JP2005513547A - ワイヤーグリッド偏光子用の密封包囲部材及びディスプレイ装置のサブアセンブリ - Google Patents

Abstract

密封包囲部材によって維持される非反応性雰囲気内にワイヤーグリッド偏光子を導入することにより、敏感であるこのワイヤーグリッド偏光子の動作面が周囲環境からの影響による劣化から保護される。この包囲部材は偏光子、液晶光変調パネル、及び投写レンズの一元搭載システムを提供することができ、これによって投写型ディスプレイ用の最終段階サブアセンブリが形成される。

Description

本発明は周囲環境に敏感な偏光子の保護に関し、特に液晶光変調器を用いるディスプレイ装置に適用されるワイヤーグリッド偏光子の保護に関する。

液晶光変調器を適用するディスプレイ装置のなかには、主に1つの偏光状態の入力光を光変調パネルに導くために偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）に依存するものがある。特に反射型液晶（ＬＣＯＳ：liquid crystal on silicon）デバイスとして知られる光変調器（光弁）を適用した場合、照射ビームは直線的に偏光されなければならない。

光変調パネルは、画素又はピクセルのアレイから構成される反射層、この反射層の上に積層される液晶層、及び縦横に配列される制御電極のマトリックスからなる。このような反射型液晶光変調パネルの一形態として知られるＬＣＯＳパネルにおいては、制御電極回路が反射層の下にあるシリコン基板に集積搭載される。

アレイに照射される光の偏光状態は、制御電極を介して印加される表示信号に応じた液晶の複屈折に対する局所電界の動きによってピクセルごとに変調される。このように変調された光はＰＢＳによって投写光学素子に伝送される。

従来の装置において適用されるＰＢＳは通常マクニール・プリズム型のＰＢＳであって、この場合照射ビームによって加熱される領域と加熱されない領域とによる熱分布の差異から生じる応力からの応力複屈折が発生しやすくなる。そしてこの現象はＰＢＳが比較的大きく温度の均一化を実現しにくく、目立った光学遅延が発生しやすくなることからさらに悪化する。ここでの物理的な差異は数ナノメートルから数十ナノメートル程度のわずかな違いであるもののこの違いによる光学上の影響は、光の偏光状態の差異による不均等な出力としてはっきりと認識されうる。特に暗い状態においてこのような差異から生じる影響は認識されやすく、例えば本来黒く表示されるべきディスプレイ画面表示において部分々々に色が薄い箇所が表示されうる。

この問題の解決法の１つとしてプリズムのガラスを液体に代える方法がある。液体を用いた場合応力複屈折は発生せず温度変化は伝達によって均一化される。また、より簡単な解決法として、特許文献1に記載されるようなワイヤーグリッド偏光子ビームスプリッタを適用することが可能である。このようなビームスプリッタは、可視光の波長に応じて透明基板に平行に配置された薄くて細長い素子のアレイを有する。このアレイは照射光の波と交流し、一方の偏光状態の光を伝送し、他方の偏光状態の光を反射する。この装置は、マイクロ波の波長に応じて配置されるワイヤのアレイから構成されるマイクロ波放射用の光学アナログ偏光子に類似する。

ワイヤーグリッドがフォトリソグラフィ技術によりガラス基板上に狭い間隔で配置されたアルミ線によって形成される場合、このワイヤーグリッド偏光子を適用する反射型液晶ディスプレイ装置は、従来のマクニール・プリズム型のＰＢＳを適用する装置に比べてより高度なコントラストを有する表示画像を生成することができる。このような効果はワイヤーグリッド偏光子が応力複屈折から開放されることを少なくともひとつの要因として得られる効果である。

しかしアルミのワイヤーグリッド偏光子は周囲環境にさらされている場合は通常プロジェクタの予想寿命期間中にわたって安定な特性を保障することができない。これはワイヤーグリッドを形成する２００ｎｍ程度の極細純アルミ線がどんなに微量の反応性空気成分にも反応し、これと接触した際に腐食するからである。ワイヤーグリッドの劣化の主な原因は酸素と水蒸気であるとされているが、このような問題は他の大気成分によっても引き起こされうる。特に都会の大気に比較的多く含まれる硫黄化合物などが問題となる。また、ワイヤーグリッドはプロジェクタの組み立てや操作などによる危害からも保護される必要がある。

このようなワイヤーグリッドの破損しやすい性質と、光学属性を得るためのこの構造への強い依存性を十分考慮した保護コーティングは未だ開発されていない。したがってこの種のＰＢＳは優れた精度を有するものの、時間の経過と共に著しく劣化してしまうため、商業用ディスプレイ装置にはあまり適用されていない。
米国特許６，２４３，１９９号

本発明では、ワイヤーグリッド偏光子ビームスプリッタが不活性ガスや、窒素、真空などの非反応性雰囲気を有する包囲部材内に密封される。

好適にはこの包囲部材はハウジングに相当し、このハウジングはさらに液晶ディスプレイ装置における光変調パネルや1又は複数のレンズなどの他の光学素子をも収容する。さらにこのようなハウジングは好適には開口部を有する側面を具備し、ＰＢＳ及びその他の光学素子はこの開口部を介してハウジングに封止される。このような構成により、偏光子、パネル、及びレンズがそれぞれに別々に搭載される必要がなくなり、この構成はデータ、映画、テレビなどを表示する液晶ディスプレイ装置における最終段階のサブアセンブリとして適用されうる。

本発明の一仕様による光偏光デバイスは、偏光子を有する偏光デバイスであって、前記偏光子は、光透過基板、この基板上に配置されるワイヤーグリッド偏光素子など周囲環境に敏感な偏光素子、及び偏光子を包囲する密封包囲部材を有し、この包囲部材は偏光素子を周囲環境から保護するために不活性雰囲気を有する。

本発明のまた別の仕様による偏光デバイスは、光透過基板、この基板上に配置される周囲環境に敏感な偏光素子、及び光透過カバーシートを有する偏光デバイスであって、このデバイスの外周には、基板上に配置される偏光素子よりも高く配置されてカバーシートを支持する複数のスペーサ、及び基板とカバーシートとを封止する封止剤が設けられ、この基板とカバーシートとの間の内部空間には偏光素子を保護する不活性雰囲気が設けられる。

本発明の第３仕様による密封ハウジングは、ディスプレイ装置のサブアセンブリに適用される密封ハウジングであって、光学素子を搭載するための開口部を有する。

好適にはこの密封ハウジングはウェッジ型の囲い部材であって、三角形の上面部及び底面部の間に延在する３つの側面部を有し、各側面部は光学素子又はデバイスを搭載するための開口部を有する。

本発明のまた別の仕様によると、周囲環境に敏感な偏光デバイス、光変調パネル、及びレンズが密封部材に封止されてディスプレイ装置のサブアセンブリが形成される。

図１Ａは、特許文献1などに記載される従来技術によるワイヤーグリッド偏光子１０の断面図を示す。このワイヤーグリッド偏光子１０は、例えばガラスなどからなる光透過基板１１及び平行に配置されるアルミ線からなるワイヤーグリッド１２を有する。なお、ワイヤーグリッド１２のアルミ線の太さは典型的には２００ｎｍ程度であり、２００ｎｍ程度の間隔ピッチで配置される。このようなワイヤーグリッドの精密な構造から、アルミ線が周囲環境と反応することによりグリッド構造は容易に破損し、これによって偏光子の動作特性が劣化してしまう。

図１Ｂは、本発明の一実施例による被包囲ワイヤーグリッド偏光子１３の断面図を示す。このワイヤーグリッド偏光子１３は、光透過基板１４、同基板上に配置されるワイヤーグリッド１５、及びこれらを包囲する包囲部材１６を有する。この包囲部材１６はガラスなどの光透過材料からなり、その内部空間に真空や不活性ガスなどの非反応性雰囲気を提供する。

ワイヤーグリッドの材料としては好適にはアルミが用いられる。アルミは高い反応性を示し、現在ワイヤーグリッド偏光子１３のようなデバイスを製造するのに一般的に実行される標準半導体プロセスに適応可能である。また、アルミの代わりとして高い伝導性と反応性とを有する銀を用いることも可能である。銀もアルミと同様に周囲環境に敏感であり、特に大気に含まれる硫黄化合物などに反応性を示し、本発明による大気からの保護を要する。

なお、環境からの保護を要する素子はワイヤーグリッドのみであるため、包囲部材は基板の外周に位置するスペーサ上に透明カバーシートを配置し、このカバーシートをワイヤーグリッドから若干離し、このカバーシートをガラス基板に封止し、この内部に形成される空間の気体を抜くかあるいはここに不活性ガスを注入することによって実現されうる。このような実施形態は、透過型光変調器を用いるディスプレイにおいて好適に適用されうる。

図２は上述のような実施形態を示す。この図に示される被包囲ワイヤーグリッド偏光子２０は、ガラス基板２１、ワイヤーグリッド２２、及びスペーサ２４上に配置され封止剤２５によって基板２１に封止されるカラスカバーシート２３を有する。この封止剤２５の材料としては周囲環境及び被包囲内部環境２６に対して十分な不透過特性を提供しうる封止材料であればよく、例えば常温加硫シリコンゴムや光学アセンブリによく用いられる紫外線硬化アクリル接着剤などを用いることが可能である。

なお、ここでは完全な密封状態が求められているのではなく、光学装置の予想寿命期間中においてワイヤーグリッド素子の劣化が十分抑止されうる程度の絶縁状態が求められる。

ワイヤーグリッド偏光子をいくつかの光学素子のうちの１つとして適用する光学デバイス又は装置においては、２以上のこれらの光学素子が密封ハウジング内に集積されることが好ましい場合もある。この集積密封ハウジングはワイヤーグリッドが必要とする保護環境を提供すると同時に、個々の光学素子を別々に搭載する手間を省略することができる。

図３はこのような集積密封ハウジングの一例を示す斜視図である。この図に示される統合密封ハウジング３０は、液晶投写型ディスプレイ装置の最終段階サブアセンブリとして適用されうる。

図３に示されるウェッジ型のハウジング３０は、それぞれ開口部３４、３５、３６を有する３つの矩形側面３１，３２，３３を有する。これら３つの側面は直角三角形の形状をしている上面３７と底面３８との間に延在する。この上面３７及び底面３８はそれぞれ２つの短辺（３７１，３７２／３８１、３８２）及び１つの長辺（３７３／３８３）を有する。側面３１は、辺３７３と辺３８３との間を延びてウェッジ型包囲部材３０の斜辺を形成し、動作面を内側にしたワイヤーグリッド偏光子を嵌合する開口部３４を有する。側面３２は、辺３７１と辺３８１との間に延在し、活性面を内側にした反射型液晶光変調パネルを嵌合する開口部３５を有する。側面３３は、辺３７２と辺３８２との間に延在し、投写レンズを嵌合する開口部３６を有する。

図４はこのような集積ハウジング３０に所定の光学素子を搭載することによって形成される反射型液晶投写型ディスプレイ装置の光変調サブアセンブリ４０を示す断面図である。この図に示されるように、ワイヤーグリッド偏光子４１は側面４３における開口部４２に嵌合封止され、ＬＣＯＳ光変調パネル４４は側面４６における開口部４５に嵌合封止され、投写レンズ４７は側面４９における開口部４８に嵌合封止される。この密封ハウジングの内部は例えば窒素、不活性ガス、真空などの不活性雰囲気からなる。

このサブアセンブリ４０の動作例として、矢印Ｐによって示される偏光は、偏光子４１に侵入し、光変調パネル４４に照射される。ここで照射光の偏光状態は反射ピクセルアレイに印加される表示信号に応じて反射ピクセルアレイの上に配置される液晶層によってピクセルごとに変調される。光変調パネル４４は、１／４波リターダを有し、このリターダは侵入する直線偏光を円偏光に変換し、光変調パネルからの反射及び液晶層による変調を経た後これを部分直線偏光に戻す。このようにして得られた光が投写レンズ４７に伝送される。

矢印Ａによって示される変調光は、パネル４４によって反射され、偏光子４１に戻される。ここで偏光子４１は矢印Ｓによって示される１方向の直線偏光だけを投写レンズ４７に向けて反射する。

なお、動作温度が高くてガスが膨張する可能性がある場合（ほとんどの装置ではこのような問題はないが）、包囲部材は可撓性ダイヤフラムなどの圧力除去手段を備えることが可能である。また、包囲部材の材料は、所定の光学公差を遵守するために寸法上安定している必要があり、例えば多くの商業用投写装置に用いられる射出成形ガラス充填ポリマーなどを用いてもよい。また、光学素子は光学アセンブリに通常用いられる一般的な接着剤によって封止されうる。

なお、図３のハウジングを適用する図４の光変調サブアセンブリは、Ｔ−Ｒモード（送信‐受信モード）で動作することができる。この場合光エンジンからのビームは偏光子によってパネルに送信され、このパネルによって変調された光は偏光子で反射し投写レンズを介してディスプレイ画面へと導かれる。また、図４のサブアセンブリはＲ−Ｔモード（受信‐送信モード）で動作することもできる。この場合レンズは光エンジンの最終素子に相当し、光エンジンからのビームはレンズから侵入して、偏光子によってパネルへ反射され、パネルからの変調光は偏光子によってサブアセンブリ外部の投写レンズに伝送される。

なお、本発明の理解には不可欠ではないものの、反射型液晶ディスプレイ装置についての説明がＪｅｐｓｅｎらによる、２００１年１０月２３日発行の米国特許６，３０７，６０７号に記載される。また、単一のパネル上にスクロール・カラービームを適用してフルカラー表示を実現する液晶ディスプレイ装置についての説明がＢｒａｄｌｅｙによる１９９９年１２月７日発行の米国特許５，９９９，３２１号に記載される。ここにおいてこれらの特許文献の内容を参照により挿入する。

このような被保護ワイヤーグリッド偏光素子は、反射型光変調器を導入するプロジェクタ以外にも例えば透過型液晶光弁を導入するプロジェクタなどにも適用されうる。また、図２の包囲部材は前段偏光子として用いられることが可能であり、これは多くの商業用プロジェクタに適用される偏光状態変換システムを導入してもしなくてもよい。

なお、上記においては、限られた実施例を用いて本発明の説明をしてきたが、この他にも様々な実施例や変形例が実現可能であることは同業者にとって自明であり、本発明はこれらすべての実施形態をその範囲に含む。

従来技術による周囲環境に敏感な偏光デバイスを示す断面図である。 本発明による被包囲偏光デバイスの一実施形態を示す断面図である。 本発明による被包囲偏光デバイスの別の実施形態を示す断面図である。 ディスプレイ装置の光変調サブアセンブリに適用されうる本発明による密封包囲部材の一実施形態を示す斜視図である。 図３の包囲部材を適用した光変調サブアセンブリの断面図である。

Claims (13)

1. 偏光子を有する偏光デバイスであって、前記偏光子は、光透過基板、前記基板上に配置される周囲環境に敏感な偏光素子、及び前記偏光子を包囲する密封包囲部材を有し、前記包囲部材は前記偏光素子を周囲環境から保護するために不活性雰囲気を有することを特徴とする偏光デバイス。
2. 前記偏光素子はワイヤーグリッド偏光素子であることを特徴とする請求項１記載の偏光デバイス。
3. 光透過基板、前記基板上に配置される周囲環境に敏感な偏光素子、及び光透過カバーシートを有する偏光デバイスであって、前記デバイスの外周には、前記基板上に配置される前記偏光素子よりも高く配置されて前記カバーシートを支持する複数のスペーサ、及び前記基板と前記カバーシートとを封止する封止剤が設けられ、前記基板と前記カバーシートとの間の内部空間には前記偏光素子を保護する不活性雰囲気が設けられことを特徴とする偏光デバイス。
4. 前記偏光素子はワイヤーグリッド偏光素子であることを特徴とする請求項３記載の偏光デバイス。
5. ディスプレイ装置のサブアセンブリに適用される密封ハウジングであって、光学素子を搭載するための開口部を有することを特徴とする密封ハウジング。
6. 前記密封ハウジングは、三角形の上面部及び底面部と、前記上面部と前記底面部との間に延在する３つの側面部とを具備してウェッジ型の囲いを形成し、前記光学素子搭載用の開口部は前記側面部の各々に設けられることを特徴とする請求項５記載の密封ハウジング。
7. 前記上面部及び底面部はそれぞれ２つの短辺及び１つの長辺を有する直角三角形の形状を有することを特徴とする請求項６記載の密封ハウジング。
8. 第１、第２、及び第３開口部を有する密封ハウジング、周囲環境に敏感な動作面を有し前記第１開口部に封止される偏光子、前記第２開口部に封止される光変調パネル、及び前記第３開口部に封止されるレンズを有することを特徴とするディスプレイ装置のサブアセンブリ。
9. 前記密封ハウジングは、三角形の上面部及び底面部と、前記上面部と底面部との間に延在する第１、第２、及び第３矩形側面部を具備してウェッジ型の囲いを形成し、前記第１、第２、及び第３開口部はそれぞれ前記第１、第２、及び第３矩形側面部に設けられることを特徴とする請求項８記載のサブアセンブリ。
10. 前記上面部及び底面部はそれぞれ２つの短辺及び１つの長辺を有する直角三角形の形状を有し、前記第１側面部は前記上面部の長辺と前記底面部の長辺との間に延在することを特徴とする請求項９記載のサブアセンブリ。
11. 前記偏光子はワイヤーグリッド偏光子であることを特徴とする請求項１０記載のサブアセンブリ。
12. 前記光変調パネルは液晶光変調パネルであることを特徴とする請求項８記載のサブアセンブリ。
13. 前記レンズは投写レンズであることを特徴とする請求項８記載のサブアセンブリ。
    

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