JP2003215344A5

JP2003215344A5 - 偏光子を用いた光学機器

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Publication number: JP2003215344A5
Application number: JP2002076021A
Authority: JP
Filing date: 2002-03-19
Publication date: 2005-06-16

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した光束から直線偏光光束を選択する偏光子を用いた光学機器に関する。

【０００２】
【背景技術】
従来、電気光学素子を利用した光学機器として、光源と、この光源から出射れた光束を画像情報に応じて変調する電気光学素子と、この電気光学素子で変調された光束を拡大投写する投写光学系とを備えたプロジェクタが利用されている。この電気光学素子として液晶素子が知られており、液晶素子は、一対の透明基板間に液晶等の電気光学材料を密閉封入して挟持し、前記一対の透明基板間の入射側および出射側に配置される偏光子となる２枚の偏光板とを含んで構成される。そして、従来、この偏光板は、ヨウ素や染料を含んだＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等の有機系材料からなり、一定方向に延伸したフィルムを、ガラス基板等の支持体で挟み込んだり、支持体に張り付けたりすることにより構成されていた。

しかし、このような従来の偏光板は、有機系の材料から構成されているため、高温に弱く、７０℃以上の環境で継続的に使用されると、色が抜けてしまい偏光機能が徐々に失われるという問題がある。このため、無機系材料から構成される偏光板として構造複屈折型偏光子が提案されている。この構造複屈折型偏光子は、ガラス等の透明基板の表面にアルミニウム等の金属で微細な線状の凸条部をストライプ状に複数配列した複屈折部を形成することにより構成され、凸条部間の空間の回折現象を利用することにより、入射する光束から直線偏光光束を選択することができる。

【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような構造複屈折型偏光子は、複屈折部において入射した光束の一部を熱として吸収するため、ガラス基板が熱歪を起こし、適切な偏光光の選択を行えないという問題がある。特に、ガラス基板が出射側に配置されるような形で使用すると、複屈折部で選択された偏光光束の偏光軸がガラス基板内で回転し、光抜け現象を起こすという問題がある。

本発明の目的は、耐久性が高くかつ適切な偏光光の選択を行うことのできる偏光子を用いた光学機器を提供することにある。

【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、構造複屈折型偏光子を用いた光学機器において、基板材料の取捨選択および、偏光子の配置を適切にすることにより、前記目的を達成しようとするものである。具体的には、本発明の光学機器は、光線透過率が９７％以上の材料からなる偏光子用基板と、この偏光子用基板の表面に微細な金属製の凸条部をストライプ状に配列して構成される複屈折部を有し、前記複屈折部は前記偏光子用基板の２つの表面のうち、光射出側に設けられることを特徴とする。ここで、９７％以上の光線透過率を有する偏光子用基板材料としてはサファイア、ＬＢＣ３Ｎ（ＨＯＹＡオプティクス製）、ネオセラム（日本電気ガラス製）等がある。

さらに、偏光子用基板材料は、線膨張係数が４．８×１０^-7／Ｋ以下の材料が好ましく、このような材料としては石英ガラス、ネオセラム、クリアセラム（オハラ製）等があるが、なかでも結晶化ガラスや石英ガラスを採用するのがより好ましい。また、複屈折部を構成する金属製の凸条部としては、アルミニウムからなる凸条部を採用することができ、偏光子の偏光特性は、凸条部のピッチ、高さ、およびデューティ比により定められる。例えば、幅６５ｎｍ、高さ１２０〜１７０ｎｍの凸条部を、１４４ｎｍのピッチで複数配列することにより、複屈折部を構成することができる。

このような本発明によれば、偏光子用基板が入射側に配置されることとなるため、偏光選択後の光束が偏光子用基板の熱歪等の影響を受けて偏光軸が回転することもなく、適切な偏光の選択を行うことができる。また、偏光子用基板材料として線膨張係数の低い材料を採用することにより、複屈折部で吸収された熱が偏光子用基板材料に作用しても歪が生じにくくなるため、偏光子の光抜け現象等の発生を防止することができる。さらに、複屈折部が金属から構成されているため、十分な耐久性を確保することができる。

また、偏光子用基板材料は、６．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の熱伝導率を有することが好ましい。この場合、具体的な偏光子用基板材料としては、サファイアや水晶を採用することができる。

このような本発明によれば、偏光子用基板材料として熱伝導率の高い材料を採用することにより、複屈折部で吸収された熱が偏光子用基板材料に作用しても偏光子の保持枠等を介して直ちに放熱することができるため、偏光子用基板に熱歪が生じにくくなり、前述と同様に偏光子の光抜け現象等の発生を防止することができる。

さらに、偏光子用基板材料は、０．４３×１０^-12／Ｐａ以下の光弾性定数を有すること好ましい。ここで、光弾性定数は、偏光子用基板に作用した応力と、その応力が作用した状態で偏光子用基板を透過した光の複屈折による光路差との関係を与える比例定数であり、具体的には、複屈折による光路差をδ（ｎｍ）、光の進行方向に直角な成分の基板の内部応力をＰｓ（×１０⁵Ｐａ）、偏光子用基板の厚さをｄ（ｍｍ）とすると、［数１］のような関係が成立する。

そして、［数１］における比例定数Ｂが光弾性定数であり、通常（１０^-12／Ｐａ）の単位で表示する。
前述の光弾性定数を有する偏光子用基板材料としては、例えば、低光弾性ガラスであるＨＯＹＡオプティクス製ＬＢＣ３Ｎ等を採用することができる。このような本発明によれば、偏光子用基板材料が光弾性定数の低い材料から構成されることにより、［数１］から判るように、複屈折部で吸収された熱が偏光子用基板に作用して熱歪により内部応力Ｐｓが生じても、光弾性定数Ｂが小さいため結果として光路差δを小さく抑えることができ、光抜け現象等の発生を防止することができる。

以上において、前述の偏光子用基板の光入射面には、反射防止処理が施されているのが好ましい。
このように反射防止処理が施されることにより、反射する光を低減して入射光束の利用率を向上させることができるため、偏光子を透過する光の損失を少なくすることができる。

また、前述の偏光子において、複屈折部を覆う保護基板が設けられているのが好ましい。保護基板の材質としては、前述の複屈折部が形成される偏光子用基板と同様のものを採用するのが好ましい。具体的には、結晶化ガラス、石英ガラス、サファイア、水晶等があげられる。前述したように、複屈折部は、アルミニウム等の金属製の凸条部をストライプ状に配列して構成されるため、高温でかつ高湿な環境では、凸条部の劣化を招くことがある。従って、このように保護基板が設けられることにより、凸条部の劣化を防止することができるため、偏光子の耐久性を一層向上させることができ、このような偏光子を含む光学機器が、輸送時高温高湿環境に晒されたり、高温高湿環境下で使用されても、偏光子が劣化することもない。

このような保護基板としては、前述した偏光子用基板と同様な線膨張係数、熱伝導率および光弾性定数とすることが望ましい。更に、保護基板の板厚は、前記線膨張係数、熱伝導率および光弾性定数との関係から適切な範囲が特定される。すなわち、前記保護基板は、その厚さをｄ（ｍｍ）、光弾性定数をＢ（１０^-12／Ｐａ）、ヤング率をＥ（Ｐａ）、線膨張係数をα（１／Ｋ）、熱伝導率をρ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））とした時、次式で表されるものとすることが望ましい。

そして、前述した保護基板は、偏光子用基板と外周端部で弾性接着剤により接着され、複屈折部が保護基板および弾性接着剤で封止されているのが好ましい。ここで、弾性接着剤は、両基板の動きの違いを吸収し、かつ複屈折部を密閉封入するために用いられ、材質としては耐久性の点からシリコーン系のものを用いるのが好ましく、さらに未反応オイル成分抑制タイプのものを採用するのがより好ましい。

保護基板および偏光子用基板を基板面同士で弾性接着剤により全面接着すると、複屈折部の凸条部間の空間が弾性接着剤で埋められてしまい、複屈折部の光の回折能力が低下して偏光光の選択効率が悪くなってしまう。従って、このように保護基板および偏光子用基板が外周端部で弾性接着剤により接着されることにより、凸条部間の空間が接着剤で埋められてしまうことを防止することができるため、該空間で適切な偏光光の選択を実現することができ、光学的に優れた偏光子とすることができる。また、未反応オイル成分抑制タイプのシリコーン系接着剤を用いることにより、接着後、溶剤が凸条部の間の空間に染み出してくることを防止することができるため、光学的に一層優れた偏光子とすることができる。

また、前述した保護基板は、偏光子用基板と略同一の形状に形成してもよく、偏光子用基板よりも大きな形状に形成してもよい。保護基板を偏光子用基板と略同一の形状とすることにより、偏光子を偏光光の選択に必要な最小限の大きさとすることができるため、偏光子の小型化を図ることができる。尚、この場合、保護基板および偏光子用基板の端面部分に弾性接着剤を塗布することにより、両基板を接着することができる。一方保護基板を偏光子用基板よりも大きな形状とすることにより、偏光子用基板の端面と、保護基板の表面との間で弾性接着剤による接着を行うことができるため、接着面積が増加し、内部の封止性を向上させる上で好ましい。

さらに、前述した偏光子用基板および保護基板の間には、スペーサが介在しているのが好ましい。そして、このスペーサは、光硬化型接着剤または表裏面が弾性粘着面とされる両面テープから構成されているのが好ましい。光硬化型接着剤をスペーサとする場合、偏光子用基板および保護基板の間に光硬化型接着剤を点状に塗布して偏光子用基板および保護基板を重ね合わせ、保護基板を設計上の間位置に移動させた後、紫外線等を照射して接着剤を硬化させればよい。両面テープをスペーサとする場合、弾性粘着面にアクリル系樹脂や、シリコーンを用いたものが考えられる。また、この両面テープは複屈折部の全周に貼り付けられることが好ましい。

このようにスペーサを介在させることにより、複屈折部で偏光光を選択するに際して最も適切な位置に保護基板を配置することができるため、光学的に一層優れた偏光子とすることができる。また、両面テープをスペーサとした場合には、両面テープを貼り付けるだけでスペーサを設置することができるので作業性が良好となる。さらに、両面テープを複屈折部の全周に貼り付ければ、保護基板及び偏光子用基板を接着したシリコーン系接着剤から未反応オイル成分が染み出したとしても両面テープにより堰き止められるため、未反応オイル成分により複屈折部が汚れてしまうことがない。

前記スペーサは、織布又は不織布からなる支持体を有しており、前記支持体の表裏面には、シリコーン系粘着剤が塗布された粘着面が設けられていること、または、前記スペーサはシリコーン系粘着剤のみからなることが好ましい。支持体が設けられている場合には、両面テープの強度を支持体で確保できるため、両面テープを貼り付ける際の作業性が良好となる。
一方、スペーサがシリコーン系粘着剤のみからなる場合には、保護基板と偏光子用基板との熱による挙動の違いを吸収することができ、基板に形成された複屈折部と保護基板との適切な距離を保つことができる。また、シリコーン系粘着剤のみからなるので、スペーサの厚さが薄くなり、偏光子の薄型化を図ることができる。

本発明は、このような偏光子を備えた光学機器として成立するものであり、具体的には、光源から出射された光束を画像情報に応じて変調する電気光学素子を備えた光学機器であって、前記電気光学素子は、一対の透明基板間に電気光学材料を密閉封入して挟持し、光入射側および／または光出射側に配置される前述のいずれかの偏光子とを備えていることを特徴とする。そして、このような光学機器によれば、耐久性が高くかつ適切な偏光光の選択を行うことのできる偏光子を備えているため、耐久性、光学的特性に優れた光学機器とすることができる。

偏光板４２は、入射した光束から直線偏光光を選択透過する光学素子であり、例えば、本例では、入射した光束のうちＳ偏光光束のみを透過するように構成されている。偏光板４３は、液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇ、４１Ｂで変調された光束のうち、Ｐ偏光光束のみを透過するように構成されている。尚、これらの偏光板４２、４３の構造の詳細は後述する。フィールドレンズ４４は、インテグレータ照明光学系１０のコンデンサレンズ１９で絞り込まれた出射光束を照明光軸に対して平行にするための光学素子であり、液晶パネル４１Ｒ、４１Ｇの前段に配置されているが、液晶パネル４１Ｂについては、リレー光学系３０の出射側レンズ３９がこのフィールドレンズを兼用している。

保護基板４２３は、基板４２１と略同一の形状を有し、図３に示されるように、その周縁部分でシリコーン系接着剤４２４により基板４２１と接着され、基板４２１上に形成された複屈折部４２２は、シリコーン系接着剤４２４および保護基板４２３によって密閉封入されている。前述した基板４２１を光入射側に配置するため、保護基板４２３は光束の出射側に配置される。なお、図示を省略したが保護基板４２３はその光入射面および光出射面に反射防止膜が形成されている。ここで、偏光光の選択後の光束が通過する保護基板の厚さｄ（ｍｍ）と、保護基板として使用する材料の光弾性定数Ｂ（１０^-12／Ｐａ）、ヤング率Ｅ（Ｐａ）、線膨張係数α（１／Ｋ）、熱伝導率ρ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））との関係は前記［数２］で表される。

このような本実施形態によれば、次のような効果がある。
すなわち、基板４２１が入射側に配置されることとなるため、偏光光の選択後の光束が基板４２１の熱歪等の影響を受けて偏光軸が回転することもなく、適切な偏光光の選択を行うことができる。また、基板材料として線膨張係数の低い石英ガラスを採用することにより、複屈折部４２２で吸収された熱が基板材料に作用しても歪が生じにくくなるため、偏光板４２の光抜け現象等の発生を防止することができる。さらに、複屈折部４２２が金属から構成されているため、十分な耐久性を確保することができる。

そして、基板４２１および保護基板４２３が複屈折部４２２の形成されていない周縁部分で接着されることにより、リブ４２２Ａ間の空間が接着剤で埋められてしまうことを防止することができるため、該空間で適切な偏光変換を実施することができ、光学的に優れた偏光板４２とすることができる。
また、未反応オイル成分抑制タイプのシリコーン系接着剤４２４としているため、接着後、溶剤がリブ４２２Ａの間に染み出してくることを防止できる。
さらに、保護基板４２３を基板４２１と略同一の形状とすることにより、偏光板４２の大きさを偏光変換に必要な最小限の大きさとすることができるため、偏光板４２の小型化を図ることができる。
また、保護基板４２３は偏光子の出射側に配置されるため、偏光子により偏光選択された光束が通過するので、基板４２１に比べて偏光選択後の光束に対する熱応力による影響が大きくなる。そこで、保護基板４２３の厚さｄを前記［数２］を満たすようにすることで、保護基板の熱応力による光学歪を最小限に抑えられる。特に、石英ガラスやネオセラムを用いた場合には、［数２］の条件で設定することにより厚みを１ｍｍ程度まで厚くでき、光学歪の影響を殆ど発生させずに強度的にも十分な保護基板とすることができ、大変有利である。また、他の材料についても［数２］を満たすように基板厚みを選定すればよい。

【００５８】
【発明の効果】
前述のような本発明によれば、基板が入射側に配置されることとなるため、偏光光の選択後の光束が基板の熱歪等の影響を受けて偏光軸が回転することもなく、適切な偏光光の選択を行うことができる。また、基板材料として低線膨張係数、高熱伝導率、低光弾性定数のいずれかの材料を採用することにより、複屈折部で吸収された熱が基板材料に作用しても、偏光子の光抜け現象等の発生を防止することができる。前記偏光子を光学機器に用いることにより、光り抜け現象等のない高温下でも安定した動作をする光学機器を実現できる。

Claims

光源から出射された光束を画像情報に応じて変調する電気光学素子と、前記電気光学素子の光入射側および／または光射出側に配置された偏光子と、を備え、
前記電気光学素子は、一対の基板と、前記一対の基板間に挟持された電気光学材料を有し、
前記偏光子は、光線透過率が９７％以上の材料からなる偏光子用基板と、前記偏光子用基板の表面に微細な金属製の凸条部をストライプ状に配列して構成される複屈折部とを有してなる光学機器であって、
前記複屈折部は、前記偏光子用基板の２つの表面のうち、光射出側に設けられていることを特徴とする光学機器。
請求項１に記載の光学機器において、
前記偏光子用基板は線膨張係数が４．８×１０^-7／Ｋ以下の材料からなることを特徴とする光学機器。
請求項２に記載の光学機器において、
前記偏光子用基板は結晶化ガラスからなることを特徴とする光学機器。
請求項３に記載の光学機器において、
前記偏光子用基板は石英ガラスからなることを特徴とする光学機器。
請求項１に記載の光学機器において、
前記偏光子用基板は、熱伝導率が６．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料からなることを特徴とする光学機器。
請求項５に記載の光学機器において、
前記偏光子用基板は、サファイアからなることを特徴とする光学機器。
請求項５に記載の光学機器において、
前記偏光子用基板は、水晶からなることを特徴とする光学機器。
請求項１に記載の光学機器において、
前記偏光子用基板は、光弾性定数が０．４３×１０^-12／Ｐａ以下の材料からなることを特徴とする光学機器。
請求項１〜請求項８のいずれかに記載の光学機器において、
前記偏光子用基板の光入射面には、反射防止処理が施されていることを特徴とする光学機器。
請求項１〜請求項９のいずれかに記載の光学機器において、
前記複屈折部を覆う保護基板が設けられていることを特徴とする光学機器。
請求項１０に記載の光学機器において、
前記保護基板は、光線透過率９７％以上の材料から構成されていることを特徴とする光学機器。
請求項１１に記載の光学機器において、
前記保護基板は、線膨張係数が４．８×１０^-7／Ｋ以下の材料からなることを特徴とする光学機器。
請求項１１に記載の光学機器において、
前記保護基板は、熱伝導率が６．２１Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上の材料からなることを特徴とする光学機器。
請求項１１に記載の光学機器において、
前記保護基板は、光弾性定数が０．４３×１０^-12／Ｐａ以下の材料からなることを特徴とする光学機器。
請求項１０に記載の光学機器において、
前記保護基板の厚さをｄ（ｍｍ）、光弾性定数をＢ（１０^-12／Ｐａ）、ヤング率をＥ（Ｐａ）、線膨張係数をα（１／Ｋ）、熱伝導率をρ（Ｗ／（ｍ・Ｋ））とした時、次式
Ｂ×Ｅ×α／ρ×ｄ≦９．８×１０^-5（ｍ²／Ｗ）
で表されることを特徴とする光学機器。
請求項１０〜請求項１５のいずれかに記載の光学機器において、
前記保護基板の光入出射面に反射防止処理が施されていることを特徴とする光学機器。
請求項１０〜請求項１６のいずれかに記載の光学機器において、
前記保護基板は、前記偏光子用基板と外周端部で弾性接着剤により接着され、前記複屈折部が該保護基板および弾性接着剤で封止されていることを特徴とする光学機器。
請求項１７に記載の光学機器において、
前記弾性接着剤は、シリコーン系接着剤であることを特徴とする光学機器。
請求項１８に記載の光学機器において、
前記弾性接着剤は、未反応オイル成分抑制タイプのシリコーン系接着剤である
ことを特徴とする光学機器。
請求項１０〜請求項１９のいずれかに記載の光学機器において、
前記保護基板は、前記偏光子用基板と略同一の形状を有することを特徴とする光学機器。
請求項１０〜請求項１９のいずれかに記載の光学機器において、
前記保護基板は、前記偏光子用基板よりも大きな形状を有することを特徴とする光学機器。
請求項１０〜請求項２１のいずれかに記載の光学機器において、
前記偏光子用基板と前記保護基板との間には、スペーサが介在していることを特徴とする光学機器。
請求項２２に記載の光学機器において、
前記スペーサは、光硬化型接着剤からなることを特徴とする光学機器。
請求項２２に記載の光学機器において、
前記スペーサは、表裏面が弾性粘着面とされる両面テープであることを特徴とする光学機器。
請求項２４に記載の光学機器において、
前記スペーサの粘着面はシリコーン系粘着剤から構成されていることを特徴とする光学機器。
請求項２５に記載の光学機器において、
前記スペーサは、織布又は不織布からなる支持体を有しており、前記支持体の表裏面には、シリコーン系粘着剤が塗布された粘着面が設けられていることを特徴とする光学機器。
請求項２５に記載の光学機器において、
前記スペーサはシリコーン系粘着剤のみからなることを特徴とする光学機器。