(57)【要約】【課題】  偏光分離素子とマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、マクロレンズアレイと偏光変換素子が所定の精度に位置決めされている偏光変換光学系であって、マクロレンズアレイと偏光変換素子の位置決め精度が厳しいため、小型化、薄型化することができなかった。【解決手段】  マイクロレンズアレイを予め形成しておき、該第１のマイクロレンズアレイに所定の入射角度で略平行光を入射させ、マイクロレンズアレイによる集束光を用いて、偏光変換素子を形成することで、マイクロレンズアレイと偏光変換素子との位置決めを自動的に行い、精度良く形成することで、小型化、薄型化が可能となった。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光分離素子とマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、マクロレンズアレイと偏光変換素子が所定の精度に位置決めされている偏光変換光学系の製造方法であって、
第1のマイクロレンズアレイを予め形成する工程と、前記該第１のマイクロレンズアレイに所定の入射角度で略平行光を入射させ、第１のマイクロレンズアレイによる集束光を用いて、偏光変換素子を形成する工程を有することを特徴とする偏光変換光学系の製造方法。
【請求項２】
請求項１記載の偏光変換光学系であって、前記偏光変換素子を形成する工程は、マイクロレンズアレイに入射する光束の入射角を可変とし、該入射角に対応して、照射強度または照射時間を変調し、偏光変換素子を形成する工程を有することを特徴とする請求項１記載の偏光変換光学系の製造方法。
【請求項３】
偏光分離素子と２組のマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、第１のマクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイが所定の精度に位置決めされている偏光変換光学系の製造方法であって、
第１のマイクロレンズアレイを予め形成する工程と、該第１のマイクロレンズアレイに略平行光を入射させ、第１のマイクロレンズアレイによる集束光を用いて、第２のマイクロレンズアレイの形状を形成する工程を有することを特徴とする偏光変換光学系の製造方法。
【請求項４】
請求項３記載の偏光変換光学系であって、前記第２のマイクロレンズアレイを形成する工程は、第１のマイクロレンズアレイに入射する光束の入射角を可変とし、該入射角に対応して、照射強度または照射時間を変調し、第２のマイクロレンズアレイを形成する工程を有することを特徴とする請求項３記載の偏光変換光学系の製造方法。
【請求項５】
偏光分離素子と２組のマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、第１のマクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイと偏光変換素子が所定の精度に位置決めされている偏光変換光学系の製造方法であって、
第１のマイクロレンズアレイを予め形成する工程と、該第１のマイクロレンズアレイに略平行光を入射させ、第１のマイクロレンズアレイによる集束光を用いて偏光変換素子を形成する工程を有することを特徴とする偏光変換光学系の製造方法。
【請求項６】
請求項５記載の偏光変換光学系であって、前記偏光変換素子を形成する工程は、第１のマイクロレンズアレイに入射する光束の入射角を可変とし、該入射角に対応して、照射強度または照射時間を変調し、偏光変換素子を形成する工程を有することを特徴とする請求項５記載の偏光変換光学系の製造方法。
【請求項７】
偏光分離素子とマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、マクロレンズアレイと偏光変換素子が所定の精度に位置決めされている偏光変換光学系であって、
前記マイクロレンズアレイに入射する光によって前記マイクロレンズアレイとは別のマイクロレンズアレイあるいは偏光変換素子が形成された請求項１乃至６記載の製造方法を用いたことを特徴とする偏光変換光学系。
【請求項８】
請求項７記載の偏光変換光学系であって、前記偏光光学系全体の厚さが数０．２ｍｍ以下であることを特徴とする偏光変換光学系。
【請求項９】
光源と導光板とを有するバックライトユニットと、偏光分離素子とマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、マクロレンズアレイと偏光変換素子が所定の精度に位置決めされている偏光変換光学系と、液晶パネルを有する液晶表示装置であって、
前記マイクロレンズアレイに入射する光によって前記マイクロレンズアレイとは別のマイクロレンズアレイあるいは偏光変換素子が形成された偏光変換光学系を有することを特徴とする液晶表示装置。
【請求項１０】
請求項９記載の液晶表示装置であって、前記バックライトユニットの指向性が、半値角で±１０度以下であることを特徴とする請求項９記載の液晶表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、入射した非偏光または部分偏光を、異なる偏光状態を有する角度的に分離した２つの出射ビームに分離し、一方の偏光光の偏光方向を変換することにより、実質的な完全偏光に変換する偏光変換光学系、及び、そのような偏光変換光学系を組み込んだ投射型表示装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
液晶等を用いた多くの投射型表示装置は、一方向の直線偏光により照明されることが必要である。このようなデバイスが非偏光または部分偏光で動作する場合、その光が光学システムに入射する前に一方向の直線偏光に変換しなければならない。
【０００３】
非偏光を一方向の直線偏光に変換する一つの方法は、周知の直線偏光子である。直線偏光子は理想的には、一方向の直線偏光を損失なく透過させ、直交方向の直線偏光を完全に吸収するため、偏光子に入射する非偏光は完全直線偏光に変換される。このような直線偏光子は直線偏光を生成する簡単な手段である一方で、効率が低いという点で不利である。偏光子内での吸収或いは偏光子の表面での反射により、このような直線偏光子は、理想的には５０％の効率しかなく、実際には、４０〜４５％の範囲内である。
【０００４】
非偏光を偏光に変換するための別の手段は、偏光変換光学系である。偏光変換光学系では、すでに所望の偏光状態である入射光は変化せずに透過する。所望の偏光状態と直交する偏光状態の入射光は遮光されることなく、所望の偏光状態の光に変換される。
【０００５】
偏光変換光学系は、入射した非偏光または部分偏光を分離する偏光分離素子を含み、１つの偏光状態の光が、直交する偏光状態を有する光から空間的または角度的に分離され、偏光分離素子から発せられる。偏光変換光学系は、偏光分離素子により発せられた成分のうちの１つの偏光状態を変換する偏光変換素子も備える。
【０００６】
一例として、図２２に第１マイクロレンズアレイ１０１、第２マイクロレンズアレイ１０２、偏光ビームスプリッタ１０３、１／２波長板１０４を組み合わせた偏光変換光学系１０５を示す。マイクロレンズアレイで集光した光束は、偏光ビームスプリッタで、Ｐ偏光は透過して、Ｓ偏光は反射する。透過したＰ偏光は１／２波長板で偏光方向を９０度回転され、Ｓ偏光に変換された後、偏光変換光学系から出射される。一方、偏光ビームスプリッタで反射されたＳ偏光は更に４５度ミラー１０６で反射され、偏光変換光学系から出射される。よって、偏光変換光学系から出射される光束は、一つの偏光状態に変換される。
【０００７】
また、別の例として、図２３に楔形偏光分離素子１１１、マイクロレンズアレイ１１２、１／２波長素子１１３を組み合わせた偏光変換光学系を示す。楔形偏光分離素子１１１では楔形の部分が、偏光方向により屈折率が異なる材料により形成され、楔形偏光分離素子１１１に入射する光束の偏光方向により出射角度が異なることで、偏光分離が可能となる。楔形偏光分離素子１１１から出射した光束は、マイクロレンズアレイ１１２により各々集光されるが、Ｓ偏光とＰ偏光でマイクロレンズアレイへの入射角が異なる為、異なる点に集光される。例えば、Ｐ偏光が集光する点の近傍に、１／２波長素子１１３を配置すれば、Ｐ偏光はＳ偏光に変換され、偏光変換光学系を出射する光束は全て、Ｓ偏光となる。このシステムでは、更にもう一層マイクロレンズアレイを付加して、図２４のような、楔形偏光分離素子１２１、第１マイクロレンズアレイ１２２、第２マイクロレンズアレイ１２３、１／２波長素子１２４を含む構成とすることができる。
【特許文献１】特開２００２−２２８８４０号公報（公開日２００２年８月１４日）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、図２２に示す偏光変換光学系の場合、偏光ビームスプリッタはバルク材料を貼り合わせて４５度方向に切断して作製するため、光軸方向の厚さを薄くできず、偏光変換光学系全体が大きくなるという課題があった。また、偏光ビームスプリッタをアレイ状とし、小型化するには、偏光膜およびマイクロプリズムの作製が困難であった。
【０００９】
また、図２３に示すシステムの場合は、薄型化しようとするとマイクロレンズアレイを小さく、即ち焦点距離を短くしなければならないので、それに応じて１／２波長素子も小さく、狭い間隔で形成する必要があるため、この両者の位置合わせが困難であり、更には、図２４に示すシステムでは、第１のマイクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイ、及び１／２波長素子の３体の位置を精度よく配置する必要があり、更に位置合わせが困難であり、薄型化できないという課題があった。
【００１０】
上記従来技術によって作成したマイクロレンズ、偏光分離素子などを有する偏光変換光学系の厚さは数十ｍｍと厚く、特に直視型パネルへの搭載には障害となっていた。また、これらを薄く作成しようとすると、割れが生じたり、強度不足になっていた。さらに、製造上、それぞれの光学素子を張り合わせて作成しなければならず、手間を要していた。
【００１１】
上記問題点を鑑み、本発明の目的とするところは、光学素子の位置合わせ精度が良好で、薄型の偏光変換素子およびその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は上記問題点を解決するため、以下の様な構成とするものである。
本発明による偏光変換光学系の製造方法は、偏光分離素子とマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、マクロレンズアレイと偏光変換素子が所定の精度に位置決めされており、マイクロレンズアレイを予め形成する工程と、前記マイクロレンズアレイに所定の入射角度で略平行光を入射させマイクロレンズアレイによる集束光を用いて、偏光変換素子を形成する工程を有することを特徴としている。
【００１３】
また、前記偏光変換素子を形成する工程は、マイクロレンズアレイに入射する光束の入射角を可変とし、該入射角に対応して、照射強度または照射時間を変調する工程を有することを特徴としている。
【００１４】
さらに、前記マイクロレンズアレイは２組の構成であって、他方のマイクロレンズをマイクロレンズアレイによる集束光を用いて形成しても良い。また、マイクロレンズアレイによる集束光を用いて偏光分離素子を形成しても良い。
【００１５】
また、本発明による偏光変換光学系は、偏光分離素子とマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、マクロレンズアレイと偏光変換素子が所定の精度に位置決めされており、前記マイクロレンズアレイに入射する光によって前記マイクロレンズアレイとは別のマイクロレンズアレイあるいは偏光変換素子が形成されたことを特徴としている。前記偏光光学系全体の厚さが数ｍｍ以下であり、より好ましくは０．２ｍｍ以下である。
【００１６】
さらに、本発明の液晶表示装置は光源と導光板とを有するバックライトユニットと、偏光分離素子とマイクロレンズアレイと偏光変換素子を有し、マクロレンズアレイと偏光変換素子が所定の精度に位置決めされている偏光変換光学系と、液晶パネルを有しており、前記マイクロレンズアレイに入射する光によって前記マイクロレンズアレイとは別のマイクロレンズアレイあるいは偏光変換素子が形成された偏光変換光学系を有することを特徴としている。前記バックライトユニットの指向性が、半値角で±１０度以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によると、偏光変換光学系において、マイクロレンズアレイと偏光変換素子、或いはマイクロレンズアレイ同士の位置合わせ精度が大きく向上するため、各々を小さく形成でき、従って、薄型化が可能となることで、従来は搭載できなかった薄型表示装置等にも搭載可能となり、光の利用効率が向上するという効果がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施例について説明する。
【００１９】
図１及び図２に本実施例による偏光変換光学系の構成図を示す。楔形プリズム１と偏光分離材料２、レンズベース３、マイクロレンズアレイ４、樹脂層５、１／２波長素子７からなる。
【００２０】
ランダム偏光の可視光の光束が楔形プリズムに入射した後、楔形プリズムの楔形状と偏光分離材料の界面で屈折する。ここで、Ｐ偏光とＳ偏光では、偏光分離材料における屈折率が異なることから、Ｐ偏光は図１の矢印方向に、Ｓ偏光は図２の矢印方向に屈折し分離される。各々の偏光は、異なる入射角でマイクロレンズアレイに入射し、それぞれ、Ｑａ、Ｑｂに集光する。ここで、Ｑａ付近に１／２波長素子７を形成しており、１／２波長素子によりＰ偏光はＳ偏光に変換され、偏光変換光学系を出射する。一方、Ｑｂ付近には１／２波長素子がないため、Ｓ偏光のまま出射される。従って、偏光変換光学系においては、ランダム偏光の光束を一方向の直線偏光に変換することが可能で、Ｐ偏光を吸収または反射するのではなく、Ｓ偏光に変換するため、変換効率が高く、光量損失が少ない。
【００２１】
次に、図３乃至図９を用いて本実施例による偏光変換光学系の製造方法を説明する。この製造方法は、マイクロレンズアレイの集光機能を用いて、各マイクロレンズアレイの位置に対して正確に、１／２波長素子を形成するものである。まず、楔型プリズム１上にマイクロレンズアレイシート８を貼り付ける（図３）。楔形プリズムはスタンパを用いた２Ｐ（Ｐｈｏｔｏ−Ｐｏｌｙｍｅｒｌｉｚａｔｉｏｎ）法等で作製され、マイクロレンズアレイシート８は、レンズベース３とマイクロレンズアレイ４、樹脂層５からなり、楔形プリズム１と同様、レンズベース３上に高い屈折率樹脂を用いた２Ｐ法により成形され、更に樹脂層５で平坦化されている。次に、楔型プリズム１とマイクロレンズアレイシート８を偏光分離材料２を介して接合する（図４）。この時、楔の斜角δは、楔形プリズムの屈折率ｎｗと偏光分離材料のＰ偏光に対する屈折率ｎｐ及びＳ偏光に対する屈折率ｎｓとの関係により決められる。偏光分離材料としては、液晶を用いている。続いて、レンズベース３上にカールサイト若しくは水晶の薄板１０を貼りつけ（図５）、その上にネガレジスト１１を塗布し（図６）、楔形プリズム１側から略平行なＰ偏光の露光光を直角に入射させると、図７点Ｑａに集光し、Ｑａ付近のネガレジストが露光される。その後、適宜現像し、ネガレジストの未露光部を除去し（図７）、残存したレジストをマスクにウエットエッチングを行う（図８）。前記露光は、露光時間によりネガレジストの残存面積を調整したが、必要によっては、偏光変換光学系への露光光の入射角度を変化させ走査することにより、ネガレジストの露光領域を適正化することができる。以上の製造方法により本発明の偏光変換光学系が得られる（図９）。偏光分離材料は前記材料に限られるものではなく、偏光特性を持っていれば、樹脂材料等他のものでもかまわない。
【００２２】
ここで、マイクロレンズの焦点距離は、５０μｍ〜１ｍｍ程度であり、５０μｍより小さくなると回折の影響が出て、作製精度が悪くなり、１ｍｍを超えると、本製造方法で製造するメリットが少なくなる。全体の厚さをより薄くするため、５０μｍ〜１００μｍに設定するのが好ましい。レンズは正方稠密配列でレンズピッチは１０μｍ〜１ｍｍ程度であり、より好ましくは、１０μｍ〜１００μｍのアレイ構成となっている。
【００２３】
本発明により、マイクロレンズと１／２波長素子の位置合わせが正確にできるようになったため、マイクロレンズのピッチを小さく、即ち、焦点距離を小さく設定でき、ひいては、偏光変換光学系そのものの厚さを薄くすることが可能となった。このようにして作製した偏光変換光学系は、シート状の体裁をとり、全体の厚さは主にレンズベースの厚さに依存する。レンズベース厚さは、約５０〜１００μｍであり、その他マイクロレンズアレイ及び楔形プリズムの厚さは、各々５０μｍ程度であるから、全体の厚さは、数ｍｍに形成することが可能となる。もっとも薄く形成する場合には、ほぼ０．２ｍｍ以下に抑えることができる。これにより、従来は不可能であった、直視型の液晶パネルへの搭載が可能となり、光利用効率を著しく向上させることができる。
【００２４】
図１０に本発明による偏光変換光学系を用いた、直視型液晶ディスプレイの概略構成を示す。光源１２、導光板１３、偏光変換光学系１４、液晶パネル１５を有している。本光学系により、光利用効率は、従来の１．５〜２．０倍まで改善した。その他必要に応じて、散乱板、レンズシート、反射シート等（図示しない）を配置してもよい。この時、光源及び導光板を合わせてバックライトユニットと呼ぶことにすると、バックライトユニットから出射する光束の指向性は高い方が良く、即ち、導光板に対して出射角０度付近に強度分布の中心を持ち、その半値角が±１０度以下であることが望ましい。これにより、偏光変換光学系を構成するシート状の光学素子に入射する光束の入射角が０度近傍で最も多くなり、偏光の変換効率が高くなる。
【００２５】
別の実施例を図１１乃至図２１を用いて説明する。図１１及び図１２は、楔形プリズム２１と偏光分離材料２２、第１マイクロレンズアレイ２３、第１樹脂層２４、レンズベース２５、第２マイクロレンズアレイ２６、第２樹脂層２７、１／２波長素子２８からなる。マイクロレンズアレイを２層構成としたことで、第２マイクロレンズアレイは、所謂リレーレンズとして働き、第１マイクロレンズから入射してくる光束を内側に屈折する作用を持つ。従って、光束の広がりを抑えることができる。
【００２６】
ランダム偏光の可視光の光束が楔形プリズムに入射した後、楔形プリズムの楔形状と偏光分離材料の界面で屈折する。ここで、Ｐ偏光とＳ偏光では、偏光分離材料における屈折率が異なることから、Ｐ偏光は図１１の矢印方向に、Ｓ偏光は図１２の矢印方向に屈折し分離される。各々の偏光は、異なる入射角でマイクロレンズアレイに入射し、第２マイクロレンズアレイを透過し、それぞれ、Ｑｃ、Ｑｄに集光する。ここで、Ｑｃを中心にして、１／２波長素子を形成しており、Ｐ偏光はＳ偏光に変換され、偏光変換光学系を出射される。一方、Ｑｄ付近には１／２波長素子がないため、Ｓ偏光のまま出射される。従って、偏光変換光学系においては、ランダム偏光の光束をＳ偏光に変換することが可能で、Ｐ偏光を吸収または反射するのではなく、Ｓ偏光に変換するため、変換効率が高く、光量損失が少ない。
【００２７】
次に、図１３乃至図２１を用いて第２の実施例による偏光変換光学系の製造方法を説明する。この製造方法は、第１マイクロレンズアレイの集光機能を用いて、各マイクロレンズアレイの位置に対して正確に、第２のマイクロレンズアレイ及び１／２波長素子を形成するものである。まず、第１マイクロレンズアレイ２３を２Ｐ法によりレンズベース２５上に形成する（図１３）。レンズ部は高い屈折率の樹脂を用いるのが望ましい。第１マイクロレンズアレイ２３上に第１樹脂層２４を形成し平坦化する（図１４）。更に、レンズベース２５の第１マイクロレンズアレイ２３を形成した面と反対側の面に紫外線硬化樹脂２６を所定の厚みで塗布し、第１マイクロレンズアレイ２３側から露光用の略平行な紫外光を所定の角度で入射させ第１マイクロレンズアレイ２３の集光機能を用いて紫外線硬化樹脂２６を硬化させる（図１５）。ここで用いる紫外線硬化樹脂２６は、高い屈折率であることが望ましい。また、前記露光光は、第１マイクロレンズアレイにより集光され点Ｒａに集光し、その部分を露光量に応じた厚さ分硬化させる。第１マイクロレンズアレイへの入射角を変化させると、集光点Ｒａは移動し、前記入射角と、露光強度若しくは走査速度を適宜変化させることにより、第２マイクロレンズアレイ２７を形成できる（図１６）。その後、楔形プリズム２１を偏光分離材料２２を介して、第１レンズベースに貼り合わせる（図１７、図１８）。第２マイクロレンズアレイ上に第２樹脂層２８を形成し、平坦化した後、第２樹脂層上に、カールサイト若しくは水晶の薄板３０を貼りつけ、更にその上にネガレジスト３１を塗布する（図１９）。第１レンズベースに略直角な、Ｐ偏光の平行光束を露光光として入射させると、前記露光光は、点Ｕａに集光し、その付近のネガレジストを露光する。その後、適宜現像し、ネガレジストの未露光部を除去し（図２０）、残存したレジストをマスクにウエットエッチングを行う（図２１）。前記露光は、露光時間によりネガレジストの残存面積を調整したが、必要によっては、偏光変換光学系への露光光の入射角度を変化させ走査することにより、ネガレジストの露光領域を適正化することができる。
【００２８】
また、１／２波長素子２９として、カールサイト若しくは水晶の薄板を用いたが、例えば、ポリマー材料に複屈折性を付与したものであってもよく、この場合は、より薄型化が可能である。前記ネガレジストの代わりに、ポジレジストを用いることも可能であり、更には、偏光分離材料としては、液晶を用いたが、偏光方向により屈折率が変わる材料であれば、他のものでも良く、光学異方性を持たせた高分子材料や、結晶等その他のものでも本願の効果に何ら変わりがない。
【００２９】
以上述べた製造方法により、マイクロレンズアレイと偏光変換素子、或いは第１のマイクロレンズアレイと第２のマイクロレンズアレイの位置合わせ精度が向上し、マイクロレンズアレイの間隔或いは焦点距離を小さくできるので、ひいては、偏光変換光学系の小型化・薄型化が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の断面図である。
【図２】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の断面図である。
【図３】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図４】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図５】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図６】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図７】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図８】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図９】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図１０】本発明の実施例を示す偏光変換光学系を搭載した表示装置の構成図である。
【図１１】本発明の第２の実施例を示す偏光変換光学系の断面図である。
【図１２】本発明の第２の実施例を示す偏光変換光学系の断面図である。
【図１３】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図１４】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図１５】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図１６】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図１７】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図１８】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図１９】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図２０】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図２１】本発明の実施例を示す偏光変換光学系の製造フロー図である。
【図２２】従来例を示す説明図である。
【図２３】従来例を示す説明図である。
【図２４】従来例を示す説明図である。
【符号の説明】
【００３１】
１  楔形プリズム
２  偏光分離材料
３  レンズベース
４  マイクロレンズアレイ
５  樹脂層
７  １／２波長素子
１２  光源
１３  導光板
１４  偏光変換光学系
１５  液晶パネル
【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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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