專利名稱：光學元件、光源裝置和投影式顯示裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種使用全息圖(hologram)來出射光的光學元件，并且涉及一種光 源裝置和一種投影式顯示裝置。
背景技術：
已經提出了具有采用發(fā)光二極管(LED)作為光源的光源裝置的LED投影儀。與放 電燈相比，是固態(tài)光源的LED具有以下優(yōu)點，即，不含汞、能夠快開/快關照明操作，并且是 高度耐用的?，F(xiàn)有技術中的這種類型的LED投影儀由光源裝置、來自光源裝置的光照射到 其中的照明光學裝置、具有來自照明光學裝置的光照射到其中的液晶顯示器面板的光閥和 用于將來自光閥的光投影到投影表面上的投影光學裝置構成。為了在這種類型的LED投影儀中增加投影圖像的亮度，期望的是采取所有可能的 措施來限制在從光源裝置到投影表面的光路(opticalpath)中的光損耗。能夠考慮的光損耗的兩個主要原因如以下所描述。第一原因是由于液晶顯示器面板或者二向色棱鏡的偏振依賴性而出現(xiàn)的偏振損 耗。第二原因是發(fā)散而不進入被布置于光路上的每一個光學元件的光的出現(xiàn)，S卩，由 在每一個光學元件中的遮蔽(eclipse)引起的光損耗。這種情況發(fā)生是因為，來自光源裝 置的光不能被用作投影光，除非使得來自屬于光源裝置的光學元件的出射光的輻射角(立 體角)和發(fā)光面積的乘積(展度etendUe)等于或者低于顯示元件的面積和由投影透鏡的F 數(shù)確定的接收角(立體角)的乘積的值。作為用于解決涉及光損耗的上述問題的一項對策，已經提出了使用具有全息圖的 光學元件，其目的在于產生照射到液晶顯示器元件中的光。作為使用全息圖的光學元件的一個實例，專利文獻1公開了一種光學元件101，如 在

圖1中所示，該光學元件101設置有來自作為光源的熒光管的光照射到其中的光導體 103 ;和衍射來自該光導體103的光的全息圖層104。在這個光學元件101中，以角9照射到 全息圖層104中的光以從全息圖層104的出射角a被衍射到光導體103中，角q>由來自光 導體103的光和全息圖層104的干涉條紋形成。作為采用全息圖的光學元件的另一個實例，專利文獻2公開了光學元件102，如 在圖2中所示，該光學元件102設置有來自作為光源的LED106的光照射到其中的光導體 107、衍射來自這個光導體107的光的漫射全息圖層108、向屬于透射光的相互正交的偏振 分量賦予預定相差的偏振轉換層109，和僅出射來自該偏振轉換層109的具有特定方向的 偏振分量的線偏振光的光的偏振分尚層110?，F(xiàn)有技術文獻專利文獻專利文獻1 :日本未審查專利申請公報No.Hll-184387專利文獻2 :日本未審查專利申請公報No. 2003-20764
發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的問題盡管如此，在于上述專利文獻1中描述的配置中，僅出射被全息圖層104衍射的 光。結果，雖然在這種配置中利用小數(shù)目的部件獲得了具有高方向性的出射光，但是不能獲 得具有特定方向的偏振分量的線偏振光。在另一方面，雖然在于專利文獻2中描述的配置中獲得了具有特定方向的偏振分 量的線偏振光，但是該配置具有大數(shù)目的部件，包括光導體、漫射全息圖層、偏振轉換層，和 偏振分離層。結果，這種配置伴隨制造復雜、制造成本高并且光損耗高的問題。本發(fā)明的一個目的在于提供一種光學元件，該光學元件解決了上述現(xiàn)有技術的問 題，即，能夠以高效率出射是具有特定方向的偏振分量的線偏振光的光，并且進而具有高方 向性并且使得能夠減少部件的數(shù)目，并且此外，提供配備有該光學元件的一種光源裝置和 投影式顯示裝置。問題解決方案為了實現(xiàn)上述目的，根據(jù)本發(fā)明的光學元件配備有來自光源的光照射到其中的全 息圖層。該全息圖層包括第一全息圖，該第一全息圖在從光源照射的光中，在預定方向中衍 射偏振分量在特定方向中的第一線偏振光，并且將結果作為第一相位狀態(tài)的第一線偏振光 出射；和第二全息圖，該第二全息圖在從光源照射的光中，在與第一線偏振光相同的方向中 并且進而以相等的福射角衍射偏振分量在與第一線偏振光的偏振分量正交的方向中的第 二線偏振光并且將其轉換成第一線偏振光，并且將結果作為不同于第一相位狀態(tài)的第二相 位狀態(tài)的第一線偏振光出射。另外，根據(jù)本發(fā)明的光源裝置配備有本發(fā)明的光學元件、來自光源的光照射到其 中的光導體，和被布置于光導體的周邊上的至少一個光源。另外，根據(jù)本發(fā)明的投影式顯示裝置配備有本發(fā)明的光源裝置；顯示元件，其向 光源裝置的出射光賦予圖片信息；和投影光學裝置，其投影由顯示元件的出射光實現(xiàn)的投 影圖像。本發(fā)明的效果根據(jù)本發(fā)明，能夠減少構成光學元件的部件的數(shù)目，并且此外，從光源照射到光學 元件的光能夠被轉換成特定方向的線偏振光，并且進而，能夠以高效率產生具有高方向性 的出射光。附圖簡要說明圖1是用于描述專利文獻1的配置的截面視圖；圖2是用于描述專利文獻2的配置的透視圖；圖3是給出第一示例性實施例的光源裝置的示意性表示的透視圖；圖4A是用于描述在第一示例性實施例中的全息圖形成過程和全息圖層的衍射作 用的示意性視圖；圖4B是用于描述在第一示例性實施例中的全息圖形成過程和全息圖層的衍射作 用的示意性視圖；圖4C是用于描述在第一示例性實施例中的全息圖形成過程和全息圖層的衍射作用的示意性視圖；圖4D是用于描述在第一示例性實施例中的全息圖形成過程和全息圖層的衍射作 用的示意性視圖；圖5A示出當記錄第一示例性實施例中的全息圖層的第一全息圖和第二全息圖中 的每一個時使用的信號光的模式的一個實例；圖5B示出當記錄第一示例性實施例中的全息圖層的第一全息圖和第二全息圖中 的每一個時使用的信號光的模式的一個實例；圖5C示出當記錄第一示例性實施例中的全息圖層的第一全息圖和第二全息圖中 的每一個時使用的信號光的模式的一個實例；圖示出當記錄第一示例性實施例中的全息圖層的第一全息圖和第二全息圖中 的每一個時使用的信號光的模式的一個實例；圖6示出在全息圖層中在“衍射效率/光損耗”的值和光的利用率之間的關系；圖7示出在全息圖層中在從布拉格(Bragg)角偏離的角度和衍射效率之間的關 系;圖8示出在第一全息圖和第二全息圖的多重性(multiplicity)和在全息圖層中 的第一全息圖和第二全息圖中的每一個的衍射效率之間的關系；圖9是給出第二示例性實施例的光源裝置的示意性表示的透視圖；圖10是從發(fā)光元件側給出第二示例性實施例的光源裝置的示意性視圖的側視 圖；圖11是給出第三示例性實施例的光源裝置的示意性視圖的透視圖；圖12是用于描述第三示例性實施例的光源裝置的光導體中光的行為的示意性視 圖；圖13是給出示例性實施例的LED投影儀的示意性視圖的平面視圖；圖14是給出在示例性實施例的LED投影儀中配備的光源裝置的示意性視圖的平 面視圖；圖15是給出另一示例性實施例的LED投影儀的示意性表示的透視圖。
具體實施例方式下面參考附圖描述了本發(fā)明的、實際的示例性實施例。第一示例性實施例圖3示出第一示例性實施例的光源裝置的透視圖。因為在光源裝置中，每一個單 獨層的實際厚度是極小的并且層中的每一個的厚度差異是大的，所以難以準確地描繪每一 個層的尺度和比例。結果，每一個層均在圖中被示意性地示出而未根據(jù)其實際比例描繪每
一個層。如在圖3中所示，第一示例性實施例的光源裝置I設置有作為光源的發(fā)光元件10， 和從該發(fā)光元件10出射的光照射到其中的光學元件11。光學元件11設置有從發(fā)光元件10出射的光照射到其中的光導體12，和被設置在 該光導體12中并且使得從光導體12照射的光經歷衍射和偏振轉換的全息圖層13。諸如是固態(tài)光源的發(fā)光二極管(LED)、激光二極管、超輻射發(fā)光二極管或者超高壓汞燈的組件被用作設置在光源裝置I中的發(fā)光元件10。在本示例性實施例中，發(fā)光元件10 被布置在面對板形光導體12的側表面的位置處。發(fā)光兀件10可以被從光入射表面12a分 離地布置，或者可以采用發(fā)光元件10借助諸如光管(light pipe)的光導組件而被光學連 接到光導體12的配置。光導體12被形成為板狀,并且光入射表面12a被形成為來自發(fā)光兀件10的光照 射到其中的側表面上的光入射部分。另外，光導體12包括在出射光從光學元件11出射的 一側上的第一表面12b，并且包括在與該第一表面12b相対的一側上的第二表面12c。雖然在本示例性實施例中以板狀形成光導體12，但是光導體12的形狀不限于長 方體。包圍光源裝置I的介質可以是固體、液體或者氣體中的任何ー種，并且在來自發(fā)光元 件10的光進入的光學元件11的光入射側上的介質和在光從光學元件11離開的光出射側 上的介質可以是不同的。為了在以下說明中解釋方便，與被全息圖層13的第一全息圖14 (將予以描述)衍 射的光的偏振軸平行的方向是“X方向”;在全息圖層13的第二全息圖15 (將予以描述)中 經歷偏振轉換的并且與該X方向正交的光的偏振軸是“Y方向”;并且來自發(fā)光兀件10的光 的X偏振分量和已經經歷偏振轉換并且其中偏振方向是X方向的線偏振光被稱作“X偏振 光”并且在圖中由虛線箭頭指示。類似地，來自發(fā)光元件10的光的Y偏振分量被稱作“Y偏 振光”并且在圖中由實線箭頭指示。如在圖3中所示，全息圖層13被設置在光導體12的第二表面12c上。全息圖層 13包括第一全息圖14，其在從光導體12照射的光中衍射作為偏振分量在特定方向中的第 一線偏振光的X偏振光,并且將該光作為第一相位狀態(tài)Pl的X偏振光出射；和第二全息圖 15,其在從光導體12照射的光中在與X偏振光基本相同的方向中并且進而以相等的福射角 (angle of radiation)衍射作為第二線偏振光的Y偏振光并且將該光轉換成X偏振光,并 且進ー步將結果作為不同于第一相位狀態(tài)Pl的第二相位狀態(tài)P2的X偏振光出射。換言之， 第一全息圖14和第二全息圖15被形成為使得從第一全息圖14和第二全息圖15中的每ー 個出射的X偏振光的相位狀態(tài)是不同的。基本上，光學元件11的全息圖層13具有僅衍射滿足通過由第一全息圖14形成的 干涉條紋的布拉格衍射條件的入射光的功能。另外，全息圖層13具有僅衍射滿足通過由第 ニ全息圖15形成的干涉條紋的布拉格衍射條件的入射光的功能和執(zhí)行偏振轉換的功能兩 者。第一全息圖14和第二全息圖15然后每一個均以0度的出射角從光導體12的第一表 面12b出射X偏振光。這里，假設出射角是從第一表面12b的法線的角度。圖4A給出用于描述形成第一全息圖14的過程的示意性表示。圖4B給出用于描 述當照射到第一全息圖14中的光的入射角滿足布拉格衍射條件時的衍射作用的示意性表 示。圖4C是用于描述形成第二全息圖15的過程的示意性表示。圖4D示出用于描述當?shù)降?ニ全息圖15的入射光的入射角滿足布拉格衍射條件時的衍射作用的示意性表示。到第一 和第二全息圖14和15的光的入射角和來自第一和第二全息圖14和15的光的出射角(衍 射角)假定與全息圖層13的光導體12的界面正交的方向是0度。如在圖4A中所示，使用諸如偶氮苯光敏聚合物的全息圖材料，基準光20a和信號 光20b每ー個均照射到被形成為厚度在Imm量級上的全息圖材料中從而形成預定干渉角 0 I。偶氮苯具有雙折射性，該雙折射性對于具有與分子光軸正交的方向的每ー個偏振分量并且對于具有平行于該光軸的方向的每一個偏振分量具有不同的折射率，并且進而是其中 分子主軸的取向方向與照射光的偏振方向正交的材料。結果，偶氮苯能夠作為材料的折射 率分布記錄照射光的相位分布并且能夠作為分子取向分布記錄照射光的偏振分布。因此，當形成第一全息圖14時，第一相位狀態(tài)P1的X偏振光相對于全息圖層13 的界面以0度的入射角作為信號光20b照射到全息圖材料中，并且X偏振光相對于信號光 20b以預定干涉角e 1作為基準光20a照射。結果，在信號光和基準光的交叉點附近產生了 用于X偏振光的相位分布,并且符合該相位分布的X偏振光的振幅的幅值作為偶氮苯的折 射率分布而形成所期望的第一全息圖14。由于這樣形成第一全息圖14，當照射到全息圖層13的第一全息圖14中的光的入 射角如在圖4B中所不滿足布拉格衍射條件時，圖4A所不信號光20b被從第一全息圖14再 現(xiàn)，由此第一相位狀態(tài)P1的X偏振光相對于全息圖層13與光導體12的界面以0度的衍射 角衍射。來自全息圖層13的X偏振光通過光導體12并且以0度的出射角作為第一相位狀 態(tài)P1的X偏振光從光學兀件11出射。以相對于全息圖層13與光導體12的界面的、并不滿足布拉格衍射條件的角度照 射的X偏振光通過第一全息圖層13而不被第一全息圖14衍射，并且在全息圖層13和全息 圖層13的外部之間的界面處被反射以返回光導體12。接著，當形成第二全息圖15時，第二相位狀態(tài)P2的X偏振光相對于全息圖層13 的界面以0度的入射角作為信號光22b照射到全息圖材料中，并且Y偏振光相對于信號光 22b以預定干涉角0 1作為基準光22a照射。以此方式，在信號光22b和基準光22a的交叉 點附近產生了偏振分布并且作為偶氮苯的取向分布形成了所期望的第二全息圖15。由于這樣形成第二全息圖15，當照射到全息圖層13的第二全息圖15中的光的入 射角如在圖4D中所示滿足布拉格衍射條件時，基于圖4C所示信號光22b從第二全息圖15 的再現(xiàn)，第二相位狀態(tài)P2的X偏振光相對于全息圖層13與光導體12的界面以0度的衍射 角衍射。來自全息圖層13的X偏振光通過光導體12并且作為第二相位狀態(tài)P2的X偏振 光從光學元件11以0度的出射角出射。以相對于全息圖層13與光導體12的界面的、并不滿足布拉格衍射條件的角度照 射的Y偏振光透射通過全息圖層13而不被第二全息圖15衍射，并且進而不被轉換成X偏 振光，并且在全息圖層13和全息圖層13的外部之間的界面處被反射以返回光導體12。換言之，在本示例性實施例中的第一全息圖14是其中作為用于特定偏振分量的 折射率分布而記錄光在全息圖材料中的相位分布的相位全息圖。另外，第二全息圖15是其 中作為分子取向分布而記錄全息圖材料中的偏振分布的偏振全息圖。圖5A-5D每一幅均不出第一相位狀態(tài)P1和第二相位狀態(tài)P2的信號光的模式 (pattern)的實例。這些是在與信號光的光軸正交的平面中的模式。這里，以光軸作為中心 將該區(qū)域分割成四個的第一區(qū)域S 1、第二區(qū)域S2、第三區(qū)域S3和第四區(qū)域S4如從信號光 的行進方向觀察地被順時針布置。在第一到第四區(qū)域S1-S4中的每一個相位狀態(tài)均是特定相位狀態(tài)“0”和相位從相 位狀態(tài)“0”以180度移動的相位狀態(tài)“ n ”的組合。由于使用這種類型的模式，信號光的模 式相互不同，并且獲得了具有低的相互關聯(lián)性的相位分布(相位編碼)。能夠在產生這些相 位編碼時使用典型的沃爾什-哈達瑪(Walsh-Hadamard)變換。
當形成第一和第二全息圖14和15時，使用圖5A - 所示模式的每一個中的任何 兩個作為每一個信號光的模式，形成每一個均衍射具有相互不同的相位狀態(tài)的光的第一全 息圖14和第二全息圖15。信號光的模式和屬于信號光的模式的區(qū)域的數(shù)目(分割數(shù)目)可 以改變，只要第一相位狀態(tài)P1和第二相位狀態(tài)P2的關聯(lián)性是低的，并且當然不限于遵循在 這里作為一個實例給出的沃爾什_哈達瑪變換的四個分割的情形。在如在上文中描述的本示例性實施例中，被第一全息圖14衍射的X偏振光的第一 相位狀態(tài)P1和在第二全息圖15處經歷衍射和偏振轉換的光的第二相位狀態(tài)P2的差異以 及進而它們的低相互關聯(lián)性防止了當被第一全息圖14衍射的X偏振光從第一全息圖14照 射到第二全息圖15時在第二全息圖15處的衍射，由此X偏振光通過第二全息圖15，并且類 似地，防止了在第二全息圖15處衍射的X偏振光當從第二全息圖15照射到第一全息圖14 時在第一全息圖14處的衍射，由此X偏振光通過第一全息圖14。當全息圖層13中的第一 和第二全息圖14和15被以多層形成時，將在第一相位狀態(tài)P1和第二相位狀態(tài)P2之間的 關聯(lián)性設定為低水平是類似的，并且是有必要的，而與第一全息圖14和第二全息圖15在全 息圖層13的厚度方向上的相對位置無關。另外，在光具有特定角度范圍，且不是到全息圖層13的入射角為特定角度的光的 情形中，在全息圖層13中形成對應于預定入射角中的每一個的多個第一全息圖14和多個 第二全息圖15。為了解釋方便，將在下文中描述全息圖層13的第一全息圖14，并且將簡要地描述 類似的第二全息圖15。圖6示出在“衍射效率n/光損耗a ”的值和光利用率之間的關系，“衍射效率n/ 光損耗a ”是與在圖3所示配置中的光導體12中經歷多個反射的光有關的、在于第一全息 圖14處衍射時的衍射效率n和從特定衍射直至下次衍射的光損耗a的比率，光利用率是 照射到光學元件11中的光和從全息圖層13衍射的全部的光的比率。如在圖6中所示，當 “衍射效率n/光損耗a ”的值被設定為“8”的量級時，全息圖層13的利用率處于90%的 量級。因此，如果損耗a例如是0. 125%，則衍射效率n應該被設定為1%，從而光學元件11 的利用率能夠達到90%的量級。圖7示出在從布拉格角0 Bragg偏離的角度和在全息圖層13中的衍射效率之間 的關系。關于計算條件，使用具有460nm波長的光，在上述基準光20a和信號光20b之間的 干涉角9 1是135度(其中基準光20a的入射角是135度并且信號光20b的入射角是0度)， 全息圖層13的總體厚度是1000 u m,并且折射率調制是nl = 1. 24X 10_5。在半高寬是0. 03度，并且全息圖層13具有衍射作為具有±0. 015度的角度分布 的光的、相對于布拉格角9 Bragg偏離±0. 015度的入射角的光的角度選擇性。這里，M/# (M數(shù))是已知作為用于評價在全息圖介質中記錄的全息圖M的性能指 標。每1mm厚度介質的M/#由公式1表示公式1 : (公式 D

如在公式1中所示，M/#是從全息圖M中的衍射效率nM計算的。當例如光敏聚合 物被用作全息圖介質時，能夠實現(xiàn)在80-100的量級上的M/#。
圖8示出在第一全息圖14的多重性和全息圖層13中的每一個第一全息圖14的 衍射效率之間的關系。第一全息圖14是作為在由其中M/#=80的由偶氮苯構成的介質中的 多重化(multiplexed)記錄計算的。如在圖8中所示,其對于入射光的衍射效率是1%的第 一全息圖14能夠被以800/2的多重性形成，即，400個第一全息圖14和400個第二全息圖 15能夠在同一表面上形成，并且能夠每一個均被重疊地形成。如在上文中描述地，當基準光20a和22a與信號光20b和22b照射到在全息圖 層13中的全息圖材料中時，多個第一全息圖14和多個第二全息圖15中的每一個均能夠 通過在維持在信號光20b和22b與基準光20a和22a之間的干涉角Θ I固定的同時，將信 號光20b和22b的照射角度和基準光20a和22a的照射角度以O. 03度移動400次而多重 化地(multiplexed)形成。此時,全息圖層13的所有的第一全息圖14的角度選擇性均在 O. 03X400=12度的范圍中。類似地，由全息圖層13的所有的第二全息圖15實現(xiàn)的角度選 擇性均在O. 03X400=12度的范圍中。基本上，全息圖層13衍射來自光導體12的、具有12度的角度范圍的光并且將結 果作為具有12度的角度范圍的光出射。如果光導體12的折射率在這里被假設為I. 5并且 光學元件11外部的空氣的折射率被假設為1，則在光學元件11和空氣的邊界處的臨界角 是42度。因此，全息圖層13的角度選擇性小于在光學元件11和空氣的邊界處的臨界角， 由此與專利文獻2相比，光學元件11能夠提高出射光的方向性。另外，當基準光20a和信號光20b照射到全息圖材料中時，通過固定信號光20b照 射的角度并且相對于信號光20b將基準光20a照射的角度移動400次，全息圖層13可以形 成多個多重化第一全息圖14。通過以此方式形成多個第一全息圖14，能夠在與第一全息圖14中的每一個的角 度選擇性相符合的角度范圍中衍射具有不同入射角的光。此時，在產生第一全息圖14時在 信號光20b和基準光20a之間的干涉角Θ I是在90度〈Θ 1〈180度的范圍中。在該范圍中， 角度選擇性隨著干涉角Θ I降低而變窄。因此，當使得所有的第一全息圖14的干涉角Θ I 均小于135度時，與對于所有的第一全息圖14均被以135度的干涉角產生的情形相比，衍 射角的分布更窄，并且所有的第一全息圖14的角度選擇性因此變得小于O. 03度。減小全息圖層13的厚度能夠加寬全息圖層13的角度選擇范圍。然而，當角度選 擇范圍被加寬時，全息圖層13的衍射效率下降并且光損耗增加。結果，通過針對光損耗平 衡角度選擇性，全息圖層13的特性被適當?shù)卦O定。另外，增加第一全息圖14的多重性能夠加寬全息圖層13的角度選擇范圍。然而， 當角度選擇范圍被加寬時，全息圖層13的衍射效率下降并且光損耗增加。結果，通過針對 光損耗平衡角度選擇性，全息圖層13的特性被適當?shù)卦O定。下面對于如在上文中描述地配置的第一示例性實施例的光源裝置I描述了對于 從發(fā)光元件10照射到光學元件11中的光從光學元件11出射的行為。如在圖3中所不，從發(fā)光兀件10出射的光從光導體12的光入射表面12a照射并 且在經歷多次反射的同時在光導體12和全息圖層13中傳播，全息圖層13具有基本等于光 導體12的折射率的折射率。此時，當是來自發(fā)光元件10的入射光的一個偏振分量的X偏 振光的全部或者一部分以滿足布拉格衍射條件的入射角照射到全息圖層13的第一全息圖 14中時,X偏振光被第一全息圖14相對于波矢量K以布拉格角QBragg衍射。通過被第一全息圖14衍射而照射到第一全息圖14中的X偏振光以0度的出射角作為第一相位狀態(tài)P1 的X偏振光從光導體12出射。另外，當是來自發(fā)光元件10的入射光的偏振分量中的一個的Y偏振光的全部或者 一部分以滿足布拉格衍射條件的入射角照射到全息圖層13的第二全息圖15中時，Y偏振 光被第二全息圖15相對于波矢量K以布拉格角0 Bragg衍射，并且進而經受偏振轉換。通 過被第二全息圖15衍射而被照射到第二全息圖15中的Y偏振光以0度的出射角作為第一 相位狀態(tài)P1的X偏振光從光導體12出射。然后，因為在本示例性實施例中的全息圖層13的第一全息圖14具有上述角度選 擇范圍，所以在預定的入射角范圍內照射到全息圖層13中的X偏振光被多重化第一全息圖 14從第一全息圖14中的每一個的波矢量K以布拉格角0 Bragg衍射。因此，在預定的入射 角范圍內照射到全息圖層13的第一全息圖14中的X偏振光在預定的出射角范圍內作為第 一相位狀態(tài)P1的X偏振光從全息圖層13出射。類似地，在本示例性實施例中的全息圖層13的第二全息圖15也具有等價于第一 全息圖14的角度選擇范圍的角度選擇范圍，并且在預定的入射角范圍內照射到全息圖層 13中的Y偏振光被多重化第二全息圖15從第二全息圖15中的每一個的波矢量K以布拉格 角0 Bragg衍射，并且進而被轉換成X偏振光。因此，在預定的入射角范圍內照射到全息圖 層13的第二全息圖15的Y偏振光作為第二相位狀態(tài)P2的X偏振光從全息圖層13在預定 的出射角范圍中出射。另外，以預定的入射角范圍以外的角度照射到全息圖層13中的X偏振光透射通過 全息圖層13而不被第一全息圖14衍射，在全息圖層13和外部(空氣)之間的界面處被反 射，并且然后再次透射通過全息圖層13以返回光導體12中。類似地，以預定的入射角范圍 以外的角度照射到全息圖層13中的Y偏振光透射通過全息圖層13而不在第二全息圖15 處衍射并且不經歷偏振轉換，在全息圖層13和外部(空氣)之間的界面處反射，并且再次透 射通過全息圖層13以返回光導體12中。如在上文中描述地，從全息圖層13的第一和第二全息圖14和15中的每一個出射 的X偏振光均透射通過光導體12并且作為具有預定出射角的出射光從光學元件11出射。 換言之，已經利用全息圖層13的第一和第二全息圖14和15固有的角度選擇性提高了方向 性的出射光從光學元件11出射。在上述第一示例性實施例中從全息圖層13衍射的光不限于被從是與在其中設置 全息圖層13的表面相對的表面的、光導體12的第一表面出射,而是可以被從光導體12的 另一個表面出射。另外，在第一示例性實施例中的全息圖層13形成有多重化的，即重疊的多個第一 和第二全息圖14和15，但是根據(jù)必要性，全息圖層13可以被以多層，即以層疊的形式形成 有多個第一和第二全息圖14和15。另外，利用諸如引入具有不同波長敏感性的反應性引發(fā)劑的已知方法，在第一示 例性實施例中的第一全息圖14和第二全息圖15可以每一個均對應于具有不同波長的入射 光。另外，利用諸如在生產時改變基準光的入射方向的方法，在第一不例性實施例中 的第一全息圖14和第二全息圖15可以每一個均對應于具有不同的入射方向的光。更詳細地說，雖然在圖4A和圖4B所不實例中在生產第一全息圖14和第二全息圖15時從圖中的 左側照射基準光，但是第一全息圖14和第二全息圖15可以通過從圖中右側、圖中后側和圖 中前側中的每一側照射基準光來生產，并且可以因此朝向圖中上側衍射從所述方向中的每 一個照射的光。如在上文中描述地，第一示例性實施例的光源裝置1的光學元件11能夠通過利用 全息圖層13的第一和第二全息圖14和15固有的角度選擇性而提高方向性以縮窄來自光 學元件11的出射光的立體角。另外，在第一示例性實施例的光學元件11中，通過使用其中 第一和第二全息圖14和15的衍射效率被降低并且具有窄帶入射角(出射角)分布的第一和 第二全息圖14和15被多重化的全息圖層13，提高了來自發(fā)光元件10的、具有寬帶角度分 布的光的利用率。因此，光學元件11能夠將從發(fā)光元件10照射到光學元件11中的光轉換 成偏振方向是特定方向的線偏振光，并且進而，以高效率產生具有高度方向性的出射光。另 外，根據(jù)第一示例性實施例，能夠減少構成光學元件11的部件的數(shù)目。下面描述了另一示例性實施例的光源裝置。該另一示例性實施例的光源裝置僅僅 關于光學元件的配置的一部分不同于第一示例性實施例的光源裝置。在該另一示例性實施 例的光學元件中，與第一示例性實施例相同的構成部件被給予相同的附圖標記并且省略了 多余的說明。第二示例性實施例圖9是第二示例性實施例的光源裝置的透視圖。圖10示出如從發(fā)光元件側看到 的、第二示例性實施例的光源裝置的側視圖。如在圖9和圖10中所示，第二示例性實施例的光源裝置2不同于第一示例性實施 例之處在于，設置了覆蓋光學元件21的光導體12的反射層18。反射層18被形成為覆蓋除了作為來自發(fā)光元件10的光照射到其中的光入射部分 21a的開口之外和除了光學元件11的光出射部分21b之外的、所有的表面。根據(jù)第二示例性實施例的光源裝置2，設置除光入射部分21a和光出射部分21b以 外包圍光學元件21的反射層18使得能夠進一步提高從發(fā)光元件10入射到光導體12中的 光的利用率。另外，在第二示例性實施例中，反射層18可以被設置成僅覆蓋光學元件21的、除 了光入射部分21a和光出射部分21b之外的表面的一部分，以及全息圖層13的下表面?？梢允褂糜芍T如銀或者鋁的金屬材料構成的金屬薄膜或者電介質多層薄膜作為 反射層18。另外，雖然圖中沒有示出，但是反射層18可以設置有具有光散射效果的非均勻 構造或者諸如顆粒的散射體。在第二示例性實施例中，光出射部分21b不限于與全息圖層13相對的表面，并且 可以在另一個表面上。換言之，從全息圖層13衍射的光不限于從是與在其上設置全息圖層 13的表面相對的表面的、光導體12的第一表面出射，并且可以被從在其上沒有設置反射層 18的、光導體12的另一個表面出射。第三示例性實施例圖11示出第三示例性實施例的光源裝置的透視圖。圖12是用于描述在第三示例 性實施例的光源裝置的光導體中的光的行為的示意性視圖。如在圖11中所示，在第三示例 性實施例的光源裝置3中，光學元件31的光導體32的形狀不同于第一示例性實施例。
在第三示例性實施例的光源裝置3中設置的光學元件31配備有光導體32，光導體 32中形成來自發(fā)光元件10的光照射到其中的光入射部分32a。如在圖11和圖12中所示， 該光導體32被以梯形形狀形成并且具有來自全息圖層33的光從其出射的第一表面32b、 與該第一表面32b相對的第二表面32c,和與光入射表面32a相對的第三表面32d。光導體 32的第二表面32c傾斜，使得光導體32的厚度從光入射表面32a側并且朝向第三表面32d 側逐漸地降低，該表面相對于平行于第一表面32b的平面以傾斜角Φ I傾斜。下面參考圖12描述了對于照射到全息圖層33中的光的入射角并不滿足在如上所 述地配置的光學元件31的光導體32中的布拉格衍射條件的情形，被光導體32的第一表面 32b反射的X偏振光的行為。如在圖12中所示，從發(fā)光元件10照射到光導體32中并且以入射角Θ照射到光 導體32的第一表面32b的X偏振光在第一表面32b處以反射角Θ反射。在第一表面32b 處反射的X偏振光然后相對于第一表面32b的法線以入射角θ -Φ1照射到鄰接第二表面 32c的全息圖層33中。以并不滿足布拉格衍射條件的入射角θ -Φ1照射到全息圖層33 中的X偏振光通過全息圖層33并且在全息圖層33和外部(空氣)的界面33a處反射。因為第二表面32c以傾斜角Φ I傾斜，所以照射到全息圖層33中的X偏振光由此 在全息圖層33和外部的界面33a處相對于第一表面32b的法線以角度(θ -2Φ1)反射并 且從全息圖層33出射到光導體32中。結果，從全息圖層33出射的X偏振光以小于上述入射角Θ的入射角(Θ - 2 Φ I) 入射到第一表面32b。因此，以入射角(Θ-2 Φ I)照射到第一表面32b中的X偏振光在第一 表面32b處以反射角(Θ-2 Φ I)反射并且以入射角(θ -3Φ I)再次照射到全息圖層33中。如在上文中描述地，在經歷在光導體32中的該多重性反射時，X偏振光以滿足布 拉格衍射條件的角度照射到全息圖層33的第一全息圖14和第二全息圖15中并且然后以 O度的出射角從光導體32作為X偏振光出射。以上解釋考慮X偏振光照射到全息圖層33的第一全息圖14中的情形，但是對于 照射到全息圖層33的第二全息圖15中的Y偏振光而言，情形是類似的，并且這里因此省略 了多余的解釋。根據(jù)第三示例性實施例的光源裝置3，設置具有相對于平行于第一表面32b的平 面傾斜的第二表面32c的光導體32引起來自發(fā)光兀件10的光在光導體32內的多重性反 射并且因此允許根據(jù)光導體32的第二表面32c的傾斜角Φ I而使得到全息圖層33中的照 射的入射角更小。因此，通過借助光源裝置3的光學元件31將大于由全息圖層33的第一 和第二全息圖14和15擁有的角度選擇范圍的入射角的光轉換成在屬于第一和第二全息圖 14和15的角度選擇范圍內的入射角的光，能夠提高全息圖層33的利用率并且能夠提高來 自發(fā)光元件10的光的利用率。在第三示例性實施例中，光導體32的第二表面32c被制成使得光導體32的厚度 從光入射表面32a側并且朝向第三表面32d側降低的傾斜表面，但是第二表面32c還可以 被制成使得光導體32的厚度從光入射表面32a側并且朝向第三表面32d側逐漸地增加的 傾斜表面。進而，光導體32的第二表面32c不限于在平行于發(fā)光兀件10的光軸的方向上 傾斜的配置，而是還可以在與發(fā)光元件10的光軸正交的方向上傾斜。此外，在第三示例性實施例中，如在第二示例性實施例中，反射層18可以被設置成覆蓋除了光入射部分和光出射部分之外的、光學兀件31的表面的全部或者一部分,并且 能夠進一步增加來自發(fā)光元件10的光的利用率。在第三示例性實施例中，如在第一示例性實施例或者第二示例性實施例中，光出 射部分21b不限于與全息圖層13相對的表面，而是可以是另一表面。換言之，從全息圖層 13衍射的光不限于從第一表面12b出射,而是可以從光導體12的另一個表面出射,第一表 面12b是光導體12的、與在其中設置全息圖層13的表面相對的表面。采用這種配置防止 了已經在光導體12中經歷多次反射的光經受通過第二表面12c的角度轉換，從而不再滿足 光導體12的外部層和第一表面12b的全反射條件，并且被泄漏到外部。另外，在上述第一到第三示例性實施例中，解釋考慮了全息圖層13和33將照射到 第一全息圖14中的X偏振光衍射并且將照射到第二全息圖15中的Y偏振光轉換成X偏振 光的配置，但是與這種配置相反，全息圖層可以當然將照射到第一全息圖中的Y偏振光衍 射被并且將照射到第二全息圖中的X偏振光轉換成Y偏振光。同樣在這種配置的情形中， 第一和第二全息圖被形成為使得已經被第一全息圖衍射的Y偏振光的相位狀態(tài)和已經被 第二全息圖衍射和轉換的Y偏振光的相位狀態(tài)相互不同。另外，在上述第一到第三示例性實施例中，設置全息圖層的位置不限于光導體的 第二表面，并且全息圖層可以被設置在第一表面和第二表面之間(在光導體內部)或者在第 一表面上。本示例性實施例的光源裝置適合于用作圖像顯示裝置的光源裝置，并且可以被用 作在投影式顯示裝置中配備的光源裝置或者在諸如便攜式電話或者PDA (個人數(shù)據(jù)助理)的 電子設備中被用作液晶顯示器面板(LCD)的直下背光式光源裝置(所謂的背光)。最后，作為其中應用上述第一到第三示例性實施例的光源裝置的投影式顯示裝 置，參考附圖描述了 LED投影儀的配置的一個實例。圖13示出一個示例性實施例的LED投影儀的示意性視圖。如在圖13中所示，該示例性實施例的LED投影儀6配備有紅色(R)光源裝置51R、 綠色(G)光源裝置51G，和藍色(B)光源裝置51B ;液晶顯示器面板52R、52G和52B，其作為來 自該光源裝置51R、51G和51B的出射光照射到其中的顯示元件；正交二向色棱鏡53，其合 成照射的并且該液晶顯示器面板52R、52G和52B向其提供圖片信息的R、G和B光；和投影 光學裝置54，其包括投影透鏡(未示出)，該投影透鏡將來自該正交二向色棱鏡53的出射光 投影到諸如屏幕的投影表面55上。在該LED投影儀6中，采用同時加法混色(simultaneous additive mixture of color stimuli)方法并且采用類似于三面板液晶投影儀的配置。圖14是示出在該示例性實施例的LED投影儀6中配備的R光源裝置51R的平面 視圖。雖然作為一個實例描述了 R光源裝置51R的配置，但是G光源裝置51G和B光源裝 置51B也與R光源裝置51R類似地配置。如在圖14中所示，R光源裝置51R設置有作為發(fā)光元件的多個RLED 56R和來自 該R LED 56R的光照射到其中的光學元件57。在光學元件57中包括的光導體58被以板的 形式形成，其中主表面被形成為正方形，并且該多個R LED 56R被布置在周邊的四個側表面 58a - 58d的相對的位置處。該光學元件57具有與在上述示例性實施例中的光學元件11、21和31中的任何一 個類似的配置。
來自該多個R LED 56R的光從側表面58a_58d中的每一個照射到光學元件57的 光導體58中，由此入射方向不同的光照射到光導體58。結果，屬于在該示例性實施例中的 光學元件57的全息圖層(未示出)具有與到光導體58的不同入射方向的光對應的四種類型 的第一全息圖和四種類型的第二全息圖。該第一全息圖和第二全息圖通過多重化形成但是 當然還可以被以多層形成。根據(jù)本示例性實施例的LED投影儀6，設置應用上述示例性實施例的光源裝置的 光源裝置51R、51G和51B使得能夠提高投影圖像的亮度。圖15是另一示例性實施例的LED投影儀的示意性視圖。如在圖15中所示，該示 例性實施例的LED投影儀7設置有光源裝置61 ;液晶顯示器面板52，來自該光源裝置61 的出射光照射到其中；和投影光學裝置54，其包括投影透鏡(未示出)，該投影透鏡將來自該 液晶顯示器面板52的出射光投影到諸如屏幕的投影表面55上。在被設置在LED投影儀7中的光源裝置61中，R LED 56R、G發(fā)光元件56G和B發(fā) 光元件56B每一個均被布置于光學元件57的光導體58的一個側表面上。在該LED投影儀 7中，采用時分方法，并且控制電路單元(未示出)實現(xiàn)切換使得從R LED 56R、G LED 56G和 B LED56B中的僅一個LED出射光。替代地，來自出射不同光學波長的R LED 56R、G LED 56G和BLED 56B中的每一個 的光均被照射到光學元件57的光導體58中。結果，屬于在該示例性實施例中的光學元件 57的全息圖層具有與來自RLED 56R、G LED 56G和B LED 56B的不同出射光學波長中的每 一個的光對應的三種類型的第一全息圖和三種類型的第二全息圖。雖然這些第一和第二全 息圖通過多重化形成，但是它們當然還可以被以多層形成。替代地，第一和第二全息圖可以 通過多重化和進一步以多層形成。例如，全息圖層可以采用具有其中R第一和第二全息圖 被多重化的第一層，其中G第一和第二全息圖被多重化的第二層，和其中B第一和第二全息 圖被多重化的第三層的多層構造。替代地，來自多個R LED 56R、G LED 56G和B LED 56B的光可以從在如在圖14中 所示光導體58的周邊上的四個側表面58a-58d照射到光學元件57的光導體58中。在這 種配置的情形中，屬于光學元件57的全息圖層具有與到光導體58的入射方向(四個方向) 和波長(三個波長)不同的光對應的12種類型的第一全息圖和12種類型的第二全息圖。這 些第一和第二全息圖可以通過多重化形成，或者可以被以多層形成。另外，包括多個第一和 第二全息圖的全息圖層可以采用四層構造，其中例如與每一個入射方向對應地堆疊其中將 與R、G和B的波長中的每一個對應的第一和第二全息圖多重化的層。根據(jù)本示例性實施例的LED投影儀7，設置應用上述示例性實施例的光源裝置的 光源裝置61使得能夠提高投影圖像的亮度。雖然參考示例性實施例描述了本發(fā)明，但是本發(fā)明不限于上述示例性實施例。在 本領域普通技術人員將會清楚的本發(fā)明的范圍內，本發(fā)明的配置和細節(jié)可以實現(xiàn)各種修 改。本申請要求基于日本專利申請No. 2009-262809的優(yōu)先權的權益，該申請是在 2009年11月18日提交的，并且通過引用結合該申請的全部公開。
權利要求
1.一種光學元件，包括來自光源的光被照射到其中的全息圖層，所述全息圖層包括 第一全息圖，所述第一全息圖在從所述光源照射的光中，在預定方向中衍射偏振分量在特定方向中的第一線偏振光，并且將結果作為第一相位狀態(tài)的所述第一線偏振光出射；和 第二全息圖，所述第二全息圖在從所述光源照射的光中，在與所述第一線偏振光相同的方向中并且進而以相等的福射角衍射偏振分量在與所述第一線偏振光的偏振分量正交的方向中的第二線偏振光，并且將它轉換成所述第一線偏振光，并且將結果作為不同于所述第一相位狀態(tài)的第二相位狀態(tài)的所述第一線偏振光出射。
2.根據(jù)權利要求I所述的光學元件，進一步包括來自所述光源的光照射到其中的光導體，其中 所述光導體包括來自所述光源的光照射到其中的光入射表面和從所述光導體出射光的第一表面；并且 所述全息圖層被設置在所述光導體內部或者所述光導體的至少一個表面上。
3.根據(jù)權利要求I所述的光學元件，進一步包括來自所述光源的光照射到其中的光導體，其中 所述光導體包括來自所述光源的光照射到其中的光入射表面、從所述光導體出射光的第一表面，和與所述第一表面相對的第二表面； 所述全息圖層被設置在所述光導體的所述第二表面上；并且 所述第一全息圖和所述第二全息圖每一個均從所述第一表面出射所述第一線偏振光。
4.根據(jù)權利要求I到3中任何一項所述的光學元件，其中在所述全息圖層中，所述第一全息圖和所述第二全息圖被以多層形成。
5.根據(jù)權利要求I到4中任何一項所述的光學元件，其中在所述全息圖層中，所述第一全息圖和所述第二全息圖被多重化地形成。
6.根據(jù)權利要求I到5中任何一項所述的光學元件，其中所述全息圖層包括多個所述第一全息圖，該多個所述第一全息圖在預定方向中衍射具有不同的入射角的所述第一線偏振光的多個入射光中的每一個。
7.根據(jù)權利要求I到6中任何一項所述的光學元件，其中所述全息圖層包括多個所述第二全息圖，該多個所述第二全息圖在預定方向中衍射具有不同入射角的多個所述第二線偏振光中的每一個角度的入射光，并且將它們轉換成所述第一線偏振光。
8.根據(jù)權利要求I到7中任何一項所述的光學元件，其中所述全息圖層包括多個所述第一全息圖，該多個所述第一全息圖對應于具有不同波長的多個所述第一線偏振光的入射光的每一個。
9.根據(jù)權利要求I到8中任何一項所述的光學元件，其中所述全息圖層包括多個所述第二全息圖，該多個所述第二全息圖對應于具有不同波長的多個所述第二線偏振光的入射光的每一個。
10.根據(jù)權利要求I到9中任何一項所述的光學元件，其中所述全息圖層包括多個所述第一全息圖，該多個所述第一全息圖對應于具有到所述光導體的不同入射方向的多個光線的每一個方向。
11.根據(jù)權利要求I到10中任何一項所述的光學元件，其中所述全息圖層包括多個所述第二全息圖，該多個所述第二全息圖對應于具有到所述光導體的不同入射方向的多個光線的每一個方向。
12.根據(jù)權利要求2所述的光學元件，進一步包括反射層，所述反射層反射已經通過所述全息圖層的光，并且被設置在除了所述光入射表面和所述第一表面之外的、所述光導體的表面的至少一部分上。
13.根據(jù)權利要求3所述的光學元件，進一步包括反射層，所述反射層反射通過所述全息圖層的光，并且被設置在除了所述光入射表面、所述第一表面和所述第二表面之外的、所述光導體的表面的至少一部分，或者至少與所述全息圖層的所述第二表面相反的表面上。
14.根據(jù)權利要求12或者13所述的光學元件，其中所述反射層被構成為包括散射體。
15.根據(jù)權利要求2到14中任何一項所述的光學元件，進一步包括來自所述光源的光照射到其中的光導體，其中 所述光導體包括來自所述光導體的光從其出射的第一表面；并且 與所述光導體的所述第一表面相對的表面相對于所述第一表面傾斜。
16.一種光源裝置，包括 根據(jù)權利要求I到15中任何一項所述的光學元件； 來自所述光源的光照射到其中的光導體；和 被布置于所述光導體的周邊上的至少一個光源。
17.根據(jù)權利要求16所述的光源裝置，其中所述光源是固態(tài)光源。
18.一種投影式顯示裝置，包括 根據(jù)權利要求16或者17所述的光源裝置； 顯示元件，所述顯示元件向所述光源裝置的出射光提供圖片信息；和 投影光學裝置，所述投影光學裝置投影由所述顯示元件的出射光實現(xiàn)的投影圖像。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種被來自光學元件(10)的光照射的全息圖層(13)。全息圖層(13)設置有第一全息圖(14)，其從來自光學元件(10)的入射光中，在預定方向中衍射偏振分量在特定方向中的X偏振光，并且將該光作為第一相位狀態(tài)(P1)的X偏振光出射；和第二全息圖(15)，其從在來自光學元件(10)的入射光中，在與第一相位狀態(tài)(P1)的X偏振光相同的方向并且進而以相等的輻射角衍射偏振分量在與X偏振光的偏振分量正交的方向中的Y偏振光，并且將其轉換成X偏振光，并且作為不同于第一相位狀態(tài)(P1)的第二相位狀態(tài)(P2)的X偏振光出射。
文檔編號F21Y101/02GK102667549SQ20108005230
公開日2012年9月12日 申請日期2010年10月27日 優(yōu)先權日2009年11月18日
發(fā)明者今井雅雄, 富永慎, 齋藤悟郎, 棗田昌尚 申請人:日本電氣株式會社