JP2002228840A - 偏光分離素子、偏光変換システム、光学素子および投射型ディスプレイシステム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 小型で光効率が高い偏光変換システムを提供
する。 【解決手段】 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第２のプリズムのア
レイとを備え、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傾斜面に近接して配置される
傾斜面を備えて配置され、該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、
偏光分離素子が、第１の偏光を有する光を偏向させ、か
つ第２の偏光を有する光を偏向させるように配列され
る。

Description

【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（ＰＳ
Ｅ）（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−０ ９９３ ３２３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 ｓｐｌ
ｉｔｔｅｒ 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 ｓｔ
ｒｉｐｅ）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５
０によって示される。

【０００８】Ｏｇｉｗａｒａらが、「ＰＳ Ｐｏｌａｒ
ｉｓａｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ Ｄｅｖｉｃｅ
ｆｏｒ ＬＣ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ｈ
ｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ Ｐｏｌｙｍｅｒ−Ｄｉｓｐｅｒ
ｓｅｄ 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Ｐ
ＤＬＣ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ＰＣＯ
Ｓ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、ＰＣＯ
Ｓ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 ９
００ ９７７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１
１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（ｎ
ｏｎ−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】本発明による偏光分離素
子は、各プリズムがくさび型の断面を有する第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
第２のプリズムのアレイとを備え、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傾斜面に
近接して配置される傾斜面を備えて配置され、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、偏光分離素子が、第１の偏光を有する
光を偏向させ、かつ第２の偏光を有する光を偏向させる
ように配列され、それにより上記目的が達成される。

【００２５】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、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ってもよい。

【００２６】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
配列されてもよい。

【００２７】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、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ってもよい。

【００２８】本発明による偏光分離素子は、第２のアレ
イのプリズムの常光線屈折率ｎ_o、第２のアレイのプリ
ズムの異常光線屈折率ｎ_e、および第１のアレイのプリ
ズムの屈折率ｎが、ｎ_o＜ｎ＜ｎ_eとなるように選択され
てもよい。

【００２９】本発明による偏光分離素子は、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つが液晶材料を含んでもよい。

【００３０】本発明による偏光分離素子は、液晶層の厚
さを決定するスペーサを含んでもよい。

【００３１】各スペーサ素子が第１のアレイのプリズム
のそれぞれ１つと一体化してもよい。

【００３２】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つが光硬化性液晶を含んでも
よい。

【００３３】複屈折プリズムのアレイ、または複屈折ア
レイのうちの１つが高分子安定化液晶材料を含んでもよ
い。

【００３４】本発明による偏光分離素子は、各プリズム
がくさび型の断面を有する第３のプリズムのアレイ、お
よび各プリズム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、第３のアレイの各プリズムが
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、第３のアレイの各プリズムが複屈
折プリズムであってもよい。

【００３５】第２のアレイのプリズムの光軸方向がプリ
ズムの厚さにわたって変化してもよい。

【００３６】第２のアレイのプリズムの光軸方向がプリ
ズムの厚さにわたって実質的に９０°変化し、光軸はプ
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
直であってもよい。

【００３７】第２のアレイのプリズムの光軸方向が、第
３のプリズムのアレイの近くに配置されたプリズムの面
で、第３のプリズムの光軸に対して垂直であってもよ
い。

【００３８】第２のプリズムのアレイが液晶層を備えて
もよい。

【００３９】本発明による偏光変換システム（１５）
は、入射平行光を集束する第１のレンズアレイ（１７）
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（１６）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以上の偏光変換素子（１９，３
２’）とを備え、偏光分離素子が、上記の偏光分離素子
であってもよい。

【００４０】出力偏光が第２の偏光であってもよい。

【００４１】本発明による偏光変換システムは、偏光変
換素子のアレイが第１のレンズアレイの実質的に焦点面
に配置されてもよい。

【００４２】本発明による偏光変換システムは、第１の
レンズアレイが偏光分離素子と偏光変換素子との間に配
置されてもよい。

【００４３】本発明による偏光変換システムは、第１の
レンズアレイが偏光分離素子の前に配置されてもよい。

【００４４】本発明による偏光変換システムは、偏光変
換素子の出力を平行にする第２のレンズアレイをさらに
備えてもよい。

【００４５】本発明による偏光変換システムは、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
してもよい。

【００４６】本発明による偏光変換システムは、第２の
レンズアレイが偏光変換素子に近接してその裏側にあっ
てもよい。

【００４７】本発明による偏光変換システムは、偏光変
換素子が直接第２のレンズアレイ上に配置されてもよ
い。

【００４８】偏光変換素子が第２のレンズの後に配置さ
れ、かつ第２のレンズアレイに光学的に結合されてもよ
い。

【００４９】偏光分離素子からの出力が、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の偏光面とは
異なる第２の偏光面を有する第２の直線偏光ビームであ
り、偏光変換素子または各偏光変換素子が偏光回転素子
であってもよい。

【００５０】本発明による偏光変換システム第１のビー
ムの振動面が第２のビームの振動面に対して実質的に９
０°であってもよい。

【００５１】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、第１および第２の領域が、それぞれ、第１お
よび第２の偏光を受け取るように配列されてもよい。

【００５２】第１および第２の領域が、それぞれ、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のサイズを有してもよい。

【００５３】投射ディスプレイシステムは、非偏光また
は部分偏光の光源と、上記偏光変換システムと、投射レ
ンズとを備えてもよい。

【００５４】本発明による光学素子は、基板と、基板の
１つの表面上に配置された第１のレンズアレイと、各レ
ンズが第１のレンズアレイと１対１に対応するように、
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
とを備え、それにより上記目的を達成する。

【００５５】第１のレンズアレイおよび第２のレンズア
レイが基板と一体化してもよい。

【００５６】第１のレンズアレイのピッチが第２のレン
ズアレイのピッチに実質的に等しくてもよい。

【００５７】第１のレンズアレイのピッチおよび第２の
レンズアレイのピッチが、それぞれ、２ｍｍ以下であっ
てもよい。

【００５８】光学素子の幅Ｗおよび光学素子の厚さＴが
Ｗ／Ｔ＞３の関係を満たしてもよい。

【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ｎ_o、上記第２のアレイのプリズムの異常光線屈折率
ｎ_e、および上記第１のアレイのプリズムの屈折率ｎ
が、 ｎ_o＜ｎ＜ｎ_e 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１
６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。分離角度度および第１のレンズアレイ１
７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 ｐｏｌ
ａｒｉｚａｔｉｏｎ 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８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ＰＣＯＳ
１５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。ＰＣＯＳ１
５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、ＰＣＯ
Ｓ１５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、１０
０ｍｍ×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Ｐ
ＣＯＳを通過するためには、レンズアレイ１７および１
８の幅Ｗは、好ましくは、６０ｍｍ以上である。基板２
０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ｎ_o＜
ｎ＜ｎ_eのように選択され得、ここで、ｎ_oおよびｎ
_e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１
８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１
９ａ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、Ｏ
ｐｔｉ−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、Ｎｙ
ｅ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．」Ｖｏ
ｌ．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 ｓｔａｂｉ
ｌｉｚｅｄ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｌａｙｅ
ｒ）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２
３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２
６ｂが第３のプリズムアレイのプリズム２７の平面２７
ｂ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 ｇｒ
ｏｏｖｅ）」に平行に向けられた傾斜面２６ｂおよび２
７ｂ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（Ｍ
ｅｒｃｋ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 ｗｅ
ｄｇｅ）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２
２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２
３ｂ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２
４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２
９．５°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１９
ａとして作用する分散型１／２波長板（ｄｉｓｃｒｅｔ
ｅ 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。Ｐ
ＣＯＳ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（ｃｏｕｎｔ
ｅｒ 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２
ａ、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３
５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（Ｐ
ＢＳ）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。ＰＣＯＳ１
５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３
２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３
１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４
２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２
３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、１
２、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、１
２、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１０
０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２
１ａ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２４
ａ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（ｈｅｒｒｉｎｇｂｏｎ
ｅ）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１
９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
２３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ｄ_mが、偏
光分離素子のピッチｄ_s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ｄ_cは、レンズアレ
イのピッチｄ_m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ｄ_cが第２のレン
ズアレイ１８のピッチｄ_m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ＰＣＯ
Ｓ１５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（ｖａｒｉａｔｉｏｎ
ｓ）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４
２Ｄ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４２
Ｃ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４２
Ｄ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４２
Ｂ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４
３Ｄ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４３
Ｄ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４４
Ｃ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
＋ならびにを含む。

【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ＰＣ
ＯＳ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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ Ｇ０２Ｆ 1/13 ５０５ ２Ｈ０９９ 1/1335 ５１０ 1/1335 ５１０ ５Ｃ０５８ Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｇ０３Ｂ 21/00 Ｅ 21/14 21/14 Ａ Ｈ０４Ｎ 5/74 Ｈ０４Ｎ 5/74 Ａ (72)発明者 高塚 保 栃木県矢板市早川町174−７シャープそこ う寮317 (72)発明者 三谷 圭輔 栃木県河内郡河内町大字中岡本字並塚3715 −32 (72)発明者 猪子 和宏 千葉県船橋市東船橋４−23−17 (72)発明者 グラハム ジョン ウッドゲート イギリス国 アールジー９ １エイチエフ オックスフォードシェア， ヘンリー− オン−テムズ， ヴィカラージ ロード ９ (72)発明者 原 政春 栃木県大田原市紫塚２−2598−８ (72)発明者 グラント ボアヒル イギリス国 ジーエル54 １エイエル グ ロチェスターシェア， ストウ−オン−ザ −ウォールド， マウント プレザント １ (72)発明者 エマ ウォルトン イギリス国 オーエックス４ ３エヌイー オックスフォード， カウリー， ビュ ーチャンプ レーン ビューチャンプ プ レイス 45 Ｆターム(参考） 2H042 CA09 CA14 CA15 CA17 2H049 BA05 BA42 BB03 BB62 BC01 BC14 BC22 2H052 BA02 BA09 BA14 2H088 EA47 2H091 FA05X FA10X FA14Z FA21X FA29X FA41X FB02 FD05 LA03 LA11 MA07 2H099 AA11 BA09 CA00 CA06 CA08 DA05 5C058 EA11 EA14

Claims (35)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 偏光分離素子であって、 各プリズムがくさび型の断面を有する第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第２のプリズムの
   アレイとを備え、 該第１のアレイの各プリズムが、該第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、該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、 該偏光分離素子が、第１の偏光を有する光を偏向させ、
   かつ第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。
2. 【請求項２】 前記第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、前記第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る、請求項１に記
   載の偏光分離素子。
3. 【請求項３】 前記第１のアレイの各プリズムが前記第
   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る、請求項２に記載の偏光分離素
   子。
4. 【請求項４】 前記第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、前記第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る、請求項
   １に記載の偏光分離素子。
5. 【請求項５】 前記第２のアレイのプリズムの常光線屈
   折率ｎ_o、該第２のアレイのプリズムの異常光線屈折率
   ｎ_e、および前記第１のアレイのプリズムの屈折率ｎ
   が、 ｎ_o＜ｎ＜ｎ_e となるように選択される、請求項４に記載の偏光分離素
   子。
6. 【請求項６】 前記複屈折プリズムのアレイ、または該
   複屈折プリズムのアレイのうちの１つが液晶材料を含
   む、請求項１に記載の偏光分離素子。
7. 【請求項７】 液晶層の厚さを決定するスペーサを含
   む、請求項６に記載の偏光分離素子。
8. 【請求項８】 各スペーサ素子が前記第１のアレイのプ
   リズムのそれぞれ１つと一体化している、請求項７に記
   載の偏光分離素子。
9. 【請求項９】 前記複屈折プリズムのアレイ、または該
   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
   含む、請求項１に記載の偏光分離素子。
10. 【請求項１０】 前記複屈折プリズムのアレイ、または
    該複屈折アレイのうちの１つ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。
11. 【請求項１１】 各プリズムがくさび型の断面を有する
    第３のプリズムのアレイ、および各プリズムがくさび型
    の断面を有する第４のプリズムのアレイをさらに備え、
    該第３のアレイの各プリズムが該第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、
    該第３のアレイの各プリズムが複屈折プリズムである、
    請求項１に記載の偏光分離素子。
12. 【請求項１２】 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変化する、請求項１１
    に記載の偏光分離素子。
13. 【請求項１３】 前記第２のアレイのプリズムの前記光
    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る、請求項１２に記載の偏光
    分離素子。
14. 【請求項１４】 前記第２のアレイ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
    れた該プリズムの面で、該第３のプリズムの光軸に対し
    て垂直である、請求項１３に記載の偏光分離素子。
15. 【請求項１５】 前記第２のプリズムのアレイが液晶層
    を備える、請求項１１に記載の偏光分離素子。
16. 【請求項１６】 偏光変換システム（１５）であって、 入射平行光を集束する第１のレンズアレイ（１７）と、 第１の偏光を有する光を第１の方向に向け、該第１の偏
    光と異なる第２の偏光を有する光を該第１の方向と異な
    る第２の方向に向ける偏光分離素子（１６）と、 該第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以上の偏光変換素子（１
    ９，３２’）とを備え、 該偏光分離素子が、請求項１に規定される偏光分離素子
    である、偏光変換システム（１５）。
17. 【請求項１７】 前記出力偏光が前記第２の偏光であ
    る、請求項１６に記載の偏光変換システム。
18. 【請求項１８】 前記偏光変換素子のアレイが前記第１
    のレンズアレイの実質的に焦点面に配置される、請求項
    １６に記載の偏光変換システム。
19. 【請求項１９】 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
    １６に記載の偏光変換システム。
20. 【請求項２０】 前記第１のレンズアレイが前記偏光分
    離素子の前に配置される、請求項１６に記載の偏光変換
    システム。
21. 【請求項２１】 前記偏光変換素子の前記出力を平行に
    する第２のレンズアレイをさらに備える、請求項１６に
    記載の偏光変換システム。
22. 【請求項２２】 前記第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する、請求項２１に記載の
    偏光変換システム。
23. 【請求項２３】 前記第２のレンズアレイが前記偏光変
    換素子に近接してその裏側にある、請求項２１に記載の
    偏光変換システム。
24. 【請求項２４】 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２１に記載の偏光変
    換システム。
25. 【請求項２５】 前記偏光変換素子が前記第２のレンズ
    の後に配置され、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２１に記載の偏光変換システム。
26. 【請求項２６】 前記偏光分離素子からの前記出力が、
    第１の振動面を有する第１の直線偏光ビームおよび該第
    １の偏光面とは異なる第２の偏光面を有する第２の直線
    偏光ビームであり、該偏光変換素子または各偏光変換素
    子が偏光回転素子である、請求項１６に記載の偏光変換
    システム。
27. 【請求項２７】 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実質的に９０°である、請求
    項２６に記載の偏光変換システム。
28. 【請求項２８】 前記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、該第１および第２の領域が、それぞ
    れ、前記第１および第２の偏光を受け取るように配列さ
    れる、請求項１６に記載の偏光変換システム。
29. 【請求項２９】 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２７に記載の偏光変換システム。
30. 【請求項３０】 投射ディスプレイシステムであって、 非偏光または部分偏光の光源と、 請求項１６で規定したような偏光変換システムと、 投射レンズとを備える投射ディスプレイシステム。
31. 【請求項３１】 光学素子であって、 基板と、 該基板の１つの表面上に配置された第１のレンズアレイ
    と、 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
    ズアレイと、を備える、光学素子。
32. 【請求項３２】 前記第１のレンズアレイおよび前記第
    ２のレンズアレイが前記基板と一体化している、請求項
    ３１に記載の光学素子。
33. 【請求項３３】 前記第１のレンズアレイのピッチが前
    記第２のレンズアレイのピッチに実質的に等しい、請求
    項３１に記載の光学素子。
34. 【請求項３４】 前記第１のレンズアレイのピッチおよ
    び前記第２のレンズアレイのピッチが、それぞれ、２ｍ
    ｍ以下である、請求項３３に記載の光学素子。
35. 【請求項３５】 前記光学素子の幅Ｗおよび該光学素子
    の厚さＴがＷ／Ｔ＞３の関係を満たす、請求項３１に記
    載の光学素子。