(57)【要約】  一部の投影システムは、像形成デバイスへの、および像形成デバイスからの光を結合するために偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用する。ＰＢＳは、一般にガラスカバーの間に配置された反射性偏光層を使用して形成される。反射性偏光層と像形成デバイスとの間にあるガラスカバーにおける応力複屈折は、投影システムの像のコントラストを減少し得る。ガラスカバーと像形成デバイスとの間に位置決めされた１／４波長位相遅延素子を使用して、複屈折を少なくとも部分的に補償する。これにより、以前よりも高い応力光学係数を有するガラス材料で形成されたガラスカバーをＰＢＳが使用できるようにするが、依然として高い像のコントラストを維持する。
2008537602.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを透過する第１の面および第２の面を有する第１のカバー、
光ビームを透過する少なくとも第１の面を有する第２のカバーであって、その第１の面が前記第１のカバーの前記第１の面に対向するように配置された第２のカバー、および
前記第１のカバーの前記第１の面と前記第２のカバーの前記第１の面との間に配置された反射性偏光層、
を含む偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、
前記第１のカバーの前記第２の面の近傍に配置された１／４波長位相遅延素子であって、前記第１の面と第２の面との間で、前記第１のカバーを２度通過する光に対する前記第１のカバーの複屈折の補償を実質的に最大にするように整列されている１／４波長位相遅延素子と、
を含む光学ユニット。
【請求項２】
前記第１のカバーが、１．８以下の屈折率を有するガラスを含む、請求項１に記載のユニット。
【請求項３】
前記ガラスの屈折率が１．７以下である、請求項２に記載のユニット。
【請求項４】
前記ガラスの屈折率が１．６以下である、請求項３に記載のユニット。
【請求項５】
応力光学係数が０．１×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超である、請求項１に記載のユニット。
【請求項６】
応力光学係数が０．５×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超である、請求項５に記載のユニット。
【請求項７】
応力光学係数が１．０×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超である、請求項６に記載のユニット。
【請求項８】
前記反射性偏光層が多層ポリマー光学フィルムを含む、請求項１に記載のユニット。
【請求項９】
前記第１のカバーの前記第２の面から前記１／４波長位相遅延素子を通過する光路に配置された像形成デバイスをさらに含む、請求項１に記載のユニット。
【請求項１０】
前記像形成デバイスが反射型液晶像形成デバイスを含む、請求項９に記載のユニット。
【請求項１１】
前記第１のカバーを２回通過する光が受ける複屈折、ならびに前記像形成デバイスの残留複屈折を少なくとも部分的に補償するように前記１／４波長位相遅延素子の速軸の方位角が選択される、請求項９に記載のユニット。
【請求項１２】
前記像形成デバイスからの前記ＰＢＳを通過した像光の断面部分のコントラスト比が１０００：１超である、請求項９に記載のユニット。
【請求項１３】
前記１／４波長位相遅延素子と前記反射性偏光層との間に配置された第２の複屈折素子をさらに含む、請求項１に記載のユニット。
【請求項１４】
前記第２の複屈折素子がレンズを含む、請求項１３に記載のユニット。
【請求項１５】
前記反射性偏光層によって反射されかつ通常前記第１のカバーの前記第２の面を通って前記１／４波長位相遅延素子へ通過する光の光路が入射面を定義し、前記１／４波長位相遅延素子は、前記入射面に対し非平行および非垂直に向けられた速指標軸を有する、請求項１に記載のユニット。
【請求項１６】
前記光ビームを生成する光源をさらに含み、前記光ビームは前記第１のカバーに第３の面を通して入り、前記光ビームはｆ／２．５超のＦナンバーを有する、請求項１に記載のユニット。
【請求項１７】
前記光ビームを生成する光源をさらに含み、前記光ビームは前記第１のカバーに第３の面を通して入り、前記光ビームはｆ／２．５以下のＦナンバーを有する、請求項１に記載のユニット。
【請求項１８】
前記第１のカバーが実質的に鉛を含まないガラス材料で形成される、請求項１に記載のユニット。
【請求項１９】
第１のカバーと第２のカバーとの間に配置された反射性偏光層を有する第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であって、前記第１のカバーが０．１超の応力光学係数を有する材料で形成されている、第１の偏光ビームスプリッタと、
光が、前記第１のＰＢＳの前記反射性偏光層から前記第１の反射像形成デバイスへ前記第１のカバーを通過するように、かつ前記反射像形成デバイスから前記第１のカバーを通って前記第１のＰＢＳの前記反射性偏光層へ反射されるように、前記第１のカバーの第１の面に向く第１の反射像形成デバイスであって、前記光が、前記第１のカバーにおける応力複屈折と前記反射像形成デバイスにおける残留複屈折とに晒される、第１の反射像形成デバイスと、
前記第１のカバーの前記第１の面と前記反射像形成デバイスとの間を通過する前記光を位相遅延させるために配置された第１の１／４波長位相遅延素子と、
を含む光学システム。
【請求項２０】
前記第１の１／４波長位相遅延素子が、前記第１のＰＢＳの前記第１のカバーおよび前記反射型像形成デバイスにおける複屈折に対する補償を最大にするように向けられている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記応力光学係数が０．５×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超である、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２２】
前記応力光学係数が１．０×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超である、請求項２１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記第１のカバーが、１．８以下の屈折率を有するガラスで形成されている、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２４】
前記ガラスの屈折率が１．７以下である、請求項２３に記載のシステム。
【請求項２５】
前記ガラスの屈折率が１．６以下である、請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
光源と、照明光ビームを前記ＰＢＳを経て前記像形成デバイスへ向けるためのビームマネージメントオプティクスと、をさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２７】
前記像形成デバイスからの像を投影するように構成された投影レンズユニットをさらに含む、請求項１９に記載のシステム。
【請求項２８】
投影された像のコントラスト比が１０００：１以上である、請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
前記コントラスト比が２５００：１以上である、請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
少なくとも第２のＰＢＳと、少なくとも第２の反射像形成デバイスと、色結合ユニットと、をさらに含み、前記第１および少なくとも第２の反射像形成デバイスからの像光が前記色結合ユニットにおいて結合されて、結合像ビームを生じる、請求項１９に記載のシステム。
【請求項３１】
少なくとも第３のＰＢＳと、少なくとも第３の反射像形成デバイスとをさらに含み、前記第１、第２および少なくとも第３の像形成デバイスからの像光が前記色結合ユニットにおいて結合されて、結合像ビームを生じる、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記色結合ユニットがＸキューブ色結合ユニットを含み、前記第１、第２および第３のＰＢＳが前記Ｘキューブ色結合ユニットに取り付けられ、前記第１、第２および第３の反射像形成デバイスが、それぞれ前記第１、第２および第３のＰＢＳに取り付けられている、請求項３１に記載のシステム。
【請求項３３】
像形成デバイスと、
選択した偏光状態にある光を、前記像形成デバイスへまたは前記像形成デバイスから反射するために配置された、反射性偏光層と、
前記像形成デバイスと前記偏光層との間の光路に配置された少なくとも第１の複屈折素子であって、前記光路に実質的に垂直の面を有し、前記複屈折素子の複屈折は不均一であるので、前記面の異なる部分を通過する光の複屈折リターデーションの値は異なる、第１の複屈折素子と、
前記第１の複屈折素子と前記像形成デバイスとの間に配置された１／４波長位相遅延素子であって、前記反射性偏光層と前記像形成素子との間を往復する光のリターデーションを少なくとも部分的に補償するように向けられた１／４波長位相遅延素子と、
を含む光学システム。
【請求項３４】
前記第１の複屈折素子が前記反射性偏光層のためのガラスカバーを含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
前記第１の複屈折素子が、前記面の少なくとも一部分を通過する光に対して、少なくとも１ｎｍ超の１回通過のリターダンスを有する、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３６】
前記第１の複屈折素子が少なくとも５ｎｍ超の１回通過のリターダンスを有する、請求項３５に記載のシステム。
【請求項３７】
前記第１の複屈折素子が少なくとも１０ｎｍ超の１回通過のリターダンスを有する、請求項３６に記載のシステム。
【請求項３８】
前記第１の複屈折素子が、０．５×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超の応力光学係数を有するガラスカバーである、請求項３３に記載のシステム。
【請求項３９】
前記応力光学係数が１．０×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超である、請求項３８に記載のシステム。
【請求項４０】
前記像形成デバイスと前記偏光層との間の前記光路に配置された第２の複屈折素子をさらに含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４１】
前記第２の複屈折素子がレンズを含む、請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
光源と、照明光ビームを前記反射性偏光層を経て前記像形成デバイスへ向けるためのビームマネージメントオプティクスと、をさらに含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４３】
前記像形成デバイスからの像を投影するように構成された投影レンズユニットをさらに含む、請求項３３に記載のシステム。
【請求項４４】
前記像のコントラスト比が２５００：１以上である、請求項４３に記載のシステム。
【請求項４５】
異なる色帯域に関連する少なくとも２つの入口面を有する色結合ユニットと、
前記少なくとも２つの入口面に対してそれぞれ動作可能に配置された少なくとも２つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）であって、前記少なくとも２つのＰＢＳの少なくとも第１のＰＢＳが、第１のカバーの第１の面と第２のカバーの第１の面との間に配置された第１の反射性偏光層を含み、前記第２のカバーが、前記反射性偏光層と前記色結合ユニットとの間に位置決めされ、前記第１のカバーが、０．１×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超の応力光学係数（ＳＯＣ）を有する透明材料で形成され、前記第１のＰＢＳが第１の反射面を定義する、少なくとも２つの偏光ビームスプリッタと、
第１の１／４波長位相遅延素子であって、前記第１のＰＢＳの前記第１のカバーが前記１／４波長位相遅延素子と前記反射性偏光層との間にあり、前記１／４波長位相遅延素子の速軸が、前記第１の反射面に対し非平行および非垂直に向けられている、第１の１／４波長位相遅延素子と、
を含む光学システム。
【請求項４６】
前記少なくとも２つの偏光ビームスプリッタの第２のＰＢＳが、第３のカバーの第１の面と第４のカバーの第１の面との間に配置された第２の反射性偏光層と、第２の１／４波長位相遅延素子と、を含み、前記第４のカバーが、前記第２の反射性偏光層と前記色結合ユニットとの間に位置決めされ、前記第３のカバーが０．１×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超の応力光学係数（ＳＯＣ）を有する透明材料で形成され、前記第２のＰＢＳが第２の反射面を定義し、前記第２のＰＢＳの前記第３のカバーが前記第２の１／４波長位相遅延素子と前記第２の反射性偏光層との間にあり、前記第２の１／４波長位相遅延素子の速軸が、前記第２の反射面に対し非平行および非垂直に向けられている、請求項４５に記載のシステム。
【請求項４７】
前記少なくとも２つの偏光ビームスプリッタの第３のＰＢＳが、第５のカバーの第１の面と第６のカバーの第１の面との間に配置された第３の反射性偏光層と、第３の１／４波長位相遅延素子と、を含み、前記第６のカバーが前記第３の反射性偏光層と前記色結合ユニットとの間に位置決めされ、前記第５のカバーが０．１×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超の応力光学係数（ＳＯＣ）を有する透明材料で形成され、前記第３のＰＢＳが第３の反射面を定義し、前記第３のＰＢＳの前記第５のカバーが前記第３の１／４波長位相遅延素子と前記第３の反射性偏光層との間にあり、前記第３の１／４波長位相遅延素子の速軸が、前記第３の反射面に対し非平行および非垂直に向けられている、請求項４６に記載のシステム。
【請求項４８】
前記第１、第２および第３のＰＢＳが前記色結合ユニットに取り付けられている、請求項４７に記載のシステム。
【請求項４９】
前記第２、第４および第６のカバーが前記色結合ユニットに取り付けられている、請求項４８に記載のシステム。
【請求項５０】
前記第１、第２および第３のＰＢＳの近傍にそれぞれ動作可能に配置された個別の第１、第２および第３の像形成デバイスをさらに含む、請求項４７に記載のシステム。
【請求項５１】
前記第１、第２および第３の像形成デバイスが、前記第２、第４および第６のカバーにそれぞれ取付けられている、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５２】
前記第１、第２および第３の像形成デバイスの少なくとも１つが反射型像形成デバイスである、請求項５０に記載のシステム。
【請求項５３】
光源と、照明光を前記第１のＰＢＳへ向けるように構成された光マネージメントオプティクスと、をさらに含む、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５４】
前記色結合ユニットから受けた像を投影するように構成された投影レンズユニットさらに含む、請求項４５に記載のシステム。
【請求項５５】
偏光層において光を実質的に選択された偏光状態へ偏光するステップと、
前記偏光された光を複屈折素子を通して像形成デバイスへ向けるステップと
前記偏光光を前記像形成デバイスにおいて反射するステップと、
前記偏光層において前記反射された偏光光を分析するステップと、
前記偏光光および前記反射された偏光光を、前記複屈折素子と前記像形成デバイスとの間に配置された１／４波長位相遅延素子に通過させるステップであって、前記１／４波長位相遅延素子は、前記複屈折素子におけるリターダンスを実質的に最適に補償するように向けられている、ステップと、
を含む、像投影システムにおける複屈折の補償方法。
【請求項５６】
前記光を生成するステップと、前記光を前記偏光層に向けるステップと、をさらに含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記分析された光をスクリーンへ投映するステップをさらに含む、請求項５５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学システムに関し、より詳細には、異なる偏光状態にある光ビームを分離または結合するための偏光ビームスプリッタを使用する光学システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）の機能は、ある偏光状態にある光を反射し、かつ直交する偏光状態にある光を透過することである。従って、ＰＢＳは、光の偏光に依存する光学システムに広範に使用されることが明らかである。そのようなあるシステムの例としては、照明光ビームを変調するための反射型液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルを使用する像投影システムが挙げられる。すなわち、偏光された照明光ビームが、例えばＰＢＳにおける反射によってＬＣＤパネルに向けられる。光ビームがＬＣＤパネルによって空間的に変調されるので、反射されたビームは、照明ビームの偏光状態にある非変調光をある程度含み、かつ直交する偏光状態にある変調光をある程度含む。非変調の非像光はＰＢＳによって反射され、所望の像を含む変調像光は、ＰＢＳを透過する。それゆえ、ＰＢＳは非像光から像光を分離し、次に像光は、使用者が観るためにスクリーンに投映され得る。
【０００３】
異なる種類のＰＢＳを使用してもよい。投影システムは、一方の偏光状態に対してブルーアー角（Ｂｒｅｗｅｒ’ｓ  ａｎｇｌｅ）に向けられた、等方性物質の１／４波長フィルムの積層体に依存するマクニール（ＭａｃＮｅｉｌｌｅ）ＰＢＳを使用し、かつ等方性と複屈折のポリマー材料の交互の積層体を使用するカーテシアン（Ｃａｒｔｅｓｉａｎ）多層光学フィルム（ＭＯＦ）ＰＢＳを使用することが報告されている。カーテシアンＭＯＦ  ＰＢＳは、低いＦナンバーにおいて動作可能であり、かつマクニールＰＢＳよりもコントラストと透過率が高い。
【０００４】
ＰＢＳは、２つの直角のガラスプリズムの斜辺に挟まれた偏光層として形成されることが多い。しかしながら、偏光層とイメージャパネルとの間にあるガラスプリズムに複屈折リターデーション（ｒｅｔａｒｄａｔｉｏｎ）が生じる場合には、ＰＢＳによってもたらされるコントラストは減少し得る。なぜなら、偏光面から反射された名目上ｓ偏光の照明光が、イメージャパネルに入射すると、部分的にｐ偏光となるように回転されるからである。これにより、イメージャパネルからの反射後に光の漏洩が生じ、暗状態における明るさのレベルが増大するので、コントラストが減少する。ガラスプリズムにおける複屈折リターデーションは、例えば、ＰＢＳの組立中にＰＢＳ構成部品中に誘発された機械的応力、またはＰＢＳ取付具によってまたは強い照明光ビームに晒された時のＰＢＳにおける熱膨張によって誘発された応力など多くの異なる原因によるであろう。さらに、イメージングデバイスを取付けるためのハードウェアがＰＢＳの入力プリズムに取り付けられている場合には、ガラスに生じる応力によって、通常ＰＢＳの少なくとも幾つかの領域にわたって著しくコントラストを減少する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
この問題を克服するために、機械的応力による複屈折をほとんど生じない応力光学係数（ＳＯＣ）の低いガラスを製造するために、多大な研究がガラス製造者によってなされた。ＰＢＨ５６およびＳＦ５７は、それぞれオハラ社（Ｏｈａｒａ）およびショット社（Ｓｃｈｏｔｔ）によって製造された、この種のガラスの例である。このようなガラスは、有意量の鉛を含有する。ＰＢＨ５６もＳＦ５７も７０重量％超の酸化鉛を含有する。それゆえ、これらの低ＳＯＣガラスは、環境上望ましい材料ではなく、高価で加工が難しくもある。さらに、低ＳＯＣガラスは、屈折率が１．８超と高く、これにより、より低い屈折率の偏光層と合わせられると光学的な非能率化または収差をもたらすかもしれない。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を含む光学ユニットに関する。ＰＢＳは、光ビームを透過する第１の面および第２の面を有する第１のカバーと、光ビームを透過する少なくとも第１の面を有する第２のカバーと、を有する。第２のカバーは、その第１の面が第１のカバーの第１の面に対向するように配置される。第１のカバーの第１の面と第２のカバーの第１の面との間には反射性偏光層が配置される。第１のカバーの第２の面の近傍には１／４波長位相遅延素子が配置される。１／４波長位相遅延素子は、第１の面と第２の面との間で、第１のカバーを２度通過する光に対する第１のカバーの複屈折の補償を実質的に最大にするように整列されている。
【０００７】
本発明の別の実施形態は、第１のカバーと第２のカバーとの間に配置された反射性偏光層を有する第１の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を含む光学システムに関する。第１のカバーは、０．１超の応力光学係数を有する材料で形成される。第１の反射像形成デバイスは、第１のカバーの第１の面に向いているので、光は、第１のＰＢＳの反射性偏光層から第１の反射像形成デバイスへ第１のカバーを通過し、かつ反射像形成デバイスから第１のカバーを通って第１のＰＢＳの反射性偏光層へ反射され、光は、第１のカバーにおける応力複屈折と反射像形成デバイスにおける残留複屈折とに晒される。第１の１／４波長位相遅延素子が配置されて、第１のカバーの第１の面と反射像形成デバイスとの間を通過する光を位相遅延させる。
【０００８】
本発明の別の実施形態は、像形成デバイスと、選択した偏光状態にある光を像形成デバイスへまたは像形成デバイスから反射するために配置された反射性偏光層と、を有する光学システムに関する。像形成デバイスと偏光層との間にある光路に複屈折素子が配置される。複屈折素子は、光路に実質的に垂直の面を有する。複屈折素子の複屈折は不均一であるので、面の異なる部分を通過する光の複屈折リターデーションの値は異なる。複屈折素子と像形成デバイスとの間には１／４波長位相遅延素子が配置される。１／４波長位相遅延素子は、反射性偏光層と像形成素子との間を往復する光のリターデーションを少なくとも部分的に補償するように向けられる。
【０００９】
本発明の別の実施形態は、異なる色帯域に関連する少なくとも２つの入口面を有する色結合ユニットと、少なくとも２つの入口面に対してそれぞれ動作可能に配置された少なくとも２つの偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）と、を含む光学システムに関する。少なくとも２つのＰＢＳの少なくとも第１のＰＢＳは、第１のカバーの第１の面と第２のカバーの第１の面との間に配置された第１の反射性偏光層を含む。第２のカバーは、反射性偏光層と色結合ユニットとの間に位置決めされている。第１のカバーは、０．１×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超の応力光学係数（ＳＯＣ）を有する透明材料で形成される。第１のＰＢＳは、第１の反射面を定義する。第１のＰＢＳの第１のカバーは、１／４波長位相遅延素子と反射性偏光層との間にある。１／４波長位相遅延素子の速軸が、第１の反射面に対し非平行および非垂直に向けられている。
【００１０】
本発明の別の実施形態は、像投影システムにおける複屈折の補償方法に関する。この方法は、偏光層において光を実質的に選択された偏光状態へ偏光するステップと、偏光された光を複屈折素子を通して像形成デバイスへ向けるステップと、を含む。偏光光は、像形成デバイスにおいて反射され、反射された偏光光を偏光層において分析する。偏光光および反射された偏光光を、複屈折素子と像形成デバイスとの間に配置された１／４波長位相遅延素子に通過させる。１／４波長位相遅延素子は、複屈折素子におけるリターダンス（ｒｅｔａｒｄａｎｃｅ）を実質的に最適に補償するように向けられている。
【００１１】
上記の本発明の概要は図示の各実施形態または本発明の全実装例を説明するものではない。以下の図面および詳細な説明は、これらの実施形態をより詳細に説明する。
【００１２】
以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を添付の図面と関連して考慮すると、本発明をより完璧に理解するであろう。
【００１３】
本発明は、様々な変更形態および代替形態を受けることができるが、その具体例を図面に一例として示し、詳細に説明する。しかしながら、本発明を、説明する特定の実施形態に限定するものではないことを理解すべきである。それどころか、添付の特許請求の範囲に規定される本発明の精神および範囲に含まれる変更物、等価物、代替物を全て網羅するものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
本発明は、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用するシステムに適用でき、かつ照明光から、偏光変調器を使用して生成された像光を分離するためにＰＢＳを組み込んだ像投影システムに特に有用であると考えられている。本発明は、ＰＢＳを使用するいかなる応用にも有用であるが、以下、特に投影システムにおいて使用される場合について説明する。本発明の範囲は、投影システムのみに限定されるものではない。
【００１５】
本発明を、多くの異なる種類の投影システムに使用してもよい。下記で説明する本発明を組み込んでもよいマルチパネル投影システム１００の例示的な一実施形態を図１に概略的に示す。投影システム１００は、異なる３つの色帯域の光を含む光ビーム１０４を生成する光源１０２を有する３パネル式投影システムである。光ビーム１０４を、色分割素子１０６、例えば、ダイクロイックミラーによって、異なる色の光を含む第１、第２および第３のビーム１０４ａ、１０４ｂおよび１０４ｃに分割する。ビーム１０４ａ、１０４ｂおよび１０４ｃの色は、例えば、それぞれ赤、緑および青であってもよい。例えばミラーまたはプリズムなどのビームステアリング素子１０８を使用して、ビーム１０４、１０４ａ、１０４ｂおよび１０４ｃのいずれかの進む方向を制御してもよい。
【００１６】
ビーム１０４ａ、１０４ｂおよび１０４ｃは、例えば、シリコン基板上に液晶を設けた（ＬＣｏＳ）パネルのような、ＬＣＤベースの反射型像形成パネルとし得る、個々の像形成デバイス１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃに向けられる。光ビーム１０４ａ、１０４ｂおよび１０４ｃを、個々の像形成デバイス１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃへおよびそれらから個々の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１２ａ、１１２ｂおよび１１２ｃを経由して結合する。像形成デバイス１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃは、入射光ビーム１０４ａ、１０４ｂおよび１０４ｃを偏光変調するので、個々の像ビーム１１４ａ、１１４ｂおよび１１４ｃは、ＰＢＳ１１２ａ、１１２ｂおよび１１２ｃによって分離され、かつ色結合ユニット１１６へ通過する。図示の例示的な実施形態においては、照明光ビーム１０４ａ、１０４ｂおよび１０４ｃを、ＰＢＳ１１２ａ、１１２ｂおよび１１２ｃによって像形成デバイス１１０ａ、１１０ｂおよび１１０ｃへ反射し、かつ得られる像光ビーム１１４ａ、１１４ｂおよび１１４ｃはＰＢＳ１１２ａ、１１２ｂおよび１１２ｃを透過する。図示しない別の方法では、照明光はＰＢＳを透過して像形成デバイスに至る一方で、像光はＰＢＳによって反射される。
【００１７】
像形成デバイス１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃとそのそれぞれのＰＢＳ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃとの間に１／４波長リターデーション素子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを位置決めする。１／４波長リターデーション素子１１１ａ、１１１ｂ、１１１ｃを、下記で詳細に説明するように像形成デバイス１１０ａ、１１０ｂ、１１０ｃにおける残留複屈折を補償するために、かつ、ＰＢＳ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃにおける複屈折を補償するために使用してもよい。
【００１８】
図示の例示的な実施形態においては、色結合ユニット１１６は、例えば１つ以上のダイクロイック素子を使用して、異なる色の像光ビーム１１４ａ、１１４ｂおよび１１４ｃを結合する。特に、図示の例示的な実施形態では、Ｘ立方体の色結合器を示すが、他の種類の結合器を使用してもよい。３つの像ビーム１１４ａ、１１４ｂおよび１１４ｃを色結合ユニット１１６において結合して、投影レンズ系１２０によってスクリーン（図示せず）へ向けることができる単一の色付き像ビーム１１８を生じる。
【００１９】
投影システムの他の実施形態では１つ以上のＰＢＳを使用してよい。例えば、投影システムは、米国特許出願第１０／４３９，４４９号明細書および同第１０／９１４，５９６号明細書に詳細が説明されているように、個別にＰＢＳを有する１つまたは２つの像形成デバイスを使用してもよい。像形成デバイスの最大数は３つに限定されず、かつ投影システムは４つ以上の像形成デバイスを使用してもよい。さらに、高圧水銀ランプなどの白色光源、および発光ダイオードなどのカラー光源を含めて、異なる種類の光源を使用してもよい。どのようにＰＢＳに到達する照明光が生成されるかまたはＰＢＳに到達する前にどのように光が処理されるかに限定しようとするものではない。
【００２０】
投影システムに高コントラストの像をもたらすための高品質な偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、以前は、光弾性定数としても知られる応力光学係数（ＳＯＣ）の低いガラスの使用を必要とした。低ＳＯＣガラスの例としては、ＰＢＨ５６ガラスおよびＳＦ５７ガラスが挙げられる。これらのガラスは、例えば酸化鉛が７０重量％以上など鉛の含有量が高く、屈折率が１．８超と高い。ＰＢＳのガラス中に大量の鉛を使用すると環境問題をもたらす。さらに、多層光学フィルム偏光子中の偏光層の屈折率は、一般に約１．５〜１．６の範囲にあるので、偏光層とガラスとの間の屈折率の差は高くなり、低ＳＯＣガラスを使用すると偏光層への入射角が最適でなくなる。この比較的大きい屈折率差は、例えば米国特許第６，６７２，７２１号明細書および同第６，７８６，６０４号明細書において説明されているように、システムまたはＰＢＳ自体の光学設計において取り組むことができる収差をもたらすかもしれない。低ＳＯＣガラスはまた、アッベ数が低く、これは分散度が高いことを意味するので、ＳＯＣガラスは、広範囲な波長を網羅する応用にはあまり適していない。
【００２１】
製品からの鉛の排除は、重要な環境上の目的であり、複屈折に影響されやすい光学システムの性能に影響を及ぼす。本発明は、標準ガラス、例えばペンシルバニア州ドゥリエー（Ｄｕｒｙｅａ、Ｐｅｎｎｓｙｌｖａｎｉａ）のショット・ノースアメリカ社（Ｓｃｈｏｔｔ  Ｎｏｒｔｈ  Ａｍｅｒｉｃａ）から入手可能なＮ−ＢＫ７、Ｎ−ＳＫ５など、または同等のガラスの使用に関する。例えば、Ｓ−ＢＡＬ３５およびＺＫ３は、ＮＳＫ５と略同等であり、それぞれ日本国のオハラ社（Ｏｈａｒａ  Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ）、および中国のＣｈｅｎｇｄｕ  Ｇｕａｎｇｍｉｎｇ社によって供給される。これらのガラスのＳＯＣ値は、例えば上に挙げた低ＳＯＣガラスの値の１００倍超まで高いが、本発明によれば、プロジェクションテレビ用のイメージングコアの照明において受ける応力に晒される場合でも、高コントラストを維持するＰＢＳ応用にこれらを使用してよい。これらの標準ガラスは鉛を含有しない。
【００２２】
イメージングＰＢＳ応用において鉛フリーガラスを使用する試みの多くが失敗している。例えば、クライン（Ｃｌｉｎｅ）ら（Ｔｈｅｒｍａｌ  ｓｔｒｅｓｓ  ｂｉｒｅｆｒｉｎｇｅｎｃｅ  ｉｎ  ＬＣＯＳ  ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ  ｄｉｓｐｌａｙｓ、Ｄｉｓｐｌａｙ２３（２００２）１５１〜１５９頁）は、照明が誘発した熱応力複屈折、すなわち光を照明した時のガラスの吸収発熱によって生じる応力複屈折について、多数のガラスを分析しテストした。分析により、照明誘発熱応力複屈折に対する性能指数（ｆｉｇｕｒｅ  ｏｆ  ｍｅｒｉｔ）をもたらし、これは、ＳＫ５、ＢＫ７およびＵｌｔｒａｎ３０の照明誘発熱応力複屈折は、プロジェクションテレビシステムの使用に対しては十分に低いであろうと示唆した。しかしながら、クラインらは、彼らの分析は、組立および取付けに起因する機械的応力、および照明以外の理由で生じる熱応力、例えば冷却ファン、電子機器からの熱、または反射型画像化装置によって吸収および放射された熱など、応力複屈折の他の源を考慮していないと言及した。例えば、ＰＢＳの偏光層とガラスプリズムとの間の接着剤に起因する、いくつかの追加的な応力複屈折が生じるかもしれない。この接着剤は、例えば、ガラスカバーに応力を生じるように硬化してもよく、これは製作応力をもたらす。さらに、高温での操作は、接着剤、ガラスカバーおよび／または偏光層における熱膨張係数が異なることに起因する熱誘発応力をさらにもたらす。これらの追加的な応力源が、クラインによって議論された照明に誘発された熱複屈折に加えて、著しい応力複屈折を誘発して、投影システムに使用されるＰＢＳの低ＳＯＣガラスを、これらの鉛を含まないガラスに単純に置き換えることを不適当にする。Ｎ−ＳＫ５ガラスを使用する場合に、ＰＢＳのコントラストが著しく弱まり得ることを示す実験結果を下記に示す。
【００２３】
ＰＢＳ構成部品の複屈折を排除するのではなく、本発明の一部の実施形態は、ＰＢＳ構成部品の複屈折光学ガラスの効果を補償する研究に関する。本発明は、ＰＢＳの反射性偏光層の多くの異なる種類に有用であると考えられるが、特にカーテシアン多層光学フィルム（ＭＯＦ）ＰＢＳ、例えば共同所有の米国特許第６，４８６，９９７号明細書に説明されている偏光フィルムに有用であると考えられる。本発明は、偏光層と像形成デバイスとの間にガラス素子のある、マクニールＰＢＳおよびワイヤグリッドＰＢＳなどの他の種類のＰＢＳにも有効であるかもしれない。
【００２４】
本発明に使用されてもよいガラスとしては、屈折率が１．８未満、１．７未満および１．６未満さえものガラスが挙げられる。さらに、ガラスのＳＯＣ値が、一実施形態においては０．１×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超、別の実施形態においては０．５×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超または別の実施形態においては１．０×１０-6ｍｍ2Ｎ-1超であってもよい。ＰＢＳに高コントラスト動作を与える、本発明に使用されてもよい鉛フリーガラスの一部の例としては、ペンシルバニア州ドゥリエーのショット・ノースアメリカ社から入手可能なＮ−ＳＫ５およびＮ−ＢＫ７ガラスが挙げられる。Ｎ−ＳＫ５ガラスのＳＯＣ値は、可視スペクトルでは２．１６×１０-6ｍｍ2Ｎ-1、およびＮＢＫ−７のＳＯＣ値は２．７×１０-6ｍｍ2Ｎ-1である。これは、ＰＢＨ５６ガラス（０．０９×１０-6ｍｍ2Ｎ-1）のＳＯＣの２０倍超であり、ＳＦ５７ガラス（０．０２×１０-6ｍｍ2Ｎ-1）のＳＯＣ１００倍超である。従って、鉛フリーガラスは、高鉛ガラスよりも約２０〜１００倍機械的および／または熱応力に影響され得る。無応力で組立てられたＰＢＳでも、多層偏光子の接着剤と高分子フィルムとにおける熱の伝達（ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｘｃｕｒｓｉｏｎｓ）および吸湿によって生じる応力に影響され得る。以下説明するように、初めに無応力のＰＢＳを準備した場合でも、ＰＢＳが発熱し、冷却し、かつ適所に取り付けられているので、ＰＢＳを暗状態のミラーで使用することおよび良好な暗状態の均一性を維持することは難しい。
【００２５】
ＰＢＳと像形成デバイスとの間に配置された、１／４波長フィルムまたは１／４波長板などの１／４波長位相遅延素子を使用して、鉛フリーガラスにおける応力に関連する複屈折を少なくとも部分的に補償する。これにより、通常ＰＢＳに従来の鉛フリーガラスを使用すると付随して起こるコントラストの低下を低減する。
【００２６】
応力をかけられたＰＢＳの複屈折を、図２を参照して以下詳細に説明する。図２は、２つのカバー２０４、２０６の対向面２０４ａ、２０６ａの間に挟まれた反射性偏光層２０２を有するＰＢＳ２００を概略的に示す。カバー２０４、２０６はプリズム状であり、ＰＢＳ２００へおよびそこから光を透過するために、面２０４ａ、２０６ａに平行でない追加的な面を有する。図示の実施形態においては、カバー２０４、２０６は、反射性偏光層２０２の出射面２０４ｂに対して４５°に配置された対向面２０４ａ、２０６ａのある直角プリズムであるが、面２０４ａ、２０６ａは異なる角度で配置されてもよい。カバー２０４、２０６を、例えば、反射性偏光層２０２とカバー２０４、２０６とのそれぞれの間の接着層２０５ａ、２０５ｂを使用して、反射性偏光層２０２に取り付けてもよい。好適な接着層の一例は、米国特許出願公開第２００４／０２３４７７４Ａ１号明細書の教示にあるように、光学用エポキシ（ｏｐｔｉｃａｌ  ｅｐｏｘｙ）である。
【００２７】
一部の実施形態においては、反射性偏光層２０２は、異なるポリマー材料の交互層で形成された多層光学フィルム反射型偏光子であってもよい。ここで交互層のセットのうちの１種は、複屈折材料で形成される。異なる材料の屈折率は、ある直線偏光状態に偏光された光とは適合するが、直交する直線偏光状態にある光とは適合しない。従って、適合した偏光状態の入射光は層２０２を実質的に透過し、適合しない偏光状態の光は層２０２を実質的に反射する。
【００２８】
米国特許第６，７１９，４２６号明細書に教示されているように、例えば、マクニールＰＢＳに使用されることが多い無機誘電体層の積層体、またはガラスプリズムに使用されるワイヤグリッド偏光子などの、他の種類の反射偏光層を使用してもよい。または他の任意の偏光選択性層が同様に使用される。反射性偏光層２０２をカバー２０４に、上述した方法と同様に、接着してもよい。
【００２９】
非偏光照明光２１０または混合された偏光状態の光が、ＰＢＳ２００に入射する場合には、反射性偏光層２０２は光を、ここではｓ偏光状態と称するある偏光状態２１０ａに実質的に反射し、かつここではｐ偏光状態２１０ｂと称する直交する偏光状態に実質的に透過する。しかしながら、ＰＢＳがカーテシアンＭＯＦである場合には、反射光と透過光の偏光状態は、ＰＢＳの材料の固定軸に準拠して決定されることに留意すべきである。すなわち、偏光状態は、反射偏光層自体の物理的異方性の方向によって決定される。マクニール偏光子の場合には、偏光方向は偏光子における反射面に準拠して決定される。従って、ここで用語ｓ偏光およびｐ偏光を、この命名が厳密に正確であるマクニールＰＢＳの場合、および命名が略および実質的に正確であり好都合であるカーテシアンＰＢＳの場合の双方において、それぞれＰＢＳによってまず反射され透過される光の直交する偏光状態を意味する場合に使用する。ワイヤグリッド偏光子およびＭＯＦ偏光子は、どちらもカーテシアン偏光子の例である。
【００３０】
反射性偏光層２０２によって反射されたｓ偏光された入射光の一部をＲsとして示し、かつ反射性偏光層２０２によって透過されたｐ偏光された入射光の一部をＴpとして示す。たとえ反射性偏光層２０２が、ｓ偏光された光のみ反射し（Ｒs＝１）、ｐ偏光された光のみ透過する（Ｔp＝１）完璧な偏光子であった場合でも、像形成デバイス２１２に到達する光は、以下説明する混合された偏光である。
【００３１】
第１のカバー２０４が応力下にあり、応力複屈折をもたらす。応力は多くの異なる理由によって生じる。例えば、応力は、製造プロセス中に、またはＰＢＳ２００が光学システムに取付けられている場合に生じる機械的な原因から生じるかもしれない。さらに、応力は、例えば照明に誘発された熱応力、またはガラス、光学接着剤、反射性偏光層、またはＰＢＳ取付台の熱膨張係数の差異から生じるなど、本来は熱的であってもよい。それゆえ、ｐ偏光光が反射されない、すなわちＴp＝１の場合でも、反射された光２１０ａは複屈折カバー２０４を像形成デバイス２１２まで通過するので、像形成デバイス２１２に到達する光は、ｓ偏光光とｐ偏光光の双方を含む。反射性偏光層２０２と第１のカバー２０４との間の接着層２０５ａにも追加的な複屈折があるかもしれない。
【００３２】
応力に誘発された複屈折に起因する遅延効果は、以下説明するように、ＰＢＳ２００の一方の側において他方側よりも大きくてもよい。光線２２０が第１のカバー２０４の左側の端部を通過し、第１のカバー２０４の比較的長い経路に沿って伝搬してから、第１のカバー２０４内の比較的短い経路に沿って像形成デバイス２１２までビーム２２０ａとして反射される。光線２３０は、第１のカバー２０４の右側の端部を通過し、第１のカバー２０４内の比較的短い経路に沿って伝搬してから、カバー２０４内の比較的長い経路に沿って像形成デバイス２１２までビーム２３０ａとして反射される。それゆえ、像形成デバイスに到達する光ビーム２３０ａは、反射性偏光層２０２に反射した後、ビーム２２０ａよりも第１のカバー２０４内の経路を長く通過するので、第１のカバー２０４における複屈折のために、ビーム２２０ａよりも多くのｐ偏光光部分を含むであろう。反射性偏光層２０２を透過した光ビーム２２０ｂおよび２３０ｂは、捨てられてもよい。
【００３３】
暗状態では、像形成デバイス２１２は反射光の偏光を実質的に変調しないので、像形成デバイス２１２から反射された光ビーム２２２および２３２の偏光状態は、像形成デバイス２１２に入射する光と実質的に同じである。ビーム２２２はほとんどｐ偏光光を含まないので、比較的少量の光のみがビーム２２２ａとして反射性偏光層２０２によって透過され、比較的大量の光がビーム２２２ｂとして反射される。他方ビーム２３２は、ｐ偏光光の部分を多く含み、反射性偏光層２０２への戻りが増大するので、ビーム２３２ａとして透過した光はビーム２２２ａよりも強度が強いであろう。従って、反射性偏光層２０２によって反射されたビーム２３２ｂは、ビーム２２２ｂよりも強度が弱いであろう。それゆえ、暗状態では、像光は不均一であり、かつ一方の側のＰＢＳが他方に比較して明るいであろう。
【００３４】
第１のカバー２０４における応力複屈折の効果は、軸上の光線およびスキュー光線を含めて、像形成デバイスに入射する全光線に当てはまる。さらに、この効果はＰＢＳの片側から他側へと増大するので、少なくとも反射面においては、照明光ビームを中心にして対称的ではない。
【００３５】
この振る舞いは実験で観察された。図３Ａおよび３Ｂに示す２つの実験セットを使用した。図３Ａに示すセット３００では、高圧水銀アークランプからのｓ偏光光３０２を、ｆ／２．３光ビームでＭＯＦ  ＰＢＳ３０４に向けた。ＭＯＦ  ＰＢＳ３０４は実質的にｓ偏光光を、暗状態において反射型像形成デバイスを模倣するのに使用された平面ミラー３０６へ反射した。ミラー３０６から反射されＰＢＳ３０４を透過した光３０８を経路変更プリズム３１０を介して、対角線が５０インチ（１２７ｃｍ）のスクリーンにミラー３０６の像を形成するレンズ３１２の方へ向けた。次にスクリーン上の像を、ラディアントイメージング社（Ｒａｄｉａｎｔ  Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｉｎｃ．）（ワシントン州デュバール（Ｄｕｖａｌ，ＷＡ））によって製造されたプロメトリック（ＰｒｏＭｅｔｒｉｃ）ＰＭ−１４２１−１イメージングカラーリメータ（Ｉｍａｇｉｎｇ  Ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｅｒ）を使用して取得した。ＰＢＳは、共同所有の米国特許第６，６０９，７０５号明細書および同第６，７２１，０９６号明細書に説明されるようにＭＯＦ  ＰＢＳであった。ＰＢＳは、ｆ／２．３光ビームの場合にはＴｐおよびＲｓ双方の値が可視領域（４３０ｎｍ〜７００ｎｍ）にわたって９５％超の偏光層を有した。
【００３６】
図３Ｂに示すセット３５０は、ミラー３０６を１／４波長ミラー（ＱＷＭ）３５６、すなわち１／４波長位相遅延器３５８が取り付けられたミラー３５７に置換したことを除いて、図３Ａと同じである。暗状態の像を各セット３００、３５０用に記録した。最良な暗状態を得るために、ＱＷＭ３５６をｚ軸に平行した軸の周りで回転した。スクリーンに最も明るいビームを得るためにＱＷＭ３５６をｚ軸に平行した軸の周りで回転させることによって、明状態の像もＱＷＭセット３５０用に記録した。
【００３７】
図４Ａは、アスペクト比が１６：９の投影された像４００の外周を概略的に示す。６本の点線４０２ａ〜ｃ、４０４ａ〜ｃが、投影像を横切る線を示す。図４Ｂは、スクリーン上の３本の垂直線４０２ａ〜ｃに沿ったミラーの暗状態の明るさを示す。曲線４１２ａは、線４０２ａに沿った暗状態の明るさを示し、曲線４１２ｂは、線４０２ｂに沿った暗状態の明るさを示し、および曲線４１２ｃは、線４０２ｃに沿った暗状態の明るさを示す。暗状態の明るさの値は、ＱＷＭによる暗状態の明るさを規準化する、すなわちグラフの値は、ミラー暗状態の明るさをＱＷＭ暗状態の明るさで割ることによって得た。これにより、例えばミラーを照明するビームの強度プロフィールにおけるあらゆる不均一性から生じる、いくつかの体系的なアーチファクトを結果から除去する。
【００３８】
座標系の始点を、線４０２ｂと４０４ｂが交差するスクリーンの中心に置く。垂直線４０２ａ〜ｃは、それぞれ−０．４５、０および０．４５のｘ座標を有し、および水平線４０４ａ〜ｃは、それぞれ０．２７、０および−０．２７のｙ座標を有する。それゆえ、Ａ〜Ｉで記した点、線４０２ａ〜ｃと４０４ａ〜ｃの交差点は、以下の座標を有する。Ａ（−０．４５，０．２７）、Ｂ（０，０．２７）、Ｃ（０．４５，０．２７）、Ｄ（−０．４５，０）、Ｅ（０，０）、Ｆ（０．４５，０）、Ｇ（−０．４５，−０．２７）、Ｈ（０，−０．２７）、Ｉ（０．４５，−０．２７）。（メートル単位で）各位置に対応する座標を投影スクリーン上で測定した。
【００３９】
初めに、像の右側、線４０２ｃに対応する曲線４１２ｃを見ると、ミラー暗状態の明るさは、約−０．３ｍ〜０ｍの位置ではＱＷＭの明るさに近い。しかしながら、０ｍ〜０．３ｍの位置では、ミラー暗状態の相対的な明るさは、約７の値まで著しく増大する。換言すれば、ミラー暗状態は、ＱＷＭ暗状態よりも約７倍明るいということである。これは、１／４波長位相遅延器が不在の場合にこの領域においてより著しい暗状態での漏洩があるということを意味する。それゆえ、像の右上隅は左下隅よりも明るく見えた。他の曲線４１２ａ、４１２ｂは、像の高さにわたって曲線４１２ｃほどには変わらず、暗状態の像は像４００の右上隅が一番明るいことを示す。
【００４０】
図４Ｃは、スクリーン４００を横切る３本の水平線４０４ａ〜ｃのミラー暗状態の規準化された明るさを示す。曲線４１４ａは、線４０４ａに沿った暗状態の明るさを示し、曲線４１４ｂは、線４０４ｂに沿った暗状態の明るさを示し、および曲線４１４ｃは、線４０４ｃに沿った暗状態の明るさを示す。像４００の上部に沿った位置の暗状態の像の明るさを示す曲線４１４ａは、スクリーンの左側の位置（０ｍ未満の位置）においては値が比較的低いが、スクリーンの右側では高い。これは前段落で垂直線４１２ａ〜ｃについて議論した結果と一致している。曲線４１４ｂおよび４１４ｃは比較的平坦であり、これらの域においてミラー３０６またはＱＷＭ３５６の暗状態の強度に大きな差異がないことを示す。４１６で示す点は、埃が存在して暗状態の明るさの現実的測定が妨げられた域に対応する。
【００４１】
明状態照度の暗状態照度に対する比であるコントラスト比を、位置Ａ〜Ｉに対応する投影像域内の９箇所の異なる位置で計算した。このコントラスト比を、検出器３１４への最大透過をもたらす状態にＱＷＭを回転した場合の暗状態の光の明るさと最も明るい状態の明るさを測定することにより測定した。セット３００および３５０のそれぞれのコントラスト測定の結果を表Ｉに要約する。
【００４２】
【表１】
2008537602.tif 000003
【００４３】
テレビ投影システムの場合のコントラスト比は、２５００以上のレベルが好ましい。点ＢおよびＣは、ミラー３０６を単独で使用した場合にはこの基準に満たないことがわかる。これは、ＰＢＳカバーにおける応力複屈折のためである。対照的に、ＱＷＭ暗状態の場合のコントラスト比は、投影像の全点において２５００をはるかに上回る。
【００４４】
例えば点ＡおよびＩなど、いくつかの点において、ＱＷＭ３５６よりもミラー３０６を使用した場合にコントラストが著しく高い。これらは、ＰＢＳカバーにおける、応力複屈折の影響がほとんどないか、または全くない位置に対応する。得られるコントラスト比はＱＷＭ投影像で減少する。なぜなら、例えば方位の不完全性など、おそらく取付け状態によって引き起こされたかまたは位相遅延器３５８自体の性質により、１／４波長位相遅延器３５８が不完全な状態であるためである。さらに、ＱＷＭ３５６を使用するセット３５０は波長の最適化がされておらず、最適化された部品によりコントラスト性能の改善が見込まれる。ＱＷＭ３５６上の１／４波長位相遅延器３５８はスペクトル的にニュートラルではなく、約１３７ｎｍの複屈折を有した。それゆえ、１／４波長フィルムは、５５０ｎｍ付近の波長に真の１／４波長リターデーションのみをもたらした。ＱＷＭの場合には、使用される入射光の帯域を狭くするか、照明光の波長帯にわたってより平坦なリターデーションを有するＱＷＭ３５６を使用することによって、コントラストの改善が見込まれたであろう。３パネル式投影システムでは、像生成デバイスに入射する光の帯域は、典型的には約７０ｎｍ以下であり、ＰＢＳおよび１／４波長位相遅延器を含め光学素子は、投影された各色帯域における作用を最適化し得ることに留意すべきである。
【００４５】
１／４波長位相遅延器（ＱＷＲ）を使用する効果を、ミュラー行列の偏光モデリングを用いて示した。効果を実証するこの最も単純なモデルは、ＰＢＳ機能に等価な機能を果たす直交した直線偏光子を含む。直交した偏光子は、ＰＢＳを介する一つの反射および一つの透過と同等である。同等の偏光子間に複屈折ガラスを置いて、ＰＢＳカバー、ＱＷＲ、ある程度の迷リターダンス（ｓｔｒａｙ  ｒｅｔａｒｄａｎｃｅ）を有するＬＣｏＳ画像化装置、およびミラーを形作る。
【００４６】
図５は、ＰＢＳの面（５００）を概略的に示し、偏光の方向（ｓ−ｐｏｌ）、および面５００における異なる複屈折の方向を示す様々な矢印を示す。複屈折の方向は、ガラス材料における応力の方向に依存している。得られる分析は、ＱＷＲ補償器がどのレベルの複屈折、または偏光方向に対して４５°に向けられた応力（（ａ）で示された矢印）も実質的に補正することを示す。０°または９０°に向けられた応力（それぞれ矢印（ｂ）および（ｃ））は、偏光された光ビームの偏光に何ら影響を及ぼさなかった。分析は、２２．５°（モジューロ４５°）向けられた応力（矢印（ｄ）および（ｅ））が、ＱＷＲを用いた補償が最も難しいことを示す。
【００４７】
この振る舞いの理由を以下、図６Ａ〜Ｄを参照して説明する。図６Ａは、２つのカバー６０４と６０６との間にある反射性偏光層６０２によって形成されたＰＢＳ６００に入る光ビーム６１０を概略的に示す。光は第１のカバー６０４に入り、反射性偏光層６０２から反射して像形成デバイス６０８の方向へ進む。第１のカバー６０４は、応力複屈折を起こす。
【００４８】
光６１０は、反射性偏光層６０２において偏光されるか、予め偏光されていた場合には再偏光される。これは、反射性偏光層６０２はＴpの値が、入射光の帯域および入射角の範囲にわたって少なくとも９０％超、好ましくは９２％超および一層好ましくは９４％超と高いと仮定している。米国特許第６，６０９，７９５号明細書に説明された多層フィルムの偏光層は、高い値のＴpを達成し、典型的な値は、ｆ／２．３ビームの場合には４３０ｎｍ〜７００ｎｍの全波長帯域にわたって９６％〜９８％に達する。それゆえ、望ましくない偏光状態にある光のわずかな部分も像形成デバイス６０８へ反射される。
【００４９】
反射された光６１０ａは、第１のカバー６０４を通る経路に沿って伝搬する。第１のカバー６０４を出ると、ｚ軸に垂直な面である面Ａにおける光６１０ａの偏光状態は、互いに直交するように偏光された成分の組み合わせである。光ビームの偏光成分の例示的な選択を図６Ｂに示す。これは、像形成デバイスにおいて、負のｚ方向に沿って観察者がＰＢＳ６００を見る場合の、ガラスリターデーションの領域を通過するビーム６１０ａの一部分の偏光状態を示す。軸方向の光線の場合には、ｓ偏光方向はｙ方向に平行していると仮定し、ｐ偏光方向はｘ方向に平行していると仮定する。光ビーム６１０は、ｙ軸（ｓ偏光方向）に対してθ0の偏光角を有する。光は楕円形に偏光され、偏光角θ0は、偏光楕円の長軸の方向である。偏光方向に対して４５°におけるリターデーションの偏光角θ0を、式：
θ0＝ｔａｎ-1（Ｉx／Ｉy）、
（式中、
Ｉx＝Ｉo・ｓｉｎ2（２□□ｎ・ｄ／□)、および
Ｉy＝Ｉo・ｃｏｓ2（２□□ｎ・ｄ／□)である）
を使用して得ることができる。
【００５０】
Ｉ0は、入射ビームの強度であり、ＩxおよびＩyは、それぞれｘ軸に平行に偏光された光（ｐ偏光光）とｙ軸に平行に偏光された光（ｓ偏光光）の相対強度であり、□ｎ・ｄは、検討中のガラスの領域における光の経路に沿ったリターデーションの総計であり、および□は、真空中の光の波長である。他の向きのリターデーションでは、式はより複雑であるが、質的には似ている。θ0の実際値は、第１のカバー６０４のリターダンスに依存し、実際的な場面では、図６Ｂに示す値よりも少ない値を有してもよい。図６Ｂに示すθ0の特定の値は、説明のためのみ選択された。
【００５１】
光ビーム６１０ａはＱＷＲ６１２を通過し、反射されたビーム６１４として像形成デバイス６０８から反射され、再度ＱＷＲを通過する。ＱＷＲ６１２の２度の通過は、機能的には１／２波長位相遅延器を通過するのに相当する。その結果、反射ビーム６１４の偏光角は、−θ0に反転する。図６Ｃは、像形成デバイス６０８からの反射後の、面Ａにおける反射ビーム６１４の偏光角を示す。
【００５２】
ＱＷＲ６１２に戻った後、光ビーム６１４は、カバー６０４を通って反射性偏光層６０２まで略同じ経路をたどるので、応力複屈折による、入射経路において光６１０が受けたものと実質的に同じリターデーションを受ける。しかしながら、光ビーム６１４の偏光角は、面Ａにおける光ビーム６１０に対して逆転しているので、正味の影響としては、一度ビーム６１４が第１のカバー６０４に戻って偏光層６０２まで通過すると、偏光角θは、０または０に近い値まで回転して戻ったことである。これを図６Ｄに概略的に示す。図６Ｄは、反射性偏光層６０２における、面Ｂでの光ビーム６１４の偏光状態を示す。図示の例においては、補償は理想的であり、光ビーム６１４は、ｙ軸に平行にｓ偏光される。この光はＰＢＳ６００の偏光層６０２によって反射され、暗状態の像の場合のようには、投影像の明るさに実質的に寄与しない。他方、偏光−変調光６１４は、像光として反射性偏光層６０２を通過する。以下に説明する理由のために、ＰＢＳカバーの複屈折のための補償が常に完璧でなないであろうことを理解されたい。しかしながら、補償の度合いは有意であり得、かつ鉛フリーガラスを高コントラストのＰＢＳに使用できるようにする。
【００５３】
ＱＷＲ６１２を使用する応力複屈折の補償は、軸上の光６１０ａ、すなわち反射性偏光層６０２から第１のカバー６０４をｚ軸に平行な方向に伝搬する光に対して、および反射型偏光子のＴpの値が比較的高い場合には効果がある。しかしながら、実際には、条件はやや不利である。例えば、像形成素子は、一般に特定の円錐角に含まれる光を使用して照明され、その結果、像形成デバイス６０８に入射する光線は、ｚ軸に平行である必要はない。それゆえ、入射光線と出射光線の複屈折の履歴は異なるものになる。照明光のための偏光角の回転は、ｚ軸からの角度が増大した状態において伝搬する、反射された光線のための偏光の回転とは次第に異なるものとなる。それゆえ、第１のカバー６０４の応力複屈折が補償される程度は減少する。
【００５４】
さらに、Ｔpの値が１００％未満に落ちると、反射性偏光層６０４によって像形成デバイス６０８の方向へ反射される光は、ｐ偏光光の含有量が増える。偏光層６０２からの反射後の、偏光層６０２と像形成デバイス６０８との間の光路にある複屈折効果のみが、ＱＷＲ６１２に起因する偏光角の逆転により補償される。従って、反射された光６０２ａがｐ偏光光を含む範囲で、コントラストが低下する。それゆえ、反射性偏光層６０２で反射されるｐ偏光光の量を減少させるためには、Ｔpが高いことが重要である。それゆえ、例えばｆ／３．０またはｆ／２．０以下に至るまでの有用なＦナンバーを有する照明光を使用する場合のような、極端な光線（ｅｘｔｒｅｍｅ  ｒａｙｓ）に対するＴpの値が９０％よりも高い場合には、応力複屈折の効果を減少させるこの方法は最も有用である。好ましくは、Ｔpの値は９２％より高く、および一層好ましくは９４％より高い。
【００５５】
ＱＷＲ６１２は、偏光層６０２とＱＷＲ６１２との間に位置するＰＢＳカバー６０４に加えて、いかなる構成要素においても複屈折を少なくとも部分的に補償する。例えば、ＱＷＲ６１２は、カバー６０４と偏光層６０２との間の接着層に生じる複屈折を補償してもよい。さらに、随意の視野レンズ６１８を像形成デバイス６０８の近くに位置決めしてもよい。この配置は、特に横の色の点で投影レンズに付加的な設計の自由度をもたらす。視野レンズ６１８における複屈折は、視野レンズ６１８がＱＷＲ６１２と偏光層６１２との間に位置決めされる場合には、ＱＷＲ６１２によって補償されてもよい。ＱＷＲ６１２と偏光層６０２との間に位置決めされてもよい他の構成要素としては、例えば、ＱＷＲ６１２を支持するためのガラス基板（図示せず）が挙げられる。
【００５６】
像形成デバイス６０８の鏡面と偏光層６０２との間の光学面は、例えば反射防止コーティングを使用して反射防止特性を備えていてもよい。これは反射損を減少し、それゆえ像光の光スループット（ｏｐｔｉｃａｌ  ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ）を増大する。また、反射防止面の使用は、投影像において暗い背景と対立された明るい領域の周りにハローの発生を減少させるかもしれない。このようなハローは、光学面から離れた明るい領域から発散して像形成デバイス６０８のミラーに戻る光線から生じる。次に光は正しい偏光状態でミラーから反射して、像光としてＰＢＳ６００を通過する。これらの光線は明るい領域の外側にあり、観察者には、明るい領域をすぐ近くで取り囲んでいる暗い領域から生じているように見える。
【００５７】
数値的なモデル化からの結果をいくつか以下説明する。図７は、ｉ）偏光層６０２と像形成デバイス６０８との間をガラスカバーに１回通過する場合のガラスカバー６０４におけるリターダンスと、ｉｉ）ＱＷＲ６１２の方位との関数として計算されたコントラスト比を示す等高線図を示す。ＱＷＲ６１２の方位は、ＱＷＲ６１２の速軸が反射面に平行であるか垂直であるかの条件に関して角度で与えられる。カバー６０４における複屈折を反射面に対して４５°であると仮定した。モデルは、像形成デバイスを、反射面に対して４５°における平面内の残留複屈折が５ｎｍであるＶＡＮ型の液晶ディスプレイパネルであると仮定した。ＱＷＲ６１２のその速軸が反射面に対して約１．８°回転される場合に、最大コントラストが達成されることがわかる。この計算は、ＰＢＳ６００においてＴｐ＝１００％の値を仮定した。ＭＯＦ  ＰＢＳの一部はＴｐの値が９８％を超えると例証するかもしれないので、この仮定は不適切ではない。上で議論したように、ガラスカバー６０４におけるいかなる量の複屈折も、ガラスカバー６０４の複屈折のこの向きに対するＱＷＲ６１２のある一つの方位によって厳密に補償されることに留意すべきである。
【００５８】
図８は、図７の等高線図に類似であるが、ガラスカバー６０４における複屈折が２２．５°に向けられた場合の等高線図を示し、これは、この方法を用いて補償をするのが最も難しい条件である。リターデーションのあるレベルにおいては、ＱＷＲは完全には複屈折を補償しないことは明らかである。しかしながら、ＱＷＲの方位角の賢明な選択、例えば直線８０２に示されるレベルにおいては、まだ、ガラスカバーのリターダンス２０ｎｍ以下に対して６０００：１超の比較的高コントラスト比をもたらすことができる。実際のＰＢＳでは、ガラスカバーにおける複屈折が全て２２．５°に向けられてはおらず、従って、得られる実際のコントラスト比はこのグラフに示されるものよりも高いであろうことに留意すべきである。それゆえ、ＱＷＲを、１ｎｍ超の、５ｎｍ超のおよび１０ｎｍ超の、カバーにおけるリターデーションのレベルを補償するのに使用してもよい。
【００５９】
図９は、カバー６０４における複屈折の方位角とＱＷＲ６１２の方位との関数として、コントラストの等高線図を示す。ガラスカバー６０４のリターデーションが１０ｎｍであるとの仮定の下に、この図の結果を得た。これらの結果は、水平線９０２によって示すＱＷＲ６１２の一つの方位が、複屈折の向きのいかなる角度に対しても、８０００：１超の高コントラスト性能をもたらすことを明らかに示す。
【００６０】
図１０は、ａ）ＱＷＲ補償無し、曲線１００２、ｂ）最適なＱＷＲ補償、曲線１００４、像形成デバイスにおける残留複屈折無しと仮定、およびｃ）最適なＱＷＲ補償、曲線１００６の場合のガラスカバー６０４におけるリターデーションの関数としてコントラストを比較するグラフを示す。なお、ここでは、オフ状態における入射偏光状態に対して４５°において約５ｎｍの残留リターデーションがある。ガラスカバー６０４における複屈折の向きを２５°であると仮定した。補償無し、曲線１００２では、ガラスカバー６０４におけるリターデーションの値が小さい時点でコントラストは急速に低下する。リターデーションの約０．００４波（可視光では約２ｎｍ）において、コントラストは半分まで減少する。しかしながら、補償した、曲線１００４、１００６の場合では、同様のレベルのコントラスト減少を起こすには、リターデーションの大きさは０．０３（可視光では約１５ｎｍ）を超える必要がある。有用なＰＢＳコントラストのレベルは、ほとんどのリアプロジェクションテレビ（ＲＰＴＶ）では２５００：１を超えるべきである。図１０における結果は、このレベルのコントラストは、ＱＷＲ補償がない場合には、２５°の応力方位において０．００４波以下のリターデーションである必要があることを示す。相対的に、複屈折−補償系は、このレベルの複屈折を少なくとも１０倍許容できるが、それでも２５００：１のコントラスト要件を満たす。表Ｉに要約された実験結果から、ガラスカバーは、約０．００８５波（可視光では約４．７ｎｍ）の応力に誘発されたリターデーションを有すると推定できる。これは、補償されていない系が許容できる程度を超えているが、補償された系が容認できるリターデーションレベルの範囲に十分入る。
【００６１】
ＱＷＲを使用した補償に加えて、応力に誘発された複屈折の効果を低減するために考慮されるであろう別の要因は、ＰＢＳにかけられる応力量を減少することである。ＰＢＳガラスにおける光吸収によって生じる熱的に誘発された応力など、応力源のいくつかは、回避するのが難しい。他の応力源、例えば取付けによって生じる応力を、工学技術と設計とを注意深く行うことによって減少してもよい。
【００６２】
光学素子に取り付けられた１つのＰＢＳまたは複数のＰＢＳを含む光学コアを提供することが便利である場合が多い。例えば、図１の投影システム１００は、例えば感圧接着剤などの光学接着剤または光学エポキシを使用して色結合ユニット１１６に取り付けられたＰＢＳ１１２ａ、１１２ｂ、１１２ｃを示す。
【００６３】
従って、本発明を上述の特定の例に限定して考慮すべきではなく、添付の特許請求の範囲に適正に明確に記したように本発明の全態様を網羅するものであると理解すべきである。本発明に適用してもよい多数の構造のほか、様々な変更物、等価のプロセスが、本明細書を再考すると、本発明に関する当業者には容易に明らかであろう。特許請求の範囲は、そのような変更例およびデバイスを網羅するものである。
【図面の簡単な説明】
【００６４】
【図１】本発明の原理による投影システムの実施形態を概略的に示す。
【図２】偏光ビームスプリッタの動作を概略的に示す。
【図３Ａ】実験結果を得るために使用された実験的な構成を概略的に示す。
【図３Ｂ】実験結果を得るために使用された実験的な構成を概略的に示す。
【図４Ａ】投影像域を概略的に示す。
【図４Ｂ】投影像域の垂直位置における、１／４波長補償無しの暗状態光の明るさと、１／４波長補償有りの暗状態光の明るさとの比を示す実験結果を提示する。
【図４Ｃ】投影像域の水平位置における、１／４波長補償無しの暗状態光の明るさと、１／４波長補償有りの暗状態光の明るさとの比を示す実験結果を提示する。
【図５】偏光ビームスプリッタのカバーにおける複屈折角を概略的に示す。
【図６Ａ】本発明の原理による、１／４波長位相遅延補償器有りの偏光ビームスプリッタの実施形態を概略的に示す。
【図６Ｂ】図６Ａの構成内のある点における光に対する偏光角を示すグラフを提示する。
【図６Ｃ】図６Ａの構成内のある点における光に対する偏光角を示すグラフを提示する。
【図６Ｄ】図６Ａの構成内のある点における光に対する偏光角を示すグラフを提示する。
【図７】ｉ）偏光ビームスプリッタのガラスカバーにおける複屈折と、ｉｉ）４５°の複屈折角に対する１／４波長位相遅延器の方位角との関数として計算されたコントラストの等高線図を示すグラフを提示する。
【図８】ｉ）偏光ビームスプリッタのガラスカバーにおける複屈折と、ｉｉ）２２．５°の複屈折角に対する１／４波長位相遅延器の方位角との関数として計算されたコントラストの等高線図を示すグラフを提示する。
【図９】ｉ）複屈折角と、ｉｉ）ガラスカバーにおける１０ｎｍのリターデーションに対する１／４波長位相遅延器の方位との関数として計算されたコントラストの等高線図を示すグラフを提示する。
【図１０】１／４波長位相遅延器を使用する補償の有無による、ガラスカバーにおける複屈折の関数としてコントラストを示すグラフを提示する。
【図１】
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【図２】
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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５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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