JP5908272B2 - 偏光変換素子及びこれを用いた投影装置 - Google Patents

Description

本発明は、偏光変換素子とこれを用いた投影装置に関し、特に、同軸上に偏光光を重畳する偏光変換素子とこれを用いた投影装置に関する。

偏光変換素子は、偏光光の利用効率を向上するため、液晶表示素子等をライトバルブとして用いる投影型映像表示装置（以下、「投影装置」と記す）に用いられている。また、近年、携帯電話等の携帯機器に対する投影装置の搭載が望まれており、搭載される光学部品にも小型化が要求されている。投影装置の小型化を図る場合には、光源についても小型化を図る必要がある。そのため、光源として、例えばＬＥＤ等の発光素子が適用される。しかし、ＬＥＤ等の小型の光源はハロゲンランプや高圧水銀ランプ等と比較して輝度が十分でないため、光学系の工夫による照明効率の向上が重要となる。

照明効率を向上させる方法として、例えば、投影装置を、ＬＥＤ等の光源と該光源の光利用効率を高める偏光変換素子（偏光ビームスプリッタ）、光を整形するレンズ、液晶表示素子、投射レンズ等で構成することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、４５度に傾けた偏光分離面を用いる偏光変換素子は、光源の大きさに対し、略倍の出光部面積が必要となり、小型化に対応できないのが実状である。

また、反射体上に発光体を設けると共に、発光体を中心として半球状となるように透明樹脂を形成し、該透明樹脂を覆うように反射偏光膜を形成することが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

しかし、特許文献２では、光源となる発光体が半球状の中心に位置しているため、反射偏光膜で反射される偏光光が、半球状の中心部分（発光体の配置領域）に集光される。このため、反射偏光膜で反射された偏光光の利用効率が十分に図れないおそれがある。また、仮に反射偏光膜から出光する反射光があったとしても、平行光を得るためには、出光側にさらに複数のレンズが必要となり、小型化が十分に図ることができない。

特開平３−１３９８３号公報 特開２００５−５２１７号公報

本発明はかかる点に鑑みてなされたものであり、小型で光の利用効率が高い偏光変換素子、及び当該偏光変換素子を用いる投影装置を提供することを目的とする。

本発明の偏光変換素子は、光源から出射された出射光を偏光分離する偏光変換素子であって、所定方向の偏光成分を透過すると共に前記所定方向に略直交する方向の偏光成分を反射する偏光分離面と、前記偏光分離面で反射された偏光光を前記偏光分離面に向けて反射する反射面と、を有し、前記偏光分離面は、前記反射された偏光光を前記反射面に向ける曲面形状を有し、前記偏光分離面の曲面の曲率半径をＲ、前記光源から前記偏光分離面までの距離をＴとした場合に、Ｒ／Ｔ＞１を満たし、前記偏光分離面を含む円周の中心点と、前記偏光分離面との中間に前記反射面が配置されることを特徴とする。

この構成によれば、曲面形状を有する偏光分離面で偏光分離された反射偏光光は、光源の周囲に位置する反射面に向けられる。また、光源からの出射光の中で、偏光分離面を透過した光（透過偏光光）と、偏光分離面で反射した後に透過した光（反射偏光透過光）が同軸上で平行に重畳される。そのため、光源からの光の利用効率を高く保つと共にレンズ等の光学素子の数を削減することができるため、小型で光の利用効率が高い投影装置を実現できる。

本発明の偏光変換素子において、前記偏光分離面の曲面の曲率半径をＲ、前記光源から前記偏光分離面までの距離をＴとした場合に、Ｒ／Ｔが１．７以上２以下を満たすことが好ましい。

本発明の偏光変換素子において、前記反射面が開口部を有し、前記開口部を介して前記出射光が前記偏光分離面に入射することが好ましい。

本発明の偏光変換素子において、前記開口部に前記光源からの出射光を導くライトガイドが設けられていることが好ましい。

本発明の偏光変換素子において、前記偏光分離面と前記反射面との間に、位相差フィルムを有することが好ましい。

本発明の偏光変換素子において、前記偏光分離面がワイヤグリッド偏光子で形成されていることが好ましい。

また、本発明の偏光変換素子は、投影装置、ビューファインダ、ヘッドマウントディスプレイ等の電子機器に適用される。

本発明によれば、小型で光の利用効率が高い偏光変換素子、及び当該偏光変換素子を用いた投影装置を提供することができる。

実施の形態に係る偏光変換素子の構成を示す模式図である。 実施の形態に係る偏光変換素子の構成を示す模式図である。 実施の形態に係る偏光変換素子の構成を示す模式図である。 実施の形態に係るワイヤグリッド偏光層の２軸延伸を示す模式図である。 実施の形態に係る偏光変換素子を適用した投影装置を示す模式図である。 実施の形態に係る偏光変換素子の構成を示す模式図である。 実施例における偏光変換素子の光学シミュレーション結果を示す図である。

本発明者は、偏光分離面と反射面とを対向するように設け、偏光分離面で反射された偏光光が反射面に向かうように偏光分離面の形状を制御することにより、偏光光の利用効率の向上を図ると共に、偏光光を同軸上に均一に重畳して照度を向上できることを見出した。そして、このような偏光変換素子を用いることにより、光の利用効率が高い小型の投影装置を実現可能であることを見出した。以下、本発明の実施の形態について添付図面を参照して詳細に説明する。

図１は、本実施の形態に係る偏光変換素子を示す模式図である。図１に示される偏光変換素子１０は、光源２１から出射された出射光を偏光分離するものである。具体的に、偏光変換素子１０は、所定方向の偏光成分（例えば、Ｓ偏光）を透過し、当該所定方向に略直交する方向の偏光成分（例えば、Ｐ偏光）を反射する偏光分離面１１と、偏光分離面１１で反射された偏光光が、再度偏光分離面１１に向かうように反射する反射面１２とを有している。

偏光分離面１１は、当該偏光分離面１１で反射された偏光光が反射面１２に向けられるように、曲面形状を有している。例えば、偏光分離面１１の曲面形状の曲率半径をＲ、光源２１から偏光分離面１１までの距離をＴとした場合、Ｒ＞Ｔ（Ｒ／Ｔ＞１）を満たすように偏光分離面１１の曲面形状が形成される。

例えば、偏光分離面１１の曲面形状の曲率半径が、光源２１が中心に位置する曲率半径（Ｒ_１）である場合（Ｔ＝Ｒ_１）、偏光分離面１１で反射された偏光光は、光源２１に集光される。そのため、本実施の形態では、少なくともＲ＞Ｔ（Ｒ／Ｔ＞１）を満たすように偏光分離面１１の曲面形状を形成することにより、偏光分離面１１で反射された偏光光を、光源２１に集光するのではなく反射面１２に向けることが可能となる。これにより、偏光分離面１１で反射される偏光光の利用効率を向上することができる。

また、偏光分離面１１の曲面形状として、好ましくはＲ／Ｔが１．７以上２以下となるように形成する。Ｔの値を小さくすることにより、光源２１からの拡散光を偏光分離面１１で高い平行光にすると共にビーム系を絞ることが可能となる。この範囲を外れると偏光分離面１１からの出射光が徐々に拡散してしまう。また、偏光変換素子１０自体の小型化を図ることができる。

また、偏光変換素子１０において、反射面１２と偏光分離面１１との間に位相差フィルム１３を設けることができる。位相差フィルム１３は、偏光光の偏光成分を所定の位相差（例えば、λ／４）だけ変換する。偏光分離面１１と反射面１２との間に位相差フィルム１３を設けることにより、偏光分離面１１で反射した偏光光（例えば、Ｐ偏光）に対して効果的に偏光変換を行うことが可能となる。

また、反射面１２は、光源２１からの出射光を取り込む開口部１４を中央部に有する構成とすることができる。この場合、開口部１４に光源２１からの出射光を導くライトガイド１５を設けることが好ましい。このように、反射面１２に光源２１からの出射光を取り込む開口部１４を設けることにより、偏光変換素子１０に対して、光源２１の脱着を容易に行う構成とすることができる。なお、反射面１２に開口部１４を設けずに、当該反射面１２上に光源２１を設ける構成としてもよい。

また、偏光分離面１１と反射面１２等は、基板に一体化して設けることができる。図２に、偏光分離面１１と反射面１２とを一体化して設ける場合の一例を示す。

図２に示す偏光変換素子１０は、反射面１２、ライトガイド１５、位相差フィルム１３及び偏光分離面１１が一体化して形成されている。ここで、一体化して形成されているとは、一枚の基板上にこれらの部材が積層されている場合、これらの部材が粘着剤や接着剤等で互いに固着している場合等をいう。例えば、ワイヤグリッド等の偏光素子が形成された基板を押圧等により曲面形状として偏光分離面１１を形成した後、当該偏光分離面１１を構成する基板に、位相差フィルム１３、ライトガイド１５、反射面１２等を粘着剤や接着剤を用いて積層することができる。

また、図２に示す偏光変換素子１０において、各部材を以下の通り定義した際に、以下に説明する関係を満たす形状とすることが好ましい。

光源の直径：ｄ
偏光分離面の直径：Ｄ
基板直径：Ｌ
基板厚み：Ｔ

なお、光源の直径（ｄ）として、光源（発光素子の発光面）が矩形状である場合には、長辺と短辺の平均値とする。偏光分離面の直径（Ｄ）は、曲面形状の偏光分離面を円と仮定した場合の直径を指す。基板直径（Ｌ）として、基板が矩形状である場合には、長辺と短辺の平均値とする。基板厚み（Ｔ）は、一体形成された偏光変換素子の厚みに相当し、具体的には、図２において、反射面１２の開口部（ライトガイド）の下面から偏光分離面１１までの距離に相当する。

上記の通り定義した場合、開口部を介して対向する反射面１２の片側長さ（ｔ）は、ｔ≒（Ｌ−ｄ）／２で表される。このとき、基板直径（Ｌ）を２ｄより大きくし（Ｌ＞２ｄ）、偏光分離面１１の直径（Ｄ）を２ｄ、好ましくは３ｄより大きくする（Ｄ＞２ｄ、好ましくはＤ＞３ｄ）。

基板直径（Ｌ）、偏光分離面１１の直径（Ｄ）は、光源２１の直径（ｄ）の２倍以上とすることが好ましい。光源２１から発光する光は、その正面部分で、光源２１、すなわち反射しない領域に集光されるため、反射光として偏光分離面１１に光をもどすことができない。したがって、基板直径（Ｌ）、偏光分離面１１の直径（Ｄ）は、少なくとも光源２１の直径の２倍、好ましくは３倍以上の長さとすることが好ましい。

反射面１２の大きさは、基板直径（Ｌ）とほぼ等しくすることができる。また、上述したように、光源２１が配置される領域（例えば、反射面１２の中央部）に開口部（透過部）を設けた構成とすることができる。開口部の間には、光源２１からの出射光を導くライトガイドを設けることが好ましい。

基板厚み（Ｔ）は、偏光分離面１１の曲率半径Ｒで決まる。Ｒ≒Ｔにおいては、偏光分離面１１で反射された偏光光が光源２１（開口部）に集光するため、反射した偏光光を有効に再利用できない。Ｔの値が小さくなるにつれて、広がり角が大きくなり、Ｒ／Ｔ≒２付近では極めて高い平行光を形成可能となる。一方、Ｔの値が大きくなる（例えば、Ｔ≒Ｒ）につれて集光が強くなり、偏光分離面１１の出光側にさらに複数のレンズが必要となる。そのため、少なくともＲ＞Ｔとなるように偏光分離面１１の曲面を形成し、好ましくはＲ／Ｔが１．７以上２以下とする。

曲率を有する偏光分離面１１としては、所定の偏光成分（例えば、Ｓ偏光）を透過すると共に、当該所定方向に略直交する方向の偏光成分（例えば、Ｐ偏光）を反射する偏光膜で形成することができる。偏光分離面１１の一例として、ワイヤグリッド偏光フィルム（例えば、旭化成イーマテリアルズ製ワイヤグリッド偏光フィルム）を好適に用いることができる。ワイヤグリッド偏光フィルムは、ＴＡＣ基材と紫外線硬化樹脂で作られる微細凹凸と該微細凹凸に沿う形でアルミニウム等の金属ワイヤで構成される。フィルム基材は、シクロオレフィン系ポリマー、ポリカーボネート、ＰＥＴ等加熱等で延伸可能なものであれば特に限定されない。ワイヤグリッド層を形成する基材フィルム厚みは特に限定しないが、加熱延伸によるレンズ形状を形成するにあたり、金型への形状追従性から２００ミクロン以下、好ましくは１００ミクロン以下が適当である。

基板材料は、偏光分離面１１の曲面形状（レンズ形状）が付与されたガラスや樹脂材料を用いることができる。この場合、曲面形状を有するガラス基板等の材料に対し粘着剤もしくは接着剤を介して、反射偏光フィルムをガラス基板曲面上に押圧することで形成することができる。なお、この際、製品使用環境温度、たとえば１０５度以上、もしくは反射偏光フィルム基材のガラス転移温度Ｔｇ以下に加熱した状態で、反射偏光フィルムをガラス基板曲面上に押圧することが好ましい。

基板材料が樹脂の場合は、あらかじめ基板となる樹脂板に粘着剤もしくは接着剤を介して、偏光フィルムを貼り付けた後、レンズ形状を形成する金型に挟み、加熱、押圧することで簡単に樹脂基板と一体化した、曲面の偏光分離面を形成できる。樹脂材料としては、ＣＯＰ、ＰＣ、ＰＥＴ、ＰＭＭＡ等透過率の高く、かつ複屈折の少ない基材が好ましいが、材質は特に限定されない。例えば、ＰＭＭＡの場合であれば、Ｔｇが８０度から９０度程度のため上述の加熱温度範囲で加工できる。

反射面１２は、Ａｌ等の反射率が高い導電膜で形成できる。また、光源２１が設けられる位置に開口部を設け、偏光変換素子全体を覆う形でアルミやＳＵＳ等の鏡面金属で、板金プレス等で形成することができる（図６参照）。また、樹脂基材上にＡｌ等をスパッタ、蒸着等したものを、偏光分離面１１が形成された基板に接着、粘着等に一体化しても良い。また、反射面１２には無機材料等のコーティング等により増反射膜を形成、高反射率化したものが好適に用いられる。

反射面１２にＡｌ等の鏡面板を用い、光源２１が鏡面板と距離を有する場合、樹脂又はガラス材料で形成されたライトガイド１５を用いることが好ましい。これにより、光源２１の拡散光を効率よく取り込むことができる。また、ライトガイド１５は曲面形状に形成される（レンズ化される）基板材料と一体に形成してもよい。

また、基板として樹脂材料を適用する場合に、樹脂が複屈折を持たない場合、偏光分離面１１と反射面１２の光路間上にλ／４の位相差フィルム１３を設けることで、効率的に反射偏光された偏光光を透過偏光光に変換することができる。

なお、樹脂が複屈折を持つ場合、反射偏光光はランダム偏光化され、透過偏光光に変化した分が透過し、もう一方の偏光は再度ランダム偏光化され反射面１２に戻る。これを繰り返すことで、透過偏光光は重畳される。この場合には、位相差フィルム１３を省くことができる。

偏光分離面１１、位相差フィルム１３、ライトガイド１５、反射面１２の層間は、表面反射による損失を減らすため、接着剤、粘着剤等により一体化されていることが好ましい。例えば、上述したように、ワイヤグリッド等の偏光素子が形成された樹脂基板を押圧等により曲面形状として偏光分離面を形成した後、当該偏光分離面を構成する樹脂基板に、位相差フィルム１３、反射面１２、光源２１等を粘着剤や接着剤を用いて積層することができる（図６参照）。なお、図６において、ワイヤグリッド偏光素子が形成された樹脂基材がライトガイドとして機能し得る。そのため、樹脂基材としては、ＣＯＰ、ＰＭＭＡ、ＰＣ、ガラス等で複屈折のない材料を用いることが好ましい。また、これらの部材を接着剤や粘着剤等の樹脂材料中に埋め込むことができる。このように、各部材を接着一体化することにより、界面反射が低減するため、光源２１の利用効率を向上することができる。

なお、偏光分離面１１をワイヤグリッド偏光フィルムで形成する場合、曲面形状を有する偏光分離面１１は、曲率によって延伸を受けることになる（図４参照）。したがって、ワイヤグリッド偏光フィルムにおいて曲率を決定する際、以下の式（１）を満たすことが望ましい。

式（１）
０＜[（（（Ｌ１×（１＋ε１）×Ｌ２×（１＋ε２））／Ｌ１×Ｌ２）−１]×１００＜２００（％）

Ｌ１：基板の縦長さ
Ｌ２：基板の横長さ
ε１：Ｌ１方向の引っ張りひずみ
ε２：Ｌ２方向の引っ張りひずみ

偏光分離面１１の曲率が大きく、曲面形状の高さが低い場合は、２軸延伸倍率が小さく、ワイヤグリッド偏光層の光学性能は変化しない。しかし、曲率小さく、かつ半球状で高さが高くなる場合、均等に２軸延伸されたとすると、面積ひずみで２００％超、ε１、ε２で各々４０％以上となる。このため、ワイヤグリッド偏光層の金属ワイヤのピッチは少なくとも１．４倍に拡大する。したがって、ワイヤグリッド偏光フィルムの延伸後に好適な偏光分離性能を有するためには、延伸前で金属ワイヤのピッチが１３０ｎｍ、好ましくは１００ｎｍ以下とする。

また、ワイヤグリッド偏光フィルムは、２軸延伸や押圧加工（エンボス加工）に対して高い耐性を有しているため、偏光分離面１１としてワイヤグリッド偏光フィルムを適用することにより、他の偏光板と比較して球面加工時の光学特性の劣化を低減することができる。

本実施の形態の偏光変換素子１０は、広がりを有する透過偏光に対して、透過偏光より小さな広がり、もしくはほぼ平行な形で中心部分に出射される反射偏光光を重畳することができる。

また、輝度の均整度を向上させるため偏光分離面１１に微拡散性を持たせることができる。例えば、押圧する金型に拡散性のパターンを付与しておくことで、曲面と拡散を同時に付与することが可能である。拡散性は、拡散角度が３０度くらいまでが好適に用いることができる。過度な拡散は光の利用効率を低下させる。

また、透過偏光光と反射偏光透過光を均整度高く重畳するため、出光面側に拡散性フィルムを設けることができる。拡散性フィルムは、被照射物の形状を考慮して、異方性拡散を用いることができる。また、拡散性は、拡散角度３０度くらいまでの範囲において、完全拡散比率＜０．２、ガウス分布比率＜０．８、ガウス分布σ^２＜０．２とすることが、光の利用効率の点から好ましい。また拡散フィルムを形成する材質は、偏光を崩さないため複屈折を有さないものが好ましい。

また、本実施の形態で示した偏光変換素子１０の出光面側に、さらにレンズを置くことで、より光の広がりを制御可能である。レンズの枚数、形状は適宜設計追加できる。なお、上述した偏光変換素子１０を一単位とし、該偏光変換素子１０を複数並べた偏光変換光源とすることも可能である。

図５は、上記偏光変換素子１０を用いた投影装置（小型プロジェクタ）の模式図である。図５に示すプロジェクタでは、まず、光源２１から出射された出射光が上述した偏光変換素子１０を用いて、平行光に整形される。例えば、偏光分離面１１から出光する光（透過偏光光と反射偏光透過光）が重畳されると共に、均一に平行光となっている。その後、液晶表示素子３１と投射レンズ３２を介して、スクリーン３３に映像が表示される。

上述のように、本実施の形態の偏光変換素子１０を適用することにより、偏光変換素子１０から出光した偏光光を平行光とすることができるため、平行光に整形するためのレンズの数を低減することが可能となる。なお、偏光変換素子１０と液晶表示素子３１の間にレンズを設けてもよいが、この場合であっても、偏光変換素子１０とレンズとの距離を小さくすることができるため、プロジェクタの小型化を図ることができる。

なお、本実施の形態の偏光変換素子１０は、プロジェクタに限られず、ビューファインダ、ヘッドマウントディスプレイ等の他の電子機器にも適用することが可能である。

以下に、本発明の偏光変換素子について、偏光分離面の曲率半径（Ｒ）と、光源から偏光分離面までの距離（Ｔ）を変化させた場合についてシミュレーションを行った結果を示す。なお、本発明は以下の実施例の内容に限定されない。

本実施例においては、光源、反射面、偏光分離面が積層された偏光変換素子のＲとＴの関係を変化させた場合の偏光分離面からの出射光について検討した。

光源としては、ＬＥＤ光源を想定し、光源サイズを１．５×１．５ｍｍの矩形状とした。また、光源から投影面までの距離を２０ｍｍ（投影面寸法１５×１５ｍｍ）とした。また、反射面と偏光分離面の間の媒質として、空気（ｎ＝１）と樹脂又はガラス（ｎ＝１．５１）を想定して行った。具体的な条件及び結果について、表１に示す。また、表１の条件１、条件２、条件５について、光源からの出射光の挙動に関するシミュレーション像を図７に示す。なお、シミュレーションは、ベストメディア社製の照明Ｓｉｍｕｌａｔｏｒを用いて行った。

Ｒ／Ｔ＞１の場合、具体的には、Ｒ／Ｔが１．５以上２．４以下である場合に、光線到達率が７０％以上となった。

特に、Ｒ／Ｔ＝１．７の場合（条件２）、偏光分離面からの出射光が平行光となると共に、ビーム系を絞れることが分かった（図７Ａ参照）。また、Ｒ／Ｔ＝１．５の場合（条件１）、Ｒ／Ｔ＝２．４の場合（条件６）には、Ｒ／Ｔ＝１．７の場合と比較して、偏光分離面からの出射光の拡散が大きくなることが観察された。また、Ｒ／Ｔが１．７以上２．０以下の範囲において、投影面寸法をより小さくすることができた。

以上の結果より、本実施の形態に係る偏光変換素子として、偏光分離面の曲面の曲率半径をＲ、前記光源から前記偏光分離面までの距離をＴとした場合に、少なくともＲ／Ｔ＞１を満たすように、好ましくはＲ／Ｔが１．７以上２以下となるように偏光分離面の曲面形状を形成することにより、偏光分離面で反射された偏光光を、光源に集光するのではなく反射面１２に向け、偏光分離面から平行光を出射することが可能となる。これにより、偏光分離面で反射される偏光光の利用効率を向上することができる。

本発明の偏光変換素子は、投影装置等の光学素子として適用することができる。

１０ 偏光変換素子
１１ 偏光分離面
１２ 反射面
１３ 位相差フィルム
１４ 開口部
１５ ライトガイド
１６ 吸収型偏光板
２１ 光源
３１ 液晶表示素子
３２ 投射レンズ
３３ スクリーン

Claims (7)

1. 光源から出射された出射光を偏光分離する偏光変換素子であって、
   所定方向の偏光成分を透過すると共に前記所定方向に略直交する方向の偏光成分を反射する偏光分離面と、前記偏光分離面で反射された偏光光を前記偏光分離面に向けて反射する反射面と、を有し、
   前記偏光分離面は、前記反射された偏光光を前記反射面に向ける曲面形状を有し、
   前記偏光分離面の曲面の曲率半径をＲ、前記光源から前記偏光分離面までの距離をＴとした場合に、Ｒ／Ｔ＞１を満たし、
   前記偏光分離面を含む円周の中心点と、前記偏光分離面との中間に前記反射面が配置されることを特徴とする偏光変換素子。
2. 前記偏光分離面の曲面の曲率半径をＲ、前記光源から前記偏光分離面までの距離をＴとした場合に、Ｒ／Ｔが１．７以上２以下を満たすことを特徴とする請求項１記載の偏光変換素子。
3. 前記反射面が開口部を有し、前記開口部を介して前記出射光が前記偏光分離面に入射することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の偏光変換素子。
4. 前記開口部に前記光源からの出射光を導くライトガイドが設けられていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の偏光変換素子。
5. 前記偏光分離面と前記反射面との間に、位相差フィルムを有す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変換素子。
6. 前記偏光分離面がワイヤグリッド偏光子で形成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変換素子。
7. 請求項１から請求項６のいずれかに記載した偏光変換素子を用いた投影装置。

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