JP5249775B2 - 光セパレータ - Google Patents

Description

本発明は全般的には光のスペクトル分離のための装置に関し、さらに詳しくは光のスペクトル分離を光エネルギーの空間的均一化と組み合せる装置に関する。

カラーセパレータ及びリコンバイナは光技術で周知であり、特にカラー映像の表示または記録のための、多くの応用がある。そのような映像化デバイスでは、カラーセパレータが多色光入力を受け取り、変調のために、波長にしたがって多色光を分割して２つ、３つまたはそれより多くの光スペクトル帯域を提供する。次いで、変調された光のスペクトル帯域を結合し、それによってフルカラー映像を形成するためにカラーリコンバイナが用いられる。

ダイクロイックコーティングはある範囲の応用においてカラー分離を実施するための有用な機構を提供し、最小の光損失及び比較的高いスペクトル選択性のような利点を提供する。様々なタイプの、プリズム表面にダイクロイックコーティングを用いるカラーセパレータの例は以下の通りである：
名称を「テレセントリック光学系を用いる投映装置（Projection Apparatus Using Telecentric Optics）」とする、コブ（Cobb）等の特許文献１は、白色光を赤、緑及び青（ＲＧＢ）の原色成分に分離するためのＶ字型プリズムの形態のダイクロイックセパレータの使用を説明している；
名称を「カラー結合光素子、カラー分離光素子、及びこれらを用いる投映型表示装置（Color Combining Optical Element, Color Separation Optical Element, and Projection Type Apparatus Using Them）」とする、スガワラ（Sugawara）の特許文献２は、ダイクロイック面がそれらの間に配置された３つのプリズムで形成されるカラー分離光コンポーネント及びカラー結合光コンポーネントを説明している；
名称を「反射フィルタ及び全反射を利用するカラー分離プリズム（Color-Separating Prism Utilizing Reflective Filters and Total Internal Reflection）」とする、ファン（Huag）の特許文献３は、ダイクロイック面をそれらの間にもつ接合プリズムを用いる別のカラー分離装置を説明している；
名称を「共通積算トンネルにより多色光源の光路を結合するための方法及び装置（Method and Apparatus for Combining Light paths of Multiple Colored Light Sources Through a Common Integration Tunnel）」とする、ピーターソン（Peterson）等の特許文献４は、投映システムにおける照射のために複数の色光路を結合するための積算装置を説明している；
名称を「投映型表示装置に用いるためのダイクロイック光素子（Dichroic Optical Elements for use in a Projection Type Display Apparatus）」とする、ソネハラ（Sonehara）の特許文献５は、Ｘキューブとして知られ、白色光をＲＧＢ成分に分離するための様々なタイプの映像デバイスに用いられている、交差ダイクロイック面を用いるプリズム型光コンポーネントを説明している；
名称を「交差ダイクロイックプリズム（Cross Dichroic Prism）」とする、オクヤマ（Okuyama）の特許文献６は、対向する外表面が平行ではないＸキューブ構造の変形を説明している；
名称を「カラーテレビジョンカメラ用光学系（Optical System for a Color Television Camera）」とする、デラング（DeLang）等の特許文献７は、３つのプリズム及び多くのダイクロイック面を用いる、多くのプロジェクタ構成に用いられているカラー分離のためのフィリップス（Philips）プリズムを説明している；
また、
名称を「コントラスト強化に対して補償され、反射型映像装置として実施される、色分離プリズム集成装置（Color Separation Prism Assembly Compensated for Contrast Enhancement and Implemented as Reflective Imager）」とする、ファンの特許文献８は、分離されたＲＧＢ成分を得るための、様々なダイクロイックコーティングを通して多色光を導くための３プリズム構成の別の実施形態を説明している。

そのような従来のＸキューブ及びフィリップスプリズム実施形態によれば、多色光が１つまたはそれより多くのダイクロイック面を通過し、それによって相異なるスペクトル成分に分離される。ほとんどの場合、変調の前の色分離及び最終的な投映またはその他の映像化のための変調された光の再結合のいずれのためにも、同じコンポーネントまたは同様に構成されたコンポーネントを用いることができる。

Ｘキューブ及びフィリップスプリズムで例示されるプリズムのような、ダイクロイック面をもつプリズムの組合せには多くの欠点がある。それぞれの対応するダイクロイックコーティングを有する内表面が交差している４つの独立のプリズムを組み合せる構成のＸキューブは、低費用での作製が困難であることがわかっている。内表面の若干の位置合せずれによって、色縁のような問題が生じ得る。フィリップスプリズム及び類縁の３プリズムデバイスの作製についても、機械的許容度及び適切な位置合せに難点があり得る。さらに、これらの問題が補正され得る場合であっても、Ｘキューブ及びフィリップスプリズムによる解決方法では、入射光の軸に対して直交方向に、または何か別の比較的大きな角度方向に、光路が分割されなければならない。結果として生じる空間的制約により、そのようなデバイスは例えばいかなるタイプのアレイとしても使用できなくなる。

従来の色分離デバイスの別の重大な欠点はダイクロイック面自体の特性に関係する。ダイクロイックコーティングのスペクトル性能は入射光の角度に強く影響される。入射角が変化するとともに、透過及び反射される光の波長も若干シフトする。一般にダイクロイック面は狭い角度範囲にある入射光で最善にはたらくように設計され、一般に垂直に近い角度の入射光に対して用いられる。

映像化装置を含む多くのタイプのデバイスにおいて、変調に対して均一フィールドの提供が必要とされる。均一フィールドを達成するための一方策は、光損失を生じさせずに、角度分布を均一化することによって光エネルギーを拡散させ、光ビームを整形する、均一化素子を用いることである。上述したようなカラー映像の表示及び記録に用いられるデバイスのような映像化デバイスは一般に、積算バー、複眼レンズアレイ、光ファイバフェースプレートまたはバンドル、拡散板、または同様の光デバイスのようなコンポーネントを均一化素子として用いる。ただ１つの例として、名称を「光の低損失分離及び結合のための方法及びシステム（Methods and Systems for Low Loss Separation and Combination of Light）」とする、アニキチェフ（Anikitchev）等の特許文献９は、表示システムにおいて照射エネルギーのより均一な分布を得るために照射ビームを再分布させるための積算バーの使用を説明している。

映像化用途には一般にカラー映像を形成するための光のスペクトル分離または再結合が必要であるが、光エネルギーのスペクトル分離及び均一化のいずれもが有益である別の応用がある。そのような用途の中に、例えば、センシング装置及び、太陽エネルギーパネルのような、光電エネルギー装置におけるように、光からエネルギーを得る応用がある。様々な光電材料は波長が異なれば異なる態様で光に応答する。この理由のため、太陽光を２つまたはそれより多くのスペクトル帯域に分解し、それぞれのスペクトル帯域を、それぞれのスペクトル帯域においてエネルギーを供給するために最適化された、適切な材料に導く、太陽エネルギー装置が有益であり得る。太陽光をそれぞれ長波長側及び短波長側の上位スペクトル帯域及び下位スペクトル帯域に分割できれば、ある量の太陽光から得られる総エネルギー収率を高めるために相異なる光電池を用いることができる。第１の光電池を低エネルギー光、すなわち長波長側の光に対して最適化することができる。次いで、第２の光電池を高エネルギー光、すなわち短波長側の光に対して最適化することができる。

光の高効率スペクトル分割のための装置及び方法が有用であろうことは認識されているが、従来の解決方法は必要とされている低コストの無損失光分割には到底至っておらず、光エネルギーの空間分布を改善するために別個にコンポーネントを備える必要がある。したがって、無損失スペクトル分離を光均一化とともに提供し、小型パッケージ化が可能な、装置が必要とされている。
米国特許第６７５８５６５号明細書 米国特許第６６７１１０１号明細書 米国特許第６５１７２０９号明細書 米国特許第６９５６７０１号明細書 米国特許第５０９８１８３号明細書 米国特許第６３２７０９２号明細書 米国特許第３２０２０３９号明細書 米国特許第６７０４１４４号明細書 米国特許第６９１９９９０号明細書

本発明の課題は、無損失スペクトル分離を光均一化とともに提供し、小型パッケージ化が可能な、光セパレータを提供することである。

光分離の技術を前進させることが本発明の目的である。この目的を考慮して、本発明は多色光を、所定の波長より長波長側のスペクトル帯域光及び所定の波長より短波長側のスペクトル帯域光に分割するための光セパレータを提供し、本光セパレータは、それぞれがある範囲の角度で入射する光を反射する対向側面間に定められ、多色光を受け取るための光入力面並びに分割された長波長側スペクトル帯域光及び短波長側スペクトル帯域光を供給するための光出力面をさらに有し、本光セパレータは、
（ａ）光入力面から光出力面にかけて幅が狭まり、
（ｉ）所定の波長より長い波長の光を反射し、所定の波長より短い波長の光を透過させるための第１のダイクロイック面、及び
（ii）ある範囲の角度で入射する光を反射する第１の外表面、
の間で定められる、第１の導光チャネル、
及び
（ｂ）光入力面から光出力面にかけて幅が狭まり、
（ｉ）所定の波長より短い波長の光を反射し、所定の波長より長い波長の光を透過させるための第２のダイクロイック面、及び
（ii）ある範囲の角度で入射する光を反射する第２の外表面、
の間で定められる、第２の導光チャネル、
を有し、第１及び第２の導光チャネルのいずれもの一部である光セパレータの共通部をさらに有し、共通部は第１及び第２のダイクロイック面の間にあって、光入力面から光出力面にかけて幅が狭まる。

光を２つまたはそれより多くのスペクトル帯域成分に分割するための機構を提供することが本発明の特色であり、閾波長はダイクロイックコーティングの調整によって変えることができる。

単コンポーネントにおいてスペクトル分割及び光均一化のいずれの機能も提供することが本発明の利点である。本発明の実施形態は本質的に無損失とすることができ、分割されたスペクトル帯域のそれぞれにおいて提供される利用可能な光エネルギーを最適化する。

本発明の上記及びその他の目的、特徴及び利点は、当業者には、本発明の例示的実施形態が示され、説明される、以下の詳細な説明を図面とともに読めば明らかになるであろう。

本発明の装置は、本質的に無損失の色分離を分離されたスペクトル成分に対する光エネルギーの空間的均一化とともに得るため、ダイクロイックコーティング及び導光光学系の枢要な特性を利用する。本装置は多色光、すなわち、例えば太陽光のような、可視波長だけでなく赤外波長及び紫外波長も含むことができる波長範囲に広がる光を受け取る。多色光はある所定の波長に対して長波長側及び短波長側のスペクトル成分またはスペクトル帯域光に分割される。

初めに図１及び２を参照すれば、結合されて本発明にしたがう光セパレータを形成する２つの導光チャネル１２ａ及び１２ｂがそれぞれ示されている。図１の導光チャネル１２ａにおいては、所定の波長より長い波長の光を反射し、所定の波長より短い波長の光を光出力面２０に向けて透過させるように、ダイクロイック面１６ａが被覆される。光線Ｒ_Ｌは所定の波長より長い波長をもつ光入力面１４からの光に対する一般的な経路をとる。この光はダイクロイック面１６ａで反射され、反射性外表面１８ａで再び反射される。図１に示されるように、表面１６ａ及び１８ａのそれぞれにおけるこの長波長側の光の反射が反復される。反射性外表面１８ａは、反射性材料で被覆するか、あるいは以降で説明されるように全反射（ＴＩＲ）を用いることができるであろう。

導光チャネル１２ａの幅が光入力面１４から光出力面２０まで光路に沿って狭まるように、ダイクロイック面１６ａは外表面１８ａに向かって傾斜しているから、それぞれの反射は対応する表面のそれぞれの法線に対して若干小さい角度でおこる。図１に関しては、光線Ｒ_Ｌが初めにダイクロイック面１６ａの法線に対する入射角θ_１でダイクロイック面１６ａにあたり、等しい反射角θ_１’で反射される。次の反射は、入射角がα_１で反射角がα_１’の、外表面１８ａにおける反射である。これに続いて、ダイクロイック面１６ａに対する入射角がθ_２で、反射角が等しいθ_２’の、ダイクロイック面１６ａでの第２の反射がおこる。重要なことは、外表面１８ａに対するダイクロイック面１６ａの傾斜によって関係式：
θ_１＞θ_２
が成立することである。さらに、ダイクロイック面で次々に反射がおこる場合には、引き続くそれぞれの反射における入射角は前の反射より若干小さくなり、よって、一般に、連続する第ｎ反射と第（ｎ＋１）反射については：
θ_ｎ＞θ_ｎ＋１
である。

外表面１８ａにおける連続反射に対しても同様の関係式が成立する。すなわち、導光チャネル１６Ａの幅の狭まりにより：
α_１＞α_２
であり、一般に、連続する反射については：
α_ｎ＞α_ｎ＋１
である。

小さくなり続ける入射角でおこるこのような多重反射の結果、光出力面２０で導光チャネル１２ａをでる光線Ｒ_Ｌの光は光入力面１４において対応する光より一般に大きな角度で外に現れる。導光チャネル１２ａを通って導かれる光のいくらかの部分に対するこの角度差のため、光出力面２０における光は光入力面１４における光に対して空間的に均一化される。すなわち、導光チャネル１２ａは、テーパ付積算バーの態様と同様の態様で光を分布させる、光ホモジナイザ及び、以降で説明されるように、他のダイクロイック色分離デバイスに優る改善された性能をもつ光分離コンポーネントのいずれとしても作用する。

図２の導光チャネル１２ｂは、所定の波長より下の、すなわち短波長側の光について、導光チャネル１２ａと同様の態様で動作し、光を均一化する。ダイクロイック面１６ｂが、一タイプの閾値としての所定の波長に対して短波長側の光を反射し、長波長側の光を透過させるように、同じく、被覆される。光線Ｒ_Ｓは閾波長より短い波長を有する光に対する一般的な経路をとる。この光はダイクロイック面１６ｂで反射され、反射性外表面１８ｂで再び反射される。表面１６及び１８ｂにおける反射は反復され得る。ダイクロイック面１６ｂは外表面１８ｂに向けて傾斜しているから、連続する反射のそれぞれは対応する表面のそれぞれの法線に対して若干小さい角度でおこる。このような多重反射の結果、光出力面２０で導光チャネル１２ｂをでる光線Ｒ_Ｓの光は光入力面１４において対応する光より一般に大きな角度にある。テーパ付導光チャネル１２ｂによるこの光混合により光出力面２０における光に対する空間的均一化の手段が提供される。すなわち、導光チャネル１２ｂも、光分離コンポーネントとしてだけではなく、光ホモジナイザとしても作用する。

上記の図１及び２の説明では、導光チャネル１２ａ及び１２ｂのそれぞれを定める双対表面の光均一化に対する角度関係の重要性が強調されている。これは導光チャネル１２ａ及び１２ｂの幾何学的形状の利点の１つに過ぎない。別の枢要な利点は、光がダイクロイック面に漸次減少する角度で反復入射することによる、改善された色分離に関する。先に与えられた背景技術の章で述べたように、ダイクロイック性能の変動が入射角の減少とともにちいさくなることは周知である。すなわち、例えば図１の光線Ｒ_Ｌを参照すれば、光がダイクロイック面１６ａに入射する毎にダイクロイックコーティングの色分離操作が反復される。さらに、反復毎に、入射角は益々好ましくなる。この挙動を用いることにより、本発明の光セパレータ１０は高度の色分離を達成することができる。上述したような幅が狭まるチャネルの形成によって可能になった、ダイクロイック面１６ａに対する光のマルチパス入射により、本発明の光セパレータ１０は、ダイクロイック面を通る光の単パスしか提供しない、従来の、Ｘキューブ、フィリップスプリズム及び類縁のダイクロイック色分離デバイスから、弁別される。

図３の側面構成図は、光セパレータ１０における導光チャネル１２ａ及び１２ｂの組み合された動作を示す。ここで、光線Ｒで示される多色光は、初めに、ダイクロイック面１６ａにおいて長波長成分Ｒ_Ｌ及び短波長成分Ｒ_Ｓに分割される。次いで、それぞれの成分は漸進的に多数回反射してから、スペクトル分離された光として光出力面２０で外に現れる。図３の側面図に示されるように、ダイクロイック面１６ａと１６ｂの間にあって、導光チャネル１２ａ及び導光チャネル１２ｂのいずれもの一部である、光セパレータ１０の共通部分２２がある。共通部分２２の幅は光入力面１４で最も広く、一般には図３に見られるように光入力面１４と同じ広さであり、光出力面２０に向かうにつれて狭まってゆく。共通部分２２はダイクロイック面１６ａと１６ｂの間にしか存在しない。

図１，２または３の破断側面図では、ある範囲の角度で入射する光を反射し、導光表面を提供し、それぞれの一部が導光チャネル１２ａ及び１２ｂのそれぞれによって用いられる、光セパレータ１０の反対側の表面を見ることはできない。参考のため、図４の斜視図は一実施形態における光セパレータ１０の外表面の相対位置を示す。この斜視図によれば、光セパレータ１０の上面及び底面はそれぞれ外表面１８ｂ及び１８ａである。この角度から対向する表面４６の一方を見ることができ、他方の表面４６は反対側にある。

図４の実施形態において、光セパレータ１０は、それぞれが図１〜３に用いられる断面方向において三角形である、３つのプリズム５０ａ，５０ｂ及び５０ｃの組合せを用いて作製され、必要なダイクロイックコーティングは様々なプリズム表面に施されている。外表面１８ａ及び１８ｂでの反射だけでなく、対向する側面４６での反射にもＴＩＲが用いられる。共通部分２２は包囲されているプリズム５０ｂの立体形に相当する。

図４に示されるような、一実施形態において、外表面１８ａ及び１８ｂは実質的に互いに平行であり、これは図３の断面図に表されているようなプリズム実施形態についての一般的な構成である。しかし、この関係は必ずしも必要ではなく、外表面１８ａ及び１８ｂを互いに平行ではないようにすることが有利な応用もあり得る。ダイクロイック面１６ａ及び１６ｂは一般に光出力面２０またはその近傍でしか会合せず、交差はしない。しかし、光セパレータ１０の適切な動作のためにダイクロイック面１６ａ及び１６ｂが精確に会合する必要はない。ダイクロイック面１６ａ及び１６ｂが光出力面２０の近傍で交差するようなことがあれば、会合後にダイクロイック面１６ａと１６ｂの間にある光セパレータ１０のいかなる部分も本装置の光分離機能に役立つことはないであろう。ダイクロイック面１６ａ及び１６ｂは、これらの表面が断面図で見られるように光入力面１４の対向するコーナーから光出力面２０の中心まで広がるように、（中心軸に対して）相補的な傾斜を有するとして示されているが、その他の構成も可能である。例えば、導光チャネル１２ａ及び１２ｂのそれぞれの立体形が等しい必要はない。

図４に示される実施形態に示されているように、光セパレータ１０はガラス、プラスチックまたはその他の適する透明材料で形成され、ダイクロイック面１６ａ及び１６ｂの内側部分にダイクロイックコーティングを有する、プリズム構造体とすることができる。プリズム実施形態において、外表面１８ａ及び１８ｂは一般に導光技術では周知であり、例えば、均一化素子としてはたらく積算バーに広く用いられる挙動である、全反射（ＴＩＲ）を用いて入射光を反射する。必要に応じて、プリズム構造体の外表面１８ａ，１８ｂあるいは対向面４６の１つまたはそれより多くの部分を反射性材料で被覆することができる。ＴＩＲは、光が適切な入射角で与えられた場合には本質的に無損失であるから、有利である。一方、被覆材料の反射ではそれぞれの反射毎に若干の損失があり、よって多重反射ではかなりの量のエネルギー損失が生じ得る。しかし、外表面１８ａ及び１８ｂの少なくともいくらかの部分に反射性表面材料を設けるには別の理由があり得る。

別のプリズムベース実施形態が図５の例に示される。この実施形態では、光入力面１４が空気開口である。したがって反射性外表面１８ａ及び１８ｂには何らかのタイプの反射性被膜が施されなければならない。反射性被膜は、図５の破断側面図では見ることができない、反対側の表面４６にも用いられるであろう。図５の実施形態において、共通部分２２はダイクロイック面１６ａ及び１６ｂの間にある空間に過ぎない。

直列実施形態
図３，４及び５に示される実施形態は光を２つのスペクトル帯域に分割する装置を提供するが、もちろん、光が３つ、４つないしさらに多くのスペクトル帯域光に分離されることが必要となるような用途も多い。これを達成するためには、図６及び７の斜視図並びに図８の構成図に示されるような直列配置を用いて、マルチバンド光セパレータ２４を得ることもできる。図６を参照すれば、光セパレータ１０ａが初めに光入力面１４ａにおける入射光を光出力面２０ａで利用できる長波長側スペクトル帯域成分及び短波長側スペクトル帯域成分に分割する。次いで光出力面２０ａは第２の光セパレータ１０ｂの光入力面１４ｂに光結合される。第２の光セパレータ１０ｂは第１の光セパレータ１０ａに対して軸のまわりで９０°回転され、よって第１の光セパレータ１０ａから供給されるスペクトル帯域成分のそれぞれが、再度、長波長側スペクトル帯域成分及び短波長側スペクトル帯域成分に分割される。この結果、光出力面２０ｂにおける光出力は、図６に２６ａ，２６ｂ，２６ｃ及び２６ｄで示される、４つのスペクトル帯域を有することになる。

図７は、異なる斜視角度からの、集光装置として設けられたテーパ付積算バー３０に結合されたマルチバンド光セパレータ２４を示す。この実施形態により、増倍光のスペクトル分離が可能になり、構成は太陽エネルギーまたはその他の光電エネルギーのスペクトル成分の収集及び分配に対して特定の値を有することができる。テーパ付積算バー３０の代りとして、集束レンズを集光器として用いることができるであろう。レンズは光セパレータ１０ａの光入力面１４ａより大きな直径を有することになろう。

図８の側面構成図は直列配置光セパレータ１０ａ及び１０ｂを用いる光分離のためのまた別の実施形態を示す。この場合、マルチバンドセパレータ２４は、光入力面１４ａにおいて白色光Ｗを受け、それぞれのスペクトル帯域が空間的に均一化されている、ＲＧＢ光を出力するように構成されている。第１の光セパレータ１０ａが青色光及び緑色光から赤色スペクトル成分を分離する。光出力面２０ａにおけるこの青色光及び緑色光は、さらに緑色光からの青色光の分離を行う光セパレータ１０ｂに光結合される。

アレイ実施形態
本発明の装置は、ある範囲の映像化デバイスの照射システム用のような、光セパレータとして単独で用いることができるが、それぞれの光セパレータが本発明にしたがって構成された、小形化光セパレータコンポーネントのアレイを含む、アレイ構成が有益であるような用途がある。

図９Ａ及び９Ｂを参照すれば、マルチバンド光セパレータ２４のアレイ３２が、２つの異なる角度からの斜視図で、示されている。図９Ａ及び９Ｂは３×３構成のアレイ３２を示しているが、実際上、アレイ３２は用途に基づいて、いかなる任意の次元もとることができるであろう。もちろん、それぞれのアレイコンポーネントにおいて光を２つのスペクトル成分に分割することが必要なだけの、より簡単な光セパレータ１０のアレイを構成することができるであろう。

図９Ａで右側にある光供給面３６またはその他の多色光源から入ってくる光のような多色光が、アレイ３２のマルチバンドセパレータ２４の１つに導かれる。図示される実施形態において、それぞれのマルチバンドセパレータ２４は、スペクトル帯域２６ａ，２６ｂ，２６ｃ及び２６ｄにある出力光が光出力面２０ｂにおいて効率よく増倍されるように、対応するテーパ付積算バー３０と結合される。図９Ａにおいて、分離された光は、分離されたスペクトル帯域を表示目的にまたは（光供給面３６なしに）エネルギー発生に用いることができるであろう、受光面３４に導かれる。図９Ａ及び９Ｂに示される特定の実施形態は、例えば、マルチバンドセパレータ２４が、太陽集光装置における単一の受光面３４上に配置されているかまたは個別デバイスとして配置されているような、対応する光電池アレイと光結合された場合に有利であり得る。先に述べたように、それぞれの光電池の光電材料はスペクトル帯域２６ａ，２６ｂ，２６ｃ及び２６ｄのそれぞれの利用できるスペクトル成分を処理するように最適化することができよう。

図９Ａに示される構成を用いる表示デバイスについては、光供給面３６をバックライト装置とすることができるよう。受光面３４は、液晶デバイス（ＬＣＤ）、デジタルマイクロミラーデバイスまたは、個々の光ゲート素子が光を変調する、何か別のタイプの空間光変調器のような、光ゲートデバイスとすることができよう。図９Ａの基本構成を用いる表示デバイス実施形態を参照すれば、ガラスまたはフィルムのような、薄いシート材料上に光セパレータ１０ａ，１０ｂのアレイ３２を作製できるであろう。小型化形態においては、光セパレータ１０のアレイ３２が、従来のＲＧＢスペクトル帯域において空間的に均一化され、空間的に分離された、可視色光を提供でき、あるいは３つまたはそれより多くの色を提供できるであろう。それぞれのスペクトル帯域は変調のために受光面３４上の光ゲート素子に導かれる。このように用いれば、例えば、イイサカ（Iisak）の米国特許出願公開第２００４／０２５７５４１号明細書に説明されるような、従来のカラーフィルタアレイ（ＣＦＡ）に代りにアレイ３２を用いることができるであろう。コンポーネントまたはフィルタを付加せずに別の色をさらに提供できる能力を、利用できる色範囲を拡大するために役立たせることができよう。アレイ３２は、吸収カラーフィルタを用いる従来のＣＦＡを上回る、高められた光出力という利点を有するであろう。

光セパレータ１０の構成は、図６から図９Ｂに示されるように、直列構成にもアレイ構成にも容易に適合させ得ることがわかる。これは背景技術の章で先に述べたような従来型のダイクロイックカラーセパレータではできないであろう。直列構成及び／またはアレイ構成を可能にする能力は、光セパレータ１０が概ね入力光の軸と同じ軸に沿って分離された光を導くことから、可能になる。したがって、光セパレータ１０は、光の向きを入射光の光軸に対して直交方向または何か別の大きな角度方向に変えることなく、空間分離するための「挟プロファイル」デバイスを提供する。

太陽集光実施形態
図１１を参照すれば、太陽または別の輻射源から電気エネルギーを発生するための太陽集光装置４４が示されている。拡大レンズ３８またはその他の集光器が光を光セパレータ１０に導く。レンズ３８の開口径は光入力面１４の寸法より大きいことが好ましい。光セパレータ１０が光を長波長側スペクトル帯域光及び短波長側スペクトル帯域光に分割する。それぞれのスペクトル帯域光は次いで、一般にはそれぞれのスペクトル帯域光を対応する光電池４０ａまたは４０ｂに結合させるための集光器としての任意選択のレンズ４２ａ，４２ｂを用いて、光電池４０ａ及び４０ｂに導かれる。この構成は、例えば、それぞれが異なる波長帯域光に対して最適化された、異なる材料が光電池に用いられる場合に有利になるであろう。このようにして、本発明の装置は、名称を「太陽エネルギー変換器（Solar Energy Converter）」とする、ジャクソン（Jackson）の米国特許第２９４９４９８号に説明されているような、太陽集光デバイスに用いられることが多い従来の積層型光電池セル方策への代替を提供する。

実用上の問題
光技術の当業者には当然であるように、図１，２及び３を参照して説明した光の挙動は理想化された第１近似である。ダイクロイックコーティングの実際の挙動は当然完全には程遠い。実際上、分離された光のそれぞれにはいくらかのスペクトル汚染があるであろう。本発明の装置及び方法の総合性能をより良く理解するために光の挙動を一層詳しく調べることは有意義である。

先に述べたように、ダイクロイックコーティングは光の入射角に敏感であり、よって、ある程度は光入射角に依存して、所定の閾波長近傍の波長においていくらかのスペクトル汚染があると考えられる。図１０を参照すれば、この実施形態においては赤外光反射器を形成するように処理された、ダイクロイック面１６ａが大入射角の光をどのように扱うかが示されている。特にＩＲ光に対し、ある範囲の入射角にわたっていくらかのスペクトル汚染がおこり得る。図１０に示されるように、小入射角においてさえ、ダイクロイック面１６ａにおいていくらかのＩＲリークがおこり得る。破線で示されるこの光は光出力面１８ｂから反射され、よってダイクロイック面１６ａ方向に向きが変えられる。ダイクロイック面１６ａへの次の入射においては、光の入射角が大きくなっている。しかし、不要光のほとんどが反射される。外表面１８ｂ及びダイクロイック面１６ａの両者における反復入射の入射角は大きくなり続け、よってこの意図されない反射の効率は低くなり続けるとしても、導光チャネル１２ｂには「捕えられた」ままのリーク光がいくらか存在する。

別の実用上の問題はダイクロイックコーティング自体の不完全なフィルタ特性に関する。本発明の光セパレータ１０に関しては、ダイクロイック面１６ａ及び１６ｂにおける反射及び透過に対する基準周波数または閾周波数として、ある所定の波長が指定される。図３を参照すれば、例えば、長波長側スペクトル帯域光Ｒ_Ｌが近ＩＲ範囲波長及びさらに長波長（公称上、約７５０ｎｍ及びさらに長い波長）側にあるように、光セパレータ１０が多色光を分割することが望ましいことがある。したがって、短波長側スペクトル帯域光Ｒ_Ｓは可視光範囲波長及びさらに短い波長を含むことになろう。この例については、ダイクロイック面１６ａが、公称閾波長を７５０ｎｍとして、近ＩＲ範囲波長及びさらに長波長の光を反射し、この閾波長より短い波長の光を透過させるように処理されるであろう。逆に、ダイクロイック面１６ｂは、７５０ｎｍより短い波長の光を反射し、それより長い波長の光を透過されるように作製されるであろう。

周知のように、一般に、与えられたいずれかの波長において透過と反射の間で極めて急峻な遷移を提供するダイクロイックコーティングを得ることは、実際上、困難である。したがって、本例では７５０ｎｍである、公称閾波長として用いられる所定の波長は基準点としてはたらくが、絶対「遮断」閾値としてははたらかない。すなわち、それぞれの出力経路において光Ｒ_Ｌ及びＲ_Ｓのいくらかの測定可能な分布がそれにわたってあり、よって２つのスペクトル帯域が若干重なり合う、７４０〜７６０ｎｍのような、ある程度のスペクトル範囲があることになるであろう。ダイクロイック面１６ａ及び１６ｂのそれぞれに対する閾波長の慎重な選択が、長波長側スペクトル帯域と短波長側スペクトル帯域の間の重なりを補償するに役立ち得る。しかし、ある程度の僅かな重なりは生じると考えられる。

ダイクロイック面は偏光を提供するためにも用いることができる。例えば、反射ダイクロイック面は、ｐ偏波光出力が用いられない、光出力面２０においてスペクトル分離された、ｓ偏波光出力を提供することができる。

作製
図４を参照して述べたように、光セパレータ１０はプリズムとプリズムの様々な表面に施された必要なダイクロイックコーティングの組合せを用いて作製することができる。いずれのプリズム素子を形成するためにもガラスまたは光学プラスチックを用いることができるであろう。有利なことには、異なるダイクロイック処理が施された同じ幾何学的形状のプリズムを用いることができる。すなわち、光セパレータ１０のスペクトル特性の変更は、異なるプリズム形状の使用を必要とせずに、ダイクロイック配合物を変更することで達成できる。図５に示される実施形態のような、別の実施形態において、光セパレータ１０は、必要な表面を提供する適切なダイクロイックコンポーネント及び反射コンポーネントを取り付けることによって形成することができる。図９Ａ及び９Ｂを参照して説明したように、様々なタイプのディスプレイ実施形態には、小型化アレイ形態でのプラスチックまたはガラス上への光セパレータ１０の作製が有用になるであろう。

図４及び６に示されるような、対向表面４６は、それぞれの面が平行である、プリズムの側面とすることができる。しかし、側面４６は平行である必要はなく、光入力面１４から光出力面２０にかけて幅が狭まるかまたは広がるように、テーパを付けることができよう。側面４６並びに外表面１８ａ及び１８ｂのテーパ付けは、増倍を提供するためまたは出力光を整形するために用いることができよう。側面４６は、図４及び６に示されるように、平面とすることができ、または１つより多くのファセットで形成するかあるいは１つまたはそれより多くの湾曲部を有することができよう。

Ｘキューブ、フィリップスプリズム及び同様のコンポーネントに対する呼称として従来用いられている、ダイクロイックカラーセパレータは、多くの用途においてカラーコンバイナとしても用いられることに留意することは有意義である。図３の例示的実施形態に用いられる方向とは逆の方向に進行する光により、光の長波長側成分と短波長側成分を結合することによって多色光を形成するために、例えば、本発明の光セパレータ１０を用いることができるであろう。

本発明のいくつかの好ましい実施形態を特に参照することで本発明を詳細に説明したが、上で説明され、添付される特許請求の範囲に述べられるような、本発明の範囲内において、本発明の範囲を逸脱しない変形及び改変が当業者によってなされ得ることは理解されるであろう。例えば、本明細書の例示的実施形態に示されるような可視光からのＩＲ光の分離だけでなく、ある範囲の所定の閾波長条件に対してダイクロイック面を調製できる。入力多色光または出力スペクトル成分を調整するかまたは方向転換させるために、補足のフィルタ、偏光子、レンズまたはその他の光調整コンポーネントを光路に付加することができるであろう。

以上、空間的均一化をともなう光のスペクトル分離のための装置及び方法を提供した。

本発明にしたがう第１の導光チャネルの構成の簡略な側面図である 本発明にしたがう第２の導光チャネルの構成の簡略な側面図である 図１及び２の導光チャネルを組み合せることで形成された、本発明の光セパレータの構成の簡略な側面図である 本発明の光セパレータの外表面を示す斜視図である 別の実施形態にしたがう光セパレータの構成の簡略な側面図である 一実施形態において光セパレータを直列にして用いるマルチバンド光セパレータの斜視図である 集光器が付加された、別の角度からの、図６のマルチバンド光セパレータの斜視図である 別の実施形態におけるマルチバンド光セパレータの構成の簡略な側面図である マルチバンド光セパレータアレイの斜視図である 図９Ａのマルチバンド光セパレータアレイの、別の角度からの、斜視図である 少量のチャネル間リークがおこり得る光セパレータの光処理挙動を示す簡略な側面構成図である 本発明の光セパレータを用いる太陽エネルギー変換器を示す略図である

符号の説明

１０，１０ａ，１０ｂ，１０ｃ 光セパレータ
１２ａ，１２ｂ 導光チャネル
１４，１４ａ，１４ｂ 光入力面
１６ａ，１６ｂ ダイクロイック面
１８ａ，１８ｂ 外表面
２０ 光出力面
２２ 共通部
２４ マルチバンド光セパレータ
２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ スペクトル帯域
３０ 積算バー
３２ アレイ
３４ 受光面
３６ 給光面
３８，４２ａ，４２ｂ レンズ
４０ａ，４０ｂ 光電池
４４ 太陽集光装置
４６ 側面
５０ａ，５０ｂ，５０ｃ プリズム
Ｒ，Ｒ_Ｌ，Ｒ_Ｓ，Ｒ_１，Ｒ_２，Ｒ_３ 光線
θ_１，θ_１’，θ_２，θ_２’，α_１，α_１’，α_２，α_２’ 角度

Claims (13)

1. 多色光を所定の波長より長波長側のスペクトル帯域光及び前記所定の波長より短波長側のスペクトル帯域光に分割するための光セパレータにおいて、前記光セパレータが、
   （ａ）それぞれがある範囲の角度で入射する光を反射する、対向する側面であって、その間に前記光セパレータが定められるもの；
   （ｂ）前記多色光を受け取るための光入力面；
   （ｃ）前記分割された長波長側スペクトル帯域光及び短波長側スペクトル帯域光を供給するための光出力面；
   （ｄ）前記光入力面から前記光出力面にかけて幅が狭まり、
   （ｉ）前記所定の波長より長い波長の光を反射し、前記所定の波長より短い波長の光を透過させるための第１のダイクロイック面、及び
   （ii）ある範囲の角度で入射する光を反射する第１の外表面、
   の間に定められる、第１の導光チャネル、
   及び
   （ｅ）前記光入力面から前記光出力面にかけて幅が狭まり：
   （ｉ）前記所定の波長より短い波長の光を反射し、前記所定の波長より長い波長の光を透過させるための第２のダイクロイック面、及び
   （ii）ある範囲の角度で入射する光を反射する第２の外表面、
   の間に定められる、第２の導光チャネル、
   を有し、
   （ｆ）前記第１の導光チャネル及び前記第２の導光チャネルの両者の一部である前記光セパレータの共通部分をさらに有し、前記共通部分が前記第１のダイクロイック面と前記第２のダイクロイック面の間にあり、前記光入力面から前記光出力面にかけて幅が狭まり、
   前記多色光の前記長波長側のスペクトル帯域光が、前記第１の導光チャネルの前記第１のダイクロイック面と前記第１の外表面とで繰り返し反射されるが、前記第２のダイクロイック面を透過し、かつ、前記多色光の前記短波長側のスペクトル帯域光が、前記第２の導光チャネルの前記第２のダイクロイック面と前記第２の外表面とで繰り返し反射されるが、前記第１のダイクロイック面を透過することにより、前記長波長側のスペクトル帯域光が、前記第１の導光チャネルの前記光出力面から出射されると共に、前記短波長側のスペクトル帯域光が、前記第２の導光チャネルの前記出力面から出射されることを特徴とする光セパレータ。
2. 前記第１の外表面が反射性材料で被覆されることを特徴とする請求項１に記載の光セパレータ。
3. 前記第１の外表面がプリズムのファセットであることを特徴とする請求項１または２に記載の光セパレータ。
4. 前記第１の外表面が前記入射光を全反射によって反射することを特徴とする請求項１−３いずれか１項に記載の光セパレータ。
5. 前記第１の導光チャネルまたは前記第２の導光チャネルの少なくとも一方の前記光出力面における光が偏光化されることを特徴とする請求項１−４のいずれか１項に記載の光セパレータ。
6. 前記第１のダイクロイック面がプリズムの表面上に形成されることを特徴とする請求項１−５のいずれか１項に記載の光セパレータ。
7. 前記光セパレータが３つのプリズムで形成されることを特徴とする請求項１−６のいずれか１項に記載の光セパレータ。
8. 前記多色光を前記光入力面に導くための集光器をさらに有することを特徴とする請求項１−７のいずれか１項に記載の光セパレータ。
9. 前記集光器がレンズであることを特徴とする請求項８に記載の光セパレータ。
10. 前記集光器がテーパ付光ガイドであることを特徴とする請求項８に記載の光セパレータ。
11. 前記長波長側スペクトル帯域光が第１の光電池に向けて導かれ、前記短波長側スペクトル帯域光が第２の光電池に向けて導かれることを特徴とする請求項１−１０のいずれか１項に記載の光セパレータ。
12. 前記対向する側面が互いに平行であることを特徴とする請求項１−１１のいずれか１項に記載の光セパレータ。
13. 前記対向する側面の相互間隔が漸増または漸減することを特徴とする請求項１−１１のいずれか１項に記載の光セパレータ。

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