(57)【要約】【課題】積層回数を低減化し得る偏光分離膜を、比較的安価な光透過性基材を適用して作製することができ、またその製造にあたって単純な工程でまた大面積の製造が可能な偏光ビーム変換素子及びその製造方法を提供する。【解決手段】第１及び第２の光透過性基材１及び２の主面１Ａ及び２Ａ上に、略直角三角形状の断面形状を有する傾斜部を、その斜面が同一方向に向くように所定の間隔をもって並置配列して、これら斜面に偏光分離膜３を形成し、斜面の光透過性基材側に、主面に対し略垂直に切り立つ基部１１を設け、各光透過性基材を、光透過性樹脂を介して各斜面１０Ａ及び２０Ａが相対向するように重ね合わせて構成し、各光透過性基材１及び２の裏面１Ｂ及び２Ｂには、傾斜部に対応する位置に遮光部５、１／２波長板６をそれぞれ設ける構成とする。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１及び第２の光透過性基材の主面上に、略直角三角形状の断面形状を有する傾斜部が、その斜面が同一方向に向くように所定の間隔をもって並置配列され、
上記斜面に偏光分離膜が形成され、
上記斜面の上記光透過性基材側に、上記主面に対し略垂直に切り立つ基部が設けられて成り、
上記第１及び第２の光透過性基材が、光透過性樹脂を介して、上記傾斜部の上記斜面の背部の垂直面を近接させて上記各斜面が相対向するように重ね合わされて成り、
上記第１又は第２の光透過性基材の裏面には、上記傾斜部に対応する位置に遮光部又は１／２波長板がそれぞれ設けられて成ることを特徴とする偏光ビーム変換素子。
【請求項２】
上記傾斜部の上記斜面の高さをｔ１、上記傾斜部の上記基部の高さをｔ２、上記傾斜部の上記基部の幅をｗ１とし、上記偏光分離膜への最適入射角度をｘとしたときに、
ｔ１＝ｗ１×ｔａｎｘ
ｔ２＝ｗ１×ｔａｎ（２ｘ−９０°）
とされることを特徴とする請求項１記載の偏光ビーム変換素子。
【請求項３】
第１及び第２の光透過性基材の主面上に、略二等辺三角形状の断面形状を有する傾斜部が所定の間隔をもって並置配列され、
上記斜面に偏光分離膜が形成され、
上記斜面の上記光透過性基材側に、上記主面に対し略垂直に切り立つ基部が設けられて成り、
上記第１及び第２の光透過性基材が、光透過性樹脂を介して、上記各斜面が相対向するように重ね合わされて成り、
上記第１又は第２の光透過性基材の裏面には、上記傾斜部に対応する位置に遮光部又は１／２波長板がそれぞれ設けられて成ることを特徴とする偏光ビーム変換素子。
【請求項４】
上記傾斜部の上記斜面の高さをｔ１、上記傾斜部の上記基部の高さをｔ２、上記傾斜部の上記基部の幅をｗ２とし、上記偏光分離膜への最適入射角度をｘとしたときに、
ｔ１＝ｗ２／２×ｔａｎｘ
ｔ２＝ｗ２／２×ｔａｎ（２ｘ−９０°）
とされることを特徴とする請求項３記載の偏光ビーム変換素子。
【請求項５】
少なくとも第１及び第２の光透過性基材の主面上に、略直角三角形状の断面形状を有する傾斜部を、その斜面を同一方向に向くように所定の間隔をもって並置配列して形成する工程と、
上記斜面に偏光分離膜を形成する工程と、
上記斜面の上記光透過性基材側に、上記主面に対し略垂直に切り立つ基部を設ける工程と、
上記第１及び第２の光透過性基材を、光透過性樹脂を介して、上記傾斜部の上記斜面の背部の垂直面を近接させて上記各主面が対向するように重ね合わせて積層する工程と、
上記第１及び第２の光透過性基材の裏面上の、上記傾斜部に対応する位置に遮光部又は１／２波長板をそれぞれ形成する工程を有することを特徴とする偏光ビーム変換素子の製造方法。
【請求項６】
少なくとも第１及び第２の光透過性基材の主面上に、略二等辺三角形状の断面形状を有する傾斜部を所定の間隔をもって並置配列して形成する工程と、
上記斜面に偏光分離膜を形成する工程と、
上記斜面の上記光透過性基材側に、上記主面に対し略垂直に切り立つ基部を設ける工程と、
上記第１及び第２の上記光透過性基材を、光透過性樹脂を介して、上記各主面が対向するように重ね合わせて積層する工程と、
上記第１及び第２の光透過性基材の裏面上の、上記傾斜部に対応する位置に遮光部又は１／２波長板をそれぞれ形成する工程を有することを特徴とする偏光ビーム変換素子の製造方法。
【請求項７】
少なくとも光源と、偏光ビーム変換素子及び液晶板とを有する液晶表示装置であって、
上記偏光ビーム変換素子は、
第１及び第２の光透過性基材の主面上に、略直角三角形状の断面形状を有する傾斜部が、その斜面が同一方向に向くように所定の間隔をもって並置配列され、
上記斜面に偏光分離膜が形成され、
上記斜面の上記光透過性基材側に、上記主面に対し略垂直に切り立つ基部が設けられて成り、
上記第１及び第２の光透過性基材が、光透過性樹脂を介して、上記傾斜部の上記斜面の背部の垂直面を近接させて上記各斜面が相対向するように重ね合わされて成り、
上記第１又は第２の光透過性基材の裏面には、上記傾斜部に対応する位置に遮光部又は１／２波長板がそれぞれ設けられて成ることを特徴とする液晶表示装置。
【請求項８】
少なくとも光源と、偏光ビーム変換素子及び液晶板とを有する液晶表示装置であって、
上記偏光ビーム変換素子は、
第１及び第２の光透過性基材の主面上に、略二等辺三角形状の断面形状を有する傾斜部が所定の間隔をもって並置配列され、
上記斜面に偏光分離膜が形成され、
上記斜面の上記光透過性基材側に、上記主面に対し略垂直に切り立つ基部が設けられて成り、
上記第１及び第２の光透過性基材が、光透過性樹脂を介して、上記各斜面が相対向するように重ね合わされて成り、
上記第１又は第２の光透過性基材の裏面には、上記傾斜部に対応する位置に遮光部又は１／２波長板がそれぞれ設けられて成ることを特徴とする液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無偏光光を特定の偏光状態に揃えて出射させる偏光ビーム変換素子及びその製造方法、液晶表示装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶パネルディスプレイ等の液晶表示装置においては、バックライトの光を、偏光板を介して液晶パネルに照射し、電界印加の有無による液晶の配向状態の相違により透過光をオン・オフして表示を行っている。係る液晶パネルでは、偏光板を透過した特定の偏光方向の光のみを利用するため、バックライトの光のうち表示に利用できるのは５０％以下となっている。したがって、表示画面の輝度向上のためには、バックライトの高出力化が不可欠であり、消費電力の増大を招いている。
【０００３】
そこで、バックライト光の利用効率を改善するため、バックライト光の偏光を変換し、その大部分を利用することが検討されており、液晶パネル用のシート状偏光素子が開示されている（例えば特許文献１〜３参照。）。
これらのシート状偏光素子を使用すれば、バックライトからの非偏光光を特定の偏光方向を有する直線偏光に変換することができ、その結果、光源の利用効率を飛躍的に高めることができ、低消費電力化、あるいは高輝度化が達成されるものと期待される。
【０００４】
現在、広く実用に供されている板状の偏光ビーム変換素子の構造としては、図８に示すように、高透明で高屈折率あるいは低屈折率のガラスよりなる光透過性基材３０で偏光分離膜３を斜めに挟んで板状に成形し、偏光分離膜３を一定のピッチで配列し、この偏光分離膜３のピッチに応じて、すなわち一の偏光分離膜３に対応して遮光部５及び１／２波長板６配置して形成したものが代表的である。かかる構造の板状偏光素子に対し、１／２波長板６の配置位置に対応して遮光部５の間のいわばスリットから光を導入すると、例えば実線Ｐで示すＰ偏光波は偏光分離膜３を透過して、１／２波長板６でＳ偏光波に変換される。一方の破線Ｓで示すＳ偏光波は、偏光分離膜３で反射され、１／２波長板６の無い領域からＳ偏光波のまま導出される。
【０００５】
ところで、上記構造を有する板状偏光ビーム変換素子は、平面状の多数のガラス板表面に偏光分離膜を蒸着法やスパッタ法によって形成した後、これらのガラス板を重ね合わせて接着し、接着面に対して所定の角度（例えば４５度）となるように多層接着したガラス板を切断（スライス）し、さらにスライスした両面を鏡面研磨することにより作製される。この鏡面研磨の後、偏光分離膜のピッチに対応して１つおきの位置に１／２波長板を貼り付けることによって製造される。
【０００６】
しかしながら、このようなプロセスを経て作製される板状偏光ビーム変換素子は、多くの工程を経て作製されるため、製造コストの増大を招いている。上記製造プロセスにおいて必要な工程を例示すると、例えば、ガラス鏡面研磨、洗浄、偏光分離膜形成、接着剤塗布、積層固定、接着剤を硬化するための加熱、斜めスライスのための治具固定、ワイヤーソーによるスライス、治具からの分離・洗浄、両面荒研磨、鏡面研磨、形状成形のための砥石加工切断等である。加えて、上記プロセスによった場合、大面積の偏光素子を作製することは著しく困難である。
【０００７】
偏光分離変換を目的とする偏光ビーム変換素子の構造としては、上述の斜めに偏光分離膜が設けられる積層部材より成る例のほか、斜めに偏光分離膜と反射膜とを形成した積層部材より構成した例も報告されている（例えば特許文献４及び５参照。）。
この例では、遮光部を設けることなく誘電体多層膜により反射膜と偏光分離膜とを形成していることから、光利用効率の偏光ビーム変換素子を得ている。しかしながら、この場合も同様に成膜したガラス基材を張り合わせ、接着剤硬化温度加熱、斜めスライス等の製造工程を有することから、同様に大面積の偏光ビーム変換素子を作製することは難しい。
【０００８】
【特許文献１】
特開平１１−８４１２９号公報
【特許文献２】
特開平１１−２０２１０８号公報
【特許文献３】
特開平９−２６５０１０号公報
【特許文献４】
特開平１０−３９１３６号公報
【特許文献５】
特開平１０−９０５２０号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一方、本出願人は、特願２００１−２１３２９１号出願において、光入射面に対する偏光分離膜の成す角度、即ちいわゆる光の入射角度が４５度よりも大きく９０度よりも小さな任意の角度に設定できる偏光分離変換素子を提案した。この構成の一例を図９に示す。
【００１０】
図９において、１及び２は厚さの異なる第１及び第２の光透過性基材で、これらの間に、斜めに偏光分離膜３が挟まれた構造をとるものであるが、この偏光分離膜３を基材１及び２の間において所定の幅をもっていわば部分的に成膜される構成とし、また第１及び第２の光透過性基材１及び２の厚さ、偏光分離膜３の入射角度を適切に選定することによって、４５度以外の角度をもって入射される光を適切に偏光分離する構成としたものである。
【００１１】
これについて説明すると、偏光分離膜３に入射される光のうち例えばＳ偏光波がこの偏光分離膜３で反射される場合、このＳ偏光波は対向する他の偏光分離膜３で再度反射された後は、偏光分離膜３が成膜されていない間隙を透過して出射され、１／２波長板６を介して外部に出射される構成とし、一方偏光分離膜３を透過するＰ偏光波は、１／２波長板６の間を通って外部に出射される構成としている。
このような構成とすることによって、偏光分離変換素子において、４５度以外の角度をもって入射される場合においても確実にＰ偏光波とＳ偏光波とを分離することを可能としている。
【００１２】
また一方本出願人は、特願２００２−２３７０５０号において、偏光分離膜の積層数を低減化し得る偏光ビームスプリッタを提案した。
通常の偏光ビームスプリッタの分離膜は、入射光の基準波長をλ０としたときに、λ０／４の光学的膜厚（屈折率×厚さ）を有する低屈折率層をＬ、λ０／４の光学的厚さを有する高屈折率層をＨとするときに、高屈折率層Ｈと低屈折率層Ｌとの積層構造をｍ回繰り返した構造（これを（ＨＬ）ｍとする）を採る。
しかしながらこのような従来構成の分離膜構造の場合は、所望の特性を満たすためには、この積層数ｍを３０以上とする必要があり、しかも各層の材料構成、膜厚調整などが複雑であり、偏光ビームスプリッタのコスト高を招来する一因となっている。
【００１３】
これに対し、上記出願において提案した構成では、λ０／４の光学的膜厚を有する高屈折率層Ｈと、これとは２倍の光学的膜厚、すなわちλ０／２の光学的膜厚を有する低屈折率層２Ｌとを積層した積層膜をｍ回繰り返した構成とする基本構造（Ｈ２Ｌ）ｍ、またはこの基本構造の上に高屈折率層Ｈを追加した（Ｈ２Ｌ）ｍＨ、もしくはこの基本構造の下側に低屈折率層２Ｌを追加した２Ｌ（Ｈ２Ｌ）ｍのいずれかの構成とすることによって、基本構造を繰り返し積層する回数ｍを３〜７程度と低減化しても所望の光学的特性を得ることができた。このような構成とすることによって、偏光分離膜の成膜工程数の低減化、ひいては製造工程の簡略化、コストの低減化を図るという効果を得ている。
このような構成とする場合は、特に光透過性基材の材料として、比較的高屈折率の１．７５〜１．８程度とするときには偏光分離膜への入射角度を４５度として最適な偏光分離特性が得られるが、比較的安価な通常の光学ガラス（例えば屈折率１．５２近傍）を用いて作製すると、高い偏光分離特性が得られる最適な偏光分離膜への入射角度は約５６度程度となることがわかっている。
【００１４】
本発明は、上述したように、積層回数を低減化できて生産性において有利な構造であり、且つ優れた偏光分離特性を実現する偏光分離膜を、比較的安価な光透過性基材を適用して作製することができ、またその製造にあたって単純な工程でまた大面積の製造が可能な偏光ビーム変換素子及びその製造方法を提供し、製造コストを抑制し、生産性の向上をはかり、この偏光ビーム変換素子を用いた液晶表示装置の光の利用効率の向上、小型薄型化、コストの低減化を図ることを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上述の問題を解決するために、本発明による偏光ビーム変換素子は、第１及び第２の光透過性基材の主面上に、略直角三角形状の断面形状を有する傾斜部を、その斜面が同一方向に向くように所定の間隔をもって並置配列して、これら斜面に偏光分離膜を形成し、斜面の光透過性基材側に、主面に対し略垂直に切り立つ基部を設け、第１及び第２の光透過性基材を、光透過性樹脂を介して、各傾斜部の斜面の背部の垂直面を近接させて各斜面が相対向するように重ね合わせて構成し、第１又は第２の光透過性基材の裏面には、傾斜部に対応する位置に遮光部又は１／２波長板をそれぞれ設ける構成とする。
【００１６】
また本発明は、この偏光ビーム変換素子において、傾斜部の斜面の高さをｔ１、基部の高さをｔ２、この基部の幅をｗ１とし、偏光分離膜への最適入射角度をｘとしたときに、
ｔ１＝ｗ１×ｔａｎｘ
ｔ２＝ｗ１×ｔａｎ（２ｘ−９０°）
として構成する。
【００１７】
また本発明による偏光ビーム変換素子は、第１及び第２の光透過性基材の主面上に、略二等辺三角形状の断面形状を有する傾斜部を所定の間隔をもって並置配列して、これら斜面に偏光分離膜を形成し、斜面の光透過性基材側に、主面に対し略垂直に切り立つ基部を設け、第１及び第２の光透過性基材を、光透過性樹脂を介して、各斜面が相対向するように重ね合わせて構成し、第１又は第２の光透過性基材の裏面には、傾斜部に対応する位置に遮光部又は１／２波長板をそれぞれ設ける構成とする。
【００１８】
また本発明は、この偏光ビーム変換素子において、傾斜部の斜面の高さをｔ１、基部の高さをｔ２、この基部の幅をｗ２とし、偏光分離膜への最適入射角度をｘとしたときに、
ｔ１＝ｗ２／２×ｔａｎｘ
ｔ２＝ｗ２／２×ｔａｎ（２ｘ−９０°）
として構成する。
【００１９】
このように、本発明による偏光ビーム変換素子は、断面略直角三角形もしくは二等辺三角形の傾斜部を設けた第１及び第２の光透過性基材を重ね合わせた簡単な構成とするものであるが、後段の実施の形態において詳細に説明するように、入射面に対し４５度を超える９０度以下の任意の角度をもって偏光分離膜を設ける構成とすることができる。
したがって、光透過性基材、偏光分離膜、光透過性樹脂等の材料の選定の自由度を高めることができ、コストの低減化を図ることができる。
【００２０】
また本発明による各偏光ビーム変換素子は、２枚の光透過性基材を光透過性樹脂を介して被着するという簡単な構成であることから、数枚以上の透明基板を重ね合わせる積層接着やスライス、平面研磨、鏡面研磨といった機械加工プロセスを使わずに作製することが可能であり、煩雑なプロセスが不要であるために製造コストが大幅に抑えられる。また、大面積化も容易である。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明を適用した偏光ビーム変換素子及びその製造方法と、液晶表示装置について、図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明は以下の各例に限定されるものではなく、種々の変形、変更が可能であることはいうまでもない。
【００２２】
（１）第１の実施の形態
先ず第１の実施の形態について、偏光ビーム変換素子及びその製造方法の一例について説明する。
図１は、本発明を適用した偏光ビーム変換素子の第１の実施の形態による構成例を示すものである。１及び２は光学ガラス等の第１及び第２の光透過性基材であり、その各主面１Ａ及び２Ａには、図２に各光透過性基材１及び２の断面構成を示すように、略直角三角形状の断面形状を有する傾斜部を、その斜面１０及び２０が同一方向に向くように所定の間隔をもって並置配列する。またこれら斜面１０及び２０の光透過性基材１及び２側に、主面に対し略垂直に切り立つ基部１１及び２１を設ける。
【００２３】
そして、斜面１０及び２０に偏光分離膜３を形成し、第１及び第２の光透過性基材１及び２を、光透過性樹脂４を介して、各傾斜部の斜面１０及び２０の背部の垂直面１２及び２２を近接させて各主面１Ａ及び２Ａが対向し、また各斜面１０及び２０がそれぞれ相対向するように重ね合わせて構成する。
【００２４】
更に、第１又は第２の光透過性基材の裏面１Ｂ及び２Ｂには、傾斜部に対応する位置に遮光部又は１／２波長板をそれぞれ設ける構成とする。図示の例においては、第２の光透過性基材２の裏面２Ｂ上に、各斜面２０に対応する位置に、すなわち各斜面２０を裏面２Ｂに投影した位置に重なるように、Ａｌ膜等より成る遮光部５を形成し、また、第１の光透過性基材１の裏面１Ｂ上に、各斜面１０に対応する位置に、すなわち各斜面１０を裏面１Ｂに投影した位置に重なるように、誘電体多層膜等より成る１／２波長板６を形成する構成とする。
【００２５】
なお図示しないが、上述の構成による偏光ビーム変換素子の光入射側の面に、例えばレンズアレイを形成することによって、効率よく入射光を遮光部５の間に集光させることができ、またこの偏光ビーム変換素子を組み込む光学装置の構成の簡易化、小型化を図ることができる。
【００２６】
上記第１及び第２の光透過性基材１及び２の材料としては、例えばポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、アートン等の透明度の高い樹脂や、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２等の無機物微細粉を充填したアクリル系紫外線硬化樹脂や、シリコーンレジンの混合材等からなり、金型等を用いることによって上記斜面１０及び２０、基部１１及び２１を有する形状に容易に成形することが可能である。
またあるいは、砥石やバイトで直接光透過性基材を削りだして作製することもできる。
なお、光透過性基材１、２及び光透過性樹脂４の屈折率は概ね同一の値に揃える事が望ましい。
【００２７】
斜面１０及び２０上には、偏光分離膜３が形成されているが、この偏光分離膜３は、直交する直線偏光の一方のみを透過し、他方を反射するという機能を有するものである。偏光分離膜３は、一般的には、入射光の基準波長をλ０とするとき、λ０／４とほぼ等しい光学的膜厚をそれぞれ有する高屈折率層Ｈ及び低屈折率層Ｌを用いて、ＨＬの繰り返し構造（ＨＬ）ｍ（ただし、ｍは４以上の整数）からなる基本構造膜、または（０．５ＨＬ０．５Ｈ）ｍ（ｍはｍ回のべき乗の意味）で示される構造である多層膜からなる。かかる偏光分離膜２を形成することにより、広い波長範囲に亘り十分な偏光分離特性を実現することが可能になる。
【００２８】
また偏光分離膜の構成の他の例としては、上述の特願２００２−２３７０５０号において記載したように、入射光に対して所定の屈折率を有する光学的に透明な高い屈折率層Ｈと、この高屈折率層Ｈより低い屈折率の光学的に透明な低屈折率層Ｌとからなる基本構造膜Ｈ２Ｌを含み、この基本構造膜の繰り返し構造である（Ｈ２Ｌ）ｍ、（Ｈ２Ｌ）ｍＨ、あるいは２Ｌ（Ｈ２Ｌ）ｍ（ただし、ｍは３〜７の整数）のいずれかの構造を有する多層膜を挙げることができる。この多層膜においても、入射光の基準波長をλ０としたときに、高屈折率層Ｈ及び低屈折率層Ｌがいずれもλ０／４とほぼ等しい光学的膜厚となるように設定することにより、偏光分離膜として良好に機能する。
【００２９】
これら低屈折率層の材料としては、例えばＳｉＯ２（ｎ＝２．４４）、ＭｇＦ２（ｎ＝１．３８）、ＬｉＦ（ｎ＝１．４）、ＡｌＦ３（ｎ＝１．４）、Ｎａ３ＡｌＦ６（ｎ＝１．３３）などを用いることができる。
【００３０】
また、高屈折率層の材料としては、例えばＴｉＯ２、ＮｂＯ５（ｎ＝２．３）、Ｔａ２Ｏ５（ｎ＝２．３）、ＺｒＯ２（ｎ＝２．０５）、ＩＴＯ（ｎ＝１．９５〜２．１）、ＺｎＯ（ｎ＝１．９）、ＣｅＯ２（ｎ＝１．９５）、ＳｎＯ２（ｎ＝１．９５）、Ａｌ２Ｏ３（ｎ＝１．６３）、Ｌａ２Ｏ３（ｎ＝１．９５）、Ｙ２Ｏ３（ｎ＝１．８７）などを用いることができる。
【００３１】
このような偏光分離膜３の成膜方法としては、スパッタリングなどを用いることができる。この成膜時には、傾斜部の間の平坦面に適切なマスクを施して成膜されないようにする。なお、背面の垂直面１２又は２２は光が通過しない部分なので面さえ形成されていればよい。
【００３２】
上記偏光分離膜３が形成された第１及び第２の光透過性基材１及び２の間は、その斜面１０及び２０の間の溝に光透過性樹脂４が埋め込まれている。この光透過性樹脂４には、例えば紫外線硬化型のアクリル系透明樹脂やシリコーン樹脂の混合材が用いられ、上述の第１及び第２の光透過性基材１及び２と同様、ＴｉＯ２、ＳｉＯ２等の微細粉が分散されていてもよい。
【００３３】
一方、上記遮光部５及び１／２波長板６は、それぞれ、各基材１又は２の斜面１０又は２０に対応する位置に形成する。このピッチは、斜面１０及び２０とほぼ同一であり、その幅は、斜面１０及び２０の光透過性基材１及び２の裏面１Ｂ及び２Ｂに投影される幅とほぼ同じとする。
【００３４】
ここで、遮光部５としては、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）ベース上にＡｌやＡｇのスパッタ膜を形成し、その上にＴｉＯ２とＳｉＯ２からなる増反射膜を形成したフィルム等を用いることができる。
また１／２波長板６は、例えばポリプロピレンやポリカーボネートを延伸処理することにより作製したフィルムを積層した複合フィルムを用いることができる。
１／２波長板６の他の例としては、ポリエチレン、ポリビニルアルコール、ポリサルフォン、ポリアクリレート等を用いた延伸フィルム、さらにはそれらの積層複合フィルム等を挙げることができる。
【００３５】
次に、上記の構造を有する偏光ビーム変換素子の機能について説明する。上記偏光ビーム変換素子においては、第２の光透過性基材２の裏面２Ｂ側から投射された入射光は、図１に示すように、遮光部５の間のスリットに入射される。
そして、偏光分離膜３においてたとえばＳ偏光波のみが反射される構成とする場合は、入射光のうちＰ偏光波は、遮光部５の間から入射され、第１の光透過性基材１側の斜面１０上の偏光分離膜３を透過して、この下に設けられた１／２波長板６を通過して、Ｓ偏光波に変換される。
【００３６】
一方、入射光のうちＳ偏光波は、遮光部５の間から入射した後第１の光透過性基材１の斜面１０上の偏光分離膜３によって反射され、この斜面１０と相対向する第２の光透過性基材２の斜面２０上の偏光分離膜３によって再度反射されて、入射角度に沿う方向に、偏光方向が維持されたまま、すなわちＳ偏光波のまま出射される。
【００３７】
また本発明による偏光ビーム変換素子は、上述の構成において、傾斜部の斜面の高さをｔ１、基部の高さをｔ２、この基部の幅をｗ１とし、偏光分離膜への最適入射角度をｘとしたときに、
ｔ１＝ｗ１×ｔａｎｘ                ・・・（１）
ｔ２＝ｗ１×ｔａｎ（２ｘ−９０°）  ・・・（２）
として構成する。
【００３８】
このように、斜面の高さ及び基部の高さ、基部の幅を選定することによって、入射光を確実に効率よく取り出すことができる。これを図３の説明図を参照して説明する。図３において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。また、その理解を容易にするために偏光分離膜３は省略して示す。
図３において、破線ｃは入射光の最適入射方向、破線ｖは偏光分離膜３の形成される斜面１０に直交する方向、破線ｄは斜面１０の延長方向を示す。最適入射角度ｘは破線ｖ及びｃの成す角度となる。よって、斜面１０（または同様に斜面２０）の高さｔ１は、上記式（１）によって表される。
【００３９】
光の入射方向と斜面１０との成す角度をａとすると、最適入射角で入射された光は、斜面１０から角度ａで反射され、相対向する斜面２０において再度反射されて、偏光方向を変換することなく出射される。
図３において破線ｓの補助線を引いて示す角度ｂは
ｂ＝９０°−２ａ
である。基部１１の高さｔ２は、ｔ２＝ｔａｎｂ、またａ＝９０°−ｘであるので、基部１１（または同様に基部２１）の高さｔ２は、上記式（２）によって表される。
【００４０】
このような構成とすることによって、最適入射角ｘとして、４５°＜ｘ＜９０°の任意のｘとして、確実に偏光方向を一方向に変換できる偏光ビーム変換素子を提供することができる。この場合、光透過性基材１及び２として、一般的な安価な材料として得られる屈折率１．５２程度の光学ガラスを用いることができるため、コストの低減化を図ることができることとなる。
【００４１】
（２）第２の実施の形態
次に、第２の実施の形態について、偏光ビーム変換素子及びその製造方法の一例について説明する。
図４は、第２の実施の形態による構成例を示すものである。図４において、図１と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。この場合、第１及び第２の光透過性基材の各主面１Ａ及び２Ａには、図５に各光透過性基材１及び２の断面構成を示すように、略二等辺三角形状の断面形状を有する傾斜部を、所定の間隔をもって並置配列する。またその斜面１０Ａ及び１０Ｂ、２０Ａ及び及び２０Ｂの光透過性基材１及び２側に、主面に対し略垂直に切り立つ基部１１及び２１を設ける。
【００４２】
そして、斜面１０Ａ及び１０Ｂ、２０Ａ及び２０Ｂに偏光分離膜３を形成し、第１及び第２の光透過性基材１及び２を、光透過性樹脂４を介して、各主面１Ａ及び２Ａが対向し、また各斜面１０Ａ及び２０Ａ、１０Ｂ及び２０Ｂがそれぞれ相対向するように重ね合わせて構成する。
【００４３】
更に、第１又は第２の光透過性基材の裏面１Ｂ及び２Ｂには、傾斜部に対応する位置に遮光部又は１／２波長板をそれぞれ設ける構成とする。図示の例においては、第２の光透過性基材２の裏面２Ｂ上に、各傾斜部に対応する位置に、すなわち各斜面２０Ａ及び２０Ｂによる二等辺三角形を裏面２Ｂに投影した位置に重なるように、Ａｌ膜等より成る遮光部５を形成する。
また、第１の光透過性基材１の裏面１Ｂ上に、各傾斜部に対応する位置に、すなわち各斜面１０Ａ及び１０Ｂによる二等辺三角形を裏面１Ｂに投影した位置に重なるように、誘電体多層膜等より成る１／２波長板６を形成する構成とする。
【００４４】
なお図示しないが、この例においても、偏光ビーム変換素子の光入射側の面にレンズアレイを形成することによって、効率よく入射光を遮光部５の間に集光させることができ、またこの偏光ビーム変換素子を組み込む光学装置の構成の簡易化、小型化を図ることができる。
【００４５】
上記第１及び第２の光透過性基材１及び２の材料としては、上述の第１の実施の形態において説明した材料と同様の材料を用いることができる。この場合においても、金型等を用いることによって上記形状に容易に成形することが可能である。またあるいは、砥石やバイトで直接光透過性基材を削りだして作製することもできる。
【００４６】
斜面１０Ａ及び１０Ｂ、２０Ａ及び２０Ｂ上には、偏光分離膜３が形成されているが、この偏光分離膜３の構成及び材料も、上述の第１の実施の形態において説明した例と同様の材料構成をとることができる。
すなわち、上述の特願２００２−２３７０５０号において記載された例と同様の多層膜とすることができる。
【００４７】
このような偏光分離膜３の成膜方法としては、スパッタリングなどを用いることができる。この成膜時に、傾斜部の間の平坦面に適切なマスクを施して成膜されないようにすることも同様である。
【００４８】
上記偏光分離膜３が形成された第１及び第２の光透過性基材１及び２の間は、その斜面１０及び２０の間の溝に光透過性樹脂４が埋め込まれている。この光透過性樹脂４も、第１の実施の形態において説明した例と同様の材料を用いることができる。
【００４９】
一方、上記遮光部５及び１／２波長板６は、それぞれ、各基材１又は２の傾斜部に対応する位置に形成する。このピッチは、傾斜部の基部１１及び２１のピッチとほぼ同一であり、その幅は、傾斜部の光透過性基材１及び２の裏面１Ｂ及び２Ｂに投影される幅とほぼ同じとする。
遮光部５及び１／２波長板６についても、上述の第１の実施の形態において説明した例と同様の材料を用いることができる。
【００５０】
次に、上記の構造を有する偏光ビーム変換素子の機能について説明する。上記偏光ビーム変換素子においては、第２の光透過性基材２の裏面２Ｂ側から投射された入射光は、図４に示すように、遮光部５の間のスリットに集光される。そして、偏光分離膜３において例えばＳ偏光波のみが反射される構成とする場合は、入射光のうちＰ偏光波は、遮光部５の間から入射され、第１の光透過性基材１側の斜面１０Ａ又は１０Ｂ上の偏光分離膜３を透過して、この下に設けられた１／２波長板６を通過して、Ｓ偏光波に変換される。
【００５１】
一方、入射光のうちＳ偏光波は、遮光部５の間から入射した後第１の光透過性基材１の斜面１０Ａ又は１０Ｂ上の偏光分離膜３によって反射され、この斜面１０Ａと相対向する第２の光透過性基材２の斜面２０Ａまたは斜面１０Ｂと相対向する斜面２０Ｂ上の偏光分離膜３によって再度反射されて、入射角度に沿う方向に、偏光方向が維持されたまま、すなわちＳ偏光波のまま出射される。
【００５２】
この偏光ビーム変換素子においては、傾斜部の斜面の高さをｔ１、基部の高さをｔ２、この基部の幅をｗ２とし、偏光分離膜への最適入射角度をｘとしたときに、
ｔ１＝ｗ２／２×ｔａｎｘ                ・・・（３）
ｔ２＝ｗ２／２×ｔａｎ（２ｘ−９０°）  ・・・（４）
として構成する。
【００５３】
このように、斜面の高さ及び基部の高さ、基部の幅を選定することによって、入射光を確実に効率よく取り出すことができる。これを図６の説明図を参照して説明する。図６において、図４と対応する部分には同一符号を付して重複説明を省略する。またこの場合も、その理解を容易にするために偏光分離膜３は省略して示す。
【００５４】
図６において、破線ｃは入射光の最適入射方向、破線ｖは偏光分離膜３の形成される斜面１０に直交する方向、破線ｄは斜面１０Ｂの延長方向を示す。最適入射角度ｘは破線ｖ及びｃの成す角度となる。よって、斜面１０Ａ及び１０Ｂ（または同様に斜面２０Ａ及び２０Ｂ）の高さｔ１は、上記式（３）によって表される。
【００５５】
光の入射方向と斜面１０Ｂとの成す角度をａとすると、最適入射角で入射された光は、斜面１０から角度ａで反射され、相対向する斜面２０において再度反射されて、偏光方向を変換することなく出射される。傾斜部の頂角は２ａとなる。
図６において破線ｓの補助線を引いて示す角度ｂは
ｂ＝９０°−２ａ
である。基部１１の高さｔ２は、ｔ２＝ｔａｎｂ、またａ＝９０°−ｘであるので、基部１１（または同様に基部２１）の高さｔ２は、上記式（４）によって表される。
【００５６】
このような構成とすることによって、最適入射角ｘとして、４５°＜ｘ＜９０°の任意のｘとして、確実に偏光方向を一方向に変換できる偏光ビーム変換素子を提供することができる。この場合、光透過性基材１及び２として、一般的な安価な材料として得られる屈折率１．５２程度の光学ガラスを用いることができるため、コストの低減化を図ることができることとなる。
【００５７】
更にこの場合は、選定された傾斜角度ｘに対し、斜面の高さｔ１を比較的低くすることができるため、偏光ビーム変換素子の薄型化、小型化を図ることが可能となる。
【００５８】
また、上述の各実施の形態ともに、２枚の光透過性基材を貼り合わせるという簡単な方法での製造が可能であるため、従来に比して生産性の向上を図り、またコストの低減化を図ることができる。更に、大面積化も容易となる。
【００５９】
（３）第３の実施の形態
次に、上述の各実施の形態において説明した偏光ビーム変換素子を用いた液晶表示装置の一例について説明する。
【００６０】
この例においては、プロジェクタ型液晶表示装置に適用した場合を示すが、本発明はこの例に限定されることなく、その他各種のパネル型等の液晶表示装置において偏光ビーム変換素子を用いる場合に適用し得ることはいうまでもない。
図７は、プロジェクタ型液晶表示装置の概略構成を示す図である。５１は光源、５２及び５３はインテグレータレンズ、５４は上述の第１又は第２の実施の形態による偏光ビーム変換素子、５５、６０、６２及び６６は集光用のレンズ、５６、５９、６４及び６６は全反射型のミラーである。５７は、例えば青色光を透過し緑色光及び赤色光を反射するダイクロイックミラー、５８は緑色光を反射し赤色光を透過するダイクロイックミラーで、これらにより赤、青及び緑色光を分離する。
各色Ｂ、Ｇ及びＲに対応する液晶板６１、６３及び６７は、それぞれクロスプリズム６８の入射面に対向する位置に配置される。６９は投写レンズを示す。
【００６１】
このような構成における各色光の入出射態様について説明する。光源５１からの白色光は、インテグレータレンズ５２及び５３で効率よく集光し、偏光ビーム変換素子５４で例えばＰ偏光波をＳ偏光波に（又はＳ偏光波をＰ偏光波に）変換することにより、Ｓ偏光波（又はＰ偏光波）に揃えて取り出し、レンズ５５を経てミラー５６で反射し、ダイクロイックミラー５７に入射させる。
青色光は、ダイクロイックミラー５７を透過した後、ミラー５９で反射され、レンズ６０を介して青色光用の液晶板６１に入射される。
同様に、ダイクロイックミラー５７により反射された光のうち緑色光は、ダイクロイックミラー５８により反射され、レンズ６２を介して緑色光用の液晶板６３に入射される。
ダイクロイックミラー５８を透過した赤色光は、ミラー６４及び６５、更にレンズ６６を介して赤色光用の液晶板６７に入射される。
【００６２】
そして、各色に対応する液晶板６１、６３及び６７に図示しないが所定の変調回路から表示信号に対応する光変調信号を入力して光変調を行って、クロスプリズム６８で合成され、投写レンズ６９によりスクリーンに拡大投写される。
【００６３】
このように、液晶表示装置において、偏光ビーム変換素子を用いて白色光の偏光方向をそろえることによって、従来Ｓ偏光波又はＰ偏光波のうち一方のみを使用し、他方の偏光波はいわば熱として捨てられてきたものであるが、上述したように光源からの光の偏光成分をそろえることによって、利用効率を格段に高めることができるものである。
【００６４】
上述の例においては、本発明による偏光ビーム変換素子を液晶プロジェクタ装置に適用した場合について説明したが、本発明はこの例に限定されること無く、その他種々及び偏光ビーム変換素子を用いる液晶表示装置に適用することができることはいうまでもない。
【００６５】
また、その他本発明による偏光ビーム変換素子は、液晶表示装置に限定されることなく、各種の無偏光光を直線偏光の光に変換する変換素子を用いる光学装置に適用することが可能である。
【００６６】
【発明の効果】
上述したように、本発明の偏光ビーム変換素子によれば、２枚の光透過性基材を重ね合わせるのみという簡単な構成で提供することができ、このため数枚以上の多数の光透過性基材を積層接着し、斜め切り出しを行うという従来の煩雑な製造プロセスが不要となり、製造工程の簡易化を図り、生産性の向上、コストの低減化を図ることができる。また大面積化が容易となる。
【００６７】
また本発明においては、偏光分離膜の最適入射角を４５°＜ｘ＜９０°の任意の角度に設定できるため、上述したように積層回数を低減化した偏光分離膜構造を採用でき、材料の選択の自由度を高め、コストの低減化を図ることができる。
【００６８】
特に、上述の式（１）及び（２）、または式（３）及び式（４）で示すように傾斜部の幅、斜面及び基部の高さを選定することによって、偏光ビーム変換素子内の反射角度を調整し、利用効率を高め、特性の向上を図ることができる。
【００６９】
また、本発明による偏光ビーム変換素子の製造方法によれば、上述したように２枚の光透過性基材を貼り合わせるという従来に比して簡単な製造工程を採ることから、製造の簡易化、生産性の向上、コストの低減化を図ることができる。
【００７０】
更にまた、本発明による偏光ビーム変換素子を用いて液晶表示装置を構成することによって、小型で薄型、また材料の選定の自由度が高く、生産性に優れ、安価な液晶表示装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】偏光ビーム変換素子の一例の概略構成図である。
【図２】偏光ビーム変換素子の一例の要部の断面構成を示す図である。
【図３】偏光ビーム変換素子の一例の光入射態様の説明図である。
【図４】偏光ビーム変換素子の一例の概略構成図である。
【図５】偏光ビーム変換素子の一例の要部の断面構成を示す図である。
【図６】偏光ビーム変換素子の一例の光入射態様の説明図である。
【図７】液晶表示装置の一例の概略構成図である。
【図８】従来の偏光ビーム変換素子の一例の概略構成図である。
【図９】偏光ビーム変換素子の一例の概略構成図である。
【符号の説明】
１  第１の光透過性基材、１Ａ  主面、１Ｂ  裏面、２  第２の光透過性基材、２Ａ  主面、２Ｂ  裏面、３  偏光分離膜、４  光透過性樹脂、５  遮光部、６１／２波長板、１０  斜面、１０Ａ  斜面、１０Ｂ  斜面、１１  基部、１２垂直面、２０  斜面、２０Ａ  斜面、２０Ｂ  斜面、２１  基部、２２  垂直面
【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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