CN101080658A - 偏光转换元件、偏光转换光学系统和图像投影设备 - Google Patents

偏光转换元件、偏光转换光学系统和图像投影设备 Download PDF

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Abstract

一种偏光转换元件，包括多个偏振分离部分和多个相位调制部分。光通量通过输入给每一个偏振分离部分而分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。在偏振分离部分处反射的反射光通过在与光通量输入给相邻偏振分离部分的位置不同的位置处在相邻偏振分离部分处再次反射而沿着与透射光的方向相同的方向输出。相位调制部分设置在透射光或反射光的光路上，并且输出光变为相同的偏光。

Description

偏光转换元件、偏光转换光学系统和图像投影设备
技术领域
本发明大体上涉及用在透射式或反射式图像投影设备中的偏光转换元件、使用了该偏光转换元件的偏光转换光学系统以及使用了该偏光转换光学系统的图像投影设备。
背景技术
在用在图像投影设备中的液晶成像元件中，仅仅一个方向的偏光分量得到有效利用，并且与上述方向垂直的另一个方向的偏光分量造成对比度变差。因此，通过在液晶成像元件的前面段和后面段处设置偏光器来控制偏振方向。但是，从光源发出的光束为其偏振方向不是所述一个方向的非偏振光束。因此，在偏光器选择所述一个方向的偏光分量时，光通量也变为一半。
为了解决这个问题，通常在偏光器的前面阶段中设置偏光转换元件，它有效地使得从光源发射出的非偏振光束成为沿着一个方向的光束。在该偏光转换元件中，非偏振光束通过偏振光束分光器基本上分成P偏振和S偏振，并且通过一个方法使这两个偏振的其中一个方向转动90°，从而使两个偏振为相同的方向。因此，两条光束的方向变得相同(例如，参照专利文献1)。
使分开偏振中的一个的偏振方向转动通常存在两种方法。在第一种方法中，采用1/2波长板，即采用在两个方向之间的折射率差异。在第二种方法中，使用两个反射镜，即在通过这两个反射镜反射分开的光束的同时适当地确定两个反射镜的反射方向，从而使得总光束的方向为相同的方向。在第二种方法中，由于采用了通过反射镜进行反射，所以能够与波长无关地有效进行转换；但是，由于来自图像投影设备的照明光束具有一定的厚度，所以使用了反射镜的偏光转换元件的尺寸变得较大并且还有不容易形成用来将分开光束合并的光学系统。在偏光转换元件分成多个部件并且将许多部件排列布置时，偏光转换元件可以较薄；但是布置这些反射镜在逻辑上是可能的，但是实际上很困难。另一方面，在第一种方法中，由于使用了1/2波长板，所以容易布置这些1/2波长板。另外，由于设置在图像投影设备的照明光学路径上的蝇眼透镜可以与1/2波长板一起使用，所以通常采用第二种方法。
图27为一示意图，显示出透射式液晶图像投影设备。图28为一示意图，显示出反射式液晶图像投影设备。这两种类型都使用了液晶成像元件，并且具有偏振选择性。另外，在这两种类型中，使用了几乎相同的照明光学系统。
首先将对在图27中所示的透射式液晶图像投影设备的操作进行说明。从光源1001例如白炽灯发出的非偏振光束在反射镜1002处大致变为平行光束，并且这些大致平行光束在光学积分器中输入。光学积分器1003使得罩在成像元件上的光的照度一致，并且由一对蝇眼透镜1003-1和1003-2构成。蝇眼透镜为这样一种透镜阵列，其中多个透镜沿着长度和宽度方向布置。在蝇眼透镜中的每个透镜具有与成像元件类似的形状。
透射穿过在第一蝇眼透镜1003-1中的每个透镜的光束通过第二蝇眼透镜1003-2和设置在第二蝇眼透镜1003-2后面的聚光透镜投射在成像元件上。这样，使得在成像元件上的照度分布均匀。
从光学积分器1003输出的光束输入在偏光转换元件1004中。在偏光转换元件1004中，对应于蝇眼镜头的节距，布置有偏振光束分光器、反射膜表面、1/2波长板等。偏光转换元件1004有效地将非偏振光束转换成沿着一个偏振方向的光束。从偏光转换元件1004输出的光束透射穿过聚光透镜1005，并且通过反射镜1006反射，从而通过分色镜将反射的光束分成红色光束、绿色光束和蓝色光束。这些分开的光束照射在成像元件上。
例如，透射穿过第一分色镜1007的光束通过反射镜1009反射，并且反射的光束通过透射穿过红色聚光透镜1014-1而照射在红色液晶元件1015-1上。由第一分色镜1007反射的光束通过第二分色镜1008反射，并且反射的光束通过透射穿过绿色聚光透镜1014-2而照射在绿色液晶元件1015-2上。透射穿过第二分色镜1008的的光束经由透镜1010、反射镜1011、透镜1012和反射镜1013通过透射穿过蓝色聚光透镜1014-3照射在蓝色液晶元件1015-3上。
液晶元件1015-1、1015-2和1015-3为成像元件，并且根据红色、绿色和蓝色分量的图像信号调制相应的光束。通过彩色合成棱镜1016使得透射穿过液晶元件1015-1、1015-2和1015-3的光束成为合成光束，并且通过投影透镜10170将这些合成光束透射在屏幕1018上。
在图28中所示的反射式液晶图像投影设备的操作与在图27中所述的那些基本上相同。但是，由反射镜1006反射的偏振光束通过由分色镜1021、反射镜1022和1023以及分色镜1024构成的光学系统分成红色、绿色和蓝色偏振光束。红色偏振光束透射穿过红色偏振光束分光器1025-1和红色反射式液晶1026-1，绿色偏振光束透射穿过绿色偏振光束分光器1025-2和绿色反射式液晶1026-2，并且蓝色偏振光束透射穿过蓝色偏振光束分光器1025-3和蓝色反射式液晶1026-3。通过彩色合成棱镜1016使得这些透射偏振光束成为合成光束。上面的操作与在图27中的那些不同。
图29A为一示意图，显示出用在液晶图像投影设备中的偏光转换元件。图29B为一示意图，显示出用在液晶图像投影设备中的另一种偏光转换元件。
在图29A中所示的偏光转换元件中，组件2020由偏振分离膜2021、反射膜2022和1/2波长板2023构成。这些组件2020布置成适应蝇眼透镜2000的节距。偏振分离膜2021对于输入光轴具有45°的斜度，并且反射膜2022与偏振分离膜2021平行地设置。从蝇眼镜头2000输出的每条光束2010输入在每个组件2020中，并且通过偏振分离膜2021分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)，然后反射光由反射膜2022进一步反射并且变为与透射光平行的光束。透射光(P偏振)或反射光(S偏振)中的任一个的偏振方向通过1/2波长板2023转动，从而偏振方向变得相同。在该情况中，使反射光(S偏转)转动。由此，在输入时刻是非偏振的光束2010转换成具有相同偏振方向的光束。在图29B中，在图29A中所示的反射膜2022由与偏振分离膜2021类似的偏振分离膜2024代替，并且操作与在图29A中的那些几乎相同。
[专利文献1]日本专利No.3492355
在图29A和29B中所示的偏振转换元件中，非偏振光束可以有效地转换成具有一个偏振方向的光束。但是，在图29A中所示的偏振转换元件中，需要两个表面，即对于蝇眼透镜的一个节距需要偏振分离表面和反射表面。换句话说，需要两个部件，即需要其中形成有偏振分离表面的部件和其中形成有反射表面的部件。因此，必须粘接其数量为在蝇眼透镜中的透镜数量两倍的部件。因此，需要许多工时。在实际大规模生产中，交替粘接其上形成有偏振分离膜的玻璃板和其上形成有反射膜的玻璃板，并且沿着相对于粘接表面成45°的方向切割粘接的产品，然后进行抛光。也就是说，制备出两种玻璃板，并且需要其数量为在蝇眼透镜中的透镜数量两倍的粘接次数。
因此，如上所述，需要许多工时。如图29B所示，偏振分离膜还能够用作反射膜；但是对于在蝇眼透镜中的一个透镜也需要两个薄膜(表面)，并且不能减少玻璃板的粘接次数。
发明内容
本发明解决了在现有技术中的一个或多个问题。根据本发明的实施例，提供了偏光转换元件、使用了该偏光转换元件的偏光转换光学系统以及使用了该偏光转换光学系统的图像投影设备，其中减少了在制造偏光转换元件中的粘接次数，并且提高了在制造偏光转换元件中的生产率。
根据本发明的一个方面，提供了一种偏光转换元件。该偏光转换元件包括多个偏振分离部分和多个相位调制部分。光通量通过输入给每一个偏振分离部分而分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。在偏振分离部分处反射的反射光通过在与光通量输入给相邻偏振分离部分的位置不同的位置处在相邻偏振分离部分处再次反射而沿着与透射光的方向相同的方向输出。相位调制部分设置在透射光或反射光的光路上，并且输出光变为相同的偏振。在相对于偏振分离部分的入射角确定为45°±一些度数，例如大约为30°或60°时，在相邻偏振分离部分处的光反射位置和光输入位置是不同的。
根据本发明的另一个方面，相位调制部分以大致相同的间距设置在光输出表面上。另外，根据本发明的另一个方面，相位调制部分与偏振分离部分平行地设置在偏振分离部分的大致一半区域上，以便面对着偏振分离部分。另外，根据本发明的另一个方面，相位调制部分与偏振分离部分平行地相邻设置，并且第二相位调制部分与所述相位调制部分和偏振分离部分平行地设置。
另外，根据本发明的另一个方面，挡光单元设置成阻挡除了在光输入表面上的有效光路上的光之外的不必要的光。另外，偏光转换元件中心对称地设置。
根据本发明的另一个方面，设有偏光转换光学系统。该偏光转换光学系统包括上述偏光转换元件以及其透镜间距为与偏光转换元件的偏振分离部分的布置间距相同的布置间距。双凸透镜阵列或蝇眼透镜设置在偏光转换元件前面，并且透射穿过在双凸透镜阵列或蝇眼透镜中的第i个透镜的光通量输入给第i个偏振分离部分。
根据本发明的另一个方面，提供了一种图像投影设备，它通过投影光学系统投影具有偏振相关性的成像元件的图像。该图像投影设备包括位于用来照明成像元件的照明系统的光路上的上述偏光转换元件。
根据本发明的实施例，在偏光转换元件中，偏振分离部分使输入的光通量分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)，并且还沿着与透射光相同的方向反射从相邻偏振分离部分反射出的反射光。因此，不需要在传统偏光转换元件中所需的仅用于反射的反射膜(分离膜)。因此，通过只是设置其间距与在双凸透镜阵列或蝇眼透镜中的透镜间距相同的偏振分离部分可以获得与在传统偏光转换元件中相同的效果，并且间距可以为在传统偏光转换元件中的间距的两倍。由此，能够提高生产率。另外，由于偏振分离部分可以与相位调制部分平行地设置，所以偏振分离部分可以紧密设置在相位调制部分上。因此偏振分离部分能够高精度地设置，并且制造该偏光转换元件变得容易。
另外，通过将偏光转换元件与双凸透镜阵列或蝇眼透镜组合从而能够形成具有较低的光量损失的偏光转换光学系统。另外，可以在不改变传统光学系统的情况下通过只是使用上面的偏光转换元件或上面的偏光转换光学系统来实现图像投影设备。
从参照附图给出的优选实施例的以下详细说明中将更加清楚了解本发明的特征和优点。
附图说明
图1为一示意图，显示出根据本发明一实施例的偏光转换元件的结构；
图2为一示意图，显示出根据本发明该实施例的偏光转换元件的另一个结构；
图3为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的偏光转换元件的第一基本结构；
图4为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的偏光转换元件的第二基本结构；
图5为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的偏光转换元件的第三基本结构；
图6为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的偏光转换元件的第四基本结构；
图7为一示意图，显示出在图3和4中所示的偏光转换元件的端部的结构；
图8为一示意图，显示出在图5和6中所示的偏光转换元件的端部的结构；
图9为一示意图，显示出使用了根据本发明第二实施例的板状偏振分离元件的偏光转换元件的第一结构；
图10为一示意图，显示出使用了根据本发明第二实施例的板状偏振分离元件的偏光转换元件的第二结构；
图11为在图9中所示的偏光转换元件的改进实施例；
图12为在图10中所示的偏光转换元件的改进实施例；
图13为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的在其光输入表面上形成有挡光板(薄膜)的偏光转换元件；
图14为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的在其光输入表面上形成有挡光板(薄膜)的另一个偏光转换元件；
图15为一示意图，显示出根据本发明第三实施例的其中偏光转换元件中心对称设置的光学系统的第一实施例；
图16为一示意图，显示出根据本发明第三实施例的其中偏光转换元件中心对称设置的光学系统的第二实施例；
图17为一示意图，显示出根据本发明第三实施例的其中偏光转换元件中心对称设置的光学系统的第三实施例；
图18为一示意图，显示出根据本发明第三实施例的其中偏光转换元件中心对称设置的光学系统的第四实施例；
图19为一示意图，显示出根据本发明另一个实施例的偏光转换元件的主要结构；
图20为一示意图，显示出根据本发明第四实施例的第一偏光转换元件；
图21为一示意图，显示出根据本发明第四实施例的第二偏光转换元件；
图22为一示意图，显示出根据本发明第四实施例的第三偏光转换元件；
图23为一示意图，显示出根据本发明第四实施例的第四偏光转换元件；
图24为一示意图，显示出在图20中所示的偏光转换元件的制造过程；
图25为一示意图，显示出在图22中所示的偏光转换元件的制造过程；
图26为一示意图，显示出使用了在图20中所示的偏光转换元件的偏光转换光学系统(照明系统)；
图27为一示意图，显示出透射式液晶图像投影设备；
图28为一示意图，显示出反射式液晶图像投影设备；
图29A为一示意图，显示出用在液晶图像投影设备中的偏光转换元件；
图29B为一示意图，显示出用在液晶图像投影设备中的另一种偏光转换元件；并且
图29C为一示意图，显示出根据本发明这些实施例的偏光转换元件。
具体实施方式
现在将参照这些附图对本发明的进行详细说明。
图1为一示意图，显示出根据本发明一实施例的偏光转换元件的结构。根据本发明该实施例的偏光转换元件设有多个偏振分离部分10和多个相位调制部分20。光通量100输入给每个偏振分离部分10并且分成透射光和其偏振方向与透射光的方向不同的反射光。在偏振分离部分10由一般的多层偏振分离膜形成时，透射光变为P偏振，并且反射光变为S偏振。在偏振分离部分10反射的反射光再次在相邻偏振分离部分10处反射，并且变为与透射光平行的光通量。这时，相邻的光通量100输入给相邻偏振分离部分10。但是，在相邻光通量100输入给相邻偏振分离部分10的前表面的位置偏离反射光输入给相邻偏振分离部分10的后表面的位置时，透射光和反射光的输出位置可以彼此偏离。在输入光通量100相对于偏振分离部分10的光轴的角度确定为45°±一些角度时，透射光的输出位置偏离反射光的输出位置。相位调制部分20设置在透射光的光路上，并且透射光(P偏振)变为与反射光相同的S偏振。这样，多层偏振分离膜可以如此形成，从而透射光变为S偏振，并且反射光变为P偏振。
图2为一示意图，显示出根据本发明一实施例的偏光转换元件的另一种结构。在该偏光转换元件中，相位调制部分20设置在反射光的光路上，并且反射光变为与透射光相同的偏振方向。在图2中所示的操作与在图1中的那些相同。
图29C为一示意图，显示出根据本发明一实施例的偏光转换元件。如图29C所示，在没有使用在图29A中所示的反射膜2022的情况下只是设置具有与在蝇眼透镜2000中的透镜相同的间距的偏振分离膜2021。通过上面的结构，可以实现与在图29A和29B中所示的相同的功能。因此，在其上要形成偏振分离部分10的所要粘接的玻璃板数量减少至在图29A和29B中所示的那个数量的一半。
因此，能够很容易制造出该偏光转换元件。也就是说在本发明的实施例中不需要传统上需要的反射表面(只用于反射的反射膜或分离膜)。偏振分离膜2021的间距可以与在蝇眼透镜中的透镜间距相同；因此，可以提高生产率。另外，在图29C中，将1/2波长板2023设置在反射光的光路上；但是，该1/2波长板2023可以设置在偏振分离膜2021上(将在下面进行详细说明)。
图3为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的偏光转换元件的第一基本结构。图4为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的偏光转换元件的第二基本结构。图5为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的偏光转换元件的第三基本结构。图6为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的偏光转换元件的第四基本结构。
在图3至图6中，通过布置多个偏振转换部分来形成偏光转换元件，并且偏光转换元件对于“m”个光通量100而言设有“m+1”个偏振分离部分10(在一些情况中，下面被称为偏振分离膜和元件)以及“m”个相位调节部分20。在该情况中，“m”为2或更大的整数。具体地说，布置有多个部件(多个偏振转换部分)，其用来输入光的上表面和从中输出光的其下表面与输入光通量100的光轴垂直，并且其与相邻部件的粘接表面相对于输入光通量的光轴具有大约60°的斜度(相对于粘接面大约为30°的入射角)或相对于输入光通量的光轴具有大约30°的斜度(相对于粘接面大约为60°的入射角)。这样，设在偏振转换元件的两个端部处的平行四边形部件通过切割具有合适的形状。偏振分离膜10形成在粘接面处。相位调制部分20(在一些情况中，在下面也被称为相位调制膜或元件)设置在每个部件中的光输入表面的大致右半部区域(例如图3)或者大致左半部区域(例如图4)处。
在图3中，显示出以与输入光通量的间距相同的间距设置的平行四边形部件阵列。该部件的粘接表面相对于输入光通量的光轴大约成60°(入射角大约为30°)。偏振分离膜10形成在每个平行四边形部件中，并且相对于平行四边形部件的光输入表面和光输出表面与光通量100的光轴垂直地设置。相位调制元件20设置在平行四边形部件的光输出表面的大致右半部区域处。
光通量100在相位调制元件20设置在部件的相对侧(即上表面)处的位置处输入给平行四边形部件的下表面。第i个光通量100i在第i个偏振分离膜10i处分成透射光和反射光。在一般的偏振分离膜中，透射光变为P偏振，并且反射光变为S偏振。
透射穿过第i个偏振分离膜10i的透射光(P偏振)通过相位调制元件20i转换成S偏振，并且输出S偏振。相位调制元件20i例如可以为1/2波长板。例如，从第i个偏振分离膜10i反射出的反射光(S偏振)由第(i+1)个偏振分离膜10i+1再次反射并且变为与透射光平行的光通量。第(i+1)个光通量100i+1在第(i+1)个偏振分离膜10i+1处分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。在用于偏振分离膜10的光通量100的入射角设定为大约30°(例如，如图3所示一样)，第i个反射光在位于第i个透射光和第i+1个透射光之间的大致中间位置处输出。由于对于反射光没有设置相位调制元件20，所以反射光按原样作为S偏振输出。其它反射光(S偏振)与上面的反射光相同。因此，作为非偏振输入给第1至第m个偏振分离膜的光通量100作为S偏振输出。
在图4中，显示出以与输入光通量的间距相同的间距设置的平行四边形部件阵列的另一个实施例。部件的粘接表面相对于输入光通量的光轴大约成60°(入射角大约为30°)。偏振分离膜10形成在每个平行四边形部件中，并且该平行四边形部件的光输入表面和光输出表面垂直于光通量100的光轴设置。但是，与在图3中所示的不同的是，相位调制元件20设置在每个平行四边形部件的光输出表面的大致左半部区域处。
光通量100在相位调制元件20没有设置在部件的相对侧(即上表面)处的位置处输入给每个平行四边形部件的下表面。第i个光通量100i在第i个偏振分离膜10i处分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。透射光(P偏振)按原样透射穿过第i个偏振分离膜10i。从第i个偏振分离膜10i反射出的反射光(S偏振)再次被第(i+1)个偏振分离膜10i+1反射，并且变为与透射光平行的光通量。第(i+1)个光通量100i+1在第(i+1)个偏振分离膜10i+1处分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。在用于偏振分离膜10的光通量100的入射角设定为大约30°(例如，如在图4中所示一样)时，第i个反射光在位于第i个透射光和第(i+1)个透射光之间的大致中间位置处输出。由于对于反射光设有相位调制元件20i例如1/2波长板，反射光转换成P偏振并且输出。其它反射光(S偏振)与上面的反射光相同。因此，作为非偏振输入给第1至第m个偏振分离膜10的光通量100作为P偏振输出。
在图5中，显示出以与输入光通量的间距相同的间距设置的平行四边形部件阵列的另一个实施例。该部件的粘接表面相对于输入光通量的光轴成大约30°(入射角大约为60°)。偏振分离膜10形成在每个平行四边形部件中，并且平行四边形部件的光输入表面和光输出表面与光通量100的光轴垂直地设置。相位调制元件20设置在平行四边形部件的光输入表面的大致左半部区域处。
光通量100在相位调制元件20设置在部件的相对侧(即，上表面)处的位置处输入给平行四边形部件的下表面。第i个光通量100i在第i个偏振分离膜10i处分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。透射穿过第i个偏振分离膜10i的透射光(P偏振)通过相位调制元件20i例如1/2波长板转换成S偏振，并且将该S偏振输出。从第i个偏振分离膜10i反射出的反射光(S偏振)通过第(i+1)个偏振分离膜10i+1再次反射，并且变为与透射光平行的光通量。第(i+1)个光通量100i+1在第(i+1)个偏振分离膜10i+1处分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。第(i+2)个光通量100i+2在第(i+2)个偏振分离膜10i+2处分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。在用于偏振分离膜10的光通量100的入射角设定为大约60°(例如，如在图5中所示一样)时，第i个反射光在位于第(i+1)个透射光和第(i+2)个透射光之间的大致中间位置处输出。由于对于反射光没有设置相位调制元件20，所以反射光按原样作为S偏振输出。其它反射光(S偏振)与上面的反射光相同。因此，作为非偏振输入给第1至第m个偏振分离膜10的光通量100作为S偏振输出。这样，在平行四边形部件中，透射光越过(cross)来自前面段的反射光；但是，由于光轴彼此不同，所以不会出现任何问题。
在图6中，显示出以与输入光通量的间距相同的间距设置的平行四边形部件阵列的另一个实施例。该部件的粘接表面相对于输入光通量的光轴成大约30°(入射角大约为60°)。偏振分离膜10形成在每个平行四边形部件中，并且平行四边形部件的光输入表面和光输出表面与光通量100的光轴垂直地设置。但是与在图5中所示的不同的是，相位调制元件20设置在平行四边形部件的光输入表面的大致右半部区域处。
光通量100在相位调制元件20未设置在部件的相对侧(即，上表面)处的位置处输入给平行四边形部件的下表面。第i个光通量100i在第i个偏振分离膜10i处分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。透射穿过第i个偏振分离膜10i的透射光(P偏振)按原样作为P偏振输出。从第i个偏振分离膜10i反射出的反射光(S偏振)通过第(i+1)个偏振分离膜10i+1再次反射，并且变为与透射光平行的光通量。第(i+1)个光通量100i+1在第(i+1)个偏振分离膜10i+1处分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。第(i+2)个光通量100i+2在第(i+2)个偏振分离膜10i+2处分成透射光(P偏振)和反射光(S偏振)。在用于偏振分离膜10的光通量100的入射角设定为大约60°(例如，如在图6中所示一样)时，第i个反射光在位于第(i+1)个透射光和第(i+2)个透射光之间的大致中间位置处输出。由于对于第i个反射光设有相位调制元件20i例如1/2波长板，所以第i个反射光转换成P偏振。其它反射光(S偏振)与上面的反射光相同。因此，作为非偏振输入给第1至第m个偏振分离膜10的光通量100作为P偏振输出。这样，在平行四边形部件中，透射光越过来自前面段的反射光；但是，由于光轴彼此不同，所以不会出现任何问题。
如图3至6所示一样，在采用平行四边形部件阵列的情况中，在光通量100相对于偏振分离膜10的入射角设定为30°或60°时，反射光在位于两个透射光中间的位置处输出。但是，由于反射光不与透射光重叠就足够了，所以入射角不必精确为30°或60°并且入射角可以大约为30°或60°。另外，在输入的光通量100的尺寸较薄时，可以很容易控制在平行四边形部件中的光通量，并且也能够很容易控制输出光。在光束(光通量100)更薄时，入射角和输入位置的公差会更大。
接下来将对根据当前实施例的偏光转换元件的端部结构进行说明。偏光转换元件的端部可以具有各种形状。图7为一示意图，显示出在图3和4中所示的偏光转换元件的端部的结构。图8为一示意图，显示出在图5和6中所示的偏光转换元件的端部的结构。
首先，对在图7中所示的结构进行说明。在图7中，光通量100相对于偏振分离膜10的入射角大约为30°。在图7(a)中，在每个端部处加入平行四边形部件。在该情况中，长度可以较长，但是由于中间部分的形状与端部的形状相同，所以可以通过简单斜切其中粘接有所需数量的平行四边形部件的长形构件来形成偏光转换元件。另外，如图7(b)和7(c)中所示一样，在将这些端部的不必要部分切掉时，可以缩短该偏光转换元件的总尺寸。在图7(d)中，从在图7(c)中所示的那个将第(m+1)个偏振分离膜10m+1(最后的薄膜)切掉，并且第m个光通量100m的反射光不能使用；但是，能够缩短该偏光转换元件的尺寸。因此，如果能够获得所期望的光量，则可以使用在图7(d)中所示的结构。这样，在如图7(e)所示将相位调制元件20设置在反射光侧处而不是设在图7(a)至7(d)中所示的透射光侧处时，相位调制部分20的数量为(m-1)。
接下来对在图8中所示的结构进行说明。在图8中，光通量100相对于偏振分离膜10的入射角大约为60°。在图8(a)中，与图7(a)类似，在每个端部处加入平行四边形部件。在与在图7(c)中所示的类似的图8(b)中，将这些端部的不必要部分切掉，并且在图8(c)中，与在图7(d)中所示的类似，从在图8(c)中所示的那个将第(m+1)个偏振分离膜10m+1(最后的薄膜)切掉，并且没有使用第m个光通量100m的反射光。在图8(d)中，相位调制元件20设置在反射光侧处而不是设在图8(c)所示的透射光侧处。在图8(e)中，第m个偏振分离膜10m从在图8(d)中所示的那个延伸出，并且加入第(m-1)个相位调制元件20m-1。在图8中所示的那个的光学效果与在图7中所示的那个的光学效果几乎相同；但是，其尺寸可以比在图7中所示的那个更短。在图8(d)的情况中，由于不能使用第m和第(m-1)反射光，所以相位调制元件20的数量为(m-2)。在图8(e)的情况中，使用了第(m-1)反射光。
接下来，将对本发明的第二实施例进行说明。在本发明的第二实施例中，描述了使用了板状偏振分离元件而不是使用平行四边形部件的偏光转换元件。使用了板状偏振分离元件的偏光转换元件可以获得与在使用了平行四边形部件的偏光转换元件中相同的效果。
图9为一示意图，显示出根据本发明第二实施例的使用了板状偏振分离元件的偏光转换元件的第一结构。图10为一示意图，显示出根据本发明第二实施例的使用了板状偏振分离元件的偏光转换元件的第二结构。
在图9中，与在图4中所示的对应，代替平行四边形部件，在偏光转换元件中布置有多个板状偏振分离元件30。该板状偏振分离元件30以与来自在蝇眼透镜2000中的透镜的光通量的间距相同的间距布置，从而板状偏振分离元件30的偏振分离表面相对于输入光通量的光轴成大约60°(对于板状偏振分离元件30的入射角大约为30°)。通向支撑着偏光转换元件的框架的光输入表面和来自支撑着偏光转换元件的框架的光输出表面与光通量的光轴垂直，并且与在图4中所示的类似，相位调制元件40例如1/2波长板设置在支撑着板状偏振分离元件30的框架的光输出表面的大致左半部区域处。
在图10中，与在图5中所示的对应，代替平行四边形部件，在偏光转换元件中布置有多个板状偏振分离元件50。该板状偏振分离元件30以与来自在蝇眼透镜2000中的透镜的光通量的间距相同的间距布置，从而板状偏振分离元件30的偏振分离表面相对于输入光通量的光轴成大约30°(对于板状偏振分离元件50的入射角大约为60°)。通向支撑着偏光转换元件的框架的光输入表面和来自支撑着偏光转换元件的框架的光输出表面与光通量的光轴垂直，并且与在图5中所示的类似，相位调制元件60例如1/2波长板设置在支撑着板状偏振分离元件50的框架的光输出表面的大致左半部区域处。
在图9和10中所示的使用了板状偏振分离元件30(50)的偏光转换元件的情况中，如上所述，板状偏振分离元件30(50)和相位调制元件40(60)由适当的框架支撑。例如可以通过单面多层薄膜、其两侧由透明材料夹着的多层薄膜或者线栅过滤器来形成板状偏振分离元件30(50)；因此，在设计中的自由度可以较大。另外，不需要进行抛光过程；因此能够降低成本。
图11为在图9中所示的偏光转换元件的改进实施例。图12为在图10中所示的偏光转换元件的改进实施例。如图11和12所示，在板状偏振分离元件30(50)的情况中，相位调制元件40(60)可以设置在除了支撑着偏光转换元件的框架的光输出表面之外的位置处。在图11中，相位调制元件40设置在板状偏振分离元件30之间。在板状偏振分离元件30处的反射光(S偏振)在相位调制元件40处转换成P偏振，并且P偏振在下一个板状偏振分离元件30处反射出。在图12中的操作与在图11中的那些相同。
在使用板状偏振分离元件30(50)时，存在这样的危险，即透射光和反射光沿着入射角随着板状偏振分离元件30(50)的厚度变大而变大的方向以相同的间距输出，从而偏振分离表面的最佳角度受到板厚的影响。在入射角为30°时，由板厚引起的在最佳入射角上的影响会较小，但是在入射角为60°时，由板厚引起的在最佳入射角上的影响会较大。但是，与平行四边形部件的情况类似，只要透射光和反射光没有重叠就足够了。因此，透射光和反射光不必以相同的间距输出。角度误差在光通量变薄时变宽。
图13为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的在其光输入表面上形成有挡光板(薄膜)的偏光转换元件。图14为一示意图，显示出根据本发明第一实施例的在其光输入表面上形成有挡光板(薄膜)的另一个偏光转换元件。在图13和14中，挡光板70形成在平行四边形部件的光输入表面上。挡光板70还可以形成在具有板状偏振分离元件的偏光转换元件的光输入表面上。在挡光板70形成在偏光转换元件的光输入侧表面上时，通过阻挡不必要的光和闪烁光从而能够使得偏光转换效率较高。在该情况中，通过透射全部光通量的一半来进行偏光转换。
图15为一示意图，显示出根据本发明第三实施例的光学系统的第一实施例，其中偏光转换元件中心对称地设置。图16为一示意图，显示出根据本发明第三实施例的光学系统的第二实施例，其中偏光转换元件中心对称地设置。图17为一示意图，显示出根据本发明第三实施例的光学系统的第三实施例，其中偏光转换元件中心对称地设置。图18为一示意图，显示出根据本发明第三实施例的光学系统的第四实施例，其中偏光转换元件中心对称地设置。
该偏光转换的操作与上述那些相同；但是，在偏光转换元件中心对称地设置在光学系统中时，光路可以中心对称地形成。因此，能够很容易建立光学系统的总体结构。由于偏光转换元件中心对称地设置，所以一般来说对于光通量(光束)的数量为“m”而言，偏振分离元件的数量为“m+2”并且相位调制元件的数量为“m”。如图16所示，最小单元为“m＝2”的情况，即偏光分离元件10的数量为四个(101至104)，并且相位调制元件20的数量为两个(201至202)。
在图15、17和18中，显示出这样的实施例，其中偏光转换元件与由用在图像投影设备例如投影仪中的第一蝇眼透镜2000-1和第二蝇眼透镜2000-2构成的光学积分器结合在一起。在图15、17和18中所示的光学积分器与在图27和28中所示的光学积分器1003对应。
在图15中，两个偏光转换元件200和300相对于第二蝇眼透镜2000-2的中心对称地设置。在图17中，在偏光转换元件200和300的光输入表面上另外形成有挡光板70。在图18中，通过使板状偏振分离元件50相对于第二蝇眼透镜2000-2的中心对称地设置来形成偏光转换元件400，并且相位调制元件60设置在两个板状偏振分离元件50之间。在图15、17和18中，光通量不是平行光；但是，这些光通量聚集在第二蝇眼透镜2000-2上。因此，输入给偏光转换元件200和300或400的光束较薄，并且在没有损失光量的情况下进行偏光转换。在图17中，挡光板70可以是不必要的，因为聚集在第二蝇眼透镜2000-2上的光通量输入给偏光转换元件200和300；但是，在偏光转换元件200和300用在图像投影设备例如投影仪中时，光实际上会进入到图像投影设备的不必要部分中。挡光板70用来阻挡光进入这些不必要部分中。
图19为一示意图，显示出根据本发明另一个实施例的偏光转换元件的结构。在图19中，通过使得光通量100的间距与偏振分离元件10的间距不同，从而使偏振分离元件(薄膜)10相对于光通量100的光轴成45度角设置。也就是说，来自偏振分离元件10i的反射光(S偏振)在与相对于偏振分离元件10i+1的输入光位置不同的位置处沿着与透射光(P偏振)在偏振分离元件10i处的方向相同的方向反射。在一个相位调制元件20(i+1)/2例如1/2波长板处将在偏振分离膜10i和10i+1处的透射光(P偏振)调制成S偏振，并且将该S偏振输出。在可选的实施例中，如果相位调制元件20设置在反射光(S偏振)的光输出表面上，则透射光和反射光的输出光可以为P偏振。另外，如果使用了板状偏振分离元件30，则通过使光通量100的间距与板状偏振分离元件30的间距不同，从而可以使板状偏振分离元件30相对于光通量100的光轴成45°设置。在上面的结构中，相位调制元件20的数量可以大约为光通量100的数量的一半。
接下来，将对本发明的第四实施例进行说明。图20为一示意图，显示出根据本发明第四实施例的第一偏光转换元件。图21为一示意图，显示出根据本发明第四实施例的第二偏光转换元件。图22为一示意图，显示出根据本发明第四实施例的第三偏光转换元件。图23为一示意图，显示出根据本发明第四实施例的第四偏光转换元件。在该第四实施例中，相位调制元件设置在偏振分离元件附近并且与之平行，从而相位调制元件面对着偏振分离元件。尤其是，在偏振分离元件与相位调制元件平行地设置时，可以采用其中偏振分离元件与相位调制元件平行地层叠的结构，并且还可以采用其中相位调制元件紧挨着设置在偏振分离元件上的结构。因此，这两个元件都能够以高精度设置。另外，能够很容易制造偏光转换元件。这将在下面进行详细说明。
作为相位调制元件，与第一至第三实施例类似，1/2波长板是合适的。另外，作为相位调制元件，可以采用具有1/2波长板功能的元件例如具有相位差的薄膜式1/2波长元件，由云母制成的1/2波长元件以及通过结构双折射而具有1/2波长功能的元件。
作为偏振分离元件，可以采用对光通量具有偏振分离特性的元件例如由介电质多层形成的偏振光束分光器以及由金属格栅制成的线栅式偏振光束分光器。通过只是布置其数量与输入光通量相同的偏振转换部分(偏光元件)从而能够很容易制造偏光转换元件。另外，由于相位调制元件设在偏光转换元件中，所以可以使偏光转换元件的特性稳定。另外，由于通过使用其上形成有该偏振分离元件的玻璃基板，所以1/2波长板能够紧挨着设置在偏光分离元件上，所以导热性会较高并且能够提高耐热性。下面将对该玻璃基板进行说明。
在图20中，与在图3中所示的类似，布置有多边形部件110(在一些情况中，在下面被称为偏光元件)，其中多边形部件110的光输入表面和光输出表面与输入的光通量100的光轴垂直并且多边形部件110的粘接表面相对于输入光通量100的光轴成大约60°(入射角大约为30°)。另外，例如由偏振分离薄膜制成的偏振分离元件101设置在粘接表面上，并且相位调制元件102紧挨着设置在位于偏振分离元件101上的大致右半部区域上。
接下来，将对在图20中所示的偏光转换元件的操作进行说明。将光通量100输入给相应的偏光元件110(平行四边形部件)。输入给第i个偏光元件110i的光通量100i分成由偏振分离元件101i反射的S偏振和透射穿过偏振分离元件101i的P偏振。P偏振通过透射穿过相位调制元件102i而转换成S偏振。由偏振分离元件101i反射的S偏振输入给第(i+1)个偏光元件110i+1的第(i+1)个偏振分离元件101i+1的一部分，在那里不存在相位调制元件102i+1，并且由第(i+1)个偏振分离元件101i+1再次反射。由于多个偏振元件110几乎平行设置，所以偏光元件110i的透射光和偏光元件110i+1的反射光沿着几乎相同的方向输出。
同样，输入给第(i+1)个偏光元件110i+1的光通量100i+1通过偏光元件110i+1的偏振分离元件101i+1分成S偏振和P偏振。P偏振(透射光)通过透射穿过相位调制元件102i+1而转换成S偏振。由偏振分离元件101i+1反射的S偏振输入给第(i+2)个偏光元件110i+2的第(i+2)个偏振分离元件101i+2的一部分，在那里不存在相位调制元件102i+2，并且由第(i+2)个偏振分离元件101i+2沿着透射光的相同方向再次反射。
如上所述，在图20中，与在图3中所示的类似，随机或者作为非偏振输入给偏光元件110的光通量100作为S偏振输出。另外，由于相位调制元件102紧挨着设置在偏光分离元件101上，相位调制元件102能够以高精度设置，并且偏光转换元件的结构是简单的。
仍然参照图20，如果相位调制元件102设置在位于偏振分离元件101上的大致左半部区域上，与在图4中所示的类似，随机或者作为非偏振输入给偏光元件110的光通量100作为P偏振输出。
在图21中，与在图5中所示的类似，布置有多个平行多边形部件110(在一些情况中，在下面被称为偏光元件)，其中平行四边形部件110的光输入表面和光输出表面与输入的光通量100的光轴垂直并且平行四边形部件110的粘接表面相对于输入的光通量100的光轴成大约30°(入射角大约为60°)。另外，偏振分离元件101设置在粘接表面上，并且相位调制元件102紧挨着设置在偏振分离元件101的大致左半部区域上。
在图21中所示的偏光转换元件的操作与在图20中所示的那些基本上相同。光通量100输入给相应的偏光元件110。输入给第i个偏振元件110i的光通量100i分成由偏振分离元件101i反射的S偏振和透射穿过偏振分离元件101i的P偏振。P偏振通过透射穿过相位调制元件102i而转换成S偏振。由偏振分离元件101i反射的S偏振输入给第(i+1)个偏光元件110i+1的第(i+1)个偏振分离元件101i+1的一部分，在那里不存在相位调制元件102i+1，并且由第(i+1)个偏振分离元件101i+1再次反射，并且沿着与透射光相同的方向输出。
输入给第(i+1)个偏光元件110i+1的光通量100i+1通过偏光元件110i+1的偏振分离元件101i+1分成S偏振和P偏振。P偏振通过透射穿过相位调制元件102i+1而转换成S偏振，并且经过转换的S偏振在光通量100i的透射光和反射光之间的位置处输出。由偏振分离元件101i+1反射的S偏振输入给第(i+2)个偏光元件110i+2的第(i+2)个偏振分离元件101i+2的一部分，在那里不存在相位调制元件102i+2，并且由第(i+2)个偏振分离元件101i+2沿着偏振分离元件101i+1的透射光的相同方向再次反射。
如上所述，在图21中，与在图5中所示的类似，随机或者作为非偏振输入给偏光元件110的光通量100作为S偏振输出。另外，由于相位调制元件102紧挨着设置在偏光分离元件101上，相位调制元件102能够以高精度设置，并且偏光转换元件的结构是简单的。
仍然参照图21，如果相位调制元件102设置在位于偏振分离元件101上的大致右半部区域上，与在图6中所示的类似，输入给偏光元件110的光通量100作为P偏振输出。
在图22中，与在图20中所示的类似，布置有多个平行多边形部件110(在一些情况中，在下面被称为偏光元件)，其中平行四边形部件110的粘接表面相对于输入的光通量100的光轴成大约60°(入射角大约为30°)。然而，相位调制元件102设置在偏振分离元件101的大致整个区域上。另外，第二相位调制元件103与偏振分离元件101和相位调制元件102平行地设置。
接下来将对在图22中所示的偏光转换元件的操作进行说明。光通量100输入给相应的偏光元件110。输入给第i个偏光元件110i的光通量100i透射穿过第二相位调制元件103i，并且分成由偏振分离元件101i反射的S偏振和透射穿过偏振分离元件101i的P偏振。P偏振通过透射穿过相位调制元件102i而转换成S偏振。由偏振分离元件101i反射的S偏振通过透射穿过第二相位调制元件103i而转换成P偏振，并且将转换成的P偏振输入给偏光元件110i+1的相位调制元件102i+1。转换成的P偏振通过透射穿过偏光元件110i+1的相位调制元件102i+1而转换成S偏振，并且转换成的S偏振在偏振分离元件101i+1处反射并且通过透射穿过相位调制元件102i+1而转换成P偏转，然后该P偏振通过透射穿过第二相位调制元件103i而再次转换成S偏振，并且将转换成的S偏振输出。输入给第(i+1)个偏光元件110i+1的光通量100i+1的操作与上述那些相同。由于多个偏光元件110基本上相互平行地布置，所以透射光和反射光沿着基本上相同的方向输出。
如上所述，在图22中，随机或者作为非偏振输入给偏光元件110的光通量100作为S偏振输出。另外，由于偏振分离元件101以及相位调制元件102和103具有几乎相同的结构，所以其制造比在图20和21中所示的更容易，并且在图22中所示的偏光转换元件适用于大规模生产。
在图23中所示的偏光转换元件为在图22中所示的改进实施例。也就是说，偏振分离元件101和相位调制元件102与在图22中所示的那些相反地设置，并且使输出光为P偏振。除了上面的说明之外，其它与在图22中所示的那些相同。
下面将对在图23中所示的偏光转换元件的操作进行说明。将这些光通量100输入给相应的偏光元件110。输入给第i个偏光元件110i的光通量100i透射穿过第二相位调制元件103i和相位调制元件102i，并且分成由偏振分离元件101i反射的S偏振和透射穿过偏振分离元件101i的P偏振。P偏振(透射光)按原样输出。由偏振分离元件101i反射的S偏振通过透射穿过相位调制元件102i而转换成P偏振，并且转换成的P偏振通过透射穿过第二相位调制元件103i而转换成S偏振，并且将S偏振输入给偏光元件110i+1的偏振分离元件101i+1。S偏振由偏振分离元件101i+1反射，并且通过再次透射穿过第二相位调制元件103i而转换成P偏振，并且将转换成的P偏振输出。输入给第(i+1)偏光元件110i+1的光通量100i+1的操作与上述那些相同。由于多个偏光元件110基本上相互平行地布置，所以透射光和反射光沿着基本上相同的方向输出。
接下来，将对在图20和22中所示的偏光转换元件的制造过程进行说明。图24为一示意图，显示出在图20中所示的偏光转换元件的制造过程。在图24中，(a)显示出第一过程，(b)显示出第二过程，并且(c)显示出第三过程。首先，在图24(a)中所示的第一过程中，变为偏振分离元件101的偏振分离膜形成在两个表面基本上平行的板状基板(例如，由玻璃制成的)120上，并且变为相位调制元件102的相位调制功能部分直接或通过缓冲层形成在偏振分离膜上，从而没有相位调制功能的部分以相同的间距形成在两个相邻相位调制功能部分之间。例如通过将笛片状薄膜式1/2波长板粘接在这些部分处或者通过将多块1/2波长板粘接在偏振分离膜上来形成相位调制功能部分。必要时，缓冲层通过粘接剂或通过向偏振分离元件101和/或相位调制元件102施加表面处理而形成在偏振分离元件101和相位调制元件102之间，从而提高了在它们之间的粘接强度。在第一过程中，制造出其中形成有偏振分离元件101和相位调制元件102的多个偏光元件基板125。
接下来在图24(b)中所示的第二过程中，其中通过使每个偏光元件基板125沿着相位调制元件102的布置方向偏移预定长度P，来用粘接剂层叠出形成有偏振分离元件101和相位调制元件102的多个偏光元件基板125。这样，在形成有偏振分离元件101和相位调制元件102的一块偏光元件基板125的表面粘接在没有形成偏振分离元件101和相位调制元件102的另一块偏光元件基板125的表面上。在多块偏光元件基板125的粘接中，施加热固性粘接剂，涂覆UV粘接剂，或者利用紫外线进行硬化。即使在通过设置笛片状1/2波长板而在偏振分离膜上形成小台阶时，粘接剂也会使该表面平坦化。通过利用具有结构双折射而带来的相位调制功能的元件来形成相位调制元件102。在该情况中，可以忽略相位调制元件102的厚度。
接下来，在图24(c)中所示的第三过程中，层叠的多块偏光元件基板125通过沿着层叠方向倾斜预定长度而被平行切割，然后形成具有平行四边形形状的偏光转换元件。最后，可以通过在切割表面上施加镜面抛光来获得具有多个平行四边形部件的偏光转换元件。
在其中将笛片状波长板粘接在基板上的结构中，存在由于粘接剂的低耐热性而导致出现燃烧的危险。但是，在当前实施例中，由于波长板与偏振分离元件一起形成在基板上，所以基板的导热性较高，并且波长板的耐热性也变得较高。也就是说，能够提高偏光转换元件的可靠性。也可以通过与上述那些类似的过程制造出在图21中所示的偏光转换元件。
图25为一示意图，显示出在图22中所示的偏光转换元件的制造过程。在图25中，(a)显示出第一过程，(b)显示出第二过程，并且(c)显示出第三过程。首先，在图25(a)中所示的第一过程中，变为偏振分离元件101的偏振分离膜形成在其两个表面基本上平行的板状基板(例如，由玻璃制成的)120上，并且变为相位调制元件102的相位调制功能部分形成在偏振分离膜上；由此，形成偏光元件基板125。在这里，在图25中所示的偏光元件基板125与在图24中所示的并不完全一样；但是，使用了相同的附图标号。另外，变为第二相位调制元件103的相位调制膜形成在其形状和厚度与板状基板120的那些基本上相同的板状基板130(例如，由玻璃制成)上；由此，形成相位调制元件基板135。然后，通过将相位调制元件基板135粘接在偏光元件基板125的相位调制膜上来形成层叠组件140。作为相位调制元件102和第二相位调制元件103，优选采用1/2波长板，并且简单地将1/2波长板层叠在板状基板120的偏光分离膜上以及板状基板130上。在将相位调制元件基板135粘接在偏光元件基板125上之前，必要时形成缓冲层。该缓冲层通过粘接剂或者通过向偏振分离膜、相位调制膜和/或基板施加表面处理而形成在偏光分离膜和相位调制膜之间以及相位调制膜和基板之间，从而提高了在它们之间的粘接强度。在第一过程中，制造出其中层叠有偏光转换元件基板125和相位调制元件基板135的多个层叠组件140。
接下来在图25(b)中所示的第二过程中，通过粘接剂层叠多个层叠组件140。在多个层叠组件140的叠层中，施加热固性粘接剂，施加UV粘接剂涂层，或者利用紫外线进行硬化。在层叠过程中，通过使每个层叠组件140沿着层叠组件140的延伸方向偏移预定长度来层叠多个层叠组件，从而一个层叠组件140的板状基板140的下表面粘接在另一个层叠组件140的相位调制膜上。
接下来，在图25(c)中所示的第三过程中，层叠的多块层叠单元140通过沿着层叠方向倾斜预定长度而被平行切割，然后形成具有平行四边形形状的偏光转换元件。最后，可以通过在切割表面上施加镜面抛光来获得具有多个平行四边形部件的偏光转换元件。
如上所述，如图25所示，在图22中所示的偏光转换元件的制造过程中，无需笛片状1/2波长板，并且基本上形成偏振分离膜和相位调制膜。因此，制造过程简单。在这里，当在偏光元件基板125中的板状基板120上形成偏振分离膜和相位调制膜的顺序相反时，形成在图23中所示的偏光转换元件。
另外，如在图20中所示的偏光转换元件的制造过程中所述一样，在其中将笛片状波长板粘接在基板上的结构中，存在由于粘接剂的低耐热性而导致出现燃烧的危险。但是，在当前实施例中，由于波长板与偏振分离元件一起形成在基板上，所以基板的导热性较高，并且波长板的耐热性也变得较高。也就是说，能够提高偏光转换元件的可靠性。另外，由于相位调制元件135和偏光元件基板125具有相同的图案，所以能够很容易实现偏光转换元件的大规模生产。
在图20至23中所示的偏光转换元件中，如图13和14中所示，可以在光通量输入的偏光转换元件的表面上形成挡光板(薄膜)。另外，如图15至18所示一样，偏光转换元件能够中心对称地布置。
接下来将对其中偏光转换元件用在偏光转换光学系统中的实施例进行说明。图26为一示意图，显示出使用了在图20中所示的偏光转换元件的偏光转换光学系统(照明系统)。在图26中，使用了在图20中所示的偏光转换元件；但是在该照明系统中可以使用任意的偏光转换元件。
在图26中，来自光源的光通量400通过聚光元件410分成多个光通量420。聚光元件410为在照明系统中的一个元件，该元件使得来自单个光源的光通量合成一体，并且通常为蝇眼透镜(或者双凸透镜阵列)，其中透镜阵列二维设置。使用了两个蝇眼透镜410和430，并且第二个蝇眼透镜430设置在第一蝇眼透镜410(聚光元件)的聚光点(瞳孔位置)附近，然后形成单个光源的多个图像。多个图像变为二次点光源(secondary point light source)。该二次点光源形成为与第二蝇眼透镜430的阵列间距对应的阵列。通过使用聚光透镜460等将多个点光源照射在所要照射的物体上。然后，获得均匀的照明。这种照明系统用在照明设备例如需要均匀照明的曝光和投影仪中。
如图15和17所示，在照明系统中，为了有效地使得分开的多个照明光通量成为一个偏振方向的光通量，使用了根据本发明实施例的偏光转换元件450。另外，挡光部分440设在偏光转换元件450的光通量输入侧上。这与在图17中所示的相同。
在普通的照明系统中，由于设有在图29A或29B中所示的偏光转换元件，所以需要其数量为分开光通量数量两倍的偏光转换元件。但是，在本发明中，偏光转换部分的数量为分开的光通量的数量。严格的说，如图26所示，四个光通量420只需五个偏光转换部分(偏光元件)就足够了。也就是说，偏光转换部分的数量在照明光通量的数量上增加一个。
在图26中所示的照明光通量的数量是一示例，并且实际上为所需光通量的数量。根据光通量的数量来确定偏光转换部分的数量。
如上所述，根据本发明的这些实施例，偏光转换部分(偏光元件)在偏光转换元件中布置的数量少于在普通照明系统中的数量。因此，根据本发明这些实施例的照明系统能够以较低成本形成。另外，由于布置数量较少，也就是说布置间距变得相对较大；因此，偏光转换部分的间距误差和设置误差变得较小，并且能够实现具有高偏光转换效率的照明系统。另外，为了实现其中使得偏振方向为一个方向的照明系统，在图26中，挡光部分440设置在偏光转换元件450的光通量输入侧上。传统上，由于在聚光元件周围的象差和光源的尺寸限制，所以聚光能力变差，并且偏光也由于从输入位置之外的其它位置输入给偏光转换元件的光通量而变差。但是，在设有挡光部分440时，可以实现具有高偏光的照明系统。
在将根据本发明这些实施例的偏光转换元件设置在照明系统中时，可以实现其中设有照明系统的图像投影设备。也就是说，使用了根据本发明这些实施例的偏光转换元件的照明系统(偏光转换光学系统)可以应用于在图27和28中所示的图像投影设备。在将该偏光转换元件用在图像投影设备中时，是否采用P偏振或S偏振取决于成像元件例如液晶元件的偏光相关性，并且通过成像元件的特性来确定偏振方向。
另外，本发明不限于这些实施例，但是可以在不脱离本发明范围的情况下作出各种变化和变型。
本申请基于在日本专利局于2005年8月18日提交的日本在先专利申请No.2005-237496和2006年6月7日提交的日本在先专利申请No.2006-158217，这些在先申请的全部内容在这里被引用作为参考。

Claims (27)

1.一种偏光转换元件，它包括：
多个偏振分离部分；和
多个相位调制部分，其中：
输入给多个偏振分离部分中每一个的光通量分成透射光和反射光，并且一个偏振分离部分的反射光在相邻偏振分离部分的与相邻光通量输入给相邻偏振分离部分的位置不同的位置处再次反射，并且其中每个反射光沿着与透射光的方向基本上相同的方向输出，并且
所述相位调制部分设置在透射光的光路上或设在反射光的光路上。
2.如权利要求1所述的偏光转换元件，其中：
所述偏振分离部分的数量为“m+1”，其中“m”为2或更大的整数，并且所述相位调制部分的数量为“m”，并且
第i光通量，其中“i”为1、2、...或m，在第i偏振分离部分处分成透射光和反射光，且透射光在第i相位调制部分处输出，并且反射光在第“i+1”偏振分离部分处再次反射并沿着与透射光的方向相同的方向输出。
3.如权利要求1所述的偏光转换元件，其中：
偏振分离部分的数量为“m+1”，其中“m”为2或更大的整数，并且相位调制部分的数量为“m”，并且
第i光通量，其中“i”为1、2、...或m，分成在第i偏振分离部分处分成透射光和反射光，并且透射光按原样输出，反射光在第“i+1”偏振分离部分处再次反射并且在第i相位调制部分处沿着与透射光的方向相同的方向输出。
4.如权利要求1所述的偏光转换元件，其中：
偏振分离部分的数量为“m”，并且相位调制部分的数量为“m”，并且
第i光通量，其中“i”为1、2、...或m，在第i偏振分离部分处分成透射光和反射光，并且透射光在第i相位调制部分处输出，并且反射光在第“i+1”偏振分离部分处再次反射并且沿着与透射光的方向相同的方向输出，此外不存在任何从中第m反射光能够再次反射的第m+1偏振分离部分。
5.如权利要求1所述的偏光转换元件，其中：
偏振分离部分的数量为“m”，并且相位调制部分的数量为“m-1”，并且
第i光通量，其中“i”为1、2、...或m，在第i偏振分离部分处分成透射光和反射光，并且透射光按原样输出，并且反射光在第“i+1”偏振分离部分处再次反射并且在第“i”相位调制部分处沿着与透射光的方向相同的方向输出，此外不存在任何从中第m反射光能够再次反射的第m+1偏振分离部分，并且不存在任何能够输出第m反射光的第m相位调制部分。
6.如权利要求1所述的偏光转换元件，其中：
偏振分离部分的数量为“m”，并且相位调制部分的数量为“m-2”，并且
第i光通量，其中“i”为1、2、...或m，在第i偏振分离部分处分成透射光和反射光，并且透射光按原样输出，并且反射光在第“i+1”偏振分离部分处再次反射并且在第i相位调制部分处沿着与透射光的方向相同的方向输出，此外不存在任何从中相应的第m和第m-1反射光能够再次反射的第m或第m+1偏振分离部分，并且不存在任何能够输出第m或第m-1反射光的第m或第m-1相位调制部分。
7.如权利要求1所述的偏光转换元件，还包括：
多个多边形部件，其光输入表面和其光输出表面与光通量输入轴线垂直，并且其与相邻平行四边形部件的粘接表面相对于光通量输入轴线成大约60°的斜度，其中偏振分离部分设置在粘接表面上，并且相位调制部分设置在每个平行四边形部件的光输出表面的大致右半部区域上。
8.如权利要求1所述的偏光转换元件，还包括：
多个多边形部件，其光输入表面和其光输出表面与光通量输入轴线垂直，并且其与相邻平行四边形部件的粘接表面相对于光通量输入轴线成大约60°的斜度，其中偏振分离部分设置在粘接表面上，并且相位调制部分设置在每个平行四边形部件的光输出表面的大致左半部区域上。
9.如权利要求1所述的偏光转换元件，还包括：
多个多边形部件，其光输入表面和其光输出表面与光通量输入轴线垂直，并且其与相邻平行四边形部件的粘接表面相对于光通量输入轴线成大约30°的斜度，其中偏振分离部分设置在粘接表面上，并且相位调制部分设置在每个平行四边形部件的光输出表面的大致左半部区域上。
10.如权利要求1所述的偏光转换元件，还包括：
多个多边形部件，其光输入表面和其光输出表面与光通量输入轴线垂直，并且其与相邻平行四边形部件的粘接表面相对于光通量输入轴线成大约30°的斜度，其中偏振分离部分设置在粘接表面上，并且相位调制部分设置在每个平行四边形部件的光输出表面的大致右半部区域上。
11.如权利要求1所述的偏光转换元件，其中所述偏振分离元件分别包括相对于光通量输入轴线倾斜大约60°的多个板状偏振分离元件，并且其中相位调制部分分别包括设在每个板状偏振分离元件的透射光的相应光路上的1/2波长板。
12.如权利要求1所述的偏光转换元件，其中所述偏振分离元件分别包括相对于光通量输入轴线倾斜大约60°的多个板状偏振分离元件，并且其中相位调制部分分别包括设在每个板状偏振分离元件的反射光的相应光路上的1/2波长板。
13.如权利要求1所述的偏光转换元件，其中所述偏振分离元件分别包括相对于光通量输入轴线倾斜大约30°的多个板状偏振分离元件，并且其中相位调制部分分别包括设在每个板状偏振分离元件的透射光的相应光路上的1/2波长板。
14.如权利要求1所述的偏光转换元件，其中所述偏振分离元件分别包括相对于光通量输入轴线倾斜大约30°的多个板状偏振分离元件，并且其中相位调制部分分别包括设在每个板状偏振分离元件的反射光的相应光路上的1/2波长板。
15.如权利要求1所述的偏光转换元件，还包括：多个平行四边形部件，其光输入表面和其光输出表面与光通量输入轴线垂直，并且其与相邻平行四边形部件的粘接表面相对于光通量输入轴线成大约60°的斜度，其中偏振分离部分设置在粘接表面上，并且相位调制部分与偏振分离部分平行地设置，从而面对着每个平行四边形部件的偏振分离部分上表面的大致右半部区域上。
16.如权利要求1所述的偏光转换元件，还包括：多个平行四边形部件，其光输入表面和其光输出表面与光通量输入轴线垂直，并且其与相邻平行四边形部件的粘接表面相对于光通量输入轴线成大约60°的斜度，其中偏振分离部分设置在粘接表面上，并且相位调制部分与偏振分离部分平行地设置，从而面对着每个平行四边形部件的偏振分离部分上表面的大致左半部区域上。
17.如权利要求1所述的偏光转换元件，还包括：多个平行四边形部件，其光输入表面和其光输出表面与光通量输入轴线垂直，并且其与相邻平行四边形部件的粘接表面相对于光通量输入轴线成大约30°的斜度，其中偏振分离部分设置在粘接表面上，并且相位调制部分与偏振分离部分平行地设置，从而面对着每个平行四边形部件的偏振分离部分上表面的大致左半部区域上。
18.如权利要求1所述的偏光转换元件，还包括：多个平行四边形部件，其光输入表面和其光输出表面与光通量输入轴线垂直，并且其与相邻平行四边形部件的粘接表面相对于光通量输入轴线成大约30°的斜度，其中偏振分离部分设置在粘接表面上，并且相位调制部分与偏振分离部分平行地设置，从而面对着每个平行四边形部件的偏振分离部分上表面的大致右半部区域上。
19.如权利要求1所述的偏光转换元件，还包括：多个平行四边形部件，其光输入表面和其光输出表面与光通量输入轴线垂直，并且其与相邻平行四边形部件的粘接表面相对于光通量输入轴线成大约30°的斜度，其中偏振分离部分和相位调制部分平行地设置在粘接表面上从而彼此面对，并且在每个平行四边形部件中与偏振分离部分和相位调制部分平行地设有第二相位调制部分。
20.如权利要求19所述的偏光转换元件，其中偏振分离部分和相位调制部分按照这个顺序设置在粘接表面上。
21.如权利要求19所述的偏光转换元件，其中相位调制部分和偏振分离部分按照这个顺序设置在粘接表面上。
22.如权利要求1所述的偏光转换元件，还包括：
设置在偏光转换元件的光通量输入表面上的挡光组件，以便阻挡除了输入光通量的光之外的光。
23.如权利要求1所述的偏光转换元件，其中所述偏光转换元件设置成中心对称。
24.一种制造偏光转换元件的方法，该方法包括以下步骤：
在板状基板上形成偏振分离膜；
以预定的间距将1/2波长板粘接在偏振分离膜上，由此形成偏光元件基板；
通过层叠多块偏光元件基板来形成层叠体，从而一个偏光元件基板的其上形成有偏振分离膜和1/2波长板的表面粘接在另一块偏光元件基板的其上没有形成偏振分离膜和1/2波长板的表面上，其中每块偏光元件基板沿着1/2波长板的布置方向偏移预定长度；并且
通过沿着层叠方向倾斜所偏移的预定长度来切割所述层叠体，由此形成具有平行四边形形状的偏光转换元件。
25.一种制造偏光转换元件的方法，该方法包括以下步骤：
在第一板状基板上形成偏振分离膜；
在偏振分离膜上形成第一相位调制膜，由此形成偏光元件基板；
在第二板状基板上形成第二相位调制膜，由此形成相位调制元件基板，其中第二板状基板的厚度与第一板状基板的厚度基本上相同；
通过将相位调制元件基板粘接在偏光元件基板上来形成层叠组件；
通过层叠多个层叠组件来形成层叠体，从而一个层叠组件的第一板状基板的下表面粘接在另一个层叠组件的第二相位调制膜上；并且
通过沿着层叠方向倾斜所偏移的预定长度来切割所述层叠体，由此形成具有平行四边形形状的偏光转换元件。
26.一种偏光转换光学系统，该系统包括：
如权利要求1所述的偏光转换元件；以及
双凸透镜阵列或蝇眼透镜，其透镜间距为与偏光转换元件的偏振分离部分的间距相同的布置间距，其中
双凸透镜阵列或蝇眼透镜设置在所述偏光转换元件的前面，并且透射穿过在双凸透镜阵列或蝇眼透镜中的第i透镜(i为整数)的光通量输入给第i偏振分离部分。
27.一种图像投影设备，该图像投影设备通过投影光学系统投影具有偏振相关性的成像元件的图像，该设备包括：
位于用来照明所述成像元件的照明系统的光路上的如权利要求26所述的偏光转换光学系统。
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