JP2005517202A - 光学装置 - Google Patents

Abstract

放射線を処理するための光学装置であって、前記装置は、偏光ビームスプリッタ（４，６，１０，１６）と、異なる放射線成分の特性を個々に処理をするように構成される複数の放射線処理部（８，１８，２０）とを有し、前記偏光ビームスプリッタは、第１及び第２の面を持つワイヤーグリッド偏光子、前記偏光子の一方の面に隣接するように構成される第１の透過プレート及び前記偏光子の他方の面に隣接するように構成される第２の透過プレートを有する。前記第１及び第２のプレートの各々は、略等しい光学的厚さの特徴を持つ。

Description

本発明は、放射線を処理するための光学装置、排他的ではないが特にカラー投影装置、及び偏光ビームスプリッタに関する。

カラー投影システムは従来技術において知られている。ＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)のマイクロディスプレイが用いられる民生機器、例えば背面投影型テレビジョン、背面投影型モニタ及び前面投影型システムが提案されている。それぞれ赤、緑及び青色用の３つのＬＣＯＳパネルと共に用いるための幾つかの光学アーキテクチャが存在する。コンパクト且つ経済的なシステムにおいて高いコントラストを達成することが問題点として残っている。

Color Quad（Ｒ）アーキテクチャと呼ばれる、カラーリンク(Color Link)により提案される１つの現存するアーキテクチャは、ＬＣＯＳ投影システムに必要なカラースプリット及び偏光機能を実行するために、同じ会社で製造されるColor Select（Ｒ）プレートのような選択的に偏光するリターダンスプレート(retardance plate)と共に４つの偏光ビームスプリッタキューブを矩形配列で使用する。このシステムは高いコントラストで実行するが、偏光ビームスプリッタキューブはかなり高価となり、高いコントラストを達成するために、各ＬＣＯＳパネルの隣にスキュー角を補償するリターダ(skew angle compensating retarder)を必要とする。その上、偏光ビームスプリッタキューブは歪み複屈折(strain birefringence)を受けやすく、装着又は温度により引き起こされる応力のために、コントラスト及びコントラストの一様性をさらに減少させる。可視スペクトル用の広帯域のワイヤーグリッド偏光子がMoxtek社に付与される特許番号US-A-611103に記載されている。このMoxtek社はビームスプリッタとして使用されるワイヤーグリッド偏光子を製造している。論文”An Improved Polarising Beam Splitter LCOS Projection Display Based on Wire-Grid Polarisers” Arnold及びGardner著論、SID01 Digest, 2001は、このワイヤーグリッド偏光子を投影レンズの設計アーキテクチャに使用することを記載している。この論文において、ワイヤーグリッド偏光子を使用することが提案され、傾斜したプレートによりコリメートされていない(non-collimated)ビーム内に発生する非点収差を上記システムにおける問題として記載している。

本発明の目的は、これら既知の装置に関する改善を提供することである。

本発明の第１の態様によれば、放射線を処理するための光学装置が設けられている。前記装置は、偏光ビームスプリッタと異なる放射成分の特性を個々に処理をするように構成される複数の放射線処理部とを有し、この偏光ビームスプリッタは、第１及び第２の面を持つ選択的に反射する偏光子、この偏光子の一方の面に隣接して置かれる第１の透過プレート及び前記偏光子の他方の面に隣接して置かれる第２の透過プレートを有し、ビームスプリッタの略全ての偏光効果は、前記選択的に反射する偏光子により供給される。

本発明のこの態様は、例えばワイヤーグリッド偏光子のようなプレート偏光子の機能が使用される一方、光路長及び前記装置に生じる非点収差(astigmatism)（もしあれば）は、ビームスプリッタを横断する異なる各光路に対し略等しくしてよい。好ましくは、光学的厚さの特徴、すなわち２つの素子間の屈折率の差に従って調節される断面は、略同じである。これら成分はこのとき組み合わされてよいし、そうでなければ大きく異なるシステマチックな誤差を結果的に補正するためには極端に難しいことが示される当該誤差を坦持する成分を持たずに、同じやり方で処理される。

さらに、選択的に反射する偏光子の各面に透過素子を配置し、好ましくは等しい厚さの略平坦なプレートを持つことにより、機械的及び熱により誘発される応力による応力の複屈折効果が大幅に減少することができる。

本発明の他の態様によれば、第１及び第２の略平坦な面を持つ平坦な反射偏光子を有する偏光ビームスプリッタを備えている。第１の透過プレートは偏光子の一方の面に隣接して配され、第２の透過プレートは偏光子の他方の面に隣接して配され、ビームスプリッタの偏光効果の略全てが平坦な反射偏光子により供給される。好ましくは、前記第１及び第２のプレートの各々は略等しい厚さである。

この態様は、本発明の第１の態様の配列に使用するためのビームスプリッタに提供する。

本発明の他の態様によれば、放射線を処理するための光学装置を設けられ、前記装置は偏光ビームスプリッタ及び異なる放射線成分の特性を個々に処理するように配される複数放射線処理部を有し、前記偏光ビームスプリッタは第１及び第２の面を持つワイヤーグリッド偏光子を有し、第１の透過素子は前記第１の面に隣接し、前記第１の側部の略全ての上のワイヤーグリッド偏光子と接しているように配され、第２の透過素子は、前記第２の面に隣接し、前記第２の側部の略全ての上のワイヤーグリッド偏光子と接している。

本発明のこの態様は、ワイヤーグリッド偏光子を偏光ビームスプリッタとして用いる装置を提供する。これらワイヤーグリッド偏光子の表面の平坦さは、２つの素子及びワイヤーグリッド偏光子の１つまたはそれ以上の機械的且つ熱的に誘発される応力が加えられる間でさえも、安定して得られる。

本発明の異なる態様の他の特徴及び利点は、付随する図を参照する、本発明の好ましい実施例の以下の詳細な説明から明白となるであろう。

図１は、本発明の実施例によるカラービデオプロジェクター変調装置を示す。本発明の実施例によるカラービデオプロジェクターは、入力ビーム（Ｉ）の形式で略白色の光を放射する放射線源（図示せず）、及び出力ビームをプロジェクタースクリーンに向けて投影するための出力レンズを通常は含む他の光学部品（図示せず）と一緒に前記変調装置を含んでいる。

この変調装置は、略専らスペクトルの緑色部の波長から構成され、第１の偏光部分を持つ第１の成分、及びスペクトルのマゼンダ部の略全ての放射線から構成され、直交的に偏光する第２の成分を作るために、通常は平面偏光された、入力ビームを選択的に偏光させるための複屈折層を含む緑／マゼンダリタデーションプレート２を含む。第１の偏光ビームスプリッタ４は、緑色の成分を第２の偏光ビームスプリッタ６へ反射することにより、且つ第２の成分を通すために、別々の成分に分割される。第２の偏光ビームスプリッタ６は入射する放射線の略全てをＬＣＯＳ放射変調パネル８に反射する。このパネルは液晶行列に与えられる緑色のビデオ信号に従って入射する放射ビームを変調する。この変調に伴い、ビームの偏光が９０°まで回転し、反射されたビームは、偏光ビームスプリッタ６を介して、第３の偏光ビームスプリッタ１０へ通される。第３の偏光ビームスプリッタ１０は、出力ビーム（Ｏ）の一部を作るために、緑色／マゼンダのリタデーションプレート(retardation plate)２と同様の緑色／マゼンダのリタデーションプレート１２へ緑色の成分を通す。第１のビームスプリッタ４により通されるマゼンダ成分は、赤色及び青色成分が直交偏光で作られるように、入射する光の緑色及び青色部を選択的に偏光する赤／青色のリタデーションプレート１４へ通される。赤色成分を第２の変調ＬＣＯＳパネル１８に反射する第４の偏光ビームスプリッタ１６は次に、異なる成分を選択的に反射する。このパネル１８は、液晶マトリックスに印加される赤色のビデオ信号に従って、入射するビームを変調し、この入射するビームを反射し、このビームの偏光を回転させる。反射されたビームは次に、第４の偏光ビームスプリッタ１６を介して、赤／青色のリタデーションプレート１４と同様の第２の赤／青色のリタデーションプレート２２に通され、前記ビームの赤色成分が出力ビーム（Ｏ）の一部を形成するために前記リタデーションプレート１２に反射される第３の偏光ビームスプリッタ１０の上に通される。

前記ビームの青色成分は、偏光ビームスプリッタ１６を介し、第３のＬＣＯＳ光変調パネルへ通される。このパネルはこれの液晶マトリックスに印加される青色のビデオ信号に従い光を変調し、この光をその偏光を９０°だけ回転させると共に、前記第４の偏光ビームスプリッタ１６へ反射する。ここで、青色成分は赤／青色リタデーションプレート２２に反射され、このプレートは前記青色成分を第３の偏光ビームスプリッタ１０へ通し、このスプリッタは、前記青色成分を出力ビーム（Ｏ）の残りを形成する緑／マゼンダリタデーションプレート１２に反射する。

偏光ビームスプリッタ４、１０、１６の各々は、本発明の実施例に従って構成される。この実施例において、偏光ビームスプリッタは、互いに平行に実装される２つの略同一の透過プレートの間に挟まれる、ワイヤーグリッド偏光子の形態のプレート偏光子から形成される。各透過プレートは例えばガラスのような基板から形成される。ワイヤーグリッド偏光子は、例えば複数のガラスプレートのうちの１つに形成されてもよく、これがプレートの基板を形成する。第２のガラスプレートは次に、そのプレートの全表面上又は端部の周囲において、前記ワイヤーグリッド偏光子を坦持する第１のガラスプレートに接着される。接着剤が前記２つのプレート間の全表面にわたり用いられる場合、エアインタフェースはこれら２つのプレート間には含まれない。別のやり方では、これら２つのプレートが前記表面の周りに接着される場合、ワイヤーグリッド偏光子を含む中央領域がエアインタフェースを含んでよい。どんな場合も、各プレートは、プレートの夫々２つの面の略全てにわたりワイヤーグリッド偏光子と接触している。これら２つのプレートは、偏光ビームスプリッタへ入射、前記スプリッタから出射、及び前記スプリッタ内にいるときの伝達損失を最小にするために、これらの主平面の一方又は両方に抗反射(anti-reflection)コーティングを好ましくは携えている。

透過プレートは、比較的薄く、好ましくは５ｍｍよりも薄くなるように選択される。これらプレートは好ましくは０．５から２．５ｍｍの間の厚さ、通例では１ｍｍ又は２ｍｍの厚さとなるように選択される。本発明による偏光ビームスプリッタを用いることにより、偏光ビームスプリッタの透過材料の内側の光路長が上記薄いプレートを選択することで僅かに減少するので、非点収差及び応力複屈折効果が小さくなり、改善された性能のシステム、特に高ルーメンのシステムに高いコントラストを供給することになる。

変調装置は好ましくは、透過プレートにより作られる出力ビーム（Ｏ）における非点収差を補償するための光学成分構造（図示せず）も含む。この構造は、非点収差の反対量を透過プレートにより取り入れられる量として供給するために、出力レンズにおける軸オフセットの球面レンズ素子及び／又は透過プレートにおける組合される前記光路長の厚さと等しい光学的厚さからなり、ある傾斜角で前記光路長に配されるプレートを含む。

ワイヤーグリッド偏光子を用いることは、スキュー角を補償するリターダがＬＣＯＳパネルの何れにも必要とされない利点を提供することに注意すべきである。

図に示される実施例において、４つの偏光ビームスプリッタの各々が本発明の実施例に従って配されているのに対し、変調装置は他の装置にある１つ以上の他の既知の型式の偏光ビームスプリッタを含んでもよい。例えば、第１の偏光ビームスプリッタ４及び／又は第３の偏光ビームスプリッタ１０が従来のキューブ型の偏光ビームスプリッタに置き換えられてもよい。第２の偏光ビームスプリッタ及び第４の偏光ビームスプリッタが従来のキューブ型のビームスプリッタと夫々置き換えられてよい。しかしながら、上記ビームスプリッタが用いられる場合、前記キューブ型のスプリッタを通過した放射線を入力する各ＬＣＯＳパネルの前に、リターダーを補償する１つ以上のスキュー角を用いることが必要とされる。その上、第３の偏光ビームスプリッタ１０は、緑色の光成分を通すことができ、青及び赤色の光成分を反射することができるダイクロイックビームスプリッタに置き換えられてよい。

これら他の実施例の各々において、本発明の実施例による偏光ビームスプリッタを用いることは、各偏光ビームスプリッタにより扱われる別々の成分に対し生じる光路長及び非点収差が等しくなることを保証することが分かっている。しかしながら、４つのビームスプリッタ全てが偏光プレートの各面に対する面対称の透過プレートを含む必要はない。例えば、第１のビームスプリッタ４の背面プレートが平坦とならないように構成される場合、前面プレートと背面プレートとの間の上記非対称性は、第２のビームスプリッタ６の背面プレートに同じ非平坦さを取り入れることにより補償され、本場合、各々のビームの対応する部分における全ての光学成分が同じ光路長を横断し、出力ビームを形成するために結合される場合、同程度の非点収差となる。これは、全ての成分が当該プレートを一度だけ、特に同じ回数だけ横断するからである。第４のビームスプリッタの場合、赤色ビームが背面プレートを１度だけ横断するのに対し、青色ビームが前記背面プレートを２度横断し、これらビームはビームスプリッタの内部で結合されるので、上記非対称性は同様なやり方では補償されない。しかしながら、所望される画像の品質に依存して、僅かな非対称性は許容される。確かに、僅かな非対称性は有益である。他の配置において、２つのプレートは非平行の配置で取り付けられ、これら２つのプレートは、光軸に対し４５°の配向で配され、ワイヤーグリッド偏光子用の基板として働く一方のプレート、及び外部表面がプレートに対し僅かな角度、例えば１０°よりも小さい、さらに好ましくは５°よりも小さい角度で配されるように構成される他の分離したプレートである。この配置の場合、主な光学ビームの経路からの第１の表面の反射を屈折させることにより出力ビームにおけるコントラストを増大させることを可能にする。同様の効果は、複数の前記プレートのうち少なくとも１つのプレートの断面を僅かに先細りにする(tepering)、例えばこのプレートの外部表面が４５°から同じ僅かな角度だけ角度を形成するように前記光軸へオフセットされるようにすることを用いることにより達成される一方、ワイヤーグリッド偏光子は４５°の配向に配されたままである。

説明された配置において、第１のプレートは、略全てが一方の面の上のワイヤーグリッド偏光子に隣接及び接するように構成され、第２の透過プレートは、略全てが他方の面の上のワイヤーグリッド偏光子に隣接及び接するように構成される。この効果は偏光子の表面に、均一で耐久力のある平坦さを供給する。この効果は第３のビームスプリッタ１０及び第４のビームスプリッタ１６に関して特に有益であり、これら両方のスプリッタは、ＬＣＯＳパネルで撮像された後、放射線を反射し、これによりこれらの反射表面の平坦さが特に重要となる。

２つの透過プレートの各々が平坦であることが好ましい一方、ある程度の非平坦さ(non-planarity)が前記プレートの１つ又は各々に設けられてよい。特に、この（複数の）プレートの（複数の）外部表面が前記プレートの中央面と正確に平行とならなくてもよい。この非平坦さは、上述されるような角度方向及び／又は前記表面のレンズ形状の形式をとる。前記プレートは、出力ビームにおけるコントラストを増大させるという効果を達成するために、前記プレートの幅の１０分の１よりも小さくなるように制限されるプレートを横断する厚さの変動を用いて好ましくは依然として略平坦のままでいる。

前記２つの透過プレートが厚さ又は非平坦の場合には平均的な厚さに関し略等しいことが好ましいが、例えば光学素子が放射線ビームの個々の成分部分に置かれる場合には、かなりの厚さの差異、例えば１００％の場合は異なる他の素子を補償する。しかしながら、放射線ビームの光路内の各々の同様な光学成分の場合、前記プレートの各々が略等しい厚さとなり、すなわち前記プレートの間に存在する厚さ間の差が１０％よりも小さく、好ましくは５％よりも小さい。

上記実施例において、偏光ビームスプリッタの偏光効果は、ワイヤーグリッド偏光子単独で供給される。すなわち、前記偏光子の各面に対しプレートがそれら自身で偏光効果を持たない。しかしながら、前記プレートは所望される場合に幾らか偏光効果を持つ。しかしながら、好ましくは略全てのビームスプリッタの偏光効果、すなわち少なくとも９０％の偏光効果は、ビームスプリッタにより供給される大多数の反射が起こる有効なプレートを規定するために、前記偏光子により供給され、これにより本システムにおける改善されるコントラストを達成する。

上記実施例は、本発明の実施例として理解されるべきである。本発明の他の実施例も考察される。例えば、示されているのと同じ配置が、カラービデオカメラ用の放射線処理装置に用いられてもよく、この放射線の変調は例えば電荷結合素子（ＣＣＤ）のような放射線検出器に置き換えられる。１つの実施例に関連して述べられる如何なる特徴は、これら実施例の他の特徴にも用いられると理解される。さらに、上述されない等価物及び改良物も、本発明の範囲から逸脱すること無く用いられる。この範囲は付随する特許請求の範囲において規定される。

本発明の実施例によるカラービデオ投影装置の概略的な平面図である。

Claims (21)

1. 放射線を処理するための光学装置であって、前記装置は、偏光ビームスプリッタと、異なる放射成分の特性を個々に処理するように構成される複数の放射線処理部とを有し、前記偏光ビームスプリッタは、第１及び第２の面を持つ選択的に反射する偏光子、前記偏光子の一方の面に隣接して配される第１の透過プレート及び前記偏光子の他方の面に隣接して配される第２の透過プレートを有し、前記偏光ビームスプリッタの略全ての偏光効果が前記選択的に反射する偏光子により供給される光学装置。
2. 前記第１及び第２のプレートの各々は略平坦である請求項１に記載の光学装置。
3. 前記第１及び第２のプレートは略等しい光学的厚さの特徴を持つ請求項１又は２に記載の光学装置。
4. 前記プレートの各々は、略同じ材料から製造される請求項１、２又は３に記載の光学装置。
5. 前記選択的に反射する偏光子はワイヤーグリッド偏光子を有する請求項１ないし４の何れか一項に記載の光学装置。
6. 前記偏光ビームスプリッタは、略４５°に等しい入射角で入射ビームを入力するように構成される請求項１ないし５の何れか一項に記載の光学装置。
7. 前記偏光ビームスプリッタは、第１の成分のビームを入力し、当該第１の成分のビームの少なくとも一部を第１の処理部に反射し、前記第１の処理部から反射される場合、前記反射されたビームの大部分を通すように構成される請求項１ないし６の何れか一項に記載の光学装置。
8. 前記偏光ビームスプリッタは、入力ビームを入力し、前記入力ビームを異なる成分のビームに分割するように構成される請求項１ないし７の何れか一項に記載の光学装置。
9. 前記偏光ビームスプリッタは、異なる成分のビームを入力し、前記異なる成分のビームを組み合わせて出力ビームを形成するように構成される請求項１ないし６の何れか一項に記載の光学装置。
10. 前記第１及び第２の素子が当該素子の外部表面の配置において異なる角度を呈示する請求項１ないし９の何れか一項に記載の光学装置。
11. 前記光学装置は、第１及び第２の面を持つ第２の選択的に反射する偏光子、前記第２の偏光子の一方の面に隣接して配される第３の透過プレート及び前記第２の偏光子の他方の面に隣接して配される第４の透過プレートを有する第２の偏光ビームスプリッタを有し、前記第２のビームスプリッタの略全ての偏光効果が前記第２の選択的に反射する偏光子により供給される請求項１ないし１０の何れか一項に記載の光学装置。
12. 前記第１、第２、第３及び第４のプレートの各々は、略等しい光学的厚さの特徴を持つ請求項１１に記載の光学装置。
13. 前記第２の偏光ビームスプリッタは、第２の成分のビームを入力し、前記第２の成分のビームの少なくとも一部を第２の処理部に反射し、前記第２の処理部からの反射に入力される場合、前記反射されるビームの大部分を通すように構成される請求項７に従属する請求項１１又は請求項７に従属する請求項１２に記載の光学装置。
14. 前記第２の偏光ビームスプリッタは異なる成分のビームを入力し、前記成分のビームを組み合わせて出力ビームを形成するように構成される請求項８に従属する請求項１１又は請求項８に従属する請求項１２に記載の光学装置。
15. 第３及び第４のビームスプリッタをさらに有する請求項１１ないし１４の何れか一項に記載の光学装置であって、前記第１、第２、第３及び第４のビームスプリッタの各々は、前記光学装置により処理される前記ビームの光路に対し略４５°であり、各々隣接するビームスプリッタに関し略９０°の間隔で配される光学装置。
16. 前記放射線処理部は、ＬＣＯＳ(Liquid Crystal on Silicon)放射変調パネルを有する請求項１ないし１５の何れか一項に記載の光学装置。
17. 前記透過プレートにより生じる収差を補償するための光学成分の構造をさらに有する請求項１ないし１６の何れか一項に記載の光学装置。
18. 第１及び第２の略平坦な面を持つ平坦な反射偏光子を有する偏光ビームスプリッタであって、第１の透過プレートは前記偏光子の一方の面に隣接して配され、第２の透過プレートは前記偏光子の他方の面に隣接して配され、前記偏光ビームスプリッタの偏光効果の略全ては、前記平坦な反射偏光子により供給される偏光ビームスプリッタ。
19. 前記第１及び第２のプレートの各々は略平坦であり、略等しい厚さである請求項１８に記載の偏光ビームスプリッタ。
20. 前記偏光子はワイヤーグリッド偏光子である請求項１８又は１９に記載の偏光ビームスプリッタ。
21. 放射線を処理するための光学装置であって、前記装置は、偏光ビームスプリッタと、異なる放射線成分の特性を個々に処理するように構成される複数の放射線処理部とを有し、前記偏光ビームスプリッタは、第１及び第２の面を持つワイヤーグリッド偏光子、前記第１の面に隣接し、前記第１の面の略全ての上の前記ワイヤーグリッド偏光子と接しているように構成される第１の透過素子、及び前記第２の面に隣接し、前記第２の面の略全ての上の前記ワイヤーグリッド偏光子と接している第２の透過素子を有する光学装置。

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