JP3729438B2 - 回折空間光変調器およびディスプレイ - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折空間光変調器およびそのような変調器を組み込むディスプレイに関する。このようなディスプレイは、投射型であり、大型画面TVによる視聴およびビジネスプレゼンテーションを提供するために使用され得る。
【0002】
【従来の技術】
公知タイプの投影ディスプレイは、G.Sextro、T.Ballew、およびJ.Iwaiの論文「High−Definition Projection System Using DMD Display Technology」、SID 1995年、70〜73頁において開示される。このディスプレイは、静電力を使用して光を空間光変調器絵素から投影光学システムへ選択的に偏向させるために平面マイクロミラーを傾斜させるデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)を使用する。個々のマイクロミラーは、微小加工されたピボット構造によってCMOSチップに取付けられる。このタイプのディスプレイの欠点は、製造コストが高いことである。別の欠点は、動作中にマイクロミラーが頻繁に急速な動きを行わなければならないことである。このことはピボット構造にストレスを与えるため、信頼性および可動寿命に問題が生じる。
【0003】
R.B.Apte、F.S.A.Sandejas、W.C.Banyai、およびD.M.Bloomの論文「Deformable Grating Light Valves For High−Resolution Displays」、SID 1993年、807〜808頁は、別のタイプの投影ディスプレイを開示する。このシステムは、反射位相格子の静電的制御を有する微小機械的光バルブを使用する。その格子は、第2の平面ミラーの半波上にある鏡面とともに配置されるミラーされたエアブリッジビームを有する。空気ギャップは、4分の1波であり、静電場が印加される場合にゼロに低減される。この構造は、静電場の非存在状態でミラーとして機能し、静電場の存在状態で回折格子として機能する。同様のタイプの配置が米国特許第5,311,360号において開示される。
【0004】
このタイプのディスプレイは、DMD型よりもコストが低いが、DMD型と同様に機械的な動きに依存し、信頼性および可動寿命に問題が生じる。さらに、このタイプのディスプレイは、コントラスト性能がより低く、達成され得る開口率が制限されるために、所定の光源に対してより低い輝度しか提供できない。
【0005】
G.Um、D.Foley、A.Szilagyi、J.B.Ji、Y.B.Joen、およびY.K.Kimの論文「Recent Advances in Actuated Mirror Array(AMA)Projector Development」、Asia Display 1995年、95〜98頁は、別のタイプの投影ディスプレイを開示する。このディスプレイは、上記のデジタルミラーデバイスと同様であるが、静電駆動ミラーの代りに圧電駆動ミラーを使用する。この光学システムに光を導入するためにシュリーレンバーが使用される。これらは、絵素がスイッチオフされる場合にそれら自身上に再作像される。このタイプのディスプレイは、圧電ドライバに対して比較的高い電圧を必要とし、したがって不都合である。さらに、製造が困難であるので、商業的な実現可能性は低い。
【0006】
Y.Nagae、K.Ando、A.Asano、I.Takemoto、J.Havens、P.Jones、D.Reddy、およびA.Tomitaの論文「Compact Liquid Crystal Projectorswith High Optical Efficiency」、SID 1995年、223〜226頁は、別の投影ディスプレイを開示する。このディスプレイは、シュリーレン光学とともに、光を選択的に散乱させるためのネマチック曲線配向位相技術を使用する。特に、各ピクセルは、光が十分に定義された経路に向けられる反射モードなどの非散乱モードと、光が所定範囲の角度にわたって散乱される散乱モードとの間を切り換える。したがって、このディスプレイは、良好なコントラスト比または高輝度を提供し得るが、その動作モードのために良好なコントラスト比および高輝度の両方を同時に提供することができない。
【0007】
米国特許第5,434,690号は、対向ストライプ形態のピクセル電極を有する液晶デバイスを開示する。電場がストライプ状電極のピクセルに印加されると、光がピクセルから散乱される。このタイプのデバイスは、入射光の比較的小さな偏向角を与える格子を形成することにのみ適している。容認可能な効率を提供するために、このデバイスは、より小さくより平行化された光源の使用が必要であり、このことは、容認不可能なコストにつながり、また低い信頼性および比較的短い可動寿命をともなう。
【0008】
強誘電性液晶技術を使用する空間光変調器が、M.J.O’CallaghanおよびM.A.Handschyの論文「Diffractive Ferroelectric Liquid Crystal Shutters For Unpolarised Light」、Optics Letters、第16巻第10号、1995年5月、770〜772頁、および米国特許第5,552,916号に開示される。この論文に開示される空間光変調器は、この変調器が入射光を透過する第1の状態と、この変調器が位相回折格子として機能する第2の状態との間で切り換え可能である。しかし、このタイプの変調器は、光軸のスイッチング角90°を提供できる強誘電性液晶の使用に依存する。そのような材料は利用可能であるが、性能が非常に低い。例えば、そのスイッチング速度は遅く、通常のビデオリフレッシュ速度での使用には不十分である。また、これらの材料は、光の散乱を回避するのに十分なようには配向され得ない。
【0009】
M.A.A.NealおよびE.G.S.Pageの論文「ImprovedTransmission in a Two−Level,Phase Only,Spatial Light Modulator」、Electron.Lett.30(5)、445〜446頁、1994年は、別の空間光変調器を開示する。この論文は、非回折モードと回折モードの間で切り換え可能な空間光変調器を開示する。ここで回折モードにおいては、交互する帯状部の変調器がプラスマイナス45度で非偏光を回転させ、さらに付随の半波リターダが位相専用変調を与えるために光のすべての偏光成分を回転させる。この論文は、レーザ光源からの偏光され、十分に平行化された光の効率的な回折を提供することのみに関する。この変調器、半波リターダおよびミラーは、物理的に別個の要素またはデバイスとして実施される。したがって、このような構成は、ディスプレイとしての使用には適していない。
【0010】
欧州特許第0,811,872号は、同じタイプの回折空間光変調器を開示する。ここで、種々のリターダ(1つ以上の液晶層を含む)、およびミラー(反射型デバイスの場合)が、基板の間に配置される。このようなデバイスは、投影ディスプレイにおいて使用され得る。
【0011】
米国特許第5,182,665号は、同様のタイプの空間光変調器を開示する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記のような従来技術の欠点を克服する空間光変調器を提供することが可能である。このような変調器は、非回折モードと、非偏光を使用する回折モードとの間で切り換え可能な個々の高解像度絵素を有し得る。このような空間光変調器を使用するディスプレイは、高強度および高コントラスト比の両方を提供しつつ、良好な信頼性および長期動作寿命を有する。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の局面によると、第1および第2の基板、上記第1および第2の基板の間に配置された半波リターダ、上記半波リターダと上記第2の基板との間に配置された4分の1波リターダ、および上記4分の1波リターダと上記第2の基板との間に配置された反射板を含む回折空間光変調器が提供される。上記半波リターダは、複数の絵素を含む。各絵素は、複数の第2伸長領域に互いにかみ合う複数の第1伸長領域を含む。上記第1伸長領域は、第1の方向と第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記第2伸長領域は、第2の方向と上記第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記4分の1波リターダは、固定光軸を含む。上記第1および第2の方向は、任意の基準方向に対してそれぞれ角度α1およびα2に向けられる。上記4分の1波リターダの光軸は、(α1−α2)<90°およびα2+180°>β>α1となるように上記基準方向に対して角度βに向けられる。
【0014】
上記(α1−α2)は、35°と55°との間にあるのが好ましく、40°と50°の間にあるのがさらに好ましく、実質的に45°に等しいのが最も好ましい。
【0015】
上記4分の1波リターダの光軸は、上記第1および第2の方向の二等分線に実質的に垂直であり得る。
【0016】
上記半波リターダは、液晶層を含み得る。上記液晶層は、強誘電性液晶層を含み得る。上記液晶層は、第1および第2の配向層の間に配置され得る。上記第1および第2の配向層の各々は、酸化ケイ素の斜めに蒸着した層を含み得る。
【0017】
第1透明電極層は、上記第1基板と上記半波リターダとの間に配置され得る。第2電極層は、上記第2基板と上記半波リターダとの間に配置され得る。上記第1および第2の電極層の少なくとも一方は、上記半波リターダの絵素に位置合わせされた複数の電極絵素を含み得る。各電極絵素は、上記半波リターダの第1および第2の領域にそれぞれに位置合わせされた第1および第2の電極領域を含む。上記第2電極層は、反射板を構成し得る。
【0018】
本発明の第2の局面によると、第1および第2の基板、上記第1および第2の基板の間に配置された第1半波リターダ、上記第1半波リターダと上記第2の基板との間に配置された第2半波リターダ、および上記第2半波リターダと上記第2の基板との間に配置された第3半波リターダによって特徴づけられる回折空間光変調器が提供される。上記第1リターダは、複数の絵素を含む。上記第3半波リターダは、上記第1リターダの絵素に位置合わせされた複数の絵素を有する。上記第1および第3のリターダの各々の各絵素は、複数の第2伸長領域に互いにかみ合う複数の第1伸長領域を含む。上記第1伸長領域は、第1の方向と第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記第2伸長領域は、第2の方向と上記第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記第2半波リターダは、固定光軸を有する。上記第1および第2の方向は、任意の基準方向に対してそれぞれ角度α1およびα2に向けられる。上記第2半波リターダの光軸は、(α1−α2)<90°およびα2+180°>β>α1となるように上記基準方向に対して角度βに向けられる。
【0019】
上記(α1−α2)は、35°と55°との間にあるのが好ましく、40°と50°の間にあるのがさらに好ましく、実質的に45°に等しいのが最も好ましい。
【0020】
上記第2半波リターダの光軸は、上記第1および第2の方向の二等分線に実質的に垂直であり得る。
【0021】
上記第1および第3の半波リターダの各々は、液晶層を含み得る。上記液晶層の各々は、強誘電性液晶層を含み得る。上記液晶層の各々は、第1および第2の配向層の間に配置され得る。上記第1および第2の配向層の各々は、酸化ケイ素の斜めに蒸着した層を有し得る。
【0022】
第1透明電極層は、上記第1基板と上記第1半波リターダとの間に配置され得る。第2透明電極層は、上記第2基板と上記第3半波リターダとの間に配置され得る。上記第1および第2の電極層の少なくとも一方は、上記第1および第3の半波リターダの絵素に位置合わせされた複数の電極絵素を含み得る。各電極絵素は、上記第1および第3の半波リターダの第1および第2の領域にそれぞれに位置合わせされた第1および第2の電極領域を含む。
【0023】
本発明の第3の局面によると、本発明の第1または第2の局面による空間光変調器によって特徴づけられるディスプレイが提供される。
【0024】
上記ディスプレイは、上記変調器を照射するための光源、および上記変調器からの所定の回折次数からのみの光を受け取るための光学投射システムを備え得る。上記所定の回折次数は、ゼロ次回折次数であり得る。あるいは、上記所定の回折次数は、1次回折次数であり得る。
【0025】
このように、上記のような従来技術の欠点を克服する空間光変調器を提供することが可能である。このような変調器は、非回折モードと、非偏光を使用する回折モードとの間で切り換え可能な個々の高解像度絵素を有し得る。このような空間光変調器を使用するディスプレイは、高強度および高コントラスト比の両方を提供しつつ、良好な信頼性および長期動作寿命を有する。
【0026】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付の図面を参照し、実施例を用いてさらに説明される。
【0027】
同様の参照符号は、図面全体を通して同様の部分を参照する。
【0028】
図1および図2は、反射モード回折空間光変調器(SLM)を示す。このSLMは、長方形の、または実質的に長方形の絵素(ピクセル)の長方形配列を有する。図1および図2は、そのうちの1つを示す。SLMは、上部および下部ガラス基板1および2を有する。上部基板1は、伸長インターディジティド電極3を形成するためにエッチングされるインジウムスズ酸化物(ITO)からなる透明導電層を用いてコーティングされる。電極3は、強誘電性液晶材料のための配向層4を用いて被覆される。特に、配向層4は、強誘電性液晶材料(例えばMerckから入手可能なSCE8として知られるタイプのもの)にC1状態を誘導するために基板1の法線に対して84度で斜めに酸化ケイ素を蒸着することによって形成される。例えば、配向層4は、約10ナノメートルの厚さを有し得る。
【0029】
ミラー電極複合体5が、約100ナノメートルの厚さに銀を堆積することによってガラス基板2上に形成される。静的4分の1波プレート6が、銀ミラー電極5上に形成される。これは、光開始剤と、クロロベンゼンなどの適切な溶媒中でのRM258として知られる反応性メソゲンジアクリラートとの混合物上でスピンすることによって提供され得る。これを窒素の雰囲気中において紫外線光下で約10分間硬化させる。プレート6の厚さは、例えば材料の混合比およびスピン速度を変化させることによって制御されるので、例えば約633ナノメートルを中心とした可視スペクトルにおける所定の帯域幅に対する4分の1波プレートとして機能する。この厚さdは、以下の式によって与えられる。
【0030】
【数1】
【0031】
ここで、λは上記帯域の中心波長であり、Δnは4分の1波プレート6の材料の正常屈折率と異常屈折率との差である。したがって、4分の1波プレート6は通常、800ナノメートルのオーダーの厚さを有する。
【0032】
さらに、配向層7が、例えば配向層4について上記に説明されたように、4分の1波プレート6上に形成される。このとき、基板1および2は、例えば直径2マイクロメートルのスペーサボールによって間隔をあけられ、セルを形成するように接合される。セルは、層8を形成するために強誘電性液晶材料を充填される。このように間隔をあけることによって、半波のリタデーションをあたえる強誘電性液晶材料からなる層を提供し、この液晶層は、以下に説明されるように切り換え可能である光軸を有する半波リターダとして機能する。特に、この強誘電性液晶層は、次式で与えられる厚さdを有する。
【0033】
【数2】
【0034】
ここで、ΔnFLCは強誘電性液晶材料の正常屈折率と異常屈折率との間の差である。
【0035】
ディスプレイの輝度を最適化するために、各境界面の反射率は、例えば反射防止コーティングを基板1に施し、電極3を光学的に埋め込むことによって低減されるのが好ましい。
【0036】
電極3および5は、SLMのピクセルを適切にアドレッシングできるように配置され得る。例えば、パッシブマトリクスアドレッシング構成において、電極3は、SLMの長さにわたって伸長し得、1行のピクセルデータを一度にその1行のピクセルに供給するためのデータ信号生成器の出力に接続され得る。電極5は、行電極を形成するように横方向に伸長され得る。この行電極は、繰り返しシーケンスにおいて一度に1行の割合でSLMにデータをストローブするためのストローブ信号生成器の出力に結合される。
【0037】
各ピクセルに対して、電極5は、ピクセルで表示されるべきデータをストローブするための、基準電圧ライン(例えばゼロボルトを供給する)に接続可能な共通電極として機能する。伸長電極3は、ひとつおきに一緒に接続されて、適切なデータ信号を受信するように接続される2セットのインターディジティド電極を形成する。各ピクセルは、以下に説明されるように反射状態と回折状態との間で切り換え可能である。
【0038】
図3は、図1および2に示される隣り合う帯状部のピクセルの回折モードにおける動作を図式的に示す。各ピクセルを通る光学経路は、ミラー5での反射によって折り畳まれるが、明確さのために図3においては経路は折り畳まれずに示される。SLMは、偏光されていない光に作用し、SLMの動作を説明するために直交偏光の成分に分割され得る。成分偏光の1つは、図3における10で示され、所定の方向11に対して角度−φである。
【0039】
電極5上の基準電圧に対して対称である電圧が、交互にかみ合った2セットの電極3aおよび3bに印加される。このように、電極3aおよび3bと電極5との間に配置された強誘電性液晶材料からなる帯状部8aおよび8bは、方向11に対して−θおよび+θの角度でそれぞれ配向した光軸9aおよび9bを有する。ここで、θは、約22.5度に等しいのが好ましい。
【0040】
強誘電性液晶材料からなる各帯状部8aは、半波リターダとして機能するので、帯状部8aを出射する光成分の偏光は、方向11に対してφ−2θの角度である。次に、この光成分は、静的4分の1波プレート6を通過し、ミラー5によって反射され、再度静的4分の1波プレート6を通過するので、4分の1波プレート6およびミラー5の組合せは、半波リターダとして機能し、その光軸9cは、方向11に垂直である。4分の1波プレート6を出射し、強誘電性液晶材料に向かって進行する光の偏光方向は、実効2分の1波プレート13の光軸のまわりで「反射」され、方向11に対して角度2θ−φを形成する。次に、この光成分は、強誘電性液晶材料からなる帯状部8aを再度通過するので、14に示されるような出力偏光が方向11に対してφ−4θの角度となる。このように、任意の偏光方向−φの各入力成分に対して、強誘電性液晶材料の帯状部8aの各々を介してSLMを通過する光学経路は、その偏光方向が−4θだけ回転されるものである。したがって、この光学経路は、偏光されていない光の偏光を−4θだけ回転する。−4θは、−90度に実質的に等しい。
【0041】
強誘電性液晶材料の各帯状部8bは、半波リターダとして機能し、偏光方向をφ+2θまで回転する。4分の1波プレート6およびミラー5の組合せによって形成される固定半波リターダは、光成分の偏光方向を方向11に対して−2θ−φの角度となるように回転させる。帯状部8bを最後に通過する際に、偏光方向は、15で示されるようなφ+4θまで回転される。このように、偏光されていない光は、帯状部8bを通過することによってその偏光を+4θだけ回転させる。+4θは、実質的に+90度に等しい。
【0042】
電極3bおよび3aが反対の極性を有するデータ信号を受信するように接続される場合、帯状部8bの各々を通って反射された光は、帯状部8aの各々を通過する光に対して180度だけ位相がずれる。この状態において、ピクセルは、位相専用回折格子として機能し、回折モードで動作する。強誘電性液晶の双安定特性のために、帯状部8aおよび8bを図3に示される異なるモードに切り換えるために必要なのは、データ信号を供給することだけである。
【0043】
ピクセルが反射モードで動作するためには、その光軸が互いに(および方向11と)平行となるように帯状部8aおよび8bの一方または両方のセットを切り換えることが必要である。次に、ピクセルに入射する偏光されていない光は、強誘電性液晶材料および4分の1波プレート6によって実質的に影響されず、ミラー電極5によって鏡面反射される。したがって、各ピクセルは、光が鏡面反射されるか、または「偏向」されてゼロ次回折モードになる透過モードと、ピクセルに入射した光が偏向されて非ゼロ次回折次数になる回折モードとの間で切り換え可能である。
【0044】
このように、偏光された光を必要とするSLMと比較して光学変調効率を増加させるために、偏光されていない光を使用する回折SLMを提供することが可能である。基板1および2の間に4分の1波プレート6およびミラー5を設けることによってより高い解像度を達成することが可能になる。特に、デバイスが回折モードで正しく動作するために、各帯状部8aまたは8bを通過する光線は、ミラー5によって反射されて同じ帯状部を逆に通過するべきである。帯状部8aおよび8bの厚さは、通常2マイクロメートルのオーダーであり、他方基板2は、ミリメートルのオーダーの厚さを有する。このように、ミラー5は、基板1および2の外部に配置される場合、視差誤差が入射光の角度範囲および/またはピクセルの最小サイズをひどく制限し得る。通常の2マイクロメートル厚の強誘電性液晶材料に対して、5マイクロメートルのオーダーの帯状電極ピッチが使用され得るので、奇数の回折次数において高い光学変調効率および高いコントラスト比を提供することのできるより高解像度のデバイスを提供することが可能である。さらに、回折SLMは、可動部品を全く有さない本質的に従来の液晶技術に依存するので、信頼性、製造歩留まり、および動作寿命は、従来の強誘電性液晶ディスプレイと同様である。
【0045】
色収差補正性能を改善するために、光軸9cは、層8の液晶材料の光軸の切り換え方向9aおよび9bの間にこないように方向付けられる。これについて、図4は任意の方向および角度に対する一般的な場合を示す。光軸9aは、(任意の)基準方向11に対してα1の角度に向けられ、光軸9bは、方向11に対して角度α2(この場合、負となる)に向けられる。固定光軸9cが軸9aおよび9bによって定義される(より小さい)角度の外側にあるように方向11に対して角度βの方向に光軸9cを向けることによって、色収差補正性能が改善される。この条件は、式α2+180°>β>α1によって簡潔に定義され得る。
【0046】
差が90°より小さいような角度α1およびα2に対して、色収差補正性能が改善される。これらの角度の符号の慣例は、図4の弧の上の矢印によって示され、方向11から反時計回りの回転が正の値によって表され、時計回りの回転が負の値によって表されるようになっている。このように、図3を参照して説明される具体的な実施態様においては、角度α1およびα2は、それぞれ+および−22.5°に等しく、角度βは、22.5°と157.5°の間の任意の値をとり得る。ただし、方向が180°または180°の整数倍だけ異なる光軸は、互いに完全に等価である。
【0047】
この構成を用いることによって、色収差補正性能は、固定光軸9cが光軸9aおよび9bの間に位置する構成に比べて改善される。しかし、最適な色収差補正性能は、固定光軸9cが光軸9aおよび9bの二等分線に実質的に垂直である場合に達成される。これは、図3に示される。ここで、二等分線は基準方向11に平行であり、光軸9cは基準方向11に垂直である。
【0048】
色収差補正を改善することにより、空間光変調器は、可視スペクトルのより大きな帯域部分で効率を向上させて動作することができる。これにより、例えば、投影光学システムにおいて赤、緑、および青成分を独立して変調するために3つの同じ空間光変調器を使用し、どの色についても効率を実質的に低下させないことができる。同様に、より広い帯域動作のための単一変調器システムが提供され得る。
【0049】
図5および6は、別の反射モード回折SLMを示す。このSLMは、ITO電極3が連続電極3cに置き換えられ、ミラー電極5がインターディジティド帯状ミラー電極5aに置き換えられている点で図1および2に示したものと異なる。さらに、基板2のガラスは、表示すべきデータを操作するためのVLSI回路を搭載するシリコン基板によって置き換えられ得る。例えば、そのような回路は、ピクセルのためのアドッレッシング回路、および必要に応じて他のデータ処理回路を含み得る。
【0050】
図7および8は、図1および2に示されるようなガラス基板1、ITO電極3、およびガラス基板2を含む透過モード回折SLMを示す。このSLMはさらに、図1および2の層4および7と同様の配向層を設けられた2つの強誘電性液晶層20および21を含む。これらの配向層は、明確さのために図示しない。2つの液晶セルは、静的半波プレート22によって分離される。帯状電極3の構成は、2つの層20および21において光学的に配向した強誘電性液晶帯状部の形成を可能にするので、層20および21の各々における各帯状部は、半波リターダとして動作し、その光軸は、プラスマイナス約22.5度の間で切り換え可能である。また、2つの層20および21における配向した帯状部の光軸は、互いに平行である。したがって、このデバイスは、透過型SLMとして機能し、ここで各ピクセルは、光が偏向なし(ゼロ次回折に等価)にピクセルを透過する透過モードと、光が非ゼロ回折次数に偏向される回折モードとの間で切り換え可能となる。これらの光学的にアクティブな層のすべてを基板1および2の間に配置することによって、視差誤差が大きく低減され、入力光に対して有用な受け取り角度、高い光学的変調効率および高いコントラスト比性能を有する高解像度SLMを提供することが可能になる。
【0051】
上記実施態様において、強誘電性液晶材料の2つの光学状態の間の切り換え角度は、45度であると仮定された。これは、光学的変調器の効率の点から、すくなくとも理論的に、最適性能に必要とされる切り換え角度である。さらに、このような切り換え角度は、光軸間のより高い切り換え角度を与える材料および構成にともなう性能損失を全く起こさずに、公知の強誘電性液晶材料において容易に得られ得る。しかし、45度からわずかに異なる切り換え角度もまた使用され得、容認可能な性能を提供し得る。例えば、最適な45度から約5度まで、および約10度までも異なる切り換え角度が多くの用途に対して容認可能な性能を提供し得ると考えられる。
【0052】
図9は、図1および2、または図5および6において示されるタイプのSLM30を使用する投影ディスプレイを示す。SLM30は、ミラー32を介して光源31によって照射される。投影レンズ33は、SLM30によって表示される画像を画面34に投影する。
【0053】
光源31からの光は、ミラー32で反射されて、SLM30上に垂直に入射される。反射モードである各ピクセルは、入射光を反射してミラー32に垂直に戻すので、反射光はレンズ33によって投影されない。このように、「暗」ピクセルは、レンズ33によって画面34に作像される。回折モードの各ピクセルは、入射光を非ゼロ回折次数に偏向して、主に光線35および36で示されるような正および負の1次、ならびに正および負の2次に偏向する。例えば、ネマチック液晶を用いて形成される格子が本質的により正弦的である場合、1次およびより高次の集光によって効率が上昇する。このように、各そのようなピクセルからの光は、画面34上に「明」ピクセルとなるように作像される。
【0054】
SLM30は、偏光されていない光を用いて動作するので、その画像強度または輝度は、偏光された光を必要とする公知の投影ディスプレイよりも実質的に大きい。各ピクセルは、反射モードの場合、ほとんどまたは全く光を1次回折ローブ(lobe)に偏向しないので、コントラスト比、すなわち反射および回折モードにおけるピクセルについての画面での光強度間の比は、非常に高い。このように、高い輝度および良好なコントラストを有する投影画像を提供することが可能である。
【0055】
図10に示される投影ディスプレイは、図9において示されるものと、光源31が光を直接SLM30に供給し、この光がSLMに垂直に入射する点で異なる。さらに、レンズ33は、レンズ37および38ならびにミラー39および40によって置き換えられる。図9のレンズ33は、比較的大きく、したがってコストが高い。図10のディスプレイにおいて、正および負の1次ローブに回折された光は、レンズ37および38によってそれぞれ集光され、ミラー39および40によってそれぞれ反射され、そしてレンズ37および38によってそれぞれ画面34上に作像される。このように、等価な光学的性能を有するもっとより小さなレンズを用い得るので、図10に示されるディスプレイの投影光学システムは、図9のレンズ33よりも実質的にコストがより低い。
【0056】
図11に示される投影ディスプレイは、レンズ37および38ならびにミラー39および40がミラー41によって置き換えられている点で、図10に示されるものと異なる。ミラー41は、光源31からの光の通過を可能にする分割ミラーとして示される。
【0057】
図12は、画面34上のレンズ33によって作像される前に正および負の1次ローブからの光を組合わせるためのミラー構成が設定される点で、図9に示されるものと異なる投影ディスプレイを示す。特に、正の1次ローブにおける光35は、ミラー42および43によって偏向され、他方負の1次ローブにおける光36は、ミラー44および45によって偏向される。これは、より小さくかつよりコストの低いレンズ33の使用を可能にし、またよりコストの低いズーム投影光学システムの使用を可能にする。
【0058】
図13に示される投影ディスプレイは、ゼロ次回折からの光がレンズ33によって画面34上に作像される点で、図9に示されるものと異なる。このように、反射モードにおいて各ピクセルによって反射される光は、画像34上で明るい画像ピクセルを形成するために使用される。回折モードのピクセルは、35および36で示されるような非ゼロ次ローブに光を偏向し、そのような光は、画面34上でレンズ33によって作像されないので、暗いピクセル画像は、回折モードにおけるピクセルに対応する画面上に形成される。このタイプのディスプレイのコントラスト比は、回折モードにおけるSLM30内の種々の境界面から反射される光に大きく依存するので、そのような反射を低減するための特別な注意を払わなければ、コントラスト比は、非ゼロ次回折ローブからの光が画像を形成するために使用されるディスプレイについてのコントラスト比ほど高くないことがあり得る。
【0059】
カラー画像を形成するために、3つのSLMが赤、緑、および青の光源とともに使用され得、回折モードにおいて各ピクセルによって形成される回折格子のピッチおよび層厚は、関連する波長に対して性能を最適にするように調節される。適切なビーム組合せ技術を使用して、赤、緑、および青の画像を画面34でフルカラー画像に組合わせ得る。回折格子の回折角度は、入射光の波長とともに変化するが、画像を形成するためにゼロ次回折光を使用する図13に示されたタイプのディスプレイにおいては重要でない。なぜならば、単に、回折モードにおいて可視スペクトルのすべてがレンズ33からずれて偏向される必要があるからである。このように、図13で示されるタイプのディスプレイは、ピクセルでのカラーフィルタリングまたはカラー順次多重化によってカラー画像を提供し得る。
【0060】
図14は、公知のタイプのシュリーレン光学システムを使用する図9に示されるタイプの投影ディスプレイを示す。図14のディスプレイは、レンズ50が光源31をミラー32に作像し、視野レンズ51がSLM30に隣接して設けられる点で、図9のものと異なる。この構成により、比較的小さなミラー32を用いることが可能となり、投影システムの光学的性能を改善することが可能である。
【0061】
上記の分割光学システム、例えば図10に示される「2つミラー」タイプは、図14に示される構成とともに使用され得、コストおよびシステムサイズを低減する可能性を与える。
【0062】
本発明の範囲内において、種々の変更がなされ得る。例えば、層8中の強誘電性液晶は、反強誘電性または他のスメクチック液晶、もしくは面内スイッチングネマチック液晶によって置き換えられ得る。配向層4および7は、必要または所望される場合に変更され得る。
【0063】
そのような面内スイッチングネマチック液晶(NLC)を使用する本発明の実施態様の一例は、FLCの実施態様について上記と同じセル構造を使用する。しかし、分子が基板に平行に配向する均一配向NLCが、FLCの代りに使用される。例えばポリイミド配向層のブラッシング方向によって決定される、液晶の配向方向は、電極の縦軸に対して45°に設定される。この結果、NLCの45°面内スイッチングが生じ、したがって、上記のFLC実施態様と同様に効率的な偏光に依存しない光学回折を生成する。
【0064】
NLCは、電極に対する90°方向に接近して配向され、内部波プレートを必要としない実質的に90°のスイッチングを生成し得るが、その材料のスイッチオン時間は、現在入手可能な材料を用いたビデオディスプレイパネルにとって不十分であり得る。さらに、回折効率を損ない得る面外スイッチングおよびその後の偏光混合を限定するためには、負の誘電材料がより一般的なNLC材料にとって好ましい。材料は、格子電極間の領域においてスイッチングするがその電極すぐ上ではスイッチングしないことが想定されるので、電極幅が実質的に電極ギャップに等しい、マーク対スペース比が1であるインターディジティド電極が好ましい。
【0065】
回折空間光変調器は、第1および第2基板(1、2)を有し、この間に光学的経路が定義され、順に、第1(8a、8b)、第2(5、6)、および第3(8a、8b)半波リターダを有する。第2リターダ(6、5)は、固定光軸(9c)を有し、上記第1および第3リターダは、切り換え可能な光軸(9a、9b)を有する。固定光軸(9c)は、切り換え可能な光軸(9a、9b)のスイッチング範囲の外側に向けられる。この変調器は、ピクセル化され、各ピクセルは、切り換え可能な位相専用回折格子を有する。各ピクセルは、入射光がゼロ次回折ローブにおいて出力される第1モードと、入射光がより高い次数の回折ローブに偏向される第2モードとの間で切り換え可能である。この空間光変調器は、高輝度投影ディスプレイにおいて使用され得る。
【0066】
【発明の効果】
本発明の回折空間光変調器を用いることにより、ディスプレイは、高強度および高コントラスト比の両方を提供しつつ、良好な信頼性および長期動作寿命を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施態様を構成する空間光変調器の分解図である。
【図2】図1の変調器の断面図である。
【図3】図1および2の変調器の動作を示す図である。
【図4】光軸の向きを示す図である。
【図5】本発明の別の実施態様を構成する空間変調器の、図1と同様の図である。
【図6】本発明の別の実施態様を構成する空間変調器の、図2と同様の図である。
【図7】本発明のさらなる実施態様を構成する空間変調器の、図1に対応する図である。
【図8】本発明のさらなる実施態様を構成する空間変調器の、図2に対応する図である。
【図9】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図10】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図11】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図12】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図13】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図14】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【符号の説明】
1、2 基板
3、3a、3b、3c、5 電極
4、7 配向層
6 4分の1波プレート
8、8a、8b 層
9a、9b、9c 光軸
10 入力偏光
11 方向
14、15 出力偏光
20、21 層
22 半波プレート
30 SLM
31 光源
32、39、40、41、42、43、44、45 ミラー
33、38、50 レンズ
34 画面
35、36 光線
51 視野レンズ
【発明の属する技術分野】
本発明は、回折空間光変調器およびそのような変調器を組み込むディスプレイに関する。このようなディスプレイは、投射型であり、大型画面TVによる視聴およびビジネスプレゼンテーションを提供するために使用され得る。
【0002】
【従来の技術】
公知タイプの投影ディスプレイは、G.Sextro、T.Ballew、およびJ.Iwaiの論文「High−Definition Projection System Using DMD Display Technology」、SID 1995年、70〜73頁において開示される。このディスプレイは、静電力を使用して光を空間光変調器絵素から投影光学システムへ選択的に偏向させるために平面マイクロミラーを傾斜させるデジタルマイクロミラーデバイス(DMD)を使用する。個々のマイクロミラーは、微小加工されたピボット構造によってCMOSチップに取付けられる。このタイプのディスプレイの欠点は、製造コストが高いことである。別の欠点は、動作中にマイクロミラーが頻繁に急速な動きを行わなければならないことである。このことはピボット構造にストレスを与えるため、信頼性および可動寿命に問題が生じる。
【0003】
R.B.Apte、F.S.A.Sandejas、W.C.Banyai、およびD.M.Bloomの論文「Deformable Grating Light Valves For High−Resolution Displays」、SID 1993年、807〜808頁は、別のタイプの投影ディスプレイを開示する。このシステムは、反射位相格子の静電的制御を有する微小機械的光バルブを使用する。その格子は、第2の平面ミラーの半波上にある鏡面とともに配置されるミラーされたエアブリッジビームを有する。空気ギャップは、4分の1波であり、静電場が印加される場合にゼロに低減される。この構造は、静電場の非存在状態でミラーとして機能し、静電場の存在状態で回折格子として機能する。同様のタイプの配置が米国特許第5,311,360号において開示される。
【0004】
このタイプのディスプレイは、DMD型よりもコストが低いが、DMD型と同様に機械的な動きに依存し、信頼性および可動寿命に問題が生じる。さらに、このタイプのディスプレイは、コントラスト性能がより低く、達成され得る開口率が制限されるために、所定の光源に対してより低い輝度しか提供できない。
【0005】
G.Um、D.Foley、A.Szilagyi、J.B.Ji、Y.B.Joen、およびY.K.Kimの論文「Recent Advances in Actuated Mirror Array(AMA)Projector Development」、Asia Display 1995年、95〜98頁は、別のタイプの投影ディスプレイを開示する。このディスプレイは、上記のデジタルミラーデバイスと同様であるが、静電駆動ミラーの代りに圧電駆動ミラーを使用する。この光学システムに光を導入するためにシュリーレンバーが使用される。これらは、絵素がスイッチオフされる場合にそれら自身上に再作像される。このタイプのディスプレイは、圧電ドライバに対して比較的高い電圧を必要とし、したがって不都合である。さらに、製造が困難であるので、商業的な実現可能性は低い。
【0006】
Y.Nagae、K.Ando、A.Asano、I.Takemoto、J.Havens、P.Jones、D.Reddy、およびA.Tomitaの論文「Compact Liquid Crystal Projectorswith High Optical Efficiency」、SID 1995年、223〜226頁は、別の投影ディスプレイを開示する。このディスプレイは、シュリーレン光学とともに、光を選択的に散乱させるためのネマチック曲線配向位相技術を使用する。特に、各ピクセルは、光が十分に定義された経路に向けられる反射モードなどの非散乱モードと、光が所定範囲の角度にわたって散乱される散乱モードとの間を切り換える。したがって、このディスプレイは、良好なコントラスト比または高輝度を提供し得るが、その動作モードのために良好なコントラスト比および高輝度の両方を同時に提供することができない。
【0007】
米国特許第5,434,690号は、対向ストライプ形態のピクセル電極を有する液晶デバイスを開示する。電場がストライプ状電極のピクセルに印加されると、光がピクセルから散乱される。このタイプのデバイスは、入射光の比較的小さな偏向角を与える格子を形成することにのみ適している。容認可能な効率を提供するために、このデバイスは、より小さくより平行化された光源の使用が必要であり、このことは、容認不可能なコストにつながり、また低い信頼性および比較的短い可動寿命をともなう。
【0008】
強誘電性液晶技術を使用する空間光変調器が、M.J.O’CallaghanおよびM.A.Handschyの論文「Diffractive Ferroelectric Liquid Crystal Shutters For Unpolarised Light」、Optics Letters、第16巻第10号、1995年5月、770〜772頁、および米国特許第5,552,916号に開示される。この論文に開示される空間光変調器は、この変調器が入射光を透過する第1の状態と、この変調器が位相回折格子として機能する第2の状態との間で切り換え可能である。しかし、このタイプの変調器は、光軸のスイッチング角90°を提供できる強誘電性液晶の使用に依存する。そのような材料は利用可能であるが、性能が非常に低い。例えば、そのスイッチング速度は遅く、通常のビデオリフレッシュ速度での使用には不十分である。また、これらの材料は、光の散乱を回避するのに十分なようには配向され得ない。
【0009】
M.A.A.NealおよびE.G.S.Pageの論文「ImprovedTransmission in a Two−Level,Phase Only,Spatial Light Modulator」、Electron.Lett.30(5)、445〜446頁、1994年は、別の空間光変調器を開示する。この論文は、非回折モードと回折モードの間で切り換え可能な空間光変調器を開示する。ここで回折モードにおいては、交互する帯状部の変調器がプラスマイナス45度で非偏光を回転させ、さらに付随の半波リターダが位相専用変調を与えるために光のすべての偏光成分を回転させる。この論文は、レーザ光源からの偏光され、十分に平行化された光の効率的な回折を提供することのみに関する。この変調器、半波リターダおよびミラーは、物理的に別個の要素またはデバイスとして実施される。したがって、このような構成は、ディスプレイとしての使用には適していない。
【0010】
欧州特許第0,811,872号は、同じタイプの回折空間光変調器を開示する。ここで、種々のリターダ(1つ以上の液晶層を含む)、およびミラー(反射型デバイスの場合)が、基板の間に配置される。このようなデバイスは、投影ディスプレイにおいて使用され得る。
【0011】
米国特許第5,182,665号は、同様のタイプの空間光変調器を開示する。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
このように、上記のような従来技術の欠点を克服する空間光変調器を提供することが可能である。このような変調器は、非回折モードと、非偏光を使用する回折モードとの間で切り換え可能な個々の高解像度絵素を有し得る。このような空間光変調器を使用するディスプレイは、高強度および高コントラスト比の両方を提供しつつ、良好な信頼性および長期動作寿命を有する。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の第1の局面によると、第1および第2の基板、上記第1および第2の基板の間に配置された半波リターダ、上記半波リターダと上記第2の基板との間に配置された4分の1波リターダ、および上記4分の1波リターダと上記第2の基板との間に配置された反射板を含む回折空間光変調器が提供される。上記半波リターダは、複数の絵素を含む。各絵素は、複数の第2伸長領域に互いにかみ合う複数の第1伸長領域を含む。上記第1伸長領域は、第1の方向と第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記第2伸長領域は、第2の方向と上記第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記4分の1波リターダは、固定光軸を含む。上記第1および第2の方向は、任意の基準方向に対してそれぞれ角度α1およびα2に向けられる。上記4分の1波リターダの光軸は、(α1−α2)<90°およびα2+180°>β>α1となるように上記基準方向に対して角度βに向けられる。
【0014】
上記(α1−α2)は、35°と55°との間にあるのが好ましく、40°と50°の間にあるのがさらに好ましく、実質的に45°に等しいのが最も好ましい。
【0015】
上記4分の1波リターダの光軸は、上記第1および第2の方向の二等分線に実質的に垂直であり得る。
【0016】
上記半波リターダは、液晶層を含み得る。上記液晶層は、強誘電性液晶層を含み得る。上記液晶層は、第1および第2の配向層の間に配置され得る。上記第1および第2の配向層の各々は、酸化ケイ素の斜めに蒸着した層を含み得る。
【0017】
第1透明電極層は、上記第1基板と上記半波リターダとの間に配置され得る。第2電極層は、上記第2基板と上記半波リターダとの間に配置され得る。上記第1および第2の電極層の少なくとも一方は、上記半波リターダの絵素に位置合わせされた複数の電極絵素を含み得る。各電極絵素は、上記半波リターダの第1および第2の領域にそれぞれに位置合わせされた第1および第2の電極領域を含む。上記第2電極層は、反射板を構成し得る。
【0018】
本発明の第2の局面によると、第1および第2の基板、上記第1および第2の基板の間に配置された第1半波リターダ、上記第1半波リターダと上記第2の基板との間に配置された第2半波リターダ、および上記第2半波リターダと上記第2の基板との間に配置された第3半波リターダによって特徴づけられる回折空間光変調器が提供される。上記第1リターダは、複数の絵素を含む。上記第3半波リターダは、上記第1リターダの絵素に位置合わせされた複数の絵素を有する。上記第1および第3のリターダの各々の各絵素は、複数の第2伸長領域に互いにかみ合う複数の第1伸長領域を含む。上記第1伸長領域は、第1の方向と第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記第2伸長領域は、第2の方向と上記第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含む。上記第2半波リターダは、固定光軸を有する。上記第1および第2の方向は、任意の基準方向に対してそれぞれ角度α1およびα2に向けられる。上記第2半波リターダの光軸は、(α1−α2)<90°およびα2+180°>β>α1となるように上記基準方向に対して角度βに向けられる。
【0019】
上記(α1−α2)は、35°と55°との間にあるのが好ましく、40°と50°の間にあるのがさらに好ましく、実質的に45°に等しいのが最も好ましい。
【0020】
上記第2半波リターダの光軸は、上記第1および第2の方向の二等分線に実質的に垂直であり得る。
【0021】
上記第1および第3の半波リターダの各々は、液晶層を含み得る。上記液晶層の各々は、強誘電性液晶層を含み得る。上記液晶層の各々は、第1および第2の配向層の間に配置され得る。上記第1および第2の配向層の各々は、酸化ケイ素の斜めに蒸着した層を有し得る。
【0022】
第1透明電極層は、上記第1基板と上記第1半波リターダとの間に配置され得る。第2透明電極層は、上記第2基板と上記第3半波リターダとの間に配置され得る。上記第1および第2の電極層の少なくとも一方は、上記第1および第3の半波リターダの絵素に位置合わせされた複数の電極絵素を含み得る。各電極絵素は、上記第1および第3の半波リターダの第1および第2の領域にそれぞれに位置合わせされた第1および第2の電極領域を含む。
【0023】
本発明の第3の局面によると、本発明の第1または第2の局面による空間光変調器によって特徴づけられるディスプレイが提供される。
【0024】
上記ディスプレイは、上記変調器を照射するための光源、および上記変調器からの所定の回折次数からのみの光を受け取るための光学投射システムを備え得る。上記所定の回折次数は、ゼロ次回折次数であり得る。あるいは、上記所定の回折次数は、1次回折次数であり得る。
【0025】
このように、上記のような従来技術の欠点を克服する空間光変調器を提供することが可能である。このような変調器は、非回折モードと、非偏光を使用する回折モードとの間で切り換え可能な個々の高解像度絵素を有し得る。このような空間光変調器を使用するディスプレイは、高強度および高コントラスト比の両方を提供しつつ、良好な信頼性および長期動作寿命を有する。
【0026】
【発明の実施の形態】
本発明は、添付の図面を参照し、実施例を用いてさらに説明される。
【0027】
同様の参照符号は、図面全体を通して同様の部分を参照する。
【0028】
図1および図2は、反射モード回折空間光変調器(SLM)を示す。このSLMは、長方形の、または実質的に長方形の絵素(ピクセル)の長方形配列を有する。図1および図2は、そのうちの1つを示す。SLMは、上部および下部ガラス基板1および2を有する。上部基板1は、伸長インターディジティド電極3を形成するためにエッチングされるインジウムスズ酸化物(ITO)からなる透明導電層を用いてコーティングされる。電極3は、強誘電性液晶材料のための配向層4を用いて被覆される。特に、配向層4は、強誘電性液晶材料(例えばMerckから入手可能なSCE8として知られるタイプのもの)にC1状態を誘導するために基板1の法線に対して84度で斜めに酸化ケイ素を蒸着することによって形成される。例えば、配向層4は、約10ナノメートルの厚さを有し得る。
【0029】
ミラー電極複合体5が、約100ナノメートルの厚さに銀を堆積することによってガラス基板2上に形成される。静的4分の1波プレート6が、銀ミラー電極5上に形成される。これは、光開始剤と、クロロベンゼンなどの適切な溶媒中でのRM258として知られる反応性メソゲンジアクリラートとの混合物上でスピンすることによって提供され得る。これを窒素の雰囲気中において紫外線光下で約10分間硬化させる。プレート6の厚さは、例えば材料の混合比およびスピン速度を変化させることによって制御されるので、例えば約633ナノメートルを中心とした可視スペクトルにおける所定の帯域幅に対する4分の1波プレートとして機能する。この厚さdは、以下の式によって与えられる。
【0030】
【数1】
【0031】
ここで、λは上記帯域の中心波長であり、Δnは4分の1波プレート6の材料の正常屈折率と異常屈折率との差である。したがって、4分の1波プレート6は通常、800ナノメートルのオーダーの厚さを有する。
【0032】
さらに、配向層7が、例えば配向層4について上記に説明されたように、4分の1波プレート6上に形成される。このとき、基板1および2は、例えば直径2マイクロメートルのスペーサボールによって間隔をあけられ、セルを形成するように接合される。セルは、層8を形成するために強誘電性液晶材料を充填される。このように間隔をあけることによって、半波のリタデーションをあたえる強誘電性液晶材料からなる層を提供し、この液晶層は、以下に説明されるように切り換え可能である光軸を有する半波リターダとして機能する。特に、この強誘電性液晶層は、次式で与えられる厚さdを有する。
【0033】
【数2】
【0034】
ここで、ΔnFLCは強誘電性液晶材料の正常屈折率と異常屈折率との間の差である。
【0035】
ディスプレイの輝度を最適化するために、各境界面の反射率は、例えば反射防止コーティングを基板1に施し、電極3を光学的に埋め込むことによって低減されるのが好ましい。
【0036】
電極3および5は、SLMのピクセルを適切にアドレッシングできるように配置され得る。例えば、パッシブマトリクスアドレッシング構成において、電極3は、SLMの長さにわたって伸長し得、1行のピクセルデータを一度にその1行のピクセルに供給するためのデータ信号生成器の出力に接続され得る。電極5は、行電極を形成するように横方向に伸長され得る。この行電極は、繰り返しシーケンスにおいて一度に1行の割合でSLMにデータをストローブするためのストローブ信号生成器の出力に結合される。
【0037】
各ピクセルに対して、電極5は、ピクセルで表示されるべきデータをストローブするための、基準電圧ライン(例えばゼロボルトを供給する)に接続可能な共通電極として機能する。伸長電極3は、ひとつおきに一緒に接続されて、適切なデータ信号を受信するように接続される2セットのインターディジティド電極を形成する。各ピクセルは、以下に説明されるように反射状態と回折状態との間で切り換え可能である。
【0038】
図3は、図1および2に示される隣り合う帯状部のピクセルの回折モードにおける動作を図式的に示す。各ピクセルを通る光学経路は、ミラー5での反射によって折り畳まれるが、明確さのために図3においては経路は折り畳まれずに示される。SLMは、偏光されていない光に作用し、SLMの動作を説明するために直交偏光の成分に分割され得る。成分偏光の1つは、図3における10で示され、所定の方向11に対して角度−φである。
【0039】
電極5上の基準電圧に対して対称である電圧が、交互にかみ合った2セットの電極3aおよび3bに印加される。このように、電極3aおよび3bと電極5との間に配置された強誘電性液晶材料からなる帯状部8aおよび8bは、方向11に対して−θおよび+θの角度でそれぞれ配向した光軸9aおよび9bを有する。ここで、θは、約22.5度に等しいのが好ましい。
【0040】
強誘電性液晶材料からなる各帯状部8aは、半波リターダとして機能するので、帯状部8aを出射する光成分の偏光は、方向11に対してφ−2θの角度である。次に、この光成分は、静的4分の1波プレート6を通過し、ミラー5によって反射され、再度静的4分の1波プレート6を通過するので、4分の1波プレート6およびミラー5の組合せは、半波リターダとして機能し、その光軸9cは、方向11に垂直である。4分の1波プレート6を出射し、強誘電性液晶材料に向かって進行する光の偏光方向は、実効2分の1波プレート13の光軸のまわりで「反射」され、方向11に対して角度2θ−φを形成する。次に、この光成分は、強誘電性液晶材料からなる帯状部8aを再度通過するので、14に示されるような出力偏光が方向11に対してφ−4θの角度となる。このように、任意の偏光方向−φの各入力成分に対して、強誘電性液晶材料の帯状部8aの各々を介してSLMを通過する光学経路は、その偏光方向が−4θだけ回転されるものである。したがって、この光学経路は、偏光されていない光の偏光を−4θだけ回転する。−4θは、−90度に実質的に等しい。
【0041】
強誘電性液晶材料の各帯状部8bは、半波リターダとして機能し、偏光方向をφ+2θまで回転する。4分の1波プレート6およびミラー5の組合せによって形成される固定半波リターダは、光成分の偏光方向を方向11に対して−2θ−φの角度となるように回転させる。帯状部8bを最後に通過する際に、偏光方向は、15で示されるようなφ+4θまで回転される。このように、偏光されていない光は、帯状部8bを通過することによってその偏光を+4θだけ回転させる。+4θは、実質的に+90度に等しい。
【0042】
電極3bおよび3aが反対の極性を有するデータ信号を受信するように接続される場合、帯状部8bの各々を通って反射された光は、帯状部8aの各々を通過する光に対して180度だけ位相がずれる。この状態において、ピクセルは、位相専用回折格子として機能し、回折モードで動作する。強誘電性液晶の双安定特性のために、帯状部8aおよび8bを図3に示される異なるモードに切り換えるために必要なのは、データ信号を供給することだけである。
【0043】
ピクセルが反射モードで動作するためには、その光軸が互いに(および方向11と)平行となるように帯状部8aおよび8bの一方または両方のセットを切り換えることが必要である。次に、ピクセルに入射する偏光されていない光は、強誘電性液晶材料および4分の1波プレート6によって実質的に影響されず、ミラー電極5によって鏡面反射される。したがって、各ピクセルは、光が鏡面反射されるか、または「偏向」されてゼロ次回折モードになる透過モードと、ピクセルに入射した光が偏向されて非ゼロ次回折次数になる回折モードとの間で切り換え可能である。
【0044】
このように、偏光された光を必要とするSLMと比較して光学変調効率を増加させるために、偏光されていない光を使用する回折SLMを提供することが可能である。基板1および2の間に4分の1波プレート6およびミラー5を設けることによってより高い解像度を達成することが可能になる。特に、デバイスが回折モードで正しく動作するために、各帯状部8aまたは8bを通過する光線は、ミラー5によって反射されて同じ帯状部を逆に通過するべきである。帯状部8aおよび8bの厚さは、通常2マイクロメートルのオーダーであり、他方基板2は、ミリメートルのオーダーの厚さを有する。このように、ミラー5は、基板1および2の外部に配置される場合、視差誤差が入射光の角度範囲および/またはピクセルの最小サイズをひどく制限し得る。通常の2マイクロメートル厚の強誘電性液晶材料に対して、5マイクロメートルのオーダーの帯状電極ピッチが使用され得るので、奇数の回折次数において高い光学変調効率および高いコントラスト比を提供することのできるより高解像度のデバイスを提供することが可能である。さらに、回折SLMは、可動部品を全く有さない本質的に従来の液晶技術に依存するので、信頼性、製造歩留まり、および動作寿命は、従来の強誘電性液晶ディスプレイと同様である。
【0045】
色収差補正性能を改善するために、光軸9cは、層8の液晶材料の光軸の切り換え方向9aおよび9bの間にこないように方向付けられる。これについて、図4は任意の方向および角度に対する一般的な場合を示す。光軸9aは、(任意の)基準方向11に対してα1の角度に向けられ、光軸9bは、方向11に対して角度α2(この場合、負となる)に向けられる。固定光軸9cが軸9aおよび9bによって定義される(より小さい)角度の外側にあるように方向11に対して角度βの方向に光軸9cを向けることによって、色収差補正性能が改善される。この条件は、式α2+180°>β>α1によって簡潔に定義され得る。
【0046】
差が90°より小さいような角度α1およびα2に対して、色収差補正性能が改善される。これらの角度の符号の慣例は、図4の弧の上の矢印によって示され、方向11から反時計回りの回転が正の値によって表され、時計回りの回転が負の値によって表されるようになっている。このように、図3を参照して説明される具体的な実施態様においては、角度α1およびα2は、それぞれ+および−22.5°に等しく、角度βは、22.5°と157.5°の間の任意の値をとり得る。ただし、方向が180°または180°の整数倍だけ異なる光軸は、互いに完全に等価である。
【0047】
この構成を用いることによって、色収差補正性能は、固定光軸9cが光軸9aおよび9bの間に位置する構成に比べて改善される。しかし、最適な色収差補正性能は、固定光軸9cが光軸9aおよび9bの二等分線に実質的に垂直である場合に達成される。これは、図3に示される。ここで、二等分線は基準方向11に平行であり、光軸9cは基準方向11に垂直である。
【0048】
色収差補正を改善することにより、空間光変調器は、可視スペクトルのより大きな帯域部分で効率を向上させて動作することができる。これにより、例えば、投影光学システムにおいて赤、緑、および青成分を独立して変調するために3つの同じ空間光変調器を使用し、どの色についても効率を実質的に低下させないことができる。同様に、より広い帯域動作のための単一変調器システムが提供され得る。
【0049】
図5および6は、別の反射モード回折SLMを示す。このSLMは、ITO電極3が連続電極3cに置き換えられ、ミラー電極5がインターディジティド帯状ミラー電極5aに置き換えられている点で図1および2に示したものと異なる。さらに、基板2のガラスは、表示すべきデータを操作するためのVLSI回路を搭載するシリコン基板によって置き換えられ得る。例えば、そのような回路は、ピクセルのためのアドッレッシング回路、および必要に応じて他のデータ処理回路を含み得る。
【0050】
図7および8は、図1および2に示されるようなガラス基板1、ITO電極3、およびガラス基板2を含む透過モード回折SLMを示す。このSLMはさらに、図1および2の層4および7と同様の配向層を設けられた2つの強誘電性液晶層20および21を含む。これらの配向層は、明確さのために図示しない。2つの液晶セルは、静的半波プレート22によって分離される。帯状電極3の構成は、2つの層20および21において光学的に配向した強誘電性液晶帯状部の形成を可能にするので、層20および21の各々における各帯状部は、半波リターダとして動作し、その光軸は、プラスマイナス約22.5度の間で切り換え可能である。また、2つの層20および21における配向した帯状部の光軸は、互いに平行である。したがって、このデバイスは、透過型SLMとして機能し、ここで各ピクセルは、光が偏向なし(ゼロ次回折に等価)にピクセルを透過する透過モードと、光が非ゼロ回折次数に偏向される回折モードとの間で切り換え可能となる。これらの光学的にアクティブな層のすべてを基板1および2の間に配置することによって、視差誤差が大きく低減され、入力光に対して有用な受け取り角度、高い光学的変調効率および高いコントラスト比性能を有する高解像度SLMを提供することが可能になる。
【0051】
上記実施態様において、強誘電性液晶材料の2つの光学状態の間の切り換え角度は、45度であると仮定された。これは、光学的変調器の効率の点から、すくなくとも理論的に、最適性能に必要とされる切り換え角度である。さらに、このような切り換え角度は、光軸間のより高い切り換え角度を与える材料および構成にともなう性能損失を全く起こさずに、公知の強誘電性液晶材料において容易に得られ得る。しかし、45度からわずかに異なる切り換え角度もまた使用され得、容認可能な性能を提供し得る。例えば、最適な45度から約5度まで、および約10度までも異なる切り換え角度が多くの用途に対して容認可能な性能を提供し得ると考えられる。
【0052】
図9は、図1および2、または図5および6において示されるタイプのSLM30を使用する投影ディスプレイを示す。SLM30は、ミラー32を介して光源31によって照射される。投影レンズ33は、SLM30によって表示される画像を画面34に投影する。
【0053】
光源31からの光は、ミラー32で反射されて、SLM30上に垂直に入射される。反射モードである各ピクセルは、入射光を反射してミラー32に垂直に戻すので、反射光はレンズ33によって投影されない。このように、「暗」ピクセルは、レンズ33によって画面34に作像される。回折モードの各ピクセルは、入射光を非ゼロ回折次数に偏向して、主に光線35および36で示されるような正および負の1次、ならびに正および負の2次に偏向する。例えば、ネマチック液晶を用いて形成される格子が本質的により正弦的である場合、1次およびより高次の集光によって効率が上昇する。このように、各そのようなピクセルからの光は、画面34上に「明」ピクセルとなるように作像される。
【0054】
SLM30は、偏光されていない光を用いて動作するので、その画像強度または輝度は、偏光された光を必要とする公知の投影ディスプレイよりも実質的に大きい。各ピクセルは、反射モードの場合、ほとんどまたは全く光を1次回折ローブ(lobe)に偏向しないので、コントラスト比、すなわち反射および回折モードにおけるピクセルについての画面での光強度間の比は、非常に高い。このように、高い輝度および良好なコントラストを有する投影画像を提供することが可能である。
【0055】
図10に示される投影ディスプレイは、図9において示されるものと、光源31が光を直接SLM30に供給し、この光がSLMに垂直に入射する点で異なる。さらに、レンズ33は、レンズ37および38ならびにミラー39および40によって置き換えられる。図9のレンズ33は、比較的大きく、したがってコストが高い。図10のディスプレイにおいて、正および負の1次ローブに回折された光は、レンズ37および38によってそれぞれ集光され、ミラー39および40によってそれぞれ反射され、そしてレンズ37および38によってそれぞれ画面34上に作像される。このように、等価な光学的性能を有するもっとより小さなレンズを用い得るので、図10に示されるディスプレイの投影光学システムは、図9のレンズ33よりも実質的にコストがより低い。
【0056】
図11に示される投影ディスプレイは、レンズ37および38ならびにミラー39および40がミラー41によって置き換えられている点で、図10に示されるものと異なる。ミラー41は、光源31からの光の通過を可能にする分割ミラーとして示される。
【0057】
図12は、画面34上のレンズ33によって作像される前に正および負の1次ローブからの光を組合わせるためのミラー構成が設定される点で、図9に示されるものと異なる投影ディスプレイを示す。特に、正の1次ローブにおける光35は、ミラー42および43によって偏向され、他方負の1次ローブにおける光36は、ミラー44および45によって偏向される。これは、より小さくかつよりコストの低いレンズ33の使用を可能にし、またよりコストの低いズーム投影光学システムの使用を可能にする。
【0058】
図13に示される投影ディスプレイは、ゼロ次回折からの光がレンズ33によって画面34上に作像される点で、図9に示されるものと異なる。このように、反射モードにおいて各ピクセルによって反射される光は、画像34上で明るい画像ピクセルを形成するために使用される。回折モードのピクセルは、35および36で示されるような非ゼロ次ローブに光を偏向し、そのような光は、画面34上でレンズ33によって作像されないので、暗いピクセル画像は、回折モードにおけるピクセルに対応する画面上に形成される。このタイプのディスプレイのコントラスト比は、回折モードにおけるSLM30内の種々の境界面から反射される光に大きく依存するので、そのような反射を低減するための特別な注意を払わなければ、コントラスト比は、非ゼロ次回折ローブからの光が画像を形成するために使用されるディスプレイについてのコントラスト比ほど高くないことがあり得る。
【0059】
カラー画像を形成するために、3つのSLMが赤、緑、および青の光源とともに使用され得、回折モードにおいて各ピクセルによって形成される回折格子のピッチおよび層厚は、関連する波長に対して性能を最適にするように調節される。適切なビーム組合せ技術を使用して、赤、緑、および青の画像を画面34でフルカラー画像に組合わせ得る。回折格子の回折角度は、入射光の波長とともに変化するが、画像を形成するためにゼロ次回折光を使用する図13に示されたタイプのディスプレイにおいては重要でない。なぜならば、単に、回折モードにおいて可視スペクトルのすべてがレンズ33からずれて偏向される必要があるからである。このように、図13で示されるタイプのディスプレイは、ピクセルでのカラーフィルタリングまたはカラー順次多重化によってカラー画像を提供し得る。
【0060】
図14は、公知のタイプのシュリーレン光学システムを使用する図9に示されるタイプの投影ディスプレイを示す。図14のディスプレイは、レンズ50が光源31をミラー32に作像し、視野レンズ51がSLM30に隣接して設けられる点で、図9のものと異なる。この構成により、比較的小さなミラー32を用いることが可能となり、投影システムの光学的性能を改善することが可能である。
【0061】
上記の分割光学システム、例えば図10に示される「2つミラー」タイプは、図14に示される構成とともに使用され得、コストおよびシステムサイズを低減する可能性を与える。
【0062】
本発明の範囲内において、種々の変更がなされ得る。例えば、層8中の強誘電性液晶は、反強誘電性または他のスメクチック液晶、もしくは面内スイッチングネマチック液晶によって置き換えられ得る。配向層4および7は、必要または所望される場合に変更され得る。
【0063】
そのような面内スイッチングネマチック液晶(NLC)を使用する本発明の実施態様の一例は、FLCの実施態様について上記と同じセル構造を使用する。しかし、分子が基板に平行に配向する均一配向NLCが、FLCの代りに使用される。例えばポリイミド配向層のブラッシング方向によって決定される、液晶の配向方向は、電極の縦軸に対して45°に設定される。この結果、NLCの45°面内スイッチングが生じ、したがって、上記のFLC実施態様と同様に効率的な偏光に依存しない光学回折を生成する。
【0064】
NLCは、電極に対する90°方向に接近して配向され、内部波プレートを必要としない実質的に90°のスイッチングを生成し得るが、その材料のスイッチオン時間は、現在入手可能な材料を用いたビデオディスプレイパネルにとって不十分であり得る。さらに、回折効率を損ない得る面外スイッチングおよびその後の偏光混合を限定するためには、負の誘電材料がより一般的なNLC材料にとって好ましい。材料は、格子電極間の領域においてスイッチングするがその電極すぐ上ではスイッチングしないことが想定されるので、電極幅が実質的に電極ギャップに等しい、マーク対スペース比が1であるインターディジティド電極が好ましい。
【0065】
回折空間光変調器は、第1および第2基板(1、2)を有し、この間に光学的経路が定義され、順に、第1(8a、8b)、第2(5、6)、および第3(8a、8b)半波リターダを有する。第2リターダ(6、5)は、固定光軸(9c)を有し、上記第1および第3リターダは、切り換え可能な光軸(9a、9b)を有する。固定光軸(9c)は、切り換え可能な光軸(9a、9b)のスイッチング範囲の外側に向けられる。この変調器は、ピクセル化され、各ピクセルは、切り換え可能な位相専用回折格子を有する。各ピクセルは、入射光がゼロ次回折ローブにおいて出力される第1モードと、入射光がより高い次数の回折ローブに偏向される第2モードとの間で切り換え可能である。この空間光変調器は、高輝度投影ディスプレイにおいて使用され得る。
【0066】
【発明の効果】
本発明の回折空間光変調器を用いることにより、ディスプレイは、高強度および高コントラスト比の両方を提供しつつ、良好な信頼性および長期動作寿命を有する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施態様を構成する空間光変調器の分解図である。
【図2】図1の変調器の断面図である。
【図3】図1および2の変調器の動作を示す図である。
【図4】光軸の向きを示す図である。
【図5】本発明の別の実施態様を構成する空間変調器の、図1と同様の図である。
【図6】本発明の別の実施態様を構成する空間変調器の、図2と同様の図である。
【図7】本発明のさらなる実施態様を構成する空間変調器の、図1に対応する図である。
【図8】本発明のさらなる実施態様を構成する空間変調器の、図2に対応する図である。
【図9】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図10】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図11】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図12】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図13】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【図14】本発明のそれぞれの実施態様を構成する投影ディスプレイの模式図である。
【符号の説明】
1、2 基板
3、3a、3b、3c、5 電極
4、7 配向層
6 4分の1波プレート
8、8a、8b 層
9a、9b、9c 光軸
10 入力偏光
11 方向
14、15 出力偏光
20、21 層
22 半波プレート
30 SLM
31 光源
32、39、40、41、42、43、44、45 ミラー
33、38、50 レンズ
34 画面
35、36 光線
51 視野レンズ
Claims (33)
- 第1および第2の基板と、
該第1および第2の基板の間に配置された半波リターダと、
該半波リターダと該第2の基板との間に配置された4分の1波リターダと、および
該4分の1波リターダと該第2の基板との間に配置された反射板と、を含む回折空間光変調器であって、
該半波リターダは、複数の絵素を有し、各絵素は、複数の第2伸長領域に互いにかみ合う複数の第1伸長領域を含み、該第1伸長領域は、第1の方向と第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含み、該第2伸長領域は、第2の方向と該第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含み、および該4分の1波リターダは、固定光軸を含み、該第1および第2の方向は、任意の基準方向に対してそれぞれ角度α1およびα2に向けられ、該4分の1波リターダの光軸は、(α1−α2)<90°およびα2+180°>β>α1となるように該基準方向に対して角度βに向けられる、回折空間光変調器。 - 前記(α1−α2)が35度と55度との間にある、請求項1に記載の変調器。
- 前記(α1−α2)が40度と50度との間にある、請求項2に記載の変調器。
- 前記(α1−α2)が実質的に45°に等しい、請求項3に記載の変調器。
- 前記4分の1波リターダの光軸が前記第1および第2の方向の二等分線に実質的に垂直である、請求項1に記載の変調器。
- 前記半波リターダは、液晶層を含む、請求項1に記載の変調器。
- 前記液晶層は、強誘電性液晶層を含む、請求項6に記載の変調器。
- 前記液晶層が第1および第2の配向層の間に配置される、請求項6に記載の変調器。
- 前記第1および第2の配向層の各々が酸化ケイ素の斜めに蒸着した層を含む、請求項8に記載の変調器。
- 第1透明電極層が前記第1基板と前記半波リターダとの間に配置される、請求項1に記載の変調器。
- 第2電極層が前記第2基板と前記半波リターダとの間に配置される、請求項10に記載の変調器。
- 前記第1および第2の電極層の少なくとも一方が前記半波リターダの絵素に位置合わせされた複数の電極絵素を含み、各電極絵素が該半波リターダの第1および第2の領域にそれぞれに位置合わせされた第1および第2の電極領域を含む、請求項11に記載の変調器。
- 前記第2電極層が反射板を構成する、請求項11に記載の変調器。
- 第1および第2の基板と、
該第1および第2の基板の間に配置された第1半波リターダと、
該第1半波リターダと該第2の基板との間に配置された第2半波リターダと、および
該第2半波リターダと該第2の基板との間に配置された第3半波リターダと、を含む回折空間光変調器であって、
該第1半波リターダは、複数の絵素を含み、該第3半波リターダは、該第1リターダの絵素に位置合わせされた複数の絵素を含み、該第1および第3のリターダの各々の各絵素は、複数の第2伸長領域に互いにかみ合う複数の第1伸長領域を含み、該第1伸長領域は、第1の方向と第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含み、該第2伸長領域は、第2の方向と該第3の方向との間で切り換え可能な光軸を含み、該第2半波リターダは、固定光軸を含み、該第1および第2の方向は、任意の基準方向に対してそれぞれ角度α1およびα2に向けられ、該第2半波リターダの光軸は、(α1−α2)<90°およびα2+180°>β>α1となるように該基準方向に対して角度βに向けられる、回折空間光変調器。 - 前記(α1−α2)が35°と55°との間にある、請求項14に記載の変調器。
- 前記(α1−α2)が40°と50°との間にある、請求項15に記載の変調器。
- 前記(α1−α2)が実質的に45°に等しい、請求項16に記載の変調器。
- 前記第2半波リターダの光軸が前記第1および第2の方向の二等分線に実質的に垂直である、請求項14に記載の変調器。
- 前記第1および第3の半波リターダの各々が液晶層を含む、請求項14に記載の変調器。
- 前記液晶層の各々は、強誘電性液晶層を含む、請求項19に記載の変調器。
- 前記液晶層の各々は、第1および第2の配向層の間に配置される、請求項19に記載の変調器。
- 前記第1および第2の配向層の各々が酸化ケイ素の斜めに蒸着した層を含む、請求項21に記載の変調器。
- 第1透明電極層が前記第1基板と前記第1半波リターダとの間に配置される、請求項14に記載の変調器。
- 第2透明電極層が前記第2基板と前記第3半波リターダとの間に配置される、請求項23に記載の変調器。
- 前記第1および第2の電極層の少なくとも一方が前記第1および第3の半波リターダの絵素に位置合わせされた複数の電極絵素を含み、各電極絵素が該第1および第3の半波リターダの第1および第2の領域にそれぞれに位置合わせされた第1および第2の電極領域を含む、請求項24に記載の変調器。
- 請求項1に記載の空間光変調器を備えたディスプレイ。
- 請求項14に記載の空間光変調器を備えたディスプレイ。
- 前記変調器を照射するための光源、および該変調器からの所定の回折次数からのみの光を受け取るための光学投射システムを備える請求項26に記載のディスプレイ。
- 前記変調器を照射するための光源、および該変調器からの所定の回折次数からのみの光を受け取るための光学投射システムを備える請求項27に記載のディスプレイ。
- 前記所定の回折次数がゼロ次回折次数である、請求項28に記載のディスプレイ。
- 前記所定の回折次数がゼロ次回折次数である、請求項29に記載のディスプレイ。
- 前記所定の回折次数が1次およびより高次の回折次数を含む、請求項28に記載のディスプレイ。
- 前記所定の回折次数が1次およびより高次の回折次数を含む、請求項29に記載のディスプレイ。
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