JP2004272106A

JP2004272106A - Polarized beam converting element and its manufacturing method, and liquid crystal display device

Info

Publication number: JP2004272106A
Application number: JP2003065502A
Authority: JP
Inventors: Masaki Kagawa; 正毅香川; Masaharu Hasegawa; 正治長谷川
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 2003-03-11
Filing date: 2003-03-11
Publication date: 2004-09-30
Anticipated expiration: 2023-03-11
Also published as: JP4285032B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polarized beam converting element and its manufacturing method that make it possible to manufacture a polarized light separating film capable of reducing a frequency of lamination by applying a relatively inexpensive light-transmissive base material and also manufacture a large-area through simple processes for the manufacture. <P>SOLUTION: On main surfaces 1A and 2A of 1st and 2nd light-transmissive base materials 1 and 2, slanting parts which are sectioned in a nearly triangular shape are arrayed side by side at specified intervals so that their oblique surfaces face in the same direction, and polarized light separating films 3 are formed on those oblique surfaces; and base parts 11 which are cut and raised almost at right angles to the main surface are provided on light-transmissive base material sides of the oblique surfaces, the light-transmissive base materials are put one over the other across light-transmissive resin 4 so that the oblique surfaces 10 and 20 face each other, and light blocking parts 5 and 1/2-wavelength plates 6 are respectively provided on reverse surfaces 1B and 2B of the light-transmissive base materials 1 and 2 at positions corresponding to the slanting parts. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO&NCIPI

Description

【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λ_０としたときに、λ_０／４の光学的膜厚（屈折率×厚さ）を有する低屈折率層をＬ、λ_０／４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、λ_０／４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λ_０／２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、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２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λ_０とするとき、λ_０／４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λ_０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λ_０／４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ＳｉＯ_２（ｎ＝２．４４）、ＭｇＦ_２（ｎ＝１．３８）、ＬｉＦ（ｎ＝１．４）、ＡｌＦ_３（ｎ＝１．４）、Ｎａ_３ＡｌＦ_６（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ＴｉＯ_２、ＮｂＯ_５（ｎ＝２．３）、Ｔａ_２Ｏ_５（ｎ＝２．３）、ＺｒＯ_２（ｎ＝２．０５）、ＩＴＯ（ｎ＝１．９５〜２．１）、ＺｎＯ（ｎ＝１．９）、ＣｅＯ_２（ｎ＝１．９５）、ＳｎＯ_２（ｎ＝１．９５）、Ａｌ_２Ｏ_３（ｎ＝１．６３）、Ｌａ_２Ｏ_３（ｎ＝１．９５）、Ｙ_２Ｏ_３（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、ＴｉＯ_２、ＳｉＯ_２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ＴｉＯ_２とＳｉＯ_２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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a polarization beam conversion element that emits unpolarized light in a specific polarization state and emits the same, a method for manufacturing the same, and a liquid crystal display device.
[0002]
[Prior art]
In a liquid crystal display device such as a liquid crystal panel display, a backlight is radiated to a liquid crystal panel through a polarizing plate, and transmitted light is turned on / off depending on a difference in an alignment state of the liquid crystal depending on whether an electric field is applied or not. Is going. In such a liquid crystal panel, only light in a specific polarization direction transmitted through the polarizing plate is used, so that 50% or less of backlight light can be used for display. Therefore, in order to improve the brightness of the display screen, it is essential to increase the output of the backlight, which leads to an increase in power consumption.
[0003]
Therefore, in order to improve the use efficiency of the backlight light, it has been studied to convert the polarization of the backlight light and use most of the light, and a sheet-like polarizing element for a liquid crystal panel has been disclosed (for example, See Patent Documents 1 to 3.)
If these sheet-shaped polarizing elements are used, non-polarized light from the backlight can be converted into linearly polarized light having a specific polarization direction, and as a result, the light source utilization efficiency can be dramatically increased, It is expected that low power consumption or high luminance will be achieved.
[0004]
At present, as a structure of a plate-shaped polarization beam conversion element widely used in practice, as shown in FIG. 8, a light-transmitting base material 30 made of glass having high transparency and high or low refractive index is used. The separation films 3 are formed obliquely in a plate shape, the polarization separation films 3 are arranged at a constant pitch, and the light-shielding portions are formed in accordance with the pitch of the polarization separation films 3, that is, corresponding to one polarization separation film 3. The one formed by arranging 5 and 1/2 wavelength plates 6 is typical. When light is introduced into the plate-like polarizing element having such a structure from a so-called slit between the light shielding portions 5 corresponding to the arrangement position of the half-wave plate 6, for example, a P-polarized wave indicated by a solid line P And is converted into an S-polarized wave by the half-wave plate 6. The S-polarized wave indicated by one broken line S is reflected by the polarization splitting film 3 and is derived as an S-polarized wave from a region where the half-wave plate 6 is not provided.
[0005]
By the way, the plate-shaped polarization beam conversion element having the above structure is obtained by forming a polarization separation film on the surface of a large number of flat glass plates by vapor deposition or sputtering, and then laminating and bonding these glass plates together. It is manufactured by cutting (slicing) a glass plate that has been multilayer-bonded so as to have a predetermined angle (for example, 45 degrees) with respect to the glass plate, and then mirror-polishing both sliced surfaces. After this mirror polishing, a half-wave plate is attached at every other position corresponding to the pitch of the polarization separation film.
[0006]
However, since the plate-shaped polarized beam conversion element manufactured through such a process is manufactured through many steps, the manufacturing cost is increased. Examples of the necessary steps in the above manufacturing process include, for example, glass mirror polishing, cleaning, polarization separation film formation, adhesive application, lamination fixing, heating for curing the adhesive, jig fixing for oblique slicing, wire Saw slicing, separation / cleaning from jigs, rough polishing on both sides, mirror polishing, grinding stone cutting for shape shaping, etc. In addition, according to the above process, it is extremely difficult to manufacture a polarizing element having a large area.
[0007]
Examples of the structure of the polarization beam conversion element for the purpose of polarization separation conversion include, in addition to the above-described example of a laminated member in which a diagonally polarized light separating film is provided, a structure of a laminated member in which a polarized light separating film and a reflective film are formed diagonally. Examples have been reported (for example, see Patent Documents 4 and 5).
In this example, since the reflection film and the polarization separation film are formed by the dielectric multilayer film without providing the light shielding portion, a polarization beam conversion element having a light use efficiency is obtained. However, also in this case, it is difficult to similarly produce a polarizing beam conversion element having a large area because the glass substrates formed in the same manner are bonded together, and a manufacturing process such as heating at an adhesive curing temperature and oblique slicing are included.
[0008]
[Patent Document 1]
JP-A-11-84129 [Patent Document 2]
JP-A-11-202108 [Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-265010 [Patent Document 4]
JP 10-39136 A [Patent Document 5]
JP-A-10-90520
[Problems to be solved by the invention]
On the other hand, the present applicant, in Japanese Patent Application No. 2001-213291, can set the angle formed by the polarization separation film with respect to the light incident surface, that is, the so-called light incident angle to any angle larger than 45 degrees and smaller than 90 degrees. A polarization separation conversion device was proposed. FIG. 9 shows an example of this configuration.
[0010]
In FIG. 9, reference numerals 1 and 2 denote first and second light-transmitting base materials having different thicknesses. The first and second light-transmitting base materials have a structure in which a polarization separation film 3 is obliquely sandwiched therebetween. The separation film 3 is formed so as to be partially formed with a predetermined width between the substrates 1 and 2, and the thickness of the first and second light-transmitting substrates 1 and 2, By appropriately selecting the angle of incidence, light incident at an angle other than 45 degrees is appropriately polarized and separated.
[0011]
Explaining this, when, for example, an S-polarized wave out of the light incident on the polarized light separating film 3 is reflected by the polarized light separating film 3, the S polarized light wave is reflected again by another opposing polarized light separating film 3. Thereafter, the light is transmitted through the gap where the polarization separation film 3 is not formed, and is emitted to the outside via the half-wave plate 6, while the P-polarized light transmitted through the polarization separation film 3 is , And is emitted to the outside through between the half-wave plates 6.
With this configuration, it is possible to reliably separate the P-polarized wave and the S-polarized wave from the polarization separation / conversion element even when the light is incident at an angle other than 45 degrees.
[0012]
On the other hand, the present applicant has proposed in Japanese Patent Application No. 2002-237050 a polarization beam splitter capable of reducing the number of stacked polarization separation films.
Separation membranes conventional polarization beam splitter, a reference wavelength of the incident light is taken as λ _{_0,} λ _{_0/4} optical film thickness of the low refractive index layer having a (refractive index × thickness) L, lambda ₀ When the high refractive index layer having an optical thickness of / 4 is denoted by H, a laminated structure of the high refractive index layer H and the low refractive index layer L is repeated m times (this is referred to as (HL) m ).
However, in the case of such a conventional separation membrane structure, in order to satisfy the desired characteristics, the number m of layers must be 30 or more, and the material configuration of each layer and the adjustment of the film thickness are complicated. This is one of the reasons for increasing the cost of the polarizing beam splitter.
[0013]
In contrast, in the configuration proposed in the above application, lambda _0/4 and the high refractive index layer H having an optical film thickness of twice the optical thickness of this, i.e. lambda _0/2 optical film A basic structure (H2L) m in which a laminated film in which a low refractive index layer 2L having a thickness is laminated is repeated m times, or a high refractive index layer H is added on this basic structure (H2L) mH, or By adopting any configuration of 2L (H2L) m in which a low refractive index layer 2L is added below this basic structure, a desired number of times m of repeating the basic structure can be reduced to about 3 to 7 even if it is reduced. Optical properties could be obtained. With such a configuration, the number of film forming steps of the polarization separation film can be reduced, and the manufacturing process can be simplified and the cost can be reduced.
In the case of such a configuration, when the material of the light transmitting base material has a relatively high refractive index of about 1.75 to 1.8, the angle of incidence on the polarization separation film is set to 45 degrees, and the optimum polarization is obtained. Although the separation characteristics can be obtained, if it is manufactured using a relatively inexpensive ordinary optical glass (for example, a refractive index of about 1.52), the optimum angle of incidence on the polarization separation film for obtaining high polarization separation characteristics is about 56 degrees. It is known to be about.
[0014]
As described above, the present invention employs a polarization-separating film that is advantageous in productivity because it can reduce the number of laminations, and realizes excellent polarization-separation characteristics, and uses a relatively inexpensive light-transmitting substrate. The present invention provides a polarizing beam conversion element and a method for manufacturing the same, which can be manufactured in a simple process and can be manufactured in a large area with a simple process, and reduce the manufacturing cost and improve the productivity. It is an object of the present invention to improve the light use efficiency of a liquid crystal display device using a polarization beam conversion element, to reduce the size and thickness, and to reduce the cost.
[0015]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above-mentioned problem, a polarizing beam conversion element according to the present invention includes an inclined portion having a substantially right-angled triangular cross-section formed on a main surface of a first and a second light-transmitting base material. Are arranged side by side at a predetermined interval so as to face in the same direction, a polarization separation film is formed on these slopes, and a base portion which stands substantially perpendicular to the main surface is provided on the slope on the side of the light transmitting substrate, And a second light-transmissive base material, with the vertical surfaces on the backs of the slopes of the respective inclined portions approaching each other via the light-transmissive resin, and superimposed so that the respective slopes face each other, and the first or second light-transmissive base material is configured to be first or second. On the back surface of the second light-transmitting substrate, a light-shielding portion or a half-wave plate is provided at a position corresponding to the inclined portion.
[0016]
Further, in the present invention, in this polarization beam conversion element, the height of the slope of the inclined portion is t1, the height of the base is t2, the width of the base is w1, and the optimum incident angle to the polarization separation film is x. To
t1 = w1 × tanx
t2 = w1 × tan (2x−90 °)
It is constituted as.
[0017]
Further, in the polarized light beam conversion element according to the present invention, on the main surfaces of the first and second light-transmitting substrates, inclined portions having a substantially isosceles triangular cross-sectional shape are juxtaposed and arranged at predetermined intervals. A polarization separation film is formed on the slope, and a base that stands substantially perpendicular to the main surface is provided on the light-transmitting base material side of the slope, and the first and second light-transmitting base materials are interposed through the light-transmitting resin. The first and second light-transmissive substrates are each provided with a light-shielding portion or a half-wave plate at a position corresponding to the inclined portion on the back surface of the first or second light-transmitting base material. Configuration.
[0018]
Further, in the present invention, in this polarization beam conversion element, the height of the slope of the inclined portion is t1, the height of the base is t2, the width of the base is w2, and the optimum incident angle to the polarization separation film is x. To
t1 = w2 / 2 × tanx
t2 = w2 / 2 × tan (2x−90 °)
It is constituted as.
[0019]
As described above, the polarization beam conversion element according to the present invention has a simple configuration in which the first and second light-transmitting substrates provided with the inclined portions having a substantially right-angled triangle or an isosceles triangle in cross section are overlapped. However, as will be described in detail in a later embodiment, a configuration in which the polarization separation film is provided at an arbitrary angle of more than 45 degrees and 90 degrees or less with respect to the incident surface can be adopted.
Therefore, the degree of freedom in selecting materials such as the light-transmitting substrate, the polarization separation film, and the light-transmitting resin can be increased, and the cost can be reduced.
[0020]
In addition, since each polarized beam conversion element according to the present invention has a simple configuration in which two light-transmitting substrates are applied via a light-transmitting resin, a laminated adhesive in which several or more transparent substrates are overlapped. It can be manufactured without using a machining process such as polishing, slicing, plane polishing, and mirror polishing, and a complicated process is not required, so that the manufacturing cost is greatly reduced. In addition, it is easy to increase the area.
[0021]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, a polarization beam conversion element to which the present invention is applied, a method for manufacturing the same, and a liquid crystal display device will be described in detail with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to the following examples, and various types of It goes without saying that modifications and changes are possible.
[0022]
(1) First Embodiment First, with respect to a first embodiment, an example of a polarization beam conversion element and a method of manufacturing the same will be described.
FIG. 1 shows a configuration example according to a first embodiment of a polarization beam conversion element to which the present invention is applied. Reference numerals 1 and 2 denote first and second light-transmitting substrates such as optical glass, respectively. On their main surfaces 1A and 2A, as shown in FIG. 2, the cross-sectional structure of each light-transmitting substrate 1 and 2 is shown. In addition, inclined portions having a substantially right-angled triangular cross-sectional shape are juxtaposed and arranged at predetermined intervals so that the inclined surfaces 10 and 20 face in the same direction. Further, bases 11 and 21 which stand substantially perpendicularly to the main surface are provided on the light transmissive substrates 1 and 2 side of these slopes 10 and 20.
[0023]
Then, the polarization separation film 3 is formed on the slopes 10 and 20, and the first and second light-transmitting base materials 1 and 2 are interposed via the light-transmitting resin 4 at the backs of the slopes 10 and 20 of each slope. The main surfaces 1A and 2A face each other by bringing the vertical surfaces 12 and 22 close to each other, and the slopes 10 and 20 are overlapped so as to face each other.
[0024]
Further, on the back surfaces 1B and 2B of the first or second light-transmitting base material, a light-shielding portion or a half-wave plate is provided at a position corresponding to the inclined portion. In the illustrated example, an Al film or the like is formed on the back surface 2B of the second light-transmissive base material 2 so as to overlap with the position corresponding to each slope 20, that is, the position where each slope 20 is projected on the back surface 2B. A light-shielding portion 5 is formed, and on the back surface 1B of the first light-transmitting substrate 1, at a position corresponding to each slope 10, that is, at a position where each slope 10 is projected on the back surface 1B, The configuration is such that a half-wave plate 6 made of a dielectric multilayer film or the like is formed.
[0025]
Although not shown, by forming, for example, a lens array on the light incident side surface of the polarization beam conversion element having the above-described configuration, the incident light can be efficiently condensed between the light shielding portions 5. The configuration of the optical device incorporating the polarization beam conversion element can be simplified and downsized.
[0026]
Examples of the material of the first and second light-transmitting substrates 1 and 2 include, for example, highly transparent resins such as polymethyl methacrylate, polycarbonate, and arton, and acrylics filled with inorganic fine powder such as TiO ₂ and SiO _2. It can be easily formed into a shape having the slopes 10 and 20 and the bases 11 and 21 by using a mold or the like made of a mixed material of a system ultraviolet curable resin or a silicone resin.
Alternatively, it can be manufactured by directly shaving the light-transmitting base material with a grindstone or a cutting tool.
It is desirable that the refractive indices of the light-transmitting base materials 1 and 2 and the light-transmitting resin 4 be set to be substantially the same.
[0027]
A polarization separation film 3 is formed on the slopes 10 and 20. The polarization separation film 3 has a function of transmitting only one of orthogonal linearly polarized light and reflecting the other. Polarization separation film 3 is generally when the reference wavelength of the incident light and lambda _0, using lambda _0/4 the high refractive index layer each having a substantially equal optical thickness H and the low refractive index layer L And a basic structure film composed of an HL repeating structure (HL) m (where m is an integer of 4 or more) or a structure represented by (0.5HL0.5H) m (m is a power of m times). It consists of a certain multilayer film. By forming such a polarization separation film 2, it is possible to realize sufficient polarization separation characteristics over a wide wavelength range.
[0028]
Further, as another example of the configuration of the polarization separation film, as described in Japanese Patent Application No. 2002-237050, an optically transparent high refractive index layer H having a predetermined refractive index with respect to incident light; A basic structure film H2L composed of an optically transparent low refractive index layer L having a refractive index lower than that of the high refractive index layer H, wherein (H2L) m, (H2L) mH, Alternatively, a multilayer film having any structure of 2L (H2L) m (where m is an integer of 3 to 7) can be given. In this multi-layer film, a reference wavelength of the incident light is taken as lambda _0, the high refractive index layer H and the low refractive index layer L is set to either a substantially equal optical thickness and lambda _0/4 Thereby, it functions well as a polarization separation film.
[0029]
As a material of these low refractive index layers, for example, SiO ₂ (n = 2.44), MgF ₂ (n = 1.38), LiF (n = 1.4), AlF ₃ (n = 1.4), For example, Na ₃ AlF ₆ (n = 1.33) can be used.
[0030]
Examples of the material for the high refractive index layer include TiO ₂ , NbO ₅ (n = 2.3), Ta ₂ O ₅ (n = 2.3), ZrO ₂ (n = 2.05), and ITO (n). = 1.95-2.1), ZnO (n = 1.9), CeO ₂ (n = 1.95), SnO ₂ (n = 1.95), Al ₂ O ₃ (n = 1.63) , La ₂ O ₃ (n = 1.95), Y ₂ O ₃ (n = 1.87) and the like can be used.
[0031]
As a method for forming such a polarization separation film 3, sputtering or the like can be used. During this film formation, an appropriate mask is applied to the flat surface between the inclined portions so that the film is not formed. The vertical surface 12 or 22 on the back surface is a portion through which light does not pass, so that only the surface may be formed.
[0032]
Between the first and second light-transmitting substrates 1 and 2 on which the polarization separation film 3 is formed, a light-transmitting resin 4 is embedded in a groove between the slopes 10 and 20. The light-transmitting resin 4 is made of, for example, a mixture of an ultraviolet-curing acrylic transparent resin or a silicone resin. Like the first and second light-transmitting substrates 1 and 2, TiO ₂ , Fine powder such as SiO ₂ may be dispersed.
[0033]
On the other hand, the light-shielding portion 5 and the half-wave plate 6 are formed at positions corresponding to the inclined surfaces 10 or 20 of the base materials 1 and 2, respectively. This pitch is substantially the same as the slopes 10 and 20, and the width thereof is substantially the same as the width projected on the back surfaces 1B and 2B of the light-transmitting substrates 1 and 2 on the slopes 10 and 20.
[0034]
Here, as the light-shielding portion 5, a film or the like in which a sputtered film of Al or Ag is formed on a polyethylene terephthalate (PET) base and an enhanced reflection film made of TiO ₂ and SiO ₂ is formed thereon can be used. .
Further, as the half-wave plate 6, a composite film obtained by laminating films produced by, for example, stretching polypropylene or polycarbonate can be used.
Other examples of the half-wave plate 6 include a stretched film using polyethylene, polyvinyl alcohol, polysulfone, polyacrylate, or the like, and a laminated composite film thereof.
[0035]
Next, the function of the polarization beam conversion element having the above structure will be described. In the above-mentioned polarization beam conversion element, incident light projected from the back surface 2B side of the second light-transmitting base material 2 is made incident on a slit between the light-shielding portions 5, as shown in FIG.
In the case where, for example, only the S-polarized wave is reflected by the polarization separating film 3, the P-polarized wave of the incident light enters from between the light-shielding portions 5 and is closer to the first light-transmitting substrate 1. The light passes through the polarization splitting film 3 on the inclined surface 10, and passes through the half-wave plate 6 provided therebelow to be converted into an S-polarized wave.
[0036]
On the other hand, the S-polarized wave of the incident light is reflected from the polarization splitting film 3 on the slope 10 of the first light-transmitting substrate 1 after being incident from between the light shielding portions 5, and the S-polarized wave is opposed to the slope 10. The light is then reflected again by the polarization splitting film 3 on the inclined surface 20 of the light-transmitting substrate 2, and is emitted in the direction along the incident angle while maintaining the polarization direction, that is, as an S-polarized wave.
[0037]
Further, in the polarization beam conversion element according to the present invention, in the above-described configuration, the height of the slope of the inclined portion is t1, the height of the base is t2, the width of the base is w1, and the optimum incident angle to the polarization separation film is x. And when
t1 = w1 × tanx (1)
t2 = w1 × tan (2 × −90 °) (2)
It is constituted as.
[0038]
Thus, by selecting the height of the slope, the height of the base, and the width of the base, it is possible to reliably and efficiently extract the incident light. This will be described with reference to the explanatory diagram of FIG. 3, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description is omitted. In addition, the polarization separation film 3 is omitted for easy understanding.
In FIG. 3, a dashed line c indicates an optimum incident direction of incident light, a dashed line v indicates a direction orthogonal to the inclined surface 10 on which the polarization separation film 3 is formed, and a dashed line d indicates an extension direction of the inclined surface 10. The optimum incident angle x is the angle between the broken lines v and c. Therefore, the height t1 of the slope 10 (or similarly the slope 20) is represented by the above equation (1).
[0039]
Assuming that the angle between the incident direction of the light and the inclined surface 10 is a, the light incident at the optimum incident angle is reflected from the inclined surface 10 at an angle a, is reflected again on the opposite inclined surface 20, and changes the polarization direction. It is emitted without performing.
In FIG. 3, the angle b indicated by drawing the auxiliary line of the broken line s is b = 90 ° −2a.
It is. Since the height t2 of the base 11 is t2 = tanb and a = 90 ° -x, the height t2 of the base 11 (or similarly the base 21) is represented by the above equation (2).
[0040]
With such a configuration, it is possible to provide a polarization beam conversion element that can surely convert the polarization direction to one direction when the optimum incident angle x is any x of 45 ° <x <90 °. In this case, as the light-transmitting substrates 1 and 2, optical glass having a refractive index of about 1.52, which is obtained as a general inexpensive material, can be used, so that the cost can be reduced.
[0041]
(2) Second Embodiment Next, with respect to a second embodiment, an example of a polarization beam conversion element and a method of manufacturing the same will be described.
FIG. 4 shows a configuration example according to the second embodiment. 4, parts corresponding to those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. In this case, as shown in FIG. 5, the main surfaces 1A and 2A of the first and second light-transmitting substrates have a substantially isosceles triangular shape, as shown in the cross-sectional configuration of each of the light-transmitting substrates 1 and 2. The inclined portions having a cross-sectional shape are arranged side by side at predetermined intervals. Further, bases 11 and 21 which are cut substantially perpendicularly to the main surface are provided on the light transmissive substrates 1 and 2 side of the slopes 10A and 10B, 20A and 20B.
[0042]
Then, a polarization separation film 3 is formed on the slopes 10A and 10B, 20A and 20B, and the first and second light-transmitting base materials 1 and 2 are separated through the light-transmitting resin 4 into the main surfaces 1A and 2A. Are opposed to each other, and the slopes 10A and 20A, 10B and 20B are overlapped so as to face each other.
[0043]
Further, on the back surfaces 1B and 2B of the first or second light-transmitting base material, a light-shielding portion or a half-wave plate is provided at a position corresponding to the inclined portion. In the illustrated example, on the back surface 2B of the second light-transmissive base material 2, a position corresponding to each inclined portion, that is, a position where an isosceles triangle formed by each of the slopes 20A and 20B is projected on the back surface 2B. Then, a light shielding portion 5 made of an Al film or the like is formed.
Also, on the back surface 1B of the first light-transmitting substrate 1, the dielectric material is overlapped with a position corresponding to each inclined portion, that is, a position where an isosceles triangle formed by each of the inclined surfaces 10A and 10B is projected on the back surface 1B. The half-wave plate 6 made of a multilayer film or the like is formed.
[0044]
Although not shown, also in this example, by forming a lens array on the light incident side surface of the polarization beam conversion element, the incident light can be efficiently condensed between the light shielding portions 5, The configuration and the size of the optical device incorporating the beam conversion element can be simplified and downsized.
[0045]
As the materials of the first and second light-transmitting substrates 1 and 2, the same materials as those described in the first embodiment can be used. Also in this case, it is possible to easily form the above shape by using a mold or the like. Alternatively, it can be manufactured by directly shaving the light-transmitting base material with a grindstone or a cutting tool.
[0046]
The polarization splitting film 3 is formed on the slopes 10A and 10B, 20A and 20B, and the configuration and the material of the polarization splitting film 3 are the same as those in the example described in the first embodiment. Configuration can be taken.
That is, a multilayer film similar to the example described in Japanese Patent Application No. 2002-237050 can be obtained.
[0047]
As a method for forming such a polarization separation film 3, sputtering or the like can be used. At the same time, an appropriate mask is applied to the flat surface between the inclined portions to prevent the film from being formed.
[0048]
Between the first and second light-transmitting substrates 1 and 2 on which the polarization separation film 3 is formed, a light-transmitting resin 4 is embedded in a groove between the slopes 10 and 20. The same material as the example described in the first embodiment can be used for the light transmitting resin 4.
[0049]
On the other hand, the light-shielding portion 5 and the half-wave plate 6 are formed at positions corresponding to the inclined portions of the base materials 1 and 2, respectively. This pitch is substantially the same as the pitch of the bases 11 and 21 of the inclined portion, and the width thereof is substantially the same as the width of the inclined portions projected on the back surfaces 1B and 2B of the light-transmitting substrates 1 and 2.
The same material as in the example described in the first embodiment can be used for the light-shielding portion 5 and the half-wave plate 6.
[0050]
Next, the function of the polarization beam conversion element having the above structure will be described. In the polarization beam conversion element, incident light projected from the back surface 2B side of the second light-transmitting base material 2 is condensed on a slit between the light shielding portions 5, as shown in FIG. When the polarization splitting film 3 is configured to reflect, for example, only the S-polarized wave, the P-polarized wave out of the incident light is incident from between the light shielding portions 5 and the first light-transmissive substrate 1 side. Is transmitted through the polarization separation film 3 on the inclined surface 10A or 10B, passes through a half-wave plate 6 provided therebelow, and is converted into an S-polarized wave.
[0051]
On the other hand, the S-polarized wave of the incident light is reflected from the polarization separating film 3 on the inclined surface 10A or 10B of the first light-transmitting substrate 1 after being incident from between the light shielding portions 5, and is opposed to the inclined surface 10A. The light is reflected again by the polarization separation film 3 on the inclined surface 20B or the inclined surface 20B opposite to the inclined surface 20B or the inclined surface 10B of the second light-transmissive base material 2 so that the polarization direction is maintained in the direction along the incident angle, It is emitted as an S-polarized wave.
[0052]
In this polarization beam conversion element, when the height of the slope of the inclined portion is t1, the height of the base is t2, the width of the base is w2, and the optimum incident angle to the polarization separation film is x,
t1 = w2 / 2 × tanx (3)
t2 = w2 / 2 × tan (2x−90 °) (4)
It is constituted as.
[0053]
Thus, by selecting the height of the slope, the height of the base, and the width of the base, it is possible to reliably and efficiently extract the incident light. This will be described with reference to the explanatory diagram of FIG. 6, parts corresponding to those in FIG. 4 are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. Also in this case, the polarization separation film 3 is omitted for easy understanding.
[0054]
In FIG. 6, a broken line c indicates an optimum incident direction of incident light, a broken line v indicates a direction orthogonal to the inclined surface 10 on which the polarization separation film 3 is formed, and a broken line d indicates an extending direction of the inclined surface 10B. The optimum incident angle x is the angle between the broken lines v and c. Therefore, the height t1 of the slopes 10A and 10B (or similarly the slopes 20A and 20B) is represented by the above equation (3).
[0055]
Assuming that the angle between the incident direction of the light and the inclined surface 10B is a, the light incident at the optimum incident angle is reflected from the inclined surface 10 at an angle a, is reflected again on the opposing inclined surface 20, and changes the polarization direction. It is emitted without performing. The vertical angle of the inclined portion is 2a.
In FIG. 6, the angle b shown by drawing the auxiliary line of the broken line s is b = 90 ° -2a.
It is. Since the height t2 of the base 11 is t2 = tanb and a = 90 ° -x, the height t2 of the base 11 (or similarly the base 21) is represented by the above equation (4).
[0056]
With such a configuration, it is possible to provide a polarization beam conversion element that can surely convert the polarization direction to one direction when the optimum incident angle x is any x of 45 ° <x <90 °. In this case, as the light-transmitting substrates 1 and 2, optical glass having a refractive index of about 1.52, which is obtained as a general inexpensive material, can be used, so that the cost can be reduced.
[0057]
Further, in this case, the height t1 of the slope can be made relatively low with respect to the selected tilt angle x, so that the thickness and size of the polarization beam conversion element can be reduced.
[0058]
Further, in each of the above-described embodiments, since it is possible to manufacture by a simple method of bonding two light-transmitting substrates, it is possible to improve the productivity and reduce the cost as compared with the related art. Can be achieved. Further, it is easy to increase the area.
[0059]
(3) Third Embodiment Next, an example of a liquid crystal display device using the polarization beam conversion element described in each of the above embodiments will be described.
[0060]
In this example, a case where the present invention is applied to a projector type liquid crystal display device is shown. However, the present invention is not limited to this example, and is applied to a case where a polarization beam conversion element is used in various other panel type liquid crystal display devices. It goes without saying that it can be done.
FIG. 7 is a diagram showing a schematic configuration of a projector type liquid crystal display device. 51 is a light source, 52 and 53 are integrator lenses, 54 is a polarizing beam conversion element according to the first or second embodiment described above, 55, 60, 62 and 66 are focusing lenses, 56, 59, 64 and 66 is a total reflection type mirror. Reference numeral 57 denotes a dichroic mirror that transmits blue light and reflects green light and red light, and 58 denotes a dichroic mirror that reflects green light and transmits red light, and separates red, blue, and green light.
The liquid crystal plates 61, 63 and 67 corresponding to the respective colors B, G and R are arranged at positions facing the incident surface of the cross prism 68, respectively. Reference numeral 69 denotes a projection lens.
[0061]
The input / output mode of each color light in such a configuration will be described. White light from the light source 51 is efficiently condensed by the integrator lenses 52 and 53, and is converted by the polarization beam conversion element 54, for example, from a P-polarized wave to an S-polarized wave (or from an S-polarized wave to a P-polarized wave). , S-polarized waves (or P-polarized waves), and the reflected light is reflected by a mirror 56 via a lens 55 to be incident on a dichroic mirror 57.
After passing through the dichroic mirror 57, the blue light is reflected by the mirror 59 and is incident on the liquid crystal plate 61 for blue light via the lens 60.
Similarly, of the light reflected by the dichroic mirror 57, green light is reflected by the dichroic mirror 58 and is incident on the liquid crystal plate 63 for green light via the lens 62.
The red light transmitted through the dichroic mirror 58 is incident on a liquid crystal plate 67 for red light via mirrors 64 and 65 and a lens 66.
[0062]
Then, a light modulation signal corresponding to the display signal is input from a predetermined modulation circuit (not shown) to the liquid crystal plates 61, 63, and 67 corresponding to each color, and light modulation is performed. Is enlarged and projected on the screen.
[0063]
As described above, in a liquid crystal display device, by using a polarization beam conversion element to align the polarization direction of white light, only one of the conventional S-polarized wave or P-polarized wave is used, and the other polarized wave is converted into heat. Although it has been thrown away, the use efficiency can be significantly improved by aligning the polarization components of the light from the light source as described above.
[0064]
In the above-described example, the case where the polarization beam conversion element according to the present invention is applied to a liquid crystal projector device has been described. However, the invention is not limited to this example, and other various types and liquid crystal display devices using the polarization beam conversion element may be used. Needless to say, it can be applied to
[0065]
In addition, the polarization beam conversion element according to the present invention is not limited to a liquid crystal display device, and can be applied to an optical device using a conversion element that converts various types of non-polarized light into linearly polarized light.
[0066]
【The invention's effect】
As described above, according to the polarization beam conversion element of the present invention, it is possible to provide a simple configuration in which only two light-transmitting substrates are overlapped, and therefore, a large number of light-transmitting substrates The conventional complicated manufacturing process of laminating and bonding substrates and performing oblique cutting is not required, and the manufacturing process can be simplified, productivity can be improved, and cost can be reduced. In addition, it is easy to increase the area.
[0067]
Further, in the present invention, since the optimum incident angle of the polarization separation film can be set to any angle of 45 ° <x <90 °, the polarization separation film structure in which the number of laminations is reduced as described above can be adopted, The degree of freedom in selection can be increased, and the cost can be reduced.
[0068]
In particular, by selecting the width of the inclined portion, and the height of the slope and the base as shown in the above formulas (1) and (2), or formulas (3) and (4), the inside of the polarization beam conversion element is changed. The reflection angle can be adjusted, the utilization efficiency can be increased, and the characteristics can be improved.
[0069]
In addition, according to the method for manufacturing a polarization beam conversion element according to the present invention, as described above, a simple manufacturing process of bonding two light-transmissive substrates is used as compared with the conventional method, thereby simplifying manufacturing. Thus, productivity can be improved and costs can be reduced.
[0070]
Furthermore, by configuring a liquid crystal display device using the polarizing beam conversion element according to the present invention, it is possible to provide a small and thin liquid crystal display device with high flexibility in material selection, excellent productivity, and low cost. Can be.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of an example of a polarization beam conversion element.
FIG. 2 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of a main part of an example of a polarization beam conversion element.
FIG. 3 is an explanatory diagram of a light incident mode of an example of a polarization beam conversion element.
FIG. 4 is a schematic configuration diagram of an example of a polarization beam conversion element.
FIG. 5 is a diagram illustrating a cross-sectional configuration of a main part of an example of a polarization beam conversion element.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a light incident mode of an example of a polarization beam conversion element.
FIG. 7 is a schematic configuration diagram of an example of a liquid crystal display device.
FIG. 8 is a schematic configuration diagram of an example of a conventional polarization beam conversion element.
FIG. 9 is a schematic configuration diagram of an example of a polarization beam conversion element.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st light transmissive base material, 1A principal surface, 1B back surface, 2nd light transmissive substrate, 2A principal surface, 2B back surface, 3 polarization separation film, 4 light transmissive resin, 5 light shielding part, 61 / 2 wavelength plate, 10 slope, 10A slope, 10B slope, 11 base, 12 vertical plane, 20 slope, 20A slope, 20B slope, 21 base, 22 vertical plane

Claims

On the main surface of the first and second light-transmitting substrates, inclined portions having a substantially right-angled triangular cross-sectional shape are juxtaposed and arranged at predetermined intervals such that the inclined surfaces face in the same direction,
A polarization separation film is formed on the slope,
On the light-transmitting substrate side of the slope, a base that stands substantially perpendicular to the main surface is provided,
The first and second light-transmitting substrates are overlapped via a light-transmitting resin such that the vertical surfaces on the back of the inclined surfaces of the inclined portions are brought close to each other so that the inclined surfaces face each other. ,
A polarizing beam conversion element, wherein a light-shielding portion or a half-wave plate is provided at a position corresponding to the inclined portion on the back surface of the first or second light-transmitting base material.

When the height of the slope of the inclined portion is t1, the height of the base of the inclined portion is t2, the width of the base of the inclined portion is w1, and the optimal incident angle to the polarization separation film is x. To
t1 = w1 × tanx
t2 = w1 × tan (2x−90 °)
2. The polarization beam conversion device according to claim 1, wherein:

On the main surface of the first and second light-transmitting base materials, inclined portions having a substantially isosceles triangular cross-sectional shape are juxtaposed and arranged at predetermined intervals,
A polarization separation film is formed on the slope,
On the light-transmitting substrate side of the slope, a base that stands substantially perpendicular to the main surface is provided,
The first and second light-transmissive base materials are overlapped via a light-transmissive resin such that the slopes face each other,
A polarizing beam conversion element, wherein a light-shielding portion or a half-wave plate is provided at a position corresponding to the inclined portion on the back surface of the first or second light-transmitting base material.

When the height of the slope of the inclined portion is t1, the height of the base of the inclined portion is t2, the width of the base of the inclined portion is w2, and the optimal incident angle to the polarization separation film is x. To
t1 = w2 / 2 × tanx
t2 = w2 / 2 × tan (2x−90 °)
The polarization beam conversion device according to claim 3, wherein:

At least on the main surfaces of the first and second light-transmitting substrates, inclined portions having a substantially right-angled triangular cross-sectional shape are formed side by side at predetermined intervals so that the inclined surfaces face in the same direction. Process and
Forming a polarization separation film on the slope,
A step of providing a base that stands substantially perpendicular to the main surface on the light-transmitting substrate side of the slope,
The first and second light-transmissive base materials are overlapped with each other through a light-transmissive resin such that the vertical surfaces on the backs of the inclined surfaces are close to each other and the main surfaces are opposed to each other. The process of
Forming a light-shielding portion or a half-wave plate at positions corresponding to the inclined portions on the back surfaces of the first and second light-transmitting substrates, respectively. Production method.

Forming, at least on the main surface of the first and second light-transmitting base materials, inclined portions having a substantially isosceles triangular cross-sectional shape side by side at predetermined intervals;
Forming a polarization separation film on the slope,
A step of providing a base that stands substantially perpendicular to the main surface on the light-transmitting substrate side of the slope,
A step of laminating and laminating the first and second light-transmissive substrates via a light-transmissive resin such that the main surfaces face each other;
Forming a light-shielding portion or a half-wave plate at positions corresponding to the inclined portions on the back surfaces of the first and second light-transmitting substrates, respectively. Production method.

A liquid crystal display device having at least a light source and a polarizing beam conversion element and a liquid crystal plate,
The polarization beam conversion element,
On the main surface of the first and second light-transmitting substrates, inclined portions having a substantially right-angled triangular cross-sectional shape are juxtaposed and arranged at predetermined intervals such that the inclined surfaces face in the same direction,
A polarization separation film is formed on the slope,
On the light-transmitting substrate side of the slope, a base that stands substantially perpendicular to the main surface is provided,
The first and second light-transmitting substrates are overlapped via a light-transmitting resin such that the vertical surfaces on the back of the inclined surfaces of the inclined portions are brought close to each other so that the inclined surfaces face each other. ,
A liquid crystal display device comprising: a light-shielding portion or a half-wave plate provided at a position corresponding to the inclined portion on the back surface of the first or second light-transmitting substrate.

A liquid crystal display device having at least a light source and a polarizing beam conversion element and a liquid crystal plate,
The polarization beam conversion element,
On the main surface of the first and second light-transmitting base materials, inclined portions having a substantially isosceles triangular cross-sectional shape are juxtaposed and arranged at predetermined intervals,
A polarization separation film is formed on the slope,
On the light-transmitting substrate side of the slope, a base that stands substantially perpendicular to the main surface is provided,
The first and second light-transmissive base materials are overlapped via a light-transmissive resin such that the slopes face each other,
A liquid crystal display device comprising: a light-shielding portion or a half-wave plate provided at a position corresponding to the inclined portion on the back surface of the first or second light-transmitting substrate.