(57)【要約】画像投影システム（１０）はシステム内で偏光器およびアナライザの両方として機能するワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ（１４）を備える。光源（２０）は、一方の偏光を反射し、他方の偏光を透過するビームスプリッタに当たる光源光線を放射する。液晶配列（２６）は、反射または透過光線内に配置される。配列は、偏光光線を変更し、画像情報を符号化し、その変調された光線をビームスプリッタに送り返す。ビームスプリッタは再び、一方の偏光を反射し、他方の偏光を透過し、これにより、符号化された画像がスクリーン（２５）に対して反射されるか、または透過される。ビームスプリッタは、第１の層と第２の層（２０１、２０３）との間にサンドイッチ状に挟まれた平行で細長く間隔をあけて並んでいる要素（３０）の配列を持つ埋め込まれたワイヤグリッド偏光器とすることができる。これらの要素は、要素間に複数のギャップ（２０７）を形成し、これらのギャップにより、第１または第２の層の屈折率よりも小さい屈折率が得られる。
2004533644.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
画像投影システムであって、
ａ）可視光線を出力することができる光源と、
ｂ）光線内の光源付近に配置され、光線に関してある角度で向き付けられている偏光ビームスプリッタであって、
１）第１の表面が光線内に配置され、光線が第１の表面にある角度で当たる、ある屈折率を持つ第１の透明基板と、
２）ある屈折率を持つ、第１の透明基板から離れている、第２の層と、
３）第１の透明基板と第２の層の間に配置され、要素間に複数のギャップを形成し、ギャップは第１の透明基板または第２の層の屈折率よりも小さい屈折率を与え、配置の構成と要素のサイズが、光源光線の電磁波と相互作用し、全体として（ｉ）透過した光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に垂直になるように向き付けられた偏光が行われる要素を通して光を透過し、（ｉｉ）偏光が、反射された光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面と入射光線の方向に平行な向きである要素からの光を反射するように決定される、細長い、間隔をあけて並んでいる要素の全体として平行な配置を備えるビームスプリッタと、
ｃ）反射光線または透過光線のいずれかの中で偏光ビームスプリッタ付近に配置され、光線に載る画像情報を符号化するため光線の偏光を選択的に変え、変調された光線を発生することにより光線の偏光を変調し、変調された光線を偏光ビームスプリッタに送り返すように向き付けられた反射型配列と、
ｄ）さらに、変調された光線内に配置され、変調された光線に関してある角度で向き付けられ、ビームスプリッタの要素の配置は、変調された光線の電磁波と相互作用して、全体として（ｉ）第２の透過した光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に垂直な向きで偏光が行われる要素を通して光を透過し、（ｉｉ）第２の反射された光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向と平行な偏光が行われる要素からの光を反射して、変調された光線から変更されていない偏光を分離し、
ｅ）符号化された画像情報を表示するため第２の反射された光線または第２の透過した光線のいずれかの中に配置されているスクリーンを備える画像投影システム。
【請求項２】
透明基板の厚さが、約５ミリメートル未満である請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
透明基板の平坦さが、１インチ当たり約３標準波長偏差未満である請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
第１の透過した光線の幾何学的歪みが、１インチ当たり約３波長偏差未満である請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
要素間のギャップに空気が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
要素間のギャップは真空になっている請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
要素間のギャップに第１の透明基板および第２の層の材料と異なる材料が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
要素間のギャップに第２の層と同じ材料が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
要素間のギャップに第１の透明基板と同じ材料が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
要素間のギャップに水が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
要素間のギャップにフッ化マグネシウムが含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
要素間のギャップにオイルが含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
要素間のギャップに炭化水素化合物が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
要素間のギャップにプラスチックが含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
要素間のギャップにフッ素化炭化水素が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
配置の構成と要素のサイズは、通常、可視スペクトルの範囲内で層または基板の一方と組み合わせて共鳴効果を生じるようなものであり、層または基板のうちの一方の屈折率よりも低い屈折率を持つギャップにより通常発生する共鳴効果が低い波長へシフトし、それにより、共鳴効果が生じない可視波長の帯域が広がる請求項１に記載のシステム。
【請求項１７】
第２の層に膜が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項１８】
第２の層に複数の膜が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
第２の層は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、フッ化マグネシウム、および酸化チタンからなるグループから選択された真空蒸着膜を含む請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
第２の層にガラス板が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
第２の層にプラスチック板が含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
第２の層にヘキサメチルジシラザンが含まれる請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
ビームスプリッタは全体として平板である請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
ビームスプリッタは、約０〜８０度の範囲の入射角の光線または変調された光線に関して向き付けられる請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
ビームスプリッタは、約４７度よりも大きく又は４３度よりも小さい入射角の光線または変調された光線に関して向き付けられる請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
光線は半角が約１０〜２５°の範囲である有用な発散円錐となっている請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
ビームスプリッタは、約ｆ／２．５未満のＦナンバーで使用される請求項１に記載のシステム。
【請求項２８】
ビームスプリッタは、ｐ偏光透過光線の分数量とｓ偏光反射光線の分数量の積で定義される少なくとも５０％の処理能力を持ち、ｓ偏光透過光線およびｐ偏光反射光線は両方とも５％未満である請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
ビームスプリッタは、ｓ偏光透過光線の分数量とｐ偏光反射光線の分数量の積で定義される少なくとも５０％の処理能力を持ち、ｐ偏光透過光線およびｓ偏光反射光線は両方とも５％未満である請求項１に記載のシステム。
【請求項３０】
ビームスプリッタは、反射光の分数量と透過光の分数量の積で定義される少なくとも６５％の処理能力を持ち、反射光の割合または透過光の割合は約６７％を超える請求項１に記載のシステム。
【請求項３１】
配列は反射光線内に配置され、スクリーンは第２の透過光線内に配置される請求項１に記載のシステム。
【請求項３２】
配列は透過光線内に配置され、スクリーンは第２の反射光線内に配置される請求項１に記載のシステム。
【請求項３３】
ａ）要素の配列が約０．２１ミクロン未満である周期を持ち、
ｂ）前記要素は約０．０４〜０．５ミクロンの範囲の厚さを持ち、
ｃ）前記要素は周期の約３０〜７６％の範囲である幅を持つことを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
【請求項３４】
画像を投影する方法であって、
ａ）光源を使用して波長が約０．４〜０．７ミクロンの範囲内である光源光線を出力するステップと、
ｂ）光源光線内に配置されている偏光ビームスプリッタを使用して光源光線の偏光を実質的に分離するステップであって、偏光ビームスプリッタが、
１）ある屈折率を持つ第１の層と、
２）ある屈折率を持つ、第１の層から分離されている、第２の層と、
３）第１の層と第２の層の間に配置され、構成とサイズは、光源光線の電磁波と相互作用し、全体として（ｉ）透過した光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に垂直になるように向き付けられた偏光が行われる要素を通して光を透過し、（ｉｉ）反射された光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面内に置かれ、入射光線の方向にある偏光の向きを持つ要素からの光を反射するように決定されている、細長い、間隔をあけて並んでいる要素の全体として平行な配置と、
４）第１または第２の層の屈折率よりも小さい屈折率が得られるように構成されている、要素と第１および第２の層の間に形成された複数のギャップを備える、分離するステップと、
ｃ）透過または反射光線のいずれかを変調し、透過または反射光線のいずれかの中に配置された配列を使用して光線の偏光を選択的に変えることにより変調された光線を発生するステップと、
ｄ）変調された光線内に配置された偏光ビームスプリッタを使用して変調された光線の偏光を実質的に分離するステップであって、要素は変調された光線の電磁波と相互作用し、全体として（ｉ）第２の透過した光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に垂直になるように向き付けられた偏光が行われる要素を通して光を透過し、（ｉｉ）第２の反射された光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面内に置かれ、入射光線の方向にある、偏光の向きを持つ要素からの光を反射する、分離するステップと、
ｅ）第２の透過した光線または第２の反射した光線のいずれかをスクリーンに表示するステップを含む方法。
【請求項３５】
画像投影システムであって、
ａ）可視光線を出力する光源と、
ｂ）光線内の光源付近に配置され、光線に関してある角度で向き付けられている偏光ビームスプリッタであって、
１）第１の表面が光線内に配置され、光線が第１の表面にある角度で当たる第１の透明基板と、
２）厚さが約５ミリメートル未満である第１の透明基板と、
３）第１の透明基板上に配置され、配置の構成と要素のサイズが、光源光線の電磁波と相互作用し、全体として（ｉ）透過した光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に垂直になるように向き付けられた偏光が行われる要素を通して光を透過し、（ｉｉ）偏光が、反射された光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に平行な向きである要素からの光を反射するように決定される、細長い、間隔をあけて並んでいる要素の全体として平行な配置を備えるビームスプリッタと、
ｃ）反射光線または透過光線のいずれかの中で偏光ビームスプリッタ付近に配置され、光線に載る画像情報を符号化するため光線の偏光を選択的に変え、変調された光線を発生することにより光線の偏光を変調し、変調された光線を偏光ビームスプリッタに送り返すように向き付けられた反射型配列と、
ｄ）さらに、変調された光線内に配置され、変調された光線に関してある角度で向き付けられ、ビームスプリッタの要素の配置は、変調された光線の電磁波と相互作用して、全体として（ｉ）第２の透過した光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に垂直な向きで偏光が行われる要素を通して光を透過し、（ｉｉ）第２の反射された光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向と平行な偏光が行われる要素からの光を反射して、変調された光線から変更されていない偏光を分離し、
ｅ）符号化された画像情報を表示するため第２の反射された光線または第２の透過した光線のいずれかの中に配置されているスクリーンを備える画像投影システム。
【請求項３６】
画像投影システムであって、
ａ）可視光線を出力する光源と、
ｂ）光線内の光源付近に配置され、光線に関してある角度で向き付けられている偏光ビームスプリッタであって、
１）第１の表面が光線内に配置され、光線が第１の表面にある角度で当たる第１の透明基板であって、
２）平坦さが１インチ当たり約３標準波長偏差未満である第１の透明基板と、
３）第１の透明基板上に配置され、配置の構成と要素のサイズが、光源光線の電磁波と相互作用し、全体として（ｉ）透過した光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に垂直になるように向き付けられた偏光が行われる要素を通して光を透過し、（ｉｉ）偏光が、反射された光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に平行な向きである要素からの光を反射するように決定される、細長い、間隔をあけて並んでいる要素の全体として平行な配置を備えるビームスプリッタと、
ｃ）反射光線または透過光線のいずれかの中で偏光ビームスプリッタ付近に配置され、光線に載る画像情報を符号化するため光線の偏光を選択的に変え、変調された光線を発生することにより光線の偏光を変調し、変調された光線を偏光ビームスプリッタに送り返すように向き付けられた反射型配列と、
ｄ）さらに、変調された光線内に配置され、変調された光線に関してある角度で向き付けられ、ビームスプリッタの要素の配置は、変調された光線の電磁波と相互作用して、全体として（ｉ）第２の透過した光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に垂直な向きで偏光が行われる要素を通して光を透過し、（ｉｉ）第２の反射された光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向と平行な偏光が行われる要素からの光を反射して、変調された光線から変更されていない偏光を分離し、
ｅ）符号化された画像情報を表示するため第２の反射された光線または第２の透過した光線のいずれかの中に配置されているスクリーンを備える画像投影システム。
【請求項３７】
画像投影システムであって、
ａ）可視光線を出力する光源と、
ｂ）光線内の光源付近に配置され、光線に関してある角度で向き付けられている偏光ビームスプリッタであって、
１）第１の表面が光線内に配置され、光線が第１の表面にある角度で当たる第１の透明基板と、
２）第１の透明基板上に配置され、配置の構成と要素のサイズが、光源光線の電磁波と相互作用し、全体として（ｉ）透過した光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に垂直になるように向き付けられた偏光が行われる要素を通して光を透過し、（ｉｉ）偏光が、反射された光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に平行な向きである要素からの光を反射するように決定される、細長い、間隔をあけて並んでいる要素の全体として平行な配置を備えるビームスプリッタと、
ｃ）反射光線または透過光線のいずれかの中で偏光ビームスプリッタ付近に配置され、光線に載る画像情報を符号化するため光線の偏光を選択的に変え、変調された光線を発生することにより光線の偏光を変調し、変調された光線を偏光ビームスプリッタに送り返すように向き付けられた反射型配列と、
ｄ）ビームスプリッタは、さらに、変調された光線内に配置され、変調された光線に関してある角度で向き付けられ、ビームスプリッタの要素の配置は、変調された光線の電磁波と相互作用して、全体として（ｉ）第２の透過した光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に垂直な向きで偏光が行われる要素を通して光を透過し、（ｉｉ）第２の反射された光線を規定する、要素の少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向と平行な偏光が行われる要素からの光を反射して、変調された光線から変更されていない偏光を分離し、
ｅ）符号化された画像情報を表示するため第２の反射された光線または第２の透過した光線のいずれかの中に配置されているスクリーンを備え、
ｆ）第１および第２の透過した光線の幾何学的歪みが１インチ当たり約３標準波長偏差未満である画像投影システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一方の直線偏光偏光を反射し、他方の直線偏光偏光を透過するビームスプリッタを備える可視スペクトルの範囲内で動作可能な画像投影システムに関するものである。より具体的には、本発明は、結果として生じる光線の幾何学歪み、非点収差、および／またはコマ収差を低減するように複数の細長い反射要素が基板上に配置され、かつ／または埋め込まれるか、または他の手段によりそれらの要素を保護するように構成されているビームスプリッタを備えるそのような画像投影システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
偏光は、投影型液晶表示装置（ＬＣＤ）などの特定のアプリケーションで必要である。このような表示装置は、通常、光源、光を集めて焦点を結ぶレンズなどの光学素子、一方の偏光を液晶配列に透過させる偏光器、偏光を操作し画像情報を符号化するための液晶配列、配列の各ピクセルのアドレス指定を行い、偏光を変更または保持するための手段、選択したピクセルから望ましくない光を除去する第２の偏光器（アナライザと呼ばれる）、および画像の焦点が結ばれるスクリーンで構成される。
【０００３】
単一の偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を使用し、第１の偏光器および第２の偏光器（アナライザ）として使用することが可能である。液晶配列は反射型、例えば、反射型液晶（ＬＣＯＳ：Ｌｉｑｕｉｄ  Ｃｒｙｓｔａｌ  Ｏｎ  Ｓｉｌｉｃｏｎ）光弁の場合、これは、選択されたピクセルの偏光を修正することにより画像を符号化することにより、偏光器から入ってきた光線を反射して直接偏光器に送り返すことができる。このようなシステムは、Ｔａｋａｎａｓｈｉ（米国特許第５２３９３２２号）に描かれている。この概念は、Ｆｒｉｔｚ  ａｎｄ  Ｇｏｌｄ（米国特許第５５１３０２３号）で詳しく述べられている。こうした類似のアプローチには、光学系のレイアウトおよび性能の点で大きな利点がある。しかし、従来の偏光ビームスプリッタには欠陥があるため、実際面では稼働していない。投影液晶表示装置で従来の偏光ビームスプリッタを使用する上での不都合な点として、画像が明るくない、画像のコントラストが悪い、画像のカラーバランスまたは光度が均一でない（光円錐上の性能の不均一さによる）といった点があげられる。さらに、多くの従来の偏光ビームスプリッタは、過剰な発熱のため短命であり、また非常に高価である。
【０００４】
このような画像投影システムが商業的に成功するには、このようなシステムは従来の陰極線管（ＣＲＴ）技術よりも高価なものとなる可能性があるため、得られる画像がＣＲＴテレビで得られる画像よりも著しく優れている必要がある。したがって、画像投影システムは、（１）適切な発色またはカラーバランスを持つ明るい画像を出力し、（２）画像コントラストに優れ、（３）できる限り安価でなければならない。改良された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）は、ＰＢＳは表示システムの潜在的性能を決定する制限構成要素であるため、この目標を達成する重要な一部である。
【０００５】
表示性能に著しく影響を及ぼすＰＢＳの特性には、（１）開口角、または偏光器が機能できるｆナンバー、（２）ＰＢＳの使用と関連する吸収、またはエネルギー損失、および（３）ＰＢＳの耐用年数がある。光学系では、開口角またはｆナンバーにより、ＰＢＳで目的の性能レベルを使用し、維持できる光円錐の角度が記述される。大きな円錐では、より多くの光を光源から集めることができ、エネルギー効率がより高まり、システムもよりコンパクトになるため、大きな円錐、または小さなｆナンバーが望ましい。
【０００６】
ＰＢＳの使用と関連する吸収およ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が、それは、光学系で光が失われるほど、表示スクリーンに投影できる残りの光の量が少なくなるからである。さらに、偏光器によって吸収される光エネルギーの量も、特に、光学系を通る光がワット／ｃｍ２のオーダーで非常に強いそのような画像投影システムでは、耐久性に影響を及ぼす。このような強い光は、ポラロイドシートなどの一般的な偏光器を容易に傷める可能性がある。実際、耐久性の問題のため、このようなアプリケーションで使用できる偏光器が制限されている。
【０００７】
軽くて小さい投影システムを製作できれば、製品の価格も安くでき、より望ましいため、耐久性もまた重要である。しかし、このような目標を達成するためには、光度をさらに上げなければならず、ＰＢＳにいっそうのストレスがかかり、耐用年数が短くなってしまう。
【０００８】
従来のＰＢＳデバイスの問題となる欠点は、変換効率の悪さであり、これは、表示装置では一番の性能上の重大な要因である。変換効率は、光源が必要とする電力の量を人が見ることで観察されるスクリーンまたはパネル上の光度に変換される量を示す尺度である。これは、スクリーン上の総光度を光源が必要とする電力で割った比として表される。従来の単位は、ルーメン／ワットである。いろいろな理由から、比は高い方がよい。例えば、変換効率が低い場合光源を明るくする必要があるが、随伴する電源が大きくなり、熱が過剰に発生し、エンクロージャや筐体なども大きくする必要がある。さらに、このように変換効率が低いことで、投影システムのコストも高くなる。
【０００９】
変換効率が低い基本的な原因は、光学部品の効率の悪さにあり、これは、光学系のｆナンバーに直接関係する。ｆナンバーが他の同等のシステムの半分のｆナンバーを持つシステムは、光源から光を集める際の４倍の効率となる潜在力を持つ。したがって、著しく小さい潜在的なｆナンバー（より大きな開口角）にすることでより効率的な光エネルギー取り入れを行える改良された偏光ビームスプリッタ（ＰＢＳ）を実現することが望ましく、そうすることで、ルーメン／ワット単位で測定して、変換効率が高まる。
【００１０】
投影システム内のビームスプリッタとして使用した場合に変換効率に関して従来の偏光ビームスプリッタの性能が低下する理由はいくつかある。まず１つは、光がある角度（または、少なくとも、主入射角を中心とする角度の狭い円錐内）で当たらない場合に現在のビームスプリッタはうまく機能しないという点である。この角度からの主光線の逸脱により、各種の偏光ビームスプリッタは光度、偏光の純度、および／またはカラーバランスが悪くなる。このことは、光源から来る光線だけでなく、液晶配列から反射された光線にもあてはまる。主角度は、ＰＢＳの設計および構造だけでなく、これらのさまざまなビームスプリッタで採用されている偏光メカニズムの物理的特性にも左右される。現在利用可能な偏光ビームスプリッタは、電磁スペクトルの可視光部分の主偏光角度から隔たっている角度では効率よく動作することができない。このような制約があるため、特定の有望な光学的レイアウトおよび商業的に有望な表示装置設計を実装することが不可能である。
【００１１】
主光線が２つの偏光器を分離する最良の角度で偏光器に当たったとしても、他の光線はこの角度から遠く拡散することはできないか、または視覚的な質が低下する。これは、通常の光源によって放射された光を効率よく利用するために偏光器に当たる光を強く１点に集めるかまたは発散させなければならないため、表示装置の重大な欠点となっている。これは、通常、光学系のｆナンバーとして表される。単レンズの場合、ｆナンバーは開口と焦点距離との比である。光学素子では、一般に、Ｆナンバーは、
Ｆ／＃＝１／（２ｎ  ｓｉｎΘ）
と定義され、ｎは光学素子が配置されている空間の屈折率であり、Θは半円錐角である。Ｆナンバーが小さいほど、レンズによって集められる放射フラックスΘｃは大きくなり、明るい画像を表示するデバイスの効率がよくなる。放射フラックスは、Ｆ／＃の逆２乗に比例して大きくなる。光学装置では、最大のＦ／＃を持つ光学素子が光学的効率の制限要因となる。従来の偏光器を使用する表示装置では、制限要素はほとんどいつでも偏光器であり、そのためＰＢＳにより変換効率が制限される。Ｆ／＃が現在利用可能なものよりも小さい種類のＰＢＳを開発することには明らかにメリットがある。
【００１２】
Ｆ／＃が小さい従来の偏光器は利用できなかったため、これまで設計者はより小型のより明るい光源を指定することにより変換効率の問題に対処するのが普通だった。このような光源、通常はアーク灯は利用できるが、重く、かさばる高価な電源を必要とし、また作動中、常時冷却しておく必要がある。冷却ファンは、望ましくない雑音および振動の原因となる。これらの特徴は、プロジェクタおよび類似の表示装置の実用性にとって致命的である。ここでもまた、Ｆ／＃が小さいＰＢＳであれば、静かで低電力の従来の光源から光を効率良く集めることができるであろう。
【００１３】
従来の偏光ビームスプリッタのもう１つの重大な欠点として、消光が低く、画像のコントラストが悪いという点が挙げられる。消光は、偏光器を透過する望ましい偏光の光と望ましくない偏光の除去される光との比である。効率のよい表示装置では、この比はＰＢＳを通過する光円錐全体にわたって最小値に保持されなければならない。したがって、高コントラストの画像が得られる高い消光比の偏光ビームスプリッタを実現することが望ましい。
【００１４】
従来の偏光ビームスプリッタの第３の欠点は、可視スペクトル範囲では応答が非一様である、あるいは色忠実度が劣るというものである。その結果、カラーバランスが悪く、偏光ビームスプリッタの弱点に対応するため明色の光を投げかけなければならないので、さらに投影表示システムが不効率になる。したがって、可視スペクトル範囲で一様な応答（または良好な色忠実）を持ち良好なカラーバランスと高い効率で画像が得られる改良された偏光ビームスプリッタを実現することが望ましい。ビームスプリッタは、投影された色を歪ませない、色収差のないものでなければならず、これにより画像の明瞭度とコントラストが劣化するため、偏光と偏光との間でクロストークを許さないようにしなければならない。これらの特性は、偏光器のすべての部分にわたって、また偏光器に生じるすべての光入射角にわたって適用されなければならない。偏光された光線における断面積、立体角、および波長の相対強度を保存する偏光器を表すため、スパシックという用語を新しく作った（Ｒ．Ｃ．Ｊｏｎｅｓ、Ｊｏｕｒ．Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｓｏｃ．Ａｍｅｒ．３９、１０５８、１９４９）。偏光器とアナライザの両方として使用されるＰＢＳは、開口角の大きな光線内であっても、透過および反射の両方についてスパシックでなければならない。
【００１５】
従来の偏光ビームスプリッタの第４の欠点は、耐久性に劣る点である。従来の多くの偏光ビームスプリッタは、過剰な熱の発生と光化学反応により劣化作用を受ける。したがって、数千時間の間、劣化の兆候を示すことなく強い光子束に耐えられる改良された偏光ビームスプリッタを実現することが望ましい。さらに、経済的な大規模製造に対応できる偏光ビームスプリッタを実現することが望ましい。
【００１６】
これらの条件およびその他の条件を満たさなければならないため、投影システムで実際に使用されている偏光器の種類はごくわずかであった。広開口角と高忠実度の両方を満たす偏光を同じビームスプリッティングデバイスに組み込む試みが多数行われてきた。これらの努力の結果の相対的成功について後述する。薄膜干渉フィルタは、アナライザとしても使用される偏光ビームスプリッタを製作する作業で最も頻繁に引用される種類の偏光器である。ＭａｃＮｅｉｌｌｅは、広いスペクトル範囲にわたって効果を持つ偏光器について記述した最初の人物である（米国特許第２４０３７３１号）。これは、通常、ガラスの立方体内で薄膜多層を入射光に対して対角線上に配置したもので、シート型偏光器に比べてかさばり、重い。そのうえ、単一入射角、通常は４５°に設定しなければならず、光がこれと異なる角度で入射すると、たとえわずか２°違っても、その性能は低下する。設計について改良したものもある（例えば、Ｊ．Ｍｏｕｃｈａｒｔ，Ｊ．Ｂｅｇｅｌ，ａｎｄ  Ｅ．Ｄｕｄａ、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  ２８、２８４７〜２８５３、１９８９年およびＬ．Ｌｉ  ａｎｄ  Ｊ．Ａ．Ｄｏｂｒｏｗｏｌｓｋｉ、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ  １３、２２２１〜２２２５、１９９６年）。これらはすべて、開口角を大きくする場合には、波長範囲を大幅に狭める必要があることがわかっている。これは、光学設計により光を適切なカラーバンドに分割してから光が偏光ビームスプリッタに届くようにする特定の設計（米国特許第５６５８０６０号および米国特許第５７９８８１９号）で行うことができる。このようにして、ビームスプリッタに対するスペクトル帯域幅の要求条件を緩和し、その開口角を拡大することが可能であるが、コンポーネントを追加し、複雑さが増すことで、システムのコストが増大し、かさばるようになり、重量も増す。
【００１７】
たとえそうであっても、これらの改良されたビームスプリッタの立方体は、市場に現れており、現在、ＢａｌｚｅｒｓおよびＯＣＬＩなどのよく知られているベンダから入手可能である。これらは、通常、Ｆ／＃がｆ／２．５〜ｆ／２．８のもので、２年前に市販されていたのと比べると大きく改善されているが、それでも確かに光学投影システム内の他の重要コンポーネントの届く範囲内にあるＦ／１．２〜Ｆ／２．０の範囲からは隔たっている。これらのｆナンバーに到達することで、システムの効率が４倍程度は改善される可能性がある。またこれにより、投影表示装置技術者は以前にはどうしようもなかった設計の二律背反についても、物理的サイズの縮小、軽量化、低コスト化などの他の目標に向かって改善できる。
【００１８】
可視光学部品とかけ離れている技術、つまり、レーダでは、ワイヤグリッドを使用することで、長波長レーダ波を偏光させることに成功している。これらのワイヤグリッド偏光器は、反射器としても使用されている。また、主に透過型偏光器素子として使用されている、赤外線（ＩＲ）の光学コンポーネントとしてもよく知られている。
【００１９】
実証されてはいないが、一部ではスペクトルの可視光部分の表示アプリケーションにワイヤグリッド偏光器を使用可能であることを自明としている。例えば、Ｇｒｉｎｂｅｒｇ（米国特許第４６８８８９７号）では、ワイヤグリッド偏光器を反射器と電極（ただし同時にアナライザではない）として液晶表示装置に使用することを示唆している。
【００２０】
他に、仮想画像表示装置の効率を改善するために２色偏光器の代わりにワイヤグリッド偏光器を使用可能であることを提起している（米国特許第５３８３０５３号を参照）。しかし、グリッド偏光器におけるコントラストまたは消光が明らかに必要でなくなっており、グリッドが基本的に偏光感度ビームステアリングデバイスとして使用されている。これは、米国特許第５３８３０５３号のアナライザ、または偏光器のいずれかの目的にかなってはいない。また、その文章から、広帯域偏光立方体ビームスプリッタは、利用可能なものが１つでもあったとしたらその目的にかなうであろうことも明白である。しかし、この技術は、受け入れ角の制限がきつすぎて機能すらしないだけでなく、ひどく高価であるとして退けられている。
【００２１】
他の特許（米国特許第４６７９９１０号）では、ＩＲカメラおよび他のＩＲ計測器のテスト用に設計されている画像処理システム内のグリッド偏光器の使い方を説明している。この場合、アプリケーションでは、長波長の赤外線用のビームスプリッタを必要とし、その場合、グリッド偏光器は唯一の実用的な解決策である。この特許では、可視光範囲の有用性を示唆することも、さらには開口角を大きくする必要のあることも言及していない。光を見える画像に効率よく変換するニーズに応じておらず、また広帯域の性能のニーズにも応えてない。
【００２２】
スペクトルの赤外線部分におけるワイヤグリッド偏光器の他の特許も存在する（例えば、米国特許第４５１４４７９号、第４７４３０９３号、および第５１７７６３５号）。引用したばかりの例外を除き、ＩＲスペクトルにおける偏光器の透過性能のみを強調している。
【００２３】
これらの参照文献では、長年にわたり、ワイヤグリッド配列が一般に偏光器として機能できることが知られていることを示している。しかしながら、これらは、明らかに、画像投影システムについて提案も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で応用されなかった理由として、製造が難しいということが考えられる。米国特許第４５１４４７９号では、近赤外線領域用のワイヤグリッド偏光器を製作するためのイオンミリングにおけるフォトレジストのホログラフィー露光およびその後のエッチングの方法を教示し、米国特許第５１２２９０７号では、小さな細長い楕円形の金属が透明マトリックスに埋め込まれており、このマトリックスはその後引き延ばされ、楕円形金属の長軸をある程度揃える。透過ビームは偏光されるが、このデバイスはうまく反射しない。さらに、楕円形粒子は、電磁スペクトルの可視光部分で使用できるように十分小さくなっていない。そのため、これまで実用的なアプリケーションは一般に、ＩＲスペクトルの長いほうの波長に制限されていた。
【００２４】
他の従来技術の偏光器では、かすめ角蒸発蒸着によりかなり細い線が得られる（米国特許第４４５６５１５号）。残念なことに、これらの線は断面が小さいため、可視光線との相互作用が弱く、光学的効率が悪すぎて、画像の生成には使用できない。これらの従来技術のこれまでのいくつかの成果と同様、このデバイスには、概ねランダムな形状および間隔のワイヤが備えられている。このようなランダム性があり、素子が密集して並んでいる領域だとうまく透過せず、素子が広い間隔で並んでいる領域だと反射がよくないため、性能が低下する。その結果、偏光の度合い（消光）は、配置に何らかのランダム性がある場合に必ずそうでなければならないように、それらの効果のいずれかまたは両方が発生する場合には最大よりも小さくなる。
【００２５】
完全な（および完全に近い）正規性を得るために、回折格子について開発された数学をうまく適用できる。逆に、ランダムなワイヤ（それらすべてが同じ向きを持っていても）については、散乱の理論から最良の記述が得られる。単一の円柱状ワイヤから生じる散乱については説明されている（Ｈ．Ｃ．Ｖａｎ  ｄｅ  Ｈｕｌｓｔ、Ｌｉｇｈｔ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｂｙ  Ｓｍａｌｌ  Ｐａｒｔｉｃｌｅｓ、Ｄｏｖｅｒ、１９８１年）。現在のランダムワイヤグリッドでは、基板全体にワイヤが埋め込まれている。ワイヤの位置が幾分ランダムであるだけでなく、直径もまたそうである。散乱光線の位相はランダムであるため、反射は厳密には鏡面反射にならず、透過は高い特別または画像忠実度を保持しない。このような光線の劣化があると、十分に高い解像度の高情報密度画像の転送に使用できない。
【００２６】
従来技術には、ワイヤの順序付き配列をスパシックＰＢＳとして可視範囲全体にわたって、少なくとも偏光器およびアナライザの両方として使用されるときに必要な角度で動作させられる、あるいは動作させなければならないことを示す、または示唆するものは何もない。実際、このような動作に必要な狭い背の高い均等な間隔で並べられたワイヤを製作する難しさが数多く指摘されてきた（Ｚｅｉｔｎｅｒ，ｅｔ．ａｌ．「Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ」３８、１１  ｐｐ．２１７７〜２１８１（１９９９）、およびＳｃｈｎａｂｅｌ，ｅｔ．ａｌ．「Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ」３８、２  ｐｐ．２２０〜２２６（１９９９）を参照）。したがって、画像投影に対する従来技術がそろって表示デバイスの一部としてスパシックＰＢＳを使用することについて示唆していないことは驚くにあたらない。
ＴａｍａｄａおよびＭａｔｓｕｍｏｔｏ（米国特許第５７４８３６８）では、赤外線および可視スペクトルの一部の両方で動作するワイヤグリッド偏光器を開示しているが、これは、広い間隔で並ぶ太いワイヤは可視光線の意外に短い波長で共鳴および偏光を発生するという概念に基づいている。しかし残念なことに、このデバイスは、可視波長の狭い帯域でのみ適切に動作し、可視スペクトル全体にわたって動作するわけではない。したがって、フルカラーの画像の生成に使用するのには適していない。したがって、偏光器は画像投影システムに対しては実質的に色収差があってはならないため、このようなデバイスは画像表示には実用的ではない。
【００２７】
ワイヤグリッド偏光器が過大視されてきたもう１つの理由として、標準的なワイヤグリッド偏光器の性能は光線の入射角が大きくなるほど低下すると長い間一般に信じられてきたことがあげられる（Ｇ．Ｒ．Ｂｉｒｄ  ａｎｄ  Ｍ．Ｐａｒｒｉｓｈ，Ｊｒ．「Ｔｈｅ  Ｗｉｒｅ  Ｇｒｉｄ  ａｓ  ａ  Ｎｅａｒ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ  Ｐｏｌａｒｉｚｅｒ」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．、５０、ｐｐ．８８６〜８９１、（１９６０年）、「Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ、Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｂａｓｓ、Ｖｏｌｕｍｅ  ＩＩ、ｐ．３〜３４、ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ（１９９５年））。スペクトルの可視光部分で３５°の入射角を超えて正常に動作する設計があるという報告はない。入射角に対するこのような制限の原因となる重要な設計要因を明確にしたものは誰もいない。ビームスプリッタを正しく動作させるためには透過と反射の両方が同時に適切に機能する必要があることを理解したときに、このような認知されている設計上の制限はなおいっそう大きくなる。
【００２８】
この重要なポイントは強調すべきである。ＩＲおよび可視スペクトルにおけるワイヤグリッド偏光器の現行の文献および特許履歴では、反射特性ではなく、透過偏光器としての使用をそれだけといっていいくらい重視してきた。ワイヤグリッド偏光器は、数十年の間試みられ、技術文献に報告されたが、１９６０年代以降次第に普通のことになってきた。この分野では広範な研究が行われたにもかかわらず、反射型偏光器としてのワイヤグリッド偏光器の製造および使用について詳細な説明はあったとしてもごくわずかであり、透過型および反射型の両方の偏光器として同時に使用することに関する文献には何もないが、画像処理デバイスで使用するためにスパシック偏光ビームスプリッタでは必要なのである。文献における記述の欠如から、思慮分別のある研究者であれば、高帯域可視ビームスプリッタとしてのワイヤクリップを偏光器の使用の可能性は明白ではない、あるいはそのようなアプリケーションで使用することは実用的でないと技術的コミュニティでは一般に理解されていると結論することであろう。
【００２９】
上述の従来の偏光器は唯一利用できるものだったため、Ｔａｋａｎａｓｈｉ（米国特許第５２３９３２２号）が自分の投影デバイスを縮小し決して最も貧弱とはいえないような結果を出すことは不可能であった。Ｔａｋａｎａｓｈｉの発明に必要な性能が得られる、つまりスペクトルの可視部分よりも上の色収差矯正、目的の偏光の透過および反射における低損失、および良好な消光比が得られる偏光器は利用できなかった。
【００３０】
透過および反射特性の特化した性能を必要とする画像表示システムにはいくつかの重要な特性がある。プロジェクタでは、光源からの光がスクリーンに効率よく当たる場合、ｐ偏光透過とｓ偏光反射（ＲＳＴＰ）の積は大きくなければならない。他方、スクリーン上に高情報密度を実現するために必要な解像度およびコントラストについては、逆の積（ＲＰＴＳ）が非常に小さいことが重要である（つまり、ｐ偏光の反射をｓ偏光の透過に掛けた値が小さくなければならないということである）。
【００３１】
他の重要な特徴は、広い受け入れ角である。受け入れ角は、光源から集まる光、したがって、変換効率が最大化される場合に、大きくなければならない。半角が２０°よりも大きい光円錐（発散または集束）を受け付けられることが望ましい。
【００３２】
大きな光円錐を受け付け、大きな角度で十分に動作できるということの重要な帰結は、画像処理システムの光学的設計は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で、低コスト、低温動作、小型、および軽量という利点が得られる。広範にわたる角度を利用できるため、設計者は他の光学素子を有利な位置に配置し、表示装置のサイズと動作を改善することが可能になる。
【００３３】
他の重要な特徴は、サイズと重量である。従来の技術では、ガラス立方体を使用する必要がある。この立方体のため、いくつかの要件とペナルティがシステムに課される。課される要件としては、このような大きなガラス片の熱負荷を処理する必要があること、およびコスト高の要因となる、ストレス複屈折のない高品質の材料などを必要とすることがあげられる。さらに、立方体自体の重量および体積が増えるため困難さが増す。そのため、ビームスプリッタはあまりかさばらないこと、またあまり重くないことが望ましい。
【００３４】
他の重要な特徴は、ロバストさである。光源のスイッチがオンになった直後の偏光器内の現代の光源の発生する温度勾配は非常に高い。せいぜいこれは偏光間のクロストークを引き起こす熱複屈折を誘起することができるだけである。そのうえ、強い光への長時間の暴露により一部材料の特性が変化する（通常、光酸化による黄変）。したがって、ビームスプリッタは高温に耐えられるだけではなく、光源からの長時間にわたる強い放射にも耐えられることが望ましい。
【００３５】
さらに他の重要な特徴は、入射光円錐上のビームスプリッタの一様な消光（またはコントラスト）性能である。ＭｃＮｅｉｌｌｅ型薄膜積層偏光器では、Ｐ偏光とは反対にＳ偏光の反射率の差により偏光を発生する。ＳおよびＰ偏光の定義は、偏光器上の入射光円錐内の向きを変える、光線の入射平面によって異なるため、ＭｃＮｅｉｌｌｅ型偏光器は円錐全体にわたって十分に等しく動作しない。ＭｃＮｅｉｌｌｅ型偏光器のこのような弱点はよく知られている。これは、光円錐の角度を制限し、追加光学コンポーネントの使用により光学システム内の他の場所で補正することにより、投影システム内で対処しなければならない。ＭｃＮｅｉｌｌｅプリズムのこの基本的弱点により、現行投影システムのコストおよび複雑度が増し、ビームスプリッタのｆナンバーまたは光学的効率に対する制約のためシステム性能が制限される。
【００３６】
他の重要な特徴として、位置合わせがしやすくなるという点があげられる。生産コストおよび保守は、両方とも組み立て条件の影響を直接受ける。これらのコストは、低い許容誤差による位置合わせを必要としないコンポーネントでは著しく低減することができる。
【００３７】
先行特許（第６２３４６３４号）では、ワイヤグリッド偏光器を画像投影システムにおける偏光および分析の両方にＰＢＳとして使用することを教示しており都合がよい。しかし、ワイヤグリッド偏光器自体には、さまざまな難点がある。例えば、ワイヤグリッドは高湿度、著しい大気汚染、またはその他の条件の環境では脆弱、または損傷を受けやすい。したがって、ワイヤグリッドを保護することが望ましい。ワイヤグリッド偏光器は波長に敏感な光学デバイスであるため、屈折率が１よりも大きい材料または媒体に偏光器を埋め込むと、必ず、同じ構造の大気中で利用可能なものよりも偏光器の性能が変化する。通常、このような変化により、偏光器は目的とするアプリケーションにあまり適さないものとなる。しかし、偏光器を埋め込むことにより、他の光学的な利点が得られる。例えば、偏光器を埋め込むことにより、他の有利な光学的特性が得られる場合があり、また偏光器を保護することができるが、偏光器自体の性能、つまり偏光は悪影響を受ける可能性がある。したがって、このような埋め込まれたワイヤグリッド偏光器の最適な性能を引き出すことが望ましい。
【００３８】
ワイヤグリッドは、通常、ガラスなどの基板の外面上に配置される。基板材料はガラス内に完全に封入されたワイヤグリッドもある。例えば、１９４０年１２月１０日にＢｒｏｗｎに発行された米国特許第２２２４２１４号では、ワイヤの周囲に押し固めたガラス粉末を溶融し、その後カラスとワイヤを引き延ばすことにより偏光器を形成することを開示している。同様に、１９８１年９月１５日にＧａｒｖｉｎ  ｅｔ  ａｌ．に発行された米国特許第４２８９３８１号では、基板上に金属化層を蒸着してグリッドを形成し、グリッドの上に基板材料を蒸着することにより偏光器を形成することを開示している。いずれの場合も、ワイヤまたはグリッドは、基板と同じ材料により囲まれている。上述のように、このようなワイヤまたはグリッドの封入は、グリッドの光学的性能に悪影響を及ぼす。
【００３９】
１９９８年５月５日にＴａｍａｄａ  ｅｔ  ａｌ．に発行された米国特許第５７４８３６８号では、グリッドを基板の上に配置し、くさび型ガラス板をグリッドの上に配置した狭帯域幅偏光器を開示している。さらにマッチングオイルを、基板と同じ屈折率を持つ一致する素子上に塗布する。したがって、マッチングオイルは同じ屈折率を持つため、グリッドは基板またはガラス内に本質的に封じ込められる。ここでもまた、グリッドの封入はグリッドの光学的性能に悪影響を及ぼす。
【００４０】
ワイヤグリッド偏光器の性能を決定する重要な要因は、並列グリッド素子の中心と中心との間隔、つまり周期と入射光の波長との関係である。グリッドの間隔または周期が波長に比べて長い場合、グリッドは、偏光器としてではなく、回折格子として機能し、よく知られている原理により両方の偏光（必ずしも効率は等しくない）を回折する。グリッドの間隔または周期が波長に比べてかなり短い場合、グリッドは、グリッド要素に平行に偏光した電磁放射線を反射する偏向器として機能し、直交偏光の放射線を透過する。
【００４１】
グリッド周期がおおよそ波長の１／２から２倍程度の範囲の遷移領域は、グリッドの透過および反射特性の突然の変化により特徴づけられる。特に、グリッド素子に直交に偏光している光に対する反射率の突然の増大、および対応する透過率の減少は、所定の入射角の１つまたは複数の特定の波長で発生する。これらの効果は最初に、１９０２年にＷｏｏｄ（Ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｉｃａｌ  Ｍａｇａｚｉｎｅ、１９０２年９月）によって報告され、ときには「Ｗｏｏｄ’ｓ  Ａｎｏｍａｌｉｅｓ」と呼ばれることが多い。その後、ＲａｙｌｅｉｇｈはＷｏｏｄのデータを分析し、高次の回折が現れる波長と角度の組み合わせで異常が生じるということを見抜いた（Ｐｈｉｌｏｓｏｐｈｉｃａｌ  Ｍａｇａｚｉｎｅ、ｖｏｌ．１４（７９）、ｐｐ．６０〜６５、１９０７年７月）。Ｒａｙｌｅｉｇｈは、異常の場所を予測する方程式を作成した（これは、一般に、「レイリー共鳴」とも呼ばれている）。
【００４２】
角度依存性の効果により、角度が大きくなるにつれ透過領域は大きな波長へと移動する。これは、偏光器を偏光ビームスプリッタまたは偏光反射鏡として使用することを目的としている場合に、高い入射角を必要とするため重要である。
【００４３】
ワイヤグリッド偏光器は、基板によって支えられた平行な複数の導電性電極からなる。このようなデバイスは、導線のピッチまたは周期、個々の導線の幅、および導線の太さによって特徴付けられる。光源から発生する光線は、法線に対する角度Θで偏光器に入射するが、入射平面は導電素子に直交している。ワイヤグリッド偏光器は、この光線を鏡面反射成分、および非回折透過成分に分割する。波長が最長共鳴振動波長よりも短い場合、少なくとも１つの高次回折成分もある。ＳおよびＰ偏光に通常の定義を使用すると、Ｓ偏光の光の偏光ベクトルは入射平面に対して直交し、したがって導電素子に平行である。逆に、Ｐ偏光の光の偏光ベクトルは入射平面に平行であり、したがって導電素子に対し直交している。
【００４４】
一般に、ワイヤグリッド偏光器は、その電界ベクトルがグリッドのワイヤに平行な光を反射し、その電界ベクトルがグリッドのワイヤに垂直な光を透過するが、入射平面はここで説明しているようにグリッドのワイヤに対して垂直であってもなくてもよい。
【００４５】
ワイヤグリッド偏光器は、Ｓ偏光などの一方の偏光に対しては完全鏡面として働き、Ｐ偏光などの他方の偏光に対しては完全に透過するのが理想的である。しかし、実際には、鏡面として使用される最も反射率の高い金属であっても入射光の一部を吸収し、残り９０％〜９５％を反射し、平面ガラスは表面反射のせいで入射光を１００％透過するだけではない。
【００４６】
出願人の先行取得（米国特許第６１２２１０３号）では、著しくＰ偏光の偏光器特性にのみ影響を及ぼす２つの共振現象のあるワイヤグリッド偏光器の透過および反射を示している。Ｓ方向に偏向している入射光の場合、偏光器の反射率は理想的な値に近づく。Ｓ偏光の反射効率は、０．４μｍ〜０．７μｍの可視スペクトル範囲で９０％を超える。この波長帯域にわたって、Ｓ偏光の２．５％未満が透過され、残りは吸収される。小さな透過成分を除き、Ｓ偏光のワイヤグリッド偏光器の特性は、連続するアルミニウム製鏡の特性と非常によく似ている。
【００４７】
Ｐ偏光で、入射角が高い場合、ワイヤグリッドの透過および反射効率は、約０．５μｍ以下の波長の共鳴効果の影響を受ける。０．５μｍを超える波長では、ワイヤグリッド構造はＰ偏光の損失の多い誘電体層として機能する。この層内の損失と表面からの反射が一緒になって、Ｐ偏光の透過が制限される。
【００４８】
出願人の先行特許（米国特許第６１２２１０３号）でも、米国特許第５７４８３６８号でＴａｍａｄａが述べているように、別の種類の従来技術のワイヤグリッド偏光器の性能計算を示している。上述のように、屈折率の一致する流体を２つの基板の間に使用し、グリッドが屈折率一定の媒体に囲まれるようにしている。このワイヤグリッド構造は、約０．５２μｍの波長の単一共鳴振動を示す。約０．５８〜０．６２μｍの狭い波長領域があり、Ｐ偏光に対する反射率はほとんど０に近い。米国特許第５７４８３６８号では、高い消光比を持つ狭帯域幅のワイヤグリッド偏光器を実装するためのこの効果を利用するワイヤグリッド偏光器について説明している。Ｔａｍａｄａの特許明細書であげている例では、グリッド周期５５０ｎｍを使用しており、グリッドの太さ、導線の幅および形状、および入射角に応じて８００〜９５０ｎｍの共鳴波長を発生した。Ｔａｍａｄａが利用している共鳴効果は、上で説明した位置の共鳴とは異なる。２つの共鳴が同時に起こる可能性があるが、そうでなければならないわけではない。Ｔａｍａｄａはこの第２の共鳴を利用している。さらに、作用する可能性がある薄膜干渉効果がある直交偏光の反射率が数％未満の偏光器の帯域幅は、通常、中心波長の５％である。このタイプの狭帯域偏光器にはいくつか用途が考えられるが、液晶表示装置などの多くの可視光システムは、４００ｎｍ〜７００ｎｍの範囲の可視スペクトル波長にわたって一様な特性を持つ偏光光学素子を必要とする。
【００４９】
広帯域偏光器に必要な条件は、最長波長の共鳴点を抑制するか、または使用する目的のスペクトルよりも短い波長にシフトしなければならないというものである。最長波長共鳴点の波長は、３つの方法で低減できる。１つは、グリッド周期を小さくすることである。しかし、グリッド周期を小さくすると、特に、反射された偏光の反射率が適切なものとなるようにグリッド素子の厚さを保持しなければならないため、グリッド構造の製作が難しくなる。第２に、入射角を標準に近い入射に制約できるということである。しかし、入射角を制約すると、偏光器デバイスの有用性が大幅に減じ、４５度を中心とする広角帯域幅が望ましい投影液晶表示装置などのアプリケーションで使用できなくなる。第３に、基板の屈折率を下げることも可能だということである。しかし、偏光器デバイスの大量生産に利用できるコスト効果のある基板のみは、Ｃｏｒｎｉｎｇ  ｔｙｐｅ  １７３７ＦまたはＳｃｈｏｔｔ  ｔｙｐｅ  ＡＦ４５などのさまざま薄板ガラスであり、これらはすべて、屈折率が可視スペクトルの範囲で１．５〜１．５３である。
【００５０】
上述のように、ワイヤグリッド偏光器は、基板によって支えられた平行な複数の導電性電極を含む。しかし、基板自体には特定の光学的結果が生じ、これにより、上述の画像表示で使用するワイヤグリッド偏光器の有用性が制限されることがある。例えば、基板では、非平行光線がある角度で傾斜している基板を通過する場合に非点収差およびコマ収差の収差生じることがある。偏光ビームスプリッタが時々に使用される１つの理由として、光軸が立方表面に対して法線方向にあるこのような立方体偏光器に光が入り、これらの収差を最小限に抑えるというものである。
【００５１】
法線方向の入射以外で基板に当たる光には、基板の勾配方向にそって位置の横方向のシフトが生じる可能性がある。したがって、基板に当たる発散する光円錐には、非点収差およびコマ収差が生じ、光線の他の何らかの丸い領域が一方向に伸びる。これと、多色光が傾斜基板を通じて分散するときの色収差（色分解）と合わさって、高品質画像処理光学システムに受け入れがたい歪みが生じる。これらの収差は、基板の平坦さと無関係に生じる。したがって、平板透過型光学部品は、収差を補正するか、または無視できないくらいに小さくしない限り、画像処理アプリケーションでは使用できない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００５２】
明るい画像および適切な画像コントラストが得られる、しかも安価な画像投影システムを開発すると有利であることは理解されている。また、非点収差およびコマ収差を低減し、かつ／または幾何学的歪みが低減された透過または反射光線を生じる偏光ビームスプリッタを備える画像投影システムを開発すると有利であることも理解されている。また、ビームスプリッタの性能に対する保護の悪影響を減らすとともに環境劣化およびその他の損傷発生源から保護されている偏光ビームスプリッタを備える画像投影システムを開発すると有利であることも理解されている。
【００５３】
また、発散光を利用できる（またはＦ／＃が小さい）、あるいは光エネルギーを効率よく使用できる、あるいは変換効率の高い、しかも耐久性のある偏光ビームスプリッタを備える画像投影システムを開発すると有利であることも理解されている。また、消光比が高く、可視スペクトル範囲で一様な応答を持ち、色忠実度に優れ、スパシックで、ロバストで、温度勾配に耐えられる偏光ビームスプリッタを備える画像投影システムを開発すると有利であることも理解されている。
【００５４】
また、著しい設計上の制約が画像投影システムに課されず、設計の実質的自由度が確保されるように、実質的に任意の入射角で配置することが可能な偏光ビームスプリッタを備える画像投影システムを開発すると有利であることも理解されている。また、Ｐ偏光を効率よく透過し、入射光円錐全体のすべての角度にわたってＳ偏光を反射する偏光ビームスプリッタを備える画像投影システムを開発すると有利であることも理解されている。また、軽量でコンパクトな偏光ビームスプリッタを備える画像投影システムを開発すると有利であることも理解されている。また、位置合わせしやすい偏光ビームスプリッタを備える画像投影システムを開発すると有利であることも理解されている。
【課題を解決するための手段】
【００５５】
本発明では、ワイヤグリッド偏光器であると都合のよい偏光ビームスプリッタを備える画像投影システムを実現する。ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタは全体として細長い要素を平行に配列したものである。光源からの光線の電磁波と相互作用し、一般に一方の偏光を要素に透過させ、他方の偏光を要素から反射させるような配置構成と要素サイズを決定する。要素のうちの少なくとも１つを含む平面と入射光線の方向に垂直な向きの偏光を持つ光が透過し、透過ビームを規定する。反対の偏光、つまり要素のうちの少なくとも１つを含む平面および入射光線の方向に平行な向きの偏光を持つ光が反射され、反射ビームを規定する。
【００５６】
このシステムは、可視光線を出力する光源を備える。偏光ビームスプリッタは、光線内で光源に最も近い位置に置かれる。システムはさらに、反射型液晶配列も備える。この配列は、反射または透過光線のいずれかにおいて偏光ビームスプリッタに最も近い位置に置かれる。この配列により、偏光光線が変調され、変調された光線が発生する。配列は、変調された光線がビームスプリッタに戻るように向き付けられる。ビームスプリッタの要素の配置は変調された光線の電磁波と相互作用し、再び、一般に、一方の偏光を透過し、他方の偏光を反射する。したがって、変調された光線の反射される部分により、第２の反射される光線が定められるが、透過する部分により第２の透過する光線が定められる。この配列は偏光光線を変更し、変調された光線で画像情報を符号化する。ビームスプリッタにより、変調された偏光が無変調光線から分離され、スクリーン上に画像が映る。
【００５７】
スクリーンは、第２の反射または第２の透過光線内に配置する。配列を反射光線内に配置する場合、スクリーンは第２の透過光線内に配置する。配列を透過光線内に配置する場合、スクリーンは第２の反射光線内に配置する。
【００５８】
重くてかさばる従来技術のビームスプリッタとは異なり、本発明のビームスプリッタは一般的な平面的なシートである。このビームスプリッタは効率的でもあり、システムの照明効果も高い。
【００５９】
本発明の一態様によれば、このビームスプリッタは第１の層と第２の層との間にサンドイッチ状に挟まれた平行で細長く間隔をあけて並んでいる要素の配列を持つ埋め込まれたワイヤグリッド偏光器を備えており都合がよい。これらの要素は要素間に複数のギャップを形成し、これらのギャップは第１または第２の層の屈折率よりも小さい屈折率が得られ都合がよい。ギャップには空気を入れるか、または真空にするのが好ましい。
【００６０】
本発明の他の態様によれば、ワイヤグリッド偏光器の要素は基板上に配置することができる。基板は、非点収差、コマ収差、および／または色収差が小さくなるように非常に薄いものとするか、または厚さを約５ミリメートル未満とするのが好ましい。さらに、ワイヤグリッド偏光器および基板は、透過光線の透過に際して、幾何学的歪みを低減するものが好ましく、また１インチ当たり約３標準波長未満であるのが好ましい。
【００６１】
本発明の他の態様によれば、反射光線の歪みを低減するため、基板の表面は１インチ当たり約３標準波長偏差未満の平坦さであるのが好ましい。
本発明の他の態様によれば、ビームスプリッタは、光線および約０〜８０度の範囲の入射角で変調された光線に関して向き付けることができる。
【００６２】
本発明の他の態様によれば、光線は半角が約１０〜２５°の範囲の有用な発散円錐となっている。ビームスプリッタは、小さなＦナンバー、好ましくは１．２〜２．５の間の値で使用する。
【００６３】
本発明の他の態様によれば、ビームスプリッタの変換効率は、ｓ偏光反射光とｐ変更透過光の積（ＲＳＴＰ）により定められる少なくとも５０％である。さらに、ｓ偏光透過光およびｐ偏光反射光は両方とも５％未満である。さらに、反射光のパーセンテージと変調された光線の透過光のパーセンテージは約６７％を超える。
【００６４】
本発明の他の態様によれば、システムは光源とビームスプリッタの間に配置された前偏光器、および／またはビームスプリッタとスクリーンの間に配置された後偏光器を備える。
【００６５】
本発明の他の特徴および利点は、本発明の特徴を例により説明している、以下の詳細な説明と付属の図面から明らかになる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６６】
図面に示されている実施例を参照し、本明細書では特定の言語を使用して実施例を説明する。しかしながら、本発明の範囲を制限することを意図していないことは理解されるであろう。本明細書で説明している発明の特徴の改変および他の修正、および本明細書で説明しているような本発明の原理の追加アプリケーションは、関連する技術に従事し、本開示を所有する当業者であれば思いつくであろうか、本発明の範囲内にあるものとみなされる。
【００６７】
図１ａに示されているように、本発明の画像を投影システムの表示用光学装置は、全体的に１０で表され、図に示されている。画像投影システム１０は、１４に全体的に示されているビームスプリッタとしてワイヤグリッド偏光器を備えており都合がよい。ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１４（ＷＧＰ−ＰＢＳ）は、光源からの一方の偏光を効率よく反射型液晶配列２６へ反射し、その後反対の向きの反射された偏光を表示スクリーン２５に透過する。
【００６８】
光学的効率が適切なものとなるように、ＷＧＰ−ＰＢＳ  １４は、光源２０からの目的の偏光の高い反射率（ＲＳ）を持たなければならず、また液晶配列２６からの反対向きの偏光の高い透過率（ＴＰ）を持たなければならない。変換効率は、これら２つの積（ＲＳＴＰ）に比例し、他方を改善することによりある程度一方の要因の不効率を補正ことができる。
【００６９】
本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１４の例は、本発明のＷＧＰ−ＰＢＳ  １４をスペクトルの可視部分に対する表示デバイスの偏光器およびアナライザの両方として使用する利点を説明する以下の特性を示し都合がよい。他の改良の理論上の計算から、偏光ビームスプリッタをなおいっそう改善できることがわかる。
【００７０】
図２ａおよび２ｂを参照すると、それぞれ、ＷＧＰ−ＰＢＳのＳおよびＰ偏光について測定した透過率および反射率が示されている。図２ｃでは、ＷＧＰ−ＰＢＳの効率は、透過率と反射率の積として表されている。さらに、図２ｃには消光示されている。図２ａ〜２ｃでは、ＷＧＰ−ＰＢＳは、入射角３０°、４５°、および６０°で、ｓ偏光を反射し、ｐ偏光を透過するように向け付けられている光源からの光がスクリーンに効率よく当たる場合、プロジェクタなどの画像投影システムでは、反射されたｓ偏光および透過ｐ偏光の積（ＲＳＴＰ）の積は大きくなければならない。他方、スクリーン上に高情報密度を実現するために必要な解像度については、逆の積（ＲＰＴＳ）が非常に小さいことが重要である（つまり、ｐ偏光の反射をｓ偏光の透過に掛けた値が小さくなければならないということである。）。図から、本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタは、レイリー共鳴またはその他の現象による劣化なしでスペクトル全体にわたりこれらの標準を満たすことは明らかである。
【００７１】
他の重要な特徴は、広い受け入れ角である。これは、光源から集まる光、したがって、変換効率が最大化される場合に、大きくなければならない。図３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の性能が、傾斜角度４５°の光軸を中心とする光円錐のさまざまな部分について示されている。図３では、第１の参照されている角度は、入射平面内の角度であるが、第２の参照されている角度は、入射平面に垂直な平面内の角度である。本発明のＷＧＰ−ＰＢＳは、約１０〜２５°の範囲の半角の光円錐（発散または集束のいずれか）を受け付けることができることは明白である。
【００７２】
図４ａ〜４ｃを参照すると、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの他の実施形態に対する理論的な計算から著しく大きな光円錐および／または他の機能強化が可能なことがわかる。図４ａおよび４ｂは、それぞれ、周期ｐが１３０ｎｍに短縮されているワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの理論上の処理能力および消光を示している。さらに、グリッドの高さまたは厚さは１３０ｍ、線間隔比は０．４８、基板溝の深さは５０ｎｍ、基板はＢＫ７ガラスである。図４ａでは、処理能力は図２ｃに示されている処理能力よりもかなり密接にグループ化されていることに注意しなければならない。したがって、周期ｐを小さくすることにより、性能を向上させることができる。図４ｂでは、消光は、図２ｃと比較してかなり高くなっていることに留意されたい。
【００７３】
図４ｃは、周期ｐをさらに小さくしたワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの他の実施形態の理論上の消光を示す。波長は４２０ｎｍであり、入射角度は３０°である。消光は、周期ｐが小さくなると目立って大きくなることに注意されたい。
【００７４】
上述のように、ＷＧＰ−ＰＢＳが大きな角度で適切に動作する大きな光円錐を受け付けることができる場合にその帰結として、ＰＢＳによって画像処理システムの光学設計が制約を受けることがなくなる。そこで、従来の光源を使用し、低コスト、低温動作、小型、および軽量という利点を生かすことができる。ＷＧＰ−ＰＢＳが適切に動作する広範にわたる角度を利用できるため、設計者は他の光学素子を有利な位置に配置し、表示装置のサイズと動作を改善することが可能になる。図１ｂおよび１ｃを参照すると、本発明のＰＢＳの角度範囲が広いことによる設計の自由度がわかる。図１ｂに示されているように、光源２０および配列２６は互いに接近させて配置することができ、両方ともＰＢＳ  １４に関して比較的小さな入射角度とすることができる。このような構成は、システム１０のコンポーネントのコンパクト設計に関して有利である。それとは別に、図１ｃに示されているように、光源２０および配列２６を引き離して配置することができ、両方とも比較的大きな入射角度とすることができる。いずれの場合も、入射角度は、従来のビームスプリッタによって通常必要な４５度の角度よりも大幅に変わる。
【００７５】
ワイヤグリッドのさらに他の特徴として、非表示ユニットの利用があげられる。従来の技術では、ガラス立方体を使用する必要がある。この立方体のため、いくつかの要件とペナルティがシステムに課される。課される要件としては、このような大きなガラス片の熱負荷を処理する必要があること、およびコスト高の要因となる、ストレス複屈折のない高品質の材料などを必要とすること、立体自体の重量および嵩が増すことがあげられる。本発明のＷＧＰ−ＰＢＳは、大きな体積を占有せず、あまり重くない分割された、またはパターン化された薄膜である。カラーフィルタなどの他の光学素子に集積または組み込み、投影システムの部品点数、重量、および体積を減らすことさえできる。
【００７６】
本発明のＷＧＰ−ＰＢＳは、非常にロバストでもある。光源のスイッチがオンになった直後の偏光器内の現代的光源の発生する温度勾配は非常に高い。せいぜいこれは偏光間のクロストークを引き起こす熱およびストレス複屈折を誘起することができるだけである。最悪の場合、多層偏光器の層が剥離したり、立方体型のビームスプリッタ内の固定されたインターフェイスを分離させる可能性がある。そのうえ、強い光への長時間の暴露により一部材料の特性が変化する（通常、光酸化による黄変）。しかし、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタは、ガラスまたはその他の基板材料に適切に取り付けられる化学的に不活性な金属でできている。これらは、高温に耐えられるだけではなく、光源からの長時間にわたる強い放射にも耐えられることがわかっている。
【００７７】
本発明のＷＧＰ−ＰＢＳはさらに、位置を合わせやすい。光源が液晶配列に向むように調整する必要がある単一部品である。この調整は、平面鏡に使用されるのと同じ単純な手順である。他の調整パラメータ、つまり、ＷＧＰ表面に対する法線を中心とする角回転がある。これにより、光線の偏光の向きが決まる。ＷＧＰがそれ専用のアナライザとして機能し、この意味で位置ずれがありえないため、この調整は重要ではない。光学装置内に他の偏光素子がある場合、ＷＧＰ−ＰＢＳの向きをその偏光に関して決めなければならないが、Ｍａｌｕｓの法則により、角度が変化しても、その偏光軸が平行（または垂直）に近ければ偏光器によって透過される強度にほとんど違いがないため、わずかな位置ずれは問題にならない。
【００７８】
従来の偏光器との競合のため、積ＲＳＴＰを約５０％よりも高くしなければならない。これは、ＷＧＰ−ＰＢＳが従来の偏光ビームスプリッタよりも光源から著しく多くの光を集めることができる場合に限り実用的である低い推定値を表している。５０％という推定値は、最良の従来のビームスプリッタである現代的なＭａｃＮｅｉｌｌｅ立方体型ビームスプリッタがせいぜい約ｆ／２．５のｆ／＃を実現できるという仮定から得られる。２倍高速な、または光を２倍集められる光学システムであれば、この値の１／√２、つまり約ｆ／１．８のｆ／＃が得られ、確かに、光学的画像投影システムの妥当なｆ／＃である。２倍高速、したがって、光源から光を２倍に集められるシステムは、従来の立方体型ビームスプリッタを上回るＲＳＴＰ積の２倍の減少をほぼ補正し、同等の投影システム性能が得られる。実際、ＷＧＰ−ＰＢＳは潜在的に、ｆ／１．２（４倍の増加）よりもずっと下で使用できるため、この外見上低い限界によりさらに、非常に明るい画像が得られる。もちろん、この最小値を超えるＲＳＴＰ積であってもよい性能が得られる。
【００７９】
他の重要な性能を要因として、画像のコントラストがあり、これは、明ピクセルと暗ピクセルの光の強さの比によって定義される。ＷＧＰ−ＰＢＳの著しい利点の１つに、ＭｃＮｅｉｌｌｅプリズムなどの従来技術の立方体型ビームスプリッタと比較して複合入射角度にわたってコントラストが改善されることがあげられる。ＭｃＮｅｉｌｌｅプリズムの物理学的特性から、ある角度でＳ偏光とＰ偏光の反射率の差を利用することにより光が偏向する。ＳおよびＰ偏光は入射平面に関して定義されるため、光円錐内のさまざまな光線を考察したときに、光円錐内の特定の光線に対する実効ＳおよびＰ偏光は光軸にそった光線に関して回転する。このような振る舞いの結果が、偏光ビームスプリッタ内を通過する光円錐内のある角度範囲で偏光器の消光が著しく低減されるというよく知られている複合角度問題である。
【００８０】
他方で、ＷＧＰ−ＰＢＳでは、このような問題を大部分回避する偏光を発生する異なる物理メカニズムを採用している。このような振る舞いの違いは、偏光が光円錐内の特定の光線の入射平面と無関係に同じ向きを持つビームスプリッタ内のワイヤグリッドによって生じるという事実によるものである。したがって、特定の光線に対する入射平面がＭｃＮｅｉｌｌｅプリズムまたはＷＧＰに入射するときと同じであるとしても、偏光効果は、ＭｃＮｅｉｌｌｅプリズムの場合に入射平面にのみ依存する、つまり、ＷＧＰの複合角度性能は立方体型ビームスプリッタによって実現されるものよりもかなり改善が大きい。
【００８１】
ＷＧＰ−ＰＢＳの機能が入射平面と独立であるという事実は、ＷＧＰ−ＰＢＳを実際に、任意の方向の向きのワイヤまたは要素とともに使用できるということを意味する。本発明の好ましい実施形態には、光がＷＧＰ−ＰＢＳにある角度で当たるように偏光器を傾斜させる際の軸に平行な向き付けの要素が備えられている。この特定の向き付けにより基板からの表面反射の偏光効果がグリッドからの偏光効果に対し加法的なものとなるため、この特定の向きは好ましい。しかし、ＷＧＰ−ＰＢＳの傾斜軸に対して垂直になるようにグリッド要素を回転させることにより特定の入射角範囲にわたって（本明細書で一般的に説明してきたのとちょうど反対である）Ｐ偏光を反射し、Ｓ偏光を透過するように機能するＷＧＰ−ＰＢＳを得ることが可能である。同様に、グリッド要素を傾斜軸に対して任意の角度で配置し、光線内の波面上にへのこの任意の角度の投影と位置を揃えた偏光により光を透過し反射するように機能するＷＧＰ−ＰＢＳを得ることができる。したがって、Ｐ偏光反射し、Ｓ偏光を透過する、あるいは任意の角度で向け付けられた偏光により光を反射し透過するＷＧＰ−ＰＢＳは本発明に含まれることは明らかである。
【００８２】
ＷＧＰ−ＰＢＳの複合角度性能の利点から、光円錐全体にわたる本質的にさらに一様なコントラストが得られ、またこの利点は、ＷＧＰが非常に小さなｆナンバーに対し適していることの理由の１つである。しかし、もちろん、画像コントラストに影響を及ぼす唯一の要因というわけではない。画像コントラストは、望ましくない偏光の低い漏れにより大体において決定されるが、この場合、第１のビームスプリッタとの遭遇の後、第２の前のシーケンス内にある画像生成配列も画像コントラスト生成にかかわるため、画像生成配列積ＴＳＲＰは重要なパラメータではない。したがって、最終的なシステムコントラストは、光弁の性能だけでなく、偏光器の消光にも左右される。しかし、必要なビームスプリッタの性能に対する下限は、光弁性能は本質的に無限大のコントラストを持つと想定することが十分できるという仮定により決定することができる。この場合、システムコントラストは、ビームスプリッタ性能に全体的に左右される。
【００８３】
図１ａを参照すると、ビームスプリッタ１４により遂行する異なる機能が２つある。第１は、偏光が液晶配列２６または他の適当な画像生成デバイスに当たる前に、偏光を用意しておくことである。ここでの要求条件は、光は十分偏光しており、光弁により生じる偏光光線のバリエーションを十分に検出または分析して最終的なイメージの性能レベルが目的レベルに達することができるということである。同様に、ビームスプリッタ１４は、目的のシステムコントラスト性能が得られるように光弁によってビームスプリッタに戻される光を分析する十分な性能を持たなければならない。
【００８４】
これらの下限は、比較的たやすく決定することができる。有用性と画質の面で、コントラストが１０：１（明るいピクセル対隣接する暗いピクセルとの比）未満である画像は相当有用性があるということは疑わしい。例えば、このような表示装置は、密度の高いテキストに使用することはできないであろう。最低表示システムコントラストを１０：１と仮定した場合、望ましくない偏光状態の光と比べて望ましい偏光状態の光の少なくとも１０倍である入射光線が必要である。偏光器の性能に関して、これは、消光が１０：１を持つまたは単に１０と記述される。
【００８５】
画像を分析するビームスプリッタ１４との第２の遭遇では、望ましくない状態の光の大半を除去しながら、正しい偏光状態の光を通すことができなければならない。ここでもまた、上記のことから、画像が偏光状態で符号化されている光線と、光線が１０：１の比を持つと仮定すると、この１０：１の比を保持しシステムコントラスト１０：１の目標を達成するビームスプリッタが望まれる。つまり、正しい偏光の光よりも１／１０だけ望ましくない偏光の光を減らすことが望まれている。そのため、再び、ビームスプリッタの分析機能に対して１０：１の最低消光性能が得られる。
【００８６】
明らかに、ビームスプリッタの偏光器およびアナライザ機能のいずれかまたは両方が高い消光性能を持つ場合に、より高いシステムコントラストが得られる。また、画像投影システムが適切に動作するために、ビームスプリッタのアナライザ機能および偏光器機能の両方の性能が一致することが必要でないことも明らかである。ビームスプリッタの偏光器およびアナライザの性能に対する上限は、調べるのが比較的困難であるが、約２０，０００を超える消光はこのアプリケーションでは必要ないことは明らかである。上等の劇場にあるような高品質の映画投影システムは、通常、画像のコントラストは約１０００を超えることはなく、人間の目で数千の範囲の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を確実に区別できるかどうかは疑わしい。数千のコントラストの画像を生成する必要があれば、このような離れ業が可能な光弁が存在していると仮定すると、１０，０００〜２０，０００の範囲のビームスプリッタの消光に対する上限で十分であろう。
【００８７】
ワイヤグリッドビームスプリッタに対する下限と上限の上の線引きは有益ではあるが、上記のワイヤグリッドビームスプリッタの実証された性能および理論上の性能から明らかなように、これよりもはるかによい可能性がある。この情報によれば、図２ａ〜２ｃに示されているように、好ましい実施形態では、ＲＳＴＰ≧６５％で、ＲＰまたはＴＳまたはその両方は≧６７％となる。好ましい実施形態であれば、さらに、反射光線が画像生成に配列に向かい、ビームスプリッタを通過する、またはビームスプリッタを透過するように、ビームスプリッタに光を戻すモードでワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを採用する。この好ましい実施形態は図１ａに示されている。
【００８８】
それとは別に、図５ａの画像表示システム６０に示されているように、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタ１４は、光源２０から一方の偏光の光を効率よく反射型液晶配列２６へ透過し、その後、他方の偏光の反射光線を効率よく表示スクリーン２５に反射する。画像投影システム６０の第２の実施形態は、光源からの光線がビームスプリッタ１４に透過または通過し、画像生成配列２６に当たり、その後反射されてビームスプリッタ１４に戻り、そこでビームスプリッタにより反射され、分析されてからスクリーン上に表示されるようなビームスプリッタ１４を採用しているという点を除き、図１ａに示されている実施形態のと類似している。
【００８９】
ここでもまた、図５ｂおよび５ｃを参照すると、本発明のＰＢＳの角度範囲が広いことによる設計の自由度がわかる。図５ｂに示されているように、配列２６およびスクリーン２５は互いに接近させて配置することができ、両方ともＰＢＳ  １４に関して比較的小さな入射角度とすることができる。それとは別に、図５ｃに示されているように、配列２６およびスクリーン２５を引き離して配置することができ、両方とも比較的大きな入射角度とすることができる。
【００９０】
図６に示されているように、画像投影システムの第３の実施形態は、目的のレベルのシステム性能を達成するのを補助できる他のシステム設計を実現するものである。この第３の実施形態では、ワイヤグリッド偏光ビームスプリッタと直列につないで動作する１つまたは複数の透過型または反射型偏光器を追加し、偏光および分析機能のいずれかまたは両方の消光を高めることで、必要なシステムコントラスト性能を得ることができる。偏光器を追加する理由としてもう１つ、システム効率を高めるために偏光回復スキームの実装がある。前偏光器８２は、光源２０とＷＧＰ−ＰＢＳ  １４の間の光源からの光線内に配置される。後偏光器またはクリーンアップ偏光器８４は、配列２６とスクリーン２５の間、またはＷＧＰ−ＰＢＳ  １４とスクリーン２５との間の変調された光線、つまり配列２６から反射された光線内に配置する。第３の実施形態では、それでも、ワイヤグリッドビームスプリッタの光円錐の大きいこと、耐久性、およびその他の上述の利点を実現する。
【００９１】
図に示されているように、画像表示システムはさらに、集光光学部品９０および投影光学部品９２も利用することができる。
図７および８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１４が詳細に示されている。偏光ビームスプリッタは、さらに、参照により本明細書に組み込まれている、１９９９年９月７日に出願された「Ｐｏｌａｒｉｚｉｎｇ  Ｂｅａｍ  Ｓｐｌｉｔｔｅｒ」という表題の米国同時係属出願番号０９／３９０，８３３で詳細に説明されている。
【００９２】
同時係属出願で説明されているように、偏光ビームスプリッタ１４はグリッド３０、または平行な導電素子の配列を基板４０上に配置している。光源２０で発生する光源光線１３０は、光軸が法線からΘの角度をなし、入射平面は好ましくは導電素子に対し直交している偏光ビームスプリッタ１４に入射する。他の実施形態では、入射平面を導電素子の平面に対し角度Θとし、Θを約４５°とする。さらに他の実施形態では、入射平面を導電素子に対して平行にする。偏光ビームスプリッタ１４により、この光線１３０は鏡面反射成分１４０と透過成分１５０に分割される。ＳおよびＰ偏光に標準の定義を使用すると、Ｓ偏光の光の偏光ベクトルは入射平面に対して直交し、したがって導電素子に平行である。逆に、Ｐ偏光の光の偏光ベクトルは入射平面に平行であり、したがって導電素子に対し直交している。
【００９３】
偏光ビームスプリッタ１４は、Ｓ偏光については完全な鏡として機能し、Ｐ偏光については完全に透過するのが理想的である。しかし、実際には、鏡面として使用される最も反射率の高い金属であっても入射光の一部を吸収し、ＷＧＰは９０％〜９５％だけを反射し、平面ガラスは表面反射のせいで入射光を１００％透過するだけではない。
【００９４】
必要な性能レベルを得るためにグループとして最適化しなければならないワイヤグリッドビームスプリッタ１４の重要な物理パラメータには、ワイヤグリッド３０の周期ｐ、グリッド要素３０の高さまたは厚さｔ、グリッド要素３０の幅ｗ、およびグリッド要素側面の勾配がある。図８を調べる際に、グリッド要素３０の一般的な断面は本質的に台形または４角形であることに注意されたい。この一般的形状は、また、好ましい実施形態の偏光ビームスプリッタ１４の必要な特徴であるが、グリッド要素３０の底のところのコーナー５０の丸め、隅肉などの製造工程による自然な小さな変動に対し遊びを持たせている。
【００９５】
また、ワイヤグリッド３０の周期ｐは、ビームスプリッタ１４の画像処理忠実度要件を満たすのに必要な正反射性能を得るために規則正しくなければならないことに留意されたい。グリッド３０を完全に規則正しくかつ一様であるようにすることは明らかによいのであるが、これがそれほど重要でない場合には要件を緩和しているアプリケーションもある。しかし、画像内の意味のある次元（テキスト表示での単一文字のサイズ、または画像内のいくつかのピクセルなど）において周期ｐの１０％未満の変動が、必要な性能を得るために必要であると考えられている。
【００９６】
同様に、グリッド要素３０の幅ｗ、グリッド要素の高さｔ、側面の勾配、またはさらにはコーナーの丸め５０、および隅肉５４などの、説明した他のパラメータにおけるビームスプリッタ１４の妥当な変動もまた、表示性能に実質的な影響を及ぼすことなく、特にビームスプリッタ１４が多くの場合にそうであるように光学システム内の画像平面内にない場合に、可能である。これらの変動は、フリンジ、透過効率、反射効率、色一様性の変動などとして、仕上げられたビームスプリッタ１４内で見えることさえあり、それでも、投影画像処理システム内の特定のアプリケーションに対して有用な部分となっている。
【００９７】
これらのパラメータの最適化により満たされなければならない設計目標は、アプリケーションのコントラスト要件を満たしながら、可能な最良の効率または処理能力を実現することである。上述のように、偏光ビームスプリッタ１４の最低限必要な実用的消光は、１０のオーダーである。価値ある製品を出すためにビームスプリッタ１４の最低必要処理能力（ＲＳＴＰ）は約５０％であり、これは、ＲＰとＴＳのいずれかまたは両方が約６７％を超えていなければならないということである。もちろん、ビームスプリッタの処理能力と消光の両方の性能が高いほど価値があり、より良い製品を提供することになる。これらのパラメータがワイヤグリッドビームスプリッタの性能にどのような影響を及ぼすかを理解するために、入射角４５°、およびおそらく注目する他の角度に対しそれぞれのパラメータによって生じる性能の変動調べる必要がある。
【００９８】
ワイヤグリッドビームスプリッタ１４の性能は、周期ｐの関数として変化する。ワイヤグリッド要素３０の周期ｐは、可視スペクトル全体にわたる妥当な性能を持つビームスプリッタ１４を製作するために、約０．２１μｍに分類しなければならないが、当業者であれば、周期が大きいビームスプリッタは、赤だけ、赤と緑などの完全な可視スペクトルよりも少ない表示が予想されるシステムで有用であることは明白であろう。
【００９９】
ワイヤグリッドビームスプリッタ１４の性能は、要素の高さまたは厚さｔの関数として変化する。ワイヤグリッドの高さｔは、必要な性能を得るために、約０．０４〜０．５μｍの範囲になければならない。
【０１００】
ワイヤグリッドビームスプリッタ１４の性能は、要素３０の幅対周期の比（ｗ／ｐ）の関数として変化する。周期ｐに関するグリッド要素３０の幅ｗは、必要な性能を得るために、約０．３〜０．７６の範囲になければならない。
【０１０１】
ワイヤグリッドビームスプリッタ１４の性能は、要素３０の側面の勾配の関数として変化する。グリッド要素３０の側面の勾配は、必要な性能を得るために、水平から６８度よりも大きいのが好ましい。
【０１０２】
上で示したように、他の要因もＷＧ−ＰＢＳの性能および／または耐久性に影響を及ぼす可能性がある。例えば、ＷＧ−ＰＢＳは、高フラックス照明およびその他の物理的に過酷な条件などのストレスの大きな光学的環境に、長時間にわたりさらされる可能性があり、ＷＧ−ＰＢＳの耐久性に及ぼす可能性がある。したがって、ＷＧ−ＰＢＳを保護することが望ましい。しかし、上述のように、屈折率が１よりも大きい材料または媒体に偏光器を埋め込むと、必ず、同じ構造の大気中で利用可能なものよりも偏光器の性能が変化する。したがって、その性能を最適化しながら、偏光器を護することが望ましい。
【０１０３】
図９に示されているように、本発明の埋め込まれたワイヤグリッド偏光器が図に示されており、２００で全体的に示されている。偏光器２００は、第１の光学的媒体、材料、層、または基板２０１、第２の光学的媒体、材料、または層２０３、および第１の層２０１と第２の層２０３の間にサンドイッチ状に挟まれた複数の介在する細長い要素２０５を備える。上で示したように、いくつかの利点が要素を封入するかまたは埋め込むことにより得られるが、要素の偏光または性能は悪影響を受ける。したがって、本発明の偏光器１０は、後述のように、埋め込まれたときに性能を最適化するように設計されている。
【０１０４】
第１の層２０１および第２の層２０３は、それぞれ、互いに相対する、また要素２０５と面する第１の表面２０２および第２の表面２０４を持つ。層２０１および２０３、またはそれらの層の材料も、それぞれ第１および第２の屈折率を持つ。第１の光学的媒体２０１および第２の光学的媒体２０３はそれぞれ、厚さｔＬ１およびｔＬ２を持ち、光学的な意味で太いとみなされる。例えば、ガラスまたはポリマーの板、光学的品質のオイルまたはその他の流体、またはその他の類似の光学的材料とすることができる。厚さｔＬ１またはｔＬ２は、数ミクロンから本質的には無限大に至るまでのどのような値であってもよい。層２０１および２０３の厚さｔＬ１およびｔＬ２は１ミクロンよりも大きいのが好ましい。光学的媒体２０１および２０３は、２枚のガラス板など、同じ材料であってよいし、あるいは材料２０３にはオイルを、材料２０１にはガラスなど異なる材料を選択してもよい。要素２０５は、第１の層または基板２０１により支えることができる。
【０１０５】
要素２０５の介在配列は、複数の平行な細長い間隔をあけて並んでいる導電性要素２０５を含む。要素２０５は、第１および第２の向かい合う面２０５ａおよび２０５ｂを備え、第１の表面２０５ａは第１の表面２０２または第１の層２０１に向かって面し、第２の表面２０５ｂは第２の表面２０４または第２の層２０３に向かって面している。要素２０５の第１の表面２０５ａは、第１の層２０１の第１の表面２０２に接触し、結合することができるが、第２の表面２０５ｂは、図９に示されているように、第２の層２０３の第２の表面２０４に接触し結合することができる。要素の配列２０５は、第１の偏光のほとんどを一般的には反射し、第２の偏光のほとんどを透過する可視スペクトルで電磁波と相互作用するように構成される。
【０１０６】
要素２０５の次元、および要素２０５の配列の次元は、使用する波長により決定され、広帯域または完全なスペクトルの可視光線に合わせて手直しされる。要素２０５は、比較的長く薄い。それぞれの要素２０５の長さは、可視光の波長よりも一般的には長い。したがって、要素２０５の長さは、少なくとも約０．７μｍ（マイクロメートルまたはミクロン）である。しかし、標準的長さは、さらに長い場合がある。さらに、要素２０５は、一般的な平行配置で配置され、要素の間隔、ピッチ、または周期ｐは光の波長よりも短い。したがって、ピッチは、０．４μｍ（マイクロメートルまたはミクロン）未満である。
【０１０７】
要素２０５の周期、および光学的媒体２０１および２０３に対する材料の選択は、すべて、光線２０９、２１１、および２１３との目的の相互作用を得、強化するために行われる。光線２０９は、通常、当技術分野ではＳ偏光およびＰ偏光と呼ばれている２つのほぼ等しい量の偏光を含む偏光されていない光線である。しかし、光線２０９は、いずれかの偏光の一部またはほとんどとなるように特定のアプリケーションでは変更される場合がある。要素２０５の周期Ｐは、ワイヤグリッドがＳ偏光２１１の大半を鏡面反射し、Ｐ偏光２１３の大半を透過するように選択される。
【０１０８】
光学的材料もまた、このプロセスを補助するように選択する。例えば、光学的材料２０１をＳとＰの両方の偏光に対して等しい透過率となるように選択しながら、Ｓ偏光を吸収するか、または他の方法でＰ偏光の透過およびＳ偏光の反射を補助する光学的材料２０３を選択することが可能である。好ましい実施形態では、層２０１および２０３を含む光学的材料はガラスである。他の材料も、特定のアプリケーションに応じて好適である。例えば、第２の層２０３はガラスまたはプラスチックの板とすることができる。さらに、第２の層は、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、フッ化マグネシウム、酸化チタンなどの真空蒸着膜または光学的薄膜の層とすることができる。第２の層２０３は、さらに、要素の表面と第１の層を化学処理し、ヘキサメチルジシラザンなどの薄膜を残すことにより形成することもできる。このような層は、環境条件にあまり敏感でない１つまたは複数の原子単層でよい。それとは別に、この化学処理は、過酷な環境でワイヤグリッド構造に損傷を引き起こす物理的メカニズムを能動的に妨げるように選択することもできる。第２の層はさらに、本明細書で述べた材料の複数の膜を含むことができる。
【０１０９】
介在する細長い要素２０５はそれほど大きくはない。これらは、通常、０．３μｍ以下のオーダーの周期Ｐを持ち、リブ２０５の幅ｗＲおよび空間またはギャップ２０７の幅ｗＳで要素を０．１５μｍ以下のオーダーで分離する規則正しい、順序付けられた配列で配置される。要素２０５および空間２０７の幅は、光学的性能効果が得られるように変えることができるが、これについては後述する。これらの要素２０５の高さおよび厚さｔＲは、通常、光学的不透明とする要素に必要な値（アルミニウムの場合約４０ｎｍ）からたぶん１μｍの高さまでなっている。上限は、製造の実用性および光学的性能を考慮して定められる。好ましい実施形態では、要素２０５は、通常、偏光器を可視スペクトル全体にわたって使用する場合にアルミニウムや銀などの材料を使用する。しかし、特定の場合に、赤色光などスペクトルの一部で機能する偏光器を実現するだけでよい場合は、銅や金などの他の材料を使用することも可能である。
【０１１０】
埋め込まれているワイヤグリッド偏光器２００の最適な性能を引き出すための重要なものは、空間またはギャップ２０７内に配置されている材料である。ギャップ２０７は、要素２０５の間に形成され、第１の層２０１など、層２０１および２０３のうち少なくとも１つの屈折率よりも小さい屈折率を持つと都合がよい。出願人は、ギャップ２０７により屈折率が低くなると、偏光器２００の性能が、一定の屈折率を持つ材料内に完全に封じ込められているワイヤグリッドよりも向上することを発見した。好ましい実施形態では、この材料は空気または真空とするが、特定のアプリケーションの実用性または実施の理由から、他の材料を使用することができる。
【０１１１】
この材料は、製造性などの他の必要な設計制約条件を満たしながら、可能な最低の屈折率を持つことが望ましい。これら他の制約条件では、細長い要素２０５の間の空間２０７を充てんする材料は光学的材料２０１および２０３のいずれかまたは両方を含むものと同じ材料とする必要がある。あるいは、細長い要素２０５の間の空間２０７を充てんする材料を光学的材料２０１および２０３と異なる材料として選択することができる。
【０１１２】
すでに述べたように、好ましい実施形態では、空間２０７内の材料は空気または真空である。使用可能な可能材料として、水（屈折率１．３３）、フッ化マグネシウム（屈折率１．３８）、または蒸発、スパッタリング、またはさまざまな化学蒸気蒸着プロセス、光学オイル、ナフサ、トルエンなどの液化炭化水素、または屈折率の低い他の材料を使用して蒸着することができる他の共通の光学的薄膜材料などがある。ギャップ２０７内に材料もまた、プラスチック、またはフッ素化炭化水素（テフロン）とすることができる。
【０１１３】
さらに、ＷＧ−ＰＢＳの基板２０１（図９）または４０（図７）はＷＧ−ＰＢＳの性能に影響を及ぼすことがある。上述のように、ＷＧ−ＰＢＳの基板を光に関してある角度で向きを決めると、非視準光がそこを通過するときに非点収差およびコマ収差が生じることがある。これらの収差は、基板の平坦さと無関係に生じる。したがって、平板透過型光学部品は、収差を補正するか、または無視できないくらいに小さくしない限り、画像処理アプリケーションでは使用できない。
【０１１４】
この問題は、画像含む光線が、通過するのではなく、板の前の表面から反射される場合に画像処理アプリケーションにおいて回避することができるが、それは、基板の光の方向に沿う位置を横方向にシフトするなどの光学的収差を引き起こす傾斜した基板を通るからである。このような構成では、最終的な画像に歪みを生じさせる光線内の歪みを回避するために平坦な基板を必要とする。アプリケーションに応じて、１インチ当たり約３標準波長偏差よりも小さい平坦さが好ましく、１インチ当たり約１標準波長偏差よりも小さい平坦さはなおよく、１インチ当たり約１／１０標準波長偏差よりも小さい平坦さは最も好ましい。
【０１１５】
透過される光線では、非点収差および色収差を低減することが望ましい。したがって、基板は、非常に薄いものとするか、または厚さを約５ミリメートル未満とするのが好ましい。
【０１１６】
本発明の画像システムの他の重要な考慮すべき点として、ＷＧ−ＰＢＳから透過した波に対し幾何学的歪みを十分になくすことがあげられる。透過した光線については、歪みは、通常、基板の２つの表面の間の平行性からのずれによって生じる。透過した光線の幾何学的歪みは１インチ当たり約３標準波長偏差未満であるのが好ましく、１インチ当たり約１／２標準波長偏差未満であるとさらに好ましく、１インチ当たり約１／１０標準波長偏差未満であると最も好ましい。
【０１１７】
上で参照した配置は、本発明の原理の応用を説明しているだけであることは理解されるであろう。本発明の精神および範囲から逸脱することなく多数の修正および他の配置を考案することができるが、本発明は、図面に示され、本発明の最も実用的で好ましい実施形態と現在みなされているものと関連して詳しく具体的に上で完全に説明しており、当業者にとっては、請求項で規定している本発明の原理および概念から逸脱することなくさまざまな修正を加えることができることは明白であろう。
【図面の簡単な説明】
【０１１８】
【図１−ａ】本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタを使用して本発明の画像投影システムの好ましい実施形態の一般的動作を示す概略図である。
【図１−ｂ】本発明の異なる構成の画像投影システムの概略図である。
【図１−ｃ】本発明の異なる構成の画像投影システムの概略図である。
【図２−ａ】本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの好ましい実施形態のＳとＰの両方の偏光に対する波長と透過率との関係を示しているグラフである。
【図２−ｂ】本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの好ましい実施形態のＳとＰの両方の偏光に対する波長と反射率との関係を示しているグラフである。
【図２−ｃ】本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの好ましい実施形態の波長、効率、および透過消光の関係を示しているグラフである。
【図３】入射角の関数として変化する本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの好ましい実施形態の性能を示すグラフである。
【図４−ａ】本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの他の実施形態の理論上の処理能力を示すグラフである。
【図４−ｂ】本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの他の実施形態の理論上の消光能力を示すグラフである。
【図４−ｃ】本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの他の実施形態の理論上の消光能力を示すグラフである。
【図５−ａ】本発明の画像投影システムの他の実施形態の一般的動作を示す概略図である。
【図５−ｂ】本発明の異なる構成の画像投影システムの概略図である。
【図５−ｃ】本発明の異なる構成の画像投影システムの概略図である。
【図６】本発明の画像投影システムの他の実施形態の一般的動作を示す概略図である。
【図７】本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの透視図である。
【図８】本発明のワイヤグリッド偏光ビームスプリッタの断面図である。
【図９】本発明の埋め込み型ワイヤグリッド偏光器の断面図である。
【図２−ａ】
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【図２−ｂ】
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【図２−ｃ】
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【図３】
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【図４−ａ】
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【図４−ｂ】
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【図４−ｃ】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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