JP2005208644A - Optical system, light source, projection display and direct-viewing display - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光学システムに関する。このようなシステムは、例えば入力された非偏光を実質的に単一または均一な出力偏光に変換する偏光変換光学システム(PCOS)などに用いられ得る。このようなシステムはさらに、投影ディスプレイ用光源、投影ディスプレイ、または直視型ディスプレイなどに用いられ得る。従って本発明はさらにこのようなシステムを含む光源、このような光源を含む投影ディスプレイ/直視型液晶表示装置、ならびにこのようなシステムを含む直視型ディスプレイに関する。 The present invention relates to an optical system. Such a system may be used, for example, in a polarization conversion optical system (PCOS) that converts input non-polarized light into substantially single or uniform output polarized light. Such a system can be further used for a light source for a projection display, a projection display, a direct view display, or the like. The invention therefore further relates to a light source comprising such a system, a projection display / direct view liquid crystal display comprising such a light source, and a direct view display comprising such a system.
あるタイプの投影ディスプレイは、ランプからの非偏光を受け取りこれを均一に偏光された光に変換する偏光変換光学システムを含むことが知られている。プロジェクタ用の照射システムは、液晶デバイス(LCD)などの空間光変調器(SLM)を照射し、照射光の偏光を実質的に均一な偏光に変換することにより、投影ディスプレイの効率または明るさを向上させる。添付の図1は、例えば米国特許第5,978,136号(特許文献1)に開示された典型的なこのタイプのディスプレイを示す。 One type of projection display is known to include a polarization converting optical system that receives unpolarized light from a lamp and converts it to uniformly polarized light. Projection illumination systems illuminate a spatial light modulator (SLM) such as a liquid crystal device (LCD) to convert the polarization of the illumination light into a substantially uniform polarization, thereby increasing the efficiency or brightness of the projection display. Improve. Accompanying FIG. 1 shows a typical display of this type as disclosed, for example, in US Pat. No. 5,978,136.
図1に示す投影ディスプレイは、ランプ1を含む。ランプ1は、例えば放物線状のリフレクタを有する小型アークランプを含み、小型アークランプは不均一な強度分布を有する非偏光の実質的に平行化されたビームを発光する。ランプ1からの光は偏光変換光学システム(PCOS)兼ホモジナイザ2に供給される。偏光変換光学システム(PCOS)兼ホモジナイザ2は、第1および第2のマイクロレンズアレイ3および4、偏光ビームスプリッタ(PBS)5、1/2波長位相板アレイ6、およびフィールドレンズ7を含む。出射光は液晶パネル8に向けられてこれを照射する。
The projection display shown in FIG. The
第1のマイクロレンズアレイ3はその焦平面に、非偏光の空間分布明スポットのアレイを形成する。第2のマイクロレンズアレイ4は第1のマイクロレンズアレイ3の焦平面上に設けられており、両アレイのレンズは同一の焦点距離を有する。フィールドレンズ7により、第2のマイクロレンズアレイ4は、液晶パネル8の面に均一光ビームの像を形成するビーム均一化システムの一部として作用する。第1のアレイ3のマイクロレンズのアスペクト比はパネル8のアスペクト比と実質的に同一である。従ってランプ1からの光ビームは、パネル8を照射する均一化ビームがパネルと実質的に同一のアスペクト比を有するように再整形される。
The
このタイプの均一化システムが正しく動作するためには、各アレイのマイクロレンズの焦点距離が等しくなければならず、かつ、第2のアレイが第1のアレイの焦平面上に設けられていなければならない(StuppおよびBrennesholtz、「投影システム」、Wiley社、1999年を参照のこと)。 For this type of homogenization system to work properly, the focal lengths of the microlenses in each array must be equal and the second array must be on the focal plane of the first array. (See Stupp and Brennesholtz, “Projection System”, Wiley, 1999).
偏光ビームスプリッタ5は第2のアレイ4の後に設けられており、エレメントのアレイを含む。エレメントのピッチは第2のアレイ4のマイクロレンズのピッチの約半分である。焦点を合わされた光ビームは偏光ビームスプリッタ5に対して、エレメント1つおきに、またはセクション1つおきに入射する。例えば参照符号9で示す偏光分離膜は一方の偏光、例えばP偏光、を「前」方に透過させる。S偏光などの直交偏光は、ビームスプリッタの隣接する部分において、反射膜(例えば参照符号10で示す)方向に反射する。ビームスプリッタ5において直交偏光は前方に反射する。従ってビームスプリッタ5に入射した各非偏光ビームは空間分離し前方に伝搬する、直交偏光を有する2つのビームを生成する。
A polarizing
エレメント6はリターダ膜の位相板または位相ストリップのアレイを含む。位相板または位相ストリップは、一方の偏光を有するビームのみがリターダ膜に入射するように配置されている。リタデーションは、入射した偏光が、直交偏光に変化した状態でリターダから出射するように選択される。従って全ての前方伝搬ビームは実質的に同一の偏光状態を有する。これらのビームはフィールドレンズ7によって集光されてパネル8を均一に照射する。
アレイ3および4のマイクロレンズのF値はランプ1の特性に合致するように選択される。ランプ1は概して僅かに偏移する光を発光する。偏光変換光学システム2の集光効率に実質的に影響を与えることなく偏光変換光学システム2の長さを短くするためには、マイクロレンズの焦点距離およびピッチの両方を短縮して所望のF値を維持することが必要である。
The F values of the microlenses of
いかなるランプにおいても、より短いピッチを有するマイクロレンズを用いることが有益である。なぜなら照射ビームはパネル8においてより均一化され、その結果パネルにおける照度均一性が高くなるからである。均一性が高まる理由は、ランプ1から発光される不均一ビームをサンプリングする第1のアレイ3のレンズ数が多くなるからである。逆の言い方をすると、より短いピッチを有するマイクロレンズを用いると、より小さいフォームファクタを有する光源から発光される光が効率よく均一化され、それにより小型化された「投影エンジン」の提供が可能となる。
In any lamp, it is beneficial to use microlenses with a shorter pitch. This is because the irradiation beam is made more uniform in the panel 8, and as a result, the illuminance uniformity in the panel becomes higher. The reason why the uniformity is increased is that the number of lenses of the
アレイ3および4のマイクロレンズのピッチを短縮すると、ビームスプリッタ5のピッチも短縮されることになる。ビームスプリッタは典型的にはPCOS内で最も高価な部品である。そのピッチを実質的に短縮すると、偏光分離およびミラーコーティングがより多く必要となるため製造コストが上がる。さらに、よりピッチの短いエレメントを製造する場合、トレランスがより重要となり光の無駄が増加する。これらの制約のために、現在、約0.5mm未満のピッチを有する偏光ビームスプリッタアレイを製造することはビジネス上実施可能ではなく、従ってこのようなアレイを用いたPCOSの全長を約7mm未満にすることはできない。
When the pitch of the microlenses of the
図1に示すPCOS2は4つの別々のユニット、すなわち2つのマイクロレンズアレイ3および4、リターダストリップを備えたビームスプリッタアレイ5、ならびにフィールドレンズ7を含む。これらのユニットの表面からのフレネル反射による光の損失を減少させるためには、これらのユニット間の界面をインデックス合致させるか、あるいはアンチ反射コーティングを提供することが必要である。前者の方法はシステムの長さを増大させ、後者の方法はシステムのコストを上昇させる。
The PCOS 2 shown in FIG. 1 includes four separate units: two
米国特許第6,621,533号(特許文献2)は、添付の図2に示すPCOSを開示している。このシステムはマイクロレンズアレイ3および4、ならびに偏光回転エレメント11を含む。これらはそれぞれ、図1のマイクロレンズアレイ3および4、ならびに位相板6と同様の働きをする。しかしPBS5が省略されており、その作用は偏光分岐エレメント12によって提供される。偏光分岐エレメント12は、例えば参照符号13で示す光学異方性マイクロプリズム13のアレイ、および例えば参照符号14で示す光学等方性マイクロプリズム14のアレイを含む。マイクロプリズム13のアレイとマイクロプリズム14のアレイとは互いに接している。各マイクロプリズム13および14は楔形断面を有する。
US Pat. No. 6,621,533 (Patent Document 2) discloses a PCOS shown in FIG. The system includes
この構成により、効率的に集光するために必要なF値を有するマイクロレンズが非常に短いピッチおよび焦点距離で提供される。なぜなら、マイクロレンズのピッチがガラス製偏光ビームスプリッタアレイ5を用いることが必要か否かということとは無関係に決定できるからである。その結果システムの長さは約4mmという最小限の値となる。完全に平行な非偏光が偏光分岐エレメント12に対して法線方向に入射した場合、この光は、異方性プリズム13と等方性プリズム14との間の傾斜界面(例えば参照符号15で示す)に入射し、2つの直交偏光ビームに角度的に分離する。これらのビーム間の角度は、光が界面15に入射する角度と界面15における光の屈折率変化とによって決定される。
This arrangement provides microlenses with the very short pitch and focal length that have the F-number required to efficiently collect light. This is because the pitch of the microlenses can be determined regardless of whether it is necessary to use the polarizing
実際の光学システムで起こるように分岐エレメント12が偏移光によって照射された場合、光の一部は垂直壁または界面(例えば参照符号16で示す)に入射してPCOS方向に失われる。なぜならこの光は誤った方向に屈折するからである。そのため、このようなシステムの光効率は低減する。この構成のさらに不利な点は、ポリマーまたは液晶材料の比較的厚い層、例えば、約60〜100マイクロメータの層によって形成されていることである。このような厚みでは概して、システム内の回折損失に関して妥協することなく所望の分岐角度を達成することが必要であり、回折損失は厚みおよびピッチが低減したときに起こる。このように厚いポリマーまたは液晶材料は、高圧アークランプから供給される明るい、または高強度の光に曝されると劣化する可能性があるが、高圧アークランプは投影エンジン内の光源として典型的に用いられている。従ってPCOSの寿命は受容不能なほど低くなる可能性がある。さらに光効率を最適にするためには、PCOSの3つのユニットの外表面にアンチ反射コーティングを施さねばならずコストが上昇する。
When the
米国特許第4,446,305号(特許文献3)は、添付の図3に示す光偏光シート部材を開示している。この部材またはデバイスは、比較的低い屈折率n1を有する機能等方性層20、常光および異常光屈折率noおよびneを有する高度複屈折ポリマー層21、および比較的高い屈折率n2を有する機能等方性層22を含む。層21および22の材料は、n1がnoと実質的に合致し、n2がneと実質的に合致するように選択される。 U.S. Pat. No. 4,446,305 (Patent Document 3) discloses a light polarizing sheet member shown in FIG. The member or device functionality isotropic layer 20 having a relatively low refractive index n 1, highly birefringent polymer layer 21 having ordinary and extraordinary refractive index n o and n e, and relatively high refractive index n 2 A functional isotropic layer 22 having Material of layer 21 and 22, n 1 is matched to n o substantially, n 2 is selected to n e substantially matches.
例えば参照符号23で示す非偏光は、層20の上面に入射する。複屈折層21と等方性層20および22との間の界面はレンズ構造体24および25を形成する。この場合レンズ構造体24は第1の偏光を有する光にのみ有効であり、レンズ構造体25は直交偏光を有する光にのみ有効である。従って入射光23のPおよびS偏光成分は、異なるインターレース像に焦点を合わされる。 For example, unpolarized light indicated by reference numeral 23 is incident on the upper surface of the layer 20. The interface between the birefringent layer 21 and the isotropic layers 20 and 22 forms lens structures 24 and 25. In this case, the lens structure 24 is effective only for light having the first polarization, and the lens structure 25 is effective only for light having orthogonal polarization. Thus, the P and S polarization components of incident light 23 are focused on different interlaced images.
層21の複屈折材料は透明で固いプラスチックフィルムである。これに機械的応力を与えることにより分子オーダーが誘導され、その結果光学異方性が生じる。レンズ構造体は、層21の表面をエンボス、グラインドまたは研磨などにより修正することにより形成しなければならない。分子の再配列は、エンボス前に材料を柔軟化するために必要な熱または溶媒を付与することによって起こる。グラインドおよび研磨によって応力複屈折が導入される。従ってこれらのプロセスは全て、異方性材料の屈折率プロファイルを変更するという影響、そしてそれによりデバイスの効率を低減させるという影響を有する。 The birefringent material of layer 21 is a transparent and hard plastic film. By applying mechanical stress to this, molecular order is induced, resulting in optical anisotropy. The lens structure must be formed by modifying the surface of the layer 21 by embossing, grinding or polishing. Molecular rearrangement occurs by applying the heat or solvent necessary to soften the material before embossing. Stress birefringence is introduced by grinding and polishing. Thus, all these processes have the effect of changing the refractive index profile of the anisotropic material and thereby reducing the efficiency of the device.
デバイスを製造するためには、適切な屈折率、特に上記した適切な合致条件を有する材料を特定し選択することが必要である。ブロードバンドまたは白光の場合、かなり広い波長範囲に亘ってこれらのインデックス合致条件を満たす材料を3つ特定することは困難である。従ってこのデバイスのブロードバンド効率は低くなる。 In order to manufacture the device, it is necessary to identify and select a material having an appropriate refractive index, particularly the appropriate matching conditions described above. In the case of broadband or white light, it is difficult to identify three materials that satisfy these index matching conditions over a fairly wide wavelength range. Therefore, the broadband efficiency of this device is low.
特開平3−005707号公報(特許文献4)は、米国特許第4,446,305号と同様であるが屈折レンズをフレネルレンズにした構成を開示している。 Japanese Patent Laid-Open No. 3-005707 (Patent Document 4) discloses a configuration similar to US Pat. No. 4,446,305, but using a refractive lens as a Fresnel lens.
米国特許第5,671,034号(特許文献5)は、複屈折材料を用いて偏光依存型屈折光学エレメントを製造する技術を開示している。 US Pat. No. 5,671,034 (Patent Document 5) discloses a technique for manufacturing a polarization-dependent refractive optical element using a birefringent material.
特開平3−294803号公報(特許文献6)は、偏光分岐システムを開示している。この偏光分岐システムは、光源からのランダム偏光を2つの直交線形偏光に空間分岐させる複屈折レンズ17、一方の偏光状態を他方の偏光状態と同じ状態に変換するシステム18,および実質的に均一に偏光された光を組み合わせて平行ビームにするホログラムレンズ19を用いている。このシステムを図19にアレイの形態で示す。
Japanese Patent Application Laid-Open No. 3-294803 (Patent Document 6) discloses a polarization branching system. This polarization splitting system includes a
複屈折レンズ17によって焦点を合わされた光を平行にするためには、ホログラムレンズ17(焦点距離fH)は、複屈折レンズ(焦点距離fB)と共焦点となる位置に設けられなければならない。換言すると、複屈折レンズは、2つのレンズの焦点距離の合計(fH+fB)に等しい距離だけホログラムレンズから離れている。
In order to make the light focused by the
出射光が平行化されているという事実のために、この公知のシステムは偏光変換光学システム内のホモジナイザとして用いることはできない。光が平行化されると、個々の感偏光マイクロレンズの像を重ねることは不可能であり、従ってパネル面上に均一な照度を有する均一化されたビームを形成することは不可能である。このシステムは、ホログラムレンズ19を用いることに限定されているために更なる不利な点を有する。透過ホログラフィー光学エレメントの性能効率は高度に波長依存性である。従ってこのシステムは白光の場合、高効率にすることはできない。さらにホログラムレンズ19は感偏光ではなく、入射光の偏光を変更するように作用することはできない。
本発明の目的は、高価な偏光ビームスプリッタを必要とすることなく、かつ、必要とされるアンチ反射コーティングが比較的少ない状態で低コストで提供できる簡便な偏光変換光学システム、このような偏光変換光学システムを備えた光源、およびこのような光源を備えたディスプレイを提供することである。 An object of the present invention is to provide a simple polarization conversion optical system that can be provided at a low cost without requiring an expensive polarization beam splitter and with a relatively small amount of anti-reflection coating, and such polarization conversion. It is to provide a light source with an optical system and a display with such a light source.
本発明の第1の局面によると、第1の偏光を第1の収束で収束させ、該第1の偏光に直交する第2の偏光を該第1の収束よりも小さい第2の収束で透過させる、偏光レンズの第1のアレイと、該第1のアレイから光を受け取り、該第2の偏光を第3の収束で収束させ、該第1の偏光を該第3の収束よりも小さい第4の収束で透過させる、偏光レンズの第2のアレイとを備えた光学システムであって、該第1および該第2のアレイから見て、該第1および該第2の画像面の一方よりも実質的に遠くない位置に設けられた、レンズの第3のアレイをさらに備えた、光学システムが提供され、これにより上記目的が達成される。 According to the first aspect of the present invention, the first polarized light is converged by the first convergence, and the second polarized light orthogonal to the first polarized light is transmitted by the second convergence smaller than the first convergence. A first array of polarizing lenses, receiving light from the first array, converging the second polarized light with a third convergence, and reducing the first polarized light with a third convergence smaller than the third convergence. An optical system comprising a second array of polarizing lenses that transmits at a convergence of four, as viewed from the first and second arrays, from one of the first and second image planes There is provided an optical system, further comprising a third array of lenses, provided at a position that is not substantially distant, thereby achieving the object.
前記第1および第2の偏光が直線偏光であってもよい。 The first and second polarized light may be linearly polarized light.
前記第2および第4の収束のうち少なくとも一方が実質的にゼロであってもよい。 At least one of the second and fourth convergence may be substantially zero.
前記第2の偏光が前記第1のアレイによって実質的に偏移されなくてもよい。 The second polarization may not be substantially shifted by the first array.
前記第1の偏光が前記第2のアレイによって実質的に偏移されななくてもよい。 The first polarization may not be substantially shifted by the second array.
前記第1のアレイのレンズが実質的に互いに同一であってもよい。 The lenses of the first array may be substantially identical to one another.
前記第2のアレイのレンズが実質的に互いに同一であってもよい。 The lenses of the second array may be substantially identical to one another.
前記第1および前記第2の画像面が実質的に共平面であってもよい。 The first and second image planes may be substantially coplanar.
前記第3のアレイが実質的に前記第1および前記第2の画像面にあってもよい。 The third array may be substantially in the first and second image planes.
前記第1および前記第2の画像面が実質的に共平面でなく、前記第3のアレイが実質的に該第1および該第2の画像面の一方にあるか、または該第1および該第2の画像面間にあってもよい。 The first and second image planes are not substantially coplanar, and the third array is substantially on one of the first and second image planes, or the first and the second It may be between the second image planes.
前記第1および前記第2のアレイが実質的に互いに等しいピッチを有していてもよい。 The first and second arrays may have substantially the same pitch.
前記第2のアレイのレンズが前記第1のアレイのレンズに対して横方向にオフセットしていてもよい。 The lenses of the second array may be offset laterally with respect to the lenses of the first array.
前記横方向のオフセットが、前記第1および前記第2のアレイの各々のピッチの半分に実質的に等しくてもよい。 The lateral offset may be substantially equal to half the pitch of each of the first and second arrays.
前記第1および前記第2のアレイのレンズが光学異方性材料を含んでもよい。 The lenses of the first and second arrays may include an optically anisotropic material.
前記第1および前記第2のアレイのレンズが、前記光学異方性材料の屈折率の1つに実質的に等しい屈折率を有する光学等方性材料と接していてもよい。 The lenses of the first and second arrays may be in contact with an optically isotropic material having a refractive index substantially equal to one of the refractive indices of the optically anisotropic material.
前記第1および前記第2のアレイのレンズが同一の材料により形成され、該第1のアレイのレンズが、該第2のアレイのレンズの光軸に直交する光軸を有していてもよい。 The lenses of the first and second arrays may be formed of the same material, and the lenses of the first array may have an optical axis that is orthogonal to the optical axis of the lenses of the second array. .
前記第1および前記第2のアレイのレンズがフレネルレンズであってもよい。 The lenses of the first and second arrays may be Fresnel lenses.
前記第1および前記第2のアレイのレンズが正および負のダブレットであってもよい。 The lenses of the first and second arrays may be positive and negative doublets.
前記第1および前記第2のアレイが、互いに対向する実質的に平坦な表面を有していてもよい。 The first and second arrays may have substantially flat surfaces that face each other.
前記第1および前記第2のアレイのレンズが屈折率分布型レンズであってもよい。 The lenses of the first and second arrays may be gradient index lenses.
上記システムが前記第2のアレイからの光を受け取り、前記第1および前記第2の偏光のうちの少なくとも一方を変更する、偏光変更エレメントの第4のアレイをさらに備えていてもよく、該第4のアレイは該第4のアレイからの光が実質的に均一な偏光となるように変更してもよい。 The system may further comprise a fourth array of polarization changing elements that receive light from the second array and change at least one of the first and second polarizations, The four arrays may be modified so that the light from the fourth array is substantially uniform polarized.
前記第4のアレイが前記第1および前記第2の偏光の一方を実質的に該第1および第2の偏光の他方に変更するように設けられていてもよい。 The fourth array may be provided to change one of the first and second polarizations to substantially the other of the first and second polarizations.
前記偏光変更エレメントが偏光回転子であってもよい。 The polarization changing element may be a polarization rotator.
前記偏光変更エレメントがリターダであってもよい。 The polarization changing element may be a retarder.
前記第3のアレイが、前記第1および前記第2のアレイのレンズのピッチの半分に実質的に等しいピッチを有していてもよい。 The third array may have a pitch substantially equal to half the pitch of the lenses of the first and second arrays.
前記第3のアレイのレンズの各々が前記第1または前記第2のアレイの対応するレンズと光学的に整合していてもよい。 Each of the lenses of the third array may be optically aligned with a corresponding lens of the first or second array.
前記第3のアレイのレンズの各々の焦点距離が、前記第1または前記第2のアレイの対応するレンズの焦点距離と実質的に等しくてもよい。 The focal length of each of the lenses of the third array may be substantially equal to the focal length of the corresponding lens of the first or second array.
前記第3のアレイが前記第4のアレイを備え、該第3のアレイのレンズのうちの少なくともいくつかが偏光変更エレメントを備えていてもよい。 The third array may comprise the fourth array, and at least some of the lenses of the third array may comprise polarization changing elements.
前記レンズのうちの少なくともいくつかが光学異方性を有していてもよい。 At least some of the lenses may have optical anisotropy.
上記システムは、前記システムからの出射光を収束させるフィールドレンズをさらに備えていてもよい。 The system may further include a field lens that converges light emitted from the system.
本発明の第2の局面によると、本発明の第1の局面によるシステムと、少なくとも1つの発光器と、を備えた光源が提供され、これにより上記目的が達成される。 According to a second aspect of the present invention there is provided a light source comprising a system according to the first aspect of the present invention and at least one light emitter, whereby the above object is achieved.
本発明の第3の局面によると、本発明の第2の局面による光源を備えた投影ディスプレイが提供され、これにより上記目的が達成される。 According to a third aspect of the present invention, there is provided a projection display comprising a light source according to the second aspect of the present invention, whereby the above object is achieved.
前記ディスプレイは、前記光源によって照射されるように設けられた空間光変調器をさらに備えていてもよい。 The display may further include a spatial light modulator provided to be illuminated by the light source.
前記第1のアレイのレンズの各々が前記空間光変調器のアスペクト比に実質的に等しいアスペクト比を有していてもよい。 Each of the lenses of the first array may have an aspect ratio that is substantially equal to the aspect ratio of the spatial light modulator.
本発明の第4の局面によると、バックライトと空間光変調器との間に設けられた、本発明の第1の局面によるシステムを備えた直視型ディスプレイが提供され、これにより上記目的が達成される。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided a direct view display provided with a system according to the first aspect of the present invention, provided between a backlight and a spatial light modulator, whereby the above object is achieved. Is done.
前記第3のアレイのレンズの各々が前記空間光変調器の対応する画素と光学的に整合していてもいい。 Each of the lenses of the third array may be optically aligned with a corresponding pixel of the spatial light modulator.
前記空間光変調器が液晶装置であってもよい。 The spatial light modulator may be a liquid crystal device.
非常に短い長さの偏光変換光学システムを提供することが可能である。例えば、僅か3mmのオーダーの長さが可能である。さらに非常に短いピッチを有するレンズアレイを提供することが可能であり、これによりビーム均一化が向上する。このようなシステムは、個々の発光ダイオード(LED)またはLEDの小アレイなどの非常に小さいフォームファクタ光源の効率的な均一化を提供するために用いられ得る。これにより小型投影エンジンの提供が可能となる。比較的薄いポリマーの層が用いられ得、これにより投影システムで用いられる非常に強い光においても良好な耐久性を発揮するシステムが提供される。高価な偏光ビームスプリッタを必要とすることなく、かつ、必要とされるアンチ反射コーティングが比較的少ない状態で、比較的複雑でない偏光変換光学システムが提供できるため、システムのコストは比較的低い。 It is possible to provide a polarization converting optical system with a very short length. For example, a length on the order of only 3 mm is possible. Furthermore, it is possible to provide a lens array with a very short pitch, which improves beam uniformity. Such a system can be used to provide efficient homogenization of very small form factor light sources such as individual light emitting diodes (LEDs) or small arrays of LEDs. This makes it possible to provide a small projection engine. A relatively thin layer of polymer can be used, which provides a system that provides good durability even in the very intense light used in projection systems. The cost of the system is relatively low because a relatively uncomplicated polarization converting optical system can be provided without the need for expensive polarizing beam splitters and with relatively little anti-reflective coating required.
あるいはこのような偏光変換光学システムは、直視型ディスプレイ内の角度の狭いバックライトから発光された非偏光を実質的な偏光に変換するために用いられ得る。従ってバックライトからの光の半分以上が用いられ得るため、これにより例えば直視型液晶デバイスの効率が向上する。この場合、第3のアレイのマイクロレンズは第1および第2のアレイのマイクロレンズに対するフィールドレンズとして作用し、有益にも光線の収束を変更する。 Alternatively, such a polarization converting optical system can be used to convert non-polarized light emitted from a narrow-angle backlight in a direct view display into substantial polarized light. Thus, more than half of the light from the backlight can be used, thereby improving the efficiency of, for example, a direct view liquid crystal device. In this case, the third array of microlenses acts as a field lens for the first and second arrays of microlenses and beneficially alters the convergence of the rays.
本発明の実施例を添付の図面を参照してさらに述べる。 Embodiments of the present invention will be further described with reference to the accompanying drawings.
添付の図面において同様の参照符号は同様の部材を示す。 Like reference symbols in the accompanying drawings indicate like elements.
図4に示す偏光変換光学システムは、例えば液晶デバイスなどの空間光変調器上に表示された像を投影する投影システムの照射システムになどに用いられ得る。システムはランプからの非偏光(参照符号30で示す)を受け取る。直交PおよびS偏光をそれぞれ参照符号31および32で示す。非偏光30は、実質的に同一の感偏光マイクロレンズを有する第1のアレイ33に入射する。マイクロレンズは複屈折材料により形成されており、レンズの光軸はS偏光32の方向に平行である。アレイ33のレンズの材料は正の複屈折を有する。すなわち異常光屈折率neが常光屈折率noよりも大きい。本明細書に記載する実施形態では、全ての異方性材料が正の複屈折を有する。しかし、負の複屈折を有する異方性材料も用いることができ、このような材料を用いる場合に必要な変更は当業者には明らかである。
The polarization conversion optical system shown in FIG. 4 can be used, for example, in an illumination system of a projection system that projects an image displayed on a spatial light modulator such as a liquid crystal device. The system receives unpolarized light (indicated by reference numeral 30) from the lamp. Orthogonal P and S polarizations are indicated by
アレイ33のレンズは参照符号34および35で示す等方性材料にセットされる。この材料の屈折率nはレンズの常光屈折率noに実質的に合致している。一実施例では、アレイ33のレンズはMerck UKより入手可能なRMM34として知られる反応性メソゲンにより形成される。RMM34の屈折率は緑光に対して、no=1.53、ne=1.69である。材料34および35はNOA68として知られるNorland光学接着剤を含む。NOA68の屈折率は緑光に対して、n=1.54である。別の実施例では、アレイ33のレンズはMerck UKより入手可能なMLC6697として知られる液晶材料を含む。MLC6697の屈折率は緑光に対して、no=1.50、ne=1.66である。材料34および35は、Summers Opticalより入手可能なSK9として知られる接着剤を含む。SK9の屈折率は緑光に対して、n=1.51である。アレイ33のレンズは平凸型であり、「光学的に正」である。あるいは、等方性材料を異方性材料の異常光屈折率neにインデックス合致させて異方性材料内に負のレンズアレイを形成することにより、正の屈折率を有するレンズアレイを提供してもよい。
The lenses of
S偏光32は、アレイ33のレンズにより、実質的に第1のアレイ33の焦平面36の一連のスポットで焦点を合わされる。しかしP変更31は実質的に収束することも実質的に偏移することもなくアレイ33のレンズを通過する。第2のアレイ37は第1のアレイ33と実質的に同一のピッチを有し、第1のアレイ33に対して各アレイのレンズのピッチの実質的に半分だけ横方向にオフセットしている。第2のアレイ37のレンズは第1のアレイ33のレンズと同一の材料によって形成されているが、第2のアレイのレンズの光軸は第1のアレイのレンズの光軸と実質的に直交している。第2のアレイ37のレンズは、S偏光を実質的に収束も偏移もさせることなく通過させる。第2のアレイ37のレンズはP偏光31をマイクロレンズアレイ37の焦平面に焦点合わせする。マイクロレンズアレイ37の焦平面は第1のアレイ33の焦平面36と実質的に一致するか、または共平面である。
S-polarized
マイクロレンズアレイ33および37によって平面36上に形成された光の焦点スポットは、アレイ33および37の各々のピッチの半分で、実質的に規則的なパターンを形成する。パターン化リターダ38が平面36に隣接して設けられている。パターン化リターダ38はエレメントを含み、これらのエレメントは、マイクロレンズアレイ33および37によって形成された光の焦点スポットの位置と実質的に同一のピッチを有し、これらの位置に設けられている。パターン化リターダ38のエレメントは、パターン化リターダ38から出射する光が実質的に同一の均一な偏光を有するように、Sおよび/またはP偏光に対して作用するように配置されている。例えば図5に示すように、リターダ38は1/2波長板として作用するエレメント(例えば参照符号39で示す)を含む。エレメント39の光軸は、S偏光40がP偏光41に変換されるような方向に向けられている。エレメント39はエレメント42と互い違いに配置され、エレメント42はP偏光43に実質的な影響を与えることなくP偏光43を通過させる。従って実質的に全ての入射光はP偏光としてパターン化リターダ38を出射する。
The focal spot of light formed on the
パターン化リターダ38のエレメント39および42からの光は等方性マイクロレンズアレイ44の対応するレンズを通過する。アレイ44はビーム均一化システムの一部を形成し、アレイから出射する光は例えば、図1に参照符号7で示すタイプのフィールドレンズによって収束される。それにより図1に参照符号8で示すタイプの空間光変調器の入力面に均一な均一化ビームが生成される。アレイ44のレンズのピッチは、アレイ33および37の各々のレンズのピッチの半分に実質的に等しい。第3のアレイ44の各マイクロレンズは、アレイ33および37の一方の対応する単一のレンズから、偏光され焦点を合わされた光を収集し、上記対応するレンズと同一の焦点距離を有する。従ってアレイ44のレンズは必ずしも互いに同一である必要はない。
Light from
パターン化リターダ38はマイクロレンズアレイ44の前に設けられているように示されているが、マイクロレンズアレイ44の後に設けられてもよい。マイクロレンズアレイ44は実質的に、マイクロレンズアレイ33および37の共通の焦平面に位置している。
Although the patterned
アレイ33および37の各々のレンズのピッチは、システムの要件に応じて選択し得る。例えば、80マイクロメータと500マイクロメータとの間のピッチが提供され得る。あるいは、レンズのF値が、システムと共に用いられる光源からの光を集光するように選択され得る。レンズのF値を維持しながらアレイ33および37のレンズのピッチを最小限に抑えることにより、高効率を有し高度な均一化を提供する短いシステムを提供することができる。
The pitch of the lenses of each of the
アレイ33、37および44のレンズは球状または放物線状である。レンズのアスペクト比は、偏光変換光学システムを含む投影システムの一部を形成する空間光変調器のアスペクト比に実質的に合致するように選択し得る。高光利用効率を有し像全体に亘って高い照射均一度を有する非常に小型の「投影エンジン」を提供することができる。
The lenses of the
直視型液晶ディスプレイに使用する場合、アレイ33および37のレンズのアスペクト比はパネルのアスペクト比に合致する必要はない。アレイ33、37および44の小型レンズは2次元であってもよいし円筒形状(凸レンズアレイ)であってもよい。
When used in a direct view liquid crystal display, the lens aspect ratios of
感偏光マイクロレンズは、様々な異なるタイプの光学異方性材料によって形成することができる。このような材料は、低分子量液晶、光重合性液晶(反応性メソゲン)、重合体液晶および異方性結晶固体を含む。本明細書に様々な例を記載する。 Polarization sensitive microlenses can be formed by a variety of different types of optically anisotropic materials. Such materials include low molecular weight liquid crystals, photopolymerizable liquid crystals (reactive mesogens), polymer liquid crystals and anisotropic crystalline solids. Various examples are described herein.
図6は、参照符号39および42で示す個々のエレメントが正しく整合することを保証するためにシステムの製造中に用いることができる技術を示す。エレメント33および37は図6に示すように形成されるか、または組み立てられ、1/2波長に対応する厚みの反応性メソゲン層50がマイクロレンズアレイ33および37の共通焦平面36に隣接してまたは共通焦平面36上に形成されている。等方性マイクロレンズ51のアレイ44は層50上に形成されているように示されているが、実際には層50が加工された後に形成されてもよい。
FIG. 6 illustrates a technique that can be used during the manufacture of the system to ensure that the individual elements indicated by
S偏光紫外(UV)光52はアレイ33のマイクロレンズに入射して、層50上の一連のスポット上に焦点を合わされる。層50は適切な整合層53上に設けられることによって平面整合している。紫外光52の入射角範囲は、アレイ33のレンズのピッチの半分に実質的に対応する直径を有するスポットが形成されるように選択される。
S-polarized ultraviolet (UV)
入射紫外光52の強度は、層50のうち紫外光が入射した部分の反応性メソゲン材料が硬化するほどのものである。スポットの代わりに一連のストライプが形成されるように紫外光52の入射方向を変更してもよい。あるいは、層50を担持する基板を横方向に平行移動させて実質的に同一の効果をもたらすようにしてもよい。
The intensity of the
層50を紫外光に曝した後、層50のうち硬化していない部分を除去して、可視光に対して1/2波長板として作用する領域(例えば参照符号39で示す)および入射光の偏光に実質的な影響を与えない領域(例えば参照符号42で示す)を残す。
After exposing
リターダ38として2層(Pancharatnam)パターン化リターダを用いてもよく、これを同様の技術で形成してもよい。例えば図6を参照して上記した方法で第1の層を形成した後、存在する層の上に新しい整合層を形成してもよい。上記新しい整合層の上にさらに反応性メソゲンの薄い層を形成してもよい。その後同様に偏光紫外光52に曝すことによって第2の層を硬化させてもよい。その後硬化していない材料を除去して、白光に対して単一層リターダよりも効率的な偏光変換性能を有する2層パターン化リターダを提供することができる。
A two-layer (Pancharatnam) patterned retarder may be used as the
パターン化リターダ38は、例えば米国特許出願第2002/0187282号に述べられているように、光異性化性反応性メソゲンから別の方法で形成されてもよい。この技術によると、上記したように反応性メソゲン層50を偏光紫外光52に曝すが、この場合は露光により光異性化が起こる。光異性化により露光領域の反応性メソゲンの光学リタデーションはゼロになるが、露光されていない部分は元々のリタデーションを保持する。その結果、層50全体が加熱または光硬化により重合される。従って、光異性化に曝された領域は最終的に得られるシステムにおいて入射する可視光の偏光に実質的な影響を与えず、元々露光されなかった領域は入射する可視光に対して1/2波長板として作用する。
パターン化リターダ38を偏光変換光学システムの他の部分とは別に形成することも可能である。例えば、複屈折液晶材料をパターン化整合層を担持する基板上に設けることができる。このようなパターン化整合層は、例えばEP0887667号に開示されているマルチラビング技術、例えばGB2384318号に開示されている微細構造グレーティングの使用、または例えばMatsunagaら、「立体ディスプレイ用微細パターン化偏光エレメントの光製造」、14 pp1477〜1480、2002に開示されている光整合技術の使用により提供することができる。
It is also possible to form the patterned
反応性メソゲンを整合層上に溶液中でスピンすることができる。溶媒が蒸発すると、後にネマティック液晶材料の層が残る。液晶の光軸はその下の整合層の整合方向に整合してリターダ層を形成する。反応性メソゲンは紫外光に曝されることによって架橋される。パターン化リターダの白光に対する性能を高めるために、例えば感偏光マイクロレンズ33および37と投影システムの空間光変調器との間に第2の均一なリターダ層を提供し得る。
Reactive mesogens can be spun in solution onto the matching layer. When the solvent evaporates, a layer of nematic liquid crystal material remains later. The optical axis of the liquid crystal is aligned with the alignment direction of the alignment layer below it to form a retarder layer. Reactive mesogens are crosslinked by exposure to ultraviolet light. In order to enhance the performance of the patterned retarder against white light, for example, a second uniform retarder layer may be provided between the
偏光変換システムの他の部分の波長依存性能を補償するようにリターダの性能を最適化することができる。例えば、マイクロレンズの屈折率のばらつきは色収差につながり、その結果例えば赤よりも青の波長でより良好な偏光変換が行われ得る。本実施例では、白光または無色光に対するシステムの性能を高める目的で、リターダが赤光に対してより効率的になるようにリターダの性能を設計し得る。 The retarder performance can be optimized to compensate for the wavelength dependent performance of other parts of the polarization conversion system. For example, the variation in the refractive index of the microlens leads to chromatic aberration, and as a result, better polarization conversion can be performed at a wavelength of blue than red, for example. In this embodiment, the retarder performance can be designed such that the retarder is more efficient for red light for the purpose of enhancing the system performance for white light or colorless light.
パターン化リターダ38の別の例は、平面整合した反応性メソゲンとホメオトロピック整合した反応性メソゲンとを互い違いに配列されたストライプ状に有する。平面整合したストライプは入射する偏光に対して1/2波長リターダとして作用する。ホメオトロピック整合したストライプは光学的等方性を有し、入射光の偏光に対して実質的な影響を与えない。このようなパターン化リターダは光整合技術を用いて製造することができる。
Another example of a patterned
さらに別の例として、パターン化リターダ38は、アレイ33および37の感偏光マイクロレンズのピッチの半分に実質的に等しい幅を有するリターダ膜ストリップのアレイを含んでいてもよい。
As yet another example, the patterned
さらに別の例では、パターン化リターダ38は、Mauguinレジーム内で動作するツイステッドネマティック液晶の領域または反応性メソゲンの領域が、等方性材料、例えば等方性ポリマーの領域、またはホメオトロピック整合した液晶材料領域または反応性メソゲン領域と互い違いに設けられたセルを含んでいてもよい。ツイステッドネマティック材料を含む領域は入射光の偏光面を回転させ、他の領域は入射光の偏光状態に実質的な影響を与えない。
In yet another example, the patterned
図7aおよび図7bは、マイクロレンズアレイ44がパターン化リターダ38としても作用する構成を示す。従ってこの構成においてパターン化リターダ38は省略され得、その結果システムは簡略化される。図7aに示す構成において、光学等方性材料により形成されたマイクロレンズ(例えば参照符号55で示す)が、Mauguinレジーム内で動作するツイステッドネマティック液晶材料により形成されたマイクロレンズ(例えば参照符号56で示す)と互い違いに設けられている。これらのレンズが、レンズ56などの液晶材料の常光屈折率noにインデックス合致する光学等方性誘電媒体内に浸漬されると、等方性マイクロレンズ55の屈折率はレンズ56などの液晶材料の異常光屈折率neに実質的に等しくなる。
FIGS. 7 a and 7 b show a configuration in which the
この構成において、レンズ56のツイステッドネマティック液晶は入射光の偏光面をS偏光からP偏光に回転させる。等方性マイクロレンズ55などは入射光のP偏光を実質的に変更しない。従ってマイクロレンズアレイ44からは実質的に均一なP偏光が出射する。このような構成は、サイズが小型化し複雑さが低減するという利点を有する。なぜなら、偏光変換および均一化の機能が両方ともマイクロレンズレンズ44によって構成される単一のエレメントに組み込まれるからである。さらに正しく整合すべきエレメントの数が減少し、その結果システムの製造が容易になる。
In this configuration, the twisted nematic liquid crystal of the
図7bに示す構成が図7aに示す構成と異なるのは、等方性マイクロレンズ55の代わりに平面整合またはホメオトロピック整合した液晶マイクロレンズ57が設けられていることである。従ってマイクロレンズ57は入射光の偏光に実質的な影響を与えない。しかしレンズ56および57は、レンズによる光の分散が実質的に合致するように同一のネマティック液晶材料で形成することができる。
The configuration shown in FIG. 7B is different from the configuration shown in FIG. 7A in that a
図8aおよび図8bは図7aに示すマイクロレンズアレイ44の製造技術の一例を示す。屈折率noを有する等方性媒体を含む基板60を提供し、等方性マイクロレンズ55を屈折率neを有する等方性媒体のアレイとして形成する。マイクロレンズ55間にはギャップを設ける。マイクロレンズ55および基板60の上面上に均一な整合層61を形成する。
8a and 8b show an example of a manufacturing technique for the
等方性媒体による対向基板62を、その下面をギャップのないマイクロレンズレンズアレイ全体の形状にして提供する。対向基板62の下面には均一な整合層63を形成する。整合層63を、整合層61および63の整合方向が直交するように方向付ける。基板60および対向基板62を組み合わせてマイクロレンズ56用の空隙を形成する。これらの空隙をネマティック液晶で満たし、ネマティック液晶を整合層61および63によって整合させてツイステッドネマティック液晶レンズ(例えば参照符号56で示す)を形成する。
A
図9aおよび図9bは図7bに示すマイクロレンズアレイの製造技術を示す。光学等方性基板60上に、互いに直交する整合方向を有する領域(例えば参照符号66および67で示す)のアレイとしてパターン化整合層65を形成する。整合層65は、例えば上記したようにマルチラビング技術、グレーティング微細構造の使用、または光パターニングによって形成することができる。
9a and 9b show a manufacturing technique for the microlens array shown in FIG. 7b. A
光等方性対向基板62は図8aに示すものと同様であり、その下面に、未パターン化または均一な整合層63が形成されている。整合層63の整合方向はパターン化整合層65の領域(例えば参照符号66で示す)の整合方向に平行である。
The optically
基板60および62を組み合わせて、アレイ44のマイクロレンズレンズを形成する空隙アレイを規定する。空隙をネマティック液晶で満たして、平面整合したマイクロレンズ(例えば参照符号57で示す)およびツイステッドネマティック整合したマイクロレンズ56を形成する。
The
図9cはさらに別の構成を示す。この構成では、マイクロレンズ用の湾曲した面がスタンピングなどにより基板60に形成されており、上記湾曲した面に未パターン化整合層63が形成されている。一方、対向基板62は、パターン化された整合層65が形成された平坦な下面を有する。
FIG. 9c shows yet another configuration. In this configuration, the curved surface for the microlens is formed on the
マイクロレンズレンズ33および37が実質的に同一の共通焦平面36に光スポットを形成するために、図4に示すように、第2のアレイ37のマイクロレンズの曲率半径を第1のアレイ33のレンズのそれよりも小さくして、第2のアレイ37のマイクロレンズの焦点距離を減少させることができる。あるいは図10aに示すように、アレイ33および37の両方のマイクロレンズが同一の曲率半径を有するようにして、複屈折媒体70が第2のアレイ37のマイクロレンズとパターン化リターダ38との間に設けられるようにしてもよい。複屈折媒体70は常光屈折率no2および異常光屈折率ne2を有する。
In order for the
参照符号71で示すS偏光は媒体70の異常光屈折率ne2を「見」、参照符号72で示すP偏光は媒体70の低い方の常光屈折率no2を「見」る。このことはアレイ37のマイクロレンズの焦点距離を短縮するという効果を有する。
S-polarized light indicated by reference numeral 71 'saw' the extraordinary refractive index n e2 of the medium 70, P-polarized light indicated by
図10bはさらに別の構成を示す。この構成では、アレイ33および37のマイクロレンズが、互いに異なる複屈折率を有する複屈折材料により形成されている。アレイ33のマイクロレンズは、等方性材料34の常光屈折率に合致する常光屈折率no1を有する複屈折材料により形成されている。アレイ37のマイクロレンズは、等方性材料35の常光屈折率に合致する常光屈折率no2を有する複屈折材料により形成されている。このことがS偏光およびP偏光に与える影響をそれぞれ71および72で示す。材料および屈折率を適切に選択することにより、第2のアレイ37のマイクロレンズが第1のアレイ33のマイクロレンズよりも短い焦点距離を有するようになる。焦点距離の差が、システム全体の光伝搬方向における、マイクロレンズアレイ33とマイクロレンズアレイ37との距離を決定する。
FIG. 10b shows yet another configuration. In this configuration, the microlenses of the
実際にはマイクロレンズアレイ33の焦平面とマイクロレンズアレイ37の焦平面とが一致することは必要不可欠ではなく、これらの焦平面が互いに十分近接していればよい。これは、アレイがシステム全体の光伝搬方向において互いに十分近接している場合、アレイ33および37に実質的に同一のマイクロレンズを用いることによって達成することができる。例えば図11aに示すように、アレイ33および37のマイクロレンズの平面側が互いに対向し等方性材料の比較的薄い層75によって分離されるように、アレイ37のマイクロレンズを逆に配してもよい。等方性材料の比較的薄い層75は接着剤または薄い基板でなどである。偏光変換効率が波長に対して実質的に一定である必要があるシステムでは、同一の感偏光マイクロレンズ間により大きな距離をおくことが有益であり得る。
Actually, it is not essential that the focal plane of the
図11bはさらに別の構成を示す。この構成では、アレイ33および37のマイクロレンズがフレネルレンズである。所与の直径および焦点距離を有するフレネルレンズの厚みは、セクションの数に依存するが光学的に等価な従来のレンズの厚みよりも小さい。図11bに示すフレネルレンズは2つのセクションを含み、図11aに示すレンズの厚みの約半分の厚みを有する。
FIG. 11b shows yet another configuration. In this configuration, the microlenses of the
図11cはさらに別の構成を示す。この構成では、レンズアレイ33および37がフレネルレンズを含むが、アレイ37は逆方向を向いておりアレイ33および37の平坦な面が互いに対向し隣接している。
FIG. 11c shows yet another configuration. In this configuration, the
図12aに示すように光がフレネルレンズの光軸に平行な方向でフレネルレンズに入射すると、実質的に全ての光がレンズを通過する。しかし図12bに示すように光がフレネルレンズの光軸に角度を持った状態でフレネルレンズに入射すると、光の一部、例えば平坦な面に(例えば参照符号76で示す)入射した部分はレンズによって焦点を合わされず、その結果システムの効率は低下する。しかし入射の角度が小さい場合、このような損失は比較的小さい。 When light enters the Fresnel lens in a direction parallel to the optical axis of the Fresnel lens, as shown in FIG. 12a, substantially all the light passes through the lens. However, as shown in FIG. 12b, when light is incident on the Fresnel lens with an angle with respect to the optical axis of the Fresnel lens, a part of the light, for example, a portion incident on a flat surface (for example, indicated by reference numeral 76) Is not focused by, and as a result the efficiency of the system is reduced. However, such losses are relatively small when the angle of incidence is small.
フレネルレンズは、セクションが多くてピッチが短いため回折されやすい。さらにその尖った形状が上記したように製造中に液晶材料の整合に影響を与える可能性がある。セクションの数が比較的少ない場合、例えば1または2である場合、レンズの厚みは大幅に低減するが1セクションの最も小さい幅yが受容可能な限界、例えば10〜20マイクロメータ、よりも小さくなって大幅な回折を起こしたり、液晶分子がレンズの形状と整合したりすることはない。例えば直径200マイクロメータのレンズの場合、セクションが2つであればyは実質的に28マイクロメータに等しく、セクションが3つであればyは実質的に17マイクロメータに等しい。図12aおよび図12bに示すレンズは2つのセクションを有しており、その厚みは従来の等価なレンズの厚みの半分である。 Fresnel lenses tend to be diffracted because they have many sections and a short pitch. Furthermore, the sharp shape can affect the alignment of the liquid crystal material during manufacture as described above. If the number of sections is relatively small, e.g. 1 or 2, the thickness of the lens is greatly reduced, but the smallest width y of a section is smaller than the acceptable limit, e.g. 10-20 micrometers. In other words, no significant diffraction occurs, and the liquid crystal molecules do not match the shape of the lens. For example, for a lens with a diameter of 200 micrometers, y is substantially equal to 28 micrometers if there are two sections, and y is substantially equal to 17 micrometers if there are three sections. The lens shown in FIGS. 12a and 12b has two sections, the thickness of which is half that of a conventional equivalent lens.
単一エレメントレンズの問題となり得るのは、屈折率がばらつき、その結果光の波長に応じて変化するレンズの焦点距離がばらつくことによって起こる色収差の問題である。これにより図13に示すように、パターン化リターダ上で焦点を合わされた光スポットの最小サイズが増大する。スポットの直径がレンズのピッチの半分より大きく従ってパターン化リターダエレメントのサイズよりも大きい場合、一部の光は、その偏光が正しく変更されないためにシステムから「失われ」る。 A problem of a single element lens can be a problem of chromatic aberration caused by a variation in refractive index and, as a result, a variation in the focal length of the lens that varies with the wavelength of light. This increases the minimum size of the light spot focused on the patterned retarder, as shown in FIG. If the spot diameter is greater than half of the lens pitch and thus larger than the size of the patterned retarder element, some light will be “lost” from the system because its polarization is not changed correctly.
図18aは、レンズによって収束された白光のスポットの位置および最小直径が、レンズのエッジからの極端な赤光および極端な青光によって決定されることを示す。図18bは簡便のため、白光の焦点合わせスポットの最小直径を規定する赤光線および青光線のみを示している。最も混乱の少ない最小の焦点合わせスポットまたは円を含む平面の直後、ビームの直径は急速に増大している。効率のよい偏光変換システムを設計する場合に、この特徴を考慮すべきである。従ってアレイ33および37の焦平面が同一平面にない場合、偏光変更エレメントアレイを、第2のマイクロレンズアレイ37の焦平面よりも第1のマイクロレンズアレイ33の焦平面に近接して設けるほうが有益である。さらに偏光変更エレメントアレイの好ましい位置は、最も混乱の少ない円の面ではない可能性がある。この円の面では、赤および青の焦点合わせスポットが最も近接して重複している。このような位置決めにより最も高い平均偏光変換効率が与えられるが、青光偏光変換効率が赤光偏光変換効率よりも大幅に高く、好ましくない。
FIG. 18a shows that the position and minimum diameter of the white light spot focused by the lens is determined by extreme red and extreme blue light from the edge of the lens. FIG. 18b shows only the red and blue rays that define the minimum diameter of the white light focusing spot for simplicity. Immediately following the plane containing the least focused spot or circle with the least disruption, the beam diameter is rapidly increasing. This feature should be considered when designing an efficient polarization conversion system. Therefore, if the focal planes of the
色収差の影響を低減させるために、マイクロレンズアレイ33および37の一方または両方を、一対の負および正のマイクロレンズに置換して、各「複合」アレイの各マイクロレンズがダブレット(一対の片方)を含むようにしてもよい。
In order to reduce the effects of chromatic aberration, one or both of the
図14a〜図14dの各々において、アレイ33に等価なアレイの対を参照符号33aおよび33bで示し、アレイ37に等価なアレイの対を参照符号37aおよび37bで示す。正のレンズのアレイの符号の後には「a」を付け、負のレンズのアレイの符号の後には「b」を付けている。
In each of FIGS. 14a to 14d, an array pair equivalent to the
マイクロレンズアレイ37がそれを取り囲む光学等方性材料35に対して不完全にインデックス整合している場合、アレイ37は、マイクロレンズアレイ33によって収束された光に対して非常に弱い負のレンズのアレイとして作用することができる。このことは、赤光および青光の焦平面を互いに近接させることにより、マイクロレンズアレイ33の色収差の影響を低減させることができる。
If the
図10aに示す複屈折媒体70によっても同様の効果が提供できる。例えば、色収差を最低限にするように複屈折媒体70のばらつき特性を選択し得るし、マイクロレンズアレイ33および37間の距離を、これらの焦平面が実質的に一致するように変更し得る。
A similar effect can be provided by the birefringent medium 70 shown in FIG. 10a. For example, the variability characteristics of the birefringent medium 70 can be selected to minimize chromatic aberration, and the distance between the
図15aはマイクロレンズアレイ33および37の製造技術を示す。基板81上にポリマー層80を形成し、ポリマー80の上面をマイクロレンズプロファイルを規定するように整形する。例えばポリマー80は紫外線硬化性光学接着剤、例えばNorland NOA61またはSummers Optical SK9を含んでいてもよい。この場合、これらの紫外線硬化性光学接着剤は、レンズに合わせて整形されたモールドによりレンズのプロファイルが形成されている。その後紫外線硬化性光学接着剤を硬化する。ポリマー80の上面上に整合層82を形成する。整合層82は、例えばラビングされたポリイミド、グレーティング微細構造、または光整合層などである。
FIG. 15 a shows a manufacturing technique of the
対向基板83上には同様の整合層84を形成する。整合層82および84は均一な整合方向を有しており、整合層84の整合方向が整合層82の整合方向に対してアンチパラレルとなるように方向付けられている。 A similar matching layer 84 is formed on the counter substrate 83. The matching layers 82 and 84 have a uniform matching direction and are oriented so that the matching direction of the matching layer 84 is anti-parallel to the matching direction of the matching layer 82.
基板81および対向基板83を組み合わせるが糊スペーサ85によって距離を開けセルギャップを規定する。セルギャップには、MLC6647などの液晶材料、またはRMM34などの反応性メソゲンを満たす。反応性メソゲン材料の場合、材料をその後紫外光照射により硬化させる。比較的薄いレンズアレイの場合、反応性メソゲンまたは液晶材料86の片面に単一の整合層を設けるだけで十分であり得る。例えば図15bに示すように、対向基板83のみが整合層84を有している。材料86(この場合は、反応性メソゲン)が正しく整合されることを保証するにはこれで十分である。
The substrate 81 and the counter substrate 83 are combined, but the cell gap is defined by increasing the distance by the glue spacer 85. The cell gap is filled with a liquid crystal material such as MLC6647 or a reactive mesogen such as RMM34. In the case of reactive mesogenic materials, the material is then cured by ultraviolet light irradiation. For relatively thin lens arrays, it may be sufficient to provide a single matching layer on one side of the reactive mesogen or
材料86が硬化されると、整合層84を有する対向基板83を除去し得る。従ってシステムの厚みを低減させることができる。ラビングされたポリイミド整合層84の場合、最終的なシステムに整合層が欠けていることにより、投影システムの整合層の耐久性に限りがあることによって起こり得る問題が回避される。
Once the
図16はさらなる偏光変換光学システムを示す。図16に示すシステムは、マイクロレンズアレイ33および37が屈折率分布型(GRIN)マイクロレンズのアレイを含むという点で図4に示すものとは異なる。このようなレンズはポリマーネットワーク液晶または反応性メソゲンによって形成し得、適切な方法の例が米国特許第5,671,034号に開示されている。一方の偏光状態の光は1つのアレイの各GRINレンズによって焦点を合わされる。なぜなら一方の偏光状態の光は、レンズの中心における屈折率n2からレンズのエッジにおける屈折率n1<n2までの屈折率の半径方向における変化に遭遇するからである。直交偏光は実質的な等方性屈折率プロファイルに遭遇し、感偏光GRINレンズ層を伝搬する間実質的に偏移しない。
FIG. 16 shows a further polarization conversion optical system. The system shown in FIG. 16 differs from that shown in FIG. 4 in that the
このようなGRINマイクロレンズアレイの一実施例において、レンズ半径rの関数としての屈折率プロファイル(nL)は以下の式によって与えられる。 In one embodiment of such a GRIN microlens array, the refractive index profile (n L ) as a function of lens radius r is given by:
nL=n2(1−Ar2)
ここでAは以下に定義する定数であり、n2はレンズの最大屈折率である。屈折率noおよびneを有する所与の光学異方性媒体の場合、最大レンズ屈折率n2はneよりも大きくなり得ない。定数Aは以下のように、レンズ厚みt、レンズの焦点距離fおよびn2に関連する。
n L = n 2 (1-Ar 2 )
Here, A is a constant defined below, and n 2 is the maximum refractive index of the lens. For a given optical anisotropic medium having a refractive index n o and n e, the maximum lens refractive index n 2 is not greater than n e. The constant A is related to the lens thickness t, the focal length f of the lens, and n 2 as follows.
A=1/2tfn2
GRINレンズ層の厚みは、必要なレンズのF値または焦点距離、材料および加工パラメータによって決定される。例えば200マイクロメータのレンズ直径および1260マイクロメータの空気中の焦点距離(F/6.3)を達成するためには、レンズプロファイルがr=0におけるn2=1.69からr=100におけるn1=1.53にまで変化する場合、異方性材料の必要な厚みは24.8マイクロメータである。
A = 1/2 tfn 2
The thickness of the GRIN lens layer is determined by the required lens F-number or focal length, material and processing parameters. For example, to achieve a lens diameter of 200 micrometers and a focal length in air of 1260 micrometers (F / 6.3), the lens profile is n 2 = 1.69 at r = 0 to n at r = 100. When changing to 1 = 1.53, the required thickness of the anisotropic material is 24.8 micrometers.
同一の光学異方性材料を用いて、異なる厚みのレンズに対する所与のF値を達成することができる。これは製造プロセスパラメータを変化させて、屈折率プロファイルおよび最大および最小屈折率n1およびn2の値を変化させることによって可能となる。 The same optically anisotropic material can be used to achieve a given F value for lenses of different thickness. This is made possible by changing the manufacturing process parameters to change the refractive index profile and the values of the maximum and minimum refractive indices n 1 and n 2 .
別の例として、GRINレンズを無機複屈折物質、例えばニオブ酸リチウム、により形成することが可能である。無機複屈折物質はイオン濃度の関数としての複屈折率の定義可能な変化を示す。このタイプの構成を図17に示す。無機物質の使用はシステムの耐久性を向上し得る。 As another example, a GRIN lens can be formed from an inorganic birefringent material, such as lithium niobate. Inorganic birefringent materials exhibit a definable change in birefringence as a function of ion concentration. This type of configuration is shown in FIG. The use of inorganic materials can improve the durability of the system.
GRINレンズの利点は、レンズに曲率がないため、レンズ材料がその周囲にインデックス合致していなくても、S偏光を焦点合わせするように整合された感偏光GRINレンズはP偏光に対してはレンズとして全く作用しないことである。GRINレンズはP偏光に対しては、誘電材料の等方性平面平行壁を有するシートとして現れ、従ってP偏光に対するGRINレンズの影響は非常に少ない。 The advantage of the GRIN lens is that the lens has no curvature, so that even if the lens material is not index matched to its periphery, the sensitive polarization GRIN lens aligned to focus the S-polarized light is a lens for the P-polarized light. As it does not work at all. The GRIN lens appears as a sheet with isotropic plane parallel walls of dielectric material for P-polarized light, and therefore the GRIN lens has very little effect on P-polarized light.
アレイ44において従来のレンズに代えて非感偏光GRINレンズを用いることも可能である。このようなレンズの使用によりシステムの長さが短くなる。
It is also possible to use a non-sensitive polarized GRIN lens in the
直視型ディスプレイ内の方向性バックライトによって発光された非偏光を実質的偏光に変換するために偏光変換システムを用いてもよい。第2の偏光が再利用されるため、これは直視型液晶デバイスの効率を高める。 A polarization conversion system may be used to convert non-polarized light emitted by a directional backlight in a direct view display into substantially polarized light. This increases the efficiency of the direct view liquid crystal device because the second polarization is reused.
直視型ディスプレイ用偏光変換システムでは、第4のアレイのマイクロレンズが感偏光アレイのマイクロレンズ用フィールドレンズとして作用して、有益にも光線の収束を変化させる。図20aは偏移光に作用するレンズの焦点合わせ効果を示す。図20bは、光学異方性レンズおよび異方性レンズの焦平面に設けられた追加のレンズの、偏移偏光に対する効果を示す。追加のレンズは異方性レンズと同一の焦点距離を有する。第2のレンズは第1のレンズに対してフィールドレンズとして作用し、システムの光軸方向への光線を屈曲して光の偏移を低減させる。 In a direct-view display polarization conversion system, the fourth array of microlenses acts as a microlens field lens for the sensitive array, beneficially changing the convergence of the light rays. FIG. 20a shows the focusing effect of the lens acting on the shifted light. FIG. 20b shows the effect on optical polarization of the optically anisotropic lens and the additional lens provided in the focal plane of the anisotropic lens. The additional lens has the same focal length as the anisotropic lens. The second lens acts as a field lens with respect to the first lens and bends light rays in the direction of the optical axis of the system to reduce light shift.
図20bは2つの複屈折マイクロレンズアレイ33および37、ならびに異方性アレイの焦平面36に設けられた等方性マイクロレンズアレイ44を示す。偏光回転エレメントのアレイが等方性マイクロレンズアレイ44に隣接かつ整合して設けられている場合、システムはバックライトからの非偏光を実質的偏光に変換して直視型ディスプレイ用偏光変換システムとして作用する。好ましい実施形態では、等方性アレイ44の個々のレンズは直視型液晶ディスプレイの個々の対応する画素アパチャに整合する。等方性アレイ44は光の偏移を低減し、それによりパネルの液晶層が画素間の空隙における光の損失なく、偏光変換エレメントからさらに離れた位置に設けられることを可能にする。
FIG. 20b shows two
図21は、例えば図1に示すタイプと同一の一般的なタイプのランプ1と、偏光変換光学システム兼ビームホモジナイザ2とを含む投影エンジンを示す。偏光変換光学システム兼ビームホモジナイザ2は例えば、上記に述べ図4以降に示すいずれのタイプのものでもよい。特にサブシステム2は、複屈折マイクロレンズアレイ33および37、パターン化リターダ38、ならびに等方性マイクロレンズ44を含む。さらにフィールドレンズ7が提供されている。
FIG. 21 shows a projection engine that includes, for example, the same general type of
ランプ1およびサブシステム2は、パネル8全体に亘って実質的に均一な照射強度かつパネル8の入力偏光要件に合致する実質的に均一な単一偏光で、液晶パネル8を照射する。パネル8は画像データで光を変調し、パネル8からの変調光は投影レンズ90に供給される。投影レンズ90は表示された各画像を投影スクリーン(図示せず)に投影する。
The
図22は直視型ディスプレイを示す。この直視型ディスプレイは、上記に述べ図4以降に示す偏光変換光学システム2を含む。システム2は角度の狭いバックライト100と、例えば参照符号95で示す画素層を有する液晶パネル8との間に設けられている。パネル8の出射側に偏光子101が設けられている。システム2はバックライト100からの光を、パネル8の入力要件に合致する実質的に単一の均一な偏光に変換する。
FIG. 22 shows a direct view display. This direct view display includes a polarization conversion
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。 As mentioned above, although this invention has been illustrated using preferable embodiment of this invention, this invention should not be limited and limited to this embodiment. It is understood that the scope of the present invention should be construed only by the claims. It is understood that those skilled in the art can implement an equivalent range based on the description of the present invention and the common general technical knowledge from the description of specific preferred embodiments of the present invention. Patents, patent applications, and documents cited herein should be incorporated by reference in their entirety, as if the contents themselves were specifically described herein. Understood.
33 第1のマイクロレンズアレイ
37 第2のマイクロレンズアレイ
44 第3のマイクロレンズアレイ
33
Claims (37)
該第1のアレイから光を受け取り、該第2の偏光を第3の収束で収束させ、該第1の偏光を該第3の収束よりも小さい第4の収束で透過させる、偏光レンズの第2のアレイとを備えた光学システムであって、該第1および該第2のアレイはそれぞれ実質的に第1および第2の画像面で、該第1および該第2の偏光を第1および第2の画像に変換し、
該第1および該第2のアレイから見て、該第1および該第2の画像面の一方よりも実質的に遠くない位置に設けられた、レンズの第3のアレイをさらに備えた、光学システム。 A first array of polarizing lenses for converging a first polarization with a first convergence and transmitting a second polarization orthogonal to the first polarization with a second convergence less than the first convergence; ,
A first polarizing lens that receives light from the first array, converges the second polarization with a third convergence, and transmits the first polarization with a fourth convergence less than the third convergence; An optical system comprising two arrays, wherein the first and second arrays are substantially first and second image planes, respectively, and the first and second polarizations are first and second, respectively. Convert it to a second image,
An optical further comprising a third array of lenses provided at a position substantially no further than one of the first and second image planes when viewed from the first and second arrays system.
少なくとも1つの発光器と、
を備えた光源。 An optical system according to any of claims 1 to 30,
At least one light emitter;
With light source.
37. The direct view display according to claim 33, wherein the spatial light modulator is a liquid crystal device.
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