(57)【要約】  二重ＴＩＲプリズムは、入力プリズム、楔形プリズム、出力プリズム、及び反射型偏光子を有する。二重ＴＩＲプリズムは、入射面において光学ビームを受光し、受光された光学ビームの第１の偏光方向を第２の出射面へと通過させ、受光された光学ビームの第２の偏光方向を入力プリズムの第１の出射面から出力するように構成されている。【選択図】図１Ａ
2013502612.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射面、第１の間隙面、及び第１の出射面を有する入力プリズムと、
出力面、及び前記第１の間隙面から所定の間隙により離間した第２の間隙面を有する楔形プリズムと、
入力面及び第２の出射面を有する出力プリズムと、
前記出力面と前記入力面との間に配置された反射型偏光子と、を備え、
前記入力プリズム、前記楔形プリズム、前記反射型偏光子、及び前記出力プリズムが、前記入射面からの入射光学ビームの第１の偏光方向を前記第２の出射面へと通過させ、前記入射面からの前記入射光学ビームの第２の偏光方向を前記第１の出射面へと通過させるように構成されている、二重全反射（ＴＩＲ）プリズム。
【請求項２】
前記第２の間隙面が前記第１の間隙面とほぼ平行であり、前記出力プリズムの前記第２の出射面が前記入力プリズムの前記入射面とほぼ平行である、請求項１に記載の二重ＴＩＲプリズム。
【請求項３】
前記間隙が、前記入力プリズム及び前記出力プリズムのいずれかの屈折率よりも小さい屈折率を有する間隙材料を含む、請求項１に記載の二重ＴＩＲプリズム。
【請求項４】
前記間隙材料が空気である、請求項３に記載の二重ＴＩＲプリズム。
【請求項５】
前記反射型偏光子が、前記出力面又は前記入力面の少なくとも一方に接着された多層光学フィルムである、請求項１に記載の二重ＴＩＲプリズム。
【請求項６】
前記反射型偏光子が、ワイヤグリッド型偏光子を含む、請求項１に記載の二重ＴＩＲプリズム。
【請求項７】
前記ワイヤグリッド型偏光子に隣接した第２の間隙を更に備える、請求項６に記載の二重ＴＩＲプリズム。
【請求項８】
前記入射面と前記第１の間隙面とが第１の角度で交差し、前記出力面と前記第２の間隙面とが第２の角度で交差し、前記入力面と前記第２の出射面とが第３の角度で交差し、前記第１の角度と前記第２の角度の和が前記第３の角度に等しい、請求項１に記載の二重ＴＩＲプリズム。
【請求項９】
前記入力プリズム、前記楔形プリズム、及び前記出力プリズムのそれぞれが１．７に等しい屈折率を有し、前記第１の角度が１１．９°であり、前記第２の角度が７°であり、前記第３の角度が１８．９°である、請求項８に記載の二重ＴＩＲプリズム。
【請求項１０】
偏光した光を分割する方法であって、
光学ビームの第１の偏光方向を、入力プリズムの入射面から、楔形プリズム、反射型偏光子、及び出力プリズムに透過させる工程と、
前記光学ビームの第２の偏光方向を、前記入力プリズムの前記入射面から、前記楔形プリズムを通って、前記反射型偏光子と交差するように透過させる工程と、
前記光学ビームの前記第２の偏光方向を、前記反射型偏光子から反射させる工程と、
前記光学ビームの前記第２の偏光方向を、前記楔形プリズムと前記入力プリズムとの間の間隙に透過させる工程と、
前記光学ビームの前記第２の偏光方向を、前記入力プリズムの第１の出射面及び前記入射面の一方から出力する工程と、を含む、方法。
【請求項１１】
前記光学ビームの前記第２の偏光方向が、前記入力プリズムの前記入射面から少なくとも１回全反射する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記入力プリズムが、前記間隙に隣接した第１の間隙面を更に含み、前記光学ビームの前記第２の偏光方向が、前記第１の間隙面から少なくとも１回全反射する、請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
入射面、第１の間隙面、及び第１の出射面を有する入力プリズムと、
出力面、及び前記第１の間隙面から所定の間隙により離間した第２の間隙面を有する楔形プリズムと、
入力面及び第２の出射面を有する出力プリズムと、
前記出力面と前記入力面との間に配置された反射型偏光子と、を備える二重ＴＩＲプリズムであって、
前記入力プリズム、前記楔形プリズム、前記反射型偏光子、及び前記出力プリズムが、前記入射面からの入射光学ビームの第１の偏光方向を前記第２の出射面へと通過させ、前記入射面からの前記入射光学ビームの第２の偏光方向を前記第１の出射面へと通過させるように構成されている、二重ＴＩＲプリズムと、
前記入射光学ビームを前記入射面へと透過させるように配置された光源と、を備える、投射システム。
【請求項１４】
前記入射光学ビームを遮断して、前記第１の偏光方向を有するピクセル化された部分を投射レンズへと透過させるように配置された液晶パネルを更に備える、請求項１３に記載の投射システム。
【請求項１５】
前記液晶パネルが、前記光源と前記二重ＴＩＲプリズムとの間に配置される、請求項１４に記載の投射システム。
【請求項１６】
前記二重ＴＩＲプリズムが、前記光源と前記液晶パネルとの間に配置される、請求項１４に記載の投射システム。
【請求項１７】
第２の二重ＴＩＲプリズムを更に備え、前記液晶パネルが、前記二重ＴＩＲプリズムと前記第２の二重ＴＩＲプリズムとの間に配置される、請求項１４に記載の投射システム。
【請求項１８】
第１、第２、及び第３の二重ＴＩＲプリズムであって、それぞれが、
入射面、第１の間隙面、及び第１の出射面を有する入力プリズムと、
出力面、及び前記第１の間隙面から所定の間隙により離間した第２の間隙面を有する楔形プリズムと、
入力面及び第２の出射面を有する出力プリズムと、
前記出力面と前記入力面との間に配置された反射型偏光子と、を備え、
前記入力プリズム、前記楔形プリズム、前記反射型偏光子、及び前記出力プリズムが、前記入射面からの入射光学ビームの第１の偏光方向を前記第２の出射面へと通過させ、前記入射面からの前記入射光学ビームの第２の偏光方向を前記第１の出射面へと通過させるように構成されている、第１、第２、及び第３の二重ＴＩＲプリズムと、
第１、第２、及び第３の光源であって、それぞれ第１、第２、及び第３の入射光学ビームを、前記第１、前記第２、及び前記第３の二重ＴＩＲプリズムの前記入射面に放射するように配置された、第１、第２、及び第３の光源と、
第１、第２、及び第３の液晶パネルであって、それぞれ前記第１、前記第２、及び前記第３の入射光学ビームを遮断し、前記第１の偏光方向を有するピクセル化された部分を色合成装置へと透過するように配置され、該色合成装置が、前記第１、第２、及び第３の色の前記透過されたピクセル化部分を受光及び合成し、前記合成されたピクセル化部分を投射レンズへと導光するように配置された、第１、第２、及び第３の液晶パネルと、を備える、投射システム。
【請求項１９】
前記第１、第２、及び第３の光源が、第１の色の光、第２の色の光、及び第３の色の光をそれぞれ含む、請求項１８に記載の投射システム。
【請求項２０】
前記第１、第２、及び第３の液晶パネルに関連付けられた第１、第２、及び第３の光ホモジナイザーを更に備える、請求項１９に記載の投射システム。
【請求項２１】
前記各第１、第２、及び第３の光ホモジナイザーと、前記各第１、第２、及び第３の二重ＴＩＲプリズムとの間に配置された第１、第２、及び第３の集光レンズを更に備える、請求項２０に記載の投射システム。
【請求項２２】
第１、第２、第３、及び第４の二重ＴＩＲプリズムであって、それぞれが、
入射面、第１の間隙面、及び第１の出射面を有する入力プリズムと、
出力面、及び前記第１の間隙面から所定の間隙により離間した第２の間隙面を有する楔形プリズムと、
入力面及び第２の出射面を有する出力プリズムと、
前記出力面と前記入力面との間に配置された反射型偏光子と、を備え、
前記入力プリズム、前記楔形プリズム、前記反射型偏光子、及び前記出力プリズムが、前記入射面からの入射光学ビームの第１の偏光方向を前記第２の出射面へと通過させ、前記入射面からの前記入射光学ビームの第２の偏光方向を前記第１の出射面へと通過させるように構成されている、第１、第２、第３、及び第４の二重ＴＩＲプリズムと、
第１、第２、第３、及び第４の光源であって、それぞれ第１、第２、第３、及び第４の入射光学ビームを、前記第１、前記第２、前記第３、及び前記第４の二重ＴＩＲプリズムの前記入射面に放射するように配置された、第１、第２、第３、及び第４の光源と、
第１、第２、及び第３の液晶パネルであって、それぞれ前記第１、前記第２、及び前記第３の入射光学ビームを遮断し、前記第１の偏光方向を有するピクセル化された部分を第１の色合成装置へと透過するように配置され、該第１の色合成装置が、前記第１、第２、及び第３の色の前記透過されたピクセル化部分を受光して、第１の合成された画像を第２の色合成装置へと導光するように配置された、第１、第２、及び第３の液晶パネルと、
第４の液晶パネルであって、前記第４の入射光学ビームを遮断し、前記第１の偏光方向を有するピクセル化された部分を前記第２の色合成装置へと透過するように配置され、前記第２の色合成装置が、前記ピクセル化部分及び前記第１の合成された画像を受光して、第２の合成された画像を投射レンズへと導光するように配置された、第４の液晶パネルと、を備える、投射システム。
【請求項２３】
前記第１、第２、第３、及び第４の液晶パネルに関連付けられた第１、第２、第３、及び第４の光ホモジナイザーを更に備える、請求項２２に記載の投射システム。
【請求項２４】
各光ホモジナイザーが、長方形の断面形状を有するテーパ状の中空ロッドを含む、請求項２３に記載の投射システム。
【請求項２５】
各光ホモジナイザーが、真っ直ぐな中実ロッド、真っ直ぐな中空ロッド、テーパ状の中空ロッド、テーパ状の中実ロッド、フライアイインテグレーター、及びレンズレットのアレイのうち１つを含む、請求項２３に記載の投射システム。
【請求項２６】
前記光ホモジナイザーの対応する１つと、前記二重ＴＩＲプリズムの付随する１つとの間に配置された少なくとも１個の集光レンズを更に備える、請求項２５に記載の投射システム。
【請求項２７】
二重ＴＩＲプリズムを含む光学系からの光を投射する方法であって、
少なくとも１個の光源からの光を、少なくとも１個の二重ＴＩＲプリズムへと導光する工程と、
光の第１の偏光方向を、前記少なくとも１個の二重ＴＩＲプリズムから投射レンズへと透過させる工程と、
光の第２の偏光方向を、前記少なくとも１個の二重ＴＩＲプリズムの第１の出射面から出力する工程と、を含む、方法。
【請求項２８】
少なくとも１個の光源からの光を、少なくとも１個の二重ＴＩＲプリズムへと導光する工程が、
少なくとも１個の光源からの光を、少なくとも１個の液晶パネルの付随する１つに導光する工程と、
前記液晶パネルからの前記第１の偏光方向を有するピクセル化された部分を、前記二重ＴＩＲプリズムへと透過させる工程と、を含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記少なくとも１個の二重ＴＩＲプリズムからの前記光の第１の偏光方向を、付随する液晶パネルに導光する工程と、
前記液晶パネルからの前記第１の偏光方向のピクセル化された部分を、前記投射レンズへと透過させる工程と、を更に含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記少なくとも１個の二重ＴＩＲプリズムが第１の二重ＴＩＲプリズムであり、前記液晶パネルからの前記第１の偏光方向のピクセル化された部分を、前記投射レンズへと透過させる工程が、
前記液晶パネルからの前記光の第１の偏光方向のピクセル化された部分を、第２の二重ＴＩＲプリズムへと導光する工程と、
前記第２の二重ＴＩＲプリズムからの前記光の第１の偏光方向のピクセル化された部分を、前記投射レンズへと透過させる工程と、を更に含む、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
入射面、第１の間隙面、及び第１の出射面を有する入力プリズムであって、前記入射面と前記第１の間隙面との間に所定の角度が形成されている、入力プリズムと、
出力面及び第２の間隙面を有するガラス板であって、前記第２の間隙面が前記第１の間隙面から離間するとともに前記第１の間隙面とほぼ平行であり、前記第１の間隙面と前記第２の間隙面との間に間隙が形成されている、ガラス板と、
入力面及び第２の出射面を有する出力プリズムであって、前記第２の出射面が前記入射面とほぼ平行である、出力プリズムと、
前記出力面と前記入力面との間に配置された反射型偏光子と、を備え、
前記入力プリズム、前記ガラス板、前記反射型偏光子、及び前記出力プリズムが、前記入射面において光学ビームを受光し、前記受光された光学ビームの第１の偏光方向を、前記第２の出射面から透過型液晶装置へと通過させ、前記受光された光学ビームの第２の偏光方向を、前記入力プリズムの前記第１の出射面から出力するように構成されている、二重ＴＩＲプリズム。
【請求項３２】
前記入力プリズム、前記ガラス板、及び前記出力プリズムの屈折率が１．４であり、前記角度が１８°である、請求項３１に記載の二重ＴＩＲプリズム。
【請求項３３】
前記間隙が空気を含む、請求項３２に記載の二重ＴＩＲプリズム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光を効果的に偏光分離するための光学アセンブリに関する。本アセンブリは、例えば、透過型液晶ディスプレイ装置とともに使用することが可能である。より詳細には、本発明は偏光ビームスプリッターとして知られる偏光分離装置に関し、特に、画像投射システムにおいて使用するための偏光ビームスプリッターに関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶パネル投射システムにおいては、光源から出力された光は、１以上の第１の偏光子によって偏光され、１以上の透過型液晶パネル（すなわち、ピクセル化画像装置）を通過した後、１以上の第２の偏光子によって分析されることにより、所望の暗状態の光が光学ビームから除去され、これにより生ずる透過光パターンから画像が形成される。
【０００３】
偏光子が吸収型偏光子である場合、光のかなりの部分が熱に変換される。投射システム内の偏光子は、液晶パネルなどの熱に影響されやすい要素に近接している場合がある。場合により、吸収型偏光子が過剰な熱を吸収する場合には、吸収型偏光子自体の機能に悪影響が及ぼされる。こうした過熱は液晶パネルの出力部の分析装置の近傍において最も顕著であるが、これは多くの投射システムではこの領域に空気が流れる空間がほとんどないことよる。この過熱はプロジェクターの輝度が増大するに従ってより顕著となり、これによりプロジェクターの部品の寿命が制限され、かつ／又は投射システムの要素をできるだけ冷却状態に保つために用いられる空気流によるノイズが過度に大きくなる。
【０００４】
偏光子が米国特許第６，５９２，２２４号に述べられるような偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）である場合には、光は、ＰＢＳの偏光選択面（すなわち、反射型偏光子）から、ＰＢＳ及び反射型偏光子の外表面での全反射（ＴＩＲ）を含めて、複数回反射されうる。反射型偏光子の性質にもよるが、反射型偏光子からの光学ビームの複数回の反射は、光吸収によるその表面の温度の望ましくない上昇を引き起こし、光誘導反応の増大を引き起こし、かつ／又はヘイズ又はその表面から放射される散乱光の増大を引き起こしうる。投射された画像のゴースト又はコントラストの低下も生じうる。
【０００５】
ＰＢＳによるゴースト像の発生には少なくとも２つの機構がある。第１に、光の偏光状態が全反射下では保存されず、ガラス中での複屈折によっても左右されうることである。このため、全反射した後に反射型偏光子に達する光が、投射レンズへと漏れ出す可能性がある。この光は一般的に像の光円錐の外部にあるが（ＰＢＳの設計の詳細による）、その一部はこの時点で分析装置を通過するのに適当な偏光となっており、像円錐内へと散乱する可能性がある。第２に、ＰＢＳから反射された光はＰＢＳから出射し、像の光円錐内において液晶パネルに向かって逆方向に導光されうる。この反射光は、液晶パネル内において偏光解消されてから、全反射ＰＢＳを通って投射レンズへと反射されうる。
【０００６】
後者の場合、ピクセル化画像装置は、その表面の比較的大きな部分が電子要素のために割かれている。一般的な高温ポリシリコン（ＨＴＰＳ）透過型ＬＣＤパネルでは、導電線、トランジスター及びコンデンサーが画像領域の２５％以上を占める場合がある。これらの電子要素は、画像装置に戻る光を、開いたピクセル領域よりも更に効率的に反射しうるものである。この光は液晶を通過したものである可能性があり、必要な偏光状態が保存されていることは期待できない。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一態様において、本開示は、入射面、第１の間隙面、及び第１の出射面を有する入力プリズムを含む二重全反射（ＴＩＲ）プリズムを提供する。二重ＴＩＲプリズムは、出力面、及び第１の間隙面から所定の間隙により離間した第２の間隙面を有する楔形プリズムを更に含む。二重ＴＩＲプリズムは、入力面及び第２の出射面を有する出力プリズムと、出力面と入力面との間に配置された反射型偏光子とを更に含む。入力プリズム、楔形プリズム、反射型偏光子、及び出力プリズムは、入射面からの入射光学ビームの第１の偏光方向を第２の出射面へと通過させ、入射面からの入射光学ビームの第２の偏光方向を第１の出射面へと通過させるように構成されている。
【０００８】
別の態様において、本開示は、偏光した光を分割する方法であって、光学ビームの第１の偏光方向を、入力プリズムの入射面から、楔形プリズム、反射型偏光子、及び出力プリズムに透過させる工程を含む、方法を提供する。本方法は、光学ビームの第２の偏光方向を、入力プリズムの入射面から、楔形プリズムを通って、反射型偏光子と交差するように透過させる工程を更に含む。本方法は、光学ビームの第２の部分を反射型偏光子から反射させる工程と、光学ビームの第２の部分を、楔形プリズムと入力プリズムとの間の間隙に透過させる工程と、光学ビームの第２の部分を、入力プリズムの第１の出射面及び入射面の一方から出力する工程と、を更に含む。
【０００９】
更なる別の形態において、本開示は、二重ＴＩＲプリズム及び光源を含む投射システムを提供する。二重ＴＩＲプリズムは、入射面、第１の間隙面、及び第１の出射面を有する入力プリズムを含む。二重ＴＩＲプリズムは、出力面、及び第１の間隙面から所定の間隙により離間した第２の間隙面を有する楔形プリズムを更に含む。二重ＴＩＲプリズムは、入力面及び第２の出射面を有する出力プリズムと、出力面と入力面との間に配置された反射型偏光子と、を更に含む。入力プリズム、楔形プリズム、反射型偏光子、及び出力プリズムは、入射面からの入射光学ビームの第１の偏光方向を第２の出射面へと通過させ、入射面からの入射光学ビームの第２の偏光方向を第１の出射面へと通過させるように構成されている。光源は、入射光学ビームを入射面へと透過させるように配置される。
【００１０】
更なる別の態様において、本開示は、第１、第２、及び第３の二重ＴＩＲプリズムと、第１、第２、及び第３の光源と、第１、第２、及び第３の液晶パネルと、を含む投射システムを提供する。第１、第２、及び第３の二重ＴＩＲプリズムのそれぞれは、入射面、第１の間隙面及び第１の出射面を有する入力プリズムと、出力面、及び第１の間隙面から所定の間隙により離間した第２の間隙面を有する楔形プリズムと、入力面及び第２の出射面を有する出力プリズムと、出力面と入力面との間に配置された反射型偏光子と、を含む。入力プリズム、楔形プリズム、反射型偏光子、及び出力プリズムは、入射面からの入射光学ビームの第１の偏光方向を第２の出射面へと通過させ、入射面からの入射光学ビームの第２の偏光方向を第１の出射面へと通過させるように構成されている。第１、第２、及び第３の光源のそれぞれは、それぞれ第１、第２、及び第３の入射光学ビームを、第１、第２、及び第３の二重ＴＩＲプリズムの入射面に放射するように配置される。第１、第２、及び第３の液晶パネルのそれぞれは、それぞれ第１、第２、及び第３の入射光学ビームを遮断し、第１の偏光方向を有するピクセル化された部分を色合成装置へと透過するように配置され、その色合成装置は、第１、第２、及び第３の色の透過されたピクセル化部分を受光及び合成し、その合成されたピクセル化部分を投射レンズへと導光するように配置される。
【００１１】
更なる別の態様において、本開示は、第１、第２、第３、及び第４の二重ＴＩＲプリズムと、第１、第２、第３、及び第４の光源と、第１、第２、第３、及び第４の液晶パネルとを含む投射システムを提供する。第１、第２、第３、及び第４の二重ＴＩＲプリズムのそれぞれは、入射面、第１の間隙面、及び第１の出射面を有する入力プリズムと、出力面、及び第１の間隙面から所定の間隙により離間した第２の間隙面を有する楔形プリズムと、入力面及び第２の出射面を有する出力プリズムと、出力面と入力面との間に配置された反射型偏光子と、を含む。入力プリズム、楔形プリズム、反射型偏光子、及び出力プリズムは、入射面からの入射光学ビームの第１の偏光方向を第２の出射面へと通過させ、入射面からの入射光学ビームの第２の偏光方向を第１の出射面へと通過させるように構成されている。第１、第２、第３、及び第４の光源のそれぞれは、それぞれ第１、第２、第３、及び第４の入射光学ビームを、第１、第２、第３、及び第４の二重ＴＩＲプリズムの入射面に放射するように配置される。第１、第２、及び第３の液晶パネルのそれぞれは、それぞれ第１、第２、及び第３の入射光学ビームを遮断し、第１の偏光方向を有するピクセル化された部分を第１の色合成装置へと透過するように配置され、その第１の色合成装置は、第１、第２、及び第３の色の透過されたピクセル化部分を受光して、第１の合成された画像を第２の色合成装置へと導光するように配置される。第４の液晶パネルは、第４の入射光学ビームを遮断し、第１の偏光方向を有するピクセル化された部分を第２の色合成装置へと透過するように配置され、その第２の色合成装置は、ピクセル化部分及び合成された画像を受光して、第２の合成された画像を投射レンズへと導光するように配置される。
【００１２】
更なる別の態様において、本開示は、入射面、第１の間隙面、及び第１の出射面を有する入力プリズムであって、入射面と第１の間隙面との間に所定の角度が形成されている入力プリズムを含む二重ＴＩＲプリズムを提供する。二重ＴＩＲプリズムは、出力面及び第２の間隙面を有するガラス板であって、その第２の間隙面が第１の間隙面から離間するとともに第１の間隙面とほぼ平行であり、第１の間隙面と第２の間隙面との間に間隙が形成されている、ガラス板を更に含む。二重ＴＩＲプリズムは、入力面及び第２の出射面を有する出力プリズムであって、第２の出射面が入射面とほぼ平行である、出力プリズムを更に含む。二重ＴＩＲプリズムは、出力面と入力面との間に配置された反射型偏光子を更に含む。入力プリズム、ガラス板、反射型偏光子、及び出力プリズムは、入射面において光学ビームを受光し、受光された光学ビームの第１の偏光方向を、第２の出射面から透過型液晶装置へと通過させ、受光された光学ビームの第２の偏光方向を、入力プリズムの第１の出射面から出力するように構成されている。
【００１３】
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すべ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。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
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。
【図１Ａ】二重ＴＩＲプリズムの断面図。
【図１Ｂ】二重ＴＩＲプリズムの斜視図。
【図２】二重ＴＩＲプリズムの断面図。
【図３】二重ＴＩＲプリズムの断面図。
【図４】二重ＴＩＲプリズムを有する投射システムの概略図。
【図５】二重ＴＩＲプリズムの断面図。
【図６】第１の出射面に対する周辺光線の概略図。
【図７】システム瞳孔に対する反射光線の円錐の角度の概略図。
【図８Ａ】第１の角度を屈折率の関数として示すプロット。
【図８Ｂ】第１の角度を屈折率の関数として示すプロット。
【図９】二重ＴＩＲプリズムの断面図。
【図１０】光の１つの偏光方向を除去する方法のボックス図。
【図１１】二重ＴＩＲプリズムを有する投射システムの概略図。
【図１２】２個の二重ＴＩＲプリズムを有する投射システムの概略図。
【図１３】色合成装置を有する投射システムの概略図。
【図１４】２個の色合成装置を有する投射システムの概略図。
【図１５】二重ＴＩＲプリズムによる投射方法のボックス図。  図は必ずしも縮尺に従っていない。図中に用いられる同様の数字は、同様の要素を指すものである。しかしながら、特定の図中のある要素を指すある数字の使用は、同じ数字を付された別の図中の要素を限定することを目的とするものではない点は理解されるであろう。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
二重ＴＩＲプリズムを投射システムにおいて使用することによって、投射システムの要素の有害な加熱を防止しつつ、投射システムからの１つの偏光方向の光を除去することができる。特定の一実施形態では、二重ＴＩＲプリズムによって、投射システムによるゴースト像の投射を低減又は防止することもできる。
【００１６】
図１Ａは、特定の一実施形態に基づく、本明細書においては二重ＴＩＲ偏光ビームスプリッター１０とも呼ぶ二重ＴＩＲプリズム１０の断面図である。図１Ｂは、図１Ａの二重ＴＩＲプリズム１０の斜視図を示す。二重ＴＩＲプリズム１０は、入力プリズム２０、楔形プリズム３０、及び出力プリズム４０を含んでいる。特定の一実施形態では、各プリズムはガラスで形成される。別の特定の実施形態では、各プリズムは、ポリマー材料のような他の光学的に透明な材料で形成される。
【００１７】
入力プリズム２０は、入射面２２、第１の間隙面２４、及び第１の出射面２６を含んでいる。楔形プリズム３０は、出力面３４及び第２の間隙面３２を有している。第２の間隙面３２は第１の間隙面２４から分離しており、第１の間隙面２４と整列している。間隙６０が、第１の間隙面２４と第２の間隙面３２との間に形成されている。間隙６０は、入力プリズム２０及び楔形プリズム３０のいずれの屈折率よりも低い屈折率を有する間隙材料を含んでいる。特定の実施形態では、間隙材料は低屈折率の光学接着剤でありうる。他の実施形態では、間隙材料は空気であってもよい。
【００１８】
出力プリズム４０は、入力面４２及び第２の出射面４４を有している。特定の一実施形態では、第１の間隙面２４及び第２の間隙面３２を、これらの空気／ガラス界面における反射率を低減するための反射防止コーティングで被覆することができる。別の特定の実施形態では、第１の間隙面２４、第２の間隙面３２、入射面２２、第２の出射面４４、及び第１の出射面２６を、これらの空気／ガラス界面における反射率を低減するために反射防止コーティングで被覆してもよい。反射防止コーティングは、当該技術分野では周知のものであり、図を簡単にするために示していない。
【００１９】
二重ＴＩＲプリズム１０は、入力された光学ビーム１００の選択された偏光（例えば、第１の偏光方向又はｐ偏光）を、入力ビーム１００の選択されていない偏光（例えば、第２の偏光方向又はｓ偏光）から分離する反射型偏光子５０を更に含んでいる。第１の偏光方向は反射型偏光子５０を透過し、第２の偏光方向は反射型偏光子５０から反射される。反射型偏光子５０（本明細書においては「偏光選択面５０」とも呼ぶ）は、楔形プリズム３０の出力面３４と、出力プリズム４０の入力面４２との間に配置される。入力プリズム２０、楔形プリズム３０、反射型偏光子５０、及び出力プリズム４０は、入射面２２において光学ビーム１００を受光し、受光された光学ビーム１００の第１の偏光方向を第２の出射面４４から出力光学ビーム１１０として通過させ、受光された光学ビーム１００の第２の偏光方向は入力プリズム２０の第１の出射面２６から拒絶光学ビーム１２０として出力するように構成されている。光学ビーム１００は、中心光線１００Ｃと、入力ビームの円錐でありうる光学ビーム１００の角度変化を表す周辺光線１００Ｍとによって表されている。周辺光線１００Ｍは、中心光線１００Ｃに対して角度αをなしている。光学ビーム１００は、収束ビーム、発散ビーム、又は平行化ビームであってよい。
【００２０】
多くの反射性偏光選択面は、ｓ偏光した光を反射し、ｐ偏光した光を透過するように用いられる場合、より効果的に異なる偏光状態の光を分離する。これは一般的に好ましい動作の態様である。しかしながら、ｐ偏光した光を反射し、ｓ偏光した光を透過することが好ましい場合もある。いずれの動作の態様も本開示に含まれるものである。
【００２１】
図１Ａにおいて、第２の間隙面３２は、第１の間隙面２４とほぼ平行であり、出力プリズム４０の第２の出射面４４は、入力プリズム２０の入射面２２とほぼ平行である。一般的に、平行な表面によって二重ＴＩＲプリズムの設計を簡単なものとすることができるが、これらの表面が互いに平行である必要はない。平行でない表面によって、像形成光に収差が導入されうる。収差に対する任意の画像システムの許容度は、そのシステムの画像品質の要求条件によって決まるため、開示される特定の実施形態では平行な場合を用いる。これによって本開示の範囲は限定されないことは理解されるべきである。
【００２２】
拒絶光学ビーム１２０の少なくとも一部は、二重ＴＩＲプリズム１０の第１の出射面２６を透過する。特定の一実施形態では、拒絶光学ビーム１２０の全体が二重ＴＩＲプリズム１０の第１の出射面２６を透過する。別の特定の実施形態では、拒絶光学ビーム１２０の一部が二重ＴＩＲプリズム１０の第１の出射面２６を透過し、拒絶光学ビーム１２０の残りは二重ＴＩＲプリズム１０の入射面２２を透過する。この後者の実施形態では、拒絶光学ビーム１２０は二重ＴＩＲプリズム１０から所定の角度に導光され、これにより、拒絶光学ビーム１２０のすべて又は大部分が、二重ＴＩＲプリズム１０に近接した液晶パネル又は他の熱に影響されやすい装置に入射しなくなる。同様に、この後者の実施形態では、拒絶光学ビーム１２０の任意の部分がシステム内の他の要素（液晶パネルなど）から反射される場合にも、二重ＴＩＲプリズム１０が組み込まれた投射システムによってゴースト像が投射されることはない。
【００２３】
特定の一実施形態では、反射型偏光子５０は、出力プリズム４０の入力面４２と楔形プリズム３０の出力面３４との間に埋め込まれたポリマー多層光学フィルム（本明細書においては多層光学フィルムとも呼ぶ）である。別の特定の実施形態では、反射型偏光子５０は、例えば光学接着剤を用いて、出力プリズム４０の入力面４２と楔形プリズム３０の出力面３４との間に接着されたポリマー多層光学フィルムである。例えば、多層光学フィルムの一方の表面を入力面４２に接着し、次に多層光学フィルムの他方の表面を楔形プリズム３０の出力面３４に接着することができる。別の例では、多層光学フィルムの一方の表面を出力面３４に接着し、次に多層光学フィルムの他方の表面を出力プリズム４０の入力面４２に接着することができる。特定の一実施形態では、反射型偏光子５０は、Ｚ方向の屈折率を一致させた偏光子多層光学フィルム（スリー・エム社（3M Company）より販売されるＭＺＩＰ  ＭＯＦ）とすることができる。
【００２４】
更なる別の特定の実施形態では、反射型偏光子５０をワイヤグリッド型偏光子とすることができる。ワイヤグリッド型偏光子は、効果的に動作するためには各ワイヤの隣に間隙を必要とする。したがって、ワイヤグリッド型偏光子はＰＢＳのワイヤ面に隣接した第２の間隙を必要とする。ワイヤグリッド型偏光子を有する二重ＴＩＲプリズムの実施形態の説明図を、例えば図２及び３に示す。
【００２５】
図２は、本開示の特定の一実施形態に基づく二重ＴＩＲプリズム１１の断面図である。二重ＴＩＲプリズム１１は、図１Ａ〜１Ｂの埋め込まれた反射型偏光子５０が、出力プリズム４０の入力面４２を被覆するワイヤグリッド型偏光子５２に置き換えられている点で、図１Ａ〜１Ｂに示される二重ＴＩＲプリズム１０とは異なっている。図２において、第１の間隙６１は、第１の間隙面２４と第２の間隙面３２との間に位置している。第２の間隙６２は、ワイヤグリッド型偏光子５２と楔形プリズム３０の出力面３４との間に配置されている。
【００２６】
図３は、本開示の特定の一実施形態に基づく二重ＴＩＲプリズム１２の断面図である。二重ＴＩＲプリズム１２は、ワイヤグリッド型偏光子５２が楔形プリズム３０の出力面３４を被覆しており、第２の間隙６２がワイヤグリッド型偏光子５２と出力プリズム４０の入力面４２との間に配置されている点で、図２に示される二重ＴＩＲプリズム１１と異なっている。
【００２７】
ポリマー多層光学フィルム偏光子については、例えば米国特許第６，６０９，７９５号に述べられている。多層光学フィルム型の偏光子は、ｐ偏光された光の高い透過率及び低い光の吸収率など、ワイヤグリッド型偏光子と比較して多くの利点を有している。
【００２８】
市販のワイヤグリッド型偏光子は、現在、０．７ｍｍよりも厚く、屈折率が１．５程度のガラス上でのみ製造されている。屈折率が１．７のプリズムガラスが使用される場合、θ＝１８．９°で傾斜した、ｎ＝１．５の厚さ１．１ｍｍのワイヤグリッド型偏光子基板の使用によって、二重ＴＩＲプリズムに２７μｍの非点収差が生ずる。更に、θ＝１８．９°で傾斜したワイヤグリッド型偏光子に隣接して１０マイクロメートルの間隙がある場合、更に３μｍの非点収差が加えられ、二重ＴＩＲプリズムに全体で３０μｍの非点収差が生じる。非点収差の効果はシステムの倍率の２乗に比例することから、このレベルの非点収差は、対角６０インチ（１５２．４ｃｍ）（又はこれよりも大きい）のスクリーンを満たすように拡大される対角１インチ（２．５４ｃｍ）以下の画像装置を使用する多くのテレビ又はホームシアター用途には大きすぎるものとなる。しかしながらこのレベルの非点収差は、特定の用途によっては許容可能なものである。ワイヤグリッド型偏光子の非点収差は、基板の厚さの減少又は二重ＴＩＲプリズムのガラスの屈折率の低下にともなって低下しうる。
【００２９】
多層光学フィルム型ＰＢＳは、非点収差の観点から優れたものである。一般的に多層光学フィルム型ＰＢＳは、設計に応じて約３μｍ〜５μｍの非点収差を有する。多層光学フィルム型ＰＢＳは光効率の理由からも好ましい。
【００３０】
ワイヤグリッド型偏光子又は多層光学フィルム型偏光子のいずれが使用されるかによらず、一定の内因的な非点収差が発生する。一例として、入射面２２に対してγ＝１１．９°の角度で配置された幅１０μｍの空気間隙６１では、１μｍの非点収差が発生する。
【００３１】
図１〜３において、それぞれの二重ＴＩＲプリズム１０、１１及び１２は、入力プリズム２０内の第１の角度γ、楔形プリズム３０内の第２の角度δ、及び出力プリズム４０内の第３の角度θを示している。第１の出射面２６は、入射面２２に対して角度βをなしている。第１の角度γは、入射面２２と第１の間隙面２４との間に形成されている。間隙６０は、入射面２２に対して第１の角度γをなしている。第２の角度δは、楔形プリズム３０の出力面３４と第２の間隙面３２との間に形成されている。第３の角度θは、出力プリズム４０の入力面４２と第２の出射面４４との間に形成されている。反射型偏光子５０は、第２の出射面４４に対して第３の角度θをなしている。第１の角度γと第２の角度δの和は第３の角度θに等しく、出力プリズム４０の第２の出射面４４は、入力プリズム２０の入射面２２に対してほぼ平行となっている。Ｈを第２の出射面４４の高さ、Ｄを出力プリズム４０の面４６の長さとして、θの正接はＤ／Ｈの比である（図１Ｂ）。第２の出射面４４と入射面２２との間の距離は、（長さＤ）＋（間隙６０の厚さ）×（ｃｏｓγ）＋（反射型偏光子５０の厚さ）×（ｃｏｓθ）である。第２の出射面４４の高さＨは、水平線５５と出力プリズム４０の面４６とから測定される。
【００３２】
図４は、本開示の特定の一実施形態に基づく二重ＴＩＲプリズムを有する投射システム３００の概略図である。図１〜３に示される二重ＴＩＲプリズム１０、１１又は１２のような二重ＴＩＲプリズムはそれぞれ、投射システム３００内で光学ビーム１００の第１の偏光方向を透過し、光学ビームの第２の方向（ｓ偏光など）を有する光のほぼすべてを拒絶光学ビーム１２０として投射システム３００から導光する。
【００３３】
図４に示されるように、投射システム３００は、光学ビーム１０１を放射する光源１００、光ホモジナイザー１２５、集光レンズ１３０、入力偏光子１４０（本明細書においては前偏光子とも呼ぶ）、液晶パネル１５０、二重ＴＩＲプリズム１０、クリーンアップ偏光子１６０、及び投射レンズ３０５を含んでいる。光源１００、光ホモジナイザー１２５、及び集光レンズ１３０は、各要素の関数であるＦ値を有する照明システム２０５を構成する。液晶パネル１５０は、本明細書においては「画像装置１５０」及び「透過型偏光変調ピクセル化装置１５０」とも呼ぶ。この照明システムの説明は例示的なものと考えるべきであって、限定的なものと考えるべきではない。例えば、照明システムは、しばしばテレセントリック光線であることが好ましい、光線のＦ値及び特性を決定する複数のレンズを含んでもよい。同様に、照明システムは、偏光変換装置、再利用装置、及び／又はビーム形成開口部を含んでもよい。これらの構成及び装置は当業者には周知のものである。説明を簡単かつ明確にするため、こうしたビーム調製要素はすべて、集光レンズ１３０として概略的に表している。
【００３４】
光ホモジナイザー１２５は、光源１００からの光学ビーム１０１を受光するように配置されている。光ホモジナイザー１２５は、光ホモジナイザー１２５の出力端部の空間的広がりにわたって均一な、均質化された光学ビーム１０２を出力する。均質化された光学ビーム１０２は集光レンズ１３０によって導光され、集光レンズ１３０は均質化された光学ビーム光を光学ビーム１０３として出力する。光学ビーム１０３は偏光子１４０を通過し、光学ビーム１０３の第１の偏光方向が光学ビーム１０４として液晶パネル１５０上に入射する。第１の偏光方向を有する光学ビーム１０４のピクセル化された部分が、液晶パネル１５０から二重ＴＩＲプリズム１０に向かって光学ビーム１００として出力される。二重ＴＩＲプリズム１０は、第１の偏光方向を有する光学ビーム１００のピクセル化された部分を光学ビーム１１０として出力する。第１の偏光方向を有し、画像を形成する光学ビーム１００のピクセル化された部分は、投射レンズ３０５へと導光されてスクリーン（図に示されていない）上に表示される。クリーンアップ偏光子１６０が二重ＴＩＲプリズム１０と投射レンズ３０５との間に配置され、二重ＴＩＲプリズム１０から漏れる選択されていない偏光のすべての小成分を除去する。第２の偏光方向を有する光学ビーム１００のピクセル化された部分は、第２の偏光方向を有する光が液晶パネル１５０に入射することがないような方向に第１の出射面２６からほぼ出力される。
【００３５】
光源１００は、発光ダイオード（ＬＥＤ）、発光ダイオードのアレイ、アークランプ、ハロゲンランプ、蛍光ランプ、レーザー、レーザーのアレイ、又は他の任意の適当な光発生要素でありうる。投射用途における一般的な光源は、超高圧（ＵＨＰ）水銀アークランプである。特定の一実施形態では、光源１００は、専用の赤、緑、及び青色の光線を与えるだけの充分に広いスペクトルを有する光を放射する。特定の一実施形態では、光源１００は、約４００ｎｍ〜約７００ｎｍの波長範囲にわたって充分な出力が放射されるように可視光スペクトルの全体にわたって光を放射する。この場合、光源１００が発生する光は白色光である。光源１００からの光は、必要に応じて用いられる（図に示されていない）集光レンズ若しくはミラー、及び／又は必要に応じて用いられるリフレクターによって集められ、光ホモジナイザー１２５内に結合される。
【００３６】
光ホモジナイザー１２５は、長方形、正方形、六角形、台形、楕円形、円形、又は任意の適当な形状でありうる所定の断面形状を有する、中実のロッド又は中空のロッド（光トンネルなど）であってよい。また、光ホモジナイザーは、フライアイインテグレーター又はレンズレットのアレイを含んでもよい。いずれの場合も、例えば米国特許第５，９７８，１３６号に述べられるような偏光変換又は再利用光学要素があってもよい。例示的な一例では、光ホモジナイザー１２５は、断面のサイズの１以上の寸法が、光トンネルの一方の端部から他方の端部へと大きくなるように構成されたテーパ状の光トンネルである。光ビーム１０１は、図４の左端から光ホモジナイザー１２５に入射し、光ホモジナイザー１２５の側面から異なる角度で何度も反射（又は中実ロッドの場合には全反射）することによって光ホモジナイザー１２５の長さに沿って伝播する。光ホモジナイザー１２５の端部の空間的広がりにわたって基本的に均一である光は、光ホモジナイザー１２５の長さに沿って伝播した後、光ホモジナイザー１２５の右端から均質化された光学ビーム１０２として放射される。光ホモジナイザー１２５の形状は、相当量の光を損失することなく光ホモジナイザー１２５の端部が液晶パネル１５０上に所定の倍率で画像化されるよう、液晶パネル１５０の形状と一致するように選択することができる。光ホモジナイザー１２５の出射面は、均一かつ広がりをもつ光源とみなすことができる。
【００３７】
集光レンズ１３０は、光ホモジナイザー１２５から均質化された光学ビーム１０２を受光して光学ビーム１０３を出力する。集光レンズ１３０から出射した光学ビーム１０３は前偏光子１４０を通過する。前偏光子１４０は、ビーム全体にわたった透過偏光のあらゆる変化を最小に抑えるために、広範囲の入射角に対応していることが好ましい。光学ビーム１０４は、前偏光子１４０から光学ビーム１０４として出射し、液晶パネル１５０を通過する。光ビーム１００が液晶パネル１５０から出力される。
【００３８】
光ホモジナイザー１２５がレンズレットのアレイである一実施形態では、各レンズレットを透過した光学ビームは、隣り合うレンズレットからのビームが液晶パネル１５０において互いに重なり合うように集光レンズ１３０によって拡大される。集光レンズ１３０は、１以上のレンズを代表する１個のレンズとして示されている。
【００３９】
特定の一実施形態では、投射システム３００内の照明ビームは収束して、液晶パネル１５０上に焦点を結ぶ。一般的なＦ値は約２．５以下であり、Ｆ値が小さいほど集光効率は高くなる。特定の一実施形態では、投射システム３００はＦ／２．３の照明システム２０５を有する。
【００４０】
図５は、入射光学ビーム１００の中心光線１０５が入力プリズム２０内部で全反射される様子を示す二重ＴＩＲプリズム１０の断面図である。中心光線１０５が、入射面２２、第１及び第２の間隙面２４及び３２、反射偏光子５０、並びに第１の出射面２６のそれぞれに入射する角度は、二重ＴＩＲプリズム内部の角度γ、δ、β及びθ、並びに入力プリズム２０、楔形プリズム３０及び出力プリズム４０の屈折率に基づいている。以下の考察では、議論を簡単にするために、第１の間隙面２４と第２の間隙面３２との間の間隙６０は空気で満たされているものと仮定する。しかしながら、当業者であれば、間隙の屈折率が１とは異なる場合に同様の計算を行う方法は明らかであろう。入力プリズム２０及び楔形プリズム３０の屈折率よりも低い屈折率を有する任意の材料を間隙６０内に使用することができる点は理解されるはずである。
【００４１】
図５には、二重ＴＩＲプリズム１０内部における中心光線１０５の反射が１〜５の番号で示されている。それぞれの反射光線の位置ｘｉは入射面２２（断面において線ｘ＝０として見られる）に対して示され、それぞれの反射光線の位置ｙｉは出力プリズム４０の表面４６（断面において線ｙ＝０として見られる）に対して示されている。偶数番号で示される反射点のｘ位置は、ｍを整数としてｘ（ｉ＝２ｍ）＝０であるため０である。
【００４２】
周辺光線１０７及び１０６は、入力光学ビーム１００の円錐の最も遠い広がりにおける光線を示している。図５に示されるように、周辺光線１０７及び１０６は、水平に対してそれぞれ角度＋α’及び−α’で入射面２２に入射する。周辺光線１０７及び１０６は、入射面２２を透過すると、水平に対してそれぞれ角度＋α及び−αで入力プリズム２０内を伝播するため、入力光学ビーム１００は、入力プリズム２０内部において収束（又は発散）角αを有することになる。入力プリズム２０内部における角度±αは、スネルの法則に従って空気中の角度±α’と関連付けられる。光線１０５、１０６及び１０７は、図１Ａの入力光学ビーム１００中の光線を代表的に表すものである。
【００４３】
以下の中心光線１０５の各反射点の位置及び入射角の代表的な計算においては、反射型偏光子５０の角度θ及び間隙６０の角度γのパラメータを用いる。許容される角度γの範囲には制約条件がある。反射型偏光子５０からの反射後に光線１０５〜１０７の楔形プリズム３０の内部における全反射を防止するためには、角度γは式（１）を満たさなければならない。
【００４４】
γ＜２θ＋α−ａｒｃｓｉｎｅ（１／ｎ）                （１）
【００４５】
ただし、ｎは楔形プリズム３０の屈折率であり、この例では間隙は空気で満たされているものと仮定する。式（１）では正の周辺光線１０７の入射角＋α（入力プリズム内における）を用いる。
【００４６】
光線１０５〜１０７のすべての反射が、反射型偏光子５０及び入射面２２からの連続的な反射の後に入力プリズム２０の内部で確実に全反射するためには、角度γは式（２）を満たさなければならない。
【００４７】
γ＜α−２θ＋ａｒｃｓｉｎｅ（１／ｎ）                （２）
【００４８】
ただし、ｎは入力プリズム２０の屈折率である。式（２）では、負の周辺光線１０６の入射角−α（入力プリズム内における）を用いる。更に、入力プリズム２０の第１の出射面２６から受光光学ビーム１００の第２の偏光方向を出力するためには、二重ＴＩＲプリズムにおいてγ＞０かつγ≦θであることが必要である。これらの最後の２つの関係式が満たされない場合には、式（１）及び（２）に解が存在しない。特定の一実施形態では、入力プリズム２０の屈折率は楔形プリズム３０の屈折率と同じである。
【００４９】
γについてのこれらの制約条件の下で、中心光線１０５の入射角及び各反射点の座標（ｘ１，ｙ１）を計算することができる。中心光線１０５は入射面２２及び間隙６０を通過して、第１の反射点（ｘ１，ｙ１）において反射型偏光子５０に入射する。
ｘ１＝ｙ１ｔａｎθ                                  （３）
ｘ１／（ｙ２−ｙ１）＝ｃｏｔ  ２θ                    （４）
式（３）及び（４）より下式を得る。
ｙ１ｔａｎ（θ）／（ｙ２−ｙ１）＝ｃｏｔ  ２θ        （５）
これは下式のように変形される。
ｙ２＝ｙ１［１＋ｔａｎ  θ  ｔａｎ  ２θ］            （６）
【００５０】
二重ＴＩＲプリズム１０の入射面２２上で起こらないこれに続く反射のすべてについて、全反射は間隙６０において入射面２２に対する角度γで起こる。これらの反射点のｙ位置の式は以下のように計算される。
ｙ２＋ｃｏｔ（９０°−２θ）ｘ３＝ｘ３  ｃｏｔ  γ      （７）
これは以下のように変形される。
ｙ２＋［ｔａｎ  ２θ］ｘ３＝ｘ３  ｃｏｔ  γ            （８）
又は
ｘ３＝ｙ２／［ｃｏｔ  γ−ｔａｎ  ２θ］              （９）
更に、
ｙ３＝ｘ３  ｃｏｔ  γ                              （１０）
が成り立つ。
式（９）及び（１０）より下式を得る。
ｙ３＝ｙ２／［１−ｔａｎ  ２θ  ｔａｎ  γ］        （１１）
【００５１】
後に続くｉ番目の反射のそれぞれにおいて、角度αｉが導入される。この角度αｉは、入射面２２から間隙６０に向かって伝播する最後の光線（現時点の光線ではない）が水平方向に対してなす角度である。ここで、上記で式（３）〜（１１）によって説明したものと同じ手法を用いることで下式を得る。
ｙ２ｉ＝ｙ２ｉ−１［１＋ｔａｎ（γ）ｔａｎ（αｉ＋２γ）］              （１２）
及び
ｙ２ｉ＋１＝ｙ２ｉ／［１−ｔａｎ（αｉ＋１＋２γ）ｔａｎ（γ）］          （１３）
中心光線１０５では、角度α４及びα５は２θに等しい。
【００５２】
式（３）〜（１３）の計算は中心光線１０５についてのみ当てはまるものであるが、周辺光線１０６及び１０７の角度は中心光線１０５に対して反射の下に保存されることから、周辺光線１０６及び１０７も計算することができる。周辺光線１０６（又は１０７）の計算を調整するため、中心光線１０５に対する角度＋αｉ（又は−αｉ）に／から照明円錐角を加える（又は差し引く）と、中心光線１０５のｙｉの値に加え、周辺光線１０７（又は１０６）のｙｉの値が求められる。照明円錐角は、入力光学ビーム１００、並びに入力プリズム２０及び楔形プリズム３０のガラスの屈折率のＦ値によって決定される。
【００５３】
反射型偏光子５０の角度θ及び二重ＴＩＲプリズム１０の角度γは、二重ＴＩＲプリズム１０の各ガラス表面上への入射角の値の理解に基づいて設計される。
【００５４】
光が画像装置１５０に戻ってゴースト像を形成することがないよう、二重ＴＩＲプリズム１０の底部の第１の出射面の角度βを選択することが重要となる場合がある。これらの角度の範囲を制限する特定の因子としては、二重ＴＩＲプリズムの第２の出射面４４の必要な高さＨ、及び二重ＴＩＲプリズム１０の許容される厚さＤがある。
【００５５】
次に、二重ＴＩＲプリズムの特定の一実施形態を図１Ａ、１Ｂ、４及び５を参照して説明する。この実施形態は、いかなる意味においても二重ＴＩＲプリズムの設計を限定することを目的としたものではない。一般的な０．７インチ（１．７８ｃｍ）ＨＴＰＳ  ＬＣＤ画像装置の画像領域は長さ１５．５ｍｍ×幅８．７ｍｍであり、一般的な照明のＦ値はＦ／２．３である。画像装置１５０と、二重ＴＩＲプリズム１０との間の所定の距離の必要条件の下で、１９ｍｍの寸法Ｈを選択することができる。６．５ｍｍの厚さＤが選択されるように、二重ＴＩＲプリズム１０の全体の厚さを７ｍｍより小さくすることがしばしば望ましい。これらの寸法を用いた二重ＴＩＲプリズム１０の設計の１つを以下に述べる。図１Ａ及び１Ｂに示されるような二重ＴＩＲプリズム１０の特定の実施形態では、第１の角度（γ）は１１．９°であり、第２の角度（δ）は７°であり、第３の角度（θ）は１８．９°であり、βは５３°である。間隙が空気（屈折率＝１．０）を含む場合には、ｎ＝１．７であると良好な全反射（ＴＩＲ）の範囲が与えられることから、入力プリズム２０、楔形プリズム３０及び出力プリズム４０の屈折率は１．７である。
【００５６】
二重ＴＩＲプリズムの設計に際しては、入力プリズム２０の入射面２２に対する間隙の角度γを最初に決定することができる。Ｆ／２．３の入力光学ビームが、空気中で水平に対して＋１２．２５°〜−１２．２５°の角度の範囲（図５の±α’）にわたって入射プリズム２０に入射する。これらの角度は、ガラスの屈折率（すなわち１．７）によって小さくなる。したがって、ガラス中の周辺光線１０６及び１０７の周辺角度±αは±７．２°である。ｄ＝２．５ｍｍである場合、垂直に対する間隙の角度γは１１．９°であり、周辺光線１０６及び１０７は間隙６０に４．７°〜１９．２°で入射する。（間隙は空気で満たされているものと仮定しているため、これらの角度は、屈折率ｎ＝１．７を有する物質では３６°である全反射（ＴＩＲ）の臨界角よりも充分に小さい。）したがって、光線１０５〜１０７（図５）を含む光学ビーム１００（図１Ａ）は、第１の間隙面２４及び第２の間隙面３２に反射防止コーティングが施されていれば、ほぼ反射することなく間隙６０を通過する。中心光線１０５は、第１の反射点（ｘ１，ｙ１）において反射型偏光子５０上に入射する。
【００５７】
光学ビーム１００の第２の偏光方向（例えば、ｓ偏光）は、第１の反射点（ｘ１，ｙ１）から１８．９°でほぼ反射され、反射された光線１０５〜１０７の第２の偏光方向は、範囲（２θ±α−γ）にわたった角度で間隙６０に入射する。
【００５８】
この例示的な場合では、反射光線１０５〜１０７の角度（２θ±α−γ）は、３３．１°〜１８．７°の範囲であり、これはｎ＝１．７を有するこのガラスの臨界角よりも小さい。したがって、反射光線１０５〜１０７は間隙６０を通過し、入力プリズム２０の入射面２２に向かって伝播する。入射面２２に対する周辺光線１０６〜１０７の角度は２θ±αであり、この実施形態においては３０．６°〜４５°である。すべての光線が入射面２２上のこの点（ｘ２，ｙ２）において全反射することが望ましい。しかしながら、この例示的な場合では、３０．６°〜３６°の角度で入射面２２に入射する光線は全反射しない。これは、全反射されない光線は水平に対して５９．９°〜９０°の角度で放射されることから大きな問題とはならない。これらの光線は、システム３００を通じて投射することが可能な角度の範囲のはるかに外側である（図４）。透過したビームが仮に画像装置１５０に入射したとしても、ゴーストを生じることはない。これらの光線は、反射型偏光子５０の劣化又は加熱にも寄与しない。
【００５９】
図５に示されるように、入射面２２の点（ｘ２，ｙ２）から反射される光線は再び入力プリズム２０を通じて伝播し、第１の反射点（ｘ１，ｙ１）における反射型偏光子５０からの１回目の反射後に、間隙６０を通過する際よりも２γだけ大きい角度で間隙６０に入射する。したがって、これらの角度は、（２θ±α+γ）によって与えられる角度で間隙６０に入射する。これらの角度は、いずれも臨界角である３６°よりも大きい４２．５°〜５６．９°の範囲をカバーする。したがって、図５に示されるように、光線１０５〜１０７は間隙６０においてすべて全反射し、これにより反射型偏光子５０の加熱又は光分解が一切防止される。これらの光線が入力プリズム２０を通って伝播していくに従って、入射角（垂直な入射面２２に対する）が大きくなり、このため、この後の光線のすべての入射において入射面２２で全反射が起こる。同様に、これらの光線が入力プリズム２０を下方に伝播していくに従って、入射角（間隙６０に対する）は、光線が入力プリズム２０の第１の出射面２６から出射するまで大きくなっていく。入力プリズム２０を上方に逆方向に伝播する光線はゴースト像を生じうることから、入力プリズム２０の第１の出射面２６からは光線は一切反射しないことが望ましい。
【００６０】
入力プリズム２０から出射する光線の角度は、上記の式を用いて計算することができる。第１の出射面２６と入射面２２との間には、角度βが形成されている。角度βは、全反射されて第１の出射面２６に入射するすべての光線が画像装置１５０（図４）の画像領域の下側の位置へと反射されるように選択される。同様に、角度βは、全反射した光線が入力プリズム２０内に逆方向に反射されないように選択される。垂直入射の近くにおいて（第１の出射面２６の反射防止コーティングの効果が大幅に高められるように）、又はすれすれ角入射（光が入射面２２の下部の画像装置の位置よりも下方で出射するように）のいずれかにおいてできるだけ多くの光が出射することが望ましい場合もある。この特定の設計における適当な第１の出射面２６の角度（水平５５に対する）は３７°である。したがって、角度βは（９０°−３７°）＝５３°である。
【００６１】
表１は、ランダムな入射角（ａ’）で入力プリズムの入力面に入射する光線について、複数の反射点の座標とこれらの反射点における入射角との関係を示したものである。入力プリズムの内部では、入射角（ａ’）は内部の角度（ａ）となる。表１の１列目は、反射型偏光子５０の第１の反射点（ｘ１，ｙ１）から反射した後に間隙を透過する光線の角度を示す。
【００６２】
【表１】
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【００６３】
図６は、この特定の実施形態における第１の出射面２６に対する周辺光線１０６及び１０７の概略図である。第１の出射面２６に入射する光学ビームの周辺光線１０６及び１０７が、数字４０１〜４０５によって一般的に表される組で示されている。各組４０１〜４０５は、反射型偏光子５０からの１回目の反射を含む、二重ＴＩＲプリズム１０内で光学ビームが行う反射の回数（１〜５）に関連付けられている。第１の出射面２６に入射する光学ビームの周辺光線１０６及び１０７には、第１の出射面２６に入射する光学ビームの完全な角度の範囲が含まれる。
【００６４】
組４０１は、入力プリズム２０内で全反射せずに、反射型偏光子５０から第１の出射面２６へと直接反射された光学ビーム１００の周辺光線１０６及び１０７を示している。この特定の実施形態では、組４０１の周辺光線１０６及び１０７は、９６°〜８２°の範囲の角度で第１の出射面２６に入射している。組４０１からの光線は、第１の出射面２６から反射され（あるいは反射型偏光子５０から導光されて）、光線５０１として入射面２２を通過する。光線５０１は、画像装置１５０から遠ざかる方向に導光される。
【００６５】
組４０２は、入力プリズム２０内で点（ｘ２，ｙ２）から１回全反射した光学ビーム１００の周辺光線１０６及び１０７を示している。組４０２の周辺光線１０６及び１０７は、第１の出射面２６に−９°〜−２３°の範囲の角度で入射している。組４０２からの光線は、一切全反射することなく第１の出射面２６を透過し、画像装置１５０から遠ざかる方向に導光される。
【００６６】
組４０３は、入力プリズム２０内で点（ｘ２，ｙ２）及び（ｘ３，ｙ３）から２回全反射した光学ビーム１００の周辺光線１０６及び１０７を示している。組４０３の周辺光線１０６及び１０７は、第１の出射面２６に５８°〜７２°の範囲の角度で入射している。組４０３からの光線の一部は、第１の出射面２６から反射され、光線５０３として入射面２２を通過する。光線５０３は、画像装置１５０から遠ざかる方向に導光される。
【００６７】
組４０４は、入力プリズム２０内で点（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）及び（ｘ４，ｙ４）から３回全反射した光学ビーム１００の周辺光線１０６及び１０７を示している。組４０４の周辺光線１０６及び１０７は、第１の出射面２６に１．５°〜１６°の範囲の角度で入射している。組４０４からの光線は、一切全反射することなく第１の出射面２６を透過し、画像装置１５０から遠ざかる方向に導光される。
【００６８】
組４０５は、入力プリズム２０内で点（ｘ２，ｙ２）、（ｘ３，ｙ３）、（ｘ４，ｙ４）、及び（ｘ５，ｙ５）から４回全反射した光学ビーム１００の周辺光線１０６及び１０７を示している。組４０５の周辺光線１０６及び１０７は、第１の出射面２６に３４°〜４９°の範囲の角度で入射している。組４０５からの光線の一部は、第１の出射面２６から反射され、光線５０５として入射面２２を通過する。光線５０５のごく一部は、画像装置１５０の方向に導光される。
【００６９】
図７は、システム瞳孔に対する反射光線の円錐の角度の概略図である。図７において、液晶パネル１５０の方向に導光された光線５０５の部分は、ゴーストに寄与しうるものである。図７は、特定の一実施形態に基づいた照明システム２０５（図４）のシステム瞳孔４２０に対する、反射光線５０５（図６）の円錐４２５について、水平線５５（図１Ｂ）に対する角度を示している。図に示されるシステム瞳孔４２０は、Ｆ／２．３の照明システム２０５の円形のＦ／２．３の瞳孔である。システム瞳孔４２０が０°を中心としているのに対して、入力プリズム２０内で５回の反射後に生成された光線５０５の光線束４２５は１１．３°を中心としている。光線束４２５の中心光線が、図７に示されるように水平から１１．３°上方にあるのに対して、投射システム３００のシステム瞳孔４２０は０°を中心として、７．２°にまで拡がっているだけである（ｎ＝１．７のガラス中で）。光線束４２５及びシステム瞳孔４２０の両方に共通する光線のごく一部のみが、投射システム３００におけるゴーストに寄与することが可能である（図４）。角度θ、γ、及びβを変化させることによって、システムのゴーストに寄与しうる光線の数を増加又は減少させることが可能である。例えばβが４０°である場合、反射光線５０５の円錐４２５及び照明システム２０５のシステム瞳孔４２０を表す２つの円は重なり合わない。しかしながらその場合、二重ＴＩＲプリズムはより高価で大きくなり、システム内に配置することがより困難となる。それぞれの場合において工学的最適化を用いることによって、全体の性能を最良とするための設計上のパラメータを決定することができる。
【００７０】
例示的な二重ＴＩＲプリズムと同じ寸法を有する一般的な先行技術のＴＩＲ型ＰＢＳでは、反射角度が先行技術のシステムの照明瞳孔４２０の約１°〜７．２°の間を埋めるために、ゴースト光線を生成するのに３回のみの屈折を要するだけである。瞳孔４２０の縁部（より大きな角度）に含まれる光は中心よりも少ないことから、新規な二重ＴＩＲプリズム１０においてゴースト像の形成のために利用可能な光は、先行技術のＴＩＲ型ＰＢＳよりも少ない。
【００７１】
図１〜３に示される他の特定の実施形態では、入力プリズム２０及び出力プリズム４０の屈折率は１．７であり、楔形プリズム３０の屈折率は１．３３であり、第１の角度は１１．９°であり、第２の角度は７°であり、第３の角度は１８．９°であり、βは５３°である。当業者であれば理解されるように他の設計も可能である。
【００７２】
図８Ａ〜８Ｂは、３つの異なる照明システム２０５（図４）について、第１の角度（γ）を二重ＴＩＲプリズム内のプリズムの屈折率の関数として示したプロットである。３つのプロットは、それぞれ１．８、２．３、及び２．８のＦ値を有する照射システム２０５のものである。これらのプロットは、入力プリズム２０、楔形プリズム３０及び出力プリズム４０がいずれも同じ屈折率を有し、間隙の屈折率が１．０である二重ＴＩＲプリズム１０、１１、１２のような二重ＴＩＲプリズムについて計算したものである。
【００７３】
図８Ａにおいて、出力プリズム４０内の第３の角度θは１６．１°である。図８Ａの各プロットは、高さＨ及び厚さＤがそれぞれ１９ｍｍ及び５．５ｍｍである出力プリズム４０について計算した。１．８、２．３、又は２．８のＦ値を有する照明システム２０５及び二重ＴＩＲプリズム１０を含み、（γ＜１６．１°，ｎ）が上記のそれぞれのプロットを上回るように設計された投射システムは、投射システムから第２の偏光方向の光を除去する一方で、投射システムの要素の有害な加熱を防止し、更に投射システムによるゴースト像の投射を最小に抑えるように動作することが可能である。
【００７４】
図８Ｂにおいて、出力プリズム４０内の第３の角度θは１８．９°である。図８Ｂの各プロットは、高さＨ及び厚さＤがそれぞれ１９ｍｍ及び６．５ｍｍである出力プリズム４０について計算した。１．８、２．３、又は２．８のＦ値を有する照明システム２０５及び二重ＴＩＲプリズム１０を含み、（γ＜１８．９°，ｎ）が上記のそれぞれのプロットを上回るように設計された投射システムは、投射システムから第２の偏光方向の光を除去する一方で、投射システムの要素の有害な加熱を防止し、更に投射システムによるゴースト像の投射を最小に抑えるように動作することが可能である。（γ＝１１．９°，ｎ＝１．７）に位置する５５１と示された点は、例示的な設計が図８Ｂのプロット内に適合する点を示す。
【００７５】
図８Ａ及び８Ｂに示されるように、点５５５、５５６、及び５５７は、それぞれ１．８、２．３、及び２．８のＦ値を有する照明システム２０５のプロット上に位置している。それぞれの点５５５、５５６、及び５５７は、それぞれのプロットについて閾屈折率を示している。二重ＴＩＲプリズム１０、１１又は１２内のプリズムがこの閾屈折率よりも大きい屈折率を有している場合、反射型偏光子５０から反射される第２の偏光方向は、第１の出射面２６を透過するか、あるいは第１の出射面２６で全反射した後、入射面２２を透過する。
【００７６】
図９は、二重ＴＩＲプリズム１３の断面図である。二重ＴＩＲプリズム１３は、第１の角度γが第３の角度θと等しい二重ＴＩＲプリズム１０の特殊な例である。この場合、「楔形」プリズムは、ほぼ平行な入力面と出力面とを有する平行ガラス板３５である。反射型偏光子５０は、ガラス板３５と出力プリズム４０との間に埋め込むことができる。図９に示されるように、入力プリズム２０は、入射面２２、第１の間隙面２４、及び第１の出射面２６を有している。入射面２２と第１の間隙面２４との間には角度θが形成されている。
【００７７】
ガラス板３５は、反射型偏光子５０を覆う出力面３７及び第２の間隙面３６を有している。第２の間隙面３６は、第１の間隙面２４から離間しており、第１の間隙面２４とほぼ平行であるため、第１の間隙面２４と第２の間隙面３６との間に間隙６０が形成されている。出力プリズム４０は、その構造及び機能において図１〜３を参照して上記に述べた出力プリズム４０と同様のものである。反射型偏光子５０は、その構造及び機能において図１〜３を参照して上記に述べた反射型偏光子５０と同様のものである。入力プリズム２０、ガラス板３５、反射型偏光子５０及び出力プリズム４０は、入射面２２において光学ビーム１００を受光し、受光された光の第１の偏光方向を第２の出射面４４から透過型偏光変調ピクセル化装置へと通過させ、受光された光の第２の偏光方向を入力プリズム２０の第１の出射面２６から出力するように構成されている。特定の一実施形態では、入力プリズム２０、ガラス板３５、及び出力プリズム４０の屈折率は１．４であり、角度は１８°である。入力プリズム２０、ガラス板３５、及び出力プリズム４０の屈折率が１．４であり、角度θが１８°以上であれば、図１〜７を参照して上記に述べた計算がこの実施形態にも適用可能である。当業者であれば理解されるように、この実施形態の他の設計も可能である。
【００７８】
図１０は、光の１つの偏光方向を除去する方法のボックス図である。図１０において、方法１０００は、第２の偏光方向を有する光をＰＢＳシステムから除去するものである。特定の一実施形態では、ＰＢＳシステムは、図１Ａ、１Ｂ、１Ｃ及び図９を参照して上記に述べた二重ＴＩＲプリズム１０〜１３である。方法１０００を図１Ａ及び１Ｂに示されるような二重ＴＩＲプリズム１０を参照して説明するが、当業者であれば理解されるように、方法１０００は二重ＴＩＲプリズムの他の実施形態を用いて実行することが可能である点は理解されるはずである。
【００７９】
光学ビーム１００が、入力プリズム２０の入射面２２及び第１の間隙面２４を透過する（ブロック１００２）。次いで光学ビームは、間隙６０、楔形プリズム３０の第２の間隙面３２を透過し、更に楔形プリズム３０を透過する（ブロック１００２）。光学ビーム１００の透過部分は、反射型偏光子５０を透過する（ブロック１００４）。透過部分は第１の偏光方向の偏光を含んでいる。光学ビーム１００の反射部分は、反射型偏光子５０から反射される（ブロック１００４）。反射部分は第２の偏光方向の偏光を含んでいる。
【００８０】
光学ビーム１００の反射部分は、楔形プリズム３０の第２の間隙面３２、間隙６０、及び入力プリズム２０の第１の間隙面２４を通って導光される（ブロック１００６）。
【００８１】
光学ビーム１００の反射部分は、入力プリズム２０の内部で再偏向される（ブロック１００８）。反射部分のほとんど又はすべては、入力プリズム２０の入射面２２で少なくとも１回、全反射する。二重ＴＩＲプリズム１０の構成及び入射面２２上への光学ビーム１００の入射角に応じて、反射部分は入力プリズム２０の第１の間隙面２４で少なくとも１回、全反射しうる。
【００８２】
再偏向された反射部分は、入力プリズム２０の第１の出射面２６及び入力プリズム２０の入射面２２の一方から出力される（ブロック１０１０）。再偏向された反射部分は、図５を参照して上記に述べたように入力プリズム２０の内部において１回、２回、３回、又は４回、全反射しうる。特定の構成では、光学ビームの反射部分の光線のすべては、入力プリズム２０の第１の出射面２６から直接出力される。
【００８３】
図４を参照して上記に述べたように、二重ＴＩＲプリズムは、特定の一実施形態に基づいて、例示的な投射システム３００内の液晶パネル１５０と投射レンズ３０５との間に配置することができる。二重ＴＩＲプリズムを実施する他の投射システムの構成について図１１〜１４を参照しながら述べる。図１１〜１４はそれぞれ、本開示に基づく二重ＴＩＲプリズム１０〜１３のような少なくとも１つの二重ＴＩＲプリズムを含む、投射システム３０１〜３０４の実施形態のボックス図である。図１１〜１４に示さる二重ＴＩＲプリズム、光源１００、光ホモジナイザー１２５、集光レンズ１３０、液晶パネル１５０の構造及び機能は、図１Ａ〜４を参照して上記に述べたものと同様である。
【００８４】
図１１は、二重ＴＩＲプリズム１０を有する投射システム３０１の概略図である。図１１では、二重ＴＩＲプリズム１０は集光レンズ１３０と液晶パネル１５０との間に配置されている。二重ＴＩＲプリズム１０と液晶パネル１５０との間には、クリーンアップ偏光子１４４が配置されている。液晶パネル１５０と投射レンズ３０５との間には、分析偏光子１４２が配置されている。二重ＴＩＲプリズム１０から出力される拒絶光学ビーム１２０は、投射システム３０１を構成する各要素から遠ざかる方向に導光されるために、各要素は第２の偏光方向の光によって加熱されることはない。
【００８５】
図１２は、２個の二重ＴＩＲプリズムを有する投射システムの概略図である。図１２において、投射システム３０２は２個の二重ＴＩＲプリズム１０を含んでいる。第１の二重ＴＩＲプリズム１０は、集光レンズ１３０と液晶パネル１５０との間に配置されている。分析偏光子として機能する第２の二重ＴＩＲプリズム１０は、液晶パネル１５０と投射レンズ３０５との間に配置されている。クリーンアップ偏光子１４４が、各二重ＴＩＲプリズム１０の出力部に配置されている。２個の二重ＴＩＲプリズム１０から出力される拒絶光学ビーム１２０は、投射システム３０２を構成する各要素から遠ざかる方向に導光されるために、各要素は選択されない光によって加熱されることはない。
【００８６】
図１３は、特定の一実施形態に基づいた、色合成装置を有する投射システムの概略図である。図１３において、投射システム３０３は３個の二重ＴＩＲプリズム１０を含んでいる。二重ＴＩＲプリズム１０のそれぞれは、３個の発光ダイオード（ＬＥＤ）１０１、１０２、又は１０３のそれぞれの数字１８１、１８２、又は１８３によって一般的に表される光路上にある。特定の一実施形態では、ＬＥＤ  １０１は青色ＬＥＤであり、ＬＥＤ  １０２は赤色ＬＥＤであり、ＬＥＤ  １０３は緑色ＬＥＤである。ＬＥＤ  １０１〜１０３のそれぞれからの光は、各光ホモジナイザー１２５によって均質化され、各集光レンズ１３０によって集束され、各二重ＴＩＲプリズム１０によって偏光され、各液晶パネル１５０によってピクセル化される。３つの光路１８１、１８２、及び１８３からの光は、合成された光１１１を投射レンズ３０５へと導光するように配置された色合成装置１７０上に導光される。したがって、３個の光源１０１〜１０３は、図１１の１個の光源１００に置き換わるものである。３個の光源１０１〜１０３はそれぞれ、所定のスペクトル分布（すなわち色）を有している。特定の一実施形態では、３つのスペクトル分布は白色光のスペクトル分布を含む。例えば３つのスペクトル分布は、赤色、緑色、及び青色のスペクトル領域を含んでいる。別の特定の実施形態では、３つのスペクトル分布は、白色光のスペクトル分布内で重なり合わないスペクトル分布を含む。例えば３つのスペクトル分布は、赤色のスペクトル領域の一部、緑色のスペクトル領域の一部、及び青色のスペクトル領域の一部を含む。
【００８７】
図１３に示されるように、第１の液晶パネル１５０−Ｂは第１の色データを受信し、第１の色データに基づいて光の第１の色（例えば青）のピクセル化された部分を透過するように構成されている。第１の液晶パネル１５０−Ｂには、液晶パネル１５０−Ｂの入力側に配置された１個の二重ＴＩＲプリズム１０が関連付けられている。別の特定の実施形態では、第１の液晶パネル１５０−Ｂには、一方が第１の液晶パネル１５０−Ｂの入力側、他方が出力側に配置された２個の二重ＴＩＲプリズム１０が関連付けられる。第１の色の光がＢ  ＬＥＤ  １０１から放射され、第１の色の光路１８１を通って伝播する。第１の色の光路１８１は、図１１の投射システム３０１の光路と同様のものであり、色合成装置１７０が分析偏光子１４２と投射レンズ３０５との間に挿入されている。二重ＴＩＲプリズムに関連付けられた液晶パネルは、二重ＴＩＲプリズムに光を送信するか、又は二重ＴＩＲプリズムから光を受信するように光学的に整列されている。一般的に、各光路上の光学要素は、光源からの光を投射レンズへと最適に透過するように互いに対して整列される。
【００８８】
第２の液晶パネル１５０−Ｒは、第２の色データを受信し、第２の色データに基づいて光の第２の色（例えば赤）のピクセル化された部分を透過するように構成されている。第２の液晶パネル１５０−Ｒには、液晶パネル１５０−Ｒの入力側に配置された１個の二重ＴＩＲプリズム１０が関連付けられている。別の特定の実施形態では、第２の液晶パネル１５０−Ｒには、一方が第２の液晶パネル１５０−Ｒの入力側、他方が出力側に配置された２個の二重ＴＩＲプリズム１０が関連付けられる。第２の色の光がＲ  ＬＥＤ１０２から放射され、第２の色の光路１８２を通って伝播する。第２の色の光路１８２は、図１１の投射システム３０１の光路と同様のものであり、色合成装置１７０が分析偏光子１４２と投射レンズ３０５との間に挿入されている。
【００８９】
第３の液晶パネル１５０−Ｇは、第３の色データを受信し、第３の色データに基づいて光の第３の色（例えば緑）のピクセル化された部分を透過するように構成されている。第３の液晶パネル１５０−Ｇには、液晶パネル１５０−Ｇの入力側に配置された１個の二重ＴＩＲプリズム１０が関連付けられている。別の特定の実施形態では、第３の液晶パネル１５０−Ｇには、一方が第３の液晶パネル１５０−Ｇの入力側、他方が出力側に配置された２個の二重ＴＩＲプリズム１０が関連付けられる。第３の色の光がＧ  ＬＥＤ  １０３から放射され、第３の色の光路１８３を通って伝播する。第３の色の光路１８３は、図１１の投射システム３０１の光路と同様のものであり、色合成装置１７０が分析偏光子１４２と投射レンズ３０５との間に挿入されている。
【００９０】
色合成装置１７０は、透過した第１、第２及び第３の色のピクセル化された部分を受光して合成し、合成されたピクセル化部分を投射レンズ３０５へと導光するように配置されている。投射レンズ３０５は、それぞれの液晶パネル１５０において受信された第１の色データ、第２の色データ、及び第３の色データに基づいた所定のカラー画像を投射する。当該技術分野では周知であるように、色データは、液晶パネル１５０のどのピクセルが第１の偏光方向を透過するかを制御する。
【００９１】
図１４は、２個の色合成装置を有する投射システムの概略図である。図１４において、投射システム３０４は４個の二重ＴＩＲプリズム１０を含んでいる。二重ＴＩＲプリズム１０のそれぞれは、発光ダイオード１０１、発光ダイオード１０２、及び２個の発光ダイオード１０３のそれぞれの光路１８０〜１８４上にある。特定の一実施形態では、ＬＥＤ  １０１は青色ＬＥＤであり、ＬＥＤ  １０２は赤色ＬＥＤであり、各ＬＥＤ  １０３は緑色ＬＥＤである。ＬＥＤ  １０１〜１０３のそれぞれからの光は、各光ホモジナイザー１２５によって均質化され、各集光レンズ１３０によって集束され、各二重ＴＩＲプリズム１０によって偏光され、各液晶パネル１５０によってピクセル化される。第４の光路１８４上の第４の液晶パネル１５０は、第３の色データを受信し、第３の色データに基づいて光の第３の色のピクセル化された部分を透過するように構成されている。第４の液晶パネル１５０−Ｇには、第４の光路１８４上の二重ＴＩＲプリズム１０が関連付けられている。
【００９２】
色合成装置１７０は、最初の３つの光路１８１〜１８３から透過した第１、第２及び第３の色のピクセル化された部分を受光して合成し、合成されたピクセル化部分をビームスプリッター１７５へと導光するように配置されている。ビームスプリッター１７５は第４の光路からの光を受光し、これを光合成装置１７０から放射された合成された光と合成する。４個の液晶パネル１５０からの合成されたピクセル化部分は、光学ビーム１１２として投射レンズ３０５へと導光される。透過レンズ３０５は、それぞれの液晶パネル１５０において受信された第１の色データ、第２の色データ、及び第３の色データに基づいた所定のカラー画像を投射する。
【００９３】
投射システム３０４のこの実施形態は、光源の１つ（例えばＧ  ＬＥＤ  １０３）の強度が他の光源（例えば、Ｒ  ＬＥＤ  １０２及びＢ  ＬＥＤ  １０１）の強度よりも低い場合に有用である。第３の色の第２の光源の更なる光が、第３の色の強度を高めるために、向上したカラー画像が投射レンズ３０５から投射される。当業者であれば直ちに理解されるように、特定の一実施形態では、光路１８４上の更なる光が、例えば赤色、緑色、又は青色とは異なる第４の色などの異なる色の光を含んでもよく、これにより画像に第４の色を付加することができる。
【００９４】
ビームスプリッター１７５はＰＢＳとすることができる。この場合には、第１の偏光方向に対して進相軸が４５°に設定された第３の色に対する半波長板１７７を第４の光路上の偏光子１４２の後方に挿入する。半波長板１７７は第４の光路からの光の偏光を回転させるため、この偏光はＰＢＳ  １７５によって投射レンズの方向に反射され、同時に色合成装置１７０からの合成された光（例えば第１の偏光方向）はビームスプリッター１７５によって透過される。このようにして、４つの光路からの光は投射レンズ３０５へと導光される。
【００９５】
４つの光路、ビームスプリッター１７５及び色合成装置１７０の他の構成を、４つの光路からの光を合成するために実施することもできる。図１１〜１４に示される投射システムの構成は、各構成を限定することを目的としたものではなく、あくまで実例を与えるためのものである。
【００９６】
図１５は、二重ＴＩＲプリズムによる投射方法のボックス図である。図１５では、二重ＴＩＲプリズムを含む光学系のための投射方法１５００について説明する。特定の一実施形態では、光学系は、図４及び図１１〜１４を参照して上記に述べた少なくとも１つの二重ＴＩＲプリズム１０〜１３を含む３００〜３０４のような投射システムである。方法１５００を図１１に示されるような投射システム３０１を参照して説明するが、当業者であれば理解されるように、方法１５００は投射システムの他の実施形態を用いて実行することが可能である点は理解されるはずである。方法１５００を図１Ａ及び１Ｂに示されるような二重ＴＩＲプリズム１０を参照して説明するが、方法１５００は、二重ＴＩＲプリズムの他の実施形態を用いて実行することが可能である点は理解されるはずである。
【００９７】
少なくとも１個の光源１００からの光が、少なくとも１個の二重ＴＩＲプリズム１０に導光される（ブロック１５０２）。次いで光の第１の偏光方向が、二重ＴＩＲプリズム１０内の反射型偏光子５０を通って付随する液晶パネル１５０へと透過される。特定の一実施形態では、図４に示されるように、光は光源１００から付随する液晶パネル１５０へと導光された後、二重ＴＩＲプリズム１０へと導光される。この後者の実施形態では、第１の偏光方向のピクセル化された光が、液晶パネル１５０からの光から二重ＴＩＲプリズム１０へと送られる。
【００９８】
光の第１の偏光方向は、少なくとも１個の二重ＴＩＲプリズム１０から投射レンズ３０５へと透過される（ブロック１５０４）。受光された光の第２の偏光方向が、少なくとも１個の二重ＴＩＲプリズム１０の第１の出射面２６から拒絶光学ビーム１２０として出力される（ブロック１５０６）。これにより、受光された光の第２の偏光方向は光学系内の熱に影響されやすい要素に吸収されない。
【００９９】
特に断らないかぎり、本明細書及び「特許請求の範囲」において用いた構造の大きさ、量及び物性を示す数字はすべて、「約」という用語によって修飾されているものと解すべきである。したがって、特にそうではないことが断られないかぎり、本明細書及び付属の「特許請求の範囲」において記載される数値パラメータは、当業者が本明細書に開示される教示を利用して得ようとする所望の特性に応じて変動しうる近似的な値である。
【０１００】
本明細書に引用したすべ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。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際調査報告】
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