KR101321631B1 - 집광 광학계 및 투사형 화상 표시 장치 - Google Patents

집광 광학계 및 투사형 화상 표시 장치 Download PDF

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Abstract

집광 광학계(1)는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)과 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)와 콘덴서 렌즈(19)를 갖고, 면발광 광원의 발광면(12r, 12g, 12b)이, 서로 같은 크기의 직사각형 형상이며, 또한, 통합기 로드(20)의 입사면(21)과 닮은꼴 형상이며, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)로부터 콘덴서 렌즈(19)까지의 광학 거리가 대략 동일하게 되도록 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)가 배치되고, 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)까지의 광학 거리 Lr, Lg, Lb는, Lb<Lg<Lr을 만족하고, 또한, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)가 통합기 로드(20)의 입사면(21)상에 결상시키는 발광면이 서로 대략 같은 크기가 되도록 면발광 광원이 배치되어 있다.

Description

집광 광학계 및 투사형 화상 표시 장치{LIGHT COLLECTING OPTICAL SYSTEM AND PROJECTION-TYPE IMAGE DISPLAY DEVICE}
본 발명은 집광 광학계 및 이것을 이용한 투사형 화상 표시 장치에 관한 것이다.
종래, 투사형 화상 표시 장치의 광원에는, 주로 램프 광원이 이용되고 있었다. 그러나, 램프 광원은, 적색의 광량이 적고, 수명이 짧은 등의 결점을 갖는다. 그래서, 최근, 램프 광원 대신에, 면발광 광원, 예컨대, 램프 광원보다 긴 수명을 갖는 발광 다이오드(LED)가 이용되어 왔다. LED가 방사하는 광은 파장 범위가 좁기 때문에, 투사형 화상 표시 장치의 광원으로서, 적(R), 녹(G), 청(B)의 각 색의 LED를 조합하여 이용하는 것에 의해, 넓은 색재현율을 실현할 수 있다.
예컨대, 특허 문헌 1에는, R, G, B의 각 색의 LED 및 통합기 로드(integrator rod)를 이용한 조명 시스템이 제안되어 있다. 이 시스템에 있어서는, 각 색의 LED로부터 방사된 각 색의 광을, 각 색에 대응한 콜리메이트 렌즈에 의해 평행하게 한 뒤에 다이크로익 미러 등에 의해 합성하고, 합성된 광을 공통의 콘덴서 렌즈에 의해 통합기 로드의 입사면에 집광시키고 있다.
(선행 기술 문헌)
(특허 문헌)
(특허 문헌 1) 일본 특허 공개 제2005-242364호 공보
그러나, 축상(軸上) 색수차는, 유리 재질의 굴절률이, 파장이 짧을수록 높아진다고 하는 특성의 차이에 의해 발생한다. 이 때문에, 각 색의 LED에 대응하여 구비된 각 색용의 콜리메이트 렌즈를 같은 구조인 것으로 하고, 각 색의 LED의 발광면으로부터 대응하는 각 색용의 콜리메이트 렌즈까지의 거리를 같게 한 경우에도, 콜리메이트 렌즈에 의해 축상 색수차가 발생하고, 또한, 콘덴서 렌즈에 의해 축상 색수차가 강해진다. 이 때문에, 통합기 로드의 입사면 근방에 형성되는 LED의 발광면의 2차 광원상(light source image)의 결상 위치가 색마다 달라져 버리고, 그 결과, 통합기 로드의 입사면에 있어서의 집광 효율이 색마다 달라져 버린다고 하는 문제가 있다. 예컨대, 녹색광의 집광 효율을 최대화하고자 하면, 적색광 및 청색광의 집광 효율이 저하하고, 전체적으로 광이용 효율이 저하하여 버린다고 하는 문제가 있다.
또한, 각 색의 LED로부터 방사된 광의 각각을, 다른 구조를 갖는 각 색용의 콜리메이트 렌즈에 의해 완전하게 평행하게 한 경우에도, 콘덴서 렌즈에 의해 축상 색수차가 발생하기 때문에, 광이용 효율이 저하하여 버린다고 하는 문제는 존재한다.
또한, 콜리메이트 렌즈 및 콘덴서 렌즈를 색지움 렌즈로 하는 것에 의해 색수차의 문제를 해소하는 것도 생각할 수 있지만, 렌즈 매수의 증대에 따라 구성이 복잡하게 되고, 그 결과, 제품 원가가 높아진다고 하는 다른 문제가 생긴다.
그래서, 본 발명은, 상기 종래기술의 과제를 해결하기 위해 이루어진 것이며, 그 목적은, 간단한 구성이면서, 광이용 효율이 높은 집광 광학계 및 이 집광 광학계를 이용한 투사형 화상 표시 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 집광 광학계는, 적색용의 발광면을 갖고, 그 적색용의 발광면으로부터 적색광을 방사하는 적색용의 면발광 광원과, 녹색용의 발광면을 갖고, 그 녹색용의 발광면으로부터 녹색광을 방사하는 녹색용의 면발광 광원과, 청색용의 발광면을 갖고, 그 청색용의 발광면으로부터 청색광을 방사하는 청색용의 면발광 광원과, 상기 적색용의 발광면으로부터 방사된 적색광을 평행광화하는, 정의 파워(positive power)를 갖는 적색용의 콜리메이트 렌즈와, 상기 녹색용의 발광면으로부터 방사된 녹색광을 평행광화하는, 정의 파워를 갖는 녹색용의 콜리메이트 렌즈와, 상기 청색용의 발광면으로부터 방사된 청색광을 평행광화하는, 정의 파워를 갖는 청색용의 콜리메이트 렌즈와, 상기 적색용의 콜리메이트 렌즈를 통과한 적색광과, 상기 녹색용의 콜리메이트 렌즈를 통과한 녹색광과, 상기 청색용의 콜리메이트 렌즈를 통과한 청색광을 합성하는 광 합성 수단과, 상기 합성된 광을 집광하는, 정의 파워를 갖는 콘덴서 렌즈와, 상기 콘덴서 렌즈에서 집광된 광이 입사하는 입사면 및 광강도 분포가 균일화된 광을 출사하는 출사면을 갖는 광강도 분포 균일화 소자를 구비하고, 상기 적색용의 발광면, 상기 녹색용의 발광면, 및 상기 청색용의 발광면은, 같은 크기의 직사각형 형상이며, 또한, 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면과 닮은꼴 형상이며, 상기 적색용의 콜리메이트 렌즈, 상기 녹색용의 콜리메이트 렌즈, 및 상기 청색용의 콜리메이트 렌즈는, 서로 같은 구조를 갖고, 상기 적색용의 콜리메이트 렌즈로부터 상기 콘덴서 렌즈까지의 광학 거리, 상기 녹색용의 콜리메이트 렌즈로부터 상기 콘덴서 렌즈까지의 광학 거리, 및 상기 청색용의 콜리메이트 렌즈로부터 상기 콘덴서 렌즈까지의 광학 거리가 대략 동일하게 되도록, 상기 적색용의 콜리메이트 렌즈, 상기 녹색용의 콜리메이트 렌즈, 및 상기 청색용의 콜리메이트 렌즈가 배치되고, 상기 적색용의 발광면으로부터 상기 적색용의 콜리메이트 렌즈까지의 적색광의 광학 거리는 상기 녹색용의 발광면으로부터 상기 녹색용의 콜리메이트 렌즈까지의 녹색광의 광학 거리보다 길고, 상기 녹색광의 광학 거리는 상기 청색용의 발광면으로부터 상기 청색용의 콜리메이트 렌즈까지의 청색광의 광학 거리보다 길어지도록, 또한, 상기 적색용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 콘덴서 렌즈가 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면상에 결상시키는 상기 적색용의 발광면의 2차 광원상과, 상기 녹색용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 콘덴서 렌즈가 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면상에 결상시키는 상기 녹색용의 발광면의 2차 광원상과, 상기 청색용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 콘덴서 렌즈가 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면상에 결상시키는 상기 청색용의 발광면의 2차 광원상이, 서로 같은 크기가 되도록, 상기 적색용의 면발광 광원, 상기 녹색용의 면발광 광원, 및 상기 청색용의 면발광 광원을 배치한 것을 특징으로 하고 있다.
또한, 본 발명에 따른 투사형 화상 표시 장치는, 상기 집광 광학계와, 상기 집광 광학계로부터 출사된 광이 입사되고, 그 입사한 광을 변조하여 영상광을 생성하는 화상 표시 소자와, 상기 화상 표시 소자에서 생성된 상기 영상광을 확대 투사하는 투사 광학계를 구비한 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명에 따른 집광 광학계는, 적색용의 발광면으로부터 적색용의 콜리메이트 렌즈까지의 적색광의 광학 거리는 녹색용의 발광면으로부터 녹색용의 콜리메이트 렌즈까지의 녹색광의 광학 거리보다 길고, 상기 녹색광의 광학 거리는 청색용의 발광면으로부터 청색용의 콜리메이트 렌즈까지의 청색광의 광학 거리보다 길어지도록, 또한, 적색용의 발광면의 2차 광원상과, 녹색용의 발광면의 2차 광원상과, 청색용의 발광면의 2차 광원상이, 서로 같은 크기가 되도록, 적색용의 면발광 광원, 녹색용의 면발광 광원, 및 청색용의 면발광 광원을 배치한 것에 의해, 간단한 구성이면서, 광강도 분포 균일화 소자에 있어서의 광량 손실을 초래하지 않고, 높은 광이용 효율을 실현하는 것을 가능하게 하고 있다.
또한, 본 발명에 따른 투사형 화상 표시 장치에 의하면, 구성이 간단한 집광 광학계를 이용하여, 고휘도 화상을 표시할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계 및 투사형 화상 표시 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 2는 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계의 광로를 나타내는 도면이다.
도 3은 비교예의 집광 광학계에 있어서의 축상 색수차를 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계의 주광선(main light beam)을 나타내는 도면이다.
도 5는 출사광이 램버시안 분포(Lambertian distribution)를 갖는 면발광 광원을 나타내는 도면이다.
도 6은 포토닉스 결정체(photonics crystal)를 구비한 면발광 광원을 나타내는 도면이다.
도 7은 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계의 주광선을 나타내는 도면이다.
도 8은 콜리메이트 렌즈와 콘덴서 렌즈 사이의 거리를 크게 한 경우의 주광선을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 집광 광학계 및 투사형 화상 표시 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 10은 크로스 다이크로익 미러의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 집광 광학계 및 투사형 화상 표시 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다.
실시의 형태 1
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계(1) 및 투사형 화상 표시 장치(2)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계(1)는, 적(R)색용의 발광면(12r)을 갖고, 이 적색용의 발광면(12r)으로부터 적색광을 방사하는 적색용의 면발광 광원(11r)과, 녹(G)색용의 발광면(12g)을 갖고, 이 녹색용의 발광면(12g)으로부터 녹색광을 방사하는 녹색용의 면발광 광원(11g)과, 청(B)색용의 발광면(12b)을 갖고, 이 청색용의 발광면(12b)으로부터 청색광을 방사하는 청색용의 면발광 광원(11b)을 구비하고 있다. 면발광 광원(11r, 11g, 11b)으로서는, LED, EL 소자, 반도체 레이저 등을 이용할 수 있지만, 이하의 설명에서는, 면발광 광원이 LED인 경우를 설명한다.
또한, 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계(1)는, 적색용의 발광면(12r)으로부터 방사된 적색광을 평행광화하는(즉, 대략 평행광으로 하는), 정의 파워를 갖는 적색용의 콜리메이트 렌즈(13r)와, 녹색용의 발광면(12g)으로부터 방사된 녹색광을 평행광화하는(즉, 대략 평행광으로 하는), 정의 파워를 갖는 녹색용의 콜리메이트 렌즈(13g)와, 청색용의 발광면(12b)으로부터 방사된 청색광을 평행광화하는(즉, 대략 평행광으로 하는), 정의 파워를 갖는 청색용의 콜리메이트 렌즈(13b)를 구비하고 있다.
또한, 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계(1)는, 적색용의 콜리메이트 렌즈(13r)를 통과한 적색광과, 녹색용의 콜리메이트 렌즈(13g)를 통과한 녹색광과, 청색용의 콜리메이트 렌즈(13b)를 통과한 청색광을 합성하는 광 합성 수단을 구비하고 있다. 도 1에 있어서, 광 합성 수단은, 예컨대, 서로 직교하는 2매의 다이크로익 미러(17, 18)를 포함하는 크로스 다이크로익 미러로 구성되어 있다. 다이크로익 미러(17, 18)는, 특정한 파장 대역의 광을 투과 또는 반사시키는 특성을 갖는다. 실시의 형태 1에 있어서는, 광 합성 수단은, 녹색광 및 청색광을 투과시키고 적색광을 반사하는 다이크로익 미러(17)와, 적색광 및 녹색광을 투과시키고 청색광을 반사하는 다이크로익 미러(18)를 구비하고 있다. 다이크로익 미러(17, 18)로 이루어지는 크로스 다이크로익 미러는, 2매의 다이크로익 미러를 서로 거리를 두고 배치하는 경우에 비하여, 미러 배치 공간을 작게 할 수 있어, 보다 소형의 집광 광학계를 실현할 수 있다. 또, 광 합성 수단의 구성은, 도시한 구성에 한정되지 않는다.
또한, 집광 광학계(1)는, 광 합성 수단에 의해 합성된 광을 집광하는, 정의 파워를 갖는 콘덴서 렌즈(19)와, 콘덴서 렌즈(19)에서 집광된 광이 입사하는 입사면(21) 및 광강도 분포가 균일화된 광을 출사하는 출사면(22)을 갖는 광강도 분포 균일화 소자로서의 통합기 로드(20)를 구비하고 있다. 콘덴서 렌즈(19)는, R, G, B의 각 색의 광에 공통의 구성이며, 다이크로익 미러(17, 18)에 의해 합성된 광을 받아, 이 합성된 광을 소망하는 각도로 통합기 로드(20)의 입사면(21)에 집광시킨다. 통합기 로드(20)는, 단면이 직사각형인 사각기둥 형상의 유리로 구성되어 있으며, 입사면(21)은, R, G, B의 각 색의 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b) 및 화상 표시 소자(도 1의 부호 24)와 닮은꼴의 직사각형 형상을 갖고 있다. 통합기 로드(20)의 입사면(21)에 입사한 광은, 유리와 공기의 계면에서의 전반사를 반복하면서 통합기 로드 내부를 전파하는 것에 의해, 각 색의 광이 균일화되어, 출사면(22)으로부터 출사된다. 또, 광강도 분포 균일화 소자는, 통합기 로드(20)에 한정되지 않고, 다른 구성의 소자이더라도 좋다.
실시의 형태 1에 있어서는, 적색용의 발광면(12r), 녹색용의 발광면(12g), 및 청색용의 발광면(12b)은, 같은 크기의 직사각형 형상의 평면이며, 또한, 통합기 로드(20)의 입사면(21)과 닮은꼴 형상이다. 여기서 말하는 닮은꼴 형상이란, 완전한 닮은꼴 형상뿐만 아니라, 대략 닮은꼴 형상인 경우를 포함한다. 또한, 발광면(12r, 12g, 12b)은, 발광면 전역에 걸쳐 대략 균일한 휘도를 갖는다.
적색용의 콜리메이트 렌즈(13r), 녹색용의 콜리메이트 렌즈(13g), 및 청색용의 콜리메이트 렌즈(13b)는, 서로 같은 구조를 갖고, 그 결과, 같은 광학 성능을 갖고 있다. 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 큰 확산각으로 방사되는 광을 받아, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 방사되는 확산각보다 작은 확산각의 광으로 변환한다. 적색용의 콜리메이트 렌즈(13r), 녹색용의 콜리메이트 렌즈(13g), 청색용의 콜리메이트 렌즈(13b), 및 콘덴서 렌즈(19)의 각각은, 예컨대, 1매 이상의 렌즈로 구성되고, 또한, 같은 유리 재질로 구성된다.
또한, 실시의 형태 1에 있어서는, 적색용의 콜리메이트 렌즈(13r)로부터 콘덴서 렌즈(19)까지의 광학 거리(Dr+Dw), 녹색용의 콜리메이트 렌즈(13g)로부터 콘덴서 렌즈(19)까지의 광학 거리(Dg+Dw), 및 청색용의 콜리메이트 렌즈(13b)로부터 콘덴서 렌즈(19)까지의 광학 거리(Db+Dw)가 동일(대략 동일을 포함한다)하게 되도록, 적색용의 콜리메이트 렌즈(13r), 녹색용의 콜리메이트 렌즈(13g), 및 청색용의 콜리메이트 렌즈(13b)가 배치되어 있다. 도 1에 나타내는 바와 같이, Dr은 적색용의 콜리메이트 렌즈(13r)로부터 다이크로익 미러(17, 18)의 교점까지의 거리, Dg는 녹색용의 콜리메이트 렌즈(13g)로부터 다이크로익 미러(17, 18)의 교점까지의 거리, Db는 청색용의 콜리메이트 렌즈(13b)로부터 다이크로익 미러(17, 18)의 교점까지의 거리, Dw는 다이크로익 미러(17, 18)의 교점으로부터 콘덴서 렌즈(19)까지의 거리를 나타낸다.
또한, 실시의 형태 1에 있어서는, 적색용의 발광면(12r)으로부터 적색용의 콜리메이트 렌즈(13r)까지의 적색광의 광학 거리 Lr은 녹색용의 발광면(12g)으로부터 녹색용의 콜리메이트 렌즈(13g)까지의 녹색광의 광학 거리 Lg보다 길고, 녹색광의 광학 거리 Lg는 청색용의 발광면(12b)으로부터 청색용의 콜리메이트 렌즈(13b)까지의 청색광의 광학 거리 Lb보다 길어지도록(즉, Lb<Lg<Lr을 만족하도록), 적색용의 면발광 광원(11r), 녹색용의 면발광 광원(11g), 및 청색용의 면발광 광원(11b)이 배치되어 있다. 또한, 적색용의 콜리메이트 렌즈(13r) 및 콘덴서 렌즈(19)가 통합기 로드(20)의 입사면(21)상에 결상시키는 적색용의 발광면(12r)의 2차 광원상과, 녹색용의 콜리메이트 렌즈(13g) 및 콘덴서 렌즈(19)가 통합기 로드(20)의 입사면(21)상에 결상시키는 녹색용의 발광면(12g)의 2차 광원상과, 청색용의 콜리메이트 렌즈(13b) 및 콘덴서 렌즈(19)가 통합기 로드(20)의 입사면(21)상에 결상시키는 청색용의 발광면(12b)의 2차 광원상이, 서로 같은 크기가 되도록, 적색용의 면발광 광원(11r), 녹색용의 면발광 광원(11g), 및 청색용의 면발광 광원(11b)이 배치되어 있다. 여기서 말하는, 같은 크기란, 완전하게 동일한 크기뿐만 아니라, 대략 동일한 크기도 포함한다.
또한, 도 1에 나타내는 바와 같이, 투사형 화상 표시 장치(2)는, 집광 광학계(1)와, 집광 광학계(1)로부터 출사되어 광강도 분포가 균일화된 광이 입사되는 조명 광학계(23)와, 조명 광학계(23)를 통과한 광을 변조하여 영상광을 생성하는 화상 표시 소자(24)와, 화상 표시 소자(24)에서 생성된 영상광을 스크린(27)에 확대 투사하는 투사 광학계(26)를 구비하고 있다.
조명 광학계(23)는, 통합기 로드(20)로부터 출사된 광을, 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)에 조사시킨다. 이때, 통합기 로드(20)의 출사면(22)과 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)이 공액 관계로 되어 있어, 균일한 휘도를 갖는 직사각형의 통합기 로드(20)의 출사면(22)이, 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)상에 결상된다. 따라서, 면발광 광원(11r)(또는 11g 또는 11b)의 발광면(12r)(또는 12g 또는 12b), 및, 통합기 로드(20)의 입사면(21), 및, 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)을 각각 서로 닮은꼴로 하는 것에 의해, 효율적으로 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)을 조명할 수 있어, 높은 광이용 효율을 얻을 수 있다.
화상 표시 소자(24)는, 예컨대, 투과형 또는 반사형의 액정 패널, 또는 DMD(Digital Micro-Mirror Device)이며, 표시면(25)에 다수의 화소가 이차원적으로 배열된 구조를 갖고 있다. 화상 표시 소자(24)는, 조명 광학계(23)에 의해 조사된 광을 영상 신호에 따라 화소마다 강도 변조하는 것에 의해, 영상광을 생성한다.
투사 광학계(26)는, 렌즈, 또는, 반사 미러, 또는, 그들의 조합 등으로 구성되고, 화상 표시 소자(24)에 의해 생성된 영상광을 스크린(27)을 향해 확대 투사하여, 스크린(27)에 화상을 표시한다.
투사형 화상 표시 장치(2)에 있어서는, R, G, B 각 색의 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 방사되는 광은, 대응하는 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)를 투과하고, 다이크로익 미러(17, 18)에 의해 합성되어, 콘덴서 렌즈(19)에 의해 통합기 로드(20)의 입사면(21)에 집광된다. 통합기 로드(20)에 의해 광강도 분포가 균일화된 광은, 렌즈 등으로 구성되는 조명 광학계(23)를 통과하여, 화상 표시 소자(24)에 조사되고, 화상 표시 소자(24)에 의해 변조된 화상광은, 투사 광학계(26)에 의해 스크린(27)에 확대 투사되어, 스크린(27)에 화상이 표시된다.
다음으로, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 사이즈와, 통합기 로드(20)의 입사면(21)의 사이즈와, 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)의 사이즈의 관계에 대하여 보다 상세하게 설명한다. 실시의 형태 1에 있어서는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)과 통합기 로드(20)의 입사면(21)은 공액 관계로 되어 있고, 또한, 통합기 로드(20)의 출사면(22)과 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)은 공액 관계로 되어 있다. 따라서, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)과 통합기 로드(20)의 입사면(21)은, 모두 화상 표시 소자(24)와 대략 닮은꼴로 하는 것이, 높은 광이용 효율을 얻기 위해 바람직하다.
일반적으로, 집광 광학계 및 조명 광학계를 설계할 때에 고려되는 개념으로서, 에텐듀(etendue)라고 하는 양이 있다. 에텐듀의 개념을 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계(1) 및 투사형 화상 표시 장치(2)에 적용하면, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 출사되는 광속의 배광 분포를 램버시안 분포(완전 확산)로 가정했을 때의 면발광 광원(11r, 11g, 11b), 통합기 로드(20), 화상 표시 소자(24)의 에텐듀는, 발광면 또는 수광면의 면적과, 발광면으로부터 방사되는 광 또는 수광면에서 수광되는 광의 입체각의 곱으로 정의되고, 이하의 식(1)~(3)으로 나타낼 수 있다.
Es=As×π×sin2(θs) … (1)
Ei=Ai×π×sin2(θi) … (2)
El=Al×π×sin2(θl) … (3)
식(1)에 있어서, Es는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 에텐듀이며, As는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 면적이며, θs는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 방사되어, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)에서 받는 광선 중, 가장 큰 확산각으로 방사되는 광선의, 발광면(12r, 12g, 12b)의 법선에 대한 각도(수광각)이다.
식(2)에 있어서, Ei는, 통합기 로드(20)의 에텐듀이며, Ai는, 통합기 로드(20)의 입사면(21)의 면적이며, θi는, 상기 수광각으로 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 방사되어, 통합기 로드(20)의 입사면(21)에 입사하는 광선의, 통합기 로드(20)의 입사면(21)의 법선에 대한 각도(집광각)이다.
식(3)에 있어서, El은, 화상 표시 소자(24)의 에텐듀이며, Al은, 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)의 면적이며, θl은, 상기 집광각으로 통합기 로드(20)의 입사면(21)에 입사 후, 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)에 입사하는 광선의, 표시면(25)의 법선에 대한 각도(조명각)이다. 또, π는 원주율이다.
일반적으로, 집광 광학계 및 조명 광학계는, 상기 Es, Ei, El의 값이 같아지도록 설계된다. 예컨대, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 사이즈가 3㎜×4㎜(대각 치수 5㎜)이며, 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 반구 형상으로 방사된(θs=90°) 광속의 배광 분포가 램버시안 분포인 것으로 하면, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 에텐듀는, 식(1)을 이용하여 이하와 같이 계산할 수 있고, 약 37.7이 된다.
Es=As×π×sin2(θs)
=(3×4)×π×sin2(90°)
=12×π≒37.7
이에 대응하여, 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)의 사이즈를 12㎜×16㎜(대각 치수 20㎜)로 하고, 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)을 조명하는 광의 F값을 2.0(θl≒14.5°)으로 설정하면, 화상 표시 소자(24)의 에텐듀는, 식(2)를 이용하여 이하와 같이 계산할 수 있고, 약 37.7이 되어, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 에텐듀와 같게 할 수 있다.
Ei=Ai×π×sin2(θi)
=(12×16)×π×sin2(14.5°)
≒192×π×0.0627≒37.7
또한, 통합기 로드(20)의 입사면(21)에 입사하는 광의 F값을 1.0(θi=30°)으로 하면, 통합기 로드(20)의 입사면(21)의 사이즈를 6㎜×8㎜(대각 치수 10㎜)로 설정하면, 통합기 로드(20)의 에텐듀는, 식(3)을 이용하여 이하와 같이 계산할 수 있고, 약 37.7이 되어, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 에텐듀 및 화상 표시 소자(24)의 에텐듀의 양쪽과 같게 할 수 있다.
El=Al×π×sin2(θl)
=(6×8)×π×sin2(30°)
=48×π×0.25≒37.7
상기의 예의 경우, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)로 이루어지는 광학계는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)(사이즈 : 3㎜×4㎜)을 2배로 확대하여 통합기 로드(20)의 입사면(21)(사이즈 : 6㎜×8㎜)에 결상시키게 된다. 이때, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)로 이루어지는 광학계가 갖는 수차가 크고, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 2차 광원상이, 통합기 로드(20)의 입사면(21)보다 크게 결상되면, 통합기 로드(20)의 입사면(21)의 바깥쪽에도 광이 조사되어(입사면(21)에 입사되지 않는 광이 존재하여), 광량 손실이 생겨 버린다.
또한, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)로 이루어지는 광학계의 배율을 소망하는 값보다 작게 하면, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 2차 광원상이 보다 작아져, 통합기 로드(20)의 입사면(21)의 바깥쪽에 조사되는 광은 없어진다. 그러나, 통합기 로드(20)의 입사면(21)에 입사하는 광의 집광각이 커지기 때문에, 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)에 입사하는 광의 조명각도 커져, 광량 손실이 생기거나, 또는, 투사 광학계의 대형화를 초래하게 되어 버린다. 따라서, 집광 광학계(1)는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 소정의 수광각으로 방사되는 광을, 소정의 집광각으로 소정의 사이즈로 결상시킬 필요가 있고, 이 소정의 집광각 및 결상 사이즈를 넘으면, 광량 손실 등이 생겨 버린다.
단, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)으로부터 방사되는 광을 모두 (θs=90°까지) 받는 것은 곤란한 것, 또한, 제조 오차나 균일성을 고려하여, 화상 표시 소자(24)의 표시면(25)을 조명할 때에는, 표시면(25)보다 약간 넓게 조명하는 것 등에 의해, 실제로는, 광학계의 사양에 맞춰 수광각이나 통합기 로드(20)의 입사면(21)의 사이즈 등은 적절하게 최적화하더라도 좋다.
도 2는 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계(1)의 광로를 나타내는 도면이다. 또한, 도 3은 비교예의 집광 광학계에 있어서의 축상 색수차를 설명하기 위한 도면이다. 도 2 및 도 3에 있어서는, 설명을 간단하게 하기 위해, 다이크로익 미러(17, 18)를 생략하고 있고, 광로를 직선 형상으로 나타내고 있고, 각 색의 광로를 겹쳐 나타내고 있다. 또한, 도 2에 있어서, 81r, 81g, 81b는 각각, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 중심으로부터 동일한 소망하는 수광각으로 방사되는 광, AX1은 광축, f0은 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)의 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 앞쪽 초점, f1은 콘덴서 렌즈(19)의 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 뒤쪽 초점을 나타낸다.
콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)을 통합기 로드(20)의 입사면(21)상에 높은 결상 성능으로 결상시킬 필요가 있다. 그것을 위해서는, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)의 구성 재료로서, 비교적 높은 굴절률의 유리 재질을 사용하는 것이 수차 보정에 바람직하다. 그러나, 도 3(비교예)에 동일 위치의 발광면(92r, 92g, 92b)으로부터의 광의 집광점(95r, 95g, 95b)으로 나타내는 바와 같이, 높은 굴절률의 유리 재질은 일반적으로 분산이 크기 때문에, 정의 파워를 갖는 콜리메이트 렌즈(93r, 93g, 93b)와 콘덴서 렌즈(94)의 축상 색수차가 높아져, 축상 색수차가 한층 커져 버린다.
한편, 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계(1)에서는, 각 색의 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 대응하는 각 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)까지의 거리는, Lb<Lg<Lr로 되어 있고, 또한, 면발광 광원(11g)의 발광면(12g)은, 콜리메이트 렌즈(13g)의 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 앞쪽 초점 f0을 포함하도록(발광면(12g)상에 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 앞쪽 초점 f0이 위치하도록) 배치되어 있다. 따라서, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)를 투과한 녹색광(81g)은 평행화되어 있지만, 콜리메이트 렌즈(13b)를 투과한 청색광(81b)은 발산한 상태가 되고, 콜리메이트 렌즈(13r)를 투과한 적색광(81r)은 수속된 상태가 되어 있다. 각 색의 광(81r, 81g, 81b)이 콘덴서 렌즈(19)에 입사하면, 녹색광(81g)은, 콘덴서 렌즈(19)의 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 뒤쪽 초점 f1에 소망하는 집광각으로 집광한다. 또한, 발산한 상태의 청색광(81b)은, 콘덴서 렌즈(19)의 분산에 의해 녹색광보다 강한 정의 파워로 굴절되어, 녹색광(81g)과 동일한 집광각으로 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 뒤쪽 초점 f1에 집광된다. 마찬가지로, 수속된 상태의 적색광(81r)은, 콘덴서 렌즈(19)의 분산에 의해 녹색광보다 약한 정의 파워로 굴절되어, 적색광(81g)과 동일한 집광각으로 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 뒤쪽 초점 f1에 집광된다. 따라서, R, G, B의 각 색 사이에 축상 색수차가 생기지 않고, 각 색 모두, 동일한 수광각으로 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 방사된 광이, 동일한 소망하는 집광각으로 통합기 로드(20)의 입사면(21)에 집광된다. 즉, 각 색의 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 대응하는 각 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)까지의 거리 Lr, Lg, Lb를, Lb<Lg<Lr과 같이 설정하는 것에 의해, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)의 축상 색수차를 보정할 수 있고, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)를 색지움 렌즈로 할 필요를 없게 할 수 있다. 따라서, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)를 모두 동일한 유리 재질로 할 수도 있다. 또한, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)를, 분산은 크지만 수차 보정에 유리한 높은 굴절률의 유리 재질로 만들 수 있다. 이에 의해, 집광 광학계(1)의 구성의 간소화 및 높은 광이용 효율을 실현할 수 있다.
가정으로서, 광선을 역진시킨 경우를 생각하면, 통합기 로드(20)의 입사면(21)이 콘덴서 렌즈(19) 및 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)에 의해 면발광 광원(11r, 11g, 11b)측에 결상된다. 이 경우에는, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)를 기준으로 하여 통합기 로드(20)의 반대측에 적색의 상, 녹색의 상, 청색의 상이 형성되지만, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)로부터 가장 먼 위치에 적색의 상이 형성되고, 다음으로 먼 위치에 녹색의 상이 형성되고, 가장 가까운 위치에 청색의 상이 형성된다. 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계(1)에 있어서의 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 각 위치는, 상기 가정의 경우의, 적색의 상의 위치, 녹색의 상의 위치, 청색의 상의 위치이다.
도 4는 R, G, B의 각 색의 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 구석으로부터의 주광선의 광로를 나타내는 도면이다. 도 4에 있어서, 도 2에 나타내는 요소와 동일한 요소에는, 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 4에 있어서, 82r, 82g, 82b는 각각, R, G, B의 각 색의 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 구석으로부터 방사되는 주광선, f2는 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)의 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 뒤쪽 초점이다. 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)로 이루어지는 광학계는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)측에 텔레센트릭한 광학계를 구성하고 있다. 면발광 광원(11g)의 발광면(12g)의 구석으로부터, 발광면(12g)의 법선 방향(광축 AX3에 평행)으로 출사된 주광선(82g)은, 콜리메이트 렌즈(13g)에 의해 굴절된 후, 콜리메이트 렌즈(13g)의 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 뒤쪽 초점 f2를 지나, 콘덴서 렌즈(19)에 입사하고, 그 콘덴서 렌즈(19)에 의해 굴절된 후, 광축 AX3에 대하여 평행하게 되어, 통합기 로드(20)의 입사면(21)의 대응하는 구석에 입사한다. 즉, 콘덴서 렌즈(19)는, 이 콘덴서 렌즈(19)의 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 앞쪽 초점이 콜리메이트 렌즈(13g)의 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 뒤쪽 초점 f2와 일치하도록 배치되어 있기 때문에, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)로 이루어지는 광학계는, 녹색광에 대하여 통합기 로드(20)측에 대해서도 텔레센트릭한 광학계를 구성하고 있다.
또한, 청색용의 면발광 광원(11b)의 발광면(12b)의 구석으로부터 광축 AX3에 평행하게 출사된 주광선(82b)은, 콜리메이트 렌즈(13b)에 의해, 광선(82g)보다 강하게 굴절된 후, 콜리메이트 렌즈(13b)의 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 뒤쪽 초점 f2보다 콜리메이트 렌즈(13b)측을 지난 후, 콘덴서 렌즈(19)에 의해 녹색광(82g)보다 강하게 굴절되고, 수속된 상태에서 콘덴서 렌즈(19)에서 출사되어, 통합기 로드(20)의 입사면(21)상에서 녹색광의 주광선(25g)과 교차된다.
마찬가지로, 적색용의 면발광 광원(11r)의 발광면(12r)으로부터 광축 AX3에 평행하게 출사된 주광선(82r)은, 콜리메이트 렌즈(13r)에 의해, 광선(82g)보다 약하게 굴절된 후, 콜리메이트 렌즈(13r)의 (발광면으로부터 방사되는) 녹색의 파장에 있어서의 뒤쪽 초점 f2보다 콘덴서 렌즈(19)측을 지난 후, 콘덴서 렌즈(19)에 의해 녹색광(82g)보다 약하게 굴절되고, 발산된 상태에서 콘덴서 렌즈(19)에서 출사되어, 통합기 로드(20)의 입사면(21)상에서 녹색광의 주광선(82g)과 교차된다. 따라서, 실시의 형태 1에 있어서는, R, G, B의 각 색 사이에 배율 색수차가 생기지 않고, 각 색 모두, 통합기 로드(20)의 입사면(21)상에 동일한 크기의 2차 광원상을 결상시킨다.
도 5 및 도 6에, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 방사되는 광의 방사 강도 분포를 모식적으로 나타낸다. 도 5는 램버시안 분포(62)를 갖는 면발광 광원(11r, 11g, 11b)을 나타내고, 도 6은 도 5의 면발광 광원(11r, 11g, 11b)에 포토닉스 결정체(61r, 61g, 61b)를 구비하는 것에 의해 방사광의 지향성을 높인 분포(63)를 나타낸다.
도 5에 나타내는 바와 같이, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)으로부터 방사되는 광은 통상 램버시안 분포를 나타내고, 발광면(12r, 12g, 12b)을 포함하는 구 형상으로 방사된다. 한편, 포토닉스 결정체(61r, 61g, 61b)를 이용하면, 그 포토닉스 결정체에 입사한 광의 진행 방향을 제어할 수 있는 것이 알려져 있다. 도 6은 도 5에 나타내는 면발광 광원의 발광면(12r, 12g, 12b)상에 포토닉스 결정체(61r, 61g, 61b)를 마련한 것이며, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 법선 방향 및 그 근방 범위에 있어서의 방사 강도를 높이고, 그 밖의 방향의 방사 강도를 약하게 하고 있다.
실시의 형태 1에 따른 집광 광학계에서는, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 각각에, 포토닉스 결정체를 마련할 수 있다. 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)로 이루어지는 광학계는, 상술한 바와 같이, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)측에 텔레센트릭한 광학계를 구성하고 있기 때문에, 포토닉스 결정체를 마련하여 지향성을 높인 면발광 광원(11r, 11g, 11b)을 이용하면, 방사 강도가 높은, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 법선 방향의 광을 우선적으로 집광 광학계에 받아들일 수 있기 때문에, 한층 높은 광이용 효율을 얻을 수 있다.
여기서, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)로부터 콘덴서 렌즈(19)까지의 거리를 각 색에 대하여 대략 동일하게 하는 것에 의해 생기는 효과를 설명한다. 도 7 및 도 8은 동일한 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)와 콘덴서 렌즈(19)를, 다른 거리에 배치한 경우의 주광선의 광로를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 7 및 도 8에 있어서, 도 4에 나타내는 요소와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고 있다. 도 7 및 도 8에 있어서, 83, 84는 각각, 면발광 광원(11r, 11g, 11b)의 발광면(12r, 12g, 12b)의 구석으로부터의 주광선, f3은 콘덴서 렌즈의 앞쪽 초점, AX4, AX5는 광축이다. 도 7에 있어서는, 콘덴서 렌즈(19)의 앞쪽 초점 f3이, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)의 뒤쪽 초점 f2와 일치하고 있기 때문에(f2=f3), 주광선(83)은, 콘덴서 렌즈(19)를 출사 후, 광축 AX4에 대하여 평행하게 되어 통합기 로드의 입사면(21)에 입사한다. 한편, 도 8에서는, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)로부터 콘덴서 렌즈(19)까지의 거리를 크게 하고 있기 때문에, 주광선(84)은, 콘덴서 렌즈(19)를 출사 후, 광축 AX5에 대하여 크게 수속된 상태에서 통합기 로드의 입사면(21)에 입사한다. 따라서, 색에 따라 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b)와 콘덴서 렌즈(19)까지의 거리가 다르면, 통합기 로드의 입사면(21)에 입사하는 주광선의 각도가 색에 따라 다르게 되어, 광이용 효율의 저하나 휘도의 균일성의 열화를 초래하게 된다. 이에 비하여, 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계에 있어서는, 콜리메이트 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콘덴서 렌즈(19)까지의 거리를 R, G, B의 각 색 모두 대략 동일하게 하고 있기 때문에, 높은 광이용 효율과 휘도의 균일성을 실현할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계(1) 및 투사형 화상 표시 장치(2)에 의하면, 간단한 구성이면서, 통합기 로드(20)에서의 광량 손실을 초래하지 않고, 높은 광이용 효율을 실현할 수 있다.
또, 이상의 설명에 있어서는, 녹색용의 면발광 광원(11g)을 콘덴서 렌즈(19)에 대향시키고, 적색용 및 청색용의 면발광 광원(11r, 11b)을 녹색용의 면발광 광원(11g)과 직교하는 방향을 향해 배치하는 것으로 했지만, 본 발명은 이와 같은 형태에 한정되지 않는다. 예컨대, 청색용의 면발광 광원(11b)을 콘덴서 렌즈(19)에 대향시키고, 적색용 및 녹색용의 면발광 광원(11r, 11g)을 청색용의 면발광 광원(11b)과 직교하는 방향으로 배치하는 것, 또는, 적색용의 면발광 광원(11r)을 콘덴서 렌즈(19)에 대향시키고, 녹색용 및 청색용의 면발광 광원(11g, 11b)을 적색용의 면발광 광원(11r)과 직교하는 방향으로 배치하는 것도 가능하다.
또한, 이상의 설명에 있어서는, 콘덴서 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콜리메이트 렌즈(19)는, 각각 1매의 볼록 렌즈로서 나타냈지만, 본 발명은 이와 같은 형태에 한정되지 않고, 수광각이나 배율 등, 집광 광학계의 사양에 따라, 각각 2매 이상의 렌즈를 이용하여 구성하는 것도 가능하다. 또한, 콘덴서 렌즈(13r, 13g, 13b) 및 콜리메이트 렌즈(19)는, 구면 렌즈에 한정되지 않고, 비구면 렌즈나 자유 곡면 렌즈 등을 이용하는 것도 가능하다.
또한, 이상의 설명에 있어서는, 광강도 분포 균일화 소자가 통합기 로드인 경우를 설명했지만, 이것에 한정되지 않고, 중공(中空)의 라이트 터널 등의 다른 광강도 분포 균일화 소자를 이용하더라도 좋다.
또한, 이상의 설명에 있어서는, R, G, B의 각 색의 면발광 광원(11r, 11g, 11b)으로부터 방사되는 광을 합성하는 수단을 다이크로익 미러로 했지만, 이것에 한정되지 않고, 다이크로익 프리즘 등의 다른 광 합성 수단을 이용하더라도 좋다.
또한, 이상의 설명은, 앞쪽 초점 등을 이용하여, 주로 근축 이론(paraxial theory)에 근거한 설명이지만, 상기 설명의 취지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서, 구성의 변형이 가능하다.
실시의 형태 2
도 9는 본 발명의 실시의 형태 2에 따른 집광 광학계(3) 및 투사형 화상 표시 장치(4)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 9에 있어서, 도 1에 나타내는 요소와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 9에 있어서, 면발광 광원(31, 32, 33)은, R, G, B의 각 색의 면발광 광원(예컨대, LED)이다. 도 9에 나타내는 면발광 광원(31, 32, 33)은, 예컨대, R, G, B의 면발광 광원에 대응하지만, 이것에는 한정되지 않고, 면발광 광원(31, 32, 33)과 R, G, B의 각 색의 대응 관계는, 다른 대응 관계이더라도 좋다. 다이크로익 미러(37, 38)에서의 투과 및 반사 특성은, 면발광 광원(31, 32, 33)이 방사하는 광의 색에 근거하여 결정된다. 다이크로익 미러(37)는, 면발광 광원(31)의 발광면으로부터 방사되는 파장대의 광(제 1 광)을 반사시킴과 아울러, 면발광 광원(32)의 발광면으로부터 방사되는 파장대의 광(제 2 광) 및 면발광 광원(33)의 발광면으로부터 방사되는 파장대의 광(제 3 광)을 투과시키는 파장 특성을 갖고, 다이크로익 미러(38)는, 제 2 광을 반사시킴과 아울러, 제 3 광을 투과시키는 파장 특성을 갖는다.
실시의 형태 2에 따른 집광 광학계(3)는, 실시의 형태 1에 따른 집광 광학계(1)에 있어서, 면발광 광원(31, 32, 33) 및 다이크로익 미러(37, 38)의 배치를 변경한 것이다. 각 색의 콜리메이트 렌즈(34, 35, 36)로부터 콘덴서 렌즈(39)까지의 광학 거리(다이크로익 미러(37, 38)를 제거하고, 모든 요소를 직선 형상으로 배치했다고 가정한 경우에 있어서의, 각 색의 콜리메이트 렌즈(34, 35, 36)로부터 콘덴서 렌즈(39)까지의 거리)는, 각 색 사이에서 대략 동일하게 되어 있다.
도 10은 비교를 위해 크로스 다이크로익 미러의 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 10에 나타내는 바와 같이, 일반적으로, 크로스 다이크로익 미러는, 1매의 큰 미러(제 1 미러)(17)를 사이에 유지하도록, 2매의 작은 미러(제 2, 제 3 미러)(18)가 배치된다. 이때, 제 2, 제 3 미러(18)의 단면으로서, 제 1 미러(17)면에 대향하는 면(51, 52)은, 파장 특성을 갖지 않는다(즉, 특정한 파장의 광만을 투과 및 반사하는 특성을 갖지 않는다). 또한, 제 2, 제 3 미러 단면(51, 52)과, 제 1 미러(17)의 표면의 사이에는 다소의 간극이 생긴다. 따라서, 미러 단면(51, 52)이나 간극에 의해, 크로스 다이크로익 미러에는 소망하는 파장 특성을 발휘할 수 없는 무효 영역이 존재하여, 약간이지만 광량 손실을 초래하여 버린다. 이에 비하여, 실시의 형태 2에 따른 집광 광학계(3)에 있어서는, 무효 영역이 없어, 미러 단면이나 간극에 기인하는 광량 손실을 초래하지 않는다.
또한, 크로스 다이크로익 미러는, 1매의 다이크로익 미러를 제 2 및 제 3 다이크로익 미러(18)로 분할하고 있기 때문에, 조립 오차가 생기기 쉬워, 광량 손실을 초래하는 경우가 있다. 이에 비하여, 실시의 형태 2에 따른 집광 광학계(3)에 있어서는, 다이크로익 미러를 분할할 필요가 없기 때문에, 조립 오차에 기인하는 광량 손실을 초래하지 않는다.
이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태 2에 따른 집광 광학계(3) 및 투사형 화상 표시 장치(4)에 의하면, 광량 손실을 초래하지 않아, 보다 높은 광이용 효율을 실현할 수 있다.
또, 실시의 형태 2에 있어서, 상기 이외의 점은, 상기 실시의 형태 1의 경우와 같다.
실시의 형태 3
도 11은 본 발명의 실시의 형태 3에 따른 집광 광학계(5) 및 투사형 화상 표시 장치(6)의 구성을 개략적으로 나타내는 도면이다. 도 11에 있어서, 도 1에 나타내는 요소와 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고 있다.
도 11에 있어서, 면발광 광원(41, 42, 43)은, R, G, B의 각 색의 면발광 광원(예컨대, LED)이다. 도 11에 나타내는 면발광 광원(41, 42, 43)은, 예컨대, R, G, B의 면발광 광원에 대응하지만, 이것에는 한정되지 않고, 면발광 광원(41, 42, 43)과 R, G, B의 각 색의 대응 관계는, 다른 대응 관계이더라도 좋다. 다이크로익 미러(47, 48)에서의 투과 및 반사 특성은, 면발광 광원(41, 42, 43)이 방사하는 광의 색에 근거하여 결정된다. 다이크로익 미러(47)는, 면발광 광원(42)의 발광면으로부터 방사되는 파장대의 광(제 2 광)을 반사시킴과 아울러, 면발광 광원(43)의 발광면으로부터 방사되는 파장대의 광(제 3 광)을 투과시키는 파장 특성을 갖고, 다이크로익 미러(48)는, 면발광 광원(41)의 발광면으로부터 방사되는 파장대의 광(제 1 광)을 반사시킴과 아울러, 제 2 광 및 제 3 광을 투과시키는 파장 특성을 갖는다. 반사 미러(49)는, 제 1 내지 제 3 광을 콘덴서 렌즈(50)에 입사시킨다.
실시의 형태 3에 따른 집광 광학계(5)는, 실시의 형태 2에 따른 집광 광학계(3)에 있어서, 다이크로익 미러(34)로부터 콘덴서 렌즈(37)까지의 거리를 크게 하고, 그 광로 사이에 반사 미러(50)를 배치하여 광로를 대략 직각으로 구부린 것이다. 각 색의 콜리메이트 렌즈(44, 45, 46)로부터 콘덴서 렌즈(50)까지의 광학 거리(다이크로익 미러(47, 48) 및 반사 미러(49)를 제거하고, 모든 요소를 직선 형상으로 배치했다고 가정한 경우에 있어서의, 각 색의 콜리메이트 렌즈(44, 45, 46)로부터 콘덴서 렌즈(50)까지의 거리)는, 각 색 사이에서 대략 동일하게 되어 있다. 실시의 형태 3에 있어서는, 반사 미러(49)에 의해, 통합기 로드(20)의 길이 방향에 대하여 직각 방향으로 광로를 구부리고 있기 때문에, 집광 광학계(5)의 통합기 로드(20)의 길이 방향의 사이즈를 작게 할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이, 실시의 형태 3에 따른 집광 광학계(5) 및 투사형 화상 표시 장치(6)에 의하면, 광량 손실을 초래하지 않아, 높은 광이용 효율을 실현할 수 있다.
또, 실시의 형태 3에 있어서, 상기 이외의 점은, 상기 실시의 형태 1 또는 2의 경우와 같다.
1, 3, 5 : 집광 광학계
2, 4, 6 : 투사형 화상 표시 장치
11b, 11g, 11r : 면발광 광원
12b, 12g, 12r : 면발광 광원의 발광면
13r, 13g, 13b : 콜리메이트 렌즈
17, 18, 37, 38, 47, 48 : 다이크로익 미러
19, 39, 50 : 콘덴서 렌즈
20 : 통합기 로드
21 : 통합기 로드의 입사면
22 : 통합기 로드의 출사면
23 : 조명 광학계
24 : 화상 표시 소자
25 : 화상 표시 소자의 표시면
26 : 투사 광학계
27 : 스크린
31~33, 41~43 : 면발광 광원
34~36, 44~46 : 콜리메이트 렌즈
49 : 미러
61r, 61g, 61b : 포토닉스 결정체

Claims (11)

  1. 제 1 파장용의 발광면을 갖고, 상기 제 1 파장용의 발광면으로부터 제 1 파장의 광을 방사하는 제 1 파장용의 면발광 광원과,
    상기 제 1 파장보다 파장이 짧은 제 2 파장용의 발광면을 갖고, 상기 제 2 파장용의 발광면으로부터 제 2 파장의 광을 방사하는 제 2 파장용의 면발광 광원과,
    상기 제 1 파장용의 발광면으로부터 방사된 제 1 파장의 광을 평행광화하는, 정의 파워(positive power)를 갖는 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈와,
    상기 제 2 파장용의 발광면으로부터 방사된 제 2 파장의 광을 평행광화하는, 정의 파워를 갖는 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈와,
    상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈를 통과한 제 1 파장의 광과, 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈를 통과한 제 2 파장의 광을 합성하는 광 합성 수단과,
    상기 합성된 광을 집광하는, 정의 파워를 갖는 콘덴서 렌즈와,
    상기 콘덴서 렌즈에서 집광된 광이 입사하는 입사면 및 광강도 분포가 균일화된 광을 출사하는 출사면을 갖는 광강도 분포 균일화 소자
    를 구비하고,
    상기 제 1 파장용의 발광면 및 상기 제 2 파장용의 발광면은, 같은 크기의 직사각형 형상이며, 또한, 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면과 닮은꼴 형상이며,
    상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈는, 서로 같은 구조를 갖고,
    상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈로부터 상기 콘덴서 렌즈까지의 광학 거리 및 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈로부터 상기 콘덴서 렌즈까지의 광학 거리가 동일하게 되도록, 상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈가 배치되고,
    상기 제 1 파장용의 발광면으로부터 상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈까지의 제 1 파장의 광의 광학 거리는 상기 제 2 파장용의 발광면으로부터 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈까지의 제 2 파장의 광의 광학 거리보다 길어지도록, 또한, 상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 콘덴서 렌즈가 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면상에 결상시키는 상기 제 1 파장용의 발광면의 2차 광원상(light source image)과, 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 콘덴서 렌즈가 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면상에 결상시키는 상기 제 2 파장용의 발광면의 2차 광원상이, 서로 같은 크기가 되도록, 상기 제 1 파장용의 면발광 광원 및 상기 제 2 파장용의 면발광 광원을 배치한
    것을 특징으로 하는 집광 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 파장보다 파장이 짧은 제 ３ 파장용의 발광면을 갖고, 상기 제 ３ 파장용의 발광면으로부터 제 ３ 파장의 광을 방사하는 제 ３ 파장용의 면발광 광원과,
    상기 제 ３ 파장용의 발광면으로부터 방사된 제 ３ 파장의 광을 평행광화하는, 정의 파워를 갖는 제 ３ 파장용의 콜리메이트 렌즈
    를 더 구비하고,
    상기 광 합성 수단은, 상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈를 통과한 제 1 파장의 광과, 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈를 통과한 제 2 파장의 광과, 상기 제 ３ 파장용의 콜리메이트 렌즈를 통과한 제 ３ 파장의 광을 합성하고,
    상기 제 1 파장용의 발광면, 상기 제 2 파장용의 발광면 및 상기 제 ３ 파장용의 발광면은, 같은 크기의 직사각형 형상이며, 또한, 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면과 닮은꼴 형상이며,
    상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈, 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 제 3 파장용의 콜리메이트 렌즈는, 서로 같은 구조를 갖고,
    상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈로부터 상기 콘덴서 렌즈까지의 광학 거리, 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈로부터 상기 콘덴서 렌즈까지의 광학 거리 및 상기 제 ３ 파장용의 콜리메이트 렌즈로부터 상기 콘덴서 렌즈까지의 광학 거리가 동일해지도록, 상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈, 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 제 ３ 파장용의 콜리메이트 렌즈가 배치되고,
    상기 제 1 파장용의 발광면으로부터 상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈까지의 제 1 파장의 광의 광학 거리는 상기 제 2 파장용의 발광면으로부터 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈까지의 제 2 파장의 광의 광학 거리보다 길고, 상기 제 2 파장의 광의 광학 거리는 상기 제 ３ 파장의 광의 발광면으로부터 상기 제 ３ 파장용의 콜리메이트 렌즈까지의 제 ３ 파장의 광의 광학 거리보다 길어지도록, 또한, 상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 콘덴서 렌즈가 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면상에 결상시키는 상기 제 1 파장용의 발광면의 2차 광원상과, 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 콘덴서 렌즈가 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면에 결상시키는 상기 제 2 파장용의 발광면의 2차 광원상과, 상기 제 ３ 파장용의 콜리메이트 렌즈 및 상기 콘덴서 렌즈가 상기 광강도 분포 균일화 소자의 입사면상에 결상시키는 상기 제 ３ 파장용의 발광면의 2차 광원상이, 서로 같은 크기가 되도록, 상기 제 1 파장용의 면발광 광원, 상기 제 2 파장용의 면발광 광원 및 상기 제 ３ 파장용의 면발광 광원을 배치한
    것을 특징으로 하는 집광 광학계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈, 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈, 및 상기 콘덴서 렌즈는, 각각 1매 이상의 렌즈로 구성되고, 또한, 같은 유리 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 집광 광학계.

  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 파장용의 콜리메이트 렌즈, 상기 제 2 파장용의 콜리메이트 렌즈, 상기 제 3 파장용의 콜리메이트 렌즈, 및 상기 콘덴서 렌즈는, 각각 1매 이상의 렌즈로 구성되고, 또한, 같은 유리 재질로 구성되는 것을 특징으로 하는 집광 광학계.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 광 합성 수단은, 다이크로익 미러를 갖는 것을 특징으로 하는 집광 광학계.
  6. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광 합성 수단은, 서로 직교하여 배치된 2매의 다이크로익 미러를 갖는 것을 특징으로 하는 집광 광학계.
  7. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 광 합성 수단은, 서로 평행하게 배치된 2매의 다이크로익 미러를 갖는 것을 특징으로 하는 집광 광학계.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 광 합성 수단과 상기 콘덴서 렌즈의 사이에, 상기 합성된 광의 광로를 상기 콘덴서 렌즈를 향하도록 바꾸는 반사 미러를 구비한 것을 특징으로 하는 집광 광학계.
  9. 제 1 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 집광 광학계는, 상기 제 1 파장용의 면발광 광원측 및 상기 제 2 파장용의 면발광 광원측의 각각에 텔레센트릭한 광학계이며,
    상기 제 1 파장용의 발광면 및 상기 제 2 파장용의 발광면의 각각에, 포토닉스 결정체(photonics crystal)를 구비한
    것을 특징으로 하는 집광 광학계.
  10. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서,
    상기 집광 광학계는, 상기 제 1 파장용의 면발광 광원측, 상기 제 2 파장용의 면발광 광원측 및 상기 제 3 파장용의 면발광 광원측의 각각에 텔레센트릭한 광학계이며,
    상기 제 1 파장용의 발광면, 상기 제 2 파장용의 발광면 및 제 3 파장용의 발광면의 각각에, 포토닉스 결정체를 구비한
    것을 특징으로 하는 집광 광학계.
  11. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 기재된 집광 광학계와,
    상기 집광 광학계로부터 출사된 광이 입사되고, 상기 입사한 광을 변조하여 영상광을 생성하는 화상 표시 소자와,
    상기 화상 표시 소자에서 생성된 상기 영상광을 확대 투사하는 투사 광학계
    를 구비한 것을 특징으로 하는 투사형 화상 표시 장치.
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