JP2010530551A

JP2010530551A - 偏光源

Info

Publication number: JP2010530551A
Application number: JP2010511332A
Authority: JP
Inventors: カナデ，ウダヤン; ガナパティ，バラジ; クルカルニ，ガウラヴ; スリデャラン，カルティクク; アレカル，マナス; ジョシ，マノハル; ガヌ，サナト
Original assignee: アイ２アイシーコーポレイション
Priority date: 2007-06-05
Filing date: 2008-06-05
Publication date: 2010-09-09
Also published as: EP2158505A4; EP2158505A1; US20080309856A1; CN101715562A; KR20100033998A; WO2008151292A1

Abstract

エネルギー効率の優れた偏光源システムを公開する。1つの実施例では、本システムは反射体および反射偏光子を包含する。透明光源および波長位相差板は反射体および反射偏光子の間に位置する。

Description

本発明は、光学、材料工学および電子工学分野に関する。特に、本発明はエネルギー効率の優れた偏光源に関する。

ほぼ全ての光源からの光は不規則に偏光する。しかしながら、一部の応用では直線または環状偏光を必要とする。例えば、多くの光弁（すなわち液晶ディスプレイ）および光学プロセッサーは直線偏光が必要である。

先行技術システムでは不規則な偏光を偏光に変えるものがある。一部の先行技術システムは光源の前で偏光板を使用する。非偏光は偏光板を通り、偏光がそこから現れる。このようなシステムは、偏光板が1つの偏光成分の透過を許容し、他の偏光成分を吸収するために、非効率的であった。従って、光エネルギーの半分は偏光板で失われる。

他の先行技術システムでは偏光に偏光ビームスプリッターを使用している。偏光ビームスプリッターは必要な偏光成分の通過を許容するが、不要な偏光成分が屈折し、そのエネルギーがどこかへ失われてしまう。従って、このようなシステムも非効率的である。

一部の先行技術システムでは、ミラー、シート状光源、1/4波長位相差シートおよび反射偏光シートの成分を使用している。反射偏光子は1つの偏光成分の通過を許容するが、他の偏光成分を反射し返してしまう装置である。この他の偏光成分は1/4波長位相差板、光源、ミラーでリサイクルする。このようなシステムは非効率的である。非透明な光源は光が通過する際に偏光を破壊する。従って、高い光リサイクル効率は達成されていない。

エネルギー効率化偏光源システムを公開する。1つの実施例では、本システムは反射体および反射偏光子を包含する。透明な光源および波長位相差板は反射体および反射偏光子の間に位置する。

構成要素の組み合わせまたは実施のあらゆる詳細を含む、上記およびその他の好ましい特徴は、特に添付図面に関連して説明され、また請求項で提示される。本書で説明する特別な方法およびシステムは図を通じてのみ示され、限定するものではない。当該熟練技術者によって理解される通り、本書に記載される原則および特徴は、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、さまざまな多数回の実施例で採用される可能性がある。

現行仕様の一部となる添付図面は、現行の好ましい実施例を図解し、上記の概要および下記の好ましい実施例の詳細な説明で、本発明の原則を説明および教示するものである。

図IAは1つの実施例に従い、例示偏光源の横断ブロック図を描いたものである。

図IBは1つの実施例に従い、例示光線の偏光状態を表す例示偏光源の横断ブロック図を描いたものである。

図2Aは1つの実施例に従い、偏光源の例示装置の横断ブロック図を描いたものである。

図2Bは1つの実施例に従い、例示光線の偏光状態を表す例示偏光源の横断ブロック図を描いたものである。

図3Aは1つの実施例に従い、例示偏光源の横断ブロック図を描いたものである。

図3Bは1つの実施例に従い、例示光線の偏光状態を表す例示偏光源の横断ブロック図を描いたものである。

図4Aは1つの実施例に従い、例示偏光源の横断ブロック図を描いたものである。

図4Bは1つの実施例に従い、例示光線の偏光状態を表す例示偏光源の横断ブロック図を描いたものである。

図5Aは1つの実施例に従い、例示透明光源の横断ブロック図を描いたものである。

図5Bは1つの実施例に従い、横方向から見る例示透明光源のブロック図を描いたものである。

図6は1つの実施例に従い、例示光源のコアの例示素子ブロック図を描いたものである。

図7は1つの実施例に従い、光拡散体粒子のさまざまな集合を有する例示光源の図を描いたものである。

図8は1つの実施例に従い、2つの光源を有する例示光源を描いたものである。

図9は1つの実施例に従い、反射鏡コアを有する例示光源の図を描いたものである。

エネルギー効率化偏光源システムを公開する。1つの実施例では、本システムは反射体および反射偏光子を包含する。透明光源および波長位相差板は反射体および反射偏光子の間に位置する。

図IAは1つの実施例に従い、例示偏光源システム199の横断ブロック図を描いたものである。装置は、金属面を含む光反射体、分布型ブラグ反射体、ハイブリッド反射体、全内部反射体、全方位型反射体、分散型反射体のいずれかである可能性のあるミラー101を含む。1/4波長位相差板102はミラー101の前に設置される。透明光源103は1/4波長位相差板102の前に設置される。反射環状偏光板104は透明光源103の前に設置される。反射環状偏光板104は、一定の環状偏光が通過し、一定量を反射し返すように、光源103からの光を分割する。偏光源システム199は環状偏光を放射するエネルギー効率化光源である。

1/4波長反射体102は、1方位の偏光および他方位の偏光の間の光路差が光の波長の4分の1に相当する、複屈折装置である。1つの実施例に従い、1/4波長反射体102は完全な1/4波長反射体である必要はない。1つの実施例では、1/4波長反射体102は波長幅を超える1/4波長の光路差を有している（広帯域1/4波長反射体として知られている）。他の実施例では、波長のごく一部である光路差は異なる波長で変わってくる。他の実施例では、波長反射体102は波長の1/4に相当する光路差を有していないが、1/8、3/4などの波長の分数に相当する。

図IBは1つの実施例に従い、例示光線の偏光状態を表す例示偏光源199の横断ブロック図を描いたものである。光は透明光源103の両面より放たれることもある。透明光源103の表面より放たれる非偏光あるいは一部偏光112は、反射偏光板104へ入射する。特別掌性（すなわち、反時計回りおよび時計回りの偏光）の光112の環状偏光成分113は、反射偏光板104より現れる。逆嘗性の光112の環状偏光成分114は偏光板104によって反射返しされる。環状偏光成分114は透明光源103を通過する。光源103が透明となっている際、光114の偏光状態は保たれる。更に、光114は1/4波長反射体102へ入射する。環状偏光114は1/4波長反射体102を通過し、直線偏光する。直線偏光115はミラー101より反射される。光115のミラー反射は偏光状態を保つ。反射直線偏光116は1/4波長102を通過し、光114の嘗性に対し逆に環状偏光する。環状偏光117は透明光源103を通過し、反射偏光板104へ入射する。光源103が透明となっている際、光117の偏光状態は保たれる。光117は反射偏光板104によって透過される嘗性で環状偏光する。光117は反射偏光板104を通過する。従って、透明光源103の表面より抽出される光112は環状偏光し、反射偏光板104より発する。

透明光源103の裏面より発する非偏光あるいは一部偏光105は、1/4波長反射体102を通過し、ミラー101で反射され、再度1/4波長反射体102を通過し、非偏光あるいは一部偏光106を付与するよう、透明光源103を通じる。非偏光あるいは一部偏光106は、透明光源103の表面より放たれる光112と同様に反射偏光板104へ入射し、従って、光113と同じ嘗性の環状偏光111および環状偏光107に入るよう、光112と同様に透過する。従って、透明光源103の裏面より抽出される光105は環状偏光し、反射偏光板104より発する。透明光源103の両面より抽出される光は、環状偏光状態で光システム199より現れる。

波長反射体102が完全な1/4波長反射体ではない場合、反射偏光板104によって反射される一部の光は反射偏光板104による最初の偏光は起こらない。この場合では、偏光されなかった部分が、反射偏光板104により全ての光が偏光されるまで（全てではない場合）反射を続ける。従って、光は複数の跳ね返りの後、光源199より発する。

図2Aは1つの実施例に従い、例示偏光源システム299の横断ブロック図を描いたものである。光源システム299は、金属面を含む光反射体、分布型ブラグ反射体、ハイブリッド反射体、全内部反射体、全方位型反射体、分散型反射体のいずれかである可能性のあるミラー201を含む。透明光源202はミラー201の前に置かれる。1/4波長反射体203は透明光源202の前に設置される。反射環状偏光板204は1/4波長反射体203の前に設置される。反射環状偏光板204は1つの環状偏光を通過させるが、他の環状偏光を反射し返す。光源システム299は環状偏光を放つエネルギー効率化光源である。

代替実施例では、複数の波長反射体が使用される。波長反射体はミラー201と透明光源202の間、および透明光源202と反射偏光板204の間の両方に設置されることもある。

図2Bは1つの実施例に従い、例示光線の偏光状態を表す光源システム299の横断ブロック図を描いたものである。光は透明光源202の両面より発することがある。透明光源202の表面より放たれる非偏光あるいは一部偏光213は、非偏光あるいは一部偏光214より、またはそこへ向かい、1/4波長反射体203を通過する。非偏光あるいは一部偏光214は反射偏光板204へ入射する。特別嘗性の光214の環状偏光成分215は反射偏光板204を透過する。逆嘗性の光214の環状偏光成分216は反射偏光板204によって反射し返される。環状偏光成分216は1/4波長反射体を通過し、直線偏光となる。直線偏光217は透明光源202を通過し、ミラー201から反射される。光源202が透明である際、光217の偏光状態は保たれる。光217のミラー反射はその偏光を保つ。反射直線偏光218は透明光源202を通過する。光源202は透明なため、光218の偏光状態は保たれる。更に、光218は1/4波長反射体202を通過し、光216の嘗性に対し逆に環状偏光する。環状偏光219は反射偏光板204によって透過される嘗性を有している。環状偏光219は反射偏光204を通過する。従って、透明光源の表面より抽出される光213は環状偏光し、反射偏光板204より放たれる。

透明光源202の裏面より放たれる非偏光あるいは一部偏光205は、ミラー201によって反射され、非偏光あるいは一部偏光207を与えるため、透明光源202を通過する。非偏光あるいは一部偏光207は、透明光源202の表面より放たれる光213と同様に1/4波長反射体203へ入射し、従って、光215と同様の嘗性の環状偏光212および環状偏光208を与えるために、光213と同様に透過する。従って、透明光源202の裏面より抽出される光205は環状偏光し、反射偏光板204より放たれる。透明光源202の両面より抽出される光は光源システム299より環状偏光状態で現れる。

図3Aは1つの実施例に従い、偏光源システム399の横断ブロック図を描いたものである。光源システム399は、金属面を含む光反射体、分布型ブラグ反射体、ハイブリッド反射体、全内部反射体、全方位型反射体、分散型反射体のいずれかである可能性のあるミラー301を含む。1/4波長反射体302はミラー301の前に置かれる。透明光源303は1/4波長反射体302の前に設置される。反射直線偏光板304は透明光源303の前に設置される。反射直線偏光板304は1つの光の直線偏光成分を通過させるが、光の直線偏光成分を反射し返す。一つの実施例では、1/4波長反射板302の光軸が、直線偏光板によって跳ね返された光の偏光方向に合わせて45度の角度を作る。光源システム399は直線偏光を発するエネルギー効率化光源である。

図3Bは1つの実施例に従い、例示光線の偏光状態を表す光源システム399の横断ブロック図を描いたものである。光は透明光源303の両面より放たれることもある。透明光源303の表面より放たれる非偏光あるいは一部偏光312は、反射偏光板304へ入射する。光312の直線偏光成分313は、反射偏光板304より現れる特別偏光方向を有する。光313の偏光方向に対して垂直の偏光方向を有する光312の直線偏光成分314は、偏光板304より反射し返される。直線偏光成分314は透明光源303を通過する。光源303は透明なため、光314の偏光状態は保たれる。更に、直線偏光314は1/4波長反射板302を通過し、環状偏光する。環状偏光315はミラー301より反射される。光成分315に対して逆の嘗性を有する反射環状偏光316は1/4波長302を通過し、光314に対して垂直な方向へ直線偏光する。直線偏光317は透明光源103を通過し、反射偏光板304へ入射する。光源303は透明なため、光317の偏光状態は保たれる。光317は、反射偏光板304によって透過される方向へ直線偏光する。光317は反射偏光板304を通過する。従って、透明光源303の表面より抽出される光312は直線偏光し、反射偏光板304より放たれる。

透明光源303の裏面より放たれる非偏光あるいは一部偏光305は、1/4波長反射板302を通過し、ミラー301で反射され、1/4波長反射板302を再度通過し、非偏光あるいは一部偏光306を付与するために透明光源303を通る。非偏光あるいは一部偏光306は、透明光源303の表面より放たれる光312と同様に、反射偏光板304へ入射される。直線偏光307と直線偏光311は光313と同じ方向へ偏光する。従って、透明光源303の裏面より抽出される光305は直線偏光し、反射偏光板304より放たれる。透明光源303の両面より抽出される光は、直線偏光状態で光源399より現れる。

図4Aは1つの実施例に従い、例示偏光源499の横断ブロック図を描いたものである。装置は金属面を含む光反射体、分布型ブラグ反射体、ハイブリッド反射体、全内部反射体、全方位型反射体、分散型反射体のいずれかである可能性のあるミラー401を含む。透明光源402はミラー401の前に置かれる。1/4波長反射板403は透明光源402の前に設置される。反射直線偏光板404は、1/4波長反射板403の前に置かれる。反射直線偏光板404は光の直線偏光成分を通過させるが、光の垂直な直線偏光成分を反射し返す。光源システム499は直線偏光を放つエネルギー効率化光源である。

図4Bは1つの実施例に従い、例示光線の偏光状態を表す例示装置499の横断ブロック図を描いたものである。光は透明光源402の両面から放たれる。透明光源402の表面より放たれる非偏光あるいは一部偏光413は、非偏光あるいは一部偏光414より、またはその方向へ向かうために1/4波長反射板403を通過する。非偏光あるいは一部偏光414は反射偏光板404へ入射する。特別な偏光方向を有する光414の直線偏光成分415は、反射偏光板404を透過する。光成分415の偏光方向に対して垂直の偏光方向を有する光414の直線偏光成分416は、反射偏光板404によって跳ね返される。直線偏光成分416は1/4波長反射板403を通じて、環状偏光する。環状偏光417は透明光源402を通過し、ミラー401から反射する。光源402が透明である際、光417の偏光状態は保たれる。光417のミラー反射はその偏光状態を保つ。反射環状偏光418は透明光源402を通過する。光源402は透明であるため、光418の偏光状態は保たれる。更に、環状偏光418を反射する光は1/4波長反射板402を通過し、光成分416の偏光方向に対して垂直に直線偏光する。直線偏光419は反射偏光板404より透過される偏光方向を有する。直線偏光419は反射偏光板404を通過する。従って、透明光源の表面より抽出される光413は直線偏光子、反射偏光板404より放たれる。

透明光源402の裏面より放たれる非偏光あるいは一部偏光405はミラー401より反射し、非偏光あるいは一部偏光407を与えるために透明光源402を通過する。非偏光あるいは一部偏光407は1/4波長反射板403へ入射し、光415と同じ方向へ偏光する直線偏光412および直線偏光408を形成する。従って、透明光源402の裏面より抽出される光405は直線偏光し、反射偏光板404より放たれる。従って、透明光源402の両面より抽出される光は直線偏光状態で光源システム499より現れる。
透明光源

図5Aは1つの実施例に従い、例示透明光源599のブロック図を描いたものである。光源599は最初は透明で、503および505を被覆する低屈折で囲まれたコア504を有する導光体506を持つ。一つの実施例では被覆は空気か真空である。コア504は光分散粒子の僅かな分配となる光分散体を持つ。光分散体は、反射、屈折あるいは散乱で光を屈折する、金属、有機あるいは他の粉末や色素、あるいは透明粒子あるいは泡からなる。線上光源502は導光体両端の片方507より導光体を照らす。任意の反射体501は線線源502より導光体506へ光を集中させる。最初の光源502からの光は導光体506を通過し、導光体506全体へ分散され、導光体506を抜ける。導光体506は外側より覗くと最初は透明である。

図5Bは1つの実施例に従い、横方向から見る例示透明光源599のブロック図を描いたものである。光源599は最初は透明で、503および505を被覆する低屈折で囲まれたコア504を有する導光体506で構成される。コア504は光分散粒子の僅かな分配となる光分散器を持つ。線上光源502は導光体両端の片方507より導光体を照らす。光は導光体506を通過し、導光体506全体へ分散される。任意の反射体501は線線源502より導光体506へ光を集中させる。

図6は1つの実施例に従い、透明光源の例示素子699ブロック図を描いたものである。コア素子699は厚く、中心幅があるが、高さが非常に低い。光600は素子699の1つである。光600の一部は分散され、導光体を照明602とするが、残光604は次のコア素子へ進行する。進行する光600のパワーは分散光602のパワーの和に等しく、光は次のコア素子604へと続く。素子699に入る光 600に関する分散光602の、素子699の高さに対する分数比は、素子699の吸光係数量である。素子699の高さが低くなると、吸光係数量は定常に近い状態となる。素子699の吸光係数量は、素子699の光分散体集合に一定の関連性を有する。この関連性は、コア素子699光分散体集合からコア素子699の吸光係数量を、またその逆を割り出せる。

素子699の高さが低くなると、照明602のパワーは比例して落ちる。素子の高さが低くなると定常に近い状態となる照明602の素子699の高さに対するパワー比率は、素子699の線状照射である。素子699の線状照射は吸光係数量ｘ入光パワー（すなわち素子を通過する光のパワー）である。素子699を通過する光パワーの階調度は線状照射の負となる。これら二つの関連性は微分方程式を作りだす。この方程式は dP/dh = -qP = -K という式で表すことができ、ここではhは最初の光源に近い方のコアの端からコア素子への距離である。Pはその素子へ導かれる光パワー、qは素子の吸光係数、そしてKはその素子の線状照射である。

この方程式はそれぞれの素子の吸光係数に対する線状照射を測るものである。この方程式は同様に、線状照射に対するそれぞれの素子の吸光係数を測るものでもある。特定の線状照射を有する特定の光源を設計するには、光源のそれぞれの素子での吸光係数量を割り出すために上記の方程式が解かれなければならない。これより、コアのそれぞれのコア素子での光分散体集合が割り出される。このようなコアは導光体で必要な線状照射パターンの光源を付与するために使用される。

コアで光分散体の均一集合が使用される場合、線状照射は高さとともに急減する。均一線状照射は、光源に近い端部より反対側の端部へのパワー減少を最小限に抑えるために、光分散体集合を選んで推定することも可能となる。パワー減少を抑え、放出パワーの均一性を高めるために、反対側の端部がコアへ光を反射し返す。任意の実施例では、他の光源が反対側の端部へ光を投影している。

均一な照明にするためには、吸光係数量および光分散体集合がコアの長さと共に変化する必要がある。これは上記方法論を使えば可能である。必要な吸光係数量は q =
K/(A-hK) となり、そこではAは線状光源604に進行するパワーで、Kはそれぞれの素子の線状照射で、均一照明には定常数となる。線状光源の全高がHの場合、H x KはAに満たない。すなわち、総放出パワーは導光体へ進行する総パワーより少なくなるのである。導光体へ進行する完全なパワーが照明に使用される場合、H x K = Aである。例示光源では、吸光係数量が限定される限り、少量のパワーの消費で済むように、H x K は僅かにAに満たない状態が保たれる。

図7は1つの実施例に従い、さまざまな光拡散体粒子の集合体を有する例示光源799の図を描いたものである。光拡散体702の集合は、線状光源カラム704の光源端部から反対側の端部にわたってまばらなものから密集しているものなどさまざまである。

図8は1つの実施例に従い、2つの光源を有する例示光源899を描いたものである。2つの光源808および809を使用することで、コアでの光拡散体802の集合が大きく変化する必要がなくなる。光源808および809それぞれに基づく線状照射を導くために、当該微分方程式が個別で使われる。2つの線状照射の追加は、特定のコア素子での完全線状照射を付与する。

光源899の均一照明は吸光係数量q = 1/sqrt ((h-H/2)^2 + C/K^2) によって達成され、そこではsqrtは平方根関数であり、^ は累乗法、Kは光源毎の平均線状照射（数値的にはそれぞれの素子の完全線状照射の半分に等しい）、hはコア素子の高さ、Hは光源の高さ、そしてC = A (A-HK)である。

図9は1つの実施例に従い、反射鏡コアを有する例示光源999の図を描いたものである。反射鏡コア904を使用することで、コア904での光拡散体904の集合が大きく変化する必要がなくなる。コア910の上端は、コア904へ反射し返すために映し出される。光源999で均一照明を作りあげるための吸光係数量は：
q = 1/sqrt ((h-H)^2 + D/K^2) であり、そこでは D = 4 A (A-HK) である。

上記システムの全て（光源799、899、999など）には、光源パワーが変化しても同じ放出パターンが維持される。例えば、光源799の最初の光源が推定パワーの半分である場合、コアのそれぞれの素子は推定パワーの半分しか放出しない。厳密には、光源パワーの変化によって、全てのパワー推定量での均一光源のように均一光源が機能するよう設計された導光体コアである。2つの光源があれば、それらのパワーは効果を得るために並行して変化するのである。

偏光光源を公開する。本書に記載される実施例は説明の目的であり、この特許の課題を制限するものとはみなされない。本発明の要旨を逸脱しない範囲でのさまざまな修正、使用、代用、再構成、改善、制作法は当該熟練技術者には自明なものとなる。

Claims

反射体、反射偏光子、反射体および反射偏光子の間に位置する透明光源、また反射体および反射偏光子の間にある波長位相差板を備える装置。
反射偏光子が反射環状偏光板である請求項1の装置。
反射偏光子が反射直線偏光板である請求項1の装置。
波長位相差板が1/4波長位相差板である請求項1の装置。
波長位相差板が透明光源と反射体の間にある請求項1の装置。
波長位相差板が透明光源と反射偏光子の間にある請求項1の装置。
さらなる透明光源が光拡散粒子のさまざまな集合を含む請求項1の装置。
さらなる透明光源が1つあるいは複数の被覆材を含む請求項7の装置。
光源が方程式dP/dh = -qP = -Kに従って線状照射を付与し、そこではhはコア素子から最初の光源への距離、Pはコア素子へ導かれる光のパワー、qはコア素子の吸光係数量、またKは線状照射である請求項8の装置。
光源が吸光係数量qが1/sqrt ((h-H/2)^2 + C/K^2)に等しい均一照明を付与し、sqrtは平方根関数、^は累乗法、Hは光源の高さ、hはコア素子の高さ、またCはA(A-HK)に等しい請求項9の装置。