JP4672942B2 - 偏光ビーム・スプリッタを備えたイメージ投影システム - Google Patents

Description

【０００１】
１．発明の分野
本発明は、光の一方の直線偏光を反射し、他方の直線偏光を透過する偏光ビーム・スプリッタを備えた、可視スペクトル内で動作可能なイメージ投影システムに関する。特に、本発明は、光源光の電磁波と相互作用し、概して一方の偏光の光を透過または通過させ、他方の偏光の光を反射する複数の長い反射素子から構成された、小型で軽量なビーム・スプリッタを備えたイメージ投影システムに関する。
【０００２】
２．先行技術
偏光は、投影液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）などの特定の用途において必要である。かかるディスプレイは通常、光源と、光を集めて焦点を合わせるレンズなどの光学素子と、一方の偏光の光を液晶アレイに透過する偏光子と、光の偏光を操作してそのイメージ情報を符号化する液晶アレイと、該アレイの各ピクセルをアドレス指定して偏光を変更するか保持する手段と、選択されたピクセルからの不要な光を拒絶する第２の偏光子（アナライザーと呼ばれる）と、イメージが合焦されるスクリーンとから構成されている。
【０００３】
単一の偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）を用いて、第１の偏光子および第２の偏光子（アナライザー）の両方としての役割を果たさせることが可能である。液晶アレイが反射型、たとえばリキッド・クリスタル・オン・シリコン（ＬＣＯＳ）光弁である場合には、選択されたピクセルの偏光を変えることによりイメージを符号化した後に、偏光子から来るビームを直接偏光子に反射することができる。かかるシステムはＴａｋａｎａｓｈｉ（米国特許第５，２３９，３２２号）によって予見されていた。その概念はＦｒｉｔｚ ａｎｄ Ｇｏｌｄ（米国特許第５，５１３，０２３号）によって精巧にされた。これらの類似のアプローチは、光学的なレイアウトおよび性能における重要な利点を提供する。しかし、従来の偏光ビーム・スプリッタの欠陥のために、何れも実際に実現はされていない。投影液晶ディスプレイに従来の偏光ビーム・スプリッタを用いることの欠点は、明るくなくコントラストが悪く、カラーバランスが不均一で強度も均一でない（光円錐上で性能が不均一であるため）イメージを含む。また、多数の従来の偏光ビーム・スプリッタは、過熱のために寿命が短く、非常に高価である。
【０００４】
かかるイメージ投影システムは従来のブラウン管（ＣＲＴ）技術よりも高価になる可能性が高いので、かかるシステムが商業的に成功を収めるためには、従来のＣＲＴテレビ・ディスプレイによって提供されるイメージよりも遥かに優れたイメージを提供しなければならない。したがって、イメージ投影システムは（１）適切な色またはカラーバランスのある明るいイメージを提供し、（２）良好なイメージコントラストを有しており、（３）できるだけ安価でなければならない。改良型の偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）は、表示システムの潜在的性能を決定する限定的な構成部品であるので、この目標を達成する重要な部分である。
【０００５】
表示性能に大きく影響するＰＢＳの特性は、（１）偏光子が機能できる開口角すなわちｆ数、（２）ＰＢＳの使用と関連づけられた吸収すなわちエネルギー損失および（３）ＰＢＳの耐久性である。光学において、開口角すなわちｆ数は、ＰＢＳが所望の性能レベルを用いかつ維持できる光円錐の角度を示している。円錐が大きい方がより多くの光を光源から集めることができ、より大きいエネルギー効率およびより小型のシステムにつながるので、より大きい円錐すなわちより小さいｆ数が望ましい。
【０００６】
より多くの光が失われるほど、ビュー・スクリーンに投影することができる光はより僅かしか残らないので、ＰＢＳの使用と関連づけられた吸収およびエネルギー損失はシステムの明るさに影響することは明らかである。また、特に光学系を通過する光が１平方センチメートル当たりのワット数で非常に強いイメージ投影システムにおいては、偏光子によって吸収される光エネルギーの量はその耐久性に影響する。この強度の光は、ポラロイド・シートなどの一般的な偏光子に容易に損傷を与え得る。実際に、耐久性の問題は、これらの用途において用いることができる偏光子を限定する。
【０００７】
投影システムを小型で軽量にできるほどその製品は安価になり耐久性が高くなるので、耐久性も重要である。しかし、この目標を達成するためには、光の強度をさらに高くしなければならず、ＰＢＳをさらに圧迫してその寿命を短くしてしまう。
【０００８】
従来のＰＢＳ装置の問題をはらむ欠点は、ディスプレイにおける主たる重要な性能要因である変換効率の悪さである。変換効率は、光源が必要とする電力（electrical power）のうちどれほどが、見る人が目に留めるスクリーン上またはパネル上の光強度パワーに変換されるかを示す尺度である。それは、スクリーン上の全光パワーを光源が必要とする電力で割った比率として表示される。従来の単位はルーメン／ワットである。多くの理由で高い比率が望ましい。たとえば、低い変換効率はより明るい光源を必要とし、それに付随してパワー供給が大きくなったり、過熱されたり、収容部やキャビネットが大きくなったりする。また、低変換効率のこれらの結果の全てが投影システムのコストを上げることになる。
【０００９】
低変換効率の根本的な原因は、光学系のｆ数に直接関係する光効率が悪いことである。その点を除いて均等なシステムのｆ数の半分のｆ数を有するシステムは、光源から光を集める効率としては４倍になる潜在性を有している。したがって、遥かに小さい潜在的なｆ数（より大きい開口角）を提供することにより光エネルギーをより効率的に取り入れることを可能にし、したがってルーメン／ワットで測定された変換効率を高める、改良型の偏光ビーム・スプリッタ（ＰＢＳ）を提供することが望ましい。
【００１０】
投影システムにおけるビーム・スプリッタとして用いられたときに、変換効率に関して従来の偏光ビーム・スプリッタの性能が悪いのにはいくつかの理由がある。第１に、現在のビーム・スプリッタは、光が特定の角度で（あるいは、少なくとも、この主入射角を中心にした狭い角度円錐内で）、それらに当たらない場合にはうまく作用しない。この角度からの主要な光ビームの屈曲は、各種類の偏光ビーム・スプリッタに、強度、偏光の純度および／またはカラーバランスを低下させる。このことは、光源から来るビームにも、液晶アレイから反射されるビームにも当てはまる。この主入射角は、これらの多様なビーム・スプリッタに採用される、ＰＢＳの設計および構成ならびに偏光メカニズムの物理的性質に左右される。現在利用可能な偏光ビーム・スプリッタは、電磁スペクトルの可視部分におけるそれらの主要な偏光角度から遠い角度では効率的に動作することはできない。このような制限は、特定の有望な光学的レイアウトや商業的に有望なディスプレイ設計を実施することを不可能にする。
【００１１】
主要な光ビームが２つの偏光を分離するのに最良の角度で偏光子に当たる場合でも、他の光ビームはこの角度から遠くへは分散できず、あるいはそれらの視覚品質は低下してしまう。典型的な光源によって発せられる光を効率的に利用するには、偏光子に当たる光は収束性または発散性が強くなければならないので、このことは表示装置における深刻な欠陥である。これは通常、光学系のｆ数として表される。単一のレンズについては、ｆ数は開口の焦点距離に対する比率である。光学素子一般については、Ｆ数は、
Ｆ／＃＝１／（２ ｎ ｓｉｎ θ）
として定義され、ここで、ｎは光学素子が設けられた空間の反射率であり、θは半円錐角である。Ｆ数が小さいほど、より多くの放射束Φ_cがレンズによって集められ、明るいイメージを表示することに関して装置はより効率的になる。放射束はＦ／＃の逆二乗として増加する。光学列においては、最大のＦ／＃を有する光学素子がその光学的効率における限定要因になる。伝統的な偏光子を用いたディスプレイについては、限定的な要素はほとんど常に偏光子であり、そのためＰＢＳは変換効率を限定する。現在利用可能であるあらゆるものよりも小さいＦ／＃を有する種類のＰＢＳを開発することが、明らかに利益となるであろう。
【００１２】
Ｆ／＃が小さい伝統的な偏光子は利用可能ではなかったので、設計者は通常、より小さくより明るい光源を指定することにより変換効率の問題に取り組んできた。通常はランプであるかかる光源は利用可能であるが、これらは重くてかさばり、動作中は常に冷却が必要である高価な電源を必要とする。冷却ファンは望ましくない雑音や振動を発生させる。これらの特徴はプロジェクタや類似のディスプレイの有用性を害するものである。Ｆ／＃が小さいＰＢＳは、低出力で静かな従来の光源から光を効率的に集めることも可能にする。
【００１３】
従来の偏光ビーム・スプリッタの別の主たる欠点は低消光であり、これはイメージのコントラストが悪いことにつながる。消光は、所望の偏光の偏光子を透過された光の、所望でない偏光に拒絶された光に対する比率である。効率的なディスプレイにおいては、この比率はＰＢＳを通過する光円錐全体にわたって最小値を維持されなければならない。したがって、高コントラストのイメージをもたらす光消光率を有する偏光ビーム・スプリッタを提供することが望ましい。
【００１４】
従来の偏光ビーム・スプリッタの第３の欠点は、可視スペクトル全体にわたる反応が不均一であること、すなわち色忠実度が低いことである。その結果、カラーバランスが悪くなり、明るい色からの光は偏光ビーム・スプリッタにおける短所を調整するために無駄にされなければならないので、このことは投影表示システムにおけるさらなる非効率につながる。したがって、可視スペクトル全体にわたって均一な反応を有しており（すなわち色忠実度がよい）、イメージに良好なカラーバランスを効率よく与える、改良型の偏光ビーム・スプリッタを提供することが望ましい。このビーム・スプリッタは、投影された色を歪めるのではなく収色性でなければならず、偏光間のクロストークはイメージの鋭さやコントラストを低下させるので、このクロストークを許容してはならない。これらの特性は、偏光子の全ての部分および、偏光子で発生する光の入射のあらゆる角度にわたって適用されなければならない。スパシック（spathic）という語は、偏光ビームの断面積、立体角、および波長の相対的強度分布を維持する偏光子を説明するために作り出された（R.C. Jones, Jour. Optical Soc. Amer. 39, 1058, 1949）。偏光子およびアナライザーの両方としての役割を果たすＰＢＳは、広開口角の光ビームにおいてさえ、透過および反射の両方にスパシックでなければならない。
【００１５】
従来の偏光ビーム・スプリッタの第４の欠点は耐久性が低いことである。多くの従来の偏光ビーム・スプリッタは、過熱および光化学反応によって引き起こされる劣化を受ける。したがって、劣化の兆候を示すことなく数千時間にわたって強烈な光子束に耐えることができる、改良型の偏光ビーム・スプリッタを提供することが望ましい。また、経済的な大規模製造になじみやすい偏光ビーム・スプリッタを提供することが望ましい。
【００１６】
これらの基準および他の基準を満たす必要性の結果、投影システムにおける実際の用途を見出した数種類の偏光子のみをもたらした。広開口角と高忠実度の偏光の両方を同じビーム分光装置に組み込むために、多くの試みが行われてきた。このような努力による比較的成功したものを以下に記載する。薄膜干渉フィルタは、アナライザーとしても用いられている偏光ビーム・スプリッタを製造する努力において、最も頻繁に言及された種類の偏光子である。ＭａｃＮｅｉｌｌｅは、広いスペクトル範囲にわたって有効であるかかる偏光子を説明した最初の者であった（米国特許第２，４０３，７３１号）。それは、通常はガラス
キューブ中で、入射光に斜めに置かれた薄膜多層から構成されているので、シート・ポラライザに比べてかさばっていて重い。さらに、それは単一の入射角用に設計されなければならず、２度程度でもこれと異なる角度で光が入射した場合に、その性能は落ちる。他の者はその設計を改善した（たとえば、J. Mouchart, J. Begel, and E. Duda, Applied Optics 28, 2847-2853, 1989; and L. Li and J. A. Dobrowolski, Applied Optics 13, 2221-2225, 1996）。彼らは全て、開口角を増すのであれば波長範囲を大幅に削減することが必要であることを発見した。これは、光が偏光ビーム・スプリッタに達する前に光学設計がその光を適切な色帯に分割する特定の設計（米国特許第５，６５８，０６０号および第５，７９８，８１９号）において行うことができる。このようにして、ビーム・スプリッタ上でのスペクトル波長の必要性を削減し、その開口角を拡張することは可能になるが、付加的な構成部品や複雑性はシステムのコストを大幅に高め、システムを大幅にかさばらせその重量を増すことになる。
【００１７】
そのようであっても、これらの改善型のビーム・スプリッタ・キューブは市場に現れてきており、ＢａｌｚｅｒｓやＯＣＬＴなどのよく知られたベンダーから現在入手可能である。これらのキューブは通常、ｆ／２．５〜ｆ／２．８のＦ／＃を提供するが、これは２年前に入手可能であったものに対して大幅な改善ではあるものの、確かに光投影システムの他の主要構成部品が到達できるＦ／１．２〜Ｆ／２．０の範囲からは依然として遠い。これらのｆ数に到達することは、４倍ほどもシステム効率を改善する潜在性を有する。これらは、投影表示システムのエンジニアが、予め不可能な設計の妥協を行って、物理的サイズおよび重量やコストの削減などの他の目標を達成することも可能にする。
【００１８】
可視光学からかけ離れた技術、すなわちレーダーにおいては、長い波長のレーダー波を偏光するために、ワイヤ・グリッドが成功裏に用いられてきた。これらのワイヤ・グリッド偏光子は反射器としても用いられてきた。これらは赤外部（ＩＲ）における光学構成部品としてもよく知られており、そこでこれらは主として透過偏光子素子として用いられている。
【００１９】
まだ論証されてはいないが、スペクトルの可視部分での表示用途におけるワイヤ・グリッド偏光子の可能な使用を仮定している者もいる。たとえば、Ｇｒｉｎｂｅｒｇ（米国特許第４，６８８，８９７号）は、ワイヤ・グリッド偏光子が液晶ディスプレイ用の反射器および電極の両方として役立つ（しかし、同時にアナライザーとしては役立たない）ことを示唆している。
【００２０】
他の者は、仮想イメージディスプレイの効率を改善するために、二色性偏光子に代わるワイヤ・グリッド偏光子の可能な使用を述べている（米国特許第５，３８３，０５３号を参照）。しかし、グリッド偏光子におけるコントラストまたは消光に対する必要性は明示的に捨て去られており、グリッドは基本的に偏光感応ビーム・ステアリング装置として用いられている。それは、第５，３８３，０５３号特許におけるアナライザーまたは偏光子の何れの目的にもかなわない。また、その本文から、広帯域幅の偏光キューブ・ビーム・スプリッタが入手可能であったならば、その目的にもかなったであろうことも明らかである。しかし、この技術は、機能的であるには受光角度が制限されすぎており、法外に高価でもあるとして退けられた。
【００２１】
別の特許（米国特許第４，６７９，９１０号）は、ＩＲカメラおよび他のＩＲ機器の試験用に設計されたイメージングシステムでのグリッド偏光子の使用を説明している。この場合に、この用途は長い波長の赤外部用のビーム・スプリッタを必要としており、その場合にグリッド偏光子は唯一の実際的な解決策である。この特許は可視範囲に関する有用性も示唆していなければ、広開口角に対する必要性を述べさえしていない。それは、可視イメージへの光の効率的変換に対する必要性も、広帯域幅の性能に対する必要性も述べていない。
【００２２】
スペクトルの赤外部におけるワイヤ・グリッド偏光子に関する他の特許も存在する（たとえば、米国特許第４，５１４，４７９号、第４，７４３，０９３号および第５，１７７，６３５号）。今引用したばかりの例外を除いて、ＩＲスペクトルにおける偏光子の透過性能のみが強調されている。
【００２３】
これらの参考文献は、ワイヤ・グリッド・アレイが一般的に偏光子として機能できることが長年にわたり知られてきたことを論証している。それにもかかわらず、それらはイメージ投影システム用には明らかに提案されておらず、開発されていない。ワイヤ・グリッド偏光子が可視スペクトルに適用されていない１つの可能性のある理由は、製造の困難さである。米国特許第４，５１４，４７９号は、近赤外部領域用のワイヤ・グリッド偏光子を製造するための、フォトレジストのホログラム露出およびそれに続くイオン・ミルにおけるエッチングの方法を教示しており、米国特許第５，１２２，９０７号においては、金属の小さく長い楕円物体が、それらの長軸とある程度まで整列させるために実質的に引き伸ばされた透明なマトリックスに埋め込まれている。透過ビームは偏光されているが、装置はうまく反射しない。さらに、楕円物体粒子は、電磁スペクトルの可視部分において役立つほど十分には小さく作られていない。したがって、実用的な用途は一般的に、ＩＲスペクトルのより長い波長に限定されている。
【００２４】
別の先行技術の偏光子は、かすめ角蒸着によって遙かに細かい線を達成している（米国特許第４，４５６，５１５号）。残念ながら、これらの線は断面が小さいため可視光ビームとの相互作用は弱く、そのため光効率はイメージの生成に用いるには低すぎる。これらの先行技術の努力のいくつかにおけるのと同様に、この装置はほとんど任意の形状および間隔のワイヤを有している。素子の間隔が狭い領域はあまり透過せず、素子の間隔が広い領域は反射性が悪いので、かかる任意性は性能を低下させる。その結果として得られる偏光度（消光）は、その配置が任意であるならば必ず発生するに違いない、これらの効果の何れかまたは両方が発生する場合に最大よりも小さくなる。
【００２５】
完璧な（およびほぼ完璧な）規則性のためには、格子について開発された数学的処理が良好に適用される。逆に、任意のワイヤについては（それらが全て同じ方向性を有しているとしても）、散乱理論が最も分かり易い説明となる。単一の円柱形ワイヤからの散乱は既に説明されている（H. C. Van de Hulst, Light Scattering by Small Particles, Dover, 1981)。現在の任意ワイヤ・グリッドは基板全体にわたって埋め込まれたワイヤを有している。ワイヤの位置が幾分か任意であるだけでなく、直径も任意である。散乱光ビームの位相は任意になるので、反射は厳密に正反射性であり、透過は高い空間またはイメージの忠実度を保持しないことは明らかである。かかる光ビームの低質化は、高解像度の高情報密度イメージの転送にそれを用いることを妨げる。
【００２６】
先行技術においては、ワイヤの整然としたアレイを、それが少なくとも偏光子およびアナライザーの両方としての役割を果たすときに必要な角度で、可視領域全体にわたってスパシックなＰＢＳとして動作するように製造することができるか製造すべきであることを示すか、あるいは示唆するものはない。実際に、かかる動作に必要とされる狭くて高く、均等に間隔が空いたワイヤを製造することの困難さは多々強調されてきた（Zeitner, et. al. Applied Optics, 38, 11 pp. 2177-2181 (1999)およびSchnabel, et. al., Optical Engineering 38, 2 pp. 220-226 (1999))。したがって、イメージ投影に関する先行技術が同様に、表示装置の一部としてのスパシックなＰＢＳの使用について何も示唆していないことは驚くべきことではない。
【００２７】
ＴａｍａｄａおよびＭａｔｓｕｍｏｔｏ（米国特許第５，７４８，３６８号）は、赤外部および可視スペクトルの部分の両方において動作するワイヤ・グリッド偏光子を開示しているが、それは大型で広く間隔が空いたワイヤが可視部分において予期しないほどに短い波長で共振および偏光を作り出すという概念に基づいている。残念ながら、この素子は、可視波長の狭い帯域にわたってのみ良好に作用するが、可視スペクトル全体にわたって良好に作用するわけではない。したがって、それはフルカラーでイメージを生成する際に用いるには適していない。それゆえ、偏光子はイメージ投影システムについて実質的に収色性でなければならないので、かかる素子はイメージ表示については実用的ではない。
【００２８】
ワイヤ・グリッド偏光子が見落とされてきた別の理由は、典型的なワイヤ・グリッド偏光子の性能は光ビームの入射角が大きくなると低下するという、一般的で長年の確信である（G. R. Bird and M. Parrish, Jr., "The Wire Grid as a Near-Infrared Polarizer," J. Opt. Soc. Am., 50, pp. 886-891, (1960); the Handbook of Optics, Michael Bass, Volume II, p. 3-34, McGraw-Hill (1995))。スペクトルの可視部分において３５°を超える入射角について良好に動作する設計の報告はない。また、入射角に関するこの限定を生じさせる重要な設計要因は誰も特定していない。この認識された設計上の限定は、うまく機能するビーム・スプリッタは透過および反射の両方で同時に適切な性能を必要とすることが理解されたときにさらに大きくなる。
【００２９】
この重要なポイントは強調に値する。ＩＲおよび可視スペクトルにおけるワイヤ・グリッド偏光子に関する現存する文献および特許審査記録は、透過偏光子としてのそれらの使用にほぼ全てが焦点を合わせられていて、反射偏光子には焦点を合わせられていない。ワイヤ・グリッド偏光子は数十年にわたり試されて技術文献で報告されており、１９６０年以来ますます一般的になった。この分野において行われた広範囲にわたる作業にもかかわらず、反射偏光子としてのワイヤ・グリッド偏光子の製造および使用に関する詳細な説明は、あるとしても非常に少なく、文献には、イメージング装置における使用のためにスパシックな偏光ビーム・スプリッタにおいて必要とされる、透過偏光子および反射偏光子の両方として同時にそれらを使用することに関するものはない。文献における解説がないことから、理性的な発明者は、広帯域幅の可視ビーム・スプリッタとしてのワイヤ・グリッド偏光子のあらゆる潜在的使用は自明ではないと結論を下すか、当該技術分野においてはかかる用途におけるそれらの使用は実用的ではなかったと一般的に理解されていたと結論を下すであろう。
【００３０】
上記の従来の偏光子は入手可能な唯一のものであったので、Ｔａｋａｎａｓｈｉ（米国特許第５，２３９，３２２号）がその投影装置を縮小化して、最も不十分な結果を少しも得ずに実用化することは不可能であった。Ｔａｋａｎａｓｈｉの発明に必要とされた性能、すなわち、スペクトルの可視部分全体にわたる収色性、広い受光角、所望の偏光の透過および反射における低い損失および高い消光率を提供する偏光子は入手可能ではなかった。
【００３１】
透過特性および反射特性に関する特殊化された性能を必要とするイメージ表示システムには、いくつかの重要な特徴がある。プロジェクタについては、光源光がスクリーンに効率的に当てられる場合に、ｐ偏光透過とｓ偏光反射との積（Ｒ_sＴ_p）は大きくなければならない。一方、スクリーン上の高情報密度を達成するのに必要な解像度およびコントラストについては、逆積（Ｒ_pＴ_s）が非常に小さいことが重要である（すなわち、ｓ偏光の透過とｐ偏光の反射との積は小さくなければならない）。
【００３２】
別の重要な特徴は広い受光角度である。光源から集まる光、ひいては変換効率が最大化される場合に、受光角度は大きくなければならない。２０°よりも大きい半角の光円錐（分散性であっても収束性であっても）が受け入れられることが望ましい。
【００３３】
より大きい光円錐を受け入れてより大きい角度で良好に働く能力の重要な結果は、イメージングシステムの光学設計がもはや制限されないことである。そして、従来の光源を用いて、低コスト、冷却動作、小型軽量というそれらの利点をもたらすことができる。広い範囲の角度は、設計者が、ディスプレイのサイズおよび動作を改善するために、他の光学素子を好ましい位置に置くことを可能にする。
【００３４】
別の重要な特徴はサイズと重量である。従来技術はガラス・キューブの使用を必要とする。このキューブはシステムに特定の要件と損失を課す。課される要件は、この大きなガラス片の熱負荷に対処する必要性と、応力複屈折などのない高品質な素材に対する必要性を含み、これらは付加的なコストを課すことになる。また、キューブ自体の余分な重量および体積が難問となる。そのため、ビーム・スプリッタはあまり容積を占めず、あまり重くないことが望ましい。
【００３５】
別の重要な特徴は強固なことである。現在の光源は、スイッチを入れられた直後に、偏光子において非常に高い温度勾配を生成する。よく言っても、これは、偏光間でクロストークを生じさせる熱複屈折を誘導し得る。さらに、強い光に長時間曝されることで、いくつかの素材の特性を変化させることになる（典型的には、光酸化から生ずる黄変）。そのため、ビーム・スプリッタは、高温ならびに光源からの長時間にわたる強い放射に耐えることが望ましい。
【００３６】
さらに別の重要な特徴は、入射光円錐全体にわたるビーム・スプリッタの均一な消光（またはコントラスト）性能である。ＭｃＮｅｉｌｌｅタイプの薄膜スタック偏光子は、Ｐ偏光に対するＳ偏光の反射度の相違による偏光を生ずる。ＳおよびＰの偏光の鮮明度は、偏光子に入射する光円錐内で向きを変える光ビームの入射平面に左右されるので、ＭｃＮｅｉｌｌｅタイプの偏光子は円錐全体にわたって等しく良好には働かない。ＭｃＮｅｉｌｌｅタイプの偏光子のこの弱点はよく知られている。それは、光円錐の角サイズを制限することおよび、付加的な光学部品の使用を介する光学系の何れかにおける補償により、投影システム設計において解決されなければならない。ＭｃＮｅｉｌｌｅプリズムのこのような根本的な弱点は、現在の投影システムのコストおよび複雑性を高め、ビーム・スプリッタのｆ数すなわち光効率に対する限定によりシステム性能を制限している。
【００３７】
他の重要な特徴はアライメントの容易さを含む。製造コストおよびメンテナンスは共に、組立基準によって直接影響を受ける。これらのコストは、許容差の低いアライメントを必要としない構成部品を用いて大幅に削減できる。
【００３８】
したがって、明るいイメージと良好なイメージコントラストを提供することが可能で
安価なイメージ投影システムを開発することが有利である。また、発散光を利用する（すなわち、より小さいＦ／＃を有する）ことが可能であるか、光エネルギーの効率的利用が可能であるか、高い変換効率を有し、耐久性が高い偏光ビーム・スプリッタを備えたイメージ投影システムを開発することも有利である。また、高い消光率、可視スペクトル全体にわたる均一な反応、良好な色忠実度を有し、スパシックで強固であり温度勾配に抵抗可能である偏光ビーム・スプリッタを備えた、イメージ投影システムを開発することも有利である。また、イメージ投影システムに大きな設計上の制約が課されず、十分な設計上の柔軟性が許容されるように、ほぼあらゆる入射角で設けることができる偏光ビーム・スプリッタを備えた、イメージ投影システムを開発することも有利である。また、入射光円錐全体における全ての角度にわたってｐ偏光を効率的に透過し、ｓ偏光を効率的に反射する偏光ビーム・スプリッタを備えた、イメージ投影システムを開発することも有利である。また、軽量かつ小型の偏光ビーム・スプリッタを備えたイメージ投影システムを開発することも有利である。また、容易に整列する偏光ビーム・スプリッタを備えたイメージ投影システムを開発することも有利である。これらの特徴の全てを単一の投影装置に結合することにより、技術の現状の範囲内における大きな進歩が提供される。
【００３９】
発明の目的および概要
したがって、良好なイメージコントラストを有する明るいイメージを提供する、安価なイメージ投影システムを提供することが本発明の目的である。
【００４０】
本発明の別の目的は、発散光を利用し（すなわち、より小さいＦ／＃を有し）、光エネルギーを効率的に用い、良好な変換効率を有し、耐久性の高い偏光ビーム・スプリッタを備えた、イメージ投影システムを提供することである。
【００４１】
本発明の別の目的は、消光率が高く、可視スペクトル全体にわたって反応が均一であり、色忠実度が高く、スパシックで強固であり温度勾配に抵抗する偏光ビーム・スプリッタを備えた、イメージ投影システムを提供することである。
【００４２】
本発明の別の目的は、透過または反射された偏光の何れかあるいはそれらの両方をほぼあらゆる角度で選択的に配向することが可能な偏光ビーム・スプリッタを備えた、イメージ投影システムを提供することである。
【００４３】
本発明のさらに別の目的は、ほぼあらゆる入射角で光源光ビームに対して配置されていながら適切に機能する偏光ビーム・スプリッタを備えた、イメージ投影システムを提供することである。
【００４４】
本発明のさらに別の目的は、光円錐内の全ての角度にわたってｐ偏光を効率的に透過しｓ偏光を反射するが、同様にｓ偏光を透過しｐ偏光を反射するように機能することもできる偏光ビーム・スプリッタを備えた、イメージ投影システムを提供することである。
【００４５】
本発明のさらに別の目的は、軽量、小型、強固であり容易に整列する偏光ビーム・スプリッタを備えた、イメージ投影システムを提供することである。
本発明のさらに別の目的は、イメージ投影システムに用いる偏光ビーム・スプリッタを提供することである。
【００４６】
本発明のこれらの目的および利点ならびに他の目的および利点は、ワイヤ・グリッド偏光子であることが有利な偏光ビーム・スプリッタを備えたイメージ投影システムで実現される。ワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタは、薄く長い素子の一般的に平行な配置を有する。この配置は、光源光の電磁波と相互作用して、概して一方の偏光の光をそれらの素子を通して透過し他方の偏光の光をそれらの素子から反射するように構成され、素子はそのような大きさに作られている。素子の少なくとも１つを含む平面および入射光の方向に垂直に配向された偏光を有する光は透過されて、透過光ビームを定める。逆の偏光、すなわち、素子の少なくとも１つを含む平面および入射光の方向と平行に配向された偏光を有する光は反射され、反射光ビームを定める。
【００４７】
このシステムは、ほとんど偏光されていない可視光ビームを生成する光源を備えている。偏光ビーム・スプリッタは光ビームの光源付近に設けられる。このシステムは反射液晶アレイも備えている。このアレイは反射光ビームまたは透過光ビームの何れかの偏光ビーム・スプリッタ付近に設けることができる。このアレイは光ビームの偏光を変調して変調光ビームを作り出す。このアレイは変調光ビームをビーム・スプリッタに戻るように配向する。ビーム・スプリッタの素子の配列は、変調光ビームの電磁波と相互作用して、再度、概して一方の偏光の光を透過し他方の偏光の光を反射する。そのため、変調光ビームの被反射部分は第２の反射光ビームを定め、被透過部分は第２の透過光ビームを定める。アレイは光ビームの偏光を修正して、変調光ビーム上のイメージ情報を符号化する。ビーム・スプリッタは非変調ビームから変調偏光を分離することによって、スクリーン上でイメージが見えるようにする。
【００４８】
スクリーンは、第２の反射光ビームまたは第２の透過光ビームの何れかの中に配置される。アレイが反射光ビーム内に配置されると、スクリーンは第２の透過光ビーム内に配置される。アレイが透過光ビーム内に配置されると、スクリーンは第２の反射光ビーム内に配置される。
【００４９】
先行技術のかさばって重いビーム・スプリッタとは異なり、本発明のビーム・スプリッタは概して平面のシートである。ビーム・スプリッタは効率的でもあるので、より大きいシステムの視感度効率を提供する。
【００５０】
本発明の一態様によれば、ビーム・スプリッタは、約０から８０度の間の入射角で光ビームおよび変調光ビームに対して配向することができる。
本発明の別の態様によれば、光ビームは約１２から２５度の間の半角を備えた有用な発散円錐を有する。ビーム・スプリッタは、約１．２から２．５の間であることが好ましい小さいＦ数で用いられる。
【００５１】
本発明の別の態様によれば、ビーム・スプリッタはｓ偏光反射光とｐ偏光透過光との積（Ｒ_sＴ_p）によって定められる、少なくとも５０％の変換効率を有する。また、ｓ偏光透過光およびｐ偏光反射光は共に５％未満である。さらに、変調光ビームの反射光の割合と透過光の割合は約６７％よりも高い。
【００５２】
本発明の別の態様によれば、システムは、光源とビーム・スプリッタとの間に設けられた前偏光子および／または、ビーム・スプリッタとスクリーンとの間に設けられた後偏光子を備えてもよい。
【００５３】
本発明のこれらの目的、特徴、利点および代替的態様ならびに他の目的、特徴、利点および代替的特徴は、以下の詳細な説明を付属の図面を参照して検討することにより、当業者には明らかになるであろう。
【００５４】
発明の詳細な説明
ここで、本発明の多様な構成要素に符号が付されており、当業者が本発明を製造して用いることを可能にするように本発明が解説されている図面を参照する。
【００５５】
図１ａに図示したように、符号１０で概して指示された、本発明のイメージ投影システムの表示光学列が示されている。イメージ投影システム１０は、符号１４で概して指示された、ビーム・スプリッタとしてのワイヤ・グリッド偏光子を有することが有利である。ワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタ１４（ＷＧＰ−ＰＢＳ）は、光源２０から反射液晶アレイ２６に１つの偏光の光を効率的に反射し、そして逆の偏光の反射光をディスプレイ・スクリーン２５に効率的に透過する。
【００５６】
適切な光効率のために、ＷＧＰ−ＰＢＳ１４は、光源２０からの所望の偏光の高い反射率（Ｒ_s）有していなければならず、液晶アレイ２６からの逆の偏光の高い透過率（Ｔ_p）を有していなければならない。変換効率はこれら２つの積Ｒ_sＴ_pに比例するので、一方の係数の欠陥は他の係数の改善によってある程度補償することができる。
【００５７】
本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタ１４の例は、スペクトルの可視部分について、表示装置における偏光子およびアナライザーの両方として本発明のＷＧＰ−ＰＢＳ１４を用いることの利点を実証する以下の特徴を示すことが有利である。さらなる改良の理論的計算は、さらに優れた偏光ビーム・スプリッタが入手可能になることを示している。
【００５８】
図２ａおよび図２ｂを参照すると、ＷＧＰ−ＰＢＳのＳおよびＰ両方の偏光に関する、計測された透過度および反射度がそれぞれ示されている。図２ｃにおいて、ＷＧＰ−ＰＢＳの効率は透過度および反射度の積として示されている。また、図２ｃには消光も示されている。図２ａないし図２ｃにおいて、ＷＧＰ−ＰＢＳは、３０°、４５°および６０°の入射角でｓ偏光を反射してｐ偏光を透過するように配向されている。プロジェクタなどのイメージ投影システムについて、光源光がスクリーン上に効率的に当たるのであれば、反射されたｓ偏光と透過されたｐ偏光との積（Ｒ_sＴ_p）は大きくなければならない。一方、スクリーン上で高い情報密度を達成するのに必要とされる解像度については、逆積（Ｒ_pＴ_s）が非常に小さいことが重要である（すなわち、ｓ偏光の透過とｐ偏光の反射との積は小さくなければならない）。本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタは、レイリー共振または他の現象による低質化なしに、スペクトル全体にわたってこれらの基準を満たすことが図から明らかである。
【００５９】
別の重要な特徴は広い受光角度である。光源から集まる光が最大化され、したがって変換効率が最大化される場合に、これは大きくなければならない。図３を参照すると、本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの性能が、４５°に傾いた光軸を中心にした光円錐の様々な部分について示されている。図３において、第１の基準角度は入射平面における角度であり、第２の基準角度は入射平面に垂直な平面の角度である。本発明のＷＧＰ−ＰＢＳは、約１２から２５°の間の半角を有する光円錐（発散性または収束性の何れか）を受け入れることができることが明らかである。
【００６０】
図４ａないし図４ｃを参照すると、ワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの代替的実施形態に関する理論的計算は、大幅に大きい光円錐および／または他の拡張が可能であることを示している。図４ａおよび図４ｂは、１３０ｎｍに短縮された周期ｐでのワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの理論的スループットと消光をそれぞれ示している。また、グリッド高すなわち厚さは１３０ｎｍであり、線間隔率は０．４８であり、基板溝深度は５０ｎｍであり、基板はＢＫ７ガラスである。図４ａにおいて、スループットは図２ｃに示したスループットよりも遙かに密接にグループ分けされていることに留意されたい。したがって、性能は周期ｐを短縮することにより改善できる。図４ｂにおいて、消光は図２ｃに比べて大幅に増加していることに留意されたい。
【００６１】
図４ｃは、周期ｐがさらに短縮されたワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの別の代替的実施形態の理論的消光を示している。波長は４２０ｎｍであり、入射角は３０°である。周期ｐが短縮されると消光は顕著に増加することに留意されたい。
【００６２】
上記のように、大きい角度で良好に働くＷＧＰ−ＰＢＳでより大きい光円錐を受け入れる能力の重要な結果は、ＰＢＳがイメージングシステムの光学設計をもはや制限しないことである。そのため、低コスト、冷却動作、小型および軽量という利点を備えた、従来の光源を用いることができる。ＷＧＰ−ＰＢＳが良好に働く広い範囲の角度は、設計者が、ディスプレイのサイズおよび動作を改善するために他の光学素子を好ましい位置に設けることを可能にする。図１ｂおよび図１ｃを参照すると、本発明のＰＢＳの広い範囲の角度によって提供される設計の柔軟性が実証されている。図１ｂに示したように、光源２０およびアレイ２６を互いにより近く配置して、共にＰＢＳ１４に対して比較的小さい入射角を有するようにすることができる。かかる構成はシステム１０の構成部品のコンパクトな設計に有利である。あるいは、図１ｃに示したように、光源２０およびアレイ２６はより遠く離して、共に比較的大きい入射角を有するようにしてもよい。何れの場合においても、入射角は伝統的なビーム・スプリッタによって通常必要とされる４５度角からは大きく異なることに留意されたい。
【００６３】
ワイヤ・グリッドのさらに他の特徴はディスプレイ・ユニットのための利点を提供する。従来の技術はガラス・キューブの使用を必要とする。このキューブはシステムに特定の要件と損失を課す。課される要件はこの大きなガラス片の熱負荷に対処する必要性や、応力複屈折のない高品質な素材に対する必要性などを含み、これらは付加的コストならびに、キューブ自体の余分な重量および体積を課す。本発明のＷＧＰ−ＰＢＳは、あまり容積を占めずあまり重量がない分割またはパターニングされた薄膜であることが有利である。それは、カラーフィルタなどの他の光学素子と一体化するかそれらに組み込んで、投影システムの部品数、重量および容積をさらに削減することさえ可能である。
【００６４】
本発明のＷＧＰ−ＰＢＳは非常に強固でもある。現在の光源は、ライトがスイッチを入れられた直後に、偏光子において非常に高い温度勾配を生成する。よく言っても、これは、偏光間でクロストークを生じさせる熱および応力複屈折を誘導できるだけである。最悪の場合には、多層偏光子を薄層に裂くか、キューブ・ビーム・スプリッタにおける接合された界面を分離させることになり得る。さらには、強い光に長時間曝されることで、いくつかの素材の特性を変化させることになる（典型的には、光酸化から生ずる黄変）。しかし、ワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタは、ガラスまたは他の基板材料に良好に接着された化学的に不活性な金属からできている。これらは、高温ならびに光源からの長時間にわたる強い放射に耐えることが示されている。
【００６５】
また、本発明のＷＧＰ−ＰＢＳは容易に整列する。それは、光源光ビームを液晶アレイ上に向けるために調整する必要がある唯一の部分である。これは平面鏡に用いられるのと同じ単純な手順である。別の調整パラメータ、すなわち、法線を中心にしたＷＧＰ表面への角回転がある。これは、光ビームにおける偏光の向きを決定する。ＷＧＰはそれ独自のアナライザーとして機能し、この意味で整列しないことはありえないので、この調整は重要ではない。光学列において他の偏光素子がある場合には、ＷＧＰ−ＰＢＳはそれらの偏光に対して配向されるべきであるが、マリュス則によれば、偏光子の偏光軸が平行（または直交）に近い場合には、角度変化は偏光子によって透過される強度における非常に僅かの相違しか作り出さないので、少々の位置ずれは重要ではない。
【００６６】
従来の偏光子と張り合えるようになるためには、積Ｒ_sＴ_pは約５０％を超えなければならない。これは、ＷＧＰ−ＰＢＳが光源から従来の偏光ビーム・スプリッタよりも遙かに多くの光を集めることができる場合にのみ実用的である、より低い見積もりを表している。５０％という見積もりは、最もよい従来のビーム・スプリッタである、現在のＭａｃＮｅｉｌｌｅキューブ・ビーム・スプリッタは、せいぜい約ｆ／２．５のｆ／＃しか発することができないとの仮定から得られたものである。そして、２倍速く、２倍の光を集めることが可能な光学系は、この値の１／√２のｆ／＃、すなわち約ｆ／１．８を有し、これは光イメージ投影システムにおいては確かに合理的なｆ／＃である。２倍速く、したがって光源から２倍の光を集めることが可能なシステムは、従来のキューブ・ビーム・スプリッタに比べてＲ_sＴ_p積の２倍の低下をほぼ補償し、同等な投影システム性能につながる。実際に、ＷＧＰ−ＰＢＳは潜在的にｆ／１．２（４倍の増加）未満で用いることができるので、この低いと思われる限界は依然として非常に明るいイメージを生成できる。もちろん、この最小値を超えるＲ_sＴ_p積はさらに良好な性能を示す。
【００６７】
別の重要な性能要因は、光の強度の暗ピクセルに対する比率によって定められるイメージのコントラストである。ＷＧＰ−ＰＢＳの重要な利点の１つは、ＭｃＮｅｉｌｌｅプリズムなどの先行技術のキューブ・ビーム・スプリッタと比較して、合成入射角全体にわたりコントラストが改善されていることである。ＭｃＮｅｉｌｌｅプリズムの物理的性質は、特定の角度でのＳおよびＰの偏光の反射度の相違を利用することにより光を偏光させる。ＳおよびＰの偏光は入射平面に対して定められるので、光円錐における特定の光ビームに関する効果的なＳおよびＰの偏光は、光円錐内の様々な光ビームを考慮すると、光軸に沿った光ビームに対して回転する。この挙動の結果は、偏光子の消光が、偏光ビーム・スプリッタを通過する光円錐内の角度の特定範囲について大幅に削減され、その円錐全体にわたる平均コントラストを大幅に削減することになるという、よく知られた合成角の問題である。
【００６８】
一方、ＷＧＰ−ＰＢＳは異なった物理的メカニズムを用いて、この問題をおおむね回避する光の偏光を達成する。挙動におけるこの相違は、光円錐におけるあらゆる特定の光ビームについて、入射平面にかかわらず同じ向きを有するビーム・スプリッタのワイヤ・グリッドによって、偏光が発生するという事実による。したがって、あらゆる特定の光ビームに関する入射平面は、ＭｃＮｅｉｌｌｅプリズムまたはＷＧＰに入射するときには同じであっても、偏光効果はＭｃＮｅｉｌｌｅプリズムの場合における入射平面にのみ依存し、これはＷＧＰの合成角性能はキューブ・ビーム・スプリッタによって提供される合成角性能に対して遙かに改善されることを意味する。
【００６９】
ＷＧＰ−ＰＢＳの機能が入射平面から独立しているという事実は、実際にはＷＧＰ−ＰＢＳはあらゆる方向に向けられたワイヤまたは素子と共に用いることができることを意味する。本発明の好適な実施形態は、光がＷＧＰ−ＰＢＳにある角度で当たるように偏光子を傾斜させる中心の軸に平行な向きにされた素子を有する。この特定の向きは、基板からの表面反射の偏光効果をグリッドからの偏光効果に付加させるので好適である。しかし、ＷＧＰ−ＰＢＳの傾斜軸に垂直になるようにグリッド素子を回転させることにより、入射角の特定の範囲にわたってＰ偏光を反射してＳ偏光を透過する（本明細書において一般的に説明したものとは全く逆である）ように機能するＷＧＰ−ＰＢＳを製作することが可能である。同様に、光ビームにおける波面上への任意の角度の投影と整列された偏光のある光を透過し反射するように機能するＷＧＰ−ＰＢＳを得るために、グリッド素子は傾斜軸に対してこの任意の角度で設けることができる。したがって、Ｐ偏光を反射しＳ偏光を透過するか、任意の角度で方向づけられた偏光のある光を反射し透過するＷＧＰ−ＰＢＳが、本発明に含まれていることは明らかである。
【００７０】
ＷＧＰ−ＰＢＳの合成角性能の利点は、光円錐全体にわたって本来的により均一なコントラストを提供し、ＷＧＰが非常に小さいｆ数に適している理由の１つである。しかし、もちろん、それはイメージコントラストに影響する唯一の要因ではない。イメージコントラストは望まない偏光の低い漏れによってほとんど決定されるが、ビーム・スプリッタとの最初の接触の後で２回目の接触の前に連続して設けられたイメージ生成アレイも、イメージコントラストの生成に関与するので、この場合には積Ｔ_sＲ_pは重要なパラメータではない。したがって、最終的なシステム・コントラストは、光弁性能ならびに偏光子の消光に左右される。しかし、必要なビーム・スプリッタ性能に関するより低い限界は、光弁性能は、それが根本的に無限のコントラストを有すると推定できるのに十分であるとの仮定で求めることができる。この場合に、システム・コントラストは完全にビーム・スプリッタ性能に左右される。
【００７１】
図１ａを参照すると、ビーム・スプリッタ１４によって遂行される２つの異なった機能がある。第１の機能は、液晶アレイ２６または他の適切なイメージ生成素子に当たる前に、偏光を調製することである。この場合の要件は、最終的なイメージが所望レベルの性能を満足するように、光弁によって作り出される光ビームの偏光のあらゆる変化を適切に検出または分析できるほどに、光が十分に偏光されることである。同様に、ビーム・スプリッタ１４は、所望のシステム・コントラスト性能が達成されるように、光弁によってビーム・スプリッタに戻るように方向づけられた光を分析する十分な性能を有していなければならない。
【００７２】
これらのより低い限界はかなり容易に求めることができる。有用性およびイメージ品質を理由として、１０：１（明ピクセル対隣接する暗ピクセル）未満のコントラストを有するイメージは、高い有用性を有するとは思えない。かかるディスプレイは、たとえば濃い活字には有用ではない。１０：１という最低限のディスプレイ・システム・コントラストを仮定すると、望まない偏光状態の光の少なくとも１０倍の所望の偏光状態の光を有する入射光ビームが必要である。偏光子性能の点では、これは１０：１のまたは単に１０の消光を有するとして説明される。
【００７３】
イメージを分析しようとするビーム・スプリッタ１４との２番目の接触は、望まない状態の光のほとんどを抹消しながら、正しい偏光状態の光を通すことができなければならない。やはり、上記から偏光状態で符号化されたイメージを有する光ビームを仮定し、この光ビームが１０：１の比を有すると仮定すると、１０：１のシステム・コントラストという目標を満足するためにこの１０：１の比を保持するビーム・スプリッタが望ましい。換言すれば、望まない偏光の光を正しい偏光の光に対して１０倍削減することが望ましい。これはやはり、ビーム・スプリッタの分析機能について１０：１の最低消光性能に結びつく。
【００７４】
明らかに、ビーム・スプリッタの偏光子およびアナライザーの機能の何れかまたは両方がより高い消光性能を有する場合には、より高いシステム・コントラストが発生する。ビーム・スプリッタのアナライザー機能および偏光子機能の両方の性能を、イメージ投影システムが適切に働くように合わせることは必要ではないことも明らかである。ビーム・スプリッタの偏光子およびアナライザーの性能に関するより高い限界は求めることはさらに困難であるが、この用途において約２０，０００を超える消光は必要でないことは明らかである。高級な劇場にある高品質の映画投影システムは通常、約１０００を超えるイメージコントラストは有しておらず、数千の範囲にあるコントラストのイメージと１０，０００を超えるコントラストのイメージとを、人間の目が確かに区別できるとは思えない。数千のコントラストのイメージを生成する必要性を考え、この離れ業をやってのける光弁が存在すると仮定すると、１０，０００〜２０，０００の範囲にあるビーム・スプリッタ消光に関するより高い限界で十分であろう。
【００７５】
ワイヤ・グリッド・ビーム・スプリッタに関する最小限界および最大限界の上記の記述は有益であるが、上記のようなワイヤ・グリッド・ビーム・スプリッタの実証済みかつ理論的な性能から明らかなように、これよりも遙かによいものを達成できる。この情報によれば、好適な実施形態では、図２ａ〜２ｃに示したように、Ｒ_sＴ_p≧６５％ならびに、Ｒ_pまたはＴ_sあるいは両方が≧６７％である。さらに好適な実施形態は、反射光ビームがイメージ生成アレイに向けられ、アレイは、光がビーム・スプリッタを通過するか透過させられるように光をビーム・スプリッタに戻すモードにおいて、ワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタを採用する。この好適な実施形態は図１ａに示した。
【００７６】
あるいは、図５ａのイメージ表示システム６０に示したように、ワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタ１４は、光源２０からの１つの偏光の光を反射液晶アレイ２６に効率的に伝播させて、逆の偏光の反射光をディスプレイ・スクリーン２５に効率的に反射することができる。イメージ投影システム６０の第２の実施形態は、光源光ビームがビーム・スプリッタ１４を通って伝導させらるか通過させられ、イメージ生成アレイ２６に向けられて、ビーム・スプリッタ１４へと反射されて戻され、そこでビーム・スプリッタによって反射されて、分析されてから、スクリーン２５上に表示されるようにビーム・スプリッタ１４が採用されることを除いて、図１ａに示した好適な実施形態のイメージ投影システムと類似である。
【００７７】
図５ｂおよび５ｃを参照すると、本発明のＰＢＳの広範な角度によってもたらされる設計上の柔軟性が示されている。図５ｂに示したように、アレイ２６およびスクリーン２５は、互いにより近くに配置されて、ＰＢＳ１４に対して共に比較的小さい入射角を有していてもよい。あるいは、図５ｃに示したように、アレイ２６およびスクリーン２５はより遠く離して位置づけられ、共に比較的大きい入射角を有していてもよい。
【００７８】
図６に示したように、イメージ投影システム８０の第３の実施形態は、所望レベルのシステム性能を達成する際に役立つことができる代替的なシステム設計を提供する。この第３の実施形態は、連続してワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタと協動し、偏光および分析の機能の何れかまたは両方の消光を高めて必要なシステム・コントラスト性能を達成する、１つまたは複数の付加的な透過または反射偏光子を備えている。付加的な偏光子を設ける別の理由は、システム効率を高めるための偏光回復スキームの実施である。前偏光子８２を光源２０とＷＧＰ−ＰＢＳ１４との間で光源光内に設ける。後偏光子すなわちクリーンアップ偏光子８４を、アレイ２６とスクリーン２５との間またはＷＧＰ−ＰＢＳ１４とスクリーン２５との間で、変調光ビームまたはアレイ２６から反射された光ビーム内に設ける。やはり、第３の実施形態は上記のワイヤ・グリッド・ビーム・スプリッタのより大きい光円錐、耐久性の利点および他の利点を実現する。
【００７９】
これらの図に示したように、イメージ表示システムは集光光学系９０および投影光学系９２を利用することもできる。
図７および８を参照すると、本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタ１４がさらに詳細に示されている。偏光ビーム・スプリッタは、参照することにより本明細書に援用される、「Polarizing Beam splitter」という名称の１９９９年９月７日出願の同時係属米国出願第０９／３９０，８３３号でもさらに詳細に解説されている。
【００８０】
同時係属出願で説明されているように、偏光ビーム・スプリッタ１４は、基板４０上に設けられたグリッド３０または平行で伝導性の素子のアレイを有する。光源２０によって生成された光源光ビーム１３０は、好ましくは入射平面が伝導性素子に直交した状態で、法線から角度θの光軸で偏光ビーム・スプリッタ１４に入射する。代替的な実施形態は、伝導性素子の平面に角度θで入射平面を設け、θは約４５°である。さらに別の実施形態は、伝導性素子に平行に入射平面を設ける。偏光ビーム・スプリッタ１４はこの光ビーム１３０を正反射成分１４０と透過成分１５０とに分割する。ＳおよびＰの偏光に関する標準的な定義を用いると、偏光Ｓの光は入射平面に直交の、したがって伝導性素子に平行な偏光ベクトルを有する。逆に、偏光Ｐの光は入射平面に平行な、したがって伝導性素子に直交の偏光ベクトルを有する。
【００８１】
偏光ビーム・スプリッタ１４はＳ偏光に対して完璧な鏡として機能することが理想的であり、Ｐ偏光に対しては完全に透過性であることが好ましい。しかし、実際には、鏡として用いられる最も反射性が高い金属でさえ、入射光のある部分を吸収し、そのためＷＧＰは９０％から９５％しか反射せず、ただのガラスは表面反射のために入射光の１００％は透過しない。
【００８２】
必要とされる性能レベルに達成するために、一群として最適化しなければならないワイヤ・グリッド・ビーム・スプリッタ１４の主要な物理的パラメータは、ワイヤ・グリッド３０の周期ｐ、グリッド素子３０の高さすなわち厚さｔ、グリッド素子３０の幅ｗおよびグリッド素子側面の傾斜を含む。図８を検討すると、グリッド素子３０の一般的な断面は本質的に台形または矩形であることが分かるであろう。この一般的な形状も好適な実施形態の偏光ビーム・スプリッタ１４に必要な特徴であるが、角５０の丸みやグリッド素子３０の基部の面取り５４などの製造工程による自然な小さい変形が考慮される。
【００８３】
ワイヤ・グリッド３０の周期ｐは、ビーム・スプリッタ１４のイメージング忠実度要件を満たすのに必要な正反射性能を達成するために、規則的でなければならないことにも留意されたい。完全に規則的で均一なグリッド３０を有することが明らかに好ましいが、用途によっては、これがそれほど重要ではない緩和された要件でよいものもある。しかし、必要な性能を達成するには、周期ｐの変化はイメージにおける重要な寸法（文章表示における１つの文字のサイズや、イメージにおける数個のピクセルなど）の全体にわたり１０％未満であることが求められると思料する。
【００８４】
同様に、よくあるように、特にビーム・スプリッタ１４が光学系におけるイメージ平面にない場合には、グリッド素子３０の幅ｗ、グリッド素子の高さｔ、側面の傾斜または角の丸み５０および面取り５４などの、説明した他のパラメータの、ビーム・スプリッタ１４全体にわたる合理的変化も、表示性能にあまり影響を与えずに発生し得る。これらの変化は、縞や、透過効率、反射効率、色の均一性の変化などとして、完成したビーム・スプリッタ１４で目に見える場合さえあるが、依然として投影イメージングシステムにおける特定の用途にとっては有用な部分を実現する。
【００８５】
これらのパラメータの最適化によって満たされなければならない設計上の目標は、用途のコントラスト要件を満たしながら、できる限り最高の効率またはスループットを生み出すことである。上記のように、偏光ビーム・スプリッタ１４に必要な最小の実用的消光は１０程度である。有益な製品を得るためにビーム・スプリッタ１４に求められる最小スループット（Ｒ_sＴ_p）は約５０％であることが分かっており、このことはＲｐおよびＴｓのいずれかまたは両方が約６７％を超えなければならないことを意味する。もちろん、ビーム・スプリッタのスループットおよび消光の両方におけるより高い性能には価値があり、その性能により、より優れた製品が提供される。これらのパラメータがワイヤ・グリッド・ビーム・スプリッタの性能にどのように影響するかを理解するために、４５°の入射角および、おそらく他の重要な角度について、各パラメータによってもたらされる性能の変化を検討することが必要である。
【００８６】
ワイヤ・グリッド・ビーム・スプリッタ１４の性能は周期ｐの関数である。可視スペクトル全体にわたって合理的性能を有するビーム・スプリッタ１４を製作するために、ワイヤ・グリッド素子３０の周期ｐは約０．２１μｍ未満にならなければならないが、単に赤、赤および緑などの、完全な可視スペクトルよりも少なく表示することが期待されるシステムにおいては、より大きい周期のビーム・スプリッタが有用であることが、当業者には明らかであろう。
【００８７】
ワイヤ・グリッド・ビーム・スプリッタ１４の性能は、素子の高さすなわち厚さｔの関数である。必要な性能を提供するために、ワイヤ・グリッド高ｔは約０．０４から０．５μｍの間になければならない。
【００８８】
ワイヤ・グリッド・ビーム・スプリッタ１４の性能は、素子３０の幅対周期比（ｗ／ｐ）の関数である。必要な性能を提供するために、周期ｐに対するグリッド素子３０の幅ｗは約０．３から０．７６の範囲になければならない。
【００８９】
ワイヤ・グリッド・ビーム・スプリッタ１４の性能は、素子３０の側面の傾斜の関数である。必要な性能を提供するために、グリッド素子３０の側面の傾斜は水平から６８度よりも大きいことが好ましい。
【００９０】
説明した本発明の実施形態は例示的にすぎないことおよび、その変形が当業者に想起される場合があることを理解されたい。たとえば、グリッド・ビーム・スプリッタが他の素子と結合するか一体化して、必要な光学系の数、システム重量、システム容積を削減するか、あるいは他の望ましい属性を達成するように、光パワーを有する基板上にワイヤ・グリッド・ビーム・スプリッタを含めることである。本発明によって達成される、先行技術に対する設計の柔軟性の大幅な向上を考えれば、当業者には他の変更が確実に想起されるであろう。したがって、本発明は開示した実施形態に限定されるものと考えられるべきではなく、本明細書に添えた特許請求の範囲によって定義されたようにのみ限定されるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１ａは、本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタを用いた、本発明のイメージ投影システムの好適な実施形態の一般的動作の模式図である。
図１ｂは、異なった構成の、本発明のイメージ投影システムの模式図である。
図１ｃは、異なった構成の、本発明のイメージ投影システムの模式図である。
【図２】 図２ａは、本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの好適な実施形態のＳおよびＰ両方の偏光に関する、波長と透過度との間の関係を示したグラフ図である。
図２ｂは、本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの好適な実施形態のＳおよびＰ両方の偏光に関する、波長と反射度との間の関係を示したグラフ図である。
図２ｃは、本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの好適な実施形態の、波長、効率および透過消光の間の関係を示したグラフ図である。
【図３】 本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの好適な実施形態の性能を、入射角の関数として示したグラフ図である。
【図４】 図４ａは、本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの代替的実施形態の、理論的スループット性能を示したグラフ図である。
図４ｂは、本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの代替的実施形態の、理論的消光性能を示したグラフ図である。
図４ｃは、本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの代替的実施形態の、理論的消光性能を示したグラフ図である。
【図５】 図５ａは、本発明のイメージ投影システムの代替的実施形態の一般的動作の模式図である。
図５ｂは、異なった構成の、本発明のイメージ投影システムの模式図である。
図５ｃは、異なった構成の、本発明のイメージ投影システムの模式図である。
【図６】 本発明のイメージ投影システムの代替的実施形態の一般的動作の模式図である。
【図７】 本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの斜視図である。
【図８】 本発明のワイヤ・グリッド偏光ビーム・スプリッタの断面図である。

Claims (22)

1. 明るく明瞭なイメージを提供するイメージ投影システムにおいて、
   可視光ビームを生成する光源と、
   前記光ビーム内で前記光源の付近に設けられ、前記光ビームに対してある角度で配向されている偏光ビーム・スプリッタであって、
   前記光ビーム内に設けられた第１の表面を有し、前記光ビームが該第１の表面にある角度で当たる、透明な基板と、
   前記基板によって支持された、一般的に平行な配列をした薄く細長い素子であって、
   素子の該配列は、１３０ｎｍより小さい周期を有し、該配列は、前記光源光ビームの電磁波と相互作用して、概して、（ｉ）前記素子の少なくとも１つを含む平面および前記入射光ビームの方向に直交する方向に配向された偏光を有する光を、前記素子を通して透過させて、透過光ビームを定め、（ｉｉ）前記素子の少なくとも１つを含む前記平面および前記入射光ビームの方向に平行に配向された偏光を有する光を、前記素子から反射させて、反射光ビームを定めるように構成され、前記素子はそのような大きさに製作されている、素子と、含む偏光ビーム・スプリッタと、
   前記反射光ビームまたは透過光ビームの何れかの中で前記偏光ビーム・スプリッタ付近に設けられた反射アレイであって、前記光ビームの前記偏光を選択的に変更することにより前記光ビームの前記偏光を変調してそのイメージ情報を符号化し、かつ変調光ビームを作り出し、前記変調光ビームが前記偏光ビーム・スプリッタの方に戻るように配向されているアレイと、
   前記偏光ビーム・スプリッタはさらに、前記変調光ビーム内に設けられ、前記変調光ビームに対してある角度で配向されており、前記偏光ビーム・スプリッタの前記素子の配列が前記変調光ビームの電磁波と相互作用して、概して（ｉ）前記素子の少なくとも１つを含む平面および前記入射光ビームの方向に直交する方向に配向された偏光を有する光を、前記素子を通して透過させて、第２の透過光ビームを定め、（ｉｉ）前記素子の少なくとも１つを含む前記平面および前記入射光ビームの方向に平行な偏光を有する光を、前記素子から反射させて、第２の反射光ビームを定めて、前記変調光ビームから未変更の偏光を分離し、
   前記第２の反射光ビームまたは前記第２の透過光ビームの何れかの中に設けられ、前記符号化されたイメージ情報を表示するスクリーンと、
   を含むシステム。
2. 前記ビーム・スプリッタは一般的に平面のシートであることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記ビーム・スプリッタは、０から８０度の間の入射角で前記光ビームまたは前記変調光ビームに対して配向されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
4. 前記ビーム・スプリッタは、４７度よりも大きいか、または４３度よりも小さい入射角で前記光ビームまたは前記変調光ビームに対して配向されていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
5. 前記光ビームは１２から２５°の間の半角を備えた有用な発散円錐を有することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
6. 前記ビーム・スプリッタはｆ／２．５未満のＦ数で用いられることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
7. 前記ビーム・スプリッタは、ｐ偏光透過光の部分量とｓ偏光反射光の部分量との積によって定められる少なくとも５０％のスループットを有し、ｓ偏光透過光およびｐ偏光反射光は共に５％未満であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
8. 前記ビーム・スプリッタは、ｓ偏光透過光の部分量とｐ偏光反射光の部分量との積によって定められる少なくとも５０％のスループットを有し、ｐ偏光透過光およびｓ偏光反射光は共に５％未満であることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
9. 前記ビーム・スプリッタは、前記反射光の部分量と前記透過光の部分量との積によって定められる少なくとも６５％の光ビームに関するスループットを有し、前記反射光の割合または前記透過光の割合は６７％よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
10. 前記光源と前記ビーム・スプリッタとの間に設けられた前偏光子をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
11. 前記ビーム・スプリッタと前記スクリーンとの間に設けられた後偏光子をさらに含む、請求項１に記載のシステム。
12. 前記アレイは前記反射光ビーム内に設けられ、前記スクリーンは前記第２の透過光ビーム内に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
13. 前記アレイは前記透過光ビーム内に設けられ、前記スクリーンは前記第２の反射光ビーム内に設けられていることを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
14. 前記素子は０．０４から０．５ミクロンの間の厚さを有し、
    前記素子は前記周期の３０から７６％の間の幅を有することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
15. 前記素子はそれぞれ、基部、該基部の反対位置にある頂部および、反対位置にある左右側面を有し、前記側面は６８度よりも大きい前記基部に対する角度を形成することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
16. 光源が、０．４から０．７ミクロンの間の波長を有する可視光ビームを生成する、請求項１に記載のシステム
17. 前記反射光ビーム内に設けられ、前記変調光ビーム内の前記抽出されたイメージ情報を表示するスクリーンを更に備える、請求項１に記載のシステム。
18. 光源を用いて、０．４から０．７ミクロンの間の波長を有する光源光ビームを生成するステップと、
    前記光源光ビーム内に設けられた偏光ビーム・スプリッタを用いて前記光源光ビームの偏光をほぼ分離するステップであって、前記偏光ビーム・スプリッタは、
    前記光源光ビームの電磁波と相互作用して、概して、（ｉ）前記素子の少なくとも１つを含む平面および前記入射光ビームの方向に直交する方向に配向された偏光を有する光を、前記素子を通して透過させて、透過光ビームを定め、（ｉｉ）前記素子の少なくとも１つを含む前記平面および前記入射光ビームの方向にある偏光の向きを有する光を、前記素子から反射させて、反射光ビームを定めるように構成されそのような大きさに製作された、一般的に平行な配列をした薄く細長く、１３０ｎｍより小さい周期を有する素子を含む、ステップと、
    前記透過または反射光ビームの何れかの中に設けられたアレイを用いて、前記光ビームの偏光を選択的に変更することにより、前記透過または反射光ビームの何れかを変調し、かつ変調光ビームを作成するステップと、
    前記変調光ビーム内に設けられた前記偏光ビーム・スプリッタを用いて、前記変調光ビームの偏光をほぼ分離するステップであって、前記素子は前記変調光ビームの電磁波と相互作用して、概して（ｉ）前記素子の少なくとも１つを含む平面および前記入射光ビームの方向に直交する方向に配向された偏光を有する光を、前記素子を通して透過させて、第２の透過光ビームを定め（ｉｉ）前記素子の少なくとも１つを含む前記平面および前記入射光ビームの方向にある偏光の向きを有する光を、前記素子から反射させて、第２の反射光ビームを定める、ステップと、
    前記第２の透過光ビームまたは前記第２の反射光ビームの何れかをスクリーン上に表示するステップを含む、
    イメージを投影する方法。
19. 素子の厚さが１３０ｎｍより薄い、請求項１に記載のシステム。
20. 基板に、５０ｎｍの深さの溝を更に備える、請求項１に記載のシステム。
21. ビームスプリッタが、カラー・フィルタと共に一体化される、請求項１に記載のシステム。
22. 素子が、丸みを帯びた角及び面取りを備える、請求項１に記載のシステム。

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