JP4315272B2 - 補償器を備えたワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを使用する表示装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、一般的に、画像形成のための液晶デバイスを用いるディジタル投影装置に、より詳しくは、ピクセルの黒（オフ）状態における漏出光を最小にするための補償器を備えたワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを使用することによって、高いレベルのコントラストを達成するための装置及び方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のフィルム投影機に対する適切な置換として考慮されるために、ディジタル投影系は、画像品質に対する要求の厳しい要件を満たさなければならない。これは、映画の投影系に関して特に真実である。従来の映画の質の投影機に対する競合的な代替品を提供するために、ディジタル投影装置は、高い解像度、広い色域、高い明るさ（＞１０，０００スクリーンルーメン）、及び１，０００：１を超えるフレーム連続系コントラスト比を提供する。
【０００３】
ディジタル映画投影のための最も有望な解決策は、画像形成デバイスとして二つのタイプの空間光変調器の一つを用いる。第一のタイプの空間光変調器は、Ｔｅｘａｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ，Ｉｎｃ．，Ｄａｌｌａｓ，ＴＸによって開発された、ディジタルマイクロミラーデバイス（ＤＭＤ）である。ＤＭＤデバイスは、多くの特許に記載されている（例えば、特許文献１、２、３、及び４参照）。ＤＭＤを用いる投影装置に関する光学設計は、米国特許に開示されている（例えば、特許文献５、６、７、及び８参照）。ＤＭＤに基づいた投影機が、必要な光の処理量、コントラスト比、及び色域を提供するいくらかの能力を証明するが、現行の解像度の限界（１０２４ｘ７６８ピクセル）並びに高い構成部品及び系の費用は、高品質のディジタル映画投影に関するＤＭＤの許容可能性を制限してきた。
【０００４】
ディジタル投影に使用される第二のタイプの空間光変調器は、液晶デバイス（ＬＣＤ）である。ＬＣＤは、各々の対応するピクセルに対する入射光の偏光状態を選択的に変調することによって、ピクセルのアレイとして画像を形成する。高い解像度で、大きなエリアのＬＣＤを、ＤＭＤよりも容易に作製することができる。ＬＣＤは、ディジタル映画投影系において使用される実現性のある代替の変調器技術である。ＬＣＤ空間光変調器を利用する電子投影装置の例の間で、それらは、米国特許に開示されている（例えば、特許文献９、１０、１１、１２、及び１３参照）。最近、ＪＶＣは、２，０００のｘ１２８０ピクセルを提供する）高解像度、（１０００：１を超過する）高いフレーム連続コントラスト、及び（公称で、１２，０００のルーメンまでの）高い光処理量の可能なＬＣＤに基づく投影機を証明した。この系は、陰極線管（ＣＲＴ）によって駆動されるか又は扱われる三つの垂直に整列した（ＶＡ）（ホメオトロピックとも呼ばれる）ＬＣＤ（色毎に一つ）を利用した。この系が、ＬＣＤに基づくディジタル映画投影機に対する可能性を証明したと同時に、系の複雑さ及び全体的な信頼度は、関心のあるままである。加えて、費用の考慮は、そのような系を、ディジタル映画投影市場における広い商業化に関してまだ準備ができていなくする。
【０００５】
またＪＶＣは、ＣＲＴによって間接的にというよりもむしろ、シリコンバックプレーン（ＬＣＯＳ）を介して直接扱われる垂直に整列したＬＣＤの新しい系統を開発してきた。これらの新しいデバイスが有望であると同時に、それらは、ディジタル映画の上演に対する期待を十分に満たすために、まだ実証されてない。ＴＶＣのＬＣＤデバイスは、米国特許に部分的に記載されている（例えば、特許文献１４、１５、及び１６参照）。初期のツイストネマチック又はコレステリックＬＣＤとは対照的に、垂直に整列したＬＣＤＳは、（２，０００：１を超過する）はるかにより高い変調コントラスト比を提供することを約束する。ＬＣディスプレイにおける垂直整列を導入するための方法論を、またＴＶＣに譲渡された米国特許に、具体的に記載してある（特許文献１７参照）。スクリーンで１，０００：１又はそれより良好なフレーム連続コントラストを得るために、ことに注意することは有益である。全系は、＞１０００：１のコントラストを生成しなければならず、ＬＣＤもどんな必要な偏光光学部品も両方とも、各々個別に〜２，０００：１のコントラストを提供しなければならない。著しく、コリメートされたレーザービームを変調するとき、偏光を補償する垂直に整列したＬＣＤが、＞２０，０００：１のコントラストを提供することができると同時に、これらの同じ変調器は、適切な偏光の補償無しで、コリメートされたレーザービームを変調するとき、５００：１又はそれ以下のコントラストを示してもよい。また、変調のコントラストは、入射光のスペクトルの帯域幅及び角度幅（Ｆ＃）にも依存し、帯域幅を増加させるか又はＦ＃を減少させると、コントラストは一般的に落ちる。熱的に導入する応力複屈折のような、残余の脱偏光又は誤った方向に向く偏光の効果によって、ＬＣＤ内の変調コントラストもまた減少させることができる。このような効果を、典型的に観察される“鉄十字”の偏光コントラストパターンが縮退パターンを帯びる、デバイスの遠視野で観察することができる。
【０００６】
ディジタル投影技術における当業者に明白であるように、ＬＣＤ基づく電子投影系によって提供される光学性能は、大部分が、ＬＣＤ自体の特性によって、及びＬＣＤ投影を支持する偏光光学部品によって定義される。偏光ビームスプリッター、前偏光子、及び偏光子／検光子構成部品のような、偏光分離光学部品の性能は、高いコントラスト比を得るために特別に重要である。また、これらの偏光光学構成部品を投影ディスプレイの変調光学系内で組み合わせる正確な様式は、最終的な結果として生じるコントラストに顕著な影響力を有し得る。
【０００７】
多くの投影系で使用される、最も一般的な従来の偏光ビームスプリッターの解決策は、米国特許に開示されている伝統的なＭａｃＮｅｉｌｌｅプリズムである（特許文献１８参照）。このデバイスを、（３００：１程度の）良好な消光率を提供するために示してきた。しかしながら、この標準的なプリズムは、ある限定された範囲の角度（数度）にわたる入射光のみで良好に動作する。ＭａｃＮｅｉｌｌｅプリズムの設計が、一つの偏光状態のみに対して良好な消光率を提供するので、この光が、キセノン又はハロゲン化金属アークランプのような、偏光してない白色光源からであるとき、このデバイスを使用する設計は、入射する光の半分を有効に放棄しなければならない。
【０００８】
ＭａｃＮｅｉｌｌｅの設計に基づく、従来のガラスの偏光ビームスプリッターの設計は、ディジタル映画投影用のその使用を妨げ得るかもしれない限定された方向特性を超える他の限定を有する。特に、製造又は動作中の熱応力で使用されるボンディングの技術は、応力複屈折を引き起こすことができ、次には、ビームスプリッターの偏光コントラストの性能を低下させる。しばしば中間レンジの電子投影用途に許容可能でない、これらの効果は、映画投影の用途に対して許容できない。熱応力の問題は、米国特許に開示されている、偏光構成部品における使用のために特別に設計された、より適切な低い光弾性光学ガラスの使用で最近改善されてきた（特許文献１９参照）。残念ながら、高い製造費用及び不確実な利用可能性は、この解決策の有用性を限定する。さらに、それが、応力複屈折を最小にするために各々の波長帯域に適合した注文の溶融した低応力ガラスプリズムに対して実現可能であるかもしれないと同時に、角度製造を幾分拡張すると同時に、このような解決策は、高価で誤りがちである。これらの問題の結果として、およそ８００：１のコントラストで５００−５，０００ルーメンで動作する、低乃至中間レンジの電子投影系に関して必要な性能が可能である、従来のＭａｃＮｅｉｌｌｅに基づくガラスのビームスプリッターの設計は、おそらく、原寸の商業上のディジタル映画投影のより要求の厳しい要求が足りなくなる。
【０００９】
ＬＣＤに基づくディジタル映画投影系の要求を満たすために、他の偏光ビームスプリッター技術を提案してきた。例えば、二つのＤｏｖｅプリズムの間に挟まれた複数の薄膜層を含む、米国特許に開示されたビームスプリッターは、（特許文献２０参照）は、両方の偏光状態に対する高い消光率を達成することを試みる。理論的に、このビームスプリッターデバイスは、２，０００：１を超過する消光率が可能である。さらに、六個のＬＣＤ（色毎に二つ）を備えた投影系に設計されるとき、このプリズムは、両方の偏光の使用を許容することによって系の光の効率を押し上げることができるかもしれない。しかしながら、大きさの制約及び極端に厳しいコーティングの公差は、このビームスプリッターの設計を使用する投影装置の商業化に著しい障害を与える。
【００１０】
別の従来の解決策として、いくつかの投影機の設計は、液浸偏光ビームスプリッターを用いてきた。液体が充填されたビームスプリッターが、高コントラストの用途に必要とされる高い消光率を提供するために示されてきたと共に高強度の光の条件下でいくつかの利点を有する（例えば、特許文献２１参照）。しかしながら、これらのデバイスは、製造することが高価であり、埃又は含有される泡無しで作製されなければならず、安定した使用の条件下で、多くの固有の欠点を示してきた。液浸偏光ビームスプリッターの欠点の間には、対流による一様でない屈折率分布を含む、温度による液体の屈折率における変動がある。漏出の危険性は、これらのデバイスに別の潜在的な欠点を与える。
【００１１】
ワイヤーグリッド偏光子は、長年存在していたと共に、主として、無線周波数及び遠赤外の光学的用途で使用された。可視スペクトル光によるワイヤーグリッド偏光子の使用は、大部分は、デバイスの性能又は製造の制約により、限定されてきた。例えば、虚像表示装置におけるワイヤーグリッドビームスプリッターの使用が開示されている（特許文献２２参照）。このＨｅｇｇ等の開示において、安価なワイヤーグリッドビームスプリッターは、従来のプリズムビームスプリッターに対して比較されたとき、高い光処理量の効率を提供する。Ｈｅｇｇ等のワイヤーグリッド偏光子によって提供される偏光コントラストは、非常に低く（６．３：１）、ディジタル投影には不適切である。可視スペクトル用の第二のワイヤーグリッド偏光子は、米国特許に開示されている（特許文献２３）。この特許で議論されたデバイスが、偏光の分離を提供すると同時に、コントラスト比は、映画の投影に不適切であり、設計は、本質的に、むしろ狭い波長帯域に限定される。
【００１２】
最近、米国特許に開示されているように、（特許文献２４、２５、及び２６参照）。高品質ワイヤーグリッド偏光子及びビームスプリッターが、可視スペクトルにおける広帯域の使用のために開発されてきた。これらの新しいデバイスは、Ｏｒｅｍ，ＵＴ．のＭｏｘｔｅｋ Ｉｎｃ．から商業的に入手可能である。米国特許に記載されているデバイスを含む、既存のワイヤーグリッド偏光子が、ディジタル映画投影に要求される高いコントラストを得るために必要とされる必要な性能特性の全てを示さなくてもよいと同時に、これらのデバイスは、多くの利点を有する（特許文献２４及び２５参照）。標準的な偏光子に対して比較したとき、ワイヤーグリッド偏光デバイスは、相対的に高い消光率及び高い効率を示す。加えて、これらのワイヤーグリッドデバイスのコントラストの性能は、また、より広い角度の許容性（ＮＡ又は開口数）及び標準的な偏光デバイスよりも熱的に導入された応力複屈折に関して少ない機会でより確固とした熱性能を有する。さらに、ワイヤーグリッド偏光子は、光の強度、温度、及び振動のような苛酷な環境の条件に対して丈夫である。これらのデバイスは、青色光チャンネル内の応答が追加の補償を要求する場合もあることを除いては、異なる色のチャンネルの条件下でよく実行する。
【００１３】
ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）デバイスは、いくつかのディジタル投影装置内で用いられてきた。例えば、投影ディスプレイの用途に対する広帯域のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターの使用が米国特許に開示されている（特許文献２５参照）。ディジタル画像投影系において偏光子及び検光子の両方として機能するワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターが米国特許に開示されている（特許文献２７参照）。しかしながら、この米国特許は、非常に低い実効Ｆ＃のものを、コントラストのいくらかの損失と共に、ワイヤーグリッドＰＢＳを使用して達成することができることを述べている（特許文献２７参照）。特に、この米国特許は、光の漏出を減少させると共に低いＦ＃で動作する明るい光学系に対するコントラストを押し上げるために、偏光の補償を、ワイヤーグリッドデバイスと組み合わせてどのように使用してもよいかを議論しない。
【００１４】
一般的に、ワイヤーグリッド偏光子は、進歩しているが、ディジタル映画投影装置によって課された厳しく要求する要件の全てを満たすことは満足に証明されてこなかった。室内環境及び高い負荷の条件の両方における基板の平面度、全体的な偏光性能、及び丈夫さにおける欠陥は、映画の投影用のワイヤーグリッド偏光デバイスの商業化を限定してきた。
【００１５】
本発明の装置及び方法に対して特に関心及び関連のあるのは、ワイヤーグリッド偏光子もワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターもどちらも、個々に、１，０００：１又はそれより良好な所望の投影系のフレーム連続コントラストを達成するために、特に小さいＦ＃（＜Ｆ／３．５）で目標となる偏光の消光率の性能（公称で＞２，０００：１）を提供しないことを強調しなければならない。むしろ、これらの構成部品の両方は、最良の条件下で〜１，２００：１より低いコントラストを提供する。性能は、著しく、青色スペクトルでさらに落ちる。従って、系の光学的な部分（ＬＣＤを除外する）に対する所望の２，０００：１のコントラストの目標を達成するために、投影ディスプレイの変調光学系内の組み合わせで、おそらくワイヤーグリッド偏光デバイスを含む、様々な偏光デバイスを利用することが必要である。しかしながら、ＬＣＤ、色光学部品、及び投影レンズと組み合わせて、ワイヤーグリッド偏光子を含む偏光光学部品の最適化された構成を設計する問題点は、一般に電子投影用か特にディジタル映画投影用かいずれかで、完全に扱われてこなかった。さらに、先行技術は、コントラストを押し上げるための偏光補償器さらに有する、ＬＣＤ及びワイヤーグリッドデバイスの両方を使用する投影ディスプレイ用の変調光学系を設計する方法を記載してない。
【００１６】
一般的にＬＣＤ及び特に垂直に整列したＬＣＤの偏光性能を増強するために開発された偏光補償器の多数の例がある。最適化された系において、補償器は、組み合わせでＬＣＤ及び偏光光学部品の性能を増強するために同時に設計される。これらの補償器は、典型的には、光ビームの他の部分で偏光状態に影響を及ぼすことなく、通過する光ビームの（ある一定の空間及び角度エリア内の）部分で偏光状態に影響を及ぼすために、空間的に異なる様式で構築される、角度を変動させる複屈折を提供する。偏光補償器は、一般的にＬＣＤ、しかし特にまた垂直に整列したＬＣＤと共に作動するように設計されてきた。制限された厚さをもつ垂直に整列したＬＣＤに対して設計された複屈折の補償が、米国特許に開示されている（特許文献２８参照）。シートの偏光子／検光子の組みの間に提供される少なくとも二つの一軸性又は二つの二軸性の遅延器を含む補償器を備えた垂直に整列したＬＣＤが、米国特許に開示されている（特許文献２９参照）。ＬＣＤのダーク状態がゼロでない電圧（バイアス電圧）を有する、交差したシートの偏光子を備えたパッケージで使用される、ＬＣＤにおける光学的な複屈折の誤差を補正する二軸性フィルム補償器の使用が、米国特許に開示されている（特許文献３０参照）。ＶＡ ＬＣＤの電圧オン状態に対するコントラストを最適化するように設計される、円盤状のフィルム補償器が、米国特許に開示されている（特許文献３１参照）。比較すると、二つの遅延フィルム、正の複屈折をもつ一方及び負の複屈折をもつ他方によって補償されたＶＡ ＬＣＤが、米国特許に開示されている（特許文献３２参照）。
【００１７】
従来のＭａｃＮｅｉｌｌｅプリズムタイプの偏光ビームスプリッターを備えたＬＣＤを使用する投影機装置における使用のために構築された補償器が、米国特許に開示されている（特許文献３３参照）。この補償器は、プリズムを補償するための１／４波長板及び固有のＬＣＤの残余の複屈折効果に対する追加の０．０２λの補償を含む。必要に応じて、Ａ−プレート、Ｃ−プレート、及びＯ−プレートの組み合わせを使用する、補償器が多層構造を有する、ツイストネマチックＬＣＤと共に使用可能な補償デバイスが、米国特許に開示されている（特許文献３４参照）。
【００１８】
一般的に、これらの先行技術の補償器の特許の大部分は、ＬＣＤが、シートの偏光子との組み合わせで使用されると共にＬＣＤの偏光の誤差を補正することを仮定する。しかしながら、また偏光補償器は、明らかに、従来のＰｏｌａｒｏｉｄタイプの色素シートの偏光子からの非均一な偏光効果を補正するために開発されてきた。１９２９年にＥ．Ｈ．Ｌａｎｄによって開発された色素シート偏光子は、二色性又は光の偏光の選択的な異方性吸収によって機能する。色素シート偏光子用の補償器は、Ｃｈｅｎ等の文献に記載されており、Ａ−プレート及びＣ−プレートの構造の組み合わせを使用する（非特許文献１参照）。米国特許におけるように先行技術の特許に目標を向けたＬＣＤ系の最大のコントラストは、多くの用途には十分であるが、ディジタル映画投影の用件を満たさない、たった５００：１までである（特許文献３２参照）。
【００１９】
この先行技術の資料が、様々な条件下で使用される偏光補償器の設計を広く詳述すると同時に、ワイヤーグリッド偏光子との使用のために明らかに開発されて最適化された補償器は、開示されてない。さらに、多数のワイヤーグリッド偏光子デバイスを使用する、又は垂直に整列したＬＣＤと組み合わせて多数のワイヤーグリッドデバイスを使用する、変調光学系の性能を増強するための偏光補償器の設計は、以前に開示されてこなかった。補償無しで、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターは、入射光が、低い開口数内にあるとき、許容可能なコントラストを提供する。しかしながら、高い明るさレベルを達成するために、光学系が、それがより大きな斜角で入射光を集めることができるように、高い開口数（＞〜０．１３）を有することは、最も有利である。高い明るさ及び高いコントラスト比を維持する矛盾する目標は、偏光構成部品に対して重大な設計の問題を与える。オフ状態における光の漏出は、高いコントラストレベルを達成するために、最小でなければならない。しかし、光漏出は、高い明るさを達成するために要求される斜角における入射光に対して最も表明される。
【００２０】
米国特許を参照して注意したように、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターデバイス用の補償器の要件は、ＭａｃＮｅｉｌｌｅプリズムの設計に基づく偏光ビームスプリッターデバイスを備えた補償器のより多くの従来の使用と著しく異なる（特許文献３３参照）。性能の結果は、１／４波長板の補償器の従来の使用が、解決策ではなく、コントラスト比をさらに劣化させ得ることを示す。加えて、以前に補償器が、投影ディスプレイ系においてＶＡ ＬＣＤＳを備えたタンデムで作動するように特に開発されてきたと同時に、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを利用する変調光学系の情況でＶＡ ＬＣＤＳとの使用のために最適化された補償器は、開発され開示されてこなかった。
【００２１】
【特許文献１】
米国特許第４，４４１，７９１号明細書
【特許文献２】
米国特許第５，５３５，０４７号明細書
【特許文献３】
米国特許第５，６００，３８３号明細書
【特許文献４】
米国特許第５，７１９，６９５号明細書
【特許文献５】
米国特許第５，９１４，８１８号明細書
【特許文献６】
米国特許第５，９３０，０５０号明細書
【特許文献７】
米国特許第６，００８，９５１号明細書
【特許文献８】
米国特許第６，０８９，７１７号明細書
【特許文献９】
米国特許第５，８０８，７９５号明細書
【特許文献１０】
米国特許第５，７９８，８１９号明細書
【特許文献１１】
米国特許第５，９１８，９６１号明細書
【特許文献１２】
米国特許第６，０１０，１２１号明細書
【特許文献１３】
米国特許第６，０６２，６９４号明細書
【特許文献１４】
米国特許第５，６５２，６６７号明細書
【特許文献１５】
米国特許第５，７６７，８２７号明細書
【特許文献１６】
米国特許第５，９７８，０５６号明細書
【特許文献１７】
米国特許第５，６２０，７５５号明細書
【特許文献１８】
米国特許第２，４０３，７３１号明細書
【特許文献１９】
米国特許第５，９６９，８６１号明細書
【特許文献２０】
米国特許第５，９１２，７６２号明細書
【特許文献２１】
米国特許第５，８４４，７２２号明細書
【特許文献２２】
米国特許第５，３８３，０５３号明細書
【特許文献２３】
米国特許第５，７４８，３６８号明細書
【特許文献２４】
米国特許第６，１２２，１０３号明細書
【特許文献２５】
米国特許第６，２４３，１９９号明細書
【特許文献２６】
米国特許第６，２８８，８４０号明細書
【特許文献２７】
米国特許第６，２３４，６３４号明細書
【特許文献２８】
米国特許第４，７０１，０２８号明細書
【特許文献２９】
米国特許第５，０３９，１８５号明細書
【特許文献３０】
米国特許第５，２９８，１９９号明細書
【特許文献３１】
米国特許第６，０８１，３１２号明細書
【特許文献３２】
米国特許第６，１４１，０７５号明細書
【特許文献３３】
米国特許第５，５７６，８５４号明細書
【特許文献３４】
米国特許第５，６１９，３５２号明細書
【非特許文献１】
J. Chen, K. H. Kim, J. J. Jyu, J. H. Souk, J. R. Kelly, P.J. Bos, "Optimum Film Compensation Modes for TN and VA LCDs", SID 98 Digest, pages 315-318
【発明が解決しようとする課題】
このように、高コントラスト出力を提供するために、組み合わせでワイヤーグリッド偏光デバイス、垂直に整列したＬＣＤ、及び偏光補償器を使用する、改善された投影装置に対する要求があることを理解することができる。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
簡潔に、本発明の一つの態様に従って、表示装置は、光のビームを形成するための光源を含む。前偏光子は、光の偏光したビームを提供するために光のビームを偏光させる。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターは、光の偏光したビームを受ける。光の偏光したビームは、第二の偏光を有する光の偏光したビームを反射させるために、第一の偏光を透過させる。反射性液晶デバイスは、変調されたビームを形成するために、画像データをコード化するために第一の偏光を有する光の偏光したビームを選択的に変調すると共に、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターへ変調されたビームを反射し返す。補償器は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター及び反射性液晶デバイスの間に位置する。液晶デバイスは、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターから反射される変調されたビームの傾斜したスキュー光線を状態調節する。偏光ビームスプリッターにおけるワイヤーは、補償された変調されたビームを反射する。画像形成光学部品は、変調されたビームから画像を形成する。
【００２３】
【発明の実施の形態】
明細書が、本発明の主題を特に指摘すると共に明確に請求する請求項と共に結論すると同時に、本発明が、添付する図面と一緒に理解するとき、以下の説明からより良好に理解されると思われることを信じる。
【００２４】
本説明は、特に、本発明に従う装置の一部を形成する、又はその装置とより直接的に協働する素子に向けられる。具体的に示してない又は記載してない素子が、等業者に周知の様々な形態をとってもよいことを理解することができる。
【００２５】
図１を参照して、その開示がここに組み込まれる“ＤＩＧＩＴＡＬ ＣＩＮＥＭＡ ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ”と題された発明者Ｋｕｒｔｚ等による２００１年３月２０日に出願された本件出願人に譲渡された同時継続の米国特許出願第０９／８１３，２０７号に記載するように、ディジタル投影装置１０における光学構成部品の配置を概略の形態で示す。照明光学部品２０及び前偏光子４５は、本質的に均一化され偏光させられる照明を提供するために、光源１５からの光を予め状態調節する。照明光学部品２０は、積分棒又はフライアイ積分器組み立て品のような均一化する光学部品、及び集光するリレー光学部品の組み立て品を含む。除去された代替の偏光状態の光が、名目上、光源へ反射し返ると同時に、この光は、引き続き、偏光ビームスプリッターへ向けられる所望の偏光状態の光と共に、前偏光子４５によって偏光させられる。前偏光子４５は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター５０、偏光を回転させる空間光変調器５５、及び偏光検光子６０も含む、変調光学系４０の一部である。名目上、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター５０は、好適な偏光状態を有する入射光を透過させる。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター５０は、系からの代替の偏光状態を有する残余の入射光を反射すると同時に、好適な偏光状態を有する入射光を透過させる。光に二次元画像をコード化するために、入射光は、名目上は液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）である空間光変調器５５によって変調され、次に変調された光ビームとして反射される。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター５０は、一つの偏光状態を有する変調された光ビームからの光を反射し、代替の偏光状態を有する光を透過させる。次に、投影光学部品７０は、名目上投影スクリーンである、ディスプレイの表面７５へ反射された変調された光ビームを向ける。
【００２６】
ディジタル投影装置１０及び変調光学系４０の設計は、両方とも、これらの系内で使用されるワイヤーグリッド偏光子の特性のより深い議論からより良好に理解することができる。図２は、基本的な先行技術ワイヤーグリッド偏光子を説明し、先行技術及び本発明の一連の説明用の例で使用することになる用語を定義する。ワイヤーグリッド偏光子１００は、誘電体基板１２０によって支持された非常に多数の並列の導電性電極（ワイヤー）１１０で構成される。このデバイスは、（ｐ）で表示される格子の間隔又は導体のピッチ若しくは周期、（Ｗ）で表示される個々の導体の幅、及び、（ｔ）で表示される導体の厚さによって特徴付けられる。名目上、ワイヤーグリッド偏光子は、ピッチ（ｐ）、導体又はワイヤーの幅（ｗ）、及び導体又はワイヤーの厚さ（ｔ）が、全て入射光の波長（λ）より小さいように、サブ波長の構造を使用する。光源１３２によって生成された光のビーム１３０は、導電性素子に直交する入射の平面で法線から角度θで偏光子に入射する。ワイヤーグリッド偏光子１００は、このビームを、正反射の回折されない出て行く光ビーム、即ち反射された光ビーム１４０及び透過された光ビーム１５０に分割する。使用されるＳ及びＰ偏光に対する定義は、Ｐ偏光した光が、導電性素子に直交するその偏光ベクトルを有すると同時に、Ｓ偏光した光が、導電性素子と平行なその偏光ベクトルを備えた光であるというものである。一般的に、ワイヤーグリッド偏光子は、グリッドに対して平行な（“Ｓ”偏光）その電場ベクトルをもつ光を反射すると共にグリッドに垂直な（“Ｐ”偏光）その電場ベクトルをもつ光を透過させることになる。ワイヤーグリッド偏光子１００は、それが透過におけるＥ−タイプの偏光子（異常光線を透過させる）及び反射におけるＯ−タイプの偏光子（常光線を反射させる）であるという点で、幾分普通でない偏光デバイスである。
【００２７】
このようなデバイスを垂直入射（θ＝０度）で使用するとき、反射された光ビーム１４０は、一般的に、光源１３２へ再び向けられ、デバイスは、偏光子と呼ばれる。しかしながら、このようなデバイスを、非垂直入射（典型的には、３０°＜θ＜６０°）で使用するとき、照明する光のビーム１３０、反射された光ビーム１４０、及び透過した光ビーム１５０は、別個の分離可能な経路に続き、デバイスは、偏光ビームスプリッターと呼ばれる。ワイヤのピッチ（ｐ）、ワイヤの幅（ｗ）、ワイヤのデューティサイクル（ｗ／ｐ）、及びワイヤの厚さ（ｔ）に対するワイヤーグリッドデバイスの詳細な設計を、偏光子又は偏光ビームスプリッターとしての使用のために、異なって最適化してもよい。偏光を変更する空間光変調器と共に設計するとき、ディジタル投影装置１０及び変調光学系４０の両方は、ワイヤーグリッドタイプのデバイス以外に偏光検光子及び偏光ビームスプリッターを使用してもよいことが、理解されるはずである。例えば、偏光ビームスプリッターは、ＭａｃＮｅｉｌｌｅタイプのガラスプリズムであってもよいか、又は偏光子は、色素／ポリマーを主材料としたシートの偏光子のいずれかであったもよい。この議論の中で、そのことは、投影機用の全ての構成には要求されないが、前偏光子４５及び検光子６０の両方もまた、一般的にワイヤーグリッドデバイスであると考えられると同時に、偏光ビームスプリッターは、ワイヤーグリッドタイプのデバイスであると仮定される。
【００２８】
変調光学系２００で使用されるような、これらの偏光子の好適な空間的な関係を、図３で説明する。変調光学系２００の基本的な構造及び動作は、その開示がここに組み込まれる、発明者Ｋｕｒｔｚ等による“ＤＩＧＩＴＡＬ ＣＩＮＥＭＡ ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ”と題された、２００１年３月２０日に出願された、本出願人に譲渡された同時継続の米国特許出願第０９／８１３，２０７号に記載されている。電子投影系の一部分である、変調光学系２００は、前偏光子２３０、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０、補償器２６０を通じて、コンデンサー２２５によって空間光変調器２１０（ＬＣＤ）に集束される、入射する照明光ビーム２２０を含む。変調された画像を生ずる光ビーム２９０は、空間光変調器２１０の表面から反射され、補償器２６０を透過し、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０の近い表面から反射され、引き続き偏光検光子２７０を透過する。変調光学系２００を離れた後、変調画像を生ずる光ビーム２９０は、光軸２７５に沿って進み、スクリーンへのその進路で再結合プリズム２８０及び投影レンズ２８５を通じて透過する。前偏光子２３０及び偏光検光子を、両方ともワイヤーグリッド偏光デバイスであると仮定する。フルカラー投影系は、再結合プリズム２８０を通じて再度組み立てられた色ビームと共に、色（赤色、緑色、及び青色）毎に一つの変調光学系２００を用いるかもしれない。おそらくいくつかのレンズ素子を含むことになる、コンデンサー２２５は、空間光変調器２１０の活動エリアを名目上満たす、源の光を名目上均一な光の長方形状の領域に変換する、より広範囲な照明系の一部である。
【００２９】
先行技術のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを利用する変調光学系２００において、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０は、一つの表面に位置するサブ波長ワイヤー２５０を備えた誘電体基板２４５からなる（ワイヤーの目盛りは、非常に誇張されている）。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０は、投影レンズ系２８５への反射のために配置され、それによって、傾斜したプレートを通じた透過によって誘導される非点収差及びコマ収差を回避する。補償器２６０は、名目上、空間光変調器２１０の表面に起因する幾何学的欠陥及び複屈折効果を補償するために必要とされる少量の遅延を提供する波長板である。例えば、米国特許第５，５７６，８５４号（Ｓｍｉｔｈ等）に議論されるように、補償器２６０は、ＬＣＤ偏光層の残余の幾何学的欠陥、及びＬＣＤパッケージ内の反対の電極基板内における残余の熱的に誘導された複屈折によって引き起こされる偏光の誤差を補正するために０．０２λの遅延（Ａ−プレート）を提供してもよい。ディジタル映画よりも少ない要求の厳しい用途において、補償器２６０は、自由選択であると判明する場合もある。
【００３０】
ディジタル映画の用途で使用されるような変調光学系２００の構造は、系の仕様及び利用可能なワイヤーグリッド偏光デバイスの限定の両方によって定義される。特に、ディジタル映画は、高いフレーム連続系のコントラスト（１，０００：１又はそれより良好）を提供するために電子投影機を要求する。これを達成するために、変調光学系２００の空間光変調器２１０（ＬＣＤ）を除いて、偏光光学構成部品は、〜２，０００：１の合計の光学系のコントラスト（Ｃ_Ｓ）を提供しなければならない。偏光光学部品に対する実際の目標のコントラストは、ＬＣＤの性能に依存する。このように、例えば、ＬＣＤが、たった〜１５００：１のコントラストを提供するとすれば、偏光光学部品は、〜３，０００：１のコントラストを提供しなければならない。例えば、垂直に整列した分子を備えたＬＣＤは、その高い固有のコントラストによりディジタル映画の用途に好適である。特に、ＬＣＤＳ及び偏光光学部品の両方のコントラスト性能は、典型的には、入射ビームの開口数を増加させるとともに減少する。残念ながら、今日の技術で、それだけで偏光光学部品用の２，０００：１の目標のコントラストを満たすために、ちょうど単一のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０を使用することは、十分ではない。この理由のために、変調光学系２００は、目標の偏光性能を提供するために、ワイヤーグリッド前偏光子２３０及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０もまた使用する。
【００３１】
変調光学系２００の構成及び動作を、その偏光性能に対して、さらに非常に詳しく理解することができる。好ましくは、変調光学系に“Ｐ”偏光した光を透過させるために、前偏光子２３を配向させる。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０を、偏光子２３０のサブ波長ワイヤーに名目上平行に配向させたそのサブ波長ワイヤーパターンと共に配向させる（即ち、二つのデバイスは、交差しない）。このように、透過した“Ｐ”光は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを通じた透過によって、さらに変更される（コントラストが増強される）。次に、透過した光ビームは、補償器２６０を通過し、名目上は、ピクセルのベースに対する印加された制御電圧に従ってピクセルにおける入射光の偏光状態を変更する、反射性ＬＣＤである空間光変調器２１０に遭遇する。白色及び黒色の間における中間のコード値は、“オン”状態の量を減少させ、“オフ”状態の光の量を増加させる。偏光を回転させてきた“オン”状態の光は、ワイヤーグリッドビームスプリッター２４０に対する“Ｓ”偏光状態にある。このように、“Ｓ”状態の光は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０から反射し、引き続き自由選択の補償器２６５（図５ａ及び１０参照）及び偏光検光子２７０を透過し、投影レンズ２８５によってスクリーンへ向けられる。（ＬＣＤ及び補償器の寄与を無視する）変調光学系２００に対する全体的なコントラスト（Ｃ_Ｓ）を、
１／Ｃ_Ｓ＝１／（Ｃ_Ｔ１＊Ｃ_Ｔ２）＋１／（Ｃ_Ｒ２＊Ｃ_Ｔ３）
によって近似すことができ、ここで、Ｃ_Ｔ１は、ワイヤーグリッド前偏光子２３０の透過したコントラストであり、Ｃ_Ｔ２及びＣ_Ｒ２は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０の透過した又は反射したコントラスト比であり、Ｃ_Ｔ３は、ワイヤーグリッド偏光検光子２７０に対する透過したコントラストである。この系において、全体的なコントラストは、大部分が、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０の“Ｓ” 偏光状態の光に対する低い反射されたコントラスト比Ｃ_Ｒ２によって決定される。検光子のコントラストＣ_Ｔ３は、低いＣ_Ｒ２の値（〜３０：１）を補償するためにかなり高いことを必要とする。透過したコントラストＣ_Ｔ１及びＣ_Ｔ２が、特に高いことを必要としないのに対して、それぞれのコントラストの値は、スペクトルにわたって適度に均一であることを条件とする。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０から反射すると共にワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０に対して“Ｓ”偏光を有する“オン”状態の光が、それ自体の構造に対してこの“Ｐ”状態の光と同じ光を見るように、偏光検光子２７０を配向させる。従って、偏光検光子２７０は、所望の“オン”状態のビームに付随するどんな交互の偏光漏出光も取り除く。
【００３２】
例として、５５０ｎｍの緑色光において、ワイヤーグリッド前偏光子２３０は、〜２５０：１の角度で平均した偏光のコントラスト比を有する。組み合わせで使用するとき、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０及びワイヤーグリッド前偏光子２３０は、スクリーンで、系の要件が足りない方法になる〜２５：１のフレーム連続光学コントラスト比を生じる。このように、全体的な変調光学系２００の偏光性能は、また、ワイヤーグリッド偏光子２３０と同一であると名目上仮定される、ワイヤーグリッド偏光検光子２７０の追加と共に支持される。偏光検光子２７０は、好適な偏光状態以外のものである光の漏出を取り除き、〜２９００：１まで理論的な全体的な系のコントラストＣｓを押し上げる。性能は、青色においてはたった〜９００：１のコントラストだが、赤色のスペクトルにおいては〜３４００：１のコントラストを提供するワイヤーグリッド偏光デバイスの同じ組み合わせで、可視スペクトルにわたってかなり変動する。確かに、この性能の変動は、色の帯域で調整したデバイスの使用と共に、それが利用可能であったならば、減少させることができるかもしれない。
【００３３】
変調光学系２００は、照明光学部品（コンデンサー２２５）及び光源（図３参照）へというよりもむしろ、空間光変調器２１０へ面するサブ波長ワイヤー２５０を備えた表面で配向させたワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０で最も良好に構築される。この配向を使用するとき全体的なコントラスト（Ｃ_ｓ）が〜２，９００：１であると同時に、代替の配向（光源への表面におけるワイヤー）を使用するとき正味のコントラストは、〜２５０：１まで急激に落ちる。変調光学系２００が、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０から反射する画像の光で構築されるとき、全体的なコントラストにおけるこの差は、サブ波長ワイヤー２５０が空間光変調器又は光源に面するかどうかの関数として、より遅い（より大きいｆ＃）系に対してあまり重要でない場合もある。加えて、図３を参照して、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０のサブ波長ワイヤー２５０が、（頁の平面内で）“水平に”というよりもむしろ“垂直に”（示すように“頁の中へ”）配向するとき、変調光学系２００は、最も高いコントラスト及び光の効率を提供する。また、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０を、コントラストの性能を調整するために、数度だけ（表面の法線まわりで）回転させることができる。
【００３４】
ディジタル映画の投影機を構築するために、様々な光学部品、ワイヤーグリッドデバイス、及びＬＣＤの限定を扱うと同時に。３５−５５フィートのワイドスクリーンを照明する系で輝度（１０，０００−１５，０００ルーメン）及びコントラスト（１，０００：１＋）を同時に最大にすることが必要である。ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター及びＬＣＤに入射する光の許容角度（開口数）を増加させることによって輝度を最大にすることができる。より広い許容角度（又はより低いＦ＃）で、投影光学部品は、より多くの光を集めることができる。しかしながら、同時に、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターに入射する源の光の角度が広いほど、他の偏光状態からの漏出光がより大きく、よって利用可能なコントラスト比（Ｃ_Ｒ）がより小さい。図４を参照して、（ワイヤーグリッド前偏光子２３０、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０、ＶＡ ＬＣＤ、及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０を含む）変調光学系２００のコントラスト対系を透過する光のＦ＃のグラフを示す。系のコントラスト３００のプロットは、およそＦ／２．３で〜６００：１のコントラスト比を達成さすることを示す。この値は、ディジタル映画の投影に必要とされる１，０００：１＋よりも著しく小さいコントラストである。しかしながら、効率の計算は、スクリーンの輝度の目標を満たすために、より大きなスクリーンに潜在的に要求されるＦ／２．０乃至Ｆ／２．３の系の集光能力で、ＬＣＤに基づくディジタル映画投影機がＦ／３．０以下で動作することを必要とすることを提案する。
【００３５】
図５ａを参照して、ＬＣＤ２１０のピクセルに関する、変調光学系内のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０を透過した又はワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０によって反射された光に対する光の偏光状態を表す透視図を示す。コリメートされた又は正反射の予め偏光したビーム３５０は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０を透過する。図５ａに示すように、透過したビーム３５５の電場の偏光は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０のワイヤーグリッドに垂直なベクトルにある。戻る変調されたビーム３６０は、ＬＣＤ２１０におけるピクセルから反射され、ここで“Ｓ”偏光した光は、画像データであり、“Ｐ”偏光した光は、除去されることになっている。理想的には、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０は、変調された透過した光３７０として望まれない“ｐ”光の１００％を透過する。しかしながら、小さな漏出光３６５は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０から反射され、“ｓ”変調されたビーム３６０を伴い、減少したコントラスト（“ｐ”に対する“ｓ”の比）を引き起こす。変調されたビーム３６０に対して、ワイヤーグリッドビームスプリッターは、透過における前偏光子及び反射における偏光検光子として作用し、典型的な交差した偏光子の構成を含む。
【００３６】
偏光のコントラストのいくらかの損失が、軸でコリメートされた光に起こると同時に、それら効果は、傾斜したスキュー光線に関してより劇的である。これをより良好に理解するために、図５ｂが、（ＬＣＤ２１０、前偏光子２３０、又は検光子２７０のような）表面に垂直に入射するビームに対する幾何学を示すと同時に、図５ａは、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０の４５°傾斜した表面に入射する大きなＮＡの反射しないビームに対するビームの幾何学の説明を含む。垂直に入射する場合に関して、角度の極の掃引が、限定される（Ｆ／２．０に対して０−１５°）と同時に、入射するビームは、０−１８０°の方位の掃引によって記載される。傾斜した光線は、局所的な光軸２７５を含む平面にある、交差した偏光子によって定義される軸（方位角０°及び１８０°、９０°及び２７０°）の外側における四つの四分円に届く光線である。スキュー光線は、局所的な光軸２７５を含まない平面にある光線である。４５°傾斜した表面への入射の場合に関して、角度の極の掃引が、光軸に対して〜０−１５°を覆うか又はワイヤーグリッド表面に対して〜３０−６０°の掃引であると同時に、入射するビームは、再び、０−１８０°の方位の掃引によって定義される。このビーム幾何学は、図８ａ−ｉによって与えられる結果を認識することにおいて重要であると思われる。
【００３７】
図６ａは、角度空間で見ることができる、“鉄十字”として知られる、交差した偏光子に対する偏光のコントラストプロフィールを説明する。鉄十字パターン３２０は、検光子のグリッドと平行及び垂直な方向にピークの消滅、スキュー光線に対する減少した消滅、四つの軸外の四分円における傾斜した光線を証明する。ほとんどの既存の偏光子と比較されたとき、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターが、優れた角度性能を有すると、これらのデバイスは、一般的にスキュー光線の問題を有さないと、従って、さらなる偏光の補償を要求しないと考えられてきた。部分的に、これは、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターが、反射におけるＯ−タイプの偏光子及び透過におけるＥ−タイプの偏光子として機能し、従って、部分的に、変調光学系２００におけるような透過及び反射の両方において使用されたとき、自己補償するためである。しかしながら、そうでさえ、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターの消滅は、ディジタル映画のような要求の厳しい用途にはまだ適切でない。
【００３８】
反射性液晶ディスプレイを利用して開発されたオリジナルの電子投影系においては、各々のＬＣＤを、ＣＲＴを使用して背後からアドレスした。今日、当技術の反射性ＬＣＤの状態は、直接的に、シリコンバックプレーンによって電子的にアドレスされる。シリコン（ＬＣＯＳ）ディスプレイにおける液晶として知られる、これらの現代のデバイスは、一般的に、反射性及び光遮断層、引き続きＬＣＤ整列層、液晶の薄い（〜５μｍ）層、反射防止（ＡＲ）塗装されたカバーガラスで上を覆われる、ピクセルをアドレスする回路でパターン化されるシリコン基板を含む。ＶＡ ＬＣＤ用のカバーガラスの内部表面は、液晶層に接する、内部表面にＩＴＯ電極アドレシング層及び整列層を有する。ＬＣＤの光学性能は、液晶の材料特性、電極の構造、ピクセルのパターニング及び近接、液晶分子のオン状態及びオフ状態の配向、整列層の使用及び構造、反射性、反射防止、及び光遮断層の光学特性などを含む、多くの設計パラメーターに依存する。例えば、液晶分子が、シリコン基板及びカバーガラスの内部表面に名目上垂直であると同時に、実際に、表面の隣接した分子は、法線から１−２度の残余の傾斜を伴って配向する。この残余の傾斜角度が、より大きくなるとすれば、デバイスのコントラストは、悪くなり始める。
【００３９】
図６ａの“鉄十字”の説明は、また、それが無視できる傾斜角度を有すると仮定して、交差した偏光子を通じて見られるように、理想的なＶＡ ＬＣＤにおける名目上の偏光の応答を表す。しかしながら、変調光学系によって提供される正味のコントラストは、いずれかのＬＣＤの様々な微妙な効果（大きな傾斜角度、オフ状態用のバイアス電圧、熱的に誘導された応力、及び大きな入射角度（大きなＮＡ））内又は、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを含む偏光デバイス内の（ワイヤー表面の配向、ワイヤーの回転、及び大きな入射角度（大きなＮＡ）のような）様々な微妙な効果によって低下し得る。これらの効果は、鉄十字パターン３２０が保持されると同時にコントラストを一般的に減少させることを引き起こし得るか、又は、鉄十字パターン３２０を別の消滅パターンへ変形することを引き起こし得る（例えば、図６ｂに示す“ベースボール”パターン３２５）か、いずれかである。ワイヤーグリッド前偏光子２３０、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０、垂直に整列したＬＣＤ ２１０、及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０を部分的に含む、変調光学系２００の場合には、名目上の系は、使用以下である、Ｆ／２．３の緑色において〜６００：１のコントラストを提供するのみである。適切な補償器の使用を通じて、仕様を満たし超えるために、系のコントラストを増強することができる。確かに、偏光コントラストを、実際の偏光デバイス（ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター及びＬＣＤ）自体に設計変更をすることによって潜在的に増強させることができる。しかしながら、これらのデバイスの基礎設計、製造、及び性能の限定を変えることが、必ずしも可能であるか又は容易であるとは限らないとき、コントラストを改善する代替の方法が探求されてきた。特に、変調光学系２００のコントラストの性能は、具体的にワイヤーグリッド偏光子と共に作動するように開発された新しい偏光補償器、及び具体的に垂直に整列したＬＣＤ及びワイヤーグリッドデバイスの組み合わせと共に作動するように開発された新しい偏光補償器で増強されてきた。
【００４０】
補償器及び偏光子は、多数の屈折率を有する複屈折材料から構築される。比較として、（ガラスのような）等方性の媒体は、単一の屈折率を有し、（液晶のような）一軸性の媒体は、二つの屈折率を有する。光学材料は、三つまでの主屈折率を有してもよい。全ての三つの異なる屈折率をもつ材料は、二軸性と呼ばれ、図７ａに示すような、その主屈折率ｎｘ_０、ｎｙ_０、ｎｚ_０及び三つの配向の角度によって特有に指定される。図７ｂは、それぞれ、ｘ、ｙ、ｚ軸と整列したｎｘ_０、ｎｙ_０、及びｎｚ_０の軸をもつ二軸性フィルムを示す。二つの等しい主屈折率をもつ材料は、一軸性材料と呼ばれる。これらの二つの等しい屈折率は、正常な屈折率であり、ｎ_０と呼ばれる。他の異なる屈折率は、異常な屈折率と呼ばれる。また、ｎ_ｅの軸は、光軸とも呼ばれる。一軸性材料は、ｎ_ｅ、ｎ_０及びその光軸の配向を記載する二つの角度によって特有に特徴付けられる。全ての三つの主屈折率が等しいとき、材料は、等方的と呼ばれる。
【００４１】
光は、一軸性又は二軸性の材料を通じて伝わるとき、その電場の偏光方向に依存する、変動する有効屈折率に遭遇し、結果として、位相差が、電場の二つの固有モード間に導入される。位相差は、光の伝播方向と共に変動し、よって光の透過は、一軸性又は二軸性の材料が二つの交差した偏光子の間で置かれるとき、角度と共に変動する。これらの位相差は、光軸に沿う又は平行以外の経路に沿って伝わる光線に対する局所的な偏光の配向の変更に転換する。特に、補償器は、傾斜した及びスキュー光線の両方もまた含む、大きな極の角度の光線に対する局所的な偏光の配向を変更する又は状態調節する。液晶材料は、典型的には、一軸性材料である。それが、液晶ディスプレイにおけるような二つの基板の間にはさまれるとき、それの光軸は、一般的に、基板におけるその固着及び厚さにわたって印加される電圧に依存して、厚さにわたって変化する。補償器は、液晶又は他の光学部品によって導入された位相差の角度依存性を相殺する方法で、角度に依存した位相差を導入するように設計される一つ又はそれ以上の一軸性及び／又は二軸性フィルムで構築される。当技術において周知であるように、フィルムの平面に垂直なその光軸をもつ一軸性のフィルムが、図７ｄに示すようにＣ−プレートと呼ばれると同時に、フィルムの平面に平行なその光軸をもつ一軸性フィルムは、図７ｃに示すようなＡ−プレートと呼ばれる。ｎ_０よりも大きなｎ_ｅをもつ一軸性材料は、正に複屈折と呼ばれる。同様に、ｎ_０よりも小さなｎ_ｅをもつ一軸性材料は、負に複屈折と呼ばれる。Ａ−プレート及びＣ−プレートの両方は、ｎｅ及びｎ０に依存して、正又は負であり得る。より高級な多層の補償器４００は、図７ｅにおけるように、その光軸又はその厚さにわたって変動する三つの主屈折率を有し、ここで補償フィルムのスタック（複屈折層４１０ａ、４１０ｂ、及び４１０ｃ）は、完全な補償器を組み立てるために、基板４２０と共に使用される。スタック補償の詳細な議論は、米国特許第５，６１９，３５２号（Ｋｏｃｈ等）に見出すことができる。当技術において周知であるように、Ａ−プレートを、ポリビニルアルコールまたはポリカーボネートのような延伸した重合体フィルムで作ることができると同時に、Ｃ−プレートを、一軸性に圧縮された重合体又は鋳造する酢酸セルロースの使用によって作製することができる。
【００４２】
変調光学系における交差したワイヤーグリッド偏光子（ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０、ワイヤーグリッド前偏光子２３０、及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０）の組み合わせは、ワイヤーに平行又は垂直な平面で伝わる光に対して優れたダーク状態を提供する。しかしながら、光が、法線の方向及びワイヤーに対して４５／１３５度の偏光子から大きな極の角度（シータ）で伝わるとき、最大量の光の漏出が起こる（図５ｂは、偏光子に対して極及び方位の幾何学を示す）。例えば、図６ａを参照して、交差した座標軸から４５度に位置する四つの四分円におけるコントラストが、３００：１又はそれ以下までに至ると同時に、標準的な“鉄十字”タイプの消滅パターンに対して、軸に沿ったピークのコントラストは、１，０００：１を超え得る。スキュー光線を含む、これらの角度の領域を移動する光は、軸により近い光よりも少ない消滅を経験する。四分円の光線及びスキュー光線からのコントラストのこの損失は、再び高い光学系のコントラスト（＞２，０００：１）及び明るい光学部品（＜Ｆ／３．０）を要求する、ディジタル映画投影に関して重大であり得る。
【００４３】
ワイヤーグリッド偏光子は、有効な媒体の理論（“Ｇｅｎｅｒａｌｉｚｅｄ ｍｏｄｅｌ ｆｏｒ ｗｉｒｅ ｇｒｉｄ ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ” ，Ｙｅｈ，ＳＰＩＥ Ｖｏｌ．３０７，（１９８１），ｐｐ．１３−２１）の使用によって研究されてきた。格子ピッチ（ｐ）が波長（λ）よりもはるかに小さいとき、サブ波長の格子を、有効な屈折率をもつ一軸性フィルムとしておよそ考えることができる。有効な媒体の理論は、実施することがはるかにより容易であり、ワイヤーグリッド偏光子の定性的な理解を提供するが、それは、一般的に正確な結果を得ない。それは、交差したワイヤーグリッド偏光子を通じた非常に低い透過の計算には特に真実である。有効な媒体の理論の限定は、Ｋｉｈｕｔａ等によって指摘されてきた（“Ａｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｌｉｍｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｍｅｄｉｕｍ ｔｈｅｏｒｙ ｆｏｒ ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｇｒａｔｉｎｇｓ”，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅｖｉｅｗ ２，（１９９５）ｐｐ．９２−９９）。結果として、ワイヤーグリッド偏光子は、Ｋｕｔａ等で議論された、より精密さを要求する厳密な結合した波の分析（ＲＣＷＡ）を使用してモデル化されてきた（“Ｃｏｕｐｌｅｄ−ｗａｖｅ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｌａｍｅｌｌａｒ ｍｅｔａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｇｒａｔｉｎｇｓ ｆｏｒ ｔｈｅ ｖｉｓｉｂｌｅ ａｎｄ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ”，Ｋｕｔａ，ｅｔ ａｌ．，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ Ａ，Ｖｏｌ．１２，（１９９５），ｐｐ．１１１８−１１２７）。
【００４４】
ワイヤーグリッド偏光子に対して図８ａ乃至８ｉに与えられた結果は、ＲＣＷＡを使用してモデル化される。
【００４５】
図８ａは、垂直入射まわりの交差したワイヤーグリッド偏光子を通じた理論的な透過を示し、０度の極角度での０．４ｘ１０^−３の透過よりも２．５倍大きい、２０度（Ｆ／１．５）の極角度及び４５度の方位角での透過が０．９９ｘ１０^−３であることを示す。４５度の方位角で４０度（Ｆ／０．８）のようなさらにより大きい極角度に関して、透過の損失は、５ｘ１０^−３の値で、はるかに大きい。増加した透過は、追加の光の漏出、よってコントラストの損失に変換する。これらの計算に関して、ワイヤーグリッド偏光子は、１４４ｎｍ（〜λ／４）のワイヤーのピッチ、０．４５のワイヤーのデューティサイクル、及び１３０ｎｍのワイヤーの高さで、Ｃｏｒｎｉｎｇのガラス１７３７Ｆに沈積させたアルミニウムのワイヤー構造としてモデル化された。ワイヤーグリッド偏光子は、Ａｌの屈折率が０．９７４＋ｉ６．７３で５５０ｎｍの緑色でモデル化され、Ｃｏｒｎｉｎｇのガラスの屈折率は、１．５２である。これらのパラメーターは、他に指定がなければ、図８ａ乃至図８ｉに対して使用される。図８ａで理解することができるように、最大の光の漏出（減少したコントラスト）が、ワイヤーグリッドに対して４５度で起こる。図８ａを、垂直に入射するビームに関するものを示す、図５ｂの幾何学を参照して理解することができ、光の関連する円錐を、０−１８０°の方位の掃引及び〜０−２０°の極の掃引（Ｆ／１．５）によって記載する。図８ａのプロットは、コントラストにおける変動よりもむしろ、交差した偏光子に対する透過における変動対方位角及び極角度を示す。偏光のコントラストは、変調光学系２００のような複雑な系に対する包括的な方法でモデル化することが困難であり得る。しかしながら、コントラストは、透過した光における小さな変化が、系のコントラストにおける巨大な変化を引き起こし得るような、交差した偏光子に対する透過におよそ反比例する。図８ａ−ｆは、また、（特に１０°又はＦ／２．９で）より遅いビームに関する重大なオフ角度の透過効果を示すと同時に、データを、より劇的な比較のために、２０°（Ｆ／１．５）で一貫して与えることにする。
【００４６】
特に、大きな極角度で傾斜したスキュー光線に関する光の漏出を欠点としてもつ交差した偏光子の一般的な挙動は、ちょうどより良好な偏光子を使用することによって実質的に変化しない。例えば、モデル化は、たとえワイヤーグリッドのピッチが、１／１００のような光の波長よりもはるかに小さいとしても、有意な量の光が、まだ、大きな極角度で二つの交差したワイヤーグリッド偏光子を通じて漏れることを示してきた。図８ｂは、交差したワイヤー及び偏光子を通じた透過を示し、ここでワイヤーグリッド偏光子のピッチは、５．５ｎｍ（λ／１００）である。確かに、精密なピッチλ／１００のデバイスは、λ／４のデバイスよりも低い透過を示し（０度の極角度で０．２３ｘ１０^−３対０．４ｘ１０^−３）、よって、より高いコントラストを提供する（理論的なコントラストの差は、λ／１００及びλ／４のデバイスの間で２倍よりも大いに大きい）。この場合に、モデル化されたλ／１００のデバイスは、０度の極角度で０．２３ｘ１０^−３の透過より大きい〜４倍である、２０度の極角度及び４５度の方位角で、０．９５ｘ１０^−３の増加した透過（よって光の漏出）を示す。４０度の極角度（及び４５度の方位）で、透過（光の漏出）は、１０倍より大きい（９．７ｘ１０^−３）。このように、現在製造可能であるものよりもはるかにより微細である、これらのλ／１００のワイヤーグリッドに対してさえ、理論的な消滅はより大きいが、軸外の挙動は、大部分は同じである。
【００４７】
入射光の〜１０％を吸収するのみであると同時に、異常光線（Ｅ−タイプ）のようなＰ−偏光を透過させると共に常光線（Ｏタイプ）のようなＳ−偏光を反射する、ワイヤーグリッド偏光子を、一軸性フィルムとして正確に扱うことができない。比較によって、Ｐｏｌａｒｏｉｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造される標準的なシート偏光子は、それが“ワイヤー”（延伸したＰＶＡプラスチックに埋め込まれたヨウ素原子）を使用するという点で、ワイヤーグリッド偏光子に類似し、実際に著しく異なるデバイスである。第一に、色素シート偏光子のサブ波長“ワイヤー”（ｐ＜＜λ）は、可視波長のワイヤーグリッド偏光子（ｐ〜λ／４）のワイヤーよりも著しく小さい。さらに、色素シート偏光子は、正常な波を透過し、異常な波を（反射するというよりもむしろ）吸収する、Ｏ−タイプ偏光子である。標準的な色素シート偏光子を、異常な屈折率及び正常な屈折率をもつ一軸性フィルムとして正確にモデル化することができる。Ｏｐｔｉｖａ Ｉｎｃ．は、入射光の異常な波を透過すると共に正常な波を吸収する、スープラ−分子のリオトロピック液晶の材料に基づくＥ−タイプのシート偏光子を最近開発した（Ｌａｚａｒｅｖ ｅｔ ａｌ．，“Ｌｏｗ−ｌｅａｋａｇｅ ｏｆｆ−ａｎｇｌｅ ｉｎ Ｅ−ｐｏｌａｒｉｚｅｒｓ”，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ ｔｈｅ ＳＩＤ，ｖｏｌ．９，（２００１），ｐｐ．１０１−１０５参照）。Ｏｐｔｉｖａ偏光子は、それが、異常な波を透過すると共に正常な波を（反射するというよりもむしろ）吸収する、Ｅ−タイプの偏光子であることを除いて、標準的な色素シート偏光子に類似するシート偏光子である。
【００４８】
二つの標準的なＯ−タイプの色素シートのＰｏｌａｒｏｉｄ偏光子が、交差した構成で使用されるとき、鉄十字パターン３２０（図６ａ参照）もまた経験される。光は、シート偏光子の透過又は吸収の軸に対して４５度で起こる最大の漏出と共に、傾斜して入射する角度でこれらの従来の交差したシート偏光子を通じて漏出する。様々な補償器は、Ｃｈｅｎ等によりＵｃｈｉｄａ等に出版された（Ｔ．Ｉｓｈｉｎａｂｅ、Ｔ．Ｍｉｙａｈｉｔａ、及びＴ．Ｕｃｈｉｄａ，“Ｎｏｖｅｌ Ｗｉｄｅ Ｖｉｅｗｉｎｇ Ａｎｇｌｅ Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ ｗｉｔｈＨｉｇｈ Ａｃｈｒｏｍａｔｉｃｉｔｙ”，ＳＩＤ２０００ Ｄｉｇｅｓｔ，ｐｇｓ．１０９４−１０９７）ような、交差したＯ−タイプの偏光子を通じた光の漏出を減少させるために提案されてきた。Ｃｈｅｎに従って、一軸性材料、Ａ−プレート、及びＣ−プレートの組み合わせは、オフ角度で光漏出を劇的に縮小させる。その設計要件の一つは、Ａ−プレートの光軸が、隣接した偏光子の透過軸に平行であるべきであることである。Ｕｃｈｉｄａは、補償器を構築するための二つの二軸性フィルムを使用して、同じ問題を解決する。
【００４９】
ワイヤーグリッド偏光子（透過におけるＥ−タイプ偏光子、反射におけるＯタイプ）及び標準的なシート偏光子（透過におけるＯ−タイプ、吸収におけるＥ−タイプ）は、著しく異なるデバイスであるが、交差したワイヤーグリッド偏光子とシート偏光子用の既存の補償器を組み合わせることによって、利益が得られるかもしれない。図８ｃは、１３７ｎｍのＡ−プレート及び８０ｎｍのＣ−プレートからなる、Ｃｈｅｎ等からの先行技術のシート偏光子補償器と組みになった交差したワイヤーグリッド偏光子を通じた透過を示す。２０度の極角度（Ｆ／１．５）及び４５度の方位角における光ビームの場合に、この補償器は、著しい改善を提供し、補償されてない交差した偏光子（０．４ｘ１０^−３）に関して軸上の場合よりも約３０％多い光の漏出を表す透過を０．５２ｘ１０^−３に減少させる。しかしながら、４０度のような（再び、４５度の方位角）、より大きな極角度で、この補償器は、まだ、２．４ｘ１０^−３のレベルの、又は軸上の場合よりも〜６倍大きい、実質的により大きな透過を許容する。ワイヤーグリッドのピッチは、再び、１４４ｎｍであると仮定される。よって、先行技術のシート偏光子の補償器を、いくらかの偏光のコントラストの改善を提供するために、交差したワイヤーグリッド偏光子と組み合わせて使用することができると同時に、さらなる改善の余地がまだある。
【００５０】
幸運にも、ワイヤーグリッド偏光子及びワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターと共に作動するように具体的に最適化される、並びに変調光学系２００によって提供されるコントラストを押し上げるために使用することができる、補償器を設計することは可能である。ワイヤーグリッド偏光子を、偏光ビームスプリッターとして利用するとき、それらは、第一に光を透過させ次に光を反射するか、又は第一に光を反射し次に光を透過させる。光が第一の時間にワイヤーグリッド偏光子に達する角度は、光が第二の時間に達する角度とは一般的に異なる。新しい補償器は、変調光学系２００内のオフ角度で、交差したワイヤーグリッド偏光子を通じた光の漏出を最小にするために開発されてきた。同様に、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを通じた光の漏出を減少させる補償器が、開発されてきた。
【００５１】
第一の例として、偏光補償器を、Ａ−プレート及びＣ−プレートの組み合わせとして設計したが、そのどちらも、軸外の透過を減少させると同時に、軸上の透過に影響を及ぼさないことになる。交差したワイヤーグリッド偏光子（図３のワイヤーグリッド前偏光子２３０及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０）の性能を増強する、設計された補償器は、二つの特定の複屈折フィルム、＋２７５ｎｍのＡ−プレート及び−６０ｎｍのＣ−プレートの組み合わせを使用する。交差したワイヤーグリッド偏光子及びこの第一の例の補償器の組み合わせを通じた合計の透過を示す図８ｄは、図８ａに比較したような著しい透過した光の減少を示す、透過の応答曲線における広い変化を示す。その透過は、補償されてない交差したワイヤーグリッド偏光子に対する軸上の透過（０．４ｘ１０^−３）に基本的に等しい、４０度までの全ての極角度に対して０．４８ｘｌ０^−３以下（２０°の極角度で〜０．４ｘ１０^−３）である。実際に、補償器は、交差した偏光子を通じてそれらの透過を改善するために、傾斜したスキュー光線の偏光の配向を変更する又は状態調節することによって、変調されたビームのコントラスを増強させる。また、ワイヤーグリッド偏光子に対するこの最適化された補償器は、先に議論したシート偏光子の補償器よりも著しく良好な性能を提供する。特に、このワイヤーグリッド偏光子補償器に対するＡ−プレートの光軸は、隣接した偏光子の透過軸に対して垂直である。ところが、比較によって、Ｃｈｅｎ等によって記載するような先行技術のシート偏光子の補償器が、Ａ−プレートの光軸が隣接した偏光子の透過軸に平行であることを要求する。
【００５２】
この第一の例の補償器の設計が、交差したワイヤーグリッド偏光子を使用する、変調光学系２００の著しく改善された性能を有するが、ここでこれらのワイヤーグリッドデバイスは、相対的に大きいピッチ（ｐ＝１４４ｎｍ〜λ／４）を有し、より小さなピッチをもつワイヤーグリッドデバイスを使用するとき、同じ補償器の設計は、性能を改善することができる。例えば、図８ｅは、補償を伴った微細なピッチのデバイス（ｐ＝５．５ｎｍ〜λ／１００）のモデル化した性能を示し、ここで４０度の極角度及び４５度の方位角における透過は、図８ｂに示す９．７ｘ１０^−３の先行する飛翔されてない結果と比較して０．２４ｘ１０^−３まで落ちた。
【００５３】
第二の例補償器は、またＡ−プレート及びＣ−プレートの組み合わせを有する、交差したワイヤーグリッド偏光子を伴う使用に関して設計された。この場合において、Ａ−プレート及びＣ−プレートは、両方とも、それぞれ、１３７ｎｍ及び１６０ｎｍの遅延と共に、正の複屈折を有する。第一の例の補償器と違って、この補償器用のＡ−プレートの光軸は、隣接した偏光子の透過軸と平行である。図８ｆは、２０度までの全ての極角度に対して０．４６ｘ１０^−３以下である、この補償器の設計から結果として生じる改善された透過を示す。しかしながら、４０度の極角度及び４５度の方位角で、透過は、たった１．１ｘ１０^−３まで減少する。この設計が、第一の例の補償器設計ほど良好でなと同時に、特に２０度以上の極角度（図８ｄ参照）で、光の漏出は、補償されてない交差した偏光子と比較して、まだ著しく減少する（図８ａ参照）。上述のように、この補償器を、加えた要素、二次補償器２６５として、図１０の変更した変調光学系２００中へ挿入することができる。
【００５４】
変更した変調光学系２００を示す、図１０において、交差したワイヤーグリッド偏光子（前偏光子２３０及び検光子２７０）を通じた性能を最適化するために使用される補償器を、検光子２７０に先立って位置させ、二次補償器２６５として示す。この同じ補償器を、図１０の代替の二次補償器２６６によって示すような、ワイヤーグリッド前偏光子２３０直後に交互に位置させることができるかもしれない。別の代替物として、これらの交差した偏光子のための設計された補償器の一部は、別の部分が、代替の二次補償器２６６として同時に提供されると同時に、二次補償器２６５として位置決めすることができる。それは、両方の構成部品の計数及び取り付ける要件を増加させると、ありそうもないシナリオである。単数又は複数の二次補償器２６５（及び／又は２６６）が、ワイヤーグリッド前偏光子２３０及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０の間における光路に位置することもまた要件である。それは、例えば、二次補償器２６５を、ワイヤーグリッド偏光検光子２７０の後に位置させることができないことを意味する。
【００５５】
また、図５ｃに示すように、二次補償器２６５を、偏光ビームスプリッター無しの展開した光学系で使用することもできる。この場合に、透過した偏光した光は、ワイヤーグリッド前偏光子２３０を出て、（名目上透過性のＬＣＤである）空間光変調器２１０、二次補償器２６５、及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０を通過する。代わりに、ワイヤーグリッド偏光子二次補償器２６５を、変調光学系２００内の空間光変調器２１０に先立って位置させることができる。図５ｃに示すように、変調光学系２００が名目上オフ状態にあると共に空間光変調器２１０が、オン状態の光を提供するためにワイヤーグリッド偏光検光子２７０を通じて透過するように光を回転させるように、ワイヤーグリッド前偏光子２３０及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０を交差させる。ワイヤーグリッド前偏光子２３０及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０を、名目上の開いた状態の（交差してない）透過のために、オフ状態に対して光を回転させる空間光変調器２１０と整列させることができることを理解するべきである。
【００５６】
また、偏光の応答の改善を、ワイヤーグリッド偏光子だけでなくワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターにも提供することができる。図８ｇは、空間光変調器２１０を完全な鏡と交換すると仮定して、偏光の補償無しでワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを通じて組み合わされた透過（透過した光及び反射した光の積）を示す。この場合に、入射するビームは、０−１８０°の方位の掃引及び〜０−４０°の角度の極の掃引（図５ａ参照）によって記載する円錐をもつ４５°傾斜した表面に入射し、ここで光は、Ｆ／２．０のビームに対する０−１５°の極角度内に至る。例えば、図８ｇは、３０°の極角度及び４５°の方位角で６．５ｘ１０^−２の偏光の補償無しで組み合わされた透過を示す。
【００５７】
この場合に、第三の例の補償器を、空間光変調器２１０（ＶＡ ＬＣＤ）と一緒に図１０の変調光学系２００で使用されるように、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０によって提供されるコントラストを増強するように設計した。この補償器の例は、それぞれ、９０ｎｍ及び３２０ｎｍの遅延（両方とも正の複屈折を伴う）を有する、Ａ−プレート及びＣ−プレートの組み合わせを有する。補償器の層状の構造内で、Ａ−プレートを、ＬＣＤにより近いＣ−プレートよりもワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターにより近くに優先的に位置させる。Ａ−プレートの光軸は、（ワイヤーに垂直な）隣接した偏光子の透過軸に平行である。図８ｈは、この補償器との組み合わせで使用されるワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを通じた組み合わされた透過を、図８ｇにおける３０度の極角度における６．５ｘ１０^−２と比較して２．７ｘ１０^−２までに減少させることを示す。１５又は２０度のような、より小さな角度でさえ、補償器は、補償されてないワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターと比較して、〜２倍だけ透過を減少させる（より少ない漏出）。この補償器を、補償器２６０として図１０の変更した変調光学系２００に示し、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０及び液晶空間光変調器２１０の間に位置させる。これは、変調光学系２００内のこの補償器に対する唯一の許容可能な場所である。
【００５８】
第四の例の補償器は、空間光変調器２１０（ＶＡ ＬＣＤ）と一緒に図１０の変調光学系２００で使用されるワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０によって提供される組み合わされた透過を増強させるために、最後の模範的なデバイスとして設計された。この補償器は、それぞれ９０ｎｍ及び−２００ｎｍの遅延を有するＡ−プレート及びＣ−プレート（正及び負の複屈折）の組み合わせである。図８ｉの補償器は、図８ｇにおいて６．５ｘ１０^−２と比較して３．５ｘ１０^−２である、より小さい組み合わされた透過を提供する。第三の例の補償器と違って、この補償器に対するＡ−プレートの光軸は、透過軸に平行（ワイヤーに垂直）というよりもむしろ隣接した偏光子の透過軸に垂直（ワイヤーに平行）である。前述のように、この補償器は、補償器２６０として図１０の変更した変調光学系２００に示される。
【００５９】
先行技術は、コントラストを押し上げるための偏光補償器をさらに有する、ＬＣＤ及びワイヤーグリッドデバイスの両方を使用して投影ディスプレイ用の変調光学系を設計する方法を記載しないことを強調するべきである。確かに、ワイヤーグリッドデバイスとの使用のために設計された実際の模範的な補償器は、先に他の偏光デバイスに関して記載してきたような従来の構造及び(ポリカーボネートまたはアセタートのような)材料の組み合わせを有し得る。しかしながら、ワイヤーグリッド偏光子は、微妙で自明でない方法における先行技術のデバイス（例えば、シート偏光子及びＭａｃＮｅｉｌｌｅプリズム）とは明確に異なり、従って、関連した最適化された補償器の設計を、先行の補償器の設計から容易に外挿することができない。
【００６０】
もちろん、様々な設計が、上述のような類似の性能又はさらにより良好な性能を達成することができることが理解される。また、Ａ−プレート及びＣ−プレートの組み合わせをこれらの模範的な補償器のいずれにも交換するために、単一の二軸性フィルムを使用することができることが理解される。また、モデル化した補償器を、上記の例で提供されたＡ−プレート及び次にＣ−プレートの順序よりもむしろ、Ａ−プレートの前に遭遇するＣ−プレートの逆の順序で設計することができることが理解されるはずである。順序を切り替えるとき、設計した複屈折の値は、おそらく変化する。また、追加のＡ−プレート及び／又はＣ−プレート及び／又は二軸性フィルムを、これらの模範的な補償器のいずれに対してもＡ−プレート及びＣ−プレートの組み合わせに加えることができることも理解される。
【００６１】
確かに、系へのどんな他の光学構成部品の追加で、その取り付け及びこれらの補償器に対するＡＲコーティングを提供することに対する通常の懸念もまた当てはまる。補償器は、互いに素子を保持する光学的に調和する接着剤又はゲルにより二つのガラス基板の間にはさまれたそれらの複屈折フィルムで構築してもよい。その場合に、空気の表面に対するどんなガラスもＡＲコーティングするべきである。代わりに、補償器は、ワイヤーグリッド偏光子（ワイヤーグリッド前偏光子２３０及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０）で統合すると共にこれらの構成部品のガラス基板に直接取り付けることができる。それは、部分カウント、空気の表面の相互作用に対するガラスのカウント、及び取り付けの問題点を減少させる。しかしながら、補償器を、ワイヤーグリッドデバイスの平坦なガラスの表面に取り付けるべきであり、ワイヤーグリッドのコーティングの表面には取り付けるべきでない。
【００６２】
上記の例は、５５０ｎｍの単一の波長に対して設計されるが、これらの例が、補償器の材料が、波長と合った分散を有するという条件で、５５０ｎｍに対するのと十分に等しく全ての他の波長で機能することが理解されるはずである。これは、遅延/波長の比は、全ての可視の波長にわたって実質的に不変であることを意味する。
【００６３】
また、変調光学系２００を、様々な組み合わせで構築することができることは理解されるはずである。図１０に描いたように、それは、ワイヤーグリッド前偏光子２３０、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０、ワイヤーグリッド偏光検光子２７０、補償器２６０、二次補償器２６５、及び代替の二次補償器２６６を含む。しかしながら、二次補償器が省略されて、ワイヤーグリッド前偏光子２３０、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０、ワイヤーグリッド偏光検光子２７０及び補償器２６０で系を構築することができるかもしれない。同様に、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０及び補償器２６０で系を構築することができるかもしれないが、非ワイヤーグリッドデバイスとしてのワイヤーグリッド前偏光子２３０及びワイヤーグリッド偏光検光子２７０、並びに二次補償器が省略される。代わりに再び、ワイヤーグリッド前偏光子２３０、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０、ワイヤーグリッド偏光検光子２７０、及び二次補償器２６５で系を構築することができるかもしれないが、補償器２６０は、省略される。言うまでもなく、構成部品のさらに他の組み合わせが可能である。
【００６４】
交差したワイヤーグリッド偏光子又はワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターの性能を最適化するだけでなく、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを通じて見られるようなＬＣＤの性能もまた増強する補償器を提供する、図１０の変調光学系２００の全体的なコントラストの性能を、増強することができる。比較によって、先行技術の米国特許第５，５７６，８５４号（Ｓｃｈｍｉｄｔ等）には、ＭａｃＮｅｉｌｌｅのビームスプリッターとの組み合わせにおいてＶＡ ＬＣＤの作動に対して最適化する補償器が、記載されている。米国特許第５，５７６，８５４号に開示されるように、０．２７λの補償器が使用され、ここで、０．２５λのものは、ＭａｃＮｅｉｌｌｅプリズムに関して補償し、０．０２λのものは、反対の電極基板における複屈折に関する。反対の電極基板は、次には局所化された複屈折を引き起こす、基板内の応力を引き起こす温度勾配に影響されやすい。ＳＦ−５７又は溶融石英のような、基板のガラス用に注意深く選んだ材料とでさえ、０．０２λのような小さな遅延を、応力複屈折からのダーク状態における残余の光の漏出を補償するために使用した。垂直に整列したＬＣＤが、印可されたどんな電圧も無しに非活動状態にあるとき、軸上での光の漏出は、小さい。しかしながら、実際上、ダークの状態は、Ｖｏｆｆと呼ばれるゼロでない電圧の状態である。この電圧は、液晶が下方に傾くことを引き起こし、光の漏出を著しく増加させることができる。また、補償器は、この効果を補正するために、他のもの、例えば米国特許第５，２９８，１９９号（Ｈｉｒｏｓｅ等）によって設計されてきた。
【００６５】
ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターと組み合わされた垂直に整列したＬＣＤの場合には、ＭａｃＮｅｉｌｌｅタイプのプリズムに関して米国特許第５，５７６，８５４号で使用される０．２５λの遅延は、要求されない。しかしながら、Ａ−プレートとして提供される、残余の０．０２λの遅延（〜１１ｎｍ）は、ワイヤーグリッドデバイスでさえ、ＶＡ ＬＣＤ内の応力複屈折に対して補正するために、まだ有用である場合もある。加えて、ＶＡ ＬＣＤに関して最適化された補償器もまた、Ｆ／３．０又はそれ以下で動作するディジタル映画の系を含む、明るい光学系で使用するとき、負のＣ−プレートを含んでもよい。よって、ワイヤーグリッド偏光子との組み合わせで使用される反射性ＶＡ ＬＣＤ用の好適な補償器は、負のＣ−プレート及び正のＡ−プレートを含む。負のＣ−プレートは、液晶と同じ量の遅延（例えば＋２３３ｎｍ）を有するためには、しかし反対符号では、液晶の視角依存性を補正するために好適である。液晶に存在するこの視角依存性の遅延は、典型的には、〜１６０−２５０ｎｍである。
【００６６】
例として、図９ａは、オフ状態における交差した偏光子を通じた理想的なＶＡＬＣＤの反射された光に関するコントラストの等高線プロットを示す。これは、光軸（球面パターンの中心）に沿った、及び交差した偏光子の透過軸に平行又は垂直な方向に沿った、最小の光で図６ａの“鉄十字”パターン３２０に対応する。しかしながら、鉄十字パターン３２０が示すように、いくらかの漏出光を、四つの四分円で期待することができる。図９ｂは、図６ｂのベースボールパターン３２５に対応する、基板における誘導された複屈折からの１０ｎｍの残余の遅延を伴ったＶＡ ＬＣＤから反射された光に対するコントラストの等高線プロットを示す。残念ながら、このベースボールパターン３２５が生じるとき、投影系への漏出光を、著しく増加させ、コントラストを、減少させる。図９ｃは、上述の場所に挿入された本発明に従って設計された適切な補償器（−２３３ｎｍのＣ−プレート）を備えたＶＡ ＬＣＤに対するコントラストの等高線プロットを示す。１０００：１のｉｓｏ−コントラストの曲線は、１３°より多い極角度まで延びる。この補償器を、補償器２６０として、ＬＣＤ２１０の直前に、図１０の変更した光学変調系２００中に挿入することができる。
【００６７】
現実には、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０用の補償器及びＬＣＤ２１０は、これら二つの構成部品の間に共に位置し、一つの包装された補償器デバイス中に組み合わせられ得る。図８ｈに対応するワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０用の模範的な補償器は、９０ｎｍ及び３２０ｎｍの遅延を有するＡ−プレート及びＣ−プレートの組み合わせを使用した。比較のために、垂直に整列したＬＣＤは、−２３３ｎｍの遅延を有し、補正用の−２３３ｎｍの遅延を伴うＣ−プレートを要求する。これら二つのＣ−プレートの設計を組み合わせるとき、残りのＣ−プレートは、たった−８７ｎｍの遅延を有する。このように、補償器及びＬＣＤ間における相殺は、著しく、必要とされる追加の遅延の量を減少させる。次に、組み合わせられた補償器２６０は、連続した順序で、ＶＡ ＬＣＤ用の１１ｎｍのＡ−プレート（０．０２λの補償）、８７ｎｍのＣ−プレート、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター２４０用の９０ｎｍのＡ−プレートを含み、１１ｎｍのＡ−プレートは、ＬＣＤ２１０に最も近く位置する。二つのＡ−プレートを、９０ｎｍのＡ―プレートが、サブ波長ワイヤー２５０に対して固定された配向を有すると同時に、１１ｎｍのＡ−プレートが回転可能であることが必要であるように単純に組み合わせることができる。このように、提供するものは、ＶＡ ＬＣＤに関してピクセルの黒（オフ）状態における漏出光を最小にするための補償器を備えたワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを使用することによって、高いレベルのコントラストを達成するための装置及び方法である。
【００６８】
図４は、変調されたビームを戻す際に望まれないＰ偏光を補正する、ＶＡ ＬＣＤ、ワイヤーグリッド偏光子、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター、及び補償器を含む変調光学系に関して、相対的なＦ＃に対する系のコントラストに関するグラフ３１０を示す。この場合において、補償器２６０のカスタマイズしたバージョンを使用する。特に、補償器の使用は、実際には、より高いＦ＃の値でＣＲを減少させることができるが、補償器は、およそＦ／４．０以下の低い値のコントラストを改善する。補償器が、望まれない反射及び欠陥を被る、複雑な構造であり得るので、コントラスト３１０は、必ずしもより良好であるとは限らないかもしれない。
【００６９】
ワイヤーグリッド偏光子デバイスの偏光性能を最適化するためのこの用途内で開発された偏光の補償の概念を、垂直に整列したＬＣＤを除いた空間光変調器を有する変調光学系で使用することができるかもしれない、例えばまた、空間光変調器２１０は、６０度のツイストネマチックＬＣＤ、ＰＬＺＴ変調器、又はいくつかの他の偏光を回転させる変調器であり得ることが理解されるはずである。
［付記］
付記（１）：（ａ）光のビームを形成する光源、（ｂ）前記光のビームを偏光させて光の偏光したビームを提供する前偏光子、（ｃ）前記光の偏光したビームを受ける、第一の偏光を有する前記光の偏光したビームを透過させる、及び第二の偏光を有する前記光の偏光したビームを反射させる、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター、（ｄ）変調されたビームを形成するために前記第二の偏光を有する前記光の偏光したビームを選択的に変調して画像データをコード化する、及び前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターに前記変調されたビームを反射し返す反射性液晶デバイス、並びに（ｅ）前記変調されたビームの傾斜したスキュー光線を状態調節する、前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター及び前記反射性液晶デバイスの間に位置する補償器、を含み、（ｆ）前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターは、前記補償された変調されたビームを反射し、（ｇ）残余の変調されてない第一の偏光光を取り除く偏光検光子、及び（ｈ）前記変調されたビームから画像を形成する画像形成光学部品、を含む表示装置。
付記（２）：前記補償器は、一つ又は複数の複屈折層を含み、前記複屈折層は、以下のＡ−プレートフィルム、Ｃ−プレートフィルム、又は二軸性フィルムの少なくとも一つを含む、付記（１）記載の装置。
付記（３）：前記Ａプレートの光軸は、前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターのサブ波長ワイヤーに実質的に平行である、付記（２）記載のＡ−プレート。
付記（４）：前記Ａプレートの光軸は、前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターのサブ波長ワイヤーに実質的に垂直である、付記（２）記載のＡ−プレート。
付記（５）：前記反射性液晶デバイスは、垂直に整列した構築物を有する、付記（１）記載の装置。
付記（６）：前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター若しくは前記反射性液晶デバイス、又は前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター及び前記反射性液晶デバイスの両方に対して、前記傾斜したスキュー光線の偏光状態を変更する、付記（１）記載の補償器。
【図面の簡単な説明】
【図１】投影装置における光学構成部品の配置を示す概略図である。
【図２】先行技術ワイヤーグリッド偏光子の透視図である。
【図３】ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターを含む変調光学系を示す断面図である。
【図４】偏光の補償有り及び偏光の補償無しの両方でワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター及びＬＣＤの両方を含む、変調光学系に関するＦ／＃に対するコントラスト比の関係を示すグラフである。
【図５ａ】偏光状態及び局所的なビームの幾何学の両方を説明する、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター及び変調光学系内のＬＣＤに対する入射光の幾何学を示す。
【図５ｂ】交差した偏光子の偏光状態に対する垂直に入射する光の幾何学を説明する。
【図５ｃ】透過性の空間光変調器、ワイヤーグリッド偏光子、及び偏光補償器を備えた展開した変調光学系の幾何学を説明する。
【図６ａ】偏光の補償無しで交差したワイヤーグリッド偏光子に対する方向特性を示す。
【図６ｂ】偏光の補償無しで交差したワイヤーグリッド偏光子に対する方向特性を示す。
【図７ａ】偏光補償器の可能な軸の配向及び構築を示す。
【図７ｂ】偏光補償器の可能な軸の配向及び構築を示す。
【図７ｃ】偏光補償器の可能な軸の配向及び構築を示す。
【図７ｄ】偏光補償器の可能な軸の配向及び構築を示す。
【図７ｅ】偏光補償器の可能な軸の配向及び構築を示す。
【図８ａ】ワイヤーグリッド偏光デバイス及び補償器の様々な配置からの遠視野方向特性プロットである。
【図８ｂ】ワイヤーグリッド偏光デバイス及び補償器の様々な配置からの遠視野方向特性プロットである。
【図８ｃ】ワイヤーグリッド偏光デバイス及び補償器の様々な配置からの遠視野方向特性プロットである。
【図８ｄ】ワイヤーグリッド偏光デバイス及び補償器の様々な配置からの遠視野方向特性プロットである。
【図８ｅ】ワイヤーグリッド偏光デバイス及び補償器の様々な配置からの遠視野方向特性プロットである。
【図８ｆ】ワイヤーグリッド偏光デバイス及び補償器の様々な配置からの遠視野方向特性プロットである。
【図８ｇ】ワイヤーグリッド偏光デバイス及び補償器の様々な配置からの遠視野方向特性プロットである。
【図８ｈ】ワイヤーグリッド偏光デバイス及び補償器の様々な配置からの遠視野方向特性プロットである。
【図８ｉ】ワイヤーグリッド偏光デバイス及び補償器の様々な配置からの遠視野方向特性プロットである。
【図９ａ】補償器無しの理想的なＶＡ ＬＣＤに対するコントラストの等高線プロットを示す。
【図９ｂ】ＩＴＯ基板から１０ｎｍの導入された遅延を備えたＶＡ ＬＣＤに対するコントラストの等高線プロットを示す。
【図９ｃ】ＩＴＯ基板から１０ｎｍの導入された遅延及び適切な補償器を備えたＶＡ ＬＣＤに対するコントラストの等高線プロットを示す。
【図１０】本発明の好適な実施例に従う変調光学系の基本的な構成部品を示す概略図である。
【符号の説明】
１０ ディジタル投影装置
１５、１３２ 光源
２０ 照明光学部品
４０、２００ 変調光学系
４５、２３０ 前偏光子
５０、２４０ ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター
５５、２１０ 空間光変調器
６０ 偏光検光子
７０ 投影光学部品
７５ ディスプレイの表面
１００ ワイヤーグリッド偏光子
１１０ ワイヤー
１２０、２４５ 誘電体基板
１３０、１４０、１５０、２２０、２９０ 光ビーム
２２５ コンデンサー
２５０ サブ波長ワイヤー
２６０、２６５、２６６ 補償器
２７０ ワイヤーグリッド偏光検光子
２７５ 光軸
２８０ 再結合プリズム
２８５ 投影レンズ
３００、３１０ 系のコントラスト
３２０ 鉄十字パターン
３２５ ベースボールパターン
３５０、３５５、３６０ ビーム
３６５ 漏出光
３７０ 変調された透過した光
４００ 多層の補償器
４１０ａ、４１０ｂ、４１０ｃ 複屈折層
４２０ 基板

Claims (6)

1. 表示装置であって、
   （ａ）光のビームを形成するための光源；
   （ｂ）光の偏光させられたビームを提供するために前記光のビームを偏光させるための前偏光子；
   （ｃ）前記光の偏光させられたビームを受容するための、第一の偏光を有する前記光の偏光させられたビームを透過させるための、及び、第二の偏光を有する前記光の偏光させられたビームを反射させるための、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター；
   （ｄ）変調されたビームを形成する為にそれに画像データをコード化するために前記第二の偏光を有する前記光の偏光させられたビームを選択的に変調するための、及び、前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターへ逆戻りに前記変調されたビームを反射させるための、反射性の液晶デバイス；
   （ｅ）前記変調されたビームの斜めの及びスキュー光線の偏光状態を変更するための、前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター及び前記反射性の液晶デバイスの間に位置させられた、補償器；
   （ｆ）前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターが、前記補償された変調されたビームを反射させること；
   （ｇ）残余の変調されてない第一の偏光の光を取り除くものである偏光検光子；及び
   （ｈ）前記変調されたビームから画像を形成するための画像を形成する光学部品
   ：を含む、表示装置。
2. 請求項１に記載の装置において、
   前記補償器は、一つの又はより多くの複屈折性の層を含むと共に、
   前記複屈折性の層は、後に続くもの；Ａ−プレートフィルム、Ｃ−プレートフィルム、又は二軸性のフィルムの少なくとも一つを含む、装置。
3. 請求項２に記載の装置において、
   前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターのワイヤーは、サブ波長のワイヤーを含むと共に、前記Ａプレートの光軸は、前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターのサブ波長のワイヤーに対して実質的に平行なものである、装置。
4. 請求項２に記載の装置において、
   前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターのワイヤーは、サブ波長のワイヤーを含むと共に、前記Ａプレートの光軸は、前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッターのサブ波長のワイヤーに対して実質的に垂直なものである、装置。
5. 請求項１に記載の装置において、
   前記反射性の液晶デバイスは、垂直配向型の構成を有する、装置。
6. 請求項１に記載の装置において、
   前記補償器は、前記ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッター、若しくは、前記反射性の液晶デバイス、又はそれら両方に対して相対的な前記斜めの及びスキュー光線の偏光状態を変更する、装置。

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