KR102017398B1 - 광 적분기 및 그것을 사용한 영상 투사 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼색성과 균질성을 높이는 소형의 광 적분기를 제공하는 것을 목적으로 한다. 본 발명의 광 적분기는, 광의 입사면과 출사면(002, 003)과, 입사면과 출사면을 연결하는 측면(004, 005, 006, 007)을 구비하고, 그의 내부는, 어떤 굴절률의 도광 부재로 채워져 있고, 그 도광 부재는, 도광 부재의 굴절률과는 다른 굴절률을 갖고, 광을 산란시키는 산란 입자를 함유하고, 입사면으로부터 입사한 광은, 입사면측으로부터 출사면 방향으로 도광 부재 내부의 산란 입자로 산란되면서 전파됨과 함께, 산란된 산란광의 일부는, 측면의 내면 반사에 의해 광 검출기의 내부에 갇히면서 전파됨으로써, 출사면으로 도광되는 것을 특징으로 한다.

Description

광 적분기 및 그것을 사용한 영상 투사 장치{OPTICAL INTEGRATOR AND VIDEO PROJECTION DEVICE USING SAME}
본 발명은 광을 균일하게 혼색하는 광 적분기와, 그것을 사용한 영상 투사 장치에 관한 것이다.
투명 로드를 사용한 영상 투사 장치의 특허는 문헌 1, 2 등, 광 확산층을 구비한 표시 장치는 특허문헌 3 등이 제안되어 있다.
일본특허공개 제2004-334083호 공보 일본특허공개 제2000-131665호 공보 일본특허공개 제2010-79117호 공보
통상의 프로젝터 등의 표시 장치용 영상 투사 장치에서는, 적색, 녹색, 청색의 3색의 광원을 시간 분할하여 컬러화하는 광학계가 일반적이다. 이 컬러화 기술은, 통상 필드 시퀀셜 컬러(이하, FSC)라고 불리는 방법이다.
FSC를 사용하기 위해서는, 혼색성과 균질성이 높은 3색의 광선을, 영상 투사 장치 내에 탑재된 LCOS나 DMD 등의 영상 생성 장치에 조명해야 한다.
복수 광원으로부터의 광선의 혼색성과 균질성에 관해서, 특허문헌 1에는, 복수의 광원으로부터의 광선을 렌즈로 로드에 도광하는 방법이 기재되어 있다. 특허문헌 2에는, 복수의 광원으로부터의 광선을 다이크로익 미러로 합성한 뒤, 로드에 도광하는 방법이 기재되어 있다.
또한, 백색 광원의 광을 균질화하는 방법으로서, 광 확산층을 사용하는 것이 특허문헌 3에 기재되어 있다.
근년에는, 헤드 마운트 디스플레이로 대표되는 웨어러블 표시 장치의 개발이 진행되고 있다. 이러한 표시 장치용 영상 투사 장치는, 몸에 장착하기 때문에, 절전형이며 밝고 소형인 것이 요구되고 있다.
영상 투사 장치를 소형으로 하기 위해, 복수의 광원을 1개의 하우징에 탑재한 멀티 칩 광원을 사용한 경우, 특허문헌 1, 2에 사용하고 있는 로드를 상정하면, 혼색성과 균질성을 만족시키기 위해서 긴 로드가 필요하게 되어, 소형화에 적합하지 않다. 또한, 특허문헌 3과 같은 광 확산층을 사용하는 경우, 복수의 광원 위치가 다르기 때문에, 혼색성을 만족시킬 수 없다.
본 발명의 목적은, 복수의 광원을 1개의 하우징에 탑재한 멀티 칩 광원을 탑재한 영상 투사 장치의 광학계를 소형화하기 위해, 혼색성과 균질성을 높인 소형의 광 적분기를 제공하는 것이다.
상기 목적은, 예를 들어 특허 청구범위에 기재된 발명에 의해 달성할 수 있다.
보다 구체적인 예를 들면, 본 발명에 따르는 광 적분기는, 광의 입사면과, 출사면과, 입사면과 출사면을 연결하는 측면을 구비하고, 그의 내부는, 굴절률 1의 도광 부재로 채워져 있고, 그 도광 부재는, 광을 산란시키는 굴절률 1과는 다른 굴절률 2의 산란 입자를 함유하고, 입사면으로부터 입사한 광은, 입사면측으로부터 출사면 방향으로 도광 부재 내부의 산란 입자로 산란되면서 전파됨과 함께, 산란된 산란광의 일부는, 측면의 내면 반사에 의해 광 검출기의 내부에 갇히면서 전파됨으로써, 출사면으로 도광되는 것이다.
절전형이며 밝고 소형인 영상 투사 장치를 저렴하게 제공할 수 있다.
도 1은 광 적분기(001)를 나타낸 개략도이다.
도 2는 영상 투사 장치(011)를 나타낸 개략도이다.
도 3은 광원(012)과 광 적분기(001)의 배치 관계를 설명하는 도면이다.
도 4a는 표시 장치(101)를 나타낸 개략도이다.
도 4b는 표시 장치(101)를 나타낸 개략도이다.
도 4c는 표시 장치(101)를 나타낸 개략도이다.
도 5는 표시 장치(101)의 시스템을 나타낸 개략도이다.
도 6a는 표시 장치(101)의 조정 플로우를 도시한 도면이다.
도 6b는 표시 장치(101)의 조정 플로우를 도시한 도면이다.
도 7은 광 적분기(201)를 도시한 도면이다.
도 8은 광 적분기(211)를 도시한 도면이다.
도 9는 광 적분기(221)를 도시한 도면이다.
도 10은 광 적분기(231)를 도시한 도면이다.
도 11a는 광원과 광 적분기의 배치 관계를 설명하는 도면이다.
도 11b는 광원과 광 적분기의 배치 관계를 설명하는 도면이다.
도 11c는 광원과 광 적분기의 배치 관계를 설명하는 도면이다.
도 11d는 광원과 광 적분기의 배치 관계를 설명하는 도면이다.
도 12는 영상 투사 장치(301)를 나타낸 개략도이다.
도 13은 영상 투사 장치(331)를 나타낸 개략도이다.
도 14는 영상 투사 장치(341)를 나타낸 개략도이다.
도 15a는 표시 장치를 나타낸 개략도이다.
도 15b는 표시 장치를 나타낸 개략도이다.
도 15c는 표시 장치를 나타낸 개략도이다.
이하, 도면에 나타내는 실시예에 기초하여 본 발명을 실시하기 위한 형태를 설명하지만, 이에 의해 이 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
본 발명에 있어서의 실시예 1에 대해서 도면을 사용해서 설명한다.
최초에 도 1을 사용해서 광 적분기(001)에 대해서 설명한다.
광 적분기(001)는 길이 L, 높이 H, 폭 W의 사각기둥의 형상을 하고 있고, 그의 내부는 소정의 투명도가 높은 굴절률 N1의 매질 1로 채워져 있다. 또한, 광 적분기(001)에는, 입출사면(002, 003)과, TIR 측면(004 내지 007)이 있다.
입출사면(002, 003)은, 광이 입사하는 면 또는 출사하는 면이다.
스넬의 법칙에 의해, 임계각보다 큰 입사각을 갖는 광선은 굴절률이 높은 매질로부터 굴절률이 낮은 매질로 진행될 수 없고, 내면 반사(Total Internal Reflection, 이하 TIR이라고 기재한다)되는 것이 알려져 있다. 이 때문에, 본 실시예 중에서는, 광 적분기(001)의 측면을 TIR 측면이라 기재한다. TIR 측면(004 내지 007)은, 입출사면(002, 003)으로부터 입사한 광을 TIR에 의해 광 적분기(001)의 내부에 가두는 기능을 갖는 면이다.
광 적분기(001)의 내부에는, 매질 1과는 다른 굴절률 2의 투명도가 높은 매질 2로 채워진 산란 입자(008)가 랜덤하게 충전되어 있다. 상기 스넬의 법칙에 따라, 광선은, 굴절률이 다른 매질을 통과할 때에, 입사하는 각도와는 다른 각도로 출사한다. 산란 입자(008)는, 그 원리를 사용하여, 진행되는 광선의 각도를 변경시킴으로써 산란시키는 기능을 갖는다.
굴절률 1과 굴절률 2의 차를 크게 한 쪽이 스넬의 법칙에 따라, 보다 큰 확산 기능이 얻어진다.
산란 입자는 구상 또는 그 밖의 형상이라도 상관없다. 범용품인 구상으로 하는 것이 비용면에서는 바람직하다.
산란 입자를 구상으로 한 경우에는, 그 직경이 작을수록 광선이 구부러지는 각도가 커져서, 높은 산란 성능이 얻어진다. 그 직경은 입사하는 광선의 파장보다 크며, 그 파장의 10배 이하로 하는 것이 바람직하다.
산란 입자의 직경이 파장보다 작으면, 큰 산란이 얻어진다. 그러나 산란 입자에 광선이 닿을 확률이 작아지기 때문에, 균질성을 확보하기 위해서, 산란 입자의 충전율을 늘리게 되지만, 효율의 저하가 문제가 된다.
반대로 직경이 파장의 10배 이상이 되면, 광선을 변경할 수 있는 각도가 작아져서, 원하는 혼색성과 균질성을 얻기 위해 광 적분기(001)를 길게 하게 되는데, 목적으로 하는 소형화에 기여할 수 없게 된다.
산란 입자가 구상 이외이고, 그 산란 입자의 표면에 요철이 없는 경우에는, 대략 상기와 동일하다고 할 수 있다.
물론, 산란 입자의 표면에 파장 오더의 미세 구조를 마련해도 된다. 이 경우는, 형상을 임의로 해서, 산란 입자의 최대 직경을 크게 하더라도, 큰 산란 효과가 얻어지는 것을 기대할 수 있다.
또한, 입출사면(002, 003)의 높이 H, 폭 W는, 입사하는 광선과 대략 동등하거나, 적어도 설치의 공차를 고려한 최소 사이즈로 하는 것이 바람직하다. 물론, 입출사면(002, 003)의 높이 H, 폭 W는, 입사하는 광선과 대략 동등하게 하는 것이 가장 바람직하고, 이 경우는 설치의 공차를 고려해서, 조립 시에 조정하면 된다.
입출사면(002, 003)을 출사하는 광선의 휘도는, 면적에 반비례한다. 이 때문에, 입사하는 광선의 면적에 대하여, 입출사면의 면적을 2배로 하면, 휘도가 절반이 된다. 또한, 면적을 크게 하면 가두는 효과가 떨어져서, 혼색 성능도 작아진다. 이 때문에, 더욱 산란 입자의 충전율을 증가할 필요가 있어, 효율이 더욱 열화된다.
반대로 입사하는 광선보다 입출사면(002, 003)의 면적을 작게 하면, 광선을 도입할 수 없게 되어, 효율이 저하된다.
이상으로부터, 입출사면(002, 003)의 면적은, 입사하는 광선 사이즈와 대략 동등하게 해서 조정하거나, 조립의 공차를 고려해서 적어도 2배 이하로 설정한 편이 좋다.
입출사면(002, 003)의 폭 W와 높이 H는, 폭 W＞높이 H라고 정의한다. 이 경우, 길이 L은 폭 W의 3배보다 길게 하면 좋다.
통상의 면 광원은 반값반폭이 60°인 램버시안의 분포를 하고 있다. 일반적인 투명 재료의 굴절률을 1.5로 하면, 스넬의 법칙에 따르면 광 적분기(001)의 내부에 도입된 광속(光束)은 ±35°의 범위 내에 분포되어 있다고 할 수 있다. 35°의 광선은, 폭 W의 3배의 길이 L을 진행하면, 약 2회 반사되게 된다. 즉, 하기 식 (1)을 만족하게 된다.
L×Tan35°≥2×W … 식 (1)
약 2회 반사될 정도의 길이이면, 산란 입자(008)의 충전율을 조정함으로써, 혼색성과 균질성을 만족할 수 있다.
폭 W의 3배를 초과하는 길이 L로 설정한 경우에는, 충전율을 저감시키는 조정을 함으로써, 혼색성과 균질성을 만족시킨 그대로 효율을 유지할 수 있다.
예를 들어, 폭 W, 높이 H를 한변이 1㎜인 정사각형으로 한 경우, 길이를 4㎜, 산란 입자(008)의 직경을 약 2㎛, 굴절률 1을 1.48, 굴절률 2를 1.58로 한 경우, 매질 1의 총 부피에 대한 산란 입자(008)의 매질 2의 총 부피를 0.5% 내지 1.0%의 범위로 설정하면 된다.
또한, 입출사면(002, 003)은, 대략 평행하게 하는 것이 바람직하다. 수직으로 입사하는 광의 평균 각도를 유지한 채 광의 입출사가 가능하게 되어, 효율면에서 바람직하다.
또한, 입출사면(002, 003)은 동일 형상으로 하는 것이 바람직하다. TIR 측면에서의 광의 누설을 저감함과 함께, TIR 측면에서의 효율이 좋은 반사를 행할 수 있어, 손실을 저감할 수 있다.
또한, 산란 입자(008)의 충전율은, 광과 산란 입자(008)가 충돌하는 평균적인 거리인 평균 자유 행정과 반비례하는 것이며, 광의 투과율은, 광과 산란 입자가 충돌한 횟수만큼 떨어지기 때문에, 평균 자유 행정에 비례한다고 할 수 있다. 즉, 산란 입자(008)의 충전율은 밝기에 반비례한다. 산란 입자(008)를 지나치게 충전하면, 효율이 떨어지기 때문에, 혼색성 및 균질성과 효율을 고려하여, 산란 입자(008)의 충전율을 정하면 된다.
또한, TIR 측면은 표면 조도를 작게 하는 것이 바람직하다. TIR 측면의 표면 조도를 작게 함으로써 반사측면으로부터의 누설 광을 저감하여, 고광량 출력을 가능하게 한다.
길이 방향의 표면 조도는, 길이 방향과 직교하는 방향보다 작게 하는 것이 바람직하다. 이것은 가공 방법 등(절삭이나 성형)에 따라 이방성이 있는 거칠함이 발생하기 쉽지만, 광축 방향의 표면 조도를 작게 함으로써, 반사측면으로부터의 누설 광을 저감하여, 고광량 출력을 가능하게 한다.
입출사면(002, 003)은 표면 조도를 크게 해도 된다. 이 경우, 입출사면이 거칠어져 있음으로써 표면 산란에 의한 광의 균일화가 가능하게 된다.
본 발명의 광 적분기는, 매질 1과, 해당 매질 1과는 다른 굴절률을 갖고, 전반하는 광을 산란시키는 산란 입자(매질 2)가 충전된 구조이면 특별히 한정은 없지만, 이하에 설명하는 재료 및 제조 방법을 사용함으로써 용이하게 얻을 수 있다.
<매질 1>
먼저, 매질 1의 재질로서, 광을 전반하는 관점에서 투명성이 높은 재료가 선택된다. 본 실시예에서는 아크릴계의 광경화 수지를 사용하지만, 투명도가 높은 재료이면 특별히 한정은 없고, 예를 들어 에폭시계의 열경화성의 수지나 아크릴이나 폴리카르보네이트 등의 열가소성 수지나, 유리 등을 사용해도 된다.
광경화성 수지를 사용하면 고형의 매질 2를 사용할 때에 해당 매질 2와의 혼합이 용이한 관점, 또한 경화 후에 냉각이나 건조 등의 공정을 필요로 하지 않기 때문에 작업 효율이 향상되는 관점, 소정의 형상의 광 적분기를 얻기 쉬운 관점에서 보다 바람직하다. 또한, 아크릴계의 재료를 사용하면 투과율이 높고, 광의 이용 효율을 높이는 것이 가능하게 되기 때문에, 보다 바람직하다.
<매질 2>
매질 2는, 매질 1 중에, 매질 1과 다른 굴절률의 입자를 혼합시킴으로써 효율적으로 얻을 수 있다. 매질 2의 재질로서, 본 실시예에서는, 가교 폴리스티렌 미립자를 사용하지만, 투명도가 높은 재료이면, 그 밖의 재질의 플라스틱 입자나 유리 입자 등, 다른 재료를 사용해도 된다.
단, 광을 산란시키기 위해서는 굴절률차가 있는 것이 중요하기 때문에, 매질 1과 매질 2 사이에서 굴절률차는 0.05 이상인 것이 바람직하다. 0.05 이상 0.15 이하이면, 매질 1과 매질 2의 비중을 근접시키기 쉽게 되어 매질 2를 매질 1에 혼합시키는 것이 용이한 관점, 및 효율의 저하를 억제하는 데다가, 산란의 효과도 얻어지기 쉽다고 하는 관점에서 보다 바람직하다. 여기서, 매질 1과 매질 2의 굴절률을 비교했을 때에, 어느 쪽의 굴절률이 커도 된다. 또한, 본 발명에 있어서의 굴절률차란, 매질 1 또는 매질 2 중, 고굴절률인 매질 1 또는 매질 2의 굴절률과, 저굴절률인 매질 2 또는 매질 1의 굴절률의 차분으로부터 산출되는 값으로 한다.
<입경>
매질 2의 입경은 0.5㎛ 이상, 5㎛ 이하인 것이 바람직하다. 이것은 전술한 바와 같이, 입경이 작으면 광이 지나치게 산란되어 광의 취출 효율이 저하되어버리고, 입경이 크면 광이 산란되기 어렵기 때문이다. 또한, 입경은 대략 균일한 쪽이 바람직하지만, 90% 이상의 입자가 상기 입경 범위 내에 포함되어 있으면 효과는 얻어지기 때문에 문제없다.
<제조 방법>
매질 1과 매질 2를 일체화하는 공법으로서는, 예를 들어 액상의 매질 1을 준비하고, 계속해서 매질 1과 매질 2를 혼합시켜서, 그것을 소정의 형상으로 광경화시켜서 제작하는 방법이 있지만, 열 프레스, 사출 성형, 깎아내기 등, 다른 공법이어도 제작 가능하다. 그 중에서도 액상의 매질 1을 사용하면, 매질 2를 용이하게 혼합시킬 수 있기 때문에, 보다 바람직하고, 매질 1에 매질 2를 혼합시킨 상태도 액상이면, 소정의 형상으로 가공하기 쉽기 때문에 더욱 바람직하다.
제품 형상 제조 시에는, 제품 높이의 판을 제작 후에 외주를 절단해서 제품 사이즈로 해도 되고, 제품 사이즈의 공간을 갖는 틀을 제작하고, 틀에 수지를 유입하여 경화시켜서 제작해도 된다.
<표면 조도>
본 실시예의 광 적분기의 표면 조도(Ra; 산술 평균 조도)는, 측면의 길이 방향에서는 작게 하는 것이 바람직하다. 이것은 광이 측면에 닿았을 때에 측면의 길이 방향에서 면이 거칠어져 있으면, 임계각을 초과해서 광이 측면으로 빠져버리기 때문이다. 길이 방향으로 수직인 방향에서는, 광의 전반에 악영향이 없는 범위에서 면이 거칠어져 있어도 된다. 또한 광 입사면이나 광 출사면에 대해서는, 광의 확산이 높아지는 효과를 기대할 수 있기 때문에, 광의 출사에 악영향이 없는 범위에서 면이 거칠어져 있어도 된다. 이상의 관점에서 측면의 광축 방향의 표면 조도는 0㎛ 초과 내지 2.0㎛이면 좋고, 0㎛ 초과 내지 1.0㎛이면 보다 좋고, 0㎛ 초과 내지 0.5㎛이면 더욱 좋다. 광 입사면 및 광 출사면의 표면 조도는, 상기 측면의 표면 조도 이상이며, 0.01㎛ 내지 10㎛이면 좋고, 0.5㎛ 내지 5㎛이면 보다 좋고, 0.5㎛ 내지 3㎛이면 더욱 좋다. 또한, 측면의 광축에 대하여 수직 방향의 표면 조도는 0㎛ 초과이며, 상한은 상술한 광 입사면 및 광 출사면의 표면 조도로 열거한 값 이하이면 된다.
측면의 광축(도면 중 길이 L의 방향)에 대하여 수직 방향의 표면 조도는 상술한 범위 내에서 작은 편이 바람직하지만, 가공 효율의 관점에서 임의로 선택해도 상관없다. 구체적으로는, 예를 들어 절삭 가공에 의해 측면을 형성하는 경우, 절삭 방향의 표면 조도와, 절삭 방향과 대략 수직 방향의 표면 조도는, 전자의 절삭 방향의 표면 조도 쪽이 작아지는 경향이 있고, 가공 효율의 향상을 위해 절삭 속도 등을 변화시키면, 특히, 절삭 방향과 대략 수직 방향의 표면 조도가 거칠게 된다. 이 경우, 절삭 방향을 광축 방향으로 함으로써, 작업 효율을 유지하면서, 광의 전반 효율을 유지시키는 것이 가능하게 된다. 또한, 성형 등을 이용하는 경우이며, 또한 성형 주형측에 절삭 자국 등의 표면 조도의 방향성을 갖는 경우, 해당 표면 조도는 광 적분기에 전사된다. 이 경우도 마찬가지로, 광축 방향을 표면 조도가 작은 방향으로 함으로써, 양호한 광의 전반 효율을 유지시키는 것이 가능하게 된다.
또한, 매질 2에 고형의 입자를 사용하는 경우, 매질 2로 이루어지는 산란 입자가 측면으로부터 돌출되는 것에 의한 볼록부 또는/및 해당 산란 입자가 측면으로부터 탈락한 자국에 의한 오목부로 이루어지는 요철이 표면 조도에 기여하는 정도로 존재하면, 상술한 바와 같이 측면으로부터의 광의 누설이 발생하는 한 요인이 된다. 이상의 점에서, 또한 측면의 표면 조도(Ra)는, 매질 2로서 도입하는 산란 입자의 평균 입경의 1/2 이하이면 좋다. 이것은, 광 적분기의 측면으로부터 산란 입자를 돌출시키지 않는 상태, 또는 측면으로부터 돌출되는 산란 입자를 연마나 절단 등을 사용해서 절단하여, 평활화해 둠으로써 실현할 수 있다.
이어서 도 2, 광 적분기(001)를 사용한 영상 투사 장치(011)에 대해서 설명한다.
도 2는 영상 투사 장치(011)를 도시하는 개략도이다.
도 2에 도시하는 영상 투사 장치(011)에는, 광원(012), 광 적분기(001), 조명 렌즈(013), 편광 필터(025), 영상 생성 장치(014), 렌즈 유닛(018), 광축 변경 소자(019), 출사 창(020), 광 검출부(021)가 있다. 또한, 파선으로 기재한 광 진로(022)는 광선의 진행을 설명하는 데에 보조하기 위해 기재한 가상선이다.
광원(012)은 적색, 녹색, 청색의 파장대의 광을 출사하는 칩을 탑재한 멀티 칩 광원이다. 광원(012)은 일반적으로 구입할 수 있는 저렴한 LED를 상정하고 있다.
광원(012)으로부터 출사한 3색의 광선은, 광 적분기(001)로 입사하고, 전술한 산란 입자에서 확산되고, 또한 광 적분기(001) 안에 갇혀서, 높은 혼색성과 균질성이 실현된다.
광 적분기(001)를 출사한 광은, 조명 렌즈(013)를 통해서 영상 생성 장치(014)에 조명된다.
광은, 조명 렌즈(013)로부터 영상 생성 장치(014)에 도달하기 전에, 편광 필터(025)를 진행하여, 소정 방향의 직선 편광의 광으로 선택된다.
편광 필터(025)에서 소정 방향의 편광으로 선택된 광은, 영상 생성 장치(014)에 조명된다.
여기서 영상 생성 장치(014)는 컬러 필터가 없는 투과 타입의 액정 소자를 상정하고 있다. 이 때문에, 컬러 필터가 있는 액정과 비교해서 화소를 1/3로 할 수 있기 때문에, 높은 해상도의 영상을 실현할 수 있다. 영상 생성 장치(014)의 표시 에어리어(015)는 영상이 생성되는 영역을 나타내고 있다. 또한, 컬러화는 광원(012)에 있는 적색, 녹색, 청색의 파장대의 광을 시간마다 빛나게 하는 FSC의 기술로 실현된다.
표시 에어리어(015)는 화소마다 소정의 편광을 그 편광과는 수직 방향이나 평행 방향의 어느 쪽인가를 선택하는 기능을 갖고 있다. 영상으로서 유효하게 하는 경우에는, 편광 필터(025)에서 선택된 방향과 평행한 편광을 선택한다.
표시 에어리어(015)를 진행하는 영상으로서 유효한 광선과 무효한 광선은, 편광 필터(026)에 입사한다. 편광 필터(026)에서는, 영상으로서 유효한 편광의 광선만이 통과하고, 무효한 편광의 광선은 흡수 또는 반사한다.
편광 필터(026)에서 영상으로서 유효한 광선만이, 렌즈 유닛(018)으로 진행된다.
차광 개구(016, 017)는 표시 에어리어(015) 외측의 불필요한 광선이 출사하지 않도록 배치한 차광 개구이다.
렌즈 유닛(018)은 복수매의 렌즈를 요하는 투사 렌즈이며, 표시 에어리어(015)의 영상을 스크린(도시없음)에 확대 결상시키는 기능을 갖는다.
도면에서는, 3매 조(組)로 기재했지만, 투사하는 영상의 확대율이나 투사 거리에 따라서, 더욱 많은 매수여도, 반대로 적어도 하등 상관없다.
또한, 렌즈 유닛(018)은 영상 생성 장치(014)로부터 멀어지는 방향과 가까워지는 방향으로 움직이게 하는 기구를 갖게 하는 것이 바람직하다. 이러한 기구에 의해 투사 거리에 따라 영상의 결상 위치를 바꾸는 포커스 기능을 구비시킬 수 있다.
렌즈 유닛(018)을 출사한 광은, 광축 변경 소자(019)에서 반사되고, 출사 창(020)을 거쳐서 스크린(도시하지 않음)에 투사된다.
광축 변경 소자(019)는 영상을 구부리는 기능을 갖는다. 도시와 같은 프리즘이나, 단순한 반사 미러 등으로 실현할 수 있다. 영상이 왜곡되지 않도록 광선이 통과하는 면의 면 정밀도를 확보하는 것이 바람직하다.
출사 창(020)은 외부로부터 먼지나 물방울 등이 들어가는 것을 방지하는 기능을 갖는다. 광학적으로 투명한 평판이며, 효율의 손실이 줄도록 적색부터 청색 영역(파장 430㎚ 내지 670㎚의 범위)에서 반사 방지막을 형성하는 것이 바람직하다.
또한, 영상 투사 장치(011)에는, 광 검출부(021)가 탑재되어 있어, 광원(012)으로부터 출사하는 광을 검출할 수 있다. 예를 들어, 광 검출부(021)는 색마다의 광을 검출할 수 있는 컬러 필터 기능을 갖는 광 검출기인 것을 상정하고 있다. FSC 제어를 위해, 광 검출부(021)에 파장 의존이 없는 광 검출기를 사용할 수도 있다. 이 경우는, FSC에 의해 적색, 녹색, 청색을 순차 발광시키는 타이밍과 동기시켜서 광 검출기의 신호를 모니터하면 된다. 이 경우, 컬러 필터 기능을 갖는 광 검출기를 사용하는 것에 의해 광 검출부(021)를 저렴하게 할 수 있다.
이 광 검출부(021)에 의해, 소정의 색 온도와 밝기의 설정으로 하는 광원(012)으로부터 출사하는 광의 초기값을 기억해 두고, 온도나 경시 열화 등으로, 광량이 변화했을 때 피드백 제어를 할 수 있는 구성으로 하는 것이 바람직하다.
이어서 도 3을 사용하여, 광원(012)과 광 적분기(001)의 배치 관계를 설명한다.
광원(012)은 적색, 녹색, 청색의 파장대의 광을 출사하는 적색 칩(031), 녹색 칩(032), 청색 칩(033)이 1개의 하우징 내에 탑재된 멀티 칩 광원이다.
광원(012)으로부터 출사한 적색, 녹색, 청색의 파장대의 광은, 광 적분기(001)의 입출사면(002)(또는 입출사면(003))으로 입사한다. 광원(012)에 탑재된 적색 칩(031), 녹색 칩(032), 청색 칩(033)의 최대 외형의 폭 WLED와 높이 HLED보다, 광 적분기(001)의 입출사면(002)의 폭 W와 높이 H 쪽이 크게 설정된다. 또한, 설계상은, 적색 칩(031), 녹색 칩(032), 청색 칩(033)의 중심과, 입출사면(002)의 중심을 일치시키면 된다(도면에서는, 선(034, 035)이 공차하는 점). 예를 들어, 폭 WLED와 높이 HLED를 1㎜로 한 경우, 탑재의 공차±0.05㎜로 하면, 폭 W와 높이 H는 1.1㎜ 정도로 설정하면 된다.
이어서 도 4a 내지 도 4c를 사용하여, 영상 투사 장치(011)를 사용한 표시 장치(101)에 대해서 설명한다.
도 4a 내지 도 4c는 표시 장치(101)의 개략도이고, 도 4a는 정면도이고, 도 4b 및 도 4c는 측면도이다.
표시 장치(101)는 스마트폰이나 태블릿 PC 등을 상정하고 있고, 영상의 표시와, 정전 용량을 이용해서 손가락으로 표시 장치(101)를 제어하는 패널(102)이나, 제어용 버튼(103) 등이 있다. 또한 표시 장치(101)의 도 4a 중 상부에는, 영상 투사 장치(011)가 배치되어 있고, 도 4a 중 상부 방향으로 영상을 투사할 수 있다.
또한 영상 투사 장치(011)는, 표시 장치(101) 내에서 화살표(105)의 방향으로 회전할 수 있는 회전 기구(104)를 갖고 있고, 측면도인 도 4b 및 도 4c에 도시한 바와 같이, 상방이나 후방으로 영상의 투사 방향을 선택할 수 있다.
이러한, 모바일 용도의 표시 장치를 실현하기 위해서는, 소형이 아니면 안된다. 또한, 배터리를 지속해서 사용하기 위해서는 높은 광 이용 효율이 요구된다.
상술한 바와 같이 소형이며 고효율의 영상 투사 장치(011)를 실현하고자 한 경우에, 복수의 광원을 1개의 하우징에 탑재한 멀티 칩 광원을 탑재한 영상 투사 장치의 광학계를 소형화하기 위해서, 혼색성과 균질성을 높인 소형의 광 적분기가 요구되고 있다.
이어서 도 5를 사용해서 표시 장치(101)의 시스템에 대해서 설명한다.
도 5는 표시 장치(101)의 시스템 블록을 도시한 것이다.
표시 장치(101)는 광 모니터(광 검출부)(021), 광원(012), 광원을 제어하는 설정값을 기억시킨 데이터 테이블(120)을 구비한 영상 투사 장치(011)가 구비되어 있다.
통신부(112)는 WiFi(와이파이)나 Bluetooth(블루투스)(등록상표)와 같은 인터넷상의 정보나 사용자(111)가 소지하고 있는 전자 기기 등의 외부 서버(119)와 액세스해서 외부 정보를 취득하는 기능을 갖고 있다.
표시 장치(101)는, 패널(102)을 통해서 사용자(111)에게 정보를 표시하는 표시부(113), 압전 소자나 정전 용량 등의 원리로 가속도를 검지하는 가속도 센서나 GPS 등으로 외부 환경을 센싱하는 센싱부(114)도 구비하고 있다.
표시 장치(101)는, 배터리 등으로부터 전력을 공급하는 전력 공급부(115), 카메라 등으로 외계 영상을 취득하는 촬상부(116)도 구비되어 있다.
표시 장치(101)는, 마이크에 의한 사용자의 말의 음성 인식이나, 패널(102)의 터치 센서, 버튼(103) 등에 의한 사용자가 표시 장치(101)를 제어하는 제어부(117)도 구비하고 있다.
또한, 표시 장치(101)는, 사용자의 제어에 따라서 상기 장치, 상기 각 부를 컨트롤하는 메인 칩인 컨트롤러(118)도 구비하고 있다.
표시 장치(101)는, 사용자(111)만이 소정의 영상을 표시부(113)에서 관찰하는 것뿐만 아니라, 사용자(111)와 다른 복수인이 동시에 영상을 관찰할 수 있는 영상 투사 장치(011)를 구비하고 있다.
이 때문에, 예를 들어 센싱부(114)에서 얻어진 정보를 바탕으로 컨트롤러(118)는, 표시 장치(101)가 배치되어 있는 장소를 검출하여, 외부 서버(119)로부터 주위의 정보를 선택하고, 영상 투사 장치(011)를 구동하여, 선택한 정보를 스크린에 표시하는 기능을 갖고 있어도 된다.
또한, 예를 들어 컨트롤러(118)는, 사용자(111)가 유지하고 있는 화상 데이터 리스트를 표시부(113)에서 사용자(111)가 확인하고, 사용자(111)가 선택한 화상만을 영상 투사 장치(011)에서 스크린에 표시하여, 사용자가 다른 복수인에게 영상을 관찰시키게 하는 기능 등도 갖고 있어도 된다.
또한, 예를 들어 컨트롤러(118)는, 사용자(111)가 보행하고 있을 때에 통로에 작은 단 등이 있는 경우, 촬상부(116)의 영상 정보에서 취득한 영상 신호를 컨트롤러(118)가 처리하여, 단이 있는 것을 인식하여, 영상 투사 장치(011)를 발광시켜 "단차 있음 주의"와 같은 정보를 사용자(111)에게 알리는 기능 등도 갖고 있어도 된다.
또한, 전력 공급부(115)는, 컨트롤러(118)를 통해서 장치에 필요한 전력을 공급한다. 이때 컨트롤러(118)는, 필요성에 따라, 필요한 장치에만 전력을 공급함으로써 절전하는 기능을 갖고 있는 것이 바람직하다.
또한, 컨트롤러(118)는, 영상 투사 장치(011) 내에 있는 광 검출부(021)로부터의 광량 정보를 모니터하여, 광원(012)의 출력을 제어하는 기능을 갖고 있는 것이 바람직하다.
도 6a 및 도 6b를 사용하여, 표시 장치(101)의 광원(012)의 조정 플로우에 대해서 설명한다.
출하 전의 초기값 설정 시에, 영상 투사 장치(011)로부터 출사되는 화상을 지정된 색 좌표가 되도록 광원(012)의 적색, 녹색, 청색 파장대의 광량 I0(R), I0(G), I0(B)를 데이터 테이블(120)에 저장해 둔다.
컨트롤러(118)로부터 영상 투사 장치(011)가 영상 투사하라는 명령을 받으면, 영상 투사 장치(011)는 광원(012)의 발광을 시작한다(도 6a의 131). 이어서 광 검출부(021)에서 광원(012)의 광량 I1(R), I1(G), I1(B)를 검지한다(도 6a의 132). 검지한 광량 I1(R), I1(G), I1(B)와 초기의 광량 I0(R), I0(G), I0(B)를 비교함으로써 지정된 색 좌표로부터의 오차가 없는지 체크한다(도 6a의 133).
영상 투사 장치(011)가 동작 중인 한, 색 좌표의 오차가 없는 경우에는, 소정의 시간을 두고(도 6a의 135), 다시 광 검출부(021)에서 광량을 검지하는(도 6a의 132) 조정 플로우를 반복한다.
LED와 같은 반도체 광원은, 온도에 의해 출력이 변화하는 특성이 있다. 이 때문에, 환경의 온도 변화나, 광원(012) 근방에 배치된 전자 회로의 발열 등으로, 광원(012)으로부터 출사되는 각 색의 광출력이 변화한다. 출력이 변화한 경우는, 오차가 보정되도록 광원(012) 내의 적색 칩(031), 녹색 칩(032), 청색 칩(033)의 광량을 제어한다(도 6a의 134). 광량의 제어는 구동 전류를 바꾸는 방법이나, 발광 시간을 바꾸는 등의 방법으로 실현할 수 있다.
광량 제어의 조정이 완료된 후에, 다시 광량을 검지하여(도 6a의 132) 소정의 색이 되어 있는지를 체크한다(도 6a의 133).
이와 같이 영상 투사 장치(011)는 색 좌표가 일정한 범위를 초과하지 않도록 피드백 제어하는 것이 바람직하다.
광 적분기(001)는 수지인 것을 상정하고 있다. 이 때문에, 경시적으로, 자외선을 받거나 하여 열화되어, 투과율이 떨어지는 것이 상정된다. 또한, 광원(012)이 경시 열화해서 발광하는 광량 자체가 떨어지는 것도 상정된다.
이러한 경우에 대비해서, 밝기의 제어를 행하는 방법에 대해서 도 6b를 사용해서 설명한다.
컨트롤러(118)로부터 영상 투사 장치(011)가 영상 투사하라는 명령을 받아, 도 6b에 도시한 바와 같이, 영상 투사 장치(011)는 광원(012)의 발광을 시작한다(도 6b의 131). 이어서 광 검출부(021)에서 광원(012)의 광량 I2(R), I2(G), I2(B)를 검지한다(도 6b의 140). 검지한 광량 I2(R), I2(G), I2(B)의 가산값 IT2와 초기의 광량 I0(R), I0(G), I0(B)의 가산값 IT0을 비교한다(도 6b의 141).
광량의 차가 소정의 설정값보다 작은 경우에는, 광원(012)이나 광 검출기의 어느 쪽인가가 열화된 것이라 상정하고, 초기 광량 I0(R), I0(G), I0(B)를 IT2와 IT0의 비율에 따라서 초기 광량의 설정을 광량 I0(R), I0(G), I0(B)로 변경해서 데이터 테이블(120)의 설정값을 갱신한다(도 6b의 142).
설정값의 갱신 후에, 다시, 광 검출부(021)에서 광원(012)의 광량 I2(R), I2(G), I2(B)를 검지한다(도 6b의 140). 검지한 광량 I2(R), I2(G), I2(B)의 가산값 IT2와 초기의 광량 I0(R), I0(G), I0(B)의 가산값 IT0를 비교한다(도 6b의 141). 광량의 차가 소정의 설정값의 범위 내인 것이 확인된 경우는, 이어서 광 검출부(021)에서, 광량 I3(R), I3(G), I3(B)를 검지한다(도 6b의 132). 검지한 광량 I3(R), I3(G), I3(B)와 재설정된 초기의 광량 I0(R), I0(G), I0(B)를 비교함으로써 소정의 색으로부터의 오차가 없는지 체크한다(도 6b의 133).
영상 투사 장치(011)가 동작 중인 한, 색 좌표의 오차가 없는 경우에는, 소정의 시간을 두고(도 6b의 135), 다시, 광 검출부(021)에서 광량을 검지하는(도 6b의 132) 조정 플로우를 반복한다.
광량의 출력에 오차가 있는 경우는, 오차를 보정하도록 광원(012) 내의 적색 칩(031), 녹색 칩(032), 청색 칩(033)의 광량을 제어한다(도 6b의 134).
광량 제어의 조정이 완료된 후에, 다시 광량을 검지하여(도 6b의 132) 소정의 색 좌표가 되어 있는지를 체크한다(도 6b의 133).
이상과 같이 밝기도 모니터함으로써, 경시 열화에 의한 밝기 저하에 의한 색 좌표의 조정을 할 수 없게 되는 문제를 피할 수 있다.
도 6b에 도시한 바와 같이, 경시 열화에 의한 밝기의 변화는, 기동 시에만 체크하는 것으로, 보정할 수 있으므로, 기동 시 이외에는, 도 6b의 132와 135의 플로우를 반복해서 제어하면 된다.
실시예 2
본 발명에 있어서의 실시예 2에 대해서 도면을 사용해서 설명한다.
여기에서는, 광 적분기(001)의 변형예에 대해서 설명한다.
먼저 도 7의 광 적분기(201)에 대해서 설명한다.
광 적분기(201)는 도 1의 광 적분기(001)의 형상을 사각기둥에서 원기둥으로 바꾼 예이다. 광 적분기(201)는 길이 L, 직경 W, 원기둥의 형상을 하고 있고, 그의 내부는 소정의 투명도가 높은 굴절률 N1의 매질 1로 채워져 있다.
또한, 광 적분기(201)에는 입출사면(202, 203)과, TIR 측면(204)이 있다.
광 적분기(201)의 내부에는, 매질 1과는 다른 굴절률 2의 투명도가 높은 매질 2로 채워진 산란 입자(008)가 랜덤하게 충전되어 있다. 광 적분기(001)와 마찬가지로, 진행되는 광선의 각도를 변경시킴으로써 산란시키는 기능을 갖는다.
통상, 로드형의 광 적분기에서는, 원기둥 형상으로 하면, 진행 거리에 강약이 발생하기 때문에, 양호한 균질성을 얻지 못하는 것이 알려져 있다. 이에 대해, 광 적분기(201)는 내부에 산란 입자(008)가 배치되어 있기 때문에, 원기둥 형상이어도 문제없이, 혼색성과 균질성이 얻어진다.
예를 들어, 섬유처럼 연신해서 제조하는 방법을 실현할 수 있어, 비용면에서 장점이 얻어진다.
또한, 입출사면(202, 203)의 직경 W는 입사하는 광선보다 설치의 공차 등을 고려하여, 입사하는 광선의 면적보다 크게, 적어도 2배 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 휘도가 면적에 반비례하기 때문이다.
이어서 도 8을 사용해서 광 적분기(211)에 대해서 설명한다.
광 적분기(211)는 광 적분기(001)의 형상을 사각기둥에서 삼각기둥으로 바꾼 예이다. 광 적분기(211)는 길이 L, 한변의 길이 W의 삼각기둥의 형상을 하고 있고, 그의 내부는 소정의 투명도가 높은 굴절률 N1의 매질 1로 채워져 있다.
또한, 광 적분기(211)에는 입출사면(212, 213)과, TIR 측면(214 내지 216)이 있다.
광 적분기(211)의 내부에는, 매질 1과는 다른 굴절률 2의 투명도가 높은 매질 2로 채워진 산란 입자(008)가 랜덤하게 충전되어 있다. 광 적분기(001)와 마찬가지로, 진행되는 광선의 각도를 변경시킴으로써 산란시키는 기능을 갖는다.
광원(012) 내의 적색 칩(031), 녹색 칩(032), 청색 칩(033)이 도 3에서 나타낸 바와 같이 트라이앵글의 형상을 하고 있는 경우에 맞춰서 형상을 삼각기둥으로 하고 있다.
입출사면(212, 213)의 길이 W는 입사하는 광선보다 설치의 공차 등을 고려하여, 입사하는 광선의 면적보다 크게, 적어도 2배 이하로 설정하는 것이 바람직하다. 전술한 바와 같이, 휘도가 면적에 반비례하기 때문이다.
광 적분기(211)는 트라이앵글 형상을 한 광원(012)과 조합한 경우에, 사각기둥보다 쓸데없는 공간을 줄임으로써, 혼색성과 균질성을 확보한 그대로 효율을 향상시키는 효과가 얻어진다.
이어서 도 9를 사용해서 광 적분기(221)에 대해서 설명한다.
광 적분기(221)는 광 적분기(001)의 형상을 만곡으로 바꾼 예이다. 광 적분기(221)는 길이 방향의 길이 L, 폭 W, 높이 H의 만곡된 형상을 하고 있고, 그의 내부는 소정의 투명도가 높은 굴절률 N1의 매질 1로 채워져 있다.
또한, 광 적분기(221)에는 입출사면(222, 223)과, TIR 측면(224 내지 227)이 있다.
광 적분기(221)의 내부에는, 매질 1과는 다른 굴절률 2의 투명도가 높은 매질 2로 채워진 산란 입자(008)가 랜덤하게 충전되어 있다. 광 적분기(001)와 마찬가지로, 진행되는 광선의 각도를 변경시킴으로써 산란시키는 기능을 갖는다.
광 적분기(221)는 입출사면(222와 223)의 법선이 다른 점이 특징이며, 실장상, 광원(012)과 조명 렌즈(013) 사이를 굽히는 것이 용이하게 가능해진다.
혼색성과 균질성을 확보하고, 실장 설계상의 자유도를 높게 할 수 있는 효과가 얻어진다.
이어서 도 10을 사용해서 광 적분기(231)에 대해서 설명한다.
광 적분기(231)는 광 적분기(001)의 입출사면의 비율을 변경한 예이다.
광 적분기(231)에는 입사면(232), 출사면(233), TIR 측면(234 내지 237)이 있다. 그의 내부는 소정의 투명도가 높은 굴절률 N1의 매질 1로 채워져 있다. 입사면(232)은 폭 Wi의 정사각형, 출사면(233)은 폭 Wo의 정사각형, 길이 L이고, 입사면(232), 출사면(233)의 사이즈가 다른 점에 특징이 있다.
광 적분기(231)의 내부에는, 매질 1과는 다른 굴절률 2의 투명도가 높은 매질 2로 채워진 산란 입자(008)가 랜덤하게 충전되어 있다. 광 적분기(001)와 마찬가지로, 진행되는 광선의 각도를 변경시킴으로써 산란시키는 기능을 갖는다.
입체각당의 광량은 보존시키는 물리 법칙의 에텐듀(etendue)의 관계에 따르면, 광원이 작고, 표시 에어리어가 큰 쪽이 고효율이다. 광 적분기(231)는 입사면(232)과 출사면(233)의 사이즈를 다르게 해서, 입사면(232)을 광원(012)측으로 하고, 출사면(233)을 조명 렌즈(013)측으로 배치한다. 이와 같이 배치하면, 조명 렌즈(013)로부터 표시 에어리어(015)까지의 전달 효율을 향상시킬 수 있다.
이어서 도 11a 내지 도 11d를 사용해서 멀티 칩 광원의 칩 배치와, 광 적분기의 입출사면의 관계 및 변형예에 대해서 설명한다.
도 11a는 광 적분기(201), 도 11b는 광 적분기(211)의 입출사면(212), 도 11c는 광 적분기(221)의 입출사면(222), 도 11d는 광 적분기(231)의 입사면(232)을 각각 사용한 예이다.
원기둥 형상의 광 적분기(201)에는, 입출사면(202)의 내부에 배치되도록 적색 칩(031), 녹색 칩(032), 청색 칩(033)을 트라이앵글로 배치하면, 낭비가 적어, 효율면에서 유리하다. 또한, 마찬가지로 광 적분기(211)에 있어서도, 입출사면(212)의 내부에 트라이앵글로 배치하면, 낭비가 적어, 효율면에서 유리하다.
광 적분기(221)처럼 사각의 입출사면(222)에서는, 적색 칩(031), 녹색 칩(032)을 2개, 청색 칩(033)의 4개를 배치할 수 있다. 이러한 경우에는, 사람의 눈이 밝게 느끼는 녹색 칩을 증설함으로써, 밝기를 향상시킬 수 있는 효과를 기대할 수 있다.
광 적분기(231)처럼 사각의 입사면(232)에서는, 적색 칩(031), 녹색 칩(032), 청색 칩(033)을 1열로 배치해도 된다. 현재 입수 가능한 3색의 칩이 탑재된 멀티 칩 광원은, 전술한 트라이앵글 배치의 것과, 1열로 배치된 것 등이 있다. 도 11d와 같이 1열의 것이라도 입사면(232)의 사이즈를 칩 최외형과 같게 하거나, 또는 그보다 크게 함으로써, 혼색성과 균질성을 확보할 수 있다. 즉, 칩의 배치에 구애받지 않고, 입출사면의 면적을 칩 최외형과 같게 하거나, 또는 그보다 크게 함으로써, 혼색성과 균질성을 확보할 수 있다.
효율성을 중시하는 경우는, 도 11d와 같이 입사면(232)의 형상을 정사각형이 아니라, 칩의 배치에 맞춰서 직사각형으로 하는 쪽이 바람직하다.
실시예 3
본 발명에 있어서의 실시예 3에 대해서 도면을 사용해서 설명한다.
여기에서는, 영상 투사 장치(011)의 변형예에 대해서 설명한다.
도 12는 영상 투사 장치(301)를 도시하는 개략도이다. 영상 투사 장치(301)는, 헤드 마운트 디스플레이 등과 같이 눈에 직접 영상을 투사하는 허상 방식을 채용한 광학계이다.
도 12에 나타내는 영상 투사 장치(301)는, 도 2의 영상 투사 장치(011)와 다른 렌즈 유닛(302)을 배치한 점이 다르다.
렌즈 유닛(302)은 입사면(303), 빔 스플릿면(304), 반사 렌즈면(305), 출사면(306), 투과면(307), 반사면(308)이 있다.
입사면(303), 출사면(306), 투과면(307)은 투명한 평면이다. 빔 스플릿면은, 소정의 광을 통과시키고, 나머지를 반사시키는 광 분기 기능을 구비한다. 이러한 광 분기 기능은 유전체의 다층막으로 실현할 수 있다.
반사 렌즈면(305)의 면은 반사 코트된 렌즈면이다. 도면 중 상면의 광 진로(022)의 화살표 방향에 눈이 있다. 눈으로부터 영상까지의 거리 L은, 반사 렌즈면(305)의 초점 거리 F와 표시 에어리어(015)와 반사 렌즈면까지의 광학적인 거리 A로부터 하기 식 (2)에 표시되는 일반적인 렌즈의 식으로 개산할 수 있다. 또한, 거리 L은 허상이기 때문에, 부호가 마이너스가 되는 것이 특징이다.
1/F=1/A+1/L … 식 (2)
반사면(308)은, 광 검출부(021)로 광이 진행되도록 설치한 반사면이다. 반사 렌즈면(305)이나 반사면(308) 등은, 일반적으로 유전체 다층막이나, 또는 알루미늄이나 은 합금 등의 금속 코트로 실현할 수 있다.
편광 필터(026)에서 영상으로서 유효한 광선만이 렌즈 유닛(302)의 입사면(303)으로 진행된다. 입사면(303)을 통과한 광선은, 빔 스플릿면(304)으로 진행된다. 빔 스플릿면에서 일부의 광은, 투과해서 반사 렌즈면(305)에 도달한다. 반사 렌즈면에서 렌즈 효과가 광선에 부여되어, 반사되고, 다시 빔 스플릿면(304)에 도달한다. 빔 스플릿면(304)에서는, 일부의 광이 반사되어, 출사면(306)을 거쳐서 눈에 직접 투사된다.
허상 방식에서는, 눈의 렌즈 기능과 조합되어 사람은 영상을 인식한다. 통상의 프로젝터와 같이 스크린에 투사된 영상을 보는 실상에 대하여, 사람의 눈의 렌즈 기능과 조합한 가상의 스크린에 영상이 생성되는 점에서 허상이라고 불린다.
또한, 헤드 마운트 디스플레이에서는, 눈에 영상을 직접 투사하기 때문에, 렌즈 유닛(302) 너머로밖에는, 눈으로 외계를 볼 수 없다. 이 외계를 보기 쉬운 시스루성을 확보하기 위해서, 출사면(306), 투과면(307)은 광학 투명도가 높은 면으로 하는 것이 바람직하다.
이상 설명한 바와 같이 영상 투사 장치(301)에서는, 렌즈 유닛(302)과 광 적분기(001)를 탑재함으로써, 헤드 마운트 디스플레이에 사용하는 허상 방식을 채용한 광학계를 소형으로 실현할 수 있다.
도 13은 영상 투사 장치(331)를 도시하는 개략도이다. 영상 투사 장치(331)는 영상 투사 장치(301)의 변형예이며, 헤드 마운트 디스플레이 등과 같이 눈에 직접 영상을 투사하는 허상 방식을 채용한 광학계이다.
도 13에 도시한 영상 투사 장치(331)는 영상 투사 장치(301)와 다른 영상 생성 장치(334)를 탑재하고 있다. 영상 생성 장치(334)는 반사형의 액정 소자를 상정하고 있다.
조명 렌즈(013)를 출사한 광은 편광 빔 스플리터(333)에 입사한다. 편광 빔 스플리터(333)는 소정의 편광을 반사하고, 그 편광과는 직교하는 편광을 투과하는 일반적인 광학 소자이다.
편광 빔 스플리터(333)에서 반사된 광선은, 광 검출부(021)로 진행되어 광량의 모니터에 사용된다. 편광 빔 스플리터(333)를 투과한 광은, 영상 생성 장치(334)에 조명된다.
반사형 액정 소자는, 컬러 필터가 없는 액정을 상정하고 있다. 이 때문에, 컬러 필터가 있는 액정과 비교해서 화소를 1/3로 할 수 있기 때문에, 높은 해상도의 영상을 실현할 수 있다. 영상 생성 장치(334)의 표시 에어리어(335)는 영상이 생성되는 영역을 나타내고 있다. 또한, 컬러화는, 광원(012)에 있는 적색, 녹색, 청색의 파장대의 광을 시간마다 빛나게 하는 FSC의 기술로 실현된다.
표시 에어리어(335)는, 화소마다 소정의 편광을 그 편광과는 수직 방향이나 평행 방향의 어느 쪽인가를 선택하는 기능을 갖고 있다. 영상으로서 유효로 하는 경우에는 편광 빔 스플리터(333)에서 반사되는 편광과 평행한 방향의 편광을 선택한다.
표시 에어리어(335)를 반사한 영상으로서 유효한 광선과 무효한 광선은, 편광 빔 스플리터(333)에 다시 입사되고, 영상으로서 유효한 편광의 광선만이 반사된다. 반사된 영상으로서 유효한 광선은 렌즈 유닛(302)으로 진행되어, 전술한 바와 같이 눈에 투사된다.
차광 개구(016, 017)는 표시 에어리어(335)의 외측의 불필요한 광선이 출사하지 않도록 배치한 차광 개구이다.
투과형의 액정 소자에 비해, 반사형의 액정 소자는, 액정층의 두께를 얇게 할 수 있기 때문에, 편광의 선택 스피드를 고속으로 할 수 있다. 이 때문에, 컬러 브레이크라고 불리는 깜박임이 개선되는 효과가 얻어진다.
이어서 영상 투사 장치(011)의 변형예에 대해서 설명한다.
도 14는 영상 투사 장치(341)를 도시하는 개략도이다. 영상 투사 장치(341)는 프로젝터에 사용하는 실상의 광학계이며, 영상 투사 장치(011)와는 광축 변경 소자(019)가 삭제된 점이 다르다. 영상 투사 장치(341)는, 광원(012)으로부터 완전히 일직선인 구성이다. 광축 변경 소자(019)가 삭제된 점에서 비용면이 유리해진다.
이어서 도 15a 내지 도 15c를 사용해서 표시 장치(101)의 변형예에 대해서 설명한다.
도 15a는 영상 투사 장치(301)를 사용한 표시 장치(351), 도 15b는 영상 투사 장치(341)를 사용한 표시 장치(353), 도 15c는 영상 투사 장치(341)를 사용한 표시 장치(356)의 개략을 도시한 도면이다.
도 15a에 나타내는 표시 장치(351)는 헤드 마운트 디스플레이이다. 표시 장치(351)는 사용자(111)의 두부에 장착되어 있고, 표시 장치(351)의 내부에 탑재된 영상 투사 장치(301)로부터 사용자(111)의 눈에 영상이 투사된다. 사용자는 공중에 떠 있는 것 같은 영상인 허상(352)을 시인할 수 있다.
도 15b에 나타내는 표시 장치(353)는 포켓 프로젝터이다. 표시 장치(353)의 내부에 탑재된 영상 투사 장치(341)로부터 스크린(355)에 영상(354)이 투사된다. 사용자(111)는 스크린에 비친 영상을 실상으로서 시인할 수 있다.
도 15c에 나타내는 표시 장치(356)는 헤드업 디스플레이이다. 표시 장치(356)의 내부에 탑재된 영상 투사 장치(341)로부터 영상이 허상 생성부(357)에 투사된다. 허상 생성부(357)는 일부의 광을 투과시키고, 나머지를 반사시키는 빔 스플리터의 기능과, 곡면 구조이며, 사용자(111)의 눈에 영상을 직접 투사함으로써 허상을 생성하는 렌즈 기능도 갖고 있다.
사용자(111)는, 공중에 떠 있는 것 같은 영상인 허상(352)을 시인할 수 있다. 이러한 헤드업 디스플레이는, 차의 운전자용 어시스트 기능이나, 디지털 사이니지 등에 적용이 기대되고 있다.
어느 쪽의 표시 장치에 있어서도, 소형이며, 밝을 것이 요망되고 있어, 본 발명의 광 적분기를 사용함으로써 소형이며 밝은 영상 투사 장치를 실현할 수 있다.
실시예 4
본 발명에 있어서의 실시예 4에 대해서 설명한다.
광 적분기(001)는 길이 4.15㎜, 높이 1.05㎜, 폭 1.05㎜의 사각기둥의 형상을 하고 있다. 그의 내부는 투명도가 높은 굴절률 1.49의 매질 1로 채워져 있다. 또한, 광 적분기(001)의 내부에는, 투명도가 높은 굴절률 1.59의 매질 2로 채워진 산란 입자(008)가 랜덤하게 충전되어 있다. 산란 입자의 부피는 광 적분기(001)의 부피에 대하여 0.5%이다. 매질 1로서, 히타치가세이(주) 제조 히타로이드 9501(상품명)을 사용한다. 이것은 우레탄 아크릴레이트계의 광경화 수지이다. 또한, 매질 2로서, 세끼스이 가세이힝 고교(주) 제조 테크폴리머 SSX-302ABE(상품명)를 사용한다. 이것은 가교 폴리스티렌 수지로 된 미립자이며, 형상은 구형, 평균 직경은 2㎛이고, 전체의 대략 95%의 입자가 평균 직경과 0.5㎛ 이내의 차인 단분산 입자이다.
광 적분기는, 이하와 같이 제조했다. 먼저 광경화 수지 중에, 전체 부피의 0.5%의 미립자를 넣고, 교반 막대로 약 10분간 교반한다. 교반 후 4시간 이상의 자연 방치에 의해, 충분히 탈포한다. 저면 및 측면을 금속판으로 둘러쌈으로써, 길이 50㎜, 폭 7㎜, 깊이 1.05㎜의 공극을 만들고, 거기에 수지를 유입하여, 위에서부터 유리판을 씌운다. 이때, 내부에 공기가 들어가지 않도록 한다. 그 후, 유리너머로 UV 램프를 조사시켜서, 수지를 충분히 경화시킨다. 그 후 제품을 꺼내서, 다이서(DAC552, 가부시키가이샤 디스코 제조)로 폭 1.05㎜, 길이 4.15m로 잘라내며, 다이서로 측면을 가공할 때에는, 길이 방향으로 평행하게 날을 이송하여 가공한다. 이것은, 다이서의 가공 줄무늬가 광 적분기의 길이 방향을 따라서 발생하도록 해서, 측면의 광축 방향의 표면 조도를 작게 해서, 광 적분기로부터의 광 누설을 저감시키기 위함이다. 또한, 측면은 입경; #5000의 다이싱 블레이드를 사용하고, 회전수; 30,000rpm, 절삭 속도; 0.5㎜/s의 조건으로 가공하고, 광 입출력면은 입경; #3000의 다이싱 블레이드를 사용해서, 회전수; 30,000rpm, 절삭 속도; 0.5㎜/s의 조건으로 가공했다. 측면의 광축 방향의 표면 조도는 Ra=0.3㎛이며, 광축 수직 방향의 표면 조도는 Ra=1.0㎛, 광 입출력면의 표면 조도는 Ra=2.0㎛였다. 또한, 본 실시예에서의 표면 조도는, JIS B0601'1982에 기초하여 중심선 평균 조도 Ra를 측정한 결과이다.
측면을 금속 현미경으로 확대해서 관찰한바, 절삭면은 매질 2가 측면으로부터 돌출되는 일 없이, 입자가 분단되어 있었다. 또한, 비절삭 측면은 매질 2가 측면으로부터 돌출되는 일 없이, 매질 1에 매립되어 있었다.
광원으로서는, LED(OSRAM 제조 LTRB R8SF)를 사용한다. 하나의 LED에 적색, 녹색, 청색의 3칩이 탑재된 것이며, 백색 LED와 비교하면 색 재현성의 향상이 기대된다. LED를 광 적분기의 입사면 중심에 밀착시켜서 배치하고, 애노드를 공통으로 해서, 접지와 적색 칩 사이에는 1㏀, 청색 칩에는 150Ω의 저항을 끼워 LED에 전압 2.7V 인가해서 발광시켜서, 광 적분기의 출사면의 정면 휘도, Uniformity(균일성) 및 혼색성을 평가했다. 휘도계는 코니카 미놀타 제조 CA-1500(상품명)을 사용했다. 출사면에 대해서, 폭 방향 11 분할, 높이 방향 11 분할의 121 분할로 휘도, 색도 x 및 색도 y의 데이터를 측정하고, 이하에 의해 평균 휘도, Uniformity 및 혼색성을 산출했다.
평균 휘도: 측정 121점의 정면 휘도의 평균값
Uniformity: 측정 121점의 정면 휘도의 최솟값/최댓값
혼색성: 측정 121점의 색도의 최댓값-최솟값
측정의 결과, 평균 휘도 34,400cd/㎡, Uniformity 90.7%, 색도 x의 혼색성 0.020 색도 y의 혼색성 0.024이고, 충분한 밝기를 확보한 다음 광의 균일화를 달성할 수 있었다.
또한, 본 실시예의 도면 중에 있어서, 동일한 기능의 것에는, 예를 들어 도 3, 도 11의 적색 칩(031), 녹색 칩(032), 청색 칩(033)과 같이 동일 부호를 붙이고 있다.
또한, 본 실시예 중에서는, 칩이 3개 및 4개인 멀티 칩 광원을 사용한 예를 설명했지만, 물론 칩이 1개여도 높은 균질성이 얻어진다. 또한 칩이 2개 이상이면 5개, 6개여도 혼색성과 균질성을 양립시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되는 것은 아니고, 다양한 변형예가 포함된다. 예를 들어, 상기한 실시예는 본 발명을 이해하기 쉽게 설명하기 위해서 상세하게 설명한 것이며, 반드시 설명한 모든 구성을 구비하는 것에 한정되는 것은 아니다. 또한, 어느 실시예의 구성에 다른 실시예의 구성을 가하는 것도 가능하다. 또한, 각 실시예의 일부에 대해서, 다른 구성의 추가·삭제·치환을 하는 것이 가능하다.
또한, 상기 각 구성은, 그들의 일부 또는 전부가 하드웨어로 구성되어도 되고, 프로세서에서 프로그램이 실행됨으로써 실현되도록 구성되어도 된다. 또한, 제어선이나 정보선은 설명상 필요하다고 생각되는 것을 나타내고 있고, 제품상 반드시 모든 제어선이나 정보선을 나타내고 있다고는 할 수 없다. 실제로는 거의 모든 구성이 서로 접속되어 있다고 생각해도 된다.
001 : 광 적분기
002, 003 : 입출사면
004 내지 007 : TIR 측면
008 : 산란 입자
011 : 영상 투사 장치
012 : 광원
014 : 영상 생성 장치
015 : 표시 에어리어
018 : 렌즈 유닛
019 : 출사 창
021 : 광 검출부
022 : 광 진로
101 : 표시 장치

Claims (12)

  1. 다른 파장대의 광을 출사하는 2개 이상의 칩을 탑재한 멀티 칩 광원으로부터 출사되는 광을 균질하게 하는 광 적분기이며,
    상기 광 적분기는 상기 광원의 바로 뒤에 배치되며,
    해당 광 적분기는, 상기 멀티 칩 광원으로부터의 광을 입사하는 입사면과, 상기 광을 출사하는 출사면과, 상기 입사면과 상기 출사면을 연결하는 측면을 구비하고,
    상기 입사면 및 상기 출사면의 높이와 폭은 입사하는 광의 광선 사이즈와 동등하고,
    상기 광 적분기의 내부는, 굴절률 N1의 도광 부재로 채워져 있고,
    해당 도광 부재는, 광을 산란시키는 상기 굴절률 N1과는 다른 굴절률 N2의 산란 입자를 함유하고,
    상기 굴절률 N1과 굴절률 N2의 차이는 0.05 이상 0.15 이하이며,
    상기 산란 입자의 입경은 입사하는 광선의 파장의 10배 이하이며,
    상기 산란 입자의 평균 입경은 0.5㎛ 이상 5㎛ 이하이며,
    상기 입사면으로부터 입사한 상기 광은, 상기 입사면측으로부터 상기 출사면 방향으로 상기 도광 부재 내부의 상기 산란 입자로 산란되면서 전파되고,
    상기 산란된 산란광의 일부는, 상기 측면에서 내면 반사되어 상기 출사면으로 도광되는, 광 적분기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 입사면과 상기 출사면이 평행하게 대향하여 이루어지는, 광 적분기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 입사면과 상기 출사면이 동일 형상인, 광 적분기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 측면이 상기 입사면과 수직인, 광 적분기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 측면에 있어서의 광축 방향의 표면 조도(Ra)가, 0＜Ra≤0.5㎛를 만족하는, 광 적분기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 측면에 있어서의 광축 방향의 표면 조도(Ra)가, 상기 산란 입자의 평균 입경의 1/2 이하인, 광 적분기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 측면에 있어서의 광축 방향의 표면 조도(Ra)가, 상기 측면에 있어서의 광축과 수직 방향의 표면 조도(Ra)보다 작은, 광 적분기.
  8. 제1항에 있어서, 상기 입사면의 표면 조도(Ra), 상기 출사면의 표면 조도(Ra), 또는 둘 다가, 상기 측면에 있어서의 광축 방향의 표면 조도(Ra)보다 큰, 광 적분기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 입사면과 상기 출사면간의 상기 측면의 길이가, 상기 입사면 및 상기 출사면의 최대 직경의 3배보다 긴, 광 적분기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 입사면에, 2개 이상의 발광점을 갖는 광원으로부터의 광이 입사되는, 광 적분기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 입사면에, 3개 이상의 발광점을 갖는 광원으로부터의 광이 입사되고, 상기 3개 이상의 발광점 중, 임의의 3개의 발광점이 비동축(非同軸)으로 배치되는, 광 적분기.
  12. 영상을 외부에 투사하는 영상 투사 장치이며,
    적어도 2개 이상의 발광점을 갖는 광원과,
    상기 광원으로부터 출사한 광이 입사하는 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 기재된 광 적분기와,
    영상을 생성하는 영상 생성 장치와,
    상기 광 적분기로부터 출사하는 광을 영상 생성 장치에 조명하는 렌즈부와,
    상기 영상 생성 장치로부터 출사한 영상을 외부에 투사하는 투사부
    를 적어도 구비한, 영상 투사 장치.
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