JP4465267B2 - 偏光光照明デバイス - Google Patents

Description

本発明は、偏光光照明デバイスに関する。これは例えば、有効な偏光光が必要とされる空間光変調器の照明に適用される。

実際に幾つかのデバイスは、１つの方向に直線的に偏光された光によって作動する。この種のケースは例えば、情報および／または画像を見るのを可能にする液晶変調器を使用する液晶ディスプレイを伴うケースである。

この種のシステムでは、多くのソリューションが可能である。偏光光源（レーザ）が使用されるが、これは良好な偏光安定性を提供し、充分な燭光を供給しなければならない。

非偏光光源も使用される。しかしこの場合には、光の２つの偏光が別個にされなければならない。第１の方向に偏光された光は直接的に使用されるか、またはほぼ直接的に使用される。第１の方向に垂直な第２の方向に偏光された光によって供給されるエネルギーの損出を回避し、光源の半分のパワーしか使用しないのを回避するために、この光は自身の偏光を９０°回転させるように処理がなされる。これによってこの光は第１の方向に偏光される。

このために、λ／４板と称されるデバイスが、処理される光の経路上に配置される。これは光の偏光を９０°回転させる効果を有する。このようなλ／４板はポリマー材料から成るフィルムの形状をしているが、この種のフィルムは熱にさらされると劣化するという欠点を有しており、液晶ディスプレイの場合には、例えばスクリーンを見るのに多大なパワーが必要であることは該当する技術分野において知られている。

λ／４板は、水晶板の形もとり得る。しかしこのようなデバイスは無色ではないという欠点を有しており、複数の色を扱うシステムではこれは非常に深刻な欠点となる。

従って本発明の課題は、温度安定性を有しており、色のゆがみを引き起こさないまたは実質的に色のゆがみを引き起こさないライティングデバイスを実現することである。

従って本発明は次のような偏光光照明デバイスに関する。この光学照明デバイスは、
第１の偏光されていない光ビームを放射する光源を含む偏光光照明デバイスにおいて、
当該光学照明デバイスは、フレネル菱面体タイプ光学偏光デバイスと、反射偏光器と、反射デバイスを有しており、
前記フレネル菱面体タイプ光学偏光デバイスは、入力面を通じて、前記第１の光ビームを受光し、
前記第１の光ビーム上に、前記第１の光ビームのＳ偏光およびＰ偏光コンポーネント間の９０°の完全な位相シフトを生じさせるために、および、
出力面を通じて少なくとも第２のビームを出力するために、
当該第１の光ビームは、前記光学偏光デバイスの少なくとも２つの横方向の対面によって少なくとも２度反射され、
前記反射偏光器は、前記フレネル菱面体偏光デバイスの出力面に面して配置されており、前記第２のビームを受光して、直線偏光光を第１の方向で通過させ、前記フレネル菱面体タイプ光学偏光デバイスの内部に向かって、あらゆる他の偏光を示す光を反射し、
なお、前記反射偏光器は、前記光学偏光デバイスの対面に相対して約４５°で配向されており、
前記反射デバイスは、前記偏光デバイスの前記入力面と前記光源の間に配置されており、前記第１の光ビームを通過させるが、前記反射偏光器によって返された光を反射する。

本発明の実施例では、この照明デバイスは、
・第１の光学ガイドと第２の光学ガイドも有しており、
・第１の光学ガイドは、第１の光ビームを受光するように設計された入力面と、フレネル菱面体偏光デバイスの入力面に対してプレスされている出力面を有しており、前記入力面に垂直な光軸を有しており、
・第２の光学ガイドは、フレネル菱面体偏光デバイスの出力面に対してプレスされている入力面と、光源から受光した光を反射偏光器の方へ放射する出力面と、フレネル菱面体偏光デバイスの出力面に垂直な、第２の光学ガイドの光軸と、前記入力面の表面とおおよそ同じディメンションである、第２の光学ガイドの断面を有している。

本発明の実施形態では、光学ガイドのうちの１つまたは両方はライトインテグレータとして作動する。

フレネル菱面体光学偏光デバイスの出力面は、照明デバイスによって照明されるように設定されている表面の形状と類似した形状を有するように製造される。フレネル菱面体偏光デバイスは長方形または正方形の断面を有しているので、光学ガイドは有利には長方形または正方形の断面を有している。

以下に記載するアレンジも、個別にまたは組み合わせて使用可能である。すなわち：
・反射偏光器が第２のガイドの出力面に面して配置される。
・反射偏光器が、光学偏光デバイスの対面に相対して４５°で配向される。
・反射デバイスがフレネル菱面体偏光デバイスの入力面または第１の光学ガイドの入力面上に配置される。
・ビームがフレネル菱面体光学偏光デバイスを通過する場合、フレネル菱面体光学偏光デバイスの２つまたは２つより多い対面は光ビーム上に、Ｓ偏光とＰ偏光コンポーネント間での９０°の完全な位相シフトを生じさせる。
・反射デバイスは、第１の光ビームを通過させるための非反射領域を含む反射材料の層を含む。
・光源は反射体を含みこの反射体は光源によって照明され、この光をフレネル菱面体偏光デバイスへ焦点合わせする。
・第１の光ビームの軸は、第１の光学ガイドの光軸と一致する。
・第１の光ビームは視準されていない。
・第１の光ビームは収束されている。

最後に、本発明はディスプレイシステムに使用される。ここではディスプレイデバイスは、反射偏光器によって伝達された光によって照射されるように反射偏光器に面して配置されている。このディスプレイデバイスは液晶変調器であり得る。

本発明の様々な対象および特徴を、実施例（本発明を限定するものではない）の形式で示されている以下の明細書および添付図面においてより詳細に記載する。

図１は本発明に従った照明デバイスの一般的な実施例であり、
図２ａおよび図２ｂは、フレネル菱面体偏光デバイスであり、
図３はこのデバイスの実施例のより詳細な例である。

図１を参照する。本発明に従ったデバイスの一般的な実施例がはじめに示されている。

このデバイスは、
・偏光されていない光のビーム１０を放射する光源１を有し、
・ライトインテグレーティング／偏光デバイス３／４／５を有し、
・直線偏光された光を偏光方向に通過させるように適切に配向された反射偏光器６を有し、
・光源１とインテグレート／偏光デバイスの間に配置された反射デバイス４４を有し、この反射デバイスによってビーム１０はインテグレート／偏光デバイスへ通過するが、逆方向から来る光は以降に記載するように反射され、
・偏光光によって照射されるように設計された対象２を有している。

インテグレート／偏光デバイス３／４／５の役割は一方では、矩形ではない光源から統一された矩形のライティングを得ることであり、他方では以降でこの明細書に記載されるように光を偏光することである。このインテグレート／偏光デバイス３／４／５は、その中心部分に主に、当該分野で公知のフレネル菱面体偏光デバイス３を含む。この種のデバイスの説明は刊行物「OPTICS-2^ｎｄedition(Eugene HECHT, Addison-Wesley Publishing Company, Inc. 1987) 」に記載されている。

このデバイスは、入力ビームを少なくとも２回反射させる少なくとも２つの面を有している。 例えば、図２ａおよび図２ｂに示されているように、これは平坦な横方向の面３５および３６を有する平行六面体の形状に設計されている。このデバイス３の入力面３０は、横方向面と次のような角度を成す。すなわち、実質的に通常の入射角で入力面３０を介してガイド内に入射する光ビームが、横方向面３５の第１の反射を受け、その後、第１とは反対の横方向面上での第２の反射を受け、出力面３１へ導かれるような角度を成す。有利には出力面は、出力光線の方向に対しておおよそ直角であり、従って入力面３０に対して平行である。入力光ビームの入力方向に関するデバイスの傾きは、デバイス５の材料の反射指数に従って計算され、デバイス内の２つの上述した反射を有し、以降に述べる動作を得る。

この種のフレネル菱面体デバイスの動作は面３０を通じて入射する光の二重反射に基づく。ここではＰとＳ偏光の間の各全反射の位相シフトは、入力面３０にほぼ垂直な平均放射線に対して約４５°である。従ってデバイス３への通過中は、ＰとＳの間の完全位相シフトは９０°である。

結果として、入射光ビームの偏光に依存して、デバイス３のアクションは以下のようになる。すなわち：
・＋４５°での直線入射光の偏光に対して（ＰおよびＳの振幅は等しく、ＰとＳの間の位相シフトは０である）、出力偏光は右まわり円形である。
・−４５°での直線入射光の偏光に対して（ＰおよびＳの振幅は等しく、ＰとＳの間の位相シフトは１８０°である）、出力偏光は左まわり円形である。
・右まわり円偏光に対して（ＰおよびＳの振幅は等しく、ＰとＳの間の位相シフトは９０°である）、出力偏光は−４５°での直線である。
・左まわり円偏光に対して（ＰおよびＳの振幅は等しく、ＰとＳの間の位相シフトは−９０°である）、出力偏光は４５°での直線である。
・水平直線偏光に対して、最終的な出力偏光は変化しない。
・垂直直線偏光に対して、最終的な出力偏光は変化しない。
・あらゆる直線偏光に対して（ゼロ位相シフト）、出力偏光は楕円であるが、円形ではない。

従って偏光されていない入射ビームの場合には（ビームはランプ１によって供給される）、はじめてデバイス３へ通過する光は主に偏光されず、面３１を介して離れる。反射偏光器６は適切に配向されて、偏光された光は偏光方向に通過する。例えば反射偏光器６の配向は有利には、デバイス３の反射面３５, ３６に相対して４５°である。通過されない光は反射偏光器６によって反射され、反射偏光器は直線偏光された光を４５°の方向に戻す。このような条件では反射偏光器は、反射光の偏光方向が面３６上の入射の平均面と約４５°の角度を成すように配向されなければならない。

図２ａから分かるように、直線偏光されたビームは、１回目の反射で自身の偏光が楕円に変えられ（面３６上で）、その後、２回目の反射で円偏光に変えられる（面３５上で）。このビームはその後、逆の円偏光を伴い、反射デバイス４４によってデバイス３の内部へ向かって反射される。デバイス３内では、デバイス４４によって反射された光は、楕円偏光を伴い、面３５によって再び逆方向へ反射され、その後、直線偏向を伴い、面３６によって反射される。これはこの時点で、反射偏光器６によって以前に反射された光の偏光に垂直である。この光はその後、反射偏光器６を通過する。

図１では、偏光デバイス３が２つのガイド４と５の間に配置されている。この２つのガイドはそれぞれデバイス３の入力面３０および出力面３１に取り付けられている。図１の実施例では、ガイド４の入力面４１とガイド５の出力面５２は、おおよそ垂直であり、それぞれ光ビームの軸の入力方向および出力方向において処理される。光学ガイド４および５はインテグレータモードにおいて特別な作動特徴を有しており、有利には平行六面体の形状を有している。図１から分かるように、これの断面はおおよそ、デバイス３のそれぞれの入力面３０および出力面３１と同じディメンションである。

強制的にではないが、デバイス３の長さは次のように計算される。すなわち面３０の中央部を介してデバイス内に入射するビーム１０の平均放射線に対して、この平均放射線の出力領域が有利には出力面３１のほぼ中央に配置されるように計算される。

さらに、処理された光ビームによって照射されなければならない図１におけるデバイス２が矩形の空間光変調器である場合、ガイド５の断面は有利には多かれ少なかれ相似比でほぼ空間光変調期の形状に形成される。

さらに、反射デバイス４４を作成するためにガイド４の入力面４１またはデバイス３の入力面３０が、反射偏光器６によって戻された光を反射することができるようにされる。非反射領域４３は入射ビーム１０の通過に対して設けられている。図１の例においてガイド４の面４１は反射性にされている。

図３は、本発明に従ったデバイスのより詳細な実施例をあらわしている。このデバイスは、光源１１によって照射され、ガイド４へ光を注入するのに使用されるミラー１２を含む。このミラーは放物線状であり、ソース１１はミラーの焦点に配置されている。面４１は反射性に処理されている、または面４４が設けられており、反射偏光器６によって反射された光が反射され、処理されていない領域４３を含み、ソース１１およびミラー１２によって供給された光ビームが通過可能になる。

本発明の有利な実施例では、ガイド４内に注入されたビーム１０は視準されておらず、殊に収束されるので、これは処理されていない領域４３を介してデバイス３内に注入される。ビーム１０の軸は、入射ガイド４の光軸に従って配向される。しかしこれは強制的な構成ではない。

従って本発明に従った照明デバイスは、本明細書の冒頭に記載された熱および色の問題に関して心配することなく、単一の方向に直線偏光された光を供給するのに用いられる。さらにガイド４および５を視準されていない入射ビーム１０を有する光をインテグレートするのに使用することによって、統一されたアウトプットライティングが供給され、入射ビームの形状が、照射される表面に合わせられる。殊に出力ガイドの断面は、照射される表面に適合する形状を有する。

上述の説明および添付図面において、デバイス３内で反射が生じる面３５および３６は平行であるとされている。しかし異なった実施形態では、これらが平行でなく構成されてもよい。しかしこれらの面の個々の配向は、２つの面３５および３６上での反射によって連続的に生じる位相シフトが全体で９０°であるようにされなければならない（光が通過する場合）。

さらにこれまでの説明では、デバイス３の通過中に、光は２度反射されていた（２つの対面３５および３６上で）。しかし本発明の概念を逸脱することなく、より多くの数の反射が行われてもよい。対象物は通路上であり、９０°の位相シフトが光のＳ偏光およびＰ偏光に分け与えられる。このような条件では、デバイス３は平行六面体とは異なるものでもよい。
・面３５および３６は平行でなくてよい。
・デバイス３は、デバイス内の光を反射させるためにより多くの数の面を含んでよい。

さらに反射偏光器６は、ガイド５の出力面５２に対してプレスされてもよく、コンパクトなデバイスが提供される。

異なる実施形態では、照射されるべき対象２は反射偏光器６に対してもプレスされてもよい。対象２が、透過光によって照射される液晶スクリーンのような空間光変調器であるシングルバルブディスプレイシステムの場合には、ガイド５の出力面５１のディメンションは、コンパクトなシステムを提供をするために、照射される液晶スクリーンの一部のディメンションに合わせられる。

本発明に従った照明デバイスの一般的な実施例をあらわす図である。

図２ａおよび図２ｂは、フレネル菱面体偏光デバイスをあらわす図である。

このデバイスの実施例のより詳細な例をあらわす図である。

Claims (10)

1. 第１の偏光されていない光ビーム（１０）を放射する光源（１）を含む偏光光照明デバイスにおいて、
   当該光学照明デバイスは、フレネル菱面体タイプ光学偏光デバイス（３）と、反射偏光器（６）と、反射デバイス（４４）を有しており、
   前記フレネル菱面体タイプ光学偏光デバイスは、入力面（３０）を通じて、前記第１の光ビーム（１０）を受光し、
   前記第１の光ビーム（１０）上に、前記第１の光ビーム（１０）のＳ偏光およびＰ偏光コンポーネント間の９０°の完全な位相シフトを生じさせるために、および、
   出力面（３１）を通じて少なくとも第２のビームを出力するために、
   当該第１の光ビームは、前記光学偏光デバイスの少なくとも２つの横方向の対面（３５, ３６）によって少なくとも２度反射され、
   前記反射偏光器（６）は、前記フレネル菱面体偏光デバイスの出力面に面して配置されており、前記第２のビームを受光して、直線偏光光を第１の方向で通過させ、前記フレネル菱面体タイプ光学偏光デバイス（３）の内部に向かって、あらゆる他の偏光を示す光を反射し、
   なお、前記反射偏光器（６）は、前記光学偏光デバイス（３）の対面（３５, ３６）に相対して約４５°で配向されており、
   前記反射デバイス（４４）は、前記偏光デバイス（３）の前記入力面（３０）と前記光源（１）の間に配置されており、前記第１の光ビーム（１０）を通過させるが、前記反射偏光器（６）によって返された光を反射し、
   第１の光学ガイド（４）と第２の光学ガイド（５）を有しており、
   前記第１の光学ガイド（４）は、前記第１の光ビーム（１０）を受光するように設計された入力面（４１）と、前記フレネル菱面体偏光デバイス（３）の入力面（３０）に対してプレスされている出力面（４２）を有しており、前記入力面（３０）に垂直な自身の光軸（４０）を有しており、前記フレネル菱面体偏光デバイス（３）の前記入力面（３０）の表面と実質的に同じディメンションである、当該第１のガイドの断面を有しており、
   前記第２の光学ガイド（５）は、前記フレネル菱面体偏光デバイス（３）の出力面（３１）に対してプレスされている入力面（５１）と、前記反射偏光器（６）の方へ前記ソース（１）から受光した光を放射する出力面と、前記フレネル菱面体偏光デバイス（３）の出力面（３１）に垂直な当該第２の光学ガイドの光軸（５０）と、前記フレネル菱面体偏光デバイスの前記出力面（３１）の表面と実質的に同じディメンションである、当該第２の光学ガイドの断面を有している、
   ことを特徴とする、偏光光照明デバイス。
2. 前記フレネル菱面体光学偏光デバイス（３）の出力面（３１）は、前記照明デバイスによって照明されるように設定されている表面の形状と類似した形状を有している、請求項１記載の偏光光照明デバイス。
3. 反射デバイス（４４）が前記フレネル菱面体偏光デバイス（３）の入力面（３０）または前記第１の光学ガイド（４）の入力面（４１）上に配置されている、請求項１または２記載の偏光光照明デバイス。
4. 前記反射デバイス（４４）は、前記第１の光ビーム（１０）を通過させる非反射領域（４３）を含む反射材料の層を含む、請求項３記載の偏光光照明デバイス。
5. 前記光学偏光デバイス（３）の前記対面（３５, ３６）は平行である、請求項１乃至４いずれか１項記載の偏光光照明デバイス。
6. 前記光学ガイドの１つまたは両方はライトインテグレータとして作動する、請求項１記載の偏光光照明デバイス。
7. 前記反射偏光器（６）は、前記第２のガイド（５）の出力面（５２）に面して配置されている、請求項１乃至６いずれか１記載の偏光光照明デバイス。
8. 前記第１の光ビーム（１０）の軸は、前記第１の光学ガイド（４）の光軸と一致する、請求項１乃至７いずれか１項記載の偏光光照明デバイス。
9. ディスプレイデバイス（２）を含み、
   当該ディスプレイデバイスは、前記反射偏光器（６）によって伝達された光によって照射されるように前記反射偏光器に面して配置されている、請求項１乃至８いずれか１項記載の偏光光照明デバイス。
10. 前記ディスプレイデバイスは液晶変調器である、請求項９記載の偏光光照明デバイス。

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