JP2007500859A - ２重プリズムにおける偏光リサイクリングを有する照明装置 - Google Patents

Abstract

本発明は、非偏光の光ビーム（Ｆ１）を放射する光源（Ｓ）と、２つのプリズム（１，２）の面（１０および２０）間に配置されているグリッド偏光器（３）を含む偏光ビームスプリットとを有している照明装置に関する。上記の光ビームは面（１２）を通って第１プリズムに入り、偏光ビームスプリッタ（３）に到達する。この偏光ビームスプリッタは、第１の偏光方向のビームを面（２２）に向かって透過させ、この面は出口面（２１）に向かって反射する。さらに上記のスプリッタは第2の偏光方向のビームを面（１２）に向かって反射し、この面はこのビームを出口面（１１）に向かって反射する。
適用分野：ディスプレイおよびプロジェクションシステム。

Description

本発明は対象体を照明するシステムに関し、殊に偏光ビームを使用した照明を必要とするシステムに関する。本発明は殊に液晶プロジェクションシステムおよびバックプロジェクションシステムに適用可能である。

ビームを変調して画像を表示できるようにする液晶セルは、作動のため、偏光ビームによって照明しなければならない。非偏光ビームの光源を使用する場合、このビームの２つの偏光を使用する手段を設けて、照明源によって放出される光出力の５０％が損失されることを回避しなければならない。ここでは偏光器における吸収による損失は考慮していない。

特許明細書US 5 748 181に記載されているシステムは殊に２つのプリズムが設けられていることで知られており、ここでこれらのプリズムの断面は直角三角形でありまたこれらのプリズムは、ホログラフィック偏光ビームスプリッタを面間で挟んでおり、これらの面は、直角三角形の直角をなす一方の側面をそれぞれ含んでいる。これらの直角三角形の直角をなす他方の側面を含むプリズムの他方の面は、同一面上にありかつ出口面として使用される。非偏光のビーム源はビームを放射し、このビームにより、プリズムの断面に平行な方向において、このプリズムの斜辺を形成する一方の面が照明される。このビームはホログラフィックスプリッタに到達し、このホログラフィックスプリッタにより、第１の偏光を有するビームが上記のプリズムの出口面の方に送られる。このプリズムはこの第１の偏光を第２の偏光に変換するための装置を含んでいる。これに対してこのホログラフィフックスプリッタより、第２の偏光を有するビームが別のプリズムの出口面に反射される。ここでこの別のプリズムには偏光変換装置が含まれていない。複数のホログラフィック装置が上記の出口面に関連づけられており、これらのホログラフィック装置により、出口面の後段において、同じ偏光を有するビームの方向を変えることができ、これによってこれらのビームは平行になり、これらのビームによって同一の方向に液晶セルが照明されるのである。

しかしながらこのようなシステムにおいては、ホログラフィック装置を約４５度のブルースター入射角で照明ないしは「読み出」さなければならない。このため、約３０°の入射角で動作させるのは困難である。したがってこのシステムは不利である。それはこのシステムが、開き（divergence）の小さい照明ビームを必要とするホログラフィック装置を使用しているからである。さらにこのシステムは、限られたスペクトル帯域内でのみ有効である。通例、ホログラフィック装置はいずれも、可視光の１主スペクトル帯域（赤、緑または青）内でのみ有効なのである。

刊行物US 5 716 122には偏光リサイクリングシステムが記載されており、これもまた薄膜マルチレイヤタイプの偏光ビームスプリッタによって分けられている２つのプリズムを使用している（第４および５欄、第１７欄、第４２〜４９を参照されたい）。この刊行物によれば、入射ビームは、平行光線だけから構成される必要はなく、平行でない成分（第１９欄、第１５〜１７行）を含むことができる。しかしながら、この刊行物に述べられている偏光ビームスプリッタにおける入射角は４５°〜３８°の範囲であり、これは入射ビームの開きが大きく、このビームの一般的な方向の両側において殊に５°以上の場合に有難くない制限になってしまうのである。

US 4 575 191，US 4 161 349，US 3 987 299などの別の刊行物にはケスター（Koesters）システムと知られているシステムが記載されており、これらも２つのプリズムを有しており、ここでこれらのプリズムの断面は直角三角形であり、またこれらの直角三角形の直角を成す１側面をそれぞれ含む面間にカラースプリッタが挟まれている。

本発明の目的は上記の欠点に対する解決手段を提供することである。

したがって本発明は、非偏光の光ビームを放射する光源を含む照明装置に関し、ここでは偏光ビームスプリッタが、第１および第２の透明プリズムの第１面間に含まれている。これらのプリズムはそれぞれ、共に同一面内にある第２の出口面を有している。各プリズムの上記の第１面と第２面とは垂直である。光ビームは、第1プリズムの第３面を通ってこのプリズムに入り、上記の偏光ビームスプリッタに到達する。この偏光ビームスプリッタは、第１の偏光方向を有するビームを透過させ、第２の偏光方向を有するビームを反射する。さらに上記の偏光ビームスプリッタは第１および第２プリズムの第１面間に配置されたグリッド偏光器を含んでいる。さらに上記の偏光ビームスプリッタを透過したビームは、第２プリズムの第３面に送られ、この第３面はビームを第２プリズムの第２の出口面に向かって反射する。これに対して上記の偏光ビームスプリッタによって反射されるビームは第１プリズムの第３面に送られ、この第３面は第１プリズムの第２の出口面に向かって反射する。グリッド偏光器を使用することによって、広い範囲の入射角にわたって偏光を効果的に分けることができる。またこれにより、開きの大きい、殊にビームの平均的な方向の両側において５°以上の光源から発せられるビームによって第１プリズムの第３面を照明することができる。しかしながら有利にはこの開きは、ビームの平均的な方向の両側において１０°以下であることには変わりない。

有利にはこのシステムは、上記の複数のプリズムの第２の出口面の１つだけに関連付けられた偏光回転装置（polarization rotator device）を含んでいる。この場合、この装置により、２つの出口面の後段において同じ偏光方向を得ることができる。

有利には上記のグリッド偏光器は、第１プリズムの第１面または第２プリズムの第１面に形成される。

有利にはグリッド偏光器およびこのグリッド偏光器が形成される第１または第２プリズムの第１面と、これに対向して配置されている第２プリズムまたは第１プリズム（２または１）の別の第１面との間にエアギャップが設けられる。このエアギャップは上記のシステムの冷却に使用可能である。

本発明のシステムの１実施形態によれば、プリズムの直角でない角は第１面の反対側において６０°に、また第２面の反対側において３０°に実質的に等しく、また光ビームＦ１の平均的な方向は、このビームがこのプリズムに入る際に第１プリズムの第３面に実質的に垂直である。このような幾何学的な構成によって保証されるのは、第１プリズムの第２の出口面を通過するビームの平均的な方向と、第２プリズムの第２の出口面を通過するビームの平均的な方向とが互いに実質的に平行になり、これらの第２の面に対して垂直になることである。したがってこの構成は、出口面から出射されるビームの光軸が平行になるように設計されているのである。スプリッタの後段において、この幾何学的構成により、別個の２つのビームの光路がほぼ等しくなることにも注意されたい。この事実は、この装置を、プロジェクションシステムイメージャの照明に応用するのに対して極めて有利である。

有利にはプリズムの材料のインデックスは、１．５以下であり、これにより、ビームの開きが広い場合であってもグリッド偏光器において６０°以下の入射角が可能になる。

有利には上記のシステムは、上記のプリズムの第２の出口面に光結合された入口面を有する光インテグレータ装置（light integrating device）を含むことができ、これは上記きプリズムの第３面によって反射されるビームを受光して、出口面を介してビームを送出する。ここでこのビームによる照明はこの面にわたって実質的に均一である。このために有利にはロッド式インテグレータを使用する。

有利には上記の光源によって放射される光ビームは、平行化されていないビームであり、これによって上記の光インテグレータ装置によって受光されるビームの包絡面は、すべてのビームが上記のインテグレータ装置に入るようにされる。

本発明のさまざまな形態および機能は、以下の説明および添付の図面においてさらにあきらかになろう。図面において、
図１は、本発明の１実施形態による照明システムの一般的な例を示しており、
図２ａおよび２ｂは、本発明の１実施形態による照明システムのより詳細な例を示しており、
図３は、プロジェクションシステムに本発明を応用した例を示している。

本発明による照明システムの例を図１に関連して説明する。

このシステムは、非偏光の光ビームＦ１を２つのプリズム１および２に向かって放射する光源Ｓを含んでいる。これらの２つのプリズムはビームＦ１の入射面において断面を有しており、直角三角形の形状である。これらのプリズムの直角のコーナをなす２つの側面１０および２０は、偏光ビームスプリッタ装置３を挟んでいる。これらのプリズムの直角のコーナをなす別の２つの面１１および２１は同一面内になる。これらの面１１および２１はこれらのプリズムの出口面として使用される。

プリズム１の断面の斜辺を含むプリズム１の面１２は、このシステムの入口面として使用される。

ビームＦ１は面１２に対し、このビームがプリズム１に入ることができる入射角を有している。有利には、ビームＦ１は面１２に対して実質的に垂直である。

本発明によれば、偏光ビームスプリッタは、グリッド偏光ビームスプリッタである。殊にその冷却を可能にするため、スプリッタとプリズム１との間にはエアーギャップ４が設けられている。入射ビームの有利な入射角に対して、一方向に偏光されたビームは、偏光ビームスプリッタによって影響を受けない（またはほとんど受けない）のに対して、垂直方向に偏光されたビームは上記の偏光ビームスプリッタによって反射される。

したがってビームＦ１は、偏光ビームスプリッタ３に到達し、これは一方向に偏光されたビームをプリズム２の面２２に向かって透過させる。ここでこの面はこのプリズムの断面の斜辺を含んでいる。また偏光ビームスプリッタ３は、プリズム１の面１２に向かって、上記の第１の方向に対して垂直方向に偏光されたビームを反射する。さらに詳しくいうと、偏光ビームスプリッタは、偏光方向が偏光グリッド３の素子の方向に垂直なビームを透過させ、偏光方向がこの素子と平行なビームを反射するのである。

グリッド偏光ビームスプリッタは刊行物US 6 122 103に記載されている。この偏光器の向きは有利には、グリッド素子が図１の面に対して垂直となる向きである。この場合、偏光Ｓは反射される。この反射は面１０に向かって行われ、面１０において受光されるビームは、通常、プリズム１の面１２に向かって送られなければならない。有利にはこの面１０に反射防止コーティングが施される理由はこれであり、これによって図１の実施例においてビームまたはビームの一部が偏光器３とプリズム１の面１０との間で反射されることが回避される。

図１の実施例では偏光ビームスプリッタはプリズム２の面２０に設けられている。これがプリズム１の面１０に設けられる場合、反射防止コーティングが有利に施されるのはプリズム２の面２０であることは明らかである。

プリズム２の面２２は、送られて来たビームを面２１に向かって反射する。この反射は、全内反射または（例えば金属製の）反射コーティングを有する面２２における全反射のいずれかで行われる。

面１２は、全内反射により、偏光ビームスプリッタによって反射されたビームを面１１に向かって反射する。

有利にはこれらのプリズムの角度および面１２におけるビームＦ１の入射角を選択して、２つの出力ビームＦＳ１およびＦＳ２の方向が平行になるようにする。

図２ａには図１のシステムのさらに詳細な実施例が示されている。

ビームＦＳ１およびＦＳ２の方向が平行になるようにするため、プリズム１および２の面１１および１２と、面２１および２２とは６０°の角をなしている。さらにビームＦ１の方向は有利には、入口面１２の面に対して実質的に垂直である。したがってビームＦ１の方向は有利には、面１０の面に対して３０°の入射角を形成するのである（図２ｂを参照されたい）。

したがって上に述べたように偏光器と、プリズム１の面１０との間にエアギャップが設けられ、かつこれらのプリズムがガラス製であり、例えば約１．５のインデックスを有するＢＫ７の場合、偏光ビームスプリッタ３におけるビームＦ１の方向の入射角は約４８°になる。このことが意味するのは、図２ｂに示したように、面１０と３０°の入射角を形成するビームＦ１の光線が偏光ビームスプリッタ３の面において約４８°の入射角を形成することである。

グリッド偏光ビームスプリッタを使用する利点は、これが広い入射角の範囲にわたって極めて高い分離効率（separation efficiency）を有することであり、ここではこれによって、平行化されていないビームＦ１、殊にその平均的な方向の両側において５°以上の大きな開きを示すビームによって照明することができるのである。このスプリッタに対する最適な効率は、０°〜６０°の範囲にあるビームＦ１の光線の入射角に対して得られる。したがって４８°の入射角であれば、これは動作の最適な範囲内にあることになる。

さらに、光源によって放射される光ビームが平行化されていない場合、グリッド偏光ビームスプリッタの使用によって、平均的な方向の両側に角度的な開きが分配されグリッド偏光ビームスプリッタの面に対して約４８°の入射角を有するビームの光もスプリットされ、同時に高い分離効率が得られる。実践的にはビームの開きは、ビームの平均的な方向の両側において９または１０°まで許容される。したがってこの構成は、グリッドスプリッタが、例えば４８°＋１０°〜４８°−１０°の間の入射光の入射角で動作する構成になる。したがってこの構成により、偏光ビームスプリッタは最適な効率で動作することができるのである。

１つだけの方向に偏光された照明ビームを送出する照明システムを得るため、偏光回転子６が設けられ、これは上記の複数のプリズムの出口面の１つだけ、例えば面１１だけに関連づけられる。したがってこの偏光回転子により、プリズム１の面１２によって反射されるビームの偏光方向が９０°回転される。

図３には、光インテグレータ装置７が設けられたシステムが示されている。この装置はプリズム１および２の出口面１１および２１に結合されており、これによって面１２および２２によって反射されたすべてのビームを結合することができる。

図３に示したように有利には光源Ｓによって放射された光ビームは、インテグレータ装置７の入口面７０の近くに集束される。インテグレータ装置はその出口面７１を介して比較的均一なビームを供給し、これによって対象物８が均一に照明される。プロジェクション装置の場合、この対象物は空間光変調器（spatial light modulator）であり、これは、受光したビームを変調して、この空間光変調器に表示された画像をスクリーンに投影することができる。

上記のグリッド偏光ビームスプリッタは、光源Ｓによって放射されたビームを反射する材料の帯のアレイの形態でプリズム２の面２０に形成される。この材料はアルミニウムなどの金属とすることができる。上記の帯のピッチは、例えば、数１０ナノメートルのオーダであり、各帯の幅は数ナノメートルである。

このような照明システムは、光源によって放射される平行化されていないビームによって動作し、インテグレータ装置の出口において均一な照明を提供するという利点を有する。さらにこのようなシステムは広い範囲の波長にわたり、殊に可視領域において動作する。

本発明の１実施形態による照明システムの一般的な例を示す図である。 本発明の１実施形態による照明システムのより詳細な例を示す図である。 プロジェクションシステムに本発明を応用した例を示す図である。

Claims (9)

1. 非偏光の光ビーム（Ｆ１）を放射する光源（Ｓ）を含む照明装置であって、
   該照明装置は、
   第１および第２の透明プリズム（１，２）の第１面（１０および２０）間に含まれている偏光ビームスプリッタ（３）を有しており、
   前記プリズムはそれぞれ、共に同一面内にある第２の出口面（１１，２１）を有しており、
   各プリズムの前記の第１面と第２面とは垂直であり、
   前記光ビームは、前記第１プリズムの第３の面（１２）を通って前記第１プリズムに入り、前記偏光ビームスプリッタ（３）に到達し、
   該偏光ビームスプリッタは、第１の偏光方向のビームを透過させ、第２の偏光方向の非ブームを反射し、
   前記偏光ビームスプリッタ（３）を透過したビームは、第２プリズムの第3面（２２）に送られ、
   該第３面（２２）は、当該ビームを第２プリズムの第２の出口面（２１）に向かって反射し、
   前記偏光ビームスプリッタによって反射されたビームは、第１プリズムの第３面（１２）に送られ、
   該第３面（１２）は、当該ビームを第１プリズムの第２の出口面（１１）に向かって反射する形式の照明装置において、
   前記の偏光ビームスプリッタ（３）は、第１および第２プリズム（１，２）の第１面（１０，２０）間に配置されたグリッド偏光器（３）を含んでいることを特徴とする
   照明装置。
2. 前記の光ビーム（Ｆ１）の開きは、当該ビームの平均的な方向の両側にて５°以上である、
   請求項１に記載の装置。
3. 前記の光ビーム（Ｆ１）の開きは、当該ビームの平均的な方向の両側にて１０°以下である、
   請求項２に記載の装置。
4. 該照明装置は、前記プリズムの第２出口面（２１または１１）の１つだけに関連付けられた偏光回転装置を含む、
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の照明装置。
5. 前記のグリッド偏光器は、第１プリズム（１）の第１面（１０）または第２プリズム（２）の第１面（２０）に形成されている、
   請求項１から４までのいずれか１項に記載の照明装置。
6. 前記のグリッド偏光器（３）および該グリッド偏光器が形成されている第1プリズム（１）または第２プリズム（２）の第1面と、当該面に対向して配置されている第２プリズム（２）または第１プリズム（１）の別の第１面との間にエアギャップが設けられている、
   請求項５に記載の照明装置。
7. 前記のプリズムの直角でない角は、第１面の反対側にて実質的に６０°に等しく、第２面の反対側にて実質的に３０°に等しく、
   前記の光ビーム（Ｆ１）の平均的な方向は、該光ビームが当該プリズムに入る際に第1プリズムの第３面に対して実質的に垂直である、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の照明装置。
8. 前記のプリズムの材料のインデックスは１．５以下である、
   請求項７に記載の照明装置。
9. 前記照明装置は、前記プリズムの第２面（１１，２１）に光結合された入口面（７０）を有する光インテグレータ装置（７）を含んでおり、
   該光インテグレータ装置は、前記のプリズムの第３面によって反射されたビームを受光して、出口面（７１）を通してビームを送出し、ここで当該のビームの照明は面にわたって実質的に均一である、
   請求項７または８に記載の照明装置。

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