(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学システムであって、
光源からの入射光の第１スペクトルを第1偏光状態に変換し、かつ、当該入射光の第２スペクトルを第１偏光状態とは異なる第２偏光状態に変換する、積層された複数のリターダを有する入力リターダスタックと、
当該入力リターダスタックと光学的に結合し、前記第１偏光状態に変換された当該第１スペクトルを透過しかつ前記第２偏光状態に変換された当該第２スペクトルを反射する、偏光性に基づいて光を分離する第１ビームスプリッタを有するビーム分割部と、
前記ビーム分割部と光学的に結合し、前記第１スペクトルを変調しかつ変調第１スペクトルとして前記ビーム分割部へ反射する第１空間変調器と、
前記ビーム分割部と光学的に結合し、前記第２スペクトルを変調しかつ変調第２スペクトルとして前記ビーム分割部へ反射する第２空間変調器と
を有し、
前記ビーム分割部は当該変調第１スペクトルと当該変調第２スペクトルとを結合スペクトルへと結合し、
前記ビーム分割部と光学的に結合し、前記結合スペクトルの偏光性を実質的に単一の偏光状態へと変換する、積層された複数のリターダを有する出力リターダスタックをさらに有することを特徴とする。
【請求項２】
請求項１に記載の光学システムであって、前記第１偏光状態は前記第２偏光状態と直交することを特徴とする。
【請求項３】
請求項１または２に記載の光学システムであって、前記第１スペクトルおよび前記第２スペクトルは、青色光、赤色光および緑色光の少なくとも１つから選択されることを特徴とする。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載の光学システムであって、さらに、前記入力リターダスタックと光学的に結合し、当該入射光を偏光しかつ当該入力リターダスタックへ透過する入力偏光子を有することを特徴とする。
【請求項５】
請求項１から３のいずれか１項に記載の光学システムであって、さらに、前記入力リターダスタックと光学的に結合し、前記入射光の偏光性を入力偏光状態へと変換する偏光変換列を有することを特徴とする。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の光学システムであって、さらに、前記入力リターダスタックと前記光源との間に位置する入力レンズを有することを特徴とする。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の光学システムであって、前記光源は、白熱灯、レーザー、発光ダイオード、超高圧水銀灯、およびフュージョンランプのうちの１つから選択されることを特徴とする。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の光学システムであって、前記出力リターダスタックは、前記入力リターダスタックの遷移帯域とは重なり合わない遷移帯域を有することを特徴とする。
【請求項９】
請求項１から７のいずれか１項に記載の光学システムであって、前記入力リターダスタックおよび前記出力リターダスタックの半強度点の分離が近似的に５ｎｍと４０ｎｍの間であることを特徴とする。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の光学システムであって、さらに、前記出力リターダスタックと光学的に結合する出力偏光子を有することを特徴とする。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の光学システムであって、さらに、前記出力リターダスタックと光学的に結合し、前記結合スペクトルを受け入れかつ透過させる出力レンズを有することを特徴とする。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の光学システムであって、さらに、第２ビームスプリッタを含み、
前記第２ビームスプリッタは、前記第１ビームスプリッタから反射された前記第２スペクトルを受け入れて、前記第２スペクトルの所定の一部を透過し、さらに、かつ、前記第２スペクトルの残りの部分を第３スペクトルとして反射する第２ビームスプリッタを有し、
前記第２空間変調器は、前記第２スペクトルの前記所定の一部を変調し、前記変調第２スペクトルとして前記分割部へ反射することを特徴とする。
【請求項１３】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の光学システムであって、前記第１スペクトルと前記第２スペクトルのうちの少なくとも１つは複数波長の少なくとも１つの帯域を含むことを特徴とする。
【請求項１４】
請求項１３に記載の光学システムであって、複数波長の前記少なくとも１つの帯域は少なくとも７０ｎｍの全幅最大半値(full-width-half-maximum)の値を有することを特徴とする。
【請求項１５】
請求項１３に記載の光学システムであって、複数波長の前記少なくとも１つの帯域は少なくとも９７ｎｍの全幅最大半値(full-width-half-maximum)を有することを特徴とする。
【請求項１６】
請求項１３に記載の光学システムであって、複数波長の前記少なくとも１つの帯域は色を定義することを特徴とする。
【請求項１７】
請求項１６に記載の光学システムであって、前記色は加法混合原色を有することを特徴とする。
【請求項１８】
請求項１６に記載の光学システムであって、前記色は減法混合原色を有することを特徴とする。
【請求項１９】
請求項１６に記載の光学システムであって、前記色は実質的に純色を有することを特徴とする。ことを特徴とする。
【請求項２０】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の光学システムであって、前記第１スペクトルと前記第２スペクトルのうちの少なくとも１つは近似的な方形波であることを特徴とする。
【請求項２１】
請求項２０に記載の光学システムであって、前記近似的な方形波は透過帯内に１つ以上の極大透過率を有し、かつ、阻止帯内に１つ以上の極小透過率を有することを特徴とする。
【請求項２２】
請求項２０に記載の光学システムであって、前記近似的な方形波の遷移帯勾配は４０ｎｍより小さいことを特徴とする。
【請求項２３】
請求項２０に記載の光学システムであって、前記近似的な方形波の遷移帯勾配は２５ｎｍより小さいことを特徴とする。
【請求項２４】
請求項１から２３のいずれか１項に記載の光学システムであって、前記リターダスタックは少なくとも２個のリターダフィルムを有することを特徴とする。
【請求項２５】
請求項２４に記載の光学システムであって、前記２個のリターダフィルムは高分子リターダフィルムを有することを特徴とする。
【請求項２６】
請求項２４に記載の光学システムであって、前記２個のリターダフィルムは薄膜を有することを特徴とする。
【請求項２７】
請求項２４に記載の光学システムであって、前記２個のリターダフィルムは２個から７個の間のリターダフィルムを有することを特徴とする。
【請求項２８】
請求項２４に記載の光学システムであって、前記２個のリターダフィルムは８個から２０個の間のリターダフィルムを有することを特徴とする。
【請求項２９】
請求項１２に記載の光学システムであって、
前記ビーム分割部と光学的に結合し、前記第３スペクトルを変調しかつ変調第３スペクトルとして前記ビーム分割部へ反射する第３空間変調器と、をさらに有するとともに、
前記ビーム分割部は当該変調第１、第２および第３スペクトルを結合スペクトルへと結合することを特徴とする。
【請求項３０】
請求項２９に記載の光学システムであって、前記第１、第２および第３空間変調器各々のスペクトルに関連する色画像情報に従って光を変調することを特徴とする。
【請求項３１】
請求項３０に記載の光学システムであって、前記第１、第２および第３空間変調器は液晶変調器であることを特徴とする。
【請求項３２】
請求項１２に記載の光学システムであって、前記第１ビームスプリッタは偏光性に基づいて光を透過させたり反射させたりする偏光ビームスプリッタを有することを特徴とする。
【請求項３３】
請求項３２に記載の光学システムであって、前記第２ビームスプリッタは、第１の所定波長帯内の光を透過するとともに第２の所定波長帯内の光を反射する二色性ビームスプリッタを有することを特徴とする。
【請求項３４】
請求項３３に記載の光学システムであって、さらに、
前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタとの間に位置する第１光ダブラーと、
前記第１ビームスプリッタと前記第１空間変調器との間に位置する第２光ダブラーと、を有することを特徴とする。
【請求項３５】
請求項１から３４のいずれか１項に記載の光学システムであって、光学的投射器を形成するために前記結合スペクトルと光学的に連結する光学的投写光学素子(optical projection optics)をさらに有することを特徴とする。
【請求項３６】
請求項１２に記載の光学システムであって、
第１ビームスプリッタと第２ビームスプリッタとの間に光学的に結合されて、前記第２スペクトルの前記所定の一部を第３偏光状態に沿って整列させかつ前記第３スペクトルを当該第３偏光状態とは異なる第４偏光状態に沿って整列させるようにした第１中間リターダをさらに有し、
第２ビームスプリッタは偏光ビームスプリッタであることを特徴とする。
【請求項３７】
請求項２９に記載の光学システムであって、さらに、
第１空間変調器と前記第１ビームスプリッタとの間に光学的に結合され、第１偏光透過スペクトルを反射する第３ビームスプリッタと、
当該第３ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタとの間に光学的に結合され、前記第１、第２および第３変調スペクトルを結合する第４ビームスプリッタと、を有することを特徴とする。
【請求項３８】
請求項３７に記載の光学システムであって、さらに、
前記第２ビームスプリッタと前記第４ビームスプリッタとの間に光学的に結合した第２中間リターダを有することを特徴とする。
【請求項３９】
請求項３８に記載の光学システムであって、前記出力リターダスタックは、前記第４ビームスプリッタと光学的に結合することを特徴とする。
【請求項４０】
請求項１２に記載の光学システムであって、さらに、
前記第３スペクトルを変調するための、前記第２ビームスプリッタと光学的に結合する第３空間変調器と、をさらに有することを特徴とする。
【請求項４１】
請求項４０に記載の光学システムであって、さらに、
前記第１ビームスプリッタと前記第２ビームスプリッタとの間に位置して、前記第２スペクトルの前記所定の一部と前記第３スペクトルの強度を増加する第１光ダブラーと、
前記第１ビームスプリッタと前記第１空間変調器との間に位置して、前記第１スペクトルの強度を増加する第２光ダブラーと、を有することを特徴とすることを特徴とする。
【請求項４２】
変調色画像を作成する方法であって、
積層された複数のリターダを有する入力リターダスタックによって、白色光源からの第１原色を第１偏光状態に沿ってコード化するとともに、その補色を第２偏光状態に沿ってコード化し、
当該第１原色についての画像データを変調するために、当該第１原色を第１空間変調器へ方向付けし、
当該補色を第２原色と第３原色へと分離するために、当該補色を色分離器へ方向付けし、
第２原色についての画像データを変調するために、当該第２原色を第２空間変調器へ方向付けし、
第３原色についての画像データを変調するために、当該第３原色を第３空間変調器へ方向付けし、
積層された複数のリターダを有する出力リターダスタックによって、第１、第２および第３変調原色が実質的に同一の偏光状態を持つように、当該第１、第２および第３変調原色を再結合することを特徴とする。
【請求項４３】
変調色画像を作成する光学システムであって、
白色光源からの第１原色を第１偏光状態に沿ってコード化するとともに、その補色を第２偏光状態に沿ってコード化する、積層された複数のリターダを有する入力リターダスタックと、
当該第１原色についての画像データを変調するために、当該第１原色を第１空間変調器へ方向付けするとともに、当該補色を色分離器へ方向付けする第１偏光ビームスプリッタと、
当該補色を受け入れて、当該補色を第２原色と第３原色へと分離し、かつ、第２原色についての画像データを変調するために当該第２原色を第２空間変調器へ方向付けし、第３原色についての画像データを変調するために当該第３原色を第３空間変調器へ方向付けする色分離器と、
第１、第２および第３変調原色が実質的に同一の偏光状態を持つように、当該第１、第２および第３変調原色を再結合する、積層された複数のリターダを有する出力リターダスタックと、を有することを特徴とする。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、画像形成に関する。本発明は、特に、カラー画像を形成するための色選択偏光素子を用いた光学システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
関連技術の光学投射システムは、透過型薄膜トランジスタ（ＴＦＴ）液晶ディスプレイ（ＬＣＤ）パネルを用いている。入射光の軸に対して傾けられた多層蒸着薄膜二色性ビームスプリッタが、物理的に別個の光路(path)を形成するために用いられている。この各々の光路は、赤緑青（ＲＧＢ）の加法原色帯域の一部のスペクトルに相当する。各々の光路中にあるＬＣＤは、ある特定の原色帯域の局所的透過光のレベルを制御する。変調光または像(imagery)光は等方性コーティングで再結合されて、フルカラー像が前方または近傍の投射スクリーンに投射される。
【０００３】
透過方式において、ほとんどのＬＣ電気光学モードに対して高いコントラスト比が得られるように、ＬＣＤは交差する偏光子間に配置される。反射方式において、光はＬＣＤパネルに実質的に垂直に入射するが、同様の構成として、上に参照により組み込んだ親出願に記載されているように、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）が直接にパネルの前面に位置するようにする。
【０００４】
偏光ビームスプリッタの１つのタイプは、４個のポート(port)を有する傾斜薄膜スタック(tilted thin-film stack)であって、光スペクトルをその偏光性に基づいて反射したり透過したりする。ＰＢＳは理想的には、１つの軸に沿って偏光した光スペクトルに対して広帯域反射素子として機能し、かつ、直交する軸に沿って偏光した光スペクトルに対して透過素子として機能する。二色性ビームスプリッタは、理想的には光スペクトルをその光の周波数にのみ基づいて反射したり透過したりする。
【０００５】
フルカラー別光路型投射器には、複数の反射ＬＣＤパネルと、三個の色の光路を作るための複数の二色性ビームスプリッタと、各々の反射ＬＣＤパネルのための偏光ビームスプリッタと、凸レンズの前で像を再結合するための更なる光学素子と、を用いることもできる。これを実現するのは厄介であり、かつ、高価になってしまう。
【０００６】
代わりに、単一の偏光ビームスプリッタが、三個の色の光路を分離してかつ結合するためのフィリップスプリズム(Philips prism)がその後に来るように、用いられる。この構成において、この色分離・結合構造は事実上、前記偏光子と検光子の間に配置される。三個の色の光路が同じＰＢＳを共用することが、構成部品点数の見地からの利点である。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、光が効率的にポートを出ていくように、フィリップスプリズムが各々の色の光路に対する入力状態の偏光性を維持することが、高コントラスト比のために求められる。この条件は、システムのｆ数(f-number)にわたってのコントラスト比が平均で１００：１であるように、そして、理想的には２００：１を超えるようにして、維持されなければならない。クリーンアップ偏光子(clean-up polarizer)、およびいくつかの場合にあっては４分の１波長板のような更なる偏光性光学素子と、がＬＣＤパネルとプリズムとの間に、コントラスト比を向上させるために用いられる。
【０００８】
フィリップスプリズムにおいて、赤色と青色が最初に二色性コーティングによって反射され、その後にＬＣＤに入射する前に内部全反射（total internally reflected；ＴＩＲ）される。変調偏光光は、その後、同じ光路で戻っていく。この二色コーティングのスペクトル特性は、入射角に強く依存し、色チャンネル間の実質的なクロストーク（cross-talk；漏話）を生じさせる。クロストークの問題の解決を助けるために、トゥルーシアンやトゥルーイエローなどの中間帯域の光を実質的に遮る「ダブルノッチ」フィルター（“double notch” filter；ＤＮＦ）が挿入されることが多い。このＤＮＦも多層コーティングであるが、垂直入射近くで用いられるために、入射角に対しての変化はそれほど敏感でない。システムのｆ数にわたって平均したとしても、ノッチ(notch)における光の濃度は小さい。
【０００９】
したがって、関連技術による３パネル反射投射システムはＰＢＳとＤＮＦとフィリップスプリズムとを用い、その各々は３個のプリズムから成り、そのうちの二つは二色性鏡コーティングを有する。反射ＬＣＤパネルを用いた透過型システムの動作性をあげるため、コントラスト比およびスループットの向上とともに、複雑化をおさえてかつコストを低減する構成が必要とされている。
【００１０】
関連技術においては、投射システム中で色の操作をするために、多層薄膜コーティングが用いられる。この技術は、投射の高効率かつ高出力操作の要求に適合するものである。さらには、輝度を最大化するよう所望された急な遷移勾配(transition slope)を、色座標の基準を満たしつつ、実現することができる。しかしながら、傾斜等方コーティングは、特にｆ数の小さいシステムにあっては、偏光性を低下させてしまう。ＬＣＤにおいては、暗状態の漏れを低くするために、偏光性は正確に維持されていなければならない。さらには、二色性鏡は、実質的に入射角によって変動する角度感度性半強度波長(angle sensitive half-power wavelength)を有する。
【００１１】
二色性鏡を用いて物理的に色の別個の光路を作るために、層は入射光の軸に対して実質的に傾けられることが多い。これは偏倚角に対する小さな角度ずれによるスペクトル変動を著しく増加させる。最悪の場合、偏倚角が４５°において、波長（スペクトル）変動が角度変化に対して近似的に線形となる。
【００１２】
基本的に、非垂直入射角によって薄膜スタックの各々の層の見掛け厚は減少し、結果としてスペクトルが青方偏移する。ある偏倚角があれば、その入射平面内に青方偏移と赤方偏移の両方が存在する。このような角度感度性は色操作システム、特にＬＣＤ投射器のｆ数を制限してしまう。
【００１３】
関連技術として反射型シリコンディスプレイパネルが非常に良く知られている。反射型シリコンディスプレイパネルとして最もよく知られているのは、高充填比または平充填比で、高可視反射率を有するように処理されたＶＬＳＩアクティブマトリックスパネルである。あるいは、ポリシリコンパネルを反射型ディスプレイとして機能するように作ることもできる。ＶＬＳＩパネルにおいては、シリコンチップと、典型的には酸化インジウムスズ（ＩＴＯ）である透明伝導体で覆われたカバーガラスと、の間に薄い液晶膜が挟まれている。この液晶はネマチックとスメクチックのいずれの材料でも良く、これらの両方はこの分野の文書で十分裏付けられるものである。液晶は非等方性媒体であって、その配向性を変えることにより電場に応答する。これが当該液晶を伝搬してくる光の偏光状態を変化させる。
【００１４】
図１（ａ）および図１（ｂ）は、単一の偏光状態の光が入射している関連技術の反射型ディスプレイ構成を表している。図１（ａ）に示されるように、光は第１ポート１２を通して偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１０に入ってから、反射ＬＣＤパネル２０へ向かって第２ポート１４から反射して出る。このＬＣＤパネル２０は光を反射し返して、第２ポート１４とＰＢＳ１０を通って、光が第３ポート１６から出る。図１ｂでは、光は第３ポート１６を通じてＰＢＳ１０に入り、ＰＢＳ１０の中を通り、第２ポート１４から出る。ＬＣＤパネル２０は光を反射し返して、第２ポート１４を通って、光はＰＢＳ１０で反射されて第１ポート１２から出る。
【００１５】
反射光の偏光状態は、ＬＣＤパネル２０の各々の画素におけるＬＣ分子の電圧依存分布によって局所的に変調される。この偏光化された像は検光子を用いて実際のグレーシェイド(gray shade)画像に変換される。図１（ａ）および図１（ｂ）に示すような逆行反射型配置において、光はＰＢＳ１０を用いて導入されかつ検光される。このＰＢＳ１０は事実上ＬＣＤパネル２０を、交差する偏光子の間に位置させることになり、光をシステムを通させて最終的に凸レンズに向かわせる。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、関連技術の限界や欠点からくる１つまたはそれ以上の問題を実質的に解決することを目的とする。
【００１７】
本発明は、反射型ＬＣＤシステムのコントラスト比とスループットを向上すると同時に、複雑化と高価格化を抑えることを他の目的とする。
【００１８】
本発明は、コントラスト比を維持しながら、色操作システムのｆ数を小さくすることをさらなる他の目的とする。
【００１９】
その全内容が引用によって本願に組み込まれている同一人所有の米国特許番号５，７５１，３８４において、別個の色光路を作成し、かつ別個の色光路を結合して単一の光路を形成するために、リターダスタック(retarder stack)を中性偏光スプリッタ(neutral polarization splitter)と結合して用いることができることが分かっている。この技術にはそれ固有の利点、特に角度感度性についての利点がある。
【００２０】
本発明は、光源からの入射光の第一スペクトルを第一偏光状態に沿って変換し、かつ、当該光源からの当該入射光の第二スペクトルを第一偏光状態とは異なる第二偏光状態に沿って変換する入力リターダと、当該入力リターダと光学的に結合し、かつ、当該第一スペクトルを透過スペクトルとして透過する第一ビームスプリッタと当該第二スペクトルを反射スペクトルとして反射する第二ビームスプリッタとを含むビーム分割部と、を有する光学システムによって全体的に若しくは部分的に実現することができる。
【００２１】
本発明は、光源からの入射光を、それぞれの色を物理的に異なる光路を通させることによって、赤色、緑色および青色の色要素帯域(component color band)に分割するシステム、によっても全体的に若しくは部分的に実現することができる。これらの光路のうちの少なくとも２個は、積層リターデーションフィルム(stacked retardation film)および偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）により形成される。異なる光路を作ることにより、各々の色帯域を独立して処理することができる。本発明の好ましい実施の形態によれば、そのような処理光を、リターダスタック（ＲＳ）およびＰＢＳを再び用いて、単一の光路を形成するように結合することができる。本発明は特に、シリコンディスプレイパネル(silicon display panel)に反射型液晶を用いた投射器に適している。
【００２２】
本発明は、反射型ディスプレイパネルに基づいて、簡易な構造の別光路型投射器を製造するために、色と偏光の操作を併せることによっても全体的に若しくは部分的に実現することができる。リターダスタック（ＲＳ）要素は、偏光された入力から直交に偏光した原色を形成する。この例示による実施の形態においては、ＰＢＳの全４個のポート(port)を使い、当ＰＢＳは色スプリッタとして機能する。二色性ビームスプリッタを用いて減法混合原色帯域を含むポートをさらに分割することができる。この反射型の１つの実施の形態において、全３光路は入力ＰＢＳによって再結合されかつ検光される。フルカラー像は、ＰＢＳのここまでで使用されていない第４のポートから出ることもできる。したがって、本発明によるフルカラー投射器は、１個または２個のリターダスタックとともに、１個のＰＢＳコーティングと１個の二色性色分割コーティングのみを必要とすることになる。
【００２３】
本発明は、高コントラスト比を得るために、色光学系に関連する偏光操作を向上することによっても全体的に若しくは部分的に実現することができる。二色性スプリッタに関連して、本発明のリターダスタックにより提示される低い角度感度性により、本発明の投射器は結果として高コントラスト比も有する。
【００２４】
本発明は、最小のハードウェアで広い色域(color gamut)を提供することによっても、全体的に若しくは部分的に実現することができる。ＰＢＳからの光漏れを取り扱う出口リターダスタックを、帯域間ノッチフィルタ動作(inter-band notch filtering operation)を行うためにも用いることができることに気がついたことは、本発明の１つの側面である。補助ノッチフィルタはフィリップスプリズムを使用する関連技術のシステムに使われることが多いが、これによってその必要がなくなる。入力リターダスタックと出口リターダスタックを別個に用いて、メタルハライドランプ(metal halide lamp)により発生するような間原色光(inter-primary light)をこの出口クリーンアップ偏光子(clean-up polarizer)により減少または消去することができる。これにより別個のダブルノッチフィルタ（double notch filter；ＤＮＦ）の必要がなくなる。
【００２５】
本発明はさらに、高い全スループットまたは明度を示す光学システム例えば反射型ＬＣＤ投射器を提供することによっても、全体的に若しくは部分的に実現することができる。これは、無損失の高分子リターダフィルムの積層により色帯域を操作し、このリターダフィルム間の反射率の整合を図り、かつ、高損失の偏光子の数を最小化すること、によって実現される。それはさらに、間原色光を削除するための補助フィルタの必要をなくすことによって達成される。
【００２６】
発明のさらなる効果、目的および特徴は、その一部が後述の記載に示され、かつその一部が発明の実施を試みることにより当業者には明らかとなり、また、発明の実施から学ぶこともできる。本発明のこれら目的および効果は、添付した請求の範囲に特に指摘されているように実現されかつ達成される。
【００２７】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を、図を参照することにより以下において詳細に説明する。図中の同じ参照番号は、各図の同一または同様の構成要素を表している。「リターダ」(retarder)、「リターダスタック」(retarder stack)、「スペクトル」(spectrum)、「補色スペクトル」(complementary spectrum)、「空間変調器」(spatial light modulator)、「ダブラー」(doubler)等の種々の素子や用語は原出願において説明がされており、かつ・または、定義がされている。すなわち、この記載中でのそのような用語は、これら原出願において述べられている意味と対応するものとして使用されている。図２は、本発明の好ましい実施の形態による、２個の偏光色光路を生み出すことができる偏光色分離器４５を示す。偏光色分離器４５は、リターダスタック（ＲＳ）３０と偏光ビーム分離器（ＰＢＳ）４０とを有する。リターダスタック３０の構成および動作の詳細は、上の引用により組み込まれた原出願に明らかになっている。
【００２８】
動作中、光源（不図示）からの偏光入射光がリターダスタック３０に向けられる。入射光が偏光していない場合や、偏光入射光のコントラスト比を高めるために、オプションの偏光子５０を用いることができる。このリターダスタック３０は、偏光入射光を受け入れて、ある原色の偏光性を１つの偏光状態Ｓ（λ）に変換しかつその補色の偏光性を直交偏光状態（１−Ｓ（λ））に変換する。図２に示す実施の形態においては、この補色がＰＢＳ４０で反射されかつその原色がＰＢＳ４０を透過するように、このＰＢＳ４０が配向される。
【００２９】
図３は、本発明の1つの実施の形態による投射システム５５を表す。この投射システム５５は、入出力リターダスタック６０，８０と、反射型空間変調器６５，７５と、ＰＢＳ７０と、クリーンアップ偏光子９０とを含む。本実施の形態においては、これら反射型空間変調器６５，７５は液晶空間変調器である。しかしながら当業者に理解されるところにより、本実施の形態中および例示の目的で反射型液晶空間変調器を示した後述の実施の形態中において、いかなる反射型空間変調器を採用することができる。動作中、少なくとも部分的に偏光した入射光は入力リターダスタック６０を通って伝播して、この入力リターダスタック６０が、ある原色を1つの偏光状態にかつその補色を直交する偏光状態に沿うように偏光する。
【００３０】
リターダスタック６０および８０は、偏光ビームスプリッタと光学的に結合する。ここで用いられる「光学的に結合」という表現は、ある光学素子を通ってきたまたは反射した光が直接的にまたは中間にある単数若しくは複数の光学素子を通って次の光学系要素に入射するような、あらゆる構成を指している。リターダスタック６０については、このスタックを透過した光が第１ポートを通ってＰＢＳ７０に入射して、色のうちの最初の1つが第２ポートを通ってＰＢＳ７０で反射される。本発明の偏光ビームスプリッタは、光を異なる偏光に分割することができるすべての光学素子、特に光を直交する偏光状態に分割することができかつそれらを実質的に直交する出力光路に沿うよう方向付けることができるすべての素子の中から選択される。
【００３１】
原色スペクトルは第２ポートを通ってＬＣＤ６５で変調されて反射され、ＰＢＳ７０に入り、第３ポートから出力される。補色スペクトルは、ＰＢＳ７０を第４ポートを通って透過され、ＬＣＤ７５で変調されてＰＢＳ７０へ向かって反射され返す。ＰＢＳ７０は補色スペクトルを反射して、その補色スペクトルが原色スペクトルと共に第３ポートから出射する。原色スペクトルと補色スペクトルの両方を同一の偏光状態に沿ってコード化する出力リターダスタック８０中を、光が伝搬する。その後、コントラスト比を向上させかつ出力前にクロストーク光を遮断するために、クリーンアップ偏光子９０は光を偏光する。
【００３２】
図３は、出力リターダスタック８０を出口ポートに置くことでＰＢＳ漏れを最小化することができることを示している。これにより所望の光が単一の偏光状態に復元されて、クリーンアップ偏光子９０がすべてのクロストーク光を遮断するようになる。
【００３３】
図４は、本発明のさらに他の好ましい実施の形態による光学システム１００を表す。このシステム１００は、第１ビームスプリッタ１１０と、色分離器１２０と、第１、第２および第３反射型変調器１３０，１４０，１５０と、第１および第２リターダスタック１６０，１７０と、第１および第２のクリーンアップ偏光子１９０，１９５と、偏光変換列(polarization conversion array)１８５と、第１および第２光学レンズ１８０，１８２と、光源１７５とを含む。独立したレンズ１０８および１８２が図４に概略的に描かれているが、これらのレンズは単に、当業界で知られているような単数若しくは複数の光学要素を含むような、焦点合わせ(focusing)、平行化(collimating)、投射(projection)の光学系を表しているものと理解される。一般的に、焦点合わせと投射を行うことができるいかなる光学システムも素子１８０および１８２として使用することができる。この実施の形態において、ビームスプリッタ１１０は光をその偏光性に基づいて透過または反射をするＰＢＳであり、さらに、色分離器１２０は典型的には光をその波長に基づいて透過または反射をする二色性ビームスプリッタである。さらにはこの実施の形態中の第１、第２および第３の反射型空間変調器１３０，１４０，１５０は液晶変調器から選ばれ、シリコン上のネマチックやシリコン上のＦＬＣなどが可能である。光源７５は、白熱灯、レーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、超高圧メタルハライドランプ（ＵＨＰ）、超高圧水銀灯、フュージョンランプ(fusion lamp)や、その他の光源である。
【００３４】
図４において、光源１７５からの光は平行化(collimated)されて、第１クリーンアップ偏光子１９０による偏光の前に、偏光変換列１８５で偏光変換することもできる。第１リターダスタック１６０は第１の原色を１つの偏光状態に沿ってコード化し、かつ、その補色を直交偏光状態に沿ってコード化する。この実施の形態において、ビームスプリッタ１１０によってこの補色は反射され、その原色は透過される。色分離器１２０は、この反射された補色を第２と第３の原色に分離し、この分離された第２と第３の原色が第１と第２の反射型変調器１３０，１４０によって空間的に変調される。第１の原色は第３の反射型変調器１５０によって空間的に変調される。第１、第２および第３の原色は、各々の反射型変調器１３０，１４０，１５０から供給される画像情報にしたがって、光の偏光により空間的に変調される。
【００３５】
この分離された光はその後に再結合される。空間変調された第２の原色光は色分離器１２０とビームスプリッタ１１０をそれぞれ透過する。空間変調された第３の原色光は色分離器１２０により反射されて、第１ビームスプリッタ１１０を透過する。空間変調された第１の原色光は第１ビームスプリッタ１１０により反射される。第２および第３の原色光は空間変調補色を作るように再結合されて、空間変調された第１の原色とともに第２リターダスタック１７０を透過する。この第２リターダスタック１７０は、Ｓ偏光された第１の原色をＰ偏光光へと回転するとともに、補色のＰ偏光スペクトルには影響を与えずにおく。それによって第１の原色スペクトルと補色スペクトルは第２クリーンアップ偏光子１９５を通り抜ける変調白色光となるように統合されて、それから光学投射レンズ１８２を通って出力される。変調白色光の各々の原色は、このシステム１００を通じて等しい光路長を有する。
【００３６】
図５は、本発明のさらに他の好ましい実施の形態による、他の３パネル反射型ディスプレイシステムを含む光学システムを表す。図６は偏光を簡単にたどれるように、図５の３パネル反射型ディスプレイシステムの、非動作状態(off-state)での等価展開配置を表す。これらすべての図面中において、同じ構成要素は同じ参照番号によって同定されるものと理解すべきものである。従って、簡潔にするためにここにおいては繰り返し説明を省く。
【００３７】
図５において、光源からの入射白色光は効率を高めるために偏光変換列（不図示）を用いて直線偏光させてもよく、クリーンアップ偏光子（不図示）によって偏光させてもよい。第１リターダスタック１６０は、ここでは入力緑色／マゼンタ（ＩＧＭ）スタックであって、青色と赤色との光と直交偏光された緑色光とともに入射白色光を通過させる。この実施の形態においては、緑色光はＰ偏光されてＩＧＭを出射し、かつ、逆スペクトル又は補色マゼンタ光はＳ偏光される。本実施例ではビームスプリッタ１１０はＰＢＳなので、緑色光のみを透過して、マゼンタ光を反射する。
【００３８】
図６に示す非動作（暗）状態においては、光は偏光状態（ＳＯＰ）を変化させないで反射型変調器１３０，１４０，１５０から、以下のようにして、反射される。これら反射型変調器は、本実施例ではそれぞれ赤色、青色および緑色ＬＣＤである。赤色と青色光は色分離器で分割される。この色分離器は、本実施例では二色性スプリッタである。青色ＢおよびトュルーシアンＣは第２反射型変調器（青色ＬＣＤ）１４０へ反射されていき、かつ、トュルーイエローＹおよび赤色Ｒは第１反射型変調器（赤色ＬＣＤ）１３０へ透過されていく。反射光はＳＯＰを変化させないで帰還し、色分離器１２０で再結合する。ビームスプリッタ１１０に戻る光はＳ偏光を維持しており、それゆえビームスプリッタ１１０で効率的に反射される。これにより、すべての光が入力ポートから出射して、この段階の近似でコントラスト比は非常に高い。
【００３９】
実際には、第１ビームスプリッタ１１０は有限の偏光効率を有する。多くの場合、ＳポートへのＰ偏光光の漏れは、ＰポートへのＳ偏光光の漏れよりも垂直入射において１０倍大きい。
【００４０】
第一ビームスプリッタ１１０により反射される重要な緑色光（εｐ＝２〜４％）と、第１ビームスプリッタ１１０により透過される逆スペクトルからのささいな光と、がある。実際、入射角が±１２°くらい小さいｆ数(f-number)では、εｐ＝４０％にもなる。それで、典型的な投映(projection)ｆ数にわたってコントラスト比を保つためには、クリーンアップ偏光子１９５が要求される。
【００４１】
図７は、図５のシステムが暗（非動作）状態にあるときの、εｓがεｐに対して無視できるという仮定のもとでのシステムを通しての光漏れを表している。非動作状態において、第一ビームスプリッタ１１０を（１−εｐ）で透過された緑色光は、第３反射型変調器１５０によりＳＯＰを変化させないで反射される。これが第１ビームスプリッタで検光されて、εｐ（１−εｐ）が出力ポートへ漏れる。第１ビームスプリッタ１１０で反射されるεｐの緑色入射光は、色分離器（二色性スプリッタ）によって分割されて、第１および第２反射型変調器１３０，１４０によってＳＯＰを変化させないで返還される。
【００４２】
第１ビームスプリッタ（ＰＢＳ）１１０で反射された緑色反射光は、その後に二色性スプリッタにより結合されてＰＢＳ１１０に戻る。このＰ偏光光は、ＰＢＳ１１０によってεｐ（１−εｐ）の漏れで透過され、システムの他の部分からの漏れと結合する。システムの可干渉性(coherence)の欠如のために、これら構成部分は本質的に強度ベース(on a power basis)で結合する。逆スペクトル（補色）から成る光はＰＢＳ１１０で効率的に反射され、システムのコントラスト比には比較的小さな貢献しかしないと仮定される。
【００４３】
この好適な実施の形態における実施例によれば、コンスタント比を高く保つために、入力偏光子と交差するクリーンアップ偏光子１９５に加えて、ここでは出力緑色／マゼンタ（ＯＧＭ）スタックである第２リターダスタック１７０が出口ポートに配置されている。この第２リターダスタック１７０は、ＰＢＳ１１０によって透過されたＰ偏光光を、青色と赤色には影響を与えずに、Ｓ偏光光に変換する。緑色の漏れは、その後にクリーンアップ偏光子１９５によって遮断される。
【００４４】
図８は、図５の３パネル反射型ディスプレイシステムの等価展開配置で、反射型ディスプレイシステムが白色（動作）状態(white (on) state)にあることを表す。図８の光の伝搬は、第１、第２および第３反射型変調器１３０，１４０，１５０が光を入射光のＳＯＰと直交するように変調しかつ偏光するので、図６の光の伝搬とは異なっている。第１反射型変調器１３０によって反射されたスペクトルは、この好適な実施の形態における実施例では二色性ビームスプリッタである色分離器１２０を透過してから、第２反射型変調器１４０によって反射されたスペクトルと結合される。この結合されたスペクトルは、第１の原色の補色であって、第１ビームスプリッタ１１０と、第２リターダスタック１７０と、第２クリーンアップ偏光子１９５とを透過する。第３反射変調器１５０によって反射されたスペクトルは、第１ビームスプリッタ１１０によって反射されて、補色結合スペクトルと結合される。この原色のスペクトルは、その後第２リターダスタックによってそのＳＯＰを補色光のＳＯＰと整合するように偏光されて、システムから出射する。
【００４５】
この好適な実施の形態の実施例においては、Ｒ，Ｙ色の光は赤色ＬＣＤ（第１反射型ディスプレイ１３０）によって変調されるとともに、Ｂ，Ｃ色の光は青色ＬＣＤ（第２反射型ディスプレイ１４０）によって変調される。この実施例において、全４色はＰ偏光回帰光路内で第１ビームスプリッタ１１０に入る。この第１ビームスプリッタ１１０は、すべてのＳ偏光緑色光を反射するとともに、すべてのＰ偏光（ＢＣＹＲ）光を透過する。
【００４６】
この好適な実施の形態の実施例においては、第２リターダスタック１７０（ＯＧＭ）は、第１リターダスタック１６０（ＩＧＭ）とはその設計が異なっている。このＯＧＭは、ＣおよびＹの帯域の強度の実質的部分を９０°回転するように、ＩＧＭよりも広いマゼンタノッチを有している。それで、ＯＧＭはコントラスト比を最大化するためと、色域(color gamut)を向上するためにＣおよびＹ帯域部分を捨てるためとの、緑色光のＳＯＰを復調するという二重の機能を有している。
【００４７】
この好適な実施の形態の実施例においては、緑色光は、第１ビームスプリッタ１１０と第３反射型変調器１５０との間の光路にある傾斜等方コーティング(tilted isotropic coating)を透過しない。これは緑色光のコントラスト比を最大化し、この緑色光はシステムのコントラスト比の程度に最も大きく影響を与えるものである。関連技術のフィリップスプリズムの一連の光路においては、緑色光は４個の傾斜等方スタックを効率的に透過する。フィリップスプリズムでは、その結果として偏光性の再現性、特に積層の法線(stack normal)方向（Ｓ回転）を含む平面にない光線に対して、損失が生じる。
【００４８】
この好適な実施の形態の実施例においては、第１ビームスプリッタ１１０から反射した光は、ここでは望ましくは緑色の半強度点(half-power point)を有するように設計された二色性スプリッタ（鏡）である色分離器１２０に、入射する。素子１２０は青色光と赤色光とを分離したり結合したりする。このポートから緑色光を除いてあることで、色分離器１２０に要求される性能が緩和されるが、遷移帯域(transition band)中に光が存在しないので、遷移帯域特性は確立(establish)されない。このようにスペクトル遷移の程度は小さいので、第１と第２反射変調器１３０，１４０（赤色および青色ＬＣＤ）の間のクロストークは比較的小さく、それゆえ色動作性(color performance)の損失は比較的小さい。第１および第２反射型変調器１３０，１４０からの偏光変調光は、素子１２０で再結合されて、その後にビームスプリッタ１１０によって検光される。
【００４９】
この色分離器は典型的には、１つの原色帯域のすべてを実質的に反射しかつその補色帯域のすべてを実質的に透過する色選択鏡として機能する二色性スプリッタである。急勾配(steep)の場合が多いが、透過されるのと反射されるのと両方のスペクトル要素部分をもつ有限の遷移帯域がある。この鏡は入射光の軸に対して傾斜しているため、この二色性スプリッタは線形固有状態(linear Eigenstate)を有するものと考えることができる。この特性は、入射平面に平行および垂直の偏光性をもつ透過／反射場(transmitted/reflected fields)を調べることによって求めることができる。両方の固有状態に沿った偏光性の投光は、このような共線形伝搬場(collinearly propagating fields)の位相差（リターデーション）を生じさせ、結果的にＳＯＰに影響を与える。二色性鏡は典型的には、重なり合わない(non-overlapping)ＳおよびＰ偏光の遷移帯域を有する。この分離は、中央波長、特定のスタックの設計および入射角に依存する。この遷移帯域から離れると、巣実質的にすべての光が反射若しくは透過されるが、この構成は偏光性の程度には影響を与えない。二つの透過スペクトルを分離する帯域中では、この構成は偏光ビームスプリッタのように作用する。
【００５０】
動作状態中に、ＬＣＤは光を９０°回転するが、二色性スプリッタがＳ偏光を反射してＰ偏光を透過するような波長の光は、二色スプリッタの第４ポートで拒絶される。これは、色座標を原則として向上するすることができるノッチ(notch)を生じさせる。しかしながら、この帯域がシステムのｆ数以内の角度で原色帯域に侵食している場合には、実質的な透過損失が結果として生じてしまう。
【００５１】
本発明の好適な実施の形態によれば、ＳとＰの結合スペクトルに対する遷移帯域幅を最小化するため、二色性スプリッタは実質的にゼロ偏光特性(zero polarizing properties)（半強度点で１０−１５ｎｍの分離）を有し、それによって最小のｆ数での青色および赤色光のスループットを最大化する。前述のように、本実施例では、第１リターダスタック１６０（ＩＧＭ）は緑色を１つの偏光状態にかつマゼンタを直交偏光状態に沿ってコード化する。それから、偏光ビームスプリッタとしての第１ビームスプリッタ１１０は緑色光を透過するとともにマゼンタを反射して、それで第２（二色性）スプリッタ１２０に含まれるポートから緑色スペクトル部を削除する。図５の好適な実施の形態の遷移帯域を表す図９に示したように、この二色性スプリッタ遷移帯域は、角度感応性が各々の出力のクロミナンス(chrominance)に影響を与えないように緑色内に位置する。青色（または赤色）の反射率および赤色（または青色）の透過率をシステムの全ｆ数にわたって高く保つように、好適な二色性スプリッタはこの帯域の実質的に中心に位置する半強度点を有する。
【００５２】
付加的なフィルタがないので、図９に示したように、第１および第２リターダスタック１６０，１７０の遷移帯域内に入っている光は、第１ビームスプリッタ１１０の２個のポート間で共有される。ＩＧＭとＯＧＭスタック設計は独立してなされるので、これらの相互作用によって、所望の色動作性を生じさせることができる。本発明の好適な実施例によれば、５７８ｎｍのように強力な光源発光で生じた光の偏光性は、システムのコントラスト比を最大化するように制御される。この相互作用は、同一のスタックが入力と出口の両方のポートに用いられている以下の実施例において説明される。リターダスタックの半強度点、たとえば黄色帯域中のある波長において、強度は第１ＰＢＳビームスプリッタ１００によって理想的には等分に分割される。このスタックによって発生するＳＯＰは４５°の直線偏光であるが、ＰＢＳ固有偏光性(eigenpolarizations)に沿って等しい投影(projection)を有するいずれのＳＯＰでも可能である。図１０に示したように、Ｐ偏光光は緑色とマゼンタの両方のポートからＰＢＳ１１０の出力ポート内に漏れ入る。この場合は、第２リターダスタック１７０は漏光を非最適(non-optimum)な４５°に回転する。それによって、漏光の実質半分がクリーンアップ偏光子を通り抜ける。コントラストは、この波長で約１０：１まで急激に低下する。
【００５３】
この限界を克服するため、第１ＰＢＳビームスプリッタ（１１０）中を漏れた非動作状態の光のＳＯＰを好適に処理する第１および第２リターダスタックを製作することにより、コントラスト比が最大化される。コントラストを大きくするための１つの方策は、フィルムを付加して遷移勾配(transition slope)を立ち上げ、強力な光源発光から遷移帯域を遠ざけることである。好適な方策は、第１リターダスタック１６０（ＩＧＭ）をその遷移帯域が第２リターダスタック１６０（ＯＧＭ）遷移帯域と重なり合わないように作成することである。Ｓ偏光光はコンスタント比を維持するので、スペクトルはスタック１７０（ＯＧＭ）によってＰ偏光漏れが一般的に例えば約９０°回転するという範囲まで分離される。好適な実施の形態においては、第１および第２リターダスタック１６０，１７０は重なりゼロ(zero-overlap)である。
【００５４】
好適な実施の形態によるフルカラー３光路投射器の実施例で、コントラスト比と色増強(color enhancement)の両方を説明する。第１および第２リターダスタックの配向を、両スタックにｚ方向引き伸ばし（Ｎｚ＝０．５）ポリカーボナイト(polycarbonate)フィルムを用いたものについて、表１に示した。両スタックの配向は、同じ波長について対称であり、それゆえ、シアンおよびイエローのノッチ特性は基本的に同一である。リターデーション(retardation)は、５４５ｎｍで１．５波長であり、好ましくは５３５ｎｍである。赤色は最適から若干ずれているものの、スタック間の相互作用は波長に対して不変であって、この実施例は本実施の形態を表すものである。
【００５５】
【表１】
５４５ｎｍで１．５波長をもたらす第１リターダスタック１６０（ＩＧＭ）と第２リターダスタック１７０（ＯＧＭ）の配向
0004637370.tif 000002
【００５６】
好適な実施の形態の本実施例は、第１クリーンアップ偏光子１９０としての染色Ｓ配向偏光子の前に、光源１７５としての水晶ハロゲン灯を含む。出力は、光学的スペクトル検光子（不図示）を用いて計測した。この実例は、フリースタンド(free-standing)反射防止（ＡＲ）コーティングされた要素を用いて組み立てられた。第１および第２リターダスタック１６０，１７０は、広域帯域反射防止コーティング窓部の間に接合されるとともに第１ビームスプリッタ１１０の入出力ポートに貼り付けられる圧力感応接着剤を有する。第２ビームスプリッタ１２０としての赤／青二色性鏡板は、Ｓ偏光光を受け入れるように、第１ビームスプリッタ１００のＰＢＳコーティングに平行に配置される。反射型変調器１３０，１４０，１５０は、５００ｎｍ（青色）、５６０ｎｍ（緑色）、６４４ｎｍ（赤色）における１／４波長リターデーションとなるようアルミ鏡にリターデーション薄板をかぶせることによって作成された。反射防止コーティングガラス窓部はリターデーションフィルム全体にわたっており、率整合(index match)をはかっている。反射型変調器１３０，１４０，１５０は、光学システム１００の適切な出力ポートに取り付けられた。第２クリーンアップ偏光子１９５を出射する再結合光は、光学スペクトル偏光子の入力と結合する。透過スペクトルは、各々のポートのパネルを物理的に回転し、かつ出力を記録することにより、発生させられた。最大の透過は約４５°配向で生じ、最小の透過は０°配向で生じて、前者を後者で正規化することによってコントラスト比のデータひと組を得た。各々の帯域の正確な絶対透過率が、３個の場が検知素子へ同時的に結合していく許容誤差のために、動作状態データからは抽出できないことは、当業者であれば直ちに理解される。図１１、図１２、図１３および図１４は、光学スペクトル検光子によって計測した本発明の好適な実施の形態による反射光学性の計測出力を示している。計測結果は明らかにイエローとシアン中のノッチを現している。軸上コンスタント比は、可視スペクトルにわたって高く、例えば約５００：１よりも大きい。
【００５７】
軸上の色域は、ＳＭＰＴＥ基準で要求される水準をはるかに上回っており、この好適な実施の形態は色域とシステム輝度を結合している。さらにより高い輝度でさえ、色座標を犠牲にすることによって、得ることが可能である。輝度を高くする好適な方策のひとつは、間原色光の非動作状態での漏れを増加させることを防止しつつ第１および第２リターダスタック１６０，１７０がより大きな遷移帯域の重なりとなるように設計することによって、第１および第２リターダスタック１６０，１７０の遷移勾配を大きくするか、または、ノッチ濃度を減らすことである。
【００５８】
輝度を高くする他の好適な方策は、第１と第２のリターダスタック１６０，１７０に対して異なるリターデーション値を用いることである。この設計は同じ波長に対して対称ではないので、シアンとイエローの中に異なるノッチ濃度を得ることができる。ある場合には、シアンノッチを完全に避けること、例えば５７８ｎｍの光を８０％−９０％遮断することにより、適切な色座標を得ることができる。ノッチの濃度はデューティ比(duty ratio)の相違によって決定され、ここでは、第１と第２リターダスタック１６０，１７０の間の緑色ノッチの相対幅と遷移勾配によって測られる。この実施例では、両スタックは隣接して積層された１４層の膜を含み、光源１７５の緑色線（５４５ｎｍ）とイエロー線（５７８ｎｍ）とを区別する遷移勾配を与えている。よってこの方策は、各々のノッチを高い程度でブロックするものとなる。
【００５９】
図１１および図１２に示されているように、第１リターダスタック１６０の緑色出力の最初の極小は、第２リターダスタック１７０のマゼンタ出力の最初の極小と一致し、したがって、マゼンタノッチの高濃な遮断がもたらされる。第２リターダスタック１７０のマゼンタ出力は、４９１ｎｍと６１９ｎｍで８５％の透過率である。
【００６０】
本発明の好適な実施の形態は、色光路を形成したり結合したりするのにリターダスタック（ＲＳ）技術を用いることで角度感応性を低減するという利点をも持っている。二色性鏡、コレステリックフィルムやホログラフィックフィルムなどのような、関連技術の色スプリッタは物理的に２個の光路を形成し、遷移帯域特性を決定している。ＲＳ１６０，１７０は色を偏光によってコード化しおり、それによって遷移帯域特性を決定することができるが、ＲＳ１６０，１７０は共線形伝搬場要素を物理的に分離しない。それで、光はスタックに実質的に垂直に入射し、それによって角度感応性が最小化される。したがって、各々のフィルムの光学軸が面内に沿っている場合には、垂直入射からの小さな逸れに対するリターダンス変動は角度について２次である。色光路を形成するために用いられている第１（ＰＢＳ）コーティングが実質的に傾けられているとしても（典型的には偏倚角が４５°）、この好適な実施の形態はシステムのｆ数にわたってニュートラル(neutral)な偏光効率を提供する。二つの機能を分けることで、角度感応性が非常に減少する。
【００６１】
さらなる角度感応性の減少は、この好適な実施の形態において、特殊化されたリターデーションフィルムを用いることによって実現される。実質的に小さな角度非感応性のリターデーションは、複合(compound)リターダ若しくは２軸性単一リターダのいずれかを用いることにより実現することができる。例えば、２軸性リターデーションフィルムは、高分子基板を面方向にとフィルム法線方向に沿った両方に引き伸ばすことによって作成することができる。フィルム法線方向に沿ったリターデーションが面方向リターデーションの実質的に半分であるときには、入射角に対する波長変動は実質的にささいなものになる。
【００６２】
非垂直の小さな逸れに対して、最大リターデーション変動は角度について４次である。このようなフィルムは、半強度点のスペクトル変動をささいなものにしてしまう。表２は、平行偏光子間の第２リターダスタックだけについての計測データを示している。支配的なスペクトルが、半頂角１５°に対して最大変動０．５ｎｍで赤方に変動することを結果は示している。個のような構成においては、第１ビームスプリッタ１１０（ＰＢＳ）は色分離能力の限界となる要因を代表する。
【００６３】
【表２】
５４５ｎｍにおけるリターダンスが１．５波長の１４層の第２リターダスタック１７０の角度に対する半強度点のスペクトル変動；４個の方位角が与えられている
0004637370.tif 000003
【００６４】
コントラスト比の非軸上の計測は、図１８の構成で第２ビームスプリッタ１２０（二色性鏡）を取り除いたものを用いて、緑色光に対して行われた。準平行な(qusi-collimated)白色光は２５ｎｍＦＷＨＭで５５０ｎｍの透過帯域(bandpass)を用いてフィルタされた。光学強度計を用いて、Ｐ回転（ＰＢＳコーティング法線を含む平面内）およびＳ回転に対する角度の関数として強度が記録された。緑色パネルの配向が４５°で計測された強度によって正規化することによって、パネルの配向が０°の強度までコントラスト比を求めた。表３に与えられた結果は、コントラスト比が入射角に対して落ちていきながらも、妥当なｆ数にわたって高くありつづけており、視覚円錐(viewing cone)は極めて等方的である。
【００６５】
【表３】
入出力リターダスタックを用いた緑色光のコントラスト比
0004637370.tif 000004
【００６６】
比較の目的のため、同一条件下でフィリップスプリズムが計測された。同一の手続きを行い、緑色スペクトルのコントラスト比が配向の関数として計測された。Ｐ回転の結果は許容できるコントラスト比であったものの、表４に示すように、Ｓ回転のコントラスト比は非常に劣化したものであった。
【００６７】
【表４】
フィリップスプリズムを用いた緑色光のコントラスト比
0004637370.tif 000005
【００６８】
図１５は、本発明の他の好適な実施の形態による３パネル反射型光学システムを表す。この好適な実施の形態は、図４に関連する上述の特徴を含んでおり、さらに、光が反射型光学システムを通り抜けるときに光の強度を大きくするための第１および第２ダブラー(doubler)１１５，１２５も含む。第１および第２のダブラーは好ましくはインバータであって、強誘電性(ferroelectric)液晶ディスプレイのために光の強度を増大する。
【００６９】
図１５に示したように、光源１７５からの白色光は、第１クリーンアップ偏光子１９０によって偏光されて、第１リーダスタック１６０によって第１の原色が一つの偏光状態にかつその補色が直交偏光状態に沿うようにコード化される。第１の原色は、第１ビームスプリッタ１１０を透過し、分離された光路を平衡させるために使用される部分を経由する。第１の原色は第１光ダブラー１１５を透過した、第３反射型変調器１５０によって空間的に変調されて、第１光ダブラー１１５を透過され戻る。次に、第１の原色は第１ビームスプリッタ１１０によって反射されて、第２リターダスタック１７０、第２クリーンアップ偏光子１９５、および必要があれば第２凸レンズ系１８２を通ってシステムを出射する。
【００７０】
第１の原色の補色は、第１ビームスプリッタ１１０で反射されて、第２光ダブラー１２５を通過した後に第２と第３の原色に分割される。第２の原色は、色分離器１２０によって反射された後、第２反射型変調器１４０によって空間的に変調されて、第２光ダブラー１２５を透過するために色分離器１２０によって再び反射される。第３の原色は、色分離器１２０を透過し、第１反射型変調器１３０によって空間的に変調されて、色分離器１２０を再び透過する。第２と第３の原色は結合されて、第２光ダブラー１２５と、システム１００を第２リターダスタック１７０を通って出射するために第１ビームスプリッタ１１０とを透過する。第２リターダスタック１７０は、同じ偏光状態を有する結合された補色と第１の原色とを、第２クリーンアップ偏光子１９５と第二凸レンズ系１８２を通じて、透過させる。
【００７１】
コントラスト比を向上するために、図４の実施の形態の中間リターダスタックがビームスプリッタ１１０と色分離器１２０の間に位置していてもよい。
【００７２】
図１６は、本発明のさらに他の好適な実施の形態による光学システム２００を表し、第１、第２、第３および第４偏光ビームスプリッタ２０５，２１０，２１５，２２０と、第１、第２、第３および第４リターダスタック２６０，２６５，２７０，２７５を含んでいる。この実施例において、以下、第１、第２および第３の原色はそれぞれ青色、赤色および青色とする。これらの色は例示のためのものであって、当業者に容易に理解されるところによりこれらの色の順序は所望のものに変えることができる。
【００７３】
光源１７５からの白色光は、第１リターダスタック２６０によって、青色光が一つの偏光状態に沿いその補色のイエロー光が直交偏光状態に沿うように偏光される。第１偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５２０は青色を透過させ、かつ、イエローを反射する。第２リターダスタック２６５は、赤色／シアンまたは緑色／マゼンタのリターダスタックであって、赤色を一つの偏光状態にかつ緑色をその直交偏光状態にコード化する。第１および第２反射型変調器１３０，１４０はそれぞれ赤色光と緑色光を変調する。その後、第２ＰＢＳ２１０は赤色光を透過させかつ緑色光を反射する。第３リターダスタック２７０は、赤色および緑色光を第３ＰＢＳ２１５によって第４リターダスタック２７５を通過する一つの偏光状態へと再結合される。第４ＰＢＳ２２０は、第１ＰＢＳ２１５からの青色光を第３反射型変調器１５０へと透過し、この第３変調器は青色光を変調して第４ＰＢＳ２２０へと反射し返す。第４ＰＢＳ２２０は青色光を第３ＰＢＳ２１５へ反射し、第３ＰＢＳが青色光を第４リターダスタック２７５へ反射する。第４リターダスタック２７０は、すべての三原色、赤色、緑色および青色を同じ偏光状態へと回転して、その結合スペクトルを出力する。
【００７４】
本発明の好適な実施例による色分離および結合構造ならびに方法は、リターダスタックと中性偏光スプリッタを用いて別個の色光路を形成するものである。これは反射型別光路投映器に用いられ、特にシリコンディスプレイ上の反射型液晶に適用される。リターダスタック（ＲＳ）技術は、偏光によって色の分離を行うために用いられる。直交する偏光状態から物理的に別の光路を形成する構造と結びついて、色分割が実現される。リターダスタックは、平坦な透過帯域(passband)および阻止帯域(stopband)特徴と、狭い遷移帯域幅と、低い色クロストークとを発生する。関連技術の二色性ビームスプリッタとは違い、ＲＳ技術は偏光性に基づいている。これは色と偏光の両方の処理をここに記載したように簡便な構成にまとめた投映器で行うことを可能にする。
【００７５】
以上の実施の形態は、単に説明のためのものであって、本発明の限定を構成するものではない。本発明の教示は、他の型の装置にも容易に適用することができる。本発明の記載は説明することを意図としており、特許請求の範囲を限定するものではない。幾多の置換、改良、変形、は当業者にとって明らかである。例えば、第２ビームスプリッタが第1ビームスプリッタ１００で反射された光に作用するか、第1ビームスプリッタを透過した光に作用するか、のいずれでもよいことは当業者には容易に理解される。特許請求の範囲において、機能手段節(means-plus-function clause)は言及された機能を実行する個々に記載された構造と、構造的均等物のみならず、均等の構造物をも含むことが意図されている。
【図面の簡単な説明】
本発明を、以下の図を参照することにより詳細に説明する。図において同じ参照番号は、同じ構成要素を指している。
【図１】図１（ａ）および図１（ｂ）は、関連技術の反射型ディスプレイの構成を表し、ここで単一偏光の光は第１ポートを通って導入され、かつ第２ポートを通って反射型ＬＣＤパネルへ向かって透過されることを示す。
【図２】  図２は、本発明の好ましい実施の形態による、リターダスタックおよびＰＢＳ偏光色スプリッタを示す。
【図３】  図３は、本発明の他の好ましい実施の形態による、光学システムを表す。
【図４】  図４は、本発明のさらに他の好ましい実施の形態による、３パネル反射型ディスプレイシステムを含む光学システムを表す。
【図５】  図５は、本発明のさらに他の好ましい実施の形態による、他の３パネル反射型ディスプレイシステムを含む光学システムを表す。
【図６】  図６は、図５の３パネル反射型ディスプレイシステムの等価展開配置で、反射型ディスプレイシステムが非動作状態(off-state)にあることを表す。
【図７】  図７は、図５の３パネル反射型ディスプレイシステムの他の等価展開配置で、反射型ディスプレイシステムが非動作状態(off-state)にあることを表す。
【図８】  図８は、図５の３パネル反射型ディスプレイシステムの等価展開配置で、反射型ディスプレイシステムが動作状態(on-state)にあることを表す。
【図９】  図９は、図５の反射型ディスプレイシステムに対する遷移帯域(transition band)を表す。
【図１０】  図１０は、図５の反射型ディスプレイシステムが非動作状態にある場合の、当該反射型ディスプレイシステムを通る光漏れを示す。
【図１１】  図１１は、図５の反射型ディスプレイシステムの測定出力を示す。
【図１２】  図１２は、図５の反射型ディスプレイシステムの測定出力を示す。
【図１３】  図１３は、図５の反射型ディスプレイシステムの測定出力を示す。
【図１４】  図１４は、図５の反射型ディスプレイシステムの測定出力を示す。
【図１５】  図１５は、本発明による、図１４に示す光学システムの変形例を表す。
【図１６】  図１６は、本発明の他の好ましい実施の形態による、３パネル反射型ディスプレイシステムを含む光学システムを表す。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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