光学元件、光源装置和投影式显示装置的制作方法

专利名称：光学元件、光源装置和投影式显示装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种使用全息图(hologram)来出射光的光学元件，并且涉及一种光 源装置和一种投影式显示装置。
背景技术：
已经提出了具有采用发光二极管(LED)作为光源的光源装置的LED投影仪。与放 电灯相比，是固态光源的LED具有以下优点，即，不含汞、能够快开/快关照明操作，并且是 高度耐用的。现有技术中的这种类型的LED投影仪由光源装置、来自光源装置的光照射到 其中的照明光学装置、具有来自照明光学装置的光照射到其中的液晶显示器面板的光阀和 用于将来自光阀的光投影到投影表面上的投影光学装置构成。为了在这种类型的LED投影仪中增加投影图像的亮度，期望的是采取所有可能的 措施来限制在从光源装置到投影表面的光路(opticalpath)中的光损耗。能够考虑的光损耗的两个主要原因如以下所描述。第一原因是由于液晶显示器面板或者二向色棱镜的偏振依赖性而出现的偏振损 耗。第二原因是发散而不进入被布置于光路上的每一个光学元件的光的出现，S卩，由 在每一个光学元件中的遮蔽(eclipse)引起的光损耗。这种情况发生是因为，来自光源装 置的光不能被用作投影光，除非使得来自属于光源装置的光学元件的出射光的辐射角(立 体角)和发光面积的乘积(展度etendUe)等于或者低于显示元件的面积和由投影透镜的F 数确定的接收角(立体角)的乘积的值。作为用于解决涉及光损耗的上述问题的一项对策，已经提出了使用具有全息图的 光学元件，其目的在于产生照射到液晶显示器元件中的光。作为使用全息图的光学元件的一个实例，专利文献1公开了一种光学元件101，如 在

图1中所示，该光学元件101设置有来自作为光源的荧光管的光照射到其中的光导体 103 ;和衍射来自该光导体103的光的全息图层104。在这个光学元件101中，以角9照射到 全息图层104中的光以从全息图层104的出射角a被衍射到光导体103中，角q>由来自光 导体103的光和全息图层104的干涉条纹形成。作为采用全息图的光学元件的另一个实例，专利文献2公开了光学元件102，如 在图2中所示，该光学元件102设置有来自作为光源的LED106的光照射到其中的光导体 107、衍射来自这个光导体107的光的漫射全息图层108、向属于透射光的相互正交的偏振 分量赋予预定相差的偏振转换层109，和仅出射来自该偏振转换层109的具有特定方向的 偏振分量的线偏振光的光的偏振分尚层110。现有技术文献专利文献专利文献1 :日本未审查专利申请公报No.Hll-184387专利文献2 :日本未审查专利申请公报No. 2003-20764
发明内容
本发明所要解决的问题尽管如此，在于上述专利文献1中描述的配置中，仅出射被全息图层104衍射的 光。结果，虽然在这种配置中利用小数目的部件获得了具有高方向性的出射光，但是不能获 得具有特定方向的偏振分量的线偏振光。在另一方面，虽然在于专利文献2中描述的配置中获得了具有特定方向的偏振分 量的线偏振光，但是该配置具有大数目的部件，包括光导体、漫射全息图层、偏振转换层，和 偏振分离层。结果，这种配置伴随制造复杂、制造成本高并且光损耗高的问题。本发明的一个目的在于提供一种光学元件，该光学元件解决了上述现有技术的问 题，即，能够以高效率出射是具有特定方向的偏振分量的线偏振光的光，并且进而具有高方 向性并且使得能够减少部件的数目，并且此外，提供配备有该光学元件的一种光源装置和 投影式显示装置。问题解决方案为了实现上述目的，根据本发明的光学元件配备有来自光源的光照射到其中的全 息图层。该全息图层包括第一全息图，该第一全息图在从光源照射的光中，在预定方向中衍 射偏振分量在特定方向中的第一线偏振光，并且将结果作为第一相位状态的第一线偏振光 出射；和第二全息图，该第二全息图在从光源照射的光中，在与第一线偏振光相同的方向中 并且进而以相等的福射角衍射偏振分量在与第一线偏振光的偏振分量正交的方向中的第 二线偏振光并且将其转换成第一线偏振光，并且将结果作为不同于第一相位状态的第二相 位状态的第一线偏振光出射。另外，根据本发明的光源装置配备有本发明的光学元件、来自光源的光照射到其 中的光导体，和被布置于光导体的周边上的至少一个光源。另外，根据本发明的投影式显示装置配备有本发明的光源装置；显示元件，其向 光源装置的出射光赋予图片信息；和投影光学装置，其投影由显示元件的出射光实现的投 影图像。本发明的效果根据本发明，能够减少构成光学元件的部件的数目，并且此外，从光源照射到光学 元件的光能够被转换成特定方向的线偏振光，并且进而，能够以高效率产生具有高方向性 的出射光。附图简要说明图1是用于描述专利文献1的配置的截面视图；图2是用于描述专利文献2的配置的透视图；图3是给出第一示例性实施例的光源装置的示意性表示的透视图；图4A是用于描述在第一示例性实施例中的全息图形成过程和全息图层的衍射作 用的示意性视图；图4B是用于描述在第一示例性实施例中的全息图形成过程和全息图层的衍射作 用的示意性视图；图4C是用于描述在第一示例性实施例中的全息图形成过程和全息图层的衍射作用的示意性视图；图4D是用于描述在第一示例性实施例中的全息图形成过程和全息图层的衍射作 用的示意性视图；图5A示出当记录第一示例性实施例中的全息图层的第一全息图和第二全息图中 的每一个时使用的信号光的模式的一个实例；图5B示出当记录第一示例性实施例中的全息图层的第一全息图和第二全息图中 的每一个时使用的信号光的模式的一个实例；图5C示出当记录第一示例性实施例中的全息图层的第一全息图和第二全息图中 的每一个时使用的信号光的模式的一个实例；图示出当记录第一示例性实施例中的全息图层的第一全息图和第二全息图中 的每一个时使用的信号光的模式的一个实例；图6示出在全息图层中在“衍射效率/光损耗”的值和光的利用率之间的关系；图7示出在全息图层中在从布拉格(Bragg)角偏离的角度和衍射效率之间的关 系;图8示出在第一全息图和第二全息图的多重性(multiplicity)和在全息图层中 的第一全息图和第二全息图中的每一个的衍射效率之间的关系；图9是给出第二示例性实施例的光源装置的示意性表示的透视图；图10是从发光元件侧给出第二示例性实施例的光源装置的示意性视图的侧视 图；图11是给出第三示例性实施例的光源装置的示意性视图的透视图；图12是用于描述第三示例性实施例的光源装置的光导体中光的行为的示意性视 图；图13是给出示例性实施例的LED投影仪的示意性视图的平面视图；图14是给出在示例性实施例的LED投影仪中配备的光源装置的示意性视图的平 面视图；图15是给出另一示例性实施例的LED投影仪的示意性表示的透视图。
具体实施例方式下面参考附图描述了本发明的、实际的示例性实施例。第一示例性实施例图3示出第一示例性实施例的光源装置的透视图。因为在光源装置中，每一个单 独层的实际厚度是极小的并且层中的每一个的厚度差异是大的，所以难以准确地描绘每一 个层的尺度和比例。结果，每一个层均在图中被示意性地示出而未根据其实际比例描绘每
一个层。如在图3中所示，第一示例性实施例的光源装置I设置有作为光源的发光元件10， 和从该发光元件10出射的光照射到其中的光学元件11。光学元件11设置有从发光元件10出射的光照射到其中的光导体12，和被设置在 该光导体12中并且使得从光导体12照射的光经历衍射和偏振转换的全息图层13。诸如是固态光源的发光二极管(LED)、激光二极管、超辐射发光二极管或者超高压汞灯的组件被用作设置在光源装置I中的发光元件10。在本示例性实施例中，发光元件10 被布置在面对板形光导体12的侧表面的位置处。发光兀件10可以被从光入射表面12a分 离地布置，或者可以采用发光元件10借助诸如光管(light pipe)的光导组件而被光学连 接到光导体12的配置。光导体12被形成为板状,并且光入射表面12a被形成为来自发光兀件10的光照 射到其中的侧表面上的光入射部分。另外，光导体12包括在出射光从光学元件11出射的 一侧上的第一表面12b，并且包括在与该第一表面12b相対的一侧上的第二表面12c。虽然在本示例性实施例中以板状形成光导体12，但是光导体12的形状不限于长 方体。包围光源装置I的介质可以是固体、液体或者气体中的任何ー种，并且在来自发光元 件10的光进入的光学元件11的光入射侧上的介质和在光从光学元件11离开的光出射侧 上的介质可以是不同的。为了在以下说明中解释方便，与被全息图层13的第一全息图14 (将予以描述)衍 射的光的偏振轴平行的方向是“X方向”;在全息图层13的第二全息图15 (将予以描述)中 经历偏振转换的并且与该X方向正交的光的偏振轴是“Y方向”;并且来自发光兀件10的光 的X偏振分量和已经经历偏振转换并且其中偏振方向是X方向的线偏振光被称作“X偏振 光”并且在图中由虚线箭头指示。类似地，来自发光元件10的光的Y偏振分量被称作“Y偏 振光”并且在图中由实线箭头指示。如在图3中所示，全息图层13被设置在光导体12的第二表面12c上。全息图层 13包括第一全息图14，其在从光导体12照射的光中衍射作为偏振分量在特定方向中的第 一线偏振光的X偏振光,并且将该光作为第一相位状态Pl的X偏振光出射；和第二全息图 15,其在从光导体12照射的光中在与X偏振光基本相同的方向中并且进而以相等的福射角 (angle of radiation)衍射作为第二线偏振光的Y偏振光并且将该光转换成X偏振光,并 且进ー步将结果作为不同于第一相位状态Pl的第二相位状态P2的X偏振光出射。换言之， 第一全息图14和第二全息图15被形成为使得从第一全息图14和第二全息图15中的每ー 个出射的X偏振光的相位状态是不同的。基本上，光学元件11的全息图层13具有仅衍射满足通过由第一全息图14形成的 干涉条纹的布拉格衍射条件的入射光的功能。另外，全息图层13具有仅衍射满足通过由第 ニ全息图15形成的干涉条纹的布拉格衍射条件的入射光的功能和执行偏振转换的功能两 者。第一全息图14和第二全息图15然后每一个均以0度的出射角从光导体12的第一表 面12b出射X偏振光。这里，假设出射角是从第一表面12b的法线的角度。图4A给出用于描述形成第一全息图14的过程的示意性表示。图4B给出用于描 述当照射到第一全息图14中的光的入射角满足布拉格衍射条件时的衍射作用的示意性表 示。图4C是用于描述形成第二全息图15的过程的示意性表示。图4D示出用于描述当到第 ニ全息图15的入射光的入射角满足布拉格衍射条件时的衍射作用的示意性表示。到第一 和第二全息图14和15的光的入射角和来自第一和第二全息图14和15的光的出射角(衍 射角)假定与全息图层13的光导体12的界面正交的方向是0度。如在图4A中所示，使用诸如偶氮苯光敏聚合物的全息图材料，基准光20a和信号 光20b每ー个均照射到被形成为厚度在Imm量级上的全息图材料中从而形成预定干渉角 0 I。偶氮苯具有双折射性，该双折射性对于具有与分子光轴正交的方向的每ー个偏振分量并且对于具有平行于该光轴的方向的每一个偏振分量具有不同的折射率，并且进而是其中 分子主轴的取向方向与照射光的偏振方向正交的材料。结果，偶氮苯能够作为材料的折射 率分布记录照射光的相位分布并且能够作为分子取向分布记录照射光的偏振分布。因此，当形成第一全息图14时，第一相位状态P1的X偏振光相对于全息图层13 的界面以0度的入射角作为信号光20b照射到全息图材料中，并且X偏振光相对于信号光 20b以预定干涉角e 1作为基准光20a照射。结果，在信号光和基准光的交叉点附近产生了 用于X偏振光的相位分布,并且符合该相位分布的X偏振光的振幅的幅值作为偶氮苯的折 射率分布而形成所期望的第一全息图14。由于这样形成第一全息图14，当照射到全息图层13的第一全息图14中的光的入 射角如在图4B中所不满足布拉格衍射条件时，图4A所不信号光20b被从第一全息图14再 现，由此第一相位状态P1的X偏振光相对于全息图层13与光导体12的界面以0度的衍射 角衍射。来自全息图层13的X偏振光通过光导体12并且以0度的出射角作为第一相位状 态P1的X偏振光从光学兀件11出射。以相对于全息图层13与光导体12的界面的、并不满足布拉格衍射条件的角度照 射的X偏振光通过第一全息图层13而不被第一全息图14衍射，并且在全息图层13和全息 图层13的外部之间的界面处被反射以返回光导体12。接着，当形成第二全息图15时，第二相位状态P2的X偏振光相对于全息图层13 的界面以0度的入射角作为信号光22b照射到全息图材料中，并且Y偏振光相对于信号光 22b以预定干涉角0 1作为基准光22a照射。以此方式，在信号光22b和基准光22a的交叉 点附近产生了偏振分布并且作为偶氮苯的取向分布形成了所期望的第二全息图15。由于这样形成第二全息图15，当照射到全息图层13的第二全息图15中的光的入 射角如在图4D中所示满足布拉格衍射条件时，基于图4C所示信号光22b从第二全息图15 的再现，第二相位状态P2的X偏振光相对于全息图层13与光导体12的界面以0度的衍射 角衍射。来自全息图层13的X偏振光通过光导体12并且作为第二相位状态P2的X偏振 光从光学元件11以0度的出射角出射。以相对于全息图层13与光导体12的界面的、并不满足布拉格衍射条件的角度照 射的Y偏振光透射通过全息图层13而不被第二全息图15衍射，并且进而不被转换成X偏 振光，并且在全息图层13和全息图层13的外部之间的界面处被反射以返回光导体12。换言之，在本示例性实施例中的第一全息图14是其中作为用于特定偏振分量的 折射率分布而记录光在全息图材料中的相位分布的相位全息图。另外，第二全息图15是其 中作为分子取向分布而记录全息图材料中的偏振分布的偏振全息图。图5A-5D每一幅均不出第一相位状态P1和第二相位状态P2的信号光的模式 (pattern)的实例。这些是在与信号光的光轴正交的平面中的模式。这里，以光轴作为中心 将该区域分割成四个的第一区域S 1、第二区域S2、第三区域S3和第四区域S4如从信号光 的行进方向观察地被顺时针布置。在第一到第四区域S1-S4中的每一个相位状态均是特定相位状态“0”和相位从相 位状态“0”以180度移动的相位状态“ n ”的组合。由于使用这种类型的模式，信号光的模 式相互不同，并且获得了具有低的相互关联性的相位分布(相位编码)。能够在产生这些相 位编码时使用典型的沃尔什-哈达玛(Walsh-Hadamard)变换。
当形成第一和第二全息图14和15时，使用图5A - 所示模式的每一个中的任何 两个作为每一个信号光的模式，形成每一个均衍射具有相互不同的相位状态的光的第一全 息图14和第二全息图15。信号光的模式和属于信号光的模式的区域的数目(分割数目)可 以改变，只要第一相位状态P1和第二相位状态P2的关联性是低的，并且当然不限于遵循在 这里作为一个实例给出的沃尔什_哈达玛变换的四个分割的情形。在如在上文中描述的本示例性实施例中，被第一全息图14衍射的X偏振光的第一 相位状态P1和在第二全息图15处经历衍射和偏振转换的光的第二相位状态P2的差异以 及进而它们的低相互关联性防止了当被第一全息图14衍射的X偏振光从第一全息图14照 射到第二全息图15时在第二全息图15处的衍射，由此X偏振光通过第二全息图15，并且类 似地，防止了在第二全息图15处衍射的X偏振光当从第二全息图15照射到第一全息图14 时在第一全息图14处的衍射，由此X偏振光通过第一全息图14。当全息图层13中的第一 和第二全息图14和15被以多层形成时，将在第一相位状态P1和第二相位状态P2之间的 关联性设定为低水平是类似的，并且是有必要的，而与第一全息图14和第二全息图15在全 息图层13的厚度方向上的相对位置无关。另外，在光具有特定角度范围，且不是到全息图层13的入射角为特定角度的光的 情形中，在全息图层13中形成对应于预定入射角中的每一个的多个第一全息图14和多个 第二全息图15。为了解释方便，将在下文中描述全息图层13的第一全息图14，并且将简要地描述 类似的第二全息图15。图6示出在“衍射效率n/光损耗a ”的值和光利用率之间的关系，“衍射效率n/ 光损耗a ”是与在图3所示配置中的光导体12中经历多个反射的光有关的、在于第一全息 图14处衍射时的衍射效率n和从特定衍射直至下次衍射的光损耗a的比率，光利用率是 照射到光学元件11中的光和从全息图层13衍射的全部的光的比率。如在图6中所示，当 “衍射效率n/光损耗a ”的值被设定为“8”的量级时，全息图层13的利用率处于90%的 量级。因此，如果损耗a例如是0. 125%，则衍射效率n应该被设定为1%，从而光学元件11 的利用率能够达到90%的量级。图7示出在从布拉格角0 Bragg偏离的角度和在全息图层13中的衍射效率之间 的关系。关于计算条件，使用具有460nm波长的光，在上述基准光20a和信号光20b之间的 干涉角9 1是135度(其中基准光20a的入射角是135度并且信号光20b的入射角是0度)， 全息图层13的总体厚度是1000 u m,并且折射率调制是nl = 1. 24X 10_5。在半高宽是0. 03度，并且全息图层13具有衍射作为具有±0. 015度的角度分布 的光的、相对于布拉格角9 Bragg偏离±0. 015度的入射角的光的角度选择性。这里，M/# (M数)是已知作为用于评价在全息图介质中记录的全息图M的性能指 标。每1mm厚度介质的M/#由公式1表示公式1 : (公式 D

如在公式1中所示，M/#是从全息图M中的衍射效率nM计算的。当例如光敏聚合 物被用作全息图介质时，能够实现在80-100的量级上的M/#。
图8示出在第一全息图14的多重性和全息图层13中的每一个第一全息图14的 衍射效率之间的关系。第一全息图14是作为在由其中M/#=80的由偶氮苯构成的介质中的 多重化(multiplexed)记录计算的。如在图8中所示,其对于入射光的衍射效率是1%的第 一全息图14能够被以800/2的多重性形成，即，400个第一全息图14和400个第二全息图 15能够在同一表面上形成，并且能够每一个均被重叠地形成。如在上文中描述地，当基准光20a和22a与信号光20b和22b照射到在全息图 层13中的全息图材料中时，多个第一全息图14和多个第二全息图15中的每一个均能够 通过在维持在信号光20b和22b与基准光20a和22a之间的干涉角Θ I固定的同时，将信 号光20b和22b的照射角度和基准光20a和22a的照射角度以O. 03度移动400次而多重 化地(multiplexed)形成。此时,全息图层13的所有的第一全息图14的角度选择性均在 O. 03X400=12度的范围中。类似地，由全息图层13的所有的第二全息图15实现的角度选 择性均在O. 03X400=12度的范围中。基本上，全息图层13衍射来自光导体12的、具有12度的角度范围的光并且将结 果作为具有12度的角度范围的光出射。如果光导体12的折射率在这里被假设为I. 5并且 光学元件11外部的空气的折射率被假设为1，则在光学元件11和空气的边界处的临界角 是42度。因此，全息图层13的角度选择性小于在光学元件11和空气的边界处的临界角， 由此与专利文献2相比，光学元件11能够提高出射光的方向性。另外，当基准光20a和信号光20b照射到全息图材料中时，通过固定信号光20b照 射的角度并且相对于信号光20b将基准光20a照射的角度移动400次，全息图层13可以形 成多个多重化第一全息图14。通过以此方式形成多个第一全息图14，能够在与第一全息图14中的每一个的角 度选择性相符合的角度范围中衍射具有不同入射角的光。此时，在产生第一全息图14时在 信号光20b和基准光20a之间的干涉角Θ I是在90度〈Θ 1〈180度的范围中。在该范围中， 角度选择性随着干涉角Θ I降低而变窄。因此，当使得所有的第一全息图14的干涉角Θ I 均小于135度时，与对于所有的第一全息图14均被以135度的干涉角产生的情形相比，衍 射角的分布更窄，并且所有的第一全息图14的角度选择性因此变得小于O. 03度。减小全息图层13的厚度能够加宽全息图层13的角度选择范围。然而，当角度选 择范围被加宽时，全息图层13的衍射效率下降并且光损耗增加。结果，通过针对光损耗平 衡角度选择性，全息图层13的特性被适当地设定。另外，增加第一全息图14的多重性能够加宽全息图层13的角度选择范围。然而， 当角度选择范围被加宽时，全息图层13的衍射效率下降并且光损耗增加。结果，通过针对 光损耗平衡角度选择性，全息图层13的特性被适当地设定。下面对于如在上文中描述地配置的第一示例性实施例的光源装置I描述了对于 从发光元件10照射到光学元件11中的光从光学元件11出射的行为。如在图3中所不，从发光兀件10出射的光从光导体12的光入射表面12a照射并 且在经历多次反射的同时在光导体12和全息图层13中传播，全息图层13具有基本等于光 导体12的折射率的折射率。此时，当是来自发光元件10的入射光的一个偏振分量的X偏 振光的全部或者一部分以满足布拉格衍射条件的入射角照射到全息图层13的第一全息图 14中时,X偏振光被第一全息图14相对于波矢量K以布拉格角QBragg衍射。通过被第一全息图14衍射而照射到第一全息图14中的X偏振光以0度的出射角作为第一相位状态P1 的X偏振光从光导体12出射。另外，当是来自发光元件10的入射光的偏振分量中的一个的Y偏振光的全部或者 一部分以满足布拉格衍射条件的入射角照射到全息图层13的第二全息图15中时，Y偏振 光被第二全息图15相对于波矢量K以布拉格角0 Bragg衍射，并且进而经受偏振转换。通 过被第二全息图15衍射而被照射到第二全息图15中的Y偏振光以0度的出射角作为第一 相位状态P1的X偏振光从光导体12出射。然后，因为在本示例性实施例中的全息图层13的第一全息图14具有上述角度选 择范围，所以在预定的入射角范围内照射到全息图层13中的X偏振光被多重化第一全息图 14从第一全息图14中的每一个的波矢量K以布拉格角0 Bragg衍射。因此，在预定的入射 角范围内照射到全息图层13的第一全息图14中的X偏振光在预定的出射角范围内作为第 一相位状态P1的X偏振光从全息图层13出射。类似地，在本示例性实施例中的全息图层13的第二全息图15也具有等价于第一 全息图14的角度选择范围的角度选择范围，并且在预定的入射角范围内照射到全息图层 13中的Y偏振光被多重化第二全息图15从第二全息图15中的每一个的波矢量K以布拉格 角0 Bragg衍射，并且进而被转换成X偏振光。因此，在预定的入射角范围内照射到全息图 层13的第二全息图15的Y偏振光作为第二相位状态P2的X偏振光从全息图层13在预定 的出射角范围中出射。另外，以预定的入射角范围以外的角度照射到全息图层13中的X偏振光透射通过 全息图层13而不被第一全息图14衍射，在全息图层13和外部(空气)之间的界面处被反 射，并且然后再次透射通过全息图层13以返回光导体12中。类似地，以预定的入射角范围 以外的角度照射到全息图层13中的Y偏振光透射通过全息图层13而不在第二全息图15 处衍射并且不经历偏振转换，在全息图层13和外部(空气)之间的界面处反射，并且再次透 射通过全息图层13以返回光导体12中。如在上文中描述地，从全息图层13的第一和第二全息图14和15中的每一个出射 的X偏振光均透射通过光导体12并且作为具有预定出射角的出射光从光学元件11出射。 换言之，已经利用全息图层13的第一和第二全息图14和15固有的角度选择性提高了方向 性的出射光从光学元件11出射。在上述第一示例性实施例中从全息图层13衍射的光不限于被从是与在其中设置 全息图层13的表面相对的表面的、光导体12的第一表面出射,而是可以被从光导体12的 另一个表面出射。另外，在第一示例性实施例中的全息图层13形成有多重化的，即重叠的多个第一 和第二全息图14和15，但是根据必要性，全息图层13可以被以多层，即以层叠的形式形成 有多个第一和第二全息图14和15。另外，利用诸如引入具有不同波长敏感性的反应性引发剂的已知方法，在第一示 例性实施例中的第一全息图14和第二全息图15可以每一个均对应于具有不同波长的入射 光。另外，利用诸如在生产时改变基准光的入射方向的方法，在第一不例性实施例中 的第一全息图14和第二全息图15可以每一个均对应于具有不同的入射方向的光。更详细地说，虽然在图4A和图4B所不实例中在生产第一全息图14和第二全息图15时从图中的 左侧照射基准光，但是第一全息图14和第二全息图15可以通过从图中右侧、图中后侧和图 中前侧中的每一侧照射基准光来生产，并且可以因此朝向图中上侧衍射从所述方向中的每 一个照射的光。如在上文中描述地，第一示例性实施例的光源装置1的光学元件11能够通过利用 全息图层13的第一和第二全息图14和15固有的角度选择性而提高方向性以缩窄来自光 学元件11的出射光的立体角。另外，在第一示例性实施例的光学元件11中，通过使用其中 第一和第二全息图14和15的衍射效率被降低并且具有窄带入射角(出射角)分布的第一和 第二全息图14和15被多重化的全息图层13，提高了来自发光元件10的、具有宽带角度分 布的光的利用率。因此，光学元件11能够将从发光元件10照射到光学元件11中的光转换 成偏振方向是特定方向的线偏振光，并且进而，以高效率产生具有高度方向性的出射光。另 外，根据第一示例性实施例，能够减少构成光学元件11的部件的数目。下面描述了另一示例性实施例的光源装置。该另一示例性实施例的光源装置仅仅 关于光学元件的配置的一部分不同于第一示例性实施例的光源装置。在该另一示例性实施 例的光学元件中，与第一示例性实施例相同的构成部件被给予相同的附图标记并且省略了 多余的说明。第二示例性实施例图9是第二示例性实施例的光源装置的透视图。图10示出如从发光元件侧看到 的、第二示例性实施例的光源装置的侧视图。如在图9和图10中所示，第二示例性实施例的光源装置2不同于第一示例性实施 例之处在于，设置了覆盖光学元件21的光导体12的反射层18。反射层18被形成为覆盖除了作为来自发光元件10的光照射到其中的光入射部分 21a的开口之外和除了光学元件11的光出射部分21b之外的、所有的表面。根据第二示例性实施例的光源装置2，设置除光入射部分21a和光出射部分21b以 外包围光学元件21的反射层18使得能够进一步提高从发光元件10入射到光导体12中的 光的利用率。另外，在第二示例性实施例中，反射层18可以被设置成仅覆盖光学元件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，以及全息图层13的下表面。可以使用由诸如银或者铝的金属材料构成的金属薄膜或者电介质多层薄膜作为 反射层18。另外，虽然图中没有示出，但是反射层18可以设置有具有光散射效果的非均匀 构造或者诸如颗粒的散射体。在第二示例性实施例中，光出射部分21b不限于与全息图层13相对的表面，并且 可以在另一个表面上。换言之，从全息图层13衍射的光不限于从是与在其上设置全息图层 13的表面相对的表面的、光导体12的第一表面出射，并且可以被从在其上没有设置反射层 18的、光导体12的另一个表面出射。第三示例性实施例图11示出第三示例性实施例的光源装置的透视图。图12是用于描述在第三示例 性实施例的光源装置的光导体中的光的行为的示意性视图。如在图11中所示，在第三示例 性实施例的光源装置3中，光学元件31的光导体32的形状不同于第一示例性实施例。
在第三示例性实施例的光源装置3中设置的光学元件31配备有光导体32，光导体 32中形成来自发光元件10的光照射到其中的光入射部分32a。如在图11和图12中所示， 该光导体32被以梯形形状形成并且具有来自全息图层33的光从其出射的第一表面32b、 与该第一表面32b相对的第二表面32c,和与光入射表面32a相对的第三表面32d。光导体 32的第二表面32c倾斜，使得光导体32的厚度从光入射表面32a侧并且朝向第三表面32d 侧逐渐地降低，该表面相对于平行于第一表面32b的平面以倾斜角Φ I倾斜。下面参考图12描述了对于照射到全息图层33中的光的入射角并不满足在如上所 述地配置的光学元件31的光导体32中的布拉格衍射条件的情形，被光导体32的第一表面 32b反射的X偏振光的行为。如在图12中所示，从发光元件10照射到光导体32中并且以入射角Θ照射到光 导体32的第一表面32b的X偏振光在第一表面32b处以反射角Θ反射。在第一表面32b 处反射的X偏振光然后相对于第一表面32b的法线以入射角θ -Φ1照射到邻接第二表面 32c的全息图层33中。以并不满足布拉格衍射条件的入射角θ -Φ1照射到全息图层33 中的X偏振光通过全息图层33并且在全息图层33和外部(空气)的界面33a处反射。因为第二表面32c以倾斜角Φ I倾斜，所以照射到全息图层33中的X偏振光由此 在全息图层33和外部的界面33a处相对于第一表面32b的法线以角度(θ -2Φ1)反射并 且从全息图层33出射到光导体32中。结果，从全息图层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处以反射角(Θ-2 Φ I)反射并且以入射角(θ -3Φ I)再次照射到全息图层33中。如在上文中描述地，在经历在光导体32中的该多重性反射时，X偏振光以满足布 拉格衍射条件的角度照射到全息图层33的第一全息图14和第二全息图15中并且然后以 O度的出射角从光导体32作为X偏振光出射。以上解释考虑X偏振光照射到全息图层33的第一全息图14中的情形，但是对于 照射到全息图层33的第二全息图15中的Y偏振光而言，情形是类似的，并且这里因此省略 了多余的解释。根据第三示例性实施例的光源装置3，设置具有相对于平行于第一表面32b的平 面倾斜的第二表面32c的光导体32引起来自发光兀件10的光在光导体32内的多重性反 射并且因此允许根据光导体32的第二表面32c的倾斜角Φ I而使得到全息图层33中的照 射的入射角更小。因此，通过借助光源装置3的光学元件31将大于由全息图层33的第一 和第二全息图14和15拥有的角度选择范围的入射角的光转换成在属于第一和第二全息图 14和15的角度选择范围内的入射角的光，能够提高全息图层33的利用率并且能够提高来 自发光元件10的光的利用率。在第三示例性实施例中，光导体32的第二表面32c被制成使得光导体32的厚度 从光入射表面32a侧并且朝向第三表面32d侧降低的倾斜表面，但是第二表面32c还可以 被制成使得光导体32的厚度从光入射表面32a侧并且朝向第三表面32d侧逐渐地增加的 倾斜表面。进而，光导体32的第二表面32c不限于在平行于发光兀件10的光轴的方向上 倾斜的配置，而是还可以在与发光元件10的光轴正交的方向上倾斜。此外，在第三示例性实施例中，如在第二示例性实施例中，反射层18可以被设置成覆盖除了光入射部分和光出射部分之外的、光学兀件31的表面的全部或者一部分,并且 能够进一步增加来自发光元件10的光的利用率。在第三示例性实施例中，如在第一示例性实施例或者第二示例性实施例中，光出 射部分21b不限于与全息图层13相对的表面，而是可以是另一表面。换言之，从全息图层 13衍射的光不限于从第一表面12b出射,而是可以从光导体12的另一个表面出射,第一表 面12b是光导体12的、与在其中设置全息图层13的表面相对的表面。采用这种配置防止 了已经在光导体12中经历多次反射的光经受通过第二表面12c的角度转换，从而不再满足 光导体12的外部层和第一表面12b的全反射条件，并且被泄漏到外部。另外，在上述第一到第三示例性实施例中，解释考虑了全息图层13和33将照射到 第一全息图14中的X偏振光衍射并且将照射到第二全息图15中的Y偏振光转换成X偏振 光的配置，但是与这种配置相反，全息图层可以当然将照射到第一全息图中的Y偏振光衍 射被并且将照射到第二全息图中的X偏振光转换成Y偏振光。同样在这种配置的情形中， 第一和第二全息图被形成为使得已经被第一全息图衍射的Y偏振光的相位状态和已经被 第二全息图衍射和转换的Y偏振光的相位状态相互不同。另外，在上述第一到第三示例性实施例中，设置全息图层的位置不限于光导体的 第二表面，并且全息图层可以被设置在第一表面和第二表面之间(在光导体内部)或者在第 一表面上。本示例性实施例的光源装置适合于用作图像显示装置的光源装置，并且可以被用 作在投影式显示装置中配备的光源装置或者在诸如便携式电话或者PDA (个人数据助理)的 电子设备中被用作液晶显示器面板(LCD)的直下背光式光源装置(所谓的背光)。最后，作为其中应用上述第一到第三示例性实施例的光源装置的投影式显示装 置，参考附图描述了 LED投影仪的配置的一个实例。图13示出一个示例性实施例的LED投影仪的示意性视图。如在图13中所示，该示例性实施例的LED投影仪6配备有红色(R)光源装置51R、 绿色(G)光源装置51G，和蓝色(B)光源装置51B ;液晶显示器面板52R、52G和52B，其作为来 自该光源装置51R、51G和51B的出射光照射到其中的显示元件；正交二向色棱镜53，其合 成照射的并且该液晶显示器面板52R、52G和52B向其提供图片信息的R、G和B光；和投影 光学装置54，其包括投影透镜(未示出)，该投影透镜将来自该正交二向色棱镜53的出射光 投影到诸如屏幕的投影表面55上。在该LED投影仪6中，采用同时加法混色(simultaneous additive mixture of color stimuli)方法并且采用类似于三面板液晶投影仪的配置。图14是示出在该示例性实施例的LED投影仪6中配备的R光源装置51R的平面 视图。虽然作为一个实例描述了 R光源装置51R的配置，但是G光源装置51G和B光源装 置51B也与R光源装置51R类似地配置。如在图14中所示，R光源装置51R设置有作为发光元件的多个RLED 56R和来自 该R LED 56R的光照射到其中的光学元件57。在光学元件57中包括的光导体58被以板的 形式形成，其中主表面被形成为正方形，并且该多个R LED 56R被布置在周边的四个侧表面 58a - 58d的相对的位置处。该光学元件57具有与在上述示例性实施例中的光学元件11、21和31中的任何一 个类似的配置。
来自该多个R LED 56R的光从侧表面58a_58d中的每一个照射到光学元件57的 光导体58中，由此入射方向不同的光照射到光导体58。结果，属于在该示例性实施例中的 光学元件57的全息图层(未示出)具有与到光导体58的不同入射方向的光对应的四种类型 的第一全息图和四种类型的第二全息图。该第一全息图和第二全息图通过多重化形成但是 当然还可以被以多层形成。根据本示例性实施例的LED投影仪6，设置应用上述示例性实施例的光源装置的 光源装置51R、51G和51B使得能够提高投影图像的亮度。图15是另一示例性实施例的LED投影仪的示意性视图。如在图15中所示，该示 例性实施例的LED投影仪7设置有光源装置61 ;液晶显示器面板52，来自该光源装置61 的出射光照射到其中；和投影光学装置54，其包括投影透镜(未示出)，该投影透镜将来自该 液晶显示器面板52的出射光投影到诸如屏幕的投影表面55上。在被设置在LED投影仪7中的光源装置61中，R LED 56R、G发光元件56G和B发 光元件56B每一个均被布置于光学元件57的光导体58的一个侧表面上。在该LED投影仪 7中，采用时分方法，并且控制电路单元(未示出)实现切换使得从R LED 56R、G LED 56G和 B LED56B中的仅一个LED出射光。替代地，来自出射不同光学波长的R LED 56R、G LED 56G和BLED 56B中的每一个 的光均被照射到光学元件57的光导体58中。结果，属于在该示例性实施例中的光学元件 57的全息图层具有与来自RLED 56R、G LED 56G和B LED 56B的不同出射光学波长中的每 一个的光对应的三种类型的第一全息图和三种类型的第二全息图。虽然这些第一和第二全 息图通过多重化形成，但是它们当然还可以被以多层形成。替代地，第一和第二全息图可以 通过多重化和进一步以多层形成。例如，全息图层可以采用具有其中R第一和第二全息图 被多重化的第一层，其中G第一和第二全息图被多重化的第二层，和其中B第一和第二全息 图被多重化的第三层的多层构造。替代地，来自多个R LED 56R、G LED 56G和B LED 56B的光可以从在如在图14中 所示光导体58的周边上的四个侧表面58a-58d照射到光学元件57的光导体58中。在这 种配置的情形中，属于光学元件57的全息图层具有与到光导体58的入射方向(四个方向) 和波长(三个波长)不同的光对应的12种类型的第一全息图和12种类型的第二全息图。这 些第一和第二全息图可以通过多重化形成，或者可以被以多层形成。另外，包括多个第一和 第二全息图的全息图层可以采用四层构造，其中例如与每一个入射方向对应地堆叠其中将 与R、G和B的波长中的每一个对应的第一和第二全息图多重化的层。根据本示例性实施例的LED投影仪7，设置应用上述示例性实施例的光源装置的 光源装置61使得能够提高投影图像的亮度。虽然参考示例性实施例描述了本发明，但是本发明不限于上述示例性实施例。在 本领域普通技术人员将会清楚的本发明的范围内，本发明的配置和细节可以实现各种修 改。本申请要求基于日本专利申请No. 2009-262809的优先权的权益，该申请是在 2009年11月18日提交的，并且通过引用结合该申请的全部公开。
权利要求
1.一种光学元件，包括来自光源的光被照射到其中的全息图层，所述全息图层包括 第一全息图，所述第一全息图在从所述光源照射的光中，在预定方向中衍射偏振分量在特定方向中的第一线偏振光，并且将结果作为第一相位状态的所述第一线偏振光出射；和 第二全息图，所述第二全息图在从所述光源照射的光中，在与所述第一线偏振光相同的方向中并且进而以相等的福射角衍射偏振分量在与所述第一线偏振光的偏振分量正交的方向中的第二线偏振光，并且将它转换成所述第一线偏振光，并且将结果作为不同于所述第一相位状态的第二相位状态的所述第一线偏振光出射。
2.根据权利要求I所述的光学元件，进一步包括来自所述光源的光照射到其中的光导体，其中 所述光导体包括来自所述光源的光照射到其中的光入射表面和从所述光导体出射光的第一表面；并且 所述全息图层被设置在所述光导体内部或者所述光导体的至少一个表面上。
3.根据权利要求I所述的光学元件，进一步包括来自所述光源的光照射到其中的光导体，其中 所述光导体包括来自所述光源的光照射到其中的光入射表面、从所述光导体出射光的第一表面，和与所述第一表面相对的第二表面； 所述全息图层被设置在所述光导体的所述第二表面上；并且 所述第一全息图和所述第二全息图每一个均从所述第一表面出射所述第一线偏振光。
4.根据权利要求I到3中任何一项所述的光学元件，其中在所述全息图层中，所述第一全息图和所述第二全息图被以多层形成。
5.根据权利要求I到4中任何一项所述的光学元件，其中在所述全息图层中，所述第一全息图和所述第二全息图被多重化地形成。
6.根据权利要求I到5中任何一项所述的光学元件，其中所述全息图层包括多个所述第一全息图，该多个所述第一全息图在预定方向中衍射具有不同的入射角的所述第一线偏振光的多个入射光中的每一个。
7.根据权利要求I到6中任何一项所述的光学元件，其中所述全息图层包括多个所述第二全息图，该多个所述第二全息图在预定方向中衍射具有不同入射角的多个所述第二线偏振光中的每一个角度的入射光，并且将它们转换成所述第一线偏振光。
8.根据权利要求I到7中任何一项所述的光学元件，其中所述全息图层包括多个所述第一全息图，该多个所述第一全息图对应于具有不同波长的多个所述第一线偏振光的入射光的每一个。
9.根据权利要求I到8中任何一项所述的光学元件，其中所述全息图层包括多个所述第二全息图，该多个所述第二全息图对应于具有不同波长的多个所述第二线偏振光的入射光的每一个。
10.根据权利要求I到9中任何一项所述的光学元件，其中所述全息图层包括多个所述第一全息图，该多个所述第一全息图对应于具有到所述光导体的不同入射方向的多个光线的每一个方向。
11.根据权利要求I到10中任何一项所述的光学元件，其中所述全息图层包括多个所述第二全息图，该多个所述第二全息图对应于具有到所述光导体的不同入射方向的多个光线的每一个方向。
12.根据权利要求2所述的光学元件，进一步包括反射层，所述反射层反射已经通过所述全息图层的光，并且被设置在除了所述光入射表面和所述第一表面之外的、所述光导体的表面的至少一部分上。
13.根据权利要求3所述的光学元件，进一步包括反射层，所述反射层反射通过所述全息图层的光，并且被设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、所述光导体的表面的至少一部分，或者至少与所述全息图层的所述第二表面相反的表面上。
14.根据权利要求12或者13所述的光学元件，其中所述反射层被构成为包括散射体。
15.根据权利要求2到14中任何一项所述的光学元件，进一步包括来自所述光源的光照射到其中的光导体，其中 所述光导体包括来自所述光导体的光从其出射的第一表面；并且 与所述光导体的所述第一表面相对的表面相对于所述第一表面倾斜。
16.一种光源装置，包括 根据权利要求I到15中任何一项所述的光学元件； 来自所述光源的光照射到其中的光导体；和 被布置于所述光导体的周边上的至少一个光源。
17.根据权利要求16所述的光源装置，其中所述光源是固态光源。
18.一种投影式显示装置，包括 根据权利要求16或者17所述的光源装置； 显示元件，所述显示元件向所述光源装置的出射光提供图片信息；和 投影光学装置，所述投影光学装置投影由所述显示元件的出射光实现的投影图像。
全文摘要
本发明提供了一种被来自光学元件(10)的光照射的全息图层(13)。全息图层(13)设置有第一全息图(14)，其从来自光学元件(10)的入射光中，在预定方向中衍射偏振分量在特定方向中的X偏振光，并且将该光作为第一相位状态(P1)的X偏振光出射；和第二全息图(15)，其从在来自光学元件(10)的入射光中，在与第一相位状态(P1)的X偏振光相同的方向并且进而以相等的辐射角衍射偏振分量在与X偏振光的偏振分量正交的方向中的Y偏振光，并且将其转换成X偏振光，并且作为不同于第一相位状态(P1)的第二相位状态(P2)的X偏振光出射。
文档编号F21Y101/02GK102667549SQ20108005230
公开日2012年9月12日 申请日期2010年10月27日 优先权日2009年11月18日
发明者今井雅雄, 富永慎, 斋藤悟郎, 枣田昌尚 申请人:日本电气株式会社