JP5203926B2 - 偏光ビームスプリッタにおける応力複屈折の補償およびそれを使用するシステム - Google Patents

偏光ビームスプリッタにおける応力複屈折の補償およびそれを使用するシステム Download PDF

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Description

本発明は、光学システムに関し、より詳細には、異なる偏光状態にある光ビームを分離または結合するための偏光ビームスプリッタを使用する光学システムに関する。
偏光ビームスプリッタ(PBS)の機能は、ある偏光状態にある光を反射し、かつ直交する偏光状態にある光を透過することである。従って、PBSは、光の偏光に依存する光学システムに広範に使用されることが明らかである。そのようなあるシステムの例としては、照明光ビームを変調するための反射型液晶ディスプレイ(LCD)パネルを使用する像投影システムが挙げられる。すなわち、偏光された照明光ビームが、例えばPBSにおける反射によってLCDパネルに向けられる。光ビームがLCDパネルによって空間的に変調されるので、反射されたビームは、照明ビームの偏光状態にある非変調光をある程度含み、かつ直交する偏光状態にある変調光をある程度含む。非変調の非像光はPBSによって反射され、所望の像を含む変調像光は、PBSを透過する。それゆえ、PBSは非像光から像光を分離し、次に像光は、使用者が観るためにスクリーンに投映され得る。
異なる種類のPBSを使用してもよい。投影システムは、一方の偏光状態に対してブルーアー角(Brewer’s angle)に向けられた、等方性物質の1/4波長フィルムの積層体に依存するマクニール(MacNeille)PBSを使用し、かつ等方性と複屈折のポリマー材料の交互の積層体を使用するカーテシアン(Cartesian)多層光学フィルム(MOF)PBSを使用することが報告されている。カーテシアンMOF PBSは、低いFナンバーにおいて動作可能であり、かつマクニールPBSよりもコントラストと透過率が高い。
PBSは、2つの直角のガラスプリズムの斜辺に挟まれた偏光層として形成されることが多い。しかしながら、偏光層とイメージャパネルとの間にあるガラスプリズムに複屈折リターデーション(retardation)が生じる場合には、PBSによってもたらされるコントラストは減少し得る。なぜなら、偏光面から反射された名目上s偏光の照明光が、イメージャパネルに入射すると、部分的にp偏光となるように回転されるからである。これにより、イメージャパネルからの反射後に光の漏洩が生じ、暗状態における明るさのレベルが増大するので、コントラストが減少する。ガラスプリズムにおける複屈折リターデーションは、例えば、PBSの組立中にPBS構成部品中に誘発された機械的応力、またはPBS取付具によってまたは強い照明光ビームに晒された時のPBSにおける熱膨張によって誘発された応力など多くの異なる原因によるであろう。さらに、イメージングデバイスを取付けるためのハードウェアがPBSの入力プリズムに取り付けられている場合には、ガラスに生じる応力によって、通常PBSの少なくとも幾つかの領域にわたって著しくコントラストを減少する。
この問題を克服するために、機械的応力による複屈折をほとんど生じない応力光学係数(SOC)の低いガラスを製造するために、多大な研究がガラス製造者によってなされた。PBH56およびSF57は、それぞれオハラ社(Ohara)およびショット社(Schott)によって製造された、この種のガラスの例である。このようなガラスは、有意量の鉛を含有する。PBH56もSF57も70重量%超の酸化鉛を含有する。それゆえ、これらの低SOCガラスは、環境上望ましい材料ではなく、高価で加工が難しくもある。さらに、低SOCガラスは、屈折率が1.8超と高く、これにより、より低い屈折率の偏光層と合わせられると光学的な非能率化または収差をもたらすかもしれない。
本発明の一実施形態は、偏光ビームスプリッタ(PBS)を含む光学ユニットに関する。PBSは、光ビームを透過する第1の面および第2の面を有する第1のカバーと、光ビームを透過する少なくとも第1の面を有する第2のカバーと、を有する。第2のカバーは、その第1の面が第1のカバーの第1の面に対向するように配置される。第1のカバーの第1の面と第2のカバーの第1の面との間には反射性偏光層が配置される。第1のカバーの第2の面の近傍には1/4波長位相遅延素子が配置される。1/4波長位相遅延素子は、第1の面と第2の面との間で、第1のカバーを2度通過する光に対する第1のカバーの複屈折の補償を実質的に最大にするように整列されている。
本発明の別の実施形態は、第1のカバーと第2のカバーとの間に配置された反射性偏光層を有する第1の偏光ビームスプリッタ(PBS)を含む光学システムに関する。第1のカバーは、0.1超の応力光学係数を有する材料で形成される。第1の反射像形成デバイスは、第1のカバーの第1の面に向いているので、光は、第1のPBSの反射性偏光層から第1の反射像形成デバイスへ第1のカバーを通過し、かつ反射像形成デバイスから第1のカバーを通って第1のPBSの反射性偏光層へ反射され、光は、第1のカバーにおける応力複屈折と反射像形成デバイスにおける残留複屈折とに晒される。第1の1/4波長位相遅延素子が配置されて、第1のカバーの第1の面と反射像形成デバイスとの間を通過する光を位相遅延させる。
本発明の別の実施形態は、像形成デバイスと、選択した偏光状態にある光を像形成デバイスへまたは像形成デバイスから反射するために配置された反射性偏光層と、を有する光学システムに関する。像形成デバイスと偏光層との間にある光路に複屈折素子が配置される。複屈折素子は、光路に実質的に垂直の面を有する。複屈折素子の複屈折は不均一であるので、面の異なる部分を通過する光の複屈折リターデーションの値は異なる。複屈折素子と像形成デバイスとの間には1/4波長位相遅延素子が配置される。1/4波長位相遅延素子は、反射性偏光層と像形成素子との間を往復する光のリターデーションを少なくとも部分的に補償するように向けられる。
本発明の別の実施形態は、異なる色帯域に関連する少なくとも2つの入口面を有する色結合ユニットと、少なくとも2つの入口面に対してそれぞれ動作可能に配置された少なくとも2つの偏光ビームスプリッタ(PBS)と、を含む光学システムに関する。少なくとも2つのPBSの少なくとも第1のPBSは、第1のカバーの第1の面と第2のカバーの第1の面との間に配置された第1の反射性偏光層を含む。第2のカバーは、反射性偏光層と色結合ユニットとの間に位置決めされている。第1のカバーは、0.1×10-6mm2-1超の応力光学係数(SOC)を有する透明材料で形成される。第1のPBSは、第1の反射面を定義する。第1のPBSの第1のカバーは、1/4波長位相遅延素子と反射性偏光層との間にある。1/4波長位相遅延素子の速軸が、第1の反射面に対し非平行および非垂直に向けられている。
本発明の別の実施形態は、像投影システムにおける複屈折の補償方法に関する。この方法は、偏光層において光を実質的に選択された偏光状態へ偏光するステップと、偏光された光を複屈折素子を通して像形成デバイスへ向けるステップと、を含む。偏光光は、像形成デバイスにおいて反射され、反射された偏光光を偏光層において分析する。偏光光および反射された偏光光を、複屈折素子と像形成デバイスとの間に配置された1/4波長位相遅延素子に通過させる。1/4波長位相遅延素子は、複屈折素子におけるリターダンス(retardance)を実質的に最適に補償するように向けられている。
上記の本発明の概要は図示の各実施形態または本発明の全実装例を説明するものではない。以下の図面および詳細な説明は、これらの実施形態をより詳細に説明する。
以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を添付の図面と関連して考慮すると、本発明をより完璧に理解するであろう。
本発明は、様々な変更形態および代替形態を受けることができるが、その具体例を図面に一例として示し、詳細に説明する。しかしながら、本発明を、説明する特定の実施形態に限定するものではないことを理解すべきである。それどころか、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神および範囲に含まれる変更物、等価物、代替物を全て網羅するものである。
本発明は、偏光ビームスプリッタ(PBS)を使用するシステムに適用でき、かつ照明光から、偏光変調器を使用して生成された像光を分離するためにPBSを組み込んだ像投影システムに特に有用であると考えられている。本発明は、PBSを使用するいかなる応用にも有用であるが、以下、特に投影システムにおいて使用される場合について説明する。本発明の範囲は、投影システムのみに限定されるものではない。
本発明を、多くの異なる種類の投影システムに使用してもよい。下記で説明する本発明を組み込んでもよいマルチパネル投影システム100の例示的な一実施形態を図1に概略的に示す。投影システム100は、異なる3つの色帯域の光を含む光ビーム104を生成する光源102を有する3パネル式投影システムである。光ビーム104を、色分割素子106、例えば、ダイクロイックミラーによって、異なる色の光を含む第1、第2および第3のビーム104a、104bおよび104cに分割する。ビーム104a、104bおよび104cの色は、例えば、それぞれ赤、緑および青であってもよい。例えばミラーまたはプリズムなどのビームステアリング素子108を使用して、ビーム104、104a、104bおよび104cのいずれかの進む方向を制御してもよい。
ビーム104a、104bおよび104cは、例えば、シリコン基板上に液晶を設けた(LCoS)パネルのような、LCDベースの反射型像形成パネルとし得る、個々の像形成デバイス110a、110bおよび110cに向けられる。光ビーム104a、104bおよび104cを、個々の像形成デバイス110a、110bおよび110cへおよびそれらから個々の偏光ビームスプリッタ(PBS)112a、112bおよび112cを経由して結合する。像形成デバイス110a、110bおよび110cは、入射光ビーム104a、104bおよび104cを偏光変調するので、個々の像ビーム114a、114bおよび114cは、PBS112a、112bおよび112cによって分離され、かつ色結合ユニット116へ通過する。図示の例示的な実施形態においては、照明光ビーム104a、104bおよび104cを、PBS112a、112bおよび112cによって像形成デバイス110a、110bおよび110cへ反射し、かつ得られる像光ビーム114a、114bおよび114cはPBS112a、112bおよび112cを透過する。図示しない別の方法では、照明光はPBSを透過して像形成デバイスに至る一方で、像光はPBSによって反射される。
像形成デバイス110a、110b、110cとそのそれぞれのPBS112a、112b、112cとの間に1/4波長リターデーション素子111a、111b、111cを位置決めする。1/4波長リターデーション素子111a、111b、111cを、下記で詳細に説明するように像形成デバイス110a、110b、110cにおける残留複屈折を補償するために、かつ、PBS112a、112b、112cにおける複屈折を補償するために使用してもよい。
図示の例示的な実施形態においては、色結合ユニット116は、例えば1つ以上のダイクロイック素子を使用して、異なる色の像光ビーム114a、114bおよび114cを結合する。特に、図示の例示的な実施形態では、X立方体の色結合器を示すが、他の種類の結合器を使用してもよい。3つの像ビーム114a、114bおよび114cを色結合ユニット116において結合して、投影レンズ系120によってスクリーン(図示せず)へ向けることができる単一の色付き像ビーム118を生じる。
投影システムの他の実施形態では1つ以上のPBSを使用してよい。例えば、投影システムは、米国特許出願第10/439,449号明細書および同第10/914,596号明細書に詳細が説明されているように、個別にPBSを有する1つまたは2つの像形成デバイスを使用してもよい。像形成デバイスの最大数は3つに限定されず、かつ投影システムは4つ以上の像形成デバイスを使用してもよい。さらに、高圧水銀ランプなどの白色光源、および発光ダイオードなどのカラー光源を含めて、異なる種類の光源を使用してもよい。どのようにPBSに到達する照明光が生成されるかまたはPBSに到達する前にどのように光が処理されるかに限定しようとするものではない。
投影システムに高コントラストの像をもたらすための高品質な偏光ビームスプリッタ(PBS)は、以前は、光弾性定数としても知られる応力光学係数(SOC)の低いガラスの使用を必要とした。低SOCガラスの例としては、PBH56ガラスおよびSF57ガラスが挙げられる。これらのガラスは、例えば酸化鉛が70重量%以上など鉛の含有量が高く、屈折率が1.8超と高い。PBSのガラス中に大量の鉛を使用すると環境問題をもたらす。さらに、多層光学フィルム偏光子中の偏光層の屈折率は、一般に約1.5〜1.6の範囲にあるので、偏光層とガラスとの間の屈折率の差は高くなり、低SOCガラスを使用すると偏光層への入射角が最適でなくなる。この比較的大きい屈折率差は、例えば米国特許第6,672,721号明細書および同第6,786,604号明細書において説明されているように、システムまたはPBS自体の光学設計において取り組むことができる収差をもたらすかもしれない。低SOCガラスはまた、アッベ数が低く、これは分散度が高いことを意味するので、SOCガラスは、広範囲な波長を網羅する応用にはあまり適していない。
製品からの鉛の排除は、重要な環境上の目的であり、複屈折に影響されやすい光学システムの性能に影響を及ぼす。本発明は、標準ガラス、例えばペンシルバニア州ドゥリエー(Duryea、Pennsylvania)のショット・ノースアメリカ社(Schott North America)から入手可能なN−BK7、N−SK5など、または同等のガラスの使用に関する。例えば、S−BAL35およびZK3は、NSK5と略同等であり、それぞれ日本国のオハラ社(Ohara Incorporated)、および中国のChengdu Guangming社によって供給される。これらのガラスのSOC値は、例えば上に挙げた低SOCガラスの値の100倍超まで高いが、本発明によれば、プロジェクションテレビ用のイメージングコアの照明において受ける応力に晒される場合でも、高コントラストを維持するPBS応用にこれらを使用してよい。これらの標準ガラスは鉛を含有しない。
イメージングPBS応用において鉛フリーガラスを使用する試みの多くが失敗している。例えば、クライン(Cline)ら(Thermal stress birefringence in LCOS projection displays、Display23(2002)151〜159頁)は、照明が誘発した熱応力複屈折、すなわち光を照明した時のガラスの吸収発熱によって生じる応力複屈折について、多数のガラスを分析しテストした。分析により、照明誘発熱応力複屈折に対する性能指数(figure of merit)をもたらし、これは、SK5、BK7およびUltran30の照明誘発熱応力複屈折は、プロジェクションテレビシステムの使用に対しては十分に低いであろうと示唆した。しかしながら、クラインらは、彼らの分析は、組立および取付けに起因する機械的応力、および照明以外の理由で生じる熱応力、例えば冷却ファン、電子機器からの熱、または反射型画像化装置によって吸収および放射された熱など、応力複屈折の他の源を考慮していないと言及した。例えば、PBSの偏光層とガラスプリズムとの間の接着剤に起因する、いくつかの追加的な応力複屈折が生じるかもしれない。この接着剤は、例えば、ガラスカバーに応力を生じるように硬化してもよく、これは製作応力をもたらす。さらに、高温での操作は、接着剤、ガラスカバーおよび/または偏光層における熱膨張係数が異なることに起因する熱誘発応力をさらにもたらす。これらの追加的な応力源が、クラインによって議論された照明に誘発された熱複屈折に加えて、著しい応力複屈折を誘発して、投影システムに使用されるPBSの低SOCガラスを、これらの鉛を含まないガラスに単純に置き換えることを不適当にする。N−SK5ガラスを使用する場合に、PBSのコントラストが著しく弱まり得ることを示す実験結果を下記に示す。
PBS構成部品の複屈折を排除するのではなく、本発明の一部の実施形態は、PBS構成部品の複屈折光学ガラスの効果を補償する研究に関する。本発明は、PBSの反射性偏光層の多くの異なる種類に有用であると考えられるが、特にカーテシアン多層光学フィルム(MOF)PBS、例えば共同所有の米国特許第6,486,997号明細書に説明されている偏光フィルムに有用であると考えられる。本発明は、偏光層と像形成デバイスとの間にガラス素子のある、マクニールPBSおよびワイヤグリッドPBSなどの他の種類のPBSにも有効であるかもしれない。
本発明に使用されてもよいガラスとしては、屈折率が1.8未満、1.7未満および1.6未満さえものガラスが挙げられる。さらに、ガラスのSOC値が、一実施形態においては0.1×10-6mm2-1超、別の実施形態においては0.5×10-6mm2-1超または別の実施形態においては1.0×10-6mm2-1超であってもよい。PBSに高コントラスト動作を与える、本発明に使用されてもよい鉛フリーガラスの一部の例としては、ペンシルバニア州ドゥリエーのショット・ノースアメリカ社から入手可能なN−SK5およびN−BK7ガラスが挙げられる。N−SK5ガラスのSOC値は、可視スペクトルでは2.16×10-6mm2-1、およびNBK−7のSOC値は2.7×10-6mm2-1である。これは、PBH56ガラス(0.09×10-6mm2-1)のSOCの20倍超であり、SF57ガラス(0.02×10-6mm2-1)のSOC100倍超である。従って、鉛フリーガラスは、高鉛ガラスよりも約20〜100倍機械的および/または熱応力に影響され得る。無応力で組立てられたPBSでも、多層偏光子の接着剤と高分子フィルムとにおける熱の伝達(thermal excursions)および吸湿によって生じる応力に影響され得る。以下説明するように、初めに無応力のPBSを準備した場合でも、PBSが発熱し、冷却し、かつ適所に取り付けられているので、PBSを暗状態のミラーで使用することおよび良好な暗状態の均一性を維持することは難しい。
PBSと像形成デバイスとの間に配置された、1/4波長フィルムまたは1/4波長板などの1/4波長位相遅延素子を使用して、鉛フリーガラスにおける応力に関連する複屈折を少なくとも部分的に補償する。これにより、通常PBSに従来の鉛フリーガラスを使用すると付随して起こるコントラストの低下を低減する。
応力をかけられたPBSの複屈折を、図2を参照して以下詳細に説明する。図2は、2つのカバー204、206の対向面204a、206aの間に挟まれた反射性偏光層202を有するPBS200を概略的に示す。カバー204、206はプリズム状であり、PBS200へおよびそこから光を透過するために、面204a、206aに平行でない追加的な面を有する。図示の実施形態においては、カバー204、206は、反射性偏光層202の出射面204bに対して45°に配置された対向面204a、206aのある直角プリズムであるが、面204a、206aは異なる角度で配置されてもよい。カバー204、206を、例えば、反射性偏光層202とカバー204、206とのそれぞれの間の接着層205a、205bを使用して、反射性偏光層202に取り付けてもよい。好適な接着層の一例は、米国特許出願公開第2004/0234774A1号明細書の教示にあるように、光学用エポキシ(optical epoxy)である。
一部の実施形態においては、反射性偏光層202は、異なるポリマー材料の交互層で形成された多層光学フィルム反射型偏光子であってもよい。ここで交互層のセットのうちの1種は、複屈折材料で形成される。異なる材料の屈折率は、ある直線偏光状態に偏光された光とは適合するが、直交する直線偏光状態にある光とは適合しない。従って、適合した偏光状態の入射光は層202を実質的に透過し、適合しない偏光状態の光は層202を実質的に反射する。
米国特許第6,719,426号明細書に教示されているように、例えば、マクニールPBSに使用されることが多い無機誘電体層の積層体、またはガラスプリズムに使用されるワイヤグリッド偏光子などの、他の種類の反射偏光層を使用してもよい。または他の任意の偏光選択性層が同様に使用される。反射性偏光層202をカバー204に、上述した方法と同様に、接着してもよい。
非偏光照明光210または混合された偏光状態の光が、PBS200に入射する場合には、反射性偏光層202は光を、ここではs偏光状態と称するある偏光状態210aに実質的に反射し、かつここではp偏光状態210bと称する直交する偏光状態に実質的に透過する。しかしながら、PBSがカーテシアンMOFである場合には、反射光と透過光の偏光状態は、PBSの材料の固定軸に準拠して決定されることに留意すべきである。すなわち、偏光状態は、反射偏光層自体の物理的異方性の方向によって決定される。マクニール偏光子の場合には、偏光方向は偏光子における反射面に準拠して決定される。従って、ここで用語s偏光およびp偏光を、この命名が厳密に正確であるマクニールPBSの場合、および命名が略および実質的に正確であり好都合であるカーテシアンPBSの場合の双方において、それぞれPBSによってまず反射され透過される光の直交する偏光状態を意味する場合に使用する。ワイヤグリッド偏光子およびMOF偏光子は、どちらもカーテシアン偏光子の例である。
反射性偏光層202によって反射されたs偏光された入射光の一部をRsとして示し、かつ反射性偏光層202によって透過されたp偏光された入射光の一部をTpとして示す。たとえ反射性偏光層202が、s偏光された光のみ反射し(Rs=1)、p偏光された光のみ透過する(Tp=1)完璧な偏光子であった場合でも、像形成デバイス212に到達する光は、以下説明する混合された偏光である。
第1のカバー204が応力下にあり、応力複屈折をもたらす。応力は多くの異なる理由によって生じる。例えば、応力は、製造プロセス中に、またはPBS200が光学システムに取付けられている場合に生じる機械的な原因から生じるかもしれない。さらに、応力は、例えば照明に誘発された熱応力、またはガラス、光学接着剤、反射性偏光層、またはPBS取付台の熱膨張係数の差異から生じるなど、本来は熱的であってもよい。それゆえ、p偏光光が反射されない、すなわちTp=1の場合でも、反射された光210aは複屈折カバー204を像形成デバイス212まで通過するので、像形成デバイス212に到達する光は、s偏光光とp偏光光の双方を含む。反射性偏光層202と第1のカバー204との間の接着層205aにも追加的な複屈折があるかもしれない。
応力に誘発された複屈折に起因する遅延効果は、以下説明するように、PBS200の一方の側において他方側よりも大きくてもよい。光線220が第1のカバー204の左側の端部を通過し、第1のカバー204の比較的長い経路に沿って伝搬してから、第1のカバー204内の比較的短い経路に沿って像形成デバイス212までビーム220aとして反射される。光線230は、第1のカバー204の右側の端部を通過し、第1のカバー204内の比較的短い経路に沿って伝搬してから、カバー204内の比較的長い経路に沿って像形成デバイス212までビーム230aとして反射される。それゆえ、像形成デバイスに到達する光ビーム230aは、反射性偏光層202に反射した後、ビーム220aよりも第1のカバー204内の経路を長く通過するので、第1のカバー204における複屈折のために、ビーム220aよりも多くのp偏光光部分を含むであろう。反射性偏光層202を透過した光ビーム220bおよび230bは、捨てられてもよい。
暗状態では、像形成デバイス212は反射光の偏光を実質的に変調しないので、像形成デバイス212から反射された光ビーム222および232の偏光状態は、像形成デバイス212に入射する光と実質的に同じである。ビーム222はほとんどp偏光光を含まないので、比較的少量の光のみがビーム222aとして反射性偏光層202によって透過され、比較的大量の光がビーム222bとして反射される。他方ビーム232は、p偏光光の部分を多く含み、反射性偏光層202への戻りが増大するので、ビーム232aとして透過した光はビーム222aよりも強度が強いであろう。従って、反射性偏光層202によって反射されたビーム232bは、ビーム222bよりも強度が弱いであろう。それゆえ、暗状態では、像光は不均一であり、かつ一方の側のPBSが他方に比較して明るいであろう。
第1のカバー204における応力複屈折の効果は、軸上の光線およびスキュー光線を含めて、像形成デバイスに入射する全光線に当てはまる。さらに、この効果はPBSの片側から他側へと増大するので、少なくとも反射面においては、照明光ビームを中心にして対称的ではない。
この振る舞いは実験で観察された。図3Aおよび3Bに示す2つの実験セットを使用した。図3Aに示すセット300では、高圧水銀アークランプからのs偏光光302を、f/2.3光ビームでMOF PBS304に向けた。MOF PBS304は実質的にs偏光光を、暗状態において反射型像形成デバイスを模倣するのに使用された平面ミラー306へ反射した。ミラー306から反射されPBS304を透過した光308を経路変更プリズム310を介して、対角線が50インチ(127cm)のスクリーンにミラー306の像を形成するレンズ312の方へ向けた。次にスクリーン上の像を、ラディアントイメージング社(Radiant Imaging Inc.)(ワシントン州デュバール(Duval,WA))によって製造されたプロメトリック(ProMetric)PM−1421−1イメージングカラーリメータ(Imaging Colorimeter)を使用して取得した。PBSは、共同所有の米国特許第6,609,705号明細書および同第6,721,096号明細書に説明されるようにMOF PBSであった。PBSは、f/2.3光ビームの場合にはTpおよびRs双方の値が可視領域(430nm〜700nm)にわたって95%超の偏光層を有した。
図3Bに示すセット350は、ミラー306を1/4波長ミラー(QWM)356、すなわち1/4波長位相遅延器358が取り付けられたミラー357に置換したことを除いて、図3Aと同じである。暗状態の像を各セット300、350用に記録した。最良な暗状態を得るために、QWM356をz軸に平行した軸の周りで回転した。スクリーンに最も明るいビームを得るためにQWM356をz軸に平行した軸の周りで回転させることによって、明状態の像もQWMセット350用に記録した。
図4Aは、アスペクト比が16:9の投影された像400の外周を概略的に示す。6本の点線402a〜c、404a〜cが、投影像を横切る線を示す。図4Bは、スクリーン上の3本の垂直線402a〜cに沿ったミラーの暗状態の明るさを示す。曲線412aは、線402aに沿った暗状態の明るさを示し、曲線412bは、線402bに沿った暗状態の明るさを示し、および曲線412cは、線402cに沿った暗状態の明るさを示す。暗状態の明るさの値は、QWMによる暗状態の明るさを規準化する、すなわちグラフの値は、ミラー暗状態の明るさをQWM暗状態の明るさで割ることによって得た。これにより、例えばミラーを照明するビームの強度プロフィールにおけるあらゆる不均一性から生じる、いくつかの体系的なアーチファクトを結果から除去する。
座標系の始点を、線402bと404bが交差するスクリーンの中心に置く。垂直線402a〜cは、それぞれ−0.45、0および0.45のx座標を有し、および水平線404a〜cは、それぞれ0.27、0および−0.27のy座標を有する。それゆえ、A〜Iで記した点、線402a〜cと404a〜cの交差点は、以下の座標を有する。A(−0.45,0.27)、B(0,0.27)、C(0.45,0.27)、D(−0.45,0)、E(0,0)、F(0.45,0)、G(−0.45,−0.27)、H(0,−0.27)、I(0.45,−0.27)。(メートル単位で)各位置に対応する座標を投影スクリーン上で測定した。
初めに、像の右側、線402cに対応する曲線412cを見ると、ミラー暗状態の明るさは、約−0.3m〜0mの位置ではQWMの明るさに近い。しかしながら、0m〜0.3mの位置では、ミラー暗状態の相対的な明るさは、約7の値まで著しく増大する。換言すれば、ミラー暗状態は、QWM暗状態よりも約7倍明るいということである。これは、1/4波長位相遅延器が不在の場合にこの領域においてより著しい暗状態での漏洩があるということを意味する。それゆえ、像の右上隅は左下隅よりも明るく見えた。他の曲線412a、412bは、像の高さにわたって曲線412cほどには変わらず、暗状態の像は像400の右上隅が一番明るいことを示す。
図4Cは、スクリーン400を横切る3本の水平線404a〜cのミラー暗状態の規準化された明るさを示す。曲線414aは、線404aに沿った暗状態の明るさを示し、曲線414bは、線404bに沿った暗状態の明るさを示し、および曲線414cは、線404cに沿った暗状態の明るさを示す。像400の上部に沿った位置の暗状態の像の明るさを示す曲線414aは、スクリーンの左側の位置(0m未満の位置)においては値が比較的低いが、スクリーンの右側では高い。これは前段落で垂直線412a〜cについて議論した結果と一致している。曲線414bおよび414cは比較的平坦であり、これらの域においてミラー306またはQWM356の暗状態の強度に大きな差異がないことを示す。416で示す点は、埃が存在して暗状態の明るさの現実的測定が妨げられた域に対応する。
明状態照度の暗状態照度に対する比であるコントラスト比を、位置A〜Iに対応する投影像域内の9箇所の異なる位置で計算した。このコントラスト比を、検出器314への最大透過をもたらす状態にQWMを回転した場合の暗状態の光の明るさと最も明るい状態の明るさを測定することにより測定した。セット300および350のそれぞれのコントラスト測定の結果を表Iに要約する。
Figure 0005203926
テレビ投影システムの場合のコントラスト比は、2500以上のレベルが好ましい。点BおよびCは、ミラー306を単独で使用した場合にはこの基準に満たないことがわかる。これは、PBSカバーにおける応力複屈折のためである。対照的に、QWM暗状態の場合のコントラスト比は、投影像の全点において2500をはるかに上回る。
例えば点AおよびIなど、いくつかの点において、QWM356よりもミラー306を使用した場合にコントラストが著しく高い。これらは、PBSカバーにおける、応力複屈折の影響がほとんどないか、または全くない位置に対応する。得られるコントラスト比はQWM投影像で減少する。なぜなら、例えば方位の不完全性など、おそらく取付け状態によって引き起こされたかまたは位相遅延器358自体の性質により、1/4波長位相遅延器358が不完全な状態であるためである。さらに、QWM356を使用するセット350は波長の最適化がされておらず、最適化された部品によりコントラスト性能の改善が見込まれる。QWM356上の1/4波長位相遅延器358はスペクトル的にニュートラルではなく、約137nmの複屈折を有した。それゆえ、1/4波長フィルムは、550nm付近の波長に真の1/4波長リターデーションのみをもたらした。QWMの場合には、使用される入射光の帯域を狭くするか、照明光の波長帯にわたってより平坦なリターデーションを有するQWM356を使用することによって、コントラストの改善が見込まれたであろう。3パネル式投影システムでは、像生成デバイスに入射する光の帯域は、典型的には約70nm以下であり、PBSおよび1/4波長位相遅延器を含め光学素子は、投影された各色帯域における作用を最適化し得ることに留意すべきである。
1/4波長位相遅延器(QWR)を使用する効果を、ミュラー行列の偏光モデリングを用いて示した。効果を実証するこの最も単純なモデルは、PBS機能に等価な機能を果たす直交した直線偏光子を含む。直交した偏光子は、PBSを介する一つの反射および一つの透過と同等である。同等の偏光子間に複屈折ガラスを置いて、PBSカバー、QWR、ある程度の迷リターダンス(stray retardance)を有するLCoS画像化装置、およびミラーを形作る。
図5は、PBSの面(500)を概略的に示し、偏光の方向(s−pol)、および面500における異なる複屈折の方向を示す様々な矢印を示す。複屈折の方向は、ガラス材料における応力の方向に依存している。得られる分析は、QWR補償器がどのレベルの複屈折、または偏光方向に対して45°に向けられた応力((a)で示された矢印)も実質的に補正することを示す。0°または90°に向けられた応力(それぞれ矢印(b)および(c))は、偏光された光ビームの偏光に何ら影響を及ぼさなかった。分析は、22.5°(モジューロ45°)向けられた応力(矢印(d)および(e))が、QWRを用いた補償が最も難しいことを示す。
この振る舞いの理由を以下、図6A〜Dを参照して説明する。図6Aは、2つのカバー604と606との間にある反射性偏光層602によって形成されたPBS600に入る光ビーム610を概略的に示す。光は第1のカバー604に入り、反射性偏光層602から反射して像形成デバイス608の方向へ進む。第1のカバー604は、応力複屈折を起こす。
光610は、反射性偏光層602において偏光されるか、予め偏光されていた場合には再偏光される。これは、反射性偏光層602はTpの値が、入射光の帯域および入射角の範囲にわたって少なくとも90%超、好ましくは92%超および一層好ましくは94%超と高いと仮定している。米国特許第6,609,795号明細書に説明された多層フィルムの偏光層は、高い値のTpを達成し、典型的な値は、f/2.3ビームの場合には430nm〜700nmの全波長帯域にわたって96%〜98%に達する。それゆえ、望ましくない偏光状態にある光のわずかな部分も像形成デバイス608へ反射される。
反射された光610aは、第1のカバー604を通る経路に沿って伝搬する。第1のカバー604を出ると、z軸に垂直な面である面Aにおける光610aの偏光状態は、互いに直交するように偏光された成分の組み合わせである。光ビームの偏光成分の例示的な選択を図6Bに示す。これは、像形成デバイスにおいて、負のz方向に沿って観察者がPBS600を見る場合の、ガラスリターデーションの領域を通過するビーム610aの一部分の偏光状態を示す。軸方向の光線の場合には、s偏光方向はy方向に平行していると仮定し、p偏光方向はx方向に平行していると仮定する。光ビーム610は、y軸(s偏光方向)に対してθ0の偏光角を有する。光は楕円形に偏光され、偏光角θ0は、偏光楕円の長軸の方向である。偏光方向に対して45°におけるリターデーションの偏光角θ0を、式:
θ0=tan-1(Ix/Iy)、
(式中、
x=Io・sin2(2□□n・d/□)、および
y=Io・cos2(2□□n・d/□)である)
を使用して得ることができる。
0は、入射ビームの強度であり、IxおよびIyは、それぞれx軸に平行に偏光された光(p偏光光)とy軸に平行に偏光された光(s偏光光)の相対強度であり、□n・dは、検討中のガラスの領域における光の経路に沿ったリターデーションの総計であり、および□は、真空中の光の波長である。他の向きのリターデーションでは、式はより複雑であるが、質的には似ている。θ0の実際値は、第1のカバー604のリターダンスに依存し、実際的な場面では、図6Bに示す値よりも少ない値を有してもよい。図6Bに示すθ0の特定の値は、説明のためのみ選択された。
光ビーム610aはQWR612を通過し、反射されたビーム614として像形成デバイス608から反射され、再度QWRを通過する。QWR612の2度の通過は、機能的には1/2波長位相遅延器を通過するのに相当する。その結果、反射ビーム614の偏光角は、−θ0に反転する。図6Cは、像形成デバイス608からの反射後の、面Aにおける反射ビーム614の偏光角を示す。
QWR612に戻った後、光ビーム614は、カバー604を通って反射性偏光層602まで略同じ経路をたどるので、応力複屈折による、入射経路において光610が受けたものと実質的に同じリターデーションを受ける。しかしながら、光ビーム614の偏光角は、面Aにおける光ビーム610に対して逆転しているので、正味の影響としては、一度ビーム614が第1のカバー604に戻って偏光層602まで通過すると、偏光角θは、0または0に近い値まで回転して戻ったことである。これを図6Dに概略的に示す。図6Dは、反射性偏光層602における、面Bでの光ビーム614の偏光状態を示す。図示の例においては、補償は理想的であり、光ビーム614は、y軸に平行にs偏光される。この光はPBS600の偏光層602によって反射され、暗状態の像の場合のようには、投影像の明るさに実質的に寄与しない。他方、偏光−変調光614は、像光として反射性偏光層602を通過する。以下に説明する理由のために、PBSカバーの複屈折のための補償が常に完璧でなないであろうことを理解されたい。しかしながら、補償の度合いは有意であり得、かつ鉛フリーガラスを高コントラストのPBSに使用できるようにする。
QWR612を使用する応力複屈折の補償は、軸上の光610a、すなわち反射性偏光層602から第1のカバー604をz軸に平行な方向に伝搬する光に対して、および反射型偏光子のTpの値が比較的高い場合には効果がある。しかしながら、実際には、条件はやや不利である。例えば、像形成素子は、一般に特定の円錐角に含まれる光を使用して照明され、その結果、像形成デバイス608に入射する光線は、z軸に平行である必要はない。それゆえ、入射光線と出射光線の複屈折の履歴は異なるものになる。照明光のための偏光角の回転は、z軸からの角度が増大した状態において伝搬する、反射された光線のための偏光の回転とは次第に異なるものとなる。それゆえ、第1のカバー604の応力複屈折が補償される程度は減少する。
さらに、Tpの値が100%未満に落ちると、反射性偏光層604によって像形成デバイス608の方向へ反射される光は、p偏光光の含有量が増える。偏光層602からの反射後の、偏光層602と像形成デバイス608との間の光路にある複屈折効果のみが、QWR612に起因する偏光角の逆転により補償される。従って、反射された光602aがp偏光光を含む範囲で、コントラストが低下する。それゆえ、反射性偏光層602で反射されるp偏光光の量を減少させるためには、Tpが高いことが重要である。それゆえ、例えばf/3.0またはf/2.0以下に至るまでの有用なFナンバーを有する照明光を使用する場合のような、極端な光線(extreme rays)に対するTpの値が90%よりも高い場合には、応力複屈折の効果を減少させるこの方法は最も有用である。好ましくは、Tpの値は92%より高く、および一層好ましくは94%より高い。
QWR612は、偏光層602とQWR612との間に位置するPBSカバー604に加えて、いかなる構成要素においても複屈折を少なくとも部分的に補償する。例えば、QWR612は、カバー604と偏光層602との間の接着層に生じる複屈折を補償してもよい。さらに、随意の視野レンズ618を像形成デバイス608の近くに位置決めしてもよい。この配置は、特に横の色の点で投影レンズに付加的な設計の自由度をもたらす。視野レンズ618における複屈折は、視野レンズ618がQWR612と偏光層612との間に位置決めされる場合には、QWR612によって補償されてもよい。QWR612と偏光層602との間に位置決めされてもよい他の構成要素としては、例えば、QWR612を支持するためのガラス基板(図示せず)が挙げられる。
像形成デバイス608の鏡面と偏光層602との間の光学面は、例えば反射防止コーティングを使用して反射防止特性を備えていてもよい。これは反射損を減少し、それゆえ像光の光スループット(optical throughput)を増大する。また、反射防止面の使用は、投影像において暗い背景と対立された明るい領域の周りにハローの発生を減少させるかもしれない。このようなハローは、光学面から離れた明るい領域から発散して像形成デバイス608のミラーに戻る光線から生じる。次に光は正しい偏光状態でミラーから反射して、像光としてPBS600を通過する。これらの光線は明るい領域の外側にあり、観察者には、明るい領域をすぐ近くで取り囲んでいる暗い領域から生じているように見える。
数値的なモデル化からの結果をいくつか以下説明する。図7は、i)偏光層602と像形成デバイス608との間をガラスカバーに1回通過する場合のガラスカバー604におけるリターダンスと、ii)QWR612の方位との関数として計算されたコントラスト比を示す等高線図を示す。QWR612の方位は、QWR612の速軸が反射面に平行であるか垂直であるかの条件に関して角度で与えられる。カバー604における複屈折を反射面に対して45°であると仮定した。モデルは、像形成デバイスを、反射面に対して45°における平面内の残留複屈折が5nmであるVAN型の液晶ディスプレイパネルであると仮定した。QWR612のその速軸が反射面に対して約1.8°回転される場合に、最大コントラストが達成されることがわかる。この計算は、PBS600においてTp=100%の値を仮定した。MOF PBSの一部はTpの値が98%を超えると例証するかもしれないので、この仮定は不適切ではない。上で議論したように、ガラスカバー604におけるいかなる量の複屈折も、ガラスカバー604の複屈折のこの向きに対するQWR612のある一つの方位によって厳密に補償されることに留意すべきである。
図8は、図7の等高線図に類似であるが、ガラスカバー604における複屈折が22.5°に向けられた場合の等高線図を示し、これは、この方法を用いて補償をするのが最も難しい条件である。リターデーションのあるレベルにおいては、QWRは完全には複屈折を補償しないことは明らかである。しかしながら、QWRの方位角の賢明な選択、例えば直線802に示されるレベルにおいては、まだ、ガラスカバーのリターダンス20nm以下に対して6000:1超の比較的高コントラスト比をもたらすことができる。実際のPBSでは、ガラスカバーにおける複屈折が全て22.5°に向けられてはおらず、従って、得られる実際のコントラスト比はこのグラフに示されるものよりも高いであろうことに留意すべきである。それゆえ、QWRを、1nm超の、5nm超のおよび10nm超の、カバーにおけるリターデーションのレベルを補償するのに使用してもよい。
図9は、カバー604における複屈折の方位角とQWR612の方位との関数として、コントラストの等高線図を示す。ガラスカバー604のリターデーションが10nmであるとの仮定の下に、この図の結果を得た。これらの結果は、水平線902によって示すQWR612の一つの方位が、複屈折の向きのいかなる角度に対しても、8000:1超の高コントラスト性能をもたらすことを明らかに示す。
図10は、a)QWR補償無し、曲線1002、b)最適なQWR補償、曲線1004、像形成デバイスにおける残留複屈折無しと仮定、およびc)最適なQWR補償、曲線1006の場合のガラスカバー604におけるリターデーションの関数としてコントラストを比較するグラフを示す。なお、ここでは、オフ状態における入射偏光状態に対して45°において約5nmの残留リターデーションがある。ガラスカバー604における複屈折の向きを25°であると仮定した。補償無し、曲線1002では、ガラスカバー604におけるリターデーションの値が小さい時点でコントラストは急速に低下する。リターデーションの約0.004波(可視光では約2nm)において、コントラストは半分まで減少する。しかしながら、補償した、曲線1004、1006の場合では、同様のレベルのコントラスト減少を起こすには、リターデーションの大きさは0.03(可視光では約15nm)を超える必要がある。有用なPBSコントラストのレベルは、ほとんどのリアプロジェクションテレビ(RPTV)では2500:1を超えるべきである。図10における結果は、このレベルのコントラストは、QWR補償がない場合には、25°の応力方位において0.004波以下のリターデーションである必要があることを示す。相対的に、複屈折−補償系は、このレベルの複屈折を少なくとも10倍許容できるが、それでも2500:1のコントラスト要件を満たす。表Iに要約された実験結果から、ガラスカバーは、約0.0085波(可視光では約4.7nm)の応力に誘発されたリターデーションを有すると推定できる。これは、補償されていない系が許容できる程度を超えているが、補償された系が容認できるリターデーションレベルの範囲に十分入る。
QWRを使用した補償に加えて、応力に誘発された複屈折の効果を低減するために考慮されるであろう別の要因は、PBSにかけられる応力量を減少することである。PBSガラスにおける光吸収によって生じる熱的に誘発された応力など、応力源のいくつかは、回避するのが難しい。他の応力源、例えば取付けによって生じる応力を、工学技術と設計とを注意深く行うことによって減少してもよい。
光学素子に取り付けられた1つのPBSまたは複数のPBSを含む光学コアを提供することが便利である場合が多い。例えば、図1の投影システム100は、例えば感圧接着剤などの光学接着剤または光学エポキシを使用して色結合ユニット116に取り付けられたPBS112a、112b、112cを示す。
本出願では、以下の態様が提供される。
1. 光ビームを透過する第1の面および第2の面を有する第1のカバー、光ビームを透過する少なくとも第1の面を有する第2のカバーであって、その第1の面が前記第1のカバーの前記第1の面に対向するように配置された第2のカバー、および前記第1のカバーの前記第1の面と前記第2のカバーの前記第1の面との間に配置された反射性偏光層、を含む偏光ビームスプリッタ(PBS)と、前記第1のカバーの前記第2の面の近傍に配置された1/4波長位相遅延素子であって、前記第1の面と第2の面との間で、前記第1のカバーを2度通過する光に対する前記第1のカバーの複屈折の補償を実質的に最大にするように整列されている1/4波長位相遅延素子と、を含む光学ユニット。
2. 前記第1のカバーが、1.8以下の屈折率を有するガラスを含む、態様1に記載のユニット。
3. 前記ガラスの屈折率が1.7以下である、態様2に記載のユニット。
4. 前記ガラスの屈折率が1.6以下である、態様3に記載のユニット。
5. 応力光学係数が0.1×10 -6 mm 2 -1 超である、態様1に記載のユニット。
6. 応力光学係数が0.5×10 -6 mm 2 -1 超である、態様5に記載のユニット。
7. 応力光学係数が1.0×10 -6 mm 2 -1 超である、態様6に記載のユニット。
8. 前記反射性偏光層が多層ポリマー光学フィルムを含む、態様1に記載のユニット。
9. 前記第1のカバーの前記第2の面から前記1/4波長位相遅延素子を通過する光路に配置された像形成デバイスをさらに含む、態様1に記載のユニット。
10. 前記像形成デバイスが反射型液晶像形成デバイスを含む、態様9に記載のユニット。
11. 前記第1のカバーを2回通過する光が受ける複屈折、ならびに前記像形成デバイスの残留複屈折を少なくとも部分的に補償するように前記1/4波長位相遅延素子の速軸の方位角が選択される、態様9に記載のユニット。
12. 前記像形成デバイスからの前記PBSを通過した像光の断面部分のコントラスト比が1000:1超である、態様9に記載のユニット。
13. 前記1/4波長位相遅延素子と前記反射性偏光層との間に配置された第2の複屈折素子をさらに含む、態様1に記載のユニット。
14. 前記第2の複屈折素子がレンズを含む、態様13に記載のユニット。
15. 前記反射性偏光層によって反射されかつ通常前記第1のカバーの前記第2の面を通って前記1/4波長位相遅延素子へ通過する光の光路が入射面を定義し、前記1/4波長位相遅延素子は、前記入射面に対し非平行および非垂直に向けられた速指標軸を有する、態様1に記載のユニット。
16. 前記光ビームを生成する光源をさらに含み、前記光ビームは前記第1のカバーに第3の面を通して入り、前記光ビームはf/2.5超のFナンバーを有する、態様1に記載のユニット。
17. 前記光ビームを生成する光源をさらに含み、前記光ビームは前記第1のカバーに第3の面を通して入り、前記光ビームはf/2.5以下のFナンバーを有する、態様1に記載のユニット。
18. 前記第1のカバーが実質的に鉛を含まないガラス材料で形成される、態様1に記載のユニット。
19. 第1のカバーと第2のカバーとの間に配置された反射性偏光層を有する第1の偏光ビームスプリッタ(PBS)であって、前記第1のカバーが0.1超の応力光学係数を有する材料で形成されている、第1の偏光ビームスプリッタと、光が、前記第1のPBSの前記反射性偏光層から前記第1の反射像形成デバイスへ前記第1のカバーを通過するように、かつ前記反射像形成デバイスから前記第1のカバーを通って前記第1のPBSの前記反射性偏光層へ反射されるように、前記第1のカバーの第1の面に向く第1の反射像形成デバイスであって、前記光が、前記第1のカバーにおける応力複屈折と前記反射像形成デバイスにおける残留複屈折とに晒される、第1の反射像形成デバイスと、前記第1のカバーの前記第1の面と前記反射像形成デバイスとの間を通過する前記光を位相遅延させるために配置された第1の1/4波長位相遅延素子と、を含む光学システム。
20. 前記第1の1/4波長位相遅延素子が、前記第1のPBSの前記第1のカバーおよび前記反射型像形成デバイスにおける複屈折に対する補償を最大にするように向けられている、態様19に記載のシステム。
21. 前記応力光学係数が0.5×10 -6 mm 2 -1 超である、態様19に記載のシステム。
22. 前記応力光学係数が1.0×10 -6 mm 2 -1 超である、態様21に記載のシステム。
23. 前記第1のカバーが、1.8以下の屈折率を有するガラスで形成されている、態様19に記載のシステム。
24. 前記ガラスの屈折率が1.7以下である、態様23に記載のシステム。
25. 前記ガラスの屈折率が1.6以下である、態様24に記載のシステム。
26. 光源と、照明光ビームを前記PBSを経て前記像形成デバイスへ向けるためのビームマネージメントオプティクスと、をさらに含む、態様19に記載のシステム。
27. 前記像形成デバイスからの像を投影するように構成された投影レンズユニットをさらに含む、態様19に記載のシステム。
28. 投影された像のコントラスト比が1000:1以上である、態様27に記載のシステム。
29. 前記コントラスト比が2500:1以上である、態様28に記載のシステム。
30. 少なくとも第2のPBSと、少なくとも第2の反射像形成デバイスと、色結合ユニットと、をさらに含み、前記第1および少なくとも第2の反射像形成デバイスからの像光が前記色結合ユニットにおいて結合されて、結合像ビームを生じる、態様19に記載のシステム。
31. 少なくとも第3のPBSと、少なくとも第3の反射像形成デバイスとをさらに含み、前記第1、第2および少なくとも第3の像形成デバイスからの像光が前記色結合ユニットにおいて結合されて、結合像ビームを生じる、態様30に記載のシステム。
32. 前記色結合ユニットがXキューブ色結合ユニットを含み、前記第1、第2および第3のPBSが前記Xキューブ色結合ユニットに取り付けられ、前記第1、第2および第3の反射像形成デバイスが、それぞれ前記第1、第2および第3のPBSに取り付けられている、態様31に記載のシステム。
33. 像形成デバイスと、選択した偏光状態にある光を、前記像形成デバイスへまたは前記像形成デバイスから反射するために配置された、反射性偏光層と、前記像形成デバイスと前記偏光層との間の光路に配置された少なくとも第1の複屈折素子であって、前記光路に実質的に垂直の面を有し、前記複屈折素子の複屈折は不均一であるので、前記面の異なる部分を通過する光の複屈折リターデーションの値は異なる、第1の複屈折素子と、前記第1の複屈折素子と前記像形成デバイスとの間に配置された1/4波長位相遅延素子であって、前記反射性偏光層と前記像形成素子との間を往復する光のリターデーションを少なくとも部分的に補償するように向けられた1/4波長位相遅延素子と、を含む光学システム。
34. 前記第1の複屈折素子が前記反射性偏光層のためのガラスカバーを含む、態様33に記載のシステム。
35. 前記第1の複屈折素子が、前記面の少なくとも一部分を通過する光に対して、少なくとも1nm超の1回通過のリターダンスを有する、態様33に記載のシステム。
36. 前記第1の複屈折素子が少なくとも5nm超の1回通過のリターダンスを有する、態様35に記載のシステム。
37. 前記第1の複屈折素子が少なくとも10nm超の1回通過のリターダンスを有する、態様36に記載のシステム。
38. 前記第1の複屈折素子が、0.5×10 -6 mm 2 -1 超の応力光学係数を有するガラスカバーである、態様33に記載のシステム。
39. 前記応力光学係数が1.0×10 -6 mm 2 -1 超である、態様38に記載のシステム。
40. 前記像形成デバイスと前記偏光層との間の前記光路に配置された第2の複屈折素子をさらに含む、態様33に記載のシステム。
41. 前記第2の複屈折素子がレンズを含む、態様40に記載のシステム。
42. 光源と、照明光ビームを前記反射性偏光層を経て前記像形成デバイスへ向けるためのビームマネージメントオプティクスと、をさらに含む、態様33に記載のシステム。
43. 前記像形成デバイスからの像を投影するように構成された投影レンズユニットをさらに含む、態様33に記載のシステム。
44. 前記像のコントラスト比が2500:1以上である、態様43に記載のシステム。
45. 異なる色帯域に関連する少なくとも2つの入口面を有する色結合ユニットと、前記少なくとも2つの入口面に対してそれぞれ動作可能に配置された少なくとも2つの偏光ビームスプリッタ(PBS)であって、前記少なくとも2つのPBSの少なくとも第1のPBSが、第1のカバーの第1の面と第2のカバーの第1の面との間に配置された第1の反射性偏光層を含み、前記第2のカバーが、前記反射性偏光層と前記色結合ユニットとの間に位置決めされ、前記第1のカバーが、0.1×10 -6 mm 2 -1 超の応力光学係数(SOC)を有する透明材料で形成され、前記第1のPBSが第1の反射面を定義する、少なくとも2つの偏光ビームスプリッタと、第1の1/4波長位相遅延素子であって、前記第1のPBSの前記第1のカバーが前記1/4波長位相遅延素子と前記反射性偏光層との間にあり、前記1/4波長位相遅延素子の速軸が、前記第1の反射面に対し非平行および非垂直に向けられている、第1の1/4波長位相遅延素子と、を含む光学システム。
46. 前記少なくとも2つの偏光ビームスプリッタの第2のPBSが、第3のカバーの第1の面と第4のカバーの第1の面との間に配置された第2の反射性偏光層と、第2の1/4波長位相遅延素子と、を含み、前記第4のカバーが、前記第2の反射性偏光層と前記色結合ユニットとの間に位置決めされ、前記第3のカバーが0.1×10 -6 mm 2 -1 超の応力光学係数(SOC)を有する透明材料で形成され、前記第2のPBSが第2の反射面を定義し、前記第2のPBSの前記第3のカバーが前記第2の1/4波長位相遅延素子と前記第2の反射性偏光層との間にあり、前記第2の1/4波長位相遅延素子の速軸が、前記第2の反射面に対し非平行および非垂直に向けられている、態様45に記載のシステム。
47. 前記少なくとも2つの偏光ビームスプリッタの第3のPBSが、第5のカバーの第1の面と第6のカバーの第1の面との間に配置された第3の反射性偏光層と、第3の1/4波長位相遅延素子と、を含み、前記第6のカバーが前記第3の反射性偏光層と前記色結合ユニットとの間に位置決めされ、前記第5のカバーが0.1×10 -6 mm 2 -1 超の応力光学係数(SOC)を有する透明材料で形成され、前記第3のPBSが第3の反射面を定義し、前記第3のPBSの前記第5のカバーが前記第3の1/4波長位相遅延素子と前記第3の反射性偏光層との間にあり、前記第3の1/4波長位相遅延素子の速軸が、前記第3の反射面に対し非平行および非垂直に向けられている、態様46に記載のシステム。
48. 前記第1、第2および第3のPBSが前記色結合ユニットに取り付けられている、態様47に記載のシステム。
49. 前記第2、第4および第6のカバーが前記色結合ユニットに取り付けられている、態様48に記載のシステム。
50. 前記第1、第2および第3のPBSの近傍にそれぞれ動作可能に配置された個別の第1、第2および第3の像形成デバイスをさらに含む、態様47に記載のシステム。
51. 前記第1、第2および第3の像形成デバイスが、前記第2、第4および第6のカバーにそれぞれ取付けられている、態様50に記載のシステム。
52. 前記第1、第2および第3の像形成デバイスの少なくとも1つが反射型像形成デバイスである、態様50に記載のシステム。
53. 光源と、照明光を前記第1のPBSへ向けるように構成された光マネージメントオプティクスと、をさらに含む、態様45に記載のシステム。
54. 前記色結合ユニットから受けた像を投影するように構成された投影レンズユニットさらに含む、態様45に記載のシステム。
55. 偏光層において光を実質的に選択された偏光状態へ偏光するステップと、前記偏光された光を複屈折素子を通して像形成デバイスへ向けるステップと前記偏光光を前記像形成デバイスにおいて反射するステップと、前記偏光層において前記反射された偏光光を分析するステップと、前記偏光光および前記反射された偏光光を、前記複屈折素子と前記像形成デバイスとの間に配置された1/4波長位相遅延素子に通過させるステップであって、前記1/4波長位相遅延素子は、前記複屈折素子におけるリターダンスを実質的に最適に補償するように向けられている、ステップと、を含む、像投影システムにおける複屈折の補償方法。
56. 前記光を生成するステップと、前記光を前記偏光層に向けるステップと、をさらに含む、態様55に記載の方法。
57. 前記分析された光をスクリーンへ投映するステップをさらに含む、態様55に記載の方法。
従って、本発明を上述の特定の例に限定して考慮すべきではなく、添付の特許請求の範囲に適正に明確に記したように本発明の全態様を網羅するものであると理解すべきである。本発明に適用してもよい多数の構造のほか、様々な変更物、等価のプロセスが、本明細書を再考すると、本発明に関する当業者には容易に明らかであろう。特許請求の範囲は、そのような変更例およびデバイスを網羅するものである。
本発明の原理による投影システムの実施形態を概略的に示す。 偏光ビームスプリッタの動作を概略的に示す。 実験結果を得るために使用された実験的な構成を概略的に示す。 実験結果を得るために使用された実験的な構成を概略的に示す。 投影像域を概略的に示す。 投影像域の垂直位置における、1/4波長補償無しの暗状態光の明るさと、1/4波長補償有りの暗状態光の明るさとの比を示す実験結果を提示する。 投影像域の水平位置における、1/4波長補償無しの暗状態光の明るさと、1/4波長補償有りの暗状態光の明るさとの比を示す実験結果を提示する。 偏光ビームスプリッタのカバーにおける複屈折角を概略的に示す。 本発明の原理による、1/4波長位相遅延補償器有りの偏光ビームスプリッタの実施形態を概略的に示す。 図6Aの構成内のある点における光に対する偏光角を示すグラフを提示する。 図6Aの構成内のある点における光に対する偏光角を示すグラフを提示する。 図6Aの構成内のある点における光に対する偏光角を示すグラフを提示する。 i)偏光ビームスプリッタのガラスカバーにおける複屈折と、ii)45°の複屈折角に対する1/4波長位相遅延器の方位角との関数として計算されたコントラストの等高線図を示すグラフを提示する。 i)偏光ビームスプリッタのガラスカバーにおける複屈折と、ii)22.5°の複屈折角に対する1/4波長位相遅延器の方位角との関数として計算されたコントラストの等高線図を示すグラフを提示する。 i)複屈折角と、ii)ガラスカバーにおける10nmのリターデーションに対する1/4波長位相遅延器の方位との関数として計算されたコントラストの等高線図を示すグラフを提示する。 1/4波長位相遅延器を使用する補償の有無による、ガラスカバーにおける複屈折の関数としてコントラストを示すグラフを提示する。

Claims (7)

  1. 光ビームを透過する第1の面および第2の面を有する第1のカバー、
    光ビームを透過する少なくとも第1の面を有する第2のカバーであって、その第1の面が前記第1のカバーの前記第1の面に対向するように配置された第2のカバー、および
    前記第1のカバーの前記第1の面と前記第2のカバーの前記第1の面との間に配置されて、前記第1および第2のカバーで覆われており、一つの偏光状態の光を反射し、もう一つの偏光状態の光を通過させる、反射性偏光層、
    を含む偏光ビームスプリッタ(PBS)と、
    前記第1のカバーの前記第2の面の近傍で、前記第1のカバーから出て再び前記第1のカバーに入射する光の光路に配置された1/4波長位相遅延素子と、
    を含み、前記1/4波長位相遅延素子の速軸の方位角が、前記第1のカバーの前記第1の面と第2の面との間で、前記第1のカバーを2度通過する前記光路の前記光に対して前記第1のカバーで応力により生じる複屈折を最大限補償するように選択されるものであり前記1/4波長位相遅延素子の速軸が、前記反射性偏光層によって反射されかつ通常前記第1のカバーの前記第2の面を通って前記1/4波長位相遅延素子へ通過する前記光の光路によって定義される入射面に対し非平行および非垂直に向けられる、光学ユニット。
  2. 前記第1のカバーが、1.8以下の屈折率を有するガラスを含む、請求項1に記載のユニット。
  3. 前記第1のカバーが、0.1×10−6mm−1超の応力光学係数を有する材料で形成されている、請求項1に記載のユニット。
  4. 前記反射性偏光層が多層ポリマー光学フィルムを含む、請求項1に記載のユニット。
  5. 前記第1のカバーの前記第2の面から前記1/4波長位相遅延素子を通過する光路に配置された像形成デバイスをさらに含む、請求項1に記載のユニット。
  6. 前記1/4波長位相遅延素子と前記反射性偏光層との間に配置されたレンズをさらに含む、請求項1に記載のユニット。
  7. 前記第1のカバーが実質的に鉛を含まないガラス材料で形成される、請求項1に記載のユニット。
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