KR100506114B1 - 투사형 영상 표시 장치 - Google Patents

Abstract

소형 경량으로 밝고, 흑영상시의 누출광에 의한 콘트라스트 저하가 없는 반사형 영상 표시 소자를 이용한 투사형 영상 표시 장치를 실현하는 것을 목적으로 한다.

이를 실현하기 위해, 반사형 영상 표시 소자에 대한 편광자 및 검광자로서 동일한 특정 방향만 격자 작용을 가짐으로써 편광판으로서 작용하는 반사형 편광판을 이용하고, 광로상, 상기 반사형 영상 표시 소자의 직전, 직후에 상기 반사형 편광판을 배치하도록 구성한다.

Description

투사형 영상 표시 장치 {Projection Type Image Display Device}

본 발명은, 반사형 액정 패널을 사용하여 스크린 상에 영상을 투영하는 투사 장치, 예를 들어 반사형 액정 프로젝터나, 반사형 액정 후방 프로젝터 등의 투사식 영상 표시 장치 및 투사식 영상 표시 장치용 광학 유닛에 관한 것이다.

반사형 액정 패널을 이용한 반사형 액정 프로젝터의 광학 유닛에 대해 이하에 설명한다. 광원으로부터 출사한 무편광광은 편광 변환 소자에서 직선 편광으로 변환되어 편광자에 입사한다. 편광자에서 불필요한 편광 성분이 제거된 후에 반사형 액정 패널에 입사한다. 빛은 반사형 액정 패널에 의해 영상 신호에 따라서 화소마다 편광 상태가 변조되어 검광자로 입사한다. 각 화소로부터의 출사광의 편광 상태에 의해 검광자를 투과 혹은 반사하는 광량이 결정된다. 이와 같이 하여 얻게 된 영상을 투사 렌즈에 의해 확대 투사한다. 일반적으로 편광자 및 검광자에는 편광 빔 스플리터 프리즘(이후 PBS 프리즘이라 함)이 이용되고 있다. PBS 프리즘은 유전체 다층막 면을 구비하고 있어 그 막 면(이후 PBS막이라 함)에 의해 P 편광을 투과하여 S 편광을 반사한다.

검광자로서 PBS 프리즘을 이용한 반사형 액정 프로젝터의 구성에서는 흑영상 표시시의 PBS 프리즘으로부터의 누출광이 이하의 원리에서 발생한다. 메인 입사면에 평행하지 않은 광선이 PBS 프리즘을 투과 혹은 반사할 때의 S 편광 방향 및 P 편광 방향과 그 광선이 반사형 액정 패널에 의해 반사되어 PBS 프리즘에 재입사할 때의 S 편광 방향 및 P 편광 방향은 다르다. 그러나 PBS 프리즘을 투과 혹은 반사한 후의 광선의 편광 방향은 재입사시에도 유지되므로 메인 입사면에 평행한 광선은 재입사시에 완전히 투과 혹은 반사하지만, 메인 입사면에 평행하지 않은 광선은 그 편광의 S 편광 성분은 반사되고, P 편광 성분은 투과한다. 이로 인해 메인 입사면에 평행하지 않은 광선은 누출광이 생겨 흑영상시의 광누출, 즉 콘트라스트 저하의 요인이 된다.

또한, 투사 렌즈와 크로스 다이크로 프리즘 사이에 λ/4판을 넣어 콘트라스트를 향상시키는 방법도 제안되어 있다.

그러나 상기한 바와 같이 반사형 액정 패널에 대한 편광자 및 검광자로서 PBS 프리즘을 이용한 구성에 있어서, 패널 직전에 콘트라스트 저하 방지를 위해 1/4 파장판을 이용한 경우라도 그 효과는 완전하지 않다. 파장판은 파장 특성 및 각도 특성을 갖고, 입사 광선이 설계 중심 파장으로부터 떨어질수록, 또한 입사각이 커질수록 그 기능은 저하되므로, 누출광은 완전하게는 방지할 수 없어 콘트라스트는 저하된다. 이 누출광의 스크린에의 투사를 방지하고자 하여 PBS 프리즘과 투사 렌즈 사이 등에 편광판을 배치해도, 이 누출광은 편광판의 투과축 방향과 동일한 편광 성분이기 때문에 방지할 수 없다.

또한 PBS 프리즘을 이용하면 중량의 면에서 불리해진다. 또한 PBS 프리즘에 복굴절에 의한 콘트라스트의 불균일이 발생하지 않도록 광탄성 계수가 낮은 유리 재료를 이용한 경우, 비중이 크기 때문에 무겁고, 또한 유통량이 적기 때문에 비용이 높다.

본 발명의 과제는 상기의 문제점을 해결하여 소형 경량으로 밝기, 콘트라스트, 해상도 등의 화질 성능이 양호한 반사형 영상 표시 소자를 이용한 투사형 영상 표시 장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 해결하기 위해, 본원은 빛을 방사하는 광원 유닛과, 영상 신호에 따른 광학상을 형성하는 라이트 벌브 수단인 3매의 반사형 영상 표시 소자와, 상기 광원 유닛으로부터의 빛을 3색광으로 색 분리하여 각 색광에 대응하는 상기 반사형 영상 표시 소자로 입사하는 색분리계와, 상기 반사형 영상 표시 소자로부터의 3색광을 합성하는 색합성계와, 색합성한 광학상을 투사하는 투사 수단으로 구성되는 투사형 영상 표시 장치이며, 상기 반사형 영상 표시 소자에 대한 편광자 및 검광자로서 회절 작용에 의해 소정의 편광 방향의 제1 편광광을 반사하고, 상기 소정 방향과 대략 직교하는 편광 방향의 제2 편광광을 투과하는 평판형의 반사형 편광판과, 상기 반사형 편광판의 출사측에 상기 제1 편광광과 상기 제2 편광광 중 어느 한 쪽을 투과하는 보조 검광자를 갖고, 상기 색합성계는 색합성 프리즘에 의해 구성되고, 상기 색분리계에 의해 분리된 각 색광은 상기 반사형 편광판을 거쳐서 상기 반사형 영상 표시 소자에 입사하고, 상기 반사형 영상 표시 소자에 의해 형성된 반사광의 광학상은 상기 반사형 영상 표시 소자를 거쳐서 상기 색합성계에 입사하도록 배치하도록 구성한다.

이하, 본 발명의 실시 형태를 도면을 참조하여 설명한다.

도1은 본 발명에 의한 반사형 액정 프로젝터용 광학 유닛의 일실시 형태를 도시하는 도면이다. 투사형 영상 표시 장치(22)에는 광원(1a)을 갖는 광원 유닛(1)이 있고, 광원(1a)은 초고압 수은 램프, 메탈 할로이드 램프, 크세논 램프, 수은 크세논 램프, 할로겐 램프 등의 백색 램프이다. 광원(1)의 전구(1a)로부터 방사되는 빛은 타원면 또는 포물면 또는 비구면의 리플렉터(1b)에서 집광되어 반사된다. 전구(1a)로부터의 발열에 의해 광원(1)은 고온이 되므로, 후방에 배치한 냉각 팬(40)에 의해 이를 냉각하고 있다.

이 리플렉터(1b)의 출사 개구와 대략 동등 사이즈의 직사각형 프레임에 설치된 복수의 집광 렌즈에 의해 구성되고, 램프 유닛으로부터 출사한 빛을 집광하여 복수의 2차 광원상을 형성하기 위한 제1 어레이 렌즈(32)에 입사하고, 또한 복수의 집광 렌즈에 의해 구성되어 전술한 복수의 2차 광원상이 형성되는 근방에 배치되고, 또한 반사형 액정 패널(11)에 제1 어레이 렌즈(32)의 개개의 렌즈상을 결상시키는 제2 어레이 렌즈(33)를 투과한다. 후방단에서 반사형 영상 표시 소자로 조사하기 위해, 광로를 상하 방향으로 절곡하기 위해 제1 어레이 렌즈(32) 및 제2 어레이 렌즈(33)는 세로로 긴 셀을 갖고 있다. 이 출사광은 제2 어레이 렌즈(33) 각각의 렌즈 광축의 종방향 피치에 적합하도록 배치된 각각의 렌즈 폭의 대략 1/2 사이즈의 마름모꼴 프리즘의 열에 의해 구성되는 편광 변환 소자(31)로 입사한다.

이 프리즘면에는 편광 분리막이 실시되어 있고, 입사광은 이 편광 분리막에서 P 편광광과 S 편광광으로 분리된다. P 편광광은 그대로 편광 분리막을 투과하여 출사된다. 한편, S 편광광은 편광 분리막에 의해 반사되어 인접하는 능형 프리즘 내에서 본래의 광축 방향으로 또 한번 반사한 후, 이 프리즘의 출사면에 설치된 λ/2 위상차판에 의해 편광 방향이 90 °회전되고, P 편광광으로 변환되어 출사된다. 콜리메터 렌즈(34)는 정의 굴절력을 가져 빛을 집광시키는 작용을 갖고, 빛은 각 색 RGB 3매의 반사형 액정 패널(11)을 조사한다.

본 구성은 2단 구성으로 되어 있어 RB 투과 G 반사 다이크로익 미러(36)에서 색분리한 후, G광은 백색 반사 미러(5)에서 이것도 상방향으로 반사된다. R 투과 B 반사 다이크로익 미러(37)는 B광을 투과하고, R광을 상방향으로 반사하여 RB광을 색분리한다. B광은 결상 렌즈군(4)을 경유하여 반사 미러(5)에서 이것도 상방향으로 반사된다. 3색의 광로로 분리된 빛은 각각 콘트라스트를 향상하기 위해 배치된 R용 보조 편광자(도시하지 않음), G용 보조 편광자(92), B용 보조 편광자(93)를 투과하고, R용 반사형 편광판(편광 분리 소자)(101), G용 반사형 편광판(편광 분리 소자)(102), B용 반사형 편광판(편광 분리 소자)(103)을 투과하여 R용 반사형 액정 패널(111), G용 반사형 액정 패널(112), B용 반사형 액정 패널(113)에 입사한다.

반사형 편광판(10)은 대략 직사각형의 형상을 갖고, 짧은 변측이 광축에 대해 대략 45도 경사져 있는 구성이 된다. 이렇게 함으로써, 반사형 액정 패널(11)로부터 반사형 편광판(10)까지의 거리를 짧게 할 수 있고, 투사 렌즈의 백포커스를 짧게 할 수 있다. 이에 의해, 투사 렌즈의 수차를 개선할 수 있다.

반사형 액정 패널(11)은 표시하는 화소에 대응하는(예를 들어 가로 1900화소, 세로 1080화소 각 3색 등) 수의 종횡비 16 : 9의 액정 표시부가 설치되어 있다. 그리고, 외부로부터 구동되는 신호에 따라서 패널(11)의 각 화소의 편광 위상 각도가 바뀌어, 편광 방향의 일치한 빛이 반사형 편광판 및 보조 검광자에서 검광된다. 이 도중 각도의 편광을 가진 빛은 반사형 편광판 및 보조 검광자의 편광도와의 관계에서 검광되는 양이 결정된다. 이와 같이 하여, 외부로부터 입력하는 신호에 따른 영상을 표시한다. 이 때, 반사형 액정 패널(11)이 흑색 표시를 행할 경우에 편광 방향은 입사광과 대략 동등하고, 그대로 입사광로에 따라서 광원측으로 복귀된다.

각 광로에서 반사형 액정 패널(11)의 반사면의 광축이 크로스 다이크로익 프리즘(14)의 각 색광의 입사면의 광축과 직교하고, 양자의 광축의 대략 직교하는 위치 근방에 각각의 광축에 대략 45도 경사시켜 반사형 편광판(10)이 배치되어 있다. 이 구성에 의해, 크로스 다이크로익 프리즘(14)의 각 색광의 광로에 배치되는 각 부품이 크로스 다이크로익 프리즘(14)의 입사면으로부터 보아, 반사형 편광판으로부터 보조 검광자까지의 광학 부품의 배치 구성이 각 광로에서 대칭을 이루어 대략 동등하다. 결상의 관점으로부터, 각 패널(11)로부터 투사 렌즈(15)까지의 광로 길이는 각 광로에서 대략 비슷하게 할 필요가 있으므로, 이와 같이 대칭으로 배치함으로써 서로 부품의 간섭 및 광로의 간섭을 최소한으로 억제할 수 있어 설계가 용이하다. 또한, 공간을 보다 효율적으로 사용 할 수 있어 사이즈를 작게 할 수 있다.

R, G, B 각각의 반사형 액정 패널에 의해 반사된 빛은 각각 R용 반사형 편광판(101), G용 반사형 편광판(102), B용 반사형 편광판(103)에 의해 반사되어 광선의 방향을 대략 90 °바꿀 수 있어 각각 R용 보조 검광자(121), G용 보조 검광자(122), B용 보조 검광자(123)를 투과하고, G는 G용 1/2 파장판(13)을 투과하여 P 편광광으로 변환되고, R, G, B 모두 크로스 다이크로익 프리즘(14)에 입사한다.

3매의 반사형 액정 패널(11)의 반사면의 광축이 동일 방향을 향하고 있어, 3매의 반사면이 어느 1매를 기준으로 하여 대략 동일한 높이로 배치되어 있다. 3매 패널(11)의 화소의 위치 맞춤의 조정 작업 및 조정 종료 후에 패널(11)을 보유 지지 부품에 고정 부착하는 작업을 모두 동일 방향으로부터의 지그로 할 수 있으므로, 상기 작업이 보다 용이해져 작업 시간의 단축, 나아가서는 저비용화가 가능하다. 또한, 지그에 회전 기구를 부착하면 모든 패널(11)을 동일한 지그를 이용하여 조정 가능하고, 지그의 설계 및 작성 비용의 저감이 가능하다.

또한, 반사형 액정 패널은 이면측에 광로가 없으므로, 이면에 방열판을 부착하여 냉각할 수 있다. 본 실시예에서는 상면측에 냉각 팬(도시하지 않음)을 1개 배치하는 것만으로 3매의 반사형 액정 패널을 상면측으로부터 효율적으로 냉각할 수 있다.

3매의 반사형 액정 패널(11)이 크로스 다이크로익 프리즘(14)의 광로에 사용되지 않는 상면측에 배치되어 있고, 반사형 액정 패널(11)의 높이는 크로스 다이크로익 프리즘(14)의 상면보다 상측에 배치되어 있다. 이 구성에 의해, 패널(11)이나 패널 보유 지지 부재와 크로스 다이크로익 프리즘(14)과의 간섭을 방지할 수 있으므로, 광학 엔진의 사이즈를 작게 할 수 있다.

반사형 편광판(10)은 구조 섀시에 3점 돌출부를 설치하고, 반사면측을 그곳에 압박하여 반대 방향으로부터 판 스프링 등으로 힘을 부여하여 고정 보유 지지되어 있다. 패널 출사 후에 반사하는 반사형 편광판(10)의 반사면의 경사는 스크린 상의 위치에 영향을 미치므로 엄밀하게 관리할 필요가 있다. 구조 섀시는 형으로 작성하므로, 대량 생산품에 있어서 이 3점 돌출부의 위치 및 형상을 정밀도 좋게 관리하는 것이 용이하다. 이 3점 돌출부에 직접 반사면측을 압박하여 보유 지지함으로써, 대량 생산품에서의 반사면의 경사를 정밀도 좋게 관리할 수 있다.

본 실시예에서는 R, G, B용 반사형 편광판(101, 102, 103)의 표면 형상을 어느 1매를 기준으로 하여 ±3(λ/인치) 이내로 하고 있다. 빛이 반사형 액정 패널(11)을 출사한 후 반사형 편광판(10)을 반사하므로, 반사형 편광판이 오목형 혹은 볼록형의 형상을 가진 경우 반사형 편광판이 렌즈 효과를 갖고, 스크린 상에서의 결상 성능에 영향을 미치게 한다. 따라서, 반사형 편광판(10)의 표면 형상을 관리할 필요가 있다. 특히 3매의 패널을 이용하는 본 방식에서는 어느 1매를 기준으로 하여 서로의 표면 형상의 어긋남을 억제하는 것이 결상 성능의 확보를 위해서는 긴요하다. 도2에 반사형 편광판의 표면 형상과 각 화소의 조합 어긋남의 관계를 광선 추적의 시뮬레이션에 의해 구한 결과를 나타낸다. 이로부터, 각 화소의 조합 어긋남을 0.3 화소 이내로 억제하기 위해서는 ±4(λ/인치) 이내로 억제해야 하는 것을 알 수 있다. 이 어긋남량에 관해서는 ±3(λ/인치) 이내가 바람직하고, 화질 열하에 영향을 미치지 않는 범위인 ±4(λ/인치) 이내가 필요하게 된다. 표면 형상의 평면으로부터의 어긋남은 투사 렌즈의 핀트의 조정 기능으로 어느 정도 보정할 수 있다. 다른 실시예로서, 용이하게 부품 관리 및 선정하는 방법으로서 반사형 편광판은 3매 모두 반사면측이 볼록형으로 되어 있다. 혹은, 반사면측이 3매 모두 오목형으로 해도 유효하다.

또한, 일반적으로 결상 성능의 색배율 수차는 파장에 의존하므로, R, G, B의 순으로 좋아지거나, 또는 나빠지는 것 중 하나이다. 즉, G가 중심치를 취한다. 따라서, G용 반사형 편광판을 기준으로 채용하여 상호간의 어긋남을 뉴턴 ±3 λ 이내로 억제하는 것은 유효하다.

보조 편광자(9), 반사형 편광판(10), 보조 검광자(12)는 콘트라스트를 향상시키면 투과율이 열화되고, 투과율을 향상시키면 콘트라스트가 열화된다. 따라서, 투사형 영상 표시 장치의 성능으로서는 콘트라스트와 밝기가 트레이드 오프의 관계에 있다. 콘트라스트 확보를 위해 단일 부품을 이용하는 것은 아니고, 보조 편광자(9), 반사형 편광판(10), 보조 검광자(12)와 복수의 부품을 이용한다. 이하의 법칙에 따라서 상기 광학 부품의 성능 조합을 행하는 것이 투사형 영상 표시 장치의 고효율 및 고콘트라스트를 확보하기 위해서는 유효하다.

광학계의 콘트라스트는 하기에서 구할 수 있다.

1/(광학계의 콘트라스트) ＝ 1/(패널 입사측의 광학계 콘트라스트) ＋ 1/(패널 출사측의 광학계 콘트라스트)

이로부터 알 수 있는 것은, 패널 입사측의 광학계 콘트라스트만 좋게 하거나 혹은 출사측만 좋게 해도 효율적이지 않다. 입사측과 출사측의 콘트라스트의 균형을 취하는 것이 밝기도 콘트라스트도 가장 적절하게 하는 방법이다. 광학계 콘트라스트는 각 부품의 곱으로 구할 수 있다. 즉, 보조 편광자의 콘트라스트를 A, 보조 검광자의 콘트라스트를 D, 반사형 편광판의 투과 콘트라스트를 B, 반사형 편광판의 반사 콘트라스트를 C라 하면, 입사측의 광학계 콘트라스트는 A * B, 출사측의 광학계 콘트라스트는 C * D로 구할 수 있다. 따라서, 양쪽을 밸런스 좋게 하기 위해 A * B ＝ (0.1 내지 10) * C * D의 식을 충족시키는 보조 편광자, 보조 검광자, 반사형 편광판을 이용하면 된다. 보조 편광자 혹은 보조 검광자를 이용하지 않는 경우는 콘트라스트로서 1을 대입하여 상기 식을 충족시키면 된다.

이하에 보조 편광자 및 보조 검광자에 이용하는 흡수형 편광판의 콘트라스트의 측정 방법을 나타낸다. 측정용 광원으로부터 빛을 출사한다. 광원 후에 개구를 설치함에 따른 측정물에 입사하는 빛의 퍼짐은 대략 F20이다. 그 후에, 측정용 편광판을 P 편광에서의 특성을 측정하는 경우에는 P 편광, S 편광의 특성의 경우에는 S 편광이 투과하도록 투과축을 맞추어 배치한다. 그 후에, 측정물을 배치하여 측정한다. 빛은 측정물을 투과하여 측정용 수광기에 입사하고, 이에 의해 투과해 온 빛의 강도의 분광 분포를 측정할 수 있다. 흡수형 편광판의 투과축을 S 편광 투과와 P 편광 투과의 2개의 모드로 측정한다. 측정된 투과율의 분광 분포에 시감도를 곱함으로써 밝기를 구한다. 즉, 투과율 T(λ), 시감도 A(λ)라 하면, 밝기는, 이론적으로는 사용 파장 영역에서의 T(λ) * A(λ)의 파장 적분 ∫T(λ) * A(λ) dλ로 구할 수 있다. 실제 측정치에서는, 투과율 T(λ)는 단속적인 값을 취하므로, 밝기는 사용 파장 영역에서의 T(λ) * A(λ)의 총합에 의해 구한다. 반사의 경우는 투과율 T(λ) 대신에 반사율 R(λ)을 이용하면 된다. 흡수형 편광판을 P 편광 투과로 배치한 경우 콘트라스트는 (P 편광의 밝기)/(S 편광의 밝기)로, S 편광 투과로 배치한 경우 콘트라스트는 (S 편광의 밝기)/(P 편광의 밝기)로 구할 수 있다.

반사형 편광판의 콘트라스트 측정 방법을 나타낸다. 반사형 편광판에 대해서는 투과축을 P 편광에 맞추어, 광축에 대해 45도 경사시켜 배치한다. S 편광 입사시와 P 편광 입사시에 투과와 반사로 분광 분포를 측정한다. P 편광에 투과축을 맞추어 배치하고 있으므로, 콘트라스트는 투과에서는 (P 편광의 밝기)/(S 편광의 밝기)로, 반사에서는 (S 편광의 밝기)/(P 편광의 밝기)로 구한다.

일반적으로 반사형 편광판의 콘트라스트는 P 편광의 투과 쪽이 S 편광의 반사보다 좋다. 따라서, 상기 관계로부터 보조 검광자의 콘트라스트가 보조 편광자의 콘트라스트보다 높은 조합 구성으로 하면, 고효율 및 고콘트라스트 가능하다. 환언하면, 보조 검광자의 투과율이 보조 편광자의 투과율보다 낮은 조합 구성으로 하면 고효율 및 고콘트라스트 가능하다.

반사형 액정 패널(11)의 표시부는 그 표시부의 중심으로부터 보아, 비대상인 구조물(도시하지 않음)에 의해 보유 지지되어 있다. 반사형 액정 패널(11)은 크로스 다이크로익 프리즘(14)에 가까운 측에 표시부 중심으로부터 보아, 구조물의 길이가 짧은 쪽이 오도록 배치되어 있다. 본 구성에 의해, 반사형 액정 패널(11)을 크로스 다이크로익 프리즘(14)의 보다 근방에 배치할 수 있으므로, 장치의 사이즈의 소형화, 또한 반사형 액정 패널(11)로부터 크로스 다이크로익 프리즘(14)까지의 거리를 짧게 할 수 있으므로, 투사 렌즈(15)의 백포커스를 짧게 할 수 있어 수차의 개선이 가능하다.

다른 실시예로서, 반사형 편광판의 입사측에 대략 직선 편광인 S 편광을 반사하고, 그와 대략 직교하는 대략 직선 편광인 P 편광을 투과하는 편광 분리 프리즘(38)을 배치한다. 편광 분리 프리즘(38)을 이용하면, 필름으로 된 보조 편광자(9)와 달리 내열성이 높아져 냉각 팬에서의 냉각이 불필요해지므로, 소음을 보다 작게 할 수 있다.

제2 실시예를 도3을 이용하여 설명한다.

제1 어레이 렌즈 및 제2 어레이 렌즈가 가로로 긴 셀을 갖고, 편광 변환 소자(31)가 종방향의 피치에 적합하도록 배치되어 있는 것 및 반사 미러(5)에서 광로를 대략 90도 절곡할 수 있는 것 이외는, 광원(1)으로부터 콜리메터 렌즈(34)까지의 구성은 도1의 실시예와 동일하다.

다이크로익 미러(6, 7)에 의해 R(적색), G(녹색), B(청색)로 색분리된 후, B는 B 반사 미러(17)에 의해 광선의 방향을 90˚ 구부릴 수 있고, 각각 R용 보조 편광자(91), G용 보조 편광자(92), B용 보조 편광자(93) 및 R용 반사형 편광판(101), G용 반사형 편광판(102), B용 반사형 편광판(103)을 투과하여 R, G, B에 대응하는 R용 반사형 액정 패널(111), G용 반사형 액정 패널(112), B용 반사형 액정 패널(113)에 입사한다. R, G, B 각각의 반사형 액정 패널에 의해 반사된 빛은 각각 R용 반사형 편광판(101), G용 반사형 편광판(102), B용 반사형 편광판(103)에 의해 반사되어 광선의 방향을 90˚ 구부릴 수 있고, 각각 R용 보조 검광자(121), G용 보조 검광자(122), B용 보조 검광자(123)를 투과하고, G는 G용 1/2 파장판(13)을 투과하여 P 편광광으로 변환되고, R, G, B 모두 크로스 다이크로익 프리즘(14)에 입사한다. R, G, B는 크로스 다이크로익 프리즘(14)에 의해 백색으로 합성되어 투사 렌즈(15)에 의해 스크린에 확대 투사된다.

반사형 액정 패널의 직전에는 시야각 보상 위상차판(도시하지 않음)이 배치되어 경사광의 콘트라스트를 향상시키고 있다.

다음에 반사형 편광판에 대해 설명한다. 특정 방향만 격자 작용을 가짐으로써 편광판으로서 작용하는 반사형 편광판은 격자 방향으로 평행한 편광을 반사하고, 격자 방향으로 직행하는 편광을 투과한다. 편광판의 투과축과 편광판의 법선을 포함하는 면 내 및 편광판의 흡수축 혹은 반사축과 편광판의 법선을 포함하는 면 내의 어떤 광선에 대해서도 콘트라스트는 대략 동등한 특성이다. 따라서, 본 구성에서는 패널 직전 직후에 PBS 프리즘을 이용한 구성에 있어서의 경사 광의 누출광이 발생하지 않으므로, 1/4 파장판과 같은 부품을 추가하는 일 없이 고콘트라스트가 가능하다. 또한 PBS 프리즘으로부터의 누출광은 그 대부분이 편광판의 투과축 방향과 동일한 편광 성분이므로 투사 렌즈와 반사형 액정 패널 사이 등에 편광 필름(검광자)을 배치해도 누출광을 방지할 수 없는 데 반해, 반사형 편광판을 이용한 경우의 누출광은 반사형 편광판의 콘트라스트 부족에 의한 경우가 많아, 그와 같은 경우에는 보조 편광자 및 보조 검광자를 이용함으로써 누출광의 대부분을 방지할 수 있으므로 고콘트라스트화가 가능하다.

냉각 팬(40)에 의해 보조 편광자(9), 반사형 편광판(10), 반사형 액정 패널(11), 보조 검광자(12)가 냉각된다. 보조 편광자(9)와 보조 검광자(12)는 모두 흡수형의 필름재인 것을 이용하고 있으므로 약 70도 이하로 냉각할 필요가 있다. 흑색 표시시에 보조 검광자(12)에 입사하는 불필요광은 그 입사측에 위치하는 반사형 편광판(10)에서 한 번 컷트된 빛이 입사하므로, 이것에 흡수되는 불필요광은 적다. 그에 비해, 보조 편광자(9)는 불필요광을 포함한 빛이 직접 입사되므로 흡수되는 불필요광이 많아, 따라서 발열량도 많다. 따라서, 보조 편광자(9)는 보조 검광자(12)보다 강하게 냉각할 필요가 있고, 냉각 팬에 의해 이송되는 바람은 보조 편광자(9)에 대해 보다 보조 검광자(12)에 대한 쪽이 강해지도록 냉각 팬의 위치가 설정되어 있거나, 풍로가 설계되어 있다.

크로스 다이크로익 프리즘(14)의 출사면에 출사측 1/4 파장판(35)을 접합하고 있다. 출사측 1/4 파장판(35)은 합성광로에 배치되므로, 광띠영역용의 것을 이용하면 좋다. 출사측 1/4 파장판(35)의 지상축(遲相軸)(35a)이 상기 보조 검광자(12)의 흡수축(12a)에 대한 각도(θ)가 대략 40 내지 50도, 혹은 대략 -40 내지 -50도의 범위로 설정하여 이용한다. 본 실시예에서는 대략 45도로 설정되어 있다. 보조 편광자(9) 및 반사형 편광판(10)의 콘트라스트가 불충분하여 반사형 액정 패널(11)에 입사하는 콘트라스트가 낮은 경우, 혹은 흑색 표시시의 반사형 액정 패널(11)에서의 위상차의 부여가 완전하지 않은 경우, 흑색 표시시의 반사형 액정 패널(11)로부터의 출사광에 반사형 편광판(10) 및 보조 검광자(12)로 컷트할 수 없는 S 편광도 포함된다. S 편광은 반사형 편광판(10) 및 보조 검광자(12)를 투과하여 투사 렌즈(15)에 입사한다. 투사 렌즈(15)는 렌즈 매수가 많으므로 토탈 투과율은 85 ％ 정도이고, 15 ％는 반사된다. 이 반사광은 출사측 1/4 파장판(35)을 설치하지 않은 경우, 반사형 액정 패널(11)에 들어가는 본래의 빛인 대략 P 편광과 대략 90도 다른 대략 S 편광으로 입사한다. 패널의 흑색 표시시, 대략 S 편광인 상태로 출사되고, 이는 반사형 편광판(10) 및 보조 검광자(12)로 컷트할 수 없으므로, 투사 렌즈(15)를 경유하고, 스크린에 도달하여 콘트라스트를 열화시킨다. 본 실시예와 같이 출사측 1/4 파장판(35)을 설치하면, 누출되어 온 대략 S 편광은 지상축을 대략 45도로 설정한 출사측 1/4 파장판(35)을 투과하여 투사 렌즈(15)에서 반사하고, 다시 출사측 1/4 파장판(35)을 투과하면 대략 P 편광으로 편광 변환되어 있다. 따라서, 상기 보조 검광자(12)에 의해 흡수되므로 콘트라스트를 향상시킬 수 있다.

크로스 다이크로익 프리즘(14)의 합성광의 출사면에 출사측 1/4 파장판(35)을 R 광로의 입사면에 R용 보조 검광자(121), B 광로의 입사면에 B용 보조 검광자, G 광로의 입사면에 G용 1/2 파장판(13)과, 광로의 4면 전체에 파장판 혹은 편광판을 부착하는 구성이다. 그런데, 스크린 상에서의 각 색 화소의 위치 어긋남을 적게 하기 위해, 크로스 다이크로익 프리즘(14)은 정밀도 좋게 작성할 필요가 있다. 크로스 다이크로익 프리즘(14)은 4개의 3각 프리즘을 부착하여 작성하지만, 각 정상점은 꺾이기 쉬워 취급이 어렵다. 상기한 바와 같이, 4면 전체에 접합시킴으로써 취급이 어려운 프리즘(14)의 AR 공정을 생략할 수 있어 비용 절감이 가능하다. 또한, AR을 실시한 경우, 공정시에 가열되므로, 프리즘(14) 내에는 잔류 응력이 발생한다. 투사 렌즈로부터의 반사광을 출사측 1/4 파장판(35)으로 회전시키고, 상기 보조 검광자(12)에 흡수시켜 콘트라스트를 향상시키지만, 프리즘(14) 내에 잔류 응력이 있는 경우 복굴절이 발생하여 흑색 얼룩이 발생한다. 그러나, 4면 전체에 파장판 혹은 편광판을 부착함으로써 4개 모두 AR 공정을 생략할 수 있어, 프리즘(14) 내의 잔류 응력을 저감하여 흑색 얼룩의 저감이 가능하다. 또한, 4개의 잔류 응력이 동일하므로, 빛을 투사하였을 때 대략 균등하게 팽창하므로 크로스 다이크로익 프리즘(14)의 청반사면 및 적반사면의 초기 위치로부터의 각도 어긋남이 적다. 따라서, 사용 중에 서서히 각 패널의 화소 위치가 어긋나 가는 양도 적다. 또한, 부착에 의해 공기와의 경계면이 감소하므로, 경계면에서의 반사에 기인하는 콘트라스트의 열화를 방지할 수 있다. 또한, 출사측 1/4 파장판(35)의 재질로서 수정을 이용하고 있다. 이에 의해, 필름에 비해 열에 의해 발생하는 복굴절의 면 내 변화가 적으므로, 흑색 얼룩의 저감이 가능하다.

반사형 편광판(10)은 빛의 파장보다 피치가 짧은 회절 효과를 응용하여 P 편광과 S 편광으로 빛을 분리하지만, 상대적으로 파장이 짧은 B 광로에서 R 광로 및 G 광로에 비해 콘트라스트가 악화된다. 따라서, B 광로에 배치된 반사형 편광판(10)만 R 광로에 배치된 반사형 편광판보다 회절 피치를 짧게 함으로써, B 광로의 콘트라스트를 향상시킬 수 있다.

그에 추가하여, R, G 광로의 보조 편광자(91, 92) 및 보조 검광자(121, 122)에 비해 B 광로의 보조 편광자(93) 및 보조 검광자(123)는 콘트라스트가 보다 높은 것을 이용하여 3색의 콘트라스트가 균형을 이루어, 흑색 표시시의 색을 좋게 하고 있다.

여기서는, 보조 검광자(12)를 2매 구성으로 하여 보조 검광자(12)의 내열성을 증가시키고 있다. 따라서, 냉각풍은 약해서 좋고, 냉각 팬의 회전수를 떨어뜨릴 수 있으므로 냉각 팬의 풍절음(風切音)의 저소음화가 가능하다.

도4에 제3 실시예를 나타낸다. 하기 이외는 도3의 실시예와 동일하다. 반사형 편광판(10) 및 반사형 액정 패널 및 보조 검광자(9)가 밀폐 구조 섀시(42)의 외부와의 경계면에 설치되어 있다. 밀폐 구조 섀시(42)는 밀폐된 방진 구조로 되어 있고, 반사형 편광판(10) 및 반사형 액정 패널(11) 등에 먼지가 부착되는 것을 방지하여 스크린 상에서의 화상의 결핍 및 화질의 열화를 방지하고 있다. 반사형 편광판(10)이나 보조 검광자(9) 등의 광학 부품을 경계로 하여 이용함으로써, 광로를 방해하는 일 없이 밀폐성을 확보하고 있다. 광학 부품과 구조 섀시(42)의 간극에는 밀폐 밀봉을 붙여 밀폐성을 확보한다. 또한, 냉각 팬에 의해 보조 검광자를 냉각하고 있다. 반사형 액정 패널(11)의 이면측만 외부로 나와 냉각할 수 있도록 하고 있다. 빛은 반사형 편광판(10)을 반사하여 반사형 액정 패널(11)에 입사하고, 이것에서 반사되어 반사형 편광판(10)에 의해 검광되고, 유효한 빛만 투사 렌즈측으로 투과된다.

도5에 제4 실시예를 나타낸다. 하기 이외는 도3 실시예와 동일하다. 색분리계에 의해 분리된 각 R, G, B광은 각 보조 검광자(91, 92, 93), 반사형 편광판(10)을 투과하여 반사형 액정 패널(11)에 입사한다. 그리고, 반사형 액정 패널(11)에서 변조되어 반사된 영상광은 반사형 편광판(10)에서 반사하여 색합성 프리즘에 입사한다. 이 반사형 편광판(10) 및 반사형 액정 패널 및 크로스 다이크로익 프리즘(14) 및 보조 검광자(9)가 밀폐 구조 섀시(42)의 내부에 설치되어 있고, 보조 편광자(9)가 경계에 설치되어 있다. 또한, 냉각 팬에 의해 보조 검광자(9)를 냉각하고 있다.

또한, 반사형 편광판(10) 및 반사형 액정 패널 및 크로스 다이크로익 프리즘(14) 및 λ/4 파장판을 밀폐 구조 섀시(42)의 경계에 설치하도록 구성해도 좋다.

또한, 반사형 편광판은 긴 변측을 고정하지 않고 긴 변측으로 열팽창 가능한 구성으로 하고 있다. 이 구성에 의해, 열팽창시의 변형을 작게 할 수 있고, 스크린 상에서의 화소 어긋남을 작게 할 수 있다.

또한, 이상의 실시 형태는 반사형 액정 패널을 3매 이용한 경우에 대해 설명하였지만, 본원 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 반사형 액정 패널을 1매 혹은 2매 이용한 경우에 있어서도 적용 가능하여 동일한 효과를 얻을 수 있다.

이상, 설명한 바와 같이 본 발명의 반사형 액정 프로젝터용 광학 유닛 및 반사형 액정 프로젝터는 특정 방향만 격자 작용을 가짐으로써 편광판으로서 작용하는 반사형 편광판을 이용하여 상기와 같은 각 구성으로 함으로써, PBS 프리즘 및 PBS 프리즘 보정용의 1/4 파장판이 불필요해지고, 또한 투사 렌즈와 반사형 액정 패널을 보유 지지하는 구조 부품이 간섭하는 일이 없으므로 해상도를 저하시키는 일 없이 콘트라스트 향상, 부품수 저감(밝기의 향상), 소형 경량화가 실현 가능하다.

도1은 본 발명의 첫 번째 일실시 형태를 도시하는 투사형 액정 표시 장치의 구성도.

도2는 반사형 편광판의 표면 형상과 각 화소의 조합 어긋남의 시뮬레이션 결과를 나타내는 도면.

도3은 본 발명의 두 번째 일실시 형태를 도시하는 투사형 액정 표시 장치의 구성도.

도4는 본 발명의 세 번째 일실시 형태를 도시하는 투사형 액정 표시 장치의 구성도.

도5는 본 발명의 네 번째 일실시 형태를 도시하는 투사형 액정 표시 장치의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 광원

5 : 반사 미러

9 : 보조 편광자

10 : 반사형 편광판

11 : 반사형 액정 패널

12 : 보조 검광자

14 : 크로스 다이크로익 프리즘

15 : 투사 렌즈

31 : 편광 변환 소자

32 : 제1 어레이 렌즈

33 : 제2 어레이 렌즈

92 : G용 보조 편광자

93 : B용 보조 편광자

102 : G용 반사형 편광판(편광 분리 소자)

103 : B용 반사형 편광판(편광 분리 소자)

Claims (20)

1. 빛을 방사하는 광원 유닛과, 영상 신호에 따른 광학상을 형성하는 라이트 벌브 수단인 3매의 반사형 영상 표시 소자와, 상기 광원 유닛으로부터의 빛을 3색광으로 색분리하여 각 색광에 대응하는 상기 반사형 영상 표시 소자로 입사하는 색분리계와, 상기 반사형 영상 표시 소자로부터의 3색광을 합성하는 색합성계와, 색합성한 광학상을 투사하는 투사 수단으로 구성되는 투사형 영상 표시 장치이며,

   상기 반사형 영상 표시 소자에 대한 편광자 및 검광자로서 회절 작용에 의해 소정의 편광 방향의 제1 편광광을 반사하여 상기 소정 방향과 대략 직교하는 편광 방향의 제2 편광광을 투과하는 평판형의 반사형 편광판과,

   상기 반사형 편광판의 출사측에 상기 제1 편광광과 상기 제2 편광광 중 어느 한 쪽을 투과하는 보조 검광자를 갖고,

   상기 색합성계는 색합성 프리즘에 의해 구성되고,

   상기 색분리계에 의해 분리된 각 색광은 상기 반사형 편광판을 거쳐서 상기 반사형 영상 표시 소자에 입사하고, 상기 반사형 영상 표시 소자에 의해 형성된 반사광의 광학상은 상기 반사형 영상 표시 소자를 거쳐서 상기 색합성계에 입사하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
2. 빛을 방사하는 광원 유닛과, 영상 신호에 따른 광학상을 형성하는 라이트 벌브 수단인 3매의 반사형 영상 표시 소자와, 상기 광원 유닛으로부터의 빛을 3색광으로 색분리하여 각 색광에 대응하는 상기 반사형 영상 표시 소자로 입사하는 색분리계와, 상기 반사형 영상 표시 소자로부터의 3색광을 합성하는 색합성계와, 색합성한 광학상을 투사하는 투사 수단으로 구성되는 투사형 영상 표시 장치이며,

   상기 반사형 영상 표시 소자에 대한 편광자 및 검광자로서 회절 작용에 의해 소정의 편광 방향의 제1 편광광을 반사하여 상기 소정 방향과 대략 직교하는 편광 방향의 제2 편광광을 투과하는 평판형의 반사형 편광판과,

   상기 반사형 편광판의 출사측에 상기 소정의 편광 방향 혹은 상기 소정 방향과 대략 직교하는 편광 방향 중 어느 한 쪽의 편광광을 투과하는 보조 편광자와,

   상기 반사형 편광판의 출사측에 상기 보조 편광자로 투과하는 편광 방향과는 다른 한 쪽의 편광 방향의 편광광을 투과하는 보조 검광자를 갖고,

   상기 색합성계는 색합성 프리즘에 의해 구성되고,

   상기 색분리계에 의해 분리된 각 색광은 상기 반사형 편광판을 거쳐서 상기 반사형 영상 표시 소자에 입사하고, 상기 반사형 영상 표시 소자에 의해 형성된 반사광의 광학상은 상기 반사형 영상 표시 소자를 거쳐서 상기 색합성계에 입사하도록 배치하는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 반사형 편광판의 입사측에, 상기 소정의 편광 방향 혹은 상기 소정 방향과 대략 직교하는 편광 방향 중 어느 한 쪽의 편광광을 반사하여 다른 한 쪽의 편광광을 투과하는 편광 분리 프리즘을 배치하는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
4. 제2항에 있어서, 상기 보조 검광자의 콘트라스트가 상기 보조 편광자의 콘트라스트보다 높은 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 반사형 편광판 3매의 반사면의 면형상이 소정의 1매를 기준으로 하여 ±4(λ/인치) 이내인 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
6. 제2항에 있어서, 상기 반사형 편광판 3매의 반사면의 면 형상이 소정의 1매를 기준으로 하여 ±4(λ/인치) 이내인 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 반사형 편광판, 상기 반사형 영상 표시 소자 및 상기보조 검광자가 밀폐 구조의 내부 혹은 그 경계에 있는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
8. 제2항에 있어서, 상기 반사형 편광판, 상기 반사형 영상 표시 소자 및 상기보조 검광자가 밀폐 구조의 내부 혹은 그 경계에 있는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 반사형 액정 표시 소자는 화소 중심으로부터 보아 비대상인 구상물 상에 배치되고, 색합성 프리즘에 가까운 쪽에 화소 중심으로부터 보아 구조물의 길이가 짧은 쪽이 오도록 배치되는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
10. 제2항에 있어서, 상기 반사형 액정 표시 소자는 화소 중심으로부터 보아 비대상인 구상물 위에 배치되고, 색합성 프리즘에 가까운 쪽에 화소 중심으로부터 보아 구조물의 길이가 짧은 쪽이 오도록 배치되는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
11. 제1항에 있어서, 상기 3매의 반사형 영상 표시 소자의 반사면의 광축이 대략 동일 방향을 향하고 있는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
12. 제2항에 있어서, 상기 3매의 반사형 영상 표시 소자의 반사면의 광축이 대략 동일 방향을 향하고 있는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
13. 제1항에 있어서, 상기 3매의 반사형 영상 표시 소자의 반사면이 소정의 1매를 기준으로 하여 높이가 대략 동일한 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
14. 제2항에 있어서, 상기 3매의 반사형 영상 표시 소자의 반사면이 소정의 1매를 기준으로 하여 높이가 대략 동일한 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
15. 제1항에 있어서, 상기 3색의 색광은 R, G, B의 각 색광이며, B 광로에 배치된 상기 반사형 편광판이 R 광로에 배치된 상기 반사형 편광판보다 회절 피치가 짧은 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
16. 제2항에 있어서, 상기 3색의 색광은 R, G, B의 각 색광이며, B 광로에 배치된 상기 반사형 편광판이 R 광로에 배치된 상기 반사형 편광판보다 회절 피치가 짧은 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
17. 빛을 방사하는 광원 유닛과, 영상 신호에 따른 광학상을 형성하는 라이트 벌브 수단인 3매의 반사형 영상 표시 소자와, 상기 광원 유닛으로부터의 빛을 3색광으로 색분리하여 각 색광에 대응하는 상기 반사형 영상 표시 소자로 입사하는 색분리계와, 상기 반사형 영상 표시 소자로부터의 3색광을 합성하는 색합성계와, 색합성한 광학상을 투사하는 투사 수단으로 구성되는 투사형 영상 표시 장치이며,

    상기 반사형 영상 표시 소자에 대한 편광자 및 검광자로서 회절 작용에 의해 소정의 편광 방향의 제1 편광광을 반사하여 상기 소정 방향과 대략 직교하는 편광 방향의 제2 편광광을 투과하는 평판형의 반사형 편광판과,

    상기 반사형 편광판의 출사측에 상기 제1 편광광과 상기 제2 편광광 중 어느 한 쪽을 투과하는 보조 검광자와,

    상기 색합성계와 상기 투사 수단 사이에 배치한 1/4 파장판과,

    상기 색합성계와 상기 반사형 영상 표시 소자 사이에 배치한 대략 직선 편광광의 위상을 대략 90도 회전시키는 1/2 파장판을 갖고,

    상기 색합성계는 색합성 프리즘에 의해 구성되고,

    상기 색분리계에 의해 분리된 각 색광은 상기 반사형 편광판을 거쳐서 상기 반사형 영상 표시 소자에 입사하고, 상기 반사형 영상 표시 소자에 의해 형성된 반사광의 광학상은 상기 반사형 영상 표시 소자를 거쳐서 상기 색합성계에 입사하도록 배치하고,

    광로가 되는 상기 색합성 프리즘의 3개의 입사면에 상기 보조 검광자를 부착하여 1개의 출사면에 1/4 파장판을 부착하도록 구성하는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
18. 제17항에 있어서, 상기 반사형 액정 표시 소자는 화소 중심으로부터 보아 비대상인 구상물 상에 배치되고, 색합성 프리즘에 가까운 쪽에 화소 중심으로부터 보아 구조물의 길이가 짧은 쪽이 오도록 배치되는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
19. 제17항에 있어서, 상기 3매의 반사형 영상 표시 소자의 반사면의 광축이 대략 동일 방향을 향하고 있는 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.
20. 제17항에 있어서, 상기 3매의 반사형 영상 표시 소자의 반사면이 소정의 1매를 기준으로 하여 높이가 대략 동일한 것을 특징으로 하는 투사형 영상 표시 장치.