JP2004520628A - 偏光装置 - Google Patents

Abstract

投影レンズ（１５）及び光変調パネル（１１）とともに使用される傾斜した偏光スプリッター（１３）が提供される。偏光スプリッターは極めて薄い基板（１４）を有し、その基板の厚さは、画像空間内の投影レンズの焦点深度が、傾斜したスプリッターにより生じる非点収差よりも大きくなるように選定される。偏光スプリッターとしては、極めて薄い平行平板の基板に担持され若しくはその基板上に形成された、ワイヤーグリッド偏光子、偏光コーティング又は複屈折フィルムが可能である。

Description

【０００１】
関連する仮出願の相互参照
本出願は、２００１年５月１８日に出願された米国仮出願６０／２９２，１７８号の米国特許法１１９条（ｅ）項に基づく利益を主張するものであり、該仮出願の全ての内容はこれをもって記載に変えるものとする。
【０００２】
発明の分野
本発明は、例えばＬＣｏＳｓのような反射型液晶ディスプレイとともに使用する投影光学装置に関する。本発明は特に、反射型液晶ディスプレイと協働して照明光及び反射光の効果的な分離を維持するように構成された偏光要素構造に関する。
【０００３】
従来技術の説明
反射型液晶ディスプレイ（例えばシリコン基板上に構成された液晶ディスプレイであるＬＣｏＳディスプレイ−Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ）は、以下に従って偏光と協働する。ディスプレイの「オフ（ｏｆｆ）」のピクセルは偏光状態を変えずに光を反射し、「オン（ｏｎ）」のピクセルは照明光の偏光を９０°回転させる。（選択的に、「オン（ｏｎ）」のピクセルが偏光を変えずに、「オフ（ｏｆｆ）」のピクセルが偏光を回転させることができる。しかし、「オフ」が偏光を変化させず「オン」が偏光を変化させる方法が実際には最も一般的な方法である。）偏光要素の公知の光学的配置を図１に示す。１９９４年７月５日に交付されたＭｉｙａｔａｋｅの米国特許５，３２７，２７０号「偏光ビームスプリッター装置及びライトバルブ画像投影装置」を参照のこと。該米国特許の内容は、この参照により開示に含まれるものである。
【０００４】
図１の配置においては、照明光８は始めの偏光子９（Ｓ偏光子）を透過し、偏光ビームスプリッター３（ＰＢＳ）のダイアゴナル（ｄｉａｇｏｎａｌ）から反射する。この光はＬＣｏＳ１１を照明する。「オフ」ピクセルから反射した光は、入射光と同じ偏光を有し、ＰＢＳのダイアゴナルから反射して照光装置に戻る。「オン」ピクセルから反射した光は、入ってくる光の偏光と直交する偏光を有する。その光はＰＢＳのダイアゴナルを通過し、装置の投影レンズ内に進入する（図１の光１７を参照）。この配置においては、照明光８及び画像光１７は、照明光線がＰＢＳのダイアゴナルを透過して画像光線がそのダイアゴナルから反射することによって、反転可能であることは注目すべきである。
【０００５】
ＰＢＳのダイアゴナルは、Ｓ偏光を反射してＰ偏光を透過させるような多層構造を有する。Ｐ偏光の典型的な反射率は１２％以下であり、これは装置のコントラストを低下させる。ＰＢＳ３の前の始めの偏光子９は、所要水準のコントラストを維持するために、Ｐ偏光を有する光を吸収する。
【０００６】
照光器からの光円錐のＦ数は典型的には２．８であり、これによりスキュー光線に対して重大な偏光解消効果が生じる。この幾何学的効果は上記参照したＭｉｙａｔａｋｅの特許にて説明されており、高いコントラストを維持するためにＰＢＳ３と反射型液晶ディスプレイ１１（例えばＬＣｏＳ）との間に１／４波長板５が必要とされる。
【０００７】
この偏光配置の主たる欠点は、ＰＢＳが高価であること、及びスキュー光線の問題を低減するために非常に精密な角度調整を要する１／４波長板を必要とすることである。また１／４波長板は非常に温度に敏感であり、そのため画像装置全体のコントラストが不均一になる。
【０００８】
発明の概要
上述した従来技術の欠陥に対して、本発明は、
（ａ）光変調パネルと、
（ｂ）光変調パネルの画像を形成するための、画像空間に焦点深度Ｄを有する投影レンズと、
（ｃ）光変調パネルと投影レンズとの間に配置された、ある角度に傾斜した偏光ビームスプリッターであって、偏光ビームスプリッターが有する基板は、その角度に傾斜した基板によって生じる非点収差がＤ以下であるような厚さＴを有する、偏光ビームスプリッターと、
を有する光学装置を提供する。
【０００９】
前述のことに加え、光学装置は使用時に照光装置を有し、その照光装置と光変調パネルとの間に傾斜した偏光スプリッターが配置される。
【００１０】
本発明のさらなる特徴及び長所は、以下の詳細な説明にて示される。その一部は、その説明によって当業者に直ちに明らかになるか、又は本発明を本明細書に記載されたように実施することにより理解されるであろう。
【００１１】
前述の概略説明及び以下の詳細な説明は、当然、いずれも本発明の例示に過ぎず、特許請求の範囲に記載されたような本発明の本質及び特徴を理解するための概要及び枠組みを提供しようとするものであることは、理解されるべきである。
【００１２】
本明細書の一部を構成する添付図面は、本発明の種々の形態を示しており、図面の簡単な説明と協働して、本発明の原理の説明に役立つ。無論、図面及び図面の簡単な説明は、いずれも本発明の説明のためのものに過ぎず、本発明を限定するものではないことは理解されるべきである。
【００１３】
発明の詳細な説明
本発明に係る配置の概要は図２に示される。図１の偏光ビームスプリッターは、例えばワイヤーグリッド偏光子１３に置換される。例えば、２００１年２月８日に公開されたＷＯ０１／０９６７７号「偏光ビームスプリッターを備えた画像投影装置」、及び２０００年９月１９日に交付されたＰｅｒｋｉｎｓ等の米国特許６，１２２，１０３号「可視スペクトルのための広帯域ワイヤーグリッド偏光子」を参照のこと。これらの内容は、この参照をもって記載に変えるものとする。ワイヤーグリッド偏光子の偏光特性は、ＰＢＳのダイアゴナルの特性（Ｐ偏光を透過させてＳ偏光を反射する）と同様である。照光装置７からの光は始めの偏光子９（Ｓ偏光子）を透過して、図２のように４５°傾斜したグリッド偏光子１３から反射される。
【００１４】
この傾斜した偏光子は、反射型液晶ディスプレイ１１（例えばＬＣｏＳ）から反射された光を分離する。「オン」ピクセルから反射された光は９０°偏光回転し、ワイヤーグリッド偏光子を透過して投影レンズ１５に向かう。「オフ」ピクセルから反射した光は入射光と同じ偏光であり、照光装置７の方向に向かう。
【００１５】
ワイヤーグリッド構造のための基板１４は、平行平板である。投影レンズの後方作用空間内の傾斜板により、スクリーンの画像品質を低下させる非点収差が生じる。
【００１６】
本発明によれば、この負の効果を低減するために、基板（平行平板）の厚さは非常に小さく（例えば約０．１５ｍｍ）作製される。この厚さにより、非点収差は実際的には無視できる。
【００１７】
表１は、ガラスから構成された４５°に傾斜した平行平板の種々の厚さによる非点収差の値を示している。Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ シリーズ（シリーズ編者 Ｒｏｂｅｒｔ Ｅ． Ｆｉｓｃｈｅｒ、Ｗａｒｒｅｎ Ｊ． Ｓｍｉｔｈ）における、Ｗａｒｒｅｎ Ｊ． Ｓｍｉｔｈの「Ｍｏｄｅｒｎ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ： Ｔｈｅ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ」第２版（マグロウヒル社、ニューヨーク、１９９０年）、９６〜９９頁（特に９９頁）を参照のこと。この内容は、この参照をもって記載に変えるものとする。
【００１８】
ＬＣｏＳに使用されるように設計された投影レンズの典型的なＦ数は２．８である。画像装置上の許容できる（注目に値しない）ぼやけは、一般的に約１ピクセルであり、ＬＣｏＳの代表的なピクセルサイズは９ミクロンである。従ってＦ数が２．８であることは、画像空間内の焦点深度が＋／−０．０２５ｍｍであることに相当する。ここで画像空間とは、ＬＣｏＳと投影レンズとの間、すなわちＬＣｏＳが配置される空間である。上述のＷ．Ｓｍｉｔｈの著書の１４５〜１４８頁を参照のこと。ＬＣｏＳと投影レンズとの間は光強度が全くないので、この焦点深度値は画像空間全体に適用される。表１のデータは、厚さ０．１５ｍｍの傾斜した平行平板により生じる非点収差はこの焦点深度の範囲内であることを示している。このことは、この非点収差が無視できることを意味する。
【００１９】
ピクセルサイズ及び投影レンズのＦ数に基づく＋／−０．０２５ｍｍの焦点深度は、許容できるぼやけを定めるものとして人間の眼（角度１．５′）の分解能を考慮することによる焦点深度と、機能的には同じであることに注目すべきである。特に、光変調パネルの７０倍の画像が投影されるスクリーンから約２ｍ離れた位置の人間の眼に対して要求される画像空間の焦点深度は、約＋／−０．０３５ｍｍである。故に表１によれば、例えば０．１５ｍｍ以下の厚さの基板の非点収差はこの焦点深度の範囲内であり、この非点収差は無視できる。
【００２０】
本発明によれば、より一般的には、傾斜した偏光スプリッター（例えばワイヤーグリッド偏光子）は、照光装置とピクセルパネルとの間にて使用される。ピクセルパネルが有する基板の厚さは、傾斜した角度（例えば４５°）の基板によって生じる非点収差が、例えばスクリーン上のピクセルパネルに像を造るために使用される投影レンズの画像空間内の焦点深度以下であるような厚さである。
【００２１】
本発明に従うワイヤーグリッド偏光子の基板として使用可能な平行平板の例としては、プレミアムカバーガラス（Ｆｉｓｃｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ、カタログ番号１２５４８Ｃ）がある。
【００２２】
非点収差問題の解決に加え、この装置は（１）平行平板の非平面性、及び（２）平行平板の熱変形に対して鈍感であることも注目すべきである。平行平板は通常は室温で取り付けられるが、操作温度は約５０〜６０℃になり、これは平行平板の熱変形を惹起することから、装置が熱変形に鈍感であることは特に重要である。平行平板は非常に薄いので、平行平板を透過する光の波面は有意には変形されず、故に投影レンズは、平行平板が変形していても、平行平板を通して見る（ｌｏｏｋ ｔｈｒｏｕｇｈ）ことができる。
【００２３】
ＰＢＳの代わりにワイヤーグリッド偏光子を使用することは、スキュー光線の偏光解消を補正する１／４波長板が不要になることを意味する。このことにより、この構成要素の非常に精密な調整が組立工程から排除される。このことはまた、１／４波長板の特性の温度による変化に関する不均一なコントラストの問題も解決する。
【００２４】
本発明の特定の実施形態が説明され図示されたが、本発明の精神及び範囲から逸脱しない変更が可能であることは理解されるべきである。例えば、ワイヤーグリッド構造の代わりに、３Ｍにより作製された商品名３Ｍ ＣＡＲＴＥＳＩＡＮ ＰＯＬＡＲＩＺＥＲのような偏光複屈折フィルムを極めて薄い基板の上で使用することができる（投影ディスプレイに関する専用回線レポート第７巻、１１号（２００１年７月２０日）６〜８頁を参照のこと）。
【００２５】
同様に、上述した極めて薄い基板は、ワイヤーグリッド構造の代わりに偏光コーティングを有して使用することができる。この構造は同じ利点（すなわち非点収差がなく、非平面性及び熱変形に対して低感度であること）を有するが、スキュー光線の補正のための１／４波長板はなお必要である。本発明のこの実施形態については、光軸に関する偏光コーティング面の角度は、コーティングを侵す光の有効な入射角を得るために、４５°と相異なる角度であってもよい。４５°以外の傾斜角は、上述した偏光複屈折フィルム及びワイヤーグリッド偏光子のような他の偏光分離構造に対して使用することもできる。
【００２６】
他の変形例として、ＣＲＴからの光を用いて直接アドレッシングされるフリーラスター（ｆｒｅｅ−ｒａｓｔｅｒ）ＬＣＤパネルが、本発明の実施に使用可能である。同時に本発明は、現在公知の光変調パネル（バルブ）に限定されるものではなく、将来開発され得る全てのパネルを含むものである。
【００２７】
本発明の範囲及び精神から逸脱しない他の変更は、本明細書の開示によって当業者に明らかになろう。添付の特許請求の範囲は、本明細書にて説明された特定の実施形態を、そのような変更例、変形例及び均等例とともに含むものである。
【００２８】
【表１】

【図面の簡単な説明】
【図１】
偏光ビームスプリッター及び１／４波長板を用いた従来技術の偏光装置の概要図である。
【図２】
許容できないレベルの非点収差を生じさせない基板を有する傾斜した偏光ビームスプリッターを用いた、本発明に従う偏光装置の概要図である。
図面に使用される参照符号は以下の通りである。
【符号の説明】
３…ＰＢＳ
５…１／４波長板
７…照光装置
８…照光装置からの光
９…偏光子
１１…光変調パネル
１３…偏光スプリッター（例えばワイヤーグリッド偏光子）
１４…偏光スプリッターの基板
１５…投影レンズ
１７…投影レンズに向かう光

Claims (21)

1. （ａ）光変調パネルと、
   （ｂ）前記光変調パネルの画像を形成するための、画像空間に焦点深度Ｄを有する投影レンズと、
   （ｃ）前記光変調パネルと前記投影レンズとの間に配置された、ある角度に傾斜した偏光ビームスプリッターであって、該偏光ビームスプリッターが有する基板は、前記角度に傾斜した該基板によって生じる非点収差がＤ以下であるような厚さＴを有する、偏光ビームスプリッターと、
   を有する光学装置。
2. Ｄが約０．０５ミリメートルである請求項１に記載の光学装置。
3. Ｔが約０．１５ミリメートルである請求項１に記載の光学装置。
4. 前記偏光スプリッターが約４５°の角度に傾斜している請求項１に記載の光学装置。
5. 前記偏光スプリッターがワイヤーグリッド偏光子である請求項１に記載の光学装置。
6. 前記偏光スプリッターが偏光コーティングを有する請求項１に記載の光学装置。
7. 前記偏光スプリッターが偏光複屈折フィルムを有する請求項１に記載の光学装置。
8. 前記光変調パネルが反射型液晶ディスプレイである請求項１に記載の光学装置。
9. 前記光変調パネルがシリコン基板上の液晶パネルである請求項１に記載の光学装置。
10. （ａ）照光装置と、
    （ｂ）光変調パネルと、
    （ｃ）前記光変調パネルの画像を形成するための、画像空間に焦点深度Ｄを有する投影レンズと、
    （ｄ）前記照光装置と前記光変調パネルとの間、及び前記光変調パネルと前記投影レンズとの間に配置された、ある角度に傾斜した偏光ビームスプリッターであって、該偏光ビームスプリッターが有する基板は、前記角度に傾斜した該基板によって生じる非点収差がＤ以下であるような厚さＴを有する、偏光ビームスプリッターと、
    を有する光学装置。
11. Ｄが約０．０５ミリメートルである請求項１０に記載の光学装置。
12. Ｔが約０．１５ミリメートルである請求項１０に記載の光学装置。
13. 前記偏光スプリッターが約４５°の角度に傾斜している請求項１０に記載の光学装置。
14. 前記偏光スプリッターがワイヤーグリッド偏光子である請求項１０に記載の光学装置。
15. 前記偏光スプリッターが偏光コーティングを有する請求項１０に記載の光学装置。
16. 前記偏光スプリッターが偏光複屈折フィルムを有する請求項１０に記載の光学装置。
17. 前記光変調パネルが反射型液晶ディスプレイである請求項１０に記載の光学装置。
18. 前記光変調パネルがシリコン基板上の液晶パネルである請求項１０に記載の光学装置。
19. 前記照光装置と前記偏光スプリッターとの間に偏光子をさらに有する請求項１０に記載の光学装置。
20. 厚さが０．１５ミリメートル以下の基板を有する偏光スプリッター。
21. ワイヤーグリッド偏光子である請求項２０に記載の偏光スプリッター。