JP5641424B2 - 立体視投影用の偏光変換システムおよび方法 - Google Patents

Description

開示される実施形態は概して、偏光符号化された画像の投影に関する。特に、偏光符号化画像を投影スクリーンに送信する偏光変換システムおよび方法に関する。

図１は、偏光維持表示システム１００の一例を示す概略図である。表示システム１００は、投影スクリーン１０２と、偏光フィルタアイウェア１０４とを備える。単一の偏光維持スクリーン１０２が逐次左側画像および右側画像を表示して、偏光フィルタアイウェア１０４を用いることによって、立体視３次元（３Ｄ）画像を見る。偏光フィルタアイウェア１０４は、２つのレンズ１０６および１０８を有し、該レンズは偏光が互いに交互に直交する。

３Ｄ画像は、左側画像および右側画像を符号化するプロジェクタにおける偏光制御と、左側画像および右側画像の復号化する偏光フィルタアイウェアとを用いて、合成され得る（例えば、所有者が共通である米国特許第４，７９２，８５０号（発明の名称：「プッシュ・プル型液晶変調器を利用する方法およびシステム」、レニー・リプトン（Ｌｅｎｎｙ Ｌｉｐｔｏｎ）他）および米国特許出願第１１／４２４，０８７号（発明の名称：「アクロマティック偏光スイッチ」、出願日：２００６年６月１４日）を参照されたい。両特許文献の内容はすべて参照により本願に組み込まれる。）

投影レンズの後の偏光制御の従来の実施方法を図２に示す。略平行な光が、レンズの出力側から出射され、レンズの内部にある瞳から発せされているように見え、集束して遠く離れたスクリーン上でスポット状の光を形成する。図２の光束Ａ、ＢおよびＣはそれぞれ、投影スクリーンの底部、中央部および上部でスポット状の光を形成する光束である。投影レンズから出射される光は、図２においてＳ偏光およびＰ偏光として図示されているように、ランダム偏光である。この光は、直線偏光子を通過して、当該直線偏光子を通過すると単一の偏光状態を取るようになる。直交する偏光状態は吸収（または反射）されており、該偏光子を通過した後の光束は、元々の光束の５０％未満となっている（このため、最終的な画像は暗くなってしまう）。偏光スイッチは画像フレームと同期しており、偏光スイッチから出射される光の偏光状態を変更して、スクリーン上において交互に直交する偏光の画像を生成する。偏光選択アイウェア１０４によって、一方の偏光の画像が左目に行き、これに直交する偏光の画像が右目に行くことになる。それぞれの目に異なる画像を提示することによって、３Ｄ画像を合成することができる。

このようなシステムは現在、映画館において利用されている。しかし、このようなシステムは通常、光の５０％以上が偏光子によって吸収されてしまうという欠点を持つので、結果として得られる画像が、通常の２Ｄ画像の映画館に比べて、５０％以上暗くなってしまうことが多い。また、時系列立体視３Ｄの場合はさらに、輝度が５０％以上低減されてしまう。このように画像が暗いので、３Ｄ目的で利用する映画館の大きさが限られてしまい、および／または、視聴者にとってはあまり望ましくない。

本開示は、上述した問題等に対処して、立体視投影用の偏光変換システムおよび方法を提供する。一般的に、偏光変換システムは、非偏光画像ソースからの光を、第１の偏光状態（ＳＯＰ）と、これに直交する第２のＳＯＰとに分割して、この偏光を第１および第２の光路に方向付ける。第１および第２の光路のうち一方の光路のみの光のＳＯＰを直交状態に変換して、両方の光路のＳＯＰが同一になるようにする。偏光変調器は、第１および第２の光路の光を時間的に変調して、第１および第２の偏光出力状態とする。第１および第２の投影レンズは、第１および第２の光路の光を投影スクリーンに向けて方向付けて、互いに実質的に重複する偏光符号化画像を形成する。この偏光符号化画像は、参照して説明した先行技術に係るシステムに比べると輝度がはるかに高い。偏光符号化画像は、適切な偏光フィルタを有するアイウェアを用いて見るとしてよい。

一側面によると、偏光符号化画像を投影スクリーンに送る偏光変換システムは、第１の投影レンズと、第２の投影レンズと、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、反射素子と、偏光変調器とを備える。ＰＢＳは、第１の偏光状態の光を第１の光路上の第１の投影レンズに対して透過させ、さらに、第２の偏光状態の光を第２の光路に向けて反射する。反射素子は、第２の光路上に配置されており、第２の投影レンズに向けて光を反射する。偏光変調器は、第１の光路および第２の光路に配置されている。第１の投影レンズおよび第２の投影レンズは、偏光符号化画像を投影スクリーンに向けて方向付ける。

一部の実施形態によると、偏光変調器は、第１および第２の光路の両方にかかるように配置される単一の素子であってよい。ほかの実施形態によると、偏光変調器は、それぞれ第１および第２の光路に配置される、第１の偏光スイッチと第２の偏光スイッチとを有するとしてよい。偏光スイッチは、投影レンズの前方または後方に配置されるとしてよい。

別の側面によると、偏光符号化された立体視画像を投影する方法は、偏光ビームスプリッタが非偏光画像ソース光を受光する段階を備える。当該方法は、偏光ビームスプリッタが第１の光路に配置されている投影レンズに向けて、第１の偏光状態の画像ソース光を透過させる段階を備える。当該方法はさらに、偏光ビームスプリッタが第２の光路に向けて第２の偏光状態の画像ソース光を反射する段階を備える。当該方法はさらに、第２の投影レンズに向けて第２の光路の光を反射する段階を備える。当該方法はさらに、第１の光路および第２の光路のうち一方の光の偏光状態を、直交する偏光状態に回転させる段階を備える。当該方法はさらに、第１の光路および第２の光路の光の偏光状態を、第１の偏光出力状態と第２の偏光出力状態との間で、時間的に変調する段階を備える。

その他の特徴は、上述の説明を参照することによって明らかとなる。

実施形態を、以下の添付図面において例として図示する。添付図面において、同様の参照番号は同様の部分を示す。添付図面は以下の通りである。

本開示に係る、偏光維持表示システムの一例を示す概略図である。

映画用３Ｄシステムにおける、偏光スイッチを用いた偏光制御の公知の実施方法を示す図である。

本開示の第１の実施形態に係る偏光変換システム（ＰＣＳ）を示す概略図である。

本開示に係る、偏光変換切替モジュールを示す概略図である。

本開示の第２の実施形態に係るＰＣＳを示す概略図である。

本開示の第３の実施形態に係るＰＣＳを示す概略図である。

本開示の第４の実施形態に係るＰＣＳを示す概略図である。

本開示の第５の実施形態に係るＰＣＳを示す概略図である。

本開示の第６の実施形態に係るＰＣＳを示す概略図である。

本開示の第７の実施形態に係るＰＣＳを示す概略図である。

本開示の第８の実施形態に係るＰＣＳを示す概略図である。

本開示の第９の実施形態に係るＰＣＳを示す概略図である。

本開示の第１０の実施形態に係るＰＣＳを示す概略図である。

＜第１の実施形態＞

図３は、第１の実施形態に係る偏光変換システム（ＰＣＳ）３００を示す概略図である。一般的に、ＰＣＳ３００は、図示されるように配置されている、画像ソース３０４（例えば、光変調パネルまたは従来の映画）と、初期リレーレンズ３０２と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）３１０と、第１および第２のリレーレンズ３０６、３０８と、偏光スイッチ３１２と、折り曲げミラー３１８と、偏光変換切替モジュール３２０と、第１および第２の投影レンズ３２８、３３０とを備えるとしてよい。図３Ｂに示すように、偏光変換切替モジュール３２０は、図示されているように配置されている、偏光変換器３２２および偏光スイッチ３２４を有するとしてよく、コントラストを改善するべく事前偏光子３２６を任意で有するとしてよい。偏光変換器３２２は、入力偏光状態を直交する偏光状態に変換することができる光学素子である（例えば、半波長板）。

第１および第２のリレーレンズ３０６および３０８は、それぞれの開口絞り３０１、３０３に対して対称になっていることが好ましく、偏光スイッチ３１２および偏光変換切替モジュール３２０の後方に配置されており、画像位置３１４および３１６において、実質的に歪みのないパネル３０４の画像を生成する。別の実施形態によると、開口絞り３０１、３０３は、光路３０５、３０７上で、偏光スイッチ３１２および偏光変換切替モジュール３２０の直前に配置されているとしてよい。さらに別の実施形態によると、図３では、第１の光路３０６における偏光スイッチ３１２の別の位置３３２、および、第２の光路３０８における偏光変換切替モジュール３２０の別の位置３３４を示している。これらの位置は、リレーシステム３００のレンズ素子３０２の複屈折によってシステムのコントラストが悪化する場合に、有益であると思われる。さらに別の位置を挙げると、偏光スイッチ３１２、３２４は、投影レンズの前方ではなく後方に配置されるとしてもよい。このような実施形態によると、システムのコントラストについて利点が得られる可能性がある。尚、半波長板３２２が偏光スイッチ３２４に直ぐ隣接している必要は必ずしもない。半波長板３２２は、ＰＢＳ３１０と偏光スイッチ３２４との間の光路であればどこに配置されるとしてもよい。実際、別の実施形態によると、偏光スイッチ３１２および偏光変換切替モジュール３２０の位置を逆にして、偏光スイッチ３１２を第２の光路３０７上に配置して、偏光変換切替モジュール３２０を第１の光路３０５に配置するとしておよい。

動作について説明すると、パネル３０４（例えば、テキサス・インスツルメンツ社製のデジタルライトプロセッシング（ＤＬＰ）パネルまたは従来の映画）には、光源（不図示）からのランダム偏光が照射されて、非偏光の画像ソース光が得られる。光源は、例えば、従来のＵＨＰランプ、キセノンランプ、発光ダイオード光源であってよく、または、一部の実施形態では、所有者が同じである米国特許出願第１１／７７９，７０８号（発明の名称：「投影システム用の集光器」、出願日：２００７年７月１８日、参照により本願に組み込まれる）で教示している光源であってよい。パネル３０４からの非偏光の画像ソース光は、初期リレーレンズ３０２によってＰＢＳ３１０に向けて方向付けられる。ＰＢＳ３１０は、Ｐ偏光を第１の光路３０５に透過して、Ｓ偏光を第２の光路３０７に向けて反射するとしてよい。第１の光路３０５において、Ｐ偏光は偏光スイッチ３１２を通過する。偏光スイッチ３１２は、図２に示す光束Ａ、ＢおよびＣと同様に、交互のフレームにおいて、通過する光を回転させる。

第２の光路３０７では、ＰＢＳ３１０によって反射されたＳ偏光は、折り曲げミラー３１８（または、偏光状態を変えることなく光を反射する機能を持つ任意の光学素子、例えば、プリズム）に向かう。その後、Ｓ偏光は、偏光変換切替モジュール３２０を通過する。偏光変換器３２２（半波長板であってよい）は、略全ての可視波長を直交する偏光に変換するのが好ましい（この場合、Ｓ偏光からＰ偏光に変換）。このようにして新たに生成されたＰ偏光は、偏光スイッチ３２４を通過する。一部の実施形態によると、コントラストを高めるべく、事前偏光子３２６をモジュール３２０の前方または後方に追加するとしてもよい。偏光変換切替モジュール３２０が有する偏光スイッチ３２４は、第１の光路３０５に設けられるスイッチ３１２と略同一の方法で、交互に直交する状態を形成する。

偏光変換システム３００は、パネル３０４について２つの別個の画像３１４および３１６を、それぞれ倍率１×で形成するとしてよい（つまり、３１４および３１６における出力画像は、パネル３０４からの入力画像と略同じサイズであってよい）。尚、本実施形態およびほかの実施形態において、倍率は１×以外であってよく、このような倍率は例として挙げたものに過ぎないことを理解されたい。第１および第２の投影レンズ３２８および３３０はそれぞれ、中間画像３１４および３１６を投影スクリーン１０２に結像させる。投影レンズ３２８および３３０は、好ましくはキーストン歪みを最小限に抑えつつ、スクリーン１０２上で結像している２つの光路３０５および３０７からの画像を互いに重畳、略重複させるように、横方向に移動させることが可能である。パネル３０４からのランダム偏光は略全てが、単一の偏光状態で、スクリーン１０２において結像しているので、図３に示すシステムによって得られる画像は、図２に示すシステムにおいてスクリーン１０２上に結像する画像に比べて輝度が約２倍高い。

このようなシステムは、偏光維持スクリーン１０２が利用されると仮定すると、ホームシアターおよびリアプロジェクションテレビジョン（ＲＰＴＶ）等の映画用、プロ用、および、消費者向けの用途に利用され得る。

＜第２の実施形態＞

図４は、第２の実施形態に係る偏光変換システム（ＰＣＳ）４００を示す概略図である。ＰＣＳ４００は、図示されているようにガラスプリズム４１０が第２の光路４０７に挿入されていること以外は、図３と同様のリレーシステムを提供し、一連の構成要素も略同様の構造および機能を持つ。ガラスプリズム４１０は、高屈折率ガラスプリズムであってよい。

動作について説明すると、ガラスプリズム４１０によって、パネル４０４の２つの画像４１４および４１６が略単一の平面内に配置されるので、投影レンズ４２８および４３０のパッケージングおよび調整においてより高い利便性が得られる。リレーシステム４００は、物体（つまり、パネル４０４）における単一の視野点からの光線が、開口絞り４０１および４０３においてコリメート光束を形成するように（１つの視野点からの全ての光線が同一角度を持つように）、設計するのが好ましい。このような設計によって、レンズ４０２の性能に影響を及ぼすことなく、開口絞りにおいてガラスプリズム４１０を挿入することができるようになる。ガラスプリズム４１０によって、２つの画像４１４および４１６を位置合わせすることができるようになる。繰り返しになるが、別の実施形態によると、偏光変換切替モジュール３２０および偏光スイッチ３１２は、各光路についてそれぞれ別の位置４０４および４０６が与えられているとしてよく、投影レンズの前方または後方のどちらに設けられるとしてもよい。

＜第３の実施形態＞

図５は、第３の実施形態に係る偏光変換システム（ＰＣＳ）５００を示す概略図である。図５は、図４と同様のＰＣＳ５００を図示しているが、図４の偏光スイッチ３１２に代えて、偏光入力を、時間的に交互に変化して、互いに直交する、一連の偏光出力状態に変換する回転輪５５０が設けられている点が異なる。一実施形態によると、回転輪５５０は、非偏光入力のうち、交互に直交する偏光を通過させる部分を含むとしてよい。別の実施形態によると、回転輪５５０の前方には、固定偏光子が設けられているとしてよい。回転輪５５０はこの場合、単位毎の偏光変換を行う複数の部分（例えば、位相差板スタック）を含むとしてよい。

偏光子（回転輪５５０）を物理的に回転させることに起因する問題点は、出力がアナログに変化する点にある。この現象を補償するように各部分がパターニングされていない限り、そうなる。機能的には、バイナリ式偏光スイッチング効果が所望されている。本開示によると、バイナリ式偏光スイッチング効果は、固有円偏光状態の素子を用いることで最適に実現される。例えば、本当の円偏光子（これに対するものは、例えば、位相差板または位相差板スタックを後方に設けた直線偏光子）は、輪の配向に関わらず、円偏光状態の特定の片方（例えば、右または左）を透過させる。

これに代えて、固定偏光子を設けてその後方に固有円偏光状態の単位毎の偏光変換素子、または純粋な円偏光位相差板を設けるとしてよい。例えば、直線偏光子を設けて、その後方に、等方性部分および純粋なアクロマティック偏光回転素子の組み合わせを含む回転輪５５０を設けるとしてよい。純粋なアクロマティック回転子は、直線リターデーションがゼロだが（光軸がないが）、互いに直交する円偏光状態間において所望量の位相遅延を持つ。この場合、固有円偏光状態間での位相シフトがπであれば、輪の配向きに関わらず、入力が直交する直線出力に変換される。このため、アナログ形式の輪によって、直交する直線偏光間においてバイナリ式のスイッチングが得られる。

純粋なアクロマティック偏光回転子は、直線位相差板のスタックを用いて製造するとしてよい。設計方法の１つに、特定の対称配置で一対のスタックを形成する方法が挙げられる。例えば、特定のリターデーションおよび回転を実現するスタックと、順序を逆にした、または、逆順反射対称になっている同一のスタックとを一対にするとしてよい（例えば、ロビンソン（Ｒｏｂｉｎｓｏｎ）他、「ＬＣＤ投影用の偏光エンジニアリング」、ワイリー・アンド・サンズ（Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ）、２００５年、の第５章を参照されたい、該文献の内容は参照により本願に組み込まれる）。逆順のスタックは、回転を除去しつつ実質リターデーションを倍増させ、反射を追加するとリターデーションを除去しつつ回転を倍増させる効果を奏する。０配向の直線入力をπ／４配向の直線出力へと変換する（対象となる波長全てにおいて）スタックは、一般的に、直線リターデーションを含む。しかし、逆順に反射するスタックと組み合わせて対にすると、リターデーションがゼロおよび所望のπ／２配向変換という効果が実質的に得られる。このように透明な素子を、等方性のディスク上に一部分として積層して、回転輪５５０によってバイナリ式偏光スイッチング効果を奏する。

表１に、アクロマティック回転が略π／２で、逆順反射対称である位相差板スタックの設計の一例を示す。尚、このような対称は、所望の偏光変換を実現する上で、十分条件ではあるが、必要条件ではない。第６層後の偏光状態が４５度の直線偏光状態であることは容易に検証されるが、当該スタックには後続のスタックによって除去される直線リターデーションがある。本例によると、全ての層は、１／２波長のゼロ次の面内リターデーション（通常は、可視帯域をカバーするには、２４０ｎｍから２７０ｎｍ）を持つ。本開示によれば、配向およびリターデーションの値が異なる他の位相差板の組み合わせに基づく設計を採用してもよいことは明らかであろう。

さらに図５を参照して、動作について説明する。下側の光路５０５からの光は、Ｐ偏光で、回転輪５５０の等方性部分５０４を通過する。この光は、Ｐ偏光のまま、画像２ ５１６を通過して、投影レンズ５３０を通過して、スクリーン１０２上に結像する。本例によると、上側の光路５０７の光は、Ｓ偏光で、回転輪５５０の回転子部分５０６を通過する。このＳ偏光は、回転輪５５０によって回転させられてＰ偏光となり、投影レンズ５２８を通過してスクリーン１０２上にＰ偏光として結像する。回転輪５５０は、ビデオフレームと同期させられており、スクリーン１０２上において交互に偏光が変化する画像を生成する。偏光状態を変化させることも可能であり、光路上に４分の１波長板を追加することによって円偏光を各光路が生成するとしてもよいし、または、各光路に回転子を追加することによって直線偏光状態を回転させる（例えば、＋／−４５度）としてもよい。

＜第４の実施形態＞

図６は、第４の実施形態に係る偏光変換システム（ＰＣＳ）６００を示す概略図である。図６は、倍率を２×まで大きくした（これに対して、前述の実施形態では１×）ＰＣＳ６００を示す。この場合、ＰＣＳ６００の前半部分は、ＰＢＳ６１０および光路合わせガラスプリズム６０２を有し、図４に示した構成要素と構造および機能が同一であってよい。一方、ＰＣＳ６００の後半部分は、２倍に拡大され、後半部分の焦点距離を２倍に大きくする。ＰＣＳ６００は、パネル６０４の２倍のサイズに等しい大きさの画像を生成するが、Ｆナンバー（または、開口数）は同一のままである。この実施形態例によると、単一のリレーレンズ６０８を用いて中間画像を生成し、単一の投影レンズ６３０（例えば、７０ｍｍの映画用レンズ）を用いて中間画像をスクリーン１０２上に結像させるとしてよい。偏光変換切替モジュール６２０および当該モジュール６２０の代わりの位置６２５も図示されている。

＜第５の実施形態＞

図７は、第５の実施形態に係るＰＣＳ７００を示す概略図である。図７に図示するＰＣＳ７００は、図６に図示したものと同様であるが、図６の偏光変換切替モジュール６２０に代えて、区分け輪７５０（図５に示した区分け輪５５０と同様）が設けられている点が異なる。区分け輪７５０および区分け輪７５０の代わりの位置７５２も図示されている。また、単一の投影レンズ７３０を用いて中間画像をスクリーン１０２に結像させるとしてよい。

＜第６の実施形態＞

図８は、第６の実施形態に係るＰＣＳ８００を示す概略図である。ＰＣＳ８００は、パネル８０４と、初期リレーレンズ８０２と、ＰＢＳ８１０と、第１の光路上の偏光スイッチ８１２と、反射子（例えば、ミラー状の傾斜面）８１６を持つガラスプリズム８１４と、偏光変換切替モジュール８１８と、第１および第２の投影レンズ８２０および８２２とを、図示されているように配置させて、備えるとしてよい。偏光変換切替モジュール８１８は、図３Ｂを参照して説明した偏光変換切替モジュール３２０と同様に、任意の事前偏光子と、偏光回転子と、偏光スイッチとを有するとしてよい。投影レンズシステム８００は、パネル８０４について、２つの別個の画像を大きな倍率で形成するとしてよい。このＰＣＳ８００もまた、偏光維持スクリーン１０２が利用可能であると仮定すると、ホームシアターおよびＲＰＴＶのようなプロ用、消費者向けの用途に応用可能であるとしてよい。

動作について説明すると、パネル８０４（例えば、テキサス・インスツルメンツ社製のデジタルライトプロセッシング（ＤＬＰ）パネル）にランダム偏光が照射される。本実施形態によると、パネル８０４からの光は、第１および第２の投影レンズ８２０および８２２によって、スクリーン１０２に対して投影される。第１および第２の投影レンズ８２０および８２２は、逆望遠型であってもよい。ＰＢＳ８１０は、Ｐ偏光を第１の光路に沿って透過させて、Ｓ偏光を第２の光路に沿って反射させる。Ｐ偏光は、偏光スイッチ８１２を通過して、図２の光束Ａ、ＢおよびＣと同様に、交互のフレームにおいて、偏光スイッチ８１２によって回転させられる。

ＰＢＳ８１０によって（第２の光路に）反射されたＳ偏光は、プリズム８１４へと進む。プリズム８１４は、折り曲げミラーとして機能する傾斜面８１６を持つとしてよい。反射は、内部全反射によって実現されるとしてもよいし、または、斜辺にミラー層（例えば、銀）をコーティングすることによって実現されるとしてもよい。最終画像に過剰な収差を引き起こすことなくＰＣＳ８００の内部にこのようなプリズム８１４を挿入するためには、物体（パネル８０４）における視野点からの光線を開口絞り８３０および８３２においてコリメートする（つまり、光束に含まれる光線の角度を同一にする）のが好ましい。一部の実施形態によると、開口絞り８３０は、第１の光路に沿って、偏光スイッチ８１２の前方に配置されるとしてよく、および／または、第２の光路に沿って、プリズム構造８１４の前方において同じ位置（つまり、８３２）に配置されるとしてよい。このため、コリメートされた光線は収差を引き起こすことなくプリズム構造８１４を通過する。Ｓ偏光はそして、プリズム８１４を通過した後、偏光変換切替モジュール８１８を通過して、Ｐ偏光に回転させられる。偏光変換切替モジュール８１８内の偏光スイッチは、Ｐ偏光に作用して、ミラーを含まない光路の光束の回転と同期して、交互のフレームにおいて、光束の偏光を回転させる。

レンズ８２０および８２２の２つの略同一の後半部分は、スクリーン１０２に２つの画像を投影する。この２つの画像をスクリーン１０２上で重複させるべく、偏光ビームスプリッタ８１０の傾斜を調整するとしてもよいし、および／または、プリズム８０８の傾斜を調整するとしてもよい。投影レンズアセンブリは全体として、横方向に移動できるように構成されるとしてもよく、このような構成とすることによって、第１および第２の光路からスクリーン１０２上に投影されている画像を、さまざまな映画館の構造に応じて、垂直方向にオフセットすることができる。レンズ８２０の前半部分は、図８に示すように上側の光路において光が問題なく通過するように、下側の光路においてカットされるとしてもよい。

パネル８０４からのランダム偏光のうち略全てが、単一の偏光状態で、スクリーン１０２上で結像するので、図８に示すシステムにおいて結果として得られる画像は、図２に示すシステムにおいてスクリーン１０２上に結像する画像よりも輝度がおよそ２倍高くなる。

＜第７の実施形態＞

図９は、図８に示したものと同様であるが、偏光スイッチ８１２に変えて回転輪９０２が設けられている点が異なる偏光変換システム９００を示す図である。回転輪９０２は、前述したように２つ以上の領域に区分されている。本例によると、下側の光路９０４からの光は、Ｐ偏光であり、（例えば）回転輪９０２の等方性部分９０１を通過する。この光は、投影レンズシステム９００の残りの部分を通過する間、Ｐ偏光状態を維持して、スクリーン１０２上に結像する。本例によると、上側の光路９０６における光は、Ｓ偏光で、回転輪９０２の（例えば）回転子部分９０３を通過する。このＳ偏光は、回転輪９０２によってＰ偏光へと回転させられ、投影レンズシステム９００の残りの部分を通過して、Ｐ偏光状態でスクリーン１０２に結像する。回転輪９０２は、ビデオフレームと同期しており、交互に変化する偏光状態でスクリーン１０２上に画像を生成する。ほかの偏光状態を利用することも可能で、光路９０４および９０６はそれぞれ、４分の１波長板（不図示）を光路に追加することによって円偏光を生成するとしてもよいし、または、各光路に回転子を追加することによって回転させられた直線偏光状態（例えば、＋／−４５度）を生成するとしてもよい。

＜第８の実施形態＞

図１０は、図９と同様の偏光変換システム１０００を示す図である。本実施形態例によると、ＰＣＳ１０００の構成要素は、ＰＣＳ９００の構成要素と略同一の構造および機能を持つが、１つではなく２つの回転輪１００２および１００４が実装されている点が異なる。２つの回転輪１００２および１００４を設ける理由の１つは、プリズム８０８の近傍におけるパッケージングに関する問題を軽減するためである。回転輪１００２および１００４は、互いに同期して動作するとしてよい。

＜第９の実施形態＞

図１１は、ズームレンズが実装されている映画用ＰＣＳシステム１１００の一例を示す概略図である。映画用ＰＣＳシステム１１００は、パネル１１０２と、テレセントリック対物レンズ１１０４（つまり、初期リレーレンズ）と、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１０６と、第１および第２の開口絞り１１０８、１１１０と、第１および第２の機械補償アフォーカルズーム装置１１１２、１１３２と、反射素子１１３０と、回転子１１３６と、第１および第２のＺ−Ｓｃｒｅｅｎ１１２４および１１３８とを備えるとしてよい。

動作を説明すると、パネル１１０２からのＳ偏光およびＰ偏光は、ＰＢＳ１１０６に向かって、テレセントリック対物レンズ１１０４を通過する。テレセントリック対物レンズ１１０４は、全てのズーム設定についてＰＢＳ１１０６においてコリメートされた光を維持するために用いられる。ＰＢＳ１１０６は、キューブまたはワイヤグリッドプレートであってもよいし、またはその他の任意の公知のＰＢＳであってもよい。本実施形態によると、Ｐ偏光はＰＢＳ１１０６を第１の方向に透過される一方、Ｓ偏光はＰＢＳ１１０６において第２の方向に反射される。

Ｐ偏光は、開口絞り１１０８を通過して、第１の機械補償アフォーカルズーム装置１１１２に向かう。ズーム装置１１１２は、正および負の屈折率を持つさまざまな素子を有するとしてよい。アフォーカルズーム装置は、例えば、「最新の光学エンジニアリング」、ウォーレン・スミス（Ｗａｒｒｅｎ・Ｓｍｉｔｈ）、１９９０年、マグローヒル、（当該文献の内容は参照により本願に組み込まれる）のズームレンズ設計に記載されている技術を用いて、機械的または光学的に補償され得る。本実施形態例に係るズーム装置１１１２は、光路上に、凹レンズ１１１４のような固定光学素子、その後方に凸レンズ１１１６および凹レンズ１１１８のような可動素子、その後方に凸レンズ１１２０のような別の固定素子を有するとしてよい。図１１では概して、凸レンズは、両端に点を持つ線で表されており、一般的に正の屈折率を持ち、このような正の屈折率を実現するべく１または複数の光学素子を含むとしてよい。一方、凹レンズは（凹状の図形で示す）一般的に、負の屈折率を持ち、そのような負の屈折率を実現するべく１または複数の光学素子を含むとしてよい。可動素子１１２２は、光軸に沿って移動して、所望されているように画像のズームを調節してよい。そしてズーム装置１１１２からの光は、第１のＺ−Ｓｃｒｅｅｎ１１２４を通過して、スクリーン１１５０に向かい、第１の画像を結像する。

ＰＢＳ１１０６によって第２の方向に向けて反射されたＳ偏光は、開口絞り１１１０を通過する。これに続いて、この光は反射素子１１３０によって約９０度だけ反射される。反射素子１１３０は、ミラーを持つ直角プリズム１１３０等である。このＳ偏光は続いて、第２の機械補償アフォーカルズーム装置１１３２を通過する。ズーム装置１１３２は、ズーム装置１１１２と同様の構造を採用するとしてよく、ズーム装置１１１２と同様に動作するとしてよい。言うまでもなく、可動素子１１３４は、所望される通りに、調整を変更してズームを変えるとしてよい。ズーム装置１１３２からのＳ偏光は、回転子１１３６を通過するとしてよい。回転子１１３６は、アクロマティック半波長板であってよい。回転子１１３６は、Ｓ偏光を回転させてＰ偏光を得る機能を持つ。第２の光路上のこのＰ偏光はそして、第２のＺ−Ｓｃｒｅｅｎ１１３８を通過して、スクリーン１１５０に向かい、第２の画像を結像する。第１および第２の画像が、スクリーン１１５０において重ね合わせられる。

以下の記載内容は、その他の実施形態、開示した実施形態において用いられるその他の構成要素、そして、本明細書において開示した実施形態の変形例に関する。

偏光ビームスプリッタ：図３から図１２において例示したＰＢＳは、ＰＢＳプレートとして図示されている。このＰＢＳプレートは、ガラス上のワイヤグリッド層（例えば、Ｍｏｘｔｅｋ社（米国ユタ州、オレム）のＰｒｏｆｌｕｘ偏光子）、偏光リサイクル膜（例えば、３Ｍ社（米国ミネソタ州、セント・ポール）のダブル・ブライトネス・エンハンシング・フィルム）、ガラス上の偏光リサイクル膜（平坦性実現のため）、または、ガラス上の多誘電層を用いて構成されるとしてよい。ＰＢＳはまた、ガラスキューブ（対角面上にワイヤグリッド、偏光リサイクル膜、または、複数の誘電層を設ける）として実装することもできる。

画像位置の調整：図３において、各光路の画像位置は主に、投影レンズ３２８および３３０を横方向に変位させて調整される。画像位置はさらに、ＰＢＳ３１０および／またはミラー３１８を調整することによって調整されるとしてよい。図４および図５では、各光路の画像位置は主に、投影レンズ４２８／４３０および５２８／５３０を横方向に変位させて調整される。さらに画像位置を微調整するには、プリズム構造４０２を横方向に変位および傾斜させるとしてよい。図６および図７では、画像の重ね合わせの調整は、プリズムの位置および傾斜を微調整することによって行うとしてよい。スクリーン上での画像の位置を調整するには、投影レンズ（６３０または７３０）を横方向に変位させるとしてよい。図８から図１０では、画像の重ね合わせの調整は、偏光ビームスプリッタ（８１０、９１０、または１０１０）を傾斜させること、および／または、プリズム（８１４、９１４、または１０１４）を傾斜させることによって行われるとしてよい。画像位置を制御することを目的として上述した構成要素（ＰＢＳ、ミラー、および／または投影レンズ）を調整する際には、電気機械アクチュエータを用いるとしてよい。このアクチュエータには、スクリーン１０２上での第１および第２の画像の位置を決定するべく、処理命令、制御命令、および駆動命令を、フィードバック制御システムおよびセンサから供給するとしてよい。

偏光スイッチ：偏光スイッチは、開示された実施形態において説明したように、円偏光スイッチまたは直線偏光スイッチであってよい（例えば、米国特許第４，７９２，８５０号（リプトン：Ｌｉｐｔｏｎ）のＺ−Ｓｃｒｅｅｎ、または、米国特許出願第１１／４２４，０８７号に開示されているアクロマティック偏光スイッチのうち１つ、これらの文献の内容はすべて既に参照により本願に組み込まれている）。本明細書に開示されている別の偏光切替技術は、図５、７、９および１０を参照して教示された実施形態において説明したように、偏光用の回転輪を用いることを含む。この点について、偏光スイッチ３１２は、アイウェア１０４が、直交する偏光状態を復号化して、それぞれの目に適切な画像を送ることができるように、直交する偏光状態を交互に発生させる任意のスイッチであってよい。偏光スイッチは、（例えば、デバイスの歩留まりを高めるべく）２つの光路間で分割され得る。

透過光および迷光の制御：透過素子にはすべて、透過率を高めて反射を低くするべく、反射防止コーティングが施されているとしてよい。透過素子が光を反射すると、システム内に迷光が発生し得る。この結果、コントラストが低下して、および／または、最終画像に目障りなアーチファクトが生じてしまう。非光学面（例えば、プリズム側面）には、コントラストを高めるべく、黒色を塗るとしてよい。偏光漏れを制御しておよび最終画像のコントラストを改善するべく、各光路においてＰＢＳ３１０の後方に吸収偏光子を追加で配置するとしてよい。

折り曲げミラーおよび偏光純度：図３から図１０において、折り曲げミラーに代えてＰＢＳ素子（例えば、ワイヤグリッドプレート）を設けるとしてよい。この場合、折り曲げ素子後においてより純度の高い偏光を維持できる可能性があり、偏光スイッチにおいて入力偏光子が不要になる場合もある。また、プリズムの傾斜面において反射された光は、反射メカニズムとして内部全反射を利用するとしてもよい。プリズムの傾斜面には、反射を改善して偏光の純度を維持するべく、誘電層および金属層を追加するとしてよい。

投影レンズ：図３から図１０に示した実施形態では、逆望遠型の投影レンズを利用することを説明していたが、本明細書に開示されている偏光変換システムはこのような投影レンズを利用することに限定されない。コンパクトな逆望遠レンズは、米国特許第６，４７３，２４２号に記載されている。当該特許文献は、参照により本願に組み込まれる。例えば、図１２は、第１０の実施形態に係る偏光変換システム１２００を示す図である。偏光変換システム１２００は、米国特許第６，４７３，２４２号に記載の逆望遠レンズの設計とは異なって、投影レンズの内部に偏光ビームスプリッタを提供する。本実施形態によると、偏光ビームスプリッタ１２１０は、開口絞りにおいてレンズ（１２３０ａ、１２３０ｂ、および１２３０ｃ）に組み込まれており、２つの光路１２１２および１２１４が、プロジェクタの外部において２つの偏光状態を重ね合わせるべく設けられる。本例によると、ミラー１２１６、回転子１２１８、ならびに、偏光スイッチ１２２０および１２２２は、投影レンズの後半部分（１２３０ｂおよび１２３０ｃ）の後方に、レンズ１２３０とシルバースクリーンとの間になるように配置されている。レンズの規定を変更して、開口絞りの各視野点からコリメートされた光線を生成する。このような変更によって、米国特許第６，４７３，２４２号に記載のレンズに比べると、２つの点で差異が見られる。まず、米国特許第６，４７３，２４２号に記載のレンズは「０．１８＜ｒ４／ｆ＜０．４５」という条件を満たしているが、本明細書で説明するレンズはｒ４に対してそのような制限がない（例えば、ｒ４／ｆはこの例では０．６であってよい）。続いて、米国特許第６，４７３，２４２号に記載のレンズは「正の屈折率を持つ第３のレンズ群」を有するが、本明細書で説明するレンズは負の屈折率を持つ第３のレンズを有するとしてよい。このような変更の結果、本明細書で説明するレンズはもはや逆展望型ではない。ＰＢＳ１２１０、ミラー１２１６、および、偏光スイッチ１２２０、１２２２は、ＰＣＳ機能のために含められている。ミラー１２１６は、２つの画像をスクリーン上で位置合わせするべく、傾斜させられ得る。一部の実施形態によると、ミラー１２１６の代わりに直角ガラスプリズムを設けるとしてよい。一部の実施形態によると、ＰＢＳ１２１０に代えて、ＰＢＳキューブを設け得る。図では、偏光の純度を最大限高めるべく、レンズの出力に、偏光スイッチを配置している。出力においては、１つまたは２つの偏光スイッチを用いるとしてよい。１つの光路では、スイッチの前方に、アクロマティック回転子を含むとしてよい。

本明細書に開示された原理に係るさまざまな実施形態を上述してきたが、それらの実施形態は例示に過ぎず本発明を限定するものではないと理解されたい。このため、本発明の範囲は、上述した実施形態例のいずれによっても限定されるべきではなく、任意の請求項および本開示から認められる均等物によってのみ定義されるべきである。また、上述した利点および特徴は、説明した実施形態において得られるが、そのような請求項の適用を、上述した利点のうち一部または全てを実現する処理および構造に限定するものではない。

また、本明細書のセクションタイトルは、米国特許法施行規則１．７７の指摘に従って付けたものか、そうでなければ文書の構成を分かりやすくするためのものである。これらのセクションタイトルは、本開示内容から導き出される任意の請求項に記載される発明を限定または特徴付けるものではない。具体的に一例を挙げて説明すると、「技術分野」というセクションタイトルがあるが、請求項は、このタイトルのセクションで使用されている表現によって、いわゆる技術分野を説明しているものと限定されるべきではない。また、「背景技術」での技術の説明は、特定の技術が本開示内容における任意の発明に対する先行技術であることを認めるものと解されるべきではない。また、「発明の概要」も請求項に記載される本発明を特徴付けるものと解されるべきではない。また、本開示において「発明」に単数形で言及しているが、それを理由に本開示では新規性のポイントが１つのみであると主張すべきではない。本開示から導き出される複数の請求項に記載される限定に従って複数の発明を記載し得る。従って、請求項は本発明を定義して、請求項の均等物が保護される。いかなる場合も、本願請求項の範囲はその利点について本開示内容を鑑みて考慮されるべきであり、本明細書のセクションタイトルによって制限されるべきではない。

Claims (20)

1. 偏光符号化画像を投影スクリーンに送る偏光変換システムであって、
   第１の投影レンズと、
   第２の投影レンズと、
   画像の経路上の画像変調器からの光を受け、第１の偏光状態の光を第１の光路上の前記第１の投影レンズに向けて透過させ、第２の偏光状態の光を第２の光路に向けて反射する偏光ビームスプリッタと、
   前記第２の光路上に配置されており、前記第２の投影レンズに向けて光を反射する反射素子と、
   前記第１の光路および前記第２の光路に配置されている偏光変調器と
   を備え、
   前記第１の投影レンズおよび前記第２の投影レンズは、前記偏光符号化画像を前記投影スクリーンに向けて方向付ける
   偏光変換システム。
2. 前記第１の光路および前記第２の光路のうち一方において、前記偏光変調器の前方に配置されている半波長板
   をさらに備える、請求項１に記載の偏光変換システム。
3. 前記偏光変調器は、
   前記第１の光路において、前記第１の投影レンズの後方に配置される第１の偏光スイッチと、
   前記第２の光路において、前記第２の投影レンズの後方に配置される第２の偏光スイッチと
   を有する
   請求項２に記載の偏光変換システム。
4. 前記第１の偏光スイッチおよび前記第２の偏光スイッチは、互いに同期して、偏光を時間的に変調する
   請求項３に記載の偏光変換システム。
5. 前記偏光変調器は、
   前記第１の光路において、前記偏光ビームスプリッタと前記第１の投影レンズとの間に配置される第１の偏光スイッチと、
   前記第２の光路において、前記偏光ビームスプリッタと前記第２の投影レンズとの間に配置される第２の偏光スイッチと
   を有する
   請求項２に記載の偏光変換システム。
6. 前記偏光変調器は、単一の偏光スイッチを有する
   請求項１に記載の偏光変換システム。
7. 前記偏光変調器は、液晶ベースの変調器を有する
   請求項２に記載の偏光変換システム。
8. 前記偏光変調器は、複数の部分に区分された偏光用の回転輪を有する
   請求項１に記載の偏光変換システム。
9. 前記複数の部分に区分された偏光用の回転輪は、
   等方性の部分と、
   回転子の部分と
   を含み、
   前記回転輪は、偏光入力を、時間的に交互に変化して、互いに直交する、一連の偏光出力状態へと変換する
   請求項８に記載の偏光変換システム。
10. 画像ソースからの非偏光を前記偏光ビームスプリッタに向けて方向付ける初期リレーレンズ
    をさらに備える、請求項１に記載の偏光変換システム。
11. 前記第１の光路に配置されており、光を前記第１の投影レンズに向けて方向付ける第１のリレーレンズと、
    前記第２の光路に配置されており、光を前記第２の投影レンズに向けて方向付ける第２のリレーレンズと
    をさらに備える、請求項１に記載の偏光変換システム。
12. 前記偏光変調器の前方に配置されている事前偏光子
    をさらに備える、請求項２に記載の偏光変換システム。
13. 前記反射素子は、ガラスプリズム、ミラー、および、別の偏光ビームスプリッタのうち１つを有する
    請求項１に記載の偏光変換システム。
14. 偏光ビームスプリッタが画像の経路上の画像変調器からの非偏光画像ソース光を受光する段階と、
    前記偏光ビームスプリッタが第１の光路に配置されている第１の投影レンズに向けて、第１の偏光状態の画像ソース光を透過させる段階と、
    前記偏光ビームスプリッタが第２の光路に向けて第２の偏光状態の画像ソース光を反射する段階と、
    第２の投影レンズに向けて前記第２の光路の光を反射する段階と、
    前記第１の光路および前記第２の光路のうち一方の光の偏光状態を、直交する偏光状態に回転させる段階と、
    前記第１の光路および前記第２の光路の光の偏光状態を、第１の偏光出力状態と第２の偏光出力状態との間で、時間的に変調する段階と
    を備える偏光符号化画像投影方法。
15. 前記第１の偏光出力状態は、円偏光を含み、
    前記第２の偏光出力状態は、反対回りの円偏光を含む
    請求項１４に記載の偏光符号化画像投影方法。
16. 前記第１の偏光出力状態は、直線偏光を含み、
    前記第２の偏光出力状態は、直交する直線偏光を含む
    請求項１４に記載の偏光符号化画像投影方法。
17. 前記第１の光路の光は、時間的に変調される前に、前記第１の投影レンズを通過し、前記第２の光路の光は、時間的に変調される前に、前記第２の投影レンズを通過する
    請求項１４に記載の偏光符号化画像投影方法。
18. 前記第１の光路の光は、時間的に変調された後に、前記第１の投影レンズを通過し、前記第２の光路の光は、時間的に変調された後に、前記第２の投影レンズを通過する
    請求項１４に記載の偏光符号化画像投影方法。
19. 前記時間的に変調する段階は、液晶変調器にバイアス電圧を印加する段階を有する
    請求項１４に記載の偏光符号化画像投影方法。
20. 前記時間的に変調する段階は、複数の部分に分けられた偏光用の輪を回転させる段階を有する
    請求項１４に記載の偏光符号化画像投影方法。

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