JPH0263005A - 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］ 本発明は表示体、光検出器等に有用な光の透過率の高い
偏光素子の構成に関する。

［従来の技術］ 従来の偏光素子は例えば、光学的測定（飯田修−他編集
、朝食書店）Ｐ４１４に記載の如く、グラントムソンプ
リズム等複屈折性結晶プリズムを組合わせた物、叉は光
吸収の二色性を利用した延伸配向フィルムが代表的であ
った。

［発明が解決しようとする課題］ ルかし、上記配向フィルムタイプは、本質的に光吸収の
二色性を利用しているために、偏光度の高いものは絶対
透過率が低く、高精細な液晶表示体や、高感度な偏光検
出器に用いる場合、には、１、大出力の光源が必要とな
る、２．偏光素子が発熱により破壊する等の課題を有し
ていた。叉結晶プリズムタイプは受光面の大きさとほぼ
等しいか叉はそれ以上の奥行きを要し、３．配置上扱い
にくい、４０組み込んだシステムが重い、５゜価格が高
い等の課題を有していた。

本発明の目的はかかる課題を解決すべく吸収が本質的に
なく明るく、コンパクトで、安価な偏光素子を提供する
点にある。

［課題を解決するための手段］ 本発明の偏光素子は、光学的一軸性材料の表面を、その
光学主軸に垂直な面内に曲率を持たせた複屈折レンズ、
及び該複屈折レンズの一方の焦線近傍に選択的に設けた
旋光層、から成る単位を同一面内に複数配置した事を特
徴とする。

一般にランプ等のインコヒーレントな光源からの光は任
意の偏光面からなる自然偏光で、直交する二つの成分（
例えばＰｘ、Ｐｙ）に等測的に分けることができる。Ｐ
ｘ酸成分利用する場合、Ｐｙを吸収により除去するか、
偏光ビームスプリッタ−等によりｐｙを光路より分離し
てやることが必要であり、このままでは光強度は１／２
以下になってしまう。そこで、本質的に光減少の少ない
偏光素子は、−度光束を複屈折レンズにより分離した後
、一方のみを選択的に位相差を与えて９０度旋回し、両
者を再度空間的に合成することで得られる。その際、該
複屈折レンズと旋光層の単位を複数配置することにより
、小型で均一性のよいシステムが得られる。

［作用］ 第一図は本発明の詳細な説明する為の原理図である。Ｘ
方向に一軸配向させ、その光学主軸に垂直な面内に曲率
を持たせた複屈折レンズ１０１へＹ方向に入射した自然
光１０２は等測的にＸ、Ｚ方向に偏光した平面波Ｐｘ（
実線）、Ｐｚ（破ｗＡ）の集りとみなせる。上記複屈折
レンズ内に於いては、各々に対し異なる屈折率Ｎｘ、Ｎ
ｚが存在し、界面１０３により異なる屈折を受ける。該
複屈折レンズが凸レンズの場合、レンズの外側の媒体が
空気等のレンズ媒体より屈折率の小さなもので、且つＮ
、ｘ＞Ｎｚの場合にはＰｘの方が大きな屈折を受けるこ
とになる。一般にレンズの像側有効焦点距離：ｆ゛は、
オプトロニクス１９８３．Ｎｏ。

１０、Ｐ２Ｏに記載の如く、例えば空気中に置かれた平
凸レンズの場合次式で与えられる。

ｆ”＝ｒ２／（１−ｎ）　　　　　　（１）（但しｒ２
は凸面の曲率半径、ｎはレンズの屈折率を示す。） Ｐｘの焦点Ｆｘの近傍には、１／２波長板よりなる旋光
層１０５がその光学主軸をＸ７面内に於てＸ（叉はＺ）
軸より４５度傾けて集光スポット径より大きな径で設置
しである。このためＰｚ酸成分１／２波長の位相差を受
けその偏光面は９０°の旋回によりＰｘ酸成分変換され
る。一方Ｐｚ成分は小量の１／２波長板の層を透過する
成分を除き大半は偏光面の旋回を受けずに透過するため
全体として入射光の大半がＰｚ偏光にその偏光面を揃え
ることが可能となる。レンズ形状がシリンドリカルな場
合、レンズ径２ｄ、旋光層の幅２ａとすると、旋光層１
０５の後方に於けるＰｘ、Ｐ２２成分の強度割合ＱＸＩ
　　ＱＺは次式で与えられる。

Ｑｘ＝５０＊　　（ａ／ｄ）　　　　　　　（２）Ｑｚ
＝５０＊　　（２−ａ／ｄ）　　　　　（３）例えば、
ａ／ｄ＝０．１に於いて、Ｑｚは９５％という大きな値
となる。

一方第二図は第一図に記載のレンズ１０１と旋光層１０
５の単位を多数アレイ状に並べた場合の全体構成を示す
。各単位からの光束は重なりあってほとんど−様なＰｚ
偏向が得られる。叉偏光度を高める為に後方にＰｚ偏光
を透過する通常の偏光板、叉は偏光素子２０１を設置す
ると効果的である。以下実施例に基ずき本発明の偏光素
子を説明する。

［実施例］ 実施例１ 第三図は本発明の一実施例である複屈折レンズとしてネ
マチック液晶層セルを用いた場合の構成の斜視図である
。透明基板３０１と、シリンドリカルな凹面アレイ３０
２を有する透明基板３０３の間にネマチック液晶３０４
をＸ方向に一軸配向させて挟持した複屈折レンズアレイ
と、該複屈折レンズアレイの光軸上焦線近傍にポリカー
ボネイト（ｐｃ）製１／２波長層１０５を透明支持基板
３０５にレンズアレイと平行にストライプ状に設置した
旋光層より成る。液晶層の最大厚みは約１９μ、液晶に
は複屈折性の大きなシアノビフェニル系混合物を用いた
。叉凹面アレイのピッチは０．５ｍｍ、　　凹面の曲率
半径は約１４．３ｍｍである。シリンドリカルアレイの
基板には加工性がよく、屈折率が小さいアクリルを用い
た。

第四図は前記構成の１単位に、Ｘ、Ｚ方向に偏光した平
面波Ｐｘ、Ｐｚを垂直入射させた場合の代表的光線の軌
跡を示す。実線１０６がＰｘ、破線１０７がＰｚを示す
。液晶層に入射したＰｘ。

Ｐｚは各々ネマチック液晶層の常光、異常光の屈折率Ｎ
ｘ、Ｎｚを感じる。凹状界面３０２に於いて、入射角θ
ｉ、出射角θ０は５ｎｅｌｌの法則により互いに関係づ
けられる。Ｐｘ、Ｐｚに対する出射角θＯＸ、　　θｏ
ｚは次式で与えられる。

ｓｉｎθｏｘ＝Ｎｘ／Ｎｏ＊ｓｉｎθｊ　　（４）ｓｉ
ｎθＯＺ：Ｎ７／Ｎｃ）ｋｓｉｎθｉ　　（５）（但し
ＮＯは第二の透明基板の屈折率である。）一方θｉは凹
面の曲率半径：ｒ２、レンズの口径＝　２ｄとすると次
式で与えられる。

ｓｉｎ　　θｉ＝ｄ／ｒ２　　　　　　　（６）シアノ
ビフェニル系液晶ではＮｘ＞Ｎｚであり（４）、　　（
５）式からθｏｚ＞θｏｚとなり、Ｐｘ１０６が手前に
集光され旋光層１０５の置かれた面内ではＰｘとＰｚは
空間的に分離される。旋光層の位置はＰｚの焦線面でも
よいが、素子の厚み等から手前のＰｘにあわせる方が好
ましい。

旋光層１０５はＰＣをガラス基板に接着叉は圧着後、幅
５０μのストライブ状に加熱除去、叉は選択溶出等によ
り形成した。この結果、直線偏光板２０１の後方４０１
でＰｘ、Ｐｙに対する透過率を測定したところ、各々５
％、７０％であった。

叉液晶層の厚みの制御をうまくすることにより１００ｍ
ｍサイズの物は比較的容易に作ることが可能であった。

本実施例に用いた材料の５８９ｎｍに於ける屈折率の値
を表１に示す。

表１゜ 実施例２ 複屈折レンズとしてＰＣ叉はポリビニルアルコール（Ｐ
ＶＡ）に可視部に吸収の無い電子分極のおおきな分子を
分散等により含有させたポリマーを、射出等によりレン
チキュラー状に成形後一軸的に延伸した物を用いた。構
造は第一図と同じである。この場合複屈折の値はＰＣで
０．００１、ＰＶＡで０．１程度と小さく、光束の分離
度が悪いがＰｚに対し実施例１と同様の効果が認められ
た。

上記実施例では光学的一軸性材料としてネマッチク液晶
、ＰＣ，ＰＶＡを用いたが、その他配向性の高い材料と
して液晶ポリマー等も有用であることは自明である。

［発明の効果］ 以上実施例からも明らかなように本発明によれば、光学
的一軸性材料の表面を、その光学主軸に垂直な面内に曲
率を持たせた複屈折レンズ、及び該複屈折レンズの一方
の焦線近傍に選択的設けた旋光層、から成る単位を、同
一面内に複数配置したことにより、従来の約１／２の光
量の光源で同じ明るさが得られ、且つコンパクトで、吸
収による発熱も少なく、大面積の偏光素子の提供が可能
となる。これにより従来、暗く見にくかった液晶デイス
プレィや、感度が問題であったアレイ状の偏光検出器等
の発展に大きく寄与するものと確信する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の偏光素子の作用を説明する原理図。 第２図は本発明の偏光素子の全体図。 第３図は本発明の液晶を用いた構成の斜視図。 第４図は本発明の偏光素子に於ける代表的光線の軌跡図
。 １０１　複屈折レンズ １／２波長板 直線偏光板 シリンドリカルア ネマチック液晶 透明支持基板 レイ基板 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　上柳雅誉　他１名

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光学的一軸性材料の表面を、その光学主軸に垂直な面内
   に曲率を持たせた複屈折レンズ、及び該複屈折レンズの
   一方の焦線近傍に選択的に設けた旋光層、から成る単位
   を、同一面内に複数配置したことを特徴とする偏光素子
   。