JPH1096815A - シート状偏光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 従来偏光板のように光吸収二色性を利用せず
にランダム偏光から一方向の偏光のみを取り出す偏光素
子において、光吸収なしにランダム偏光を一方向のみの
偏光に変換することで、光利用効率が高く、光源の吸収
発熱による偏光特性の熱劣化がないシート状偏光素子を
得る。 【解決手段】 直角三角形状に互い違いに重なり合った
連続的に加工された屈折率の異なるプリズムにおいて、
互いのプリズムの傾斜面間に高屈折率層／低屈折率層を
交互に積層した誘電体多層膜を入射光源に対してほぼブ
リュースター角近傍になるように傾斜させ配置し、入射
させたランダム偏光をＰ偏光とＳ偏光に分離させた後
に、反射光のＳ偏光のみを入射光と平行な互いのプリズ
ム面に配置した１／２波長板を介してＰ偏光に変換さ
せ、透過Ｐ偏光と変換されたＰ偏光をそれぞれ取り出す
ことで、ランダム偏光から一方向に偏光した直線偏光を
光損失なしに取り出すことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、非偏光光から一方
向の偏光成分のみを生成する機能を備えたシート状偏光
素子に関する。本発明のシート状偏光素子は偏光光束を
必要とする任意の用途に使用され得るが、特に、液晶表
示素子のバックライト側に配置される偏光板に用いて有
利なものである。

【０００２】

【従来の技術】ワードプロセッサやデスクトップパソコ
ン等のＯＡ機器の表示装置の主流であるＣＲＴは、薄型
軽量、低消費電力という大きな利点を持った液晶表示素
子に変換されつつある。

【０００３】液晶表示素子は捻れた液晶を基板で保持し
たセルとその両側に直交に配置した偏光板によって構成
されている。従来、偏光板としてはヨウ素系または色素
系・染料系偏光板が代表的であるある。偏光板は互いに
直交する偏光成分のうち、一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。バックライトより出射される非偏光光
は、偏光板により直線偏光に変換され、液晶セル内を液
晶分子の捻れに沿って旋光するために、出射側の偏光板
で光吸収を受けず表示光として出射される。一方セルに
電圧を印可すると液晶が電界方向に配向し捻れがなくな
るために、セルを透過した偏光は出射側偏光板で光吸収
される。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
偏光板では光吸収二色性を利用しているため光の利用効
率が理論的に５０％以上にはならず光源のロスが大きい
ために、液晶表示素子における光の利用効率は数％にす
ぎない。その結果、高輝度な表示を得るために消費電力
の大半はバックライトシステムに利用されている。更
に、従来偏光板は光吸収にともなう発熱作用により偏光
板自体が熱破壊し、偏光特性の劣化も生じていた。本発
明は、上記従来技術の課題を解決するもので、光吸収な
しに非偏光光から一方向の直線偏光を生成する機能を有
する光源の光利用効率の高いシート状偏光素子を提供す
ることを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明のシート状偏光素
子は、光源より出射された非偏光光を偏光に変換する単
位が、連続的に加工されたシート状偏光素子であって、
前記単位が、前記非偏光光を導光する部分と、前記非偏
光光の一部分を互いに偏光面が直交する反射光及び透過
光に分割する部分と、前記反射光の偏光面を変換させて
透過光の偏光面と一致させる変調部を有していることを
特徴とする。

【０００６】ここで、前記分割部の断面形状が、非偏光
光の入射する面側が直角三角形状プリズムが連続に加工
された形状であり、かつ、前記直角三角形プリズムが非
偏光光の進行方向に平行な面と非偏光光の入射角に対し
てブリュースター角条件を近似的に満たすように傾斜さ
れた面からなる三角波形状であり、傾斜された面上に高
屈折率と低屈折率の各層が交互に積層された誘電体多層
膜が配置されており、前記変調部が直角三角形プリズム
の非偏光光進行方向と平行な面の間に設けられた１／２
波長板であるとよい。

【０００７】また、前記分割部の断面形状が、直角三角
形状プリズムが互い違いに重なった形状であり、かつ、
前記直角三角形状プリズムの屈折率が光線入射面をなす
前記プリズムの屈折率より光線出射面をなす前記プリズ
ムの屈折率が大きく、前記直角三角形プリズムが非偏光
光の進行方向に平行な面と非偏光光の入射角に対してブ
リュースター角条件を近似的に満たすように傾斜された
面からなる三角波形状であり、傾斜された面上に高屈折
率と低屈折率の各層が交互に積層された誘電体多層膜が
配置されており、誘電体多層膜の高屈折率層の屈折率と
光線出射面をなすプリズムがの屈折率がほぼ同様であ
り、誘電体多層膜の低屈折率層の屈折率と光線入射面を
なすプリズムの屈折率がほぼ同様である誘電体多層膜で
あり、前記変調部が前記偏光分割部の低屈折率直角三角
形プリズムと高屈折率直角三角形プリズムの互いの非偏
光光進行方向と平行な面の間に設けられた１／２波長板
であるとよい。

【０００８】また、前記分割部で誘電体多層膜の高屈折
率層／低屈折率層の繰り返し単位が少なくとも１つ以上
であるとよい。

【０００９】また、前記分割部で分割された反射偏光光
が前記変調部により変調され前記分割部の傾斜面に入射
する角度が前記分割部の反対側の外部媒体に対し臨界角
以上であるとよい。

【００１０】本発明のシート状偏光素子において偏光面
が一致した透過光と反射光が出射する面に、出射光の偏
光面と偏光板の偏光軸が一致するように偏光板が設けら
れていてもよい。

【００１１】

【発明の実施の形態】本発明のシート状偏光素子に入射
する非偏光光は、偏光分割部の傾斜面上の誘電体多層膜
にブリュースター角で入射するためにＰ偏光は透過光と
して偏光分割部を透過し、一方Ｓ偏光は誘電体多層膜に
おいて反射光となる。反射Ｓ偏光は連続で隣り合う偏光
分割部に設けられた変調部において１／２波長分位相が
変調しＳ偏光からＰ偏光に変換され、更に、偏光分割部
傾斜面で全反射し偏光素子裏面から出射する。

【００１２】つまり、本発明のシート状偏光素子によ
り、透過光をＰ偏光で出射させ反射光をＳ偏光からＰ偏
光に変換した後に出射させることにより光エネルギーを
損失させることなしに非偏光光を一方向偏光に光利用効
率を高く変換させることができる。また、本発明の偏光
素子の偏光出射面に偏光面と偏光軸が一致するように偏
光板を設置することにより消光比が高く光利用効率の高
い偏光光を得ることができる。

【００１３】

【実施例】次に、実施例に基づき本発明を詳細に図面を
参照して説明する。但し、本発明は以下の実施例に限定
されるものではない。

【００１４】図１は本発明のシート状偏光素子の第１の
実施例を示す、図は連続的に加工されたシート状偏光素
子の隣り合う２個の偏光素子単位の構成図である。

【００１５】本実施例のシート状偏光素子の構成単位は
非偏光光１０を偏光分割する偏光分割プリズム２０と偏
光分割プリズムと斜面同士が重なり合う直角三角形状の
導光プリズム３０と偏光分離プリズム上に形成された誘
電体多層膜４０と偏光分離された反射偏光の位相を変調
するための偏光面変調部５０からなり、シート状偏光素
子は偏光素子構成単位が連続的に加工された形状を有し
ている。

【００１６】偏光分割部は、非偏光光１０の入射角がほ
ぼブリュースター角になるように傾斜している傾斜面２
１上の誘電体多層膜４０と一方向に偏光を出射する出射
面２２を有する高屈折率偏光分割プリズム２０と非偏光
光１０の入射角が直角な入射面３２と誘電体多層膜４０
と同様な傾きの傾斜面３１を有する低屈折率直角三角形
状導光プリズム３０とからなり、非偏光光１０を誘電体
多層膜４０を介した傾斜面２１と傾斜面３１の界面にお
いて、互いに偏光面が直交する透過光と反射光に分割す
る分割部として機能する。ここで、誘電体多層膜４０を
介した傾斜面２１と傾斜面３１の界面は界面に対して垂
直な振動面を有するＰ偏光１１を透過し、界面に対して
平行な振動面を有するＳ偏光１２を反射する特性を有
し、互いに振動面の直交したＰ偏光とＳ偏光を分割する
分割部として機能する。

【００１７】また、偏光分割部で分割された反射光が変
調部により変調され偏光分割プリズムの傾斜面２１の裏
面の傾斜面２３に入射する角度が偏光分割プリズム２０
の反対側の外部媒体（誘電体多層膜の低屈折率層４２）
に対し臨界角以上であり、反射光を全反射する全反射面
として機能する。

【００１８】偏光変調部は、低屈折率導光プリズム３０
と偏光分離プリズム２０の非偏光光に対し平行な互いの
面（面３４と面２４）の間に設けられた１／２波長板５
０であり、誘電体多層膜４０及び傾斜面２１で反射した
反射光の偏光面を変換させて透過光の偏光面と偏光面を
一致させる位相変調部として機能する。ここで、誘電体
多層膜４０の光線入射面及び傾斜面２１に対して平行な
振動面を有する反射Ｓ偏光の位相を１／２波長分変調さ
せてＰ偏光１３に変換する特性を有し、入射直線偏光の
位相を半波長変換し入射光偏光面と直交した出射直線偏
光に変換する変調部として機能する。

【００１９】次に、本実施例のシート状偏光素子の動作
について説明する。

【００２０】ランダムな偏光を有する入射光（非偏光
光）１０は低屈折率直角三角形状導光プリズム３０を介
して誘電体多層膜４０に入射する。入射光１０は高屈折
率層４１にほぼブリュースター角で入射するために入射
面に平行な振動面を有するＳ偏光１２と入射面に垂直な
振動面を有するＰ偏光１１及び未分離のＳ偏光１４とに
分離される。Ｐ偏光１１及びＳ偏光１４は誘電体多層膜
４０を透過する過程で構成する低屈折率層４２と高屈折
率層４１の界面においてＳ偏光の分離を繰り返す。Ｐ偏
光１１は偏光分離プリズム２０に入射し出射面２２から
Ｐ偏光として出射される。

【００２１】一方Ｓ偏光１２及び１４は誘電体多層膜４
０及び傾斜面２１で反射分離され外部媒体（導光プリズ
ム３０）を透過して１／２波長板５０に入射する。Ｓ偏
光１２及び１４は１／２波長板５０で位相変調され位相
が１／２波長分変調して振動面が入射光の振動面から９
０°変換されたＰ偏光１３として１／２波長板５０を出
射し、隣り合う偏光分離プリズム２０に入射する。位相
変調された反射光はＰ偏光１３として傾斜面２３に入射
する。Ｐ偏光入射角は偏光分割プリズム２０の反対側の
外部媒体（誘電体多層膜４０を構成する低屈折率層４
２）に対し臨界角以上であるために傾斜面２３で全反射
し出射面２２からＰ偏光として出射される。

【００２２】したがって、本実施例の導光部、偏光分割
部及び位相変調部が連続で加工されたシート状偏光素子
を用いることにより、ランダム偏光光１０を偏光分割部
でＰ偏光１１とＳ偏光１２、１４に分割し、更にＳ偏光
１２、１４を位相変調部５０でＰ偏光１３に変換させる
ことで、光損失なく出射面２２からＰ偏光として出射さ
せることができる。

【００２３】次に、本実施例のシート状偏光素子の各構
成部の材料について説明する。

【００２４】入射側低屈折率直角三角形状導光プリズム
３０及び出射側偏光分割プリズム２０は、プラスチック
またはガラスなどで構成することができるが、加工の自
由度を考慮するとプラスチックで構成した方が好まし
い。誘電体多層膜４０は高屈折率層４１と低屈折率層４
２の交互積層であり、無機物、無機酸化物、有機低分子
または高分子コーティング膜などで構成することができ
るが、光学的平滑性が良好で光学的な透明性が良好な材
料であることが好ましい。

【００２５】位相変調部である１／２波長板５０は、延
伸した高分子フィルム、一方向に分子長軸を配向させた
低分子液晶、側鎖型高分子液晶、主鎖型高分子液晶の厚
みを一定に制御したもの、無機酸化物、二色性有機分子
を斜方蒸着等のドライプロセスで製膜したもの、雲母や
水晶等の結晶性のもので、入射する光束に対して１／２
波長の位相変化を与えるもので構成されることが好まし
く、更に、可視光域で光学的位相差の波長分散が非常に
小さいもの、若しくは無いもので構成されることがより
好ましい。

【００２６】図２は、本発明のシート状偏光素子の第２
の実施例を示す、図は連続的に加工されたシート状偏光
素子の隣り合う２個の偏光素子単位の構成図である。

【００２７】本実施例のシート状偏光素子が図１に示し
たシート状偏光素子と異なる点は、偏光分離プリズムの
出射面２２に側に、出射されるＰ偏光１１及びＰ偏光１
３の偏光振動方向と偏光板６０の偏光軸が一致している
点である。すなわち、本実施例のシート状偏光素子で
は、第１の実施例同様な動作により、ランダム偏光１０
を光損失なしにＰ偏光に変換した後に、偏光板６０で更
にＰ偏光と直交したＳ偏光成分を光吸収二色性によりカ
ットすることで、消光比が高く、更に透過光強度の高い
Ｐ偏光を出射することができる。

【００２８】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のシート状
偏光素子を用いることにより、非偏光光源の利用効率の
高い偏光素子が得られ、高輝度の偏光を得る際に光源電
力の省力化がはかれる。また、本発明のシート状偏光素
子は従来の偏光板とは異なり、本質的に光吸収がないた
めに、強い光線を入射させた場合にも、発熱による偏光
性能の劣化をまねくことなしに安定な偏光機能を提供で
きる。本発明のシート状偏光素子は上記の特徴を活かし
て、偏光を必要とする各種表示素子、特に液晶表示素
子、光スイッチ、光学フィルターや、それを構成要素と
する各種光学測定機器など、広範囲の応用が可能であ
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明のシート状偏光素子の第１の実施例を
示す、シート状偏光素子の隣り合う２個の偏光素子の構
成図である。

【図２】 本発明のシート状偏光素子の第２の実施例を
示す、シート状偏光素子の隣り合う２個の偏光素子の構
成図である。

【図３】 図１に示した単位を連続的に加工したシート
状偏光素子の一構成例を示す部分図である。

【図４】 図２に示した単位を連続的に加工したシート
状偏光素子の一構成例を示す部分図である。

【符号の説明】

１０ ランダム光源 １１ Ｐ偏光 １２ Ｓ偏光 １３ 位相変調Ｐ偏光 １４ 未分離Ｓ偏光 ２０ 偏光分離プリズム ２１ 偏光分離プリズムの傾斜面 ２２ 偏光分離プリズムの出射面 ２３ 変換されたＰ偏光の入射する傾斜面 ２４ 偏光分離プリズムの光源と平行な面 ３０ 入射側プリズム ３１ 入射プリズム傾斜面 ３２ 光源入射面 ３３ 入射側プリズム傾斜面の内側面 ３４ 入射側プリズムの光源と平行な面 ４０ 誘電体多層膜 ４１ 高屈折率層 ４２ 低屈折率層 ５０ １／２波長板 ６０ 偏光板 θＢ 光源の偏光分離プリズムへの入射角 θ１ 変調部で変換された偏光の偏光分離プリズム傾斜
面の裏面への入射角

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 光源より出射された非偏光光を偏光に変
   換する単位が、連続的に加工されたシート状偏光素子で
   あって、前記単位が、前記非偏光光を導光する部分と、
   互いに偏光面が直交する反射光及び透過光に分割する部
   分と、前記反射光の偏光面を変換させて透過光の偏光面
   と一致させる変調部を有することを特徴とするシート状
   偏光素子。
2. 【請求項２】 前記分割部の断面形状が、非偏光光の入
   射する面側が直角三角形状プリズムが連続に加工された
   形状であり、かつ、前記直角三角形プリズムが非偏光光
   の進行方向に平行な面と非偏光光の入射角に対してブリ
   ュースター角条件を近似的に満たすように傾斜された面
   からなる三角波形状であり、傾斜された面上に高屈折率
   と低屈折率の各層が交互に積層された誘電体多層膜が配
   置されており、前記変調部が直角三角形プリズムの非偏
   光光進行方向と平行な面の間に設けられた１／２波長板
   であることを特徴とする請求項１記載のシート状偏光素
   子。
3. 【請求項３】 前記分割部の断面形状が、直角三角形状
   プリズムが互い違いに重なった形状であり、かつ、前記
   直角三角形状プリズムの屈折率が光線入射面をなす前記
   プリズムの屈折率より光線出射面をなす前記プリズムの
   屈折率が大きく、前記直角三角形プリズムが非偏光光の
   進行方向に平行な面と非偏光光の入射角に対してブリュ
   ースター角条件を近似的に満たすように傾斜された面か
   らなる三角波形状であり、傾斜された面上に高屈折率と
   低屈折率の各層が交互に積層された誘電体多層膜が配置
   されており、誘電体多層膜の高屈折率層の屈折率と光線
   出射面をなすプリズムがの屈折率がほぼ同様であり、誘
   電体多層膜の低屈折率層の屈折率と光線入射面をなすプ
   リズムの屈折率がほぼ同様である誘電体多層膜であり、
   前記変調部が前記偏光分割部の低屈折率直角三角形プリ
   ズムと高屈折率直角三角形プリズムの互いの非偏光光進
   行方向と平行な面の間に設けられた１／２波長板である
   ことを特徴とする請求項１記載のシート状偏光素子。
4. 【請求項４】 前記分割部で誘電体多層膜の高屈折率層
   ／低屈折率層の繰り返し単位が少なくとも１つ以上であ
   ることを特徴とする請求項１、２又は３記載のシート状
   偏光素子。
5. 【請求項５】 前記分割部で分割された反射偏光光が前
   記変調部により変調され前記分割部の傾斜面に入射する
   角度が前記分割部の反対側の外部媒体に対し臨界角以上
   であることを特徴とする請求項１、２、３又は４記載の
   シート状偏光素子。
6. 【請求項６】 請求項１、２、３、４又は５記載のシー
   ト状偏光素子において偏光面が一致した透過光と反射光
   が出射する面に、出射光の偏光面と偏光板の偏光軸が一
   致するように偏光板を設けたシート状偏光素子。