JPWO2012067080A1 - 光源ユニットおよびそれを備えた投射型表示装置 - Google Patents
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Abstract
光源ユニットは、発光面を備えたＬＥＤ１と、ＬＥＤ１の発光面と対向する位置に設けられた、透過軸の方向が面内位置によって異なる偏光子２と、を有する。偏光子２は、ＬＥＤ１側から入射した光のうち、偏光方向が透過軸と平行な光を透過し、偏光方向が透過軸と直交する光を反射および回折する凹凸構造を有する。凹凸構造は、回折格子３を含む。
Description
本発明は、発光ダイオード（ＬＥＤ：Light Emitting Diode）などに代表される面発光型発光素子を備える光源ユニットに関し、特に、偏光させた光を出力することができる光源ユニットに関する。
最近の液晶プロジェクタには、液晶パネルを照明するための光源としてＬＥＤを用いたものがある。
一般に、液晶プロジェクタにおいては、偏光させた光を液晶パネルに照射する必要がある。ＬＥＤの出力光は非偏光光であるため、液晶パネルを照明するための光源としてＬＥＤを用いる場合は、ＬＥＤからの光の偏光方向を一方の偏光方向に揃える必要がある。
図１に、ＬＥＤからの光の偏光方向を一方の偏光方向に揃えることが可能な光源ユニットを示す。
図１を参照すると、光源ユニットは、ＬＥＤ１００と、ＬＥＤ１００の発光面と対向する位置に設けられた偏光子１０１とを有する。
偏光子１０１として面内で一次元の周期的な凹凸パターンを有するものやポリマーを用いているものなどがあるが、ここでは凹凸パターンを有しているものを使用するものとして説明する。
偏光子１０１は透過軸を有し、透過軸に平行な偏光成分を有する光を透過させ、透過軸と直交する偏光成分を有する光を反射する。凹凸パターンを有する偏光子１０１では、透過軸は凹凸パターンの周期方向と一致するものが一般的である。この時、偏光子１０１に入射した光のうち、凹凸パターンの周期方向に平行な偏光成分はＴＭ波（またはＴＭ偏光）と呼び、凹凸パターンの長手方向（周期方向と直交する方向）に平行な偏光成分の光はＴＥ波（またはＴＥ偏光）と呼ぶ。つまり、ＬＥＤ１００の発光面から出射した光のうち、ＴＭ波は偏光子１０１を透過し、ＴＥ波は偏光子１０１でＬＥＤ１００側に反射される。
ＬＥＤ１００の発光面では、偏光子１０１からのＴＥ波は正反射され、その反射光は偏光子１０１側の方向へ向かう。この発光面でのＴＥ波の正反射において、入射光と反射光の偏光方向は同じである。すなわち、正反射の前後で、偏光方向は維持される。
上記の光源ユニットによれば、ＬＥＤ１００の発光面から出射した光のうちのＴＭ波のみが偏光子１０１を透過する。これにより、光源ユニットの出力光の偏光方向を一方の偏光方向に揃えることができる。
しかし、図２に示すように、ＬＥＤ１００の発光面から出射した光のうち、ＴＥ波は、ＬＥＤ１００の発光面と偏光子１０１の間を、反射を繰り返しながら伝播する。このＴＥ波は、光源ユニットの出力光として利用できない。
ＴＥ波をＴＭ波に偏光変換する手段、例えば、１／４波長板をＬＥＤと偏光子の間に設けることで、光源ユニットからの出射光強度を高めることができる。図３に、１／４波長板を備える光源ユニットを示す。
図３を参照すると、１／４波長板１０２は、ＬＥＤ１００と偏光子１０１の間に設けられている。１／４波長板１０２は、熱源であるＬＥＤ１００の発光面に近接して配置されるため、耐熱性に優れた材料を使用する必要がある。現状では、１／４波長板１０２として、耐熱性の高い水晶や雲母等の結晶を用いたものが使用されており、その厚さは、加工精度等を考慮すると、数百μｍである。
図４に示すように、偏光子１０１で反射されたＴＥ波は、１／４波長板１０２にて円偏光に変換された後、ＬＥＤ１００の発光面に入射する。
ＬＥＤ１００の発光面では、入射した円偏光は正反射され、その正反射された光は円偏光の状態を維持したまま１／４波長板１０２に入射する。ＬＥＤ１００の発光面からの円偏光は、１／４波長板１０２にてＴＭ波に変換される。１／４波長板１０２からのＴＭ波は、偏光子１０１を透過する。
上記のように、偏光子１０１で反射されたＴＥ波は、偏光子１０１からＬＥＤ１０側へ向かう過程と、ＬＥＤ１００の発光面で正反射されて偏光子１０１側へ向かう過程とで１／４波長板１０２を２度通過することでＴＭ波に変換される。このようにＴＥ波をＴＭ波に偏光変換することで、光源ユニットからの出射光強度を高めることができる。
特許文献１には、ＬＥＤと偏光子からなる光源ユニットに関する技術が開示されており、特許文献２には、ＬＥＤと偏光子の間に１／４波長板を設けた光源ユニットに関する技術が開示されている。
しかし、図３に示した光源ユニットにおいては、以下のような問題がある。
偏光子１０１がＬＥＤ１００の発光面と対向して設けられた光源ユニットにおいて、ＬＥＤ１００の発光面と偏光子１０１との間を伝播する光の一部が、光源ユニットの側面から外部へ漏れる。この側面から漏れた光は出射角度が大きく、プロジェクタの光学系に結合できないため、光を効率よく利用できない。更に、この漏れた光は偏光子１０１を透過しないため、偏光方向が揃っていない。このため、この光を液晶パネルに照射しても、光量の約半分しか利用することができない。
図５に、ＬＥＤと偏光子からなる光源ユニット（図１参照）における、出力光量（出射光量）と、ＬＥＤの発光面と偏光子の間隔との関係を示す。縦軸は出射光量を示し、横軸はＬＥＤの発光面と偏光子との距離（ｍｍ）を示す。なお、縦軸の目盛は、ＬＥＤの発光面と偏光子との距離が０ｍｍである場合の出射光量を１として規格化されている。
図５に示す例では、ＬＥＤの発光面の大きさは３ｍｍ×４ｍｍとし、偏光子の大きさは３ｍｍ×４ｍｍとし、ＬＥＤの発光面の反射率は１００％とし、反射条件は正反射とし、偏光子のＴＭ波の光に対する透過率および反射率をそれぞれ１００％、０％とし、偏光子のＴＥ波の光に対する透過率および反射率をそれぞれ０％、１００％として計算を行っている。
図５に示すように、ＬＥＤの発光面と偏光子との距離ｄが０である場合の出射光量を１００％とすると、距離ｄが０．５ｍｍである場合は、出射光量は約４５％低下し、距離ｄが１．０ｍｍである場合には、出射光量は約６０％低下する。これはＬＥＤと偏光子の隙間（光源ユニットの側面）から光が漏れ出すためである。ＬＥＤの発光面と偏光子との間隔が大きいほど、光源ユニットの側面から漏れる光の量が多くなって、光源ユニットの出射光量が減少する。
図３に示した光源ユニットでは、１／４波長板１０２として、水晶や雲母等の結晶を用いたものが用いられており、その厚さは数百μｍである。ＬＥＤ１００と偏光子１０１の間に、厚さが数百μｍの１／４波長板１０２を設けると、ＬＥＤ１００の発光面と偏光子１０１の間隔が大きくなってしまい、その結果、光源ユニットの出射光量が減少する。
なお、１／４波長板には、厚さが数百ｎｍ程度のフィルムよりなるものもある。しかし、そのようなフィルムは、耐熱性が低いため、図３に示したような光源ユニットに用いた場合は、熱の影響により、正確な位相差を与えることが困難である。
本発明の目的は、発光面と偏光子との間隔を小さくすることができ、かつ、出射光強度を高めることができる光源ユニット、およびそれを用いた投射型表示装置を提供することにある。
上記目的を達成するため、本発明の光源ユニットは、
発光面を備えた発光素子と、
前記発光素子の前記発光面と対向する位置に設けられた、透過軸の方向が面内位置によって異なる偏光子と、を有し、
前記偏光子は、前記発光面から出射し、前記発光素子側から入射した光のうち、偏光方向が前記透過軸と平行な光を透過させ、偏光方向が前記透過軸と直交する光を反射および回折する凹凸構造を有する。
発光面を備えた発光素子と、
前記発光素子の前記発光面と対向する位置に設けられた、透過軸の方向が面内位置によって異なる偏光子と、を有し、
前記偏光子は、前記発光面から出射し、前記発光素子側から入射した光のうち、偏光方向が前記透過軸と平行な光を透過させ、偏光方向が前記透過軸と直交する光を反射および回折する凹凸構造を有する。
本発明の投射型表示装置は、
上記の光源ユニットと、
前記光源ユニットからの光を空間的に変調する表示素子と、
前記表示素子で形成された画像光を投射する投射光学系と、を有する。
上記の光源ユニットと、
前記光源ユニットからの光を空間的に変調する表示素子と、
前記表示素子で形成された画像光を投射する投射光学系と、を有する。
１ ＬＥＤ
２ 偏光子
３ 回折格子
２ 偏光子
３ 回折格子
次に、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
（第１の実施形態）
図６は、本発明の第１の実施形態である光源ユニットの構成を示す斜視図であり、図７は、図６に示す光源ユニットの断面図である。
図６は、本発明の第１の実施形態である光源ユニットの構成を示す斜視図であり、図７は、図６に示す光源ユニットの断面図である。
図６および図７を参照すると、光源ユニットは、発光面１ａを備えたＬＥＤ１と、発光面１ａと対向するように設けられた偏光子２とを有する。
ＬＥＤ１は、例えば、ｎ型層とｐ型層とが活性層を挟んで積層された積層部を備え、この積層部のｎ型層側またはｐ型層側の面が発光面１ａとされ、活性層にて発生した光が発光面１ａから出射される。ＬＥＤ１として、半導体レーザなどの面発光型の固体光源を用いてもよい。
偏光子２側からＬＥＤ１に入射した光は、ＬＥＤ１の発光面１ａまたはＬＥＤ１の内部で正反射される。正反射の前後で、光の偏光状態は維持される。
偏光子２の発光面１ａ側の面には、回折格子３を含む凹凸構造が設けられている。この凹凸構造により、透過軸の方向が面内位置によって異なるようになっており、入射した光のうち、偏光方向が透過軸と平行な光（ＴＭ偏光）は透過し、偏光方向が透過軸と直交する光（ＴＥ偏光）は反射および回折される。ここで、透過軸の方向は、透過する光の偏光方向と平行な方向に一致する。
一般に、偏光子２において、透過率および反射率は材料や凹凸周期、膜厚の組み合わせにより制御可能である。また凹凸構造の周期方向を変化させることにより、所望の方向に透過軸を形成でき、また、同一の偏光子２の面内位置によって透過軸の方向を変化させることができる。
回折格子３は、偏光方向が透過軸と直交する光が偏光子２で反射される際に、その反射光が回折されるように作用する。
図８は、偏光子２および回折格子３の具体的な構成を示す模式図である。図９は、偏光子２の凹凸パターンを示す模式図、図１０は回折格子３の凹凸パターンを示す模式図である。
図８および図９に示すように、偏光子２は、同心円状の複数の凹凸パターン２ｂが石英などの基板２ａ上の径方向に周期的に形成されたものであり、各凹凸パターン２ｂに垂直な方向（ＴＭ方向）に透過軸を有する。すなわち、偏光子２は、放射状の透過軸を有する。
偏光子２の凹凸パターン２ｂ及び回折格子３は、アルミニウム、銀、金のいずれかの金属、またはこれらの金属のいずれかを含む化合物により形成される。図８および図１０に示すように、回折格子３の凹凸パターンは、偏光子２の各凹凸パターン２ｂ上に放射状に形成されている。これら回折格子３の凹凸パターンのそれぞれは、偏光子２の各凹凸パターン２ｂの接線と直交する。
図１０に示した例では、回折格子３は、同心円状の４つの環状領域３ａ〜３ｄを有する。環状領域３ａ〜３ｄのそれぞれに放射状の複数の凹凸パターンが形成されており、各領域の凹凸パターンの周方向の間隔が概ね同じになるように凹凸パターンの数が設定されている。
偏光子２の凹凸パターン２ｂのピッチＰ１は、例えば１４０ｎｍである。偏光子２の凹凸パターン２ｂの深さＨ１は、例えば１００ｎｍである。
回折格子３の凹凸パターンのピッチＰ２は、λ＜Ｐ２＜２λ（λはＬＥＤ１の発光波長）で与えられ、例えば、λが５３０ｎｍである場合は、ピッチＰ２は６００ｎｍである。回折格子３の凹凸パターンの深さＨ２は例えば６００ｎｍである。
次に、本実施形態の光源ユニットの動作を具体的に説明する。
まず、偏光子２単独（回折格子３を除いたもの）の作用について説明する。
図１１は、図９に示した同心円状の凹凸パターン２ｂを有する偏光子２の作用を説明するための模式図である。
図１１に示すように、偏光子２では、入射光（無偏光）のうち、偏光方向が透過軸と平行であるＴＭ偏光は透過し、偏光方向が透過軸と直交するＴＥ偏光は反射される。
偏光子２の透過軸は放射状に形成されているので、偏光子２全体を透過したＴＭ偏光は、それぞれの透過軸に平行な偏光方向を有するラジアル偏光となる。一方、偏光子２全体で反射されたＴＥ偏光は、それぞれの透過軸と直交する偏光方向を有するタンジェンシャル偏光となる。
次に、回折格子３を備えた偏光子２の作用について説明する。
図１２は、図９に示した同心円状の凹凸パターン２ｂを備え、これら凹凸パターン２ｂ上に、図１０に示した放射状の凹凸パターンよりなる回折格子３が形成された偏光子２の作用を説明するための模式図である。
図１２に示すように、偏光子２の回折格子３が形成された側の面が入射面であり、入射光のうちＴＭ偏光は、偏光子２および回折格子３を透過し、ＴＥ偏光は入射面で反射および回折される。
入射面で反射および回折されたＴＥ偏光（タンジェンシャル偏光）は、反射光と回折光を含む拡散光である。偏光子２および回折格子３を透過したＴＭ偏光（ラジアル偏光）は、透過光と回折光を含む拡散光である。ただし、条件によってはＴＭ偏光の回折光（透過光）は生じない場合がある。
図１３に、回折格子３を備えた偏光子２の一部におけるＴＥ偏光の反射光および回折光を模式的に示し、図１４に、回折格子３を備えた偏光子２全体におけるＴＥ偏光の回折光を模式的に示す。なお、図１４において、便宜上、回折格子３の凹凸パターンは省略されている。
図１３に示すように、偏光子２に入射したＴＥ偏光は、反射および回折され、回折光は、回折格子３の凹凸パターンの周期方向に回折される。図１４に示すように、偏光子２全体で見た場合、ＴＥ偏光の反射光は回折格子３によって周方向に回折される。すなわち、回折格子３は、偏光子２で反射されたＴＥ偏光（タンジェンシャル偏光）を拡散するように作用する。
本実施形態の光源ユニットでは、図１１〜図１４を用いて説明した偏光子２および回折格子３の作用により、出射光強度を高めることが可能である。以下、光源ユニット全体の動作を説明する。
ＬＥＤ１の発光面１ａから出射した光（無偏光）は、偏光子２の回折格子３が形成された入射面に入射する。
偏光子２の入射面では、入射光のうちＴＭ偏光は透過し、ＴＥ偏光は反射および回折される。偏光子２の入射面で反射および回折されたＴＥ偏光（タンジェンシャル偏光）は拡散光であり、ＬＥＤ１に入射する。
ＬＥＤ１の発光面１ａまたはＬＥＤ１内部では、偏光子２からのＴＥ偏光（タンジェンシャル偏光）の拡散光は、偏光子２側の方向に正反射される。ＬＥＤ１で正反射された拡散光は、偏光子２の入射面に再び入射する。
上記の、ＴＥ偏光が偏光子２の入射面で反射および回折され、その反射および回折されたＴＥ偏光の拡散光が、ＬＥＤ１の発光面１ａで正反射されて、偏光子２の入射面に再び入射する過程において、ＬＥＤ１の発光面１ａで正反射された拡散光の一部（主に、回折光）は、偏光子２の入射面でのＴＥ偏光が反射および回折された領域とは異なる領域に入射する。
例えば、偏光子２の入射面の、第１の方向に透過軸が形成された領域Ａ１で反射および回折されたＴＥ偏光（偏光方向は第１の方向と直交する）の拡散光の一部は、ＬＥＤ１の発光面１ａで正反射された後、偏光子２の入射面の領域Ａ１とは異なる領域Ａ２に入射する。領域Ａ２が第１の方向と直交する第２の方向に透過軸が形成された領域である場合、領域Ａ１からのＴＥ偏光の偏光方向は、領域Ａ２の透過軸と平行であるので、領域Ａ１からのＴＥ偏光のうち、領域Ａ２に入射した光は、ＴＭ偏光として偏光子２を透過する。
本実施形態の光源ユニットは、以下の第１および第２の特徴を有する。
第１の特徴は、偏光子２をその透過軸が面内位置によって異なるように構成したことである。これにより、偏光子２で反射されたＴＥ偏光はタンジェンシャル偏光とされる。
第２の特徴は、偏光子２のＬＥＤ１側の面に回折格子３を設けたことである。これにより、偏光子２で反射されたＴＥ偏光（タンジェンシャル偏光）を拡散することができる。
上記の第１および第２の特徴によれば、偏光子２の入射面とＬＥＤ１の発光面１ａとの間でＴＥ偏光が反射および回折を繰り返しながら伝播する過程で、ＴＥ偏光（拡散光）の一部がＴＭ偏光として偏光子２を透過する。このＴＥ偏光からＴＭ偏光への偏光変換により出射光強度を高めることができる。
また、本実施形態の光源ユニットによれば、回折格子３は、アルミニウム、銀、金のいずれかの金属、またはこれらの金属のいずれかを含む化合物により形成される。このような金属よりなる回折格子３の耐熱性は高く、よって、回折格子３をＬＥＤ１の近傍に設けてもその性能が劣化することはない。
加えて、回折格子３の厚さは、ＬＥＤ１の発光波長にもよるが、通常、数百ｎｍ程度であり、図３に示した光源ユニットで用いられているような、水晶や雲母等の結晶を用いた１／４波長板１０２の厚さに比較して十分に薄い。したがって、本実施形態の光源ユニットの側面から漏れる光の量は、図３に示した光源ユニットに比較して、十分に小さい。
次に、本実施形態の光源ユニットの偏光子２および回折格子３の作製方法について説明する。
図１５Ａ〜図１５Ｈに、回折格子３を備えた偏光子２の作製工程の一手順を示す。
まず、図１５Ａに示すように、石英などよりなる基板１０上にレジストを塗布してレジスト層１１を形成する。次に、図１５Ｂに示すように、フォトリソグラフィーを利用して、レジストパターン１２を形成する。
次に、図１５Ｃに示すように、レジストパターン１２が形成された基板１０上に、金属蒸着を利用して、アルミニウム層１３を形成する。次に、図１５Ｄに示すように、レジストパターン１２およびレジストパターン１２上のアルミニウム層をリフトオフして、基板１０上に偏光子２となる凹凸パターン１４を形成する。
次に、図１５Ｅに示すように、凹凸パターン１４が形成された基板１０上にレジストを塗布してレジスト層１５を形成する。次に、図１５Ｆに示すように、フォトリソグラフィーを利用して、レジストパターン１６を形成する。
次に、図１５Ｇに示すように、レジストパターン１６が形成された基板１０上に、金属蒸着を利用して、アルミニウム層１８を形成する。
最後に、図１５Ｈに示すように、レジストパターン１６およびレジストパターン１６上のアルミニウム層をリフトオフして、回折格子３となる凹凸パターン１８を凹凸パターン１４上に形成する。
図１６Ａ〜図１６Ｈに、回折格子３を備えた偏光子２の別の作製工程の一手順を示す。
まず、図１６Ａに示すように、石英などよりなる基板２０上にレジストを塗布してレジスト層２１を形成する。次に、図１６Ｂに示すように、フォトリソグラフィーを利用して、レジストパターン２２を形成する。
次に、図１６Ｃに示すように、レジストパターン２２が形成された基板２０上に、金属蒸着を利用して、アルミニウム層２３を形成する。次に、図１６Ｄに示すように、レジストパターン２２およびレジストパターン２２上のアルミニウム層をリフトオフして、基板２０上に偏光子２となる凹凸パターン２４を形成する。
次に、図１６Ｅに示すように、凹凸パターン２４が形成された基板２０上にレジストを塗布してレジスト層２５を形成する。次に、図１６Ｆに示すように、フォトリソグラフィーを利用して、レジストパターン２６を形成する。
次に、図１６Ｇに示すように、レジストパターン２６が形成された基板２０上に、金属蒸着を利用して、アルミニウム層２８を形成する。ここで、金属蒸着は、レジストパターン２６が形成された基板２０の面に対して斜め方向から行う。これにより、基板２０の表面の、凹凸パターン２４が形成された領域以外の領域は、凹凸パターン２４の影になるため、この領域にはアルミニウムは蒸着されない。
最後に、図１６Ｈに示すように、レジストパターン２６およびレジストパターン２６上のアルミニウム層をリフトオフして、凹凸パターン２４上に回折格子３となる凹凸パターン２８を形成する。
上述した本実施形態の光源ユニットにおいて、回折格子３の凹凸パターンは放射状のもの以外であってもよい。回折格子３は、偏光子２で反射されたＴＥ偏光またはＴＭ偏光を回折することができるのであれば、どのようなパターンにしてもよい。
また、偏光子２の凹凸パターンも、透過軸の方向が面内位置によって異なり、かつ、ＴＥ偏光およびＴＭ偏光を分離することができるのであれば、どのようなパターンにしてもよい。
例えば、偏光子２を放射状の凹凸パターンにより構成し、回折格子３を同心円状の凹凸パターンにより構成してもよい。この場合は、偏光子２を透過したＴＭ偏光はタンジェンシャル偏光となり、偏光子２で反射および回折されたＴＥ偏光はラジアル偏光となる。
（第２の実施形態）
図１７は、本発明の第２の実施形態である光源ユニットの構成を示す斜視図であり、図１８は、図１７に示す光源ユニットの断面図である。
図１７は、本発明の第２の実施形態である光源ユニットの構成を示す斜視図であり、図１８は、図１７に示す光源ユニットの断面図である。
図１７および図１８に示す光源ユニットは、偏光子２のＬＥＤ１側とは反対側の面と対向する位置に波長板４を備えており、この点が、第１の実施形態と異なる。ＬＥＤ１、偏光子２および回折格子３は第１の実施形態と同じである。
波長板４は、偏光子２を透過した光の偏光方向を一定の方向に揃えるものであり、例えば１／２λ板よりなる。
波長板４の光学軸の方向は、面内位置によって異なっており、それぞれの光学軸は、偏光子２の透過軸と対応している。
図１９Ａに、図９に示した同心円状の複数の凹凸パターンを有する偏光子２の透過軸の方向を模式的に示し、図１９Ｂに、波長板４の光学軸の方向を模式的に示し、図１９Ｃに、波長板４を透過した光（出射光）の偏光方向を模式的に示す。
図１９Ａに示すように、偏光子２の透過軸が放射状に形成されている場合、図１９Ｂに示すように、波長板４の光学軸も放射状に形成され、それぞれの光学軸は、偏光子２の透過軸と対応している。
波長板４の光学軸の方向は、図１９Ｃに示すように出射光の偏光方向が一定の方向になるように、偏光子２の透過軸に対して設定される。具体的には、波長板４の光学軸の方向は、θH＝（θP＋θO）／２の式を満たすように設定される。ここで、θHは、波長板４の光学軸の方向を示し、θPは偏光子３の透過軸の方向を示し、θOは出射光の偏光方向を示す。
具体的には、図２０Ａに示すように、偏光子２の入射面に垂直な方向から見た場合の、偏光子３の透過軸の方向、波長板４の光学軸の方向、および出射光の偏光方向をそれぞれ、出射光と直交するＸ２Ｙ２平面上に投影した場合において、θHは、波長板４の光学軸とＸ２軸とのなす角度であり、θPは、偏光子２の透過軸とＸ２軸とのなす角度であり、θOは、出射光の偏光方向とＸ２軸とのなす角度である。
図１９Ａに示した透過軸を備えた偏光子２では、偏光子２を透過したＴＭ偏光はラジアル偏光となる。このラジアル偏光は、図１９Ｂに示した光学軸を備えた波長板４を透過すると、透過領域の光学軸に対応する偏光方向の回転が生じ、その結果、図１９Ｃに示した、偏光方向が一定の方向の出射光を得る。
偏光子２の透過軸は、放射状以外のものであってもよい。例えば、偏光子２の凹凸パターンを図１０に示した放射状のパターンにした場合は、偏光子２の透過軸は同心円状に形成される。この場合も、波長板４の光学軸は、上記の式を満たすように設定される。
図２０Ｂに、波長板４の構成を示す。波長板４は、屈折率が周期的に変化する多層膜構造４１および凹凸パターン４２を備える。
波長板４の光学軸は、凹凸パターンの周期方向を変えることにより制御することができるので、偏光子２の透過軸と同様、凹凸パターンにより光学軸を所望の方向に形成することができる。
図２１Ａに、図１０に示した放射状のパターンを有する偏光子２の透過軸の方向を模式的に示し、図２１Ｂに、波長板４の光学軸の方向を模式的に示し、図２１Ｃに、波長板４を透過した光（出射光）の偏光方向を模式的に示す。
図２１Ａに示すように、偏光子２の透過軸が同心円状に形成されている場合、図２１Ｂに示すように、波長板４の光学軸は放射状に形成され、それぞれの光学軸は、偏光子２の透過軸と対応している。波長板４の光学軸の方向は、図２１Ｃに示すように出射光の偏光方向が一定の方向になるように設定される。
図２１Ａに示した透過軸を備えた偏光子２では、偏光子２を透過したＴＭ偏光はタンジェンシャル偏光となる。このタンジェンシャル偏光は、図２１Ｂに示した光学軸を備えた波長板４を透過すると、透過領域の光学軸に対応する偏光方向の回転が生じ、その結果、図２１Ｃに示した、偏光方向が一定の方向の出射光を得る。
本実施形態の光源ユニットによれば、第１の実施形態で説明した作用効果に加えて、以下のような作用効果を奏する。
第１の実施形態では、光源ユニットの出射光として例えばＴＭ偏光を得られるが、そのＴＭ偏光はラジアル偏光またはタンジェンシャル偏光であり、そのままでは、液晶パネルなどを照明する光として用いることはできない。本実施形態の光源ユニットによれば、偏光子２を透過したＴＭ偏光（ラジアル偏光またはタンジェンシャル偏光）は、波長板４を透過する際にその偏光方向が回転し、これにより、光源ユニットの出射光の偏光方向を一定方向に揃えることができる。よって、本実施形態の光源ユニットは、液晶パネルなどを照明する光源ユニットに適用することができる。
（第３の実施形態）
上述した第１および第２の実施形態の光源ユニットでは、偏光子２および回折格子３の凹凸構造はアルミニウムなどの金属により形成されているが、その凹凸構造は、フォトニック結晶を用いた手法により形成してもよい。
上述した第１および第２の実施形態の光源ユニットでは、偏光子２および回折格子３の凹凸構造はアルミニウムなどの金属により形成されているが、その凹凸構造は、フォトニック結晶を用いた手法により形成してもよい。
図２２に、本発明の第３の実施形態の光源ユニットに用いられる偏光子および回折格子の構成を示す。
図２２に示すように、偏光子５は、屈折率が周期的に変化する多層膜構造５１および凹凸パターン５２を備え、この凹凸パターン５２上に、フォトニック結晶によりなる回折格子６が形成されている。回折格子６は、放射状の凹凸パターンよりなる。
本実施形態の光源ユニットでは、図２２に示した回折格子６を備える偏光子５が、ＬＥＤの発光面と対向する位置に設けられる。具体的には、第１または第２の実施形態の光源ユニットにおいて、偏光子２および回折格子３を偏光子５および回折格子６で置き換えたものが、本実施形態の光源ユニットである。偏光子の凹凸パターンのピッチＰ１および深さＨ１、回折格子の凹凸パターンのピッチＰ２および深さＨ２は、第１および第２の実施形態で説明した構成と基本的に同じである。
本実施形態の光源ユニットにおいても、フォトニック結晶よりなる凹凸構造は、水晶や雲母等の結晶を用いた１／４波長板よりも薄く、また、フィルムよりなる１／４波長板のような耐熱性の問題は生じない。よって、第１の実施形態や第２の実施形態と同様の作用効果を奏する。
なお、本実施形態の光源ユニットにおいて、偏光子５の凹凸パターンおよび回折格子６の凹凸パターンは、第１および第２の実施形態で説明したものと同じであってもよい。
次に、本実施形態の光源ユニットの偏光子５および回折格子６の作製方法について説明する。
図２３Ａ〜図２３Ｅに、回折格子６を備えた偏光子５の作製工程の一手順を示す。
まず、図２３Ａに示すように、石英などよりなる基板１０の表面に所望の凹凸パターンを形成し、その凹凸パターンが形成された表面上に、高屈折率の透明な第１層と低屈折率の透明な第２層とを交互に積層して周期構造３１を形成する。
次に、図２３Ｂに示すように、周期構造３１上にレジストを塗布してレジスト層３２を形成する。次に、図２３Ｃに示すように、フォトリソグラフィーを利用して、レジストパターン３３を形成する。このレジストパターン３３は、回折格子６の凹凸パターンを形成するためのものである。
次に、図２３Ｄに示すように、レジストパターン３３が形成された面上に、高屈折率の透明な第１層と低屈折率の透明な第２層とを交互に積層して周期構造３４を形成する。
最後に、図２３Ｅに示すように、レジストパターン３３およびレジストパターン３３上の周期構造３４をリフトオフして、図２２に示した偏光子５および回折格子６を得る。
例えば、周期構造３１、３４において、第１層として五酸化ニオブ（Ｎｂ2Ｏ5）を用い、第２層として二酸化珪素（ＳｉＯ2）を用いることができる。
上述した各実施形態の光源ユニットは本発明の一例であり、その構成は、発明の趣旨を逸脱しない範囲で当業者が理解し得る変更を適用することができる。
例えば、第１および第２の実施形態で説明した偏光子２は、図２４に示すように、基板２ａの一方の面に凹凸パターン２ｂが形成され、基板２ａの他方の面に、回折格子３の凹凸パターンが形成された構造を有していてもよい。この場合、偏光子２は、回折格子３が形成された面がＬＥＤ１の発光面１ａと対向するように配置される。
また、第３の実施形態で説明した偏光子５は、図２５に示すように、高屈折率の透明な第１層と低屈折率の透明な第２層とを交互に積層してなる周期構造３１上に、第１および第２の実施形態で説明したような凹凸パターンよりなる回折格子６が形成された構造を有してもよい。回折格子６の凹凸パターンは、第１および第２の実施形態で説明した回折格子３の凹凸パターンの作製手法により形成することができる。
さらに、図２５に示した構成において、周期構造３１が透明基板の一方の面に形成され、回折格子６の凹凸パターンが透明基板の他方の面に形成されてもよい。
さらに、回折格子６をフォトニック結晶により形成し、偏光子５を第１および第２の実施形態で説明した凹凸パターンで形成してもよい。この場合は、例えば、第１および第２の実施形態で説明した手法で偏光子５の凹凸パターンを形成し、その上に透明層を形成し、この透明層上に、フォトニック結晶よりなる回折格子６の凹凸パターンを形成する。
また、第１から第３の実施形態において、偏光子は、透過軸の方向が面内位置によって異なるような凹凸パターンを有していればよく、その凹凸パターンとしては、様々なパターンを適用することができる。
図２６Ａ〜図２６Ｃに、偏光子の凹凸パターンの一例を示す。
図２６Ａに示す例では、偏光子は、図面左下の角を中心として放射状に形成された複数の凹凸パターンを有する。この偏光子においては、水平方向を０°、垂直方向を９０°とすると、透過軸の方向は０°〜９０°の範囲で連続的に変化する。
図２６Ｂに示す例では、偏光子は、図面左下の角を中心として同心円状に形成された複数の凹凸パターンを有する。この偏光子においても、図２６Ａに示したものと同様、透過軸の方向は０°〜９０°の範囲で連続的に変化する。
図２６Ｃに示す例では、偏光子は、凹凸パターンが水平方向に等間隔で形成された第１領域、水平方向に対して約９０°の角度を有する凹凸パターンが等間隔で形成された第２領域、および凹凸パターンが垂直方向に等間隔で形成された第３領域を有し、これら第１乃至第３領域が所定の順番でマトリクス状に形成されている。この偏光子においては、透過軸の方向が面内位置によって異なる。
以上説明した本発明の光源ユニットによれば、凹凸構造にて反射および回折された光は拡散し、しかも、偏光子の透過軸は面内位置によって異なっているため、その拡散光は、各透過軸の方向に対応した複数の異なる偏光方向を有する。したがって、凹凸構造にて反射および回折された拡散光が、発光素子の発光面と偏光子との間を、反射および回折を繰り返しながら伝播する過程において、拡散光の一部が偏光子を透過する。これにより、ＬＥＤの発光面上部に偏光子を配置しただけの構成に比べて、光源ユニットからの出射光強度を高めることができる。
また、偏光子の凹凸構造の厚さは、水晶や雲母等の結晶を用いた１／４波長板の厚さに比べて十分に薄いので、１／４波長板を備える光源ユニット（図３参照）に比較して、発光素子の発光面と偏光子との間隔を小さくすることができる。これにより、光源ユニットの側面から漏れる光の量を少なくすることができ、出射光強度を高めることができる。
また、凹凸構造は、金属の凹凸パターンやフォトニック結晶により形成することができる。金属やフォトニック結晶の耐熱性は高いため、この凹凸構造には、フィルムよりなる１／４波長板のような耐熱性の問題は生じない。したがって、凹凸構造の反射および回折に対する性能が発光素子からの熱により劣化する問題は生じない。
本発明の光源ユニットは、液晶プロジェクタの他、偏光させた光を用いる装置全般に適用することができる。
本発明が適用されたプロジェクタの主要部は、上述した第１から第３の実施形態で説明した光源ユニットのいずれかと、この光源ユニットからの光を空間的に変調する表示素子と、表示素子で形成された画像光を投射する投射光学系と、を有する。光源ユニットが波長板を有する場合は、表示素子として液晶パネルを用いてもよい。また、光源ユニットが波長板を有していない場合は、表示素子として入射面に波長板を設けた液晶パネルを用いてもよい。
以上、実施形態を参照して本発明を説明したが、本発明は上述した実施形態に限定されるものではない。本発明の構成および動作については、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、当業者が理解し得る様々な変更を行うことができる。
この出願は、２０１０年１１月１８日に出願された日本出願特願２０１０−２５７９９７を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
上記のように、偏光子１０１で反射されたＴＥ波は、偏光子１０１からＬＥＤ１００側へ向かう過程と、ＬＥＤ１００の発光面で正反射されて偏光子１０１側へ向かう過程とで１／４波長板１０２を２度通過することでＴＭ波に変換される。このようにＴＥ波をＴＭ波に偏光変換することで、光源ユニットからの出射光強度を高めることができる。
具体的には、図２０Ａに示すように、偏光子２の入射面に垂直な方向から見た場合の、偏光子２の透過軸の方向、波長板４の光学軸の方向、および出射光の偏光方向をそれぞれ、出射光と直交するＸ２Ｙ２平面上に投影した場合において、θHは、波長板４の光学軸とＸ２軸とのなす角度であり、θPは、偏光子２の透過軸とＸ２軸とのなす角度であり、θOは、出射光の偏光方向とＸ２軸とのなす角度である。
図２６Ｃに示す例では、偏光子は、凹凸パターンが水平方向に等間隔で形成された第１領域、水平方向に対して約４５°の角度を有する凹凸パターンが等間隔で形成された第２領域、および凹凸パターンが垂直方向に等間隔で形成された第３領域を有し、これら第１乃至第３領域が所定の順番でマトリクス状に形成されている。この偏光子においては、透過軸の方向が面内位置によって異なる。
Claims (12)
- 発光面を備えた発光素子と、
前記発光素子の前記発光面と対向する位置に設けられた、透過軸の方向が面内位置によって異なる偏光子と、を有し、
前記偏光子は、前記発光面から出射し、前記発光素子側から入射した光のうち、偏光方向が前記透過軸と平行な光を透過させ、偏光方向が前記透過軸と直交する光を反射および回折する凹凸構造を有する、光源ユニット。 - 前記凹凸構造は、
複数の第１の周期的な凹凸パターンよりなり、該第１の凹凸パターンの周期方向に前記透過軸が形成される第１の層と、
入射した光のうち、少なくとも偏光方向が前記透過軸と直交する光を反射及び回折する複数の第２の周期的な凹凸パターンからなる第２の層と、を有し、
前記偏光子は、前記第２の層が形成された面が前記発光素子の前記発光面と対向するように設けられている、請求項１に記載の光源ユニット。 - 前記第２の層は、前記第１の層上に形成されている、請求項２に記載の光源ユニット。
- 前記第１の層は、基板の一方の面上に形成されており、前記第２の層は、前記基板の他方の面上に形成されている、請求項２に記載の光源ユニット。
- 前記複数の第１の層の透過軸が、前記偏光子の光軸を中心として放射状に設けられ、
前記複数の第２の凹凸パターンは、前記光軸を中心とした同心円の接線方向に周期的に形成されている、請求項２から４のいずれか１項に記載の光源ユニット。 - 前記複数の第１の層の透過軸が、前記偏光子の光軸を中心とした同心円状に設けられ、
前記複数の第２の凹凸パターンは、前記光軸を中心として動径方向に周期的に形成されている、請求項２から４のいずれか１項に記載の光源ユニット。 - 前記偏光子は、それぞれの透過軸の方向が異なる複数の領域を有し、該領域毎に、前記第１および第２の層が形成されている、請求項２に記載の光源ユニット。
- 前記複数の第１の凹凸パターンは金属よりなる、請求項２から６のいずれか１項に記載の光源ユニット。
- 前記第１の層は、屈折率が異なる２つ以上の層を交互に積層した周期構造よりなる、請求項２に記載の光源ユニット。
- 前記偏光子の前記発光素子側とは反対側の面と対向する位置に設けられた、光学軸の方向が面内位置によって異なる波長板を、さらに有し、
前記波長板の光学軸は、前記偏光子の透過軸と対応しており、前記偏光子から前記波長板を介して出射される出射光の偏光方向が一定の方向となるように、前記波長板の光学軸が形成されている、請求項１から９のいずれか１項に記載の光源ユニット。 - 前記偏光子の前記発光素子側の面に垂直な方向から見た場合の、前記偏光子の透過軸の方向、前記波長板の光学軸の方向、および前記出射光の偏光方向をそれぞれ、前記出射光と直交する平面上に投影した場合において、前記波長板の光学軸、前記偏光子の透過軸、および前記出射光の偏光方向のそれぞれの、前記平面の面内方向における特定の方向とのなす角度をそれぞれθH、θP、θOとするとき、前記θHが
θH＝（θP＋θO）／２
を満たす、請求項１０に記載の光源ユニット。 - 請求項１から１１のいずれか１項に記載の光源ユニットと、
前記光源ユニットからの光を空間的に変調する表示素子と、
前記表示素子で形成された画像光を投射する投射光学系と、を有する、投射型表示装置。
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