JP5210395B2 - 光学画像投影のための光変調器 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によりその全体が本明細書に組み込まれている２００８年１月２２日に出願した「ＤＩＦＦＵＳＥＲ ＣＯＮＦＩＧＵＲＡＴＩＯＮ ＦＯＲ ＡＮ ＩＭＡＧＥ ＰＲＯＪＥＣＴＯＲ，」という名称の米国特許出願第１２／０１７４４０号の一部継続出願である。

本出願は概略として、空間光変調器アレイ型液晶パネルを有する光学画像投影システムを対象としている。

この節には、本発明についてのより深い理解を容易にするべく補助することができる態様が紹介されている。従ってこの節で述べられている内容は、そのことを踏まえて読むべきであり、従来技術であること、或いは従来技術ではないことについての容認として理解すべきではない。

光学画像投影システムの光変調器内の空間光変調器としてのアレイ型液晶パネル（ＬＣＰ）の使用には大きな関心が寄せられている。通常、偏光は偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を通過してＬＣＰに入射する。ＬＣＰを形成しているアレイの個々の液晶ピクセルを活性化し、或いは非活性化することにより、入射光と同じ偏光状態又は直交（例えば逆）偏光状態を有する光をそれぞれＬＣＰで反射させることができる。システムの構成に応じて、ＬＣＰで反射した光の１つの直線偏光がＰＢＳを通過して投影光学に入射し、それにより明視野ピクセルが提供される。光の直交直線偏光成分は投影光学に対して直角の方向にＰＢＳを通過し、それにより暗視野ピクセルが提供される。

米国特許出願第１２／０１７４４０号 米国特許第７４４０１５８号 米国特許出願第１２／０１７９８４号 米国特許出願第１２／００９９９１号 米国特許出願第１２／００９８５１号 米国特許出願第１１／７１３１５５号 米国特許出願第１１／６８１３７６号 米国特許出願第１１／７１３４８３号 米国特許出願第 号

一実施形態では、空間光変調器が提供される。変調器はアレイ型液晶パネルを備える。変調器は偏光ビームスプリッタを備える。偏光ビームスプリッタはソース光をアレイ型液晶パネルの平らな反射表面に向けて導くように配向されている。変調器は偏光ビームスプリッタとアレイ型液晶パネルの間に配置された傾斜波長板を備える。変調器は偏光ビームスプリッタとアレイ型液晶パネルの間に配置された収斂レンズを備える。収斂レンズは平らな反射表面で反射した光を偏光ビームスプリッタの対向する表面に導くように構成されている。

デバイスは、アレイ型液晶パネル、偏光ビームスプリッタ、傾斜波長板及び収斂レンズを備えている。偏光ビームスプリッタはソース光をアレイ型液晶パネルの平らな反射表面に向けて導くように配向されている。傾斜波長板及びレンズは偏光ビームスプリッタとアレイ型液晶パネルの間に配置されている。収斂レンズは平らな反射表面で反射した光を偏光ビームスプリッタの対向する表面に導くように構成されている。

他の実施形態では、光学画像投影システムが提供される。システムはソース光を放出するように構成された光源を備える。システムはソース光を受け取るべく光結合された空間光変調器を備える。空間光変調器にはアレイ型液晶パネルが含まれている。空間光変調器には偏光ビームスプリッタが含まれている。偏光ビームスプリッタはソース光をアレイ型液晶パネルの平らな反射表面に向けて導くように配向されている。空間光変調器には、偏光ビームスプリッタとアレイ型液晶パネルの間に配置された傾斜波長板が含まれている。空間光変調器には、偏光ビームスプリッタとアレイ型液晶パネルの間に配置された収斂レンズが含まれている。収斂レンズは平らな反射表面で反射した光を偏光ビームスプリッタの対向する表面に導くように構成されている。システムは偏光ビームスプリッタから出力される光を受け取るように構成された投影光学を備えている。

添付の図と共に読むことにより、以下の詳細な説明から様々な実施形態が理解されよう。様々な特徴は必ずしもスケール通りには描かれておらず、また、説明を分かり易くするために場合によってはサイズが拡大又は縮小されている。次に、添付の図面と共に実施される以下の説明を参照する。

本開示の光学画像投影システムの一部として示されている空間光変調器の一構成例の平面図である。 図１Ａに示されている視線Ｂ−Ｂに実質的に沿ったｏ−プレート１３０の一構成例であって、ｏ−プレート１３０の光軸１６５の配向の一調整例を示す斜視図である。 本開示の光学画像投影システムの一部として示されている空間光変調器の一代替構成例の平面図である。 図１Ａ又は２に示されているような空間光変調器を含んだ一光学画像投影システム３００例の平面図である。 例えば図１Ａ〜３に示されているようなデバイス及びシステムを使用して画像を投影する一方法例の流れ図である。

ＬＣＰ投影システムの中には、貧弱な画像コントラストの問題を抱えているものがある。その上、このようなシステムは、ＬＣＰパネルで発散反射する光の実質的に全てを捕獲するためには、特定の光学コンポーネントの大きさを十分な大きさに維持しなければならないため、容易に小型化することができない。

ＰＢＳ及び投影光学などの光学コンポーネントのサイズは、ＬＣＰとＰＢＳの間の光経路内に収斂レンズを配置することによって小さくすることができることが分かっている。本明細書において使用されている収斂レンズという用語は、他のあらゆるレンズよりも、表面（例えばＬＣＰ表面）を形成している画像の近くに配置される正のレンズ（例えば視野レンズ）として定義されている。つまり、光学モジュールの投影光学内の１つ以上の他の全てのレンズは収斂レンズよりもターゲット投影表面（例えばスクリーン）の近くに位置している。残念なことには、単独で使用される収斂レンズ、或いは４分の一波長板と共に使用される収斂レンズは所望のレベルの投影画像コントラストを提供することはできない。

本開示の実施形態は、ＰＢＳの反射表面に到達する光の一部の偏光状態と、ＰＢＳによる拒絶が可能な偏光状態とが異なっている場合に、実質的な光リークが生じる可能性がある、という認識の上に立っている。詳細には、ＬＣＰの非活性化ピクセルで反射し、且つ、収斂レンズを介して集束した光はその偏光状態が変化する。ＰＢＳによって拒絶される偏光状態に対して、ＬＣＰと対向するＰＢＳ表面に対して直角ではない入射角を有する光線はその偏光状態が変化する。偏光状態のこの変化は、拒絶することが望ましい光の少なくとも一部を、拒絶する代わりに、ＰＢＳを通過させて投影システムの投影光学に到達させることができるような変化である。本明細書においては偏光光線スキューイング（ＰＬＲＳ）と呼ばれているこの効果は貧弱なコントラストの原因になっている。

また、貧弱なコントラストの原因になる他の要因が存在しているであろうことについても同じく認識された。考えられる一因の１つは、収斂レンズが存在することに帰し得る、収斂レンズを２回通過することによって生成される光線軌道及びＬＣＰの非活性化ピクセルによる反射による偏光回転である。考えられる他の一因は非理想的ＬＣＰの特性である。非活性化状態では、理想的ＬＣＰは反射光の偏光状態を入射光の偏光状態と同じ偏光状態に維持する。一方、実際の（例えば非理想的）ＬＣＰピクセルは非活性化状態では場合によっては複屈折であり、従って入射光の偏光状態（例えば直線偏光状態）が変化することがある。従ってＰＢＳによって拒絶されない偏光成分が生成され、貧弱なコントラストがもたらされる。

また、本開示の一部として、ＰＬＲＳによる光リークは、ＬＣＰとＰＢＳの間の光経路内に傾斜波長板（ｏ−プレート）を配置することによって実質的に抑制することができることも分かっている。本明細書において使用されているｏ−プレートという用語は、滑らかな平らな外部表面を有し、且つ、その外部表面に対して平行でも、直角でもない光軸を有するように構成された複屈折材料（例えば、方解石又は水晶などの光学的に異方性の媒体）として定義されている。

さらに、いくつかのケースでは、ｏ−プレートを調整して、ＬＣＰの複屈折非活性化ピクセルからの反射による偏光変化を補償することも可能である。例えば、ｏ−プレートを調整して、ｏ−プレートの水平面に対するｏ−プレートの光軸の配向を変化させることができる。別法としては、ｏ−プレートに薄い補償波長板を追加することも可能である。従って、非理想的ＬＣＰで反射する光の量を少なくし、且つ、ＰＢＳによって投影経路から拒絶することができない偏光成分を有することができる。いくつかのケースでは、有利なことに、これらの対策によって、例えばＬＣＰ又はその一部に接続された個別の補償波長板を追加することにより、システムのサイズを実質的に大きくすることなく画像コントラストを改善することも可能である。

ｏ−プレートと収斂レンズを組み合わせることにより、これまで可能であったコントラストより高いコントラストの画像を生成することができるよりコンパクトな（例えばハンドヘルド式の）投影システムを製造することができる。収斂レンズはＬＣＰで反射した光を効果的に導き、反射光の広がりを小さくすることによって光軸により近い部分を伝搬させる。従って光学コンポーネントのサイズを小さくすることができ、延いては投影システムをよりコンパクトにすることができる。ｏ−プレートはＰＬＲＳの全体的な効果を補償することによってコントラストを改善することができる。ｏ−プレートは光の偏光状態を、反射光線が非発散ビーム（例えばＰＢＳの表面に対して垂直入射角）を形成した場合になるであろう偏光状態に実質的に戻すために、ＬＣＰの非活性化ピクセルで反射した光の変化済み偏光状態に作用することができる。従ってＰＢＳはＬＣＰの非活性化ピクセルで反射した光をより良好に拒絶することができ、それにより暗視野ピクセルから投影される光の量を少なくすることができ、また、それにより画像コントラストを改善することができる。

本開示の一実施形態は、光変調器デバイス（例えば空間光変調器）である。光変調器デバイスの構成は、光源の偏光状態及び投影すべき光の所望の偏光状態に応じて異なる構成にすることができる。例えば図１Ａは、光学画像投影システム１０２の一部として示されている光変調器デバイス１００の一構成例の平面図を示したものである。図１に示されているように、システム１０２の実施形態はデバイス１００に光結合された光源１０５及び投影光学１１０を含むことができる。

上に挙げた米国特許出願第１２／０１７４４０号、米国特許第７４４０１５８号、米国特許出願第１２／０１７９８４号、米国特許出願第１２／００９９９１号及び米国特許出願第１２／００９８５１号（以上の米国特許及び特許出願は、全て２００８年１月２２日に出願されたものである）、並びに米国特許出願第１１／７１３１５５号、米国特許出願第１１／６８１３７６号及び米国特許出願第１１／７１３４８３号（以上の米国特許出願は、全て２００７年３月２日に出願されたものである）、それに２００９年１月２２日に出願した、Ｇａｎｇ Ｃｈｅｎらに対する「Ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ Ｍｉｒｒｏｒ ｆｏｒ Ｉｍａｇｅ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ」という名称の米国特許出願第 号（整理番号ＣＨＥＮ１８−２８−２６）のうちの１つ以上に、本明細書において説明されている画像投影システム１０２のいくつかの特徴、及び投影画像を生成するためにこれらの特徴を使用する方法が記載されている。上に挙げた米国特許及び上に挙げた米国特許出願は、全て参照によりその全体が本明細書に組み込まれている。

図１Ａに示されているデバイス例１００はＬＣＰ１１５及びＰＢＳ１２０を備える。ＰＢＳ１２０はソース光１２５をＬＣＰ１０５の平らな反射表面１２７に向けて導くように配向されている。また、デバイス１００はｏ−プレート１３０及び収斂レンズ１３５を備える。ｏ−プレート１３０及び収斂レンズ１３５はいずれもＬＣＰ１１５とＰＢＳ１２０の間に配置されている。収斂レンズ１３５はＬＣＰ１１５の平らな反射表面１２７で反射した光１４０、１４２（例えば実質的に全ての反射光１４０、１４２）を、向かい合っている（例えば対向している）ＰＢＳ１１０の表面１４５に導くように構成することができる。

図１Ａに示されているようないくつかのケースでは、ｏ−プレート１３０はＰＢＳ１２０と収斂レンズ１３５の間に配置されている。他のケースでは、ｏ−プレート１３０は収斂レンズ１３５とＬＣＰ１１５の間に配置されている（図示せず）。いくつかのケースでは、前者の構成（ＰＢＳと収斂レンズの間にｏ−プレートが配置されている）は、後者の構成（ＰＢＳとＬＣＰの間にｏ−プレートが配置されている）より実質的に良好なコントラストを提供しており、従って好ましい実施形態である。例えば、ＬＣＰ１１５に引き渡される光の量の最大化及びＬＣＰ１１５で反射する光の量の最大化を始めとして、これらの構成のいずれかに対する画像コントラストを最大化するために、ｏ−プレート１３０及び収斂レンズ１３５の互いに対する最適位置、及びＬＣＰ１１５及びＰＢＳ１２０に対する最適位置を決定する方法については当業者には理解されよう。

ＬＣＰ１１５は複数のピクセル１５０を備えており、個々のピクセル１５０の両端間に電界を印加することによって個々に活性化させることができる（例えば隣接する透明な酸化インジウム・スズ電極を介して）。活性化ピクセル１５０で反射した光１４０はソース光１２５の偏光状態と比較すると逆の偏光状態を有している。例えば、光源１０５が垂直偏光ソース光１２５を放出すると、活性化ピクセル１５０で反射した光１４０は水平偏光される。

比較として、非活性化ピクセル１５０で、向かい合っているＰＢＳの表面１４５に対して直角である入射角１５５（例えば９０度±５度）で反射した光１４２の偏光状態は実質的に変化しない。しかし、上で指摘したように、ＰＬＲＳ効果のため、非活性化ピクセル１５０で反射した光１４２は、光１４０が非垂直入射角１５５（例えば±５度より大きい入射角）を有している場合、その偏光状態が変化することがある。例えば、ソース光１２５が垂直偏光される同じ例を引き続いて参照すると、非活性化ピクセル１５０で、非垂直入射角１５５で反射した光１４２の実質的な部分を水平偏光させることができる。これらの非活性化ピクセル１５０で反射した光１４２は、活性化ピクセル１５０で反射した光１４０の偏光状態と同じ偏光状態を有しているため、活性化ピクセル１５０と非活性化ピクセル１５０の間の光コントラストが小さくなる。

ｏ−プレート１３０の実施形態はＰＢＳ１２０の表面１４５に対して平行である平らな外部表面１６０、１６２を有することができる。一方の表面１６０はＰＢＳ１２０の表面１４５と向かい合っており（例えば対向しており）、もう一方の表面１６２はＬＣＰ１１５の反射表面１２７（例えば平らな反射表面）と向かい合っている（例えば対向している）。ｏ−プレートの平らな外部表面１６０、１６２はＰＢＳ１２０からＬＣＰ１１５へ通過するソース光１２５に対して実質的に直角にすることができる。

特定の非活性化ピクセル１５０で反射する、さもなければＰＢＳ１１０を不利に通過してシステム１０２の投影光学１１０に到達し、延いては画像コントラストを小さくすることになる反射光１４２の量を少なくするためには、ｏ−プレート１３０は重要である。ｏ−プレート１３０は、定義によれば、ｏ−プレート１３０の平らな外部表面１６０に対して平行でも、直角でもない角度１６７を有する光軸１６５を有している。平らな外部表面１６０はＬＣＰ１１５で反射した光１４０、１４２を受け取るように配置されている。ｏ−プレート１３０の光軸１６５を特性化するための様々な方法については当業者には周知であろう。例えば、ｏ−プレート１３０を通過するコリメート光のリターダンスを、そのコリメート光の異なる入射角（例えば偏光）の関数として測定し、最小リターダンスが生じる入射角を決定することができる。

いくつかの好ましい実施形態では、ｏ−プレート１３０は約１６度から３６度までの範囲、より好ましくは約２４度から２８度までの範囲に及ぶ角度１６７をなしている光軸１６５を有している。このような特性を有するｏ−プレート１３０は非活性化ピクセル１５０で反射した光１４２の偏光状態を、反射した光１４２の入射角１５５が、向かい合っているＰＢＳの表面１４５に対して直角であった場合に有するであろう偏光状態と同じ偏光状態（上の例では垂直偏光）に補償するのに場合によってはとりわけ有効である。

上で指摘したように、ｏ−プレート１３０は、非理想的特性を有するＬＣＰ１１５の複屈折非活性化ピクセルでの反射による偏光変化を少なくとも部分的に補償するように構成することができる。一実施形態では、例えば、ＬＣＰ１１５の非理想的複屈折ピクセル１５０で反射することによって生じる入射光１４０の偏光変化を補償するために、ｏ−プレート１３０を回転させることによってｏ−プレート１３０の光軸１６５の配向を調整することができる。従って、反射した光１４２の偏光の少なくとも一部を、非活性化ピクセル１５０が理想的であった場合に有するであろう偏光状態に回復することができる。

図１Ｂは、ｏ−プレート１３０の光軸１６５の配向の一調整例を示すために、図１Ａに示されている視線Ｂ−Ｂに実質的に沿ったｏ−プレート１３０の一構成例の斜視図を示したものである。図１Ｂには、ｏ−プレート１３０の光軸１６５及びｏ−プレート１３０に対して直角の軸１７１（同じく図１Ａに示されている）によって画定されるｏ−プレート１３０の平らな表面１７０が、デバイス１００の水平面１７３（例えば図１Ａの平面図に示されている水平面）に対して約３度から４度までの範囲の角度１７２を有していることが示されている（例えば図１Ｂに湾曲した矢印で示されているようにｏ−プレートを回転させることによって）。複屈折ピクセル１５０（図１Ａ）の非理想性の程度に応じて角度１７２を異なる値に調整する方法については、当業者には理解されよう。

さらに他の実施形態では、ｏ−プレート１３０は、別法又は追加として、さらに、その上に（例えば図１Ｂに示されているｏ−プレート１３０の表面１７０に）薄い波長板層１７５（例えば第２の波長板）を含むことができる。例えば、いくつかの実施形態では、追加波長板層１７５は約１ミクロン乃至１０ミクロンの範囲の厚さ１７６を有することができる。この薄い波長板層１７５は、非活性化ＬＣＰピクセル１５０の複屈折の補償を改善するために、ｏ−プレート１３０の光軸配向及びリターダンスとは異なる適切な光軸１７７配向及びリターダンスを有することができる。例えば、リターダンス又は光軸１７７の角度１７８のうちの少なくとも１つはｏ−プレート１３０に対する対応する値より少なくとも約１０パーセント異なっている。例えば、いくつかの好ましい実施形態では、光軸１７７の配向は垂直軸１７９（つまり水平面１７３に対して直角の軸）に対して約４５度の角度１７８に対応している。いくつかの好ましい実施形態では、波長板層１７５の材料の複屈折は非活性化ＬＣＰピクセル１５０の複屈折の符号とは逆の符号の複屈折である。いくつかのケースでは、ＬＣＰピクセル１５０及び波長板層１７５の光軸をほぼ整列させることができる。いくつかの好ましい実施形態では、層１７５のリターダンスは約３ナノメートルから５ナノメートルまでの範囲である。複屈折ピクセル１５０の非理想性を補償するための薄い波長板層１７５の厚さ１７６及び配向を調整する方法については、当業者には理解されよう。

また、ｏ−プレート１３０の厚さは、非活性化ピクセル１５０で、非垂直入射角１５５で反射した光１４２の偏光状態の補償に影響を及ぼすことがある。例えば、いくつかの好ましい実施形態では、ｏ−プレート１３０は約３ミクロン乃至６ミクロンの範囲の厚さ１８０を有している（図１Ａ）。しかしながら、ｏ−プレートを構成している光学的に異方性の結晶材料のタイプに応じて、異なる厚さ１８０値を使用して所望の半波長光リターダンスを提供することができる。

ときには、厚さ１８０が約５ミクロン以上のｏ−プレートの製造が困難である場合もある。このような場合、光軸１６５の角度１６７及びｏ−プレート１３０の厚さ１８０を協同的に調整して、改良型画像コントラストとｏ−プレート１３０の製造の容易さとの間の平衡を達成することができる。これらの原理は許容可能なレベルのＡＮＳＩ画像コントラスト（例えば約５００：１以上）を提供するいくつかの実施形態例に対して、以下で実例を挙げて説明されている。本明細書において使用されているＡＮＳＩコントラストという用語は、８個の長方形の中の活性化ピクセルからの平均反射光強度を、活性化ピクセルセクション及び非活性化ピクセルセクションが長方形の４×４チェッカー盤パターンで配置された他の８個の長方形の中の非活性化ピクセルからの平均反射光強度で割った比率を意味している。いくつかの実施形態では、約２４度乃至２８度の範囲の光軸角１６７、及び約４ミクロン乃至４．２ミクロンの範囲の厚さ１８０を使用して、約６００：１のＡＮＳＩコントラストを得ることができる。他の実施形態では、約２９度乃至３１度の範囲の光軸角１６７、及び約５．６ミクロンの厚さ１８０を使用して、約１５００：１のＡＮＳＩコントラストを得ることができる。他の実施形態では、２６±１度の光軸角１６７角度、及び約３．５ミクロン乃至４ミクロンの範囲の厚さ１８０を使用して、約５００：１のＡＮＳＩコントラストを得ることができる。

ＬＣＰ１１５は、本明細書において説明されている方法で偏光を操作することができる任意の従来の材料から構成することができる。例えば、いくつかの好ましい実施形態では、ＬＣＰ１１５はシリコンパネル上の液晶である。コンパクトシステム１０２が望ましい場合などのいくつかの実施形態では、ＬＣＰ１１５は１ミリメートル乃至数ミリメートル程度の高さ寸法及び幅寸法を有している。例えば、このようなコンパクトシステム１０２のいくつかの好ましい実施形態では、ＬＣＰ１１５はいずれも約３ミリメートルから５ミリメートルまでの範囲に及ぶ高さ１８１及び幅１８２を有している。

収斂レンズ１３５は、ソース光１２５に対して透明であり、且つ、向かい合っている（例えば対向している）ＰＢＳ１２０の表面１４５に実質的に到達するよう（例えば反射した光の約９０パーセント以上）、反射光１４０、１４２の誘導を容易にする任意の形状及び寸法を有する任意の材料から構成することができる。コンパクトシステム１０２のこの例を引き続いて参照すると、いくつかの好ましい実施形態では、収斂レンズ１３５は約１３ｍｍの焦点距離を有する正（例えば収斂する）ガラスレンズ又はプラスチックレンズである。いくつかの好ましい実施形態では、コンパクトシステム１０２を容易に有することができるよう、収斂レンズ１３５は平らな反射表面１２７のより大きい高さ寸法及び幅寸法１８１、１８２の約１倍から１．２倍までの範囲に及ぶ直径１８５を有している。例えば、平らな反射表面１２７がそれぞれ約３ｍｍ及び５ｍｍの高さ１８１及び幅１８２を有する長方形の形を有している場合を考察する。収斂レンズ１３５のいくつかの好ましい実施形態は約５ｍｍ乃至６ｍｍの範囲の直径１８５を有している。

収斂レンズ１３５は、ＬＣＰ１１５で反射した光１４０、１４２の広がりを小さくすることができるため、同じくＰＢＳ１２０の寸法を小さくすることができ、従ってコンパクトシステム１０２の設計が容易になる。上記コンパクトシステム１０２の例を引き続いて参照すると、いくつかの好ましい実施形態では、ＰＢＳ１２０は、平らな反射表面１２７のより大きい高さ寸法及び幅寸法１８１、１８２の約１倍から１．２倍までの範囲に及ぶ高さ寸法、厚さ寸法及び幅寸法１９０、１９２、１９４を有している。より大きい高さ寸法及び幅寸法１８１、１８２が約５ｍｍに等しい場合、ＰＢＳの高さ寸法、幅寸法及び深さ寸法１９０、１９２、１９４寸法は、約５ｍｍ乃至６ｍｍの範囲である。同様に、ｏ−プレート１３０の高さ寸法及び幅寸法１９６、１９８は、より大きい高さ寸法及び幅寸法１８１、１８２の約１倍から１．２倍までの範囲にすることができる。

図１Ａは、ソース光１２５が垂直偏光であり、ＰＢＳ１２０が垂直偏光１２５をＬＣＰ１１５に向かって反射するように構成されたデバイス１００及びシステム１０２の一構成例を示したものである。このような構成の場合、水平偏光１４０はＬＣＰ１１５（例えば活性化ピクセル１５０）で反射し、ＰＢＳ１２０を直線的に透過してシステム１０２の投影光学１２０に到達する。ＬＣＰ１１５（例えば非活性化ピクセル１５０）で反射した、ｏ−プレート１３０によって補償された光を含む垂直偏光１４２は、ＰＢＳ１２０を通って、ソース光１２５の光源（例えば光源１０５）に向かって反射する。

図２は、同じく本開示の光学画像投影システム２０２の一部として示されている光変調器デバイス２００（例えば空間光変調器）の一代替構成例の平面図を示したものである。図１Ａに使用されている参照番号と同じ参照番号を使用して、デバイス２００及びシステム２０２の類似したコンポーネント及び特徴が示されている。デバイス２００及びシステム２０２のこの構成例では、ソース光１２５は水平偏光であってもよく、また、ＰＢＳ１２０は、水平偏光１２５をＬＣＰ１１５に向けて直線的にＰＢＳ１２０を透過させるように構成することができる。このような構成の場合、ＬＣＰ１１５（例えば活性化ピクセル１５０）で反射した垂直偏光１４０は、システム１０２の投影光学１２０に向かってＰＢＳ１２０で反射する。ＬＣＰ１１５（例えば非活性化ピクセル１５０）で反射した、ｏ−プレート１３０によって補償された光を含む水平偏光１４２は、ＰＢＳ１２０を通過してソース光１２５の光源に到達する。

他の実施形態は光学画像投影システム３００である。いくつかの好ましい実施形態では、システム３００はハンドヘルド投影システムとして構成される。非制限の例には、セル電話、パーソナル・ディジタル・アシスタント又はメディアプレーヤがある。

図３は、光変調器デバイス（例えば空間光変調器）を含んだ一光学画像投影システム３００例の平面図を示したものである。実例で説明するために、図１Ａに示されているデバイス１００構成が示されている。しかしながら、図２に示されているデバイス２００構成などの他の構成を使用することも可能である。分かり易くするために、図１Ａに使用されている参照番号と同じ参照番号を使用して、システム３００の類似した特徴が示されている。

システム３００は光源１０５、光変調器デバイス１００（例えば空間光変調器）及び投影光学１１０を備える。光源はソース光１２５を放出するように構成されており、光変調器デバイス１００は光源に光結合されている。例えば、デバイス１００はソース光１２５を受け取るように構成することができる。例えば、デバイス１００のＰＢＳ１２０はソース光１２５をＬＣＰ１１５の平らな反射表面１２７に向けて導くように配向することができる。デバイス１００のＬＣＰ１１５、ＰＢＳ１２０、ｏ−プレート１３０及び収斂レンズ１３５は図１又は２のコンテキストの中で説明されている構成のうちの任意の構成を有することができる。

投影光学はＰＢＳ１２０から出力される光を受け取るように構成されている。投影光学１１０は、画像コントラストをさらに改善し、且つ、ＬＣＰ１１５上に形成された画像を導き、ＰＢＳ１２０を介したターゲット投影表面３１０（例えば観察表面）への光１４０の通過を容易にするように構成されたミラー、レンズ、偏光子又は他の光学コンポーネントを含むことができる。分かり易くするために、投影光学１１０の１つの投影レンズ３１５及び１つの偏光子３１７の２つのコンポーネントのみが示されている。

いくつかのケースでは、ターゲット投影表面３１０は同じくシステム３００の一部である投影スクリーン３２０の表面である。このような実施形態では、投影スクリーン３２０は投影光学１１０に光結合される。例えば、投影スクリーン３２０は投影光学１１０と整列した前面又は背面投影スクリーンであってもよい。しかしながら、他のケースでは、ターゲット投影表面３１０はシステム３００の外部の構造の表面であってもよい。例えば、投影スクリーン３２０は、ターゲット投影表面３１０として機能することができる空白表面をその上に有する、壁（例えば白壁）、テーブル上の表面又は他の平らな構造であってもよい。いくつかのケースでは、表面３１０は、例えば平らな拡散反射表面であってもよい。

収斂レンズ１３５は、ＬＣＰ１１５で反射した光１４０、１４２の広がりを小さくするため、他の方法で可能なものよりコンパクトな投影光学１１０のコンパクトコンポーネント３１５、３１７を使用することができ、それによりコンパクトシステム３００の設計が容易になる。例えば、いくつかのケースでは、投影光学１１０のコンポーネント３１５、３１７は、平らな反射表面のより大きい高さ寸法及び幅寸法１８１、１８２（図１Ａ）の約１倍から１．２倍までの範囲に及ぶ寸法を有している。例えば、もう一度、ＬＣＰ１１５の平らな反射表面１２７が、いずれも約３ミリメートルから５ミリメートルまでの範囲に及ぶ高さ寸法及び幅寸法１８１、１８２を有する場合を考察する（図１Ａ）。このような例の場合、投影レンズ３１５は約５ｍｍ乃至６ｍｍの範囲の直径３２５を有することができ、また、偏光子３１７は約５ｍｍ乃至６ｍｍの高さ３３０及び幅３３２を有することができる。

いくつかの実施形態では、光源１０５は、垂直偏光又は水平偏光のうちの１つとしてソース光１２５を放出するように構成された１つ以上のレーザ３４０、３４２、３４４を備えている。いくつかの実施形態では、レーザ３４０、３４２、３４４は直線偏光としてソース光１２５を放出するように構成されている。図３に示されている実施形態の場合、３つのレーザ３４０、３４２、３４４は、それぞれ、指定された色、例えば赤、緑及び青のパルス光を生成するように構成されている。レーザ３４０、３４２、３４４から出力される光は、ＰＢＳ１２０が異なる色の光１２５の周期列を受け取るよう同期させることができる。光源１０５は、さらに、レーザ３４０、３４２、３４４からソース光１２５を受け取り、且つ、ＰＢＳ１２０に向けて光１２５を導くように構成された色結合器３５０を備えることができる。ＰＢＳ１２０に導かれるソース光１２５を必要に応じてさらに調整するための他の光学コンポーネントの使用については、当業者には周知であろう。例えば光源１０５は、さらに、レンズ、偏光子、ミラー、拡散板又は他の光学コンポーネント（図示せず）を備えることができる。

本開示のさらに他の実施形態は画像を投影する方法である。図１〜３のコンテキストの中で説明したデバイス１００、２００又はシステム１０２、２０２、３００の任意の実施形態を使用して、この方法のステップを実施することができる。図１〜３を引き続いて参照すると、図４には光学画像投影の流れ図が示されている。

この方法には、ソース光ビーム１２５（例えば第１の偏光状態を有している）をＰＢＳ１２０を介してＬＣＰ１１５の平らな反射表面１２７に向けて導くステップ４０５が含まれている。ＰＢＳ１２０は平らな反射表面１２７と向かい合っている（例えば対向している）平らな表面１２５を有している。いくつかの好ましい実施形態では、平らな表面１２５は平らな反射表面１２７に対して実質的に平行である。光１２５は、ＬＣＰ１１５への経路上で、同じくｏ−プレート１３０及び収斂レンズ１３５を通過する。

また、この方法４００には、平らな反射表面１２７に画像を形成するステップ４１０が含まれている。画像を形成するステップ（ステップ４１０）には、ステップ４１２における活性化ピクセル１５０（例えば第１のセットのピクセル）での反射、及びステップ４１５における非活性化ピクセル１５０（例えば第２のセットのピクセル）での反射によってソース光１２５を反射させる（例えば同時に反射させる）ステップが含まれている。第１及び第２のセットの液晶ピクセルによって反射光１４０、１４２が異なる偏光状態になる。例えば、選択された活性化ピクセル１５０で反射したソース光１２５は、ソース光１２５の第１の偏光状態に対して実質的に直交する（例えば逆の）第２の偏光状態を有している。選択された非活性化ピクセルで反射したソース光１２５は第１の偏光状態と実質的に同じ偏光状態を有している。しかしながら、上で説明したように、ＰＬＲＳのため、非活性化ピクセルで反射した光ビーム１４２の一部はソース光１２５の第１の偏光状態とは逆の第２の偏光状態を有している。

第１及び第２の偏光状態は全ての光ビーム１２５に対して同じ値に固定されないことは当業者には理解されよう。そうではなく、光軸に沿っていない（例えば非垂直入射角１５５の）個々の光ビーム１２５は、ＰＢＳに対して独自に個々に反射し、且つ、透過した第１及び第２の偏光状態を有することになる。

方法４００には、さらに、活性化及び非活性化ピクセル１５０で反射した光ビーム１４０、１４２を収斂レンズ１３５に引き渡し（且つ通過させる）ステップ４２０が含まれている。収斂レンズ１３５は、実質的に全ての反射光ビーム１４０、１４２を、向かい合っている（例えば対向している）ＰＢＳ１２０の表面１２５に導くように構成することができる。

方法４００には、さらに、活性化及び非活性化ピクセル１５０で反射した光ビーム１４０、１４２をｏ−プレート１３０に引き渡し（且つ通過させる）ステップ４２５が含まれている。ｏ−プレート１３０は、ＰＢＳによってソース光の方向に向かって導かれる第１の偏光状態（例えばソース光１２５の偏光状態と同じ第１の偏光状態）を有するよう、非活性化ピクセル１５０で反射した光ビーム１４２を補償するように構成することができる。つまり、ｏ−プレート１３０は、非活性化ピクセルで反射した、非垂直入射角１５５を有する光ビーム１４２の偏光状態が第１の偏光状態に実質的に復帰するよう、これらの反射光ビーム１４２を補償するように作用する。

図４にさらに示されているように、いくつかのケースでは、反射光ビーム１４０、１４２は収斂レンズ１３５に引き渡され（ステップ４２０）、次に、ｏ−プレート１３０に引き渡される（ステップ４２５）。他のケースでは、反射光ビーム１４０、１４２は、ｏ−プレート１３０に引き渡され（ステップ４２５）、次に、収斂レンズ１３５に引き渡される（ステップ４２０）。

また、方法４００には、第１の偏光状態を有する反射光１４０、１４２がソース光１２５に向かって導かれるよう、反射光ビーム１４０、１４２（例えば第２のセットの非活性化ピクセルで反射した光）を収斂レンズ１３５及びｏ−プレート１３０からＰＢＳ１２０を介して引き渡すステップ４３０が含まれている。

好ましいことには、この方法には、第１のセットのピクセル（例えば活性化ピクセル１５０）で反射した光１４０、１４２をＰＢＳ１２０を介して投影光学に引き渡すステップ４３５が含まれている。例えば、ステップ４３５は、第２の偏光状態を有する反射光ビーム１４０を投影光学に向けてＰＢＳ１２０を通過させるステップを含むことができる。この光は、さらに、観察スクリーン（例えば平らな拡散反射スクリーン）に引き渡すことができる。いくつかのケースでは、第２の偏光状態を有する反射光ビーム１４０を引き渡すステップ（ステップ４３５）には、反射光１４０（第２の偏光状態を有している）を活性化ピクセル１５０からＰＢＳ１２０を介して直線的に投影光学１１０へ通過させるステップ４４５が含まれている（例えば図１Ａ）。他のケースでは、第２の偏光状態を有する反射光ビーム１４０を引き渡すステップ（ステップ４３５）には、活性化ピクセル１５０で反射した光１４０をＰＢＳ１２０を介して投影光学１１０に向けて反射させるステップ４４７が含まれている（例えば図２）。

他のケースでは、第２のセットの非活性化ピクセル１５２で反射した光は、ＰＢＳを通過して投影光学１１０に到達するように構成することができ、また、第１のセットの活性化ピクセル１５２で反射した光はＰＢＳ１２０を通過してソース光１２５に到達するように構成することができる。

いくつかの実施形態では、方法４００には、さらに、生成されたソース光ビーム１２５を光源１０５からＰＢＳ１２０へ導くステップ４５０が含まれている。いくつかの実施形態では、ソース光ビーム１２５は、第１の偏光状態の１つの光（例えば垂直偏光又は水平偏光のいずれか）を放出するように構成された少なくとも１つのレーザを有する光源１０５から放出される。

以上、本開示のいくつかの実施形態について詳細に説明したが、当業者には、本開示の範囲を逸脱することなく、本明細書において様々な変更、置換及び改変を加えることができることを理解されたい。

Claims (17)

1. 空間光変調器であって、
   アレイ型液晶パネル、
   偏光ビームスプリッタであって、ソース光を前記アレイ型液晶パネルの平らな反射表面に向けて導くように配向された偏光ビームスプリッタ、
   前記偏光ビームスプリッタと前記アレイ型液晶パネルの間に配置された傾斜波長板、及び
   前記偏光ビームスプリッタと前記アレイ型液晶パネルの間に配置された収斂レンズであって、前記平らな反射表面で反射した光を前記偏光ビームスプリッタの対向する表面に導くように構成された収斂レンズ
   を備えた空間光変調器。
2. 請求項１記載の変調器であって、前記傾斜波長板が前記偏光ビームスプリッタと前記収斂レンズの間に配置された変調器。
3. 請求項１記載の変調器であって、前記傾斜波長板が前記収斂レンズと前記アレイ型液晶パネルの間に配置された変調器。
4. 請求項１記載の変調器であって、前記傾斜波長板が、前記傾斜波長板の平らな外部表面に対して１６度から３６度までの範囲に及ぶ角度をなす光軸を有し、前記平らな外部表面が、前記反射表面で反射した前記光を受け取るように配置された変調器。
5. 請求項１記載の変調器であって、前記傾斜波長板の光軸及び前記傾斜波長板の垂直軸によって画定される前記傾斜波長板の平らな表面が前記変調器の水平面に対して３度から４度までの範囲の角度を有する変調器。
6. 請求項１記載の変調器であって、前記ソース光が垂直偏光であり、前記偏光ビームスプリッタが前記垂直偏光を前記液晶パネルに向けて反射するように構成され、前記液晶パネルで反射した水平偏光が前記偏光ビームスプリッタを直線的に透過して画像投影システムの投影光学に到達する変調器。
7. 請求項１記載の変調器であって、前記ソース光が水平偏光であり、前記偏光ビームスプリッタが前記水平偏光を前記液晶パネルに向けて前記偏光ビームスプリッタを直線的に透過させるように構成され、前記液晶パネルで反射した垂直偏光が前記偏光ビームスプリッタで反射して画像投影システムの投影光学に到達する変調器。
8. 光学画像投影システムであって、
   ソース光を放出するように構成された光源、
   前記ソース光を受け取るべく光結合された空間光変調器であって、
   アレイ型液晶パネル、
   偏光ビームスプリッタであって、前記ソース光を前記アレイ型液晶パネルの平らな反射表面に向けて導くように配向された偏光ビームスプリッタ、
   前記偏光ビームスプリッタと前記アレイ型液晶パネルの間に配置された傾斜波長板、及び
   前記偏光ビームスプリッタと前記アレイ型液晶パネルの間に配置された収斂レンズであって、前記平らな反射表面で反射した前記光を前記偏光ビームスプリッタの対向する表面に導くように構成された収斂レンズ
   を備えた空間光変調器、並びに
   前記偏光ビームスプリッタから出力される光を受け取るように構成された投影光学
   を備えた光学画像投影システム。
9. 請求項８記載のシステムであって、前記システムがハンドヘルド投影システムとして構成されたシステム。
10. 画像を投影する方法であって、
    ソース光ビームを偏光ビームスプリッタを介してアレイ型液晶パネルの平らな反射表面に向けて導くステップであって、前記偏光ビームスプリッタが前記平らな反射表面と対向する平らな表面を有するステップ、
    前記アレイ型液晶パネルの第１及び第２のセットの液晶ピクセルで前記ソース光を反射させるステップであって、前記第１及び第２のセットの液晶ピクセルによって反射光の偏光状態が異なる偏光状態になるステップ、
    前記反射光を収斂レンズに通過させるステップ、及び
    前記反射光を傾斜波長板に通過させるステップ
    を備える方法。
11. 請求項１記載の変調器において、前記偏光ビームスプリッタと前記アレイ型液晶パネルの間の前記傾斜波長板の位置が、該アレイ型液晶パネルの非活性化ピクセルでの反射による偏光変化が補償されるように調整される、変調器。
12. 請求項１記載の変調器において、前記傾斜波長板が光学的に異方性の媒体からなる、変調器。
13. 請求項８記載のシステムにおいて、前記偏光ビームスプリッタと前記アレイ型液晶パネルの間の前記傾斜波長板の位置が、該アレイ型液晶パネルの非活性化ピクセルでの反射による偏光変化が補償されるように調整される、システム。
14. 請求項８記載のシステムにおいて、前記傾斜波長板が光学的に異方性の媒体からなる、システム。
15. 請求項１０の方法において、前記反射光を傾斜波長板に通過させるステップが、前記アレイ型液晶パネルの非活性化ピクセルでの反射による偏光変化を補償するものである、方法。
16. 請求項１０記載の方法において、さらに、前記傾斜波長板の垂直軸に関して前記傾斜波長板の平らな表面を回転させて、前記傾斜波長板の光軸と前記垂直軸の間の角度を画定し、前記角度が水平面に対して３度から４度までの範囲である、方法。
17. 請求項１０記載の方法において、前記傾斜波長板が光学的に異方性の媒体からなる、方法。