(57)【要約】反射型液晶（ＬＣ）パネル及び光学デバイスを含む光学装置。光学デバイスは、光学デバイス及び投射レンズの間に位置付けられた像平面に画像を形成する。画像は、実質的に、ザイデル収差のないものである。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射型液晶パネル及び光学デバイスを含み、
前記光学デバイスは、前記光学デバイス及び投射レンズの間に位置付けされた像平面にザイデル収差の実質的にない画像を形成する光弁投射システム。
【請求項２】
前記光学デバイスは、偏光弁別器をさらに含む請求項１に記載の光弁投射システム。
【請求項３】
前記光学デバイスは、偏光ビームスプリッターをさらに含む請求項１に記載の光弁投射システム。
【請求項４】
前記光学デバイスは、光学素子をさらに含み、
前記画像は、単位倍率を有する請求項１に記載の光弁投射システム。
【請求項５】
前記画像は、仮想物体である請求項１に記載の光弁投射システム。
【請求項６】
前記画像は、前記画像表示パネルの選択された部分のものである請求項１に記載の光弁投射システム。
【請求項７】
前記画像の光は、直線偏光の第一の状態にある請求項１に記載の光弁投射システム。
【請求項８】
前記光学デバイスは、四分の一波長板をさらに含む請求項１に記載の光弁投射システム。
【請求項９】
前記投射レンズは、おおよそ１０ｍｍからおおよそ３５ｍｍまでの範囲における後側焦点距離を有する請求項１に記載の光弁投射システム。
【請求項１０】
当該光弁投射システムは、ダイソンのリレーをさらに含む請求項１に記載の光弁投射システム。
【請求項１１】
前記ダイソンのリレーは、前記光学デバイス及び前記投射レンズの間に位置付けられる像平面に画像を形成する請求項１０に記載の光弁投射システム。
【請求項１２】
前記像平面及び前記反射型表示パネルは、平行ではない請求項１１に記載の光弁投射システム。
【請求項１３】
前記像平面及び前記反射型表示パネルは、実質的に直交する請求項１１に記載の光弁投射システム。
【請求項１４】
前記反射型表示パネルは、反射型液晶質表示パネルを含む請求項１１に記載の光弁投射システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型ＬＣ変調器の結像装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
液晶の技術は、少数の用途を述べると、投射テレビジョン、コンピュータのモニター、販売時点管理のディスプレイ、及び電子映画で用いる投射ディスプレイに適用されてきた。
【０００３】
ＬＣデバイスのより最近の用途は、シリコン基板上の反射型ＬＣディスプレイである。シリコンに基づいた反射型ＬＣディスプレイは、しばしば、液晶分子の軸を選択的に回転させるために使用される相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯＳ）トランジスタ／スイッチの能動マトリックスを含む。
【０００４】
液晶の分子は、光学的に異方的である。ＣＭＯＳトランジスタが、‘オン’の状態にあるとき、関連した電場は、分子を、その場と平行に配向させるように回転させることができる。この様式で配向させたときには、ＬＣの異方的な光学特性の効果は、最小である。別の言い方をすれば、この回転した状態においては、ＬＣ分子は、ＬＣ媒体を横断する光の偏光の状態に非常に小さい効果を有する。
【０００５】
しかしながら、ＣＭＯＳトランジスタが、‘オフ’状態にあるとき、ＬＣ分子の異方的な特性の効果は、最大であり、ＬＣ媒体を横断する光の偏光の状態に最も大きい効果を有する。
【０００６】
配列におけるトランジスタの選択的な切り替えによって、画像情報で光を変調するために、ＬＣ媒体を使用することができる。そして、この変調された光を、投射光学部品によってスクリーン上に結像させ、それによって画像又は映像を形成することができる。
【０００７】
テレビジョンの観察面などが、望ましくは、大きい一方で、（しばしばパネルと呼ばれる）反射型ＬＣディスプレイは、望ましくは、小さく、おおよそ３ｃｍ２程度である。例えば、背面映写テレビジョンの観察面が、おおよそ１ｍ２の面積を有し、ホーム・シアターの前面投射器の観察面は、おおよそ５ｍ２の面積を有する。
【０００８】
パネルの面積及び観察面の面積の間における格差を考慮して、比較的大きい観察面に画像を投射するために、パネルからの光を有意に拡大することが、しばしば必要である。この所望の倍率を達成するために、ＴＶの場合にはキャビネットの大きさ又は前面投射器の場合には投射器及びスクリーンの間における距離によって規定される、投射の経路長が、通常、予め決められるので、短い後部焦点距離を備えたレンズを有さなければならない。
【０００９】
相対的に小さい焦点距離を備えた投射レンズを有するという要請と矛盾することは、パネル及び投射レンズの間に位置付けられたある一定のデバイスを有するという典型的なシステムにおける要望である。例えば、パネル及び投射レンズの間において偏光を弁別するデバイス及びＬＣ補償器を有することは、しばしば必要である。このようなデバイスの配置は、ＬＣパネル及び投射レンズの樽状部の後側の距離である、ＬＣ投射組み立て品の作動距離を、それが、レンズの後側焦点距離よりも大きくなる程度まで、増加させる。
【００１０】
ある一定の既知のレンズが、ＬＣ投射器の用途において相対的に大きい作動距離の問題を克服するために、使用されてきた。残念ながら、この種の長い作動距離のレンズは、多くの用途で望ましくない。相対的に長い作動距離の問題を回避するために使用される他の既知のレンズは、光学の分野の許容し難い曲率、及び／又はスクリーンにおける画像の質を減少させる、他の光学収差に帰着する。従って、これらの既知のレンズは、望ましくない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の目的は、高価な投射レンズに対する要望なしに相対的に大きい自動作動距離を有する光弁投射システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この目的は、請求項１に特定されるような本発明による光弁投射システムによって達成される。
【００１３】
本発明の具体例としての実施形態によれば、光学装置は、反射型液晶パネル及び光学デバイスを含む。光学デバイスは、光学デバイス及び投射レンズの間に位置付けられた像平面に画像を形成する。画像は、実質的に、ザイデル（Ｓｅｉｄｅｌ）収差のないものである。
【００１４】
さらに好都合な実施形態は、従属請求項に特定される。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
本発明は、添付する図面の図と共に読むとき、以下の詳細な説明から最も良く理解される。様々な特徴を必ずしも実物大に描かないことが、強調される。事実、議論を明瞭にするために、寸法を任意に増加させてもよいか又は減少させてもよい。
【００１６】
以下の詳細な説明において、説明の目的のためであって限定のためではなく、本発明の完全な理解を提供するために、特定の細部を開示する具体例としての実施形態を述べる。しかしながら、本開示の利益を有していた当業者には、本発明を、ここで開示される特定の細部から逸脱する他の実施形態で実施してもよいことが、明らかであると思われる。さらに、本発明の記載をわかりにくくしないために、周知のデバイス、方法、及び材料の記載を省略することもある。
【００１７】
図１は、本発明の具体例としての実施形態による反射型ＬＣ投射システム１００を示す。システム１００は、ランプ１０１、光学デバイス１０２、反射型液晶パネル１０３、及び投射レンズ１０５を含む。光学デバイス１０２は、投射レンズ１０５の後側焦点面にＬＣパネル１０３の１×の画像を形成する（それによって、投射レンズによる倍率に対する仮想物体を形成する）ための光学素子を含んでもよい。加えて、光学デバイス１０２は、偏光の弁別を果たす素子（例えば、偏光ビームスプリッター、偏光子など）を含んでもよく、それら素子は、ＬＣ投射システムにおいて有用であることもある。
【００１８】
（ＬＣ光弁としても知られている）反射型ＬＣパネル１０３は、実例として、ネマチック液晶の層、パネルと共に積層された電気回路（例えば、ＣＭＯＳスイッチ回路）、内層、カバーガラス、及びある配列に複数の画素を形成するために使用される他のデバイスを含む。
【００１９】
投射レンズ１０５は、実例としておおよそ１０ｍｍ及び３５ｍｍの範囲における相対的に短い後側焦点距離を有する。投射レンズ１０５は、ＬＣパネル１０３の有意に拡大された画像を投射するために使用され、投射レンズ１０５は、十分に、当業者の範囲内にあり、簡略にするために、そのさらなる詳細を省略する。
【００２０】
ここに記載したこの及び他の実例となる実施形態によれば、光学デバイス１０２は、投射レンズが、相対的に大きい作動距離にもかかわらず、ＬＣパネル１０３を適切に拡大することを可能とする。先に述べたように、多くのＬＣ投射システムにおける相対的に大きい作動距離は、ＬＣパネル及び投射レンズの間におけるある一定の素子の要求される配置を結果として生じる。さらに、これらの素子は、相対的に大きくあり得る。例えば、適切な接触を提供するために、ＬＣパネルは、通常、テレセントリックな光で照明される。これは、ＬＣパネルから離れる方向において、照明すると共に反射されるビームの拡大に帰着する。従って、光学デバイス１０２は、これらの拡大するビーム（典型的な発散角度は、１０−１５度である）を収容するために、ＬＣパネルの寸法よりも大きくなければならない。結局、これは、多くのＬＣ投射システムで作動距離を増加させ得る。
【００２１】
実例となる実施形態を通じて詳細に記載したように、多くのＬＣ投射システムにおける相対的に大きい作動距離によって与えられた問題を克服するために、ＬＣパネルの１×の画像が、投射の後側焦点面に形成される。
【００２２】
ランプ１０１からの光ビーム１０６は、光学デバイス１０２に入射する。ランプからの光１０６は、通常、直線偏光のものであると共に均一である。これは、（図１に示さない）ビームホモジナイザー及び偏光子を使用して、果たされることもある。光学デバイス１０２は、液晶媒体の軸外における複屈折の効果を実質的に回避することができるように、光ビーム１０７を反射型ＬＣパネルへテレセントリックに伝達する。今記載した様式で、光ビーム１０７をＬＣパネルから元の場所へ反射させる。
【００２３】
先に参照したように、反射型ＬＣパネル１０３のＣＭＯＳスイッチは、パネルを横断する光の変調を果たす。ＬＣパネル１０３から元の場所へ反射される光のいくらかは、光のいくらかが、その中に元々の偏光の状態を残して反射される一方で、一つの直線偏光の状態から別の（直交する）直線偏光の状態へ変換される。例えば、光１０６が、ｓ偏光の光であったとすれば、それは、ＬＣパネルから、ｓ偏光の光又はｐ偏光の光として出てくることができるであろう。前者の場合は、後者が変調された光である一方で、変調されてない光に属する。
【００２４】
そして、変調された光は、光学ビーム１０８として光学素子１０２によって伝達され、結局、‘明るい’画素としてスクリーン上に結像させられる。対照的に、変調されてない光は、その元々の偏光の状態で、ＬＣパネル１０３から出てくると共に、像平面１０４に結像させられない。この変調されてない光は、スクリーン上に‘暗い’画素を形成する。スクリーン上に画像を形成するために光学信号を変調するための偏光の変換を果たすためのＬＣ媒体の使用におけるさらなる詳細は、Ｐ．ＪａｎｓｓｅｎによるＰｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  Ｄｉｓｐｌａｙｓ  Ｉ，ＳＰＩＥ  Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ  ２４０７，ｐｐ．１４９−１６６ｌ；１９９５の“Ｅｆｆｅｃｔ  ｏｆ  Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｅｌｅｃｒｉｃａｌ  Ａｎｉｓｏｔｒｏｐｙ  ｏｎ  Ｃｏｌｏｒ  Ｓｅｑｕｅｎｔｉａｌ  Ｄｉｓｐｌａｙ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ”に見出されることもある。この論文の開示は、具体的に、ここでは参照によって組み込まれ、全ての目的のためにある。
【００２５】
光学デバイス１０２は、像平面１０４に投射レンズに対する仮想物体を形成する光学ビーム１０８を伝達する。この像平面１０４は、投射レンズ１０５の後側焦点距離に位置付けられる。都合良くは、光学デバイス１０２は、反射型ＬＣパネルの用途において、短い焦点距離の投射レンズの使用を許容し、それによって、既知の反射型ＬＣパネルに基づく投射システムの相対的に長い作動距離と関連した欠点を回避する。
【００２６】
特徴として、光学素子１０２は、実質的に単位倍率で及び実質的にザイデル収差なしで、反射型ＬＣパネル１０３からの光を選択的に結像させる。結局、これは、実質的にこれらの収差の有害な効果なしに、スクリーン上への画像の投射を可能とする。有益に、（長い後側焦点距離の投射レンズに比較して相対的に低いコストを有する）相対的に短い後側焦点距離の投射レンズを使用してもよいので、光学素子１０２は、反射型ＬＣパネルの投射システムにおける、改善された画質及び減少したコストを促進する。
【００２７】
参照したように、反射型ＬＣパネル及び、スクリーン上の画像の倍率に関して使用される、投射レンズの間にある一定のデバイスを有することが、しばしば必要である。反射型ＬＣ投射機構で通常使用される一つのこのようなデバイスは、偏光弁別器の一つのタイプである、偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）である。ＬＣ投射の用途において、スクリーンへ一つの直線偏光状態の光を透過させるために、及び別の直線偏光状態の光がスクリーンへ伝達されることを予防するために、ＰＢＳを使用してもよい。（偏光ビームスプリッターは、当業者に知られているので、議論を簡略にするために、そのさらなる詳細を省略する。）本記載が進行するにつれてより明確になると思われるが、伝達された直線偏光は、スクリーンへ‘明るい’画素を投射し、スクリーンへ到達することが予防される直線偏光の光は、それにおいて‘暗い’画素になる。
【００２８】
図２は、本発明の別の具体例としての実施形態による反射型ＬＣ投射システム２００を示す。システム２００は、ランプ２０１、偏光子２０２、ＰＢＳ２０３、ＬＣ補償器２０４、及びＬＣパネル２０５を含む。
【００２９】
また、システム２００は、四分の一波長板２０６、平凸レンズ２０７、及びミラー２０８を含む。以下により詳細に記載するように、平凸レンズ２０７及びミラーは、（その発明者の名を取って命名された）ダイソン（Ｄｙｓｏｎ）のリレーを形成し、そのリレーは、Ｊ．ＤｙｓｏｎによるＪｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ａｍｅｒｉｃａ，Ｖｏｌ．４９，Ｎｏ．７（Ｊｕｌｙ  １９５９）の“Ｕｎｉｔ  Ｍａｇｎｉｆｉｃａｔｉｏｎ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｗｉｔｈｏｕｔ  Ｓｅｉｄｅｌ  Ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ”に記載されており、その開示は、具体的に、ここでは参照によって組み込まれる。
【００３０】
特定の直線偏光状態の光は、像平面２０９に結像させられ、投射レンズ２１０に対して仮想物体を形成し、そのレンズは、図２に示さない、スクリーン上に仮想物体を結像させる。有益に、像平面２０９は、投射レンズ２１０の後側焦点距離に位置付けられる。図１に示す具体例としての実施形態と関連して記載したように、及び、具体例としての本実施形態と関連して以下に記載することになるように、投射レンズ２１０の後側焦点距離は、相対的に短い。この比較的短い焦点距離の投射レンズは、反射型ＬＣ投射システムにおけるＰＢＳの含有によって付与される相対的に長い作動距離に適応するために、既知の構造で使用される長い後側焦点距離の投射レンズよりも複雑ではないと共にその長い後側焦点距離の投射レンズよりも高価ではない。
【００３１】
加えて、ダイソンのリレーのおかげで、ザイデル収差は、一次の近似まで実質的に回避される。このために、ダイソンのリレーは、対称的な光学システム（すなわち、中央平面に対して対称的）である。本記載が進行するにつれてより明確になると思われるが、このような対称的な光学システムを横断する光は、それ自体に‘折りたたまれる’が、前方の方向で対称的な光学システムの素子を横断する光が、後方の方向で同じ素子を横断することになることを意味する。この対称性は、対称的な光学システムの画像におけるザイデル収差を実質的に除去する。
【００３２】
ランプ２０１からの光は、直線偏光子２０２を横断し、その偏光子は、直線偏光した光２１１を透過させる。（議論の目的のために、直線偏光した光２１１は、ｓ偏光した光である。）ＰＢＳ２０３は、直線偏光した光２１１と同じ状態で直線偏光させられる光を反射させるように選ばれる。このようなものとして、具体例としての本実施形態のｓ偏光した光が、ＰＢＳ２０３によって反射させられ、ＬＣパネル２０５にテレセントリックに入射する。ＬＣパネル２０５の液晶は、当業者に周知の様式で、電圧源（実例としてはＣＭＯＳトランジスタのスイッチ）によって変調される。当業者に周知であるように、ＬＣ補償器２０４は、駆動電圧が、液晶の複屈折のない状態を付与するために十分であるとすれば、コントラストを強調するために使用される。容易に認識することができるように、ＬＣ補償器は、依然として、投射レンズの後側焦点面の間における距離をさらに増加させることができる別の素子である。
【００３３】
先に参照したように、結晶のタイプに依存して、ＬＣを二回（入射方向に一回及び反射される方向に一回）横断する光の偏光の状態を変えるために、電圧に誘発される複屈折を使用することができる。図２と関連して記載した実例としての実施形態において、ＣＭＯＳトランジスタのスイッチが‘オフ’状態にある領域で、ｓ偏光した光は、複屈折の液晶によって変換される。通常、結晶の配向及び媒体の厚さは、光の正常成分及び異常成分の間でπ／２の相対的な位相ずれを導入するＬＣパネル２０５に帰着する。別の言い方をすれば、ＣＭＯＳトランジスタのスイッチが‘オフ’状態にある領域で、ＬＣパネル２０５は、四分の一波長板のように作用する。このようなものとして、反射によって媒体を二回横断するｓ偏光した光は、正常波及び異常波の間におけるπラジアンの相対的な位相差の導入によって、ｐ偏光した光２１２として液晶から出てくる。対照的に、ＣＭＯＳトランジスタのスイッチが‘オン’状態にあるＬＣパネル２０５のそれらの領域においては、ＬＣ媒体は、光学的に等方的に挙動し、これらの領域に入射する光のｓ偏光した光は、ＬＣ補償器２０４を二回横断し、偏光の変換を受けてこなかったｓ偏光した光として出てくる。
【００３４】
ｓ偏光したものからｐ偏光したものへ変換されてしまった光は、ＬＣパネル２０５によって変調されてしまったと言われる。この光は、投射レンズ２１０によって‘明るい’画素としてスクリーン上へ投射されるものである。ＰＢＳ２０３は、それを通じてｐ偏光した光を透過させる。対照的に、ｓ偏光した光は、この偏光状態のままであるが、ＰＢＳ２０３によって、ランプ２０１に向かって元の場所へ反射させられる。スクリーンにおけるこの光の欠如は、その上で‘暗い’画素に帰着する。注文の配列に反射型素子及びＣＭＯＳトランジスタを含む、ＬＣパネル２０５にわたって液晶が配置されると、ＬＣパネル２０５から反射された光の画像は、スクリーンに明るい及び暗い画素のパターンを、それによって所望の映像を、形成する。重ねて、ＬＣ媒体を使用するこの結像の過程のさらなる詳細は、Ｐ．Ｊａｎｓｓｅｎへの上記の論文に見出されることもある。
【００３５】
ｐ偏光した光２１２は、ここで記載することになる理由のために、四分の一波長板２０６を横断する。ｐ偏光した光は、円偏光した光２１３として四分の一波長板から出てくると共に、平凸レンズ２０７によってミラー２０８に焦点合わせさせられる。円偏光した光２１３は、ミラーによって反射させられ、ミラー２０８及び平凸レンズ２０７の組み合わせられた作用によって共役に結像させられ、四分の一波長板２０６によってさらなる回転を受け、ｓ偏光した光２１４として出てくる。ｓ偏光した光２１４は、ＰＢＳ２０３によって反射させられ、像平面２０９に結像させられる。この画像は、投射レンズ２１０の仮想物体になる。
【００３６】
上記の結像の過程の検討から容易に認識することができるように、四分の一波長板２０６は、通常、ｐ偏光した状態からｓ偏光した状態へ光を、それが、ＰＢＳ２０３によって反射させられると共に像平面に結像させられるように、変換する。この様式において、ＰＢＳ２０３及び四分の一波長板は、（ｐ状態における）ＬＣ補償器によって変調された光が、スクリーン上へ結像されることを可能とする。ＰＢＳ２０３及び四分の一波長板２０６が、この目的を達成するための単に実例としてのデバイスであることに留意する。それぞれＰＢＳ２０３及び四分の一波長板２０６によって達成されるこの所望の偏光の弁別／選択及び偏光の変換を達成するために使用される、他のデバイスを使用してもよいことに留意する。このようなデバイスは、当業者の範囲内にある。
【００３７】
上述したように、平凸レンズ２０７及びミラー２０８は、ダイソンのリレーを形成する。平凸レンズ２０７及びミラー２０８で構成されたダイソンのリレーは、都合よくは、実質的にザイデル収差なしの単位倍率の結像システムを形成する。実例として、ミラー２０８は、曲率半径Ｒを有し、平凸レンズ２０７の凸面は、曲率半径ｒを有する。平凸レンズの中心厚は、凸面の曲率中心が、平坦な側にあるようなものである。
【００３８】
ここに記載した実施形態のＬＣ投射システム２００で使用されるとき、ダイソンのリレーは、物体（この場合には、反射型ＬＣパネル２０５）を、像平面２０９にそれ自体と一致する単位倍率で結像させ、さらなる結像のための仮想物体として役立つことができる実像を形成することを可能とする。都合よくは、像平面に形成される仮想物体は、投射レンズに近接して置かれ、それによって、短い後側焦点距離を備えたレンズの使用を可能とする。これは、ザイデル収差の有害な効果なしの相対的に大きい作動距離を有するシステムにおいて、コストにおける減少を促進する。
【００３９】
上で参照したように、また、ダイソンへの論文に記載したように、ダイソンのリレーは、単位倍率を達成する。単位倍率のために、対称性が、実現され、ミラー２０８から反射された光は、平凸レンズを逆に横断し、一次の収差の相殺がある。このようなものとして、ダイソンのリレーが、図２の具体例としての実施形態の投射レンズシステム２００と関連して記載される一方で、短い後側焦点距離を有する投射レンズの後側焦点面に実質的にザイデル収差のない１×の画像を形成するという所望の目的を達成することができる他のデバイスを使用してもよいことに留意する。
【００４０】
本発明を具体例としての実施形態の議論と関連して詳細に記載してきたが、本発明の変更が、本開示の利益を有していた当業者には明らかであると思われることは、明確である。このような変更及び変動は、添付した特許請求の範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の具体例としての実施形態による反射型ＬＣデバイスにおける投射レンズシステムを示す。
【図２】本発明の別の具体例としての実施形態による反射型ＬＣデバイスにおける投射レンズシステムを示す。
【図１】
2005528655.tif 000003
【図２】
2005528655.tif 000004
【国際調査報告】
2005528655.tif 000005
2005528655.tif 000006