JP5950939B2 - 屈折型偏波変換器及び偏光色合成器 - Google Patents

Description

スクリーン上に画像を投射するために使用される投射システムは、異なる色を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの多色光源を使用して、照射光を生成することができる。ＬＥＤから画像表示装置まで光を結合し、移送するために、いくつかの光学要素がＬＥＤと画像表示装置との間に配置される。画像表示装置は、様々な方法を使用して光に画像を与えることができる。例えば、画像表示装置は、透過型又は反射型液晶ディスプレイのように偏光を使用してもよい。

画像を画面上に投射するために使用される更に他の投影システムでは、Ｔｅｘａｓ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓのＤｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＬＰ（登録商標））ディスプレイに使用されるアレイなどのデジタルマイクロミラー（ＤＭＭ）アレイから画像として反射するように構成された白色光を使用することができる。ＤＬＰ（登録商標）ディスプレイでは、デジタルマイクロミラーアレイ内の個々のミラーは、投射される画像の個々のピクセルにあたる。ディスプレイのピクセルは、対応するミラーが傾くときに光の照射を受けて、入射光を投射光学経路に向ける。光学経路内に配置される回転カラーホイールは、反射される白色光が、フィルターにかけられて、ピクセルに対応する色を投射するように、デジタルマイクロミラーアレイからの光の反射に対して時間調節される。次いで、デジタルマイクロミラーアレイは、次の所望のピクセル色に切り替えられ、このプロセスは、投射されるディスプレイ全体が、連続して照明されるように見えるような速い速度で継続される。デジタルマイクロミラー投射システムは、少ないピクセル化されたアレイコンポーネントしか必要とせず、結果として、より小さな寸法のプロジェクタを実現できる。

画像輝度は、投射システムの重要なパラメータである。色光源の輝度、及び光を集光し、結合し、均質化し、また画像表示装置へと送達する効率は、全て輝度に影響を及ぼす。最近のプロジェクタシステムは、小型化するに従い、色光源によって発生する熱を、小さなプロジェクタシステム中で放散可能な低いレベルに保ちながら、同時に、適切な出力輝度レベルを維持する必要がある。より効率的に複数の色光を結合して、光源が電力を過度に消費することなく適切な輝度レベルの光出力を供給する光結合システムが必要とされている。

液晶ディスプレイはしばしば光の一方の偏光のみを使用し、かつ一般に、非偏光を生じる光源を使用する。偏光ビームスプリッター、及び複屈折プリズム又は偏光プリズムのアレイを含む、非偏光を偏光に変換するいくつかの手段が、偏光の生成に使用されてきた。これらの系は、特に集光光学系及び積分系を考慮するとかなりの容積を必要とすることがある。手で持てる装置、マイクロ投射システム、及びヘッドマウント式ディスプレイを含むいくつかの形のディスプレイは、コンパクトで高効率であることを必要とする。

超小型及びポケットサイズのプロジェクタでは、高効率の色合成器、光積分器、及び／又はホモジナイザーに使用可能な空間が限られている。結果として、このようなプロジェクタに使用される光学装置（色合成器及び偏波変換器など）から高効率で均一な光出力には、コンパクトで効率のよい光学設計が必要とされる。

本開示は、概ね、屈折型偏波変換器、屈折型偏波変換器を用いる偏光色合成器、及び特にポケットプロジェクタなどの小型フォーマットプロジェクタで有用であることができる屈折型偏波変換器を用いる偏光色合成器に関する。開示されている屈折型偏波変換器は、非偏光光束を直交した偏光方向を有する発散した偏光光束に分離することができる、少なくとも１つの複屈折プリズムを備える。

１つの態様では、本開示は、光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系、光軸に平行な第１の伝搬方向に沿って光入力面の中に非偏光光束を入射することができる非偏光光源、及び複屈折プリズムを含む光学素子であって、この光学素子が第１の集光光学系に面し、かつ光入力面に相対して配設された、光学素子を備える偏波変換器を提供する。偏波変換器は、光学素子及び第１の集光光学系から光入力面に向かって第１及び第２の偏光光束を逆に反射するように配設された反射器を更に備える。光学素子は非偏光光束を、直交した偏光状態を有する第１の偏光光束及び第２の偏光光束に分割することができ、第１及び第２の偏光光束の少なくとも１つは第１の伝搬方向から発散する。第１の偏光光束は、非偏光光源からずれて配置された第１の位置で光入力面を通り抜けかつ第２の偏光光束は第１の位置及び非偏光光源からずれて配置された第２の位置で光入力面を通り抜ける。別の態様では、偏波変換器は、結合された偏光出力光が第２の偏光状態で偏光するように、第１の偏光光束の第１の偏光状態を第２の偏光状態に変換することができる、光入力面に隣接して配設された半波長リターダを備える。更に別の態様では、偏波変換器は、第１及び第２の偏光光束を受け入れるように配設された光学積分器を更に備える。

別の態様では、本開示は、偏波変換器を備える偏波変換色合成器を提供する。偏波変換器は、光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系、光軸に平行な第１の伝搬方向に沿って光入力面の中に非偏光光束を入射することができる非偏光光源、及び複屈折プリズムを含む光学素子であって、この光学素子が第１の集光光学系に面し、かつ光入力面に相対して配設された、光学素子を備える。偏波変換器は、光学素子及び第１の集光光学系から光入力面に向かって第１及び第２の偏光光束を逆に反射するように配設された反射器を更に備える。光学素子は非偏光光束を、直交した偏光状態を有する第１の偏光光束及び第２の偏光光束に分割することができ、第１及び第２の偏光光束の少なくとも１つは第１の伝搬方向から発散する。第１の偏光光束は、非偏光光源からずれて配置された第１の位置で光入力面を通り抜けかつ第２の偏光光束は第１の位置及び非偏光光源からずれて配置された第２の位置で光入力面を通り抜ける。非偏光光源は、それぞれが光軸からずれて配置され、第１の色光を出射することができる第１の色光源及び第２の色光を放射することができる第２の色光源を含み、それぞれが光軸からずれて配置されて、並びに反射器はダイクロイックプレートを含む。別の態様では、偏波変換器は、結合された偏光出力光が第２の偏光状態で偏光するように、第１の偏光光束の第１の偏光状態を第２の偏光状態に変換することができる、光入力面に隣接して配設された半波長リターダを備える。更に別の態様では、偏波変換器は、第１及び第２の偏光光束を受け入れるように配設された光学積分器を更に備える。

更に別の態様では、本開示は、偏波変換器を備える偏波変換色合成器を提供する。偏波変換器は、光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系、光軸に平行な第１の伝搬方向に沿って光入力面の中に非偏光光束を入射することができる非偏光光源、及び複屈折プリズムを含む光学素子であって、この光学素子が第１の集光光学系に面し、かつ光入力面に相対して配設された、光学素子を備える。偏波変換器は、光学素子及び第１の集光光学系から光入力面に向かって第１及び第２の偏光光束を逆に反射するように配設された反射器を更に備える。光学素子は非偏光光束を、直交した偏光状態を有する第１の偏光光束及び第２の偏光光束に分割することができ、第１及び第２の偏光光束の少なくとも１つは第１の伝搬方向から発散する。第１の偏光光束は、非偏光光源からずれて配置された第１の位置で光入力面を通り抜けかつ第２の偏光光束は第１の位置及び非偏光光源からずれて配置された第２の位置で光入力面を通り抜ける。非偏光光源は、それぞれが光軸からずれて配置され、第１の色光を出射することができる第１の色光源及び第２の色光を放射することができる第２の色光源を含み、それぞれが光軸からずれて配置されて、並びに反射器はダイクロイックプレートを含む。偏波変換器は、光軸からずれて配置され、かつ第３の色光を光入力面に入射するように配設された、第３の色光源を更に備え、ダイクロイックプレートは、第３の色光を反射して、光軸に沿って光入力面から出射することができる第３の反射器を更に含む。別の態様では、偏波変換器は、結合された偏光出力光が第２の偏光状態で偏光するように、第１の偏光光束の第１の偏光状態を第２の偏光状態に変換することができる、光入力面に隣接して配設された半波長リターダを備える。更に別の態様では、偏波変換器は、第１及び第２の偏光光束を受け入れるように配設された光学積分器を更に備える。

更に別の態様では、本開示は、偏波変換器、結合された偏光出力光に画像を付与するように配設された空間光変調器、及び投射光学系を備える、画像プロジェクタを提供する。偏波変換器は、光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系、光軸に平行な第１の伝搬方向に沿って光入力面の中に非偏光光束を入射することができる非偏光光源、及び複屈折プリズムを含む光学素子であって、この光学素子が第１の集光光学系に面し、かつ光入力面に相対して配設された、光学素子を備える。偏波変換器は、光学素子及び第１の集光光学系から光入力面に向かって第１及び第２の偏光光束を逆に反射するように配設された反射器を更に備える。光学素子は非偏光光束を、直交した偏光状態を有する第１の偏光光束及び第２の偏光光束に分割することができ、第１及び第２の偏光光束の少なくとも１つは第１の伝搬方向から発散する。第１の偏光光束は、非偏光光源からずれて配置された第１の位置で光入力面を通り抜けかつ第２の偏光光束は第１の位置及び非偏光光源からずれて配置された第２の位置で光入力面を通り抜ける。別の態様では、偏波変換器は、結合された偏光出力光が第２の偏光状態で偏光するように、第１の偏光光束の第１の偏光状態を第２の偏光状態に変換することができる、光入力面に隣接して配設された半波長リターダを備える。更に別の態様では、偏波変換器は、第１及び第２の偏光光束を受け入れるように配設された光学積分器を更に備える。

更に別の態様では、本開示は、偏波変換色合成器、偏光した第１、第２、及び第３の色光に画像を付与するように配設された空間光変調器、及び投射光学系を含む、画像プロジェクタを提供する。偏波変換色合成器は偏波変換器を備える。偏波変換器は、光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系、光軸に平行な第１の伝搬方向に沿って光入力面の中に非偏光光束を入射することができる非偏光光源、及び複屈折プリズムを含む光学素子であって、この光学素子が第１の集光光学系に面し、かつ光入力面に相対して配設された、光学素子を備える。偏波変換器は、光学素子及び第１の集光光学系から光入力面に向かって第１及び第２の偏光光束を逆に反射するように配設された反射器を更に備える。光学素子は非偏光光束を、直交した偏光状態を有する第１の偏光光束及び第２の偏光光束に分割することができ、第１及び第２の偏光光束の少なくとも１つは第１の伝搬方向から発散する。第１の偏光光束は、非偏光光源からずれて配置された第１の位置で光入力面を通り抜けかつ第２の偏光光束は第１の位置及び非偏光光源からずれて配置された第２の位置で光入力面を通り抜ける。非偏光光源は、それぞれが光軸からずれて配置され、第１の色光を出射することができる第１の色光源及び第２の色光を放射することができる第２の色光源を含み、それぞれが光軸からずれて配置されて、並びに反射器はダイクロイックプレートを含む。偏波変換器は、光軸からずれて配置され、かつ第３の色光を光入力面に入射するように配設された、第３の色光源を更に備え、ダイクロイックプレートは、第３の色光を反射して、光軸に沿って光入力面から出射することができる第３の反射器を更に含む。別の態様では、偏波変換器は、結合された偏光出力光が第２の偏光状態で偏光するように、第１の偏光光束の第１の偏光状態を第２の偏光状態に変換することができる、光入力面に隣接して配設された半波長リターダを備える。更に別の態様では、偏波変換器は、第１及び第２の偏光光束を受け入れるように配設された光学積分器を更に備える。

上記の概要は、本発明の開示されるそれぞれの実施形態又は全ての実現形態を説明することを目的としたものではない。以下の図面及び詳細な説明により、例示的実施形態をより詳細に例示する。

本明細書の全体を通じ、同様の参照符合が同様の要素を示す添付の図面を参照されたい。
光学素子の概略断面図。 偏波変換器の概略断面図。 偏波変換器の概略断面図。 色合成器の概略断面図。 色合成器の概略断面図。 色合成器の概略断面図。 色合成器の概略断面図。 色合成器の概略断面図。 色合成器の概略断面図。 画像プロジェクタの概略図。 図の縮尺は必ずしも正確ではない。図中、用いられる同様の番号は同様の構成要素を示すものとする。しかしながら、特定の図中のある要素を示す数字の使用は、同じ数字によって示される別の図中のその要素を限定しようとするものではないことは理解されるであろう。

本開示は、概ね、屈折型偏波変換器、屈折型偏波変換器を用いる偏光色合成器、及び特にポケットプロジェクタなどの小型フォーマットプロジェクタで有用であることができる屈折型偏波変換器を用いる偏光色合成器に関する。開示されている屈折型偏波変換器は、非偏光光束を直交した偏光方向を有する発散した偏光光束に分離することができる、少なくとも１つの複屈折プリズムを備える。

ＬＣＤバックライト、プロジェクタ、及びヘッドアップディスプレイを含む、多数のディスプレイ素子は偏光した光を使用する。特定の一実施形態では、本開示は、高効率かつ高輝度光源をコンパクトなフォーマットで提供するコンパクトな偏波変換器を提供する。一部の場合には、非偏光光源、集光光学系、複屈折プリズム、第２の集光光学系、及び半波長リターダを使用して、１つの偏光状態を有する光束を生成させることができる。更に、偏光光束は、光源の光学的な均質性を改善するために、光積分器と容易に結合されてもよい。

有用な複屈折プリズムの例としては、ウオラストンプリズム、セナルモンプリズム、ニコルプリズム、ロションプリズム、ノルマルスキプリズムなどが挙げられる。単一の複屈折プリズム、並びにこのプリズムの組み合わせを使用してもよい。ウオラストンプリズムなどの複屈折プリズムは、カルサイト又は別の複屈折性鉱物を用いる慣用の手段により作製されてもよく、又は複屈折性ポリマー又は液晶から作製されてもよい。特定の一実施形態では、好適な設計は、一軸配向のポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレンナフテネート（ＰＥＮ）、又は別の複屈折性ポリマーからプリズムを作製することである。２つ以上の複屈折性材料の組み合わせを使用して、プリズムの分散を低下させてもよい。一部の場合には、個別の複屈折プリズムをそれぞれ複屈折性材料の単一のシートから作製してもよく、又は複屈折性材料層又はフィルムの結合した堆積体から作製してもよい。結合層は、使用される場合には、好ましくは極めて薄く、典型的には複屈折性層の厚さの５分の１以下である。

記述した偏波変換器は、２０１０年９月２２日出願の、「Ｔｉｌｔｅｄ Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ Ｉ」と題する同時係属中の米国特許出願第６１／３８５２３７号（代理人整理番号６６５３０ＵＳ００２）；「Ｔｉｌｔｅｄ Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ ＩＩ」と題する米国特許出願第６１／３８５２４１号（代理人整理番号６６７９１ＵＳ００２）；又は「Ｔｉｌｔｅｄ Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ ＩＩＩ」と題する米国特許出願第６１／３８５２４８号（代理人整理番号６６７９２ＵＳ００２）で記述されている傾斜ダイクロイックプレート色合成器などの色合成器と組み合わされてもよい。

画像プロジェクタは、画面に投射される光の輝度及び色の均一性を向上させるために、光束を光学的に均質化する素子を含むことが多い。２つの一般的な素子は、積分型トンネル又はロッド及びフライアイアレイ（ＦＥＡ）ホモジナイザーである。フライアイホモジナイザーは、非常に小型であり得、この理由で一般的に使用される装置である。積分トンネルは、均質化において高効率であり得るが、一般に中空のトンネルは、一般に、高さ又は幅のいずれか大きい方の５倍の長さを必要とする。中実のトンネルは、屈折作用のために中空のトンネルより長いことが多い。光積分型トンネル又はロッドは、例えば、長方形、正方形、多角形、円、楕円などを含む任意の所望の断面を有する。典型的には、積分型トンネル又はロッド、又はＦＥＡのいずれかを均質化に使用することができるが、一般に両方の手法は一緒には使用されない。積分型ロッドは、エテンデュに及ぼす影響を小さくできるが、偏光解消を引き起こす可能性がある。ＦＥＡは偏光の保存性は良好である（これらが低複屈折性材料から作製されるならば）が、エテンデュを大きくする可能性がある。

特定の一実施形態では、それぞれ異なる色を有する少なくとも２つの発光ダイオード（ＬＥＤ）を備えた色合成器を記述する。２つのＬＥＤから放射される光はコリメートされて実質的に重なった光束となり、これら２つのＬＥＤからの光は、結合され、２つのＬＥＤによって放射される光より小さいエテンデュ及び高い輝度を有する結合光束を持つ共通の領域の中に導かれる。

ＬＥＤを使用してプロジェクタを照明してもよい。ＬＥＤは特定の領域全体にわたって近似ランバート角度分布で光を放射するので、プロジェクタの輝度は光源及び投射システムのエテンデュによって制約される。ＬＥＤ光源のエテンデュを減少させる一方法は、ダイクロイック反射器を使用して、空間的に重なってあたかも同一領域から放射されているかのように見える２つ以上のＬＥＤ色を形成することである。通常、色合成器ではダイクロイック反射器を約４５度の角度で使用する。これは強い反射帯のシフトを引き起こし、有用なスペクトル及びダイクロイック反射器の角度範囲を制限する。特定の一実施形態では、本開示は、入射光ビームに対して垂直に近い角度のダイクロイック反射器を用いて異なる色のＬＥＤを結合する物品を記述する。

１つの態様では、本開示は、異なる色の非偏光光源からの出力を、単一の偏光状態を有する結合された色に高効率で結合するコンパクトな方法を提供する。これは、エテンデュで制限されたコンパクトな投射システムのための光照射器の作製に特に有用であり得る。例えば、それぞれのＬＥＤの出力が、一組の一次光学系により部分的にコリメートされた赤色、緑色、及び青色ＬＥＤの直線的なアレイは、非偏光を、発散した直交した偏光成分に分離する屈折型偏波変換器を通り抜け、次いで赤色、緑色、及び青色の光を異なる角度で反射するダイクロイック反射器プレートを含む傾斜反射器プレート組み立て体上に入射する。次いで、反射した偏光は、それぞれの偏光状態の赤色、緑色、及び青色ＬＥＤに対する共通出力を形成する開口へと一次光学系により焦点を絞られる。共通出力は、均一に偏光した光が色合成器により放射されるように、光をコリメートし、偏光状態の１つを回転する、別の組の集光光学系に結合されてもよい。共通出力により放射される光は、また、別に説明するように積分型ロッドに結合されてもよい。出口開口は、集光光学系の主軸（例えば、光軸）上で中心を有してもよく、又は主軸からオフセットされてもよい。出力開口はＬＥＤと一直線上にあるか、ＬＥＤに隣接するか、又はこれらの組み合わせであってよい。一部の場合には、例えば本明細書と同日出願の「ＬＥＤ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ」と題する米国特許出願（代理人整理番号６７０１０ＵＳ００２）に記述されているように、出口開口及びＬＥＤを可撓性基板などの共通基板上に配設することができる。

３つのＬＥＤを備える構成は、当業者ならば理解するように、黄色及び赤外光をはじめとする他の色に拡張することも可能である。光源はＬＥＤと組み合わされたレーザーを含んでもよいし、全レーザー系でもよい。ＬＥＤは、少なくとも赤、緑、及び青の原色の短波長域を放射する１セットと、赤、緑、及び青の原色の長波長域を放射する第２のセットとからなってよい。また、光が混合される場所となる開口にフライアイアレイ（ＦＥＡ）を組み込むことによって、更なる色積分を得るようにしてもよい。これは、別に説明するように少なくとも１つの次元が２〜約２０のレンズを有する、１次元又は２次元レンズアレイからなるものでもよい。

ＬＣｏＳ系可搬型投射システムは、低価格で高解像度のＬＣｏＳパネルが入手可能であることにより一般的になってきている。ＬＥＤ照射型ＬＣｏＳプロジェクタの要素のリストには、ＬＥＤ光源、任意の色合成器、任意のプレ偏光システム、リレー光学系、ＰＢＳ、ＬＣｏＳパネル、及び投射レンズユニットを挙げてもよい。ＬＣｏＳを用いた投射システムの場合、プロジェクタの効率及びコントラストは、ＰＢＳに入る光の偏光度に直接関連する。偏光変換光による１つの問題は、空間不均一性に難点があり、表示画像のアーティファクトを生じ得ることである。それゆえ、偏波変換器を有するシステムでは、別に説明するように均質化システムが望ましい場合がある。

特定の一実施形態では、偏光光束は、モノリシックＦＥＡ積分器を通り抜ける可能性がある。モノリシックＦＥＡ積分器は、光束を発散させることができ、次いで光束が、例えば、光線に画像を付与するための空間光変調器、及び画像を画面に表示するための投射光学系を使用することによる更なる処理に向けられる。

図１は、非偏光光束を別々の直交した偏光状態に分割するのに使用可能な、本開示の一態様に従った光学素子１０の概略断面図を示す。光学素子１０としては、ウオラストンプリズム、セナルモンプリズム、ニコルプリズム、ロションプリズム、ノルマルスキプリズム、グラン・トンプソンプリズム、グラン・フーコープリズム、又はこれらの組み合わせなどの公知の偏光スプリッターを挙げることができる。それぞれの場合、入射する非偏光光束は、分割されて、偏光状態の少なくとも１つは、別に説明するように、入射する非偏光光束の伝搬方向から逸脱する。

特定の一実施形態では、光学素子１０は、第１のプリズム表面２２、第２のプリズム表面２４、及びその間の対角の第１のプリズム表面１５を有する第１の複屈折プリズム２０を備えるウオラストンプリズムと対比可能である。光学素子１０は、第３の表面３２、第４の表面３４、及びその間の対角の第２のプリズム表面１５’を有する第２の複屈折プリズム３０を更に備える。第１の複屈折プリズム２０の速軸は第１の偏光方向２６と位置合わせされ、第２の複屈折プリズム３０の速軸は第２の偏光方向３６と位置合わせされる。第１及び第２の複屈折プリズム２０、３０の各々は、当業者には公知であるように、例えば、カルサイト結晶又は他の複屈折性材料から作製可能である。

第１及び第２の複屈折プリズム２０、３０は、第１及び第２の偏光方向２６、３６が、それぞれ、お互いに直交するように配置され、第１及び第２の複屈折プリズム２０、３０は、対角の第１及び第２のプリズム表面１５、１５’がお互いに密に隣接するように配置される。一部の場合には、対角の第１及び第２のプリズム表面１５、１５’は、光学用接着剤を用いてお互いに接着可能である。特定の一実施形態では、第４のプリズム表面３４は、第１及び第２の複屈折プリズム２０、３０から光束を逆に反射するように配設された反射器４０を備えることができる。反射器４０は、広帯域ミラーなどの任意の公知の反射器であることができる。反射器は、例えば、無機若しくは有機多層膜スタック、又は無機及び有機多層膜スタックの組み合わせを含む多層誘電性反射器などの干渉反射器を含む金属若しくは金属合金ミラー、又はダイクロイック反射器であることができる。反射器４０は、図１に示すように第４のプリズム表面３４に密に隣接して配設可能であるか、又は別に説明するように、第４のプリズム表面３４から分離して配設可能である。

伝搬方向５２に沿って進む非偏光の入力光束５０は、ランダムな偏光状態５１を含む。非偏光の入力光束５０は、第２の複屈折プリズム３０に入るとき、第１の複屈折プリズム２０の第２のプリズム表面２４、及び対角の第１及び第２のプリズム面１５、１５’を通り抜ける。非偏光の入力光束５０の直交した偏光成分のそれぞれ（第１の偏光方向２６及び第２の偏光方向３６）は、対角の第１及び第２のプリズム面１５、１５’で別々に屈折する。非偏光の入力光束５０は、伝搬方向５２に対して第１の屈折角度θ１で伝搬する第１の偏光方向２６を有する第１の偏光光束５３、及び伝搬方向５２に対して第２の屈折角度θ２で伝搬する第２の偏光方向３６を有する第２の偏光光束５４に発散する。第１及び第２の偏光光束５３、５４は、反射器４０から反射し、対角の第１及び第２のプリズム面１５、１５’から再度屈折し、並びに非偏光の入力光束５０と異なり、分離された角度及び位置で進む第１及び第２の偏光光束５３、５４として、第１のプリズム面２４を出射する。すなわち、偏光方向の各々は分離され、発散する。

一部の場合には、第１の屈折角度θ１及び第２の屈折角度θ２は、図１に示すように本質的に同一である（例えば、対角の第１のプリズム面１５が第１及び第２のプリズム表面２２、２４の各々に対して４５度の角度のウオラストンプリズムにおいて）。一部の場合には、この角度は、例えば対角の第１のプリズム面１５が４５度とは異なる角度のウオラストンプリズム（図示せず）において、又は当業者には公知のように上述の代替の複屈折プリズムの１つを使用することにより異なる可能性がある。一般に、光学素子１０は、偏光した光束の任意の所望の分離及び発散を受け入れるように設計可能である。

図２Ａ〜２Ｂは、本開示の一態様による偏波変換器１００の概略断面図を示す。図２Ａ〜２Ｂに示されている要素１５〜４０はそれぞれ、前に記載されている、図１の同様に番号付けられた要素１５〜４０に対応している。図２Ａ〜２Ｂで、偏波変換器１００は、第１のレンズ要素１１０及び第２のレンズ要素１２０を含む第１の集光光学系１０５を備える。第１の集光光学系１０５は、光入力面１１４、及び光入力面１１４に垂直な光軸１０２を備える。非偏光光源８０は、光入力面１１４に面する光入射面１０４上に配設される。非偏光光源８０は、図２Ａ〜２Ｂで光軸１０２上に配設されているように示されているが、しかしながら、光入射表面１０４に沿って光軸１０２から所望するように分離して配置することができる。非偏光光源８０は、別に説明するように、所望の色又は波長の非偏光の光８１を光入力面１１４の中に入射するように配設される。

特定の一実施形態では、偏波変換器１００は、光軸１０２に沿って第１の集光光学系１０５に面して配設された光学素子１０を更に含み、第１のレンズ要素１１０及び第２のレンズ要素１２０が光学素子１０と光入力面１１４との間に存在するようになっている。光学素子１０は、図１を参照しながら既に説明したコンポーネントを備える。

特定の一実施形態では、第１の集光光学系１０５は、非偏光光源８０から放射される光をコリメートする機能を果たす光コリメータであることができる。第１の集光光学系１０５は、１つのレンズを含む光コリメータ（図示せず）、２つのレンズを含む光コリメータ（図示せず）、回折光学素子（図示せず）、又はこれらの組み合わせを含み得る。２つのレンズを含む光コリメータは、光入力面１１４と相対して配設される第１の凸面１１２を含む、第１のレンズ要素１１０を有する。第２のレンズ要素１２０は、第１の凸面１１２に面する第２の面１２２、及び第２の面１２２と相対する第３の凸面１２４を含む。第２の面１２２は、凸面、平面、及び凹面から選択されることができる。

図２Ａを参照すると、非偏光光源８０からの非偏光の光８１の第１の偏光成分８１ｐの経路を、偏波変換器１００からたどることができる。一部の場合には、当業者には公知のように、第１の偏光方向を「ｐ−」偏光と表すことができ、第２の偏光方向を「ｓ−」偏光と表すことができる。非偏光光源８０は、光軸１０２に沿った光伝搬方向で進む第１の中心の光線８２、及び境界が第１の境界光線８４、８６により表される、非偏光の入力光コリメーション角度φ１内の非偏光８１の円錐を含む。第１の中心の光線８２は、非偏光光源８０から光入力面１１４の中に光軸１０２に概ね平行な方向で入射され、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０を通り抜け、そして第２のプリズム面２４から光学素子１０に入る。図２Ａから分かるように、第１の集光光学系１０５は、非偏光光源８０から光学素子１０へと通る非偏光８１をコリメートする機能を果たす。

第１の中心の光線８２は、第１の複屈折プリズム２０を通り抜け、対角の第１及び第２のプリズム面１５、１５’から第２の複屈折プリズム３０の中に通り抜けるときに屈折される。中心光線８２ｐの第１の偏光成分は、第２の偏光方向３６（すなわち、速軸）に対して直交しているが、別に説明するように、光を非偏光の伝搬方向（光軸１０２に沿った）から逸脱させる。次いで、中心光線８２ｐの第１の偏光成分は、反射器４０から反射する。

第１の境界光線８４、８６の各々は、光入力面１１４の中に光軸１０２に概ね光軸１０２に対して非偏光の入力光コリメーション角度φ１の方向で入射され、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０を通り抜け、そして第２のプリズム面２４から光学素子１０に入る。第１の境界光線８４、８６は第１の複屈折プリズム２０を通り抜け、対角の第１及び第２のプリズム面１５、１５’から第２の複屈折プリズム３０の中に通り抜けるときに屈折される。境界光線８４ｐ、８６ｐの第１の偏光成分は、第２の偏光方向３６（すなわち、速軸）に対して直交しているが、別に説明するように、光を非偏光の光の伝搬方向（光軸１０２に沿った）から逸脱させる。次いで、境界光線８４ｐ、８６ｐの第１の偏光成分は、反射器４０から反射されて、反射された光束は、図示するように光軸１０２に概ね平行となる。

中心光線及び境界光線８２ｐ、８４ｐ、８６ｐの第１の偏光成分の各々は、反射器４０から反射し、光軸１０２に平行なコリメートされた光線として、第１の集光光学系１０５から戻る。中心光線及び境界光線８２ｐ、８４ｐ、８６ｐの第１の偏光成分は、第１の偏光線焦点８７ｐ上で集束することができる、第１の偏光方向の出力光束８１ｐをまとめて形成する。次いで、第１の偏光方向出力光束８１ｐは、当業者には公知のように、光積分型ロッド９５の中に導入されることにより、より均一化可能である。

図２Ｂを参照すると、非偏光光源８０からの非偏光８１の第２の偏光成分８１ｓの経路を、偏波変換器１００からたどることができる。非偏光光源８０からの中心光線、第１の境界光線、及び第２の境界光線８２、８４、８６の経路は、対角の第１及び第２のプリズム面１５、１５’から既にたどったところである。中心光線８２ｓの第２の偏光成分は、第２の偏光方向３６（すなわち、速軸）に対して平行であるが、別に説明するように、光を非偏光の伝搬方向（光軸１０２に沿った）から逸脱させる。次いで、中心の光線８２ｓの第２の偏光成分は、反射器４０から反射する。

境界光線８４ｓ、８６ｓの第２の偏光成分は、第２の偏光方向３６（すなわち、速軸）に対して平行であるが、別に説明するように、光を非偏光の光の伝搬方向（光軸１０２に沿った）から逸脱させる。次いで、境界光線８４ｓ、８６ｓの第２の偏光成分は、反射器４０から反射して、反射された光束は、図示するように光軸１０２に概ね平行となる。

中心光線及び境界光線８２ｓ、８４ｓ、８６ｓの第２の偏光成分の各々は、反射器４０から反射し、光軸１０２に平行なコリメートされた光線として、第１の集光光学系１０５から戻る。中心光線及び境界光線８２ｓ、８４ｓ、８６ｓの第２の偏光成分は、第２の偏光方向の出力光束８１ｓをまとめて形成し、それは第２の偏光光線の焦点８７ｓ上で集束することができる。次いで、第２の偏光方向の出力光束８１ｓは、半波長リターダ９０を通り抜けることができ、第２の偏光方向の出力光束８１ｓは第１の偏光方向（すなわち、第１の偏光方向の出力光束８１ｐと同一）に回転し、回転された中心光線及び境界光線８２ｓｐ、８４ｓｐ、８６ｓｐを含む、回転された第２の偏光方向の出力光束８１ｓｐとなる。次いで、回転された第２の偏光方向の出力光束８１ｓｐは、当業者には公知であるように、光積分型ロッド９５の中に導入されることにより、より均一化可能である。

特定の一実施形態では、半波長リターダ９０は、積分型ロッド９５の半分を覆うことができ、積分型ロッドの他方の半分により集光されたのと同じ偏光状態に偏光を変換する。半波長リターダ９０は、石英又はリターデーション板用に一般的に使用される他の材料から作製され得る。一部の場合には、半波長リターダ９０は、アクロマチック又はアポクロマチックであり、広い受光角度範囲を備えることができる。例えば、石英及びサファイアから好適な広角のリターデーション板を作製することができる。一部の場合には、リターデーション板の側壁上に入射する光を反射するために、半波長リターダ９０の側壁をメタライズしてもよい。また、入射光を鏡面反射するために、側壁を研磨してもよい。

図２Ａ〜２Ｂに示すように、非偏光８１は、第１の偏光方向の出力光束８１ｐ及び回転された第２の偏光方向の出力光束８１ｓｐを含む、第１の偏光方向の偏光した出力光束となる。特定の一実施形態では、第２の偏光光線焦点８７ｓが半波長リターダ９０に配置され、偏波変換器１００の効率の改善が得られるように、半波長リターダ９０を配設することができる。焦点が半波長リターダ９０にくるように、第２の偏光光線焦点８７ｓを調整してもよく、又は第２の偏光光線焦点８７ｓを遮るために、半波長リターダを光入力面１１４に近づけて配置してもよい。

図３Ａ〜３Ｃは直交座標系のＸ−Ｚ面に対して垂直に眺めた、本開示の一態様による偏光色合成器２００の概略断面図を示す。偏光色合成器２００は、「Ｔｉｌｔｅｄ Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ Ｉ」と題する同時係属中の米国特許出願第６１／３８５２３７号（代理人整理番号６６５３０ＵＳ００２）で記述されている色結合成分のコレクションを備える。非偏光を偏光成分に分割できる、本開示で記述する光学素子１０は、「Ｔｉｌｔｅｄ Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ ＩＩ」と題する同時係属中の米国特許出願第６１／３８５２４１号（代理人整理番号６６７９１ＵＳ００２）；及び「Ｔｉｌｔｅｄ Ｄｉｃｈｒｏｉｃ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ ＩＩＩ」と題する同時係属中の米国特許出願第６１／３８５２４８号（代理人整理番号６６７９２ＵＳ００２）などで記述されているものなどの任意の好適な色合成器に適合可能であるということは理解されるべきである。

偏光色合成器２００のＸ−Ｚ面の図では、偏光分割はＹ−Ｚ面で起こるので、可視化できない。図４Ａ〜４Ｂで提供されるＹ−Ｚ面の図では、偏光分割は可視化でき、色結合は可視化できない。図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｂの偏光色合成器の別々に眺めた光路への分離は、単に図のわかり易さを目的したものであり、着色した光束の直交した偏光への分離及び着色した光束の結合された色光束への結合が同時に起こるということは理解されるべきである。

図３Ａ〜３Ｃでは、色合成器２００は、第１のレンズ要素１１０及び第２のレンズ要素１２０を含む第１の集光光学系１０５を備える。第１の集光光学系１０５は、光入力面１１４及びこの光入力面１１４に垂直な光軸１０２を備える。第１の非偏光光源１４０、第２の非偏光光源１５０、及び任意の第３の非偏光光源１６０は、それぞれ、光入力面１１４に面する光入射面１０４上に配設される。光出力領域１７０は光軸１０２上に位置し、光入射面１０４上に配設される。第１、第２、及び任意の第３の非偏光光源１４０、１５０、１６０の各々は、光軸１０２からずれて配置される。第１、第２、及び任意の第３の非偏光光源１４０、１５０、１６０の各々は、別に説明するように、第１の色光１４１、第２の色光１５１、及び任意の第３の色光１６１をそれぞれ光入力面１１４の中に入射するように配設される。

一つの特定の実施形態では、偏光色合成器２００は、光軸１０２に沿って第１の集光光学系１０５に面して配設されたダイクロイックプレート１３０を更に含み、第１のレンズ要素１１０及び第２のレンズ要素１２０が、ダイクロイックプレート１３０と光入力面１１４との間に存在するようになっている。ダイクロイックプレート１３０は、光軸に対して傾斜角φ２で配設可能であり、第１の色光１４１を反射し、かつその他の色光を全て透過させることができる第１のダイクロイック反射器１３２を含む。ダイクロイックプレート１３０は、第２の色光１５１を反射し、かつその他の色光を全て透過させることができる第２のダイクロイック反射器１３４を更に備える。ダイクロイックプレート１３０は、任意の第３の色光１６１を反射することができる任意の第３のダイクロイック反射器１３６を更に備える。一部の場合には、例えば、第１及び第２の非偏光光源１４０、１５０のみを含む（すなわち、任意の第３の非偏光光源１６０が省略される）場合には、その他の波長（すなわち色）の光を透過させる必要がないことから、代わりに第２のダイクロイック反射器を広帯域ミラーのような一般的な反射器とすることができる。一部の場合には、例えば、任意の第３の非偏光光源１６０が含まれる場合、他の色光は全部、第３の反射器１３６に達する前に既に他のダイクロイック反射器によって反射されてしまうことから、任意の第３のダイクロイック反射器１３６は、広帯域ミラーのなどの反射器であることができる。

ダイクロイックプレート１３０は、第１、第２、及び任意の第３のダイクロイック反射器１３２、１３４、１３６の各々が、光軸１０２に対してそれぞれ第１のダイクロイック傾斜角α１、第２のダイクロイック傾斜角α２、及び第３のダイクロイック傾斜角α３で傾斜しているように作製される。場合によっては、例えば図３Ａ〜３Ｃに示すように、第１のダイクロイック傾斜角α１は、異なっていてもよいが、ダイクロックプレート傾斜角φ２と同一であることができる。第１、第２、及び第３のダイクロイック傾斜角α１、α２、α３の各々は、別に説明するように、第１、第２、及び任意の第３の非偏光光源１４０、１５０、１６０からの反射光束を光出力領域１７０から向けるように選択可能である。

特定の一実施形態では、偏光色合成器２００は、別に説明する、第１の集光光学系１０５とダイクロイックプレート１３０との間に配設された光学素子１０を更に備える。光学素子１０は、別に説明するように、非偏光光束を発散した偏光成分に分割することができる。図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｂに示す一つの特定の実施形態では、図１及び図２Ａ〜２Ｂを参照しながら説明した反射器４０は、本開示で記載の第１、第２、及び任意の第３のダイクロイック反射器１３２、１３４、１３６を含むダイクロイックプレート１３０により置き換えられる。図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｂに示すように、ダイクロイックプレート１３０を、光学素子１０から分離して配設することができ、図１及び図２Ａ〜２Ｂに示すように複屈折プリズムに密に隣接して配設する必要はない。

一つの特定の実施形態では、第１の集光光学系１０５は、第１、第２、及び任意の第３の非偏光光源１４０、１５０、１６０から放射される光をコリメートする機能を果たす光コリメータであることができる。第１の集光光学系１０５は、１つのレンズを含む光コリメータ（図示せず）、２つのレンズを含む光コリメータ（図示せず）、回折光学素子（図示せず）、又はこれらの組み合わせを含み得る。２つのレンズを含む光コリメータは、光入力面１１４とは反対側に位置する第１の凸面１１２を含む、第１のレンズ要素１１０を有する。第２のレンズ要素１２０は、第１の凸面１１２に面する第２の面１２２と、第２の面１２２とは反対側に位置する第３の凸面１２４とを含む。第２の面１２２は、凸面、平面、及び凹面から選択可能である。

図３Ａを参照すると、第１の非偏光光源１４０からの第１の色光１４１の経路を、偏光色合成器２００からたどることができる。第１の色光１４１は、第１の光伝播方向に進む第１の色中心光線１４２、及び第１の入力光コリメーション角θ１ｉ内の光錐（その境界は第１の境界光線１４４、１４６によって表される）を含む。第１の色中心光線１４２は、第１の非偏光光源１４０から光入力面１１４の中に光軸１０２にほぼ平行な方向で入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０、光学素子１０を通過し、かつ図示するように反射光束が光軸１０２に一致するように第１のダイクロイック反射器１３２から反射する。第１の色境界光線１４４、１４６の各々は、光軸１０２に対してほぼ第１の入力光コリメーション角θ１ｉとなる方向で光入力面１１４の中に入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０、光学素子１０を通過して、図示するように反射ビームが光軸１０２にほぼ平行になるように、第１のダイクロイック反射器１３２から反射する。図１Ａから分かるように、第１の集光光学系１０５は、第１の非偏光光源１４０からダイクロイックプレート１３０へと通る第１の色光１４１をコリメートする機能を果たす。

第１の色中心光線１４２及び第１の色境界光線１４４、１４６の各々は、第１のダイクロイック反射器１３２から反射し、光軸１０２に平行で光軸上に中心を合わせたコリメートされた光線として、第１の集光光学系１０５から戻る。図３Ａに示す一つの特定の実施形態では、コリメート光線は、収束して、第１の出力コリメーション角θ２ｏを有する第１の色光束１４８として光出力領域１７０から偏光色合成器２００を出射する。次いで、第１の色光束１４８は、当業者には公知であるように、光積分型ロッド９５の中に導入されることにより、より均一化可能である。半波長リターダ９０は、図４Ａ〜４Ｂを参照しながら説明するように、光積分型ロッド９５の一部を覆って、偏光方向を変換する。

図３Ｂを参照すると、第２の非偏光光源１５０からの第２の色光１５１の経路を、偏光色合成器２００からたどることができる。第２の色光１５１は、第２の光伝播方向を進む第２の中心光線１５２と、第２の入力光コリメーション角θ２ｉ内の光錐（その境界が第２の境界光線１５４、１５６によって表される）とを含む。第２の中心光線１５２は、第２の非偏光光源１５０から光入力面１１４の中に光軸１０２にほぼ平行な方向で入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０、光学素子１０を通過し、かつ図示するように反射ビームが光軸１０２に一致するように第２のダイクロイック反射器１３４から反射する。第２の境界光線１５４、１５６の各々は、光軸１０２に対してほぼ第２の入力光コリメーション角θ２ｉとなる方向で光入力面１１４の中に入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０、光学素子１０を通過し、かつ図示するように反射ビームが光軸１０２にほぼ平行になるように、第２のダイクロイック反射器１３４から反射する。図３Ｂから分かるように、第１の集光光学系１０５は、第２の非偏光光源１５０からダイクロイックプレート１３０へと通過する第２の色光１５１をコリメートする機能を果たす。

第２の中心光線１５２及び第２の境界光線１５４、１５６の各々は、第２のダイクロイック反射器１３４から反射し、光軸１０２に平行で光軸上に中心を合わせたコリメート光線として、第１の集光光学系１０５から戻る。図３Ｂに示す特定の一実施形態では、コリメートされた光線は、収束して、第２の出力コリメーション角θ２ｏを有する第２の色光束１５８として光出力領域１７０から偏光色合成器２００を出射する。次いで、第２の色光束１５８は、当業者には公知であるように、光積分型ロッド９５の中に導入されることにより、より均一化可能である。半波長リターダ９０は、図４Ａ〜４Ｂを参照しながら説明するように、光積分型ロッド９５の一部を覆って、偏光方向を変換する。

図３Ｃを参照すると、任意の第３の非偏光光源１６０からの任意の第３の色光１６１の経路を、偏光色合成器２００からたどることができる。任意の第３の色光１６１は、第３の光伝播方向を進む第３の中心光線１６２、及び第３の入力光コリメーション角θ３ｉ内の光錐（その境界が第３の境界光線１６４、１６６によって表される）を含む。第３の中心光線１６２は、任意の第３の非偏光光源１６０から光入力面１１４の中に、光軸１０２にほぼ平行な方向で入射し、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０、光学素子１０を通過し、かつ図示するように反射光束が光軸１０２に一致するように、第３のダイクロイック反射器１３６から反射する。第３の境界光線１６４、１６６の各々は、光軸１０２に対してほぼ第３の入力光コリメーション角θ３ｉとなる方向で光入力面１１４の中に入射され、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０、光学素子１０を通過し、かつ図示するように反射光束が光軸１０２にほぼ平行になるように、第３のダイクロイック反射器１３６から反射する。図３Ｃから分かるように、第１の集光光学系１０５は、任意の第３の光源１６０からダイクロイックプレート１３０へと通る任意の第３の色光１６１をコリメートする機能を果たす。

第３の中心光線１６２及び第３の境界光線１６４、１６６の各々は、第３のダイクロイック反射器１３６から反射し、光軸１０２に平行で光軸上に中心を合わせたコリメート光線として、第１の集光光学系１０５から戻る。図３Ｃに示す特定の一実施形態では、コリメートされた光線は、収束して、第３の出力コリメーション角θ３ｏを有する任意の第３の色光束１６８として光出力領域１７０から色合成器２００を出射する。次いで、第３の色光束１６８は、当業者には公知であるように、光積分型ロッド９５の中に導入されることにより、より均一化可能である。半波長リターダ９０は、図４Ａ〜４Ｂを参照しながら説明するように、光積分型ロッド９５の一部を覆って、偏光方向を変換する。

特定の一実施形態では、第１、第２、及び第３の入力コリメーション角θ１ｉ、θ２ｉ、θ３ｉの各々は、同一であることができ、第１、第２、及び任意の第３の非偏光光源１４０、１５０、１６０の各々に関連する入射光学系（図示せず）は、これらの入力コリメーション角を約１０度〜約８０度、又は約１０度〜約７０度、又は約１０度〜約６０度、又は約１０度〜約５０度、又は約１０度〜約４０度、又は約１０度〜約３０度又はそれ以下に制約することができる。一部の場合には、第１の集光光学系１０５及びダイクロイックプレート１３０は、第１、第２、及び第３の出力コリメーション角θ１ｏ、θ２ｏ、θ３ｏの各々が同一で、また対応する入力コリメーション角と実質的に等しくなり得るように、作製可能である。一つの特定の実施形態では、各入力コリメーション角度は約６０〜約７０度の範囲であり、各出力コリメーション角度もまた約６０〜約７０度の範囲である。

図４Ａ〜４Ｂは直交座標系のＸ−Ｚ面に垂直に眺めた、本開示の一態様による偏光色合成器２００の概略断面図を示す。偏光色合成器２００のＸ−Ｚ面の図では、色結合はＹ−Ｚ面で起こるので、可視化できない。図３Ａ〜３Ｃで提供されるＹ−Ｚ面の図では、色結合は可視化でき、偏光分割は可視化できない。図３Ａ〜３Ｃ及び図４Ａ〜４Ｂの偏光色合成器の別々に眺めた光路への分離は、単に図をわかり易くする目的のものであり、着色光束の直交した非偏光への分離、及び着色非偏光光束の結合した色光束への結合が同時に起こるということは理解されるべきである。簡略化するために、第１の非偏光光源１４０からの第１の色光１４１の経路のみが描かれるが、しかしながら、光の他の色の経路も類似であるということは当業者には明白である。

図４Ａを参照すると、第１の非偏光光源１４０からの第１の色光１４１の第１の色光１４８ｐの経路を、偏光色合成器２００からたどることができる。別に説明するように、当該技術分野において公知のように、第１の偏光方向を「ｐ−」偏光と表すことができ、第２の偏光方向を「ｓ−」偏光と表すことができる。第１の非偏光光源１４０は、光軸１０２に沿った光伝搬方向で進む第１の色中心光線１４２、及び境界が第１の色境界光線１４４、１４６により表される、非偏光の入力光コリメーション角度θ１ｉ内の第１の色光１４１の光８１の円錐を含む。第１の色中心光線１４２は、第１の非偏光光源１４０から光入力面１１４の中に光軸１０２に概ね平行な方向で入射され、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０を通り抜け、そして第２のプリズム面２４から光学素子１０に入る。図４Ａから分かるように、第１の集光光学系１０５は、第１の非偏光光源１４０から光学素子１０へと通過する第１の色光１４１をコリメートする機能を果たす。

第１の色中心光線１４２は、第１の複屈折プリズム２０を通り抜け、対角の第１及び第２のプリズム面１５、１５’から第２の複屈折プリズム３０の中に通り抜けるときに屈折される。第１の色中心光線１４２ｐの第１の偏光成分は、第２の偏光方向３６（すなわち、速軸）に対して直交しているが、別に説明するように、光を非偏光の伝搬方向（光軸１０２に沿った）から逸脱させる。次いで、第１の色中心光線１４２ｐの第１の偏光成分は、第４のプリズム表面３４を通り抜け、ダイクロイックプレート１３０の第１のダイクロイック反射器１３２から反射する。

第１の色境界光線１４４、１４６の各々は、光入力面１１４の中に光軸１０２に概ね光軸１０２に対して非偏光の入力光コリメーション角度φ１ｉの方向で入射され、第１のレンズ要素１１０、第２のレンズ要素１２０を通り抜け、そして第２のプリズム面２４から光学素子１０に入る。第１の色境界光線１４４、１４６は、第１の複屈折プリズム２０を通り抜け、対角の第１及び第２のプリズム面１５、１５’から第２の複屈折プリズム３０の中に通り抜けるときに屈折される。第１の色境界光線１４４ｐ、１４６ｐの第１の偏光成分は、第２の偏光方向３６（すなわち、速軸）に対して直交しているが、別に説明するように、光を非偏光の伝搬方向（光軸１０２に沿った）から逸脱させる。次いで、第１の色境界光線１４４ｐ、１４６ｐの第１の偏光成分は、第４のプリズム表面３４を通り抜け、ダイクロイックプレート１３０の第１のダイクロイック反射器１３２から反射して、反射された光束は、図示するように光軸１０２に概ね平行となる。

第１の色中心光線及び第の境界光線１４２ｐ、１４４ｐ、１４６ｐの第１の偏光成分の各々は、第１のダイクロイック反射器１３２から反射し、光軸１０２に平行なコリメート光線として第１の集光光学系１０５から戻る。第１の色中心光線及び境界光線１４２ｐ、１４４ｐ、１４６ｐの第１の偏光成分は、第１の偏光線焦点１４７ｐ上で集束することができる、第１の偏光方向の出力光束１４８ｐをまとめて形成する。次いで、第１の偏光方向の第１の色出力光束１４８ｐは、当業者には公知であるように、光積分型ロッド９５の中に導入されることにより、より均一化可能である。

図４Ｂを参照すると、第１の非偏光光源１４０からの第１の色光１４１の第１の色光１４８ｓの第２の偏光成分の経路を、偏波変換器２００からたどることができる。第１の非偏光光源１４０からの第１の色中心光線、第１の境界光線、及び第２の境界光線１４２、１４４、１４６の経路は、対角の第１及び第２のプリズム面１５、１５’から既にたどったところである。第１の色中心光線１４２ｓの第２の偏光成分は、第２の偏光方向３６（すなわち、速軸）に対して平行であるが、別に説明するように、光を非偏光の伝搬方向（光軸１０２に沿った）から逸脱させる。次いで、第１の色中心の光線１４２ｓの第２の偏光成分は、第４のプリズム表面３４を通り抜け、ダイクロイックプレート１３０の第１のダイクロイック反射器１３２から反射する。

第１の色境界光線１４４ｓ、１４６ｓの第２の偏光成分は、第２の偏光方向３６（すなわち、速軸）に対して平行であるが、別に説明するように、光を非偏光の光の伝搬方向（光軸１０２に沿った）から逸脱させる。次いで、第１の色境界光線１４４ｓ、１４６ｓの第２の偏光成分は、第４のプリズム表面３４を通り抜け、ダイクロイックプレート１３０の第１のダイクロイック反射器１３２から反射して、反射された光束は、図示するように光軸１０２に概ね平行となる。

第１の色中心光線及び境界光線１４２ｓ、１４４ｓ、１４６ｓの第２の偏光成分の各々は、第１のダイクロイック反射器１３２から反射し、光軸１０２に平行なコリメートされた光線として、第１の集光光学系１０５から戻る。第１の色中心光線及び境界光線１４２ｓ、１４４ｓ、１４６ｓの第２の偏光成分は、第２の偏光線焦点１４７ｓ上で集束することができる、第２の偏光方向出力第２の色光束１４８ｓをまとめて形成する。次いで、第２の偏光方向の第１の色出力光束１４８ｓは、半波長リターダ９０を通り抜けることができ、第２の偏光方向の第１の色光束１４８ｓは第１の偏光方向（すなわち、第１の偏光方向の出力光束８１ｐと同一）に回転し、回転された第２の偏光方向の第２の色光束１４８ｓｐとなる。次いで、回転された第２の偏光方向の第１の色出力光束１４８ｓｐは、当業者には公知であるように、光積分型ロッド９５の中に導入されることにより、より均一化可能である。

図４Ａ〜４Ｂに示すように、入力第１の色光束１４１は、第１の偏光方向の第１の色出力光束１４８ｐ及び回転された第２の偏光方向の出力第１の色光束１４８ｓｐを含む、第１の偏光方向に偏光した第１の色出力光束となる。特定の一実施形態では、第２の偏光光線焦点１４７ｓが半波長リターダ９０に位置し、偏光色合成器２００の効率の改善が得られるように、半波長リターダ９０を配設することができる。

図５は、本開示の一態様による偏光色合成器システム５００の概略断面図を示す。図５で、図３Ａ〜３Ｃを参照しながら説明したような偏光色合成器２００は、第２の集光光学系２２０と組み合わされて、偏光色合成器２００の出力が積分型ロッド９５（又は光均質化トンネル９５）に入り、偏光された色が更に混合されて第２の集光光学系２２０の中に入力される。第２の集光光学系２２０は、先に説明した第１の集光光学系１０５に類似であることができ、結合された色光出力を拡大する光コリメータとしての機能を果たすことができる。一部の実施形態では、前述したような第１、第２、及び第３の出力コリメーション角θ１ｏ、θ２ｏ、θ３ｏを有する結合された色光出力を、任意の広帯域ミラー２３０から反射される色合体コリメート偏光２８０へと拡大することができる。色結合されたコリメート偏光２８０は、約２０度未満、約１５度未満、又は更に約１２度未満であることができる小さな広がり角を有する光を含む。

図６は、本開示の一態様による画像プロジェクタ６００の概略図を示す。画像プロジェクタ６００は、部分的にコリメートされた結合色偏光出力２４を反射器２３０上に入射して、部分的にコリメートされた結合色偏光出力２８０を任意のフライアイコンバイナーアレイ４２に向けることができる偏光色合成器モジュール１２を備え、そこで、部分的にコリメートされた結合色偏光出力２８０が均質化された偏光４５に転換され、画像生成器モジュール６０に入る。画像生成器モジュール６０が画像化光６５を出力し、これが投射モジュール７０に入り、そこで画像化光６５が投射された画像化光７９となる。

一態様では、色合成器モジュール１２は、別に説明するように、偏光色合成器２００から入力される、異なる波長スペクトルの入力光源を含む。偏光色合成器２００は、光均質化トンネル９５内を通る異なる波長スペクトル光を含む、結合された光出力を生成する。次いで、光均質化トンネル９５内を通る結合光出力は、別に説明するように、第２の集光光学系２２０を通過し、部分的にコリメートされた結合色偏光出力２４として色合成器モジュール１２を出射する。

一態様では、入力光源は非偏光であり、部分的にコリメートされた結合色偏光出力２４は非偏光である。部分的にコリメートされた結合色偏光出力２４は、１つ以上の光波長スペクトルを含む多色の結合光であることができる。部分的にコリメートされた結合色偏光出力２４は、受光した光の各々の時分割出力であることができる。一態様では、異なる波長スペクトル光のそれぞれは、異なる色光（例えば、赤色、緑色、及び青色）に相当し、結合光出力は白色光、又は時系列の赤色、緑色、及び青色の光である。本明細書に提供される説明のために、「色光」及び「波長スペクトル光」は、両方とも、人間の目に可視的である場合に、特定の色と関連付けられ得る波長スペクトル範囲を有する光を意味することが意図される。より一般的な「波長スペクトル光」という用語は、可視光、及び例えば、赤外光を含む、他の波長スペクトルの光の両方を指す。

一態様によると、各入力光源は、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）を含む。様々な光源、例えば、レーザー、半導体レーザー、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、並びに適切な集光器及び反射器を備えた超高圧（ＵＨＰ）ハロゲンランプ又はキセノンランプなどの非固体光源を使用することができる。本発明で有用な光源、光コリメータ、レンズ、及び光積分器は、例えば、米国特許出願公開第２００８／０２８５１２９号に更に記載されており、その開示は全体として本明細書に含まれる。

任意のフライアイコンバイナーアレイ４２には、別に説明する、部分的にコリメートされた結合色偏光出力２８０の均一性を均質化し、改善することができるレンズの任意のモノリシックフライアイアレイ（ＦＥＡ）などのレンズのモノリシックアレイを挙げることができる。任意のＦＥＡの代表的な構成は、例えば、「ＦＬＹ ＥＹＥ ＩＮＴＥＧＲＡＴＯＲ ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＣＯＮＶＥＲＴＥＲ」と題する同時係属中の米国特許出願第６１／３４６１８３号（代理人整理番号６６２４７ＵＳ００２、２０１０年５月１９日出願）、「ＰＯＬＡＲＩＺＥＤ ＰＲＯＪＥＣＴＩＯＮ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＯＲ」と題する米国特許出願第６１／３４６１９０号（代理人整理番号６６２４９ＵＳ００２、２０１０年５月１９日出願）、及び「ＣＯＭＰＡＣＴ ＩＬＬＵＭＩＮＡＴＯＲ」と題する米国特許出願第６１／３４６１９３号（代理人整理番号６６３６０ＵＳ００２、２０１０年５月１９日出願）に記述されている。一部の場合には、積分型トンネル又はロッド（例えば、光均質化トンネル９５）、又はＦＥＡ（例えば、フライアイコンバイナーアレイ４２）のいずれかを均質化に使用することができるが、一般に両方の手法は一緒には使用されない。

一態様では、画像生成器モジュール６０は偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）６６、代表的な画像化光学系６２、６４、及び空間光変調器６８を含み、これらが協働して均質化された偏光４５を画像化光６５に変換する。好適な空間光変調器（すなわち、画像生成器）は、以前に、例えば、米国特許第７，３６２，５０７号（Ｄｕｎｃａｎら）、同第７，５２９，０２９号（Ｄｕｎｃａｎら）、米国特許出願公開第２００８−０２８５１２９−Ａ１号（Ｍａｇａｒｉｌｌら）に、また国際特許公開第２００７／０１６０１５号（Ｄｕｎｃａｎら）にも、記述されている。特定の実施形態では、均質化された偏光４５は、任意のＦＥＡの各レンズから始まる発散光である。画像化光学系６２、６４、及びＰＢＳ ６６を通過した後、均質化された偏光４５は、空間光変調器６８を均一に照明する画像化光６１となる。特定の一実施形態では、任意のＦＥＡの各レンズからの各発散光束は、個々の発散光束が互いに重なり合うように空間光変調器６８の主要部分を照射する。

一態様では、投射モジュール７０は、画像化光６５を投射光７９として投射するのに使用可能な代表的な投射光学系７２、７４、７６を含む。好適な投射光学系７２、７４、７６は以前に記述されており、当業者には周知である。

以下に、本開示の実施形態を列記する。

項目１は、光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系；光軸に平行な第１の伝搬方向に沿って光入力面の中に非偏光光束を入射することができる非偏光光源；複屈折プリズムを含む光学素子であって、光学素子が第１の集光光学系に面し、かつ光入力面に相対して配設され、光学素子が非偏光光束を直交した偏光状態を有する第１の偏光光束及び第２の偏光光束に分割することができ、第１及び第２の偏光光束の少なくとも１つが第１の伝搬方向から発散する、光学素子；並びに光学素子及び第１の集光光学系から光入力面に向かって第１及び第２の偏光光束を逆に反射するように配設された反射器であって、第１の偏光光束が非偏光光源からずれて配置された第１の位置で光入力面を通り抜けかつ第２の偏光光束が第１の位置及び非偏光光源からずれて配置された第２の位置で光入力面を通り抜ける、反射器を含む、偏波変換器である。

項目２は、結合された偏光出力光が第２の偏光状態で偏光するように、第１の偏光光束の第１の偏光状態を第２の偏光状態に変換することができる、光入力面に隣接して配設された半波長リターダを更に含む、項目１の偏波変換器である。

項目３は、第１及び第２の偏光光束を受け入れるように配置された光学積分器を更に含む、項目１の偏波変換器である。

項目４は、第１の集光光学系が光コリメーション光学系を含む、項目１〜項目３の偏波変換器である。

項目５は、光コリメーション光学系が、１つのレンズを用いた設計、２つのレンズを用いた設計、回折光学素子、又はこれらの組み合わせを含む、項目１〜項目４の偏波変換器である。

項目６は、非偏光光束、第１の偏光光束、及び第２の偏光光束の各々が光発散角を備える、項目１〜項目５の偏波変換器である。

項目７は、第１の集光光学系が、光入力面に相対する第１の凸面を有する第１のレンズ、並びに第１の凸面に面する第２の面、及び第２の面に相対する第３の凸面を有する第２のレンズを含む、項目１〜項目６の偏波変換器である。

項目８は、光学素子が、ウオラストンプリズム、セナルモンプリズム、ニコルプリズム、ロションプリズム、ノルマルスキプリズム、グラン・トンプソンプリズム、グラン・フーコープリズム、又はこれらの組み合わせを含む、項目１〜項目７の偏波変換器である。

項目９は、反射器が広帯域ミラーを含む、項目１〜項目８の偏波変換器である。

項目１０は、結合された偏光出力光が第２の集光光学系に透過し、第２の集光光学系が結合された偏光出力光を拡大して、小発散角を有する拡大された偏光光束とする、項目２の偏波変換器である。

項目１１は、第２の集光光学系が、光軸上に中心をおき、第４の凸面及び第４の凸面に相対する第２の光入力面を有し、光入力面から出射する光を第２の光入力面に透過することができる、第３のレンズ、並びに光軸上に中心をおき、第４の凸面に面する第５の面、及び第５の面と相対する第６の凸面を有する、第４のレンズを含み、第２の光入力面に入る光が、拡大された偏光光束として第６の凸面を出射する、項目１０の偏波変換器である。

項目１２は、小発散角が約１５度未満の角度を含む、項目１０又は項目１１の偏波変換器である。

項目１３は、項目１〜項目１２の偏波変換器を含み、非偏光光源が、第１の色光を放射することができる第１の色光源及び第１の色光及び第２の色光を放射することができる第２の色光源を含み、それぞれが光軸からずれて配置され、並びに反射器がダイクロイックプレートを含む、偏波変換色合成器である。

項目１４は、ダイクロイックプレートが、第１の色光を反射し、かつその他の色光を透過することができる第１のダイクロイック反射器；及び第２の色光を反射することができる第２の反射器を含み、第１及び第２の色光が反射されて、光軸に沿って光入力面から、結合された色光束として出射するように、第１のダイクロイック反射器及び第２の反射器がそれぞれに傾斜している、項目１３の偏波変換色合成器である。

項目１５は、第２の反射器が広帯域ミラーを含む、項目１３又は項目１４の偏波変換色合成器である。

項目１６は、第２の反射器が、第２の色光を反射し、かつその他の色光を透過することができる第２のダイクロイック反射器を含む、項目１３又は項目１４の偏波変換色合成器である。

項目１７は、光軸からずれて配置され、かつ第３の色光を光入力面の中に入射させるように配設された、第３の光源を更に含み、ダイクロイックプレートが、第３の色光を反射して、光軸に沿って光入力面から出射することができる第３の反射器を更に含む、項目１３〜項目１６に記載の偏波変換色合成器である。

項目１８は、第３の反射器が広帯域ミラーを含む、項目１７の偏波変換色合成器である。

項目１９は、第３の反射器が、第３の色光を反射し、かつその他の色光を透過することができる第３のダイクロイック反射器を含む、項目１７の偏波変換色合成器である。

項目２０は、項目２〜項目１２の偏波変換器；結合された偏光出力光に画像を付与するように配置された空間光変調器；及び投射光学系を含む、画像プロジェクタである。

項目２１は、項目１７〜項目１９の偏波変換色合成器；偏光した第１、第２、及び第３の色光に画像を付与するように配置された空間光変調器；及び投射光学系を含む、画像プロジェクタである。

項目２２は、空間光変調器が、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）画像装置又は透過型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む、項目２０又は項目２１の画像プロジェクタである。

指示がない限り、本明細書及び請求項で使用される特性となる大きさ、量、及び物理特性を示す全ての数字は、「約」と言う用語によって修飾されることを理解されたい。それ故に、別の指示がない限りは、本明細書及び添付の請求項に説明される数字のパラメータは近似値であり、本明細書に開示された教示を使用して当業者が獲得しようとする所望の特性に応じて変化し得る。

本明細書に引用した全ての参照文献及び刊行物は、本開示と直接矛盾しうる場合を除いて、それらの全容を本開示に明確に援用するものである。以上、本明細書において特定の実施形態について図示及び説明してきたが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な代替的及び／又は同等の実施形態を、図示及び説明した特定の実施形態に置き換えることが可能である点は認識されるであろう。本出願は、本明細書において考察した特定の実施形態のあらゆる適合形態又は変形形態を網羅するものである。したがって、本開示は「特許請求の範囲」及びその均等物によってのみ限定されるものとする。

Claims (3)

1. 偏波変換器であって、
   光入力面及び光軸を有する第１の集光光学系、
   前記光軸に平行な第１の伝搬方向に沿って前記光入力面の中に非偏光光束を入射することができる非偏光光源、
   複屈折プリズムを含む光学素子であって、前記光学素子が、前記第１の集光光学系の前記光入力面とは反対側において前記第１の集光光学系に面し、
   前記光学素子が前記非偏光光束を、直交した偏光状態を有する第１の偏光光束及び第２の偏光光束に分割することができ、前記第１及び第２の偏光光束の少なくとも１つが前記第１の伝搬方向から発散する、光学素子、並びに
   前記光学素子及び前記第１の集光光学系から前記光入力面に向かって前記第１及び第２の偏光光束を逆に反射するように配設された反射器であって、
   前記第１の偏光光束が前記非偏光光源からずれて配置された第１の位置で前記光入力面を通り抜けかつ前記第２の偏光光束が前記第１の位置及び前記非偏光光源からずれて配置された第２の位置で前記光入力面を通り抜ける、反射器を含む、偏波変換器。
2. 請求項１に記載の偏波変換器を含み、前記非偏光光源が、第１の色光を放射することができる第１の色光源及び第２の色光を放射することができる第２の色光源を含み、それぞれが前記光軸からずれて配置され、並びに前記反射器がダイクロイックプレートを含む、偏波変換色合成器。
3. 前記ダイクロイックプレートが、
   前記第１の色光を反射し、かつその他の色光を透過することができる第１のダイクロイック反射器、及び
   前記第２の色光を反射することができる第２の反射器を含み、
   前記第１及び第２の色光の両方が反射されて、前記光軸に沿って前記光入力面から、結合された色光束として出射するように、前記第１のダイクロイック反射器及び前記第２の反射器がそれぞれに傾斜している、請求項２に記載の偏波変換色合成器。

Images