JPH04322213A - 偏光投光器 - 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】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、特殊照明に用いる、偏
光光を効率よく作る安価な投光器に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラス越しの照明や水面を通した照明、
また写真、グラビアなどの光沢面の照明では、光源の映
り込みがグレアとなって見るものに不快感を与え、観察
を妨げることがある。このような反射光、グレアの低減
には直線偏光の照明が役立つことが知られている。

【０００３】直線偏光の照明光は、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など）の光を偏光フィルターに通
すことによって得られている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながらこの方法
では偏光フィルターでの光の損失が大きいため、これが
明るさの低下と偏光フィルターの発熱の原因となる。ス
ポットライトのような投光器では、高輝度の電球から強
力な光束を作るため、特に偏光フィルターの発熱は大き
い。このため偏光照明光を得るためには偏光フィルター
での損失を補う明るさの通常（ランダム偏光の）光源と
、十分な放熱対策が必要になる。

【０００５】また使用される用途から考えて、このよう
な投光器として高価、大型の装置は受け入れられにくい
。従って投光器に付随する強制冷却装置は無いか、あっ
ても極力小規模なものが望まれる。

【０００６】一方、グレアの低減を目的とした照明器で
は必ずしも高い偏光度は必要とされず、例えばガラス越
しの照明器具では、ガラス表面での若干の反射光がガラ
スの存在を意識させる意味で安全上の理由からむしろ必
要である。

【０００７】本発明の目的は、偏光光を効率よく得るこ
とができ、且つ安価で小型の偏光投光器を実現すること
である。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の請求項１記載の
偏光投光器は、ビーム光源と、そのビーム光が斜めに入
射する少なくとも一枚の透明板と、透明板の反射光を偏
光の回転を伴って反射する偏光回転反射手段と、ビーム
光のうち透明板を透過した成分と、偏光回転反射手段に
よって偏光を回転された後再び透明板に入射して透過し
た成分との進行方向を揃える反射手段とを有するもので
ある。

【０００９】また、本発明の請求項２記載の偏光投光器
は、ビーム光源と、ビーム光が斜めに入射する少なくと
も一枚の透明板と、透明板の反射光を偏光の回転を伴っ
て反射する偏光回転反射手段と、ビーム光のうち透明板
を透過した成分と、偏光回転反射手段によって偏光を回
転された後再び透明板に入射し、透過した成分とが交わ
る位置に置かれた、両ビーム光の入射する面にプリズム
列を有する透明部材とを有し、この透明部材によって両
成分の進行方向が揃えられることを特徴とするものであ
る。

【００１０】さらに、請求項３に記載の偏光投光器は、
請求項１，２においてビーム光源から透明板へのビーム
光の入射角をブリュースター角に等しくすることによっ
て、偏光度及び効率を向上させたものである。

【００１１】また、請求項４，５，６記載の偏光投光器
は、請求項１，２，３に記載の偏光投光器の構成要素で
ある偏光回転反射手段を与えるものである。

【００１２】請求項４記載の偏光投光器は、上記偏光回
転反射手段が、多数の反射鏡面が平面上に隣接するもの
どうし互いに直行して隣接反射鏡面により形成される稜
線と直行する方向に多数配列されてなり、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列されてなるプリズム反射面であ
ることを特徴とするものである。

【００１３】請求項５記載の偏光投光器は、請求項４に
記載の偏光投光器の、反射手段の前に位相板を配置して
なるものである。

【００１４】請求項６記載の偏光投光器は、上記反射手
段が１／４波長板と平面鏡とを重ね合わせたものである
ことを特徴とするものである。

【００１５】

【作用】本発明では、光線が透明板に斜めに入射する際
、その反射率が光の偏光方向によって異なることを利用
して偏光の偏った二つの成分（反射成分と透過成分）に
分け、光線の入射ベクトル及び反射ベクトルを含む面に
平行な偏光面を持つ成分を多く含む反射光成分の偏光面
を９０゜回転させてからもう一方に合流させるものであ
り、偏光面を回転させる手段として、反射手段を用いる
。

【００１６】まず、本発明請求項１の作用を図２に平面
図を示した実施例を使って説明する。電球１の光は曲面
鏡２でビーム光とされ、重ねられた４枚の透明板３に入
射する。図５はビーム光の入射部を拡大したものである
。ここでｘｙ面に平行な偏光面の成分（以下ｓ偏光成分
と記す）とｘｙ面に垂直な偏光面の成分（以下ｐ偏光成
分と記す）の各面におけるエネルギー反射率Ｒｓ，Ｒｐ
、透過率Ｔｓ，Ｔｐは図５のη，γから以下の式で求め
られる。

【数１】

【数２】

【数３】

【数４】

【００１７】ここでη≠γであり、η≠０，γ≠０（斜
め入射の条件）からｓ偏光成分とｐ偏光成分の透過率，
反射率は異なり、従って透過光，反射光はｓ，ｐどちら
かの偏光成分を多く含むように偏っている。特にη＋γ
＝９０゜（ブリュースター角で入射）の時Ｒｐが０にな
って反射光はｓ偏光成分のみとなり、反射光の偏光度は
最も大きくなる。これは請求項３記載の偏光投光器の条
件である。

【００１８】一枚の透明板には表裏の二面が反射面であ
る。従って透明板一枚による反射率は多重反射の効果を
考慮して、Ｒｓ（ｐ）（透明板）＝２Ｒｓ（ｐ）／（１
−Ｒｓ（ｐ））と表される。更に透明板がｎ層になる場
合には以下の式で表される。

【数５】

【００１９】例えば透明板の屈折率ｎ＝１．５９、入射
角η＝６０゜で図５のように透明板４枚による反射率は
、Ｒｓ＝０．２０７，Ｒｐ＝７．１×１０−４からＲｓ
・ｔｏｔａｌ＝０．６７６，Ｒｐ・ｔｏｔａｌ＝０．０
０６となる。ちなみにブリュースター角は約５７．８゜
でその時Ｒｓ・ｔｏｔａｌ＝０．６４８、Ｒｐ・ｔｏｔ
ａｌ＝１．２×１０−６であるから、ブリュースター角
を中心に数度の範囲で偏光分離効果はあまりかわらない
ことがわかる。また透明板の数を増やせばＲｐ・ｔｏｔ
ａｌが増し透過光の偏光度は更に高まるが、この手法を
使って偏光を得る方法は既に公知である。

【００２０】この様にして透明板３の反射光はｓ偏光成
分を多く含み、上記の例ではほとんどｐ偏光成分を含ん
でいない。この反射光は１／４波長板４と平面鏡５によ
って偏光面を９０゜回転しつつ反射され再び透明板３に
入射する。上記したとうりｐ偏光成分の反射率は低いた
め、この光は透明板３を良く透過し、反射手段８で最初
の透過光と進行方向を揃えられる。この様にして得られ
た出力光は入射ビーム光のｓ偏光成分強度＝ｐ偏光成分
強度＝１として、平面鏡５の反射率＝Ｒｍ，１／４波長
板４による偏光回転効率＝Ｋ，反射手段８の反射率＝Ｒ
ｎとおくと ｓ偏光成分＝（１−Ｒｓ・ｔｏｔａｌ）｛１＋ＲｎＲｍ
［ＫＲｐ・ｔｏｔａｌ＋（１−Ｋ）Ｒｓ・ｔｏｔａｌ］
｝ ｐ偏光成分＝（１−Ｒｐ・ｔｏｔａｌ）｛１＋ＲｎＲｍ
［（１−Ｋ）Ｒｐ・ｔｏｔａｌ＋ＫＲｓ・ｔｏｔａｌ］
｝となる。これをＫ＝０．８，Ｒｍ＝Ｒｎ＝０．８５と
して上記の例に当てはめればｓ偏光成分＝０．３６、ｐ
偏光成分＝１．３８となり、ｐ偏光成分について約３８
％の効率アップが見込まれ、ｓ偏光成分はｐ偏光成分の
１／４程度に抑えられる。

【００２１】更に偏光度を増すためには透明板３の枚数
を増せば良いが、特に高い偏光度が必要とされる場合に
は出力光を偏光フィルターに通せば良い。この場合にも
単に偏光フィルターを通すのに比べ効率は改善され、ま
たｓ偏光成分が減じられているため偏光フィルターの発
熱も小さい。

【００２２】次に本発明請求項２の偏光投光器の作用を
図１に平面図を示した実施例を使って説明する。本実施
例の斜視図は図４のようになる。

【００２３】請求項１の偏光投光器と異なる点は、出力
光の進行方向を揃える手段として反射手段８の変わりに
透明部材６を使う点である。透明板３を透過した出力光
はそれぞれ透明板３の法線と角度ηをなしている。これ
らの光は透明部材６の片面に形成されたプリズムから図
６の経路を通って出力され合成光となる。ここで透明部
材に形成されるプリズムの頂角＝２φとすれば、図６よ
り ｎ＊ｃｏｓ３φ＝ｃｏｓ（φ＋η） の関係が成り立てばよい。

【００２４】ここで２φ＜６０゜（即ちη＜６０゜）に
なると図７に示すように、一部の光がプリズムの面で反
射せず損失となる。従って２φ≧６０゜（η≧６０゜）
であるのが好ましい。ただηが大きいほど透明部材６の
幅は広くとらねばならず、小型化の意味では好ましくな
い。この幅を抑える意味では２φ＝６０゜（η＝６０゜
）とするのが好ましい。

【００２５】図２の実施例における偏光回転反射手段は
１／４波長板４と平面鏡５で構成される。従って請求項
６の実施例でもある。図１０は、１／４波長板を使った
反射手段の斜視図であり、平面鏡５の前に１／４波長板
４をおいて構成される。入射光１３は平面鏡５で反射す
る前後に１／４波長板４を通過することによって偏光面
を９０゜回転した反射光１４となる。

【００２６】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波長依存性
を持ち、白色光を用いる場合にはやや不都合がある。こ
の波長依存性を小さくするために、異なる波長分散を持
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。

【００２７】平面鏡５は、金属ミラーでも良いし、誘電
体多層膜を使ったものでも良い。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
良い。

【００２８】ここで本発明の請求項４および５に記載さ
れている偏光回転反射手段についても説明する。

【００２９】図９は、請求項４に記載のプリズム反射面
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。

【００３０】面１１に入射した直線偏光光１３は、プリ
ズムの稜線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１１ａ、１１ｂが完全導体
の反射面であれば、１１ａ、１１ｂで反射した光１４の
成分Ｆｐ’の向きが反転し結果として１３に対して１４
は偏光面が９０°回転した光となる。

【００３１】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’の間に位相差Δを生
じ、また両者の振幅も異なり、反射光１４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
直行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。

【００３２】図８にプリズム反射面の例を示す。平面基
板１０の片面には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行しており、この隣接
反射鏡面により形成される稜線と直行する方向に多数の
反射鏡面が配列されている。該反射鏡面は基板面の放線
方向ｕに対し例えば４５°をなす。ここで隣接反射鏡面
の直行する条件は、面に垂直に入射した光が垂直に反射
する為に必要な条件であり、また該反射鏡面がｕとなす
角は４５°とするのが効率の面で最も好ましい。

【００３３】上記反射鏡面は、基板１０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１０として透明材料を用いれば、平面の側を入
射面として、プリズム面を裏面鏡として使うこともでき
る。

【００３４】更に基板９の屈折率が２１／２より大きけ
ればプリズム面を全反射面として使っても良い。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、一例として屈折率が１．４９の場合（
ＰＭＭＡ）にはΔ＝７０°である。これから偏光面の９
０°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６
７％となる。

【００３５】請求項５記載の装置は、上記プリズム反射
面に位相板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。

【００３６】図１１は、位相板１２とプリズム反射面１
０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’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１２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。位相板２２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
えば良い。

【００３７】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出来るが、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もの
が最も好ましい。例えば先のＰＭＭＡのプリズムを使う
場合にはΔ＝７０°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。

【００３８】このようにして本発明ではランダム偏光の
光源から比較的偏光度の低い偏光を得られ、この際一方
の直線偏光成分を捨てることなく利用するので効率がよ
く、また不要な発熱が少ない比較的小型の偏光投光器を
実現することができる。

【００３９】

【実施例】以下に、この発明を実施例に基づき具体的に
説明するが、この発明はその要旨を超えない限り以下の
例に限定されるものではない。

【００４０】図２，図１は、すでに説明したとおりそれ
ぞれ請求項１，２の実施例の平面図である。同図におい
て反射鏡７は電球１から発せられる拡散光９を反射し利
用するためのもので、これにより若干明るさを増すこと
が期待できるが必ずしも必要な物ではない。また同図に
おいて電球１と曲面鏡２によってビーム光源が構成され
ているが、もちろんコンデンサーレンズを使ったビーム
光源でも良い。

【００４１】また透明板３は薄いほどコンパクトにでき
枚数を増やし易いため、フィルム状のものを用いても良
いが、その場合は剛性が失われ平面を維持することが困
難になるため、最外層の二枚を厚みのある透明板とし、
間にフィルムをサンドイッチするようにすれば良い。

【００４２】透明板３の屈折率は高いほどｓ偏光成分の
反射率が高くなり、少ない枚数で偏光度を上げられるが
、同時にｐ偏光成分の反射率が高くならないように注意
しなければならない。この意味で請求項３のように入射
角がブリュースター角になるようにするのが確実である
。例えば図１で好ましい条件としてη＝３０゜とすると
き、これがブリュースター角になるためには透明板の屈
折率を１．７３にすれば良い。この付近の屈折率の材料
としては光学ガラスＬａＫ，ＬａＦなどがある。また重
要なのは透明板の表面の屈折率であるため、屈折率１．
５〜１．６程度の安価なガラス板やポリエステルフィル
ム等に適当な屈折率の物質をコーティングして使っても
良い。

【００４３】また、図３は請求項１の他の実施例の平面
図で、図２の反射手段８の位置を変えたものである。

【００４４】

【発明の効果】本発明の偏光投光器は、透明板に光を斜
入射するとき、反射光，透過光が部分的に偏光すること
を利用し、反射光の偏光面を９０゜回転して透過光に加
えることによって、偏光度の低い偏光光を効率よく得る
ことができ、これによって安価で小型の偏光投光器を実
現することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明による請求項２の実施例の平面図であ
る。

【図２】この発明による請求項１の実施例の平面図であ
る。

【図３】この発明による請求項１の実施例の平面図であ
る。

【図４】この発明による図１の実施例の斜視図である。

【図５】この発明の構成要素である透明板の部分平面図
であり、透明板３による透過光、反射光が部分的に偏光
していることをしめす原理図である。

【図６】この発明による請求項２の構成要素である透明
部材の部分平面図である。

【図７】この発明による請求項２の構成要素である透明
部材の部分平面図である。

【図８】この発明による請求項４に記載のプリズム反射
面例の概略図である。

【図９】この発明による請求項４に記載のプリズム反射
面で偏光面が９０゜回転した成分が得られる原理を説明
する説明図である。

【図１０】この発明による請求項６に記載の１／４波長
板と平面鏡を重ねてなる反射面の例を示す斜視図である
。

【図１１】この発明による請求項５に記載の、プリズム
反射面の前に位相板をおいてなる反射面の例を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１　　　　　　　　　　光源（電球） ２　　　　　　　　　　曲面鏡 ３　　　　　　　　　　透明板 ４　　　　　　　　　　１／４波長板 ５　　　　　　　　　　平面鏡 ６　　　　　　　　　　透明部材 ７　　　　　　　　　　反射手段 ８　　　　　　　　　　反射手段 ９　　　　　　　　　　拡散光成分 １０　　　　　　　　プリズム反射面 １１　　　　　　　　反射面 １２　　　　　　　　位相板 １３　　　　　　　　入射光 １４　　　　　　　　反射光

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ビーム光源と、該ビーム光源からのビ
   ーム光が斜めに入射する少なくとも一枚の透明板と、該
   透明板の反射光を偏光の回転を伴って反射する偏光回転
   反射手段と、該ビーム光のうち透明板を透過した成分と
   、該偏光回転反射手段によって偏光を回転された後再び
   該透明板に入射して透過した成分との進行方向を揃える
   反射手段と、を有する偏光投光器。
2. 【請求項２】　　ビーム光源と、該ビーム光源のビーム
   光が斜めに入射する少なくとも一枚の透明板と、該透明
   板の反射光を偏光の回転を伴って反射する偏光回転反射
   手段と、該ビーム光のうち透明板を透過した成分と、該
   偏光回転反射手段によって偏光を回転された後再び透明
   板に入射して透過した成分とが交わる位置に置かれた、
   両ビーム光の入射する面にプリズム列を有する透明部材
   と、を有して該透明部材によって両成分の進行方向が揃
   えられることを特徴とする偏光投光器。
3. 【請求項３】　　上記ビーム光源から透明板へのビーム
   光の入射角がブリュースター角に等しいことを特徴とす
   る請求項１または２に記載の偏光投光器。
4. 【請求項４】　　上記偏光回転反射手段が、多数の反射
   鏡面が平面上に隣接するものどうし互いに直行して該隣
   接反射鏡面により形成される稜線と直行する方向に多数
   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
   列されてなるプリズム反射面であることを特徴とする請
   求項１、２または３に記載の偏光光源装置。
5. 【請求項５】　　上記反射手段の前に位相板を配置して
   なる、請求項４に記載の偏光光源装置。
6. 【請求項６】　　上記反射手段が、１／４波長板と平面
   鏡とを重ね合わせたものであることを特徴とする請求項
   １、２または３に記載の偏光光源装置。