KR100646285B1

KR100646285B1 - 반사형 영상 투사 장치를 이용한 투사형 영상 디스플레이 장치에 이용되는 광원 장치

Info

Publication number: KR100646285B1
Application number: KR1020050127402A
Authority: KR
Inventors: 고오지 히라따; 마사히고 야쯔; 나오유끼 오구라; 노부오 마스오까
Original assignee: 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2005-12-22
Publication date: 2006-11-23
Also published as: US7059725B2; TW581883B; KR20060001975A; KR100556640B1; JP4157729B2; US7111942B2; JP2004020621A; US20030231286A1; TW200307819A; US20040218281A1; CN1231788C; CN1466000A; KR20030095948A

Abstract

본 발명은 콘트라스트가 우수하고 또 장치의 소형화를 실현 가능한 반사형 영상 투사 장치, 이를 이용한 투사형 영상 디스플레이 장치, 이에 이용되는 광원 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 관한 반사형 영상 투사 장치는 R, G, B 3개의 광 성분을 포함하는 광원부(100)로부터의 광속을 3개의 프리즘형 편광 빔 스플리터로 구성되는 광학 엔진(200)에 있어서 반사형 액정 패널(221, 222, 223)에 의해 변조해서 합성하고 출사한다. 반사형 액정 패널 소자 상에서 변조된 R, G, B 3개의 광성분 중, G 광성분은 2개의 프리즘형 편광 빔 스플리터(231, 232)를 투과하여 출사한다. 한편, 다른 B 광성분과 R 광성분은 반사한 후에 투과하고 또는 투과한 후에 반사하여 출사한다.

녹색(G) 광, 청색(B) 광, 적색(R) 광, 협대역 위상차판, 광학 엔진

Description

반사형 영상 투사 장치를 이용한 투사형 영상 디스플레이 장치에 이용되는 광원 장치 {LIGHT SOURCE DEVICE USED FOR PROJECTION TYPE IMAGE DISPLAY DEVICE USING THE REFLECTION TYPE IMAGE PROJECTING DEVICE}

도1은 본 발명의 일 실시 형태가 되는 투사형 영상 디스플레이 장치의 중심 부분이 되는 광학 엔진의 구조 및 그 동작을 도시하는 설명도.

도2는 도1에 도시한 광학 엔진 이외의 구성을 도시하는 설명도.

도3은 본 발명의 일 실시 형태가 되는 투사형 영상 디스플레이 장치의 전체 구성을 도시하기 위한 그 내부를 투시하여 도시한 사시도.

도4는 도3에 도시한 광학계 이외의 실시예를 도시하는 사시도.

도5는 도3에 도시한 광학계 또는 다른 실시예를 도시하는 사시도.

도6은 도3에 도시한 투사형 영상 디스플레이 장치에 있어서의 광학 엔진의 구성의 일예를 도시하는 사시도.

도7은 도6에 도시한 광학 엔진의 다른 구성예를 도시하는 사시도.

도8은 투사형 영상 디스플레이 장치에 있어서의 광원부(조명 광학계)를 포함하는 주위의 구성예를 도시하는 도면.

도9는 도8에 도시한 광원부의 일 구성예와 그 동작을 설명하기 위한 도면.

도10은 도8에 도시한 광원부 이외의 구성예와 그 동작을 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

103 : 다이크로익 미러

104, 105 : 반사 미러

106a, 106b : 편광 빔 스플리터

106c : 반사 프리즘

107 : 1/2 파장판

200 : 광학 엔진

210 : 다이크로익 미러

221, 222, 223 : 액정 패널

231, 232, 233 : 편광 빔 스플리터

225-R, 225-G, 225-B : 1/4 파장판

241, 242, 250 : 협대역 위상차판

300 : 투사 렌즈

400 : 캐비넷

500, 700 : 반사 미러

600 : 스크린

본 발명은 일반적으로는 라이트 벌브라 불리워지는 반사형 액정 패널인 영상 표시 소자를 이용하여 영상을 투영하는 반사형 영상 투사 장치에 관한 것으로 또는 이러한 영상 투사 장치를 이용한 투사형 영상 디스플레이 장치, 그리고 이에 이용되는 광원 장치에 관한 것이다.

라이트 벌브라 불리워지는 반사형 액정 패널인 영상 표시 소자로 메탈 할라이드 램프나 초고압 수은 램프 등의 고휘도 광원으로부터의 광을 투사하고, 그 반사광을 투사 렌즈 등으로 이루어지는 투사 광학계를 거쳐서, 예를 들어 스크린 등에 투사함으로써 소망하는 영상을 얻는 투사형 영상 디스플레이 장치는 이미 여러 가지 방식이 알려져 있으며, 또 여러 가지 개량이나 제안이 이루어져 있다.

우선, 예를 들어 일본 특허 공개 제2000-81603호 공보에 따르면, 광원부로부터 광을 3개의 파장이 다른 성분(R, G, B)으로 분리하여 각 색 성분에 대응하는 LCD(라이트 벌브라 불리워지는 반사형 액정 패널 소자)로 투사한 후 이들 LCD로부터의 반사광을 2장의 다이크로익 필터와 2장의 판형 편광 빔 스플리터를 이용하여 광 합성하고, 이를 투사 렌즈를 거쳐서 영상 스크린과 같은 화상 디스플레이에 투사하는 반사형 광 벌브용 투영 표시 시스템이 이미 알려져 있다.

그렇지만, 특히 박형화가 요구되는 배면 투사형 액정 프로젝터 장치에서는, 그 투사 유닛으로서 이용될 경우에는, 장치의 소형화가 강하게 요구된다. 이러한 장치의 소형화의 관점에서는 그 광학계를 작게 하여 그 광로를 단축하기 위해, 또는 광학계의 제조 정밀도를 향상하기 위해 예를 들어 일본 특허 공개 평11-153774 호 공보나 일본 특허 공개 평326834호 공보 등에 표시한 바와 같이, 3개의 반사형 영상 표시 소자에서 반사된 3개 색 성분의 광을 프리즘형 다이크로익 미러(다이크로익 프리즘)나, 역시 프리즘형 편광 빔 스플리터(PBS)에 의해 광 합성하는 반사형 광 변조 프로젝터가 이미 제안되어 있다.

게다가, 일본 특허 공개 제2000-284228호 공보에 따르면, 역시 액정 프로젝터 장치의 소형화를 도시하는 것을 목적으로 하여, 특히 종래의 다이크로익 프리즘과 그 3 방향을 에워싸는 3개의 프리즘형 PBS로 이루어지는 배치에 의한 장치의 대형화를 해소하기 위해, 색 분리부, GB 변조부, R 변조부 및 색 합성부를 구성하는 4개의 프리즘형 다이크로익 미러(다이크로익 프리즘) 및 프리즘형 편광 빔 스플리터(PBS)를 사각형의 블록형으로 배치하고, 또는 소정의 색 성분광에 대한 협대역 위상차판을 이용함으로써, 여분으로 광로를 돌아서 들어가는 일이 없고, 장치를 소형화 하는 것이 가능한 구조가 제안되어 있다.

또는, 일본 특허 공개 제2001-154294호 공보에 따르면, 소형·경량·낮은 비용으로 선명함 및 고화질을 달성하기 위한 영상 표시 장치의 구체적인 구조가 여러 가지 제안되어 있으며, 여기에서는 광원으로부터의 광에서 영상 신호에 대응한 광학상을 형성하고, 반사광을 합성하여 출사하는 광학 엔진의 개량된 구조가 여러 가지 제안되어 있다.

그렇지만, 상술한 종래 기술에서는, 특히 상기 일본 특허 공개 제2000-81603호 공보로 대표되는 바와 같이, 복수의 판형 다이크로익 필터나 판형의 편광 빔 스 플리터를 이용하여 광 합성하는 방식으로는, 광로 안이 매질에 의해 메워져 있지 않기 때문에(즉, 공기), 투사 렌즈로부터 광 분리 합성부에 대해 관찰하는 경우에는 백 포커스가 길어지고, 포커스 성능이나 디스토션 등의 보정이 곤란해진다. 또, 광원으로부터의 광속이 폭을 가지고 있기 때문에 필요한 광속을 전부 얻으려면 구성 부품이 커지고, 장치의 소형화 면에서는 아직 불충분한 구조였다. 또, 그 광학계가 커지므로 정밀도 좋게 조립하여 제조하는 것도 곤란했다.

또한, 상기 일본 특허 공개 평11-153774호 공보나 일본 특허 공개 평326834호 공보 또는 일본 특허 공개 제2001-154294호 공보 등에 의해 알려져 있는 투사형 영상 디스플레이 장치의 구조에서는 과연 상기 일본 특허 공개 제2000-81603호 공보에 의해 알려져 있는 복수의 판형인 다이크로익이나 편광 빔 스플리터를 이용한 구성에 비교하여 장치의 소형화를 실현할 수는 있으나, 장치로부터 얻어지는 화질에 대해서는, 특히 그 콘트라스트 성능에 관해서는 아직 이하에서와 같은 문제점이 있었다.

즉, 투사형 영상 디스플레이 장치에 있어서는, 일반적으로 색 분리부에서 분리된 광은 라이트 벌브라 불리워지는 반사형 액정 패널로 이루어지는 영상 표시 소자를 이용한 G 변조부, B 변조부 및 R 변조부에 있어서 각각 영상 신호에 대응한 광학상이 형성되고, 그 후 이들은 합성되어 투사 렌즈를 거쳐서 영상 스크린에 투사되어 화상을 얻게 된다. 그 때, 광 합성 광학계를 형성하는 기본 재료의 광 탄성률은 각각 합성하는 색광속의 광로나 비시감도에 의해, 그것이 최소가 되는 파장이 다른 기본 재료를 조합시킴으로써, 색 불균일이나 휘도 불균일이 적은 확대 사 상(寫像)을 얻을 수 있다. 특히, 콘트라스트에 관해서는, 비시감도가 가장 큰 값을 표시하는 녹색(G) 광에 대한 광 탄성률이 가장 작은 기본 재료를 이용함으로써 양호한 확대 투영 사상을 얻을 수 있다. 또, 특히 광 합성 광학계를 형성하는 프리즘형 편광 빔 스플리터(PBS)는 광 분리 합성부에 있어서 광속을 투과시켜 사용하는 경우와, 반사시켜 사용하는 경우에는 특성이 크게 다르다. 또, 조명광은 F 수치만큼 각도 성분을 가지고 있으므로, 반사로 사용할 경우와 투과로 사용할 경우에는 누설되는 광량이 크게 다르고, 감쇠율에 차가 생긴다. 그렇지만, 상기 종래 기술에서는, 아직 이들 구성 부품 특유의 문제점을 충분히 배려한 광 분리 합성 광학계에 대해서는 제안되어 있지 않은 것이 현 상황이다.

그래서, 본 발명에서는 상기 종래 기술에 의해 이미 제안되는 투사형 영상 디스플레이 장치에 있어서의 상술한 문제점을 해소하고, 보다 상세하게는 장치의 소형화를 실현하는 것이 가능한 다이크로익 프리즘이나 PBS 프리즘을 사각형의 블록형으로 배치하고, 소정의 색 성분 광에 대한 협대역 위상차판 등을 이용함으로써 여분으로 광로를 돌아 들어가게 하는 일이 없는 장치에 있어서, 광 합성 광학계를 형성하는 프리즘형의 PBS의 배치를 특히 콘트라스트 성능에 강하게 영향을 주는 비시감도가 큰 색광에 대해서 그 편광면을 고려하면서 레이아웃을 결정하고, 이에 의해 우수한 확대 사상이 얻어지는 투사형 영상 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 즉, 본 발명은 광 합성의 결과 얻어지는 광속 중 비시감도가 큰 녹색(G) 광의 광 합성 광학계 내에 있어서의 광 누설을 최소한으로 하는 새로운 구성에 의해 보다 좋은 확대 사상을 얻는 것이다.

또한, 본 발명에 의하면, 상기 본 발명이 되는 반사형 영상 투사 장치를 이용한 투사형 영상 디스플레이 장치를 제공하고, 또한 그에 이용하는 광원 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이러한 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 의하면, 우선 각각 다른 파장의 3개의 광 성분을 포함하는 광원으로부터의 광속을 복수의 프리즘형 편광 빔 스플리터로부터 구성되는 광 분리 합성부에 있어서, 각각 광 성분에 대응하는 반사형 영상 표시 소자에 의해 변조하고, 이들을 합성하여 영상 광으로서 출사하는 반사형 영상 투사 장치에 있어서, 그 광 분리 합성부는 상기 3개의 반사형 영상 표시 소자 상에 변조된 3개의 광 성분 중 특정한 1개의 광 성분이 상기 복수의 프리즘형 편광 빔 스플리터를 투과하여 출사하고, 다른 2개의 광 성분이 상기 복수의 프리즘형 편광 빔 스플리터를 반사한 후에 투과하고, 또는 투과한 후에 반사하여 출사하도록 배치되어 구성된 반사형 영상 투사 장치가 제공된다.

또한, 본 발명에서는, 상기 반사형 영상 투사 장치에 있어서, 상기 특정한 1개의 광 성분이 녹색(G) 광 성분이며, 상기 다른 2개의 광 성분이 적색(R) 광 성분과 청색(B) 광 성분인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에서는 상기 반사형 영상 투사 장치에 있어서, 상기 광 분리 합성부는 3개의 프리즘형 편광 빔 스플리터를 L자형으로 배치하여 구성하고, 또 상기 L자형으로 배치된 3개의 프리즘형 편광 빔 스플리터의 오목부에 다이크로익 미러를 배치하여 구성하고, 혹은 상기 L자형으로 배치된 3개의 프리즘형 편광 빔 스플리터의 오목부에 다이크로익 프리즘을 배치하여 구성해도 좋다.

또는, 본 발명에 의하면, 또 상기 복수의 편광 빔 스플리터로부터의 출사광의 광 성분의 편광면을 일 방향으로 정돈하는 수단을 구비해도 좋고, 그 경우, 특히 상기 복수의 편광 빔 스플리터로부터의 출사 광은 상기 수단에 의해 모든 광 성분이 S 편광으로서 출사되는 것이 바람직하다.

또는, 본 발명에서는 상기 반사형 영상 투사 장치에 있어서, 상기 L자형으로 배치된 3개의 프리즘형 편광 빔 스플리터 중 2개의 광 성분이 투과되는 빔 스플리터와 3개의 광이 반사 또는 투과되는 빔 스플리터 사이에 협대역 위상차판을 삽입해도 좋고, 또는 상기 L자형으로 배치된 3개의 프리즘형 편광 빔 스플리터 중 1개의 광 성분만이 투과되는 빔 스플리터와 3개의 광이 반사 또는 투과되는 빔 스플리터 사이에는 1/2 파장판을 삽입해도 좋다.

또한, 본 발명에서는 상기 목적을 달성하기 위해, 각각 다른 파장의 3개의 광 성분을 포함하는 광속을 방사하는 광원과, 상기 광원으로부터의 광속을 반사형 영상 표시 소자에 의해 변조하고, 이들을 합성하여 영상 광으로서 출사하는 반사형 영상 투사부와, 상기 영상 투사부로부터의 출사 광을 확대하여 투사하는 광 투사부를 구비한 투사형 화상 디스플레이 장치에 있어서, 그 반사형 영상 투사부로서 상기 반사형 영상 투사 장치를 이용한 투사형 영상 디스플레이 장치가 제공된다. 또, 이 투사형 영상 디스플레이 장치는 또 스크린을 구비해도 좋다.

또한, 본 발명에서는 상기 투사형 영상 디스플레이 장치에 있어서, 상기 광원으로부터 상기 반사형 영상 투사부로 입사되는 광은 다른 3개의 색 성분 중 1개의 색 성분 광이 다른 2개의 색 성분 광에 대하여 편광 방향이 다르게 된 것이 바 람직하고, 특히 상기 1개의 색 성분 광이 적색(R) 광 성분이며, 다른 2개의 색 성분 광이 녹색(G)과 청색(B) 광 성분인 것이, 또는 상기 1개의 색 성분 광이 청색(B) 광 성분이며, 다른 2개의 색 성분이 녹색(G)과 적색(R) 광 성분인 것이 바람직하다. 또는 상기 반사형 영상 투사 장치로부터의 출사광은 그 전부의 색 성분 광이 P 편광 또는 S 편광인 것이 바람직하다.

또한, 본 발명에 의하면, 역시 상기 목적을 달성하기 위해, 상기에 기재된 투사형 영상 디스플레이 장치에 있어서 이용되는 광원 장치이며, 광원부와 그 광원부로부터 방사되는 광을 모아서 소정의 방향으로 광속으로서 출사하는 수단을 구비하고 있으며, 또 상기 출사되는 광속의 다른 3개의 색 성분 중 1개의 색 성분 광을 다른 2개의 색 성분 광에 대하여 편광 방향을 다르게 하는 수단을 구비하고 있는 광원 장치가 제공된다.

그리고, 또 상기 광원 장치에 있어서는, 상기 1개의 색 성분 광이 적색(R) 광 성분이며, 다른 2개의 색 성분 광이 녹색(G)과 청색(B) 광 성분이며, 그리고 상기 적색(R) 광 성분은 S 편광이며, 또 상기 녹색(B)과 청색(B) 광 성분은 P 편광인 것이, 혹은 상기 1개의 색 성분 광이 청색(B) 광 성분이며, 다른 2개의 색 성분 광이 녹색(G)과 적색(R) 광 성분이며, 그리고 상기 청색(B) 광 성분은 S 편광이며, 또 상기 녹색(G)과 적색(R) 광 성분은 P 편광인 것이 바람직하다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

우선, 도3은 본 발명의 일 실시의 형태가 되는 투사형 영상 디스플레이 장치의 전체 구성을 도시하기 위해 장치의 내부를 투시하여 도시한 사시도이다.

도3에서, 부호 100은 조명 광학계(광원부)를 도시하고 있으며, 이는 뒤에서도 상세하게 설명하겠지만, 예를 들어 메탈 할라이드 램프나 초고압 수은 램프 등의 소위 고휘도 광원을 포함하여 구성되어 있다. 또, 도면 중 부호 200은 특히 본 발명이 되는 투사형 영상 디스플레이 장치의 특징 부분을 구성하는, 소위 광학 엔진이다. 그리고 상기 조명 광학계(100)로부터의 광은 광학 엔진(200) 내의 광 분리 합성 유닛에 입사된 후, 뒤에서도 상세하게 설명하겠지만, R, G, B 3개의 반사형 영상 표시 소자에 있어서 영상 신호에 의해 변조되어 합성되고, 대략 직각으로 굽어져 출사된다. 그 후, 이 출사 광은 투사 광학계를 구성하는 투사 렌즈(300)를 거쳐서 캐비넷(400)의 배면에 설치된 반사 미러(500)에서 반사된 후, 스크린(600)에 반사된다. 또, 도면 중 화살표는 상기 설명한 출사 광 및 그 출사 광을 도시하고 있다.

또한, 첨부한 도4는 상기 도3에 도시한 광학계의 다른 실시예를 도시하는 사시도이다. 이 광학계는 상기 도3에 도시한 광학계에 비교해서 투사 렌즈(300)에 근접하여 그 출사 광의 광축을 변환(굴절)하기 위한 미러(700)가 설치되어 있는 점이 다르다. 또, 이러한 광학계에 따르면 투사 렌즈(300)로부터의 출사 광을 직접 스크린에 투사하고, 이로써 영상을 확대하여 투사하는 것이 가능하다.

또한, 첨부한 도5는 상기 도3에 도시한 광학계의 또 다른 실시예를 도시하는 사시도이다. 즉, 이 도면에 도시하는 광학계에서는 상기 도3에 도시한 광학계와는 달리 반사 미러를 이용하는 일이 없고, 투사 렌즈(300)로부터의 출사 광을 직접 스크린에 투사하고, 영상을 확대하여 투사한다. 또, 이 경우에는 상기 광학 엔진(200)의 일부에 투사 렌즈(300)를 포함한 구성으로 해도 좋다.

계속해서, 상기 조명 광학계(광원부)(100)로부터의 R, G, B로 이루어지는 성분 광을 입사하여 각각 변조하고, 그 후, 이들 R, G, B 성분의 광을 합성하여(예를 들어 그 후방단에 설치된 투사 렌즈(300)로) 출사하는 상기 광학 엔진(200)의 구조의 일례를(여기에서는 특히 이하에 도1에 의해 도시하는 구조의 광학 엔진부의 예를) 첨부한 도6에 의해 상세하게 도시한다.

이 도6은 상기 광학 엔진(200)의 중심 부분의 구성을 도시하고 있으며, 도면에 있어서 다이크로익 미러(210)에 의해 색 분리부를 형성하고, 3개의 반사형 액정 패널(221, 222, 223)로부터 영상 표시부(변조부)를 형성하고, 그리고 3개의 프리즘형 편광 빔 스플리터(231, 232, 233)에 의해 각 색 성분 광의 합성부를 형성하고 있다. 또 도면 중 화살표는 이 광학 엔진(200)으로의 입사 광 및 출사 광을 도시하고 있으며, 그리고 도면 중 부호 241은 상기 편광 빔 스플리터(231와 232) 사이에 삽입된 특정 파장 선택성의 편광 변환 소자인 소위 협대역 위상차판을, 그리고 부호 242는 상기 편광 빔 스플리터(232와 233) 사이에 삽입된(부착된) 협대역 위상차판을 각각 도시하고 있다. 또, 여기에서는 도면에 도시하지 않았지만 이들 다이크로익 미러(210)나 편광 빔 스플리터(231, 232, 233)는 적치용의 적치대부 상에 탑재되고 좀더 소정의 위치에서 정밀하게 배치된다.

보다 구체적으로는 상기한 이들 편광 변환 소자(위상차 필름: 1/2 파장판)는 예를 들어 HOYA 가부시끼가이샤제의 기본 재료 「BSC7」,「FD2」,「FD1」,「FD6」,「FDS90」 등으로 이루어지는 프리즘(예를 들어 상기 편광 빔 스플리터를 구성하는 프리즘)의 측면에 적절히 금속다층막을 증착함으로써 형성할 수 있다. 또, 이러한 구성의 편광 변환 소자(편광 빔 스플리터의 광 출사 면에 부착된다)에 따르면, 종래의 단책형(단면, 평행사변형)으로 절단된 위상차 필름을 복수 접합시켜 구성하는 편광 변환 소자와 비하여, 콘트라스트나 색 불균일 등을 더욱 향상하는 것이 가능해 진다. 이는 종래의 단책형의 위상차 필름을 복수 접합시킨 구성의 편광 변환 소자로는 접합할 때에 생기는 공차(제작 오차)에 의해 서로 인접하는 위상차 필름 사이에 약간의 갭(간극)이 생겨버리고, 그 때문에 예를 들어 S 편광으로 변환되어야 할 광이 P 편파인 채로 빠져나가서 S 편광에 P 편광이 섞여버리는 현상이 생기는(P 편광과 S 편광의 혼합비) 것에 의한다. 이에 반하여, 상기 본 발명에 있어서의 상기 편광 변환 소자의 구성에 따르면, 상기 P 편광이 S 편광 파로 변환되지 않고 그대로 통과하는 것은 위상차 필름이 부착되는 면의 단부(예를 들어 0.25mm 정도)만이며, 그 때문에 예를 들어 그 부분을 차광하는 등의 대책에 의해 P 편광과 S 편광과의 혼합비를 큰 폭으로 향상하는 것이 가능해진다. 또 이는 이하 도7에 도시하는 협대역 위상차판(250), 도9나 도10에 도시한 1/2 파장판(프리즘(106c)과 1/2 파장판(107))에 대해서도 마찬가지이다.

또한, 상기 다이크로익 미러(210)에 대신에 다이크로익 프리즘을 이용하여 구성하는 것도 가능하다. 또, 이 예에서는 제조 과정에 있어서의 프리즘의 배치의 확실성(틀린것을 적게한다)을 고려하여, 각 편광 빔 스플리터(231, 222, 223)를 각 각 그 높이가 다른 프리즘의 조합에 의해 구성하는 것으로 하고 있지만, 그러나 이들 프리즘은 전부 동일한 높이의 것으로 해도 그 기능이나 동작은 마찬가지이다.

다음에 첨부한 도1에는 상기 광학 엔진(200)의 중심 부분의 보다 상세한 구조를 설명하기 위해 그 상면도가 도시되어 있다. 또, 이 도면에 있어서도 상기 도6에 도시했던 것과 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호가 부착되어 있다. 그리고 이 상세한 구조에서도 분명한 바와 같이, 상기한 청색(B)용 반사형 액정 패널(221), 적색(R)용 반사형 액정 패널(222), 녹색(G)용 반사형 액정 패널(223)의 전방면에는 각각 1/4 파장판(225-R, 225-G, 225-G)이 설치되어 있다. 또, 편광 빔 스플리터(231과 232) 사이에 삽입된 협대역 위상차판(241)은 청색(B) 광만을 선택적으로 그 편광 방향이 90도만 회전되는 위상차판이며, 그리고 편광 빔 스플리터(232와 233) 사이에 삽입된 협대역 위상차판(242)은 적색(R) 광만을 선택적으로 그 편광 방향이 90도만 회전되는 위상차판이다.

상기 광학 엔진(200)에 있어서의 광원으로부터 투사되는 광에 대하여 색 분리, R, G, B 변조, 광 합성 형상이 상기 도1 중에 화살표와 기호에 의해 도시되어 있다. 또 광원으로부터 투사되는 광은, 후에 상세하게 설명하겠지만, 고휘도 광원으로부터의 광에서 적외선이나 자외선 영역의 파장 성분을 제거하고(즉, 백색광을 얻는다) 균일한 광속량 분포를 가지는 광속을 얻은 후, 예를 들어, 그 적색(R) 성분을 P 편광으로 하여 입사하고, 남은 녹색(G) 성분과 청색(B) 성분은 S 편광으로 하여 입사한다.

상기 도1에서도 분명한 것 같이 상기 R, G, B 성분으로 이루어지는 광은 우 선 다이크로익 미러(210)에 입사되고, B 성분 광은 이를 통과하고, 다른 쪽 R 성분 광과 G 성분 광과는 그 표면에서 반사되어 대략 90도만큼 그 광로가 회전된다. 그 후, 우선 B 성분 광은 편광 빔 스플리터(231)에 의해 반사하여 그 광로가 90도 회전되고, 청색(B)용 반사형 액정 패널(221)에 입사하고, 영상 신호에 맞추어 변조된 후에 원래의 광로로 되돌아 온다. 또, 그 때 상술한 바와 같이 각 반사형 액정 패널(221)의 전면에는 1/4 파장판(이 경우, 부호 225-B의 파장판)이 설치되어 있다. 1/4 파장판은 편광 빔 스플리터의 편광 축과 각 반사형 액정 패널의 반사축을 모으는 역할을 가지고 있다. 즉, 편광 빔 스플리터의 제조 오차나 반사형 액정 패널의 제조 오차를 흡수하기 위해 1/4 파장판을 회전시켜 편광 축의 모으는 것을 행한다. 또 도면에서는 이들 광 성분을 B(P), B(S)의 기호에 의해 도시하고 있다. 그 후, 이 P 편광 성분의 B 광은 선택적으로 편광 방향이 90도 회전되는 협대역 위상차판(241)의 움직임에 의해 S 편광 성분의 B 광이 되어 편광 빔 스플리터(232)로 안내되고, 다른 색 성분 광과 합성된다.

한편, 다이크로익 미러(210)에서 반사된 P 편광인 R 성분 광은 편광 빔 스플리터(233)를 투과하여 적색(R)용 반사형 액정 패널(222)에 이르고, 영상 신호에 맞추어 변조된 후에, 원래의 광로로 되돌아 온다. 그 때, 역시 반사형 액정 패널(222)의 전방면의 1/4 파장판(225-R)을 회전시켜 편광 축을 회전하고, 편광 빔 스플리터와 반사형 액정 패널의 편광 축이 최적이 되도록 모아진다(도면 중 기호 R(P), R(S)를 참조). 그리고 그 후 이 S 편광 성분의 R 광은 선택적으로 편광 방향이 90도 회전되는 협대역 위상차판(242)의 움직임에 의해 P 편광 성분의 R 광이 되어 편광 빔 스플리터(232)로 안내되고, 다른 색의 성분 광과 합성된다.

또한, 다이크로익 미러(210)에서 반사된 G 성분 광은 편광 빔 스플리터(233)에서 반사되어 90도 회전되어 녹색(G)용 반사형 액정 패널(233)로 향하고, 영상 신호에 맞추어 변조된 후에, 원래의 광로로 되돌아 온다. 그 때 역시 액정 패널(223)의 전방면의 1/4 파장판(225-G)을 회전시킴으로써 편광 빔 스플리터와 반사형 액정 패널의 편광 축이 최적이 되도록 모아진다(도면 중 신호 G(S), G(P)를 참조). 그리고 그 후 그 P 편광 성분의 G 광은 그대로 협대역 위상차판(242)을 투과하여 편광 빔 스플리터(232)로 안내되고, 다른 색 성분 광과 합성된다.

편광 빔 스플리터(232)에서는 상기와 같이, S 편광 성분의 B 광(B(S)), P 편광 성분의 R 광(R(P)), 그리고 P 편광 성분의 G 광(G(P))이 합성되고, 이로써 영상 신호에 의해 변조된 광 신호로서 그 후방단에 설치된, 예를 들어 투사 렌즈 등에 안내되고, 스크린에 투사되게 된다.

그런데, 본원 발명자들에 의한 여러 가지 실험의 결과에 따르면, 상기 광학 엔진을 구성하는 R, G, B 3개의 반사형 영상 표시 소자 상에 반사되어 변조된 3개 광 파장 성분 중 특히 인간의 눈에 의한 비시감도가 가장 높은 광 성분인 G 성분을, 반사를 수반하는 일이 없이, 즉, P 편광인 채로 후방단의 2개의 편광 빔 스플리터(233, 232)를 투과하는 구성으로 함으로써, 광 합성의 광학계를 구성하는 PBS의 2개를 G 성분 광량의 계 내에 있어서의 저감을 가장 작게 할 수 있음이 인식되었다. 이에 따라, 이러한 구성의 광학 엔진에 의하면, 특히 얻어지는 화상의 콘트라스트가 손상되는 일이 없고, 또 다른 화질의 하나이기도 한 휘도도 저감하는 일이 없고, 우수한 화질의 투사 영상을 얻을 수 있는 일이 인식되었다. 즉, G 성분의 광량이 감쇠된 경우, 다른 색 성분 광인 R 성분이나 B 성분의 경우에 비교해, 그 비시감도가 크므로 R 성분, 혹은 B 성분의 강도가 증대되고, 예를 들어 본래, 검게 표시된 부분의 색이 붉은 색을 띠게 되어, 혹은 청색을 띠어 표시되게 되며, 얻어지는 투사 화상의 콘트라스트가 저하되어 버린다.

또한, 그 때 다른 색 성분 광인 R 성분에 대해서는 광 합성 광학계를 구성하는 편광 빔 스플리터 2개를 우선 S 편광에 의해 반사시킨 후에 P 편광에 의해 투과시키도록 구성하고, 그리고 남은 B 성분에 대해서는 이들과는 반대로 P 편광에 의해 투과시킨 후에 S 편광에 의해 반사시킨 구성으로 함으로써, 상기 G 성분과의 비교에 있어서 밸런스가 좋은, 즉 콘트라스트가 우수한 화상을 얻는 것이 가능해지는 것이 인식된다.

혹은, 이 대신에, 예를 들어 첨부한 도2에도 도시한 바와 같이, 광 합성 광학계를 구성하는 편광 빔 스플리터의 2개를, 우선 R 성분에 대해서는 P 편광에 의해서 투과시킨 후에 S 편광에 의해 반사시키고 다른 쪽 B 성분에 대해서는 S 편광에 의해 반사시킨 후에 P 편광에 의해 투과시키도록 구성해도 거의 마찬가지로 콘트라스트가 우수한 화상을 얻는 것이 가능해짐이 확인되었다. 또, 이 도2에 도시하는 구성에서는 도면에서도 명백한 바와 같이, 다이크로익 미러(210)는 B 성분 광과 G 성분 광을 반사하고, R 성분 광 만을 통과하고, 그리고 청색(B)용 반사영상 액정 패널(221)과 적색(R)용 반사형 액정 패널(222), 또는 청색(B)용 협대역 위상차판(241)과 적색(R)용 협대역 위상차판(242)의 위치가 바뀌어 구성되어 있다.

게다가, 상기 도1 및 도2에 도시한 구성에 의하면, 하나의 성분 광 만을 반사하여 투과하는 편광 빔 스플리터(단, 도1에서 B광용 PBS(231)이며, 도2에서는 R 광용 PBS(233)이다)와 광 합성을 행하는 편광 빔 스플리터(232) 사이에 설치된 협대역 위상차판(도1에서는 241로 도2에서는 242로 도시된다)에 대해서는 이들 1/2 파장판으로 해도 좋다. 이는 이 협대역 위상차판의 역할로서 B 광을 P 편광으로부터 S 편광으로 편광하기만 하거나, 또는 R 광을 P 편광으로부터 S 편광으로 편광하기만 할 뿐이므로 비교적 고가인 협대역 위상차판에 대신에 저가인 이들 1/2 파장판으로 하는 것이 가능해지기 때문이다. 또, 이와 같은 1/2 파장판으로서 특히 무기 재질인, 예를 들어, 수정판에 의해 형성된 1/2 파장판으로 함으로써, 비교적 저가로 내광성이 우수한 것으로 할 수 있고, 장치 전체의 내광성의 향상에 기여할 수 있다.

또한, 첨부한 도7에는 상기 광학 엔진(200)의 또 다른 구성예가 도시되어 있으며, 이 예에서는 편광 빔 스플리터(232)의 출사면에는 B 광의 편향면을 선택적으로 회전하는 협대역 위상차판(250)이 설치되어 있다. 즉, 이와 같은 구성에 의하면, 도면에도 도시한 바와 같이 광학 엔진(200)으로부터의 출사광인 편광 빔 스플리터(232)로부터의 광속은 전부 광 성분이 P 편광의 광속, 즉 B(P), B(P), R(P)로 되어 있다. 혹은 또 도면에 도시하지 않는 1/2 파장판을 설치하여 광속의 전성분의 편광면을 90도 더 회전하여 S 편광의 광속으로 하는 것도 가능하다.

다음에 상기 고휘도 광원으로부터의 광에서 적외선이나 자외선 영역의 파장 성분을 제거하고(즉, 백색광을 얻는다) 균일한 광속량 분포를 가지는 광속을 상기 광학 엔진(200)에 대하여 입사하는 광원부(조명 광학계)(100)의 원리 구성에 대하여, 첨부하는 도8을 참조하고, 이하에 상세하게 설명한다. 또, 이 광원부(100)는 상기 도2에 도시한 구성이 되는 광학 엔진(200)에 대하여 YZ 평면내에 있어서는, 즉 적색(R) 성분과 녹색(G) 성분을 P 편광으로 하고, 청색(B) 성분은 S 편광의 광을 공급하는 것이다. 또, 도2에 도시한 광학 엔진(200)의 ZX 평면내에 있어서, 청색(B) 성분은 P 편광에 상당하고, 녹색(G) 성분과 적색(R) 성분은 S 편광 상당이 된다. 이상의 구성으로 함으로써, ZY 평면에 있어서 S 편광에 상당하는 녹색(G) 성분과 적색(R) 성분에 대한 다이크로익 미러(210) 및 편광 빔 스플리터(231, 232)의 특성은 ZX 평면에서 S 편광으로서 만들어진 광이 각각 입사된 경우보다 우수한 것이 되는 경우도 있다.

우선, 도8에 있어서, 광원부(100)는 예를 들어, 초고압 수은 램프, 메탈 할라이드, 크세논 램프, 수은 크세논 램프, 할로겐 램프 등의 백색 램프로 이루어지는 고휘도 광원(101)을 포함하여 구성되어 있다. 또, 광원부(100)는 적외선이나 자외선 영역의 파장광을 흡수 또는 반사하여 제거하기 위한 필터(102)를 통하고, 그 후, 소정의 색 성분 광 만을 반사하는 동시에 다른 색 성분의 광을 투과하는 다이크로익 미러(103)와, 이 다이크로익 미러의 후방단에 설치된 2장의 반사 미러(104, 105)로 구성되는 색 분리부로 안내된다. 또, 이 색 분리부에서 분리된 광은 편광 빔 스플리터(106a, 106b)와 반사 프리즘(106c)를 조합하고 또 그 출사구에 1/2 파장판(107)을 설치한 광학 소자를 통과하는 구성으로 되어 있다.

이와 같은 구성에 의하면, 첨부한 도9의 설명도에서도 명백한 바와 같이, S 편광의 청색(B) 광과 그리고 P 편광의 적색(R)과 녹색(G) 광이 얻어진다. 즉, 고휘도 광원(101)으로부터의 광속은 다이크로익 미러(103)에 의해 그 B 광 성분이 반사되어 한 쪽 반사 미러(104)로 향하는 동시에 그 G 광 성분과 R 광 성분은 그대로 투과하여 다른 반사 미러(105)로 향한다. 이들 반사 미러(104, 105)에 반사된 B 광 성분 그리고 G와 R의 광 성분은 다음에 편광 빔 스플리터(106a, 106b)의 다른 면에 입사된다. 이 편광 빔 스플리터(106a, 106b)에서는 반사 미러(104)로부터의 B 광 중, S 편광을 반사하는 한편, P 편광을 투과한다. 또, 반사 미러(105)로부터의 G 광과 R 광 중, P 편광을 투과하는 한편 S 편광을 반사한다. 또, 이 편광 빔 스플리터(106a, 106b)를 투과한 P 편광의 B 광과, S 편광의 G 광과 R 광이 반사 프리즘(106c)에 의해 반사되고, 게다가 출사구에 설치된 1/2 파장판(107)의 역할에 의해 편광면이 변환되고, S 편광의 B 광과, P 편광의 G 광과 R 광으로서 출사된다. 즉, S 편광의 청색광(도면에 있어서, B(S)로 도시된다)과 P 편광의 적색광(도면에 있어서, R(P)로 도시된다) 그리고 P 편광의 녹색광(도면에 있어서 G(P)로 도시된다)이 얻어지게 된다.

다시, 상기 도8로 되돌아가서, 다른 편광의 광속(즉, B(S), G(P), R(P))은 다음에 2장의 멀티 렌즈 어레이(131, 132)에 입사된다. 즉, 입사된 광속은 멀티 렌즈 어레이(131)에 의해 그 복수의 렌즈 수만큼 분할되고, 후방단에 대응하는 멀티 렌즈 어레이(132)의 움직임에 의해 반사형 액정 패널 상에 각각 확대 투사된다. 멀티 렌즈 어레이(131)에 설치된 멀티 렌즈의 수만큼 패널 상에 광속이 서로 겹치기 때문에 균일한 광량 분포의 광속이 된다. 이 광속은 또 필터(133)나 렌즈(134, 135)를 통해서 소정의 크기의 광속이 되고, 후방단의 광학 엔진(200)으로 출사된다.

또한, 이 도8에서는, 상기 설명한 투사형 영상 디스플레이 장치를 구성하는 광학 엔진(200)(도2에 대응)과 투사 렌즈(300)도 동시에 도시되고 있는데, 그러나, 거의 그 구조가 도시된 광학 엔진(200)은 도6에 있어서, 지면의 전후 방향의 이면(즉, 도6의 X축 방향)에서 본 상태에서 도시되어 있다(도면 중 좌표축을 참조).

또한, 이 도8에 도시한 광학 엔진(200)으로서 상기 도6에 도시한 구성의 광학 엔진에 대신에, 예를 들어 상기 도7에 도시한 구성을 구비한 광학 엔진을 이용함으로써, 그 출사 광의 전 성분을 P 편광 또는 S 편광으로서 투사 렌즈(300)를 거쳐서 확대 투사할 수 있다. 특히, 투사형 영상 디스플레이 장치로서 상기 도3 또는 도4에 도시한 바와 같이, 투사 렌즈(300)로부터의 출사 광을 그 후에 반사 미러(500 또는 700)로 반사하는 것에 있어서는 출사 광의 전 성분을 P 편광 또는 S 편광으로 함으로써, 반사면 상으로의 반사율을 향상하는 것이 가능해진다. 특히 출사 광의 성분을 전부 S 편광으로 함으로써 반사면에서의 편광 성분의 특성으로부터 반사 미러 상으로의 반사율을 다른 것에 비교해도 대략 5% 정도 향상하는 것이 가능해지는 효과가 얻어진다.

또한, 상기 설명한 광원부(100)는 특히 그 다이크로익 미러(103)와 편광 빔 스플리터(106a, 106b)와 반사 프리즘(106c)의 조합을, 예를 들어 첨부한 도10에 도시하도록 구성하는 것도 가능해지며, 또 여기에는 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 도8에 도시한 투사형 영상 디스플레이 장치의 구성에 대해서도 적절히 변경하는 것이 가능한 것은 물론이다.

이상의 상세한 설명에서도 명백한 바와 같이, 본 발명이 되는 반사형 영상 투사 장치, 이러한 영상 투사 장치를 이용한 투사형 영상 디스플레이 장치, 그리고 그에 이용되는 광원 장치에 의하면, 콘트라스트를 포함하는 영상의 표시 특성이 우수한 소형화 가능한, 우수한 투사형 영상 디스플레이 장치를 실현하는 것을 가능하게 한다.

Claims

투사형 영상 디스플레이 장치에 이용되는 광원 장치이며, 광학 엔진의 전방에 배치되고,

광원부와,

상기 광원부로부터 방사되는 빛을 집중시켜 소정의 방향으로 광속으로서 출사하는 집광부와,

상기 집광부로부터 출사된 광속에 포함되고 서로 파장이 다른 광속의 다른 3개의 색성분 중 1개의 색성분의 색광을 다른 2개의 색성분의 색광으로부터 분리하는 다이크로익 미러와,

상기 1개의 색 성분을 입사하는 제1 면과, 상기 다른 2개의 색 성분의 색광을 입사하는 제2 면과, 상기 제1 면으로부터 입사한 상기 1개의 색 성분 중 제1 편광 방향의 빛을 투과시키고 제2 편광 방향의 빛을 반사시키는 동시에, 상기 제2 면으로부터 입사한 상기 다른 2개의 색 성분의 색광 중 제1 편광 방향의 빛을 투과시키고 제2 편광 방향의 빛을 반사시키는 제3 면과, 상기 1개의 색 성분의 제1 편광 방향의 빛과 상기 다른 2개의 색 성분의 색광 중 제2 편광 방향의 빛의 편광 방향을 1/2 파장분 회전하거나 혹은 상기 1개의 색 성분의 제2 편광 방향의 빛과 상기 2개의 색 성분의 색광 중 제1 편광 방향의 빛의 편광 방향을 1/2 파장분 회전하는 1/2 파장판을 갖는 빔스플리터를 구비하는 편광 변환부를 포함하는 광원 장치.
제1항에 있어서, 상기 1개의 색 성분 광이 적색(R) 광 성분이며 다른 2개의 색 성분 광이 녹색(G)과 청색(B) 광 성분인 것을 특징으로 하는 광원 장치.
제2항에 있어서, 상기 적색(R) 광 성분은 S 편광이며 또 상기 녹색(G)과 청색(B) 광 성분은 P 편광인 것을 특징으로 하는 광원 장치.
제1항에 있어서, 상기 1개의 색 성분 광이 청색(B) 광 성분이며, 다른 2개의 색 성분 광이 녹색(G)과 적색(R) 광 성분인 것을 특징으로 하는 광원 장치.