JPH02264904A - 直線偏光光源 - 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、直線偏光光源に関し、特に効率良く直線偏光
光を発生することが可能な直線偏光光源に関する。

〔従来の技術〕

偏光光を使用する機器その他の装置には、直線偏光光を
利用するものがある。直線偏光光を利用する装置の一例
は、後述でも触れるように、ＴＮ（ツィステッド・ネマ
チンク）液晶を用いた投射型液晶表示装置である。

従来、そのような装置において、光源としてハロゲンラ
ンプやキセノンランプ等を使用する場合、ハロゲンラン
プやキセノンランプ等の光源から発°生ずる光は不定偏
光光であり、従って、直線偏光光を得るには、光源から
の不定偏光光を、偏光板や複屈折性のある結晶を透過さ
せたり、境界面で反射させたりすることによって、直線
偏光光を選択する素子が用いられている。

一例として、このような素子としては、ポリビニルアル
コール等に沃素等を配向させて吸着させることにより偏
光膜を作製し、両面に保護のためプラスチックシートや
ガラス板等を接着した構造のシート・ポラライザや、複
屈折性のある結晶中の常光線と異常光線の光の進光方向
の違いから直線偏光光を取り出すニコルプリズム、ロー
ションプリズム等が用いられている。また、二つの直角
プリズムの一方の斜面に半透膜をコートして斜面同士を
接合し、透過光と反射光とを互いに偏光方向が直交する
直線偏光光として取り出す偏光ビームスプリッタも用い
られている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来のシート・ポラライザや偏光ビームスプリ
ッタ等の偏光素子を単独で用いる場合、不用な偏光成分
の光を吸収、あるいは反射してしまうため、光源からの
光束の光利用効率は５０％以下と低くならざるを得なか
ったので、光の損失が大きいという問題がある。

この問題は、例えば使用装置が投射型液晶表示装置の場
合には、所要の明るさの投射画面を確保しようとすると
きには、その光源としてより輝度の高いものの使用を要
求することとなる。

すなわち、既述したように、直線偏光光を利用する装置
の一例として、ＴＮ（ツィステッド・ネマチック）液晶
を用いた液晶表示素子を投射レンズでスクリーン面に拡
大投影する投射型液晶表示装置があるが、そのように拡
大投影する場合に、液晶表示撫子の光の人出射面にそれ
ぞれシート・ポラライザから成る偏光板を配置する構成
を採用したときに、光源からの光束の透過率は偏光板だ
けでも４０％以下になってしまう。さらに、液晶表示素
子は、液晶等の吸収、境界面での反射、開口率、カラー
フィルタにより吸収等の影響があり、素子全体の透過率
は数％とかなり低い値にならざるを得なかった。このた
め、明るい投射画面を得るためには、光源に輝度の高い
ものを使用しなくてはならない。

輝度の高い光源が要求されれば、従来のようにして直線
偏光光を得る場合における効率が低いという問題は、そ
れに留まらず、使用装置での消費電力が大きくなること
、発熱による温度上昇や偏光板の劣化が生じる等へまで
波及することになる。

本発明の目的は、効率良く直線偏光光を発生することの
できる直線偏光光源を提供することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の直線偏光光源は、 反射鏡を有する光源と、 光源からの光束を互いに偏光方向が直交する二つの光束
に分離する偏光ビームスプリッタと、光源と偏光ビーム
スプリッタの間に配置した少なくとも一枚以上の波長板
と、 前記二つの光束のどちらか一方の光束を前記反射鏡に入
射させるべ（反射する光束反射素子とを有することを特
徴としている。

〔作用〕

偏光ビームスプリッタで光源からの光束を互いに偏光方
向が直交する二つの光束に分離するようにすると共に、
光源と偏光ビームスプリンタ間に少なくとも一枚以上の
波長板を設け、かつ、どちらか一方、の光束を光束反射
素子により反射させて光源側の反射鏡に入射させるよう
にすると、光源からの放射光は、反射鏡と光束反射素子
間を反射する光束についても特定の偏光成分のものが出
射側へ透過し、はとんどの光が特定の偏光方向にそろっ
た直線偏光光として偏光ビームスプリッタから出射し、
効率良く直線偏光光を発生する直線偏光光源を実現する
ことが可能になる。

〔実施例〕

次に、本発明の実施例について図面を参照して説明する
。

第１図は、本発明の第１の実施例を示す直線偏光光源の
平面図である。第１図に示すように、本実施例の直線偏
光光源は、光源３１と、反射鏡３２、波長板としての１
／４波長板３３と、偏光ビームスプリッタ３４と、光束
反射素子３６とから構成される。

光源３１は、図示のように反射鏡３２を有しており、こ
れらにより光源部が構成される。

偏光ビームスプリッタ３４は、斜面３５と出射面３７３
８とを有し、光源３１側からの入射光束を互いに偏光方
向が直交する二つの光束に分離する偏光ビームスプリッ
タである。光源３１側からの入射光束としては、光源３
１からの直接のものの他、反射鏡３２で反射されたもの
も含まれる。

１／４波長板３３は、このような偏光ビームスプリッタ
３４と光源側との間に配置されており、本実施例では、
１／４波長板３３はその一面を偏光ビームスプリッタ３
４と接着した構成を採っている。１／４波長板３３の他
面は人出射面３９として上述の光源側と対向している。

光束反射素子３６は、上述の二つの光束のどちらか一方
の光束を反射鏡３２に入射するように反射するのに用い
られる。本実施例では、偏光ビームスプリッタ３４の斜
面３５で反射されることによって分離される一方の光束
の出射面、図示の場合は出射面３７側に対し、後述もす
るように、例えばアルミニウムを蒸着することにより光
束反射素子を設ける構成としである。

上記構成から成る直線偏光光源としての出射光は、偏光
ビームスプリッタ３４の出射面３８側から取り出される
。すなわち、光源側からの光束で、１／４波長板３３を
介し、かつ偏光ビームスプリッタ３４の斜面３５を透過
するものは、そのまま出射光として出射面３８から出射
し、他方、偏光ビームスプリッタ３４で分離されて出射
面３７に向かう光束は、光束反射素子３６で、−旦、反
射されて再度斜面３５で光源側に向かうように反射され
、１／４波長板３３を介して反射鏡３２に入射せしめら
れ、その反射鏡３２での反射光束が再び１／４波長板３
３側へ向かう光路をとれるようになされている。

本実施例の直線偏光光源は、上述のような反射鏡３２を
有する光源３１と、光源３１からの光束を互いに偏光方
向が直交する二つの光束に分離する偏光ビームスプリッ
タ３４と、光源３１と偏光ビームスプリッタ３４の間に
配置した少なくとも一枚以上の波長板としての１／４波
長板３３と、前記二つの光束のどちらか一方の光束を反
射鏡３２に入射するように反射する光束反射素子３６と
から構成されている。

第１図に示した構成の直線偏光光源及び後述する他の実
施例に係るものを含めて、本発明に従う直線偏光光源は
、次のような原理に基づくものである。

これを、出射光としてｐ偏光の直線偏光光を出射させる
場合の原理を示す第２図を用いて説明するに、第２図に
おいて、光源１から放射される光は不定偏光光であり、
光源１から直接、あるいは反射鏡２で反射された後、出
射光束となる。今、説明を節単にするため、成る一つの
放射光１０の光路に着目するものとし、以下、その光路
を用いて原理説明を行う。

まず、放射光１０は波長板３を透過するが、放射光１０
が不定偏光光であるため、その透過光１１も不定偏光光
のままである。

次いで、透過光１１は、偏光ビームスプリッタ４に入射
し、入射した入射光１２は偏光ビームスプリッタ４の斜
面５において、互いに偏光方向が直交する二つの直線偏
光光として透過光１３と反射光１５とに分離される。

ここで、透過光１３はｐ偏光の直線偏光光、反射光１５
はＳ偏光の直線偏光光であり、その強度比は約１対１で
ある。このうち、透過光１３は偏光ビームスプリッタ４
からｐ偏光の直線偏光である出射光１４としてそのまま
出射する。

一方、反射光１５については、これは光束反射素子６に
入射し、入射光１６は同じ偏光状態で正反射される。こ
のようにして得られた反射光１７は、再び偏光ビームス
プリッタ４に入射するが、入射光１８は、前述の反射光
１５と同様、Ｓ偏光の直線偏光であるため斜面５におい
て全反射される。この反射光１９は偏光ビームスプリッ
タ４を出射し、波長板３に入射する。

ここで、波長板３が、実施例のように１／４波長板の場
合、直線偏光である入射光２０が入射すると、その透過
光２１は円偏光になる。ただし、入射光２０の偏光方向
と波長板３の光学的異方軸との成す角が４５度になるよ
うに波長板を配置する必要がある。

さて、このようにして偏光ビームスプリッタ４側から波
長板３に入射し透過した透過光２１は光源側へ向かうこ
ととなる。光源１は反射鏡２を有しているので、この場
合は、反射鏡２に入射し、その入射光２２は反射鏡２で
反射され、これによって反射光２３が得られることとな
る。この反射光２３は、再び、波長板３に入射するが、
入射光２４は円偏光であるため、その透過光２５は直線
偏光となる。

しかも、このように直線偏光に変換されるのみならず、
その偏光方向も偏光ビームスプリッタ４に対してｐ偏光
として作用するものとなる。

すなわち、ここで、既述のようにして、光束反射素子６
での反射、反射鏡２での反射によって再び光源側から偏
光ビームスプリッタ４へ入射せしめられる透過光２５に
ついて考えてみるに、透過光２５は、前述の入射光２０
が波長板３を２回透過したことになり、透過光２５の偏
光方向はその入射光２０の偏光方向とは直交する方向に
なっている。

入射光２０については、Ｓ偏光の直線偏光光である反射
光１５に基づくものであり、従って入射光２０は偏光ビ
ームスプリンタ４に対してＳ偏光であったので、上述の
ようにして得られる透過光２５は偏光ビームスプリッタ
４に対してｐ偏光として作用することとなる。従って、
二度目の入射光２６はｐ偏光であるため、先の入射光１
２の場合の透過光１３の成分と同じように、偏光ビーム
スプリンタ４の斜面５をそのまま透過し、出射光２７と
なる。

結果として、第２図で着目した成る一つの放射光１０は
、前述の出射光１４と上記出射光２７の、共にＰ偏光の
直線偏光光、すなわち偏光方向のそろった直線偏光光と
して、偏光ビームスプリッタ４から出射することになる
。

以上は、放射光１０以外の光路の光に対しても同様であ
り、光源１からの放射光は、以上の過程により、はとん
どの光が特定の偏光方向にそろった直線偏光光として偏
光ビームスプリッタ４がら出射するので、本発明の構成
に従えば効率良く直線偏光光を発生する直線偏光光源を
得ることが可能になる。

上記では、波長板３を１／４波長板として説明したが、
これは必ずしも１／４波長板である必要はなく、その場
合、透過光２５は楕円偏光になり、反射鏡２と光束反射
素子６との間を繰り返し反射する過程で、偏光ビームス
プリッタ４の斜面５においてｐ偏光成分のみが透過し、
このときも、最終的には光源１からの放射光は、はとん
どの光が偏光ビームスプリッタ４からＰ偏光の直線偏光
光として出射する。

このように、使用波長板としては１／４波長板でなくて
もよいが、より高効率を得ようとするときは、１／４波
長板を用いることによって、−層の効率向上が図れる。

すなわち、上記のような反射鏡と光束反射素子間での繰
り返し反射する回数が多いと、素子での吸収による損失
が大きくなり効率は低下することから、これに起因する
効率の低下をもなくそうとするときには、波長板として
は１／４波長板を使用するのが望ましい。

第１図に示した構成は、１／４波長板を用いる場合の態
様の一例を示したものであり、以下、これについて更に
具体的に説明する。

第１図において、光源３１は不定偏光光を放射する光源
であり、光源３１からの直接の出射光束、あるいは反射
鏡３２で反射された出射光束が、偏光ビームスブ、リッ
タ３４．１／４波長板３３及び光束反射素子３６から成
る素子部へ与えられる。

ここで、上記４成において使用した光源３１、偏光ビー
ムスプリッタ３４．１／４波長板３３並びに光束反射素
子３６は、それぞれ具体的には次のようなものである。

すなわち、光源３１としては、輝度の高い白色光源とし
てキセノンランプを用いた。なお、図には明示していな
いが、電源を必要とする。また、キセノンランプ以外に
、ハロゲンランプやメタルハライドランプ等の光源も用
いることが可能である。

また、１／４波長板３３は、直線偏光を円偏光に、また
は円偏光を直線偏光に変換する作用を持つもので、特に
、可視光領域の波長範囲で有効に作、用するように、ポ
リビニルアルコールフィルムを延伸し、所望の複屈折性
を持たせ、保護ガラスで挟んだものを使用した。１／４
波長板としては、この他に、複屈折のある光学結晶や、
配向処理を施した２枚のガラス基板で液晶を挟んだ構造
のものも、１／４波長板として用いることができる。

更に、偏光ビームスプリッタ３４４こついては、これは
、二つの直角プリズムの一方の斜面３５に金属膜や誘電
体多層膜等からなる半透膜をコートして斜面同士を接合
したものであって、特に、可視光領域の波長の光に対し
て、有効に、互いに直交する偏光成分であるｐ偏光とＳ
偏光の二つの直線偏光光に分離できるものを用いた。そ
の消光比、すなわち透過光のｐ偏光成分とＳ偏光成分の
光の強変化は１００対１であった。

また、光束反射素子３６としては、偏光ビームスプリン
タ３４の斜面３５で反射されるＳ偏光光の出射面３７に
アルミニウムを蒸着することにより製作したものを用い
ている。また、１／４波長板３３は、その光学的異方軸
と、偏光ビームスプリッタ３４で分離されるＳ偏光、Ｐ
偏光の偏光方向との成す角が４５度になるように配置し
ており、かつ、既述の如（、接着により一体化して用い
ている。

すなわち、実施例では、さらに、素子の人出射面での反
射を少な（するために、１／４波長板３３と偏光ビーム
スプリッタ３４は屈折率の整合をとって接着し、１／４
波長板３３の光の人出射面３９と偏光ビームスプリンタ
３４の出射面３８には、誘電体多層膜から成る無反射コ
ートを施しである。

さて、第１図の直線偏光光源において、今、光源３１に
対する電源投入が行われたとすると、前記原理説明で述
べたように、光源３１から直接、あるいは反射鏡３２で
反射された出射光束のうち、１／４波長板３３と偏光ビ
ームスプリンタ３４の斜面３５を透過したＰ偏光光は、
出射面３８から出射し、一方、偏光ビームスプリッタ３
４の斜面３５で反射されたＳ偏光光については、光束反
射素子３６、斜面３５．１／４波長板３３、反射ｍ３２
．１／４波長板３３〕光路をとることにより、偏光方向
が９０度回転し、Ｐ偏光光となり、斜面３５を透過し、
出射面３８から出射される。従って、光源３１からの放
射光は、はとんどが偏光ビームスプリッタ３４の出射面
３８からＰ偏光の直線偏光光として出射する。以上の過
程において、光の損失は、素子の端面反射や媒質の吸収
のみのわずかな量である。

このように、直線偏光光を得る場合に本発明に従う第１
図の直線偏光光源を用いることにより、効率良く直線偏
光光を得ることが可能である。従来例に比べると、はぼ
効率が２倍であり、これを前述の投射型液晶表示装置に
使用した場合、同じ構成で明るい投射画面を得ることが
可能になり、従って、投射型液晶表示装置に用いるとき
は、装置の消費電力の増大、発熱による悪影響なども避
けられる。

なお、本実施例の説明において、光束反射素子３６は、
出射面３７へのアルミニウムの蒸着によるものとして述
べたが、反射率の高い金属または誘電体多層膜をつけた
増反射ミラーを用いるようにすると、より効果的である
。また、当然、光束反射素子３６をｐ偏光光の出射面３
８に設けると、光＃３１からの放射光は、はとんどがＳ
偏光光の出射面３７からＳ偏光の直線偏光光として出射
するので全く同様の効果が得られる。

第３図は、本発明の第２の実施例を示す直線偏光光源の
平面図である。本実施例においては、第３図に示す如く
、反射鏡４２を有する光源４１と、偏光ビームスプリッ
タ４４と、１／４波長板４３と、光束反射素子としての
直角プリズム４６とから構成されており、更に、空冷フ
ァン５０を備えている。

この直線偏光光源では、光源４１と偏光ビームスプリッ
タ４４は、第１の実施例と同じものを用いた。

直角プリズム４６は、上述のように、光束反射素子とし
て用いたものであり、光学ガラス、例えばＢＫ７を研磨
して製作した。この直角プリズム４６は、偏光ビームス
プリッタ４４の出射面４７から入射する光に対し、空気
との境界面において全反射する条件を満たし、入射光束
を折り返し反射することが可能である。また、損失が非
常に小さなものとすることができる。

更に、図示の直角プリズム４６と偏光ビームスプリッタ
４４は、屈折率の整合をとって貼り合わせたが、この方
法に限らず、偏光ビームスプリッタ４４の一方のプリズ
ムを図の形状で一体化して研磨製作することも可能であ
る。

また、光源４１の輝度が高い場合には、１／４波長板４
３と偏光ビームスプリッタ４４の劣化が生じてくるので
、本実施例では、反射鏡４２の反射には可視光のみを反
射するコールドミラーを、また１／４波長板４３の入出
射面４９には可視光のみを透過するコールドフィルタを
、それぞれ施した。さらにまた、図のように冷却ファン
５０を設けるようにして、全体を空冷ファン５０で冷却
すると、素子の劣化防止に効果的である。

本実施例の場合も、下記のようにして効率良く直線偏光
光を発生させることができる。すなわち、第３図の構成
においても、第１の実施例と同様に、光源４１から直接
、あるいは反射鏡４２で反射された出射光束のうち、１
／４波長Ｆｉ４３と偏光ビームスプリッタ４４の斜面４
５を透過したＰ偏光光は、出射面４８から出射し、一方
、偏光ビームスプリッタ４４の斜面４５で反射されたＳ
偏光光は、直角プリズム４６、斜面４５．１／４波長板
４３、反射鏡４２．１／４波長板４３の光路をとること
により、偏光方向が９０度回転し、ｐ偏光光となり、斜
面４５を透過し、出射面４８から出射される。従って、
光源４１からの放射光は、はとんどが偏光ビームスプリ
ッタ４４の出射面４８からｐ偏光の直線偏光光として出
射することとなり、不定偏光光から効率よく直線偏光光
を得ることができる。

〔発明の効果〕

以上説明したように、本発明によれば、効率良く直線偏
光光を発生することが可能な直線偏光光源を得ることが
でき、従来に比し高効率で直線偏光光を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の第１の実施例を示す直線偏光光源の平
面図、 第２図は本発明の原理説明に供する図、第３図は本発明
の第２の実施例を示す直線偏光光源の平面図である。 １、３Ｌ　ＩＨ・・・光源 ２、３２．４２・・・反射鏡 ３３３．４３・・・波長板 ４、３４．４４・・・偏光ビームスプリッタ５、３５．
４５・・・斜面 ６、３６．４６・・・光束反射素子

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）反射鏡を有する光源と、 光源からの光束を互いに偏光方向が直交する二つの光束
   に分離する偏光ビームスプリッタと、光源と偏光ビーム
   スプリッタの間に配置した少なくとも一枚以上の波長板
   と、 前記二つの光束のどちらか一方の光束を前記反射鏡に入
   射させるべく反射する光束反射素子とを有することを特
   徴とする直線偏光光源。