JP7232360B2 - Polarizing beam splitters and display systems - Google Patents
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Description
本発明は、偏光ビームスプリッタ及びディスプレイシステムに関する。 The present invention relates to polarizing beam splitters and display systems.
偏光ビームスプリッタ(PBS)は、偏光に応じて光の一部を反射し、他を透過することにより入射光を分割する光学素子であり、例えば、ディスプレイシステムにおいて偏光された光を光変調器に指向し、光変調器により変調された光をユーザに指向するために使用される。 A polarizing beam splitter (PBS) is an optical element that splits incident light by reflecting some of the light and transmitting others according to its polarization, e.g., directing polarized light to a light modulator in a display system. It is used to direct the light modulated by the light modulator to the user.
特許文献1には、PBS、光源、反射光学素子、及び光変調器を備えるディスプレイシステムが開示されている。PBS及び光源の間に前置偏光器が配置され、光源の光が前置偏光器を介すると、その一偏光成分(例えば、S偏光成分)がPBSに入り、PBSの偏光子により反射光学素子に向けて反射される。また、PBS及び反射光学素子の間に4分の1波長板が配置され、PBSにより反射された光及び反射光学素子により反射された光は、4分の1波長板を介することでその偏光がP偏光に変換されてPBSの偏光子を透過し、光変調器に送られる。反射光学素子は、凹面鏡であり、これにより光を収束してもよい。光変調器は、例えばLCOS変調器であり、入射光を変調して画像を形成するとともにS偏光に変換してPBSに向けて反射する。光変調器により変調された光は、PBSに入り、PBSの偏光子によりユーザに向けて反射される。PBS及びユーザの間に屈折光学素子を配置して、光を収束してもよい。
特許文献1 特表2019-512108号公報US Pat. No. 5,300,009 discloses a display system comprising a PBS, a light source, reflective optical elements, and a light modulator. A front polarizer is placed between the PBS and the light source such that when light from the light source passes through the front polarizer, one of its polarization components (e.g., the S-polarization component) enters the PBS and is reflected by the polarizer of the PBS to the optical element. reflected towards. Further, a quarter-wave plate is arranged between the PBS and the reflective optical element, and the light reflected by the PBS and the light reflected by the reflective optical element pass through the quarter-wave plate to change the polarization. It is converted into P-polarized light, passes through the polarizer of the PBS, and is sent to the optical modulator. The reflective optical element may be a concave mirror, thereby converging light. The light modulator, for example an LCOS modulator, modulates incident light to form an image, converts it into S-polarized light, and reflects it toward the PBS. Light modulated by the light modulator enters the PBS and is reflected towards the user by the polarizer of the PBS. A refractive optical element may be placed between the PBS and the user to focus the light.
Patent Document 1: Japanese Patent Publication No. 2019-512108
しかしながら、PBSの偏光子による光の反射及び透過を制御するために、PBSと光源、反射光学素子、及び光変調器のそれぞれとの間に光の偏光を変換するための光学素子を配置しなければならず、ディスプレイシステムのサイズを必ずしも十分小さくすることができなかった。 However, in order to control the reflection and transmission of light by the polarizers of the PBS, optical elements for converting the polarization of the light must be placed between the PBS and each of the light source, reflective optical element, and light modulator. However, the size of the display system could not always be small enough.
(項目1)
偏光ビームスプリッタは、互いに交差する第1面、第2面、及び第3面を有する第1プリズムを備えてよい。
偏光ビームスプリッタは、第3面に対向して配置される第4面と、第4面と交差する曲面状に形成され、光を内向きに反射する反射面が設けられた第5面と、第4面及び第5面のそれぞれに交差する第6面と、を有する第2プリズムを備えてよい。
偏光ビームスプリッタは、第3面及び第4面の間に配置される偏光子と、第4面に対向する偏光子の一面側に設けられる第1波長板と、を有する偏光部材を備えてよい。
(項目2)
偏光部材は、第3面に対向する偏光子の他面側に設けられる第2波長板をさらに有してよい。
(項目3)
第2面は、光を内向きに反射する反射面が設けられてよい。
(項目4)
第2面は、曲面であってよい。
(項目5)
偏光部材は、第1波長板上に設けられる視野角補償フィルムをさらに有してよい。
(項目6)
第1波長板は感圧接着剤を用いて偏光子に固定されてよい。
(項目7)
ディスプレイシステムは、項目1から6のいずれか一項に記載の偏光ビームスプリッタを備えてよい。
ディスプレイシステムは、第1面又は第2面に対向して配置される表示器を備えてよい。(Item 1)
The polarizing beam splitter may comprise a first prism having mutually intersecting first, second and third surfaces.
The polarizing beam splitter has a fourth surface arranged to face the third surface, a fifth surface having a curved surface that intersects with the fourth surface, and a reflecting surface that reflects light inward. and a sixth surface that intersects each of the fourth and fifth surfaces.
The polarizing beam splitter may comprise a polarizing member having a polarizer arranged between the third surface and the fourth surface, and a first wave plate provided on one surface side of the polarizer facing the fourth surface. .
(Item 2)
The polarizing member may further have a second wave plate provided on the other surface side of the polarizer facing the third surface.
(Item 3)
The second surface may be provided with a reflective surface that reflects light inward.
(Item 4)
The second surface may be curved.
(Item 5)
The polarizing member may further comprise a viewing angle compensation film provided on the first waveplate.
(Item 6)
The first waveplate may be secured to the polarizer using a pressure sensitive adhesive.
(Item 7)
The display system may comprise a polarizing beam splitter according to any one of items 1-6.
The display system may comprise a display positioned opposite the first side or the second side.
なお、上記の発明の概要は、本発明の特徴の全てを列挙したものではない。また、これらの特徴群のサブコンビネーションもまた、発明となりうる。 It should be noted that the above summary of the invention does not list all the features of the invention. Subcombinations of these feature groups can also be inventions.
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。 Hereinafter, the present invention will be described through embodiments of the invention, but the following embodiments do not limit the invention according to the claims. Also, not all combinations of features described in the embodiments are essential for the solution of the invention.
図1A及び図1Bは、それぞれ、本実施形態に係る偏光ビームスプリッタ(PBS)1の構成及び分解構成を示す。PBS1は、偏光に応じて光の一部(すなわち、S偏光成分)を反射し、他(P偏光成分)を透過することにより入射光を分割する光学素子であり、2つのプリズム10,20及び偏光部材30を備える。
1A and 1B respectively show the configuration and the exploded configuration of a polarizing beam splitter (PBS) 1 according to this embodiment.
プリズム10は、外部から光を入力する入力用プリズムである。プリズム10は、一例として、互いに平行な2つの側面14,15並びにこれらの間に画定される第1入力面11、第2入力面12、及び対角面13を外面として有する三角柱状の立方体である。なお、側面14,15が広がる互いに直交する方向をX軸及びZ軸方向、側面14,15が離間する方向をY軸方向とする。
The
側面14,15は、正面視(+Y方向視)において直角三角形状を有し、+X,+Z方向に斜辺を向けて配置される。
The
第1入力面11(第1面の一例)は、側面14,15のそれぞれの一方の隣辺(-X側の隣辺)の間に-X方向に向けて画定されるプリズム10の一外面であり、矩形状(本実施形態では正方形状)を有する。第1入力面11を介して、外部からの光がプリズム10内に+X向きに入力される。
The first input surface 11 (an example of the first surface) is one outer surface of the
第2入力面12(第2面の一例)は、側面14,15のそれぞれの他方の隣辺(-Z側の隣辺)の間に-Z方向に向けて画定されるプリズム10の別の外面であり、矩形状(本実施形態では正方形状)を有する。第2入力面12を介して、プリズム10から光が-Z向きに出力されるとともに、外部からの光がプリズム10内に+Z向きに入力される。
A second input surface 12 (an example of a second surface) is another input surface of the
対角面13(第3面の一例)は、側面14,15のそれぞれの斜辺の間に+X,+Z方向に向けて画定されるプリズム10のさらに別の外面であり、矩形状を有する。対角面13を介して、プリズム10から光が+X向き又は+Z向きに出力されるとともに、外部からの光がプリズム10内に-Z向きに入力される。
A diagonal surface 13 (an example of a third surface) is yet another outer surface of the
プリズム10は、透明なポリマー、例えばポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)のようなアクリル樹脂、エチレン・テトラシクロドデセン・コポリマー(環状オレフィンコポリマー、COC)のようなポリマーを用いて射出成形により成形加工することができる。そのような素材を用いることで、良好な光学特性、特に透光性が高く、強度が得られる。
なお、プリズム10の第1入力面11及び第2入力面12の少なくとも一方を、後述するプリズム20の反射面22と同様に湾曲させて外向きにアーチ状若しくはドーム状に膨らむ又は内向きに逆アーチ状若しくは逆ドーム状に凹む曲面に形成してもよい。それにより、プリズム10がレンズ効果を発現し、プリズム10内を導かれる光を収束又は拡散してプリズム10外に出力することができる。
At least one of the
プリズム20は、例えば画像を形成した光を外部に出力する出力用プリズムである。プリズム20は、一例として、互いに平行な2つの側面24,25並びにこれらの間に画定される対角面21、反射面22、及び出力面23を外面として有する略三角柱状の立方体である。
The
側面24,25は、正面視(+Y方向視)において直角三角形と、その一隣辺を弦として外向きに湾曲する円弧を有する弓形と、が連結した形状を有し、XZ面に平行に且つ-X,-Z方向に斜辺を向けて配置される。 The side surfaces 24 and 25 have a shape in which a right-angled triangle in a front view (viewed in the +Y direction) is connected to an arcuate shape that curves outward with one adjacent side of the triangle as a chord, parallel to the XZ plane and It is arranged with the hypotenuse directed in the -X and -Z directions.
対角面21(第4面の一例)は、側面24,25のそれぞれの斜辺の間に-X,-Z方向に向けて画定されるプリズム20の一外面であり、矩形状を有する。対角面21は、PBS1において、プリズム10の対角面13に対向して配置される。対角面21を介して、外部からの光がプリズム20内に+Z向き又は+X向きに入力されるとともに、プリズム20から光が-Z向きに出力される。
A diagonal surface 21 (an example of a fourth surface) is one outer surface of the
反射面22(第5面の一例)は、側面24,25の円弧の間に+Z方向に向けて、対角面21と交差する曲面状に画定されたプリズム20の別の外面である。なお、曲面である反射面22が平面である対角面21に交差するとは、反射面22上のあらゆる位置での法線が対角面21の法線と交差する(平行しない)ことを意味する。本実施形態では、XZ面内において外向き(+Z方向)にアーチ状に湾曲した曲面とするが、これに限らず内向き(-Z方向)に逆アーチ状に湾曲した曲面でもあってよいし、XZ面内だけでなくYZ面内においても湾曲して+Z方向に膨らむドーム状又は-Z方向に凹む逆ドーム状の曲面であってもよい。斯かる形状により、反射面22は、光を収束又は拡散するレンズ効果を発現する。
A reflecting surface 22 (an example of a fifth surface) is another outer surface of the
反射面22には、反射膜22aが設けられている。反射膜22aは、銀、金、アルミニウムなどの金属を用いて、真空蒸着、スパッタリングなどの公知の薄膜形成法により形成することができる。それにより、反射面22は、プリズム20内から+Z方向に反射面22に入る光を内向きに集光しつつ反射する。
The reflecting
出力面23(第6面の一例)は、側面24,25のそれぞれの隣辺(+X側の隣辺)の間に+X方向に向けて、対角面21及び反射面22のそれぞれに交差するよう画定されるプリズム20の一外面であり、矩形状(本実施形態では正方形状)を有する。出力面23を介して、プリズム20から光が+X向きに出力される。
The output surface 23 (an example of the sixth surface) intersects the
なお、本実施形態に係るPBS1では、プリズム20の反射面22を湾曲面状に形成してレンズ効果を発現させたが、これに代えて又はこれとともに、出力面23を湾曲させて外向き(+X方向)にアーチ状若しくはドーム状に膨らむ又は内向き(-X方向)に逆アーチ状若しくは逆ドーム状に凹む曲面に形成してもよい。それにより、プリズム20がレンズ効果を発現し、プリズム20内を+X方向に向かう光を収束又は拡散してプリズム20外に出力する。
In the
プリズム20は、プリズム10と同様の素材を用いて成形加工することができる。
The
偏光部材30は、偏光に応じて光の一部を反射及び他を透過することにより入射光を分割する光学部材であり、偏光子31、波長板32,34、及び光学補償フィルム32a,34aを含む。
The polarizing
偏光子31は、P偏光成分を透過し、S偏光成分を反射する光学素子であり、微細な金属のグリッド(又はスリット)パターンより形成されるワイヤグリッド型偏光子、複屈折膜を複数積層して形成される複屈折型偏光子、誘電体膜の反射率の入射角依存性を利用する薄膜型偏光子などを採用することができる。
The
波長板32,34(それぞれ第2及び第1波長板の一例)は、2つの偏光成分に位相差(すなわち、光路差)を設けて偏光状態を変換する光学素子である。本実施形態では、波長板32として、光が透過する際に、4分の1波長の位相差を与えて直線偏光を円偏光に又は円偏光を直線偏光に変換する、つまり光が往復する際にはP偏光をS偏光に又はS偏光をP偏光に変換する4分の1波長板を採用する。波長板32,34は、例えば、水晶、雲母などの複屈折材料を用いて薄膜状に形成される。波長板32は、例えば感圧接着剤(PSA)など、透光性の光学接着剤からなる接着層33を介して、プリズム10の対角面13に対向する偏光子31の一面側に固定される。波長板34は、接着層33と同様の接着層35を介して、プリズム20の対角面21に対向する偏光子31の他面側に固定される。
The
なお、後述するディスプレイシステム100において、反射型の表示器92に代えて透過型又は自発光型の表示器を使用して第1入力面11又は第2入力面12から光をプリズム10に入れ、さらに偏光部材30を介してプリズム20に入れる場合など、プリズム10の対角面13から出る光を偏光部材30により反射してプリズム10に戻す必要のない場合には、偏光部材30に波長板32及び光学補償フィルム32aを設けなくてよい。
In the
光学補償フィルム32a,34aは、波長板32,34に光が傾斜して(90度以外の入射角で)入射する場合に、入射角の増大に応じて劣化する波長板32,34の光学特性を補償する、すなわち視野角を補償する光学フィルム(視野角補償フィルムとも呼ぶ)である。光学補償フィルム32a,34aは、フィルム状に成形され、それぞれPSA等の接着層(不図示)を介して波長板32,34上に固定される。光学補償フィルム32a,34aは、波長板32,34の厚み方向のリタデーションと逆符号の厚み方向のリタデーションを有し、それにより波長板32,34の厚み方向リタデーションを相殺することで視野角が保証される。また、光学補償フィルム32a,34aは、面内での位相差が生じないよう、さらにゼロの面内リタデーションを有してよい。光学補償フィルム32a,34aによる光学特性の視野角補償効果については後述する。
The
偏光部材30は、例えば、ガラス基板、フィルム基板等の基板上に光学補償フィルム32a、波長板32、偏光子31、波長板34、及び光学補償フィルム34aを順に接着層を介して積層することで、基板上に保持された状態で形成することができる。或いは、偏光部材30は、第1基板上に偏光子31、波長板32、及び光学補償フィルム32aを順に接着層を介して積層し、その上に第2基板を固定し、第1基板を除去して偏光子31、波長板32、及び光学補償フィルム32aを第2基板上に移し替え、第2基板上に移し替えられた偏光子31上に波長板34及び光学補償フィルム34aを順に接着層を介して積層することで、第2基板上に保持された状態で形成することができる。なお、これらの製法において、偏光部材30は、基板上に光学補償フィルム32aを当接して保持され、光学補償フィルム34aの表面を露出する。
The polarizing
PBS1は、プリズム10,20の対角面13,21を対向させ、それらの間に偏光部材30(偏光子31)を配置し、PSA等の光学接着剤(不図示)を用いてそれぞれを固定することで形成される。より詳細には、まず、基板上に保持された偏光部材30を光学補償フィルム34aの表面を上方に向けて支持し、その偏光部材30の上方にプリズム20をその対角面21を下方に向け、偏光部材30及びプリズム20のそれぞれに設けられた直角辺が重なるように位置決めし、プリズム20の対角面21を光学接着剤を介して光学補償フィルム34aの表面に押圧する。次いで、プリズム20の対角面21上に固定された偏光部材30から基板を除去する。最後に、プリズム20をその対角面21を上方に向けて支持し、その対角面21上に固定された偏光部材30の上方にプリズム10をその対角面13を下方に向け、偏光部材30、プリズム20、及びプリズム10のそれぞれに設けられた直角辺が重なるように位置決めし、プリズム10の対角面13を光学接着剤を介して偏光部材30の光学補償フィルム32aの表面に押圧する。それにより、プリズム10,20の間に偏光部材30が固定され、それらがPBS1として一体化される。
In the
図2は、本実施形態に係るPBS1を組み込んだディスプレイシステム100の概略構成を示す。ディスプレイシステム100は、一例として光源91の光を表示器92に照明することにより画像光を形成し、これを収束して導光板93を介してユーザに向けて放射するシステムであり、上述のPBS1、光源91、表示器92、及び導光板93を備える。
FIG. 2 shows a schematic configuration of a
光源91は、表示器92を照明する照明光を生成する装置である。光源91は、PBS1の第1入力面11に対向して配置され、照明光L1を第1入力面11に向けて射出する。なお、光源91又は第1入力面11上に偏光板(不図示)を設けてもよい。照明光L1はこれを通ることで、後述するように波長板32を通ってS偏光に変換される円偏光成分のみを含んで偏光部材30に入ることができる。
The
表示器92は、画像光を生成する装置である。表示器92として、一例として、受光面上にマトリクス状に配列された複数のマイクロミラーを有し、照明光が照射された際に複数のマイクロミラーをそれぞれ独立に傾動することで照明光を空間的に変調する反射型の空間光変調器(SLM)、液晶を電圧制御して光を位相変調するLCOS-SLM等を採用してよい。表示器92は、PBS1の第2入力面12に対向して配置され、第2入力面12から出力される照明光L2を受光し、反射光を画像光L3として第2入力面12を介してPBS1に入れる。
The
導光板93は、画像光をユーザに向けて導光する光学部材である。導光板93は、PBS1の出力面23に対向して、PBS1とユーザとの間に配置され、PBS1の出力面23から出力される画像光L5をユーザに向けて導光する。なお、導光板93に代えて又は導光板93とともにレンズ素子等の光学素子又はそのような光学素子を複数含んで画像光をユーザに向けて導光する光学器具をPBS1とユーザとの間に配置してもよい。或いは、前述のとおり、出力面23を曲面に形成してレンズ素子又は光学器具の機能の一部を担ってもよい。
The
上述の構成のディスプレイシステム100において、光源91により照明光L1が生成されると、まず、照明光L1が、第1入力面11を介してプリズム10に入る。次いで、照明光L1は、対角面13を介してプリズム10を出て偏光部材30に入る。ここで、偏光部材30に入った照明光L1のうち、波長板32を通ることでS偏光に変換される成分(すなわち円偏光成分)が偏光子31により反射される(なお、P偏光に変換される逆の円偏光成分は光源91又は第1入力面11上の波長板によりカットしてよい)。偏光子31により反射されたS偏光成分のみを含む照明光L2は、偏光部材30の波長板32、そして対角面13を介してプリズム10に戻り、さらに第2入力面12を介してプリズム10外に出力され、表示器92に入る。
In the
次いで、照明光L2により表示器92が照明されると、照明光L2を反射して画像光L3が生成される。画像光L3は、第2入力面12を介してプリズム10に入り、対角面13を介してプリズム10を出て再度、偏光部材30に入る。ここで、先に偏光子31により反射されたS偏光成分のみを含む照明光L2は、波長板32を透過し、表示器92により反射されて画像光L3として波長板32を再度透過することでP偏光に変換される。したがって、画像光L3は偏光子31を透過し、偏光部材30の波長板34、そして対角面21を介してプリズム20に入る。
Next, when the
次いで、プリズム20に入った画像光L3は、曲面状の反射面22に入り、これにより内向きに収束されて反射される。収束された画像光L4は、対角面21を介してプリズム20を出て、偏光部材30に入る。ここで、先に偏光子31を透過したP偏光成分のみを含む画像光L3は、波長板34を透過し、反射面22により反射されて画像光L4として波長板32を再度透過することでS偏光に変換される。したがって、画像光L4は偏光子31により反射され、偏光部材30の波長板34、そして対角面21を介して画像光L5としてプリズム20に戻る。
After entering the
最後に、プリズム20に戻った画像光L5は、出力面23を介してプリズム20から出力され、導光板93を介してユーザに向けて放射される。
Finally, the image light L5 returned to the
本実施形態に係るPBS1は、偏光部材30において偏光子31の両面にそれぞれ波長板32,34が設けられていることで、PBS1と独立の波長板、レンズ素子及び反射光学素子を用いることなく、プリズム20の反射面22を曲面状に形成することでレンズ機能を備えた偏光ビームスプリッタ、すなわちレンズ一体型偏光ビームスプリッタをコンパクトに構成することが可能となる。
In the
偏光部材30の波長板32,34上に設けられた光学補償フィルム32a,34aによる視野角補償効果について説明する。基板上に波長板32,34と同様の波長板、その上に光学補償フィルム32a,34aと同様の光学補償フィルムを、PSAを介して積層することで実証用サンプルを構成した。また、基板上に波長板のみをPSAを用いて固定して比較用サンプルを構成した。本実施例では、基板として0.7mm厚の青板(フロートガラス)、波長板として帝人社製の位相差フィルム(FM143)、光学補償フィルムとしてJX液晶社製のNVフィルムを使用した。なお、光学補償フィルムについて、面内の主屈折率nx、これに直交する方向の屈折率ny(<nx)、厚み方向の屈折率nz、厚さdを用いて面内リタデーションRe=(nx-ny)d=0、すなわちnx=ny、厚み方向のリタデーションRth=((nx+ny)/2-nz)dは位相板のそれと逆符号、すなわち<0とする。つまり、光学補償フィルムは、面内リタデーションがゼロであることで面内での位相差を生じず、厚み方向のリタデーションが位相板のそれの逆符号であることで波長板の厚み方向のリタデーションを相殺する。本例では、波長板のRth=91.8nm(波長550nm)に対してこれをほぼ相殺するようRth=-100nmのNVフィルムを採用した。実証用サンプル及び比較用サンプルに光を傾斜して照射し、サンプルを透過した光の位相差をオプトサイエンス(株)のAxoScanを用いて測定した。
The viewing angle compensation effect by the
図3A及び図4Aに、それぞれ、比較用サンプルを用いて測定された波長板により生じる光の位相差の入射角依存性及び波長依存性を示す。光の入射角は、波長板の法線方向を基準に与えられる。光の波長450nm、550nm、590nm、及び630nmのそれぞれにおいて、位相差は、入射角0度の場合に最も小さく、入射角の増加にともなって徐々に増大する傾向を示す。入射角0度に対する60度での位相差の増大量は、波長450nm、550nm、590nm、及び630nmに対してそれぞれ3.50nm、5.21nm、5.51nm、及び5.53nmである。 3A and 4A show the incident angle dependence and wavelength dependence, respectively, of the phase difference of light generated by the wave plate measured using the comparative sample. The incident angle of light is given with reference to the normal direction of the wave plate. At light wavelengths of 450 nm, 550 nm, 590 nm, and 630 nm, the phase difference is the smallest when the incident angle is 0 degrees, and tends to increase gradually as the incident angle increases. The increase in phase difference at 60 degrees with respect to an incident angle of 0 degrees is 3.50 nm, 5.21 nm, 5.51 nm, and 5.53 nm for wavelengths of 450 nm, 550 nm, 590 nm, and 630 nm, respectively.
図3B及び図4Bに、それぞれ、実証用サンプルを用いて測定された波長板により生じる光の位相差の入射角依存性及び波長依存性を示す。光の入射角は、波長板の法線方向を基準に与えられる。光の波長450nm、550nm、590nm、及び630nmのそれぞれにおいて、位相差は、入射角0度から40度にかけてほぼ一定、50度を超えると入射角の増加とともに減少する傾向を示す。入射角0度に対する60度での位相差の増大量は、波長450nm、550nm、590nm、及び630nmに対してそれぞれ-0.87nm、-1.92nm、-2.05nm、及び-1.80nmである。比較用サンプルの測定結果と比較してわかるように、光学補償フィルムを設けることで波長板を透過することにより光が受ける位相差の入射角依存性が2分の1以下に抑えられる。つまり、光が波長板を透過することで受ける位相差について、光を傾斜して入射することによる劣化が補償され、広い入射角範囲で垂直入射と同等の光学特性が得られることがわかる。 3B and 4B show the incident angle dependence and wavelength dependence, respectively, of the phase difference of light produced by the wave plate measured using the demonstration sample. The incident angle of light is given with reference to the normal direction of the wave plate. At light wavelengths of 450 nm, 550 nm, 590 nm, and 630 nm, the phase difference is almost constant from 0 to 40 degrees of incidence, and tends to decrease as the angle of incidence exceeds 50 degrees. The increase in retardation at 60 degrees for 0 degrees of incidence is −0.87 nm, −1.92 nm, −2.05 nm, and −1.80 nm for wavelengths of 450 nm, 550 nm, 590 nm, and 630 nm, respectively. be. As can be seen by comparison with the measurement results of the comparative sample, the provision of the optical compensation film reduces the incident angle dependency of the retardation received by the light transmitted through the wave plate to less than half. In other words, it can be seen that the deterioration of the phase difference caused by the oblique incidence of the light is compensated for the phase difference received by the light passing through the wave plate, and optical characteristics equivalent to those of normal incidence can be obtained over a wide range of incident angles.
図5Aに、比較用サンプルを用いて測定された波長板により生じる進相軸角度の波長依存性の例を示す。光の入射角は、波長板の法線方向を基準に与えられる。波長範囲400~780nmにおいて、入射角0度及び20度に対して進相軸角度は波長の増大によらずほぼ一定であり、入射角40度及び60度に対して進相軸角度は波長の増大とともに緩やかに増大する。また、入射角の増大に対して0度に向かって増大する。入射角0度に対する60度での進相軸の角度の増大量は、約6~9度である。 FIG. 5A shows an example of the wavelength dependence of the fast axis angle caused by the wave plate measured using the comparative sample. The incident angle of light is given with reference to the normal direction of the wave plate. In the wavelength range of 400 to 780 nm, the fast axis angle for incident angles of 0 degrees and 20 degrees is almost constant regardless of the increase in wavelength, and the fast axis angle for incident angles of 40 degrees and 60 degrees is less than the wavelength. Slowly increases with growth. It also increases toward 0 degrees with increasing incident angle. The increase in the fast axis angle at 60 degrees with respect to the 0 degree incident angle is about 6-9 degrees.
図5Bに、実証用サンプルを用いて測定された波長板により生じる進相軸角度の波長依存性の例を示す。光の入射角は、波長板の法線方向を基準に与えられる。波長範囲400~780nmにおいて、入射角0度及び20度に対して進相軸角度は波長の増大によらずほぼ一定であり、入射角40度及び60度に対して進相軸角度は波長の増大とともに緩やかに増大し、約600nmにて極大を呈し、さらに波長の増大とともに緩やかに減少する。また、波長範囲400~480nm及び700~780nmでは、入射角の増大に対して進相軸角度は負の方向に増大し、波長範囲480~700nmでは、入射角の増大に対して進相軸角度は正の方向に減少する。入射角0度に対する60度での進相軸角度の変化量は、約-4~2度であり、比較用サンプルにおける変化の2分の1程度である。 FIG. 5B shows an example of the wavelength dependence of the fast axis angle caused by the waveplate measured using the demonstration sample. The incident angle of light is given with reference to the normal direction of the wave plate. In the wavelength range of 400 to 780 nm, the fast axis angle for incident angles of 0 degrees and 20 degrees is almost constant regardless of the increase in wavelength, and the fast axis angle for incident angles of 40 degrees and 60 degrees is less than the wavelength. It increases slowly with increasing wavelength, exhibits a maximum at about 600 nm, and further decreases slowly with increasing wavelength. In the wavelength ranges of 400 to 480 nm and 700 to 780 nm, the fast axis angle increases in the negative direction as the incident angle increases. The axis angle decreases in the positive direction. The amount of change in the fast axis angle at 60 degrees with respect to the incident angle of 0 degrees is about -4 to 2 degrees, which is about half the change in the comparative sample.
したがって、本実施形態に係る偏光部材30のように波長板32,34にそれぞれ光学補償フィルム32a,34aを設けることで、光の斜め入射に対して垂直入射の場合とほぼ同等の光学効果、すなわち位相差を得ることが可能となる。
Therefore, by providing the
本実施形態に係るPBS1は、互いに交差する第1入力面11、第2入力面12、及び対角面13を有するプリズム10、対角面13に対向して配置される対角面21、対角面21と交差する曲面状に形成され、光を内向きに反射する反射膜22aが設けられた反射面22、対角面21及び反射面22のそれぞれに交差する出力面23を有するプリズム20、対角面13,21の間に配置される偏光子31と対角面21に対向する偏光子31の一面側に設けられる波長板34とを有する偏光部材30を備える。波長板34を偏光子31に隣接して偏光部材30内に設けることで、プリズム20の反射面22を曲面状に形成してレンズ素子及び反射光学素子をプリズム20に一体化することができ、それによりレンズ機能を備えた部品数の少ない軽量でコンパクトなPBS1を提供することが可能となる。
A
本実施形態に係るPBS1では、プリズム10に、照明光L1を入れる第1入力面11及び照明光L2を用いて表示器92を照明することで生成される画像光L3を入れる第2入力面12の2つの入力面を設けたが、透過型表示器或いは自発光型表示器を用いて画像光を生成する場合など、照明光L1をPBS1に入力する必要のない場合にはプリズム10に1つの入力面のみを設ければよい。
In the
図6A及び図6Bは、それぞれ、第1の変形例に係るPBS1aの構成及び分解構成を示す。PBS1aは、2つのプリズム10a,20及び偏光部材30を備える。ここで、プリズム20及び偏光部材30は、先述のそれらと同様に構成されている。
6A and 6B respectively show the configuration and disassembled configuration of the
プリズム10aは、外部から画像光を入力する入力用プリズムである。プリズム10aは、一例として、互いに平行な2つの側面14,15並びにこれらの間に画定される入力面11、反射面12、及び対角面13を外面として有する三角柱状の立方体である。側面14,15、入力面11、及び対角面13は、先述の側面14,15は、第1入力面11、及び対角面13と同様に構成される。なお、側面14,15が広がる互いに直交する方向をX軸及びZ軸方向、側面14,15が離間する方向をY軸方向とする。
The
反射面12(第2面の一例)は、側面14,15のそれぞれの-Z側の隣辺の間に-Z方向に向けて画定されるプリズム10の外面であり、矩形状(本実施形態では正方形状)を有する。反射面12上に、反射膜12aが設けられている。反射膜12aは、銀、金、アルミニウムなどの金属を用いて、真空蒸着、スパッタリングなどの公知の薄膜形成法により形成することができる。それにより、反射面12は、プリズム10内から-Z方向に反射面12に入る光を内向き(+Z方向)に反射する。
The reflecting surface 12 (an example of the second surface) is an outer surface of the
プリズム10aも、プリズム10と同様に、透明なポリマー、例えばポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)のようなアクリル樹脂、エチレン・テトラシクロドデセン・コポリマー(環状オレフィンコポリマー、COC)のようなポリマーを用いて射出成形により成形加工することができる。そのような素材を用いることで、良好な光学特性、特に透光性が高く、強度が得られる。
Similar to the
図7は、第1の変形例に係るPBS1aを組み込んだディスプレイシステム100aの概略構成を示す。ディスプレイシステム100aは、表示器92aにより生成される画像光を収束して導光板93を介してユーザに向けて放射するシステムであり、上述のPBS1a、表示器92a、及び導光板93を備える。導光板93は、先述のそれと同様に構成されている。
FIG. 7 shows a schematic configuration of a
表示器92aは、画像光を生成する装置である。表示器92aとして、一例として、バックライトを用いる透過型液晶マイクロディスプレイ、自発光型の有機ELディスプレイ或いはマイクロLEDディスプレイ等を採用することができる。表示器92aは、PBS1aの入力面11に対向して配置され、画像光L1を入力面11に向けて射出する。なお、画像光L1は、偏光部材30の波長板32を透過した際にS偏光に変換される円偏光成分のみを含むよう生成されてもよい。
The
上述の構成のディスプレイシステム100aにおいて、表示器92aにより画像光L1が生成されると、まず、画像光L1が、入力面11を介してプリズム10aに入る。次いで、画像光L1は、対角面13を介してプリズム10を出て偏光部材30に入る。ここで、偏光部材30に入った画像光L1のうち、波長板32を通ることでS偏光に変換される成分(すなわち円偏光成分)が偏光子31により反射される(P偏光に変換される逆の円偏光成分は偏光子31を透過する)。偏光子31により反射されたS偏光成分のみを含む画像光L2は、偏光部材30の波長板32、そして対角面13を介してプリズム10aに戻る。
In the
次いで、プリズム10aに戻った画像光L2は、反射面12に入り、これにより反射される。反射された画像光L3は、対角面13を介してプリズム10aを出て再度、偏光部材30に入る。ここで、先に偏光子31により反射されたS偏光成分のみを含む画像光L2は、波長板32を透過し、反射面12により反射されて画像光L3として波長板32を再度透過することでP偏光に変換される。したがって、画像光L3は偏光子31を透過し、偏光部材30の波長板34、そして対角面21を介してプリズム20に入る。
The image light L2 that has returned to the
次いで、プリズム20に入った画像光L3は、曲面状の反射面22に入り、これにより内向きに収束されて反射される。収束された画像光L4は、対角面21を介してプリズム20を出て、偏光部材30に入る。ここで、先に偏光子31を透過したP偏光成分のみを含む画像光L3は、波長板34を透過し、反射面22により反射されて画像光L4として波長板32を再度透過することでS偏光に変換される。したがって、画像光L4は偏光子31により反射され、偏光部材30の波長板34、そして対角面21を介して画像光L5としてプリズム20に戻る。
After entering the
最後に、プリズム20に戻った画像光L5は、出力面23を介してプリズム20から出力され、導光板93を介してユーザに向けて放射される。
Finally, the image light L5 returned to the
図8A及び図8Bは、それぞれ、第2の変形例に係るPBS1bの構成及び分解構成を示す。PBS1bは、2つのプリズム10b,20及び偏光部材30を備える。ここで、プリズム20及び偏光部材30は、先述のそれらと同様に構成されている。
8A and 8B respectively show the configuration and disassembled configuration of
プリズム10bは、外部から画像光を入力する入力用プリズムである。プリズム10bは、一例として、互いに平行な2つの側面14,15並びにこれらの間に画定される入力面11、反射面12、及び対角面13を外面として有する略三角柱状の立方体である。入力面11及び対角面13は、先述の第1入力面11及び対角面13と同様に構成される。なお、側面14,15が広がる互いに直交する方向をX軸及びZ軸方向、側面14,15が離間する方向をY軸方向とする。
The
側面14,15は、正面視(+Y方向視)において直角三角形と、その一隣辺を弦として外向きに湾曲する円弧を有する弓形と、が連結した形状を有し、XZ面に平行に且つ+X,+Z方向に斜辺を向けて配置される。 The side surfaces 14 and 15 have a shape in which a right-angled triangle in a front view (viewed in the +Y direction) and an arcuate curve that curves outward with one adjacent side as a chord are connected, parallel to the XZ plane and It is arranged with the oblique sides facing the +X and +Z directions.
反射面12(第2面の一例)は、側面14,15の円弧の間に-Z方向に向けて、入力面11及び対角面13と交差する曲面状に画定されたプリズム20の外面である。なお、曲面である反射面12が平面である入力面11及び対角面13に交差するとは、反射面12上のあらゆる位置での法線が入力面11及び対角面13の法線と交差する(平行しない)ことを意味する。本実施形態では、XZ面内において外向き(-Z方向)にアーチ状に湾曲した曲面とするが、これに限らず内向き(+Z方向)に逆アーチ状に湾曲した曲面でもあってよいし、XZ面内だけでなくYZ面内においても湾曲して-Z方向に膨らむドーム状又は+Z方向に凹む逆ドーム状の曲面であってもよい。斯かる形状により、反射面12は、光を収束又は拡散するレンズ効果を発現する。
The reflecting surface 12 (an example of the second surface) is an outer surface of the
反射面12には、反射膜12aが設けられている。反射膜12aは、銀、金、アルミニウムなどの金属を用いて、真空蒸着、スパッタリングなどの公知の薄膜形成法により形成することができる。それにより、反射面12は、プリズム10内から-Z方向に反射面12に入る光を内向きに集光しつつ反射する。
The reflecting
プリズム10bも、プリズム10と同様に、透明なポリマー、例えばポリメタクリル酸メチル樹脂(PMMA)のようなアクリル樹脂、エチレン・テトラシクロドデセン・コポリマー(環状オレフィンコポリマー、COC)のようなポリマーを用いて射出成形により成形加工することができる。そのような素材を用いることで、良好な光学特性、特に透光性が高く、強度が得られる。
Similar to
図9は、第2の変形例に係るPBS1bを組み込んだディスプレイシステム100bの概略構成を示す。ディスプレイシステム100bは、表示器92aにより生成される画像光を収束して導光板93を介してユーザに向けて放射するシステムであり、上述のPBS1b、表示器92a、及び導光板93を備える。表示器92a及び導光板93は、先述のそれらと同様に構成されている。
FIG. 9 shows a schematic configuration of a
ディスプレイシステム100bは、プリズム10b内で画像光L2が曲面状の反射面12に入ると、これにより内向きに収束されて反射され、収束された画像光L3は、対角面13を介して偏光部材30に入ることを除いて、先述のディスプレイシステム100aと同様に機能する。
In the
なお、変形例に係るPBS1bでは、プリズム10bの反射面12を湾曲面状に形成してレンズ効果を発現したが、これに代えて又はこれとともに、入力面11を湾曲させて外向きにアーチ状若しくはドーム状に膨らむ又は内向きに逆アーチ状若しくは逆ドーム状に凹む曲面に形成してもよい。それにより、プリズム10がレンズ効果を発現し、プリズム10内を導かれる光を収束又は拡散してプリズム10外に出力することができる。
In the
なお、変形例に係るPBS1a,1bにおいて、偏光部材30を偏光子31、波長板34、及び光学補償フィルム34aを順に接着層を介して積層して構成してもよい。斯かる場合、表示器92aは、S偏光成分のみを含む画像光L1を生成するとしてもよい。
In the modified
変形例に係るPBS1a,1bにおいて、偏光部材30において少なくとも偏光子31の一面に波長板34が設けられていることで、PBS1a,1bと独立の波長板、レンズ素子及び反射光学素子を用いることなく、プリズム20の反射面22を曲面状に形成することでレンズ機能を備えた偏光ビームスプリッタ、すなわちレンズ一体型偏光ビームスプリッタをコンパクトに構成することが可能となる。
In the
以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されない。上記実施の形態に、多様な変更または改良を加えることが可能であることが当業者に明らかである。その様な変更または改良を加えた形態も本発明の技術的範囲に含まれ得ることが、請求の範囲の記載から明らかである。 Although the present invention has been described above using the embodiments, the technical scope of the present invention is not limited to the scope described in the above embodiments. It is obvious to those skilled in the art that various modifications and improvements can be made to the above embodiments. It is clear from the description of the scope of the claims that forms with such modifications or improvements can also be included in the technical scope of the present invention.
請求の範囲、明細書、および図面中において示した装置、システム、プログラム、および方法における動作、手順、ステップ、および段階等の各処理の実行順序は、特段「より前に」、「先立って」等と明示しておらず、また、前の処理の出力を後の処理で用いるのでない限り、任意の順序で実現しうることに留意すべきである。請求の範囲、明細書、および図面中の動作フローに関して、便宜上「まず、」、「次に、」等を用いて説明したとしても、この順で実施することが必須であることを意味するものではない。 The execution order of each process such as actions, procedures, steps, and stages in devices, systems, programs, and methods shown in claims, specifications, and drawings is etc., and it should be noted that they can be implemented in any order unless the output of a previous process is used in a later process. Regarding the operation flow in the claims, specification, and drawings, even if explanations are made using "first," "next," etc. for the sake of convenience, it means that it is essential to carry out in this order. isn't it.
10,10a,10b,20…プリズム、11…第1入力面(入力面)、12…第2入力面(反射面)、12a…反射膜、13…対角面、14,15…側面、21…対角面、22…反射面、22a…反射膜、23…出力面、24,25…側面、30…偏光部材、31…偏光子、32,34…波長板、32a,34a…光学補償フィルム、33,35…接着層、91…光源、92,92a…表示器、93…導光板、100,100a,100b…ディスプレイシステム、L1,L2…照明光(画像光)、L3,L4,L5…画像光。
Claims (8)
前記第3面に対向して配置される第4面と、該第4面と交差する曲面状に形成され、前記第4面に向けて光を内向きに反射する反射面が設けられた第5面と、前記第4面及び前記第5面のそれぞれに交差する第6面と、を有する第2プリズムと、
前記第3面及び前記第4面の間に配置される偏光子と、前記第4面に対向する前記偏光子の一面側に設けられる第1波長板と、前記第1波長板上に設けられる視野角補償フィルムと、を有する偏光部材と、
を備え、前記視野角補償フィルムは、前記第1波長板の厚み方向リタデーションと逆符号の厚み方向リタデーションを有する、偏光ビームスプリッタ。 a first prism having first, second, and third surfaces that intersect each other;
A fourth surface arranged to face the third surface, and a reflecting surface formed in a curved surface shape intersecting the fourth surface and reflecting light inward toward the fourth surface. a second prism having five surfaces and a sixth surface that intersects with each of the fourth surface and the fifth surface;
A polarizer arranged between the third surface and the fourth surface, a first wave plate provided on one surface side of the polarizer facing the fourth surface, and a wave plate provided on the first wave plate a polarizing member comprising a viewing angle compensation film;
wherein the viewing angle compensation film has a retardation in the thickness direction opposite in sign to the retardation in the thickness direction of the first wave plate.
前記第1面又は前記第2面に対向して配置される表示器と、
を備えるディスプレイシステム。 a polarizing beam splitter according to any one of claims 1 to 7 ;
a display arranged to face the first surface or the second surface;
display system.
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