化、投射画像の画質劣化，装置の大型
化、大幅な製造コストの上昇を伴わずに、投射画像の高
輝度化に有効な偏光変換素子を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明の偏光変換素子は、光束の幅を一方向のみ半
分に縮小する光束幅変換素子と、前記光束幅変換素子か
らの出射光を互いに偏光方向が直交するｐ偏光光とｓ偏
光光の２つの直線偏光光に分離する偏光分離面を、前記
光束幅変換素子の光束幅を縮小する方向と前記ｓ偏光光
の反射方向とが平行になるように形成した偏光ビームス
プリッタと、前記偏光分離面と互いに平行な光束反射面
を有し、前記ｓ偏光光の反射方向に前記偏光ビームスプ
リッタと隣接して配置した光束反射素子と、前記偏光ビ
ームスプリッタで分離されたｐ偏光光とｓ偏光光とｓ偏
光光のどちらか一方の光路に配置した１／２波長板とを
構成要素とし、前記構成要素を単独で、または２組以上
を並列に配置して構成され、前記光束幅変換素子が２枚
のシリンドリカルレンズを空気層を介して対向するよう
に配置、または空気層を介して対向するように配置され
た２枚のシリンドリカルレンズを２組以上並列に配置し
たことを特徴としている。

【００１２】

【作用】本発明の上記構成によれば、光源からの不定偏
光光である出射光束を偏光変換素子に入射させると、そ
の入射光束は、光束幅変換素子により光束の幅を一方向
のみ半分に縮小される。縮小された光束は偏光ビームス
プリッタに入射しその偏光分離面において、ｐ偏光成分
の光はそのまま透過し、ｓ偏光成分の光は反射されるこ
とにより、互いに偏光方向が直交する２つの直線偏光光
に分離される。反射したｓ偏光光は、隣接する光束反射
素子の光束反射面で反射される。光束反射素子の光束反
射面は、偏光ビームスプリッタの偏光分離面と互いに平
行に配置しているので、ｓ偏光光はｐ偏光の進行方向と
同一方向に並列して出射することになり、光束幅変換素
子で半分に縮小された入射光束は再びもとの光束幅と等
しくなる。さらに、１／２波長板は入射直線偏光光の偏
光方向を９０度回転させて出射させる作用があるので、
ｐ偏光光とｓ偏光光のうち１／２波長板が光路に配置さ
れた一方の直線偏光光の偏光方向は、１／２波長板を透
過することで、他方の直線偏光光の偏光方向と等しくな
る。したがって、光源からの不定偏光光を偏光変換素子
に入射させると、偏光変換素子からの出射光は、入射光
と進行方向、並びに光束幅が等しく、かつ偏光方向が特
定の方向に揃った直線偏光光に効率良く変換されること
になる。

【００１３】また、上記構成要素を２組以上を並列に配
置する構成の場合には、光束幅変換素子と偏光ビームス
プリッタの厚みを薄くすることができ、偏光変換素子の
小型，軽量化が可能になる。

【００１４】

【実施例】以下、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。

【００１５】図１は、本発明の第１の実施例を示す偏光
変換素子の平面図である。図１に示すように、本実施例
の偏光変換素子は、光束幅変換素子１と、偏光ビームス
プリッタ２と、光束反射素子３と、１／２波長板４とか
ら構成される。光束幅変換素子１と偏光ビームスプリッ
タ２は、光軸が同一であり、光束幅変換素子１からの出
射光１１が偏光ビームスプリッタ２に入射するように配
置される。また、偏光ビームスプリッタ２は、偏光分離
面７において反射されるｓ偏光光１３の反射方向が光束
幅変換素子１において光束幅を縮小する方向と平行にな
るように配置される。光束反射素子３は、ｓ偏光光１３
の反射方向に偏光ビームスプリッタ２と隣接し、かつ光
束反射面８が偏光分離面７と平行になるように配置され
る。１／２波長板４は、ｓ偏光光１３の光路中に配置さ
れる。

【００１６】次に図１に示した構成の、本発明に従う偏
光変換素子の原理を説明する。例えばキセノンランプや
ハロゲンランプ等の白色光源からの出射光は不定偏光光
であり、そのような出射光を偏光変換素子の入射光１０
とする。入射光１０は、一方向のみ屈折力のあるシリン
ドリカルレンズ５，６からなる光束幅変換素子１により
光束の幅を一方向のみ半分に縮小される。光束幅を縮小
された出射光１１は、偏光ビームスプリッタ２に入射
し、偏光ビームスプリッタ２に形成された偏光分離面７
において、ｐ偏光光はそのまま透過し、ｓ偏光光１３は
反射することにより、互いに偏光方向が直交する２つの
直線偏光光に分離される。ここでｐ偏光光１２の偏光方
向は紙面に平行、ｓ偏光光１３の偏光方向は紙面に垂直
である。反射したｓ偏光光１３は、隣接する光束反射素
子３の光束反射面８で反射される。光束反射面８は偏光
ビームスプリッタ２の偏光分離面７と互いに平行に配置
しているので、ｓ偏光光１３の光束反射素子３による反
射光１５の進行方向は、ｐ偏光光１２の進行方向と平行
になる。したがって、偏光変換素子からの出射光１４，
１６は、並列して平行に出射することになり、光束幅変
換素子１で一度半分に縮小された光束の幅は、再び入射
光１０の光束幅と等しくなる。さらに、１／２波長板４
は入射直線偏光光の偏光方向を９０度回転させて出射さ
せる作用があるので、１／２波長板４が光路に配置され
たｓ偏光光１３の偏光方向は、１／２波長板４を透過す
ることで、ｐ偏光１２の偏光方向と等しくなる。結果と
して、光源からの不定偏光光を偏光変換素子に入射させ
ると、偏光変換素子からの出射光１４，１６は、入射光
１０と進行方向、並びに光束幅が等しく、かつ偏光方向
が特定の方向に揃った直線偏光光に効率良く変換される
ことになるので、本発明の構成に従えば、光源から出射
される不定偏光光を効率良く直線偏光光に変換する偏光
変換素子を得ることが可能になる。

【００１７】図１に示した構成は、光束幅変換素子１と
して２枚のシリンドリカルレンズ５，６を用い、また１
／２波長板４をｓ偏光光１３の光路中に配置した場合の
態様の一例を示したものであり、以下、これについて更
に具体的に説明する。

【００１８】図１の構成において使用した光束幅変換素
子１、偏光ビームスプリッタ２、光束反射素子３、１／
２波長板４は、それぞれ具体的には次のようなものであ
る。

【００１９】光束幅変換素子１としては、２枚のシリン
ドリカルレンズ５，６を用いた。シリンドリカルレンズ
５は平凸レンズ、シリンドリカルレンズ６は平凹レンズ
であり、焦点距離の比が２：１で、ガリレオ型の配置に
より出射光１１の光束幅を、入射光１０の光束幅の半分
に縮小した。すなわち、入射光１０の光束径５０ｍｍφ
に対し、シリンドリカルレンズ５の入射面の大きさは５
０×５０ｍｍ、焦点距離は１５０ｍｍ、シリンドリカル
レンズ６の入射面の大きさは２５×５０ｍｍ、焦点距離
は−７５ｍｍであり、シリンドリカルレンズ５，６の主
点間距離を７５ｍｍに配置することにより、光束幅２５
ｍｍの出射光１１を得た。

【００２０】偏光ビームスプリッタ２は、２個の直角プ
リズムの一方の斜面に誘電体多層膜からなる半透膜をコ
ートすることで偏光分離面７を形成し、斜面どおしを接
合した構造であり、特に、可視光領域の波長の不定偏光
光に対して、十分にｐ偏光光１２とｓ偏光光１３とに分
離できる性能を有するものを用いた。その消光比、すな
わち透過光のｐ偏光成分とｓ偏光成分の光の強度比は、
１００：１以上であった。入射面の大きさは２５×５０
ｍｍ、厚さは２５ｍｍであり、入射面、および出射面に
は誘電体多層膜からなる反射防止膜を施した。

【００２１】光束反射素子３は、ガラス基板にアルミニ
ウムを蒸着し、表面に誘電体多層膜からなる増反射コー
トを施したアルミ表面鏡を用いた。

【００２２】１／２波長板４は、特に可視光領域の光に
対し有効に作用するように、ポリビニルアルコールフィ
ルムを延伸し、所望の複屈折性を持たせ、保護ガラスで
挟んだものを使用した。１／２波長板４の光の入出射面
には、誘電体多層膜からなる反射防止膜を施した。

【００２３】さて、図１の偏光変換素子において、光源
からの不定偏光光が偏光変換素子に入射したとすると、
前記原理説明で述べたように、入射光１０は、シリンド
リカルレンズ５，６からなる光束幅変換素子１により光
束の幅を一方向のみ半分に縮小される。光束幅を縮小さ
れた出射光１１は、偏光ビームスプリッタ２で、ｐ偏光
光１２とｓ偏光光１３の、互いに偏光方向が直交する２
つの直線偏光光に分離される。ここでｐ偏光光１２の偏
光方向は紙面に平行、ｓ偏光光１３の偏光方向は紙面に
垂直である。ｐ偏光光１２はそのまま偏光変換素子を出
射し、出射光１４を得る。ｓ偏光光１３は、隣接する光
束反射素子３で反射され、その反射光１５の進行方向
は、ｐ偏光光１２の進行方向と平行になる。さらに、反
射光１５の偏光方向は、１／２波長板４を透過すること
で、ｐ偏光１２の偏光方向と等しくなり、偏光変換素子
からの出射光１６を得る。

【００２４】結果として、偏光変換素子からの出射光１
４，１６は、入射光１０と進行方向、並びに光束幅が等
しく、かつ偏光方向が特定の方向、ここでは紙面に平行
な方向に揃った直線偏光光に変換される。以上の過程に
おいて、光の損失は、媒質の吸収や散乱によって生じ
る、わずかな量である。このように、直線偏光光を得る
場合に本発明に従う図１の偏光変換素子を用いることに
より、効率良く直線偏光光を得ることが可能になる。

【００２５】図２は、本発明の第２の実施例を示す偏光
変換素子の平面図である。図２に示すように、本実施例
の偏光変換素子は、光束幅変換素子２１と、偏光ビーム
スプリッタ２２と、光束反射素子２３と、１／２波長板
２４とを構成要素２０とし、その構成要素２０を４組並
列に配置して構成される。各構成要素の配置は、１／２
波長板２４が偏光ビームスプリッタ２２で分離されたｐ
偏光光の光路に配置していることを除き、第１の実施例
と同様である。

【００２６】図２に示した構成は、光束反射素子２３と
して直角プリズムを用い、また１／２波長板２４をｐ偏
光光の光路中に配置した場合の態様の一例を示したもの
であり、以下、これについて更に具体的に説明する。

【００２７】図２の構成要素２０に使用した光束幅変換
素子２１，偏光ビームスプリッタ２２，光束反射素子２
３，１／２波長板２４は、それぞれ具体的には次のよう
なものである。

【００２８】光束幅変換素子２１としては、第１の実施
例と同様に２枚のシリンドリカルレンズ２５，２６を用
いた。本実施例においては、入射光の光束径８０ｍｍφ
に対し、４組の各構成要素には、それぞれ２０ｍｍ幅の
光束が入射することになる。シリンドリカルレンズ２５
の入射面の大きさは２０×８０ｍｍ、焦点距離は６０ｍ
ｍ、シリンドリカルレンズ２６の入射面の大きさは１０
×８０ｍｍ、焦点距離は−３０ｍｍであり、シリンドリ
カルレンズ２５，２６の主点間距離を３０ｍｍに配置す
ることにより、光束幅１０ｍｍの出射光を得た。

【００２９】偏光ビームスプリッタ２２は、第１の実施
例と同様の性能を有するものを用いた。入射面の大きさ
は１０×８０ｍｍ、厚さは１０ｍｍである。入射面には
誘電体多層膜からなる反射防止膜を施した。

【００３０】光束反射素子２３は、直角プリズムを用い
た。光束反射面は直角プリズムの斜面であり、内部全反
射を利用する形態で使用した。出射面には、反射防止膜
を施した。偏光ビームスプリッタ２２とは屈折率の整合
をとって接着したが、この方法に限らず、偏光ビームス
プリッタ２２の一方のプリズムを図の形状で一体化して
研磨製作することも可能である。

【００３１】１／２波長板２４は、第１の実施例と同様
の性能を有するものを用いた。出射面には、誘電体多層
膜からなる反射防止膜を施した。１／２波長板２４と偏
光ビームスプリッタ２２とは屈折率の整合をとって接着
した。

【００３２】本実施例の偏光変換素子は、以上の光束幅
変換素子２１，偏光ビームスプリッタ２２，光束反射素
子２３，１／２波長板２４とからなる構成要素２０を、
４組並列に配置して構成した。したがって、入射光の光
束径８０ｍｍφに対し、偏光変換素子の入射面の大きさ
は８０×８０ｍｍであり、光軸方向の長さは５０ｍｍで
あった。

【００３３】さて、図２の偏光変換素子において、光源
からの不定偏光光が偏光変換素子に入射した場合、光束
は各構成要素の入射面を断面とする光束に分割される
が、説明を簡単にするため、構成要素２０に入射した光
束に着目し、以下、その光路を用いて説明する。

【００３４】構成要素２０に入射した光束は、第１の実
施例で述べたように、シリンドリカルレンズ２５，２６
からなる光束幅変換素子２１により光束の幅を一方向の
み半分に縮小される。光束幅を縮小された出射光は、偏
光ビームスプリッタ２２で、ｐ偏光光とｓ偏光光の、互
いに偏光方向が直交する２つの直線偏光光に分離され
る。ここでｐ偏光光の偏光方向は紙面に平行、ｓ偏光光
の偏光方向は紙面に垂直である。ｓ偏光光は、隣接する
光束反射素子２３で反射され、その反射光の進行方向が
ｐ偏光光の進行方向と平行になり、構成要素２０を出射
する。ｐ偏光光は、１／２波長板２４を透過すること
で、その偏光方向がｓ偏光光の偏光方向と等しくなり、
構成要素２０から出射する。

【００３５】結果として、構成要素２０からの出射光
は、入射光と進行方向、並びに光束幅が等しく、かつ偏
光方向が特定の方向、ここでは紙面に垂直な方向に揃っ
た直線偏光光に変換される。

【００３６】他の構成要素に入射した光束についても、
構成要素２０に入射した光束と同様に、それらの出射光
は、入射光と進行方向、並びに光束幅が等しく、かつ偏
光方向が特定の方向、ここでは紙面に垂直な方向に揃っ
た直線偏光光に変換される。

【００３７】以上の過程において、光の損失は、媒質の
吸収や散乱によって生じる、わずかな量である。このよ
うに、直線偏光光を得る場合に本発明に従う図２の偏光
変換素子を用いることにより、効率良く直線偏光光を得
ることが可能になる。また、第２の実施例の構成によれ
ば、偏光変換素子の光軸方向の長さを、入射光束の直径
よりも短くでき、さらに光束幅変換素子と偏光ビームス
プリッタの厚みを薄くすることができるので、偏光変換
素子の小型，軽量化，低コスト化が可能になる。

【００３８】以上、第１および第２の実施例の説明にお
いて、光束幅変換素子として、焦点距離の比が２：１の
２枚の平凸シリンドリカルレンズをケプラー型の配置に
した構成や、プリズムの屈折を利用して光束の幅を半分
にする構成のものも用いることができる。シリンドリカ
ルレンズは、片面または両面を球面、または非球面に加
工したものや、屈折率分布型のレンズ等も使用でき、そ
れらの組合せにより光束幅変換素子を構成しても良い。
光束反射素子として、アルミ表面鏡や直角プリズムの他
にも、銀等の金属または誘電体多層膜を蒸着した表面鏡
や、偏光ビームスプリッタ等も用いることができる。１
／２波長板としては、この他に、位相差板を２枚以上重
ねた構造のものや、複屈折性のある光学結晶、配向処理
を施した２枚のガラス基板で液晶を挟んだ構造の液晶セ
ル等も用いることができる。また、出射光の偏光度をさ
らに向上させるために、出射光の光路に偏光板を挿入し
ても良い。この場合、偏光板に入射する光は、あらかじ
め直線偏光化されているので、偏光板の光の吸収は少な
く、光利用効率の低下、熱の発生、並びに、それに伴う
性能の劣化は少ない。

【００３９】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
光源から出射される不定偏光光を効率良く直線偏光光に
変換することが可能な偏光変換素子を得ることができ
た。

【００４０】特に投射型液晶表示装置に用いる場合、照
明光の光束径が大きいため従来例で問題となった、偏光
ビームスプリッタの大きさも小型にすることができ、素
子全体の大きさも、従来例と本発明の第２の実施例とを
比較すると、例えば入射光束径８０ｍｍφの場合、光軸
方向の長さが６２．５％、外形の体積が４２．０％、重
量は１８．１％になり小型，軽量化が実現できた。ま
た、本発明では、偏光ビームスプリッタで分離した光束
を再び合成する必要がないため、入射角依存性のある液
晶表示素子や光学素子を用いても投射画像の画質が劣化
することはなく、投射レンズの口径食による問題も生じ
なかった。さらに、効率良く直線偏光光を得ることがで
きるので、装置の低消費電力化が可能であり、発熱によ
る悪影響等も避けられるという効果もあった。すなわ
ち、本発明によれば、投射型液晶表示装置において、偏
光板や液晶表示素子の劣化、投射画像の画質劣化、装置
の大型化、大幅な製造コストの上昇を伴わずに、投射画
像の高輝度化に有効な偏光変換素子を得ることができ
た。

【００４１】なお、本発明に従う偏光変換素子は、投射
型液晶表示装置のみならず、偏光光を使用する機器や装
置に対して有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例を示す偏光変換素子の平
面図である。

【図２】本発明の第２の実施例を示す偏光変換素子の平
面図である。

【符号の説明】

１，２１ 光束幅変換素子 ２，２２ 偏光ビームスプリッタ ３，２３ 光束反射素子 ４，２４ １／２波長板 ５，６，２５，２６ シリンドリカルレンズ ７ 偏光分離面 ８ 光束反射面 １０ 入射光 １１，１４，１６ 出射光 １２ ｐ偏光光 １３ ｓ偏光光 １５ 反射光 ２０ 構成要素

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光束の幅を一方向のみ半分に縮小する光束
   幅変換素子と、 前記光束幅変換素子からの出射光を互いに偏光方向が直
   交するｐ偏光光とｓ偏光光の２つの直線偏光光に分離す
   る偏光分離面を、前記光束幅変換素子の光束幅を縮小す
   る方向と前記ｓ偏光光の反射方向とが平行になるように
   形成した偏光ビームスプリッタと、 前記偏光分離面と互いに平行な光束反射面を有し、前記
   ｓ偏光光の反射方向に前記偏光ビームスプリッタと隣接
   して配置した光束反射素子と、 前記偏光ビームスプリッタで分離されたｐ偏光光とｓ偏
   光光のどちらか一方の光路に配置した１／２波長板とを
   構成要素とし、 前記構成要素を単独で、または２組以上を並列に配置し
   て構成され、 前記光束幅変換素子が２枚のシリンドリカルレンズを空
   気層を介して対向するように配置、または空気層を介し
   て対向するように配置された２枚のシリンドリカルレン
   ズを２組以上並列に配置したこと を特徴とする偏光変換
   素子。ることを特徴とする偏光変換素子。