JP2007515664A - 高効率の単一パネルおよび２パネル投射エンジン - Google Patents

Abstract

単一イメージャ投射システムは、常に１つの色帯域しか照明されないため３イメージャシステムと比べて低光スループットという問題がある。その結果単一イメージャ投射システムの動作効率を向上させる必要がある。本発明は単一または二重イメージャ投射システムにおける高消光比前偏光子、例えば補償多層偏光子の組み込みに関する。これにより低ｆナンバー照明光による照明が可能になるため投射システムの効率が向上する。前偏光子を偏光回復ユニット内に組み込むことによりさらにシステム効率を向上し得る。

Description

本発明は一般に情報を表示するシステムに関し、特に反射型結像装置を用いた投射システムに関する。

光学結像システムは通例、ライトバルブまたはライトバルブアレイとも称される、画像を光ビームに印加する透過型または反射型イメージャを含む。透過型ライトバルブは通例透光性があり、光を通過させる。一方反射型ライトバルブは入力ビームの選択部分のみを反射して画像を形成する。反射型ライトバルブは制御回路を反射面の背後に配置し得るため重要な利点を提供し、基材がその不透明性によって限定されない場合さらに進歩した集積回路技術が利用可能になる。反射型液晶マイクロディスプレイをイメージャとして用いることにより、新しく場合によっては安価で小型の液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）プロジェクタ構成が可能になる。

多くの反射型ＬＣＤイメージャは入射光の偏光を回転する。換言すれば偏光光はその偏光状態が最も暗い状態に対して実質的に未修正状態、あるいは所望の階調を提供するように偏光回転度が付加された状態のいずれかでイメージャによって反射される。これらのシステムにおいて９０°回転が最も明るい状態を提供する。従って一般に偏光光ビームを反射型ＬＣＤイメージャ用の入力ビームとして用いる。所望の小型構成は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）とイメージャとの間に折り返し光路を含み、照明ビームとイメージャから反射された投射画像とはＰＢＳとイメージャとの間で同じ物理的空間を共有する。ＰＢＳは進入光を偏光回転画像光から分離する。白黒画像またはカラー画像を形成するための単一イメージャを用いてもよい。またカラー画像を形成するための複数のイメージャを用いてもよく、この場合照明光を異なる色の複数のビームに分割する。画像をビームの各々に個々に印加し、その後再合成してフルカラー画像を形成する。３つのイメージャシステムは位置合わせが機械的および熱的応力に耐えうることが必要である。光源が発生する光を可能な限り多く用いることが望ましい。また投射エンジンが安価で熱的および機械的不安定性が低いことも望ましい。

明るい高コントラスト画像のディスプレイを提供する広角で高速の光学構成要素を含む光学画像投射システムの必要性がある。さらにまたこのようなシステムは製造が安価であり熱的および機械的不安定性に耐性がある必要がある。本発明は単一または二重イメージャ投射システムにおける高消光比高スループット前偏光子、例えば補償多層偏光子の組み込みに関する。これにより低ｆナンバー照明光による照明が可能になるため投射システムの効率が向上する。前偏光子を偏光回復ユニット内に組み込むことによりさらにシステム効率を向上し得る。

本発明の特定の一実施形態は、所望の色帯域の照明光を透過する色選択装置と単一反射型イメージャユニットとを備える結像コアを有する単一イメージャ光投射システムに関する。結像偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は色選択装置から受け取った光を単一反射型イメージャユニットへ反射する。反射型前偏光子は結像ＰＢＳに入射する前に照明光を前偏光するように配置され、可視スペクトルにわたりｆ／２．５以下のｆナンバーを有する光で照明されたときに反射光に対して５０：１を超える消光比を有する。

本発明の他の実施形態は、照明光ビームを第１および第２のそれぞれの偏光状態の第１および第２の光ビームに分割するように配置された第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を備える投射システム用結像コアユニットに関する。第１の偏光ビームスプリッタは補償多層誘電体ＰＢＳである。第１の偏光回転子が第１の光ビーム内の光の偏光を回転するように配置されている。第１の結像ＰＢＳが第１の偏光回転光ビーム内の光を第１の反射型イメージャユニットへ反射するように配置されている。第１のイメージャユニットにより反射された第１の画像光ビームが第１の結像ＰＢＳを透過する。第２の結像ＰＢＳが第２の光ビーム内の光を第２の反射型イメージャユニットへ反射するように配置されている。第２のイメージャユニットにより反射された第２の画像光ビームが第２の結像ＰＢＳを透過する。合成ＰＢＳが第１および第２の画像光ビームを合成して合成画像ビームにするように配置されている。第２の偏光回転子が合成ＰＢＳと第１および第２の結像ＰＢＳの一方との間に配置され、第１および第２の画像光ビームの一方の偏光を回転させる。

上記の本発明の概要は本発明の各図示の実施形態または各実施を説明しようとするものではない。以下の図面と詳細な説明とはこれらの実施形態をより具体的に例証する。

添付の図面と共に以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで本発明をより完全に理解できよう。

本発明は様々な変更例および代替形状に適用可能であるが、その詳細は一例として図面に示したものでありさらに詳細に説明する。しかし本発明を記載の特定の実施形態に限定しようとするものではないことは理解できよう。逆に添付の特許請求の範囲により規定されるような本発明の要旨および範囲内にある変更例、同等物および代替物をすべて網羅しようとするものである。

本発明は反射型イメージャを用いた投射システムに適用可能であり、特に高コントラストで高輝度の画像を生成する低ｆナンバー光学イメージャシステムに適用可能である。

ＬＣＤによるディスプレイは、入力光が所望しない偏光状態の光力に対する所望偏光状態の光力の比として規定される許容消光比で直線偏光されることを必要とする。超高温（ＵＨＰ）ランプを始めとするほとんどの光源は、偏光されていない光を生成するため、通常入射光で所望レベルの偏光を達成するために前偏光子を使用することになる。通例２つのタイプの構成要素が前偏光に用いられてきた。マクネイル（ＭａｃＮｅｉｌｌｅ）偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）およびワイヤグリッド偏光子である。前偏光により未偏光入射光の５０％が廃棄されることになる。これらの前偏光子は許容消光比を達成するが透過率損失を増加するため、ランプ光の利用が非効率になる。

光効率を向上させて非所望偏光状態に偏光された光の一部分を所望偏光状態に変換するためにいくつかの技術が用いられてきた。このような技術は偏光回復、偏光ダブリングまたは偏光リサイクリングとも称し得る。偏光回復の一手法にはランプ用の光を均質化するレンズアレイの利用がある。偏光回復は一連のＰＢＳと１／２波長位相差板とを用いて達成されると言われている。しかしこの手法は大きく且つ高価になり易い。また消光比が非常に低く、通例３：１未満であるため、偏光回復ユニットとイメージャとの間に前偏光子を使用しなければならない。偏光回復の他の手法はトンネルインテグレータの使用によるが、これらもまた低消光比であるため結像ＰＢＳに光が入射する前に後続の前偏光子の使用が必要となる。さらに偏光回復に対するこれらの手法は照明光学系のエタンデュを低下させることになる。イメージャシステムの性能を改善する一手法は広角カーテシアン（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ）偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）、例えば１９９９年５月１７日に出願された米国特許出願第０９／３１２，９１７号明細書に記載されているようなＰＢＳを用いることである。カーテシアンＰＢＳは分離ビームの偏光がＰＢＳフィルムの不変の概して直交する主軸によるＰＢＳである。これに対して非カーテシアンＰＢＳでは分離ビームの偏光はＰＢＳへのビームの入射角に実質的に依存している。

カーテシアンＰＢＳの例は多層反射型偏光ビームスプリッタ（ＭＲＰＢ）フィルムであり、等方性および複屈折材料の交互層から形成されている。フィルムの平面がｘ−ｙ面であると考えられる場合には、フィルムの厚さはｚ方向で測定され、ｚ屈折率はｚ方向と平行の電気ベクトルを有する光に対する複屈折材料内の屈折率である。同様にｘ屈折率はｘ方向と平行の電気ベクトルを有する光に対する複屈折材料内の屈折率であり、ｙ屈折率はｙ方向と平行の電気ベクトルを有する光に対する複屈折材料内の屈折率である。複屈折材料のｘ屈折率は等方性材料の屈折率と実質的に同じであるが、複屈折材料のｙ屈折率は等方性材料の屈折率とは異なる。層の厚さを正しく選択すればフィルムはｙ方向に偏光された可視光を反射してｘ方向に偏光された光を透過する。

ＭＲＰＢフィルムの一例は整合ｚ率偏光（ＭＺＩＰ）フィルムであり、補償偏光フィルムとも称され、複屈折材料のｚ屈折率は複屈折材料のｘ屈折率またはｙ屈折率のいずれかと実質的に同じである。ＭＺＩＰフィルムは米国特許第５，８８２，７７４号明細書および同第５，９６２，１１４号明細書に記載されている。ＭＺＩＰフィルムの改良タイプは寿命が長く、米国特許出願第０９／８７８，５７５号明細書に記載されているように交互層としてＰＥＴ／ＣＯＰＥＴ−ＰＣＴＧを使用している。

本明細書に図示した実施形態の多くを反射型液晶（ＬＣｏＳ：Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）イメージャを用いるものとして説明する。これは決して限定を意図するものではなく、他のタイプの反射型イメージャユニットを用い得ることは理解されよう。

ＬＣｏＳイメージャは高精細テレビ（ＨＤＴＶ）に対して低コストで高性能の技術解決策の提供を約束する。単一イメージャ設計は構成要素が少数であるため、複数イメージャ設計より単純なシステムを提供する。さらに複数のイメージャから画像を組み合わせるのに用いる光学要素が必要ないため、複数イメージャシステムより短い背面焦点距離を提供することができる。さらにまたエンジンの組立中にイメージャの位置合わせの必要がない。しかし単一イメージャ投射システムの欠点の１つは光スループットが低いことである。これはこのイメージャは常に３色の帯域のうちの１つ、赤、緑または青用の画像を印加しているという事実から生じる。従って他の２色の帯域の光は使われず、通例カラーホールなどのカラーフィルタを用いて排除される。

投射システムを通過する光を増加させることができる単一イメージャシステムはさらに魅力的で実用的な解決法になる。単一パネルシステムのスループットを向上させるための本明細書で検討する別の手法には、ｉ）広角前偏光子の利用、ｉｉ）低ｆナンバー照明光学系の利用、およびｉｉｉ）低ｆナンバー偏光回復の利用がある。これら３つの異なる手法を順番に説明した後、これらの手法を実施する多数の異なるシステムを説明する。

前偏光子
２つのパラメータは概して前偏光子の性能を説明するものであるが、すなわち消光比および透過率である。反射型イメージャユニット、例えばＬＣｏＳイメージャによる投射エンジンの一部分が図１Ａに概略的に図示されている。光１００が光源（図示せず）から前偏光子１０２に入射する。図の平面に平行な偏光ベクトルを有するｐ偏光状態の前偏光子１０２を透過する光の透過率はＴ_p1であり、図の平面に垂直な偏光ベクトルを有するｓ偏光状態の光の透過率はＴ_s1である。なおｓ偏光およびｐ偏光とは図の平面、つまり偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０４により規定される反射面を基準としている。投射システムはＰＢＳ１０４とイメージャユニット１０６とを含んでいる。図示の実施形態では前偏光子１０２はｐ偏光状態の光を大部分反射するとともにｓ偏光状態の光を大部分透過する。しかしｓ偏光光の部分Ｒ_s1は反射され、ｐ偏光光の部分Ｔ_p1は透過される。透過における前偏光子の消光比Ｅは、Ｅ＝Ｔ_s1／Ｔ_p1により与えられる。Ｔ_s1が１に近い場合、Ｅ≒１／Ｔ_p1である。

ＰＢＳ１０４は入射ｐ偏光光の部分Ｔ_p2を透過するとともに、残り部分Ｒ_p2を反射する。同様にＰＢＳ１０４は入射ｓ偏光光の部分Ｔ_s2を透過するとともに残り部分Ｒ_s2を反射する。

投射システムのコントラストは主として暗状態での光の漏れにより決定される。暗状態でイメージャ１０６が入射偏光を修正しないとすると、光の漏れは主にｐ偏光光Ｔ_pdarkであり、これは以下の式から算出できる。
Ｔ_pdark＝Ｔ_p1＊Ｒ_p2＊Ｔ_p2＝Ｔ_p1＊（１−Ｔ_p2）＊Ｔ_p2 （１）
この式は偏光子が光を吸収せずに光を透過または拒絶するのみであることを前提としている。結像ＰＢＳ１０４が高消光比を有すると仮定すると、投射システムのコントラストを１／Ｔ_pdarkと推定することができる。

そのため投射エンジンシステムのコントラストＣは、
Ｃ＝Ｅ／（（１−Ｔ_p2）＊Ｔ_p2） （２）
と算出し得る。

式（２）により、エンジンコントラストが前偏光子の消光比と結像ＰＢＳ１０４のｐ偏光透過率とに依存していることが分かる。

代表的なマクネイル（ＭａｃＮｅｉｌｌｅ）タイプ偏光子またはワイヤグリッド偏光子を用いた結像ＰＢＳの場合、Ｔ_p2はｆナンバー２．５で通例８５％である。そしてコントラストは式（２）により７．８５Ｅで与えられる。全体のコントラストが１５００となる場合には、Ｅの値がほぼ１９２となり比較的高い。ワイヤグリッド偏光子は消光を透過と交換するため、１９２という消光に到達するためには通例８５％未満の透過率を有する。

従来のマクネイル（ＭａｃＮｅｉｌｌｅ）ＰＢＳを反射モードで前偏光子として用いてもよい。しかしその高ｐ偏光反射のため消光比は低く約１０：１であり、これは許容エンジンコントラストに対して低過ぎる。ワイヤグリッド偏光子をマクネイル（ＭａｃＮｅｉｌｌｅ）ＰＢＳと一緒に用いて必要な消光比を達成してもよいが、これはさらなる光損失と出費とを招く。

一方補償多層誘電体ＰＢＳは可視波長領域全体にわたる高コントラストとｐ偏光の高透過率（＞９８％）とを提供する。このような高Ｔ_p2ではエンジンコントラストは式（２）により５１Ｅであり、前偏光子の消光要件３０：１になる。これはワイヤグリッドまたはマクネイル（ＭａｃＮｅｉｌｌｅ）偏光子を結像ＰＢＳとして用いる場合の前偏光子要件より大幅に低い。さらに補償多層誘電体ＰＢＳを前偏光子として用い得る。これは所望の消光比を提供するとともにワイヤグリッド偏光子より約１５％高い光スループットも提供する。

補償多層誘電体ＰＢＳを２つの異なる方法、すなわち透過または反射において前偏光子として用い得る。透過では未偏光光をＰＢＳにより反射光と透過光とに分割する。前偏光子を透過した光をイメージャに反射するように結像ＰＢＳを配置する。前偏光ＰＢＳにより反射された光を光トラップ内に捕捉し得る。反射モードでは前偏光ＰＢＳにより反射された光は結像ＰＢＳへと渡される。前偏光ＰＢＳからの光をイメージャに反射するように結像ＰＢＳを配置してもよい。

補償多層誘電体ＰＢＳの消光比を透過および反射の両方の場合について測定した。測定の結果は可視スペクトルにわたる波長の関数として図２に提示されている。ＰＢＳは２つのＳＫ５ガラスプリズム間に挟持された二重多層構造であり、ｆ／２．０テレセントリック照明光学系により照明した。ＰＢＳは本明細書と同日出願されたスリーエム（３Ｍ）参照番号第５８６２８ＵＳ００２「高コントラストを有するプロジェクションシステム（Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ｈａｖｉｎｇ Ｉｎｃｒｅａｓｅｄ Ｃｏｎｔｒａｓｔ）」にさらに記載されている。消光比はＰＢＳから出力される２つの直交偏光状態における力の比である。透過モードでは消光比Ｔ_p／Ｔ_sは可視スペクトルにわたり１０００：１を超える。反射モードでは消光比Ｒ_s／Ｒ_pは約６０：１から１５０：１の間で変化する。そのため反射消光比は５０：１より高い。

補償多層誘電体ＰＢＳを反射および透過両方において前偏光子として用い得る。これらの２つの異なる構成は図１Ｂ〜１Ｃに図示されている。図１Ｂでは光１２０が補償多層誘電体前偏光子１２２に入る。補償多層誘電体前偏光子１２２はｓ偏光光のほぼ１００％とｐ偏光光の２％未満とを反射する。前偏光子からの主なｓ偏光反射光１２４は結像ＰＢＳ１２６によってイメージャ１２８、例えばＬＣｏＳイメージャに反射される。イメージャから反射された画像光１３０は結像ＰＢＳ１２６を投射レンズシステム（図示せず）へ透過される。この実施形態において反射光路は同一平面、図の平面内にある。補償多層誘電体前偏光子１２２は所望ｓ偏光光のほぼ１００％を反射するため、イメージャ１２８の照度は高い。結像ＰＢＳ１２６は広角、高コントラスト動作用の任意の好適なタイプのＰＢＳ、例えば補償多層誘電体偏光子またはワイヤグリッド偏光子でもよい。

他の構成が図１Ｃに概略的に図示されている。この場合光１４０が補償多層誘電体前偏光子１４２に入る。前偏光子１４２は図１Ｂに図示にされている前偏光子１２２の配向に対して９０°に配向されているため、ｓ偏光光は前偏光子によって図の平面外に反射される。前偏光子１４２を透過した光１４４は結像ＰＢＳ１４６へ通過する。結像ＰＢＳ１４６は図の平面内のｓ偏光光を反射するように配向されている。そのため前偏光子１４２からの透過光１４４は前偏光子１４２に対してｐ偏光状態にあるが結像ＰＢＳ１４６に対してはｓ偏光状態にある。光１４４は結像ＰＢＳによってイメージャ１４８へ反射される。画像光１５０はイメージャ１４８から投射レンズシステム（図示せず）へ反射される。前偏光子１４２が高コントラストｐ偏光光を結像ＰＢＳ１４６へ透過するため、このシステムは高コントラストを有する。

低ｆナンバー光学系
単一イメージャを用いた投射エンジンでは、投射レンズの背面焦点距離は複数イメージャシステムよりも大幅に短い。複数イメージャシステムでは複数イメージャと投射レンズシステムとの間に、異なるイメージャからの画像を合成して視認用に投射される単一画像ビームにするためのビーム合成要素がある。単一イメージャシステムではビーム合成要素が必要ないため、投射レンズを移動してイメージャに近接させることができる。通例投射レンズシステムの背面焦点距離（ＢＦＬ）は複数イメージャシステムの場合の約２分の１である。これにより投射レンズシステムのｆナンバーを複数イメージャシステムより小さく、例えばｆ／１．５という低さにすることができる。

結像ＰＢＳおよび前偏光子の両方が補償多層誘電体偏光子である場合、イメージャ、結像ＰＢＳおよび前偏光子から形成される投射エンジンのコントラストは、ｆナンバーによる影響はあまり強くない。照明光に対して１．６５〜４．５のｆナンバーの範囲にわたり、赤、緑および青色帯域用のＴＦＳイメージャのコントラスト比を測定した。図３のグラフに提示されたコントラスト比はｆ／２．３レンズを通して投射された投射光で測定した。この特定の実験では色帯域は以下の通りであった。青４３０ｎｍ〜５００ｎｍ（曲線３０２）、緑５００ｎｍ〜６００ｎｍ（曲線３０４）、赤６００ｎｍ〜６８０ｎｍ（曲線３０６）。

青色帯域に対するコントラスト比は約４００：１から約５５０：１まで変化したが、緑色帯域に対するコントラスト比は約６５０：１と約８００：１との間で変化した。赤色帯域に対するコントラスト比は青および緑に対するコントラスト比の間のどこかになり、約４５０：１と約７５０：１との間で変化した。この図からの重要な結果は全色帯域におけるコントラストが１．６５という低い照明ｆナンバーに対して２５０：１を超えて、さらに３５０：１を超えていたことである。照明ｆナンバー２．５では全色帯域におけるコントラスト比は４００：１を超えていた。

投射システムを通過する光量は、投射エンジンからの光スループットを任意の単位で照明ｆナンバーの関数として示す図４に図示するようにｆナンバーに依存している。ｆ／１．５では光スループットは約１６００単位であり、ｆ／３．２では約１０００単位に下がる。ｆ／１．５〜ｆ／４．５の範囲にわたる光スループットの変化はさらに大きい。図４に示すようにｆ／２．４からｆ／１．５のｆナンバーの減少は約２５％の光スループットの増加になる。

偏光回復
投射システムに用いられる光源は通常未偏光光を生成する。そのため反射型偏光子に入射すると光のおよそ２分の１が透過され、光のおよそ２分の１が反射される。反射型偏光子は、ビームの一方を他方とは異なる方向に反射することによって光を直交偏光のビームに分離する偏光子である。前偏光子または結像ＰＢＳを未偏光光と共に用いることで入射光の約２分の１を廃棄することになる。偏光回復は入射放射線の偏光を所望の偏光に変換して光の少ない方の部分を廃棄するために用いられる技術である。

これを行う一方法をここで図５Ａを参照して説明する。光源（図示せず）からの光５００は一端５０８のアパーチャ５０６を通過して反射トンネル５０４内に方向付けられる。光５１０はトンネルに沿って跳ねて他端５１４の反射型偏光子５１２へ向かう。光のおよそ２分の１が偏光子５１２を透過するが、他の半分は反射してトンネル５０４内に戻される。反射型偏光子５１２が補償多層誘電体ＰＢＳである場合、反射板５１３を用いて反射光をトンネル５０４へ反射し返してもよい。補償多層誘電体偏光子５１２を用いることでトンネル５０４からの透過を増加させるとともに高消光比をもたらす。

反射してトンネル５０４へ戻された光はトンネル５０４によりリサイクルされて入力端５０８の反射板５１６で反射して、最後には第２の端５１４から出て再度偏光子５１２に入射する。トンネル内での複数の反射は光をある程度偏光解消させるため、再入射光のいくらかは偏光子５１２を透過する。反射偏光状態からの偏光解消は、トンネル端５１４と偏光子５１２との間の偏光感応層、例えば１／４波長位相差板５１８を用いて強化し得る。トンネル５０４が色選択装置の後に配置されている場合トンネル内の加熱効果は低下し得る。

偏光回復は通常スループットとエタンデュとの交換を招く。エタンデュの低下は通例ｆナンバーが大きい小型イメージャの場合大きくなり、これにより通常例えば１７．８ｍｍ（０．７インチ）を超える対角線寸法とアークギャップが小さいランプとを有する大型イメージャへの偏光回復の適用が限定される。異なるｆナンバーに対して偏光回復トンネルを用いるとともに１５．３ｍｍ（０．６０１インチ）の対角線寸法を有するイメージャを用いた光スループットの算出増加が図５Ｂに示されている。図示のようにｆナンバーがｆ／２．４以上では実際には光スループットの増加ではなく損失がある。しかし低ｆナンバーでは大きな光利得を得ることができる。例えばｆ／１．５では１８％の光利得がある。この利得はより大きなイメージャを用いることによりさらに増加させることができる。例えばイメージャが１７．８ｍｍ（０．７インチ）の対角線寸法を有する場合、偏光回復トンネルを用いればｆ／１．５で３５％のスループット利得がある。

上記の３つの手法、前偏光、低ｆナンバーおよび偏光回復をすべて用いて単一イメージャによる投射システムの有用性を増加し得る。ここでそのようなシステムの一例を図６を参照して説明する。投射システム６００は光を生成するために光源６０２、例えばアークランプを有する。反射板６０４を用いて光源６０２からの光をトンネルインテグレータ６０６に方向付け得る。トンネルインテグレータ６０６の前にフィルタ６０８を配置して紫外線および／または赤外線光を除去してもよい。色選択装置６１０、例えばカラーホイールをトンネルインテグレータ６０６の前または後ろに配置することにより常に照明用の１つの色帯域を選択し得る。トンネルインテグレータ６０６は偏光回復も含み得る。

補償多層誘電体前偏光子６１２を用いることにより結像ＰＢＳ６１４に入射する前に光を前偏光をし得る。イメージャ６１４への入射光は２．５以下のｆナンバーを有し、２．０以下さらには１．５以下のｆナンバーを有し得る。この光を結像ＰＢＳ６１４によってイメージャ６１６へ反射する。イメージャ６１６は光ビームの一部分を変調させて偏光変調画像を印加する。画像光は結像ＰＢＳ６１４を投射レンズシステム６１８へと通過する。投射レンズシステム１６８に到達した光は１．５以下という低いｆナンバーを有し得る。画像光は色選択装置６１０により光に印加された色帯域によって網羅される可視領域（４００ｎｍ〜７００ｎｍ）にわたって２５０：１を超えるコントラストを有する。画像コントラストは色帯域にわたって３５０：１を超え得る。

制御ユニット６２０を用いてイメージャ６１６により印加される画像を制御するとともに画像を色選択装置６１０と同期し得る。投射システム６００がテレビ、例えば高精細テレビ用の投射エンジンを備える場合、制御ユニット６２０はテレビチューナーおよびテレビ映像を処理するとともに投射する他の回路も含み得る。

例えば図７の投射システム７００に対して図示されているように、補償多層誘電体前偏光子を反射ではなく透過で用い得ることは理解されよう。この実施形態では前偏光子７１２は光源６０２からの光の偏光を所望の偏光状態に変換するために用いる偏光回復ユニット７０６の一部分も形成する。前偏光子７１２に反射板７１３を設けて偏光回復を助けてもよい。画像光が２．５以下のｆナンバーを有する場合、全色帯域にわたって少なくとも２５０：１を超える高コントラストを維持するために、前偏光子７１２および結像ＰＢＳ６１４以外の他の偏光装置は必要ない。

単一イメージャ投射システム６００および７００は設計が非常に簡単であり、３つの色帯域、赤、緑および青の各々に対して１つのイメージャを用いる従来の３イメージャシステムと比べて必要な構成要素数が少ない。構成要素の数が少ないため、単一イメージャ投射システムは３イメージャシステムより安価である。さらにまた背面焦点距離が短いため低ｆナンバー投射レンズシステムのコストをさらに削減し得る。また３つの異なるイメージャからの画像を位置合わせするステップがなくなるため、単一イメージャ投射システムは製造がより単純である。

さらにまた例えば熱的および／または機械的安定性に起因する製造に伴うイメージャのずれによる問題がなくなる。３イメージャシステムでは機械的安定性から生じる問題を低減するためにイメージャをそれぞれのＰＢＳに直接搭載することが多い。しかしこれはイメージャとＰＢＳとの良好な熱的一致が必要であるという問題をもたらす。熱的および機械的ずれの問題は単一イメージャ投射システムでは低減するため、イメージャをＰＢＳに取り付ける必要がない。これによりＰＢＳで使用するガラス材料の選択に大きな選択肢が可能になる。

投射システム６００および７００は単一イメージャシステムに対して高光出力を有する一方で高画像コントラストを提供する。単一イメージャシステムは、ｆ／１．５という低いｆナンバーで赤、緑および青色帯域にわたって３５０：１を超える画像コントラストを達成する。

上述した単一イメージャシステムの利点のいくつかを実現する２イメージャ投射システム８００の特定の一実施形態が図８に概略的に図示されている。この２イメージャシステムは２．５以下の低ｆナンバーを有する画像光を生成するとともに、異なる色帯域で３５０：１を超えるコントラスト比も達成する。これは偏光変換器を用いていない。その代わり単一補償多層誘電体前偏光子を用いて照明光を各々画像と重畳する２つの部分に分割した後、その画像を合成して単一の出力画像にする。

図示の実施形態ではシステム８００は光を発生する光源８０２を有する。反射板８０４を用いて光を方向付け得る。トンネルインテグレータ８０６を用いることにより光の輝度をより均一にし得る。光は色選択装置８０８、例えばカラーホイールを通過する。図示されていないがフィルタを用いて不要な紫外線および赤外線光を除去してもよい。

システム８００は補償多層誘電体前偏光子８１０を用いて光を２つの直交偏光ビーム８１２および８２４に分割する。この前偏光子８１０は高消光且つ高スループットの直交偏光光ビームを生成する。システム８００内の様々な地点における光の偏光状態は、図の平面に平行な偏光を示す双頭矢印と、紙面に垂直な偏光を示す黒丸とで図示されている。透過ビーム８１２は広帯域偏光回転子、例えば１／２波長位相差板を通過して、第１の結像路に沿って第１の結像ＰＢＳ８１６に入射する。光は第１のイメージャ８１８へと反射され、画像光８２０は反射されて合成ＰＢＳ８２２を通過して投射レンズシステム８２４へ達する。

前偏光子８１０によって反射された光８２６は第２の結像路に沿って第２の結像ＰＢＳ８２８に方向付けられる。なお前偏光子８１０の消光比が十分に高いため、前偏光子８１０と第２の結像ＰＢＳ８２８との間にはさらなる偏光子例えばクリーンアップ偏光子は必要ないことは重要である。第２の結像ＰＢＳ８２８は光を第２のイメージャ８３０へ方向付ける。画像光８３２は反射されて第２の結像ＰＢＳ８２８を通過し合成ＰＢＳ８２２へ達し、ここで第１および第２のイメージャ８１８および８３０からの画像光が合成されて単一の画像ビーム８３４になり投射レンズシステム８２４に伝播する。合成ＰＢＳ８２４のコントラスト要件は他のＰＢＳの場合よりも低いため、補償多層誘電体偏光子に加えて合成ＰＢＳ８２２もワイヤグリッド偏光子、マクネイル（ＭａｃＮｅｉｌｌｅ）偏光子等でもよい。合成ＰＢＳ８２２を用いて画像を反射するため、合成面は第２のイメージャ８３０からの反射画像光８３２が歪まないように平坦であることが好ましい。

図示の実施形態において第２の偏光回転子８３６、例えば１／２波長位相差板が第２の結像ＰＢＳ８２８と合成ＰＢＳ８２２との間に配置されているため、第２の結像ＰＢＳ８２８を透過した画像光は合成ＰＢＳ８２２によって反射される。第２の偏光回転子８３６を第１の結像ＰＢＳ８１６と合成ＰＢＳ８２２との間にも配置し得ることは理解されよう。このような場合、合成ＰＢＳは第１のイメージャ８１８から受け取った画像光を反射するとともに第２のイメージャ８３０から受け取った画像光を透過するように配向する。

第１および第２の偏光回転子８１４および８３６は１／２波長位相差フィルムでもよく、回転が厳密に１／２波長であり回転が他の波長に対して僅かに１／２波長前後である状態である場合、通例１波長を有する。２つの偏光位相差板の最適波長は、合成出力画像ビーム８３４はバランスのとれた色を有するように異なり得る。例えば超高圧ランプ（ＵＨＰ）が投射光エンジン用に幅広く使用されている。ＵＨＰランプは強力な緑色光を出力し、青色および赤色光出力は比較的低い。そのためシステムは赤色および青色帯域の光に対してより高い全体スループットを有することが望ましい。可視光用の典型的な広帯域１／２波長位相差フィルムは緑色光で頂点に達する。しかし現在の実施形態では２つの偏光位相差板は異なる波長で頂点に達する。例えば一方は青色帯域で頂点に達し、他方は赤色帯域で頂点に達し得る。従って赤色および青色スループットは緑色光のスループットより高く、画像光内の色は偏光回転子が緑色光に最適化されていた場合より良好なバランスが取れている。偏光回転子に対する最適波長の値を特定の色要件を満たすように選択し得ることは理解されよう。この選択は光源から発光される光の色バランスおよびシステムの異なる光学構成要素内での光吸収を始めとする多数の要因に基づくが、要因はこれらに限定されない。

単一出力偏光状態が望ましい場合には、１／４波長偏光位相差板８３８を合成ＰＢＳ８２２と投射レンズシステム８２４との間に配置してもよい。これによりイメージャ８１８および８３０の各々からの画像光が円偏光になる。位相差板８３８は合成ＰＢＳ８２２の出力表面に取り付けられた位相差フィルムでもよい。

この手法では色帯域の光のすべてが画像を投射するために用いられるため、画像輝度が増す。前偏光子８１０ならびに結像ＰＢＳ８１６および８２８として用いられる偏光ビームスプリッタはすべて補償多層誘電体偏光子を用いて形成してもよく、この場合ｆ／１．５以下までの低ｆナンバー光を用い得る。通過偏光状態に対して偏光子の透過が高いため、さらに低ｆナンバーを用い得るため、補償多層誘電体偏光子の利用により投射システムを通過する光量が増す。制御ユニット８４０を用いてイメージャ８１８および８２８により印加される画像を制御するとともに画像を色選択装置８０８と同期し得る。投射システム８００がテレビ例えば高精細テレビ用の投射エンジンを備える場合、制御ユニット８３０はテレビチューナーおよびテレビ映像を処理するとともに投射する他の回路も含み得る。

反射型イメージャを用いたディスプレイを参照して本発明を説明したが、本発明を透過型イメージャを用いたディスプレイにおける前偏光および偏光回復にも用い得ることは理解されよう。

上述したように本発明はディスプレイ装置に適用可能であり、安価で高輝度の画像投射システムを提供する際に特に有用であると思われる。本発明は上述した特定の実施例に限定されるものと考えるのではなく、添付の特許請求の範囲に正しく記載されたように本発明のすべての態様を網羅するものと理解するべきものである。本明細書を検討すれば様々な変更例、同等プロセスおよび本発明が適用可能な多数の構造は本発明が対象とする技術の当業者には容易に明らかになろう。特許請求の範囲はこのような変更例および装置を網羅しようとするものである。

反射型イメージャ投射器と共に用いられる前偏光子を概略的に図示する。 本発明の原理による、単一イメージャ投射システム用の前偏光子およびイメージャ偏光子の異なる構成を概略的に図示する。 透過および反射の両方の場合のＭＺＩＰタイプ偏光ビームスプリッタの消光比を示すグラフを表す。 異なるｆナンバーの範囲にわたる異なる色帯域に対するコントラスト比を示すグラフを表す。 反射型イメージャ投射エンジンからの光出力を照明光のｆナンバーの関数として示すグラフを表す。 本発明の原理による偏光回復を実施する手法を概略的に図示する。 偏光回復を用いた投射システムの場合の光スループットの利得をｆナンバーの関数として示すグラフを表す。 本発明の原理による単一イメージャ投射システムの実施形態を概略的に図示する。 本発明の原理による単一イメージャ投射システムの他の実施形態を概略的に図示する。 本発明の原理による２イメージャ投射システムの実施形態を概略的に図示する。

Claims (33)

1. 所望の色帯域の照明光を透過する色選択装置と、
   単一反射型イメージャユニットと、
   前記色選択装置から受け取った光を前記単一反射型イメージャユニットへ反射する結像偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、
   前記結像ＰＢＳに入射する前に前記照明光を前偏光するように配置され、可視スペクトルにわたりｆ／２．５以下のｆナンバーを有する光で照明されたときに反射光に対して５０：１を超える消光比を有する反射型前偏光子とを備える、
   結像コアを備える単一イメージャ光投射システム。
2. 前記結像コアから反射された画像光が、２．５以下のｆナンバーと各色帯域において少なくとも２５０：１のコントラスト比とを有する、請求項１に記載のシステム。
3. 前記画像光の前記ｆナンバーが２以下である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記画像光の前記ｆナンバーが１．５以下である、請求項１に記載のシステム。
5. 各色帯域における前記コントラスト比が３５０：１を超える、請求項１に記載のシステム。
6. 前記色選択装置により透過される前記照明光を発生する光源をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
7. 前記色選択装置と前記反射型イメージャユニットとに連結され、前記色選択装置を通過した前記色帯域を前記イメージャユニット上で前記入射光上に印加された前記画像と同期させる制御ユニットをさらに備える、請求項１に記載のシステム。
8. 前記制御ユニットがテレビチューナーと制御回路とを備える、請求項７に記載のシステム。
9. 前記画像光を投射するように配置された投射レンズユニットをさらに備え、前記投射レンズユニットが２．５以下のｆナンバーを有する、請求項１に記載のシステム。
10. 前記投射レンズユニットが２以下のｆナンバーを有する、請求項９に記載のシステム。
11. 前記投射レンズユニットが１．５以下のｆナンバーを有する、請求項９に記載のシステム。
12. 前記結像コアが光を所望の偏光状態に変換する偏光回復ユニットをさらに備え、前記反射型偏光子が前記偏光回復ユニットの偏光要素を形成する、請求項１に記載のシステム。
13. 前記偏光回復ユニットが偏光回復トンネルを備える、請求項１２に記載のシステム。
14. 前記偏光回復ユニットが前記色選択装置と前記反射型イメージャユニットとの間に配置されている、請求項１２に記載のシステム。
15. 前記前偏光子が所望しない偏光状態の光を反射して前記偏光回復トンネル内へ戻す、請求項１２に記載のシステム。
16. 前記前偏光子が光を前記結像ＰＢＳへ反射する、請求項１に記載のシステム。
17. 前記前偏光子が補償多層誘電体偏光子である、請求項１に記載のシステム。
18. 前記結像ＰＢＳが補償多層誘電体偏光子である、請求項１に記載のシステム。
19. 全色帯域にわたる前記２５０：１を超えるコントラスト比が、偏光要素として前記前偏光子および前記結像ＰＢＳのみを用いて達成される、請求項１に記載のシステム。
20. 照明光ビームを第１および第２のそれぞれの偏光状態の第１および第２の光ビームに分割するように配置され、補償多層誘電体ＰＢＳである第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、
    前記第１の光ビーム内の光の偏光を回転するように配置された第１の偏光回転子と、
    前記第１の偏光回転光ビーム内の光を第１の反射型イメージャユニットへ反射するように配置され、前記第１のイメージャユニットにより反射された第１の画像光ビームが透過される第１の結像ＰＢＳと、
    前記第２の光ビーム内の光を第２の反射型イメージャユニットへ反射するように配置され、前記第２のイメージャユニットにより反射された第２の画像光ビームが透過される第２の結像ＰＢＳと、
    前記第１および第２の画像光ビームを合成して合成画像ビームにするように配置された合成ＰＢＳと、
    前記合成ＰＢＳと前記第１および第２の結像ＰＢＳの一方との間に配置され、前記第１および第２の画像光ビームの一方の偏光を回転させる第２の偏光回転子とを備える、投射システム用結像コアユニット。
21. 光がクリーンアップ偏光子を通過せずに前記第１のＰＢＳから前記第１および第２の結像ＰＢＳの両方へ通過する、請求項２０に記載のユニット。
22. 前記第１の偏光回転子が第１の波長の光に対して最適化され、前記第２の偏光回転子が前記第１の波長とは異なる第２の波長の光に対して最適化されている、請求項２０に記載のユニット。
23. 前記合成画像ビームを投射するように配置された投射レンズユニットをさらに備える、請求項２０に記載のユニット。
24. 前記合成画像ビームが前記投射レンズユニットによって投射される投射画面をさらに備える、請求項２１に記載のユニット。
25. 前記照明光ビームを発生する光源をさらに備える、請求項２０に記載のユニット。
26. 前記合成画像光ビームが２．５以下のｆナンバーを有し、前記合成画像光がその色帯域において２５０：１以上のコントラスト比を有する、請求項２５に記載のユニット。
27. 前記コントラスト比がその色帯域において３５０：１以上である、請求項２６に記載のユニット。
28. 前記光源と前記第１のＰＢＳとの間に配置された色選択装置をさらに備える、請求項２５に記載のユニット。
29. 前記色選択装置がカラーホイールである、請求項２８に記載のユニット。
30. 前記第１および第２のイメージャユニットと前記色選択装置とに連結され、前記反射型イメージャユニットにより印加された画像と前記色選択装置により選択された色とを同期させるコントローラをさらに備える、請求項２８に記載のユニット。
31. 前記合成ＰＢＳがワイヤグリッド偏光子である、請求項２０に記載のユニット。
32. 前記合成画像ビームの偏光を遅延させるように配置された１／４波長リターダをさらに備える、請求項２０に記載のユニット。
33. 前記第１および第２の結像ＰＢＳが補償多層誘電体ＰＢＳである、請求項２０に記載のユニット。

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