JP6714941B2 - 偏光ビームスプリッタ、面光源装置又は表示装置 - Google Patents
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Description
図1及び図2は、反射型のホログラム31を使用した本発明の偏光ビームスプリッタ1の概略構成図であり、図1は入射光11が基材2の側面23の一部24から入射した場合の光路を示し、図2は入射光14が基材2の裏面22から入射した場合の光路を示している。また、図12は、透過型のホログラム32を使用した本発明の偏光ビームスプリッタ1の概略構成図であり、図12(A)は入射光11が基材2の側面23の一部24から入射した場合の光路を示し、図12(B)は入射光18がベースフィルム4側から入射した場合の光路を示している。
図3(A)は、本発明の反射型ホログラム31の製造方法を説明する概略図であり、図3(B)は、本発明の透過型ホログラム32の製造方法を説明する概略図である。ベースフィルム4に設けられたホログラム層3が、記録用第1光学素子41と記録用第2光学素子42との間に挟持されている。ホログラム層3と記録用第1光学素子41との表面は隙間なく接着されているが、ベースフィルム4と記録用第2光学素子42とは隣接して配置しただけであるため、隙間に空気層が形成されないように、屈折率が同程度の浸液43を介在させている。そして、記録用第1光学素子41から記録用第2光学素子42までを角度αだけ傾けて斜めに配置し、光軸が直交する第1の光束44と第2の光束45とをホログラム層3において交差するように照射することにより、ホログラム層3において第1の光束44と第2の光束45とを干渉させてホログラム31又は32を記録することができる。図3(A)と図3(B)とは、第2の光束45の進行方向が反対である点で異なる。浸液43は、ホログラム層3の屈折率と同一であることが好ましいが、同一でなくても、屈折率の差による屈折が許容範囲内であればよい。なお、図3(A)及び(B)は概略図であり、光の光学素子内における屈折については図示していないが、第1の光束44と第2の光束45がいずれも入射角αで入射するため、屈折してもホログラム層3において第1の光束44と第2の光束45の光軸は直交する。
図4(A)は、ホログラム31の回折光52の偏光成分の測定方法の一例を説明する概略図であり、図4(B)は、ホログラム31の非回折光(透過光)59の偏光成分の測定方法の一例を説明する概略図である。図4(A)では、ホログラム31に対し、ホログラム31と干渉する再生用の光束51を第1の光束44と同じ角度で記録用第1光学素子41の側面を介して照射し、ホログラム31から発生した回折光52をアパーチャ(開口)53によって一部を取出し、それをグラン・トムソンプリズムのような高性能検光子54を通過させた光量を検出器55で検出する。また、図4(B)では、ホログラム31に対し、ホログラム31と干渉する再生用の光束57を第2の光束45と同じ角度で記録用第2光学素子42の裏面を介して照射し、ホログラム31を透過した非回折光(透過光)59をアパーチャ(開口)53によって一部を取出し、それをグラン・トムソンプリズムのような高性能検光子54を通過させた光量を検出器55で検出する。検出器55で光量を測定しつつ検光子54の透過軸をP偏光と平行な方向から90°回転させてS偏光と平行な方向とすることにより、回折光又は非回折光のP偏光成分とS偏光成分とを測定できる。S偏光成分とP偏光成分の比を消光比と呼び、検出器55で検出したS偏光成分の光量とP偏光成分の光量とから算出できる。
表1及び図5は、本発明のホログラム31として機能する製造条件についての検証実験の結果である。検証実験は、図3(A)の製造方法において、記録用第1光学素子41及び第2光学素子42には屈折率1.48のガラス板(縦100mm×横100mm厚さ10mm)を使用し、屈折率1.58のベースフィルム4に支持された屈折率1.49のフォトポリマーをホログラム層3として設け、ベースフィルム4と記録用第2光学素子42との間には屈折率1.51の浸液43を介在させた。第1の光束44のガラス板側面に対する入射角αが14°となるように傾けた状態(第2の光束45の入射角も14°)とし、第1の光束44及び第2の光束45について、それぞれS偏光、P偏光、円偏光にした場合の9通りの組み合わせでホログラム31を記録し、記録された各ホログラムについて、同じ配置で、図4(A)の測定方法において、S偏光、P偏光又は円偏光の再生用の光束51を照射したときの検光子54の透過軸の角度に対する回折光52の光量を測定し、回折光52の光量のS偏光成分とP偏光成分を算出した。なお、第1の光束44と第2の光束45とは光軸が90°で交差するように配置されており、記録時及び再生時に使用した光束は、532nmの固体レーザーからの出射光から消光比100:1のS偏光の光を形成して使用し、P偏光、円偏光の場合は、それを波長板によって変換して使用した。また、再生用の光束51の光量は検出器55で受光する面積比で換算して算出した場合に約19mWであった。
図6、7は、本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図である。図6(A)は、第2の光束45をホログラム層3や記録用第1及び第2光学素子41,42の表面に対して垂直に照射した例であり、図3(A)とは第2の光束45の進行方向を偏向すれば実現できる。図6(A)の製造方法で記録されたホログラムは、図1及び2に示すように、側面の一部24から斜めに入射した入射光11に対し、裏面22と垂直な回折光12を発生させる。
図8(A)は、偏光ビームスプリッタ1の変形例であり、例えば、図7(A)の製造方法で製造したり、図7(A)において、記録用第2光学素子42を取り除いた状態で同様の第1の光束44及び第2の光束45を照射する製造方法でも製造したりすることができる。基材2の側面23が傾斜しており、基材2の断面が台形となっている。図8(A)の偏光ビームスプリッタ1では、ホログラム層3と平行な光軸の入射光11が傾斜した側面23の一部24に入射し、入射光11が入射面で屈折することによりホログラム層3に臨界角以上の入射角で斜めに入射し、ホログラム31と干渉し、S偏光の回折光12をホログラム31から裏面22に向けてホログラム層3に対して垂直に発生させることができる。入射光11のうちホログラム31と干渉しなかった非回折光13は、偏光ビームスプリッタ1の表面(ホログラム層3の界面又はベースフィルム4表面)で全反射し、傾斜した他方の側面の一部25によって屈折し、ホログラム層3と平行な光軸で出射することができる。また図示は省略しているが、裏面22からの入射光14に対しては、図8(A)の入射光11と反対向きの回折光15が発生し、非回折光16はホログラム層3及びベースフィルム4を通過して外部に出射する。図8(A)の偏光ビームスプリッタ1は、光学系として、入射光のS偏光成分を入射光の光軸と直交する方向に分離する偏光ビームスプリッタとして利用でき、また、入射光と非回折光との光軸を同軸とすることもできるので、位置決めの配置等が容易となる。なお、側面23の傾斜角及び入射光11の入射角は適宜設定することができ、例えば、入射光11が側面23の傾斜面に垂直に入射し、全反射した非回折光13が他方の側面の傾斜面から垂直に出射するように構成してもよい。
図13は、検光子54の透過軸の角度に対する本発明の透過型ホログラム32の回折光及び非回折光(透過光)の光量の分布を示す。透過型ホログラム32は、図3(B)の製造方法において、反射型ホログラムの検証実験と同様の条件で製造した。ただし、第1の光束44及び第2の光束45について、S偏光同士で製造したホログラム32、及び円偏光同士で製造したホログラム32およびP偏光同士で製造したホログラム32の3通りの組み合わせで記録したが、P偏光同士で製造したホログラムについては回折光が確認されなかったため、上記2つの結果のみ示す。記録された各ホログラム32については、図4(A)及び(B)においてホログラムを透過型とした場合の配置で回折光及び非回折光の光量を測定した。すなわち、ホログラム32に対し、記録時と同じ配置で、再生用の光束51を第1の光束44と同じ角度で記録用第1光学素子41の側面を介して照射し、ホログラム32から発生した回折光をアパーチャ(開口)53及び高性能検光子54を介して検出器55で検出し、再生用の光束57を第2の光束45と同じ角度で記録用第1光学素子41の裏面を介して照射し、ホログラム32を透過した非回折光を同様に検出した。第1の光束44に対応する再生用の光束51の光量は、検出器55で受光する面積比で換算して算出した場合に約5.5mWであり、第2の光束45に対応する再生用の光束57の光量は、検出器55で受光する面積比で換算して算出した場合に約29mWであった。図13(A)は、S偏光同士で製造したホログラム32の回折光の測定結果であり、図13(B)は、S偏光同士で製造したホログラム32の非回折光の測定結果であり、図13(C)は、円偏光同士で製造したホログラム32の回折光の測定結果であり、図13(D)は、円偏光同士で製造したホログラム32の非回折光の測定結果である。縦軸は、(A)および(C)が回折光量(mW)であり、(B)および(D)が非回折光量(mW)で、横軸は、検光子54の透過軸とP偏光との角度(°)であり、P偏光と平行な方向(0°)から180°回転させるまでの各角度で光量を検出した。また、実線はS偏光の再生用の光束を照射したときの結果であり、点線は円偏光の再生用の光束を照射したときの結果であり、図13(B)及び(D)の一点鎖線はP偏光の再生用の光束を照射したときの結果である。なお、図13(A)及び(C)において、P偏光の再生用の光束を照射したときの光量は、最大値がホログラムを再生するための再生用の光束(照射光)の光量の1/100以下の光量であり、実質的な回折はされなかった。
図14は、本発明の面光源装置100の幾つかの実施形態を示す図である。本発明の面光源装置100は、光源101と偏光ビームスプリッタ1と、光源101から出射した光を偏光ビームスプリッタ1のホログラム層3に所定の状態で入射させる光学系(入射光用光学系)とを有している。面光源装置100は、面状の光を出射するものであり、偏光ビームスプリッタ1の反射型ホログラム31によって発生した基材2の裏面から出射する回折光12や、透過型ホログラム32によって発生したベースフィルム4から出射する回折光17等を被照射部材102に照射する。なお、図14では、非回折光については図示していない。
本発明の表示装置200は、面光源装置100(光源は図示していない)と、面光源装置100から出射された光が照射される表示素子201とを有している。面光源を利用することから、表示素子201は、面光源装置100の表面側又は裏面側に隣接して配置されることが好ましい。面光源装置100は、表示素子に対するバックライト又はフロントライトとして機能し、また、S偏光の光のみを照射する点において偏光子を通過させた場合と同じ結果を得ることができる。
2 基材
3 ホログラム層
4 ベースフィルム
11 入射光
12 回折光
13 非回折光
21 基材の表面
22 基材の裏面
23 基材の側面
31 ホログラム
Claims (13)
- 透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からS偏光の光を分離できる偏光ビームスプリッタであって、
前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向し、前記表面と平行な裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、
前記ホログラム層は、
前記裏面を介して前記ホログラム層に対して垂直な光軸を有する入射光が入射すると、S偏光の光の少なくとも一部を回折させてS偏光の光を前記側面の一部に向けて発生し、且つ、P偏光の光を回折しないホログラム;又は
前記側面の一部を介して前記ホログラム層に入射した光のうち、S偏光の光の少なくとも一部を回折させて前記ホログラム層に対して垂直な光軸を有するS偏光の光を前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、P偏光の光を回折しないホログラム;
を有していることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。 - 前記ホログラム層の前記ホログラムは、円偏光の光を回折させて消光比が50:1以上のS偏光の光を発生させることを特徴とする請求項1に記載の偏光ビームスプリッタ。
- 前記基材の前記表面は平面であり、前記裏面は平面であることを特徴とする請求項1又は2に記載の偏光ビームスプリッタ。
- 前記側面の少なくとも一部は、前記表面の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項3に記載の偏光ビームスプリッタ。
- 前記ホログラム層の前記基材とは反対側に第2の基材を有することを特徴とする請求項1乃至4の何れか1項に記載の偏光ビームスプリッタ。
- 前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記基材の前記裏面に向けて、発散光又は進行方向が異なる複数の光を発生させることを特徴とする請求項1乃至5の何れか1項に記載の偏光ビームスプリッタ。
- 光源と、請求項1乃至6の何れか1項に記載の偏光ビームスプリッタとを有し、
前記光源からの出射光が前記側面の前記一部を介して前記ホログラム層に入射するように構成され、前記基材の裏面又は前記基材とは反対側から光を出射することを特徴とする面光源装置。 - 光源と、請求項1乃至6の何れか1項に記載の偏光ビームスプリッタとを有し、
前記偏光ビームスプリッタの前記基材の前記表面又は前記裏面には、前記ホログラムとは異なる第2のホログラムが設けられ、
前記第2のホログラムは、前記光源からの出射光を回折させて前記基材の内部に前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角の光を発生させ、
前記臨界角よりも大きい入射角の光が前記ホログラム層に入射することで前記基材の裏面から光を出射することを特徴とする面光源装置。 - 請求項7又は8に記載の面光源装置と、
前記面光源装置から出射された光が照射される表示素子とを有することを特徴とする表示装置。 - 請求項7又は8に記載の面光源装置と、
前記面光源装置の前記基材の前記裏面に表示素子の画素電極が形成されていることを特徴とする表示装置。 - 前記表示素子は、画素ごとに入射した光の偏光状態を変更することによって画像を表示することを特徴とする請求項9又は10に記載の表示装置。
- 前記表示素子は、反射型であり、前記表示素子で反射された光が前記面光源装置に入射することを特徴とする請求項11に記載の表示装置。
- 前記表示素子から出射する光に対してP偏光と平行な透過軸を有する偏光子を備えたことを特徴とする請求項10乃至12の何れか1項に記載の表示装置。
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