JPH03294803A - 偏光素子 - 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、ランダム偏光を−・方向の偏光面を持つ直線
偏光に変換する偏光素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、ランダム偏光から一方向性偏光を得るためには、
偏光子や複屈折性結晶を用いて、特定の偏光面を有する
直線偏光のみを選択的に取り出す方法が一般的であった
。その代表例が偏光板である。これはお互いに直交する
偏光成分を持つランダム偏光である入射光のうち、片方
の直線偏光成分のみを選択的に吸収し、他方の直線偏光
成分のみを透過させることにより、一方向の偏光成分の
みを有する出射光に変換するものである。また、他には
複屈折性結晶を用いたものとしてローションプリズムや
ニコルプリズムが挙げられる。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の偏光板では光吸収の二色性を利３、発明
の詳細な説明 用しているため一方向性偏光への変換効率が最大でも約
４５％と低く、また、光吸収による発熱作用により偏光
板自体が熱破壊を生じる危険性を有していた。また、複
屈折性結晶等を用いたものでは偏光方向の異なる不必要
な偏光成分を反射等の手段により除去しているため、や
はりこの方式においても一方向性偏光への変換効率が最
大５０％以下と低いことが問題となっている。

そこで、本発明は以上のような問題点を解決するもので
、その目的とするところは、光吸収や反射によるロスを
ほとんど伴うことなく、ランダム偏光を一方向性偏光に
高効率で変換するコンパクトな偏光素子を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本発明の偏光素子は、光源か
らのランダム偏光を、偏光面が互いに直交する２つの直
線偏光に空間的な分離を行なうための複屈折性レンズに
よる偏光分離機構と、前記２つに分離された直線偏光の
偏光面を揃えるためにどちらか片方の直線偏光の偏光面
を９０度回転させる機構と、該偏光方向が揃った２つの
直線偏光を同一の光束に集光するための機構として光結
合用ホログラムレンズとから構成されることを特徴とす
る。また、前記偏光素子を入射光束に垂直な面内に複数
構成してアレイ化したことを特徴とする。

〔作用〕

第１図に従い本発明の詳細な説明する。まず、等方性層
１１（屈折率ｎ１）−複屈折性層１３（屈折率ｎｏ、　
　ｎｅ）−等方性層１５（屈折率ｎ２）の３層からなる
複屈折性レンズ（３層における屈折率の関係は、ｎ１＝
ｎｏ＜　ｎｅ＝ｎ２とする）によりランダム偏光を偏光
面が互いに直交する２つの直線偏光（実線１９を異常光
成分、破線２０を常光成分とする）に位置選択的に分離
集光される。次に、それら２つの偏光成分のうち片方の
偏光成分（常光成分）のみが選択的に位相差層１６を透
過することにより偏光面の回転作用（９０度回転）を受
け、他方の偏光成分（異常光成分）と偏光方向が揃った
偏光に変換される。その後、それらの光はホログラムレ
ンズ１８を透過することにより空間的に平行な同一の光
束に再び合成される。

ここで、ホログラムの作用に付いて図を用いて説明する
。第４図はホログラムの記録時の状態を、また、第５図
はホログラムの再生時の状態を示す概念図である。第４
図において、物体４１からの光（物体光４２）と物体の
後方からの光（記録光４３）が干渉してホログラム乾板
２１上に干渉パターンが形成される。このホログラム乾
板は現像処理を施すことによりホログラム５１となる。

このホログラム５１に、記録時と同じ条件で再生用参照
光５４を照射すると、物体のあったところには虚像５３
が、また、ホログラム乾板に対して対称な位置には実像
である共役像５２が形成される。このことは、ホログラ
ムにより入射した光の光路が変化することを意味し、つ
まり、ホログラムにより光を集光、合成、分離すること
が可能であることを意味する。

上記の変換過程においては偏光方向の違いによる光吸収
や反射による光量の減少がほとんどなく、また、入射光
束の特性や複屈折性゛レンズのレンズ特性に合わせた光
結合用ホログラムレンズを偏光素子の出射側に配置して
いることから、本偏光素子による偏光変換過程において
光束の幅がほとんど変化しない。したがって、平行性に
優れる入射光を本偏光素子に入射した場合には、同様に
平行性に優れた出射光を得られることになる。

〔実施例〕

以下、実施例に基づき本発明の詳細な説明する。

但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない
。

［実施例１］ 第１図は本発明の偏光素子の構成断面略図であり、この
第１図に基づいて本発明の詳細な説明する。基板１１は
屈折率がｎｌである等方性透明材料よりなっており、片
側に断面形状が凹型である一方向集光性のレンチキュラ
ーレンズ状のパターンがアレイ状に配列されている。ま
た、基板１５は屈折率がｎ２であるやはり等方性透明材
料よりなっており、やはり片面に、上記の凹型断面形状
に対応する断面形状が凸型である、一方向集光性のレン
チキュラーレンズ状のパターンがアレイ状に配列されい
る。上記２枚の基板１１、基板１５の間隙には複屈折性
層１３としてネマチック系液晶材料（常光屈折＄ｎｏ、
異常光屈折率ｎｅ、但し、ｎｏ＜ｎｅである）が挟持さ
れており、上記３つの層における屈折率の関係はｎ　１
＝　ｎ　ｏ＜　ｎ　ｅ＝　ｎ　２となっている。

このような構造体に光が入射した場合、第１の界面１２
においてはｎ１＝ｎｏなる屈折率の関係から異常光成分
１９のみが屈折作用を受は集光し、また、第２の界面１
４においてはｎｅ＝ｎ２なる屈折率の関係から常光成分
２０のみが屈折作用を受は集光する。

常光成分が集光する焦点近傍には位置選択的にλ／２７
２位相差６が形成されており、常光成分はこの位相差層
を透過する（異常光成分は位相差層を透過しない）こと
により偏光面が９０度の回転を受け、異常光成分と同じ
偏光方向を有する光に変換される。この後、空間的に分
離集光された光（この時点で全ての光は異常光成分にな
っている）はホログラムレンズ１８を通過することによ
り、再び一つの光束に合成され出射される。

以上の構成により、本偏光素子を透過する光は吸収され
ることなく、はとんど全て異常光成分に変換されたこと
になる。また、平行性のよい光を本偏光素子に入射した
場合、得られる出射光も同様に平行性のよい光になるこ
とがわかる。

次に、本偏光素子の製造法に付いて、特にホログラムレ
ンズを中心に簡単に説明する。基板１１及び基板１５は
直接的な機械加工あるいはプレス成形、射出成形などに
より成形可能である。この２枚の基板間に位置する複屈
折性層１３となる液晶層の形成は、通常の液晶セルを組
む方法に準じて行い得る。また、位置選択的位相差層１
６は位相差板の機械的加工、もしくは高屈折率誘電体の
配向制御により形成することが可能である。ホログラム
レンズの製法に付いては第２図を用いて説明する。第１
図における入射光束６１は第２図において物体光２６に
相当し、第１図における出射光束６２は第２図において
参照光２５に対応し、入射光束６１及び物体光２６間で
集光条件、位置関係などは同じである。

第２図における集光レンズ２３は第１図において界面１
２又は界面１４によるレンズに対応する。参照光及び物
体光はハーフミラ−２２を介して合成され、また、物体
光の焦点位置にはホログラム乾板２１が置かれ、物体光
と参照光の干渉パターンがホログラム乾板上に記録（露
光）される。この際、ハーフミラ−集光レンズなどの寸
法的な制約から、物体光を照射する位置を順次移動させ
つつ露光を繰り返す多重露光の手段を用いてもよい。そ
して、露光した後にホログラム乾板を現像すれば、第１
図に示したホログラム１８を得ることができる。

［実施例２コ 第３図によ施例１とは別の構造をとる偏光素子の構成断
面図を示す。等方性層３１は先の実施例１と同様に、屈
折率がｎｌである等方性透明材料よりなっており、片側
に断面形状が凹型である一方向集光性のレンチキュラー
レンズ状のパターンがアレイ状に配列されている。一方
、基板３４は屈折率がｎｌである平板状の等方性透明材
料よりなっている。上記２枚の基板１１、基板１５の間
隙１３には複屈折性層としてネマチック系液晶材料（常
光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ、但し、ｎｏ＜ｎｅで
ある）が挟持されており、上記３つの層における屈折率
の関係はｎ１＝ｎｏ＜ｎｅとなっている。この構成では
、界面３２における屈折率の関係から、界面３２におい
ては入射光のうち異常光成分１９のみが集光作用を受は
焦点を形成するが、常光成分は何等集光作用を受けず、
そのまま素子を透過する。したがって、この構造の素子
の場合、２種類ある偏光成分のうち片方の偏光成分のみ
が空間的に集光され（偏光成分の完全な空間分離は行な
われない）、λ／２位相差層３５を透過する。もちろん
、集光されない常光成分２０も同様にλ／２位相差層を
透過するため、先の実施例１のものと比べて一方向偏光
への変換効率は低くなる。λ／２位相差層３５を透過し
た光はホログラムレンズ３７により平行な光束に変換さ
れて出射される。この素子に用いるホログラムレンズは
、実施例１で示した方法により作製可能であり、第２図
で収束光と平行光とからなる合成光を物体光２６として
用い、ホログラム乾板を露光すればよい。

以上の２つの実施例では、界面に形成される集光レンズ
体として一方向集光性のリニアレンチキュラーレンズア
レイを用いたが、もちろん他の一般的な円形、楕円形レ
ンズを用いて構成したレンズアレイを用いてもよい。し
かし、光の一方向偏光への変換効率を高めるためには、
レンズ体を二次元的に最密充填し非レンズ部分が生じな
いようにすることが重要であり、そのことを考慮すると
レンズ形状をリニアレンチキュラー形状とすることは合
理的であると言える。また、上記実施例では複屈折性層
を形成する材料として液晶材料を用いたが、高い複屈折
率を有する材料であれば（例えば、配向状態を維持した
高分子材料等）、液晶材料に限定されることなく使用で
きることは明らかである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の偏光素子では、ランダム偏
光である入射光を偏光面が互いに直交する２つの直線偏
光成分に分離集光し、該分離集光された偏光の内、片方
の直線偏光の偏光面を回転させ他方の偏光の偏光面と一
致させた後、それらを再びホログラムレンズを用いて合
成するという構成をとることにより、はとんど光吸収を
伴うことなくランダム偏光から一方向性偏光への変換を
行なうことが可能である。また、光吸収をほとんど伴わ
ないことから、強い光線を入射させた場合にも、発熱に
よる自己破壊を招くことなく安定的に偏光変換を行ない
得る。

本発明の偏光素子は上記の特性を活かして、偏光を必要
とする各種表示素子、特に液晶表示素子、光アイソレー
タ、光スィッチ、光学フィルタや、それらを構成要素と
する各種光学機器等への幅広い応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の本発明の偏光素子の断面略図。第２
図は実施例１で用いたホログラムレンズの製造方法を示
す構成図。第３図は実施例２の本発明の偏光素子の断面
略図。 第４図はホログ ラム乾板への記録時の状態を示す原理図。第５図はホロ
グラムからの再生時の状態を示す原理図。 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ０ 基板（等方性層） 第１の界面 複屈折性層 第２の界面 基板（等方性層） λ／２位相差層 透明基板 ホログラムレンズ 異常光成分 常光成分 １ ２ ３ ４ ５ ６ ホログラム乾板 ハーフミラ− 集光レンズ 光源 参照光 物体光 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ 基板（等方性層） 界面 複屈折性層 基板（等方性層） λ／２位相差層 透明基板 ホログラムレンズ ４１・・・物体 ４２・・・物体光 ４３・・・記録光 ５ ト ホログラム 　２ ３ 参照光 ・虚像 ５４　・ 共役像 以上

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からのランダム偏光を、偏光面が互いに直交
   する２つの直線偏光に空間的な分離を行なうための複屈
   折性レンズによる偏光分離機構と、前記２つに分離され
   た直線偏光の偏光面を揃えるためにどちらか片方の直線
   偏光の偏光面を９０度回転させる機構と、該偏光方向が
   揃った２つの直線偏光を同一の光束に集光するための機
   構として光結合用ホログラムレンズとから構成されるこ
   とを特徴とする偏光素子。
2. （２）前記偏光素子を入射光束に垂直な面内に複数構成
   してアレイ化したことを特徴とする請求項１記載の偏光
   素子。