(57)【要約】  偏光変換システムは、レンズ要素と、空間的に変動する局所的光軸を有する回折要素を備えた偏光格子と、リターダ要素とを含む。偏光格子は、レンズ要素から出力される光を受け取るように配列され、リターダ要素は、偏光格子から出力される異なる偏光状態の偏光を受け取り、それらの異なる偏光状態を１つの同じ偏光状態に変更するように配列されている。また、関係するデバイスと製造方法とが論じられる。
2014530385.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ要素と、
空間的に変動する局所的光軸を有し前記レンズ要素から出力される光を受け取るように配列された回折要素を備えた偏光格子と、
前記偏光格子から出力される異なる偏光状態の偏光を受け取り、前記異なる偏光状態を同一の偏光状態に変更するように配列されたリターダ要素と
を備えている偏光変換システム。
【請求項２】
前記レンズ要素は、同一平面配列において並んで配置された少なくとも２つのレンズレット要素を有するレンズアレイを備えており、前記偏光格子は、前記レンズアレイとその焦点面との間に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記リターダ要素は、同一平面配列において並んで配置され前記レンズアレイのレンズレット要素のそれぞれと整列された、２組以上の互い違いになっている遅延領域を含んでいる、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記リターダ要素は、前記互い違いになっている遅延領域の光軸が約９０度分離している１／４波長板を備えている、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記偏光格子は、前記レンズレット要素から出力されたビームのそれぞれを直交する偏光状態の第１および第２のビームに回折し、前記レンズアレイの前記焦点面において焦点の第１および第２の空間的にオフセットされたアレイを画定するように構成され、
前記リターダ要素は、前記レンズアレイの前記焦点面に配置されており、前記第１および第２のビームの前記直交する偏光状態を前記第１および第２のビームが伝播するそれぞれの方向を実質的に変更することなく直線偏光に変換するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記偏光格子は、反対の掌性の直交する円偏光状態を有する発散ビームを含む偏光を出力するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記発散ビームは、前記レンズアレイ上に入射する光の強度の約９０％よりも高い強度を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記レンズアレイ上に入射する前記光は約±５度以上の発散角度を有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記レンズアレイ上に入射する前記光は約±１０度以上の発散角度を有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記レンズアレイは第１のレンズアレイを備え、
同一平面配列において並んで配置された少なくとも２つのレンズレット要素を有する第２のレンズアレイを更に備えており、
前記第２のレンズアレイは前記リターダ要素に隣接して配置され、前記互い違いになっているドメインのそれぞれの組から出力された光を、前記第２のレンズアレイのそれぞれのレンズレット要素を通して集中させる、請求項３に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第２のレンズアレイは、前記リターダ要素から出力された前記光をコリメートして、約８０％以上の直線偏光を含むこの偏光変換システムからの光出力を提供する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記偏光格子と前記リターダ要素との間、前記第１のレンズアレイと前記偏光格子との間、および／または前記リターダ要素と前記第２のレンズアレイとの間に配置された透明なスペーサ要素を更に備えている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１のレンズアレイと、前記偏光格子と、前記スペーサ要素と、前記リターダ要素と、前記第２のレンズアレイとは、モノリシックな光学要素を提供するように積層されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記リターダ要素は少なくとも１つのキラル液晶層を含んでいる、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのキラル液晶層は、そのそれぞれの厚さにわたり異なるねじれ角度だけ回転されたそれぞれの分子配向を有する第１および第２のキラル液晶層を含み、前記ねじれ角度の少なくとも１つは非ゼロである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１のレンズアレイに入射する少なくとも部分的にコリメートされた光を提供するように構成された光源と、
前記第２のレンズアレイから出力された光を受け取るように配列されたマイクロディスプレイと、
前記マイクロディスプレイから出力された光を入射／入力光として受け取るように配列された映写レンズと
を備えた映写機に含まれている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１のレンズアレイ上に入射する偏光されていない光を提供するように構成された発光要素と、
前記第２のレンズアレイから出力された光を受け取るように配置された導波管と
を備えた直視ディスプレイのバックライトユニットに含まれている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
前記レンズ要素上に入射する赤外光を提供するように構成された赤外光源と、
前記リターダ要素から出力された光を受け取るように構成された光学要素と
を備えた通信システムに含まれている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
偏光変換システムを製造する方法であって、
レンズ要素と、空間的に変動する局所的光軸を有する回折要素を備えた偏光格子と、リターダ要素とを提供するステップと、
前記偏光格子が前記レンズ要素から出力される光を受け取り、前記リターダ要素が前記偏光格子から出力される異なる偏光状態の偏光を受け取り、前記異なる偏光状態を同一の偏光状態に変更するように、前記レンズ要素と、前記偏光格子と、前記リターダ要素とを配列するステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記レンズ要素は、同一平面配列において並んで配置された少なくとも２つのレンズレット要素を有するレンズアレイを備えており、
前記偏光格子を配列するステップは、前記偏光格子を前記レンズアレイとその焦点面との間に配置するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記リターダ要素は、同一平面配列において並んで配置された２組以上の互い違いになっている遅延領域を含み、
前記リターダ要素を配列するステップは、
前記リターダ要素を前記レンズアレイの前記焦点面に配置するステップと、
前記互い違いになっている遅延領域の組のそれぞれを前記レンズアレイの前記レンズレット要素のそれぞれと整列させるステップとを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記リターダ要素は、前記互い違いになっている遅延領域の光軸が約９０度分離している１／４波長板を備えている、請求項２２に記載の方法。
【請求項２３】
前記レンズアレイは第１のレンズアレイを備えており、
同一平面配列において並んで配置された少なくとも２つのレンズレット要素を有する第２のレンズアレイを前記リターダ要素に隣接して配置することにより、前記互い違いになっているドメインのそれぞれの組から出力された光を、前記第２のレンズアレイのレンズレット要素のそれぞれを通して集中させるステップを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記偏光格子と前記リターダ要素との間、前記第１のレンズアレイと前記偏光格子との間、および／または前記リターダ要素と前記第２のレンズアレイとの間に透明なスペーサ要素を提供するステップを更に含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１のレンズアレイと、前記偏光格子と、前記スペーサ要素と、前記リターダ要素と、前記第２のレンズアレイとを積層してモノリシックな光学要素を提供するステップを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記リターダ要素は少なくとも１つのキラル液晶層を含む、請求項１９記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
優先権の主張
本願は、２０１１年１０月７日に出願された「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  Ｗｉｔｈ  Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  Ｇｒａｔｉｎｇｓ  Ａｎｄ  Ｒｅｌａｔｅｄ  Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  Ｍｅｔｈｏｄｓ」という表題の米国仮特許出願第６１／５４４，８８８号の優先権を米国特許法第１１９条に基づいて主張しており、この米国仮特許出願の開示内容の全体は、引用によって、本明細書の一部をなすものとする。
【０００２】
本発明は、偏光変換および関連するシステムに関する。
【背景技術】
【０００３】
多くの映写ディスプレイシステムと直視フラットパネルディスプレイは、偏光されていない光源（例えば、ランプ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、周辺光など）を用いる。しかし、液晶（ＬＣ）材料を用いる多くのデバイスは、ＬＣオンシリコン（ＬＣＯＳ）マイクロディスプレイやＬＣディスプレイ（ＬＣＤ）を含めて、この光が偏光されることを要求することがある。従来型の偏光要素は、所望の偏光の光が通過することを許容することによって、偏光されていない光から偏光を生じさせることができるが（シート偏光器や様々な複屈折プリズムを含む）、本来の性質として非効率的でありうる。その理由は、従来型の偏光要素は、所望されない光を吸収するか、または、それを所望されない方向に方向を変更するかのいずれかにより動作するのが典型的であるからである。これにより、光がオプトエレクトロニクス部品に入る前であるにもかかわらず、５０％を超える光効率の損失に至る可能性がある。このような大きな損失は望ましくないのが通常であり、特に、高輝度のディスプレイシステムや、電池の寿命が限られている携帯用の電池によって給電されるディスプレイシステムにおいて望ましくない。
【０００４】
偏光要素の変換効率を向上させて、偏光されていない光の５０％よりも多くが偏光に変換されるように、いくつかのアプローチがこれまで用いられてきた。そのようなアプローチの１つでは、光を反射させて光源自体に戻すことにより、望まない偏光を伴う光のリサイクルを行う。このアプローチでは、その偏光がスクランブルされ、更には、所望の偏光の少なくとも一部と共に再度放出されることが期待されている。このアプローチでは、光源から出力される光のエタンデュ（etendue）（すなわち、広がりの程度）を保存することになり、一般的には、約５５〜７０％の変換効率に至る。このアプローチは、例えば、米国特許第６，０２５，８９７号および米国特許出願第１２／１５４，３１４号に記載されている。
【０００５】
偏光変換システム（ＰＣＳ）と称される偏光変換への別のアプローチでは、出力からの不所望の偏光を吸収するまたは方向を変更するのではなく、不所望の偏光を有する入射光を所望の偏光に変換する。このアプローチは、例えば、米国特許第５，９９５，２８４号および米国特許第６，６２１，５３３号に記載されている。例えば、（複眼レンズや屈折偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）などの）１組の要素が、入射光を空間的に分離して２つの異なる偏光を生じさせることができる。そして、（ルーバ付き１／２波長板などの）それ以後の要素が、これらの偏光の一方を他方に選択的に変換することができる。このアプローチでは、偏光されていない光から偏光への変換効率を約６０〜７０％までに至らせることが可能であるが、光源のエタンデュを２倍にしてしまう。
【０００６】
米国特許第７，６９２，７５９号に記載されている更に別のアプローチでは、ミラーと組み合わせて、または、波長板およびマイクロプリズムアレイと組み合わせて、１つまたは複数の偏光格子（ＰＧ）を用いることで、偏光変換を達成する。しかし、前者の配列は比較的大きな体積が必要となる可能性があり、後者のアプローチでは、（例えば、極度にコリメートされた光が必要になるなど）現実的な制約が存在しうる。また、複眼レンズよりも前に配置された偏光格子とそれに続くルーバ付き１／２波長板とを用いるＰＣＳが、試みられてきた。しかし、この構成では、それぞれの要素が別々であり、要素は個別的に整列され、何らかの外部的な固定器具を用いて相互に設置される。そのために、この構成は扱いが面倒で、コストが高く、変換効率を低下させてしまうことがある。
【発明の概要】
【０００７】
本明細書で説明されるいくつかの実施形態によると、偏光変換システムは、レンズ要素と、空間的に変動する局所的光軸を有する回折要素を備えた偏光格子と、リターダ要素とを含む。偏光格子は、レンズ要素から出力される光を受け取るように配列され、リターダ要素は、偏光格子から出力される異なる偏光状態の偏光を受け取り、異なる偏光状態のそれぞれを同一の偏光状態に変更するように配列される。
【０００８】
いくつかの実施形態では、レンズ要素は、同じ平面すなわち同一平面構成において並んで配列された少なくとも２つのレンズレットを有するレンズアレイでありうる。
【０００９】
いくつかの実施形態では、偏光格子は、レンズアレイとその焦点面との間に、または、焦点面においてもしくは焦点面の近傍に配置されうる。いくつかの実施形態では、リターダ要素は、同一平面構成において並んで配置された２組以上の互い違いになっている遅延領域を含む空間的なパターンを有する遅延板でありうる。リターダ要素の互い違いになっている遅延領域は、レンズアレイのそれぞれのレンズレットと整列させることができる。例えば、リターダ要素は、レンズアレイの焦点面に配置され、レンズアレイのレンズレットの焦点と整列させることができる。
【００１０】
いくつかの実施形態では、レンズアレイの少なくとも２つのレンズレット要素を、入射光をそれぞれの光線またはビームに合焦するように構成することができる。偏光格子は、レンズレット要素から出力されるそれぞれのビームを回折して第１および第２のビームを生じさせ、レンズアレイの焦点面においてインターレースすなわち空間的にオフセットされている焦点スポットの第１および第２のアレイを画定するように構成することができる。第１および第２のアレイは、いくつかの実施形態では部分的に重畳することがありうるが、別の実施形態では重畳することはありえない。偏光格子から出力される第１および第２のビームは、直交する偏光状態を有しうる。リターダ要素は、第１および第２のビームの直交する偏光状態を変換して、その伝播のそれぞれの方向を実質的に変更することなく直線偏光状態を生じさせるように、構成することができる。
【００１１】
いくつかの実施形態では、焦点スポットの第１および第２のインターレースされたアレイは、直交する円偏光されたビームによって画定されうる。例えば、第１のアレイは右手系の円偏光を有する第１のビームによって画定され、焦点スポットの第２のアレイは左手系の円偏光を有する第２のビームによって画定されうる。リターダ要素は、偏光格子から出力される右手系の円偏光を有する第１のビームと左手系の円偏光を有する第２のビームとを変換して、直線偏光を有する光ビームを生じさせることができる。
【００１２】
いくつかの実施形態では、ルーバ付きリターダは、互い違いになっている遅延領域の光軸が約９０度離れている１／４波長板でありうる。いくつかの実施形態では、リターダ要素は、１／４波長の遅延を提供する第１および第２の互い違いになっているストリップまたは領域を含みうる。ここで、それぞれのストリップにおける電場の２つの直交する成分の間で、第１のストリップは＋９０度の光遅延を提供し、第２のストリップは−９０度の光遅延を提供する。互い違いになっているドメインのそれぞれの組は、第２のレンズアレイのローおよび／またはカラムにおけるレンズレットのそれぞれと整列させることができる。
【００１３】
いくつかの実施形態では、偏光格子から出力される偏光は、反対の掌性（handedness）の直交する円偏光状態を有する発散ビームを含む。偏光格子から出力される発散ビームは、レンズアレイに入射する光の強度の約９０％よりも高い強度を含みうる。レンズアレイに入射する光は、約±５度よりも大きい、約±７度よりも大きい、約±９度よりも大きい、または約±１１度よりも大きい発散角度を有することがありうる。
【００１４】
いくつかの実施形態では、偏光変換システムは、同一平面配列において並んで配列されリターダ要素から出力される光を受け取るように配置されている少なくとも２つのレンズレット要素を有する第２のレンズアレイを、更に含んでいてもよい。第２のレンズアレイは、リターダ要素から出力される光を再度コリメートするように構成することができる。例えば、第２のレンズアレイは、リターダ要素から出力される同じ偏光状態を有する光ビームを受け取るように配置することができ、その少なくとも２つのレンズレット要素は、同じ偏光状態を有する光ビームをコリメートして、偏光変換システムからの実質的に直線偏光された光出力を提供するように構成することができる。リターダ要素は、互い違いになっているドメインのそれぞれの組が第２のレンズアレイの同じレンズレットを通じて光を集中させるように、第２のレンズアレイに対して整列させることができる。いくつかの実施形態では、実質的に直線偏光された光出力は、所望の直線偏光を有する約８０％またはそれよりも多くの光（更にいくつかの実施形態では、８７％以上）を含みうる。
【００１５】
いくつかの実施形態では、偏光変換システムから出力される光は、第１のレンズアレイに入射する光の場合の約２倍以下であるエタンデュを有しうる。
【００１６】
いくつかの実施形態では、第１および第２のレンズアレイは、それぞれのレンズレット要素が反対の方向を向いているように配列されている同様のアレイであってもよい。
【００１７】
いくつかの実施形態では、透明なスペーサ要素または層を、偏光格子とリターダ要素との間に配置することがある。例えば、このスペーサ層は、硬質もしくは半硬質ガラスまたはポリマ層でありうる。いくつかの実施形態によると、スペーサ層は、また、第１のレンズアレイと偏光格子との間に、および／または、リターダ要素と第２のレンズアレイとの間に、配置することができる。
【００１８】
いくつかの実施形態では、第１のレンズアレイ、偏光格子、スペーサ要素、リターダ要素、及び第２のレンズアレイを、モノリシックな光学要素を提供するように整列させることができる。
【００１９】
いくつかの実施形態では、リターダ要素は、米国仮特許出願第６１／５４４，９３６号に記載されているように、少なくとも１つのキラル液晶層を含むマルチツイストリターダでありうる。なお、この米国仮特許出願の開示内容は、その全体を引用することによって本願の一部とする。例えば、リターダ要素は、それぞれの厚さにわたり異なるねじれ角度（twist angles）だけ回転されたそれぞれの分子配向を有する第１および第２のキラル液晶層を含みうる。なお、ねじれ角度の少なくとも１つは非ゼロである。
【００２０】
いくつかの実施形態では、偏光変換システムは、偏光格子とルーバ付きリターダとの間に配置されたモノドメインの１／４波長リターダを更に含むことがある。モノドメインの１／４波長リターダは、偏光格子から出力される光を直交する直線偏光状態に変換するように構成することができる。ルーバ付きリターダは、モノドメインの１／４波長リターダから出力される直交する直線偏光状態を受け取り単一の偏光状態を出力するように配置されている、互い違いになっている１／２波長でゼロの遅延領域を含みうる。
【００２１】
いくつかの実施形態では、レンズアレイに入射する光は、少なくとも部分的にコリメートされている場合がある。例えば、レンズアレイに入射する光は、いくつかの実施形態では、約±２０度の範囲内で、または、約±１０度の範囲内でコリメートされうる。別の実施形態では、レンズアレイに入射する光は、約±７度から約±９度の範囲内でコリメートされうる。他の実施形態では、レンズアレイに入射する光が、完全にコリメートされていることもありうる。更に別の実施形態では、レンズアレイに入射する光がコリメートされていない場合もありうる。
【００２２】
いくつかの実施形態では、プロジェクタシステムは、本明細書で説明されている第１のレンズアレイへの入射光として提供される少なくとも部分的にコリメートされた光を出力するように構成された光源と、本明細書で説明されている第２のレンズアレイから出力される光を受け取るように配置され整列されているマイクロディスプレイと、マイクロディスプレイから出力される光を入力光として受け取るように配置され整列されている映写レンズとを含みうる。
【００２３】
いくつかの実施形態では、バックライトユニットが、本明細書で説明されている第１のレンズアレイへの入射光として、偏光されていない光を出力するように構成された発光要素と、第２のレンズアレイから出力される光を受け取るように配列され整列されている導波管とを含みうる。いくつかの実施形態では、バックライトが、直視ディスプレイに提供されることがありうる。
【００２４】
いくつかの実施形態では、通信システムが、赤外光源と、赤外光源によって出力される光を受け取り、コリメートされた光を本明細書で説明されているレンズ要素に出力するように配置され整列されたコリメータと、本明細書で説明されているリターダ要素から出力される光を受け取るように構成された光学要素とを含みうる。
【００２５】
本明細書で説明されている別の実施形態によると、偏光変換システムを製造する方法は、空間的に変動する単一軸の複屈折を有する回折要素を備えた偏光格子を、レンズ要素から出力される光を受け取るように配列するステップと、リターダ要素を、偏光格子から出力される異なる偏光状態の偏光を受け取り異なる偏光状態のそれぞれを同一の偏光状態に変更するように配列するステップと、を含んでいる。
【００２６】
以下の図面および詳細な説明によれば、いくつかの実施形態による他のデバイスおよび／または方法が、当業者にとって明らかになるだろう。上述した実施形態の任意のおよびすべての組み合わせに加えて、すべてのそのような追加的な実施形態は、本明細書に含まれ、本発明の範囲に含まれ、添付の特許請求の範囲によって保護されることが意図されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１Ａ】本発明の実施形態による偏光変換を図解する概略図である。
【図１Ｂ】本発明の実施形態による偏光格子（ＰＧ）の動作および幾何学的状況を図解する概略図である。
【図２Ａ】本発明の実施形態による偏光格子と２つのレンズアレイとリターダ要素とを含むモノリシックな偏光変換システムを図解する概略図である。
【図２Ｂ】図２Ａの偏光変換システムを図解する斜視図である。
【図２Ｃ】相互に積層され本発明の実施形態によるモノリシックな要素を画定する前の図２Ａおよび２Ｂの個々の要素を図解する展開図である。
【図２Ｄ】図２Ａ−Ｃの偏光変換要素において用いることができるルーバ付きリターダ要素の拡大図である。
【図２Ｅ】ルーバ付きリターダ要素を通過する前の本発明の実施形態によるＰＧから出力される光の図解である。
【図３】可視的なレンジにおける様々な入力光の発散に対する本発明の実施形態によるＰＧの１次回折効率を図解するグラフである。図３の内部に設定されているのは、本発明の実施形態によるＰＧによって回折された偏光されていない白色ＬＥＤ光を図解する写真である。
【図４】円偏光から直線偏光への変換に関して、本発明の実施形態によるルーバ付きリターダ要素の偏光変換効率を図解するグラフである。図４の内部に設定されているのは、ルーバ付きのリターダ要素の２つのゾーンの間のコントラストを図解する写真である。
【図５Ａ】本発明の実施形態による偏光変換システムを通過して伝播する前の、光アレイの入力光源と出力との特性を図解している。
【図５Ｂ】本発明の実施形態による偏光変換システムを通過して伝播する前の、光アレイの入力光源と出力との特性を図解している。
【図６Ａ】本発明のいくつかの実施形態による偏光変換システムのための光学的設定を図解する概略図である。
【図６Ｂ】本発明のいくつかの実施形態による偏光変換システムの透過特性を図解するグラフである。
【図６Ｃ】スクリーン上の本発明のいくつかの実施形態による偏光変換システムの照明を図解する写真である。
【図６Ｄ】本発明のいくつかの実施形態による偏光変換システムの正確な偏光を備えた出力光プロファイルを図解している。
【図７】本発明のいくつかの実施形態による偏光変換システムの様々な入力発散角度のための正確な偏光の透過を図解するグラフである。
【図８Ａ】本発明のいくつかの実施形態による偏光変換システムを含むプロトタイプのピコプロジェクタのレイアウトを図解する概略図である。
【図８Ｂ】図８Ａのピコプロジェクタの写真である。
【図８Ｃ】図８Ａのピコプロジェクタによって映写されたイメージの写真であり、映写されたイメージの相対的な輝度値を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下では、本発明の実施形態が示されている添付図面を参照して、本発明が、より詳細に説明される。しかし、本発明は、多くの異なる形態での実施が可能であり、本明細書で述べられている実施形態に限定されるものと解釈されるべきではない。むしろ、この開示が、徹底的かつ完全であり、本発明の範囲を当業者に十分に知らしめるように、これらの実施形態は提供されている。図面においては、層や領域のサイズおよび相対的なサイズは、明確さのために誇張されている場合がある。全体を通して、同一の番号は、同一の要素を示す。
【００２９】
本明細書では、第１、第２、第３などの用語を、様々な要素、コンポーネント、領域、層および／または区域を記述するために用いるが、これらの要素、コンポーネント、領域、層、および／または区域が、これらの用語によって限定されるべきではないということは、理解されるであろう。これらの用語は、ある要素、コンポーネント、領域、層、または区域を、別の領域、層、または区域と区別するために用いられるにすぎない。したがって、以下で論じられる第１の要素、コンポーネント、領域、層、または区域を、第２の要素、コンポーネント、領域、層、または区域と称したとしても、本発明の教示内容から逸脱することはない。
【００３０】
本明細書では、「〜の真下（beneath）」、「〜の下方（below）」、「〜の下側（lower）」、「〜の下（under）」、「〜の上方（above）」、「〜の上側（upper）」など、空間に関連する用語が、図面に図解されているある要素または特徴と別の要素または特徴との関係を記述する際に、その記述を容易にする目的で用いられている。これらの空間に関連する用語は、図面に示されている方位に加えて、装置が使用または動作される場合の別の複数の方位も包含することが意図されていることが、理解されるであろう。例えば、図面における装置が反転された場合には、他の要素または特徴の「下方」、「真下」、または「下」にあると記載されている要素は、他の要素または特徴の「上」の方向に存在することになる。このように、「〜の下方」または「〜の下」という例示的な用語は、上方と下方との両方の方位を含みうることになる。装置は、これ以外に向けられる（９０度または他の方位に回転される）こともあり、その場合には、本明細書で用いられている空間に関連する用語も、場合に応じて解釈される。更に、ある層が２つの層の「間」にあると称されているときには、この層は、これらの２つの層の間にある唯一の層である場合と、１つまたは複数の層が介在している場合とがあることも理解されたい。
【００３１】
本明細書で用いられる専門用語は、特定の実施形態を説明することのみを目的としており、本発明を限定することは意図されていない。本明細書で用いられる単数形の「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかにそうではないことを示さない限り、複数形も含むことを意図している。「〜を備える（comprise）」および／または「〜を備えている（comprising）」という用語は、本明細書において用いられると、述べられている特徴、整数（integers）、ステップ、動作、要素、および／またはコンポーネントの存在を特定するが、１つまたは複数の他の特徴、整数、ステップ、動作、要素、コンポーネント、および／またはそれらの群の存在または追加を排除しないことは、理解されるであろう。ここで用いられる「および／または」という用語は、関連してリスト化されている１つ又は複数の項目の任意のおよびすべての組み合わせを含む。
【００３２】
ある要素または層が、他の要素または層に対して、「上にある」、「接続されている」、「結合されている」、もしくは「隣接している」と称されるときには、他の要素または層に対して直接的に、上にある、接続されている、結合されている、もしくは隣接している場合だけではなくて、両者の間に介在する要素または層が存在する場合もあることは、理解されるであろう。対照的に、ある要素が、他の要素または層に対して、「直接に上にある」、「直接に接続されている」、「直接に結合されている」、または「直接に隣接している」と称されているときには、両者の間に介在する要素または層は、存在しない。
【００３３】
ここでは、本発明の理想化された実施形態（および中間的な構造）の概略的な図解である断面図を参照しながら、本発明の実施形態が説明される。よって、例えば、製造技術および／または公差の結果として、図解されている形状からの変動が生じることが予想される。このように、本発明の実施形態は、図示されている領域の特定の形状に限定されると解釈されるべきではなく、例えば、製造によって結果的に生じる形状の偏差を含みうる。したがって、図面に図解されている領域は、本質的に概略図であり、それらの形状は、装置の領域の実際の形状を図解することを意図したものではなく、本発明の範囲を限定する意図も有していない。
【００３４】
別の定義が与えられない限り、ここで用いられるすべての用語（技術用語および科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。また、一般的に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術および／または本明細書の文脈における意味と矛盾しない意味を有すると解釈されるべきであり、ここで明示的に定義されない限り、理想化された意味または過度に形式的な意味に解釈されてはならないことが、更に理解されるであろう。
【００３５】
本明細書では、本発明のいくつかの実施形態について、液晶（ＬＣ）材料と偏光格子の製造におけるその使用とを参照しながら、説明がなされる。液晶は、分子の秩序ある配列がその中に存在する液体を含みうる。典型的には、ＬＣ分子は、異方性であって、伸張した（ロッド状の）または平坦な（ディスク状の）形状のいずれかを有する。異方性分子の秩序ある配列（ordering）の結果として、大量のＬＣは、その機械的、電気的、磁気的、および／または光学的性質における異方性など、その物理的性質として異方性を示すことが多い。本明細書で用いられる液晶は、ネマティック相、キラルネマティック相、スメクティック相、強誘電性相、および／またはその他の相を有することがありうる。ロッド状またはディスク状であるという性質の結果として、ＬＣ分子の配向の分布が、光学的な応用では重要な役割を演じることがある。そのような応用では、ＬＣアライメントが、アライメント表面によって命じられる場合がある。アライメント表面は、ＬＣが表面に対して予測可能で制御可能な方法で整列するように、処理されうる。いくつかの実施形態では、アライメント表面は、ＬＣ層を通じて単一の領域を保証することがある。他の実施形態では、アライメント表面は、多くの領域および／または多くの不連続性を提供する場合がある。研磨されたまたは光重合されたいくつかのポリマを、本明細書で説明されている偏光格子を作成するためのアライメント層として用いることができる。また、液晶のアライメントの方法の追加的な例が、Ｃｒａｗｆｏｒｄらの米国特許第７，１９６，７５８号に記載されている。更に、本明細書に記載されているいくつかの構造は、スピンコーティングプロセスと液晶材料とのバランスによる精密な製造と関連する。本発明のいくつかの実施形態と共に用いられる追加的な構造および／または方法は、Ｅｓｃｕｔｉらの米国特許第７，６９２，７５９号に記載されている。この米国特許の開示内容の全体が、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００３６】
本明細書で用いられる「重合性液晶」とは、重合可能な比較的低分子量の液晶材料を示し、本明細書で「反応性メソゲン」と記載される場合もあることは、当業者であれば理解するであろう。対照的に、「非反応性液晶」とは、重合しない比較的低分子量の液晶材料を示す。
【００３７】
また、本明細書で用いられている「ゼロ次（zero-order）」の光は、入射光の方向と実質的に平行な方向に、すなわち入射角と実質的に同様の角度で伝播し、本明細書では「軸上（on-axis）」の光と称されることもある。対照的に、「１次」の光などの「非ゼロ次の光」は、入射光と平行ではない方向に伝播し、本明細書では、「軸外（off-axis）」の光と称される。本明細書に記載されている「部分的にコリメートされた（partially collimated）」光とは、相互に実質的に平行に伝播する光線または光ビームを意味しうるが、いくらかの発散を有する場合がある（例えば、光源からの距離によりビームの直径に差がありうる）。対照的に、「完全にコリメートされた（perfectly collimated）」光とは、発散をまったく有しない光線または光ビームを表しうる。
【００３８】
本明細書で用いられる「透過性」の基板または「透明」な基板とは、入射光の少なくとも一部がその基板を通過することを許容するものであることは、当業者によって理解されるであろう。換言すると、本明細書に記載されている透過性の要素または透明な要素は、完全に透明である必要はなく、入射光の一部を吸収する場合もある。透明な基板は、いくつかの実施形態では、ガラス基板である。これと対照的に、本明細書に記載されている「反射性」の基板は、入射光の少なくとも一部を反射するものでありうる。
【００３９】
本発明の実施形態は、伝統的なＰＣＳアプローチにおけるいくつかの課題は偏光分離要素に帰すことができる、という認識から生じうる。特に、いくつかのアプローチでは小型の偏光ビームスプリッタのアレイ（ＰＢＳアレイとも称される）を用いることがあるが、そのようなアプローチでは、ＰＢＳアレイの光軸との関係で±５度から始まるより大きな角度で入射する光（本明細書では「軸外」の光とも称される）に対しては、効率が実質的に低下するという経験をする場合がある。効率のこの低下は、大部分が、偏光分割（splitting）要素または分離（separating）要素（すなわち、ＰＢＳアレイ）によって制限される。多くの光源がこれらの角度を超えて光を放出するにつれて、これが、現実の制限を生じさせる。ＰＢＳアレイは、また、製造においても問題を生じさせることがあり、複数の個々の要素が、必要とされる精度で整列させる際に、問題を生じうる。
【００４０】
本発明のいくつかの実施形態は、本明細書では偏光変換システム（ＰＣＳ）とも称される光要素の構成を提供する。この光要素は、偏光されていない入射光（例えば、多様で予測不可能な偏光を有する入力光）をより幅の広い角度範囲で受け取り、この偏光されていない光を、実質的に同一または単一の所望の偏光を有する光に変換する。なお、ここで、変換効率は約５０％よりも高く、いくつかの実施形態では、約９０％よりも高い。本発明の実施形態は、例えば、ほとんどの光源が（最もよい場合でも）部分的に偏光されていて部分的にコリメートされている、投影および直視ディスプレイシステムで用いることができる。
【００４１】
特に、本発明の実施形態は、他の要素の中でも、偏光格子を用いて、偏光されていない入射光を、ほとんど損失なく、ほぼ完全に偏光された状態に変換する。そして、本発明の実施形態は、光学システムの中に容易に一体化されるように実装することが可能である。偏光格子は、軸上のビームの方向を変え、ほぼ等しい強度を有する２つの発散ビームを生じさせ、それによって、入射光の強度のほとんど（例えば、約９５％を超える）が２つのビームの中に含まれる。こうして、偏光格子は、高い効率で、入射光の偏光状態と伝播する方向とを変更する（例えば、格子は入射光を偏光および回折する）。偏光格子は、周期的で空間的に変動する局所的な光軸を備えた複屈折材料であり、ホログラフィックなパターニングプロセスを用いて形成することができる。
【００４２】
本発明の実施形態による偏光格子（ＰＧ）は、局所的な偏光状態とそれ自体を通過して移動する光の伝播方向との両方を周期的に変更する透明で、薄いフィルム状の、ビームスプリッタでありうる。例えば、ＰＧは、偏光されていない光を、相当に大きな入射角と広い帯域幅とに対して、高い効率（約９５％から９９％）で２つの直交する円偏光に分割することができる。対照的に、従来型の直線偏光器は、入射光を単一の偏光状態に変換することによって動作し、その偏光状態の光が偏光器を通過して移動することを許可するのであるが、他の偏光状態の光を吸収してしまう。いくつかの実施形態では、ＰＧ、リターダ要素、それらの間にある要素、および／または本明細書で説明されている隣接要素は、１つまたは複数の重合された複屈折の液晶層を用いて実装することができる。別の実施形態では、ＰＧ、リターダ要素、それらの間にある要素、および／または隣接要素は、通過して移動する光の偏光に実質的に影響しない第１の状態と、通過して移動する光の偏光を変更する（例えば、光を、その反対または直交する偏光に変換する）第２の状態との間で切り替えられるように構成された複屈折液晶層を用いて、実装することができる。
【００４３】
本発明のいくつかの実施形態による偏光格子は、空間的に変動する単一軸の複屈折を有する（例えば、ｎ（ｘ）＝［ｃｏｓ（πｘ／Λ），ｓｉｎ（πｘ／Λ），０］）回折的な光要素であり、１００％までの回折効率を提供することができる。本明細書で説明されている偏光格子は、Λを一定の格子周期として、例えばΦ（ｘ）＝πｘ／ΛまたはΦ（ｙ）＝πｙ／Λである線形位相プロファイルを実装することができる。角度Φは、ＰＧ基板の表面における局所的な光軸の向きを定義する。本明細書で説明されている偏光格子は、米国特許出願第６０／９１２，０４４号および米国特許出願第６０／９１２，０３９号に開示されている広帯域格子と類似している可能性がある。なお、これらの米国出願の開示内容は、引用することによって本願の一部をなすものとする。しかし、古典的な狭帯域のＰＧ（例えば、米国特許第７，１９６，７５８号、Crawford et al.）も、同様に、本発明の実施形態で用いることが可能である。
【００４４】
図１Ａおよび１Ｂは、本発明の実施形態による偏光格子を含む偏光変換システムを図解している。図１Ｂに示されているように、ＰＧ１０５の出力回折角度は、格子方程式であるｓｉｎθ±１＝λ／Λ＋ｓｉｎθｉｎによって決定される。なお、ここで、λは波長、Λは格子周期、θ±１およびθｉｎはそれぞれ１次の回折角および入射角である。ＰＧ１０５を用いて、偏光されていない入射光を作成し、それを直交する偏光を有する２つのビームに分離することができる。そして、それ以降の要素を用いて、直交する偏光のそれぞれを同じ偏光状態に変換することができる。
【００４５】
特に、図１Ａに図解されているように、本発明の実施形態は、第１のレンズ要素１１０の後でＰＧ１０５と波長板（wave plate）またはリターダ要素１１５との両方を配列することにより、高い偏光変換効率（典型的には、７０〜９５％）を達成するＰＣＳデザイン１００を提供する。偏光されていない入射光１９０は、レンズ要素１１０によって集中され、ＰＧ１０５によって、レンズ要素１１０の焦点面ｆにおけるそれぞれのスポットに合焦される２つのビームに回折される。焦点スポットは、ＰＧ１０５によって回折された１次のビームθ＋１、θ−１に対応する。２つのスポットに合焦されるビームは、円偏光され、直交するまたは反対の掌性を備えている。例えば、図１Ａに示されているように、上側のスポットに合焦されているビームは、右手系の円偏光がなされ（ＲＣＰ、実線で示されている）、下側のスポットに合焦されているビームは、左手系の円偏光がなされている（ＬＣＰ、破線で示されている）。パターンを有するリターダ要素１１５は、２つの互い違いになっている遅延領域（本明細書では、「ドメイン」または「ゾーン」とも称される）を含み、レンズ要素１１０の焦点面ｆに配列されている。リターダ要素１１５は、広帯域の１／４波（quarter-wave）遅延を全体に提供するように構成されているが、２つのゾーンのそれぞれで異なる光軸（９０度離れている）を提供する。更に詳しくは、図１Ａでは、リターダ要素１１５の上側のゾーンは、その光軸に対して＋４５度に向けられていて、ＰＧ１０５から出力される光の＋９０度の遅延または位相シフトを提供する。そして、リターダ要素１１５の下側のゾーンは、その光軸に対して−４５度に向けられていて、ＰＧ１０５から出力される光の−９０度の遅延または位相シフトを提供する。こうして、リターダ要素１１５は、２つの直交円偏光を、同じ偏光１９９（例えば、直線偏光）に変換する。ＰＧ周期Λは、中心波長λ（例えば、５５０ｎｍ）におけるまたはそれに近いコリメートされた光がこれら２つのゾーンの中心に回折されるように、選択される。この幾何学的配置により、回折角θ±１＝ｔａｎ−１（Ｄ／４ｆ）が定義される。ここで、Ｄはレンズの直径であり、ｆは焦点距離である。ＰＧ周期Λは、格子方程式Λ＝λ／ｓｉｎ（ｔａｎ−１（Ｄ／４ｆ））を用いて計算される。
【００４６】
本明細書で説明される本発明の更なる実施形態は、少なくとも１つのレンズアレイ（それぞれが少なくとも２つのレンズレット要素を有する）と、偏光格子と、ルーバ付き（louvered）リターダ要素または波長板とを含むモノリシックな配列を提供し、これらが共同して、偏光されていない光を、高い変換効率で偏光に変換することができる。例えば、図２Ａ（断面）と図２Ｂ（斜視図）との実施形態に示されているように、偏光変換要素２００は、第１のまたは前面マルチレンズアレイ２１０ａと、偏光格子ＰＧ２０５と、スペーサ層２２０と、リターダ要素２１５（ルーバ付き１／４波長板ＬＷＰとして示されている）と、第２のまたは背面マルチレンズアレイ２１０ｂとを含んでいる。偏光格子ＰＧ２０５は、第１のレンズアレイ２１０ａとその焦点面との間に、または、その焦点面にもしくはその焦点面の近くに配置することができる。ルーバ付きリターダ要素２１５は、第１のレンズアレイ２１０ａの焦点面に、またはその近くに配置され、第１のレンズアレイ２１０ａのレンズレット要素の焦点と整列させることができる。偏光格子２０５とリターダ要素２１５とを含む偏光変換要素２００は、本明細書では、ＰＧベースのＰＣＳまたは「ＰＧ−ＰＣＳ」要素とも称される。
【００４７】
図２Ａを参照すると、偏光されていない入力光２９０は、第１のレンズアレイ２１０ａに入射し、それに受け取られる。第１のレンズアレイ２１０ａは、レンズレット要素の約２から約２０のまたは更に多くのローおよび／またはカラムを含むことがあり、いくつかの実施形態では、約７から約１１のローおよび／またはカラムを含むことがある。入射光２９０は、少なくとも部分的にコリメートされている場合、完全にコリメートされている場合があり、またはいくつかの実施形態ではコリメートされていない場合さえある。例えば、入力光２９０は、約±２０度以内に部分的にコリメートされている場合があり、いくつかの実施形態では、少なくとも１つの次元では±１０度以内にコリメートされている場合がある。特定の実施形態では、第１のレンズアレイに入射する入力光２９０は、約±７度から約±９度以内にコリメートされている場合がある。偏光格子２０５は、第１のまたは前面レンズアレイ２１０ａから出力される光を受け取るように配置されており、リターダ要素２１５は、偏光格子２０５から出力される光を受け取るように配置されている。偏光格子２０５とリターダ要素２１５とによって生じる偏光の変化の組み合わせが、以下で更に詳細に論じられるように、ある等しい所望の偏光状態（直線偏光として図解されている）を有する出力光２９９を提供する。第２のまたは背面のレンズアレイ２１０ｂは、リターダ要素２１５からの出力光を受け取って方向付けるように配置されている。しかし、この第２のまたは背面のレンズアレイがすべての実施形態で用いられるわけではないことは、理解されるであろう。図２Ａおよび２Ｂでは、第１および第２のレンズアレイ２１０ａおよび２１０ｂは、その凸レンズの表面が相互に対向しているまたは外側を向いている状態で配列されている類似のレンズアレイである。第１および／または第２のレンズアレイ２１０ａおよび／または２１０ｂのレンズレットのそれぞれは、いくつかの実施形態では、約０．５ミリメートル（ｍｍ）から約２ｍｍまでの寸法（長さ、幅、または直径）を有することがあり、平面図では正方形または矩形でありうる。スペーサ層２２０は、偏光格子２０５とルーバ付きのリターダ要素２１５との間に配置された硬質ガラスまたはポリマスペーサでありうる。また、追加的なスペーサ層を、レンズアレイ２１０ａとＰＧ２０５との間（図２Ｃに示されている層２２０’など）、スペーサ層２２０とリターダ要素２１５との間（図２Ｃに示されている層２２０”など）、および／またはリターダ要素２１５とレンズアレイ２１０ｂとの間（図示せず）に、提供することが可能である。
【００４８】
図２Ａおよび２Ｂに図解されているモノリシックなＰＧ−ＰＣＳ要素２００は、例えば、映写（projection）の応用例に、実装することが可能である。プロジェクタにおける機能的ＰＣＳはコンパクトであるべきで、出力角度は再度のコリメーションを必要とすることがありうる。このように、レンズアレイ２１０ａおよび２１０ｂは、入力および出力のそれぞれに配置されたマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）として実装することができる。これらのＭＬＡは、２次元（２Ｄ）アレイでありうるが、いくつかの実施形態では１次元（１Ｄ）でもよい。アレイ２１０ａおよび／または２１０ｂのそれぞれのレンズレットは、図１Ａに示されている分離したレンズ要素１１０と類似の態様で機能する場合があり、結果的に、点在しているが空間的に分離した状態で（例えば図２Ｅに示されているように）、焦点面におけるスポットの２つの直交的に偏光されているグリッドとなる。格子周期Λおよび／または焦点距離ｆは、偏光変換を改善および／または最適化するように選択することができるが、入力光の発散とレンズレットの寸法に対する制限とによって、制約を受けることがありうる（例えば、達成可能なレンズ曲率、横方向のサイズ、および基板の厚さ）。入力発散角±θＤＩＶがθ±１＝ｓｉｎ−１（λ／Λ）と等しいかまたはそれよりも小さいときには、完全な偏光変換が生じることがありうるが、その理由は、それぞれの焦点面のスポットがその近接するパターン化されたリターダの上に重畳することがないのが典型的であるからである。しかし、±θＤＩＶ＞θ±１であるときでさえ、退化（degradation）は最少でありうる。上述した方程式は近似であり、光線トレースモデル化ツールを用いて改善されたまたは最適な設計を決定することが可能であることに注意してほしい。
【００４９】
図２Ａおよび２Ｂに示されているように、上述した層または要素は、モノリシックな要素２００を提供するように、配列され、整列され、および相互に積層されている。モノリシックな偏光変換要素２００は、層の間の界面（interfaces）の数と整列の要件とを減少させるから、それによって、変換効率を改善させ、機能の改善を容易にすることができる。特に、界面の数が減少することにより、界面反射に起因する損失を減少させることができ、また、ＰＣＳ要素２００の光学システムの中への整列を単純化することができる。更に、すべての要素を相互に積層化して、平坦でない面が外向きに面しているようにすることができる。また、モノリシック要素２００は、追加的な固定手段なしで、他のデバイスまたはシステムの中に一体化させることがより容易になる。したがって、変換効率が高まるだけでなく、全体的な製造コストと一体化の複雑性が低下する。
【００５０】
図２Ｃは、相互に積層化されて本発明の実施形態によるモノリシックな要素２００を画定する図２Ａおよび２Ｂの個々の要素を図解している展開図である。図２Ｃの実施形態に示されているように、１．０ミリメートル（ｍｍ）と０．３ｍｍとの暑さを有する層が、偏光格子（ＰＧ）２０５とルーバ付き波長板（ＬＷＰ）２１５のそれぞれのために用いられている。特に、ＰＧ２０５とＬＷＰ２１５とは、１．０ｍｍと０．３ｍｍとのガラス基板にそれぞれ積層されており、次いで切断される。切断された後で、ＰＧ２０５とＬＷＰ２１５とは、第１および第２のレンズアレイ２１０ａおよび２１０ｂとの間で組み立てられる。ここで、０．４ｍｍのガラス基板スペーサ層２２０がＰＧ２０５とＬＷＰ２１５との間に存在している。追加的な透明なスペーサ層２２０’および２２０”を、第１のレンズアレイ２１０ａとＰＧ２０５との間と、ＰＧ２０５とＬＷＰ２１５との間に、それぞれ提供することも可能である。第２のレンズアレイ２１０ｂは、ＬＷＰ２１５に隣接してまたは近接して配置することが可能であり、追加的な光学機器によってマイクロディスプレイ上に中継される前に出力を均一化し再度コリメートするために、第１のレンズアレイ２１０ａと位置合わせ（registered）される。図２Ａ−２Ｃでは外向きの状態に（例えば、相互から離れる方向に向くように）図解されているが、いくつかの実施形態では、第１のレンズアレイ２１０ａおよび／または第２のレンズアレイ２１０ｂの凸表面が、内向きに／ＰＧ２０５およびＬＷＰ２１５に向かう方向に、向いていることもあることが理解されるであろう。更に、第２のレンズアレイ２１０ｂは、第１のレンズアレイ２１０ａと異なる場合もあるし、または、いくつかの実施形態では、両方共に除外されることもありうる。また、レンズアレイ２１０ａ、２１０ｂは対称的である必要はなく、いくつかの実施形態では、円形、楕円形、および／または多角形の底面を有していてもよい。
【００５１】
図２Ｄは、図２Ａ−Ｃの偏光変換要素２００で用いることができるルーバ付きまたはパターン付きのリターダ要素２１５の一部の拡大図である。パターン付きのリターダ要素２１５は、２以上のパターン付き領域を有する複屈折光学要素であり、これらの領域各々の内部では、光軸は一定であるが、周囲の領域とは異なっていて、それぞれの領域を通過する光の偏光状態を異なる態様で変更するように設計されている。図２Ｄに示されているように、パターン付きのリターダ要素２１５は、同一平面配列において並んで配置されている２つ以上の互い違いになっている遅延領域（本明細書では、「ドメイン」または「ゾーン」とも称される）２１５ａ、２１５ｂを含みうる。特に、図２Ｄは、１／４波長遅延の互い違いになっているストリップを図解しており、一方のストリップ２１５ａは＋４５度の光軸を有し、他方のストリップ２１５ｂは−４５度の光軸を有している。ルーバ付きリターダ２１５は、互い違いになっているドメイン（＋４５度、−４５度）のそれぞれの組が第２のレンズアレイ２１０ｂの同じレンズレットを通過する光を集中させるように、第２のレンズアレイに対して配列することができる。換言すると、パターン付きのリターダ要素２１５は、ルーバ付き波長板（ＬＷＰ）とも称されるが、いくつかの実施形態では、ＰＧ回折平面に対応する単一の寸法においてレンズレットごとに２つのゾーン２１５ａ、２１５ｂを有する。これらの２つのゾーン２１５ａ、２１５ｂは、同じ収色性の（achromatic）の１／４波長板遅延を提供するが、直交する光軸を用いる。ＬＷＰ２１５は第１のレンズアレイ２１０ａの焦点面の近くに配列されているが（例えば、焦点距離ｆにおいて、または、その近傍で）、直交する円形スポットの両方のグリッド（図２Ｅに示されている）は、同じ直線偏光に変換される。
【００５２】
いくつかの実施形態では、リターダ要素２１５は、異なるねじれを有する第１および第２のリターダ層を含む多層リターダを用いて、実装することができる。これは、例えば、米国仮特許出願第６１／５４４，９３６号（代理人整理番号５０５１−８０５ＰＲ）に記載されている。この米国仮特許出願の開示は、引用することにより本明細書の一部となすものとする。特に、リターダ要素２１５は、反対の掌性の第１および第２のキラル液晶層を含むスタック構造でありうる。本明細書で説明されているルーバ付きリターダ２１５などのリターダは、光学的回転もしくは複屈折遅延またはそれらの組み合わせによる偏光の変更を達成することができるが、それ自体を通過する光の伝播の方向に著しく影響するまたは変更することはできない。対照的に、本明細書で説明されているＰＧ２０５などの偏光格子は、それ自体を通過する光の屈折（すなわち、伝播方向の変更）を提供する。
【００５３】
図２Ｅは、ルーバ付きリターダ要素２１５を通過して伝送される前の、本明細書で説明されているいくつかの実施形態による偏光格子２０５から出力された光を図解している。図２Ｅに示されているように、ＰＧ２０５は、第１のレンズアレイ２１０ａのレンズレット要素から出力されたそれぞれのビームを偏光および回折して、発散する第１および第２の偏光されたビームを生じさせ、第１のレンズアレイ２１０ａの焦点面における焦点スポットの第１および第２のビームグリッドアレイ２５０ｒおよび２５０ｌを画定するように、構成されている。第１および第２のビームグリッドアレイ２５０ｒおよび２５０ｌは、インターレースされている、すなわち、空間的にオフセットされている。第１および第２のビームグリッドアレイ２５０ｒおよび２５０ｌは、いくつかの実施形態では部分的に重畳することがあるが、他の実施形態では重畳を生じることはない。偏光格子２０５から出力された第１および第２のビームは、直交する偏光状態を有することがある。例えば、第１のビームグリッドアレイ２５０ｒは右手系の円偏光（ＲＣＰ、実線）を有する第１のビームによって画定され、第２のビームグリッドアレイ２５０ｌは左手系の円偏光（ＬＣＰ、破線）を有する第２のビームによって画定されうる。リターダ要素２１５（第１のレンズアレイ２１０ａの焦点面に、またはその近傍に配置されている）は、図２Ｅに示されているビームグリッドアレイ２５０ｒおよび２５０ｌの第１および第２のビームの直交する偏光状態を、同一の偏光状態に変換するように構成することができる。例えば、リターダ要素２１５は、偏光格子から出力される右手系の円偏光を有する第１のビームと左手系の円偏光を有する第２のビームとを、図２Ａに示されているように、直線偏光２９９を有する光ビームに変換するルーバ付き１／４波長板であってもよい。
【００５４】
本明細書で説明されている実施形態による例示的なＰＣＳでは、ＰＧ２０５とＬＷＰ２１５とは、市販されている材料および過程を用いて製造することが可能であり、カスタムのマイクロレンズアレイ（ＭＬＡ）２１０ａ、２１０ｂは、伝統的な方法を用いて製造することができる。例えば、いくつかの実施形態では、レンズアレイ２１０ａ、２１０ｂは、同一のＭＬＡでもよく、５ｘ９グリッドのレンズレットの中へのアクリル成形樹脂（プレキシグラス（登録商標）等）の射出成形によって形成することができる。なお、レンズレットはそれぞれが、１．４ｍｍＸ０．７７ｍｍの四角の寸法と１．１ｍｍの球曲率半径とを有している。レンズレットの外側表面には、単層の反射防止（ＡＲ）コーティングを適用することができる。ＬＷＰ２１５を第１のＭＬＡ２１０ａの焦点面に配置するのに、厚さが１ｍｍのガラス製スペーサを用いることができる。ＰＧ２０５、ＬＷＰ２１５、およびガラス製スペーサは、１平方インチ（０．０００６４５１６平方メートル）の基板上に製造し、その後でＭＬＡ２１０ａ、２１０ｂのサイズに一致するように切断することが可能である。これらの要素は、次に、例えばＭＬＡ２１０ａ、２１０ｂとＬＷＰ２１５とを位置合わせするまたは整列させるために偏光顕微鏡を用いて、共に固定することができる。結果的に得られるモノリシックなＰＧ−ＰＣＳ２００は、約４ｍｍの厚さでありうる。
【００５５】
更に、いくつかの実施形態では、ＰＧ２０５とＬＷＰ２１５の一方または両方は、材料ＬＩＡ−Ｃ００１を光アライメントポリマとして用い、キラル液晶であるＣＢ−１５およびＭＬＣ−６２４７を用いてドープされた反応性液晶プレポリマ混合物ＲＭＳ１０−０２５（Δｎ〜０：１６）を用いて、形成することができる。ＰＧ２０５およびＬＷＰ２１５の一方または両方は、厚さが１ｍｍであるホウケイ酸ガラス基板の上に、スピンコーティングを用いて形成することができる。すべての要素を、光接着剤ＮＯＡ−６５を用いて相互に積層することができる。後述する特定の例では、ＰＧは約３．６μｍの周期を有するように形成されたが、これにより、ＵＶレーザ偏光ホログラフィおよび方法を用いて、約５３０ｎｍにおいて約±８．５度の１次回折角度が提供されうる。例えば、光アライメント層を基板の上に形成し、ＵＶレーザホログラフィを用いてパターニングを行って、その上に周期的なパターンを画定することができる。また、液晶層を、液晶層の分子がアライメント層における周期的なパターンと整列するように、パターニングされた光アライメント層の上に形成することができる。次に、液晶層を重合することにより、ＰＧ２０５を画定する。
【００５６】
本明細書で説明されている本発明の実施形態によって製造された偏光格子を用い、偏光のない入力光に対する全体の１次（η＋１＋η−１）回折効率が、様々な入力発散角度に対して測定された。特に、図３には、可視レンジにおける入力光に対して３．６μｍの格子周期を有するＰＧによって提供された１次光（η＋１＋η−１）に対する回折効率が図解されている。図３の内部に設定されている写真は、偏光のない白色ＬＥＤの光の光出力を、本発明の実施形態によるＰＧによって回折されたものとして、図解している。
【００５７】
図３のグラフに示されているように、ＰＧは、実質的な発散角度（±１１度を含む）を有する入射光に対して、１次（例えば、約９５％よりも高い）への高い回折効率を提供する。特に、図３で内部に設定されているグラフによって提供されている拡大図に示されているように、本発明の実施形態によるＰＧは、約±３度、±５度、±７度、±９度、±１１度、またはそれよりも大きな角度の内部でコリメートされている入力光に対して、９５％を超える効率を維持することができる。したがって、（本明細書で説明されているＰＧ１０５および２０５などの）偏光格子は、ＰＢＳアレイよりも、入射／入力光に対して、より大きな角度範囲またはより幅の広い角度アパーチャにわたり、高い回折効率を提供することができる。ＰＧによって提供されるこのより幅の広い角度アパーチャが、本明細書で説明されているＰＧベースのＰＣＳ要素がＰＢＳアレイベースのＰＣＳよりも高いスループットを提供することができる理由である。
【００５８】
図４は、円偏光を直線偏光に変換するように構成されたＬＷＰの偏光変換効率を図解している。図４の内部に設定されているのは、交差する偏光器の間に配置されたＬＷＰの絵であり、第２のルーバ付きではないＱＷＰがＬＷＰと偏光器との間に挿入されており、２つのＬＷＰ遅延領域／ゾーン（より暗いおよびより明るいゾーンとして図解されている）の間のコントラストを示している。図４に示されている偏光変換効率は、±４５度の光軸配向を有する広帯域１／４波長板（ＱＷＰ）のように動作する、互い違いになっているドメインまたはゾーンを含むＬＷＰを用いて達成された。なお、これは、米国仮特許出願第６１／５４４，９３６号（代理人整理番号５０５１−８０５ＰＲ）に記載された方法を用いて制作されたものである。
【００５９】
例えば、いくつかの実施形態では、ＬＷＰまたはそれ以外のリターダを、光配向（photo-alignment）材料を、平行移動ステージ上に設けられた幅が０．７ｍｍであって透明なゾーンと不透明なゾーンとが互い違いになっているクロームマスクを介してＵＶランプに露出し、光配向材料をパターニングすることによって、形成されてもよい。この露出は、２つのステップからなるプロセスであり、直線偏光器を用いて、対応するゾーンが露出されるときに、露出方向を０度から９０度に調整する。パターニングのなされたアライメント層は、相互の上にシーケンシャルにスタックされた第１および第２のＬＣポリマ層を用いてコーティングを行い、広帯域のＱＷＰ（本明細書では、マルチツイストリターダ（ＭＴＲ）とも称される）を画定することができる。特に、第１のＬＣポリマ層をパターニングなされた光配向層の上に積層することにより、その分子構造が光配向層のパターンとその界面において整列し、その後で重合される。第１のＬＣ層は、その厚さにわたりねじれている分子構造を有するキラルＬＣ層でありうる。図４の実施形態では、第１のＬＣ層のディレクタ配向（director orientation）は、約−９０度のねじれ角度だけ、その厚さにわたりねじれている。第１のＬＣ層の厚さは、約１．３６μｍであった。第２のＬＣ層は、第１のＬＣ層の上に同様に積層することができ（第２のＬＣ層の分子構造が、これらの界面において第１のＬＣ層の分子構造と整列するように）、重合される。第２のＬＣ層は、第１のＬＣ層とは反対の掌性のキラルＬＣ層でありうる。図４の実施形態では、第２のＬＣ層のディレクタ配向は、約＋６０度のねじれ角度だけ、その厚さにわたりねじれている。第２のＬＣ層の厚さは、約０．８３μｍであった。
【００６０】
依然として図４を参照すると、円偏光された入力光がＬＷＰの±４５度のゾーンの１つの中に送られ、正確な、すなわち所望の直線偏光（例えば、Ｓ偏光）と、不正確な、すなわち不所望の直線偏光（例えば、Ｐ偏光）とを備えた光出力の一部が、測定された。測定された変換効率は、両方の±４５度のゾーンに対して実質的に等しかった。図４に図解されているように、ＬＷＰから出力される光は、可視的な範囲全体で、圧倒的に直線偏光されている（約９７％よりも多くが正確な偏光を有し、約３％未満が不正確な偏光を有する）。市販の測定ツールを用いても、類似の測定値が得られた。
【００６１】
上記で説明されている本発明の実施形態は、図５Ａおよび５Ｂにおいて図解されているように、市販の光線追跡シミュレーションツールの内部でモデル化され、後に組み立てられ、実験的にテストがなされた。図５Ａおよび５Ｂでは、入力側が左側を向くように示されており、偏光されていない光が第１のレンズアレイ２１０ａに入る。第１のレンズアレイ２１０ａの後には、偏光格子２０５、次にルーバ付き波長板２１５が続き、そして、この実施形態においては、右側にある出力における第２のレンズアレイ２１０ｂによって完結する。第１のレンズアレイ２１０ａと、偏光格子２０５と、スペーサ層２２０と、ルーバ付きの波長板２１５と、第２のレンズアレイ２１０ｂとが、これらが光学的に結合されているように、または、要素の間に空気の界面が存在しないように相互に積層されて１つの部材となるように、配列されている。これによりモノリシックなＰＣＳ要素２００が得られ、いくつかの伝統的な配列とは対照的に、いかなる追加的な固定装置も用いずに、すべての要素が接着またはそれ以外の態様で相互に積層されている。
【００６２】
本発明の実施形態の偏光変換を示すために、光学的なシミュレーションツールも用いられた。特に、ＰＣＳ要素２００の面積をその入力面において満たす±７度の発散角度を備えた偏光されていない光源が、用いられた。図５Ａに示されているグラフは、本明細書で説明されているＰＣＳ要素を通過して伝播する前の入力光源の特性を図解している。
【００６３】
レンズレット（１．２５ｍｍの球曲率半径と１ｘ０．５８３ｍｍの四角寸法とを有している）の７ｘ１２のグリッドと単一層の反射防止コーティングとを備えた２つの同一のレンズアレイが、第１および第２のレンズアレイとして用いられた。これらの２つのレンズアレイが位置合わせされたアライメントで約３ｍｍの距離で配列され、スペーサを用い、それらの間にはどのような他の光学的要素も存在しないように光学的に積層されると、これらは、複眼レンズ（Fly-Eye-Lens）（ＦＥＬ）を画定することができる。図５Ｂは、図５Ａで画定されている光源が、本明細書で説明されている偏光格子とリターダ要素とを通過することなくこのＦＥＬに入射するときの、このようなＦＥＬの出力の例を図解している。図５Ｂに示されているように、出力は、いかなる偏光変換も伴わず、入力と同じ偏光のままである。
【００６４】
しかし、本発明の実施形態では、偏光格子２０５とルーバ付き波長板２１５とは、図２Ａ−２Ｃの例に示されているように、２つのレンズアレイ２１０ａ、２１０ｂの間に配置されている。第１のレンズアレイ２１０ａは、それ自体を通過する光を合焦して、その焦点面において焦点スポットのアレイを画定するように構成されている。偏光格子２０５は第１のレンズアレイ２１０ａとその焦点面との間に配置されているから、偏光格子２０５は、これらの光線を分割して、例えば図２Ｅに示されているように、それぞれが直交する偏光状態を備えた焦点スポット２５０ｌおよび２５０ｒの２つのインターレースされたグリッドを生じさせる。ルーバ付き波長板２１５は、およそ、第１のレンズアレイ２１０ａの焦点距離ｆの位置に配置されており、偏光格子２０５から出力される直交する偏光のそれぞれを、同じ偏光状態に変換する。第２のレンズアレイ２１０ｂは、ほとんど全体的に直線偏光されている、ＬＷＰ２１５から出力される光を再度コリメートするが、正確な、すなわち所望の偏光は約９０％であり、不正確な、すなわち不所望の偏光は約４％である。
【００６５】
図６Ａは、本発明のいくつかの実施形態によるＰＧベースのＰＣＳ要素６００を含む例示的な光学的な設定を図解している。ＰＣＳ要素６００は、上述したＰＣＳ２００と同様でありうる。図６Ａに示されているように、制御可能な発散角度（例えば、約３度から約１１度がアパーチャ６６０によって許容される）を備えた広帯域で偏光されていない白色光源６９０が、ＰＣＳ要素６００への入力光を提供する。ＰＣＳ６００から出力される光は、回転マウントにおける直線偏光器６８０によって分析され、ファイバ分光計に接続されている積分球６７０の中に集められる。本明細書で論じられる結論では、偏光器６８０自体の吸収が完全に正規化されたことにより、完全なまたは損失のないＰＣＳは１００％の効率を示し、（ＰＣＳがまったく存在しない）空の測定は５０％の効率を示す。
【００６６】
図６Ｂに示されているように、約ａ±７度の発散角度を有する入力光源６９０からの光に対しては、ＰＣＳ要素６００から出力される光は、可視範囲（約５２０−６５０ｎｍ）のほとんどに対する約９０％の正確な直線偏光（ここで、「正確」とは、例えば垂直な直線などの所望のＰＣＳ出力偏光を意味する）と、低い（約４％未満）不正確な偏光（ここで「不正確」とは、例えば水平方向の直線などの所望のＰＣＳ出力と直交する偏光を意味する）とを含んでいた。不正確な偏光は、典型的には、ＰＢＳキューブのようなクリーンアップ偏光用光学機器またはシート偏光器を用いて除去することができる。本発明の実施形態によるＰＧベースのＰＣＳ要素６００によって達成されたこの９０％のピークは、ＰＢＳアレイを備えた従来型のＰＣＳよりも実質的に高い。
【００６７】
例示的なＰＧベースのＰＣＳ６００とそこからの出力ビーム６９９との写真が、図６Ｃに示されている。出力ビーム６９９は、ｘ方向とｙ方向とのそれぞれに、約±７度と±１４度の発散を有しており、入力光源に対するエタンデュの予測される倍増を、優れた輝度と色の一様性とで確認している。本発明の実施形態によって提供される正確な偏光を伴う出力光のプロファイルが、図６Ｄにおいて、極座標の等カンデラプロット（左側）と矩形のカンデラ分布プロット（右側）とで、図６Ｄに図解されている。
【００６８】
本発明の実施形態は、ＰＣＳの性能に負の影響を与える可能性があるいくつかのファクタを認識し、それらに対処する。例えば、ＭＬＡのベースライン透過率は、反射、吸収、混濁（haze）、およびより大きな角度への偏向（deflection）に起因して、９５％にすぎない（すなわち、ガラスのスペーサだけを含むヌルＰＣＳであり、ＰＧもＬＷＰも存在しない）。更に、ＰＧおよびＬＷＰは、斜めに入射する光（例えば、約±１５度を超える入射角を有する光）に対しては、理想的ではない振る舞いを示すことがある。ＰＧの回折効率は、光が（偏光されないまま）ゼロ次の方向に漏れを生じるにつれて、および／またはＬＷＰの遅延が１／４波長から逸脱するにつれて、低下しうる。また、ＭＬＡのアクリル材料自体が測定可能ではあるが僅かな複屈折を生じることがあり、それが、出力偏光が低下する原因になりうる。更に、ＰＣＳの要素の相対的な位置および配向のアライメントがとれていないことが、損失の原因になりうる。特に、第１のＭＬＡとＬＷＰとの間の距離は重要でありうる。最後に、発散角度がより大きい場合には、ＬＷＰにおける１次焦点スポットがその近傍との間で重複を生じ始めることがあり、これによって、ＰＧの回折効率が依然として高い場合であっても、変換効率が更に低下する可能性がある。ＭＬＡのＡＲコーティングの改善とＬＷＰの遅延保証とが、変換効率と有効な受光角度とをよりいっそう改善するのに有効でありうる。
【００６９】
様々な発散角度θＤＩＶに対するＰＧベースのＰＣＳ要素の性能が、角度アパーチャへの従属性を調べるために、図７に図解されている。正確な偏光の比率（fraction）も、図７に示されている。ここで図７を参照するが、より小さな入力発散角度（例えば、±３度または±５度）に対しては、ＰＧベースのＰＣＳから出力される光のほとんどすべて（約９２％以上）が、正確または所望の偏光を有しており、ヌルＰＣＳ曲線（９５％）に近づいている。これは、個々の要素が適切に整列されていることを示しうるのであって、２つの間の差は、ＬＷＰの（図４に示されているような）不正確な偏光変換と（図３に示されているような）ＰＧの小さなゼロ次の漏れとの何らかの組み合わせによる説明が可能である。より大きな発散角度（例えば、±９度または±１１度）に対しては、おそらくはＰＧおよびＬＷＰへのより大きな斜めの入射角に起因して、いくらかの劣化が生じる。しかし、図７は、本発明の実施形態によるＰＣＳの偏光変換は、入力発散角度が約±１１度以上の場合であっても、依然として高い（約８０％から約８７％）ことを図解している。
【００７０】
上述した非制限的な例では、偏光格子から出力されるビームは、直交していて円偏光されており（例えば、ＲＣＰおよびＬＣＰ）、それぞれが、図２Ｄに示されている例示的なルーバ付きのリターダ要素２１５などの、９０度離隔して隣接する遅延領域またはルーバの光軸を有するルーバ付きの波長板ＬＷＰによって、直線偏光に変換される。しかし、いくつかの実施形態では、モノドメインの１／４波長リターダを、偏光格子から出力される光を受け取って、それを直交する直線偏光に最初に変換するように、配列することができ、ルーバ付きの波長板を、モノドメインの１／４波長リターダから出力される光を受け取るように配置することが可能である。そのようなルーバ付き波長板は、互い違いになっている領域またはルーバを含むことがあり、その一方は半波長リターダであり、他方はどのような複屈折要素も含まない空の状態のままである。モノドメインとルーバ付き波長板との他の配列および／または組み合わせは、本発明の実施形態に従って、スポットの２つの挿入された直交する偏光されたグリッドを受け取り、単一のまたはほぼ単一の偏光状態を出力するように配置することができる。更に一般的に、以上では、偏光されていない入力光を変換して同じ直線偏光を有する光を出力するように配列されている要素の特定の組み合わせを参照して論じたが、本発明の実施形態には、多様なおよび／または予測不可能な偏光を有する入力光を変換して任意の所望の偏光を有する光を生じさせる他の配列も含まれるということは、理解されるであろう。
【００７１】
本明細書で説明されている本発明の実施形態では、ＰＧは、第１のレンズアレイの後に、そして可能であれば第２のレンズアレイの前に、多少はＦＥＬ自体の内部に存在しているのと類似して、配置されている。本発明のこの配列により、伝統的なＰＣＳ配列と比較すると、特に、相互に積層された層を備えている単一のモノリシックな要素を提供しないものと比較すると、性能、製造可能性、および光学システムの中に組み入れる容易性が、改善される。
【００７２】
いくつかの実施形態では、上述したＰＣＳ要素２００を液晶（ＬＣ）プロジェクタの内部に配列することが、可能である。特に、ＬＣプロジェクタは、ＰＣＳ要素２００への入力として偏光されていない光を提供するように配列されたＬＥＤ光源またはランプを含みうる。このＬＥＤ光源またはランプには、次にシート偏光器またはＰＢＳキューブ（例えば、マクニール（MacNeille）など）などの偏光要素が続き、次に光がその上に向けられる反射性または透過性のＬＣマイクロディスプレイが続き、次にマイクロディスプレイから出力される光を入力光として受け取るように配置され配列された映写レンズが続いている。これは非限定的な例であり、偏光要素、マイクロディスプレイ、および映写レンズの多くの組み合わせを、本明細書で説明されているＰＣＳ要素と共に用いることが可能であるということは、理解されるであろう。更に一般的には、反射性または透過性の映写ディスプレイは、本明細書で説明されているＰＣＳ要素への入力光として部分的にコリメートされた光を提供する広帯域の光源と、オプションの偏光要素と、マイクロディスプレイと、映写レンズとを含むことができる。
【００７３】
ディスプレイシステムにおける本発明の実施形態によるＰＧベースのＰＣＳの効率性を示すために、図８Ａおよび８Ｂは、ＰＧベースのＰＣＳ要素８００（上述したＰＧ−ＰＣＳ２００に類似している）を含むプロトタイプのピコプロジェクタ８０１の例を図解している。図８Ａに示されているように、３つのＬＥＤ８８０ｒ、８８０ｇ、８８０ｂからの光が、それぞれのダイクロイックミラー８７０ｒ、８７０ｇ、８７０ｂによって組み合わされ、ＰＢＣキューブ８６０の中に中継され、ＷＶＧＡ（８５４ｘ４８０）ＬＣオンシリコン（ＬＣｏＳ）マイクロディスプレイ８５５の上に向けられる。ＰＧ−ＰＣＳ８００は、ＰＢＣキューブ８６０の前に配置され、上述したものとはパラメータがほんの僅かに異なっている（すなわち、ＭＬＡの焦点距離が短く、ＰＧ周期が小さい）。ピコプロジェクタ８０１は、１２ｌｍ／Ｗという高い効率、０．８３Ｗでの１０ｌｍの輝度、６０Ｈｚのフルカラーフレームレートでの２００：１というコントラスト比（フル−オン−フル−オフ）を示した。図８Ｂに示されているように、プロジェクタ８０１全体の「ボックス」体積は約６．２ｃｍ３であり、厚さは約６．８ｍｍである。
【００７４】
本発明の実施形態は、映写された画像の優れた輝度一様性を実現することができる。図８Ｃは、ピコプロジェクタ８０１によって作成された画像の写真である。図８Ｃに示されているように、数字で構成される３ｘ３のアレイが、画像内部の位置における相対的な輝度値を示しており、白色およびすべての色に対し個別的に、（画像の最大輝度に対する最小輝度に基づく）約８６％の均斉度（uniformity ratio）と０．０６４の標準偏差とを示している。
【００７５】
比較のために、市販されているピコプロジェクタ（ソニー製のカムコーダＨＤＲ−ＰＪ２６０Ｖ）が類似の態様で測定されたが、９±１ルーメン／ワット（ｌｍ／Ｗ）の効率と、１１ｌｍの輝度と、２５０：１のコントラストと、ｎＨＤ（６４０ｘ３６０）の解像度とが得られた。最も注意すべきは、この市販されているピコプロジェクタからは、約５７％の均斉度と０．２９の標準偏差とが得られたことであって、観察者にとって劇的に一様性の低い画像が提供された。更に、本発明の実施形態によるピコプロジェクタ８０１は、９ｌｍ／Ｗの効率、９ｌｍの輝度、および１０ｃｍ３において約７０％の一様性を提供する従来型のＰＧベースのＰＣＳプロジェクタと比較して、優れている。
【００７６】
ＰＧ−ＰＣＳ自体の効果を切り離して観察するために、ＰＧ−ＰＣＳを、ヌル−ＰＣＳと置き換えてみると、結果的に、約６．１ｌｍまで輝度が低下した。つまり、本発明の実施形態によるＰＧ−ＰＣＳ８００は、約１．６４というファクタで輝度を向上させていることが示された。これは、この特定のプロジェクタにおけるＰＧ−ＰＣＳが、図７における放射測定曲線（radiometric curves）と類似する明所視的な重み付け（photopic weighting）を含めて、８２％の偏光変換を行うように動作したことを示している。
【００７７】
まとめると、本発明のいくつかの実施形態によるＰＧベースの偏光変換システムは、ピコプロジェクタのプロトタイプ８０１が極めて良好に動作し、いくつかの伝統的なＰＣＳよりも、より小さな体積でより一様な画像を、実質的により優れた効率で、生じさせることを可能にする。更に、本発明の実施形態によるＰＧベースのＰＣＳは、より大型のＬＣプロジェクタの内部においても同様の効果を生じさせるように用いることが可能であり、偏光を用いる任意のディスプレイに対してバック／フロントライトの中に適合させることも可能である。
【００７８】
例えば、いくつかの実施形態では、上述したＰＧ−ＰＣＳ要素２００を、直視ＬＣＤテレビジョン／モニタの内部において、そのバックライトユニット（ＢＬＵ）に配列することが可能である。ＰＧ−ＰＣＳ要素２００は、発光要素（例えば、ＬＥＤやランプ）に隣接するように配置することにより、発光要素から出力される偏光されていない光を所望の偏光を有する光に変換し、所望の偏光を有する光をＢＬＵ導波管に提供することができる。いくつかの実施形態では、ＰＧ−ＰＣＳ要素２００は、エッジリット（edge-lit）式のＢＬＵにおいて、ＬＥＤと導波管との間に配列することができる。
【００７９】
いくつかの実施形態では、上述したＰＧ−ＰＣＳ要素２００を、光ファイバからおよび光ファイバへの光と組み合わせることによって、多様で予測不可能な偏光を有する光を受け取りそのような光を単一の所望の偏光に変換する、という同様な目的を達成することができる。通信システムでは、多様な偏光を有する自然に存在する光は、偏光モード分散（ＰＭＤ）として数量化することができるが、損失、より低い通信帯域幅、および／または複雑性とコストの増大に至ることがありうる。したがって、シングルモードまたはマルチモードの光源（光ファイバなど）からの赤外光は、コリメータを介して方向付けを行うこと、コリメータによって拡張されることが可能であり、更に、上述したＰＧ−ＰＣＳ要素２００を通過するように配列することができる。ＰＧ−ＰＣＳ要素２００は、入射光を、既知で一様で固定された偏光に変換するのに用いることができる。そして、この変換後の偏光は、次に、増幅器、減衰器、フィルタ、または第２の光ファイバへの第２のコリメータを含む通信で用いられる様々な後続のコンポーネントに向けることができる。
【００８０】
したがって、本発明の実施形態は、偏光されていない光を直線偏光された状態の光に高い効率で変換するＰＧベースのＰＣＳを提供する。それは、入射光を角度的に分離して直交する円偏光を有する発散ビームを生じさせる広帯域ＰＧに基づいており、他方で、ＬＷＰは、それぞれのビームを同じ直線偏光に変換する。ここで、ＰＧとＬＷＰとは、共に、２つのＭＬＡの間に配列され積層されている。本発明の実施形態によるＰＧベースのＰＣＳ要素は、約±７度の発散を有する入力光に対して約９０％を超える変換効率を、約±１１度の発散を有する入力光に対して約８０〜８７％の変換効率を、提供することができる。ＰＧ−ＰＣＳは、いくつかの従来のアプローチとは対照的に、コンパクトで容易に整列させることができるモノリシックな要素である。ＰＧ−ＰＣＳは、ピコプロジェクタ内に実装され、その結果として、１２ｌｍ／Ｗの発光効率、１０ｌｍの輝度、トップクラス（class-leading）の画像一様性、および６．２ｃｍ３という体積が得られ、それにより、ＰＧ−ＰＣＳの高い効率という長所が示される。
【００８１】
本発明の実施形態によるＰＧ−ＰＣＳは、このようにしてより高い効率を提供し、更に、より薄く、コンポーネント層がより少なく、製造および取り扱いがますます容易であることにより、より単純で、より安価なデバイスが可能になる。更に、本明細書で説明されているＰＧ−ＰＣＳは、回折分割要素に依存することにより、いくつかの従来型のアプローチにおいて用いられうる分割要素の異なる領域の間の境界を回避することができる。
【００８２】
第１および第２のレンズアレイを含むように、本明細書での複数の実施形態において例示として説明されているが、リターダ要素から出力される光を受け取るように配置されている第２のレンズアレイは、本明細書で説明されているいくつかの実施形態によると、除外することも可能である。また、本発明の実施形態によると、反射防止コーティングを、周囲の媒体（例えば、空気）とのインターフェースとなる１つまたは複数の表面上に適用することができる。
【００８３】
本明細書で説明されている「リターダ要素」、「リターダ」、および「遅延板」などの用語は、均質の波長板を含む任意の複屈折板に言及するために相互交換可能に用いることが可能である。このような複屈折板は、また、単一軸、二軸、または不均一でもありうる。本明細書で説明されるリターダは、広帯域（すなわち、無色）または狭帯域（すなわち、有色）でありうる。したがって、本明細書で説明されているリターダは、光学的回転もしくは複屈折遅延またはそれらの任意の組み合わせを介して偏光の変化を達成することができるが、それ自体を通過する光の伝播の方向に著しく影響を与えるまたは偏光することはできない。
【００８４】
以上、主に偏光されていない入力光に関連して説明したが、いくつかの実施形態では、第１のレンズアレイへの入射光が、楕円状に偏光されたまたは部分的に偏光された光（例えば、何らかのレーザダイオードおよび／またはＬＥＤ光源などによって提供される）であることが可能である。
【００８５】
また、上述したように、いくつかの実施形態では、モノドメインの波長板を、ルーバ付きの波長板と組み合わせて、ＰＧの前または後にオプションとして配列することで、上述したもの以外にも、任意の所望の偏光を提供するまたは任意の所望の偏光と一致することが可能であることが理解されるであろう。
【００８６】
以上の説明と添付の図面との関係で、多くの異なる実施形態が本明細書において開示されてきた。これらの実施形態のすべての組み合わせと下位の組み合わせとを文字により説明し図解するのであれば、過渡に反復が多く不明瞭となるであろうことは理解されるであろう。したがって、本明細書は、図面を含めて、本明細書で説明されている実施形態のすべての組み合わせおよび下位の組み合わせに関する、更にはそれらを製造し使用する態様およびプロセスに関する、完全な書面による説明を構成するものと解釈されるべきであり、任意のそのような組み合わせまたは下位の組み合わせに関する特許請求の範囲をサポートしている。
【００８７】
図面および明細書において、本開示の実施形態を開示してきた。特定の用語が用いられているが、それらの用語は、一般的かつ記述的な意味でのみ用いられていて、限定する目的のためではない。したがって、以上は本発明を説明するものであり、開示されている特定の実施形態に限定されるものであるとは解釈すべきではなく、開示されている実施形態への修正や他の実施形態は、本発明の範囲に属することが意図されていることを理解すべきである。
【図１Ａ】
2014530385.tif 000003
【図１Ｂ】
2014530385.tif 000004
【図２Ａ】
2014530385.tif 000005
【図２Ｂ】
2014530385.tif 000006
【図２Ｃ】
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【図２Ｄ】
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【図２Ｅ】
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【図３】
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【図４】
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【図６Ａ】
2014530385.tif 000012
【図６Ｂ】
2014530385.tif 000013
【図６Ｃ】
2014530385.tif 000014
【図６Ｄ】
2014530385.tif 000015
【図７】
2014530385.tif 000016
【図８Ａ】
2014530385.tif 000017
【図５Ａ】
2014530385.tif 000018
【図５Ｂ】
2014530385.tif 000019
【図８Ｂ】
2014530385.tif 000020
【図８Ｃ】
2014530385.tif 000021
【手続補正書】
【提出日】平成26年6月11日(2014.6.11)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レンズ要素と、
空間的に変動する局所的光軸をその表面に沿った方向に有し、前記レンズ要素から出力される光を受け取るように配列された偏光格子と、
前記偏光格子から出力される第１および第２の異なる偏光状態の偏光を受け取り、前記第１および第２の異なる偏光状態の両方を同一の偏光状態に変更するように配列されたリターダ要素と
を備えている偏光変換システム。
【請求項２】
前記レンズ要素は、同一平面配列において並んで配置された少なくとも２つのレンズレット要素を有するレンズアレイを備えており、前記偏光格子は、前記レンズアレイとその焦点面との間に配置されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記リターダ要素は、同一平面配列において並んで配置され前記レンズアレイのレンズレット要素のそれぞれと整列された２組以上の互い違いになっている遅延領域を含む、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記リターダ要素は、前記互い違いになっている遅延領域の光軸が約９０度分離している１／４波長板を備えている、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記偏光格子は、前記レンズレット要素から出力されたビームのそれぞれを、直交する偏光状態の第１および第２のビームに回折し、前記レンズアレイの前記焦点面において焦点の第１および第２の空間的にオフセットされたアレイを画定するように構成され、
前記リターダ要素は、前記レンズアレイの前記焦点面に配置されており、前記第１および第２のビームの前記直交する偏光状態を前記第１および第２のビームが伝播する方向のそれぞれを実質的に変更することなく直線偏光に変換するように構成されている、請求項２に記載のシステム。
【請求項６】
前記偏光格子は、反対の掌性の直交する円偏光状態を有する発散ビームを含む偏光を出力するように構成されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記発散ビームは、前記レンズアレイ上に入射する光の強度の約９０％よりも高い強度を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記レンズアレイ上に入射する前記光は約±５度以上の発散角度を有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記レンズアレイ上に入射する前記光は約±１０度以上の発散角度を有する、請求項７に記載のシステム。
【請求項１０】
前記レンズアレイは第１のレンズアレイを備え、
同一平面配列において並んで配置された少なくとも２つのレンズレット要素を有する第２のレンズアレイを更に備えており、
前記第２のレンズアレイは前記リターダ要素に隣接して配置され、前記互い違いになっているドメインのそれぞれの組から出力された光を、前記第２のレンズアレイのそれぞれのレンズレット要素を通して集中させる、請求項３に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第２のレンズアレイは、前記リターダ要素から出力された前記光をコリメートして、約８０％以上の直線偏光を含む、この偏光変換システムからの光出力を提供する、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記偏光格子と前記リターダ要素との間、前記第１のレンズアレイと前記偏光格子との間、および／または前記リターダ要素と前記第２のレンズアレイとの間に配置された透明なスペーサ要素を更に備えている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１のレンズアレイと、前記偏光格子と、前記スペーサ要素と、前記リターダ要素と、前記第２のレンズアレイとは、モノリシックな光学要素を提供するように積層されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記リターダ要素は少なくとも１つのキラル液晶層を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記少なくとも１つのキラル液晶層は、そのそれぞれの厚さにわたり異なるねじれ角度だけ回転されたそれぞれの分子配向を有する第１および第２のキラル液晶層を含み、前記ねじれ角度の少なくとも１つは非ゼロである、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第１のレンズアレイに入射する少なくとも部分的にコリメートされた光を提供するように構成された光源と、
前記第２のレンズアレイから出力された光を受け取るように配列されたマイクロディスプレイと、
前記マイクロディスプレイから出力された光を入射／入力光として受け取るように配列された映写レンズと
を備えた映写機に含まれている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第１のレンズアレイ上に入射する偏光されていない光を提供するように構成された発光要素と、
前記第２のレンズアレイから出力された光を受け取るように配置された導波管と
を備えた直視ディスプレイのバックライトユニットに含まれている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１８】
前記レンズ要素上に入射する赤外光を提供するように構成された赤外光源と、
前記リターダ要素から出力された光を受け取るように構成された光学要素と
を備えた通信システムに含まれている、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
偏光変換システムを製造する方法であって、
レンズ要素と、空間的に変動する局所的光軸をその表面に沿った方向に有する偏光格子と、リターダ要素とを提供するステップと、
前記偏光格子が前記レンズ要素から出力される光を受け取り、前記リターダ要素が前記偏光格子から出力される第１および第２の異なる偏光状態の偏光を受け取り、前記第１および第２の異なる偏光状態を同一の偏光状態に変更するように、前記レンズ要素と、前記偏光格子と、前記リターダ要素とを配列するステップと
を含む方法。
【請求項２０】
前記レンズ要素は、同一平面配列において並んで配置された少なくとも２つのレンズレット要素を有するレンズアレイを備えており、
前記偏光格子を配列するステップは、
前記偏光格子を前記レンズアレイとその焦点面との間に配置するステップを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記リターダ要素は、同一平面配列において並んで配置された少なくとも２組の互い違いになっている遅延領域を含み、
前記リターダ要素を配列するステップは、
前記リターダ要素を前記レンズアレイの前記焦点面に配置するステップと、
前記互い違いになっている遅延領域の組のそれぞれを前記レンズアレイの前記レンズレット要素のそれぞれと整列させるステップと
を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記リターダ要素は、前記互い違いになっている遅延領域の光軸が約９０度分離している１／４波長板を備えている、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記レンズアレイは第１のレンズアレイを備えており、
同一平面配列において並んで配置された少なくとも２つのレンズレット要素を有する第２のレンズアレイを前記リターダ要素に隣接して配置することにより、前記互い違いになっているドメインの組のそれぞれから出力された光を、前記第２のレンズアレイのレンズレット要素のそれぞれを通して集中させるステップを更に含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
前記偏光格子と前記リターダ要素との間、前記第１のレンズアレイと前記偏光格子との間、および／または前記リターダ要素と前記第２のレンズアレイとの間に透明なスペーサ要素を提供するステップを更に含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記第１のレンズアレイと、前記偏光格子と、前記スペーサ要素と、前記リターダ要素と、前記第２のレンズアレイとを積層してモノリシックな光学要素を提供するステップを更に含む、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記リターダ要素は少なくとも１つのキラル液晶層を含む、請求項１９記載の方法。
【請求項２７】
前記偏光格子はその領域の間に境界を有していない、請求項１に記載の装置。
【請求項２８】
前記偏光格子は、その中で屈折が生じない回折要素を備えている、請求項１に記載の装置。
【国際調査報告】
2014530385.tif 000022