(57)【要約】【課題】照明路内の光損失を低減させ、有効的な照明を可能にする投影システム、表示システムなどのための集光、光集積及び光リダイレクト構成体を提供する。【解決手段】集光、光集積及び光リダイレクト構成体において特に高いスループットを可能にするために、光集積素子１０と、少なくとも１つの反射素子２０とを有することが提案される。光集積素子１０は、光入射孔Ｉを有する光入力面１０ｉと、光入射孔Ｉの外部の反射領域１１とを有する。さらに、光集積素子１０には、反射側面１０ｓが与えられ、光入力面１０ｉと光出力面１０ｏとの間を移動する光を反射するように構成されている。反射素子２０は、リダイレクトされた一次照明光ＲＬ１の少なくとも一部を反射して光集積素子１０に戻すように構成され、光は反射領域で前方反射されて回収される。【選択図】図１
2004078202.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
　投影システム又は表示システムのための、集光、光集積及び光リダイレクト構成体であって、
　光集積素子と、
　少なくとも１つの反射素子とを備え、
　前記光集積素子は、一次照明光を受光及び集積するように構成され、当該光集積素子へ前記一次照明光を入光させるための光入射孔が設けられた光入力面を有し、リダイレクトされた一次照明光として、当該光集積素子から集光、光集積及びリダイレクトされた一次照明光を出射させるための光出力面を有し、当該光集積素子内で前記光入力面と前記光出力面との間を移動する光を反射するように構成された内面、側面及び壁面の少なくとも１つのを有し、
　前記反射素子は、受光されリダイレクトされた一次照明光の少なくとも一部を反射させて、前記光出力面を介して前記光集積素子へ再入射させるように構成され、
　前記光入力面には、前記光入射孔が設けられている部分の外側に配置された反射領域が設けられ、前記光集積素子の内部からの光を反射させて、前記光集積素子の内部に戻すように構成されていることを特徴とする集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項２】
　前記光集積素子が、ライトパイプ又はインテグレータロッドであることを特徴とする請求項１に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項３】
　前記光集積素子が、光学透過性材料、プラスチック及びガラスのいずれか、あるいはそれらの組み合わせから構成される固体ロッドであることを特徴とする請求項１又は２に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項４】
　前記光集積素子が、中空管素子であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項５】
　前記光集積素子の内面、側面及び壁のうちの少なくとも１つが反射面又は鏡面を有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項６】
　前記光集積素子が、矩形、円形又は楕円形断面を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項７】
　前記光集積素子の前記光入射孔と光出射孔とが、異なるサイズ及び／又は形状を有することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項８】
　前記少なくとも１つの反射素子が、前記光集積素子の外側に配置されることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項９】
　前記少なくとも１つの反射素子が、前記光集積素子の光路中、その上、又はその周囲に配置されることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項１０】
　前記少なくとも１つの反射素子が、前記光集積素子の前記光出力面に近接して配置されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項１１】
　前記少なくとも１つの反射素子が、前記光集積素子の前記光出力面に取り付けられることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項１２】
　前記少なくとも１つの反射素子が、円偏光子である反射偏光素子を少なくとも備えていることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項１３】
　前記少なくとも１つの反射素子が、位相差板素子と反射偏光素子とを少なくとも備えていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項１４】
　前記少なくとも１つの反射素子が、単数又は複数のコレステリック膜を少なくとも備えていることを特徴とする請求項１乃至１３のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項１５】
　前記少なくとも１つの反射素子が、１／４位相差板素子とワイヤグリッド偏光素子とを少なくとも備えることを特徴とする請求項１乃至１４のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項１６】
　前記少なくとも１つの反射素子が、１／４位相差板素子と偏光ビームスプリッタ素子とを少なくとも備えていることを特徴とする請求項１乃至１５のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項１７】
　前記少なくとも１つの反射素子が、透明中央部、開口及び孔のいずれかと、反射フレーム部とを有する、反射又はミラーコーティングされたフレームであることを特徴とする請求項１乃至１６のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項１８】
　前記反射フレーム部が、表示装置の非能動領域と対応付けられ、
　前記透明中央部が、該表示装置の能動領域と対応付けられていることを特徴とする請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【請求項１９】
　前記少なくとも１つの反射素子が、照明ユニットの一部であることを特徴とする請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の集光、光集積及び光リダイレクト構成体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
　本発明は、投影システム、表示システムなどのための集光、光集積及び光リダイレクト（光再帰）構成体に関する。特に本発明は、例えば、投影エンジンなどの照明路において、特に高い光回収率を有する光学セットアップを用いる集光、光集積及び光リダイレクト構成体に関する。
【背景技術】
【０００２】
　近年、多くの電子機器には、これらの機器をより簡単に使用し、制御するための表示装置が備えられている。さらに、パーソナルコンピュータ、個人用携帯情報端末（ＰＤＡ）、ビデオ再生機器などの電子機器の表示装置のスペース及び消費エネルギを削減することが必要である。したがって、照明装置又は光源装置によって発光された光の有効的評価を可能とするには、この発生光を非常に慎重に取り扱う必要がある。
【０００３】
　照明路に沿った照明過程の間、例えば、一次照明光に対する偏光過程が結像過程において必要となる場合、光の損失が生じるということは、当該分野において公知である。あるいは／さらに、像形成素子パネルへの過剰照明が必要であるか、又は回避され得ないとき、すなわち、像形成系の像形成素子パネルの能動領域よりも照明領域が広いときに、光のさらなる損失が生じる。
【０００４】
　欧州特許第１０９８５３６号には、単一パネル投影システムにおいて光を再捕獲するための、特別なカラーフィルタホイールと組み合わせられたインテグレータロッドの使用方法が開示されている。
【０００５】
【特許文献１】欧州特許第１０９８５３６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
　本発明の目的は、照明路内の光損失を低減させ、有効的な照明を可能にする投影システム、表示システムなどのための集光、光集積及び光リダイレクト構成体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
　本発明の集光、光集積及び光リダイレクト構成体は、投影システム、表示システムなどに適用されるものである。本発明の集光、光集積及び光リダイレクト構成体は、光集積素子と、少なくとも１つの反射素子とを備える。光集積素子は、一次照明光を受光及び集積するように構成されている。光集積素子は、光入力面を備え、この光入力面の光入射孔を通って光集積素子に一次照明光を入光させる。さらに、光集積素子は、特に、リダイレクトされた一次照明光として集光、集積及びリダイレクトされた一次照明光を光集積素子から出射させるための光出射面又は光出力面を備える。さらに、本発明の集光、光集積及び光リダイレクト構成体における光集積素子は、光集積素子内で光入力面と光出力面との間を移動する光を反射するよう構成されている、少なくとも１つの内面又は側面あるいは壁を備える。このように設けられた反射素子は、受光されリダイレクトされた一次照明光の一部を反射させて光集積素子へ戻すことで、光出力面を介してその照明光を再入光させるように構成されている。光集積素子の光入力面には、光入射孔が占める部分の外側に設けられ、光集積素子の内部からの光を反射させて、光集積素子の内部に戻すように構成されている反射領域が設けられている。
【０００８】
　従来技術の集光、光集積及び光リダイレクト構成体とは異なり、本発明においては、光集積素子の光入力面は反射領域を有するとともに、付加的な光反射素子が設けられ、これら両者が協働することによって、受光及びリダイレクトされた一次照明光の一部がこれら両方の反射素子間を移動することが可能になり、それによって、一次リダイレクト照明光の一部がより有効に評価され、さらなる照明に用いられることが可能になる。
【０００９】
　すなわち、以下の２つの方策が二者択一的又は同時に採用される。方策の１つは、像形成の過程に用いられる空間領域の外部、例えば像形成装置の能動領域の外部に結像される光成分を反射するように付加的な反射素子を配置することである。採用可能なもう１つの方策は、ある特性を有し、そのために像形成の過程には用いられない一次照明光の成分を反射することである。このような特性としては、例えば、像形成系がある特定の偏光成分のみを用いる場合には、一次照明光における該成分と同じ偏光状態であってもよい。
【００１０】
　したがって、付加的な反射素子を適切に構成させることによって、本発明の集光、光集積及び光リダイレクト構成体が、従来のシステムにおいては浪費されていた一次照明光の成分を用いることが可能になる。したがって、照明に使用可能な光量は、本発明の構成を用いることによって増大する。
【００１１】
　本発明の集光、光集積及び光リダイレクト構成体の光集積素子は、幾つかの形態及び変形を取り得る。
【００１２】
　本発明の好ましい実施の形態によると、光集積素子は、ライトパイプ、インテグレータロッドなどであるか、又はそれらを含むものである。
【００１３】
　さらに、光集積素子は、光透過性材料、プラスチック、ガラスなどから成る固体ロッドとして構成されてもよい。
【００１４】
　あるいは、光集積素子は、中空管素子として形成されてもよい。
【００１５】
　あるいは／さらに、光集積素子は、一次照明光の特に有効な反射が集積されてリダイレクトされることを可能にするための、反射面又は鏡面を備えた内面又は壁又は側面を有していてもよい。
【００１６】
　光集積素子の断面は、矩形、円形又は楕円形であってもよい。光出力面又は光出射面は、表示パネルと同一形状、例えば矩形を有していてもよい。光入力面は、それとは異なる大きさ、異なる断面をしていてもよく、例えば正方形を有していてもよい。
【００１７】
　少なくとも１つの反射素子の光集積素子に対する幾何学的配置は、様々な方法で実現できる。
【００１８】
　少なくとも１つの反射素子を光集積素子の外部に配置することが好ましい。
【００１９】
　さらに、少なくとも１つの反射素子は、光集積素子の出力路の光学軸中、その上又はその周囲に配置されてもよい。
【００２０】
　さらに、少なくとも１つの反射素子は、光集積素子の光出力面に近接して配置されてもよい。本発明の他の好ましい実施の形態によると、少なくとも１つの反射素子は、光集積素子の光出力面に取り付けられる。
【００２１】
　一次照明光の異なる成分を分離するために、反射偏光素子、特に円偏光子が、少なくとも１つの反射素子として設けられてもよい。このような実施の形態は、特に場所を取らない。
【００２２】
　反射偏光素子の場合に、少なくとも１つの反射素子が、単数又は複数のコレステリック（cholesteric）膜である、あるいは単数又は複数のコレステリック膜を含んでいてもよい。
【００２３】
　あるいは、反射偏光素子は、直線偏光成分を円偏光の一偏光成分に変換するために１／４波長位相差板素子と接続された線形グリッド偏光子であってもよい。
【００２４】
　本発明の他の実施の形態によると、少なくとも１つの反射素子は、特に、１／４波長位相差板素子を伴った偏光ビームスプリッタ素子であるか、又は偏光ビームスプリッタ素子を含むものである。
【００２５】
　少なくとも１つの反射素子が光出力面を完全に被覆することがさらに好ましい。反射偏光素子を用いるときに、特に有益である。
【００２６】
　他の好ましい実施の形態によると、少なくとも１つの反射素子は、透明中心部、開口、孔などと、反射フレーム部とを有する、反射又はミラーコーティングされたフレームである。この場合、像形成素子パネルの非能動領域に導かれる光の一部が反射され、リダイレクトされることが可能となり、再利用が可能になる。
【００２７】
　したがって、本発明の他の好ましい実施の形態によると、フレーム部は、表示装置の非能動領域と対応付けられ、及び／又は、中心部は、表示装置の能動領域と対応付けられる。
【００２８】
　さらなる代替例として、少なくとも１つの反射素子は、照明ユニットの一部として構成されてもよい。
【００２９】
　例えば光が偏光されるとき、又は光が像形成パネルを過剰照明するときに、投影エンジンの照明路において光の損失が生じる。投影エンジンの光効率を増大させるために、本発明は光の効率的な回収方法に対する解決策を提供する。
【００３０】
　例えば、投影エンジン及び直視型ディスプレイにおけるＬＣＤパネルは、その動作のために、入口及び出口に偏光子を必要とする。これらの偏光子が高い吸光率を有することが、良好な画像コントラストを得るために必要である。一般的に、高吸光率を有するために、吸光箔偏光子（absorptive foil polarizer）が入口及び出口偏光子として用いられる。パネルの吸光入口偏光子を偏光していない光で照明すると、光の少なくとも５０％が吸収される。これは、光効率が２倍低下し、吸光により熱が生じるという問題点を持っている。後者の問題点により、偏光子が劣化又は破壊され、また、偏光子がパネル上に直接積層されている場合、パネルも影響を受ける。
【００３１】
　両問題点を解決するために、例えば、ＬＣＤプロジェクタにおいて、偏光変換システム（ＰＣＳ）が用いられる。公知のＰＣＳは、例えば、偏光ビームスプリッタプリズムのアレイから成る。各プリズムは、真空チャンバにおいて複層コーティングされている。プリズムが互いに接着され、板を形成する。このタイプのＰＣＳは、インテグレータレンズとも称されることがある、フライアイレンズと共同してのみ作動する。偏光していない光はプリズムで分割され、ｓ成分及びｐ成分となる。ｐ成分は、１／２波長位相差箔によってｓ成分に変換される。実際には、光の約７０〜８０％が右方向に偏光される。
【００３２】
　フライアイレンズと同様に、例えば矩形形状を有するインテグレータロッドが、投影エンジンのパネルを均一に照明するために用いられる。インテグレータロッドには、少なくとも２つの好ましい実施の形態が存在する。第１の実施の形態においては、インテグレータロッドは固体ガラスロッドである。第２の実施の形態は、内壁がミラーコーティングされた矩形形状トンネルである。代表的には、ロッドの入口は、光をロッドに結合させるために楕円形反射器の第２の焦点の近傍にある。
【００３３】
　インテグレータロッドは、主に、ＤＭＤ型プロジェクタ、すなわちディジタルミラー素子型プロジェクタの照明装置において用いられ、ＬＣＤプロジェクタは、上述のように偏光変換システム（ＰＣＳ）が必要になるために、フライアイレンズと組み合わせられたパラボリック反射器を用いる。
【００３４】
　欧州特許第１０９８５３６号は、単一パネル投影システムにおいて光を再捕獲するための、特別なカラーフィルタホイールと組み合わせられたインテグレータロッドの使用を開示している。単一パネルシステムは、時系列の色生成という一般的な問題点を有している。時系列の色生成と共に、主な三分の二の光が失われる。欧州特許第１０９８５３６号もまた、ダイクロイックカラーフィルタの使用を示しており、補足的な用いられない着色光が反射され、インテグレータロッド内に戻される。ミラーコーティングで一部がコーティングされたロッドの入口では、この光の大部分が、回収のために前方に反射される。
【００３５】
　１つの偏光成分を透過させ、補足的な偏光成分を反射させる反射偏光子は、一般的に用いられるＬＣＤフラットパネルディスプレイにおいて輝度を増大させるために用いられることがある。
【００３６】
　上述のようなＰＣＳは、１６個まであるいはそれ以上の研磨プリズムロッド（polished prism rod）が必要とされるために、製造が高価である。さらに、プリズムは、真空チャンバにおいて複層コーディングされ、互いに接着される。プリズム上に１／２波長箔を正確に積層する必要がある。さらに、これら種類のＰＣＳは、インテグレータ光学素子の使用に制限される。これによって、設計の自由度が低下する。偏光ビームスプリッタを用いて偏光を回収させるための他の方法は、場所をとり、高価でもある。
【００３７】
　投影システムのパネルを均一に照明するためには、パネルは過剰照明されなければならない。この過剰照明光は、パネルの能動領域の外部に入射し、失われる。過剰照明は、パネルの縁でも照度を均一にするために必要である。また、光学部品の機械的許容度を補償するためにも、過剰照明が必要である。
【００３８】
　この過剰照明による損失をできる限り小さくするために、照明光の形状は、パネルの矩形形状に一致しなければならない。これによって、照明路内に、矩形形状のインテグレータロッドやフライアイレンズの使用などの特殊な光学部品が必要となる。
【発明の効果】
【００３９】
　本発明によれば、照明路内の光損失を低減させ、有効的な照明を可能にする投影システム、表示システムなどのための集光、光集積及び光リダイレクト構成体が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４０】
　本発明の実施の形態を添付図面を参照してさらに詳細に説明する。以下において、同一の参照符号は、同一又は同様の要素及び機能を示す。
【００４１】
　図１は、本発明の集光、光集積及び光リダイレクト構成体１の第１の実施の形態の側断面図である。
【００４２】
　光集積素子（light integrating device）１０は、反射側面１０ｓと、光入力面１０ｉと、光出力面１０ｏとを備えたガラス製のインテグレータロッド（integrator rod）から構成される。光入力面１０ｉは、ミラー１１によって一部が被覆されている。この光入力面１０ｉのミラー１１によって被覆されていない部分が、光集積素子１０の光入射孔Ｉを規定する。光入力面１０ｉとは逆に、光出力面１０ｏは、反射素子２０を構成する円偏光子（以下、単に円偏光子２０ともいう。）で完全に被覆されている。円偏光子２０は、入射一次照明光Ｌ１及びリダイレクトされた照明光Ｌ１のＲ円偏光成分を透過させ、一次照明光Ｌ１のＬ円偏光成分を光集積素子１０の内部に反射することができる。
【００４３】
　使用時において、図１に図示されていない光源装置から発光された一次照明光Ｌ１が、光集積素子１０の光入力面１０ｉの光入射孔Ｉを介して光集積素子１０の内部に入光する。図１の具体例において、一次照明光Ｌ１は、反射側面１０ｓの位置ａと位置ｂで反射され、位置ｃで光出力面１０ｏ及び円偏光子２０に当たる。
【００４４】
　一次照明光Ｌ１の光線（以下、光線Ｌ１という。）の偏光状態は、各場合において、純粋なＲ円偏光成分と純粋なＬ円偏光成分の重畳として表すことができる。位置ａ及びｂでの反射の度に、光線Ｌ１の偏光状態は変化する。すなわち、Ｒ円偏光成分の寄与率及びＬ円偏光成分の寄与率が変化する。円偏光子２０の位置ｃでは、Ｒ円偏光成分は光集積素子１０の外部に透過し、Ｌ円偏光成分は反射されて、光集積素子１０の内部に戻る。この反射された残りの光線（あるいは光ビーム）Ｌ１’は、順次位置ａ’、光入力面１０ｉのミラー１１で覆われた面（以下、反射面１１という。）の位置ｄ、位置ｂ’、位置ａ”で反射された後、位置ｃ’において円偏光子２０に当たる。光線Ｌ１’は、位置ａ’、ｄ、ｂ’及びａ”で複数回反射されるために、光線Ｌ１’は、ここでも純粋なＬ円偏光光線ではなく、Ｌ円偏光成分とＲ円偏光成分とが重畳されたものである。また、円偏光子２０に二度目に当たるＲ円偏光成分も、光集積素子１０の外部に透過され、円偏光子２０に二度目に当たるＬ円偏光成分も、反射され、光集積素子１０の内部に戻る。
【００４５】
　上述の説明から、先行技術の装置においては浪費されていた、一度当たったＬ円偏光成分の少なくとも一部が回収され、照明過程に用いることが可能であることが分かる。
【００４６】
　図２は、異なる偏光状態ａ〜ｅ及び各々の透過率hを示す。純粋なＲ円偏光成分ａについては、上述の図１の実施の形態の円偏光子２０の偏光依存透過率は、１００％である。偏光状態ｃは、Ｌ円偏光状態とＲ円偏光状態との重ね合わせが１：１のときを示しており、偏光依存透過率はh＝５０％となる。最後に、図１の円偏光子２０に対して純粋なＬ円偏光状態の光線が入射されるときは、偏光依存透過率h＝０％となり、すなわち、入射光線が完全に反射される。
【００４７】
　図３は、提供されたＬＣＤディスプレイ６０を光集積素子１０から出射された光で照明するように構成された照明ユニット５０において、その一部に図１の円偏光子２０を用いた場合の構成を示す。ここでもまた、リダイレクトされた一次照明ＲＬ１のＬ円偏光成分は反射されて、光出力面１０ｏを介して光集積素子１０の内部に戻され、この過程においては、例えば、照明ユニット５０のレンズなどの、異なる光学素子が用いられる。
【００４８】
　図４の実施の形態は、偏光ビームスプリッタ素子４０から構成される反射素子２０を示し、偏光ビームスプリッタ４０と光集積素子（以下、ライトパイプともいう。）１０の光出力面１０ｏとの間に１／４波長位相差板素子３０が挟持されている。
【００４９】
　偏光ビームスプリッタ素子４０は、組み合わせられたガラスプリズム４０−１、４０−２及び４０−３から成る。内側コーティング４０ｃは、Ｐ偏光を透過し、Ｓ偏光を反射させるように設計されている。偏光ビームスプリッタ素子４０の外壁４０ｓは、反射コーティングでコーティングされている。
【００５０】
　光線Ｌ１は偏光ビームスプリッタ素子４０に入光し、点ａでＰ偏光成分（あるいは光線）とＳ偏光成分（あるいは光線）に分割される。Ｓ偏光光線は点ａで反射され、点ｃにおいて完全に内部反射される角度となるように、空気−ガラス表面４０ｉの点ｂに当たり、反射面４０ｓで反射されて点ｄに向かい、この点ｄで反射されてライトパイプ１０内に戻る。１／４波長位相差板素子３０は、直線偏光を円偏光に変換する。
【００５１】
　他の入射角では、入射光線Ｌ１’が、点ａ’で分割される。反射された光線は点ｂ’で反射面からなる外壁４０ｓに当たり、点ｃ’に反射され、１／４波長位相差板素子３０によって円偏光状態に変換された後に、ライトパイプ１０内に戻る。
【００５２】
　図５は、照射される中央又は能動部６０ａと、外側周縁の非能動部６０ｎとを有する表示装置６０を示す。表示装置６０の非能動部６０ｎに導かれた光の浪費を回避するために、図６の実施の形態では、表示装置６０の非能動部６０ｎと対応付けられたフレーム部２０ｆと、表示装置６０の能動領域６０ａと対応付けられた中央部２０ｏとを有するフレーム光構造を有する反射素子２０を用いる。光集積素子１０からの、表示装置６０の非能動領域６０ｎに結像されるリダイレクトされた一次照明光の光線ＲＬ１は、反射されて光線ＲＬ１’として光集積素子１０の内部に戻るため、結像過程において必ずしも失われなることはない。ここでもまた、異なる光学素子及びレンズを有する照明ユニット５０が用いられる。
【００５３】
　図７は、典型的な３パネルＬＣＤプロジェクタの構成と、該構成に対して本発明をどのように組み込むかについて示している。光は反射器１１０によって平行化され、ライトパイプ１０の入口孔に集束される。光はライトパイプ１０内で集積され、出口で均一な矩形分布を有する。この矩形分布は、レンズ５０によって赤色、緑色及び青色ＬＣＤパネル６０ｒ、６０ｇ及び６０ｂ上に各々結像される。光は反射偏光子２０によって偏光され、上述のように望ましくない偏光がライトパイプ１０内で回収される。白色光はダイクロイックミラー７０ｂ及び７０ｇによって一次又は基本成分あるいは赤色、緑色及び青色に分割され、Ｘキューブプリズム９０によって再結合されて、レンズ１００を介してスクリーン上に投射される。
【００５４】
　本発明の基本的な考えを以下に説明する。ライトパイプ（あるいは光集積素子）１０に入光する非偏光ビームは、ライトパイプ１０内部で複数回反射されて、最終的に反射偏光子２０に入射する。反射偏光子２０は、１つの偏光成分を透過させ、補足的な偏光成分を、従来の延伸箔偏光子（stretched foil polarizer）において行われるように吸収はせず、反射させる。図１において、反射偏光子２０は、円偏光子として作用するコレステリック膜によって実現される。１つの円偏光成分、すなわち、ここではＲ又は右円偏光成分は透過され、補足的な偏光成分、すなわち、ここではＬ又は左円偏光成分が反射される。後方反射された円偏光成分は、ライトパイプ１０の表面で複数回反射され、それによって元の円形状態から楕円形状態へと偏光状態が変化する。偏光状態の楕円率及び方向は、入射角及びライトパイプ１０内部での反射回数に依存するが、これは全てのビームに対して同一ではない。最終的に、後方反射ビームは、ライトパイプ１０の入口表面のミラーコーティングされた領域（以下、単にミラーともいう。）１１に入射するか、あるいは、ある程度の可能性では、孔を通過して失われるかのいずれかである。ビームがミラー１１によって反射されると、楕円又は円偏光状態のキラリティ（対掌性）は、例えば、Ｌ円偏光からＲ円偏光に変化する。ミラー１１によって前方反射されると、ビームはライトパイプ１０内で複数回反射され、反射偏光子２０に再び入射すると、ある楕円偏光状態になる。ここでは、Ｒ成分が透過され、Ｌ成分が反射されてライトパイプ１０内に戻り、上述の手順が繰り返される。透過されるＲ円偏光成分の量は、図２から分かるように、入射光の偏光状態の楕円率に依存する。
【００５５】
　直線偏光を反射する偏光子を用いるとき、偏光は円偏光に変換されなければならない。この変換は、偏光子の前方に１／４波長位相差板を用いることによって達成できる。
【００５６】
　その結果、光は完全に偏光されて当該装置を出る。偏光の後方反射された成分の一部が回収され、吸光偏光子と比較すると発光効率が増大する。出口で均一な照明分布を与えるというライトパイプの本来の目的は、有効なままである。
【００５７】
　上述の効率は以下のように推定できる。上述のように、偏光子によって透過される光量は、偏光子に入射する直前の偏光状態に依存する。上述のＲ円偏光透過偏光子の理想的な場合では、回収される後方反射されたＬ円偏光ビームがＲ円偏光ビームに変換され、１００％が偏光子によって透過される。最悪の場合では、偏光状態は変化しない。すると、偏光子を透過する光はなく、回収が行われないことを意味する。実際には、偏光状態はＲ円偏光とＬ円偏光とのほぼ間にあることが予想される。ライトパイプの長さを調節し、入射角を選択することによって偏光状態を最適化することは、設計上の事項である。偏光子の直前に配置される付加的な位相差膜は、偏光状態を調節する補助にもなり得る。
【００５８】
　以下の定義及び値の割り当てによって、初めは非偏光であった光についてのライトパイプ又は偏光子システムの総透過率が推定される。
ｈ　　　偏光子に入射する直前の、回収されるビームの偏光度。完全にＲ円偏光されている入射光についてはｈ＝１であり、完全にＬ円偏光されている入射光についてはｈ＝０である。
ｔｉｎ　　ライトパイプに最初に入ったときの透過率。
ｔＬＰ　　ライトパイプを通過するときの透過率。
ｔＰｏｌ　 反射偏光子（２０）の透過率。Ｒ偏光のみ。
ｒＰｏｌ　 反射偏光子（２０）の反射率。Ｌ偏光のみ。
Ｐ　　　光がミラーによって反射されて孔を通過しない、したがって、光が失われる確率（光は、ライトパイプを二度通過すると非常に均一に分布されるはずであるので、この確率は、ミラーコーティングされた面積のライトパイプの総入口面積に対する比率と等しい）。
ｒＭ　　 ミラーコーティングの反射率
ｒｔ＝ｔｍ×ｔＬＰ×ｔＰｏｌ×０．５＝偏光子に一度目に当たった後の透過光
ｒｌ＝ｔｍ×ｔＬＰ×ｒＰｏｌ×０．５＝偏光子に一度目に当たった後の反射光
ｔｐａｓｓ＝ｔＬＰ２×ｐ×ｒＭ
であり、
　総透過率は、以下の式によって推定される。
【００５９】
【数１】
2004078202.tif 000003
【００６０】
　実際的な値がｔｉｎ＝９６％、ｔＬＰ＝９９％、ｔＰｏｌ＝９０％、ｒＰｏｌ＝９０％、ｐ＝７５％、ｒＭ＝９８％であるとすると、以下のようになる。
・理想的な場合で、ｈ＝１のとき、　　　　ｔｔｏｔａｌ＝７０．５％、
・より実際的な場合で、ｈ＝０．５のとき、ｔｔｏｔａｌ＝６３．３％、
・最悪の場合、すなわち回収が無い場合には、ｈ＝０．０のとき、
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　ｔｔｏｔａｌ＝４２．８％＝ｔ１
　図３において、反射偏光子２０は、照明ユニット５０の光路内に配置されている。この位置では、偏光子への熱応力は、ライトパイプ１０の出口での直接的な位置と比較すると、大幅に小さい。
【００６１】
　代替例として、図４に示すように、コレステリック反射偏光子２０の代わりに偏光ビームスプリッタ４０が用いることができる。偏光ビームスプリッタ４０は光ビームを２つの直交する直線偏光成分に分離するので、付加的な１／４波長位相差板３０が必要となる。
【００６２】
　機械的許容度を補償するため、及びＬＣＤパネルの能動領域全体への均一な照明を行うために、パネルはわずかに過剰照明される。典型的には、図５において分かるように、この過剰照明された縁部において光の約２０％が失われる。
【００６３】
　この過剰照明された光を回収させるための方法を図６に示す。ここでは、一部がミラーコーティングされた入口表面を有するライトパイプを用いて、ＬＣＤパネルの能動領域を取り巻くミラーコーティングされたフレーム６０によって反射された、過剰照明光が回収される。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
　本発明によれば、照明路内の光損失を低減させ、有効的な照明を可能にする投影システム、表示システムなどのための集光、光集積及び光リダイレクト構成体が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００６５】
【図１】本発明の第一の実施の形態の側断面図である。
【図２】本発明の１つの実施の形態の偏光依存透過率を示す図である。
【図３】本発明の他の好ましい実施の形態を示す図である。
【図４】本発明の他の好ましい実施の形態を示す図である。
【図５】本発明の他の好ましい実施の形態を示す図である。
【図６】本発明の他の好ましい実施の形態を示す図である。
【図７】本発明の他の好ましい実施の形態を示す図である。
【符号の説明】
【００６６】
　１０　　ライトパイプ、２０　　反射偏光子、３０　　１／４波長位相差板、４０　　偏光ビームスプリッタ素子、５０　　照明ユニット、６０　　ＬＣＤ
【図１】
2004078202.tif 000004
【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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