JP2004502189A - カラー電気光学表示装置のための高コントラスト偏光光学系 - Google Patents

Abstract

投射型カラー画像表示システムは、反射型液晶（ＬＣ）光変調器２４と、入射光及び反射光を分離する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２２とを用いる。光源からの光は、第１の軸線２８上に到達し、課された画像を伴って、投射レンズ２６により第２の軸線３０に沿って外側へ反射される。高コントラストの画像を生成するため、選択性を回復させ、その結果、投射システムに共通である光線の広い「受け入れの円錐」に対する光学系のコントラストを取り戻すように、前段偏光子３６，４２，４８及び／又は後段偏光子４４，５０が用いられる。系のコントラストを改善するために、上記前段及び／又は後段偏光子は、その偏光子吸収軸が上記ＰＢＳの反射面３４，４６の法線ｎと平行に延在する状態で、それぞれ、第１及び第２の軸線に沿って配置される。

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、１つ又はそれ以上の電気光学的投射型画像表示装置を用いるカラー画像表示システムに関する。このような表示装置は、透過モードであっても反射モードであっても、各画素ポイントにおける投射光のグレイレベルを制御するための光変調器としての役割を果たす。より具体的には、本発明は、反射型液晶（ＬＣ）ライトバルブと、入射光及び反射光を分離する偏光ビームスプリッタとを有する上述したようなカラー表示システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
異なる色の光のバー（ｂａｒ）がカラー表示を生成するために単一の電気光学的光変調パネルの全体にわたって連続的にスクロールされるカラー表示システムが知られている。例えば、共通譲渡された米国特許第５，５３２，７６３号公報を参照されたい。参照することによって、その文献の開示内容は本明細書に組み込まれたものとする。
【０００３】
これらの表示システムは、カラービデオ情報のような、各フレームが成分カラーサブフレーム、例えば、赤、緑及び青のサブフレームよりなる連続するフレームにおいてカラー画像を表示するのに特に適している。
【０００４】
これらのシステムは、連続するフレーム期間中に画像情報信号に応じて光の伝送を変調する、画素の行及び列のマトリクスアレイよりなる電気光学的（ＬＣＤ）光透過型又は反射型変調パネルを用いている。アナログ信号の情報は、各フレーム期間中、一回に１行ずつ上記アレイの画素列に加えられる。
【０００５】
同様のシステムは、Ｊ．Ａ． Ｓｈｉｍｉｚｕが発表した「シングルパネル反射型ＬＣＤプロジェクタ」（Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙｓ Ｖ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ． ３６３４， ｐｐ．１９７−２０６ （１９９９））にも開示されており、この文献を参照することによって、その開示内容は本明細書に組み込まれたものとする。このようなシステムが開示されている他の参考文献は、公開されている特願平９−２９２１６０及び特願平１０−９１８８６明細書、米国特許第５，９１４，８１７号及び第５，９４６，０５４号公報、国際公開ＷＯ９５／１３５６１号（出願番号はＰＣＴ／ＵＳ９４／１２２８９）公報並びにＩＢＭ公開技報Ｖｏｌ． ４０， Ｎｏ． １２， ＰＰ １６５−１６７である。このタイプのシステムでは、反射型ＬＣＤは画像を作成するために用いられる。映像情報が反射される上記ＬＣＤの活性領域は、パターンアルミニウムミラーのアレイから成っている。上記反射ミラーは、アレイの最上部（ｔｏｐ）に形成されており、アドレス回路及び画素トランジスタを覆っている。
【０００６】
入射する照明ビームは、偏光ビームスプリッタ、すなわちＰＢＳに向けられる。該ＰＢＳは偏光されたビームを反射型ＬＣＤパネルに向け、この反射型ＬＣＤパネルは映像情報を伴う偏光を変調する。反射型ＬＣＤパネルは、ＰＢＳと組み合わせられて、投射レンズにより映像を前方のスクリーンに向ける。
【０００７】
このシステムの全ての部品のうち、ＬＣＤパネル、ＰＢＳ及び投射レンズのみが画像経路内に存在する。従って、これらの部品は、投射される画像の品質にとって重要である。一般的なＰＢＳは、約±１°の小さな角度範囲で非常に優れた偏光コントラスト、すなわち「消光率（ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ）」を有している。しかしながら、消光率の妥協を伴う場合にのみ、±１２°までのより広い角度の受け入れが可能である。
【０００８】
高コントラストの画像を生成するために、ＰＢＳは透過型及び反射型の場合に固有の偏光（「ｐ」及び「ｓ」）状態の間で高い選択性を持つ必要がある。この理由のため、上記選択性を回復させ、その結果、投射システムに共通である円錐の広い角度に対する光学系のコントラストを取り戻すために、前段（ｐｒｅ）偏光子及び／又は後段（ｐｏｓｔ）偏光子が用いられている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
一般に、この目的のために、シート型の偏光子が用いられる。これは、シート型の偏光子が、非常に高い選択性を有しており、ほとんどスペースをとらず、比較的安価であるからである。グリッド偏光子もまた、用いられ得る。しかしながら、シート偏光子又はグリッド偏光子が行路内に配置されると、これら偏光子は、ＰＢＳの固有偏光領域とは全く異なる固有偏光領域を生成する。上記２つの領域が一致しないので、結果として選択性は減少し、系のコントラストが低くなる。
【００１０】
本発明の主な目的は、反射型液晶光変調器と、この光変調器の前方に配置され、入射光及び反射光を分離する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）とを有し、上述した問題を回避するカラー画像表示システムを提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば、この目的及び以下の説明から明らかになるであろう他の目的は、両方のタイプの偏光子の領域が同一であり、従って当該システムのコントラストが改善され得る、前段偏光子又は後段偏光子と偏光プリズム（ＰＢＳ）との特別な装置を提供することにより達成される。
【００１２】
より詳細には、本発明は、
（ａ）第１の軸線（２８）に沿って光ビームを生成する光源（１０，１２，１３，１４，１６，１８，２０）と、
（ｂ）前記光ビームを受け取り、実質的に平坦な第１の表面に対して実質的に垂直な方向に反射するように配置された当該第１の表面を形成する、アドレス可能な画素のアレイを有し、前記画素に与えられる表示信号に応じて前記画素から反射される光の偏光状態を変調する反射性光変調器（２４）と、
（ｃ）表示信号が画像に対応した状態で、前記光変調器の前記画素のアレイを繰り返しアドレス指定する電子回路と、
（ｄ）前記第１の軸線（２８）を遮断する第２の軸線（３０）に沿って位置合わせされた光軸を有し、光を受け取り、表示スクリーン上に投射する投射レンズ（２６）と、
（ｅ）法線ｎを有する反射／透過面を有し、前記光源（１０）からの前記光ビームを遮断し、前記光変調器（２４）に前記光ビームを送るため、及び前記光変調器からの前記反射光を遮断し、所与の偏光を伴う前記反射光を前記第２の軸線に沿って前記投射レンズに送るために前記第１及び第２の軸線上に置かれた偏光ビームスプリッタ（２２）と、
（ｆ）前記光ビームを受け取り、偏光するために前記第１及び第２の軸線の１つに沿って配置され、前記法線ｎと平行に延在する偏光子吸収軸を有する偏光子（３６，４３，４４，４８，５０）と
を有している。
【００１３】
本発明を完全に理解するために、添付の図面に示したような本発明の好ましい態様の以下の詳細な説明が参照されるべきである。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の好ましい実施態様を、図１ないし図８を参照して説明する。異なる図面中の同一の構成要素には、同じ参照符号が付されている。
【００１５】
図１は、上述したＳｈｉｍｉｚｕによる記事「シングルパネル反射型ＬＣＤプロジェクタ」において説明されているような「カラースクローリング」光学装置を表している。この光学系は、系の光効率を犠牲にすることなく、単一の反射型ＬＣＤ変調器、すなわち「パネル」を使用する利点を持っている。
【００１６】
このスクローリングカラーシステムでは、３色全てが常にパネル上に存在する。ランプ１０からの白色光は、赤色ビーム、緑色ビーム及び青色ビームの成分に分割される。これらの着色されたビームは、パネルの最上部（ｔｏｐ）から最下部（ｂｏｔｔｏｍ）まで全体にわたってスクロールする光の特別に分離されたストライプとしてパネルを照射する。１つの色がパネルの最下部までスクロールすると、その色はすぐに再び最上部に現れる。
【００１７】
カラー画像を作成するために、ＬＣＤが同時に３つの異なる場所においてアドレス指定される。ある色、例えば緑に関するデータは、先行する色、青の通過直後に行に書き込まれる。そののち、緑色波長帯が画素を照射する。このパネルは、３つの場所においてアドレス指定され、３つのアドレス行が照射パターンと同期して下方にシフトする。実際には、一度に１つの行のみがアクティブであり、このアクティブな行は最上部から、中央、最下部へとパネルのいろいろな場所にジャンプする。そののち、アドレスは最上部に戻り、次の回（ｐａｓｓ）で行数が１だけ増加されて、連続的に繰り返される。
【００１８】
３パネルシステム及びカラーホイールシステムと比較して、上述したスクローリングカラーシステムは、３パネルシステムと同じ明るさであるようなスペクトル効率を有している。カラーホイールシステムと比較して、スクローリングシステムの構造は、表面上３倍のスペクトル効率を有している。
【００１９】
光路は、それぞれ青、緑及び青の３原色の１つである３つの回転走査プリズム１２，１３，１４を使用する。レンズ集積アレイ１６は、広い照射ストライプを形成するための分布の形成及び均質化のために用いられる。光の経路は、ダイクロイックカラーフィルタを用いて、１つの回転プリズム１２，１３，１４を有する青色、緑色及び赤色の各チャネルに分割される。３つのプリズムは、３０°又は完全な垂直走査の１／３だけ互いに対して位相が相殺される。この位相の相殺が、ＬＣＤパネルにおける特別な色の分離を作り出す。ダイクロイックカラーフィルタ１８，２０は、上記（複数の）色を単一の照射ビームに再結合させるために用いられる。このビームは、そののち、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）２２に出会う。ＰＢＳ２２は、偏光ビームを反射型ＬＣＤパネル２４の方に向け、該パネルは映像情報を有する偏光を変調する。ＬＣＤパネルは、ＰＢＳと組み合わせられて、投射レンズ２６により映像を前方のスクリーン（図示せず）に向ける。
【００２０】
上記反射型ＬＣＤパネルは、この系の最も重要な部品である。該パネルは、単一のパネルシステムの解像度、速度及び構造的な要求を満たさなければならない。このパネルの詳細は、上述したＳｈｉｍｉｚｕによる記事「シングルパネル反射型ＬＣＤプロジェクタ」において説明されている。ここでは、パネル２４は、図２に示したように、アクティブマトリクス、すなわち行及び列に配置されたアドレス可能な画素のアレイを有しており、このパネルは、電圧レベル又は各画素に与えられる信号に応じて画素から反射された光の偏向状態を変調すると言うにとどめておく。画素は、各行毎及び各列毎にアドレス指定され、画像データである表示信号を供給される。
【００２１】
図１に示したシステムでは、スクロールする光ビームは、第１の軸線２８に沿ってＰＢＳ２２に与えられ、第２の軸線３０に沿ってＬＣＤパネル２４に向かって反射される。これら２本の軸線は、互いに垂直であってもよいが、必ずしもそうである必要はない。第１の軸線２８に沿ってＰＢＳ２２に向けられた光ビームは、軸線２８に垂直な平行平面を伴って配置されたシート偏光子を通過する。入射ビームにおける光線の全てが軸線２８に平行であると仮定すると、ＰＢＳ２２及び液晶ディスプレイ２４は、ＰＢＳを通過して投射レンズ２６に進む光の量を正確に制御する。入射光の偏光状態がＬＣＤ２４によって変化しないと、この光の１００％がＰＢＳによって反射して入射ビームに戻る。ＬＣＤパネル２４によって偏光状態が変化するまで、この光はＰＢＳ２２を通過して、投射レンズに進む。
【００２２】
しかしながら、図１の光学系は、１２％までの「受け入れの円錐（ｃｏｎｅ ｏｆ ａｃｃｅｐｔａｎｃｅ）」を伴う光線がＰＢＳ２２に影響を及ぼすことを許容する。偏光子３２を通って種々の方向に進む光線はベクトルｓの種々の方向に偏光されるので、ＬＣＤパネルはこの光の偏光状態を正確に変化させることができない。特に、入射ビームに向けて反射されるべき光のいくらかは、ＰＢＳを通って投射レンズに進み、ＰＢＳを通って投射レンズに進むべき光のいくらかは、光源に向かって再反射する。言い換えれば、「消光率」特性、すなわちコントラスト特性は広い受け入れの円錐により直接影響を受ける。
【００２３】
図３は、本発明に従って、シート偏光子又はグリッド偏光子の吸収軸をＰＢＳの反射面に対して垂直な角度で配置することによって、この問題がいかに解決され得るかを示すものである。
【００２４】
（この場合には）シート偏光子３６及びＰＢＳプリズム２２の特別な装置では、プリズム及びシート偏光子の領域は一致するように作られ得る。これは、プリズムの反射選択性を高める。ダイクロイックコーティングが、透過モード間において非常に高い選択性を達成することは比較的容易であるのに対して、反射モードに関して同様のことを行うのはほとんど不可能である。
【００２５】
これら２つの知見を組み合わせると、透過においてのみ最大の選択性に最適化されると、高コントラストのシステムをダイクロイックプリズムのコーティングに基づかせることができるのに対して、適切に選択された配向の単一のシート偏光子は、反射における高い選択性を与える。
【００２６】
図３に示したように、ダイクロイック多層体により形成されたダイクロイック偏光ビームスプリッタ２２は法線ｎを有する平坦な反射面３４を有している。光源からの光は、軸線２８に沿って入射し、反射型ＬＣＤ光変調器２４に向かって軸線３０に沿って下方に反射する。
【００２７】
対向する平坦な平行面を有するシート偏光子３６は、法線ｎと平行な当該偏光子の偏光子吸収軸を有し、第１の軸線２８に沿って配置されている。偏光子３６の上記吸収軸は、固有偏光「ｓ」が、法線ｎに対して垂直であり、ＰＢＳ２２の反射面３４に平行であるように配向されている。
【００２８】
前段偏光子３６は、ＰＢＳダイクロイック積層体と同じ媒体に浸漬された単一のシートである。
【００２９】
シート偏光子は、光軸に平行な方向において吸収が最大となる一軸の光学的異方性材料として記載され得る。
【００３０】
伝送される偏光は
【数１】

によって表される。ここで、単位ベクトルＥバーは伝送される偏光の領域を表し、単位ベクトルＲは光線を表し、単位ベクトルＡバーは偏光子の吸収軸の方向を表している。
【００３１】
ダイクロイックプリズムのコーティングは
【数２】

及び
【数３】

によって規定されるＳバー及びＰの偏光状態を区別する。ここで、単位ベクトルＮバーは、ダイクロイック面の法線ｎを表している。
【００３２】
２つのベクトルＡバー，Ｎバーが位置合わせされている場合には、式（１）及び式（２）から、ベクトルＥバー，Ｓバーもまた平行でなければならないことが分かる。すなわち、２つの偏光子の偏光領域は一致しなければならないことが分かる。
【００３３】
図４は、図３に示した本発明の第１の好ましい実施態様に適用されるような上記原則を示している。画像システムの上記受け入れの円錐により規定されるビームの境界が、境界線３８，４０によって示されている。前段偏光子３６の吸収軸をＰＢＳの反射面３４の法線ｎと平行に配置することによって、ビームスプリッタの見地からは、シート偏光子を通過した光は、どの程度大きい円錐の角度が用いられるかにかかわらず、全光線に関して純粋に「ｓ」偏光された光である。
【００３４】
図５は、本発明の第２の実施態様を表すものであり、この態様では、スペースを減少するために、交互に配置された前段偏光子シート３６ａ，３６ｂを用いている。これらのシートの偏光子吸収軸も、反射面３４に対する法線ｎを用いて位置合わせされている。しかしながら、この実施態様は、ビームが２つの偏光子を通らなければならないので、いくらかの光損失を招く。
【００３５】
図６は、本発明の第３の実施態様を表すものであり、この態様では、グリッド方向に対して垂直な「ｓ」偏光された光のみを通すグリッド前段偏光子４２を用いている。グリッド配向が、ダイクロイックＰＢＳ２２の反射面の法線ｎと平行であるので、電気的ベクトルＳは、グリッド線に対して垂直であり、表面３４において反射されるように光線の面に対して垂直でもある。
【００３６】
図７は、本発明の第４の実施態様を表すものであり、この態様では、素子の順序が画像経路において逆になっている。この場合、ＰＢＳ２２と投射レンズ２６との間に、（シートタイプ又はグリッドタイプのいずれかの）後段偏光子４４が配置されている。
【００３７】
上記ＰＢＳは、入射光の「ｓ」成分を効果的に阻止し、「ｐ」偏光された光のみを透過する。暗状態では、ＬＣＤ２４は偏光状態を変化させることなく光を反射する。ＰＢＳは、「ｐ」偏光された光の部分を反射し、後段偏光子が用いられなければコントラストを低減するであろう。
【００３８】
上述した４つの好ましい実施態様では、ＰＢＳ２２は、反射面３４を有するダイクロイック多層積層体により形成されている。図８ａ及び図８ｂは、本発明の第５及び第６の実施態様をそれぞれ示すものであり、ワイヤグリッドタイプのＰＢＳを用いている。これら実施態様の両方において、ＰＢＳのグリッドワイヤは（名目上の）入射面と平行であり、このワイヤグリッドを通って透過する光は、ワイヤに対して垂直な面において振動する。前段の偏光子４８（図８ａ）、後段の偏光子５０（図８ｂ）の吸収軸は、ＰＢＳ２２のグリッドワイヤ４６と平行に配向されている。
【００３９】
このように、求められている目的及び利点の全てを満たすカラー電気光学表示装置用の新規の高コントラスト偏光光学系を示し、説明した。しかしながら、当業者であれば、好ましい実施態様が開示された本明細書及び添付の図面を検討したのち、多くの変更、改良、変形及び他の使用、応用例が明らかになるであろう。例えば、本発明は、任意の既知のタイプの前段偏光子又は後段偏光子（例えば、シート又はグリッドタイプの偏光子）のいずれか一方（又は両方）を用いてもよい。このような偏光子は、空気中に配置されてもよいし、ＰＢＳと共に媒体に浸漬されてもよい。本発明の精神及び特許請求の範囲から逸脱しない上述したような変更、改良、変形及び他の使用、応用例の全ては、本発明によりカバーされると考えられ、以下の特許請求の範囲によってのみ制限されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に関するタイプのカラー画像表示装置の光学系の模式図である。
【図２】反射型光変調器の行及び列の画素をアドレス指定する電子回路を示すブロック図である。
【図３】本発明の第１の好ましい実施態様に係るシート偏光子、偏光ビームスプリッタ及び反射型光変調器の装置を示す図である。
【図４】図３の実施態様における光ビームの円錐を示す図である。
【図５】本発明の第２の好ましい実施態様に係る、互い違いに配置された複合偏光シート、偏光ビームスプリッタ及び反射型光変調器の省スペース構造の装置を示す図である。
【図６】本発明の第３の好ましい実施態様に係るグリッド偏光子、偏光ビームスプリッタ及び反射型光変調器の装置を示す図である。
【図７】本発明の第４の好ましい実施態様に係るシート又はグリッド偏光子、偏光ビームスプリッタ及び反射型光変調器の装置を示す図である。
【図８ａ】本発明の第４の好ましい実施態様に係る装置を示す図である。
【図８ｂ】本発明の第５の好ましい実施態様に係る装置を示す図である。

Claims (8)

1. 第１の軸線に沿って光ビームを生成する光源と、
   前記光ビームを受け取り、実質的に平坦な第１の表面に対して実質的に垂直な方向に反射するように配置された当該第１の表面を形成する、アドレス可能な画素のアレイを有し、前記画素に与えられる表示信号に応じて前記画素から反射される光の偏光状態を変調する反射性光変調器と、
   表示信号が画像に対応した状態で、前記光変調器の前記画素のアレイを繰り返しアドレス指定する電子回路と、
   前記第１の軸線を遮断する第２の軸線に沿って位置合わせされた光軸を有し、光を受け取り、表示スクリーン上に投射する投射レンズと、
   法線ｎを有する反射／透過面を有し、前記光源からの前記光ビームを遮断し、前記光変調器に前記光ビームを送るため、及び前記光変調器からの前記反射光を遮断し、所与の偏光を伴う前記反射光を前記第２の軸線に沿って前記投射レンズに送るために前記第１及び第２の軸線上に置かれた偏光ビームスプリッタと、
   前記光ビームを受け取り、偏光するために前記第１及び第２の軸線の１つに沿って配置され、前記法線ｎと平行に延在する偏光子吸収軸を有する偏光子と
   を有する画像表示システム。
2. 前記偏光子が、前記光源と前記偏光ビームスプリッタとの間において前記第１の軸線上に配置された請求項１記載の画像表示システム。
3. 前記偏光子が、前記偏光ビームスプリッタと前記投射レンズとの間において前記第２の軸線上に配置された請求項１記載の画像表示システム。
4. 前記偏光子がシート型の偏光子である請求項１記載の画像表示システム。
5. 前記偏光子がグリッド型の偏光子である請求項１記載の画像表示システム。
6. 前記偏光子及び前記偏光ビームスプリッタが液体の媒体に浸漬された請求項１記載の画像表示システム。
7. 前記偏光ビームスプリッタが、ダイクロイック多層積層体を有する請求項１記載の画像表示システム。
8. 前記偏光ビームスプリッタが、複数のグリッドワイヤを備えた偏光ワイヤグリッドを有し、前記偏光子の前記吸収軸が前記グリッドワイヤと平行に配向された請求項１記載の画像表示システム。