JPH032732A - 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〕 本発明はランダムな光の偏光特性を一方向の直線偏光に
変える偏光素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、通常の光源が発する自然光から直線偏光を得る場
合には、ウオラストン形、ローション形などの複屈折性
プリズム、あるいは光吸収の二色性を利用した一方向延
伸配向フィルム等が利用されてきた。

（発明が解決しようとする課題〕 しかし、通常の複屈折性プリズムを用いた場合には、プ
リズムにより分離された２つの光束の光軸が重ならず、
入射光に対しである角度をもって分離されるため、その
後の光束の処理が複雑になり全体の寸法が大きくなると
いう問題を有していた。一方、延伸配向フィルムは有機
重合体物質により形成されているため、量産性に優れ安
価である反面、光吸収の二色性を利用しているため、フ
ィルム自体が入射光の一部を吸収することになり光透過
率が低い。さらに、強い光に対しては光吸収に伴う発熱
作用により、フィルム自身が自己破壊を生じる場合があ
るなどの問題を有していた。

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、光吸収が少ない、つまり、
光の一方向偏光への変換効率の高い、コンパクトかつ安
価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、偏光面
が互いに直交する２つの直線偏光成分のうち、どちらか
片方の偏光成分のみを集光する手段と、片方の偏光成分
の偏光面が他方の偏光成分の偏光面と同一になるように
変換するための手段であるところの、偏光面を９０°回
転させるツイステッド・ネマチック液晶を配置した偏光
面回転手段とから成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〕

方解石や一軸配向性高分子重合体などの光学的異方性媒
体に、通常の光源が発する自然光を入射すると、媒質中
の光学的異方軸に相応した振動面を有する２つの光束（
常光及び異常光）に分離される。この現象は媒質の屈折
能が２つの光線軸間で異なるために生じる。つまり、−
軸性複屈折性材料においては常光成分に対しｎｏ、異常
光成分に対してはｎｅなる２つの屈折率を有することに
なる。

第１図は本発明の偏光素子の構成断面図であり、この第
１図に基づいて本発明の詳細な説明する。

複屈折性を示す光学的異方性材料により形成された複屈
折層（１０２）の片面は平板状に、また相対する面はレ
ンズ形状に加工され、さらに、上記複屈折層と隙間なく
密接するように、等方性材料からなる等方層（１０３）
が形成されている。ここで、等方層の屈折率ｎｉは複屈
折層の有する２つの屈折率（ｎ　ｏ、　ｎ　ｅ）　　の
うち小さい方と同じ値となっている。第１図ではｎｏ＜
ｎｅと仮定した場合（したがってｎ　ｉ＝　ｎ　ｏ）　
　を示す。

いま、入射光線中の常光成分（１０４）に注目すると複
屈折層（１０２）、等方層（１０３）間においては屈折
率差がないため、常光成分に対しては２つの層は光学的
に同質な一体層と見なすことが出来る。

つまり、常光成分に対しては回答屈折作用を受けない。

他方、異常光成分（１０５）に注゛目すると複屈折層（
１０２）、等方層（１０３）間においてはｎｅ＞ｎｉな
る屈折率差が存在するため、２つの層の境界面において
光は屈折作用を受け、複屈折層（１０２）のレンズ形状
に応じて焦点を形成する。

次に、ツイステッド・ネマチック液晶を用いてどちらか
片方の偏光成分の偏光面を９０°回転させて他方の偏光
成分の偏光面と合わせてやることにより、入射光線はほ
とんど吸収されることなく、偏光方向がよく揃った出射
光（１１０）を得ることが出来る。

〔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］ 高複屈折能を有するポリイミド化合物（ポリ〔２，２′
−ビス（トリフルオロメチル）−４，４−ビフェニレン
〕−２“、２“−ジメトキシ−４，４“−ビフェニレン
ジカルボキシアミド、ｎｏ＝１．５、ｎ　ｅ＝　２．０
）を一方向延伸配向した後、プレス成形して片方の面に
レンズ形状を持たせた複屈折層（１０２）を形成した。

このレンズ体はがまぼこ状のレンチキュラーレンズであ
り、一方向にのみ集光が可能である。レンズ体の概要は
レンズ幅及びレンズピッチが共に１５０μｍ、レンズの
曲率半径が０．５關である。境界面における屈折率差が
０．５の場合にレンズの焦点距離（バックフォーカス距
離）が１．４１ａ＋＊になるように設計した。つぎに、
複屈折層のレンズが形成されている側に、アクリル系の
プラスチック層（等方層（１０３）、ｎｏ＝１．５）を
注型により形成した後、厚さ１゜４１關のガラス板（液
晶素子基板、　１０６　）と密着接合させ、先のレンズ
によりガラス板の裏面に片方の偏光成分のみが合焦する
ようにした。この部分にギャップ厚７μｍ１　　幅３０
μｍのストライプ状の液晶（ツイステッド・ネマチック
液晶）素子を構成した。ストライプ状の液晶素子のうち
レンズによる合焦位置にある液晶素子部分（１０７）だ
けに電界をかけ、この液晶素子を透過した光のみがその
偏光方向を９０″回転させる作用を受けるように構成し
た。

いま、第１図において常光成分（偏光方向が紙面に平行
）を実線で、異常光成分（偏光方向が紙面に垂直）を破
線で示すと、上記構成をとることにより、偏光素子に入
射した光のうち常光成分は複屈折層（１０２）と等方層
（１０３）の界面において、回答屈折作用を受けず直進
（１０４）するのに対して、異常光成分は界面での屈折
率変化にともなう光の屈折作用を受は光が空間的に集め
られ、位相差を与えるＴＮ型液晶素子（１０７，１０８
）上に焦点を結ぶ。

電界をかけられた液晶素子部分（１０７，以後位相差肩
部と呼ぶ）を透過することにより異常光成分の偏光方向
は９０°回転するため、常光成分の偏光方向と同一とな
る。なお、位相差肩部に入射した常光成分も同様に偏光
方向の回転作用を受けるが、全光透過面積（つまり、電
界をかけられていない液晶素子部分（ｉｏａ、以後透明
開口部と呼ぶ）と位相差肩部（１０７）の和）に対する
位相差肩部の占める割合が小さければ、偏光方向が充分
に揃った出射光を得ることが可能である。ちなみに、本
実施例の場合透明開口部と位相差肩部の面積比を４：１
としたため、全出射光に対して偏光方向が揃っている光
の割合は約９０％と非常に高い。

従来の偏光板は光吸収の二色性を利用して特定の偏光成
分のみを取り出していたため、光吸収にともなう発熱作
用により、強い光に対しては熱破壊の危険性を有してい
た。それに対して、本発明の偏光素子は、はとんど光吸
収作用を生じないため、強い光を入射した場合にも熱破
壊を生じることなく、高効率で偏光方向の変換を行なう
ことが可能である。

従来の偏光板を用いた方法では光透過率が最大４５％程
度であったのに対して、本発明の偏光素子を用いた方法
では１００％に近い光透過率が得られる。焦点を通過し
た光は集光時と同じ角度を持って広がるが、以上の構成
をある程度微小なサイズ（本実施例では集光レンズ径が
１５０μｍ）で、しかも焦点距離をある程度長゛＜（つ
まり光の広がり角が小さい）とった構成とすれば、光線
の発散性はそれほど問題とはならず、光の吸収を伴わず
に入射光のほとんど全てを、偏光方向の揃った出射光と
することが可能である。

［実施例２］ 第２図は本発明の偏光素子の応用例を示したもので、偏
光素子と従来の光吸収の二色性を利用した偏光板を組み
合わせて構成した偏光素子を示す構成断面図である。本
発明の偏光素子を単独で使用しても、かなり偏光方向の
揃った光束を得ることができるが、第２図に示すように
λ／２の位相差を与えるＴＮ型液晶素子による位相差肩
部（１０７）の後方に、透過光の偏光方向に揃えて従来
の偏光板（２０１，偏光方向が紙面に対して平行である
光のみが透過できる）を配置すれば、極めて偏光方向の
揃った出射光を得ることができる。光吸収の二色性を利
用した偏光板は光吸収に伴い発熱作用を示すが、本発明
の偏光素子と組み合わせて使えば吸収される光の割合は
入射光量の１７１０程度であるため、強い光を入射した
場合にもほとんど熱破壊を生じることはない。本発明の
偏光素子を液晶表示素子、照明装置や光学測定機器など
に組み込む場合には上記のような構成とすることが理想
的である。

上記実施例では、何れも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、楕円形レンズでもよい。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（つまり集
光に関与しない部分）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が最も理想的であるといえる
。なお、集光レンズの形状を円形にした場合にはレンズ
による集光スポット形状を考慮して、液晶素子の一つの
画素形状も集光スポット形状に近い、例えば正方形とす
ることが望ましいことは言うまでもない。また、液晶と
してはツイステッド・ネマチック液晶を用いたが、その
他にもカイラルスメクティック液晶などが使用可能であ
る。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の偏光素子は、偏光面が互い
に直交する２つの直線偏光成分のうち、どちらか片方の
偏光成分のみを集光する手段と、該集光された直線偏光
成分の偏光面を回転させる手段より成ることにより、入
射した光のほとんど全てを偏光面が揃った出射光に、高
効率で変換することが可能である。

特に、偏光方向を回転させる手段としてＴＮ型の液晶素
子を用いているため、例えば液晶素子の最小駆動単位を
寸法的に細分化しておくことにより、光軸に対して大き
な角度をもって入射した光束に対しても光の一方向偏光
への変換効率を低下させることなく対応することが可能
である。つまり、光軸に対して大きな角度で光が入射し
た場合、レンズによる合焦位置も大きく変化するが、そ
の場合にも液晶素子の電界付与部分の位置を変えるだけ
で、位相差層部の面積を変えることなく合焦位置に位相
差層部を最適配置できることがわかる。

つまり、全光透過面積に対する位相差層部の割合を高め
ることなく（この割合を高めることは光の一方向偏光へ
の変換効率を低下させることを意味する）、入射光束の
光軸ずれに対しても柔軟に対応できることがわかる。

同様の目的で使用される従来の偏光板とは異なり、本発
明の偏光素子は本質的に光吸収が無いため、強い光線を
入射させた場合にも、発熱による自己破壊をまねくこと
なく安定的に機能する。

本発明の偏光素子は上記の特性を活かして、偏光を必要
とする各種表示体、特に液晶表示体、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
各種光学測定機器等、広範囲の応用が可能である。

１０８・・・液晶素子（非電界付与部分、透明開口部） １０９・・・透明電極 １１０・・・出射光束

【図面の簡単な説明】

２０１・・・偏光板 第１図は本発明の偏光素子の原理構造を説明するための
構成断面図。 第２図は本発明の偏光素子に従来の偏光板を組み合わせ
て構成した偏光素子の構成断面図。 入射光束 複屈折層 等方層 常光線 異常光線 液晶素子基板 液晶素子（電界付与部分、 位相差層部） 第１図及び第２図に於て各々共通する部分には同じ番号
を用いた。 以　　上 出願人　セイコーエプソン　株式会社 代理人　弁理士　銘木　喜三部（他１名）第２図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）偏光面が互いに直交する２つの直線偏光成分のう
   ち、どちらか片方の偏光成分のみを集光する手段と、片
   方の偏光成分の偏光面が他方の偏光成分の偏光面と同一
   になるように変換するための手段であるところの、偏光
   面を９０°回転させるツイステッド・ネマチック液晶を
   配置した偏光面回転手段とから成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。