KR100437902B1 - 조명광학계 및 이를 이용한 프로젝터 - Google Patents

조명광학계 및 이를 이용한 프로젝터 Download PDF

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KR100437902B1
KR100437902B1 KR10-2001-0038221A KR20010038221A KR100437902B1 KR 100437902 B1 KR100437902 B1 KR 100437902B1 KR 20010038221 A KR20010038221 A KR 20010038221A KR 100437902 B1 KR100437902 B1 KR 100437902B1
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아키야마코이치
야마카와히데마사
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세이코 엡슨 가부시키가이샤
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Abstract

제2의 렌즈 어레이(130A)의 제2의 소(小)렌즈(132Aa)의 곡면위치에 대한 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면위치는, 조명영역(LA) 위에서 편광 분리막(142)을 투과한 광이 조사되는 제1의 영역(W1)의 크기와, 조명영역(LA) 위에서 편광 분리막(142) 및 반사막(144)으로 반사된 광이 조사되는 제2의 영역(W2)의 크기가 같아지도록 조정되어 있다. 이러한 구성을 채용함으로써, 편광변환 광학계를 이용한 종래의 조명광학계에서 발생하고 있던 조명효율의 저하(低下)를 억제할 수 있다.

Description

조명광학계 및 이를 이용한 프로젝터{LIGHTING OPTICAL SYSTEM AND PROJECTOR USING THE SAME}
본 발명은, 광원으로부터 사출되는 비편광인 광을 편광방향이 거의 갖추어진 한 종류의 직선 편광광으로서 사출하는 조명광학계에 관하는 것이다. 또한, 본 발명은 이 조명광학계를 이용하여 밝은 화상을 표시할 수 있는 프로젝터에 관한 것이다.
프로젝터에는「라이트 밸브(light valve)」라고 하는 전기광학장치에 조사된 조명광을, 표시시키고 싶은 화상정보에 따라 변조하고, 이 변조광을 스크린 위에 투사하여 화상표시를 실현하고 있다. 이 전기광학장치로서는 통상 액정 패널을 이용한 액정 라이트 밸브가 이용되고 있다.
프로젝터에 의해 표시되는 화상은 밝은 것이 바람직하고, 이를 위해서는 프로젝터내에 짜 넣어진 조명광학계로부터 사출된 조명광의 이용효율이 높은 것이 바람직하다. 그렇지만, 프로젝터에 이용되는 액정 라이트 밸브는 통상 한 종류의 직선 편광광만이 이용되기 때문에, 비편광인 광을 사출하는 조명광학계의 경우, 액정 라이트 밸브에서 이용되지 않는 편광방향의 광이 존재한다. 이 때문에, 조명광학계로부터 사출된 조명광의 이용효율이 나빠진다. 종래보다 액정 라이트 밸브에서의 조명광의 이용효율을 높이기 위해서, 광원으로부터 사출된 비편광인 광을 한 종류의 직선 편광광으로 변환하는 편광변환 광학계를 이용한 조명광학계가 이용되고 있다.
도 13은, 종래의 조명광학계의 요부(要部)를 평면적으로 나타내는 개략구성도이다. 광의 진행방향을 z축방향{조명광학계의 광축(SX)과 평행인 방향}으로 하고, 광의 진행방향을 향해 12시의 방향을 y축방향(세로방향)으로 하며, 3시의 방향을 x축방향(가로방향)으로 한다. 이 조명광학계는, 광원(1110)과, 제1의 렌즈 어레이(1120)와, 제2의 렌즈 어레이(1130)와, 편광변환 광학계(1140)와, 중첩 렌즈(115
0)가 광축(SX)을 따라 순차로 배열된 구성을 갖고 있다. 제1의 렌즈 어레이(1120)는, 복수의 소(小)렌즈(1122)를 갖고 있다. 제2의 렌즈 어레이(1130)는, 제1의 렌즈 어레이(1120)의 복수의 소렌즈(1122)에 대응하도록 복수의 소렌즈(1132)를 갖고 있다.
편광변환 광학계(1140)는, 서로 평행인 편광 분리막(1142)과 반사막(1144)이 x축방향을 따라 복수조(組) 배열되어 있다. 이들의 편광 분리막(1142) 및 반사막(1
144)은, z축방향에 대해 일정한 경사를 갖고 있다. 각 편광 분리막(1142)의 사출면측에는, 각각 λ/2 위상차판(1148)이 설치되어 있다.
광원(1110)으로부터 사출된 거의 평행인 광은, 제1의 렌즈 어레이(1120)의 복수의 소렌즈(1122)에 의해 복수의 부분 광선속(光線束)으로 분할된다. 분할된 복수의 부분 광선속은, 제1의 렌즈 어레이(1120) 및 제2의 렌즈 어레이(1130)의 각 소렌즈(1122, 1132)의 집광작용에 의해, 편광변환 광학계(1140)의 편광 분리막(1142)의 근방에 각각 집광된다. 광원(1110)의 광축(LX)은, 제1의 렌즈 어레이(1120)로부터 사출되는 복수의 부분 광선속이 편광변환 광학계(1140)의 편광 분리막(1142)에 효율좋게 입사하도록 조명광학계의 광축(SX)에 대해 -x방향으로 어긋난 량{Dp(= Wp/2)}만큼 어긋나 배치되어 있다. 또, Wp는 편광 분리막(1142)과 반사막(1144)의 간격을 나타내고 있다.
편광 분리막(1142) 근방에 집광된 광 중, 한 쪽의 직선편광성분(예컨대, p편광광)은 편광 분리막(1142)을 거의 투과하고, 다른 쪽의 직선편광성분(예컨대, s편광광)은 편광 분리막(1142)에서 거의 반사된다. 편광 분리막(1142)에서 반사한 다른 쪽의 직선편광성분은, 반사막(1144)에서 반사하고, 중첩 렌즈(1150)로 입사한다. 한편, 편광 분리막(1142)을 투과한 한 쪽의 직선편광성분은, λ/2 위상차판(1148)으로 입사하여 다른 쪽의 직선편광성분과 같은 편광방향의 직선 편광광으로 변환되고, 중첩 렌즈(1150)로 입사한다. 중첩 렌즈(1150)로 입사한 복수의 부분 광선속은 각각 조명영역(LA) 상에서 거의 중첩된다. 이상과 같이, 종래의 조명광학계는 조명영역(LA)을 거의 한 종류의 직선 편광광으로 조명할 수 있다.
도 14는 종래의 조명광학계의 문제점을 나타내는 설명도이다. 도 14(A)는 편광 분리막(1142)을 투과하는 광(이하, 단지「투과광」이라고 하는 경우도 있다)의 광경로(光路)를 나타내고, 도 14(B)는 편광 분리막(1142) 및 반사막(1144)으로 반사되는 광(이하, 단지「반사광」이라고 하는 경우도 있다)의 광경로를 나타내고 있다. 또, 도 14(A) 및 도 14(B)는 설명을 용이하게 하기 위해서, 편광 분리막(1142) 및 반사막(1144)에서 반사되는 광경로를 직선 형상의 등가인 광경로로 바꿔 놓음과 동시에, 중첩 렌즈(1150)에 의한 광의 편향을 무시하여 나타내고 있다.
도 14(A) 및 도 14(B)에 나타내는 바와 같이, 종래의 조명광학계에서는 편광 분리막(1142)으로 입사한 광 중, 반사광의 편광 분리막(1142)으로부터 조명영역 (LA)까지의 광경로의 길이는, 투과광의 광경로의 길이(L2)에 비하여 편광 분리막(1142)으로부터 반사막(1144)까지의 광경로의 길이(Wp)만큼 길어진다. 이 때문에, 반사광이 조명하는 조명영역(LA) 위의 제2의 영역(W2)의 크기가, 투과광이 조명하는 제1의 영역 (W1)의 크기에 비하여 커지고, 반사광에 의한 조명효율이 투과광에 의한 조명효율에 비하여 낮아진다. 이 결과, 조명광학계의 조명효율이 낮아지고 있다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은, 종래 기술에서의 상술한 과제를 해결하기 위해서 이루어진 것으로, 편광변환 광학계를 이용한 종래의 조명광학계에서 발생하는 조명효율의 저하(低下)를 억제하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예로서의 조명광학계의 요부(要部)를 평면적으로 나타내는 개략구성도.
도 2(A)∼도 2(C)는 제1의 렌즈 어레이(120)의 외관을 나타내는 설명도.
도 3은 편광변환 광학계(140)의 외관을 나타내는 사시도.
도 4는 편광변환 광학계(140)의 기능을 나타내는 설명도.
도 5(A)∼도 5(C)는 제2의 렌즈 어레이(130A)의 외관을 나타내는 설명도.
도 6(A)∼도 6(C)는 제2의 렌즈 어레이(130A)의 기능을 나타내는 설명도.
도 7은 조명광학계(100A)의 변형예를 평면적으로 나타내는 개략구성도.
도 8은 조명광학계(100A)의 다른 변형예를 평면적으로 나타내는 개략구성도.
도 9는 조명광학계(100A)의 다른 변형예를 평면적으로 나타내는 개략구성도.
도 10은 도 7에 나타낸 조명광학계(10OB)의 변형예를 평면적으로 나타내는 개략구성도.
도 11은 도 8에 나타낸 조명광학계(100C)의 변형예를 평면적으로 나타내는 개략구성도.
도 12는 본 발명의 조명광학계를 적용한 프로젝터를 나타내는 설명도.
도 13은 종래의 조명광학계의 요부를 평면적으로 나타내는 개략구성도.
도 14(A), 도 14(B)는 종래의 조명광학계의 문제점을 나타내는 설명도.
<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110 광원 112 광원 램프
114 오목면 거울 120 제1의 렌즈 어레이
122 제1의 소렌즈 130A 제2의 렌즈 어레이
132Aa 제2의 소렌즈 132Ab 제3의 소렌즈
140 편광변환 광학계 142 편광 분리막
144 반사막 148 λ/2 위상차판
상술한 과제의 적어도 일부를 해결하기 위해서, 본 발명의 조명광학계는 비편광인 광을 사출하는 광원과,
적어도 한 조(組)가 서로 평행인 편광 분리막 및 반사막이 소정의 방향을 따라 기울어지게 배치되고, 입사하는 비편광인 광을 소정의 편광방향을 갖는 직선 편광광으로 변환하는 편광변환 광학계와,
상기 광원과 상기 편광 분리막 사이의 광경로 상에 설치된 적어도 하나의 제1의 렌즈를 갖는 제1의 광학계와,
상기 제1의 렌즈로부터 사출된 제1의 광 중, 상기 편광 분리막을 투과한 제2의 광이 입사하는 제2의 렌즈와, 상기 편광 분리막 및 상기 반사막에서 반사된 제3의 광이 입사하는 제3의 렌즈를 갖는 제2의 광학계를 구비하고,
상기 제2의 렌즈 및 상기 제3의 렌즈 중, 적어도 한 쪽의 광학특성은, 소정의 영역 상에서 상기 제2의 광이 조사되는 제1의 영역의 크기와, 상기 소정의 영역 상에서 상기 제3의 광이 조사되는 제2의 영역의 크기가 같아지도록 조정되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 조명광학계에서는, 소정의 영역 상에서 제2의 광이 조사되는 제1의 영역의 크기와, 소정의 영역 상에서 제3의 광이 조사되는 제2의 영역의 크기가 같아지도록 조정되어 있기 때문에, 편광변환 광학계를 이용한 종래의 조명광학계에서 발생하고 있는 조명효율의 저하를 억제할 수 있다. 이 결과, 조명효율이 좋은 조명광학계를 실현할 수 있다.
상기 조명광학계에서,
상기 제3의 렌즈의 곡면위치는, 상기 제2의 렌즈의 곡면위치에 대하여 어긋난 위치에 조정되어 있는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 제3의 렌즈의 곡면위치를 상기 제2의 렌즈의 곡면위치에 대하여 어긋난 위치로 조정함으로써, 소정의 영역 위에서 제2의 광이 조사되는 제1의 영역의 크기와, 소정의 영역 위에서 제3의 광이 조사되는 제2의 영역의 크기가 같아지도록 조정할 수 있다.
또, 상기 제2의 렌즈 및 상기 제3의 렌즈는 같은 곡면형상을 갖고 있는 것이 바람직하다.
이렇게 하면, 제3의 렌즈의 곡면위치를 상기 제2의 렌즈의 곡면위치에 대하여 어긋난 위치로 조정하는 것만으로, 용이하게 소정의 영역 상에서 제2의 광이 조사되는 제1의 영역의 크기와, 소정의 영역 상에서 제3의 광이 조사되는 제2의 영역의 크기가 같아지도록 조정할 수 있다.
여기서, 상기 제2의 렌즈의 곡면위치와 상기 제3의 렌즈의 곡면위치의 차(Di)는, 상기 제1의 렌즈의 크기를 Wi로 하고, 상기 제1의 영역의 크기를 W로 하며, 상기 편광 분리막과 상기 반사막의 간격을 Wp로 하면,
Di = (Wp ·Wi)/(Wi + W)
에 의해 결정할 수 있다.
이에 의해, 상기 제2의 렌즈의 곡면위치와 상기 제3의 렌즈의 곡면위치의 관계를 간단히 결정할 수 있다.
또한, 본 발명의 프로젝터는,
조명광을 사출하는 조명광학계와,
상기 조명광학계로부터의 광을 화상정보에 따라 변조하는 전기광학장치와,
상기 전기광학장치에서 얻어지는 변조광을 투사하는 투사광학계를 구비하고,
상기 조명광학계는,
비편광인 광을 사출하는 광원과,
적어도 한 조가 서로 평행인 편광 분리막 및 반사막이 소정의 방향을 따라 기울어지게 배치되고, 입사하는 비편광인 광을 소정의 편광방향을 갖는 직선 편광광으로 변환하는 편광변환 광학계와,
상기 광원과 상기 편광 분리막 사이의 광경로 상에 설치된 적어도 하나의 제1의 렌즈를 갖는 제1의 광학계와,
상기 제1의 렌즈로부터 사출된 제1의 광 중, 상기 편광 분리막을 투과한 제2의 광이 입사하는 제2의 렌즈와, 상기 편광 분리막 및 상기 반사막에서 반사된 제3의 광이 입사하는 제3의 렌즈를 갖는 제2의 광학계를 구비하고,
상기 제2의 렌즈 및 상기 제3의 렌즈 중, 적어도 한 쪽의 광학특성은 상기 전기광학장치 상에서 상기 제2의 광이 조사되는 제1의 영역의 크기와, 상기 전기광학장치 상에서 상기 제3의 광이 조사되는 제2의 영역의 크기가 같아지도록 조정되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 프로젝터는, 상기 발명의 조명광학계를 적용하고 있기 때문에, 종래의 조명광학계를 적용한 경우에 비하여, 효율 좋게 전기광학장치에 광을 조사할 수 있다. 이 결과, 종래에 비하여 밝은 화상을 표시할 수 있다.
(실시예)
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다. 더구나, 이하의 실시예에서는 특히 예고가 없는 한, 광의 진행방향을 z축방향(광축과 평행인 방향)으로 하고, 광의 진행방향을 향해 12시 방향을 y축방향(세로방향)으로 하며, 3시 방향을 x축방향(가로방향)으로 한다.
A. 조명광학계:
도 1은, 본 발명의 일실시예로서의 조명광학계의 요부를 평면적으로 나타내는 개략 구성도이다. 이 조명광학계(100A)는 광원(110)과, 제1의 렌즈 어레이(120)와, 편광변환 광학계(140)와, 제2의 렌즈 어레이(130A)와, 중첩 렌즈(150)를 구비하고 있다. 편광변환 광학계(140)와, 제2의 렌즈 어레이(130A)와, 중첩 렌즈(150)는, 그 중심광축이 조명광학계(100A)의 시스템광축(SX)에 거의 일치하도록 배치되어 있다. 광원(110)의 광원 광축(LX)은, 시스템광축(SX)으로부터 -x축방향으로 소정의 어긋난 량(Dp)만큼 거의 평행하게 어긋나 있다. 이 어긋난 량(Dp)에 관해서는 후술한다.
광원(110)은, 방사상의 광선을 사출하는 방사 광원으로서의 광원 램프(112)와, 광원 램프(112)로부터 사출된 방사광을 제1의 렌즈 어레이(120)의 방향으로 사출하는 오목면 거울(114)을 갖고 있다. 광원 램프(112)로서는, 통상 메탈 할라이드 램프나 고압 수은등 등이 이용된다. 오목면 거울(114)로서는, 포물면 거울이나 타원면 거울을 이용하는 것이 바람직하다. 포물면 거울을 이용하면, 거의 평행인 광을 사출할 수 있다. 또한, 타원면 거울을 이용하면 집광광을 사출할 수 있다. 또, 본 실시예에서는 오목면 거울(114)로서 포물면 거울을 이용하는 것으로 한다.
도 2는, 제1의 렌즈 어레이(120)의 외관을 나타내는 설명도이다. 도 2(A)는 평면도, 도 2(B)는 정면도, 도 2(C)는 측면도를 나타내고 있다. 제1의 렌즈 어레이(120)는, 거의 구형(矩形)형상의 윤곽을 갖는 평(平)볼록형상의 제1의 소렌즈(122)가 M행 N열의 매트릭스 형상으로 배열된 구성을 갖고 있다. 또, 도 2는 M=5, N=4의 예를 나타내고 있다. 제1의 소렌즈(122)를 정면(z축방향)에서 본 외형형상은, 조명광학계에 의한 조명영역(LA)이 실제로 조명하고 싶은 조명대상의 형상과 거의 상사형(相似形)을 이루도록 설정하는 것이 바람직하다. 예컨대, 후술하는 바와 같이, 본 실시예의 조명광학계를 액정 라이트 밸브로 사용한 프로젝터에 이용한 경우, 액정 라이트 밸브의 화상형성영역의 종횡비(가로와 세로의 치수 비율)가 4:3이면, 제1의 소렌즈(122)의 종횡비(Wix:Wiy)도 거의 4:3으로 설정된다. 이에 의해 제1의 소렌즈(122)로부터 사출된 광선속에 의해 조명되는 조명영역(LA) 상의 영역은, 제1의 소렌즈(122)의 형상과 거의 상사 형상이 된다.
도 3은, 편광변환 광학계(140)의 외관을 나타내는 사시도이다. 이 편광변환 광학계(140)는, 편광 빔(beam) 스플리터(splitter) 어레이(141)와, 편광 빔 스플리터 어레이(141)의 광 사출면의 일부에 선택적으로 배치된 λ/2 위상차판(148)(도면 중 사선으로 나타낸다)을 구비하고 있다. 편광 빔 스플리터 어레이(141)는, 각각 단면이 평행 사변형의 기둥 형상의 복수의 투광성부재(146)가, 순차적으로 서로 붙여진 형상이다. 투광성부재(146)의 계면(界面)에는, 편광 분리막(142)과 반사막(144)이 번갈아 형성되어 있다. λ/2 위상차판(148)은, 편광 분리막(142) 혹은 반사막(144)의 광 사출면의 x방향의 사상(寫像)부분에, 선택적으로 붙여진다. 이 예에서는, 편광 분리막(142)의 광의 사출면의 x방향의 사상부분에 λ/2 위상차판(148
)을 붙이고 있다. 또, 이 편광 빔 스플리터 어레이(141)는, 편광 분리막(142)과 반사막(144)이 번갈아 배치되도록, 이들의 막이 형성된 복수매(枚)의 판유리를 붙여 합쳐서, 소정의 각도로 비스듬히 절단함으로써 제작할 수 있다. 편광 분리막(142)은 유전체 다층막으로, 또한, 반사막(144)은 유전체 다층막 혹은 알루미늄막으로 형성할 수 있다.
편광변환 광학계(140)는, 입사된 광선속을 한 종류의 직선 편광광(예컨대, s편광광이나 p편광광)으로 변환하여 사출하는 기능을 갖는다. 도 4는, 편광변환 광학계(140)의 기능을 나타내는 설명도이다. 편광변환 광학계(140)의 입사면에, s편광성분과 p편광성분을 포함하는 비편광광(랜덤한 편광방향을 갖는 입사광)이 입사한다. 이 입사광은, 먼저 편광 분리막(142)에 의해 s편광광과 p편광광으로 분리된다. p편광광은 편광 분리막(142)을 그대로 투과한다. 편광 분리막을 투과한 p편광광의 사출면에는, λ/2 위상차판(148)이 배치되어 있고, 이 p편광광이 s편광광으로 변환되어 사출한다. 한편, s편광광은, 편광 분리막(142)에 의해 거의 수직으로 반사되고, 반사막(144)에 의해 다시 반사되어, 편광 분리막(142)을 그대로 통과한 p편광광과 거의 평행인 상태로, x축방향으로 거리(Wp)만큼 평행 이동하여 사출된다. 따라서, 편광변환 광학계(140)를 통과한 광은, 그 대부분이 s편광광으로 되어 사출된다. 편광변환 광학계로부터 사출되는 광을 p편광광으로 하고 싶은 경우에는, λ/2 위상차판(148)을, 반사막(144)에 의해 반사된 s편광광이 사출하는 사출면에 배치하도록 하면 좋다.
또, 서로 이웃하는 하나의 편광 분리막(142) 및 하나의 반사막(144)을 포함하고, 그 위에 하나의 λ/2 위상차판(148)으로 구성되는 하나의 블록을, 하나의 편광변환소자라고 간주할 수 있다. 편광 빔 스플리터 어레이(141)는, 이러한 편광변환소자(149)가, x방향으로 복수열 배열된 것이다. 이 예에서는, 4열의 편광변환소자(149)로 구성되어 있다.
그런데, 도 4에서 아는 바와 같이, 편광변환 광학계(140)로부터 사출하는 두개의 s편광광의 중심(두개의 s편광광의 중앙)은, 입사하는 비편광인 광(s편광광 + p편광광)의 중심보다도 x방향으로 어긋나 있다. 이 어긋난 량은, 편광 분리막(142)과 반사막(144)의 간격(Wp){즉 편광 분리막(142)의 x축방향을 따른 폭}의 반과 거의 같다. 이 때문에, 도 1에 나타내는 바와 같이, 광원(110)의 광축(LX)은, 시스템광축(SX)으로부터, Wp/2로 거의 같은 거리(Dp)만큼 어긋난 위치로 설정되어 있다. 또, 간격(Wp)은 제1의 소렌즈(122)의 x방향의 폭(Wix)(도 2)의 반과 거의 같게 설정되어 있다.
상술한 바와 같이 편광변환 광학계(140)로 입사하는 광은, 편광 분리막(142)을 투과하는 광과 반사하는 광의 두개로 변환된다. 따라서, 제1의 렌즈 어레이(120)로부터 사출된 복수의 부분 광선속은, 편광변환 광학계(140)를 통과함으로써 각각 두개의 부분 광선속으로 변환된다.
도 5는, 제2의 렌즈 어레이(130A)의 외관을 나타내는 설명도이다. 도 5(A)는 평면도, 도 5(B)는 정면도, 도 5(C)는 측면도를 나타내고 있다. 제2의 렌즈 어레이(130A)는, 편광 분리막(142)을 투과하는 복수의 부분 광선속이 각각에 대응하는 복수의 제2의 소렌즈(132Aa)와, 편광 분리막(142) 및 반사막(144)으로 반사되는 복수의 부분 광선속이 각각에 대응하는 복수의 제3의 소렌즈(132Ab)를 구비하고 있다. 제2의 소렌즈(132Aa) 및 제3의 소렌즈(132Ab)의 y축방향의 폭은 제1의 소렌즈(122)의 y축방향의 폭(Wiy)과 같고, x축방향의 폭은 제1의 소렌즈(122)의 x축방향의 폭(Wix)의 반과 같아지도록 설정되어 있다. 제2의 렌즈 어레이(130A)는, 도 1에 나타내는 바와 같이, 제2의 소렌즈(132Aa) 및 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면이 편광변환 광학계(140)측을 향하도록 배치되어 있다. 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면위치는, 후술하는 이유로부터, 제2의 소렌즈(132Aa)의 곡면위치에 비하여 높이(Di)만큼 높아지도록 형성되어 있다. 따라서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면위치는 제2의 소렌즈(132Aa)의 곡면위치보다도 길이(Di)만큼 편광변환 광학계(140)측으로 어긋나 있다. 또, 제2의 소렌즈(132Aa)와 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면형상은 같다. 곡면형상은, 렌즈의 굴절율이나 촛점거리에 의존하여 결정된다.
제2의 렌즈 어레이(130A)의 제2의 소렌즈(132Aa) 및 제3의 소렌즈(132Ab)에 입사하는 부분 광선속에 의해, 제1의 소렌즈(122)내에서 형성된 상(像)이 중첩 렌즈(150)를 개재하여 조명영역(LA) 상에서 결상(結像)된다.
즉, 도 1의 편광변환 광학계(140)의 편광 분리막(142)을 투과한 복수의 부분 광선속은, 제2의 렌즈 어레이(130A)의 대응하는 제2의 소렌즈(132Aa)를 개재하여 중첩 렌즈(150)로 입사한다. 또한, 편광 분리막(142) 및 반사막(144)에서 반사된 복수의 부분 광선속은, 제2의 렌즈 어레이(130A)의 대응하는 제3의 소렌즈(132Ab)를 개재하여 중첩 렌즈(150)로 입사한다. 중첩 렌즈(150)로 입사한 복수의 부분 광선속은, 조명영역(LA) 상에서 거의 중첩된다. 이상과 같이 하여, 본 실시예의 조명광학계(100A)는, 조명영역(LA) 위를 거의 한 종류의 직선 편광광으로 조명할 수 있다.
조명광학계(100A)는, 편광변환 광학계(140)의 사출면 측으로 도 5에 나타낸 바와 같은 제2의 렌즈 어레이(130A)가 설치되고 있는 점에 특징을 갖고 있다. 즉, 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면위치가 제2의 소렌즈(132Aa)의 곡면위치에 비하여 편광변환 광학계(140)측으로 길이(Di)만큼 어긋나 배치되어 있는 점이 특징적이다.
도 6은, 제2의 렌즈 어레이(130A)의 기능을 나타내는 설명도이다. 도 6(A)는 편광 분리막(142)을 투과하는 광(이하, 단지「투과광」이라고 하는 경우도 있다)의 광경로를 나타내고, 도 6(B) 및 도 6(C)는 편광 분리막(142) 및 반사막(144)에서 반사되는 광(이하, 단지「반사광」이라고 하는 경우도 있다.)의 광경로를 나타내고 있다. 다만, 도 6(B)는 도 5에 나타낸 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면위치가 제2의 소렌즈(132Aa)의 곡면위치와 같은 높이에 있는 제3의 소렌즈(132Ab')가 배열되어 있다고 가정한 경우를 나타내고 있다. 또, 도 6은 설명을 용이하게 하기 위해서, 편광 분리막(142) 및 반사막(144)에서의 반사의 광경로를 직선 형상의 등가인 광경로로 바꿔 놓음과 동시에, 중첩 렌즈(150)에 의한 광의 편향을 무시하여 나타내고 있다.
도 6(A) 및 도 6(B)에 나타내는 바와 같이, 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면위치가, 제2의 소렌즈(132Aa)의 곡면위치와 같은 높이, 즉 Di=0인 경우에는 도 14를 이용하여 설명한 종래의 조명광학계와 마찬가지로, 반사광의 광경로의 길이는, 투과광의 광경로의 길이에 비하여, 편광 분리막(142)으로부터 반사막(144)까지의 광경로의 길이(Wp) {Wp는 편광 분리막(142)과 반사막(144)의 간격}로 거의 같은 길이만큼 길어진다. 이 때문에, 반사광이 조명하는 조명영역(LA) 위의 제2의 영역(W2')의 크기가 투과광이 조명하는 제1의 영역(W1)의 크기에 비하여 커지는 것을 알 수 있다.
한편, 도 6(C)에 나타내는 바와 같이, 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면위치를 변화시키면, 제3의 소렌즈(132Ab)로 입사하는 반사광의 폭을 변화시킬 수 있기 때문에, 결과로서 반사광이 조명하는 조명영역(LA) 상의 영역(W2)의 크기를 변화시킬 수 있다. 구체적으로는, 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면위치를, 도 6(B)의 위치보다도 편광변환 광학계(140)측에 비키어 놓음으로써, 반사광이 조명하는 조명영역(LA) 상의 제2의 영역(W2)의 크기를 작게 할 수 있다(도 1). 이 결과, 제1의 영역(W1)의 크기와 제2의 영역(W2)의 크기가 거의 같아지도록 조정하는 것이 가능하다.
또, 이 길이(Di) 즉, 제2의 소렌즈(132Aa)의 곡면위치와 제3의 소렌즈(132Ab)의 곡면위치의 차(어긋난 량)(Di)는 아래와 같이 하여 구하는 것이 가능하다.
먼저, 도 6(A) 및 도 6(C)에서, 기하학적인 관계로부터 아래의 수학식 1 내지 수학식 3의 관계식이 구해진다.
T1/T2 = R1/R2 = Wi/W
T1 + T2 + Wp = R1 + R2
T1 + Di = R1
여기서, T1은 제1의 소렌즈(122)와 제2의 소렌즈(132Aa) 사이의 광경로 길이, T2는 제2의 소렌즈(132Aa)와 조명영역(LA) 사이의 광경로 길이, R1은 제1의 소렌즈(122)와 제3의 소렌즈(132Ab) 사이의 광경로 길이, R2는 제3의 소렌즈(132Ab)와 조명영역(LA) 사이의 광경로 길이를 나타내고 있다. 또한, Wi는 제1의 소렌즈(122)의 크기를 나타내고, W는 조명영역(LA) 위의 제1의 영역(W1)의 크기를 나타내고 있다. Wp는 편광 분리막(142)과 반사막(144)의 간격을 나타내고 있고, 편광변환 광학계(140)에서의 투과광과 반사광의 광경로 길이의 차는 거의 같다.
어긋난 량(Di)은, 상기 수학식 1 내지 수학식 3으로부터, 다음의 구체적인 유도과정, 즉:수학식 3으로부터, Di = R1 - T1 .................................(a)수학식 2로부터, R1 - T1 = - (R2 - T2) + Wp ...................(b)수학식 1로부터, R2 = R1 ·W/Wi ; T2 = T1 ·W/Wi ..............(c)(c)를 (b)에 대입하면, R1 - T1 = - (W/Wi) ·(R1 - T1) + Wp ......(d)(d)를 정리하면, R1 - T1 = (Wp ·Wi)/(Wi + W) ....................(e)가 얻어지고, 여기서 (a)와 (e)를 결합하면 아래 수학식 4와 같이 구해진다.
Di = R1 - T1 = (Wp ·Wi)/(Wi + W)
상기 수학식 4를 이용하면, 제2의 렌즈 어레이(130A)의 제2의 소렌즈(132Aa)의 곡면위치와 제3의 소렌즈(132Ab) 곡면위치의 어긋난 량을 간단히 구할 수 있다.또, 이 어긋난 량(Di)은 통상 0 < Di < Wi의 범위로 설정된다. 다만, Di > Wi의 범위로 설정하는 것도 가능하다.
또, 도 1에서는 제2의 렌즈 어레이(130A)와, 중첩 렌즈(150)가 간격을 가지고 떨어져서 배치되어 있지만, 이들을 인접하여 배치하도록 해도 좋다. 또한, 광학접착제를 이용하여 서로 붙여도 좋다. 또한, 편광변환 광학계(140)도, 도 1에서는 제2의 렌즈 어레이(130A)와 간격을 가지고 떨어져서 배치되고 있지만, 마찬가지로 제2의 렌즈 어레이(130A)에 인접시키거나, 서로 붙여도 좋다.
도 7은, 조명광학계(100A)의 변형예를 평면적으로 나타내는 개략구성도이다. 이 조명광학계(100B)는 제2의 렌즈 어레이(130A)를 제2의 렌즈 어레이(130B)로 바꿔 놓은 예를 나타내고 있다. 제2의 렌즈 어레이(130B)는 제2의 소렌즈(132Ba) 및 제3의 소렌즈(132Bb)의 곡면이, 중첩 렌즈(150)측을 향하도록 배치되어 있는 경우를 나타내고 있다. 다만, 이 경우에는 제2의 소렌즈(132Ba)의 곡면위치가 제3의 소렌즈(132Bb)의 곡면위치에 비하여 높이(Di)만큼 높아지도록 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또, 편광변환 광학계(140)와 제2의 렌즈 어레이(130B)는 간격을 가지고 떨어져서 배치되고 있지만, 서로 인접시키거나, 서로 붙여도 좋다.
도 8은 조명광학계(100A)의 다른 변형예를 평면적으로 나타내는 개략구성도이다. 이 조명광학계(100C)는, 제2의 렌즈 어레이(130A)를 제2의 렌즈 어레이(130C)로 바꿔 놓은 예를 나타내고 있다. 제2의 렌즈 어레이(130C)는, 제2의 소렌즈(132Ca)의 곡면이 중첩 렌즈(150)측을 향하고, 제3의 소렌즈(132Cb)가 편광변환 광학계(140)측을 향하도록 배치되어 있는 경우를 나타내고 있다. 다만, 이 경우에 제2의 소렌즈(132Ca)의 곡면위치와 제3의 소렌즈(132Cb) 곡면위치의 차는, Di가 되도록 형성되어 있는 것이 바람직하다. 또, 편광변환 광학계(140)와 제2의 렌즈 어레이(130C)는 간격을 가지고 떨어져서 배치되어 있지만, 서로 인접시키거나, 서로 붙여도 좋다.
또, 상기 실시예 및 각 변형예는 다시 아래와 같이 변형하는 것이 가능하다.
도 9는 조명광학계(100A)의 다른 변형예를 평면적으로 나타내는 개략 구성도이다. 이 조명광학계(100D)는, 조명광학계(100A)의 제2의 렌즈어레이(130A)와 중첩 렌즈(150)를, 제2의 렌즈어레이(130D)로 바꿔 놓은 예를 나타내고 있다. 제2의 렌즈어레이(130D)는, 제2의 렌즈어레이(130A)의 제2의 소렌즈(132Aa) 및 제3의 소렌즈(132Ab)의 각각이, 중첩 렌즈(150)의 기능을 겸비하도록, 각 소렌즈의 위치에 따른 편심량을 갖는 편심 렌즈로 구성되어 있다.
도 10은 도 7에 나타낸 조명광학계(10OB)의 변형예를 평면적으로 나타내는 개략 구성도이다. 이 조명광학계(10OE)는, 조명광학계(10OB)의 제2의 렌즈어레이(130B)와 중첩 렌즈(150)를, 제2의 렌즈어레이(130E)로 바꿔 놓은 예를 나타내고 있다. 제2의 렌즈어레이(13OE)는, 제2의 렌즈어레이(130B)의 제2의 소렌즈(132Ba) 및 제3의 소렌즈(132Bb)의 각각이, 중첩 렌즈(150)의 기능을 겸비하도록, 각 소렌즈의 위치에 따른 편심량을 갖는 편심 렌즈로 구성되어 있다.
도 11은 도 8에 나타낸 조명광학계(100C)의 변형예를 평면적으로 나타내는 개략 구성도이다. 이 조명광학계(1OOF)는, 조명광학계(1OOC)의 제2의 렌즈어레이(130C)와 중첩 렌즈(150)를, 제2의 렌즈어레이(130F)로 바꿔 놓은 예를 나타내고 있다. 제2의 렌즈어레이(13OF)는, 제2의 렌즈어레이(13OC)의 제2의 소렌즈(132Ca) 및 제3의 소렌즈(132Cb)의 각각이, 중첩 렌즈(150)의 기능을 겸비하도록, 각 소렌즈의 위치에 따른 편심량을 갖는 편심렌즈로 구성되어 있다.
상기 어느 것의 실시예나 변형예에서도, 제2의 소렌즈의 곡면위치에 대하여 제3의 소렌즈의 곡면위치를 편광변환 광학계(140)측으로 비키어 놓을 수 있기 때문에, 편광 분리막(142)을 투과하는 광이 조명하는 영역의 크기와 편광 분리막(142) 및 반사막(144)에서 반사되는 광이 조명하는 영역의 크기가 거의 같아지도록 조정할 수 있다. 이에 의해, 종래의 조명광학계에서 발생하고 있던 조명광학계의 조명효율의 저하를 억제할 수 있다. 또한, 조명광학계(100D 내지 100F)에서는, 중첩 렌즈(150)를 생략할 수 있기 때문에 조명광학계의 간략화, 저 코스트화를 꾀할 수 있다.
또, 상기 실시예나 각 변형예는, 직선으로 나타낸 시스템광축(SX)을 따라, 각 광학요소가 배치된 구성을 갖고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니고, 각 광학요소 사이의 어느 것인가의 위치로 반사판을 배치하여, 광의 광경로를 편향하는 구성으로 해도 좋다.
이상의 설명으로부터 알 수 있는 바와 같이, 제1의 렌즈어레이 및 제2의 렌즈어레이가, 각각 본 발명의 제1의 광학계 및 제2의 광학계에 상당한다. 또한, 제1의 소렌즈 내지 제3의 소렌즈가, 각각 본 발명의 제1의 렌즈 내지 제3의 렌즈에 상당한다.
J. 프로젝터:
도 12는 본 발명의 조명광학계를 적용한 프로젝터를 나타내는 설명도이다. 이 프로젝터(1000)는 조명광학계(100F)와, 색광분리광학계(200)와, 릴레이광학계(220)와, 3매의 투과형의 액정 라이트 밸브(액정 패널)(300R, 30OG, 300B)와, 크로스 다이크로익 프리즘(520)과, 투사광학계(540)를 구비하고 있다.
조명광학계(100F)는, 상술한 바와 같이, 편광방향이 갖추어진 직선 편광광(상술한 예에서는, s편광광)의 조명광을 사출한다. 조명광학계(1OOF)로부터 사출된 광은, 색광분리광학계(200)에서 빨강(R), 초록(G), 파랑(B)의 3색의 색광으로 분리된다. 분리된 각 색광은, 조명영역(LA)에 상당하는 액정 라이트 밸브(300R, 300G, 300B)에 조사되어, 각각의 색광에 대응하는 색신호(화상정보)에 따라 변조된다. 액정 라이트 밸브(300R, 300G, 30OB)에서 변조된 3색의 변조광선속은, 크로스 다이크로익 프리즘(520)에 의해 합성되고, 투사광학계(540)에 의해 스크린(SC) 상에 투사된다. 이에 의해, 스크린(SC) 상에 컬러화상이 표시되는 것으로 된다. 또, 도 12에 나타내는 바와 같은 프로젝터의 각부의 구성 및 기능에 관해서는 예컨대, 본원 출원인에 의해 개시된 특개평 10-32594호 공보에 자세히 기술되어 있기 때문에, 본 명세서에 서 상세한 설명은 생략한다.
이 프로젝터(1000)는, 종래의 조명광학계에서 발생하고 있던 조명광학계의 조명효율의 저하를 억제한 조명광학계(100F)를 적용하고 있기 때문에, 보다 밝은 화상을 표시시킬 수 있다.
또한, 이 프로젝터(1000)의 조명광학계로서, 위에서 기술한 다른 실시예나 변형예를 이용하더라도 마찬가지 효과를 얻을 수 있다.
또, 액정 라이트 밸브(300R, 30OG, 30OB)는 본 발명에서의 전기광학장치에 상당한다.
또, 본 발명은 상기의 실시예나 실시형태에 한정되는 것이 아니라, 그 요지를 일탈하지 않은 범위에서 여러 가지의 태양으로 실시하는 것이 가능하다.
(1) 상기 조명광학계에서는, 제2의 렌즈어레이의 제2의 소렌즈의 곡면위치에 대하여 제3의 소렌즈의 곡면위치를 비키어 놓음으로써, 조명효율의 저하를 억제한 경우를 예로 설명하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 제2의 소렌즈와 제3의 소렌즈의 곡면형상을, 제2의 소렌즈와 제3의 소렌즈로 변화시킴으로써, 조명효율의 저하를 억제하는 것도 가능하다. 또한, 곡면형상 및 곡면위치를 변화시킴으로써, 조명효율의 저하를 억제하는 것도 가능하다. 즉, 편광 분리막을 투과하는 광에 의한 조명영역의 크기와, 편광 분리막 및 반사막에서 반사되는 광에 의한 조명영역의 크기가 같아지도록, 제2의 소렌즈 및 제3의 소렌즈 중, 적어도 한 쪽의 광학특성이 조정되어 있도록 하면 좋다. 또, 본 발명에서의 광학특성에는 굴절율이나 곡면형상 등의 소위 광학특성뿐만 아니라, 렌즈의 곡면위치도 포함되어 있다.
(2) 또한, 상기 조명광학계에서는, 복수조의 편광 분리막과 반사막을 갖는 편광변환 광학계를 구비하는 경우를 예로 설명하고 있지만, 한 조의 편광 분리막과 반사막을 갖는 편광변환 광학계를 구비하는 구성으로 해도 좋다.
(3) 상기 프로젝터에서는 전기광학장치로서 투과형의 액정 라이트 밸브를 적용한 프로젝터를 예로 나타내고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 반사형의 액정 라이트 밸브를 적용하는 프로젝터이더라도 좋고, 특정한 직선 편광광을 조명광으로 하여 이용하는 모든 타입의 전기광학장치를 적용하는 프로젝터이면 좋다.
(4) 상기 실시예에서는, 본 발명의 조명광학계를 프로젝터에 적용한 경우를 설명하고 있지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 조명광학계는, 여러 가지의 장치에서의 조명광학계로서 이용 가능하다.
상술한 바와 같이, 본발명은 편광변환 광학계를 이용한 조명광학계에서 발생하는 조명효율의 저하를 억제하는 등의 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 조명광을 사출하는 조명광학계로서,
    비편광인 광을 사출하는 광원과,
    적어도 한 조(組)가 서로 평행인 편광 분리막 및 반사막이 소정의 방향을 따라 기울어지게 배치되고, 입사하는 비편광인 광을 소정의 편광방향을 갖는 직선 편광광으로 변환하는 편광변환 광학계와,
    상기 광원과 상기 편광 분리막 사이의 광경로(光路) 상에 설치된 적어도 하나의 제1의 렌즈를 갖는 제1의 광학계와,
    상기 제1의 렌즈로부터 사출된 제1의 광 중, 상기 편광 분리막을 투과한 제2의 광이 입사하는 제2의 렌즈와, 상기 편광 분리막 및 상기 반사막으로 반사된 제3의 광이 입사하는 제3의 렌즈를 갖는 제2의 광학계를 구비하고,
    상기 제2의 렌즈 및 상기 제3의 렌즈 중, 적어도 한 쪽의 광학특성은 소정의 영역 상에서 상기 제2의 광이 조사되는 제1의 영역의 크기와, 상기 소정의 영역 상에서 상기 제3의 광이 조사되는 제2의 영역의 크기가 같아지도록 조정되어 있는 것을 특징으로 하는
    조명광학계.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제3의 렌즈의 곡면위치는 상기 제2의 렌즈의 곡면위치에 대해 어긋난위치로 조정되어 있는 조명광학계.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2의 렌즈 및 상기 제3의 렌즈는 같은 곡면형상을 갖는 조명광학계.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제2의 렌즈의 곡면위치와 상기 제3의 렌즈의 곡면위치의 차(Di)는, 상기 제1의 렌즈의 크기를 Wi로 하고, 상기 제1의 영역의 크기를 W로 하며, 상기 편광 분리막과 상기 반사막의 간격을 Wp로 하면,
    Di = (Wp ·Wi)/(Wi + W)
    에 의해 결정되는 조명광학계.
  5. 화상을 투사하는 프로젝터로서,
    조명광을 사출하는 조명광학계와,
    상기 조명광학계로부터의 광을 화상정보에 따라 변조하는 전기광학장치와,
    상기 전기광학장치에서 얻어지는 변조광을 투사하는 투사광학계를 구비하고,
    상기 조명광학계는,
    비편광인 광을 사출하는 광원과,
    적어도 한 조가 서로 평행인 편광 분리막 및 반사막이 소정의 방향을 따라 기울어지게 배치되고, 입사하는 비편광인 광을 소정의 편광방향을 갖는 직선 편광광으로 변환하는 편광변환 광학계와,
    상기 광원과 상기 편광 분리막 사이의 광경로 상에 설치된 적어도 하나의 제1의 렌즈를 갖는 제1의 광학계와,
    상기 제1의 렌즈로부터 사출된 제1의 광 중, 상기 편광 분리막을 투과한 제2의 광이 입사하는 제2의 렌즈와, 상기 편광 분리막 및 상기 반사막으로 반사된 제3의 광이 입사하는 제3의 렌즈를 갖는 제2의 광학계를 구비하고,
    상기 제2의 렌즈 및 상기 제3의 렌즈 중, 적어도 한 쪽의 광학특성은 상기 전기광학장치 상에서 상기 제2의 광이 조사되는 제1의 영역의 크기와, 상기 전기광학장치 상에서 상기 제3의 광이 조사되는 제2의 영역의 크기가 같아지도록 조정되어 있는 것을 특징으로 하는
    프로젝터.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 제3의 렌즈의 곡면위치는 상기 제2의 렌즈의 곡면위치에 대해 어긋난 위치로 조정되어 있는 프로젝터.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2의 렌즈 및 상기 제3의 렌즈는 같은 곡면 형상을 갖는 프로젝터.
  8. 제 6항 또는 제 7항에 있어서,
    상기 제2의 렌즈의 곡면위치와 상기 제3의 렌즈의 곡면위치의 차(Di)는 상기 제1의 렌즈의 크기를 Wi로 하고, 상기 제1의 영역의 크기를 W로 하며, 상기 편광분리막과 상기 반사막의 간격을 Wp로 하면,
    Di = (Wp ·Wi) / (Wi + W)
    에 의해 결정되는 프로젝터.
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