(57)【要約】【解決手段】  画像投影システム（１０）は１つ以上のグリッド偏光ビームスプリッター（１４ａ〜ｃ、２８、２９）と１つ以上の透過アレイ（１６ａ〜ｃ）とを備える。光源（２２）及び前段偏光器（２６ａ〜ｃ）からの偏光ビームは透過アレイに向けられ、画像情報を符号化するため偏光光ビームの偏光成分を選択的に変えることで偏光ビームの偏光成分を変調させ、変調ビームを形成する。変調ビームは、該ビームを反射及び透過ビームへと分離する分析器として働くワイヤグリッド偏光ビームスプリッターに向けられる。スクリーン（１８）が符号化画像情報を表示するため反射及び透過ビームの一つに配置される。偏光ビームスプリッターは、反射ビームが透過アレイから離れるように変調ビームに対し所定角度に配位される。複数の透過アレイを異なる色のために使用可能である。１つ以上の偏光ビームスプリッター（２８、２９）は分析器及び結合器の両方として機能できる。
2005538415.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
明るい明瞭な画像を提供するための画像投影システムであって、
（ａ）  可視光ビームを生成することができる光源と、
（ｂ）  前記光源の近傍で前記可視光ビーム内に配置され、該光ビームを偏光光ビームに偏光させるように構成された、少なくとも第１の偏光器と、
（ｃ）  前記第１の偏光器の近傍で前記偏光光ビーム内に配置された、少なくとも１つの透過アレイであって、画像情報を符号化するため該偏光光ビームの偏光成分を選択的に変えることにより該偏光光ビームの偏光成分を変調して変調ビームを形成することができる、前記透過アレイと、
（ｄ）  前記透過アレイの近傍で前記変調ビーム内に配置された、少なくとも１つの偏光ビームスプリッターであって、
（１）  前記変調ビーム内に配置された第１の表面を有する透明基板と、
（２）  前記基板により支持された、薄い細長い要素の略平行構成部であって、
（ｉ）  前記要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに垂直である偏光成分を有する光を該要素を通して透過させ、透過ビームを形成し、
（ｉｉ）  前記要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに平行である偏光成分を有する光を該要素から反射させて反射ビームを形成するように、該構成部が構成され、前記要素は前記変調ビームの電磁波と相互作用するようにサイズが定められる、前記構成部と、
を有する、前記少なくとも１つの偏光ビームスプリッターと、
（ｅ）  前記偏光ビームスプリッターは、前記変調ビームが前記透明基板の第１の表面に所定角度で入射し、前記反射ビームが前記透過アレイから離れる方に差し向けられるように該変調ビームに対して所定の角度に配位され、
（ｆ）  前記符号化された画像情報を表示するため、前記反射ビーム及び前記透過ビームのいずれかに配置された、スクリーンと、
を備える、画像投影システム。
【請求項２】
（ａ）  前記第１の偏光器は、前記光ビーム内に配置された、第１の偏光ビームスプリッターを更に備え、該第１の偏光ビームスプリッターは、
（１）  前記光ビーム内に配置された第１の表面を有する透明基板と、
（２）  前記基板により支持された、薄い細長い要素の略平行構成部であって、
（ｉ）  前記要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに垂直である偏光成分を有する光を該要素を通して透過させて第１の偏光透過ビームを形成し、
（ｉｉ）  前記要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに平行である偏光成分を有する光を該要素から反射させて第１の偏光反射ビームを形成するように、該構成部が構成され、前記要素は前記光ビームの電磁波と相互作用するようにサイズが定められる、前記構成部と、
を有し、
（ｂ）  前記透過アレイは、前記偏光反射ビーム及び前記第１の偏光透過ビームのいずれかに配置される、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項３】
前記偏光ビームスプリッターは、約０度乃至約８０度の入射角度で前記変調ビームに対して配位されている、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項４】
前記偏光ビームスプリッターは、４７度よりも大きく４３度よりも小さい入射角度で前記変調ビームに対して配位されている、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項５】
前記光ビームは、有用な発散円錐形態を有し、該円錐形態の半分の角度が約１２度乃至約２５度の範囲にある、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項６】
前記偏光ビームスプリッターは、約ｆ／２．５より小さいＦナンバーで使用される、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項７】
前記偏光ビームスプリッターは、ｐ偏光透過光の分数比とｓ偏光反射光の分数比との積により画定される、少なくとも５０％のスループットを有し、前記ｓ偏光反射光及び前記ｐ偏光透過光は、両方とも５％より少ない、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項８】
前記偏光ビームスプリッターは、ｓ偏光透過光の分数比とｐ偏光反射光の分数比との積により画定される、少なくとも５０％のスループットを有し、前記ｐ偏光透過光及び前記ｓ偏光反射光は、両方とも５％より少ない、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項９】
前記偏光ビームスプリッターは、反射光の分数比と透過光の分数比との積により画定される、前記光ビームに関して少なくとも６５％のスループットを有し、前記反射光のパーセンテージ又は前記透過光のパーセンテージは、約６７％より大きい、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項１０】
前記要素の構成部は、約０．２１ミクロンより小さい周期を有し、
前記要素は、約０．０４乃至約０．５ミクロンの厚さを有し、
前記要素は、前記周期の約３０乃至約７６％の幅を有する、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項１１】
前記偏光ビームスプリッターは、
（ａ）  前記透明基板から離れて所定の屈折率を有する第２の層であって、前記要素は、該透明基板と該第２の層との間に配置されている、前記第２の層と、
（ｂ）  前記要素の間に形成され、前記透明基板の屈折率よりも小さい屈折率を提供する内容物を有する、複数の隙間と、
を更に備える、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項１２】
前記要素の間の前記隙間の内容物は空気を含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項１３】
前記要素の間の前記隙間の内容物は真空を含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項１４】
前記要素の間の前記隙間の内容物は、前記透明基板及び前記第２の層の材料とは異なる材料を含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項１５】
前記隙間の内容物は、前記第２の層と同じ材料である材料を含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項１６】
前記隙間の内容物は、第１の前記透明基板と同じ材料である材料を含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項１７】
前記要素の間の前記隙間の内容物は、水を含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項１８】
前記要素の間の前記隙間の内容物は、フッ化マグネシウムを含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項１９】
前記要素の間の前記隙間の内容物は、オイルを含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項２０】
前記要素の間の前記隙間の内容物は、炭化水素化合物を含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項２１】
前記要素の間の前記隙間の内容物は、プラスチックを含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項２２】
前記要素の間の前記隙間の内容物は、フロラネイティド炭化水素を含む、請求項１１に記載の画像投影システム。
【請求項２３】
前記構成部は所定の形態を有し、前記要素は所定のサイズを有し、これにより、通常、可視光スペクトルの範囲内で前記層の一つと組み合わされて共鳴効果を形成し、前記層の一つの屈折率よりも低い屈折率の前記隙間の内容物は、通常発生する前記共鳴効果をより低い波長へとシフトさせ、これにより、該共鳴効果が発生しない可視光波長の帯域を拡大する、請求項１に記載の画像投影システム。
【請求項２４】
画像投影システムであって、
（ａ）  可視光ビームを生成することができる光源と、
（ｂ）  前記可視光ビームを、各々異なる帯域幅を有する複数の色付ビームへと分離するため、前記光源近傍で該可視光ビーム内に配置された、帯域幅セパレータと、
（ｃ）  前記光源近傍で該可視光ビーム内に配置され、前記光ビームを偏光させるように構成された、少なくとも１つの第１の偏光器と、
（ｄ）  前記セパレータ及び前記少なくとも１つの第１の偏光器は、複数の色付偏光ビームを生成し、
（ｅ）  前記色付偏光ビームの一つに各々配置された、複数の透過アレイであって、各アレイは、画像情報を符号化するため前記色付偏光ビームの偏光成分を選択的に変えることにより各々の該色付偏光ビームの偏光成分を変調して色付変調ビームを形成することができる、前記複数の透過アレイと、
（ｆ）  前記色付変調ビームのうち少なくとも２つの中に配置された、少なくとも１つの偏光ビームスプリッターであって、該少なくとも１つの偏光ビームスプリッターは、（１）該少なくとも２つの色付変調ビームに符号化された画像情報を分離し、（２）該少なくとも２つの色付変調ビームを一つの結合ビームへと結合させ、前記少なくとも１つの偏光ビームスプリッターは、
（１）  前記少なくとも２つの色付変調ビーム内に配置された第１の表面を有する透明基板と、
（２）  前記基板により支持された、薄い細長い要素の略平行構成部であって、
（ｉ）  前記要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに垂直である偏光成分を有する光を該要素を通して透過させて色付透過ビームを形成し、
（ｉｉ）  前記要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに平行である偏光成分を有する光を該要素から反射させて色付反射ビームを形成するように、該構成部が構成され、前記要素は前記色付変調ビームの電磁波と相互作用するようにサイズが定められる、前記構成部と、
を有する、前記少なくとも１つの偏光ビームスプリッターと、
（ｇ）  前記符号化された画像情報を表示するため、前記結合ビーム内に配置された、スクリーンと、
を備える、画像投影システム。
【請求項２５】
前記少なくとも１つの偏光ビームスプリッターは、前記少なくとも２つの色付変調ビームに対して所定の角度で配位され、それにより、該色付変調ビームの各々は、前記少なくとも１つの偏光ビームスプリッターの前記透明基板の第１の表面に所定の角度で入射し、前記色付反射ビームは、各々の前記透過アレイから離れる方に差し向けられる、請求項２４に記載の画像投影システム。
【請求項２６】
前記少なくとも１つの第１の偏光器は、
（ａ）  前記光ビーム内に配置された第１の表面を有する透明基板と、
（ｂ）  前記基板により支持された、薄い細長い要素の略平行構成部であって、
（ｉ）  前記要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに垂直である偏光成分を有する光を該要素を通して透過させて第１の透過ビームを形成し、
（ｉｉ）  前記要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに平行である偏光成分を有する光を該要素から反射させて第１の反射ビームを形成するように、該構成部が構成され、前記要素は前記光ビームの電磁波と相互作用するようにサイズが定められる、前記構成部と、
を有する、請求項２４に記載の画像投影システム。
【請求項２７】
前記少なくとも１つの第１の偏光器は、前記光ビームに対して鋭角をなすように配位され、該光が第１の前記偏光ビームスプリッターの前記第１の表面に鋭角をなして入射するようにしている、  請求項２６に記載の画像投影システム。
【請求項２８】
画像投影システムであって、
（ａ）  可視光ビームを生成することができる光源と、
（ｂ）  前記可視光ビームを、各々異なる帯域幅を有する複数の色により特徴付けられた複数の色付ビームへと分離するため、前記光源近傍で該可視光ビーム内に配置された、帯域幅セパレータと、
（ｃ）  前記光源近傍で該可視光ビーム内に配置され、前記光ビームを偏光させるように構成された、少なくとも１つの第１の偏光器と、
（ｄ）  前記セパレータ及び前記少なくとも１つの第１の偏光器は、複数の色付偏光ビームを生成し、
（ｅ）  前記色付偏光ビームの一つに各々配置された、３つの透過アレイであって、各アレイは、画像情報を符号化するため前記色付偏光ビームの偏光成分を選択的に変えることにより各々の該色付偏光ビームの偏光成分を変調して色付変調ビームを形成することができる、前記３つの透過アレイと、
（ｆ）  ２つの前記透過アレイの近傍で２つの異なる色付変調ビーム内に配置され、該２つの異なる色付変調ビームを第１の結合ビームへと結合させる、第１の偏光ビームスプリッターと、
（ｇ）  別の前記透過アレイ及び前記第１の偏光ビームスプリッターの近傍に配置され、該別の透過アレイからの色付変調ビーム及び前記第１の結合ビームを第２の結合ビームへと結合させる、第２の偏光ビームスプリッターと、
（ｈ）  前記第１及び第２の偏光ビームスプリッターの各々は、
（１）  第１の表面を有する透明基板と、
（２）  前記基板により支持された、薄い細長い要素の略平行構成部であって、
（ｉ）  前記要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに垂直である偏光成分を有する光を該要素を通して透過させ、
（ｉｉ）  前記要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに平行である偏光成分を有する光を該要素から反射させるように前記構成部が構成され、前記要素は前記色付変調ビームの電磁波と相互作用するようにサイズが定められる、前記構成部と、
を有し、
（ｉ）  前記符号化された画像情報を表示するため、前記第２の結合ビーム内に配置された、スクリーンと、
を備える、画像投影システム。
【請求項２９】
前記第１及び第２の偏光ビームスプリッターは、各々の前記色付変調ビームに対して所定の角度で配位され、それにより、該色付変調ビームの各々は、各々の前記偏光ビームスプリッターの前記透明基板の第１の表面に所定の角度で入射し、前記色付反射ビームの各々は、各々の前記透過アレイから離れる方に差し向けられる、請求項２８に記載の画像投影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、光の一つの直線偏光成分を反射し、他の偏光成分を伝達する偏光ビームスプリッターを備える可視光スペクトル内で作動可能な画像投影システムに関する。より詳しくは、本発明は、光の一つの偏光成分を伝達若しくは透過させ、他の偏光成分を反射するため光源の電磁場と相互作用する複数の細長い反射要素から構成されたコンパクトな軽量ビームスプリッターを備えた画像投影システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光光は、例えば投影液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）等、幾つかの用途において必要となる。そのようなディスプレイは、典型的には、光源、光を集めて合焦させるためのレンズ等の光学要素と、該光の一つの偏光成分を液晶アレイに伝達させる偏光器と、光の偏光を操作し、画像情報を符号化するための液晶アレイと、偏光を変化又は保持するため該アレイの各画素を取り組むための手段と、選択された画素から望ましくない光を却下するための第２の偏光器（所謂、分析器）と、画像が合焦されるところのスクリーンと、から構成される。
【０００３】
第１の偏光器と第２の偏光器（分析器）として両方の働きを奏するため単一の偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を使用することが可能である。例えば、液晶アレイが反射性を有し、例えば、シリコン上の液晶（ＬＣＯＳ）光バルブである場合、それは、選択された画素の偏光を変更させることにより画像を符号化した後、偏光器から偏光器へと直接ルビームを反射させることができる。そのようなシステムは、タカナシにより構想された（米国特許番号５，２３９，３２２号）。そのコンセプトは、フリッツ及びゴールドにより念入りに仕上げられた（米国特許番号５，５１３，０２３号）。これらの類似のアプローチは、光学的レイアウト及び性能に重要な利点を提供する。しかし、従来の偏光ビームスプリッターにおける欠陥の故に、実際には何も実現されていなかった。投影液晶ディスプレイにおいて従来の偏光ビームスプリッターを使用することの欠点は、明るくない画像、低いコントラスト、不均一なカラーバランス又は不均一な強度（光円錐に関する不均一性能に起因した）を含んでいる。加えて、多数の従来の偏光ビームスプリッターは、余剰加熱の故に短命である上に、非常に高価である。
【０００４】
そのような画像投影システムを商業上成功させるためには、従来の陰極線管（ＣＲＴ）のテレビディスプレイにより提供された画像よりもかなり良い画像を分配しなければならない。そのようなシステムは従来のＣＲＴ技術よりも高価となりそうであるからである。従って、画像投影システムは、（１）適切な色又はカラーバランスを備えた明るい画像と、（２）良好な画像コントラストと、（３）可能な限り安価であることを提供しなければならない。改善された偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）は、この目標を達成する上で重要な部品である。ＰＢＳは、ディスプレイシステムの可能な性能を決定する限定された構成要素であるからである。
【０００５】
表示性能にかなり影響を及ぼすＰＢＳ特性は、（１）偏光器が機能することができる、角度アパーチャ、即ちｆナンバー、（２）  ＰＢＳの使用に伴う、吸収度又はエネルギー損失、及び、（３）ＰＢＳの耐久性である。光学では、ｆナンバーの角度アパーチャは、ＰＢＳが使用し、所望の性能レベルを維持することができる光円錐の角度を記載している。より大きな円錐、即ち、小さいｆナンバーが望まれている。より大きな円錐は、より大きな光が光源から集められることを可能にし、より大きなエネルギー効率及びよりコンパクトなシステムをもたらすからである。
【０００６】
ＰＢＳの使用に関連する吸収度及びエネルギー損失は、明らかにシステムの明るさに影響を及ぼす。光学系で損失される光が多ければ多いほど、ビュースクリーンに投影することができる光は、より少なくなるからである。加えて、偏光器により吸収される光エネルギーの量は、光学システムを通過する光が、平方センチメートル当たりのワット数のオーダーで非常に強烈であるところの画像投影システムにおいて特に、その耐久性に影響を及ぼす。この強烈な光は、例えばポラロイドシート等の一般の偏光器に容易に損傷を及ぼし得る。実際、耐久性の問題は、これらの用途で使用することができる偏光器を制限する。
【０００７】
耐久性も重要である。投影システムをより小さく且つより軽く作ることができるほど、その製品はより安価でより望ましいものとなるからである。しかし、この目標を達成するためには、光の強度を更に高く上げなければならず、ＰＢＳに更に圧迫を与え、その有用寿命を短くするからである。
【０００８】
従来のＰＢＳ装置で問題とする欠点は、乏しい変換効率であり、ディスプレイにおいて主要に重要な性能因子である。変換効率は、光源により要求される電力のうちどれくらいの量が、それを見る人により観察されるスクリーン又はパネル上の光強度パワーに変換されるかを示す尺度である。それは、光源により要求される電力により除算されたスクリーン上の総合的な光パワーの比率として表される。従来の単位は、ワット数当たりのルーメン数である。高い比率が、幾つかの理由により望ましい。例えば、低い変換効率は、より明るい光源を必要とし、それに伴って、より大きい電源、余剰熱、より大きいエンクロージャ及びキャビネット等を備えている。加えて、低変換効率のこれらの結果の全ては、投影システムのコストを上昇させる。
【０００９】
２つの変換効率の基本的な原因は、低い光学効率であり、これは光学システムのｆナンバーに直接関連している。ｆナンバーが半分でそれ以外では等価なシステムは、光源から４倍もの効率で光を集める可能性を持っている。従って、かなり小さいｆナンバー（より大きい角度アパーチャ）を提供することによって、光エネルギーのより効率的な収穫を可能にし、従って、ルーメンズ／ワットで測定されたときの光エネルギーの変換効率を増大させる、改善された偏光ビームスプリッター（ＰＢＳ）を提供することが望ましい。
【００１０】
投影システムでビームスプリッターとして使用されたときの変換効率に関する従来の偏光ビームスプリッターの低い性能に関して幾つかの理由が存在している。第１に、電流ビームスプリッターは、光が一定の角度（又は、この主要入射角度の回りの狭い角度の円錐内）でそれらに入射しない場合には、あまり良く働かない。この角度からの主要光線の偏差は、各種類の偏光ビームスプリッターが、強度、偏光の純度、及び／又は、カラーバランスを劣化させる。これは、光源からくるビーム、並びに、液晶アレイから反射されたビームに当てはまる。この主要な角度は、ＰＢＳの設計及び構成、並びに、これらの様々なビームスプリッターに用いられる偏光機構の物理学に依存している。現在市販されている偏光ビームスプリッターは、電磁スペクトルの可視光部分において、それらの主要な偏光角度から離れた角度では効率的に作動することができない。この拘束は、幾つかの有望な光学レイアウト、及び、商業上有用なディスプレイ設計を実施することを不可能にさせる。
【００１１】
たとえ主要光線が２つの偏光を分離するための最良の角度で偏光器に入射したとしても、他の光線は、この角度からは遠くへは発散することができず、又は、それらの可視品質は劣化される。これは、偏光器に入射する光が、典型的な光源により放射される光の効率的な使用をなすために強力に収束又は発散されなければならないため、ディスプレイ装置において深刻な欠点となる。これは、通常、光学システムのｆナンバーとして通常表される。単一のレンズに関して、ｆナンバーは、焦点距離に対するアパーチャの比率である。光学要素に関しては、一般に、ｆナンバーは次の通り定義される。
【００１２】
Ｆ／＃＝１／（２ｎ・ｓｉｎθ）
ここで、ｎは、光学要素が配置される空間の屈折率であり、θは円錐角度の半分である。Ｆナンバーが小さくなればなるほど、レンズにより収集された、放射フラックスΦｃは大きくなり、装置が明るい画像を表示するための効率は大きくなる。放射フラックスは、Ｆ／＃の２乗の逆数として増大する。光学トレインでは、最大のＦ／＃を有する光学要素が、その光学効率において制限因子となる。従来の偏光器を使用するディスプレイのためには、制限要素は、ほとんど常に偏光器であり、よって、ＰＢＳが変換効率を制限する。現在市販されているものよりも小さいＦ／＃を有する種類のＰＢＳを開発することが明らかに有利となろう。
【００１３】
従来では小さいＦ／＃を有する偏光器は利用可能ではなかったので、設計者は、典型的には、より小さく、より明るい光源を特定することにより、変換効率の問題に取り組んできた。そのような光源、典型的にはアーク灯は、利用可能であるが、それらは、重く嵩張る高価な電源を必要とし、作動中に一定冷却を必要とする。冷却ファンは、望ましくないノイズ及び振動を引き起こす。これらの特徴は、プロジェクター及び類似のディスプレイの有用性に不利益となる。再び、小さいＦ／＃を持つＰＢＳが、低出力で静かな従来の光源から光を効率的に集めることを可能にする。
【００１４】
従来の偏光ビームスプリッターの別のキーとなる欠点は、低いコントラストの画像を生じさせる、低い減衰量である。減衰量は、望ましくない偏光成分が除かれる光に対する、偏光器を通って透過された所望の偏光成分の光の比率である。効率的なディスプレイにおいては、この比率は、ＰＢＳを通過する光の全円錐に亘って最小値に維持されなければならない。従って、高いコントラスト画像を生じさせる高い減衰比を有する偏光ビームスプリッターを提供することが望ましい。
【００１５】
従来の偏光ビームスプリッターの第３の欠点は、可視光スペクトルに亘る非均一応答、又は、乏しい色彩忠実度である。その結果は、乏しいカラーバランスであり、これは、光の一部を、偏光ビームスプリッターにおける弱さに適合させるため明るい色から除外させなければならないが故に、投影ディスプレイシステムにおける更なる非効率さへと導く。従って、良好な効率で良好なカラーバランスを備えた画像を与えると共に、可視スペクトルに亘って均一応答（又は、良好な色彩忠実度）を有する、改善された偏光ビームスプリッターを提供することが望ましい。ビームスプリッターは、投影された色を歪めるのではなく色消しでなければならず、それは、偏光成分の間のクロストークを可能にしてはならない。クロストークは、画像の鋭さ及びコントラストを劣化させるからである。これらの特徴は、偏光器の全部分に亘って、及び、偏光器への光の入射角度の全てに亘って適用されなければならない。「スパー状」という用語は、断面積、固体角度、及び、偏光ビームにおける波長の相対的強度分布とを保存する偏光器を説明するため案出された（１９４９年度、光学学会誌、アメリカ３９、１０５８、Ｒ．Ｃ．ジョーンズによる）。偏光器及び分析器の両方として機能するＰＢＳは、大きな角度アパーチャの光ビームにおいてさえも、透過及び反射の両方に対してスパー状でなければならない。
【００１６】
従来の偏光ビームスプリッターの第４の欠点は、乏しい耐久性である。多くの従来の偏光ビームスプリッターは、過剰の加熱及び光化学反応により引き起こされる劣化を被る。従って、劣化の兆候を示すこと無しに数千時間に亘って強力な光子フラックスに耐えることができる改善された偏光ビームスプリッターを提供することが望ましい。加えて、経済的な大きいスケールの製作で扱いやすい偏光ビームスプリッターを提供することが望ましい。
【００１７】
これらの及び他の基準に合致させるための必要性が、投影システムにおいて実際に使用される数種類のみの偏光器をもたらした。幅広い角度アパーチャ及び高い忠実度を同じビーム分割装置に組み込むため、多くの試みがなされてきた。これらの努力の相対的な成功が以下に記載されている。薄い膜干渉フィルターは、分析器としても使用される偏光ビームスプリッターを作るための努力において最も頻繁に引用される種類の偏光器である。マックネイルは、幅広いスペクトル範囲に亘って有効であるような偏光器を説明した最初の人であった（米国特許番号２，４０３，７３１号）。それは、典型的にはガラス管内で、入射光に斜めに設定された薄膜多層から構成されており、それにより、シート状偏光器と比べて、嵩張って重くなる。更には、それは、通常４５度の単一の入射角度に対して設計されなければならず、光が２度程度さえもこれから異なる角度で入射された場合でも、その性能が乏しくなる。他のものは、設計上改善された（例えば、Ｊ．マウンチャート、Ｊ．ベーグル及びＥ．デューダによる、１９８９年、応用光学  ２８、２８４７−２８５３、及び、Ｌ．リー及びＪ．Ａ．ドブロワルスキー、１９９６年、応用光学  １３、２２２１−２２２５）。それらの技術の全ては、角度アパーチャが増大されるべき場合に波長を大幅に減少させる必要があることが見出された。これは、幾つかの設計でなすことができる（米国特許５，６５８，０６０号及び５，７９８，８１９号）。その光学設計は、光が偏光ビームスプリッターに到達する前に適切な色バンドへと該光を分割する。このようにして、ビームスプリッターにおけるスペクトルバンド幅の要求を減少させ、その角度アパーチャを拡大することが可能となる。しかし、追加の構成部品及び複雑さが、かなりのコスト、嵩張り及び重量をシステムに追加する。
【００１８】
たとえそうであっても、これらの改善されたビームスプリッターの立方体は、市場に出回っており、現在のところ、バルザース及びＯＣＬＩ等の周知のベンダーから入手可能である。それらは、典型的には、ｆ／２．５〜ｆ／２．８を提供し、２年前に利用可能であったものを超えてかなり改善されたが、それでも、光学投影システムにおいて他の重要な構成部品の到達点以内にあるＦ／１．２〜Ｆ／２．０の範囲からはまだ遠い。これらのｆナンバーに到達することは、４の因子程度までシステム効率を改善する可能性を有する。それらは、投影ディスプレイのエンジニアが例えば減少した物理的なサイズ及び重量、より低下したコスト等の他の目標に到達するために以前には不可能であった設計上のトレードオフをなすことも可能にする。
【００１９】
可視光光学から遠く離れた技術、即ちレーダーでは、ワイヤグリッドが、長い波長レーダー波を首尾よく偏光させるため使用された。これらのワイヤグリッドは、反射器としても使用された。それらは、主要には透過性偏光器要素としても使用された、赤外線（ＩＲ）の光学構成要素としても周知されている。
【００２０】
実証されなかったが、スペクトルの可視光部分における表示用途においてワイヤグリッド偏光器の使用の可能性が推察された。例えば、グリンベルグ（米国特許番号４，６８８，８９７号）は、ワイヤグリッド偏光器が、液晶ディスプレイのために反射器及び電極の両方として（同時ではないが分析器としても）機能することを提唱した。
【００２１】
他の人は、バーチャル画像ディスプレイの効率を改善するため二色性の偏光器の代わりにワイヤグリッド偏光器の使用の可能性を主張した（米国特許番号５，３８３，０５３号参照）。しかし、グリッド偏光器におけるコントラスト又は減衰の必要性が明らかに抜け落ちており、グリッドは、偏光検知ビームステアリング装置として基本的に使用されている。それは、５，３８３，０５３号特許において、分析器又は偏光器のいずれの目的も達成しない。広帯域の偏光立方体ビームスプリッターも同様に、利用可能であったならば同じ目的を奏したであろうこともそのテキストから明白である。しかし、この技術は、受け取り角度に非常に制限があり、機能的ではあり得ず、法外に高価であるものとして却下されている。
【００２２】
別の特許（米国特許番号４，６７９，９１０号）は、ＩＲカメラ及び他のＩＲ設備のテストのために設計された画像システムにおいてグリッド偏光器の使用を記載している。この場合には、当該出願は、長い波長の赤外線のためのビームスプリッターを必要としており、この場合、グリッド偏光器が唯一の実用的な回答である。当該特許は、可視光範囲のための有用性を示唆しておらず、大きな角度アパーチャのための必要性を言及してさえもいない。それは、光の可視可能な画像への効率的な変換の必要性に取り組んでおらず、広帯域性能のための必要性にも取り組んでいない。
【００２３】
スペクトルの赤外線部分のワイヤグリッド偏光器に関する他の特許も存在している（例えば、米国特許番号、４，５１４，４７９号、４，７４３，０９３号及び５，１１７，６３５号）。引用された例外を除いて、ＩＲスペクトルにおける偏光器の透過性能にのみ強調がなされている。
【００２４】
これらの文献は、ワイヤグリッド偏光器が一般に偏光器として機能することができることが長年に亘って知られていたことを実証している。それにも係わらず、それらは、明らかに、画像投影システムに関して提案されておらず、開発もされていない。ワイヤグリッド偏光器が可視光スペクトルにおいて応用されていなかった一つの可能性のある理由は、製造の困難さである。米国特許番号４，５１４，４７９号は、近赤外領域のためのワイヤグリッド偏光器を作るためフォトレジストのホログラフィー露出及び鉄ミルにおける引き続くエッチングの方法を教えている。米国特許番号５，１２２，９０７号では、金属の小さく細長い楕円物体が、透明の母剤中に埋め込まれる。透明の母剤は、次に、金属の楕円物体のそれらの長い軸をある度合いで整列させるように伸張される。透過ビームが偏光されるが、本装置は反射しない。更には、楕円形粒子は、電磁スペクトルの可視光部分で有用となるのに十分なほどには小さく作られなかった。従って、実用的な応用は、一般には、ＩＲスペクトルのより長い波長に限定されていた。
【００２５】
別の従来技術の偏光器は、角度を付けた蒸着を擦り剥くことにより遥かに細かいラインを達成している（米国特許番号４，４５６，５１５号）。残念ながら、これらのラインは、可視光との相互作用が弱くなるような小さい断面積を有し、それにより、光学的効率は、画像の生成で使用するためにはあまりに乏しい。これらの従来技術の努力の幾つかにおけるように、この装置は、非常にランダムである形状及び間隔を備えたワイヤを有する。そのようなランダムさは、性能を劣化させる。非常に接近して間隔を隔てた要素の領域が十分に透過されず、幅広く間隔を隔てた要素の領域は乏しいリラクタンスしか持っていないからである。その結果としての偏光度（減衰量）は、これらの効果のいずれか又は両方が起こる場合には最大値より小さい。それらは、配置がランダムさを有する場合には、確実に生じるからである。
【００２６】
完全な（及び完全に近い）規則性のため、格子のために開発された数学も適用される。逆に、ランダムなワイヤのために（それらが同じ配位を持つ場合でさえ）、散乱理論が最良の説明を提供する。単一の円柱ワイヤからの散乱が説明された（１９８１年、ドーバー、Ｈ．Ｃ．ヴァンダホルストによる「小粒子による格子散乱」）。現在のランダムワイヤグリッドは、基板を通して埋め込まれたワイヤを有する。ワイヤの位置が幾分ランダムであるばかりでなく、直径もそうである。散乱光線の位相がランダムとなり、それにより、反射は、厳密には、鏡のように反射するのではなく、透過は、高い空間的又は画像忠実度を保持しないことは明らかである。光ビームのそのような劣化は、良く改造された高い情報密度の画像の移送のためのその使用を妨げる。
【００２７】
従来技術には、秩序だったワイヤのアレイが、偏光器及び分析器の両方として機能するとき要求された角度で少なくともスパー状ＰＢＳとして全体的に目の見える範囲に亘って作動するように作られるべきであることを指し示し、示唆するものは何もない。実際、そのような作動のため必要となる、狭い、背の高い等間隔に配置されたワイヤを作ることの困難さは、十分に記載されてきた（ツェナーらによる応用光学３８、１１  ２１７７〜２１８１ページ、及び、主なベルらによる、光学エンジニアリング  ３８、２２２０〜２２６（１９９９））。従って、画像投影用の従来技術は、同様に、ディスプレイ装置の一部としてスパー状ＰＢＳの使用を示唆していないことは驚くに値しない。
【００２８】
タマダ及びマツモト（米国特許番号５，７４８，３６８号）は、赤外線及び可視光スペクトルの一部の両方で作動するワイヤグリッド偏光器を開示している。しかし、それは、大きい、幅広く間隔を隔てたワイヤが可視光内の予期しないほど長い波長で共鳴及び偏光を形成するというコンセプトに基づいている。残念ながら、この装置は、可視光スペクトルの全体ではなく、可視光波長の狭い帯域に亘ってしか十分には働かない。従って、全色で画像を生成する際に使用することには適していない。従って、そのような装置は、偏光器が画像投影システムのため実質的に色消しでなければならないが故に画像ディスプレイには実用的ではない。
【００２９】
ワイヤグリッド偏光器が看過された別の理由は、典型的なワイヤグリッド偏光器の性能が、光ビームの入射角度が大きくなるときに劣化するようになるという共通の長期に亘る定説である（Ｇ．Ｒ．バード及びＭ．ぺリッシュ、Ｊｒによる、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．，５０，８８６〜８９１頁（１９６０）の近赤外偏光器としてのワイヤグリッド；光学ハンドブック、マイケルバス、第ＩＩ巻、３〜３４頁、マグローヒル（１９９５年））。スペクトルの可視光部分における３５度入射を超えた角度に関して良好に作動する設計についての報告は存在しない。入射角度のこの制限を引き起こす重要な設計因子を誰も同定していなかった。この気づかれた設計制限は、上出来のビームスプリッターが、透過及び反射の両方に関して適切な性能を同時に必要とするということを理解するとき、更に大きくなる。
【００３０】
この重要なポイントは、強調するに値する。ＩＲ及び可視光スペクトルにおけるワイヤグリッド偏光器のための現存する文献及び特許の歴史は、透過型偏光器としてのそれらの使用にほとんど全て焦点を当ててきたが、反射特性には焦点を当ててこなかった。ワイヤグリッド偏光器は、数十年もの間、試みられ、技術文献で報告されてきており、１９６０年代以来益々一般的になってきた。この分野でなされた光範囲に亘る仕事にも係わらず、ワイヤグリッド偏光器の反射型偏光器としての製作及び使用の詳細な議論は、あったとしてもほとんど存在せず、画像装置で使用するためのスパー状偏光ビームスプリッターで必要となるであろう透過型及び反射型の偏光器の両方として同時に使用することに関しては文献には何も記載されていない。文献中の議論の欠如から、合理的な調査員は、広帯域可視光ビームスプリッターとしてのワイヤグリッド偏光器の任意の可能な使用は自明ではなく、或いは、そのような用途におけるそれらの使用が実用的ではなかったということうが当業者により一般に理解されたと結論するであろう。
【００３１】
上述された従来の偏光器は、利用可能な唯一のものであったので、タカナシが彼の投影装置を、最も僅かな結果であったとしても、何かを実施するように還元することは不可能である（米国特許番号５，２３９，３２２号）。タカナシの発明のために必要とされた性能、即ち、スペクトルの可視光部分に亘る色消し性能、幅広い角度受容、所望の光偏光の透過及び反射における低い損失、及び、良好な減衰比を供給する偏光器は利用可能ではない。
【００３２】
透過特性及び反射特性の特殊化された性能を要求する画像表示システムの幾つかの重要な特徴が存在する。プロジェクターのために、ｐ偏光透過率及びｓ偏光反射率の積（ＲｓＴｐ）は、光源がスクリーン上で効率的に配置されるべき場合には大きくなければならない。他方では、スクリーン上の高い情報密度を達成するため必要とされる解像度及びコントラストのために、逆の積（ＲｓＴｐ）が非常に小さくなければならないことが重要である（即ち、ｐ偏光光の反射率により乗算されたｓ偏光光の透過率が小さくなければならない）。
【００３３】
別の重要な特徴は、幅広い受容角度である。受容角度は、光源から集まる光、よって変換効率が最大化されている場合には大きくなければならない。その半分の角度が２０度よりも大きい光円錐（発散又は収斂のいずれにしても）が受容可能であることが望ましい。
【００３４】
より大きい光円錐を受容し、大きな角度で良好に作動する能力の重要な結果は、画像システムの光学設計がもはや制限されないということである。従来の光源を使用することができ、低コスト、冷却作動、小さいサイズ、及び、低重量といったそれらの利点をもたらすことができる。幅広い範囲の角度は、設計者が、ディスプレイのサイズ及び作動を改善するため好ましい位置に他の光学要素を配置することを可能にさせる。
【００３５】
別の重要な特徴は、サイズ及び重量である。従来の技術は、ガラス製立方体の使用を必要としている。この立方体は、システムに一定の要求及びペナルティを課している。課された要求は、この大きな部品のガラスの熱負荷を処理する必要性と、追加のコストを課す応力複屈折等が無い高品質材料の必要性と、を含んでいる。加えて、立方体それ自体の過剰重量及びバルク部分が、困難さをもたらす。かくして、ビームスプリッターは、あまり多くの体積を占めず、重くもならない。
【００３６】
別の重要な特徴は、ロバストネスである。現代の光源は、点灯された後、直ちに偏光器に非常に高い温度勾配を発生する。これは、高々、偏光成分の間にクロストークを引き起こす温度複屈折を誘起することができるだけである。更には、強烈な光への長時間露出は、材料の特性を変化させる（典型的には、光酸化から生じる）。かくして、ビームスプリッターは、高温度、並びに、光源からの長時間の強烈な放射に耐えることが望ましい。
【００３７】
なお更に重要な特徴は、光の入射円錐に亘るビームスプリッターの均一な減衰（又はコントラスト）性能である。マックネル式の薄膜スタック偏光器は、Ｐ偏光光とは反対にＳ偏光光の反射率の相違に起因して偏光光を発生する。Ｓ及びＰの偏光光が光線の入射平面に依存し、偏光器上に入射する光の円錐内部の配位を変化させるので、マックネル式の偏光器は、全円錐に亘って十分に等しくは作動しない。マックネル式偏光器におけるこの弱点は、周知されている。投影システム設計では、円錐光の角度サイズを制限することにより、及び、追加の光学部品の使用を通して光学システムの他の箇所の保証により、それに取り組まなければならない。マックネルプリズムのこの基本的な弱点は、現在の投影システムのコスト及び複雑さを増大させ、ｆナンバー又はビームスプリッターの光学的効率に関する制限を通してシステム性能を制限する。
【００３８】
他の重要な特徴は、整列の容易さを含んでいる。生成コスト及びメンテナンスは、両方とも組み立て基準により直接影響を及ぼされる。これらのコストは、低い許容差整列を必要としない構成部品に関してかなり減少させることができる。
【００３９】
従って、明るい画像及び良好な画像コントラストを提供することができる、安価である画像投影システムを開発することが有利であろう。発散光（又は、より小さいＦ／＃）を利用することができ、光エネルギーの効率的な使用又は高い変換効率を可能とし、耐久性のある偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することが有利であろう。高い減衰比、可視光スペクトルに亘る均一な応答、良好な色忠実度を有する偏光ビームスプリッター、即ち、スパー状、ロバストで、熱勾配に耐えることができる偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することも有利であろう。有意な設計拘束は画像投影システムに課されていないが、実質的な設計の柔軟性が可能とされるように実質的な角度で配置することができる、偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することが有利であろう。入射光線の全円錐の全ての角度に亘って、ｐ偏光光を効率的に透過させ、ｓ偏光光を反射させる偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することも有利であろう。軽量でコンパクトである偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することも有利であろう。整列させるのが容易である、偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することも有利であろう。単一の投影装置におけるこれらの特徴の全てを結合させることは、当該技術の状態に有意義な全身を提供するであろう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００４０】
明るい画像に良好な画像コントラストを提供し、安価である画像投影システムを開発することが有利であることが認知された。加えて、発散光線を利用し（又は、より小さいＦ／＃を有し）、光エネルギーを効率的に使用し、良好な変換効率を有し、且つ、耐久性のある、偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することが有利であることが認知された。また、高い減衰比、可視光スペクトルに亘る均一な応答性、良好な色忠実度を備え、スパー状で、ロバストで温度勾配に耐える、偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することも有利であることが認知された。更には、透過偏光ビーム及び反射偏光ビームのいずれか又は両方を任意の角度で選択的に差し向けることができる偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することが有利であることが認知された。また、任意の入射角度に配置される間に適切に機能する偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することが有利となろうことも認知された。加えて、光円錐内の全ての角度に亘って、効率的にｐ偏光光を透過させ、ｓ偏光光を反射させるが、同様にｓ偏光光を透過させ、ｐ偏光光を反射させるようにも機能する偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することが有利となろうことも認知された。軽量、コンパクト、ロバストであり、整列が容易である偏光ビームスプリッターを備えた画像投影システムを開発することが有利となろうことも認知された。本発明の更なる目的は、画像投影システムで使用するための偏光ビームスプリッターを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００４１】
本発明は、１つ以上のワイヤグリッド偏光ビームスプリッターと、１つ以上の透過アレイとを備える画像投影システムを提供する。本システムは、光ビームを偏光光ビームへと偏光させるため第１の偏光器に差し向けられた可視光ビームを生成するための光源を備える。偏光光ビームは、透過アレイに向かって差し向けられる。該透過アレイは、画像情報を符号化するため該偏光光ビームの偏光成分を選択的に変えることにより該偏光光ビームの偏光成分を変調して変調ビームを形成する。変調ビームは、偏光ビームスプリッターに差し向けられる。
【００４２】
偏光ビームスプリッターは、基板により支持された、薄い細長い要素の略平行構成部を備える。当該構成部は、（２）要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに垂直である偏光成分を有する光を該要素を通して透過させ、透過ビームを形成し、（２）該要素の少なくとも１つを含む平面と入射された光ビームの方向とに平行である偏光成分を有する光を該要素から反射させて反射ビームを形成するように構成され、該要素は該変調ビームの電磁波と相互作用するようにサイズが定められる。
【００４３】
偏光ビームスプリッターは、変調ビームが透明基板の第１の表面に所定角度で入射し、反射ビームが透過アレイから離れる方に差し向けられるように該変調ビームに対して所定の角度に配位される。反射ビーム及び透過ビームのいずれかが、符号化された画像情報を表示するためスクリーンに差し向けられる。
【００４４】
本発明のより詳細な態様によれば、本システムは、異なる色のための複数の透過アレイと、分析器及び結合器の両方として機能する１つ以上の偏光ビームスプリッターと、を備えている。例えば、３つの透過アレイを３つの別々の色のために使用することができる。帯域幅セパレータは、可視光を複数の色付ビームへと分離することができ、各ビームは、異なる帯域幅の異なる色により特徴付けられる。セパレータ及び１つ以上の第１の偏光器は、複数の色付き偏光ビームを生成することができる。透過アレイの各々は、画像情報を符号化するため、色付偏光ビームの偏光成分を選択的に変えることにより夫々の色付き偏光ビームの偏光成分を変調し、かくして色付き変調ビームを形成する。
【００４５】
少なくとも２つの偏光ビームスプリッターを、分析器及び結合器の両方として使用することができる。第１の偏光ビームスプリッターは、２つの異なる色付き変調ビーム内に配置され、該２つの異なる色付き変調ビームを第１の結合ビームへと結合させる。第２の偏光ビームスプリッターは、第１の結合ビーム及び他の色付き変調ビーム内に配置され、別の透過アレイからの色付き変調ビームと第１の結合ビームとを第２の結合ビームへと結合させる。
【００４６】
本発明の別のより詳細な態様によれば、第１の偏光器は、ワイヤグリッド偏光器を備えていてもよい。
本発明の別のより詳細な態様によれば、画像投影システムは、２つだけの透過パネルが使用される場合に少なくとも１つの偏光ビームスプリッターを用いて実現することができる。そのような場合には、１つのパネルは、画像を投影するように２つの色からなる光ビームを生成することができる。
【００４７】
本発明の追加の特徴及び利点は、本発明の特徴を例を用いて示す添付図面を参照することにより次の詳細な説明から明らかとなろう。
【実施例】
【００４８】
以下、図面に示された実施例を参照する。特定の用語が該実施例を説明するため使用される。それにも係わらず、本発明の範囲の制限が意図されていないことが理解されよう。本願で示されている本発明の特徴の変形及び更なる変更、並びに、関連分野の当業者に想到され、本開示内容に含まれる、本発明の原理の追加の用途は、本発明の範囲内にあるとみなすべきである。
【００４９】
図１ａに示されるように、本発明の画像投影システムのディスプレイ光学トレインが全体として１０で示されている。画像投影システム１０は、１４ａ〜ｃで示された、ビームスプリッターとしての１つ以上のワイヤグリッド偏光器と、１つ以上の透過アレイ１６ａ殻ｃと、を有利に有する。反射アレイを備える画像投影システムが本願発明者の従来特許で説明されたが、本画像投影システムは透過アレイを利用するように構成されている。ワイヤグリッド偏光ビームスプリッター１４（ＷＧＰ−ＰＢＳ）は、透過アレイ１６からディスプレイスクリーン１８へと１つの偏光成分の光を効率的に反射又は透過させるため分析器として機能する。ＷＧＰ−ＰＢＳ１４は、より完全には後述されるように、分析器及び画像結合器の両方として有利に使用することができる。
【００５０】
図１ａに示されるように、複数のＷＧＰ−ＰＢＳ及び複数の透過アレイをシステム１０内で使用することができ、各々、異なる色に対応することができる。例えば、３つのＷＧＰ−ＰＢＳ１４ａ〜ｃ、及び、３つの透過アレイ１６ａ〜ｃを使用することができ、例えば青、緑及び赤等の３つの別々の異なる色に対応することができる。全体として２０で示されたセパレータは、可視光源２２から所望の色へと白色光の可視光ビームを分離するため使用することができる。そのようなセパレータは、当該技術分野で周知されており、可視光ビームに配置され、且つ、白色光を、異なる波長又は帯域を各々有する色の付いた光ビームへと分離するように配置された二色ミラー２４を備えることができる。他の光学部品を当該技術分野で知られているように使用することができることが認められよう。
【００５１】
加えて、１つ以上の前段偏光器又は第１の偏光器２６ａ〜ｃを該色付光ビーム内に配置して、該色付光ビームを色付偏光光ビームへと偏光させることができる。代替例として、前段偏光器又は第１の偏光器を可視光ビーム内に配置して偏光光ビームを生成することができ、その一方で、セパレータを、偏光光ビーム内に配置して、該偏光光ビームを色付光ビームへと分離することができる。いずれの方法にしても、セパレータ２０及び第１の偏光器２６ａ〜ｃは、色付偏光光ビームを一緒に生成する。図示のように、可視光ビームは、最初に様々な色付光ビームへと分離され、次に、偏光されることができ、或いは、可視光ビームは、最初に偏光され、次に様々な色付光ビームへと分離されてもよい。前段偏光器又は第１の偏光器２６ａ〜ｃが任意種類の偏光器であってもよい。一態様では、前段偏光器又は第１の偏光器２６ａ〜ｃは、より完全に後述されるように、ＷＧＰ−ＰＢＳを備えることができる。
【００５２】
透過アレイ１６ａ〜ｃは、色付偏光ビーム内に配置されている。透過アレイは、当該技術分野で周知されているように、透過型の液晶アレイであってもよい。例えば、透過型のアレイは、２つの導電層の間に挟まれた液晶層を備えることができる。透過型アレイ１６ａ〜ｃは、色付偏光ビームの偏光成分を選択的に変えることにより夫々の色付偏光ビームの偏光成分を変調させる。ビームの偏光成分を変調し、又は、選択的に変えることは、該ビーム上に画像情報を符号化し、変調ビーム若しくは色付変調ビームを形成する。例えば、透過アレイ１６ａ〜ｃは、複数のセル又は画素を備えることができ、各々は、光の偏光成分がセル又は画素を通過したとき該光の偏光成分を選択的に回転させ、又は、変えないように作用する。透過アレイにおける液晶材料は、液晶を変えるため電場がセル又は画素に印加されず、そこを通過する光が変わらないことを可能にしないならば、セル又は画素を通過する光の偏光成分を通常回転させることができる。代替例として、透過アレイにおける液晶材料は、液晶を変えてそこを通過する光の偏光成分を回転させるため電場がセル又は画素に印加されないならば、セル又は画素を通過する光の偏光成分を通常変化させないようにすることができる。電場は、液晶材料の両側の伝導層により印加することができる。コントローラは、当該技術分野で知られているように、光の変調を制御するため透過アレイに電気的に連結することができる。
【００５３】
上述されたように、ＷＧＰ−ＰＢＳ１４ａ〜ｃは、各々の色付変調ビーム内に配置され、符号化された画像情報を変調ビームから分離するための分析器として機能する。各々のＷＧＰ−ＰＢＳは、変調ビームを、一つの偏光成分を有する透過されたビームと、別の偏光成分の反射されたビームとに分離する。かくして、変調ビームに符号化された画像情報は、変調ビームから、反射ビーム及び／又は透過ビームのいずれかへと分離される。ＷＧＰ−ＰＢＳ１４ａ〜ｃは、変調ビームが鋭角又は鈍角でＷＧＰ−ＰＢＳに入射するように、夫々の変調ビームに関して鋭角又は鈍角（直角とは異なる）で配位されてもよい。かくして、ＷＧＰ−ＰＢＳからの反射ビームは、透過アレイから離れたところに差し向けられる。変調ビームに関して直角にＷＧＰ−ＰＢＳを配置することは、透過アレイへと戻るように向けられる反射ビームを生じさせ、ノイズを発生させるおそれがあることが認められよう。
【００５４】
結合器又は画像結合器２７を、ＷＧＰ−ＰＢＳ１４ａ〜ｃから反射され及び／又は透過されたビーム内に配置して、様々な色付ビームからの画像情報を、スクリーン１８へと向かう単一画像ビームへと結合させることができる。ＷＧＰ−ＰＢＳから反射され又は透過されたビームの各々は、夫々の色において所望の画像を含むということが理解されよう。結合器は任意の種類であってもよく、当該技術分野で周知されている。
【００５５】
画像投影システムの光学トレインが、画像結合器及びＷＧＰ−ＰＢＳの両方を備えて構成することができる。図２ｂを参照すると、一例としての画像投影システム１０ｂが示され、結合器２７及びＷＧＰ−ＰＢＳ２９の両方で構成されている。ＷＧＰ−ＰＢＳ２９は、分析器及び結合器の両方として構成され、又は、（１）符号化された画像情報を分離し、及び、（２）様々に異なる色付ビームを結合させるように構成されている。画像投影システム１０ｂは、多くの点で、ここで説明されたものと類似している。
【００５６】
結合器２７を、ＷＧＰ−ＰＢＳ１４ａ及び１４ｂから反射され及び／又は透過されたビーム内に配置して、様々な色付ビームからの画像情報を、第１の結合ビームへと結合させることができる。偏光ビームスプリッター又はＷＧＰ−ＰＢＳ２９は、（１）他の変調ビームから、符号化された画像情報を分離し、及び、（２）他の透過アレイから反射され及び／又は透過されたビームを、結合器２７からの第１の結合ビームと結合させて、色付ビームのうちの３つに対する所望の画像情報を備えた第２の結合ビームへと変換することができる。その代わりに、結合器２７の位置と、ＷＧＰ−ＰＢＳ２９の位置とを交換することができることが認められよう。
【００５７】
画像投影システムの光学トレインは、ＷＧＰ−ＰＢＳ１４ａ〜ｃの一つ以上、又は、２つ以上の色付ビームを結合させるための結合器も形成する分析器を備えて構成することができる。ここで、図２ａを参照すると、分析器及び結合器の両方として、即ち、（１）符号化された画像情報を分離し、及び、（２）様々な異なる色付ビームを結合するため、構成されたＷＧＰ−ＰＢＳ１４ａ〜ｃを備えて構成された例としての画像投影システム１０ｃが示されている。画像投影システム１０ｃは、多くの点で上述されたものに類似し、３つの透過型アレイ１６ａ〜ｃを備えた３つの異なる色に関して構成することができる。
【００５８】
第１の偏光ビームスプリッター又はＷＧＰ−ＰＢＳ２８を、２つの透過型アレイ１６ａ及びｂからの２つの色付変調ビーム内に配置することができる。（１）変調ビームの両方において符号化された画像情報を分離し（両方の変調ビームを上述されたような反射ビーム及び透過ビームへと分離する）、及び、（２）一方の変調ビームからの反射ビームを、他方の変調ビームからの透過ビームと結合させて、色付ビームのうちの２つに対する所望の画像情報を備えた第１の結合ビームへと変換することができる。なお、一方の変調ビームは、１つの偏光成分に所望の画像情報を備え、他方の変調ビームは、他の偏光成分に所望の画像情報を備え、それにより、所望の画像情報を、第１の偏光ビームスプリッター又はＷＧＰ−ＰＢＳ２８により第１の結合ビームへと結合させることができる。例えば、一方の変調ビームからの所望の画像情報は、ＷＧＰ−ＰＢＳ２８により透過された偏光成分にあり、他方の変調ビームからの所望の画像情報は、ＷＧＰ−ＰＢＳ２８により反射された偏光成分にある。例えば、ＷＧＰ−ＰＢＳ２８は、図示のように、青色及び緑色の変調ビーム内に配置することができ、透過された青色ビームの画像情報を、反射された緑色ビーム内の画像情報と結合させることができる。ＷＧＰ−ＰＢＳ２８は、所望の反射ビーム及び透過ビームが所望の第１の結合ビームとして整列するように、変調ビームの両方、又は、透過アレイ１６ａ及びｂの両方に関して配置される。
【００５９】
所望の画像情報は、変調ビームに異なる仕方で符号化されてもよく、又は、透過アレイを異なる仕方で構成してもよいことが認められよう。例えば、第１の透過アレイ１６ａは、ＷＧＰ−ＰＢＳ２８により透過されるべき変調ビームに情報を符号化することができ、第２の透過アレイ１６ｂは、ＷＧＰ−ＰＢＳ２８により反射されるべき変調ビームに情報を符号化することができる。かくして、２つの変調ビームは、異なる偏光成分に符号化された画像情報を持つことができ、又は、２つの透過アレイが異なる偏光成分に画像情報を符号化することができる。
【００６０】
第２の偏光ビームスプリッター又はＷＧＰ−ＰＢＳ２９を、第１のＷＧＰ−ＰＢＳ２８からの第１の結合ビーム内、及び、別の透過アレイ１６ｃからの別の色付ビーム内に配置することができる。第２の偏光ビームスプリッター又はＷＧＰ−ＰＢＳ２９を、（１）他の変調ビームから、符号化された画像情報を分離し、及び、（２）他の透過アレイから反射され及び／又は透過されたビームを、第１のＷＧＰ−ＰＢＳ２８からの第１の結合ビームと結合させて、色付ビームのうちの３つに対する所望の画像情報を備えた第２の結合ビームへと変換することができる。例えば、第２のＷＧＰ−ＰＢＳ２９は、反射された赤色ビーム内の画像情報を第１の結合ビーム（又は、反射された緑色ビーム及び透過された青色ビーム）に結合させることができる。
【００６１】
従って、２つの偏光ビームスプリッター又はＷＧＰ−ＰＢＳ２８及び２９を、３つの色付変調ビームを分析し、結合するため使用することができる。単一のＷＧＰ−ＰＢＳを、２つの色付変調ビームを分析し、結合するため使用することができる。反射されたビームが同一直線上に配置されるような態様で一方のビームがビームスプリッターから反射されるように、これらのビームを結合することができ、このとき画像情報がビームスプリッターを通って透過された他方のビームに登録され、結合されたビームが多色画像ビームを形成する。
【００６２】
図２ａに示されるように、ＷＧＰ−ＰＢＳ２８及び２９は、互いに略平行に配位することができる。そのような形態は、ＷＧＰ−ＰＢＳ２８及び２９が一緒に接近して配置されることを可能にし、かくしてシステム１０ｃのサイズを減少することができる。図２ｂを参照すると、ＷＧＰ−ＰＢＳ２８及び２９が互いに略直交して配置された状態でシステム１０ｄを構成することができる。そのような構成は、ＷＧＰ−ＰＢＳ２８及び２９のより良好な光学品質が結合されることを可能にする。
【００６３】
上記システムは、３つの色付ビームを使用することに関して説明されたが、本システムは、より多くの色付ビーム又はより少ない色付ビームを利用するように構成することができる。加えて、上記システムは、別々の色付ビーム又は別々の互いのための光学経路を使用するものとして説明された。２つ以上の色付ビームが同じ光学経路を共有することができることが認められよう。例えば、図２ｃを参照すると、システム１０ｅが２つの光学経路を備えて示され、単一のＷＧＰ−ＰＢＳ２８が分析器及び結合器の両方として機能する。２色、例えば緑及び赤は、図示のように光学経路を共有することができる。切り替え部２４ｂを、光学経路内の色の間を交互に切り替えるように使用することができる。例えば、切り替え部２４ｂは、緑色ビーム及び赤色ビームの間を切り替えることができる。透過アレイ１６ｂも、異なる色の間の制御を交互にするように制御することができ、かくして、異なる色を選択的に変えることができる。切り替え部２４ｂ及び透過アレイ１６ｂによる色付ビームの切り替えは、裸眼によっては検出することができないほど十分に迅速であるようにすることができる。切り替え部２４ｂ又は色の間を変えるための切り替え手段は、カラーホイール等であってもよい。
【００６４】
上述したように、前段偏光器２６ａ〜ｃを、ワイヤグリッド偏光器とすることもできる。図３ａ〜ｂ及び図４ａ〜ｃを参照すると、上述したものに類似しているが、前段偏光器としてワイヤグリッド偏光器２６ｄ〜ｆを備える画像投影システム１０ｆ〜ｊが示されている。ワイヤグリッド偏光器２６ｄ〜ｆは、反射されたビームが光源又はセパレータから離れる方に差し向けられるように、夫々の色付偏光ビームに関して鋭角又は鈍角（直角とは異なる）で配位することができる。
【００６５】
ワイヤグリッド偏光器を、光をリサイクルするように他の光学要素に対して配位することができる。図４ｃを参照すると、一例としてのシステム１０ｊが光リサイクル装置１３を備えて示されている。本装置１３は、捨てられた偏光成分の光ビームを収集するように複数のミラー等を備えることができる。装置１３は、捨てられた光ビームを光源又はセパレータに戻すように差し向けることもできる。装置１３が単一の光学経路で図４ｃに示されているが、本装置は、様々に異なる光学経路から捨てられた光ビームを収集するように構成することができることが認められよう。加えて、システム１０ｊは、前段偏光器として単一のＷＧＰ−ＰＢＳ１６ｅと、分析器として単一のＷＧＰ−ＰＢＳ２８と、を備えて示されている。そのような構成は、単一の色光ビームを備えて使用することができる。代替例として、異なる色の光の間で迅速に切り替えるように、切り替え部２４ｂ又はカラーホイールを上述のように使用することができる。
【００６６】
上述したように、ＷＧＰ−ＰＢＳは、前段偏光器２６ａ〜ｃ、偏光ビームスプリッター、又は、分析器１４ａ〜ｃ、及び、結合器として使用することができる。
適切な光学効率のために、ＷＧＰ−ＰＢＳは、光源２０からの所望の偏光成分の高い反射率（Ｒｓ）を持つべきであり、液晶アレイ２６からの他の偏光成分の高い透過率（Ｔｐ）を持つべきである。変換効率は、これら２つの積、ＲｓＴｐに比例し、それにより、一つの因子の欠陥は、他方の因子の改善により、一定の程度まで補償することができる。
【００６７】
本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッター１４の例は、本発明のＷＧＰ−ＰＢＳを、前段偏光器、分析器、及び／又は、スペクトルの可視光部分のためのディスプレイ装置の結合器として使用することの利点を実証する次の特徴を有利に示している。更なる改善の理論的な計算は、より良好な偏光ビームスプリッターが利用可能となることを指し示している。
【００６８】
図５ａ及び図５ｂを参照すると、ＷＧＰ−ＰＢＳのＳ及びＰの偏光成分の両方に対して、測定された透過率及び反射率が各々示されている。図５ｃでは、ＷＧＰ−ＰＢＳの効率は、透過率及び反射率の積として示されている。加えて、減衰量が図５ｃにも示されている。図５ａ〜ｃでは、ＷＧＰ−ＰＢＳは、ｓ偏光成分を反射し、ｐ偏光成分を透過させるため３０度、４５度及び６０度の角度に配位されている。例えばプロジェクター等の画像投影システムに関して、反射されたｓ偏光成分と、透過されたｐ偏光成分との積（ＲｓＴｐ）は、光源がスクリーン上に効率的に配置されるべき場合には、大きくなければならない。他方では、スクリーン上で高い情報密度を達成することが必要とされる解像度に対しては、逆の積（ＲｐＴｓ）が非常に小さいこと（即ち、ｐ偏光光の反射率により乗算されたｓ偏光光の透過率が小さくなければならない）が重要となる。本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッターは、レイリー共振又は他の現象により劣化すること無く全スペクトルに亘ってこれらの標準に合致することが図面から明らかである。
【００６９】
別の重要な特徴は、幅広い受容角度である。これは、光源から集まる光が最大にされ、これにより変換効率が最大にされる場合には、大きくなければならない。図６を参照すると、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの性能が、４５度で傾斜された光軸の回りに中心を定められた光円錐の様々な部分に対して示されている。図６では、第１の参照角度が入射平面内の角度であり、第２の参照角度が入射平面に垂直な平面内の角度である。本発明のＷＧＰ−ＰＢＳが、その半分の角度が約１２度乃至約２５度である光円錐（発散又は収斂のいずれか）を受け入れ可能であることは明白である。
【００７０】
図７ａ乃至ｃを参照すると、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの代替実施例のための理論的な計算は、かなり大きい光円錐及び／又は他の改善が可能となることを示している。図４ａ及び図４ｂは、１３０ｎｍまで減少された周期ｐのワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの理論的なスループット及び減衰量を各々示している。更には、グリッド高さ又は厚さは１３０ｎｍであり、ライン間隔比は０．４８であり、基板溝深さは５０ｎｍであり、基板はＢＫ７ガラスである。なお、図７ａにおけるスループットは、図５ｃに示されるスループットよりも遥かに接近してグループ形成されている。従って、性能は、周期ｐを減少させることにより改善することができる。なお、図７ｂでは、減衰量が図５ｃに比べてかなり増大される。
【００７１】
図７ｃは、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの別の代替実施例の理論的な減衰量を、周期ｐを更に減少させた状態で示している。波長は、４２０ｎｍであり、入射角度は３０度である。なお、減衰量は、周期ｐが減少されたとき顕著に増大する。
【００７２】
上記したように、大きな角度で良好に働くＷＧＰ−ＰＢＳを用いたより大きい光円錐を受け入れる能力の重要な結果は、ＰＢＳが画像システムの光学設計をもはや制限しないということである。かくして、低コスト、より低温の作動、小さいサイズ及び少ない重量の利点を備えた、従来の光源を使用することができる。ＷＧＰ−ＰＢＳが良好に作動する角度の幅広い範囲は、設計者がディスプレイのサイズ及び作動を改善するため好ましい位置に他の光学要素を配置することを可能にさせる。
【００７３】
図１乃至図４を参照すると、ＷＧＰ−ＰＢＳにより提供された設計の柔軟性が実証されている。加えて、ＷＧＰ−ＰＢＳは、幅広い範囲の角度を提供し、これも設計の柔軟性に寄与している。
【００７４】
ワイヤグリッドの更に他の特徴は、ディスプレイユニットのための利点を提供する。従来の技術は、ガラス管の使用を必要としている。この立方体は、システムに幾つかの要求及びペナルティを課している。課された要求は、この大きな部品のガラスの熱負荷を処理する必要性、応力複屈折無しの高品質材料のための必要性を含んでおり、これらは、追加のコスト、立方体それ自体の過剰の重量及びバルクを課している。本発明のＷＧＰ−ＰＢＳは、有利には、あまり多くの体積を占めず、重くもならない、分割され又はパターン形成された薄膜である。それは、例えばカラーフィルター等の他の光学要素と一体化さえすることができ、該要素に組み込むことができ、投影システムの部品点数、重量及び体積を更に減少させる。
【００７５】
本発明のＷＧＰ−ＰＢＳは、非常にロバストでもある。現代の光源は、点灯された後、直ちに偏光器に非常に高い温度勾配を発生する。これは、高々、偏光成分の間にクロストークを引き起こす温度複屈折及び応力複屈折を誘起することができるだけである。悪くても、それは、多層偏光器を薄層へと分裂させるか又は立方体のビームスプリッターの固められたインターフェースを分離させ得るだけである。更には、強烈な光への長時間露出は、材料の特性を変化させる（典型的には、光酸化から生じる）。しかし、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターは、ガラス又は他の基板材料に十分に取り付けられる化学的に不活性な金属から作られている。それらは、高温に耐え、並びに、長期間に亘る光源からの強烈な放射に耐えることが示された。
【００７６】
本発明のＷＧＰ−ＰＢＳは、容易に整列される。光源ビームを液晶アレイに差し向けるように調整される必要がある単一部品である。これは、平坦ミラーのために使用されるのと同じ単純な処理である。別の調整パラメータ、即ち、ＷＧＰ表面への垂線の回りの角度回転が存在する。これは、光ビーム内の偏光成分の配位を決定する。この調整は、ＷＧＰがそれ自身の分析器として機能し、この意味で整列から外れることができないので決定的ではない。光学トレイン内で他の偏光要素が存在する場合、ＷＧＰ−ＰＢＳは、それらの偏光成分に関して配位されるべきであるが、僅かな非整列は決定的に重要ではない。マルスの法則によれば、角度の変動は、それらの偏光軸が平行（又は垂直）であるように接近する場合には偏光器により透過される強度にはほとんど差異がないからである。
【００７７】
従来の偏光器と競合するためには、積ＲｓＴｐは、約５０％を超えなければならない。これは、ＷＧＰ−ＰＢＳは、従来の偏光ビームスプリッターよりも光源からかなり多くの光を集めることができるのであれば、そのときにだけ実用的となるであろう、より低い推定値を表している。５０％の推定値は、最良の従来のビームスプリッター、現代のマックネイル立方体ビームスプリッターが、高々、約ｆ／２．５のｆ／＃を配給することができる、という仮定からきている。２倍速く、２倍の量の光を集めることができる光学システムは、この値の１／２のｆ／＃、即ち、光学画像投影システムにおける合理的なｆ／＃である約ｆ／１．８を持つであろう。２倍速く、従って２倍の量の光を光源から集めることができるシステムは、従来の立方体ビームスプリッターを超えて、ＲｓＴｐの積において２の因子の減少分を補償して等価な投影システムの性能を生じさせる。実際、ＷＧＰ−ＰＢＳをｆ／１．２以下（４の因子の増加）で使用することができる可能性があるので、この低く見える制限は、なおも非常に明るい画像を生成することができる。もちろん、この最小値を超えるＲｓＴｐ積は、更に良好な性能を提供する。
【００７８】
別の重要な性能因子は、暗い画素に対する光の強度の比率により定義されるように、画像におけるコントラストである。ＷＧＰ−ＰＢＳのかなりの利点の一つは、例えばマクネイルプリズム等の従来技術の立方体ビームスプリッターに比較して複合入射角度に亘って改善されたコントラストである。マクネイルプリズムの物理学は、一定の角度におけるＳ偏光成分対Ｐ偏光成分の反射率における差異の利点を取り入れることにより光を偏光させる。Ｓ偏光成分及びＰ偏光成分は入射平面に対して定義されているので、光の円錐における特定の光線に対して有効なＳ偏光成分及びＰ偏光成分は、光円錐内に様々な光線があるとみなされるとき光軸に沿った光線に対して回転する。この振る舞いの結果は、周知の複合角度問題であり、偏光器の減衰量は、偏光ビームスプリッターを通過する光の円錐内の角度の一定範囲に対してかなり減少され、円錐に亘る平均的なコントラストをかなり減少される。
【００７９】
他方では、ＷＧＰ−ＰＢＳは、この問題を大きく回避する光の偏光を達成するため異なる物理的機構を用いる。振舞いにおけるこの差異は、光円錐内の任意の特定光線に対する入射平面に係わらず、偏光が、空間内の同じ配位を有するビームスプリッターにおけるワイヤグリッドにより引き起こされるという事実に起因している。従って、たとえ任意の特定の光線に対する入射平面が、マックネイルプリズム又はＷＧＰに入射するときと同じであったとしても、その偏光効果は、マクネイルプリズムの場合における入射平面に依存するだけであり、このことは、ＷＧＰの複合角度性能が、立方体ビームスプリッターにより提供されたものを超えて遥かに改善されるということを意味している。
【００８０】
ＷＧＰ−ＰＢＳの機能が、入射平面から独立であるという事実は、任意の方向に差し向けられたワイヤ又は要素を用いてＷＧＰ−ＰＢＳを実際に使用することができるということを意味している。本発明の好ましい実施例は、軸に平行に配位された要素を有し、該軸の回りに、偏光器は、光が所定角度でＷＧＰ−ＰＢＳに入射するように傾斜されている。この特定の配位は、基板からの表面反射率の偏光効果が格子からの偏光効果への追加の効果とさせるが故に好ましい。しかし、格子要素を回転させ、それらがＷＧＰ−ＰＢＳの傾斜軸に垂直であるようにすることによって、Ｐ偏光成分を反射させ、入射角度の一定範囲に亘って（ここで概略的に説明されたものとは厳密に反対である）Ｓ偏光波を透過させるように機能するＷＧＰ−ＰＢＳを作ることが可能となる。同様に、光ビームの波面上へのこの任意の角度の投影と整列した偏光成分を備える光を透過、反射させるように機能するＷＧＰ−ＰＢＳを得るため格子要素を傾斜軸に対して任意の角度で配置することができる。従って、Ｐ偏光成分を反射させ、Ｓ偏光成分を透過させるか、又は、偏光成分が任意の角度で配位された状態で光を反射させ、透過させる、ＷＧＰ−ＰＢＳが本発明の範囲内に含まれることが明白である。
【００８１】
ＷＧＰ−ＰＢＳの複合角度性能の利点は、全光円錐に亘ってより均一なコントラストを本質的に提供し、ＷＧＰが非常に小さいｆナンバーに適していることの理由の一つとなっている。しかし、勿論、それは画像コントラストに影響を及ぼす唯一の因子ではない。画像コントラストは、望ましくない偏光成分の低い漏れにより大方支配されているが、この場合には、積ＴｓＲｐは、重要なパラメータではない。ビームスプリッターとの最初の遭遇後、次にビームスプリッターと遭遇する前に一列に並んだ画像発生アレイも、画像コントラストの発生に役割を果たしているからである。従って、最終的なシステムのコントラストは、光バルブ性能、並びに、偏光器の減衰量に依存する。しかし、要求されたビームスプリッター性能の下側限界は、光バルブ性能が、本質的に無限のコントラストを持つと仮定することができるのに十分であるという仮定の下で決定することができる。この場合には、システムコントラストは、ビームスプリッター性能に完全に依存する。
【００８２】
図１乃至４ｃを参照すると、例えば前段偏光器、分析器若しくはビームスプリッター、及び／又は、結合器等、ＷＧＰ−ＰＢＳにより充足される幾つかの異なる機能が示されている。更には、ＷＧＰ−ＰＢＳの中には、結合器及び分析器若しくはビームスプリッターの両方として、２つの異なる機能を充足するものがある。一つの機能は、透過アレイ１６ａ〜ｃ又は他の適切な画像発生装置に入射する前に偏光光を形成することである。この場合の要求事項は、最終的な画像が所望レベルの性能に合致するように、光バルブにより形成された光ビームの偏光の任意の変動を適切に検出し又は分析することができるのに十分に光が偏光されるということである。同様に、分析器又はビームスプリッター１４ａ〜ｃは、所望のシステムコントラスト性能が達成されるように、光バルブ又は透過アレイによりビームスプリッターに差し向けられた光を分析するのに十分な性能を持たなければならない。加えて、結合器は、異なる色を結合させるため光を透過及び反射させるため十分な性能を持っていなければならない。
【００８３】
これらの下側限界は、かなり容易に決定することができる。有用性及び画像品質の理由のために、１０：１より小さいコントラスト（明るい画素対隣接する暗い画素）の画像が大きい有用性を持つかどうかは明らかではない。そのようなディスプレイは、例えば、密な文字には有用ではないであろう。１０：１のディスプレイシステムの最小コントラストが仮定された場合、望ましくない偏光状態のものを超えた所望の偏光状態の、少なくとも１０倍もの光を有する入射ビーム光が要求される。偏光器性能の観点では、これは、１０：１又は単に１０の減衰量を持つものとして記載される。
【００８４】
分析器としては、ビームスプリッター１４は、画像を分析しなければならず、望ましくない状態の光のほとんどを消滅させる一方で、正しい偏光状態の光を通過させることができなければならない。再び、上記から、画像の光ビームが偏光状態で符号化され、この光ビームは仮定された１０：１比率を有するものと仮定すると、１０：１のシステムコントラストの目標に合致させるためこの１０：１比率を保存するビームスプリッターが望ましい。換言すれば、正しい偏光成分のものを超えて望ましくない偏光成分の光を１０の因子だけ減少させることが望ましい。これは、再び、ビームスプリッターの分析機能に対して１０：１の最小減衰性能へと導く。
【００８５】
明らかに、ビームスプリッターの偏光器機能及び分析器機能のいずれか又は両方がより高い減衰性能を有する場合により高いシステムコントラストが発生する。ビームスプリッターの偏光器機能及び分析器機能の両方における性能が画像投影システムを適切に実行させるため合致されることが要求されていないことも明らかである。ビームスプリッターの偏光器及び分析器性能の上側限界は、決定するのがより困難であるが、約２０，０００を超える減衰量がこの用途では必要とされないことは明らかである。良質な劇場で見出されるような良好な品質の映像投影システムは、典型的には、約１０００を超える画像コントラストを持っておらず、人間の目が、数千の範囲にあるコントラストの画像と、１０，０００を超えるコントラストの画像との間を高い信頼性で識別することができるかは明らかではない。数千のコントラストの画像を生成する必要性が与えられ、この技術を可能にする光バルブが存在すると仮定すると、ビームスプリッター減衰量の上限は、１０，０００−２０，０００の範囲内とするのが十分であろう。
【００８６】
ワイヤグリッドスプリッター上の最小及び最大の制限境界の上記記述は、有益であるが、上述されたようにワイヤグリッドビームスプリッターの実証的及び理論的な性能から明らかなように、これよりも遥かに良好なものを達成することができる。この情報によれば、画像投影システムは、図５ａ〜ｃに示されるように、６５％のＲｓＴｐを持ち、Ｒｓ若しくはＴｐ、又は、それらの両方は６７％である。
【００８７】
後段偏光器又はクリーンアップ偏光器は、変調ビーム内、又は、ＷＧＰ−ＰＢＳ１４とスクリーン１８との間に配置することができる。画像ディスプレイシステムは、光収集光学系と投影光学系とを利用することもできる。ＬＣＤ補償膜１７は、透過アレイ１６のいずれの側にも配置することができる。
【００８８】
図８及び図９を参照すると、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッター１４がより詳細に示されている。変更ビームスプリッターは、２００１年６月５日に発行された、米国特許番号６，２４３，１９９号により詳細に更に論じられている。その内容は、ここで参照したことにより本願に組み込まれる。
【００８９】
偏光ビームスプリッター１４は、グリッド３０、又は、基板４０上に配置された、平行導電要素のアレイを有する。光源２０により生成された光ビーム１３０は、偏光ビームスプリッター１４に入射し、このとき、その光軸が垂線から角度Θであり、入射平面は、導電要素に直交するのが好ましい。代替の実施例は、入射平面を導電要素の平面に対し角度Θで配置し、このときΘは約４５度である。更に別の代替実施例は、導電要素に平行に乳車平面を配置する。偏光ビームスプリッター１４は、このビーム１３０を、正反射成分１４０と、透過成分１５０とに分割する。Ｓ及びＰの偏光成分のための標準的な定義を使用すると、Ｓ偏光成分の光は、入射平面に直交し、導電要素に平行である偏光ベクトルを有する。逆に、Ｐ偏光成分の光は、入射平面に平行で、かくして導電要素に直交する偏光ベクトルを有する。
【００９０】
理想的には、偏光ビームスプリッター１４は、Ｓ偏光光に対しては完全ミラーとして機能し、Ｐ偏光光に対しては完全に透過性となる。しかし、実際には、ミラーとして使用されるほとんどの反射金属でさえ、入射光の一部を吸収し、かくして、ＷＧＰは、９０％乃至９５％のみを反射し、平面ガラスは、表面反射に起因して入射光の１００％を透過させない。
【００９１】
要求される性能のレベルを達成するためグループとして最適化されるべきワイヤグリッドビームスプリッター１４の物理的パラメータには、ワイヤグリッド３０の周期ｐ、グリッド要素３０の高さ又は厚さ、グリッド要素３０の幅ｗ、及び、グリッド要素の側部の勾配が含まれている。なお、図９を吟味すると、グリッド要素３０の一般的な断面は、本質上、台形又は長方形である。この一般的な形状は、好ましい実施例の偏光ビームスプリッター１４の必要な特徴でもあるが、例えば、グリッド要素３０のベース部における、コーナー５０及びフィレット５４の丸み加工等の製造プロセスに起因した自然の小さいばらつきのための遊びが作られている。
【００９２】
なお、ワイヤグリッド３０の周期ｐは、ビームスプリッター１４の画像忠実度の要求に合致するように要求された正反射性能を達成するため規則的でなければならない。グリッド３０を完全に規則的且つ均一にすることが明らかに良好であるが、幾つかの用途は、これがそれほどには重要ではない緩和された要求を持つことができる。しかし、画像中の意味のある寸法（例えば、文字ディスプレイにおける単一文字のサイズ、又は、画像内の数画素等）に亘って１０％より小さい周期ｐのばらつきが、必要な性能を達成するため要求されると想定される。
【００９３】
同様に、記載された他のパラメータ、例えば、グリッド要素３０の幅ｗ、グリッド要素の高さｔ、側部又はコーナー面取り部５０の勾配、及び、フィレット５４に関するビームスプリッター１４に亘るばらつきは、しばしばその場合となるように、特にビームスプリッター１４が光学システムにおける画像平面ではない場合、ディスプレイ性能に大きく影響を与えること無しに理に適った値となることが可能となる。これらのばらつきは、フリンジ、透過効率の変動、反射効率の変動、色不均一性等として、仕上げられたビームスプリッター１４において目に見えるようになり得、投影画像システムにおける特殊な用途のための有用な部分を提供する。
【００９４】
これらのパラメータの最適化により合致されなければならない設計目標は、用途のコントラスト要求を満たすと共に、最良の効率又はスループットを可能にすることである。上述されたように、偏光ビームスプリッター１４について要求された最小の実用的な減衰量は、１０のオーダーにある。価値のある製品を持つためにビームスプリッター１４の最小要求スループット（ＲｓＴｐ）は、約５０％であり、これは、Ｒｐ及びＴｓのいずれか又は両方が約６７％を超えなければならないことを意味している。勿論、ビームスプリッターのスループット及び減衰量の両方におけるより高い性能は、価値があり、良好な製品を提供する。これらのパラメータが如何にワイヤグリッドビームスプリッターの性能に影響を及ぼすかを理解するために、４５度の入射角度、おそらくは関心のある他の角度に対して各パラメータ毎に生成された性能上のばらつきを検査する必要がある。
【００９５】
ワイヤグリッドビームスプリッター１４の性能は、周期ｐの関数である。ワイヤグリッド要素３０の周期ｐは、可視光スペクトルを通して理に適った性能を有するビームスプリッター１４を形成するため約０．２１μｍ内に含まれなければならない。しかし、より大きい周期のビームスプリッターは、赤、緑等の完全可視光スペクトルよりも小さく表示することが予期されるシステムで有用となろうことは当業者には明らかであろう。
【００９６】
ワイヤグリッドビームスプリッター１４の性能は、要素の高さ又は厚さｔの関数である。ワイヤグリッド高さｔは、要求された性能を提供するため約０．０４乃至０．５μｍでなければならない。
【００９７】
ワイヤグリッドビームスプリッター１４の性能は、要素３０の周期対幅の比率（ｗ／ｐ）の関数である。周期ｐに関するグリッド要素３０の幅ｗは、要求された性能を提供するため、約０．３乃至０．７６の範囲内に落ちなければならない。
【００９８】
ワイヤグリッドビームスプリッター１４の性能は、要素３０の側部の勾配の関数である。グリッド要素３０の側部の勾配は、好ましくは、要求された性能を提供するため水平から６８度よりも大きい。
【００９９】
上述した構成は、本発明の原理のための応用を示したものであると理解されるべきである。本発明は、本発明の例としての実施例と関連して図面に示され、説明される一方で、本発明の精神及び範囲から逸脱すること無しに多数の変更及び代替実施例を工夫することができることが理解されるべきである。請求の範囲に記載された本発明の原理及びコンセプトから逸脱すること無しに多数の変更をなすことができることは当業者には明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【０１００】
【図１ａ】図１ａは、本発明の実施例に係る画像投影システムの概略図である。
【図１ｂ】図１ｂは、本発明の実施例に係る別の画像投影システムの概略図である。
【図２ａ】図２ａは、本発明の実施例に係る別の画像投影システムの概略図である。
【図２ｂ】図２ｂは、本発明の実施例に係る別の画像投影システムの概略図である。
【図２ｃ】図２ｃは、本発明の実施例に係る別の画像投影システムの概略図である。
【図３ａ】図３ａは、本発明の実施例に係る別の画像投影システムの概略図である。
【図３ｂ】図３ｂは、本発明の実施例に係る別の画像投影システムの概略図である。
【図４ａ】図４ａは、本発明の実施例に係る別の画像投影システムの概略図である。
【図４ｂ】図４ｂは、本発明の実施例に係る別の画像投影システムの概略図である。
【図４ｃ】図４ｃは、本発明の実施例に係る別の画像投影システムの概略図である。
【図５ａ】図５ａは、本発明の好ましい実施例に係る、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターのＳ偏光成分及びＰ偏光成分の両方に関する波長及び透過率の間の関係を示すグラフのプロット図である。
【図５ｂ】図５ｂは、本発明の好ましい実施例に係る、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターのＳ偏光成分及びＰ偏光成分の両方に関する波長及び反射率の間の関係を示すグラフのプロット図である。
【図５ｃ】図５ｃは、本発明の好ましい実施例に係る、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの波長、効率及び透過減衰量の間の関係を示すグラフのプロット図である。
【図６】図６は、本発明の好ましい実施例に係る、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの入射角度の関数としての性能を示す、グラフのプロット図である。
【図７ａ】図７ａは、本発明の代替実施例に係る、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの理論的スループット性能を示す、グラフのプロット図である。
【図７ｂ】図７ｂは、本発明の代替実施例に係る、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの理論的減衰量性能を示す、グラフのプロット図である。
【図７ｃ】図７ｃは、本発明の代替実施例に係る、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの理論的減衰量性能を示す、グラフのプロット図である。
【図８】図８は、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの斜視図である。
【図９】図９は、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッターの側断面図である。
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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【図２ａ】
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【図２ｂ】
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【図２ｃ】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図４ａ】
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【図４ｂ】
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【図４ｃ】
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【図５ａ】
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【図５ｂ】
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【図５ｃ】
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【図６】
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【図７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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