JP2013535018A - 偏光投影光照射器 - Google Patents

Abstract

本開示は、一般に光学素子、光学素子を含む光投影機、及び光学素子を含む画像投影機に関する。詳細には、光学素子は、「フライアイアレイ」（ＦＥＡ）などの小型レンズアレイを使用して光を均質化することにより改善された光の均一性を提供する。ＦＥＡは、非偏光入力光が単一偏光状態に変換された後、偏光合成光を均質化するように配置される。
【選択図】図３

Description

（関連出願の相互参照）
本願は、２０１０年１月６日に出願された米国特許出願第６１／２９２５７４号「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ」（代理人整理番号６５９０２ＵＳ００２号）、並びに本願と同一日付で出願された「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｉｌｌｕｍｉｎａｔｏｒ」（代理人整理番号６６３６０ＵＳ００２号）及び「Ｆｌｙ Ｅｙｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ」（代理人整理番号６６２４７ＵＳ００２号）の米国特許出願に関連し、これらの特許出願は参照によって本明細書に引用される。

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’ｓ 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（ＤＭＭ）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。光学経路内に定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ー処理されて、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。

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は小型化するに従い、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光出力を供給する光合成システムが必要とされている。

このような電子投影機は、画面に投影される光の輝度及び色の均一性を向上させるために、光線を光学的に均質化する装置を含むことが多い。２つの一般的な装置は、積分トンネル及びフライアイホモジナイザー（fly’s eye homogenizer）である。フライアイホモジナイザーは、非常に小型であり得るため、一般的に使用される装置である。積分トンネルは、均質化においてより効率的であり得るが、一般に中空のトンネルは、多くの場合に高さ又は幅のいずれか大きい方の５倍の長さを必要とする。中実のトンネルは、屈折作用のために中空のトンネルより長いことが多い。

超小型及び比較的小型の投影機は、光インテグレータ又はホモジナイザーの使用可能なスペースが限られている。しかしながら、これらの投影機に使用される光学装置（色合成器及び偏光変換器など）から効率的かつ均一な光出力を得るには、小型で効率的なインテグレータが必要なことがある。

本開示は、一般に光学素子、光学素子を含む光投影機、及び光学素子を含む画像投影機に関する。詳細には、光学素子は、「フライアイアレイ（fly-eye array）」（ＦＥＡ）などの小型レンズアレイを使用して光を均質化することにより、改善された光の均一性を提供する。一態様では、本開示は、非偏光を受容して偏光を出力するよう配置された偏光変換器を含む光学素子を提供する。光学素子は、偏光を受容して集束偏光を出力するよう配置された第１の複数個のレンズを有する第１の小型レンズアレイを更に含む。光学素子は、集束偏光を受容して発散偏光を出力するよう配置された第２の複数個のレンズを有する第２の小型レンズアレイを更に含む。第１の小型レンズアレイ及び第２の小型レンズアレイは、モノリシックアレイであり、第１の複数個のレンズの第１のレンズの光軸と一致する偏光光線は、第２の複数個のレンズの第２のレンズの光軸と一致する。

別の態様では、本開示は、第１の非偏光光源及び第２の非偏光光源と、第１の非偏光光源及び第２の非偏光光源から合成非偏光を出力するよう配置された色合成器と、光学素子とを含む、光投影機を提供する。光学素子は、合成非偏光を受容して偏光を出力するよう配置された偏光変換器と、偏光を受容して集束偏光を出力するよう配置された第１の複数個のレンズを有する第１の小型レンズアレイと、集束偏光を受容して発散偏光を出力するよう配置された第２の複数個のレンズを有する第２の小型レンズアレイとを含む。第１の小型レンズアレイ及び第２の小型レンズアレイは、モノリシックアレイであり、第１の複数個のレンズの第１のレンズの光軸と一致する偏光光線は、第２の複数個のレンズの第２のレンズの光軸と一致する。

更に別の態様では、本開示は、第１の非偏光光源及び第２の非偏光光源と、第１の非偏光光源及び第２の非偏光光源から合成非偏光を出力するよう配置された色合成器と、光学素子と、発散偏光に画像を付与するよう配置された空間光変調器と、投影光学系とを含む、画像投影機を提供する。光学素子は、合成非偏光を受容して偏光を出力するよう配置された偏光変換器と、偏光を受容して集束偏光を出力するよう配置された第１の複数個のレンズを有する第１の小型レンズアレイと、集束偏光を受容して発散偏光を出力するよう配置された第２の複数個のレンズを有する第２の小型レンズアレイとを含む。第１の小型レンズアレイ及び第２の小型レンズアレイは、モノリシックアレイであり、第１の複数個のレンズの第１のレンズの光軸と一致する偏光光線は、第２の複数個のレンズの第２のレンズの光軸と一致する。

上記の概要は、本発明の開示されるそれぞれの実施形態又は全ての実現形態を説明することを目的としたものではない。以下の図面及び詳細な説明により、例示的実施形態をより詳細に例示する。

本明細書の全体を通じ、同様の参照符合が同様の要素を示す添付の図面を参照されたい。
画像投影機の概略図。 光学素子の概略断面図。 光学素子の概略断面図。 偏光変換器の概略断面図。 図面の縮尺は必ずしも正確ではない。図面で用いられる同様の番号は、同様の構成要素を示すものとする。しかしながら、特定の図中のある要素を示す数字の使用は、同じ数字によって示される別の図中のその要素を限定するものではないことは理解されよう。

本開示は、一般に画像投影機に関し、詳細には「フライアイアレイ」（ＦＥＡ）などの小型レンズアレイを使用して光を均質化することにより、光の均一性を向上させる画像投影機に関する。特定の一実施形態では、小型の偏光照射システムは、偏光変換システム（ＰＣＳ）と成形モノリシックフライアイアレイ（ＦＥＡ）インテグレータとを含む。偏光変換器と低複屈折モノリシックＦＥＡとの組み合わせは、小型システムに高効率と良好な均一性の両方を同時にもたらすことができる。ＦＥＡインテグレータは、２つの対向する表面上に成形された凸レンズのアレイを含み、その結果、ＰＣＳに入る非偏光の約８５％超が単一偏光でＦＥＡを出る。

ＬＣｏＳを用いた携帯型投影システムは、低価格で高解像度のＬＣｏＳパネルの有用性のために一般的になってきている。ＬＥＤ照射ＬＣｏＳ投影機の素子のリストには、ＬＥＤ光源、任意の色合成器、任意の先行偏光システム、リレー光学系、ＰＢＳ、ＬＣｏＳパネル、及び投影レンズユニットが挙げられ得る。ＬＣｏＳを用いた投影システムの場合、投影機の効率及びコントラストは、ＰＢＳに入る光の偏光度に直接関連する。少なくともこの理由のために、反射／再循環光学系（reflection/recycling optic）又は偏光変換光学素子のいずれかを使用する先行偏光システムが多くの場合に必要とされる。

偏光ビームスプリッタ及び二分の一波長位相差板を使用する偏光変換方式は、ＰＢＳに偏光を供給するのに最も効率的な方法の１つである。偏光変換光を用いる１つの問題は、空間不均一性に難点があり、表示画像にアーティファクトをもたらし得ることである。したがって、偏光変換器を使用するシステムでは、均質化システムが望まれる。

従来の投影システムでは、空気間隙で分離された一対の薄型ガラス製マイクロレンズアレイプレートで構成されるＦＥＡを使用して光を均質化することが一般的である。手持ち式投影機では、このような対にしたＦＥＡシステムは、より厚く、位置合わせの許容度がより厳しいという欠点を典型的に有する。

より最近では、単一素子のモノリシック成形プラスチック又はガラス製ＦＥＡユニットが、非常に小型の投影システムに採用されている。しかしながら、このような成形モノリシックユニットは、典型的に最大複屈折が５０ｎｍ以上であり、遅延及び光軸配向の変動が高く、それ自体では非偏光を均質化するために使用されるだけである。高効率の偏光変換器に続いて低複屈折の単一モノリシック素子を使用することにより、高い光学効率、良好な画像均一性、及び小型サイズを同時に達成することができる。

特定の一実施形態では、画像投影機の光照射器は、放射される非偏光を偏光変換器に誘導する光源を含む。偏光変換器は、光を各偏光状態の２つの経路に分離する。２つの偏光状態のそれぞれの経路長はほぼ等しく、偏光光線はモノリシックＦＥＡインテグレータを通過する。モノリシックＦＥＡインテグレータは、光線を発散させることができ、次に光線は、例えば、光線に画像を付与するための空間光変調器と、画像を画面に表示するための投影光学系とを使用することにより、更なる処理に誘導される。

場合によっては、光投影機は、非偏光光源（例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ）又は放電光）、偏光選択素子、第１の偏光空間変調器、及び第２の偏光選択素子を使用する。第１の偏光選択素子は、非偏光光源から放射された光の５０％を受け入れないため、偏光選択性投影機は、多くの場合に非偏光装置より効率が低いことがある。

偏光選択性投影機の効率を向上させる１つの手法は、光源と第１の偏光選択素子との間に偏光変換器を加えることである。一般に、当該技術分野において使用される偏光変換器の設計には２つの方法がある。第１の方法は、光源から放射される光を部分的に平行化し、部分的に平行化した光線にレンズのアレイを通過させ、各焦点に偏光変換器のアレイを配置することである。偏光変換器は、偏光選択性傾斜フィルム（例えば、マクニール偏光子、ワイヤグリッド偏光子、又は複屈折光学フィルム偏光子）を有する偏光ビームスプリッタを典型的に有し、反射された偏光は傾斜鏡により反射され、その結果、反射光線は傾斜偏光選択性フィルムにより透過された光線に平行に伝搬する。偏光光線の一方又は他方のいずれかが二分の一波長位相差板を通過し、その結果、両方の光線が同じ偏光状態を有する。

単一偏光状態を有する光線に非偏光光線を変換する別の手法は、光線全体に傾斜偏光選択子を通過させることであり、分離した光線は、単一偏光状態を放射するように鏡及び二分の一波長位相差板により調整される。偏光変換器を使用して偏光選択性空間光変調器を直接照射すると、照度及び色の不均一性がもたらされることがある。

特定の一実施形態では、偏光変換器は、投影システムで光を均質化するためにフライアイアレイを組み込むことができる。偏光変換器の出力側はモノリシックＦＥＡを含み、光を均質化する。モノリシックＦＥＡの入力側及び出力側は同数のレンズを含み、出力側の各レンズは、入力側の対応するレンズのほぼ焦点に芯合わせされる。レンズは、円柱形、両凸面形、球面形、又は非球面形であってもよいが、多くの場合に球面レンズが好ましいことがある。フライアイインテグレータ及び偏光変換器は、投影機の照度及び色の不均一性を著しく向上させることができる。

モノリシックＦＥＡのレンズは、プラスチックレンズを第１のフィルム上に微小複製することにより製造されてもよく、第２のフィルム上に微小複製されたプラスチックレンズに対して切断、位置合わせ、及び接着されてもよい。別の代替法は、一方又は両方の小型レンズアレイを単一ユニットとしてガラス又はプラスチックから成形し、介在フィルムなしに共に接着することである。小型レンズアレイは、円柱レンズなどの単軸レンズ、又は球面レンズなどの２つの屈折軸を有するレンズから製造されてもよい。モノリシックＦＥＡの入力面及び出力面のそれぞれのレンズ数は、単一レンズから、レンズの一次元アレイ、レンズの二次元アレイまでの範囲であってもよい。特定の一実施形態では、モノリシックＦＥＡの入力面及び出力面のそれぞれは、球面レンズの矩形アレイ、例えば、５×５アレイ〜２０×２０アレイ、又はそれ以上の範囲の寸法を有する正方形アレイを含んでいてもよい。一般に、より大きなレンズアレイは、アレイ間の隔離距離を減らすことができ、その結果、投影システムの寸法全体を減らすことができる。

場合によっては、折り畳んだフライアイアレイにより照射光を均質化してもよい。折り畳んだフライアイアレイは、第１の小型レンズアレイ、折り畳み鏡、及び第２の小型レンズアレイで形成されていてもよく、第２の小型レンズアレイを構成するレンズは、第１の小型レンズアレイを構成するレンズのほぼ焦点に位置する。

図１は、本開示の一態様による画像投影機１００の概略図を示す。画像投影機１００は、合成光出力１２４を均質化偏光変換器モジュール１３０に導入できる色合成器モジュール１１０を含み、合成光出力１２４は、変換されて、均質化偏光変換器モジュール１３０を出て画像生成器モジュール１５０に入る均質化偏光１４５になる。画像生成器モジュール１５０は、投影モジュール１７０に入る撮像された光１６５を出力し、撮像された光１６５は投影される撮像光１８０になる。

一態様では、色合成器モジュール１１０は、コリメート光学系１１８を通って色合成器１２０に入る、異なる波長スペクトル入力光源１１２、１１４、及び１１６を含む。色合成器１２０は、異なる波長スペクトル光を含む合成光出力１２４を生成する。本開示での使用に好適な色合成器モジュール１１０には、例えば、国際公開第２００９／０８５８５６号、表題「Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ」、同第２００９／０８６３１０号、表題「Ｌｉｇｈｔ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ」、同第２００９／１３９７９８号、表題「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ」、同第２００９／１３９７９９号、表題「Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎｄ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ」、並びに同時係属中の国際公開出願第２００９／０６２９３９号、表題「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ」、同第２００９／０６３７７９号、表題「Ｈｉｇｈ Ｄｕｒａｂｉｌｉｔｙ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ」、同第２００９／０６４９２７号、表題「Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ」、及び同第２００９／０６４９３１号、表題「Ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ Ｃｏｎｖｅｒｔｉｎｇ Ｃｏｌｏｒ Ｃｏｍｂｉｎｅｒ」に記載されているものが挙げられる。

一態様では、受容される入力光源１１２、１１４、１１６は非偏光であり、合成光出力１２４も非偏光である。合成光出力１２４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。合成光出力１２４は、受光された光のそれぞれの時系列出力であってもよい。一態様では、異なる波長スペクトル光のそれぞれは、異なる色光（例えば、赤色、緑色、及び青色）に相当し、合成光出力は白色光、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、人間の目に可視的である場合に、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、赤外光を含む、他の波長スペクトルの光の両方を指す。

一態様によると、各入力光源（１１２、１１４、１１６）は、１つ以上の発光ダイオード（ＬＥＤ）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）、及び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。本発明で有用な光源、光コリメータ、レンズ、及び光インテグレータは、例えば、公開された米国特許出願公開第２００８／０２８５１２９号に更に記載されており、この開示は、その全体が本明細書に含まれる。

一態様では、均質化偏光変換器モジュール１３０は、非偏光合成光出力１２４を均質化偏光１４５に変換できる偏光変換器１４０を含む。均質化偏光変換器モジュール１３０は、均質化偏光１４５として均質化偏光変換器モジュール１３０を出る、合成光出力１２４を均質化してその均一性を向上させ得る、レンズのモノリシックアレイ１０１（例えば、他の箇所に記載のレンズのモノリシックＦＥＡ）を更に含んでいてもよい。

一態様では、画像生成器モジュール１５０は、協働して均質化偏光１４５を撮像された光１６５に変換する、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１５６、代表的な撮像光学系１５２、１５４、及び空間光変調器１５８を含む。好適な空間光変調器（すなわち画像生成器）は、例えば、前述の米国特許第７，３６２，５０７号（Ｄｕｎｃａｎら）、同第７，５２９，０２９号（Ｄｕｎｃａｎら）、米国特許出願公開第２００８−０２８５１２９−Ａ１号（Ｍａｇａｒｉｌｌら）、及び国際公開第２００７／０１６０１５号（Ｄｕｎｃａｎら）に記載されている。特定の一実施形態では、均質化偏光１４５は、ＦＥＡの各レンズから生じる発散光である。撮像光学系１５２、１５４、及びＰＢＳ １５６を通過した後、均質化偏光１４５は、空間光変調器を均一に照射する撮像光１６０になる。特定の一実施形態では、ＦＥＡの各レンズからの各発散光線束は、個々の発散光線束が互いに重なり合うように空間光変調器１５８の主要部分を照射する。

一態様では、投影モジュール１７０は、撮像された光１６５を投影光１８０として投影するのに使用可能な、代表的な投影光学系１７２、１７４、１７６を含む。好適な投影光学系１７２、１７４、１７６は既述であり、当業者にはよく知られている。

図２は、本開示の一態様による光学素子２００の概略側面図を示す。光学素子２００は、図１に示されるような画像投影機１００の均質化偏光変換器モジュール１３０として使用され得る。光学素子２００は、偏光変換器２２０、第１の小型レンズアレイ２１０、及び第２の小型レンズアレイ２３０を含む。第１の小型レンズアレイ２１０及び第２の小型レンズアレイ２３０のそれぞれは、当該技術分野において既知のように、「フライアイアレイ」（すなわちＦＥＡ）と呼ばれることがある。場合によっては、第１の小型レンズアレイ２１０及び第２の小型レンズアレイ２３０のそれぞれは、集束（すなわち正の）力を含んでいてもよい。第１の小型レンズアレイ２１０及び第２の小型レンズアレイ２３０は、厚さ「ｔ」を有するモノリシックＦＥＡ ２０１を共に形成し、第１の小型レンズアレイ２１０と第２の小型レンズアレイ２３０との間に任意の中心基材２１４を含むことができる。一般に、厚さ「ｔ」は、偏光変換器２２０の寸法全体に応じて、約１０ｍｍ、約６ｍｍ、若しくは約４ｍｍ、又は更には約４ｍｍ未満であってもよい。非偏光２５０（図１に示される非偏光合成光出力１２４など）は、偏光変換器２２０に入り、第１の発散ｐ偏光２６０ａ及び第２の発散ｐ偏光２６０ｂとしてモノリシックＦＥＡ ２０１を出る。一般に、非偏光合成光２５０の各偏光状態の経路長は、以下の説明から分かるように、光学素子２００を介して本質的に同じである。

偏光変換器２２０は、後述のように、非偏光２５０を受容して、第１の発散ｐ偏光２６０ａ及び第２の発散ｐ偏光２６０ｂを出力するよう配置される。偏光変換器２２０は、第１及び第２の面２２３及び２２８を有する第１のプリズム２２２、第３及び第４のｐ面２２１及び２２７を有する第２のプリズム２２４、並びに第２の面２２８（第１のプリズム２２２と共通）、第５の面２２５、及び対角面２２９を有する第３のプリズム２２６を含む。反射偏光子２４０は、第１及び第２のプリズム２２２、２２４の間で対角面上に配置される。

反射偏光子２４０は、マクニール偏光子、ワイヤグリッド偏光子、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は、好ましい反射型偏光子であることができる。一般に、反射偏光子２４０は、デカルト反射偏光子であっても、非デカルト反射偏光子であってもよい。非デカルト反射偏光子には、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。デカルト反射偏光子は、偏光軸方向を有し、これには、ワイヤグリッド偏光子、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、反射偏光子２４０は、１つの偏光軸が第１の偏光方向に対して平行であり、第２の偏光方向に対して垂直になるように調整される。一実施形態では、第１の偏光方向はｓ偏光方向であってもよく、第２の偏光方向はｐ偏光方向であってもよい。

デカルト反射偏光子フィルムは、完全に平行ではなく、かつ中心光線軸から逸脱又は歪曲している入力光線を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。デカルト反射偏光子フィルムには、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挙げることができる。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。多層光学フィルムには、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挙げることができる。

偏光変換器２２０は、第４の面２２７上に配置された四分の一波長位相差板２４２及び広帯域鏡２４４を含む、偏光回転反射器を更に含む。偏光回転反射器は、他の文献、例えば、国際公開第２００９／０８５８５６号（Ｅｎｇｌｉｓｈら）に記載されている。偏光回転反射器は、成分及び偏光回転反射器内でのそれらの配向によって、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。偏光回転反射器は、一般に反射器と位相差板とを含む。一実施形態では、反射器は、反射によって光の透過を阻止する広帯域鏡であってもよい。八分の一波長位相差板、四分の一波長位相差板などの位相差板は、いずれの所望の遅延も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、四分の一波長位相差板及び関連反射器を使用することが有利である可能性がある。直線偏光は、４５°の角度に調整された四分の一波長位相差板を、光偏光軸に通過する際、円偏光に変化される。反射偏光子及び四分の一波長位相差板／反射器からの反射により、偏光変換器から効率的な光出力がもたらされる。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）に変えられ、結果として、偏光変換器のより低い効率をもたらす可能性がある。

好ましくは、四分の一波長位相差板２４２は、第１の偏光方向に対して＋／−４５°に調整される四分の一波長偏光方向を含む。いくつかの実施形態では、四分の一波長偏光方向は、第１の偏光方向に対して、任意の度数の配向、例えば、反時計方向に９０°から時計方向に９０°に調整されることができる。円偏光は、直線偏光が四分の一波長位相差板を通過する際、偏光方向に対して非常によく調整されるという結果をもたらすため、記載されるように、位相差板を約＋／−４５°で配向することが有利である可能性がある。四分の一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、他の箇所に記載されるように効率を低減する。

第２の広帯域鏡２４６は、第３のプリズム２２６の対角面２２９に隣接して配置される。プリズム、反射偏光子、四分の一波長位相差板、鏡、及び任意の他のコンポーネントなどの偏光変換器のコンポーネントは、好適な光学接着剤によって共に固着することができる。コンポーネントを共に固着するために使用される光学接着剤は、光合成器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ことができる。完全に共に固着された偏光変換器は、組み立て中、取り扱い中、及び使用中に調整安定性などの利点を提供する。

特定の一実施形態によると、プリズム面２２１、２２３、２２５、２２７、２２９は、プリズム２２２、２２４、及び２２６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、研磨された外表面である。別の実施形態によると、偏光変換器２２０の外面のすべて（図示されない端面を含む）は、研磨された面であり、これは、偏光変換器２２０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２２２、２２４、及び２２６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、特に偏光変換器２２０内に誘導された光が中心軸に沿って平行化されないとき、すなわち入射光が集束性又は発散性のいずれかであるとき、偏光変換器２２０内で光の利用を高める。

第１の小型レンズアレイ２１０は、第１のｐ偏光２５２を受容するよう配置された複数個のレンズの代表的な第１のレンズ２１２ｂと、第２のｐ偏光２５３を受容するよう配置された複数個のレンズの代表的な第２のレンズ２１２ａとを含む。場合によっては、第１の小型レンズアレイ２１０の各レンズは、例えば、円柱レンズであってもよく、円柱の長軸が図２に示される断面図に垂直になるようにアレイに配置されてもよい。場合によっては、第１の小型レンズアレイ２１０の各レンズは、例えば、球面レンズであってもよく、矩形アレイに配置されてもよい。第１の小型レンズアレイ２１０の各レンズは、第１の光軸２１１と、典型的に平面である表面２１４とを有する。第１の小型レンズアレイ２１０は、ガラス若しくはポリマーから形成されてもよく、表面２１４と一致する基材を含んでいてもよく、又は代わりに単一材料から形成されたモノリシック小型レンズアレイであってもよい。

第２の小型レンズアレイ２３０は、第１の小型レンズアレイ及び第２の小型レンズアレイ２３０の両方の各レンズの光軸２１１が一致するよう配置された、代表的な第３のレンズ２３２ａ及び代表的な第４のレンズ２３２ｂを含む。場合によっては、第２の小型レンズアレイ２３０の各レンズは、例えば、円柱レンズであってもよく、円柱の長軸が図２に示される断面図に垂直になるようにアレイに配置されてもよい。場合によっては、第２の小型レンズアレイ２３０の各レンズは、例えば、球面レンズであってもよく、矩形アレイに配置されてもよい。第２の小型レンズアレイ２３０の各レンズは、光軸２１１に対して位置合わせされており、典型的に平面である表面２１４を有する。第２の小型レンズアレイ２３０は、ガラス若しくはポリマーから形成されてもよく、表面２１４と一致する基材を含んでいてもよく、又は代わりに単一材料から形成されたモノリシック小型レンズアレイであってもよい。一般に、第１の小型レンズアレイ２１０及び第２の小型レンズアレイ２３０は共に、他の箇所に記載するように、単一材料から形成され、モノリシックＦＥＡ ２０１を形成してもよい。一般に、第１の小型レンズアレイ２１０の各レンズ（例えば、第１のレンズ２１２）の焦点は、第２の小型レンズアレイ２３０の各レンズ（例えば、第２のレンズ２３２）の第１の主平面（principle plane）に配置される。

場合によっては、小型レンズアレイに高屈折率ガラスを使用してもよい。また、高屈折率含鉛ガラスは、望ましい低複屈折をもたらし得る低い応力光学コンポーネント（stress optical component）（ＳＯＣ）を有する傾向がある。しかしながら、小型レンズの機能をガラスに成形するのは困難なことがある。このため、小型レンズアレイ構造には高分子材料が好ましく、例えば、ポリカーボネート（ＰＣ）、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、シクロオレフィンコポリマー（ＣＯＣ）、及びポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）などのポリマーが挙げられる。代表的な高分子材料には、例えば、シクロオレフィン性高分子材料、例えば、Ｚｅｏｎｅｘ（登録商標）（例えば、Ｅ４８Ｒ、３３０Ｒ、３４０Ｒ、４８０Ｒなど、Ｚｅｏｎ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｌ．Ｐ．，Ｌｏｕｉｓｖｉｌｌｅ，ＫＹから入手可能）；シクロオレフィンコポリマー、例えば、ＡＰＬ５５１４ＭＬ、ＡＰＬ５０１４ＤＰなど（Ｍｉｔｓｕｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ，Ｉｎｃ．ＪＰから入手可能）；ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）材料、例えば、ＷＦ１００（Ｍｉｔｓｕｂｉｓｈｉ Ｒａｙｏｎ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，ＪＰから入手可能）及びＡｃｒｙｐｅｔ（登録商標）ＶＨ００１（Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ Ｈｏｎｇｓｕ Ｔｒａｄｉｎｇ Ｃｏ．，Ｇｕａｎｇｄｏｎｇ，ＣＮから入手可能）；並びにポリカーボネート、ポリエステル、又はポリフェニレンサルファイド材料が挙げられる。一般に、５０ｎｍ未満、又は３０ｎｍ未満、又は更には２０ｎｍ未満の複屈折が好ましい（公称波長５５０ｎｍにおいて）。

非偏光光線２５０は、第２のプリズム２２４の第３の面２２１を通って偏光変換器２２０に入り、反射偏光子２４０と交差し、第１のｐ偏光光線２５２と第１のｓ偏光光線２５１とに分割される。第１のｐ偏光光線２５２は、反射偏光子２４０を通過し、広帯域鏡２４６から反射し、第３のプリズム２２６の第５の面２２５を通って偏光変換器２２０を出る。第１のｐ偏光光線２５２は、第１の小型レンズアレイ２１０の第１のレンズ２１２ｂに入り、第１のｐ偏光発散光線２６０ｂとして第２の小型レンズアレイ２３０の第３のレンズ２３２ｂを出る。

第１のｓ偏光光線２５１は、反射偏光子２４０から反射し、第４の面２２７を通って第２のプリズムを出て、四分の一波長位相差板２４２を通過する際に円偏光集束光に変化し、広帯域鏡２４４から反射して円偏光の方向を変化させ、四分の一波長位相差板２４２を再度通過する際に第２のｐ偏光２５３になる。第２のｐ偏光集束光２５３は、反射偏光子２４０を通過し、第１のプリズム２２２の第１の面２２３を通って偏光変換器２２０を出る。第２のｐ偏光光線２５３は、第１の小型レンズアレイ２１０の第２のレンズ２１２ａに入り、第２のｐ偏光発散光線２６０ａとして第２の小型レンズアレイ２３０の第４のレンズ２３２ａを出る。

場合によっては、四分の一波長位相差板２４２は、代わりに広帯域鏡２４４と反射偏光子２４０との間で反射偏光子２４０に隣接して配置されていてもよく（図示なし）、当業者には既知のように、偏光変換器２２０を介して同様の光路をたどることができる。場合によっては、四分の一波長位相差板２４２及び広帯域鏡２４４を含む偏光回転反射器は、代わりに第３の面２２１上に配置されていてもよく、非偏光入力光線２５０は、第４の面２２７を通って偏光変換器２２０に入ることができ、当業者には既知のように、偏光変換器２２０を介して同様の光路をたどることができる。

特定の一実施形態では、フライアイアレイ（ＦＥＡ）を横断する光線に影響を与え得る複屈折作用の量を最小化するには、応力光学係数（ＳＯＣ）が低くて薄いＦＥＡ材料を選択することが挙げられる。低いＳＯＣは、基材の両面を対応する小型レンズアレイに構成／成形した後のＦＥＡの基材で誘起複屈折が低いことを示す。低複屈折を達成する第２の観点は、基材材料内の光路を減らすことである。これには、焦点距離が短い小型レンズの設計が必要である。第１の小型レンズアレイの焦点は、第２の小型レンズアレイの主平面上に成形される。短い焦点距離は、各小型レンズ素子に小さな曲率半径をもたらす。結果として、各小型レンズ素子の口径を保つために、各小型レンズの横方向の寸法が典型的に縮小される（すなわち、力を加えなければ、アレイの平らな領域がない）。したがって、結果としてアレイ当たりの小型レンズの数が増え、光線の均質化を向上させることができる。

小型レンズの横方向の寸法を小さくすると、第１の小型レンズアレイの各小型レンズ素子の光軸を対応する第２の小型レンズアレイの小型レンズの光軸に位置合わせする高い精度が求められる。特定の一実施形態では、例えば、ＬＥＤ光照射器に使用されるＦＥＡは、小型レンズの口径が約０．６ｍｍ×０．９ｍｍであることがあり、典型的な機械的位置許容度の３０〜５０μｍでは、位置合わせ不良による光のクロストークがひどくなるであろう。低複屈折のＦＥＡ素子の必要性から、小さくて薄い小型レンズ素子の設計が求められる。小さな小型レンズ素子では、所要の位置合わせ精度を保つモノリシックＦＥＡの製造が求められる。薄い小型レンズ基材は、基材で誘起される同じ応力量の複屈折がほとんどないことを保証する。

図３は、本開示の一態様による光学素子４００の概略側面図を示す。光学素子４００は、図１に示されるような画像投影機１００の均質化偏光変換器モジュール１３０として使用され得る。光学素子４００は、偏光変換器４２０、第１の小型レンズアレイ４１０、及び第２の小型レンズアレイ４３０を含む。第１の小型レンズアレイ４１０及び第２の小型レンズアレイ４３０のそれぞれは、当該技術分野において既知のように、「フライアイアレイ」（すなわちＦＥＡ）と呼ばれることがある。第１の小型レンズアレイ４１０及び第２の小型レンズアレイ４３０は、厚さ「ｔ」を有するモノリシックＦＥＡ ４０１を共に形成し、第１の小型レンズアレイ４１０と第２の小型レンズアレイ４３０との間に任意の中心基材４１４を含むことができる。

図３に示されている要素４１０〜４４６のそれぞれは、前述の、図２に示されている同じ参照数字の要素２１０〜２４６に対応している。例えば、図３の第３のプリズム４２６は図２の第３のプリズム２２６に対応する、などである。図３では、反射偏光子４４０の相対位置は、図２の反射偏光子２４０の位置から変更されており、その結果、非偏光入力光４５０の各成分の経路長は、図で分かるように、図３に示されている配置では異なっている。一般に、各偏光成分の経路長は好ましくは同じであるが、光学素子４００は、均質化偏光変換器の別の実施形態として機能するであろう。

非偏光光線４５０は、第２のプリズム４２４の第３のプリズム面４２１を通って偏光変換器４２０に入り、反射偏光子４４０と交差し、第１のｐ偏光光線４５２と第１のｓ偏光光線４５３とに分割される。第１のｐ偏光光線４５２は、反射偏光子４４０を通過し、広帯域鏡４４６から反射し、第３のプリズム４２６の第１のプリズム面４２５を通って偏光変換器４２０を出る。第１のｐ偏光光線４５２は、次に二分の一波長位相差板４４８を通過して、第２のｓ偏光光線４５４へと変化する。第２のｓ偏光光線４５４は、第１の小型レンズアレイ４１０の第１のレンズ４１２ｂに入り、第２のｓ偏光発散光線４６０ｂとして第２の小型レンズアレイ４３０の第３のレンズ４３２ｂを出る。

第１のｓ偏光光線４５３は、反射偏光子４４０から反射し、第３のプリズム面４２３を通って第２のプリズム４２４を出る。第１のｓ偏光光線４５３は、第１の小型レンズアレイ４１０の第２のレンズ４１２ａに入り、第１のｓ偏光発散光線２６０ａとして第２の小型レンズアレイ４３０の第４のレンズ４３２ａを出る。

図４は、本開示の特定の一実施形態による偏光変換器５２０の概略断面図を示す。偏光変換器５２０は、既に記載した偏光変換器のいずれか（例えば、光学素子２００の偏光変換器２２０及び光学素子４００の偏光変換器４２０）の代わりに使用され得る。簡略化のために、図５から小型レンズアレイを削除しており、偏光変換器５２０を通過する光の経路のみ記載している。ただし、図１の偏光変換器モジュール１３０は、図２〜３に記載のものと同様に、偏光変換器５２０といずれか付随の小型レンズアレイとを含むことは理解されるべきである。

図４に示されている要素５２０〜５４６のそれぞれは、前述の、図２に示されている同じ参照数字の要素２２０〜２４６に対応している。例えば、図４の第３のプリズム５２６は図２の第３のプリズム２２６に対応するなど、である。図４では、反射偏光子５４０の相対位置は、図２の反射偏光子２４０の位置から変更されており、その結果、非偏光入力光５５２の各成分の経路長は、図で分かるように、図４に示されている配置では異なっている。一般に、各偏光成分の経路長は好ましくは同じであるが、偏光変換器５２０は、均質化偏光変換器の別の実施形態として機能するであろう。

図４に示される特定の一実施形態では、第２のプリズム５２４は、プリズム面５２３の長さを延長する任意の伸長部分「Ｐ」を有する。プリズム面５２３の延長した長さは、例えば、２０１０年１月６日に出願された同時係属中の米国特許出願第６１／２９２５７４号、表題「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｇｒａｔｏｒ」（代理人整理番号６５９０２ＵＳ００２号）に記載されるように、非偏光入力光５５２の経路長を増し、その結果、非偏光入力光５５２の均質化を向上させるのに役立ち得る。

特定の一実施形態では、偏光変換器５２０は、図４に示されるように、第１のプリズム５２２と第３のプリズム５２６との間に配置された二分の一波長位相差板５４８を含む。特定の一実施形態では、二分の一波長位相差板５４８は、代わりに図３に示される二分の一波長位相差板４４８と同様にプリズム面５２５に隣接して配置されてもよい。場合によっては、二分の一波長位相差板５４８は、透過光の偏光状態を反射光の偏光状態に変化させるように、反射偏光子５４０を通って透過される光の光路内のいずれの場所に配置されてもよい。特定の一実施形態では、二分の一波長位相差板は、プリズム面５２３、５４０、５４８、５２５、及び５２９のいずれに隣接して挿入されてもよい。

中央の非偏光光線５５２は、第１のプリズム面５２１に入り、反射偏光子５４０と交差し、透過されるｐ偏光光線５６２と反射される第１のｓ偏光光線５５３とに分割される。反射される第１のｓ偏光光線５５３は、次に第２の面５２３を通って偏光変換器５２０を出る。透過されるｐ偏光光線５６２は、第２のプリズム５２２を出て、二分の一波長位相差板５４８を通過して第２のｓ偏光光線５７２へと変化し、広帯域反射器５４６から反射し、第５の面５２５を通って偏光変換器５２０を出る。

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」と言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は、本明細書及び添付の「特許請求の範囲」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。

本明細書に引用した全ての参照文献及び刊行物は、本開示と直接矛盾しうる場合を除いて、それらの全容を本開示に明確に援用するものである。以上、本明細書において特定の実施形態について図示及び説明してきたが、当業者であれば、本開示の範囲から逸脱することなく、様々な代替的及び／又は同等の実施形態を、図示及び説明した特定の実施形態に置き換えることが可能である点は認識されるであろう。本出願は、本明細書において考察した特定の実施形態のあらゆる適合形態又は変形形態を網羅するものである。したがって、本開示は「特許請求の範囲」及びその均等物によってのみ限定されるものとする。

Claims (20)

1. 光学素子であって、
   非偏光を受容して偏光を出力するよう配置された偏光変換器と、
   前記偏光を受容して集束偏光を出力するよう配置された第１の複数個のレンズを有する第１の小型レンズアレイと、
   前記集束偏光を受容して発散偏光を出力するよう配置された第２の複数個のレンズを有する第２の小型レンズアレイと、を含み、
   前記第１の小型レンズアレイ及び前記第２の小型レンズアレイが、モノリシックアレイであり、前記第１の複数個のレンズの第１のレンズの光軸と一致する偏光光線が、前記第２の複数個のレンズの第２のレンズの光軸と一致する、光学素子。
2. 前記モノリシックアレイが、ガラス、プラスチック、又はシリコーンを含む、請求項１に記載の光学素子。
3. 前記モノリシックアレイが、公称波長５５０ｎｍで約３０ｎｍ未満の複屈折を含む、請求項１に記載の光学素子。
4. 前記偏光光線が、第１の偏光光線と、等しい光路長を有する第２の直交する偏光光線とを含む、請求項１に記載の光学素子。
5. 前記第１の複数個のレンズのそれぞれの焦点が、前記第２の複数個のレンズの第１の主平面に配置される、請求項１に記載の光学素子。
6. 前記モノリシックアレイが、前記第１の複数個のレンズと前記第２の複数個のレンズとの間に配置されたポリマーフィルムを更に含む、請求項１に記載の光学素子。
7. 前記第１の複数個のレンズ及び前記第２の複数個のレンズが、一対一の対応を有する、請求項１に記載の光学素子。
8. 前記第１の複数個のレンズ及び前記第２の複数個のレンズの少なくとも１つが、円柱レンズを含む、請求項１に記載の光学素子。
9. 前記第１の複数個のレンズ及び前記第２の複数個のレンズの少なくとも１つが、両凸面レンズ、球面レンズ、又は非球面レンズを含む、請求項１に記載の光学素子。
10. 前記第１の複数個のレンズのそれぞれ及び前記第２の複数個のレンズのそれぞれが、集束力を有する、請求項１に記載の光学素子。
11. 前記偏光変換器が、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）及び偏光回転子を含む、請求項１に記載の光学素子。
12. 前記ＰＢＳが、マクニール偏光子、マクニール偏光子のアレイ、ワイヤグリッド偏光子、ｓ偏光反射偏光子、又はｐ偏光反射偏光子を含む、請求項１１に記載の光学素子。
13. 前記偏光回転子が、四分の一波長位相差板、二分の一波長位相差板、液晶、又は液晶ポリマーを含む、請求項１１に記載の光学素子。
14. 広帯域反射器を更に含む、請求項１１に記載の光学素子。
15. 前記広帯域反射器が、全反射（ＴＩＲ）表面を有するプリズムを含む、請求項１４に記載の光学素子。
16. 前記広帯域反射器が鏡を含む、請求項１４に記載の光学素子。
17. 光投影機であって、
    第１の非偏光光源及び第２の非偏光光源と、
    前記第１の非偏光光源及び前記第２の非偏光光源から合成非偏光を出力するよう配置された色合成器と、
    光学素子であって、
    前記合成非偏光を受容して偏光を出力するよう配置された偏光変換器と、
    前記偏光を受容して集束偏光を出力するよう配置された第１の複数個のレンズを有する第１の小型レンズアレイと、
    前記集束偏光を受容して発散偏光を出力するよう配置された第２の複数個のレンズを有する第２の小型レンズアレイと、を含む、光学素子と、を含み、
    前記第１の小型レンズアレイ及び前記第２の小型レンズアレイが、モノリシックアレイであり、前記第１の複数個のレンズの第１のレンズの光軸と一致する偏光光線が、前記第２の複数個のレンズの第２のレンズの光軸と一致する、光投影機。
18. 画像投影機であって、
    第１の非偏光光源及び第２の非偏光光源と、
    前記第１の非偏光光源及び前記第２の非偏光光源から合成非偏光を出力するよう配置された色合成器と、
    光学素子であって、
    前記合成非偏光を受容して偏光を出力するよう配置された偏光変換器と、
    前記偏光を受容して集束偏光を出力するよう配置された第１の複数個のレンズを有する第１の小型レンズアレイと、
    前記集束偏光を受容して発散偏光を出力するよう配置された第２の複数個のレンズを有する第２の小型レンズアレイと、を含み、
    前記第１の小型レンズアレイ及び前記第２の小型レンズアレイが、モノリシックアレイであり、前記第１の複数個のレンズの第１のレンズの光軸と一致する偏光光線が、前記第２の複数個のレンズの第２のレンズの光軸と一致する、光学素子と、
    前記発散偏光に画像を付与するよう配置された空間光変調器と、
    投影光学系と、を含む、画像投影機。
19. 前記空間光変調器が、リキッド・クリスタル・オン・シリコン（Liquid Crystal on Silicon：ＬＣｏＳ）画像装置又は透過型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）を含む、請求項１８に記載の画像投影機。
20. 前記第２のレンズアレイの各レンズからの前記発散偏光が、前記空間光変調器の主要部分を照射する、請求項１８に記載の画像投影機。

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