JPH035706A - 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】 〔従来の技術〕 従来の前記光学素子としては偏光板が代表的である。こ
れはお互いに直交する偏光成分を持つ入射光のうち、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。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光の
利用効率が最大でも約４５％と低く、また、光吸収に伴
う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。そのため、光の一方向偏光への変換効率が
高く光吸収の少ない偏光素子の開発が待たれていた。そ
のような状況の中で、前記要求に応えるものとして、特
開昭５７−１５８８０１に示されている光学素子（偏光
素子）が提案されている。

〔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。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、前記特開昭５７−１５８８０１に示されている
光学素子（偏光素子）では、−軸性の複屈折性を示す材
料としてアミド系の重合体が用いられているが、この種
の有機重合体は大きな複屈折性を示すものの、分子配向
性や重合体の成形方法が極めて難しいという間組点を有
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、分子配向性や成形性に優れ
た複屈折材料を用いて光吸収の少ない、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〕

上記課頭を解決するために本発明の偏光素子は、お互い
に直交する偏光成分を有する入射光を一方向の偏光成分
のみを有する出射光に変換する偏光素子において、偏光
成分を集光する手段として複屈折性を示す液晶材料を用
いたことを特徴とする。

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〕

液晶状態においては極性高分子が規則的に配列されるこ
とにより光学的異方軸が形成される。ここに光が入射す
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、
−軸性複屈折性材料である液晶材料では常光成分に対し
ｎｏ、異常光成分に対しは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。

２つの光学的に等方な透明材料（屈折率ｎｉ）　　によ
り形成された等方性層（１２，１４）の間に、複屈折性
を示す液晶材料（常光屈折率ｎｏ、異常光屈折率ｎｅ、
ｎｅ＞ｎｏとする）が配向状態を保ったまま挟持されて
いる。ここで等方性層（１２）の液晶Ｍ　（１３）に対
する側には断面形状が凹型のレンズパターン（１５）が
形成されている。等方性層（１２）に形成されている凹
型のレンズパターン（１５）は等方性層の屈折率ｎｉと
液晶材料の異常光屈折率ｎｅとの関係がｎ　ｅ＞　ｎ　
ｉと仮定したためであり、もし逆にｎｉ＞ｎｅであると
仮定すると等方性層（１２）には凸型のレンズ形状が形
成されなければならない。

いま、入射光線中の実線で示された常光成分（１６）に
注目すると液晶！（１３）、等方性！（１２）間におい
ては屈折率差がないため、常光成分（１６）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何等屈折作用を受けない
。他方、破線で示された異常光成分（１７）に注目する
と液晶層（１３）、等方性層（１２）間においてはｎ　
ｅ＞　ｎ　ｉなる屈折率差が存在するため、２つの層の
境界面（１５）において光は屈折作用を受け、等方性層
と液晶層との界面によって形成されるレンズ形状に応じ
て焦点を形成する。

次に、λ／２板などの位相差板（１８）を用いて異常光
成分の偏光方向を９０″回転させて常光成分の偏光方向
と合わせてやれば、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（２０）を得ること
ができる。

〔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］ 第１図に基づいて本発明の実施例を詳しく説明する。片
面に凹型のレンズパターンを有する複屈折性を示さない
光学的に等方な等方性、１ｆｆｌ（（１２）、以下基板
１と呼ぶ）及び両面が平板状の等方性層（（１４）、以
下基板２と呼ぶ）を高耐熱性のアクリル系樹脂材料（屈
折率ｎ＝１．４９）により形成した。尚、基板１及び基
板２の厚みは各々１　ｍｒａ、１．３２ｍｒａとした。

レンズパターンは第２図に示すように断面形状が凹型で
ある一方向集光性のリニアレンチキュラー状のパターン
をアレイ状に配列したもので、個々のパターン形状はレ
ンズ幅０゜１　ｍｍ、曲率半径０．２ｎ＋ｍである。上
記基板１及び基板２を用いて通常の液晶セルを組む方法
に準じて約１０μｍのギャップを持つセルを張り合わせ
により作製した。その後、減圧封入法により約１０μｍ
の間隙に液晶材料（ネマチック液晶、常光屈折率ｎｏ＝
１．４９、異常光屈折率　ｎｅ＝１．。

７１）を注入し、封止して、等方性層−複屈折性層一等
方性層の３層構造体を形成した。なお、この場合基板１
および基板２の液晶材料と接する面倒には予めポリイミ
ドによる配向材を塗布しておき、液晶材料が配向し易い
ようにしておいた。また、基板２の液晶材料と接しない
面には、上記レンズピッチに合わせて、λ／２の位相差
を与える幅２０μｍのストライブ状の位相差板（１８）
を予め形成しておいた。

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、等方性！（１２）の屈折率ｎｉと液晶層（
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常光成分は等方性！　（１２）と液
晶層（１３）の界面において、同等屈折作用を受けるこ
となく直進するのに対して、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、λ／２の位相差を与える位相差板（１８）上に焦
点を結ぶ。この位相差板を透過することにより偏光方向
は９００回転するため、異常光成分の偏光方向は常光成
分の偏光方向と同一となる。なお、位相差板に入射した
常光成分も同様に偏光方向の回転作用を受けるが、全光
透過面積に対する位相差板の占める面積の割合が小さけ
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、位相差板の全光透
過面積に占める面積の割合は２０％であるため、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性
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
度であるのに対して、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
ある程度小さなサイズ（本実施例では集光レンズ幅が１
００μｍ）で、しかも焦点距離をある程度長く（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
散性はほとんど問題とはならず、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に変換
することが可能である。

用しても、かなり偏光方向の揃った光束を得ることが出
来るが、第２図に示すように位相差板（１８）の後方に
、透過光の偏光方向に揃えて従来の偏光板（（２１）、
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
ことが出来る。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１／１０
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紹み込む場合には
上記のような構成とすることが理想的である。

［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、使用できるその他の
液晶材料としては、スメクチック系、コレステリック系
などかある。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の偏光素子は、お互いに直交
する偏光成分を有する入射光を一方向の偏光成分のみを
有する出射光に変換する偏光素子において、偏光成分を
集光する手段として複屈折性を示す液晶材料を用いたこ
とにより、ランダムな偏光から直線偏光成分の分離を行
なう複屈折レンズを簡単に構成することが出来る。また
、液晶表示素子の製造技術が応用できるため、製造コス
トを安価に抑えることが出来る。本発明の構成では液晶
分子を動かす必要がないため、例えば液晶の粘度特性に
限定されることなく、多種多様な液晶材料を使用するこ
とが可能である。本発明の構成をとることにより、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。

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ないため、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がして、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
する各種光学測定機器など、広範囲の応用が可能である
。

【図面の簡単な説明】

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図は基鈑１の外観図。 第３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。 １ ２ ３ ４ ５ ６ ７ ８ ９ ０ 入射光 等方性層 液晶層（複屈折層） 等方性層 レンズパターン（境界面） 常光線 異常光線 位相差板 常光線（変換後） 出射光 ２１　・ ・偏光板 第１図及び第３図において各々共通する部分には同じ番
号を用いた。 以上 第３図

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）お互いに直交する偏光成分を有する入射光を一方
   向の偏光成分のみを有する出射光に変換する偏光素子に
   おいて、偏光成分を集光する手段として複屈折性を示す
   液晶材料を用いた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。