KR100994851B1 - 프로젝터, 위상차판 및 위상차판의 배치 방법 - Google Patents

Abstract

편광 상태의 보정을 양호하게 행하여, 화질의 향상을 도모할 수 있는 프로젝터 및 프로젝터 등에 사용되어, 편광 상태의 보정을 양호하게 행할 수 있도록 한 위상차판 및 위상차판의 배치 방법을 제공한다. 반사형의 공간 변조기(21)와 PBS(20) 사이에, 편광 상태의 보정을 행하기 위한 1/4 파장판(22)을 배치한다. 1/4 파장판(22)은 다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판(41, 42)의 조합으로 되어 있다. 이들 2매의 위상차판(41, 42)에서 발생시키는 위상차는, 그 배치 상태에 따른 적절한 위상차량으로 설정되어 있기 때문에, 1/4 파장판(22)을 2매의 위상차판의 조합으로 하고 있음에도 불구하고, 단판으로 구성한 경우와 동등하거나 그 이상의 성능으로, 편광 상태의 보정이 양호하게 행해진다.

공간 변조기, 편광 선택 소자, 파장판, 크로스 다이클로익

Description

프로젝터, 위상차판 및 위상차판의 배치 방법{PROJECTOR, AND PHASE DIFFERENCE PLATE AND METHOD OF ARRANGING PHASE DIFFERENCE PLATE}

본 발명은 공간 변조기에 의해 변조된 광을 투사하여 화상을 형성하도록 한 프로젝터, 및 프로젝터의 조명 광학계 등에서 사용되는 위상차판 및 위상차판의 배치 방법에 관한 것이다.

종래에, 광원으로부터의 광을 공간 변조기에 의해서 변조하고, 그 변조광을 투영 렌즈를 통하여 스크린에 투사함으로써, 화상을 표시하도록 한 투사형 표시 장치(프로젝터)가 알려져 있다. 공간 변조기로서는, 예를 들면 액정 표시 패널(LCD; Liquid Crystal Display) 또는 DMD(Digital Micromirror Device) 등이 이용되고 있다. 공간 변조기의 종류에는 변조한 입사광을 투과시키는 투과형과, 변조한 입사광을 반사시키는 반사형이 있다.

반사형의 공간 변조기를 이용한 프로젝터는, 입사 시에 PBS(편광 빔 스플리터) 등의 편광 선택 소자에 의해 선택(투과 또는 반사)된 편광 성분 중, 공간 변조기에 의해 그 편광 상태가 바뀐 성분이, 편광 선택 소자에 의해 반대의 선택(반사 또는 투과)을 함으로써 광원과는 다른 방향으로 진행한다고 하는 현상을 이용하여 화상을 형성하였다.

이 반사형 프로젝터에서의 광의 변조 제어를 행하는 부분에 대하여, 구체적으로 도 17을 이용하여 설명한다. 또, 도 17에서, 참조 부호 100은 광축을 나타낸다. 도면에 도시한 바와 같이, 광원으로부터의 입사광(200)은 PBS(101)의 편광 선택면(101A)에서, S 편광 성분의 광(200S)만이 선택(반사)되어 공간 변조기로서의 반사형 액정 패널(102)에 도달한다. 도달한 광은, 반사형 액정 패널(102)이 편광 상태에 영향을 미치지 않는 상태(오프 상태)인 경우에는, 반사형 액정 패널(102)에서 S 편광 그대로 반사됨으로써 PBS(101)로 되돌아가, 그 편광 선택면(101A)에서, 입사 시와는 역방향으로 S 편광 성분의 광(201S)으로서 반사되어, 광원측으로 되돌아간다.

한편, 반사형 액정 패널(102)이 편광 상태에 영향을 미치는 상태(온 상태)에서는 반사형 액정 패널(102)로부터의 반사광의 일부 또는 전부가 P 편광 성분의 광(201P)으로 변환되고, PBS(101)의 편광 선택면(101A)을 투과한다. 이 투과한 P 편광 성분의 광(201P)은, 도시하지 않은 투영 렌즈에 의해서 스크린 상에 화상으로서 결상된다. 계조 표현에 대해서는 반사형 액정 패널(102)에서의 편광 상태의 변화량에 따라서 제어를 행하고 있다.

또, 도 17에 도시한 상태와는 반대로, 광원으로부터의 입사광을, 반사형 액정 패널(102)의 정면측으로 입사시키고, 반사형 액정 패널(102)로부터의 복귀광 중, PBS(101)의 편광 선택면(101A)에서 반사에 의해 선택된 광선을, 투영 렌즈에 유도하도록 할 수도 있다.

이러한 반사형 프로젝터에서, 오프 상태인 경우에는 반사형 액정 패널(102) 에 입사할 때에 S 편광 성분의 광(200S)인 광선은 반사 후(출사 시)에도 전부 S 편광 성분의 광(201S)으로서 광원측으로 되돌아가지 않으면 안되지만, 현실적으로는 일부가 P 편광 성분의 광(201P)이 되어 PBS(101)를 투과하게 된다.

그 이유를 도 18 및 도 19을 참조하여 설명한다. 도 18 및 도 19는 광의 입사 시와 출사 시에서의 PBS(101)의 편광 선택면(101A)의 광학적인 위치 관계를 도시하고 있다.

P, S의 각 편광의 전계 방향은 광선의 진행 방향과 입사면(편광 선택면(101A))에서의 법선 n1의 방향에 의해 결정된다. 이 때문에, 도 18에 도시한 바와 같이, 입사하기 전과 후에 편광 선택면(101A)이 평행한, 즉 법선 방향이 동일한 경우에는, 입사 시와 출사 시의 P, S 양 편광의 방향이 일치한다. 이러한 이상적인 상태에서는, 입사측에서 S 편광 성분으로서 PBS(101)로 반사된 광(200S)은 출사측에서도 S 편광 성분의 광(201S)이 된다.

그러나, 도 17에 도시한 바와 같은 현실의 프로젝터에서의 광학계에서는, 광선과 PBS(101)에 상술한 이상적인 위치 관계가 성립되어 있지 않다. 현실의 광학계에서는, 광선이 반사형 액정 패널(102)에서 반사하기 때문에, 도 19에 도시한 바와 같이, 입사 시와 출사 시의 편광 선택면(101A)의 관계는 반사형 액정 패널(102)을 포함하는 평면에 대칭(거울상)의 관계로 되어 있다. 이 때문에, 입출사 시의 편광 선택면(101A)의 법선 방향이 다르게 되고, 각각의 P 편광 및 S 편광의 전계 방향이 동일하게 되지는 않고, 입사 시에 S 편광 성분으로서 반사된 광선(200S)은 패널이 편광 상태에 영향을 미치지 않는 오프 상태라도 출사 시의 편광 선택면(101A)에 대해서는 P 편광 성분의 광선(201P)을 포함하게 된다. 이 P 편광 성분은 출사 시에 제거되지 않고, 본래 흑이어야 할 화면에 도달하여, 화질(주로 소광비)을 손상시키게 된다.

이와 같이 입사하는 면이 2개 이상 존재하는 경우에는, 그 면이 서로 평행하지 않는 한, 통상의 광선에 있어서는 각각의 면에서의 편광 성분이 다르게 되고, 본래에는 출사 시에 제거되어야 할 성분이 남게 되어 화질을 손상시키는 문제가 있다.

이것을 해결하기 위한 대책으로서는, 반사형 액정 패널(102)과 PBS(101) 사이에 1/4 파장의 위상차판(1/4 파장판)을 설치하고, 편광 상태의 보정을 행하는 것이 일반적이다. 이 경우, 1/4 파장판에서 광선은 왕복으로 2회 통과하기 때문에, 실효적으로 1/2 파장판으로서 기능한다.

도 20은 1/4 파장판을 배치한 경우의 광의 입사 시와 출사 시에서의 각 광학 소자의 광학적인 위치 관계를 나타내고 있다. 도 20에서 1/4 파장판(121)의 축을 지면에 수직으로 설정해두면, 1/4 파장판(121)을 왕복으로 2회 투과함으로써, 광선의 전계 방향은 도면 중의 광축(100)을 포함하여 지면에 수직인 면에 대하여 대칭으로 반전한다. 그 결과, 입사측의 편광 선택면(101A)(실선)에서 S 편광 성분으로서 반사된 광선(200S)의 전계 방향은 가상적인 편광 선택면(101B)(점선)에서 S 편광으로서 반사한 광선의 전계 방향과 일치하게 된다. 이 방향은 출사측의 PBS(101)에 대한 S 편광 성분과 일치하기 때문에, 출사측의 PBS(101)에서 양호하게 제거되고, 소광비(=입사광/출사광)의 열화를 방지할 수 있다. 이러한 1/4 파장판 을 이용한 종래 기술의 예는, 일본 특개평 10-26756호 공보에 기재되어 있다.

이 1/4 파장판을 이용하는 보정 방법은, 어떠한 광선에 대해서도 1/4 파장의 위상차를 발생시키는 이상적인 위상차판에는 매우 유효하게 작용하지만, 실제로는 입사각에 의해서 위상차량이 변화하기 때문에, 광축에 대한 각도가 큰 광선이 포함되는 경우에는 소광비의 열화가 발생한다. 입사각이 커지는 정도, 또한 위상차판이 두꺼워지는 정도에 따라 소광비는 내려가는 경향이 있다.

여기서, 도 21A 내지 도 21C 및 도 22A 내지 도 22C를 참조하여, 일반적으로 사용되고 있는 위상차판에 대하여 설명한다. 수정과 같이 광학 이방성을 갖는 결정에 광이 입사하면, 전계 방향에 따라 굴절율이 다르기 때문에 파장의 차가 발생하고, 파수의 차에 따른 위상차가 발생한다. 도 21A에 도시한 위상차판(130)에서는 상광선(常光線)(굴절율 no를 갖는 광선)쪽이 이상광선(異常光線)(굴절율 ne를 갖는 광선)보다 속도가 빠르고, 파장이 길어짐으로써 위상차가 발생한다. 도 21B, 도 21C에, 각각 위상차판(130)의 내부에서의 이상 광선의 상태와 상광선의 상태를 모식적으로 도시한다.

또, 위상차판은 입사광의 서로 직교하는 성분에 위상차를 공급하지만, 위상차판에서, 서로 직교하는 2개의 진동 성분 중, 그 위상 속도가 빠른 진동 성분의 진동 방향을 「진상축」, 느린 진동 성분의 진동 방향을 「지상축」이라고 한다. 도 21A∼도 21C의 경우, 상광선의 굴절율 no의 방향(x 방향)이 진상축, 이상광선의 굴절율 ne의 방향(y 방향)이 지상축으로 된다.

수정인 경우, 상광선과 이상광선에 1/4 파장의 위상차를 발생시키는 데 필요 한 광로 길이(두께)는 15미크론 정도이다. 수정의 위상차판을 이 두께로 실제로 제작하는 것은 너무 얇아서 곤란하기 때문에, 통상은 도 22A에 도시한 바와 같이, 다른 위상차를 발생시키는 제1 및 제2 위상차판(131, 132)을 2매 조합하여, 이들 2매의 위상차판(131, 132)에 의해서 생기는 합계의 위상차가 1/4 파장이 되도록 조정하는 것이 일반적이다. 이 경우, 굴절율 no의 축(진상축)과 굴절율 ne의 축(지상축)의 위치 관계를 90° 다르게 하여 각 위상차판(131, 132)을 배치한다.

도 22B, 도 22C에, 각각 진동 방향이 직교하는 입사 광선(141, 142)이, 위상차판(131, 132)을 통과했을 때의 상태를 모식적으로 도시한다. 광선(141)은 도 22A의 y 방향, 광선(142)은 도 22A의 x 방향으로 진동 방향을 갖는 성분이다. 입사 광선(142)측에 주목하면, 우선 제1 위상차판(131)에서는 상광선이 되어 위상이 (M+1/4)λ 진행하고, 다음으로, 제2 위상차판(132)에서는 이상광선이 되어 위상이 Mλ 지연됨으로써, 전체적으로 다른 쪽의 입사 광선(141)에 대하여 1/4 파장의 위상차가 발생하게 된다. λ는 1 파장을 나타낸다. 여기서, 종래에는 각 위상차판(131, 132)의 위상차의 결정에 있어서는, 주로 제조성(두께)만을 고려하고 있고, 전체적으로 1/4 파장이 된 위상차를 생기게 하는 것이면, 특별히 어떠한 구성으로 할지는 문제가 되지 않는다. 예를 들면 수정인 경우, 2매의 위상차판 전체에 600 미크론 이상의 두께로 구성하는 것이 일반적이다.

이와 같이 2매의 위상차판을 조합한 구성인 경우, 결과적으로 입사각이 작은(수직 입사에 가까운) 경우에는 양호하게 기능하지만, 경사 입사 광선에 대한 위상차 변동이 커지기 때문에 소광비의 열화가 발생한다. 그것을 피하기 위해 입 사각을 작은 범위로 억제하고자 하면 사용 가능한 광량의 현상으로 화면이 어두워진다고 하는 다른 문제가 발생한다.

위상차판의 다른 재료로는, 확장 등의 광학 이방성을 갖는 유기 필름이 있다. 유기 필름인 경우, 수정에 비하여 상광선의 굴절율 no와 이상광선의 굴절율 ne의 차가 작고, 재질에 따라서는 60 미크론 정도에서 1/4 파장의 위상차가 발생하게 된다. 이 정도의 두께이면, 2매의 조합으로 제조할 필요가 없어 1매로 제작 가능하여, 얇은 위상차판을 실현할 수 있다. 소광비의 열화는 위상차판의 두께, 및 상광선의 굴절율과 이상광선의 굴절율의 차로 결정되기 때문에, 60 미크론 정도의 유기 필름의 성능은 15미크론 정도의 수정과 동등해져서 양호한 성능을 갖는다. 이미 프로젝터 등에서는 유기 필름이 1/4 파장판으로서 사용되고 있지만, 온도 상승에 약하여, 장기 신뢰성 측면에서 문제를 갖고 있다.

이상 통합하면, 반사형 액정 패널(102)과 PBS(101) 사이에, 이상적인 1/4 파장판을 설치하면, 편광 상태의 보정을 양호하게 행할 수 있다. 그러나, 현실의 1/4 파장판에서는, 비스듬히 투과하는 광선에 대해서는 입사 조건에 따라 위상차가 변화해 가기 때문에 보정이 충분히 행해지지 않게 되어, 프로젝터의 화질에는 이하의 문제가 발생한다.

1) 완전히 보정되지 않은 성분의 광이 화면에 들어가기 때문에, 어두워야 하는 장소도 충분히 어둡게 되지 못한다.

2) 그것을 회피하기 위해서 경사 입사광을 제한하면, 사용할 수 있는 광량의 감소로 화면 전체가 어두워진다.

통상 이용되고 있는 유기 재료계의 필름은 대략 1/4 파장의 위상차를 발생시키는데 필요한 최저한의 두께로 제작되어 있어, 상기한 화질 저하를 극력 회피하고 있지만, 재질 측면에서 온도 상승에 약하고, 장기 신뢰성 측면에서 문제가 있다. 한편으로, 보다 일반적인 파장판 재료인 수정은, 온도 상승에 강하고, 장기 신뢰성이 우수하지만, 대략 1/4 파장의 위상차를 발생시키는데 필요한 최저한의 두께로의 제작이 곤란하다고 하는 문제점을 갖는다. 통상의 수정 파장판은 2매의 파장판이 조합하여 대략 1/4 파장차를 실현하고 있기 때문에, 유기 재료계에 비하여 실효적인 두께가 증가하여, 상기 2개의 화질 열화가 현저해지는 문제점을 갖고 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 제1 목적은 편광 상태의 보정을 양호하게 행하여, 화질의 향상을 도모할 수 있는 프로젝터를 제공하는 데에 있다. 또한, 제2 목적은 프로젝터 등에 사용되어, 편광 상태의 보정을 양호하게 행할 수 있도록 한 위상차판 및 위상차판의 배치 방법을 제공하는 데에 있다.

<발명의 개시>

본 발명의 제1 내지 제4 관점에 따른 프로젝터는, 편광 상태의 제어에 의해 변조를 행하는 반사형 공간 변조기와, 공간 변조기에 대하여 경사지게 배치된 편광 선택면을 갖고, 그 편광 선택면에서 입사광 중 소정 편광 성분의 광을 선택하여 공간 변조기에 입사시킴과 함께, 공간 변조기에 의해서 변조되어 반사한 광 중 소정 편광 성분과 다른 편광 성분의 광을 그 입사광과는 다른 방향으로 출사하는 편광 선택 소자와, 공간 변조기와 편광 선택 소자 사이에 배치된 1/4 파장판과, 공간 변 조기에 의해서 반사되고, 편광 선택 소자에 의해 선택된 광을 투사하여 화상을 형성하는 투사 수단을 구비하고, 1/4 파장판이, 다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판을 편광 선택 소자측에서부터 순서대로, 서로의 지상축이 거의 직교하도록 조합하여 배치함으로써, 전체적으로 거의 1/4 파장의 위상차량을 발생하도록 구성되어 있는 것이다.

특히, 본 발명의 제1 관점에 따른 프로젝터는, 편광 선택면의 법선 및 1/4 파장판의 법선을 포함하는 면과, 1/4 파장판의 판면의 교선 방향을 기준 방향으로 했을 때, 편광 선택 소자측에 배치된 제1 위상차판이, 그 지상축이 기준 방향에 거의 직교하도록 배치되어 있음과 함께, 1/4 파장판 전체의 지상축이 기준 방향에 거의 직교하도록 배치되고, 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량이, (0.75±0.3) 파장의 범위 내이거나 또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여, (N-0.25±0.2) 파장의 범위 내로 되어 있는 것이다.

또한 특히, 본 발명의 제2 관점에 따른 프로젝터는, 편광 선택면의 법선 및 1/4 파장판의 법선을 포함하는 면과, 1/4 파장판의 판면의 교선 방향을 기준 방향으로 했을 때, 편광 선택 소자측에 배치된 제1 위상차판이, 그 지상축이 기준 방향에 거의 평행하도록 배치되어 있음과 함께, 1/4 파장판 전체의 지상축이 기준 방향에 거의 직교하도록 배치되고, 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량이, (0.5±0.4) 파장의 범위 내이거나 또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여, (N-0.5±0.3) 파장의 범위 내로 되어 있는 것이다.

또한 특히, 본 발명의 제3 관점에 따른 프로젝터는, 편광 선택면의 법선 및 1/4 파장판의 법선을 포함하는 면과, 1/4 파장판의 판면의 교선 방향을 기준 방향으로 했을 때, 편광 선택 소자측에 배치된 제1 위상차판이, 그 지상축이 기준 방향에 거의 직교하도록 배치되어 있음과 함께, 1/4 파장판 전체의 지상축이 기준 방향에 거의 평행하도록 배치되고, 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량이, N을 1 이상 3 이하의 정수로 하여, (N±0.2) 파장의 범위 내로 되어 있는 것이다.

또한 특히, 본 발명의 제4 관점에 따른 프로젝터는, 편광 선택면의 법선 및 1/4 파장판의 법선을 포함하는 면과, 1/4 파장판의 판면의 교선 방향을 기준 방향으로 했을 때, 편광 선택 소자측에 배치된 제1 위상차판이, 그 지상축이 기준 방향에 거의 평행하도록 배치되어 있음과 함께, 1/4 파장판 전체의 지상축이 기준 방향에 거의 평행하도록 배치되고, 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량이, 0보다도 크고 0.65 파장 이하의 범위 내이거나 또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여, (N-0.75±0.4) 파장의 범위 내로 되어 있는 것이다.

본 발명의 제1 내지 제4 관점에 따른 위상차판의 배치 방법은, 편광 상태의 제어에 의해 변조를 행하는 반사형의 공간 변조기와, 공간 변조기에 대하여 경사지게 배치된 편광 선택면을 갖고, 그 편광 선택면에서 입사광 중 소정 편광 성분의 광을 선택하여 공간 변조기에 입사시킴과 함께, 공간 변조기에 의해서 변조되어 반사한 광 중 소정 편광 성분과 다른 편광 성분의 광을 그 입사광과는 다른 방향으로 출사하는 편광 선택 소자 사이에, 전체적으로 거의 1/4 파장의 위상차량을 발생하는 1/4 파장판을 배치하는 방법으로서, 다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판을 편광 선택 소자측에서부터 순서대로, 서로의 지상축이 거의 직교하도록 조합하여 배치함으로써, 전체적으로 거의 1/4 파장의 위상차량을 발생하도록 한 것이다.

특히, 본 발명의 제1 관점에 따른 위상차판의 배치 방법은, 편광 선택면의 법선 및 1/4 파장판의 법선을 포함하는 면과, 1/4 파장판의 판면의 교선 방향을 기준 방향으로 했을 때, 편광 선택 소자측에 배치된 제1 위상차판을, 그 지상축이 기준 방향에 거의 직교하도록 배치함과 함께, 1/4 파장판 전체의 지상축이 기준 방향에 거의 직교하도록 배치하고, 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량을, (0.75±0.3) 파장의 범위 내이거나 또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여, (N-0.25±0.2) 파장의 범위 내로 하도록 한 것이다.

또한 특히, 본 발명의 제2 관점에 따른 위상차판의 배치 방법은, 편광 선택면의 법선 및 1/4 파장판의 법선을 포함하는 면과, 1/4 파장판의 판면의 교선 방향을 기준 방향으로 했을 때, 편광 선택 소자측에 배치된 제1 위상차판을, 그 지상축이 기준 방향에 거의 평행하도록 배치함과 함께, 1/4 파장판 전체의 지상축이 기준 방향에 거의 직교하도록 배치하고, 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량을, (0.5±0.4) 파장의 범위 내이거나 또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여, (N-0.5±0.3) 파장의 범위 내로 하도록 한 것이다.

또한 특히, 본 발명의 제3 관점에 따른 위상차판의 배치 방법은, 편광 선택면의 법선 및 1/4 파장판의 법선을 포함하는 면과, 1/4 파장판의 판면의 교선 방향을 기준 방향으로 했을 때, 편광 선택 소자측에 배치된 제1 위상차판을, 그 지상축이 기준 방향에 거의 직교하도록 배치함과 함께, 1/4 파장판 전체의 지상축이 기준 방향에 거의 평행하도록 배치하고, 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량을 N을 1 이상 3 이하의 정수로 하여, (N±0.2) 파장의 범위 내로 하도록 한 것이다.

또한 특히, 본 발명의 제4 관점에 따른 위상차판의 배치 방법은, 편광 선택면의 법선 및 1/4 파장판의 법선을 포함하는 면과, 1/4 파장판의 판면의 교선 방향을 기준 방향으로 했을 때, 편광 선택 소자측에 배치된 제1 위상차판을, 그 지상축이 기준 방향에 거의 평행하도록 배치함과 함께, 1/4 파장판 전체의 지상축이 기준 방향에 거의 평행하도록 배치하고, 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량을, 0보다도 크고 0.65 파장 이하의 범위 내이거나 또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여, (N-0.75±0.4) 파장의 범위 내로 하도록 한 것이다.

본 발명에 따른 위상차판은 편광 상태의 제어에 의해 입사광의 변조를 행하는 반사형의 공간 변조기의 입사측에 배치되고, 다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판을, 서로의 지상축이 거의 직교하도록 조합하여 배치함으로써, 전체적으로 거의 1/4 파장의 위상차량을 발생하도록 구성된 위상차판으로서, 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량이, 0보다 크고 3/4 파장 이하이거나 또는 1 이상 3/2 파장 이하의 범위 내로 되어 있는 것이다.

또, 본 발명의 각 관점에 따른 프로젝터 및 위상차판의 배치 방법 및 위상차판에서, 제1 및 제2 위상차판은 각각 단판으로 구성되어 있어도 되고, 각각이 복수로 분할된 구성이어도 된다.

본 발명의 제1 내지 제4 관점에 따른 프로젝터 및 위상차판의 배치 방법에서는, 반사형의 공간 변조기와 편광 선택 소자 사이에 배치된 1/4 파장판에 의해서, 반사형의 공간 변조기와 편광 선택 소자 사이를 왕복하는 광선에 대하여, 편광 상태의 보정이 이루어진다. 1/4 파장판이, 다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판의 조합으로 되어 있음과 함께, 이들 2매의 위상차판에서 발생되는 위상차가 그 배치 상태에 따른 적절한 위상차량으로 설정되어 있기 때문에, 1/4 파장판을 2매의 위상차판의 조합으로 하고 있음에도 불구하고, 단판으로 구성한 경우와 동등하거나 그 이상의 성능으로, 편광 상태의 보정이 양호하게 행해진다.

본 발명에 따른 위상차판에서는, 예를 들면 프로젝터 등으로, 반사형의 공간 변조기와 편광 선택 소자 사이에 배치되어 사용되는 경우에, 그 편광 상태의 보정에 관하여 높은 개선 효과를 용이하게 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 프로젝터의 구성예를 도시하는 도면.

도 2는 1/4 파장판의 구성을 PBS 및 공간 변조기에 대한 광학적인 위치 관계 와 함께 도시하는 구성도.

도 3은 1/4 파장판의 제1 배치 상태를 도시하는 설명도.

도 4는 1/4 파장판의 제2 배치 상태를 도시하는 설명도.

도 5는 1/4 파장판의 제3 배치 상태를 도시하는 설명도.

도 6은 1/4 파장판의 제4 배치 상태를 도시하는 설명도.

도 7은 1/4 파장판의 성능의 시뮬레이션에 이용한 광학계 모델을 도시하는 설명도.

도 8은 제1 배치 상태에서, 1/4 파장판의 재료를 수정으로 한 경우의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면.

도 9는 제1 배치 상태에서, 1/4 파장판의 재료를 유기 필름으로 한 경우의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면.

도 10은 제1 배치 상태에서, 1/4 파장판의 재료를 유기 필름으로 하고, 광선의 파장을 설계 파장보다도 장파장으로 한 경우의 시뮬레이션 결과를 도시하는 도면.

도 11A 내지 도 11E는 제1 배치 상태에서의 제1 및 제2 위상차판의 바람직한 조합 방법을 도시하는 설명도.

도 12는 제1 배치 상태에서의 시뮬레이션 결과를, 얇은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량을 횡축에 도시하는 도면.

도 13은 제2 배치 상태에서의 시뮬레이션 결과를, 얇은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량을 횡축에 도시하는 도면.

도 14는 제3 배치 상태에서의 시뮬레이션 결과를, 얇은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량을 횡축에 도시하는 도면.

도 15는 제4 배치 상태에서의 시뮬레이션 결과를, 얇은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량을 횡축에 도시하는 도면.

도 16은 각 배치 상태의 특징과 각각에 대하여 바람직한 위상차량을 통합하여 도시하는 도면.

도 17은 반사형 프로젝터에서의 광의 변조 제어를 행하는 부분의 대략 구조를 도시하는 설명도.

도 18은 광의 입사 시와 출사 시에 편광 선택면의 이상적인 위치 관계를 도시하는 설명도.

도 19는 광의 입사 시와 출사 시에 편광 선택면의 현실의 위치 관계를 도시하는 설명도.

도 20은 1/4 파장판을 이용한 경우의 편광 선택면의 위치 관계를 도시하는 설명도.

도 21A 내지 도 21C는 일반적인 위상차판의 구성을 도시하는 설명도.

도 22A 내지 도 22C는 2매로 구성되는 위상차판에 대한 설명도.

<발명을 실시하기 위한 최량의 형태>

이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 형태에 따른 프로젝터의 구성예를 도시하고 있다. 이 프로젝터는 적, 청 및 녹의 각 색용 반사형 공간 변조기(21R, 21G, 21B)를 3매 이용하여 컬러 화상 표시를 행하는, 소위 3판 방식의 반사형 프로젝터이다.

이 프로젝터는, 광축(10)을 따라서, 광원(11)과, 적분기(12)와, 다이클로익 미러(13)를 구비하고 있다. 광원(11)은 컬러 화상 표시에 필요한, 적색광(R), 청색광(B) 및 녹색광(G)을 포함한 백색광을 발하는 것으로, 예를 들면 할로겐 램프, 메탈할로겐 램프 또는 크세논 램프 등으로 구성되어 있다. 적분기(12)는 PS 컨버터 등을 포함하여, 광원(11)으로부터의 광의 균일화나 효율적인 이용을 도모하기 위해 설치되어 있다. 다이클로익 미러(13)는, 백색광을 청색광 B와 그 밖의 색광 R, G로 분리하는 기능을 갖고 있다.

또한, 이 프로젝터는 다이클로익 미러(13)에 의해서 분리된 적색광 R 및 녹색광 G의 광로 상에서, 광이 진행하는 순서대로, 프리 PBS(편광 빔 스플리터)(14)와, 집광 렌즈(16)와, 다이클로익 미러(18)를 구비하고 있다. 또한, 이 프로젝터는 다이클로익 미러(13)에 의해서 분리된 청색광 B의 광로 상에서, 광이 진행하는 순서대로, 프리 PBS(15)와, 집광 렌즈(17)를 구비하고 있다. 프리 PBS(14, 15)는 입사광 중 소정 편광 성분의 광을 선택적으로 반사하는 기능을 갖고 있다. 다이클로익 미러(18)는 프리 PBS(14) 및 집광 렌즈(16)를 거쳐서 입사된 적색광 R과 녹색광 G를 분리하는 기능을 갖고 있다.

이 프로젝터에서, 적색광 R, 녹색광 G 및 청색광 B의 각 광로 상에는 광의 입사측에서부터 순서대로, 집광 렌즈(19R, 19G, 19B)와, PBS(20R, 20G, 20B)와, 1/4 파장판(22R, 22G, 22B)과, 공간 변조기(21R, 21G, 21B)가 설치되어 있다. PBS(20R, 20G, 20B)는 본 발명에서의 「편광 선택 소자」의 일 구체예에 대응한다.

공간 변조기(21R, 21G, 21B)는, 반사형 액정 패널 등으로 구성되어 있다. 공간 변조기(21R, 21G, 21B)에는 각각 PBS(20R, 20G, 20B)의 편광 선택면에 의해서 선택된 소정의 편광 성분(예를 들면 S 편광 성분)의 색광이 입사되도록 되어 있다. 공간 변조기(21R, 21G, 21B)는 편광 상태의 제어에 의해 입사광에 변조를 실시하고, 그 변조광을 PBS(20R, 20G, 20B)를 향하여 반사하도록 되어 있다.

PBS(20R, 20G, 20B)는 각각 공간 변조기(21R, 21G, 21B)에 대하여 경사지게 배치된 편광 선택면을 갖고, 그 편광 선택면에서, 입사광 중 소정 편광 성분(S 편광 성분)의 광을 선택(반사)하여 공간 변조기(21R, 21G, 21B)에 입사시킴과 함께, 공간 변조기(21R, 21G, 21B)에 의해서 변조되어 반사한 광 중, 상기 소정 편광 성분과는 상이한 다른 편광 성분(P 편광 성분)의 광을, 화상 표시용 광으로서 선택(투과)하여 출사하는 기능을 갖고 있다. 또, 도 1의 예에서는, PBS(20R, 20G, 20B)에서, S 편광 성분의 광을 반사하여 공간 변조기(21R, 21G, 21B)로의 입사광으로 하고, 공간 변조기(21R, 21G, 21B)로부터의 복귀광 중, P 편광 성분의 광을 출사광으로서 투과하는 광학 배치로 하고 있지만, 이것과는 반대로, P 편광의 입사광을 공간 변조기(21R, 21G, 21B)의 정면측으로 입사시키고, 그 복귀광 중, 공간 변조기(21R, 21G, 21B)에서 반사에 의해 선택된 S 편광 성분의 광선을 화상 표시용 광으로 하는 배치로 하는 것도 가능하다.

1/4 파장판(22R, 22G, 22B)은, PBS(20R, 20G, 20B)와 공간 변조기(21R, 21G, 21B) 사이에서, 편광 상태의 보정을 행하기 위한 것으로, 서로 직교하는 편광 성분의 광에 거의 1/4 파장의 위상차를 발생시키도록 되어 있다. 1/4 파장판(22R, 22G, 22B)은, 본 실시 형태에서 가장 특징적인 구성을 갖는 부분으로, 상세한 내용은 후술한다.

또한, 이 프로젝터는 크로스 다이클로익 프리즘(24)과, 투영 렌즈(25)와, 스크린(26)을 구비하고 있다. 크로스 다이클로익 프리즘(24)은, PBS(20R, 20G, 20B)에 의해 선택된 소정 편광 성분의 각 색광을 합성하여 출사하는 기능을 갖고 있다. 이 크로스 다이클로익 프리즘(24)은 3개의 입사면과 1개의 출사면을 갖고 있다. 크로스 다이클로익 프리즘(24)에서의 광의 입사면과, PBS(20R, 20G, 20B)에서의 광의 출사면 사이에는, 이들 광학 소자의 온도 변화 등에 의한 응력 왜곡을 방지하기 위해서, 스페이서(23R, 23G, 23B)가 설치되어 있다.

투영 렌즈(25)는 크로스 다이클로익 프리즘(24)의 출사면측에 배치되어 있다. 이 투영 렌즈(25)는 크로스 다이클로익 프리즘(24)으로부터 출사된 합성광을, 스크린(26)을 향하여 투사하는 기능을 갖고 있다. 투영 렌즈(25)는, 본 발명에서의 「투사 수단」의 일 구체예에 대응한다.

도 2는 1/4 파장판(22)(22R, 22G, 22B)의 구성을, PBS(20)(20R, 20G, 20B) 및 공간 변조기(21)(21R, 21G, 21B)에 대한 광학적인 위치 관계와 함께 나타내고 있다. 또, 이들 각 광학 소자의 구성은 실질적으로 각 색에서 동일하므로, 이하에서는 특별히 필요한 경우를 제외하고 각 색의 구별없이 통합하여 설명한다.

1/4 파장판(22)은 다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판(41, 42)을 갖고 있다. 제1 및 제2 위상차판(41, 42)은 PBS(20)측에서부터 순서대로, 서로의 지상축 d1, d2가 거의 직교하도록 조합하여 배치됨으로써, 전체적으로 거의 1/4 파 장의 위상차량을 발생하도록 구성되어 있다. 제1 및 제2 위상차판(41, 42)은 수정 등의 광학 이방성을 갖는 결정이나 확장 등으로 광학 이방성을 갖게 한 유기 필름 등으로 구성되어 있다. 또, 제1 및 제2 위상차판(41, 42)은 각각 단판으로 구성되어 있어도 되고, 각각이 복수로 분할된 구성이어도 된다.

이와 같이 1/4 파장판(22)을 2매의 위상차판(41, 42)을 조합하여 사용하고, PBS(20)와 공간 변조기(21) 사이에 설치하는 경우, 이하에서 설명한 바와 같이 4가지의 사용 방법(배치 상태)이 존재한다.

여기서, 도 2에 도시한 바와 같이, PBS(20)에서의 편광 선택면(31)의 법선 n 1과 1/4 파장판(22)의 법선을 포함하는 면(50)과 1/4 파장판(22)의 판면의 교선 방향을 기준 방향(51)으로 정의한다. 이 기준 방향(51)은 일반적으로 광축(10)에 평행하게 되는 광선에 대한 P 편광 방향과 일치한다.

이와 같이 기준 방향(51)을 정의했을 때, 제1 및 제2 위상차판(41, 42)을 조합한 전체의 지상축의 방향은 기준 방향(51)에 거의 평행한 경우와 거의 수직인 경우 등 2가지를 생각할 수 있다. 또한, PBS(20)측에 배치된 제1 위상차판(41)의 지상축 d1에 대해서도 마찬가지로, 기준 방향(51)에 거의 평행한 경우와 거의 수직인 경우 등 2가지를 생각할 수 있다. 이들은 각각 독립적으로 선택할 수 있기 때문에, 제1 및 제2 위상차판(41, 42)의 조합은 합계 4가지가 된다.

이들의 조합 방법은 제1 및 제2 위상차판(41, 42)이 수정과 같은 1축성의 결정인지, 유기 필름인지에 상관없이 동등하므로 구별할 필요는 없다. 또, 도 2는 제1 및 제2 위상차판(41, 42)이 동일한 재료로 구성되어 있는 것으로 하면, 1/4 파 장판(22) 전체의 지상축과 제1 위상차판(41)의 지상축 d1이 모두 기준 방향(51)에 거의 직교하고 있는 경우이다.

도 3∼도 6은 제1 및 제2 위상차판(41, 42)의 4가지 조합 방법을 나타내고 있다. 우선, 도 3은 1/4 파장판(22) 전체의 지상축이 기준 방향(51)에 거의 직교하고, 제1 위상차판(41)의 지상축 d1도 기준 방향(51)에 거의 직교하고 있는 경우를 나타내고 있다. 이하, 이 도 3에 도시한 제1 배치 상태를 「상태 Ss」라고 표기한다. 표기의 의미는 기준 방향(51)이 P 편광 방향, 그것에 직교하는 방향이 S 편광 방향에 대응하므로, P, S의 기호를 이용하여, 앞쪽의 표기(Ss의 S)가, 전체의 지상축의 방향을 나타내고, 뒤쪽의 표기(Ss의 s)가 제1 위상차판(41)의 지상축 d1의 방향을 나타내고 있다. 이 표기 방법은 이하의 다른 조합인 경우에도 마찬가지이다.

도 4는 1/4 파장판(22)의 전체의 지상축이 기준 방향(51)에 거의 직교하고, 제1 위상차판(41)의 지상축 d1이 기준 방향(51)에 거의 평행하게 되어 있는 경우를 나타내고 있다. 이하, 이 제2 배치 상태를 「상태 Sp」라고 표기한다.

도 5는 1/4 파장판(22)의 전체의 지상축이 기준 방향(51)에 거의 평행하고, 제1 위상차판(41)의 지상축 d1이 기준 방향(51)에 거의 직교하고 있는 경우를 나타내고 있다. 이하, 이 제3 배치 상태를 「상태 Ps」라고 표기한다.

도 6은 1/4 파장판(22)의 전체의 지상축이 기준 방향(51)에 거의 평행하고, 제1 위상차판(41)의 지상축 d1도 기준 방향(51)에 거의 평행하게 되어 있는 경우를 나타내고 있다. 이하, 이 제4 배치 상태를 「상태 Pp」라고 표기한다.

그런데, 1/4 파장판(22)을 설계함에 있어서는, 2매의 위상차판(41, 42)의 위상차를 각각 어떠한 값으로 설정할지를 결정해야 한다. 종래에는, 전체적으로 거의 1/4 파장의 위상차가 되는 것이면, 각 위상차판(41, 42)의 위상차가 어떠한 값인지는 문제가 되지 않았다. 그러나, 실제로는, 후술하는 바와 같이, 위상차판(41, 42)의 위상차의 차이에 따라 프로젝터에서의 소광비에 차가 생기는 것을 알 수 있다. 또한 양호한 소광비로 하기 위한 조건은, 도 3∼도 6의 각 배치 상태 각각에서 다른 것을 알 수 있다. 본 실시 형태에서는, 도 3∼도 6의 각 상태의 각각에 대하여, 각 위상차판(41, 42)의 위상차가, 편광 상태의 보정을 양호하게 행하고, 프로젝터로서의 화질의 향상을 도모할 수 있는 적절한 값으로 설정되어 있다. 구체적으로 어떠한 위상차를 갖게 해야 될지에 대해서는 후에 상술한다.

다음으로, 이상과 같이 구성된 프로젝터의 동작을 설명한다.

이 프로젝터에서, 광원(11)으로부터 출사된 백색광은 적분기(12)를 통하여 다이클로익 미러(13)에 입사된다. 다이클로익 미러(13)는 입사한 백색광을 청색광 B와 그 밖의 색광 R, G로 분리한다. 청색광 B는 프리 PBS(15), 집광 렌즈(17), 및 집광 렌즈(19B)를 거쳐서, PBS(20B)에 입사된다. 적색광 R 및 녹색광 G는, 프리 PBS(14) 및 집광 렌즈(16)를 거쳐서, 다이클로익 미러(18)에 입사되고, 거기에서 분리된다. 분리된 적색광 R 및 녹색광 G는 각각 집광 렌즈(19R, 19G)를 거쳐서, PBS(20R, 20G)에 입사된다.

PBS(20R, 20G, 20B)에 입사된 광은, 그 편광 선택면에서, S 편광 성분의 광만이 선택(반사)되고, 1/4 파장판(22R, 22G, 22B)을 통하여 공간 변조기(21R, 21G, 21B)에 도달한다. 도달한 광은 공간 변조기(21R, 21G, 21B)가 편광 상태에 영향을 미치지 않는 상태(오프 상태)인 경우에는, 공간 변조기(21R, 21G, 21B)에서 S 편광 그대로 반사됨으로써, 1/4 파장판(22R, 22G, 22B)을 통하여 PBS(20R, 20G, 20B)로 되돌아가, 그 편광 선택면에서 입사 시와는 역방향으로 S 편광 성분의 광으로서 반사되고, 광원측으로 되돌아간다.

한편, 공간 변조기(21R, 21G, 21B)가 편광 상태에 영향을 미치는 상태(온 상태)에서는 공간 변조기(21R, 21G, 21B)로부터의 반사광의 일부 또는 전부가 P 편광 성분의 광으로 변환되어, 1/4 파장판(22R, 22G, 22B)을 통하여 PBS(20R, 20G, 20B)로 되돌아가, 그 편광 선택면을 투과한다.

여기서, 본 실시 형태에서는 1/4 파장판(22R, 22G, 22B)의 구성 및 그 광학적인 배치 상태가, 후술하는 바와 같이 공간 변조기(21R, 21G, 21B)와 PBS(20R, 20G, 20B) 사이에서, 편광 상태의 보정을 행하는 데 적절한 것으로 되어 있기 때문에, 종래에 비하여 소광비의 열화를 방지하여, 화질의 향상이 도모된다.

PBS(20R, 20G, 20B)를 투과한 P 편광 성분의 각 색광은 크로스 다이클로익 프리즘(24)에서 합성되어, 투영 렌즈(25)에 입사된다. 투영 렌즈(25)는 합성광을 스크린(26)을 향하여 투사한다. 이에 의해, 스크린(26) 상에 화상이 형성된다. 계조 표현에 대해서는 공간 변조기(21R, 21G, 21B)에서의 편광 상태의 변화량에 따라서 제어가 행해진다.

다음으로, 1/4 파장판(22)(22R, 22G, 22B)을 구성하는 각 위상차판(41, 42)에 어떠한 위상차를 설정하면 될지를 설명한다.

도 8은 공간 변조기(21)가 오프 상태인 경우의, 이하의 계산 모델 조건하에서의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 이 시뮬레이션은 도 7에 도시한 광학계 배치로, PBS(20)를 S 편광 성분의 투과율이 0%, P 편광 성분의 투과율이 100%인 이상적인 PBS로 하고, 공간 변조기(21)를 전반사 미러, 1/4 파장판(22)을 수정의 위상차판에서 모델화하여 계산한 것이다. 입사광은 무편광, 파장은 1/4 파장판(22)의 설계 파장과 동일하다고 가정하고 있다. 1/4 파장판(22)은 도 3에 도시한 제1 배치 상태 Ss인 것으로 하고 있다.

도 8의 그래프에서, 횡축은 제1 및 제2 위상차판(41, 42)을 1/4 파장판이 되도록 조합한 상태에서의 전체의 두께, 종축은 콘트라스트(소광비(=입사광/출사광))를 나타내고 있다. 도 8에서는 광축에 대하여, 4, 6, 8, 10°의 입사 각도를 갖는 광선의 소광비를 각각 그래프화하고 있다. 각 곡선의 좌단은 1/4 파장판(22)을 단판으로 구성한 경우에 상당한다. 이 경우의 두께는 약 15미크론이다.

도 8의 그래프에서 알 수 있듯이, 각 입사 각도의 광선에 대하여, 파장판의 두께가 늘어남에 따라서 소광비가 저하한다고 하는 원칙적인 경향은 있지만, 주기 구조도 존재하여, 주기적으로 소광비에 피크값이 나타나고 있다. 그 결과, 1/4 파장판(22)을 단판으로 구성한 경우(그래프의 좌단의 부분)보다도, 우수한 소광비를 갖는 두께가 존재하고 있다. 최초의 피크는 1 파장(λ)과 3/4 파장이라고 하는 위상차를 조합한 두께이며, 다음이 2 파장과 7/4 파장의 위상차의 조합이다. 즉, PBS(20)측의 제1 위상차판(41)을 1 파장판, 공간 변조기(21)측의 제2 위상차판(42)을 3/4 파장판으로 한 경우가 가장 높은 피크값을 나타내고, 다음으로, 제1 위상차 판(41)을 2 파장판, 위상차판(42)을 7/4 파장판으로 한 경우가 높은 피크값을 나타내고 있다.

광축에 대한 입사 각도가 4°인 광선의 경우, 5 파장과 19/4(=5-1/4) 파장의 위상차의 조합 정도의 두께까지, 8°인 광선의 경우에도 2 파장과 7/4(=2-1/4) 파장의 위상차의 조합의 상태까지는, 단판인 경우와 동등하거나 그 이상의 성능을 갖는다. 1/4 파장판(22)을 단판으로 구성했을 때의 성능은, 재질이 수정이든 유기 필름이든 동등하기 때문에, 이들 피크값에서의 위상차판의 조합이라면, 조합 방식의 수정 위상차판에서도 현행의 유기 필름에 의한 위상차판 이상의 성능이 만들어진다.

도 9의 그래프는, 1/4 파장판(22)으로서 유기 필름을 사용한 경우의 시뮬레이션 결과를 나타내고 있다. 계산 조건은 도 8의 수정의 위상차판을 모델로 한 경우와 마찬가지이다. 도 9는 광선의 파장을 1/4 파장판(22)의 설계 파장과 동일로 한 경우의 그래프이지만, 광선의 파장을 설계 파장보다도 24㎚ 장파장측으로 한 경우의 시뮬레이션 결과에 대해서도, 도 10에 도시한다.

도 9의 그래프에서 알 수 있듯이, 유기 필름인 경우에도 위상차의 조합 방법에 의해서 성능 향상을 실현할 수 있다. 또한, 도 10의 그래프에서 알 수 있듯이, 설계 파장과 다른 파장이기 때문에 평균값이 저하하는 경우에도 성능이 극대가 되는 두께로 변화가 없는 것이 나타나 있다. 후자는 실용상 중요한 사실로, 설계 파장에 의해 바람직한 위상차의 조합을 결정했다고 해도, 설계 파장 이외의 광선에 대해서도 성능 개선의 효과를 갖는 것을 나타내고 있다.

도 8∼도 10의 그래프는, 횡축을 1/4 파장판(22)의 실제의 두께로 취하고 있지만, 재료의 차이에 따른 외관의 차를 해소하기 위해서, 도 12에, 일정한 위상차를 발생하는데 필요한 두께를 기준으로 하여 표현한 그래프를 도시한다. 이 그래프에서는 1/4 파장판(22)을 구성하는 2매의 위상차판(41, 42) 중, 얇은 쪽(위상차량의 절대값이 작은 쪽)의 위상차판에서 발생하는 위상차량을 횡축으로 취하고 있다. 이 그래프는 상태 Ss인 경우의 시뮬레이션 결과이므로, 횡축은 공간 변조기(21)측의 제2 위상차판(42)의 위상차량을 나타내고 있다. 또, 1/4 파장판(22) 전체의 위상차는 1/4 파장이므로, 얇은 쪽의 위상차판의 위상차가 결정되면, 두꺼운 쪽(위상차량의 절대값의 큰 쪽)의 위상차판의 위상차는 일의적으로 결정된다.

도 11A∼도 11E는 이상의 결과에 기초한, 제1 및 제2 위상차판(41, 42)의 바람직한 조합 방법을 나타내고 있다. 단독으로 1 파장의 위상차를 발생시키는 위상차판을 1 파장판이라고 약기하고 있다. 그 밖의 표기도 마찬가지이다. 실제로는, 엄밀히 도 11A∼도 11E에 도시한 조합이 아닌, 각각의 조합으로부터 조금 어긋난 위상차의 조합이어도 충분한 성능을 갖고 있다. 도 12의 그래프로부터도 알 수 있듯이, 얇은 쪽의 위상차판에 관하여, 최초의 피크값은 3/4(=0.75) 파장일 때이지만, 이 피크값은 다른 피크값에 비하여 높기 때문에, 위상차에 ±0.3 파장 정도의 여유를 갖게 할 수 있다. 또한, 7/4 파장, 11/4 파장, 15/4 파장, 및 19/4 파장일 때에는, 위상차에 ±0.2 파장 정도의 여유를 갖게 할 수 있다. 정리하면, 얇은 쪽의 위상차판에서 발생시키는 위상차가 (0.75±0.3) 파장의 범위 내이거나 또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여, (N-0.25±0.2) 파장의 범위 내 정도이면, 1/4 파장판(22)을 단판으로 구성한 경우(도 12에서 위상차가 0인 경우)보다도 동등하거나 그 이상의 성능이 얻어진다.

여기까지의 설명은 1/4 파장판(22)의 배치 조건이 제1 배치 상태 Ss(도 3)인 경우에 대한 것이지만, 다음으로, 다른 3개의 배치 상태에 대한 시뮬레이션 결과를 도 13∼도 15에 도시한다. 도 12에 도시한 그래프와 마찬가지로, 횡축을 위상차량으로 하고 있는 것으로, 위상차판의 재료가 수정과 같은 결정이거나, 유기 필름에 의하지 않게 된다.

도 13은, 제2 배치 상태 Sp(도 4)인 경우의 계산 결과를 나타내고 있다. 이 경우, 횡축은 PBS(20)측의 제1 위상차판(41)의 위상차량에 상당한다. 이 상태 Sp에서는, 최초의 피크가 얇은 쪽을 1/2 파장, 두꺼운 쪽을 3/4 파장이라는 위상차의 조합으로 한 경우에 나타나 있다. 5번째의 피크까지는 1/4 파장판(22)을 단판으로 한 경우보다도 동등하거나 그 이상의 성능이 얻어지고 있다.

도 14는 제3 배치 상태 Ps(도 5)인 경우의 계산 결과를 나타내고 있다. 이 경우, 횡축은 PBS(20)측의 제1 위상차판(41)의 위상차량에 상당한다. 이 상태 Ps에서는, 최초의 피크가 얇은 쪽을 1 파장, 두꺼운 쪽을 5/4 파장이라는 위상차의 조합으로 한 경우에 나타나 있다. 3번째의 피크까지는 1/4 파장판(22)을 단판으로 한 경우와 거의 같은 정도의 성능이 얻어지고 있다.

도 15는 제4 배치 상태 Pp(도 6)인 경우의 계산 결과를 나타내고 있다. 이 경우, 횡축은 공간 변조기(21)측의 제2 위상차판(42)의 위상차량에 상당한다. 이 상태 Pp에서는, 최초의 피크가 얇은 쪽을 1/4 파장, 두꺼운 쪽을 1/2 파장이라고 하는 위상차의 조합으로 한 경우에 나타나 있다. 5번째의 피크까지는 1/4 파장판(22)을 단판으로 한 경우보다도 동등하거나 그 이상의 성능이 얻어지고 있다. 특히, 최초의 피크는 현저히 높은 성능이 얻어지고 있다.

도 12∼도 15에서 얻어진 결과로부터, 각 상태를 종합적으로 고찰하면, 상태 Ps 이외의 사용 방법에서는, 2매의 위상차판(41, 42)을 조합한 경우의 최초의 피크는 단판(얇은 쪽의 위상차판에서의 위상차량 0)에 비하여 충분히 높게 되어 있고, 실제의 제작 시의 허용 오차도 크게 얻어진다. 2번째 이후의 피크는 최초의 피크에 비하여 낮아져서, 허용 오차는 작아지지만, 대체로 5번째의 피크까지는 단판보다 좋은 결과가 되어, 종래보다도 개선 효과를 기대할 수 있다.

도 16에 각 배치 상태의 특징과, 각각에 대하여 바람직한 위상차량을 통합하여 도시한다. 위상차량은 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에 대한 값을 나타내지만, 전체의 위상차가 1/4 파장이므로, 큰 쪽의 위상차판의 위상차는 일의적으로 결정된다.

도 16에 도시한 바와 같이, 상태 Ss인 경우에는, 제2 위상차판(42)에서 발생하는 위상차량이, (0.75±0.3) 파장의 범위 내이거나 또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여, (N-0.25±0.2) 파장의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.

상태 Sp인 경우에는, 제1 위상차판(41)에서 발생하는 위상차량이, (0.5±0.4) 파장의 범위 내이거나 또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여, (N-0.5±0.3) 파장의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.

상태 Ps인 경우에는, 제1 위상차판(41)에서 발생하는 위상차량이 N을 1 이상 3 이하의 정수로 하여, (N±0.2) 파장의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.

상태 Pp인 경우에는, 제2 위상차판(42)에서 발생하는 위상차량이 0보다도 크고 0.65 파장 이하의 범위 내이거나 또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여, (N-0.75±0.4) 파장의 범위 내로 되어 있는 것이 바람직하다.

결과적으로 각 배치 상태 중, 상태 Pp가 가장 우수하다고 할 수 있지만, 4 종류의 상태를 통합하면, 얇은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량이 0을 초과하여 3/4 파장까지와, 1 파장 이상 3/2 파장 정도까지는 어떠한 방식을 선택하는지에 따라 상태 Pp에서의 단판보다도 좋은 성능을 내는 것이 가능하다. 즉, 도 13 및 도 15의 그래프에 도시한 위상차의 범위 A, B, C에서는, 특히 높은 성능이 얻어지고 있고, 이들을 통합하면, 0을 초과하여 3/4 파장까지(범위 A, B)와, 1 파장 이상 3/2 파장(범위 C)까지가, 특히 바람직한 범위가 된다. 이 범위에서의 1/4 파장판은, 배치에 대하여 제약이 없는 경우에는 가장 우수한 성능을 발휘한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따르면, PBS(20)와 공간 변조기(21) 사이에 배치되어 편광 상태의 보정을 행하는 1/4 파장판(22)을, 2매의 위상차판(41, 42)으로 구성하고, 그 배치 상태에 따른 적절한 위상차를 설정하여 조합하도록 했기 때문에, 1/4 파장판(22)을 2매의 위상차판(41, 42)으로 구성함에도 불구하고, 단판으로 구성한 경우와 동등하거나 그 이상의 성능으로, 편광 상태의 보정을 양호하게 행하여, 프로젝터에서의 화질의 향상을 도모할 수 있다. 이 경우, 종래의 광학계에 아무런 변경을 가하지 않고, 특히 콘트라스트의 향상을 실 현할 수 있다. 이 성능 개선의 효과는 입사 각도가 있는 경우에도 유효하기 때문에, 예를 들면 공간 변조기(21)에 입사하는 광속의 각도를 넓히면, 각 광학 소자의 형상의 변경(주로 크기)은 필요하지만, 광원(11) 및 공간 변조기(21)에 종래와 같은 것을 사용했다고 해도 휘도의 향상을 실현할 수 있다.

또, 본 발명은 이상의 실시 형태에 한정되지 않고 여러가지의 변형 실시가 가능하다. 예를 들면, 상기 실시 형태에서는 프로젝터의 구성예로서, 3원색에 대응하여 3개의 공간 변조기(21R, 21G, 21B)를 사용하는 경우에 대해 설명했지만, 공간 변조기를 1개만 사용하고, 시분할로 3원색의 표시 제어를 행하는 구성이어도 상관없다. 또한, 상기 실시 형태에서는 1/4 파장판(22)을 프로젝터에 적용한 경우를 예로 들었지만, 상기한 각 위상차판(41, 42)의 위상차의 최적화의 방법은, 1/4 파장판(22)을 이용하여 편광 상태의 보정을 행하는 다른 장치에도 적용될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 프로젝터에 따르면, 반사형의 공간 변조기와 편광 선택 소자 사이에 배치되는 1/4 파장판을, 다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판의 조합으로 함과 함께, 이들 2매의 위상차판에서 발생시키는 위상차를, 그 배치 상태에 따른 적절한 위상차량으로 설정하여 조합하도록 했기 때문에, 1/4 파장판을 2매의 위상차판의 조합으로 하고 있음에도 불구하고, 단판으로 구성한 경우와 동등하거나 그 이상의 성능으로, 편광 상태의 보정을 양호하게 행하여, 화질의 향상을 도모할 수 있다.

또한, 본 발명의 위상차판의 배치 방법에 따르면, 반사형의 공간 변조기와 편광 선택 소자 사이에 배치되는 1/4 파장판을, 다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판의 조합으로 함과 함께, 이들 2매의 위상차판에서 발생시키는 위상차를, 그 배치 상태에 따른 적절한 위상차량으로 설정하여 조합하도록 했기 때문에, 1/4 파장판을 2매의 위상차판의 조합으로 하고 있음에도 불구하고, 프로젝터 등에 사용한 경우에, 단판으로 구성한 경우와 동등하거나 그 이상의 성능으로, 편광 상태의 보정을 양호하게 행할 수 있다.

또한, 본 발명의 위상차판에 따르면, 다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판을, 서로의 지상축이 거의 직교하도록 조합하여 배치함으로써, 전체적으로 거의 1/4 파장의 위상차량을 발생하도록 구성하고, 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량이, 0보다 크고 3/4 파장 이하이거나 또는 1 이상 3/2 파장 이하의 범위 내로 되도록 했기 때문에, 1/4 파장판을 2매의 위상차판의 조합으로 하고 있음에도 불구하고, 프로젝터 등에 사용된 경우에, 단판으로 구성한 경우와 동등하거나 그 이상의 성능으로, 편광 상태의 보정을 양호하게 행할 수 있다.

Claims (9)

1. 삭제
2. 편광 상태의 제어에 의해 변조를 행하는 반사형의 공간 변조기와,

   상기 공간 변조기에 대하여 경사지게 배치된 편광 선택면을 갖고, 그 편광 선택면에서, 입사광 중 소정 편광 성분의 광을 선택하여 상기 공간 변조기에 입사시킴과 함께, 상기 공간 변조기에 의해서 변조되어 반사한 광 중 상기 소정 편광 성분과 다른 편광 성분의 광을 상기 입사광과는 다른 방향으로 출사하는 편광 선택 소자와,

   상기 공간 변조기와 상기 편광 선택 소자 사이에 배치된 1/4 파장판과,

   상기 공간 변조기에 의해서 반사되고, 상기 편광 선택 소자에 의해서 선택된 광을 투사하여 화상을 형성하는 투사 수단을 구비하고,

   상기 1/4 파장판은,

   다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판을 상기 편광 선택 소자측에서부터 순서대로, 서로의 지상축이 직교하도록 조합하여 배치함으로써, 전체적으로 1/4 파장의 위상차량을 발생하도록 구성되어 있고,

   또한, 상기 편광 선택면의 법선 및 상기 1/4 파장판의 법선을 포함하는 면과, 상기 1/4 파장판의 판면의 교선 방향을 기준 방향으로 했을 때,

   상기 편광 선택 소자측에 배치된 제1 위상차판은 그 지상축이 상기 기준 방향에 평행하도록 배치되어 있음과 함께, 상기 1/4 파장판 전체의 지상축이 상기 기준 방향에 직교하도록 배치되고,

   상기 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량은,

   (0.5±0.4) 파장의 범위 내이거나,

   또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여 (N-0.5±0.3) 파장의 범위 내로 되어 있는 것을 특징으로 하는 프로젝터.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 편광 상태의 제어에 의해 변조를 행하는 반사형의 공간 변조기와, 상기 공간 변조기에 대하여 경사지게 배치된 편광 선택면을 갖고, 그 편광 선택면에서, 입사광 중 소정 편광 성분의 광을 선택하여 상기 공간 변조기에 입사시킴과 함께, 상기 공간 변조기에 의해서 변조되어 반사한 광 중 상기 소정 편광 성분과 다른 편광 성분의 광을 상기 입사광과는 다른 방향으로 출사하는 편광 선택 소자 사이에, 전체적으로 1/4 파장의 위상차량을 발생하는 1/4 파장판을 배치하는 방법으로서,

   다른 위상차량을 발생하는 제1 및 제2 위상차판을, 상기 편광 선택 소자측에서부터 순서대로, 서로의 지상축이 직교하도록 조합하여 배치함으로써, 전체적으로 1/4 파장의 위상차량을 발생하도록 하고,

   또한, 상기 편광 선택면의 법선 및 상기 1/4 파장판의 법선을 포함하는 면과, 상기 1/4 파장판의 판면의 교선 방향을 기준 방향으로 했을 때,

   상기 편광 선택 소자측에 배치된 제1 위상차판을, 그 지상축이 상기 기준 방향에 평행하도록 배치함과 함께, 상기 1/4 파장판 전체의 지상축이 상기 기준 방향에 직교하도록 배치하고,

   상기 제1 및 제2 위상차판 중 위상차량의 절대값이 작은 쪽의 위상차판에서 발생하는 위상차량을,

   (0.5±0.4) 파장의 범위 내이거나,

   또는 N을 2 이상 5 이하의 정수로 하여 (N-0.5±0.3) 파장의 범위 내로 하는 것을 특징으로 하는 위상차판의 배치 방법.
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제

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