(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
偏光装置であって、
光路と、
該光路に入射した光を複数の個別光ビームへと分離させるために前記光路中に配置されたマイクロレンズアレイと、
前記複数の個別光ビームを受光して、前記受光した個別光ビームに含まれる、所望の偏光状態にある光を通過させ、及び前記所望の偏光状態に対して直交する直交偏光状態にある光を反射させるために、前記光路中に配置された偏光フィルタと、
前記反射させられた前記直交偏光状態の光を受光して反射させ、及び、前記直交偏光状態から前記所望の偏光状態へと変換させるために配置された反射型偏光変換素子
とを備え、
前記偏光フィルタが、複数の四角錐の形状の要素を含み、
前記偏光フィルタの前記要素の各々は中心線を有し、前記マイクロレンズアレイ中の前記マイクロレンズの各々も中心線を有し、複数の該マイクロレンズが有する中心線の各々が、前記偏光フィルタの前記要素の中心線のうちの１つに実質的に一致しており、前記偏光フィルタの前記要素の各々の大きさが前記マイクロレンズの各々の大きさと等しく、前記偏光フィルタの前記要素の各々の中心線間の距離が、前記マイクロレンズの各々の中心線間の距離と実質的に等しく、及び、
前記マイクロレンズの中心線上において入射される光ビームが、前記偏光フィルタの前記要素の中心線上の前記四角錐の頂点において受光されることとなるように、前記偏光フィルタの前記要素は、前記四角錘の頂点が、前記入射される光ビーム側に向けられて配置されていることからなる、偏光装置。
【請求項２】
前記マイクロレンズアレイから受光する前記複数の個別光ビーム各々の中に含まれる前記直交偏光状態の光を、前記偏光フィルタが反射させる際に、該個別光ビームが実質的に受光される方向には帰還しない形状を前記偏光フィルタが有する、請求項１に記載の偏光装置。
【請求項３】
前記反射型偏光変換素子が、前記マイクロレンズアレイと前記偏光フィルタとの間の前記光路中に配置されており、複数の通過領域を含み、該複数の通過領域の各々の位置が、前記マイクロレンズアレイからの前記複数の個別光ビームのうちの異なる１つにそれぞれ整合しており、それにより、該整合した前記個別光ビームが伝搬させられることとなることからなる、請求項１に記載の偏光装置。
【請求項４】
前記偏光フィルタが、前記マイクロレンズアレイから受光する前記複数の個別光ビームの各々に含まれる前記直交偏光状態の光を、ある角度をつけて反射させるような形状に作られており、これによって、前記反射させられた各個別光ビームが、該個別光ビームに整合する前記通過領域へは実質的に帰還せずに前記反射型偏光変換素子の該通過領域とは異なる領域に入射するようにする、請求項３に記載の偏光装置。
【請求項５】
前記通過領域が、前記反射型偏光変換素子中に設けられた孔によって形成されている、請求項３に記載の偏光装置。
【請求項６】
前記反射型偏光変換素子が、反射面を上部に設けた四分の一波長板を含み、前記通過領域が前記反射面中に画定された開口部を含むことからなる、請求項３に記載の偏光装置。
【請求項７】
前記偏光フィルタの前記要素の各々が、前記個別光ビームのうちの異なる１つからの光を反射して前記反射型偏光変換素子の相異なる特定の領域へ伝搬させることからなる、請求項３に記載の偏光装置。
【請求項８】
前記反射型偏光変換素子中の前記通過領域の各々は中心線を有しており、前記複数のマイクロレンズが有する前記中心線の各々が、前記通過領域の前記中心線のうちの１つに実質的に一致していることからなる、請求項７に記載の偏光装置。
【請求項９】
前記反射型偏光変換素子が、四分の一波長板の一方の面上に設けた反射面を含む、請求項１に記載の偏光装置。
【請求項１０】
前記偏光フィルタの形状及び角度と、前記反射型偏光変換素子の形状及び角度とにより、前記反射型偏光変換素子から反射した光が、前記偏光フィルタが通過させた前記所望の偏光状態にある前記光の放射角度範囲と実質的に同じ放射角度範囲を有するようにさせられる、請求項１に記載の偏光装置。
【請求項１１】
光を偏向させる方法であって、
マクロレンズアレイが、光路中の光を複数の個別光ビームへと分離させ、
偏光フィルタが、前記複数の個別光ビームをフィルタリングして、所望の偏光状態の光ビームと、前記所望の偏光状態に対して実質的に直交する偏光状態にある光ビームとに分離させ、
前記偏光フィルタが、前記所望の偏光状態の光ビームを第１の放射角度範囲で通過させ、前記実質的に直交する偏光状態にある前記光ビームを反射させ、及び、
前記実質的に直交する偏光状態の前記反射させられた光ビームを、反射型偏光変換素子が、再反射させ、及び、前記直交する偏光状態を前記所望の偏光状態へと変換する
ことを含み、
前記再反射させられた前記光ビームは、前記通過した前記所望の偏光状態の光ビームの前記第１の放射角度範囲と実質的に同じ放射角度範囲を有しており、
前記偏光フィルタが、複数の四角錐の形状の要素を含み、
前記偏光フィルタの前記要素の各々の大きさが前記マイクロレンズアレイ中のマイクロレンズの各々の大きさと等しく、複数の該マイクロレンズの中心線の各々が、前記偏光フィルタの前記要素の中心線のうちの１つに実質的に一致しており、前記偏光フィルタの前記要素の各々の中心線間の距離が、前記マイクロレンズの各々の中心線間の距離と実質的に等しく、及び、
前記マイクロレンズの中心線上において入射される光ビームが、前記偏光フィルタの前記要素の中心線上の前記四角錐の頂点において受光されることとなるように、前記偏光フィルタの前記要素は、前記四角錐の頂点が、前記入射される光ビーム側に向けられて配置されていることからなる、方法。
【請求項１２】
前記フィルタリングを行う前に、前記複数の個別光ビームの各々を、前記再反射及び前記変換を実行する前記反射型偏光変換素子中に設けられた前記各個別光ビームに関連した通過領域のうちの異なる１つに通すことを更に含み、
前記反射させることは、前記実質的に直交する偏光状態にある前記光ビームの各々を反射させる際に、前記光ビームに関連した前記通過領域に該光ビームを帰還させずに、前記反射型偏光変換素子中の前記関連した通過領域を囲む面上へと該光ビームを帰還させることを含み、及び、
前記再反射させることは、前記面上において再反射を生じさせることを含むことからなる、請求項１１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般に光学系に関するものであり、より具体的には入力される実質的に全ての光を単一の偏光状態へと効率良く変換する偏光装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
液晶セルを利用して画像を作成するアプリケーションでは、正常な動作のために直線偏光された入力光が必要である。一般的に、従来の光源からの光は非偏光である。この光を偏光させる為に偏光子へと通すのであるが、偏光子は所望の偏光状態の光を通過させ、使用しない直交偏光状態の光を吸収又は偏向させるものである。その為、約半分の入力光が利用されず、この結果効率及び輝度が低くなる。
【０００３】
上述した効率問題を解決する為に、望ましくない偏光状態の光を所望の偏光状態へと変化させる解決策が開発されている。スリー・エム社が開発した解決策の１つが、画面輝度を増す為にノート型パソコンのＬＣＤディスプレイに利用されている二重輝度強化フィルムである。このフィルムは所望の偏光状態にある光を通過させ、直交偏光状態の光を反射して光源に帰還させる。帰還した光の一部は散乱や反射により再度反射して所望の偏光状態となり、画面に到達することになる。しかしながらこの手法をＬＣＤの投写型アプリケーションに利用する場合、高い輝度条件や光源における光の吸収によりその効率は制約されてしまう。
【０００４】
他の従来型解決策としては、図１に示した形式の偏光ビームスプリッタがある。一般に非偏光である未偏光１０は偏光ビームスプリッタ１２へと向けられる。所望の偏光は偏光ビームスプリッタ１２を通過する。通過した光は光１４で示されている。偏光ビームスプリッタ１２は直交偏光状態の光を反射する。反射された直交偏光状態の光はその後ミラー１６で反射して半波長板１８へと入るが、この半波長板１８は反射光の偏光状態を変化させ、所望の偏光状態を持つ光２０にする働きを持つ。理論的には未偏光の入力光の全てが直線偏光に変換されるものである。しかしながら、この結果得られる光は２つの別個の光ビームであり、これら別個の光ビームを光学系において利用するのは困難である。両方の光ビームを利用する為には大型のより高価な光学素子が必要であり、このような複雑な系の光学的効率は一般的に最適なレベルとはならない。従って、光を単一の偏光状態へと変換する際の効率の問題は未だに解決されていないのである。
【０００５】
【発明の概要】
本発明は簡単に説明すると、その一実施例においては偏光装置を含むものであり、この偏光装置は、光路と、該光路に入射した入力光を分離して複数の個別光ビームを生成するために該光路中に配置されたマイクロレンズアレイと、それら複数の個別光ビームを受光し、所望の偏光状態の入力光を通過させ、所望の偏光状態に直交する直交偏光状態の入力光を反射するように光路中に配置された偏光フィルタと、反射された直交偏光状態の光を受光して反射し、直交偏光状態の光を所望の偏光状態へと変換するように配置された反射型偏光変換素子とを具備する。
【０００６】
本発明の更なる態様においては、偏光フィルタは、マイクロレンズアレイから出射した複数の個別光ビームの各々に含まれる直交偏光状態の光を反射する際に、該個別光ビームが入射した方向とは実質的に異なる方向に反射光が送り返されるような形状に作られている。
【０００７】
本発明の更なる態様においては、反射型偏光変換素子が光路中でマイクロレンズアレイと偏光フィルタとの間に配置されている。この反射型偏光変換素子は複数の通過領域を有し、その各々はマイクロレンズアレイから出る複数の個別光ビームの各々と整合する配置にあり、それぞれに整合した光ビームを通過させる。
【０００８】
本発明のまた更なる態様においては、偏光フィルタは、マイクロレンズアレイから出る複数の個別光ビームの各々における直交偏光状態の光をある角度で反射する形状に作られており、これによって反射した個々の光ビームがそれらに整合する配置にある反射型偏光変換素子の通過領域にそのまま帰還せずに、反射型偏光変換素子の他の領域に入射する。
【０００９】
本発明の更に他の態様においては、通過領域は反射型偏光変換素子に設けた孔により形成されている。
【００１０】
本発明の更なる態様においては、反射型偏光変換素子が反射面をその上に有する四分の一波長板を含み、通過領域はその反射面に画定された開口から構成されている。
【００１１】
本発明の更に他の態様においては、偏光フィルタが複数の要素を有し、各々の要素が各々の個別光ビームからの光を反射型偏光変換素子の異なる特定の領域へ反射する形状に作られている。
【００１２】
本発明のまた更なる態様においては、偏光フィルタ上の各要素は中心線を有しており、また、反射型偏光変換素子中の各通過領域も中心線を有しており、マイクロレンズアレイ中の各マイクロレンズの中心線が１つの通過領域の中心線及び１つの要素の中心線と一致している。
【００１３】
本発明の他の態様においては、反射型偏光変換素子が四分の一波長板の一方の面上に配置された反射面を有する。
【００１４】
本発明の更なる態様においては、偏光フィルタの形状及び角度と反射型偏光変換素子の形状及び角度は、反射型偏光変換素子から反射される光の放射角度範囲が、偏光フィルタが通した所望の偏光状態光の放射角度範囲と実質的に同じになるように設定される。
【００１５】
本発明の更なる態様においては方法が提供される。方法は、光路中の光を複数の個別光ビームへと分離するステップと、複数の個別光ビームをろ波し、所望の偏光状態の光ビームと所望の偏光状態に実質的に直交する偏光状態の光ビームとに分離するステップと、所望の偏光状態にある光ビームを第一の放射角度範囲で通し、実質的に直交偏光状態にある光ビームを反射するステップと、反射された実質的に直交する偏光状態にある光ビームを再反射して直交偏光状態から所望の偏光状態へと変換するステップとを含むものであり、この再反射した光ビームに通過させた所望の偏光状態にある光ビームの第一の放射角度範囲と実質的に同じ放射角度範囲を持たせることを特徴とする。
【００１６】
本発明の更なる態様においては、方法は更に複数の個別光ビームの各々に、再反射及び変換を実行する素子中に設けられた対応する通過領域を通過させるステップを含むものであり、反射ステップにより実質的に直交偏光状態にある光ビームの各々を反射する際、それらに対応する通過領域にそのまま帰還させるのではなく、素子中の対応する通過領域を囲む面に向けて反射し、これによりこの面上にて再反射ステップを生じることを特徴とする。
【００１７】
【発明の実施の形態】
まず、本発明の第一の実施例を示す図２を参照する。入力される未偏光３０はマイクロレンズアレイ３２へと向けられ、ここで未偏光３０は複数の個別光ビーム３４へと分離される。本発明の実施に利用し得るマイクロレンズアレイ３２は多種存在するが、このようなアレイのパラメータ例を以下に説明する。基本的な光学素子を描いたこの図に示されるように、マイクロレンズアレイ３２中の個々のレンズにより作られる各個別光ビームの発散は元の未偏光３０の発散よりも大きくなる。
【００１８】
偏光フィルタ３８は光ビーム３４の光路中に配置される。偏光フィルタ３８は受光した光のうち、所望の偏光状態にある光３７を所定の放射角度範囲で通過させる一方、所望の偏光状態に対して直交する偏光状態を持つ光３９を反射する。この偏光フィルタ３８は、例えば直交偏光を分離するように成形することが出来るフィルムで構成される。偏光フィルタ３８には、例えばスリー・エム社の二重輝度強化フィルム等、偏光分波ろ波を行うことが出来るいずれの素子を利用しても良い。
【００１９】
好適実施例においては、偏光フィルタ３８は、個別光ビームの直交偏光成分を、それが来た同じ方向にそのまま反射せずに、反射型偏光変換素子４０の所定の領域へと反射するような形状とした複数の要素４４を含むように形成される。
【００２０】
好適実施例においては、個別光ビーム３４は偏光フィルタ３８へと至る前に反射型偏光変換素子４０を通過して伝搬する。この伝搬を可能とする為に、反射型偏光変換素子４０は通過領域３６のアレイを含むが、これら通過領域３６の各々は各光ビーム３４と一致した位置にある。通過領域３６による個別光ビーム３４の最大伝達量を保証する為に反射型偏光変換素子４０中にある各通過領域３６のサイズは、個々の光ビーム３４のくびれ部分に略等しい径である。従って、反射型偏光変換素子４０中の通過領域３６はマイクロレンズアレイ３２のマイクロレンズと同じ規模で、通過領域３６の中心線間の間隔が、マイクロレンズアレイ３２中のマイクロレンズの中心線間隔と実質的に等しいことが望ましい。通過領域３６は、個々のマイクロレンズとの位置が整合した適正な径の開口を単に反射型偏光変換素子４０に設けることで構成することが出来る。このタイプの通過領域３６は図２に描かれている。他の実施例においては、通過領域を反射型偏光変換素子４０中に適正なサイズで形成した高い透光性を持つ誘電材料の無反射領域とし、個別光ビームを偏光フィルタ３８へと通過させる為にマイクロレンズに対応するこの領域には反射性の裏当てを設けず構成することも出来る。この通過領域３６の実施例は図３に示した。
【００２１】
上述したように、好適実施例においては、偏光フィルタ３８は光の直交偏光成分を反射する際にこれらが来た方向である通過領域３６に直行帰還させるのではなく、反射性素子４０の特定の領域に向けるように作用する。一実施例においては、図２に示した要素４４は二面鋸歯又は四角錐の形状に作られており、これにより光の直交偏光成分は反射型偏光変換素子４０の表面４１へ、即ち光ビーム３４が元々伝搬されて来た通過領域３６に隣接する面へと反射される。図２には複数の鋸歯又は角錐体が示されているが、これら各々の頂点中心線が、各通過領域３６の中心線及びマイクロレンズアレイ３２中の各マイクロレンズの中心線と直線で一致しているのがわかる。要素４４はマイクロレンズの大きさに作られており、その中心線間の距離はマイクロレンズアレイ３２における中心線間の間隔と実質的に等しい。図４は偏光フィルタ３８上でマトリクス状に配置された四角錐から成る要素４４を上面から見た図である。図４の上面図においては要素４４を角錐体として描いたが、本発明の実施においては、直交偏光成分を反射型偏光変換素子の所望の面へと適正に反射することが出来るものであればこれらがどのような形状をしていても良いこと明らかであり、例えば円錐形や半球形であっても良い。ただし要素を円錐形や半球形とした場合、面４１の形状はより複雑なものとなる。
【００２２】
反射型偏光変換素子４０は反射された直交偏光状態の光を再反射するように配置されており、光を直交偏光状態から所望の偏光状態へと変換する。一実施例においては、反射型偏光変換素子４０は、ミラー４６を基体として裏当てした四分の一波長板を利用し、裏にミラーの無い通過領域３６を形成することで構成される。通過領域３６をこのように形成した実施例を図３に示す。反射型偏光変換素子４０のミラーの裏当て４６は、四分の一波長板上にミラー材料を堆積させることにより形成することが出来るが、その際、適正なマスク技術を利用して通過領域３６を画定し、ミラー材料がそれらの領域には堆積しないように実施する。かわりにミラー又は他の反射性材料４６を、通過領域３６を画定する開口を持つシートとして形成しても良い。このミラーシート４６を四分の一波長板に固着すれば、通過領域３６を有する反射型偏光変換素子４０を形成することが出来る。図４は四分の一波長板上に堆積させて形成された、又は別個のシートとして四分の一波長板の一面に固着されたミラー表面４６を描いたものであり、その中に形成された通過領域３６には反射性材料が含まれていない。
【００２３】
使用中は、偏光フィルタ３８により反射した光ビーム３９は反射型偏光変換素子４０の四分の一波長板上に当たり、四分の一波長板中を通って四分の一波長板４０上に堆積された、或いは固着された反射ミラー４６の裏当てに至り、そこで反射して四分の一波長板を通って帰還する。従って、偏光フィルタ３８が反射した光ビーム３９は四分の一波長板中を２回通過することになり、これによって直交偏光状態の光ビームが所望の偏光状態の光ビーム４２へと変換されるのである。再反射光はこの時点では偏光フィルタ３８を通過出来る偏光状態に変換されている為に、偏光フィルタ３８は再反射光ビーム４２の通過を妨げることはない。その後には光ビーム３７及び４２を集め、周知の方法で再集束する為の光学素子（図示せず）が設けられている。
【００２４】
反射型偏光変換素子４０のミラー表面４６で反射した光ビーム４２の放射角度範囲は偏光フィルタ３８の要素４４の形状及び角度、及び反射型偏光変換素子４０の通過領域３６周囲の形状及び角度に左右される。反射型偏光変換素子４０中の通過領域３６の周囲領域各々は球面形状をしていても非球面形状をしていても良い。従って偏光フィルタ３８及び反射型偏光変換素子４０の形状及び角度を最適化することで、得られる被変換光ビーム４２の放射角度範囲を、所望の偏光状態にある元の通過光ビーム３７の放射角度範囲に極めて近くすること（例えば光に実質的に同様の角分布を持たせること）が出来る。この最適化は素子３８及び／又は４０の形状を変えつつ実験的に最適な形状を決定すればよい。または、ＺＥＭＡＸ又はＡＳＡＰ等のようなソフトウエア設計プログラムを利用して最適化を行うことも出来る。従って、この系によれば、未偏光ビームを非常に効率良く元の光ビームのサイズに近いサイズで所望の偏光ビームへと変換することが出来るのである。なお、素子３８及び４０の図中の形状は説明用に描いたものであり、正確な寸法を示すものではない。また、光ビーム３７及び４２の角度も単に説明目的で示したものである。
【００２５】
本発明の一実施例においては、マイクロレンズアレイ３２中のマクロレンズの各々は、焦点距離を１ｍｍ程度、径を約１００マイクロメートル、そしてレンズ間の間隔を約１００マイクロメートルとして作成される。マイクロレンズの焦点距離、径及び単位長あたりのレンズ数といったパラメータは経験則にもとづいて最高の偏光効率が得られるように最適化することが出来る。原則として、マイクロレンズアレイ３２に含まれる個々のマイクロレンズの中心位置と中心間距離とは、反射型偏光変換素子４０中の通過領域３６の中心位置及び中心間距離とに実質的に一致しており、マクロレンズアレイ３２中にある複数のマイクロレンズの各々に、それぞれ異なる通過領域３６の１つが対応している。反射型偏光変換素子４０中の各通過領域３６の直径は集束光ビーム３４の直径であることが望ましく、従ってマイクロレンズアレイ３２に利用されるレンズの光学特性により決まる。例えば、本発明はスリー・エム社やＮＥＣオプティクス社製のマイクロレンズを利用して実施することが出来る。
【００２６】
上述したように、本発明の偏光成分再利用装置を最適化する為には、偏光フィルタ３８（又は機能的に同様の素子）及び／又は反射型偏光変換素子４０の形状は、反射光ビーム４２を未反射光ビーム３７に実質的に並行の光路に沿って導くように（例えば光ビームに実質的に同じ角分布を持たせつつ光ビーム３７からレンズアレイ間隔の１／２ずれるように）作らなければならない。また、マイクロレンズアレイ３２中のレンズ数は、非反射光ビーム３７の束及び被反射／変換光ビーム４２の束から構成される光が、この装置に続く光学伝送系のエタンデュ（ etendue ）を充分な一様さで満たせる程度の数としなければならない。この最適化は後続光学伝送系の特性に左右される為、事前に特定することは出来ない。
【００２７】
本発明は、未偏光を高い効率で偏光へと変換する方法を提供するものである。本発明により得られる偏光は、元の未偏光ビームに近いサイズの単一光ビームに含まれる。これは、全ての光を単一の偏光状態にしようとする場合に光が元の光ビームの２倍の大きさに拡大してしまう従来技術とは対照的な特徴である。従って、本発明は光学系において容易に利用することが出来る光を提供するものであり、これにより高いシステム効率を実現すると同時に、他の方法では光特性を改善する為に必要であった複雑性を低減することが出来る。
【００２８】
上述した本発明の実施例は説明目的で提示したものである。これは本発明を網羅することや開示した特定の形式に限定することを意図したものではなく、上述の教示に照らして可能となる、或いは本発明の実施から得ることが出来る様々な変更や改変が可能である。実施例は本発明の原理及びその実用的用途を説明し、当業者が本発明を様々な実施態様において企図した特定の用途に合わせて様々な変更を加えつつ利用することが出来るように選択・記載したものである。よって本発明の範囲は請求項及びそれと同等のものにより定義される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術例の概略ブロック図である。
【図２】本発明の第一の実施例を示す概略ブロック図である。
【図３】本発明の好適実施例を示す概略ブロック図である。
【図４】偏光フィルタの形成に利用出来るリフレクタ又はミラー面の概略図である。
【符号の説明】
３２  マイクロレンズアレイ
３６  通過領域
３８  偏光フィルタ
４０  反射型偏光変換素子
４４  偏光フィルタ上の要素
４６  反射型偏光変換素子に含まれる反射面
【図１】
0004746188.tif 000002
【図２】
0004746188.tif 000003
【図３】
0004746188.tif 000004
【図４】
0004746188.tif 000005