(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
初期入力偏光状態Ａの完全偏光と無偏光からなり、且つ、偏光度がゼロでない入力光を、目標偏光状態として予め定められ、前記初期入力偏光状態Ａと異なる最終偏光状態Ｂの完全偏光と、無偏光とからなる出力光に変換する、偏光状態変換方法であって；
前記入力光を第１の位相差板に対して垂直に入力して該第１の位相差板を通過させることにより、一次変換光を生成する第１の段階と、前記一次変換光を第２の位相差板に対して垂直に入力して該第２の位相差板を通過させることにより、二次変換光を生成する第２の段階からなり、
前記第１の位相差板の位相差付与能力をΔ1とし、前記第２の位相差板の位相差付与能力をΔ2とした時、Δ1＝Δ2＝π／２であり、
更に、前記初期入力偏光状態Ａを１組のストークスパラメータを４成分とし、規格化されたベクトルをＳA、前記最終偏光状態Ｂを別の１組のストークスパラメータを４成分とし、規格化されたベクトルをＳBで各々表わすとともに、
前記第１の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをＲ（Δ1,θ1）［但し、θ1は前記第１の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第１の位相差板の第１の配向方向を表わす角度］とし、
前記第２の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをＲ（Δ2,θ2）［但し、θ2は前記第２の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第２の位相差板の第２の配向方向を表わす角度］とした時、
（ｉ）Δ1で表わされる前記第１の位相差付与能力、
（ｉｉ）θ1で表わされる前記第１の配向方向、
（ｉｉｉ）Δ2で表わされる前記第２の位相差付与能力、及び、
（ｉｖ）θ2で表わされる前記第２の配向方向の組み合わせが、関係式、
Ｒ（Δ2,θ2）{Ｒ（Δ1,θ1）ＳA}＝ＳB
を満たすように、前記第１の配向方向及び前記第２の配向方向が定められており、
それにより、前記二次変換光に含まれる完全偏光の偏光状態が前記最終偏光状態Ｂに一致していることを特徴とする、前記偏光状態変換方法。
【請求項２】
前記第１の配向方向と前記第２の配向方向が互いに異なっていることを特徴とする、請求項１に記載の偏光状態変換方法。
【請求項３】
前記入力光が、導光板の出射面から斜め出射され、次いで、出射面の正面方向に進行方向修正された光であり、
前記出力光が、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルに供給され、
前記最終偏光状態Ｂは、前記出力光に含まれる直線偏光成分の偏り方向が、前記偏光板の透過軸方向と平行となるように定められていることを特徴とする、請求項２に記載の偏光状態変換方法。
【請求項４】
初期入力偏光状態Ａの完全偏光と無偏光からなり、且つ、偏光度がゼロでない入力光を、目標偏光状態として予め定められ、前記初期入力偏光状態Ａと異なる最終偏光状態Ｂの完全偏光と、無偏光とからなる出力光に変換する、偏光状態変換装置であって；
互いに平行に配置された第１の位相差板及び第２の位相差板を備え、
前記第１の位相差板は、前記入力光を前記第１の位相差板に対して垂直に入力させ、一次変換光を出力するように配置され、
前記第２の位相差板は、前記第１の位相差板によって出力された前記一次変換光を前記第２の位相差板に対して垂直に入力させ、二次変換光を出力するように配置されており、  前記第１の位相差板の位相差付与能力をΔ1とし、前記第２の位相差板の位相差付与能力をΔ2とした時、Δ1＝Δ2＝π／２であり、
更に、前記初期入力偏光状態Ａを１組のストークスパラメータを４成分とし、規格化されたベクトルをＳA、前記最終偏光状態Ｂを別の１組のストークスパラメータを４成分とし、規格化されたベクトルをＳBで各々表わすとともに、
前記第１の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをＲ（Δ1,θ1）［但し、θ1は前記第１の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第１の位相差板の第１の配向方向を表わす角度］とし、
前記第２の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをＲ（Δ2,θ2）［但し、θ2は前記第２の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第２の位相差板の第２の配向方向を表わす角度］とした時、
（ｉ）Δ1で表わされる前記第１の位相差付与能力、
（ｉｉ）θ1で表わされる前記第１の配向方向、
（ｉｉｉ）Δ2で表わされる前記第２の位相差付与能力、及び、
（ｉｖ）θ2で表わされる前記第２の配向方向の組み合わせが、関係式、
Ｒ（Δ2,θ2）{Ｒ（Δ1,θ1）ＳA}＝ＳB
を満たすように前記第１の配向方向及び前記第２の配向方向が定められており、それにより、前記二次変換光に含まれる完全偏光の偏光状態が前記最終偏光状態Ｂに一致していることを特徴とする、前記偏光状態変換装置。
【請求項５】
前記第１の配向方向と前記第２の配向方向が互いに異なっていることを特徴とする、請求項４に記載の偏光状態変換装置。
【請求項６】
面光源装置と、偏光状態変換装置と、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルとを備えた液晶ディスプレイであって；
前記面光源装置は、入射面及び出射面を有する導光板と、前記入射面を通して前記導光板に一次光を供給する一次光源と、前記入射面に沿って配置され、前記出射面から斜め出射された出射光の進行方向を前記出射面の正面方向に修正する進行方向修正部材とを備え、
前記偏光状態変換装置は、請求項５に記載された偏光状態変換装置であり、且つ、前記進行方向修正部材によって進行方向を前記正面方向に修正された、前記出射面からの出射光を、前記入力光として前記第１の位相差板に入力させるように配置されており、
前記出力光が、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルに供給され、
前記最終偏光状態Ｂは、前記偏光板の透過軸方向と平行な偏り方向を持つ直線偏光を表わすように定められていることを特徴とする、前記液晶ディスプレイ。
【請求項７】
前記導光板の前記出射面は矩形であり、前記偏光板の透過軸方位が前記矩形の各辺の延在方向に対して４５度の角度をなしていることを特徴とする、請求項６に記載の液晶ディスプレイ。
【請求項８】
前記第１の位相差板が、前記進行方向修正部材と一体化されていることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載の液晶ディスプレイ。
【請求項９】
前記二次変換光を拡散する光拡散部材が前記偏光板の光入力側に配置されていることを特徴とする、請求項６または請求項７に記載の液晶ディスプレイ。
【請求項１０】
前記第２の位相差板が、前記光拡散部材と一体化されていることを特徴とする、請求項９に記載の液晶ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光状態変換方法、偏光状態変換装置、並びに同偏光状態変換装置を用いた液晶表示装置に関し、更に詳しく言えば、任意の偏光状態（初期入力偏光状態）にある光を、夫々π／２の位相差付与能力を有する２枚の位相差板（４分の１波長板）を利用して、所望の別の偏光状態（最終偏光状態）の光に変換する方法と装置、並びに、同装置を用いた液晶表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光には、「偏りのない光」（無偏光）と、「何らかの偏りのある光」（偏光）があることは良く知られていることであり、自然光は前者の代表例である。後者は、「何らかの偏りのある光」であり、一般には「無偏光」と「完全偏光」を合成した（重ね合わせた）光と考えることができる。但し、「無偏光」の成分がゼロの場合（完全偏光のみ）もあり得る。また、「完全偏光」には、直線偏光、円偏光、楕円偏光の３種類があることや、直線偏光と円偏光は楕円偏光の特殊なケースとして扱い得ることなども周知の事項である。
【０００３】
一方、光学の応用分野では、ある特定の偏光状態の完全偏光を多く含む光を効率的に生成したいというニーズが存在する。その代表例が、面光源装置を用いて液晶ディスプレイの液晶表示パネルを照明する場合である。この場合、「液晶表示パネルの光入力側に配置される偏光板（以下、「光入力側偏光板」とも云う）の透過軸方向に一致した偏り方向を持つ直線偏光」（あるいはそれに近い楕円偏光；以下、同様）を多く含んだ照明光を生成することが望まれる。
【０００４】
多くの場合、面光源装置の出射面は矩形であり、液晶表示パネルの光入力側偏光板の透過軸方向はその矩形の各辺に対して４５度傾斜した方向に設定されている。その場合、その４５度傾斜した方向に平行な偏り方向を持つ直線偏光をできるだけ多く含んだ照明光が液晶表示パネルに供給されることが望まれることになる。
【０００５】
一方、液晶ディスプレイの照明手段として多用されている面光源装置では、導光板の側端部に設けられた入射面から導入した光を出射面から出射させ、この出射光の進行方向（通常、入射面から離れる側に６５度〜７５度程度傾斜）を、プリズムシート（光進行方向修正手段）を用いて出射面の正面方向に修正した上で液晶表示パネルに供給している。
【０００６】
ここで、導光板の入射面から導入される光（一次光）は、通常、冷陰極管あるいはＬＥＤの光であり、実質的に「偏りの無い光（偏光度ゼロの光）」であるが、周知の通り、指向性の強い光を出射する導光板の出射面からの出射光（斜め出射光）はかなりの偏りを有している。この斜め出射光を、無偏光と完全偏光に分けて考えた時、完全偏光の偏光状態は、直線偏光あるいはそれに近い楕円偏光となっている。プリズムシートによる方向修正を行った後の光では、その偏光状態が若干変化するが、直線偏光あるいはそれに近い楕円偏光であることに変わりはない。なお、プリズムシートを通ることにより偏光状態変化する１つの原因は、その材料、特にそのベースシートの部分に使用される樹脂材料が複屈折性を有していることにある。
【０００７】
ところで、プリズムシートによる方向修正後の光に含まれる完全偏光が、直線偏光、あるいはそれに近い楕円偏光のいずれであっても、その偏り方向（楕円偏光の場合はその長軸の方向）が上記した典型ケース「４５度」とかなり相違することが通例で、「一致あるいは略一致」するケースはまれである。また、仮に略一致する場合であっても、楕円偏光である場合にはその楕円率（定義は後述）の大きさに応じて、上記した「４５度」の透過軸に適合しなくなる。
【０００８】
このような状況から、殆どの場合、プリズムシートによる方向修正後の光（以下、「正面照明光」とも云う）に含まれる完全偏光は、「光入力側偏光板の透過軸方向に一致した偏り方向を持つ直線偏光」にはなっていない。そのため、この完全偏光の内の無視できない部分が光入力側偏光板でブロックされ、無駄となる（液晶表示パネルによる表示作用に寄与できない）。なお、正面照明光に含まれる「偏りの無い光」（無偏光）については、原理的に考えて判るように、その光量（光エネルギ）の略５０％が光入力側偏光板を透過し、液晶表示パネルによる表示作用に寄与する（残りの略５０％は光入力側偏光板を透過できない）。
【０００９】
従って、トータルで考えた場合、正面光に含まれる完全偏光を、入力側偏光板を透過し易いように修正することができれば、光入力側偏光板でブロックされる光量を減らし、全体として、光の利用効率を向上させることが可能になる。
この考え方に基づいていくつかの提案が既になされている。その１つが、下記特許文献１に開示されている。即ち、同特許文献１では、偏向シート７（プリズムシート）から略正面方向に出射された光（正面照明光）を偏光変換シート６を介して液晶表示パネルの偏光板８（入力側偏光板）に供給する構成が示されている。
【００１０】
偏光変換シート６の実体は、一枚の位相差板（２分の１波長板あるいは４分の１波長板）であり、位相差板の配向方向（進相軸の方向）を、偏光板８（入力側偏光板）の透過率が最大になるように調節することが説明されている。  
この例が示すように、１枚の４分の１波長板あるいは２分の１波長板を通すことで、配向方向に応じた偏光状態の制御が可能であることは確かである。しかし、このような１枚の４分の１波長板あるいは１枚の２分の１波長板を使用する方法では、偏光状態の変換内容を制御するために自由に調整乃至選択できるのは、「位相差板の配向」のみであるために、変換前後の偏光状態の関係の多様性に対して柔軟に対応することができない。このことについてやや詳しく説明すれば次のようになる。
【００１１】
先ず、上記の液晶ディスプレイの例のように、位相差板による偏光状態の変換が望まれるケースにおいては、「変換前の偏光状態」（位相差板への入力光の完全偏光成分の変換前の偏光状態）を自由に選ぶことはできず、且つ、その偏光状態が一種類とは限らないということがある。上記した液晶ディスプレイの例で云えば、位相差板への入力光は、プリズムシートの出力光であるが、この出力光の完全偏光成分の偏光状態は、概ね導光板の種類とプリズムシートの種類の組み合わせで決まっており、自由に選ぶことは事実上困難である。また、導光板の種類とプリズムシートの種類の組み合わせが変われば変化する。
【００１２】
一方、「変換後の偏光状態」（位相差板からの出力光の完全偏光成分の変換後の偏光状態）は、一般に「希望する偏光状態」が状況に応じて設定されるのが一般的である。なお、本明細書ではこのように設定される偏光変換後の偏光状態を「目標偏光状態」と云うことにする。  
上記した液晶ディスプレイの例で設定される１つの典型的な目標偏光状態は、「矩形の導光板の各辺の延在方向に対して４５度傾斜した方向に平行な偏り方向を持つ直線偏光」である。ここで、「４５度の傾斜」には、液晶表示パネル側から見て左回り（＋４５度傾斜）と、右回り（−４５度傾斜）とがある。また、入力側偏光板の配向によっては、他の目標偏光状態が設定されることもあり得る。
【００１３】
このように、偏光状態変換前後の偏光状態の関係にはかなりの多様性が想定されるところであり、そのような多様性に柔軟に対応できる偏光変換の技術が求められる訳であるが、上記した１枚の４分の１波長板あるいは１枚の２分の１波長板を使用した従来技術はこの要望に応えることができない。先ず、１枚の４分の１波長板を使用する手法では、「位相差板への入力光の完全偏光成分の偏光状態（以下、「入力偏光状態」と云う）が与えられた時に、「位相差板からの出力光の完全偏光成分の偏光状態（以下、「出力偏光状態」と云う）について実現可能な範囲に大きな制約が、位相差付与能力が小さいこと（π未満）に起因して原理的に存在する（理由は後述）。また、既述のように、自由に調整可能なのが、「１枚の位相差板の配向方向」だけであることも、「出力偏光状態」と「入力偏光状態」の関係に制約が生じる。
【００１４】
次に、１枚の２分の１波長板を使用する手法では、４分の１波長板の場合のように、位相差付与能力が小さいことに起因する制約は生じないが（理由は後述）、自由に調整乃至選択できるのが「１枚の位相差板の配向方向」だけであることから、「出力偏光状態」と「入力偏光状態」の関係に制約が生じる。つまり、４分の１波長板、２分の１波長板のいずれであっても、自由に調整乃至選択できるのが「１枚の位相差板の配向方向のみ」（位相差付与能力は固定）という状況下では、「任意に設定された目標偏光状態を与えられた入力偏光状態から生成する」という一般性は得られない。
【００１５】
後述するように、何らかの偏りを持つ任意の入力光の偏光度（定義は後述）を維持しつつ、そこに含まれる完全偏光が所望する「目標偏光状態の完全偏光」に変換された出力光とするには、一般に、位相差付与能力の合計がπ（２分の１波長に対応する位相差）以上となる２枚の位相差板が必要であり、且つ、それら位相差板の位相差Δと配向θについて、入力偏光状態と目標偏光状態（出力偏光状態）に応じた「特定の関係」が満たされなければならない。しかし、下記特許文献１には、「２枚の位相差板の使用」についての言及はなく、その当然の結果として、上記「特定の関係」に関する記述も無い。
【００１６】
なお、この他に、入力側偏光板の透過率を向上させる技術として、下記特許文献２に記載された手法がある。この手法は、延伸成形によって製造されるプリズムシートのベースフィルムの切り出し母材（大サイズのシート）の持つ旋光特性が、場所によって異なることを利用して、最善の旋光特性を持つ部分から切り出したベースフィルムを採用して、入力側偏光板の透過軸方向に整合した偏り方向の光を得ようとするものである。この手法により、大まかな偏光状態制御は可能であるが、特許文献１と同様、多様な偏光状態をとり得る入力光中の完全偏光を、所望する目標偏光状態の完全偏光に変換する汎用的な方法を提供するものではない。
【００１７】
なお、液晶ディスプレイの分野以外の光学分野一般に範囲を広げても、偏光度がゼロでない任意の入力光に含まれる完全偏光の偏光状態を、入力光が持っている偏光度を維持しつつ、別の目標とする偏光状態に変換して出力光とするといった高い汎用度を持つ偏光制御技術の開示例は見いだせない。
【００１８】
【特許文献１】特開２００６−３９０５６号公報
【特許文献２】特開２００１−１６６３０２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１９】
本発明の１つの目的は、偏光度がゼロでない任意の入力光について、偏光度を維持しつつ、そこに含まれる完全偏光の偏光状態を別の目標とする偏光状態に変換して出力光とする方法及び装置を提供することにある。また、本発明のもう１つの目的は、同装置を用いて、光の利用効率に優れた液晶ディスプレイを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上記課題を達成するために、本発明は先ず、「初期入力偏光状態Ａの完全偏光と無偏光からなり、且つ、偏光度がゼロでない入力光を、目標偏光状態として予め定められ、前記初期入力偏光状態Ａと異なる最終偏光状態Ｂの完全偏光と、無偏光とからなる出力光に変換する、偏光状態変換方法」を提供する。
【００２１】
本発明の特徴に従えば、同方法は、前記入力光を第１の位相差板に対して垂直に入力して該第１の位相差板を通過させることにより、一次変換光を生成する第１の段階と、前記一次変換光を第２の位相差板に対して垂直に入力して該第２の位相差板を通過させることにより、二次変換光を生成する第２の段階からなる。
【００２２】
そして、前記第１の位相差板の位相差付与能力をΔ1とし、前記第２の位相差板の位相差付与能力をΔ2とした時、Δ1＝Δ2＝π／２とする。換言すれば、前記第１の位相差板及び前記第２の位相差板の両方に、４分の１波長板を使用する。
【００２３】
更に、前記初期入力偏光状態Ａを１組のストークスパラメータを４成分とし、規格化されたベクトルをＳA、前記最終偏光状態Ｂを別の１組のストークスパラメータを４成分とし、規格化されたベクトルをＳBで各々表わすとともに、
前記第１の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをＲ（Δ1,θ1）［但し、θ1は前記第１の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第１の位相差板の第１の配向方向を表わす角度］とし、
前記第２の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをＲ（Δ2,θ2）［但し、θ2は前記第２の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第２の位相差板の第２の配向方向を表わす角度］とした時、
（ｉ）Δ1で表わされる前記第１の位相差付与能力、
（ｉｉ）θ1で表わされる前記第１の配向方向、
（ｉｉｉ）Δ2で表わされる前記第２の位相差付与能力、及び、
（ｉｖ）θ2で表わされる前記第２の配向方向の組み合わせが、関係式、
Ｒ（Δ2,θ2）{Ｒ（Δ1,θ1）ＳA}＝ＳB
を満たすように、前記第１の配向方向及び前記第２の配向方向が定められる。これにより、前記二次変換光に含まれる完全偏光の偏光状態が前記最終偏光状態Ｂに一致する。
【００２４】
ここで、前記第１の配向方向と前記第２の配向方向が互いに異なっていることが一般的である。前記入力光を、導光板の出射面から斜め出射され、次いで、出射面の正面方向に進行方向修正された光とし、前記出力光を、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルに供給される光とし、前記最終偏光状態Ｂを、前記出力光に含まれる直線偏光成分の偏り方向が、前記偏光板の透過軸方向と平行となるように定めることもできる。
【００２５】
上記課題を達成するために、本発明はまた、「初期入力偏光状態Ａの完全偏光と無偏光からなり、且つ、偏光度がゼロでない入力光を、目標偏光状態として予め定められ、前記初期入力偏光状態Ａと異なる最終偏光状態Ｂの完全偏光と、無偏光とからなる出力光に変換する、偏光状態変換装置」を提供する。
本発明の特徴に従えば、同偏光状態変換装置は、互いに平行に配置された第１の位相差板及び第２の位相差板を備え、前記第１の位相差板は、前記入力光を前記第１の位相差板に対して垂直に入力させ、一次変換光を出力するように配置さる。
【００２６】
そして、前記第２の位相差板は、前記第１の位相差板によって出力された前記一次変換光を前記第２の位相差板に対して垂直に入力させ、二次変換光を出力するように配置されている。
また、前記第１の位相差板の位相差付与能力をΔ1とし、前記第２の位相差板の位相差付与能力をΔ2とした時、Δ1＝Δ2＝π／２とする。換言すれば、前記第１の位相差板及び前記第２の位相差板の両方が、４分の１波長板とされる。
【００２７】
更に、前記初期入力偏光状態Ａを１組のストークスパラメータを４成分とし、規格化されたベクトルをＳA、前記最終偏光状態Ｂを別の１組のストークスパラメータを４成分とし、規格化されたベクトルをＳBで各々表わすとともに、
前記第１の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをＲ（Δ1,θ1）［但し、θ1は前記第１の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第１の位相差板の第１の配向方向を表わす角度］とし、
前記第２の位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックスをＲ（Δ2,θ2）［但し、θ2は前記第２の位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における前記第２の位相差板の第２の配向方向を表わす角度］とした時、
（ｉ）Δ1で表わされる前記第１の位相差付与能力、
（ｉｉ）θ1で表わされる前記第１の配向方向、
（ｉｉｉ）Δ2で表わされる前記第２の位相差付与能力、及び、
（ｉｖ）θ2で表わされる前記第２の配向方向の組み合わせが、関係式、
Ｒ（Δ2,θ2）{Ｒ（Δ1,θ1）ＳA}＝ＳB
を満たすように前記第１の配向方向及び前記第２の配向方向が定められている。これにより、前記二次変換光に含まれる完全偏光の偏光状態が前記最終偏光状態Ｂに一致する。
【００２８】
ここで、前記第１の位相差板及び前記第２の位相差板のいずれも４分の１波長板であって良い。あるいは、前記第１の位相差板及び前記第２の位相差板の内の一方は、２分の１波長板であっても良い。なお、典型的なケースでは、前記第１の配向方向と前記第２の配向方向が互いに異なったものとされる。
【００２９】
更に本発明は、「面光源装置として、偏光状態変換装置と、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルとを備えた液晶ディスプレイ」を提供する。
本発明の特徴に従えば、前記面光源装置は、入射面及び出射面を有する導光板と、前記入射面を通して前記導光板に一次光を供給する一次光源と、前記入射面に沿って配置され、前記出射面から斜め出射された出射光の進行方向を前記出射面の正面方向に修正する進行方向修正部材とを備えたものが用いられる。
【００３０】
前記偏光状態変換装置には、請求項９に記載された偏光状態変換装置が採用され、前記進行方向修正部材によって進行方向を前記正面方向に修正された、前記出射面からの出射光を、前記入力光として前記第１の位相差板に入力させるように配置され、前記出力光が、光入力側に配置された偏光板を含む液晶表示パネルに供給される。
【００３１】
そして、前記最終偏光状態Ｂは、前記偏光板の透過軸方向と平行な偏り方向を持つ直線偏光を表わすように定められる。
典型的なケースにおいて、前記導光板の前記出射面は矩形であり、前記偏光板の透過軸方位が前記矩形の各辺の延在方向に対して４５度の角度をなしている。また、前記第１の位相差板が、前記進行方向修正部材と一体化されていても良い。前記二次変換光を拡散する光拡散部材が前記偏光板の光入力側に配置されていても良く、前記第２の位相差板が前記光拡散部材と一体化されていても良い。
【発明の効果】
【００３２】
本発明によれば、多様な偏光状態をとり得る入力光（例えば、面光源装置からの正面照明光）を、同じ偏光度を持ち、所望の目標偏光状態（例えば、偏光成分が液晶表示パネルの入力側偏光板透過軸と同じく導光板の各辺に対して４５度傾斜した方向に整合した直線偏光）を完全偏光の成分に持つ出力光に変換できる汎用性の高い偏光状態制御が可能になる。特に、入力偏光状態と目標偏光状態の組み合わせがどのように変わっても、両位相差板の位相差付与能力Δ1,Δ2（いずれもπ／２）に変更を加えることなく、両位相差板の配向方向を調整するだけで、目標偏光状態への変換が可能になることは実用上非常に有利である。
【００３３】
また、同偏光状態制御を行う装置を液晶ディスプレイに組み込んで、液晶ディスプレイの光の利用効率を向上させることが可能になる。そして、その際に、入力偏光状態（プリズムシートの出力光の完全変更成分）と目標偏光状態（液晶表示パネルの入力側偏光板の透過軸に平行な偏り方向を持つ直線偏光）の組み合わせがどのように変わっても、両位相差板の位相差付与能力Δ1,Δ2に変更を加えることなく、両位相差板の配向方向を調整するだけで、目標偏光状態への変換が可能になることは、液晶ディスプレイを製造する上で非常に有利である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
本発明の実施形態について説明するに先立って、前提となる諸事項（偏光状態を記述する際の一般事項、ストークスパラメータを用いた偏光状態の表現法、同表現法に関連して用いられるポアンカレ球、並びに位相差板の偏光変換作用を表現するミュラーマトリックス等について概略を説明する。
【００３５】
（Ｉ）偏光状態を記述する諸事項；
本発明では、第１の位相差板と第２の位相差板を用いて偏光変換が行われるが、入力光として想定するのは、「何らかの偏りのある光」であり、既述の通り、一般には「無偏光」と「完全偏光」を合成した（重ね合わせた）光と考えることができる。「無偏光」の成分がゼロの場合（完全偏光のみ）もあり得るが、無偏光のみの入力は想定されない。各位相差板への入力（入射）は垂直に行われる。この状況下で、「無偏光」と「完全偏光」の合成光を位相差板に入力した場合の偏光変換作用は、「無偏光」の成分に対する作用と「完全偏光」の成分に対する作用に分けて考えることができる。
【００３６】
先ず、無偏光に対する作用についは、トータルとしてニュートラル（無作用）であることが知られている。即ち、無偏光を位相差板に垂直入射させても、同位相差板から出射される光も無偏光である（理論的根拠については省略）。
そこで、本発明のケースでは、入力光に含まれる「完全偏光」に注目し、完全偏光に対する位相差板の偏光変換作用を考えれば十分であるということになる。
【００３７】
図１は、ｚ軸方向（図示省略；ｘｙ平面に垂直）に進行する完全偏光の偏光状態を説明する図である。周知の通り、一般の完全偏光は楕円偏光として記述することが可能であり、直線偏光や円偏光は楕円偏光の特殊なケースとして扱うことができる。図１において、楕円図形で描かれているのはｚ軸方向に垂直に進行する完全偏光の偏波ベクトル（ｘ方向偏波成分とｙ方向偏波成分を合成したベクトル）の先端が描く軌跡を表わしている。同図において、符号ξは楕円の長軸を表わし、符号ηは楕円の短軸方向を表わしている。
【００３８】
Θはｘ軸方向を基準に測った長軸方位で、正負符号は左回りが正、右回りが負である。また、βは楕円に接する矩形を考え、その対角線の方向が長軸ξに対してなす角度を、左回りを正、右回りを負で表現した角度（楕円率角）である。但し、対角線は２本（β値が正と負）が存在するので、右回り楕円偏光ではβ＞０とし、左回り楕円偏光ではβ＜０とする。楕円率は、Tan βで定義できる。
なお、β＝０は直線偏光を表わし、楕円率Tan β＝０となる。また、円偏光では、ξ、η方向は任意（不定）であるが、例えばξ方向＝ｘ方向、η方向＝ｙ方向（Θ＝０度）とする。また、楕円率角については、β＝−４５度（左回り円偏光）あるいはβ＝＋４５度（右回り円偏光）とする。
【００３９】
（ＩＩ）ストークスパラメータを用いた偏光状態の表現及びポアンカレ球について；
一般の光の偏光状態を表現法として、ストークスパラメータを４成分とするベクトル（以下、ストークスベクトルと云う）を用いる方法が知られている。ストークスベクトルの４成分を構成するストークスパラメータは次のように定義される。  
Ｓ0＝強度
Ｓ1＝水平直線偏光成分
Ｓ2＝４５度直線偏光成分
Ｓ3＝右回り円偏光成分
また、偏光度ＶをＶ＝［（Ｓ12＋Ｓ22＋Ｓ32）／Ｓ02］1/2で定義することができる。完全偏光の場合、Ｓ12＋Ｓ22＋Ｓ32＝Ｓ02となり、Ｖ＝１となる。
【００４０】
既述の通り、ここでは完全偏光に注目して、位相差板の偏光変換作用を考えるので、Ｓ0＝１として規格化されたストークスベクトルを考え、第１の位相差板へ入力される光の完全偏光成分の偏光状態（＝初期入力偏光状態）を、規格化されたストークスベクトルＳAで表わすことにする。同様に、２枚の位相差板を通過して出力された光の完全偏光成分の偏光状態（＝最終偏光状態）を、規格化されたストークスベクトルＳBで表わすことにする。
【００４１】
さて、上述したストークスベクトルを幾何学的乃至視覚的に表現する手法として、ポアンカレ球を用いた方法がある。ポアンカレ球は、図２に示したように、各ストークスパラメータＳ1、Ｓ2、Ｓ3に対応する直交座標軸（Ｓ1軸、Ｓ2軸及びＳ3軸）を考え、半径Ｓ0の球を定義したものである。このポアンカレ球を用いれば、ストークスベクトルとポアンカレ球上の点とは、「一対一」で対応する。ここでは規格化したストークスベクトルを考えるので、Ｓ0＝１である。なお、図２中には、水平直線偏光を表わすポアンカレ球上の点、４５度直線偏光、及び右回り円偏光を表わすポアンカレ球上の各点が例示されている。
Ｓ0＝１として、水平直線偏光の座標値は（１，０，０）であり、４５度直線偏光の座標値は（０，１，０）である。また、右回り円偏光の座標値は（０，０，１）である。
【００４２】
（ＩＩＩ）ストークスパラメータと長軸方位角Θ、楕円率角β等との関係について；
既述の通り、完全偏光について、上記（Ｉ）で説明した長軸方位角Θ、楕円率角β等を用いた表現と、上記（ＩＩ）で説明したストークスパラメータを用いた表現が可能である。これら表現の関係は次のようになることが知られている。以下、この式を便宜上「偏光状態表現換算式」という。  
・Ｓ1＝cos２Θcos２β
・Ｓ2＝sin２Θcos２β
・Ｓ3＝sin２β
なお、ここでは規格化されたストークスベクトルを考えているので、Ｓ0＝１である。
【００４３】
（ＩＶ）ミュラーマトリックスについて；
上記したストークスベクトルで偏光状態を表現した場合、その偏光状態を位相差板に垂直入射させた場合の偏光変換作用をミュラーマトリックスで表現できることが知られている。シミュレーションは、４行４列のマトリックスで、行列要素にパラメータとして、位相差板の位相差付与能力Δと、位相差板の厚さ方向に垂直な平面内における同位相差板の配向方向を表わす角度θを含んでいる。ミュラーマトリックスＲ（Δ、θ）を便宜上下記のように一般表現する。なお、この行列は、直線位相子行列と呼ばれることもある。
【００４４】
【数１】
0005091707.tif 000002
【００４５】
各行列要素ｒ11〜ｒ44は次のようになる。  
・ｒ11＝１
・ｒ12＝ｒ13＝ｒ14＝０
・ｒ21＝０
・ｒ22＝１−（１−cosΔ）sin2２θ
・ｒ23＝（１−cosΔ）sin２θcos２θ
・ｒ24＝−sinΔsin２θ
・ｒ31＝０
・ｒ32＝（１−cosΔ）sin２θcos２θ
・ｒ33＝１−（１−cosΔ）cos2２θ
・ｒ34＝sinΔcos２θ
・ｒ41＝０
・ｒ42＝sinΔsin２θ
・ｒ43＝−sinΔcos２θ
・ｒ44＝cosΔ
【００４６】
ここで、Δは位相差板の位相差付与能力（位相差板に垂直入射した光が位相差板から出力されるまでに通過で与えられる位相差＝位相差板通過により、進相軸方向の偏波成分と遅相軸方向の偏波成分との間に生じる位相差）である。周知のように、この位相差付与能力Δ＝π／２（４分の１波長分の位相）である位相差板が４分の１波長板であり、位相差付与能力Δ＝π（２分の１波長分の位相）である位相差板が２分の１波長板である。なお、位相差板のΔは通常０＜Δ＜２πの範囲で表現される。２πを越える位相差を与えることも可能であるが、光波の周期性から考えて２πの正整数倍の位相差分は無視して表現される。例えば、２分の３波長分の位相差（３π）を付ける位相差板は、２分の１波長板と同等であるので、両者を区別しない。また、Δ＝０やΔ＝２πの場合には、位相差付与能力が無い（従って、そのような光学要素は「位相差板」と呼ばれない）。
【００４７】
また、θで表わされる位相差板の配向方向は、「位相差板の進相軸の方向が“基準となる方向”に対してなす角度」を表わしている。ここで“基準となる方向（基準方向）”は、通常、水平方向（図１の描示においてｘ方向）であり、θのとり得るレンジは、０度≦θ＜１８０度である。
【００４８】
今、位相差板が、本発明で選択されているように、４分の１波長板（位相差付与能力Δ＝π／２）であれば、ミュラーマトリックスの各行列要素は次のようになる。  
・ｒ11＝１
・ｒ12＝ｒ13＝ｒ14＝０
・ｒ21＝０
・ｒ22＝１−sin2２θ＝cos2２θ
・ｒ23＝sin２θcos２θ
・ｒ24＝−sin２θ
・ｒ31＝０
・ｒ32＝sin２θcos２θ
・ｒ33＝１−cos2２θ＝sin2２θ
・ｒ34＝cos２θ
・ｒ41＝０
・ｒ42＝sin２θ
・ｒ43＝−cos２θ
・ｒ44＝０
【００４９】
また、本発明で選択はされていないが、位相差板が２分の１波長板（位相差付与能力Δ＝π）であれば、次のようになる。
・ｒ11＝１
・ｒ12＝ｒ13＝ｒ14＝０
・ｒ21＝０
・ｒ22＝１−２sin2２θ＝cos４θ
・ｒ23＝２sin２θcos２θ＝sin４θ
・ｒ24＝０
・ｒ31＝０
・ｒ32＝２sin２θcos２θ＝sin４θ
・ｒ33＝１−２cos2２θ＝−cos４θ
・ｒ34＝０
・ｒ41＝０
・ｒ42＝０
・ｒ43＝０
・ｒ44＝−１
【００５０】
ミュラーマトリックスで表わされる位相差板の偏光変換作用は、一般に、入力光の偏光状態を表わすストークスベクトルＳに同ミュラーマトリックスＲ（Δ、θ）を左側から乗じた式Ｒ（Δ、θ）Ｓで表すことができる。図３は、これを幾何学的なイメージで説明する図である。同図において、入力光（ここでは完全偏光を想定）の偏光状態を表わすストークスベクトルＳをＳAとする。ＳAの４成分Ｓ0〜Ｓ4については次のように表記する。  
・Ｓ0＝ＳA0（但し、ここではＳA0＝１とする）
・Ｓ1＝ＳA1
・Ｓ2＝ＳA2
・Ｓ3＝ＳA3
そして、ストークスパラメータ（偏光状態）ＳAが表わすポアンカレ球上の位置は、図３（ａ）中のＡであるとする。  
【００５１】
ところで、ミュラーマトリックスＲ（Δ、θ）による偏光変換を行うことは、下記（ｉ）の幾何学的操作を行い、次いで下記（ｉｉ）の幾何学的操作を行うことと等価であることが知られている。  
（ｉ）ポアンカレ球面上の点Ａの位置（図３（ａ）参照）を維持したまま、ポアンカレ球のＳ3軸を回転軸として、Ｓ1軸をＳ3軸回りで２θ回転させたものに相当する軸ａ−ａを定める。この軸ａ−ａは次の操作（ｉｉ）のための回転軸ａ−ａとされる軸である。
（ｉｉ）図３（ｂ）に示したように、上記（ｉ）の操作で定められた軸ａ−ａに対して垂直な平面Ｐ上で、点ＡをΔだけ軸ａ−ａ回りで回転移動させる。移動後のポアンカレ球上位置をＢとする。  
この点Ｂに対応するストークスベクトルをＳBとすれば、上記（ｉ）、（ｉｉ）の操作は、次のように表現できる。  
Ｒ（Δ、θ）ＳA＝ＳB
【００５２】
上記（ｉ）、（ｉｉ）の操作内容から、ミュラーマトリックスＲ（Δ、θ）の偏光変換作用は、幾何学的に見れば、「θによる回転操作（ｉ）」と、「Δによる回転操作（ｉｉ）」からなるということができる。ここで、従来技術のように１枚の位相差板を使用するケースを考えてみると、位相差板の配向方向θは自由に選択できるが位相差付与能力Δは変えられない。例えば２分１波長板であればΔ＝πに固定され、４分１波長板であればΔ＝π／２に固定されてしまう。従って、Δにどのような値（固定値）を設定したとしても、ポアンカレ球上の出発点Ａと移動後の点Ｂの関係はきわめて制限されたものとなる。
【００５３】
即ち、図３（ａ）、（ｂ）において、θをいくら変化させても、上記操作（ｉ）、（ｉｉ）を施した後の点は、ポアンカレ球面上で１本の閉曲線上でしか動けない。今、Δを固定してθを０からπ（０度から１８０度）まで変化させることを考えてみる。出発点Ａに上記（ｉ）、（ｉｉ）の幾何学的操作を施した点は、θ＝０の下では、「点Ａを通りＳ1軸に対して垂直な平面（Ｓ2Ｓ3平面に平行な面）上で、点ＡをΔだけＳ1軸回りで回転移動させた点」となる。この点を図３（ａ）中にＢ0で示した。そして、θを徐々にπまで増大させていくと、操作（ｉ）、（ｉｉ）完了後の点は、点Ｂ0から離れ、途中で図３（ｂ）中に示した点Ｂを通り、θ＝πでは元のＢ0に戻ることになる。このことは、「１枚の位相差板では、点Ａと点Ｂの位置関係に強い制約があり、自由に設定できない」と云うことを意味している。つまり、１枚の位相差付与能力が固定された位相差板では、配向方向をいかに調整しても、ポアンカレ球上を自由に動けないということである。
【００５４】
本願の発明者は、上記制約について考察し、要するに、「自由に調整乃至選択できるファクタが１つ（位相差板の配向方向）しかないこと」に根本的な原因があると考え、２枚の位相差板を組み合わせることで「自由に調整乃至選択できるファクタが２つ存在する状況」が生まれることに着目した。つまり、各位相差板の配向方向を独立に選べるならば、２枚の位相差板の位相差付与能力が十分である限り、ポアンカレ球上を自由に動けるということである。
【００５５】
ここで、「２枚の位相差板の位相差付与能力が十分」という条件は、具体的に云えば、「２枚の位相差付与能力の合計がπ（１８０度）以上」あれば良いということである。このことは、図３（ａ）、（ｂ）を使って説明した１枚の位相差板の偏光変換作用の内容から理解できる。その理由は次の通りである。  
即ち、２枚の位相差板を通過させるということは、上記（ｉ）、（ｉｉ）の操作をもう一度、θを自由に選んで実行できるということである。と云うことは、１枚目の位相板の通過で到達したＢ点から、再度ａ−ａ軸を自由に定め直し、次いで、その定め直されたａ−ａ軸に対して垂直な平面上で、固定回転移動（２枚目のΔの移動）できるということである。
【００５６】
図４は、この考え方に沿った本発明の実施形態の基本形を示している。図４において、左側の位相差板１（第１の位相差板）と、右側の位相差板２は互いに平行に配置されており、入力光（偏光変換されるべき光）は、位相差板１の左側から垂直に入射する。この入力光は「偏光度Ｖがゼロでない光」（少なくともなんらかの偏り成分を含む光）である。既述の通り、このような入力光は、「無偏光」と「完全偏光」の合成光（重ね合わせ光）であり、各位相差板の作用は、重ね合わせの原理から考えて、「無偏光」と「完全偏光」に分けて考えることができる。そして、無偏光は位相差板１、２を相次いで通過しても、各位相差板の位相差付与能力や配向角度の組み合わせに影響されず、無偏光のままである。従って、位相差板１、２による偏光変換作用を論ずるには、完全偏光のみを考えれば良い。
【００５７】
図４において、「初期入力偏光状態Ａ」と記されているのは、入力光に含まれるこの完全偏光であり、これをストークスベクトルで表わしたものをＳAとする。図中に並記したように、ＳAの各成分（ストークスパラメータ）をＳA0,ＳA1,ＳA2,ＳA3と表記する（但し、ここでは規格化されたストークスベクトルを考えるのでＳA0＝１である）。位相差板１、２の偏光変換作用を表わすミュラーマトリックスをそれぞれＲ（Δ1,θ1）、Ｒ（Δ2,θ2）とすると、位相差板１から出力される光に含まれる完全偏光の偏光状態（一次変換状態Ａ’）は、Ｒ（Δ1,θ1）ＳAとなる。
【００５８】
一次変換状態Ａ’を表わすストークスベクトルをＳA'とし、各成分（ストークスパラメータ）をＳA'0,ＳA'1,ＳA'2,ＳA'3と表記する（但し、ミュラーマトリックスの形から明かなようにＳA'0＝ＳA0で、ここではＳA'0＝ＳA0＝１である）。更に、位相差板１から出力された光を位相差板２に垂直入射させて、偏光変換させる。得られる出力光に含まれる完全偏光の状態（最終偏光態Ｂ）は、Ｒ（Δ2,θ2）ＳA'となる。
【００５９】
最終偏光状態Ｂを表わすストークスベクトルをＳBとし、各成分（ストークスパラメータ）をＳB0,ＳB1,ＳB2,ＳB3と表記する（但し、ミュラーマトリックスの形から明かなようにＳB0＝ＳA'0＝ＳA0で、ここではＳB0＝ＳA'0＝ＳA0＝１である）。以上のことから、初期入力偏光状態Ａと最終偏光状態Ｂの関係は、次の基本式（＃１）で表わされる。
ＳB＝Ｒ（Δ2,θ2）Ｒ（Δ1,θ1）ＳA        ・・・（＃１）
【００６０】
但し、ここでは先ず実際上の利便性を考慮して、位相差板１、２の内の少なくとも一方には４分の１波長板を採用するということを考える。また、前述したミュラーマトリックスの偏光変換作用の幾何学的イメーシの議論から、２枚の位相差板を合わせた位相差付与能力について、２π未満の範囲で十分な大きさ（π以上＝２分の１波長に対応する位相差以上）を備えることを要請してみる。即ち、使用される位相差板１、２について、下記付加条件（＃２）、（＃３）を課してみることにする。  
Δ1またはΔ2の内の少なくとも一方＝π／２    ・・・（＃２）
π≦Δ1＋Δ2＜２π                          ・・・（＃３）
【００６１】
さて、実際に偏光変換を実行したい状況を考えてみると、前述した液晶ディスプレイでの例で判るように、「最終偏光状態Ｂ」と「初期入力偏光状態Ａ」を自由に変えるということは考え難い。即ち、殆どの場合、所与の初期入力偏光状態Ａを希望する最終偏光状態Ｂに如何にして変換するかが重要な事項となる。この要望にこたえるには、ＳA、ＳBを既知として、上記基本式（＃１）を満たすようにミュラーマトリックスＲ（Δ1,θ1）、Ｒ（Δ2,θ2）を定めてやれば良い訳である。前述した通り、両ミュラーマトリックスに含まれるパラメータは、Δ1,θ1,Δ2,θ2であり、基本式（＃１）は一応４つの変数を含む形の方程式と考えることができる。しかし、実際上、無理なく変えられる変数はθ1,θ2のみである。
【００６２】
なぜならば、位相差板の位相差付与能力Δを変えるには位相差板の構造自体を可変とするか、きわめて多種類の位相差付与能力Δを持つ位相差板を予め用意するといったことが必要になるが、位相差板の構造自体を可変とすることは事実上不可能である。また、種々の位相差付与能力Δを持つ多数の位相差板を安価に入手することも難しい。そこで、基本式（＃１）を２つの変数θ1、θ2を含む方程式と考え、Δ1、Δ2は定数パラメータとみなすことにする。但し、その場合、それら定数パラメータについて、上記付加条件（＃２）、（＃３）を課している。
【００６３】
なお、付加条件（＃２）には、２枚の位相差板の内少なくとも１枚には、最も一般的で安価に入手可能な位相差板と云って良い４分の１波長板を使用するという意味がある。また、付加条件（＃３）には、付加条件２と併せて、きわめて多様な、「最終偏光状態Ｂと初期入力偏光状態Ａの組み合わせ」について、基本式（＃１）が表わす方程式が解ける（０≦θ1＜２π,０≦θ2＜２πの解が存在する）ようにするという意味がある。
【００６４】
以上述べたことから、上記の想定された要請の下で偏光変換方法を実行する手順は例えば次のようになる。
（１）位相差板１、２を用意する。組み合わせは、色々あるが典型的な組み合わせは次の３つである。  
（組み合わせ例１）；
・位相差板１＝４分の１波長板
・位相差板２＝４分の１波長板
（組み合わせ例２）；
・位相差板１＝４分の１波長板
・位相差板２＝２分の１波長板
（組み合わせ例３）；
・位相差板１＝２分の１波長板
・位相差板２＝４分の１波長板
なお、既述の通り本発明では、上記３つの組み合わせの内、組み合わせ例１を選択するが、説明の都合上、組み合わせ例２、３についても参考例として記す。
【００６５】
（２）目標とする最終偏光状態Ｂを定める。最終偏光状態Ｂは、通常、長軸方位Θと楕円率角βで表現するのが判り易い。例えば、液晶ディスプレイで要望されることが多い、Ｂ＝４５度方向直線偏光状態ではΘ＝４５度、β＝０度となる。また、Ｂ＝水平方向直線偏光状態であれば、Θ＝β＝０度となる。
（３）ストークスベクトルＳBを前出の偏光状態表現換算式を用いて計算する。
（４）使用しようとする入力光（例えば導光板上のプリズムシートから出射される光）の初期入力偏光状態Ａを求める。これを求める計測法は周知なので、説明を省略する。計測結果から、入力光に含まれる完全偏光について、長軸方位Θと楕円率角βを定める。
【００６６】
（５）ストークスベクトルＳAを前出の偏光状態表現換算式を用いて計算する。
（６）上記（３）及び（５）で求められたＳA、ＳBについて、前出の基本式（＃１）を満たすミュラーマトリックスＲ（Δ1,θ1）、Ｒ（Δ2,θ2）を求める。
具体的には次の２つの方法が採用可能である。
【００６７】
（イ）先述したように、基本式（＃１）に既知数値（即ち、ＳA、ＳBの各要素の値及びパラメータΔ1,Δ2の値）を代入し、数値開放により、解となる（θ1、θ2）のセットを求める。  
（ロ）（θ1、θ2）の多数のセットを用意し、各セットについて基本式（＃１）に既知数値（即ち、ＳA、ＳBの各要素の値及びパラメータΔ1,Δ2の値）とともに代入し、式（＃１）の右辺Ｒ（Δ2,θ2）Ｒ（Δ1,θ1）ＳAを計算する。得られた多数のベクトルの中から、実質的にＳBとみなせるものを与える（θ1、θ2）のセットを解とする。（θ1、θ2）のセットの用意の仕方としては、例えばθ1値とθ2値を各々１度刻み（０度、１度、２度・・・・１７９度）で用意し、すべての数値ペアについて式（＃１）の右辺Ｒ（Δ2,θ2）Ｒ（Δ1,θ1）ＳAを計算し、実質的にＳBとみなせるものを与える（θ1、θ2）のセットを解とすれば良い。より精密な解が欲しい場合は、θ1値とθ2値の刻みを更に細かく（例えば０．１度刻み）とすれば良い。
【００６８】
（７）求められた配向角度θ1、θ2で位相差板１、２を図４に示したように平行配置し、上記初期入力偏光状態Ａの光を位相差板１に垂直入射させる。すると、位相差板２の出力光について、実質的に最終偏光状態Ｂとなる。  
【００６９】
次に、最終偏光状態Ｂを位相差板１、２（図４参照）の配向方向を選択することで、種々の初期入力偏光状態Ａから生成する具体例について記す。最終偏光状態Ｂは、「希望する偏光状態」であり、一般には図１を参照して説明した任意の楕円偏光を設定することができるが、ここでは液晶ディスプレイへの適用を考慮して、最終偏光状態Ｂとして下記Ｂ（１）〜Ｂ（３）の３種類の直線偏光Ｂ（１）〜Ｂ（３）を考える。図１を参照して説明したように、直線偏光は「楕円率角β＝０度、長軸方位Θ（０≦Θ＜１８０度）の楕円偏光」のことである。
・Ｂ（１）；４５度直線偏光（β＝０、Θ＝４５度）
・Ｂ（２）；水平直線偏光（β＝０、Θ＝０度）
・Ｂ（３）；３０度直線偏光（β＝０、Θ＝３０度）
【００７０】
配置する位相差板１、２としては、前述の付加条件＃２、＃３を考慮して、入手が容易で安価な次の３種類の組み合わせを考える。なお、上記した組み合わせ例１〜３の場合と同様、下記３つの配置の内、配置２、３は本発明には属しないが、参考例として説明する。
●配置１；
・位相差板１＝４分の１波長板（Δ1＝π／２）
・位相差板２＝４分の１波長板（Δ2＝π／２）
●配置２；
・位相差板１＝４分の１波長板（Δ1＝π／２）
・位相差板２＝２分の１波長板（Δ2＝π）
●配置３；
・位相差板１＝２分の１波長板（Δ1＝π）
・位相差板２＝４分の１波長板（Δ2＝π／２）
【００７１】
初期入力偏光状態Ａについては、既述の通り、一般に自由に選ぶという訳にはいかない。そこで、ここでは次の状態１〜状態１２を定義し、それらの全部あるいは一部について、最終偏光状態Ｂ（１）〜Ｂ（３）が得られる位相差板１、２の各配置例について、位相差板１、２の配向方向（角度θ1,θ2）の組み合わせを、前述した計算法に従って求めてみた。得られた結果を図５〜図７に表形式（表１〜表３）で示した。  
【００７２】
●状態１（直線偏光）；
・楕円率角β＝０度
・長軸方位Θ＝−２２．５度
●状態２（楕円偏光）；
・楕円率角β＝１５．０度
・長軸方位Θ＝１２．１度
●状態３（楕円偏光）；
・楕円率角β＝１５．０度
・長軸方位Θ＝３３．０度
●状態４（楕円偏光）；
・楕円率角β＝２２．５度
・長軸方位Θ＝−２２．５度
●状態５（楕円偏光）；
・楕円率角β＝−２２．５度
・長軸方位Θ＝−１５．０度
●状態６（楕円偏光）；
・楕円率角β＝−２２．５度
・長軸方位Θ＝−６０．０度
【００７３】
●状態７（楕円偏光）；
・楕円率角β＝２６．１度
・長軸方位Θ＝２７．４度
●状態８（楕円偏光）；
・楕円率角β＝−３０．０度
・長軸方位Θ＝２２．５度
●状態９（楕円偏光）；
・楕円率角β＝３０．０度
・長軸方位Θ＝４５．０度
●状態１０（楕円偏光）；
・楕円率角β＝３０．０度
・長軸方位Θ＝０．０度
●状態１１（楕円偏光）；
・楕円率角β＝３０．０度
・長軸方位Θ＝−４５．０度
●状態１２（円偏光）；
・楕円率角β＝−４５．０度
・長軸方位Θ＝０．０度
【００７４】
図５の表１に示した結果から判るように、２枚の４分の１波長板を使用した配置１（本発明に対応）、あるいは、４分の１波長板と２分の１波長板を組み合わせた配置２、３（参考例）のいずれにおいても、目標とする最終偏光状態Ｂ（１）を実現させる、位相差板１、２の配向方向が具体的なθ1、θ2のセット（θ1、θ2の解）が得られている。なお、θ1、θ2の解は１組とは限らず、２組得られる場合もある。例えば、状態４からＢ（１）を得る別解として次のものがある。
・配置１における別解
（θ1、θ2）＝（１．３度、２９．３度）
・配置２における別解
（θ1、θ2）＝（６７．５度、０．０度）
・配置３における別解
（θ1、θ2）＝（０．０度、−６７．５度）
【００７５】
以上が、本発明に係る偏光変換方法の概要とその具体例を参考例と併せて説明したものであり、既述の通り、この方法を実行する偏光変換装置を液晶ディスプレイに組み込むこともできる。図８は、その基本配置を示す。同図に示したように、液晶ディスプレイＬＣＤは、液晶表示パネルＬＰと、液晶表示パネルＬＰに照明光を供給する面光源装置で構成されている。面光源装置は、一次光源１０と、リフレクタ１１と、導光板２０と、プリズムシート３０と、位相差板３３を備えている。なお、この他に、導光板２０の背面に沿って反射シートが配置されることが多いが、図示は省略した。また、例えば位相差板３３と液晶表示パネルＬＰの間、あるいは、導光板２０とプリズムシート３０の間に光拡散板が配置されることもある。
【００７６】
プリズムシート３０は、ここでは位相差板を兼ねたもので、符号３２が位相差板を提供するベース部で、その内側に多数のプリズム状突起３１が形成されている。このベース部が、これまでの説明における位相差板１に対応し、位相差板３３がこれまでの説明における位相差板２に対応している。なお、プリズムシート３０のベース部３２を位相差板とせず、位相差板をプリズムシートとは別構成とすることもできる。
【００７７】
面光源装置を構成する諸要素の内、ベース部（位相差板１）と位相差板（位相差板２）３３を除く部分は、周知の構造と作用を持つ。本実施形態では、これにベース部（位相差板１）と位相差板（位相差板２）３３が加えられており、この付加部分が、偏光変換装置に対応する。導光板２０の材料は周知で、例えばＰＭＭＡ等の透光性樹脂が用いられる。また、導光板２０内部に散乱能（微小散乱子）を分散させた光散乱導光体を用いることもある。また、図示されているように、厚さを入射面２１ａから末端面２３に向かって漸減することが好ましい。
【００７８】
良く知られているように、一次光源（例えば冷陰極管あるいはＬＥＤ光源）からの光（一次光）は、導光板２の入射面２１ａから導光板２０内へ入り、末端面２３に向けて近づくように内部伝播する。その過程で、出射面２１ｂや裏面２２による繰り返し反射などを受け、出射面２１ｂから徐々に出射する。通常、一次光には偏りは殆ど無いが、出射面２１ｂと裏面２２での繰り返し反射するなどする過程や出射面２１ｂからの出射時の偏光特性等により、出射光にはある程度の偏り（偏光度）が生じる。この出射光の偏光度Ｖは、導光板２０の種類（構成材料、表面形状、寸法、添加散乱子の有無と種類など）によって異なるが、Ｖ＝０．１〜０．２０程度であることが多い。云うまでもなく、偏光度に応じて、出射面２１ｂからの出射光には完全偏光が含まれることになる。
【００７９】
このような偏光度０でない出射光は、周知の如く、斜め前方に指向出射する。図８中に描かれた光線４０はその代表光線で、正面方向（ｚ方向）に対して、６５度から７５度程度前方へ傾斜している。プリズム状突起３１は、周知の作用でこの代表光線４０を正面方向に方向修正する。その結果、代表光線４０はベース部３２の位相差板１に垂直入射する。この光の完全偏光成分の偏光状態が、図４における「初期入力偏光状態Ａ」に対応する。この入力光は、ベース部（位相差板１）３２、位相差板（位相差板２）３３を経て、液晶表示パネルＬＰの入力側偏光板５０に入射する。
【００８０】
入力側偏光板５０の透過軸方向（最大の透過率を与える偏り方向）は、多くの場合４５度方向（導光板２０の４つ辺に対してそれぞれ４５度傾斜した方向）となっている。従って、これに対応した４５度直線偏光の成分が多く含まれる光程、光の利用効率が高くなる。この偏光状態は、前述した最終偏光状態Ｂ（１）に他ならない。従って、この場合、ベース部（位相差板１）３２、位相差板（位相差板２）３３の配向方向（最適のθ1,θ2のセット）を、最終偏光状態Ｂ（１）が実現できるように定めれば良い。
【００８１】
但し、これまでの議論から判るように、最適のθ1,θ2のセットは、使用する位相差板１２（ベース部３２と位相差板３３）の位相差付与能力Δ1,Δ2の組み合わせ、及び、初期入力偏光状態Ａに依存して変化する。１つの典型例において、初期入力偏光状態Ａは直線偏光で、楕円率角β＝０度で、長軸方位Θ＝９０度である。そして、使用する位相差板１（ベース部３２）と位相差板２（位相差板３３）を本発明に従っていずれも４分の１波長板とする。この場合、最適解は２つあり、（θ1,θ2）＝（４５度、９０度）または（−４５度、０度）となる。
【００８２】
また、入力側偏光板５０の透過軸方向が他の角度、例えば０度の場合もある。その場合、これに対応した水平直線偏光の成分が多く含まれる光程、光の利用効率が高くなる。この偏光状態は、前述した最終偏光状態Ｂ（２）に他ならない。従って、この場合は、ベース部（位相差板１）３２、位相差板（位相差板２）３３の配向方向（最適のθ1,θ2のセット）を、前述した基本式（＃１）を解く形で、最終偏光状態Ｂ（２）が実現できるように定めれば良い。定め方の詳細は、同様の説明の繰り返しになるので省略する。
【００８３】
なお、以上説明した諸例では、本発明に従った４分の１波長板同士の組み合わせか、参考例に係る４分の１波長板と２分の１波長板を用いているが、付加条件＃２、＃３を守る前提で、それ以外の組み合わせを採用しても、４分の１波長板同士あるいは４分の１波長板と２分の１波長板の組み合わせを用いた場合と同様の多様性で、初期入力偏光状態Ａから最終偏光状態Ｂへの変換が可能である。そこで参考のために、図９、図１０を、ポアンカレ球を用いてこれを例証するために示した。
【００８４】
即ち、図９、図１０には、初期入力偏光状態Ａとして４５度直線偏光を仮定し、次の組み合わせ（ｉ）、（ｉｉ）の下で、θ1の値とθ2の値を、０度〜１８０度の範囲で変化させた場合に得られる多数の最終偏光状態Ｂを、ポアンカレ球上にプロットした結果を示した。  
●組み合わせ（ｉ）；図９
・位相差板１＝３分の１波長板（Δ1＝２π／３）
・位相差板２＝４分の１波長板（Δ2＝π／２）
●組み合わせ（ｉｉ）；図１０
・位相差板１＝５分の２波長板（Δ1＝４π／５）
・位相差板２＝３分の１波長板（Δ2＝π／２）
【００８５】
図９、図１０のプロット点の分布は、ポアンカレ球上でほぼまんべんなく全体に及んでおり、「変換で到達できないポアンカレ球上のエリア」は存在しないことが読み取れます。ここで、上記（ｉ）、（ｉｉ）は前述の条件（＃１）、（＃２）を満たしているが、もしも条件（＃３）が満たされないと、２枚の位相差板の偏光変換作用に対応する「ポアンカレ球上の点の移動範囲」が制限される。図１１、図１２はポアンカレ球を用いてこれを例証するための図である。
【００８６】
即ち、図１１、図１２には、初期入力偏光状態Ａとして４５度直線偏光を仮定し、次の組み合わせ（ｉｉｉ）、（ｉｖ）の下で、θ1の値とθ2の値を、０度〜１８０度の範囲で変化させた場合に得られる多数の最終偏光状態Ｂを、ポアンカレ球上にプロットした結果を示した。  
●組み合わせ（ｉｉｉ）；図１１
・位相差板１＝６分の１波長板（Δ1＝π／３）
・位相差板２＝４分の１波長板（Δ2＝π／２）
●組み合わせ（ｉｖ）；図１２
・位相差板１＝５分の１波長板（Δ1＝２π／５）
・位相差板２＝３分の１波長板（Δ2＝π／２）
【００８７】
図１１、図１２のプロット点の分布は、図９、図１０に示したものとは明瞭に異なり、ポアンカレ球上に空白エリアが生じている。図１１、図１２のいずれにおいても、空白エリアは初期入力偏光状態を表わすポアンカレ球上の点から遠い部分に生じている。このことから、位相差板１、２の位相差付与能力Δ1、Δ2の和をπ（２分の１波長相当）以上（付加条件＃２）とすることが、位相差板１、２を用いた偏光変換の汎用性を高める上で有利なことが理解される。
【００８８】
なお、より一般的のケースで、位相差板１、２による偏光変換の可否をチェックするには、前述した基本式＃１が、与えられたパラメータ値（Δ1,Δ2,ＳAの各要素値及びＳBの各要素値）の条件の下でθ1、θ2について解けるかどうか調べれば良い。即ち、０度≦θ1＜１８０度、０度≦θ2＜１８０度の範囲で、基本式＃１を満たすセット（θ1,θ2）が存在すれば、位相差板１、２の配向を適正に選択（即ち、位相差板１をθ1で配向配置し、位相差板２をθ2で配向配置）すれば、そのＳAが表わす初期偏光状態からＳBが表わす最終偏光状態への変換が実現されると云うことである。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】ｚ軸方向（図示省略；ｘｙ平面に垂直）に進行する完全偏光の偏光状態を説明する図である。
【図２】ポアンカレ球を用いて偏光状態を表現する方法について説明する図である。
【図３】ミュラーマトリックスＲ（Δ、θ）で表わされる位相差板の偏光変換作用を幾何学的なイメージで説明する図である。
【図４】本発明の実施形態の基本形について説明する図である。
【図５】最終偏光状態Ｂ（１）を実現できる（θ1,θ2）の例を表形式（表１）で示したものである。
【図６】最終偏光状態Ｂ（２）を実現できる（θ1,θ2）の例を表形式（表２）で示したものである。
【図７】最終偏光状態Ｂ（３）を実現できる（θ1,θ2）の例を表形式（表３）で示したものである。
【図８】本発明に従った偏光変換装置を組み込んだ液晶ディスプレイの概略構造を断面図で示したものである。
【図９】組み合わせ（ｉ）について各位相差板１、２の各配向方向を小刻み且つ自由に変えていった場合に、実現される変更状態を表わすポアンカレ球上の点をプロットしたグラフである。
【図１０】組み合わせ（ｉｉ）について各位相差板１、２の各配向方向を小刻み且つ自由に変えていった場合に、実現される変更状態を表わすポアンカレ球上の点をプロットしたグラフである。
【図１１】組み合わせ（ｉｉｉ）について各位相差板１、２の各配向方向を小刻み且つ自由に変えていった場合に、実現される変更状態を表わすポアンカレ球上の点をプロットしたグラフである。
【図１２】組み合わせ（ｉｖ）について各位相差板１、２の各配向方向を小刻み且つ自由に変えていった場合に、実現される変更状態を表わすポアンカレ球上の点をプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【００９０】
１０  一次光源
１１  リフレクタ
２０  導光板
２１ａ  入射面
２１ｂ  出射面
２２  裏面
２３  末端面
３０  プリズムシート
３１  プリズム状突起
３２  ベース部（位相差板１）
３３  位相差板（位相差板２）
４０  出射光を代表する光線
５０  液晶表示パネルの入力側偏光板
ＬＣＤ  液晶表示装置
ＬＰ  液晶表示パネル
【図１】
0005091707.tif 000003
【図２】
0005091707.tif 000004
【図３】
0005091707.tif 000005
【図４】
0005091707.tif 000006
【図５】
0005091707.tif 000007
【図６】
0005091707.tif 000008
【図７】
0005091707.tif 000009
【図８】
0005091707.tif 000010
【図９】
0005091707.tif 000011
【図１０】
0005091707.tif 000012
【図１１】
0005091707.tif 000013
【図１２】
0005091707.tif 000014