JPH03157621A - 偏光光源装置 - 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１ 本発明は、ランダムな偏光特性をもった光ビームを直線
偏光に変える偏光光源装置に関する。

［従来の技術］ 例えば、液晶プロジェクタ−の光源として、また光源の
映り込みを嫌う照明（ガラス越しの照明や水面を通した
照明等）に直線偏光光源装置が役立つことが知られてい
る。

この様な直線偏光光源装置としては、従来ランダムな偏
光特性の光源（例えばハロゲンランプ、キセノンランプ
、メタルハライドランプ等）と偏光板との組合わせが用
いられており、上記光源からの光を偏光板に通すことに
よって直線偏光が作られている。しかして、この際、偏
光板に入射する光のうち透過光の偏光面と垂直な偏光面
を持つ偏光成分がカットされるため、利用できる光量（
透過光量）は光源光の高々５０％である。

この様に、偏光板を用いた偏光光源装置では損失が大き
いという問題点がある。

この損失を避ける方法として、先ず光源光を偏光ビーム
スプリッタ−で２つの直線偏光成分に分け、その一方の
偏光面を９０°回転させてから他方に合流させる方法が
考えられる。

この考えを実現した例として、特開昭６３−１９７９１
３号公報、実開昭６３−１８７１０１号公報、特開昭６
３−２７１３１３号公報および特開昭６３−１６８６２
２号公報に記載のものがある。

上記特開昭６３−１９７９１３号公報及び実開昭６３−
１８７１０１号公報に記載のものでは、偏光ビームスプ
リッタ−で分けられた２つの直線偏光成分のうちの一方
を２つの反射面で順次反射させて偏光面を回転させてい
る。この様に反射によって偏光面を回転させることは波
長依存性をもたない点で好ましい、しかしながら、反射
光の光路な確保するために装置のサイズが太き（なり、
好ましくない。

また、上記特開昭６３−２７１３１３号公報に記載のも
のでは、偏光面の回転に波長板を用いているために、一
般に波長依存性が強く、また装置のサイズは前２件の公
報のものより更に大きくなるため、かなり用途は制限さ
れる。

特開昭６３−１６８６２２号公報に記載のものでは、偏
光面の回転にＴＮ液晶を用いることにより比較的小型で
且つ極めて簡単な構造で前記の機能を実現している。但
し、液晶層を通過する際に光の減衰が若干ある点が問題
であり、またＴＮ液晶の製作手段が必要とされる。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の目的は、ランダム偏光の光源を用いて直線偏光
を作る゛偏光光源装置であって、（ａ）小型である （ｂ）効率が高い （ｃ）製作が容易である の条件を満たすものを提供することである。

［課題を解決するための手段］ 本発明の請求項１記載の偏光光源装置は、光源と、該光
源から発せられる光を２方向に分岐する第１のプリズム
と、該第１のプリズムからの２つの分岐光のそれぞれに
ついてｐ偏光成分光及びＳ偏光成分光の一方を反射させ
且つ他方を透過させる偏光ビームスプリッタ−と、該偏
光ビームスプリッタ−からの反射光を入射させ偏光面が
９０’回転した反射光成分を得るプリズム反射面と、該
プリズム反射面による反射光が上記偏光ビームスプリッ
タ−を透過した光と上記第１のプリズムからの分岐光の
うち直接偏光ビームスプリッタ−を透過した光との進行
方向を揃えるための第２のプリズムとを有し、上記プリ
ズム反射面は多数の反射鏡面が隣接するものどうし互い
に直交して該隣接反射鏡面により形成される稜線と直交
する方向に多数配列されてなり、該プリズム反射面は入
射光の偏光面に対し上記反射鏡面配列方向が４５°の角
度をなす様に配置されていることを特徴とする、偏光光
源装置、 である。

この様な請求項１に記載の偏光光源装置のうちで、特に
小型化に有利なものとして、請求項２に記載の、 請求項１に記載の偏光光源装置の構成要素の第１のプリ
ズム及び第２のプリズムのうちの少なくとも一方の代わ
りに、片面にプリズム列が形成されたプリズム形成板を
用いてなる、偏光光源装置、 がある。

更に、より一層の小型化と軽量化とを達成可能なものと
して、請求項３に記載の、 請求項１または２に記載の偏光光源装置の構成要素の偏
光ビームスプリッタ−として、２枚の透明板の間に偏光
膜が挟持されており各透明板の外面側に面法線と４５°
の角度をなし互いに直交する２つの面をもつプリズムが
複数並列配置されて形成されている偏光ビームスプリッ
タ−を用いてなる、偏光光源装置、 がある。

更に、請求項４はこれらの偏光光源装置に使われている
プリズム反射面を、イ波長板と平面鏡とを組み合わせた
ものに置き換えたもので、その働きは同じであるが、効
率や波長特性など、性能的には若干具なるものである。

また、請求項５は、上記プリズム反射面の前に位相板を
配置することによって、本発明の効率をより高めたもの
である。

［作用］ 本発明の偏光光源装置は、光源からの光を第１のプリズ
ムで２方向に分岐し、２つの分岐光のそれぞれについて
、偏光ビームスプリッタ−で２つの直線偏光成分に分け
、その一方の偏光面を９０°回転させた後に他方に合流
させるものであり、偏光面回転のための手段としてプリ
ズム反射面、ないしは１／４波長板と平面鏡との組み合
わせ、ないしはプリズム反射面の前に位相板を配置した
ものを用いるものである。

第１Ｏ図はプリズム反射面での反射で偏光面が９０”回
転した成分が得られる様子を示す原理図である。

面１２ａに入射した直線偏光光ｌＯは、面１２ａに平行
な電場ベクトルの成分Ｆｓと垂直な成分Ｆｐとに分けら
れるが、面１２ａ、１２ｂが完全導体の反射面であれば
、１２ａ、１２ｂで反射した光１１の成分Ｆｐ”の向き
が反転し結果として１０に対して１１は偏光面が９０°
回転した光となる。

しかしながら、実際には完全導体の反射面は存在せず、
一般にＦｓ’　とＦｐ’　との間に位相差Δを生じ、ま
た両者の振幅も異なり、反射光１１は楕円偏光になる。

従って、この楕円偏光の偏光面が入射光のそれと直交す
る成分のみが有効である。ここで、Δは小さいほど完全
導体の面に近く効率も高い。

第９図にプリズム反射面の一例を示す。

基板１４の片面に多数の反射鏡面が形成されており、隣
接する反射鏡面どうしは互いに直交しており、該隣接反
射鏡面により形成される稜線と直交する方向ｄに多数の
反射鏡面が配列されている。該反射鏡面は基板面の法線
方向Ｕに対し、たとえば４５＠をなす、ここで、隣接反
射鏡面の直交する条件は法線方向Ｕに沿って入射した光
が該法線方向Ｕに沿って反射するために必要な条件であ
り、また該反射鏡面が法線方向Ｕとなす角は４５°とす
るのが効率の面で最も好ましい。

上記反射鏡面は、基板１４の片面に所定の形状を形成し
た後に蒸着や鍍金により金属層を形成すること、あるい
は誘電体多層膜の形成により得ることができ、基板１４
として透明材料を用いれば、平面の側を入射面とし、プ
リズム面を裏面鏡として使うことができる。更に、基板
１４の屈折率が１丁より大きければ、プリズム面を全反
射面として使うこともできる。金属層あるいは誘電体多
層膜による反射鏡面では、金属の種類や膜厚、多層膜の
設計の違いにより前述の位相差Δはまちまちであるが、
プリズムの全反射を使う場合には屈折率から計算でき、
−例として屈折率が１．４９の場合（ポリメチルメタク
リレート）にはΔ＝７０°である。これから、偏光面の
９０＠回転した成分は６７％となるが、全反射は１００
％近い反射率が得られることから、反射面での効率はほ
ぼ６７％となる。

次に、残液長板を使って偏光面を９０°回転させる方法
について説明する。第１１図は残液長板を使った反射面
の例であり、反射鏡１５の前に残液長板１６を置いて構
成される。入射光１７は反射鏡１５で反射する前後に残
液長板１６を通過することによって偏光面を９０’回転
した反射光１８となる。

ここで用いる反射鏡は金属ミラーでもよいし、誘電体多
層膜を使ったものでもよい、また、波長板の片面に金属
ミラーないし誘電体多層膜を形成して反射面としてもよ
い。

この方法では、波長板を用いるために、偏光面が９０°
回転した反射光の得られる効率は強い波長依存性をもち
、白色光を用いる場合には好ましくない、この波長依存
性を小さくするために、異なる波長分散をもつ複屈折材
料を合わせてなる色消し波長板を用いてもよい。

請求項５の方法は上記２つの手段をあわせて用いること
によって、より効率よく偏光面の回転を行うものである
。

第１２図は位相板１９とプリズム反射面２０を用いた請
求項５の反射面の例である。プリズム反射面による反射
では、反射光の各成分Ｆｓ’　とＦｐ’　との位相差Δ
が０でないため反射光が楕円偏光になるが、同じ大きさ
で符号が逆の位相差−Δを位相板１９によって作り、結
果として位相差を打ち消し、偏光面が９０°回転した直
線偏光を得る０位相板１９は反射前後に通過するため、
レタデーションが−Δ／２になるようなものを使えばよ
い。

この場合には、位相板で与えるべき位相差が比較的小さ
くてすむため、全体での波長依存性は小さく、白色光に
も十分適用できる。プリズム反射面は前述のものならど
んなものでも使うことができるが、中でも反射率が高く
Δの計算が容易な全反射プリズムを使うのが最も好まし
い０例えば、上記ポリメチルメタクリレートのプリズム
を使う場合にはΔ＝７００であるから、３５°のレタデ
ーションを与える位相板を使って、可視光全域にわたっ
て極めて高い効率が容易に得られる。

以上の様なプリズム反射面は十分に薄くすることができ
るので、装置の小型化及び軽量化が可能となる。

また、請求項３において用いる偏光ビームスプリッタ−
は、従来のプリズムビームスプリッタ−の２つの直角プ
リズムを複数のプリズムが形成された透明板で置き換え
たものに相当し、これにより軽量化が達成できる。

尚、この偏光ビームスプリッタ−は例えば前に挙げた特
開昭６３−１９７９１３号公報、実開昭６３−１８７１
０１号公報、特開昭６３−２７１３１３号公報および特
開昭６３−１６８６２２号公報の同様の用途にも使用で
きるものである。

［実施例Ｊ 以下、実施例を用いて本発明を説明する。尚、以下でい
うプリズム反射面を残液長板と平面鏡とを組み合わせた
ものに置き換えたもの、及びプリズム反射面の前に位相
板を配置したものが、それぞれ請求項４，５の実施例と
なる。

第１３図及び第１４図はいずれも請求項１の実施例の平
面図である。

第１３図の実施例において、光源５からの光は曲面鏡６
で平行光とされ、プリズム２１で２方向に分岐され、２
つの分岐光はそれぞれミラー型偏光ビームスプリッタ−
３に入射し、該入射光のうちｐ偏光成分（図中、実線で
示されている）は偏光ビームスプリッタ−３を透過し、
プリズム２２で屈折して出射する。一方、Ｓ偏光成分（
図中、点線で示されている）は偏光ビームスプリッタ−
３で反射し、更にプリズム反射面４で反射し、該反射の
際に偏光面が９０°回転した成分を得、ｐ偏光となって
再び偏光ビームスプリッタ−３に達し、今度はここを透
過し、プリズム２２で屈折して出射する。上記４つの出
射光は隣接しているため、１つの直線偏光光ビームとし
て利用することができる。

次に、第１４図はプリズム型偏光ビームスプリッタ−１
３を用いて上記第１３図のものと同様の効果を得る実施
例であるが、偏光ビームスプリッタ−がプリズム型であ
るために、１対の反射鏡２３を用いてプリズム２２への
光入射を図っている。

第１図〜第３図、第１５図及び第１６図はいずれも請求
項２の実施例の平面図であり、第６図は第１図の偏光光
源装置の斜視図である。

請求項２の偏光光源装置は、第１３図及び第１４図の装
置における第１のプリズム２１及び第２のプリズム２２
のうちの少なくとも一方をプリズム形成板に置き換えて
、装置の小型化を達成するものである。

第１図の実施例は第１３図の実施例のプリズム２１．２
２をそれぞれプリズム形成板２．１で置き換えたものに
相当し、第１５図の実施例は第１４図の実施例のプリズ
ム２１．２２をそれぞれプリズム形成板２．１で置き換
えたものに相当する。

上記プリズム形成板２は、偏光ビームスプリッタ−３，
１３側の面が平面であり、その反対側の面が上記第１３
図または第１４図のプリズム２１と相似形の小プリズム
を多数並列配置した形態のものである。上記プリズム形
成板ｌは、偏光ビームスプリッタ−３，１３側の面が平
面であり、その反対側の面が上記第１３図または第１４
図のプリズム２２と相似形の小プリズムを多数並列配置
した形態のものである。

第１のプリズム及び第２のプリズムのうちの一方をプリ
ズム形成板で置き換えても小型化の効果はあるが、両方
のプリズムを置き換えた方が小型化の効果が大きいこと
は明らかである。

ところで、第１図〜第３図、第１３図〜第１６図に示さ
れる様にＸ軸及びＹ軸をとれば、出射光が平行光となる
ためには、第２のプリズム（出射側プリズム）２２また
はプリズム形成板１の各小プリズムの面がＸ軸となす角
度は、第１７図に示される様に入射光２４の入射角なβ
としプリズムの屈折率をｎｌとして、下記式（１） で求められるθ、に等しくなければならない。

Ｊ’ｌ＋が大きいほどθ、も大きくなることがわかる。

一方、θ１が大きすぎると第１７図（ａ）の様に損失光
２５を生ずるので好ましくない、第１７図（ｂ）の様に
、屈折光がプリズムの一方の面に平行になる角度θ。以
下であることが好ましい。

該角度θ。は下記式（２）で求められる。

θｏ　＝ｃｏｓ−’（（１＋　ｆＦ■７）／４ｎ＋）　
・・・（２）更に、第１のプリズム（入射側のプリズム
）２１またはプリズム形成板２の各小プリズムの面がＸ
軸となす角度θ１が小さすぎると、第１８図（ａ）の様
に損失光２５を生ずるので好ましくない、第１８図（ｂ
）の様に、屈折光がプリズムの一方の面に平行になる角
度θ。゛以上であることが好ましい、該角度θ。°は、
プリズムの屈折率をｎ露として、下記式（３）で求めら
れる。

θｏ’　＝　ｃｏｓ−’　（（１＋　ｒＦ■７）／４ｎ
＊）　＠　＠　＠　（３）以上のことから、プリズム形
成板１，２の屈折率が等しい場合には、θ。＝θ。°＝
θ８＝θ、とするのが、効率的には最もよく、またプリ
ズム形成板１．２の屈折率が異なる場合には、ｎ＋＜ｎ
諺として、上記条件を満たす様に、θ１．θ。

を決めることができる。

第１図〜第３図及び第１３図の実施例の様に、ミラー型
の偏光ビームスプリッタ−を使った装置では、入射角β
をある程度自由に設定することができ、第１図はβ＝４
５°の実施例であり、第２図はβ〉４５°の実施例であ
り、第３図はβく４５°の実施例である。

一方、・第１４図〜第１６図の様に、プリズム型の偏光
ビームスプリッタ−を用いる場合にはβ＝４５°とする
のが好ましい、従って、第１８図において、 これから、ｎ、≧１，５４であることが望まれることが
わかる。

第１図と第１５図とを比較すれば明らかな様に、小型化
の点では、ミラー型の偏光ビームスプリッタ−を使った
ものがプリズム型の偏光ビームスプリッタ−を使ったも
のに勝っている。尚、第１５図の装置では、プリズム形
成板２からの光のうち、最初に偏光ビームスプリッタ−
１３を通過した成分が外側から、またプリズム反射面４
で反射した後に偏光ビームスプリッタ−３を通過した成
分が中心付近から出射するために、両者の強度や色の違
いが出射面上にはっきりと表れることがある。これを避
けるためには、第１６図の様にプリズム形成板ｌの位置
を変えればよいが、装置は大きくなる。

上記第１図〜第３図及び第１３図の実施例に用いられる
ミラー型偏光ビームスプリッタ−は、透明な板の上に光
学薄膜を多層にコートしたもので、Ｓ偏光成分とｐ偏光
成分の反射率が異なることを利用してこれらを分離する
ものである。このタイプは軽量である点では優れている
が、波長幅が狭いため、単色光のみに使用が限定される
１通常の誘電体多層膜ビームスプリッタ−にも若干の偏
光特性がある（Ｓ偏光成分：ｐ偏光成分＋２＝８程度）
ため、これを広帯域の偏光ビームスプリッタ−として使
うのもよいが、効率的には次のプリズム型にかなり劣る
ものである。

上言己第１４図〜第１６図の実施例に用いられているプ
リズム型偏光ビームスプリッタ−は、２つの直角プリズ
ムを偏光多層膜をはさんで貼り合わせた構造のもので、
はぼ可視光全域をカバーする広帯域のものができ、白色
光に適用できるが、軽量性についてはミラー型に劣る。

尚、ここでいう偏光多層膜とは、屈折率の高い物質と低
い物質とを屈折角がブリュースター角になる様に交互に
積層させてなる誘電体多層膜である。

この様に、プリズム型の偏光ビームスプリッタ−を使用
したものは性能的に有利である反面、その形状のため小
型、計量化が困難であるが、この問題点を解消し、プリ
ズム型偏光ビームスプリッタ−の偏光原理を上記第１図
〜第３図及び第１３図の実施例と同様の装置に適用する
ことを可能にしたものが請求項３である。

第４図は請求項３に記載の偏光光源装置の実施例の平面
図であり、偏光ビームスプリッタ−７には第８図のもの
を用いている。これは、直角プリズム列を形成した透明
板の間に偏光多層膜９を形成したものであり、該偏光多
層膜９はプリズム型偏光ビームスプリッタ−のそれと同
じものである。透明板上に形成されたそれぞれのプリズ
ムの面がプリズム型偏光ビームスプリッタ−の入射面、
反射面、出射面と同じ働きをして、結果的にプリズム型
偏光ビームスプリッタ−と同じ機能を示す、この様なも
のはレーザー光の様なコヒーレント光に適用される場合
には、そのコヒーレンスを乱し好ましくないが、本用途
の様にインコヒーレントな光源に用いるには問題がない
、また、第４図から分る様に、入射角β＝４５°で使用
し、上記ミラー型とほぼ同じ使い方ができる。

第５図は請求項２の実施例であり、同時に請求項３の特
殊な例でもある。

ここでは、・第７図に示される様な、導光体が一体化さ
れた偏光ビームスプリッタ−８が用いられている。第４
図の実施例との違いは、該偏光ビームスプリッタ−８の
入射面がプリズム形成板２にほぼ接する位置まで近づき
、装置内の光路の殆どが偏光ビームスプリッタ−８の内
部とされていることである。尚、偏光ビームスプリッタ
−８の光入射プリズム面の位置は、第５図に示される位
置でなくともよく、第４図に示される位置との中間的な
位置であってもよい。

尚、第７図に示されているものを含めて請求項３の偏光
ビームスプリッタ−の製作方法は基本的にプリズム型偏
光ビームスプリッタ−と同じであり、プリズムを有する
一方の透明ブロックに偏光多層膜を蒸着などによって形
成し、もう一方の透明ブロックに接着すればよい。

本発明の説明図には、光源に曲面ミラーを使ったビーム
光源を用いたが、レンズを用いたビーム光源であっても
、全く同様であることはいうまでもない。

［発明の効果］ 以上説明した様に、本発明による偏光光源装置は、ラン
ダム偏光の光源から小型の簡単な装置を使って、直線偏
光の光を効率よく作ることを可能にした。

射面の説明図であり、第１０図は該プリズム反射面によ
って反射光の偏光面が９０°回転する様子を示す原理図
である。

第１１図及び第１２図はそれぞれ電波長板と平面鏡との
組み合わせによる反射面、及びプリズム反射面の前に位
相板を配置した反射面の例である。

第１７図及び第１８図はいずれもプリズム形成板におけ
る光通過状態を示す図である。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第５図、第１３図〜第１６図はいずれも本発明
の偏光光源装置の平面図である。 第６図は本発明の偏光光源装置の斜視図である。 第７図及び第８図はいずれも本発明偏光光源装置で用い
る偏光ビームスプリッタ−の説明図である。 第９図は本発明において使用されるプリズム反１．２・
・・プリズム形成板、 ３・・・ミラー型偏光ビームスプリッタ−４，２０・・
・プリズム反射面、 ５・−・光源、　　６・・・曲面鏡、 ７．８・・・偏光ビームスプリッタ− ９・・・偏光多層膜、　　　１０．１７・・・入射光線
、１１．１８・・・出射光線。 １２ａ、１２ｂ−反射鏡面、 １３・・・プリズム型偏光ビームスプリッタ−１５，２
３・・・平面鏡、　　　１６・・・電波長板、１９・・
・位相板。 ２４・・・入射光、 ２１．２２・・・プリズム、 ２５・・・損失光。 第１図

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源と、該光源から発せられる光を２方向に分岐
   する第１のプリズムと、該第１のプリズムからの２つの
   分岐光のそれぞれについてｐ偏光成分光及びｓ偏光成分
   光の一方を反射させ且つ他方を透過させる偏光ビームス
   プリッターと、該偏光ビームスプリッターからの反射光
   を入射させ偏光面が９０゜回転した反射光成分を得るプ
   リズム反射面と、該プリズム反射面による反射光が上記
   偏光ビームスプリッターを透過した光と上記第１のプリ
   ズムからの分岐光のうち直接偏光ビームスプリッターを
   透過した光との進行方向を揃えるための第２のプリズム
   とを有し、上記プリズム反射面は多数の反射鏡面が隣接
   するものどうし互いに直交して該隣接反射鏡面により形
   成される稜線と直交する方向に多数配列されてなり、該
   プリズム反射面は入射光の偏光面に対し上記反射鏡面配
   列方向が４５゜の角度をなす様に配置されていることを
   特徴とする、偏光光源装置。
2. （２）請求項１に記載の偏光光源装置の構成要素の第１
   のプリズム及び第２のプリズムのうちの少なくとも一方
   の代わりに、片面にプリズム列が形成されたプリズム形
   成板を用いてなる、偏光光源装置。
3. （３）請求項１または２に記載の偏光光源装置の構成要
   素の偏光ビームスプリッターとして、２枚の透明板の間
   に偏光膜が挟持されており各透明板の外面側に面法線と
   ４５゜の角度をなし互いに直交する２つの面をもつプリ
   ズムが複数並列配置されて形成されている偏光ビームス
   プリッターを用いてなる、偏光光源装置。
4. （４）請求項１〜３のいずれかに記載の偏光光源装置の
   構成要素のプリズム反射面の代わりに、１／４波長板と
   平面鏡との組み合わせを用いてなる、偏光光源装置。
5. （５）請求項１〜３のいずれかに記載の偏光光源装置の
   構成要素のプリズム反射面の前に位相板を配置してなる
   、偏光光源装置。