JPH02154205A - 偏光素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野Ｊ 本発明は表示体、光検出器等に有用な光の透過率の高い
偏光素子の構成に関する。

［従来の技術］ 従来の偏光素子は例えば、光学的測定（飯田修−他ｌｊ
Ａ集、朝倉書店）Ｐ４１４に記載の如く、グラントムソ
ンプリズム等複屈折性結晶プリズムを組合わせた物、叉
は光吸収の二色性を利用した延伸配向フィルムが代表的
であった。

〔発明が解決しようとする課題］ しかし、上記配向フィルムタイプは、本質的に光吸収の
二色性を利用しているために、偏光度の高いものは絶対
通過車が低く、高精細な液晶表示体や、高感度な偏光検
出器に用いる場合には、１、大出力の光源が必要となる
、２．偏光素子が発熱により破壊する等の課組を有して
いた。叉結晶プリズムタイプは受光面の大きさとほぼ等
しいか叉はそれ以上の奥行きを要し、３．配置上扱いに
くい、４０組み込んだシステムが重い、５゜価格が高い
等の課題を有していた。

本発明の目的はかかる課題を解決すべく吸収が本質的に
なく明るく、コンパクトで、安価な偏光素子を提供する
点にある。

［課題を解決するための手段〕 本発明の偏光素子は、光学的一軸性材料の表面を、その
光学主軸に垂直な面内に於て凹形の曲面を持って該光学
的一軸材料の常光の屈折率よりも大きい屈折率を有する
等方性媒体と接する構成よりなる複屈折レンズ、及び該
複屈折レンズの一方の焦線近傍に選択的に開口部を設け
た旋光層、から成る単位を、同一面内に複数配置したこ
とを特徴とする。

［作用］ −Ｉｎにランプ等のインコヒーレントな光源からの光は
任意の偏光面からなる自然偏光で、直交する二つの成分
（例えばＰｘ、Ｐｙ）に等価的に分けることができる。

Ｐｘ酸成分利用する場合、Ｐｙを吸収により除去するか
、偏光ビームスプリッタ−等によりＰｙを光路より分離
してやることが必要であり、このままでは光強度は１／
２以下になってしまう。そこで、本質的に光減少の少な
い偏光素子は、−度光束を複屈折レンズにより分離した
後、一方のみを選択的に位相差を与えて９０度旋回し、
両者を再度空間的に合成することで得られる。その際、
該複屈折レンズと旋光層の単位を複数配置することによ
り、小型で均一性のよいシステムが得られる。

第１図は本発明の詳細な説明する為の原理図で、本発明
と等価な、その異常光の屈折率よりも小さな屈折率を有
する媒体中に於かれた凸形曲面を持つ複屈折レンズを基
に説明する。Ｘ方向に一軸配向させ、その光学主軸（こ
垂直な面内に曲率を持たせた複屈折レンズ１０１へＺ方
向に入射した自然光１０２は等価的にＸ、　　Ｙ方向に
偏光した平面波Ｐｘ（破ＩＩＩ）、Ｐｙ（実線）の集り
とみなせる。

上記複屈折レンズ内に於いては、各々に対し異なる屈折
率ｎｘ、ｎｙが存在し、界面１０３により異なる屈折を
受ける。該複屈折レンズが凸レンズの場合、レンズの外
側の媒体が空気等のレンズ媒体より屈折率の小さなもの
で、且つｎｙ＜ｎｘの場合にはＰｘの方が大きな屈折を
受けることになる。一般にレンズの像側有効焦点距Ｈ１
：　　ｆ”は、オプトロニクス１９８３．　　Ｎ　ｏ、
　　１０．　　Ｐ　８０に記載の如く、例えば屈折率ｎ
”の媒体中に置かれた平凸レンズの場合次式で与えられ
る。

ｆ”＝ｒ２／　（１−ｎ／ｎ”　）　　　　　　（１）
（但しｒ２はレンズ面の曲率半径で、ｎはレンズのｇ！
折車を示す、） Ｐｘの焦点Ｆｘの近傍には、微小な開口部１０４を有す
る１／２波長板よりなる旋光層１０５がその光学主軸を
ＸＹ面内に於てＸ（叉はＹ）軸より４５度傾けて設置し
である。Ｐｘ酸成分開口部に集光されるため偏光面は保
持されるが、ｐｙ成分は上記開口部を透過する微小量を
除き、大半の成分は１／２波長の位相差を受け９０°の
旋回によりＰｘ酸成分変換される。レンズ形状がシリン
ドリカルな場合、レンズ径２ｄ、開口（１２ａとすると
、旋光層１０５の後方に於けるＰｘ、Ｐｙ両酸成分強度
割合Ｑｘ、Ｑｙは次式で与えられる。

Ｑｙ＝５０＊　（ａ／ｄ）　　　　　　（２）Ｑｘ＝５
０＊　（２−ａ／ｄ）　　　　（３）例えば、ａ／ｄ＝
０．　１に於いて、Ｑｘは９５という大きな値となる。

一方第２図は第１・図に記載のレンズ１０１と旋光層１
０５の単位を多数アレイ状に並べた場合の全体構成を示
す。各単位からの光束は重なりあってほとんど−様なＰ
ｘ偏向が得られる。ｌ個光度を高める為に後方にＰｘ偏
光を透過する通常の偏光板、叉は偏光素子２０１を設置
すると効果的である。以上の原理はそのまま本発明の常
光の屈折率よりも大きな屈折率を有する媒体中にある凹
形の曲面を有する複屈折レンズに等価的に適応できる。

以下実施例に基ずき本発明の偏光素子を説明する。

［実施例］ 実施例１　第三図は本発明の一実施例である複屈折レン
ズとしてネマチック液晶層を用い、　［作用］で説明を
した凸形複屈折レンズの効果を発現するために液晶の常
光に対する屈折率より大きな屈折率を有する凸面の基板
を一方に用いて一軸的に配向させた場合の構成の斜視図
である。透明基板３０１と、シリンドリカルな凸面アレ
イ３０２を有する透明基板３０３の間にネマチック液晶
３０４をＹ方向に一軸配向させて挟持した複屈折しンズ
アレイと、該複屈折レンズアレイの光軸上焦線近傍にポ
リカーボネイト（ｐｃ）製１／２波長板１０５を透明支
持基板３０５にレンズアレイと平行にストライプ状に１
Ｑｆｆｌした旋光層より成る。

液晶層の最大厚みは約１９μ、液晶には複屈折性の大き
なシアノビフェニルｆｈ混合物を用いた。叉凸面アレイ
のピッチは０．５ｍｍ、　　凸面の曲率半径は約１４．
３ｍｍである。シリンドリカルアレイの基板には軟化点
が低く屈折率の大きい鉛珪酸ガラスをプレス成形して用
いた。　　第４図は前記構成の１単位に、Ｘ、　　Ｙ方
向に偏光した平面波Ｐｘ、Ｐｙを垂直入射させた場合の
代表的光線の軌ｕ　ヲ示ｔｏ　　実ｔｍ１０６，６ｆＰ
ｘ、　　破ＩＩＩ　１０７　カＰ　ｙを示す、液晶層に
入射したＰｘ、Ｐｙは各々ネマチック液晶層の異常光、
常光の屈折率ｎｘ、ｎｙを感じる。凸状界面３０２に於
いて、入射角θｉ。

出射角θ０は５ｎｅｌｌの法則により互いに関係づけら
れ、結果として（１）式に基ずく焦点距離の差による影
響を受ける。ここで本実施例に用いた材料の５８９ｎｍ
での屈折率の値を表１に示す。

表１から明かな如く（１）式のパラメータに対し次の関
係がある。

ｎｙ／ｎ”＜　　ｎｘ／ｎ”　〜　１　　（４）このた
めＰｙ１０７が手前に集光され旋光層１０５の置かれた
面内ではＰｘとｐｙは空間的に分離される。旋光層の位
置は素子の厚み等からｐｙにあわせである。選択的旋光
層１０５はＰＣをガラス基板に接着又は圧着後、幅５０
μのストライプ状１０４にドライエツチング叉はレーザ
ー加工等により形成した。この結果、直線偏光板２・０
１の後方４０１でＰｙ、Ｐｘに対する透過率を測定した
ところ、各々５％、７０％であった。叉液晶層の厚みの
制御をうまくすることにより１００ｍｍサイズの物は比
較的容易に作ることが可能であった。

表　　１゜ 実施例２　第５図は本発明の別の実施例で、選択的旋光
層を焦線近傍に形成した場合の構成を示す。実施例１と
同様ガラス基板３０５上に延伸フィルムを圧着後、ドラ
イエツチングにより焦線近傍部５０１のみ旋光層を残し
てなる。

この場合ｐｙ酸成分０６は集光後９０°の位相差を受は
大半がＰｘ酸成分旋回されるのに対し、Ｐｙ成分１０７
は大半がそのまま通過し実施例１と逆の偏光成分が得ら
れた。

上記実施例では光学的一軸性材料としてネマッチク液晶
、を用いたが、その他配向性の高い材料として液晶ポリ
マー等を配向成形した後、屈折率の高い材料でコーティ
ングをした物も有効であることは自明である。

［発明の効果］ 以上実施例からも明らかなように本発明によれば、光学
的一軸性材料の表面を、その光学主軸に垂直な面内に於
て負の自車を持って該光学的一軸材料の常光の屈折率よ
りも大きい屈折率を有する等方性媒体と接する構成より
なる複屈折レンズ、及び該複屈折レンズの一方の焦線近
傍に選択的に開口部を設けた旋光層、から成る単位を、
同一面内にＰｉ数配置したことにより、従来の約１／２
の光量の光源で同じ明るさが得られ、且つコンパクトで
、吸収による発熱も少なく、大面積の偏光素子の提供が
可能となる。これにより従来、暗く見にくかった液晶デ
イスプレィや、感度が間頭であったアレイ状の偏光検出
器等の発展に大きく寄与するものと確信する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の偏光素子の作用を説明する原理図。 第２図は本発明の偏光素子の全体図。 第３図は本発明の液晶を用いた構成の斜視図。 第４図は本発明の偏光素子に於ける代表的光線の軌跡図
。 第５図は本発明の選択的に旋光層形成した場合の構成図
。 １０１　複屈折レンズ １０４　開口部 １０５　旋光層 １０６　Ｘ偏光 １０７　Ｙ偏光 ２０１　直線偏光板 ３０３　シリンドリカルアレイ基板 ３０４　ネマチック液晶 ５０１　部分的旋光層 以上 出願人　セイコーエプソン株式会社 代理人　弁理士　上柳雅誉　（他１名）第３図 第４図 Ｘ「之 第 図 第２図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 光学的一軸性材料の表面を、その光学主軸に垂直な面内
   に於て凹形の曲面を持って該光学的一軸材料の常光の屈
   折率よりも大きい屈折率を有する等方性媒体と接する構
   成よりなる複屈折レンズ、及び該複屈折レンズの一方の
   焦線近傍に選択的に設けた旋光層、から成る単位を、同
   一面内に複数配置したことを特徴とする偏光素子。