(57)【要約】ビーム折曲げ器は、偏光ビームスプリッタおよびリターデーションを与えることによってビームを再偏光させる反射体で光路長を増大させる。入射ビームは、ビームスプリッタに複数回当たり、同じスプリッタがそれを通過させかつ阻止する。スプリッタおよび再偏光反射体は、比較的小さい容積内で光学的な機能が行われる形状にすることができる。バルブおよび制御器は、ビーム強度を変え、複数のビームを合成することができる。応用例には、プロジェクション、画像形成、コリメーション、混合、およびバランスをとることが含まれる。
2004526189.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
通過軸および阻止軸を有する少なくとも１つの偏光ビームスプリッタと、少なくとも１つの再偏光反射体とを含み、通過軸と阻止軸の間で入射ビームの偏光を変換する光学素子であって、スプリッタおよび反射体が、それによってビームが少なくとも２度、一度は通過軸に沿い一度は阻止軸に沿ってスプリッタに当たるように配置され、再偏光反射体が、入射ビームを反射し再偏光させることに加えて、入射ビームに光学的な機能を行うように構成される素子。
【請求項２】
入射ビームが通過軸および阻止軸の１つに沿って偏光される、請求項１に記載の素子。
【請求項３】
再偏光反射体が湾曲面を有する、請求項１に記載の素子。
【請求項４】
再偏光反射体が入射ビームをコリメートする、請求項３に記載の素子。
【請求項５】
再偏光反射体がビーム強度を変えるように構成される、請求項１に記載の素子。
【請求項６】
再偏光反射体でリターデーションを変えることによってビーム強度を変える、請求項５に記載の素子。
【請求項７】
別の通過軸および阻止軸がそれぞれ前記１つの偏光ビームスプリッタの阻止軸および通過軸に沿って方向づけられる、別の偏光ビームスプリッタを含む、請求項１に記載の素子。
【請求項８】
ビームが少なくとも２度、一度は別の通過軸に沿い一度は別の阻止軸に沿って別の偏光ビームスプリッタに当たる、請求項７に記載の素子。
【請求項９】
入射ビームの光路中に別の再偏光反射体を含む、請求項１に記載の素子。
【請求項１０】
別の再偏光反射体が、ビームを反射し再偏光させることに加えて別の光学的な機能を行う、請求項９に記載の素子。
【請求項１１】
別の再偏光反射体が湾曲面を有する、請求項１０に記載の素子。
【請求項１２】
別の再偏光反射体がビーム強度を変える、請求項１０に記載の素子。
【請求項１３】
入射ビーム源をさらに含む、請求項１に記載の素子。
【請求項１４】
素子の外部でビームを受け取る、ターゲットをさらに含む、請求項１３に記載の素子。
【請求項１５】
入射ビームを受け取るように配置された第１偏光ビームスプリッタと、
第１スプリッタからのビームを受け取るように配置され、ビームを再偏光させ反射することに加えて光学的な機能を行うような形状の再偏光反射体と、
再偏光子から反射したビームを受け取るように第１スプリッタに対してある角度で配置された第２偏光ビームスプリッタとを備え、素子内で入射ビームのビーム長を増大させる光学素子。
【請求項１６】
再偏光反射体がビームを合焦させる、請求項１５に記載の素子。
【請求項１７】
再偏光反射体がビームをコリメートする、請求項１５に記載の素子。
【請求項１８】
再偏光反射体がビームを減衰させる、請求項１５に記載の素子。
【請求項１９】
第１および第２スプリッタに対してある角度で配置された追加の再偏光反射体をさらに備える、請求項１５に記載の素子。
【請求項２０】
別の再偏光反射体が、ビームを反射し再偏光させることに加えて別の光学的な機能を行う、請求項１９に記載の素子。
【請求項２１】
入射面と、
出射面と、
一方または両方の面に配置され、ビームにある光学的な機能を行う追加の要素をさらに備える、請求項１５に記載の素子。
【請求項２２】
追加の要素が光バルブである、請求項２１に記載の素子。
【請求項２３】
追加の要素が減衰器である、請求項２１に記載の素子。
【請求項２４】
減衰器が可変である、請求項２３に記載の素子。
【請求項２５】
追加の要素がレンズである、請求項２１に記載の素子。
【請求項２６】
出射面が入射面に平行である、請求項２１に記載の素子。
【請求項２７】
出射面が出射面に直交する、請求項２１に記載の素子。
【請求項２８】
両方の面に配置された追加の要素をさらに備える、請求項２１に記載の素子。
【請求項２９】
光学要素がビームに異なる光学的な機能を行う、請求項２８に記載の素子。
【請求項３０】
入射ビーム源をさらに備える、請求項１５に記載の素子。
【請求項３１】
ビーム源が、入射ビームに光学的な機能を行う要素を含む、請求項３０に記載の素子。
【請求項３２】
ビームを受け取るターゲットをさらに備える、請求項３０に記載の素子。
【請求項３３】
ビームがターゲット上で像を形成する、請求項３２に記載の素子。
【請求項３４】
入射ビームを第１偏光光学ビームスプリッタで反射させるステップと、
入射ビームを第２偏光ビームスプリッタを通過させるステップと、
両方のスプリッタに当たった後で、少なくとも１つの別の光学的な操作を行いながらビームを反射させ再偏光させるステップと、
再偏光されたビームを第２スプリッタで反射させるステップと、
再偏光されたビームを第１スプリッタを通過させるステップとを含む、光学素子内で入射ビームのビーム長を増大させる方法。
【請求項３５】
ビームを操作するステップが、ビームをコリメートするステップを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
ビームを操作するステップが、ビームを合焦させるステップを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
ビームを操作するステップが、ビーム強度を変えるステップを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
第１通過軸および第１阻止軸を有し、入射ビームを受け取るように配置された第１偏光ビームスプリッタと、
第２通過軸および第２阻止軸がそれぞれ第１阻止軸および第１通過軸に平行であり、第１スプリッタに対して鋭角となるように配置された第２偏光ビームスプリッタと、
ビームが両方のビームスプリッタに少なくとも２度当たるように配置され、各ビームスプリッタの通過軸と阻止軸の間でビームの偏光を相互に変換する再偏光反射体とを備える光学素子。
【請求項３９】
入射ビームが単一の偏光モードを有する、請求項３８に記載の素子。
【請求項４０】
入射ビーム用の合焦要素を含むビーム源をさらに備える、請求項３８に記載の素子。
【請求項４１】
ビーム源が、第１ビームスプリッタにビームを反射させる折曲げミラーをさらに含む、請求項４０に記載の素子。
【請求項４２】
ビームが両方のビームスプリッタに２度当たった後で、ビームを受け取るように配置された投影スクリーンをさらに含む、請求項３８に記載の素子。
【請求項４３】
スクリーンが第２ビームスプリッタの位置に配置される、請求項４２に記載の素子。
【請求項４４】
再偏光反射体が、少なくとも１つのビームスプリッタに対して非対角に配置される、請求項３８に記載の素子。
【請求項４５】
ビーム源からの入射ビームを第１偏光ビームスプリッタの通過軸を通過させるステップと、
ビームを、第１ビームスプリッタに対して非対角に配置された第２偏光ビームスプリッタの阻止軸で反射させるステップと、
ビームを反射され再偏光させるステップと、
ビームを第１偏光ビームスプリッタの阻止軸で反射させるステップと、
ビームを第２偏光ビームスプリッタの通過軸を通過してスクリーンに到達させるステップとを含む、像を投影する方法。
【請求項４６】
動作が列挙された順序で行われる、請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
反射させ再偏光させるステップが同時に行われる、請求項４５に記載の方法。
【請求項４８】
第１ビームスプリッタの通過軸および阻止軸が、それぞれ第１ビームスプリッタの阻止軸および通過軸に対応する、請求項４５に記載の方法。
【請求項４９】
第１および第２ビームスプリッタが互いに鋭角で交わるように配置される、請求項４５に記載の方法。
【請求項５０】
通過軸および阻止軸を有する偏光ビームスプリッタと、通過軸と阻止軸の間で入射ビームの偏光を変換する１対の再偏光反射体とを備える、ある偏光モードを有する入射ビームのビーム長を増大させる光学素子であって、ビームがスプリッタに少なくとも３度当たるようにスプリッタおよび反射体が配置される素子。
【請求項５１】
１度は通過軸に沿い２度は阻止軸に沿ってビームがスプリッタに当たる、請求項５０に記載の素子。
【請求項５２】
ビームの偏光モードがスプリッタの阻止軸に沿う、請求項５０に記載の素子。
【請求項５３】
２つの再偏光反射体が互いに平行に配置される、請求項５０に記載の素子。
【請求項５４】
スプリッタが再偏光反射体に対して対角の関係で配置される、請求項５３に記載の素子。
【請求項５５】
第１通過軸および第１阻止軸を有する第１偏光ビームスプリッタと、
第２通過軸が第１阻止軸に平行であり、第２阻止軸が第１通過軸に平行である第２偏光ビームスプリッタと、
ビームの偏光を、通過軸の１つからそれに対応する阻止軸の１つに、およびその逆に変換する再偏光子と、
再偏光子に隣接し、入射光路に沿ってビームを再偏光子に送り、同じ光路に沿って再偏光子に戻す反射体とを備える、ビーム長を増大させる光学素子であって、
素子内でビームの偏光が両方の通過軸および両方の阻止軸に平行となるように、スプリッタおよび反射体が配置される素子。
【請求項５６】
反射体が逆反射体である、請求項５５に記載の素子。
【請求項５７】
入射ビームが第１スプリッタの阻止軸に沿って偏光される、請求項５５に記載の素子。
【請求項５８】
コリメートレンズをさらに備える、請求項５５に記載の素子。
【請求項５９】
入射ビームの光路中に絞りをさらに備える、請求項５８に記載の素子。
【請求項６０】
それぞれ通過軸および阻止軸を有する少なくとも１つの偏光ビームスプリッタを含む複数のカスケード型ユニットと、通過軸と阻止軸の間で入射ビームの偏光を変換する少なくとも１つの再偏光反射体と、光路を長くすることに加えて入射ビームを操作する要素とを備える光学素子。
【請求項６１】
各ユニットが、第１偏光ビームスプリッタの阻止軸および通過軸に平行な通過軸および阻止軸を有する第２偏光ビームスプリッタを含む、請求項６０に記載の素子。
【請求項６２】
少なくとも１つのユニット内で入射ビームを操作する要素が減衰器である、請求項６０に記載の素子。
【請求項６３】
減衰器が可変である、請求項６２に記載の素子。
【請求項６４】
減衰器が、再偏光反射体内で入射ビームの再偏光量を変える、請求項６２に記載の素子。
【請求項６５】
各ユニット内で、偏光ビームスプリッタが、そのユニットの一部分のみの入射ビームの偏光を変換する、請求項６０に記載の素子。
【請求項６６】
前記ビーム部分がある波長バンドである、請求項６５に記載の素子。
【請求項６７】
前記ビーム部分が異なるユニットでは異なる、請求項６５に記載の素子。
【請求項６８】
第１の波長バンドに対して、
すべての波長バンドを含む入射ビームを、波長バンドの１つに対してだけ有効で、他の波長バンドは通過させる通過軸および阻止軸を有する偏光ビームスプリッタに送るステップと、
スプリッタの通過軸と阻止軸の間で入射ビームの１つの波長バンドの偏光を変換し、その１つの波長バンドを減衰させるステップと、
減衰した１つの波長バンドおよび通過した他の波長バンドの出射ビームを形成するステップと、
各繰返しにおける入射ビームがその前の繰返しにおける出射ビームとなるように、他の波長バンドごとに上記操作を繰り返すステップとを含む、様々な波長バンドの偏光ビームを混合する方法。
【請求項６９】
波長バンドが赤、緑および青である、請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
各繰返し中に、やはり前記１つの波長バンドの偏光を変換するステップをさらに含む、請求項６８に記載の方法。
【請求項７１】
各繰返し中に、やはり前記１つの波長バンドを減衰させるステップをさらに含む、請求項７０に記載の方法。
【請求項７２】
変換し再偏光させる操作が同時に行われる、請求項６８に記載の方法。
【請求項７３】
前記１つの波長バンドを減衰させるステップが、可変量だけその再偏光を変換するステップを含む、請求項７２に記載の方法。
【請求項７４】
固有な第１通過軸および第１阻止軸を有する材料から製作された第１偏光ビームスプリッタと、
第１阻止軸および第１通過軸に平行な固有な第２通過軸および第２阻止軸を有する材料から製作された第２偏光ビームスプリッタと、
通過軸の１つからそれに対応する阻止軸の１つに、およびその逆にビームの偏光モードを変換する再偏光反射体とを備える、所与の偏光モードを有する光学ビーム長を増大させる光学素子であって、素子内でビームの偏光が両方の通過軸および両方の阻止軸に平行であるようにスプリッタおよび反射体が配置される素子。
【請求項７５】
両方のスプリッタに対して対角に配置された再偏光反射体を１つだけ備える、請求項７４に記載の素子。
【請求項７６】
再偏光反射体が、互いに接触した反射体および位相リターダを備える、請求項７４に記載の素子。
【請求項７７】
反射体が第１表面反射体である、請求項７６に記載の素子。
【請求項７８】
反射体が第２表面反射体である、請求項７６に記載の素子。
【請求項７９】
位相リターダが、入射ビームおよび反射ビームに１／４波長のリターデーションを与える、請求項７６に記載の素子。
【請求項８０】
偏光ビームスプリッタが互いに直交する、請求項７４に記載の素子。
【請求項８１】
各偏光ビームスプリッタが、両側に面を有し各面上に偏光ビーム分割層を有する透明基板を備える、請求項７４に記載の素子。
【請求項８２】
各偏光ビーム分割層が互いに平行な通過軸および阻止軸を有する、請求項８１に記載の素子。
【請求項８３】
少なくとも１つの偏光ビームスプリッタが平面状ではない、請求項７４に記載の素子。
【請求項８４】
固体の透明材料で充填される、請求項７４に記載の素子。
【請求項８５】
中空である、請求項７４に記載の素子。
【請求項８６】
固有な通過軸および阻止軸を有する可撓性フィルムを加熱するステップと、
加熱したフィルムを張力下で配置して、その中のリップルのサイズを減少させるステップと、
張力下でフィルムを冷却して、減少したリップルのサイズを維持するステップとを含む、偏光ビームスプリッタを製作する方法。
【請求項８７】
１方向のみの張力下でフィルムを配置する、請求項８６に記載の方法。
【請求項８８】
両方向の張力下でフィルムを配置する、請求項８６に記載の方法。
【請求項８９】
フレーム中でフィルムを引っ張ることによって生じる張力下でフィルムを配置する、請求項８６に記載の方法。
【請求項９０】
フィルムを湾曲させるステップをさらに含む、請求項８６に記載の方法。
【請求項９１】
フレーム中にフィルムを保持し、フィルムに空気圧を当てることによってフィルムを湾曲させる、請求項９０に記載の方法。
【請求項９２】
基板上でフィルムを引っ張る、請求項８６に記載の方法。
【請求項９３】
基板を湾曲させる、請求項９２に記載の方法。
【請求項９４】
張力をかけたフィルムが接着剤で基板に積層される、請求項８６に記載の方法。
【請求項９５】
張力をかけたフィルムがその両側で積層される、請求項９４に記載の方法。
【請求項９６】
張力をかけたフィルムの一方の面近くのキャビティを基板材料で充填する、請求項８６に記載の方法。
【請求項９７】
張力をかけたフィルムの他方の面近くの別のキャビティを基板材料で充填する、請求項９６に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は光学系に関し、より詳細にはビーム長を増大させるために光学ビームを折り曲げる素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
光学ビームを処理する多くの素子にはサイズに関する大きな制約があるが、素子内部のビーム長は比較的長くする必要がある。
光学素子内でビーム長を増大させる通常の技法は、素子内部でビームを折り曲げることである。たとえば、一般に、双眼鏡では入射光学ビームを「Ｚ」形に反射させて、その物理的な長さは小さく保ちながら、光路長を増大させる。多くのレフレックス式のカメラでは、ペンタプリズムを使用して、小さなカメラ本体内でビューファインダの光路長を増大させる。様々な種類のプロジェクションシステムでは、内部でビームを折り曲げることによって、プロジェクタからスクリーンまでより短い距離でより大きな偏向角を得る。たとえば、プロジェクションテレビ受像機では、よく形状付きミラーを使用して、電子銃からスクリーンに進むビームを折り曲げる。コリメータとその他の種類の素子では、素子内で入射光学ビームを折り曲げることによって、ビーム長を増大させることができる。ヘッドアップディスプレイおよびヘルメット搭載式の軍事用光学系には、小さな容積内に複数の光学的な機能が必要である。他の種類の放射ビーム、たとえばＸ線および電子ビームも、適当な素子内で折り曲げることによって処理することができる。
【０００３】
多くの従来型の素子では、平面ミラーまたはその他の反射体で光学ビームを折り曲げる。一般に、従来型の反射体で実施されるビーム折曲げ器は、広いスペースの節約にはならない。すなわち、このような素子の少なくとも１つの物理的な寸法が、素子区域内の有効光路長の大きな部分を占めたままである。他の従来型の折曲げ素子では、ビームスプリッタを使用する。これらの素子では、その物理的な寸法と比べて、光路長を大きく増大させることができる。しかし、一般に、ビームスプリッタには、光学的な効率が低いという欠点がある。出力ビームの強度が、入射ビーム強度のごく一部分でしかないことがよくある。さらに、こうした素子では、その中で他の光学的な機能が行われない。その機能は光路長を増大することだけである。さらなるビーム操作は、別に行わなければならず、そのため素子の全体的な容積が増大する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明は、入射ビームの偏光を再偏光させる、すなわち偏光を変換する偏光ビームスプリッタ反射体を使用して、制約のある容積内で光路長を増大させる光学素子を提供し、それによって、所与の物理的なスペース内でより大きな光学的ビーム操作を実現する。一部の素子では偏光ビームを使用するが、非偏光ビームで動作するものもある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明による素子は、それぞれ入射ビームの１つの方向の偏光をスプリッタを通して透過させる通過軸と、それと異なる方向の偏光をスプリッタで反射する阻止軸とを有する、１つまたはそれ以上の偏光ビームスプリッタを含む。本発明を組み込んだ素子は、１つまたはそれ以上の再偏光反射体、すなわち、入射ビームの方向およびその偏光をともに変える反射体も含む。これらの要素は、それらの間で互いに素子に入射する入射ビームを通過させるように構成され、それによって、１つまたはそれ以上の反射体における偏光の変化のために、１つまたはそれ以上のスプリッタがビームを通過させ阻止する。
【０００６】
本発明は、多くの応用例向けの光学系、たとえばプロジェクタ、画像形成装置、コリメータ、ならびに光学放射および類似の放射用の操作器において有用である。「光学」および「光」という用語は、任意の波長および種類の放射エネルギーを含む広い意味で理解すべきである。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
（環境）
図１．１〜１．４に、本発明を説明するのに役に立つ従来型のコンポーネントおよび概念を示す。ここで説明するコンポーネントまたは素子に入るビームまたは光線は、入射ビームである。それとは別に、素子から出るビームの部分を呼ぶときは、出射ビームと称する。図面では、ビームは細線で示す。ビームは、それ自体の方向、偏光、および／または素子内のコンポーネントまたはその表面に当たるときに改変される他の特性をもち得る。図面で偏光を示すときは、矢印および円で異なる偏光方向またはモードを表す。これらの方向は任意であり、異なる記号は、単に指定された偏光モードが互いに異なることを意味するにすぎない。たとえば、水平に偏光しているとされるビームは、光学素子に対して任意の方向であってよい。その呼称が意味するのは、その偏光が、垂直に偏光していると称される同じ素子内のビームと反対であるということだけである。「Ｓ」および「Ｐ」という用語をこれらのモードに対して用いることもある。偏光は、相反する右または左の円モードおよび楕円モードでも生じ得る。以下の説明では、光学的な範囲にある電磁波長のビームに注目する。本発明は、他の範囲の電磁放射、たとえばＸ線または無線波にも適用される。また、他の種類の波動、たとえば音波エネルギーにも適用することができる。反射体およびスプリッタなどの光学的な構成要素には、当業者には周知の類似物がある。
【０００８】
図１．１は、全体的に数字１１０で示す単レンズ型レフレックス式カメラのビューファインダの光路長を増大させるための典型的なペンタプリズム型光学素子の概略図である。入射光学ビームすなわち光線１１１は、カメラレンズ１１２に入り、フィルム面１１４の前方の蝶番に取り付けられたミラー１１３で反射する。ビームは、下面１１５．１を通ってペンタプリズム１１５に入り、次いで、面１１５．２上の反射性コーティングに当たる。ビームは反射して、やはり反射性コーティングを有する別の面１１５．３に至る。面１１５．２および１１５．３は、ビームが裏面１１５．４を通って、プリズムに入った方向と直交する方向にプリズムから出射するように角度が付けられている。次いで、ファインダレンズ１１６により、観察者用の小さな正立像が形成される。
【０００９】
このように、ビーム１１１が進む距離は、単に１１７に配置したミラーでビーム１１１を反射させることによって得られるはずの距離に比べて大きく増大する。ペンタプリズムは、プリズム素子内部の長さが、素子に関連する物理的な寸法よりもかなり大きくなるようにビーム１１１を折り曲げる。一般に、この寸法は、素子の物理的な長さまたは幅である。プリズム１１５では、それに関連する寸法は、入射面１１５．１から点１１７までの距離に、１１７から出射面１１５．４までの距離を加えたものである。すなわち、該当する寸法は、ビームが折り曲げられないとしたら、ビームが素子内で進んだはずの距離である。このように、折り曲げることにより、素子の物理的な寸法よりも光路長が長くなる。この説明では、「ビーム長」という用語を用いて、素子内部でビームが進む距離を示す。光学技術では、「光路長」という用語はこの光学的な距離を示すが、ビームが通過する材料の屈折率も考慮に入れる。ここでは、通常、この差異は小さいものである。
【００１０】
図１．２は、従来型の偏光ビームスプリッタ１２０の概略図である。矢印１２２で示す偏光を有する入射ビーム１２１は、入射ビームとほぼ同じ偏光方向を有する出射ビーム１２３として、スプリッタを透過すなわち通過する。円１２５で示す異なるすなわち反対の偏光を有する入射ビーム１２４．１または１２４．２は、スプリッタで阻止される。すなわち、出射ビーム１２６．１または１２６．２で示すように、スプリッタで異なる方向に反射される。スプリッタが透過すなわち通過させる偏光モードをその通過軸と呼び、スプリッタが反射すなわち阻止するモードをその阻止軸と呼ぶ。一般に、偏光ビームスプリッタの通過軸および阻止軸は互いに直交しているが、互いに対してなんらかの他の角度を有することも可能である。円偏光の場合、通過軸は右偏光モードとし、阻止軸は反対の左モードとすることができるはずである。すなわち、「軸」という用語は、直線その他の文字どおりの方向を必ずしも示さず、偏光モードと同義であるとみなすことができる。
【００１１】
偏光ビームスプリッタは、機械的な強度をもたらすガラスその他の透明な基板１２８上で偏光ビームを分割する機能を提供する能動層１２７など、いくつかの方法で構築することができる。ここではある特定の形態を示すが、本発明に関して有用な任意の構造でよい。ここで説明するスプリッタは、１つの偏光モードをその方向を変えずに透過させ、もう１つのモードをその入射角に等しい角度で反射させる。しかし、重要な点は、様々な偏光が、様々な方向または位置を有するビームに分離されることである。したがって、一般的な意味では、通過軸および阻止軸という用語は、スプリッタが、所与の偏光をもつ波動に及ぼす異なる効果の向きを示し、異なる偏光を特定の方向または角度で透過させ反射させることに限定されるものではない。
【００１２】
図１．３に、波動を再偏光させるコンポーネント１３０の一形態を示す。このコンポーネントにより、それを通過する波動の位相が、ある量、一般に波長または角度の分数で表される量だけ変化する。たとえば、１３０で概略的に示すプレートの場合、入射ビーム１３１は、１３２に示す位相でプレートに当たり、１３４に示すリターデーションが与えられた位相をもつ出射ビーム１３３として出射する。プレートを通過しない基準ビーム１３５を比較のために示す。出射ビーム１３３の位相１３４は、基準ビームの位相１３６に対して１８０°すなわち半波長だけ位相がずれている。したがって、プレート１３０を１／２波長リターダと呼ぶ。その他の位相量もよく用いられる。たとえば、１／４波長（９０°）リターダは多くの応用例で使用される。リターダには、入射波すなわち入射ビームの偏光モードを変える効果がある。たとえば、１／２波長リターダは、向きが適切なとき、水平偏光ビームを変換すなわち回転して、垂直偏光ビームにする。逆も同様である。右または左の円偏光波または楕円偏光波も、１／２波長リターダで反対のモードに相互に変換される。いくつかの特定の形態のリターダを以下に論じるが、任意のタイプのものを使用することができる。さらに、波動の偏光を変える他の従来の方法も、本発明に合わせて調整し使用することができる。
【００１３】
図１．４は、本発明における２つの動作を行うための単一光学要素の一形態１４０の部分拡大図である。反射型再偏光子と称する要素１４０は、入射波１４１を反射し、かつその偏光モードを改変する。最初に、ビーム１４１は層１４２を通過し、それによって、問題の波長範囲内で１／４波長のリターデーションを与えられる。次いで、ビームは層１４３で反射して、ビーム１４１の入射角と等しい角度を有する出射ビーム１４４を形成する。ビームは層１４２を２度通過するので、そのリターデーションの合計は半波長となり、その偏光モードは入射ビーム１４１と反対、すなわち図１．３に示すものと同じになる。ビーム１４１は、層１４３の前面１４５で反射する。裏面反射体も可能であるが、一般に、前面反射体のほうが効率的である。このような反射型再偏光子は、統合ユニットとして構築され配置され得る単一光学要素内にパッケージされたこの状況で、光路長を増大するために必要な２つの動作を提供し、それによって、コストおよびスペースが節約される。また、この２つの動作はほぼ同時に行われるので、不都合な影響が介在して、２つの動作のアライメントまたは相互の協働がくずれることはあり得ない。ただし、本発明による素子では、ビームを反射しかつその偏光を改変する動作を行うために、２つの別々のコンポーネントを使用することもできる。「反射型再偏光子」という用語は、これら２つの機能を行う任意の素子または複数の素子の組合せを包含することを理解されたい。
（詳細な説明）
図２に、入射ビーム２０１を折り曲げて、素子に関連する寸法２０３よりも長いビーム長を有する出射ビームを生成する光学素子２００を概略的に示す。任意のタイプの光源２１０からの光２０１は、２０４に示す偏光を有する。光源はもともと偏光したものでもよく、また、従来型の検光子（図示せず）を、入射ビーム２０１の光路中に、素子２００の入口、またはその内部、あるいはさらに出口のところに配置することもできよう。偏光モードは任意であり、垂直または水平直線偏光、右または左の円偏光などとすることができるはずである。偏光ビームスプリッタ２２０は、その阻止軸がビーム２０１の偏光モードに沿うように配置する。したがって、ビームはスプリッタ２２０で反射される。次いで、反射したビームは、阻止軸がスプリッタ２２０の阻止軸と直交する偏光ビームスプリッタ２４０を通過し、反射型再偏光子２３０に当たる。次に、２０５の記号で示す、この時点で異なるすなわち反対の偏光を有するビームは、通過軸および阻止軸が今度はビームを阻止するように配置された偏光ビームスプリッタ２４０に当たる。ビームが再び第１スプリッタ２２０に当たるとき、その偏光はこの時点でその通過軸に平行になっている。したがって、ビームはスプリッタ２２０を通過し、出射ビーム２０２として素子２００を出、２５０に概略的に示すターゲットに向かう。便宜上、図２では、スプリッタの通過軸および阻止軸を、ビームに用いたのと同じ偏光の記号で表している。入力ビーム２０１の角度または位置を、たとえば図２で右側に変更した場合、最初に入射ビームはスプリッタ２４０に当たり、それを通過してスプリッタ２２０に至り、スプリッタ２２０で阻止されて再偏光子２３０に至る。ビームは、再偏光子で反射してスプリッタ２２０に戻り、今度はそれを通過してスプリッタ２４０に至り、そこで阻止され、上面で素子から送り出される。すなわち、面に当たる順序を変えることができるが、効果は同じである。
【００１４】
素子２００内でビーム２１０の光路長は、大きな光学的損失なしに、素子の物理的な長さ２０３の２倍になる。図では、Ｘキューブ型結合器の形で、スプリッタ２２０と２４０は互いに直交し、反射型再偏光子２３０には斜め（ここでは約４５°の鋭角）に交わる。交差したスプリッタの各軸は、互いに直交している。すなわち、一方の阻止軸は他方の通過軸と同じであり、逆も同様である。ビームは、各スプリッタに２度、再偏光子に１度当たる。各スプリッタは、光路に沿った異なる点でビームを通過させ阻止する。２つのスプリッタの軸は入れ替わることができ、またビームの偏光は回転できるはずであることが明らかである。この場合、最初に、ビームはスプリッタ２２０を通過し、次いで、２４０で阻止され、以下同様である。この場合、再偏光子２３０は素子の反対側に配置されることになる。
【００１５】
偏光ビームスプリッタとして使用されるほとんどの物質は等方性であり、固有の通過軸および阻止軸をもたない。材料の中には、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ  Ｍｉｎｉｎｇ  ＆  Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ  Ｃｏ．から「ＤＢＥＦ（複式輝度上昇フィルム）」の商品名で販売されている可撓性のプラスチックシートなど、本来異方性であり、本発明においてそれ自体で偏光ビームスプリッタとして働くことができるものがある。すなわち、材料それ自体が、通過軸および阻止軸を有し、偏光ビームスプリッタを形成するための追加のコンポーネント、たとえば１／２波長リターダを必要としない。この特性により、重量およびサイズがかなり減少する。ＤＢＥＦフィルムは可視光の範囲で良好に機能し、受光角が広く、安価である。本発明で使用するためにそれを準備する方法を、図１０に関して論じる。
【００１６】
素子２００は、たとえばプロジェクションシステムにも応用できよう。光源２１０はプロジェクタで、ターゲット２５０はスクリーンとなる。システム全体は像の背後に収まり、損失は少ない。
【００１７】
図３．１は、図２の素子２００と類似の構造を有する素子３００の概略図である。光源３１０は偏光していないビーム３０１、すなわち３０２に示す水平および垂直偏光部分を有するビームを放出する。一方の部分３０３は、素子２００の場合と同様に、偏光スプリッタ３２０で阻止され、スプリッタ３４０を通過し、再偏光子３３０で反対の偏光特性をもって反射し、スプリッタ３４０で阻止され、スプリッタ３２０を通過し、３０４で出射してターゲット３５０に至る。コンポーネント３２０、３３０および３４０は、コンポーネント２２０、２３０および２４０と同じ向きの構造とする。すなわち、スプリッタ３２０の通過軸および阻止軸は、スプリッタ３４０では入れ替わる。入射ビーム３０１のもう一方の部分３０５は、部分３０３と異なる偏光を有し、スプリッタ３２０を通過するが、スプリッタ３４０で阻止される。次いで、この部分は、もう一方の反射型再偏光子３６０に当たり、偏光特性が変わって今度はスプリッタ３４０を通過し、スプリッタ３２０で反射し、出射ビーム３０６として出射してターゲット３５０に至る。スプリッタ３２０および３４０は、固有の通過軸および阻止軸を有するフィルムまたはその他の構造体、たとえば１／２波長リターダ（図示せず）を有する傾いたシートあるいは層から製作することができる。
【００１８】
素子３００には数多くの用途がある。長いバーは、複数ビームの効率のよい混合器として使用できることはよく知られている。素子３００は、複数の光源３１０からの複数の入射ビーム３０１の効率のよい混合器として機能するが、同等の光学ビーム長を有する非折曲げ型素子の物理的な寸法３０７の半分しかない。３３０および３６０の再偏光子を、可変の位相変化係数またはリターデーション係数を有する再偏光子で置き換えた場合、素子３００は可変減衰器すなわちディマーとして機能することができる。コンポーネント３７１および３７２は、そのための従来型可変減衰器またはその他の制御器を記号で表したものである。この場合、可変リターデーションにより、水平から垂直に、またはその逆に、偏光が部分的にしか変わらないので、スプリッタは、入射時に様々な偏光で当たるビームの強度の何分の一かしか通過させまた阻止しないことになる。複数のユニット３００を直列に配置して、必要なダイナミックレンジを有する複合素子を得ることもできる。可変再偏光子を適切に制御して、出力ビームを一方の偏光からランダム偏光を介してもう一方の偏光まで滑らかに減衰させることができるはずである。素子３００の出力面上の可変リターダ、たとえば３８０は、１つの偏光モードだけが通過できるようにすることによって、出射ビームの偏光を制御することができる。１つの再偏光子、たとえば３３０しか可変にすることができない場合、直列に配置した２つの素子がディマーを構成するが、１セットの制御電子回路３７１しか必要としない。もちろん、その限度内で、可変減衰器は単にオン／オフのスイッチ、すなわち電気信号またはその他の作用に応答してビームを選択的にゲート制御するバルブとなるはずである。
【００１９】
偏光ビームスプリッタの形態の中には、特定の波長バンドに対してしか有効に動作しないものもある。スプリッタ３２０および３４０が、ある１つの色あるいはその他の波長範囲でしか動作しない場合、素子３００はカラーバランスを制御するのに有用である。たとえば、反射型偏光子を選択した場合、緑および青い光に影響を及ぼさずに、ビーム中の赤い光の量を制御することができる。この形態の素子３００に、緑用のスプリッタ、その後に青用のスプリッタを有する追加のユニット３００をカスケード結合した場合、その複合素子は、同時に、混合し、減衰させ、カラーバランスを取ることができる。光学ユニットをカスケード結合するということは、あるユニットの出射ビームが次のユニットの入射ビームになるようにそれらのユニットを配置することである。
【００２０】
図３．２に、こうした複合素子を示す。ある構成素子の出射ビームが次の構成素子に入るビームすなわち入射ビームになるように、個々のユニット３００．１、３００．２および３００．３をカスケード結合する。構成素子３００．１〜３００．３はそれぞれ、赤、緑および青の波長バンドに対して有効なスプリッタを有する。（他の波長バンドも使用することもできるはずである。）対になった制御器３７１．１／３７２．１、３７１．２／３７２．２および３７１．３／３７２．３は、別々にそれぞれの素子のリターデーションを変え、したがって、独立にそれぞれの色の強度を変える。各構成ユニット３００．１、３００．２および３００．３は、あたかも反射型偏光子がない、すなわちスプリッタには阻止軸がないかのように、３つの色のうち２つを透過させる。
【００２１】
素子３００’の構成では、構成ユニットの反射型偏光子から光線が急角度ではね返る。ほぼ直角に入射する場合と大きな入射角で入射する場合の両方で高い効率を得ることは難しい。各ユニットが、高屈折率を有する中実な（この用語には液体も含まれる）透明材料で構築されている場合、この中実材料と各再偏光子の間に配置した低屈折率のコーティングにより、かすめるように反射する場合よりもはるかに効率のよいモードである全反射によって、ビームのうち影響を受けない部分が反射されることになる。この技法は他の実施形態でも有用であり、入射放射の一部がスプリッタの影響を受けない混合器として使用する素子において特に望ましい。再偏光子の屈折率が十分に小さい場合、全反射を実現するためのコーティングは必要とされないことがある。このとき、再偏光子のミラーは、問題の波長でほぼ直角な角度での反射に対して最適化することができる。光源３１０のサイズおよび角度範囲、ならびに直列に結合するユニットの数に応じて、大きな入射角の反射が再偏光子で数多く生じてもよく、低屈折率のコーティングにより、これらのシステムの効率も増大することになる。
【００２２】
光学系中で傾いた透明なプレートをビームがある角度で横切るとき、収差が導入される。一般に、画質に最も大きな影響を及ぼす収差は、非点収差である。図３．１に示すような複数の構成ユニットをカスケード結合した複合システム３００’では、図４に関して以下に説明するある方法で構成素子を方向づけることによって、非点収差を低減することができる。
【００２３】
図２〜３に示す素子は、互いに直交して配置された２つの偏光ビームスプリッタを有する。異なる数のこうしたビームスプリッタを使用し、かつ／またはビームスプリッタを互いに直交させずに構成することによって、減少した容積内で光学的な機能を行うことができる別の方法が得られる。
【００２４】
図４に、光源４１０からの入射ビーム４０１が所定の偏光、たとえば垂直偏光または右の円偏光に限定される素子４００を示す。図３．１のスプリッタ３２０または３４０と同様の構造である単一偏光ビームスプリッタ４２０では、その阻止軸がビーム４０１の偏光と平行である。したがって、ビームはスプリッタで反射し、再偏光子４３０に当たる。要素４３０で偏光が変わったビームは、今度はスプリッタ４２０を通過し、もう一方の再偏光子４４０に当たる。ビームは改変されて今度は元の偏光方向に戻り、したがって、スプリッタ４２０で再度反射され、素子から出射する。すなわち、ビームは、スプリッタ４２０に３度にわたって当たり、２度阻止され、１度通過する。２つの再偏光子は、互いに平行かつスプリッタに対して対角に配置され、そのため、出射ビーム４０２は、入射ビーム４０１が入ったのと同じ方向に出てゆく。ここで、ビーム長は関連する寸法４０３、すなわち素子の物理的な長さの３倍となる。改変された出射ビーム４０２は、入射ビーム４０１が入ったのとほぼ同じ方向に素子４００から出る。
【００２５】
図３．２に示すのと同じ方法で、他の素子、たとえば４００を組み合わせることができる。図４０４は、ＹＺ面が図４の紙面内にあることを示す。スプリッタ４２０の表面法線を、図４０４の標準標記法においてベクトルｊ＋ｋに平行とする。別の素子（図示せず）の対応するスプリッタを同じ方向に向けることにより、素子全体で非点収差が合成される。ただし、第２の素子のスプリッタをその表面法線がベクトルｉ＋ｋに平行に（すなわち−ｉ＋ｋに平行に）なるように向けることにより、非点収差の全体の量を大きく減らすことができる。このプロセスを視覚化する別の方法は、図４０４で、第２素子を９０°だけＺ軸の周りでいずれかの方向に回転することである。中空コンポーネント素子の場合、スプリッタにより非点収差が追加される。すなわち、こうした素子を使用するカスケード型システムでは、それらを２つ１組で追加し、非点収差を相殺することが好ましい。
【００２６】
図５に、光源５１０からターゲット５２０上に像を投影するための装置５００を示す。数字５０１．１、５０．２および５０１．３は、ＬＣＤ（液晶ディスプレイ）５１１またはその他のタイプの従来型光源５１０からの偏光光線の入射ビーム５０１を記号で表したものである。光源５１０は、投影レンズ５１２および折曲げミラー５１３などの投影光学系または合焦光学系を含んでもよい。レンズ５１２およびミラー５１３は従来型のものであり、装置５００の所望の全体的構成に応じて、好都合な構成において他の光学コンポーネントで置き換えるか、あるいは全体を割愛してもよい。たとえば、この例では、ミラー５１３により、要素５３０の背後にある普通なら無駄になるスペースを利用することによって、プロジェクタ５００の全体的なサイズが小さくなる。
【００２７】
偏光入射ビーム５０１は、光源５１０のミラー５１３から、光線５０１．１〜５０１．３を第２偏光ビームスプリッタ５４０に透過させるようにビーム５０１の偏光に対して通過軸が配置された第１偏光ビームスプリッタ５２０に進む。スプリッタ５４０では、その阻止軸がスプリッタ５２０の通過軸と平行であり、すなわち通過軸がスプリッタ５２０の通過軸に対してほぼ直交すなわち交差している。したがって、第１スプリッタ５２０を透過したビーム５０１は、第２スプリッタ５４０で反射する。スプリッタ５２０および５４０、ならびに他の実施形態に関して下記に説明する他のスプリッタは、固有の通過軸および阻止軸を有する材料のシートまたは層から構築することができ、あるいは他のところで説明される他の方法で製作することもできよう。
【００２８】
次いで、ビーム５０１は、反射型再偏光子５３０に進み、そこで偏光が反対のモード、すなわち水平から垂直などに変換される。（この場合も、偏光方向すなわちモードは任意であり、本発明ではその差だけが重要になる。）この時点でビーム５０１の偏光はスプリッタ５２０の阻止軸に平行であり、したがって、反射してスプリッタ５４０に戻る。スプリッタ５４０の軸はスプリッタ５３０の軸に対して交差しているので、ビーム５１１の偏光は、この時点でスプリッタ５４０の通過軸に平行である。したがって、ビームは、スプリッタ５４０を透過し、出射ビーム５０２として透過性ターゲット投影スクリーン５５０に至る。光線５０２．１〜５０２．３は、光源の光線５０１．１〜５０１．３にそれぞれ対応する。スプリッタ５２０および５４０の面は、図５の紙面から飛び出ており、鋭角で互いに平行でない角度で交わる。個々の角度は、システムの所望の全体的幾何形状に依存する。
【００２９】
この投影光学系およびコンポーネント構成では、スクリーン５５０上にＬＣＤ５１２からの像を形成するように出射ビームを結像させる。図５に、第２スプリッタ５４０とほぼ同じ位置にあり、５５１の方向から観察されるスクリーン５２０を示す。望むなら、スクリーン５２０およびスプリッタ５４０は、機械的な支持をより簡単にするために、単一の統合ユニットとして製作することもできる。あるいは、それらが別々の物理的なユニットを構成し、またスクリーンをスプリッタ５４０から分離しかつ反射性にし、それによって矢印５５１とは反対の方向から観察することもできる。装置５００は、偏光ビームスプリッタが互いに垂直となっておらず（すなわち直交しておらず）、かつ再偏光子が偏光ビームスプリッタのいずれとも斜めであるが対角ではなく（すなわち４５°でなく）配置された、本発明による構成を示す。ビームは、両方のスプリッタを２度横切り、それらを通過しそれらに阻止される。この場合も、折り曲げられたビーム長は、装置に関連する寸法５０２よりもかなり長くなる。装置５００ならびに下記に説明する装置用のスプリッタは、上記で述べた固有の通過軸および阻止軸を有する材料、あるいは問題の波長バンドにおいて偏光ビームスプリッタとして働く他の任意の単一構造または複合構造から形成することができる。
【００３０】
図２ないし５に示すシステムは、平行かつ平面の偏光反射体を有する。しかし、これらの要件の一方または両方を取り除くことにより、物理的により小さい素子内で、他の光学的な機能を本発明によるビーム折曲げ器に組み込んで実施する可能性が開ける。これは、コンポーネントが単なる反射および偏光変換を行うのに加えて、同じコンポーネントが光学的な機能すなわちビーム操作を実施するようにコンポーネントを成形することによって実現することができる。
【００３１】
図６に、インラインコリメータとして有用な素子６００を示す。放射源６１０は、６１１に概略的に示す照明器、制御可能な光バルブ６１２、およびレンズ、フィルタその他の光学要素６１３を含んでもよい。偏光した入射ビーム光線６０１が、様々な角度で素子に入る。図２の素子２００の場合と同様に、入射ビームは第１偏光ビームスプリッタ６２０で阻止される。（光線の一部は、最初に、スプリッタ６２０に対して軸が交差した第２偏光ビームスプリッタ６４０を通過する。）要素６３０は、ビーム６０１を反射し、合計で半波長のリターデーションを与える。ただし、この再偏光子は、前に説明したもののように平坦すなわち平面ではない。そうではなくて、非平面形状を有し、収束、コリメートまたはその他の光学的な動作によってビーム特性を操作する。この例では、放物線形の再偏光子が、すべての入射光線を同じ方向に方向変更しコリメートする。すなわち、こうした操作が、反射および再偏光動作とほぼ同時に同じ光学要素内で行われ、それによって単一要素内でいくつかの動作が組み合わせられてスペースおよびコストの節約となる。最初は、光線の一部はスプリッタ６２０を通過したが、異なるモードの偏光になって、この時点でビーム５０１はスプリッタ６４０で阻止される。
【００３２】
光線６０２は互いに平行にターゲット６５０に進む。望むなら、任意選択の光学要素６６０により、出射ビーム６０２の制御すなわち別の操作を行うことができる。たとえば、６６０は、光バルブを表してもよい。図の素子６００では、再偏光子６３０は、出射ビームをコリメートするように成形されている。他の形状によって他の効果も可能である。もちろん、素子中を反対方向に進むビームは、逆の影響を受けることになる。ターゲット６５０の位置にある光源から進む平行な入射光線６０２は、元の光源６１０で結像するはずである。再偏光子は、同じ全体的な素子内で異なる効果を得るために交換可能または制御可能とすることができる。再偏光子６３０は中空キューブ設計の別の要素をもつ構造とすることもでき、あるいは中実キューブ面を適当な曲率で作り、次いでリターデーションを与える反射層を塗布することもできるはずである。６１２および６６０などの光学要素は、別の要素として、すなわちおそらくは要素６２０〜６４０を担持する中実キューブの入射面および出射面を形成することによって構築することができる。たとえば、こうした要素を、収差を制御するために設けることもできるはずである。さらに、図示しない他の光学要素を、形状付きの反射型再偏光子６３０の前方、６３０とスプリッタ６２０および６４０の間の光路中に配置することもできるはずである。素子６００のビーム長は、その関連する物理的な寸法６０３のほぼ２倍になり、それによって光源６１０からはるかに短い距離でコリメーションが実現される。
【００３３】
図７に、ヘッドマウントディスプレイなどの応用例向けの別の湾曲した反射型再偏光子を示す。素子７００では、光源７１０からの入射ビーム７０１の偏光は、偏光ビームスプリッタ７２０の阻止軸、およびもう一方の偏光ビームスプリッタ７４０の通過軸に平行である。最初に、ビームは、いずれかのスプリッタに当たるが、反射型再偏光子７３０に当たる前に両方のスプリッタに当たる。この例では、要素７３０は、それに当たる波動のリターデーションが変わるように制御することができる光バルブ７３１を含む。たとえば、バルブ７３１は、電気信号またはその他の手段によって、入射ビームに半波長のリターデーションを与え、またはまったくリターデーションを与えず、あるいは段階的にリターデーションを与えるように設定可能とすることができる。この構成の１つの利点は、バルブ７３１で偏光を変えられない放射が、スプリッタ７２０および７４０を通り、光路７０２および７０３に沿って光源７１０に戻ることである。光源がこの放射の一部をその偏光を保存せずに散乱して戻す場合、素子７００の全体的な効率は増大する。素子７００の光学ビーム長は、関連する折曲げなしの寸法の約３倍になる。図７では、この折曲げなしの寸法は、光源７１０から最初に入射ビームを阻止するスプリッタ７２０までの入射ビーム７０１の長さに、そのスプリッタから出射面までの出射ビーム７０４の長さを加えたものである。
【００３４】
再偏光子７３０で偏光を変えられた放射は、その時点でスプリッタ７２０の通過軸およびスプリッタ７４０の阻止軸と平行になる。この放射は、反射型再偏光子７５０に進み、再度偏光が変わる。図では、再偏光子７５０は湾曲しており、おそらくは異なる結果となるものの、図６の要素６３０のようにビームを操作する。次いで、放射はスプリッタ７２０および７４０に戻り、そこで前はこの放射を阻止したスプリッタを通過し、前はこの放射を通過させたスプリッタで阻止される。出射ビーム７０４はキューブ７００を出て、ターゲット７６０に至る。
【００３５】
図８に、インラインコリメータに応用する別の素子８００を示す。この例では、光源８１０からの偏光入射ビーム８０１は、偏光ビームスプリッタ８２０の阻止軸と平行である。スプリッタ８２０および８４０の軸は交差しており、そのためビーム８０１は、スプリッタ８２０で阻止される前にスプリッタ８４０に当たりそれを通過することもある。スプリッタ８２０で阻止された後、ビームは反射型再偏光子８３０に当たる。要素８３０は逆反射体の構造になっており、それによってビームは入射した方向とほぼ反対の方向に反射する。リターデーションは別の層８３１で与えられる。ただし、リターデーションを与えられてその偏光モードが変わり、この時点でビームはスプリッタ８４０で阻止され、（あるいは逆の順序で）スプリッタ８２０を通過する。出射ビーム８０２は、キューブを通過しターゲット８５０に至る。逆反射体は、単一のコーナーレフレクタ、コーナーアレイ、その他の従来型の構造とすることができる。
【００３６】
ここまで説明してきた素子８００は、コンパクトな光学系内に実像を形成する。光学ビーム長は、素子の関連する長さ８０３の２倍である。光源８１０がコリメートレンズ８１１および絞り８１２を含む場合、絞りの像がターゲット８５０上に形成される。たとえば、このようなシステムにより、ヘッドマウントディスプレイにおいて目の負担が大きく軽減される。
【００３７】
図９は、本発明によるビーム折曲げ器を使用して、小さな容積内にどのくらい多くの機能性光学要素を詰め込むことができるかを示すプロジェクション素子９００の例である。光源９１０からの偏光した光９０１は、おそらくはスプリッタ９４０を通過した後、偏光ビームスプリッタ９２０で阻止される。これらのスプリッタの通過軸と阻止軸は交差しているか、あるいは異なる方向に配設されている。この光は、湾曲した再偏光子９３０、すなわちビームを操作し反射させて反対の偏光でビームスプリッタに戻す第２表面ミラーに当たる。要素９３０の２つの面が異なる曲率を有する場合、さらなる光学的な操作さえ実現される。この区間では、偏光はスプリッタ９４０の通過軸およびスプリッタ９２０の阻止軸に平行である。したがって、ビームは、再偏光子９５０、異なる曲率で湾曲した表面を有するもう一方の第２表面ミラーに進む。この時点でビームは、スプリッタ９４０の通過軸に平行であるが、スプリッタ９２０に到達したときに阻止される。別のレンズ９６０を通過した後、出射ビーム９０２は、プロジェクションスクリーンになるターゲット９７０に当たる。
【００３８】
図１０は、可撓性フィルム１０１０、たとえば前に述べたＤＢＥＦを偏光ビームスプリッタとして使用する方法を示す１０００の図である。フィルム１０１０の能動面には、小さなリップルがあり、結像システムの解像力を低下させ、そのため高性能素子用のフィルムとしての有効性が限定される。フィルムを加熱し張力下で配置することにより、リップルのサイズが大きく減少し、結像要素としてそのフィルムを使用する光学的な折曲げ素子に使用するのに十分なほどその性能が向上する。いくつかの方法で、フィルムを引っ張ることができる。図１０では、加熱したフィルム１０１０をフレーム１０２１の上に保持し、それにフレーム１０２２を押し付けて密閉する。フレーム１０２０は、丸以外の形状、たとえば矩形にもなり得る。ある種の形状では、フィルムをカットして大きな応力の区域を除去し、破断を回避すべきである。フレーム１０２０はフィルムをその面の両方向に引っ張る。ＤＢＥＦフィルムの特定の例では、通常、リップルは１方向に向く。フレームがフィルムをこの方向にだけ引っ張る場合でも、依然として性能は大きく向上する。
【００３９】
フィルム１０１０が引っ張りを受けた後、リップルの比較的小さいサイズが維持されなければならない。冷却後、フィルムがフレーム１０２０内で張力をかけられたままとなる場合、リップルは小さいままとなる。別の手法は、引っ張りを受けたフィルムを接着剤で基板に積層することである。フィルムは、片側だけ、あるいは強度を追加するために両側に積層することができる。あるいは、エポキシなどの物質でフィルムの片側または両側のキャビティを充填することもできる。こうすると、エポキシにより、曲率を維持するのに必要な構造上の支持が得られる。平坦なスプリッタも、このような方法で製作することができる。
【００４０】
偏光ビームスリッタは、平坦にするだけでなく湾曲させることもできる。破線１０１１および１０１２は、シートの曲率を示す。この曲率は、フレーム１０２０内にシート１０１０を保持しながら、シート１０１０の片側で矢印１０３０の記号で表す空気圧を増加させることによって作り出すことができる。圧力を減少させてフィルムを反対方向に湾曲させることもできるはずである。フレームの形状は、湾曲部の特性を決めるように構成することができる。丸いフレームは回転対称な曲面を作り出し、他のフレーム形状は他の対称性を有する湾曲部を作り出すことができる。湾曲スプリッタ形状は、所望の曲率を有する中実な凸面または円筒面の上で適当なフィルムを引っ張ることによって実現することもできる。
【００４１】
図１１に、本発明による素子を構築するのに役立つ別の偏光光学ビームスプリッタ１１００を示す。ある種の応用例では、空気が充満した中空のキューブとして素子を製作することが望ましい。これには、しばしば、偏光ビームスプリッタを透明基板１２８などの基板上に支持することが必要である。しかし、図１．２に示すように、ビームがある角度で横切るとき、傾いた透明プレートにより収差が導入される。一般に、画質に最も大きな影響を及ぼす収差は、非点収差である。入射し阻止されるビーム１２４．１は能動層１２７で直接反射するが、反対方向から近づき阻止されるビーム１２４．２は基板を２度通過しなければならず、横切るたびにジョグを受ける。一般に、十分な機械的強度を有する基板の厚さは、能動的なビーム分割機能をもたらすコーティングその他の層の厚さの少なくとも３倍であり、多くの応用例で収差を大きくする。
【００４２】
図１１のスプリッタ１１００は、各面に能動層１１１２および１１１３を有するガラスなどの透明基板１１１１で構成された本体１１１０を備える。基板は、これらの能動層を定位置に保持するのに十分な機械的強度を与える。これら２つの層の通過軸および阻止軸は互いに平行であり、したがって一方の層を透過する偏光方向は他方の層も透過する。同様に、一方の層で阻止される偏光は他方の層でも阻止される。（矢印で示す）偏光が層１１１２および１１１３の通過軸に平行な入射ビーム１１０１は、これらの層および透明基板１１１１を通過し、出射ビーム１１０２として出射する。（円で示す）偏光が層１１１２の阻止軸に平行な入射ビーム１１０３．１は、層１１１２で反射して出射ビーム１１０４．１を形成する。ビーム１１０３．１と同じ偏光方向すなわちモードを有するがスプリッタ１１１０のもう一方の面から到達する入射ビーム１１０３．２は、層１１１３の阻止軸に平行であり、出射ビーム１１０４．２として層１１１３で反射する。すなわち、ビーム１１０３．１および１１３．２はいずれも基板１１１１中を通過する必要はない。
【００４３】
図１２は、改善された別の偏光ビームスプリッタ１２００を示す。
（結論）
上記の説明は、当業者が本発明を実施するのに十分である。本発明の概念から逸脱することなく、ここに説明した実施形態の構造、材料、その他の態様に変更を加えることができ、その概念の範囲は添付の特許請求の範囲およびその均等物によってのみ評価されるものである。特許請求の範囲の各要素は、明示されている場合あるいは機能を行うのに必要な場合を除き、相互に結合する必要はない。動作は、特定の順序が明記されまた本来のものである場合を除き、ある特定の順序で実施する必要はない。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】図１．１は、本発明で用いられる概念を説明するための光学要素を示す図である。  図１．２は、本発明で用いられる概念を説明するための光学要素を示す図である。  図１．３は、本発明で用いられる概念を説明するための光学要素を示す図である。  図１．４は、本発明で用いられる概念を説明するための光学要素を示す図である。
【図２】本発明の一形態を示すビーム折曲げ装置の概略図である。
【図３】図３．１は、本発明の別の形態を示す概略図である。  図３．２は、図３．１に示す形態の装置を複数使用した複合装置を示す図である。
【図４】本発明の別の形態を示す概略図である。
【図５】本発明の別の形態を示す概略図である。
【図６】本発明の別の形態を示す概略図である。
【図７】本発明の別の形態を示す概略図である。
【図８】本発明の別の形態を示す概略図である。
【図９】本発明の別の形態を示す概略図である。
【図１０】本発明に有用な偏光ビームスプリッタを示す図である。
【図１１】本発明に有用な偏光ビームスプリッタを示す図である。
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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