JPH0458215A - 偏光作成光学装置 - 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］ 本発明は、ランダムな偏光特性を持ったビーム光を直線
偏光に変える装置に関する。

［従来技術１ 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）に直線偏光のビーム光が役立つことが知られて
いる。

この様な直線偏光は、従来ランダムな偏光特性の光源（
例えばタングステンランプ、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）の光を偏光板に通
すことによって作られているが、この際に光源光のうち
透過光の偏光面と垂直な成分がカットされるため、利用
できる透過光は光源光の高々５０％である。

このように、偏光板を用いた方法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、ま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”回転させてからもう一方に合流させる方
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６３−１１１７１０１号公報、特開昭
６３−２７１３１３号公報、実開昭６３−１５０９２２
号公報、特開昭６３−１６８６２２号公報がある。

上記特開昭６３−１９７９１３号公報及び実開昭６３−
１８７１０１号公報では、偏光ビームスプリッタ−で分
けられた一方の成分を２つの反射面で反射させて偏光面
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持たない点で好ましい。しか
しながら、反射光の光路を確保するために装置のサイズ
が大きくなり、この点では好ましくない。

また、上記特開昭６３−２７１３１３号公報及び実開昭
６３−１５０９２２号公報のものは、装置サイズが大き
い点で好ましくない。

また、上記特開昭６３−１６８６２２号公報では、偏光
面の回転にＴＮ液晶を用いており、比較的小型の装置で
、かつ極めて簡単な構造で前記の機能を実現しており、
この点で好ましい。しかし、偏光ビームスプリッタ−で
反射したＳ偏光成分と偏光ビームスプリッタ−を透過し
た後に偏光面を回転したｐ偏光成分とが、空間的に分か
れて出射ビームを構成するために、ビーム幅が入射ビー
ム幅の倍になり、また偏光回転成分には液晶層を通過す
る際に若干の減衰があるため、出射ビームに明るさのむ
らを生じるという欠点がある。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の解決しようとする課題は、ランダム偏光のビー
ム光から効率よ（直線偏光を作る際に、ビーム幅の拡大
がなく、出射ビームに明るさのむらが生じない装置を提
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に記載の偏光作成光学装置は、 光源からの光のうち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−からの反射光及び透
過光のうちの一方を通過させて偏光面の９０°回転した
光成分を得る透過手段と、該透過手段の通過光と上記偏
光ビームスプリッタ−からの反射光及び透過光のうちの
他方との進行方向を揃えて合成するため片面にプリズム
列を有する第１プリズム形成板と、上記偏光ビームスプ
リッタ−からの反射光及び透過光のうちの一方の一部と
上記偏光ビームスプリッタ−からの反射光及び透過光の
うちの他方が上記透過手段を通過した光の一部とを反射
させ上記第１プリズム形成板へと導く一対の反射体とか
らなる偏光部と、 上記第１プリズム形成板により進行方向を揃えられた光
の少な（とも一部を反射させる反射面と、該反射面での
反射光と上記第１プリズム形成板により合成された光の
他部との進行方向を揃えて合成するためのものであって
片面にプリズム列を有する第２プリズム形成板とからな
る光ビーム合成部と、 を有することを特徴とする 請求項２に記載の偏光作成光学装置では上記透過早段が
１／２波長板であり、また請求項３に記載の偏光作成光
学装置では上記透過手段がＴＮ液晶セルである。

［作用］ 本発明の偏光作成光学装置は、光源からの光を偏光ビー
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、偏光面を
９０″″回転させる機能を持つ透過手段を用いる。

この様な透過手段の例として、１／２波長板を挙げるこ
とができる。該局波長板は、その光学軸が入射光の偏光
面と４５゛の角度をなすように配置される。１／２波長
板としては、雲母、水晶等の無機物の結晶を所定の厚さ
に成形したものや、ポリカーボネートやポリエステル等
の複屈折を示す高分子フィルムを所定の倍率に延伸した
もの等が使用できる。但し、この１／２波長板の偏向面
回転の作用は波長依存性を持つので、白色光を用いる場
合には不利がある。

また、上記透過手段の例としては、ＴＮ液晶セルを挙げ
ることができる。該ＴＮ液晶セルは、ラビング等によっ
て一軸配向処理を行った一対の透明基板を、配向軸が互
いに直交する様に向かい合わせ、これらの間にネマティ
ック液晶を充填させたもので、液晶分子の分子軸はこれ
らの基板間で９０°捩れたヘリカル構造を形成し、入射
偏光光の偏光面をこのヘリカル構造に沿って回転させる
ものである。

以上の様にして得られた偏光面回転成分と偏光ビームス
プリッタ−で分離されたもう一方の成分とを第１プリズ
ム形成板により進行方向を揃えて総合ビーム幅を減少さ
せる様に合成する。但し、上記偏光面回転成分の一部と
偏光ビームスプリッタ−で分離されたもう一方の成分の
一部とを上記第１プリズム形成板に入射する前に反射体
により偏向せしめる。そして、該第１プリズム形成板か
らの出射光ビームを、第２プリズム形成板を含む光ビー
ム合成部において、総合ビーム幅を減少させる様に再合
成する。こうすることによって、偏光作成によるビーム
幅の拡大をな（すことができる。

また、マイクロプリズムを並べてなるプリズム形成板を
使うことによって、出射光ビームにおける明るさむらの
発生を避けることができる。

［実施例］ 以下、本発明の詳細な説明する。

第１図は請求項１．２の実施例の平面図であり、第１０
図はその斜視図である。

尚、以下に説明する実施例において、１／２波長板をＴ
Ｎ液晶セルに置き換えたものが、請求項１゜３の実施例
に相当する。

第１図の実施例において、光源５の光は曲面鏡６で平行
光にされ、偏光ビームスプリッタ−３に角度４５’で入
射し、ｐ偏光の成分は偏光ビームスプリッタ−３を透過
して１／２波長板４で偏光面の９０゛回転を受けてＳ偏
光に変換されて通過し、一方Ｓ偏光の成分は偏光ビーム
スプリッタ−３で反射せしめられる。偏光ビームスプリ
ッタ−３により分離され出射する２つの光は、それぞれ
半分がそのまま且つ他の半分が反射鏡８での反射で９０
°偏向せしめられて、第１プリズム形成板２に入射し屈
折して出射する。ここで、第１プリズム形成板２の各小
プリズムの形状及び屈折率を適宜選択することにより、
出射光を平行に揃えることができる。上記偏光ビームス
プリッタ−３、％波長板４、第１プリズム形成板２及び
反射鏡８により偏光部が構成される。

以上の様にして第１プリズム形成板２から出射した光の
うち、該第１プリズム形成板２０半分から出た光部分は
第２プリズム形成板１全体に４５°の角度で入射し、該
第２プリズム形成板２で屈折して出射する。また、第１
プリズム形成板２の他の半分から出た光部分は、反射鏡
７全体に４５°の角度で入射し、反射により９０°偏向
せしめられ、上記第２プリズム形成板１全体に４５゜の
角度で入射し、該第２プリズム形成板２で屈折して出射
する。ここで、第２プリズム形成板１の各小プリズムの
形状及び屈折率を適宜選択することにより、上記２つの
出射光を平行に揃えることができる。該第２プリズム形
成板１からの出射光のビーム幅は光源からの入射光のビ
ーム幅と同一になる。上記反射鏡７及び第２プリズム形
成板１により光ビーム合成部が構成される。

第６図は上記第１プリズム形成板２または上記第２プリ
ズム形成板１における光通過の様子を示す概略図であり
、本図から分かる様に、プリズム形成板１．２の法線方
向に光を出射させるためには、小プリズム面がプリズム
形成板の法線方向となす角度θを下記式（１）、（２）
を満たす様に選べばよい。

ｎ　５ｉｎａ＝　ｓｉｎβ　　　　　　　＠−−（１）
ｎ　ｃｏｓ　（ａ　＋θ）　＝　ｃｏｓθ　　　−−−
（２）なお、ここでｎはプリズム形成板１．２の屈折率
である。

上記βはプリズム形成板１．２への入射角であり、４５
°であるから、上記式（１）、（２）から、 ５ｉｎａ＝　　１／（ｎ　−２””）　　　　　　　・
・・（３）ｔａｎθ＝　（２０２４）　Ｉ／１−２１／
ａ　　　・・・（４）であり、θ〉Ｏであるから、上記
式（４）より。

ｎ　＞　（３／２）　””でなければならないことがわ
かる。

そして、α≧θとなる様にθを選択するのが好ましい。

もし、α〈θであれば、第８図（ａ）に示すように、入
射光１２の一部１３がプリズムの反対の傾斜の面に反射
して方向を変え、平行な出射光とならないため、効率の
低下をまねき好ましくない。第８図（ｂ）に示すように
損失光を生じないためには、上記式（３）から、 ｔａｎａ　＝　　（ｓｉｎ”ａ／（１−ｓｉｎ”ａ））
””＝１／（２ｎ”　−１）”” であり、またα≧θからｔａｎα≧ｔａｎθであり、こ
れらと上記式（４）とから、 ｎ≦（（３＋３’／”　）／２）””＝１．５３８・・
・（５） となり、これがプリズム形成板の好ましい屈折率の範囲
である。但し、ｎが上記式（５）の範囲より大きくなっ
て、第８図（ａ）のように損失光が生じても、α崎θで
あれば、効率は急激には低下しない。

更に、θは小さいほど屈折角が大きく、光ビームの広が
り角を拡大する効果が大きくなるため、集光効率が低下
するので、この観点からは上記式（５）の等号が成り立
つように選ぶのがよい。

尚、偏光ビームスプリッタ−３により分離され出射する
２つの光（そのうちの一方は１／２波長板４を通過して
いる）は、偏光ビームスプリッタ−の偏光特性や局波長
板の偏光面回転特性（１／２波長板のかわりにＴＮ液晶
セルを用いる場合には該ＴＮ液晶セル通過の際の減衰）
等によって、強度やスペクトルがやや異なることがある
。しかし、第２プリズム形成板１において、これらが混
合されるため、ここからの出射光には不均一は殆どない
。

上記第１図の実施例に用いられる反射鏡７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が、入
射角及び反射角が４５°であることを利用して、第７図
のように屈折率が２１／濡以上の透明板の片面に直角プ
リズムの列を形成したもの７を用いて、全反射鏡とする
こともできる。

第５図（ａ）、（ｂ）の実施例では、同様に全反射鏡を
利用している。第５図（ｂ）の実施例では、直角プリズ
ム１１をそのまま使っている。第５図（ａ）の実施例で
は、直角プリズムの光出射面に細かな直角プリズムの列
を形成したもの１０を第１プリズム形成板２からの全出
射光の導光体として用いている。

同様の手法を反射鏡８にも適用することができる。

上記第１図の実施例において、第２プリズム形成板１と
反射鏡７との位置を入れ替えることにより、入射光方向
と直交する方向に光ビームを出射させることができる。

また、光源及び曲面鏡の位置をそれぞれ５“、６゛の位
置に変えると、出射光はｐ偏光となる。

そして、上記５，５゛の位置にそれぞれ異なる色の光源
を置き偏光面の異なる色の光を出射させたり、上記５，
５゛の位置に同一の色の光源を置きスイッチ切換え（ど
ちらか一方をＯＮとする）により偏光面を瞬時に切換え
たり双方の光源の明るさを変化させて偏光度を連続的に
変化させたりすることもできる。但し、１／２波長板の
かわりにＴＮ液晶セルを用いる場合には、該ＴＮ液晶セ
ルへの入射偏光面及び出射偏光面を特定しなければなら
ないので、この様な特殊な効果は得られない。

ＴＮ液晶セルを用いる請求項３の実施例は、該ＴＮ液晶
セルの通過光の損失を少なくしたり温度特性に注意した
すすべきである等の取扱上の難点があるが、偏光面を回
転させる性質が波長依存性を持たないので白色光への適
用が有利であるという利点がある。

局波長板を用いる請求項２の実施例は、偏光面の回転効
率が波長依存性を持つけれども、可視光全域にそこそこ
の効果（８０％以上）を示し、白色光にも適用すること
ができる。

上記実施例では、偏光ビームスプリッタ−としてプリズ
ム型のものが用いられている。該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。なお
、ここで言う偏光多層膜とは、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ように交互に
積層されてなる誘電多層膜である。

第９図は偏光ビームスプリッタ−としてミラー型のもの
を用いた実施例の平面図である。

該ミラー型偏光ビームスプリッタ−１４は、透明板上に
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。このタイプはカバーできる波長帯域が狭
いので単色光に使用が限定されるが、平板状であるため
軽量化できるという利点がある。

また、第２図の実施例は、プリズム型偏光ビームスプリ
ッタ−の広帯域性を利用し、第２プリズム形成板１を２
枚と、グイクロイックミラー９ａ、９ｂとを使って、更
に色分離の機能を持たせたものである８例えば、９ａを
赤を透過し緑、青を反射するミラー、９ｂを緑、青を透
過し赤を反射するミラーとすれば、それぞれ赤とシアン
の偏光光が得られる。

次に、第３図及び第４図はいずれも複数の偏光ビームス
プリッタ−３と複数の％波長板４とを用いることにより
、全体の大きさ及び重量を減少させ小型軽量化を図った
実施例である。

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言うまでもない。

［発明の効果］ 以上説明したように、本発明装置は、ランダム偏光の光
源から小型の簡単な装置を使って、ビーム幅を拡大させ
ることなしに、直線偏光の光を効率よく作ることを可能
にした。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図、及び第９図はいずれも本発明の偏光作
成光学装置の平面図である。 第５図は本発明の偏光作成光学装置の部分平面図である
。 第６図及び第８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。 第７図は反射鏡の例を示す図である。 第１０図は本発明の偏光作成光学装置の斜視図である。 第２プリズム形成板、 第１プリズム形成板、 １４：偏光ビームスプリッタ− １／２波長板、 ５゛　：光源、　６，６°　：凹面鏡、７．８：反射鏡
、 ９ａ、９ｂ：ダイクロイツクミラ− １０：導光体、　　　１１：直角プリズム、１２：入射
光、　　　１３：損失光。 代理人　弁理士　　山　下　積　子 箱 図 第４ 図 第 図 第 図 ＼ 第 図

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からの光のうち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
   及び透過光のうちの一方を通過させて偏光面の９０゜回
   転した光成分を得る透過手段と、該透過手段の通過光と
   上記偏光ビームスプリッターからの反射光及び透過光の
   うちの他方との進行方向を揃えて合成するため片面にプ
   リズム列を有する第１プリズム形成板と、上記偏光ビー
   ムスプリッターからの反射光及び透過光のうちの一方の
   一部と上記偏光ビームスプリッターからの反射光及び透
   過光のうちの他方が上記透過手段を通過した光の一部と
   を反射させ上記第１プリズム形成板へと導く一対の反射
   体とからなる偏光部と、 上記第１プリズム形成板により進行方向を揃えられた光
   の少なくとも一部を反射させる反射面と、該反射面での
   反射光と上記第１プリズム形成板により合成された光の
   他部との進行方向を揃えて合成するためのものであって
   片面にプリズム列を有する第２プリズム形成板とからな
   る光ビーム合成部と、 を有することを特徴とする、偏光作成光学装置。
2. （２）上記透過手段が１／２波長板である、請求項１に
   記載の偏光作成光学装置。
3. （３）上記透過手段がＴＮ液晶セルである、請求項１に
   記載の偏光作成光学装置。