(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも部分的に非偏光の入射光を、同じ偏光状態を有する光に変換する偏光変換システムであって、
表面に沿って少なくとも１つの次元で非線形に変化する局所的な光軸方向を有する幾何学的位相素子であって、前記幾何学的位相素子は、少なくとも部分的に非偏光の入射光を、直交する偏光状態を有する第１のビーム及び第２のビームに回折させ、前記第１のビームを該幾何学的位相素子に関連する焦点距離で合焦させ、該焦点距離で前記第２のビームを合焦させないように構成される幾何学的位相素子と、
前記幾何学的位相素子から出力される光を受け取るように配置されるリターダ素子であって、前記リターダ素子は前記第１のビームを第１のリタデーション領域で受け取るように構成され、前記リターダ素子は前記第２のビームを第２のリタデーション領域で受け取るように構成され、前記リターダ素子は前記第１のリタデーション領域が前記第２のリタデーション領域に隣接して配置されるように構成され、前記リターダ素子は、前記第１のリタデーション領域及び前記第２のリタデーション領域において、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記直交する偏光状態を、該第１のビーム及び該第２のビームのそれぞれの伝播方向を変更することなく、それぞれ同じ偏光状態に変換するように構成され、前記リターダ素子は、前記第１のリタデーション領域と前記第２のリタデーション領域が、異なるリタデーションを有するように構成されている、リターダ素子と、
を備える偏光変換システム。
【請求項２】
前記幾何学的位相素子の光学異方性は、該幾何学的位相素子の前記表面に沿って一定の大きさを有する、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記局所的な光軸方向は、前記幾何学的位相素子の前記表面に沿って変化する周期性を有する複屈折パターンを規定している、請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記変化する周期性は、前記幾何学的位相素子の前記表面に沿ってそれぞれのレンズ領域を規定する、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記幾何学的位相素子の中心部分における前記周期性は、該幾何学的位相素子の縁部分おける前記周期性より大きい、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記局所的な光軸方向は、前記幾何学的位相素子の前記表面に沿って第１の次元及び第２の次元で変化する、請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記幾何学的位相素子の前記表面の面積は、入射光によって提供される照明の面積より大きい、請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記幾何学的位相素子は、間にレンズ素子を介在させることなく非偏光の光源から直接前記入射光を受け取るように配置されている、請求項７に記載のシステム。
【請求項９】
前記幾何学的位相素子は、前記少なくとも部分的に非偏光の入射光を、前記直交する偏光状態を有する第１の発散ビーム及び第２の発散ビームに回折させ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１０】
前記リターダ素子は、前記幾何学的位相素子の焦点距離に又はその近くに位置付けられる、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１のビーム及び前記第２のビームは、正反対の対称性の直交する円偏光状態を有し、前記リターダ素子は、前記直交する円偏光状態の各々を同じ直線偏光状態に変換するように構成されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１２】
前記リターダ素子は、同一平面配置で横に並んで又は同心に位置付けられた前記第１のリタデーション領域及び前記第２のリタデーション領域を含み、前記幾何学的位相素子は、前記第１のビームを前記第１のリタデーション領域に向け、前記第２のビームを前記第２のリタデーション領域に向けるように構成されている、請求項１０に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１のリタデーション領域の面積は、前記幾何学的位相素子の前記焦点距離における焦点の面積に対応する、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記リターダ素子は４分の１波長板を備え、前記第１のリタデーション領域及び前記第２のリタデーション領域の光軸は約９０度離れている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１５】
１つ又は複数の光源であって、該１つ又は複数の光源から出力される光が前記幾何学的位相素子に入射するように配置された、１つ又は複数の光源を更に備え、
前記光源の各々は、前記幾何学的位相素子の前記レンズ領域のうちの１つに位置合わせされる、請求項４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記それぞれのレンズ領域から出力される前記光は、前記幾何学的位相素子の焦平面において同じ偏光状態を有するそれぞれのスポットを画定する、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記リターダ素子から出力される光を受け取るように配置された偏光素子を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記リターダ素子から出力される光を受け取るように配置された光導波路であって、該光導波路の表面から該体積を通って出力される前記光の偏光を維持するように構成された光導波路を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記光導波路は１つ又は複数の光学構造体を備え、該光学構造体は、前記リターダ素子から出力される光を、該光の偏光を維持しながら該光学構造体を通るように方向付けるように構成されている、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記光学構造体は、プリズム構造体、マイクロレンズ及び／又は平面薄膜を含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記幾何学的位相素子と前記リターダ素子との間に配置され、直線的に変化する局所的な光軸方向を有する偏光格子を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記リターダ素子は半波長リターダ素子であり、
前記半波長リターダ素子から出力される光を受け取るように位置付けられ、直線的に変化する局所的な光軸方向を有する偏光格子と、
前記偏光格子から出力される光を受け取るように位置付けられた４分の１波長リターダ素子と、
を更に備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記幾何学的位相素子と前記リターダ素子との間に位置付けられた透明スペーサ素子を更に備え、
前記幾何学的位相素子、前記スペーサ素子及び前記リターダ素子は、モノリシック構造を提供するように積層されている、請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記リターダ素子は、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２５】
前記少なくとも１つのキラル液晶層は第１のキラル液晶層及び第２のキラル液晶層を備え、該第１のキラル液晶層及び該第２のキラル液晶層は、該第１のキラル液晶層及び該第２のキラル液晶層のそれぞれの厚さにわたって異なるねじれ角だけ回転するそれぞれの分子配向を有し、前記ねじれ角のうちの少なくとも一方が非ゼロである、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
前記システムはプロジェクタに含まれ、該プロジェクタは、
前記幾何学的位相素子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、
前記リターダ素子から出力される光を受け取るように配置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る光を受け取るように配置された投影レンズと、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
前記システムは直視型ディスプレイの照明ユニットに含まれ、該直視型ディスプレイは、
前記幾何学的位相素子に入射する非偏光の光を提供するように構成された発光素子と、
前記リターダ素子から出力される光を受け取るように配置された導波路と、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
前記システムは電気通信システムに含まれ、該電気通信システムは、
前記幾何学的位相素子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、
前記リターダ素子から出力される光を受け取るように構成された光ファイバ素子と、
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
少なくとも部分的に非偏光の入射光を、同じ偏光状態を有する光に変換する偏光変換システムを製造する方法であって、
表面に沿って少なくとも１つの次元で非線形に変化する局所的な光軸方向を備えた光学異方性を有する幾何学的位相素子を準備するステップであって、前記幾何学的位相素子は、少なくとも部分的に非偏光の入射光を、直交する偏光状態を有する第１のビーム及び第２のビームに回折させ、前記第１のビームを該幾何学的位相素子に関連する焦点距離で合焦させ、該焦点距離で前記第２のビームを合焦させないように構成される幾何学的位相素子である、幾何学的位相素子を準備するステップと、
前記幾何学的位相素子から出力される光を受け取るようにリターダ素子を配置するステップであって、前記リターダ素子は前記第１のビームを第１のリタデーション領域で受け取るように構成され、前記リターダ素子は前記第２のビームを第２のリタデーション領域で受け取るように構成され、前記リターダ素子は、前記第１のリタデーション領域が前記第２のリタデーション領域に隣接して配置されるように構成され、前記リターダ素子は、前記第１のリタデーション領域及び前記第２のリタデーション領域において、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記直交する偏光状態を、該第１のビーム及び該第２のビームのそれぞれの伝播方向を変更することなく、それぞれ同じ偏光状態に変換するように構成され、前記リターダ素子は、前記第１のリタデーション領域と前記第２のリタデーション領域が、異なるリタデーションを有するように構成されている、リターダ素子を配置するステップと、
を含む、偏光変換システムを製造する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、偏光変換及び関連システムに関する。
【０００２】
［優先権の主張］
本出願は、２０１３年３月１３日に出願された米国仮特許出願第６１／７７９，３０４号の優先権を主張する。この特許文献の開示は引用することによりその全体が本明細書の一部をなすものとする。
【背景技術】
【０００３】
多くの光学デバイス及びシステムが、動作のために偏光された光を必要とする可能性がある。こうしたデバイスは、例えば、フラットパネルディスプレイ、プロジェクションディスプレイ、光ファイバネットワーク及び／又は光センサを含む種々の適用分野内で見つけることができる。しかしながら、例えば発光ダイオード（ＬＥＤ）、冷陰極蛍光管（ＣＣＦＬ）、白熱灯及び／又は自然光を含む多くの光源は非偏光である可能性がある。
【０００４】
偏光板又は様々な複屈折プリズム等の偏光素子を用いて、非偏光の光を偏光された光に変換することができる。しかしながら、こうした偏光素子は本質的に損失が大きい可能性があり、それは、それらの偏光素子が通常、不要な光を吸収することによるか又は不要な光を所望の方向から離れるように向け直すことによって動作するためである。これにより、光がディスプレイコンポーネントに入る前であっても、光パワーの約５０％を超える損失がある可能性がある。こうした大きい損失は、特に高輝度ディスプレイシステム又はバッテリ寿命が限られる携帯用バッテリ式ディスプレイシステムにおいて、通常望ましくない。
【０００５】
幾つかの手法を用いて、偏光された光に変換される非偏光の光の量（本明細書では「変換効率」と呼ぶ）が約５０％を超えるように、偏光素子における損失を低減してきた。１つのこうした手法は、不要な偏光が、スクランブルがかけられるか又は所望の偏光に変換され、その後所望の偏光の少なくとも一部とともに再放射されることを期待して、選択的に、所望の偏光をディスプレイ内に通し、不要な偏光を照明システムに戻るように反射する。こうした手法は、光源から出力される光のエテンデュ（すなわち拡散の程度）を保持することができる。
【０００６】
偏光変換システム（ＰＣＳ）と呼ぶ偏光変換に対する別の手法は、不要な偏光を含む入射光を、吸収するか又は出力から向け直す代りに、所望の偏光に変換するものであり、例えば特許文献１及び特許文献２に記載されている。これにより、通常６０％〜８０％の効率での偏光変換をもたらすことができる。
【０００７】
ＰＣＳ手法の１つの難題は、偏光分離素子と係わる場合がある。特に、多くの手法は、小型偏光ビームスプリッタのアレイ（ＰＢＳアレイ）を採用する場合がある。こうしたアレイは、相対的に小さい入射角度に対しては十分に用いることができるが、約±５度以上の角度で軸外入射する光に対して実質的な性能の低下がある可能性がある。特許文献３に記載されている代替的なＰＣＳは、ブレーズドマイクロプリズムアレイとバルク液晶との複雑な組合せを採用するが、こうした複雑な構造は、製造が困難である可能性があり、及び／又は性能限界がある可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許第５，９９５，２８４号
【特許文献２】米国特許第５，９８６，８０９号
【特許文献３】米国特許第６，６２１，５３３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
さらに、偏光変換を達成するために、１つ又は複数の偏光格子（ＰＧ）を、ミラー又は波長板（waveplate）及びマイクロプリズムアレイと組み合わせて使用してきた。しかしながら、前者の配置には比較的大きい体積が必要である可能性があり、後者の配置は、極めてコリメートされた光の場合を除いて実用性に欠ける可能性がある。
【００１０】
また、従来の屈折マイクロレンズアレイ、偏光格子及びルーバ付き波長板を採用する２つのＰＣＳの配置も実演されてきた。しかしながら、こうした構成では、製造及び比較的広い面積にわたる位置決めに関して難題が生じる可能性があり、それは、それらが、別個に製造され注意深く位置合わせされなければならない少なくとも５つの素子を必要とする可能性があるためである。さらに、マイクロレンズアレイに対して可能なサイズ及びＦ値（レンズの直径に対する焦点距離の比）の実際的な限界により、性能が制限されるか又はコストが増大することが多い。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本明細書に記載する幾つかの実施形態によれば、偏光変換装置又はシステムは、少なくとも１つの光源から出力される光を受け取るように位置付けられた幾何学的位相ホログラムと、幾何学的位相ホログラムから出力される光を受け取るように位置付けられたパターン化リターダとを含む。
【００１２】
幾つかの実施形態では、光源から出力される光は、幾何学的位相ホログラムの面積より小さい放射面積を有することができる。
【００１３】
幾つかの実施形態では、光源から出力される光は、広帯域のスペクトルを有することができる。
【００１４】
幾つかの実施形態では、光源から出力される光は、少なくとも部分的に非偏光とすることができる。
【００１５】
幾つかの実施形態では、幾何学的位相ホログラムを、１つの円偏光を合焦させ、直交する円偏光を合焦させないように構成することができる。したがって、幾何学的位相ホログラムを、その位相プロファイルにおいてレンズ機能を実施するように構成することができる。
【００１６】
幾つかの実施形態では、パターン化リターダを、幾何学的位相ホログラムの焦平面又はその近くに位置付けることができる。
【００１７】
幾つかの実施形態では、パターン化リターダは、アクロマティック４分の１波長リタデーションを有することができる。
【００１８】
本明細書において説明する幾つかの実施形態によれば、偏光変換システムは、表面に沿って少なくとも１つの次元で非線形に変化する局所的な光軸方向を備えた光学異方性を有する幾何学的位相素子を備える。リターダ素子が、幾何学的位相素子から出力される光を受け取るように配置される。
【００１９】
幾つかの実施形態では、幾何学的位相素子の光学異方性は、幾何学的位相素子の表面に沿って一定の大きさを有することができる。
【００２０】
幾つかの実施形態では、局所的な光軸方向は、幾何学的位相素子の表面に沿って変化する周期性を有する複屈折パターンを規定することができる。
【００２１】
幾つかの実施形態では、変化する周期性は、幾何学的位相素子の表面に沿ってそれぞれのレンズ領域を規定することができる。
【００２２】
幾つかの実施形態では、幾何学的位相素子の中心部分における周期性は、幾何学的位相素子の縁部分における周期性より大きくすることができる。
【００２３】
幾つかの実施形態では、局所的な光軸方向は、幾何学的位相素子の表面に沿って第１の次元及び第２の次元で変化することができる。
【００２４】
幾つかの実施形態では、幾何学的位相素子の表面の面積は、幾何学的位相素子における入射光によって提供される照明の面積より大きくすることができる。
【００２５】
幾つかの実施形態では、幾何学的位相素子は、間にレンズ素子を介在させることなく非偏光の光源から直接入射光を受け取るように配置することができる。
【００２６】
幾つかの実施形態では、幾何学的位相素子は、少なくとも部分的に非偏光の入射光を、直交する偏光状態を有する第１の発散ビーム及び第２の発散ビームに回折させるように構成することができる。
【００２７】
幾つかの実施形態では、幾何学的位相素子は、第１のビームをこの幾何学的位相素子に関連する焦点距離で合焦させ、この焦点距離で第２のビームを合焦させないように更に構成することができる。
【００２８】
幾つかの実施形態では、リターダ素子は、幾何学的位相素子の焦点距離に隣接して位置付けることができる。リターダ素子は、第１のビーム及び第２のビームの直交する偏光状態を、第１のビーム及び第２のビームのそれぞれの伝播方向を実質的に変更することなく同じ偏光状態に変換するように構成することができる。
【００２９】
幾つかの実施形態では、第１のビーム及び第２のビームは、正反対の対称性の直交する円偏光状態を有することができる。リターダ素子は、直交する円偏光状態の各々を同じ直線偏光状態に変換するように構成することができる。
【００３０】
幾つかの実施形態では、リターダ素子は、同一平面配置で横に並んで又は同心に位置付けられた第１のリタデーション領域及び第２のリタデーション領域を含むことができる。幾何学的位相素子は、第１のビームを第１のリタデーション領域に向け、第２のビームを第２のリタデーション領域に向けるように構成することができる。
【００３１】
幾つかの実施形態では、第１のリタデーション領域の面積は、幾何学的位相素子の焦点距離における焦点の面積に対応することができる。
【００３２】
幾つかの実施形態では、リターダ素子は４分の１波長板とすることができ、第１のリタデーション領域及び第２のリタデーション領域の光軸は約９０度離すことができる。
【００３３】
幾つかの実施形態では、１つ又は複数の光源を、この１つ又は複数の光源から出力される光が幾何学的位相素子に入射するように配置することができる。光源の各々は、幾何学的位相素子のレンズ領域のうちの１つに位置合わせすることができる。
【００３４】
幾つかの実施形態では、それぞれのレンズ領域から出力される光は、幾何学的位相素子の焦平面において同じ偏光状態を有するそれぞれのスポットを画定することができる。
【００３５】
幾つかの実施形態では、偏光素子は、リターダ素子から出力される光を受け取るように配置することができる。
【００３６】
幾つかの実施形態では、光導波路は、リターダ素子から出力される光を受け取るように配置することができ、光導波路の表面から体積を通って出力される光の偏光を維持するように構成することができる。
【００３７】
幾つかの実施形態では、光導波路は１つ又は複数の光学構造体を備えることができ、この光学構造体は、リターダ素子から出力される光を、その光の偏光を維持しながらその光学構造体を通るように方向付けるように構成される。
【００３８】
幾つかの実施形態では、光学構造体は、プリズム構造体、マイクロレンズ及び／又は平面薄膜を含むことができる。
【００３９】
幾つかの実施形態では、偏光格子は、幾何学的位相素子とリターダ素子との間に配置することができる。
【００４０】
幾つかの実施形態では、リターダ素子は半波長リターダ素子とすることができる。偏光格子は、半波長リターダ素子から出力される光を受け取るように位置付けることができ、４分の１波長リターダ素子は、偏光格子から出力される光を受け取るように位置付けることができる。
【００４１】
幾つかの実施形態では、透明スペーサ素子は、幾何学的位相素子とリターダ素子との間に位置付けることができる。幾何学的位相素子、スペーサ素子及びリターダ素子は、モノリシック構造を提供するように積層することができる。
【００４２】
幾つかの実施形態では、リターダ素子は、少なくとも１つのキラル液晶層を含むことができる。
【００４３】
幾つかの実施形態では、少なくとも１つのキラル液晶層は第１のキラル液晶層及び第２のキラル液晶層とすることができ、第１のキラル液晶層及び第２のキラル液晶層は、第１のキラル液晶層及び第２のキラル液晶層のそれぞれの厚さにわたって異なるねじれ角だけ回転するそれぞれの分子配向を有する。ねじれ角のうちの少なくとも一方は非ゼロとすることができる。
【００４４】
幾つかの実施形態では、システムは、プロジェクタに含まれることができる。プロジェクタは、幾何学的位相素子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、リターダ素子から出力される光を受け取るように配置された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受け取るように配置された投影レンズと、を備えることができる。
【００４５】
幾つかの実施形態では、システムは、直視型ディスプレイの照明ユニットに含まれることができる。照明ユニットは、幾何学的位相素子に入射する非偏光の光を提供するように構成された発光素子と、リターダ素子から出力される光を受け取るように配置された導波路とを備えることができる。
【００４６】
幾つかの実施形態では、システムは、電気通信システムに含まれることができる。電気通信システムは、幾何学的位相素子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、リターダ素子に出力される光を受け取るように構成された光ファイバ素子とを備えることができる。
【００４７】
本明細書において説明する幾つかの実施形態によれば、方法は、表面に沿って少なくとも１つの次元で非線形に変化する局所的な光軸方向を備えた光学異方性を有する幾何学的位相素子を準備することと、幾何学的位相素子から出力される光を受け取るようにリターダ素子を配置することと、を含む。
【００４８】
幾つかの方法実施形態では、リターダ素子は、幾何学的位相素子から直交する偏光状態を有する第１の発散ビーム及び第２の発散ビームを受け取るように配置される。
【００４９】
幾つかの方法実施形態では、リターダ素子を配置することは、第１のビーム及び第２のビームの直交する偏光状態が、第１のビーム及び第２のビームのそれぞれの伝播方向を実質的に変更することなく同じ偏光状態に変換されるように、幾何学的位相素子の焦点距離に隣接してリターダ素子を配置することを更に含む。
【００５０】
幾つかの方法実施形態では、リターダ素子は、同一平面配置で横に並んで又は同心状に位置付けられた異なる第１のリタデーション領域及び第２のリタデーション領域を含み、第１のビームは第１のリタデーション領域に向けられ、第２のビームは第２のリタデーション領域に向けられる。
【００５１】
幾つかの方法実施形態は、間にレンズ素子を介在させることなく１つ又は複数の非偏光の光源から直接入射光を受け取るように幾何学的位相素子を配置することを更に含む。
【００５２】
幾つかの方法実施形態では、局所的な光軸方向は、幾何学的位相素子の表面に沿ってそれぞれのレンズ領域を画定する、周期性が変化する複屈折パターンを画定し、光源の各々は、幾何学的位相素子のレンズ領域のうちの１つに位置合わせされる。
【００５３】
幾つかの方法実施形態は、間に透明リターダ素子を置いて幾何学的位相素子及びスペーサ素子を積層してモノリシック構造体を提供することを更に含む。
【００５４】
幾つかの方法実施形態は、リターダ素子から出力される光を受け取るように偏光素子を配置することを更に含む。
【００５５】
幾つかの方法実施形態は、リターダ素子から出力される光を受け取るように光導波路を配置することを更に含み、光導波路は、この光導波路の表面からその体積を通して出力される光の偏光を維持するように構成される。
【００５６】
幾つかの方法実施形態は、幾何学的位相素子とリターダ素子との間に偏光格子を配置することを更に含む。
【００５７】
幾つかの方法実施形態は、半波長リターダ素子であるリターダ素子から出力される光を受け取るように偏光格子を位置付けることと、偏光格子から出力される光を受け取るように４分の１波長リターダ素子を位置付けることとを更に含む。
【００５８】
幾つかの実施形態による他の装置及び／又は方法は、以下の図面及び詳細な説明を検討することで当業者には明らかとなるであろう。全てのそのような追加の実施形態も、上記実施形態のありとあらゆる組み合わせに加えて、この説明内に含まれるとともに本発明の範囲内にあり、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】
【００５９】
【図１】本明細書に記載する幾つかの実施形態による、単一光源を備えた幾何学的位相ホログラム偏光変換システム（ＧＰＨ−ＰＣＳ）配置を示す図である。
【図２Ａ】本明細書に記載する幾つかの実施形態による１次元レンズに対する幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）における空間的に変化する光軸プロファイルの例を示す図であり、バーは局所的な光軸方向を示し、Φ（ｘ）はｘ軸に対する光軸の角度を示す。
【図２Ｂ】本明細書に記載する幾つかの実施形態による２次元レンズに対する幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）における空間的に変化する光軸プロファイルの例を示す図であり、バーは局所的な光軸方向を示し、Φ（ｘ，ｙ）はｘ軸に対する光軸の角度を示す。
【図３Ａ】ｘ方向において光軸変化及び回折がある偏光格子（ＰＧ）の空間的に変化する光軸プロファイルの例を示す図である。
【図３Ｂ】ｙ方向において光軸変化及び回折がある偏光格子（ＰＧ）の空間的に変化する光軸プロファイルの例を示す図である。
【図４Ａ】例えば、本明細書に記載する幾つかの実施形態による図２Ａの１次元幾何学的位相レンズと使用されるのに適している、−４５度光軸に線形領域があり＋４５度光軸に周囲領域があるパターン化リターダに対する光軸プロファイルの例を示す図である。
【図４Ｂ】例えば、本明細書に記載する幾つかの実施形態による図２Ｂの２次元幾何学的位相レンズと使用されるのに適している、−４５度光軸に１つの中心スポット領域があり＋４５度光軸に周囲領域があるパターン化リターダに対する光軸プロファイルの例を示す図である。
【図５Ａ】本明細書に記載する幾つかの実施形態による、複数の光源を備えた幾何学的位相ホログラム偏光変換システム（ＧＰＨ−ＰＣＳ）配置の平面図である。
【図５Ｂ】本明細書に記載する幾つかの実施形態による、複数の光源を備えた幾何学的位相ホログラム偏光変換システム（ＧＰＨ−ＰＣＳ）配置の斜視図である。
【図６】本明細書に記載する幾つかの実施形態による追加の偏光子を更に含む、図１によるＧＰＨ−ＰＣＳ配置を示す図である。
【図７Ａ】本明細書に記載する幾つかの実施形態による光導波路及びスペーサを更に含む、図１によるＧＰＨ−ＰＣＳ配置を示す平面図である。
【図７Ｂ】本明細書に記載する幾つかの実施形態による光導波路及びスペーサを更に含む、図１によるＧＰＨ−ＰＣＳ配置を示す斜視図である。
【図８】本明細書に記載する幾つかの実施形態による偏光格子（ＰＧ）及び４分の１波長（ＱＷ）リターダを更に含む、図７によるＧＰＨ−ＰＣＳ配置を示す図である。
【図９】本明細書に記載する幾つかの実施形態によるパターン化リターダ（ＰＲ）の前に偏光格子（ＰＧ）を更に含む、図７によるＧＰＨ−ＰＣＳ配置を示す図である。
【図１０】本明細書に記載する幾つかの実施形態による追加的な偏光子を更に含む、図８によるＧＰＨ−ＰＣＳ配置を示す図である。
【図１１】本明細書に記載する幾つかの実施形態による追加的な偏光子を更に含む、図９によるＧＰＨ−ＰＣＳ配置を示す図である。
【図１２】本明細書に記載する幾つかの実施形態によるエッジリット（edge-lit）ＧＰＨ−ＰＣＳの角度パラメータ及び寸法パラメータを示す平面図である。
【図１３】本明細書に記載する幾つかの実施形態による幾何学的位相レンズの焦点距離推定を示すグラフである。
【図１４】本明細書に記載する幾つかの実施形態による幾何学的位相レンズのＦ値推定を示すグラフである。
【図１５】本明細書に記載する様々な実施形態に対する偏光変換効率推定を示すグラフである。
【図１６Ａ】図７ＡのＧＰＨ−ＰＣＳ配置に対応する幾何学的形状モデルのシミュレーションを示す図である。
【図１６Ｂ】本明細書に記載する幾つかの実施形態によるシミュレーションに使用された非偏光入力の放射照度マップを示す図である。
【図１６Ｃ】本明細書に記載する幾つかの実施形態によるシミュレーションに使用された非偏光入力の放射照度グラフである。
【図１７Ａ】図７ＡのＧＰＨ−ＰＣＳ配置に対応する幾何学的形状モデルのシミュレーションを示す図である。
【図１７Ｂ】本明細書に記載する幾つかの実施形態によるシミュレーションの結果として得られる直線偏光出力の放射照度マップを示す図である。
【図１７Ｃ】本明細書に記載する幾つかの実施形態によるシミュレーションの結果として得られる直線偏光出力の放射照度グラフである。
【発明を実施するための形態】
【００６０】
本発明は、本発明の実施形態が示されている添付図面を参照して以下でより十分に説明される。ただし、本発明は、多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書において明らかにされ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。それとは逆に、これらの実施形態は、この開示が十分かつ完全なものとなるとともに本発明の範囲を当業者に十分伝達するように提供される。図面において、層及び領域のサイズ及び相対的なサイズは、明確にするために誇張されている場合がある。同様の参照符号は、全体を通じて同様の要素を参照する。
【００６１】
本明細書では第１の、第２、第３の等の用語を使用して様々な要素、構成要素、領域、層及び／又は部分について記載する場合があるが、これらの要素、構成要素、領域、層及び／又は部分は、これらの用語によって限定されるべきではないことが理解されよう。これらの用語は、単に、１つの要素、構成要素、領域、層又は部分を別の領域、層又は部分から識別することにのみ使用される。したがって、後述する第１の要素、構成要素、領域、層又は部分を、本発明の教示から逸脱することなく第２の要素、構成要素、領域、層又は部分と呼ぶことができる。
【００６２】
「真下（beneath）」、「下方（below）」、「下部（lower）」、「下（under）」、「上方（above）」、「上部（upper）」等の空間的に相対的な用語が、図に示すような或る要素又は特徴部の、別の要素（複数の場合もある）又は特徴部（複数の場合もある）に対する関係を説明する記述を容易にするために、本明細書において用いられる場合がある。これらの空間的に相対的な用語は、図に示す方向に加えて使用中又は動作中のデバイスの種々の方向を包括的に含むように意図されていることが理解されるであろう。例えば、図におけるデバイスが反転した場合、他の要素又は特徴部の「下方」又は「真下」又は「下」として説明された要素は、その後、それらの他の要素又は特徴部の「上方」の方向にある。したがって、例示的な用語「下方」及び「下」は、上方及び下方の双方の方向を包括的に含むことができる。「〜の前に（before）」又は「先行する（preceding）」及び「〜の後に（after）」又は「続いて〜（followed by）」等の用語は、例えば、光が素子を通過する順序を示すように、同様に用いる場合がある。デバイスは、（９０度又は他の方向に回転されて）それ以外の方向にある場合があり、本明細書において用いられる空間的に相対的な記述語がそれに応じて解釈される。加えて、或る層が２つの層の「間」にあるというとき、その或る層は、それらの２つの層の間の唯一層である可能性もあるし、１つ又は複数の介在する層も存在する場合もあることも理解されるであろう。
【００６３】
本明細書において用いられる用語は、特定の実施形態を説明することだけを目的とし、本発明の限定を意図するものではない。本明細書において用いられる場合、文脈によりその他の場合が明らかに示される場合を除き、単数又は数量が特定されていないものは、単数及び複数を包含することを意図される。本明細書において用いられる場合、用語「備える、含む（comprises）」及び／又は「備えている、含んでいる（comprising）」が、述べられている特徴、完全体（integers）、ステップ、動作、要素、及び／又は構成要素の存在を特定するが、１つ又は複数の他の特徴、完全体、ステップ、動作、要素、構成要素、及び／又はそれらの群の存在又は追加を除外しないことが更に理解されよう。本明細書において用いられる場合、用語「及び／又は（and/or）」は、関連付けられて列挙された項目のうちの１つ又は複数のありとあらゆる組み合わせを含む。
【００６４】
或る要素又は層が、別の要素若しくは層「の上にある」、別の要素若しくは層「に接続されている」、別の要素若しくは層「に結合されている」、又は別の要素若しくは層「に隣接している」というとき、その或る要素又は層は、その別の要素若しくは層の直接上にある、その別の要素若しくは層に直接接続されている、その別の要素若しくは層に直接結合されている、又はその別の要素若しくは層に直接隣接していることもあるし、介在する要素又は層が存在する場合もあることが理解されるであろう。これとは対照的に、或る要素が、別の要素若しくは層「の直接上にある」、別の要素若しくは層「に直接接続されている」、別の要素若しくは層「に直接結合されている」、又は別の要素若しくは層「に直に隣接している」というとき、介在する要素又は層は存在しない。しかしながら、いかなる場合にも、「の上にある」又は「の直接上にある」は、或る層が、下にある層を完全に覆うことを必要とすると解釈されるべきではない。
【００６５】
本発明の実施形態は、本明細書において、本発明の理想的な実施形態（及び中間構造）の概略説明図を参照して説明される。したがって、例えば、製造技法及び／又は公差の結果としての説明図の形状からの変化が予想される。そのため、本発明の実施形態は、本明細書において示す領域の特定の形状に限定されるものと解釈されるべきではなく、例えば、製造の結果得られる形状の変化を含むことになる。したがって、図に示す領域は、その本質が概略的であり、それらの形状は、デバイスの領域の実際の形状を示すように意図されておらず、本発明の範囲を限定するように意図されていない。
【００６６】
他に規定のない限り、本明細書において用いられる全ての用語（技術用語及び科学用語を含む）は、本発明が属する技術分野の当業者により一般に理解される意味と同じ意味を有する。一般に用いられる辞書において定義される用語等の用語が、関連する技術分野及び／又は本開示での意味と一致する意味を有するものとして解釈されるべきであり、本明細書において、理想化された、又は過度に形式張った意味で明確に定義される場合を除き、そのような意味で解釈されることにはならないことが更に理解されよう。
【００６７】
本発明の実施形態は、従来のＰＣＳ手法の幾つかの問題の原因が偏光分離素子にある可能性があるという認識から生じることができる。特に、幾つかの手法は小型偏光ビームスプリッタのアレイ（ＰＢＳアレイとも呼ぶ）を採用することができるが、こうした手法は、±５度で始まる、ＰＢＳアレイの光軸に対してより大きい角度で入射する光（本明細書では、「軸外」光とも呼ぶ）に対する効率が実質的に低下する可能性がある。多くの光源がこれらの角度を超えて光を放射する可能性があるため、これには実際的な限界がある。ＰＢＳアレイにはまた、製造において難題がある可能性があり、複数の個々の素子を必要な精度で位置合わせすることは難題である可能性がある。
【００６８】
本発明の幾つかの実施形態は、本明細書では偏光変換システム（ＰＣＳ）とも呼ぶ薄い光学素子の構成を提供する。これらの薄い光学素子は、従来のマイクロレンズより広範囲の角度で非偏光の入射光（例えば、種々の予測不可能な偏光の入力光）を受け入れ、この非偏光の光を、フラットパネルディスプレイ、プロジェクションディスプレイ、光ファイバネットワーク及び／又は光センサ等の用途において特に有用とすることができる、約５０％を超える、幾つかの実施形態では約７０％を超える変換効率で、実質的に同じか又は単一の所望の偏光を有する光に変換する。
【００６９】
特に、本明細書に記載する幾つかの実施形態によるＰＣＳは、従来の屈折マイクロレンズアレイを必要としないか又は他の方法で含まない可能性がある。むしろ、レンズ及び偏光格子両方の機能は、本明細書において幾何学的位相素子と呼ぶ単一の光学素子によって提供される。幾何学的位相素子は、少なくとも部分的にｘ−ｙ平面（及び／又は他の平面又はその面に沿って画定された方向）内にある光軸方向を有し、幾何学的位相（又はパンチャラトナムベリー（Pancharatnam-Berry）位相）を制御するように入射光の偏光に影響を与える異方性光学素子である。幾何学的位相素子は、限定されないが、線形、非線形、及び連続又は不続の光軸変形を含む、１つ又は複数の寸法が及び／又はあらゆる方法で変化する、光軸方向を含むことができる。場合によっては、光軸方向は、ｘ−ｙ平面内で空間的に変化する可能性があり、一方で、異方性（すなわち、複屈折又は二色性）の大きさは一定のままである。こうした場合、これらのような素子を、幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）とともに、パターン化リターダ及びパンチャラトナムベリー光学素子等、他の名称で呼ぶ場合がある。本明細書に記載する幾何学的位相素子を、ホログラフィック干渉及びリソグラフィの様々な他の形態を含む様々な方法によって生成することができ、したがって、本明細書で用いる「ホログラム」は、ホログラフィック干渉すなわち「ホログラフィ」による生成に限定されない。本明細書に記載する幾つかの実施形態は、ＧＰＨ及びパターン化リターダを含む配置を提供することができ、それらは、合わせて、高変換効率（例えば、≧７０％）で非偏光の光を偏光された光に変換し、製造複雑性を低減し（素子及びそれらの間のインタフェースが少なくなるため）、より小型の（すなわち、より薄い）パッケージをもたらすことができる。
【００７０】
したがって、本明細書に記載する実施形態は、性能の向上を可能にするだけではなく、他のデバイス（より容積の小さい筐体を有するデバイス等）に、より容易に組み込むことができる、それ自体の治具のない小型の薄い素子ももたらすことができる。例えば、本明細書に記載する実施形態を、液晶ディスプレイ、携帯用電子ブックリーダディスプレイ、液晶プロジェクションディスプレイ及びシステム、及び／又は光ファイバネットワーク素子（フォトニック素子）に使用することができる。本明細書に記載する実施形態で使用する光源を、少なくとも１つの次元において、部分的にコリメートし、及び／又は光学素子より小さくすることができる。
【００７１】
ＧＰＨは、光路長差の影響からもたらされる動的位相ではなく偏光状態の変化からもたらされる幾何学的位相を変調することにより、記録された位相プロファイル（又はその共役）の位相を生成することができる複屈折（若しくはダイクロイック、又はそれら２つの何らかの組合せ）光学素子である。特に、ＧＰＨは、光路長及び動的位相を変化させることによって光位相差を生成するのではなく、光学場の偏光を操作し、それにより幾何学的位相を操作することによって光位相差を導入することができる。ＧＰＨは、そのエリアを通しておよそ一定であるリタデーションがある、素子の所望の位相プロファイルに対して正比例する、その表面に沿ってΦ（ｘ）又はΦ（ｘ，ｙ）に従う光軸方向角度を有する。ＧＰＨは、不均一な局所的な光軸を有する、特定の種類のパターン化リターダとすることができる。本発明の幾つかの実施形態では、ＧＰＨの表面に沿った位置の関数としての局所的な光軸方向の非線形変化により、連続的に変化する周期性を有するパターンを規定することができ、それにより、ＧＰＨの全体的な効果はレンズ効果を提供することができる。本明細書における図１〜図３及び図５〜図１２において要素１１５、２１５ａ／２１５ｂ、３１５ａ／３１５ｂ、５１５、６１５、７１５、８１５、９１５、１０１５、１１１５及び１２１５によって示すように、本明細書において、理想化された光軸（例えば、液晶層内のネマティックダイレクタ方向によって提供されるような光軸）に関して上述しているが、本明細書に記載する光軸は、より一般的には材料特性を指す場合があり、したがって、こうした材料の屈折率によって規定される「有効な」又は「およその」光軸を含む場合があり、示されている厳密な軸に限定されるものとして解釈されるべきではないことが理解されよう。
【００７２】
本明細書に記載する実施形態によるＧＰＨを、様々な方法によって製造することができる。例えば、ＧＰＨを、偏光ホログラフィ及び光配向材料を用いて光軸変化を記録することによって製造することができる。特に、偏光ホログラフィは、直交する円偏光を有する２ビーム干渉を用いて一定の強度で空間的に変化する直線偏光場を生成することができる。直線偏光場を、光配向材料に記録することができ、ＧＰＨを、光配向材料に記録された光軸変化に対し位置合わせする局所的な光軸又はネマティックダイレクタを有する複屈折液晶材料を用いて具現化することができる。結果として得られるＧＰＨ素子は、一定の局所的なリタデーションと空間的に変化する光軸とを有している。直接書込みリソグラフィを用いてＧＰＨ素子を製造する幾つかの方法は、２０１３年１０月１５日に出願された、本発明の譲受人に譲渡された国際出願ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０６４９３９号に記載されており、その開示内容は、引用することにより本明細書の一部をなすものとする。
【００７３】
限定されないが、レンズ、プリズム、表面レリーフ素子、回折光学素子及びマイクロオプティクスを含む、多くの光学素子をＧＰＨとして形成することができる。ＧＰＨに変換されると、それらのホログラフィック版は、実質的により小型であり、多くの場合、追加の有利な特徴を有する薄膜となることができる。例えば、本明細書に記載するＧＰＨ素子は、幾つかの従来のマイクロレンズアレイより大きい、入射光に対する開口角又は許容角を提供することができる。ＧＰＨは、偏光ホログラムのサブセットであることに留意されたい。さらに、偏光格子（ＰＧ）を、光軸方向が直線的に変化する特定のタイプのＧＰＨとして見ることができることに留意されたい。
【００７４】
パターン化リターダ（ＰＲ）は、図４Ａ〜図４Ｂにより詳細に示すように、２つ以上のパターン化領域を有し、それらの各々の中で、光軸が一定又は均一であるが周囲領域とは異なり、領域の各々を異なるように通過する光の偏光状態を変更するように構成されている、複屈折光学リターダ素子である。例えば、ＰＲを、ＧＰＨから出力される種々の偏光状態の偏光された光を受け取るように配置することができ、異なる偏光状態を同じ偏光状態に変化させるように構成することができる。幾つかの実施形態では、ＧＰＨ、ＰＲ及び／又はＰＧを、例えば、アクロマティックＰＧ及びマルチツイストリターダ（ＭＴＲ）の技法を用いて、広帯域とすることができる。
【００７５】
図１は、本明細書に記載する幾つかの実施形態による、単一光源１０５を備えた幾何学的位相ホログラム偏光変換システム（ＧＰＨ−ＰＣＳ）配置１００を示す。ここで図１を参照すると、ＧＰＨ−ＰＣＳ１００は、幾何学的位相ホログラム（ＧＰＨ）素子１１０と、ＧＰＨ素子１１０から出力される光を受け取るように配置されたパターン化リターダ素子１２０とを含む。少なくとも１つの非偏光の光源１０５からの光はＧＨＰ素子１１０に入射し、ＧＰＨ素子１１０は、レンズ位相プロファイルを実施し、本明細書では幾何学的位相レンズとも呼ぶ。幾何学的位相レンズ１１０は、入射光を、直交する円偏光状態ＲＣＰ（右円偏光）又はＬＣＰ（左円偏光）を有する合焦ビーム１１１又は非合焦ビーム１１２に回折させ、そこでは、ビームの間の発散角は、局所的な光軸方向に基づいて異なる。幾何学的位相レンズ１１０は、１つの円偏光（ここでは、ＲＣＰ）を焦点距離「ｆ」又はその近くで領域１３０の焦点又は線１１７に合焦させ、収束（例えば、凸）レンズ効果を提供する一方で、直交する円偏光（ここでは、ＬＣＰ）をより広い角度に焦点からずらして、発散（例えば、凹）レンズ効果を提供する。これにより、幾何学的位相レンズ１１０から離れた焦点距離又はその近くで偏光依存強度がもたらされる。
【００７６】
ＰＲ素子１２０は、１つの円偏光を目標出力偏光（例えば、直線）に変換するように正のリタデーション（例えば、４分の１波長）を提供するように構成されている少なくとも１つの領域１２５ａ、１２５ｂと、直交する円偏光を同じ目標出力偏光に変換するように異なるか又は負のリタデーションを提供するように構成されている少なくとも１つの他の領域１３０とを提供する。幾つかの実施形態では、それにより、出力光を、単一の又は同じ所望の偏光で略完全に偏光させることができるが、実際には、同じ偏光を有するのは出力光の１００パーセント未満である可能性があるがことが理解されよう。さらに、図示しないが、ＧＰＨ素子１１０とＰＲ素子１２０との間の距離がＧＰＨ素子１１０の焦点距離「ｆ」に対応するように、任意選択的な透明スペーサ素子をＧＰＨ素子とＰＲ素子との間に配置することができる。また、幾つかの実施形態では、光の発散角を制御するために、光源１０５とＧＰＨ素子１１０との間にコリメートレンズ又は光導波路を位置付けることができる。
【００７７】
図２Ａは、本明細書に記載する幾つかの実施形態による１次元レンズを規定するＧＰＨ素子２１０ａにおける空間的に変化する光軸プロファイルの例を示し、バー２１５ａは局所的な光軸の向き／方向を示し、Φ（ｘ）は、本明細書において光軸プロファイルとも呼ぶ、ｘ軸に対する位置の関数としての光軸方向２１５ａの角度を示す。図２Ａに示すように、光軸プロファイルΦ（ｘ）は、素子２１０ａの表面に沿って１次元に非線形式に変化してパターンΛ（ｘ）を規定する。パターンΛ（ｘ）の局所的な周期は変化し、中心の周期は縁部の周期より大きい。例として、この関数は、およそΦ（ｘ）＝ｋπｘ２とすることができ、式中、「ｋ」は、ＧＰＨ素子２１０ａの焦点距離に関連する非ゼロの定数である。このパターンは、偏光感知円柱レンズとして機能するＧＰＨ素子の１つの特定の例を表す。
【００７８】
図２Ｂは、本明細書に記載する幾つかの実施形態による２次元レンズを規定するＧＰＨ素子２１０ｂにおける空間的に変化する光軸プロファイルの例を示し、バー２１５ｂは局所的な光軸方向を示し、Φ（ｘ，ｙ）は、ｘ軸に対する光軸方向２１５ｂの角度を示す。図２Ｂに示すように、光軸プロファイルΦ（ｘ，ｙ）＝ｋπ（ｘ２＋ｙ２）は、素子２１０ｂの表面に沿って２次元で非線形に変化する。図２ＢのＧＰＨ素子２１０ｂは、偏光感知球面レンズとして作用することができる。図２Ａ及び図２Ｂの例はともに、同様の合焦／非合焦特性を有する他の例と同様に、幾何学的位相（ＧＰ）レンズと呼ぶことができる。図２Ａ〜図２Ｂを参照して考察したもの等、幾つかのＧＰＨ光軸プロファイルは、完全に連続して変化するが、他のプロファイルは、領域及び領域の間の別個の境界内で連続的な変動を有する場合があることが理解されよう。
【００７９】
非線形光軸プロファイルを有する図２Ａ及び図２Ｂの例に示すように、ＧＰＨ素子２１０ａ及び２１０ｂは、標準的な偏光格子（ＰＧ）をより複雑にしたものとみなすことができ、その表面に沿ったその格子周期の１次元又は２次元の変化を有するものとみなすことができる。ＧＰＨ素子の局所的な光軸は、例えば、ＧＰＨ素子が、その厚さにわたって回転される分子構造を有するキラル液晶層である実施形態では、第３の次元において（例えば、その厚さにわたって）変化することもできる。
【００８０】
図３Ａ及び図３Ｂは、ＰＧ３１０ａ、３１０ｂの空間的に変化する光軸プロファイルの例を示す。特に、図３Ａは、光軸変化（バー３１５ａによって示す）とｘ方向の回折とを有するＰＧ３１０ａを示し、図３Ｂは、光軸変化（バー３１５ｂによって示す）とｙ方向の回折とを有するＰＧ３１０ｂを示す。図３Ａ及び図３Ｂに示すように、ＰＧ３１０ａ又は３１０ｂは、代りに線形位相プロファイル、例えば、Φ（ｘ）＝πｘ／Λ又はΦ（ｙ）＝πｙ／Λを実施する、ＧＰＨの特定の例とみなすことができる。ここで、Λは一定格子周期である。
【００８１】
図４Ａ及び図４Ｂは、本明細書に記載するような本発明の実施形態によるパターン化リターダ素子４２０ａ、４２０ｂの例を示す。パターン化リターダ素子４２０ａ又は４２０ｂは、２つ以上の異なるリタデーション領域（本明細書では、「ドメイン」又は「ゾーン」とも呼ぶ）を有し、その領域の各々内で、光軸方向が一様であるが周囲領域とは異なる、複屈折素子である。したがって、各リタデーション領域は、通過する偏光状態光を異なるように変更するように構成されている。異なるリタデーション領域を、同一平面配置で横に並べて配置することができる。リタデーション領域の光軸は、幾つかの実施形態では直交することができる。
【００８２】
特に、図４Ａは、例えば、本明細書に記載する幾つかの実施形態による図２Ａの１次元幾何学的位相レンズと使用するのに適している、光軸が−４５度に向けられた１つの中心線形リタデーション領域４３０ａと、光軸が＋４５度に向けられた周囲のリタデーション領域４２５ａとを含む、パターン化リターダ素子４２０ａに対する光軸プロファイル例を示す。図４Ｂは、例えば、本明細書に記載する幾つかの実施形態による図２Ｂの２次元幾何学的位相レンズと使用するのに適している、光軸が−４５度に向けられた１つの中心「スポット」リタデーション領域４３０ｂと、光軸が＋４５度に向けられた周囲のリタデーション領域４２５ｂとを含む、パターン化リターダ素子４２０ｂに対する光軸プロファイル例を示す。
【００８３】
リターダ素子４２０ａ又は４２０ｂを、ＧＰＨ素子の異なるレンズ領域が光をドメイン（＋４５度、−４５度）のうちの異なる１つに集中させるか又は他の方法で仕向けるように、ＧＰＨに対して構成しかつ配置することができる。例えば、図４Ａ及び図４Ｂでは、−４５度リタデーション領域４３０ａ又は４３０ｂのサイズ及び／又は形状を、パターン化リターダ素子４２０ａ又は４２０ｂがＧＰＨ素子の焦点距離ｆ又はその近くに位置付けられたときに凸レンズ効果を提供するＧＰＨ素子の一部によって生成される焦点のサイズに基づいて構成することができる。
【００８４】
幾つかの実施形態では、本明細書に記載するようなリターダ素子の領域を、例えば、その開示内容が引用されることにより本明細書の一部をなすものとする米国特許出願第１３／６４６，１６６号（代理人整理番号第５０５１−８０５号）に記載されているように、ねじれの異なる第１のリターダ層及び第２のリターダ層を含む多層リターダを用いて実施することができる。特に、リターダ素子は、正反対の対称性の第１のキラル液晶層及び第２のキラル液晶層を含む積層構造を含むことができる。本明細書に記載するリターダは、旋光若しくは複屈折リタデーション、又はそれらの任意の組合せを介して偏光変化を達成することができるが、そこを通過する光の伝播方向に大幅に影響を与えることも、その伝播方向を大幅に変更することもできない。対照的に、本明細書に記載するＧＰＨ素子の幾つかの領域は、その領域を通過する光の回折（すなわち、伝播方向の変化）を提供することができる。
【００８５】
図５Ａ及び図５Ｂは、本発明に記載する幾つかの実施形態による、複数の光源５０５（５０５’、５０５’’、５０５’’’を含む）を備えた幾何学的位相ホログラム偏光変換システム（ＧＰＨ−ＰＣＳ）配置５００のそれぞれ平面図及び斜視図を示す。図５Ａ及び図５Ｂに示すように、単一のＧＰＨ素子５１０が、凸レンズ効果を提供する複数の部分を含むことができ、凸レンズ効果を提供するＧＰＨ素子５１０の部分の各々は、それぞれの光源５０５’、５０５’’から受け取られる光を合焦させるように位置合わせされるか又は他の方法で位置付けられ、それにより、焦平面において同じ偏光（円偏光として示す）のそれぞれの焦点５１７を生成する。ＰＲ素子５２０は、ＧＰＨ５１０から出力される光を受け取るように焦点距離ｆ又はその近くに位置付けられ、本明細書に記載するようにＧＰＨ５１０から出力される偏光された光の、同じ偏光状態（直線偏光として示す）への変換を達成するように、焦点５１７に位置合わせされるそれぞれのリタデーション領域５３０を含む。光軸が異なる角度で向けられている別個のリタデーション領域５２５、５３０に関連して例示しているが、ＰＲ素子５２０に、隣接するリタデーション領域５２５、５３０の間の幾分かのオーバラップが存在する可能性があることが理解されよう。幾つかの実施形態では、ＧＰＨ素子５１０によって規定されるレンズの数／量は、光源５０５’、５０５’’、５０５’’’の数／量に対応する可能性があるが、本発明の実施形態はそれに限定されず、ＧＰＨ素子は、光源の数に対して任意の数のレンズを含むことができる。
【００８６】
図６は、図１に類似しているが、本明細書に記載する幾つかの実施形態による追加の偏光子６４０を更に含むＧＰＨ−ＰＣＳ配置６００を示す。図６に示すように、偏光子６４０は、ＰＲ素子６２０の後に（例えば、ＰＲ素子６２０から出力される光を受け取るように）配置されている。特に、１つ又は複数の光源６０５から出力される光は、ＧＰＨ６１０を通って伝播して、図１を参照して上述したのと同様にして、ＰＲ素子６２０が配置されているか又は近くに配置されている焦平面において、焦点６１７を生成する。ＰＲ素子６２０のそれぞれの領域６２５、６３０から出力される光は、追加の偏光子６４０（例えば、ＬＣＤで使用されることが多い直線偏光子）を通って伝播し、偏光子６４０は、目標又は所望の偏光状態とは異なる偏光状態を有する残留光を除去することによって、出力偏光を「クリーンアップする」ことができる。
【００８７】
図７Ａ及び図７Ｂは、本明細書に記載する幾つかの実施形態による追加の光導波路７６０及びスペーサ７５０を含むＧＰＨ−ＰＣＳ配置７００を示す、それぞれ平面図及び斜視図である。図７Ａに示すように、スペーサ７５０は、ＧＰＨ素子７１０とＰＲ素子７２０との間に配置された透明素子である。１つ又は複数の光源７０５から出力される光は、ＧＰＨ７１０、スペーサ７５０及びＰＲ素子７２０を通って伝播する。光導波路７６０は、ＰＲ素子７２０の出力に配置されている。光導波路７６０は、ＰＣＳ７００から出力される光をＰＲ７２０に隣接するその縁部において受け取る透明素子とすることができ、全反射の原理を用いてその体積を通して光を誘導し、それにより、光を、図７Ｂに示すように、その正面７６０ｆ又は背面７６０ｂから制御可能に放射することができる。光放射を、実際的であるように空間的に均一にすることができる。
【００８８】
光導波路（又は「スラブ」）７６０は、厚さが一定の平坦若しくは平面の板とすることができ、又は厚さが変化する楔若しくは他の形状を有することができる。図７Ａ及び図７Ｂの実施形態は、光導波路７６０からの光取出しに関していかなる限定も与えるものではないが、幾つかの実施形態では、光導波路を、そこを通って伝搬する光の偏光を実質的に維持するように構成することができる（例えば、ゼロ複屈折光導波路）。光導波路は、光導波路から及び／又は一方の端部から他方の端部に光を向ける一方で、光導波路から出るときにその偏光を維持する、構造及び／又は材料を含むこともできる。こうした構造及び／又は材料としては、例えば、プリズム、マイクロレンズ、平面薄膜及び／又はゼロ複屈折ポリマー又は樹脂を挙げることができる。直視型ディスプレイシステムで採用される場合、ピクセルモジュールを、ビューアと光導波路７６０との間に配置することができ、光源７０５／ＰＣＳ７００／光導波路７６０システムは、ディスプレイシステムに対して「バックライト」を提供することができる。代替的に、光導波路７６０を、ビューアとピクセルモジュールとの間に配置して、ディスプレイシステムに対して「フロントライト」を提供することができる。フロントライトとして使用される場合、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、ＧＰＨとＰＲとの間に、任意選択的な透明スペーサ素子７５０も配置することができる。また、図６に示す偏光子６４０を含めて、ＰＲ素子７２０と光導波路７６０との間に配置することができる。本明細書に記載する光導波路を含む幾つかの実施形態を、「エッジリットＰＣＳ」又は「エッジリットＧＨＰ−ＰＣＳ」と呼ぶことができる。
【００８９】
図８〜図１１は、ＰＲ素子の前に（例えば、ＧＰＨ素子から出力される直交する円偏光を受け取るように）配置された追加の素子、及び／又はＰＲ素子の後に配置された他の等価な素子（プリズム、レンズアレイ等）を含む、本発明の幾つかの実施形態によるＧＰＨ−ＰＣＳ配置を示す。
【００９０】
特に、図８は、図１又は図７に類似するが、本明細書に記載する幾つかの実施形態による、追加の偏光格子（ＰＧ）素子８７０及び４分の１波長（ＱＷ）リターダ素子８８０を更に含むＧＰＨ−ＰＣＳ配置８００を示す。図８において、図７の光導波路７６０及びスペーサ素子７５０もまた同様の位置に含めることができるが、明確にするために図示していない。図８に示すように、１つ又は複数の光源８０５から出力される光は、ＧＰＨ８１０を通って伝播し、ＰＲ素子８２０が配置されるか又は近くに配置される焦平面において焦点８１７を生成する。ＰＧ素子８７０は、ＰＲ素子８２０から出力される光を受け取るように配置され、（例えば、ＱＷリタデーションを提供するように構成されている）モノドメインリターダ素子８８０がその後に続く。この実施形態では、ＰＲ素子８２０は、少なくとも１つの領域８２５／８３０において半波長リタデーション（上述した４分の１波長リタデーションではなく）を提供するように構成されている。ＰＧ素子８７０は、その光軸変化がｙ方向にあり、図３Ｂに示すＰＧ３１０ｂに対応することができる。したがって、ＰＧ素子８７０は、ＰＲ素子８２０の半波長リタデーション領域（複数の場合もある）から出力される円偏光された光を受け取り、円偏光された光を面外次元（すなわち、ページに対して垂直）で回折させ、それにより、クロマティック角分散を追加する。ＱＷリターダ素子８８０は、ＰＧ素子から出力される色彩的に分離された円偏光された光を受け取り、その光を、目標又は所望の偏光状態（直線偏光として示す）に変換する。
【００９１】
図９は、図１又は図７に類似しているが、本明細書に記載する幾つかの実施形態によるＰＲ素子９２０の前に（例えば、ＰＲ素子９２０に出力される光を提供するように）位置付けられたＰＧ素子９７０を更に含むＧＰＨ−ＰＣＳ配置９００を示す。図９において、図７の光導波路７６０及びスペーサ７５０素子を同様の位置に含めることもできるが、明確にするために図示していない。図９に示すように、ＧＰＨ素子９１０は、光源９０５から光を受け取るように構成され、ＰＧ素子９７０は、ＧＰＨ素子９１０から出力される光を受け取るように配置され又は位置付けられ、それにより、ＰＲ素子９２０は、ＰＧ素子９７０から出力される偏光された光を受け取る。ＰＧ素子９７０は、その光軸変化がｙ方向にあって、図３Ｂに示すＰＧ３１０ｂに対応することができる。特に、ＰＧ素子９７０は、ＧＰＨ素子９１０から直交する円偏光を有する合焦光及び非合焦光を受け取り、直交する円偏光の光を面外次元（すなわち、図の平面に対して直交する）で回折させ、それによりクロマティック角分散を追加する。１つ又は複数の領域９２５、９３０において４分の１波長リタデーションを提供するように構成することができるＰＲ素子９２０は、ＰＧ素子９７０から出力される色彩的に分離された円偏光された光を受け取り、その光を、図９において例として直線偏光として示す目標又は所望の出力偏光状態に変換する。本明細書では主に単一ドメインを有するＰＧに関して例示しているが、複数のドメイン／異なるリタデーション領域を有するＰＧを、本明細書に記載する実施形態のうちの任意のものにおいて使用することができることが理解されよう。
【００９２】
図１０は、本明細書に記載する幾つかの実施形態による、追加の偏光子１０４０を更に含む、図８に類似するＧＰＨ−ＰＣＳ配置１０００を示す。図１０においてもまた、図７の光導波路７６０及びスペーサ７５０素子を同様の位置に含めることができるが、明確にするために図示していない。図１０に示すように、ＧＰＨ素子１０１０が、光源１００５から光を受け取るように配置され、ＰＲ素子１０２０（異なるリタデーション領域１０２５、１０３０を含む）が、ＧＰＨ素子１０１０から出力される光を受け取るように配置され、ＰＧ素子１０７０が、ＰＲ素子１０２０から出力される光を受け取るように配置され、モノドメインリターダ素子１０８０が、ＰＧ１０７０から出力される光を受け取るように配置されている。偏光子１０４０が、（例えば、ＱＷリタデーションを提供するように構成することができる）モノドメインリターダ１０８０の後に（例えば、モノドメインリターダ１０８０から出力される光を受け取るように）配置されている。したがって、モノドメインリターダ１０８０から出力される光は、追加の偏光子１０４０（例えば、ＬＣＤで使用されることが多い直線偏光子）を通って伝播し、追加の偏光子１０４０は、目標又は所望の偏光状態（直線偏光として示す）とは異なる偏光状態を有する残留光を除去することにより、出力偏光を「クリーンアップする」ことができる。
【００９３】
図１１は、本明細書に記載する幾つかの実施形態による追加の偏光子１１４０を更に含む、図９に類似するＧＰＨ−ＰＣＳ配置１１００を示す。図１１においてもまた、図７の光導波路７６０及びスペーサ７５０素子を同様の位置に含めることができるが、明確にするために図示していない。図１１に示すように、ＧＰＨ素子１１１０が、光源１１０５から光を受け取るように構成され、ＰＧ素子１１７０が、ＧＰＨ素子１０１０から出力される光を受け取るように配置され、ＰＲ素子１２１０（異なるリタデーション領域１１２５、１１３０を含む）が、ＰＧ素子１１７０から出力される光を受け取るように配置されている。偏光子１１４０が、ＰＲ素子１１２０の後に（例えば、ＰＲ素子１１２０から出力される光を受け取るように）配置されている。偏向子１１４０（例えば、ＬＣＤで使用されるような従来の直線偏光子）の追加により、目標出力偏光とは異なる偏光のあらゆる残留光を除去することにより、出力偏光がクリーンアップされる。したがって、ＰＲ素子１１２０から出力される光は、追加の偏光子１１４０（例えば、ＬＣＤで使用されることが多い直線偏光子）を通って伝播して、目標又は所望の偏光状態（直線偏光として示す）とは異なる偏光状態を有する残留光を除去することにより出力をクリーンアップする。
【００９４】
図１２は、本明細書に記載する幾つかの実施形態によるエッジリットＧＰＨ−ＰＣＳ１２００の角度パラメータ及び寸法パラメータを示す平面図である。特に、図１２は、図７のＧＰＨ−ＰＣＳ配置のシミュレーションされた動作及び幾何学的形状をより詳細に示し、明確にするためにスペーサ７５０及び光導波路７６０素子を省略している。図示するパラメータは、近軸近似において推定され、それは、光学系の軸と光線によって生成される角度が小さく、かつ光線がその軸に近接して伝播すると想定する。
【００９５】
ここで図１２を参照すると、ＧＰＨ素子１２１０が、図２Ａに示すように偏光感知円柱レンズ（すなわち、１次元集光のため）として構成されている場合、ＧＰＨ素子の中心部分１２０９において光軸変化によって規定されるパターンの周期は、縁部分１２０８におけるものと比較して相対的に大きく、そのため、中心部分１２０９に入射する光は、実質的に方向を変えることなく（例えば、伝播方向を実質的に変更することなく）直接通過する。この幾何学的形状により、サイズがＮ＝２ｆαｎ１／ｎ２であるＰＲ素子（ＬＷＰ１２２０）の領域１２３０において焦点１２１７の長さが規定される。ここで、ｆは焦点距離であり、αは入射光発散である。変数ｎ１及びｎ２は、それぞれＰＣＳの外部の媒体（例えば、空気）の屈折率及び内部の媒体（例えば、ガラス）の屈折率を示す。焦点サイズＮをＮ＝２ｆ（β−β’）として定義することができ、ここで、角度β＝Ｍ／２ｆであり、角度β’＝−ｎ１α／ｎ２＋λc／（Λｍｉｎ  ｎ２）であり、格子式から導出され、Λｍｉｎは最小格子周期であり、Ｍは、ＧＰＨ素子１２１０の中心部分１２０９によって規定されるレンズの直径である。したがって、ＧＰＨ１２１０の最小周期は、以下のように導出することができる。すなわち、Λｍｉｎ＝２ｆλc／（ｎ２Ｍ）であり、ここで、λｃは入力光の中心波長（例えば、５５０ｎｍ）である。例えば、Ｍ＝３．２ｍｍ、α＝±１５度、ｎ１＝１及びｎ２＝１．５である場合、幾何学的位相レンズ１２１０の焦点距離及びＦ値（例えば、直径Ｍに対する焦点距離ｆの比）を、図１３及び図１４に示すように様々な最小周期に対して推定することができる。同様の推論を、図２Ｂに示す２次元球面幾何学的位相レンズ２１０ｂに関して適用することができる。
【００９６】
図１３は、本明細書に記載する幾つかの実施形態による幾何学的位相レンズの焦点距離推定を示すグラフである。図１４は、本明細書に記載する幾つかの実施形態による幾何学的位相レンズのＦ値推定を示すグラフである。図１３及び図１４に示すように、ＧＰＨ素子の変化する局所的な光軸方向によって規定されるパターンのピッチ又は周期Λが増大するに従い、焦点距離ｆ及びＦ値ｆ／Ｍは線形に増大する。
【００９７】
図１５は、本明細書に記載するＧＰＨ素子の変化する光軸方向によって規定される幾つかの最小周期に対する偏光変換効率推定を示すグラフである。特に、図１５は、以下の３つの場合、すなわち（ｉ）Ｄ＞３Ｍ、（ｉｉ）Ｄ＝２Ｍ及び（ｉｉｉ）Ｄ＝Ｍに対する変換効率を示し、そこでは、Ｄは光源（例えば、ＬＥＤ）の中心の間の距離であり、上述した例におけるようにＭ＝３．２ｍｍである。結果により、Ｄ＝２Ｍであり、最小周期Λｍｉｎがおよそ１．５μｍである場合、約８６％以上の変換効率を達成することができることが分かる。ただし、図１５のグラフは、ＧＰＨの回折効率が１００％であり、パターン化リターダの偏光変換効率が１００％である、理論的（又は「完全な」）光学系に基づくことが理解されよう。
【００９８】
図１６Ａは、光源が左側にあり光導波路が右側にある、図７ＡのＧＰＨ−ＰＣＳ配置に対応する幾何学的形状モデル１６００のシミュレーションを示し、図１６Ｂ及び図１６Ｃは、本明細書に記載する幾つかの実施形態によるＧＰＨの（例えば、入力光が入射する）「正面」における、シミュレーションに使用される非偏光入力光源のそれぞれ放射照度マップ及びグラフを示す。図１６Ａに示すように、図７ＡのＧＰＨ−ＰＣＳ配置は、市販のレイトレーシングシミュレーションツール内でモデル化された。図１６Ｂ及び図１６Ｃは、光源（例えば、ＬＥＤ）の周期的アレイを模倣する、エッジリットＧＰＨ−ＰＣＳのその入力面におけるエリアを満たす±１５度（面内）×±１０度（面外）発散角を有する非偏光の光源、及び完全鏡面を備えた３．２ｍｍ厚さ及び６．４ｍｍ幅の光導波路の特徴を示す。
【００９９】
図１６Ａ〜図１６Ｃにおいて、ＧＰＨ素子は、偏光感知円柱レンズとしてモデル化されており、その最小周期は１．５μｍに設定され、推定焦点距離はおよそ６．５ｍｍであり、Ｆ値はおよそ２であった。シミュレーションは、ＧＰＨ素子の面積にわたって変化する１％〜４％のゼロ次漏れを含んでいた。直交する光軸（例えば、±４５度）の４分の１波長リタデーションを有する２つの異なる領域を備えたＰＲ素子が、ＧＰＨ素子からおよそ６ｍｍに位置付けられた。内側−４５度領域はおよそ２．４ｍｍ幅であり、外側＋４５度領域は、半分が内側領域の各側にあって、（合計）およそ４ｍｍ幅であった。ＧＰＨ素子及びＰＲ素子は、図７Ａに示すように、ＧＰＨ素子とＰＲ素子との間にスペーサがあるように（本例では、他の光学素子はなし）位置合わせされ、光学的に積層された。
【０１００】
シミュレーションにより、ＧＰＨ素子は、パターン化リターダの内側−４５度領域が位置付けられる焦点に向かって非偏光の入力光のおよそ半分を合焦させ、光の他方の半分は、パターン化リターダ素子の全ての領域に向かって発散することが確認された。パターン化リターダ素子の内側領域は、合焦光の偏光状態を直線偏光に変換し、パターン化リターダ素子の外側領域は、発散光の偏光状態を同じ直線偏光に変換する。しかしながら、パターン化リターダの内側領域を通過する発散光の偏光状態は、直交する直線偏光に変換され、それにより、偏光変換効率を低下させる不正確な偏光出力がもたらされる。変換効率を推定するために、完全直線偏光子（すなわち、消光比が無限であり偏光子透過軸に沿って損失がない）がシミュレーションされ、エッジリットＧＰＨ−ＰＣＳの後に位置付けられ、光導波路の背面の放射束が検査された。結果としての出力は、およそ７２％正確な偏光によって直線偏光され、空間プロファイルを図１７Ｂ〜図１７Ｃに示す。
【０１０１】
図１７Ａは、光源が左側にあり光導波路が右側にある、図７ＡのＧＰＨ−ＰＣＳ配置に対応する幾何学的形状モデル１７００のシミュレーションを示し、図１７Ｂ及び図１７Ｃは、偏光子のおよそ４ｍｍ後の光導波路の「背面」（すなわち、「集積ブロック」として標識する）における、直線偏光出力のそれぞれ放射照度マップ及びグラフを示す。本明細書に記載する幾つかの実施形態では、ＧＰＨ素子から出力されるビームは直交円偏光されており、光軸が約９０度離れた（例えば、図４Ａ及び図４Ｂに示すように）４分の１波長リタデーションのパターン化リターダによって直線偏光に変換される。しかしながら、この結果を、代替的に、ＧＰＨの後にモノリシック４分の１波長リターダ素子を配置して、まずビームを直交する直線偏光に変換することにより、及び一方の領域が半波長リタデーションであり他方の領域がゼロ実効リタデーションである代替的なパターン化リターダを用いることによって、達成することができることが理解されよう。より一般的には、本発明の実施形態は、単一のパターン化リターダを用いる特定の実施形態に関して上述したものと同じか又は同様の結果を達するように、ＧＰＨから２つの直交する偏光されたビームを受け取り、単一又は略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、モノリシックリターダ及びパターン化リターダの任意の組合せを含むことが理解されよう。
【０１０２】
幾つかの実施形態では、本明細書に記載するＧＰＨ−ＰＣＳ素子のうちの１つ又は複数を、限定されないが、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、Ｍｉｒａｓｏｌ（商標）等の微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に基づく干渉変調器ディスプレイ、及びＥ  Ｉｎｋ等の電気泳動ディスプレイを含む、フラットパネルディスプレイに対するバックライト又はフロントライトとして用いることができる。本発明の実施形態がＬＣＤ内のバックライトとして使用される場合、それは、「バックライトユニット」（「ＢＬＵ」）と呼ぶことができ、非偏光の光を、ＬＣパネルに提供する前に偏光された光に効率的に変換することにより、ディスプレイシステムにおける輝度の向上提供することができる。本明細書に記載するような光導波路を含む幾つかの実施形態は、ＧＰＨ−ＰＣＳを備えるエッジリットバックライトユニット（ＢＬＵ）、又はより簡単にはＧＰＨ−ＢＬＵと呼ぶことができる。本発明の実施形態が反射型フラットパネルディスプレイ用のフロントライトとして使用される場合、フロントライトは、ディスプレイに対して、より明るい照明を効率的に提供して、周囲環境から受け取られる光を強化する一方で、コントラスト比の低下を低減又は回避することもできる。本発明の実施形態を、ありとあらゆるサイズのフラットパネルディスプレイで使用することができる。
【０１０３】
幾つかの実施形態では、本明細書に記載したＧＰＨ−ＰＣＳ素子のうちの１つ又は複数を、限定されないが液晶オンシリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイ及びＤＬＰ（商標）等のデジタルマイクロミラー（ＤＭＤ）ディスプレイを含む、マイクロディスプレイを用いるプロジェクタ用の光エンジン内で使用することができる。ＧＰＨ−ＰＣＳの出力を偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）キューブ（例えば、ＭａｃＮｅｉｌｌｅ等）上に向けることができ、偏光ビームスプリッタキューブは、その後、反射型又は透過型マイクロディスプレイを照明し、その後、投影レンズを照明することができる。これは非限定的な例であり、偏光素子、マイクロディスプレイ及び投影レンズの多くの組合せが、プロジェクションシステム設計の技術分野における当業者には既知であることが理解されよう。
【０１０４】
幾つかの実施形態では、本明細書に記載するＧＰＨ−ＰＣＳ素子のうちの１つ又は複数を、光ファイバシステム内で使用して、様々な予測不可能な偏光の光を受け入れ、その光を単一の所望の偏光に変換するという同様の目的を達成することができる。電気通信システムでは、偏光モード分散（ＰＭＤ）として定量化することができる様々な偏光の自然に存在する光により、損失、通信帯域幅の低下、及び／又は複雑性及びハードウェアのコストの増大がもたらされる可能性がある。したがって、シングルモード又はマルチモード光源（光ファイバ等）からの赤外光を、コリメータを通るように向けてそれによって拡張し、その後、ＧＰＨ−ＰＣＳ素子を通過するように配置することができる。ＧＰＨ−ＰＣＳ素子を用いて、入射光を、既知の均一な固定偏光に変換することができ、それを、増幅器、減衰器、フィルタ又は第２の光ファイバへの第２のコリメータを含む、電気通信で用いられる様々な後続する構成要素に向けることができる。
【０１０５】
本明細書において記載するように、「リターダ」及び「波長板」という術語は、通過する光のリタデーションを提供する任意の光学素子を指すように交換可能に使用することができ、以下の追加の用語、すなわち、一軸性、二軸性又は不均質である「リタデーションプレート」、「補償膜」及び「複屈折プレート」もまた、別段の指示がない限り等価なものとしてみなされるべきであることが理解されよう。本明細書に記載するようなリターダは、広帯域（すなわちアクロマティック）とすることもできるし、狭帯域（すなわちクロマティック）とすることもできる。
【０１０６】
周囲媒体（例えば、空気）とインタフェースする１つ又は複数の面に、反射防止コーティングを施すことができることも理解されよう。パターン化リターダ、偏光子、ＰＧ及び／又はＱＷ板の様々な組合せを含む、本明細書に記載する光学素子を、場合によっては、間に空隙なしに互いに積層することができ、場合によっては、間に空隙があるように配置することができることも理解されよう。また、本明細書に記載する実施形態の出力に、マイクロレンズアレイ又は別のＧＰＨを配置することができる。
【０１０７】
幾つかの実施形態では、光源は、楕円偏光された光又は部分偏光された光（例えば、何らかのレーザダイオード及びＬＥＤ光源からの光等）を提供することができることが更に理解されよう。
【０１０８】
本発明の実施形態によって製造される幾つかのＧＰＨ素子は、例えば、その開示内容が引用されることにより本明細書の一部をなすものとする、米国特許第８，３３９，５６６号及び米国特許出願第１３／６４６，１６６号に記載されているようなアクロマティックＰＧ及びＭＴＲの技法を用いて、広帯域スペクトルを有することができる。
【０１０９】
本発明の実施形態は、本明細書では、液晶（ＬＣ）材料に関して説明されている。液晶は、分子の秩序だった配列が存在する液体を含むことができる。通常、長形状（ロッド状）又はフラット形状（ディスク状）のいずれかを有する液晶（ＬＣ）分子は、等方性とすることができる。等方性分子の配列の結果、バルクＬＣは、多くの場合、その機械的特性、電気的特性、磁気的特性、及び／又は光学的特性における異方性等のその物理特性における異方性を示す。ロッド状又はディスク状の性質の結果、ＬＣ分子の方向の分布は、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等の光学的用途において重要な役割を果たすことができる。これらの用途では、ＬＣ配向は、配向表面によって規定することができる。配向表面は、ＬＣが制御可能な方法で表面に対して配向するように取り扱うことができる。
【０１１０】
「透過性」又は「透明」の基板又は素子は、本明細書において用いられるとき、入射光の少なくとも一部がそれらの基板又は素子を通過することを可能にすることができることが当業者によって理解されるであろう。換言すれば、本明細書において説明する透過性素子又は透明素子は、完全に透明である必要はなく、等方性吸収特性若しくはダイクロイック吸収特性を有する場合があり、及び／又は入射光の一部を別の方法で吸収する場合がある。対照的に、本明細書に記載するような「反射性」基板は、入射光の少なくとも一部を反射することができる。透明基板又はスペーサは、幾つかの実施形態では、ガラス基板とすることができる。また、「重合性液晶」は、重合することができる比較的低分子量の液晶材料を指す場合があり、本明細書において「反応性メソゲン」として説明される場合もある。これとは対照的に、「非反応性液晶」は、重合化することができない比較的低分子量の液晶材料を指す場合がある。
【０１１１】
また、本明細書で用いる「ゼロ次」光は、入射光の方向に実質的に平行な方向に、すなわち、実質的に同様の入射角で伝播するものであり、本明細書では、「軸上」光と呼ぶことができる。対照的に、「１次」光等の「非ゼロ次光」は、入射光に対して平行ではない方向に伝播するものであり、本明細書では「軸外」光と呼ぶ。本明細書に記載するような「部分的にコリメートされた」光は、互いに実質的に平行に伝播する光線又はビームを述べるものとするが、幾分かの発散を有する（例えば、光源からの距離によってビーム径が異なる）ことができる。
【０１１２】
本発明の実施形態は、本明細書において説明した特定の材料に限定されるものではなく、本明細書において説明したように機能するありとあらゆる材料層を用いて実施することができることも理解されるであろう。
【０１１３】
本明細書において、上記の説明及び図面に関連して多くの異なる実施形態が開示されてきた。これらの実施形態の全ての組合せ及び部分的組合せをそのまま説明し示すことは、過度に繰返しが多くわかりにくいものとなることが理解されよう。したがって、図面を含む本明細書は、本明細書において説明される実施形態並びにそれらを作成し用いる方式及びプロセスの全ての組合せ及び部分的組合せの完全な明細書を構成すると解釈されるものとし、任意のそのような組合せ又は部分的組合せに対する特許請求を支持するものとする。
【０１１４】
幾つかの実施形態では、ＰＲ素子を、ＧＰＨから出力される光を受け取るように焦点距離ｆの周囲に（例えば、焦点距離ではなくその近くに）配置することができる。例えば、ＰＲ素子の位置は、変換効率を向上させるか又は最大化するために、入力ビームが発散しているときにＧＰ素子により近接する（例えば、ｆのおよそ５０％の範囲内）ことができる。より一般的には、幾つかの実施形態では、ＰＲ素子の位置を、焦点距離ｆのおよそ±５０％の範囲内とすることができる。しかしながら、入力ビームが略コリメートされる場合、ＰＲ素子を、ＰＧ素子から離れた焦点距離に配置することができる。
【０１１５】
図面及び明細書に、本発明の実施形態が開示されている。特定の用語が使用されているが、それらの用語は、一般的かつ説明的な意味でのみ用いられ、限定の目的では用いられていない。本発明の範囲は、この後に続く特許請求の範囲に規定されている。
なお、出願当初の特許請求の範囲の記載は以下の通りである。
［請求項１］
表面に沿って少なくとも１つの次元で非線形に変化する局所的な光軸方向を有する幾何学的位相素子と、
前記幾何学的位相素子から出力される光を受け取るように配置されたリターダ素子と、を備える偏光変換システム。
［請求項２］
前記幾何学的位相素子の光学異方性は、該幾何学的位相素子の前記表面に沿って一定の大きさを有する、請求項１に記載のシステム。
［請求項３］
前記局所的な光軸方向は、前記幾何学的位相素子の前記表面に沿って変化する周期性を有する複屈折パターンを規定している、請求項２に記載のシステム。
［請求項４］
前記変化する周期性は、前記幾何学的位相素子の前記表面に沿ってそれぞれのレンズ領域を規定する、請求項３に記載のシステム。
［請求項５］
前記幾何学的位相素子の中心部分における前記周期性は、該幾何学的位相素子の縁部分における前記周期性より大きい、請求項３に記載のシステム。
［請求項６］
前記局所的な光軸方向は、前記幾何学的位相素子の前記表面に沿って第１の次元及び第２の次元で変化する、請求項１に記載のシステム。
［請求項７］
前記幾何学的位相素子の前記表面の面積は、入射光によって提供される照明の面積より大きい、請求項１に記載のシステム。
［請求項８］
前記幾何学的位相素子は、間にレンズ素子を介在させることなく非偏光の光源から直接前記入射光を受け取るように配置されている、請求項７に記載のシステム。
［請求項９］
前記幾何学的位相素子は、少なくとも部分的に非偏光の入射光を、直交する偏光状態を有する第１の発散ビーム及び第２の発散ビームに回折させ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１０］
前記幾何学的位相素子は、前記第１のビームを該幾何学的位相素子に関連する焦点距離で合焦させ、該焦点距離で前記第２のビームを合焦させないように更に構成されている、請求項９に記載のシステム。
［請求項１１］
前記リターダ素子は、前記幾何学的位相素子の焦点距離に又はその近くに位置付けられ、前記第１のビーム及び前記第２のビームの前記直交する偏光状態を、該第１のビーム及び該第２のビームのそれぞれの伝播方向を実質的に変更することなく同じ偏光状態に変換するように構成されている、請求項９に記載のシステム。
［請求項１２］
前記第１のビーム及び前記第２のビームは、正反対の対称性の直交する円偏光状態を有し、前記リターダ素子は、前記直交する円偏光状態の各々を同じ直線偏光状態に変換するように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
［請求項１３］
前記リターダ素子は、同一平面配置で横に並んで又は同心に位置付けられた第１のリタデーション領域及び第２のリタデーション領域を含み、前記幾何学的位相素子は、前記第１のビームを前記第１のリタデーション領域に向け、前記第２のビームを前記第２のリタデーション領域に向けるように構成されている、請求項１１に記載のシステム。
［請求項１４］
前記第１のリタデーション領域の面積は、前記幾何学的位相素子の前記焦点距離における焦点の面積に対応する、請求項１３に記載のシステム。
［請求項１５］
前記リターダ素子は４分の１波長板を備え、前記第１のリタデーション領域及び前記第２のリタデーション領域の光軸は約９０度離れている、請求項１３に記載のシステム。
［請求項１６］
１つ又は複数の光源であって、該１つ又は複数の光源から出力される光が前記幾何学的位相素子に入射するように配置された、１つ又は複数の光源を更に備え、
前記光源の各々は、前記幾何学的位相素子の前記レンズ領域のうちの１つに位置合わせされる、請求項４に記載のシステム。
［請求項１７］
前記それぞれのレンズ領域から出力される前記光は、前記幾何学的位相素子の焦平面において同じ偏光状態を有するそれぞれのスポットを画定する、請求項１６に記載のシステム。
［請求項１８］
前記リターダ素子から出力される光を受け取るように配置された偏光素子を更に備える、請求項１に記載のシステム。
［請求項１９］
前記リターダ素子から出力される光を受け取るように配置された光導波路であって、該光導波路の表面から該体積を通って出力される前記光の偏光を維持するように構成された光導波路を更に備える、請求項１に記載のシステム。
［請求項２０］
前記光導波路は１つ又は複数の光学構造体を備え、該光学構造体は、前記リターダ素子から出力される光を、該光の偏光を維持しながら該光学構造体を通るように方向付けるように構成されている、請求項１９に記載のシステム。
［請求項２１］
前記光学構造体は、プリズム構造体、マイクロレンズ及び／又は平面薄膜を含む、請求項２０に記載のシステム。
［請求項２２］
前記幾何学的位相素子と前記リターダ素子との間に配置された偏光格子を更に備える、請求項１に記載のシステム。
［請求項２３］
前記リターダ素子は半波長リターダ素子であり、
前記半波長リターダ素子から出力される光を受け取るように位置付けられた偏光格子と、
前記偏光格子から出力される光を受け取るように位置付けられた４分の１波長リターダ素子と、
を更に備える、請求項１に記載のシステム。
［請求項２４］
前記幾何学的位相素子と前記リターダ素子との間に位置付けられた透明スペーサ素子を更に備え、
前記幾何学的位相素子、前記スペーサ素子及び前記リターダ素子は、モノリシック構造を提供するように積層されている、請求項１に記載のシステム。
［請求項２５］
前記リターダ素子は、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２６］
前記少なくとも１つのキラル液晶層は第１のキラル液晶層及び第２のキラル液晶層を備え、該第１のキラル液晶層及び該第２のキラル液晶層は、該第１のキラル液晶層及び該第２のキラル液晶層のそれぞれの厚さにわたって異なるねじれ角だけ回転するそれぞれの分子配向を有し、前記ねじれ角のうちの少なくとも一方が非ゼロである、請求項２５に記載のシステム。
［請求項２７］
前記システムはプロジェクタに含まれ、該プロジェクタは、
前記幾何学的位相素子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、
前記リターダ素子から出力される光を受け取るように配置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る光を受け取るように配置された投影レンズと、
を備える、請求項１に記載のシステム。
［請求項２８］
前記システムは直視型ディスプレイの照明ユニットに含まれ、該直視型ディスプレイは、
前記幾何学的位相素子に入射する非偏光の光を提供するように構成された発光素子と、
前記リターダ素子から出力される光を受け取るように配置された導波路と、
を備える、請求項１に記載のシステム。
［請求項２９］
前記システムは電気通信システムに含まれ、該電気通信システムは、
前記幾何学的位相素子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、
前記リターダ素子から出力される光を受け取るように構成された光ファイバ素子と、
を備える、請求項１に記載のシステム。
［請求項３０］
表面に沿って少なくとも１つの次元で非線形に変化する局所的な光軸方向を備えた光学異方性を有する幾何学的位相素子を準備するステップと、
前記幾何学的位相素子から出力される光を受け取るようにリターダ素子を配置するステップと、
を含む、偏光変換システムを製造する方法。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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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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【図１６】
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【図１７】
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