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図面 (20)

課題

従来に比べて、小型化及び軽量化できる偏光ビームスプリッタを提供する。

解決手段

本発明の偏光ビームスプリッタは、透光性基材と、基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、基材を介してホログラム層に入射した光からS偏光の光を分離できる偏光ビームスプリッタであって、基材は、ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、表面と裏面とを接続する側面とを有し、ホログラム層は、裏面又は側面の一部のいずれか一方を介して基材の外部からホログラム層に入射した円偏光の光を回折させて消光比が50:1以上のS偏光の光を裏面又は側面の前記一部の他方に向けて発生させるホログラムを有している。

概要

背景

従来から表示装置の表示部として液晶表示素子が多く使用されている。液晶表示素子は、2枚の基板の間液晶配向させ、基板に設けられた各画素電極電圧を制御することにより、画素電極が配置された領域の液晶の配向状態を変化させ、画素ごとに通過する光の偏光状態を変化させ、偏光状態の違いにより画素の明るさを制御して画像を表示する。透過型の液晶表示素子であれば、2枚の基板の外側表面に、特定の直線偏光のみを透過する偏光板を設け、入射側の偏光板によって液晶表示素子に入射する光を特定の直線偏光の光のみとし、直線偏光の光が液晶を通過する間に偏光状態を変化させ、出射側の偏光板を通過できる直線偏光成分の割合によって明るさを制御している。また、反射型の場合には、一表面から光を入射させ、画素電極で反射して同じ表面から出射するが、やはり一表面側に特定の直線偏光のみを透過する偏光板を設け、直線偏光の光が画素電極まで往復する間に液晶によって偏光状態を変化させ、直線偏光成分の割合によって明るさを制御している。反射型液晶表示素子の一つに、シリコンチップの表面に液晶を載せたLCOS(Liquid Crystal on Silicon)デバイスが知られている。

反射型の液晶表示素子は、映像投影する表示装置であるプロジェクターや、使用者の頭部に装着され、眼前に画像を表示する表示装置であるヘッドマウントディスプレイ(HMD)等に使用されるが、光の入射面と画像の表示面が同じであることから、光源から液晶表示装置照射される光と、液晶表示装置から出射された光との光路を分離する偏光ビームスプリッタが必要であった。特許文献1には、反射型の液晶表示素子を利用したHMDが記載されており、特許文献1のHMDは、光源、導光部材及び液晶表示素子を有する液晶ユニットを備え、液晶表示素子の表示面に導光部材として偏光ビームスプリッタが固定されており、光源から入射した光を偏光ビームスプリッタによって液晶表示素子に向けて反射させ、液晶表示素子から出射した画像については偏光ビームスプリッタを透過させていた。特許文献1のHMDにおいては、偏光ビームスプリッタよりも光源側の光路にS偏光を通過する偏光板が設けられており、偏光板を通過したS偏光の光が偏光ビームスプリッタに入射し、傾斜面に設けられた反射面によって液晶表示素子に向かって反射するように構成されている。

図19は、従来の反射型の表示装置300における表示動作を説明する図である。表示装置300は、反射型の液晶表示素子301と、その表面側に配置された偏光ビームスプリッタ302と、偏光ビームスプリッタ302よりも光源(図示せず)側に配置された偏光板303とを有している。液晶表示素子301は、入射したS偏光の光を画素電極で反射し、液晶表示素子の表示面に画像を表示するが、ONの画素311の光は液晶層を通過する際に偏光の向きが回転し、表示面においてちょうど90度回転するように構成され、OFFの画素312の光は液晶層を通過する際に偏光の向きが回転しないように構成されている。偏光ビームスプリッタ302は、2個の直角プリズムの傾斜面を対向させて貼り合わせたキューブ型が一般的であり、45度の傾斜面306には誘電体多層膜蒸着されており、S偏光成分を反射させ、P偏光成分を透過させる。偏光板303は、S偏光成分を通過し、P偏光成分を遮蔽する。

光源からの光310は、偏光ビームスプリッタ302の手前に配置された偏光板303によってS偏光の光311とされて偏光ビームスプリッタ302に入射する。S偏光の光311は、偏光ビームスプリッタ302の傾斜面306によって液晶表示素子301に向けて反射され、液晶表示素子301に入射する。液晶表示素子301のONの画素304に入射した光は、液晶層を通過する際に偏光の向きが90度回転し、P偏光の光312となり、液晶表示素子301の表面から出射し、偏光ビームスプリッタ302の傾斜面306を通過して表示される。一方、液晶表示素子301のOFFの画素305に入射した光は、液晶層を通過しても偏光の向きは変わらず、S偏光の光313のまま液晶表示素子301の表面から出射し、偏光ビームスプリッタ302の傾斜面306によって反射されるため、非表示の画素となる。

概要

従来に比べて、小型化及び軽量化できる偏光ビームスプリッタを提供する。本発明の偏光ビームスプリッタは、透光性基材と、基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、基材を介してホログラム層に入射した光からS偏光の光を分離できる偏光ビームスプリッタであって、基材は、ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、表面と裏面とを接続する側面とを有し、ホログラム層は、裏面又は側面の一部のいずれか一方を介して基材の外部からホログラム層に入射した円偏光の光を回折させて消光比が50:1以上のS偏光の光を裏面又は側面の前記一部の他方に向けて発生させるホログラムを有している。

目的

本発明は、前述した問題に鑑みてなされたものであって、かかる問題の少なくとも一部を解決することができる偏光ビームスプリッタ、それを用いた面光源装置及び表示装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

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請求項1

透光性基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からS偏光の光を分離できる偏光ビームスプリッタであって、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを接続する側面とを有し、前記ホログラム層は、前記裏面又は前記側面の一部のいずれか一方を介して前記基材の外部から前記ホログラム層に入射した円偏光の光を回折させて消光比が50:1以上のS偏光の光を前記裏面又は前記側面の前記一部の他方に向けて発生させるホログラムを有していることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。

請求項2

透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からS偏光の光を分離できる偏光ビームスプリッタであって、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層は、前記裏面を介して前記基材の外部から前記ホログラム層に入射した光のうち、S偏光の光の少なくとも一部を回折させてS偏光の光を前記側面の一部に向けて発生し、且つ、P偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。

請求項3

透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からS偏光を分離できる偏光ビームスプリッタであって、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層は、前記側面の一部を介して前記基材の外部から前記ホログラム層に入射した光のうち、S偏光の光の少なくとも一部を回折させてS偏光の光を前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、P偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。

請求項4

透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からS偏光を分離できる偏光ビームスプリッタであって、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角のS偏光の光の少なくとも一部を回折させてS偏光の光を前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、前記臨界角よりも大きい入射角のP偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする偏光ビームスプリッタ。

請求項5

前記ホログラム層の前記ホログラムは、円偏光の光を回折させて消光比が50:1以上のS偏光の光を発生させることを特徴とする請求項2乃至4の何れか1項に記載の偏光ビームスプリッタ。

請求項6

前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記裏面を介して入射したP偏光の光を透過することを特徴とする請求項1に記載の偏光ビームスプリッタ。

請求項7

前記基材の前記表面は平面であり、前記裏面は平面であり、前記表面と前記裏面が平行に配置されていることを特徴とする請求項1乃至6の何れか1項に記載の偏光ビームスプリッタ。

請求項8

前記側面の少なくとも一部は、前記表面の法線に対して傾斜していることを特徴とする請求項7に記載の偏光ビームスプリッタ。

請求項9

前記ホログラム層の前記基材とは反対側に第2の基材を有することを特徴とする請求項1乃至8の何れか1項に記載の偏光ビームスプリッタ。

請求項10

光源と、請求項1乃至9の何れか1項に記載の偏光ビームスプリッタとを有し、前記光源からの出射光が前記側面の前記一部を介して前記ホログラム層に入射するように構成され、前記基材の裏面から光を出射することを特徴とする面光源装置

請求項11

光源と、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有する面光源装置であって、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層に対して、前記光源からの出射光が前記基材を介して前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角で入射するように構成され、前記ホログラム層は、前記臨界角よりも大きい入射角で入射した光を回折させて消光比が50:1以上のS偏光の光を前記基材の前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生させるホログラムを有していることを特徴とする面光源装置。

請求項12

光源と、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有する面光源装置であって、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層に対して、前記光源からの出射光が前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角で前記基材側から入射するように構成され、前記ホログラム層は、前記臨界角よりも大きい入射角で入射した光のうち、S偏光の光の少なくとも一部を回折させてS偏光の光を前記基材の前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、P偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする面光源装置。

請求項13

前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記裏面を介して入射したP偏光の光を透過することを特徴とする請求項11又は12に記載の面光源装置。

請求項14

前記基材の前記表面又は前記裏面には、前記ホログラムとは異なる第2のホログラムが設けられ、前記第2のホログラムは、前記光源からの出射光を回折させて前記基材の内部に前記臨界角よりも大きい入射角の光を発生させることを特徴とする請求項11乃至13の何れか1項に記載の面光源装置。

請求項15

前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記基材の前記裏面に向けて、発散光又は進行方向が異なる複数の光を発生させることを特徴とする請求項10乃至14の何れか1項に記載の面光源装置。

請求項16

請求項10乃至15の何れか1項に記載の面光源装置と、前記面光源装置から出射された光が照射される表示素子とを有することを特徴とする表示装置

請求項17

請求項10乃至15の何れか1項に記載の面光源装置と、前記面光源装置の前記基材の前記裏面に表示素子の画素電極が形成されていることを特徴とする表示装置。

請求項18

前記表示素子は、画素ごとに入射した光の偏光状態を変更することによって画像を表示することを特徴とする請求項16又は17に記載の表示装置。

請求項19

前記表示素子は、反射型であり、前記表示素子で反射された光が前記面高原装置に入射することを特徴とする請求項18に記載の表示装置。

請求項20

前記表示素子から出射する光に対してP偏光と平行な透過軸を有する偏光子を備えたことを特徴とする請求項17乃至19の何れか1項に記載の表示装置。

技術分野

0001

本発明は、ホログラムを使用したホログラフィック光学素子に関し、特に、S偏光の光を選択的に分離することが可能なホログラムを使用した偏光ビームスプリッタ、それを用いた面光源装置及び表示装置に関する。

背景技術

0002

従来から表示装置の表示部として液晶表示素子が多く使用されている。液晶表示素子は、2枚の基板の間液晶配向させ、基板に設けられた各画素電極電圧を制御することにより、画素電極が配置された領域の液晶の配向状態を変化させ、画素ごとに通過する光の偏光状態を変化させ、偏光状態の違いにより画素の明るさを制御して画像を表示する。透過型の液晶表示素子であれば、2枚の基板の外側表面に、特定の直線偏光のみを透過する偏光板を設け、入射側の偏光板によって液晶表示素子に入射する光を特定の直線偏光の光のみとし、直線偏光の光が液晶を通過する間に偏光状態を変化させ、出射側の偏光板を通過できる直線偏光成分の割合によって明るさを制御している。また、反射型の場合には、一表面から光を入射させ、画素電極で反射して同じ表面から出射するが、やはり一表面側に特定の直線偏光のみを透過する偏光板を設け、直線偏光の光が画素電極まで往復する間に液晶によって偏光状態を変化させ、直線偏光成分の割合によって明るさを制御している。反射型液晶表示素子の一つに、シリコンチップの表面に液晶を載せたLCOS(Liquid Crystal on Silicon)デバイスが知られている。

0003

反射型の液晶表示素子は、映像投影する表示装置であるプロジェクターや、使用者の頭部に装着され、眼前に画像を表示する表示装置であるヘッドマウントディスプレイ(HMD)等に使用されるが、光の入射面と画像の表示面が同じであることから、光源から液晶表示装置照射される光と、液晶表示装置から出射された光との光路を分離する偏光ビームスプリッタが必要であった。特許文献1には、反射型の液晶表示素子を利用したHMDが記載されており、特許文献1のHMDは、光源、導光部材及び液晶表示素子を有する液晶ユニットを備え、液晶表示素子の表示面に導光部材として偏光ビームスプリッタが固定されており、光源から入射した光を偏光ビームスプリッタによって液晶表示素子に向けて反射させ、液晶表示素子から出射した画像については偏光ビームスプリッタを透過させていた。特許文献1のHMDにおいては、偏光ビームスプリッタよりも光源側の光路にS偏光を通過する偏光板が設けられており、偏光板を通過したS偏光の光が偏光ビームスプリッタに入射し、傾斜面に設けられた反射面によって液晶表示素子に向かって反射するように構成されている。

0004

図19は、従来の反射型の表示装置300における表示動作を説明する図である。表示装置300は、反射型の液晶表示素子301と、その表面側に配置された偏光ビームスプリッタ302と、偏光ビームスプリッタ302よりも光源(図示せず)側に配置された偏光板303とを有している。液晶表示素子301は、入射したS偏光の光を画素電極で反射し、液晶表示素子の表示面に画像を表示するが、ONの画素311の光は液晶層を通過する際に偏光の向きが回転し、表示面においてちょうど90度回転するように構成され、OFFの画素312の光は液晶層を通過する際に偏光の向きが回転しないように構成されている。偏光ビームスプリッタ302は、2個の直角プリズムの傾斜面を対向させて貼り合わせたキューブ型が一般的であり、45度の傾斜面306には誘電体多層膜蒸着されており、S偏光成分を反射させ、P偏光成分を透過させる。偏光板303は、S偏光成分を通過し、P偏光成分を遮蔽する。

0005

光源からの光310は、偏光ビームスプリッタ302の手前に配置された偏光板303によってS偏光の光311とされて偏光ビームスプリッタ302に入射する。S偏光の光311は、偏光ビームスプリッタ302の傾斜面306によって液晶表示素子301に向けて反射され、液晶表示素子301に入射する。液晶表示素子301のONの画素304に入射した光は、液晶層を通過する際に偏光の向きが90度回転し、P偏光の光312となり、液晶表示素子301の表面から出射し、偏光ビームスプリッタ302の傾斜面306を通過して表示される。一方、液晶表示素子301のOFFの画素305に入射した光は、液晶層を通過しても偏光の向きは変わらず、S偏光の光313のまま液晶表示素子301の表面から出射し、偏光ビームスプリッタ302の傾斜面306によって反射されるため、非表示の画素となる。

先行技術

0006

特開2017−68044号公報

発明が解決しようとする課題

0007

ヘッドマウントディスプレイ等のウェアラブルディスプレイは、頭部に装着する必要があり、全体的に小型化及び軽量化が求められていた。しかし、反射型の液晶表示素子の場合には、表示素子の表示面に隣接して偏光ビームスプリッタを設ける必要があり、キューブ型の偏光ビームスプリッタではプリズムが重いこと、及び45度の傾斜面で反射及び透過するため、断面において縦と横の長さが同じであり、装置が大型化する点で問題があった。

0008

また、従来の偏光ビームスプリッタによる光の分割は、反射面による反射と透過を利用したものであり、キューブ型の偏光ビームスプリッタの一面に対して垂直に入射した光をそのまま透過する光路と、かかる光路と直交した反射面で反射する光路の2種類しか選択できず、光学系の設計配置において制約となっていた。

0009

また、表示素子の視野角を大きくするためには、照明光の口径を大きくする必要があり、その結果、偏光ビームスプリッタも大きくする必要があり、光学系が大型化し、重くなることが避けられなかった。さらに、従来の偏光ビームスプリッタでは、入射角の角度が変化すると消光比(S偏光とP偏光との比)が低下するため、視野角を広くとる照明光との組合せが難しかった。

0010

加えて、従来の偏光ビームスプリッタでは、P偏光の透過光の消光比は高いが、反射光の消光比は低く、消光比の高いS偏光を直接得ることが難しかった。さらに、フィールドシーケンシャル方式時分割方式)でカラー表示する場合、赤色、緑色、青色の照明光を順次表示素子に照射することになるが、従来の偏光ビームスプリッタでは、広い波長帯域で高い消光比を実現するのが難しかった。

0011

本発明は、前述した問題に鑑みてなされたものであって、かかる問題の少なくとも一部を解決することができる偏光ビームスプリッタ、それを用いた面光源装置及び表示装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

0012

前述した課題を解決するため、本発明の偏光ビームスプリッタは、透光性基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からS偏光の光を分離でき、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを接続する側面とを有し、前記ホログラム層は、前記裏面又は前記側面の一部のいずれか一方を介して前記基材の外部から前記ホログラム層に入射した円偏光の光を回折させて消光比が50:1以上のS偏光の光を前記裏面又は前記側面の前記一部の他方に向けて発生させるホログラムを有していることを特徴とする。

0013

また、本発明の偏光ビームスプリッタは、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からS偏光の光を分離でき、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層は、前記裏面を介して前記基材の外部から前記ホログラム層に入射した光のうち、S偏光の光の少なくとも一部を回折させてS偏光の光を前記側面の一部に向けて発生し、且つ、P偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする。

0014

また、本発明の偏光ビームスプリッタは、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からS偏光を分離でき、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層は、前記側面の一部を介して前記基材の外部から前記ホログラム層に入射した光のうち、S偏光の光の少なくとも一部を回折させてS偏光の光を前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、P偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする。

0015

また、本発明の偏光ビームスプリッタは、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有し、前記基材を介して前記ホログラム層に入射した光からS偏光を分離でき、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角のS偏光の光の少なくとも一部を回折させてS偏光の光を前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、前記臨界角よりも大きい入射角のP偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする。

0016

さらに、上記偏光ビームスプリッタにおいて、前記ホログラム層の前記ホログラムは、円偏光の光を回折させて消光比が50:1以上のS偏光の光を発生させることが好ましく、また、前記裏面を介して入射したP偏光の光を透過することが好ましい。また、前記基材の前記表面は平面であり、前記裏面は平面であり、前記表面と前記裏面が平行に配置されていてもよく、前記側面の少なくとも一部は、前記表面の法線に対して傾斜していてもよい。

0017

さらに、上記偏光ビームスプリッタにおいて、前記ホログラム層の前記基材とは反対側に第2の基材を有していてもよい。

0018

また、本発明の面光源装置は、光源と、上記偏光ビームスプリッタとを有し、前記光源からの出射光が前記側面の前記一部を介して前記ホログラム層に入射するように構成され、前記基材の裏面から光を出射することを特徴とする。

0019

また、本発明の面光源装置は、光源と、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有する面光源装置であって、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層に対して、前記光源からの出射光が前記基材を介して前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角で入射するように構成され、前記ホログラム層は、前記臨界角よりも大きい入射角で入射した光を回折させて消光比が50:1以上のS偏光の光を前記基材の前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生させるホログラムを有していることを特徴とする。

0020

また、本発明の面光源装置は、光源と、透光性の基材と、前記基材の表面に設けられたホログラム層とを有する面光源装置であって、前記基材は、前記ホログラム層が設けられた表面に対向する裏面と、前記表面と前記裏面とを連結する側面とを有し、前記ホログラム層に対して、前記光源からの出射光が前記基材の空気に対する臨界角よりも大きい入射角で前記基材側から入射するように構成され、前記ホログラム層は、前記臨界角よりも大きい入射角で入射した光のうち、S偏光の光の少なくとも一部を回折させてS偏光の光を前記基材の前記裏面又は前記基材とは反対側に向けて発生し、且つ、P偏光の光を回折しないホログラムを有していることを特徴とする。

0021

さらに、上記面光源装置において、前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記裏面を介して入射したP偏光の光を透過することが好ましく、前記基材の前記表面又は前記裏面には、前記ホログラムとは異なる第2のホログラムが設けられ、前記第2のホログラムは、前記光源からの出射光を回折させて前記基材の内部に前記臨界角よりも大きい入射角の光を発生させることが好ましい。また、前記ホログラム層の前記ホログラムは、前記基材の前記裏面に向けて、発散光又は進行方向が異なる複数の光を発生させてもよい。

0022

また、本発明の表示装置は、上記面光源装置と、前記面光源装置から出射された光が照射される表示素子とを有すること、又は、上記面光源装置と、前記面光源装置の前記基材の前記裏面に表示素子の画素電極が形成されていることを特徴とする。

0023

さらに、上記表示装置において、前記表示素子は、画素ごとに入射した光の偏光状態を変更することによって画像を表示すること好ましく、反射型であり、前記表示素子で反射された光が前記面高原装置に入射することがより好ましい。また、前記表示素子から出射する光に対してP偏光と平行な透過軸を有する偏光子を備えていてもよい。

発明の効果

0024

本発明の偏光ビームスプリッタによれば、基材の表面に設けられたホログラム層のホログラムによって、基材の側面の一部から入射した光のうちS偏光の光の少なくとも一部と干渉して裏面に向けてS偏光の光を発生させたり、基材の裏面から入射した光のうちS偏光の光の少なくとも一部と干渉して側面の一部に向けてS偏光の光を発生させたりすることができ、S偏光の光を分離することができる。かかる偏光ビームスプリッタは、薄い基材で実現することができ、基材の厚さ(側面の高さ)程度の薄い偏光ビームスプリッタを実現することができ、大幅な小型化及び軽量化できる。またホログラムの設計によって、干渉によって発生する光の状態(向き、形状、数)を調整することが可能であり、様々な用途に応用することができる。本発明のその他の効果については、発明を実施するための形態において述べる。

図面の簡単な説明

0025

本発明の偏光ビームスプリッタの概略構成
本発明の偏光ビームスプリッタの概略構成図
(A)は本発明の反射型ホログラム、(B)は本発明の透過型ホログラムの製造方法を説明する概略図
ホログラムの回折光(A)又は非回折光(B)の偏光成分の測定方法を説明する概略図
(A)〜(D)は、それぞれ実験1、3、7及び9の回折光量測定結果
本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図
本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図
本発明の偏光ビームスプリッタの変形例
本発明の偏光ビームスプリッタの変形例
(A)及び(B)は本発明の偏光ビームスプリッタの変形例、(C)は本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図
(A)は本発明の偏光ビームスプリッタの変形例、(B)は本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図
透過型ホログラムを用いた本発明の偏光ビームスプリッタの変形例
透過型ホログラムの回折光の光量(A)、(C)及び非回折光の光量(B)、(D)の測定結果((A)及び(B)はS偏光同士で記録されたホログラム、(C)及び(D)は円偏光同士で記録されたホログラム)
本発明の面光源装置の実施形態を示す概略図
本発明の表示装置の実施形態を示す概略図
本発明の表示装置の実施形態を示す概略図
本発明の表示装置の実施形態を示す概略図
本発明の表示装置の実施形態を示す概略図
従来の反射型の表示装置における表示動作を説明する図

実施例

0026

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。ただし、本発明は、以下の例に限定されるものではない。なお、本明細書において、P偏光の光とは、境界面に入射する光の電気ベクトル振動方向が、入射平面(境界面の法線と光の進行方向を含む面)内に含まれる直線偏光(円偏光又は楕円偏光等におけるP偏光成分を含む)であり、S偏光の光とは、境界面に入射する光の電気ベクトルの振動方向が、入射平面に垂直な直線偏光(円偏光又は楕円偏光等におけるS偏光成分を含む)であり、P偏光とS偏光とは直交する。また円偏光とは、光波の電気ベクトルの先端が円を描く偏光である。

0027

[偏光ビームスプリッタの基本構成
図1及び図2は、反射型のホログラム31を使用した本発明の偏光ビームスプリッタ1の概略構成図であり、図1入射光11が基材2の側面23の一部24から入射した場合の光路を示し、図2は入射光14が基材2の裏面22から入射した場合の光路を示している。また、図12は、透過型のホログラム32を使用した本発明の偏光ビームスプリッタ1の概略構成図であり、図12(A)は入射光11が基材2の側面23の一部24から入射した場合の光路を示し、図12(B)は入射光18がベースフィルム4側から入射した場合の光路を示している。

0028

偏光ビームスプリッタ1は、透光性の基材2と、基材2の表面21に設けられたホログラム層3とを有し、ホログラム層3は反射型ホログラム31又は透過型ホログラム32を有している。必要に応じてホログラム層の基材2とは反対側の面にベースフィルム4や第2の基材5(図8(C)参照)を有していてもよい。本発明の偏光ビームスプリッタ1は、ホログラム層3のホログラムを用いている点において、ホログラフィック光学素子の一種であるが、単に光線の向きを変更する偏向手段レンズとして使用されていた従来のホログラフィック光学素子とは異なり、ホログラム層3に入射した光からS偏光の光を選択的に回折させて分離することができる。

0029

すなわち、本発明の反射型ホログラム31は、図1(A)に示すように、基材2の側面の一部24を介して基材2の外部からホログラム層3に入射した入射光11の少なくとも一部と干渉し、入射光11の少なくとも一部を回折させて、図1(B)に示すように、S偏光の回折光12を裏面22に向けて発生させることができ、ホログラム31と干渉しなかった非回折光13は、図1(C)に示すように、偏光ビームスプリッタ1の表面で全反射して他の側面の一部25から基材2の外部に出射する。さらに、本発明の反射型ホログラム31は、図2(A)に示すように、基材2の裏面22を介して基材2の外部からホログラム層3に入射した入射光14の少なくとも一部と干渉して、図2(B)に示すように、S偏光の回折光15を側面の一部24に向けて発生させることができ、ホログラム31と干渉しなかった非回折光16は、図2(C)に示すように、そのままホログラム層3及びベースフィルム4を通過して外部に出射する。また、本発明の透過型ホログラム32は、図12(A)に示すように、基材2の側面の一部24を介して基材2の外部からホログラム層3に入射した入射光11の少なくとも一部と干渉し、入射光11の少なくとも一部を回折させて、S偏光の回折光17を基材2とは反対側(ベースフィルム4側)に向けて発生させることができ、ホログラム32と干渉しなかった非回折光13は、偏光ビームスプリッタ1の表面で全反射して他の側面の一部25から基材2の外部に出射する。さらに、本発明の透過型ホログラム32は、図12(B)に示すように、ベースフィルム4を介して基材2の外部からホログラム層3に入射した入射光18の少なくとも一部と干渉して、S偏光の回折光15を側面の一部24に向けて発生させることができ、ホログラム32と干渉しなかった非回折光19は、そのままホログラム層3及び基材2を通過して外部に出射する。本発明のホログラム31及び32は、S偏光の光の少なくとも一部を回折させてS偏光の回折光を発生させるが、P偏光の光とはほとんど干渉せず、P偏光の光を回折しない。ホログラム31及び32は、円偏光の入射光(S偏光成分とP偏光成分とがほぼ50%)と干渉して、消光比が50:1以上のS偏光の光を発生させることが好ましい。

0030

基材2は、表面21と、表面21に対向する裏面22と、表面21と裏面22とを接続する側面23とを有している。基材2の平面形状(表面21側から見た形状)は、入射光11、14、18の形状、回折光12、15、17及び非回折光13、16、19の形状に応じた形状とされ、典型的には四角形又は円形であるが、これに限定されるものではない。基材2は、透光性を有しているが、すべての波長に対して透光性を有している必要はなく、少なくともホログラフィック光学素子を介して利用される光の波長に対して透光性を有していれば足りる。基材2の材料としては、空気の屈折率(n0=1.0)よりも大きい屈折率(nS)を有し、ホログラム層3の屈折率(nH)と同じ又は近い(±0.1)ことが好ましい。基材2としては、光透光性樹脂ガラスを使用することができ、樹脂としては、例えば、アクリル樹脂ポリメタクリル酸メチルPMMA)を含む)、スチレン系樹脂ポリオレフィン系樹脂ポリカーボネート樹脂エポキシ樹脂シリコーン樹脂などを使用してもよい。これらの基材は、通常屈折率(nS)は、1.3〜1.6程度である。

0031

基材2の表面21は、ホログラム層3が設けられる面であり、図では平面で示しているが、平面でなくてもよい。表面21上には、ホログラム層3が設けられるが、ベースフィルム4上に設けられたホログラム層3の外側表面と表面21とを接着剤張り合わせてもよいし、表面21上に感光材料をホログラム層3として塗布又は蒸着等によって設けてもよい。図1においては、ベースフィルム4が外側となるようにホログラム層3を表面21に貼り合わせた構造である。また、ホログラムを記録済みのホログラム層3を表面21に接着してもよいし、表面21にホログラム層3を塗布又は接着した後、基材2を介して光を照射することでホログラム層3にホログラムを記録してもよい。

0032

裏面22は、表面21に対向する面であり、ホログラム層3のホログラム31によって分離される入射光14、分離された回折光12又はホログラム32を透過した非回折光19の入射出面の一つとなる。反射型ホログラム31を用いた偏光ビームスプリッタ1を面光源装置などの照明装置として使用する場合は、通常、裏面22を介して外側にS偏光の光が照射される。裏面22は、図1に示すように、表面21と平行な平面であってもよいし、図9(A)に示すように表面21に対して斜めの平面であってもよい。また、裏面22は、平面ではなく、図9(B)に示すように凸曲面として出射する回折光12を収束させてもよいし、図9(C)に示すように凹曲面として出射する回折光12を発散させてもよい。なお、裏面22に1/2波長板を配置することにより、S偏光の光をP偏光の光として外部に照射することができ、裏面22に1/4波長板を配置することにより、S偏光の光を円偏光の光として外部に照射することができる。

0033

側面23は、基材2の表面21と裏面22とを接続する面であり、基材21が直方体の場合は、4つの垂直な側面23が存在する。図1に示す断面における側面23の高さが基材2の厚みとなるが、側面23の高さを表面21及び裏面22の長さに比べて短くし、全体として板状とすることにより基材2及び偏光ビームスプリッタ1を軽薄化できる。例えば、基材2として、厚さ10mmの板状の基材を使用することができた。また、側面23は、表面21又は裏面22に対して傾斜していてもよいし(図8(A))、曲面としてもよい(図8(B))。また、側面23に傾斜角の異なる複数の面を設けてもよい。

0034

側面23の一部24は、ホログラム層3のホログラムによって分離される入射光11又は分離された回折光15の入射出面の一つとなる。また、図1(C)及び図12(A)に示すように、側面23の一部24と対向する他の側面の一部25は、側面23の一部24から入射した光11のうち、ホログラム層3のホログラムと干渉しなかった非回折光13が出射する出射面となる。基材2の屈折率(nS)が空気よりも大きいため、側面23の一部24から入射する入射光11の入射角を適宜設定することにより、基材2の内部において、表面21及び裏面22に対して臨界角以上の角度で入射し、全反射により基材2を長手方向に伝搬する光を容易に入射させることができる。基材2の空気に対する臨界角θcは、空気の屈折率(n0)を1とすれば、arcsin(1/基材2の屈折率(nS))であり、基材2の屈折率(nS)が1.3で臨界角θcは約50.3度、1.4で約45.6度、1.5で約41.8度となる。基材2の表面21に設けられたホログラム層3、ベースフィルム4についても、基材2と同程度以上の屈折率であれば、基材の臨界角以上の光に対して空気との界面で全反射するため、基材2の延長として入射光の光路等を設計することができる。なお、基材2内部に基材の臨界角以上の入射角でホログラム層3に入射する入射光が得られるのであれば、入射面として側面の一部に限定されない(例えば、図14(B)及び(C))。また、ホログラム層3のホログラムと干渉しなかった光は、他の側面23の一部25から出射する構成に限定されるものではなく、他の出射手段を設けてもよい。例えば、ホログラム層3の上に第2の基材を設けたり、非回折光と干渉して基材の外部に回折光を発生させる他のホログラム(例えば、図14(B)のホログラム104)を別の領域に設けたり、非回折光を基材の臨界角よりも小さい角度に偏向する他のホログラム(例えば、図14(C)のホログラム105)を設けたりすれば、基材2の外部に非回折光を出射できる。

0035

ホログラム層3は、ホログラム31又は32を有する層であり、例えば、銀塩重クロム酸ゼラチンフォトポリマーフォトレジストなどが使用される。ホログラム層3の片面又は両面にはベースフィルム4が設けられていることが好ましい。ベースフィルム4は、ホログラム層3を支持又は保護する基材であり、例えば、ポリエチレンフィルムポリプロピレンフィルムポリフッ化エチレンフィルムなどの樹脂が使用される。例えば、ホログラム層3としてフォトポリマーを用いた場合、ホログラム層3は、干渉縞記録のためのモノマー、形状を維持するためのマトリックス及び必要に応じて添加される非反応性成分や各種添加剤によって形成されている。このうちマトリックスは、ホログラム層の形状を維持するための成分であり、高い光線透過率や透明性であることが求められ、屈折率変調を促進するためにモノマーに比してわずかに低屈折率であることが好ましく、一般にウレタン樹脂やエポキシ樹脂が使われている。一方、モノマーは、干渉縞を記録するための成分であり、高い光線透過率や透明性が求められ、マトリックスに比べわずかに高屈折率であることが好ましく、光照射により干渉縞を記録する。モノマーには、主に光カチオン重合系と光ラジカル重合系があり、光カチオン重合系ではシリコーン系エポキシドなど脂環式エポキシ化合物が、また、光ラジカル重合系ではビニルカルバゾールスチレン誘導体アクリレートやそれらのプレポリマーなどビニル化合物が用いられている。なお、偏光ビームスプリッタ1としては、ベースフィルム4によって支持されたホログラム層3を基材2に接着させてもよいし、基材2上にホログラム層3及びベースフィルム4を塗布又は蒸着等により設けてもよい。

0036

入射光11、14、18は、ホログラム31又は32と干渉により回折する光(例えばホログラムの干渉縞とブラッグ回折条件を満たす光)とする。典型的には、ホログラム31又は32を記録する際に用いられる2つの光束の何れかと同じ進行方向の光又はそれと共役な関係の光であって、同じ波長の光を入射光11,14,18として用いることができ、記録する際に用いられる2つの光束の他方と同じ進行方向の光又はそれと共役な関係の光が回折光12、15、19として発生する。入射光11は、図3(A)及び(B)の記録時における第1の光束44と同じ進行方向の光である。入射光14は、図3(A)の記録時における第2の光束45と進行方向が反対の共役な関係の光である。入射光18は、図3(B)の記録時における第2の光束45と進行方向が反対の共役な関係の光である。記録時における第1の光束44及び第2の光束44の状態によって、ホログラム31又は32と干渉する入射光11、14、18の状態を制御することができ、また、ホログラム31又は32との干渉によって発生する回折光12、15、19の状態も制御することができる。なお、光の状態には、波長、進行方向、偏光、形状等を含む。

0037

[偏光ビームスプリッタの製造方法]
図3(A)は、本発明の反射型ホログラム31の製造方法を説明する概略図であり、図3(B)は、本発明の透過型ホログラム32の製造方法を説明する概略図である。ベースフィルム4に設けられたホログラム層3が、記録用第1光学素子41と記録用第2光学素子42との間に挟持されている。ホログラム層3と記録用第1光学素子41との表面は隙間なく接着されているが、ベースフィルム4と記録用第2光学素子42とは隣接して配置しただけであるため、隙間に空気層が形成されないように、屈折率が同程度の浸液43を介在させている。そして、記録用第1光学素子41から記録用第2光学素子42までを角度αだけ傾けて斜めに配置し、光軸が直交する第1の光束44と第2の光束45とをホログラム層3において交差するように照射することにより、ホログラム層3において第1の光束44と第2の光束45とを干渉させてホログラム31又は32を記録することができる。図3(A)と図3(B)とは、第2の光束45の進行方向が反対である点で異なる。浸液43は、ホログラム層3の屈折率と同一であることが好ましいが、同一でなくても、屈折率の差による屈折許容範囲内であればよい。なお、図3(A)及び(B)は概略図であり、光の光学素子内における屈折については図示していないが、第1の光束44と第2の光束45がいずれも入射角αで入射するため、屈折してもホログラム層3において第1の光束44と第2の光束45の光軸は直交する。

0038

記録用第1光学素子41及び記録用第2光学素子42は、ホログラム層3に第1の光束44及び第2の光束45を導入し、また導出するための部材であり、少なくとも第1の光束44及び第2の光束45に対して透光性を有している。記録用第1光学素子41及び記録用第2光学素子42は、空気の屈折率(n0=1.0)よりも大きい屈折率(nS)を有し、ホログラム層3の屈折率(nH)と同じ又は近い(±0.1)ことが好ましく、光透光性樹脂やガラスを使用することができ、樹脂としては、例えば、アクリル樹脂(ポリメタクリル酸メチル(PMMA)を含む)、スチレン系樹脂、ポリオレフィン系樹脂、ポリカーボネート樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂などを使用してもよい。これらの基材は、通常屈折率(nS)は、1.3〜1.6程度である。

0039

記録用第1光学素子41は、ホログラム層3と接着させた場合、記録用第1光学素子41をそのままホログラフィック光学素子の基材として利用することができ、例えば、偏光ビームスプリッタ1の基材2として利用できる。記録用第1光学素子41とホログラム層3とを接着させずに、隣接させて配置した場合は、所定のホログラムが記録されたホログラム層3を支持したベースフィルム4を得ることができ、他の透光性の基材に接着させることでホログラフィック光学素子(例えば偏光ビームスプリッタ)を作製できる。記録用第1光学素子41とホログラム層3とを隣接させて配置した場合には、ホログラム層3の両面にベースフィルム4を設け、隙間に空気層が形成されないように、屈折率が同程度の浸液を介在させることが好ましい(図6(B)参照)。また、記録用第2光学素子42をベースフィルム4と接着したり、ベースフィルム4を設けずにホログラム層3を記録用第2光学素子42と直接隣接させたり、接着させたりしてもよい。

0040

また、記録用第1光学素子41及び記録用第2光学素子42は、図3に示すように、直方体であってもよいし、一部の面を傾斜させてもよいし、一部の面を曲面としてもよい。直方体の光学素子(基材)として、例えば板ガラスなどをそのまま使用して製造することができ、汎用品を基材として利用できるため、大量生産低コスト化に有利である。また、例えば、記録用第1光学素子41における第1の光束44の入射面を傾斜面として、第1の光束44の光路と第2の光束45の光路とが90°以外の角度で交差するようにしてもよいし(図7(A))、記録用第2光学素子42における第2の光束45の入射面に複数の凸曲面をマトリクス状に配列させ、フライアイレンズの機能を付加し、第2の光束45として複数の点光源からの発散光をホログラム層3に照射してもよい(図7(B))。また、記録用第1光学素子41又は記録用第2光学素子42の表面形状を変更せずに、別途、プリズム、レンズなどの光学素子を配置し、第1及び第2の光束を所定の状態に成形してもよい(図10(C))。

0041

第1の光束44は、S偏光成分を含む光であり、記録用第1光学素子41の側面から入射させ、ホログラム層3に対し、記録用第1光学素子41の空気に対する臨界角以上の入射角で入射させることが好ましい。第1の光束44は、再生時における入射光11(図1)に対応し、また、入射光14(図2)又は入射光18(図12(B))を入射した時に発生する回折光15と共役な関係である。第2の光束45は、S偏光成分を含む光であり、図3(A)においては、記録用第2光学素子42の裏面側から入射させ、第1の光束44とはホログラム層3に対し反対の面から入射させ、ホログラム層3に反射型のホログラム31を記録する。また、図3(B)においては、第2の光束45は、記録用第1光学素子41の裏面側から入射させ、第1の光束44とはホログラム層3に対し同じ面から入射させ、ホログラム層3に透過型のホログラム32を記録する。第2の光束45は、再生時に基材の裏面から出射する回折光12(図1)又は基板2と反対側に発生する回折光17(図12(A))に対応し、また、入射光14(図2)又は入射光18(図12(B))と共役な関係である。第2の光束45の入射角度を変化させることで、再生時の回折光12又は17の出射方向を変化させることができる。図3(A)及び(B)においては、第1の光束44と第2の光束45とを直交させているが、例えば、第2の光束45の向きを変更すれば、交差角を90°以外とすることもできる(図6(A))。本発明のホログラムについては、第1の光束44と第2の光束45とのホログラム層3における交差角を90°に近くすることが好ましく、特に70°〜90°の範囲とすることが好ましい。第1の光束44及び第2の光束45は、図3においては、平行光であるが、いずれも平行光に限定されるものではなく、発散光(図10(C))や収束光としてもよい。第2の光束45の形状(光軸と平行な断面パターン及び垂直な断面パターン)を変化させることで、再生時の回折光12又は17の形状も第2の光束45と同じ形状に変化させることができる。また、第2の光束45として、進行方向又は/及び波長が異なる複数の光束を順次あるいは同時に使用してホログラム層3にホログラムを多重記録してもよい(図11(B))。

0042

なお、図6図7図10(C)又は図11(B)においては反射型のホログラム31の製造方法を例示したが、第1の光束44及び第2の光束45の何れかの進行方向を反対向きとし、第1の光束44及び第2の光束45の双方がホログラム層3の同一面側から照射されるように構成すれば、ホログラム層3に透過型のホログラム32を記録することができる。

0043

[偏光成分の測定方法]
図4(A)は、ホログラム31の回折光52の偏光成分の測定方法の一例を説明する概略図であり、図4(B)は、ホログラム31の非回折光(透過光)59の偏光成分の測定方法の一例を説明する概略図である。図4(A)では、ホログラム31に対し、ホログラム31と干渉する再生用の光束51を第1の光束44と同じ角度で記録用第1光学素子41の側面を介して照射し、ホログラム31から発生した回折光52をアパーチャ(開口)53によって一部を取出し、それをグラン・トムソンプリズムのような高性能検光子54を通過させた光量を検出器55で検出する。また、図4(B)では、ホログラム31に対し、ホログラム31と干渉する再生用の光束57を第2の光束45と同じ角度で記録用第2光学素子42の裏面を介して照射し、ホログラム31を透過した非回折光(透過光)59をアパーチャ(開口)53によって一部を取出し、それをグラン・トムソンプリズムのような高性能検光子54を通過させた光量を検出器55で検出する。検出器55で光量を測定しつつ検光子54の透過軸をP偏光と平行な方向から90°回転させてS偏光と平行な方向とすることにより、回折光又は非回折光のP偏光成分とS偏光成分とを測定できる。S偏光成分とP偏光成分の比を消光比と呼び、検出器55で検出したS偏光成分の光量とP偏光成分の光量とから算出できる。

0044

図4(A)及び(B)においては、ホログラム31はベースフィルム4に支持され、記録用第1光学素子41と接着され、記録用第2光学素子42とベースフィルム4とが浸液43を介して隣接させた状態で、再生用の光束51を第1の光束44と同じ角度で同じ位置に記録用第1光学素子41の側面から照射している。このように、再生用の光束51を第1の光束44と同じ状態で照射することにより回折効率を高くすることができる。また、記録用第2光学素子42によって、干渉しなかった再生用の光束51がホログラム層3を透過し、記録用第2光学素子42を介して出射できるので、再生用の光束51によるノイズを減らすことができる。さらに、記録用第2光学素子42によって、再生用の光束57によって発生した回折光の光束58がホログラム層3から記録用第2光学素子42を介して出射できるので、再生用の光束51によるノイズを減らすことができる。なお、透過型のホログラム32について偏光成分を測定する場合は、ホログラム32からの回折光が検出器55に入射するように配置し、同様に再生用の光束をホログラム32に照射して回折光や透過光を測定すればよい。図4(A)及び(B)は概略図であり、回折光や透過光が検出器55に入射するように配置できればよく、途中に各種の光学系(レンズ、ミラー、プリズム等)を配置してもよい。

0045

[反射型ホログラムの検証実験
表1及び図5は、本発明のホログラム31として機能する製造条件についての検証実験の結果である。検証実験は、図3(A)の製造方法において、記録用第1光学素子41及び第2光学素子42には屈折率1.48のガラス板(縦100mm×横100mm厚さ10mm)を使用し、屈折率1.58のベースフィルム4に支持された屈折率1.49のフォトポリマーをホログラム層3として設け、ベースフィルム4と記録用第2光学素子42との間には屈折率1.51の浸液43を介在させた。第1の光束44のガラス板側面に対する入射角αが14°となるように傾けた状態(第2の光束45の入射角も14°)とし、第1の光束44及び第2の光束45について、それぞれS偏光、P偏光、円偏光にした場合の9通りの組み合わせでホログラム31を記録し、記録された各ホログラムについて、同じ配置で、図4(A)の測定方法において、S偏光、P偏光又は円偏光の再生用の光束51を照射したときの検光子54の透過軸の角度に対する回折光52の光量を測定し、回折光52の光量のS偏光成分とP偏光成分を算出した。なお、第1の光束44と第2の光束44とは光軸が90°で交差するように配置されており、記録時及び再生時に使用した光束は、532nmの固体レーザーからの出射光から消光比100:1のS偏光の光を形成して使用し、P偏光、円偏光の場合は、それを波長板によって変換して使用した。また、再生用の光束51の光量は検出器55で受光する面積比換算して算出した場合に約19mWであった。

0046

表1の「記録時の偏光」は、実験1〜9の記録時における第1の光束44及び第2の光束45の偏光の条件が示されており、例えば、実験1では、S偏光の第1の光束44と、S偏光の第2の光束45とで記録した。表1の「再生用の光束の偏光」には、S偏光、P偏光又は円偏光の再生用の光束51を各実験のホログラムに照射したときに発生した回折光52の回折光量の最大値と消光比の数値が示されている。回折光量の単位はmWであり、消光比はS偏光成分とP偏光成分との比であり、P偏光成分を1としたときの数値である。表中の「−」は、検出された光量の最大値がホログラムを再生するための再生用の光束(照射光)の光量の1/100以下の光量であり、実質的な回折はされていないと評価した。なお、測定環境下でのノイズレベルは、再生用の光束(照射光)の光量よりも十分に低くなるように暗室の環境を整えて、1/10000以下にして測定した。消光比の算出に際しては、最小値が照射光の1/100以下の光量であっても、そのままの数値で計算した。

0047

0048

表1から、実験1、3、7及び9の条件で記録したホログラムに対し、S偏光の再生用の光束又は円偏光の再生用の光束を照射したときに回折光が検出された。図5(A)〜(D)は、それぞれ実験1、3、7及び9における検光子54の透過軸の角度に対する回折光52の光量の測定結果であり、縦軸が回折光量(mW)、横軸が検光子54の透過軸とP偏光との角度(°)であり、P偏光と平行な方向(0°)から180°回転させるまでの各角度で回折光量を検出した。また、実線はS偏光の再生用の光束を照射したときの結果であり、点線は円偏光の再生用の光束を照射したときの結果である。これらの結果から、本発明のホログラム31は、記録時においてP偏光の光束を使用した場合は形成することができなかった。円偏光はS偏光成分とP偏光成分とが約1:1であることから、本発明のホログラム31は、記録時において第1の光束44にも、第2の光束45にもS偏光の成分が必要と予測される。さらに、再生時においても、P偏光の光束を照射しても回折光が得られなかったことからすれば、再生時においても、再生用の光束51にはS偏光の成分が必要と予測される。発生した回折光52は、いずれも消光比が50:1以上のS偏光の光であった。消光比は、図5の各グラフにおいて最大の光量と最小の光量との比で求めたものであり、いずれのグラフにおいても、90°(S偏光)近傍で最大値となり、0°又は180°(P偏光)近傍で最小値であった。

0049

実験1のS偏光とS偏光で記録したホログラムは、S偏光の再生用の光束51(約19mW)を照射したときの回折光52の光量の最大値が13.8mWであり、回折効率は約73%であり、円偏光の再生用の光束51を照射したときの回折光52の光量の最大値が6.1mWであり、回折効率は約32%であった。また、実験1のホログラムは、消光比100:1のS偏光の光に対する消光比は445:1であり、円偏光の光に対する消光比は58:1であった。実験1のホログラムは、再生用の光束として100mWの円偏光の光(S:P=50:50)を入射すると、32mWのS偏光の回折光(58:1)を別の光路に分離し、68mWの非回折光をそのまま通過させる偏光ビームスプリッタとして利用できる。また、実験1のホログラムは、100mWのS偏光の光(消光比100:1)を入射すると、その一部が干渉して73mWのS偏光の回折光(消光比445:1)を別の光路に分離するが、P偏光の光を入射してもそのまま通過させる偏光ビームスプリッタとして利用できる。

0050

実験3及び7のホログラムは、記録時においてS偏光と円偏光とを組合せて記録したものであり、ほぼ同程度の特性を示しているが、実験1のホログラムに比べておよそ半分程度の回折効率となっている。しかし、回折光は、消光比100:1のS偏光の光に対する消光比は300以上であり、円偏光の光に対する消光比は63:1、70:1と円偏光の光から消光比の高いS偏光の光を分離することができる。

0051

実験9のホログラムは、円偏光同士で記録したホログラムであり、S偏光の再生用の光束51(約19mW)を照射したときの回折光52の光量の最大値が12.7mWであり、回折効率は約67%であり、円偏光の再生用の光束51を照射したときの回折光52の光量の最大値が5.2mWであり、回折効率は約27%であり、実験1のホログラムより若干効率は低いが偏光ビームスプリッタとして十分に利用できる。

0052

また、図4(B)の測定方法により、同様のホログラム31に対し、再生用の光束57を照射したときの非回折光59の光量を測定したところ、P偏光の光はホログラム31と干渉せずに、ホログラム31を透過することが確認された。また、S偏光の光は、その少なくとも一部がホログラム31と干渉して回折光を発生するが、干渉しなかった部分については透過する。

0053

[偏光ビームスプリッタの製造方法の変形例]
図6、7は、本発明のホログラムの他の製造方法を説明する図である。図6(A)は、第2の光束45をホログラム層3や記録用第1及び第2光学素子41,42の表面に対して垂直に照射した例であり、図3(A)とは第2の光束45の進行方向を偏向すれば実現できる。図6(A)の製造方法で記録されたホログラムは、図1及び2に示すように、側面の一部24から斜めに入射した入射光11に対し、裏面22と垂直な回折光12を発生させる。

0054

図6(B)は、ホログラム層3とその両面に設けられたベースフィルム4、4’とを独立した部材とし、ホログラム層3と記録用第1光学素子41との間にも浸液46を充填させて第1及び第2の光束を照射してホログラム31を記録した。図6(B)では、図3(A)と同様の光軸の配置としているが、特に限定されるものではなく、他の配置としてもよい。図6(B)の製造方法によれば、所定のホログラム31が記録されたホログラム層3を有するベースフィルム4、4’を得ることができる。このようにホログラム層3を独立して取り扱うことができ、ホログラム31を露光した後のホログラム層3を透光性の基材2に貼付すれば、貼付した領域を偏光ビームスプリッタとして機能させることができるので、基材2の形状や配置等の設計の自由度を高くすることができる。また、ホログラム層3の一部を露光してホログラム31を記録した後、ホログラム層3を移動して別の領域に露光することもでき、基材2の大きさに制限されず、大面積のホログラム31を形成することが可能である。なお、基材2に貼付する際に一方のベースフィルムを剥がしてホログラム層3を基材2に接着してもよいし、いずれかのベースフィルムを基材2に接着してもよい。

0055

図7(A)は、記録用第1光学素子41及び記録用第2光学素子42の側面47、48を傾斜面とし、第1の光束44の空気中での光軸とホログラム層3とを平行に配置し、記録用第1光学素子41の傾斜面に第1の光束44が入射すると、屈折して斜めに記録用第1光学素子41からホログラム層3を通過し、第2の光束45と干渉するように構成されている。かかるホログラム31は、ホログラム層3と平行な入射光によって、ホログラム層3から垂直に回折光が発生し、回折光は基材の裏面から垂直に出射するため、光学系として、入射光のS偏光成分を直交する方向に分離する偏光ビームスプリッタとして利用できる。なお、記録用第2光学素子42の側面48については特に傾斜面としなくてもよい。また、記録用第2光学素子42を取り除いた状態で同様の第1の光束44及び第2の光束45を照射することによっても同様にホログラム層3と平行な入射光によって、ホログラム層3から垂直に回折光が発生するホログラム31を製造することができる。

0056

図7(B)は、記録用第2光学素子42における第2の光束45の入射面に複数の凸曲面49をマトリクス状に配列させ、フライアイレンズの機能を付加し、平行な第2の光束45aを各凸曲面48によってホログラム層3よりも手前に位置する焦点に収束させた後の発散光45bをホログラム層3に照射するように構成されている。このため、ホログラム層3のホログラム31は第1の光束44と複数の点光源(焦点)からの発散光45bとによって干渉縞が形成され、再生時において第1の光束44と同じ光路の光束によって回折光として発散光45bと同様の光が発生し、基材の裏面等から出射する。このような発散光は表示装置の光源として利用することにより、表示装置の視野角を広くすることができる。さらに、再生時において、第1の光束44に対応する照明用の入射光の輝度分布を均一化することにも利用できる。

0057

以上の製造方法の変形例において、各変更部分については、相互に置換可能であり、例えば、図6(A)及び(B)の製造方法において、図7(B)と組み合わせて、第2の光束45の入射面に複数の凸曲面49をマトリクス状に配列させ、フライアイレンズの機能を付加してもよいし、図7(A)及び(B)の製造方法において、図6(B)と組み合わせて、ホログラム層3と記録用第1光学素子41との間にも浸液46を充填させてもよい。さらに、第1の光束44の入射面47に複数の凸曲面又は凹曲面をマトリクス状に配置させてもよい。

0058

[偏光ビームスプリッタの変形例]
図8(A)は、偏光ビームスプリッタ1の変形例であり、例えば、図7(A)の製造方法で製造したり、図7(A)において、記録用第2光学素子42を取り除いた状態で同様の第1の光束44及び第2の光束45を照射する製造方法でも製造したりすることができる。基材2の側面23が傾斜しており、基材2の断面が台形となっている。図8(A)の偏光ビームスプリッタ1では、ホログラム層3と平行な光軸の入射光11が傾斜した側面23の一部24に入射し、入射光11が入射面で屈折することによりホログラム層3に臨界角以上の入射角で斜めに入射し、ホログラム31と干渉し、S偏光の回折光12をホログラム31から裏面22に向けてホログラム層3に対して垂直に発生させることができる。入射光11のうちホログラム31と干渉しなかった非回折光13は、偏光ビームスプリッタ1の表面(ホログラム層3の界面又はベースフィルム4表面)で全反射し、傾斜した他方の側面の一部25によって屈折し、ホログラム層3と平行な光軸で出射することができる。また図示は省略しているが、裏面22からの入射光14に対しては、図8(A)の入射光11と反対向きの回折光15が発生し、非回折光16はホログラム層3及びベースフィルム4を通過して外部に出射する。図8(A)の偏光ビームスプリッタ1は、光学系として、入射光のS偏光成分を入射光の光軸と直交する方向に分離する偏光ビームスプリッタとして利用でき、また、入射光と非回折光との光軸を同軸とすることもできるので、位置決めの配置等が容易となる。なお、側面23の傾斜角及び入射光11の入射角は適宜設定することができ、例えば、側面23の傾斜面に垂直に入射する入射光11し、全反射した非回折光13が他方の側面の傾斜面から垂直に出射するように構成してもよい。

0059

図8(B)は、偏光ビームスプリッタ1の変形例であり、図8(A)の傾斜した側面をさらに凹曲面26としたものである。凹曲面26は、図8(B)の紙面に垂直な方向に延在した円柱レンズとなっている。図8(B)の偏光ビームスプリッタ1では、入射光11が基材2の側方の凹曲面26に入射し、基材2の内部で発散光として入射し、ホログラム31と干渉し、S偏光の回折光12をホログラム31から裏面22に向けてホログラム層3に対して垂直に発生させることができる。入射光11のうちホログラム31と干渉しなかった非回折光13は、偏光ビームスプリッタ1の表面(ホログラム層3の界面又はベースフィルム4表面)で全反射し、傾斜した他方の側方の凹曲面26によって屈折し、入射光11よりも幅広の光として出射することができる。また図示は省略しているが、裏面22からの入射光14に対しては、図8(B)の入射光11と反対向きの回折光15が発生し、非回折光16はホログラム層3及びベースフィルム4を通過して外部に出射する。また図示は省略しているが、裏面22からの入射光14に対しては、図8(B)の入射光11と反対向きの回折光15が発生し、非回折光16はホログラム層3及びベースフィルム4を通過して外部に出射する。図8(B)の偏光ビームスプリッタ1は、小さい径の入射光を利用することができ、光学系を小型化することが可能である。なお、基材2の他方の側面については、凹曲面ではなく平面や凸曲面としてもよい。

0060

図8(C)は、偏光ビームスプリッタ1の変形例であり、ホログラム層の第1の基材2とは反対側の面にベースフィルム4を有し、さらにベースフィルム4のホログラム層3とは反対側の面に第2の基材5を有している。図8(C)の偏光ビームスプリッタ1は、図7(A)の製造方法において、ベースフィルム4と記録用第2光学素子42との間に浸液43を介在させずに直接接着した状態で製造すれば、そのまま図8(C)の偏光ビームスプリッタ1として利用することができる。図8(C)の偏光ビームスプリッタ1では、第1の基材2の側面23が傾斜しており、入射光11が傾斜に対して垂直に入射し、そのままの光軸でホログラム層3を通過し、ホログラム31と干渉し、S偏光の回折光12をホログラム31から第1の基材2の裏面22に向けてホログラム層3に対して垂直に発生させることができる。入射光11のうちホログラム31と干渉しなかった非回折光13は、ベースフィルム4及び第2の基材5を通過し、第2の基材5の傾斜した側面50に対して垂直に出射する。また図示は省略しているが、第1の基材2の裏面22からの入射光14に対しては、図8(C)の入射光11と反対向きの回折光15が発生し、非回折光16はホログラム層3、ベースフィルム4及び第2の基材5を通過して外部に出射する。図8(C)の偏光ビームスプリッタ1は、第2の基材5を有しているため、被干渉光13がホログラム層3を通過し、第1の基材2側には反射しないため、回折光12へのノイズを低減できる。また、入射光11と非回折光13との光軸を同軸とすることもできるので、位置決めの配置等が容易となる。なお、第1の基材2及び第2の基材4の側面の傾斜角及び入射光の入射角は適宜設定することができ、例えば、ホログラム層に対して垂直な側面として、偏光ビームスプリッタ1の全体構成として2枚の板状基板でホログラム層を挟持した構成としてもよい。また、図7(A)と同様の光路としてもよい。

0061

図9(A)〜(C)は、偏光ビームスプリッタ1の基材2の裏面22を変形した例である。図9(A)は、基材2の裏面27が表面21に対して傾斜した平面で構成されており、ホログラム31から斜めに回折光12が発生し、裏面の傾斜面27に対して垂直となるように構成されている。図9(A)のホログラム31は、例えば、図3(A)の製造方法で製造した場合、入射光11に対して垂直であるが、ホログラム層3に対して斜めの回折光12が発生する。図9(A)の基材2の裏面の傾斜面27は、かかる斜めに進む回折光12と垂直に設けられているため、収差等の影響を低減できる。また、回折光12に対して裏面の傾斜面27を傾斜させることにより、裏面の傾斜面27での屈折を用いて出射光の方向を大きく変更することもできる。

0062

図9(B)は、基材2の裏面が凸曲面28で構成されており、ホログラム31から発生した垂直な回折光12aが、裏面の凸曲面28で収束する光12bとして出射する。図9(B)では、基材2の裏面で回折光を成形することができるので、部品点数の削減に伴うコストダウンや、軽量化、信頼性の向上等の様々な効果を有している。なお、凸曲面28は、紙面に垂直な方向に延在した円柱レンズとし、一方向に収束させる構成でもよいし、凸曲面28を光軸を中心として回転させた形状として全方向において収束させる構成でもよい。なお円柱レンズとした場合は、線状の光源とすることができ、スキャナーなどのラインセンサーの光源として利用することも可能である。また、凸曲面28は、反射型の表示装置(例えばLCOS)のフロントライトの面光源装置として利用すると、表示装置で反射された後に再度通ることにより投影レンズの一部として機能させることもでき、表示装置の小型化がより効果的に設計することができる。

0063

図9(C)は、基材2の裏面が凹曲面29で構成されており、ホログラム31から発生した垂直な回折光12aが、裏面の凹曲面29で発散する光12bとして出射する。図9(C)では、基材2の裏面で回折光を成形することができるので、部品点数の削減に伴うコストダウンや、軽量化、信頼性の向上等の様々な効果を有している。なお、凹曲面29は、紙面に垂直な方向に延在した円柱レンズとし、一方向に発散させる構成でもよいし、凹曲面29を光軸を中心として回転させた形状として全方向において発散させる構成でもよい。

0064

図10(A)及び(B)は、偏光ビームスプリッタ1のホログラム31による回折光12を変形した例である。図10(A)のホログラム31は、基材2の側面の一部24を介して基材2の外部からホログラム層3に入射した入射光11の少なくとも一部と干渉して、ホログラム層3に対して斜めの平行光を回折光12として裏面22に向けて発生させることができ、回折光12は基材2の裏面22から屈折して斜めに出射する。図10(A)のホログラム31は、例えば、図3(A)の製造方法で製造することができ、その場合は、入射光11の光軸と回折光12の光軸とは直交する。ホログラム31と干渉しなかった非回折光13は、偏光ビームスプリッタ1の表面で全反射して他の側面の一部25から基材2の外部に出射する。図10(A)の偏光ビームスプリッタ1は、記録時における2つの光束の交差角を90°とすることができ、消光比を高くすることができる。

0065

図10(B)のホログラム31は、基材2の側面の一部24を介して基材2の外部からホログラム層3に入射した入射光11の少なくとも一部と干渉して、ホログラム層3に対して垂直な発散光を回折光12aとして裏面22に向けて発生させることができ、回折光12aは基材2の平坦な裏面22において屈折し、更なる発散光12bとして出射する。図10(B)のホログラム31は、例えば、図7(B)の製造方法で製造することができる。また、図10(C)に示すように、記録時において、平行光である第2の光束45aをレンズ57によって発散光45bとしてホログラム層3に照射することによっても製造することができる。図10(B)の偏光ビームスプリッタ1は、発散する回折光12bを照射することができ、表示装置の光源として利用することにより、表示装置の倍率を大きくすることができる。

0066

図11(A)は、偏光ビームスプリッタ1のホログラム31が多重記録されており、ホログラム31から複数の回折光12a、12b、12cを発生させた例である。図11(A)のホログラム31は、基材2の側面の一部24を介して基材2の外部からホログラム層3に入射した入射光11の少なくとも一部と干渉して、回折光としてホログラム層3に対して垂直な平行光12a、斜めの平行光12b、12cを裏面22に向けて発生させることができ、基材の裏面22から出射する。図11(A)のホログラム31は、例えば、図11(B)に示すように、記録時において、共通する第1の光束44に対し、複数の第2の光束45a、45b、45cを順次あるいは同時に記録することにより、ホログラム層3の同じ位置に複数のホログラム31を多重記録することができる。図11(A)の偏光ビームスプリッタ1は、複数の回折光12bによって広い範囲を照射することができ、また、表示装置の光源として利用することにより、表示装置の視野角を広くすることができる。また、第2の光束45a、45b、45cを異なる波長で多重記録することで、波長ごとに進行方向の異なる照明光を生成することも可能である。

0067

図12(A)及び(B)は、透過型ホログラム32を利用した偏光ビームスプリッタ1の一例である。図12の偏光ビームスプリッタ1は、図8(A)と同様の構造において透過型ホログラム32を採用した例であり、側面23が傾斜した基材2と、基材2の表面21に設けられたホログラム層3と、ベースフィルム4とを有し、ホログラム層3は透過型ホログラム32を有している。図12の偏光ビームスプリッタ1では、図12(A)に示すように、ホログラム層3と平行な光軸の入射光11が傾斜した側面23の一部24に入射し、入射光11が入射面で屈折することによりホログラム層3に臨界角以上の入射角で斜めに入射し、ホログラム31と干渉し、ホログラム31からベースフィルム4に向けてホログラム層3に対して垂直に回折光17を発生させることができる。入射光11のうちホログラム31と干渉しなかった非回折光13は、偏光ビームスプリッタ1の表面(ホログラム層3の界面又はベースフィルム4表面)で全反射し、傾斜した他方の側面の一部25によって屈折し、ホログラム層3と平行な光軸で出射することができる。また、図12(B)に示すように、ベースフィルム4を介して垂直に入射した入射光18に対しては、図12(A)の入射光11と反対向きの回折光15が発生し、傾斜した側面23の一部24によって屈折し、ホログラム層3と平行な光軸で出射し、非回折光19は、ホログラム層3及び基材2を通過して基材2の裏面22から外部に出射する。図12(A)及び(B)は、透過型ホログラム32を利用した偏光ビームスプリッタ1は、図7(A)の製造方法において、第2の光束45の向きを反対向きにし、記録用第1光学素子41側からホログラム層3を照射するように構成すれば、第1の光束44と第2の光束45とによって透過型のホログラム32を製造することができる。なお、図12では図8(A)と同様の構造において透過型ホログラム32を採用した例で説明したが、他の構造についても同様に透過型ホログラムとすることが可能である。

0068

[透過型ホログラムの検証実験]
図13は、検光子54の透過軸の角度に対する本発明の透過型ホログラム32の回折光及び非回折光(透過光)の光量の分布を示す。透過型ホログラム32は、図3(B)の製造方法において、反射型ホログラムの検証実験と同様の条件で製造した。ただし、第1の光束44及び第2の光束45について、S偏光同士で製造したホログラム32、及び円偏光同士で製造したホログラム32およびP偏光同士で製造したホログラム32の3通りの組み合わせで記録したが、P偏光同士で製造したホログラムについては回折光が確認されなかったため、上記2つの結果のみ示す。記録された各ホログラム32については、図4(A)及び(B)においてホログラムを透過型とした場合の配置で回折光及び非回折光の光量を測定した。すなわち、ホログラム32に対し、記録時と同じ配置で、再生用の光束51を第1の光束44と同じ角度で記録用第1光学素子41の側面を介して照射し、ホログラム32から発生した回折光をアパーチャ(開口)53及び高性能検光子54を介して検出器55で検出し、再生用の光束57を第2の光束45と同じ角度で記録用第1光学素子41の裏面を介して照射し、ホログラム32を透過した非回折光を同様に検出した。第1の光束44に対応する再生用の光束51の光量は、検出器55で受光する面積比で換算して算出した場合に約5.5mWであり、第2の光束45に対応する再生用の光束57の光量は、検出器55で受光する面積比で換算して算出した場合に約29mWであった。図13(A)は、S偏光同士で製造したホログラム32の回折光の測定結果であり、図13(B)は、S偏光同士で製造したホログラム32の非回折光の測定結果であり、図13(C)は、円偏光同士で製造したホログラム32の回折光の測定結果であり、図13(D)は、円偏光同士で製造したホログラム32の非回折光の測定結果である。縦軸は、(A)および(C)が回折光量(mW)であり、(B)および(D)が非回折光量(mW)で、横軸は、検光子54の透過軸とP偏光との角度(°)であり、P偏光と平行な方向(0°)から180°回転させるまでの各角度で光量を検出した。また、実線はS偏光の再生用の光束を照射したときの結果であり、点線は円偏光の再生用の光束を照射したときの結果であり、図13(B)及び(D)の一点鎖線はP偏光の再生用の光束を照射したときの結果である。なお、図13(A)及び(C)において、P偏光の再生用の光束を照射したときの光量は、最大値がホログラムを再生するための再生用の光束(照射光)の光量の1/100以下の光量であり、実質的な回折はされなかった。

0069

図13(A)及び(C)から、透過型のホログラム32では、S偏光の再生用の光束とは干渉し、その一部を回折させて回折光が発生したが、P偏光の再生用の光束とは干渉せず、回折光が実質的には発生しなかった。円偏光の再生用の光束を照射した場合であっても、回折光はほぼS偏光の光(90°)であり、回折光におけるP偏光成分(0°、180°)の光量は、図13(A)及び(C)のいずれにおいても測定環境下でのノイズレベルと同等であった。

0070

また、図13(B)及び(D)に示すように、P偏光の再生用の光束を第2の光束45と同じ角度で記録用第1光学素子41の裏面を介して照射してホログラム32を透過した非回折光(一点鎖線)を検出した場合、P偏光成分を示す0°の時の透過光量が入射光量とほぼ同じであり、S偏光成分を示す90°の時の透過光量がほぼゼロであることから、P偏光の光は回折せずに非干渉の光としてほとんど全ての光が透過している事が分かる。これに対して、光量は同じで偏光面だけをS偏光に変換して入射させた場合には、非回折光として透過した光量の最大値(実線、90°付近)はP偏光の再生用の光束での非回折光の光量(一点鎖線)に比べて小さくなっていることがわかる。具体的には、S偏光同士で製造したホログラム(図13(B))の場合は、P偏光の再生用の光束での非回折光の最大光量は28.5mWであるのに対し、S偏光の再生用の光束での非回折光の最大光量は7.6mWであり、円偏光同士で製造したホログラム(図13(D))の場合は、P偏光の再生用の光束での非回折光の最大光量は23.3mWであるのに対し、S偏光の再生用の光束での非回折光の最大光量は11.9mWでありS偏光の透過率はP偏光に比べて1/2〜1/3倍以下の透過率であった。

0071

これらの結果から、本発明の透過型ホログラム32を有するホログラム層は、入射光のうちS偏光の一部を回折させてS偏光の回折光を発生させ、P偏光の光とS偏光のうち非干渉の光については透過するものであり、S偏光の光を分離できることが確認された。

0072

以上の偏光ビームスプリッタ1の変形例において、各変更部分については、相互に置換可能であり、例えば、図8(B)と図8(C)とを組み合わせて、側面が曲面で構成された第1の基材と第2の基材とでホログラム層を挟むような構造としてもよいし、図8(A)において、図9(C)に示すように裏面を凹曲面としてもよいし、図8(A)乃至(C)の偏光ビームスプリッタ1において、図10(A)、(B)、図11(A)のように、ホログラム31から斜めの回折光、発散した回折光、複数の回折光が発生するようにしてもよい。

0073

[面光源装置の実施形態]
図14は、本発明の面光源装置100の幾つかの実施形態を示す図である。本発明の面光源装置100は、光源101と偏光ビームスプリッタ1と、光源101から出射した光を偏光ビームスプリッタ1のホログラム層3に所定の状態で入射させる光学系(入射光用光学系)とを有している。面光源装置100は、面状の光を出射するものであり、偏光ビームスプリッタ1の反射型ホログラム31によって発生した基材2の裏面から出射する回折光12や、透過型ホログラム32によって発生したベースフィルム4から出射する回折光17等を被照射部材102に照射する。なお、図14では、非回折光については図示していない。

0074

光源101は、ホログラムと干渉する波長の光を出射するものである。光源101としては、LED、電球キセノンランプ半導体レーザー有機EL素子、超小型蛍光管などを採用することができる。

0075

偏光ビームスプリッタ1は、すでに説明したように、少なくとも透光性の基材2と、基材2の表面21に設けられたホログラム層3とを有しており、ホログラム層3は反射型ホログラム31又は透過型ホログラム32を有している。反射型ホログラム31又は透過型ホログラム32は、所定の状態で入射光11が入射すると、入射光11の少なくとも一部と干渉して、面状の回折光12又は回折光17を発生させる。

0076

入射光用光学系は、ホログラム層3の反射型ホログラム31又は透過型ホログラム32に対して所定の状態で入射光11を入射させるものであり、偏光ビームスプリッタの基材2を含む。さらに入射光用光学系は、光源から出射した光を所定の大きさ、形状に成形する光学素子、光の進行方向を偏向する光学素子、光の偏光状態を変更する光学素子等を含んでいてもよい。例えば、入射光用光学系の一部として、基材2の表面21又は裏面22に設けられた第2のホログラムであってもよい。

0077

第2のホログラムは、透過型又は反射型のホログラムであり、光源からの光と干渉して、基材内部において所定の角度の回折光を発生させるものである。所定の角度は基材の表面又は裏面側からは屈折率の関係で入射させることができない角度であることが好ましく、基材の空気に対する臨界角以上であることがより好ましい。第2のホログラムは、カラー表示に対応して赤、青、緑の光に対して干渉するように、各色の光毎に多重記録されていることが好ましい。第2のホログラムによって、基材2の表面21又は裏面22からであってもホログラム31と干渉する入射光11を基材2内部に発生させることができる。

0078

被照明部材102は、面光源装置100からの光が照射されるものであり、特定の部材に限定されるものではないが、例えば、液晶表示パネル電飾看板内照式標識、ホログラム等である。

0079

図14(A)は、面光源装置100の一実施態様であり、光源101と、光源101から出射した光を平行光とするレンズ103と、偏光ビームスプリッタ1とを有している。図14(A)の面光源装置100では、出射方向が入射光11の入射角となるように光源101が配置され、光源101から出射した光は、入射光用光学系の一部であるレンズ103によって平行光に成形され、基材2の側面23に所定の角度で入射光11が入射する。入射光11の少なくとも一部は、基材2内部において、ホログラム層3のホログラム31と干渉し、ホログラム31から面状の回折光12が発生し、基材2の裏面22から出射し、被照明部材102を照明する。図14(A)は、光源の配置を入射光11の入射角となるように配置したが、入射光用光学系として種々の光学素子を使用することにより、光源101の向きは変更可能である。また、光源101から基材2の側面23の一部24までの間に入射光用光学系として偏光子や波長板を配置し、入射光11を所望の偏光状態としてもよい。

0080

図14(B)は、面光源装置100の一実施態様であり、基材2の裏面側に配置された光源101と、偏光ビームスプリッタ1とを有し、偏光ビームスプリッタ1の基材2の裏面22に入射光用光学系の一部として、第2のホログラム104を設けた構成である。図14(B)の偏光ビームスプリッタ1は、基材2の一部の表面にホログラム31を有しており、基材2のホログラム31を有していない他の一部において、基材2の裏面22に第2のホログラム104が設けられている。さらに、図14(B)の光源101は、赤色LED101a、緑色LED101b、青色LED101cの3光源を有しており、カラー表示が可能である。

0081

図14(B)の第2のホログラム104は、透過型のホログラムであり、偏光ビームスプリッタの外側から入射した光と干渉して、基材内部において所定の角度の回折光を発生させる。つまり、図14(B)の第2のホログラム104は、赤色LED101aから出射した第1の波長の光(点線)が外側から入射すると、基材2内部にホログラム31に向かう所定角度の第1の波長の回折光(点線)を発生させる。同様に、第2のホログラム104は、青色LED101bから出射した第2の波長の光(実線)が外側から入射すると、基材2内部にホログラム31に向かう所定角度の第2の波長の回折光(実線)を発生させ、緑色LED101cから出射した第3の波長の光(一点鎖線)が外側から入射すると、基材2内部にホログラム31に向かう所定角度の第3の波長の回折光(一点鎖線)を発生させる。ホログラム31は、第1の波長ないし第3の波長の回折光が入射すると、面状の回折光を発生させ、基材2の裏面を介して被照明部材102を照明する。第2のホログラム104は、別途製造されたホログラムを基材2の裏面に貼付して設けてもよいし、基材2の裏面に第2のホログラム層を設け、第2のホログラム層にホログラムを記録させることで設けてもよい。

0082

図14(C)は、面光源装置100の一実施態様であり、基材2の裏面側に配置された光源101と、偏光ビームスプリッタ1とを有し、偏光ビームスプリッタ1の基材2の表面21に入射光用光学系の一部として、第2のホログラム105を設けた構成である。図14(C)の偏光ビームスプリッタ1は、基材2の表面の一部にホログラム31を有しており、他の一部に第2のホログラム105が設けられている。さらに、図14(C)の光源101は、赤色LED101a、緑色LED101b、青色LED101cの3光源を有しており、カラー表示が可能である。

0083

図14(C)の第2のホログラム105は、反射型のホログラムであり、基材2の裏面側から基材2を介して入射した光と干渉して、基材内部において所定の角度の回折光を発生させる。図14(C)においては、基材2の裏面側に配置された赤色LED101aから出射した第1の波長の光(点線)、青色LED101bから出射した第2の波長の光(実線)、緑色LED101cから出射した第3の波長の光(一点鎖線)は、基材2の裏面22から内部に屈折して入射し、第2のホログラム105に入射する。第2のホログラム105は、第1の波長の光(点線)と干渉して基材2の臨界角以上の角度の第1の波長の回折光(点線)を発生させ、第2の波長の光(実線)と干渉して基材2の臨界角以上の角度の第2の波長の回折光(実線)を発生させ、第3の波長の光(一点鎖線)と干渉して基材2の臨界角以上の角度の第3の波長の回折光(一点鎖線)を発生させる。各回折光は、基材2の裏面において全反射してホログラム31に入射する。ホログラム31は、第1の波長ないし第3の波長の回折光が入射すると、面状の回折光を発生させ、基材2の裏面を介して被照明部材102を照明する。第2のホログラム105は、ホログラム層3の他の一部に形成してもよいし、別途製造されたホログラムを基材2の表面21に貼付して設けてもよい。

0084

なお、光源を基材2の表面側に配置した場合は、第2のホログラムとして図14(B)及び(C)とは透過型と反射型を変更したホログラムを設ければよい。例えば、第2のホログラムを基材2の表面21に設けた場合は、第2のホログラムを透過型とし、ベースフィルム4を介して入射した光源からの光を偏向させて基材2内部に所定の角度で入射させればよいし、第2のホログラムを基材2の裏面22に設けた場合は、第2のホログラムを反射型とし、ベースフィルム4、ホログラム層3及び基材2介して入射した光源からの光を臨界角以上の回折光として反射すればよい。

0085

[表示装置の実施形態]
本発明の表示装置200は、面光源装置100(光源は図示していない)と、面光源装置100から出射された光が照射される表示素子201とを有している。面光源を利用することから、表示素子201は、面光源装置100の表面側又は裏面側に隣接して配置されることが好ましい。面光源装置100は、表示素子に対するバックライト又はフロントライトとして機能し、また、S偏光の光のみを照射する点において偏光子を通過させた場合と同じ結果を得ることができる。

0086

表示素子201は、反射型でも透過型でもよく、複数の画素がマトリクス状に配列されており、画素ごとに入射した光の透過率、偏光状態等を変更することによって画像を表示するものである。表示素子201としては、種々の方式のものを使用することができる。表示素子201としては、透過型の液晶表示装置(LCD:Liquid Crystal Device)、反射型のLCD(LCOS:Liquid Crystal on Siliconを含む)、デジタルマイクロミラーデバイスDMD:Digital Micromirror Device)、電子ペーパーなどを利用することができる。反射型の場合には、表示素子201の表面側には面光源装置100が配置されており、表示素子201の画像は面光源装置100を介して表示されるため、少なくともON表示の画素の光については、表示素子の表面側から出射した光が面光源装置100の偏光ビームスプリッタ1のホログラム層3を通過する必要があり、P偏光成分を含む必要がある。面光源装置100から照射される面光源はS偏光の光であることから、表示素子201としては、光の偏光状態を変更する表示素子(例えば反射型のLCD)を採用することが好ましい。ただし、光の透過率を変更する表示素子においても、四分の一波長板を2回通過させることにより、偏光方向を90°回転させることができ、P偏光とすることができる。例えば、表示素子201の入射面に四分の一波長板を配置すれば、面光源装置100から出射したS偏光の光が表示素子201に入射する際に円偏光に変更され、画素電極で反射された円偏光の光が表示素子201から出射する際にP偏光に変更され、偏光ビームスプリッタ1のホログラムを通過することができる。なお、表示素子201において、中間調の画素については、楕円偏光となりS偏光成分とP偏光成分を含んであり、P偏光成分の割合に応じた強度の透過光が表示される。

0087

図15(A)は、本発明の表示装置200の一例である。表示装置200は、反射型の表示素子201と、表示素子201の表面側に配置された面光源装置100(光源は図示していない)とを有している。図15の表示素子201は、反射式の液晶表示素子であり、表面側から入射した光を画素電極で反射して再び表面側から出射する構成であり、ON表示の画素202については液晶層を通過する間に偏光方向を90°回転させ、OFF表示の画素203については液晶層では偏光方向が変わらない構成である。なお、反射型の表示素子201の内部構造については省略している。

0088

図示しない光源からの光210が、面光源装置100の偏光ビームスプリッタ1の基材2の側面の一部24を介して入射し、少なくとも一部がホログラム層3のホログラム31と干渉し、S偏光の回折光211を発生し、基材2の裏面22から出射し、表示素子201に入射する。表示素子201のONの画素202に入射したS偏光の回折光211は、液晶層を通過する際に偏光の向きが90度回転し、P偏光の光212となり、表示素子201の表面から出射する。表示素子201の表面から出射したP偏光の光212は、基材2の裏面22を介してホログラム31に入射するが、P偏光のためホログラム31とは干渉せずにホログラム層3及びベースフィルム4を透過する。一方、表示素子201のOFFの画素203に入射したS偏光の回折光211は、液晶層を通過しても偏光の向きは変わらず、S偏光の光213のまま表示素子201の表面から出射する。表示素子201の表面から出射したS偏光の光213は、基材2の裏面22を介してホログラム31に入射し、ホログラム31によって反射して基材の側面の一部24から出射する。また、ホログラム31と干渉しなかった非回折光214は、偏光ビームスプリッタ1の表面で全反射して他の側面の一部25から基材2の外部に出射する。

0089

図15(A)はホログラム31の回折効率が高く入射したS偏光の光とほぼ干渉する場合の動作である。ホログラム層3の材質や利用する光の波長等により回折効率が低くなる場合もあり、この場合は、入射したS偏光の光のうち、回折効率分の成分が干渉し、残りの部分は非回折光となる。このような場合には、図15(B)に示すように、偏光ビームスプリッタ1の表示素子201とは反対側の面にP偏光成分のみを通過させる偏光板204を配置すればよい。

0090

図15(B)において、光源からの光210が、面光源装置100の偏光ビームスプリッタ1の基材2の側面の一部24を介して入射し、光210のS偏光成分のうち回折効率に応じた一部がホログラム層3のホログラム31と干渉し、S偏光の回折光211を発生し、表示素子201に入射するが、光210のS偏光成分の残りΔSはP偏光成分と共に非回折光214として他の側面の一部25から基材2の外部に出射される。表示素子201の表面から出射するP偏光の光212は図15(A)と同様であるが、S偏光の光213は、基材2の裏面22を介してホログラム31に入射し、回折効率に応じた一部がホログラム31と干渉し、基材の側面の一部24から出射する。干渉しなかったS偏光の残部ΔSは、ホログラム層3及びベースフィルム4を通過するが、偏光ビームスプリッタ1に隣接して配置された偏光板204を通過できず、非表示の画素となる。

0091

図16は、本発明の表示装置200の他の一例であり、基材2の側面を傾斜面とした偏光ビームスプリッタ1を使用し、光源からの光210を表示素子201の表面と平行に入射させ、非回折光214を平行に出射させる構成である。偏光ビームスプリッタと表示装置における表示動作は図15と同様である。かかる構成とすることにより、光学系の設計や位置合わせが容易となる。

0092

また、図示しないが、図14(B)及び(C)における被照明部材102として反射型の表示素子を配置することで、表示素子と光源とを同一基板上に実装し、その上に偏光ビームスプリッタ1を配置した一体化表示装置ユニットを構成できる。図14(C)においては、光源101と被照明部材102である表示素子との間に間隔があるので、この領域にCPU、メモリ等を実装してもよい。

0093

図17は、本発明の表示装置200の一例であり、透過型の表示素子201のバックライトとして面光源装置を使用した例である。面光源装置の構成は図16と同じである。透過型の表示素子201は、透光性の第1の基板205と透光性の第2の基板207との間に液晶層206が封入され、第2の基板207の外側表面にP偏光のみを通過させる偏光板208が配置されている。表示素子201は複数の画素がマトリクス状に配置されており、各画素には透明な画素電極が形成され、画素内の電圧を制御できるように構成されている。液晶の配向方式や駆動方法については特に限定されず、TN型、IPS型、VA型、OCB型等の様々な表示素子を利用できる。表示素子201のON表示の画素202は、第1の基板から入射した直線偏光が液晶層206を通過する間に偏光方向を90°回転させるように構成され、OFF表示の画素203については液晶層では偏光方向が変わらないように構成されている。ただし、透過型の場合は、偏光板208の透過軸が変更可能であるので、例えばS偏光のみを通過する偏光板を配置すれば、ON表示の画素とOFF表示の画素における動作を逆にすることができる。

0094

図17において、図示しない光源からの光210が、面光源装置100の偏光ビームスプリッタ1の基材2の側面の一部24を介して入射し、少なくとも一部がホログラム層3のホログラム31と干渉し、S偏光の回折光211を発生し、基材2の裏面22から出射し、表示素子201に入射する。表示素子201のONの画素202に入射したS偏光の回折光211は、液晶層206を通過する間に偏光の向きが90度回転し、P偏光の光215となり、第2の基板207及び偏光板208を通過して画像が表示される。一方、表示素子201のOFFの画素203に入射したS偏光の回折光211は、液晶層を通過しても偏光の向きは変わらず、S偏光の光216のまま第2の基板207を通過するが、偏光板208を通過できず、非表示の画素となる。また、ホログラム31と干渉しなかった非回折光214は、偏光ビームスプリッタ1の表面で全反射して他の側面の一部25から基材2の外部に出射する。

0095

図18は、本発明の表示装置200の他の一例であり、表示素子201の一方の透光性基板を偏光ビームスプリッタの基材として利用した例である。かかる一体型の表示素子201は、透光性基板の外側表面にホログラム31が記録されたホログラム層3を貼付することにより簡単に製造することができる。

0096

図18(A)においては、透過型の表示素子201の第1の基板205の外側表面にホログラム31が記録されたホログラム層3及びベースフィルム4が貼付されている。光源からの光210は第1の基板205の側面から入射し、ホログラム31から液晶層206に向かってS偏光の回折光が発生し、液晶層206においてONの画素202ではP偏光の光215に変更され、OFFの画素203ではS偏光の光216のまま第2の基板207を通過し、偏光板208によってP偏光の光215は通過し、S偏光の光216は阻止される。

0097

図18(B)においては、反射型の表示素子201の表面側の透光性基板221の外側表面にホログラム31が記録されたホログラム層3及びベースフィルム4が貼付され、さらにその外側にP偏光成分のみを通過させる偏光板204が配置されている。なお、反射型の表示素子201は、シリコン基板220に液晶駆動回路(図示せず)と画素電極(反射電極)223が設けられ、透光性基板221との間に液晶層222が封入されている。光源からの光210は表面側の透光性基板221の側面から入射し、ホログラム31から液晶層222に向かってS偏光の回折光が発生し、液晶層222を介して画素電極で反射し、表面側の透光性基板221を通過する。S偏光の回折光は、ONの画素202では液晶層222を往復する間にP偏光の光212に変更され、OFFの画素203ではS偏光の光213のままである。このため、P偏光の光212はホログラム31とは干渉せずにホログラム層3及びベースフィルム4を通過し、さらに偏光板204も通過して表示される。S偏光の光213は、基材2の裏面22を介してホログラム31に入射し、ホログラム31と一部が干渉して基材の側面の一部24から出射する。また、S偏光の光213のうちホログラム31と干渉しなかった光は偏光板204を通過できず、結局、非表示の画素となる。

0098

なお、表示装置の面光源装置として反射型ホログラム31による実施形態を示したが、透過型ホログラム32の場合であっても、ベースフィルム4を介して照射されるS偏光の回折光17を面光源として利用することができ、表示素子と組み合わせて表示装置を実現できる。

0099

以上のとおり、本明細書では複数の形態について説明したが、本発明の適用範囲は、それぞれの形態に限定されるものではない。例えば、これら複数の形態を組み合せることもできる。

0100

1偏光ビームスプリッタ
2基材
3ホログラム層
4ベースフィルム
11入射光
12回折光
13非回折光
21 基材の表面
22 基材の裏面
23 基材の側面
31 ホログラム

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