(57)【要約】【課題】光を、屈折率の異なる２つの材料の界面にブリュースター角で入射させ、透過光と反射光に分離した後、反射光の偏光方向を９０度回転させて、透過光と共に外部に取り出す従来の技術では、偏光度の良い偏光を得るためには、界面を多層に設ける必要がある。従って、従来の技術は、構成が複雑であり、コスト高であった。【解決手段】入射面からの入射光を透過光と反射光に分離する分離手段と、前記反射光を裏面より取り出すと共に、前記透過光を光源側に反射させる第２の反射手段とを備えた積層基板を、光源側に設けられる第１の反射手段と入射面を対向させて配置し、入射光が、分離手段を透過しながら、第１と第２の反射手段の間で反射を繰り返して次々と発生させる反射光を、裹面側から取り出して照射するものである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光源と、第１の反射手段と、縞状の凹凸が形成された透明基板を、凸部を隣接基板の凹部に挿入して積層し、凸部と凹部の互いに対向する面と面で対の屈折率不連続面を内部に形成した積層基板に設けられる、入射光を透過光と反射光に分離する分離手段と、前記透過光を光源側に反射させる第２の反射手段を含み、前記分離手段が、光源側の平滑な入射面に対して２０度より大きく４０度より小さい傾斜角を持つ対の屈折率不連続面を配列して成る分離手段であり、前記第２の反射手段が、積層基板の平滑な裏面に対して５５度より大きく７５度より小さい傾斜角を持つ対の屈折率不連続面と、前記傾斜角と裏面に対して略対象な傾斜角を持つ対の屈折率不連続面を、各々配列して成る反射手段か、あるいは、積層基板の裏面に、直角プリズム状の凸部を配列して成る反射手段のいずれかであり、分離手段を透過した透過光が第１と第２の反射手段の間で反射を繰り返すとともに、分離手段で反射した反射光を外部に取り出して照射する事を特徴とする照明装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、ブリュースターの法則を応用した照明装置に関するものであり、水面下を照射する等の通常の照明のみならず、液晶表示装置等の直線偏光を必要とする機器、装置にも広く応用可能である。
【背景技術】
【０００２】  現在、直線偏光を得る手段として、ヨウ素系または色素系等の偏光板が一般的に使用されている。しかし、この偏光板は、不必要な偏光成分を吸収するものであり、光の利用効率が非常に悪い。そして、この欠点を改善するために、種々の提案がなされている。【０００３】  これらの提案の多くは、屈折率の異なる２つの材料の界面に、光をブリュースター角で入射させ、透過光と反射光に分離するものである。そして、反射光の偏光方向を９０度回転させ、反射光を透過光と共に利用して直線偏光を得ようとするものであり、高屈折率材料及び低屈折率材料の交互に重なる層を多層に形成した多層膜を利用したもの（特許文献１参照）、あるいは、偏光方向を９０度回転させる手段として、液晶分子を配向固定した薄膜を使用したもの（特許文献２参照）等がある。【０００４】  以下、従来の技術について説明する。特許文献１による従来例では、図１２に示すように、光源からの入射光１１を、多層に積層された高屈折率材料及び低屈折率材料の交互に重なる層７に入射させている。そして、透過光１３と反射光１２に分離した後、透過光を取り出し、反射光１２を隣接する斜面で反射させて光源側に戻している。そして、ここには図示されていないが、光源側に戻された光を、反射板と１／４波長遅延板により、偏光方向を９０度回転させて再び入射させている。【０００５】  特許文献２による従来例では、光を透過光と反射光に分離し、反射光を液晶分子を配向固定した薄膜を通過させて、偏光方向を９０度回転させた後、透過光と共に外部に取り出している。
【特許文献１】特開２００４−７８２３４号公報
【特許文献２】特開平１１−７２６１７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  光を、屈折率が異なる２つの材料の界面に、ブリュースター角で入射させると、透過光と反射光に分かれ、反射光は全てｓ偏光であるのに対し、透過光にはｐ偏光とｓ偏光が含まれる。従って、透過光から偏光度（全体の中でのｐ偏光あるいはｓ偏光の占める割合）の高い偏光を得るためには、屈折率が異なる２つの材料の界面を多層に設ける必要がある。【０００７】  従って、特許文献１では、高屈折率材料及び低屈折率材料の交互に重なる層を多層に形成する必要があり、また、特許文献２の様に、入射光が屈折率の異なる２つの材料の界面を１回透過するだけでは、偏光度の高い偏光を得ることが出来ない、という課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】  これら課題を解決するための本発明の手段は、光源と、第１の反射手段と、縞状の凹凸が形成された透明基板を、凸部を隣接基板の凹部に挿入して積層し、凸部と凹部の互いに対向する面と面で対の屈折率不連続面を内部に形成した積層基板に設けられる、入射光を透過光と反射光に分離する分離手段と、前記透過光を光源側に反射させる第２の反射手段を含み、前記分離手段が、光源側の平滑な入射面に対して２０度より大きく４０度より小さい傾斜角を持つ対の屈折率不連続面を配列して成る分離手段であり、前記第２の反射手段が、積層基板の平滑な裏面に対して５５度より大きく７５度より小さい傾斜角を持つ対の屈折率不連続面と、前記傾斜角と裏面に対して略対象な傾斜角を持つ対の屈折率不連続面を、各々配列して成る反射手段か、あるいは、積層基板の裏面に、直角プリズム状の凸部を配列して成る反射手段のいずれかであり、分離手段を透過した透過光が第１と第２の反射手段の間で反射を繰り返すとともに、分離手段で反射した反射光を外部に取り出して照射するものである。
【発明の効果】
【０００９】  本発明は、特許文献１、２と異なり、透過光が第１と第２の反射手段の間で反射を繰り返すとともに、ｐ偏光を殆ど含まない反射光（ｓ偏光）を外部に取り出して照射するものであるため、屈折率が異なる２つの材料の界面を多層に設けることなく、偏光度の良い直線偏光を効率良く得ることが出来る。【００１０】  また、透過光を光源側に反射させる第２の反射手段が、積層基板の平滑な裏面に対して５５度より大きく７５度より小さい傾斜角を持つ対の屈折率不連続面と、前記傾斜角と裏面に対して略対象な傾斜角を持つ対の屈折率不連続面を、各々配列して成る反射手段が、あるいは、積層基板の裏面に、直角プリズム状の凸部を配列して成る反射手段のいずれかである。【００１１】  従って、透過光と反射光に分離された透過光は、全反射して入射面から往路と略平行に光源側に戻る。一方、透過光に対して傾斜した反射光は、裏面より外部に取り出せ、さらには、入射光に平行に裏面から取り出すことも可能である。【００１２】  また、入射光を透過光と反射光に分離する分離手段が、入射面に沿って配列された、入射面に対して２０度より大きく４０度より小さい傾斜角を持つ対の屈折率不連続面である。従って、透過光の進行方向を入射光と同一方向にすることが出来（図３参照）、また光源側に向かって反射される反射光も、光源側の平滑な入射面で全反射されて裏面側に進むため、効率が良い。【００１３】  さらに、第１の反射手段として、本発明の第２の反射手段の様に、入射経路と同一経路ではなく、離れた平行な経路で反射させる反射手段を、光源からの入射光を遮ることなく、積層基板に隣接して設けることによって、小さな光源で大きな面積を照明する事が出来る等、本発明は、優れた効果を有するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】  本発明を実施するための最良の形態は、入射面からの入射光を透過光と反射光に分離する分離手段と、前記反射光を裏面より取り出すと共に、前記透過光を光源側に反射させる第２の反射手段を備えた積層基板を、光源側に設けられる第１の反射手段と入射面を対向させて配置するものであり、光源からの光が分離手段を透過しながら第１と第２の反射手段の間で反射を繰り返すと共に、次々と発生する反射光を裏面側から取り出して照射するものである。【００１５】  また、第１の反射手段として、本発明の第２の反射手段の様に、入射経路と同一経路ではなく、離れた平行な経路で反射させる反射手段を、光源からの入射光を遮ることなく、積層基板の入射面に隣接して設けるものである。以下本発明による実施例を、図面をもとに説明する。
【実施例】
【００１６】  （実施例１）図１は、本発明による一実施例を示すものであり、構成図である。また、図２は、本実施例で使用される積層基板３の部分断面図である。本実施例では、図１に示すように、平坦な反射板である第１の反射手段２が、光源１を中央にして、積層基板３の入射面３４と対向して配置される。また、光源１と積層基板３の間には、平行光線を得るためにレンズシート６が設けられている。【００１７】  光を透過光と反射光に分離するための対の屈折率不連続面３２は透明基板３１ａと３１ｂの対の対向面であり、入射面３４に対する傾斜角が３０度のものと入射面に対して対称なものが連続して鋸歯状に形成されている。また、入射光１１の入射角が略ブリュースター角になる様に透明基板の屈折率が選ばれている。一方、透過光を光源側に戻すための対の屈折率不連続面３３は透明基板３１ｂと３１ｃの対の対向面であり、裏面３５に対する傾斜角が６０度のものと裏面３５に対して対称なものが連続して鋸歯状に形成されている。以下動作について説明を行う。【００１８】  対の屈折率不連続面３２にブリュースター角で入射した光源１からの入射光１１は、図１，２に示すように、透過光１３と反射光１２に分離される。透過光は、必ずしも必要ではないが、本実施例の様に対の屈折率不連続面３２を互いに平行になる様に設計すれば、図３に示すように入射光と同じ方向に進む。この時、ｐ偏光の反射率は０であり、入射光１１に含まれるｐ偏光は全て透過される。一方入射光に含まれるｓ偏光は、反射率が０でないため、一部反射される。すなわち、透過光には、ｐ偏光にｓ偏光が含まれるが、反射光は全てｓ偏光である。【００１９】  次に、透過光１３は、対の屈折率不連続面３３の片方の面で全反射した後他方の面を垂直に透過し、裏面３５で全反射する。そして、再度の全反射によって方向を１８０度回転させ、再び対の屈折率不連続面３２を透過した後、第１の反射手段２で反射され、再び積層基板３に向かう。この様にして、透過光は、第１の反射手段２と対の屈折率不連続面３３と裏面３５から成る第２の反射手段の間で、反射を繰り返し、対の屈折率不連続面３２で次々と反射光（ｓ偏光）を生成させる。【００２０】  本実施例では、生成された反射光の進行方向が入射面３４に対して３０度傾いたものと成るため、入射面側に向かう反射光もまた入射面３４で全反射し裏面側に向かう。この時、対の屈折率不連続面３２を透過して一部は光源側に反射されるが、この光も光源側の第１の反射手段により再利用される。この様にして裏面側に向う反射光、すなわちｓ偏光は、対の屈折率不連続面３３の片方の斜面を垂直に透過し、他方の面で全反射して方向を変え、裏面３５に垂直に外部に取出される。【００２１】  （実施例２）第２の実施例を、図を元に説明する。図４は、第２の実施例で使用される、積層基板の部分断面図である。本実施例では、透過光と反射光に分離する対の屈折率不連続面３２の傾斜角が３４度であり、第２の反射手段として、裏面３５には直角プリズム状の凸部が形成されている。透明基板の屈折率は実施例１の時と同様にして、最適に設計され、また、その他の構成等は、実施例１と同じである。【００２２】  入射光１１は対の屈折率不連続面���２で反射光と透過光に分離され、透過光は第２の反射手段である、直角プリズム状の凸部が形成された裏面３５に向かう。ここで２回の全反射を受けて、透過光は再び対の屈折率不連続面３２を透過した後、光源側にある第１の反射手段によって、再び積層基板に入射する。この様に、透過光は、実施例１と同様に、第１の反射手段と第２の反射手段の間で反射を繰り返しながら、対の屈折率不連続面３２で次々と反射光（ｓ偏光）を生成する。【００２３】  本実施例では、対の屈折率不連続面３２の傾斜角を３４度としたため、反射光は対の屈折率不連続面３２の隣接する斜面でも反射される。したがって、反射光の入射面に対する傾斜角度は４６度と２２度の２種類が存在する。そして４６度の反射光は、裏面３５より外部に向けて照射される。一方、２２度の光は裏面より一度は外部に出るが、再度内部に戻ることになり、このままでは、使用は出来ても効率があまりよくない。【００２４】  図５は、図４の欠点を改良したものである。すなわち、９０度のプリズム状の凸部を両面に形成した補助基板４を図４の積層基板に追加したものである。こうすることで、図５にも示されている様に、２２度の反射光も、４６度の反射光と共に外部に取出せる。図５では、補助基板４の裏面４１に９０度のプリズム状の凸部が形成されているが、これに限ったものではなくレンズ状の凹凸が形成されていても問題は無い。【００２５】  （実施例３）第３の実施例を、図６を元に説明する。図６は本実施例における構成図であり、積層基板３は、実施例２で使用したものでも良いが、実施例１で使用したものをそのまま使用している。１／４波長遅延板５と、平板を直角に交互に折り曲げた鋸歯形状をした第１の反射手段２が、積層基板３に隣接して設けられる。光源１は、実施例１と比較して小さいものが使用され、１／４波長遅延板５と、第１の反射手段２が設けられていない部分より、光を入射させている。【００２６】  本実施例では、実施例１で使用した積層基板をそのまま使用しているので、光を透過光と反射光に分離するための対の屈折率不連続面３２での反射光（図示せず）の挙動は、実施例１と全く同じである。一方、透過光は、図６にも示されている様に、第１の反射手段２で反射されると、平行移動が起こる。そして、対の屈折率不連続面３３と裏面３５で構成される第２の反射手段による平行移動も加わって、積層基板内を広がっていく。この様に、本実施例では小さな光源で、広い面積にわたって直線偏光を照射する事が出来る。【００２７】  以上のように、本発明は、簡単な構成で直線偏光が得られるというものであり、光の利用効率が非常に良いという特徴を持つものである。また、通常の偏光板を裏面側に設ければ、偏光度をあまり考慮する必要がなくなり、入射角を必ずしもブリュースター角ではなくそれより大きい角度にする等、設計の自由度を増すことも出来る。【００２８】  ところで、本発明では、積層基板に斜めに入射する光は偏光度を低下させるため、平行光を使用することが最も好ましい。従って、レンズシート等の平行光を得る手段が、得ようとする偏光度等、必要に応じて使用される。また、上記各実施例では、透過光と反射光に分離する対の屈折率不連続面３２を１段だけ���けているが、これに限った事は無い。図１０に示すように２段に設ければ、傾きを持った入射光を全反射させて光源側に戻すことが出来、平行光を得る手段を使用せずに偏光度を上げることが出来るのでさらに良い。【００２９】  また、本発明では、偏光方向を回転させる１／４波長遅延板等も必要に応じて使用される。実施例３では、第１の反射手段が積層基板に隣接して設けられるので、実施例１とは異なり、偏光方向が保たれたまま積層基板に再入射する。従って、実施例３の１／４波長遅延板がなければ、ｐ偏光は永久に反射を繰り返し外部には取出せず、効率は非常に悪くなる。【００３０】  また、本発明では、透過光と反射光に分離するための対の屈折率不連続面の入射面に対する傾斜角が大きくなれば、図７に示すように、隣接する斜面での２回の反射により反射光が入射面側に漏れ出し、これを防ぐためには屈折率の大きな透明基板が必要になる。また、傾斜角が小さくなれば対の屈折率不連続面への入射角も小さくなり、入射角をブルースター角とするためにも屈折率の大きな材料が必要となる。【００３１】  一方、第２の反射手段として使用される対の屈折率不連続面の裏面に対する傾斜角は、６０度を越えて小さくなると、図８に示すように、一部の透過光は裏面３５より外部に漏れ出す。傾斜角が大きくなれば、屈折率の大きな透明基板を使わない限り、図９に示すように、透過光は裏面３５より外部にもれだす。【００３２】  従って、対の屈折率不連続面の各々の傾斜角は、上記の事と、得ようとする偏光度、コスト等を考慮して決められるベきであり、それぞれ、２０度より大きく４０度より小さい角度と５５度より大きく７５度より小さい角度から選ばれるのが好ましい。最も好ましくは、略３０度と６０度以上７０度以下の組み合わせである。【００３３】  また、図１１は、対の屈折率不連続面３２のまたの例である。このように透過光と反射光に分離する対の屈折率不連続面３２には、第２の反射手段で使用される対の屈折率不連続面３３とは異なり、必ずしも入射面に対して対称な２つの面を設ける必要がなく、色々な形状が考えられる。そして、第２の反射手段で使用される対の屈折率不連続面も上記各実施例の形状に限られたものではない。また、上記各実施例では、対の屈折率不連続面には特には何も施してはいない。しかし、透明基板面に前もって屈折率の異なる薄膜を形成する等の手を加える事も、限られた材料の中では有用である。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】第１の実施例の構成図
【図２】第１の実施例に使用される積層基板の部分断面図
【図３】対の屈折率不連続面の部分断面図
【図４】第２の実施例に使用される積層基板の部分断面図
【図５】補助基板を取り付けた図４の積層基板の部分断面図
【図６】第３の実施例の構成図
【図７】分離手段としての対の屈折率不連続面を示す図（傾斜角大）
【図８】第２の反射手段としての対の屈折率不連続面を示す図（傾斜角小）
【図９】第２の反射手段としての対の屈折率不連続面を示す図（傾斜角大）
【図１０】分離手段としての対の屈折率不連続面を２段に設けた図
【図１１】分離手段としての対の屈折率不連続面の別の例を示す図
【図１２】従来例を示す図
【符号の説明】
【００３５】  １    光源
２    第１の反射手段
３    積層基板
４    補助基板
５    １／４波長遅延板
６    レンズシート
７    多層に積層された高屈折率材料及び低屈折率材料の交互に重なる層
１１    入射光
１２    反射光
１３    透過光
３１ａ，３１ｂ，３１ｃ    透明基板
３２    分離手段としての対の屈折率不連続面
３３    第２の反射手段としての対の屈折率不連続面
３４    入射面
３５    裏面
４１    補助基板の裏面
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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