JP2005025198A - 光学系の積分器 - Google Patents

Abstract

【課題】 カラードラムを使用する光学系において、光効率を向上させる積分器を提供すること。
【解決手段】 本発明は、ランプで発生した光が入射する開口部１と、前記開口部を介して入射した光が反射しながら進行する経路部(反射面）３と、前記経路部を通過した光を屈折及び全反射させて前記光の出射方向を変化させるミラー部７と、前記光のうち、一定の一つの偏光方向を有する光は透過させ、残りの偏光方向を有する光は反射させる偏光板４と、前記偏光板で反射された光の位相を変化させる波長板２と、からなることを特徴とする。
【選択図】 図２

Description

本発明はプロジェクターの光学系に関し、特に、光学系において、光効率を向上させるための積分器に関する。

従来のプロジェクション・テレビ或いはモニターに適用される光学系は、画像表示素子の個数によって単板式、２板式、３板式に分類される。
ここで、３板式光学系は、光学部品の数が多くて、照明系だけではなく、光経路差を補償するためのリレー系を含むために、複雑であり、光学系の規模も大きくなるという短所がある。
そして、３板式光学系は、ランプから出力された赤色光の不足のため、赤色の色純度が低くなり、色を表現できる能力、即ち、色域（color gamut）が狭くなる。また、画像表示素子を多量使用するため、費用が高くなり、赤、緑、青のパネルの整列問題などが発生する。

従って、かかる問題点を有している３板式光学系より、最近では２板式、または単板式光学系が広く使用される。

ところが、単板式または２板式光学系は、カラースクローリング(color scrolling)ができる素子が必要である。
かかる素子としては、カラーホイール、カラードラム、トランスミッシブカラードラム(transmissive color Drum)、カラースイッチ、回転プリズムなどが使用される。

このうち、カラードラムは低価であり、簡単に光学系を構成できるため、広く使用されている。
また、カラースクローリングを行う間、カラードラムの各色領域の境界面がパネル上で線形性を有して動くという長所がある。

しかしながら、カラードラムを使用した光学系は、カラードラムの構造的特徴によって積分器の形状に制限がある。積分器は、ランプで発生した光を空間的に均一にし、光の偏光方向を変換させる機能を行う。

ところが、カラーホイールを使用する光学系とは違って、カラードラムを使用する光学系では、ランプで発生した光が積分器に入射する方向と直角に出射してカラードラム面に到達する。
カラーホイール光学系に使用される積分器は、出射する光がカラーホイールの色フィルター部分を向くので問題がない。

しかし、カラードラム光学系に使用される積分器から出射する光は、カラードラムの色フィルター領域とうまく整列されない可能性がある。
このように、従来のカラードラム光学系は、カラードラムと積分器の構造的制限により、光効率が低下する問題がある。

本発明は、上記の問題点を解決するためのもので、カラードラムを使用する光学系において、光効率を向上させる積分器を提供することを目的としている。

上記目的を達成するために、本発明による積分器は、ランプで発生した光が入射する開口部と、前記開口部を介して入射した光が反射しながら進行する経路部と、前記光を屈折及び全反射させて前記光の出射方向を変化させるミラー部と、前記光のうち、一定の一つの偏光方向を有する光は透過させ、残りの偏光方向を有する光は反射させる偏光板と、前記偏光板で反射された光の位相を変化させる波長板と、からなることを特徴とする。

前記経路部の内部は、中空であるか、またはガラスで構成されていることを特徴とする。
前記経路部の内部が中空であるとき、前記ミラー部は前記経路部に取り付けられていることを特徴とする。
前記経路部の内部がガラスで形成されているとき、前記経路部とミラー部との間にエアギャップが形成されることを特徴とする。

前記ミラー部は、プリズムであることを特徴とする。
前記ミラー部の形状は、前記光の出射角によって異なることを特徴とする。
前記経路部とミラー部とが同一の媒質で形成されると、前記光を屈折及び全反射させるために、前記経路部とミラー部との間に異質的な媒質が形成されることを特徴とする。

また、本発明による光学系は、光を発生させるランプと、前記光が進行する経路部と、前記光を屈折及び全反射させて前記光の出射方向を変化させるミラー部とを含む積分器と、前記ミラー部を透過した光をフィルタリングするカラードラムと、前記フィルタリングした光のうち、一定の偏光方向を有する光のみを透過させる偏光ビームスプリッターと、前記偏光ビームスプリッターを透過した光をディスプレイするＬＣｏＳ(liquid crystal on silicon)パネルと、からなることを特徴としている。

本発明の光学系の積分器には、次のような効果がある。
第一に、本発明による積分器は、出射部にプリズムを附着して光の出射方向がカラードラムのフィルター領域と整列するように変化させることにより、従来発生した光の損失を補償する効果を有する。
第二に、本発明による積分器は、光学系構成において、従来装置に大きな変更を加えないため、費用を節約でき、光効率も向上させ得る。

以下、本発明による積分器の実施形態について、添付の図面に基づいて詳細に説明する。
図１Ａ及び１Ｂは一般的なカラードラム用積分器を示す図面である。

図１Ａ及び図１Ｂに示すように、カラードラムを使用して単板式、或いは２板式光学系を構成したシステムに使用される積分器は、図１Ａのような中空の積分器と、図１Ｂのような内部がガラスで構成された積分器とがある。

積分器は、ランプで発生した光が入射する開口部１、経路部内で入射した光を空間的に均一にする反射面(又は全反射面)３、光の偏光方向を一定にする反射型偏光板４、反射型偏光板で反射された光の位相を変化させる波長板２、偏光変換効率を向上させるために、反射面と波長板とからなるリサイクル部とで構成される
反射面は、工学的経路部の内面を覆い、経路部は、中空またはガラスで形成されている。

図２Ａ及び図２Ｂは、本発明による積分器の構造を示す図面である。
図２Ａは、中空の積分器に本発明によるプリズムを取り付けた形態を示す図面であり、図２Ｂは、内部がガラスで構成された積分器に本発明によるプリズムを取り付けた形態を示す図面である。

図２Ａに示すように、本発明による中空の積分器は、ランプで発生した光が入射する開口部１、経路部内に入射した光を反射させる反射面３、反射された光を屈折させ全反射するプリズム７、プリズムにより反射された光のうち、特定方向の偏光のみを透過させ、残りの偏光は反射させる反射型偏光板４、偏光板で反射された偏光の位相を変化させる波長板２、光の屈折のためのエアギャップ８とで構成される。

そして、図２Ｂに示すように、内部がガラスで構成された形態の積分器は、図２Ａの構成と類似するが、エアギャップ８が経路部とプリズムとの間にも形成されるという差がある。
上記のように構成された本発明による積分器の動作原理を詳しく説明すると、次の通りである。

図３Ａは、本発明による中空の積分器での光の流れを示す図面である。
図示したように、開口部１を介して入射した光は、積分器の経路部に位置した反射面３により反射しながら進行する。

次に、反射された光は経路部を経た後、ガラスで構成されたプリズムを通過する。

しかし、光は経路部とプリズムとの屈折率差によって屈折する。次いで、屈折した光はプリズムの反射面３によって全反射された後、反射型偏光板４に向かって進む。
このようにプリズムによって光を屈折及び全反射させて出射することにより、カラードラムの面に到達する光の効率を向上させ得る。

反射型偏光板４に進行した光のうち、ｓ波光は偏光板を透過し、ｐ波光は反射される。反射されたｐ波光は波長板２によって位相が変化し、ｓ波光となる。
そうすれば、変更されたｓ波光は反射型偏光板を透過することになる。カラードラムを使用した光学系は、ランプで発生した光が積分器に入射する方向と直角をなして積分器から出射した後、カラードラム面に到達する。

図面において点線で示された矢印Ｘは従来の積分器による出射光を示し、実線矢印Ｙは本発明によるプリズムによる出射光を示す。
上記の例において、ｓ波とｐ波の順序は変わっても構わない。

図３Ｂは、本発明による内部がガラスで構成された形態の積分器での光の流れを示す図面である。
開口１を介して入射した光は、積分器内部のガラスと外部の空気との間の屈折率の差により全反射しながら進行する。反射された光はエアギャップ８により屈折された後、プリズム７の内部に進行する。

そして、プリズム７内部の反射面３を介して反射された後、反射型偏光板４に向かって進んでいく。
ここで、図３Ｂでは、積分器内部とプリズムが全てガラスで構成されるため、屈折率差を形成するために、エアギャップ８を経路部とプリズムとの間にも形成する。

図３Ａ乃至図３Ｂに示すように、従来の積分器からの出射光と、本発明によるプリズムを使用した積分器からの出射光とは、出射角度において非常に差があることが分かる。

従来の技術によるカラードラム用積分器では、積分器から出射した光がカラードラムの色フィルター領域の左右に多く分散された。

しかし、本発明による積分器はプリズム７を使用することにより、積分器から出射された光がカラードラムの色フィルター領域と整列されるように出射角を調節して積分器で低下した光量を補償することができる。

図４Ａ乃至図４Ｃは、本発明による積分器の入射角と出射角との関係を示す図面である。本実施形態において、収容角度(acceptance angle)は３０°、プリズムの長さＸは１０．８４８ｍｍとする。

図４Ａは、積分器において、光の入射角と出射角を定義した図面である。
図面において、αは入射角を示し、βは出射角を示す。

図４Ｂ及び図４Ｃは本発明によるプリズムを取り付けた積分器の場合、光の入射角と出射角を示す図面である。
図４Ｂに示すように、プリズムがある場合、入射角αが２０°であれば、出射角βも２０°となり、図４Ｃに示すように、入射角αが１１°である場合、出射角βも１１°となる。このように、入射角と出射角とが同一であるため、光効率が高くなる。

反面、従来の積分器は入射角αが２０°であるとき、出射角βは７０°となり、入射角αが１１°であると、出射角βは７９°となることが実験的に分かる。
また、出力光効率も従来には５５．７８％程度であったが、本発明による積分器は７５．７５％程度である。

図５Ａ乃至図５Ｅは、本発明による積分器の効率を分析した図面である。
図５Ａは、Ｌ'を計算する方法を示す図面である。
本実施形態では内部全反射角度(Total internal reflective angle：TIR)が５１°未満のＳＫ５ガラス及び４８．９°未満のＢＫ７ガラスを使用した。

図示のように、Ｌ’は三角形状を有するプリズムの反射面内部で全反射された光のうち、反射面の下部面左側端に向かう光を基準として、その光がプリズムの反射面に入射する時の高さである。

従って、上記Ｌ’は、次の通り表現される。

Ｌ’＝Ｘ×｛cot(α)−tan(α)]／[１＋tan(α)]

図５ＢはＬを計算する方法を示す図面である。
図示のように、Ｌは、三角形状を有するプリズムの反射面内部で全反射された光のうち、反射面の下部面右側端に向かう光を基準として、その光がプリズムの反射面に入射する時の高さである。

従って、上記Ｌは、次のように表現される。

Ｌ＝Ｘ×tan(α)

Ｌ及びＬ'は、光損失が発生する基準高さになる。

まず、図５Ｃは、積分器内部で反射して進行する光のうち、プリズムで全反射される反射面の位置がＬ'より高い場合を示す。
図示のように、上部光、下部光共にプリズム内部で適切な反射過程を経るため、入射角と出射角が１８．３３°で同一であり、光損失が生じない。

図５Ｄは、積分器内部で反射されて進行する光のうち、プリズムで全反射される反射面の位置がＬ'とＬとの間に位置する場合を示す。
この場合にも、上部光、下部光共にプリズム内部で適切な反射過程を経るため、入射角と出射角が１８．３３°で同一であり、光損失が生じない。

図５ｅは、積分器内部で反射されて進行する光のうち、プリズムで全反射される反射面の位置がＬより低い場合を示す。
この場合にも、上部光、下部光共にプリズム内部で適切な反射過程を経るため、入射角と出射角が１８．３３°で同一であり、光損失が生じない。

このように、本発明によるプリズムを取り付けた積分器ではＬとＬ'の基準線について３つの場合が存在し、全ての場合において損失が生じない。
即ち、積分器において光が出射する側にプリズムを使用することにより、従来技術で発生した光量損失が生じない。

図６は、本発明による積分器を適用した光学系の構造を示す図面である。
図示のように、光学系は光を発生するランプ９、経路部とミラー部を含み、ミラー部にプリズムが装着された積分器、モーターの回転によって光を赤光、緑光、青光の順に順次分離、透過させるカラードラム６、カラードラムを介して透過された光を集束する照明レンズ１１、光の偏光方向に従って、光を透過又は反射させる偏光ビームスプリッター１２、偏光ビームスプリッターを透過して進行した光を反射させて画像を表示するＬＣｏＳ（liquid crystal on silicon）パネル１３とで構成される。

ここで、積分器はランプで発生した光が入射すると、光を均一にし、光が一定の偏光方向を有するようにする。
また、上述のように、積分器にプリズム７を装着することにより、光学系の光効率を高める。
また、ミラー部の形状は、光の出射角によって異なる。さらに、経路部とミラー部とが同一の媒質で形成されると、光を屈折及び全反射させるために、経路部とミラー部との間に異質的な媒質が形成されることを特徴とする。

以上で説明した内容を通して当業者であれば本発明の技術思想を逸脱しない範囲で多様な変更及び修正が可能なことが分かるだろう。
従って、本発明の技術的範囲は実施形態に記載された内容に限定されるわけではなく、特許請求の範囲によって定められるべきである。

一般的なカラードラム用積分器を示す図である。 本発明による積分器の構造を示す図である。 Ａは、本発明による中空の積分器での光の流れを示す図面であり、Ｂは、本発明による内部がガラスで構成された形態の積分器での光の流れを示す図である。 本発明による積分器の入射角と出射角の例を示す図である。 本発明による積分器の効率を分析するためのＬ'を計算する方法を示す図である。 本発明による積分器の効率を分析するためのＬを計算する方法を示す図である。 本発明による積分器の効率を分析するための一例を示す図である。 本発明による積分器の効率を分析するための一例を示す図である。 本発明による積分器の効率を分析するための一例を示す図である。 本発明による積分器を適用した光学系の構造を示す図である。

符号の説明

１…開口
２…波長板
３…反射面
４…反射型偏光板
６…カラードラム
７…プリズム
８…エアギャップ
９…ランプ
１０…積分器
１１…照明レンズ
１２…偏光ビームスプリッター
１３…ＬＣｏＳパネル

Claims (14)

1. ランプで発生した光が入射する開口部と、
   前記開口部を介して入射した光が反射しながら進行する経路部と、
   前記経路部を通過した光を屈折及び全反射させて前記光の出射方向を変化させるミラー部と、
   前記ミラー部で反射された光の中、一定の一つの偏光方向を有する光は透過させ、残りの偏光方向を有する光は反射させる偏光板と、
   前記偏光板で反射された光の位相を変化させる波長板と、
   からなることを特徴とする光学系の積分器。
2. 前記経路部は、反射面で囲まれて中空であるか、またはガラスで埋められていることを特徴とする請求項１記載の光学系の積分器。
3. 前記経路部の内部が中空であるとき、前記ミラー部が前記経路部に取り付けられていることを特徴とする請求項２記載の光学系の積分器。
4. 前記経路部の内部がガラスで形成されているとき、前記経路部とミラー部との間にエアギャップが形成されることを特徴とする請求項２記載の光学系の積分器。
5. 前記ミラー部はプリズムであることを特徴とする請求項１記載の光学系の積分器。
6. 前記ミラー部の形状は、前記光の出射角によって異なることを特徴とする請求項１記載の光学系の積分器。
7. 前記経路部とミラー部とが同一の媒質で形成されると、前記光を屈折及び全反射させるために、前記経路部とミラー部との間に異質的な媒質が形成されることを特徴とする請求項１記載の光学系の積分器。
8. 光を発生するランプと、
   前記光が進行する経路部と、前記光を屈折及び全反射させて前記光の出射方向を変化させるミラー部とを含む積分器と、
   前記ミラー部を透過した光をフィルタリングするカラードラムと、
   前記フィルタリングした光のうち、一定の偏光方向を有する光のみを透過させる偏光ビームスプリッターと、
   前記偏光ビームスプリッターを透過した光をディスプレイするＬＣｏＳパネルと、
   からなる光学系。
9. 前記経路部は、反射面で囲まれて中空であるか、またはガラスで埋められていることを特徴とする請求項８記載の光学系。
10. 前記経路部の内部が中空であるとき、前記ミラー部が前記経路部に取り付けられていることを特徴とする請求項９記載の光学系。
11. 前記経路部の内部がガラスで形成されているとき、前記経路部とミラー部との間にエアギャップが形成されることを特徴とする請求項９記載の光学系。
12. 前記ミラー部はプリズムであることを特徴とする請求項８記載の光学系。
13. 前記ミラー部の形状は、前記光の出射角によって異なることを特徴とする請求項８記載の光学系。
14. 前記経路部とミラー部とが同一の媒質で形成されると、前記光を屈折及び全反射させるために、前記経路部とミラー部との間に異質的な媒質が形成されることを特徴とする請求項８記載の光学系。
    
    

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