专利名称：波片、偏振转换元件、照明光学系统和图像显示装置的制作方法
技术领域：
本公开涉及改变透射光的偏振方向的波片以及使用该波片的偏振转换元件、照明光学系统和图像显示装置。
背景技术：
在现有技术的投射型图像显示装置(投影仪)中，使用了偏振转换元件来提高光的使用效率。对于该偏振转换元件，使用了半波片来改变光的偏振方向。期望用于该用途的半波片对可见光范围内的全体波长进行良好的偏振转换，并且使用了宽带域的半波片。作为半波片的材料，一般使用聚碳酸酯或类似物的膜。然而，例如日本专利 No. 4277514(以下称为专利文献1)提出了一种用于改善耐热性和耐光性的石英波片。在专利文献1中，波片由两个石英片层叠构成。特别地，根据专利文献1，通过将波片构造成使得满足θ 2 = θ 1+45且0 < θ 1 < 45，能够获得宽带域化，其中θ 1为由入射直线偏振光的偏振面与第一波片的光轴形成的角度，θ 2为由入射直线偏振光的偏振面与第二波片的光轴形成的角度。日本专利特开No. 2009-133917(以下称为专利文献2)公开了这样一种技术，其中使两个相同的石英片彼此粘结，以相对彼此偏移45度，并且将一个石英片设置成与基准面形成22. 5度的角度。通过如此设置石英片，能够构成在视角特性中具有偏性(bias)的波片。在专利文献2的技术中，通过改变该波片中的配置，来有效地利用该视角特性。然而，在专利文献1的技术中，由两个石英片各自生成的相位差根据入射光束的入射角而发生变化。因此，有必要抵销两个石英片中的相位差的偏差，从而需要复杂的设计。此外，为了抑制波长分散和辉度降低并且获得与由膜形成的半波片相当的光学性能，石英片的厚度必须设定为尽可能薄。然而，当厚度变薄时，加工上的困难增加，并且对产出率和成本的影响变大。采用专利文献2中所描述那样的方法会比较有效。具体说，在该方法中，石英波片的设计得到简化，并且石英片的厚度得到增加。另外，基于在照明光学系统和偏振转换元件中设置波片的方式，来尝试整体最佳化。然而，如果只像专利文献2中那样通过将两个相同的石英片以45度偏移彼此粘结并将一个石英片设置成使得该石英片与基准面形成22. 5度的角度来构成波片，则波片的光学性能常常发生波动。
发明内容
需要一种技术来提供没有波动并且能够轻松地制造的具有良好偏振转换效率的波片、偏振转换元件、照明光学系统和图像显示装置。
根据本公开一实施例，提供了一种波片，其包括晶体的光轴相对于主面倾斜的第一石英片、和晶体的光轴相对于主面倾斜的第二石英片。第二石英片的主面与第一石英片的主面重叠。此外，在从垂直于主面的方向观察到的正视图中，由第一石英片的光轴和第二石英片的光轴形成的角度为45度，并且在从平行于主面的方向观察到的俯视图中，第一石英片的光轴平行于第二石英片的光轴。根据本公开的实施例，两个石英片被设置成使得这些石英片的光轴方向在从平行于波片或石英片的主面的方向观察石英片时彼此平行。具体说，本实施例是基于了以下发现从平行于主面的方向观察的两个光轴的取向对波片的光学特性具有大影响，通过将波片构造成使得这两个光轴彼此平行，能够将偏振转换效率的光波长依存性降低至最大程度。此外，还能降低入射角在小于0度的负侧的光的偏振转换效率的入射角依存性。根据本公开的另一实施例，提供了一种偏振转换元件，其包括构造成将入射光分离成P偏振光和S偏振光的偏振分离器、和构造成设置在被所述偏振分离器分离出的ρ偏振光和S偏振光中的一个的光路上的波片。作为该波片，使用的是上述波片。因此，在该偏振转换元件中同样，能够降低偏振转换效率的波长依存性和入射角依存性。根据本公开的另一实施例，提供了一种照明光学系统，其包括光源、和构造成降低从光源射出的光的照度不均勻性的积分元件。此外，该照明光学系统还包括偏振转换元件，该偏振转换元件构造成设置在透射穿过所述积分元件的光的光路上，并包括将入射光分离成P偏振光和S偏振光的偏振分离器、和设置在被所述偏振分离器分离出的P偏振光和s偏振光中的一个的光路上的波片。作为该偏振转换元件，使用的是上述偏振转换元件。根据本公开一实施例的照明光学系统，因为使用了上述偏振转换元件，所以对于光源，实现了具有宽波长范围和入射角的光的偏振转换。这能够提供比现有技术更明亮的照明光。根据本公开另一实施例，提供了一种图像显示装置，其包括上述照明光学系统、构造成分离从照明光学系统出射的光的分光光学系统、构造成调制分离出的光的液晶面板、 构造成合成被液晶面板调制的光的光合成器、和构造成投射由光合成器合成的光的透镜。根据本公开一实施例的图像显示装置，因为使用了上述照明光学系统，所以能够相对于来自光源的光，以高效率生成图像。因此，能够以低电能消耗提供更亮的图像。根据本公开的实施例，波片被设置成使得两个石英片的光轴方向在从平行于波片或石英片的主面的方向观察石英片时彼此平行。因此，降低了入射角依存性和波长依存性， 并且能够获得没有波动的良好的偏振转换效率。
图IA是从平行于主面的方向观察第一实施例的波片时的俯视图，而图IB是从垂直于主面的方向观察到的正视图；图2A是从平行于主面的方向观察现有技术的波片时的俯视图，而图2B是从垂直于主面的方向观察到的正视图3是示出本公开一实施例中入射到波片的光的入射角的说明图；图4A示出了对于第一实施例的波片通过模拟获得的平行尼科耳棱镜中的光透射率，而图4B示出了正交尼科耳棱镜中的光透射率；图5A示出了对于现有技术的波片通过模拟获得的平行尼科耳棱镜中的光透射率，而图5B示出了正交尼科耳棱镜中的光透射率；图6A是从平行于主面的方向观察实验性地制成的石英片时的示意图，而图6B是从垂直于主面的方向观察到的示意图；图7A是从平行于主面的方向观察以实验性地制成的石英片构成的第一实施例的波片时的示意图，而图7B是从垂直于主面的方向观察到的示意图；图8A是从平行于主面的方向观察以实验性地制成的石英片构成的现有技术的波片时的示意图，而图8B是从垂直于主面的方向观察的示意图；图9是示出如何测量所制成的波片的透射率的说明图；图IOA示出了对于第一实施例的波片在平行尼科耳棱镜中的光透射率的实测值， 而图IOB示出了正交尼科耳棱镜中的光透射率的实测值；图IlA示出了对于现有技术的波片在平行尼科耳棱镜中的光透射率的实测值，而图IlB示出了正交尼科耳棱镜中的光透射率的实测值；图12A示出了对于通过石英片彼此粘结制成的第一实施例的波片通过测量平行尼科耳棱镜中的光透射率所获得的实测值，而图12B示出了通过测量正交尼科耳棱镜中的光透射率所获得的实测值；图13是示出第二实施例的偏振转换元件的示意性构造图；图14A是第二实施例的偏振转换元件的正视图，而图14B和14C是示出构成第二实施例的偏振转换元件的波片的配置的说明图；图15A-15H是示出第二实施例的偏振转换元件中的波片的组合的说明图；图16是示出第三实施例的照明光学系统的示意性构造图；而图17是示出第四实施例的图像显示装置的示意性构造图。
具体实施例方式下面将描述实施本公开的最佳模式的示例。然而，本公开并不局限于以下示例。描述的顺序如下。1.第一实施例(波片的示例)2.第二实施例(偏振转换元件的示例)3.第三实施例(照明光学系统的示例)4.第四实施例(图像显示装置的示例)首先，将定义本说明书中的坐标系。在本说明书中，将基于右手坐标系进行描述。 附图中的X轴和Y轴定义为波片平面内的方向，而Z轴定义为波片的厚度方向。此外，当将该波片置于桌子上并从上方观察时，右手侧定义为X轴正方向，而上侧定义为Y轴正方向。 另外，从桌子下方区域朝上侧的方向定义为Z轴正方向。在对于该波片进行光学计算的情况下，是基于以下假设进行计算的，即通常光是从Z轴的较小值侧入射到波片，并朝Z轴的较大值侧穿过波片。
6
此外，X轴方向定义为入射光的偏振方向。1.第一实施例图IA和IB是示出第一实施例的波片100的概略构造的示意图，并且是基于三角法示出的。图IA是从平行于波片100的主面IOOa的方向观察波片100时的俯视图。图IB 是从垂直于主面IOOa观察第一实施例的波片100时的正视图。如图IA所示，本实施例的波片100具有这样一种构造，其中第一石英片1的主面
与第二石英片2的主面重叠。在图中，箭头Al表示石英片1的光轴方向，而箭头A2表示石英片2的光轴方向。 光轴也称为C轴。在本说明书中由箭头示出的方向如下。具体说，在如同图IB的正视图中， 箭尖侧的光轴的前端表示前方侧，即靠近观察者一侧。这同样适用于本说明书中的其它附图。此外，在本说明书中，方位角是指从垂直于石英片的主面的方向观察波片时由光轴与入射光的偏振方向(X轴)形成的角度，与光轴在石英片的厚度方向(Z轴方向)上的取向无关。因此，即使图IB中的箭头Al的箭尖在例如XY平面内朝180度相反方向取向时， 方位角也是相同的。如图IA中箭头Al和A2所示，在从平行于波片100的主面IOOa的方向即从垂直于入射光的偏振方向(X轴)的方向观察到的俯视图中，第一石英片1的光轴和第二石英片 2的光轴相对于主面IOOa是倾斜的。也就是说，第一石英片1和第二石英片2是通过以将晶体的光轴设定成倾斜的方式切割石英片即通过所谓的Z切形成的，并且即使一个石英片也能作为零次半波片而起作用。此外，在该俯视图中，第一石英片1的光轴和第二石英片2的光轴是彼此大致平行的。如图IB所示，在从垂直于主面IOOa的方向观察波片100时的正视图中，由第一石英片1的光轴与第二石英片2的光轴形成的角度为45度。优选的是，第一石英片1的光轴相对于定义为入射光的偏振方向的X轴方向的方位角设定为67. 5度，而第二石英片2的光轴的方位角设定为22. 5度。如上所述，在本实施例中，在从平行于波片100的主面IOOa的方向即从垂直于入射光的偏振方向(X轴)的方向观察到的俯视图中，第一石英片1的光轴和第二石英片2的光轴设定成大致彼此平行。在现有技术中，例如在专利文献1中，只考虑了波片面内的光轴方向。然而，在以将石英的光轴设定成倾斜的方式切割石英片以允许一个石英片用作零次半波片的情况下，石英片的光轴是三维地倾斜的。因此，不但应该考虑从图IB所示垂直于主面的方向观察到的正视图中的光轴方向，而且还应考虑从如图IA所示平行于主面的方向观察到的俯视图中的光轴方向。本公开的实施例是基于以下发现，即能够通过使两个石英片构造成使得从平行于波片的主面的方向观察到的俯视图中的光轴方向彼此平行来轻松地实现带宽增大。此外，在本实施例中，可使用相同的石英片作为第一石英片1和第二石英片2。具体说，能够通过沿主面内的方向旋转石英片并使主面彼此重叠成使得两个相同石英片的光轴在正视图中形成的角度为45度而在俯视图中的光轴彼此平行，来构成波片。这消除了制造多种石英片的必要，因此能够实现简化制造步骤和降低成本。对于具有沿着X轴方向的偏振方向的光入射到该波片100的情况进行了模拟。此外，作为比较示例，对图2A和2B所示波片110也相似地进行了模拟。图2B是从垂直于波片110的主面IlOa的方向观察波片110时的正视图。图2A 是从平行于主面IlOa且垂直于入射光的偏振方向的方向观察波片110时的俯视图。如图2A所示，该波片110由第一石英片Ia和第二石英片加的主面彼此重叠构成。在图中，箭头A3表示第一石英片Ia的光轴方向，而箭头A4表示第二石英片加的光轴方向。如图2B所示，在从垂直于波片110的主面IlOa的方向观察到的正视图中，第一石英片Ia的光轴的方位角和第二石英片加的光轴的方位角分别为67. 5度和22. 5度，类似于图IA和IB所示实施例的波片100。然而，如图2A所示，当从平行于主面1 IOa且垂直于入射光的偏振方向的俯视方向观察波片110时，第一石英片Ia的光轴和第二石英片加的光轴沿着彼此相交的方向。在模拟中，将相对于石英的光轴以25度进行切割所获得的25度Z切晶片用作石英片1、2和石英片la、2a。将晶片的厚度设定为约0. 15mm,以使以0度入射角入射并具有 480nm波长的光能够获得180度的相位差。具体说，石英片1、2、Ia和加是相同的石英片，并沿主面内的方向旋转以彼此重叠成使得光轴的方位角如上所述设定为67. 5度和22. 5度。此外，因为石英是晶体，所以使用液晶模拟器来进行模拟。为了调查作为半波片的性能，在波片的入射侧和出射侧设置偏振片，并对偏振片形成平行尼科耳棱镜(Nicol)的情况和偏振片形成正交尼科耳棱镜的情况分别进行计算。将各偏振片设置成使得在入射侧穿过偏振片的光的偏振方向与波片100、110的X 轴方向一致。穿过半波片的光的偏振方向旋转90度。因此，在平行尼科耳棱镜中，穿过波片的光被设置在出射侧的偏振片遮挡。因此，可以说，穿过设置在出射侧的偏振片后的光相对于穿过设置在入射侧的偏振片的光的透射率越低时，波片的偏振转换效率越高。在正交尼科耳棱镜中，穿过波片的光的偏振方向与设置在出射侧的偏振片的偏振轴方向一致。因此，可以说，穿过设置在出射侧的偏振片后的光相对于穿过设置射侧的偏振片的光的透射率越高，波片的偏振转换效率越高。在模拟中，对于光向各波片的入射角设定为-3度、0度和+3度的三种模式求取透射率。如图3中的箭头A5所示，将垂直于波片100的主面的光的入射角定义为0度。此外，如箭头A6所示，将相对于波片100的主面倾斜并从X轴正侧朝负侧行进的光束的入射角定义为正角。如箭头A7所示，将倾斜的并从X轴负侧朝正侧行进的光束的入射角定义为负角。这同样适用于波片110。图4A和4B示出了对于本实施例的波片100进行的上述模拟的结果。图4A示出了平行尼科耳棱镜中的透射率。图4B示出了正交尼科耳棱镜中的透射率。线a、b和c分别对应于光束向波片100的入射角为0度、_3度和+3度的情况。如图4A所示，在平行尼科耳棱镜中，入射角为-3度的光的透射率为低值，大致等于入射角为0度的光的透射率的值，并且在波长为420nm-700nm的宽带域中从这两个入射角获得高的转换效率。如果光的入射角为+3度，则在较长波长侧，透射率较高。如图4B所示，同样在正交尼科耳棱镜中，入射角为-3度的光的透射率为高值，大致等于入射角为0度的光的透射率的值，并且在波长为420nm-700nm的宽带域中从这两个入射角获得高的转换效率。在入射角为+3度的光的情况下，对于波长较长的光，透射率较低。图5A和5B示出了通过将两个石英片彼此重叠成使得光轴在从平行于石英片主面的方向观察到的俯视图中彼此相交的方式构成的波片110的模拟结果。图5A示出了平行尼科耳棱镜中的透射率。图5B示出了正交尼科耳棱镜中的透射率。线a、b和c分别对应于光束向波片110的入射角为0度、_3度和+3度的情况。如图5A所示，在平行尼科耳棱镜中，入射角为0度的光的透射率的值与本实施例的波片100的值大致相同。然而，入射角为-3度的光的透射率的值高，完全与波长无关。因此，能够确认，在本实施例的波片100中，入射角在负侧的光的转换效率比起现有技术的波片110得到了改善。对于入射角为+3度的光，透射率在较短波长侧较高。如图5B所示，在正交尼科耳棱镜中，入射角为0度的光的透射率的值与本实施例的波片100的值大致相同。然而，入射角为-3度的光的透射率最多约为84%。因此，通过与图4B比较，能够确认，入射角在负侧的光的转换效率在本实施例的波片100中得到了改
業
口 ο入射角为+3度的光的透射率在较短波长侧较低。如上所述，在现有技术的波片110中，透射率既存在波长依存性又存在入射角依存性。对比之下，在本实施例的波片100中，如图4A和4B所示，入射光为-3度的光呈现出没有波长依存性并且与入射角为0度的光相当的透射率。即，可以说，通过本实施例的波片 100，能够对于入射角为负角的光获得入射角依存性和波长依存性得到降低的高转换效率。特别地，在使用波片的光学系统中，由于该光学系统中的透镜构造等因素，在光的强度分布中常常出现作为光的入射角的函数的偏性。在这种情况下，可通过使用本实施例的波片100并将波片设置成在其表面中旋转以使具有高强度的光能够以位于小于0度的负侧的入射角入射，来以较高效率进行偏振转换。下面将参考图6A-12B来描述通过波片的实际制造和测量对这些模拟结果进行的检验的结果。首先，如图6A和6B所示，切出各自具有矩形形状的第一石英片Ic和第二石英片 2c。这些石英片lc、2c是相同的石英片。类似于模拟，它们是通过以下方法获得的相对于光轴以25度进行Z切，并将它们的厚度设定为约0. 15mm,以便能够对于以0度入射角入射并具有480nm波长的光获得180度的相位差。图6B是从垂直于主面的方向观察第一石英片Ic和第二石英片2c时的正视图。图 6A是从平行于主面的方向观察到的俯视图。箭头A8表示第一石英片Ic的光轴方向。箭头A9表示第二石英片2c的光轴方向。 在第一石英片Ic和第二石英片2c两者中，光轴相对于入射光的偏振方向(X轴)的方位角均为22. 5度。在第一石英片Ic和第二石英片2c的主面上形成有沟槽3和4，以区别石英片的前后侧。图7A和7B是由第一石英片Ic和第二石英片2c重叠构成的本实施例的波片100 的示意图。图7B是从垂直于波片100的主面(石英片Ic和2c的主面)的方向观察到的正视图。图7A是从平行于主面的方向观察到的俯视图。如图7B所示，第二石英片2c沿其主面内的方向旋转90度。第二石英片2c的沟槽4在图7B中以虚线示出。这意味着沟槽4在图7B中设置在第二石英片2c的后侧。具体说，图7B所示第二石英片2c是由图6B所示第二石英片2c的前后侧反向并在图中沿逆时针旋转90度而得到的。通过如此构成波片100，第二石英片2c的光轴在正视图中的方位角被设定为67. 5 度。第一石英片Ic的光轴的方位角为22. 5度。此外，如图7A所示，各石英片的光轴在从平行于主面的方向观察到的俯视图中是彼此平行的。图8A和8B是示出由第一石英片Ic和第二石英片2c重叠构成的现有技术的波片 110(见图2)的示意图。图8B是从垂直于波片110的主面(石英片Ic和2c的主面)的方向观察到的正视图。图8A是从平行于该主面的方向观察到的俯视图。如图8B所示，第二石英片2c在图中沿其主面内的方向顺时针旋转90度。此外， 如虚线表示的沟槽4所示，图8B所示第二石英片2c是由图6B所示第二石英片2c的前后侧反向得到的。如果波片110是如此构成的，则虽然第二石英片2c的光轴在正视图中的方位角被设定为67. 5度，但是第二石英片2c的光轴在俯视图中却沿与第一石英片Ic的光轴相交的方向取向，如图8A所示。如图9所示，将如此构成的波片100和110固定至玻璃白板5，并设定在分光光度计中。第一石英片Ic和第二石英片2c通过修补带6简单地固定至玻璃白板5。在从分光光度计的光源7向波片100、110发射的光8的入射侧设置有偏振片10， 并在透射穿过波片100、110的光8的出射侧设置有检偏器11。从光源7出射的光8透射穿过偏振片10，然后如光斑9所示入射到第一石英片Ic 与第二石英片2c之间的交叉部分。透射穿过该交叉部分的光入射到检偏器11，并且透射穿过检偏器11的光由受光器(未示出)检测。沿检偏器11的入射面中的方向旋转检偏器11，并测量波片100、110在平行尼科耳棱镜和正交尼科耳棱镜中的透射率。图IOA和IOB示出了本实施例的波片100的透射率的实际测量的结果。图IOA示出了平行尼科耳棱镜中的透射率，而图IOB示出了正交尼科耳棱镜中的透射率。线a、b和c分别对应于光向波片100的入射角为0度、-3度和+3度的情况。因为第一石英片Ic和第二石英片2c的重叠是通过修补带6简单地进行的，所以在所有线a、b和c中，图IOA中的透射率均高于示出模拟结果的图4A中的透射率。然而，以下趋势与模拟结果的趋势相同。具体说，当光的入射角为0度和-3度时，透射率的波长依存性小。当光的入射角为+3度时，透射率的波长依存性大，并且透射率在较长波长侧较高。同样，在示出正交尼科耳棱镜中的透射率的图IOB中，虽然透射率与图4B相比较低，但是以下趋势与模拟结果的趋势是相同的。具体说，当光的入射角为0度和-3度时，透射率的波长依存性小。当光的入射角为+3度时，透射率的波长依存性大，并且透射率在较长波长侧较低。图IlA和IlB示出了具有现有技术构造的波片110的透射率的实际测量的结果。图IlA示出了平行尼科耳棱镜中的透射率，而图IlB示出了正交尼科耳棱镜中的透射率。线a、b和c分别对应于光向波片110的入射角为0度、-3度和+3度的情况。在图IlA中，虽然透射率整体较高，但是趋势与图5A的模拟结果的趋势是大致相同的。具体说，例如，入射角为+3度的光的透射率在较短波长侧较高。同样，在示出正交尼科耳棱镜的情况的图IlB中，虽然透射率整体较低，但是趋势与图5B的模拟结果的趋势是大致相同的。具体说，例如，入射角为+3度的光的透射率在较短波长侧较低。图12A和12B示出了对于通过将第一石英片Ic实际上粘结至第二石英片2c并在其表面上形成防反射膜而制成的本实施例的波片100通过类似于图9地测量透射率所获得的结果。第一石英片Ic与第二石英片2c的粘结是通过紫外线粘结剂进行的。图12A示出了平行尼科耳棱镜的波片100的透射率，而图12B示出了正交尼科耳棱镜的波片100的透射率。根据图12A，可看出入射角为0度和-3度的光的透射率整体均很低，能够获得与图4A的模拟结果大致相当的高转换效率。此外，入射角为+3度的光的透射率在较长波长侧较高的趋势也与模拟结果良好匹配。因为设置有防反射膜，所以在示出正交尼科耳棱镜的情况的图12B中，透射率整体增高约10%。然而，对于入射角为0度和-3度的光，波长依存性几乎不存在，并且透射率高。此外，入射角为+3度的光的透射率在较长波长侧较低的趋势也与图4B的模拟结果良好匹配。如上所述，根据本实施例的波片100，通过将两个石英片构造成使得石英片的光轴在从平行于它们的主面的方向观察石英片时彼此平行，能够降低入射角在小于0度的负侧的光的波长依存性。例如，如果使波片100沿其主面内的方向旋转并设置成使得强光能够沿着-3度入射角的方向入射，则在图12A、12B等中示出的入射角为-3度和0度的光的特性占支配地位，并且能够在整个可见光范围中获得良好的偏振转换效率。虽然以上示出了波长范围为420nm-700nm内的数据，但是对于较短波长侧的极限为400nm或更短的情况也能获得相同的有益效果。此外，波片100具有通过沿主面内的方向旋转由相同Z切形成的两个波片并重叠这两个波片而获得的简单构造。因此，制造也容易，并且能够降低成本。在上述专利文献1的技术中，由于设计的复杂性以及抑制波长分散的目的，一个石英片的厚度必须设定为约0. 1mm。该厚度在一般制造方法中接近制造极限，因此生产率低下。
然而，在本实施例的波片100中，如上所述，即使对于单片厚度约为0. 15mm的石英片，也能充分降低波长依存性，并且能够提高生产率。当本实施例中的石英片的单片厚度在至少0. lmm-0. 3mm的范围内时，能够降低入射角在小于0度的负侧的光的波长依存性。在以上描述中，采取了使用相对于光轴以25度进行Z切所形成的石英片的示例。 然而，该角度可在例如15度-30度的范围内相应地设定。当第一石英片的光轴的方位角与第二石英片的光轴的方位角的组合为5度、 67. 5度)、(112. 5度、157. 5度)或(157. 5度、112. 5度)时，也能获得相同的有益效果。2.第二实施例(偏振转换元件的示例)下面将描述通过使用上述波片100来构成偏振转换元件的示例。图13是示出本公开第二实施例的偏振转换元件200的构造的示意性构造图。本实施例的偏振转换元件200包括将入射光分离成ρ偏振光和s偏振光的偏振分离器20、和设置在被偏振分离器20分离出的ρ偏振光和s偏振光之一的光路上的波片24。偏振分离器20是由呈例如平行六面体形状的多个棱镜21彼此粘结而成的。在棱镜21之间的粘结面处，交替形成有例如反射s偏振光并透射ρ偏振光的PBS面2 和再次反射被PBS面22a反射的s偏振光的反射面22b。在透射穿过PBS面2 的ρ偏振光出射的棱镜21的出射面处，设置有波片24。作为该波片24，可使用第一实施例(图IA和1B)中示出的波片100。在本示例中，波片100 沿面内方向旋转并设置成使得P偏振光的偏振方向能够与图IA和IB中的波片100的X轴
方向一致。可在出射面设置有波片M的棱镜21的光入射侧的面处设置遮光片23。如箭头AlO所示，在本实施例中入射到偏振转换元件200的s偏振光被棱镜21的 PBS面2 反射，并入射到反射面22b。然后，s偏振光再次被反射面22b反射，并直接出射为s偏振光。另一方面，如箭头All所示，入射到本实施例的偏振转换元件200的ρ偏振光透射穿过棱镜21的PBS面22a，并入射到波片Μ。在入射到波片M的ρ偏振光中，基于相对于 X轴处于45度方位角的有效轴(virtual axis)发生180度的相位差(λ/2)。因此，发生轴对称的偏振变化，使得光出射为s偏振光。这样，在本实施例的偏振转换元件200中，包括ρ偏振光和s偏振光两者的光被转换成这些偏振方向之一的光。特别地，第一实施例中示出的波片100被用作波片24。因此，对于入射角在负侧的光能够降低波长依存性。因此，通过将偏振转换元件设置成使得光以小于0度的负侧的入射角优选以-3度入射到波片Μ，能够实现高的偏振转换效率。图14Α是从波片M侧观察偏振转换元件200时的示意性正视图。偏振转换元件200分成两个区域Tl和Τ2。波片M设置在区域Tl和区域Τ2的每一个中。为方便起见，以下将分别描述设置在区域Τ2中的波片2 和设置在区域Tl中的波片Mb。然而，这些波片2 和24b与第一实施例中示出的波片100是相同的，并且是通过将外形加工成矩形形状而获得的。在区域T2中，如图14B所示，对于图中的坐标方向，波片2 设置成与第一实施例 (图IA和1B)中示出的波片100的取向相同。箭头A12表示构成波片Ma的第一石英片1的光轴方向，而箭头A13表示构成波片Ma的第二石英片2的光轴方向。区域Tl中的波片24b设置为由沿主面内的方向(XY平面内的方向)180度旋转设置在区域T2中的波片2 得到的取向。这时，构成波片24b的第一石英片1和第二石英片 2的光轴分别处于图14C所示箭头A14和A15的取向。因此，区域T2中的波片Ma对于入射角在小于0度的负侧的光提供高的转换效率。区域Tl中的波片24b对于入射角在大于0度的正侧的光呈现出良好的转换效率，因为波片24b是由沿主面内的方向180度旋转波片2 得到的。通常，由于光学系统的构造，如光学系统中的透镜的偏心等，入射到偏振转换元件的光的入射角的分布是不均勻的。因此，入射到偏振转换元件的光的入射角的分布在其主面内并不一定是均勻的。然而，通过像本实施例中那样适宜地改变波片M在偏振转换元件200中的设置取向，能够进行与光在主面内的入射角分布相关联的偏振转换，因此能够进一步提高转换效率。除这里示出的波片2 和Mb的光轴方向的组合之外，还存在提供同等有益效果的组合。这些组合通过例如沿波片2 和24b的主面(XY平面)内的方向旋转波片2 和 24b而获得。这些组合在图15A-15H中例示出。在以下描述中，第一石英片1的光轴的取向以箭头A12示出，而第二石英片2的光轴的取向以箭头A13示出。在本示例中，第一石英片1 和第二石英片2在从平行于主面的方向观察到的俯视图中的光轴是彼此平行的，并且在所有组合中是相同的。然而，在从垂直于主面的方向观察到的正视图中的光轴的组合是不同的。图15A示出了图14A-14C所示的组合。因此，由箭头A12示出的第一石英片1的光轴的方位角为67. 5度，而由箭头A13示出的第二石英片2的光轴的方位角为22. 5度。波片Mb由波片2 沿其主面内的方向旋转180度而得到。如已经描述的，如在本说明书中定义的，方位角与光轴在Z轴方向上的取向无关，图中箭尖取向为180度相反侧的光轴具有相同的方位角。因此，由箭头A12示出的光轴的方位角同样地为67. 5度，而由箭头A13示出的光轴的方位角为22. 5度。如图15B所示，也可采用通过在正视图中交换第一石英片1的光轴的取向与第二石英片2的光轴的取向所获得的构造。在波片2 中，第一石英片1的光轴(箭头A12)的方位角为22. 5度，而第二石英片2的光轴(箭头A13)的方位角为67. 5度。波片Md由波片2 沿主面内的方向旋转180度而得到。第一石英片1的光轴 (箭头AU)的方位角为22. 5度，而第二石英片2的光轴(箭头Al； )的方位角为67. 5度。图15C示出了通过使图15A中的波片2 和24b沿主面内的方向(XY平面内的方向)旋转90度所获得的构造。因此，在波片Me中，第一石英片1的光轴的方位角为箭头 A12示出的157. 5度(-22. 5度)，而第二石英片2的光轴的方位角为箭头A13示出的112. 5 度(-67. 5 度)。波片24f由波片2 沿主面内的方向旋转180度而得到。因此，第一石英片1的光轴(箭头AU)的方位角和第二石英片2的光轴(箭头Al； )的方位角相似地分别为157. 5 度和112. 5度。
图15D示出了通过使图15B中的波片2 和24d沿主面内的方向旋转90度所获得的构造。在波片Mg中，第一石英片1的光轴(箭头A12)的方位角为112.5度(-67.5 度)，而第二石英片2的光轴(箭头Al； )的方位角为157. 5度(-22. 5度)。波片Mh由波片24g在其主面内旋转180度而得到。因此，第一石英片1的光轴 (箭头A12)的方位角也同样地为112. 5度，而第二石英片2的光轴(箭头A13)的方位角为 157. 5 度。图15E示出了图15A中的波片Ma与图15B中的波片Md的组合。图15F示出了图15B中的波片2 与图15A中的波片24b的组合。图15G示出了图15C中的波片2 与图15D中的波片Mh的组合。图15H示出了图15D中的波片Mg与图15C中的波片Mf的组合。具体说，波片2如、2如和24g作为与波片2 相当的波片而存在，而波片McUMf 和24h作为与波片24b相当的波片而存在。因此，总共存在4X4= 16种组合。图15A-15H 示出了这16种组合中的八种组合。3.第三实施例(照明光学系统的示例)下面将参考图16描述通过使用本公开一实施例的波片100来构成能够应用于例如投影仪等图像显示装置的照明光学系统的示例。图16是示出第三实施例的照明光学系统300的构造的示意性构造图。本实施例的照明光学系统300包括发光的光源30、降低从光源30射出的光的辉度不均勻性的积分元件35、和调整透射穿过积分元件35的光的偏振方向的偏振转换元件36。作为光源30，使用的是例如超高压汞灯。从光源30射出的光被反射器31反射，并穿过覆盖该反射器的光出射口的防爆玻璃32射出。防爆玻璃32是为了保护光源30免受损伤等而设置的。对于透射穿过防爆玻璃32的光，在图中XY平面内的辉度分布的不均勻性通过积分元件35得到降低。在本实施例中，积分元件35由第一蝇眼透镜33和第二蝇眼透镜34 组成。可在光源30与积分元件35之间设置紫外线截止滤波器(ultraviolet cut filter)ο透射穿过积分元件35的光被偏振转换元件36转换成偏振方向被调整为一个方向的光，并从照明光学系统300射出。作为该偏振转换元件36，可使用第二实施例中示出的偏振转换元件200。在该偏振转换元件36中，与例如构成第二蝇眼透镜的各透镜34a_34d相对应地设置波片37a-37d。对于来自透镜3 和34b的光，与第一实施例(图IA和1B)中示出的波片100相同的波片37a和37b分别设置在与第二实施例(图14A-14C)中示出的波片2 相同的坐标轴方向上。对于来自透镜3 和34d的光，分别设置由波片37a和37b沿主面内的方向(XY 平面内的方向)旋转180度得到的波片37c和37d。也就是说，波片37c和37d相当于图 14A-14C所示的波片Mb。从光源30射出的光的辉度分布并未变得完全均勻，虽然该光穿过了积分元件35。例如，如同图16中的光束L1-L4那样从外侧朝内侧行进的光束的强度通常高于其它光束的强度。具体说，在入射到波片37a和37b的光束中，入射角在小于0度的负侧的光束Ll 和L2的强度较高。因此，通过将波片37a和37b设置成使得构成波片37a和37b的石英片的光轴取向为与第二实施例(图14A-14C)中示出的波片2 相同的取向，光束Ll和L2能够优先地受到偏振转换，并且能够提高转换效率。在入射到波片37c和37d的光束中，入射角在大于0度的正侧的光束L3和L4的强度较高。因此，通过沿主面内的方向旋转波片37a(37b) 180度并将之设置成使得其光轴能够取向为与第二实施例(图14A-14C)中示出的波片24b相同的取向，光束L3和L4能够优先地受到偏振转换，并且能够提高转换效率。这样，在本实施例中，通过与具有高强度的光的入射角相关联地设置波片 37a-37d,能够提高偏振转换效率。因此，能够提高照明的辉度。4.第四实施例(图像显示装置的示例)通过使用上述照明光学系统来构成例如投影仪等图像显示装置，能够显示更明亮、更清晰的图像。图17是示出第四实施例的图像显示装置400的构造的示意性构造图。本实施例的图像显示装置400包括出射偏振光的照明光学系统40、分离照明光学系统40所出射的光的分光光学系统50、调制被分光光学系统50分离的光束的液晶面板 63,68 和 73。此外，图像显示装置400包括合成由液晶面板63、68和73调制的各光束的光合成器80、和投射由光合成器80合成的光的投射透镜90。作为照明光学系统40，可使用第三实施例(图16)中示出的照明光学系统300。从例如超高压汞灯等光源射出的白光被反射器42反射，并透射穿过防爆玻璃43以射出。在本实施例中，在照明光学系统40中设置有紫外线截止滤波器44，从透射穿过防爆玻璃43的光中去除紫外线。透射穿过紫外线截止滤波器44的光在其辉度不均勻性被第一蝇眼透镜45和第二蝇眼透镜46降低后入射到偏振转换元件47。作为偏振转换元件47，使用第二实施例(图 13)中示出的偏振转换元件200。偏振转换元件47将入射光转换成例如s偏振光，并且该 s偏振光从照明光学系统40出射。从照明光学系统40射出的光被例如聚光透镜48准直，并入射到分光光学系统50。分光光学系统50包括二向色镜49和二向色镜53。例如，二向色镜49透射来自照明光学系统40的白光中的蓝光，并反射红光和绿光。二向色镜53设置在被二向色镜49反射的光的光路上。它反射绿光并透射红光。入射到分光光学系统50的光首先入射到例如二向色镜49。二向色镜49透射蓝光并反射红光和绿光。透射穿过二向色镜49的蓝光透射穿过紫外线吸收滤波器51，从而截除紫外线。透射穿过紫外线吸收滤波器51的蓝光被反射镜52反射，因此其行进路径发生改变，使得蓝光入射到聚光透镜61。被聚光透镜61会集的蓝光的偏振方向通过入射侧偏振片62调整成直线偏振光， 并入射到液晶面板63。在液晶面板63的后续阶段，作为检偏器设置有出射侧偏振片64。出射侧偏振片64只透射透射穿过液晶面板63的光中的具有预定偏振方向的光。入射侧偏振片62和出射侧偏振片64的偏振面设置成例如彼此一致。作为液晶面板63，可使用例如扭曲向列型的面板。在该情况下，取决于图像信息的蓝光用信号电压施加至例如液晶面板63的每个像素，而透射穿过每个像素的蓝光的偏振方向根据该电压发生旋转。通过使偏振方向相对于各像素各不相同的该蓝光透射穿过出射侧偏振片64，能够获得具有取决于图像信息的强度分布的蓝光。透射穿过出射侧偏振片64的蓝光透射穿过设置在例如合成棱镜80的入射面上的半波膜。由此，使其偏振方向旋转90度，然后该蓝光入射到合成棱镜80。被二向色镜49反射的红光和绿光入射到二向色镜53。二向色镜53反射绿光并透射红光。被二向色镜53反射的绿光入射到聚光透镜66。被聚光透镜66会集的绿光通过入射侧偏振片67转换成直线偏振光，并入射到液晶面板68。液晶面板68根据图像信息旋转透射穿过每个像素的绿光的偏振方向。透射穿过液晶面板68的绿光透射穿过出射侧偏振片69，从而变成具有取决于图像信息的强度分布的绿色图像光，并入射到合成棱镜80。透射穿过二向色镜53的红光透射穿过会集透镜M，然后被反射镜55反射。例如带通滤波器等波长选择滤波器56设置在被反射镜55反射的红光的光路上， 并且只向后续阶段透射有效的红光。透射穿过波长选择滤波器56的红光透射穿过会集透镜57，然后被反射镜58反射， 以使其行进路径发生改变。该红光因其光路较长，所以比绿光和蓝光更容易扩散。因此，红光通过会集透镜M 和57得到收敛。被反射镜58反射的红光被聚光透镜71会集，然后入射到入射侧偏振片72。红光透射穿过入射侧偏振片72，从而变成直线偏振光，并入射到液晶面板73。在液晶面板73中，基于图像信息的电压信号施加至各像素。此外，透射的红光的偏振方向根据该电压信号得到旋转。透射穿过液晶面板73的红光入射到出射侧偏振片74， 以变成具有取决于图像信息的强度分布的红色图像光。透射穿过出射侧偏振片74的红光的偏振方向通过设置在例如合成棱镜80的入射面上的半波膜75旋转90度，然后该红光入射到合成棱镜80。合成棱镜80透射作为的ρ偏振光的绿光，并反射作为s偏振光的蓝光和红光，从而将红光、绿光和蓝光合成到相同的光路上。从合成棱镜出射的合成光通过投射透镜90以放大方式投射到例如屏幕上。如上所述，在本实施例的图像显示装置400中，使用的是第三实施例(图16)中示出的照明光学系统。在该照明光学系统40中，来自光源41的光的偏振转换效率高。因此， 照明光学系统40能够以低电能消耗输出具有高辉度的光。因此，本实施例的图像显示装置 400能够以低成本提供更亮、更清晰的图像。以上描述了根据本公开实施例的波片、偏振转换元件、照明光学系统和图像显示装置。然而，本公开并不局限于上述实施例，并包括不背离权利要求所给出的本公开的要旨的各种可能模式。
16
本公开包含与2010年9月30日在日本专利局提交的日本优先权专利申请JP 2010-221508的公开内容相关的主题，其全部内容通过引用并入本文。
权利要求
1.一种波片，包括晶体的光轴相对于主面倾斜的第一石英片；和晶体的光轴相对于主面倾斜的第二石英片，第二石英片的主面与第一石英片的主面重叠，其中，在从垂直于主面的方向观察到的正视图中，由第一石英片的光轴和第二石英片的光轴形成的角度为45度，并且在从平行于主面的方向观察到的俯视图中，第一石英片的光轴平行于第二石英片的光轴。
2.如权利要求1所述的波片，其中，当第一石英片的光轴在所述正视图中的方位角为 22. 5度、67. 5度、112. 5度或157. 5度时，第二石英片的光轴在所述正视图中的方位角分别为 67. 5 度、22. 5 度、157. 5 度或 112. 5 度。
3.如权利要求1所述的波片，其中，对于具有期望波长的光，第一石英片和第二石英片生成180度的相位差。
4.如权利要求1所述的波片，其中，第一和第二石英片的光轴相对于第一和第二石英片的主面倾斜的角度为15度-30度。
5.如权利要求1所述的波片，其中，第一和第二石英片具有相同的厚度、和相同的在厚度方向上的光轴倾斜度。
6.如权利要求1所述的波片，其中，第一石英片和第二石英片的单片厚度为 0. lmm-0. 3mm。
7.一种偏振转换元件，包括构造成将入射光分离成P偏振光和S偏振光的偏振分离器；和构造成设置在被所述偏振分离器分离出的P偏振光和s偏振光中的一个的光路上的波片，其中所述波片包括晶体的光轴相对于主面倾斜的第一石英片、和晶体的光轴相对于主面倾斜的第二石英片，并且第二石英片的主面与第一石英片的主面重叠，并且在从垂直于主面的方向观察到的正视图中，由第一石英片的光轴和第二石英片的光轴形成的角度为45度，并且在从平行于主面的方向观察到的俯视图中，第一石英片的光轴平行于第二石英片的光轴。
8.如权利要求7所述的偏振转换元件，其中，设置有多个偏振分离器和多个波片，并且所述波片沿主面内的方向旋转并设置成使得入射光的入射角和强度匹配于所述波片的视角特性。
9.一种照明光学系统，包括光源；构造成降低从所述光源射出的光的照度不均勻性的积分元件；和偏振转换元件，构造成设置在透射穿过所述积分元件的光的光路上，并包括将入射光分离成P偏振光和S偏振光的偏振分离器、和设置在被所述偏振分离器分离出的P偏振光和S偏振光中的一个的光路上的波片，其中所述波片包括晶体的光轴相对于主面倾斜的第一石英片、和晶体的光轴相对于主面倾斜的第二石英片，并且第二石英片的主面与第一石英片的主面重叠，并且在从垂直于主面的方向观察到的正视图中，由第一石英片的光轴和第二石英片的光轴形成的角度为45度，并且在从平行于主面的方向观察到的俯视图中，第一石英片的光轴平行于第二石英片的光轴。
10.如权利要求9所述的偏振转换元件，其中，所述偏振转换元件包括多个偏振分离器和多个波片，并且所述波片沿主面内的方向旋转并设置成使得入射光的入射角和强度匹配于所述波片的视角特性。
11.一种图像显示装置，包括照明光学系统，构造成包括光源；降低从所述光源射出的光的照度不均勻性的积分元件；和偏振转换元件，所述偏振转换元件设置在透射穿过所述积分元件的光的光路上，并包括将入射光分离成P偏振光和S偏振光的偏振分离器、和设置在被所述偏振分离器分离出的P偏振光和S偏振光中的一个的光路上的波片；构造成分离从所述照明光学系统出射的光的分光光学系统；构造成调制分离出的光的液晶面板；构造成合成被所述液晶面板调制的光的光合成器；和构造成投射由所述光合成器合成的光的透镜，其中所述波片包括晶体的光轴相对于主面倾斜的第一石英片、和晶体的光轴相对于主面倾斜的第二石英片，并且第二石英片的主面与第一石英片的主面重叠，并且在从垂直于主面的方向观察到的正视图中，由第一石英片的光轴和第二石英片的光轴形成的角度为45度，并且在从平行于主面的方向观察到的俯视图中，第一石英片的光轴平行于第二石英片的光轴。
全文摘要
这里所公开的是一种波片，其包括晶体的光轴相对于主面倾斜的第一石英片；和晶体的光轴相对于主面倾斜的第二石英片，第二石英片的主面与第一石英片的主面重叠，其中，在从垂直于主面的方向观察到的正视图中，由第一石英片的光轴和第二石英片的光轴形成的角度为45度，并且在从平行于主面的方向观察到的俯视图中，第一石英片的光轴平行于第二石英片的光轴。这里还公开了使用上述波片的偏振转换元件、照明光学系统和图像显示装置。
文档编号G02F1/13357GK102445729SQ20111028572
公开日2012年5月9日 申请日期2011年9月23日 优先权日2010年9月30日
发明者堀越涼子, 山本英树 申请人:索尼公司