JPH03172803A - 偏光素子 - 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、ランダム偏光を一方向の偏光面を持つ直線偏
光に変換する偏光素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、ランダム偏光から一方向性偏光を得るためには、
偏光子や複屈折性結晶を用いて、特定の偏光面を有する
直線偏光のみを選択的に取り出す方法が一般的であった
。その代表例が偏光板である。これはお互いに直交する
偏光成分を持つランダム偏光である入射光のうち、片方
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。また、他には
複屈折性結晶を用いたものとしてローションブリズ゛ム
やニコルプリズムが挙げられる。

〔発明が解決しようとする課頭〕

しかし、従来の偏光板では光吸収の二色性を利用してい
るため一方向性偏光への変換効率が最大でも約４５％と
低く、また、光吸収による発熱作用により偏光板自体が
熱破壊を生じる危険性を有していた。また、複屈折性結
晶等を用いたものでは偏光方向の異なる不必要な偏光成
分を反射等の手段により除去しているため、やはりこの
方式においても一方向性偏光への変換効率が最大５０％
以下と低いことが問題となっている。

そこで、本発明は以上のような問題点を解決するもので
、その目的とするところは、光吸収や反射によるロスを
ほとんど伴うことなく、ランダム偏光を一方向性偏光に
高効率で変換するコンパクトな偏光素子を提供すること
にある。

〔課題を解決するための手段〕

上記課題を解決するために本発明の偏光素子は、光源か
らのランダム偏光を、偏光面が互いに直交する２つの直
線偏光に空間的な分離を行なうための複屈折性レンズに
よる偏光分離機構と、前記２つに分離された直線偏光の
偏光面を揃えるためにどちらか片方の直線偏光の偏光面
を９０度回転させる機構と、該偏光方向が揃った２つの
直線偏光を集光するための機構として集光レンズとから
構成されることを特徴とする。また、前記偏光素子を入
射光束に垂直な面内に複数構成してアレイ化したことを
特徴とする。

〔作用〕

上記手段によれば、まず、等方性層−複屈折１１層−等
方性層の３層からなる複屈折性レンズによりランダム偏
光を偏光面が互いに直交する２つの直線偏光（常光成分
、異常光成分）に位置選択的に分離集光する。次に、入
射光の偏光面を９０度回転させる位相差板を一方の偏光
（例えば常光成分）の集光位置に配置し、そこを通すこ
とにより偏光面を回転させ、透過光の偏光方向を他方の
偏光の偏光方向と一致させる。そして最後（こ、位置選
択的に分離集光され偏光方向がすべて同一の方向に揃っ
た偏光を再びレンズを通過させることにより、入射光で
あるランダム偏光はそのほとんどが一方向性偏光に変換
される。上記の変換過程においては偏光方向の違いによ
る光吸収や反射による光量の減少がほとんどない。また
、複屈折性レンズのレンズ特性に合わせたレンズを偏光
素子の出射側に配置していることがら、本偏光素子によ
る偏光変換過程において光束の幅がほとんど変化しない
。したがって、平行性に優れる入射光を本偏光素子に入
射した場合には、同様に平行性に優れた出射光を得られ
ることになる。

〔実施例〕

以下、実施例に基づき本発明の詳細な説明する。

但し、本発明は以下の実施例に限定されるものではない
。

［実施例１コ 第１図は本発明の偏光素子の構成断面略図であり、この
第１図に基づいて本発明の詳細な説明する。基板１１は
屈折率がｎｌである等方性透明材料よりなっており、片
側に断面形状が凹型である一方向集光性のレンチキュラ
ーレンズ状のパターン（ヒ諏チは１００μｍ）がアレイ
状に配列されている。また、基板１５は屈折率がｎ２で
あるやはり等方性透明材料よりなっており（但し、ｎ　
２＞　ｎ　ｌ）、やはり片面に、上記の凹型断面形状に
対応する断面形状が凸型である、一方向集光−性のレン
チキュラーレンズ状のパターン（ピッチは１００μｍ０
但し、曲面の曲率は界面１４の方が界面１２よりもやや
小さい）がアレイ状に配列されいる。上記２枚の基板１
１、基板１５を用いて、通常の液晶セルを組む方法に準
じて約５μｍのギャップを持つセルを張り合わせによ作
製した。その後、減圧封入法（こよりセルの間隙にネマ
チック系液晶材料（常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ
、但し、ｎ　ｏ＜　ｎ　ｅである）を注入、封止、配向
処理を行なって、等方性層１１−複屈折層１３−等方性
層１５の３層構造体を形成し７′：、但し、ｎ　１＝　
ｎｏ、　　ｎ　２＝　ｎ、ｅとなるように２つの等方性
材料及び液晶材料を選択した。以上のような構成をとる
ことにより、入射光のランダム偏光を偏光面が互いに直
交する２つの直線偏光（常光成分、異常光成分）に空間
的に分離集光することが可能となる。すなわち、ここで
液晶材料は配向処理を施すことにより、−軸性複屈折材
料として振舞う。

いま、第１図において常光成分（偏光方向が紙面に垂直
）を破線１８で、異常光成分（偏光方向が紙面に平行）
を実線１９で示すと、等方性層１１（基板１１）の屈折
率ｎ１と複屈折性層１３の常光屈折率ｎｏが等しいこと
により、偏光素子に入射した光のうち異常光成分は第１
のレンズ界面１２において、屈折率差に伴う光の屈折作
用を受ける。しかし、第２のレンズ界面においては異常
光成分に関する複屈折層１３と等方性層１５（基板１５
）の屈折率の関係がｎｅ＝ｎ２であることから、何等光
の屈折効果を受けない。従って、異常光成分に関しては
第１のレンズ界面１２においてのみ光の屈折作用を受は
集光し、焦点（厳密に言えばこの場合、等方性層１１と
複屈折性層１３により形成される界面の形状は一方向性
のレンチキュラーレンズ状であるため焦線となる。）を
形成する。対して、常光成分は上記異常光成分とは逆に
第２のレンズ界面においてのみ光の屈折作用を受け、同
様に集光し焦点（焦線）を形成する。なぜなら、常光成
分に関する等方性層１１、複屈折性層１３及び等方性Ｍ
１５の屈折率の関係はｎ１＝ｎｏ＜ｎ２であるからであ
る。

次に、常光成分の焦点（焦線）位置のみに幅約４０）ｔ
ｍ、ピッチ１００μｍのλ／２位相差層１６を位置選択
的に形成し、この部分を透過する常光成分の偏光面が９
０度回転するようにした（異常光成分は位相差層のない
ところに焦線を形成する）。さらに、λ／２位相差板１
６を挟むような形で、裏面に一方向性レンチキュラーレ
ンズ（レンズピッチは５０μｍ）を形成しである等方性
材料よりなる基板１７を取り付けた。但し、ここで基板
１７の厚みは基板１５の厚みｘ　ｎ２／　（ｎ３ｘ　２
　）とし、第１のレンズ界面１２及び第２のレンズ界面
１４で集光された平行な入射光が、基板１７の裏面に形
成されたレンズにより再び平行光線に変換されるような
構成とした。厳密には、第１のレンズ界面Ｊ２と第２の
レンズ界面１４との間でレンズの曲率が等しくない力め
第３のレンズの曲率を１列おきに上記２種のレンズに合
わせて変える必要があるが、上記２神のレンズのレンズ
径に対して基板１５の厚みを大きく（例えば、１０倍）
とれば、第３のレンズのレンズ曲率を一様にしても平行
性のよい出射光が得られる。以上の構成により、本偏光
素子を透過する光は吸収されることなく、はとんど全て
異常光成分に変換されたことになる。また、平行性のよ
い光を本偏光素子に入射した場合、得られる出射光も同
様に平行性のよい光になることがわがる。

この偏光素子の前方より平行性の良いランダム偏光を入
射し、本偏光素子の光透過率及び出射光中に占める異常
光成分の割合を測定したところ、それぞれ約９０％、約
９４％と高率であった。

［実施例２コ 第２図に実施例１に類似した本発明の偏光素子の構成断
面図を示す。先の実施例１の場合とは等方性層１１、複
屈折性［１３及び等方性層１５の界面に形成されるレン
ズの形状が異なり、本実施例ではフレネルレンズ形状と
した。レンズ形状をフレネル形とすることにより界面間
に形成する２つのレンズ間距離を実施例１の場合に比べ
て短くでき、また、複屈折性層１３として液晶材料を使
用する場合、配向し易いという特徴がある。実施例１と
同様に本偏光素子の光透過率及び透過光中に占める異常
光成分の割合を測定したところ、それぞれ約８９％、約
９２％であり、実施例１の場合とほぼ同じ値であった。

以上の２つの実施例では、界面に形成される集光レンズ
体として一方向集光性のリニアレンチキュラーレンズア
レイを用いたが、もちろん他の一般的な円形、楕円形レ
ンズを用いて構成したレンズアレイを用いてもよい。し
かし、光の一方向偏光への変換効率を高めるためには、
レンズ体を二次元的に最密充填し非レンズ部分が生じな
いようにすることが重要であり、そのことを考慮すると
レンズ形状をリニアレンチキュラー形状とすることは合
理的であると言える。また、上記実施例では複屈折性層
を形成する材料として液晶材料を用いたが、高い複屈折
率を有する材料であれば（例えば、配向状態を維持した
高分子材料等）、液晶材料に限定されることなく使用で
きることは明らかである。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の偏光素子では、ランダム偏
光である入射光を偏光面が互いに直交する２つの直線偏
光成分に分離集光し、該分離集光された偏光の内、片方
の直線偏光の偏光面を回転させ他方の偏光の偏光面と一
致させた後、それらを再びレンズを用いて合成するとい
う構成をとることにより、はとんど光吸収を伴うことな
くランダム偏光から一方向性偏光への変換を行なうこと
が可能であると言える。また、光吸収をほとんど伴わな
いことから、強い光線を入射させた場合にも、発熱によ
る自己破壊を招くことなく安定的に偏光変換を行ない得
る。上記実施例で説明したように、本発明の偏光素子の
偏光変換効率は光透過率を合わせて概ね８０％以上あり
、従来の偏光板の変換効率が最大でも４５％程度である
ことを考えると、本発明の偏光素子は偏光の変換効率の
点て非常に優れていることがわかる。

本発明の偏光素子は上記の特性を活かして、偏光を必要
とする各種表示素子、特に液晶表示素子、光アイソレー
タ、光スィッチ、光学フィルタや、それらを構成要素と
する各種光学機器等への幅広い応用が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例１の本発明の偏光素子の構成断面略図。 第２図は実施例２の複屈折性レンズをフレネルレンズで
構成した場合の偏光素子の構成断面略図。 １１・・・第１の基板（等方性層） １２・・・第１のレンズ界面 １３・・・複屈折性層 １４・・・第２のレンズ界面 ５ ６ ７ ８ ９ ０ 第２の基板（等方性層） λ／２位相差層 第３の基板（等方性層） 常光 異常光 第３のレンズ ２１・・・フレネルレンズによる 第１のレンズ界面 ２２・・・フレネルレンズによる 第２のレンズ界面 以上

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源からのランダム偏光を、偏光面が互いに直交
   する２つの直線偏光に空間的な分離を行なうための複屈
   折性レンズによる偏光分離機構と、前記２つに分離され
   た直線偏光の偏光面を揃えるためにどちらか片方の直線
   偏光の偏光面を９０度回転させる機構と、該偏光方向が
   揃った２つの直線偏光を集光するための機構として集光
   レンズとから構成されることを特徴とする偏光素子。
2. （２）前記偏光素子を入射光束に垂直な面内に複数構成
   してアレイ化したことを特徴とする請求項１記載の偏光
   素子。