JP3729438B2 - 回折空間光変調器およびディスプレイ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折空間光変調器およびそのような変調器を組み込むディスプレイに関する。このようなディスプレイは、投射型であり、大型画面ＴＶによる視聴およびビジネスプレゼンテーションを提供するために使用され得る。
【０００２】
【従来の技術】
公知タイプの投影ディスプレイは、Ｇ．Ｓｅｘｔｒｏ、Ｔ．Ｂａｌｌｅｗ、およびＪ．Ｉｗａｉの論文「Ｈｉｇｈ−Ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ Ｕｓｉｎｇ ＤＭＤ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、ＳＩＤ １９９５年、７０〜７３頁において開示される。このディスプレイは、静電力を使用して光を空間光変調器絵素から投影光学システムへ選択的に偏向させるために平面マイクロミラーを傾斜させるデジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）を使用する。個々のマイクロミラーは、微小加工されたピボット構造によってＣＭＯＳチップに取付けられる。このタイプのディスプレイの欠点は、製造コストが高いことである。別の欠点は、動作中にマイクロミラーが頻繁に急速な動きを行わなければならないことである。このことはピボット構造にストレスを与えるため、信頼性および可動寿命に問題が生じる。
【０００３】
Ｒ．Ｂ．Ａｐｔｅ、Ｆ．Ｓ．Ａ．Ｓａｎｄｅｊａｓ、Ｗ．Ｃ．Ｂａｎｙａｉ、およびＤ．Ｍ．Ｂｌｏｏｍの論文「Ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ Ｖａｌｖｅｓ Ｆｏｒ Ｈｉｇｈ−Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙｓ」、ＳＩＤ １９９３年、８０７〜８０８頁は、別のタイプの投影ディスプレイを開示する。このシステムは、反射位相格子の静電的制御を有する微小機械的光バルブを使用する。その格子は、第２の平面ミラーの半波上にある鏡面とともに配置されるミラーされたエアブリッジビームを有する。空気ギャップは、４分の１波であり、静電場が印加される場合にゼロに低減される。この構造は、静電場の非存在状態でミラーとして機能し、静電場の存在状態で回折格子として機能する。同様のタイプの配置が米国特許第５，３１１，３６０号において開示される。
【０００４】
このタイプのディスプレイは、ＤＭＤ型よりもコストが低いが、ＤＭＤ型と同様に機械的な動きに依存し、信頼性および可動寿命に問題が生じる。さらに、このタイプのディスプレイは、コントラスト性能がより低く、達成され得る開口率が制限されるために、所定の光源に対してより低い輝度しか提供できない。
【０００５】
Ｇ．Ｕｍ、Ｄ．Ｆｏｌｅｙ、Ａ．Ｓｚｉｌａｇｙｉ、Ｊ．Ｂ．Ｊｉ、Ｙ．Ｂ．Ｊｏｅｎ、およびＹ．Ｋ．Ｋｉｍの論文「Ｒｅｃｅｎｔ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ａｃｔｕａｔｅｄ Ｍｉｒｒｏｒ Ａｒｒａｙ（ＡＭＡ）Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ」、Ａｓｉａ Ｄｉｓｐｌａｙ １９９５年、９５〜９８頁は、別のタイプの投影ディスプレイを開示する。このディスプレイは、上記のデジタルミラーデバイスと同様であるが、静電駆動ミラーの代りに圧電駆動ミラーを使用する。この光学システムに光を導入するためにシュリーレンバーが使用される。これらは、絵素がスイッチオフされる場合にそれら自身上に再作像される。このタイプのディスプレイは、圧電ドライバに対して比較的高い電圧を必要とし、したがって不都合である。さらに、製造が困難であるので、商業的な実現可能性は低い。
【０００６】
Ｙ．Ｎａｇａｅ、Ｋ．Ａｎｄｏ、Ａ．Ａｓａｎｏ、Ｉ．Ｔａｋｅｍｏｔｏ、Ｊ．Ｈａｖｅｎｓ、Ｐ．Ｊｏｎｅｓ、Ｄ．Ｒｅｄｄｙ、およびＡ．Ｔｏｍｉｔａの論文「Ｃｏｍｐａｃｔ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｐｒｏｊｅｃｔｏｒｓｗｉｔｈ Ｈｉｇｈ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ」、ＳＩＤ １９９５年、２２３〜２２６頁は、別の投影ディスプレイを開示する。このディスプレイは、シュリーレン光学とともに、光を選択的に散乱させるためのネマチック曲線配向位相技術を使用する。特に、各ピクセルは、光が十分に定義された経路に向けられる反射モードなどの非散乱モードと、光が所定範囲の角度にわたって散乱される散乱モードとの間を切り換える。したがって、このディスプレイは、良好なコントラスト比または高輝度を提供し得るが、その動作モードのために良好なコントラスト比および高輝度の両方を同時に提供することができない。
【０００７】
米国特許第５，４３４，６９０号は、対向ストライプ形態のピクセル電極を有する液晶デバイスを開示する。電場がストライプ状電極のピクセルに印加されると、光がピクセルから散乱される。このタイプのデバイスは、入射光の比較的小さな偏向角を与える格子を形成することにのみ適している。容認可能な効率を提供するために、このデバイスは、より小さくより平行化された光源の使用が必要であり、このことは、容認不可能なコストにつながり、また低い信頼性および比較的短い可動寿命をともなう。
【０００８】
強誘電性液晶技術を使用する空間光変調器が、Ｍ．Ｊ．Ｏ’ＣａｌｌａｇｈａｎおよびＭ．Ａ．Ｈａｎｄｓｃｈｙの論文「Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ Ｆｅｒｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｌｉｑｕｉｄ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｓｈｕｔｔｅｒｓ Ｆｏｒ Ｕｎｐｏｌａｒｉｓｅｄ Ｌｉｇｈｔ」、Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ、第１６巻第１０号、１９９５年５月、７７０〜７７２頁、および米国特許第５，５５２，９１６号に開示される。この論文に開示される空間光変調器は、この変調器が入射光を透過する第１の状態と、この変調器が位相回折格子として機能する第２の状態との間で切り換え可能である。しかし、このタイプの変調器は、光軸のスイッチング角９０°を提供できる強誘電性液晶の使用に依存する。そのような材料は利用可能であるが、性能が非常に低い。例えば、そのスイッチング速度は遅く、通常のビデオリフレッシュ速度での使用には不十分である。また、これらの材料は、光の散乱を回避するのに十分なようには配向され得ない。
【０００９】
Ｍ．Ａ．Ａ．ＮｅａｌおよびＥ．Ｇ．Ｓ．Ｐａｇｅの論文「ＩｍｐｒｏｖｅｄＴｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｉｎ ａ Ｔｗｏ−Ｌｅｖｅｌ，Ｐｈａｓｅ Ｏｎｌｙ，Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｇｈｔ Ｍｏｄｕｌａｔｏｒ」、Ｅｌｅｃｔｒｏｎ．Ｌｅｔｔ．３０（５）、４４５〜４４６頁、１９９４年は、別の空間光変調器を開示する。この論文は、非回折モードと回折モードの間で切り換え可能な空間光変調器を開示する。ここで回折モードにおいては、交互する帯状部の変調器がプラスマイナス４５度で非偏光を回転させ、さらに付随の半波リターダが位相専用変調を与えるために光のすべての偏光成分を回転させる。この論文は、レーザ光源からの偏光され、十分に平行化された光の効率的な回折を提供することのみに関する。この変調器、半波リターダおよびミラーは、物理的に別個の要素またはデバイスとして実施される。したがって、このような構成は、ディスプレイとしての使用には適していない。
【００１０】
欧州特許第０，８１１，８７２号は、同じタイプの回折空間光変調器を開示する。ここで、種々のリターダ（１つ以上の液晶層を含む）、およびミラー（反射型デバイスの場合）が、基板の間に配置される。このようなデバイスは、投影ディスプレイにおいて使用され得る。
【００１１】
米国特許第５，１８２，６６５号は、同様のタイプの空間光変調器を開示する。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記のような従来技術の欠点を克服する空間光変調器を提供することが可能である。このような変調器は、非回折モードと、非偏光を使用する回折モードとの間で切り換え可能な個々の高解像度絵素を有し得る。このような空間光変調器を使用するディスプレイは、高強度および高コントラスト比の両方を提供しつつ、良好な信頼性および長期動作寿命を有する。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の局面によると、第１および第２の基板、上記第１および第２の基板の間に配置された半波リターダ、上記半波リターダと上記第２の基板との間に配置された４分の１波リターダ、および上記４分の１波リターダと上記第２の基板との間に配置された反射板を含む回折空間光変調器が提供される。上記半波リターダは、複数の絵素を含む。各絵素は、複数の第２伸長領域に互いにかみ合う複数の第１伸長領域を含む。上記第１伸長領域は、第１の方向と第３の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記第２伸長領域は、第２の方向と上記第３の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記４分の１波リターダは、固定光軸を含む。上記第１および第２の方向は、任意の基準方向に対してそれぞれ角度α₁およびα₂に向けられる。上記４分の１波リターダの光軸は、（α₁−α₂）＜９０°およびα₂＋１８０°＞β＞α₁となるように上記基準方向に対して角度βに向けられる。
【００１４】
上記（α₁−α₂）は、３５°と５５°との間にあるのが好ましく、４０°と５０°の間にあるのがさらに好ましく、実質的に４５°に等しいのが最も好ましい。
【００１５】
上記４分の１波リターダの光軸は、上記第１および第２の方向の二等分線に実質的に垂直であり得る。
【００１６】
上記半波リターダは、液晶層を含み得る。上記液晶層は、強誘電性液晶層を含み得る。上記液晶層は、第１および第２の配向層の間に配置され得る。上記第１および第２の配向層の各々は、酸化ケイ素の斜めに蒸着した層を含み得る。
【００１７】
第１透明電極層は、上記第１基板と上記半波リターダとの間に配置され得る。第２電極層は、上記第２基板と上記半波リターダとの間に配置され得る。上記第１および第２の電極層の少なくとも一方は、上記半波リターダの絵素に位置合わせされた複数の電極絵素を含み得る。各電極絵素は、上記半波リターダの第１および第２の領域にそれぞれに位置合わせされた第１および第２の電極領域を含む。上記第２電極層は、反射板を構成し得る。
【００１８】
本発明の第２の局面によると、第１および第２の基板、上記第１および第２の基板の間に配置された第１半波リターダ、上記第１半波リターダと上記第２の基板との間に配置された第２半波リターダ、および上記第２半波リターダと上記第２の基板との間に配置された第３半波リターダによって特徴づけられる回折空間光変調器が提供される。上記第１リターダは、複数の絵素を含む。上記第３半波リターダは、上記第１リターダの絵素に位置合わせされた複数の絵素を有する。上記第１および第３のリターダの各々の各絵素は、複数の第２伸長領域に互いにかみ合う複数の第１伸長領域を含む。上記第１伸長領域は、第１の方向と第３の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記第２伸長領域は、第２の方向と上記第３の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記第２半波リターダは、固定光軸を有する。上記第１および第２の方向は、任意の基準方向に対してそれぞれ角度α₁およびα₂に向けられる。上記第２半波リターダの光軸は、（α₁−α₂）＜９０°およびα₂＋１８０°＞β＞α₁となるように上記基準方向に対して角度βに向けられる。
【００１９】
上記（α₁−α₂）は、３５°と５５°との間にあるのが好ましく、４０°と５０°の間にあるのがさらに好ましく、実質的に４５°に等しいのが最も好ましい。
【００２０】
上記第２半波リターダの光軸は、上記第１および第２の方向の二等分線に実質的に垂直であり得る。
【００２１】
上記第１および第３の半波リターダの各々は、液晶層を含み得る。上記液晶層の各々は、強誘電性液晶層を含み得る。上記液晶層の各々は、第１および第２の配向層の間に配置され得る。上記第１および第２の配向層の各々は、酸化ケイ素の斜めに蒸着した層を有し得る。
【００２２】
第１透明電極層は、上記第１基板と上記第１半波リターダとの間に配置され得る。第２透明電極層は、上記第２基板と上記第３半波リターダとの間に配置され得る。上記第１および第２の電極層の少なくとも一方は、上記第１および第３の半波リターダの絵素に位置合わせされた複数の電極絵素を含み得る。各電極絵素は、上記第１および第３の半波リターダの第１および第２の領域にそれぞれに位置合わせされた第１および第２の電極領域を含む。
【００２３】
本発明の第３の局面によると、本発明の第１または第２の局面による空間光変調器によって特徴づけられるディスプレイが提供される。
【００２４】
上記ディスプレイは、上記変調器を照射するための光源、および上記変調器からの所定の回折次数からのみの光を受け取るための光学投射システムを備え得る。上記所定の回折次数は、ゼロ次回折次数であり得る。あるいは、上記所定の回折次数は、１次回折次数であり得る。
【００２５】
このように、上記のような従来技術の欠点を克服する空間光変調器を提供することが可能である。このような変調器は、非回折モードと、非偏光を使用する回折モードとの間で切り換え可能な個々の高解像度絵素を有し得る。このような空間光変調器を使用するディスプレイは、高強度および高コントラスト比の両方を提供しつつ、良好な信頼性および長期動作寿命を有する。
【００２６】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付の図面を参照し、実施例を用いてさらに説明される。
【００２７】
同様の参照符号は、図面全体を通して同様の部分を参照する。
【００２８】
図１および図２は、反射モード回折空間光変調器（ＳＬＭ）を示す。このＳＬＭは、長方形の、または実質的に長方形の絵素（ピクセル）の長方形配列を有する。図１および図２は、そのうちの１つを示す。ＳＬＭは、上部および下部ガラス基板１および２を有する。上部基板１は、伸長インターディジティド電極３を形成するためにエッチングされるインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）からなる透明導電層を用いてコーティングされる。電極３は、強誘電性液晶材料のための配向層４を用いて被覆される。特に、配向層４は、強誘電性液晶材料（例えばＭｅｒｃｋから入手可能なＳＣＥ８として知られるタイプのもの）にＣ１状態を誘導するために基板１の法線に対して８４度で斜めに酸化ケイ素を蒸着することによって形成される。例えば、配向層４は、約１０ナノメートルの厚さを有し得る。
【００２９】
ミラー電極複合体５が、約１００ナノメートルの厚さに銀を堆積することによってガラス基板２上に形成される。静的４分の１波プレート６が、銀ミラー電極５上に形成される。これは、光開始剤と、クロロベンゼンなどの適切な溶媒中でのＲＭ２５８として知られる反応性メソゲンジアクリラートとの混合物上でスピンすることによって提供され得る。これを窒素の雰囲気中において紫外線光下で約１０分間硬化させる。プレート６の厚さは、例えば材料の混合比およびスピン速度を変化させることによって制御されるので、例えば約６３３ナノメートルを中心とした可視スペクトルにおける所定の帯域幅に対する４分の１波プレートとして機能する。この厚さｄは、以下の式によって与えられる。
【００３０】
【数１】

【００３１】
ここで、λは上記帯域の中心波長であり、Δｎは４分の１波プレート６の材料の正常屈折率と異常屈折率との差である。したがって、４分の１波プレート６は通常、８００ナノメートルのオーダーの厚さを有する。
【００３２】
さらに、配向層７が、例えば配向層４について上記に説明されたように、４分の１波プレート６上に形成される。このとき、基板１および２は、例えば直径２マイクロメートルのスペーサボールによって間隔をあけられ、セルを形成するように接合される。セルは、層８を形成するために強誘電性液晶材料を充填される。このように間隔をあけることによって、半波のリタデーションをあたえる強誘電性液晶材料からなる層を提供し、この液晶層は、以下に説明されるように切り換え可能である光軸を有する半波リターダとして機能する。特に、この強誘電性液晶層は、次式で与えられる厚さｄを有する。
【００３３】
【数２】

【００３４】
ここで、Δｎ_FLCは強誘電性液晶材料の正常屈折率と異常屈折率との間の差である。
【００３５】
ディスプレイの輝度を最適化するために、各境界面の反射率は、例えば反射防止コーティングを基板１に施し、電極３を光学的に埋め込むことによって低減されるのが好ましい。
【００３６】
電極３および５は、ＳＬＭのピクセルを適切にアドレッシングできるように配置され得る。例えば、パッシブマトリクスアドレッシング構成において、電極３は、ＳＬＭの長さにわたって伸長し得、１行のピクセルデータを一度にその１行のピクセルに供給するためのデータ信号生成器の出力に接続され得る。電極５は、行電極を形成するように横方向に伸長され得る。この行電極は、繰り返しシーケンスにおいて一度に１行の割合でＳＬＭにデータをストローブするためのストローブ信号生成器の出力に結合される。
【００３７】
各ピクセルに対して、電極５は、ピクセルで表示されるべきデータをストローブするための、基準電圧ライン（例えばゼロボルトを供給する）に接続可能な共通電極として機能する。伸長電極３は、ひとつおきに一緒に接続されて、適切なデータ信号を受信するように接続される２セットのインターディジティド電極を形成する。各ピクセルは、以下に説明されるように反射状態と回折状態との間で切り換え可能である。
【００３８】
図３は、図１および２に示される隣り合う帯状部のピクセルの回折モードにおける動作を図式的に示す。各ピクセルを通る光学経路は、ミラー５での反射によって折り畳まれるが、明確さのために図３においては経路は折り畳まれずに示される。ＳＬＭは、偏光されていない光に作用し、ＳＬＭの動作を説明するために直交偏光の成分に分割され得る。成分偏光の１つは、図３における１０で示され、所定の方向１１に対して角度−φである。
【００３９】
電極５上の基準電圧に対して対称である電圧が、交互にかみ合った２セットの電極３ａおよび３ｂに印加される。このように、電極３ａおよび３ｂと電極５との間に配置された強誘電性液晶材料からなる帯状部８ａおよび８ｂは、方向１１に対して−θおよび＋θの角度でそれぞれ配向した光軸９ａおよび９ｂを有する。ここで、θは、約２２．５度に等しいのが好ましい。
【００４０】
強誘電性液晶材料からなる各帯状部８ａは、半波リターダとして機能するので、帯状部８ａを出射する光成分の偏光は、方向１１に対してφ−２θの角度である。次に、この光成分は、静的４分の１波プレート６を通過し、ミラー５によって反射され、再度静的４分の１波プレート６を通過するので、４分の１波プレート６およびミラー５の組合せは、半波リターダとして機能し、その光軸９ｃは、方向１１に垂直である。４分の１波プレート６を出射し、強誘電性液晶材料に向かって進行する光の偏光方向は、実効２分の１波プレート１３の光軸のまわりで「反射」され、方向１１に対して角度２θ−φを形成する。次に、この光成分は、強誘電性液晶材料からなる帯状部８ａを再度通過するので、１４に示されるような出力偏光が方向１１に対してφ−４θの角度となる。このように、任意の偏光方向−φの各入力成分に対して、強誘電性液晶材料の帯状部８ａの各々を介してＳＬＭを通過する光学経路は、その偏光方向が−４θだけ回転されるものである。したがって、この光学経路は、偏光されていない光の偏光を−４θだけ回転する。−４θは、−９０度に実質的に等しい。
【００４１】
強誘電性液晶材料の各帯状部８ｂは、半波リターダとして機能し、偏光方向をφ＋２θまで回転する。４分の１波プレート６およびミラー５の組合せによって形成される固定半波リターダは、光成分の偏光方向を方向１１に対して−２θ−φの角度となるように回転させる。帯状部８ｂを最後に通過する際に、偏光方向は、１５で示されるようなφ＋４θまで回転される。このように、偏光されていない光は、帯状部８ｂを通過することによってその偏光を＋４θだけ回転させる。＋４θは、実質的に＋９０度に等しい。
【００４２】
電極３ｂおよび３ａが反対の極性を有するデータ信号を受信するように接続される場合、帯状部８ｂの各々を通って反射された光は、帯状部８ａの各々を通過する光に対して１８０度だけ位相がずれる。この状態において、ピクセルは、位相専用回折格子として機能し、回折モードで動作する。強誘電性液晶の双安定特性のために、帯状部８ａおよび８ｂを図３に示される異なるモードに切り換えるために必要なのは、データ信号を供給することだけである。
【００４３】
ピクセルが反射モードで動作するためには、その光軸が互いに（および方向１１と）平行となるように帯状部８ａおよび８ｂの一方または両方のセットを切り換えることが必要である。次に、ピクセルに入射する偏光されていない光は、強誘電性液晶材料および４分の１波プレート６によって実質的に影響されず、ミラー電極５によって鏡面反射される。したがって、各ピクセルは、光が鏡面反射されるか、または「偏向」されてゼロ次回折モードになる透過モードと、ピクセルに入射した光が偏向されて非ゼロ次回折次数になる回折モードとの間で切り換え可能である。
【００４４】
このように、偏光された光を必要とするＳＬＭと比較して光学変調効率を増加させるために、偏光されていない光を使用する回折ＳＬＭを提供することが可能である。基板１および２の間に４分の１波プレート６およびミラー５を設けることによってより高い解像度を達成することが可能になる。特に、デバイスが回折モードで正しく動作するために、各帯状部８ａまたは８ｂを通過する光線は、ミラー５によって反射されて同じ帯状部を逆に通過するべきである。帯状部８ａおよび８ｂの厚さは、通常２マイクロメートルのオーダーであり、他方基板２は、ミリメートルのオーダーの厚さを有する。このように、ミラー５は、基板１および２の外部に配置される場合、視差誤差が入射光の角度範囲および／またはピクセルの最小サイズをひどく制限し得る。通常の２マイクロメートル厚の強誘電性液晶材料に対して、５マイクロメートルのオーダーの帯状電極ピッチが使用され得るので、奇数の回折次数において高い光学変調効率および高いコントラスト比を提供することのできるより高解像度のデバイスを提供することが可能である。さらに、回折ＳＬＭは、可動部品を全く有さない本質的に従来の液晶技術に依存するので、信頼性、製造歩留まり、および動作寿命は、従来の強誘電性液晶ディスプレイと同様である。
【００４５】
色収差補正性能を改善するために、光軸９ｃは、層８の液晶材料の光軸の切り換え方向９ａおよび９ｂの間にこないように方向付けられる。これについて、図４は任意の方向および角度に対する一般的な場合を示す。光軸９ａは、（任意の）基準方向１１に対してα₁の角度に向けられ、光軸９ｂは、方向１１に対して角度α₂（この場合、負となる）に向けられる。固定光軸９ｃが軸９ａおよび９ｂによって定義される（より小さい）角度の外側にあるように方向１１に対して角度βの方向に光軸９ｃを向けることによって、色収差補正性能が改善される。この条件は、式α₂＋１８０°＞β＞α₁によって簡潔に定義され得る。
【００４６】
差が９０°より小さいような角度α₁およびα₂に対して、色収差補正性能が改善される。これらの角度の符号の慣例は、図４の弧の上の矢印によって示され、方向１１から反時計回りの回転が正の値によって表され、時計回りの回転が負の値によって表されるようになっている。このように、図３を参照して説明される具体的な実施態様においては、角度α₁およびα₂は、それぞれ＋および−２２．５°に等しく、角度βは、２２．５°と１５７．５°の間の任意の値をとり得る。ただし、方向が１８０°または１８０°の整数倍だけ異なる光軸は、互いに完全に等価である。
【００４７】
この構成を用いることによって、色収差補正性能は、固定光軸９ｃが光軸９ａおよび９ｂの間に位置する構成に比べて改善される。しかし、最適な色収差補正性能は、固定光軸９ｃが光軸９ａおよび９ｂの二等分線に実質的に垂直である場合に達成される。これは、図３に示される。ここで、二等分線は基準方向１１に平行であり、光軸９ｃは基準方向１１に垂直である。
【００４８】
色収差補正を改善することにより、空間光変調器は、可視スペクトルのより大きな帯域部分で効率を向上させて動作することができる。これにより、例えば、投影光学システムにおいて赤、緑、および青成分を独立して変調するために３つの同じ空間光変調器を使用し、どの色についても効率を実質的に低下させないことができる。同様に、より広い帯域動作のための単一変調器システムが提供され得る。
【００４９】
図５および６は、別の反射モード回折ＳＬＭを示す。このＳＬＭは、ＩＴＯ電極３が連続電極３ｃに置き換えられ、ミラー電極５がインターディジティド帯状ミラー電極５ａに置き換えられている点で図１および２に示したものと異なる。さらに、基板２のガラスは、表示すべきデータを操作するためのＶＬＳＩ回路を搭載するシリコン基板によって置き換えられ得る。例えば、そのような回路は、ピクセルのためのアドッレッシング回路、および必要に応じて他のデータ処理回路を含み得る。
【００５０】
図７および８は、図１および２に示されるようなガラス基板１、ＩＴＯ電極３、およびガラス基板２を含む透過モード回折ＳＬＭを示す。このＳＬＭはさらに、図１および２の層４および７と同様の配向層を設けられた２つの強誘電性液晶層２０および２１を含む。これらの配向層は、明確さのために図示しない。２つの液晶セルは、静的半波プレート２２によって分離される。帯状電極３の構成は、２つの層２０および２１において光学的に配向した強誘電性液晶帯状部の形成を可能にするので、層２０および２１の各々における各帯状部は、半波リターダとして動作し、その光軸は、プラスマイナス約２２．５度の間で切り換え可能である。また、２つの層２０および２１における配向した帯状部の光軸は、互いに平行である。したがって、このデバイスは、透過型ＳＬＭとして機能し、ここで各ピクセルは、光が偏向なし（ゼロ次回折に等価）にピクセルを透過する透過モードと、光が非ゼロ回折次数に偏向される回折モードとの間で切り換え可能となる。これらの光学的にアクティブな層のすべてを基板１および２の間に配置することによって、視差誤差が大きく低減され、入力光に対して有用な受け取り角度、高い光学的変調効率および高いコントラスト比性能を有する高解像度ＳＬＭを提供することが可能になる。
【００５１】
上記実施態様において、強誘電性液晶材料の２つの光学状態の間の切り換え角度は、４５度であると仮定された。これは、光学的変調器の効率の点から、すくなくとも理論的に、最適性能に必要とされる切り換え角度である。さらに、このような切り換え角度は、光軸間のより高い切り換え角度を与える材料および構成にともなう性能損失を全く起こさずに、公知の強誘電性液晶材料において容易に得られ得る。しかし、４５度からわずかに異なる切り換え角度もまた使用され得、容認可能な性能を提供し得る。例えば、最適な４５度から約５度まで、および約１０度までも異なる切り換え角度が多くの用途に対して容認可能な性能を提供し得ると考えられる。
【００５２】
図９は、図１および２、または図５および６において示されるタイプのＳＬＭ３０を使用する投影ディスプレイを示す。ＳＬＭ３０は、ミラー３２を介して光源３１によって照射される。投影レンズ３３は、ＳＬＭ３０によって表示される画像を画面３４に投影する。
【００５３】
光源３１からの光は、ミラー３２で反射されて、ＳＬＭ３０上に垂直に入射される。反射モードである各ピクセルは、入射光を反射してミラー３２に垂直に戻すので、反射光はレンズ３３によって投影されない。このように、「暗」ピクセルは、レンズ３３によって画面３４に作像される。回折モードの各ピクセルは、入射光を非ゼロ回折次数に偏向して、主に光線３５および３６で示されるような正および負の１次、ならびに正および負の２次に偏向する。例えば、ネマチック液晶を用いて形成される格子が本質的により正弦的である場合、１次およびより高次の集光によって効率が上昇する。このように、各そのようなピクセルからの光は、画面３４上に「明」ピクセルとなるように作像される。
【００５４】
ＳＬＭ３０は、偏光されていない光を用いて動作するので、その画像強度または輝度は、偏光された光を必要とする公知の投影ディスプレイよりも実質的に大きい。各ピクセルは、反射モードの場合、ほとんどまたは全く光を１次回折ローブ（ｌｏｂｅ）に偏向しないので、コントラスト比、すなわち反射および回折モードにおけるピクセルについての画面での光強度間の比は、非常に高い。このように、高い輝度および良好なコントラストを有する投影画像を提供することが可能である。
【００５５】
図１０に示される投影ディスプレイは、図９において示されるものと、光源３１が光を直接ＳＬＭ３０に供給し、この光がＳＬＭに垂直に入射する点で異なる。さらに、レンズ３３は、レンズ３７および３８ならびにミラー３９および４０によって置き換えられる。図９のレンズ３３は、比較的大きく、したがってコストが高い。図１０のディスプレイにおいて、正および負の１次ローブに回折された光は、レンズ３７および３８によってそれぞれ集光され、ミラー３９および４０によってそれぞれ反射され、そしてレンズ３７および３８によってそれぞれ画面３４上に作像される。このように、等価な光学的性能を有するもっとより小さなレンズを用い得るので、図１０に示されるディスプレイの投影光学システムは、図９のレンズ３３よりも実質的にコストがより低い。
【００５６】
図１１に示される投影ディスプレイは、レンズ３７および３８ならびにミラー３９および４０がミラー４１によって置き換えられている点で、図１０に示されるものと異なる。ミラー４１は、光源３１からの光の通過を可能にする分割ミラーとして示される。
【００５７】
図１２は、画面３４上のレンズ３３によって作像される前に正および負の１次ローブからの光を組合わせるためのミラー構成が設定される点で、図９に示されるものと異なる投影ディスプレイを示す。特に、正の１次ローブにおける光３５は、ミラー４２および４３によって偏向され、他方負の１次ローブにおける光３６は、ミラー４４および４５によって偏向される。これは、より小さくかつよりコストの低いレンズ３３の使用を可能にし、またよりコストの低いズーム投影光学システムの使用を可能にする。
【００５８】
図１３に示される投影ディスプレイは、ゼロ次回折からの光がレンズ３３によって画面３４上に作像される点で、図９に示されるものと異なる。このように、反射モードにおいて各ピクセルによって反射される光は、画像３４上で明るい画像ピクセルを形成するために使用される。回折モードのピクセルは、３５および３６で示されるような非ゼロ次ローブに光を偏向し、そのような光は、画面３４上でレンズ３３によって作像されないので、暗いピクセル画像は、回折モードにおけるピクセルに対応する画面上に形成される。このタイプのディスプレイのコントラスト比は、回折モードにおけるＳＬＭ３０内の種々の境界面から反射される光に大きく依存するので、そのような反射を低減するための特別な注意を払わなければ、コントラスト比は、非ゼロ次回折ローブからの光が画像を形成するために使用されるディスプレイについてのコントラスト比ほど高くないことがあり得る。
【００５９】
カラー画像を形成するために、３つのＳＬＭが赤、緑、および青の光源とともに使用され得、回折モードにおいて各ピクセルによって形成される回折格子のピッチおよび層厚は、関連する波長に対して性能を最適にするように調節される。適切なビーム組合せ技術を使用して、赤、緑、および青の画像を画面３４でフルカラー画像に組合わせ得る。回折格子の回折角度は、入射光の波長とともに変化するが、画像を形成するためにゼロ次回折光を使用する図１３に示されたタイプのディスプレイにおいては重要でない。なぜならば、単に、回折モードにおいて可視スペクトルのすべてがレンズ３３からずれて偏向される必要があるからである。このように、図１３で示されるタイプのディスプレイは、ピクセルでのカラーフィルタリングまたはカラー順次多重化によってカラー画像を提供し得る。
【００６０】
図１４は、公知のタイプのシュリーレン光学システムを使用する図９に示されるタイプの投影ディスプレイを示す。図１４のディスプレイは、レンズ５０が光源３１をミラー３２に作像し、視野レンズ５１がＳＬＭ３０に隣接して設けられる点で、図９のものと異なる。この構成により、比較的小さなミラー３２を用いることが可能となり、投影システムの光学的性能を改善することが可能である。
【００６１】
上記の分割光学システム、例えば図１０に示される「２つミラー」タイプは、図１４に示される構成とともに使用され得、コストおよびシステムサイズを低減する可能性を与える。
【００６２】
本発明の範囲内において、種々の変更がなされ得る。例えば、層８中の強誘電性液晶は、反強誘電性または他のスメクチック液晶、もしくは面内スイッチングネマチック液晶によって置き換えられ得る。配向層４および７は、必要または所望される場合に変更され得る。
【００６３】
そのような面内スイッチングネマチック液晶（ＮＬＣ）を使用する本発明の実施態様の一例は、ＦＬＣの実施態様について上記と同じセル構造を使用する。しかし、分子が基板に平行に配向する均一配向ＮＬＣが、ＦＬＣの代りに使用される。例えばポリイミド配向層のブラッシング方向によって決定される、液晶の配向方向は、電極の縦軸に対して４５°に設定される。この結果、ＮＬＣの４５°面内スイッチングが生じ、したがって、上記のＦＬＣ実施態様と同様に効率的な偏光に依存しない光学回折を生成する。
【００６４】
ＮＬＣは、電極に対する９０°方向に接近して配向され、内部波プレートを必要としない実質的に９０°のスイッチングを生成し得るが、その材料のスイッチオン時間は、現在入手可能な材料を用いたビデオディスプレイパネルにとって不十分であり得る。さらに、回折効率を損ない得る面外スイッチングおよびその後の偏光混合を限定するためには、負の誘電材料がより一般的なＮＬＣ材料にとって好ましい。材料は、格子電極間の領域においてスイッチングするがその電極すぐ上ではスイッチングしないことが想定されるので、電極幅が実質的に電極ギャップに等しい、マーク対スペース比が１であるインターディジティド電極が好ましい。
【００６５】
回折空間光変調器は、第１および第２基板（１、２）を有し、この間に光学的経路が定義され、順に、第１（８ａ、８ｂ）、第２（５、６）、および第３（８ａ、８ｂ）半波リターダを有する。第２リターダ（６、５）は、固定光軸（９ｃ）を有し、上記第１および第３リターダは、切り換え可能な光軸（９ａ、９ｂ）を有する。固定光軸（９ｃ）は、切り換え可能な光軸（９ａ、９ｂ）のスイッチング範囲の外側に向けられる。この変調器は、ピクセル化され、各ピクセルは、切り換え可能な位相専用回折格子を有する。各ピクセルは、入射光がゼロ次回折ローブにおいて出力される第１モードと、入射光がより高い次数の回折ローブに偏向される第２モードとの間で切り換え可能である。この空間光変調器は、高輝度投影ディスプレイにおいて使用され得る。
【００６６】
【発明の効果】
本発明の回折空間光変調器を用いることにより、ディスプレイは、高強度および高コントラスト比の両方を提供しつつ、良好な信頼性および長期動作寿命を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施態様を構成する空間光変調器の分解図である。
【図２】図１の変調器の断面図である。
【図３】図１および２の変調器の動作を示す図である。
【図４】光軸の向きを示す図である。
【図５】本発明の別の実施態様を構成する空間変調器の、図１と同様の図である。
【図６】本発明の別の実施態様を構成する空間変調器の、図２と同様の図である。
【図７】本発明のさらなる実施態様を構成する空間変調器の、図１に対応する図である。
【図８】本発明のさらなる実施態様を構成する空間変調器の、図２に対応する図である。
【図９】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図１０】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図１１】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図１２】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図１３】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図１４】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【符号の説明】
１、２ 基板
３、３ａ、３ｂ、３ｃ、５ 電極
４、７ 配向層
６ ４分の１波プレート
８、８ａ、８ｂ 層
９ａ、９ｂ、９ｃ 光軸
１０ 入力偏光
１１ 方向
１４、１５ 出力偏光
２０、２１ 層
２２ 半波プレート
３０ ＳＬＭ
３１ 光源
３２、３９、４０、４１、４２、４３、４４、４５ ミラー
３３、３８、５０ レンズ
３４ 画面
３５、３６ 光線
５１ 視野レンズ

Claims (33)

1. 第１および第２の基板と、
   該第１および第２の基板の間に配置された半波リターダと、
   該半波リターダと該第２の基板との間に配置された４分の１波リターダと、および
   該４分の１波リターダと該第２の基板との間に配置された反射板と、を含む回折空間光変調器であって、
   該半波リターダは、複数の絵素を有し、各絵素は、複数の第２伸長領域に互いにかみ合う複数の第１伸長領域を含み、該第１伸長領域は、第１の方向と第３の方向との間で切り換え可能な光軸を含み、該第２伸長領域は、第２の方向と該第３の方向との間で切り換え可能な光軸を含み、および該４分の１波リターダは、固定光軸を含み、該第１および第２の方向は、任意の基準方向に対してそれぞれ角度α₁およびα₂に向けられ、該４分の１波リターダの光軸は、（α₁−α₂）＜９０°およびα₂＋１８０°＞β＞α₁となるように該基準方向に対して角度βに向けられる、回折空間光変調器。
2. 前記（α₁−α₂）が３５度と５５度との間にある、請求項１に記載の変調器。
3. 前記（α₁−α₂）が４０度と５０度との間にある、請求項２に記載の変調器。
4. 前記（α₁−α₂）が実質的に４５°に等しい、請求項３に記載の変調器。
5. 前記４分の１波リターダの光軸が前記第１および第２の方向の二等分線に実質的に垂直である、請求項１に記載の変調器。
6. 前記半波リターダは、液晶層を含む、請求項１に記載の変調器。
7. 前記液晶層は、強誘電性液晶層を含む、請求項６に記載の変調器。
8. 前記液晶層が第１および第２の配向層の間に配置される、請求項６に記載の変調器。
9. 前記第１および第２の配向層の各々が酸化ケイ素の斜めに蒸着した層を含む、請求項８に記載の変調器。
10. 第１透明電極層が前記第１基板と前記半波リターダとの間に配置される、請求項１に記載の変調器。
11. 第２電極層が前記第２基板と前記半波リターダとの間に配置される、請求項１０に記載の変調器。
12. 前記第１および第２の電極層の少なくとも一方が前記半波リターダの絵素に位置合わせされた複数の電極絵素を含み、各電極絵素が該半波リターダの第１および第２の領域にそれぞれに位置合わせされた第１および第２の電極領域を含む、請求項１１に記載の変調器。
13. 前記第２電極層が反射板を構成する、請求項１１に記載の変調器。
14. 第１および第２の基板と、
    該第１および第２の基板の間に配置された第１半波リターダと、
    該第１半波リターダと該第２の基板との間に配置された第２半波リターダと、および
    該第２半波リターダと該第２の基板との間に配置された第３半波リターダと、を含む回折空間光変調器であって、
    該第１半波リターダは、複数の絵素を含み、該第３半波リターダは、該第１リターダの絵素に位置合わせされた複数の絵素を含み、該第１および第３のリターダの各々の各絵素は、複数の第２伸長領域に互いにかみ合う複数の第１伸長領域を含み、該第１伸長領域は、第１の方向と第３の方向との間で切り換え可能な光軸を含み、該第２伸長領域は、第２の方向と該第３の方向との間で切り換え可能な光軸を含み、該第２半波リターダは、固定光軸を含み、該第１および第２の方向は、任意の基準方向に対してそれぞれ角度α₁およびα₂に向けられ、該第２半波リターダの光軸は、（α₁−α₂）＜９０°およびα₂＋１８０°＞β＞α₁となるように該基準方向に対して角度βに向けられる、回折空間光変調器。
15. 前記（α₁−α₂）が３５°と５５°との間にある、請求項１４に記載の変調器。
16. 前記（α₁−α₂）が４０°と５０°との間にある、請求項１５に記載の変調器。
17. 前記（α₁−α₂）が実質的に４５°に等しい、請求項１６に記載の変調器。
18. 前記第２半波リターダの光軸が前記第１および第２の方向の二等分線に実質的に垂直である、請求項１４に記載の変調器。
19. 前記第１および第３の半波リターダの各々が液晶層を含む、請求項１４に記載の変調器。
20. 前記液晶層の各々は、強誘電性液晶層を含む、請求項１９に記載の変調器。
21. 前記液晶層の各々は、第１および第２の配向層の間に配置される、請求項１９に記載の変調器。
22. 前記第１および第２の配向層の各々が酸化ケイ素の斜めに蒸着した層を含む、請求項２１に記載の変調器。
23. 第１透明電極層が前記第１基板と前記第１半波リターダとの間に配置される、請求項１４に記載の変調器。
24. 第２透明電極層が前記第２基板と前記第３半波リターダとの間に配置される、請求項２３に記載の変調器。
25. 前記第１および第２の電極層の少なくとも一方が前記第１および第３の半波リターダの絵素に位置合わせされた複数の電極絵素を含み、各電極絵素が該第１および第３の半波リターダの第１および第２の領域にそれぞれに位置合わせされた第１および第２の電極領域を含む、請求項２４に記載の変調器。
26. 請求項１に記載の空間光変調器を備えたディスプレイ。
27. 請求項１４に記載の空間光変調器を備えたディスプレイ。
28. 前記変調器を照射するための光源、および該変調器からの所定の回折次数からのみの光を受け取るための光学投射システムを備える請求項２６に記載のディスプレイ。
29. 前記変調器を照射するための光源、および該変調器からの所定の回折次数からのみの光を受け取るための光学投射システムを備える請求項２７に記載のディスプレイ。
30. 前記所定の回折次数がゼロ次回折次数である、請求項２８に記載のディスプレイ。
31. 前記所定の回折次数がゼロ次回折次数である、請求項２９に記載のディスプレイ。
32. 前記所定の回折次数が１次およびより高次の回折次数を含む、請求項２８に記載のディスプレイ。
33. 前記所定の回折次数が１次およびより高次の回折次数を含む、請求項２９に記載のディスプレイ。

Images