JP2009505141A - 液晶型投射システム用のコントラスト強化 - Google Patents

Abstract

【課題】液晶型投射システム用のコントラスト強化を提供する。
【解決手段】暗状態におけるＬＣパネルの面内及び面外の位相差を補償する傾斜型補償器を記載する。これには、ＬＣパネルと光学投射システムにおけるその他の光学コンポーネント両方による望ましくない偏光効果を補償するのに有効な、単層傾斜型２軸位相差器もしくは二以上の２軸フィルムを含む複合型位相差器が含まれる。望ましくない反射光を投射システムの光路から逸れるように偏向させる傾斜型補償器についても記載する。
【選択図】図１

Description

本願は、２００５年５月２２日出願の米国特許出願第１０／９０８，６７１号の一部継続出願であり、その内容をここに参照により取り込むものとする。本願はまた、２００５年８月１２日出願の米国仮特許出願第６０／５９５，８８２号の優先権を主張するものであり、その内容もここに参照により取り込むものとする。

ここに開示する実施形態は、全般的に液晶（ＬＣ）表示システムに用いる光学装置に関し、特にコントラスト強化のための補償器を用いた反射型液晶・オン・シリコン（ＬＣｏＳ）投射構造に関する。補償器は、ＬＣパネルのオフ状態において存在する面内及び面外の残留位相差を補償し、さらにその他の光学部品に存在する望ましくない光学的効果を補償するよう構成されている。

液晶表示型正面／背面投射システムは、その優れた解像度ゆえにハイビジョン（ＨＤ）用途および三次元映像用途において大きい可能性を持つ。コントラストは、トゥルーグレイレベルの階調数と色忠実度を最終的に左右するので、投射システムにおいて重要な性能仕様であると考えられている。このような投射システムにおける課題は、光変調システム内においてわずかに偏光解消効果が作用したとしても満足なシステムコントラストを達成することである。

ＬＣｏＳもしくはその他のＬＣパネルを用いた投射表示装置においては、面内残留位相差は入射光線に作用すると偏光混合を生じ、パネルのオフ状態でのリークにつながり得るので、十分なコントラスト性能を保証するためにはオフ状態での残留パネル位相差を補償する必要がある。ＬＣパネル投射型の大型スクリーンテレビの場合、このリークにより明るい暗状態、また、しばしば有色の暗状態が現れる。暗色の映像コンテンツを表示する場合、このようなリークは非常にはっきりと現れるので望ましくない。ＬＣパネルの残留オフ状態位相差もしくは少なくともその望ましくない影響は、パネルの正面に複屈折素子を設けることにより除くことができる。このことは、Ｘｉａｎｇ−Ｄｏｎｇ Ｍｉによる米国特許出願の公報第ＵＳ２００３／０１２８３２０号、及びＭ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎによる本願と同一出願人の米国特許出願第１０／９０８，６７１号において記載されている。

一般的に、補償器は、第一にパネルの残留面内オフ状態位相差を取り除くよう機能し、二次的に、ＬＣ層の視野（ＦＯＶ）特性に関連する面外位相差に起因するオフ状態光リークを低減するよう機能する。面内位相差はパネル面への投射時にＬＣ分子が基板へ法線配向しない度合いもしくは配向が均整のとれたものとならない度合いに対応するので面内位相差を取り除くことは重要である。面外位相差は相当量存在すると、軸外光線の偏光状態を変化させ、パネルの視野を狭める作用をするので、コリメータ機能がないシステムにおいては、またもやオフ状態リークを生じさせることとなる。現在の市販の映像投射システムに求められる高コントラストを得るためには、面内と面外両方での補償が望まれる。

本明細書においては、ＬＣパネルの投射光の屈折率が傾斜光軸を有する補償器の面内及び面外の位相差成分により補償される、ＬＣパネル用の補償スキームを開示する。補償器は、ワイヤーグリッド、多層複屈折キューブＰＢＳ、形状複屈折ＰＢＳ、もしくはＭａｃＮｅｉｌｌｅ ＰＢＳ等を含む、投射システムにおけるその他の光学コンポーネントの不全も補償してよい。

一実施形態においては、光路に沿ってＬＣパネルからの被変調光を投射する光学投射システムが提供される。投射システムは、ＬＣパネルと補償器を含む。ＬＣパネルは光路上に配置され、実質的に平面状であり、光路の照明光部分において被偏光入射光を受光するよう動作する。さらに、ＬＣパネルは入射光を変調することにより光路の被変調光部分に沿って進行する被変調光を形成するよう動作し、それにより、入射光の特定部分に対して第一偏光を与え、入射光のその他の部分に対して第二偏光を与える。実質的に平面状の補償器が光路に沿って配置される。補償器は、ＬＣパネルの平面に対して傾斜した光軸を有する。

本明細書に開示する原理とその利点についてのより完全な理解を促進するために、以下の添付図面を参照して下記記載への言及を行う。

図１は、本開示に従うワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタを用いた模範的な光学３パネルＬＣｏＳ投射システムの概略図である。

図１Ａは、図１の３パネルＬＣｏＳ投射システムにおいて用いてよい模範的なサブシステムの概略図である。

図２は、位相差フィルムの複屈折を屈折率楕円体として示した概略斜視図である。

図３は、本開示に従う模範的な補償器コンポーネントをを示す概略斜視図である。

図４は、本開示に従う補償器の配向のＬＣ表示パネルの面内位相差に対する模範的関係性を関数として示したグラフである。

図５は、本開示に従う模範的なワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタの構造を示す概略図である。

図６は、本開示に従う模範的な変調サブシステムにおけるワイヤーグリッド偏光子の使用と配置を示す概略図である。

図７は、本開示に従う偏光ビームスプリッタキューブを用いた模範的な光学３パネルＬＣｏＳ投射システムの概略図である。

図８Ａは、本開示に従う別の模範的補償器コンポーネントを示す概略斜視図である。

図８Ｂは、図８Ａに示す補償器コンポーネントの断面図を示す概略図である。

本明細書においては、ＬＣ複屈折、ＰＢＳによる複屈折、及び界面反射を補償し、従来技術に比較してシステムコントラストを大幅に改善させるシステム、装置、及び方法を開示する。

図１は、模範的な光学３パネルＬＣｏＳ投射システム１００の概略図である。投射システム１００は、照明サブシステム１０１を含んでよく、それは、図示のように配置されたビームスプリッタ１１２と１２０、及びミラー１１４、１１６、１１８を介して変調サブシステム１３０、１４０、１５０に光を分配する。ビームスプリッタ１１２と１２０は光を波長（色）が異なる二本のビームに分割し、光はその波長にしたがって選択的に反射されるか透過する。ビームスプリッタ１１２と１２０は、二色性ミラーもしくはプリズム等の二色性ビームスプリッタであってよい。投射システム１００は、被変調光を通常は画像観察用スクリーンへと出力する投射レンズ１７０を更に含んでよい。変調サブシステム１３０、１４０、１５０はそれぞれ可視光スペクトルの青色、緑色、及び赤色の波長成分を変調するよう構成されている。以下において図１Ａを参照して変調サブシステム１３０、１４０、１５０を更に詳細に記載する。

照明サブシステム１０１は、光源１０２、レンズアレー１０４と１０６、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）アレー１０８、及び統合レンズ１１０を含んでよい。照明サブシステム１０１は、変調サブシステム１３０、１４０、及び１５０にテレセントリックに偏光した均質な照明光を供給する。当業者には理解されるであろうように、これら及びその他の機能を提供するべく多様な照明サブシステム及びそれらの変形を用いてよい。たとえば、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｇ．Ｒｏｂｉｎｓｏｎらによる、ＬＣＤ投射３７−４１用の偏光操作技術（Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ ＆ Ｓｏｎｓ，Ｌｔｄ ２００５）に図示及び記載の照明サブシステムを用いてよく、当該文献は本明細書に参照によりあらゆる目的において取り込むものとする（以下、偏光操作技術と呼ぶ）。

図１Ａは、図１の３パネルＬＣｏＳ投射システム１００に用いてよい模範的な変調サブシステム１４０の概略図である。変調サブシステム１４０は、ワイヤーグリッドＰＢＳ（ＷＧＰ）１４２、変調パネル１４４、及び２軸補償器１４６を含む。緑色光を変調する変調サブシステム１４０を図示しているが、本記述はそれぞれ青色と赤色の光を変調するよう構成される以外は実質的に類似の構造と機能を有する変調サブシステム１３０と１５０にも当てはまる。たとえば、変調サブシステム１３０（青色光用）は、ＷＧＰ１３２、変調パネル１３４、及び２軸補償器１３６を含む。同様に、変調サブシステム１５０（赤色光用）は、ＷＧＰ１５２、変調パネル１５４、及び２軸補償器１５６を含む。各変調サブシステムは、特定の波長もしくは波長範囲用に各サブシステムの性能を最適化するために異なる光学特性のコンポーネントをを含んでよいことは理解されるべきである。

動作時においては、図１を再び参照すると、投射ランプ１０２からの光を、ハエの目レンズアレー（１０４−１０６）とＰＢＳアレー１０８を透過させることにより均質化し、入射する投射ランプ１０２からの白色光を赤色、緑色、及び青色の成分へと分割するために二色性ミラー１１２と１２０が連続的に用いられる。吸収偏光子１２２、１２４、１２６を各段階（各色についての）において用いて入射光を偏光させてよく、したがって各変調サブシステム１３０、１４０、及び１５０において、変調パネル１３４、１４４、１５４、及びワイヤーグリッド偏光子１３２、１４２、１５２をそれぞれ確かなものとすることにより光を変調して反射させることができる。上述したように、各変調サブシステム１３０、１４０、１５０において変調パネル（たとえば、１３４、１４４、１５４）とワイヤーグリッド偏光子（たとえば、１３２、１４２、１５２）の両方により、スキュー光線もしくは軸外偏光効果等の望まぬ偏光効果がもたらされることがある。したがって、これらの望まぬ偏光効果を補償するべく、変調サブシステム１３０、１４０、１５０の一以上において２軸補償器１３６、１４６、１５６を設けることができる。

システムコントラストに影響を及ぼすのは、補償器とパネルからの光の反射である。たとえば、補償器１３６、１４６、１５６を透過してＬＣに行き着くことなく帰還した光は混合偏光状態を示し、オフ状態でのリークにつながる。界面反射を減らすこと（たとえば、補償器コンポーネントに反反射コーティングを用いることにより）により、この効果を低減させることは可能であるが、この効果を完全になくすことは現実的でない。提案する補償技術には、補償器１３６、１４６、１５６を傾斜させてこの効果を低減させることによりシステムコントラストを向上させることが含まれる。提案に係る、傾斜した補償器と外気との界面からの望まぬ反射光はシステムの光軸から逸れたバイアス角にあり、したがって表示スクリーンへと撮像され投射されるのが最小化される。補償器を傾斜させることにより、ワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタから放射され、システムコントラストを下げる作用をするわずかな偏光効果を吸収させることも有益である。

それゆえ、補償器１３６、１４６、１５６の一以上を各変調パネル１３４、１４４、１５４の面に対して傾斜させることにより、システムコントラストが向上する。一般的に、システムにおいて２軸補償器１３６、１４６、１５６（もしくは、同一の偏光効果を有する複数の補償フィルムの複合物）は、投射システム１００の光軸に略配向させるか、又は投射システム１００の光軸に対して傾斜させてよく、具体的には、これら補償器を各変調パネル１３４、１４４、１５４の面と、通常４５度配向にあるＰＢＳ面とに対して傾斜させてよい。ＬＣｏＳもしくはその他のＬＣパネルに隣接する面を傾斜させることにより、非点収差に起因して画像品質が低下し得るが、一実施形態においては０．５ｍｍ未満の補償素子を用いることにより、画像を著しく焦点ぼけさせない（＜０．５画素）ような、１０度を超えない合理的範囲の傾斜（たとえば、約５度、もしくは、約５度未満、もしくは約１０度未満）を許容する。どのような非点収差であっても許容されない場合においては、互いに反対向きにＶ字形状となったガラス基板の間に挟まれる２軸材料等の、傾斜光軸を持つ平面型補償器を用いてよい。このような補償器によってはコントラストに対する表面反射の影響は低減しないが、ＷＧＰ１３２、１４２、１５２が一層補償される作用はある。このような補償器コンポーネント８００の模範的実施形態を図８Ａと８Ｂを参照して後述する。

図１を再び参照して、自身の光軸が自身の面に対して傾斜した２軸材料を代わりに用いて同様にＷＧＰを補償することができる。このような材料には、せん断した可塑性フィルム、もしくは、傾斜蒸着した二色性位相差板が含まれ得る。

各変調パネル１３４、１４４、１５４は、光の特定部分を第一偏光状態とし（たとえば、オン状態において）、光のその他の部分を第二偏光状態とする（たとえばオフ状態において）ことにより光を変調するよう動作する。各変調サブシステム１３０、１４０、１５０からの被変調光は、その後クリーンアップ偏光子１６２、１６４、１６６をそれぞれ透過して二色性ｘキューブ１６０により再統合され、投射レンズ１７０によりスクリーンへと方向付けられる。

補償器１３６、１４６、１５６についてのさらなる詳細を以下に示す。

図２は、位相差フィルムの複屈折を屈折率楕円体２００として三次元概略図示したものである。一以上の位相差フィルムを組み合わせることにより、図１の補償器１３６、１４６、１５６等の補償器を作成してよい。いかなる位相差フィルムも、三つの屈折率ｎ_ｘ、ｎ_ｙ、ｎ_ｚにより一意に特性付けることがでる。但し、ｎ_ｘ、ｎ_ｙ、ｎ_ｚは直交偏光軸上に定義される。３軸による図示は屈折率楕円体２００として表されている。簡易な一次元延伸により、実質的に一軸複屈折が関連する光特性とともに生成されることが知られている。たとえば正側に一軸延伸したフィルム等の特殊な場合においては、屈折率のうち二つが実質的に等しく（たとえば、ｎ_ｘ＞ｎ_ｙ＝ｎ_ｚ）、このような材料から形成されるコンポーネントは、ｘ軸が当該材料の面に存在するのであればａプレートと呼称される。ＬＣｏＳパネルの液晶分子は正側に一軸であり、そのｘ軸（光軸）が分子配向方向に平行である。負のｃプレートは、ｎ_ｘ＝ｎ_ｙ＞ｎ_ｚにおいて一軸であり、ｚ軸はコンポーネントの面に対して法線である。

より近時において、製造者によりポリカーボネート（ＰＣ）の二次元延伸が開発された。ＬＣＤコントラストとＦＯＶの強化要請に対処するにはこのような位相差器が適切である場合もある。せん断を含む更に複雑な二次元延伸により、双軸性を示す層を形成することができる。双軸性の程度を制御することにより、軸外特性を向上させることができる。軸外特性が向上する度合いは、フィルムの三つの直交光軸のうち二つ（ｎ_ｘ、ｎ_ｚ）を含む観察平面における双軸性の様々な程度のそれぞれについて容易に算出することができる。２軸フィルムの光学特性は、Ｎ_ｚ＝（ｎ_ｘ−ｎ_ｚ）／（ｎ_ｘ−ｎ_ｙ）と定義されるＮ_ｚファクターにより特性付けることができる。偏光操作技術の第３章において記載されるように、この入射平面での位相差は、Ｎ_ｚ＝０．５であるとき角度の第一次数には無関係であることを証明することができる。

図３は、模範的な補償器コンポーネント３００の構成要素の可能な構成を示す概略図である。延伸ポリマー位相差器は、通常、樹脂を金属キャスティングベルトに塗布することにより製造される。それゆえ、ポリマー位相差器の光学特性（たとえば、透過した波面の歪曲）は、ポリマー位相差器を投射システムに組み込んだ場合には、画像品質に悪影響を及ぼす可能性がある。解決策の一つは、ポリマーフィルム３０２を複数の光学的に平坦な複数の基板３０４（ガラス等）の間に、性質が一致した、つまり屈折率が一致した光学接着剤３０６を用いて設けることである。反反射性コーティング３０８を光学的に平坦な基板３０４上に設けてよい。フィルムのキャスティングの後に延伸を行う。一対のローラーが異なる回転速度にて回転する適切に制御された炉内を休止せずに通過させることにより延伸は行われる。この処理の精度が位相差フィルムの空間統計値（位相差と光軸を含む）を左右する。延伸ポリマー位相差器は、開口を大きく、体裁を良く、耐久性を高く、かつ多様な要求位相差特性を持たせて製造することができる低コストな複屈折素子である。

複数の位相差フィルムが組み合わさった複合構造により単層複屈折層を近似することができることが理解されるべきである。たとえば、ａプレートとｃプレートの組み合わせを正しく設計すれば、単層２軸フィルムと実質的に等しい性能である性能特性が生成される。それゆえ、本願においては、「補償器」もしくは「２軸補償器」 との用語は、このような態様で機能する単一のもしくは複合型の位相差器を包括する。さらに、本明細書において記載する補償器は、他の実施形態においては、均等で適切ないかなる材料により製作してよく、たとえば固体結晶、液晶ポリマー、もしくは補償器の位相差値であるＲ_０とＲ_ｔｈ（以下に定義する）を本願の教示に則して設定することが可能であるような光学特性を示すその他の材料であってよい。液晶ポリマーは、二重ホモジニアス配向、スプレー配向（ホモジニアス／ホメオトロピック）、もしくはいかなる適切な配向を示すことができる。

本願においては、ＬＣパネルの投射光の屈折率が、２軸補償器を用いることによりそのフィルムの面内位相差成分（Ｒ_０）と面外位相差成分（Ｒ_ｔｈ）によって補償されるＬＣパネル用の補償器の多様な実施形態を開示する。図２を再び参照して、単層２軸補償器（位相差器）においては、重要なパラメータが二つあり、それらはＲ_０とＲ_ｔｈである。これらは、以下のように定義される。
Ｒ_０＝（ｎ_ｘ−ｎ_ｙ）ｄ
Ｒ_ｔｈ＝（（ｎ_ｘ＋ｎ_ｙ）／２−ｎ_ｚ）ｄ （１）
但し、ｄは位相差フィルムの厚さである。Ｒ_０は、パネルの真正面からの残留複屈折を補償するために用いられ、Ｒ_ｔｈはＦＯＶに影響するパネルの面外成分を補償するために用いられる。本願と同一の出願人による米国特許出願第１０／９０８，６７１号においてもそうであったように、補償器の配向とそのＲ_０値の解は、本願において図４に示すように、Ｃ曲線を描く。

一実施形態においては、Ｒ_ｔｈ値の大きさが変調パネルの全位相差値（＝Δｎ．ｄ、但し、ΔｎはＬＣの通常屈折率と異常屈折率との差であり、ｄはＬＣの厚さである）に近接していて、正負が逆であるような２軸補償器を用いることが有利な方法である。Ｒ_０値は、パネルの残留値より１０ｎｍ超大きくなるように選択され、パネルのｘ軸が入射光の偏光方向に対して近接する（＜１０°）ようにする。図１Ａを再び参照して、一実施形態においては、補償器（たとえば１３６、１４６、１５６）をワイヤーグリッド金属ストライプに平行な軸に対して〜５°回転させて、補償器がＰＢＳ板１４２に対して約４０°の角度に存在するようにしてよい。しかし、上記した５°の回転は単に一例であり、その他の有利な補償器板の傾斜態様をシステム設計ニーズに応じて採用することができ、たとえばワイヤーグリッドストライプに定義される軸以外の軸に対して傾斜させてもよい。

図４は、補償器の配向をＬＣ表示パネルの面内位相差に対する関数として表す場合の、両者の典型的関係性を示すグラフである。より具体的には、図４は、補償器の最適配向（ｙ軸に示す）を補償器の面内位相差（ｘ軸に示す）に対する関数とした場合に、入射光の波長が５５０ｎｍであるときにＬＣパネルの残留位相差が３ｎｍとなる（つまり、点４０５にある）「Ｃ」曲線４００を示す。このＣ曲線が解として得られる等式は本願と同一の出願人による米国特許出願第１０／９０８，６７１号に記載されており、その内容は参照としてここに取り込まれており、当該等式のＬＣ補償における定義と適用方法の提示となる。

補償器の各位相差値について、残留面内位相差が補償され得る二つの配向方位（θ_１，θ_２）が存在するが、これらの配向方位は互いにθ_１＝９０°−θ_２の関係性を有する。Γ_ｒは補償器の面内位相差（２軸補償器の場合、Ｒ_０に等しい）であり、Γ_ｐはパネルの残留面内位相差である。したがって、所与のΓ_ｒ（但し、Γ_ｒ＞Γ_ｐ）について、図４に示すように、補償器の配向可能な方位は二つある。図４における特定例においては、面内位相差がΓ_ｒ＝(〜)７ｎｍである例が示されており、この場合、θ_１＝(〜)１５°かつθ_２＝(〜)７５°となり、Ｃ曲線４００のこの部分における比較的に平坦な傾きは、この解が補償器１４６の面内位相差値（Γ_ｒ）及び／又は図１ＡのＬＣパネル１４４の面内位相差値（Γ_ｐ）の変動による影響を比較的受けにくいことを示す。記載した実施形態のいくつかにおいては、Γ_ｒ−Γ_ｐ＞約１５ｎｍであるときにＣ曲線がより平坦となる部分が現れる。

いくつかの実施形態においては、オフ状態のＬＣパネルの面内位相差値Γ_ｐに対して少なくともある程度そぐわない面内位相差値Γ_ｒを示す補償器を選択することの利点を出願人は認識している。特に、θ_１＝(〜)θ_２＝(〜)４５°となる解２０５における４５°にほぼ等しい急な傾きにおいては、図４に示すＣ曲線によると、４５°において実施した補償器もしくはパネルの位相差値がわずかに変動するだけでも比較的に劇的な変化が配向値の解に生じる得る。たとえば、グラフによると、補償器の面内位相差が３ｎｍから約３．２ｎｍに変化すると、これはわずかに約７％の位相差値変化であるが、適切な配向角度は４５°から５５°へと約１０°も変化する。位相差値のこのような変化に対する補償がなされるようにシステムを調整しなければ、システム性能に劇的な変化が生じ得る。

点４０５における４５°の解から図示のＣ曲線４００のその他の点へと移動するにつれ、位相差値Γ_ｒとΓ_ｐの変動に対する許容性がシステミック（ｓｙｓｔｅｍｉｃ）に向上し、本明細書に開示した補償器を用いる光学システムの製造し易さが改善する。模範的な解の範囲は、配向角度θ_１が約２０°未満の部分と配向角度θ_１が約７０°超の部分におけるＣ曲線上の解（たとえば、Ｃ曲線２００が平坦となる領域の解）を収める範囲である。角度範囲をより大きくする場合、その範囲は、配向角度θ_１が約３０°未満の部分と配向角度θ_１が約６０°超の部分としてよい。４５°である解４０５に近い解ほど、同一の光学システムコンポーネントをそれらの最適配向に維持するにあたって面内位相差値に対する許容性がより厳しくなる不利益がある。

上記の記載により、パネルの面内残留位相差Γ_ｐが反射性ＬＣ投射システムにおいて、面内位相差がΓ_ｒ以上である光学コンポーネントにより補償される解決策が与えられる。面内補償だけでも十分なシステム性能が得られるが、より完全な解決策においては同時に面外パネル補償も行われる。本特許開示におけるいくつかの実施形態には、それゆえ、パネルの面内位相差より大きい面内位相差値と、ある程度の（もしくは、完全な）面外補償を行える特性とを有する一以上の複屈折層を備える補償コンポーネントを形成することが含まれる。次に、配向パラメータ（複数の場合もある）と傾斜コンポーネントを良好な面内補償を保証するための上記の教示にしたがって選択することができる。

ＬＣパネルに対する補償を行うのに加えて、本願に記載する補償器は光学投射システムのその他のコンポーネントの補償を行うために用いてよく、特に、ワイヤーグリッド、ＭａｃＮｅｉｌｌｅ、形状複屈折（たとえば、３Ｍ社が製造するＶｉｋｕｉｔｉ（商標））、もしくはその他の種の偏光ビームスプリッタを含むその他の光学コンポーネントが生じる複屈折効果を補償するために用いてよい。（キューブＰＢＳを備える模範的投射システムについての説明を図７を参照して後述する。）たとえば、ワイヤーグリッドＰＢＳ板は、多くの光学投射システムにおいて、特に多くのＬＣｏＳ投射システムにおいて見受けられる重要なコンポーネントであり、本願に開示する補償器を用いてこの種のコンポーネントが生成する望ましくない偏光効果を補償してよい。

たとえば、模範的な光学投射システム１００のシステムコントラストについての全体的な最適補償法においては、このビーム分割コンポーネントによる偏光処理における不完全性も考慮に入れるべきである。プレート状ＰＢＳは傾斜したワイヤーグリッド偏光子であり、実質的に、ピッチが理想的には照明光の最小波長の＜１／１０である等間隔的並びの一次元金属格子であると考えることができる。

アスペクト比が高い（ａ´／ａ＞＞１）ワイヤーグリッドＰＢＳの性能を基板の法線に沿って金属層と空気層とが交互に並ぶ形状複屈折素子としてモデル化することができる。一実施形態において、図５に示す型のアルミニウムワイヤーグリッド構造において、充填率が５０％（ａ＝ｂ）であり、ピッチが可視光波長よりずっと小さい（＜＜０．５μｍ）と想定すると、以下の一軸屈折率を導出することができる。

但し、λ＝５５０ｎｍに対するアルミニウムの屈折率ｎ_Ａｌを０．９７４＋６．７３ｉとする。

通常光線（ｏモード）（基板面内において偏光して金属ストライプに対して平行となっている）は、その屈折率における虚数値が大きいことにより透過時に大幅な減衰が生じ、境界において反射される率が高くなる。他方、ｅモード（金属ストライプに対して垂直な電界における）は最小限の減衰と反射を受けるだけである。それゆえ、理論上、この構造は、透過時にはｅ型偏光子として、反射時にはｏ型偏光子として機能する。しかし、より実際的な場合においてはａ´／ａ〜１であり、この構造は、対称的に透過時に光軸がワイヤーに対して平行となってｏ型偏光子となる円柱状ワイヤーグリッドにより似通ったものとなる。

ワイヤーグリッドＰＢＳをより詳細に測定すると、これを単にｏ型偏光子として記載することは不十分であることが示される。偏光操作技術の９９頁においてさらに記載されているように、直接的に測定を行ったことにより、スキュー光線の透過時の偏光により光線の楕円率が非常に大きくなり、それにしたがって双軸性が弱まったことが示される。それゆえ、システムコントラストをさらに最適化するためには、ワイヤーグリッドＰＢＳにスキュー光線が偏光されることにより生じる楕円率も補償されることが望ましく、本願に開示する補償スキームはこれに対処している。

図６は、模範的な変調サブシステムにおけるワイヤーグリッド偏光子の使用と配置を示す斜視概略図である。高コントラストを得るためには、シート状偏光子６０２と６０４を入射部と出射部に設置する。出射部偏光子６０４は吸収性のものであってよい。ワイヤーグリッド偏光子６０６を光路における被変調光部分に沿って配置して、第一偏光光を第一方向へと導き、第二偏光光を第二方向へと導くよう動作させてよい。ワイヤーグリッド偏光子６０６は軸がワイヤーに平行であるｏ型偏光子として主にふるまう傾向が強いので、入射光偏光の二つの態様のうち当該コンポーネントのワイヤーの配向が実質的にシステムの光軸に対して法線となるべきであることが配置上の考慮により決まる。

補償器６０８は、ワイヤーグリッド偏光子のワイヤーに実質的に平行な軸に対して傾斜させてよい。さらに、補償器６０８は、ワイヤーグリッド偏光子６０６の面へ向けて当該軸を中心として傾斜させて、補償器６０８の面とワイヤーグリッド偏光子６０６の面との角度が実質的に小さくなるようにしてよい。反射板６１０により光が変調され、当該光は板６１０に反射してワイヤーグリッド偏光子６０６へと向かう。被変調光はｓ偏光しているので、ＷＧＰ６０６に反射して出射部とシート状偏光子６０４へと向かう。

図７は、偏光ビームスプリッタキューブを用いた模範的な光学３パネルＬＣｏＳ投射システムの概略図である。投射システム７００は、傾斜ＰＢＳキューブを用いた模範的なＭａｃＮｅｉｌｌｅ ３×ＰＢＳ／ｘキューブ構造を示す。照明サブシステム７０２からのコリメート光は、赤色、緑色、青色の変調サブシステム７０４、７０６、７０８のそれぞれへと導かれる。変調サブシステム７０４、７０６、７０８は、ＭａｃＮｅｉｌｌｅ ＰＢＳ７１０、７１２、７１４と、ＬＣｏＳパネル７２２、７２４、７２６と、ＬＣｏＳパネルとＰＢＳの間に設置される補償器とをそれぞれ含み、これらの要素は図示のように配置される。その他の実施形態を参照して上述したように、補償器７１６、７１８、７２０は、ＬＣｏＳパネル７２２、７２４、７２６の面に対してそれぞれ傾斜させてよい。

ＭａｃＮｅｉｌｌｅ ＰＢＳに関しては、その配置によるスキュー光線の偏光混合によって投射システムのコントラスト性能が影響される可能性があることが知られている。この問題に対処する方法は、変調サブシステム７０４、７０６、７０８の入射部と出射部に前段階偏光子及び／又は後段階偏光子を設置することである。傾斜した補償器７１６、７１８、７２０の存在も、このような配置上の作用を減少させるのでコントラストを向上させる。したがって、補償器７１６、７１８、７２０の適切なＲ_ｔｈ値は、ＬＣｏＳパネル７２２、７２４、７２６の位相差値にそれぞれ実質的に一致するように選択してよい。さらに、Ｒ_ｔｈ値は、ＭａｃＮｅｉｌｌｅ ＰＢＳの配置作用に対処できるように選択してよい。他の技術においては、補償器に加えて４分の１波長板を用いて、当該ＱＷＰをＰＢＳのｓ偏光軸に配向させることが含まれる。

本模範的実施形態においてはＭａｃＮｅｉｌｌｅ型ＰＢＳを示したが、これは例示目的だけで使用しているのであり、その他の種のＰＢＳを使用してよいことが理解されるべきである。たとえば、多層型もしくは形状複屈折型のＰＢＳをＭａｃＮｅｉｌｌｅ型に代えて用いてよい。しかし、形状複屈折ＰＢＳにおいては一般的に、ＭａｃＮｅｉｌｌｅ型ＰＢＳにおいては生じる配置によるスキュー光線の偏光混合は起こらない。したがって、形状複屈折ＰＢＳを用いた実施形態における補償器のＲ_ｔｈ値は、各ＬＣｏＳパネル７２２、７２４、７２６の全位相差値に実質的に一致するように選択してよい。

図８Ａは、別の模範的な補償器コンポーネント８００を示す概略斜視図である。上記したように、どのような非点収差も許容されない場合は、光軸が傾斜した平面形状の補償器、たとえば互いに反対向きにＶ字形状となった複数のガラス基板８０４の間に２軸材料８０２を挟んだものを用いてよい。任意に、反反射性コーティング８０８をガラス基板８０４に塗布してよい。２軸材料８０２は、性質が一致しており屈折率が一致した接着剤８０６を用いてガラス基板８０４に接合してよい。２軸材料８０２の模範的配向軸は、水平方向に対してθ°である矢印８１０により示される。この実施形態によりコントラストに対する表面反射の影響はあまり減少しないが、ワイヤーグリッドＰＢＳがより一層補償される作用はある。

図８Ｂは、補償器コンポーネント８００の断面図を示す概略図である。この図は、Ｖ字形状のガラス基板８０４により２軸材料８０２が補償器コンポーネント８００の面に対して傾斜した角度に維持されることを示す。したがって、たとえば図１と７に示すような投射システムにおいて補償器コンポーネント８００を用いる場合、コンポーネント８００の面がＬＣパネルに対して平行となり、平面状２軸材料８０２がＬＣパネル面に対して傾斜し、補償器の光軸もＬＣパネルに対して傾斜したものとなることが理解されるべきである。

本明細書における教示内容を、その趣旨と本質的特性から逸脱することなくその他の特定的態様において具現化することができることが当業者には理解されよう。本願において開示した実施形態は、それゆえ、あらゆる観点において例示的であって制限的でないと考えられる。本発明の範囲は上記の説明でなく添付の請求項により示され、その均等の趣旨と範囲にあるいかなる変更も請求項に含むことを意図する。

さらに、本明細書における項の見出しは、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７７の提案に従って付与され、もしくは編集上の合図を示すために付与されている。これらの見出しにより、本開示により発行する可能性のある、請求項に記載の発明が限定もしくは特徴付けられるべきでない。具体的には、また一例として、「技術分野」との見出しがあるが、いわゆる技術分野を記載するためにこの見出しの項において選択されている文言により請求項が限定されるべきでない。さらに、「背景技術」における技術の記載を、当該技術が本開示におけるいずれの発明に対してもその先行技術であるとの自認であると解釈するべきでない。同じく、「発明の開示」も、本明細書の請求項に記載する発明の特徴を述べたものであると考えるべきでない。さらに、本開示において単数形で「発明」と言及した箇所を、本開示により請求する新規な点が一つだけしかないと主張するための根拠とするべきでない。本開示に関連する複数の請求項の限定内容にしたがって複数の発明を記載することが可能であり、したがって請求項はそれにより保護される発明とその均等物を定義する。全ての例において、請求の範囲は、明細書に照らして内容本位で決定されるべきであり、本明細書において用いられる見出しにより限定されるべきでない。

Claims (21)

1. 一の光路に沿って一の液晶（ＬＣ）パネルからの被変調光を投射する光学投射システムであって、
   前記光路上に存在する実質的に平面状である一のＬＣパネルであって、前記光路の一の照明光部分において被偏光入射光を受光して該入射光を変調することにより、前記光路の一の被変調光部分に沿って進行する一の被変調光を形成するよう動作し、該入射光の複数の特定部分に対して一の第一偏光を与え、該入射光のその他の複数部分に対して一の第二偏光を与えるＬＣパネルと、
   前記光路に沿って配置され、実質的に平面状であり、前記ＬＣパネルの平面に対して傾斜した一の光軸を有する一の補償器と
   を含む光学投射システム。
2. 前記補償器の前記光軸は、該補償器の物理平面内を通る、
   請求項１に記載の光学投射システム。
3. 前記補償器は、一の単層２軸フィルムである、
   請求項１に記載の光学投射システム。
4. 前記補償器は、複数層分の複数の２軸フィルムを含む、
   請求項１に記載の光学投射システム。
5. 前記光路の前記被変調光部分に沿って配置され、前記第一偏光を与えられた光を一の第一方向へと方向付け、前記第二偏光を与えられた光を一の第二方向へと方向付けるよう動作する一の偏光ビームスプリッタをさらに含む請求項１に記載の光学投射システム。
6. 前記補償器は、前記ＬＣパネルと前記偏光ビームスプリッタとにより与えられる複数の望ましくない偏光効果を補償するよう動作する、
   請求項５に記載の光学投射システム。
7. 前記補償器は、望ましくない反射光を前記光路から逸れるように偏向させるよう動作する、
   請求項５に記載の光学投射システム。
8. 前記偏光ビームスプリッタは、一のワイヤーグリッド偏光子である、
   請求項５に記載の光学投射システム。
9. 前記補償器は、前記ワイヤーグリッド偏光子の複数のワイヤーに対して実質的に平行な一の軸に対して傾斜している、
   請求項８に記載の光学投射システム。
10. 前記補償器は、該補償器の平面と前記ワイヤーグリッド偏光子の平面が成す角度が実質的に小さくなるように、該ワイヤーグリッド偏光子の該平面に向けて前記軸を中心として傾斜している、
    請求項９に記載の光学投射システム。
11. 前記偏光ビームスプリッタは、一のＭａｃＮｅｉｌｌｅ編光器である、
    請求項５に記載の光学投射システム。
12. 前記偏光ビームスプリッタは、一の多層複屈折キューブ偏光子である、
    請求項５に記載の光学投射システム。
13. 前記ＬＣパネルは、一の反射板である、
    請求項１に記載の光学投射システム。
14. 前記反射板は、一のＬＣｏＳパネルである、
    請求項１３に記載の光学投射システム。
15. 前記光路の前記被変調光部分に沿って配置され、前記第一偏光を与えられた光を一の第一方向へと方向付け、前記第二偏光を与えられた光を一の第二方向へと方向付けるよう動作する一のワイヤーグリッド偏光ビームスプリッタをさらに含む請求項１４に記載の光学投射システム。
16. 前記ＬＣパネルは、一の透過性パネルである、
    請求項１に記載の光学投射システム。
17. 前記２軸位相差補償器は、一の一軸位相差補償器である、
    請求項１に記載の光学投射システム。
18. 前記補償器は、前記ＬＣパネルの暗状態での望ましくない複数の偏光効果を補償する、
    請求項１に記載の光学投射システム。
19. 前記補償器は、前記ＬＣパネルの面内残留パネル位相差を補償するよう配向している、
    請求項１に記載の光学投射システム。
20. 前記補償器の配向は、３度乃至４０度の範囲にある、
    請求項１９に記載の光学投射システム。
21. 前記補償器の一の面外位相差（Ｒ_ｔｈ）値は、前記ＬＣパネルの位相差と実質的に一致する、
    請求項１に記載の光学投射システム。

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