JP4597848B2 - 偏光変換素子 - Google Patents

Description

本発明は、液晶プロジェクタなどに用いられる偏光変換素子に関し、特に製造が容易な形態の偏光変換素子に関する。

液晶投影型の液晶プロジェクタでは、液晶表示パネルの画像をスクリーンに投影して表示を行っている。このような液晶プロジェクタに用いられる液晶パネルでは、液晶のもつ偏光特性を利用して像を形成している。このため、液晶パネルの前後に偏光フィルタを設け、入射する光の特定の偏光方向を透過させるようにしている。従って、液晶プロジェクタに利用される光は、偏光フィルタにより半分程度が遮断されていることになる。

このような光源からの光の無駄を解消するため、図５に示すような、偏光変換素子が開発されている。即ち、偏光変換素子５０は、ガラスなどの透明材料からなる第１のプリズム５１，第２のプリズム５２と、第１のプリズム５１と第２のプリズム５２とに挟まれるように配置された偏光分離膜５３と、この偏光分離膜５３が設けられた第１のプリズム５１の面に平行な対向面に設けられた反射膜５４と、第２のプリズム５２に設けられた１／２波長板５５とから構成された複数の光学ユニットが配列されたものである。

第１のプリズム５１は、集光された光が入射する入射面と、入射面に対して例えば４５°の角度で入射面の一端に接する偏光分離面と、入射面の他端に接して偏光分離面に平行な反射面と、反射面に４５°で配置されかつ入射面に平行に配置され、加えて、反射面及び偏光分離面と接して配置された第１の出射面５６との４つの矩形面から構成されている。

また、偏光分離面に偏光分離膜５３が設けられ、反射面に反射膜５４が設けられている。偏光分離膜５３は、ここに入射する光のうち第１偏光を透過させるとともにこの第１偏光より偏光面が９０°異なる第２偏光を反射するものであり、例えば、Ｓ偏光を反射しＰ偏光を透過するものである。偏光分離面は、偏光分離面を含む平面に対する入射面の投影面となっており、反射面は、反射面を含む平面に対する第１の出射面５６の投影面となっている。また、第１のプリズム５１の断面を見ると、平行四辺形となっている。従って、第１のプリズム５１は、底面を平行四辺形とする柱状の構造体である。

一方、第２のプリズム５２は、まず、第１のプリズム５１の入射面に平行に配置され、偏光分離面に対して例えば４５°で配置され、かつ偏光分離面の端部を介して第１の出射面５６に連続して配置された第２の出射面を備えている。また、第２のプリズム５２は、偏光分離膜５３を偏光分離面とで挟むように配置され、かつ第２の出射面の一端に接して配置された第１の平面と、偏光分離面及び第１の平面と平行に配置され、且つ第２の出射面の他端に接して配置された第２の平面とを備えている。尚、各面は、矩形となっている。又、第２のプリズム５２にも、第１のプリズム５１の入射面に対応する面を備え、第２のプリズム５２の断面を見ると平行四辺形となっている。従って、第２のプリズム５２も底面を平行四辺形とする柱状の構造体である。

加えて、第２のプリズム５２の第２の出射面上には、水晶からなる１／２波長板５５が設けられている。１／２波長板５５は、例えば短冊状の平行平板であり、第２の出射面の全域を覆うように設けられている。

このような偏光変換素子５０によれば、集光レンズを一定の周期で配列したレンズアレイにより各々第１のプリズム５１の入射面に入射した光は、偏光分離面に設けられた偏光分離膜５３によって、直交する２つの直線偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）に分離され、Ｓ偏光は反射し、Ｐ偏光は直進する。偏光分離膜５３を反射したＳ偏光は、第１のプリズム５１の反射面に設けられた反射膜５４で再度反射し、１／２波長板５５の設けられていない第１のプリズムの第１の出射面５６よりＳ偏光のまま出射する。

一方、偏光分離膜５３を直進（透過）したＰ偏光は、第２のプリズム５２内を直進して第２の出射面より出射し、第２の出射面に設けられている１／２波長板５５を通過することでＳ偏光に変換されて出射する。このような偏光変換素子５０では、入射した光のほとんどをＳ偏光にそろえて出射するので、光源からの光を有効に利用することが可能となっている。

上述したような偏光変換素子については、以下の先行技術文献に開示がある。
特開２００４−９３６７５号 特開２００３−３０２５２３号 特開２００４−２９１６８号

尚、出願人は前記した先行技術文献情報で特定される先行技術文献以外には、本発明に関連する先行技術文献を、本件出願時までに発見するに至らなかった。

上述したような形態の偏光変換素子に使用する１／２波長板は、２枚の大口径水晶ウエハを、各々の水晶ウエハの光学軸が直交するように貼り合わせて、例えば第２のプリズムの第２の出射面の形状（短冊形状）に合わせて切断して形成され、その切断した１／２波長板を所定の出射面に貼り付けることにより偏光変換素子を構成しているが、このような構成の偏光変換素子では、複数の１／２波長板を全て高精度で所定の位置に貼り付ける必要があり、そのため作業工数が著しく増加及び煩雑になる虞があり、又、この１／２波長板の高精度貼り付けのための設備が必要となることが考えられる。

本発明は上記課題を解決するために成されたものであり、入射面と、この入射面に平行な第１の出射面と、入射面に対して９０°未満の所定の角度で接して入射面から入射する光のうち第１偏光を透過させるとともに、この第１偏光より偏光面が９０°異なる第２偏光を反射する偏光分離膜が設けられた偏光分離面と、この偏光分離面により反射された第２偏光を出射面方向に反射する反射膜が設けられた反射面とを有する第１プリズムと、
第１プリズムの第１の出射面と連続する第２の出射面と、この第２の出射面と前記所定の角度をなして偏光分離膜に接する第１の平面と、この第１の平面と平行な第２の平面とを有し、第１プリズムの偏光分離面を透過した第１偏光を第２出射面から出射させる第２プリズムと、
透過する光の偏光面を９０°変換する水晶からなる１／２波長板と
から構成された複数の光学ユニットからなり、互いに隣接する２つの光学ユニットは、一方の光学ユニットを構成する反射膜と、他方の光学ユニットを構成する第２プリズムの第２の平面とが接している偏光変換素子において、
上記１／２波長板が、第１の出射面及び第２の出射面全面を覆う形態の第１の水晶板と、外形サイズが第１の水晶板と同じであり且つ第１の出射面上又は第２の出射面上の何れか一方部分に外部露出主面に向かって凸の肉厚部が形成されている第２の水晶板とにより形成されていることを特徴とする偏光変換素子である。

又、上記第１の水晶板及び第２の水晶板は矩形形状であり、第１の水晶板の主面の一辺の方向を水晶結晶体の結晶軸の一つである光学軸とした場合、その光学軸に対して＋４５°、第２の水晶板は第２の水晶板の主面の一辺の方向を水晶結晶体の結晶軸の一つである光学軸とした場合に、その光学軸に対して−４５°で各々形成された水晶板であり、且つ第１の水晶板の厚みと第２の水晶板の該肉厚部の厚みが等しいことをことを特徴とする前段落記載の偏光変換素子でもある。

更に、上記第２の水晶板の肉厚部が、第２の出射面上もしくは第１の出射面上の何れか一方の全域にわたり形成されていることを特徴とする上段落記載の偏光変換素子でもある。

更に又、上記第２の水晶板の肉厚部が、第２の出射面上もしくは該第１の出射面上の何れか一方で所定の間隔で配置されていることを特徴とする上段落記載の偏光変換素子でもある。

本発明に係る偏光変換素子において、従来の複数の１／２波長板を随時貼り合わせる構造に比べ、本発明では２枚の水晶板を各々貼り合わせるだけで１／２波長板を構成できるので、その作業工数が著しく少なく且つ簡易になる。又、従来の１／２波長板に比べ外形サイズが大きいので、高精度での貼り合わせが容易となる。

更に、本発明では第２の水晶板の外形形状加工について、フォトリソグラフィ法＋エッチング等の既存の高精度加工方法を使用するので、従来の切断加工に比べ、高精度の寸法で１／２波長板を形成することが可能となる。また、１／２波長板の位相差を調整するための厚み寸法（本発明においては第２の水晶板の肉厚部）の調整についても、フォトリソグラフィ法を加工手段として用いていることにより、従来の研磨加工に比べ、高精度で且つ容易に調整が可能となる。

因って、本発明により、高精度であり且つ製造が容易な偏光変換素子を提供できる効果を奏する。

以下に、本発明における偏光変換素子の実施形態を、図面を参照しながら説明する。
図１は、本発明における偏光変換素子の形態及び偏光変換の様子を概略的に示した部分断面図である。図２は図１記載の円Ａ部分を拡大して図示した部分断面図である。図３は本発明における偏光変換素子の一実施形態を１／２波長板側から斜視した部分外観図である。図４は本発明における偏光変換素子の他の実施形態を１／２波長板側から斜視した部分外観図である。尚、各図では、説明を明りょうにするため構造体の一部を図示せず、また寸法も一部誇張して図示している。特に各部分の厚み寸法は誇張して図示している。

即ち、本実施の形態における偏光変換素子１０は、ガラスなどの透明材料からなる第１のプリズム１１，第２のプリズム１２と、第１のプリズム１１と第２のプリズム１２とに挟まれるように配置された偏光分離膜１３と、この偏光分離膜１３が設けられた第１のプリズム１１の面に平行な対向面に設けられた反射膜１４と、第１のプリズム１１及び第２のプリズム１２の出射面上に設けられた第１の水晶板１５ａ及び第１の水晶板１５ａ上に設けられた第２の水晶板１５ｂとから構成される１／２波長板１５とから構成された複数の光学ユニットが配列されたものである。

第１のプリズム１１は、集光された光が入射する入射面１１ａと、入射面１１ａに対して例えば４５°の角度で入射面１１ａの一端に接する偏光分離面１１ｂと、入射面１１ａの他端に接して偏光分離面１１ｂに平行な反射面（図示しない）と、反射面に４５°で配置されかつ入射面１１ａに平行に配置され、加えて、反射面及び偏光分離面１１ｂと接して配置された第１の出射面１１ｄとの４つの矩形面から構成されている。尚、ここでは、例えば、第１のプリズム１１の外側を構成している面の中で、光が入射する面を入射面１１ａと定義する。

また、偏光分離面１１ｂには偏光分離膜１３が設けられ、反射面には反射膜１４が設けられている。偏光分離膜１３は、ここに入射する光のうち第１偏光を透過させるとともにこの第１偏光より偏光面が９０°異なる第２偏光を反射するものであり、例えば、Ｓ偏光を反射しＰ偏光を透過するものである。また、反射膜１４は、光を反射するものであるが、以降に説明するように、反射膜１４に到達する光は、偏光分離膜１３を反射してきた偏光であり、反射膜１４に偏光分離膜を用いるようにしても良いことはいうまでもない。

偏光分離面１１ｂは、偏光分離面１１ｂを含む平面に対する入射面１１ａの投影面となっており、反射面は、反射面を含む平面に対する第１の出射面１１ｄの投影面となっている。また、第１のプリズム１１の断面を見ると、図１又は図２に示すように、平行四辺形となっている。従って、第１のプリズム１１は、底面を平行四辺形とする柱状の構造体である。

一方、第２のプリズム１２は、まず、第１のプリズム１１の入射面１１ａに平行に配置され、偏光分離面１１ｂに対して例えば４５°で配置され、かつ偏光分離面１１ｂの端部を介して第１の出射面１１ｄに連続して配置された第２の出射面１２ａを備えている。又、第２のプリズム１２は、偏光分離膜１３を偏光分離面１１ｂとで挟むように配置され、且つ第２の出射面１２ａの一端に接して配置された第１の平面１２ｂと、偏光分離面１１ｂ及び第１の平面１２ｂと平行に配置され、且つ第２の出射面１２ａの他端に接して配置された第２の平面（図示しない）とを備えている。尚、各面は、矩形となっている。ここで、第２のプリズム１２においても、第１の平面１２ｂは、第１の平面１２ｂを含む平面における、第２の出射面１２ａの投影面となっている。尚、第２のプリズム１２にも、第１のプリズム１１の入射面１１ａに対応する面を備え、第２のプリズム１２の断面を見ると、図１あるいは図２に示すように、平行四辺形となっている。従って、第２のプリズム１２も、底面を平行四辺形とする柱状の構造体である。

加えて、第１のプリズムの第１の出射面１１ｄ及び第２のプリズム１２の第２の出射面１２ａ上には、第１の出射面１１ｄ及び第２の出射面１２ａ全面を覆う形態の第１の水晶板１５ａが配置貼り付けられており、この第１の水晶板１５ａ上には、外形サイズが第１の水晶板１５ａと同じであり且つ第１の出射面１１ｄ上に外部露出主面に向かって凸の肉厚部１６が形成されている第２の水晶板１５ｂが配置貼り付けられており、この第１の水晶板１５ａ及び第２の水晶板１５ｂにより１／２波長板１５が形成されている。尚、第１の水晶板１５ａ及び第２の水晶板１５ｂは概略矩形形状であり、第１の水晶板１５ａの主面の一辺の方向を水晶結晶体の結晶軸の一つである光学軸とした場合、その光学軸に対して＋４５°、第２の水晶板１５ｂは第２の水晶板１５ｂの主面の一辺の方向を水晶結晶体の結晶軸の一つである光学軸とした場合に、その光学軸に対して−４５°で各々形成された水晶板であり、且つ第１の水晶板１５ａの厚みと第２の水晶板１５ｂの肉厚部１６の厚みが等しくなるように形成されている。

図１の偏光変換素子１０によれば、集光レンズを一定の周期で配列したレンズアレイ１８により各々の第１のプリズム１１の入射面１１ａに入射した光は、偏光分離面１１ｂに設けられた偏光分離膜１３よって、直交する２つの直線偏光（Ｐ偏光，Ｓ偏光）に分離され、Ｓ偏光は反射し、Ｐ偏光は直進する。偏光分離膜１３を反射したＳ偏光は、第１のプリズム１１の反射面に設けられた反射膜１４で再度反射し、第１の出射面から第１の水晶板及び第２の水晶板の肉厚部１６部分よりＳ偏光のまま出射する。

一方、偏光分離膜１３を直進（透過）したＰ偏光は、第２のプリズム１２内を直進して第２の出射面１２ａより出射し、第２の出射面１２ａ上に設けられている第１の水晶板１５ａを通過し、更に第２の水晶板１５ｂの肉厚部１６以外の部分を通過することでＳ偏光に変換されて出射する。従って、本実施の形態の偏光変換素子は、複数の第１のプリズム１１及び第２のプリズム１２から構成された偏光分離素子の出射面上に、第１の水晶板とＰ偏光の出射部となる第１のプリズム１１の第１の出射面１１ｄ上部分に肉厚部を有する第２の水晶板とにより形成されている１／２波長板１５を設けるようにしたものである。尚、第２の水晶板１５ｂに形成される肉厚部１６は、第２の出射面１２ａ上ではなく、出第１の射面１１ｄ上に配置するようにしてもよい。また、反射膜１４として、偏光分離膜を用いるようにしてもよい。

このように、図１に示す偏光変換素子１０によれば、入射した光のほとんどを、Ｓ偏光にそろえて出射するので、光源からの光を有効に利用することが可能となっている。また、１／２波長板１５は、２枚の水晶板を各々貼り合わせるだけで１／２波長板を構成できるので、その作業工数が著しく少なく且つ簡易になる。又、従来の１／２波長板に比べ外形サイズが大きいので、高精度での貼り合わせが容易となる。

更に、第２の水晶板１５ｂの外形形状加工について、フォトリソグラフィ法＋エッチング等の既存の高精度加工方法を使用するので、高精度の寸法で１／２波長板１５を形成且つ構成することが可能となる。また、１／２波長板１５の位相差を調整するための厚み寸法（本発明においては第２の水晶板１５ｂの肉厚部１６）の調整についても、フォトリソグラフィ法＋エッチングを加工手段として用いていることにより、従来の研磨加工に比べ、高精度で且つ容易に調整が可能となる。また、１／２波長板１５は水晶から構成されているので、耐熱性がフィルムなどに比べて高くなっている。偏光変換素子１０の１／２波長板１５以外の部分は、例えばガラスなどの耐熱性の高い材料から構成されているので、１／２波長板１５を水晶から構成することで、偏光変換素子全体としての耐熱性を向上させることができるようになる。

なお、上述では、図３に示すように、１／２波長板１５を構成する第２の水晶板１５ｂの肉厚部１６は第１の出射面１１ｄ上の全域に設けたが、これに限るものではない。例えば、図４に示すように、例えば、平面視正方形の複数の肉厚部１６が、第１の出射面１１ｄ上に所定の間隔で配置されているようにしてもよい。

第１のプリズム１１に入射する光は、レンズアレイなどにより、第１のプリズム１１の幅以下の径の複数のスポット光とされ、第１のプリズム１１にのみ入射するようにされている。この場合、第２のプリズム１２を出射する光は、第２のプリズム１２の第２の出射面１２ａの全域から出射するわけではなく、所定の間隔で部分的に出射する。従って、この出射位置に合わせて１／２波長板１５を構成する第２の水晶板１５ｂの肉厚部１６ａを配置すれば、第２の出射面１２ａを出射する偏光を偏光面が９０°異なる偏光とすることができる。

ところで、上述では、偏光分離膜を挟む２つのプリズムからなる複数の光学ユニットで偏光分離素子を構成するようにしたが、これに限るものではなく、例えば、所定の厚さの方解石などの複屈折結晶板から偏光分離素子を構成するようにしてもよい。方解石などの複屈折結晶板は、入射した光を偏光面が９０°異なる常光と異常光とに分離するので、図１に示した第１のプリズム１１と第２のプリズム１２からなる複数の光学ユニットからなる偏光分離素子と同様の効果が得られる。この場合、複屈折結晶板の一方の偏光の出射部に、水晶からなり、偏光面が９０°異なる偏光に変換する本発明のような構造の１／２波長板を配置するようにすればよい。

図１は、本発明における偏光変換素子の形態及び偏光変換の様子を概略的に示した部分断面図である。 図２は、図１記載の円Ａ部分を拡大して図示した部分断面図である。 図３は、本発明における偏光変換素子の一実施形態を１／２波長板側から斜視した部分外観図である。 図４は、本発明における偏光変換素子の他の実施形態を１／２波長板側から斜視した部分外観図である。 図５は、従来の偏光変換素子を示した部分外観図である。

符号の説明

１０・・・偏光変換素子
１１・・・第１のプリズム
１１ａ・・・入射面
１１ｂ・・・偏光分離面
１１ｄ・・・第１の出射面
１２・・・第２のプリズム
１２ａ・・・第２の出射面
１２ｂ・・・第１の平面
１３・・・偏光分離膜
１４・・・反射膜
１５・・・１／２波長板
１５ａ・・・第１の水晶板
１５ｂ・・・第２の水晶板
１６，１６ａ・・・肉厚部

Claims (4)

1. 入射面と、該入射面に平行な第１の出射面と、該入射面に対して９０°未満の所定の角度で接して該入射面から入射する光のうち第１偏光を透過させるとともに、該第１偏光より偏光面が９０°異なる第２偏光を反射する偏光分離膜が設けられた偏光分離面と、該偏光分離面により反射された第２偏光を該出射面方向に反射する反射膜が設けられた反射面とを有する第１プリズムと、
   該第１プリズムの第１の出射面と連続する第２の出射面と、該第２の出射面と該所定の角度をなして該偏光分離膜に接する第１の平面と、該第１の平面と平行な第２の平面とを有し、該第１プリズムの該偏光分離面を透過した該第１偏光を該第２の出射面から出射させる第２プリズムと、
   透過する光の偏光面を９０°変換する水晶からなる１／２波長板とから構成された複数の光学ユニットからなり、互いに隣接する２つの光学ユニットは、一方の光学ユニットを構成する該反射膜と、他方の光学ユニットを構成する該第２プリズムの該第２の平面とが接している偏光変換素子において、
   該１／２波長板が、該第１の出射面及び該第２の出射面全面を覆う形態の第１の水晶板と、外形サイズが該第１の水晶板と同じであり且つ該第１の出射面上又は該第２の出射面上の何れか一方部分に外部露出主面に向かって凸の肉厚部が形成されている第２の水晶板とにより形成されていることを特徴とする偏光変換素子。
2. 該第１の水晶板及び該第２の水晶板は矩形平板形状であり、該第１の水晶板の主面の一辺の方向を水晶結晶体の結晶軸の一つである光学軸とした場合、その光学軸に対して＋４５°、該第２の水晶板は該第２の水晶板の主面の一辺の方向を水晶結晶体の結晶軸の一つである光学軸とした場合に、その光学軸に対して−４５°で各々形成された水晶板であり、且つ該第１の水晶板の厚みと該第２の水晶板の該肉厚部の厚みが等しいことをことを特徴とする請求項１記載の偏光変換素子。
3. 該第２の水晶板の肉厚部は、該第２出射面上もしくは該第１の出射面上の何れか一方の全域にわたり形成されていることを特徴とする請求項１記載の偏光変換素子。
4. 該第２の水晶板の肉厚部が、該第２出射面上もしくは該第１の出射面の何れか一方で所定の間隔で配置されていることを特徴とする請求項２記載の偏光変換素子。

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