專利名稱：偏振變換元件、偏振變換單元以及投影型圖像裝置的制作方法
技術領域：
本發明關于偏振變換元件、包含該偏振變換元件的偏振變換單元以及投影型圖像
>J-U裝直。
背景技術：
液晶投影儀等的投影型圖像裝置，根據圖像信息，對從光源裝置出射的光進行調制，將此調制后的光學像在屏幕上放大投影。在此液晶投影儀中，為了提高光的利用效率，將從光源裝置出射的包含隨機的偏振光(偏振面相互垂直的P偏振光和S偏振光和/或偏振面的方向各種各樣的直線偏振光、圓偏振光、橢圓偏振光等偏振光混合而成的光)的光 (以下稱為隨機光)分割為多個中間光束，將此分割了的中間光束變換為一種直線偏振光統一出射，使用偏振變換元件。偏振變換元件是在透明部件的內部交互配置偏振光分離膜和反射膜，成形偏振光分束器陣列，在此偏振光分束器陣列的表面設置相位差板的構造。在透明部件的光出射面偵牝在對應于偏振光分離膜的位置，每隔預定間隔配置多個相位差板(專利文獻I)。現有技術中，作為相位差板，存在使用有機類材料例如聚碳酸酯薄膜制的1/2波長板的情況，通過有機類粘接劑粘接該1/2波長板和偏振光分束器陣列。作為該偏振變換元件的制造方法，將在兩個主面分別形成了偏振光分離膜和反射膜的無色透明玻璃等的第一透光性基板和在兩個主面什么都沒有形成的第二透光性基板交互層疊多層，或者將在一個面形成了偏振光分離膜的第一透光性基板和在一個面形成了反射膜的第二透光性基板交互層疊多層而制作層疊體，在相對于平行于層疊面的面，以例如45度的角度切斷而得到的偏振光分束器陣列的光的出射面，通過粘接劑粘貼1/2波長板。如此制作的偏振變換元件，在安裝于平面矩形狀的框架的狀態下，搭載于液晶投影儀的光學引擎內(專利文獻2)。由于白色光源燈的高輸出化、短弧長化的發展，對偏振光分束器陣列以及在該偏振光分束器陣列粘接的1/2波長板的熱負荷也增大，能夠考慮作為構成1/2波長板的材料使用水晶構成。此處，存在如下液晶投影儀在用于將1/2波長板粘接于偏振光分束器陣列的光出射面而配置的情況下，作為粘接劑，使用耐熱、耐光性能優良的紫外線硬化性樹脂或者無機類材料的粘接劑，不需要通過冷卻風扇強制進行空氣冷卻(專利文獻3)。此外，存在如下偏振變換元件依次反復層疊具有平行的2個面的透光性板材、反射膜、具有平行的2個面的透光性板材、1/2波長板以及偏振光分離膜而成的層疊體，通過相對于該層疊面以預定角度被切斷，由此將偏振光分離膜和相位差板和反射膜以相對于切斷面在同一方向傾斜的狀態下配置，形成相互平行的光入射面和光出射面(專利文獻4)。并且，在與專利文獻4同樣結構的偏振變換元件中，作為1/2波長板，是將切斷角度為Y切割(基板的主面的法線和晶體光學軸成的角度為90度)厚度為22. 7^37. I u m的水晶板傾斜配置的情況(專利文獻5)。進一步的，作為1/2波長板，提出了設定為板厚為21. 2 50. 0 y m，13. 5^31. 9 μ m,在光學軸的第一光學軸方位角、第二光學軸方位角為16. 3度、59. 6度的狀態下，層疊第一水晶板、第二水晶板構成的2個波長板(專利文獻6)。在此專利文獻6的現有例子中，能夠使得三色波長帶(波長為400nnT700nm)中的平均的偏振變換效率(稱為三色偏振變換效率)在O. 8以上。近年來，伴隨對作為光學部件的長壽命化的要求增加，產生了粘接劑的劣化的問題。為了解決此問題，作為接合玻璃和/或水晶等的兩個透光性基板的方法，提出了如下的接合方法通過等離子聚合法，將包含在表面包含硅氧烷(Si-O)結合、結晶度在45%以下的Si骨架和結合于該Si骨架的有機基的脫離基的接合膜進行成膜，通過對此接合膜給予能量，使得在所述接合膜的表面附近存在的所述脫離基從所述Si骨架脫離，由此通過在接合膜的表面的所述區域出現的粘接性，接合所述兩個透光性基板(專利文獻7)。 通過采用此接合方法，使接合方式無機化，解決接合膜的劣化的問題，并且，能夠實現使用此接合方法接合的光學部件的長壽命化。并且，現有技術中，提出了如下偏振變換元件具有光入射面和與此光入射面大致平行的光出射面，沿著這些光入射面和光出射面，配置多個透光性部件、偏振光分離膜、反射膜、相位板以及等離子聚合膜，在多個透光性部件中的一部分透光性部件的傾斜面上設置偏振光分離膜和反射膜的任一個，在透光性部件的傾斜面的表面、偏振光分離膜的表面以及反射膜的表面的至少一個的面上，設置等離子聚合膜(專利文獻8)。在此專利文獻8的現有例子中，通過等離子聚合膜，相鄰的透光性部件和反射膜之間、相鄰的透光性部件和相位板之間、相鄰的相位板和偏振光分離膜之間的至少任一個進行分子接合，等離子聚合膜的主要材料是聚硅氧烷。但是，在專利文獻8的現有例子中，存在如下課題由等離子聚合膜形成的接合膜由膜厚是數十nm的極薄的膜構成，使用等離子聚合法在透光性基板的表面形成此接合膜的過程中，在透光性基板的表面附著了灰塵和/或垃圾等的附著物時，因為附著物的高度比接合膜的膜厚高很多，所以以附著了附著物的區域為中心在預定區域中不能夠接合透光性基板彼此，在該區域混入氣泡等，在光學特性上、接合可靠性、產品壽命上給予很大的不良影響。因此，作為沒有使用等離子聚合膜的現有例子，存在專利文獻9的情況。在此專利文獻9中，光學塊,相對于在基板上刻設的槽安裝板狀的PBS(偏振分離兀件)、鏡以及1/2波長板等的光學部件而構成。PBS是通過在玻璃板上表面蒸鍍將例如TiO2 (高折射率材料)和SiO2 (低折射率材料)交替地反復層疊而成的電介質多層膜等而形成的，相對于光的入射方向以預定角度被壓入安裝于所述基板。鏡是通過在長方形的玻璃板表面蒸鍍例如鋁和/或電介質多層膜等，由此能夠反射入射的光。并且，以將由PBS反射的S波反射到出射側的角度安裝所述基板。1/2波長板，是在長方形的玻璃板上，粘貼例如將聚碳酸酯、聚(乙烯醇)、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜單軸拉伸而成的1/2相位差薄膜而形成。并且，在由鏡反射的S波(S偏振光)入射的位置安裝，將該S偏振光變換為P波(P偏振光)而出射。如此，能夠通過由PBS、鏡、1/2波長板等構成光學塊，對入射的包含P波(P偏振光)和S波(S偏振光)的隨機偏振的偏振光進行偏振，統一為P波(P偏振光)而出射，并且，能夠使得入射側、出射側的面積大致相同。
公知的是，水晶不僅僅具有雙折射性，還具有旋光性，此旋光性存在對水晶制波長板的相位差特性給予影響的問題。對于此問題，提出了如下1/4波長板將由具有旋光作用的光學晶體材料形成的2個波長板以預定的角度相互使各自的晶體光學軸交叉的方式配置并進行層疊，使用龐加萊球解析偏振光的軌跡，通過構成為使得兩波長板的雙折射相位差、光學軸方位角度、旋光作用、以及轉軸和中性軸所成的角度的關系滿足由近似公式求得的關系式，嘗試降低由旋光作用產生的影響，在寬帶域內使得特性良好(專利文獻10)。進一步，關于由水晶等的無機材料形成的I個波長板，提出了優良光學特性的如下1/4波長板由具有雙折射性以及旋光性，對于短波長、高輸出的藍紫色激光發揮充分的耐光性、可靠性的水晶等的無機材料的晶體板形成，并且，能夠使得橢圓率最優即為O. 9以上的高值或者實質上接近I (專利文獻11)。進一步的，存在如下偏振變換元件將由水晶基板形成的1/2波長板45度傾斜配置，在入射面側配置線網格偏振子，作為偏振光分束器陣列行使功能，將在與所述1/2波 長板的主面平行地在主面形成了反射鏡的玻璃基板和所述1/2波長板交替地依次配置而構成(專利文獻12)，還存在如下線網格型偏振子在由具有雙折射性的透明聚碳酸酯的板或者方解石形成的無機材料基板上，相互平行地以相同間隔配置直線狀金屬細線，使金屬細線的長邊方向與在基板面內的折射率最低的方向垂直，具有雙折射率的基板為1/2波長板，在該基板面內折射率最低的方向和金屬細線的長邊方向以45度傾斜交叉(專利文獻13)。專利文獻專利文獻I特開2000-298212號公報專利文獻2特許第3610764號公報專利文獻3特開2009-103863號公報專利文獻4特許第4080265號公報專利文獻5特開2009-128568號公報專利文獻6特開2009-244520號公報專利文獻7特許第4337935號公報專利文獻8特開2010-60770號公報專利文獻9再公表W098/23993號公報專利文獻10特開2005-158121號公報專利文獻11特開2010-134414號公報專利文獻12特開2004-029168號公報專利文獻13特許第4527986號公報
發明內容
但是，在專利文獻9中表示的現有的例子中，因為所述PBS是在玻璃基板的表面蒸鍍電介質多層膜等而形成偏振光分離膜的，所述電介質多層膜是在玻璃板上交替地反復層疊例如TiO2 (高折射率材料)和SiO2 (低折射率材料)而構成的，所以不僅僅存在以熱膨脹系數的不同為起因的熱應變，引起所述玻璃基板和所述偏振光分離膜的界面的剝離的擔憂，此外，玻璃板的散熱也存在界限，不能充分滿足耐熱性和長壽命化的高要求。于是，考慮到散熱效果，如專利文獻12所示，通過代替玻璃板，在水晶板的表面形成所述PBS，由此能夠實現偏振變換元件的耐熱性和長壽命化。但是，因為如前所述,水晶不僅僅具有雙折射性,還具有旋光性,簡單地使用水晶板替換玻璃板，僅僅根據與入射的直線偏振光的偏振面的關系，確定晶體光學軸的方位使得產生相位差(180度)，仍不能解決旋光性的問題，就會產生對所述入射的直線偏振光產生以旋光作用為起因的光學作用的問題。于是，本申請發明者們，通過應用著眼于旋光作用對相位差給予影響的專利文獻10和專利文獻11中公開的現有例子中嘗試的旋光作用補償的技術思想，嘗試實現能夠產生光學作用，使得使入射的P偏振光的偏振面旋轉90度而變換為S偏振光出射的偏振變換元件。
也就是說，首先，基于圖20考慮將專利文獻10和專利文獻11中公開的技術思想，應用到如下水晶制1/2波長板的光學設計中以45度傾斜配置，使得夾入如所述的專利文獻5和專利文獻6中公開的棱鏡陣列(偏振光分束器陣列)的層疊界面。此情況下，夾持水晶制1/2波長板的透光性基材是一般的玻璃材料，根據玻璃材料的折射率nl=l. 53、水晶的折射率n2=l. 54的關系，透過棱鏡陣列之中的光的光路(光軸)，在光入射到水晶制1/2波長板時的玻璃和水晶制1/2波長板的界面、以及光從水晶制1/2波長板出射時的水晶制1/2波長板和玻璃的界面，幾乎不發生折射，也就是說，光路(光軸)幾乎不變化，光透過偏振變換元件。在圖20中，如果設從水晶制1/2波長板WP的主面(入射、出射面)的法線PL看的光學軸方位為Θ (I，相對于在水晶制1/2波長板WP之中行進的光線Rl的光學軸方位為Q1,水晶制1/2波長板WP的主面的法線PL和所述光線Rl所成的角度為Θ 2，則這些角度間成為下面的關系。Θ 0=atan (tan θ χXcos θ 2)(Al)此時，根據θ1=45度，θ2=45度，能夠算出Θ。是Θ 0=atan (tan (45 度)Xcos (45 度))=atan (1/21/2)=35. 3 度然而，將在專利文獻12中提出的水晶制1/2波長板傾斜45度配置，在入射面側配置由線網格偏振元件和/或電介質多層膜等形成的偏振分離部，作為偏振光分束器行使功能，以與1/2波長板平行的方式將反射部傾斜45度配置，交替地依次配置這些而構成的偏振變換元件中，沒有夾入水晶制1/2波長板的玻璃，與水晶制1/2波長板接觸的是空氣。也就是說，根據空氣的折射率n0=l. 00和水晶的折射率n2=l. 54的關系，透過偏振變換元件的光的光路(光軸)，因為在光入射到水晶制1/2波長板時的空氣和水晶制1/2波長板的界面以及光從水晶制1/2波長板出射時的水晶制1/2波長板和空氣的界面，產生折射，所以光路(光軸)變化。Θ 0=atan (tan θ χXcos θ 2)(Al)此時，根據θ1=45度，θ2=27·2度，能夠算出Θ。是Θ 0=atan (tan (45 度)Xcos (27.2度))
=atan (1X0. 88941)=41. 65 度于是，討論了通過將水晶制1/2波長板45度傾斜，與空氣接觸由此在該水晶制1/2波長板的入出射面的界面在入射光的光軸產生折射的情況的水晶制1/2波長板的光學設計的結果，是以下的規格。
權利要求
1.一種偏振變換元件，其特征在于，包含 配置為相對于入射光成預定角度的透光性基板； 在該透光性基板的入射側表面，將入射光分離為相互垂直的第一直線偏振光和第二直線偏振光，透過所述第一直線偏振光，反射第二直線偏振光的偏振分離部；和 與所述透光性基板大致平行地離開配置、反射由所述偏振分離部反射后的所述第二直線偏振光的反射元件， 所述透光性基板， 由具有雙折射性和旋光性的無機晶體材料形成， 是構成為將透過所述偏振分離部而入射至所述透光性基板的所述第一直線偏振光，變換成與所述第二直線偏振光的偏振波面平行，作為第二直線偏振光出射的相位差兀件，該相位差元件，滿足下述的條件(A)、(B)、(C)中的任一個條件， 條件(A) 所述透光性基板為單板， 在設為設計波長\、所述透光性基板的板厚to、所述無機晶體材料的切斷角度為Z時，設計波長X、切斷角度Z以及板厚to的關系滿足式(I)(2) (3) (4)， 入≤-0. 1293XZ2+22. 402XZ-325. 73(I) 入≥ 0. 1199XZ2-20. 762XZ+1348. 6(2) to 5E-06XZ2-O. 0004XZ-0. 0368(3) to ≥ 2E-05XZ2-0. 0029XZ+0. 136(4) 條件(B) 所述透光性基板層疊2個所述無機晶體材料而構成， 在設為設計波長\、所述透光性基板的板厚to、所述無機晶體材料的切斷角度為Z時，設計波長入、切斷角度Z以及板厚to的關系滿足式(5) (6) (7) (8)， 入≤-10. 75XZ2+1933. 9XZ-86330(5) 入≥ 6. 25XZ2-1126. 6XZ+51216(6) t 0 ^ -0. 0281 XZ2+5. 0512XZ-225. 61(7) to ≥ 0. 0173XZ2-3. 1146XZ+141. 39(8) 在設為在所述透光性基板中行進的光線的行進方向中的2個所述無機晶體材料中，第一無機晶體材料的相位差為r 1，第二無機晶體材料的相位差為r 2時,滿足下式ri-r2|=i80 度(9) 條件(C) 所述透光性基板層疊2個所述無機晶體材料， 在設為設計波長\、所述透光性基板的板厚to、所述無機晶體材料的切斷角度為Z時，設計波長入、切斷角度Z以及板厚to的關系，滿足式(10) (11) (12) (13)，入≤2E-07XZ6+0. OOOlXZ5-O. 024XZ4+2. 7749XZ3_178. 61 XZ2+6067. 8XZ-84312(10) 入≥-4E-05XZ3+0. 0757XZ2-10. 073XZ+696. 9(11) to ( -2E-08XZ4+6E-06XZ3-O. 0008XZ2+0. 0495XZ-0. 9488 (12)t O ^ 5E-07XZ3-O. 0001 XZ2+0. 0065XZ-0. 0924(13)。
2.如權利要求I所述的偏振變換元件，其特征在于 在條件(A)時， 在設為從所述透光性基板的法線來看的光學軸方位為e ^，相對于在所述透光性基板中行進的光線的光學軸方位為Q1，該光線和晶體光學軸的法線所成的角度為02，所述透光性基板的折射率為n。，與所述透光性基板相鄰的層的折射率為na，入射角為a時，滿足式(A1)、(A2) 0 0=atan (HanQ1XcosQ2)(Al) nasin a =ncsin 0 2(A2)。
3.如權利要求I所述的偏振變換元件，其特征在于 在條件(B)或者條件(C)時， 在設為從所述透光性基板的法線來看的所述第一無機晶體材料的光學軸方位為e 01,相對于在所述第一無機晶體材料中行進的光線的光學軸方位為e n，此光線和晶體光學軸的法線所成的角度為021，所述第一無機晶體材料的折射率為n。,，與所述第一無機晶體材料相鄰的層的折射率為^，入射角為a時，滿足式(A11)、(A21) 0 01=atan (tan 9 nXcos 0 21)(All) nasin a =nclsin 0 21(A21) 在設為從所述透光性基板的法線來看的所述第二無機晶體材料的光學軸方位是e 02,相對于在所述第二無機晶體材料中行進的光線的光學軸方位為e 12，該光線和晶體光學軸的法線所成的角度為0 22，所述第二無機晶體材料的折射率為1!。2，與所述第二無機晶體材料相鄰的所述第一無機晶體材料的折射率為Iicl時，滿足式(A12)、(A22) 9 02=atan (tan 0 12Xcos 0 22)(A12) nclsin 0 21=nc2sin 0 22(A22)。
4.如權利要求2或者3所述的偏振變換元件，其特征在于 所述入射角a為大致45度或者135度。
5.如權利要求2至4中任一項所述的偏振變換元件，其特征在于 所述晶體材料為水晶。
6.如權利要求I至5中任一項所述的偏振變換元件，其特征在于 所述反射元件包含水晶板和在該水晶板的表面設置的鏡部。
7.一種偏振變換單元，其特征在于，包含如權利要求I至6中任一項所述的偏振變換元件和保持該偏振變換元件的保持部件， 所述保持部件，包含分別保持所述透光性基板的兩端部和所述反射元件的兩端部的一對保持板；和分別連接該一對保持板的兩端部的一對連接板。
8.如權利要求7所述的偏振變換單元，其特征在于 所述一對保持板和所述一對連接板一體地形成， 在所述一對保持板的相互相對的部分，設置分別引導所述透光性基板和所述反射元件的引導槽， 所述引導槽在所述一對保持板的一側面分別開口。
9.如權利要求8所述的偏振變換單元，其特征在于所述一對保持板和所述一對連接板分體形成，所述一對連接板包含對所述一對保持板在相互相對的方向施力的接合片。
10.一種投影型圖像裝置，其特征在于，包含光源；將來自所述光源的光變換為所述第二直線偏振光而出射的偏振變換元件；根據將投影的圖像信息調制來自所述偏振變換元件的出射光的光調制機構；和將由所述光調制機構調制了的光投影的投影光學系統，所述偏振變換元件是如權利要求I至9中任一項所述的偏振變換元件。
11.如權利要求10所述的投影型圖像裝置，其特征在于所述光調制機構是液晶面板。
全文摘要
本發明提供如下偏振變換元件在水晶等的具有雙折射性和旋光性的晶體材料中，即使切斷角度從設計值偏離而被切斷的情況下，通過根據角度偏差，調整板厚，修正為最合適的設計板厚，由此改正設計相位差，可靠地將預定波長帶域的偏振變換效率設為規定值以上。包含由具有雙折射性和旋光性的晶體材料形成的透光性基板；在該透光性基板的入射側表面設置、透過P偏振光P且反射S偏振光的偏振分離部，構成偏振分離元件，將反射在偏振分離部反射的S偏振光S的反射元件與透光性基板大致平行地離開配置，設定預定的函數，使得將透過偏振分離部而入射至透光性基板的P偏振光P變換為與S偏振光S的偏振波面平行，作為S偏振光出射。
文檔編號G03B21/00GK102809775SQ201210169349
公開日2012年12月5日 申請日期2012年5月28日 優先權日2011年5月30日
發明者小林眾方, 宮原充, 櫻井誠 申請人:精工愛普生株式會社