專利名稱：偏振轉(zhuǎn)換元件、偏振照明光學(xué)元件以及液晶投影儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種使線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的偏振轉(zhuǎn)換元件，而且涉及一種 通過使用該偏振轉(zhuǎn)換元件而將非偏振光的照明光轉(zhuǎn)換成具有一定的偏振方向的線偏振光 的照明光的偏振照明光學(xué)元件、以及一種將該偏振照明光學(xué)元件使用于照明光學(xué)系統(tǒng)中的 液晶投影儀。
背景技術(shù)：
將在液晶顯示板所顯示的圖像由來自光源燈的光進(jìn)行照明并投影于屏幕的液晶 投影儀被各種各樣地產(chǎn)品化。如眾所周知，液晶顯示板具備封裝有液晶分子的預(yù)定厚度的 液晶層；在其入射面?zhèn)群统錾涿鎮(zhèn)人謩e配置的偏光器和檢光器。偏光器和檢光器以各自 的偏振方向相互正交或者平行的形式配置，入射到液晶層的線偏振光的通過根據(jù)液晶分子 的取向姿勢來進(jìn)行控制，并且經(jīng)由檢光器進(jìn)行所出射的線偏振光的光量調(diào)節(jié)。另一方面，通常在液晶投影儀的照明光學(xué)系統(tǒng)中，使用將自光源的非偏振光轉(zhuǎn)換 成與液晶顯示板的偏光器相同方向的偏振方向的線偏振光的偏振轉(zhuǎn)換元件。作為這種偏振 轉(zhuǎn)換元件，如由專利文獻(xiàn)1可知，多用由偏振分束器和1/2波長板組合的棱鏡陣列。偏振分 束器具備使偏振方向相互正交的2種線偏振光中的一方透射、并使另一方反射的偏振分離 面，通過使由該偏振分離面所分離的2種線偏振光的任意1個經(jīng)由1/2波長板而使其偏振 方向旋轉(zhuǎn)90度之后、與另一方的線偏振光合并，從而獲得偏振方向一致的線偏振光。專利文獻(xiàn)1 日本專利公開2008-129190號公報(bào)專利文獻(xiàn)2 日本專利公開2006-64871號公報(bào)以往的1/2波長板是使用有機(jī)材料的薄膜片制的波長板為慣例，若在光源的附近 長時(shí)間使用，則退色容易產(chǎn)生，并且偏振光轉(zhuǎn)換效率也劣化等問題容易產(chǎn)生。為了改善耐熱 性，也提出了在1/2波長板上使用水晶等的雙折射性的結(jié)晶體，但結(jié)晶本身價(jià)格高，而且對 結(jié)晶的光學(xué)軸必須精密地管理并進(jìn)行加工，所以制造成本也變高。在這方面，在專利文獻(xiàn)1、 2所記載的偏振轉(zhuǎn)換元件上使用由介質(zhì)多層膜構(gòu)成的1/2波長板而不僅耐熱性大大改善并 且制造成本控制得較低、這樣的優(yōu)點(diǎn)存在。專利文獻(xiàn)1、2所記載的偏振轉(zhuǎn)換元件所使用的1/2波長板由基于斜向蒸鍍的介質(zhì) 多層膜構(gòu)成。但是，由斜向蒸鍍的介質(zhì)多層膜構(gòu)成的相位差膜能夠應(yīng)用到1/4波長板，但若 要作為1/2波長板能加以利用的程度而增加膜厚，則有白濁且透射率下降的問題產(chǎn)生，尤 其在短波長側(cè)的透射率下降顯著會對彩色平衡帶來壞影響。而且，基于斜向蒸鍍的介質(zhì)多 層膜容易吸收水分，隨此，光學(xué)性質(zhì)變動大的難點(diǎn)也存在。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮以上情況而提出的，其目的在于，提供一種由不需要斜向蒸鍍的介 質(zhì)多層膜實(shí)現(xiàn)使線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的1/2波長板、從而耐熱性優(yōu)異還抑制成本 負(fù)擔(dān)的偏振轉(zhuǎn)換元件，另外，其目的還在于，提供一種利用該偏振轉(zhuǎn)換元件的偏振照明光學(xué)元件以及液晶投影儀。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的偏振轉(zhuǎn)換元件的特征在于具備棱鏡片，按照將具有相互平行地相對的入射面及出射面、和與上述入射面以內(nèi)角45°相連的第1側(cè)面及與上述 出射面以內(nèi)角45°相連的第2側(cè)面的細(xì)長的棱鏡桿排列多根的方式，將上述第1側(cè)面和第 2側(cè)面依次接合；相位差膜，在相互接合的上述棱鏡桿的上述第1側(cè)面或第2側(cè)面以光學(xué)軸 與其法線大致一致的方式所成膜，并由介質(zhì)多層膜構(gòu)成且具有光學(xué)各向異性，再有，在上述 入射面或出射面?zhèn)瘸事冻龅纳鲜龆喔忡R桿的各接合境界線，在與入射的線偏振光的入射 光軸垂直的面內(nèi)相對于上述線偏振光的偏振方向傾斜45°。該偏振轉(zhuǎn)換元件優(yōu)選被整形為 矩形狀、且相對于構(gòu)成矩形的四邊使上述接合境界線相交45也可。而且，本發(fā)明的偏振轉(zhuǎn)換元件的特征在于具備棱鏡片，按照將具有相互平行地相 對的入射面及出射面、和與上述入射面以內(nèi)角45°相連的第1側(cè)面及與上述出射面以內(nèi)角 45°相連的第2側(cè)面的細(xì)長的棱鏡桿排列多根的方式，將上述第1側(cè)面和第2側(cè)面依次接 合；相位差膜，由在相互接合的上述棱鏡桿的上述第1側(cè)面或第2側(cè)面以光學(xué)軸與其法線 大致一致的方式所成膜的介質(zhì)多層膜構(gòu)成，且具有對從上述入射面垂直入射的透射光給予 1/2波長的相位差的光學(xué)各向異性；再有，在上述入射面或出射面?zhèn)瘸事冻龅纳鲜龆喔?鏡桿的各接合境界線，在與入射的線偏振光的入射光軸垂直的面內(nèi)相對于上述線偏振光的 偏振方向傾斜45°。另外，如果通過上述相位差膜，同樣地對所入射的線偏振光的偏振方向 給予1/4波長的相位差，則也可以將此作為1/4波長板而使用。而且，本發(fā)明按照使相同結(jié)構(gòu)的2個偏振轉(zhuǎn)換元件要素重疊的方式也可以實(shí)現(xiàn)。 此時(shí)，各偏振轉(zhuǎn)換元件要素由棱鏡片及相位差膜構(gòu)成，該棱鏡片按照將具有相互平行地相 對的入射面及出射面、和與上述入射面以內(nèi)角45°相連的第1側(cè)面及與上述出射面以內(nèi)角 45°相連的第2側(cè)面的細(xì)長的棱鏡桿排列多根的方式，將上述第1側(cè)面和第2側(cè)面依次接 合；該相位差膜由在相互接合的上述棱鏡桿的上述第1側(cè)面或第2側(cè)面以光學(xué)軸與其法線 大致一致的方式所成膜的介質(zhì)多層膜構(gòu)成，且具有對從上述入射面垂直入射的透射光給予 1/4波長的相位差的光學(xué)各向異性。這些偏振轉(zhuǎn)換元件要素使各接合境界線在與所入射的 線偏振光的入射光軸垂直的面內(nèi)、相對于上述線偏振光的偏振方向傾斜45°而使用，從而 作為使入射的線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的偏振轉(zhuǎn)換元件發(fā)揮功能。由介質(zhì)多層膜構(gòu)成的相位差膜基于預(yù)先設(shè)計(jì)好的中心波長進(jìn)行膜設(shè)計(jì)，通常示出 在作為對象的波長帶域增寬時(shí)隨著從中心波長脫離而偏振光轉(zhuǎn)換效率下降的傾向，但如 上述，在采用使2個偏振轉(zhuǎn)換元件要素重疊的方式的情況下，考慮偏振光轉(zhuǎn)換效率的分光 波長特性，也可以將各接合境界線設(shè)為不同的角度而利用。例如，如可見光帶域，以大致 550nm的中心波長設(shè)計(jì)相位差膜，并在440nm 650nm寬的波長帶域要求高的轉(zhuǎn)換效率時(shí)， 相對于入射而來的線偏振光的偏振方向而一方傾斜θ 1、另一方傾斜Θ2而使用時(shí)，滿足 2 ( θ ι- θ 2) N 90。的關(guān)系，如果優(yōu)選設(shè)定在60° ( Θ1彡70°，15° ( θ 2 ^ 25°的 范圍，則可見光全區(qū)域范圍可以獲得高的轉(zhuǎn)換效率。本發(fā)明的偏振轉(zhuǎn)換元件適用于液晶投影儀的照明光學(xué)系統(tǒng)中的偏振照明光學(xué)元 件的一部分，該偏光照明光學(xué)元件在棱鏡相互的接合面具備偏振光分離膜，并由使入射到 上述偏振光分離膜的非偏振光中的偏振方向相互正交的第1或第2線偏振光的、一方透射 而使另一方反射的偏振分束器；和在由上述偏振光分離膜反射的另一方的線偏振光射出的偏振分束器的出射面所接合的上述偏振轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成，將從照明光源入射到上述偏振分束 器的非偏振光轉(zhuǎn)換成偏振照明光，該偏振照明光由透射上述偏振光分離膜的一方的線偏振 光、和由上述偏振光分離膜反射并且基于透射上述偏振轉(zhuǎn)換元件而使偏振方向旋轉(zhuǎn)了 90° 的一方的線偏振光而構(gòu)成。而且，將在出射面接合有偏振轉(zhuǎn)換元件的偏振分束器按照上述 偏振轉(zhuǎn)換元件在相同的面上排列的方式排列多個而使用也是有效的方法。而且，上述偏振照明光學(xué)元件在使用于液晶投影儀時(shí)更加有效，該液晶投影儀具 備使用排列多個微透鏡的一對微透鏡陣列分割來自光源燈的照明光、且使分割而成的照明 光在液晶顯示板上重疊而進(jìn)行照明的照明光學(xué)系統(tǒng)，此時(shí)，在上述一對微透鏡陣列的出射 面的正后面配置偏振照明光學(xué)元件也可。根據(jù)本發(fā)明，獲得耐熱性優(yōu)異且制造成本也得以抑制得較低的偏振轉(zhuǎn)換元件，在 具有相互正交的偏振方向的第1或第2線偏振光的一方入射時(shí)，能夠?qū)⑵湟愿咝兽D(zhuǎn)換成 其他線偏振光。本發(fā)明的偏振轉(zhuǎn)換元件所使用的相位差膜可以用相對于基板面從大致垂直 的方向進(jìn)行蒸鍍的通常蒸鍍方法而制造，所以可以獲得消除由斜向蒸鍍引起的相位差膜易 于產(chǎn)生的白濁、并在物理性的耐久性方面也優(yōu)越的相位差膜。而且，通過將這種偏振轉(zhuǎn)換元 件在液晶投影儀的照明光學(xué)系統(tǒng)中作為偏振照明光學(xué)元件而利用，從而能夠高效率地獲得 液晶顯示板照明用的線偏振光，并能夠提高投影圖像的對比度。


圖1是表示液晶投影儀的照明光學(xué)系統(tǒng)的重要部分的簡要圖。圖2是表示液晶投影儀的光源裝置的重要部分的簡要圖。圖3是偏振照明光學(xué)元件的外觀圖。圖4是表示偏振照明光學(xué)元件的簡要結(jié)構(gòu)的局部破斷立體圖。圖5是偏振轉(zhuǎn)換元件的剖面圖。圖6是偏振照明光學(xué)元件的功能說明圖。圖7是表示偏振照明光學(xué)元件的其他例子的功能說明圖。圖8是表示偏振轉(zhuǎn)換元件的制造工序的一例的說明圖。圖9是表示偏振轉(zhuǎn)換元件的其他例子的局部破斷立體圖。圖10是表示使2個偏振轉(zhuǎn)換元件要素組合后的例子的簡要剖面圖。圖11是使2個棱鏡板的接合境界線交叉的狀態(tài)的說明圖。圖12是表示基于2個偏振轉(zhuǎn)換元件要素的偏振方向的變化的說明圖。圖13是表示偏振轉(zhuǎn)換元件的分光轉(zhuǎn)換效率特性的傾向的圖表。圖中7_偏振照明光學(xué)元件，24-偏振分束器陣列，25-偏振轉(zhuǎn)換元件，25a、25b_偏 振轉(zhuǎn)換元件要素，26-偏振光分離膜，27-反射膜，30-棱鏡桿(prism rod)，32、53_相位差 膜，43-角度選擇膜，46-棱鏡板。
具體實(shí)施例方式液晶投影儀的光學(xué)系統(tǒng)與光源裝置S —同被簡要地如圖1構(gòu)成。如圖2所示，光 源裝置S具備超高壓水銀燈等高亮度的光源燈2，與反射器3 —同使用。在照明光路中設(shè)置 紅外線及紫外線截止用濾光片4，各種偏振光混在的非偏振光/可見區(qū)域的照明光大致成為平行光而入射到第1微透鏡陣列5。第1微透鏡陣列5是將多個微透鏡以模仿液晶顯示 板的矩形形狀的方式排列成矩形矩陣狀的微透鏡陣列，并且在具有同樣的結(jié)構(gòu)的第2微透 鏡陣列6上等效地形成與微透鏡個數(shù)相同的人造光源。 來自在第2微透鏡陣列6上所形成的人造光源的照明光在周圍光也以5 6°左 右的較小的入射角入射到偏振照明光學(xué)元件7。偏振照明光學(xué)元件7具有以下作用，即從包 含多種偏振光的非偏振的照明光中將具有與紙面垂直的偏振方向的線偏振光分離而入射 到照明透鏡8的作用。照明透鏡8將按每個人造光源從偏振照明光學(xué)元件7成為線偏振光 所出射的各照明光引導(dǎo)到在B (藍(lán)色光)信道、G (綠色光)信道、R(紅色光)信道所分別設(shè) 置的液晶顯示板的有效畫面整體并使之重疊，由此均勻地照明各信道的液晶顯示板。經(jīng)由照明透鏡8從光源裝置S出射的照明光，如圖1所示，首先入射到分色鏡10 而將藍(lán)色光透射且將其他色光反射。藍(lán)色光經(jīng)過全反射鏡11而入射到場透鏡(也稱場 鏡)12B。在場透鏡12B上借助照明透鏡8的作用而來自人造光源的光束被重疊，且在其背 后所設(shè)置的液晶顯示板14B的有效畫面內(nèi)進(jìn)行均勻地照明。而且，由分色鏡10反射的色光 中的綠色光被下一個分色鏡15反射，同樣地經(jīng)過場透鏡12G對液晶顯示板14G賦予均勻的 照明。分色鏡15所透射的紅色光，經(jīng)過第1中繼透鏡16、全反射鏡17、第2中繼透鏡18、 全反射鏡19而被引導(dǎo)至場透鏡12R，同樣地，對液晶顯示板14R從背面?zhèn)冗M(jìn)行均勻的照明。 由于R信道的照明光程長長于B、G信道，這樣照明透鏡8的作用會在R信道被損壞，但通過 使用第1、第2中繼透鏡16、18而在R信道也同樣地保持照明透鏡8的作用。經(jīng)由場透鏡12B、12G、12R，在周圍光量也不降低的狀態(tài)下，各液晶顯示板14B、 14G、14R從背面?zhèn)缺痪€偏振的照明光均勻地照明。而且，各液晶顯示板14B、14G、14R透射的 按每信道的圖像光由十字形分色棱鏡20合成，作為全色的圖像光入射到投射透鏡22并朝 向屏幕被投射。光源裝置S所使用的偏振照明光學(xué)元件7，如圖3所示，具有大致矩形板狀的外觀， 由偏振分束器陣列24和在其光出射面?zhèn)雀糸_一定間隔所接合的偏振轉(zhuǎn)換元件25構(gòu)成。偏 振分束器陣列24是將剖面為平行四邊形的縱長的棱鏡桿24a、24b排列多根并加以接合的 偏振分束器陣列，在相互的接合面交替形成由介質(zhì)多層膜構(gòu)成的偏振光分離膜26和由金 屬膜構(gòu)成的反射膜27。棱鏡桿24a、24b成為按照相對于入射面的法線而偏振光分離膜26 及反射膜27具有45°的傾斜的方式被整形的相同的形狀的棱鏡桿。偏振光分離膜26具有以下作用，即，使從棱鏡桿24b的入射面(圖中背面?zhèn)?大 致垂直入射的非偏振的照明光中的、P偏振成分的線偏振光(具有與包括偏振光分離膜26 的法線和入射光線的面平行的偏振方向)透射而S偏振成分的線偏振光(具有與P偏振成 分的線偏振光的偏振方向正交的偏振方向)反射的作用。偏振光分離膜26所透射的P偏 振光直接通過棱鏡桿24a從出射面?zhèn)壬涑?，相對于此，由偏振光分離膜26反射的S偏振光 被反射膜27反射而垂直入射到偏振轉(zhuǎn)換元件25。另外，在另一方的棱鏡桿24a的入射面?zhèn)?設(shè)置遮光膜28，以使在棱鏡桿24a沒有來自光源燈2的非偏振光入射。偏振轉(zhuǎn)換元件25具有使偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的1/2波長板的功能，因此，在透過偏 振轉(zhuǎn)換元件25之間，S偏振光被轉(zhuǎn)換成P偏振光之后從出射面?zhèn)壬涑?。通過使這種棱鏡桿 24a、24b之對在包括偏振光分離膜26及反射膜27的狀態(tài)下交替排列，可獲得如圖所示的板狀的偏振照明光學(xué)元件7，能夠按照在圖2所示的第2微透鏡陣列6的出射面的正后面遮蓋 出射面全面的方式進(jìn)行配置。在表示偏振照明光學(xué)元件的7的簡要結(jié)構(gòu)的圖4中，偏振轉(zhuǎn)換元件25以整體覆蓋 棱鏡桿24b的出射面的方式被整形成縱長的矩形狀，如在圖5表示其剖面那樣，成為與偏振 分束器陣列24同樣的將剖面為平行四邊形的棱鏡桿30并列排列的棱鏡片狀。棱鏡桿30 具有入射面30a及出射面30b、和與入射面30a以內(nèi)角45°相連的第1側(cè)面30c及與出射 面30b以內(nèi)角45°相連的第2側(cè)面30d，鄰接的棱鏡桿30的各自的第1側(cè)面30c和第2側(cè) 面30d相互接合。但是，如圖4所示，各棱鏡桿30傾斜，使得在該入射面30a或出射面30b 所現(xiàn)的接合境界線31與形成偏振轉(zhuǎn)換元件25的矩形狀的輪廓線的四邊以45°交叉。在各棱鏡桿30的第1側(cè)面30c上且在與鄰接的棱鏡桿30的第2側(cè)面30d接合之 前成膜具有光學(xué)各向異性的相位差膜32。從而，在這些棱鏡桿30的所有接合面的相互之 間夾設(shè)相位差膜32，如圖4所示，與接合境界線31對應(yīng)而出現(xiàn)相位差膜32的剖面。另外， 當(dāng)然也能夠在第2側(cè)面30d成膜相位差膜32。在偏振轉(zhuǎn)換元件25的剖面中，相位差膜32 相對于入射面30a傾斜45°，而且棱鏡桿30相對于形成偏振轉(zhuǎn)換元件25的輪廓的四邊傾 斜45°，所以從偏振轉(zhuǎn)換元件25的入射面30a垂直入射的光線必然會以45°入射到相位 差膜32。
相位差膜32可以在第1側(cè)面30c將折射率互不相同的2種介質(zhì)薄膜例如交替層 疊到140層左右而制造。此時(shí)，各介質(zhì)薄膜的光學(xué)膜厚非常薄，是在所謂的光學(xué)干涉薄膜多 用的λ /4、λ /2的數(shù)十分之1以下。在成膜相位差膜32時(shí)，可以用使成為成膜對象的第1 側(cè)面30c大致正對著2種蒸鍍源的通常的蒸鍍方法，監(jiān)視膜厚并從各蒸鍍源交替進(jìn)行蒸鍍 而層疊折射率互不相同的2種介質(zhì)薄膜即可。另外，公知有具有光學(xué)各向異性的雙折射Δη 值會隨著所層疊的2種介質(zhì)薄膜的折射率差及各膜厚比而被決定，根據(jù)介質(zhì)多層膜整體的 物理性膜厚d和雙折射Δη的積決定延遲。通過進(jìn)行這種蒸鍍，在第1側(cè)面30c成膜作為其光學(xué)軸與第1側(cè)面30c的法線一 致的單軸性的負(fù)的C板(C plate)而發(fā)揮功能的相位差膜32。而且，通過考慮預(yù)先設(shè)定的 雙折射Δη值、及在相位差膜32內(nèi)的光程長(光路長)來調(diào)整整體的膜厚d，從而可以對從 入射面30a垂直入射而穿過相位差膜32的光線給予1/2波長量的相位差。而且，也可以通 過相位差膜32的膜厚調(diào)整，對從入射面30a垂直入射的光給予適當(dāng)?shù)南辔徊罾缃o予1/4 波長的相位差，所以也可以將其作為1/4波長板而使用。另外，就相位差膜32所使用的蒸 鍍材料而言，作為高折射材料能夠利用Ta205、Ti203、TiO2, ZrO2, Nb2O3，作為低折射材料能夠 利用Si02、MgF2、CaF2等公知的材料。如以上所構(gòu)成的偏振照明光學(xué)元件7的作用如下。從構(gòu)成第2微透鏡陣列6的各 微透鏡以主光線大致平行的方式所射出的非偏振的照明光，按每個微透鏡入射到偏振照明 光學(xué)元件7。如圖6所示，從微透鏡射出且從棱鏡桿24b的入射面隨著入射光軸K而大致垂 直入射的照明光，向偏振光分離膜26以45°的入射角入射。偏振光分離膜26將所入射的照明光中的P偏振成分的線偏振光透射、并將S偏振 成分的線偏振光以45°反射。所透射的P偏振成分的線偏振光直接從棱鏡桿24b的出射面 以P偏振成分的線偏振光出射。由偏振光分離膜26所反射的S偏振成分的線偏振光，在再 次被反射膜27反射之后，向與棱鏡桿24b的出射面接合的偏振轉(zhuǎn)換元件25大致垂直入射。
偏振轉(zhuǎn)換元件25所使用的相位差膜32，由在棱鏡桿30的第1側(cè)面30c沿其法線 方向所層疊的介質(zhì)多層膜構(gòu)成，所以相位差膜32的光學(xué)軸按每個第1側(cè)面30c與其法線方 向一致。但是，第1側(cè)面30c在與S偏振成分的線偏振光的光軸L (與入射光軸K平行)垂 直的面內(nèi)、以光軸L為中心傾斜45°，所以相位差膜32的光學(xué)軸相對于與紙面垂直的S偏 振成分的線偏振光的偏振方向傾斜45°，S偏振成分的線偏振光在考慮光學(xué)軸的狀態(tài)下相 對于相位差膜32等效地以45°傾斜入射。因此，若考慮該傾斜入射并調(diào)整相位差膜32的膜厚，則S偏振成分的線偏振光在 相位差膜32等效上可以給予1/2波長的相位差，其結(jié)果，S偏振成分的線偏振光在其偏振 方向(偏振面)旋轉(zhuǎn)90°后就作為P偏振成分的線偏振光從偏振轉(zhuǎn)換元件25射出。由此，若來自光源燈2的照明光入射到偏振照明光學(xué)元件7，則從各種偏振光中只 有偏振方向調(diào)為水平方向的P偏振成分的線偏振光射出，從而可以使用在按每個顏色信道 所設(shè)置的液晶顯示板14B、14G、14R的照明。如眾所周知，在光源燈2上利用了高亮度的燈， 其周圍達(dá)到相當(dāng)?shù)臏囟龋淦裾彰鞴鈱W(xué)元件7所使用的相位差膜32是無機(jī)材料制的， 而且在不需要斜向蒸鍍的狀態(tài)下，作為各介質(zhì)薄膜的膜厚監(jiān)視也容易的膜而能夠制造，所 以耐久性優(yōu)異，并且由于其適于批量生產(chǎn)在成本方面也可得到利處。但是，在偏振分束器陣列24中，如圖7所示，公知有使柱狀的直角棱鏡桿40a、40b 組合而作為棱鏡桿24b，并且使直角棱鏡桿41a、41b組合而構(gòu)成棱鏡桿24a的偏振分束器陣 列。另外，在圖中，對于功能相同的偏振轉(zhuǎn)換元件25、偏振光分離膜26、反射膜27賦予相同 符號。使用具有該結(jié)構(gòu)的偏振分束器陣列24時(shí)，在直角棱鏡桿40a、40b的接合面形成角 度選擇膜43也是有效的。角度選擇膜43例如是以500nm左右的膜厚成膜折射率為1. 46 的Si02膜的角度選擇膜，具有以下作用，S卩，在可見光波長區(qū)域的光線以0° 10°左右的 較小的入射角入射時(shí)，將其大致100%透射，相反地在以80° 90°的較大的角度入射時(shí)， 將其大致100%反射。如上述，在使用微透鏡陣列的照明光學(xué)系統(tǒng)中，也包括具有以5 6°左右的發(fā)散 角而入射到偏振分束器陣列24的光線。這種光線Q以較大的入射角入射到角度選擇膜43， 并且大部分被反射，如由實(shí)線所示，入射到偏振光分離膜26，所以，之后成為直接透射的P 偏振成分的線偏振光和由偏振光分離膜26反射的S偏振成分的線偏振光。被反射的S偏 振成分的線偏振光是較小的入射光，所以就透過角度選擇膜43并經(jīng)由反射膜27朝向偏振 轉(zhuǎn)換元件25。因此，如在圖中由虛線所示，可以防止非偏振的光線K透過偏振轉(zhuǎn)換元件25 而射出的現(xiàn)象，在減少干擾光的方面上是有利的。而且，在如光線R具有角度而入射的光線中的、透過了偏振光分離膜26的P偏振 成分的線偏振光從直角棱鏡桿41a的出射面射出時(shí)，也存在在與空氣的界面向圖示的方向 折射、在偏振轉(zhuǎn)換元件25的側(cè)面產(chǎn)生蝕痕的現(xiàn)象。為了防止這種現(xiàn)象，將具有與偏振轉(zhuǎn)換 元件25相同程度的厚度、具有與直角棱鏡桿41a相同的折射率的玻璃板按照覆蓋直角棱鏡 桿41a的出射面整體的方式進(jìn)行接合，等效地使P偏振成分的線偏振光的出射面與偏振轉(zhuǎn) 換元件25的出射面大致一致即可。在圖8示出上述偏振轉(zhuǎn)換元件25的制造方法的一例。如該圖(A)所示，在成為棱 鏡桿30的原材料的玻璃板45的一面，將相位差膜32用不基于斜向蒸鍍的通常的蒸鍍方法進(jìn)行成膜。當(dāng)然，根據(jù)蒸鍍設(shè)備的容量可以對多個玻璃板45—并蒸鍍相位差膜32。使這樣獲得的玻璃板45如圖(B)所示進(jìn)行重疊而接合。而且，如在同圖(B)用雙點(diǎn)劃線所示，根據(jù)與玻璃板45的表面以45°相交的切斷 線切斷層疊體，并對該分割面進(jìn)行研磨而獲得該圖(C)所示的棱鏡板46。該棱鏡板46的分 割面的一方成為偏振轉(zhuǎn)換元件25的入射面、另一方成為出射面，分別沿長邊延伸的玻璃板 45的分割片相當(dāng)于棱鏡桿30。將這樣獲得的棱鏡板46按該圖(D)虛線表示的切斷線切斷成矩形板狀、并研磨分 割面而可以獲得偏振轉(zhuǎn)換元件25。該圖(D)所示的分割線相當(dāng)于偏振轉(zhuǎn)換元件25的矩形 狀的外形輪廓線，所以切斷線的短邊及長邊按照與棱鏡桿30的接合境界線31或者相位差 膜32的切斷面以45°相交的方式設(shè)定，而且有關(guān)棱鏡板46的厚度方向垂直切斷為宜。如圖4所示，通常將偏振照明光學(xué)元件7所使用的偏振轉(zhuǎn)換元件25設(shè)為細(xì)長的矩 形狀的片狀而被多用。因此，如上述，若按照接合境界線31相對于偏振轉(zhuǎn)換元件25的外徑 輪廓線成為45°的方式從棱鏡板46切出偏振轉(zhuǎn)換元件25，則在棱鏡桿24b的出射面接合 該偏振轉(zhuǎn)換元件25時(shí)，只要將偏振轉(zhuǎn)換元件25作為外形基準(zhǔn)而進(jìn)行接合，就可以將相位差 膜32的光學(xué)軸與適合于線偏振光的偏振方向的方向?qū)?zhǔn)。在上述實(shí)施方式中，對于從入射面30a垂直入射的線偏振光，在棱鏡桿30的第 1側(cè)面30c所成膜的相位差膜32作為1/2波長板發(fā)揮功能，使線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn) 90°。就該1/2波長板的功能而言，也能夠組裝2個1/4波長板來實(shí)現(xiàn)。由此，在圖9所示 的實(shí)施方式中所利用的偏振轉(zhuǎn)換元件25，代替在圖8所示的偏振轉(zhuǎn)換元件25的制造過程中 在玻璃板45為了獲得1/2波長板的功能所成膜的相位差膜32，將作為1/4波長板發(fā)揮功能 的相位差膜成膜后的偏振轉(zhuǎn)換元件要素25a、25b兩片重疊接合而使用。當(dāng)然，也能夠僅將 偏振轉(zhuǎn)換元件要素25a、25b的一方作為1/4波長板而使用于其他的用途，在此時(shí)也有由無 機(jī)材料構(gòu)成、且不需要斜向蒸鍍而簡單并低成本制造的優(yōu)點(diǎn)。偏振轉(zhuǎn)換元件要素25a、25b的重疊方法，如圖9所示，也可以是鄰接的棱鏡桿30 的相互的接合境界線31 (對應(yīng)于相位差膜的剖面)為一連，而且如圖10(A)、(B)所示，也可 以給予1/4波長的相位差的相位差膜53 (對應(yīng)于接合境界線31)偏移，也可以正交。即使 是這些中的任意方式，也由于相位差膜53的光學(xué)軸投影到偏振轉(zhuǎn)換元件25的入射面時(shí)的 方向相對于入射而來的線偏振光的偏振方向(偏振面)成為45°，總體上就可以使線偏振 光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90° (45° X2)。如上述，為了使用將作為1/4波長板發(fā)揮功能的相位差膜53成膜后的2個偏振轉(zhuǎn) 換元件要素25a、25b而使偏振方向旋轉(zhuǎn)90°，也可以不用進(jìn)行將重疊的兩片偏振轉(zhuǎn)換元件 要素25a、25b的接合境界線31相對于入射的線偏振光的偏振方向以45°調(diào)整對準(zhǔn)，或者不 用將一方設(shè)為45°而使另一方與其正交。例如，在圖11所示的實(shí)施方式中示出以下例子， 即替代圖8 (C)所示的棱鏡板46的相位差膜32，將成膜有相位差膜53的2個棱鏡板55a、 55b接合，使得各棱鏡桿30、30的相互的接合境界線56a、56b以“ θ 1- θ 2”的角度相交，將 其用以虛線示出的切斷線切斷，并作為偏振轉(zhuǎn)換元件25而利用的例子。以虛線示出的切斷線按照與圖9所示的棱鏡桿24b的光出射面的形狀一致的方式 決定。對于從偏振轉(zhuǎn)換元件25的入射面入射的線偏振光的偏振方向，接合境界線56a、56b 均不是45°的角度。即，一方的偏振轉(zhuǎn)換元件要素25a所對應(yīng)的棱鏡板55a的接合境界線56a相對于線偏振光的偏振方向傾斜θ 1，另一方的棱鏡板55b的接合境界線56b傾斜θ 2， 這些角θ 1、θ 2均不是45°。
若對以圖11的分割線所切出的偏振轉(zhuǎn)換元件25入射偏振方向與垂直方向一致 的P偏振成分的線偏振光，則在其入射面所投影的偏振轉(zhuǎn)換元件要素25a的光學(xué)軸[1] 正交于接合境界線56a，所以如圖12所示，從偏振方向PO按逆時(shí)針方向傾斜角δ 1(= “90° -Θ1”)。因此，以偏振方向PO入射的線偏振光被轉(zhuǎn)換成按逆時(shí)針方向傾斜2δ1的 偏振方向Pl的線偏振光。而且，接合境界線56b從垂直方向傾斜了角θ 2的另一方的偏 振轉(zhuǎn)換元件要素25b的光學(xué)軸[2]同樣地從偏振方向PO按逆時(shí)針方向傾斜了角δ2( = “90° - θ 2”)，所以線偏振光的偏振方向Pl進(jìn)一步傾斜2( δ 2-2 δ 1)，并成為偏振方向Ρ2 的線偏振光。從而，如果以“2 δ 1+2 (δ 2-2 δ 1) = 2(δ2-δ 1)”的值、ΒΡ“2(Θ 1-Θ2)”的 值與90° —致的方式?jīng)Q定角θ 1、θ 2的值，則偏振方向垂直的P偏振成分的線偏振光就被 轉(zhuǎn)換成偏振方向水平的S偏振成分的線偏振光。另外，如上述，在以使入射的線偏振光的偏振方向旋轉(zhuǎn)90°的目的將上述 偏振轉(zhuǎn)換元件要素25a、25b組合時(shí)，對于Θ1、θ 2的任意一個或者兩個，也能夠作為 “Θ1±ηχ90° ”、“Θ2士ηΧ90° ”組合。而且，其結(jié)果是，如果按照滿足“(θ 1-θ 2 = 45° )”的關(guān)系的方式?jīng)Q定角Θ1、角0 2的值，則一對偏振轉(zhuǎn)換元件要素253、2513組合后的 偏振轉(zhuǎn)換元件25也可以作為1/2波長板而利用。這樣，2個偏振轉(zhuǎn)換元件要素25a、25b組合而使用時(shí)，與使接合境界線31傾斜 45°的上述的實(shí)施方式相比有以下優(yōu)點(diǎn)。例如，在圖13用虛線所示的相對轉(zhuǎn)換效率特性 E1，表示如圖4所示使1個偏振轉(zhuǎn)換元件25傾斜45°并使用時(shí)的分光特性，雖然在相位差 膜32的設(shè)計(jì)中心波長λ ^附近表示良好的轉(zhuǎn)換效率，但隨著從中心波長λ ^脫離其轉(zhuǎn)換效 率容易下降。相對于此，在將圖9中的2個偏振轉(zhuǎn)換元件要素25a、25b的各接合境界線31 相對于垂直線設(shè)為“ θ 1 = 55°，Θ2 = 10° ”的角度而使用的偏振轉(zhuǎn)換元件25中可獲得 特性Ε2，且在以“ θ 1 = 63°，Θ2 = 18° ”的角度使用的偏振轉(zhuǎn)換元件25中可得到特性 Ε3，確認(rèn)了通過θ 1、θ 2的調(diào)整可以改善波長特性。θ 1、θ 2的值能夠設(shè)定成多種多樣，但 如果考慮分光特性的對稱性，則可以推定優(yōu)選“60°彡Θ1彡70°，15°彡θ 2 ^ 25° ”的 范圍。以上，基于圖示的實(shí)施方式進(jìn)行了說明，但本發(fā)明的偏振轉(zhuǎn)換元件可以適用于液 晶投影儀的偏振照明光學(xué)元件，但在進(jìn)行偏振的領(lǐng)域中，根據(jù)用途需要使偏振方向旋轉(zhuǎn) 90°。在這種情況，也可以將上述偏振轉(zhuǎn)換元件25作為1/2波長板而利用，也可以通過相 位差膜的膜厚調(diào)整作為1/4波長板而利用。
權(quán)利要求
一種偏振轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，具備棱鏡片，按照將具有相互平行地相對的入射面及出射面、和與上述入射面以內(nèi)角45°相連的第1側(cè)面及與上述出射面以內(nèi)角45°相連的第2側(cè)面的細(xì)長的棱鏡桿排列多根的方式，將上述第1側(cè)面和第2側(cè)面依次接合，相位差膜，在相互接合的上述棱鏡桿的上述第1側(cè)面或第2側(cè)面以光學(xué)軸與其法線大致一致的方式所成膜，并由介質(zhì)多層膜構(gòu)成且具有光學(xué)各向異性，在上述入射面或出射面?zhèn)瘸事冻龅纳鲜龆喔忡R桿的各接合境界線，在與入射的線偏振光的入射光軸垂直的面內(nèi)相對于上述線偏振光的偏振方向傾斜45°。
2.如權(quán)利要求1所述的偏振轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，上述棱鏡片被整形為矩形狀，相對于形成矩形的各邊而上述接合境界線以45°相交。
3.一種偏振轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，具備棱鏡片，按照將具有相互平行地相對的入射面及出射面、和與上述入射面以內(nèi)角45° 相連的第1側(cè)面及與上述出射面以內(nèi)角45°相連的第2側(cè)面的細(xì)長的棱鏡桿排列多根的方 式，將上述第1側(cè)面和第2側(cè)面依次接合，相位差膜，由在相互接合的上述棱鏡桿的上述第1側(cè)面或第2側(cè)面以光學(xué)軸與其法線 大致一致的方式所成膜的介質(zhì)多層膜構(gòu)成，且具有對從上述入射面垂直入射的透射光給予 1/2波長的相位差的光學(xué)各向異性，在上述入射面或出射面?zhèn)瘸事冻龅纳鲜龆喔忡R桿的各接合境界線，在與入射的線偏 振光的入射光軸垂直的面內(nèi)相對于上述線偏振光的偏振方向傾斜45°。
4.一種偏振轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，具備2個偏振轉(zhuǎn)換元件要素，該偏振轉(zhuǎn)換元件要素由棱鏡片和相位差膜構(gòu)成， 上述棱鏡片，按照將具有相互平行地相對的入射面及出射面、和與上述入射面以內(nèi)角 45°相連的第1側(cè)面及與上述出射面以內(nèi)角45°相連的第2側(cè)面的細(xì)長的棱鏡桿排列多根 的方式，將上述第1側(cè)面和第2側(cè)面依次接合，上述相位差膜，由在相互接合的上述棱鏡桿的上述第1側(cè)面或第2側(cè)面以光學(xué)軸與其 法線大致一致的方式所成膜的介質(zhì)多層膜構(gòu)成，且具有對從上述入射面垂直入射的透射光 給予1/4波長的相位差的光學(xué)各向異性，上述2個偏振轉(zhuǎn)換元件要素的各自的接合境界線，在與入射的線偏振光的入射光軸垂 直的面內(nèi)相對于上述線偏振光的偏振方向傾斜45°而配置。
5.一種偏振轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，具備2個偏振轉(zhuǎn)換元件要素，該偏振轉(zhuǎn)換元件要素由棱鏡片和相位差膜構(gòu)成， 上述棱鏡片，按照將具有相互平行地相對的入射面及出射面、和與上述入射面以內(nèi)角 45°相連的第1側(cè)面及與上述出射面以內(nèi)角45°相連的第2側(cè)面的細(xì)長的棱鏡桿排列多根 的方式，將上述第1側(cè)面和第2側(cè)面依次接合，上述相位差膜，由在相互接合的上述棱鏡桿的上述第1側(cè)面或第2側(cè)面以光學(xué)軸與其 法線大致一致的方式所成膜的介質(zhì)多層膜構(gòu)成，且具有對從上述入射面垂直入射的透射光 給予1/4波長的相位差的光學(xué)各向異性，上述偏振轉(zhuǎn)換元件要素的一方的上述接合境界線，在與入射的線偏振光的入射光軸垂 直的面內(nèi)，相對于上述線偏振光的偏振方向以角θ 1傾斜而配置，上述偏振轉(zhuǎn)換元件要素的另一方的上述接合境界線，在與入射的線偏振光的入射光軸垂直的面內(nèi)，相對于上述線 偏振光的偏振方向以角92傾斜而配置，并且2(0 1-02)為大致90°。
6.如權(quán)利要求5所述的偏振轉(zhuǎn)換元件，其特征在于，60° ≤e 1 ≤ 70°，15°≤ e 2≤ 25°。
7.一種偏振照明光學(xué)元件，其特征在于，由偏振分束器和偏振轉(zhuǎn)換元件構(gòu)成，上述偏振分束器，在棱鏡相互的接合面具備偏振光分離膜，使入射到上述偏振光分離 膜的非偏振光中的、偏振方向相互正交的第1或第2線偏振光的一方透過，并使另一方反 射；上述偏振轉(zhuǎn)換元件，是與被上述偏振光分離膜反射的另一方的線偏振光射出的偏振分 束器的出射面相接合的、權(quán)利要求3 6中的任一項(xiàng)所述的偏振轉(zhuǎn)換元件，將從照明光源入射到上述偏振分束器的非偏振光轉(zhuǎn)換成由透過上述偏振光分離膜的 一方的線偏振光、和通過被上述偏振光分離膜反射且透過上述偏振轉(zhuǎn)換元件而偏振方向旋 轉(zhuǎn)了 90°的一方的線偏振光構(gòu)成的偏振照明光。
8.如權(quán)利要求7所述的偏振照明光學(xué)元件，其特征在于，在出射面接合有上述偏振轉(zhuǎn)換元件的上述偏振分束器，以將上述偏振轉(zhuǎn)換元件在相同 的面上排列的方式排列多個。
9.一種液晶投影儀，其特征在于，具備利用排列有多個微透鏡的一對微透鏡陣列對來自光源燈的照明光進(jìn)行分割、使 所分割的照明光在液晶顯示板上重疊而進(jìn)行照明的照明光學(xué)系統(tǒng)，并且，在上述一對微透鏡陣列的出射面的正后面設(shè)置權(quán)利要求7或8所述的偏振照明 光學(xué)元件。
全文摘要
本發(fā)明提供一種偏振轉(zhuǎn)換元件、偏振照明光學(xué)元件以及液晶投影儀，從非偏振光抽取偏振方向?yàn)橐欢ǖ木€偏振光的偏振照明光學(xué)元件的耐熱性得以提高，并且制造成本也抑制得較低。在棱鏡桿(24a)、(24b)相互接合面設(shè)置偏振光分離膜(26)和反射膜(27)。在由偏振光分離膜(26)反射且由反射膜(47)反射的線偏振光所射出的出射面接合偏振轉(zhuǎn)換元件(25)。偏振轉(zhuǎn)換元件(25)將多個棱鏡桿(30)相對于其入射面傾斜45°的側(cè)面進(jìn)行相互接合，在接合面的彼此之間設(shè)有用于將1/2波長的相位差給予透射光而由介質(zhì)多層膜構(gòu)成的相位差膜。按照相位差膜的光學(xué)軸與線偏振光的偏振方向形成45°的方式，在與入射的線偏振光的入射光軸垂直的面內(nèi)，與接合境界線(31)一同相位差膜也傾斜45°。
文檔編號G02B5/30GK101846763SQ201010118109
公開日2010年9月29日 申請日期2010年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月26日
發(fā)明者川村宜司 申請人:富士能株式會社