JP4638056B2 - 広角偏光ビームスプリッタを使用した反射ｌｃｄ投影システム - Google Patents

Description

【０００１】
発明の背景
本発明は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を含む光学イメージシステムに関する。特に、本発明は、反射イメージャ、及び固定偏光軸を有するデカルト広角偏光ビームスプリッタ（「ＰＢＳ」）を含む光学イメージシステムに関する。本発明の光学イメージシステムは、高コントラスト比を提供しながらも「高速」（低Ｆナンバー）の光ビームに使用できる。光学イメージシステムという用語には、反射投影及びリア投影システム、投影ディスプレイ、ヘッドマウンテッドディスプレイ、バーチャルビューア、ヘッドアップディスプレイ、光学計算、光学相関、及びその他の類似の光学観察及び表示システムが含まれる。
【０００２】
光学イメージシステムは、透過または反射イメージャまたは光バルブを含んでいても構わない。通常の透過光バルブでは、光ビームの一定部分がその光バルブを透過して画像を形成する。その機能によって、透過光バルブは透光性を有し、光はこれを透過できる。また、反射光バルブは、入力ビームの選択部分だけを反射して画像を形成する。反射光バルブでは、制御回路が反射面の下に配置でき、またその不透明性による基板材質の制限がなければより高度な集積回路技術が利用可能になることから、重要な利点を提供する。反射ＬＣマイクロディスプレイの使用によって、新しく潜在的に安価でコンパクトな液晶カラーディスプレイ（ＬＣＤ）プロジェクタ構成が可能になるかもしれない。
【０００３】
反射ＬＣＤイメージャを利用した投影システムでは、照明ビームと投影画像が偏光ビームスプリッタとイメージャ間の同一物理空間を共有する折曲光路が所望のコンパクトな配列を提供する。本発明は、ｐとｓ偏光状態の区別に基づいてＰＢＳを使用する通常の光学イメージシステムの照明光学系のＦナンバーを制限する「偏光解消カスケード」問題を分析し認識している。ほとんどの反射ＬＣＤイメージャは偏光回転している。つまり、偏光光は、最も暗い状態についてその偏光状態が実質的に無修正のままで透過されるか、あるいは所望のグレースケールを提供するため一定の偏光度回転を与えられた状態で、透過される。これらのシステムでは９０°回転が最も明るい状態を提供する。したがって、光の偏光ビームは、反射ＬＣＤイメージャ用の入力ビームとして使用されるのが普通である。偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）の使用は、入力ビームの偏光と光路の折り曲げの両方に魅力的な設計上の代替選択肢を提供する。
【０００４】
ＰＢＳは、入射光線を第１偏光成分と第２偏光成分に分離する光構成部品である。通常のＰＢＳは、光の入射平面、つまり、入射光線と偏光面への法線によって定義される平面に基づいて機能する。入射平面はまた反射平面とも呼ばれ、反射光線と反射面への法線によって定義される。
【０００５】
通常の偏光子の動作に基づいて、光は、ｐ成分とｓ成分という２つの偏光成分を有すると記述されてきた。このｐ成分は、入射平面の中で偏光された光に相当する。ｓ成分は、入射平面に垂直に偏光された光に相当する。
【０００６】
光学イメージシステムで最大効率を達成するには、低Ｆナンバーシステムが望ましい（Ｆ．Ｅ．Ｄｏａｎｙ等のＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙ ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ； Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ａｎｄ ｌｉｇｈｔ−ｓｏｕｒｃｅ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ（投影表示スループット：光透過と光源集光の効率），ＩＢＭ Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ．Ｖ４２，Ｍａｙ／Ｊｕｌｙ １９９８，ｐｐ．３８７−３９８参照）。Ｆナンバーは光レンズの集光能力を測定するもので、次のように定義される。
Ｆナンバー＝ｆ（焦点距離）÷Ｄ（レンズの直径または口径）
【０００７】
Ｆナンバー（Ｆ）は、光学素子の照明に使用できる光錐のサイズを測定する。Ｆナンバーが低いほどレンズはより高速となり、その光学素子に使用可能な光錐はより大きくなる。光錐が大きくなると光スループットが高くなるのが一般である。したがって、より高速（より低いＦナンバーの）照明システムは、より広い範囲の入射角度を有する光線を受け入れることのできるＰＢＳを必要とする。
【０００８】
最大入射角度θ_ｍａｘ（光錐の外側光線）は、数学的にＦナンバーから導くことができる。
θ_ｍａｘ＝ｔａｎ^−１（（２Ｆ）^−１）
【０００９】
通常の折曲光路光学イメージシステムは、マクニール偏光子と呼ばれる光学素子を使用している。マクニール偏光子は、ブルースター角と呼ばれ、屈折率の異なる２つの媒体間の界面からｐ偏光光が反射されない、ブルースター角と呼ばれる角度が存在するという事実を利用している。ブルースター角は、以下の数式で求められる。
θ_Ｂ＝ｔａｎ^−１（ｎ_１／ｎ_０），
【００１０】
ただし、ｎ_０は１つの媒体の屈折率、ｎ_１は他方の媒体の屈折率である。入射光線の入射角度がブルースター角に達すると、反射したビーム部分が入射平面に直角の平面内で偏光される。透過したビーム部分は、入射平面に平行な平面内で優先的に（完全にではない）偏光される。ｓ偏光光の効率的な反射を得るために、マクニール偏光子は、所望の角度のブルースター角条件に適合する材料の薄膜の複数層から構築される。膜厚は、膜層ペアが四分の一波長スタックを形成するよう選択される。
【００１１】
この構造の場合、ブルースター角条件が（当該材料内の分散を除いて）波長に依存しない利点がある。しかし、マクニール偏光子は、一組の材料のブルースター角条件が１つの入射角度においてのみ厳密に満足されるという事実によって広角性能を達成するのが困難である。入射角度がこの角度から逸脱するにつれて、スペクトル的に不均一な漏れが発生する。この漏れは、フィルムスタック上の入射角度がブルースター角よりも垂直になるにつれて特に厳しくなる。以下の説明の通り、折曲光路プロジェクタには、各光線の反射平面に参照されるｐ及びｓ偏光の使用に係わるコントラスト上の欠点もある。
【００１２】
一般に、マクニールＰＢＳはガラスキューブの中に含まれており、ＰＢＳ薄膜スタックがキューブの対角面に沿って適用されている。このキューブ内のガラスの屈折率を適宜に選択することによって、ＰＢＳは、当該キューブの面に垂直な入射光がＰＢＳのブルースター角で入射するよう構築しても構わない。ただし、キューブを使用すると、主にその構成部分の偏光性能を低下させる熱応力による複屈折の発生に係わる一定の欠点をもたらす。あらかじめ焼きなましを行った高価なキューブでもこの問題は発生する。また、キューブはコンパクトなシステムに大きな重量を加えることになる。
【００１３】
ｆ／２．５ほども低いＦナンバーでｓ偏光光とｐ偏光光を区別でき、しかも純粋ｓ偏光または純粋ｐ偏光の入射ビーム間で１００：１を超える吸光度を提供するマクニールタイプＰＢＳが開発されたとの報告がある。残念ながら、以下に説明するように、マクニールタイプＰＢＳが反射イメージャを備えた折曲光路の中で使用されると、主光線の反射面に対して回転された反射面を有する光線の偏光解消によってコントラストが低下する。以下に使用されるように、「偏光解消」という用語は、主光線の偏光状態からの光線の偏光状態の逸脱を記述するためのものである。投影システム内の光が一般的に光錐として投影されるため、光線のほとんどは主光線に完全に平行ではない。偏光解消はＦナンバーの低下とともに増加し、カラー選択フィルムからのその後の反射の中で拡大される。この「偏光解消カスケード」は、光学イメージシステムの設計者によっては、マクニールＰＢＳ利用のプロジェクタを約３．３に実効的に制限し、それによってこれらのシステムの光スループット効率を制限するよう計算している者もある。Ａ．Ｅ．Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈ等のＣｏｎｔｒａｓｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｒｅｆｌｅｃｔｉｖｅ ｌｉｑｕｉｄ ｃｒｙｓｔａｌ ｌｉｇｈｔ ｖａｌｖｅｓ ｉｎ ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ ｄｉｓｐｌａｙｓ，ＩＢＭ Ｊ．Ｒｅｓ．Ｄｅｖｅｌｏｐ．Ｖ４２，Ｍａｙ／Ｊｕｌｙ １９９８，ｐｐ．３５９−３８６（以後、「Ｒｏｓｅｎｂｕｌｕｔｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ」という）を参照されたい。この中の関連部分は本書に参考資料として組み入れられている。
【００１４】
最近、Ｍｉｎｎｅｓｏｔａ Ｍｉｎｉｎｇ ａｎｄ Ｍａｎｕｆａｃｔｕｒｉｎｇ社は、新規なタイプの複屈折多層偏光フィルム（「３Ｍ先進フィルム」）を開発した。共同譲渡されまた共同出願中の親出願４９８３７ＵＳＡ６Ｅのビームスプリッタは、このフィルムの偏光ビームスプリッタとしての利用について記述している。欧州特許出願ＥＰ ０ ８３７ ３５１ Ａ２は、初期の３Ｍ多層フィルム材料である３Ｍデュアルブライトネス強化フィルム（ＤＢＥＦ）を、「広角」反射偏光子を有する投影表示装置の中で利用しようとしている。さらに、「広角」性能は広く認知された設計目標であるが、「広角」の参照は、コントラスト限界、スペクトル漏れの低下、そしてかかる目標の達成方法に関する教示がなければ無意味である。この３Ｍ製品「ＤＢＥＦ」は、垂直入射で４〜６％の一般的な阻止方向漏れを有する反射偏光子である。これよりも高い角度で漏れは幾分低下するが、４５°では吸光度はまだ数パーセントであるのが普通である。ＤＢＥＦ使用時のコントラスト率は、一般に、白色光の場合に９９：１以下での最大値に制限される。しかし、ＤＢＥＦは、照明源及び正確なＤＢＥＦサンプルの性格によっては、一定のカラーバンドのコントラストを２５：１にまで下げるスペクトル漏れを受ける。優れた性能を得るためには、良好なスクリーン均一性と暗状態でのスペクトル漏れの欠如が全関連カラーバンドにおける良好な平均コントラストに伴うことが望ましい。
【００１５】
真に広角で高速な光成分を含み、そして高コントラスト画像の閲覧または表示の可能な光結像装置に対するニーズは今も存在する。
【００１６】
発明の要約
本発明は、広角「デカルト」偏光子ビームスプリッタ（「ＰＢＳ」）を含み、またそれを有利に使用する光学イメージシステムについて記述する。デカルトＰＢＳは、別々の各ビームの偏光が、ＰＢＳフィルムの不変で一般的に直交する主軸に参照されるＰＢＳとして定義される。マクニールＰＢＳとは対照的に、デカルトＰＢＳでは、別々の各ビームの偏光が各ビームの入射角度と実質的に無関係である。デカルトＰＢＳフィルムを使用すると、より高い光出力を提供したりあるいは他の光成分を置換あるいは増大させる曲面ＰＢＳを利用したシステムの開発も可能となる。
【００１７】
広角ＰＢＳは、受け入れ可能なシステムコントラストを維持しながら、入射角度が最大で１１°以上の光錐を受けることのできるＰＢＳとして定義される。広角デカルト偏光子の特性を認識し、またそれを有利に適用することによって、本発明は、１つの投影システム構成の中で少なくとも１００：１、できれば１５０：１のコントラスト比を維持しながら、ｆ／２．５以下のＦナンバーで機能できる高効率光学イメージシステムを開示する。
【００１８】
本発明に基づく光学イメージシステムは、広角デカルト偏光ビームスプリッタ、２．５以下のＦナンバーを有する光バルブ照明光学系、及び少なくとも１つの反射光バルブを含む。デカルト偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、固定偏光軸を画定する構造的配向を有する。反射デカルトＰＢＳは、「材料軸」と呼ばれるこうした１つの固定軸に沿って偏光された光線の成分を実質的に反射する。この「材料軸」に沿わない偏光をもつ光線の成分は実質的に透過される。偏光ビームスプリッタは、したがって、入射光を、固定偏光軸に参照される偏光状態をもつ実質的に偏光された第１及び第２ビームに分割し、偏光ビームスプリッタがその第１偏光ビームを反射光バルブへ向ける。１つの実施形態例では、デカルトＰＢＳに３Ｍ先進フィルムが含まれている。他の実施形態例では、ＰＢＳが、関連部分を本書に参考資料として組み入れたＳｃｈｎａｂｅｌ等の「Ｓｔｕｄｙ ｏｎ Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ Ｖｉｓｉｂｌｅ Ｌｉｇｈｔ ｂｙ Ｓｕｂｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ−Ｐｅｒｉｏｄ Ｍｅｔａｌ−Ｓｔｒｉｐｅ Ｇｒａｔｉｎｇｓ」，Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ３８（２），ｐｐ．２２０−２２６，Ｆｅｂｒｕａｒｙ １９９９に記載のものなど、ワイヤーグリッド偏光子を含むものがある。他の適切なデカルト偏光子も使用しても構わない。
【００１９】
光バルブ照明光学は、高くても２．５のＦナンバー、約１２度の最小円錐角度を有し、システムは理想的なイメージャを使用して１００：１を超えるコントラスト比を有する。好適な実施例では、このコントラスト比は１５０：１を超え、照明光学系は２．０以下のＦナンバーを有する。この照明光学系とは、光線を整える（事前偏光、均質化、及びフィルタリング）光学系である。Ｆナンバーは、イメージャへの入射光線に関連している。
【００２０】
光バルブは、スメクチックまたはネマチック液晶光バルブなどの偏光変調光バルブであっても構わない。光学イメージシステムは、入力光をプレ偏光させるプレ偏光子を更に含んでいてもよく、プレ偏光された光が偏光ビームスプリッタへの入射光を含む。この光学イメージシステムはまた、色分解及び再結合プリズムまたはミラー、そして複数の反射光バルブを含んでいても構わない。このプリズムは、偏光ビームスプリッタから偏光光を受け取り、その偏光光の色分解を行い、偏光カラービームを各光バルブへ向ける。光学イメージシステムは、入射光を供給する適切な光源を含んでいても構わない。
【００２１】
代替実施例において、反射光バルブは、第１偏光ビームの少なくとも１部を元の偏光ビームスプリッタまたは第２ＰＢＳへ反射しても構わない。
【００２２】
発明の詳細な説明
図１〜４は、本発明に基づく光学イメージシステムの実施形態例の簡易概略図である。本発明は、デカルトＰＢＳと高速照明光学系を含みまたそれを利用するよう設計されるのが有利な各種光学イメージシステムを記述する。読者の便宜のため、同じ最後の２桁を有する参照数字によって識別されるが、このような名称は本発明の範囲を制限するためのものではない。
【００２３】
デカルトＰＢＳが偏光の固定「材料軸」を有することから、本発明は、マクニールＰＢＳの従来のｐ及びｓ軸に対してではなく、デカルトＰＢＳのｘ及びｙ軸に対して参照される偏光成分を有するものとして光を参照する。図１〜４の主光線では、ｘ成分は反射平面内に含まれる偏光方向を有することから主光線のｐ偏光と同一であるのに対して、ｙ成分は反射平面に垂直に配向したＥ場を有することから、主光線のｓ偏光と同一である。
【００２４】
図１は、光線１４を提供する光源１２を含む光表示または結像システムを示す。光源１２はランプ１１と反射体１３を含む。好適なランプは、キセノン、白熱、レーザ、ＬＥＤ、ハロゲン化金属アーク、または高圧水銀光源を含む。光線１４は、光を事前偏光する照明光学系１５を通過し、デカルトＰＢＳ要素５０に当たる。
【００２５】
デカルトＰＢＳ要素５０は、ガラスキューブ５４に入れられ、ｙ偏光で入射する光を反射するよう配向された３Ｍ先進多層高分子フィルムの層（３Ｍ先進フィルム）５２を含む。
【００２６】
マクニールＰＢＳシステムは一般的に、ブルースター角を所望の値（一般的には４５°）に調整するのに必要な特定の屈折率を提供するガラスキューブに埋め込まれるよう拘束されるが、本発明のデカルトＰＢＳの例はそうなっていない。ワイヤグリッド偏光子または３Ｍ先進フィルム偏光子は単独で使用しても構わないが（図２と３を参照）、キューブ構成で使用することもできる。本実施例で使用されるほとんどの３Ｍ先進フィルム偏光子はガラス板の間にあるいは薄膜として、つまり、光が材料媒体に入るときフィルム内の透過角度がスネルの法則によってフィルム法線の方へ向けられる構成の中で最も良く機能する。他の３Ｍ先進多層ＰＢＳは任意の屈折率のガラスキューブの中でよく機能するものが作成されており、これにおいては光が空気から埋め込み媒体へ入るときにフィルムの透過角度がフィルム法線の方へ向けられていない。
【００２７】
ガラスキューブの中で良く機能するフィルムは、特にフィルムの表面に垂直な方向において、各層の非等方屈折率の適切な値を確保するという追加要件を持つ。特に、交番層のフィルムの厚さ方向の屈折率は、同じであるのが理想である。これは、偏光子のＸ方向（通過方向）の各屈折率が等しいことに加えての要件である。偏光子がすべての入射角度についてその通過軸に沿って高い透過を持つためには、交番層のＸ及びＺ（フィルムに垂直）屈折率の両方が一致する必要がある。Ｘ及びＺの各屈折率の両方について一致を達成するには、Ｘの率だけが一致するときに使用されるものとは異なる材料セットが必要である。３Ｍブランド「ＤＢＥＦ」フィルムなどの従来の３Ｍ多層フィルムは、過去においてはＸの率に一致させて製造された。
【００２８】
すべての層のＸ及びＺの率の両方を一致させる１つの方法は、フィルムがＹ方向に伸ばされているときにＸ及びＺの両方向に弛緩（つまり縮む）ことができる、真の単軸延伸を与えることである。そのようにすると、Ｘ及びＺの屈折率は、所与の層において同一である。ということは、第１材料のＸの率に一致する第２材料が選択されれば、第２材料層も同じ延伸条件に曝されるためＺの率も一致しなければならない。
【００２９】
多くの実際的な用途において、これらの層の間でのＺの率の小さな不一致は、その光が各フィルム層に対して作る角度によっては受け入れ可能である。ただし、フィルムがガラスプリズムの間に積層されているとき、つまり高い屈折率の媒体に浸されているときは、光線はフィルム平面の法線の方へ曲げられない。この場合、その光線は、空気からの入射に比べてもっと大きな度合いのＺの率の不一致を感知し、Ｘ偏光の光線は部分的またはさらに強力に反射される。光線がフィルム内のフィルム法線に対して作る角度が高ければ高いほど、Ｚの率の一致はより接近していなければならない。
【００３０】
Ｚの率の不一致の許容される大きさは、常にＹの率の不一致に比例している。これは、後者の値が偏光子の薄膜スタック内に必要とされる層の数を決定するからである。薄膜スタックの全反射率は、率の不一致Δｎとスタック内の層数Ｎによって等しく制御される。つまり、積Δｎｘ ^＊Ｎはスタックの反射率を決定する。たとえば、同一反射率であるが層数が半分のフィルムを提供するには、各層の間の率の差の２倍が必要となるなどの要件がある。Δｎ_ｚ／Δｎ_ｙは、制御を必要とする関連パラメータである。空気中での使用が意図されているビームスプリッタフィルムでは、比率Δｎ_ｚ／Δｎ_ｙは０．５未満が望ましく、また０．２未満がより望ましい。ガラスなど高屈折率の媒体に浸されたフィルムでは、比率Δｎ_ｚ／Δｎ_ｙは０．２未満が望ましく、また０．１未満が更に望ましく、そしてまた０．０５未満が最も望ましい。
【００３１】
Δｎ_ｘは、また、Δｎ_Ｙに比べて非常に小さくなければならず、またΔｎ_Ｚが非常に小さい場合は、この比率は空気中で使用されるフィルムについては０．１未満が望ましい。浸されたフィルムでは、この比率は０．１未満が望ましく、０．０１未満が最も望ましい。ただし、本書にも参考として関連部分が組み入れられている、共同譲渡された米国特許出願番号０８／９５８，３２９に記載されているように、Δｎ_Ｚがゼロでなければ、Ｘの率の小さな不一致を使用してｐ偏光光の透過を改善できる。
【００３２】
Ｚの率の不一致は、ｓ偏光光の透過には無関係である。定義上、ｓ偏光光は、フィルムのＺ屈折率を感知しない。ただし、以下に示すように、様々な方位角での複屈折多層偏光子の反射特性は、ビームスプリッタがｙ偏光（ｓ偏光に近い）光を反射し、ｘ偏光（ｐ偏光に近い）光を透過するよう構成されている場合に投影システム性能が優れたものになる。ｘ偏光光を反射しｙ偏光光を透過するビームスプリッタは、主な光軸に沿ってよく機能するだろうが、有限円錐角を有する光線の場合、コントラストは、円錐角が小さくなるに連れて急速に悪化する。キューブ内に浸したフィルムでは、この問題は一層深刻である。大きな円錐角を有し高コントラスト比を必要とする光システムでは、好適なＰＢＳ構成がｙ偏光光を反射しｘ偏光光を透過する。
【００３３】
キューブ構成の使用は、傾けられたガラス板を通過する光によって作られるものなど、非点収差に対する感度が高い場合、あるいは縮小光路長が重要な場合に特に有利である。このキューブ構成は、熱により引き起こされる応力光効果と重量増加を被るという、マクニール偏光子にもある欠点を有する。
【００３４】
図１をまた参照すると、ビーム１４のｙ成分を含んだ偏光ビーム１８は、ｙ偏光ビーム１８を３つのサブビーム２０、２２及び２４へと分割するカラースプリッタ／コンバイナプリズム３６の方へ向けられる。偏光サブビーム２０、２２及び２４は、それぞれ、赤色、緑色、及び青色の反射イメージャ２６、２８及び３０から反射及び変調される。一般に、現行の反射ＬＣＤ光バルブは、固定デカルト座標の中で最もよく記述されるその暗状態と明状態に対して通常軸と異常軸を有し、デカルトＰＢＳの固定偏光軸はこのイメージャのデカルト構造に一致するのにより適している。
【００３５】
反射・変調サブビームはコンバイナ３６により再結合され、ｘ偏光を有する結合ビーム３２になる。結合ビーム３２の被変調成分はＰＢＳ要素５０の中を通過し、投影レンズ３４によって画像として投影される。
【００３６】
本実施例で例示された照明光学系１５は、ＰＢＳキューブ５０の前にプレ偏光子または偏光コンバータ１５ａ、及びＰＢＳキューブ５０の後にクリーンアップ偏光子を含んでいても構わない。
【００３７】
照明光学系１５は、２．５以下のＦナンバーを有する光でイメージャ２６、２８及び３０を照らす。
【００３８】
イメージャ２６、２８及び３０は、スメクチック、ネマチック、またはその他の適切な反射イメージャでも構わない。スメクチックの場合、図１と２の光学イメージシステム１０のイメージャ２６、２８及び３０は、強誘電性液晶ディスプレイ（ＦＬＣＤ）イメージャでも構わない。デカルトＰＢＳとスメクチックＬＣＤイメージャの組合せにより、極めて低いＦナンバーを有する光学系が可能となる。ＦＬＣＤなどのスメクチックＬＣＤは、特に広い受光円錐を有するのが普通であり、従って、本発明に基づいた各システムの低Ｆナンバー機能をより良く利用する。多層高分子ＰＢＳとＦＬＣ反射イメージャとの組合せは、この低Ｆナンバー機能と本発明に使用できる高速な光ビームを利用する。スメクチック光バルブの例としては、強誘電性液晶ディスプレイ（ＦＬＣＤ）、アンチＦＬＣＤ（ＡＦＬＣＤ）、アナログＦＬＣＤ、及びエレクトロクリニックＬＣＤモード光バルブが含まれる。ネマチック液晶光バルブの例としては、ねじれ、垂直整列、複合整列、およびＰｉセルの各光バルブが含まれる。
【００３９】
図２は、反射体を備えたアークランプなどの光源１１２を含む、投影システム１１０の第２実施例である。この光源はまた、発光ダイオードまたはレーザー光源などの固体光源も使用できる。システム１１０は、デカルトＰＢＳ１５０、イメージャ１２６、照明光学系１１５、及び焦点レンズ１３４を更に含む。ＰＢＳ１５０は、ワイヤグリッド偏光子または板ガラスの間に積層された３Ｍ先進多層フィルムなど、自立型のデカルトＰＢＳである。図２はビーム路と光線偏光を示す。ｙ偏光（ｓ偏光に近い）を持つ光は丸付きＸで示されており、これはこの偏光がこのページの中に入ることを示す。ｘ偏光（ｐ偏光に近い）を持つ光は偏光ベクトルを示す実線矢印によって示されている。実線は入射光を示し、点線は、変化した偏光状態を持つイメージャから返された光を示す。光源から提供された光は照明光学系１１５によって整えられる。この光のｙ成分はデカルトＰＢＳ１５０によって反射され、反射イメージャ１２６に当たる。この反射イメージャはｘ偏光を有する画像ビームを反射・変調する。反射したｘ偏光ビームはＰＢＳ１５０によって透過され、焦点レンズ１３４によって合焦される。光のフィルター、ビームホモジェナイザ、偏光コンバータ、リレーまたは視野レンズなど、投影システムの数多くの設計固有の構成部品は、この説明に不要なので図から省かれているが、明細書を読んだ当業者によって配置されても構わない。
【００４０】
図３は、原ビームの透過ｘ偏光成分も使用する、本発明に基づいた投影システム２１０の第３実施例である。システム２１０は、光源２１２、デカルトＰＢＳ２５０、第１イメージャ２２６、第２イメージャ２２８、照明光学系２１５、及び投影レンズ２３４を含む。イメージャ２２６と２２８は、順次式カラーまたはモノクロである。光源２１２からの光は、照明光学系２１５の中を通過し、ＰＢＳ２５０上に入射する。ＰＢＳは、この光のｘ偏光成分を透過し、ｙ偏光成分を反射する。ｘ偏光成分は、第１イメージャ２２６によって反射されると共にｙ偏光ビームへと変調され、これがＰＢＳ１５０によって投影レンズ２３４の中へと反射される。このｙ偏光成分は反射され、第２イメージャ２２８によってｘ偏光ビームへと変調され、これはＰＢＳ２５０によって投影レンズ２３４の中へ透過される。元の偏光状態にあるプロジェクタから戻された光は、図には示されていない。この光は、イメージャから戻り、ＰＢＳはこの光をランプへと向ける。
【００４１】
図４は、光源３１２を有する、本発明に基づく投影システム３１０の第４の実施例を示す。光はアークランプ３１１が生成し、楕円反射体３１３がそれを集め、そしてこの光を照明光学系３１５の方へと送る。照明光学系３１５は、コリメーティングレンズ３１７、第１小型レンズアレイ３１９、第２小型レンズアレイ３２１、及びコンデンサレンズ３２７を含む。第２小型レンズアレイ３２１とコンデンサレンズ３２７との間には、ゲフケンタイプの設計のものなど、任意の偏光コンバータ３２３が続いても構わない。偏光コンバータ３２３の変換効率によっては、偏光コンバータの直ぐ後に任意のプレ偏光子３２５を含めることが有利な場合もある。小型レンズアレイ３１９と３２１の組は、コリメーティングレンズ３１７から名目的に平行にされた光を受け取る。偏光コンバータ３２３とプレ偏光子３２５は、所望の方向にその光を偏光する。
【００４２】
小型レンズアレイ３１９と３２１及びコンデンサレンズ３２７は、反射イメージャ３２６、３２８、及び３３０を均一に照明するためにこの光を整形し均質化する役目を果たす。デカルトＰＢＳ３５０は、次にｙ偏光光を３つの反射イメージャ３２６、３２８及び３３０の方へリダイレクトする。ＰＢＳ表面３５２はガラス板の間で自立していても、あるいは図４に示すガラスプリズム３５４の中に入れても構わない。
【００４３】
図４に示すもののように、イメージャ３台の構成では、色分解プリズム３３６は光をその原色、つまり赤色、緑色、及び青色に分解する。視野レンズ３３８、３４０、及び３４２などの介在レンズを各イメージャと色分解プリズム３３６の間に挿入して、システム全体の光応答を更に最適化しても構わない。イメージャ３２６、３２８、及び３３０は、特定の画像情報によって反射時の光の偏光状態を様々な度合いに変調する。色分解プリズム３３６は、赤色、緑色、及び青色の画像を再結合し、その光をデカルトＰＢＳ３５０に渡し、そこで実質的にｘ偏光光だけを渡すことによって画像の偏光状態が分析される。ｙ偏光光は、光源３１２の方へリダイレクトされる。デカルトＰＢＳ３５０を渡す光は、投影レンズ３３４によって収集され、前面（反射）投影または裏面（透過）投影スクリーン（示されていない）上に合焦される。任意使用の後偏光子３４４は、ＰＢＳ３５０と投影レンズ３３４との間に挿入しても構わない。当業者は、他の光学構成が可能であることを理解するであろう。
【００４４】
デカルト偏光子は、１軸または２軸に沿って湾曲していても構わない。マクニールＰＢＳシステムまたは減衰全反射ＰＢＳシステムはこのような柔軟性を提供しない。
【００４５】
投影システム内でランプ出力の大部分を利用することは困難であり、専用光学部品の使用を必要とする。反射光学系はランプ裏側で利用されることが多い。広い円錐角（小さなＦナンバー）を利用する投影システムでは、効率も高くなる。３Ｍ先進多層複屈折偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、可視スペクトル全体に対して最も受光角の広いもののひとつである。この多層複屈折ＰＢＳの更なる利点は、そのビームスプリッティング／反射機能とその柔軟性／成形性の特性とを結合できることである。図５、７、８、及び９は、曲面、非平面、デカルトＰＢＳなど、本発明に基づく光学イメージシステムの代替実施例を示す。反射光学系の方が、低Ｆナンバー光錐のハンドリングにおいては、屈折光学系よりもコンパクトでシンプルなシステムを提供することが当業でよく知られている。本書に記載した多層ＰＢＳフィルムは、入射光の偏光状態によって、反射及び透過の両方の特性を有する。このため、凹多層偏光フィルムは、広角ビームスプリッタとしても、また投影システム内のビーム集束光学系の一部としても使用できる。
【００４６】
曲面ＰＢＳは、図５に略図的に示したシステムの中で１つ以上のビーム整形レンズの変わりに使用できる。図５は、曲面デカルトＰＢＳ４５０、光源４１２、反射ＬＣＤイメージャ４２６、及び接眼レンズ４３４を含む、光学イメージシステム４１０を示す。光源４１２は、反射及び屈折ビーム整形調整要素を含んでいても構わない。
【００４７】
システム及びその用途によって、曲面ＰＢＳ４５０は、１つまたは２つの直交面内軸に沿って湾曲していても構わない。つまり、単純または複合湾曲部のいずれかを所有できるのである。１つの軸に沿って湾曲部を有するＰＢＳを利用するシステムは、直交軸に沿ってビームを整形するためにシリンドリカルレンズを必要とする場合がある。
【００４８】
曲面偏光子は、反射投影及びリア投影システムの両方、そしてまた観察者の目の中に直接投影するいわゆるマイクロディスプレイ、あるいは「ヘッドアップ」ディスプレイにおけるような半透明な表面からの反射によって仮想画像を形成するシステムで有用な場合がある。
【００４９】
直交偏光子の吸光度は、一定の入射角度について、消光角と方位角の円形（放射形）グラフとして提示されると、有名な「マルタクロス」形状を形成する。
【００５０】
直交偏光子同士の間に複屈折補償フィルムを挿入すると、長軸間の全角度における吸光度が高まり、円形（角度不依存）形状へのクロスが基本的に拡がる。また、曲面偏光子を使用することにより、複屈折補償フィルムを必要とせずに大きな補償を提供できる。
【００５１】
二次元曲面ＰＢＳは、図６に示す技術を使用して実用化されている。３Ｍ多層反射偏光子光学フィルム（「ＭＯＦ」）５５０はプレート５６２内の穴５６０の上に延ばされ、穴５６０からフィルム５６０を引っ張るのに真空が適用された。フィルム５５０を柔らかくし、たるみを深くするためにヒートガンで熱を加えた。冷却後、フィルムはその凹形状を保持した。曲面ＭＯＦは、曲面デカルトＰＢＳとして機能し、１つの偏光の反射光を集束し、直交偏光を透過させる。複数の直径及び加熱時間が試された。すべてのケースにおいて、凹形状の端まで、偏光消光が維持された。楕円縁を持つ曲面ＰＢＳは、また、楕円穴からの真空成形によって作成することもできる。この曲面ＰＢＳの偏光軸は、穴の長軸へのＭＯＦの光軸の整合によって制御できる。
【００５２】
図７に示す通り、曲面ＰＢＳを使用したマイクロディスプレイの光学縦列が示された。拡散源５１２からの光が照明光学系５１５から渡され、事前偏光を受け、曲面ＰＢＳ５５０から反射され、そして四分の一波長ミラー（ＱＷＭ）５５８から反射された。その結果得られる偏光回転により、光は、ＰＢＳ５５０を通過して接眼レンズ５３４に到達することができた。この曲面は照明光をＱＷＭ５５８上に集中させ、平面ＰＢＳからのものよりも明るい画像を実現した。ＱＷＭ５５８を垂直軸の周りに４５°回転させると、薄膜偏光子の暗中央バンド特性を含む、暗状態を接眼レンズ５３４に提示した。明状態角度範囲でのＱＷＭ５５８の画像は水平な平面内に圧縮されたことが観察された。
【００５３】
球面及び楕円曲面ミラー双方からの焦点の位置を計算するために数学モデルが使用された。ａ及びｂをそれぞれの長軸及び短軸として、楕円率ｅ＝ａ／ｂの楕円断面では、（「ボール」の底から測定された）ミラーの焦点距離は、Ｆ〜ｂｅ ^２／２である。この結果は、コンパクトな設計、つまり焦点距離が短い場合には、ｅ＜１（扁平楕円）であることを示している。
【００５４】
シミュレーションの結果、所与の焦点距離では楕円形状に大きな性能上の利点はないことが示された（Ｆ＝Ｒ／２が非常に類似した性能を持つ）。また、曲面ＰＢＳへの垂直入射の近くで光線角度の歪みと照明均等性が最小化されることも明らかになった。
【００５５】
図５に示すシステム４１０を再度参照すると、光源４１２（拡散小バックライト）４１２とイメージャ４２６を同一平面上で且つ接眼レンズ４３４と同一軸に沿って配置することにより、明白な画像歪みのない良好な照明がイメージャ４２６から得られた。最もコンパクトな設計では、曲面ＰＢＳ４５０が、イメージャ４２６及び隣接光源４１２の共通端と位置合せされている。光源４１２を傾けることにより照明が若干改善された。この光源の出力は、二色性偏光子によって偏光された。
【００５６】
図８はもうひとつの実施例、つまり光源６１２がイメージャ６２６の上にくる光学イメージシステム６１０を示す。曲面デカルトＰＢＳ６５０を最初透過した入射光の偏光を回転させるのに曲面ＱＷＭ６５８が使用されている。イメージャ４２６の照明を最適化するために、ＱＷＭ６５８の曲面からの追加ビーム成形を使用しても構わない。
【００５７】
光源をＰＢＳのイメージャ側に配置するか、もしくはＰＢＳを切頭して光源を切頭端に隣接して配置することによって、リターダフィルムを排除することができる。
【００５８】
ＭＯＦ偏光子は、多数の多種多様な曲面に成形して、不均質な光源を平面またはその他の所望の場所に結像して均質性を高める手段を作ることができる。これは、均一な照明を得るために投影システム内に一般的に使用される小型レンズアレイを置換したり、あるいはそれを増やすのに使用することができる。図９は、小型レンズ形状のデカルトＰＢＳ７５０を含む光学イメージシステム７１０を示す。実験の結果、イメージャ７２６上に均一な照明を得るには光源領域７１２の形状が台形であることが最適であることが判明した。
【００５９】
図１０は、２曲線デカルトＰＢＳ８５０と２光源面平面８１２を含む、光学イメージシステム８１０を示す。図１０ｂに示す通り、単一ランプ８１１、照明／調整光学系８１５、及び小型レンズアレイ８１７を使用して２光源平面８１２を提供しても構わない。２光源ビームは、曲面デカルトＰＢＳ８５０から反射し、次にイメージャ８２６から反射する。投影レンズまたは接眼レンズ８３４は、投影または閲覧用に透過ビームを準備する。２つの曲面ＰＢＳが使用され、１つの縁で結合される場合（１つの成形部品である場合もある）には、２つの光源（または２つの平面）の使用が可能である。ユニオンライン８５３はイメージャの中心線の上にくるのが理想である。「光源平面」が均質な照明の平面である投影システムでも同じ概念が使用できるであろう。
【００６０】
現実の問題として、偏光解消カスケードとも呼ばれる複角偏光解消効果は、通常の反射イメージャ投影システム内の非常に高速な光学系の使用を制限する。図１１〜１８は、複角偏光解消効果または偏光解消カスケードの問題を図示したものである。マクニールＰＢＳの機能は入射光の入射角度に依存しているため、ブルースター角反射を利用したマクニールＰＢＳシステムはＰＢＳコーティングの垂直軸の周りの円柱座標においてより適切に記述される。しかし、結像システムは、固定直交軸に対して機能するイメージャを含む。この数量的な差の結果は、図１１と１２に示すプレ偏光光線、光線１〜４を検討することによって見分けられる。これらの図では、ｘ、ｙ、及びｚ軸は主光線に関して参照され、ｚ軸は主光線の伝播ベクトルに平行であり、ｙ軸はプレ偏光子透過軸に整合されている。プレ偏光子とＰＢＳとの間を通過する光について、ｘ、ｙ、及びｚ軸が示されている。ｙ軸は、この例では垂直方向として参照される。主光線は反射イメージャの表面に垂直である。ＰＢＳから反射した後の光線の各軸は、ｘ’、ｙ’、及びｚ’によって識別される。方向ｙとｙ’は平行である。
【００６１】
実際の光源は円錐形状の光束を投影する。ここではすべての光線は完全に平行ビームになっていない。したがって、実際の投影システムは光錐を使用するのが普通である。これらの光錐は円錐角によって定義される。円錐角とは、投影システムが使用できる光束のすべての光線を含む最小角度である。
【００６２】
図１１と１２の光線１、２、３、及び４は、このような光錐内にある４種類の光線を示している。光源７０は、プレ偏光子７２によって最初に調整された光錐を生成する。説明を分かりやすくするため、これらの光線は大きな屈折値で示されている。すべての光線はＰＢＳ７４に入射することが理解されるであろう。光線１はｚ軸に平行な主光線である。光線２〜４は、スキューレイ、つまり、主軸（Ｚ）に平行でない光線である。光線２の伝播ベクトルｋ_２はｘ成分を有し、水平に角度が付いている。つまり、ｋ_２ベクトルの端は、水平ｘ−ｚ平面の中で、光線２としてプレ偏光子上の同一場所から発する主光線の端から水平にずれている。光線３の伝播ベクトルｋ_３は、垂直成分を有し、そして垂直に角度が付いている（ｋ_３ベクトルの端は垂直なｙ−ｚ平面の中で、光線３としてのプレ偏光子上の同一場所から発する主光線の端から垂直にずれている）。光線４は垂直にも水平にも角度が付いている。投影システムの光錐内のこれら４タイプの光線の各々の相対量は、照明システムの詳細に依存する。一般的な照明システムにおける一般的なハロゲン化金属またはキセノンランプ光源は、簡単な位相空間要素から、タイプ１光線はほとんど提供せず、タイプ２光線はタイプ３光線と同じくらい提供し、そしてタイプ４の光線は他のどのタイプよりも多く提供する。
【００６３】
図１１の光線１は、投影システムの主光線であり、プレ偏光子７２によってｙ方向にプレ偏光される。光線１は、デカルト偏光子であれマクニール偏光子であれ、ｙまたはｓ偏光のいずれかを反射するよう配向された完全な反射偏光子によって１００％反射される。この光線の純粋なｙ偏光はまた、マクニールＰＢＳ用の純粋なｓ偏光でもある。つまり。偏光ベクトルは、ＰＢＳにより反射される光線の反射平面に垂直である（図１１のｘ−ｚ平面）。その後でｚ’軸に沿って、またそれに垂直に配置されたミラーまたはミラー状イメージャから反射されると、光線１は反射の後、純粋にｙ偏光及び純粋にｓ偏光された状態を維持し、光源の中へ高効率で反射により戻される。このため、光線１に似た光線は、デカルトＰＢＳまたはマクニールＰＢＳのいずれかと一緒に使用されるときは、非常に良好で漏れの少ない暗状態と、非常に高いコントラスト比を提供する。残念ながら、ほとんどの光源は完全な平行化された光を提供できない。
【００６４】
光線２は、ｘ成分を有する伝播方向（ｋ_２ベクトル）を持つよう、光線１から水平に偏向されてきた。光線２は、ｘ−ｚ平面に含まれる。つまり、光線２は水平平面内の角分散を有するのである。ｘ−ｚ平面はまだ反射平面であるため、光線２はまだＰＢＳからの反射の前後両方とも、そしてｚ’軸に沿って、またそれと垂直に配置されたミラー状イメージャからの反射後でもまだ完全にｙ偏向されている。光線２はまた、ｙ偏向がｓ偏向と同一であるという特性を有し、このため理想的なマクニール偏光子と理想的なデカルト偏光子はいずれも、この偏向によってこの光線がブルースター角から大きく逸脱しすぎることがないかぎり、光線２タイプの光線に対して等価な高いコントラストを提供しなければならない。これが発生すると、マクニール偏光子はｓ及びｐ偏光光の両方を反射し、イメージャから戻った光線がランプに反射で戻るようにする。
【００６５】
図１２の光線３は、光線３がｙ−ｚ平面に含まれるように、光線１から偏向されている。光線３は光線１に対して垂直に傾斜しており、垂直平面に沿って角度がずれている。今、純粋なｙ方向に沿った偏光に加えて、光線３は、ｚ方向の偏光の成分も含んでいる。図１８に示すように、後で反射イメージャから反射されると、結果として得られる光線３’’の反射平面は、もはや光線３’のときと同じではなくなる。光線３’’の偏光ベクトルは反射によって影響されていないため、偏光平面のこの回転は、光線３’’がもはや純粋にｓ偏光しておらず、部分的にｐ偏光していることを意味している。これは、これは、「偏光解消カスケード」の一部と呼ぶ反射による効果的な偏光解消を引き起こす。この偏光解消効果は、マクニールＰＢＳ及びデカルトＰＢＳが入射光を偏光する方法の相違点を分析した後に、更に以下で検討される。
【００６６】
図１３〜２０は更に主光線である光線１とＰＢＳからの垂直傾斜の光線３の反射を更に分かりやすく示している。ｘ軸とｚ軸は、ＰＢＳから反射した後、ｙ軸の周囲を回転し、ｚ軸を主光線の伝播方向に整列する。回転した軸は、ｘ’、ｙ’、ｚ’とラベルが付けられ、反射した光線はそれぞれ光線１’及び光線３’とラベル付けされる。
【００６７】
図１３〜２０では、実線のベクトルで示された主光線１はｚ方向に伝播する。図１３〜１６はＰＢＳ７４から反射されたときの光線１と３の経路を示す。ＰＢＳ７４は、ＰＢＳ面７８がキューブの内部対角面に沿って配置された点線のキューブ７６を含む。このキューブは入射光線を受光する入射面８０と、ＰＢＳ面から反射された光線がキューブを出るときに通過する出口面４５８を有する。
【００６８】
図１３は入射側の透視図であり、図１４は出口側の透視図である。図１５は上面８４の上面図であり、図１６はＰＢＳ７４の入射側立面図である。一点鎖線で示された光線３は、ｙ−ｚ平面に沿って光線１に対して３０°の角度で伝播する。光線１もまた同じｙ−ｚ平面に含まれている。説明を分かりやすくするため、両方の光線は垂直な鎖線軸の交差によって印されたＰＢＳ７４の表面上に同じ接点Ｐを有するものとして示されている。ＰＢＳ７４から反射すると、光線１’は負のｘ（ｚ’）方向に伝播するのに対して、光線３’はｘ−ｙ（＿ｙ，ｚ’）平面の中で３０°逸脱する。
【００６９】
図１７は、図１４の相当図であるがＰＢＳ面が従来のマクニールタイプを使用したものであり、当初は非偏光の光線１と３の偏光状態に反射が及ぼす影響を示している。光線１’と３’の反射成分の偏光状態は矢印の小さな方向によって示されている。反射面の法線は、＾ａとして示されている。光線１と光線３双方のｓ偏光状態が反射されるのが理解されるかもしれない。ただし、従来の反射偏光子は入射光線の入射平面に基づいて動作するため、光線１’及び光線３’それぞれの反射偏光状態は各光線の入射角度に対して垂直である。したがって、光線３’の偏光状態は、マクニールＰＢＳから反射した後、図１７に示すように、ｙ、ｚ’平面から離れるように回転される。つまり、通常のマクニール偏光子を含むシステムでは、垂直に傾斜した光線の反射は、主光線の反射に対して偏光解消される。この傾斜角度が大きければ大きいほど、偏光解消効果も大きくなる。傾斜角度３０°では、偏光解消効果は、反射平面の、従って所望のｙ、ｚ’平面からのｓ偏光光の偏光状態が３９．２°回転されることである。
【００７０】
図１７と対照的に、図１９は非偏光の光線１と光線３の両方が表示システム１０のデカルトＰＢＳ５０から反射するところを示している。デカルトＰＢＳ５０は固定垂直反射軸を有する。このデカルトＰＢＳ５０は３Ｍ先進多層複屈折フィルム、あるいはワイヤグリッド偏光子などの他の適切なデカルトＰＢＳ、あるいはその他のデカルト偏光子ＰＢＳを含む。
【００７１】
図１８は、ＰＢＳ７４からの光線３’の反射と、その後の反射イメージャからの光線３’’の反射を単純化して示している。本モデルでは、イメージャ暗状態における画素化またはストレイリターデイションによる回折及び散乱など、イメージャの性能要因に係わるコントラスト低下を避けるため、理想的なイメージャとしてミラーが使用される。ミラーは、光の偏光状態を回転せず、暗状態におけるほとんどのネマチックモードの理想的な反射ＬＣＤイメージャの機能を示す。
【００７２】
図１２に示す偏光解消効果は、光線３’’がイメージャ８６から反射されるときに増幅される。定量的には、光線３’の偏光状態がｙ−ｚ’平面から角度θずれると、ミラー状イメージャから戻る光線３’’の偏光ベクトルはｓ偏光状態から２θの角度を形成し、そのため偏光解消カスケードを被る。反射平面の回転から派生するこの純粋に幾何学的な効果により、ミラー化された光線３’’はｐ成分を所有し、これがマクニールＰＢＳから漏れて、システムの暗状態におけるコントラストを低下させる。この偏光解消カスケードの問題は、ＰＢＳとイメージャとの間に配置された色分解面など、他の傾斜した反射面の存在によって更に悪化する。スキューレイ偏光解消増加の詳細な扱い方は、関連箇所を参考として本書に組み入れたＡｌａｎ Ｅ．Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈ等の“Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｌｏｓｓｅｓ ｉｎ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙ ｆｒｏｍ Ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｂｙ Ｔｉｌｔｅｄ Ｂｅａｍ Ｓｐｌｉｔｔｅｒ Ｃｏａｔｉｎｇｓ”１９９７ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ，ｐｐ．２２６−９（以後、「Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈ ＩＤＲＣ」と呼ぶ）及び、Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓの中にある。
【００７３】
Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓでは、追加部品である四分の一波長板を主光線の偏光方向に平行または直角に配置することによって偏光解消を補償する方法について言及している。しかし、低Ｆナンバーでは、光の色成分を分離し再結合するものなど、他の傾斜表面から反射したスキューレイを原因としてＰＢＳによって誘発された偏光解消の増幅が発生する。Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈは、「Ｂｅａｍ−ｄｉｖｉｄｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｃｏａｔｉｎｇｓ ｇｉｖｅ ｒｉｓｅ ｔｏ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｃｒｏｓｓｔａｌｋ ｖｉａ ｃｏｍｐｏｕｎｄ−ａｎｇｌｅ ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ，ａｓ ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ．．．ｆｏｒ ａ ＰＢＳ ｃｏａｔｉｎｇ．．．．Ｔｈｅ ｄｅｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｇｉｖｅｓ ｒｉｓｅ ｔｏ ｕｎｄｅｓｉｒｅｄ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙ ｉｎ ｔｈｅ ｄａｒｋ ｓｔａｇｅ ｉｍａｇｅ，ｃａｕｓｉｎｇ ｃｏｎｔｒａｓｔ ｔｏ ｄｅｇｒａｄｅ ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ ｔｏ ＮＡ^−２」（ビーム分割干渉コーティングは、ＰＢＳコーティングについて図示されている通り、複角偏光解消による偏光のクロストークを引き起こす。この偏光解消は暗段階画像における不要な輝度を起こし、コントラストをＮＡ^−２に比例して劣化させる）と表明することにより、反射干渉コーティングの使用に反対している。Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｐｐ．３８３−８４を参照のこと。Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈは更に、「ｔｙｐｉｃａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｃｏｎｔｒａｓｔ ＞１００：１ ｌｉｍｉｔｓ ＮＡ ｔｏ〜０．１５ ［ｆ／３．３］ｆｏｒ ａ ＰＢＳ／ＴＮＬＣ ｍｏｄｕｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｎｇ ｗｉｔｈｏｕｔ ｑｕａｒｔｅｒ−ｗａｖｅ ｒｅｔａｒｄｅｒ」（四分の一波長リターダなしで動作するＰＢＳ／ＴＮＬＣモジュールではコントラスト＞１００：１の一般要件はＮＡを〜０．１５［ｆ／３．３］に制限する）と述べている。Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈ Ｃｏｎｔｒａｓｔ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ，ｐ．３８２を参照されたい。したがって、Ｒｏｓｅｎｂｌｕｔｈは、従来の偏光子の「偏光解消カスケード」効果は、マクニールＰＢＳを利用したプロジェクタのＦナンバーを約３．３以上に実効的に制限し、それによりこれらのシステムの光スループットを制限している。
【００７４】
一般に、デカルト偏光子５０は、ｙ偏光した光を反射し、ｘ偏光した光を透過する。図１９に示されている通り、これは非偏光の光についても当てはまる。デカルトＰＢＳ５０はＰＢＳの材料に固有かつ光線の入射角度に非依存の固定反射軸を有するため、当初ｙ偏光の光線３がスキュー光線３’として反射されたときの偏光は、反射した主光線１の偏光に対して大きくは回転されない。反射した光線３’の偏光状態は、反射光線を含むｙ−ｚ’平面とＰＢＳの垂直軸の中にあるよう拘束される。反射した光線３’は実質的なｘ’成分を有しない。
【００７５】
したがって、ｙ偏光光はスキューレイの入射角度とは無関係に、後の傾斜した反射面に向けられる。反射面が自らの一定の偏光解消を導入する可能性はあるが、偏光解消は存在しなくなるか最小となるため、その反射面はその光線の前から存在する偏光解消を増幅することはない。この効果は、ＬＣＤイメージャにほぼ純粋にｙ偏光した光線が与えられるよう確保し、またイメージャ到達前に導入された一定の度合いの回転を最小化する。
【００７６】
光線３’がデカルトＰＢＳ５０から反射される場合、偏光解消カスケードと図１２と１８に関連して記述されたコントラスト低下は発生しない。デカルトＰＢＳは、入射光がｓ偏光状態にあることを要求しないし、またそれから利益を得ることもない。
【００７７】
本発明は、きわめて広い範囲の入射角度を有する光線を利用できる光学イメージシステムの実施例を可能にする。本発明に基づく光学系は、Ｆナンバーが２．５未満で受入可能なシステムコントラストを持つ照明光学系を有する。受入可能なコントラストは、反射鏡を理想的なイメージャとして使用する投影システム内の全ての関連カラーバンドに対して少なくとも１００：１と定義される。デカルト偏光子５０など、本発明のシステム１０は、レンズスピードｆ／１．８を有し、またコントラスト比２００：１以上を提供する照明光学系で試験された。
【００７８】
要するに、本発明に基づく光学系は、マクニールＰＢＳではなくデカルトＰＢＳの使用によって偏光解消を最小化する。偏光解消効果を理解しこれを最小化することにより、本発明はきわめて低いＦナンバーを有する光学系の使用を可能にする。
【００７９】
本発明のシステムは、主光線に対して垂直にも水平にも角度の付いたスキューレイに更なる利点を提供する。図１２に戻って、光線４は、垂直にも水平にも角度がずれている。光線４の偏光ベクトルは、ｘ方向にもｙ及びｚ方向にも成分を含んでいる。反射した光線３’について記述されたすべての偏光解消効果は、従来の「入射平面」依存偏光子を含むシステムにおいて、反射した光線４’に対して発生する。さらに、ＬＣＤイメージャには、主要なｙ偏光とともにｘ’偏光の追加成分が与えられる。偏光解消成分は、マクニールＰＢＳまたは色分解面など、以後の傾斜反射面からの反射時に増幅される。増幅される偏光解消成分は、タイプ３の光線の場合と同様に、暗状態において同じ低下をもたらす。この効果に加えて、イメージャは通常、光のたったひとつの偏光でよく機能するよう最適化されるため、マクニールＰＢＳからの光の中にｘ’偏光成分が存在することによって更なるコントラスト低下が起こる場合がある。
【００８０】
それに対して、デカルトＰＢＳを使用する本発明の光結象システムは、一般に、偏光の反射したｘ成分を最小化することから優れた性能を提供する。
【００８１】
本発明は更に、投影システム内で反射デカルト偏光子を使用することの更なる利点を開示する。示された実施例にある通り、デカルト偏光子は、任意の入射角度に配向するか、あるいは容積を最小化し、キーストン補正を達成し、あるいは投影システムの性能を最適化するよう成形しても構わない。１つの実施形態例では、デカルトＰＢＳが主光線に対して４０〜５０°の間の角度に配向される。
【００８２】
ＰＢＳ５０は設定偏光軸を有するため、このＰＢＳ５０の配向は重要である。図２０は、ＰＢＳ５０が表面の法線の周りに９０°回転される場合は、光線１’と３’の偏光方向を示す。ＰＢＳ反射材料軸はいまは垂直でなく水平である。この場合、偏光状態は図１７のマクニールＰＢＳ用の回転と類似しているが反対の回転を受ける。より良い結果を得るためには、偏光方向が光線３’の伝播方向ｋ_３に垂直であり、反射材料軸とｋ_３により定義される平面に含まれるのが望ましい。光線１’に対する光線３’の偏光状態の回転は図２０に示される。
【００８３】
図２４と２５は、従来のＰＢＳシステム及び例示した３ＭフィルムデカルトＰＢＳ５０の場合の、偏光解消コントラスト比とＦナンバー及び受光角のコンピュータモデリングの結果を示している。本発明に基づくデカルトＰＢＳシステムはＦナンバーが低いほど、また受光角が広いほどはるかに良好なコントラスト比を提供することを注記することができる。
【００８４】
本発明の利点は、次の例に照らせばより良く理解できる。
【００８５】
例１
ファイバー光照明を有する投影システムテストベッドの性能
折曲光路内でデカルト偏光子を利用するための最善の方法を理解するため、反射イメージャ構成、２つのタイプのイメージャ、ＦＬＣＤを利用したイメージャ、及びネマチックを利用したイメージャが別々に検討された。
【００８６】
図２は、ＰＢＳが偏光子としてもアナライザとしても機能する反射ＬＣマイクロディスプレイを使用したコンパクトで経済性に優れたＬＣＤプロジェクタ構成を示す。図２の投影ディスプレイテストベッドの具現物が構築され、本発明に基づくシステムの性能の比較に使用された。第１システムは、広角デカルトＰＢＳを組み込んで試験され、第２システムは高性能なブルースター角ＰＢＳを使用して試験された。２枚の０．３ｍｍのガラスシートの間または２枚の０．７ｍｍのガラスシートの間に積層された３Ｍ多層高分子ＰＢＳフィルムが、代表的な広角デカルトＰＢＳとして使用された。コロラド州ゴールデン市に拠点を持つＢａｌｚｅｒｓ Ｔｈｉｎ Ｆｉｌｍ，Ｉｎｃ．製のものなど、高性能マクニールＰＢＳ高吸光度キューブがブルースター角ＰＢＳとして使用された。
【００８７】
マクニールＰＢＳキューブの性能の概要を以下に示す。
【００８８】
【表１】

【００８９】
ＰＢＳ構成部品は、最初はファイバー光照明で、ｆ／１．８〜８．０の照明光学系を有する光学イメージシステムの中で試験された。ファイバー光照明の照明プロファイルは滑らかに変化し、ほぼ均等拡散であったし、またイメージャを均等に照らさなかった。
【００９０】
使用されたイメージャの非理想性能を原因とする変数を避けるため、反射イメージャの効果は、ニュージャージー州バリントン市に拠点を置くＥｄｍｕｎｄ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ社製の四分の１波長フィルムなどの四分の一波長フィルムを前面ミラーに積層したイメージャを使用することによりモデル化された。フィルムの光学軸が入力偏光に対して４５°回転されると、明るい画像がスクリーンに投影された。四分の一波長フィルムが除去され、裸のアルミニウムミラーがイメージの位置に配置されると暗状態が発生した。この配置は、ＴＮもしくはＶＡＮ（垂直整列ネマチック）モードなど、ＬＣを光学軸に垂直に回転させる各ＬＣモードをモデル化した。四分の一波長フィルムがシステム内に保持されるがフィルムの光学軸が入力偏光に平行に（または垂直に）回されるよう回転されたときに代替暗状態が発生した。この代替配置は、ＦＬＣイメージャまたは四分の一波長補償フィルムをイメージャ上に配置して上記モードで機能する理想的なイメージャなど、このような配向のリターダを有するＬＣモードをモデル化した。
【００９１】
一般的に、コントラスト測定は、暗状態と明状態の両方について投影スクリーン上の９箇所で光スループットを測定してから、これらの測定の比率を計算することにより行われる。この比率はコントラストダイナミックレンジと呼ばれる。コントラストダイナミックレンジは、コントラスト比の１つの測定である。コントラストダイナミックレンジ比は、最も明るい状態での投影光スループットを最も暗い状態での光スループットで割ったものと定義される。上記の通り、ファイバー光はイメージャを均一に照らさないため、ファイバー照明の場合にはスクリーン中心部での一点測定が用いられた。コントラストダイナミックレンジの結果は、そのため、ファイバー照明用スクリーン中心部での一点値または他のすべての場合には９点平均値のいずれかであると理解すべきである。
【００９２】
ファイバー照明下での裸ミラー暗状態のケースでは、ダイナミックレンジ及び光スループットとＦナンバーが測定された。広角デカルトＰＢＳは、低Ｆナンバーにおいてマクニールキューブを大幅に上回るコントラスト性能を示した。
【００９３】
【表２】

【００９４】
性能をカラーバンドへと分解することが望ましい。但し、このような分解は、ファイバー照明では、特に青色スペクトルでは利用可能な光源レベルが低いことから、それが可能であるかどうかは判明していない。カラーバンドという用語は、白色光がカラー画像へと再結合される前に独立変調用に分解される波長バンドのことを指す。これらのバンドは、５０〜７０ｎｍなど、１００ｎｍ未満であるのが普通であり、３波長形赤色／緑色／青色画像形成システム内での黄色やシアンの光など、色域にとって好ましくない光を含まないよう選択されることが多い。表２内の例示データは、本発明のシステムについて別の赤色、緑色、及び青色のコントラストレベルが１００：１を超えると明示的に実証していないが、以下の表は、他の照明源についてコントラストレベルが１００：１を超えることを示している。しかし、準均等拡散白色光では、デカルトＰＢＳがマクニールＰＢＳより大きく優れていることが明白である。
【００９５】
測定されたスループットはマクニール及び広角デカルトシステムについて類似しているが、広角デカルトＰＢＳは増透膜を含んでいないのに対して、マクニールＰＢＳはそれを含んでいたことを注記しておく必要がある。測定された透過と角度データから、改善されたスループットの潜在力は、３Ｍ多層高分子フィルムの方が良いことが期待される。
【００９６】
各種光学イメージシステムの定量的性能は、また、投影レンズの瞳孔をスクリーン上に投影することによって調べられた。このような投影はスクリーン上の各位置への入射角度をマッピングする。コノスコープのコントラストグラフは、この瞳孔画像の明所視が平均化された表現である。瞳孔の画像を得るにはデジタルカメラが使用される。結果として得られた投影は、図２１〜２３に示されている。
【００９７】
図２１〜２３は、プレ偏光子及び後偏光子など、図２のプロジェクタテストベッドを通過した後ｆ／２投影レンズの瞳孔に存在する暗状態の光を示している。投影レンズの瞳孔では、光が角度により空間的にソートされる。したがって、これらの画像は、暗状態光透過と入射角度のコノスコーププロットである。これらの画像は、計算されたコントラスト結果である図３２〜３４に比較されても構わない。これらの結果については以下に更に完全に記述されるが、コントラスト比の計算のための明状態を提供するために四分の一波長フィルムが使用され、また図中の暗状態を示すのにミラーが使用された。図２１〜２３の画像は、良好な画像品質を提供するためにゲインの自動調整を行うデジタルカメラで撮られたが、それ以外は、すべての画像は同じ条件下で撮られた。このカメラはゲインを調整するので、これらの画像は定性的にのみ使用できる。各画像に関連付けられたフルスクリーンコントラスト値が比較のために以下に示される。
【００９８】
図２２は、マクニール偏光子の暗状態性能を示している。カラー描写では、これは左側に沿って特に赤く、４５°よりも垂直に近い角度でＰＢＳコーティングに入射する光に対応している。良好なコントラストの非常に深いマルタバンドを有するが、このバンドはまた非常に狭く、画像の頂面と底面に存在するタイプ３及び４のスキューレイが明るさを大きく増加させる。この瞳孔画像と関連するスクリーン上の白色コントラストは５３：１であるが、特定のカラーバンド上のコントラストは、観察された赤色の漏れによりこれよりも低くなる場合がある。
【００９９】
図２１は、３Ｍ ＤＢＥＦを使用したシステム例の暗状態の瞳孔画像である。この画像は、もっと暗さは低いがもっと広いマルタバンドを有する。スクリーン上で投影されると、この画像上の垂直バンドに若干の赤みがかった部分と、特にバンドの左側ではマルタバンドに明確な青色／緑色がかった部分があった。この赤色はマクニールＰＢＳの場合よりも顕著ではない。これはデカルト偏光子であることから、広い方のマルタバンド及びこの偏光子について見られるスキューレイ漏れの低下が予想される。性能が不十分であることの理由は、この偏光子が高吸光度用に設計されていないことである。これは、マクニールＰＢＳの明るさに対するそのマルタバンドの明るさにおいて明白である。このＤＢＥＦ ＰＢＳで測定された白色光コントラストは９５：１であったが、このコントラストは可視帯全体では均一ではなかった。これを実証するため、このケースでは、低い光量にかかわらず、この特定のサンプルの赤色、緑色及び青色のカラーバンドコントラストを測定する努力が払われた。このＤＢＥＦ ＰＢＳの赤色バンドコントラストが１０４：１、緑色バンドコントラストが９４：１、そして青色バンドコントラストが７９：１で測定された。このＤＢＥＦ ＰＢＳは、そのため、高コントラスト投影には受け入れ不能なＰＢＳとなるだろう。最後に、図２３は、３Ｍ多層高分子ＰＢＳの暗状態性能を示している。このカメラの自動ゲイン調整にもかかわらず、画像の全体的な暗さが顕著である。マルタバンドの幅は、マクニールＰＢＳまたはＤＢＥＦ ＰＢＳのいずれかの場合よりもずっと広く、タイプ３及び４の漏れは、他のどのケースにおけるよりもずっと軽度であった。このＰＢＳで測定された白色光コントラストは２２２：１であった。このＰＢＳのカラーバンドコントラストは、例２でもっと詳しく記述される。
【０１００】
図３１〜３５は、デカルト偏光子光学イメージシステムが投影システムの照明レッグの性能を如何にして改善するかを更にそしてより定量的に示す結果を呈示している。コンピュータコードを使用して、各表面または多層スタックからのストークスベクトルの透過または反射をモデル化した。各偏光状態の光度は、各波長での結果に、ＣＩＥ １９３１明所視応答機能の値と等エネルギー均等拡散光源のラジアンスで重み付けし、そして４００〜７００ｎｍの全波長に渡って積分することにより求められた。このように、偏光状態とコントラスト比などの結果は、円錐束内の各光線について求められた。このデータを呈示するため、図３１〜３５はコノスコープグラフを描いている。
【０１０１】
コノスコープグラフは、θを径座標とする２次元極座標系を使用することにより、極座標角度θとφによって変化するデータを呈示する。これは、上半球をディスク上にマッピングし、一定のθのリングと一定のφの光線に沿ってデータをプロットする。コノスコープグラフは、角コントラスト比、つまりコントラスト比（ＣＲ）と視野角のグラフ化により液晶ディスプレイなどの装置の角度性能を図示するのに一般的に使用される。いくつかの角度での各光線の暗状態の輝度に対する明状態の輝度の比率を形成し、一定のＣＲの輪郭をコノスコープによりプロットする。偏光データのセットをコノスコープでグラフ化する技術も開発された。
【０１０２】
図３１は、Ｘ−Ｙ平面にある垂直またはＹ配向した直線偏光子について計算され、この第１偏光子と平行な平面内にある第２の同一の偏光子で分析されたコノスコープＣＲ輪郭図である。（透過軸の配向を見るのに偏光子の配向が使用される。）アナライザがＹ軸に平行に配向されたときに明状態が発生し、アナライザがそれに垂直になったときに暗状態が発生した。この特徴的なパターンはマルタクロスと呼ばれ、φ＝０，１８０°及びφ＝±９０°によって定義される主平面周りの高コントラスト領域がこのクロスのダークアームを形成する。明状態輝度の角度に応じた変化は小さめであるのが普通であるため、高角ＣＲの領域も非常に暗い。このケースでは、角度範囲が小さいことから、実際のマルタクロスとの類似性は少しである。θ＞６０°では、これはもっと大きくなる。
【０１０３】
またコノスコープ形式を使用して、単一プロット上の角度依存偏光データをたくさん呈示することもできる。光線の偏光状態を記述する一般的な方法は、その偏りの楕円、つまり振動期間に渡って電界ベクトルの端点が描く曲線による方法である。この楕円は、光線の方向に垂直な平面内にある１組の直交参照座標に対する光線の偏光状態の大きさと配向をグラフィカルに表示する。重要な特殊なケースとしては、円偏光（この楕円が円になる）及び直線偏光（この楕円が直線へと縮退する）が含まれる。
【０１０４】
いかなるθ及びφの場合も、θ及びφによって定義される局所ｓ−ｐ座標系内の偏りの楕円は、グローバルＸ−Ｙ座標系内で（−φにより）回転されグラフ化される。この変換により、複数の角度依存偏光データセットを単一の共通参照によって呈示できる。例えば、このようにプロットすれば、狭い垂直楕円がＹ−Ｚ平面内の直線偏光に近い状態を示す。Ｙ軸に平行な直線偏光は、θ＝０、またはφ＝０もしくは１８０°のときに起こる特殊なケースであることに留意されたい。これは、Ｙ軸が光線方向に垂直な平面内に実際に存在するのはこれらのケースだけであるからである。狭い水平の楕円の場合にも、類似した解釈ができる。この技術の改良点は、光の偏光度（ＤＰ）によって楕円のサイズに重み付けを行うことである。（このＤＰは、明確に定義された偏光状態における全光度のうちのその部分である。自然光は、無作為に偏光され、
【数１】

を有する。）
【０１０５】
図２６は、角度θ＝０°，１０°，２０°，３０°及びφ＝０°，３０°．．．３３０°に沿って、垂直またはＹ方向を向いた偏光子の中を通過した当初非偏光の光線の計算された偏光状態を示している。θ＝３０°及びφ＝６０°の楕円が特に示されている。このモデルは、代表的な高品質な直線偏光子のためのものであり、そのため楕円が基本的に垂直な線である。しかし、主平面から離れた大きな入射角度では、垂直から離れる楕円のわずかな回転があることに留意されたい。（この効果はθ＞５０°の場合に顕著である。）これらの方向に沿って偏光子から出てくる光は、他の方向に伝播する光よりも、垂直にはより少なく、水平にはより多く偏光している。交叉（水平またはＸ方向の）偏光子の楕円パターンは、図２６を９０°回転したものと同一となる。主平面の中では、交叉偏光子用の各楕円が直交し、光がこれらの方向に通過するのが邪魔される。大きな入射角度では、また主平面から離れると、これらの２つの偏光子の楕円はもはや直交しなくなり（実際、これらは反対方向に回転される）、これは、光が漏れなければならないことを示している。
【０１０６】
図３４は、ｘ−ｙ平面にあるｙ−方向の直線偏光子、そしてその次にｙ軸に平行な反射軸とｘ−ｙ平面に４５°の角度で配向した表面の法線を持つ２軸多層高分子反射偏光子のコノスコープＣＲ輪郭図である。この特定の反射偏光子は、特にデカルトタイプの偏光ビームスプリッタとして使用するよう設計された。明状態は、ｙ軸に平行に偏光した光を通過させるようアナライザが配向されたときに発生し、暗状態はアナライザがｙ軸に平行に偏光された光を遮るよう配向されたときに発生した。図３４に示されたＣＲと角度のパターンはマルタバンドと呼ばれ、非共面偏光子によって形成されたパターンに類似している。（その例では、第２偏光子の平面がｙ軸の周りに回転されるに連れて、マルタクロスパターンがＸ軸に沿って移動される。マルタバンドはその結果、マルタクロスの１つのアームに示される。）φ＝１８０°及びθ＝４５°のときに垂直入射が発生する。負の（φ＝１８０°）ｘ軸に沿って、光線はもっと垂直に近くビームスプリッタの表面を当たる。角度が小さい反射効率の改善により、このバンドは負のｘ軸に沿って広くなる。
【０１０７】
偏光子とビームスプリッタの組合せについて計算された最高の角ＣＲは、偏光子単独の場合よりずっと大きく、計算された最低ＣＲはずっと小さかった。反射偏光子が第１偏光子からの光に作用する２つの方法がある。第１は、非偏光光の量の低下によるものである。非偏光光の低下は、不要な偏光の量の低下である。反射偏光子は、実際、限定された角度範囲に対する光の偏光度（ＤＰ）を高める。光は、この場合には高ＤＰを持つ第１偏光子から約９９．８０〜９９．８０％出てくるが、ビームスプリッタと縦続することにより、ＤＰは９９．９８％にまで高められる。反射偏光子が第１偏光子からの光に作用する２番目のやり方は、その偏光の性格を直線偏光を回転するか楕円率を導入することである。図２７は、ＰＢＳによる反射の後の垂直偏光について計算された偏光の楕円を示す。図２６との比較から、反射偏光子は楕円率を追加していないが、偏光を回転させたことがわかる。垂直から大きく回転された楕円を持つ領域は、図３４の低角ＣＲを持つ同一領域であることが示されている。
【０１０８】
上記の効果を説明する方法は、偏光解消コントラスト比（ＤＣＲ）と従来のＰＢＳを含む光学イメージシステム及びデカルトＰＢＳを含むシステムのＦナンバーとの対比である。図２４と２５はこれらの結果のプロットである。偏光解消コントラスト比は、垂直（ｙ）アナライザを通ってプレ偏光子／ＰＢＳを出る反射光の透過と水平（ｘ’）アナライザを通ってプレ偏光子／ＰＢＳを出る反射光の透過の比として定義される。当業者は、広角デカルトＰＢＳが、マクニールＰＢＳと比べて、低Ｆナンバーで並外れたＤＣＲを有することを理解するであろう。
【０１０９】
角ＣＲは、ＤＣＲに非常に類似している。反射する光の偏光を維持することがビームスプリッタの能力の尺度である。しかし、ＤＣＲと角度との対比は、全φに対する明状態及び暗状態輝度をθの何らかの値に統合し、その比率を取ることによって計算されるのであり、角ＣＲを統合することによってではない。予期される通り、偏光子とビームスプリッタの組合せは、大きなＦナンバー（小さな角度）に対してより大きなＤＣＲを有する。
【０１１０】
図３２はまた、ｘ−ｙ平面内にあるｙ配向の直線偏光子と、その次にｙ軸に平行な反射軸とｘ−ｙ平面に対して４５°の角度で配向された表面の法線を持つ反射偏光子について計算された角ＣＲを示す。この例の３Ｍ先進フィルム２軸多層高分子反射偏光子は、当初は、３Ｍのデュアルブライトネス強化フィルム（ＤＢＥＦ）と同様に、広い角度範囲に対してＬＣＤの明るさを強化するよう設計された。図３２に示された角ＣＲパターンは、図３４に比べて、非常に高いコントラストのより狭いバンドを有する。約ｆ／１４（θ＞２°）未満のＦナンバー用の３Ｍ先進フィルムを含むよう設計された光学イメージシステムの優位性は、図３２と３４にはっきりと示されている。ＤＢＥＦ偏光楕円プロット（図２８）をビームスプリッタプロット（図２７）に比較しても明らかにはならないが、ビームスプリッタは実際、より大きな角度範囲に対してもっと垂直に近い偏光を提供するのである。これはまたより大きなＤＰの光を作る。
【０１１１】
上記の２つの反射偏光子は実質的にデカルト偏光子である。それに比べて、マクニールタイプ偏光子はそうではない。その多層オプティカルコーティングは等方性材料で作られており、ブルースター角現象に依存して１つの偏光を反射し２番目の偏光を透過する。図３３は、ｘ−ｙ平面内にあるｙ配向の直線偏光子と、その次にｙ軸に平行な傾斜軸を有する４５°マクニールキューブタイプ反射偏光子について計算された角ＣＲを示している。このＣＲは、キューブ出力面に平行なｙ−ｚ平面内に分析偏光子（第１直線偏光子と同一）を配置することによって計算された。この角ＣＲパターンは、正のｘ軸に沿って若干大きくなる大きなＣＲの縮小領域を有する点において、２つのデカルト偏光子の角ＣＲパターンとは異なる。図２４と２５は、この特定のマクニール偏光子がｆ／２でこれらのデカルト偏光子のどちらよりも大幅に悪いこと、そしてもっと小さな円錐角範囲に渡って有用なコントラストを提供することを示している。
【０１１２】
図２９は、当初は非偏光の光で照らされるマクニール偏光子の偏光楕円のコノスコーププロットであるが、これはまたデカルト偏光子とは非常に異なる挙動を表示している。ブルースター現象への依存は、φ＝９０°軸（ｙ軸で配向）に沿った角楕円の激しい回転において特に明白である。ｙ軸に沿って、入射角度を大きくすると、４５°コーティングを打つ光線の反射平面を回転させる。コーティングがＳ偏光を反射するに連れて、反射光線の偏光も回転しなければならない。これらのスキューレイは、入射角の増大とともに大きくなる偏光度回転を持つマクニール偏光子によって最も多く回転させられる。
【０１１３】
デカルト偏光子は、ビームスプリッタ用途で間違って適用される場合があることに注意されたい。この点を説明するため、ｘ−ｙ平面内にある水平またはｘ配向の直線偏光子と、その次にｙ軸に平行な透過軸とｘ−ｙ平面に対して４５°の角度の表面の法線を持つ反射偏光子の角ＣＲが計算された。上記の第２例でＰＢＳとして使用されたのと同じ反射偏光子は、この実験で使用され、水平偏光を反射するようその法線の周りに９０°だけ回転された。図３５は、この場合は良好な性能の領域が非常に小さく非常に狭いマルタバンドを示している。結果は図３０で確認された。この図では、非偏光光で照らされた水平なＰＢＳは、所望の方向、この場合はｘ方向、から離れて強く回転された偏光状態をもつ光を透過するように見える。
【０１１４】
図３５の考察の結果、水平に偏光された光を反射するよう配向されたビームスプリッタフィルムは、それが垂直に偏光された光を反射するよう配向されたときに良好なデカルト偏光子であるにもかかわらず偏光を維持するのが不得手であることを示している。前の例では、第１偏光子の透過軸と第２偏光子の反射軸は平行であり、反射はほとんどｓ偏光光であった。この場合、第１偏光子の透過軸と第２偏光子の反射軸は単に同一平面上にあり、その反射はほとんどｐ偏光光である。回転なしに偏光光を反射するこのデカルト偏光子の能力は、入射角度に伴う反射の変動を最小限にするためのその反射軸の好適な配向を必要とする。
【０１１５】
ファイバー照明分析の結果は、マクニール高吸光度ＰＢＳキューブを含むＴＮイメージャシステムは、デカルト偏光子を含むＴＮイメージャシステムのそれと同じくらい高いコントラストを提供しないことを示している。
【０１１６】
例２
Ｒａｎｔｓｃｈ照明を持つ投影システムテストベッドの性能
第２に、各システムは、図４に示す対小型レンズアレイ（Ｒａｎｔｓｃｈ）照明を使用して例１の場合と同じパラメータで試験された。Ｒａｎｔｓｃｈ照明の場合、照明プロファイルは小型レンズアレイインテグレータにより非常に構造化され、イメージャは更に均一に照明された。Ｒａｎｔｓｃｈ照明は、電子プロジェクタの中に一般的に使用される。
【０１１７】
これらの光学イメージシステムは、１．８〜８．０のＦナンバーの構成部品を使用して試験された。ダイナミックレンジは上記の通り測定された。
【０１１８】
Ｒａｎｔｓｃｈ照明でのマクニールキューブの場合、四分の一波長補償フィルムのある場合とない場合における以下のダイナミックレンジと光スループットが測定された。四分の一波長補償は、四分の一波長補償フィルム（ＱＷＦ）をイメージャに入射する光の偏光方向に対して０°の角度に配置して暗状態を提供することにより達成される。この構成はＦＬＣＤイメージャをモデル化する。ネマチックイメージャをモデル化するために、暗状態でミラーが単独で使用された。この例では、結果がカラーバンド毎に報告できるだけの十分な照明が利用できた。
【０１１９】
【表３】

【０１２０】
【表４】

【０１２１】
広角デカルトＰＢＳによる測定で以下の結果が出た。
【０１２２】
【表５】

【０１２３】
【表６】

【０１２４】
例２は、実際の投影システムの配置にもっとよく似ている。この例では、マクニールキューブのコントラスト性能は、広角デカルトＰＢＳのそれよりずっと低い。その差は、ファイバー照明を使用して見られるものよりもずっと大きい。
【０１２５】
結果の要約
３Ｍ先進フィルムデカルトＰＢＳを含む、反射ネマチックＬＣＤを利用した電子投影システムは、マクニール偏光子ＰＢＳを含むシステムに対して数多くの利点を有すると観察された。これらは、以下を含む。
１．デカルトＰＢＳシステムは、考察したすべての照明プロファイルについて、低Ｆナンバーについて特に、マクニールＰＢＳより高いコントラストを提供する。
２．デカルトＰＢＳシステムは、測定された全カラーバンドについて、類似のマクニールＰＢＳシステムより高いコントラストを提供する。ケラー及び臨界照明を含むシステムにはより高いコントラストが存在すると予想される。このように高いコントラストにより、ＰＢＳへのコントラスト要素による制約が少なくなることから、照明システムの設計者は、照明均一度とスループットを最適化できる。
【０１２６】
この仕事の土台となる理論的検討に従って、試験されたデカルトＰＢＳについて達成された一般的な結果は、任意の広角デカルトＰＢＳに適用可能である。代替実施例は、ワイヤグリッド偏光子などの他の適切なデカルトＰＢＳを含んでも構わない。
【０１２７】
理論に縛られることは望まないが、垂直入射からかなり離れた角度での受け入れ可能なコントラストは、ねじれネマチック（ＴＮ）イメージャよりもＦＬＣＤイメージャで達成する方が容易であることが判明している。したがって、ＦＬＣＤイメージャは、非常に小さなＦナンバーでＴＮイメージャよりも優れたコントラストを提供するため、広角ＰＢＳと一緒に使用されたときに、ＴＮイメージャに比べたＦＬＣＤの潜在的光利用効率が改善される。広角デカルトＰＢＳとＦＬＣＤイメージャを組み合わせると、色分解プリズムがＦナンバーを制限しない順次式カラーシステムなどでより高速な光ビームを使用できる。この種のシステムあるいは２以下のＦナンバーが使用できるシステムでは、高速な光ビームを持つＦＬＣＤのコントラストの利点により、より効率の高い光スループットが実現できる。
【０１２８】
当業者は、光投影システムまたはその他の偏光を使用する結像システムを設計する際に本発明が使用できることを理解するであろう。本発明は、好適な実施形態例を参照しながら記述されたが、本発明は本発明の精神に反することなく他の特定の形態で実施することができる。したがって、本書で記述及び図解された実施例は例示目的のみのものであると理解されなければならず、本発明の範囲を制限するものと考えてはならない。本発明の精神と範囲に従って他の変更と修正を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に基づいた光投影システムの簡易概略平面図である。
【図２】 本発明に基づいた光投影システムの第２実施例の簡易概略平面図である。
【図３】 本発明に基づいた光投影システムの第３実施例の簡易概略平面図である。
【図４】 本発明に基づいた光投影システムの第４実施例の簡易概略平面図である。
【図５】 光システム内の１つ以上のビーム整形レンズの代わりに使用できる曲面ＰＢＳの透視図である。
【図６】 ３Ｍ多層ポリマーＰＢＳフィルムに２次元曲率を与えるための手段である。
【図７】 曲面ＰＢＳを使用するマイクロディスプレイの光学縦列である。
【図８】 光バルブがイメージャ上に配置される実施例である。曲面デカルトＰＢＳの中を最初に透過した入射光の偏光を回転するために曲面ＱＷＮが使用される。
【図９】 小型レンズ形のデカルトＰＢＳを含む光結像装置である。
【図１０】 ２曲面デカルトＰＢＳと２光源平面を含む光学イメージシステムである。
【図１１】 主光線及び水平に角度の付いたスキューレイの光路図の透視図である。
【図１２】 ２つのタイプの垂直に角度の付いたスキューレイの光路図の透視図である。
【図１３】 主光線及び垂直傾斜光線の進路を示すＰＢＳの入射側等角図である。
【図１４】 同一光線の光路を示した、図１３に図解のＰＢＳの出口側等角図である。
【図１５】 前記光線の光路を示した、図１３に図解のＰＢＳの上面図である。
【図１６】 前記光線の光路を示した、図１３に図解のＰＢＳの入射側の立面図である。
【図１７】 反射光線の光路と偏光を示した、マクニールＰＢＳの出口側等角図である。
【図１８】 ＰＢＳから、そして反射イメージャから反射したスキューレイの光路の簡易透視図である。
【図１９】 反射光線の光路と偏光を示した、図２に図解のデカルトＰＢＳの出口の等角図である。
【図２０】 反射光線の光路と偏光を示す、回転されたデカルトＰＢＳの出口の透視図である。
【図２１】 ＰＢＳとして使用される３Ｍ ＤＢＥＦシートを含む、光結像装置の瞳孔イメージの投影である。
【図２２】 マクニールＰＢＳを含む、光学イメージシステムの瞳孔イメージの投影である。
【図２３】 広角デカルトＰＢＳを含む本発明に基づく光学イメージシステムの瞳孔イメージの投影である。
【図２４】 ３Ｍ先進フィルムデカルトＰＢＳとマクニールＰＢＳを使用した光学イメージシステムにおける、モデル化偏光解消コントラスト比とＦナンバーのグラフである。
【図２５】 ３Ｍ多層高分子デカルトＰＢＳとマクニールＰＢＳを使用した光学イメージシステムの場合における、モデル化偏光解消コントラスト比と受光角のグラフである。
【図２６】 当初の非偏光光が直線吸収偏光子を通過した後の偏光状態を示すコノスコープチャートである。
【図２７】 当初の非偏光光が反射偏光軸周りの主光線方向に対して４５°回転された多層高分子反射ＰＢＳから反射した後の偏光状態を示すコノスコープチャートである（図２参照）。
【図２８】 当初の非偏光光が、図２７と同様に回転された３Ｍ ＤＢＥＦのシートから反射した後の偏光状態を示すコノスコープチャートである。
【図２９】 当初の非偏光光が、マクニールＰＢＳから反射した後の偏光状態を示すコノスコープチャートである。
【図３０】 当初の非偏光光が透過偏光軸の周りの主光線の方向に対して４５°回転された多層ポリマー反射ＰＢＳから反射した後の偏光状態のコノスコープ図である。
【図３１】 第１偏光子に平行な平面内にある第２同一偏光子で分析された、垂直配向直線偏光子のコノスコープによるコントラスト比の等高線図である。
【図３２】 ｙ配向直線偏光子、次に反射軸がｙ軸に平行で表面の法線がｘ−ｙ平面に対して４５°の角度で配向している２軸多層高分子反射偏光子、更にその次にｙ−ｚ平面内の分析偏光子のコノスコープによるコントラスト比の等高線図である。反射偏光子は、広い角度範囲においてＬＣＤの明るさを高めるよう設計された。
【図３３】 ｘ−ｙ平面にあるｙ配向直線偏光子、次にチルト軸がｙ軸に平行な４５°マクニールキューブ型反射偏光子、さらにその次にｙ−ｚ平面内の解析偏光子のコノスコープによるコントラスト比の等高線図である。
【図３４】 ｘ−ｙ平面内のｙ配向直線偏光子、次に反射軸がｙ軸に平行で表面の法線がｘ−ｙ平面に対して４５°配向した２軸多層高分子反射偏光子、さらにその次にｙ−ｚ平面内の解析偏光子のコノスコープによるコントラスト比の等高線図である。この例における反射偏光子は、デカルト偏光ビームスプリッタとして機能するよう設計された。
【図３５】 ｘ−ｙ平面内にあるｘ配向直線偏光子、次に透過軸がｙ軸に平行で表面の法線がｘ−ｙ平面に対して４５°の角度になっている２軸多層高分子反射偏光子、更にその次にｙ−ｚ平面内の解析偏光子のコノスコープによるコントラスト比の等高線図である。この例の反射偏光子は、デカルト偏光ビームスプリッタとして機能するよう設計された。

Claims (15)

1. ａ）固定偏光軸を画定する構造的配向を有する広角デカルト偏光ビームスプリッタ（５０）と、
   ｂ）少なくとも１つの反射光バルブ（２６）と、
   ｃ）前記少なくとも１つの反射光バルブを、前記広角デカルト偏光ビームスプリッタを介して、２．５以下のＦナンバーを有する光で照明する光バルブ照明光学系（１５）と、を含み、
   前記偏光ビームスプリッタが、入射光を、前記固定偏光軸により画定される座標システムに参照される偏光状態を有する第１及び第２の実質的に偏光されたビームに分離し、前記第１偏光ビームを前記反射光バルブ上に向け、
   可視光範囲内の投影されたカラーバンドに渡って少なくとも１００：１のダイナミックレンジを有する、光学イメージシステム（１０）。
2. 前記システムが約１２度の最小受け入れ円錐角を有する、請求項１に記載の光学イメージシステム。
3. コントラスト比が１５０：１を超える、請求項１に記載の光学イメージシステム。
4. 前記光バルブ照明光学系が高くとも２．０のＦナンバーを有する、請求項１に記載の光学イメージシステム。
5. コントラスト比が１５０：１を超える、請求項４に記載の光学イメージシステム。
6. 前記反射光バルブが偏光変調液晶光バルブである、請求項１に記載の光学イメージシステム。
7. 前記デカルト偏光ビームスプリッタと前記反射光バルブとの間に光学的に配置された四分の一波長補償器を更に含む、請求項１に記載の光学イメージシステム。
8. プレ偏光子（１５ａ）を更に含み、前記プレ偏光子が入力光をプレ偏光光に偏光し、前記プレ偏光光が前記広角デカルト偏光ビームスプリッタへ入射する、請求項１に記載の光学イメージシステム。
9. 前記第１偏光ビームが中心光線を有し、前記少なくとも１つの反射光バルブが反射平面を画定する反射表面を有し、前記中心光線が前記反射平面に垂直である、請求項１に記載の光学イメージシステム。
10. 前記広角デカルト偏光ビームスプリッタが多層高分子フィルムを含む、請求項１に記載の光学イメージシステム。
11. 前記照明光学系が１．８以下のＦナンバーを有する、請求項１に記載の光学イメージシステム。
12. 前記広角デカルト偏光ビームスプリッタが回転軸及び材料軸を有し、反射光は実質的に偏光され、前記回転軸が前記材料軸に平行に配向される、請求項１に記載の光学イメージシステム。
13. 前記デカルト偏光ビームスプリッタが少なくとも１つの軸に沿って湾曲している、請求項１に記載の光学イメージシステム。
14. 入射光の中心光線が、前記デカルト偏光ビームスプリッタに、４０°と５０°の間の角度で入射する、請求項１に記載の光学イメージシステム。
15. ａ）光線を提供する照明システム（１２）と、
    ｂ）前記光ビームを受け取りその光ビームを第１及び第２偏光成分に分離するよう光学的に整列され、固定偏光軸を画定する構造的配向を有する多層高分子フィルム（５２）を含む広角デカルト偏光ビームスプリッタ（５０）と、
    ｃ）前記第１偏光成分を受け取るよう光学的に整列され、前記第１偏光成分を赤色、緑色、及び青色ビームに分解する色分解（３６）プリズムと、
    ｄ）前記光ビームを整えるために光学的に整列され、前方進行光を前記広角デカルトビームスプリッタに伝達する２．５以下のＦナンバーを有する、光バルブ照明光学系（１５）と、
    ｅ）前記赤色、緑色、及び青色ビームをそれぞれ受け取るよう光学的に整列された少なくとも３つの反射光バルブ（２６、２８、３０）と、を含み、
    前記広角デカルト偏光ビームスプリッタを介して前記少なくとも３つの反射光バルブから反射された画像光が少なくとも１５０：１のダイナミックレンジを有する、光学イメージシステム。

Images