JP2002544561A - 広角偏光ビームスプリッタを使用した反射lcd投影システム - Google Patents
広角偏光ビームスプリッタを使用した反射lcd投影システムInfo
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Abstract
Description
する。特に、本発明は、反射イメージャ、及び固定偏光軸を有するデカルト広角
偏光ビームスプリッタ(「PBS」)を含む光学イメージシステムに関する。本
発明の光学イメージシステムは、高コントラスト比を提供しながらも「高速」(
低Fナンバー)の光ビームに使用できる。光学イメージシステムという用語には
、反射投影及びリア投影システム、投影ディスプレイ、ヘッドマウンテッドディ
スプレイ、バーチャルビューア、ヘッドアップディスプレイ、光学計算、光学相
関、及びその他の類似の光学観察及び表示システムが含まれる。
いても構わない。通常の透過光バルブでは、光ビームの一定部分がその光バルブ
を透過して画像を形成する。その機能によって、透過光バルブは透光性を有し、
光はこれを透過できる。また、反射光バルブは、入力ビームの選択部分だけを反
射して画像を形成する。反射光バルブでは、制御回路が反射面の下に配置でき、
またその不透明性による基板材質の制限がなければより高度な集積回路技術が利
用可能になることから、重要な利点を提供する。反射LCマイクロディスプレイ
の使用によって、新しく潜在的に安価でコンパクトな液晶カラーディスプレイ(
LCD)プロジェクタ構成が可能になるかもしれない。
偏光ビームスプリッタとイメージャ間の同一物理空間を共有する折曲光路が所望
のコンパクトな配列を提供する。本発明は、pとs偏光状態の区別に基づいてP
BSを使用する通常の光学イメージシステムの照明光学系のFナンバーを制限す
る「偏光解消カスケード」問題を分析し認識している。ほとんどの反射LCDイ
メージャは偏光回転している。つまり、偏光光は、最も暗い状態についてその偏
光状態が実質的に無修正のままで透過されるか、あるいは所望のグレースケール
を提供するため一定の偏光度回転を与えられた状態で、透過される。これらのシ
ステムでは90°回転が最も明るい状態を提供する。したがって、光の偏光ビー
ムは、反射LCDイメージャ用の入力ビームとして使用されるのが普通である。
偏光ビームスプリッタ(PBS)の使用は、入力ビームの偏光と光路の折り曲げ
の両方に魅力的な設計上の代替選択肢を提供する。
る。通常のPBSは、光の入射平面、つまり、入射光線と偏光面への法線によっ
て定義される平面に基づいて機能する。入射平面はまた反射平面とも呼ばれ、反
射光線と反射面への法線によって定義される。
を有すると記述されてきた。このp成分は、入射平面の中で偏光された光に相当
する。s成分は、入射平面に垂直に偏光された光に相当する。
ましい(F.E.Doany等のProjection display th
roughput; Efficiency of optical tran
smission and light−source collection
(投影表示スループット:光透過と光源集光の効率),IBM J.Res.D
evelop.V42,May/July 1998,pp.387−398参
照)。Fナンバーは光レンズの集光能力を測定するもので、次のように定義され
る。 Fナンバー=f(焦点距離)÷D(レンズの直径または口径)
Fナンバーが低いほどレンズはより高速となり、その光学素子に使用可能な光錐
はより大きくなる。光錐が大きくなると光スループットが高くなるのが一般であ
る。したがって、より高速(より低いFナンバーの)照明システムは、より広い
範囲の入射角度を有する光線を受け入れることのできるPBSを必要とする。
とができる。 θmax=tan−1((2F)−1)
子を使用している。マクニール偏光子は、ブルースター角と呼ばれ、屈折率の異
なる2つの媒体間の界面からp偏光光が反射されない、ブルースター角と呼ばれ
る角度が存在するという事実を利用している。ブルースター角は、以下の数式で
求められる。 θB=tan−1(n1/n0),
光線の入射角度がブルースター角に達すると、反射したビーム部分が入射平面に
直角の平面内で偏光される。透過したビーム部分は、入射平面に平行な平面内で
優先的に(完全にではない)偏光される。s偏光光の効率的な反射を得るために
、マクニール偏光子は、所望の角度のブルースター角条件に適合する材料の薄膜
の複数層から構築される。膜厚は、膜層ペアが四分の一波長スタックを形成する
よう選択される。
依存しない利点がある。しかし、マクニール偏光子は、一組の材料のブルースタ
ー角条件が1つの入射角度においてのみ厳密に満足されるという事実によって広
角性能を達成するのが困難である。入射角度がこの角度から逸脱するにつれて、
スペクトル的に不均一な漏れが発生する。この漏れは、フィルムスタック上の入
射角度がブルースター角よりも垂直になるにつれて特に厳しくなる。以下の説明
の通り、折曲光路プロジェクタには、各光線の反射平面に参照されるp及びs偏
光の使用に係わるコントラスト上の欠点もある。
スタックがキューブの対角面に沿って適用されている。このキューブ内のガラス
の屈折率を適宜に選択することによって、PBSは、当該キューブの面に垂直な
入射光がPBSのブルースター角で入射するよう構築しても構わない。ただし、
キューブを使用すると、主にその構成部分の偏光性能を低下させる熱応力による
複屈折の発生に係わる一定の欠点をもたらす。あらかじめ焼きなましを行った高
価なキューブでもこの問題は発生する。また、キューブはコンパクトなシステム
に大きな重量を加えることになる。
粋s偏光または純粋p偏光の入射ビーム間で100:1を超える吸光度を提供す
るマクニールタイプPBSが開発されたとの報告がある。残念ながら、以下に説
明するように、マクニールタイプPBSが反射イメージャを備えた折曲光路の中
で使用されると、主光線の反射面に対して回転された反射面を有する光線の偏光
解消によってコントラストが低下する。以下に使用されるように、「偏光解消」
という用語は、主光線の偏光状態からの光線の偏光状態の逸脱を記述するための
ものである。投影システム内の光が一般的に光錐として投影されるため、光線の
ほとんどは主光線に完全に平行ではない。偏光解消はFナンバーの低下とともに
増加し、カラー選択フィルムからのその後の反射の中で拡大される。この「偏光
解消カスケード」は、光学イメージシステムの設計者によっては、マクニールP
BS利用のプロジェクタを約3.3に実効的に制限し、それによってこれらのシ
ステムの光スループット効率を制限するよう計算している者もある。A.E.R
osenbluth等のContrast properties of re
flective liquid crystal light valves
in projection displays,IBM J.Res.De
velop.V42,May/July 1998,pp.359−386(以
後、「Rosenbuluth Contrast Properties」と
いう)を参照されたい。この中の関連部分は本書に参考資料として組み入れられ
ている。
ng社は、新規なタイプの複屈折多層偏光フィルム(「3M先進フィルム」)を
開発した。共同譲渡されまた共同出願中の親出願49837USA6Eのビーム
スプリッタは、このフィルムの偏光ビームスプリッタとしての利用について記述
している。欧州特許出願EP 0 837 351 A2は、初期の3M多層フ
ィルム材料である3Mデュアルブライトネス強化フィルム(DBEF)を、「広
角」反射偏光子を有する投影表示装置の中で利用しようとしている。さらに、「
広角」性能は広く認知された設計目標であるが、「広角」の参照は、コントラス
ト限界、スペクトル漏れの低下、そしてかかる目標の達成方法に関する教示がな
ければ無意味である。この3M製品「DBEF」は、垂直入射で4〜6%の一般
的な阻止方向漏れを有する反射偏光子である。これよりも高い角度で漏れは幾分
低下するが、45°では吸光度はまだ数パーセントであるのが普通である。DB
EF使用時のコントラスト率は、一般に、白色光の場合に99:1以下での最大
値に制限される。しかし、DBEFは、照明源及び正確なDBEFサンプルの性
格によっては、一定のカラーバンドのコントラストを25:1にまで下げるスペ
クトル漏れを受ける。優れた性能を得るためには、良好なスクリーン均一性と暗
状態でのスペクトル漏れの欠如が全関連カラーバンドにおける良好な平均コント
ラストに伴うことが望ましい。
の可能な光結像装置に対するニーズは今も存在する。
またそれを有利に使用する光学イメージシステムについて記述する。デカルトP
BSは、別々の各ビームの偏光が、PBSフィルムの不変で一般的に直交する主
軸に参照されるPBSとして定義される。マクニールPBSとは対照的に、デカ
ルトPBSでは、別々の各ビームの偏光が各ビームの入射角度と実質的に無関係
である。デカルトPBSフィルムを使用すると、より高い光出力を提供したりあ
るいは他の光成分を置換あるいは増大させる曲面PBSを利用したシステムの開
発も可能となる。
射角度が最大で11°以上の光錐を受けることのできるPBSとして定義される
。広角デカルト偏光子の特性を認識し、またそれを有利に適用することによって
、本発明は、1つの投影システム構成の中で少なくとも100:1、できれば1
50:1のコントラスト比を維持しながら、f/2.5以下のFナンバーで機能
できる高効率光学イメージシステムを開示する。
、2.5以下のFナンバーを有する光バルブ照明光学系、及び少なくとも1つの
反射光バルブを含む。デカルト偏光ビームスプリッタ(PBS)は、固定偏光軸
を画定する構造的配向を有する。反射デカルトPBSは、「材料軸」と呼ばれる
こうした1つの固定軸に沿って偏光された光線の成分を実質的に反射する。この
「材料軸」に沿わない偏光をもつ光線の成分は実質的に透過される。偏光ビーム
スプリッタは、したがって、入射光を、固定偏光軸に参照される偏光状態をもつ
実質的に偏光された第1及び第2ビームに分割し、偏光ビームスプリッタがその
第1偏光ビームを反射光バルブへ向ける。1つの実施形態例では、デカルトPB
Sに3M先進フィルムが含まれている。他の実施形態例では、PBSが、関連部
分を本書に参考資料として組み入れたSchnabel等の「Study on
Polarizing Visible Light by Subwave
length−Period Metal−Stripe Gratings」
,Optical Engineering 38(2),pp.220−22
6,February 1999に記載のものなど、ワイヤーグリッド偏光子を
含むものがある。他の適切なデカルト偏光子も使用しても構わない。
を有し、システムは理想的なイメージャを使用して100:1を超えるコントラ
スト比を有する。好適な実施例では、このコントラスト比は150:1を超え、
照明光学系は2.0以下のFナンバーを有する。この照明光学系とは、光線を整
える(事前偏光、均質化、及びフィルタリング)光学系である。Fナンバーは、
イメージャへの入射光線に関連している。
ルブであっても構わない。光学イメージシステムは、入力光をプレ偏光させるプ
レ偏光子を更に含んでいてもよく、プレ偏光された光が偏光ビームスプリッタへ
の入射光を含む。この光学イメージシステムはまた、色分解及び再結合プリズム
またはミラー、そして複数の反射光バルブを含んでいても構わない。このプリズ
ムは、偏光ビームスプリッタから偏光光を受け取り、その偏光光の色分解を行い
、偏光カラービームを各光バルブへ向ける。光学イメージシステムは、入射光を
供給する適切な光源を含んでいても構わない。
の偏光ビームスプリッタまたは第2PBSへ反射しても構わない。
である。本発明は、デカルトPBSと高速照明光学系を含みまたそれを利用する
よう設計されるのが有利な各種光学イメージシステムを記述する。読者の便宜の
ため、同じ最後の2桁を有する参照数字によって識別されるが、このような名称
は本発明の範囲を制限するためのものではない。
ールPBSの従来のp及びs軸に対してではなく、デカルトPBSのx及びy軸
に対して参照される偏光成分を有するものとして光を参照する。図1〜4の主光
線では、x成分は反射平面内に含まれる偏光方向を有することから主光線のp偏
光と同一であるのに対して、y成分は反射平面に垂直に配向したE場を有するこ
とから、主光線のs偏光と同一である。
。光源12はランプ11と反射体13を含む。好適なランプは、キセノン、白熱
、レーザ、LED、ハロゲン化金属アーク、または高圧水銀光源を含む。光線1
4は、光を事前偏光する照明光学系15を通過し、デカルトPBS要素50に当
たる。
る光を反射するよう配向された3M先進多層高分子フィルムの層(3M先進フィ
ルム)52を含む。
は45°)に調整するのに必要な特定の屈折率を提供するガラスキューブに埋め
込まれるよう拘束されるが、本発明のデカルトPBSの例はそうなっていない。
ワイヤグリッド偏光子または3M先進フィルム偏光子は単独で使用しても構わな
いが(図2と3を参照)、キューブ構成で使用することもできる。本実施例で使
用されるほとんどの3M先進フィルム偏光子はガラス板の間にあるいは薄膜とし
て、つまり、光が材料媒体に入るときフィルム内の透過角度がスネルの法則によ
ってフィルム法線の方へ向けられる構成の中で最も良く機能する。他の3M先進
多層PBSは任意の屈折率のガラスキューブの中でよく機能するものが作成され
ており、これにおいては光が空気から埋め込み媒体へ入るときにフィルムの透過
角度がフィルム法線の方へ向けられていない。
方向において、各層の非等方屈折率の適切な値を確保するという追加要件を持つ
。特に、交番層のフィルムの厚さ方向の屈折率は、同じであるのが理想である。
これは、偏光子のX方向(通過方向)の各屈折率が等しいことに加えての要件で
ある。偏光子がすべての入射角度についてその通過軸に沿って高い透過を持つた
めには、交番層のX及びZ(フィルムに垂直)屈折率の両方が一致する必要があ
る。X及びZの各屈折率の両方について一致を達成するには、Xの率だけが一致
するときに使用されるものとは異なる材料セットが必要である。3Mブランド「
DBEF」フィルムなどの従来の3M多層フィルムは、過去においてはXの率に
一致させて製造された。
向に伸ばされているときにX及びZの両方向に弛緩(つまり縮む)ことができる
、真の単軸延伸を与えることである。そのようにすると、X及びZの屈折率は、
所与の層において同一である。ということは、第1材料のXの率に一致する第2
材料が選択されれば、第2材料層も同じ延伸条件に曝されるためZの率も一致し
なければならない。
その光が各フィルム層に対して作る角度によっては受け入れ可能である。ただし
、フィルムがガラスプリズムの間に積層されているとき、つまり高い屈折率の媒
体に浸されているときは、光線はフィルム平面の法線の方へ曲げられない。この
場合、その光線は、空気からの入射に比べてもっと大きな度合いのZの率の不一
致を感知し、X偏光の光線は部分的またはさらに強力に反射される。光線がフィ
ルム内のフィルム法線に対して作る角度が高ければ高いほど、Zの率の一致はよ
り接近していなければならない。
これは、後者の値が偏光子の薄膜スタック内に必要とされる層の数を決定するか
らである。薄膜スタックの全反射率は、率の不一致Δnとスタック内の層数Nに
よって等しく制御される。つまり、積Δnx *Nはスタックの反射率を決定する
。たとえば、同一反射率であるが層数が半分のフィルムを提供するには、各層の
間の率の差の2倍が必要となるなどの要件がある。Δnz/Δnyは、制御を必
要とする関連パラメータである。空気中での使用が意図されているビームスプリ
ッタフィルムでは、比率Δnz/Δnyは0.5未満が望ましく、また0.2未
満がより望ましい。ガラスなど高屈折率の媒体に浸されたフィルムでは、比率Δ
nz/Δnyは0.2未満が望ましく、また0.1未満が更に望ましく、そして
また0.05未満が最も望ましい。
非常に小さい場合は、この比率は空気中で使用されるフィルムについては0.1
未満が望ましい。浸されたフィルムでは、この比率は0.1未満が望ましく、0
.01未満が最も望ましい。ただし、本書にも参考として関連部分が組み入れら
れている、共同譲渡された米国特許出願番号08/958,329に記載されて
いるように、ΔnZがゼロでなければ、Xの率の小さな不一致を使用してp偏光
光の透過を改善できる。
フィルムのZ屈折率を感知しない。ただし、以下に示すように、様々な方位角で
の複屈折多層偏光子の反射特性は、ビームスプリッタがy偏光(s偏光に近い)
光を反射し、x偏光(p偏光に近い)光を透過するよう構成されている場合に投
影システム性能が優れたものになる。x偏光光を反射しy偏光光を透過するビー
ムスプリッタは、主な光軸に沿ってよく機能するだろうが、有限円錐角を有する
光線の場合、コントラストは、円錐角が小さくなるに連れて急速に悪化する。キ
ューブ内に浸したフィルムでは、この問題は一層深刻である。大きな円錐角を有
し高コントラスト比を必要とする光システムでは、好適なPBS構成がy偏光光
を反射しx偏光光を透過する。
のなど、非点収差に対する感度が高い場合、あるいは縮小光路長が重要な場合に
特に有利である。このキューブ構成は、熱により引き起こされる応力光効果と重
量増加を被るという、マクニール偏光子にもある欠点を有する。
光ビーム18を3つのサブビーム20、22及び24へと分割するカラースプリ
ッタ/コンバイナプリズム36の方へ向けられる。偏光サブビーム20、22及
び24は、それぞれ、赤色、緑色、及び青色の反射イメージャ26、28及び3
0から反射及び変調される。一般に、現行の反射LCD光バルブは、固定デカル
ト座標の中で最もよく記述されるその暗状態と明状態に対して通常軸と異常軸を
有し、デカルトPBSの固定偏光軸はこのイメージャのデカルト構造に一致する
のにより適している。
合ビーム32になる。結合ビーム32の被変調成分はPBS要素50の中を通過
し、投影レンズ34によって画像として投影される。
子または偏光コンバータ15a、及びPBSキューブ50の後にクリーンアップ
偏光子を含んでいても構わない。
8及び30を照らす。
の適切な反射イメージャでも構わない。スメクチックの場合、図1と2の光学イ
メージシステム10のイメージャ26、28及び30は、強誘電性液晶ディスプ
レイ(FLCD)イメージャでも構わない。デカルトPBSとスメクチックLC
Dイメージャの組合せにより、極めて低いFナンバーを有する光学系が可能とな
る。FLCDなどのスメクチックLCDは、特に広い受光円錐を有するのが普通
であり、従って、本発明に基づいた各システムの低Fナンバー機能をより良く利
用する。多層高分子PBSとFLC反射イメージャとの組合せは、この低Fナン
バー機能と本発明に使用できる高速な光ビームを利用する。スメクチック光バル
ブの例としては、強誘電性液晶ディスプレイ(FLCD)、アンチFLCD(A
FLCD)、アナログFLCD、及びエレクトロクリニックLCDモード光バル
ブが含まれる。ネマチック液晶光バルブの例としては、ねじれ、垂直整列、複合
整列、およびPiセルの各光バルブが含まれる。
110の第2実施例である。この光源はまた、発光ダイオードまたはレーザー光
源などの固体光源も使用できる。システム110は、デカルトPBS150、イ
メージャ126、照明光学系115、及び焦点レンズ134を更に含む。PBS
150は、ワイヤグリッド偏光子または板ガラスの間に積層された3M先進多層
フィルムなど、自立型のデカルトPBSである。図2はビーム路と光線偏光を示
す。y偏光(s偏光に近い)を持つ光は丸付きXで示されており、これはこの偏
光がこのページの中に入ることを示す。x偏光(p偏光に近い)を持つ光は偏光
ベクトルを示す実線矢印によって示されている。実線は入射光を示し、点線は、
変化した偏光状態を持つイメージャから返された光を示す。光源から提供された
光は照明光学系115によって整えられる。この光のy成分はデカルトPBS1
50によって反射され、反射イメージャ126に当たる。この反射イメージャは
x偏光を有する画像ビームを反射・変調する。反射したx偏光ビームはPBS1
50によって透過され、焦点レンズ134によって合焦される。光のフィルター
、ビームホモジェナイザ、偏光コンバータ、リレーまたは視野レンズなど、投影
システムの数多くの設計固有の構成部品は、この説明に不要なので図から省かれ
ているが、明細書を読んだ当業者によって配置されても構わない。
ム210の第3実施例である。システム210は、光源212、デカルトPBS
250、第1イメージャ226、第2イメージャ228、照明光学系215、及
び投影レンズ234を含む。イメージャ226と228は、順次式カラーまたは
モノクロである。光源212からの光は、照明光学系215の中を通過し、PB
S250上に入射する。PBSは、この光のx偏光成分を透過し、y偏光成分を
反射する。x偏光成分は、第1イメージャ226によって反射されると共にy偏
光ビームへと変調され、これがPBS150によって投影レンズ234の中へと
反射される。このy偏光成分は反射され、第2イメージャ228によってx偏光
ビームへと変調され、これはPBS250によって投影レンズ234の中へ透過
される。元の偏光状態にあるプロジェクタから戻された光は、図には示されてい
ない。この光は、イメージャから戻り、PBSはこの光をランプへと向ける。
施例を示す。光はアークランプ311が生成し、楕円反射体313がそれを集め
、そしてこの光を照明光学系315の方へと送る。照明光学系315は、コリメ
ーティングレンズ317、第1小型レンズアレイ319、第2小型レンズアレイ
321、及びコンデンサレンズ327を含む。第2小型レンズアレイ321とコ
ンデンサレンズ327との間には、ゲフケンタイプの設計のものなど、任意の偏
光コンバータ323が続いても構わない。偏光コンバータ323の変換効率によ
っては、偏光コンバータの直ぐ後に任意のプレ偏光子325を含めることが有利
な場合もある。小型レンズアレイ319と321の組は、コリメーティングレン
ズ317から名目的に平行にされた光を受け取る。偏光コンバータ323とプレ
偏光子325は、所望の方向にその光を偏光する。
ジャ326、328、及び330を均一に照明するためにこの光を整形し均質化
する役目を果たす。デカルトPBS350は、次にy偏光光を3つの反射イメー
ジャ326、328及び330の方へリダイレクトする。PBS表面352はガ
ラス板の間で自立していても、あるいは図4に示すガラスプリズム354の中に
入れても構わない。
は光をその原色、つまり赤色、緑色、及び青色に分解する。視野レンズ338、
340、及び342などの介在レンズを各イメージャと色分解プリズム336の
間に挿入して、システム全体の光応答を更に最適化しても構わない。イメージャ
326、328、及び330は、特定の画像情報によって反射時の光の偏光状態
を様々な度合いに変調する。色分解プリズム336は、赤色、緑色、及び青色の
画像を再結合し、その光をデカルトPBS350に渡し、そこで実質的にx偏光
光だけを渡すことによって画像の偏光状態が分析される。y偏光光は、光源31
2の方へリダイレクトされる。デカルトPBS350を渡す光は、投影レンズ3
34によって収集され、前面(反射)投影または裏面(透過)投影スクリーン(
示されていない)上に合焦される。任意使用の後偏光子344は、PBS350
と投影レンズ334との間に挿入しても構わない。当業者は、他の光学構成が可
能であることを理解するであろう。
ールPBSシステムまたは減衰全反射PBSシステムはこのような柔軟性を提供
しない。
部品の使用を必要とする。反射光学系はランプ裏側で利用されることが多い。広
い円錐角(小さなFナンバー)を利用する投影システムでは、効率も高くなる。
3M先進多層複屈折偏光ビームスプリッタ(PBS)は、可視スペクトル全体に
対して最も受光角の広いもののひとつである。この多層複屈折PBSの更なる利
点は、そのビームスプリッティング/反射機能とその柔軟性/成形性の特性とを
結合できることである。図5、7、8、及び9は、曲面、非平面、デカルトPB
Sなど、本発明に基づく光学イメージシステムの代替実施例を示す。反射光学系
の方が、低Fナンバー光錐のハンドリングにおいては、屈折光学系よりもコンパ
クトでシンプルなシステムを提供することが当業でよく知られている。本書に記
載した多層PBSフィルムは、入射光の偏光状態によって、反射及び透過の両方
の特性を有する。このため、凹多層偏光フィルムは、広角ビームスプリッタとし
ても、また投影システム内のビーム集束光学系の一部としても使用できる。
ンズの変わりに使用できる。図5は、曲面デカルトPBS450、光源412、
反射LCDイメージャ426、及び接眼レンズ434を含む、光学イメージシス
テム410を示す。光源412は、反射及び屈折ビーム整形調整要素を含んでい
ても構わない。
面内軸に沿って湾曲していても構わない。つまり、単純または複合湾曲部のいず
れかを所有できるのである。1つの軸に沿って湾曲部を有するPBSを利用する
システムは、直交軸に沿ってビームを整形するためにシリンドリカルレンズを必
要とする場合がある。
の中に直接投影するいわゆるマイクロディスプレイ、あるいは「ヘッドアップ」
ディスプレイにおけるような半透明な表面からの反射によって仮想画像を形成す
るシステムで有用な場合がある。
射形)グラフとして提示されると、有名な「マルタクロス」形状を形成する。
ける吸光度が高まり、円形(角度不依存)形状へのクロスが基本的に拡がる。ま
た、曲面偏光子を使用することにより、複屈折補償フィルムを必要とせずに大き
な補償を提供できる。
反射偏光子光学フィルム(「MOF」)550はプレート562内の穴560の
上に延ばされ、穴560からフィルム560を引っ張るのに真空が適用された。
フィルム550を柔らかくし、たるみを深くするためにヒートガンで熱を加えた
。冷却後、フィルムはその凹形状を保持した。曲面MOFは、曲面デカルトPB
Sとして機能し、1つの偏光の反射光を集束し、直交偏光を透過させる。複数の
直径及び加熱時間が試された。すべてのケースにおいて、凹形状の端まで、偏光
消光が維持された。楕円縁を持つ曲面PBSは、また、楕円穴からの真空成形に
よって作成することもできる。この曲面PBSの偏光軸は、穴の長軸へのMOF
の光軸の整合によって制御できる。
された。拡散源512からの光が照明光学系515から渡され、事前偏光を受け
、曲面PBS550から反射され、そして四分の一波長ミラー(QWM)558
から反射された。その結果得られる偏光回転により、光は、PBS550を通過
して接眼レンズ534に到達することができた。この曲面は照明光をQWM55
8上に集中させ、平面PBSからのものよりも明るい画像を実現した。QWM5
58を垂直軸の周りに45°回転させると、薄膜偏光子の暗中央バンド特性を含
む、暗状態を接眼レンズ534に提示した。明状態角度範囲でのQWM558の
画像は水平な平面内に圧縮されたことが観察された。
使用された。a及びbをそれぞれの長軸及び短軸として、楕円率e=a/bの楕
円断面では、(「ボール」の底から測定された)ミラーの焦点距離は、F〜be
2/2である。この結果は、コンパクトな設計、つまり焦点距離が短い場合に
は、e<1(扁平楕円)であることを示している。
はないことが示された(F=R/2が非常に類似した性能を持つ)。また、曲面
PBSへの垂直入射の近くで光線角度の歪みと照明均等性が最小化されることも
明らかになった。
ト)412とイメージャ426を同一平面上で且つ接眼レンズ434と同一軸に
沿って配置することにより、明白な画像歪みのない良好な照明がイメージャ42
6から得られた。最もコンパクトな設計では、曲面PBS450が、イメージャ
426及び隣接光源412の共通端と位置合せされている。光源412を傾ける
ことにより照明が若干改善された。この光源の出力は、二色性偏光子によって偏
光された。
光学イメージシステム610を示す。曲面デカルトPBS650を最初透過した
入射光の偏光を回転させるのに曲面QWM658が使用されている。イメージャ
426の照明を最適化するために、QWM658の曲面からの追加ビーム成形を
使用しても構わない。
切頭端に隣接して配置することによって、リターダフィルムを排除することがで
きる。
はその他の所望の場所に結像して均質性を高める手段を作ることができる。これ
は、均一な照明を得るために投影システム内に一般的に使用される小型レンズア
レイを置換したり、あるいはそれを増やすのに使用することができる。図9は、
小型レンズ形状のデカルトPBS750を含む光学イメージシステム710を示
す。実験の結果、イメージャ726上に均一な照明を得るには光源領域712の
形状が台形であることが最適であることが判明した。
メージシステム810を示す。図10bに示す通り、単一ランプ811、照明/
調整光学系815、及び小型レンズアレイ817を使用して2光源平面812を
提供しても構わない。2光源ビームは、曲面デカルトPBS850から反射し、
次にイメージャ826から反射する。投影レンズまたは接眼レンズ834は、投
影または閲覧用に透過ビームを準備する。2つの曲面PBSが使用され、1つの
縁で結合される場合(1つの成形部品である場合もある)には、2つの光源(ま
たは2つの平面)の使用が可能である。ユニオンライン853はイメージャの中
心線の上にくるのが理想である。「光源平面」が均質な照明の平面である投影シ
ステムでも同じ概念が使用できるであろう。
常の反射イメージャ投影システム内の非常に高速な光学系の使用を制限する。図
11〜18は、複角偏光解消効果または偏光解消カスケードの問題を図示したも
のである。マクニールPBSの機能は入射光の入射角度に依存しているため、ブ
ルースター角反射を利用したマクニールPBSシステムはPBSコーティングの
垂直軸の周りの円柱座標においてより適切に記述される。しかし、結像システム
は、固定直交軸に対して機能するイメージャを含む。この数量的な差の結果は、
図11と12に示すプレ偏光光線、光線1〜4を検討することによって見分けら
れる。これらの図では、x、y、及びz軸は主光線に関して参照され、z軸は主
光線の伝播ベクトルに平行であり、y軸はプレ偏光子透過軸に整合されている。
プレ偏光子とPBSとの間を通過する光について、x、y、及びz軸が示されて
いる。y軸は、この例では垂直方向として参照される。主光線は反射イメージャ
の表面に垂直である。PBSから反射した後の光線の各軸は、x’、y’、及び
z’によって識別される。方向yとy’は平行である。
ビームになっていない。したがって、実際の投影システムは光錐を使用するのが
普通である。これらの光錐は円錐角によって定義される。円錐角とは、投影シス
テムが使用できる光束のすべての光線を含む最小角度である。
光線を示している。光源70は、プレ偏光子72によって最初に調整された光錐
を生成する。説明を分かりやすくするため、これらの光線は大きな屈折値で示さ
れている。すべての光線はPBS74に入射することが理解されるであろう。光
線1はz軸に平行な主光線である。光線2〜4は、スキューレイ、つまり、主軸
(Z)に平行でない光線である。光線2の伝播ベクトルk2はx成分を有し、水
平に角度が付いている。つまり、k2ベクトルの端は、水平x−z平面の中で、
光線2としてプレ偏光子上の同一場所から発する主光線の端から水平にずれてい
る。光線3の伝播ベクトルk3は、垂直成分を有し、そして垂直に角度が付いて
いる(k3ベクトルの端は垂直なy−z平面の中で、光線3としてのプレ偏光子
上の同一場所から発する主光線の端から垂直にずれている)。光線4は垂直にも
水平にも角度が付いている。投影システムの光錐内のこれら4タイプの光線の各
々の相対量は、照明システムの詳細に依存する。一般的な照明システムにおける
一般的なハロゲン化金属またはキセノンランプ光源は、簡単な位相空間要素から
、タイプ1光線はほとんど提供せず、タイプ2光線はタイプ3光線と同じくらい
提供し、そしてタイプ4の光線は他のどのタイプよりも多く提供する。
方向にプレ偏光される。光線1は、デカルト偏光子であれマクニール偏光子であ
れ、yまたはs偏光のいずれかを反射するよう配向された完全な反射偏光子によ
って100%反射される。この光線の純粋なy偏光はまた、マクニールPBS用
の純粋なs偏光でもある。つまり。偏光ベクトルは、PBSにより反射される光
線の反射平面に垂直である(図11のx−z平面)。その後でz’軸に沿って、
またそれに垂直に配置されたミラーまたはミラー状イメージャから反射されると
、光線1は反射の後、純粋にy偏光及び純粋にs偏光された状態を維持し、光源
の中へ高効率で反射により戻される。このため、光線1に似た光線は、デカルト
PBSまたはマクニールPBSのいずれかと一緒に使用されるときは、非常に良
好で漏れの少ない暗状態と、非常に高いコントラスト比を提供する。残念ながら
、ほとんどの光源は完全な平行化された光を提供できない。
水平に偏向されてきた。光線2は、x−z平面に含まれる。つまり、光線2は水
平平面内の角分散を有するのである。x−z平面はまだ反射平面であるため、光
線2はまだPBSからの反射の前後両方とも、そしてz’軸に沿って、またそれ
と垂直に配置されたミラー状イメージャからの反射後でもまだ完全にy偏向され
ている。光線2はまた、y偏向がs偏向と同一であるという特性を有し、このた
め理想的なマクニール偏光子と理想的なデカルト偏光子はいずれも、この偏向に
よってこの光線がブルースター角から大きく逸脱しすぎることがないかぎり、光
線2タイプの光線に対して等価な高いコントラストを提供しなければならない。
これが発生すると、マクニール偏光子はs及びp偏光光の両方を反射し、イメー
ジャから戻った光線がランプに反射で戻るようにする。
れている。光線3は光線1に対して垂直に傾斜しており、垂直平面に沿って角度
がずれている。今、純粋なy方向に沿った偏光に加えて、光線3は、z方向の偏
光の成分も含んでいる。図18に示すように、後で反射イメージャから反射され
ると、結果として得られる光線3’’の反射平面は、もはや光線3’のときと同
じではなくなる。光線3’’の偏光ベクトルは反射によって影響されていないた
め、偏光平面のこの回転は、光線3’’がもはや純粋にs偏光しておらず、部分
的にp偏光していることを意味している。これは、これは、「偏光解消カスケー
ド」の一部と呼ぶ反射による効果的な偏光解消を引き起こす。この偏光解消効果
は、マクニールPBS及びデカルトPBSが入射光を偏光する方法の相違点を分
析した後に、更に以下で検討される。
射を更に分かりやすく示している。x軸とz軸は、PBSから反射した後、y軸
の周囲を回転し、z軸を主光線の伝播方向に整列する。回転した軸は、x’、y
’、z’とラベルが付けられ、反射した光線はそれぞれ光線1’及び光線3’と
ラベル付けされる。
図13〜16はPBS74から反射されたときの光線1と3の経路を示す。PB
S74は、PBS面78がキューブの内部対角面に沿って配置された点線のキュ
ーブ76を含む。このキューブは入射光線を受光する入射面80と、PBS面か
ら反射された光線がキューブを出るときに通過する出口面458を有する。
面84の上面図であり、図16はPBS74の入射側立面図である。一点鎖線で
示された光線3は、y−z平面に沿って光線1に対して30°の角度で伝播する
。光線1もまた同じy−z平面に含まれている。説明を分かりやすくするため、
両方の光線は垂直な鎖線軸の交差によって印されたPBS74の表面上に同じ接
点Pを有するものとして示されている。PBS74から反射すると、光線1’は
負のx(z’)方向に伝播するのに対して、光線3’はx−y(_y,z’)平
面の中で30°逸脱する。
したものであり、当初は非偏光の光線1と3の偏光状態に反射が及ぼす影響を示
している。光線1’と3’の反射成分の偏光状態は矢印の小さな方向によって示
されている。反射面の法線は、^aとして示されている。光線1と光線3双方の
s偏光状態が反射されるのが理解されるかもしれない。ただし、従来の反射偏光
子は入射光線の入射平面に基づいて動作するため、光線1’及び光線3’それぞ
れの反射偏光状態は各光線の入射角度に対して垂直である。したがって、光線3
’の偏光状態は、マクニールPBSから反射した後、図17に示すように、y、
z’平面から離れるように回転される。つまり、通常のマクニール偏光子を含む
システムでは、垂直に傾斜した光線の反射は、主光線の反射に対して偏光解消さ
れる。この傾斜角度が大きければ大きいほど、偏光解消効果も大きくなる。傾斜
角度30°では、偏光解消効果は、反射平面の、従って所望のy、z’平面から
のs偏光光の偏光状態が39.2°回転されることである。
0のデカルトPBS50から反射するところを示している。デカルトPBS50
は固定垂直反射軸を有する。このデカルトPBS50は3M先進多層複屈折フィ
ルム、あるいはワイヤグリッド偏光子などの他の適切なデカルトPBS、あるい
はその他のデカルト偏光子PBSを含む。
の光線3’’の反射を単純化して示している。本モデルでは、イメージャ暗状態
における画素化またはストレイリターデイションによる回折及び散乱など、イメ
ージャの性能要因に係わるコントラスト低下を避けるため、理想的なイメージャ
としてミラーが使用される。ミラーは、光の偏光状態を回転せず、暗状態におけ
るほとんどのネマチックモードの理想的な反射LCDイメージャの機能を示す。
きに増幅される。定量的には、光線3’の偏光状態がy−z’平面から角度θず
れると、ミラー状イメージャから戻る光線3’’の偏光ベクトルはs偏光状態か
ら2θの角度を形成し、そのため偏光解消カスケードを被る。反射平面の回転か
ら派生するこの純粋に幾何学的な効果により、ミラー化された光線3’’はp成
分を所有し、これがマクニールPBSから漏れて、システムの暗状態におけるコ
ントラストを低下させる。この偏光解消カスケードの問題は、PBSとイメージ
ャとの間に配置された色分解面など、他の傾斜した反射面の存在によって更に悪
化する。スキューレイ偏光解消増加の詳細な扱い方は、関連箇所を参考として本
書に組み入れたAlan E.Rosenbluth等の“Contrast
Losses in Projection Display from De
polarization by Tilted Beam Splitter
Coatings”1997 International Display
Research Conference,pp.226−9(以後、「Ro
senbluth IDRC」と呼ぶ)及び、Rosenbluth Cont
rast Propertiesの中にある。
部品である四分の一波長板を主光線の偏光方向に平行または直角に配置すること
によって偏光解消を補償する方法について言及している。しかし、低Fナンバー
では、光の色成分を分離し再結合するものなど、他の傾斜表面から反射したスキ
ューレイを原因としてPBSによって誘発された偏光解消の増幅が発生する。R
osenbluthは、「Beam−dividing interferen
ce coatings give rise to polarizatio
n crosstalk via compound−angle depol
arization,as illustrated...for a PBS
coating....The depolarization gives
rise to undesired intensity in the
dark stage image,causing contrast to
degrade proportional to NA−2」(ビーム分割
干渉コーティングは、PBSコーティングについて図示されている通り、複角偏
光解消による偏光のクロストークを引き起こす。この偏光解消は暗段階画像にお
ける不要な輝度を起こし、コントラストをNA−2に比例して劣化させる)と表
明することにより、反射干渉コーティングの使用に反対している。Rosenb
luth Contrast Properties,pp.383−84を参
照のこと。Rosenbluthは更に、「typical requirem
ents of contrast >100:1 limits NA to
〜0.15 [f/3.3]for a PBS/TNLC module o
perating without quarter−wave retard
er」(四分の一波長リターダなしで動作するPBS/TNLCモジュールでは
コントラスト>100:1の一般要件はNAを〜0.15[f/3.3]に制限
する)と述べている。Rosenbluth Contrast Proper
ties,p.382を参照されたい。したがって、Rosenbluthは、
従来の偏光子の「偏光解消カスケード」効果は、マクニールPBSを利用したプ
ロジェクタのFナンバーを約3.3以上に実効的に制限し、それによりこれらの
システムの光スループットを制限している。
する。図19に示されている通り、これは非偏光の光についても当てはまる。デ
カルトPBS50はPBSの材料に固有かつ光線の入射角度に非依存の固定反射
軸を有するため、当初y偏光の光線3がスキュー光線3’として反射されたとき
の偏光は、反射した主光線1の偏光に対して大きくは回転されない。反射した光
線3’の偏光状態は、反射光線を含むy−z’平面とPBSの垂直軸の中にある
よう拘束される。反射した光線3’は実質的なx’成分を有しない。
反射面に向けられる。反射面が自らの一定の偏光解消を導入する可能性はあるが
、偏光解消は存在しなくなるか最小となるため、その反射面はその光線の前から
存在する偏光解消を増幅することはない。この効果は、LCDイメージャにほぼ
純粋にy偏光した光線が与えられるよう確保し、またイメージャ到達前に導入さ
れた一定の度合いの回転を最小化する。
12と18に関連して記述されたコントラスト低下は発生しない。デカルトPB
Sは、入射光がs偏光状態にあることを要求しないし、またそれから利益を得る
こともない。
ジシステムの実施例を可能にする。本発明に基づく光学系は、Fナンバーが2.
5未満で受入可能なシステムコントラストを持つ照明光学系を有する。受入可能
なコントラストは、反射鏡を理想的なイメージャとして使用する投影システム内
の全ての関連カラーバンドに対して少なくとも100:1と定義される。デカル
ト偏光子50など、本発明のシステム10は、レンズスピードf/1.8を有し
、またコントラスト比200:1以上を提供する照明光学系で試験された。
Sの使用によって偏光解消を最小化する。偏光解消効果を理解しこれを最小化す
ることにより、本発明はきわめて低いFナンバーを有する光学系の使用を可能に
する。
レイに更なる利点を提供する。図12に戻って、光線4は、垂直にも水平にも角
度がずれている。光線4の偏光ベクトルは、x方向にもy及びz方向にも成分を
含んでいる。反射した光線3’について記述されたすべての偏光解消効果は、従
来の「入射平面」依存偏光子を含むシステムにおいて、反射した光線4’に対し
て発生する。さらに、LCDイメージャには、主要なy偏光とともにx’偏光の
追加成分が与えられる。偏光解消成分は、マクニールPBSまたは色分解面など
、以後の傾斜反射面からの反射時に増幅される。増幅される偏光解消成分は、タ
イプ3の光線の場合と同様に、暗状態において同じ低下をもたらす。この効果に
加えて、イメージャは通常、光のたったひとつの偏光でよく機能するよう最適化
されるため、マクニールPBSからの光の中にx’偏光成分が存在することによ
って更なるコントラスト低下が起こる場合がある。
、偏光の反射したx成分を最小化することから優れた性能を提供する。
利点を開示する。示された実施例にある通り、デカルト偏光子は、任意の入射角
度に配向するか、あるいは容積を最小化し、キーストン補正を達成し、あるいは
投影システムの性能を最適化するよう成形しても構わない。1つの実施形態例で
は、デカルトPBSが主光線に対して40〜50°の間の角度に配向される。
図20は、PBS50が表面の法線の周りに90°回転される場合は、光線1’
と3’の偏光方向を示す。PBS反射材料軸はいまは垂直でなく水平である。こ
の場合、偏光状態は図17のマクニールPBS用の回転と類似しているが反対の
回転を受ける。より良い結果を得るためには、偏光方向が光線3’の伝播方向k 3 に垂直であり、反射材料軸とk3により定義される平面に含まれるのが望まし
い。光線1’に対する光線3’の偏光状態の回転は図20に示される。
BS50の場合の、偏光解消コントラスト比とFナンバー及び受光角のコンピュ
ータモデリングの結果を示している。本発明に基づくデカルトPBSシステムは
Fナンバーが低いほど、また受光角が広いほどはるかに良好なコントラスト比を
提供することを注記することができる。
射イメージャ構成、2つのタイプのイメージャ、FLCDを利用したイメージャ
、及びネマチックを利用したイメージャが別々に検討された。
ロディスプレイを使用したコンパクトで経済性に優れたLCDプロジェクタ構成
を示す。図2の投影ディスプレイテストベッドの具現物が構築され、本発明に基
づくシステムの性能の比較に使用された。第1システムは、広角デカルトPBS
を組み込んで試験され、第2システムは高性能なブルースター角PBSを使用し
て試験された。2枚の0.3mmのガラスシートの間または2枚の0.7mmの
ガラスシートの間に積層された3M多層高分子PBSフィルムが、代表的な広角
デカルトPBSとして使用された。コロラド州ゴールデン市に拠点を持つBal
zers Thin Film,Inc.製のものなど、高性能マクニールPB
S高吸光度キューブがブルースター角PBSとして使用された。
学系を有する光学イメージシステムの中で試験された。ファイバー光照明の照明
プロファイルは滑らかに変化し、ほぼ均等拡散であったし、またイメージャを均
等に照らさなかった。
ージャの効果は、ニュージャージー州バリントン市に拠点を置くEdmund
Scientific社製の四分の1波長フィルムなどの四分の一波長フィルム
を前面ミラーに積層したイメージャを使用することによりモデル化された。フィ
ルムの光学軸が入力偏光に対して45°回転されると、明るい画像がスクリーン
に投影された。四分の一波長フィルムが除去され、裸のアルミニウムミラーがイ
メージの位置に配置されると暗状態が発生した。この配置は、TNもしくはVA
N(垂直整列ネマチック)モードなど、LCを光学軸に垂直に回転させる各LC
モードをモデル化した。四分の一波長フィルムがシステム内に保持されるがフィ
ルムの光学軸が入力偏光に平行に(または垂直に)回されるよう回転されたとき
に代替暗状態が発生した。この代替配置は、FLCイメージャまたは四分の一波
長補償フィルムをイメージャ上に配置して上記モードで機能する理想的なイメー
ジャなど、このような配向のリターダを有するLCモードをモデル化した。
ン上の9箇所で光スループットを測定してから、これらの測定の比率を計算する
ことにより行われる。この比率はコントラストダイナミックレンジと呼ばれる。
コントラストダイナミックレンジは、コントラスト比の1つの測定である。コン
トラストダイナミックレンジ比は、最も明るい状態での投影光スループットを最
も暗い状態での光スループットで割ったものと定義される。上記の通り、ファイ
バー光はイメージャを均一に照らさないため、ファイバー照明の場合にはスクリ
ーン中心部での一点測定が用いられた。コントラストダイナミックレンジの結果
は、そのため、ファイバー照明用スクリーン中心部での一点値または他のすべて
の場合には9点平均値のいずれかであると理解すべきである。
光スループットとFナンバーが測定された。広角デカルトPBSは、低Fナンバ
ーにおいてマクニールキューブを大幅に上回るコントラスト性能を示した。
ファイバー照明では、特に青色スペクトルでは利用可能な光源レベルが低いこと
から、それが可能であるかどうかは判明していない。カラーバンドという用語は
、白色光がカラー画像へと再結合される前に独立変調用に分解される波長バンド
のことを指す。これらのバンドは、50〜70nmなど、100nm未満である
のが普通であり、3波長形赤色/緑色/青色画像形成システム内での黄色やシア
ンの光など、色域にとって好ましくない光を含まないよう選択されることが多い
。表2内の例示データは、本発明のシステムについて別の赤色、緑色、及び青色
のコントラストレベルが100:1を超えると明示的に実証していないが、以下
の表は、他の照明源についてコントラストレベルが100:1を超えることを示
している。しかし、準均等拡散白色光では、デカルトPBSがマクニールPBS
より大きく優れていることが明白である。
しているが、広角デカルトPBSは増透膜を含んでいないのに対して、マクニー
ルPBSはそれを含んでいたことを注記しておく必要がある。測定された透過と
角度データから、改善されたスループットの潜在力は、3M多層高分子フィルム
の方が良いことが期待される。
ーン上に投影することによって調べられた。このような投影はスクリーン上の各
位置への入射角度をマッピングする。コノスコープのコントラストグラフは、こ
の瞳孔画像の明所視が平均化された表現である。瞳孔の画像を得るにはデジタル
カメラが使用される。結果として得られた投影は、図21〜23に示されている
。
ッドを通過した後f/2投影レンズの瞳孔に存在する暗状態の光を示している。
投影レンズの瞳孔では、光が角度により空間的にソートされる。したがって、こ
れらの画像は、暗状態光透過と入射角度のコノスコーププロットである。これら
の画像は、計算されたコントラスト結果である図32〜34に比較されても構わ
ない。これらの結果については以下に更に完全に記述されるが、コントラスト比
の計算のための明状態を提供するために四分の一波長フィルムが使用され、また
図中の暗状態を示すのにミラーが使用された。図21〜23の画像は、良好な画
像品質を提供するためにゲインの自動調整を行うデジタルカメラで撮られたが、
それ以外は、すべての画像は同じ条件下で撮られた。このカメラはゲインを調整
するので、これらの画像は定性的にのみ使用できる。各画像に関連付けられたフ
ルスクリーンコントラスト値が比較のために以下に示される。
れは左側に沿って特に赤く、45°よりも垂直に近い角度でPBSコーティング
に入射する光に対応している。良好なコントラストの非常に深いマルタバンドを
有するが、このバンドはまた非常に狭く、画像の頂面と底面に存在するタイプ3
及び4のスキューレイが明るさを大きく増加させる。この瞳孔画像と関連するス
クリーン上の白色コントラストは53:1であるが、特定のカラーバンド上のコ
ントラストは、観察された赤色の漏れによりこれよりも低くなる場合がある。
この画像は、もっと暗さは低いがもっと広いマルタバンドを有する。スクリーン
上で投影されると、この画像上の垂直バンドに若干の赤みがかった部分と、特に
バンドの左側ではマルタバンドに明確な青色/緑色がかった部分があった。この
赤色はマクニールPBSの場合よりも顕著ではない。これはデカルト偏光子であ
ることから、広い方のマルタバンド及びこの偏光子について見られるスキューレ
イ漏れの低下が予想される。性能が不十分であることの理由は、この偏光子が高
吸光度用に設計されていないことである。これは、マクニールPBSの明るさに
対するそのマルタバンドの明るさにおいて明白である。このDBEF PBSで
測定された白色光コントラストは95:1であったが、このコントラストは可視
帯全体では均一ではなかった。これを実証するため、このケースでは、低い光量
にかかわらず、この特定のサンプルの赤色、緑色及び青色のカラーバンドコント
ラストを測定する努力が払われた。このDBEF PBSの赤色バンドコントラ
ストが104:1、緑色バンドコントラストが94:1、そして青色バンドコン
トラストが79:1で測定された。このDBEF PBSは、そのため、高コン
トラスト投影には受け入れ不能なPBSとなるだろう。最後に、図23は、3M
多層高分子PBSの暗状態性能を示している。このカメラの自動ゲイン調整にも
かかわらず、画像の全体的な暗さが顕著である。マルタバンドの幅は、マクニー
ルPBSまたはDBEF PBSのいずれかの場合よりもずっと広く、タイプ3
及び4の漏れは、他のどのケースにおけるよりもずっと軽度であった。このPB
Sで測定された白色光コントラストは222:1であった。このPBSのカラー
バンドコントラストは、例2でもっと詳しく記述される。
レッグの性能を如何にして改善するかを更にそしてより定量的に示す結果を呈示
している。コンピュータコードを使用して、各表面または多層スタックからのス
トークスベクトルの透過または反射をモデル化した。各偏光状態の光度は、各波
長での結果に、CIE 1931明所視応答機能の値と等エネルギー均等拡散光
源のラジアンスで重み付けし、そして400〜700nmの全波長に渡って積分
することにより求められた。このように、偏光状態とコントラスト比などの結果
は、円錐束内の各光線について求められた。このデータを呈示するため、図31
〜35はコノスコープグラフを描いている。
り、極座標角度θとφによって変化するデータを呈示する。これは、上半球をデ
ィスク上にマッピングし、一定のθのリングと一定のφの光線に沿ってデータを
プロットする。コノスコープグラフは、角コントラスト比、つまりコントラスト
比(CR)と視野角のグラフ化により液晶ディスプレイなどの装置の角度性能を
図示するのに一般的に使用される。いくつかの角度での各光線の暗状態の輝度に
対する明状態の輝度の比率を形成し、一定のCRの輪郭をコノスコープによりプ
ロットする。偏光データのセットをコノスコープでグラフ化する技術も開発され
た。
れ、この第1偏光子と平行な平面内にある第2の同一の偏光子で分析されたコノ
スコープCR輪郭図である。(透過軸の配向を見るのに偏光子の配向が使用され
る。)アナライザがY軸に平行に配向されたときに明状態が発生し、アナライザ
がそれに垂直になったときに暗状態が発生した。この特徴的なパターンはマルタ
クロスと呼ばれ、φ=0,180°及びφ=±90°によって定義される主平面
周りの高コントラスト領域がこのクロスのダークアームを形成する。明状態輝度
の角度に応じた変化は小さめであるのが普通であるため、高角CRの領域も非常
に暗い。このケースでは、角度範囲が小さいことから、実際のマルタクロスとの
類似性は少しである。θ>60°では、これはもっと大きくなる。
くさん呈示することもできる。光線の偏光状態を記述する一般的な方法は、その
偏りの楕円、つまり振動期間に渡って電界ベクトルの端点が描く曲線による方法
である。この楕円は、光線の方向に垂直な平面内にある1組の直交参照座標に対
する光線の偏光状態の大きさと配向をグラフィカルに表示する。重要な特殊なケ
ースとしては、円偏光(この楕円が円になる)及び直線偏光(この楕円が直線へ
と縮退する)が含まれる。
の偏りの楕円は、グローバルX−Y座標系内で(−φにより)回転されグラフ化
される。この変換により、複数の角度依存偏光データセットを単一の共通参照に
よって呈示できる。例えば、このようにプロットすれば、狭い垂直楕円がY−Z
平面内の直線偏光に近い状態を示す。Y軸に平行な直線偏光は、θ=0、または
φ=0もしくは180°のときに起こる特殊なケースであることに留意されたい
。これは、Y軸が光線方向に垂直な平面内に実際に存在するのはこれらのケース
だけであるからである。狭い水平の楕円の場合にも、類似した解釈ができる。こ
の技術の改良点は、光の偏光度(DP)によって楕円のサイズに重み付けを行う
ことである。(このDPは、明確に定義された偏光状態における全光度のうちの
その部分である。自然光は、無作為に偏光され、
.330°に沿って、垂直またはY方向を向いた偏光子の中を通過した当初非偏
光の光線の計算された偏光状態を示している。θ=30°及びφ=60°の楕円
が特に示されている。このモデルは、代表的な高品質な直線偏光子のためのもの
であり、そのため楕円が基本的に垂直な線である。しかし、主平面から離れた大
きな入射角度では、垂直から離れる楕円のわずかな回転があることに留意された
い。(この効果はθ>50°の場合に顕著である。)これらの方向に沿って偏光
子から出てくる光は、他の方向に伝播する光よりも、垂直にはより少なく、水平
にはより多く偏光している。交叉(水平またはX方向の)偏光子の楕円パターン
は、図26を90°回転したものと同一となる。主平面の中では、交叉偏光子用
の各楕円が直交し、光がこれらの方向に通過するのが邪魔される。大きな入射角
度では、また主平面から離れると、これらの2つの偏光子の楕円はもはや直交し
なくなり(実際、これらは反対方向に回転される)、これは、光が漏れなければ
ならないことを示している。
行な反射軸とx−y平面に45°の角度で配向した表面の法線を持つ2軸多層高
分子反射偏光子のコノスコープCR輪郭図である。この特定の反射偏光子は、特
にデカルトタイプの偏光ビームスプリッタとして使用するよう設計された。明状
態は、y軸に平行に偏光した光を通過させるようアナライザが配向されたときに
発生し、暗状態はアナライザがy軸に平行に偏光された光を遮るよう配向された
ときに発生した。図34に示されたCRと角度のパターンはマルタバンドと呼ば
れ、非共面偏光子によって形成されたパターンに類似している。(その例では、
第2偏光子の平面がy軸の周りに回転されるに連れて、マルタクロスパターンが
X軸に沿って移動される。マルタバンドはその結果、マルタクロスの1つのアー
ムに示される。)φ=180°及びθ=45°のときに垂直入射が発生する。負
の(φ=180°)x軸に沿って、光線はもっと垂直に近くビームスプリッタの
表面を当たる。角度が小さい反射効率の改善により、このバンドは負のx軸に沿
って広くなる。
子単独の場合よりずっと大きく、計算された最低CRはずっと小さかった。反射
偏光子が第1偏光子からの光に作用する2つの方法がある。第1は、非偏光光の
量の低下によるものである。非偏光光の低下は、不要な偏光の量の低下である。
反射偏光子は、実際、限定された角度範囲に対する光の偏光度(DP)を高める
。光は、この場合には高DPを持つ第1偏光子から約99.80〜99.80%
出てくるが、ビームスプリッタと縦続することにより、DPは99.98%にま
で高められる。反射偏光子が第1偏光子からの光に作用する2番目のやり方は、
その偏光の性格を直線偏光を回転するか楕円率を導入することである。図27は
、PBSによる反射の後の垂直偏光について計算された偏光の楕円を示す。図2
6との比較から、反射偏光子は楕円率を追加していないが、偏光を回転させたこ
とがわかる。垂直から大きく回転された楕円を持つ領域は、図34の低角CRを
持つ同一領域であることが示されている。
BSを含む光学イメージシステム及びデカルトPBSを含むシステムのFナンバ
ーとの対比である。図24と25はこれらの結果のプロットである。偏光解消コ
ントラスト比は、垂直(y)アナライザを通ってプレ偏光子/PBSを出る反射
光の透過と水平(x’)アナライザを通ってプレ偏光子/PBSを出る反射光の
透過の比として定義される。当業者は、広角デカルトPBSが、マクニールPB
Sと比べて、低Fナンバーで並外れたDCRを有することを理解するであろう。
ビームスプリッタの能力の尺度である。しかし、DCRと角度との対比は、全φ
に対する明状態及び暗状態輝度をθの何らかの値に統合し、その比率を取ること
によって計算されるのであり、角CRを統合することによってではない。予期さ
れる通り、偏光子とビームスプリッタの組合せは、大きなFナンバー(小さな角
度)に対してより大きなDCRを有する。
行な反射軸とx−y平面に対して45°の角度で配向された表面の法線を持つ反
射偏光子について計算された角CRを示す。この例の3M先進フィルム2軸多層
高分子反射偏光子は、当初は、3Mのデュアルブライトネス強化フィルム(DB
EF)と同様に、広い角度範囲に対してLCDの明るさを強化するよう設計され
た。図32に示された角CRパターンは、図34に比べて、非常に高いコントラ
ストのより狭いバンドを有する。約f/14(θ>2°)未満のFナンバー用の
3M先進フィルムを含むよう設計された光学イメージシステムの優位性は、図3
2と34にはっきりと示されている。DBEF偏光楕円プロット(図28)をビ
ームスプリッタプロット(図27)に比較しても明らかにはならないが、ビーム
スプリッタは実際、より大きな角度範囲に対してもっと垂直に近い偏光を提供す
るのである。これはまたより大きなDPの光を作る。
クニールタイプ偏光子はそうではない。その多層オプティカルコーティングは等
方性材料で作られており、ブルースター角現象に依存して1つの偏光を反射し2
番目の偏光を透過する。図33は、x−y平面内にあるy配向の直線偏光子と、
その次にy軸に平行な傾斜軸を有する45°マクニールキューブタイプ反射偏光
子について計算された角CRを示している。このCRは、キューブ出力面に平行
なy−z平面内に分析偏光子(第1直線偏光子と同一)を配置することによって
計算された。この角CRパターンは、正のx軸に沿って若干大きくなる大きなC
Rの縮小領域を有する点において、2つのデカルト偏光子の角CRパターンとは
異なる。図24と25は、この特定のマクニール偏光子がf/2でこれらのデカ
ルト偏光子のどちらよりも大幅に悪いこと、そしてもっと小さな円錐角範囲に渡
って有用なコントラストを提供することを示している。
スコーププロットであるが、これはまたデカルト偏光子とは非常に異なる挙動を
表示している。ブルースター現象への依存は、φ=90°軸(y軸で配向)に沿
った角楕円の激しい回転において特に明白である。y軸に沿って、入射角度を大
きくすると、45°コーティングを打つ光線の反射平面を回転させる。コーティ
ングがS偏光を反射するに連れて、反射光線の偏光も回転しなければならない。
これらのスキューレイは、入射角の増大とともに大きくなる偏光度回転を持つマ
クニール偏光子によって最も多く回転させられる。
とに注意されたい。この点を説明するため、x−y平面内にある水平またはx配
向の直線偏光子と、その次にy軸に平行な透過軸とx−y平面に対して45°の
角度の表面の法線を持つ反射偏光子の角CRが計算された。上記の第2例でPB
Sとして使用されたのと同じ反射偏光子は、この実験で使用され、水平偏光を反
射するようその法線の周りに90°だけ回転された。図35は、この場合は良好
な性能の領域が非常に小さく非常に狭いマルタバンドを示している。結果は図3
0で確認された。この図では、非偏光光で照らされた水平なPBSは、所望の方
向、この場合はx方向、から離れて強く回転された偏光状態をもつ光を透過する
ように見える。
プリッタフィルムは、それが垂直に偏光された光を反射するよう配向されたとき
に良好なデカルト偏光子であるにもかかわらず偏光を維持するのが不得手である
ことを示している。前の例では、第1偏光子の透過軸と第2偏光子の反射軸は平
行であり、反射はほとんどs偏光光であった。この場合、第1偏光子の透過軸と
第2偏光子の反射軸は単に同一平面上にあり、その反射はほとんどp偏光光であ
る。回転なしに偏光光を反射するこのデカルト偏光子の能力は、入射角度に伴う
反射の変動を最小限にするためのその反射軸の好適な配向を必要とする。
イメージャシステムは、デカルト偏光子を含むTNイメージャシステムのそれと
同じくらい高いコントラストを提供しないことを示している。
明を使用して例1の場合と同じパラメータで試験された。Rantsch照明の
場合、照明プロファイルは小型レンズアレイインテグレータにより非常に構造化
され、イメージャは更に均一に照明された。Rantsch照明は、電子プロジ
ェクタの中に一般的に使用される。
使用して試験された。ダイナミックレンジは上記の通り測定された。
ムのある場合とない場合における以下のダイナミックレンジと光スループットが
測定された。四分の一波長補償は、四分の一波長補償フィルム(QWF)をイメ
ージャに入射する光の偏光方向に対して0°の角度に配置して暗状態を提供する
ことにより達成される。この構成はFLCDイメージャをモデル化する。ネマチ
ックイメージャをモデル化するために、暗状態でミラーが単独で使用された。こ
の例では、結果がカラーバンド毎に報告できるだけの十分な照明が利用できた。
ニールキューブのコントラスト性能は、広角デカルトPBSのそれよりずっと低
い。その差は、ファイバー照明を使用して見られるものよりもずっと大きい。
子投影システムは、マクニール偏光子PBSを含むシステムに対して数多くの利
点を有すると観察された。これらは、以下を含む。 1.デカルトPBSシステムは、考察したすべての照明プロファイルについて
、低Fナンバーについて特に、マクニールPBSより高いコントラストを提供す
る。 2.デカルトPBSシステムは、測定された全カラーバンドについて、類似の
マクニールPBSシステムより高いコントラストを提供する。ケラー及び臨界照
明を含むシステムにはより高いコントラストが存在すると予想される。このよう
に高いコントラストにより、PBSへのコントラスト要素による制約が少なくな
ることから、照明システムの設計者は、照明均一度とスループットを最適化でき
る。
て達成された一般的な結果は、任意の広角デカルトPBSに適用可能である。代
替実施例は、ワイヤグリッド偏光子などの他の適切なデカルトPBSを含んでも
構わない。
れ可能なコントラストは、ねじれネマチック(TN)イメージャよりもFLCD
イメージャで達成する方が容易であることが判明している。したがって、FLC
Dイメージャは、非常に小さなFナンバーでTNイメージャよりも優れたコント
ラストを提供するため、広角PBSと一緒に使用されたときに、TNイメージャ
に比べたFLCDの潜在的光利用効率が改善される。広角デカルトPBSとFL
CDイメージャを組み合わせると、色分解プリズムがFナンバーを制限しない順
次式カラーシステムなどでより高速な光ビームを使用できる。この種のシステム
あるいは2以下のFナンバーが使用できるシステムでは、高速な光ビームを持つ
FLCDのコントラストの利点により、より効率の高い光スループットが実現で
きる。
する際に本発明が使用できることを理解するであろう。本発明は、好適な実施形
態例を参照しながら記述されたが、本発明は本発明の精神に反することなく他の
特定の形態で実施することができる。したがって、本書で記述及び図解された実
施例は例示目的のみのものであると理解されなければならず、本発明の範囲を制
限するものと考えてはならない。本発明の精神と範囲に従って他の変更と修正を
行うことができる。
の透視図である。
を最初に透過した入射光の偏光を回転するために曲面QWNが使用される。
視図である。
である。
る。
ージの投影である。
。
ジの投影である。
システムにおける、モデル化偏光解消コントラスト比とFナンバーのグラフであ
る。
ステムの場合における、モデル化偏光解消コントラスト比と受光角のグラフであ
る。
チャートである。
高分子反射PBSから反射した後の偏光状態を示すコノスコープチャートである
(図2参照)。
射した後の偏光状態を示すコノスコープチャートである。
コープチャートである。
多層ポリマー反射PBSから反射した後の偏光状態のコノスコープ図である。
偏光子のコノスコープによるコントラスト比の等高線図である。
て45°の角度で配向している2軸多層高分子反射偏光子、更にその次にy−z
平面内の分析偏光子のコノスコープによるコントラスト比の等高線図である。反
射偏光子は、広い角度範囲においてLCDの明るさを高めるよう設計された。
ニールキューブ型反射偏光子、さらにその次にy−z平面内の解析偏光子のコノ
スコープによるコントラスト比の等高線図である。
−y平面に対して45°配向した2軸多層高分子反射偏光子、さらにその次にy
−z平面内の解析偏光子のコノスコープによるコントラスト比の等高線図である
。この例における反射偏光子は、デカルト偏光ビームスプリッタとして機能する
よう設計された。
がx−y平面に対して45°の角度になっている2軸多層高分子反射偏光子、更
にその次にy−z平面内の解析偏光子のコノスコープによるコントラスト比の等
高線図である。この例の反射偏光子は、デカルト偏光ビームスプリッタとして機
能するよう設計された。
Claims (24)
- 【請求項1】 a)固定偏光軸を画定する構造的配向を有する広角デカルト
偏光ビームスプリッタ(50)と、 b)前記偏光ビームスプリッタが、入射光を、前記固定座標システムに参照さ
れる偏光状態を有する第1及び第2の実質的に偏光されたビームに分離し、前記
偏光ビームスプリッタが前記第1偏光ビームを反射光バルブ上に向ける、少なく
とも1つの反射光バルブ(26)と、 c)2.5以下のFナンバーを有し、また前記光学イメージシステムが可視光
範囲内の投影されたカラーバンドに渡って少なくとも100:1のダイナミック
レンジを有する、光バルブ照明光学(15)と、 を含む光学イメージシステム(10)。 - 【請求項2】 前記システムが約12度の最小受け入れ円錐角を有する、請
求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項3】 前記コントラスト比が150:1を超える、請求項1に記載
の光学イメージシステム。 - 【請求項4】 前記光バルブ照明光学系が高くとも2.0のFナンバーを有
する、請求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項5】 前記コントラスト比が150:1を超える、請求項4に記載
の光学イメージシステム。 - 【請求項6】 前記光バルブが偏光変調光バルブである、請求項1に記載の
光学イメージシステム。 - 【請求項7】 前記反射光バルブがスメクチック液晶光バルブである、請求
項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項8】 前記反射光バルブがネマチック液晶光バルブである、請求項
1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項9】 前記反射光バルブがFLCDである、請求項7に記載の光学
イメージシステム。 - 【請求項10】 前記デカルト偏光ビームスプリッタと前記反射光バルブと
の間に光学的に配置された四分の一波長補償器を更に含む、請求項1に記載の光
学イメージシステム。 - 【請求項11】 プレ偏光子(15a)を更に含み、前記プレ偏光子が入力
光をプレ偏光光に偏光し、前記プレ偏光光が前記偏光ビームスプリッタへの入射
光を含む、請求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項12】 色分解及び再結合プリズム(36)と複数の反射光バルブ
を更に含み、前記プリズムが前記偏光ビームスプリッタからの偏光光を受け取り
、前記偏光光を色分解し、そして偏光カラービームを各光バルブに向ける、請求
項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項13】 前記反射光バルブが前記第1偏光ビームの少なくとも一部
を前記デカルト偏光ビームスプリッタに反射し返す、請求項1に記載の光学イメ
ージシステム。 - 【請求項14】 前記第1偏光ビームが主光線を有し、前記イメージャが反
射平面を画定する反射表面を有し、前記主光線が前記反射平面に垂直である、請
求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項15】 第2デカルト偏光ビームスプリッタを更に含み、前記反射
光バルブが前記第1偏光ビームの少なくとも一部を前記第2ビームスプリッタへ
反射する、請求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項16】 前記デカルト偏光ビームスプリッタが多層複屈折フィルム
を含む、請求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項17】 前記偏光ビームスプリッタが3M先進フィルムを含む、請
求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項18】 前記偏光ビームスプリッタがワイヤグリッド偏光子を含む
、請求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項19】 前記照明光学系が1.8以下のFナンバーを有する、請求
項1に記載の光結像。 - 【請求項20】 前記デカルト偏光ビームスプリッタが回転軸及び前記反射
光がそれに沿って実質的に偏光される材料軸を有し、前記回転軸が前記材料軸に
平行に配向される、請求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項21】 前記デカルト偏光ビームスプリッタが少なくとも1つの軸
に沿って湾曲している、請求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項22】 前記デカルト偏光ビームスプリッタが前記主光線に対して
40〜50°回転される、請求項1に記載の光学イメージシステム。 - 【請求項23】 a)光線を提供するRantsch照明システム(12)
と、 b)前記光ビームを受け取りその光ビームを第1及び第2偏光成分に分離する
よう光学的に整列され、固定偏光軸を画定する構造的配向を有する多層高分子フ
ィルム(52)を含む広角デカルト偏光ビームスプリッタ(50)と、 c)前記第1偏光成分を受け取るよう光学的に整列され、前記色分解プリズム
が前記第1偏光成分を赤色、緑色、及び青色ビームに分解する色分解(36)プ
リズムと、 d)前記光ビームを整えるために光学的に整列され、2.0以下のFナンバー
を有する、光バルブ照明光学(15)と、 e)前記赤色、緑色、及び青色ビームをそれぞれ受け取るよう光学的に整列さ
れ、前記光学イメージシステムが少なくとも150:1のダイナミックレンジを
有する、少なくとも3つの反射光バルブ(26、28、30)と、 を含む光学イメージシステム。 - 【請求項24】 a)固定偏光軸を画定する構造的配向を有する広角デカル
ト偏光ビームスプリッタ(50)と、 b)2.5未満のFナンバーを有する光バルブ照明光学系(15)と、 を含む光学システム(10)。
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