JPH03278020A

JPH03278020A - 偏光素子

Info

Publication number: JPH03278020A
Application number: JP2317583A
Authority: JP
Inventors: Yoshitaka Ito; 嘉高伊藤; Shoichi Uchiyama; 正一内山
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 1990-03-13
Filing date: 1990-11-21
Publication date: 1991-12-09

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、ランダム偏光を一方向の偏光面を持つ直線偏
光に変換する偏光素子に関する。

〔従来の技術〕

従来、ランダム偏光から一方向性偏光を得るためには、
偏光子や複屈折性結晶を用いて、特定の偏光面を有する
直線偏光のみを選択的に取り出す方法が一般的であった
。その代表例が偏光板である。これはお互いに直交する
偏光成分を持つランダム偏光である入射光のうち、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。また、他には
複屈折性結晶を用いたものとしてローションプリズムや
ニコルプリズムが挙げられる。さらに、多層蒸着膜をガ
ラスで挟み込み、入射光を偏光面が互いに直交した２つ
の直線偏光として取り出す偏光ビームプリッタがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、従来の偏光板では光吸収の二色性を利用してい
るため一方向性偏光への変換効率が最大でも約４５％と
低く、また、光吸収による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。また、複屈折性結
晶等を用いたものでは偏光方向の異なる不必要な偏光成
分を反射等の手段により除去しているため、やはりこの
方式においても一方向性偏光への交換効率が最大５０％
以下と低いことが問題となっている。

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をは、光吸収や反射によるロスを
ほとんど伴うことなく、ランダム偏光を一方向性偏光に
高効率で変換するコンノマクト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、光源か
らのランダム偏光を偏光面が互いに直交する主に２つの
直線偏光成分（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に空間的分離を行なう
ための手段と、該２つの直線偏光成分の偏光面を回転さ
せる手段であるところの２つのツイステッド・ネマティ
ック液晶素子と、該２つの直線偏光成分の内どちらか片
方の偏光面を対称反転させる手段であるところの反射ミ
ラーとから構成されることを特徴とする。また、前記２
つのツイステッド・ネマティック液晶素子による直線偏
光成分の偏光面回転角がＰ偏光に対してθ、Ｓ偏光に対
して９０°−θであることを特徴とする。さらに、前記
光源からのランダム偏光を偏光面が互いに直交する主に
２つの直線偏光成分（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に空間的分離を
行なうための手段が偏光ビームスプリッタであることを
特徴とする。

［作　　用］第２図及び第３図（ａ）〜第３図（ｃ）を用いて本発明
の詳細な説明する。光源２１からのランダム偏光１５は
偏光ビームスプリッタ１１により互いに強度の等しいＰ
偏光２４とＳ偏光２３に分離される（この時、Ｓ偏光は
偏光ビームスプリッタの複屈折層界面２２で全反射され
る）。分離されたＳ偏光は第２のツイステッド・ネマテ
ィック液晶素子（以下ＴＮ液晶素子と略す）１２を透過
する間に、出射光と対向する側からみて、時計回り（又
は反時計回り）に０３の偏光面回転を受ける。ただし、
第２のＴＮ液晶素子１２は偏光ビームスプリッタのＳ偏
光側の出射面に対して平行に設置されている。この場合
の出射光の偏光方向を第３図（Ｃ）に示す。また、同様
にＰ偏光は第１のＴＮ液晶素子１３を透過する間にθｌ
の偏光面回転を受け、さらに、反射ミラー１４により偏
光方向は対称反転（対称角θ２、θ２＝９０°−θ１）
される。ただし、第１のＴＮ液晶素子１３は偏光ビーム
スプリッタのＰ偏光側の出射面に対して平行に、また、
反射ミラー１４はミラーの法線と第１のＴＮ液晶素子が
４５°の角度をなすように設置されている。この場合の
第１のＴＮ液晶素子１３及び反射ミラー１４から出射光
の偏光方向を各々第３図（ａ）及び第３図（ｂ）に示す
。

ここで、上記２つのＴＮ液晶素子はホモジニアス配向処
理され、光の入射側に位置する液晶分子のダイレクタ−
の方向が、ＴＮ液晶素子に入射する偏光の偏光方向と一
致するように構成されている。

その結果、２つの出射光１７．１８は同じ偏光方向を有
する偏光となって合成される。

ここで、上記第１及び第２のＴＮ液晶素子による偏光面
の回転方向は必ずしも同じ方向である必要はないが、第
３図（ａ）及び第３図（Ｃ）においてθ１＝９０°−θ
３なる関係にあることが必要である。

以上のように、本発明では、光源からのランダム偏光を
偏光方向が互いに直交する２つの直線偏光に空間的に分
離した後、２つのＴＮ液晶素子及び少なくとも１つの反
射ミラーを用いて、２つの直線偏光の偏光方向が等しく
なる様に合成することにより、ランダム偏光から特定の
直線偏光への交換を高効率で行なうことが出来る。

〔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］本発明の偏光素子の実施例の一形態を第１図（斜視図）
に示す。併せて第２図も参照されたい。

以下、主要な構成要素に付いて説明する。偏光ビームス
プリッタ１１はＭａ（Ｎｉｅｌｌｅ型の可視広帯域用の
もので、光の入射側には反射防止膜（入射時の平均反射
率は０．７％以下）をコート済みのものを用いた。この
偏光ビームスプリッタは２つの直角プリズムの斜辺に多
層膜を形成し斜辺どうしを接合したもので、偏光の分離
性に優れている。

偏光ビームスプリッタとしては、他の例えばプレート状
のものも光の波長域によっては十分使用可能である。第
１及び第２の液晶素子１３．１２は同一のスペックもの
もとし、Δｎ＝０．２６４（２０″Ｃ）であるネマティ
ック系液晶を用い、ギャップ長＝７．０μｍトンイスト
角＝４５°とした。なお、液晶素子と偏光ビームスプリ
ッタは同一のガラス材料（ＢＫ７）を用いて作製し、オ
プティカルコンタクトさせた０反射ミラー１４はガラス
板（ＢＫ７）にアルミニウムを蒸着したもの（可視域で
概ね９０％以上の反射率を有する）を用いた０反射ミラ
ーとしては、他にも銀を蒸着したものや誘電体多層膜を
コートしたものを用いてもよく、あるいは反射ミラーの
代わりに偏光ビームスプリッタを用いてもよい、また、
光源には２００Ｗのキセノンランプを用いた。

以上のような構成要素を用いた偏光素子において、光源
からのランダム偏光１５は偏光ビームスプリッタ１１に
より互いに強度が等しく、偏光方向が直交する２つの直
線偏光（Ｐ偏光２４、Ｓ偏光２３）に分離される。分離
されたＳ偏光は第２のＴＮ液晶素子１２を透過する間に
、出射光と対向する側からみて、時計回りに４５°　（
θ３＝４５°）の偏光面回転を受ける。ただし、第２の
液晶素子１２は偏光ビームスプリッタのＳ偏光側の出射
面に対して平行に設置されている。また、同様にＰ偏光
は第１のＴＮ液晶素子１３を透過する間に４５°　（θ
１−４５°）の偏光面回転を受け、さらに、反射ミラー
１４により偏光方向は対称反転（対称角４５°、つまり
、時計回りに９０°回転する）される（θ２＝４５°）
。ただし、第１の液晶素子１３は偏光ビームスプリッタ
のＰ偏光側の出射面に対して平行に、また、反射ミラー
１４はミラーの法線と第１の液晶素子が４５°の角度を
なすように設置されている。その結果、２つの出射光１
７．１８は同じ偏光方向（θ２＝０３）を有し、なおか
つ進行方向が同しである偏光となる。したがって、これ
ら２つの光を合成することにより、はとんど光の損失を
伴うことなく、光源からのランダム偏光を高効率で特定
の直線偏光に変換することができた。

第４図に出射光の入射光に対する相対光強度分布を示す
。可視域において約８０％以上の変換効率が得られてい
ること、また、変換効率の波長依存性が非常に少ないこ
とがわかる。なお、波長依存性に関しては液晶素子のパ
ラメータを変更することにより変化させることが可能で
ある。

また、本偏光素子では、入射光束に対して出射光束の幅
が広がるが、ミラーやレンズ等を用いて２つの光束の合
成を行なうことにより出射光束の幅を入射時のそれ以下
に出来ることは明らかであり、出射光束の幅の広がりは
何ら欠点とはならないことを付記しておく。さらに、反
射ミラー１４の法線と第１の液晶素子のなす角度を４５
°よりもやや大きくとることにより、上記のミラーやレ
ンズ等を用いなくても２つの光束を合成し、なおかつ合
成時の光束幅を拡げないようにすることは可能であるが
、その場合には合成距離が非常に長くなり、また、特定
偏光への変換効率が多少悪くなる。

［実施例２］実施例１と同様な偏光素子を作製した。ただし、第１の
液晶素子のツイスト角を出射光と対向する側からみて反
時計回りに３０°とし、また、第２の液晶素子のツイス
ト角を出射光と対向する側からみて時計回りに３０°と
した。この偏光素子においても可視域において、概ね８
０％以上の変換効率（特定の直線偏光のランダム偏光に
対する変換効率）が得られることが確認された。

〔発明の効果〕

以上説明したように本発明の偏光素子では、光源からの
ランダム偏光を偏光方向が互いに直交する２つの直線偏
光に空間的に分離した後、２つのＴＮ液晶素子及び少な
くとも１つの反射ミラーを用いて、２つの直線偏光の偏
光方向が等しくなる様に合成することにより、ランダム
偏光から特定の直線偏光への変換を高効率で行なうこと
が出来る（つまり、光の利用効率に優れる）。このこと
は、従来に比べ一定の光源からより多くの特定直線偏光
を得られることを示し、また、言い替えれば、同じ強度
の特定偏光を得るに際して従来よりも小型の光源ですむ
ことを意味している。また、偏光面の回転を起こさせる
２つのＴＮ液晶素子においてツイスト角、ツイスト方向
及び使用する液晶材料を適当に選択することにより、出
射光強度の波長依存性を制御できることから、２つの出
射光の合成時における光特性（スペクトル、光束の分布
等）を自由に制御することが可能であり、特に、出射光
束の断面積を大きく取る必要がある場合には有効である
。それ故、本発明の偏光素子は特定の直線偏光を必要と
する液晶表示素子の光源部、液晶プリンターの光源部な
どへの応用が最も効果的である。

【図面の簡単な説明】第１図は本発明の偏光素子の一構成を示す斜視図。第２図は本発明の偏光素子の機能を説明するための図。第３図（ａ）は第１のＴＮ液晶素子から出射される偏光
の偏光方向を示す図。第３図（ｂ）は反射ミラーから出射される偏光の偏光方
向を示す図。第３図（Ｃ）は第２のＴＮ液晶素子から出射される偏光
の偏光方向を示す図。第４図は実施例で示した本発明の偏光素子により得られ
る出射光の強度スペクトルを表わす図。１１・・・偏光ビームスプリッタ１２・・・第２のＴＮ液晶素子１３・・・第１のＴＮ液晶素子１４・・・反射ミラー１５・・・ランダム偏光１６・・・第１のＴＮ液晶素子から出射される偏光の偏
光方向・・・反射ミラーから出射される偏光の偏光方向・・・第２のＴＮ液晶素子から出射される偏光の偏光方
向２１・・・光源２２・・・複屈折層界面２３・・・Ｓ偏光成分２４・・・Ｐ偏光成分以上

Claims

【特許請求の範囲】

（１）光源からのランダム偏光を偏光面が互いに直交す
る主に２つの直線偏光成分（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に空間的
分離を行なうための手段と、該２つの直線偏光成分の偏
光面を回転させる手段であるところの２つのツイステッ
ド・ネマティック液晶素子と、該２つの直線偏光成分の
内どちらか片方の偏光面を対象反転させる手段であると
ころの反射ミラーとから構成されることを特徴とする偏
光素子。
（２）前記２つのツイステッド・ネマティック液晶素子
による直線偏光成分の偏光面回転角がＰ偏光に対してθ
、Ｓ偏光に対して９０゜−θであることを特徴とする請
求項１記載の偏光素子。
（３）前記光源からのランダム偏光を偏光面が互いに直
交する主に２つの直線偏光成分（Ｐ偏光、Ｓ偏光）に空
間的分離を行なうための手段が偏光ビームスプリッタで
あることを特徴とする請求項１記載の偏光素子。