JPH11260141A

JPH11260141A - 偏光変換光学素子及び直線偏光回転方法

Info

Publication number: JPH11260141A
Application number: JP10080467A
Authority: JP
Inventors: Keiji Isamoto; 圭史諫本; Shigeru Aoyama; 茂青山; Masayuki Shinohara; 正幸篠原
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 1998-03-11
Filing date: 1998-03-11
Publication date: 1999-09-24

Abstract

(57)【要約】【課題】自然光をほぼ１００％に近い高効率で１方向
の直線偏光に変換できる偏光変換装置を小さな光学系に
よって実現する。【解決手段】偏光ビームスプリッタ２２から光源光を
入射させると、Ｐ偏光は偏光ビームスプリッタ２２を透
過して前面へ出射され、Ｓ偏光は偏光ビームスプリッタ
２２の側面へ反射される。偏光ビームスプリッタ２２の
側面には、偏光回転素子２３が設けられており、Ｓ偏光
は偏光回転素子２３で偏光方向を９０度回転させられて
Ｐ偏光に変換されると共に他方のＰ偏光と平行な方向へ
出射される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、偏光変換光学素子
及び直線偏光回転方法に関する。具体的には、偏光方向
が互いに直交する２つの直線偏光に分離された光を、偏
光方向が平行な直線偏光に変換するための技術に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】プロジェクションテレビは、図１（ａ）
に示すように、正面に設置した液晶プロジェクタ１から
スクリーン２に向けて光Ｒを投射し、投射方向から画像
を鑑賞するようになったフロント投射方式のものと、図
１（ｂ）に示すように、一対のミラー３，４を用いて背
面に設置された液晶プロジェクタ１からスクリーン２に
光Ｒを投射し、前面側から画像を鑑賞するようにしたリ
ア投射方式のものとがある。

【０００３】図２は液晶プロジェクタ１の構成を示す図
である。フロント投射方式のプロジェクションテレビと
リア投射方式のプロジェクションテレビとの相違はミラ
ー３，４の有無だけであり、原理的構成はいずれも同じ
である。図２に表わされているメタルハライドランプ等
のランプ５は、リフレクタ６の焦点位置に配置されてい
る。リフレクタ６は、放物面鏡を持ち、ランプ５の光Ｒ
を反射することによって平行光とするものである。リフ
レクタ６の前方には、偏光板７，８に挟まれた液晶表示
パネル９が配置され、投射レンズ１０を介してスクリー
ン２上に光Ｒを投射するように構成されている。

【０００４】しかし、液晶表示パネルを用いた液晶プロ
ジェクタでは、ブラウン管と比べると、低コストで大画
面を実現できるという長所があるが、画面が暗いという
本質的な欠点がある。特に、液晶表示パネルとしては、
高コントラストかつ多階調の特性を持つＴＮ（ツイステ
ッド・ネマティック）型液晶パネルが用いられている
が、このＴＮ型液晶表示パネルは偏光板により光の流れ
を制御するものであり、偏光板は一方向の偏光成分だけ
を通過させるものであるため、入射側の偏光板で光源光
の５０％の光が無条件にロスしてしまうという問題があ
った。

【０００５】このような偏光板による光量ロスを防止す
るため、従来にあっては、図３に示すような偏光変換光
学素子が考えられている。この偏光変換光学素子は、画
像表示に有効なＰ偏光と、完全にロスとなるＳ偏光との
両者を含む自然光を入射させ、その全光量をＰ偏光に変
換して出力することができる。よって、このような偏光
変換光学素子を用いることにより、液晶表示パネルにお
ける光の利用効率は、ほぼ１００％になる。

【０００６】図３に示す偏光変換光学素子１１は、１つ
の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１２と４個の直角プ
リズム１３，１４，１５，１６により構成されている。
光源からの自然光は、偏光ビームスプリッタ１２で偏光
方向が互いに直交する二つの直線偏光成分に分離され
る。偏光ビームスプリッタ１２は、二つの直角プリズム
のうち一方の斜面に誘電体多層膜を蒸着し、斜面どうし
を接合したものである。その斜面を透過する光がＰ偏光
の光、斜面で反射される光がＳ偏光の光である。

【０００７】偏光ビームスプリッタ１２を透過したＰ偏
光の光は、直角プリズム１３，１４に順次入射する。直
角プリズム１３，１４の斜面で全反射を２回行う過程に
おいて、反射面の傾き方向が９０度回転した関係にある
と、光の偏光方向は９０度回転する。偏光方向が９０度
回転することにより、直角プリズム１３に入射する光の
偏光方向が水平（Ｐ偏光）となっているのに対し、直角
プリズム１４から出射する光の偏光方向は垂直（Ｓ偏
光）となっている。

【０００８】一方、偏光ビームスプリッタ１２の斜面で
反射したＳ偏光の光は、直角プリズム１５，１６に順次
入射し、Ｐ偏光の場合と同様に直角プリズム１５，１６
の斜面で２回全反射する。しかし、それらの反射面の配
置は、互いに平行であるため、偏光方向は変化しない。
従って、直角プリズム１５，１６を出射する光の偏光方
向は、直角プリズム１５に入射する光の偏光方向（Ｓ偏
光）と等しく垂直（Ｓ偏光）である。この結果、偏光ビ
ームスプリッタ１２で分けられた二つの直線偏光光は、
どちらも同じ偏光方向を持ち、かつ進行方向が等しくな
る。これによって、光源から出たほぼ１００％の光が、
一方向の直線偏光に変換されて投射される。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
偏光変換光学素子１１は、図３に示すように、光源のみ
の場合と比較して非常に大掛かりな光学系になる。ここ
で、直角プリズム１５，１６は直線偏光の偏光方向を回
転させる訳でなく、不要に思われる。しかし、この偏光
変換光素子１１において、つぎのような理由から直角プ
リズム１５，１６も不可欠であった。

【００１０】すなわち、偏光ビームスプリッタ１２で反
射したＳ偏光の光は、直角プリズム１３，１４で偏光方
向が回転してＳ偏光になった光と、偏光方向及び進行方
向が既に同じになっている。しかし、その２光束の光の
光軸間距離は、直角プリズム１５，１６を使用する場合
に比べて、１.４倍長くなる。２光束が離れていると、
偏光変換光学素子から出た２光束を合成用プリズム（図
示せず）で光軸を曲げる時の屈折率も大きくなる。ま
た、液晶表示パネル等の光学部品は、入射角依存性があ
るため、２光束の合成角度は小さい方が好ましい。その
ため、直角プリズム１５，１６を用いて２光束の光軸間
距離を短くする必要がある。

【００１１】このような理由から、従来の偏光変換光学
素子にあっては、偏光変換光学素子のサイズを小型化す
ることが困難であり、大掛かりな光学系となっていた。
そのため、部品コストも高くつくという問題があった。

【００１２】これに対し、液晶表示パネルは、小型プロ
ジェクタのような用途だけでなく、各種携帯機器のディ
スプレイとしても用いられ、小型軽量化が要求されてお
り、偏光変換光学素子も小型化することが重要な課題と
なっている。

【００１３】本発明は叙上の従来例の欠点に鑑みてなさ
れたものであり、その目的とするところは、より小さな
光学系で、光を偏光方向が互いに直交する２つの直線偏
光に分離した後、偏光方向が平行な直線偏光に変換する
ことができる偏光変換光学素子及び直線偏光回転方法を
提供することにある。

【００１４】

【発明の開示】請求項１に記載の偏光変換光学素子は、
入射光を偏光方向が異なる２つの直線偏光に分離する偏
光分離手段と、前記偏光分離手段の大きさに比較して小
さな周期で周期的に配列されたパターンを有する偏光回
転手段とを備え、前記偏光分離手段により分離された一
方の直線偏光を前記偏光回転手段のパターンで反射させ
ることにより、当該直線偏光の偏光面を他方の直線偏光
の偏光面と平行に回転させるようにしたことを特徴とし
ている。

【００１５】この偏光変換光学素子にあっては、偏光分
離手段に自然光が入射すると、２つの直線偏光、例えば
Ｐ偏光とＳ偏光に分離される。このうち一方の直線偏光
は偏光回転手段に入射し、偏光回転手段の周期パターン
で２度以上反射されることにより、その偏光面を他方の
直線偏光の偏光面と平行に揃えられる。このとき、偏光
回転手段の周期パターンは偏光分離手段の大きさに比較
して小さな周期で配列しているので、直線偏光が偏光回
転手段のパターンで２度以上反射される際の光軸シフト
が小さく、偏光回転手段を小さくでき、偏光変換光学素
子も小型化することができる。

【００１６】従来の偏光変換光学素子では、１個の偏光
ビームスプリッタと４個の直角プリズムによって構成さ
れていたので、２つの直角プリズムで直線偏光の偏光面
を回転させる際の光軸のシフトが大きく、単なる光源に
比較して光学系が非常に大きくなっていた。これに対
し、請求項１の偏光変換光学素子では、光軸シフトが小
さいので、偏光変換光学素子を小型軽量化することがで
き、コストも安価にできる。また、偏光面を平行にされ
た２つの直線偏光の光軸間距離も小さくできる。

【００１７】また、請求項４に記載した直線偏光回転方
法は、頂角がほぼ９０度のプリズム状をしたパターンを
周期的に配列した光反射面に、当該パターンの長軸方向
に対してほぼ４５度傾いた偏光方向の直線偏光を入射さ
せるものであるが、この方法によれば、直線偏光の偏光
方向を９０度回転させて元の方向へ回帰反射させること
ができる。

【００１８】従って、偏光分離手段が、偏光ビームスプ
リッタのように２つの直線偏光を互いに直交する方向へ
分離するものである場合には、この直線偏光回転方法に
基づく偏光回転手段を用いた場合には、偏光回転手段に
より偏光方向を平行にしても光の進む方向が直交したま
まになる。このような場合には、請求項２に記載してい
るように、偏光回転手段で反射した光を鏡面で反射させ
ることにより、２つの直線偏光が平行もしくは交差する
方向へ出射されるようにすればよい。

【００１９】また、請求項５に記載した直線偏光回転方
法は、頂角がほぼ６０度のプリズム状をしたパターンを
周期的に配列した光反射面に、パターン面全体の法線方
向に対してほぼ４５度傾いた方向から、前記法線方向か
ら見て当該パターンの長軸方向に対してほぼ３５.３度
傾いた偏光方向の直線偏光を入射させるものであるが、
この方法によれば、直線偏光の偏光方向を９０度回転さ
せて元の入射方向と９０度異なる方向へ光を反射させる
ことができる。

【００２０】従って、この直線偏光回転方法に基づく請
求項３の実施態様によれば、偏光分離手段が、偏光ビー
ムスプリッタのように２つの直線偏光を互いに直交する
方向へ分離するものである場合でも、請求項２の実施態
様のように鏡面を用いることなく、偏光回転手段から直
接に、偏光回転手段に入射しない直線偏光と平行もしく
は交差する方向へ出射させることができる。

【００２１】

【発明の実施の形態】図４及び図５は本発明の一実施形
態による偏光変換光学素子２１を示す斜視図及び平面図
である。この偏光変換光学素子２１は、１個の偏光ビー
ムスプリッタ２２と、１枚の反射ミラーからなる偏光回
転素子２３から構成されている。説明の便宜上、図４及
び図５のようにｘ軸方向、ｙ軸方向及びｚ軸方向を定め
る。すなわち、偏光ビームスプリッタ２２は、斜面（誘
電体多層膜層）２２ａの法線方向が（１，０，１）方向
を向くように配置され、偏光回転素子２３は、偏光ビー
ムスプリッタ２２のｚ軸負方向において偏光ビームスプ
リッタ２２の斜面２２ａと平行に配置されている。偏光
回転素子２３の内面には、図６に示すように、斜め方向
に走る周期的な凹凸のパターン２４が微細なピッチで形
成されており、これらのパターン面は金属蒸着膜等によ
って鏡面仕上げされている。

【００２２】しかして、図４及び図５に示すように、偏
光ビームスプリッタ２２に入射した自然光は、偏光ビー
ムスプリッタ２２によってＰ偏光とＳ偏光とに分離さ
れ、Ｐ偏光はそのまま偏光ビームスプリッタ２２を真っ
直ぐに透過する。これに対し、偏光ビームスプリッタ２
２で反射されたＳ偏光は偏光回転素子２３の内面へ向か
って進み、偏光回転素子２３によりＰ偏光と平行な方向
へ反射される。しかも、偏光回転素子２３に入射したＳ
偏光は、偏光回転素子２３の内面のパターン２４で２度
反射することにより、Ｐ偏光と平行な偏光面の偏光（こ
れもＰ偏光と呼ぶことにする）に変換される。よって、
この偏光変換光学素子２１を用いれば、自然光を偏光面
が直交する２つの直線偏光に分離した後、一方の直線偏
光の偏光面を９０度回転させ、他方の直線偏光と平行な
偏光面を有する直線偏光として同じ方向へ出射させるこ
とができるので、自然光をロスなく一方向の直線偏光に
変換することができる。なお、図４では、Ｘ軸と平行に
自然光を偏光ビームスプリッタ２２へ入射させている
が、偏光回転素子２３と反対側からｚ軸と平行に自然光
を入射させるようにしても同じである。

【００２３】つぎに、上記偏光回転素子２３の構造と作
用を詳しく説明する。図６に示す偏光回転素子２３か
ら、ｘｙ平面、ｙｚ平面及びｚｘ平面と平行な６面から
なる立方体に含まれる部分をカットしたもの（図６に１
点鎖線で示す部分）が図７である。いま、この立方体の
頂点に順次Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ，Ｅ，Ｆ（図７では裏側にあ
って見えない），Ｇ，Ｈと名付けると、平面ＡＣＥは一
方のパターン傾斜面２４ａ、平面ＥＤＣは他方のパター
ン傾斜面２４ｂであって、ハッチングを施した面は断面
である。

【００２４】偏光回転素子２３の表面に形成されたプリ
ズム状のパターン形状は、２種のパターン傾斜面２４
ａ，２４ｂを交互に配列したものであって、一方のパタ
ーン傾斜面２４ａ（ＡＣＥ）の法線ベクトルｎ₁は、ｎ₁＝（０，１，１）である。また、他方のパターン傾斜面２４ｂ（ＥＤＣ）
の法線ベクトルｎ₂は、ｎ₂＝（１，−１，０）である。従って、パターン傾斜面２４ａ，２４ｂどうし
のなす角度をα₁₂とすると、この角度α₁₂は、つぎの
(1)式で表される。

【００２５】

【数１】

【００２６】よって、２つのパターン傾斜面２４ａ，２
４ｂで形成されるパターン２４は、頂角６０°の周期構
造をもったプリズムであることが分かる。

【００２７】また、一方のパターン傾斜面２４ａ（ＡＣ
Ｅ）は、図８（ａ）に示す立方体内の平面ＡＣＧＥの一
部であり、他方のパターン傾斜面２４ｂ（ＥＤＣ）は、
図８（ｂ）に示す立方体内の平面ＥＤＣＦの一部であ
る。図８（ａ）（ｂ）に示す２つの平面ＡＣＧＥ及びＡ
ＤＣＦは、図３に示した従来の偏光変換光学素子１１の
２つの直角プリズム１３，１４の反射面と同じ関係にあ
るから、Ｚ軸方向から入射した直線偏光が、２つのパタ
ーン傾斜面２４ａ，２４ｂで反射することによって偏光
面を９０度回転させた後、ｘ軸方向へ出射することは容
易に理解できる。しかも、本発明では、微細なピッチで
配列された周期パターン２４で直線偏光の偏光面を回転
させるので、偏光ビームスプリッタ２２を透過したＰ偏
光と、偏光ビームスプリッタ２２で反射され偏光回転素
子２３で偏光面を回転させられたＰ偏光との光軸間距離
が小さく、光軸間距離を短くするために従来例のように
直角プリズム１５，１６が必要なく、偏光変換光学素子
２１を小型化することができる。また、光軸間距離をで
きるだけ短くとることで、最終的な光の広がりを小さく
することができる。

【００２８】つぎに、図９から分かるように、２つのパ
ターン傾斜面間の谷線ＥＣは、平面ＥＢＣＨ上にあるか
ら、偏光回転素子２３のパターン２４はこの平面ＥＢＣ
Ｈと平行な方向に配列している。この平面ＥＢＣＨは法
線ベクトルｎ₃＝（１，０，１）を持つから、偏光回転
素子２３も法線ベクトルが（１，０，１）の方向を向く
ように配置されている。つまり、偏光ビームスプリッタ
２２の斜面２２ａと平行に配置される。また、２つのパ
ターン傾斜面２４ａ，２４ｂ間の谷線ＥＣの、平面ＥＢ
ＣＨ上における傾きβ＝∠ＨＣＥは、次の(2)式となる

【００２９】

【数２】

【００３０】（第２の実施形態）図１０は本発明の別な
実施形態による偏光変換光学素子３１を示す斜視図であ
る。この偏光変換光学素子３１では、偏光回転手段とし
て三角プリズムの斜面に２種類のパターン傾斜面２４
ａ，２４ｂからなる周期パターン２４を刻設した偏光回
転素子３２を用いている。この偏光変換光学素子３１で
は、偏光ビームスプリッタ２２で反射されたＳ偏光は三
角プリズム状の偏光回転素子３２内に入り、周期パター
ン２４で全反射することによって偏光面を９０度回転さ
せられ、Ｐ偏光となり、他方のＰ偏光と平行に出射され
る。

【００３１】このように、偏光ビームスプリッタ２２と
偏光回転素子３２を一体化すれば、両者の境界面が減少
して効率が向上する。また、それぞれを作製した後、貼
り付ける手間が省けるので、製作が容易になる。

【００３２】なお、この実施形態では、偏光ビームスプ
リッタ２２を構成する一方の三角プリズムと周期パター
ン２４を形成された三角プリズム状の偏光回転素子３２
を一体化し、平行四辺形プリズムを用いてもよい。

【００３３】（第３の実施形態）図１１は本発明のさら
に別な実施形態による偏光変換光学素子４１を示す平面
図である。この偏光変換光学素子４１は、偏光ビームス
プリッタ２２、偏光回転素子４２、反射鏡４３によって
構成されている。偏光回転素子４２は、偏光ビームスプ
リッタ２２の側面に対向させて配置され、偏光ビームス
プリッタ２２からの光を回帰反射させるものであり、反
射鏡４３は、偏光ビームスプリッタ２２の他方側面にほ
ぼ４５度の角度で配置されていて、偏光ビームスプリッ
タ２２からの光の光軸を９０度曲げる働きをする。

【００３４】図１２（ａ）は偏光回転素子４２の斜視
図、図１２（ｂ）は図１２（ａ）のＸ−Ｘ線断面図であ
る。偏光回転素子４２の偏光ビームスプリッタ２２と対
向している面には、頂角９０度（底角４５度）のプリズ
ム状をしたパターン４４が設けられており、パターン４
４の周期配列方向及びパターン４４の延びた方向（長軸
方向）は、偏光ビームスプリッタ２２で分離された直線
偏光（Ｓ偏光）の偏光面に対して４５度傾いている。こ
れらのパターン４４の表面は、金属蒸着膜等によって鏡
面仕上げされている。あるいは、図示しないが、偏光回
転素子４２としては、透明樹脂平板の裏面側にプリズム
状の凹凸を形成することにより、全反射で光を反射させ
るようにしたものでもよい。

【００３５】しかして、自然光が偏光ビームスプリッタ
２２に入射すると、入射した自然光はＰ偏光とＳ偏光と
に分離され、Ｐ偏光はそのまま偏光ビームスプリッタ２
２を透過する。一方、偏光ビームスプリッタ２２で反射
されたＳ偏光は偏光回転素子４２のパターン面にほぼ垂
直に入射する。ここで、偏光回転素子４２のパターン４
４の頂角は９０度となっているので、偏光回転素子４２
のパターン面に入射した光はもと来た方向へ反射（すな
わち、回帰反射）される。同時に、偏光回転素子４２の
長軸方向（パターン４４の延びている方向）は入射する
Ｓ偏光の偏光面に対して４５度傾いているから、反射す
る際直線偏光の偏光面が９０度回転させられる。従っ
て、偏光回転素子４２に入射したＳ偏光はＰ偏光となっ
て偏光ビームスプリッタ２２を透過する。こうして偏光
ビームスプリッタ２２を透過したＰ偏光は反射鏡４３で
反射されて前方へ出射される。よって、この偏光変換光
学素子４１を用いることにより、自然光を偏光面が直交
する２つの直線偏光に分離した後、一方の直線偏光の偏
光面を９０度回転させ、他方の直線偏光と平行な偏光面
を有する直線偏光として同じ方向へ出射させることがで
きるので、自然光をロスなく一方向の直線偏光に変換す
ることができる。また、この偏光変換光学素子４１で
も、光軸間距離は小さいので、偏光変換光学素子４１を
小型化することができる。

【００３６】（第４の実施形態）図１３は本発明のさら
に別な実施形態による偏光変換光学素子５１を示す平面
図である。この実施形態は、第３の実施形態による偏光
変換光学素子４１と同じ機能を有する偏光変換光学素子
５１であって、偏光ビームスプリッタ２２、偏光回転素
子４２、反射鏡４３の機能を一体化している。すなわ
ち、三角プリズムによる全反射を反射鏡４３とし、この
三角プリズムと偏光ビームスプリッタ２２を構成する一
方の三角プリズムとを一体化した大きな三角プリズム５
２を用いている。また、偏光ビームスプリッタ２２を構
成する他方の三角プリズム５３の側面に、図１４（ａ）
（ｂ）に示すように、頂角９０度のプリズム状パターン
４４を微細なピッチで斜め４５度の配列周期で形成して
いる。この偏光ビームスプリッタ２２の側面に形成され
た偏光回転素子４２でも、直線偏光を回帰反射させる
際、直線偏光の偏光面を９０度回転させることができる
ので、第３の実施形態と同様、自然光を全てＰ偏光に変
換することができる。

【００３７】ただし、この実施形態では、図１４（ｂ）
に示すように、偏光ビームスプリッタ２２の側面に形成
されたパターン４４（偏光回転素子４２）の頂角を９０
度にする以外にも、いくつかの条件を満たす必要があ
る。すなわち、偏光回転素子４２であるパターン４４を
形成されている偏光ビームスプリッタ２２の屈折率ｎp
が、次の２つの条件を満たすように設定すればよい。 (1) 入射光すべてに対して全反射条件を満たすこと。 (2) グース・ヘンヒェンシフトに伴う効率低下を最小限
に止めること。また、パターン４４のピッチＬpは、パターン４４の高
さｈを低くするためにも、従来のプロジェクタとの整合
をとるためにも小さい程よい。そこで、偏光ビームスプ
リッタ２２の屈折率ｎpとパターン４４のピッチＬpの決
定方法を以下に説明する。

【００３８】（屈折率ｎpの決定）まず、パターン４４
の屈折率ｎpに「(1) 入射光すべてに対して全反射条件
を満たすこと。」という条件を満足させることを考え
る。図１５に示すように、入射光の広がり角を±γとす
ると、すべての入射光を全反射するための屈折率の限界
値ｎeは、次式を満たす。ｎe・sinδ＝sinγ ｎe・sin（４５°−δ）＝１この２式から偏光ビームスプリッタ２２内での屈折角δ
を消去すると、全反射に必要な屈折率ｎpは、次の(3)式
で与えられる。

【００３９】

【数３】

【００４０】この限界値（限界屈折率）ｎeをグラフに
したものが図１６に示す屈折率の限界値ｎeの曲線であ
る。

【００４１】次に、パターン４４の屈折率ｎpに「(2)
グース・ヘンヒェンシフトに伴う効率低下を最小限に止
めること。」という条件を考える。グース・ヘンヒェン
シフトとは、ある面に対して傾きをもって入射した光が
全反射されるとき、Ｐ偏光及びＳ偏光の間に位相差が生
じるというものである。この位相差のため、入射光が直
線偏光であったとしても、反射光が楕円偏光となる場合
が生じる。いまの場合、偏光ビームスプリッタ２２で反
射されたＳ偏光が偏光回転素子４２で反射される際に楕
円偏光となると、反射光は完全なＰ偏光とならず、Ｓ偏
光を含むことになる。反射光にＳ偏光を含むと、そのＳ
偏光成分は偏光ビームスプリッタ２２で反射されて光源
側へ戻るので、効率が低下する。

【００４２】図１４（ａ）に示したように、この実施形
態では、偏光ビームスプリッタ２２で分離されたＳ偏光
と偏光回転素子４２のパターン４４の長軸は４５度の角
度をなす。この時入射したＳ偏光（以下、ベクトル量に
は右肩に*を付すものとする）Ｅ_S ^*は、図１７に示すよ
うに、偏光回転素子４２に対するＰ偏光及びＳ偏光に均
等に分離される。よって、Ｐ偏光とＳ偏光のグース・ヘ
ンヒェンシフトの差をΔφ（ｎp）とすると、反射光Ｅr
ef^*は、次の(4)式で与えられる楕円となる（図１８）。
ただし、ｎpはパターン４４の屈折率、j＝√（−１）で
あり、またΔφ（ｎp）はΔφと略記することがある。

【００４３】

【数４】

【００４４】ここで、Ｅref^*のうち、偏光ビームスプリ
ッタ２２を通過できる有効な成分Ｅeffは、次の(5)式で
与えられる。

【００４５】

【数５】

【００４６】これより、次の(6)式が得られる。

【００４７】

【数６】

【００４８】よって、入射光に対する出射光の効率η₀
は、つぎの(7)式となる。

【００４９】

【数７】

【００５０】また、偏光ビームスプリッタ２２も含めた
光学系全体で考えた効率ηは、つぎの(8)式となる。

【００５１】

【数８】

【００５２】また、プリズム４４における１回目の反射
で生じるＰ偏光とＳ偏光の位相ずれをそれぞれφ_P1、φ
_S1とし、プリズム４４における２回目の反射で生じるＰ
偏光とＳ偏光の位相ずれをそれぞれφ_P2、φ_S2とし、パ
ターン４４の屈折率をｎp、パターン４４の外部の媒質
の屈折率をｎ₂とすると、パターン４４で２回反射した
後の光軸方向の変化した角度をαとすると、Ｐ偏光が２
回反射したときの位相ずれφ_P1＋φ_P2とＳ偏光が２回反
射したときの位相ずれφ_S1＋φ_S2との位相差Δφ（ｎ
p）は、次の(9)式で与えられる。

【００５３】

【数９】

【００５４】図１９のグラフは、γ＝０、ｎ₂＝１.０と
した時のｎp−η特性を示している。また、広がり角γ
をパラメータとしてまとめたグラフが図１６の効率ηの
曲線である。

【００５５】図１９によれば、偏光ビームスプリッタ２
２の屈折率ｎpが大きいほど、効率ηが低下するので、
ｎpは極力小さな値、つまり(3)式で与えられる限界値ｎ
eに設定することが望ましい。通常のプロジェクタの場
合では、たかだかγ＝３５°程度であるから、図１９に
よれば、偏光ビームスプリッタ２２の屈折率は、ｎ_P＝
１.４７６５２５、その時の効率は、η＝８７.８４％と
なる。

【００５６】（ピッチＬpの決定）次に、偏光回転素子
４２のパターン４４のピッチＬpを考える。パターン４
４のピッチＬpが影響を与えるものは、プリズム状のパ
ターン４４の高さｈ＝Ｌp／２、反射光の強度分布であ
る。反射光の強度分布とピッチＬpの関係は、図２０に
示すとおりである。パターン４４で反射する光は、ピッ
チＬpの範囲で強度分布が反転する。よって、図２０
（ａ）（ｂ）に連続した曲線で表されているような強度
分布の入射光が偏光回転素子４２のパターン４４で反射
した場合、図２０（ａ）（ｂ）に不連続線として表され
たような強度分布となる。ピッチＬpが小さいほど、本
来の分布に近づくから、入射光の強度分布を保つために
は、ピッチＬpが充分に小さい方がよいことがわかる。
よって、パターン４４の高さｈの観点からも、強度分布
の観点からも、ピッチＬpは小さいほど良いことが分か
る。現在、３０μｍ程度の充分小さなピッチも実現可能
であるので、Ｌp＝３０μｍとすればよい。

【００５７】（第５の実施形態）図２１は本発明のさら
に別な実施形態による偏光変換光学素子６１を示す平面
図である。この偏光変換光学素子６１では、第４の実施
形態のように偏光ビームスプリッタ２２の側面にパター
ン４４を直接に形成する代わりに、偏光ビームスプリッ
タ２２の側面に紫外線硬化型樹脂などを用いて回帰反射
用のパターン４４を樹脂成形し、偏光ビームスプリッタ
２２の側面に偏光回転素子４２を一体に設けている。

【００５８】また、偏光ビームスプリッタ２２の他方側
面に三角プリズム６２を接合することにより、全反射に
よる反射鏡４３を形成している。

【００５９】このように偏光ビームスプリッタ２２の側
面に偏光回転素子４２を紫外線硬化型樹脂などを用いて
一体成形することにより、偏光回転素子４２を容易に製
作することができる。

【００６０】（その他）光源から出る光が拡がりを持っ
ている場合には、図４に見られるように、偏光変換光学
素子を通過した２光束は、ずれた位置に投射される。こ
のずれた２光束を重ねるためには、偏光変換光学素子の
出口に屋根型プリズム等の合成用プリズムを設ければよ
い。あるいは、図１１のような実施形態などでは、平面
鏡の角度を傾けてもよい。

【００６１】しかし、最終的に、２光束１つに重ねる場
合には、図２２に示すように、光軸間距離が短いほど光
の広がりも小さくなる。光源の広がりは、プロジェクタ
等にとっては悪影響を及ぼすものであるので、極力小さ
くとるべきである。よって、偏光ビームスプリッタ２２
で光を分離する方向は、分離された２つの偏光の光軸間
の距離が最小となるところをとる方がよい。

【００６２】（応用分野）本発明の偏光変換素子は、種
々の分野で使用することができる。例えば、プロジェク
タの光源、回帰反射型光電センサの光源（投光部）、偏
光を用いる表面検査装置の光源、光沢度測定器、その他
の偏光光を用いる計測装置などに採用することができ
る。一例を挙げると、回帰反射型の光電センサにおい
て、投光部に本発明の偏光変換光学素子を置き、回帰反
射板で反射した光を偏光板を通して受光部で受光するよ
うにすればよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はフロント投射方式のプロジェクション
テレビを示す概略図、（ｂ）はリア投射方式のプロジェ
クションテレビを示す概略図である。

【図２】液晶プロジェクタの構成を示す図である。

【図３】従来の偏光変換光学素子の構造を示す斜視図で
ある。

【図４】本発明の一実施形態による偏光変換光学素子の
構造を示す斜視図である。

【図５】同上の偏光変換光学素子の平面図である。

【図６】同上の偏光変換光学素子に用いられている偏光
回転素子の一部分を拡大して示す図である。

【図７】同上の偏光回転素子のパターン構造を説明する
ための図である。

【図８】（ａ）（ｂ）は同上の偏光回転素子のパターン
構造を説明するための図である。

【図９】同上の偏光回転素子のパターン構造を説明する
ための図である。

【図１０】本発明の別な実施形態による偏光変換光学素
子を示す斜視図である。

【図１１】本発明のさらに別な実施形態による偏光変換
光学素子を示す平面図である。

【図１２】（ａ）は同上の偏光回転素子の斜視図、
（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

【図１３】本発明のさらに別な実施形態による偏光変換
光学素子を示す平面図である。

【図１４】（ａ）は偏光ビームスプリッタの側面に形成
された偏光回転素子を示す正面図、（ｂ）は（ａ）の断
面図である。

【図１５】偏光回転素子の最適な屈折率を計算するため
に用いた図である。

【図１６】限界屈折率と効率の広がり角依存性を示す図
である。

【図１７】偏光回転素子の最適な屈折率を計算するため
に用いた図である。

【図１８】偏光回転素子の最適な屈折率を計算するため
に用いた図である。

【図１９】偏光変換光学素子の効率の屈折率依存性を示
す図である。

【図２０】反射光の強度分布とパターンのピッチとの関
係を示す図である。

【図２１】本発明のさらに別な実施形態による偏光変換
光学素子を示す平面図である。

【図２２】光軸間距離と光の広がりとの関係を示す図で
ある。

【符号の説明】

２２偏光ビームスプリッタ２３，４２偏光回転素子２４，４４プリズム状の周期的なパターン２４ａ，２４ｂパターン傾斜面４３反射鏡

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】入射光を偏光方向が異なる２つの直線偏
光に分離する偏光分離手段と、前記偏光分離手段の大き
さに比較して小さな周期で周期的に配列されたパターン
を有する偏光回転手段とを備え、前記偏光分離手段により分離された一方の直線偏光を前
記偏光回転手段のパターンで反射させることにより、当
該直線偏光の偏光面を他方の直線偏光の偏光面と平行に
回転させるようにしたことを特徴とする偏光変換光学素
子。
【請求項２】前記偏光回転手段で反射した光を、前記
他方の直線偏光の光軸と平行もしくは交差する方向へ出
射させるための鏡面を設けたことを特徴とする、請求項
１に記載の偏光変換光学素子。
【請求項３】前記偏光回転手段は、頂角がほぼ６０度
のプリズム状をしたパターンを周期的に配列したもので
あり、パターン面全体の法線方向に対してほぼ４５度傾
いた方向から、前記法線方向から見て当該パターンの長
軸方向に対してほぼ３５.３度傾いた偏光方向の直線偏
光を入射させるように配置されていることを特徴とす
る、請求項１に記載の偏光変換光学素子。
【請求項４】頂角がほぼ９０度のプリズム状をしたパ
ターンを周期的に配列した光反射面に、当該パターンの
長軸方向に対してほぼ４５度傾いた偏光方向の直線偏光
を入射させることを特徴とする直線偏光回転方法。
【請求項５】頂角がほぼ６０度のプリズム状をしたパ
ターンを周期的に配列した光反射面に、パターン面全体
の法線方向に対してほぼ４５度傾いた方向から、前記法
線方向から見て当該パターンの長軸方向に対してほぼ３
５.３度傾いた偏光方向の直線偏光を入射させることを
特徴とする直線偏光回転方法。