(57)【要約】【課題】高価な偏光ビームスプリッタを必要とすることなく、かつ、必要とされるアンチ反射コーティングが比較的少ない状態で低コストで提供できる偏光変換光学システムを提供すること。【解決手段】  光学システムは、偏光レンズの第１アレイと、偏光レンズの第２アレイとを含む。第１アレイのレンズは一方の偏光に対して収束レンズとして作用するが他方の直交偏光に対しては実質的な影響を与えない。逆に第２アレイのレンズは直交偏光に対して収束レンズとして作用するが、第１偏光に対しては実質的な影響を与えない。レンズの第３アレイはレンズアレイの焦平面上に、または焦平面に隣接して設けられている。第１および第２レンズアレイはレンズピッチの半分だけ互いに横方向にオフセットしており、パターン化リターダにおいてＳ偏光のスポットがＰ偏光のスポットと互い違いになるようになっている。【選択図】図４
2005208644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の偏光を第１の収束で収束させ、該第１の偏光に直交する第２の偏光を該第１の収束よりも小さい第２の収束で透過させる、偏光レンズの第１のアレイと、
該第１のアレイから光を受け取り、該第２の偏光を第３の収束で収束させ、該第１の偏光を該第３の収束よりも小さい第４の収束で透過させる、偏光レンズの第２のアレイとを備えた光学システムであって、該第１および該第２のアレイはそれぞれ実質的に第１および第２の画像面で、該第１および該第２の偏光を第１および第２の画像に変換し、
該第１および該第２のアレイから見て、該第１および該第２の画像面の一方よりも実質的に遠くない位置に設けられた、レンズの第３のアレイをさらに備えた、光学システム。
【請求項２】
前記第１および第２の偏光が直線偏光である、請求項１に記載の光学システム。
【請求項３】
前記第２および第４の収束のうち少なくとも一方が実質的にゼロである、請求項１または２に記載の光学システム。
【請求項４】
前記第２の偏光が前記第１のアレイによって実質的に偏移されない、請求項１から３のいずれかに記載の光学システム。
【請求項５】
前記第１の偏光が前記第２のアレイによって実質的に偏移されない、請求項１から４のいずれかに記載の光学システム。
【請求項６】
前記第１のアレイのレンズが実質的に互いに同一である、請求項１から５のいずれかに記載の光学システム。
【請求項７】
前記第２のアレイのレンズが実質的に互いに同一である、請求項１から６のいずれかに記載の光学システム。
【請求項８】
前記第１および前記第２の画像面が実質的に共平面である、請求項１から７のいずれかに記載の光学システム。
【請求項９】
前記第３のアレイが実質的に前記第１および前記第２の画像面にある、請求項８に記載の光学システム。
【請求項１０】
前記第１および前記第２の画像面が実質的に共平面でなく、前記第３のアレイが実質的に該第１および該第２の画像面の一方にあるか、または該第１および該第２の画像面間にある、請求項１から７のいずれかに記載の光学システム。
【請求項１１】
前記第１および前記第２のアレイが実質的に互いに等しいピッチを有する、請求項１から１０のいずれかに記載の光学システム。
【請求項１２】
前記第２のアレイのレンズが前記第１のアレイのレンズに対して横方向にオフセットしている、請求項１１に記載の光学システム。
【請求項１３】
前記横方向のオフセットが、前記第１および前記第２のアレイの各々のピッチの半分に実質的に等しい、請求項１２に記載の光学システム。
【請求項１４】
前記第１および前記第２のアレイのレンズが光学異方性材料を含む、請求項１から１３のいずれかに記載の光学システム。
【請求項１５】
前記第１および前記第２のアレイのレンズが、前記光学異方性材料の屈折率の１つに実質的に等しい屈折率を有する光学等方性材料と接している、請求項１４に記載の光学システム。
【請求項１６】
前記第１および前記第２のアレイのレンズが同一の材料により形成され、該第１のアレイのレンズが、該第２のアレイのレンズの光軸に直交する光軸を有する、請求項１４または１５に記載の光学システム。
【請求項１７】
前記第１および前記第２のアレイのレンズがフレネルレンズである、請求項１から１６のいずれかに記載の光学システム。
【請求項１８】
前記第１および前記第２のアレイのレンズが正および負のダブレットである、請求項１から１７のいずれかに記載の光学システム。
【請求項１９】
前記第１および前記第２のアレイが、互いに対向する実質的に平坦な表面を有する、請求項１から１８のいずれかに記載の光学システム。
【請求項２０】
前記第１および前記第２のアレイのレンズが屈折率分布型レンズである、請求項１から１９のいずれかに記載の光学システム。
【請求項２１】
前記第２のアレイからの光を受け取り、前記第１および前記第２の偏光のうちの少なくとも一方を変更する、偏光変更エレメントの第４のアレイをさらに備え、該第４のアレイは該第４のアレイからの光が実質的に均一な偏光となるように変更する、請求項１から２０のいずれかに記載の光学システム。
【請求項２２】
前記第４のアレイが前記第１および前記第２の偏光の一方を実質的に該第１および第２の偏光の他方に変更するように設けられている、請求項２１に記載の光学システム。
【請求項２３】
前記偏光変更エレメントが偏光回転子である、請求項２１または２２に記載の光学システム。
【請求項２４】
前記偏光変更エレメントがリターダである、請求項２１または２２に記載の光学システム。
【請求項２５】
前記第３のアレイが、前記第１および前記第２のアレイのレンズのピッチの半分に実質的に等しいピッチを有する、請求項１から２４のいずれかに記載の光学システム。
【請求項２６】
前記第３のアレイのレンズの各々が前記第１または前記第２のアレイの対応するレンズと光学的に整合している、請求項１から２５のいずれかに記載の光学システム。
【請求項２７】
前記第３のアレイのレンズの各々の焦点距離が、前記第１または前記第２のアレイの対応するレンズの焦点距離と実質的に等しい、請求項２６に記載の光学システム。
【請求項２８】
前記第３のアレイが前記第４のアレイを備え、該第３のアレイのレンズのうちの少なくともいくつかが偏光変更エレメントを備えた、請求項２１から２４のいずれかに記載の光学システム。
【請求項２９】
前記レンズのうちの少なくともいくつかが光学異方性を有する、請求項２８に記載の光学システム。
【請求項３０】
前記システムからの出射光を収束させるフィールドレンズをさらに備えた、請求項１から２９のいずれかに記載の光学システム。
【請求項３１】
請求項１から３０のいずれかに記載の光学システムと、
少なくとも１つの発光器と、
を備えた光源。
【請求項３２】
請求項３１に記載の光源を備えた投影ディスプレイ。
【請求項３３】
前記光源によって照射されるように設けられた空間光変調器をさらに備えた、請求項３２に記載の投影ディスプレイ。
【請求項３４】
前記第１のアレイのレンズの各々が前記空間光変調器のアスペクト比に実質的に等しいアスペクト比を有する、請求項３３に記載の投影ディスプレイ。
【請求項３５】
バックライトと空間光変調器との間に設けられた請求項１から２９のいずれかに記載の光学システムを備えた直視型ディスプレイ。
【請求項３６】
前記第３のアレイのレンズの各々が前記空間光変調器の対応する画素と光学的に整合している、請求項３５に記載の直視型ディスプレイ。
【請求項３７】
前記空間光変調器が液晶装置である、請求項３３から３６のいずれかに記載の直視型ディスプレイ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学システムに関する。このようなシステムは、例えば入力された非偏光を実質的に単一または均一な出力偏光に変換する偏光変換光学システム（ＰＣＯＳ）などに用いられ得る。このようなシステムはさらに、投影ディスプレイ用光源、投影ディスプレイ、または直視型ディスプレイなどに用いられ得る。従って本発明はさらにこのようなシステムを含む光源、このような光源を含む投影ディスプレイ／直視型液晶表示装置、ならびにこのようなシステムを含む直視型ディスプレイに関する。
【背景技術】
【０００２】
あるタイプの投影ディスプレイは、ランプからの非偏光を受け取りこれを均一に偏光された光に変換する偏光変換光学システムを含むことが知られている。プロジェクタ用の照射システムは、液晶デバイス（ＬＣＤ）などの空間光変調器（ＳＬＭ）を照射し、照射光の偏光を実質的に均一な偏光に変換することにより、投影ディスプレイの効率または明るさを向上させる。添付の図１は、例えば米国特許第５，９７８，１３６号（特許文献１）に開示された典型的なこのタイプのディスプレイを示す。
【０００３】
図１に示す投影ディスプレイは、ランプ１を含む。ランプ１は、例えば放物線状のリフレクタを有する小型アークランプを含み、小型アークランプは不均一な強度分布を有する非偏光の実質的に平行化されたビームを発光する。ランプ１からの光は偏光変換光学システム（ＰＣＯＳ）兼ホモジナイザ２に供給される。偏光変換光学システム（ＰＣＯＳ）兼ホモジナイザ２は、第１および第２のマイクロレンズアレイ３および４、偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）５、１／２波長位相板アレイ６、およびフィールドレンズ７を含む。出射光は液晶パネル８に向けられてこれを照射する。
【０００４】
第１のマイクロレンズアレイ３はその焦平面に、非偏光の空間分布明スポットのアレイを形成する。第２のマイクロレンズアレイ４は第１のマイクロレンズアレイ３の焦平面上に設けられており、両アレイのレンズは同一の焦点距離を有する。フィールドレンズ７により、第２のマイクロレンズアレイ４は、液晶パネル８の面に均一光ビームの像を形成するビーム均一化システムの一部として作用する。第１のアレイ３のマイクロレンズのアスペクト比はパネル８のアスペクト比と実質的に同一である。従ってランプ１からの光ビームは、パネル８を照射する均一化ビームがパネルと実質的に同一のアスペクト比を有するように再整形される。
【０００５】
このタイプの均一化システムが正しく動作するためには、各アレイのマイクロレンズの焦点距離が等しくなければならず、かつ、第２のアレイが第１のアレイの焦平面上に設けられていなければならない（ＳｔｕｐｐおよびＢｒｅｎｎｅｓｈｏｌｔｚ、「投影システム」、Ｗｉｌｅｙ社、１９９９年を参照のこと）。
【０００６】
偏光ビームスプリッタ５は第２のアレイ４の後に設けられており、エレメントのアレイを含む。エレメントのピッチは第２のアレイ４のマイクロレンズのピッチの約半分である。焦点を合わされた光ビームは偏光ビームスプリッタ５に対して、エレメント１つおきに、またはセクション１つおきに入射する。例えば参照符号９で示す偏光分離膜は一方の偏光、例えばＰ偏光、を「前」方に透過させる。Ｓ偏光などの直交偏光は、ビームスプリッタの隣接する部分において、反射膜（例えば参照符号１０で示す）方向に反射する。ビームスプリッタ５において直交偏光は前方に反射する。従ってビームスプリッタ５に入射した各非偏光ビームは空間分離し前方に伝搬する、直交偏光を有する２つのビームを生成する。
【０００７】
エレメント６はリターダ膜の位相板または位相ストリップのアレイを含む。位相板または位相ストリップは、一方の偏光を有するビームのみがリターダ膜に入射するように配置されている。リタデーションは、入射した偏光が、直交偏光に変化した状態でリターダから出射するように選択される。従って全ての前方伝搬ビームは実質的に同一の偏光状態を有する。これらのビームはフィールドレンズ７によって集光されてパネル８を均一に照射する。
【０００８】
アレイ３および４のマイクロレンズのＦ値はランプ１の特性に合致するように選択される。ランプ１は概して僅かに偏移する光を発光する。偏光変換光学システム２の集光効率に実質的に影響を与えることなく偏光変換光学システム２の長さを短くするためには、マイクロレンズの焦点距離およびピッチの両方を短縮して所望のＦ値を維持することが必要である。
【０００９】
いかなるランプにおいても、より短いピッチを有するマイクロレンズを用いることが有益である。なぜなら照射ビームはパネル８においてより均一化され、その結果パネルにおける照度均一性が高くなるからである。均一性が高まる理由は、ランプ１から発光される不均一ビームをサンプリングする第１のアレイ３のレンズ数が多くなるからである。逆の言い方をすると、より短いピッチを有するマイクロレンズを用いると、より小さいフォームファクタを有する光源から発光される光が効率よく均一化され、それにより小型化された「投影エンジン」の提供が可能となる。
【００１０】
アレイ３および４のマイクロレンズのピッチを短縮すると、ビームスプリッタ５のピッチも短縮されることになる。ビームスプリッタは典型的にはＰＣＯＳ内で最も高価な部品である。そのピッチを実質的に短縮すると、偏光分離およびミラーコーティングがより多く必要となるため製造コストが上がる。さらに、よりピッチの短いエレメントを製造する場合、トレランスがより重要となり光の無駄が増加する。これらの制約のために、現在、約０．５ｍｍ未満のピッチを有する偏光ビームスプリッタアレイを製造することはビジネス上実施可能ではなく、従ってこのようなアレイを用いたＰＣＯＳの全長を約７ｍｍ未満にすることはできない。
【００１１】
図１に示すＰＣＯＳ２は４つの別々のユニット、すなわち２つのマイクロレンズアレイ３および４、リターダストリップを備えたビームスプリッタアレイ５、ならびにフィールドレンズ７を含む。これらのユニットの表面からのフレネル反射による光の損失を減少させるためには、これらのユニット間の界面をインデックス合致させるか、あるいはアンチ反射コーティングを提供することが必要である。前者の方法はシステムの長さを増大させ、後者の方法はシステムのコストを上昇させる。
【００１２】
米国特許第６，６２１，５３３号（特許文献２）は、添付の図２に示すＰＣＯＳを開示している。このシステムはマイクロレンズアレイ３および４、ならびに偏光回転エレメント１１を含む。これらはそれぞれ、図１のマイクロレンズアレイ３および４、ならびに位相板６と同様の働きをする。しかしＰＢＳ５が省略されており、その作用は偏光分岐エレメント１２によって提供される。偏光分岐エレメント１２は、例えば参照符号１３で示す光学異方性マイクロプリズム１３のアレイ、および例えば参照符号１４で示す光学等方性マイクロプリズム１４のアレイを含む。マイクロプリズム１３のアレイとマイクロプリズム１４のアレイとは互いに接している。各マイクロプリズム１３および１４は楔形断面を有する。
【００１３】
この構成により、効率的に集光するために必要なＦ値を有するマイクロレンズが非常に短いピッチおよび焦点距離で提供される。なぜなら、マイクロレンズのピッチがガラス製偏光ビームスプリッタアレイ５を用いることが必要か否かということとは無関係に決定できるからである。その結果システムの長さは約４ｍｍという最小限の値となる。完全に平行な非偏光が偏光分岐エレメント１２に対して法線方向に入射した場合、この光は、異方性プリズム１３と等方性プリズム１４との間の傾斜界面（例えば参照符号１５で示す）に入射し、２つの直交偏光ビームに角度的に分離する。これらのビーム間の角度は、光が界面１５に入射する角度と界面１５における光の屈折率変化とによって決定される。
【００１４】
実際の光学システムで起こるように分岐エレメント１２が偏移光によって照射された場合、光の一部は垂直壁または界面（例えば参照符号１６で示す）に入射してＰＣＯＳ方向に失われる。なぜならこの光は誤った方向に屈折するからである。そのため、このようなシステムの光効率は低減する。この構成のさらに不利な点は、ポリマーまたは液晶材料の比較的厚い層、例えば、約６０〜１００マイクロメータの層によって形成されていることである。このような厚みでは概して、システム内の回折損失に関して妥協することなく所望の分岐角度を達成することが必要であり、回折損失は厚みおよびピッチが低減したときに起こる。このように厚いポリマーまたは液晶材料は、高圧アークランプから供給される明るい、または高強度の光に曝されると劣化する可能性があるが、高圧アークランプは投影エンジン内の光源として典型的に用いられている。従ってＰＣＯＳの寿命は受容不能なほど低くなる可能性がある。さらに光効率を最適にするためには、ＰＣＯＳの３つのユニットの外表面にアンチ反射コーティングを施さねばならずコストが上昇する。
【００１５】
米国特許第４，４４６，３０５号（特許文献３）は、添付の図３に示す光偏光シート部材を開示している。この部材またはデバイスは、比較的低い屈折率ｎ１を有する機能等方性層２０、常光および異常光屈折率ｎｏおよびｎｅを有する高度複屈折ポリマー層２１、および比較的高い屈折率ｎ２を有する機能等方性層２２を含む。層２１および２２の材料は、ｎ１がｎｏと実質的に合致し、ｎ２がｎｅと実質的に合致するように選択される。
【００１６】
例えば参照符号２３で示す非偏光は、層２０の上面に入射する。複屈折層２１と等方性層２０および２２との間の界面はレンズ構造体２４および２５を形成する。この場合レンズ構造体２４は第１の偏光を有する光にのみ有効であり、レンズ構造体２５は直交偏光を有する光にのみ有効である。従って入射光２３のＰおよびＳ偏光成分は、異なるインターレース像に焦点を合わされる。
【００１７】
層２１の複屈折材料は透明で固いプラスチックフィルムである。これに機械的応力を与えることにより分子オーダーが誘導され、その結果光学異方性が生じる。レンズ構造体は、層２１の表面をエンボス、グラインドまたは研磨などにより修正することにより形成しなければならない。分子の再配列は、エンボス前に材料を柔軟化するために必要な熱または溶媒を付与することによって起こる。グラインドおよび研磨によって応力複屈折が導入される。従ってこれらのプロセスは全て、異方性材料の屈折率プロファイルを変更するという影響、そしてそれによりデバイスの効率を低減させるという影響を有する。
【００１８】
デバイスを製造するためには、適切な屈折率、特に上記した適切な合致条件を有する材料を特定し選択することが必要である。ブロードバンドまたは白光の場合、かなり広い波長範囲に亘ってこれらのインデックス合致条件を満たす材料を３つ特定することは困難である。従ってこのデバイスのブロードバンド効率は低くなる。
【００１９】
特開平３−００５７０７号公報（特許文献４）は、米国特許第４，４４６，３０５号と同様であるが屈折レンズをフレネルレンズにした構成を開示している。
【００２０】
米国特許第５，６７１，０３４号（特許文献５）は、複屈折材料を用いて偏光依存型屈折光学エレメントを製造する技術を開示している。
【００２１】
特開平３−２９４８０３号公報（特許文献６）は、偏光分岐システムを開示している。この偏光分岐システムは、光源からのランダム偏光を２つの直交線形偏光に空間分岐させる複屈折レンズ１７、一方の偏光状態を他方の偏光状態と同じ状態に変換するシステム１８，および実質的に均一に偏光された光を組み合わせて平行ビームにするホログラムレンズ１９を用いている。このシステムを図１９にアレイの形態で示す。
【００２２】
複屈折レンズ１７によって焦点を合わされた光を平行にするためには、ホログラムレンズ１７（焦点距離ｆＨ）は、複屈折レンズ（焦点距離ｆＢ）と共焦点となる位置に設けられなければならない。換言すると、複屈折レンズは、２つのレンズの焦点距離の合計（ｆＨ＋ｆＢ）に等しい距離だけホログラムレンズから離れている。
【００２３】
出射光が平行化されているという事実のために、この公知のシステムは偏光変換光学システム内のホモジナイザとして用いることはできない。光が平行化されると、個々の感偏光マイクロレンズの像を重ねることは不可能であり、従ってパネル面上に均一な照度を有する均一化されたビームを形成することは不可能である。このシステムは、ホログラムレンズ１９を用いることに限定されているために更なる不利な点を有する。透過ホログラフィー光学エレメントの性能効率は高度に波長依存性である。従ってこのシステムは白光の場合、高効率にすることはできない。さらにホログラムレンズ１９は感偏光ではなく、入射光の偏光を変更するように作用することはできない。
【特許文献１】米国特許第５，９７８，１３６号明細書
【特許文献２】米国特許第６，６２１，５３３号明細書
【特許文献３】米国特許第４，４４６，３０５号明細書
【特許文献４】特開平３−００５７０７号公報
【特許文献５】米国特許第５，６７１，０３４号明細書
【特許文献６】特開平３−２９４８０３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２４】
本発明の目的は、高価な偏光ビームスプリッタを必要とすることなく、かつ、必要とされるアンチ反射コーティングが比較的少ない状態で低コストで提供できる簡便な偏光変換光学システム、このような偏光変換光学システムを備えた光源、およびこのような光源を備えたディスプレイを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２５】
本発明の第１の局面によると、第１の偏光を第１の収束で収束させ、該第１の偏光に直交する第２の偏光を該第１の収束よりも小さい第２の収束で透過させる、偏光レンズの第１のアレイと、該第１のアレイから光を受け取り、該第２の偏光を第３の収束で収束させ、該第１の偏光を該第３の収束よりも小さい第４の収束で透過させる、偏光レンズの第２のアレイとを備えた光学システムであって、該第１および該第２のアレイから見て、該第１および該第２の画像面の一方よりも実質的に遠くない位置に設けられた、レンズの第３のアレイをさらに備えた、光学システムが提供され、これにより上記目的が達成される。
【００２６】
前記第１および第２の偏光が直線偏光であってもよい。
【００２７】
前記第２および第４の収束のうち少なくとも一方が実質的にゼロであってもよい。
【００２８】
前記第２の偏光が前記第１のアレイによって実質的に偏移されなくてもよい。
【００２９】
前記第１の偏光が前記第２のアレイによって実質的に偏移されななくてもよい。
【００３０】
前記第１のアレイのレンズが実質的に互いに同一であってもよい。
【００３１】
前記第２のアレイのレンズが実質的に互いに同一であってもよい。
【００３２】
前記第１および前記第２の画像面が実質的に共平面であってもよい。
【００３３】
前記第３のアレイが実質的に前記第１および前記第２の画像面にあってもよい。
【００３４】
前記第１および前記第２の画像面が実質的に共平面でなく、前記第３のアレイが実質的に該第１および該第２の画像面の一方にあるか、または該第１および該第２の画像面間にあってもよい。
【００３５】
前記第１および前記第２のアレイが実質的に互いに等しいピッチを有していてもよい。
【００３６】
前記第２のアレイのレンズが前記第１のアレイのレンズに対して横方向にオフセットしていてもよい。
【００３７】
前記横方向のオフセットが、前記第１および前記第２のアレイの各々のピッチの半分に実質的に等しくてもよい。
【００３８】
前記第１および前記第２のアレイのレンズが光学異方性材料を含んでもよい。
【００３９】
前記第１および前記第２のアレイのレンズが、前記光学異方性材料の屈折率の１つに実質的に等しい屈折率を有する光学等方性材料と接していてもよい。
【００４０】
前記第１および前記第２のアレイのレンズが同一の材料により形成され、該第１のアレイのレンズが、該第２のアレイのレンズの光軸に直交する光軸を有していてもよい。
【００４１】
前記第１および前記第２のアレイのレンズがフレネルレンズであってもよい。
【００４２】
前記第１および前記第２のアレイのレンズが正および負のダブレットであってもよい。
【００４３】
前記第１および前記第２のアレイが、互いに対向する実質的に平坦な表面を有していてもよい。
【００４４】
前記第１および前記第２のアレイのレンズが屈折率分布型レンズであってもよい。
【００４５】
上記システムが前記第２のアレイからの光を受け取り、前記第１および前記第２の偏光のうちの少なくとも一方を変更する、偏光変更エレメントの第４のアレイをさらに備えていてもよく、該第４のアレイは該第４のアレイからの光が実質的に均一な偏光となるように変更してもよい。
【００４６】
前記第４のアレイが前記第１および前記第２の偏光の一方を実質的に該第１および第２の偏光の他方に変更するように設けられていてもよい。
【００４７】
前記偏光変更エレメントが偏光回転子であってもよい。
【００４８】
前記偏光変更エレメントがリターダであってもよい。
【００４９】
前記第３のアレイが、前記第１および前記第２のアレイのレンズのピッチの半分に実質的に等しいピッチを有していてもよい。
【００５０】
前記第３のアレイのレンズの各々が前記第１または前記第２のアレイの対応するレンズと光学的に整合していてもよい。
【００５１】
前記第３のアレイのレンズの各々の焦点距離が、前記第１または前記第２のアレイの対応するレンズの焦点距離と実質的に等しくてもよい。
【００５２】
前記第３のアレイが前記第４のアレイを備え、該第３のアレイのレンズのうちの少なくともいくつかが偏光変更エレメントを備えていてもよい。
【００５３】
前記レンズのうちの少なくともいくつかが光学異方性を有していてもよい。
【００５４】
上記システムは、前記システムからの出射光を収束させるフィールドレンズをさらに備えていてもよい。
【００５５】
本発明の第２の局面によると、本発明の第１の局面によるシステムと、少なくとも１つの発光器と、を備えた光源が提供され、これにより上記目的が達成される。
【００５６】
本発明の第３の局面によると、本発明の第２の局面による光源を備えた投影ディスプレイが提供され、これにより上記目的が達成される。
【００５７】
前記ディスプレイは、前記光源によって照射されるように設けられた空間光変調器をさらに備えていてもよい。
【００５８】
前記第１のアレイのレンズの各々が前記空間光変調器のアスペクト比に実質的に等しいアスペクト比を有していてもよい。
【００５９】
本発明の第４の局面によると、バックライトと空間光変調器との間に設けられた、本発明の第１の局面によるシステムを備えた直視型ディスプレイが提供され、これにより上記目的が達成される。
【００６０】
前記第３のアレイのレンズの各々が前記空間光変調器の対応する画素と光学的に整合していてもいい。
【００６１】
前記空間光変調器が液晶装置であってもよい。
【発明の効果】
【００６２】
非常に短い長さの偏光変換光学システムを提供することが可能である。例えば、僅か３ｍｍのオーダーの長さが可能である。さらに非常に短いピッチを有するレンズアレイを提供することが可能であり、これによりビーム均一化が向上する。このようなシステムは、個々の発光ダイオード（ＬＥＤ）またはＬＥＤの小アレイなどの非常に小さいフォームファクタ光源の効率的な均一化を提供するために用いられ得る。これにより小型投影エンジンの提供が可能となる。比較的薄いポリマーの層が用いられ得、これにより投影システムで用いられる非常に強い光においても良好な耐久性を発揮するシステムが提供される。高価な偏光ビームスプリッタを必要とすることなく、かつ、必要とされるアンチ反射コーティングが比較的少ない状態で、比較的複雑でない偏光変換光学システムが提供できるため、システムのコストは比較的低い。
【００６３】
あるいはこのような偏光変換光学システムは、直視型ディスプレイ内の角度の狭いバックライトから発光された非偏光を実質的な偏光に変換するために用いられ得る。従ってバックライトからの光の半分以上が用いられ得るため、これにより例えば直視型液晶デバイスの効率が向上する。この場合、第３のアレイのマイクロレンズは第１および第２のアレイのマイクロレンズに対するフィールドレンズとして作用し、有益にも光線の収束を変更する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６４】
本発明の実施例を添付の図面を参照してさらに述べる。
【００６５】
添付の図面において同様の参照符号は同様の部材を示す。
【００６６】
図４に示す偏光変換光学システムは、例えば液晶デバイスなどの空間光変調器上に表示された像を投影する投影システムの照射システムになどに用いられ得る。システムはランプからの非偏光（参照符号３０で示す）を受け取る。直交ＰおよびＳ偏光をそれぞれ参照符号３１および３２で示す。非偏光３０は、実質的に同一の感偏光マイクロレンズを有する第１のアレイ３３に入射する。マイクロレンズは複屈折材料により形成されており、レンズの光軸はＳ偏光３２の方向に平行である。アレイ３３のレンズの材料は正の複屈折を有する。すなわち異常光屈折率ｎｅが常光屈折率ｎｏよりも大きい。本明細書に記載する実施形態では、全ての異方性材料が正の複屈折を有する。しかし、負の複屈折を有する異方性材料も用いることができ、このような材料を用いる場合に必要な変更は当業者には明らかである。
【００６７】
アレイ３３のレンズは参照符号３４および３５で示す等方性材料にセットされる。この材料の屈折率ｎはレンズの常光屈折率ｎｏに実質的に合致している。一実施例では、アレイ３３のレンズはＭｅｒｃｋ  ＵＫより入手可能なＲＭＭ３４として知られる反応性メソゲンにより形成される。ＲＭＭ３４の屈折率は緑光に対して、ｎｏ＝１．５３、ｎｅ＝１．６９である。材料３４および３５はＮＯＡ６８として知られるＮｏｒｌａｎｄ光学接着剤を含む。ＮＯＡ６８の屈折率は緑光に対して、ｎ＝１．５４である。別の実施例では、アレイ３３のレンズはＭｅｒｃｋ  ＵＫより入手可能なＭＬＣ６６９７として知られる液晶材料を含む。ＭＬＣ６６９７の屈折率は緑光に対して、ｎｏ＝１．５０、ｎｅ＝１．６６である。材料３４および３５は、Ｓｕｍｍｅｒｓ  Ｏｐｔｉｃａｌより入手可能なＳＫ９として知られる接着剤を含む。ＳＫ９の屈折率は緑光に対して、ｎ＝１．５１である。アレイ３３のレンズは平凸型であり、「光学的に正」である。あるいは、等方性材料を異方性材料の異常光屈折率ｎｅにインデックス合致させて異方性材料内に負のレンズアレイを形成することにより、正の屈折率を有するレンズアレイを提供してもよい。
【００６８】
Ｓ偏光３２は、アレイ３３のレンズにより、実質的に第１のアレイ３３の焦平面３６の一連のスポットで焦点を合わされる。しかしＰ変更３１は実質的に収束することも実質的に偏移することもなくアレイ３３のレンズを通過する。第２のアレイ３７は第１のアレイ３３と実質的に同一のピッチを有し、第１のアレイ３３に対して各アレイのレンズのピッチの実質的に半分だけ横方向にオフセットしている。第２のアレイ３７のレンズは第１のアレイ３３のレンズと同一の材料によって形成されているが、第２のアレイのレンズの光軸は第１のアレイのレンズの光軸と実質的に直交している。第２のアレイ３７のレンズは、Ｓ偏光を実質的に収束も偏移もさせることなく通過させる。第２のアレイ３７のレンズはＰ偏光３１をマイクロレンズアレイ３７の焦平面に焦点合わせする。マイクロレンズアレイ３７の焦平面は第１のアレイ３３の焦平面３６と実質的に一致するか、または共平面である。
【００６９】
マイクロレンズアレイ３３および３７によって平面３６上に形成された光の焦点スポットは、アレイ３３および３７の各々のピッチの半分で、実質的に規則的なパターンを形成する。パターン化リターダ３８が平面３６に隣接して設けられている。パターン化リターダ３８はエレメントを含み、これらのエレメントは、マイクロレンズアレイ３３および３７によって形成された光の焦点スポットの位置と実質的に同一のピッチを有し、これらの位置に設けられている。パターン化リターダ３８のエレメントは、パターン化リターダ３８から出射する光が実質的に同一の均一な偏光を有するように、Ｓおよび／またはＰ偏光に対して作用するように配置されている。例えば図５に示すように、リターダ３８は１／２波長板として作用するエレメント（例えば参照符号３９で示す）を含む。エレメント３９の光軸は、Ｓ偏光４０がＰ偏光４１に変換されるような方向に向けられている。エレメント３９はエレメント４２と互い違いに配置され、エレメント４２はＰ偏光４３に実質的な影響を与えることなくＰ偏光４３を通過させる。従って実質的に全ての入射光はＰ偏光としてパターン化リターダ３８を出射する。
【００７０】
パターン化リターダ３８のエレメント３９および４２からの光は等方性マイクロレンズアレイ４４の対応するレンズを通過する。アレイ４４はビーム均一化システムの一部を形成し、アレイから出射する光は例えば、図１に参照符号７で示すタイプのフィールドレンズによって収束される。それにより図１に参照符号８で示すタイプの空間光変調器の入力面に均一な均一化ビームが生成される。アレイ４４のレンズのピッチは、アレイ３３および３７の各々のレンズのピッチの半分に実質的に等しい。第３のアレイ４４の各マイクロレンズは、アレイ３３および３７の一方の対応する単一のレンズから、偏光され焦点を合わされた光を収集し、上記対応するレンズと同一の焦点距離を有する。従ってアレイ４４のレンズは必ずしも互いに同一である必要はない。
【００７１】
パターン化リターダ３８はマイクロレンズアレイ４４の前に設けられているように示されているが、マイクロレンズアレイ４４の後に設けられてもよい。マイクロレンズアレイ４４は実質的に、マイクロレンズアレイ３３および３７の共通の焦平面に位置している。
【００７２】
アレイ３３および３７の各々のレンズのピッチは、システムの要件に応じて選択し得る。例えば、８０マイクロメータと５００マイクロメータとの間のピッチが提供され得る。あるいは、レンズのＦ値が、システムと共に用いられる光源からの光を集光するように選択され得る。レンズのＦ値を維持しながらアレイ３３および３７のレンズのピッチを最小限に抑えることにより、高効率を有し高度な均一化を提供する短いシステムを提供することができる。
【００７３】
アレイ３３、３７および４４のレンズは球状または放物線状である。レンズのアスペクト比は、偏光変換光学システムを含む投影システムの一部を形成する空間光変調器のアスペクト比に実質的に合致するように選択し得る。高光利用効率を有し像全体に亘って高い照射均一度を有する非常に小型の「投影エンジン」を提供することができる。
【００７４】
直視型液晶ディスプレイに使用する場合、アレイ３３および３７のレンズのアスペクト比はパネルのアスペクト比に合致する必要はない。アレイ３３、３７および４４の小型レンズは２次元であってもよいし円筒形状（凸レンズアレイ）であってもよい。
【００７５】
感偏光マイクロレンズは、様々な異なるタイプの光学異方性材料によって形成することができる。このような材料は、低分子量液晶、光重合性液晶（反応性メソゲン）、重合体液晶および異方性結晶固体を含む。本明細書に様々な例を記載する。
【００７６】
図６は、参照符号３９および４２で示す個々のエレメントが正しく整合することを保証するためにシステムの製造中に用いることができる技術を示す。エレメント３３および３７は図６に示すように形成されるか、または組み立てられ、１／２波長に対応する厚みの反応性メソゲン層５０がマイクロレンズアレイ３３および３７の共通焦平面３６に隣接してまたは共通焦平面３６上に形成されている。等方性マイクロレンズ５１のアレイ４４は層５０上に形成されているように示されているが、実際には層５０が加工された後に形成されてもよい。
【００７７】
Ｓ偏光紫外（ＵＶ）光５２はアレイ３３のマイクロレンズに入射して、層５０上の一連のスポット上に焦点を合わされる。層５０は適切な整合層５３上に設けられることによって平面整合している。紫外光５２の入射角範囲は、アレイ３３のレンズのピッチの半分に実質的に対応する直径を有するスポットが形成されるように選択される。
【００７８】
入射紫外光５２の強度は、層５０のうち紫外光が入射した部分の反応性メソゲン材料が硬化するほどのものである。スポットの代わりに一連のストライプが形成されるように紫外光５２の入射方向を変更してもよい。あるいは、層５０を担持する基板を横方向に平行移動させて実質的に同一の効果をもたらすようにしてもよい。
【００７９】
層５０を紫外光に曝した後、層５０のうち硬化していない部分を除去して、可視光に対して１／２波長板として作用する領域（例えば参照符号３９で示す）および入射光の偏光に実質的な影響を与えない領域（例えば参照符号４２で示す）を残す。
【００８０】
リターダ３８として２層（Ｐａｎｃｈａｒａｔｎａｍ）パターン化リターダを用いてもよく、これを同様の技術で形成してもよい。例えば図６を参照して上記した方法で第１の層を形成した後、存在する層の上に新しい整合層を形成してもよい。上記新しい整合層の上にさらに反応性メソゲンの薄い層を形成してもよい。その後同様に偏光紫外光５２に曝すことによって第２の層を硬化させてもよい。その後硬化していない材料を除去して、白光に対して単一層リターダよりも効率的な偏光変換性能を有する２層パターン化リターダを提供することができる。
【００８１】
パターン化リターダ３８は、例えば米国特許出願第２００２／０１８７２８２号に述べられているように、光異性化性反応性メソゲンから別の方法で形成されてもよい。この技術によると、上記したように反応性メソゲン層５０を偏光紫外光５２に曝すが、この場合は露光により光異性化が起こる。光異性化により露光領域の反応性メソゲンの光学リタデーションはゼロになるが、露光されていない部分は元々のリタデーションを保持する。その結果、層５０全体が加熱または光硬化により重合される。従って、光異性化に曝された領域は最終的に得られるシステムにおいて入射する可視光の偏光に実質的な影響を与えず、元々露光されなかった領域は入射する可視光に対して１／２波長板として作用する。
【００８２】
パターン化リターダ３８を偏光変換光学システムの他の部分とは別に形成することも可能である。例えば、複屈折液晶材料をパターン化整合層を担持する基板上に設けることができる。このようなパターン化整合層は、例えばＥＰ０８８７６６７号に開示されているマルチラビング技術、例えばＧＢ２３８４３１８号に開示されている微細構造グレーティングの使用、または例えばＭａｔｓｕｎａｇａら、「立体ディスプレイ用微細パターン化偏光エレメントの光製造」、１４  ｐｐ１４７７〜１４８０、２００２に開示されている光整合技術の使用により提供することができる。
【００８３】
反応性メソゲンを整合層上に溶液中でスピンすることができる。溶媒が蒸発すると、後にネマティック液晶材料の層が残る。液晶の光軸はその下の整合層の整合方向に整合してリターダ層を形成する。反応性メソゲンは紫外光に曝されることによって架橋される。パターン化リターダの白光に対する性能を高めるために、例えば感偏光マイクロレンズ３３および３７と投影システムの空間光変調器との間に第２の均一なリターダ層を提供し得る。
【００８４】
偏光変換システムの他の部分の波長依存性能を補償するようにリターダの性能を最適化することができる。例えば、マイクロレンズの屈折率のばらつきは色収差につながり、その結果例えば赤よりも青の波長でより良好な偏光変換が行われ得る。本実施例では、白光または無色光に対するシステムの性能を高める目的で、リターダが赤光に対してより効率的になるようにリターダの性能を設計し得る。
【００８５】
パターン化リターダ３８の別の例は、平面整合した反応性メソゲンとホメオトロピック整合した反応性メソゲンとを互い違いに配列されたストライプ状に有する。平面整合したストライプは入射する偏光に対して１／２波長リターダとして作用する。ホメオトロピック整合したストライプは光学的等方性を有し、入射光の偏光に対して実質的な影響を与えない。このようなパターン化リターダは光整合技術を用いて製造することができる。
【００８６】
さらに別の例として、パターン化リターダ３８は、アレイ３３および３７の感偏光マイクロレンズのピッチの半分に実質的に等しい幅を有するリターダ膜ストリップのアレイを含んでいてもよい。
【００８７】
さらに別の例では、パターン化リターダ３８は、Ｍａｕｇｕｉｎレジーム内で動作するツイステッドネマティック液晶の領域または反応性メソゲンの領域が、等方性材料、例えば等方性ポリマーの領域、またはホメオトロピック整合した液晶材料領域または反応性メソゲン領域と互い違いに設けられたセルを含んでいてもよい。ツイステッドネマティック材料を含む領域は入射光の偏光面を回転させ、他の領域は入射光の偏光状態に実質的な影響を与えない。
【００８８】
図７ａおよび図７ｂは、マイクロレンズアレイ４４がパターン化リターダ３８としても作用する構成を示す。従ってこの構成においてパターン化リターダ３８は省略され得、その結果システムは簡略化される。図７ａに示す構成において、光学等方性材料により形成されたマイクロレンズ（例えば参照符号５５で示す）が、Ｍａｕｇｕｉｎレジーム内で動作するツイステッドネマティック液晶材料により形成されたマイクロレンズ（例えば参照符号５６で示す）と互い違いに設けられている。これらのレンズが、レンズ５６などの液晶材料の常光屈折率ｎｏにインデックス合致する光学等方性誘電媒体内に浸漬されると、等方性マイクロレンズ５５の屈折率はレンズ５６などの液晶材料の異常光屈折率ｎｅに実質的に等しくなる。
【００８９】
この構成において、レンズ５６のツイステッドネマティック液晶は入射光の偏光面をＳ偏光からＰ偏光に回転させる。等方性マイクロレンズ５５などは入射光のＰ偏光を実質的に変更しない。従ってマイクロレンズアレイ４４からは実質的に均一なＰ偏光が出射する。このような構成は、サイズが小型化し複雑さが低減するという利点を有する。なぜなら、偏光変換および均一化の機能が両方ともマイクロレンズレンズ４４によって構成される単一のエレメントに組み込まれるからである。さらに正しく整合すべきエレメントの数が減少し、その結果システムの製造が容易になる。
【００９０】
図７ｂに示す構成が図７ａに示す構成と異なるのは、等方性マイクロレンズ５５の代わりに平面整合またはホメオトロピック整合した液晶マイクロレンズ５７が設けられていることである。従ってマイクロレンズ５７は入射光の偏光に実質的な影響を与えない。しかしレンズ５６および５７は、レンズによる光の分散が実質的に合致するように同一のネマティック液晶材料で形成することができる。
【００９１】
図８ａおよび図８ｂは図７ａに示すマイクロレンズアレイ４４の製造技術の一例を示す。屈折率ｎｏを有する等方性媒体を含む基板６０を提供し、等方性マイクロレンズ５５を屈折率ｎｅを有する等方性媒体のアレイとして形成する。マイクロレンズ５５間にはギャップを設ける。マイクロレンズ５５および基板６０の上面上に均一な整合層６１を形成する。
【００９２】
等方性媒体による対向基板６２を、その下面をギャップのないマイクロレンズレンズアレイ全体の形状にして提供する。対向基板６２の下面には均一な整合層６３を形成する。整合層６３を、整合層６１および６３の整合方向が直交するように方向付ける。基板６０および対向基板６２を組み合わせてマイクロレンズ５６用の空隙を形成する。これらの空隙をネマティック液晶で満たし、ネマティック液晶を整合層６１および６３によって整合させてツイステッドネマティック液晶レンズ（例えば参照符号５６で示す）を形成する。
【００９３】
図９ａおよび図９ｂは図７ｂに示すマイクロレンズアレイの製造技術を示す。光学等方性基板６０上に、互いに直交する整合方向を有する領域（例えば参照符号６６および６７で示す）のアレイとしてパターン化整合層６５を形成する。整合層６５は、例えば上記したようにマルチラビング技術、グレーティング微細構造の使用、または光パターニングによって形成することができる。
【００９４】
光等方性対向基板６２は図８ａに示すものと同様であり、その下面に、未パターン化または均一な整合層６３が形成されている。整合層６３の整合方向はパターン化整合層６５の領域（例えば参照符号６６で示す）の整合方向に平行である。
【００９５】
基板６０および６２を組み合わせて、アレイ４４のマイクロレンズレンズを形成する空隙アレイを規定する。空隙をネマティック液晶で満たして、平面整合したマイクロレンズ（例えば参照符号５７で示す）およびツイステッドネマティック整合したマイクロレンズ５６を形成する。
【００９６】
図９ｃはさらに別の構成を示す。この構成では、マイクロレンズ用の湾曲した面がスタンピングなどにより基板６０に形成されており、上記湾曲した面に未パターン化整合層６３が形成されている。一方、対向基板６２は、パターン化された整合層６５が形成された平坦な下面を有する。
【００９７】
マイクロレンズレンズ３３および３７が実質的に同一の共通焦平面３６に光スポットを形成するために、図４に示すように、第２のアレイ３７のマイクロレンズの曲率半径を第１のアレイ３３のレンズのそれよりも小さくして、第２のアレイ３７のマイクロレンズの焦点距離を減少させることができる。あるいは図１０ａに示すように、アレイ３３および３７の両方のマイクロレンズが同一の曲率半径を有するようにして、複屈折媒体７０が第２のアレイ３７のマイクロレンズとパターン化リターダ３８との間に設けられるようにしてもよい。複屈折媒体７０は常光屈折率ｎｏ２および異常光屈折率ｎｅ２を有する。
【００９８】
参照符号７１で示すＳ偏光は媒体７０の異常光屈折率ｎｅ２を「見」、参照符号７２で示すＰ偏光は媒体７０の低い方の常光屈折率ｎｏ２を「見」る。このことはアレイ３７のマイクロレンズの焦点距離を短縮するという効果を有する。
【００９９】
図１０ｂはさらに別の構成を示す。この構成では、アレイ３３および３７のマイクロレンズが、互いに異なる複屈折率を有する複屈折材料により形成されている。アレイ３３のマイクロレンズは、等方性材料３４の常光屈折率に合致する常光屈折率ｎｏ１を有する複屈折材料により形成されている。アレイ３７のマイクロレンズは、等方性材料３５の常光屈折率に合致する常光屈折率ｎｏ２を有する複屈折材料により形成されている。このことがＳ偏光およびＰ偏光に与える影響をそれぞれ７１および７２で示す。材料および屈折率を適切に選択することにより、第２のアレイ３７のマイクロレンズが第１のアレイ３３のマイクロレンズよりも短い焦点距離を有するようになる。焦点距離の差が、システム全体の光伝搬方向における、マイクロレンズアレイ３３とマイクロレンズアレイ３７との距離を決定する。
【０１００】
実際にはマイクロレンズアレイ３３の焦平面とマイクロレンズアレイ３７の焦平面とが一致することは必要不可欠ではなく、これらの焦平面が互いに十分近接していればよい。これは、アレイがシステム全体の光伝搬方向において互いに十分近接している場合、アレイ３３および３７に実質的に同一のマイクロレンズを用いることによって達成することができる。例えば図１１ａに示すように、アレイ３３および３７のマイクロレンズの平面側が互いに対向し等方性材料の比較的薄い層７５によって分離されるように、アレイ３７のマイクロレンズを逆に配してもよい。等方性材料の比較的薄い層７５は接着剤または薄い基板でなどである。偏光変換効率が波長に対して実質的に一定である必要があるシステムでは、同一の感偏光マイクロレンズ間により大きな距離をおくことが有益であり得る。
【０１０１】
図１１ｂはさらに別の構成を示す。この構成では、アレイ３３および３７のマイクロレンズがフレネルレンズである。所与の直径および焦点距離を有するフレネルレンズの厚みは、セクションの数に依存するが光学的に等価な従来のレンズの厚みよりも小さい。図１１ｂに示すフレネルレンズは２つのセクションを含み、図１１ａに示すレンズの厚みの約半分の厚みを有する。
【０１０２】
図１１ｃはさらに別の構成を示す。この構成では、レンズアレイ３３および３７がフレネルレンズを含むが、アレイ３７は逆方向を向いておりアレイ３３および３７の平坦な面が互いに対向し隣接している。
【０１０３】
図１２ａに示すように光がフレネルレンズの光軸に平行な方向でフレネルレンズに入射すると、実質的に全ての光がレンズを通過する。しかし図１２ｂに示すように光がフレネルレンズの光軸に角度を持った状態でフレネルレンズに入射すると、光の一部、例えば平坦な面に（例えば参照符号７６で示す）入射した部分はレンズによって焦点を合わされず、その結果システムの効率は低下する。しかし入射の角度が小さい場合、このような損失は比較的小さい。
【０１０４】
フレネルレンズは、セクションが多くてピッチが短いため回折されやすい。さらにその尖った形状が上記したように製造中に液晶材料の整合に影響を与える可能性がある。セクションの数が比較的少ない場合、例えば１または２である場合、レンズの厚みは大幅に低減するが１セクションの最も小さい幅ｙが受容可能な限界、例えば１０〜２０マイクロメータ、よりも小さくなって大幅な回折を起こしたり、液晶分子がレンズの形状と整合したりすることはない。例えば直径２００マイクロメータのレンズの場合、セクションが２つであればｙは実質的に２８マイクロメータに等しく、セクションが３つであればｙは実質的に１７マイクロメータに等しい。図１２ａおよび図１２ｂに示すレンズは２つのセクションを有しており、その厚みは従来の等価なレンズの厚みの半分である。
【０１０５】
単一エレメントレンズの問題となり得るのは、屈折率がばらつき、その結果光の波長に応じて変化するレンズの焦点距離がばらつくことによって起こる色収差の問題である。これにより図１３に示すように、パターン化リターダ上で焦点を合わされた光スポットの最小サイズが増大する。スポットの直径がレンズのピッチの半分より大きく従ってパターン化リターダエレメントのサイズよりも大きい場合、一部の光は、その偏光が正しく変更されないためにシステムから「失われ」る。
【０１０６】
図１８ａは、レンズによって収束された白光のスポットの位置および最小直径が、レンズのエッジからの極端な赤光および極端な青光によって決定されることを示す。図１８ｂは簡便のため、白光の焦点合わせスポットの最小直径を規定する赤光線および青光線のみを示している。最も混乱の少ない最小の焦点合わせスポットまたは円を含む平面の直後、ビームの直径は急速に増大している。効率のよい偏光変換システムを設計する場合に、この特徴を考慮すべきである。従ってアレイ３３および３７の焦平面が同一平面にない場合、偏光変更エレメントアレイを、第２のマイクロレンズアレイ３７の焦平面よりも第１のマイクロレンズアレイ３３の焦平面に近接して設けるほうが有益である。さらに偏光変更エレメントアレイの好ましい位置は、最も混乱の少ない円の面ではない可能性がある。この円の面では、赤および青の焦点合わせスポットが最も近接して重複している。このような位置決めにより最も高い平均偏光変換効率が与えられるが、青光偏光変換効率が赤光偏光変換効率よりも大幅に高く、好ましくない。
【０１０７】
色収差の影響を低減させるために、マイクロレンズアレイ３３および３７の一方または両方を、一対の負および正のマイクロレンズに置換して、各「複合」アレイの各マイクロレンズがダブレット（一対の片方）を含むようにしてもよい。
【０１０８】
図１４ａ〜図１４ｄの各々において、アレイ３３に等価なアレイの対を参照符号３３ａおよび３３ｂで示し、アレイ３７に等価なアレイの対を参照符号３７ａおよび３７ｂで示す。正のレンズのアレイの符号の後には「ａ」を付け、負のレンズのアレイの符号の後には「ｂ」を付けている。
【０１０９】
マイクロレンズアレイ３７がそれを取り囲む光学等方性材料３５に対して不完全にインデックス整合している場合、アレイ３７は、マイクロレンズアレイ３３によって収束された光に対して非常に弱い負のレンズのアレイとして作用することができる。このことは、赤光および青光の焦平面を互いに近接させることにより、マイクロレンズアレイ３３の色収差の影響を低減させることができる。
【０１１０】
図１０ａに示す複屈折媒体７０によっても同様の効果が提供できる。例えば、色収差を最低限にするように複屈折媒体７０のばらつき特性を選択し得るし、マイクロレンズアレイ３３および３７間の距離を、これらの焦平面が実質的に一致するように変更し得る。
【０１１１】
図１５ａはマイクロレンズアレイ３３および３７の製造技術を示す。基板８１上にポリマー層８０を形成し、ポリマー８０の上面をマイクロレンズプロファイルを規定するように整形する。例えばポリマー８０は紫外線硬化性光学接着剤、例えばＮｏｒｌａｎｄ  ＮＯＡ６１またはＳｕｍｍｅｒｓ  Ｏｐｔｉｃａｌ  ＳＫ９を含んでいてもよい。この場合、これらの紫外線硬化性光学接着剤は、レンズに合わせて整形されたモールドによりレンズのプロファイルが形成されている。その後紫外線硬化性光学接着剤を硬化する。ポリマー８０の上面上に整合層８２を形成する。整合層８２は、例えばラビングされたポリイミド、グレーティング微細構造、または光整合層などである。
【０１１２】
対向基板８３上には同様の整合層８４を形成する。整合層８２および８４は均一な整合方向を有しており、整合層８４の整合方向が整合層８２の整合方向に対してアンチパラレルとなるように方向付けられている。
【０１１３】
基板８１および対向基板８３を組み合わせるが糊スペーサ８５によって距離を開けセルギャップを規定する。セルギャップには、ＭＬＣ６６４７などの液晶材料、またはＲＭＭ３４などの反応性メソゲンを満たす。反応性メソゲン材料の場合、材料をその後紫外光照射により硬化させる。比較的薄いレンズアレイの場合、反応性メソゲンまたは液晶材料８６の片面に単一の整合層を設けるだけで十分であり得る。例えば図１５ｂに示すように、対向基板８３のみが整合層８４を有している。材料８６（この場合は、反応性メソゲン）が正しく整合されることを保証するにはこれで十分である。
【０１１４】
材料８６が硬化されると、整合層８４を有する対向基板８３を除去し得る。従ってシステムの厚みを低減させることができる。ラビングされたポリイミド整合層８４の場合、最終的なシステムに整合層が欠けていることにより、投影システムの整合層の耐久性に限りがあることによって起こり得る問題が回避される。
【０１１５】
図１６はさらなる偏光変換光学システムを示す。図１６に示すシステムは、マイクロレンズアレイ３３および３７が屈折率分布型（ＧＲＩＮ）マイクロレンズのアレイを含むという点で図４に示すものとは異なる。このようなレンズはポリマーネットワーク液晶または反応性メソゲンによって形成し得、適切な方法の例が米国特許第５，６７１，０３４号に開示されている。一方の偏光状態の光は１つのアレイの各ＧＲＩＮレンズによって焦点を合わされる。なぜなら一方の偏光状態の光は、レンズの中心における屈折率ｎ２からレンズのエッジにおける屈折率ｎ１＜ｎ２までの屈折率の半径方向における変化に遭遇するからである。直交偏光は実質的な等方性屈折率プロファイルに遭遇し、感偏光ＧＲＩＮレンズ層を伝搬する間実質的に偏移しない。
【０１１６】
このようなＧＲＩＮマイクロレンズアレイの一実施例において、レンズ半径ｒの関数としての屈折率プロファイル（ｎＬ）は以下の式によって与えられる。
【０１１７】
ｎＬ＝ｎ２（１−Ａｒ２）
ここでＡは以下に定義する定数であり、ｎ２はレンズの最大屈折率である。屈折率ｎｏおよびｎｅを有する所与の光学異方性媒体の場合、最大レンズ屈折率ｎ２はｎｅよりも大きくなり得ない。定数Ａは以下のように、レンズ厚みｔ、レンズの焦点距離ｆおよびｎ２に関連する。
【０１１８】
Ａ＝１／２ｔｆｎ２
ＧＲＩＮレンズ層の厚みは、必要なレンズのＦ値または焦点距離、材料および加工パラメータによって決定される。例えば２００マイクロメータのレンズ直径および１２６０マイクロメータの空気中の焦点距離（Ｆ／６．３）を達成するためには、レンズプロファイルがｒ＝０におけるｎ２＝１．６９からｒ＝１００におけるｎ１＝１．５３にまで変化する場合、異方性材料の必要な厚みは２４．８マイクロメータである。
【０１１９】
同一の光学異方性材料を用いて、異なる厚みのレンズに対する所与のＦ値を達成することができる。これは製造プロセスパラメータを変化させて、屈折率プロファイルおよび最大および最小屈折率ｎ１およびｎ２の値を変化させることによって可能となる。
【０１２０】
別の例として、ＧＲＩＮレンズを無機複屈折物質、例えばニオブ酸リチウム、により形成することが可能である。無機複屈折物質はイオン濃度の関数としての複屈折率の定義可能な変化を示す。このタイプの構成を図１７に示す。無機物質の使用はシステムの耐久性を向上し得る。
【０１２１】
ＧＲＩＮレンズの利点は、レンズに曲率がないため、レンズ材料がその周囲にインデックス合致していなくても、Ｓ偏光を焦点合わせするように整合された感偏光ＧＲＩＮレンズはＰ偏光に対してはレンズとして全く作用しないことである。ＧＲＩＮレンズはＰ偏光に対しては、誘電材料の等方性平面平行壁を有するシートとして現れ、従ってＰ偏光に対するＧＲＩＮレンズの影響は非常に少ない。
【０１２２】
アレイ４４において従来のレンズに代えて非感偏光ＧＲＩＮレンズを用いることも可能である。このようなレンズの使用によりシステムの長さが短くなる。
【０１２３】
直視型ディスプレイ内の方向性バックライトによって発光された非偏光を実質的偏光に変換するために偏光変換システムを用いてもよい。第２の偏光が再利用されるため、これは直視型液晶デバイスの効率を高める。
【０１２４】
直視型ディスプレイ用偏光変換システムでは、第４のアレイのマイクロレンズが感偏光アレイのマイクロレンズ用フィールドレンズとして作用して、有益にも光線の収束を変化させる。図２０ａは偏移光に作用するレンズの焦点合わせ効果を示す。図２０ｂは、光学異方性レンズおよび異方性レンズの焦平面に設けられた追加のレンズの、偏移偏光に対する効果を示す。追加のレンズは異方性レンズと同一の焦点距離を有する。第２のレンズは第１のレンズに対してフィールドレンズとして作用し、システムの光軸方向への光線を屈曲して光の偏移を低減させる。
【０１２５】
図２０ｂは２つの複屈折マイクロレンズアレイ３３および３７、ならびに異方性アレイの焦平面３６に設けられた等方性マイクロレンズアレイ４４を示す。偏光回転エレメントのアレイが等方性マイクロレンズアレイ４４に隣接かつ整合して設けられている場合、システムはバックライトからの非偏光を実質的偏光に変換して直視型ディスプレイ用偏光変換システムとして作用する。好ましい実施形態では、等方性アレイ４４の個々のレンズは直視型液晶ディスプレイの個々の対応する画素アパチャに整合する。等方性アレイ４４は光の偏移を低減し、それによりパネルの液晶層が画素間の空隙における光の損失なく、偏光変換エレメントからさらに離れた位置に設けられることを可能にする。
【０１２６】
図２１は、例えば図１に示すタイプと同一の一般的なタイプのランプ１と、偏光変換光学システム兼ビームホモジナイザ２とを含む投影エンジンを示す。偏光変換光学システム兼ビームホモジナイザ２は例えば、上記に述べ図４以降に示すいずれのタイプのものでもよい。特にサブシステム２は、複屈折マイクロレンズアレイ３３および３７、パターン化リターダ３８、ならびに等方性マイクロレンズ４４を含む。さらにフィールドレンズ７が提供されている。
【０１２７】
ランプ１およびサブシステム２は、パネル８全体に亘って実質的に均一な照射強度かつパネル８の入力偏光要件に合致する実質的に均一な単一偏光で、液晶パネル８を照射する。パネル８は画像データで光を変調し、パネル８からの変調光は投影レンズ９０に供給される。投影レンズ９０は表示された各画像を投影スクリーン（図示せず）に投影する。
【０１２８】
図２２は直視型ディスプレイを示す。この直視型ディスプレイは、上記に述べ図４以降に示す偏光変換光学システム２を含む。システム２は角度の狭いバックライト１００と、例えば参照符号９５で示す画素層を有する液晶パネル８との間に設けられている。パネル８の出射側に偏光子１０１が設けられている。システム２はバックライト１００からの光を、パネル８の入力要件に合致する実質的に単一の均一な偏光に変換する。
【０１２９】
以上のように、本発明の好ましい実施形態を用いて本発明を例示してきたが、本発明は、この実施形態に限定して解釈されるべきものではない。本発明は、特許請求の範囲によってのみその範囲が解釈されるべきであることが理解される。当業者は、本発明の具体的な好ましい実施形態の記載から、本発明の記載および技術常識に基づいて等価な範囲を実施することができることが理解される。本明細書において引用した特許、特許出願および文献は、その内容自体が具体的に本明細書に記載されているのと同様にその内容が本明細書に対する参考として援用されるべきであることが理解される。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】公知のタイプの偏光変換光学システムを含む公知のタイプの投影システムを示す断面図である。
【図２】別のタイプの偏光変換光学システムを示す断面図である。
【図３】公知のタイプの偏光変換光学システムを示す断面図である。
【図４】本発明の実施形態による偏光変換光学システムを示す断面図である。
【図５】図４のシステムの詳細の一例を示す断面図である。
【図６】図４に示すタイプのシステムの製造技術を示す断面図である。
【図７ａ】図４に示すシステムの詳細の一例を示す図である。
【図７ｂ】図４に示すシステムの詳細の一例を示す図である。
【図８ａ】図７ａに示す例の製造技術を示す図である。
【図８ｂ】図７ａに示す例の製造技術を示す図である。
【図９ａ】図７ｂに示す例の製造技術を示す図である。
【図９ｂ】図７ｂに示す例の製造技術を示す図である。
【図９ｃ】図７ｂに示す例の製造技術を示す図である。
【図１０ａ】図４に示すタイプのシステムに用いられ得るレンズアレイの他の例を示す図である。
【図１０ｂ】図４に示すタイプのシステムに用いられ得るレンズアレイの他の例を示す図である。
【図１１ａ】図４に示すタイプのシステムに用いられ得るレンズアレイの他の例を示す図である。
【図１１ｂ】図４に示すタイプのシステムに用いられ得るレンズアレイの他の例を示す図である。
【図１１ｃ】図４に示すタイプのシステムに用いられ得るレンズアレイの他の例を示す図である。
【図１２ａ】フレネルレンズに対して法線方向に入射した光の通過を示す図である。
【図１２ｂ】フレネルレンズに対して角度を有して入射した光の通過を示す図である。
【図１３】レンズ内の色収差の影響を示す図である。
【図１４ａ】図４に示すタイプのシステムに用いられ得るレンズアレイの他の例を示す図である。
【図１４ｂ】図４に示すタイプのシステムに用いられ得るレンズアレイの他の例を示す図である。
【図１４ｃ】図４に示すタイプのシステムに用いられ得るレンズアレイの他の例を示す図である。
【図１４ｄ】図４に示すタイプのシステムに用いられ得るレンズアレイの他の例を示す図である。
【図１５ａ】図４に示すタイプのシステムに用いられるレンズアレイの例の製造技術を示す図である。
【図１５ｂ】図４に示すタイプのシステムに用いられるレンズアレイの例の製造技術を示す図である。
【図１６】本発明の別の実施形態による偏光変換光学システムの断面図である。
【図１７】図１６のシステムに用いられ得るＧＲＩＮレンズを示す図である。
【図１８ａ】偏移光で照射されたマイクロレンズの色ばらつきおよびビーム偏移の影響を示す図である。
【図１８ｂ】偏移光で照射されたマイクロレンズの色ばらつきおよびビーム偏移の影響を示す図である。
【図１９】公知の偏光システムを示す断面図である。
【図２０ａ】偏移入射光に作用するレンズの焦点合わせ効果を示す図である。
【図２０ｂ】偏移入射光に作用するレンズの焦点合わせ効果を示す図である。
【図２１】本発明の実施形態による投影エンジンを示す断面図である。
【図２２】本発明の実施形態による直視型ディスプレイを示す断面図である。
【符号の説明】
【０１３１】
３３  第１のマイクロレンズアレイ
３７  第２のマイクロレンズアレイ
４４  第３のマイクロレンズアレイ
【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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
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【図９ｂ】
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【図９ｃ】
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【図１０ａ】
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【図１０ｂ】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【図１１ｃ】
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【図１２ａ】
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【図１２ｂ】
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【図１３】
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【図１４ａ】
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【図１４ｂ】
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【図１４ｃ】
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【図１４ｄ】
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【図１５ａ】
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【図１５ｂ】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８ａ】
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【図１８ｂ】
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【図１９】
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【図２０ａ】
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【図２０ｂ】
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【図２１】
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【図２２】
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