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特表2022-506705ダイクロイックビームスプリッタカラーコンバイナを有する光学デバイスおよび光学システム
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-17
(54)【発明の名称】ダイクロイックビームスプリッタカラーコンバイナを有する光学デバイスおよび光学システム
(51)【国際特許分類】
G02B 27/02 20060101AFI20220107BHJP
G02B 5/04 20060101ALI20220107BHJP
G02B 5/30 20060101ALI20220107BHJP
【ＦＩ】
G02B27/02 Z
G02B5/04 A
G02B5/30
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021524258
(86)(22)【出願日】2019-11-07
(85)【翻訳文提出日】2021-05-06
(86)【国際出願番号】 IB2019059579
(87)【国際公開番号】W WO2020095245
(87)【国際公開日】2020-05-14
(31)【優先権主張番号】62/757,199
(32)【優先日】2018-11-08
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】518105275
【氏名又は名称】ルーマス リミテッド
【氏名又は名称原語表記】Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．
(74)【代理人】
【識別番号】110000523
【氏名又は名称】アクシス国際特許業務法人
(72)【発明者】
【氏名】エイタン・ロネン
(72)【発明者】
【氏名】モトケ・ギロ
【テーマコード（参考）】
2H042
2H149
2H199
【Ｆターム（参考）】
2H042CA10
2H042CA12
2H042CA14
2H042CA17
2H149BA04
2H149BA27
2H199CA23
2H199CA24
2H199CA30
2H199CA48
2H199CA63
2H199CA64
2H199CA65
2H199CA69
(57)【要約】
第１のダイクロイックビームスプリッタが、光波入口表面に対して傾斜した平面上で第１のプリズム中に配備されている。第２のダイクロイックビームスプリッタが、第１のダイクロイックビームスプリッタに対する第１の偏光状態の偏光光が、第２のダイクロイックビームスプリッタに対する第２の偏光状態にあるように、光波入口表面に対して傾斜した平面上で第２のプリズム中に配備されている。第１のダイクロイックビームスプリッタは、第１のダイクロイックビームスプリッタに対する第１の偏光状態の第１の色の偏光光を透過させ、第１のダイクロイックビームスプリッタに対する第１の偏光状態の第２の色の偏光光を反射する。第２のダイクロイックビームスプリッタは、第２のダイクロイックビームスプリッタに対する第２の偏光状態の第１の色および第２の色の偏光光を透過させ、第２のダイクロイックビームスプリッタに対する第１の偏光状態の第３の色の偏光光を反射する。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
光学デバイスであって、第１のプリズムであって、
第１の光波入口表面、第２の光波入口表面、および光波出口表面、ならびに
前記光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で前記第１のプリズム内に配備された第１のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第１のプリズムと、
第２のプリズムであって、
第１の光波入口表面、および前記第１のプリズムの前記光波出口表面と関連付けられた第２の光波入口表面、ならびに
前記第２のプリズムの前記光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で前記第２のプリズム内に配備された第２のダイクロイックビームスプリッタ構成であって、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の光が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態にあるような、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第２のプリズムと、を備え、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成が、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態に偏光された第１の色の波長の光を透過させ、かつ前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態に偏光された第２の色の波長の光を反射し、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第２の偏光状態に偏光された前記第１の色の波長の光と第２の色の波長の光とを透過させ、かつ前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態に偏光された第３の色の波長の光を反射する、光学デバイス。
【請求項2】
前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態の前記第１の色の光を生成する、前記第１のプリズムの前記第１の光波入口表面と関連付けられた第１の偏光光源と、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態の前記第２の色の光を生成する、前記第１のプリズムの前記第２の光波入口表面と関連付けられた第２の偏光光源と、
前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態の前記第３の色の光を生成する、前記第２のプリズムの前記第１の光波入口表面と関連付けられた第３の偏光光源と、をさらに備える、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項3】
前記第１の偏光光源および前記第２の偏光光源によって生成された光が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第２の偏光状態で前記第２のプリズムの光波出口表面に到達し、前記第３の偏光光源によって生成された光が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態で前記第２のプリズムの前記光波出口表面に到達する、請求項２に記載の光学デバイス。
【請求項4】
前記第１の偏光光源および前記第２の偏光光源によって生成された光と、前記第３の偏光光源によって生成された光と、が非コリメート光として、それぞれ、前記第１のプリズムおよび前記第２のプリズムに入る、請求項２に記載の光学デバイス。
【請求項5】
前記第１の偏光光源が、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した赤色光を生成するように構成されており、前記第２の偏光光源が、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した青色光を生成するように構成されており、前記第３の偏光光源が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した緑色光を生成するように構成されている、請求項２に記載の光学デバイス。
【請求項6】
前記第１の偏光光源が、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した赤色光を生成するように構成されており、前記第２の偏光光源が、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した緑色光を生成するように構成されており、前記第３の偏光光源が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した青色光を生成するように構成されている、請求項２に記載の光学デバイス。
【請求項7】
前記第１の偏光光源が、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した緑色光を生成するように構成されており、前記第２の偏光光源が、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した青色光を生成するように構成されており、前記第３の偏光光源が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した赤色光を生成するように構成されている、請求項２に記載の光学デバイス。
【請求項8】
前記偏光光源が、発光ダイオードを含む、請求項２に記載の光学デバイス。
【請求項9】
前記偏光光源が、レーザを含む、請求項２に記載の光学デバイス。
【請求項10】
前記第２のプリズムの光波出口表面と関連付けられたクロマティックリターダであって、前記クロマティックリターダが、前記第１の偏光光源および前記第２の偏光光源からの光の偏光状態を、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第２の偏光状態から前記第１の偏光状態に変化させるように配向されている、クロマティックリターダをさらに備える、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項11】
前記第２のプリズムの光波出口表面からの光出力によって照明されることに応答して偏光光を生成する反射型ディスプレイデバイスをさらに備える、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項12】
互いに平行な少なくとも２つの主表面を有する導光基板をさらに備え、前記反射型ディスプレイデバイスによって生成された光が、前記導光基板に結合される、請求項１１に記載の光学デバイス。
【請求項13】
前記反射型ディスプレイデバイスが、液晶オンシリコンディスプレイを含む、請求項１１に記載の光学デバイス。
【請求項14】
前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態が、ｓ偏光である、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項15】
前記第１のプリズムの前記光波入口表面が、互いに直交している、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項16】
前記第２のプリズムの前記光波入口表面が、互いに直交している、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項17】
前記第２のプリズムが、前記第１のプリズムの前記光波出口表面に平行な光波出口表面をさらに含む、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項18】
前記第１のプリズムおよび前記第２のプリズムが、前記第１のプリズムの前記光波出口表面および前記第２のプリズムの前記第２の光波入口表面で互いに光学結合されている、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項19】
前記光学結合が、光学セメントを含む、請求項１８に記載の光学デバイス。
【請求項20】
前記光学結合が、機械的装置を含む、請求項１８に記載の光学デバイス。
【請求項21】
前記第１のプリズムまたは前記第２のプリズムのうちの少なくとも１つが、正方立方体プリズムである、請求項１に記載の光学デバイス。
【請求項22】
光学デバイスであって、第１のプリズムであって、
第１光波入口表面および第２の光波入口表面、ならびに
前記光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で前記第１のプリズム内に配備された第１のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第１のプリズムと、
第２のプリズムであって、
光波入口表面、および
前記第２のプリズムの前記第１の光波入口表面に対して傾斜した平面上で前記第２のプリズム内に配備された第２のダイクロイックビームスプリッタ構成であって、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の光が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態にあるような第２のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第２のプリズムと、
前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の第１の色の光を生成する、前記第１のプリズムの前記第１の光波入口表面と関連付けられた第１の偏光光源と、
前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態の第２の色の光を生成する、前記第１のプリズムの前記第２の光波入口表面と関連付けられた第２の偏光光源と、
前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態の第３の色の光を生成する、前記第２のプリズムの前記第１の光波入口表面と関連付けられた第３の偏光光源と、を備え、
前記第１の偏光光源によって生成された光が、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成によって透過され、かつ前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成によって透過され、前記第２の偏光光源によって生成された光が、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成によって反射され、かつ前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成によって透過され、および前記第３の偏光光源によって生成された光が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成によって反射される、光学デバイス。
【請求項23】
前記第１の偏光光源および前記第２の偏光光源によって生成された光と、前記第３の偏光光源によって生成された光と、が非コリメート光として、それぞれ、前記第１のプリズムおよび前記第２のプリズムに入る、請求項２２に記載の光学デバイス。
【請求項24】
光学デバイスであって、プリズムアセンブリであって、
第１の外表面、第２の外表面、および第３の外表面であって、前記第１の外表面、前記第２の外表面、および前記第３の外表面が相互に直交し、前記第１の外表面の少なくとも一部分上に第１の光波入口表面が形成されており、前記第２の外表面の少なくとも一部分上に第２の光波入口表面が形成されており、および前記第３の外表面の少なくとも一部分上に第３の光波入口表面が形成されている、第１の外表面、第２の外表面、および第３の外表面、ならびに
前記第１の光波入口表面または前記第２の光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で前記プリズムアセンブリの第１の部分内に配備された第１のダイクロイックビームスプリッタ構成と、
前記第３の光波入口表面に対して傾斜した平面上で前記プリズムアセンブリの第２の部分内に配備された第２のダイクロイックビームスプリッタ構成であって、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の光が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態にあるような第２のダイクロイックビームスプリッタ構成と、を含むプリズムアセンブリと、
前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の第１の色の光を生成する、前記第１の光波入口表面と関連付けられた第１の偏光光源と、
前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態にある第２の色の光を生成する、前記第２の光波入口表面と関連付けられた第２の偏光光源と、
前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態の第３の色の光を生成する、前記第３の光波入口表面と関連付けられた第３の偏光光源と、を備え、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成が、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態に偏光された前記第１の色の波長の光を透過させ、かつ前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態に偏光された前記第２の色の波長の光を反射するように、構成されており、
前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第２の偏光状態に偏光された前記第１の色または前記第２の色の波長の光を透過させ、かつ前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する前記第１の偏光状態に偏光された前記第３の色の波長の光を反射するように、構成されている、光学デバイス。
【請求項25】
前記第１の偏光光源、前記第２の偏光光源、および前記第３の偏光光源によって生成された光が、非コリメート光として前記プリズムアセンブリに入る、請求項２４に記載の光学デバイス。
【請求項26】
光学デバイスであって、第１のプリズムであって、
第１の光波入口表面、第２の光波入口表面、および光波出口表面、ならびに
前記光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で前記第１のプリズム内に配備された第１のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第１のプリズムと、
第２のプリズムであって、
第１の光波入口表面、第２の光波入口表面、および光波出口表面、ならびに
第２のダイクロイックビームスプリッタ構成であって、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の光が、前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態にあるように、前記第２のプリズムの前記光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で前記第２のプリズム内に配備された第２のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第２のプリズムと、
前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した赤色光を生成する第１の偏光光源と、
前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した青色光を生成する第２の偏光光源と、
前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した緑色光を生成する第３の偏光光源と、を備え、前記第１のダイクロイックビームスプリッタ構成が、前記偏光した赤色光を透過させ、かつ前記偏光した青色光を反射することにより、前記第１のプリズムの前記光波出口表面を通して、偏光した混合光を出力し、前記偏光した混合光が、前記偏光した赤色光と前記偏光した青色光との混合物であり、
前記第２のダイクロイックビームスプリッタ構成が、前記偏光した混合光を透過させ、かつ前記偏光した緑色光を反射することにより、前記第２のプリズムの前記光波出口表面を通して混合光を出力し、前記混合光が、前記偏光した赤色光と前記偏光した青色光と前記偏光した緑色光との混合物である、光学デバイス。
【請求項27】
前記第２のプリズムの前記光波出口表面と関連付けられたクロマティックリターダであって、前記クロマティックリターダが、前記混合光の前記偏光した赤色光および前記偏光した青色光の偏光状態を変化させるように配向された、クロマティックリターダをさらに備える、請求項２６に記載の光学デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１８年１１月８日に出願された米国仮特許出願第６２／７５７，１９９号の優先権を主張し、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１８年１１月８日に出願された米国仮特許出願第６２／７５７，１９９号の優先権を主張し、その開示は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。
【0002】
本発明は、光学デバイスおよび光学システムに関する。
【背景技術】
【0003】
ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）の分野ではコンパクトな光学デバイスが特に必要とされ、光学モジュールが、視認者の目への配信のために、画像生成と無限遠への画像のコリメーションとの機能を実行する。画像は、ディスプレイデバイスから、陰極線管（ＣＲＴ）、液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）、デジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）、ＯＬＥＤディスプレイ、走査源もしくは同様のデバイスなどの空間光変調器（ＳＬＭ）から直接的に、またはリレーレンズもしくは光ファイババンドルを使用して間接的に、取得できる。画素の配列で構成された画像は、非シースルーアプリケーションおよびシースルーアプリケーションについて、それぞれ、コリメート配置によって無限遠に合焦され、通常、コンバイナとして機能する反射面または部分反射面によって、視認者の目に伝送される。通常、これらの目的には、従来の自由空間光学モジュールが、使用される。
【0004】
ＨＭＤおよびニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）向けの特に有利なソリューションファミリーが、Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．（イスラエル）から市販されており、通常、ユーザの目に画像を配信するために、部分反射表面または他の適用可能な光学素子を有する導光基板（導波路）を採用している。
【0005】
ディスプレイデバイスとしてＳＬＭを利用する特定の光学アーキテクチャ、特にＬＣｏＳまたはＬＣＤを利用して画像画素を生成するものでは、ディスプレイデバイスのアクティブ領域は、画像画素を生成するために、異なる色の照明源から発生する構成色のビームで構成される複合色のビームからの照明を必要とする。カラーコンバイナの様々な光学アーキテクチャ概念が、提案されてきた。３つの照明源からの光を組み合わせるための１つの概念では、２つのダイクロイックミラーが配備され、ダイクロイックミラーの各々は、それぞれ特定の色の光を透過し、別の色の光を反射する。しかしながら、照明源からの光がコリメートしない場合ＳＬＭが良好な画像を投影できるように十分に高品質の複合カラービームを生成することは、達成困難であり、このことは、ＨＭＤおよびＮＥＤで使用されるものなどコンパクトな光学デバイスおよび光学システムにおいてはよくあることである。
【0006】
３つの照明源からの光を組み合わせるための別の概念では、３つの照明源は、組み合わされた光を透過させるライトパイプの前に、通常は２×２のマトリックスで、最密充填配列で配備されている。しかしながら、色の均一性を達成するために、より長いライトパイプが必要であり、このことは、コンパクトな光学デバイスおよび光学システムにおいて問題となる。さらに、最密充填から生じる熱制限に起因して、照明源のエネルギーが、制限されなければならず、ＳＬＭによって生成される画像の明るさおよび強度に制限を課す。
【発明の概要】
【0007】
本発明は、カラーコンバイナとして機能するように協調するそれぞれのプリズム中に２つのダイクロイックビームスプリッタが配備された光学デバイスである。
【0008】
本発明の一実施形態の教示によれば、光学デバイスが提供される。光学デバイスは、第１のプリズムであって、第１の光波入口表面、第２の光波入口表面、および光波出口表面、ならびに光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で第１のプリズム内に配備された第１のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第１のプリズムと、第２のプリズムであって、第１の光波入口表面、および第１のプリズムの光波出口表面と関連付けられた第２の光波入口表面、ならびに第２のプリズムの光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で第２のプリズム内に配備された第２のダイクロイックビームスプリッタ構成であって、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の光が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態にあるような、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第２のプリズムと、を備え、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成が、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態に偏光された第１の色の波長の光を透過させ、かつ第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態に偏光された第２の色の波長の光を反射し、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態に偏光された第１の色の波長の光と第２の色の波長の光とを透過させ、かつ第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態に偏光された第３の色の波長の光を反射する。
【0009】
任意で、光学デバイスは、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の第１の色の光を生成する、第１のプリズムの第１の光波入口表面と関連付けられた第１の偏光光源と、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の第２の色の光を生成する、第１のプリズムの第２の光波入口表面と関連付けられた第２の偏光光源と、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の第３の色の光を生成する、第２のプリズムの第１の光波入口表面と関連付けられた第３の偏光光源と、をさらに備える。
【0010】
任意で、第１の偏光光源および第２の偏光光源によって生成された光が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態で第２のプリズムの光波出口表面に到達し、第３の偏光光源によって生成された光が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態で第２のプリズムの光波出口表面に到達する。
【0011】
任意で、第１の偏光光源および第２の偏光光源によって生成された光と、第３の偏光光源によって生成された光と、が非コリメート光として、それぞれ、第１のプリズムおよび第２のプリズムに入る。
【0012】
任意で、第１の偏光光源が、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した赤色光を生成するように構成されており、第２の偏光光源が、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した青色光を生成するように構成されており、第３の偏光光源が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した緑色光を生成するように構成されている。
【0013】
任意で、第１の偏光光源が、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した赤色光を生成するように構成されており、第２の偏光光源が、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した緑色光を生成するように構成されており、第３の偏光光源が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した青色光を生成するように構成されている。
【0014】
任意で、第１の偏光光源が、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した緑色光を生成するように構成されており、第２の偏光光源が、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した青色光を生成するように構成されており、第３の偏光光源が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した赤色光を生成するように構成されている。
【0015】
任意で、偏光光源が、発光ダイオードを含む。
【0016】
任意で、偏光光源が、レーザを含む。
【0017】
任意で、光学デバイスが、第２のプリズムの光波出口表面と関連付けられたクロマティックリターダであって、クロマティックリターダが、第１の偏光光源および第２の偏光光源からの光の偏光状態を、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態から第１の偏光状態に変化させるように配向されている、クロマティックリターダをさらに備える。
【0018】
任意で、光学デバイスが、第２のプリズムの光波出口表面からの光出力によって照明されることに応答して偏光光を生成する反射型ディスプレイデバイスをさらに備える。
【0019】
任意で、光学デバイスが、互いに平行な少なくとも２つの主表面を有する導光基板をさらに備え、反射型ディスプレイデバイスによって生成された光が、導光基板に結合される。
【0020】
任意で、反射型ディスプレイデバイスが、液晶オンシリコンディスプレイを含む。
【0021】
任意で、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態が、ｓ偏光である。
【0022】
任意で、第１のプリズムの光波入口表面が、互いに直交している。
【0023】
任意で、第２のプリズムの光波入口表面が、互いに直交している。
【0024】
任意で、第２のプリズムが、第１のプリズムの光波出口表面に平行な光波出口表面をさらに含む。
【0025】
任意で、第１のプリズムおよび第２のプリズムが、第１のプリズムの光波出口表面および第２のプリズムの第２の光波入口表面で互いに光学結合されている。
【0026】
任意で、光学結合が、光セメントを含む。
【0027】
任意で、光学結合が、機械的装置を含む。
【0028】
任意で、第１のプリズムまたは第２のプリズムのうちの少なくとも１つが、正方立方体プリズムである。
【0029】
本発明の教示の一実施形態による光学デバイスも提供される。光学デバイスは、第１のプリズムであって、第１の光波入口表面および第２の光波入口表面、ならびに光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で第１のプリズム内に配備された第１のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第１のプリズムと、第２のプリズムであって、光波入口表面、および第２のプリズムの第１の光波入口表面に対して傾斜した平面上で第２のプリズム内に配備された第２のダイクロイックビームスプリッタ構成であって、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の光が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態にあるような第２のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第２のプリズムと、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の第１の色の光を生成する、第１のプリズムの第１の光波入口表面と関連付けられた第１の偏光光源と、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の第２の色の光を生成する、第１のプリズムの第２の光波入口表面と関連付けられた第２の偏光光源と、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の第３の色の光を生成する、第２のプリズムの第１の光波入口表面と関連付けられた第３の偏光光源と、を備え、
【0030】
第１の偏光光源によって生成された光が、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成によって透過され、かつ第２のダイクロイックビームスプリッタ構成によって透過され、第２の偏光光源によって生成された光が、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成によって反射され、かつ第２のダイクロイックビームスプリッタ構成によって透過され、および第３の偏光光源によって生成された光が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成によって反射される。
【0031】
任意で、第１の偏光光源および第２の偏光光源によって生成された光と、第３の偏光光源によって生成された光と、が非コリメート光として、それぞれ、第１のプリズムおよび第２のプリズムに入る。
【0032】
本発明の教示の一実施形態による光学デバイスも提供される。光学デバイスは、プリズムアセンブリであって、第１の外表面、第２の外表面、および第３の外表面であって、第１の外表面、第２の外表面、および第３の外表面が相互に直交し、第１の外表面の少なくとも一部分上に第１の光波入口表面が形成されており、第２の外表面の少なくとも一部分上に第２の光波入口表面が形成されており、および第３の外表面の少なくとも一部分上に第３の光波入口表面が形成されている、第１の外表面、第２の外表面、および第３の外表面、ならびに第１の光波入口表面または第２の光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上でプリズムアセンブリの第１の部分内に配備された第１のダイクロイックビームスプリッタ構成と、第３の光波入口表面に対して傾斜した平面上でプリズムアセンブリの第２の部分内に配備された第２のダイクロイックビームスプリッタ構成であって、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の光が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態にあるような第２のダイクロイックビームスプリッタ構成と、を含むプリズムアセンブリと、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態にある第１の色の光を生成する、第１の光波入口表面と関連付けられた第１の偏光光源と、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態にある第２の色の光を生成する、第２の光波入口表面と関連付けられた第２の偏光光源と、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態にある第３の色の光を生成する、第３の光波入口表面と関連付けられた第３の偏光光源と、を備え、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成が、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態に偏光された第１の色の波長の光を透過させ、かつ第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態に偏光された第２の色の波長の光を反射するように、構成されており、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態に偏光された第１の色または第２の色の波長の光を透過させ、かつ第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態に偏光された第３の色の波長の光を反射するように、構成されている。
【0033】
任意で、第１の偏光光源、第２の偏光光源、および第３の偏光光源によって生成された光が、非コリメート光としてプリズムアセンブリに入る。
【0034】
本発明の教示の一実施形態による光学デバイスも提供される。光学デバイスは、第１のプリズムであって、第１の光波入口表面、第２の光波入口表面、および光波出口表面、ならびに光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で第１のプリズム内に配備された第１のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第１のプリズムと、第２のプリズムであって、第１の光波入口表面、第２の光波入口表面、および光波出口表面、ならびに第２のダイクロイックビームスプリッタ構成であって、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第１の偏光状態の光が、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成に関する第２の偏光状態にあるように、第２のプリズムの光波入口表面のうちの少なくとも１つに対して傾斜した平面上で第２のプリズム内に配備された第２のダイクロイックビームスプリッタ構成を含む、第２のプリズムと、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した赤色光を生成する第１の偏光光源と、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した青色光を生成する第２の偏光光源と、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成に関してｓ偏光した緑色光を生成する第３の偏光光源と、を備え、第１のダイクロイックビームスプリッタ構成が、偏光した赤色光を透過させ、かつ偏光した青色光を反射することにより、第１のプリズムの光波出口表面を通して、偏光した混合光を出力し、偏光した混合光が、偏光した赤色光と偏光した青色光との混合物であり、第２のダイクロイックビームスプリッタ構成が、偏光した混合光を透過し、かつ偏光した緑色光を反射することにより、第２のプリズムの光波出口表面を通して混合光を出力し、混合光が、偏光した赤色光と偏光した青色光と偏光した緑色光との混合物である。
【0035】
説明において本明細書で使用される「色の組み合わせ」および「組み合わされた色（の）」という用語は、それぞれ「色の混合」および「混合色（の）」、ならびにそれぞれ「色の多重化」および「多重色（の）」という用語と交換可能に使用できる。
【0036】
本明細書で使用される場合、ダイクロイックビームスプリッタ構成によって実行される波長および偏光に依存する透過機能性について記載している文脈内で、例えば、「ダイクロイックビームスプリッタ構成が光を透過させる」というように使用される、「透過している」、「透過される」、「透過する」という用語、およびそれらの変形は、概して、ダイクロイックビームスプリッタ構成が、ダイクロイックビームスプリッタ構成の表面に入射する波長および偏光固有の光の大部分を透過させ、より好ましくは、ダイクロイックビームスプリッタ構成の表面に入射する波長および偏光固有の光の少なくとも７０％を透過させ、最も好ましくは、ダイクロイックビームスプリッタ構成の表面に入射する波長および偏光固有の光の少なくとも８０％を透過させることを意味すると理解されるものとする。
【0037】
ダイクロイックビームスプリッタ構成によって実行される波長および偏光に依存する反射機能性について記載している文脈内で、例えば、「ダイクロイックビームスプリッタ構成が光を反射する」というように本明細書で使用される場合、「反射している」、「反射される」、「反射する」という用語、およびそれらの変形は、概して、ダイクロイックビームスプリッタ構成が、ダイクロイックビームスプリッタ構成の表面に入射する波長および偏光固有の光の大部分を反射し、より好ましくは、ダイクロイックビームスプリッタ構成の表面に入射する波長および偏光固有の光の少なくとも７０％を反射し、最も好ましくは、ダイクロイックビームスプリッタ構成の表面に入射する波長および偏光固有の光の少なくとも８０％を反射することを意味すると理解されるものとする。
【0038】
本明細書で使用される場合、「導光」という用語は、任意の光波透過体、好ましくは光波透過中実体を指し、これは「光学基板」とも称され得る。
【0039】
本明細書で別段の定義がない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語および／または科学用語は、本発明が関係する当業者によって通常理解されるのと同じ意味を有する。本明細書に記載されたものと同様または同等の方法および材料が、本発明の実施形態の実施または試験に使用され得るが、例示的な方法および／または材料が、以下に記載されている。矛盾する場合は、定義を含む特許明細書が支配する。加えて、材料、方法、および例は、例示にすぎず、必ずしも限定することを意図するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0040】
本発明のいくつかの実施形態は、添付の図面を参照して、例としてのみ本明細書に記載されている。詳細な、図面への具体的な言及について、示された細目は、例として、および本発明の実施形態の例示的な議論の目的のためであることを強調しておく。これに関して、図面と併せてなされた説明により、本発明の実施形態がどのように実施され得るかが当業者に明らかになる。
【0041】
ここで、図面に注意を向けると、図面では、同様の参照番号または文字は、対応するまたは同様の構成要素を示す。図面において、
【0042】
【図1】本発明の一実施形態に従って構築され、動作するカラーコンバイナを提供するために、それぞれのプリズム中に２つのダイクロイックビームスプリッタが配備された光学デバイスの概略等角図である。
【図11】第２のダイクロイックビームスプリッタ用に可能に設計されたダイクロイックコーティングについてのｐ偏光に対する波長の関数としての反射率曲線を例示している。
【図15】図１の光学デバイスと同様であるがプリズムに光を注入する光源の順序が異なる光学デバイスの第２のダイクロイックビームスプリッタ用に可能に設計されたダイクロイックコーティングのｓ偏光の波長の関数としての反射率曲線を例示している。
【発明を実施するための形態】
【0043】
本発明は、それぞれのプリズム中に２つのダイクロイックビームスプリッタが配備された光学デバイスであり、これらは協調して３つの別々の色の光ビームを組み合わせて単一の組み合わされた色のビームを形成する。
【0044】
本発明による光学デバイスおよび光学システムの原理および動作は、説明に付随する図面を参照することにより、よりよく理解され得る。
【0045】
本発明の少なくとも１つの実施形態を詳細に説明する前に、本発明は、以下の説明に述べられた、ならびに／または図面および／もしくは例に示された構成要素および／または方法の構築の詳細および配置への適用に必ずしも限定されないことを理解されたい。本発明は、他の実施形態が可能であるか、または様々な方法で実践または実施できる。最初に、この文書全体を通して、例えば、左および右、前および後ろ（または背後）、上および下、上側のおよび下側のなどの方向への言及がなされる。これらの方向への言及は、本発明および本発明の実施形態を示すためにのみ例示的である。
【0046】
ここで図面を参照すると、図１～図７は、本開示の様々な態様に従って構築され、動作する、概して１０が付された光学デバイス、および光学デバイスの対応する構成要素の様々な図を例示している。概して、光学デバイス１０は、第１のプリズム１２および第２のプリズム３２を含み、各々は、光波透過材料から形成され、および各々は、各々の中に配備されたそれぞれのダイクロイックビームスプリッタ構成２０、４０を有し、ダイクロイックビームスプリッタ構成２０、４０は、協調して色の組み合わせ機能性を提供する。
【0047】
第１のプリズム１２は、第１の光波入口表面１４、第２の光波入口表面１６、および光波出口表面１８を含む、いくつかの平面状外表面を有する。ダイクロイックビームスプリッタ構成２０（略して「ＤＢＳ２０」と称され得る）は、第１の光波入口表面１４に対して傾斜した平面上で第１のプリズム１２内に配備されている。好ましい実装形態では、この平面はまた、第２の光波透過表面１６に対して傾斜している。光学デバイス１０の構成要素の配向をより明確に説明するために、任意に標記されたデカルト座標系（すなわち、ＸＹＺ座標系）が、（適切な場合に）図面に含まれている。この任意に標記されたＸＹＺ座標系では、図１を見ると、ｙ軸は、概して、紙面から外へ出る軸である。
【0048】
このことを念頭に置いて、第１の光波入口表面１４は、ＹＺ平面内にあり、ＤＢＳ２０は、ＹＺ平面に対して傾斜した平面上に配備されている。好ましい実施形態では、ＤＢＳ２０は、第１の光波入口表面１４に対して４５度をなす平面上に配備されており、これにより、ＤＢＳ２０は、光波入口表面１４、１６の中間（例えば、ＹＺ平面とＸＺ平面との中間）にある平面内にある。
【0049】
第１のプリズム１２はまた、第２の光波入口表面１６に対して平行であり、かつ第２の光波入口表面１６とは反対側の第１の表面２６と、表面１４、１６、１８、２６に対して直交する第２の表面２８と、第２の表面２８に対して平行であり、かつ第２の表面２８とは反対側の第３の表面３０と、を含む追加の外表面を含み得る。図面に描示された非限定的な任意の方向基準フレームにおいて、第１のプリズム１２の様々な表面１４、１６、１８、２６、２８、３０は、代替的に、以下の方向用語、すなわち、左表面１４、後（または背）表面１６、右表面１８、前表面２６、上側（または上）表面２８、および下側（または下）表面３０と称され得る。
【0050】
第２のプリズム３２は、第１の光波入口表面３４、第２の光波入口表面３６、および光波出口表面３８を含む、いくつかの平面状外表面を有する。ダイクロイックビームスプリッタ構成４０（略して「ＤＢＳ４０」と称され得る）は、第１の光波入口表面３４に対して傾斜した平面上で第２のプリズム３２内に配備されている。好ましい実装形態では、この平面はまた、第２の光波透過表面３６に対して傾斜している。図１に任意に標記されたＸＹＺ座標系では、第１の光波入口表面３４は、ＸＹ平面内にあり、ＤＢＳ４０は、ＸＹ平面に対して傾斜した平面上に配備されている。好ましい実施形態では、ＤＢＳ４０は、第１の光波入口表面３４に対して４５度をなす平面上に配備されており、これにより、ＤＢＳ４０は、光波入口表面３４、３６の中間（例えば、ＸＹ平面とＹＺ平面との中間）にある平面内にある。
【0051】
第２のプリズム３２はまた、第１の光波入口表面３４に対して平行であり、かつ第１の光波入口表面３４とは反対側の第１の表面４６と、表面３４、３６、３８、４６に対して直交する第２の表面４８と、第２の表面４８に対して平行であり、かつ第２の表面４８とは反対側の第３の表面５０と、を含む追加の平面状外表面を含み得る。
【0052】
図面に描示された非限定的な任意の方向基準フレームにおいて、第２のプリズム３２の様々な表面３４、３６、３８、４６、４８、５０は、代替的に、以下の方向用語、すなわち、下側（または下）表面３４、左表面３６、右表面３８、上側（または上）表面４６、後（または背）表面４８、および前表面５０と称され得る。
【0053】
光学デバイス１０を形成するために単一光学構造として完全に組み立てられる場合、２つのプリズム１２、３２の表面１８、３６は、平行であり、かつ互いに整列し、そして好ましいが非限定的な実装形態では、実質的に一致し、これにより、表面１８、３６が、第１のプリズム１２の光波出口表面および第２のプリズム３２の第２の光波入口表面として二重に機能する単一の有効表面を形成する。好ましい実装形態では、２つのプリズム１２、３２は、表面１８、３６で互いに取り付けられて、単一のプリズムアセンブリ７０を形成する。図８Ａおよび図８Ｂは、各々、取り付け前に互いに分離され、取り付け後に単一プリズムアセンブリ７０を形成するプリズム１２、３２を示す。直接的な（またはエアギャップを介する間接的な）接合部が表面１８、３６の間に形成されるように、取り付けは、表面１８、３６を互いに光学的にセメント接合することと、２つのプリズム１２、３２を所定の位置に固定的に保持するように構成された機械的保持配置と、を含むがこれらに限定されない、様々な光学的取り付け手段を介して実装され得る。
【0054】
第１のプリズム１２は、図１～図３および図６で２２および２４と標記された２つのプリズムに基づいており（すなわち、これらから形成され）、プリズム２２、２４のうちの少なくとも１つ（図６のプリズム２４）は、ＤＢＳ２０の少なくとも一部を形成するダイクロイックビームスプリッタを形成するためのダイクロイックコーティングを有する斜辺側上に提供され、これは、特定の波長のｓ偏光光を透過させ、かつ他の波長のｓ偏光光を反射する。２つのプリズム２２、２４の斜辺側は、互いにセメント接合されて、プリズム１２を形成するセメント接合プリズムアセンブリを形成する。
【0055】
第２のプリズム３２は、同様に、図１、図４、図５、および図７で４２および４４と標記された２つのプリズムに基づいており、プリズム４２、４４のうちの少なくとも１つ（図７のプリズム４４）は、ＤＢＳ４０の少なくとも一部を形成するダイクロイックビームスプリッタを形成するためのダイクロイックコーティングを有する斜辺側上に提供され、これは、特定の波長のｐ偏光光を透過させ、かつ他の波長のｓ偏光光を反射する。２つのプリズム４２、４４の斜辺側は、互いにセメント接合されて、プリズム３２を形成するセメント接合プリズムアセンブリを形成する。
【0056】
ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０を形成するために使用されるダイクロイックコーティングは、波長（すなわち、色）および偏光に感応する特性を呈し、これにより、ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０が、入射光の波長および偏光状態の両方に応じて、ＤＢＳの表面に入射する光を反射または透過させる。ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０を形成するダイクロイックコーティングの設計については、本開示の後続のセクションで論じる。
【0057】
この文書の文脈内では、ダイクロイックコーティングは、様々な方法で、プリズム２２、２４、および４２、４４のうちの少なくとも１つの斜辺側上に提供できる。１つの非限定的な例では、ダイクロイックコーティングは、２つの構成プリズムの一方または両方の斜辺側上に直接塗布できる。別の非限定的な例では、例えば、好ましくは２つの構成プリズムの斜辺側全体に沿って延在し、かつ上にダイクロイックコーティングが堆積された、シート、箔、またはガラス板などの薄い材料片を、セメント接合の前に２つの構成プリズムの斜辺側の間に配備することができる。
【0058】
ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０は、ＤＢＳ２０の表面と表面１４、１６、１８とに関する（つまり、対して）第１の偏光状態の（ｓ偏光またはｐ偏光した）光が、ＤＢＳ４０の表面と表面３４、３６、３８とに関する（すなわち、対する）第２の偏光状態（ｐ偏光またはｓ偏光した）にあるように、互いに対して配向されている。ＤＢＳ２０とＤＢＳ４０との間の相対的な配向は、ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０を、任意に標記されたＸＹＺ座標系においてｘ軸およびｚ軸である２つの主直交軸の周りに互いから回転オフセットさせることによって、提供される。ＤＢＳ２０がＹＺ平面に対して４５度の角度にある平面上に配備され、かつＤＢＳ４０がＸＹ平面に対して４５度の角度にある平面上に配備された、好ましい実装形態では、ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０は、ｘ軸の周りに４５度、およびｚ軸の周りに４５度だけ互いから回転オフセットしている。
【0059】
以下の段落は、プリズム１２、３２の幾何学的構成について記載している。好ましい実装形態では、第１のプリズム１２の光波入口表面１４、１６は、互いに対して直交し、第１のプリズム１２の第１の光波入口表面１４および光波出口表面１８は、互いに対して平行である。このような好ましい実装形態では、第２のプリズム３２の光波入口表面３４、３６も、互いに対して直交し、第２のプリズム３２の第１の光波入口表面３４および光波出口表面３８は、互いに対して平行である。特に好ましい実装形態では、プリズム１２、３２の各々は、正方立方体プリズムとして実装され、構成要素プリズム２２、２４、４２、４４の各々は、４５度の直角断面形状を有する。
【0060】
好ましい幾何学的構成では、プリズム１２、３２は、同一の幾何学的構造をなし、最も好ましくは、プリズム１２、３２は、両方とも、それぞれのプリズム１２、３２を二分するそれぞれの光波入口表面１４、３４に対して４５度の角度にある平面内に配備されたＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０を有する正方立方体プリズムである。
【0061】
正方立方体プリズムとして実装される場合、２つのプリズム１２、３２を表面１８、３６で合わせて光学的に取り付けることによって形成されたプリズムアセンブリ７０は、細長い長方立方体プリズムとして形成される。このような特に好ましい実施形態では、第１のプリズム１２の表面１４、１６、１８、２６、２８、３０は、等しいサイズをなし、かつ隣接する表面が直交しており、第２のプリズム３２の表面３４、３６、３８、４６、４８、５０は、等しいサイズをなし、かつ隣接する表面が直交している。さらに、このような特定の実装形態では、以下の表面の対、すなわち、第１のプリズム１２の第２の光波入口表面１６および第２のプリズム３２の第２の表面４８、第１のプリズム１２の第１の表面２６および第２のプリズム３２の第３の表面５０、第１のプリズム１２の第２の表面２８および第２のプリズム３２の第１の表面４６、ならびに第１のプリズム１２の第３の表面３０および第２のプリズム３２の第１の光波入口表面３４は、同一平面上にある（および、好ましくは、接合されて単一の連続する平面状表面を形成する）。
【0062】
プリズムアセンブリ７０は、構成プリズム１２、３２と同様に、いくつかの平面状外表面を含み、特に好ましいが非限定的な実装形態は、６つの平面状外表面を含む。第１の光波入口表面１４は、プリズムアセンブリ７０の第１の外表面として機能し、これは、プリズムアセンブリ７０の第１の光波入口表面でもある。光波出口表面３８は、プリズムアセンブリ７０の第４の外表面として機能し、これは、プリズムアセンブリ７０の光波出口表面としても機能する。
【0063】
プリズムアセンブリ７０の外表面のうちの４つは、プリズム１２、３２の対の表面の接合から形成されて、連続する表面を形成する。プリズムアセンブリ７０の第２の外表面は、第１のプリズム１２の第２の光波入口表面１６と第２のプリズム３２の第２の表面４８とを接合することから形成される。プリズムアセンブリ７０の第２の外表面の一部分（すなわち、第１のプリズム１２の第２の光波入口表面１６から形成される部分）は、プリズムアセンブリ７０の第２の光波入口表面として機能する。プリズムアセンブリ７０の第３の外表面は、第１のプリズム１２の第３の表面３０と第２のプリズム３２の第１の光波入口表面３４とを接合することから形成される。プリズムアセンブリ７０の第３の外表面の一部分（すなわち、第２のプリズム３２の第１の光波入口表面３４から形成される部分）は、プリズムアセンブリ７０の第３の光波入口表面として機能する。プリズムアセンブリ７０の第１の外表面、第２の外表面、および第３の外表面は、相互に直交している。
【0064】
プリズムアセンブリ７０の第５の外表面は、第１のプリズム１２の第１の表面２６と第２のプリズム３２の第３の表面５０とを接合することから形成される。プリズムアセンブリ７０の第６の外表面は、第１のプリズム１２の第２の表面２８と第２のプリズム３２の第１の表面４６とを接合することから形成される。
【0065】
特に図２～図５を参照すると、光学デバイス１０は、３つの偏光光源を有する。第１の直線偏光子５５を有する第１の光源５４として本明細書に示される第１の偏光光源は、第１のプリズム１２の第１の光波入口表面１４（特定の実施形態では、プリズムアセンブリ７０の第１の外表面でもある）と関連付けられている。第１の偏光光源は、第１の色（例えば、赤）に対応する電磁スペクトルの第１の特定の波長範囲の波長を有する偏光光を生成する（すなわち、放出する）ように構成されている。第２の直線偏光子５９を有する第２の光源５８として本明細書に示される（図４および図５に仮想線で示された）第２の偏光光源は、第１のプリズム１２の第２の光波入口表面１６（特定の実施形態では、プリズムアセンブリ７０の第２の外表面の一部分でもある）と関連付けられている。第２の偏光光源は、第２の色（例えば、青）に対応する電磁スペクトルの第２の特定の波長範囲の波長を有する偏光光を生成するように構成されている。第３の直線偏光子６３を有する第３の光源６２として本明細書に示される（図２および図３に仮想線で示された）第３の偏光光源は、第２のプリズム３２の第１の光波入口表面３４（特定の実施形態では、プリズムアセンブリ７０の第３の外表面もある）と関連付けられている。第３の偏光光源は、第３の色（例えば、緑）に対応する電磁スペクトルの第３の特定の波長範囲の波長を有する偏光光を生成するように構成されている。３つの特定の波長範囲は、重なり合わない波長範囲であり、これにより、３つの偏光光源は、３つの別異のそれぞれの光の色、例えば、赤、青、および緑を生成する。
【0066】
好ましいが非限定的な実装形態では、第１の偏光光源は、偏光した赤色光を生成するために６３８ナノメートル（ｎｍ）またはおよそ６３８ｎｍの波長を中心とする偏光光を生成するように構成されており、第２の偏光光源は、偏光した青色光を生成するために波長４５６ｎｍまたはおよそ４５６ｎｍを中心とする偏光光を生成するように構成されており、第３の偏光光源は、偏光した緑色光を生成するために波長５３２ｎｍまたはおよそ５３２ｎｍを中心とする偏光光を生成するように構成されている。
【0067】
図２および図４に示されるように、入射光ビーム５６は、直線偏光子５５を通過し、入射光ビーム６０は、直線偏光子５９を通過し、および入射光ビーム６４は、直線偏光子６３を通過する。光ビーム５６、６０、６４は、それぞれのＬＥＤ、レーザ、レーザダイオード、または任意の他のそれぞれの光源５４、５８、６２からのものであり得る。光源５４、５８、６２自体が偏光している場合、直線偏光子５５、５９、６３は必ずしも必要ではないが、高品質の偏光照明を確保することは依然として有利であり得ることに留意されたい。特に好ましい実装形態では、入射光ビーム５６、６０は、図２に例示されるように、ＤＢＳ２０の表面に関してｓ偏光しており、入射光ビーム６４は、図４に例示されるように、ＤＢＳ４０の表面に関してｓ偏光している。
【0068】
光源５４、５８、６２は、好ましくは、偏光光源によって生成された入射光ビーム５６、６０、６４が、非コリメート光としてプリズムアセンブリ７０に結合された発散（または収束）ビームであるような、非コヒーレント源（例えば、ＬＥＤ、レーザなど）として実装される。さらに、偏光光源は、比較的広いビーム角を有する、好ましくは±２５度の範囲の、ビームを生成するように構成されている。偏光光源からの入射光は、プリズム１２、３２に入るときに屈折する。プリズム１２、３２を通って伝搬するビームは、ビームが遭遇するＤＢＳの表面の法線に対して測定される、対応する入射角を有する。当技術分野で知られているように、（プリズムに入るときの）ビームの屈折角は、プリズムが構築されている材料の屈折率の関数である。例えば、１．７の屈折率を有する材料からプリズム１２、３２を構築する場合、偏光光源からの入射ビームは、およそ±１５度の範囲の角度で屈折し、この角度は、入射ビームが遭遇する第１のＤＢＳの表面の法線に対して測定されるおよそ３０～６０度の角度範囲に対応する（例えば、第１の偏光光源は、好ましくは、ＤＢＳ２０の表面の法線に対して３０～６０度の範囲の入射角に対応するビーム角を有する）。プリズムアセンブリ７０への入力における広いビーム角は、光学デバイス１０の出力における広いビーム角に対応し、このことは、出力ビームが、ＬＣｏＳなどの反射型ディスプレイデバイスを照明するために使用される場合に有利であり得る。
【0069】
さらに、プリズム１２、３２の好ましい幾何学的構成は、入射光がＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０によって反射される入射角の範囲全体にわたって均一性を促進し得ることに留意されたい。それにもかかわらず、プリズム１２、３２の一方または両方が細長い長方立方体プリズムとして実装される構成などの、他の幾何学的構成が想到される。ただし、このような構成は、光がＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０の一方または両方によって反射される入射角の範囲の低減をもたらし得る。
【0070】
以下の段落は、プリズムアセンブリ７０を通る３つの偏光光源からの光の横断について記載している。示されるように、第１の光源５４からのｓ偏光した入力光波（すなわち、入射ビーム５６）は、第１の光波入口表面１４を通して、光波透過材料で構成されたプリズム１２（ＤＢＳ２０を間に挟むプリズム２２、２４から構築された「導光」光学デバイスと見なすことができる）内に結合される。ｓ偏光した光波（－６３８ｎｍの波長を中心とする、すなわちｓ偏光した赤色光）は、ＤＢＳ２０によって透過され（ＤＢＳ２０を形成するダイクロイックコーティングの特性に起因して）、光波出口表面１８を通してプリズム１２外に結合される。プリズム１２外に結合されると、ｓ偏光した光波は、第２の光波入口表面３６を通して、光波透過材料で構成されたプリズム３２（ＤＢＳ４０を間に挟むプリズム４２、４４から構築された「導光」光学デバイスと見なすことができる）内に結合される。プリズム１２、３２がエアギャップなしで表面１８、３６で取り付けられた実装形態では、プリズム１２外への結合とプリズム３２内への結合とは、同じものである。プリズム３２内に結合された（入射ビーム５６からの）ｓ偏光した光波は、ＤＢＳ２０とＤＢＳ４０との相対的な配向に起因して、ここで、（図４に例示されるように）ＤＢＳ４０の表面に関してｐ偏光される。ここでｐ偏光された光波は、（ＤＢＳ４０を形成するダイクロイックコーティングの特性に起因して）ＤＢＳ４０によって透過され、光波出口表面３８を通してプリズム３２外に結合される。結果として、（入射ビーム５６からの）ｓ偏光した光波は、反射することなく、プリズムアセンブリ７０の両方のプリズム１２、３２を横断する。
【0071】
第２の光源５８からのｓ偏光した入力光波（すなわち、入射ビーム６０）は、第２の光波入口表面１６を通してプリズム１２内に結合される。ｓ偏光した光波（－４５６ｎｍの波長を中心とする、すなわちｓ偏光した青色光）は、ＤＢＳ２０によって反射され（ＤＢＳ２０を形成するダイクロイックコーティングの特性に起因して）、光波出口表面１８を通してプリズム１２外に結合される。プリズム１２外に結合されると、ｓ偏光した光波は、第２の光波入口表面３６を通してプリズム３２内に結合される。プリズム３２内に結合された（入射ビーム６０からの）ｓ偏光した光波は、ＤＢＳ２０とＤＢＳ４０との相対的な配向に起因して、ここで、（図４に例示されるように）ＤＢＳ４０の表面に関してｐ偏光される。ここでｐ偏光された光波は、（ＤＢＳ４０を形成するダイクロイックコーティングの特性に起因して）ＤＢＳ４０によって透過され、光波出口表面３８を通してプリズム３２外に結合される。結果として、（入射ビーム６０からの）ｓ偏光した光波は、単一の反射でプリズムアセンブリ７０のプリズム１２、３２を横断する。
【0072】
第３の光源６２からのｓ偏光した入力光波（すなわち、入射ビーム６４）は、第１の光波入口表面３４を通してプリズム３２内に結合される。ｓ偏光した光波（－５３２ｎｍの波長を中心とする、すなわちｓ偏光した緑色光）は、ＤＢＳ４０によって反射され（ＤＢＳ４０を形成するダイクロイックコーティングの特性に起因して）、光波出口表面３８を通してプリズム３２外に結合される。結果として、（入射ビーム６４からの）ｓ偏光した光波は、プリズムアセンブリ７０のプリズムのうちの１つ（プリズム３２）のみを、単一の反射で、かつ偏光の変化なしに横断する。
【0073】
図１、図２、および図４に示されるように、上記の議論に加えて、ＤＢＳ２０を形成するダイクロイックコーティングにより、第１のプリム１２は、第１の偏光光源および第２の偏光光源からの光を合わせて混合し、光波出口表面１８を通して２色混合光を出力できるようになる。本明細書に記載された好ましいが非限定的な実施形態では、第１のプリズム１２の出力での混合光は、それぞれ、第１の偏光光源および第２の偏光光源によって生成された、赤色光と青色光との混合物（両方とも同じ偏光状態に偏光している、例えば、ｓ偏光している）である。ＤＢＳ４０により、第２のプリズム３２は、第３の偏光光源からの光と第１のプリズム１２によって出力された２色混合光とを合わせて混合し、光波出口表面３８を通して３色混合光を出力できるようになる。本明細書に記載された好ましいが非限定的な実施形態では、第２のプリズム３２の出力での３色混合光は、第１のプリズム１２によって出力された赤色と青色との混合光（ここでＤＢＳ４０の表面と光波出口表面３８とに関してｐ偏光されている）と、第３の偏光光源によって生成されたｓ偏光した緑色光と、の混合物である。
【0074】
補足すると、簡単にするために、入射ビーム５６、６０、６４とプリズムアセンブリ７０を通るこれらの入射ビームのそれぞれの横断とを表すために、図面では少数（３つ）の光線のみが使用されている。当然理解されるように、図面に示された代表的な光線は、入射ビームを構成し、かつ入射ビームの各々がそれぞれの偏光光源から発生する複数の光線から形成される、光線のほんのわずかなサンプルである。
【0075】
この段階で、本発明が特に有利な光学デバイスを提供することが理解されよう。特に、プリズムアセンブリ７０の３つの相互に直交する光波入口表面と関連付けられ、かつプリズムアセンブリ７０に結合される前にコリメートされない広いビームを生成する、３つの偏光光源を採用することによって、プリズムアセンブリ７０の出力（等価的に、プリズム３２の光波出口表面３８である）において高エネルギー広角入力ビームと高エネルギー広角色混合出力ビーム（すなわち、±２５度の範囲の光源によって出力される角度であり、当該角度は、前述したような３０、６０度の範囲の入射角に対応する）を備えたコンパクトな光学デバイスを達成することが可能であり、このことは、ＮＥＤシステムまたはＨＭＤシステムのマイクロディスプレイを照明するために使用される照明構成要素の一部として光学デバイス１０を実装する場合に有利であり得る。
【0076】
様々な特に好ましいマイクロディスプレイは、ＬＣＤディスプレイまたはＬＣｏＳディスプレイなどのいくつかのＳＬＭマイクロディスプレイソース、特にＨＭＤおよびＮＥＤで使用されるものにおいて、ＳＬＭの動作が、マイクロディスプレイデバイスに入射し、次いで異なる偏光状態で反射される偏光光に基づくことを利用する。光学デバイス１０のコンパクトな構成の１つの結果は、第２のプリズム３２の出力での混合光が、異なる偏光の構成色光波からなることである。具体的には、第２のプリズム３２の出力において、第３の偏光光源に対応する構成色光波は、第１の偏光光源および第２の偏光光源に対応する構成色光波に対して直交して偏光される。図２および図４に示された例では、第１の偏光光源および第２の偏光光源（すなわち、入射ビーム５６、６０）に対応する第２のプリズム３２の出力での光波は、ｐ偏光されているのに対して、第３の偏光光源（すなわち、入射ビーム６４）に対応する第２のプリズム３２の出力での光波は、ｓ偏光されている。上述のマイクロディスプレイデバイスは偏光に感応するため、マイクロディスプレイデバイスに入射する光のすべてにわたって偏光均一性を維持することが最も重要である。以下に記載される様々な実施形態は、マイクロディスプレイデバイスに入射する光の偏光均一性を維持するために素子が提供される実装形態を開示する。
【0077】
特に図１～図５を参照すると、クロマティックリターダ５２が、プリズムアセンブリ７０の出力に配備され、かつプリズム３２の光波出口表面３８と関連付けられており、これにより、第２のプリズム３２外に結合された、３つの偏光光源からの（すなわち、入射ビーム５６、６０、６４からの）光波のすべてが、プリズム３２外に結合された後、かつマイクロディスプレイデバイスに衝突する前に、クロマティックリターダ５２を通過する。クロマティックリターダ５２は、入射ビーム５６、６０に対応する光波などの特定の波長の光に対する半波長板として機能し、それによって、それらの光波の偏光状態をｐ偏光からｓ偏光に回転させる一方、入射ビーム６４に対応する光波などの特定の波長のｓ偏光光の偏光状態を維持する。結果として、クロマティックリターダ５２の出力での入射ビーム５６、６０、６４からの光波のすべては、同じ偏光状態（ｓ偏光されている）にある。
【0078】
非限定的な例では、クロマティックリターダ５２は、数次の１λ3波長板として実装され、ここで、λ3は、第３の偏光光源によって生成される光の波長である。以前に論じたように、特に好ましい実装形態において、第１の偏光光源は、６３８ナノメートルｎｍまたはおよそ６３８ｎｍの波長（λ1）を中心とする偏光した緑色光を生成するように構成されており、第２の偏光光源は、４５６ｎｍまたはおよそ４５６ｎｍの波長（λ2）を中心とする偏光した青色光を生成するように構成されており、および第３の偏光光源は、５３２ｎｍまたはおよそ５３２ｎｍの波長（λ3）を中心とする偏光した緑色光を生成するように構成されている。
【0079】
クロマティックリターダ５２は、正常軸（ｏ軸）と、（以下でさらに論じるＮの特定の整数値について）Ｎ＊λ3に等しい異常軸（ｅ軸）と、の間の差分を有する。クロマティックリターダ５２をｏ偏光とｅ偏光との間の４５度の所定の角度に配置することにより、３色の光の波長において適切な必要なリターダンスが確保される。図面で使用される任意に標記されたＸＹＺ座標系において、クロマティックリターダ５２は、図９に示されるように、ｏ軸およびｅ軸がｙ軸（およびｚ軸）から４５度をなす軸方向オフセットを有して、配備されている。
【0080】
クロマティックリターダ５２は、波長に必要なリターダンスを提供する任意の非分散複屈折素子として実装できる。例えば、非負の整数値のｎに対してＮ＝６＊（ｎ＋０．５）の場合にリターダンスＡ＊λ3を有する任意の非分散複屈折素子を使用して、クロマティックリターダ５２を形成することができる。
【0081】
以下の表１は、ｎ＝０、１、および２の場合、およびλ1＝６３８．４ｎｍ、λ2＝４５６ｎｍ、およびλ3＝５３２ｎｍの場合についての、波長のリターダンスを示す。
【表1】
【0082】
表１から分かるように、λ1およびλ2に対するリターダンスは、半波長の奇数整数倍であるのに対して、λ3に対するリターダンスは、半波長の偶数整数倍である。したがって、クロマティックリターダ５２によって提供されるリターダンスは、λ1およびλ2の半波長板として機能し、それによって、λ3に対する偏光状態を維持しながら、λ1およびλ2に対する偏光をｐ偏光からｓ偏光に変更する。
【0083】
上記に示唆したように、所望の色組み合わせ（すなわち、混合色）光波効果を生成するためのプリズムアセンブリ７０を通る光の横断は、部分的に、ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０を形成するダイクロイックコーティングの特性の結果である。次の段落は、これらのダイクロイックコーティングの設計上の考慮事項について論じる。当然明らかなように、ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０の必要な反射および透過特性は、偏光光源によってプリズムアセンブリ７０に注入される色付き光の順序、および注入された光の偏光状態に直接紐付けられている。この目的のために、以下のダイクロイックコーティングの議論は、図１～図７に示される光学デバイス１０の好ましい実装形態を参照して行われ、ここで、第１の偏光光源は、ｓ偏光した赤色光を生成し、第２の偏光光源は、ｓ偏光した青色光を生成し、第３の偏光光源は、ｓ偏光した緑色光を生成する。ダイクロイックコーティングは、好ましくは、低吸収材料で設計されており、そのため、反射率が高い場合、透過率は低く、逆もまた同様である。
【0084】
上記を念頭に置いて、プリズムアセンブリ７０は、ＤＢＳ２０を形成するダイクロイックコーティングが、ｓ偏光した赤色光（すなわち、低Ｒｓ、高Ｔｓ）に対して低反射率および高透過率を有し、かつ高反射率青色光（すなわち、高Ｒｓ、低Ｔｓ）を有するように、およびＤＢＳ４０を形成するダイクロイックコーティングが、ｐ偏光した赤色光および青色光に対して低反射率および高透過率（すなわち、低Ｒｐ、高Ｔｐ）を有し、かつｓ偏光した緑色光に対して高反射率および低透過率（すなわち、高Ｒｓ、低Ｔｓ）を有するように、設計される。結果として、第１の偏光光源によって生成された赤色光は、ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０によって透過され、第２の偏光光源によって生成された青色光は、ＤＢＳ２０によって反射され、かつＤＢＳ４０によって透過され、および第３の偏光光源によって生成された緑色光は、ＤＢＳ２０によって反射される。
【0085】
以下の段落は、ｓ偏光およびｐ偏光の両方に対する様々な反射率曲線を参照して、ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０のダイクロイックコーティングの様々な設計オプションについて記載し、また、色の組み合わせ機能性を提供するために、ＤＢＳ２０をＤＢＳ４０から回転オフセットさせる理論的根拠を例示する。反射率曲線は、プリズム１２、３２が１．７の屈折率を有する材料から構築された非限定的な構造において、プリズム１２、３２のＤＢＳに入射する光の反射挙動を示す。したがって、以下の段落で検討されている入射角は、３０～６０度の範囲にある。完全を期すために、０～６０度の範囲の広範囲の入射角が、反射率曲線に示されている。以前に論じたように、入射角は、ビームが遭遇するＤＢＳの表面の法線に対して測定される。
【0086】
図１０は、ＤＢＳ４０の表面に関して測定された、様々な入射角についてのｓ偏光に対する、ＤＢＳ４０用に可能に設計されたダイクロイックコーティングのｓ偏光の波長の関数としての反射率曲線を示す。示されるように、ｓ偏光した緑色光は、０～６０度の入射角範囲のすべての角度で高反射率を有するが、ｓ偏光した赤色光および青色光もまた、特定の入射角、特に３０度よりも大きい入射角で高反射率を有する。結果として、ＤＢＳ２０をＤＢＳ４０から適切に回転オフセットさせずにＤＢＳ４０にこの設計されたダイクロイックコーティングを使用すると、３０度よりも大きい入射角でのＤＢＳ４０による赤色光および青色光の反射がもたらされる。したがって、０～６０度の入射角範囲の特に重要なサブ範囲（例えば、３０～６０度）の場合、赤色光および青色光は、ＤＢＳ４０によって反射され、これにより、ＤＢＳ４０によって透過され、かつ緑色光と組み合わされた残りの赤色光および青色光は、強度の著しい損失に遭うこととなる。
【0087】
図１１は、図１０に関して論じた０～６０度の入射角範囲についてのｐ偏光に対する、ＤＢＳ４０用に可能に設計されたダイクロイックコーティングのｐ偏光の波長の関数としての反射率曲線を示す。見て分かるように、ｐ偏光した赤色光および青色光は、０～６０度の入射角範囲のすべての角度で低反射率を有する。結果として、ＤＢＳ２０をＤＢＳ４０から適切に回転オフセットさせながらＤＢＳ４０用に設計されたこのダイクロイックコーティングを使用すると、０～６０度の入射角範囲のすべての角度でＤＢＳ４０による赤色光および青色光の透過がもたらされる。したがって、ＤＢＳ４０用に設計されたこのダイクロイックコーティングは、ｐ偏光した赤色光および青色光が０～６０度の範囲のすべての入射角でＤＢＳ４０によって透過されるため、所望の広いビームの色の組み合わせ機能性を提供することにつながる。
【0088】
図１２は、偏光波長の３つの特定のセット、すなわち、波長４５６ｎｍ（青色光）のｐ偏光光、波長５３２ｎｍ（緑色光）のｓ偏光光、および波長６３８ｎｍ（赤色光）のｐ偏光光における、図１１に関して論じた設計されたダイクロイックコーティングの、入射角の関数としての反射率曲線を示す。見て分かるように、ｐ偏光光（すなわち、４５６ｎｍおよび６３８ｎｍ）に対する反射率は、６３８ｎｍの光が、２８度付近でおよそ１６％のピーク反射率を有して、およそ２４～３０度の範囲で１５％を凌ぐことを除いて、０～６０度の範囲のほぼ全体にわたって比較的低い（およそ１５％未満）。加えて、ｓ偏光光（すなわち、５３２ｎｍ）に対する反射率は、５０度付近におよそ７０％の最小反射率を有して、４７～５３度でおよそ７７％未満に降下することを除いて、０～６０度の範囲のほぼ全体にわたって比較的高い（およそ７７％超）。
【0089】
図１３は、ＤＢＳ２０の表面に関して測定された、０～６０度の様々な入射角についてのｓ偏光に対する、ＤＢＳ２０用に可能に設計されたダイクロイックコーティングのｓ偏光の波長の関数としての反射率曲線を示す。見て分かるように、ｓ偏光した赤色光は、０～６０度の入射角範囲のすべての角度で低反射率を有するのに対して、ｓ偏光した青色光は、０～６０度の入射角範囲のすべての角度で高反射率を有する。結果として、ＤＢＳ２０用に設計されたこのダイクロイックコーティングを使用すると、０～６０度の入射角範囲のすべての角度で、ＤＢＳ２０による赤色光の透過と、ＤＢＳ２０による青色光の反射と、がもたらされる。
【0090】
図１４は、４５６ｎｍ（青色光）および６３８ｎｍ（赤色光）の２つの特定の波長における、図１３を参照して論じた、設計されたダイクロイックコーティングに対する入射角の関数としての（ｓ偏光光に対する）反射率曲線を示す。見て分かるように、６３８ｎｍの光に対する反射率は、０～６０度の範囲にわたって低い（およそ７％未満）ままであり、４５６ｎｍの光に対する反射率は、０～６０度の範囲のほぼ全体にわたって高い（約９３％超）ままである。
【0091】
光学デバイス１０の前述の説明から当然明らかであるように、ＤＢＳ２０とＤＢＳ４０との間の配向が、ＤＢＳ２０の表面に対する第１の偏光状態（ｓ偏光またはｐ偏光されている）の光がＤＢＳ４０の表面に対する第２の偏光状態（ｐ偏光またはｓ偏光されている）にあるように維持される限り、依然として色の組み合わせ機能性を維持しながら、ＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０のいずれかまたは両方を、１つ以上の主軸の周りに回転させてもよい。
【0092】
例えば、ＤＢＳ２０を、ｚ軸の周りに９０度回転させてもよく、および／またはＤＢＳ４０を、ｙ軸の周りに９０度回転させてもよい。このような回転は、プリズム１２、３２の光波入口表面を固有に変化させる。例えば、表面２６であれば、ｚ軸の周りにＤＢＳ２０を９０度回転させた後に、プリズム１２の第２の光波入口表面になり、表面４６であれば、ｙ軸の周りにＤＢＳ４０を９０度回転させた後に、プリズム３２の第１の光波入口表面になる。
【0093】
光波入口表面への変化に適切に対応することで、１つ以上の主軸の周りのＤＢＳ２０およびＤＢＳ４０のいずれかまたは両方（および等価的にプリズム１２、３２のいずれかまたは両方）の他の回転は、本明細書で想到され、前述の開示を考慮して当業者には明らかになるはずである。
【0094】
第１の偏光光源が偏光した赤色光を生成し、第２の偏光光源が偏光した青色光を生成し、および第３の偏光光源が偏光した緑色光を生成する好ましい実装形態は、光学デバイス１０の設計においていくつかの利点を提供することに留意されたい。１つのこのような利点は、クロマティックリターダ５２の設計であり、これは、対象の特定の波長が、波長の必要なリターダンスについての良好な解決策を見つけるのに役立たないためである。別の利点は、好ましい実装形態が、プリズムアセンブリ７０を通して伝播される緑色光のより高い効率に役立つことである。緑色光を生成する光源は、通常、青色光または赤色光を生成する光源よりも効率が低い。このことは、これらの光源がＬＥＤとして実装される場合に特に当てはまる。したがって、緑色光がプリズムアセンブリ７０を可能な限り横断するように緑色光のエネルギー損失を低減することが好ましい。上で例示されるように、好ましい実装形態では、緑色光は、プリズム３２のみを横断し、プリズム１２には入らない。したがって、緑色光は、（両方のプリズム１２、３２を横断しなければならない）赤色光および青色光と比較した場合、より少ないエネルギー損失でプリズムアセンブリ７０を通して伝播される。
【0095】
これまでに記載したように、光学デバイス１０の動作は、偏光光源が図１の左から右に赤（Ｒ）、青（Ｂ）、緑（Ｇ）の順序をなす、すなわち、第１の偏光光源はｓ偏光した赤色光を生成し、第２の偏光光源はｓ偏光した青色光を生成し、第３の偏光光源はｓ偏光した緑色光を生成する、好ましい実装形態に関係しているが、本明細書では、偏光光源の可能なすべての順序が、想到され、本発明の範囲内にある。
【0096】
以下の段落は、光学デバイス１０の追加の実装形態による２つの光源の順序について記載している。第１の追加の実装形態では、第１の偏光光源は、ｓ偏光した赤色光を生成し、第２の偏光光源は、ｓ偏光した緑色光を生成し、および第３の偏光光源は、ｓ偏光した青色光を生成する。図１５は、ＤＢＳ４０の表面に対して測定された、様々な入射角についてのｓ偏光に対する、ＤＢＳ４０用に可能に設計されたダイクロイックコーティングのｓ偏光の波長の関数としての反射率曲線を示す。示されるように、ｓ偏光した青色光は、（特に４２０～４５０ｎｍの範囲の波長に対して）０～６０度の入射角範囲のすべての角度で高反射率を有するが、ｓ偏光した緑色光および赤色光もまた、特定の入射角、特に３０度よりも大きい入射角で、高反射率を有する。結果として、ＤＢＳ２０をＤＢＳ４０から適切に回転オフセットさせずにＤＢＳ４０にこの設計されたダイクロイックコーティングを使用すると、それぞれ、３０度および２０度よりも大きい入射角でのＤＢＳ４０による赤色光および緑色光の反射がもたらされる。したがって、０～６０度の入射角範囲の特定のサブ範囲（例えば、２０／３０～６０度）の場合、赤色光および緑色光は、ＤＢＳ４０によって反射され、これにより、ＤＢＳ４０によって透過され、かつ青色光と組み合わされた残りの赤色光および緑色光は、強度の著しい損失に遭うこととなる。
【0097】
図１６は、０～６０度の入射角範囲についてのｐ偏光に対する、ＤＢＳ４０用に可能に設計されたダイクロイックコーティングのｐ偏光の波長の関数としての反射率曲線を示す。見て分かるように、ｐ偏光した赤色光および緑色光は、０～６０度の入射角範囲のすべての角度で低反射率を有する。結果として、ＤＢＳ２０をＤＢＳ４０から適切に回転オフセットさせながらＤＢＳ４０にこの設計されたダイクロイックコーティングを使用すると、０～６０度の入射角範囲のすべての角度でＤＢＳ４０による赤色光および緑色光の透過がもたらされる。したがって、ＤＢＳ４０用に設計されたこのダイクロイックコーティングは、ｐ偏光した赤色光および緑色光が０～６０度の範囲のすべての入射角でＤＢＳ４０によって透過されるため、所望の広いビームの色の組み合わせ機能性を提供することにつながる。
【0098】
ＤＢＳ２０がｓ偏光した赤色光を透過させ、かつｓ偏光した緑色光を反射するようなダイクロイックコーティングの設計については、本明細書では詳細に論じない。ｓ偏光した赤色光および緑色光の反射および透過をそれぞれもたらすこのようなダイクロイックコーティングの設計は、本明細書のダイクロイックコーティングの以前の議論に基づいて当業者には明らかになるはずである。
【0099】
第２の追加の実装形態では、第１の偏光光源は、ｓ偏光した緑色光を生成し、第２の偏光光源は、ｓ偏光した青色光を生成し、および第３の偏光光源は、ｓ偏光した赤色光を生成する。図１７は、ＤＢＳ４０の表面に対して測定された、様々な入射角についてのｓ偏光に対する、ＤＢＳ４０用に可能に設計されたダイクロイックコーティングのｓ偏光の波長の関数としての反射率曲線を示す。示されるように、ｓ偏光した赤色光は、（特に６２５～６６０ｎｍの範囲の波長に対して）０～６０度の入射角範囲のすべての角度で高反射率を有するが、ｓ偏光した青色光および緑色光もまた、特定の入射角、特に３０度よりも大きい入射角について高反射率を有する。結果として、ＤＢＳ２０をＤＢＳ４０から適切に回転オフセットさせずにＤＢＳ４０にこの設計されたダイクロイックコーティングを使用すると、３０度よりも大きい入射角でのＤＢＳ４０による青色光および緑色光の反射がもたらされる。したがって、０～６０度の入射角範囲の特に重要なサブ範囲（例えば、３０～６０度）の場合、青色光および緑色光は、ＤＢＳ４０によって反射され、これにより、ＤＢＳ４０によって透過され、かつ赤色光と組み合わされた残りの青色光および緑色光は、強度の著しい損失に遭うこととなる。
【0100】
図１８は、０～６０度の入射角範囲についてのｐ偏光に対する、ＤＢＳ４０用に可能に設計されたダイクロイックコーティングのｐ偏光の波長の関数としての反射率曲線を示す。見て分かるように、ｐ偏光した青色光および緑色光は、０～６０度の入射角範囲のすべての角度で低反射率を有する。結果として、ＤＢＳ２０をＤＢＳ４０から適切に回転オフセットさせながらＤＢＳ４０にこの設計されたダイクロイックコーティングを使用すると、０～６０度の入射角範囲のすべての角度でＤＢＳ４０による青色光および緑色光の透過がもたらされる。したがって、ＤＢＳ４０用に設計されたこのダイクロイックコーティングは、ｐ偏光した青色光および緑色光が０～６０度の範囲のすべての入射角でＤＢＳ４０によって透過されるため、所望の広いビームの色の組み合わせ機能性を提供することにつながる。
【0101】
ＤＢＳ２０がｓ偏光した緑色光を透過させ、かつｓ偏光した青色光を反射するようなダイクロイックコーティングの設計については、本明細書では詳細に論じない。ｓ偏光した緑色光および青色光の反射および透過をそれぞれもたらすこのようなダイクロイックコーティングの設計は、本明細書のダイクロイックコーティングの以前の議論に基づいて当業者には明らかになるはずである。
【0102】
これまでに記載した光学デバイス１０は、小型のカラーコンバイナが必要とされる幅広い用途で使用できる。好適な用途の例は、ニアアイディスプレイ（ＮＥＤ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、および画像をＮＥＤ、ＨＭＤ、およびＨＵＤの構成要素に投影する画像プロジェクタを利用するヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、携帯電話、コンパクトディスプレイ、３Ｄディスプレイ、コンパクトビームエキスパンダなどの様々なイメージング用途、ならびにフラットパネルインジケータおよびスキャナなどの非イメージング用途を含むが、これらに限定されない。本実施形態の光学デバイス１０は、画像画素を生成するための偏光光による照明を必要とするＳＬＭマイクロディスプレイを採用するこのような画像プロジェクタの照明構成要素として使用される場合、特に価値があり得る。ＮＥＤ、ＨＭＤ、およびＨＵＤ用途に好適な様々なタイプの画像プロジェクタが、Ｌｕｍｕｓ Ｌｔｄ．（イスラエル）から市販されている。これらの画像プロジェクタは、反射型ディスプレイデバイス（例えば、ＬＣｏＳ）と共に、照明プリズムおよびコリメートプリズムを含む様々なプリズムアセンブリを採用し得る。
【0103】
用途のうちの１つの特に好ましいが非限定的なサブセットの例示として、図１９は、図１～図７に関して記載された構造に対応する光学デバイス１００を例示し、コリメートされた画像を生成する画像プロジェクタデバイス１１０、および画像プロジェクタデバイス１１０からの注入された画像を受け取る導光基板１２４と組み合わされて光学システムを形成している。ここで、画像プロジェクタデバイス１１０および基板１２４の包括的な構造について記載するが、画像プロジェクタデバイス１１０および基板１２４のより詳細な説明は、以下のＰＣＴ特許刊行物、すなわち、ＷＯ ２０１８／１００５８２、ＷＯ ０１／９５０２７、およびＷＯ ２００８／０２３３６７に見出すことができ、これらの開示は、参照によってそれらの全体が本明細書に組み込まれる。本明細書に記載された画像プロジェクタデバイス１１０および基板１２４は、光学デバイス１００を有利に使用することができる画像投影デバイスおよび導光光学素子の単なる例であることに留意されたい。
【0104】
画像プロジェクタデバイス１１０は、画像コリメートプリズムを形成する２つの構成プリズム１１２、１１４を含む。偏光選択ビームスプリッタ構成１１８（ＰＢＳ１１８）は、画像コリメートプリズム内に配備されている。光学デバイス１００から出力された光波１２２は、好ましくはｓ偏光した光波として、プリズム１１２に入る。ｓ偏光した光波は、ＰＢＳ１１８によって画像表面に向けて反射され、そこで反射型ディスプレイデバイス１２０（好ましくは、ＬＣｏＳとして実装される）に衝突する。画像の明るい領域に対応する画素は、変調された回転偏光を有して反射されて、光波をｓ偏光からｐ偏光に変換し、これにより、明るい画素からの放射は、ＰＢＳ１１８を透過し、少なくとも１つのリターデーションプレート（図示せず）、好ましくは４分の１波長板を通過し、リターデーションプレートの少なくとも一部を覆う少なくとも１つの光波コリメート構成要素１１６に入り、そして４分の１波長板を通して反射されて、光波はｓ偏光に再変換される。次いで、ｓ偏光した光波は、ＰＢＳ１１８によってプリズム１１４外に反射され、そこで光波は、基板１２４に入る。
【0105】
基板１２４は、典型的には、互いに平行である少なくとも２つの主表面１２６および１２８、１つ以上の部分反射表面１３２、および光を基板１２４に結合するための光学ウェッジ素子１３０を含む。画像プロジェクタデバイス１１０からの出力光波１２２は、光学ウェッジ素子１３０を通って基板１２４に入る。（基板１２４に向かい合って）入ってくる光波は、図１９に例示されるように、全内反射（ＴＩＲ）によって基板１２４内にトラップされる。基板１２４からのトラップされた光波の取り出しは、部分反射表面１３２によるか、または回折素子もしくは任意の他の好適な取り出し装置によって、適用できる。光学ウェッジ素子１３０は、１つの非限定的な光学結合構成の単なる例示であり、他の素子および構成を使用して、画像プロジェクタデバイス１１０からの光を基板１２４内に結合することができる。
【0106】
この文書全体を通して、好ましくは、特定の波長範囲の波長を中心とする光について言及されてきた。このような光は、一般に、可視スペクトルの特定のスペクトル領域、好ましくはその特定のスペクトル領域の中心にある波長を有する「着色光」と称され得る。本開示の実施形態は、４５６ｎｍまたはおよそ４５６ｎｍの波長を中心とする青色光、５３２ｎｍまたはおよそ５３２ｎｍの波長を中心とする緑色光、および６３８ｎｍまたはおよそ６３８ｎｍの波長を中心とする赤色光の文脈内で記載されてきたが、これらの特定の波長は、単なる例示であり、異なるタイプの着色光の特定の波長は、可視スペクトルの関連するスペクトル領域のどこからでも選択でき、青色光の場合は、およそ、４５０ｎｍ～４８５ｎｍの範囲（ただし、特定の場合にはこの範囲外に拡張できる）にあり、緑色光の場合は、およそ、５００ｎｍ～５６５ｎｍの範囲（ただし、特定の場合にはこの範囲外に拡張できる）にあり、および赤色光の場合、およそ、６２５ｎｍ～７４０ｎｍの範囲（ただし、特定の場合にはこの範囲外に拡張できる）にある。
【0107】
本開示の様々な実施形態の説明は、例示の目的で提示されてきたが、網羅的であることも、開示される実施形態に限定されることも意図されていない。記載された実施形態の範囲および趣旨から逸脱しない多くの修正および変形が、当業者には明らかであろう。本明細書で使用される用語は、実施形態の原理、市場で見られる技術に対する実際の適用または技術的改善を最もよく説明するため、または当業者以外の人が本明細書に開示される実施形態を理解できるようにするために選択された。
【0108】
本明細書で使用される場合、単数形「ａ」、「ａｎ」および「ｔｈｅ」は、文脈が明らかに他のことを指示しない限り、複数の参照を含む。
【0109】
「例示的」という言葉は、本明細書では、「例、実例、または例示として役立つ」ことを意味するために使用される。「例示的」として記載される任意の実施形態は、必ずしも他の実施形態よりも好ましいまたは有利であると解釈されるべきではなく、および／または他の実施形態からの特徴の組み込みを除外するものではない。
【0110】
明確にするために、別個の実施形態の文脈で記載される本発明の特定の特徴はまた、単一の実施形態で組み合わせて提供され得ることが理解される。逆に、簡潔にするために、単一の実施形態の文脈で記載される本発明の様々な特徴はまた、別個に、または任意の好適な部分的な組み合わせで、または本発明の他の任意の記載された実施形態で好適であるとして提供され得る。様々な実施形態の文脈で記載される特定の特徴は、実施形態がそれらの要素なしでは動作しない場合を除いて、それらの実施形態の本質的な特徴と見なされるべきではない。
【0111】
添付の請求項が多重の依存関係なしに起草されている点において、これは、このような複数の依存関係を許可しない法域の正式な要件に対応するためにのみ行われている。請求項を多重依存にすることによって暗示されるであろう特徴のすべての可能な組み合わせが明示的に想定されており、本発明の一部と見なされるべきであることに留意されたい。
【0112】
本発明は、その特定の実施形態と併せて記載されてきたが、多くの代替、修正、および変形が当業者には明らかになるであろうことは明白である。したがって、添付の請求項の趣旨および広い範囲に入るすべてのこのような代替、修正、および変形を包含することが意図されている。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8A】
【図8B】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【国際調査報告】