JP2004061619A - 偏光変換装置および照明光学系 - Google Patents

Abstract

【課題】与えられる光を偏光方向の揃った直線偏光とする簡素な構成の偏光変換装置を提供する。
【解決手段】偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させて他方を反射する偏光選択素子（１４）とリフレクタ（１５）とを対向して配置し、両者の間に１／４波長板（１６）を配置する。また、対向する２つの表面の一方に反射構造（１２ａ）を有し、与えられる光を２つの表面で全反射して内部を進行させながら、反射構造によって反射して一方の表面より出射させる導光素子（１２）を、偏光選択素子またはリフレクタと１／４波長板との間に配置して、光源（１１）からの光を導光素子の端面より入射させる。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光源からの光の略全てを偏光方向の揃った直線偏光とする偏光変換装置、およびこれを備える照明光学系に関する。
【０００２】
【従来の技術】
携帯電話、携帯情報端末、ノート型パーソナルコンピュータ等の普及に伴い、薄型の映像表示装置が望まれており、これを満たす表示素子として、照明光を変調して映像を表す光とする液晶表示器が多用されている。液晶表示器は、照明光を透過させつつ変調する透過型と、照明光を反射しつつ変調する反射型に大別される。透過型液晶表示器の照明にはバックライト照明光学系が用いられ、反射型液晶表示器の照明にはフロントライト照明光学系が用いられる。
【０００３】
いずれの照明光学系も、広い範囲を均一に照明するために、照明光を発する光源と、光源からの光を内部を進行させながら少しずつ液晶表示器側の表面より出射させる面状導光素子とで構成するのが一般的である。面状導光素子は、繰り返し設けられたプリズム状の凸部または溝状の凹部を一方の表面に有し、全反射によって光を凸部または凹部の繰り返しの方向に進行させながら、凸部または凹部の一部の表面で光を反射して進路を大きく変えて出射させる。
【０００４】
光源としては棒状の冷陰極管が用いられてきたが、電力消費の低減と軽量化のために発光ダイオードを用い、線状導光素子と組み合わせることが行われている。線状導光素子は面状導光素子と同様に構成され、面状導光素子の端面に対向して配置されて、光源からの光を面状導光素子に与える。
【０００５】
面状導光素子と線状導光素子のいずれにおいても、出射光を生じさせる凸部や凹部の表面は、光の進路を大きく変えるために、光の入射角が小さくなるように設定する必要がある。このため、光を所定の方向に反射することができるものの、透過してしまう光も存在する。この透過光は１０〜２０％に達し、光の利用効率の低下を招いている。
【０００６】
導光素子の表面を透過した光を、導光素子に再入射させるために、反射部材を設けることが提案されている。このような照明光学系を備えた液晶表示装置の例を図２４に示す。この液晶表示装置は、反射型液晶表示器９５を照明するために、照明光を発する光源９１と、線状導光素子９２と、面状導光素子９３と、リフレクタ９４より成る照明光学系を備える。光源９１としては発光ダイオードを用いている。
【０００７】
線状導光素子９２は、対向する２つの表面の一方に、断面がＶ字状の凹部９２ａを複数有している。光源９１は導光素子９２の端面に対向して配置されており、導光素子９２は凹部９２ａが形成されていない方の表面が面状導光素子９３の端面に対向するように配置されている。面状導光素子９３は、一方の表面にプリズム状の凸部９３ａを複数有しており、凸部９３ａが設けられていない方の表面が液晶表示器９５に対向するように配置されている。
【０００８】
線状導光素子９２は、端面より入射した光源９１からの光を、全反射によって内部を進行させながら、凹部９２ａの表面で反射して大きく進行方向を変えて、面状導光素子９３に対向する表面より一部ずつ出射させる。つまり、光源９１および線状の導光素子９２は線状光源を成す。面状導光素子９３は、端面より入射した線状導光素子９２からの光を、全反射によって内部を進行させながら、凸部９３ａの表面で反射して大きく進行方向を変えて、液晶表示器９５に対向する表面より一部ずつ出射させる。
【０００９】
線状導光素子９２の凹部９２ａや面状導光素子９３の凸部９３ａは、出射する光の光量分布がなるべく均一になるように設計されており、液晶表示器９５はその全体が略均一に照明される。液晶表示器９５は、その液晶層に映像を表示し、与えられる照明光を反射しつつ表示した映像によって変調して映像を表す光とする。反射型液晶表示器９５は、偏光板９５ａを有しており、偏光板９５ａを透過する偏光成分すなわち偏光方向の揃った直線偏光のみを液晶層に導き、その偏光方向を液晶層の映像によって部分的に９０゜回転させることにより変調を行う。液晶表示器９５による反射後の光のうち。偏光方向が９０゜回転した直線偏光は偏光板９５ａによって遮断され、偏光方向が変化しなかった直線偏光が映像を表す光となる。映像を表す光は面状導光素子９３を透過して観察者の眼Ｅに達する。
【００１０】
リフレクタ９４は、線状導光素子９２の表面を透過して失われることになる光を、線状導光素子９２に再入射させる。リフレクタ９４は、面状導光素子９３に対向する表面を除く３つの表面を覆うように、断面がコ字状に設定されている。
【００１１】
面状導光素子９３においても、出射光を生じさせる凸部９３ａの表面を透過する光が存在するが、反射型液晶表示器９５からの映像光を観察者に導く必要があるため、面状導光素子９３に対向して反射部材を備えることはできない。ただし、液晶表示器が透過型の場合は、面状導光素子９３の凸部９３ａが設けられていない方の表面を液晶表示器の後面に向けて配置し、凸部９３ａが設けられている表面に対向して平板状の反射部材を備えることが行われている。なお、透過型液晶表示装置は、前面と後面に偏光板を備えており、それらの偏光板の方向に応じて、液晶層での変調により偏光方向が９０°回転した直線偏光または偏光方向が回転しなかった直線偏光を映像を表す光とする。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、従来の液晶表示装置においては、リフレクタを備えて、光源からの光の損失を防止するようにしている。ところが、光源が発する光は偏光方向が無秩序な無偏光であり、その１／２は液晶表示器の入射側の偏光板によって吸収される偏光成分である。このため、リフレクタを備えても、映像の提供に有効に利用できる光は、光源が発する光の半分未満となる。したがって、リフレクタを備えることの効果は限られている。
【００１３】
本発明は、このような問題点に鑑みてなされたもので、与えられる光を偏光方向の揃った直線偏光とする簡素な構成の偏光変換装置を提供することを目的とし、特に、液晶表示器の照明に好適な形態の偏光変換装置を提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明では、与えられる光を偏光方向の揃った直線偏光とする偏光変換装置は、対向する２つの表面の一方に反射構造を有し、与えられる光を２つの表面で全反射して内部を進行させながら、反射構造によって反射して一方の表面より出射させる導光素子と、偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させて他方を反射する偏光選択素子と、互いに直交する２つの反射面を少なくとも１組有する反射素子とを備え、偏光選択素子が導光素子の光を出射させる表面に対向し、反射素子が導光素子を間にして偏光選択素子に対向し、反射素子の反射面の交線が、偏光選択素子によって反射された偏光成分の偏光方向に対して、４５゜の角度を成す構成とする。
【００１５】
この偏光変換装置は、与えられる光を導光素子の内部を進行させながら、一部ずつ偏光選択素子に向けて出射させる。偏光選択素子は、所定の偏光方向の偏光成分を透過させ、その方向に垂直な偏光方向の偏光成分を反射する。偏光選択素子によって反射された光は導光素子を透過して反射素子に入射し、反射素子の互いに直交する２つの反射面で順次反射される。ここで、反射素子の反射面の交線と偏光選択素子によって反射された偏光成分の偏光方向とは４５゜の角度を成しており、２回の反射によって光の偏光方向は９０°回転して、反射素子によって反射された光は偏光選択素子を透過する偏光成分となる。この光は導光素子を透過し、偏光選択素子に再度入射してこれを透過する。したがって、一旦偏光選択素子に入射した光は全て、偏光選択素子を透過して偏光方向の揃った直線偏光となる。
【００１６】
反射素子は、導光素子の反射素子側の表面から直接出射した光を反射素子に再入射させるリフレクタとしても機能する。この光も、偏光選択素子に入射して、直接これを透過するか、一旦反射されて、反射素子によって偏光選択素子を透過する光とされる。したがって、与えられる光は全て偏光選択素子を透過して、偏光方向の揃った直線偏光となる。
【００１７】
なお、反射素子は互いに直交する反射面を少なくとも２つ有すればよく、直交する２つの反射面の組を複数有するようにしてもよい。また、反射素子の反射面の交線の方向と偏光選択素子によって反射された偏光成分の偏光方向は、導光素子内部の光の進行方向とは無関係であり、これらは独立に設定することができる。
【００１８】
前記目的を達成するために、本発明ではまた、与えられる光を偏光方向の揃った直線偏光とする偏光変換装置は、与えられる光を通過させる開口を反射面の一部に有する反射素子と、偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させて他方を反射する偏光選択素子と、１／４波長板とを備え、反射素子が１／４波長板を間に位置して偏光選択素子に対向する構成とする。
【００１９】
この偏光変換装置では、反射素子の開口を介して与えられた光は、１／４波長板を透過して偏光選択素子に入射し、一部が透過し一部が反射される。与える光を発散光としておくと、偏光選択素子によって反射された光の大部分は、反射素子によって反射されて偏光選択素子に再入射する。光はその間に１／４波長板をさらに２回透過して、偏光方向が９０゜回転することになる。したがって、与えられる光は全て、偏光選択素子を透過して偏光方向の揃った直線偏光となる。
【００２０】
本発明ではまた、与えられる光を偏光方向の揃った直線偏光とする偏光変換装置は、互いに直交する２つの反射面を少なくとも１組有し、与えられる光を通過させる開口を反射面の一部に有する反射素子と、偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させて他方を反射する偏光選択素子とを備え、反射素子が偏光選択素子に対向し、反射素子の反射面の交線が、偏光選択素子によって反射された偏光成分の偏光方向に対して、４５゜の角度を成す構成とする。
【００２１】
この偏光変換装置では、反射素子の開口を介して与えられた光は、偏光選択素子に入射し、一部が透過し一部が反射される。与える光を発散光としておくと、偏光選択素子によって反射された光の大部分は、反射素子によって反射されて偏光選択素子に再入射する。反射素子に入射した光は、交線が偏光方向に対して４５°を成す２つの直交反射面で順次反射されて、偏光方向が９０°回転する。したがって、与えられる光は全て、偏光選択素子を透過して偏光方向の揃った直線偏光となる。
【００２２】
反射素子が開口を有する構成では、対向する２つの表面の一方に反射構造を有し、与えられる光を２つの表面で全反射して内部を進行させながら、反射構造によって反射して一方の表面より出射させる導光素子を備え、導光素子の端面が偏光選択素子に対向するようにするとよい。このようにすると、導光素子以降の構成が簡素でありながら、偏光方向の揃った直線偏光を提供し得る装置となる。
【００２３】
上記の各偏光変換装置は、液晶表示器を照明する照明光学系の一部に含めることができる。
【００２４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。第１の実施形態の照明光学系１の全体構成を図１に示し、偏光変換に関わる部分を図２に示す。照明光学系１は、光源１１、線状導光素子１２、面状導光素子１３、偏光選択素子１４、リフレクタ１５、および１／４波長板１６より成る。
【００２５】
光源１１は、例えば発光ダイオードであり、線状導光素子１２の端面に対向して配置されている。線状導光素子１２は断面がＶ字状の凹部１２ａを一方の表面に複数有し、凹部１２ａが設けられていない方の表面が面状導光素子１３の端面に対向するように配置されている。面状導光素子１３は、プリズム状の凸部１３ａを一方の表面に複数有する。照明光学系１は、面状導光素子１３の凸部１３ａが設けられていない方の表面が照明対象物、例えば液晶表示器に対向する形態で使用される。
【００２６】
光源１１が発した光は、端面より線状導光素子１２の内部に入る。線状導光素子１２は、内部に入った光源１１からの光を対向する２つの表面で全反射して凹部１２ａの繰り返しの方向に進行させながら、凹部１２ａの一方の表面で反射して大きく向きを変え、面状導光素子１３に対向する表面より出射させる。この様子を図３に示す。出射光を生じさせる凹部１２ａの表面は、光が面状導光素子１３に対向する表面から略垂直に出射するように、傾斜を設定されている。
【００２７】
面状導光素子１３は、端面より内部に入った線状導光素子１２からの光を対向する２つの表面で全反射して凸部１３ａの繰り返しの方向に進行させながら、凸部１３ａの一方の表面で反射して大きく向きを変え、照明対象物に対向する表面より出射させる。図示しないが、出射光を生じさせる凸部１３ａの表面も、光が照明対象物に対向する表面から略垂直に出射するように、傾斜を設定されている。
【００２８】
偏光選択素子１４の光学特性を図４に示す。偏光選択素子１４は、偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させ、他方を反射する特性を有する光学素子である。以下、偏光選択素子１４を透過する偏光成分をＰ偏光といい、偏光選択素子１４によって反射される偏光成分をＳ偏光という。このような特性を有する偏光選択素子にはいくつかの種類があるが、ここでは、薄膜状で光を垂直に入射させることが可能なＤＢＥＦ（住友３Ｍ社の商品名）を用いている。
【００２９】
照明光学系１における光の偏光状態を図５に示す。偏光選択素子１４は、線状導光素子１２と面状導光素子１３の間に配置されている。リフレクタ１５は一様に平面の反射面を有し、この反射面が線状導光素子１２を間にして偏光選択素子１４に対向するように配置されている。１／４波長板１６は線状導光素子１２と偏光選択素子１４の間に配置されている。
【００３０】
光源１１が発した光は無偏光であり、偏光選択素子１４を透過するＰ偏光と、偏光選択素子１４によって反射されるＳ偏光を含む。線状導光素子１２の凹部１２ａの表面で反射されて出射した光は、１／４波長板１６を透過して偏光選択素子１４に入射する。偏光選択素子１４に入射した光のうちＰ偏光は透過して、面状導光素子１３に入射する。
【００３１】
偏光選択素子１４に入射した光のうちＳ偏光は、反射されて、１／４波長板１６を透過し、位相が１／４ずれて直線偏光から円偏光になる。この光は、線状導光素子１２を透過し、リフレクタ１５によって反射され、線状導光素子１２を透過して、１／４位相板１６を再度透過し、位相がさらに１／４ずれて直線偏光になる。この直線偏光は、偏光方向が偏光選択素子１４によって反射されたときの偏光方向から９０°回転しており、偏光選択素子１４を透過するＰ偏光である。この光は、偏光選択素子１４を透過して面状導光素子１３に入射する。
【００３２】
したがって、偏光選択素子１４に入射した光は最終的に全て偏光選択素子１４を透過し、面状導光素子１３に入射する光は偏光方向の揃った直線偏光となる。液晶表示器を照明する場合、面状導光素子１３に入射する直線偏光が液晶表示器の偏光板を透過するように、偏光選択素子１４の向きを設定しておくことで、照明光を全て変調することが可能になる。
【００３３】
線状導光素子１２の内部を進行する光の中には、出射光を生じさせる凹部１２ａの表面を透過するものもある。この光は、リフレクタ１５によって反射され、線状導光素子１２に再入射して、再び線状導光素子１２の内部を進行するか、あるいは線状導光素子１２を透過する。後者の光は、１／４位相板１６を透過して偏光選択素子１４に入射し、その後は上記と全く同様にして、最終的に全て偏光選択素子１４を透過することになる。
【００３４】
図２に示すように、リフレクタ１５は断面がコ字状であり、線状導光素子１２の面状導光素子１３に対向する表面以外の３つの表面を覆う。光源１１が発する光の発散の度合いが大きいときは、面状導光素子１３に対向する表面以外の３つの表面を透過する光も生じるが、リフレクタ１５はそれらの光を線状導光素子１２に再入射させることができる。
【００３５】
１／４波長板１６は、線状導光素子１２と偏光選択素子１４の間ではなく、線状導光素子１２とリフレクタ１５の間に配置することもできる。１／４波長板１６の配設位置をこのようにした照明光学系１の変形例の偏光変換に関わる部分を図６に示す。また、光の偏光状態を図７に示す。この構成においても、偏光選択素子１４によって反射されたＳ偏光が、１／４波長板１６を２回透過することによりＰ偏光となる原理は全く同じである。
【００３６】
第２の実施形態の照明光学系２の偏光変換に関わる部分を図８に示す。照明光学系２は、上記の照明光学系１を修飾して、線状導光素子１２とリフレクタ１５の間にプリズムアレイ２５を備えるとともに、１／４波長板１６を省略したものである。
【００３７】
プリズムアレイ２５を図９に示す。プリズムアレイ２５は、傾斜方向が交互に変わる複数の表面２５ａを有しており、表面２５ａは、アルミニウム等の金属の蒸着あるいは誘電体の積層により、反射面とされている。以下、プリズムアレイ２５の表面２５ａを反射面という。隣り合う反射面２５ａは直交し、その交線に垂直な断面は直角二等辺三角形を成す。反射面２５ａの交線は、線状導光素子１２の長さ方向に対して垂直であり、全て互いに平行である。
【００３８】
偏光選択素子１４は、反射するＳ偏光の偏光方向が、プリズムアレイ２５の反射面２５ａの交線に対して４５°の角度を成すように向きを設定されている。偏光選択素子１４によって反射された光は、線状導光素子１２を透過してプリズムアレイ２５に入射し、隣り合う２つの反射面２５ａで順次反射される。プリズムアレイ２５による光の反射の様子を図１０に示し、プリズムアレイ２５による反射前後の光の偏光方向を図１１に示す。なお、図９、図１１において、Ｐｉｎはプリズムアレイ２５に入射する前の光の偏光方向を表し、Ｐｒｅｆはプリズムアレイ２５によって反射された後の光の偏光方向を表す。また、図１１におけるｘ、ｙ方向は図９のｘ、ｙ方向に対応する。
【００３９】
２つの反射面２５ａでの２回の反射に際し、光の偏光方向と反射面２５の角度の関係によって、偏光方向が９０°回転し、プリズムアレイ２５によって反射された光は、偏光選択素子１４を透過するＰ偏光となる。この光は、線状導光素子１２を透過し、偏光選択素子１４も透過して面状導光素子１３に入射する。結局、１／４波長板１６を備える第１の実施形態の照明光学系１と同様に、偏光選択素子１４に入射した光は、最終的に全て偏光選択素子１４を透過して偏光方向の揃った直線偏光となる。
【００４０】
第３の実施形態の照明光学系３について説明する。本実施形態の照明光学系３は、上記の照明光学系２を修飾して、プリズムアレイ２５の反射面２５ａの向きを変更したものである。照明光学系３のプリズムアレイ２５を図１２に示す。
【００４１】
プリズムアレイ２５の反射面２５ａが直交し、その交線に対して垂直な断面が直角二等辺三角形を成すことは照明光学系２と同様である。反射面２５ａの１つおきの交線を含む平面は凹部１２ａ設けられている線状導光素子１２の表面と平行であるが、反射面２５ａの交線は線状導光素子１２の長さ方向に対して４５°の角度を成す。
【００４２】
偏光選択素子１４は、照明光学系２と同様に、反射するＳ偏光の偏光方向が、プリズムアレイ２５の反射面２５ａの交線に対して４５°の角度を成すように向きを設定されている。ただし、照明光学系３と照明光学系２には、反射面２５ａの交線の向きに４５°の差があるため、偏光選択素子１４の向きにも４５°の差がある。
【００４３】
偏光選択素子１４によって反射された光は、線状導光素子１２を透過してプリズムアレイ２５に入射し、隣り合う２つの反射面２５ａで順次反射される。プリズムアレイ２５による光の反射の様子を図１３に示し、プリズムアレイ２５による反射前後の光の偏光方向を図１４に示す。
【００４４】
照明光学系３においても、プリズムアレイ２５は、偏光選択素子１４によって反射された光の偏光方向を９０°回転させて、反射後の光が偏光選択素子１４を透過するようにする。結局、偏光選択素子１４に入射した光は、最終的に全て偏光選択素子１４を透過して偏光方向の揃った直線偏光となる。
【００４５】
第４の実施形態の照明光学系４について説明する。本実施形態の照明光学系４は、照明光学系２、３を修飾して、プリズムアレイ２５に代えて、２つの反射面３５ａを有するプリズム３５を備えたものである。プリズム３５を図１５に示す。２つの反射面３５ａは直交し、その交線に垂直な断面は直角二等辺三角形を成す。また、反射面３５ａの交線は、線状導光素子１２の長さ方向に平行である。
【００４６】
偏光選択素子１４は、前述のように、反射するＳ偏光の偏光方向が、プリズム３５の反射面３５ａの交線に対して４５°の角度を成すように向きを設定されている。このように、直交する反射面３５ａを２つのみ有する構成でも、偏光選択素子１４に入射する光を、最終的に全て偏光選択素子１４を透過させて、偏光方向の揃った直線偏光とすることができる。
【００４７】
直交する反射面２５ａ、３５ａによって偏光方向を９０°回転させることは、プリズムアレイ２５やプリズム３５を省略して、リフレクタ１５にそのような反射面を設ける構成でも可能である。その一例である第５の実施形態の照明光学系５のリフレクタ１５を図１６に示す。線状導光素子１２の凹部１２ａが設けられている表面に対向するリフレクタ１５の部位は、第３の実施形態の反射面２５ａと同様の反射面１５ａが設けられている。
【００４８】
第６の実施形態の照明光学系６の全体構成を図１７に示す。照明光学系６は、光源１１、線状導光素子１２、および面状導光素子１３を備えており、これらは、第１の実施形態と同様に構成されている。照明光学系６の偏光変換に関わる部分を図１８に示す。線状導光素子１２と面状導光素子１３の間に位置していた偏光選択素子１４および１／４波長板１６、ならびにリフレクタ１５は省略されており、かわりに、光源１１と線状導光素子１２との間に、偏光選択素子４４、反射板４５および１／４波長板４６を備えている。
【００４９】
反射板４５は、透明な基板４５ｂの表面に、金属の蒸着あるいは誘電体の積層によって反射膜４５ａを形成したもので、反射膜４５ａの中央に開口４５ｃを有する。１／４波長板４６は、反射板４５の基板４５ｂに接しており、偏光選択素子４４は１／４波長板４６に接している。また、光源１１は、反射板４５の開口４５ｃに対向して配置されている。
【００５０】
光源１１が発した光は、開口４５ｃを通過し、１／４波長板４６を透過して偏光選択素子４４に入射する。偏光選択素子４４に入射した光のうちＰ偏光はこれを透過し、Ｓ偏光は反射される。光源１１が発する光は発散光であり、偏光選択素子４４によって反射された光は、１／４波長板４６を透過して、その大部分が反射板４５の反射膜４５ａ入射する。反射膜４５ａに入射した光は反射され、１／４波長板４６を透過して、偏光選択素子４４に再び入射する。この光は、１／４波長板４６を２回透過したことにより、偏光方向が９０°回転してＰ偏光となっており、偏光選択素子４４を透過する。
【００５１】
本実施形態の照明光学系６では、光源１１からの光は全て偏光方向の揃った直線偏光となって線状導光素子１２に入射する。偏光選択素子４４、反射板４５および１／４波長板４６は、上記の各実施形態のものに比べて小型であり、光源１１と共に、偏光方向の揃った直線偏光を供給する点状の光源を成す。
【００５２】
第７の実施形態の照明光学系７の偏光変換に関わる部分を図１９に示す。本実施形態の照明光学系７は、上記の照明光学系６を修飾し、反射板４５と１／４波長板４６を省略して、プリズムアレイ５５を備えたものである。プリズムアレイ５５は、偏光選択素子４４に接しており、互いに直交する反射面５５ａを偏光選択素子４４の反対側の表面に複数有し、また、その表面の中央に開口５５ｃを有する。プリズムアレイ５５の反射面５５ａは、第２、第３の実施形態のものと同様の設定であり、反射面５５ａの交線に対する偏光選択素子４４からの反射光の偏光方向の角度も、前述のように４５°である。
【００５３】
光源１１が発した光は、開口５５ｃを通過して、偏光選択素子４４に入射し、一部が透過し、残りの一部が反射される。偏光選択素子４４によって反射された光の大部分はプリズムアレイ５５の反射面５５ａ入射し、２回反射されることによって、偏光方向が９０°回転して偏光選択素子４４を透過する光となる。照明光学系７でも、光源１１からの光は全て偏光方向の揃った直線偏光となって線状導光素子１２に入射し、偏光選択素子４４、およびプリズムアレイ５５は、光源１１と共に、偏光方向の揃った直線偏光を供給する点状の光源を成す。
【００５４】
第６の実施形態の偏光選択素子４４、反射板４５および１／４波長板４６は、１次元に並べて配置することで線状の照明光学系とすることができ、２次元に並べて配置することで面状の照明光学系とすることもできる。第７の実施形態の偏光選択素子４４とプリズムアレイ５５も同様である。
【００５５】
以下、偏光選択素子４４、反射板４５および１／４波長板４６を２次元に並べて配置した構成と同等の第８の実施形態の照明光学系８について説明する。照明光学系８の偏光変換に関わる部分を図２０に示す。照明光学系８は、偏光選択素子７４、反射板７５、１／４波長板７６、第１のレンズアレイ７７、および第２のレンズアレイ７８を備える。反射板７５および第１、第２のレンズアレイ７７、７８を図２１および図２２にそれぞれ示す。反射板７５は２次元に配列された開口７５ｃを有しており、レンズアレイ７７、７８は、反射板７５の開口７５ｃに対応して２次元に配列されたレンズセル７７ａ、７８ａを有する。
【００５６】
１つのレンズセル７７ａから対応するレンズセル７８ａまでの部分と、その部分を通る光を図２３に示す。レンズアレイ７７には略平行光が与えられ、各レンズセル７７ａは、入射した光を対応する開口７５ｃに収束させる。開口７５ｃを通過した光は、発散光となって、１／４波長板７６を透過し、偏光選択素子７４に入射する。偏光選択素子７４に入射した光のうちＰ偏光は透過し、Ｓ偏光は反射される。偏光選択素子７４によって反射されたＳ偏光は、１／４波長板７６を透過して円偏光となり、反射板７５によって反射され、再び１／４波長板７６を透過して、偏光選択素子７４を透過するＰ偏光となる。偏光選択素子７４を透過した光は、レンズアレイ７８に入射し、各レンズセル７８ａによって平行光に近づけられて照明対象物に導かれる。
【００５７】
なお、第２のレンズアレイ７８の各レンズセル７８ａは、４つのレンズセル７８ａに囲まれ透過する光のない部分に対向する照明対象物の表面部位にも光を導いて、照明対象物全体を略均一に照明するために、第１のレンズアレイ７７のレンズセル７７ａとは少し異なる特性に設定されている。この照明光学系８は透過型液晶表示器の照明に利用可能であり、やや大型になるため、透過型液晶表示器を用いるプロジェクタに適する。
【００５８】
【発明の効果】
対向する２つの表面の一方に反射構造を有し、与えられる光を２つの表面で全反射して内部を進行させながら、反射構造によって反射して一方の表面より出射させる導光素子と、偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させて他方を反射する偏光選択素子と、互いに直交する２つの反射面を少なくとも１組有する反射素子とを備え、偏光選択素子が導光素子の光を出射させる表面に対向し、反射素子が導光素子を間にして偏光選択素子に対向し、反射素子の反射面の交線が、偏光選択素子によって反射された偏光成分の偏光方向に対して、４５゜の角度を成すようにした本発明の偏光変換装置は、簡素な構成でありながら、与えられる光を全て偏光方向の揃った直線偏光とすることができる。反射素子は、導光素子の反射素子側から出射する光を導光素子に再入射させるリフレクタとしても機能し、失われる光はなくなる。導光素子、偏光選択素子および反射素子の幅を小さくすることで、偏光変換を行う線状の照明光学系となる。
【００５９】
与えられる光を通過させる開口を反射面の一部に有する反射素子と、偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させて他方を反射する偏光選択素子と、１／４波長板とを備え、反射素子が１／４波長板を間に位置して偏光選択素子に対向するようにした本発明の偏光変換装置も、簡素な構成でありながら、与えられる光を全て偏光方向の揃った直線偏光とすることができる。この偏光変換装置は、単体では偏光変換を行う点状の照明光学系として、また、複数を組み合わせれば、偏光変換を行う線状または面状の照明光学系として利用することができる。
【００６０】
互いに直交する２つの反射面を少なくとも１組有し、与えられる光を通過させる開口を反射面の一部に有する反射素子と、偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させて他方を反射する偏光選択素子とを備え、反射素子が偏光選択素子に対向し、反射素子の反射面の交線が、偏光選択素子によって反射された偏光成分の偏光方向に対して、４５゜の角度を成すようにした本発明の偏光変換装置も、簡素な構成でありながら、与えられる光を全て偏光方向の揃った直線偏光とすることができる。単体では偏光変換を行う点状の照明光学系として、また、複数を組み合わせれば、偏光変換を行う線状または面状の照明光学系として利用することが可能である。
【００６１】
反射素子が開口を有する構成において、対向する２つの表面の一方に反射構造を有し、与えられる光を２つの表面で全反射して内部を進行させながら、反射構造によって反射して一方の表面より出射させる導光素子を備え、導光素子の端面が偏光選択素子に対向するようにすると、導光素子以降の構成が簡素でありながら、偏光方向の揃った直線偏光を提供し得る線状の照明光学系となる。
【００６２】
上記のいずれかの偏光変換装置を液晶表示器を照明する照明光学系の一部に含めると、与えられる光の全てを液晶表示器の変調に適する直線偏光にすることができて、光の利用効率が高まり、また、明るい映像を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態の照明光学系の全体構成を示す平面図。
【図２】第１の実施形態の照明光学系の偏光変換に関わる部分を示す斜視図。
【図３】第１の実施形態の照明光学系の線状導光素子およびその出射光を示す斜視図。
【図４】偏光選択素子の特性を模式的に示す図。
【図５】第１の実施形態の照明光学系における光の偏光状態を示す図。
【図６】第１の実施形態の変形例の照明光学系の偏光変換に関わる部分を示す斜視図。
【図７】第１の実施形態の変形例の照明光学系における光の偏光状態を示す図。
【図８】第２の実施形態の照明光学系の偏光変換に関わる部分を示す斜視図。
【図９】第２の実施形態の照明光学系のプリズムアレイを示す斜視図。
【図１０】第２の実施形態の照明光学系のプリズムアレイによる光の反射の様子を示す図。
【図１１】第２の実施形態の照明光学系のプリズムアレイによる反射前後の光の偏光方向を示す図。
【図１２】第３の実施形態の照明光学系のプリズムアレイを示す斜視図。
【図１３】第３の実施形態の照明光学系のプリズムアレイによる光の反射の様子を示す図。
【図１４】第３の実施形態の照明光学系のプリズムアレイによる反射前後の光の偏光方向を示す図。
【図１５】第４の実施形態の照明光学系のプリズムを示す斜視図。
【図１６】第５の実施形態の照明光学系のリフレクタを示す斜視図。
【図１７】第６の実施形態の照明光学系の全体構成を示す平面図。
【図１８】第６の実施形態の照明光学系の偏光変換に関わる部分を示す平面図。
【図１９】第７の実施形態の照明光学系の偏光変換に関わる部分を示す平面図。
【図２０】第８の実施形態の照明光学系の偏光変換に関わる部分を示す平面図。
【図２１】第８の実施形態の照明光学系の反射板を示す正面図。
【図２２】第８の実施形態の照明光学系のレンズアレイを示す正面図。
【図２３】第８の実施形態の照明光学系における光の様子を示す平面図。
【図２４】従来の液晶表示装置を示す斜視図。
【符号の説明】
１〜８　照明光学系
１１　　光源
１２　　線状導光素子
１２ａ　凹部
１３　　面状導光素子
１３ａ　凸部
１４　　偏光選択素子
１５　　リフレクタ
１５ａ　反射面
１６　　１／４波長板
２５　　プリズムアレイ
２５ａ　反射面
３５　　プリズム
３５ａ　反射面
４４　　偏光選択素子
４５　　反射板
４５ａ　反射膜
４５ｂ　基板
４５ｃ　開口
４６　　１／４波長板
５５　　プリズムアレイ
５５ａ　反射面
５５ｃ　開口
７４　　偏光選択素子
７５　　反射板
７６　　１／４波長板
７７　　レンズアレイ
７７ａ　レンズセル
７８　　レンズアレイ
７８ａ　レンズセル

Claims (5)

1. 与えられる光を偏光方向の揃った直線偏光とする偏光変換装置であって、
   対向する２つの表面の一方に反射構造を有し、与えられる光を２つの表面で全反射して内部を進行させながら、反射構造によって反射して一方の表面より出射させる導光素子と、
   偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させて他方を反射する偏光選択素子と、
   互いに直交する２つの反射面を少なくとも１組有する反射素子とを備え、
   偏光選択素子が導光素子の光を出射させる表面に対向し、反射素子が導光素子を間にして偏光選択素子に対向し、
   反射素子の反射面の交線が、偏光選択素子によって反射された偏光成分の偏光方向に対して、４５゜の角度を成すことを特徴とする偏光変換装置。
2. 与えられる光を偏光方向の揃った直線偏光とする偏光変換装置であって、
   与えられる光を通過させる開口を反射面の一部に有する反射素子と、
   偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させて他方を反射する偏光選択素子と、
   １／４波長板とを備え、
   反射素子が１／４波長板を間して偏光選択素子に対向することを特徴とする偏光変換装置。
3. 与えられる光を偏光方向の揃った直線偏光とする偏光変換装置であって、
   互いに直交する２つの反射面を少なくとも１組有し、与えられる光を通過させる開口を反射面の一部に有する反射素子と、
   偏光方向が直交する２つの偏光成分の一方を透過させて他方を反射する偏光選択素子とを備え、
   反射素子が偏光選択素子に対向し、
   反射素子の反射面の交線が、偏光選択素子によって反射された偏光成分の偏光方向に対して、４５゜の角度を成すことを特徴とする偏光変換装置。
4. 対向する２つの表面の一方に反射構造を有し、与えられる光を２つの表面で全反射して内部を進行させながら、反射構造によって反射して一方の表面より出射させる導光素子を備え、
   導光素子の端面が偏光選択素子に対向することを特徴とする請求項２または請求項３に記載の偏光変換装置。
5. 液晶表示器を照明する照明光学系であって、
   請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の偏光変換装置を含むことを特徴とする照明光学系。

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