JP2012509507A - 高耐久性色合成器 - Google Patents

Abstract

光学素子、これらの光学素子を使用する色合成器、及びこれらの色合成器を使用する画像プロジェクタを説明する。この光学素子は、異なる波長スペクトル光を受光し、異なる波長スペクトル光を含む合成出力光を生成する色合成器として構成され得る。光学素子は、光学素子内の反射型偏光子を損傷し得る化学光の主要部分を反射する波長選択性ダイクロイックミラーを含む。波長選択性ダイクロイックミラーは、他の波長の光の主要部分を透過する。光学素子を使用する、得られた色合成器は、波長選択性ダイクロイックミラーを欠く色合成器と比較して、改善された耐久性を有することができる。色合成器を使用する画像プロジェクタは、反射型（デジタルマイクロミラーを含む）又は偏光（液晶を含む）撮像モジュールを含んでもよい。
【選択図】図３Ａ

Description

スクリーン上に画像を投影するために使用される投影システムは、種々の色を有する発光ダイオード（ＬＥＤ）などの多色光源を使用して、照射光を生成することができる。光を合成し、ＬＥＤから画像表示装置に移動させるために、いくつかの光学素子がＬＥＤと画像表示装置との間に配置される。画像表示装置は、様々な方法を使用して光に画像を与えることができる。例えば、画像表示装置は、透過型又は反射型液晶ディスプレイと同様に偏光を使用してもよい。

画像を画面上に投影するために使用される更に他の投影システムは、Ｔｅｘａｓ ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔのＤｉｇｉｔａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｐｒｏｃｅｓｓｏｒ（ＤＬＰ（登録商標））ディスプレイに使用されるアレイなどのデジタルマイクロミラーアレイから像様反射するように構成される、白色光を使用することができる。ＤＬＰ（登録商標）ディスプレイでは、デジタルマイクロミラーアレイ内の個々の鏡は、投影される画像の個々のピクセルを表す。入射光が投影される光学経路に方向付けられるように、対応する鏡が傾斜される際、ディスプレイのピクセルは、照明される。光学経路内に設置される回転カラーホイールは、反射される白色光が、フィルタ処理されて、ピクセルに対応する色を投影するように、デジタルマイクロミラーアレイからの光の反射に対して時間調節される。次いで、デジタルマイクロミラーアレイは、次の所望のピクセル色に切り替えられ、プロセスは、投影されるディスプレイ全体が、連続して照明されるように見えるほど高速で継続される。デジタルマイクロミラー投影システムは、より少ないピクセル化されたアレイコンポーネントを必要とし、これは、結果として、より小さな寸法の投影機をもたらすことができる。

ＬＥＤ照明は、投影照明のための一般的な方法になりつつある。ＬＥＤは、長耐用期間、高色域、高効率性、連続撮像装置用ストロボ機能を提供し、水銀を含有しない。しかしＬＥＤは、比較的低い輝度を有する。赤色、緑色、青色ＬＥＤからもたらされる白色源の有効輝度を少なくとも倍増させる１つの方法は色合成器を使用することであり、この色合成器はダイクロイックフィルタを使用して、光学的にＬＥＤの個々の色が相互に空間的に重なり合うように見えるようにする。この種の装置は、広く「色合成器」と呼ばれる。

色合成器は、典型的に、通過する光線に対して傾斜しているダイクロイックフィルタを使用する。３Ｍ Ｃｏｍｐａｎｙは、ダイクロイックフィルタがＬＥＤ出力の平均的光路に対して垂直の入射角度にあり、光が反射型偏光子と１／４波長板との組み合わせによって効率的に転向される色合成器を最近開発した。

画像輝度は、投影システムの重要なパラメータである。色光源の輝度、及び光を収集し、合成し、均質化し、また画像表示装置へと伝送する効率性は、全て輝度に影響を及ぼす。現代のプロジェクタシステムのサイズが小型化するに従い、色光源によって生成される熱を、小さなプロジェクタシステム内に消散可能である低レベルに保ちながら、同時に、適切な出力輝度レベルを維持する必要がある。より効率的に複数の色光を合成して、光源が電力を過度に消費することなく適切な輝度レベルの出力光を供給する光合成光学システムが必要とされている。光合成器内の波長感受性構成要素の劣化を最小化する方法で、異なる波長スペクトルの光を方向付ける光合成システムもまた必要とされている。

概して、本記述は、高耐久性光学素子、この光学素子を使用する色合成器、及びこの色合成器を使用する画像プロジェクタに関する。一態様では、光学素子は、第１の入力面を有し、第１の入力面に対して垂直な第１の色の光線を透過するように配置される第１の色選択性ダイクロイックフィルタと、第１の色の光線を約４５度の角度で横切るように配置される色選択性ダイクロイックミラーと、色選択性ダイクロイックミラーに近接し、第１の色選択性ダイクロイックフィルタに対向して配置される反射型偏光子と、を含む。色選択性ダイクロイックミラーは、第１の色の光線の主要部分を反射できる。一実施形態では、第１の色の光線は、反射型偏光子を劣化し得る波長の光を含む。別の実施形態では、光学素子は、第２の入力面を有し、第２の入力面に対して垂直な第２の色の光線を透過し、反射型偏光子を約４５度の角度で横切るように配置される第２の色選択性ダイクロイックフィルタを更に含み、色選択性ダイクロイックミラーは、第２の色の光線の主要部分を透過できる。更に別の実施形態では、光学素子は、第３の入力面を有し、第３の入力面に対して垂直な第３の色の光線を透過し、反射型偏光子を約４５度の角度で横切るように配置される第３の色選択性ダイクロイックフィルタを更に含み、色選択性ダイクロイックミラーは、第３の色の光線の主要部分を透過できる。

別の態様では、色合成器は光学素子を含む。光学素子は、第１の入力面を有し、第１の入力面に対して垂直な第１の色の光線を透過するように配置される第１の色選択性ダイクロイックフィルタと、第１の色の光線を約４５度の角度で横切るように配置される色選択性ダイクロイックミラーと、色選択性ダイクロイックミラーに近接し、第１の色選択性ダイクロイックフィルタに対向して配置される反射型偏光子と、を含み、色選択性ダイクロイックミラーは、第１の色の光線の主要部分を反射できる。一実施形態では、第１の色の光線は、反射型偏光子を劣化し得る波長の光を含む。別の実施形態では、光学素子は、第２の入力面を有し、第２の入力面に対して垂直な第２の色の光線を透過するように配置され、反射型偏光子を約４５度の角度で横切る、第２の色選択性ダイクロイックフィルタを更に含み、色選択性ダイクロイックミラーは、第２の色の光線の主要部分を透過できる。更に別の実施形態では、光学素子は、第３の入力面を有し、第３の入力面に対して垂直な第３の色の光線を透過し、反射型偏光子を約４５度の角度で横切るように配置される第３の色選択性ダイクロイックフィルタを更に含み、色選択性ダイクロイックミラーは、第３の色の光線の主要部分を透過できる。

更に別の態様では、投影システムは光学素子を含む。光学素子は、第１の入力面を有し、第１の入力面に対して垂直な第１の色の光線を透過するように配置される第１の色選択性ダイクロイックフィルタと、第１の色の光線を約４５度の角度で横切るように配置される色選択性ダイクロイックミラーと、色選択性ダイクロイックミラーに近接し、第１の色選択性ダイクロイックフィルタに対向して配置される反射型偏光子と、を含み、色選択性ダイクロイックミラーは、第１の色の光線の主要部分を反射できる。一実施形態では、第１の色の光線は、反射型偏光子を劣化し得る波長の光を含む。別の実施形態では、光学素子は、第２の入力面を有し、第２の入力面に対して垂直な第２の色の光線を透過するように配置され、反射型偏光子を約４５度の角度で横切る、第２の色選択性ダイクロイックフィルタを更に含み、色選択性ダイクロイックミラーは、第２の色の光線の主要部分を透過できる。更に別の実施形態では、光学素子は、第３の入力面を有し、第３の入力面に対して垂直な第３の色の光線を透過し、反射型偏光子を約４５度の角度で横切るように配置される第３の色選択性ダイクロイックフィルタを更に含み、色選択性ダイクロイックミラーは、第３の色の光線の主要部分を透過できる。

更に別の態様では、光学素子は、第１の入力面を有し、第１の入力面に対して垂直な第１の色の光線を透過するように配置される第１の色選択性ダイクロイックフィルタと、第１の色の光線を約４５度の角度で横切るように配置される反射型偏光子と、出力面に対して垂直な出力方向に第１の色の光線を透過するように配置される出力面と、第１の色の光線及び第２の色の光線の両方を約４５度の角度で横切るように配置される色選択性ダイクロイックミラーと、を含む。色選択性ダイクロイックミラーは、第２の色の光線の第１の主要部分を出力方向に反射でき、第１の光線の第２の主要部分を出力方向に透過できる。一実施形態では、光学素子は、第２の入力面を有し、第２の入力面に対して垂直な第３の色の光線を透過するように配置される第２の色選択性ダイクロイックフィルタを更に含み、第３の色の光線は、反射型偏光子及び色選択性ダイクロイックミラーの両方を約４５度の角度で横切ることができる。色選択性ダイクロイックミラーは、第３の光線の第３の主要部分を出力方向に透過できる。

本明細書を通して添付の図面を参照するが、ここで、同様の参照番号は同様の要素を示す。

光学要素の概略図。 ＰＢＳの斜視図。 ＰＢＳの斜視図。 光合成器の平面概略図。 光合成器の平面概略図。 光合成器の平面概略図。 光合成器の平面概略図。 研磨されたＰＢＳの平面図。 光スプリッタの平面概略図。 ２チャネルの色合成器。 ２チャネルの色合成器。 色合成器。 色合成器。 透過スペクトルのグラフ。 プロジェクタの概略図。

図面は、必ずしも一定の比率の縮尺ではない。図中で用いられる類似の数字は、類似の構成要素を示す。しかし、所与の図中の構成要素を意味する数字の使用は、同一数字が付けられた別の図中の構成要素を制約するものではないことが理解されよう。

本明細書に記載されている光学素子は、異なる波長スペクトル光を受光し、異なる波長スペクトル光を含む合成出力光を生成する高耐久性色合成器として構成され得る。一態様では、受光された入力光は偏光であり、合成出力光は偏光される。別の態様では、受光された入力光は非偏光であり、合成出力光は非偏光である。いくつかの実施形態では、合成光は、受光された光のそれぞれと同一のエテンデューを有する。合成光は、１つを超える波長スペクトル光を含む、合成された多色光であってよい。合成光は、受光された光のそれぞれの時系列出力であってよい。一態様では、異なる波長スペクトル光それぞれは、異なる色光（例えば、赤色、緑色、及び青色）に相当し、合成出力光は白色光又は時系列の赤色、緑色、及び青色の光である。本明細書に提供される説明のために、「色光」及び「波長スペクトル光」は、両方とも、人間の目に可視である場合に、特定の色と関連付けられ得る波長スペクトル範囲を有する光を意味することが意図される。より一般的な「波長スペクトル光」という用語は、可視光、及び例えば赤外光などの他の波長スペクトル光の両方を指す。

また、本明細書に提供される説明のために、「所望の偏光状態に位置合わせされる」という用語は、光学素子を通過する光の所望の偏光状態、すなわち、ｓ偏光、ｐ偏光、右円偏光、左円偏光など所望の偏光状態に光学素子の通過軸（pass axis）を位置合わせすることに関することを意図する。図を参照して本明細書で説明する一実施形態では、第１の偏光状態に対して位置合わせされた偏光子などの光学素子は、ｐ偏光状態の光を通過させ、第２の偏光状態（この場合はｓ偏光状態）の光を反射又は吸収する、偏光子の配向を意味する。偏光子は、必要に応じて、むしろｓ偏光状態の光を通過させ、ｐ偏光状態の光を反射又は吸収するように位置合わせされ得ることを理解されたい。

また、本明細書に提供される説明のために、「面する」という用語は、１つの要素が、要素の表面からの垂直線が同様にもう一方の要素に対して垂直である光学経路をたどるように配置されることを指す。別の要素に面する、ある要素は、互いに隣接して配置される要素を含み得る。別の要素に面する、ある要素には、ある要素に対して垂直な光線が、もう一方の要素に対しても垂直になるように、光学系によって分離される要素を更に含むことができる。

一態様によると、光学素子は、反射型偏光子の方向に第１の色光を透過するように配置される第１の色選択性ダイクロイックフィルタを含む。第１の色光は、第１の色選択性ダイクロイックフィルタを垂直に近い入射角度（すなわち、フィルタの表面に対して約９０度）で通過し、反射型偏光子を約４５度の角度で横切る。色選択性ダイクロイックミラーは反射型偏光子に近接して配置され、反射型偏光子を損傷し得る光（すなわち、よりエネルギーの高い青色光又は紫外線（ＵＶ）などの化学光）から反射型偏光子を保護する働きをする。色選択性ダイクロイックミラーは、反射型偏光子を横切る前に第１の色光（すなわち、潜在的に有害な光）を横切る。色選択性ダイクロイックミラーは、第１の色光の主要部分を反射し、反射型偏光子まで非主要部分を透過する。一態様では、色選択性ダイクロイックミラーによって反射される主要部分は、色選択性ダイクロイックミラーへの第１の色光の入射の５１％超、６０％超、７０％超、７５％超、８０％超、８５％超、又は更には９０％超であってよい。

垂直の入射角度で使用する色選択性ダイクロイックフィルタを有する色合成器の利点の１つは、これらの色合成器を低Ｆ値光学システムで使用できることである。不利な点の１つは、反射型偏光子が、低吸光係数、広角度受容範囲、及び化学光への強烈な曝露下での長耐用期間を必要とすることである。３Ｍ ＣｏｍｐａｎｙのＭＺＩＰ又はＡＰＦ多層光学フィルム（ＭＯＦ）反射型偏光子を使用する色合成器は、十分な角度かつ広帯域の光学性能を有するが、ＵＶ光、青色光、及び場合によっては緑色光などの化学光により光劣化し得る。色合成器に好適な用途は、反射型偏光子が化学光に長期間曝露されることを必要とする場合があるが、これは反射型偏光子を劣化し得る。本開示は、反射型偏光子の光安定性が改善された、耐久性のある色合成器について説明する。

反射型偏光子が光劣化するプロセスは、部分的に理解されている。理論に束縛されるものではないが、このプロセスは次の工程で発生すると考えられる。
１．化学光（ＵＶ、青色、及び一部の緑色波長）により、反射型偏光子におけるポリエステルの結合切断が発生する。
２．続いて、半結晶ポリエステルの非晶質領域で切断されたポリマー鎖が再配置されて、より大きい結晶を形成するか、又はポリエステル内で共役拡張して、ポリマーの吸光係数を向上させる。
３．より大きい結晶が光を散乱させる。
４．散乱光は増加した平均経路長を有し、結合切断率、吸収を増加させ、最終的に、より高い温度をもたらす。
５．低光度下では、偏光子の効率が低下する。高光度下では、反射型偏光子が熱により破滅的に機能しなくなる恐れがある。

偏光率を低下させるものなど他の劣化プロセスも発生すると考えられるが、これらのプロセスは、上記ほど顕著ではない場合がある。

２つ以上の非偏光の色光が光学素子に方向付けられると、それぞれは１つ以上の反射型偏光子による偏光に従って分かれ得る。以下の一実施形態によると、色光合成システムは、異なる色の非偏光光源から非偏光を受光し、非偏光であるか、所望の一状態に偏光されるかのいずれかである合成出力光を生成する。一態様では、２つ、３つ、４つ、又はそれ以上の受光された色光は、それぞれ光学素子内の反射型偏光子による偏光（例えば、ｓ偏光及びｐ偏光、又は右及び左円偏光）に従って分かれる。一偏光状態の受光された光は、所望の偏光状態になるように再利用される。

一態様によると、光学素子は、３つの色光のそれぞれからの光が反射型偏光子を約４５度の角度で横切るように配置される反射型偏光子を備える。反射型偏光子は、マクニール偏光子、ワイヤーグリッド偏光子、多層光学フィルム偏光子、又はコレステリック液晶偏光子のような円偏光子などの任意の既知の反射型偏光子であることができる。一実施形態によると、多層光学フィルム偏光子が、好ましい反射型偏光子であることができる。

多層光学フィルム偏光子は、異なる波長の範囲光と相互作用するのに役立つ、異なる層の「束（packet）」を含んでよい。例えば、一体型の多層光学フィルム偏光子は、フィルムの厚みを通じていくつかの層の束を含んでよく、それぞれの束は、ある偏光状態を反射し他の偏光状態を透過するように、異なる波長範囲（例えば、色）の光と相互作用する。一態様では、多層光学フィルムは、例えば青色光と相互作用するフィルムの第１の面に近接する第１の層の束（すなわち「青色層」）と、例えば緑色光と相互作用する第２の層の束（すなわち「緑色層」）と、例えば赤色光と相互作用するフィルムの第２の面に近接する第３の層の束（すなわち「赤色層」）とを有することができる。典型的には、「青色層」での層間の距離間隔は、より短い（及びより高エネルギーの）青い波長の光と相互作用するために、「赤色層」での層間の距離間隔より著しく小さい。

ポリマー多層光学フィルム偏光子は、上記のフィルム層の束を含むことができる、特に好ましい反射型偏光子であり得る。多くの場合、青色光などのより高エネルギーの波長の光は、フィルムの経時的安定性に悪影響を与える可能性があり、少なくともこの理由のために、反射型偏光子と青色光との相互作用回数を最小限に抑えることが好ましい。更に、フィルムと青色光との相互作用の特質は、悪影響である経時的劣化の程度に影響する。フィルムを通る青色光の透過は、一般に「青色層」（すなわち、薄層）側から入る青色光の反射よりフィルムにとって害が少ない。また、「青色層」側からフィルムに入る青色光の反射は、「赤色層」（すなわち、厚層）側から入る青色光の反射よりフィルムにとって害が少ない。反射型偏光子と化学光との相互作用回数を低減するため、並びに、例えば反射型偏光子の配置及び配向により相互作用の程度を低減するための方法について、説明されてきた。好適な方法は、例えば同時継続中の代理人整理番号第６４８２９ＵＳ００２号、名称「ＰＯＬＡＲＩＺＡＴＩＯＮ ＣＯＮＶＥＲＴＩＮＧ ＣＯＬＯＲ ＣＯＭＢＩＮＥＲ」（本件と同日に出願）に記載されている。

一態様では、本開示は、化学光の主要部分を反射型偏光子に絶対に到達させないことによって、色合成器など光学素子内の反射型偏光子の安定性を更に向上させることに関する。色選択性ダイクロイックミラーは、化学光の主要部分を反射し、一方で他の波長の光の主要部分を透過する。一態様では、色選択性ダイクロイックミラーは、反射型偏光子に近接して配置される。一実施形態では、色選択性ダイクロイックミラーは、反射型偏光子上に直接形成されてよい。別の実施形態では、色選択性ダイクロイックミラーは、むしろ対角プリズム面など光学素子上に形成されてよく、反射型偏光子に近接して配置される。更に別の実施形態では、色選択性ダイクロイックミラーは、反射型偏光子に近接して配置される別個のフィルム又はプレート要素であってよい。色選択性ダイクロイックミラーは、無機誘電体スタックの真空蒸着など任意の機知のプロセスで形成されてよい。本開示の一態様では、青色光の主要部分は、青色光が反射型偏光子と相互作用する前に色選択性ダイクロイックミラーによって反射されるので、反射型偏光子から青色層を除去してよい。

反射型偏光子及び色選択性ダイクロイックミラーは、本明細書において「保護反射型偏光子（protected reflective polarizer）（ＰＲＰ）」と呼ばれ、２つのプリズムの対角面間に配置され得る。ＰＲＰは、むしろ薄膜などの自立フィルムであってもよい。いくつかの実施形態では、光学素子の光利用効率は、ＰＲＰが、例えば偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）など２つのプリズム間に配置されると向上する。この実施形態では、ＰＢＳを通過する光のうち本来なら光路から失われることになる光の一部がプリズム面からの内部全反射（ＴＩＲ）を受けて光学経路と再結合する。少なくともこの理由のために、以下の説明はＰＲＰが２つのプリズムの対角面間に配置される光学素子を目的とするが、薄膜として使用されたときもＰＢＳは同じように機能できることを理解されたい。一態様では、ＰＢＳへの入光がＴＩＲを受けるように、ＰＢＳプリズムの全ての外面をよく研磨する。このようにすると、光はＰＢＳ内に収容され、この光は、部分的に均質化されながらエテンデューを維持する。

一態様によると、色選択性ダイクロイックフィルタなどの波長選択性フィルタは、異なる有色光源のそれぞれからの入力光の経路に配置される。色選択性ダイクロイックフィルタそれぞれは、入力光線がほぼ垂直な入射角でフィルタを横切って、ｓ偏光及びｐ偏光の分割を最小化し、また色偏移を最小化するように、配置される。各色選択性ダイクロイックフィルタは、近接する入力光源の波長スペクトルを有する光を透過し、他の入力光源の少なくとも１つの波長スペクトルを有する光を反射するように、選択される。いくつかの実施形態では、色選択性ダイクロイックフィルタそれぞれは、近接する入力光源の波長スペクトルを有する光を透過し、他の入力光源全ての波長スペクトルを有する光を反射するように、選択される。一態様では、色選択性ダイクロイックフィルタそれぞれは、各色選択性ダイクロイックフィルタの表面に対してほぼ垂直な入力光線が反射型偏光子を約４５度の交差角で横切るように、反射型偏光子に対して配置される。色選択性ダイクロイックフィルタの表面に対して垂直とは、線が色選択性ダイクロイックフィルタの表面に対して垂直に通ることを意味し、ほぼ垂直とは、垂直から約２０度未満、又は好ましくは垂直から約１０度未満変動することを意味する。一実施形態では、反射型偏光子との交差角は、約２５〜６５度、３５〜５５度、４０〜５０度、４３〜４７度、又は４４．５〜４５．５度の範囲である。

一実施形態では、位相差板は、色選択性ダイクロイックフィルタとＰＲＰとの間に配置される。色選択性ダイクロイックフィルタと位相差板と光源の配向との特定の組み合わせは全て協働して、色合成器として構成されたときに合成光を効率的に生成する、より小さく、よりコンパクトな光学素子を可能にする。一態様によると、位相差板は、偏光状態の反射型偏光子に対しておよそ４５度に位置合わせされた１／４波長位相差板である。一態様では、位置合わせは、偏光状態の反射型偏光子に対して３５〜５５度、４０〜５０度、４３〜４７度、又は４４．５〜４５．５度であってよい。

一態様では、第１の色光は非偏光の青色光を含み、第２の色光は非偏光の緑色光を含み、第３の色光は非偏光の赤色光を含み、色光合成器は、この赤色光と青色光と緑色光とを合成して、非偏光の白色光を生成する。一実施形態では、色光合成器は、赤色光と緑色光と青色光とを合成して、時系列化された非偏光の赤色、緑色及び青色光を生成する。一態様では、第一、第二及び第三の色光のそれぞれは、別個の光源に配置される。別の態様では、３つの色光のうちの１つを超えるものが、光源の１つに合成される。更に別の態様では、３つを超える色光が光学素子で合成されて、合成光が生成される。

光線としては、ＰＢＳに入るときに、コリメート可能な、収束可能な、又は発散可能な光線が挙げられる。ＰＢＳに入る収束光又は発散光は、ＰＢＳの面又は末端部のうちの１つによって損失される可能性がある。かかる損失を回避するために、プリズムに基づくＰＢＳの外面の全ては、ＰＢＳ内での内部全反射（ＴＩＲ）を可能にするために、研磨することができる。ＴＩＲを可能にすることによって、ＰＢＳに入る光の利用が改善され、その結果、角度範囲内のＰＢＳに入る光の実質的に全てが、所望の面を通ってＰＢＳを出るように方向付け直される。

各色光の偏光成分は、偏光回転反射体まで通過することができる。偏光回転反射体は、偏光回転反射体内に配置された位相差板のタイプ及び配向によって、光の伝搬方向を反対にし、偏光成分の大きさを変化させる。偏光回転反射体は、色選択性ダイクロイックフィルタ及び位相差板などの波長選択性鏡を含むことができる。１／８波長位相差板及び１／４波長位相差板などの位相差板は、任意の所望のレターデーションを提供することができる。本明細書に記載される実施形態では、１／４波長位相差板及び関連する色選択性ダイクロイック反射体を使用することの利点が存在する。直線偏光は、光偏光軸に対して４５度の角度に位置合わせされた１／４波長位相差板を通過する際、円偏光に変化される。続く色合成器内での反射型偏光子及び１／４波長位相差板／反射体からの反射は、結果として、色合成器からの有効な合成された出力光をもたらす。対照的に、直線偏光は、他の位相差板及び配向を通過する際、ｓ偏光とｐ偏光との間の途中の偏光状態（楕円形又は直線形のいずれか）に変化され、結果として、合成器のより低い効率をもたらす可能性がある。偏光回転反射体は、一般に色選択性ダイクロイックフィルタ及び位相差板を備える。近接する光源に対する位相差板及び色選択性ダイクロイックフィルタの位置は、偏光成分それぞれの所望の経路によって異なり、図を参照しながら他の個所で記載される。一態様では、反射型偏光子は、コレステリック液晶偏光子などの円偏光子であることができる。この態様によると、偏光回転反射体は、関連する任意の位相差板を伴わない色選択性ダイクロイックフィルタを備えることができる。

プリズム、反射型偏光子、１／４波長位相差板、鏡、フィルタ又は他の構成要素などの光学素子の構成要素は、好適な光学接着剤によって共に固着することができる。構成要素を共に固着するために使用される光学接着剤は、光学素子で使用されるプリズムの屈折率より低い屈折率を有する。完全に共に固着された光学素子は、組み立て中、取り扱い中、及び使用中に位置合わせ安定性などの利点を提供する。いくつかの実施形態では、２つの近接するプリズムは、光学接着剤を使用して共に固着されてよい。いくつかの実施形態では、一体型の光学構成要素は、他の個所で記載するように、例えば２つの近接する三角プリズムの光学系を組み込んだ１つの三角プリズムなどの、２つの近接するプリズムの光学系を組み込んでよい。

上述される実施形態は、図面及びそれらの以下の付随の説明を参照することによって、より容易に理解することができる。

図１Ａは、本開示の一態様による光学素子１０の概略図である。光学素子１０は、ＰＢＳ １００と、第１の色光源８０と、任意の光トンネル４０と、入力面５５を有する第１の色選択性ダイクロイックフィルタ５０と、１／４波長位相差板６０と、任意の波長選択性吸収体７０とを含む。ＰＢＳ １００は以下の図１Ｂを参照して更に説明され、第１のプリズム面１３０と、第２のプリズム面１４０と、これらの間の対角プリズム面２５とを有する第１のプリズム１１０を含む。ＰＢＳ １００は、第３のプリズム面１５０と、第４のプリズム面１６０と、これらの間の対角プリズム面３５とを有する第２のプリズム１２０を更に含む。ＰＢＳ １００は、２つの対角プリズム面２５と３５との間に配置される保護反射型偏光子（ＰＲＰ）１９０を更に含む。ＰＲＰ １９０は、色選択性ダイクロイックミラー２０と、反射型偏光子３０とを含む。光学素子１０における１／４波長位相差板６０に対するＰＲＰ １９０の相対的な位置合わせ及び配向については、図１Ｂ及び図２を参照して他の箇所で記載する。

第１の色光源８０は、他の個所で記載されるように、非保護反射型偏光子を損傷し得る化学光源である。第１の色光８２は、任意の光トンネル４０を通過し、図示されるように色選択性ダイクロイックフィルタ５０の入力面５５をほぼ垂直方向に横切る。第１の色光８２は、色選択性ダイクロイックフィルタ５０、１／４波長位相差板６０を通過し、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００に入り、色選択性ダイクロイックミラー２０を約４５度の角度で横切る。第１の色光源８０からの第１の色光８２の主要部分８４は、第１の色光８２が反射型偏光子３０を横切る前に、ＰＲＰ １９０内の色選択性ダイクロイックミラー２０から反射される。第１の色光８２の非主要部分８６は、ＰＲＰ １９０内の反射型偏光子３０の方向に向かって色選択性ダイクロイックミラー２０を通過する。図１Ａは、第１の色光８２の非主要部分８６が反射型偏光子３０を通過し（何らかの損傷を与え得る）、任意の波長選択性吸収体７０によって吸収されることを示す。いくつかの実施形態では、任意の波長選択性吸収体７０は、化学光の光学経路内の任意の場所に、例えば、色選択性ダイクロイックミラー２０と反射型偏光子３０との間、反射型偏光子３０と対角プリズム面３５との間、第３のプリズム面１５０に近接して、又は図１Ａに示されるように第３のプリズム面１５０から離れて配置されてよい。

別の態様によると、任意の光トンネル４０又はレンズのアセンブリ（図示せず）は、他の箇所で記載されるように、他の構成要素から光源を隔てる間隔を与え、加えていくらかの光のコリメーションをもたらし得る。光トンネルは、直線側面若しくは湾曲側面を有してよく、又はレンズシステムで置換することができる。各用途の具体的詳細により、異なる手法が好ましい場合があり、当業者は、特定の用途に最適な手法を選択することにおいて、困難に直面することはないであろう。

図１Ｂは、ＰＢＳの斜視図である。ＰＢＳ １００は、プリズム１１０及び１２０の対角面間に配置された保護反射型偏光子（ＰＲＰ）１９０を含む。ＰＲＰ １９０は、図１Ａを参照して説明されるように、色選択性ダイクロイックミラー２０と、反射型偏光子３０とを含む。プリズム１１０は、２つの端面１７５、１８５と、間に９０度の角度を有する第１及び第２のプリズム面１３０、１４０とを含む。プリズム１２０は、２つの端面１７０、１８０と、間に９０度の角度を有する第３及び第４のプリズム面１５０、１６０とを含む。第１のプリズム面１３０は、第３のプリズム面１５０に対して平行であり、第２のプリズム面１４０は、第４のプリズム面１６０に対して平行である。「第１」、「第２」、「第３」及び「第４」で図１Ｂに示される４つのプリズム面の識別番号は、続くＰＢＳ １００の説明を明確化するためだけに用いられる。ＰＲＢ １９０は、デカルト反射型偏光子又は非デカルト反射型偏光子を含み得る。非デカルト反射型偏光子には、マクニール偏光子など、無機誘電体の逐次堆積によって生成されるものなどの多層無機フィルムを挙げることができる。デカルト反射型偏光子は、偏光軸状態を有し、これには、ワイヤーグリッド偏光子、及び多層ポリマー積層体を押出成形し、続いて延伸することによって形成することができるものなどのポリマー多層光学フィルムの両方が挙げられる。一実施形態では、ＰＲＰ １９０は、１つの偏光軸が、第１の偏光状態１９５に対して平行であり、第２の偏光状態１９６に対して垂直になるように位置合わせされる。一実施形態では、第１の偏光状態１９５は、ｓ偏光状態であってよく、第２の偏光状態１９６は、ｐ偏光状態であってよい。別の実施形態では、第１の偏光状態１９５は、ｐ偏光状態であってよく、第２の偏光状態１９６は、ｓ偏光状態であってよい。図１Ｂに示されるように、第１の偏光状態１９５は、端面１７０、１７５、１８０、１８５のそれぞれに対して垂直である。

デカルト反射型偏光子フィルムは、完全にコリメートされていない、中心光ビーム軸から発散又は歪曲している入力光線を高効率で通過させる能力を有する、偏光ビームスプリッタを提供する。デカルト反射型偏光子フィルムは、誘電体又はポリマー材料の多層を含むポリマー多層光学フィルムを含むことができる。誘電体フィルムを使用することによって、光の減衰が低く、光を通過させる効率が高いという利点を有することができる。多層光学フィルムは、米国特許第５，９６２，１１４号（Ｊｏｎｚａら）又は同第６，７２１，０９６号（Ｂｒｕｚｚｏｎｅら）に記載されるものなどのポリマー多層光学フィルムを含むことができる。

図２は、いくつかの実施形態で使用される、ＰＢＳに対する１／４波長位相差板の位置合わせの斜視図である。１／４波長位相差板は、入射光の偏光状態を変化させるために使用することができる。ＰＢＳ位相差板システム２００は、第１のプリズム１１０及び第２のプリズム１２０を有する、ＰＢＳ １００を含む。１／４波長位相差板２２０は、第１のプリズム面１３０及び第２のプリズム面１４０に近接して配置される。ＰＲＰ １９０は、第１の偏光状態１９５に対して位置合わせされたデカルト反射型偏光子フィルムを含む。１／４位相差板２２０は、第１の偏光状態１９５に対して４５度に位置合わせされ得る１／４波長偏光状態２９５を含む。図２は、第１の偏光状態１９５に対して時計方向に４５°に位置合わせされた偏光状態２９５を示すが、偏光状態２９５は、むしろ第１の偏光状態１９５に対して反時計方向に４５°に位置合わせされてよい。いくつかの実施形態では、１／４波長偏光状態２９５は、第１の偏光状態１９５に対して、任意の度数の配向、例えば、反時計方向に９０度から時計方向に９０度に位置合わせされることができる。記載されるように位相差板を約＋／−４５度で配向することが有利である可能性があるが、それは、直線偏光が、偏光状態に対してそのように位置合わせされた１／４波長位相差板を通過する際に、円偏光がもたらされるためである。１／４波長位相差板の他の配向は、鏡からの反射を受けて、ｐ−偏光に完全に変換されていないｓ−偏光、及びｓ−偏光に完全に変換されていないｐ−偏光をもたらす可能性があり、結果として、本明細書の他の個所に記載される光学素子の効率が低減する。

図３Ａは、光合成器の平面図である。図３Ａでは、光合成器３００は、プリズム１１０及び１２０の対角面間に配置される、ＰＲＰ １９０を有するＰＢＳ １００を含む。プリズム１１０は、間に９０°の角度を有する第１及び第２のプリズム面１３０、１４０を含む。プリズム１２０は、間に９０°の角度を有する第３及び第４のプリズム面１５０、１６０を含む。ＰＲＰ １９０は、第１の偏光状態１９５に対して位置合わせされた（この図では、ページに対して垂直に）、デカルト反射型偏光子を含んでよい。ＰＲＢ １９０は、むしろ非デカルト偏光子を含んでもよい。ＰＲＰ １９０は、反射型偏光子（図示せず）に近接して配置される色選択性ダイクロイックミラー（図１Ａの素子２０）を更に含む。図３Ａ〜３Ｄでは、色選択性ダイクロイックミラーは、図３Ｂを参照して説明されるように、化学光が反射型偏光子を横切る前に化学光を反射するように配置される。光合成器３００は、ＰＲＰ １９０の構成要素を通過するいかなる化学光をも吸収するように配置される、任意の波長選択性吸収体７０を更に含む。

任意の波長選択性吸収体７０は、化学光が通過する必要のないプリズム面のいずれか、例えば図３Ａ〜３Ｄの第１のプリズム面１３０、第２のプリズム面１４０、又は第１及び第２のプリズム面１３０、１４０の両方に近接して配置されてよい。ただし、任意の波長選択性吸収体７０は、色選択性ダイクロイックミラー２０によって透過される化学光の光学経路内の任意の場所に配置してよいことを理解されたい。一実施形態では、青色波長選択性吸収体は、ＰＲＰ １９０の色選択性ダイクロイックミラー２０と反射型偏光子３０との間に配置されてよい。

光合成器３００は、第１、第２、及び第３のプリズム面１３０、１４０、及び１５０に面して配置される１／４波長位相差板２２０を含む。１／４波長位相差板２２０は、第１の偏光状態１９５に対して４５°の角度に位置合わせされる。光学的に透過性の物質３４０は、各１／４波長位相差板２２０とそれらのそれぞれのプリズム面との間に配置される。光学的に透過性の物質３４０は、プリズム１１０、１２０の屈折率以下の屈折率を有するいずれの物質であってもよい。一実施形態では、光学的に透過性の物質３４０は、空気である。別の実施形態では、光学的に透過性の物質３４０は、１／４波長位相差板２２０を、それらのそれぞれのプリズム面に固着させる、光学接着剤である。

光合成器３００は、示されるように、１／４波長位相差板２２０に面して配置される、第１、第２、及び第３の反射器３１０、３２０、３３０を含む。反射体３１０、３２０、３３０のそれぞれは、図３Ａに示されるように、近接する１／４波長位相差板２２０から分離されてよい。更に、反射器３１０、３２０、３３０のそれぞれは、隣接する１／４波長位相差板２２０と直接接触させることができる。あるいは、反射器３１０、３２０、３３０のそれぞれを、光学接着剤を用いて、隣接する１／４波長位相差板２２０に接着することができる。光学接着剤は、硬化性接着剤であってよい。また、光学接着剤は、感圧性接着剤であってもよい。

光合成器３００は、２色合成器であってよい。この実施形態では、反射体３１０は、第１の色選択性ダイクロイックフィルタであり、反射体３２０、３３０のうちの１つは、第２の色選択性ダイクロイックフィルタであり、第１及び第２の色光をそれぞれ透過し、他の色の光を反射するように選択される。第３の反射体は、鏡である。鏡とは、実質的に全ての色の光を反射するように選択される鏡面反射鏡を意味する。第１及び第２の色光は、スペクトル範囲内で最小の重なりを有することができるが、所望により、相当量の重なりが存在してもよい。

図３Ａに示される一実施形態では、光合成器３００は、３色合成器である。この実施形態では、反射体３１０、３２０、３３０は、それぞれ第１、第２、及び第３の色光を透過し他の色の光を反射するように選択される、第１、第２、及び第３の色選択性ダイクロイックフィルタである。一態様では、第１、第２、及び第３の色光は、スペクトル範囲内で最小の重なりを有するが、所望により、相当量の重なりが存在してもよい。この実施形態の光合成器３００を使用する方法は、第１の色光３５０を、第１の色選択性ダイクロイックフィルタ３１０に方向付ける工程と、第２の色光３６０を、第２の色選択性ダイクロイックフィルタ３２０に方向付ける工程と、第３の色光３７０を、第３の色選択性ダイクロイックフィルタ３３０に方向付ける工程と、ＰＢＳ １００の第４の面から、合成光３８０を受光する工程と、を含む。第１、第２、及び第３の色光３５０、３６０、３７０のそれぞれの経路を、図３Ｂ〜図３Ｄを参照して、更に説明する。

一実施形態では、第１、第２、及び第３の色光３５０、３６０、３７０のそれぞれは、非偏光の光であってよく、合成光３８０は、非偏光である。更なる実施形態では、第１、第２、及び第３の色光３５０、３６０、３７０のそれぞれは、それぞれ非偏光の青色、緑色、及び赤色の光であってよく、合成光３８０は、非偏光の白色光であってよい。第１、第２、及び第３の色光３５０、３６０、３７０のそれぞれは、発光ダイオード（ＬＥＤ）源からの光を含むことができる。様々な光源、例えば、レーザー、半導体レーザー、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、並びに適切な集光器又は反射体を備えた超高圧（ＵＨＰ）ハロゲンランプ又はキセノンランプなどの非固体光源を使用することができる。ＬＥＤ光源は、操作の経済性、長耐用期間、ロバスト性、効率的な光生成、及び改善されたスペクトル出力などの、他の光源を超える利点を有することができる。図３Ａ〜３Ｄには示されていないが、色合成器３００は、他の箇所で記載されるように、任意の光トンネル４０を含んでよい。

次に、図３Ｂを参照して、第１の色光３５０が非偏光である実施形態について、光合成器３００を通る第１の色光３５０の光学経路を説明する。この実施形態では、第１の色光３５０は、非保護反射型偏光子を損傷し得る化学光である。第１の色光３５０の主要部分３５１は、ＰＲＰ １９０から反射される。第１の色光３５０の非主要部分３５２は、ＰＲＰ １９０を通過し、任意の波長選択性吸収体７０によって吸収される。

第１の色光３５０は、第１の色選択性ダイクロイックフィルタ３１０、１／４波長位相差板２２０を通って方向付けられ、第３のプリズム面１５０を通ってＰＢＳ １００に入る。第１の色光３５０は、ＰＲＰ １９０を横切り、ＰＲＰ １９０から反射する主要部分３５１と、ＰＲＰ １９０を透過する非主要部分３５２とに分かれる。主要部分３５１は、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出る。

非主要部分３５２は、ＰＲＰ １９０を通過し、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００を出て、任意の波長選択性吸収体７０によって吸収される。

次に、図３Ｃを参照して、第２の色光３６０が非偏光である実施形態について、光合成器３００を通る第２の色光３６０の光学経路を説明する。この実施形態では、ｓ偏光の第２の色光３６５及びｐ偏光の第２の色光３６２を含む非偏光の光は、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出る。

第２の色光３６０は、第２の色選択性ダイクロイックフィルタ３２０、１／４波長位相差板２２０を通って方向付けられ、第２のプリズム面１４０を通ってＰＢＳ １００に入る。第２の色光３６０は、ＰＲＰ １９０を横切り、ｐ偏光の第２の色光３６２とｓ偏光の第２の色光３６１とに分かれる。ｐ偏光の第２の色光３６２は、ＰＲＰ １９０を通過し、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出る。

ｓ偏光の第２の色光３６１は、ＰＲＰ １９０から反射され、ＰＢＳ １００の第１のプリズム面１３０を出て、任意の波長選択性吸収体７０を通過し、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光３９０に変化する。円偏光３９０は、第３の色選択性ダイクロイックフィルタ３３０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過し、任意の波長選択性吸収体７０を通過し、第１のプリズム面１３０を通ってｐ偏光の第２の色光３６３としてＰＢＳ １００に入る。光線３６３は、ＰＲＰ １９０を通過し、第３のプリズム面１５０を通ってＰＢＳ １００を出て、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光３９０に変化する。円偏光３９０は、第１の色選択性ダイクロイックフィルタ３１０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過し、第３のプリズム面１５０を通ってｓ偏光の第２の色光３６５としてＰＢＳ １００に入る。ｓ偏光の第２の色光３６５は、ＰＲＰ １９０から反射し、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出る。

次に、図３Ｄを参照して、第３の色光３７０が非偏光である実施形態について、光合成器３００を通る第３の色光３７０の光学経路を説明する。この実施形態では、ｓ偏光の第３の色光３７４及びｐ偏光の第３の色光３７３を含む非偏光の光は、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出る。

第３の色光３７０は、第３の色選択性ダイクロイックフィルタ３３０、１／４波長位相差板２２０、任意の波長選択性吸収体７０を通って方向付けられ、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００に入る。第３の色光３７０は、ＰＲＰ １９０を横切り、ｐ偏光の第３の色光３７２とｓ偏光の第３の色光３７１とに分かれる。ｐ偏光の第３の色光３７２は、ＰＲＰ １９０を通過し、第３のプリズム面１５０を出て、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光３９０に変化する。円偏光３９０は、第１の色選択性ダイクロイックフィルタ３１０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過し、第３のプリズム面１５０を通ってｓ偏光の第３の色光３７４としてＰＢＳ １００に入る。ｓ偏光の第３の色光３７４は、ＰＲＰ １９０から反射し、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出る。

ｓ偏光の第３の色光３７１は、ＰＲＰ １９０から反射し、第２のプリズム面１４０を通ってＰＢＳ １００を出て、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光３９０に変化する。円偏光３９０は、第２の色選択性ダイクロイックフィルタ３２０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過し、第２のプリズム面１４０を通ってｐ偏光の第３の色光３７３としてＰＢＳ １００に入る。ｐ偏光の第３の色光３７３は、ＰＲＰ １９０を通過し、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出る。

図４は、研磨されたＰＢＳ ４００の平面図を示す。一実施形態によると、プリズム１１０及び１２０の、第１、第２、第３及び第４のプリズム面１３０、１４０、１５０、１６０は、研磨された外表面である。別の実施形態によると、ＰＢＳ １００の外面の全て（図示されない端面を含む）は、研磨された面であり、これは、ＰＢＳ １００内での斜光線のＴＩＲを提供する。研磨された外表面は、プリズム１１０及び１２０の屈折率「ｎ_２」未満の屈折率「ｎ_１」を有する物質と接触している。ＴＩＲは、特に、研磨されたＰＢＳ ４００に方向付けられる光が、中心軸に沿ってコリメートされていない、すなわち、入射光が、収束光又は発散光のいずれかである場合、研磨されたＰＢＳ ４００における光利用を改善する。少なくともいくつかの光は、第３のプリズム面１５０を通って離れるまで、内部全反射によって研磨されたＰＢＳ ４００内に閉じ込められる。場合によっては、実質的に全ての光が、第３のプリズム面１５０を通って離れるまで、内部全反射によって研磨されたＰＢＳ ４００内に閉じ込められる。

図４に示されるように、光線Ｌ_０は、角度範囲θ_１内で第１のプリズム面１３０に入る。研磨されたＰＢＳ ４００内の光線Ｌ_１は、プリズム面１４０、１６０及び端面（図示せず）でＴＩＲ条件が満たされるように、角度範囲θ_２で伝搬する。光線「ＡＢ」、「ＡＣ」、及び「ＡＤ」は、第３のプリズム面１５０を通って出る前に異なる入射角でＰＲＰ １９０を横断する、研磨されたＰＢＳ ４００を通る光の多くの経路のうちの３つを表す。また、光線「ＡＢ」及び「ＡＤ」は両方とも、出る前に、それぞれプリズム面１６０及び１４０でＴＩＲを受ける。研磨されたＰＢＳ ４００の端面でも反射を生じさせることができるように、角度θ_１及びθ_２の範囲は、円錐角であってもよいことを理解されたい。一実施形態では、ＰＲＰ １９０は、広範囲の入射角にわたり、異なる偏光の光を効率的に分割するように選択される。ポリマー多層光学フィルムは、広範囲の入射角にわたり、光を分割するために、特によく適している。マクニール偏光子及びワイヤーグリッド偏光子を含む他の反射型偏光子を使用することができるが、偏光の分割にそれ程効率的ではない。マクニール偏光子は、典型的には偏光選択表面に対して４５度であるか又はＰＢＳの入力面に垂直である設計角と実質的に異なる入射角では光を効率的に透過しない。マクニール偏光子を使用する効率的な偏光分割は、垂直よりも約６又は７度低い入射角に制限することができるが、それはｐ−偏光状態の有意な反射がいくらか大きい角度で生じ得、ｓ−偏光の有意な透過もいくらか大きい角度で生じ得るからである。両方の効果は、マクニール偏光子の分割効率を低減し得る。ワイヤーグリッド偏光子を使用して偏光を効率的に分割するには、典型的に、ワイヤの一方の側に隣接する空隙が必要であり、ワイヤーグリッド偏光子が、より高い屈折率の媒体に埋没される際、効率が低下する。偏光の分割に使用されるワイヤーグリッド偏光子は、例えば、国際公開第２００８／１００２５４１号に示されている。

図５は、本発明の一態様による光スプリッタ５００の平面概略図である。光スプリッタ５００は、図３Ａ〜図３Ｄに示される光合成器と同一の構成要素を使用するが、逆に機能する。すなわち、合成光５８０は、第４のプリズム面１６０に方向付けられ、それぞれ第１、第２、及び第３の色を有する、第１、第２、及び第３の受光される光５５０、５６０、５７０に分割される。図５では、光スプリッタ５００は、プリズム１１０、１２０の対角面間に配置されるＰＲＰ １９０を有するＰＢＳ １００を含む。プリズム１１０は、間に９０°の角度を有する第１及び第２のプリズム面１３０、１４０を含む。プリズム１２０は、間に９０°の角度を有する第３及び第４のプリズム面１５０、１６０を含む。ＰＲＰ １９０は、第１の偏光状態１９５に対して位置合わせされる（この図では、ページに対して垂直に）、デカルト反射型偏光子又は非デカルト偏光子であってもよいが、デカルト反射型偏光子が好ましい。ＰＲＰ １９０は、反射型偏光子（図示せず）に近接して配置される色選択性ダイクロイックミラー（図１Ａの素子２０）を更に含む。図５では、色選択性ダイクロイックミラーは、図３Ｂを参照して説明されるように、化学光が反射型偏光子を横切る前に化学光を反射するように配置される。光合成器３００は、ＰＲＰ １９０を通過するいかなる化学光をも吸収するように配置される任意の波長選択性吸収体７０、図５の第１のプリズム面１３０、第２のプリズム面１４０、又は第１及び第２のプリズム面１３０、１４０の両方を更に含む。一般に、任意の波長選択性吸収体７０は、色選択性ダイクロイックミラー２０によって透過される化学光の光学経路内の任意の場所に配置してよい。一実施形態では、青色波長選択性吸収体は、色選択性ダイクロイックミラーと反射型偏光子との間に配置されてよい。別の実施形態では、青色波長選択性吸収体７０は、第２のプリズム面１４０に近接して配置されてよい。

光スプリッタ５００は、第１、第２、及び第３のプリズム面１３０、１４０、及び１５０に面して配置される、１／４波長位相差板２２０も含む。１／４波長位相差板２２０は、他の箇所で記載されるように、第１の偏光状態１９５に対して４５°の角度に位置合わせされる。光学的に透過性の物質３４０は、１／４波長位相差板２２０のそれぞれとそれらのそれぞれのプリズム面との間に配置される。光学的に透過性の物質３４０は、プリズム１１０、１２０の屈折率より低い屈折率を有するいずれの物質であってもよい。一態様では、光学的に透過性の物質３４０は、空気であってよい。一態様では、光学的に透過性の物質３４０は、１／４波長位相差板２２０を、それらのそれぞれのプリズム面に固着させる、光学接着剤であってよい。

光スプリッタ５００は、示されるように、１／４波長位相差板２２０に面して配置され、第１、第２、及び第３の反射器３１０、３２０、３３０を含む。一態様では、反射体３１０、３２０、３３０は、図３Ａに示されるように、近接する１／４波長位相差板２２０から分離することができる。一態様では、反射器３１０、３２０、３３０は、隣接する１／４波長位相差板２２０と直接接触させることができる。一態様では、反射器３１０、３２０、３３０は、光学接着剤を用いて、隣接する１／４波長位相差板２２０に接着することができる。

一実施形態では、光スプリッタ５００は、２色スプリッタである。この実施形態では、反射体３１０は、第１の色選択性ダイクロイックフィルタであり、反射体３２０、３３０のうちの１つは、第２の色選択性ダイクロイックフィルタであり、第１及び第２の色光をそれぞれ透過し、他の色の光を反射するように選択される。第３の反射体は、鏡である。鏡とは、実質的に全ての色の光を反射するように選択される鏡面反射鏡を意味する。一態様では、第１及び第２の色光は、スペクトル範囲内で最小の重なりを有するが、所望により、相当量の重なりが存在してもよい。

一実施形態では、光スプリッタ５００は、３色スプリッタである。この実施形態では、反射体３１０、３２０、３３０は、それぞれ、第１、第２、及び第３の色光を透過し、他の色の光を反射するように選択される、第１、第２、及び第３の色選択性ダイクロイックフィルタである。一態様では、第１、第２、及び第３の色光は、スペクトル範囲内で最小の重なりを有するが、所望により、相当量の重なりが存在してもよい。この実施形態の光スプリッタ５００を使用する方法は、合成光５８０をＰＢＳ １００の第４のプリズム面１６０に方向付ける工程と、色選択性ダイクロイックフィルタ３１０から、第１の色光５５０を受光する工程と、第２の色選択性ダイクロイックフィルタ３２０から、第２の色光５６０を受光する工程と、第３の色選択性ダイクロイックフィルタ３３０から、第３の色光５７０を受光する工程と、を含む。合成光、第１、第２、及び第３の受光された光５８０、５５０、５６０、５７０のそれぞれの光学経路は、図３Ｂ〜図３Ｄの説明のとおりであるが、光線の全ての方向は反転される。

一実施形態では、合成光５８０は、非偏光の光であってよく、第１、第２、及び第３の色光５５０、５６０、５７０のそれぞれは、非偏光の光である。一実施形態では、合成光５８０は非偏光の白色光であってよく、第１、第２、及び第３の色光５５０、５６０、５７０のそれぞれは、それぞれ非偏光の青色、緑色、及び赤色の光である。一態様によると、合成光５８０は、発光ダイオード（ＬＥＤ）源からの光を含む。様々な光源、例えば、レーザー、半導体レーザー、有機ＬＥＤ（ＯＬＥＤ）、並びに適切な集光器及び反射体を備えた超高圧（ＵＨＰ）、ハロゲンランプ又はキセノンランプなどの非固体状態の光源を使用することができる。ＬＥＤ光源は、操作の経済性、長耐用期間、ロバスト性、効率的な光生成、及び改善されたスペクトル出力などの、他の光源を超える利点を有することができる。

本開示の一態様によると、図６Ａ〜６Ｂは、２チャネルの色合成器６００を示し、第１の色光源６５０及び第２の色光源６６０は、ＰＢＳ １００の同じプリズム面（すなわち、第３のプリズム面１５０）に光を入射させるように配置される。以下の一実施形態によると、第１の色光源６５０は、非偏光の青色光源６５０であってよく、第２の色光源６６０は、非偏光の赤色光源６６０であってよい。青色光源６５０からの青色光６５１及び赤色光源６６０からの赤色光は、色合成器６００の構成要素の数を減少させるために合成されることができる。青色光及び赤色光６５１、６６１は、例えばインテグレートロッド（図示せず）を使用して、共に混合されてよい。一態様によると、任意の光トンネル４０又はレンズのアセンブリ（図示せず）は、他の箇所で記載されるように、青色、赤色、及び緑色光源６５０、６６０、６７０のために提供されて、ＰＢＳ １００から光源を隔てる間隔を与え、加えていくらかの光のコリメーションをもたらし得る。

２チャネルの色合成器６００は、緑色光反射型ダイクロイックフィルタ６１０と、赤色光反射型ダイクロイックフィルタ６２０と、広帯域鏡６３０とを含む。２チャネルの色合成器６００は、他の箇所で記載されるように、任意の青色光選択性吸収体（図示せず）を更に含む。一実施形態では、広帯域鏡６３０に入射するいかなる青色光も、反射される（図６Ａに示され、詳細は以下に更に記載される）のではなく、吸収されるように、青色光選択性吸収体が広帯域鏡６３０内に含まれてよい。別の実施形態では、青色光選択性吸収体は、他の箇所で記載されるように、青色光反射型ダイクロイックミラー２０によって透過される青色光の光学経路内の任意の場所に配置されてよい。

次に、図６Ａを参照して、青色光６５１及び赤色光６６１が非偏光である実施形態について、光合成器６００を通る青色光源６５０からの青色光６５１及び赤色光源６６０からの赤色光６６１の光学経路を説明する。この実施形態では、青色光６５１は、非保護反射型偏光子を損傷し得る化学光である。青色光６５１の主要部分６５２は、ＰＲＰ １９０から反射される。青色光６５１の非主要部分６５３は、ＰＲＰ １９０内の色選択性ダイクロイックミラー２０を通過し、任意の青色光選択性吸収体（図示せず）によって吸収される。

青色光源６５０からの青色光６５１は、任意の光トンネル４０、緑色光反射型ダイクロイックフィルタ６１０、１／４波長位相差板２２０を通過し、第３のプリズム面１５０を通ってＰＢＳ １００に入る。青色光６５１は、ＰＲＰ １９０を横切り、反射される青色光６５１の主要部分６５２と透過される青色光６５１の非主要部分６５３とに分かれる。主要部分６５２は、非偏光の青色光６５１の主要部分６５２としてＰＢＳ １００を出る。青色光６５１の非主要部分６５３は、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００を出て、１／４波長位相差板２２０を通過し、広帯域鏡６３０内に含まれる青色光選択性吸収体によって吸収される。

赤色光源６６０からの赤色光６６１は、任意の光トンネル４０、緑色光反射型ダイクロイックフィルタ６１０、１／４波長位相差板２２０を通過し、第３のプリズム面１５０を通ってＰＢＳ １００に入る。赤色光６６１は、ＰＲＰ １９０を横切り、ｐ偏光の赤色光線６６２とｓ偏光の赤色光線６６３とに分かれる。ｓ偏光の赤色光線６６３は、ＰＲＰ １９０から反射し、第４のプリズム面１６０を通ってｓ偏光の赤色光線６６３としてＰＢＳ １００を出る。

ｐ偏光の赤色光線６６２は、ＰＲＰ １９０を通過し、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００を出て、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光の赤色光線６６４に変化する。円偏光の赤色光線６６４は、広帯域鏡６３０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過してｓ偏光の赤色光線６６５に変化し、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００に入り、ＰＲＰ １９０から反射し、第２のプリズム面１４０を通ってＰＢＳ １００を出る。ｓ偏光の赤色光線６６５は、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光の赤色光線６６６に変化し、赤色光反射型ダイクロイックフィルタ６２０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過する際にｐ偏光の赤色光線６６７に変化する。ｐ偏光の赤色光線６６７は、第２のプリズム面１４０を通ってＰＢＳ １００に入り、変化せずにＰＲＰ １９０を通過し、第４のプリズム面１６０を通ってｐ偏光の赤色光線６６７としてＰＢＳ １００を出る。

次に、図６Ｂを参照して、緑色光６７１が非偏光である実施形態について、光合成器６００を通る緑色光源６７０からの緑色光６７１の光学経路を説明する。この実施形態では、ｐ偏光の緑色光線６７２及びｓ偏光の緑色光線６７７を含む非偏光の光は、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出る。

緑色光源６７０からの緑色光６７１は、任意の光トンネル４０、赤色光反射型ダイクロイックフィルタ６２０、１／４波長位相差板２２０を通過し、第２のプリズム面１４０を通ってＰＢＳ １００に入る。緑色光６７１は、ＰＲＰ １９０を横切り、ｐ偏光の緑色光線６７２とｓ偏光の緑色光線６７３とに分かれる。ｐ偏光の緑色光線６７２は、ＰＲＰ １９０を通過し、第４のプリズム面１６０を通ってｐ偏光の緑色光線６７２としてＰＢＳ １００を出る。

ｓ偏光の緑色光線６７３は、ＰＲＰ １９０から反射し、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００を出て、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光の緑色光線６７４に変化する。円偏光の緑色光線６７４は、広帯域鏡６３０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過してｐ偏光の緑色光線６７５に変化し、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００に入り、ＰＲＰ １９０を通過し、第３のプリズム面１５０を通ってＰＢＳ １００を出る。ｐ偏光の緑色光線６７５は、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光の緑色光線６７６に変化し、緑色光反射型ダイクロイックフィルタ６１０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過する際にｓ偏光の緑色光線６７７に変化する。ｓ偏光の緑色光線６７７は、第３のプリズム面１５０を通ってＰＢＳ １００に入り、ＰＲＰ １９０から反射し、第４のプリズム面１６０を通ってｓ偏光の緑色光線６７７としてＰＢＳ １００を出る。

２チャネルの色合成器６００の別の実施形態（図示せず）では、広帯域鏡６３０の相対的位置は、第２の色選択性ダイクロイックフィルタ６２０、任意の光トンネル４０、及び第３の光源６７０と入れ替わってよい。この実施形態では、広帯域鏡６３０は第２のプリズム面１４０に近接し、第２の色選択性ダイクロイックフィルタ６２０、任意の光トンネル４０、及び第３の光源６７０は第１のプリズム面１３０に近接する。青色波長選択性吸収体７０は、図３Ａ〜３Ｄを参照して他の箇所で記載されるように、色選択性ダイクロイックミラー２０によって透過される青色光の光学経路内の任意の場所に配置されてよい。

一態様によると、図７Ａ〜７Ｂは、以下のように図３Ａ〜３Ｄ及び図６Ａ〜６ＢのＰＲＰ １９０が構成要素の色選択性ダイクロイックミラー２０と反射型偏光子３０とに分離されている色合成器７００を示す。色選択性ダイクロイックミラー２０は、自立色選択性ダイクロイックミラー（例えば、薄膜）であってよく、又は図７Ａ〜７Ｂに示されるように第３及び第４のプリズム７８０、７９０などプリズムの対角面に配置されてよい。この態様では、化学光の経路（すなわち、第１の色光源７５０からの第１の色光７５１）は、反射型偏光子３０から更に分離される。

図７Ａ〜７Ｂは色合成器７００を示し、第２の色光源７６０及び第３の色光源７７０は、ＰＢＳ １００に光を入射させるように配置される。第２の色光源７６０及び第３の色光源７７０は、出力面（第４のプリズム面１６０）を通って出力方向に第１のＰＢＳ １００を出る。

第１の色光源７５０は、第２の色光源７６０からの第２の色光７６１及び第３の色光源７７０からの第３の色光７７１と合成されるが、ＰＢＳ １００には入らない、第１の色光７５１（化学光）を入射させるように配置される。以下の一実施形態によると、第１の色光源７５０は非偏光の青色光源７５０であってよく、第２の色光源７６０は非偏光の赤色光源７６０であってよく、第３の色光源７７０は非偏光の緑色光源７７０であってよい。青色光源７５０からの青色光７５１、赤色光源７６０からの赤色光７６１、及び緑色光源７７０からの緑色光７７１は、色合成器７００の耐久性を向上させるために合成されてよい。一態様によると、任意の光トンネル４０又はレンズのアセンブリ（図示せず）は、他の箇所で記載されるように、青色、赤色、緑色光源７５０、７６０、７７０のために提供されて、ＰＢＳ １００から光源を隔てる間隔を与え、加えていくらかの光のコリメーションをもたらし得る。

色合成器７００は、緑色光反射型ダイクロイックフィルタ７２０と、赤色光反射型ダイクロイックフィルタ７３０と、広帯域鏡７４０とを含む。一実施形態では、青色光選択性吸収体は、他の箇所で記載されるように、青色光反射型ダイクロイックミラー２０によって透過される青色光の光学経路内に含まれてよい。

次に、図７Ａを参照して、青色光７５１が非偏光である実施形態について、光合成器７００を通る青色光源７５０からの青色光７５１の光学経路を説明する。この実施形態では、青色光７５１は、非保護反射型偏光子を損傷し得る化学光である。青色光７５１の主要部分７５２は、色選択性ダイクロイックミラー２０から反射される。青色光７５１の非主要部分７５３は、色選択性ダイクロイックミラー２０を通過し、色合成器７００を出て、任意の青色光選択性吸収体（図示せず）によって所望により吸収される。

青色光源７５０からの青色光７５１は、任意の光トンネル４０を通過し、第７のプリズム面７９２を通って第４のプリズム７９０に入り、色選択性ダイクロイックミラー２０を横切る。青色光７５１は、反射される青色光７５１の主要部分７５２と透過される青色光７５１の非主要部分７５３とに分かれる。青色光７５１の主要部分７５２は、第８のプリズム面７９４を通って出力方向に第４のプリズム７９０を出る。青色光７５１の非主要部分７５３は、色選択性ダイクロイックミラー２０を通過し、第６のプリズム面７８４を通って第３のプリズム７８０を出ることによって色合成器７００を離れる。

図７Ａに戻り、赤色光７６１が非偏光である実施形態について、光合成器７００を通る赤色光源７６０からの赤色光７６１の光学経路を説明する。この実施形態では、ｐ偏光の赤色光線７６７及びｓ偏光の赤色光線７６５を含む非偏光の光は、第８のプリズム面７９４を通って出力方向に第４のプリズム７９０を出る。

赤色光源７６０からの赤色光７６１は、任意の光トンネル４０、緑色光反射型ダイクロイックフィルタ７２０、１／４波長位相差板２２０を通過し、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００に入る。赤色光７６１は、反射型偏光子３０を横切り、ｐ偏光の赤色光線７６２とｓ偏光の赤色光線７６３とに分かれる。ｐ偏光の赤色光線７６２は、反射型偏光子３０を通過し、第３のプリズム面１５０を通ってＰＢＳ １００を出て、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光の赤色光線７６４に変化する。円偏光の赤色光線７６４は、広帯域鏡７４０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過する際にｓ偏光の赤色光線７６５に変化し、第３のプリズム面１５０を通ってＰＢＳ １００に入る。ｓ偏光の赤色光線７６５は、反射型偏光子３０から反射し、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出て、第５のプリズム面７８２を通って第３のプリズム７８０に入り、色選択性ダイクロイックミラー２０を通過し、第８のプリズム面７９４を通ってｓ偏光の赤色光線７６５として第４のプリズム７９０を出る。

ｓ偏光の赤色光線７６３は、反射型偏光子３０から反射し、第２のプリズム面１４０を通ってＰＢＳ １００を出て、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光の赤色光線７６６に変化する。円偏光の赤色光線７６６は、赤色光反射型ダイクロイックフィルタ７３０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過してｐ偏光の赤色光線７６７に変化し、第２のプリズム面１４０を通ってＰＢＳ １００に入り、反射型偏光子３０を通過し、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出る。ｐ偏光の赤色光線７６７は、第５のプリズム面７８０を通って第３のプリズム７８０に入り、色選択性ダイクロイックミラー２０を通過し、第８のプリズム面７９４を通ってｐ偏光の赤色光線７６７として第４のプリズム７９０を出る。

次に、図７Ｂを参照して、緑色光７７１が非偏光である実施形態について、光合成器７００を通る緑色光源７７０からの緑色光７７１の光学経路を説明する。この実施形態では、ｐ偏光の緑色光線７７２及びｓ偏光の緑色光線７７７を含む非偏光の光は、第８のプリズム面７９４を通って第４のプリズム７９０を出る。

緑色光源７７０からの緑色光７７１は、任意の光トンネル４０、赤色光反射型ダイクロイックフィルタ７３０、１／４波長位相差板２２０を通過し、第２のプリズム面１４０を通ってＰＢＳ １００に入る。緑色光７７１は、反射型偏光子３０を横切り、ｐ偏光の緑色光線７７２とｓ偏光の緑色光線７７３とに分かれる。ｐ偏光の緑色光線７７２は、反射型偏光子３０を通過し、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出て、第５のプリズム面７８２を通って第３のプリズム７８０に入り、色選択性ダイクロイックミラー２０を通過し、第８のプリズム面７９４を通ってｐ偏光の緑色光線７７２として第４のプリズム７９０を出る。

ｓ偏光の緑色光線７７３は、反射型偏光子３０から反射し、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００を出て、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光の緑色光線７７４に変化する。円偏光の緑色光線７７４は、緑色光反射型ダイクロイックフィルタ７２０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過してｐ偏光の緑色光線７７５に変化し、第１のプリズム面１３０を通ってＰＢＳ １００に入り、反射型偏光子３０を通過し、第３のプリズム面１５０を通ってＰＢＳ １００を出る。ｐ偏光の緑色光線７７５は、１／４波長位相差板２２０を通過する際に円偏光の緑色光線７７６に変化し、広帯域鏡７４０から反射して円偏光の方向を変化させ、１／４波長位相差板２２０を通過する際にｓ偏光の緑色光線７７７に変化する。ｓ偏光の緑色光線７７７は、第３のプリズム面１５０を通ってＰＢＳ １００に入り、反射型偏光子３０から反射し、第４のプリズム面１６０を通ってＰＢＳ １００を出て、第５のプリズム面７８２を通って第３のプリズム７８０に入り、色選択性ダイクロイックミラー２０を通過し、第８のプリズム面７９４を通ってｓ偏光の緑色光線７７７として第４のプリズム７９０を出る。

別の実施形態（図示せず）では、色合成器は、第４の色光を含んでよい。この実施形態では、広帯域鏡７４０は、図７Ａ〜７Ｂに示される第１及び第２の色選択性ダイクロイックフィルタ７２０、７３０、任意の光トンネル４０、並びに第２及び第３の光源７６０、７７０と同様の方法で配列される、第３の色選択性ダイクロイックミラー、任意の光トンネル４０、及び第４の色光源で置換されてよい。第３の色選択性ダイクロイックフィルタは、第４の色光に対して透明であり、第２及び第３の色光７６０、７７０を反射してよい。

更に別の実施形態（図示せず）では、色選択性ダイクロイックミラー２０は、むしろ青色光に対して透過的である、赤色及び緑色光反射型色選択性ダイクロイックミラーであってよい。この実施形態では、赤色及び緑色光７６１、７７１は、前述のように第４のプリズム面１６０を通って出力方向にＰＢＳ １００を出て、次に第５のプリズム面７８２を通って第３のプリズム７８０に入り、色選択性ダイクロイックミラー２０から反射し、第６のプリズム面７８４を通って第３のプリズム７８０を出る。青色光７５０は、前述のように第４のプリズム７９０に入るが、青色光７５１の主要部分７５３は、青色光透過型色選択性ダイクロイックミラー２０を通過し、第６のプリズム面７８４を通って第３のプリズム７８０を出る。青色光７５０の非主要部分７５２は、青色光透過型色選択性ダイクロイックミラーから反射し、第８のプリズム面７９４を通って第４のプリズム７９０から出る。

図９は、３色光合成システム９０２を含むプロジェクタ９００を図示する。３色光合成システム９０２は、出力領域９０４において合成出力光をもたらす。一実施形態では、出力領域９０４における合成出力光は偏光される。出力領域９０４における合成出力光は、光エンジン光学系９０６を通ってプロジェクタ光学系９０８へと通過する。

光エンジン光学系９０６は、レンズ９２２、９２４及び反射体９２６を含む。プロジェクタ光学系９０８は、レンズ９２８、ＰＢＳ ９３０、及び投影レンズ９３２を含む。投影レンズ９３２の１つ以上は、投影される画像９１２の焦点を調整するために、ＰＢＳ ９３０に対して可動であってよい。反射撮像装置９１０は、プロジェクタ光学系内の光の偏光状態を調節することができ、その結果、ＰＢＳ ９３０を通過し投影レンズに入る光の強度が調節されて、投影画像９１２を生成する。制御回路９１４は、反射撮像装置９１０の動作を光源９１６、９１８及び９２０の順序と同期するように、反射撮像装置９１０並びに光源９１６、９１８及び９２０に連結されている。一態様では、出力領域９０４における合成光の第１の部分は、プロジェクタ光学系９０８を通して方向付けられ、合成出力光の第２部分は、出力領域９０４を通して色合成器９０２の中に戻って再利用されてよい。合成光の第２の部分は、例えば、鏡、反射型偏光子、反射ＬＣＤ及などからの反射によってリサイクルされて色合成器に戻ることができる。図９に図示した構成は代表的なものであり、本開示の光合成システムは、反射型マイクロミラー撮像装置などの投影システムにも使用することができる。一代替態様によると、透過型撮像装置を使用することができる。

一態様によると、上記のような色光合成光学システムは３色（白）出力を生成する。反射型偏光子フィルムを有する偏光ビームスプリッタの偏光特性（ｓ偏光の反射及びｐ偏光の透過）は、広範囲の光源光の入射角に関して低い感度を有するので、本光学システムは高性能である。追加的なコリメーション構成要素を使用して、色合成器における光源からの光のコリメーションを改善することができる。ある程度のコリメーションがないと、入射角（ＡＯＩ）、ＴＩＲの損失、又はＴＩＲのフラストレーションのためのエバネッセント結合増加、並びに／あるいはＰＢＳにおける偏波識別及びＰＢＳにおける機能の劣化に応じたダイクロイック反射性の変動に関連する有意な光の損失が生じる。本開示において、偏光ビームスプリッタは、内部全反射に含まれ所望の表面を通ってのみ放射される光を保持するためのライトパイプとして機能する。

図８は、ＴＦＣａｌｃソフトウェア（Ｓｏｆｔｗａｒｅ Ｓｐｅｃｔｒａ，Ｉｎｃ．，Ｐｏｒｔｌａｎｄ ＯＲから入手可能）を使用してモデル化した赤色、緑色、及び青色ダイクロイックフィルタ（Ｒ、Ｇ、Ｂと表示）、並びに１つのダイクロイックミラー（ＢＢと表示）の透過スペクトルのグラフである。ＴＦＣａｌｃモデルは、４６０ｎｍの１／４波長厚を有する、１０ペアのＳｉＯ_２とＴｉＯ_２との交互層の光学スタックで開始し、ＳｉＯ_２とＴｉＯ_２との追加層を挿入するニードル最適化による局所探索を使用して最適化した。光学スタックの総厚は、３０００ｎｍまでに制限された。

３つのダイクロイックフィルタは、平均入射角０°（すなわち、表面に対して垂直）のランバード角度分布を有するＦ１．５コーンへの赤色光（６３０ｎｍ）、緑色光（５３０ｎｍ）、青色光（４６０ｎｍ）の入射を透過するようにモデル化した。各ダイクロイックフィルタの入力側は、空中であった。ダイクロイックミラーは、平均入射角４５°のランバード角度分布を有するＦ１．５コーンに入射する、４６０ｎｍに中心がある光を遮断し、５３０ｎｍ及び６３０ｎｍに中心がある光を透過するようにモデル化した。ダイクロイックミラーの入力側は、１．５２の屈折率を有するガラス内でモデル化した。

図３Ｂに示される色合成器に図８の透過スペクトルを適用すると、入射青色光（図３Ｂの第１の色光３５０）がＰＲＰ １９０のダイクロイックミラー（ＢＢ）を横切ったことを示す。ダイクロイックミラーは、青色光（図３Ｂの主要部分３５１）の約７５％を反射し、約２５％（図３Ｂの非主要部分３５２）を透過した。透過された２５％の青色光は、図３Ａ〜３Ｄに示されるなどの色合成器のＰＲＰ １９０内の反射型偏光子によって典型的に透過される偏光状態と同じ偏光状態のものである。透過された青色光は、任意の波長選択性吸収体７０によってシステムから除かれてよく、その結果、ダイクロイックミラーを備えない色合成器と比較して、反射型偏光子の青色光曝露は約１２．５％となる。実際には、青色ＬＥＤの出力は、２５％の減少を補うために増加する場合があり、したがって反射型偏光子の実際の青色光曝露は、ダイクロイックミラーを備えない色合成器の約１７％となるであろう。同様に、緑色ＬＥＤの出力も、ダイクロイックミラーによる減少（図８から、約７５％の透過）を補うために増加し得る。

典型的には、青色光の化学線作用は緑色光の化学線作用の約１０倍である。緑色の発光力が青色の発光力の２倍である構成では、ダイクロイックミラーを備える上記の色合成器は、ダイクロイックミラーを備えない色合成器と比較して約４倍の反射型偏光子の耐用期間をもたらすであろう。耐用期間の改善は、散乱が波長に反応し、反射型偏光子への短波長光曝露の低減は光の散乱傾向を低減させる傾向にあるので、更に促進され得る。

標準の色合成器（ＣＣ）構成（すなわち、波長選択性ダイクロイックミラーを備えない）の明所視効率を、青色保護色合成器（ＢＢＣＣ）と比較した。波長選択性ダイクロイックミラーを備えない標準の色合成器（ＣＣ）は、例えば、米国特許出願第６１／０９５，１２９号、名称「ＬＩＧＨＴ ＣＯＭＢＩＮＥＲ」（２００８年９月８日出願）に記載されている。Ｐｈｌａｔｌｉｇｈｔ（商標）ＬＥＤ（Ｌｕｍｉｎｕｓ Ｉｎｃ．から入手可能）のスペクトル出力を使用して、明所視効率に関するデータを生成した。ＢＢＣＣは、ＣＣ構成と比較して、７４．３％の青色出力及び８８．０％の緑色出力を有していた。青色光源は、装置の出力を制限するＬＥＤ色ではないことが多いため、ＢＢＣＣは、ＣＣの輝度及び出力の８８％を有していた。

ＩＩ〜ＶＩ半導体変換緑色ＬＥＤなど、より長い波長を有する緑色光源を使用して、別の構成をモデル化した。改善された色合成器は、青色及び赤色ＬＥＤを緑色ＩＩ〜ＶＩ ＬＥＤと共に使用することにより作製することができ、青色ＬＥＤと緑色ＬＥＤとの向上したスペクトル分離をもたらす。より長い波長のＩＩ〜ＶＩ ＬＥＤを備えるＣＣとＢＢＣＣとの間での輝度の減少（約３％の輝度の減少）は、標準的なＩｎＧａＮ緑色ＬＥＤ（約１２％の輝度の減少）と比較してわずかであった。

反射型偏光子の青色光曝露は、他の個所で記載されるように、青色光反射ダイクロイックミラーと反射型偏光子との間に波長選択性吸収体（すなわち、青色フィルタ）を配置することによって更に低減できる。上記と同じ分析を使用すると、この方法は、耐用期間を６倍に延長する可能性を有する。

潜在的な懸念事項は、青色光を吸収することにより発生する熱が反射型偏光子を損傷し得ることである。ピーク温度は、反射型偏光子に対して垂直な両面（すなわち、図１Ｂに示される端面１７０、１７５、１８０、１８５）にヒートシンクを配置することによって低下できる。ピーク温度を低下させる他の方法としては、サファイアの層など高熱伝導率を有する材料の層をダイクロイックミラーに組み込むことが挙げられる。サファイア層は、追加の青色光吸収コーティングを加えることによる、又は青色反射ダイクロイックコーティングでサファイアをコーティングすることによる、セリウムなど好適な元素でのドープ処理を経て黄色であり得る。

反射型偏光子への青色光の曝露は、ＣＣ又はＢＢＣＣのいずれかの色合成器において均一でないことがある。ＣＣでは、非均一性は、青色ＬＥＤとＰＢＳとの間の照明光学系（例えば、他の箇所に記載される光トンネル）によってもたらされ得る。ＢＢＣＣにおける青色反射体は、青色ダイクロイックの角度選択性及び偏光選択性により非均一性を追加することがある。

青色保護ダイクロイック反射体を備える色合成器の効率性は、上記の単純な分析よりも高い場合がある。いくつかのメカニズムは、青色保護反射体によってもたらされる非効率性を低減できる。例えば、青色反射体は、大局的な最適化プロセスを通じて最適化できる。設計は、大局的な最適化を使用することによって、又は誘導体コーティングスタックの平均指数を増加させることによって改善できる。任意の組み合わせの誘電体スタックを使用できる。例えば、ＴｉＯ_２及びＡｌ_２Ｏ_３の干渉スタックを、上述の実施例で使用されたＴｉＯ_２及びＳｉＯ_２の代わりに使用できる。更に、実質的な減少は含まれなかった。反射型偏光子からの反射が非常に高いことがあるが、反射型偏光子によって透過された光は、１／４波長位相差板によって４回回転されることができ、散乱及び／又は反射型偏光子との脱分極相互作用は最小化されるはずである。散乱は青色光で最も激しい可能性があり、位相差板は、意図的に、好ましくは３色全てに対して１／４波長遅延をもたらす。このような設計は達成が困難な場合があり、通常は性能が低下する。上記の効率の計算はまた、標準の色合成器が、反射型偏光子によって最初に透過される青色光を効率的に発光することを仮定している。

システム効率を改善する別の方法は、緑色光源よりも青色光源に大きいＦ値を有する光源を使用することであり得る。光学システムで、青色及び緑色源のＦ値が同じであることが要求される場合、高分散性の光学素子、例えば、「複眼」ホモジナイザーのバイナリレンズを使用してよい。青色光のＦ値が大きくなると、より効率的な青色保護フィルタを設計できることがある。

青色保護色合成器の性能は、標準構成と比較して向上し得るが、これは、青色ＬＥＤの前の位相差板が緑色及び赤色波長に対して機能するだけでよく、赤色ＬＥＤの前の位相差板が緑色光に１／４波長遅延をもたらすだけでよく、緑色ＬＥＤの前の位相差板が赤色光に１／４波長遅延をもたらすだけでよいからである。また、赤色ＬＥＤと緑色ＬＥＤとの間の波長差がより小さくなるので、このことは、ＩＩ〜ＶＩなど、より長い波長の緑色ＬＥＤに利点をもたらす。有限のスペクトル範囲で機能する、より広範囲の使用可能な位相差板が存在する。

指示がない限り、本明細書及び請求項で使用される特性となる大きさ、量、及び物理特性を示す全ての数字は、「約」という用語によって修飾されることを理解されたい。それ故に、別の指示がない限り、本明細書及び添付の請求項に説明される数字のパラメータは近似値であり、本明細書に開示された教示を使用して当業者が獲得しようとする所望の特性に応じて変化し得る。

本願で引用した全ての参照文献及び刊行物は、本開示と直接的に相反する範囲を除いて、その全てが引用によって本開示に明白に組み込まれる。本明細書において特定の実施形態が例示及び説明されてきたが、多様な代替及び／又は同等の実施が、本開示の範囲から逸脱することなく、図示され説明された特定の実施形態と置き換えられ得ることは、当業者には理解されるであろう。本出願は、本明細書で説明された特定の実施形態のいかなる翻案又は変形をも包含すべく意図されている。したがって、本開示が「特許請求の範囲」及びその同等物によってのみ限定されることが意図される。

Claims (57)

1. 光学素子であって、
   第１の入力面を有し、前記第１の入力面に対して垂直な第１の色の光線を透過するように配置される第１の色選択性ダイクロイックフィルタと、
   前記第１の色の光線を約４５度の角度で横切るように配置される色選択性ダイクロイックミラーと、
   前記色選択性ダイクロイックミラーに近接し、前記第１の色選択性ダイクロイックフィルタに対向して配置される反射型偏光子と、
   を備え、
   前記色選択性ダイクロイックミラーが、前記第１の色の光線の主要部分を反射でき、前記第１の色の光線の非主要部分を透過できる、光学素子。
2. 前記第１の色の光線の前記主要部分が、前記第１の色の光線の少なくとも６０％を含む、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記第１の色の光線の前記主要部分が、前記第１の色の光線の少なくとも７５％を含む、請求項１に記載の光学素子。
4. 前記第１の色の光線が、前記反射型偏光子を劣化し得る第１の波長範囲の光を含む、請求項１に記載の光学素子。
5. 前記第１の波長範囲の光を吸収でき、前記第１の色の光線の前記非主要部分を横切るように配置される波長選択性吸収体を更に備える、請求項４に記載の光学素子。
6. 前記波長選択性吸収体が、前記色選択性ダイクロイックミラーと前記反射型偏光子との間に配置される、請求項５に記載の光学素子。
7. 前記第１の波長範囲の光が青色光又は紫外線を含む、請求項４に記載の光学素子。
8. 前記第１の波長範囲の光が、１００ナノメートル〜５００ナノメートルの波長範囲を有する光を含む、請求項４に記載の光学素子。
9. 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を形成する第１及び第２のプリズムを更に備え、前記反射型偏光子及び前記色選択性ダイクロイックミラーが前記ＰＢＳの対角面に配置される、請求項１に記載の光学素子。
10. 請求項１に記載の光学素子を備える、色合成器。
11. 請求項１０に記載の色合成器を備える、投射システム。
12. 光学素子であって、
    第２の入力面を有し、前記第２の入力面に対して垂直な第２の色の光線を透過するように配置され、前記第２の色の光線が更に前記色選択性ダイクロイックミラーを約４５度の角度で横切る、第２の色選択性ダイクロイックフィルタを更に備え、
    前記色選択性ダイクロイックミラーが、前記第２の色の光線の主要部分を透過できる、請求項１に記載の光学素子。
13. 前記第１の色の光線及び前記第２の色の光線のそれぞれが収束又は発散光線を含む、請求項１２に記載の光学素子。
14. 光学素子であって、
    前記第１の色選択性ダイクロイックフィルタと前記反射型偏光子との間に配置される第１の位相差板と、
    前記第２の色選択性ダイクロイックフィルタと前記反射型偏光子との間に配置される第２の位相差板と、
    を更に備える、請求項１２に記載の光学素子。
15. 前記反射型偏光子が第１の偏光状態に対して位置合わせされており、各位相差板が、前記第１の偏光状態に対して約４５度の角度に位置合わせされた１／４波長位相差板を備える、請求項１４に記載の光学素子。
16. 前記第１の色の光線が第１の色の非偏光を含み、前記第２の色の光線が第１の色の非偏光とは異なる第２の色の非偏光を含む、請求項１５に記載の光学素子。
17. 請求項１６に記載の光学素子を備える、色合成器。
18. 色合成器であって、
    前記第１の色の非偏光を発光する第１の色の光源と、
    前記第２の色の非偏光を発光する第２の色の光源と、
    前記第１の色の非偏光及び前記第２の色の非偏光を含む合成光と、
    を更に含む、請求項１７に記載の色合成器。
19. 請求項１８に記載の色合成器を備える、投射システム。
20. 光学素子であって、
    第３の入力面を有し、前記第３の入力面に対して垂直な第３の色の光線を透過するように配置され、前記第３の色の光線が更に前記色選択性ダイクロイックミラーを約４５度の角度で横切る、第３の色選択性ダイクロイックフィルタと、
    前記第１の偏光状態に対して約４５度の角度に位置合わせされ、前記第３の色選択性ダイクロイックフィルタに対向して配置される第３の１／４波長位相差板と、
    を更に備え、
    前記色選択性ダイクロイックミラーが、前記第３の色の光線の主要部分を透過できる、請求項１５に記載の光学素子。
21. 前記第１の色の光線が第１の色の非偏光を含み、前記第２の色の光線が第２の色の非偏光を含み、前記第３の色の光線が第３の色の非偏光を含み、前記第１、第２、及び第３の色の光の非偏光のそれぞれが、異なる波長範囲を含む、請求項２０に記載の光学素子。
22. 請求項２１に記載の光学素子を備える、色合成器。
23. 色合成器であって、
    前記第１の色の非偏光を発光する第１の色の光源と、
    前記第２の色の非偏光を発光する第２の色の光源と、
    前記第３の色の非偏光を発光する第３の色の光源と、
    前記第１の色の非偏光、前記第２の色の非偏光、及び前記第３の色の非偏光を含む合成光と、
    を更に含む、請求項２２に記載の色合成器。
24. 請求項２３に記載の光学素子を備える、投射システム。
25. 光学素子であって、
    第１の入力面を有し、前記第１の入力面に対して垂直な第１の色の光線を透過するように配置される第１の色選択性ダイクロイックフィルタと、
    前記第１の色の光線を約４５度の角度で横切るように配置される反射型偏光子と、
    出力面に対して垂直な出力方向に前記第１の色の光線を透過するように配置される出力面と、
    前記第１の色の光線及び第２の色の光線の両方を約４５度の角度で横切るように配置される色選択性ダイクロイックミラーと、
    を備え、
    前記色選択性ダイクロイックミラーが、前記第２の色の光線の第１の主要部分を前記出力方向に反射でき、前記第１の色の光線の第２の主要部分を前記出力方向に透過できる、光学素子。
26. 前記色選択性ダイクロイックミラーが、前記出力方向に対して垂直な前記第２の色の光線の第１の主要部分を透過でき、前記出力方向に対して垂直な前記第１の色の光線の第２の主要部分を反射できる、請求項２５に記載の光学素子。
27. 光学素子であって、
    第２の入力面を有し、前記第２の入力面に対して垂直な第３の色の光線を透過するように配置され、前記第３の色の光線が、前記反射型偏光子及び前記色選択性ダイクロイックミラーの両方を約４５度の角度で横切ることができる、第２の色選択性ダイクロイックフィルタを更に備え、
    前記色選択性ダイクロイックミラーが、前記第３の光線の第３の主要部分を前記出力方向に透過できる、請求項２５に記載の光学素子。
28. 前記第２の色の光線の前記主要部分が、前記第２の色の光線の少なくとも６０％を含む、請求項２５に記載の光学素子。
29. 前記第２の色の光線の前記主要部分が、前記第２の色の光線の少なくとも７５％を含む、請求項２５に記載の光学素子。
30. 前記第２の色の光線が、前記反射型偏光子を劣化し得る波長範囲の光を含む、請求項２５に記載の光学素子。
31. 前記波長範囲の光が青色光又は紫外線を含む、請求項３０に記載の光学素子。
32. 前記波長範囲の光が、１００ナノメートル〜５００ナノメートルの波長範囲を有する光を含む、請求項３０に記載の光学素子。
33. 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を形成する第１及び第２のプリズムを更に備え、前記反射型偏光子が前記ＰＢＳの対角面に配置される、請求項２５に記載の光学素子。
34. 前記第１の色の光線及び前記第２の色の光線のそれぞれが収束又は発散光線を含む、請求項２５に記載の光学素子。
35. 光学素子であって、
    前記第１の色選択性ダイクロイックフィルタと前記反射型偏光子との間に配置される第１の位相差板と、
    前記第２の色選択性ダイクロイックフィルタと前記反射型偏光子との間に配置される第２の位相差板と、
    を更に備える、請求項２７に記載の光学素子。
36. 前記反射型偏光子が第１の偏光状態に対して位置合わせされており、各位相差板が、前記第１の偏光状態に対して約４５度の角度に位置合わせされた１／４波長位相差板を備える、請求項３５に記載の光学素子。
37. 前記第１の色の光線が非偏光の第１の色光を含み、前記第２の色の光線が非偏光の第２の色光を含み、前記第３の色の光線が非偏光の第３の色光を含み、前記非偏光の第１、第２、及び第３の色光のそれぞれが異なる波長範囲を含む、請求項３６に記載の光学素子。
38. 請求項３７に記載の光学素子を備える、色合成器。
39. 色合成器であって、
    前記第１の色の非偏光を発光する第１の色の光源と、
    前記第２の色の非偏光を発光する第２の色の光源と、
    前記第３の色の非偏光を発光する第３の色の光源と、
    前記第１の色の非偏光、前記第２の色の非偏光、及び前記第３の色の非偏光を含む合成光と、
    を更に含む、請求項３８に記載の色合成器。
40. 請求項３９に記載の光学素子を備える、投射システム。
41. 第１の色選択性ダイクロイックフィルタと、
    色選択性ダイクロイックミラーと、
    反射型偏光子と、
    を備える、光学素子であって、
    前記第１の色選択性ダイクロイックフィルタは第１の入力面を有し、前記第１の入力面に対して垂直な第１の色の光線を透過するように配置され、前記第１の色の光線が、前記反射型偏光子を劣化し得る第１の波長範囲の光及び第２の波長範囲の光を含み、
    前記色選択性ダイクロイックミラーは前記第１の色の光線を約４５度の角度で横切るように配置され、
    前記反射型偏光子は前記色選択性ダイクロイックミラーに近接し、前記第１の色選択性ダイクロイックフィルタに対向して配置され、
    前記色選択性ダイクロイックミラーが、前記第１の波長範囲の光の主要部分を反射でき、前記第１の波長範囲の光の非主要部分を透過でき、前記第２の波長範囲の光の主要部分を反射できる、光学素子。
42. 前記第１の波長範囲の光の前記主要部分が、前記第１の波長範囲の光の少なくとも６０％を含む、請求項４１に記載の光学素子。
43. 前記第１の波長範囲の光の前記主要部分が、前記第１の波長範囲の光の少なくとも７５％を含む、請求項４１に記載の光学素子。
44. 光学素子であって、前記第１の波長範囲の光を吸収でき、前記第１の波長範囲の光の前記非主要部分を横切るように配置される波長選択性吸収体を更に備える、請求項４１に記載の光学素子。
45. 前記波長選択性吸収体が、前記色選択性ダイクロイックミラーと前記反射型偏光子との間に配置される、請求項４４に記載の光学素子。
46. 前記波長選択性吸収体が、前記色選択性ダイクロイックミラーと前記反射型偏光子との間に配置される、請求項４４に記載の光学素子。
47. 前記第１の波長範囲の光が青色光又は紫外線を含む、請求項４１に記載の光学素子。
48. 前記第１の波長範囲の光が、１００ナノメートル〜５００ナノメートルの波長範囲を有する光を含む、請求項４１に記載の光学素子。
49. 偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を形成する第１及び第２のプリズムを更に備え、前記反射型偏光子及び色選択性ダイクロイックミラーが前記ＰＢＳの対角面に配置される、請求項４１に記載の光学素子。
50. 請求項４１に記載の光学素子を備える、色合成器。
51. 請求項５０に記載の色合成器を備える、投射システム。
52. 光学素子であって、
    第２の入力面を有し、前記第２の入力面に対して垂直な第２の色の光線を透過するように配置され、前記第２の色の光線が更に前記色選択性ダイクロイックミラーを約４５度の角度で横切る、第２の色選択性ダイクロイックフィルタを更に備え、
    前記色選択性ダイクロイックミラーが、前記第２の色の光線の主要部分を透過できる、請求項４１に記載の光学素子。
53. 前記第１の色の光線及び前記第２の色の光線のそれぞれが収束又は発散光線を含む、請求項５２に記載の光学素子。
54. 光学素子であって、
    前記第１の色選択性ダイクロイックフィルタと前記反射型偏光子との間に配置される第１の位相差板と、
    前記第２の色選択性ダイクロイックフィルタと前記反射型偏光子との間に配置される第２の位相差板と、
    を更に備える、請求項５２に記載の光学素子。
55. 前記反射型偏光子が第１の偏光状態に対して位置合わせされており、各位相差板が、前記第１の偏光状態に対して約４５度の角度に位置合わせされた１／４波長位相差板を備える、請求項５４に記載の光学素子。
56. 前記第１の色の光線が第１の色の非偏光を含み、前記第２の色の光線が第１の色の非偏光とは異なる第２の色の非偏光を含む、請求項５２に記載の光学素子。
57. 請求項５４に記載の光学素子を備える、色合成器。

Images