JPH02189504A - 偏光変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、偏光変換素子に関し、特に直線偏光光を利用
する装置に用いて好適な偏光変換素子に関する。

〔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、後述でも触れるように、ＴＮ（ツィステッド・ネマ
チック）液晶を用いた投射型液晶表示装置である。

従来、そのような装置において、光源からの使用光束が
不定偏光光であって、不定偏光光から直線偏光光を得よ
うとするときには、不定偏光光を偏光板や複屈折性のあ
る結晶を透過させたり、境界面で反射させたりすること
により、直線偏光光を選択する素子が用いられている。

−例として、かかる素子には、ポリビニルアルコール等
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
等を装着した構造のシート・ポラライザや、複屈折性の
ある結晶中の常光線と異常光線の光の進行方向の違いか
ら直線偏光光を取り出すニコル・プリズム、ローション
・プリズム等がある。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うしを接合し、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ある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来のシート・ポラライザや偏光ビームスプリ
フタ等の偏光素子を単独で用いる場合、不用の偏光成分
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。

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　（ツィステッド・ネマチック）液
晶を用いた液晶表示素子を投射レンズでスクリーン面に
拡大投影する投射型液晶表示装置があるが、そのように
拡大投影する場合に、液晶表示素子の光の人出射面にそ
れぞれシート・ポラライザから成る偏光板を接着する構
成を採用したとき、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、液晶等の吸収、端面反射、開口率、カラーフィル
ターによる吸収等の影響があり、素子全体の透過率は数
％と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。

このように、輝度の高い光源が要求されれば、従来のよ
うにして直線偏光光を得る場合における効率が低いとい
う問題は、それに留まらず、使用装置での消費電力が大
きくなること、発熱による悪影響が生じてくること等へ
まで波及することとなる。

本発明の目的は、光源からの不定偏光光から直線偏光光
を得ることができ、しかも効率良く不定偏光光から直線
偏光光に変換することのできる偏光変換素子を提供する
ことにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の偏光変換素子は、 光源からの光束を互いに偏光方向が直交する二つの光束
に分離する偏光ビームスプリッタと、前記二つの光束の
進行方向を等しくするように前記二つの光束の少なくと
も一方の光束中に配される光束反射素子と、 前記二つの光束の偏光方向を等しくするための少なくと
も一枚以上の波長板とを有することを特徴としている。

〔作用〕

偏光ビームスプリフタで光源からの光束を互いに偏光方
向が直交する二つの光束に分離するようにすると共に、
少なくともどちらか一方の光路中に波長板を挿入すると
、その偏光方向は回転され、他方の光束の偏光方向と等
しくすることができ、さらに、光束反射素子を用いると
二つの光束の進行方向を等しくすることができ、光源か
らの不定偏光光は１００％に近い効率で直線偏光光に変
換することが可能である。

〔実施例〕

次に、本発明について図面を参照して説明する。

第１図は本発明の第１の実施例を示す偏光変換素子の斜
視図である。

第１図に示すように、本実施例の偏光変換素子は、偏光
ビームスプリッタ１と、光束反射素子としてのミラー２
と、波長板としての１／２波長板３とから構成される。

偏光ビームスプリンタ１は、光源からの光束を互いに偏
光方向が直交する二つの光束に分離する偏光ビームスプ
リッタである。

ミラー２は、偏光ビームスプリッタ１で分離される二つ
の光束の少なくとも一方の光束中に置かれ、これら二つ
の光束の進行方向が等しくなるように配置した光束反射
素子を構成しており、本実施例では、偏光ビームスプリ
ッタ１で分離される一方の光束であるＳ偏光光６の光束
中に置かれている。

１７２波長板３は、偏光ビームスプリッタ１で分離して
得られる二つの光束の偏光方向が等しくなるように配置
した波長板であって、本実施例では、偏光ビームスプリ
ンタ１で分離される他方の光束であるＰ偏光光５の光束
中に配されており、偏光方向７のＰ偏光光５がこの１／
２波長板３を透過するとき、光軸を中心として９０度偏
光方向が回転して偏光方向９となるように、すなわちミ
ラー２で反射されたＳ偏光光６の偏光方向１２と等しく
なるようにされている。

このように、本実施例の偏光変換素子は、光源からの光
束を互いに偏光方向が直交する二つの光束に分離する偏
光ビームスプリッタ１と、前記二つの光束の少なくとも
一方の光束中に置かれ、前記二つの光束の進行方向が等
しくなるように配置した光束反射素子としてのミラー２
、前記二つの光束の偏光方向が等しくなるように配置し
７た波長板としての１７２波長板３とから構成されてい
る。

第１図に示した構成の偏光変換素子及び後述する他の実
施例に係る偏光変換素子を含めて、本発明に従う偏光変
換素子は、次のような知見に基づくものである。

すなわち、本発明によって提供される偏光変換素子は、
少なくとも一枚以一ヒの波長板を使用するが、波長板は
、屈折率異方性のある媒質を光が進行する際に生じる位
相差４利用し、光の偏光状態を変化させるものである。

波長板としては、第１図に示し、たような１７２波長板
と後述の実施例で示すような１７４波長板とがあり、ま
ず、１７２波長板は、直線偏光の偏光方向を光軸を中心
として９０度回転させる作用を持つ。

但し、１／２波長板の屈折率異方軸と入射直線偏光の偏
光方向との成す角が４５度になるように１７２波長板を
配置する必要がある。

一方、１／４波長板は、入射光の直線偏光を円偏光に、
または円偏光を直線偏光に変換する作用を持つ。同様に
、１７４波長板を用いる場合については、１／４波長板
の屈折率異方軸と直線偏光の偏光方向との成す角が４５
度になるように１７４波長板を配置する。更にまた、１
／４波長板を二枚用い、枚目で直線偏光を円偏光に、二
枚口で円偏光を直線偏光にそれぞれ変換すると、二枚口
の１７４波長板の屈折率異方軸の設定に従って透過する
直線偏光の偏光方向を任意に回転させることが可能にな
る。

本発明は、以上の原理を利用するものである。

第４図は本発明に従う偏光変換素子の原理説明に供する
ための図であって、まず、第４図（ａ）は１７２波長板
を用いて直線偏光の偏光方向を光軸を中心として９０度
回転させる場合を示し、偏光方向６２の直線偏光光６１
が１７２波長板６０に入射すると、偏光方向が光軸を中
心に９０度回転し、偏光方向６３になる。従って、出射
光として偏光方向６４の直線偏光光６５を得ることがで
きる。

また、第４図（ｂ）は１７４波長板二枚を用いて直線偏
光の偏光方向を光軸を中心として９０度回転させる場合
を示し、偏光方向７３の直線偏光光７２が１７４波長板
７０に入射すると、直線偏光は円偏光７４になり、二枚
口の１７４波長板７１で偏光方向７５の直線偏光になる
ので、結果として、偏光方向７６の直線偏光光７７を出
射光として得ることができる。更に、ここで、１７４波
長板７１を光軸を中心に回転すると、偏光方向７５も同
様に回転するので、例えば入射直線偏光光の偏光方向を
４５度回転させた直線偏光光を得ることもできることと
なる。

上記原理に基づく本発明の構成に従えば、偏光ビームス
プリッタで光源からの光束を互いに偏光方向が直交する
二つの光束に分、！、１Ｆすると共に、まず、どちらか
一方の光路中に１／２波長板または二枚の１７４波長板
を挿入する構成を採用すると、その偏光方向は９０度回
転され、他方の光束の偏光方向と等しくすることができ
る。また、両光路中にそれぞれ二枚の１７４波長板を挿
入する構成としたときは、二つの光束の偏光方向を任意
の方向で等しくすることも可能である。さらに、光束反
射素子を用いると二つの光束の進行方向を等しくするこ
とができる。その結果、光源からの不定偏光光から直線
偏光光を得ようとするとき、不定偏光光は１００％に近
い効率で特定の偏光方向を有する直線偏光光に変換する
ことが可能になる。

第１図に示した構成は、１／２波長板を用いる場合の態
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。

第１図において、偏光変換素子に入射せしめられる光源
からの光束は不定偏光光４であり、不定偏光光４は偏光
ビームスプリッタ１に入射し、互いに偏光方向が直交し
た直線偏光光である二つの光束、すなわちＰ偏光光５及
びＳ偏光光６に分離される。そして、本実施例では、Ｐ
偏光光５は１７２波長板３を透過し、一方、Ｓ偏光光６
はミラー２でＳ偏光光６の進行方向がＰ偏光光５の進行
方向と等しくなるように反射されることとなる。

ここで、上記構成において使用した偏光ビームスプリッ
タ１、ミラー２及び１／２波長板３は、それぞれ具体的
には次のような構造のものである。

すなわち、偏光ビームスプリッタ１ば、二つの直角プリ
ズムの一方の斜面に金属膜や誘電体多層膜等から成る半
透膜をコートして斜面どうしを接合したものであって、
特に可視域の波長の光に対して、有効に、互いに直交す
る偏光成分であるＰ偏光とＳ偏光の二つの直線偏光光に
分離できるものを用いており、更に言えば、特に光の人
出射面に無反射コートを施したものを用いた。

また、ミラー２については、これはガラス板にアルミニ
ウムを蒸着した表面鏡であるが、特に誘電体多層膜等に
より反射率を高めた増反対ミラーを用いた。また、１７
２波長板３は、ポリビニルアルコールフィルムを延伸し
複屈折性を持たせ保護ガラスで挟んだものを用いており
、特に光の人出射面には無反射コートを施したものを使
用した。

さて、前記のようにして偏光ビームスプリッタ１で分離
が行われて、そのＰ偏光光５が１７２波長板３を透過す
ることとなるが、この場合前述したように、１７２波長
板３は偏光方向を光軸中心として９０度回転させること
ができる。従って、不定偏光光４が、偏光ビームスプリ
ッタ１で偏光方向７のＰ偏光光５と偏光方向８のＳ偏光
光６とに分離され、そのＰ偏光光５が１／２波長板３に
与えられると、Ｐ偏光光５は、１／２波長板３でその偏
光方向が光軸を中心として９０度回転し、偏光方向９に
なる。一方、Ｓ偏光光６は、ミラー２でＰ偏光光５の進
行方向と等しくなるように、かつ偏光方向１２の状態で
反射される。その結果、不定偏光光４は、偏光方向１０
の直線偏光光１１と、進行方向及び偏光方向がそれと等
しい偏光方向１３の直線偏光光１４とに変換される。以
上の過程において、光の損失は、素子の端面反射や媒質
の吸収のみのごくわずかな量である。

このようにして、直線偏光光を得る場合に本発明に従う
第１図の偏光変換素子を用いることにより、光源からの
不定偏光光４を変換して１００％に近い変換効率で特定
の偏光方向を有する直線偏光光を得ることができた。

なお本実施例の説明において、図示例では、１７２波長
板３は、偏光ビームスプリンタｌと離れて配置しである
が、これは密着して配置しても良い。また、１／２波長
板３はＰ偏光光５の光路中ではなく、Ｓ偏光光６の光路
中に配置しても同様の偏光変換素子が得られる。この場
合には、得られる直線偏光光の偏光方向は、偏光方向１
０．１３と垂直の方向、すなわち第１図の偏光方向７と
等しいものとなり、このような偏光方向の直線偏光光を
得ることもできる。

第２図は、本発明の第２の実施例を示す偏光変換素子の
斜視図である。

本実施例においては、第２図に示す如く、偏光変換素子
は、偏光ビームスプリッタ２０と、光束反射素子として
の直角プリズム２１と、波長板としての二枚の１７４波
長板２２．２３とから構成される。

偏光ビームスプリッタ２０、直角プリズム２１及び１７
４波長板２２．２３の具体的な構造は、次の通りである
。

すなわち、偏光ビームスプリッタ２０は第１図の偏光ビ
ームスプリンタ１と同じものを用いた。また、直角プリ
ズム２１は光学ガラス、例えばＢＫ７を研磨したもので
あって、これは斜面において可視光を全反射する条件を
満たすものである。更に、偏光ビームスプリッタ２０と
直角プリズム２１は端面で反射光を生じないように貼り
合わせた。また、直角プリズム２１の光の出射面には無
反射コートを施した。更に、゛また、１７４波長板２２
．２３については、ポリビニルアルコールフィルムを延
伸し複屈折性を持たせたものを、無反射コート付保護ガ
ラスで挟んだものを用いた。

本実施例の場合は、下記のようにして不定偏光光２４か
ら直線偏光光への変換がなされる。

すなわち、第２図の構成は、二枚の１７４波長板を用い
る場合の態様の−・例であって、前述したように、１７
４波長板２２．２３は、直線偏光を円偏光に、または円
偏光を直線偏光に変換することができる。

従って、第１図の場合と同様、不定偏光光２４が入射さ
れると、これは、偏光ビームスプリッタ２０で偏光方向
２７のＰ偏光光２５と偏光方向２８のＳ偏光光２６とに
分離されるが、この場合、Ｐ偏光光２５は１／４波長板
２２で円偏光２９に変換され、さらに１７４波長板２３
で、偏光方向２７と直交する偏光方向３０の直線偏光光
３２になる。一方、Ｓ偏光光２６は、直角プリズム２１
の斜面で全反射され、Ｐ偏光光２５の進行方向と等しい
方向に偏光方向２８の状態で出射する。その結果、不定
偏光光２４は、偏光方向３１の直線偏光光３２と、進行
方向及び偏光方向がそれと等しい偏光方向３３の直線偏
光光３４とに変換される。

このように、第１の実施例と同様に、光源からの不定偏
光光２４を変換し１００％に近い変換効率で特定の偏光
方向を有する直線偏光光を得ることができる。

なお、本実施例の説明において、偏光ビームスプリッタ
２０と、１７４波長板２２と１／４波長板２３は、それ
ぞれ離れて配置しであるが、これらは密着して配置して
も良い。また、１７４波長板２２．２３は。

Ｐ偏光光２５の光路中ではなく、Ｓ偏光光２６の光路中
に配置して、偏光方向３１．３３と直交する方向の偏光
方向を有する直線偏光光が得られる構成にしても良い。

さらに、直角プリズム２１もＳ偏光光２６の光路ではな
く、Ｐ偏光光２５の光路を変えるように配置し、また、
１７４波長板２２．２３の配置もそれぞれ可能な組合せ
で配置しても、同様の偏光変換素子を得ることができる
。

第３図は、本発明の第３の実施例を示す偏光変換素子の
斜視図である。

本実施例の偏光変換素子は、偏光ビームスプリッタ４０
と、光束反射素子としての直角プリズム４１と、波長板
としての四枚の１７４波長板４２．４３．４４゜４５と
から構成される。

使用偏光ビームスプリンタ等については、第２図の場合
のものに準じており、偏光ビームスプリッタ４０は第１
図の偏光ビームスプリッタ１と同じものを用い、更に、
直角プリズム４１は第２図の直角プリズム２１と、ｌ／
４波長板４２．４３．４４．．１５ば第２図の１７４波
長板２２．２３と、それぞれ同じものを用いた。

本実施例では、次のようにして変換を行うことができる
。

まず、不定偏光光４６は、偏光ビームスプリッタ４０で
偏光方向４９のＰ偏光光４７と偏光方向５０のＳ偏光光
４８とに分離される。ここで前述したように、１７４波
長板を二枚用いると、直線偏光光の偏光方向を光軸を中
心とし°Ｃ任意の方向に回転することができる。

そこで、ここでは、１７４波長板４２．４４については
、Ｐ偏光光４７が、１７４波長板４２で円偏光５１に変
換され、さらに１７４波長板４４で、偏光方向４９を光
軸を中心に４５度回転させた偏光方向５３の直線偏光光
を得ることができるように、１７４波長板４２．４４を
配置する。

また、Ｓ偏光光４８は、直角プリズム４１の斜面でＰ偏
光光４７の進行方向と等しい方向に出射するように全反
射され、１７４波長板４３で円偏光５２に、そして更に
１７４波長板４５で偏光方向５４の直線偏光光に変換さ
れるので、ここで、１７４波長板４５から出射する直線
偏光光の偏光方向５４を、偏光方向５３と等しくなるよ
うに１７４波長ｖｊ、４５を配置すると、光源からの不
定偏光光４６を、特定の偏光方向を有する直線偏光光、
すなわち、ここでは、Ｐ偏光光４７の偏光方向４９を光
軸を中心に４５度回転させた偏光方向５５の直線偏光光
５６と、それに等しい偏光方向５７の直線偏光光５８に
変換することができる。

なお、本実施例の構成において、出射する直線偏光光の
偏光方向は、１７４波長板４４．４５の設定により任意
に変えることもできる。また、直角プリズム４１はＳ偏
光光４８の光路中ではなくＰ偏光光４７の光路中に配置
した構成をとることも可能である。

さらに、偏光ビームスプリッタ４０と１／４波長板４２
゜４４を、また直角プリズＪ２４１と１／４波長板４３
．４５を、それぞれ密着して配置しても同様の偏光変換
素子を得ることができる。

本発明に従う偏光変換素子は、例えば直線偏光光を利用
する既述した投射型液晶表示装置に用いるときは、光源
として輝度の高いものを使用しなくても明るい投射画面
を得ることを可能ならしめ、従ってまた、装置の消費電
力の増大、発熱による悪影響なども避けられる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、光源からの不定
偏光光を直線偏光光に変換することができ、しかも光源
からの不定偏光光を高い変換効率で直線偏光光に変換す
る偏光変換素子を得ることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す斜視図、第２図は
本発明の第２の実施例を示す斜視図、第３図は本発明の
第３の実施例を示す斜視図、第４図は本発明の原理説明
に供する図である。 １、２０．４０・・・偏光ビームスプリッタ２・・・・
・・・ミラー ３．６０・・・・・　１７２波長板 ４、２４．４６・・・不定偏光光 ５、２５．４７・・・Ｐ偏光光 ６、２６．４８・・・Ｓ偏光光 ７〜１０．　１２．　１３．２７．２Ｂ、　３０．３１
．３３．４９５０、５３〜５５．５７．６２〜６４．７
３．７５．７６・偏光方向 １１、１４．３２．３４．５６．５Ｂ、　６１．６５．
７２．７７・・・直線偏光光 ２１、４１・・・・・直角プリズム ２２、２３．４２〜４５．７０．７１ ・・・　１７４波長板 ２９、５１．５２．７４・円偏光

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光束を互いに偏光方向が直交する二つ
   の光束に分離する偏光ビームスプリッタと、前記二つの
   光束の進行方向を等しくするように前記二つの光束の少
   なくとも一方の光束中に配される光束反射素子と、 前記二つの光束の偏光方向を等しくするための少なくと
   も一枚以上の波長板とを有することを特徴とする偏光変
   換素子。