(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
各プリズムがくさび型の断面を有する光学的等方性プリズムであり、該プリズムのそれぞれの底面が同一平面上に配置されて、該底面に非偏光または部分偏光の平行光が入射される第１のプリズムのアレイと、
各プリズムがくさび型の断面を有する複屈折プリズムであり、該プリズムのそれぞれの傾斜面が前記第１のプリズムのアレイの各プリズムの傾斜面に近接して配置されるとともに、該プリズムのそれぞれの底面が前記第１のプリズムのアレイの各プリズムの底面に平行に配置された第２のプリズムのアレイと、
各プリズムがくさび型の断面を有する複屈折プリズムであり、該プリズムのそれぞれの底面が前記第２のプリズムのアレイの各プリズムの底面に近接して平行に配置された第３のプリズムのアレイと、
各プリズムがくさび型の断面を有する光学的等方性プリズムであり、該プリズムのそれぞれの傾斜面が、前記第３のプリズムのアレイの各プリズムの傾斜面に近接して配置されるとともに、それぞれの底面が、前記第３のプリズムのアレイの各プリズムの底面と平行に配置された第４のプリズムのアレイとを備え、
前記第２のアレイのプリズムの光軸方向が該プリズムの厚さにわたって実質的に９０°変化し、該光軸は該プリズムの厚さに渡って入射光の方向に対して実質的に垂直であり、
前記第２のプリズムのアレイのそれぞれのプリズムの前記光軸方向が、前記第３のプリズムのアレイの近くに配置された該第２のプリズムのアレイのプリズムの面で、該第３のプリズムのプリズムの光軸に対して垂直であり、
前記第２のプリズムのアレイのそれぞれのプリズムが、第１の偏光を有する光と、該第１の偏光とは異なる偏光成分を有する第２の偏光を有する光とをそれぞれ分離して異なる方向に偏向させて出力し、前記第３のプリズムのアレイのそれぞれのプリズムが、前記第１の偏光を有する光および前記第２の偏光を有する光を、それぞれ対称的に発散させることを特徴とする偏光分離素子。
【請求項２】
前記第２のプリズムのアレイが液晶層を備える、請求項１に記載の偏光分離素子。
【請求項３】
前記第２のプリズムのアレイが光硬化性液晶を含む、請求項１に記載の偏光分離素子。
【請求項４】
前記第２のプリズムのアレイが高分子安定化液晶材料を含む、請求項１に記載の偏光分離素子。
【請求項５】
非偏光または部分偏光を有する光の平行光が第１のプリズムのアレイに入射されるように配置された請求項１に記載の偏光分離素子と、
該偏光分離素子から出力される第１の偏光を有する光および第２の偏光を有する光を、共通の偏光を有する光に変換して出力する１以上の偏光変換素子と、
前記偏光分離素子から出力される光を前記偏光変換素子に集束する第１のレンズアレイと
を備える、偏光変換システム。
【請求項６】
前記偏光変換素子は、前記第２の偏光を有する光の振動面を回転させずに、前記第１の偏光を有する光の振動面を前記第２の偏光を有する光の振動面と同一になるように回転させて、前記第２の偏光を有する光のみを出力する、請求項５に記載の偏光変換システム。
【請求項７】
前記偏光変換素子は、前記偏光分離素子から出力される前記第１の偏光を有する光および前記第２の偏光を有する光がそれぞれ入射されるエリアがアレイ状に設けられており、該偏光変換素子のエリアが前記第１のレンズアレイの焦点面に配置される、請求項６に記載の偏光変換システム。
【請求項８】
前記第１のレンズアレイが前記偏光分離素子と前記偏光変換素子との間に配置される、請求項５に記載の偏光変換システム。
【請求項９】
前記偏光分離素子が前記第１のレンズアレイと前記偏光変換素子との間に配置される、請求項５に記載の偏光変換システム。
【請求項１０】
前記偏光変換素子から出力される光を平行にする第２のレンズアレイをさらに備える、請求項５に記載の偏光変換システム。
【請求項１１】
前記第１のレンズアレイおよび前記第２のレンズアレイが共通基板上に配置されている、請求項１０に記載の偏光変換システム。
【請求項１２】
前記第２のレンズアレイが、前記偏光変換素子と前記第１のレンズアレイとの間に配置されて前記偏光変換素子に近接している、請求項１０に記載の偏光変換システム。
【請求項１３】
前記偏光変換素子が直接前記第２のレンズアレイ上に配置される、請求項１０に記載の偏光変換システム。
【請求項１４】
前記偏光変換素子が前記第２のレンズの光出射方向側に配置され、かつ該第２のレンズアレイに光学的に結合される、請求項１０に記載の偏光変換システム。
【請求項１５】
前記偏光分離素子は、前記第１の偏光を有する光と前記第２の偏光を有する光とを、それぞれ第１の振動面を有する第１の直線偏光ビームと該第１の偏光面とは異なる第２の振動面を有する第２の直線偏光ビームとにする偏光回転素子である、請求項５に記載の偏光変換システム。
【請求項１６】
前記第１のビームの振動面が前記第２のビームの振動面に対して９０°である、請求項１５に記載の偏光変換システム。
【請求項１７】
前記偏光変換素子が、複数の第１の領域および複数の第２の領域を交互に有するリターダアレイを備え、該第１および第２の領域が、それぞれ、前記第１の偏光を有する光および前記第２の偏光を有する光を受け取るように配列される、請求項５に記載の偏光変換システム。
【請求項１８】
前記第１および第２の領域が、それぞれ、前記第１および第２の偏光ビームの断面のサイズと一致し、相互に異なる第１および第２のサイズを有する、請求項１７に記載の偏光変換システム。
【請求項１９】
非偏光または部分偏光の平行光を出射する光源と、
該光源から出射される平行光が偏光分離素子に入射されるように配置された請求項５に記載の偏光変換システムと、
該偏光変換システムから出力される偏光を有する光が照射される空間光変調器と、
を備える投射ディスプレイシステム。
【請求項２０】
前記空間光変調器が反射型液晶パネルである、請求項１９に記載の投射ディスプレイシステム。
【請求項２１】
前記反射型液晶パネルにて反射された光が選択的に照射される投射レンズをさらに有する、請求項２０に記載の投射ディスプレイシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、入射した非偏光または部分偏光を、異なる偏光状態を有する角度的に分離した２つの射出ビームに分離する偏光分離要素に関する。本発明はまた、非偏光または部分偏光を実質的な完全偏光に変換する偏光変換システムに関する。本発明は、基板の両面に配置された２つのレンズアレイを備えた光学素子にも関する。本発明は、さらに、そのような偏光変換システムを組み込んだ投射型ディスプレイシステムにも関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの光学システムは、実質的な完全偏光により照明されることを必要とする。このようなデバイスが非偏光または部分偏光で動作する場合、その光が光学システムに入射する前に完全偏光となること、すなわち、単一の偏光状態に変換されることが必要である。
【０００３】
非偏光を完全偏光に変換する１つの方法は、周知の直線偏光子である。理想化された直線偏光子は、一方向の直線偏光を損失なく透過させ、直交方向の直線偏光を完全に吸収するため、偏光子に入射する非偏光は完全直線偏光に変換される。このような直線偏光子は直線偏光を生成する簡単な手段である一方で、効率が低いという不利な点を有する。偏光子内での吸収および／または偏光子の表面での反射による理想的な直線偏光子は、５０％の効率しか有さず、実際的な直線偏光子の効率は、一般に、４０〜４５％の範囲内である。
【０００４】
非偏光を偏光に変換するための別の公知の手段は、偏光変換システムである。偏光変換システムでは、すでに所望の偏光状態の偏光である入射光は変化せずに透過する。所望の偏光状態と直交する偏光状態の偏光は、従来の直線偏光子が用いられた場合に起こるように遮光されることなく、所望の偏光状態の光に変換される。
【０００５】
偏光変換システムは、本質的に、入射した非偏光または部分偏光を分離する偏光分離素子（ＰＳＥ）（ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ  ｅｌｅｍｅｎｔ）を含み、１つの偏光状態の光が、直交する偏光状態を有する光から空間的または角度的に分離され、ＰＳＥから発せられる。偏光変換システムは、ＰＳＥにより発せられた成分のうちの１つの偏光状態を変換する偏光変換素子も備える。
【０００６】
多くの偏光分離素子が公知である。一例として、２つの複屈折くさびＷ１およびＷ２が結合して合成ブロックを形成し、２つのプリズムの斜辺面が相互に近接する周知のウォラストンプリズムの１つの実施形態を図１９に示す。ＥＰ−Ａ−０  ９３９  ３２３に記載のこのウォラストンプリズムの実施形態では、２つのくさびＷ１およびＷ２が、異なる厚さを有する液晶層として組み入れられる。各くさびの光軸方向はくさびの厚さに渡って９０°回転し、２つのくさびの光軸は２つのくさびの界面で相互に直交する。
【０００７】
米国特許第５  ９７８  １３６号は、添付図面の図２１ａに示す従来のＰＣＯＳを開示している。この偏光変換システムは、２つのレンズアレイ５および６を備える。第１のレンズアレイ５の要素は、第２のレンズアレイ６の対応する要素に像を投影する。次いで、偏光分離フィルム２ａを含む１組の偏光ビームスプリッタキューブ（ｐｏｌａｒｉｓｉｎｇ  ｂｅａｍ  ｓｐｌｉｔｔｅｒ  ｃｕｂｅ）２が光のＰ成分およびＳ成分を空間的に分離するため、Ｐ成分のみ、またはＳ成分のみが１組のリターダストライプ（ｒｅｔａｒｄｅｒ  ｓｔｒｉｐｅ）３に入射する。リターダストライプは、リターダに入射する光が、その光に対する実質的な直交状態に変換されるように、実質的な１／２波長板となるように構成される。偏光変換システムを離れる光は実質的な偏光である。偏光ビームルプリッタキューブ２は、別の偏光成分を反射する反射フィルム２ｂをさらに含む。反射された偏光成分は、リターダストライプ３を離れる光の方向と実質的に平行である方向にＰＣＯＳを離れる。不透明マスク９が、クロストークを低減するために、第２のレンズアレイ６と偏光ビームスプリッタアレイ２との間に配置される。ＰＣＯＳの最小体積は１／２波長板の耐性によって抑制される。図２１ａのＰＣＯＳの偏光ビームスプリッタキューブ２は、図２１ｂに示されるようにＰＢＳ板４９の積層を斜めに切断することによって得られる。適切な切断断面積は、図２１ｂの参照番号５０によって示される。
【０００８】
Ｏｇｉｗａｒａらが、「ＰＳ  Ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ  Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ  Ｄｅｖｉｃｅ  ｆｏｒ  ＬＣ  Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ  Ｕｓｉｎｇ  Ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ  Ｐｏｌｙｍｅｒ−Ｄｉｓｐｅｒｓｅｄ  ＬＣ  Ｆｉｌｍｓ」、ＳＩＤ  １９９９に、さらなる従来のＰＣＯＳを記載している。図２０に示すこのデバイスは、２つのレンズアレイ５および６、２つの高分子分散型液晶（ＰＤＬＣ）格子２および４、ならびに１組の１／２波長リターダ素子３を備える。偏光分離は、実質的に、１つの直線偏光（Ｐ）のみを回折し、直交する直線偏光（Ｓ）を著しい回折なしで透過させるＰＤＬＣ格子２により達成される。
【０００９】
１／２波長板３が第２の格子４に取り付けられ、格子２により発せられるｐ偏光の光路に配列されるｐ直線偏光は、１／２波長板３のうちの１つを通過するとｓ直線偏光に変換される。
【００１０】
１／２波長板３は、格子２により発せられるｓ直線偏光が１／２波長板３を通過しないように配列される。それゆえ、格子２により発せられるｓ偏光は、１／２波長板３による影響を受けない。１／２波長板のアレイを通過後、よって、光は完全なｓ偏光である。
【００１１】
使用において、偏光変換システムはランプ７および放物面鏡８により生成された平行光により照明され、入射光は、第１のレンズアレイ５により集束される。第２のレンズアレイ６は、第１のレンズアレイ５と同様の焦点距離およびピッチを有する。第１および第２のレンズアレイは、ほぼそれらの焦点距離だけ分離されている。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このＰＣＯＳはまた、最小体積が１／２波長リターダ素子の公差により制限されるという不利な点を有する。さらなる不利な点は、このシステムが分散を低減するために２つの偏光分離素子を用いることであり、これにより、ＰＣＯＳのコストおよび複雑さが増す。
【００１３】
図２１ａに示す偏光変換システムの寸法は、通常、およそ５０ｍｍ×５０ｍｍ×７０ｍｍである。偏光変換光学システム（ＰＣＯＳ）がプロジェクターとともに用いられる場合、プロジェクターの全体的な体積が著しく増加する。図２１ａのＰＣＯＳの体積は、レンズアレイの焦点距離が低減された場合にのみ低減することができ、これには、レンズ、１／２波長板、および偏光分離キューブのピッチが対応して低減されることが必要となる。図２１ａに示すタイプの従来のＰＣＯＳで用いられるレンズアレイは、通常、６ｍｍのピッチｐを有するが、光学システムの投射距離を対応して低減することで、これを１ｍｍ未満に低減することが望ましい。しかしながら、従来の１／２波長リターダ素子および従来の偏光分離キューブを組み込んだＰＣＯＳの場合、素子を相互に必要な公差でアライメントすることが困難になるため、これを行うことは困難である。よって、ＰＣＯＳの製作および組立がさらにより困難になる。従って、図２１ａに示すタイプの現行の偏光変換システムで用いられる素子では、その用いられる素子の物理的サイズによりＰＣＯＳの最小体積に制限が加えられる。
【００１４】
ＥＰ  ０  ８８７  ６６７およびＧＢ  ２  ３２６  ７２９は、高精度にパターニングされたリターダ素子を製作する方法、およびそのような素子のビームスプリッタのアレイを備えた偏光変換光学システムへの適用を開示している。
【００１５】
図１７は、Ｍｉｎｏｌｔａにより提案されたさらなる従来の偏光変換システムを示す。このＰＣＯＳでは、偏光分離素子２が回折光学素子（ＤＯＥ）偏光スプリッタである。図１７に示すデバイスでは、実線の光線路により示されるように、振動面が図面の平面にある光は回折されない。図面の平面外の方向の偏光は、破線の光線路により示されるように、回折される。このデバイスはまた、偏光分離素子２により発せられる光を集束する第１のレンズアレイ５、１／２波長リターダ素子３の従来の大型アレイ、および第２のレンズアレイ６を備える。このデバイスは、放物面鏡８により平行にされ、ＵＶ−ＩＲフィルタ９’を通過したランプ７からの光により照明される。
【００１６】
図１７の従来技術によるＰＣＯＳは、回折素子を偏光分離素子２として用いるという不利な点を有する。これは回折素子であるため、波長分散が大きいことに悩まされ、かつ、複数の回折次数の重複による偏光混合（ｐｏｌａｒｉｓａｔｉｏｎ  ｍｉｘｉｎｇ）にも悩まされる。偏光分離素子の高度な波長分散は、ＰＣＯＳの効率が低いことも意味する。
【００１７】
図１８は、さらなる従来技術による偏光変換システムを示す。このＰＣＯＳは、米国特許第５  ９００  ９７７号、およびＷＯ９７／０１７７９に記載されており、図１８では明瞭さのために分離して示される３つの素子から構成される。
【００１８】
図１８のＰＣＯＳの第１の要素１０は、非偏光または部分偏光を、異なる方向に伝播し、直交する直線偏光を有する２つの成分に分離する。第２の要素１１は、振動面を回転させる偏光−回転素子である。第２の要素１１により生成された振動面の回転は、光の入射角に大きく依存する。ビームｂ1等の要素１１に垂直方向に入射する光は、その振動面を９０°回転させる。ビームｂ2等の要素１１に垂直方向に入射しない光は、その振動面を変更しない。
【００１９】
第３の要素１２は、実質的に平行な出力ビームを生成するように、光ビームを曲げる。第１の要素１０および第３の要素１２は、複屈折材料および光学的等方性材料が交互になった部分から構成される。
【００２０】
図１８の偏光変換システムは、受光角度が小さいことに悩まされる。例えば、通常の投射システムの受光角が約５度であり得る一方で、この素子については、高い集束効率に対してより小さな受光角が予測され得る。このような素子は、ＣＤプレーヤー等のレーザとの使用に適し得る。
【００２１】
米国特許第５  ４４０  ４２４号は、偏光−分離要素、偏光−回転要素および結合要素を備えるシート偏光変換システムを開示している。この偏光変換システムも、小さな受光角を有する。
【００２２】
ＥＰ−Ａ−０  ７５３  ７８０は、２つの基板の間に挟まれた液晶層を備える偏光分離素子を開示している。一方の基板はぎざぎざの表面構造を有するため、液晶層の厚さは一定ではない。偏光分離素子に入射する非偏光が、鋸歯状基板と液晶層との間の界面で２つの異なる偏光成分に分離され、２つの偏光成分は、異なる方向に進みながら偏光分離素子を離れる。
【００２３】
ＥＰ−Ａ−０  ７５３  ７８０に開示される偏光分離素子では、偏光成分のうちの１つが、公称的には可視光の全ての波長に対してずれることなく、偏光分離素子を通過する。それゆえ、光は、非垂直入射（ｎｏｎ−ｎｏｒｍａｌ  ｉｎｃｉｄｅｎｃｅ）で偏光分離素子に入射しなければならない。これは、同様に、ＥＰ−Ａ−０  ７５３  ７８０の偏光分離素子を用いる光学プロジェクターが、光の著しい損失を防ぐために、傾斜したランプを使用することが必要になる。
【００２４】
【課題を解決するための手段】
本発明の偏光分離素子は、各プリズムがくさび型の断面を有する光学的等方性プリズムであり、該プリズムのそれぞれの底面が同一平面上に配置されて、該底面に非偏光または部分偏光の平行光が入射される第１のプリズムのアレイと、各プリズムがくさび型の断面を有する複屈折プリズムであり、該プリズムのそれぞれの傾斜面が前記第１のプリズムのアレイの各プリズムの傾斜面に近接して配置されるとともに、該プリズムのそれぞれの底面が前記第１のプリズムのアレイの各プリズムの底面に平行に配置された第２のプリズムのアレイと、各プリズムがくさび型の断面を有する複屈折プリズムであり、該プリズムのそれぞれの底面が前記第２のプリズムのアレイの各プリズムの底面に近接して平行に配置された第３のプリズムのアレイと、各プリズムがくさび型の断面を有する光学的等方性プリズムであり、該プリズムのそれぞれの傾斜面が、前記第３のプリズムのアレイの各プリズムの傾斜面に近接して配置されるとともに、それぞれの底面が、前記第３のプリズムのアレイの各プリズムの底面と平行に配置された第４のプリズムのアレイとを備え、前記第２のアレイのプリズムの光軸方向が該プリズムの厚さにわたって実質的に９０°変化し、該光軸は該プリズムの厚さに渡って入射光の方向に対して実質的に垂直であり、前記第２のプリズムのアレイのそれぞれのプリズムの前記光軸方向が、前記第３のプリズムのアレイの近くに配置された該第２のプリズムのアレイのプリズムの面で、該第３のプリズムのプリズムの光軸に対して垂直であり、前記第２のプリズムのアレイのそれぞれのプリズムが、第１の偏光を有する光と、該第１の偏光とは異なる偏光成分を有する第２の偏光を有する光とをそれぞれ分離して異なる方向に偏向させて出力し、前記第３のプリズムのアレイのそれぞれのプリズムが、前記第１の偏光を有する光および前記第２の偏光を有する光を、それぞれ対称的に発散させることを特徴とする。
【００２５】
前記第２のプリズムのアレイが液晶層を備えていてもよい。
【００２６】
前記第２のプリズムのアレイが光硬化性液晶を含んでいてもよい。
【００２７】
前記第２のプリズムのアレイが高分子安定化液晶材料を含んでいてもよい。
【００２８】
本発明の偏光変換システムは、非偏光または部分偏光を有する光の平行光が第１のプリズムのアレイに入射されるように配置された請求項１に記載の偏光分離素子と、該偏光分離素子から出力される第１の偏光を有する光および第２の偏光を有する光を、共通の偏光を有する光に変換して出力する１以上の偏光変換素子と、前記偏光分離素子から出力される光を前記偏光変換素子に集束する第１のレンズアレイとを備える。
【００２９】
前記偏光変換素子は、前記第２の偏光を有する光の振動面を回転させずに、前記第１の偏光を有する光の振動面を前記第２の偏光を有する光の振動面と同一になるように回転させて、前記第２の偏光を有する光のみを出力してもよい。
【００３０】
前記偏光変換素子は、前記偏光分離素子から出力される前記第１の偏光を有する光および前記第２の偏光を有する光がそれぞれ入射されるエリアがアレイ状に設けられており、該偏光変換素子のエリアが前記第１のレンズアレイの焦点面に配置されてもよい。
【００３１】
前記第１のレンズアレイが前記偏光分離素子と前記偏光変換素子との間に配置されてもよい。
【００３２】
前記偏光分離素子が前記第１のレンズアレイと前記偏光変換素子との間に配置されてもよい。
【００３３】
前記偏光変換素子から出力される光を平行にする第２のレンズアレイをさらに備えていてもよい。
【００３４】
前記第１のレンズアレイおよび前記第２のレンズアレイが共通基板上に配置されていてもよい。
【００３５】
前記第２のレンズアレイが、前記偏光変換素子と前記第１のレンズアレイとの間に配置されて前記偏光変換素子に近接していてもよい。
【００３６】
前記偏光変換素子が直接前記第２のレンズアレイ上に配置されていてもよい。
【００３７】
前記偏光変換素子が前記第２のレンズの光出射方向側に配置され、かつ該第２のレンズアレイに光学的に結合されていてもよい。
【００３８】
前記偏光分離素子は、前記第１の偏光を有する光と前記第２の偏光を有する光とを、それぞれ第１の振動面を有する第１の直線偏光ビームと該第１の偏光面とは異なる第２の振動面を有する第２の直線偏光ビームとにする偏光回転素子であってもよい。
【００３９】
前記第１のビームの振動面が前記第２のビームの振動面に対して９０°であってもよい。
【００４０】
前記偏光変換素子が、複数の第１の領域および複数の第２の領域を交互に有するリターダアレイを備え、該第１および第２の領域が、それぞれ、前記第１の偏光を有する光および前記第２の偏光を有する光を受け取るように配列されていてもよい。
【００４１】
前記第１および第２の領域が、それぞれ、前記第１および第２の偏光ビームの断面のサイズと一致し、相互に異なる第１および第２のサイズを有していてもよい。
【００４２】
本発明の投射ディスプレイシステムは、非偏光または部分偏光の平行光を出射する光源と、該光源から出射される平行光が偏光分離素子に入射されるように配置された前記偏光変換システムと、該偏光変換システムから出力される偏光を有する光が照射される空間光変調器と、を備える。
【００４３】
前記空間光変調器が反射型液晶パネルであってもよい。
【００４４】
前記反射型液晶パネルにて反射された光が選択的に照射される投射レンズをさらに有していてもよい。
【００５９】
本発明の第１の局面は、偏光分離素子であって、それぞれがくさび型の断面を有する第１のプリズムのアレイと、それぞれがくさび型の断面を有する第２のプリズムのアレイとを備え、上記第１のアレイの各プリズムが、上記第２のアレイの対応するプリズムの傾斜面に近接して配置される傾斜面を備えて配置され、上記プリズムのアレイのうちの少なくとも１つの各プリズムが複屈折プリズムであり、上記偏光分離素子が、上記第１の偏光を有する光を偏向させ、かつ上記第２の偏光を有する光を偏向させるように配列される、偏光分離素子を提供する。
【００６０】
本発明の偏光分離素子は、第１の偏光成分および第２の偏光成分の両方を偏向する。すなわち、上記第１の偏光成分が偏光分離素子から出力される方向、および上記第２の偏光成分が上記偏光分離素子から出力それる方向の両方が、入射光の方向と異なる．偏光分離素子を有する本発明の偏光変換システムが投射ディスプレイシステムに組み込まれている場合、傾いていないランプの幾何学配置の使用は、補正された材料およびプリズムの幾何学的配置が使用された場合の光のさらなる損失には繋がらない。
【００６１】
上記第１のプリズムのアレイの各プリズムが複屈折プリズムであり得、上記第２のプリズムのアレイの各プリズムが複屈折プリズムであり得、上記第１のアレイの各プリズムが第２のアレイの対応するプリズムの光軸に対して垂直の光軸を有して配列され得る。
【００６２】
上記第１のプリズムのアレイの各プリズムが光学的等方性プリズムであり得、上記第２のプリズムのアレイの各プリズムが複屈折プリズムであり得る。
【００６３】
上記第２のアレイのプリズムの常光線屈折率ｎo、上記第２のアレイのプリズムの異常光線屈折率ｎe、および上記第１のアレイのプリズムの屈折率ｎが、
ｎo＜ｎ＜ｎe
となるように選択され得る。
【００６４】
１より多くの複屈折プリズムのアレイが存在する場合、上記複屈折プリズムのアレイ、または複屈折プリズムのアレイのうちの１つが液晶材料を含み得る。
【００６５】
上記偏光分離素子は液晶層の厚さを決定するスペーサを含み得る。各スペーサ素子が上記第１のアレイのプリズムのそれぞれ１つと一体化し得る。
【００６６】
あるいは、１より多くの複屈折プリズムのアレイが存在する場合、上記複屈折のアレイ、または上記複屈折プリズムのアレイのうちの１つが光硬化性液晶を含み得るか、または高分子安定化液晶材料を含み得る。
【００６７】
上記偏光分離素子は、それぞれがくさび型の断面を有する第３のプリズムのアレイ、およびそれぞれがくさび型の断面を有する第４のプリズムのアレイをさらに備え得、上記第３のアレイの各プリズムが上記第４アレイの対応するプリズムの傾斜面に近接する傾斜面を備えて配置され得、上記第３のアレイの各プリズムが複屈折プリズムであり得る。
【００６８】
上記第２のアレイのプリズムの光軸方向が上記プリズムの厚さに渡って変化し得る。
【００６９】
上記第２のアレイのプリズムの光軸方向が上記プリズムの厚さに渡って実質的に９０°変化し得、上記光軸は上記プリズムの厚さに渡る入射光の方向に対して実質的に垂直である。上記第２のアレイのプリズムの上記光軸方向が、上記第３のプリズムのアレイの近くに配置された上記プリズムの面で、上記第３のプリズムの光軸に対して垂直であり得る。上記第２のプリズムのアレイが液晶層を備え得る。
【００７０】
本発明の第２の局面は、偏光変換素子であって、較正された入射光を変換するための第１のレンズアレイと、第１の偏光を有する光を第１の方向に向け、第１の偏光と異なる第２の偏光を有する光を第１の方向と異なる第２の方向に向ける偏光分離素子と、第１および第２の偏光を有する光を実質的に共通の出力偏光を有する光に変換する１つ以上の偏光変換素子とを備え、上記偏光分離素子が定義されたような偏光分離素子である偏光変換素子を提供する。
【００７１】
出力偏光は第２の偏光であり得る。
【００７２】
上記偏光変換素子のアレイが上記第１のレンズアレイの実質的に焦点面に配置され得る。
【００７３】
上記第１のレンズアレイが上記偏光分離素子と偏光変換素子との間に配置され得る。あるいは、上記第１のレンズアレイが偏光分離素子の前に配置され得る。
【００７４】
上記偏光変換素子の上記出力を平行にする第２のレンズアレイをさらに備え得る。上記第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイが共通基板を有し得る。上記第２のレンズアレイが上記偏光変換素子に近接してその裏側にあり得る。
【００７５】
上記偏光変換素子が直接上記第２のレンズアレイ上に配置され得る。これにより、偏光変換素子が上記第２のレンズアレイとのアライメントにずれが生じることを防ぐ。
【００７６】
上記偏光変換素子が上記第２のレンズの後に配置され得、かつ該第２のレンズアレイに光学的に結合され得る。
【００７７】
上記偏光分離素子からの上記出力が、第１の振動面を有する第１の直線偏光ビームおよび第１の振動面とは異なる第２の振動面を有する第２の直線偏光ビームであり得、該または各偏光変換素子が偏光回転素子であり得る。
【００７８】
上記第１のビームの振動面が上記第２のビームの振動面に対して実質的に９０°であり得る。
【００７９】
上記１以上の偏光変換素子が、複数の第１の領域および複数の第２の領域を交互に有するリターダアレイを備え得、該第１および第２の領域が、それぞれ、上記第１および第２の偏光を受け取るように配列され得る。上記第１および第２の領域が、それぞれ、上記第１および第２の偏光ビームの断面のサイズと一致し得、相互に異なる第１および第２のサイズを有し得る。
【００８０】
本発明の第３の局面は、非偏光または部分偏光のソース、上記で規定したような偏光変換システム、および投射レンズを備える投射ディスプレイシステムを提供する。
【００８１】
本発明の第４の局面は、基板、上記基板の１つの表面上に配置された第１のレンズアレイ、および各レンズが該第１のレンズアレイと１対１に対応するように、該基板の反対側の表面上に配置された第２のレンズアレイを備える光学素子を提供する。
【００８２】
上記第１のレンズアレイおよび第２のレンズアレイが上記基板と一体化し得る。
【００８３】
本発明の本局面による光学素子は、本発明の第２の局面の偏光変換システムでの使用に適している。両方のレンズアレイを共通基板に配置することにより、一方のアレイのレンズが他方のアレイのレンズとアライメントすることができる精度が増加し得、これにより、レンズアレイのピッチを低減することが可能になる。レンズアレイのピッチを低減することにより、焦点距離を低減することが可能になるため、２つのレンズアレイ間の距離を低減し、よって、レンズアレイを組み込んだ偏光変換システムの体積が低減される。
【００８４】
上記第１のレンズアレイのピッチが上記第２のレンズアレイのピッチに実質的に等しくあり得る。
【００８５】
上記第１のレンズアレイのピッチおよび上記第２のレンズアレイのピッチが、それぞれ、２ｍｍ以下であり得る。
【００８６】
上記光学素子の幅Ｗおよび該光学素子の厚さＴがＷ／Ｔ＞３の関係を満たし得る。
【００８７】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の好適な特徴を添付の図面を参照しながら例示することにより説明する。
【００８８】
図面において、同様の参照符合は同様の要素を示す。
【００８９】
図１ａは、本発明の第１の実施形態によるＰＣＯＳ１５の概略図である。
【００９０】
使用において、平行光が光源（図示せず）により供給される。光源からの光は非偏光または部分偏光であり、直交する偏光方向を有する２つの直線偏光成分を含む。一方の成分は、図面の平面に振動面を有し、これは、図１では両端が矢印である線により示されており、「水平平面偏光」と呼ばれる。他方の成分は、図面の平面外の振動面を有し、これは、図１では丸印で囲まれた点により示され、「垂直平面偏光」と呼ばれる。
【００９１】
図１ａのＰＣＯＳ１５は、偏光分離素子１６を含む。図１aに示すように、これは、入射光内の２つの偏光成分を角度的に分離し、各偏光成分を偏向させる。入来する光の一方の偏光成分が第１の方向に向けられ、それに直交する偏光成分は第１の方向と異なる第２の方向に向けられる。可視光の全ての波長に対して、第１および第２の方向はそれぞれ、入射光の伝播方向とは異なる。偏光分離素子の構成を以下に説明する。
【００９２】
図１ａのＰＣＯＳ１５は、光源に対して、偏光分離素子の反対側に位置する偏光変換素子をさらに備える。偏光回転素子１９は、第１および第２の偏光成分を実質的に共通の出力偏光を有する光に変換するように配列される。これは、偏光変換素子に、偏光分離素子１６により生成された偏光成分のうちの１つを所望の出力偏光に変換する複数の第１のエリア１９ａを設け、第１の偏光成分の光が実質的にこれらエリアのみに入射するように偏光変換素子を配列することにより適宜に行われる。同様に、偏光変換素子は、偏光分離素子により生成された第２の偏光成分を所望の出力偏光に変換する複数の第２のエリア１９ｂをさらに備え、偏光分離素子により出力された第２の偏光成分の光が、実質的にこれらエリアのみに入射するように配列される。
【００９３】
所望の出力偏光成分は、偏光分離素子１６により生成される２つの偏光成分のうちの１つであり得る。この場合、偏光変換素子１９は、所望の偏光成分の光を、実質的にその偏光状態を変更することなく透過するように配列される。偏光変換素子は、偏光分離素子により生成された他方の偏光成分を所望の出力偏光成分に変換するようにさらに適合される。
【００９４】
図１ａに示す実施形態では、偏光分離素子が水平平面偏光成分および垂直平面偏光成分を生成する。偏光変換システムの所望の出力状態は、水平平面偏光である。本実施形態では、偏光変換素子１９が偏光回転素子として組み入れられている。偏光変換素子は、一方の偏光成分（図１ａの実施形態では、垂直平面偏光成分）がその成分の振動面を実質的に９０°回転させる偏光回転素子のエリア１９ａに入射するように配列される。他方の偏光成分（図１ａの実施形態では、水平平面偏光成分）が、その偏光成分の振動面を回転させない偏光回転素子のエリア１９ｂに入射し、その振動面は、実質的に、偏光回転素子１９により変更されない。結果的に、垂直平面偏光成分が偏光回転素子により水平平面偏光に変換されたため、図１ａのＰＣＯＳ１５からの出力光は、水平平面偏光のみを含む。
【００９５】
偏光分離素子１６により偏光回転素子１９に向けられた水平平面偏光成分が、振動面を回転させるエリア１９ａのいずれも通過しないことを確実にし、かつ偏光分離素子１６により偏光変換素子１９に向けられた垂直偏光が、振動面を回転させないエリア１９ｂのいずれも通過しないことを確実にするために、第１のレンズアレイ１７が、偏光変換素子１９に向けられた光を集束するために設けられる。図１ａの実施形態では、第１のレンズアレイ１７は偏光分離素子１６と偏光変換素子１９との間に配置されるため、アレイ１９は第１のレンズアレイ１７のほぼ焦点距離だけ、第１のレンズアレイ１７から間隔を置いている。
【００９６】
ＰＣＯＳからの出力光が、実質的にテレセントリックであり、さらなる集光レンズとともに用いられる場合に、第１のアレイの各レンズの像をパネルの平面に生成するように配列されることを確実にするために、第２のレンズアレイ１８が、好ましくは、図１ａのＰＣＯＳ１５に設けられる。アレイ１８および１９の平面の分離により光の損失が生じるため、第２のレンズアレイ１８は、理想的には、アレイ１９と同じ平面、よって、第１のレンズアレイ１７の焦点面に位置する。
【００９７】
第１のレンズアレイ１７の焦点距離は、好ましくは、第２のレンズアレイ１８の焦点距離と等しいか、または実質的に等しい。図１ａの実施形態では、第１のレンズアレイ１７のレンズ素子のピッチおよび側方の寸法が、第２のレンズアレイ１８のレンズ素子のピッチおよび側方の寸法と等しい。両方のレンズアレイのピッチは、好ましくは２ｍｍ以下である。あるいは、欧州特許出願第９９１１５６６４．７号に開示された方法を用いてエテンデュ（ｅｔｅｎｄｕｅ）を修正するためには、一方のレンズアレイのレンズ素子の側方の寸法が、他方のアレイのレンズ素子の側方の寸法と異なることも可能である。
【００９８】
図１ａの実施形態では、第１のレンズアレイ１７の全てのレンズ素子が、第２のレンズアレイ１８の対応するレンズ素子に、光源の２つの像を生成する。角度分離素子は、第１のレンズアレイ１７により投影されたときに、第２のレンズアレイ１８で光源の像の分離を引き起こす。分離角度および第１のレンズアレイ１７のパワーは、第２のレンズアレイ１８および偏光変換素子１９の平面と実質的に対応する第１のレンズアレイ１７の像平面で、２つの像が交互に配置され、実質的に重複しないように設定される。
【００９９】
偏光分離素子１６が、実質的な非偏光により照明される場合、偏光分離素子１６により生成された、２つの分離された直交偏光ビームが、相互に、実質的に等しい輝度を有する。しかしながら、光源からの光がある程度の直線偏光を有する場合、偏光分離素子により生成された２つの分離された直交偏光ビームの相対輝度は、光源からの光の入力偏光比（ｉｎｐｕｔ  ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ  ｒａｔｉｏ）に依存する。
【０１００】
図１ａのＰＣＯＳ１５との使用に適した光源は、Ｐｈｉｌｉｐｓにより製造されるような、およそ１．３ｍｍのＵＨＰ（ＴＭ）アークランプである。
【０１０１】
図１ａの実施形態では、第１のレンズアレイ１７および第２のレンズアレイ１８が、同じ基板２０の対向する面に形成される。あるいは、例えば、図７ｂに示すように、第１のレンズアレイ１７および第２のレンズアレイ１８を別々の基板上に形成することも可能である。
【０１０２】
図２４は、図１ａのＰＣＯＳの第１のレンズアレイ１７および第２のレンズアレイ１８の斜視図である。第１のレンズアレイ１７が基板２０の一方の面上に形成され、第２のレンズアレイ１８は基板２０の対向する側の面に形成される。第２のレンズアレイの各レンズ素子は、第１のレンズアレイのレンズ素子の入射光が第２のレンズアレイの関連づけられたレンズ素子に向けられるという点で、第１のレンズアレイ７のレンズ素子と光学的に関連づけられる。上記のとおり、図１ａの実施形態では、第１のレンズアレイのレンズ素子のピッチＰおよび側方の寸法Ｄが、第２のレンズアレイ１８のレンズ素子のピッチおよび側方の寸法に等しい。両方のレンズアレイのピッチは、好ましくは、２ｍｍ以下である。
【０１０３】
第１のレンズアレイ１７および第２のレンズアレイ１８は、好ましくは、基板２０と一体である。例えば、第１のレンズアレイ１７、第２のレンズアレイ１８、および基板２０は、透明プラスチック材料で、１つの一体型ユニットに成形され得るか、または第１のレンズアレイ１７および第２のレンズアレイ１８は、適切な透明基板の両面にはめ込まれ得る。代替案として、レンズアレイは、レンズアレイを別々に製造し、屈折率整合材料を用いて２つのレンズアレイをボンディングして、共通の光学基板を形成することにより製作され得る。これにより、プロジェクターの組立時の素子の機械的アライメントを避け、素子の表面の数を低減することにより、不要な表面反射、および素子の反射防止コーティングのコストを低減する。これらのタイプのレンズは、ＵＶキャスティング、ホットエンボス、ガラスのエッチング、もしくはプラスチック基板または好ましくはガラス基板上に屈折率分布型レンズを形成することを含む各種の他の技術により製作することができる。
【０１０４】
図２５は、図１ａに示すタイプのＰＣＯＳ１５を用いる投射システムを示す。この投射システムでは、ＰＣＯＳ１５は、光源７により発せられ、放物面鏡８により平行にされる光により照明される。ＰＣＯＳ１５を離れる光は、光の輝度を変調することにより像の表示を可能にするライトバルブ４８、例えば、空間光変調器を照明する。集光レンズ４９が、好ましくは、ＰＣＯＳ１５とライトバルブ４８との間に配置される。
【０１０５】
ライトバルブが４：３のアスペクト比、および０．７インチ（約１８ｍｍ）の対角線を有する例では、ライトバルブの幅はダイアゴナルの４／５、すなわち、およそ１４．２２ｍｍである。レンズアレイのピッチが２ｍｍである場合、第１のレンズアレイから第２のレンズアレイまでの距離と、第２のレンズアレイからライトバルブまでの距離の比は、１４．２２／２である。よって、第２のレンズアレイからライトバルブまでの距離が１００ｍｍであることが所望される場合、第１のレンズアレイから第２のレンズアレイまでの距離は、１００ｍｍ×２／１４．２２＝１４．０６ｍｍとなるべきである（全ての距離が空気中であると仮定する）。レンズアレイ１７および１８、ならびに基板２０が屈折率１．５２のガラスから形成される場合、基板２０の厚さＴは、２１．４ｍｍとなる。両方のレンズアレイを、この厚さを有する単一のガラス基板上に統合することが可能であるため、レンズアレイのピッチを２ｍｍ未満にすることにより、両方のレンズアレイを単一の基板上に統合することが可能となる。
【０１０６】
さらに本例では、レフレクタ８が６０ｍｍの直径を有する場合、ランプからの全ての光が確実にＰＣＯＳを通過するためには、レンズアレイ１７および１８の幅Ｗは、好ましくは、６０ｍｍ以上である。基板２０の厚さＴがおよそ２０ｍｍである場合、基板２０の幅Ｗおよび厚さＴは、以下の関係：Ｗ／Ｔ＞３を満たす。理想的には、レンズピッチは２００ミクロンのオーダーであり、サンドイッチ状の２つの標準的なＬＣＤガラス基板に対応するガラスの厚さは２ｍｍのオーダーである。これにより、かさが高く低コストのガラス、および標準化ガラス処理設備の利用が可能となる。すなわち、所与の幅に対するレンズ基板の厚さが、従来技術においてよりも、本発明においてはるかに薄くなるため、本発明のＰＣＯＳの体積は従来のＰＣＯＳの体積よりもはるかに小さい。従来技術によるデバイスについて、ＷおよびＴの典型的な値は、Ｗ＝５０ｍｍ、Ｔ＝５０ｍｍでＷ／Ｔ＝１となる。
【０１０７】
図１ａのＰＣＯＳ１５での使用に適した本発明の１つの偏光分離素子１６の構造を図２ａに詳細に示す。偏光分離素子１６が、本質的に、複屈折プリズム２０および２１の２つのアレイから構成されることが分かる。各アレイのプリズム２０および２１は、くさび型の断面を有する。第１のアレイのプリズム２０のくさび角度は、第２のアレイのプリズム２１のくさび角度に等しいか、または実質的に等しく、第１のアレイのプリズム２０の断面寸法は、第２のアレイのプリズム２１の断面寸法に等しいか、または実質的に等しい。
【０１０８】
これらのプリズムのアレイは、第１のアレイのプリズム２０が、第２のアレイのプリズム２１の斜面２１ａと近接する斜面２０ａ（斜辺面）を有する。（図２ａでは、明瞭さのため、プリズム２０とプリズム２１との間に小さな隙間を示す。）第１のアレイのプリズムは、第２のアレイのプリズムと実質的に同じくさび角度を有するため、第１のアレイのプリズム２０の底面２０ｂは、第２のアレイの対応するプリズム２１の底面２１ｂと実質的に平行である。
【０１０９】
図２ａでは、第１のアレイのプリズム２０が第１のカバープレートまたは基板２２に取り付けられており、第２のアレイのプリズム２１は第２のカバープレートまたは基板２３に取り付けられている。これらのカバープレートは、ガラスまたはプラスチック材料等の任意の透明な光学的等方性材料から作成され得る。カバープレート２２および２３は、好ましくは、それぞれが均一な厚さを有するため、第１のカバープレートの前面２２ａは第２のカバープレート２３の裏面２３ａと平行である。第１のカバープレート２２の前面２２ａは、偏光分離素子の入射面（ｅｎｔｒａｎｃｅ  ｆａｃｅ）を形成し、第２のカバープレート２３の裏面２３ａは、偏光分離素子１６の射出面（ｅｘｉｔ  ｆａｃｅ）を形成する。
【０１１０】
第１のプリズムアレイのプリズム２０の光軸および第２のプリズムアレイのプリズム２１の光軸は、偏光分離素子１６の入射面および射出面と平行である。それゆえ、プリズムの光軸は、一般に、偏光分離素子を通って伝播する光に対して垂直である。さらに、各第１のプリズム２０の光軸は、各第２のプリズム２１の光軸と直交する。
【０１１１】
使用において、光源からの光は偏光分離素子１６に入り、次いで、第１のカバープレート２２、および第１の複屈折プリズムアレイのプリズム２０のうちの１つを通過する。１つの直線偏光と、直交直線偏光との間の角度的な分離が、第１のプリズムアレイのプリズム２０と第２のプリズムアレイの対応するプリズム２１との間の傾斜した界面で発生する。
【０１１２】
図２ｂは、図１ａのＰＣＯＳ１５での使用にさらに適した本発明の代替的な偏光分離素子１６を示す。これは、図２ａの複屈折くさび型プリズム２０の第１のアレイが、ガラスまたはプラスチック材料等の光学的等方性材料から作成されるくさび型プリズム２４に置き換えられていることを除いては、一般に、図２ａの偏光分離素子１６に対応する。光学的に等方的なくさび型プリズム２４を形成するために使用される材料の屈折率は、複屈折プリズム２１を形成するために使用される複屈折材料の常光線屈折率または異常光線屈折率に等しくないとした場合、両方の偏光成分は乖離してる。光学的等方性くさび型プリズム２４を形成するために用いられる材料の屈折率は、可視光全体の波長にわたってｎo＜ｎ＜ｎeのように選択され得、ここで、ｎoおよびｎeが、複屈折プリズム２１を形成するために用いられる複屈折材料の常光線屈折率および異常光線屈折率であり、ｎは光学的等方性プリズム２４を形成するために用いられる材料の屈折率である。
【０１１３】
光束の分離角度度が、プリズムの傾斜角度および複屈折率により規定される一方、入力光軸に対する２つの円錐の平均傾斜は、等方性材料の相対屈折率により規定される。さらに、常光成分と異常光線成分間の分散の差は、この２つの偏光状態が異なる分散特性を有することを意味し得る。よって、第２のレンズアレイ１８に当たる点のサイズは、２つの直交する偏光状態に関して異なることが考えられ得る。図１ｂにこれを示しており、ここでは、一方の光点の相対的なサイズおよび形状が５０で示され、他方の光点の相対的なサイズおよび形状が５１で示される（比較のために第１の点を挿入して示している）。点のサイズの相違を補償するために、偏光回転素子１９は、図１ｂに示すように、振動面を回転させ、大きい方の光点５１から光を受け取るエリア１９ａが、振動面を回転させず、光点５０から光を受け取るエリア１９ｂよりも大きくなるように適合され得る。
【０１１４】
図１ｂの実施形態は、第２のレンズアレイ１８が屈折率ｎ2を有する等方性媒体５２により偏光回転素子１９に光学的に結合される点で、図１ａの実施形態とさらに異なる。等方性媒体５２に適した材料は、Ｏｐｔｉ−ｃｌａｄにより製造される、ｎ2＝１．３８の屈折率を有するＵＶ−ＯＰＴＩ−ＣＬＡＤ−１３８−Ｘである。第２のレンズアレイ１８に適した材料は、Ｎｙｅによるｎ1＝１．６の屈折率を有するＯＣ４６２である。
【０１１５】
図２ｂの複屈折プリズム２１のアレイ、ならびに図２ａの複屈折プリズム２０および２１の一方または両方のアレイが、例えば、Ｄ．Ｊ．Ｂｒｏｅｒにより「Ｍｏｌ．Ｃｒｙｓｔ．Ｌｉｑ．Ｃｒｙｓｔ．」Ｖｏｌ．２６１、ｐｐ５１３−５２３（１９９５）に開示される製作技術を用いて、液晶層として組み入れられ得る。あるいは、これらは、光硬化性液晶層を用いて、または高分子安定化液晶層（ｐｏｌｙｍｅｒ  ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ  ｌｉｑｕｉｄ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｌａｙｅｒ）を用いて組み入れられ得る。
【０１１６】
図２ｃは、図１のＰＣＯＳでの使用にさらに適した本発明の代替的な偏光分離素子１６を示す。図２ａおよび２ｂの偏光分離素子に関しては、図２ｃの偏光分離素子が両方の偏光成分を偏向させる。
【０１１７】
図２ｃの偏光分離素子１６もまた、第１の透明カバープレート２２と第２の透明カバープレート２３との間に配置されたくさび型プリズムを備えるが、図２ｃの偏光分離素子１６では、プリズムの４つのアレイが、第１のカバープレート２２と第２のカバープレート２３との間に配置される。各アレイ内のプリズムは、くさび型の断面を有する。
【０１１８】
第１のアレイは、光学的等方性くさび型プリズム２５のアレイであり、第２のアレイは、複屈折プリズム２６のアレイであり、第３のアレイは、複屈折プリズム２７のアレイであり、第４のアレイは、光学的等方性プリズム２８のアレイである。第２のアレイの各プリズム２６は、その斜面２６ａが第１のアレイからの対応するプリズム２５の斜面２５ａと近接して配置されるように配列される。同様に、第３のアレイの各プリズム２７は、その斜面２７ａが第４のアレイの対応するプリズム２８の斜面２８ａに近接して配置されるように配列される。第２のアレイの各プリズム２６は、その平面２６ｂが第３のプリズムアレイのプリズム２７の平面２７ｂと平行に近接して配置される。第１のアレイのプリズム２５は、第２のアレイのプリズム２６と実質的に同じくさび角度を有するため、第１のアレイのプリズム２５の底面２５ｂは、第２のアレイの対応するプリズム２６の底面２６ｂと実質的に平行である。同様に、第３のアレイのプリズム２７は、第４のプリズムアレイのプリズム２８と実質的に同じくさび角度を有するため、第３のアレイのプリズム２７の底面２７ｂは、第４のアレイの対応するプリズム２８の底面２８ｂと実質的に平行である。第１のアレイのプリズム２５と第２のアレイプリズム２６のくさび角度は、第３のアレイのプリズム２７と第４のアレイのプリズム２８との角度と同様であり、図示した実施形態では同じである。また、プリズム２５および２６のピッチは、プリズム２７および２８のピッチと同じであるように示されるが、異なり得る。
【０１１９】
第３のアレイのプリズム２７の光軸方向は、図２ｅに概略的に示すように、その厚さ全体に渡って方向を変えない。しかしながら、第２のプリズムアレイのプリズム２６の光軸方向は一定ではないが、図２ｄに示すプリズムの厚さを渡って変化するため、第２のアレイのプリズム２６の平面２６ｂに近接する光軸は、そのプリズムの斜面２６ａに近接する光軸と実質的に垂直である。第２のアレイのプリズム２６の光軸は、第１のカバープレート２２の前面２２ａに常に平行であるため、光軸は、偏光分離素子を通過する光と常に実質的に垂直である。第２のプリズムアレイのプリズム２６の光軸は、第３のプリズムアレイの対応するプリズムに最も近いプリズムの面で（図２ｃでは、これはプリズムの平面２６ｂである）、その光軸が第３のプリズムアレイの対応するプリズム２７の光軸と垂直であるように配列される。
【０１２０】
図２ｃの偏光分離素子では、第２のプリズムアレイのプリズム２６および第３のプリズムアレイのプリズム２７はともに、「くさび溝（ｗｅｄｇｅ  ｇｒｏｏｖｅ）」に平行に向けられた傾斜面２６ｂおよび２７ｂに近接する光軸を有するが、第３のアレイの対応するプリズム２７に最も近い面の第２のアレイのプリズム２６の光軸は、プリズム２７の光軸に対して垂直である。これにより、常光線と異常光線との所与の発散角を提供するために必要とされるくさび角度が低減されることにより、プリズムの単軸材料により生成される分散を低減する。さらなる利点は、常光線および異常光線が、図２ｃの光線路により示されるように、偏光分離素子の垂直線の周囲で対称的に発散される。対照的に、くさび型の断面を有する単一の単軸プリズムが用いられる場合、異常光線屈折率の変化が常光線屈折率の変化よりも大きいとすると、一方の偏光が、直交する偏光よりも大きな角度で発散され得る。
【０１２１】
光軸方向がプリズムの厚さに渡って回転するくさび型プリズム２６は、液晶材料、例えば、液晶材料ＺＬＩ−５２００−１００（Ｍｅｒｃｋから入手可能）を用いて形成され得る。あるいは、ＲＭ２５７（Ｍｅｒｃｋから入手可能）等の光硬化性液晶、または均一なアライメントを有するＥ７（Ｍｅｒｃｋから入手可能）と混合したＮＯＡ６１（Ｎｏｒｌａｎｄから入手可能）等の高分子安定化液晶材料が用いられ得る。
【０１２２】
図４は、図１のＰＣＯＳ１５での使用にさらに適した本発明のさらなる偏光分離素子１６を示す。この偏光分離素子もまた、両方の偏光成分を偏向させる。
【０１２３】
図４の偏光分離素子１６は、第１の透明カバープレート２２と第２の透明カバープレート２３との間に配置された光学的等方性プリズム３１の第１のアレイを備える。光学的等方性プリズムは、第２のカバープレート２３上に取りつけられ、第１のプリズムアレイの各プリズム３１は、第２のカバープレートに近接する面３１ｂに対して斜角の上面３１ａ（第２のカバープレートから最も遠くに配置された面）を有するため、第１のプリズムアレイは「鋸歯状」のプロファイルを有する。
【０１２４】
液晶層３２は、第１のカバープレート２２と光学的等方性プリズムアレイ３１との間に配置される。第１のカバープレートと第２のカバープレートとの間隔は実質的に一定であり、等方性プリズム３１の厚さが「鋸歯」状に変化するため、液晶層の厚さも、「鋸歯」状に変化する。よって、液晶層３２は、各プリズムが断面において切形くさび（ｔｒｕｎｃａｔｅｄ  ｗｅｄｇｅ）である複屈折プリズムのアレイを形成する。等方性プリズム３１のアレイは、高分子材料から作成され得る。プリズム３１のアレイの「鋸歯状の」プロファイルは、例えば、適切なモールドを用いて高分子成形するか、高分子をキャスティングするか、またはリソグラフィック処理により提供され得る。
【０１２５】
液晶層３２は、第１のアライメント層２９および第２のアライメント層３０に近接する液晶分子のアライメント方向を制御するための第１のアライメント層２９と第２のアライメント層３０との間に配置される。図４の実施形態では、一方のアライメント層２９が第１のカバープレート２２上に配置され、第２のアライメント層３０がプリズム３１のアレイの上面に配置される。
【０１２６】
アライメント層２９および３０は、例えば、材料ＰＩ２５５５等の任意の適切な材料から形成され得る。あるいは、より低い製作温度で用いるために設計されたアライメント層が用いられ得る。アライメント層２９および３０は、液晶分子を所望の方向に向けるように、研磨またはフォト−アライメント（ｐｈｏｔｏ−ａｌｉｇｎｅｄ）され得る。アライメント層３０が研磨プロセスによりアライメントされる場合、原則的に、プリズムアレイの溝と平行方向、またはプリズムアレイの溝と垂直方向に研磨され得る。しかしながら、溝と垂直方向に研磨することにより、アライメントが困難になり得、かつアライメント層３０に近接する液晶材料のディレクタ（ｄｉｒｅｃｔｏｒ）のプロファイルを変更し得るため、プリズムアレイの溝と平行方向にアライメント層を研磨することが好ましい。
【０１２７】
図５は、本発明の偏光分離素子１６の動作の原理を示す。図５は、図２ｂに示すタイプの偏光分離素子に関し、ここでは、等方性くさび型プリズムのアレイおよび複屈折くさび型プリズムのアレイが、第１の透明カバープレート２２と第２の透明カバープレート２３との間に配置されるが、しかしながら、図２ａ、２ｃ、および４の偏光分離素子は、一般に、同様に動作する。
【０１２８】
図５の偏光分離素子１６は、上記のとおり、偏光分離素子の入射面を形成する第１のカバープレート２２の表面に対して、実質的に垂直かつテレセントリックに照明される。入射光は、第１のカバープレート２２に入る。その光は垂直に入射するため、光の伝播が、カバープレート２２の前面２２ａでは実質的に不変である。また、透明カバープレート２２と等方性くさび型プリズム２４との間の界面では、光の伝播方向に実質的なずれがない。（原則的に、透明カバープレート２２の２つの面で幾分反射が起こるが、これは、明瞭さのために、図５から省略している。）
光は、等方性プリズム２４のうちの１つを通過すると、等方性プリズム２４と対応する複屈折プリズム２１との間の界面に当たる。この界面は、透明カバープレート２２の面に対して傾斜しているため、光はこの界面に斜めに入射し、ｐ直線偏光およびｓ直線偏光に関しては、屈折角が異なる。屈折角が２つの直交する直線偏光に関して異なるので、光の入射ビームは、第１の方向に方向づけられるｐ直線偏光、および別の方向に方向づけられるｓ直線偏光に分離される。
【０１２９】
等方性プリズム２４と複屈折プリズム２１との間の傾斜した界面で起こる屈折の結果、光は、偏光分離素子の入射面に対して垂直方向には伝播しなくなる。これは、ｐ直線偏光の光線およびｓ直線偏光の光線の両方に対して事実である。結果的に、屈折が、複屈折プリズム２１と第２のカバープレート２３の前面２３ａ間の界面で起こり、第２のカバープレート２３の裏面２３ｂでも屈折が起こる。これら最後の２つの界面で起こる屈折は、ｐ直線偏光とｓ直線偏光との間の角度的分離を増加する。結果として、ｐ直線偏光およびｓ直線偏光は、相互に異なり、かつ入射した非偏光または部分変更の伝播と異なる方向で、偏光分離素子１６を出る。
【０１３０】
図５の偏光分離素子１６はウォラストンプリズムと同様の動作をするが、１つの複屈折くさび型プリズムのみが用いられるという点で異なる。２つの直交する偏光ビーム間の偏向角は、主に、等方性プリズム２４の屈折率、複屈折プリズム２１の常光線屈折率および異常光線屈折率、ならびに傾斜角θにより決定される。例えば、本実施形態の特定の例では、光学システムのエテンデュ要件により規定されるように、垂直偏光と水平偏光間を５°分離することが必要とされる。傾斜角が２９．５°で屈折率が１．５６の等方性プリズムがガラス基板に取りつけられる。５５０ｎｍで１．５３４の常光線屈折率、および５５０ｎｍで１．６９０の異常光線屈折率を有する複屈折液晶材料がプリズム表面とアライメントされる。５°の分離角度が、異常光線に対する素子により生成される。
【０１３１】
図５から明白であるように、直交する直線偏光からの１つの直線偏光の分離が、光の伝播方向に対して傾斜する界面で起こる。原則として、そのような斜めの界面は、カバープレートの各々に１つ配置される、単一対のくさび型プリズムを偏光分離素子に設けることにより達成され得る。次いで、偏光分離素子は、図３ａに概略で示すように、デバイスの全面積に渡って延びた単一の傾斜した界面を有する。これは、デバイスの全体の厚さが比較的に厚くなるという不利な点を有する。プリズムの所与の傾斜角θ、および偏光分離素子素子の所与の側方の寸法に関して、偏光分離素子の厚さに関する制限がより低くなり、それを越えて厚さを低減することは不可能である。
【０１３２】
対照的に、本発明では、偏光分離素子には、単一のくさび型プリズムは設けられていないが、「切形」プリズムのアレイが設けられる。これらのプリズムは、偏光分離素子の側方の寸法全体に渡って延びていないが、その代わりに、偏光分離素子の側方の寸法の１部分のみ切り取られている。結果的に、プリズムのアレイは図３ｂに示すような鋸歯状のプロファイルを有する。このようにプリズムを切り取ることにより、偏光分離素子の全体の厚さを低減することができる。
【０１３３】
屈折は、切形プリズムの規則的な構造から発生する。屈折角は、切形プリズムのピッチと逆比例する。所与のプリズム角度については、切形プリズムの高さもピッチに比例する。それゆえ、切形高さを大きくすることにより、屈折角が低減され、所与の角度内の屈折光の量が増す。
【０１３４】
図１ａまたは１ｂのＰＣＯＳ１５では、偏光変換素子が直線偏光の振動面を９０°回転させる第１の素子１９ａ、および直線偏光の振動面を回転させない素子１９ｂを含む。原則的に、偏光回転が、振動面を回転させない素子１９ｂとして作用する近接する１／２波長板の間に空間を有する、振動面を回転させる素子１９ａとして作用する分散型１／２波長板（ｄｉｓｃｒｅｔｅ  ｈａｌｆ  ｗａｖｅ−ｐｌａｔｅｓ）のアレイにより実施され得る。本発明の１つの実施形態では、しかしながら、偏光回転素子１９は、ＰＣＯＳの全面積に渡って延びる単軸層を備える。単軸層の厚さは、単軸層が実質的に１／２波長板として動作するように選択される。直線偏光の振動面を回転させる領域１９ａおよび直線偏光の振動面を回転させない領域１９ｂは、単軸層の光軸の方向を変えることにより規定される。これを図１４ａおよび１４ｂに示す。
【０１３５】
図１４ｂに示すとおり、単軸層１９は、その層の面積上で均一に方向づけられない光軸を有する。単軸層１９は、光軸が一方向に方向づけられる１以上の領域、および光軸が異なる方向に方向づけられる１以上の領域を有する。図１４ｂの実施形態では、第１の光軸配向は、第１の偏光状態の偏光方向と実質的に平行する光軸を有し、第２の光軸配向は、第２の偏光状態の偏光方向に対して４５°に方向づけられた光軸を有する。ＰＣＯＳでは、単軸層１９が、第１および第２の偏光状態の光が、それぞれ、第１または第２の光軸配向を有する層１９の領域に入射するように方向づけられる。それゆえ、単軸層の作用は、第１の偏光状態と実質的に同じ偏光状態となるように、第２の偏光状態の偏光角度を９０°変更することである。
【０１３６】
光軸方向が波長板全体に渡って変わる１／２波長板の製造は、ＥＰ  ０  ８８７  ６６７に記載されており、この特許出願の内容を本明細書中において参考のため援用する。
【０１３７】
図１４ａに概略的に示すパターニングされたリターダ素子は、代わりに、ＥＰ０  ８２９  ７４４に記載されるようなパターニングされたリターダ素子およびパターニングされていないリターダ素子により構成され得る。この特許出願の内容を本明細書中において参考として援用する。図１４ｃに示すように、パターニングされたリターダ素子１９をパターニングされていないリターダ素子３２’と直列にして用いることにより、偏光回転素子の波長依存が低減され、それゆえ偏光変換素子の効率性を向上させ、それによって光の損失が低減する。パターニングされないリターダ素子３２’は、例えば、Ｓｕｍｉｔｏｍｏで利用可能なプラスチックリターダフィルムと類似し得る。あるいは、パターニングされないリターダ素子３２’は液晶材料、光硬化性液晶、または任意の他の適切な複屈折材料であり得る。
【０１３８】
偏光分離素子１６が水平面で光を分離する実施形態では、相互に実質的に直交する偏光の線形像の対が、偏光回転素子１９上で形成される。この場合、図１４ａに示すように、単軸層１９は、垂直線に対して０°および垂直線に対して１３５°の光軸のアライメントの垂直ストライプを交互に含む。
【０１３９】
光軸方向が、図１４ａに示す様式で、単軸層の面積に渡って変わる単軸層は、図１４ｂに概略的に示すように、アライメント層上に配置された液晶層または光硬化性液晶材料により構成され得る。図１４ｂに示すデバイスは、光学的等方性透明基板３０、アライメント層３１、および１／２波長板として作用する単軸材料層３２を備える。アライメント層の配向は、単軸材料の光軸の所望の配向と実質的に同様に、その面積に渡って変化する。図１４ｃに示すように、光軸の均一なアライメントを有する第２の単軸材料層が基板３０の反対側に配置されることにより、パターニングされていないリターダ素子３２’が設けられ得る。
【０１４０】
図６ａは、本発明によるＰＣＯＳ１５のさらなる実施形態を示す。本実施形態は、第１のレンズアレイ１７が光源（図示せず）と偏光分離素子１６との間に配置されるという点で、図１の実施形態と異なる。偏光分離素子１６は、理想的には、実質的に第１のレンズアレイ１７の平面にある。実際には、第１のアレイ１７は、ＰＳＥ１６のカバープレート２２に取りつけられ得、第２のレンズアレイ１８は、図６ｂに示すような適切なスペーサ材料でＰＳＥ１６の対向基板（ｃｏｕｎｔｅｒ  ｓｕｂｓｔｒａｔｅ）２３に取りつけられ得る。
【０１４１】
図６ａおよび６ｂに示す実施形態では、偏光分離素子１６が、図２ａ、２ｂ、２ｃ、４または５のうちのいずれかに示す概略的な形式を有し得る。特に、偏光分離素子は、好ましくは、図３ｂに示すような切形くさび型プリズムのアレイを備える。これにより、偏光分離素子１６の全体の厚さが低減され、第１のレンズアレイ１７と第２のレンズアレイ１８との間に位置することが可能となる。
【０１４２】
図７ａは、本発明のさらなる実施形態によるＰＣＯＳを示す。本実施形態では、第１のレンズアレイ１７が、偏光分離素子１６と光源（図示せず）との間に配置され、偏光回転素子１９が、偏光分離素子１６と第２のレンズアレイ１８との間に配置される。本実施形態では、偏光回転素子１９は、好ましくは、光軸方向が波長板の面積全体に渡って変わる、図１４ａに示すタイプの１／２波長板である。偏光回転素子は、好ましくは、例えば、光硬化性液晶等の複屈折材料の薄層で形成される。薄い偏光回転素子の使用により、偏光回転素子が、第１および第２のレンズアレイの間に配置されることが可能となる。よって、図７ａの実施形態では、偏光分離素子１６および偏光回転素子１９の両方が、第１のレンズアレイ１７と第２のレンズアレイ１８との間に配置される。第２のレンズアレイ１８は、ＰＣＯＳの厚さを低減し、かつ素子１９を保護するような素子１９の表面のＵＶキャスト高分子であり得る。
【０１４３】
図７ｂは、本発明のさらなる実施形態によるＰＣＯＳ１５を示す。本実施形態では、第１のレンズアレイ１７および第２のレンズアレイ１８が別々の基板上に配置される。本実施形態は、レンズアレイ１７および１８の焦点距離が長い場合に特に有利であり、これは、この場合には、共通基板上に２つのレンズアレイを形成することにより、素子が大きく、かつ重くなるためである。
【０１４４】
第１のレンズアレイ１７および第２のレンズアレイ１８が別々の基板上に形成されるということ以外は、図７ｂの実施形態は、概して、図１の実施形態と同様である。図７ｂの実施形態の偏光分離素子１６は、図２ａ、２ｂ、２ｃ、４および５のうちのいずれかを参照して説明したような偏光分離素子であり得る。
【０１４５】
図８は、本発明のさらなる実施形態によるＰＣＯＳ１５を示す。本実施形態では、偏光変換素子（本実施形態では１／２波長板１９ａのアレイにより形成される）が、第２のレンズアレイ１８上に直接配置される。これにより、偏光変換素子が、ＰＣＯＳの使用中にレンズアレイとのアライメントにずれが生じる恐れが除去される。
【０１４６】
偏光変換素子が第２のレンズアレイ１８上に直接配置されるということ以外には、図８の実施形態は、概して、図１の実施形態と同様である。図８の実施形態の偏光分離素子１６は、図２ａ、２ｂ、２ｃ、４および５のうちのいずれかを参照して説明したような偏光分離素子であり得る。
【０１４７】
図８の実施形態では、第１のレンズアレイ１７および第２のレンズアレイ１８は、共通基板２０上に配置される。しかしながら、たとえ、第１のレンズアレイ１７および第２のレンズアレイ１８が共通基板上に配置されていなくても、偏光変換素子が、第２のレンズアレイの表面上に直接配置されることが可能である。
【０１４８】
上述の説明から理解されるとおり、偏光分離素子１６から出力される２つの光ビームはともに、一方のビームの振動面が他方のビームの振動面と直交する直線平面偏光である。偏光分離素子の性能の基準は、２つの出力ビームが実際に直線偏光される度合いである。これは、偏光分離素子の「消光比」として知られる。
【０１４９】
ＰＣＯＳでの使用が意図される偏光分離素子については、１０：１等の比較的に低い消光比の値が許容され得る。これは、ＰＣＯＳからの出力光が、例えば、投射システムに供給される前に、「クリーンアップ」偏光子がしばしば用いられるためである（単一のビームに関しては、偏光の消光比により、直交する偏光の光量に対する所与の直線偏光の光量を測定する）。例えば、１００：１を越える大きな消光比が達成された場合、偏光分離素子自体は、偏光ビームスプリッタとして用いられ得る。
【０１５０】
図９および１０は、液晶投射システムの偏光ビームスプリッタとして用いられる本発明の偏光分離素子を示す。
【０１５１】
図９および図１０は、ピクセレートされた液晶パネル３３の前に配置された偏光分離素子１６を示す。図９および１０では、偏光分離素子１６は図２ｂに示すタイプの偏光分離素子であり、複屈折くさび型プリズム２１のアレイおよび光学的等方性くさび型プリズム２４のアレイが透明カバープレート２２と透明カバープレート２３との間に配置される。しかしながら、図２ａ、２ｃ、４または５による偏光分離素子は、代わりに、図９および１０に示す投射システムで用いられ得る。
【０１５２】
液晶層は、後方基板３４、基板３４上に配置された反射層３５、および反射層３５上に配置されたピクセレート液晶層３６を備える。偏光分離素子１６の第２の透明カバープレート２３は、液晶ディスプレイデバイス３３の上側基板としても機能する。電極（図示せず）が設けられることにより、液晶層３６の個々のピクセルへのアドレシングが可能となる。フィルタリング（図示せず）が設けられることにより、図１０のＲ、Ｇ、およびｂにより示される赤色、緑色、および青色ピクセルのセットが形成される。
【０１５３】
動作において、図９および図１０の投射システムは、実質的に平行な平面偏光で照明される。入来する平面偏光は、偏光分離素子１６の入射面を形成する上側カバープレート２２の前面２２ａ上に垂直かつテレセントリックに入射する。
【０１５４】
偏光分離素子が、入来する平面偏光が偏光の変化なしで偏光分離素子を透過するように配列される。図９および１０の実施形態では、入来する平面偏光が、図面外に振動面を有するため、液晶層３６に達する光も、この方向の平面偏光となる。
【０１５５】
液晶層３６は、液晶層を通過し、反射層３５により反射され、液晶層３６を通過して戻る光の偏光状態を選択的に変化させるように作用する。液晶層のピクセルに印加される電圧を変えることにより、レフレクタ３５による反射の後に液晶層３６を離れる光が、その振動面を変化させないことを選択することが可能であるか、または反射層３５による反射の後に液晶層３６を出る光が、振動面を９０°回転させることを選択することが可能である。振動面を変化させない液晶層３６を出る光が、偏光分離素子により、光源に向かって戻るように方向づけられる。しかしながら、振動面を９０°回転させた液晶層を出る光は、図９および１０に示すように、偏光分離素子により、入射光の光路から離れるように偏向される。
【０１５６】
図９および１０に示す投射システムは、投射レンズ（図９および１０には示さず）をさらに備える。投射レンズは、レフレクタ３５による反射の後に偏光分離素子により偏向される光が投射レンズに向けられるように位置する。反射液晶パネル３３により反射される振動面が変化しない光は、偏光分離素子１６により、光源に対して戻るように方向づけられ、投射レンズには達しない。このようにして、液晶ディスプレイデバイス３３のピクセルを適切にアドレシングすることにより、その後の投射のために、所望のイメージを投射レンズに対して方向づけることが可能である。
【０１５７】
反射型液晶パネルを組み込んだ従来の投射システムは、一般に、二色性偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を用いる。しかしながら、二色性ＰＢＳは、比較的高価で、かつ大きい。それゆえ、投射システムのコストおよび体積を低減するため、投射システムに本発明の偏光分離素子を用いることが有利である。さらに、本発明の偏光分離素子は、入力光と偏光分離素子の法線との角度が変わっても、その光学特性の変動が少ない。低いＦ／＃照明光束を有する小さな液晶パネルを有する投射システムについては、本発明の偏光分離素子の使用により、明るさ（ｆｌｕｘ  ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）およびコントラスト比の点で利点がもたらされる。
【０１５８】
図１１は、投射システムの概略図である。ランプ７からの光は放物面鏡８により平行にされる。放物面鏡８はまた、ランプ７により発せられる光からの不要な熱を取り除くように働く「ホットミラー」３７と組み合わせて、「コールド」ミラーとしても作用する。次いで、光がＰＣＯＳ素子１５に入射することにより、平面偏光テレセントリックビームを生成する。ＰＣＯＳ１５は、上記図１、６、７、および８のうちのいずれかを参照して説明した本発明のＰＣＯＳであり得る。
【０１５９】
ＰＣＯＳを離れる光は、ＰＣＯＳのレンズアレイ素子の拡大された像を実質的にフィールドレンズ３９の平面に生成する集光レンズまたはホモジナイザーレンズ３８を通過する。光が、フィールドレンズ３９を介して、液晶パネル３３へ透過されることにより、確実に液晶パネルがテレセントリックに照明される。
【０１６０】
偏光ビームスプリッタ４０は、フィールドレンズ３９と液晶パネル３３との間に位置する。図９および１０を参照して上述したとおり、液晶パネル３３により平面偏光が変わらない光が反射される場合、偏光ビームスプリッタ４０により、ランプ７に対して戻るように方向づけられる。しかしながら、液晶パネル３３により反射される光が振動面を実質的に９０°回転させる場合、その光は、投射レンズ４１に対して方向づけられる。それゆえ、液晶パネル３３で符号化された像が投射され得る。
【０１６１】
液晶材料が複屈折くさび型プリズムを形成するために用いられる、図４を参照して述べた偏光分離素子１６では、ＰＣＯＳの組立には、透明カバープレート２２および２３が、その間に均一なセルギャップを設けて相互に結合される必要がある。図１２は、液晶層３２が複屈折くさび型プリズムを形成するために用いられる、本発明の偏光分離素子のさらなる実施形態を示す。図１２の偏光分離素子はまた、光学的等方性プリズム３１のアレイを備える。
【０１６２】
図１２の偏光分離素子１６では、光学的等方性プリズム３１が、例えば、高分子シートを成形またはエンボスしてくさび型プリズムのアレイを提供することにより、高分子材料で形成される。スペーサボール４２が、高分子くさび型プリズム３１を下側透明カバープレート２３から間隔を置くために用いられるため、２つの透明カバープレート２２および２３の間の間隔が確実に均一となる。本実施形態で用いられるスペーサボール４２は、従来の液晶パネルで用いられるような任意の従来のスペーサボールであり得る。スペーサボール４２は、スプレー処理により導入され得るか、または上側透明カバープレート２２および下側透明カバープレート２３を結合するために用いられる接着剤に混合され得る。スペーサボール４２は、一般に、およそ数ミクロンの直径を有する。
【０１６３】
図１３は、本発明のさらなる偏光分離素子１６を示す。図１２の実施形態と同様に、液晶層３２および光学的等方性プリズム３１のアレイが、第１の透明カバープレート２２と第２の透明カバープレート２３との間に配置される。この偏光分離素子でも、光学的等方性くさび型プリズム３１が、例えば、成形またはエンボスにより、高分子材料から形成される。高分子材料は、スペーサポスト４３を設けるためにさらに形作られる。上側カバープレート２２および下側カバープレート２３が組み合わされる場合、スペーサポスト４３により、上側カバープレート２２と下側カバープレート２３との間の間隔が確実に均一になる。よって、偏光分離素子の全体に渡って、スペーサポストを高分子層に間隔を空けて組み込むことは、偏光分離素子の製作を単純化するという利点を有する。さらなる利点は、スペーサポストの配列の均一性が制御可能であるため、スペーサポスト４３から散乱するポテンシャルもより容易に制御され得ることである。
【０１６４】
図１２および１３の偏光分離素子はまた、入射の方向からの両方の偏光成分を偏向する。
【０１６５】
液晶材料を組み込んだ偏光分離素子の製作は、従来の液晶パネルの組立法を用いて達成され得る。液晶層と対向する表面、すなわち、高分子層３１の表面および下側透明カバープレート２３の内部表面が、液晶層材料をアライメントするためのアライメント層、例えば、アライメント材料ＰＩ２５５５の層でコーティングされ得る。アライメント層は、スピンコーティング法により堆積され得る。アライメント層が高分子材料を損傷し得る温度で焼き付けられる必要がないことを確実にすることに注意を要するため、高分子層が光学的に等方性のくさび型プリズムを形成するために用いられる場合、アライメント層を形成するために用いられる材料は慎重に選択されなければならない。
【０１６６】
上側および下側透明カバープレートは、光学的に等方性を有する透明材料で形成され得る。上側カバープレート２２および下側カバープレート２３を高分子材料から製作することが好ましい。これは、それによって、偏光分離素子のコストおよび重量が低減されるからである。
【０１６７】
上述の説明から分かるとおり、図４、１２、および１３に示す偏光分離素子では、液晶材料の切換えは必要とされない。従って、偏光分離素子に、液晶層全体に電圧を印加するための電極を設ける必要がない。このことは、透明電極を形成するために必要とされる高い堆積温度により、通常、用いることができる材料には厳しい制限が加えられるため、偏光分離素子の製造において、材料のより幅の広い選択を用いることができることを意味する。さらに、それは、酸化インジウム錫電極等の透明電極が存在する場合に生じる屈折光の損失を避ける。
【０１６８】
液晶層をアドレシングするための必須条件がないことも、セルギャップの厚みの選択をさらに自由にさせる。液晶材料の切換えのために、液晶層全体に渡って電界を印加しなければならない場合、小さなセルギャップが通常は好ましいため、所与の電界を低電圧で達成することができる。この制限は、上記のとおり、液晶材料３２にアドレシングする必要がないため、図４、１２、または１３のＰＳＥのセルギャップには適用されない。しかしながら、セルギャップが大きすぎる場合、液晶層の厚さに渡って液晶分子のアライメントを維持することが困難であり得るため、例えば、１ｍｍの非常に大きなセルギャップを避けることが好ましい。およそ１００ミクロンのオーダー以下のセルギャップが、一般に、その深さ全体を通じてアライメントを維持する。
【０１６９】
図１５ａは、本発明のさらなる偏光分離素子を示す。これもまた、第１の透明カバープレート２２と第２の透明カバープレート２３との間に配置される２つのプリズムのアレイを備える。第１のプリズムアレイは、等方性プリズム２４および２４ａのアレイであり、第２のプリズムアレイは、複屈折プリズム２１および２１ａのアレイである。各アレイのプリズムは、実質的にくさび型の断面を有する。第１のアレイのプリズムのくさび角度は、第２のプリズムアレイのプリズム２１および２１ａのくさび角度に等しいか、または実質的に等しく、第１のアレイのプリズム２４および２４ａの断面寸法は、第２のアレイのプリズム２１および２１ａの断面寸法に等しいか、または実質的に等しい。
【０１７０】
これらのプリズムのアレイは、第１のアレイのプリズム２４および２４ａが、第２のアレイのプリズム２１および２１ａの斜面に近接する斜面（斜辺面）を有する。第１のアレイのプリズムは、第２のアレイのプリズムと実質的に同じくさび角度を有するため、第１のアレイのプリズム２４および２４ａの底面は、第２のアレイの対応するプリズム２１および２１ａの底面と実質的に平行である。上述した偏光分離素子と対照に、各アレイのプリズムは、１つのプリズムの厚い端部が隣接するプリズムの薄い端部と近接して配置される「鋸歯状の」配列で配列されない。図１５ａの偏光分離素子では、アレイ内のプリズムの傾斜方向は交互になる。よって、第１のアレイの第１のプリズム２４は、図１５ａで見られるように、その厚さが左から右へと減少するように配列されるが、第１のアレイの隣接するプリズム２４ａは、図１５ａでは、その厚さが左から右へと増す。よって、第１のアレイのプリズム２４ａは、その薄い端部が、第１のアレイの１つの隣接するプリズム２４の薄い端部に近接し、かつその厚い端部が、第１のプリズムアレイの別の隣接するプリズム２４の厚い端部に近接するように配列される。第２のプリズムアレイのプリズムも同様に配列される。（アレイの近接するプリズム間の境界は、図１５ａでは破線で示すが、アレイの構成によっては、アレイ内の近接するプリズム間に物理的境界が存在し得ないことに留意されたい。）
図１５ａに示すプリズム構造は、便宜上、「山型（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎｅ）構造と呼ぶ。
【０１７１】
図１５ａにおいて左から右へと厚さが減少する第１のアレイのプリズムのくさび角度θ１は、好ましくは、図１５ａにおいて左から右へと厚さを増す第１のアレイのプリズムのくさび角度θ２に等しいか、または実質的に等しい。
【０１７２】
図１５ａに示すとおり、図１５ａの偏光分離素子１６は、両方の偏光成分の光を偏向するため、各偏光成分は第１のカバープレート２２の外面２２ａに入射する光の伝播方向と異なる方向で偏光分離素子を離れる。しかしながら、第１のアレイのプリズム２４の厚さが図１５ａにおいて左から右へと減少する素子５０が、第１のプリズムアレイのプリズムの厚さが図１５ａにおいて右から左へと増す素子５１が第２の偏光成分を方向づける方向と実質的に同じ方向に、第１の偏向成分を方向づけること、およびその逆も同様であることに留意されたい。
【０１７３】
図１５ａの偏光分離素子の等方性プリズム２４および２４ａは、他の実施形態に関して本明細書中で記載したいずれの方法も含む任意の適切な等方性プリズムアレイの製造方法により製造され得る。例えば、等方性プリズム２４および２４ａのアレイは、高分子材料から作製され得る。等方性プリズムのアレイの「山型」プロファイルは、例えば、適切なモールドを用いた高分子成形、高分子のキャスティング、リソグラフィック処理、または高分子シートのエンボスにより獲得され得る。
【０１７４】
複屈折プリズム２１および２１ａのアレイも、任意の適切な方法、例えば、上述した任意の複屈折プリズムアレイの製造方法により設けられ得る。例えば、複屈折プリズムアレイは、複屈折材料を適切に形作ることにより獲得され得る。あるいは、複屈折プリズム２１および２１ａは、例えば、図４を参照して上述した方法で、第２のカバーシート２３と等方性プリズムアレイとの間に配置された液晶材料を用いて形成され得る。複屈折プリズムアレイが異なる厚さを有する液晶層として組み込まれる場合、偏光分離素子１６は、好ましくは、等方性プリズム２４および２４ａの斜面上に配置された第１のアライメント層（図示せず）、および第２のカバーシート２３の上側表面２３ａ上に配置された第２のアライメント層（図示せず）を備える。
【０１７５】
図１５ａでは、偏光分離素子は、光源に対して最も近くに配置された等方性プリズムアレイとともに示される。あるいは、光が等方性プリズムアレイ内へと進む前に、複屈折プリズムアレイを通過するように、光が第２のカバーシート２３の下面２３ｂに最初に入射するよう図１５ａの偏光分離素子１６を向けることが可能である。
【０１７６】
図１５ｂは、図１５ａの偏光分離素子１６を用いる偏光変換システムを示す。
【０１７７】
図１５ｂのＰＣＯＳ１５は、図１５ａに示すタイプの偏光分離素子１６を含む。偏光分離素子１６は、光源（図示せず）からの非偏光または部分偏光により照明される。偏光分離素子１６は、入射光の２つの偏光成分を分離し、偏光分離素子１６を離れる２つの偏光成分は、それぞれ、破線および実線で示される。上記で説明したとおり、第１および第２の偏光成分が偏光分離素子から発せられる方向は、第１および第２のプリズムアレイの間の界面の方向に依存する。
【０１７８】
図１５ｂのＰＣＯＳ１５は、光源に対して、偏光分離素子１６の反対側に位置する偏光変換素子をさらに備える。偏光変換素子１９は、偏光分離素子からの光を実質的に均一な偏光に変換する。図１５ｂの実施形態では、所望の出力偏光が、偏光分離素子により生成される２つの偏光成分のうちの１つであるが、この場合である必要はない。
【０１７９】
図１５ｂの実施形態では、偏光変換素子１９は、偏光分離素子１６から出力された１つの偏光成分が偏光成分の振動面を実質的に９０°回転させる偏光変換素子のエリア１９ａに入射するように配置される。偏光分離素子により出力されたその他の偏光成分が偏光成分の振動面を回転させない偏光変換素子のエリア１９ｂに入射するようにさらに配置されるため、第２の偏光成分の振動面は、偏光変換素子１９により、実質的に変えられない。結果的に、図１５ｂのＰＣＯＳ１５から発せられた光は、実質的に１つの偏光成分の光のみを含む。
【０１８０】
偏光分離素子により出力される２つの偏光成分が、偏光変換素子１９の正しいエリアに入射することを確実にするために、第１のレンズアレイ１７が、偏光変換素子１９に対して向けられる光を収束するために設けられる。図１５ｂの実施形態では、第１のレンズアレイ１７が、偏光分離素子１６と偏光変換素子１９の間に配置されるが、あるいは第１のレンズアレイ１７は光源と偏光分離素子１６の間に配置され得る。「ヘリングボーン」偏光分離素子の場合、第１のレンスアレイ１７は、光源と偏光分離素子の間に配置され、第２のレンズアレイ１８は偏光分離素子と偏光変換素子の間に無ければならない。これにより、偏光分離素子から生じる２つの直交偏光状態が偏光変換素子の補正された領域に入射することを確実になる。
【０１８１】
第２のレンズアレイ１８は、好ましくは、図１５ａのＰＣＯＳ１５に設けられ、ＰＣＯＳから出力される光が実質的にテレセントリックであることを確実にする。第２のレンズアレイが設けられた場合には、図２４を参照して上述された第１のレンズアレイと同じ基板上に、適宜、配置され得る。これは、図１５ｂに概略的に示される。
【０１８２】
図１５ａに示されるタイプの「山型」偏光分離素子は、「鋸歯状の」偏光分離素子と比較して、光の透過率が増加する。ＰＣＯＳで使用される場合、しかしながら、２つの偏光成分が偏光変換素子１９の正しいエリアに入射することを確実にするためには、レンズアレイが、偏光分離素子と正確にアライメントされることが必要である。特に、レンズアレイのピッチｄmが、偏光分離素子のピッチｄsの半分である必要がある。さらに、レンズアレイの各素子は、偏光分離素子１６の素子５０および５１と対向してアライメントする必要があり、それによって偏光分離素子１６の素子５０、５１とレンズアレイのレンスの間の１対１の対応が生じる。
【０１８３】
偏光変換素子のピッチｄcは、レンズアレイのピッチｄmの２倍に、等しいか、実質的に等しい必要がある。さらに、偏光変換素子１９は、各第１のエリア１９ａがレンズアレイの１つの素子５０のほぼ半分の面積と、レンズアレイの近接する素子５１の半分の面積とに対向して置かれるように配置される必要がある。
【０１８４】
対照的に、鋸歯状の偏光分離素子を組み込んだＰＣＯＳでは、第１のレンズアレイ１７のピッチは、偏光分離素子のピッチと同一である必要がなく、第１のレンズアレイは、偏光分離素子の要素とアライメントされる必要がない。これは、「鋸歯状の」偏光分離素子を組み込んだ本発明のＰＣＯＳを示す図１５ｃに概略的に示される。しかしながら、図１５ｃのＰＣＯＳの偏光変換素子１９は、第２のレンズアレイ１８とアライメントされ、この偏光変換素子のピッチｄcが第２のレンズアレイ１８のピッチｄmに等しいか、または実質的に等しいことに留意されたい。
【０１８５】
図１５ｂのＰＣＯＳ１５では、第１のマイクロレンズアレイ１７が、好ましくは、できる限り偏光分離素子１６に近接して配置される。これにより、この偏光分離素子の１つの素子から出射する光線が第１のマイクロレンズアレイの「誤った」マイクロレンズに入射する可能性を最小化する。あるいは、第１のマイクロレンズアレイ１７が光源と偏光分離素子との間に配置される場合、第２のマイクロレンズアレイ１８（これは、上記のとおり、この場合には、偏光分離素子と偏光変換素子１９との間に配置されなければならない）は、好ましくは、できる限り偏光分離素子１６に近接して配置されなければならない。
【０１８６】
図１５ａの偏光分離素子１６は、等方性プリズム２４および２４ａの１つのアレイ、および複屈折プリズム２１および２１ａの１つのアレイを含む。「山型」構造を有する偏光分離素子は、代わりに、図２ａを参照して上述した偏光分離素子と同様に、複屈折プリズムの２つのアレイを用いて具現化することができる。
【０１８７】
上述の偏光分離素子では、プリズムアレイが、均一または実質的に均一なピッチを有する。均一なピッチを有するプリズムアレイは製造が容易である一方で、均一なピッチを有するプリズムアレイを組み込んだ偏光分離素子は、断続的な構造を有する。結果的に、入射光には、回折効果の結果として幾分かの損失が生じる。
【０１８８】
図１６は、本発明のさらなる実施形態によるＰＣＯＳ１５を示す。図１６のＰＣＯＳは、本発明の偏光分離素子１６を備え、その偏光分離素子のプリズムアレイのピッチは均一ではない。偏光分離素子１６のプリズムアレイは、断続的な構造を有さないため、回折効果が低減される（原則的には、プリズムアレイのピッチが真にランダムに変化する場合には完全に除去される）。
【０１８９】
図１６のＰＣＯＳ１５は、例えば、図２ｂを参照して上述した「鋸歯」構造を有する偏光分離素子１６を備える。偏光分離素子１６は、光学的等方性くさび型プリズム２４の第１のアレイ、および複屈折くさび型プリズムの第２のアレイを備える。これらのプリズムは一定のピッチを有さないため、図１６に示すプリズムの幅ｌ1、ｌ2、ｌ3およびｌ4は、それらの全てが相互に等しくなく、偏光分離素子１６の回折効果が低減される。好ましくは、プリズムのピッチはランダムまたは擬似ランダムに変化する、プリズムのくさび角度は、好ましくは均一であるため、好ましくは、θ1＝θ2＝θ3＝θ4である。
【０１９０】
偏光分離素子１６のプリズムアレイのランダムピッチを除いて、図１６に示すＰＣＯＳ１５は、図１ｂを参照して述べたＰＣＯＳと大体において同様である。偏光分離素子１６は、光源（図示せず）からの非偏光または部分偏光により照明される。偏光分離素子１６は、入射光の２つの偏光成分を角度的に分離し、各偏光成分をずらす。
【０１９１】
図１６のＰＣＯＳ１５は、光源に対して、偏光分離素子１６と対向する側に位置する偏光変換素子１９をさらに備える。偏光変換素子１９は、偏光分離素子からの光を実質的に均一な偏光に変換する。
【０１９２】
図１６の実施形態では、偏光変換素子１９は、偏光分離素子１６から出力された一方の偏光成分が、その偏光成分の偏光面を実質的に９０°だけ回転させる偏光変換素子のエリア１９ａに入射するように配列される。これは、さらに、偏光分離素子から出力された他方の成分が、その偏光成分の偏光面を回転させない偏光変換素子のエリア１９ｂに入射するように配列されるため、第２の偏光成分の偏光面は、偏光変換素子１９により実質的に変更されない。結果的に、図１６のＰＣＯＳ１５から発せられる光は、実質的に、１つの偏光成分の光（本例ではＳ偏光）のみを含む。偏光変換素子は、随意に、均一なリターダ３２’を含み得るため、いずれの所望の出力偏光状態も得られ得る。
【０１９３】
偏光分離素子により出力される２つの偏光成分が偏光変換素子１９の正しいエリアに入射することを確実にするために、第１のマイクロレンズアレイ１７が偏光変換素子１９に向けて方向づけられた光を集束するように設けられる。図１６の実施形態では、第１のマイクロレンズアレイ１７が偏光分離素子１６と偏光変換素子１９との間に配置されるが、第１のマイクロレンズアレイ１７は、代わりに、光源と偏光分離素子１６との間に配置することができる。
【０１９４】
第２のマイクロレンズアレイが、ＰＣＯＳからの出力光が実質的にテレセントリックであることを確実にするために、好ましくは、図１６のＰＣＯＳ１５に設けられる。第２のマイクロレンズアレイ１８が設けられた場合には、図２４を参照して上述したとおり、第１のマイクロレンズアレイと同じ基板上に適宜に配置され得る。
【０１９５】
図１６の実施形態では、第１のマイクロレンズアレイ１７および第２のマイクロレンズアレイ１８は、製造を容易にするために、均一なピッチを有する．第１のアレイ１７のマイクロレンズは、それゆえ、偏光分離素子１６の個々のプリズムとはアライメントされない。第１のマイクロレンズアレイのピッチ、第２のマイクロレンズアレイのピッチ、および偏光変換素子１９のピッチは、好ましくは、相互に等しいかまたは実質的に等しい。第１のマイクロレンズアレイ、第２のマイクロレンズアレイ、および偏光変換素子は、好ましくは、相互に横方向にアライメントされる。
【０１９６】
偏光分離素子のプリズムアレイに、ランダムまたは擬似ランダムピッチ等の均一でないピッチを提供するという特徴は、本明細書中に記載のいずれの偏光分離素子またはＰＣＯＳにも適用され得る。しかしながら、偏光分離素子のプリズムアレイに、ランダムまたは擬似ランダムピッチ等の均一でないピッチを提供するという特徴は、その偏光分離素子が図１５ａに示す「山型」構造を有するＰＣＯＳに適用される場合、ＰＣＯＳのマイクロレンズアレイのピッチおよびＰＣＯＳの偏光変換素子のピッチが、好ましくは、プリズムアレイのピッチと同様に変化し、これが実際には達成が困難であり得ることに留意されたい。しかしながら、所与のプリズム角度については、「山型」構造を有する偏光分離素子が「鋸歯」構造を備えた偏光分離素子のピッチの２倍の大きさのピッチを有するため、回折の損失が、「山型」構造を有する偏光分離素子素子ではほとんど問題とはならない。
【０１９７】
プリズムアレイのピッチが均一でない偏光分離素子は、原則的に、一定のプリズムピッチを有する偏光分離素子を製造するために用いることができる任意の製造方法により作製され得る。例えば、等方性プリズムアレイは、例えば、ダイアモンド旋削プロセスまたはグレースケールリソグラフィプロセスを用いて、引き続きプリズムアレイのピッチに変化（ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ）をもたらすように適切に制御されたイオンエッチングにより、均一な厚さを有する光学的等方性基板から材料を取り除くことにより作製され得る。例えば、このプロセスは、プリズムアレイのピッチに乱数発生を用いてランダムまたは擬似ランダム変化を提供するように制御され得る。等方性プリズムアレイは、次いで、光学的等方性基板に対向して配置され得、液晶材料を等方性プリズムアレイと光学的等方性基板との間に配置することにより複屈折プリズムアレイを形成することができる。
【０１９８】
フルスケールの製造プロセスでは、上記で概説したプロセスを用いてマスターを作製することが便宜的である。一度適切なマスターが作製されれば、例えば、ＵＶ硬化高分子材料または熱硬化性樹脂を用いてプリズムアレイの大規模な製造を着手することが可能である。
【０１９９】
ＰＣＯＳが、反射性を改善するために、二色性コーティングを組み込んだレフレクタを有するランプを用いて照明される場合、フレネル反射により、レフレクタにより反射された光にある程度の偏光を生じさせる。図２２ａは、このフレネル反射により発生する偏光の幾何学配置を示す。
【０２００】
図２２ｂは、レフレクタ８をその対称軸に沿って観察している観測者により見られる偏光方向を示す。この方向から観察した場合、偏光方向が放射形対称を有することが分かる。図２２ｂでは、ＰおよびＳがｐ平面偏光状態およびｓ平面偏光状態を示し、下付きの＋および−が偏光度を示すため、例えば、Ｐ+が実質的なｐ偏光度を有する状態を示し、Ｓ-が低い偏光度を有するｓ偏光状態を示す。
【０２０１】
偏光分離素子に入射する光が、すでにある程度偏光されているので、偏光分離素子により生成されるｐ偏光ビームは、偏光分離素子により生成されるｓ偏光ビームと同じ強度を有さないため、第２のレンズアレイの素子で生成された２つのイメージが異なる強度を有する。偏光変換素子１９で用いられるリターダの性質により、１／２波長リターダ素子を用いて入射光の＋成分の偏光状態を変換すること、および入来する光の−成分の振動面を変化させないことがより有効である。それゆえ、偏光変換素子の各領域がその領域に入射するより高い強度の偏光成分の振動面を、より低い強度の偏光成分の振動面を変えることなく変換するように偏光変換素子がパターニングされることが好ましい。
【０２０２】
図２２ｃは、入射光が図２２ｂに示されるように偏光される偏光変換素子としての使用に適したリターダ４２を示す。図２２ｃのリターダは、４つのセクション４２Ａ〜４２Ｄを有する。このリターダは、セクション４２Ａおよび４２Ｃが主にｐ平面偏光され、わずかにｓ平面偏光成分を含む光を受け取るように方向づけられる。それゆえ、リターダの領域４２Ａおよび４２Ｃが、好ましくは、入来する光のｐ偏光成分をｓ偏光成分に変換する一方で、すでにｓ偏光されている成分には効果がない。反対に、リターダ４２の領域４２Ｂおよび４２Ｄが、使用時に、主にｓ平面偏光され、わずかな成分のみがｐ偏光された光を受け取る。従って、領域４２Ｂおよび４２Ｄでは、リターダは、好ましくは、ｓ偏光成分の偏向に影響を及ぼすことなく、ｓ偏光成分をｐ偏光に変換する。
【０２０３】
図２２ｃのリターダ４２は、ｐ偏光成分およびｓ偏光成分を水平面で分離する偏光分離素子との使用を意図している。それゆえ、リターダ４２の光軸方向は垂直ストライプにパターニングされ、一方のストリップの光軸が垂直であり、近接するストリップの光軸はその垂直線に対して４５°である。これらのストリップは、リターダの各領域において、入射光の最大輝度の偏光成分が光軸が４５°であるストリップ上に方向づけられるように配列される。よって、領域４２Ａおよび４２Ｃでは、入射光のｐ成分が、垂直線に対して４５°である光軸を有するストリップに方向づけられ、それにより、ｓ偏光に変換される。一方、領域４２Ｂおよび４２Ｄでは、入射光のｓ成分が、偏光分離素子により、垂直方向に対して４５°に配列される光軸を有するストリップに方向づけられ、ｐ偏光に変換される。
【０２０４】
光が図２２ｃに示す波長板４２を通過した後、そのリターダの領域４２Ａおよび４２Ｃを通過した光がｓ平面偏光となる一方で、リターダ４２の領域４２Ｂおよび４２Ｄを通過した光がｐ平面偏光状態となる。均一な偏光を有する光を生成するためには、光に第２の波長板を通過させて、一方の偏光成分を直交する偏光状態に変換することが必要である。図２２ｄに１つの適切な波長板を示す。
【０２０５】
図２２ｄの波長板４３も、４つのセクション４３Ａ〜４３Ｄを有し、これらは、図２２ｃの波長板４２の領域４２Ａ〜４２Ｄとサイズおよび形状において一致する。
【０２０６】
出力光がｓ偏光成分であることが所望される場合、波長板４３のセクション４３Ａおよび４３Ｃは、上記のとおり、波長板４２のセクション４２Ａおよび４２Ｃがｓ偏光を生成するため、波長板４２により発せられる光の振動面を変える必要がない。領域４３Ａおよび４３Ｃの光軸は、入射光の偏光と平行となる。
【０２０７】
リターダ４３のセクション４３Ｂおよび４３Ｄは、リターダ４２からｐ偏光を受け取る。リターダ４３からの出力がｓ偏光であることが所望されるため、これには、リターダ４３のセクション４３Ｂおよび４３Ｄが、リターダ４２のセクション４２Ｂおよび４２Ｄにより発せられるｐ偏光の振動面を回転させて、ｓ偏光を生成することが必要である。それゆえ、リターダ４３のセクション４３Ｂおよび４３Ｄの光軸は、好ましくは、垂直線に対して４５°に傾く。
【０２０８】
波長板４３の光軸方向、および波長板４２から受け取られる偏光を図２２ｄに示す。
【０２０９】
入射光が図２２ｄに示すように偏光される使用に適したさらなる偏光分離素子４４を図２２ｅを参照して説明する。偏光分離素子４４は、第１および第２の透明カバープレートの間に配置された単軸材料層を備える。図２２ｅは、単軸材料層の厚さを渡る単軸材料の光軸の配向を示し、単軸材料の光軸のねじれが、空間的に変化することが理解できる。素子４４の領域４４Ａおよび４４Ｃでは、一方のカバープレートに近接する単軸材料の光軸が、他方のカバープレートに近接する単軸材料の光軸と実質的に同じ方向にある一方で、セクション４４Ｂおよび４４Ｄでは、光軸が、単軸材料の層の厚さに全体を渡って実質的に９０°ねじれる。
【０２１０】
セクション４４Ｂおよび４４Ｄは、２つの分離ビームの偏光を９０°回転させるように作用する。例えば、成分Ｐ−およびＳ＋を含む入射光が偏光分離素子４４に入射する場合、２つの偏光成分が角度的に分離され、セクション４４Ｂおよび４４Ｄでは、これらの成分がその偏光を９０°回転させてＳ−およびＰ＋となる。
【０２１１】
水平方向で光を分離するように構成されたプリズムアレイを備えた、このような偏光分離素子は、図１ａに示すようなＰＣＯＳシステム１５ａで用いられ得る。この場合、レンズアレイの第２の面１８を離れる光が、Ｐ偏光およびＳ偏光の垂直ストライプを交互に含む。この交互配列（ａｌｔｅｒｎａｔｉｏｎ）は、光がどのセクションで偏光分離素子４４を出るかに依存しており、セクション４４Ｂおよび４４Ｄにより生成されるストライプと比較すると、セクション４４Ａおよび４４Ｃにより生成されるストライプは、１つのストライプずつ変化する。すなわち、セクション４４Ａおよび４４ＣがＰ偏光およびＳ偏光を交互に有するストライプを生成し、次いでセクション４４Ｂおよび４４ＤがＰ偏光およびＳ偏光を交互に有するストライプを生成する。
【０２１２】
ここで、偏光分離素子から出る光は、セクション４４Ａおよび４４Ｃからの成分Ｐ＋およびＳ−、セクション４４Ｂおよび４４Ｄからの成分Ｓ−およびＰ＋を含む。
【０２１３】
図２２ｃのパターニングされた偏光回転素子は、次いで、図２２ｅの偏光分離素子を出る光を実質的に均一な偏光を有する光に変換する。
【０２１４】
偏光分離素子が複屈折くさび型プリズムの単一アレイを含む場合、１つの直線偏光を有する光は、実質的に全ての材料分散を経験する。この指数が最大分散度を有するため、通常、これが、異常光線屈折率により屈折させられる成分である。直交する直線偏光成分の両方が実質的に等しい分散を経験することが所望される場合、光軸が単軸材料の厚さを渡って９０°のねじれを有する少なくとも１つのエリアを有し、かつ単軸材料の光軸が単軸材料の厚さを渡るねじれを有さない少なくとも１つのエリアを有する単軸材料を含む複屈折くさび型プリズムを用いることにより達成することができる。光軸のねじれが９０°である単軸材料の面積と、光軸のねじれが０°である単軸材料の面積が実質的に等しいと仮定すると、直交する偏光成分の両方が実質的に等しい分散を経験する。図２３ａは、この効果を達成する対向基板のアライメントの１つの実施形態を概略的に示す。対向基板は、２つの領域４６Ａおよび４６Ｂを有し、この２つの領域間でアライメントフィルムのアライメント方向が変わる。領域４６Ａでは、（図２３ａに見られるように）アライメント方向が垂直線に対して９０°である一方で、領域４６Ｂでは、アライメント方向は垂直線に対して０°である。垂直線に対して０°の均一なアライメント方向を有する別のアライメント膜とともに用いられる場合、領域４６Ａは、図２３ａの左上の挿入部に示されるように、単軸材料の厚さに渡って、単軸材料の光軸に９０°のねじれを引き起こす。反対に、領域４６Ｂは、図２３ａの右下の挿入部に示すように、単軸材料の光軸は、単軸材料の厚さに渡るねじれを引き起こさない。
【０２１５】
図２３ｂは、図２３ａの実施形態の変形例を示す。この図は、異なるアライメント方向の多数の領域を有する対向基板４７を示す。領域４７Ａは、垂直線に対して９０°のアライメント方向を有し、領域４７Ｂは、垂直線に対して０°のアライメント方向を有する。垂直線に対して０°の均一なアライメント方向を有する別のアライメントフィルムとともに用いられる場合、領域４７Ａが、単軸材料の厚さに渡って、単軸材料の光軸に９０°のねじれを引き起こす一方で、領域４７Ｂは、単軸材料の光軸には、単軸材料の厚さに渡るねじれを引き起こさない。
【０２１６】
図１ａ、１ｂ、２ａ、２ｂ、６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、１４ｃ、および１５ｂに示すＰＣＯＳの実施形態では、偏光変換素子１９は、そこに入射する成分の偏光には何の影響も及ぼさない複数の第１のエリア、およびそこに入射する成分の振動面を９０°回転させる他のエリアから構成される。よって、これらの偏光変換素子は、共通の振動面を有する光を出力する。しかしながら、本発明は、そのような偏光変換素子を有するＰＣＯＳに限定されない。例えば、本発明のＰＣＯＳの偏光変換素子は、代わりに、本願明細書に記載したような偏光回転素子と、光源に対して、偏光回転素子の反対側に配置される均一波長板またはリターダとの組み合わせを備え得る。均一波長板またはリターダは、偏光回転素子１９により出力された直線偏光を楕円または円形偏光に変換する。
【０２１７】
本発明の偏光分離素子は偏光変換システムのコンテキストで説明されるが、本発明の偏光分離素子は、偏光変換システムの使用に限定されない。
【０２１８】
本発明は、第１の偏光を有する光を第１の方向に向け、第１の偏光と異なる第２の偏光を有する光を第１の方向と異なる第２の方向に向ける偏光分離素子（１６）、および第１および第２の偏光を有する光を実質的に共通の出力偏光に変換する１以上の偏光変換素子（１９ａ，１９ｂ）とを備える。偏光分離素子が、くさび型の断面を有する第１のプリズムのアレイ（２０）、およびくさび型の断面を有する第２のプリズムのアレイ（２１）とを備える偏光変換システムを提供する。プリズムのアレイのうちの１つが複屈折プリズムのアレイである。
【０２１９】
本発明の偏光変換システムは、投射ディスプレイシステムでの使用に提供する。
【０２２０】
【発明の効果】
本発明によれば、リソグラフィーを用いて配向された複屈折位相差板アレイおよび複屈折Ｐスプリッタおよび複屈折Ｓスプリッタを用いることで偏光変換システムの長さを例えば２ｍｍ以下に縮小することができる。ＰスプリッタおよびＳスプリッタにより、Ｐ偏光とＳ偏光とが同一の角度を有するように分離され、その後レンズアレイに映し出される。さらにＰ偏光およびＳ偏光の一方が更に偏光され、偏光が実質的に均一となる。また、位相差板は、ピットを最小にするために光硬化性液晶等から作製することができる。ＰスプリッタおよびＳスプリッタはプリズムアレイおよびそれに組み合わされた複屈折層を含む。本発明によれば、このような位相差板とＰスプリッタおよびＳスプリッタとの組み合わせにより、非常に小型な光学システムが実現される。さらに、システムの光漏れが低減されるので、光効率が向上するという優位な効果が得られる。また、ピッチの縮小により、レンズ素子をさらに多くシステムに組み込むことが可能となる。このことにより、光源の均一化が向上され、投射光の均一化がさらに向上される。
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】図１ａは、本発明による偏光変換システムの第１の実施形態の概略図である。
【図１ｂ】図１ｂは、本発明による偏光変換システムの第２の実施形態の概略図である。
【図２ａ】図２ａは、本発明による第１の偏光分離素子の概略断面図である。
【図２ｂ】図２ｂは、本発明による第２の偏光分離素子の概略断面図である。
【図２ｃ】図２ｃは、本発明によるさらなる偏光分離素子の概略断面図である。
【図２ｄ】図２ｄは、図２ｃの偏光分離素子の部分斜視図である。
【図２ｅ】図２ｅは、図２ｃの偏光分離素子の部分斜視図である。
【図３ａ】図３ａは、さらなる偏光分離素子の概略断面図である。
【図３ｂ】図３ｂは、本発明によるさらなる偏光分離素子の部分断面図である。
【図４】図４は、本発明によるさらなる偏光分離素子の概略断面図である。
【図５】図５は、本発明による偏光分離素子の動作を示す断面図である。
【図６ａ】図６ａは、本発明による偏光変換システムのさらなる実施形態の概略図である。
【図６ｂ】図６ｂは、本発明による偏光変換システムのさらなる実施形態の概略図である。
【図７ａ】図７ａは、本発明による偏光変換システムのさらなる実施形態の概略図である。
【図７ｂ】図７ｂは、本発明による偏光変換システムのさらなる実施形態の概略図である。
【図８】図８は、本発明による偏光変換システムのさらなる実施形態の概略断面図である。
【図９】図９は、本発明による反射性偏光分離素子の概略図である。
【図１０】図１０は、本発明による反射性偏光分離素子を示す拡大断面図である。
【図１１】図１１は、本発明による投射システムの概略図である。
【図１２】図１２は、本発明のさらなる偏光分離素子の概略断面図である。
【図１３】図１３は、本発明のさらなる偏光分離素子の概略断面図である。
【図１４ａ】図１４ａは、偏光分離素子での使用に適したリターダのアライメント方向を示す。
【図１４ｂ】図１４ｂは、図１４ａのリターダの概略斜視図である。
【図１４ｃ】図１４ｃは、本発明による偏光変換システムの別の実施形態の概略図である。
【図１５ａ】図１５ａは、本発明によるさらなる偏光分離素子の概略断面図である。
【図１５ｂ】図１５ｂは、本発明による偏光変換システムの実施形態の概略図である。
【図１５ｃ】図１５ｃは、本発明による偏光変換システムの実施形態の概略図である。
【図１６】図１６は、本発明による偏光変換システムの別の実施形態の概略図である。
【図１７】図１７は、本発明による従来の偏光変換システムの概略断面図である。
【図１８】図１８は、別の従来の偏光変換システムの斜視図である。
【図１９】図１９は、液晶ウォラストンタイププリズムの概略斜視図である。
【図２０】図２０は、さらなる従来の偏光変換システムの概略図である。
【図２１ａ】図２１ａは、さらなる従来の偏光変換システムの概略図である。
【図２１ｂ】図２１ｂは、図２１ａの偏光変換システムの偏光分離素子の製作を示す。
【図２２ａ】図２２ａは、放物面レフレクタにより生成される偏光を示す。
【図２２ｂ】図２２ｂは、放物面レフレクタにより生成される偏光を示す。
【図２２ｃ】図２２ｃは、図２２ａおよび２２ｂに示す偏光を利用するために適した２つの波長板を示す。
【図２２ｄ】図２２ｄは、図２２ａおよび２２ｂに示す偏光を利用するために適した２つの波長板を示す。
【図２２ｅ】図２２ｅは、図２２ａのレフレクタにより引き起こされた偏光を利用するために適した単軸材料の光軸のねじれの概略斜視図である。
【図２３ａ】図２３ａは、直線偏光のＰ成分およびＳ成分に対する分散を均一にするための対向基板のアライメント方向の１つの実施形態を示す。
【図２３ｂ】図２３ｂは、直線偏光のＰ成分およびＳ成分に対する分散を均一にするための対向基板のアライメント方向のさらなる実施形態を示す。
【図２４】図２４は、図１ａの偏光変換システムのレンズアレイの斜視図である。
【図２５】図２５は、図１ａの偏光変換システムを組み込んだ投射システムの概略図である。
【符号の説明】
１６  偏光分離素子
１７  第１のレンズアレイ
１８  第２のレンズアレイ
１９  偏光回転素子
２０  基板
【図１ａ】
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【図１ｂ】
0004148343.tif 000003
【図２ａ】
0004148343.tif 000004
【図２ｂ】
0004148343.tif 000005
【図２ｃ】
0004148343.tif 000006
【図２ｄ】
0004148343.tif 000007
【図２ｅ】
0004148343.tif 000008
【図３ａ】
0004148343.tif 000009
【図３ｂ】
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【図４】
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【図５】
0004148343.tif 000012
【図６ａ】
0004148343.tif 000013
【図６ｂ】
0004148343.tif 000014
【図７ａ】
0004148343.tif 000015
【図７ｂ】
0004148343.tif 000016
【図８】
0004148343.tif 000017
【図９】
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【図１０】
0004148343.tif 000019
【図１１】
0004148343.tif 000020
【図１２】
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【図１３】
0004148343.tif 000022
【図１４ａ】
0004148343.tif 000023
【図１４ｂ】
0004148343.tif 000024
【図１４ｃ】
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【図１５ａ】
0004148343.tif 000026
【図１５ｂ】
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【図１５ｃ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
0004148343.tif 000032
【図２０】
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【図２１ａ】
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【図２１ｂ】
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【図２２ａ】
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【図２２ｂ】
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【図２２ｃ】
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【図２２ｄ】
0004148343.tif 000039
【図２２ｅ】
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【図２３ａ】
0004148343.tif 000041
【図２３ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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