(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを放出する光源と、
上記光ビームのｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過する偏光ビームスプリッタと、
該偏光ビームスプリッタによって反射された成分を受け、その偏光面を９０°回転させ、上記成分を該偏光ビームスプリッタに戻す反射手段と、
コリメートされたビームを得るため上記光ビームの二つの偏光成分を再結合する手段を含み、
該光ビームの二つの偏光成分の再結合手段は全反射的に機能するマイクロプリズムのプレートによって構成され、
該反射手段の特徴は、反射性コーティングを備えたリニアフレネル構造によって構成され、
該リニアフレネル構造の各々のプリズムの反射性表面は、該光源によって放出される前記光ビームによって定義される方向と角度βをなし、
βは、２θβ−９０°に等しく、
２θβは、該光ビームと該反射されたｓ偏光成分との間の角度である、光偏向装置。
【請求項２】
該マイクロプリズムのプレートは、メタクリル酸エステル又はポリカーボネートのような透明材料から作られる請求項１に記載の装置。
【請求項３】
該マイクロプリズムのプレートは、上記光ビームの偏光成分を受ける表面が、平行した行に配置された多数のプリズム状の素子により構成され、もう一方の表面が、平面であり、かつ、上記コリメートされたビームを透過し、
θｃｒｉｔｉｃａｌ＝Ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）であり、
θβが該平面の表面の法線に対する該偏光ビームスプリッタからの光ビームの入射角であり、ｎが該マイクロプリズムの屈折率を表わすとき、該プリズム状の素子の隣接する傾斜した各表面は、該平面の表面の法線と以下の式：
ｃｏｓ（α＋θβ）＝ｎｃｏｓ（３α）
（９０°−α）＞θｃｒｉｔｉｃａｌ
を満たす角度αをなす請求項１に記載の装置。
【請求項４】
該偏光ビームスプリッタは、空気の層で隔離された少なくとも２枚の透明なプレートの積み重ねによって構成されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の装置。
【請求項５】
該角度θβはブルースター角に一致し、該角度αは２９°に一致する請求項３に記載の装置。
【請求項６】
該偏光ビームスプリッタは、薄い層の積み重ねによって構成され、上記光ビームを受ける方の表面が、もう一方の表面に対し４５°の角度をなすよう設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項７】
視野レンズと、液晶バルブと、投影レンズと、請求項１に記載の光偏向装置とを有する液晶表示型の投影システム。
【請求項８】
該視野レンズは自由形状のレンズであることを特徴とする請求項７に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は光偏向装置に係り、特に、光源からのランダムに偏向された光を直線偏光に変える装置と、かかる光学的装置を利用する液晶バルブ型の投影システムとに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光バルブ又は直視型液晶表示装置として機能する液晶ディスプレイを有するプロジェクタのような液晶システムが低レベルの光透過を有することは周知である。上記システムは、偏光器を必要とする直線偏光を用いて照明されなければならない。残念ながら、偏光器は入射光の５０％以上を吸収する。かかる欠点を解決するため、種々のタイプの偏光変換器が提案されている。
【０００３】
図１に示されているように、従来型の光偏向装置は、例えば、タングステン、ハロゲン又はキセノンランプ、或いは、同様のランプである光源１からなる。光源１は、長円形又は放物線状の反射器２によって部分的に囲まれている。ランプは、ランダムに偏光された光ビームを従来型の偏光ビームスプリッタ３に放出する。同図においてｐ１の名前を付けられた光ビームのｐ偏光成分を直接透過し、ｓ２の名前を付けられた光ビームのｓ偏光成分を反射する。上記成分ｓ２は、偏光面を９０°回転させる半波長板５’を通過する。上記システムは、従って、液晶バルブ６を照明するｐ１及びｐ２の名前を付けられた二つの偏光成分を与える。上記２本の平行なビームｐ１、ｐ２の主な欠点は、それらの強度が異なることであり、これは、液晶バルブの照明が均一ではないことを意味する。
【０００４】
２本の平行なビームを防止する別の解決法は、２本のビームｐ１及びｐ２が液晶バルブ６’の平面で重ね合わされるように、ミラー４と半波長板５’とを配置することである。この解決法は、図１内の項目と同じ項目に同じ参照名が付けられた図２に示されている。上記項目の中で位置を変更された項目の名前には、’（プライム）が付けられている。ビームｐ１及びｐ２は、周知の方法で、バルブ６に達する前に視野レンズ７を通過し、その後、投影レンズ８の瞳平面に伝えられる。しかし、ビームｐ１とｐ２は、視野レンズ上で別個の入射角を有するので、瞳平面上の同一点ではなく、図２に明瞭に示されているように二つの点ｐ’１及びｐ’２に集束する。このため、非常に大きい口径を有する高価な投影レンズの使用が強いられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記欠点を解決するため、欧州特許出願第４２２  ６６１号明細書には、従来型の偏光ビームスプリッタと、偏光ビームスプリッタによって反射された成分を受け、反対の極性の反射された成分を得るためその偏光面を９０°回転させ、偏光ビームスプリッタに戻す反射手段と、素子を回折することにより構成された二つの成分の再結合手段とを含む光偏向装置が提案されている。しかし、上記システムには、特に、出力ビームの角度の分散と、大口径の投影対物レンズの必要性とに関し依然として幾つかの欠点がある。
【０００６】
本発明の目的は、ビームの十分な再結合と、低レベルの分散とが得られる新しい光偏向装置を提供することによって上記欠点を解決することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明の光偏向装置は、
−  光ビームを放出する光源と；
−  上記光ビームのｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過する偏光ビームスプリッタと；
−  上記偏光ビームスプリッタによって反射された成分を受け、その偏光面を９０°回転させ、上記成分を上記偏光ビームスプリッタに戻す反射手段と；
−  コリメートされたビームを得るため上記光ビームの二つの偏光成分を再結合する手段とからなり、
上記光ビームの二つの偏光成分の再結合手段は全反射的に機能するマイクロ−プリズムのプレートによって構成される。
【０００８】
好ましい一実施例において、上記マイクロ−プリズムのプレートは、メタクリル酸エステル、ポリカーボネート、ガラス又は同種物のような透明材料から作られる。光ビームの偏光成分を受ける上記プレートの表面は、平行した行に配置された幾つかのプリズム状の素子により構成され、もう一方の表面は平面であり、かつ、コリメートされたビームを透過し、プリズム状の素子の隣接し傾斜した各表面は、上記平面の表面の法線と角度αをなし、かかる角度は以下の式：
【０００９】
【数２】
0003647145.tif 000002
【００１０】
を満たし、式中、θcritical＝Ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）であり、
【００１１】
【外４】
0003647145.tif 000003
【００１２】
は上記平面の表面の法線に対する上記偏光ビームスプリッタからの光ビームの入射角であり、ｎは上記マイクロ−プリズムのプレートの屈折率である。
本発明の他の特徴は、偏光ビームスプリッタが、空気の層で隔離された少なくとも２枚のガラスプレートの積み重ねによって構成される点である。
偏向ビームスプリッタのために空気−ガラスの積層を用いることにより、上記再結合手段上にブルースター角に対応する入射角が得られる。空気−ガラスの積層と、マイクロ−プリズムの全反射プレートにより構成された再結合手段とからなる組立体は、テレビジョン受像機の新しい１６／９フォーマットに対応する１６／９の歪像を与え、一方、プリズムに基づく従来の偏向ビームスプリッタは、標準フォーマットに対応した４／３の歪像を与える。
【００１３】
好ましくは、更に小形の構造を得るための本発明の別の特徴は、上記反射手段が反射性コーティングを備えた直線状のフレネル構造によって構成されることである。この場合、上記平面の表面に対し上記反射性表面によって作られた角度βは、
【００１４】
【外５】
0003647145.tif 000004
【００１５】
に一致する。
本発明の他の目的を達成する液晶バルブ型の投影システムは、上記の形の光偏向装置と、視野レンズと、液晶バルブと、投影レンズとを有する。
【００１６】
【発明の実施の形態】
添付図面を参照して以下の説明を読むことにより、本発明はより良く理解され、かつ、他の利点及び特徴が明らかになる。
図３には完全な液晶表示プロジェクタシステムが示されている。周知の構成のかかる液晶スクリーンを用いた投影システムは、金属ハロゲン形のアークランプ、フィラメントランプ、又は、同種物であるランプ１０を含む。ランプ１０は、長円形又は放物線状の反射器１１の焦点に置かれ、集光レンズが備えられている。ランプによって放出された光は、ランダムに偏光された白色光である。その光は、反射器によって反射され、偏光ビームスプリッタ１２を含む偏光変換組立体に伝えられる。上記偏光ビームスプリッタ１２は、本発明の一実施例において、好ましくは、空気−ガラスの積層として配置されたガラスプレートの積み重ねである。しかし、以下に説明する如く、上記偏光ビームスプリッタは、プリズムのような従来型のスプリッタでも構わない。
【００１７】
偏光変換器は、更に、光ビームのｓ偏光成分を偏光ビームスプリッタの方向に反射するミラー１３を含む。４分の１波長板１４が、反射されたビームの偏光面を９０°回転させるため、上記ミラー１３の前に置かれる。偏光ビームスプリッタの出力には、以下に詳細に説明する偏光成分の再結合手段１５がある。この手段１５からのビームは、周知の方法で、視野レンズ１６に送られ、次いで、液晶スクリーン１７、又は、光バルブとして機能する電気−光変調器に送られる。液晶スクリーンからの画像は投影レンズ１８に送られる。
【００１８】
上記装置において、ランプ１０からの光ビームは偏光ビームスプリッタ１２に送られる。周知の方法で、ビームのｐ偏光成分は、直接的に偏光ビームスプリッタを通過し、一方、ｓ偏光成分は反射され、ミラー１３の方へ送られ、そこで全反射され、偏光面が９０°回転されるよう、再度、４分の１波長板を通り抜ける。ｐ’という名前が付けられた新しい成分が偏光ビームスプリッタ１２に戻る。透過したｐ成分及びｐ’成分は、本発明の場合に全反射的な再結合手段からなるビームの再結合手段１５に達する。従って、以下に説明するように、出力で得られた成分は互いに重なり合う平行な偏光成分である。
【００１９】
図４には本発明による偏光成分の再結合手段１５が示されている。この手段は全反射によって機能し、メタクリル酸エステルのような材料（例えば、“プレキシガラス(plexiglass)”というブランド名で知られた材料）、ポリカーボネート、或いは、他の同種の材料から作られた透明プレートにより構成され；ガラスを使用してもよい。図４に明瞭に示されているように、上記手段は、偏光ビームスプリッタからのビームを受けるその面上に、平行な行に配置された１組のマイクロ−プリズム１５’を含む。それ以外の面は平坦である。従って、図４に示されたように、マイクロ−プリズムの傾斜した外側の表面に対するビームの入射角は、略９０°である。ビームは、マイクロ−プリズムに入り、隣接する表面の内側の面に入射し、その内側の面から反射し、面１５”から直角に出る。これは、光線ｐ１０及びｐ’１０が辿る経路を用いて図４に示されている。上記条件を満たすために、面１５”に直交する上記の同じ線に対する入射角
【００２０】
【外６】
0003647145.tif 000005
【００２１】
及びマイクロ−プリズムの側面の角度αは、以下の式：
【００２２】
【数３】
0003647145.tif 000006
【００２３】
を満たし、式中、θcritical＝Ａｒｃｓｉｎ（１／ｎ）であり、
【００２４】
【外７】
0003647145.tif 000007
【００２５】
は上記平面の表面の法線に対する上記偏光ビームスプリッタからの光ビームの入射角であり、ｎは上記マイクロ−プリズムのプレートの屈折率である。
上記の如く、偏光ビームスプリッタが空気−ガラスの積層によって構成されるとき、角度
【００２６】
【外８】
0003647145.tif 000008
【００２７】
は、ガラスに対し５６．６°であるブルースター角と一致する。しかし、偏光スプリットの角度は大きいまま保たれ、
【００２８】
【外９】
0003647145.tif 000009
【００２９】
の±１０°のオーダーの変化に対し殆ど変化しない点に注意が必要である。実際上、空気−ガラスの積層によって構成された偏光ビームスプリッタを用いるとき、入射角は、ブルースター角±数度（２又は３度）である。この場合、図４に示したように、マイクロ−プリズムのプレートが、波長５８７ｎｍの光に対し屈折率ｎ＝１．４９を有する“プレキシガラス”製であるならば、角度αは２９°に一致する。
【００３０】
【外１０】
0003647145.tif 000010
【００３１】
がブルースター角に一致したまま保たれるとき、プレートがｎ＝１．５８のポリカーボネート製である場合、及び、プレートがｎ＝１．５１６８のガラス製である場合には、これに応じてαの値が変えられる。
欧州特許第０  ４２２  ６６１号明細書に記載された従来の解決法と比較して本発明による解決法の利点を示すため、図５には屈折性素子によって構成された再結合手段が表わされている。手段１５０は、スプリッタから光線を受けるその表面１５０’が平面状の表面である透明プレートによって構成され、一方、２本の平行光線を放出する表面は、マイクロ−プリズムによって構成された表面１５０’である。この場合、入射角
【００３２】
【外１１】
0003647145.tif 000011
【００３３】
がブルースター角になるよう選択された場合、マイクロ−プリズムの角度α’は１７°に一致する。偏光ビームスプリッタとして空気−ガラスの積層が選択された本発明の解決法と従来技術の解決法とによって得られた結果の差は、図６及び７のグラフに示されている。図６の曲線は、コリメートされたビームによってブルースター角で照明された再結合手段による分散を示している。この場合、波長の関数として表わされた法線に対する出力光線の偏差は、本発明によるシステムの場合には偏差が無いのに比べて、従来技術のシステムの場合に非常に大きいということが分かる。同様に、両方の再結合手段のｐ偏光ビームに対する角度伝達関数が示されている図７において、ブルースター角からのビームの角度偏差の関数で表わされた法線に対する出力ビームの広幅化は、従来技術のシステムの場合に非常に著しいのに対し、本発明によるシステムの場合、上記広幅化は実質的に直線的である。
【００３４】
以下、図８及び９を参照して、本発明の光偏向装置に対し行なうことができる他の改良を説明する。更に小形のシステムを得るため、図８に示したように、図３の平面ミラー１３を反射型のフレネル系１３’で置き換えることが可能である。この場合、フレネル構造によって形成された底面に対する角度βは、図９に示したように、
【００３５】
【外１２】
0003647145.tif 000012
【００３６】
に一致する。かかる直線状のフレネル構造は、ビームを４分の１波長板の方向に反射するため、周知の方法によって反射性のコーティング１３”で被覆されている。
図８の他の項目は、図４を参照して説明した項目と同一であり、同じ参照番号が付けられている。
【００３７】
更に、本発明の枠組みにおいて、視野レンズに対し、本出願人によるフランス国特許出願第９５  ０４４７７号明細書に記載されているようなレンズを用いてもよい。そのレンズは、軸上の照明されるべき点に対応する機能と、照明されるべき点を通過する中央の平面と水平面とによって形成された角度とに関係した各基本表面の組によって形成されたレンズであり、上記基本表面の組の傾斜は、上記関数を特別の多項式関数を用いて補間することにより得られる。このようなレンズは、自由表面又は“自由造形”のレンズとして周知である。
【００３８】
【発明の効果】
上記の全てのシステムによって多数の利点が得られ、特に、投影対物レンズの口径は、システムの価格が非常に高価になる従来技術のシステムと比べて制限することが可能であり、一方、２本の偏光ビームの効率的な再結合が得られるので、光エネルギーの損失は著しく低減される。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の第１の光偏向装置の概要図である。
【図２】従来の他の光偏向装置の概要図である。
【図３】本発明の光偏向装置の概要図である。
【図４】本発明による再結合手段の拡大断面図である。
【図５】先行技術に使用される再結合手段の拡大断面図である。
【図６】図５の再結合手段と比較して図４の再結合手段によって得られた利点を示し、特に、ブルースター角に対応する入射角でコリメートされたビームによって照明された両方の手段の分散を表わすグラフである。
【図７】図５の再結合手段と比較して図４の再結合手段によって得られた利点を示し、特に、ｐ偏光ビームに対する両方の系の角度伝達関数を表わすグラフである。
【図８】本発明の他の実施例による直線状の反射フレネル構造を含む小形光偏向装置の概要図である。
【図９】図８のフレネル構造の部分拡大図である。
【符号の説明】
１    光源
２，１１    反射器
３，１２    偏光ビームスプリッタ
４，１３    ミラー
５’    半波長板
６，６’    液晶バルブ
７    視野レンズ
８    投影レンズ
１０    ランプ
１３’    フレネル系
１３”    コーティング
１４    ４分の１波長板
１５，１５０    再結合手段
１５’    マイクロ−プリズム
１５”    他の面
１５０’    表面
ｐ１，ｐ２    ｐ偏光成分
ｓ２    ｓ偏光成分
ｐ１０，ｐ’１０    光線
【図１】
0003647145.tif 000013
【図２】
0003647145.tif 000014
【図３】
0003647145.tif 000015
【図４】
0003647145.tif 000016
【図５】
0003647145.tif 000017
【図６】
0003647145.tif 000018
【図７】
0003647145.tif 000019
【図８】
0003647145.tif 000020
【図９】
0003647145.tif 000021