JP4277514B2 - Laminated wave plate - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は４００〜７００ｎｍにわたる広帯域な波長域において、１／２波長板として機能する波長依存性の少ない積層波長板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、パソコン等が表示する画面を直接スクリーンに投写することを可能とする液晶プロジェクタは、プレゼンティション等の用途を目的に広く普及しつつあると共に、小型化、解像度の向上、そして光利用効率の改善などが図られている。
そこで、液晶プロジェクタに偏光変換素子を内蔵し、ハロゲンランプ等を用いた光源が出力する光線を偏光変換して、液晶パネルに入射する光線の偏光を揃え、効率のよい光エネルギーの利用が為されるようになっている。
【０００３】
図８に、従来の偏光変換素子の構成例を示す。偏光変換素子１は、プリズムの斜面に光学薄膜２を成膜したプリズムアレイ３の所定の位置に１／２波長板４を備えた構造である。図８の機能を説明すると、ハロゲンランプ等の光源から放出される光線は、Ｓ偏光成分とＰ偏光成分とを含んでおり、偏光変換素子１の入射光としてプリズムアレイ３に入力される。ここで、液晶パネルを使用した画面の投写に必要な光線は、ある一方の偏光成分のみであるため、偏光変換素子１を用いて不要な偏光成分を偏光させて出射光の偏光を揃えることにより、効率よく光のエネルギーを使用できるよう機能させている。
【０００４】
そのため、プリズムアレイ３に入力された入射光のＰ偏光成分は、光学薄膜２を透過して１／２波長板４に入力し、該１／２波長板を通過する際に偏光面が９０ｄｅｇ回転して第一の経路としてＳ偏光として出射する。一方、プリズムアレイ３に入力した入射光に含まれるＳ偏光成分は、光学薄膜２において反射し、第二の経路としてＳ偏光を出射する。従って、偏光変換素子１から出力する出射光は、Ｓ偏光に揃えられ、効率のよい光エネルギーの利用が図られる。
【０００５】
液晶プロジェクタで使用する光源の波長域は、通常、４００〜７００ｎｍ程度であり、偏光変換素子に求められる性能として、光学薄膜及び、１／２波長板夫々が、４００〜７００ｎｍの広帯域な波長域で光の効率上損失を極限する必要がある。
そこで、以降、上述した偏光変換素子の構成要素である広帯域の１／２波長板について説明する。
【０００６】
波長板は、水晶のような結晶材料、或いは樹脂製フィルム等により構成し、それらの複屈折性による常光線と異常光線との速度差を利用した素子であり、両光線間に位相差を作り出し、光の偏光状態を変化させるものである。周知のように、１／２波長板は、入射した光の偏光面を９０ｄｅｇ回転させた直線偏光に変換させる機能を有する。更に、従来の波長板は、波長依存性の問題から特定の波長において１／２波長板として機能を果たしていた。
【０００７】
図９は、従来の１／２波長板の位相差波長依存性の例を示す図である。図９は、縦軸に位相差を示し、横軸に波長を示したグラフであり、波長の変化に伴う位相差の変化を求めたものである。図９に示すように、従来の１／２波長板は、波長５００ｎｍ近辺で位相差１８０ｄｅｇを示し、前後の波長帯においては、所定の傾斜により増加、或いは減少している。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、液晶プロジェクタで使用する偏光変換素子に内蔵する１／２波長板の性能は、波長４００〜７００ｎｍの広帯域な波長域に対して位相が１８０ｄｅｇずれる必要があるが、従来の１／２波長板は波長依存性を有しているため、液晶プロジェクタの偏光変換素子として使用することが困難であった。
【０００９】
ここで、波長板を広帯域にする手段としては、特許第３１７４３６７号により開示され、１／２波長の位相差を与える複数の延伸フィルムを積層してなる積層波長板が提案されているが、特許第３１７４３６７号による発明は、波長板の材料として延伸フィルムを使用しており、耐熱性、或いは信頼性に問題があった。そこで、本発明は上述したような問題点を解決するためになされたものであって、波長板の材料として耐熱性、或いは信頼性に優れた水晶基板を用い、波長４００〜７００ｎｍの波長域において１／２波長板として機能する積層波長板を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の積層波長板は、波長λの光に対して位相差Γ１の第一の波長板と位相差Γ２の第二の波長板とを各々の光学軸が交差するように積層してなり、波長λ１〜λ２（但し、λ１＜λ＜λ２）の範囲において入射する直線偏光の偏光面を９０ｄｅｇ回転させた直線偏光に変換して出射する積層波長板であって、
第一の波長板の材料及び第二の波長板の材料が水晶であり、
入射する直線偏光の偏光面と第一の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ１とし、入射する直線偏光の偏光面と第二の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ２としたとき、光学軸方位角θ１と光学軸方位角θ２との関係が、
θ２＝θ１＋４５ ・・・（１）
０＜θ１＜４５ ・・・（２）
を満足し、
波長λを
λ１＜λ＜（λ２−λ１）／２＋λ１ ・・・（３）
の範囲に設定し、位相差Γ１を設定値１８０ｄｅｇとし、位相差Γ２を設定値１８０ｄｅｇとし、波長λが変化したときの第一の波長板の位相差のずれ量をΔΓ１とし、波長λが変化したときの前記第二の波長板の位相差のずれ量をΔΓ２としたとき、
ΔΓ１＝ΔΓ２ ・・・（４）
を満足するように、光学軸方位角θ１が設定値２２．５ｄｅｇからずらして設定されていることを特徴とする。
【００１１】
この積層波長板において、或る実施例では、光学軸方位角θ１＝２５ｄｅｇに設定される。
【００１２】
また、本発明の積層波長板は、波長λの光に対して位相差Γ１の第一の波長板と位相差Γ２の第二の波長板とを各々の光学軸が交差するように積層してなり、波長λ１〜λ２（但し、λ１＜λ＜λ２）の範囲において入射する直線偏光の偏光面を９０ｄｅｇ回転させた直線偏光に変換して出射する積層波長板であって、
第一の波長板の材料及び第二の波長板の材料が水晶であり、
入射する直線偏光の偏光面と第一の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ１とし、入射する直線偏光の偏光面と第二の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ２としたとき、光学軸方位角θ１と光学軸方位角θ２との関係が、
θ２＝θ１＋４５ ・・・（１）
０＜θ１＜４５ ・・・（２）
を満足し、
波長λを
λ１＜λ＜（λ２−λ１）／２＋λ１ ・・・（３）
の範囲に設定し、位相差Γ１と位相差Γ２との関係が、
Γ１＝１８０ｄｅｇ＋ａ ・・・（５）
Γ２＝１８０ｄｅｇ＋ｂ ・・・（６）
ｂ＝２×ａ ・・・（７）
０ｄｅｇ＜ａ≦１０ｄｅｇ
を満足すると共に、
波長λが変化したときの第一の波長板の位相差のずれ量をΔΓ１とし、波長λが変化したときの第二の波長板の位相差のずれ量をΔΓ２としたとき、
ΔΓ１＝ΔΓ２ ・・・（４）
を満足するように、光学軸方位角θ１が設定値２２．５ｄｅｇからずらして設定されていることを特徴とする。
【００１３】
この積層波長板において、或る実施例では、光学軸方位角θ１＝１９ｄｅｇに設定される。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、図示した実施例に基づいて本発明を詳細に説明する。
図１は、本発明に係る１／２波長板の一実施形態の構成を示す図であり、図１（ａ）は、斜視概観図であり、図１（ｂ）は、分解斜視図である。１／２波長板５は、波長４２０ｎｍに対して位相差Γ１が１９０ｄｅｇ、及び光学軸方位角θ１が１９ｄｅｇの第一の水晶波長板６と、波長４２０ｎｍに対して位相差Γ２が２００ｄｅｇ、及び光学軸方位角θ２が６４ｄｅｇの第二の水晶波長板７とを、各々の結晶光学軸８、９が４５ｄｅｇの角度で交差するよう積層し、全体として波長４００〜７００ｎｍの広帯域において１／２波長板として機能するものである。つまり、この１／２波長板５にＰ偏光成分である直線偏光１０が入射すると出射面で位相が１８０ｄｅｇずれるので、入射光の偏光面を９０ｄｅｇ回転させたＳ偏光成分である直線偏光１１として出力する機能を有している。
【００１５】
次に、本実施例における１／２波長板５を構成する第一の水晶波長板６、及び第二の水晶波長板７について、光学特性の算出方法について説明する。
数値計算には、以下ミューラ行列を使用し各偏光状態を示すこととする。
【００１６】
第一の水晶波長板６のミューラ行列Ａ１は、下記の式（１）で表すことが出来る。
【００１７】
【数１】
第二の水晶波長板７のミューラ行列Ａ２は、下記の式（２）で表すことが出来る。
【００１９】
【数２】
１／２波長板５に入射する入射偏光状態をストークスベクトルＴとし、下記の式（３）で表す。
【００２１】
【数３】
１／２波長板５から出射する出射偏光状態をストークスベクトルＳとし、下記の式（４）で表す。
【００２３】
【数４】
以上、式（１）〜（４）より下記の式（５）のミューラ行列式が得られる。
【００２５】
【数５】
式（５）において、Ｔを下記の式（６）のような入射偏光状態とすると、
【００２７】
【数６】
式（５）は、
【００２９】
【数７】
となり、１／２波長板の位相差Γは、
【００３１】
【数８】
【００３２】
そこで、上述した式（８）に推定されるθ１、Γ１、θ２、Γ２を入力して演算を行い、最適値を求めるが、組み合わせが莫大であるため、ポアンカレ球上での考察を加え、ある程度の目安を求める。
【００３３】
図２は、本発明に係わる１／２波長板のポアンカレ球を示す。そこで、本ポアンカレ球を用いて１／２波長板の波長依存性を相殺する方法を説明する。先ず、設定条件を、
入射偏光面：図２中、水平方向とする。
第一の水晶波長板：位相差Γ１＝１８０ｄｅｇ
光学軸方位角 θ１
第二の水晶波長板：位相差Γ２＝１８０ｄｅｇ
光学軸方位角 θ２
とすると、第一の水晶波長板、第二の水晶波長板を透過する光の偏光状態は、以下のように考察することができる。
【００３４】
本１／２波長板の機能は、４００〜７００ｎｍの帯域にて偏光面を９０ｄｅｇ回転させることにあり、これをポアンカレ球にて表すと座標Ｐ０（Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３）＝（１、０、０）の位置からＰ２（−１、０、０）に移動させることである。そこで、開始点をＳ１軸と球面の交点Ｐ０とする。次に、Ｓ１軸を２θ１反時計回りに回転させた位置に回転軸Ｒ１を設定した後、Ｒ１軸を回転軸として位相差１８０ｄｅｇ時計方向に回転させ、到達した地点をＰ１とする。次に、Ｓ１軸を２θ２反時計回りに回転させた位置に回転軸Ｒ２を設定した後、Ｒ２軸を回転軸として位相差１８０ｄｅｇ時計方向に回転させ、到達した地点をＰ２とする。
【００３５】
この操作方法によると、Ｐ２が（−１、０、０）に到達するためには、光学軸方向θ１、及びθ２が次式の条件を満足すればよい。
θ２＝θ１＋４５ ・・・・（９）
０＜θ１＜４５ ・・・・（１０）
【００３６】
又、波長が変化することは、第一の波長板、及び第二の波長板の位相差が１８０ｄｅｇからずれることを意味し、この時のずれ量を夫々ΔΓ１、ΔΓ２とすると、上述の操作方法から、
ΔΓ１＝ΔΓ２ ・・・・（１１）
であれば位相差を相殺出来、Ｐ２は常に赤道上に到達する。このことから、第一の波長板と第二の波長板は、同じ波長依存性を有したものである必要がある。
【００３７】
又、位相差がずれるとＳ１座標に影響を与え、これによりＰ２→Ｐ２’となり、赤道上でのずれが生じ出射光偏光面の回転ずれとなる。このずれは、ΔΓ１とΔΓ２が小さいほど影響を少なくすることが出来るので、第一の波長板、及び第二の波長板は、波長依存性が極力小さいものを使用することが望ましい。従って、第一の波長板と第二の波長板は、シングルモードにより機能する波長板を使用することで最も良好な特性を得ることが出来る。
【００３８】
以上の結果より、シミュレーション解析を行う際の１／２波長板のファクター及び関係式は、下記の通りとすればよい。
ファクター
第一の波長板光軸方位角：θ１
第一の波長板位相差：Γ１（１８０ｄｅｇ）
第二の波長板光軸方位角：θ２
第二の波長板位相差：Γ２（１８０ｄｅｇ）
出射光の偏光面角度：φ（９０ｄｅｇ）
【００３９】
関係式
θ２＝θ１＋φ／２
０＜θ１＜４５
ΔΓ１＝ΔΓ２
【００４０】
次に、偏光変換素子に使用した場合の波長板の性能の評価方法について説明する。この場合の波長板に対する規定としては、通常、Ｓ偏光透過率Ｔｓが用いられており、そこで、以下にＴｓについて説明する。
図３は、本発明に係わる１／２波長板を使用した偏光変換素子の一実施例を示す構成図である。偏光変換素子１２は、プリズムの斜面に光学薄膜２を成膜したプリズムアレイ３の所定の位置に１／２波長板５を備えた構造である。
【００４１】
そこで、図３において、１／２波長板の位相差が問題となるのは、経路１についてであり、経路１は、光学薄膜のＰ偏光透過率であるＴｐと１／２波長板の位相差の両方が影響し、通常、経路１に求められる平均透過率は、９３％である。一方、光学薄膜のＴｐとしては、平均９８％が得られており、以上のことから必要な１／２波長板のＴｓの出射特性についてシミュレーション式を求めると次の通りである。
【００４２】
Ｔｓの出射特性は、前述したミューラ行列演算により得られた位相差の値（式８）をジョーンズ行列演算に変換して求める。そこで、１／２波長板の位相差をδ、光学軸方位角をθとすると、下記の式（１２）のようなジョーンズベクトル行列式が得られる。
【００４３】
【数９】
次に、得られた行列解を二乗し強度を求めると下式の通りとなる。
Ｔｓ＝4sin2θcos2sin2δ/2 ・・・・（１３）
【００４５】
そこで、光学薄膜のＴｐを９８％とすると、出射光のＳ偏光成分Ｔｓは下記の通りとなり、
Ｔｓ＝（4sin2θcos2sin2δ/2）×0.98 ・・・・（１４）
Ｔｓの出射特性のシミュレーションは式（１４）を用いて行う。
【００４６】
次に、（１４）式において、位相差と出射光Ｓ成分のＴｓに関する相関を、光学軸方位角をθ＝４５ｄｅｇとし、位相差δを変化させて求めてみると、Ｔｓは、図４のとおりである。
図４は、本発明における１／２波長板において、位相差と出射光Ｓ成分のＴｓに関する相関を示すグラフである。この結果から、Ｔｓ≧０．９３を満足するためには、位相差δは１５６≦δ≦２０４の範囲にあればよいことがわかる。
【００４７】
次に、前述した（８）式、及び（１４）式を用いて、１／２波長板の位相差、Ｓ偏光透過率についてシミュレーション解析した結果を示す。
先ず、第一段階として前述したポアンカレ球上で考察した結果より、１／２波長板の最適なファクターを推測し、それを用いてシミュレーション解析を行った結果、下記のファクターによる最適なシミュレーション結果が得られ、それを図５に示す。
θ１＝２５、θ２＝７０、Γ１＝１８０（λ＝４９０ｎｍ）、Γ２＝１８０（λ＝４９０ｎｍ）
【００４８】
図５は、本発明における１／２波長板において、第一のシミュレーション結果を示すグラフである。図５（ａ）は、位相差波長依存性を示し、図５（ｂ）は、Ｓ偏光透過率波長依存性を示す。波長依存性は、５００ｎｍ近辺の短波長側において変化が大きいため、シミュレーションは短波長側に重きを置いて行った。図５に示す如く従来の１／２波長板と比べ大幅な広帯域化がなされた。
【００４９】
次に、液晶プロジェクタに使用されている光源であるハロゲンランプは、４００〜７００ｎｍの波長域を有すると共に、±５ｄｅｇの光の広がりを持っており、液晶プロジェクタに使用する１／２波長板は、光の入射角度が変化しても位相差が変化しないようにする必要性がある。そこで、前述の第一のシミュレーションにおいて、光の入射光が±５ｄｅｇ変化した場合のシミュレーションを行い、その結果を図６に示す。
【００５０】
図６は、本発明における１／２波長板において第二のシミュレーション結果を示すグラフであり、図６（ａ）は、位相差波長依存性を示し、図６（ｂ）は、Ｓ偏光透過率波長依存性を示す。又、図６（ａ）において、曲線１３は入射角０ｄｅｇ、曲線１４は入射角＋５ｄｅｇ、曲線１５は入射角−５ｄｅｇの場合を示し、図６（ｂ）において、曲線１６は入射角０ｄｅｇ、曲線１７は入射角＋５ｄｅｇ、曲線１８は入射角−５ｄｅｇの場合を示す。図６に示すように、波長依存性は、５００ｎｍ〜５５０ｎｍの波長域で劣化しているが、光源であるハロゲンランプの波長域は、４００ｎｍ〜７００ｎｍであるものの特に波長５５０ｎｍ付近の光が８０％を占めるので、この波長における波長依存性の劣化を少なくすることが必要である。
【００５１】
入射光の角度依存性を小さくするためには、第一の水晶波長板、及び第二の水晶波長板の角度依存性を夫々小さくする必要がある。水晶においては、Ｙ−ｃｕｔが角度依存性が最小であるが、水晶基板の厚みを数十ミクロンにする必要があり、水晶基板の加工の面から現実的ではない。そこで、水晶波長板の量産を行うことを前提に水晶基板の厚みを０．１ｔと設定すると、水晶基板の原石からの切り出し角度βは、２７ｄｅｇＺとすればよい。
【００５２】
一方、入射光の角度依存性が劣化する原因としては、角度が変化した際にΔΓ１＝ΔΓ２の条件を満たすことが出来なくなるためである。これは、２枚の水晶波長板の光軸方位角が異なるため、角度を変化させたときの位相差変化量が異なってしまうためである。そこで、この位相変化量が異ならないように、１／２波長板のファクターの最適値をシミュレーション解析を行って求め、下記に示すような最適な１／２波長板のファクターを得た。
θ１＝１９、θ２＝６４、Γ１＝１９０（λ＝４２０ｎｍ）、Γ２＝２００（λ＝４２０ｎｍ）
【００５３】
そこで、このファクターを用いた１／２波長板の位相差波長依存性とＳ偏光透過率波長依存性を図７に示す。
図７は、本発明に係わる１／２波長板の一実施例における波長依存性を示すグラフであり、図７（ａ）は、位相差波長依存性を示し、図７（ｂ）は、Ｓ偏光透過率波長依存性を示す。又、図７（ａ）において、曲線１９は入射角０ｄｅｇ、曲線２０は入射角＋５ｄｅｇ、曲線２１は入射角−５ｄｅｇの場合を示し、図７（ｂ）において、曲線２２は入射角０ｄｅｇ、曲線２３は入射角＋５ｄｅｇ、曲線２４は入射角−５ｄｅｇの場合を示す。本実施例に示すようなファクターを１／２波長板に適用することにより、波長５５０ｎｍ近辺で波長依存性に優れた１／２波長板を構成することができた。従って、前述したように所定の計算式によりシミュレーション解析を繰り返すことにより、４００〜７００ｎｍの波長域において所望の性能を有する１／２波長板の構成を得ることが可能となった。
【００５４】
【発明の効果】
上述したように、請求項１乃至３記載の発明は、所定の第一の波長板と第二の波長板とを積層することにより、波長４００ｎｍから７００ｎｍの波長域にわたって１／２波長板としての機能を有しており、１／２波長板を液晶プロジェクタの偏光変換素子等に用いる上で、著しい効果を発揮することが可能となる。
【００５５】
請求項４記載の発明は、第一の波長板と第二の波長板を水晶基板により構成しており、耐熱性、或いは信頼性に優れた１／２波長板を提供する上で著しい効果を発揮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る１／２波長板の一実施形態の構成を示す図である。
【図２】本発明に係わる１／２波長板のポアンカレ球を示す。
【図３】本発明に係わる１／２波長板を使用した偏光変換素子の一実施例を示す構成図である。
【図４】本発明における１／２波長板において、位相差と出射光Ｓ成分のＴｓに関する相関を示すグラフである。
【図５】本発明における１／２波長板において、第一のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図６】本発明における１／２波長板において第二のシミュレーション結果を示すグラフである。
【図７】本発明に係わる１／２波長板の一実施例における波長依存性を示すグラフである。
【図８】従来の偏光変換素子の構成を示す図である。
【図９】従来の１／２波長板の位相差波長依存性を示すグラフである。
【符号の説明】
１・・偏光変換素子、 ２・・光学薄膜、
３・・プリズムアレイ、 ４・・１／２波長板、
５・・１／２波長板、 ６・・第一の水晶波長板、
７・・第二の水晶波長板、 ８・・結晶光学軸、
９・・結晶光学軸、 １０・・直線偏光、
１１・・直線偏光、 １２・・偏光変換素子、
１３・・入射角０ｄｅｇ波長依存性曲線、
１４・・入射角＋５ｄｅｇ波長依存性曲線、
１５・・入射角−５ｄｅｇ波長依存性曲線、
１６・・入射角０ｄｅｇ波長依存性曲線、
１７・・入射角＋５ｄｅｇ波長依存性曲線、
１８・・入射角−５ｄｅｇ波長依存性曲線、
１９・・入射角０ｄｅｇ波長依存性曲線、
２０・・入射角＋５ｄｅｇ波長依存性曲線、
２１・・入射角−５ｄｅｇ波長依存性曲線、
２２・・入射角０ｄｅｇ波長依存性曲線、
２３・・入射角＋５ｄｅｇ波長依存性曲線、
２４・・入射角−５ｄｅｇ波長依存性曲線[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a laminated wavelength plate having a small wavelength dependency that functions as a half-wave plate in a wide wavelength range of 400 to 700 nm.
[0002]
[Prior art]
In recent years, liquid crystal projectors capable of directly projecting a screen displayed on a personal computer or the like to a screen are becoming widespread for the purpose of presentations, etc., and are also reduced in size, improved in resolution, and used in light efficiency. Improvements are being made.
Therefore, a polarization conversion element is built in the liquid crystal projector, and the light beam output from the light source using a halogen lamp or the like is converted into a polarized light beam so that the polarization of the light beam incident on the liquid crystal panel is aligned. It has become so.
[0003]
FIG. 8 shows a configuration example of a conventional polarization conversion element. The polarization conversion element 1 has a structure including a half-
[0004]
Therefore, the P-polarized component of incident light input to the
[0005]
The wavelength range of a light source used in a liquid crystal projector is usually about 400 to 700 nm. As performance required for a polarization conversion element, an optical thin film and a half-wave plate are each in a wide wavelength range of 400 to 700 nm. It is necessary to limit the loss in light efficiency.
Therefore, hereinafter, a broadband half-wave plate which is a component of the above-described polarization conversion element will be described.
[0006]
A wave plate is an element made of a crystal material such as quartz, or a resin film, and uses the speed difference between ordinary and extraordinary rays due to their birefringence, and creates a phase difference between the two rays. This changes the polarization state of light. As is well known, the half-wave plate has a function of converting linearly polarized light obtained by rotating the polarization plane of incident light by 90 degrees. Further, the conventional wave plate has been functioning as a half wave plate at a specific wavelength due to the problem of wavelength dependency.
[0007]
FIG. 9 is a diagram illustrating an example of the retardation wavelength dependency of a conventional half-wave plate. FIG. 9 is a graph in which the vertical axis indicates the phase difference and the horizontal axis indicates the wavelength, and the change in the phase difference accompanying the change in the wavelength is obtained. As shown in FIG. 9, the conventional half-wave plate shows a phase difference of 180 deg in the vicinity of a wavelength of 500 nm, and increases or decreases by a predetermined inclination in the front and rear wavelength bands.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, the performance of the half-wave plate incorporated in the polarization conversion element used in the liquid crystal projector needs to be 180 degrees out of phase with respect to a wide wavelength range of 400 to 700 nm. Has a wavelength dependency, so it has been difficult to use as a polarization conversion element of a liquid crystal projector.
[0009]
Here, as a means for widening the wavelength plate, disclosed in Japanese Patent No. 3174367, a laminated wave plate formed by laminating a plurality of stretched films giving a half-wave phase difference has been proposed. The invention according to No. 3174367 uses a stretched film as the material of the wave plate and has a problem in heat resistance or reliability. Therefore, the present invention has been made to solve the above-described problems, and uses a quartz substrate having excellent heat resistance or reliability as a material of the wavelength plate, and in a wavelength range of 400 to 700 nm. An object of the present invention is to provide a laminated wave plate that functions as a half-wave plate.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve the above object, the laminated wave plate of the present invention crosses the first wave plate having the phase difference Γ1 and the second wave plate having the phase difference Γ2 with respect to the light having the wavelength λ. A laminated wave plate that is converted into linearly polarized light obtained by rotating the polarization plane of linearly polarized light that is incident in the range of wavelengths λ1 to λ2 (where λ1 <λ <λ2), and rotated by 90 deg. ,
The material of the first wave plate and the material of the second wave plate are quartz,
The angle formed between the polarization plane of the incident linearly polarized light and the optical axis of the first wave plate is defined as the optical axis azimuth angle θ1, and the angle formed between the incident plane of the linearly polarized light and the optical axis of the second wave plate is optical. Assuming that the axial azimuth angle θ2, the relationship between the optical axis azimuth angle θ1 and the optical axis azimuth angle θ2 is
θ2 = θ1 + 45 (1)
0 <θ1 <45 (2)
Satisfied,
The wavelength λ is changed to λ1 <λ <(λ2-λ1) / 2 + λ1 (3)
The phase difference Γ1 is set to a
ΔΓ1 = ΔΓ2 (4)
The optical axis azimuth angle θ1 is set so as to be shifted from the set value 22.5 deg so as to satisfy the above.
[0011]
In this laminated wave plate, in one embodiment, the optical axis azimuth angle θ1 is set to 25 deg.
[0012]
The laminated wave plate of the present invention is formed by laminating a first wave plate having a phase difference Γ1 and a second wave plate having a phase difference Γ2 with respect to light having a wavelength λ so that their optical axes intersect each other. A laminated wave plate for converting and emitting linearly polarized light obtained by rotating the polarization plane of linearly polarized light that is incident in the range of wavelengths λ1 to λ2 (where λ1 <λ <λ2),
The material of the first wave plate and the material of the second wave plate are quartz,
The angle formed between the polarization plane of the incident linearly polarized light and the optical axis of the first wave plate is defined as the optical axis azimuth angle θ1, and the angle formed between the incident plane of the linearly polarized light and the optical axis of the second wave plate is optical. Assuming that the axial azimuth angle θ2, the relationship between the optical axis azimuth angle θ1 and the optical axis azimuth angle θ2 is
θ2 = θ1 + 45 (1)
0 <θ1 <45 (2)
Satisfied,
The wavelength λ is changed to λ1 <λ <(λ2−λ1) / 2 + λ1 (3)
The relationship between the phase difference Γ1 and the phase difference Γ2 is
Γ1 = 180 deg + a (5)
Γ2 = 180 deg + b (6)
b = 2 × a (7)
0deg <a ≦ 10deg
As well as
When the shift amount of the phase difference of the first wave plate when the wavelength λ changes is ΔΓ1, and the shift amount of the phase difference of the second wave plate when the wavelength λ changes is ΔΓ2.
ΔΓ1 = ΔΓ2 (4)
The optical axis azimuth angle θ1 is set so as to be shifted from the set value 22.5 deg so as to satisfy the above.
[0013]
In this laminated wave plate, in one embodiment, the optical axis azimuth θ1 = 19 deg is set.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail based on illustrated embodiments.
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a half-wave plate according to the present invention, FIG. 1 (a) is a perspective overview, and FIG. 1 (b) is an exploded perspective view. . The half-wave plate 5 has a phase difference Γ1 of 190 deg with respect to a wavelength of 420 nm and an optical axis azimuth angle θ1 of 19 deg, and a phase difference Γ2 with respect to a wavelength of 420 nm of 200 deg. A second quartz wave plate 7 having an axial azimuth angle θ2 of 64 deg is laminated so that the crystal optical axes 8 and 9 intersect at an angle of 45 deg. It functions as. That is, when the linearly polarized light 10 that is the P-polarized component is incident on the half-wave plate 5, the phase is shifted by 180 deg at the exit surface, so that it is output as the linearly polarized light 11 that is the S-polarized component obtained by rotating the polarization plane of the incident light by 90 deg. It has a function to do.
[0015]
Next, a method for calculating the optical characteristics of the first
In the numerical calculation, the following Mueller matrix is used to indicate each polarization state.
[0016]
The Mueller matrix A1 of the first
[0017]
[Expression 1]
The Mueller matrix A2 of the second quartz wave plate 7 can be expressed by the following equation (2).
[0019]
[Expression 2]
The incident polarization state incident on the half-wave plate 5 is a Stokes vector T and is expressed by the following equation (3).
[0021]
[Equation 3]
The outgoing polarization state emitted from the half-wave plate 5 is a Stokes vector S and is expressed by the following equation (4).
[0023]
[Expression 4]
As described above, the Mueller determinant of the following equation (5) is obtained from the equations (1) to (4).
[0025]
[Equation 5]
In Equation (5), when T is an incident polarization state as in Equation (6) below,
[0027]
[Formula 6]
Equation (5) is
[0029]
[Expression 7]
The phase difference Γ of the half-wave plate is
[0031]
[Equation 8]
[0032]
Therefore, θ1, Γ1, θ2, and Γ2 estimated by the above equation (8) are inputted to perform calculation and an optimum value is obtained. However, since the combinations are enormous, consideration on the Poincare sphere is added to some extent. Ask for a guide.
[0033]
FIG. 2 shows a Poincare sphere of a half-wave plate according to the present invention. Therefore, a method for canceling the wavelength dependence of the half-wave plate using the present Poincare sphere will be described. First, the setting conditions
Incident polarization plane: horizontal direction in FIG.
First quartz wave plate: phase difference Γ1 = 180 deg
Optical axis azimuth θ1
Second quartz wave plate: phase difference Γ2 = 180 deg
Optical axis azimuth θ2
Then, the polarization state of the light transmitted through the first quartz wave plate and the second quartz wave plate can be considered as follows.
[0034]
The function of this half-wave plate is to rotate the polarization plane by 90 deg in the band of 400 to 700 nm, and this can be expressed by Poincare sphere with coordinates P0 (S1, S2, S3) = (1, 0, 0) is moved to P2 (-1, 0, 0). Therefore, the starting point is the intersection point P0 between the S1 axis and the spherical surface. Next, after setting the rotation axis R1 to the position where the S1 axis is rotated counterclockwise by 2θ1, the phase difference is rotated 180 deg clockwise with the R1 axis as the rotation axis, and the point reached is defined as P1. Next, after setting the rotation axis R2 at a position where the S1 axis is rotated counterclockwise by 2θ2, the phase difference is rotated clockwise by 180 deg using the R2 axis as a rotation axis, and the point reached is defined as P2.
[0035]
According to this operation method, in order for P2 to reach (−1, 0, 0), the optical axis directions θ1 and θ2 only need to satisfy the following conditions.
θ2 = θ1 + 45 (9)
0 <θ1 <45 (10)
[0036]
Further, the change of the wavelength means that the phase difference between the first wave plate and the second wave plate is shifted from 180 deg. When the shift amounts at this time are ΔΓ1 and ΔΓ2, respectively, the above-described operation method. From
ΔΓ1 = ΔΓ2 (11)
If so, the phase difference can be canceled out, and P2 always reaches the equator. For this reason, the first wave plate and the second wave plate need to have the same wavelength dependency.
[0037]
Further, if the phase difference is shifted, the S1 coordinate is affected, whereby P2 → P2 ′, and a shift on the equator occurs, resulting in a rotational shift of the outgoing light polarization plane. Since this shift can reduce the influence as ΔΓ1 and ΔΓ2 are smaller, it is desirable to use the first wave plate and the second wave plate having the smallest wavelength dependency. Therefore, the first wave plate and the second wave plate can obtain the best characteristics by using a wave plate that functions in a single mode.
[0038]
From the above results, the factor and the relational expression of the half-wave plate when performing the simulation analysis may be as follows.
Factor first wave plate optical axis azimuth: θ1
First wave plate phase difference: Γ1 (180 deg)
Second wave plate optical axis azimuth: θ2
Second wave plate phase difference: Γ2 (180 deg)
Polarization angle of outgoing light: φ (90 deg)
[0039]
Relational expression θ2 = θ1 + φ / 2
0 <θ1 <45
ΔΓ1 = ΔΓ2
[0040]
Next, a method for evaluating the performance of a wave plate when used in a polarization conversion element will be described. In this case, the S-polarized light transmittance Ts is usually used as a rule for the wave plate. Therefore, Ts will be described below.
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of a polarization conversion element using a half-wave plate according to the present invention. The polarization conversion element 12 has a structure in which a half-wave plate 5 is provided at a predetermined position of a
[0041]
Therefore, in FIG. 3, the phase difference of the half-wave plate becomes a problem for the path 1, and the path 1 is the phase difference between Tp which is the P-polarized light transmittance of the optical thin film and the half-wave plate. In general, the average transmittance required for the path 1 is 93%. On the other hand, as the Tp of the optical thin film, an average of 98% is obtained. From the above, the simulation formula for the required Ts emission characteristics of the half-wave plate is as follows.
[0042]
The emission characteristic of Ts is obtained by converting the phase difference value (Equation 8) obtained by the aforementioned Mueller matrix calculation into Jones matrix calculation. Therefore, when the phase difference of the half-wave plate is δ and the optical axis azimuth is θ, a Jones vector determinant as shown in the following equation (12) is obtained.
[0043]
[Equation 9]
Next, when the obtained matrix solution is squared to obtain the intensity, the following equation is obtained.
Ts = 4sin 2 θcos 2 sin 2 δ / 2 (13)
[0045]
Therefore, if the Tp of the optical thin film is 98%, the S-polarized component Ts of the emitted light is as follows:
Ts = (4sin 2 θcos 2 sin 2 δ / 2) × 0.98 (14)
The simulation of the emission characteristic of Ts is performed using Expression (14).
[0046]
Next, in equation (14), when the correlation between the phase difference and Ts of the emitted light S component is determined by setting the optical axis azimuth angle to θ = 45 deg and changing the phase difference δ, Ts is shown in FIG. It is as follows.
FIG. 4 is a graph showing the correlation between the phase difference and Ts of the outgoing light S component in the half-wave plate according to the present invention. From this result, in order to satisfy Ts ≧ 0.93, it is understood that the phase difference δ only needs to be in the range of 156 ≦ δ ≦ 204.
[0047]
Next, the results of simulation analysis of the phase difference of the half-wave plate and the S-polarized light transmittance using the above-described equations (8) and (14) are shown.
First, from the results discussed on the Poincare sphere described above as the first step, the optimum factor of the half-wave plate is estimated, and simulation analysis is performed using it. As a result, the optimum simulation result based on the following factors is obtained. Which is shown in FIG.
θ1 = 25, θ2 = 70, Γ1 = 180 (λ = 490 nm), Γ2 = 180 (λ = 490 nm)
[0048]
FIG. 5 is a graph showing a first simulation result in the half-wave plate according to the present invention. FIG. 5A shows the retardation wavelength dependency, and FIG. 5B shows the S polarization transmittance wavelength dependency. Since the wavelength dependence varies greatly on the short wavelength side near 500 nm, the simulation was performed with emphasis on the short wavelength side. As shown in FIG. 5, the bandwidth was significantly increased compared to the conventional half-wave plate.
[0049]
Next, a halogen lamp, which is a light source used in a liquid crystal projector, has a wavelength range of 400 to 700 nm and a light spread of ± 5 deg. There is a need to prevent the phase difference from changing even if the incident angle of light changes. Therefore, in the first simulation described above, a simulation is performed when the incident light changes by ± 5 degrees, and the result is shown in FIG.
[0050]
FIG. 6 is a graph showing the second simulation result in the half-wave plate according to the present invention, FIG. 6 (a) shows the retardation wavelength dependency, and FIG. 6 (b) shows the S-polarized light transmittance. Shows wavelength dependence. Further, in FIG. 6A, a
[0051]
In order to reduce the angle dependency of incident light, it is necessary to reduce the angle dependency of the first quartz wavelength plate and the second quartz wavelength plate. In quartz, Y-cut has the smallest angle dependency, but the thickness of the quartz substrate needs to be several tens of microns, which is not practical from the viewpoint of processing the quartz substrate. Therefore, if the thickness of the quartz substrate is set to 0.1 t on the assumption that the quartz wavelength plate is mass-produced, the cut-out angle β from the raw quartz substrate may be 27 degZ.
[0052]
On the other hand, the reason why the angle dependency of incident light deteriorates is that the condition of ΔΓ1 = ΔΓ2 cannot be satisfied when the angle changes. This is because the optical axis azimuth angles of the two quartz wavelength plates are different, so that the amount of change in phase difference when the angle is changed is different. Therefore, the optimum value of the factor of the half-wave plate was obtained by simulation analysis so that the amount of phase change did not differ, and the optimum factor of the half-wave plate as shown below was obtained.
θ1 = 19, θ2 = 64, Γ1 = 190 (λ = 420 nm), Γ2 = 200 (λ = 420 nm)
[0053]
Accordingly, FIG. 7 shows the retardation wavelength dependency and S-polarized light transmittance wavelength dependency of a half-wave plate using this factor.
FIG. 7 is a graph showing the wavelength dependence in one embodiment of the half-wave plate according to the present invention, FIG. 7 (a) shows the phase difference wavelength dependence, and FIG. The polarization transmittance wavelength dependency is shown. Further, in FIG. 7A, a
[0054]
【The invention's effect】
As described above, the first to third aspects of the invention provide a ½ wavelength plate over a wavelength range from 400 nm to 700 nm by laminating the predetermined first wave plate and the second wave plate. It has a function, and when the half-wave plate is used for a polarization conversion element of a liquid crystal projector, a remarkable effect can be exhibited.
[0055]
The invention according to
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of an embodiment of a half-wave plate according to the present invention.
FIG. 2 shows a Poincare sphere of a half-wave plate according to the present invention.
FIG. 3 is a block diagram showing an embodiment of a polarization conversion element using a half-wave plate according to the present invention.
FIG. 4 is a graph showing a correlation between a phase difference and Ts of outgoing light S component in a half-wave plate according to the present invention.
FIG. 5 is a graph showing a first simulation result in the half-wave plate according to the present invention.
FIG. 6 is a graph showing a second simulation result in the half-wave plate according to the present invention.
FIG. 7 is a graph showing wavelength dependency in an example of a half-wave plate according to the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing a configuration of a conventional polarization conversion element.
FIG. 9 is a graph showing the phase difference wavelength dependence of a conventional half-wave plate.
[Explanation of symbols]
1 .... Polarization conversion element, 2 .... Optical thin film,
3. Prism array, 4. Half wave plate,
5 ・ ・ 1/2 wave plate, 6 ・ ・ First crystal wave plate,
7 ・ ・ Second crystal wave plate, 8 ・ ・ Crystal optical axis,
9. ・ Crystal optical axis, 10. ・ Linear polarization,
11. Linear polarization, 12. Polarization conversion element,
13 .. Incident angle 0 deg wavelength dependence curve,
14 .. Incident angle + 5 deg wavelength dependence curve,
15. Incident angle-5deg wavelength dependence curve,
16 .. Incident angle 0 deg wavelength dependence curve,
17. Incident angle + 5 deg wavelength dependence curve,
18 .. Incident angle-5 deg wavelength dependence curve,
19 .. Incident angle 0 deg wavelength dependence curve,
20 .. Incident angle + 5 deg wavelength dependence curve,
21 .. Incident angle-5 deg wavelength dependence curve,
22 .. Incident angle 0 deg wavelength dependence curve,
23 .. Incident angle + 5 deg wavelength dependency curve,
24 .. Incident angle-5 deg wavelength dependence curve
Claims (4)
波長λ１〜λ２（但し、λ１＜λ＜λ２）の範囲において入射する直線偏光の偏光面を９０ｄｅｇ回転させた直線偏光に変換して出射する積層波長板であって、
前記第一の波長板の材料及び前記第二の波長板の材料が水晶であり、
前記入射する直線偏光の偏光面と前記第一の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ１とし、
前記入射する直線偏光の偏光面と前記第二の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ２としたとき、前記光学軸方位角θ１と前記光学軸方位角θ２との関係が、
θ２＝θ１＋４５ ・・・（１）
０＜θ１＜４５ ・・・（２）
を満足し、
前記波長λを
λ１＜λ＜（λ２−λ１）／２＋λ１ ・・・（３）
の範囲に設定し、
前記位相差Γ１を設定値１８０ｄｅｇとし、
前記位相差Γ２を設定値１８０ｄｅｇとし、
前記波長λが変化したときの前記第一の波長板の位相差のずれ量をΔΓ１とし、
前記波長λが変化したときの前記第二の波長板の位相差のずれ量をΔΓ２としたとき、
ΔΓ１＝ΔΓ２ ・・・（４）
を満足するように、
前記光学軸方位角θ１が設定値２２．５ｄｅｇからずらして設定されていることを特徴とする積層波長板。A first wave plate having a phase difference Γ1 and a second wave plate having a phase difference Γ2 are stacked so that the optical axes intersect each other with respect to light having a wavelength λ.
A laminated wave plate for converting and emitting linearly polarized light obtained by rotating the polarization plane of linearly polarized light incident in the range of wavelengths λ1 to λ2 (where λ1 <λ <λ2) to 90 deg;
The material of the first wave plate and the material of the second wave plate are quartz,
An angle formed between the polarization plane of the incident linearly polarized light and the optical axis of the first wave plate is an optical axis azimuth angle θ1,
When the angle formed between the polarization plane of the incident linearly polarized light and the optical axis of the second wave plate is an optical axis azimuth angle θ2, the relationship between the optical axis azimuth angle θ1 and the optical axis azimuth angle θ2 is
θ2 = θ1 + 45 (1)
0 <θ1 <45 (2)
Satisfied,
The wavelength λ is changed to λ1 <λ <(λ2−λ1) / 2 + λ1 (3)
To the range of
The phase difference Γ1 is set to a set value of 180 deg.
The phase difference Γ2 is set to a set value of 180 deg.
A shift amount of the phase difference of the first wave plate when the wavelength λ is changed is ΔΓ1,
When the shift amount of the phase difference of the second wave plate when the wavelength λ changes is ΔΓ2,
ΔΓ1 = ΔΓ2 (4)
To satisfy
The laminated wave plate, wherein the optical axis azimuth angle θ1 is set to be shifted from a set value of 22.5 deg.
θ１＝２５ｄｅｇ
であることを特徴とする積層波長板。In claim 1,
θ1 = 25deg
A laminated wave plate, wherein
波長λ１〜λ２（但し、λ１＜λ＜λ２）の範囲において入射する直線偏光の偏光面をThe plane of polarization of linearly polarized light incident in the range of wavelengths λ1 to λ2 (where λ1 <λ <λ2)
９０ｄｅｇ回転させた直線偏光に変換して出射する積層波長板であって、A laminated wave plate that converts into 90-degree rotated linearly polarized light and emits it, 前記第一の波長板の材料及び前記第二の波長板の材料が水晶であり、The material of the first wave plate and the material of the second wave plate are quartz,
前記入射する直線偏光の偏光面と前記第一の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ１とし、An angle formed between the polarization plane of the incident linearly polarized light and the optical axis of the first wave plate is an optical axis azimuth angle θ1,
前記入射する直線偏光の偏光面と前記第二の波長板の光学軸とのなす角度を光学軸方位角θ２としたとき、前記光学軸方位角θ１と前記光学軸方位角θ２との関係が、When the angle formed between the polarization plane of the incident linearly polarized light and the optical axis of the second wave plate is an optical axis azimuth angle θ2, the relationship between the optical axis azimuth angle θ1 and the optical axis azimuth angle θ2 is
θ２＝θ１＋４５ ・・・（１）θ2 = θ1 + 45 (1)
０＜θ１＜４５ ・・・（２）0 <θ1 <45 (2)
を満足し、Satisfied,
前記波長λをThe wavelength λ
λ１＜λ＜（λ２−λ１）／２＋λ１ ・・・（３）λ1 <λ <(λ2-λ1) / 2 + λ1 (3)
の範囲に設定し、To the range of
前記位相差Γ１と前記位相差Γ２との関係が、The relationship between the phase difference Γ1 and the phase difference Γ2 is
Γ１＝１８０ｄｅｇ＋ａ ・・・（５）Γ1 = 180 deg + a (5)
Γ２＝１８０ｄｅｇ＋ｂ ・・・（６）Γ2 = 180 deg + b (6)
ｂ＝２×ａ ・・・（７）b = 2 × a (7)
０ｄｅｇ＜ａ≦１０ｄｅｇ0deg <a ≦ 10deg
を満足すると共に、As well as
前記波長λが変化したときの前記第一の波長板の位相差のずれ量をΔΓ１とし、A shift amount of the phase difference of the first wave plate when the wavelength λ is changed is ΔΓ1,
前記波長λが変化したときの前記第二の波長板の位相差のずれ量をΔΓ２としたとき、When the shift amount of the phase difference of the second wave plate when the wavelength λ changes is ΔΓ2,
ΔΓ１＝ΔΓ２ ・・・（４）ΔΓ1 = ΔΓ2 (4)
を満足するように、To satisfy
前記光学軸方位角θ１が設定値２２．５ｄｅｇからずらして設定されていることを特徴とする積層波長板。The laminated wave plate, wherein the optical axis azimuth angle θ1 is set to be shifted from a set value of 22.5 deg.
θ１＝１９ｄｅｇθ1 = 19deg
であることを特徴とする積層波長板。A laminated wave plate, wherein
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