JP2009544048A - 反射型偏光子と吸収型偏光子とを組み込んだ偏光ビームスプリッタ及びその画像表示システム - Google Patents

Abstract

光ビームを放射するように構成された照明光源と、偏光ビームスプリッタと、画像形成装置とを含む、画像表示システム。偏光ビームスプリッタは、反射型偏光子と、反射型偏光子に隣接して配置され、反射型偏光子を透過した光ビームの第１の部分を受光するように構成された吸収型偏光子とを含む。画像形成装置は、反射型偏光子で反射した光ビームの第２の部分を受光するように配置されている。

Description

本開示は、偏光分離装置を組み込んでいる画像表示システムに関する。特に、本開示は、反射型偏光子及び吸収型偏光子を有する偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を組み込んでいる画像表示システムに関する。

ＰＢＳを組み込んでいる画像表示システムは、投影ディスプレイなどの表示スクリーン上に画像を形成させるために用いる。代表的な画像表示システムは、照明光源からの光線が投影すべき所望の画像を含む画像形成装置（すなわち、撮像装置）で反射するように配置されている照明光源を組み込んでいる。照明光源からの光線及び投影画像の光線が、ＰＢＳと撮像装置との間で同じ物理的空間を共有するように、システムは光線を折曲する。

ＰＢＳは、表示スクリーン上の照明を向上させるために低いＦナンバー照明システムを用いて典型的には高角度ビームコーンで動作するが、「Ｆナンバー」とは、レンズの焦点距離とレンズの直径との比をいう。しかしながら、低いＦナンバーの照明システムは、典型的にはＰＢＳ偏光子の法線に対して高い入射角でＰＢＳ偏光子と交差する光線を有する。これは、特にレッド波長スペクトルにおける光の残留線を、ＰＢＳ偏光子を通って漏洩させる。したがって、この光の漏れは、コントラスト比の低減をもたらす。この問題を是正するための１つの共通した技術は、漏れた光を吸収するためにＰＢＳの出口に隣接して吸収型偏光子を設置することを伴う。しかしながら、外部偏光子は整列配向に敏感であり、画像表示システムの製造の複雑さを増大させる。

本発明は、光ビームを放射するように構成された照明光源と、ＰＢＳと、画像形成装置とを含む、画像表示システムに関する。このＰＢＳは、反射型偏光子と、反射型偏光子に隣接して配置され、反射型偏光子を透過した光ビームの第１の部分を受光するように構成された吸収型偏光子とを含む。画像形成装置は、反射型偏光子で反射した光ビームの第２の部分を受光するように配置されている。

本開示の画像表示システムの概略図。 レッド光漏れを示す、比較画像表示システムのディスプレイ瞳孔の顕微鏡写真。 本開示の画像表示システムのディスプレイ瞳孔の顕微鏡写真。 本開示の代表的な画像表示システム及び比較画像表示システムのコントラスト比対光波長スペクトルを表すグラフ。 本開示の代表的な画像表示システム及び比較画像表示システムの、明所視的に加重されているコントラスト比対偏光子入射角を表すグラフ。 本開示の代表的な画像表示システム及び比較画像表示システムのコントラスト比対光波長スペクトルを表すグラフ。

図１は、本開示の画像表示システム１０の概略図であり、これはミニプロジェクションディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、バーチャルビューア、電子ビューファインダー、ヘッドアップディスプレイ、光コンピューティングシステム、光相関システム、及び他の光学表示システム等の様々なディスプレイ装置に用いられ得る。システム１０は、照明光源１２、ＰＢＳ１４、撮像装置１６、投射レンズ１８、及びディスプレイ画面２０を備える。以下に考察されるとおり、ＰＢＳ１４は光漏れの恐れを少なくするように構成され、これによって、得られる画像のコントラスト比を向上させる。

照明光源１２は、ＰＢＳ１４に向かって光ビーム２２を放射するように構成された発光ダイオード（ＬＥＤ）光源である。図１には単一ＬＥＤとして示されているが、照明光源は、別の方法として光ビーム２２を放射する複数のＬＥＤ又は他の光源（例えば、半導体レーザ、白熱電球、及びアークランプ）を含んでよい。一実施形態では、照明光源１２は異なる色（例えば、レッド、グリーン、及びブルー）のＬＥＤとカラーコンバイナ（例えば、ｘキューブ構成カラーコンバイナ）とを含み、カラーコンバイナ（色合成装置）が、受光された有色光ビームを組み合わせ、得られた光ビーム２２をＰＢＳ１４へ導く。照明光源１２はまた、光ビーム２２をさらに捕捉しかつＰＢＳ１４へ向けて導くためにＬＥＤの周囲に配置された、ボールレンズ（図示せず）、グラディアムタイプマイクロレンズ（図示せず）、及び／又はグレーデッドインデックス（ＧＲＩＮ）レンズ（図示せず）をさらに含んでもよい。

考察を容易にするために、光ビーム２２が単一の光線として図１に示される。ただし、当業者は、光ビーム２２が複数光線の光円錐としてＰＢＳ１４へ向けて放射されることを認識するであろう。光ビーム２２は、偏光されていない状態で照明光源１２から放射される。このようなわけで、光ビーム２２は、Ｓ偏光状態（光線２２_Ｓ１）及びＰ偏光状態（光線２２_Ｐ１）の両方における光線を含む。従来の記号にしたがって、ｓ偏光状態にある光線はドット「・」で表示され（図１の表示に直交して、紙面の平面から延びる第１の直交電界セグメントを表す）、ｐ偏光状態にある光ビームは、記号「│」で表示される（紙面の平面において偏光された光の電界ベクトルを有する第２の直交電界セグメントを表す）。

ＰＢＳ１４は、入力プリズム２４と、出力プリズム２６と、反射型偏光子２８と、吸収型偏光子３０とを含む。入力プリズム２４及び出力プリズム２６は、反対側に互いに隣接して配置された、反射性偏光子２８及び吸収型偏光子３０の低複屈折プリズム（すなわち、偏光子カバー）である。入力プリズム２４及び出力プリズム２６は、ＰＢＳ１４の所望の目的を達成するために好適な屈折率を有する任意の光透過性材料から構築され得る。「光透過性」材料は、入射光の少なくとも一部が材料を透過することを可能にする材料である。プリズムとして使用するのに好適な材料としては、セラミックス、ガラス、及びポリマーが挙げられる。

入力プリズム２４は、外側表面３２及び３４、並びに入射面３６を含む。同様に、出力プリズム２６は、外側表面３８及び４０、並びに入射面４２を含む。入力プリズム２４及び出力プリズム２６は、三角形プリズムとして示されているが、別の方法として、入力プリズム２４及び出力プリズム２６の一方又は両方が様々な異なる幾何形状を有する偏光子カバーとして機能してよい。例えば、入力プリズム２４及び出力プリズム２６の一方又は両方が、設計及び光学要件が必要とするのに応じて４つ以上の横方向表面を有してよい。図示されるように、反射型偏光子２８及び吸収型偏光子３０は、反射型偏光子２８が入力プリズム２４の入射面３６に面し、吸収型偏光子３０が出力プリズム２６の入射面４２に面するように、互いに隣接して配置されている。

反射型偏光子２８は、照明光源１２から受光された光ビーム２２の光線を、反射偏光成分（Ｓ偏光光線）と透過偏光成分（Ｐ偏光光線）とに分割する。代替の実施形態では、システム１０はまた、ＰＢＳ１４に入射する前に光ビーム２２を少なくとも部分的に予め偏光するために、１つ以上の反射型又は吸収型の前偏光子（pre-polarizers）を含む。これらの実施形態では、この１つ以上の前偏光子はＳ偏光光線を透過し、またＰ偏光光線を少なくとも部分的に反射又は吸収する。

反射型偏光子２８は、反射型直線偏光子又は反射型円偏光子のような、当業者に既知である任意の反射型偏光子であることができる。本開示の実施形態に用いるのに適した反射型直線偏光子の具体例としては、ワイヤグリッド偏光子（例えば、マガリル（Magarill）ら、米国特許第６，７１９，４２６号に開示されるような、ワイヤグリッドに隣接した、空気のような低屈折率材料）、誘電体薄膜フィルム（dielectric thin film）コーティング（例えば、マックニール（MacNeille）ＰＢＳ）、ポリマーブレンド偏光フィルム、ファイバーガラス複合偏光子、及び複屈折ポリマー多層光学フィルム（ＭＯＦ）が挙げられる。本開示の実施形態に用いるのに適した反射型円偏光フィルムの具体例としては、コレステリック偏光子が挙げられ、これは反射型偏光子２８と吸収型偏光子３０との間に配置される１／４波長板と共に用いることができる。

好適なファイバーガラス複合偏光子の例としては、２００５年２月２８日に出願された、共同所有による米国特許出願整理番号第１１／０６８，１５８号に開示されているものが挙げられる。好適な複屈折ポリマー多層光学フィルムの例としては、ミネソタ州セントポールのスリーエム社（3M Company）によって製造され、ジョンザ（Jonza）らの米国特許第５，８８２，７７４号、ウィーバー（Weber）らの米国特許第６，６０９，７９５号、及びマガリル（Magarill）らの米国特許第６，７１９，４２６号に記載されているものが挙げられる。好適な複屈折ポリマー多層光学フィルムの追加の例としては、スリーエム社（3M Company）から「ヴィキュイティ（VIKUITI）」高度偏光フィルム（ＡＰＦ）の商品名で製造されているものが挙げられる。

幾つかの代表的な実施形態では、反射型偏光子２８は、少なくとも第１の層及び第２の層、並びに、好ましくは、複数の交互配置された第１の層及び第２の層を含むことができ、ここで第１の層及び第２の層のポリマー材料は異なる。本開示の一実施形態では、反射型偏光子２８は、ウィーバー（Weber）らの米国特許第６，６０９，７９５号に開示されているような、異なるポリマー材料の交代層の多層スタックを含むことができる。

好適なポリマー反射型直線偏光フィルムは通常、フィルムの平面内の第１の方向に沿った異なる材料間の大きな屈折率の差（Δｎ_ｘ）及び第１の方向に直交した、フィルムの平面内の第２の方向に沿った異なる材料間の小さな屈折率の差（Δｎ_ｙ）によって特徴づけられる。幾つかの代表的な実施形態では、反射型偏光フィルムは、フィルムの厚さ方向に沿った異なるポリマー材料間の小さな屈折率の差（Δｎ_ｚ）によっても特徴づけられる（例えば、異なるポリマー材料の第１の層と第２の層との間）。一般的には、２種の材料のｙ屈折率間の不整合は、遮断状態で高反射率を維持しつつ、通過状態では高透過率になるように小さくなければならない。ｙ屈折率不整合及びｚ屈折率不整合（すなわち、非延伸方向）の許容される大きさは、それぞれｘ屈折率不整合（すなわち、延伸方向）に関連して記載されることができるが、それは後者の値が、所望の偏光度を達成するために偏光子薄膜フィルムスタックに用いられる層の数を示唆しているからである。

薄膜フィルムスタックの全反射率は、屈折率不整合Δｎ及びスタック中の層の数Ｎと関連付けられる（すなわち、積（Δｎ）^２ｘＮは、スタックの反射率に関連する）。例えば、反射率は同一であるが層の数は半分であるフィルムを提供するには、層間の屈折率差を√２倍にすることなどが必要となる。比Δｎ_ｙ／Δｎ_ｘの絶対値は、望ましく制御される適切なパラメータであり、本明細書に記載されるように光反復ユニット（optical repeat unit）中の第１及び第２の材料に関して、Δｎ_ｙ＝ｎ_ｙ１-ｎ_ｙ２及びΔｎ_ｘ＝ｎ_ｘ１-ｎ_ｘ２である。Δｎ_ｙ／Δｎ_ｘの比の好適な絶対値の例としては、約０．２以下、約０．１以下、より望ましくは約０．０５以下、及びなおより望ましくは約０．０２以下が挙げられる。好ましくは、比Δｎ_ｙ／Δｎ_ｘは、対象となる波長帯全体にわたって（例えば、可視スペクトルにわたって）所望の限度未満に維持される。Δｎ_ｘに対する好適な値は、約０．０６以上、約０．０９以上、より好ましくは約０．１２以上、及びなおより好ましくは約０．１５以上、又は約０．２０以上からの範囲である。

ｚ屈折率不整合の許容される大きさはまた、ｙ屈折率不整合と同様に、ｘ屈折率不整合に関連して記載されることができる。Δｎ_ｚ／Δｎ_ｘの比の絶対値は、望ましく制御される適切なパラメータであり、本明細書に記載されるように光反復ユニット（optical repeat unit）中の第１及び第２の材料に関して、Δｎ_ｚ＝ｎ_ｚ１-ｎ_ｚ２及びΔｎ_ｘ＝ｎ_ｘ１-ｎ_ｘ２である。Δｎ_ｚ／Δｎ_ｘの比の好適な絶対値の例としては、約０．２以下、約０．１以下、より望ましくは約０．０５以下、及びなおより望ましくは約０．０２以下が挙げられる。好ましくは、比Δｎ_ｚ／Δｎ_ｘは、対象となる波長帯全体にわたって（例えば、可視スペクトルにわたって）所望の限度未満に維持される。

吸収型偏光子３０は、反射型偏光子２８を透過する光ビーム２２の光線を受光するように構成され、またＳ偏光状態にある光線を吸収するようにも構成される。このようなわけで、吸収型偏光子３０は、Ｐ偏光光線が透過することを可能にしつつ、反射型偏光子２８を通って漏れるＳ偏光光線を吸収するクリーンアップ偏光子として機能する。吸収型偏光子３０は、カウシュ（Kausch）らの米国特許第６，６１０，３５６号、及びアウダーカーク（Ouderkirk）らの米国特許第６，０９６，３７５号に開示されているものなど、当業者に既知である任意のダイクロイック偏光フィルムであることができる。

図１に示される配置において、反射型偏光子２８のブロック軸は、吸収型偏光子３０のブロック軸と可能な限り正確に整列していることが望ましく、これによって特定の用途（例えば、輝度向上偏光子）に対して許容可能な性能を発揮する。ブロック軸の整列不良の増大は、入力プリズム２４と出力プリズム２６との間に反射型偏光子２８及び吸収型偏光子３０を一緒に固定することによって生成されるゲインを減少させ、これによって幾つかのディスプレイ用途向けのＰＢＳ１４の効率を低減させる。例えば、輝度向上偏光子にあっては、反射型偏光子２８のブロック軸と吸収型偏光子３０のブロック軸との間の角度は、約＋／−３°未満、及びなおより好ましくは約＋／−１°未満であるべきである。

一実施形態では、吸収型偏光子３０は、反射型偏光子２８がブロッキングするには余り適していないスペクトル帯域をブロックするように構成される（及びその逆の場合も同様である）。例えば、吸収型偏光子３０は、吸収偏光子３０のブロック軸に沿ってレッド波長光線（すなわち、約６００ナノメートル〜約７００ナノメートル）を吸収するように構成され得る。以下に考察されるように、幾つかの多層光学フィルムにあっては、反射型偏光子２８の法線に対して高い入射角を有するレッド波長光線は、反射するのではなく、反射型偏光子２８を通って漏れる。これは、レッド波長スペクトルにおいて得られる画像のコントラスト比を低減する。別の実施形態では、吸収型偏光子３０は、吸収偏光子３０のブロック軸に沿ってオレンジ波長及びレッド波長の光線（すなわち、約５８０ナノメートル〜約７００ナノメートル）を吸収するように構成される。これらの実施形態は、画像含有光線の透過レベルをやはり維持しつつ、吸収型偏光子３０が、最高の透過率を有するレッド／オレンジ波長光線をブロックすることを可能にする。

反射型偏光子２８及び吸収型偏光子３０のブロック軸が可能な限り正確に整列しているように、ＰＢＳ１４は、反射型偏光子２８及び吸収型偏光子３０を一緒に固定することによって組み立てられる。反射型偏光子２８及び吸収型偏光子３０を一緒に固定することは、システム１０の組立中に反射型偏光子２８及び吸収型偏光子３０のブロック軸を整列不良にする恐れを低減させる。この組み合わされた反射型偏光子２８／吸収型偏光子３０は、次いで入力プリズム２４と出力プリズム２６のそれぞれの入射面３６と４２との間に設置される。入力プリズム２４及び出力プリズム２６は、次いで一緒に固定され、これはシステム１０の製造及び使用に対して、得られるＰＢＳ１４を光学的に効率よく機械的に頑丈なものする。代替の実施形態では、入力プリズム２４及び出力プリズム２６の片方又は両方が省略される場合がある。これらの実施形態では、反射型偏光子２８及び吸収型偏光子３０のブロック軸の整列は、偏光子２８及び吸収型偏光子３０を一緒に固定することによって維持されたままである。吸収型偏光子３０は、反射型偏光子２８に対して、これら２つの要素のラミネーション、共押出成形によって、吸収型偏光子を反射型偏光子の上にコーティングすることによって、又は当業者に既知の他の好適な任意の手段によって固定されてよい。

撮影装置１６は、入力プリズム２４の外側表面３４に隣接して配置されている、液晶オンシリコン（ＬＣｏＳ）撮像装置（例えば、強誘電体ＬＣｏＳ）のような、偏光−回転構成要素である。撮像装置１６は、撮像装置１６の画素が「オン」であるか又は「オフ」であるかに基づいて、光ビーム２２の光線の偏光を反射及び回転させる。撮像装置１６の「オフ」画素と接触する光ビーム２２の個々の光線は、それらの偏光が不変の（すなわち、Ｓ偏光を保持する）状態で撮像装置１６で反射する。対照的に、撮像装置１６の「オン」画素に接触する光ビーム２２の個々の光線は、それらの偏光が回転した（すなわち、Ｓ偏光からＰ偏光へ回転した）状態で撮像装置１６で反射する。その結果、撮像装置１６は、投射された所望の画像を生成するように制御される画素設定に基づいて、光ビーム２２の個々の光線の偏光を回転させ得る。

投影レンズ１８は、出力プリズム２６の外側表面４０に隣接して配置され、その結果、ディスプレイ画面２０へ伝送するためにＰＢＳ１４から受光された光ビーム２２の光線を集束する。単一の投影レンズのみで例示されているが、システム１０は、必要に応じて、追加の撮像光学系を含んでもよいし、又は投影光学系なしでもよい。ディスプレイ画面２０は、システム１０のユーザが光ビーム２２によって形成される画像を観察するために使用できる表示スクリーンである。

システム１０の使用中、照明光源１２は光ビーム２２をＰＢＳ１４へ向けて放射するが、ここで光ビーム２２は、光線２２_Ｓ１（すなわち、光ビーム２２のＳ偏光光線）及び光線２２_Ｐ１（すなわち、光ビーム２２のＰ偏光光線）を含む。光ビーム２２は、外側表面３２を通過し、反射型偏光子２８へ向けて進行することによって、ＰＢＳ１４へ入射する。反射型偏光子２８に到達する前に、光ビーム２２は入力プリズム２４の入射面３６を通過する。反射型偏光子２８は、次いで光線２２_Ｓ１（Ｓ偏光光線）を入力プリズム２４の外側表面３４へ向けて反射させ、光線２２_Ｐ１（Ｐ偏光光線）を吸収型偏光子３０へ向けて透過させる。光線２２_Ｓ１の残留部分も、反射型偏光子２８における設計制限、ヘイズ値、又は製造ムラに起因して、反射型偏光子２８を通して透過し得る。

上述のように、吸収型偏光子３０は、Ｓ偏光光線をブロックし、Ｐ偏光光線を透過させる。したがって、吸収型偏光子３０は、光線２２_Ｓ１の残留部分を阻止及び吸収し、光線２２_Ｐ１を出力プリズム２６内へ透過させる。光線２２_Ｐ１は、入射面４２を通って出力プリズム２６に入射し、外側表面３８へ向けて進行する。光線２２_Ｐ１は、次いで外側表面３８を通って出力プリズム２６から出射し、廃棄され得る。

光線２２_Ｓ１は、入力プリズム２４の外側表面３４を通過することによってＰＢＳ１４から出射する。入力プリズム２４から出射した後、光線２２_Ｓ１は撮像装置１６で接触及び反射する。「オフ」状態の撮像装置１６の画素に接触する個々の光線２２_Ｓ１は、反射の際にそれらのＳ偏光を保持する。しかしながら、「オン」状態の撮像装置１６の画素に接触する個々の光線２２_Ｓ１は、反射の際にそれらの偏光をＳ偏光からＰ偏光へ回転させる。その結果、反射した光ビーム２２は、新しいシリーズのＳ偏光光線（光線２２_Ｓ２）及びＰ偏光光線（光線２２_Ｐ２）を含むが、ここで光線２２_Ｐ２は画像含有光線であり、光線２２_Ｓ２は非画像含有光線である。

撮像装置１６から反射した光線２２_Ｓ２及び２２_Ｐ２は、入力プリズム２４へ向けて戻るように向けられ、外側表面３４を通って入力プリズム２４に再入射する。光線２２_Ｓ２及び２２_Ｐ２は、次いで入力プリズム２４の入射面３６を通過し、反射型偏光子２８に接触する。反射型偏光子２８は、次いで光線２２_Ｓ２（Ｓ偏光光線）を照明光源１２へ向けて反射させ、光線２２_Ｐ２（Ｐ偏光光線）を吸収型偏光子３０へ向けて透過させる。

吸収型偏光子３０を透過した後、光線２２_Ｐ２（すなわち、画像含有光線）は、入射面４２を通って出力プリズム２６へ入射する。光線２２_Ｐ２は、次いで外側表面４０を通って出力プリズム２６から出射し、投影レンズ１８へ向けて進行する。投影レンズ１８は、次いで光線２２_Ｐ２を集束し、光線２２_Ｐ２を所望の投影画像と共にディスプレイ画面２０へ向ける。

理想的には、この配置で、ＰＢＳ１４の反射型偏光子２８は画像含有光線（すなわち、光線２２_Ｐ２）を非画像含有光線（すなわち、光線２２_Ｓ２）からきれいに分離し、これによって高いコントラスト比を有する画像を提供するであろう。しかしながら、反射型偏光子２８の法線に対して高い入射角で反射型偏光子２８へ向けて透過する個々の光線２２_Ｓ２は、反射するのではなく、反射型偏光子２８を通って漏れる（すなわち、透過する）。これは、例えば、反射型偏光子２８の反射スペクトルの干渉位相差減少に起因し得るが、これは光線２２_Ｓ２の最大反射をブルー波長光に転換し、レッド波長光の反射効率を低減させる。その結果、反射型偏光子２８を通って漏れる個々の光線２２_Ｓ２は、レッド波長光線である場合が多い。低いＦナンバー（例えば、約Ｆ／２．０未満）にあっては、オレンジ波長光線（すなわち、約５８０ナノメートル〜約６００ナノメートル）は、典型的にはやはり反射型偏光子２８を通って漏れる。

しかしながら、吸収型偏光子３０は、光線２２_Ｐ２を出力プリズム２６内へやはり透過させつつ、反射型偏光子２８を通って漏れる光線２２_Ｓ２を吸収する。このようなわけで、吸収型偏光子３０は反射型偏光子２８を通って漏れる非画像含有光線をブロックし、これによって、得られた画像に対して、特にレッド波長光線に関して高いコントラストをもたらす。吸収型偏光子３０は、マ（Ma）らの米国公開特許第２００４／０２２７９９４号に記載されているように、反射型偏光子設計の美的欠陥及び吸光制限（extinction limitations）に起因して、又はヘイズ値に起因して反射型偏光子２８を通って漏れる光をブロックするのにも適している。

さらに、反射型偏光フィルムは、パケット間に小さい厚さ変化を有する場合があり、これも反射型偏光子２８を通る光漏れをもたらし得る。このような光漏れは、上述のレッド波長光漏れと似ているが、フィルムの厚さ変化によって生じるスペクトルスパイクがグリーン波長及びブルー波長光に反射型偏光子２８を通って漏れさせる点を除く。しかしながら、吸収型偏光子３０はグリーン及びブルー波長における光漏れを吸収するのにも適し、これによって反射型偏光子２８における厚さ変化に起因する光漏れを低減する。

反射性偏光子２８と吸収型偏光子３０との併用は、光ビーム２２の光円錐が広範囲の入射角を有することを可能にしつつ、表示された画像のコントラスト比を維持する。したがって、これは、光ビーム２２の光円錐が低いＦナンバーを有することを可能にし、言い換えるとより高い光スループット及び効率ということになる。システム１０に対する好適なＦナンバーの例としては、約Ｆ／２．５以下、とりわけ好適なＦナンバーとしては約Ｆ／２．０以下、なおよりとりわけ好適なＦナンバーとしては約Ｆ／１．５以下が挙げられる。

加えて、広範囲の入射角の使用はまた、反射型偏光子２８及び吸収型偏光子３０が４５°以外の入射角で配向していることを可能にするが、ここで入射角は、光ビーム２２を形成する光円錐の中心光線と反射型偏光子２８及び吸収型偏光子３０に対する法線との間の角度である。反射型偏光子２８及び吸収型偏光子３０の好適な配向の例は、光ビーム２２を形成する光円錐の中心光線に対して約３５°〜約５０°の絶対値を有する入射角を含み、特に好適な配向は約４０°〜約４５°の絶対値を有する入射角を含む。

結果として得られる画像のコントラスト比を維持することに加えて、吸収型偏光子３０の前面に反射型偏光子２８を位置決めすることも、光吸収に起因した吸収型偏光子３０内での熱発生を低減させる。吸収型偏光子３０のような吸収型偏光子が不必要な偏光状態を有する光線を吸収するとき、この吸収された光線が吸収型偏光子内で熱を発生する。これは吸収型偏光子内で二色性染料を劣化させる可能性があり、これは吸収型偏光子の耐用年数を低減させる。しかしながら、反射型偏光子２８は、不必要な偏光状態を有する光線のかなりの部分を吸収型偏光子３０を避けて反射させる。これは吸収型偏光子３０によって吸収される光線の量を低減させ、これによって吸収型偏光子３０の耐用年数を維持する。

本発明について以下の実施例でより具体的に説明するが、本発明の範囲内での多数の修正及び変形が当業者には明らかとなるため、以下の実施例は例示のみを目的としたものである。

実施例１並びに比較例Ａ及びＢ
画像表示システムが、実施例１並びに比較例Ａ及びＢのために調製され、各システムには、照明光源、前偏光子、撮像装置、及びディスプレイ画面の間に配置されているＰＢＳが含まれていた。各システムの構成要素は、図１に示されるものと同じ方法で配置され、前偏光子は照明光源とＰＢＳとの間に位置決めされた。撮像装置は、その速軸又は遅軸がＳ偏光の偏光方向と整列している状態で反射鏡及び１／４波長板を含み、これによって暗状態において強誘導体ＬＣｏＳ撮像装置を模擬した。撮像装置の明状態は、Ｓ偏光の偏光方向に対して４５°の角度になるように１／４波長板を回転させることによって模擬された。

実施例１のＰＢＳは、ＰＢＳ１４（図１に示され、上述）と同じであり、ここで反射型偏光子は、ミネソタ州セントポールのスリーエム社（3M Company）から「ヴィキュイティ（VIKUITI）」Ｔ−３５高度偏光フィルム（ＡＰＦ）の商品名で製造される多層光学フィルムであり、吸収型偏光子は、日本、東京、サンリツ社（Sanritz Corporation）から商品名「ＨＬＣ２−２５１８」で市販されている高コントラスト比の偏光子であった。

比較例ＡのＰＢＳは、実施例１のＰＢＳに使用されたものと同じ反射型偏光子を含んでいたが、吸収型偏光子を含まなかった。比較例ＢのＰＢＳは、実施例１のＰＢＳに使用されたものと同じ反射型偏光子及び吸収型偏光子を含んでいたが、吸収型偏光子が図１の外側表面４０に隣接した、ＰＢＳの外側に設置されたことを除く（すなわち、外部クリーンアップ偏光子）。実施例１並びに比較例Ａ及びＢのＰＢＳの偏光フィルムは、それぞれ入射光ビームを形成する光円錐の中心光線に対して４５°の入射角で位置決めされ、この光円錐はＦ／２．０のＦナンバーを有した。

実験中、光ビームが各システムを通って放射され、ＰＢＳを通って漏れたレッド波長光の量が、ディスプレイ画面上で目視観察され、定量的に測定された。反射鏡及び１／４波長板が、偏光回転撮像装置の代わりに使用されたので、反射光線は反射の際にＳ偏光状態を保持した。その結果、鏡から反射した光線は、反射型偏光子から照明光源へ向けて戻るように反射し、これによって暗状態画像をディスプレイ画面上に提供する。

図２Ａは、比較例Ａ（吸収型偏光子なし）のシステムのディスプレイ瞳孔の顕微鏡写真である。図示されるように、比較例Ａのシステムは暗画像を提供したが、レッド部分（図２Ａ中の明るい色をした部分によって表される）が、ディスプレイ画面の外側縁に隣接したディスプレイ画面の約４０％で目視観察可能であることを除外する。このレッド部分は、反射型偏光子の法線に対する高い入射角で反射型偏光子に交差したレッド波長光線に対応した。このレッド波長光線は、反射型偏光子を通って漏れ、かつディスプレイ画面上に投影された。偏光回転撮像装置と共に使用する際に、漏れた光は投影された画像のコントラスト比を低減させるであろう。

図２Ｂは、実施例１のシステムのディスプレイ瞳孔の顕微鏡写真である。しかしながら、実施例１（内部吸収型偏光子）及び比較例Ｂ（外部吸収型偏光子）のシステムは、実質的に暗かった画像を提供し、目視観察可能ないかなるレッド部分も呈示しなかった。この画像は、図２Ｂにおいて明るい色をした部分によって表される、ディスプレイ画面の縁部で軽度の光漏れのみを呈示した。それでもなお、実施例１及び比較例ＢのＰＢＳに使用された吸収型偏光子は、反射型偏光子を通って漏れたレッド波長光線を効果的に吸収した。

図３は、実施例１並びに比較例Ａ及びＢのシステムに関する測定されたコントラスト比対光波長スペクトルを表すグラフである。どのようにコントラスト比が決定されるかに関する考察が、マ（Ma）らの米国公開特許第２００４／０２２７８９８号に提供されている。所与の表示方向に関して、「コントラスト比」は、画面上に表示されることができる最も明るい状態と最も暗い状態の光の強度の比として定義される。典型的には、コントラスト比は、ディスプレイ装置が別個の機会に最も明るい状態及び最も暗い状態に駆動された状態で、画面上の特定の場所に対して測定される。表１は、実施例１並びに比較例Ａ及びＢのシステムの色波長に基づいて測定され明所視的に加重された（photopically weighted）コントラスト比を示す。

図３及び表１のデータは、実施例１のＰＢＳで得られた高いコントラスト比を示す。比較において、レッド波長光線にあっては、比較例ＡのＰＢＳは、レッド波長光が漏れたために低いコントラスト比を呈示した。実施例１のシステムについて得られたコントラスト比は、比較例Ｂのシステムについて得られたものに類似する。しかしながら、上述のように、反射型偏光子及び吸収型偏光子を、ＰＢＳ内にこの組合わせを設置する前に一緒に固定することは、システムの組立中に反射型偏光子及び吸収型偏光子のブロック軸の整列不良の恐れを低減させ、これによってシステム製造の複雑さを低減させる。比較において、比較例Ｂに用いられた吸収型偏光子は、ＰＢＳの外部の場所において反射型偏光子と整列していた。これは、比較例Ｂのシステムを製造することの複雑さを増大させた。

実施例２〜４及び比較例Ｃ〜Ｅ
実施例２〜４の画像表示システムは、実施例１のシステムについて上述したのと同じように配置されたが、偏光フィルムが、入射光ビームを形成する光円錐の中心光線に対してそれぞれ３５°、４５°及び６０°の入射角で配向していたことを除く（例えば、実施例２では、光ビームを形成する光円錐の中心光線と反射型偏光子及び吸収型偏光子に対する法線との間の入射角は、３５°であった）。同様に、比較例Ｃ〜Ｅの画像表示システムは、比較例Ｂのシステムについて上述したのと同じように配置された（吸収型偏光子なし）が、偏光フィルムが、入射光ビームを形成する光円錐の中心光線に対してそれぞれ３５°、４５°及び６０°の入射角で配向していたことを除く。

図４及び５は、実施例２〜４及び比較例Ｃ〜Ｅのシステムについて、それぞれ測定されたコントラスト比対偏光子入射角及び測定されたコントラスト比対光波長スペクトルを表すグラフである。同様に、表２は、実施例２〜４及び比較例Ａ及びＢのシステムについて、カラー波長に基づいた測定コントラスト比を示している。

図３及び４並びに表２のデータは、実施例２〜４のＰＢＳで、特にレッド波長スペクトルにおいて得られた高いコントラスト比を示す。このデータはまた、偏光フィルムの入射角が波長スペクトル全体にわたってどのようにコントラスト比に影響を及ぼすかを示す。上述のように、反射型偏光子及び吸収型偏光子の特に好適な配向は、約４０°〜約４５°の入射角を含む。図３及び４並びに表２に示されるように、これらの入射角は、可視スペクトル全体にわたって高いコントラスト比を提供する。

好ましい実施形態を参照しながら本発明を説明してきたが、本発明の精神及び範囲から逸脱せずに形態及び詳細における変更を行えることを、当業者は理解するであろう。

特定された図面は本発明の幾つかの実施形態を説明するが、考察において記載したように、他の実施形態も検討される。すべての場合において、本開示は、代表によって本発明を表しており、限定ではない。多数の他の修正及び実施形態が当業者によって考案されることができ、それらが本発明の原理の範囲及び趣旨に含まれると理解すべきである。図面は縮尺通りに描かれていない場合がある。図面全体を通して、類似の部分を表すために類似の参照番号が使用されている。

Claims (23)

1. 光ビームを放射するように構成された照明光源と、
   偏光ビームスプリッタと、
   画像形成装置とを備え、
   前記偏光ビームスプリッタは、反射型偏光子と、
   前記反射性偏光子に隣接して配置され、前記反射型偏光子を透過した前記光ビームの第１の部分を受光するように構成された吸収型偏光子とを備え、
   前記画像形成装置は、前記反射型偏光子で反射した前記光ビームの第２の部分を受光するように配置されている画像表示システム。
2. 前記反射型偏光子は、前記光ビームを形成する光円錐の中心光線に対して約３５°〜約５０°の入射角で配向している請求項１に記載の画像表示システム。
3. 前記画像形成装置は、反射型画像形成装置を備える請求項１に記載の画像表示システム。
4. 前記反射型偏光子は、多層ポリマー光学フィルム、ポリマーブレンド偏光フィルム、ワイヤグリッド偏光子、コレステリック偏光子、ファイバーガラス複合偏光子、及び誘電体薄膜フィルムコーティングから成る群から選択される請求項１に記載の画像表示システム。
5. 前記反射型偏光子及び前記吸収型偏光子は、一緒に固定されている請求項１に記載の画像表示システム。
6. 前記吸収型偏光子は、前記吸収型偏光子のブロック軸に沿って約５８０ナノメートル〜約７００ナノメートルの光波長を吸収するように構成されている請求項１に記載の画像表示システム。
7. 前記偏光ビームスプリッタは、１対のプリズムをさらに備え、前記反射型偏光子及び前記吸収型偏光子は、前記１対のプリズム間に配置されている請求項１に記載の画像表示システム。
8. 前記反射型画像形成装置は、液晶オンシリコンデバイスを備える請求項１に記載の画像表示システム。
9. 前記反射型偏光子は通過軸によって特徴づけられ、前記吸収型偏光子は通過軸によって特徴づけられ、前記反射型偏光子の前記通過軸は前記吸収型偏光子の前記通過軸と整列している請求項１に記載の画像表示システム。
10. 光ビームを放射するように構成された照明光源と、
    偏光ビームスプリッタと、
    画像形成装置とを備え、
    前記偏光ビームスプリッタは、第１の外側表面、第２の外側表面、及び入射面を含む第１のプリズムと、
    前記第１のプリズムの前記入射面に隣接して配置された反射型偏光子と、
    前記第１のプリズムに対向して、前記反射型偏光子に隣接して配置され前記反射型偏光子を透過した前記光ビームの第１の部分を受光するように構成された吸収型偏光子とを備え、
    前記画像形成装置は、前記反射型偏光子から前記光ビームの第２の部分を受光するように配置されている画像表示システム。
11. 前記反射型偏光子は、前記光ビームを形成する光円錐の中心光線に対して約３５°〜約５０°の入射角で配向している請求項１０に記載の画像表示システム。
12. 前記画像形成装置は、反射型画像形成装置を備える請求項１０に記載の画像表示システム。
13. 前記反射型偏光子は、多層ポリマー光学フィルム、ポリマーブレンド偏光フィルム、ワイヤグリッド偏光子、コレステリック偏光子、ファイバーガラス複合偏光子、及び誘電体薄膜フィルムコーティングから成る群から選択される請求項１０に記載の画像表示システム。
14. 前記偏光ビームスプリッタは、前記反射型偏光子に対向して、前記吸収型偏光子に隣接して配置された入射面を有する第２のプリズムをさらに備える請求項１０に記載の画像表示システム。
15. 前記吸収型偏光子は、前記吸収型偏光子のブロック軸に沿って約５８０ナノメートル〜約７００ナノメートルの光波長を吸収するように構成されている請求項１０に記載の画像表示システム。
16. 前記反射型画像形成装置は、液晶オンシリコンデバイスを備える請求項１０に記載の画像表示システム。
17. 前記反射型偏光子は通過軸によって特徴づけられ、前記吸収型偏光子は通過軸によって特徴づけられ、前記反射型偏光子の前記通過軸は前記吸収型偏光子の前記通過軸と整列している請求項１０に記載の画像表示システム。
18. 光ビームを放射するように構成された照明光源と、
    偏光ビームスプリッタと、
    画像形成装置とを備え、
    前記偏光ビームスプリッタは、反射型偏光子と、
    前記反射型偏光子に隣接して配置され、前記吸収型偏光子のブロック軸に沿って約５８０ナノメートル〜約７００ナノメートルの光波長を吸収するように構成された吸収型偏光子とを備え、
    前記画像形成装置は、前記反射型偏光子から前記光ビームの少なくとも一部を受光するように配置されている画像表示システム。
19. 前記反射型偏光子は、前記光ビームを形成する光円錐の中心光線に対して約３５°〜約５０°の入射角で配向している請求項１８に記載の画像表示システム。
20. 前記画像形成装置は、反射型画像形成装置を備える請求項１８に記載の画像表示システム。
21. 前記反射型偏光子は、多層ポリマー光学フィルム、ポリマーブレンド偏光フィルム、ワイヤグリッド偏光子、コレステリック偏光子、ファイバーガラス複合偏光子、及び誘電体薄膜フィルムコーティングから成る群から選択される請求項１８に記載の画像表示システム。
22. 前記反射型画像形成装置は、液晶オンシリコンデバイスを備える請求項１８に記載の画像表示システム。
23. 前記反射型偏光子は通過軸によって特徴づけられ、前記吸収型偏光子は通過軸によって特徴づけられ、前記反射型偏光子の前記通過軸は前記吸収型偏光子の前記通過軸と整列している請求項１８に記載の画像表示システム。

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