KR100813988B1 - 조명 장치 및 이를 이용한 화상 투영 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조명 장치 및 이를 이용한 화상 투영 장치에 관한 것으로, 조명광학계의 동공의 중심 영역을 통과하는 불필요한 광에 의한 고스트 광의 발생을 저감할 수 있도록 하는 것이다. 본 발명의 한 유형에 따른 조명 장치는, 면광원(1), 면광원(1)으로부터의 광을 집광하는 집광 렌즈(2), 집광 렌즈(2)로부터의 광을 피조명면으로 릴레이하는 릴레이 광학계를 갖는 조명광학계(20)를 구비하며, 릴레이 광학계가 시야 렌즈(11)를 갖고, 면광원(1)과 조명광학계(20)의 동공(6) 사이의 광경로상에 광의 투과 범위를 규제하는 차광부재(3)를 설치하는 것을 특징으로 한다.

Description

조명 장치 및 이를 이용한 화상 투영 장치{Illumination apparatus and image projection apparatus using the same}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 장치 및 이를 이용한 화상 투영 장치의 개략적인 구성을 나타내는 평면에서 보았을 때의 모식적인 광경로도이다.

도 2는 도 1의 A에서 본 측면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 화상 투영 장치에서 고스트 광이 될 수 있는 광의 광경로의 개념도이다.

도 4는 도 3의 광원 근방에서의 광경로의 상세를 나타내는 광경로도이다.

※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ※

2.....집광렌즈(집광 광학계 2A....제1렌즈

2B....제2렌즈 3.....차광부재

4.....색 합성 부재 5.....인터그레이터(균일화 광학계)

6.....동공(조명광학계의 동공) 7.....릴레이 렌즈

8.....반사형 표시소자 8a....표시면

11....시야 렌즈 12....동공(투사광학계의 동공)

13....투사광학계 20....조명광학계

100...화상 투영 장치 200...조명 장치

특허문헌1: 일본특허공개 제2004-258439호의 공보

특허문헌2: 일본특허공개 평8-251520호의 공보

특허문헌3: 일본특허공개 제2000-338448호의 공보

본 발명은 조명 장치 및 이를 이용한 화상 투영 장치에 관한 것이다.

종래의 화상 투영 장치로서, 조명광학계를 통과시켜 반사형 표시소자에 조명광을 조사하고, 반사형 표시소자에 의한 표시 화상을 투사광학계로 투영하는 화상 투영 장치가 알려져 있다. 이러한 화상 투영 장치에서는 광원으로부터 나와 조명광학계의 동공을 통과한 조명광을, 조명광학계를 형성하는 릴레이 렌즈와 시야 렌즈로 표시소자면으로 릴레이하는 동시에, 표시소자에 의해 변조된 광을 다시 시야 렌즈를 통과시켜 투사광학계의 동공으로 입사시킴으로써 표시소자면의 상을 투영면에 결상시키도록 하여 화상을 투영하는 것이 많다.

이와 같은 화상 투영 장치에서는, 조명광학계로부터의 조명광이나 표시소자에서 반사된 투영광이 광경로중의 광학부재나 기구부재에서 산란이나 반사를 일으키고 투영면까지 도달하여 고스트 광을 발생하는 일이 있다. 이러한 고스트 광은 투영 화상의 콘트라스트를 저하시킬 우려가 있고 화질 저하를 일으키게 된다. 특히, 시야 렌즈로 대표되는 투사광학계의 동공과 표시소자와의 사이에 배치된 광학 부재에 의한 조명광의 표면 반사광은 투사광학계의 동공에 입사되기 쉽고, 고스트 광이 되기 쉽다. 이들 광학부재의 표면에 반사 방지막을 붙이거나 하면, 투영광의 강도에 비해 그 표면 반사광의 강도는 약화되지만, 최근의 화상 투영 장치의 높은 콘트라스트 성능 요구에 대응하기 위해서는 이러한 고스트 광도 방지해야 한다.

이와 같은 고스트 광에 의한 화질저하를 방지하기 위하여, 종래부터 광학계의 광경로중에 차광부재를 마련하는 것이 알려져 있다. 상기 차광부재는, 투영 화상의 조도의 균일성에 영향을 주지 않고 효과적으로 고스트 광을 차광하기 위해, 투사광학계의 입사동이나 또는 그와 공액인 조명광학계의 동공의 위치에 또는 그들의 근방 위치에 배치되어 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에는 반사형 표시소자를 사용한 투사형 화상 표시 장치에 있어서, 조명광학계의 동공 위치의 근방, 즉 실질적인 동공의 위치에서 조명광속의 일부를 차광하는 차광판(차광부재)이 기재되어 있다.

또한, 특허문헌 2에는 투사광학계의 동공 및 그와 공액인 조명광학계의 동공에 차광부재로서 각각 개구 조리개, 조명광 조리개가 배치되어 있다.

또한, 특허문헌 3에는 투사광학계의 동공 근방에 차광부재가 배치되어 있다.

그렇지만, 상기와 같은 종래의 조명 장치 및 이를 사용한 화상 투영 장치에는 다음과 같은 문제가 있다.

종래의 화상 투영 장치에서는, 모두 조명광학계의 동공이나 투사광학계의 동공에 차광부재를 배치하기 때문에, 고스트 광의 원인이 되는 광이나 고스트 광이 각 동공의 중심 영역을 투과하는 경우에는, 동공의 중심 영역을 지나는 다른 필요 광도 함께 차광하지 않으면 안된다. 그 때문에 필요광의 광량저하를 초래하고 투영 화상의 휘도가 저하되거나, 휘도가 편향되어 화질이 떨어지게 되는 문제가 있다.

이와 같은 고스트 광의 원인이 되는 광은 조명광학계에 대한 광원으로부터의 입사각도가 큰 축외광에 의해 발생하기 쉬운 것으로, 예를 들면, LED광원 등의 면광원을 사용하는 경우 등에 특히 현저해진다.

본 발명은 상기와 같은 문제를 감안하여 이루어진 것으로, 조명광학계의 동공의 중심 영역을 통과하는 광에 의한 고스트 광의 발생을 저감할 수 있는 조명 장치 및 이를 이용한 화상 투영 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 조명 장치는, 광원과, 상기 광원으로부터의 광을 집광하는 집광 광학계와, 상기 집광 광학계로부터의 광을 피조명면으로 릴레이하는 릴레이 광학계를 구비하는 조명광학계를 포함하는 조명 장치에 있어서, 상기 릴레이 광학계는 피조명면 앞에 시야 렌즈를 갖고, 상기 광원과 상기 조명광학계의 동공 위치 사이의 광경로상에 광의 투과 범위를 규제하는 차광부재를 설치한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 차광부재를 광원과 조명광학계의 동공 위치 사이의 광경로상에 배치하여 광의 투과 범위를 규제하기 때문에, 광원으로부터 조명광학계로 입사하는 광의 입사각의 크기를 규제할 수 있다. 그 때문에, 조명광학계에 큰 입사각으로 입사되고 조명광학계의 동공의 중심 영역을 통과하여 고스트 광이 되는 광 을 저감할 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 화상 투영 장치는 본 발명에 따른 상기 조명 장치; 상기 조명 장치의 피조명면에 배치된 반사형 표시소자; 및 상기 조명 장치의 시야 렌즈를 투과하여 상기 반사형 표시소자에 조명된 후 상기 반사형 표시소자의 표시면에 의해 반사되어 다시 상기 시야 렌즈를 투과한 광을 투영면에 투영시키는 투사광학계;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 본 발명에 따른 상기 조명 장치를 사용하기 때문에, 조명광학계에 큰 입사각으로 입사하여 조명광학계의 동공의 중심 영역을 통과하는 광이 시야 렌즈에 의해 표면 반사됨으로써 발생하는 고스트 광을 저감할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명 장치 및 상기 조명 장치를 이용한 화상 투영 장치에 대해 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명 장치 및 이를 사용한 화상 투영 장치의 개략적인 구성을 나타내는 평면에서 보았을 때의 모식적인 광경로도이다. 도 2는 도 1의 A에서 본 측면도이다.

본 실시예에 따른 화상 투영 장치(100)는 반사형 표시소자를 조명하여 반사형 표시소자에 표시되는 풀 컬러 화상을 투영하는 것으로, 예를 들면, 프로젝션 텔레비젼, 비디오 프로젝터 등에 적합한 것이다.

상기 화상 투영 장치(100)의 개략적인 구성은, 도 1에 나타내는 바와 같이, 면광원(1), 조명광학계(20), 차광부재(3), 릴레이 렌즈(7), 시야 렌즈(11), 반사형 표시소자(8), 및 투사광학계(13)로 이루어진다.

그 밖에, 도시하지는 않았지만, 상기 화상 투영 장치(100)는 면광원(1)의 발광 타이밍을 제어하는 발광 제어부, 화상 신호에 따라 반사형 표시소자(8)의 구동을 제어하는 변조 소자 제어부 등의 공지의 제어 수단을 구비하고 있다.

여기에서, 면광원(1), 조명광학계(20), 차광부재(3), 릴레이 렌즈(7), 및 시야 렌즈(11)는 본 실시예에 따른 조명 장치(200)를 구성하고 있다.

면광원(1)은 반사형 표시소자(8)를 조명하는 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 각 파장광을 발생하는 것으로, 본 실시예에서는 각각의 파장에 대응하는 3종류의 LED로 이루어진다. 각 LED의 발광면의 형상은, 도 2에 나타내는 바와 같이, 직사각형으로 되어 있다.

도 1에서는 도시의 간략화를 위해서 그 중 하나의 면광원(1)만을 도시하고 있다.

조명광학계(20)는, 각 면광원(1)측에서부터 순서대로 각 면광원(1) 각각에 대응하는 집광 렌즈(2)와, 각 면광원(1)에 공통인 색 합성 부재(4) 및 인터그레이터(5)가 배치되어 이루어진다.

집광 렌즈(2)는 각 면광원(1)에서 발생되는 각 파장광을 각각 집광하여 인터그레이터(5)에 입사시키고, 인터그레이터(5)의 상측에서 면광원(1)의 2차 광원을 형성하고, 그것을 조명광학계의 동공으로 하기 위한 렌즈군이다.

본 실시예에서는, 조명광학계의 에텐듀(etendue)에 따라 필요한 효율을 얻기 위하여, 상기 집광 렌즈(2)는 적당한 NA 및 사출경(초점거리)으로 설계되고, 면광원(1)측에서부터 제 1 렌즈(2A)와 제 2 렌즈(2B)의 2매 구성으로 되고 있다. 집광 렌즈(2)의 초점 위치는 면광원(1)의 발광면의 중심(O)으로 설정되어 있다.

색 합성 부재(4)는 각 집광 렌즈(2)와 인터그레이터(5) 사이의 광경로상에 배치되고, 각 집광 렌즈(2)에 의해 집광되는 광을 합성하여 인터그레이터(5)의 광축(L₁)으로 입사시키기 위한 광학 소자이다. 예를 들면, 다이크로익 프리즘, 다이크로익 미러 등으로 구성된다.

이하에서는, 설명의 간결함을 위해 도 1에 도시된 하나의 면광원(1)에 관한 광경로를 이용하여 설명한다. 즉, 면광원(1), 집광 렌즈(2)의 광축과, 인터그레이터(5)의 광축(L₁)이 일치하고 있는 경우로 설명한다. 또한, 특별히 언급하지 않는 한 광축(L₁)이 조명광학계(20)의 광축인 것으로 하여 설명을 진행시킨다. 다른 면광원(1)으로부터의 광경로나 위치 관계는 광이 색 합성 부재(4)에 의해 반사되는 것에 주의하면 용이하게 이해된다.

인터그레이터(5)는 입사광의 광량분포를 대략 균일화하는 광학계로서, 공지의 여러 가지 구성의 인터그레이터 광학계를 채용할 수 있다. 본 실시예에서는 플라이 아이 렌즈(fly eye lens)를 사용한 구성을 채용하고 있다.

보기 편하도록 간략하게 도시하였으나, 인터그레이터(5)를 포함하는 조명광학계(20)의 광축(L₁)은 본 실시예에서는 도 1의 지면에 평행하며 지면 앞보다 안쪽 방향에 존재한다.

차광부재(3)는 조명광학계(20)의 동공(6)과 면광원(1) 사이에서 광의 투과 범위를 규제하기 위한 것으로 각 면광원(1)에 대응하여 각각 마련되어 있다.

본 실시예에서 차광부재(3)는, 각각의 면광원(1)과 제 1 렌즈(2A) 사이에서, 도 2에 도시한 바와 같이, 면광원(1)의 발광면의 직사각형 외형의 한 변과 평행한 단부를 광경로의 외주쪽에서 광경로의 내부쪽으로 돌출되게 배치된 차광판으로 이루어진다. 차광부재(3)를 평행하게 배치하는 발광면의 한 변은 본 실시예에서는 긴 변으로 하고 있지만 짧은 변으로 할 수도 있다.

본 실시예의 차광부재(3)는 조명광학계(20)의 광축(L₁)에 대해서 비대칭인 차광 범위를 형성하고 있다. 이것은 후술하는 바와 같이, 본 실시예에서는 고스트 광이 되는 광의 각도 분포가 광축(L₁)에 대해 비대칭성으로 되어 있기 때문이다.

여기에서, 고스트 광이란 광학 설계상 상면(像面)에 도달하는 것이 상정되어 있지 않은 불필요한 광을 가리키며, 예를 들면, 조명광학계(20)를 출사후 광학계의 광투과면 등에서 표면 반사됨으로써 최종적으로 상면에 도달하는 광 등을 의미한다.

릴레이 렌즈(7)는 시야 렌즈(11)와 함께 릴레이 광학계를 구성하는 것으로 조명광학계(20)의 동공(6)을 출사한 조명광을, 후술하는 반사형 표시소자(8)의 표시면(8a)에 릴레이할 수 있도록 되어 있다.

또한, 본 실시예에서는 릴레이 렌즈(7)와 시야 렌즈(11) 사이에 반사 미러(10)을 배치하여 조명 광경로를 구부리고, 시야 렌즈(11)의 광축(L₂)에 대해서 조명광을 비스듬히 입사시키고 있다.

여기에서, 시야 렌즈(11)에 입사되는 광축(L₁)의, 광축(L₂)으로부터의 경사 각을 각도 φ로 나타낸다.

시야 렌즈(11)는 릴레이 렌즈(7)와 함께 릴레이 광학계를 구성하여 동공(6)을 출사한 광을 표시면(8a)상에 릴레이하는 동시에, 후술하는 반사형 표시소자(8)의 온(ON) 상태의 마이크로 미러에 의해 반사된 광을 투사광학계(13)의 동공(12)으로 입사시키는 것이다.

시야 렌즈(11)는, 본 실시예에서는 시야 렌즈(11)의 광축(L₂)이 반사형 표시소자(8)의 표시면(8a)의 법선에 평행한 상태로 반사형 표시소자(8)에 근접하여 배치되어 있다.

반사형 표시소자(8)는 표시면(8a)에 2차원 격자 모양으로 배열된 복수의 표시 요소의 반사 특성을 제어함으로써, 조사되는 광을 공간 변조하여 화상을 표시하는 것이다. 반사형 표시소자(8)로는 예를 들면, 화상 신호에 따라 경사각이 온(ON) 상태와 오프(OFF) 상태의 2종류의 경사각으로 변화되는 마이크로 미러를 표시 요소로 하여 2차원 격자 모양으로 배열한 DMD(Digital Micro mirror Device) 등의 소자를 채용할 수 있다.

본 실시예에서는, 표시면(8a)의 법선에 대한 경사각이 각각 ±θ가 되는 DMD를 채용하고 있다. 경사각θ은 예를 들면, 10°, 12°와 같은 작은 각도이다.

그리고, 시야 렌즈(11)로 입사되는 조명 광축(L₁)의 경사각(φ)을 적당히 설정함으로써, 표시면(8a)에 대한 조명광의 축상 주광선의 DMD에 대한 입사각을 온 상태의 마이크로 미러의 경사 방향(도 1의 우측)쪽으로 2·θ만큼 경사지게 하고 있다.

한편, 도 1에서, 도면부호 9는 반사형 표시소자(8)의 표시면(8a)을 덮는 커버 글래스를 나타낸다.

투사광학계(13)는, 반사형 표시소자(8)에 조사되는 조명광 중 반사형 표시소자(8)의 온 상태의 마이크로 미러에 의해 반사되어 시야 렌즈(11)를 통해 동공(12)으로 입사된 광을 스크린 등의 투영면에 투사할 수 있도록 되어 있으며, 반사형 표시소자(8)의 오프 상태의 마이크로 미러에서 반사된 광은 시야 렌즈(11)를 투과하여 동공(12)의 외측으로 이끌리게 되어 있다.

본 실시예에서는, 투사광학계(13)의 광축은 시야 렌즈(11)의 광축(L₂)과 동축에 배치되어 있다.

도면의 간결함을 위해서, 도 1의 측면도는 도시하고 있지 않지만, 본 실시예에서는 광축(L₁)이 지면 앞보다도 깊이 방향에 존재하기 때문에, 릴레이 렌즈(7)로부터 시야 렌즈(11)로 향하는 조명광의 광경로와, 시야 렌즈(11)로부터 투사광학계(13)로 향하는 투사광의 광경로는 지면의 깊이 방향으로 입체교차 되고, 반사 미러(10)는 투사광을 차광하지 않는 위치에 배치되어 있다.

다음으로, 본 실시예의 화상 투영 장치(100)의 동작에 대해서 차광부재(3)의 작용을 중심으로 설명한다. 단, 차광부재(3)의 작용은 각 면광원(1)에 공통되기 때문에, 이하에서는, 도 1에 도시된 하나의 면광원(1)으로부터 방사되는 광의 광경로에 기초하여 설명한다.

도 3은, 본 발명의 실시예에 따른 화상 투영 장치의 고스트 광이 될 수 있는 광의 광경로의 개념도이다. 도 4는, 도 3의 광원 근방에서의 광경로의 상세를 나타내는 광경로도이다.

면광원(1)로부터 출사되는 광은 발광면 전체에서 소정의 확산각으로 제 1 렌즈(2A) 쪽으로 방사된다. 이 때, 면광원(1)의 발광면의 중심(O)으로부터 방사되는 광은 도 1에 나타내는 바와 같이, 차광부재(3)에 의해 차광되지 않는 광경로를 통하여 집광 렌즈(2)에서 집광되고, 대략 평행광으로 제2 렌즈(2B)에서 출사되어 색 합성 부재(4)를 투과하여 인터그레이터(5)에 도달한다.

인터그레이터(5)에 도달한 광속은 플라이 아이 렌즈의 작용에 의해 플라이 아이 렌즈를 구성하는 각 셀에서 광속 분할되고, 플라이 아이 사출면에 대략 상당하는 동공(6) 위치에 2차 광원을 형성한다.

그리고, 각각의 2차 광원으로부터 출사되는 광이 릴레이 렌즈(7), 반사 미러(10), 시야 렌즈(11), 커버 글래스(9)를 차례로 투과하여 반사형 표시소자(8)의 표시면(8a)상으로 중첩적으로 안내되어, 반사형 표시소자(8)를 전면적으로 균일하게 조사한다.

반사형 표시소자(8)는 변조 소자 제어부(미도시)에 의해 화상 신호에 기초하여 구동되며, 모든 마이크로 미러가 온 상태 또는 오프 상태의 어느 한 상태로 기울어진다.

그리고, 온 상태의 마이크로 미러에서 반사된 광만이 시야 렌즈(11)의 작용에 의해 투사광학계(13)의 동공(12)에 입사된다. 상기 광은 투사광학계(13)에 의해 적당한 스크린 등으로 이루어지는 투영면(미도시)에 투사된다.

한편, 면광원(1)의 발광면의 중심(O) 이외의 위치에서 방사되어 제 1 렌즈(2A)로 입사되는 광은, 제 2 렌즈(2B), 인터그레이터(5)를 통과하여 동공(6)을 지나고, 상기한 바와 같이, 대부분의 광이 투영면에 투사되는데, 모든 광이 축외광이 되기 때문에 개개의 광경로는 각각 다르다. 특히, 면광원(1)의 외주부측에서 큰 입사각으로 제 1 렌즈(2A)로 입사되는 광은 축상광과는 현저하게 다른 광경로를 따라서 진행되기 때문에, 축외광속의 일부에서 고스트 광이 생기기 쉬운 문제가 있다.

본 실시예에서는, 면광원(1)과 제 1 렌즈(2A)와의 사이에 차광부재(3)를 마련함으로써 고스트 광이 되는 광을 차광하고 있다.

도 3에 나타내는 것은, 면광원(1)의 차광부재(3)측의 단부의 점(P₁)과 그 반대쪽(도면 상측)의 단부의 점(P₂)으로부터 방사되는 광 중에서 집광 렌즈(2)로 가장 큰 입사각으로 입사되는 광선(Q₁, Q₂)의 광경로를 개념적으로 나타낸 것이다. 여기에서, 광선(Q₁, Q₂)은 광축(L₁)에 대하여 대칭이지만, 광선(Q₁)은 차광부재(3)의 차광 범위내에 있기 때문에, 이하의 설명은 차광부재(3)가 배치되지 않는 경우의 광경로의 설명이 된다.

광선(Q₁, Q₂)은 각각, 광축(L₁)으로부터 벗어난 위치에서 집광 렌즈(2)의 유효 외주부로 큰 입사각으로 입사되기 때문에, 집광 렌즈(2)에 의한 강한 굴절 작용 을 받아, 도 3에 나타내는 바와 같이, 광축(L1)과 교차하는 방향으로 출사된다. 그리고, 인터그레이터(5), 동공(6), 릴레이 렌즈(7)의 중심 영역을 비스듬히 진행하여 각각 광축(L₁)과 교차하고, 광축(L₁)에 대해서 반대쪽으로 진행하여 반사 미러(10)에 입사되고 시야 렌즈(11)에 도달한다.

여기에서, 광선(Q₁, Q₂)의 실제 광경로는 인터그레이터(5)를 투과하기 때문에 복잡한 광경로가 되지만, 고스트 광의 발생 원리를 설명하기 위해, 인터그레이터(5)를 대략 직진하는 광선으로 대표시키고 있다.

시야 렌즈(11)에 입사되는 광축(L₁)은 시야 렌즈(11) 및 투사광학계(13)의 광축(L₂)에 대해서 각도(φ)만큼 경사져 있기 때문에, 광선(Q₁)은 광축(L₂)에 대해서 φ 보다 얕은 각도로 시야 렌즈(11)에 입사되고, 광선(Q₂)은 광축(L₂)에 대해서 φ 보다 깊은 각도로 시야 렌즈(11)에 입사된다. 또한, 광선(Q₁)은 시야 렌즈(11)의 렌즈 표면에 대해서 광축(L₁)을 기준으로 각도(φ)가 감소는 방향의 위치에서 입사되고, 광선(Q₂)은 시야 렌즈(11)의 렌즈 표면에 대해서 광축(L₁)을 기준으로 각도(φ)가 증대하는 방향의 위치에서 입사된다. 이 때문에, 도 3에 나타내는 광선 추적의 예에서는, 광선(Q₁, Q₂)의 각각의 일부가 시야 렌즈(11)의 표면에서 각각 다른 방향으로 향하는 광선(q₁, q₂)으로서 반사되어, 광선(q₁)은 투사광학계(13)의 동공(12)에 입사되고 광선(q₂)은 동공(12)의 외측을 향해 진행한다.

동공(12)에 어떠한 광선이 입사되는가는 각도(φ)의 크기나 동공(12)의 위치 등에 의하기도 하지만, 일반적으로는 시야 렌즈(11)에 대한 입사각이 얕고, 반사광이 광축(L₂)에 대해서 얕은 각도로 진행하는 것이 동공(12)에 들어가기 쉽다.

이 때문에, 광선(q₁)은 투사광학계(13)에 의해 투영면에 투사되는 고스트 광이 된다. 이 광은, 반사형 표시소자(8)에 의해 반사된 것이 아니기 때문에 화상 신호에 따른 화상과 아무런 관계가 없고, 화상 노이즈가 되어 투영 화상의 화질을 저하시키는 것이다.

본 실시예에서는, 차광부재(3)에 의해 광선(Q₁)을 차광하기 때문에 이와 같은 고스트 광이 제거되고, 투영 화상의 화질 열화를 방지할 수 있다.

본 실시예와 같이, 조명광의 광축(L₁)이 투사광학계(13), 시야 렌즈(11)의 광축(L₂)으로부터 각도(φ)만큼 기울어져 있는 경우, 그러한 배치의 비대칭성에 대응하여 면광원(1)의 근방에서는 광축(L₁)에 대해서 경사각(φ)의 감소 방향측의 영역으로부터 큰 입사각으로 진행하는 광을 차광하는 위치에 차광부재(3)를 배치하는 것이 바람직하다.

각 면광원(1)에 대응하는 각 차광부재(3)의 배치 위치는 광선 추적에 의해 고스트 광이 되는 광선 범위를 시뮬레이션함으로써 설정할 수 있다.

예를 들면, 도 4에는, 하나의 파장광에 대응하는 면광원(1)상의 점(P₁), 점(O), 점(P₂)으로부터 제 1 렌즈(2A)에 대해서 소정 범위의 큰 입사각으로 입사되 는 광속의 광선 추적도를 나타내었다.

도 4에 의하면, 점(P₁), 점(O), 점(P₂)으로부터 방사되는 광속은, 제 1 렌즈(2A)에 대한 입사상 높이는 이 순서대로 낮아지지만, 제 2 렌즈(2B)를 투과하면 상 높이 위치가 역전되어, 점(O) 및 점(P₂)으로부터의 광속(C, D)은 광축(L₁)에 대해서 얕은 각도로 나아가고, 점(P₁)으로부터의 광속(B)은 광축(L₁)에 대해서 가장 크게 기울어져서 진행한다. 그 때문에, 광속(C, D)의 광은 고스트 광이 되지 않는 것을 알 수 있다. 따라서, 차광부재(3)는 광속(B)을 차광하고, 광속(C, D)을 차광하지 않는 위치에 설치된다.

서로 다른 파장광에 대응하는 면광원(1)에 대해 배치하는 차광부재(3)의 위치는 대응하는 파장광을 사용한 시뮬레이션에 기초하여 각각의 최적 위치로 설정한다.

이상은, 면광원(1)의 발광면의 외주변상의 다른 광에 대해서도 거의 동일하므로, 차광부재(3)의 단부를 면광원(1)의 발광면의 한 변에 평행하게 연장시킴으로써 면광원(1)의 발광면의 외주로부터 출사되어 고스트 광이 되는 광을 마찬가지로 제거할 수 있다.

이와 같은 차광부재(3)에 의해 차광되는 광은, 차광부재(3)를 배치하지 않는 경우, 조명광학계(20)의 동공(6)의 중심 영역을 통과한다. 그 때문에, 종래와 같이, 조명광학계나 투사광학계의 동공 위치에 차광부재를 배치하여 제거하고자 하면, 동공 위치의 중심 영역에 차광부재를 배치시켜야만 하기 때문에, 조명을 위한 다른 필요광이나 투영되는 화상을 형성하는 필요광도 많은 부분을 차광하게 되고 휘도 저하나 화질열화 등을 피할 수 없다.

이에 반하여, 본 실시예에서는 면광원(1)으로부터 출사되는 광속의 외주 방향에서 차광하기 때문에, 고스트 광의 원인이 되지 않은 다른 필요광의 대부분이 투과된다. 따라서, 고스트 광의 원인이 될 수 있는 광속(예를 들면, 광속(B))만을 주로 차폐할 수 있고 필요광의 차폐에 의한 휘도 저하를 최소한으로 저감할 수 있다.

특히, 본 실시예에서는 집광 렌즈(2)에 집광된 광이 인터그레이터(5)를 투과함으로써 반사형 표시소자(8)를 조명하는 광속의 광량분포는 균일하게 된다. 그 때문에, 만일 차광부재(3)에서 조명을 위한 필요광이 차광되는 경우라도, 그보다 반사형 표시소자(8)측에 배치된 인터그레이터(5)에 의한 균일화 작용에 의해 휘도 불균일에 따른 화질저하를 일으키지 않게 된다. 또한, 차광에 의한 휘도 광량의 저하가 있더라도, 면광원(1)의 광출력을 조금 증대시키는 것만으로 충분히 보상할 수 있게 된다.

이와 같이 본 실시예의 조명 장치(200)에 의하면, 차광부재(3)를 구비함으로써 동공(6)의 중심 영역을 통과하는 광에 의한 고스트 광의 발생을 저감할 수 있다. 그 때문에, 조명광학계나 투사광학계의 동공 위치에서 차광하는 경우에 비해 휘도 저하가 적고 고품질의 조명을 수행할 수 있다.

또한, 본 실시예의 화상 투영 장치(100)는 이와 같은 조명 장치(200)를 사용함으로써 화질의 양호한 화상을 투영할 수 있다.

상기 설명에서는, 인터그레이터(5)를 구비하는 경우를 예로 설명하였으나, 예를 들면 광원의 종류나 조명광의 광량분포 허용범위 등에 의해 충분한 광량의 균일성을 얻을 수 있는 경우에는 인터그레이터(5)를 삭제한 구성으로 할 수도 있다.

또한, 상기 설명에서는, 차광부재(3)를 면광원(1)과 제 1 렌즈(2A) 사이의 광경로상, 즉 광원과 집광 광학계 사이의 광경로상에 배치하는 경우를 예로 설명하였으나, 차광부재(3)의 배치 위치는 조명광학계(20)의 동공(6)과 면광원(1) 사이에 있으면 어디에 배치해도 된다.

예를 들면, 제 1 렌즈(2A)와 제 2 렌즈(2B)의 사이나, 제 2 렌즈(2B)의 출사구 근방, 집광 렌즈(2)와 인터그레이터(5)의 사이, 또는 인터그레이터(5)의 출사구 근방 등의 적당한 위치에 차광부재(3)를 배치할 수 있다.

바람직하게는, 광원과 집광 광학계 사이, 또는 집광 광학계를 구성하는 광학 소자간의 광경로상에 차광부재(3)를 배치한다. 이러한 위치에서는 고스트 광을 일으키는 큰 각도를 가진 입사광이 광학계의 유효 외주부를 통과하기 때문에 차폐부재를 광학계의 유효광속의 바깥쪽에서 배치할 수 있고, 필요 조명광의 차광에 의한 밝기 저하를 저감할 수 있는 동시에 고스트 광이 되는 동공 중심 부근을 통과하는 축외광을 효율적으로 차폐할 수 있기 때문이다.

또한, 상기 설명에서는 광원이 면광원(1)인 경우를 예로 설명하였으나, 광원은 면광원에 한정되지 않고 발광부가 유한의 크기를 가지는 경우 등도 포함한다. 예를 들면, 램프 등 발광부가 유한의 크기를 가지는 경우에는 면광원과 같이 고스트 광의 원인이 되는 축외광이 발생할 가능성이 있다.

또한, 실질적인 점광원이더라도 광원의 위치를 광축으로부터 어긋나게 배치한 경우에는 전부 축외광이 되기 때문에 같은 고스트 광이 발생할 가능성이 있다.

또한, 상기 설명에서는 고스트 광이 되는 광의 예로서, 시야 렌즈(11)의 표면 반사광에 대해서 검토하여 차광 범위를 설정한 경우의 예로 설명하였으나, 차광 범위의 검토는 고스트 광이 발생할 수 있는 모든 경우를 검토하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 시야 렌즈(11)의 이면 반사광이나, 필요에 따라 시야 렌즈(11) 이외의 광학 소자에 대해서도 검토하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 설명에서는 조명광의 광경로를 반사 미러(10)에 의해 구부린 경우의 예로 설명하였으나, 이와 같은 광학 레이아웃은 하나의 예로서 반사 미러(10)를 생략하고 릴레이 렌즈(7)로부터 출사되는 조명광이 바로 시야 렌즈(11)로 입사되는 레이아웃으로 할 수도 있다.

또한, 상기 설명에서는, 면광원(1)이 R, G, B의 파장광을 발생하는 3종류가 마련되고 각각에 차광부재(3)가 마련된 경우의 예로 설명하였으나, 고스트 광이 발생하지 않는 파장광이 있으면 대응하는 차광부재(3)는 생략해도 된다.

또한, 단색의 조명 장치나, 백색광과 필터 전환 기구를 사용한 컬러 조명 장치 등의 경우에는 색 합성 부재(4)를 생략하고 면광원(1)을 한 종류로 한 구성으로 할 수도 있다.

또한, 상기 설명에서는, 조명 장치(200)가 반사형 표시소자와 함께 이용되는 화상 투영 장치에 이용하는 조명 장치인 경우를 예로 설명하였으나, 조명 장치는 광원과, 이 광원으로부터의 광을 집광하는 집광 광학계와, 이 집광 광학계로부터의 광을 피조명면으로 릴레이하는 릴레이 광학계를 구비하는 조명광학계를 가지는 조명 장치로서, 상기 릴레이 광학계가 피조명면 앞에 시야 렌즈를 갖는 조명 장치이면, 특별히 반사형 표시소자를 이용한 화상 투영 장치에 사용하는 조명 장치에 한정되지 않는다. 예를 들면, 투과형 표시소자를 사용한 화상 투영 장치에 이용하는 조명 장치일 수도 있다.

또한, 화상 투영 장치에 이용되는 조명 장치에도 한정되지 않는다. 예를 들면, 피조명면상의 상을 촬상 광학계를 통과시켜 촬상하는 화상 관찰 장치 등에 이용하는 조명 장치 등이어도 된다. 이 경우, 차광부재(3)에 의해 시야 렌즈의 표면 등에서 반사되어 촬상 광학계로 입사되는 고스트 광을 저감할 수 있다.

또한, 상기 실시예에 기재된 구성 요소는 기술 적으로 가능하다면 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 적절히 조합하여 실시할 수 있다.

여기에서, 상기 실시예의 용어와 특허청구범위의 용어의 대응 관계에 대해서 명칭이 다른 경우에 대해 설명한다.

면광원(1)은 광원의 일 실시예이다. 집광 렌즈(2)는 집광 광학계의 일 실시예이다. 인터그레이터(5)는 균일화 광학계의 일 실시예이다. 릴레이 렌즈(7)와 시야 렌즈(11)는 릴레이 광학계의 일 실시예이다. 또한, 반사형 표시소자(8)의 표시면(8a)은 피조명면에 대응한다.

본 발명의 조명 장치 및 화상 투영 장치에 따르면, 조명광학계로 입사되는 입사각이 큰 광을 차광하여 동공의 중심 영역을 통과하는 광을 저감할 수 있기 때 문에, 동공의 중심 영역을 통과하는 광에 의한 고스트 광의 발생을 저감할 수 있는 효과를 갖는다.

Claims (7)

1. 광원; 상기 광원으로부터의 광을 집광하는 집광 광학계; 및 상기 집광 광학계로부터의 광을 피조명면으로 릴레이하는 릴레이 광학계;를 구비하는 조명광학계를 포함하며,

   상기 릴레이 광학계는 피조명면 앞에 시야 렌즈를 갖고,

   상기 광원과 상기 조명광학계의 동공 사이의 광경로상에 광의 투과 범위를 규제하는 차광부재를 마련한 것을 특징으로 하는 조명 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 광원은 면광원인 것을 특징으로 하는 조명 장치.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 차광부재의 광경로 내부측 단부는 상기 면광원의 발광면의 한변에 평행하게 연장된 것을 특징으로 하는 조명 장치.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 조명광학계는, 상기 조명광학계의 동공 위치 근방에 놓이고 상기 피조명면에서의 광량분포를 균일화하는 균일화 광학계를 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 균일화 광학계는 릴레이 광학계와 집광 광학계 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 차광부재는, 광원으로부터 방사되는 광 중에서 상기 조명광학계의 광축에 대해 가장 큰 경사각을 가지며 상기 조명광학계의 동공 근방에서 광축을 통과하는 경로의 광을 차단하는 것을 특징으로 하는 조명 장치.
7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 조명 장치;

   상기 조명 장치의 피조명면에 배치된 반사형 표시소자; 및

   상기 조명 장치의 시야 렌즈를 투과하여 상기 반사형 표시소자에 조명된 후 상기 반사형 표시소자의 표시면에 의해 반사되어 다시 상기 시야 렌즈를 투과한 광을 투영면에 투영시키는 투사광학계;를 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 투영 장치.

Images