(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の偏光を制御し、一定の偏光方向の光を生じさせる偏光素子において、偏光面に依存して作用する偏光ホログラムと山形プリズムからなるプリズムレンズの平坦面とを密着して配置し、プリズムレンズの山形の片面にλ／２波長板が配置してなることを特徴とする偏光素子。
【請求項２】
請求項１記載の偏光素子において、光の入射側に偏光ホログラムを配置し、出射側にλ／２波長板を偏光ホログラム面に対して略４５度傾いた山形プリズムの片面に配置することを特徴とする偏光素子。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ランダム偏光の光から、偏光面を揃えて取り出すことで光の利用効率を高めることができる偏光素子に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ランダムな偏光をもつ光から偏光を取り出し、この偏光を利用する光学装置、例えば、液晶表示素子、偏光顕微鏡、偏光干渉計等において、偏光素子が使用されている。
【０００３】
この場合、偏光素子としては、従来より、薄い樹脂フィルム等にヨウ素等の配向膜を形成した偏光フィルムが広く使用されている。
しかしながら、ヨウ素等の配向膜を形成した偏光フィルムを用いて、ランダムな偏光光から偏光を取り出す場合、偏光膜が、自然光のうち偏光膜の配向方向に従った偏光光以外の光を吸収するので、偏光膜に入射した自然光の光強度の半分以上を損失することとなる。
そこで、直線偏光を利用する光学装置においては、所望の光強度で直線偏光を得る為に光源の強度を強めたり、あるいは、高感度のセンサーを設けることが必要とされ、そのために光学装置のコストが高くなったり、サイズを小型化できないという問題が生じていた。また、偏光膜で吸収された光エネルギーが熱エネルギーに変換するために偏光膜が加熱されるので、偏光膜の精度が不安定となり、また耐久性が低下するという問題があった。
【０００４】
この問題を解決するために、ホログラム偏光素子を用いたものが提案されている。たとえば、本出願人が先に出願した特開平９ー１０５８１３号公報において、図４に示すような偏光素子を提示している。
すなわち、複屈折性材料であるＬｉＮｂＯ3 （ニオブ酸リチウム）結晶（４）にプロトン交換法という拡散によりチタンイオン等で交換したイオン交換部（５）、このイオン交換部上に位相補償用の誘電体格子（６）を形成したホログラム素子（２）に複屈折性シート（３）設けたグレーティング偏光素子（１）である。
このグレーティング偏光素子は、一方向の偏光に対しては回折格子として機能し、それと直交する方向の偏光に対しては回折格子として機能せずに透明媒体として機能するホログラム素子（２）と、複屈折性シート（３）を積層したものである。
【０００５】
通常は、イオン交換する複屈折性材料と複屈折性シートとを同一材料にすることで一体化している。このように両者に同一材料を用いることで、積層する工程がなく、また両者間の界面反射を防止することができ、好ましい構成である。
【０００６】
このホログラム素子（回折格子素子）（２）側から自然光を入射させた場合、ホログラム素子て回折された偏光光と、回折されることなく透過した偏光光とが、複屈折シート状材料を通過することにより、同一方向の偏光面となるようにしたものである。
【０００７】
しかし、このグレーティング偏光素子（１）は、複屈折性シートの厚みによる光路長の差によって偏光面を揃えていたため、入射光の平行度が高い必要があり、さらにグレーティング偏光素子（１）から出射する光の角度が必然的に大きくなっていた。入射光の平行度を高めるためには、光源と入射面の距離を大きくしたり、レンズや曲面の反射鏡が必要となるため、コストが高くなったり、サイズを小型化できないという問題が生じる。
さらに、グレーティング偏光素子（１）から出射する光の角度が大きな角度に限定されるため、出射した光を効率よく利用するためには、出射光を集める大口径のレンズ等が必要となり、直視で利用するＬＣＤ等への利用が難しかった。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は以上のような問題点に着目してなされたもので、入射光の平行度がラフであっても、ランダム偏光の光から、偏光面を揃えて取り出すことで光の利用効率が高くできる偏光素子を提供することを課題としている。
更に、出射光の出射角の制限を少なくすることで直視で利用するＬＣＤ等へ利用を可能にすることを課題としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明に於いて上記課題を達成するためになされた請求項１に記載の発明は、光の偏光を制御し、一定の偏光方向の光を生じさせる偏光素子において、偏光面に依存して作用する偏光ホログラムと山形プリズムからなるプリズムレンズの平坦面とを密着して配置し、プリズムレンズの山形の片面にλ／２波長板が配置してなることを特徴とする偏光素子である。
【００１０】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１記載の偏光素子において、光の入射側に偏光ホログラムを配置し、出射側にλ／２波長板を偏光ホログラム面に対して略４５度傾いた山形プリズムの片面に配置することを特徴とする偏光素子である。
【００１３】
ランダム偏光の自然光を入射すると、偏光ホログラムによって、特定方向の偏光面の光と、それと直交する方向の偏光面の光とに分離される。特定方向の偏光面の光はそのまま通過し、それと直交する方向の偏光面の偏光光は、位相差板によって偏光面を９０度回転させて通過することで、両者、すなわち、そのまま通過した偏光光と、直交する方向の偏光面の偏光光が揃うことで、光の吸収なしで特定の偏光面の光を取り出すことが可能となり、光の利用効率を上げることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の１実施の形態、偏光面の揃った偏光を取り出す作用を図を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は、偏光ホログラム（１１）とλ／２波長板支持体（１２）を密着させて構成した本発明の基本となる偏光素子（１０）である。図において偏光状態を説明するのに都合が良いように離して図示しているが、実際には両者は密着されている。
【００１６】
今、斜め４５度の角度からランダム偏光を有する入射光（２０）が、偏光ホロムラム（１１）に入射すると  偏光ホログラム（１１）で、特定偏光面の光が回折により偏向され−４５度の角度で出射、該特定偏光面と直交した偏光面の光は偏向されずそのまま４５度の角度で出射する。
【００１７】
偏光状態を説明するために、便宜上、紙面方向と平行な偏光をｐ（ｐａｒａｌｌｅｌ）偏光，紙面に垂直な偏光をｓ（ｓｅｎｋｒｅｃｈｔ）偏光とすると、入射光は偏光ホログラム（１１）で回折されず直進するｐ偏光（２１）はそのまま出射する。一方、−４５度の角度で回折されたｓ偏光（２２）がλ／２波長板支持体（１２）と交差する位置にλ／２波長板（１３）を設け、λ／２波長板（１３）を通過すると、偏光面が９０度回転する。このλ／２波長板（１３）を通過させることにより、ｓ偏光（２２）はｐ偏光（２３）に変換され、偏光素子（１０）から出射される偏光光は、すべてｐ偏光になって取り出すことが可能である。
【００１８】
偏光ホログラム素子（１１）は、上記特開平９ー１０５８１３号公報に記述した複屈折材料であるＬｉＮｂＯ3 （ニオブ酸リチウム）結晶にプロトン交換法という拡散によりチタンイオン等で交換したイオン交換部、このイオン交換部上に位相補償用の誘電体格子を形成したものが使用できる。
また、複屈折材料として、六方晶系の単軸結晶の電気石、方解石、水晶、斜方結晶のヘパタイト（過沃化硫酸キニーネ）等の用い、この表面に表面レリーフ型の回折格子を積層し、この回折格子の溝部分を、ある一つの偏光方向に対する屈折率が、その偏光方向に対する複屈折材料の屈折率と同じ材料で埋めたもの等を使用することができる。この場合、表面レリーフ型の回折格子は、一般に知られている機械刻線の手法、レーザー光の干渉を利用した手法、フォトリソグラフィーの手法により形成することができる。
また、位相板（波長板）は、凡用されているポリビニルカルバゾール樹脂、ノルボルネン樹脂、雲母、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2 ）等が使用される。
【００１９】
図２は、山形プリズムレンズを用いた偏光素子の構成及び偏光状態を説明する断面図である。
偏光ホログラム（回折格子）（３１）と山形プリズム（傾斜角度４５度、−４５度）のプリズムレンズ（３２）の平坦面を貼り合わせた構造であり、プリズムレンズ（３２）の一方の山形の片面に、λ／２波長板（３３）が配置されている。
【００２０】
今、斜め４５度の角度からランダム偏光を有する入射光（４０）を入射すると、偏光ホログラム素子（１１）で、特定偏光面の光が回折により偏向され−４５度の角度で出射、該特定偏光面と直交した偏光面の光は偏向されずそのまま４５度の角度で出射する。
【００２１】
図１の説明と同様に、紙面方向と平行な偏光をｐ偏光，紙面に垂直な偏光をｓ偏光とする。入射光（４０）は、偏光ホログラム（３１）では回折されず直進するｐ偏光（４１）プリズムレンズの４５度の面から出射する。一方、−４５度の角度で出射されたｓ偏光（４２）のみがプリズムレンズの他の山形の一面に設けられたλ／２波長板（３３）を通過し、偏光面が９０度回転する。このλ／２波長板（３３）を通過させることにより、ｓ偏光（４２）はｐ偏光（４３）に変換され、偏光素子（３０）から出射される偏光光は、すべてｐ偏光になって取り出すことが可能である。
【００２２】
偏光ホログラム（３１）及びλ／２波長板（３３）は上記の材料であり、上記の図１に無いプリズムレンズ（３２）は、複屈折が少ないガラス、ポリ塩化ビニール、ポリメタクリル酸メチル等のアクリル樹脂、非晶性エステル樹脂等のプラスチック材料を用いた山形形状のレンズアレイである。
【００２３】
更に、図３は、λ／４波長板、偏光ホログラム及び偏光依存性反射板を用いた偏光素子（５０）の構成断面及び偏光状態を説明する図である。
すなわち、偏光ホログラム（回折格子）（５１）の入射側面にλ／４波長板（５２）、偏光依存性反射板（５３）を密着させて設けた偏光素子（５０）である。この場合も図１と同様に、偏光状態を説明するのに都合が良いように離して図示しているが、実際には密着されている。
【００２４】
斜め４５度の角度からランダム偏光を有する入射光（６０）を入射すると、λ／４波長板（５２）で偏光面をランダム偏光の状態で回転されて偏光ホログラム（５１）に入射する。
この偏光ホログラム（５１）で上記の図１で説明したことと同様に特定偏光面の光が回折により偏向され−４５度の角度で出射、該特定偏光面と直交した偏光面の光は偏向されずそのまま４５度の角度で出射する。
【００２５】
ここでも、上記の説明と整合させるため、紙面方向と平行な偏光をｐ偏光，紙面に垂直な偏光をｓ偏光とする。
偏光ホログラム（５１）で回折されず直進するｐ偏光（６１）は、出射側の偏光依存性反射板（５３）に到達し反射される。一方、偏光ホログラム（５１）で回折されたｓ偏光（６２）は偏光依存性反射板（５３）で反射されずそのまま通過し、出射される。
【００２６】
ここで偏光依存性反射板（５３）は、ｐ偏光は反射し、ｓ偏光はそのまま透過する機能を有するものとする。
【００２７】
出射側の偏光依存性反射板（５３）で反射されたｐ偏光（６１）は、偏光ホログラム（５１）を透過し、λ／４波長板（５２）を透過して円偏光になる。円偏光になった光線は、裏面の反射板（５４）で反射され、再びλ／４波長板（５２）を透過しｓ偏光となる。ｓ偏光となった光は、再度偏光ホログラム（５１）に入射回折し、ｓ偏光（６３）となる。ｓ偏光（６３）は偏光依存反射板（５３）で反射されずそのまま通過し出射される。
【００２８】
偏光依存性反射板の例としては、反射型ホログラムやコレステリック液晶等が挙げられる。また、偏光依存性反射板の代わりに、体積反射型ホログラムのような角度依存性の反射板を用いてもよい。
【００２９】
上記の説明において、最終的にはｓ偏光となることについて説明したが、同様な考えで偏光依存性反射板をｓ偏光を反射させ、ｐ偏光を通過させる機能を持たせればｐ偏光を取り出すことができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、入射光を同一の偏光面を有する（偏光面が揃った）偏光光として取り出すことで、光の利用効率を格段に高めることができる。
また、光学装置において、光源の強度を高めたり、センサーの感度を高めたりすることが不要となり、装置の製造コストや装置の小型化が可能となる。特に投射型プロジェクターにおいては、投影画像の明るいことが要求さので、本偏光素子は液晶型プロジェクターの表示画面を明るくする手段として有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の偏光素子の構成及び偏光状態を示す断面図である。
【図２】他の本発明の偏光素子の構成及び偏光状態を示す断面図である。
【図３】他の本発明の偏光素子の構成及び偏光状態を示す断面図である。
【図４】従来の偏光ホログラムを用いた偏光素子の構成断面図である。
【符号の説明】
１…偏光素子                      ２…偏光ホログラム
３…複屈折シート                  ４…ニオブ酸リチウム
５…イオン交換部                  ６…位相補償用誘電体
１０…偏光素子                  １１…偏光ホログラム
１２…λ／２波長板支持体        １３…λ／２波長板
２０…入射光                    ２１…ｐ偏光
２２…ｓ偏光                    ２３…ｐ偏光
３０…偏光素子                  ３１…偏光ホログラム
３２…プリスムレンズ            ３３…λ／２波長板
４０…入射光                    ４１…ｐ偏光
４２…ｓ偏光                    ４３…ｐ偏光
５０…偏光素子                  ５１…偏光ホログラム
５２…λ／４波長板              ５３…偏光依存性反射板
５４…反射板                    ６０…入射光
６１…ｐ偏光                    ６２…ｓ偏光
６３…ｓ偏光
【図１】
0004534318.tif 000002
【図２】
0004534318.tif 000003
【図３】
0004534318.tif 000004
【図４】
0004534318.tif 000005