(57)【要約】【課題】薄型化を可能とするとともに、光の利用効率の高い偏光変換素子および、その偏光変換素子を用いた光源装置を提供する。【解決手段】偏光変換素子１０は、断面が二等辺三角形をなす複数並んだ三角プリズム１と、各三角プリズム１の第２の面１ｂに形成された反射部材２と、入射する光線をその偏光方向に応じて透過または反射させる偏光分離膜３と、位相差板４と、を備える。第１の面１ａから各三角プリズム１に入射した光線が、第２の面１ｂで反射した後に第３の面１ｃから出射して偏光分離膜３に入射し、偏光分離膜３で反射した一方の偏光光線が、いずれかの三角プリズム１に第３の面１ｃから入射して第１の面１ａで反射した後に第２の面１ｂで反射し、第１の面１ａで再度反射した後に第３の面１ｃから出射して偏光分離膜に入射するように、各三角プリズム１に対して偏光分離膜３が配置される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の面と第２の面とが斜面であり、第３の面が底面であり、断面が二等辺三角形をなす複数並んだ三角プリズムと、
前記各三角プリズムの前記第２の面に形成された反射部材と、
前記各三角プリズムの前記第３の面の側に位置し、入射する光線をその偏光方向に応じて透過または反射させる偏光分離部材と、
前記各反射部材と前記偏光分離部材との間に配置された位相差板と、を備え、
前記第１の面から前記各三角プリズムに入射した光線が、前記第２の面で反射した後に前記第３の面から出射して前記偏光分離部材に入射し、前記偏光分離部材で反射した一方の偏光光線が、いずれかの前記三角プリズムに前記第３の面から入射して前記第１の面で反射した後に前記第２の面で反射し、前記第１の面で再度反射した後に前記第３の面から出射して前記偏光分離部材に入射するように、前記各三角プリズムに対して前記偏光分離部材が配置された
ことを特徴とする偏光変換素子。
【請求項２】
前記偏光分離部材として偏光分離膜を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の偏光変換素子。
【請求項３】
前記偏光分離部材として反射型偏光素子を備えた
ことを特徴とする請求項１に記載の偏光変換素子。
【請求項４】
前記各三角プリズムと前記偏光分離部材との間に配置された偏向プリズムを備えた
ことを特徴とする請求項３に記載の偏光変換素子。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の偏光変換素子と、
光源と、
前記光源からの光を、前記偏光変換素子に向けて所定の角度で出射する光学部材と、を備える
ことを特徴とする光源装置。
【請求項６】
前記光学部材として、導光板を備える
ことを特徴とする請求項５に記載の光源装置。
【請求項７】
前記光学部材として、偏向プリズムを備える
ことを特徴とする請求項５記載の光源装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液晶パネルに照射する光を直線偏光に変換する偏光変換素子および、その偏光変換素子を用いた光源装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、液晶パネルを用いた液晶表示装置において、液晶パネルに照射する光を直線偏光に変換する偏光変換素子として、様々な構成が提案されている。
【０００３】
特許文献１には、液晶パネルへの照明光の偏光変換を行う構成として、偏光分離部材と、光源ランプ及び光源ランプの光を反射させるリフレクタからなる光源と、偏光分離部材と光源との間に配置された１／４波長板とを備えるものが記載されている。
【０００４】
また上記とは別に、特許文献２には、偏光分離部材と、偏光分離部材で反射された光を反射させる反射部材と、反射部材で反射された光の偏光を変換する１／２波長板とを備える偏光変換素子が記載されている。特許文献２に記載の偏光変換素子は、第１の入射領域に偏光変換部材が配置され、第１の入射領域と隣接する第２の入射領域に反射部材が配置される。また、第２の入射領域から入射した光線が偏光変換されない状態で出射しないように、反射部材の反射面の裏面に入射光を吸収するための光吸収部材が形成される。
【０００５】
【特許文献１】特許第２７２０７３０号公報（第２−第３頁、図１−図３）
【特許文献２】特開２００２−４０２４６号公報（第４−第５頁、図１）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述した偏光変換を行う従来の構成は、次のような問題がある。特許文献１に記載された偏光変換を行う構成は、放物面のリフレクタで光源ランプからの放射光を反射するものであり、全体を薄型化することが困難である。
また特許文献２に記載の偏光変換素子では、複数並べて全体を薄型化させた場合、入射光線が偏光変換される第１の入射領域と、入射光線が吸収される第２の領域とが交互に並んだ状態となる。よって、偏光変換素子を一様に照明すると半分の光線は吸収されるため、全体として光の利用効率が低くなる。
【０００７】
そこで、本発明は上記課題を解決し、薄型化を可能とするとともに、光の利用効率の高い偏光変換素子および、その偏光変換素子を用いた光源装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述した課題を解決し、目的を達成するため、本発明の偏光変換素子および光源装置は下記記載の構成を採用するものである。
【０００９】
本発明の偏光変換素子は、第１の面と第２の面とが斜面であり、第３の面が底面であり、断面が二等辺三角形をなす複数並んだ三角プリズムと、各三角プリズムの第２の面に形成された反射部材と、各三角プリズムの第３の面の側に位置し、入射する光線をその偏光方向に応じて透過または反射させる偏光分離部材と、各反射部材と偏光分離部材との間に配置された位相差板と、を備え、第１の面から各三角プリズムに入射した光線が、第２の面で反射した後に第３の面から出射して偏光分離部材に入射し、偏光分離部材で反射した一方の偏光光線が、いずれかの三角プリズムに第３の面から入射して第１の面で反射した
後に第２の面で反射し、第１の面で再度反射した後に第３の面から出射して偏光分離部材に入射するように、各三角プリズムに対して偏光分離部材が配置されたことを特徴とするものである。
【００１０】
また本発明の偏光変換素子は、前述した構成に加えて、偏光分離部材として偏光分離膜を備える。
【００１１】
さらに本発明の偏光変換素子は、前述した構成に加えて、偏光分離部材として反射型偏光素子を備える。
【００１２】
さらに本発明の偏光変換素子は、前述した構成に加えて、各三角プリズムと偏光分離部材との間に配置された偏向プリズムを備える。
【００１３】
本発明の光学装置は、前述した偏光変換素子と、光源と、光源からの光を偏光変換素子に向けて所定の角度で出射する光学部材と、を備えることを特徴とするものである。
【００１４】
また本発明の光源装置は、前述した構成に加えて、光学部材として、導光板を備える。
【００１５】
さらに本発明の光源装置は、前述した構成に加えて、光学部材として、偏向プリズムを備える。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の偏光変換素子は、三角プリズムの数量を増やすことでシート状に形成して薄型化することができる。また本発明の偏光変換素子は、三角プリズムの数量を増やして全体を薄型化させた場合も、入射光線が偏光変換される領域が連続しているため、光の利用効率が高い。さらに本発明の偏光変換素子は、出射光線の領域も連続しており、対象を一様な光線により照明することができる。
また本発明の偏光変換素子を用いることで、薄型で光の利用効率が高い光源装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下に図面を参照して、本発明の好適な実施形態を詳細に説明する。
【００１８】
［偏光変換素子  実施例１：図１］
まず、本発明の第１の実施形態の偏光変換素子について説明する。図１は本発明の実施例１の偏光変換素子１０の構成を示す説明図である。図１では、偏光の状態ごとにＰ偏光を破線、Ｓ偏光を一点鎖線、それ以外の光線を実線で示している。
図１に示すように、実施例１の偏光変換素子１０は、断面が二等辺三角形をなす三角プリズム１を複数備える。図１では三角プリズム１が２つ並んだ構成を示している。
【００１９】
三角プリズム１は、第１の面１ａと第２の面１ｂとが斜面であり第３の面１ｃが底面である。三角プリズム１は、例えば、屈折率が１．４〜１．８程度の樹脂またはガラスなどの透明な材質で形成される。
【００２０】
各三角プリズム１の第２の面１ｂには反射部材２が形成される。また実施例１の偏光変換素子１０は、三角プリズム１の第３の面１ｃの側に、入射する光線をその偏光方向に応じて透過または反射させる偏光分離部材として、偏光分離膜３を備える。
さらに実施例１の偏光変換素子１０は、三角プリズム１と偏光分離膜３との間に配置された位相差板４を備える。この位相差板４は、例えば１／４波長板である。
【００２１】
このような構成を備える実施例１の偏光変換素子１０により、以下のように入射光の偏光変換が行われる。
光線はまず第１の面１ａから各三角プリズム１に入射する。第１の面１ａから入射した光線は、第２の面１ｂに到達する。第２の面１ｂに到達した光線は反射部材２で反射して第３の面１ｃから三角プリズムより出射し、位相差板４に入射する。この光線は無偏光であり、位相差板４を透過して無偏光状態のまま偏光分離部材の一方の偏光分離膜３に到達する。
【００２２】
偏光分離膜３ではＰ偏光の光線（破線）は透過して偏光変換素子１０の外部に出射する。またＳ偏光の光線（一点鎖線）は、一方の偏光分離膜３で反射し他方の偏光分離膜３に向かい、他方の偏光分離膜３で同様に再度反射した後、位相差板４を透過して第３の面１ｃから再び三角プリズム１に入射する。
【００２３】
三角プリズム１に再度入射した光線は第１の面１ａに到達する。この時、第１の面１ａ対して臨界角を超える大きな角度で到達するため、光線は第１の面１ａで全反射して第２の面１ｂに向かう。第２の面１ｂに到達した光線は反射部材２で反射し、再び第１の面１ａに到達する。この時も、第１の面１ａ対して臨界角を超える大きな角度で到達するため、光線は第１の面１ａで全反射し、第３の面１ｃから三角プリズムより出射し、再度位相差板４を透過して偏光分離膜３に到達する。
【００２４】
この偏光分離膜３に到達する光線は、１／４波長板である位相差板４を２回透過することでＳ偏光からＰ偏光に偏光変換されているため、偏光分離膜３を透過して偏光変換素子１０の外部に出射する。
このように、実施例１の偏光変換素子１０に入射した無偏光の光線は、全て偏光方向が揃えられた光線（Ｐ偏光の光線）となって偏光変換素子１０から出射される。
【００２５】
［偏光変換素子  実施例２：図２］
次に、本発明の第２の実施形態の偏光変換素子について説明する。図２は本発明の実施例２の偏光変換素子１１の構成を示す説明図である。図２では図１と同様に、偏光の状態ごとにＰ偏光を破線、Ｓ偏光を一点鎖線、それ以外の光線を実線で示している。
【００２６】
実施例２の偏光変換素子１１は、図１に示す実施例１の偏光変換素子１０と同様に、第２の面１ｂに反射部材２が形成された三角プリズム１を複数備える。
【００２７】
実施例２の偏光変換素子１１は、偏光分離部材として、入射する光線の一方の偏光成分を透過させ、他方の偏光成分を反射させる反射型偏光素子５を備える。さらに実施例２の偏光変換素子１１は、実施例１の偏光変換素子１０と同様に位相差板４を、三角プリズム１と反射型偏光素子５との間に備える。
【００２８】
また、実施例２の偏光変換素子１１は、位相差板４と反射型偏光素子５との間に第１の偏向プリズム６ａを備え、反射型偏光素子５の出射面側に第２の偏向プリズム６ｂを備える。
【００２９】
このような構成を備える実施例２の偏光変換素子１１により、実施例１の偏光変換素子１０と同様に入射光の偏光変換が行われる。以下では、実施例２の偏光変換素子１１の偏光変換の動きで実施例１と異なる点を中心に説明する。
【００３０】
第１の面１ａから三角プリズム１に入射した光線は、第２の面１ｂに形成された反射部材２で反射し、第３の面１ｃから三角プリズムより出射して位相差板４を透過し、偏向プリズム６ａにより偏向されて、反射型偏光素子５に到達する。
【００３１】
反射型偏光部材５ではＰ偏光の光線（破線）は透過する。反射型偏光素子５を透過した光線は、第２の偏向プリズム６ｂで直上方向に偏向されて偏光変換素子１１の外部に出射する。またＳ偏光の光線（一点鎖線）は、反射型偏光素子５で反射し、第１の偏向プリズム６ａで偏向された後、位相差板４を透過して第３の面１ｃから再び三角プリズム１に入射する。
【００３２】
三角プリズム１に再び入射した光線は、実施例１と同様に、第１の面１ａと第２の面１ｂに形成された反射部材２とで反射した後、第３の面１ｃから三角プリズム１より出射し、再度位相差板４を通過する。位相差板４を通過した光線は第１の偏向プリズム６ａで偏向され、反射型偏光素子５に到達する。
【００３３】
この反射型偏光素子５に到達する光線は、１／４波長板である位相差板４を２回透過することでＳ偏光からＰ偏光に偏光変換されているため、反射型偏光素子５を透過する。反射型偏光素子５を透過した光線は第２の偏向プリズム６ｂで直上方向に偏向された後、偏光変換素子１０の外部に出射する。
【００３４】
このように、実施例２の偏光変換素子１１に入射した無偏光の光線は、全て偏光方向が揃えられた光線（Ｐ偏光の光線）となって偏光変換素子１１から出射される。
実施例２の偏光変換素子１１は、実用化されている技術により、三角プリズム１、位相差板４、偏向プリズム６及び反射型偏光素子５を、全て樹脂材料で形成することができる。よって、偏光分離膜３をガラス等に形成する必要のある実施例１の偏光変換素子１０と比較して、安価に作製することが可能となる。
【００３５】
［偏光変換素子  実施例３：図３］
次に、本発明の第３の実施形態の偏光変換素子について説明する。図３は本発明の実施例３の偏光変換素子１２の構成を示す説明図である。図３でも、偏光の状態ごとにＰ偏光を破線、Ｓ偏光を一点鎖線、それ以外の光線を実線で示している。
【００３６】
実施例３の偏光変換素子１２は、実施例２と同様に、第２の面１ｂに反射部材２が形成された三角プリズム１を複数備えるとともに、反射型偏光素子５と、三角プリズム１と反射型偏光素子５との間に配置された位相差板４と、を備える。
【００３７】
このような構成を備える実施例３の偏光変換素子１２により、以下のように入射光の偏光変換が行われる。以下では、実施例３の偏光変換素子１２の偏光変換の動きで実施例１、２と異なる点を中心に説明する。
【００３８】
第１の面１ａから三角プリズム１に入射した光線は、第２の面１ｂに形成された反射部材２で反射し、第３の面１ｃから三角プリズムより出射して位相差板４を透過し、反射型偏光素子５に到達する。
【００３９】
反射型偏光素子５ではＰ偏光の光線（破線）は透過し、偏光変換素子１１の外部に出射する。Ｓ偏光の光線（一点鎖線）は、反射型偏光素子５で反射し、位相差板４を透過して、最初と異なる三角プリズム１に第３の面１ｃから入射する。図３では、反射型偏光素子５で反射した光線が、隣に位置する三角プリズム１に入射する例を示している。
【００４０】
最初と異なる三角プリズム１に入射した光線は、実施例１、２と同様に、第１の面１ａおよび反射部材２で反射した後、三角プリズム１より出射して再度位相差板４を通過し、反射型偏光素子５に到達する。
【００４１】
この反射型偏光素子５に到達する光線は、１／４波長板である位相差板４を２回透過することでＳ偏光からＰ偏光に偏光変換されているため、反射型偏光素子５を透過し、偏光変換素子１２の外部に出射する。
なお、実施例３の偏光変換素子１２では、反射型偏光素子５で反射した光線が、最初と異なる三角プリズム１に入射して第１の面１ａおよび反射部材２で反射した後、三角プリズム１より出射して再度反射型偏光素子５に到達するように、入射光線の角度に応じて、各三角プリズム１と反射型偏光素子５との距離が決定される。
【００４２】
実施例３の偏光変換素子１２は、実施例２と同様に、実用化されている技術により、三角プリズム１、位相差板４及び反射型偏光素子５を全て樹脂材料で形成することができるため、ガラス部材を用いずに安価に作製することが可能となる。
また、実施例３の偏光変換素子１２は、実施例２と比較して、第１および第２の偏向プリズムを用いることがないため簡易な構成となり、より安価に作製することが可能となる。
【００４３】
図１から図３で説明したとおり本発明の偏光変換素子は、偏光分離部材から出射せずに戻された一方の偏光方向の光線が三角プリズムの光線入射斜面に到達するよう偏光分離部材および三角プリズムを構成することにより、すべての入射光線を偏光変換素子内で偏光変換し偏光方向を揃えて出射できるようにしている。
【００４４】
図４は、本発明の偏光変換素子の入射光線の領域と出射光線の領域の説明図である。図４では、本発明の偏光変換素子として実施例１の偏光変換素子１０を用いて説明している。符号Ｗ１で光線入射の領域を示し、符号Ｗ２で光線出射の領域を示す。
【００４５】
図４に示すように、本発明の偏光変換素子では、三角プリズムの数量を増やすことでシート状に形成して薄型化することができる。また本発明の偏光変換素子では、Ｗ１の領域で斜め方向から入射した光線が直上方向へ偏向されるとともに偏光変換され、Ｗ２の領域で上方向に出射される。このように本発明の偏光変換素子では、入射光線が偏光変換される領域が連続しているため、従来技術と比較して全体の光の利用効率を高めることが可能となる。さらに本発明の偏光変換素子では、出射光線の領域も連続しており、対象を一様な光線により照明することができる。
【００４６】
［光源装置  実施例１：図５］
次に、本発明の偏光変換素子を用いた光源装置について説明する。図５は、本発明の偏光変換素子を用いた光源装置の実施例１の構成を示す断面図である。実施例１の光源装置は、液晶パネル用の光源装置である。
【００４７】
図５に示すように、実施例１の光源装置は、光源７、導光板８、および図１から図３で説明した偏光変換素子１０（１１、１２）を備えて構成された、エッジライト型のバックライトである。図５において偏光変換素子１０（１１、１２）は説明のためプリズムが明示できる程度の大きさで図示しているが、小さいプリズムを複数並べてシート状にした物が好適である。
【００４８】
光源７は、蛍光管やＬＥＤなどの無偏光を出射する光源である。光源７の出射光は導光板８の側面へ入射する。導光板８は側面からの入射光を導波させながら上面の出射面から斜め上方向へ出射させる。
偏光変換素子１０（１１、１２）は導光板８の上面に配置され、導光板８から斜め方向に出射する光線を、図１から図４で説明したように、直上方向に偏向するとともに偏光変換して出射する。
【００４９】
ここで、一般的な液晶パネル用の光源装置について説明する。一般的な液晶パネル用の光源装置は、バックライトと液晶パネルの間に反射型偏光素子を備える。一般的な液晶パネル用の光源装置においては、バックライトから出射した光線は、反射型偏光素子に到達する。反射型偏光素子に到達した光線のうち一方の偏光光線は反射型偏光素子を透過して液晶パネルに向けて出射する。他方の偏光光線は反射型偏光素子で反射してバックライトに戻り、バックライト内の拡散部材により無偏光状態に戻された後、再度反射型偏光素子に向けて出射される。
【００５０】
このように、一般的な液晶パネル用の光源装置では、反射型偏光素子を透過しない偏光光線は、反射型偏光素子とバックライトとの間で何度も反射が繰り返されるため、偏光変換効率は低く光の利用効率が低い問題がある。
【００５１】
これに対して、本発明の偏光変換素子を用いた光源装置では、偏光変換素子１０（１１、１２）内で偏光変換が行われ、反射型偏換素子とバックライトとの間で何度も反射が繰り返される一般的な光源装置と比較して光の利用効率を高めることが可能となる。
【００５２】
また、一般的な液晶パネル用の光源装置のバックライトでは、導光板から斜め方向に出射する光線を直上方向に偏向するためのプリズムシートと、該プリズムシートに最適な入射角の光線が出射するよう設計された導光板とが用いられており、これらは広く普及している。このような一般的な液晶パネル用の光源装置のバックライトにおいて、プリズムシートを本発明の偏光変換素子に置き換えることで、光線を直上方向に偏向するだけでなく偏光変換も同時に行うことができ、輝度の向上と光の利用効率の向上とが同時に可能となる。
【００５３】
なお、図５には図示していないが、エッジライト型のバックライトを構成する部材に反射部材や拡散部材が含まれていても良い。
【００５４】
［光源装置  実施例２：図６、図７］
図６は、本発明の偏光変換素子を用いた実施例２の光源装置の構成を示す断面図である。図６においては、光線の進行方向を模式的に示している。実施例２の光源装置は液晶パネル用の光源装置である。
【００５５】
図６に示すように、実施例２の光源装置は、光源７、集光レンズ９、偏向プリズム１３および図１から図４で説明した偏光変換素子１０（１１、１２）を備えて構成される。図６において偏光変換素子１０（１１、１２）と偏向プリズム１３は説明のためプリズムが明示できる程度の大きさで図示しているが、小さいプリズムを複数並べてシート状にした物が好適である。
【００５６】
光源７は、ＬＥＤなどの無偏光を出射する光源である。光源７からの出射光は集光レンズ９により平行度の高い光線に集光される。集光レンズ９と偏光変換素子１０（１１、１２）の間には偏向プリズム１３が配置されており、集光レンズ９からの出射光線を偏光変換素子１０（１１、１２）の所望の入射角度になるよう光線を偏向している。
偏光変換素子１０は斜め方向に入射する光線を、図１から図４で説明したように、直上方向に偏向するとともに偏光変換して出射する。
【００５７】
図７は、図６に示す実施例２の光源装置を適用した投影表示装置（プロジェクター）を示す説明図である。図７においては、光線の進行方向を模式的に示している。図７に示す投影表示装置は、光源７、集光レンズ９、ダイクロイックミラー１７、偏向プリズム１３、偏光変換素子１０（１１、１２）、液晶パネル１６、投影レンズ１４を備えて構成されている。
【００５８】
光源７はRGBの三色の光源であり、それぞれの出射光は集光レンズ９により集光され三方向からダイクロイックミラー１７に入射する。ダイクロイックミラー１７は三方向から波長が異なるRGBの光線を入射し合成して一方向から出射する。
ダイクロイックミラー１７からの出射光は偏向プリズム１３と偏光変換素子１０（１１、１２）を透過し液晶パネル１６を照明する。液晶パネル１６はRGB毎の画像を順次表示し、この液晶パネル１６の画像表示に同期してRGBの光源が順次点灯することによってカラー画像を表示する。表示された画像は投影レンズ１４によってスクリーン１５に投影される。
【００５９】
本発明の偏光変換素子では、三角プリズムの数量を増やすことでシート状に形成して薄型化することができる。また本発明の偏光変換素子では、利用されない光線が入射する領域がなく、全体の光の利用効率を高めることが可能となる。さらに本発明の偏光変換素子では、入射光線および出射光線の領域が連続しており、対象を一様な光線により照明することができる。
また本発明の偏光変換素子を用いることで、薄型で光の利用効率が高い光源装置や、プロジェクターなどの画像表示装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６０】
【図１】本発明の偏光変換素子の第１の実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明の偏光変換素子の第２の実施形態を示す説明図である。
【図３】本発明の偏光変換素子の第３の実施形態を示す説明図である。
【図４】本発明の偏光変換素子の入射光線領域と出射光線領域の説明図である。
【図５】本発明の光源装置の第１の実施形態を示す説明図である。
【図６】本発明の光源装置の第２の実施形態を示す説明図である。
【図７】本発明の光源装置を適用した表示装置を示す説明図である。
【符号の説明】
【００６１】
１  三角プリズム
２  反射部材
３  偏光分離膜
４  位相差板
５  反射型偏光素子
６ａ、６ｂ  偏向プリズム
７  光源
８  導光板
９  集光レンズ
１０、１１、１２  偏光変換素子
１３  偏向プリズム
１４  投影レンズ
１５  スクリーン
１６  液晶パネル
１７  ダイクロイックミラー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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