KR19990076930A - 투사형 표시장치 및 그를 위한 조명광학계 - Google Patents

투사형 표시장치 및 그를 위한 조명광학계 Download PDF

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Abstract

크로스다이크로익 프리즘의 중심축에 기인하는 암선을 눈에 띠지 않도록 한다. 제2렌즈어레이(130)을, 동일한 열방향 위치로 배치한 소렌즈가, 렌즈의 중심에 대하여 렌즈의 광축 위치가 다른 3종류의 소렌즈(132a,132b,132c)에 의하여 행 마다 다른게 구성한다. 소렌즈(132a,132b,132c)는, 각각을 통과하는 부분광속의 중심축이 액정 라이트밸브(252)의 피조명영역(252a)의 중심에 대하여, 각각 다른 위치를 통과하도록 부분광속의 각각 다른 조명영역(256la,257la,258la)를 조명한다.

Description

투사형 표시장치 및 그를 위한 조명광학계
칼라화상을 투사 스크린으로 투사하는 투사형 표시장치에는, 크로스다이크로익프리즘(Cross dichroic prism)이 이용되는 것이 많다. 예를 들면 투사형의 액정 프로젝터에는, 크로스다이크로익프리즘은, 적, 녹, 펑의 3색의 광을 합성하여 동일한 방향으로 출사하는 색광합성수단으로서 이용된다. 또한 반사형의 액정 프로젝터에는, 크로스다이크로익 프리즘은, 백색광을 적, 녹, 청의 3색의 광을 다시 합성하여 동일한 방향으로 출사하는 색광합성수단으로서도 이용된다. 크로스다이크로익프리즘을 이용하는 투사형 표시장치로서는, 예를 들면 일본국 특허공개 평성1-302385호 공보에 기재된 것이 알려져 있다.
도 17은, 투사형 표시장치의 요부를 보인 개념도이다. 이러한 투사형 표시장치는, 세 개의 액정 라이트밸브(42,44,46)와, 크로스다이크로익프리즘(48)과, 투사렌즈계(50)을 구비하고 있다. 크로스다이크로익프리즘(48)은, 세 개의 액정 라이트밸브(Light valves)(42,44,46)로 변조된 적, 녹, 청의 3색의 광을 합성하여, 투사렌즈계(50)의 방향으로 출사한다. 투사렌즈계(50)는, 합성된 광을 투사스크린(52) 상으로 결상시킨다.
도 18은, 크로스다이크로익프리즘(48)의 일부을 분해한 사시도이다. 크로스다이크로익프리즘(48)은, 4개의 직각 프리즘의 상대 직각면을, 광학접착제로 부착하는 것에 의하여 제조된다.
도 19는, 크로스다이크로익프리즘(48)을 이용한 경우의 문제점을 보인 설명도이다. 도 19a에 도시한 바와 같이 크로스다이크로익프리즘(48)은, 4개의 직각 프리즘의 직각면에 형성되는 X자형의 경계에 있어서, 거의 X자형상으로 배치되는 적색광 반사막(60R)과 청색광반사막(60B)를 구비하고 있다. 그러나 4개의 직각 프리즘의 간격에는 광학접착제층(62)가 형성되어 있어서, 반사막(60R,60B)도, 크로스다이크로익프리즘(48)의 중심축(48a)의 부분에 간격을 가지고 있다.
크로스다이크로익프리즘(48)의 중심축(48a)를 통하는 광이 투사스크린(52) 상에 투상되면, 중심축(48a)에 기인하는 암선(Dark line)이 화상중에 형성될 수 있다. 도 19b는, 이와 같은 암선(DL)의 일례를 보이고 있다. 이러한 암선(DL)은, 중심축(48a) 부근의 반사막의 산격에 있어서 광선이 산란되는 것이라든지, 적색광이나 청색광이 반사되지 않는 것에 기인하고 있다고 생각된다. 그리고 이러한 문제는, 적색반사막, 청색반사막 등의 선택반사막이 각각 형성된 2종류의 다이크로익미러를 X자형으로 교차시킨 크로스다이크로익미러에 있어서도 동일하게 발생한다. 이러한 경우에도, 미러의 중심축에 기인하는 암선이 화상중에 형성된다.
이와 같이 종래의 투사형 표시장치에서는, 크로스다이크로익프리즘(48)이나 크로스다이크로익미러의 중심축에 의하여, 투사되는 화상의 거의 중심에 암선이 형성되고 마는 것이 있는 단점이 있다.
본 발명은 종래 기술에 있어서 상술한 과제를 해결하기 위한 것으로, 크로스다이크로익프리즘이나 크로스다이크로익미러 등, X자형상으로 배치되는 2종류의 다이크로익막을 구비하는 광학수단의 중심축에 기인하는 암선을 눈에 보이지 않도록 하는 것이 가능한 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 색광합성수단을 구비하는 투사형 표시장치 및 그를 위한 조명광학계에 관한 것이다.
도 1은, 크로스다이크로익프리즘을 사용한 투사형 표시장치에 인테그레이터광학계를 채용한 경우의, 암선발생원리를 설명하는 설명도.
도 2는 제1 및 제2렌즈어셈이(1,2)의 외관을 보인 사시도.
도 3은 도 1의 (A-1)의 일부확대도, 및 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)을 포함하는 xy평면에 있어서의 단면도.
도 4는 두 개의 렌즈어레이(1,2)의 N열째의 소렌즈를 통과한 부분광속이 투사스크린(7) 상에 투사된 모양을 보인 개념도.
도 5는 본 발명의 제1실시예로서의 투사형표시장치의 요부를 보인 개략 평면도.
도 6은 제1렌즈어레이(120)의 외관을 보인 사시도.
도 7은 제1실시예에 의한 제2렌즈어레이(130)를 보인 설명도.
도 8은, 제2렌즈어레이(130)의 기능을 보인 설명도.
도 9는 액정 라이트밸브(252) 상에 제1, 제2렌즈어레이(120,130)에 의한 부분광속이 중첩된 모양을 도시한 개념도.
도 10은, 소렌즈(132a,132b,132c)를 통과하는 부분광속이, 크로스다이크로익프리즘(260)을 통과하는 모양을 보인 설명도.
도 11은 제2렌즈어레이(130)의 각행의 소렌즈의 광축과 각 소렌즈를 통과하는 부분광속의 광량과의 관계를 설명하는 설명도.
도 12는 도 7에 도시한 렌즈어레이와 다른 구성을 가지는 제2렌즈어레이(130')의 외관을 보인 사시도.
도 13은 제2실시예로서의 투사형 표시장치의 요부를 보인 개략평면도.
도 14는 편광변환소자(140)의 구성을 보인 설명도.
도 15는 제2실시예에 의한 제2렌즈어레이(130)의 기능을 보인 설명도.
도 16은 제2실시예에 있어서의 제2렌즈어레이(130)의 기능을 보이는 설명도.
도 17은 투사형 표시장치의 요부를 보인 개념도.
도 18은 크로스다이크로익프리즘(48)의 일부를 분해한 사시도.
도 19는 크로스다이크로익프리즘(48)을 이용한 경우의 문제점을 보인 설명도.
먼저 과제를 해결하기 위한 원리를, 구체적으로 실시예에 기초하면서, 도 1 내지 도 4를 사용하여 설명한다. 도면에서는 광의 진행방향을 z방향, 광의 진행방향(z방향)에서 보아 3시의 방향을 x방향, 12시의 방향을 y방향으로 하여 통일하고 있다. 또한 하기 설명에 있어서, 편의적으로 x방향은 행방향, y방향은 열방향을 보이는 것으로 한다. 그리고 하기의 원리는 설명을 용이하게 하기 위하여 구체적인 예에 기초하여 설명하지만, 본 발명은 이와 같은 구체적인 구성에 한정되는 것은 아니다.
투사형 표시장치에 있어서, 광원에서의 광을 복수의 부분광속으로 분할하여 조명광의 면내조도의 얼룩을 저감하는 기술로서, WO94/22042호 공보에 기재된 바와 같이 복수개의 소렌즈를 구비하는 두 개의 렌즈어레이를 사용한 조명광학계(인테그레이터광학계라고 칭함)이 공지되어 있다.
도 1은, 크로스다이크로익프리즘을 이용한 투사형표시장치에 인테그레이터광학계를 사용한 경우의, 암선 발생원리를 설명하는 도면이다. 도 1에서 (A-1), (B-1)은, x방향의 위치가 서로 다른 소렌즈(10), 즉 다른 열방향으로 존재하는 소렌즈(10)를 통과한 광속(도면중 실선으로 도시), 및 그 중심광축(도면중 가는 점선으로 도시)의 추적도, 도 1의 (A-2), (B-2)는 스크린(7) 상의 암선(DLa,DLb)의 형성위치를 보인 도면이다.
광원(도시생략)에서 출사된 광속은, 각각 복수개의 소렌즈(10)를 구비하는 제1, 제2렌즈어레이(1,2)에 의하여 복수개의 부분 광속으로 분할된다. 제1, 제2렌즈어레이(1,2)에 설치된 각각의 소렌즈(10)를 통과한 광속은 평행화렌즈(15)에 의하여, 각 부분광속의 중심축에 평행한 광속으로 변환된다. 평행화렌즈(15)를 통과한 부분광속은 액정 라이트밸브(3) 상에서 중첩되고, 그 소정영역을 균일하게 조명한다. 그리고 도 1에 있어서는 한매의 액정 라이트밸브(3) 만이 도시되어 있지만, 다른 두매의 액정라이트밸브에 있어서도 인테그레이터 광학계의 원리 암선의 발생원리는 동일하다.
도 2는 제1 및 제2렌즈어레이(1,2)의 외관을 보인 사시도이다. 도 1 및 제2렌즈어레이(1,2)는, 각각 거의 구형상의 윤곽을 구비하는 소렌즈(10)이 M행 N열의 매트릭스 형상으로 배치된 구성을 가진다. 본 실시예에서는 M=10, N=8이고, 도 1의 (A-1)에는 2열의 소렌즈(10)를 통과한 부분광속의 추적도, 도 1의 (B-1)에는 7열째의 소렌즈(10)를 통과한 부분 광속의 추적도가 도시되어 있다.
액정 라이트밸브(3) 상에서 중첩된 광속은 액정 라이트밸브(3)에서 화상정보에 대응한 변조를 받은 후에, 크로스다이크로익프리즘(4)에 입사된다. 크로스다이크로익프리즘(4)에서 출사되는 광속은, 투사헨즈계(6)를 통하여 스크린(7) 상에 투영된다.
도 1의 (A-1), (B-1)에 각각 거친 점선으로 도시한 바와 같이 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)(도면중 y방향을 따르고 있다) 부분을 통과하는 광도, 각각 스크린(7) 상의 (Pa,Pb)의 위치에 투영되는 것으로 된다. 그러나 종래 기술에 있어서 서술한 바와 같이, 중심축(5) 부근의 반사막의 간격에 있어서 광선이 산란되거나, 반사되어야 하는 광이 반사되지 않거나 하기 때문에 중심축(5)의 부근을 통과하는 광의 광량이 감소하고 만다. 따라서 도 1의 (A-2), (B-2)에 도시한 바와 같이 투사스크린(7) 상에 주위보다 휘도가 낮은 부분, 즉 암선(DLa,DLb)이 형성되는 것이다.
여기서 암선과 제1 및 제2렌즈어레이(1,2)와의 관계를 설명한다. 도 1의 (A-1)를 일부 확대하여 도시하는 도 3a에서 알 수 있는 바와 같이, 액정 라이트밸브(3)에 의하여 형성되는 상은 투사렌즈계(6)에 의하여 반전되고, 더욱이 확대되어 투사스크린(7) 상에 투영된다. 그리고 도 3b는, 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)을 포함하는 xy평면에 있어서의 단면도이다. 도 3의 (A), (B)에 있어서, 도면부호 r1은 부분광속을 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)을 포함하는 xy평면에서 절단된 때의, 부분 광속의 단면(8)의 일측단(11)에서 중심축(5)까지의 거리를 보이고, r2는 부분광속의 단면(8)의 타측단(12)에서 중심축(5)까지의 거리를 보인다. 부분광속(8)의 단면의 상은, 투사렌즈계(6)에 의하여 반전되고, 더욱이 확대되어 투사스크린(7) 상에 투영되어서, 투사스크린(7) 상에 있어서의 투사영역(9)의 일측단(13)에서 암선(DLa)까지의 거리(R2)와 투사영역(9)의 타측단에서 암선(DLa)까지의 거리(R1)와의 비는, 거리(r2)와 거리(r1)과의 비와 등등하다. 즉, 암선(DLa)가 형성되는 위치는, 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)을 포함하는 xy평면에 있어서 부분광속(8)의 단면이, 중심축(5)에 대하여 어떠한 위치에 존재하는가에 의존하고 있는 것이다.
여기서 도 1의 (A-1)과 (B-1)을 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 도 1의 (A-1)과 (B-1)로서는, 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)을 포함하는 xy평면에 있어서의 각각의 부분광속의 단면의 위치가 다르게 되어 있다. 따라서 암선(DLa,DLb)는 각각 다른 위치에 형성되는 것으로 된다. 동일하게 제1 및 제2렌즈어레이(1,2) 가운데, 2열째, 7열째 이외의 열에 존재하는 소렌즈(10)을 통과한 부분광속의, 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)을 포함하는 xy평면에 있어서 단면의 위치도 각각 다르기 때문에 투사스크린(7) 상에는, 제1 및 제2렌즈어레이(1,2)의 열수만큼, 즉 N개의 암선이 형성되는 것으로 되는 것이다.
그리고 제1 및 제2렌즈어레이(1,2)의 동일한 열방향위치에 배열되는 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속은 도 4에 도시한 바와 같이 투사스크린(7) 상의 거의 동등한 위치에 암선(DLc)을 형성한다. 따라서 N개 각각의 암선은, 제1 및 제2의 렌즈어레이(1,2)의 동일한 열방향위치에 배치되는 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속이 중합되어 형성되고 있으며, 그 암도는 각각의 소렌즈에 의하여 형성되는 암선의 암도의 합과 거의 동등하다.
이상을 정리하면 다음과 같은 원리가 도출된다.
(제1원리)
우선 첫 번째, 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)에 대한 부분광속의 중심축의 위치가 다르면 암선이 형성되는 위치도 다르게 된다. 제1 및 제2렌즈어레이(1,2)의 다른 열을 통과하는 부분광속은, 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)에 대한 위치가 상호 다르게 되어서, 다른 위치에 암선을 형성한다.
(제2원리)
두 번째, 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)을 포함하는 xy평면에 있어서의 부분광속의 단면의 위치가 다른 것은, 크로스다이크로익프리즘(4)에 입사되는 부분광속의 각도가 다르기 때문이다(도 1 참조). 제1 및 제2렌즈어레이(1,2)의 다른 열을 통과하는 부분광속은, 크로스다이크로익프리즘(4)에 대하여 다른 각도로 입사되어서, 중심축(5)에 있어서 부분광속의 각도가 다르면, 혹은 액정 라이트밸브(3) 상에 충첩되는 부분광속의 각도가 다르면 암선이 형성되는 위치도 다르게 된다.
(결론)
상술한 바와 같이, 제1 및 제2렌즈어레이(1,2)의 동일한 열방향위치에 배열되는 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속이, 투사스크린(7) 상에 거의 동등한 위에 각각 암선을 형성하는 것에 의하여, 그 아선의 암도는 각각의 소렌즈에 의하여 형성되는 암선의 암도의 합과 겅의 동일하다. 따라서 이러한 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속의 각각에 의하여 형성되는 암선이 투사스크린(7) 상의 다른 위치에 형성되도록 하면 좋을 것이다. 즉 이와 같이 하면 암선의 수는 증가하지만, 한 개당의 암선의 암도를 감소시키는 것이 가능하게 되기 때문에 결과적으로 암선이 특히 눈에 띄기 어렵게 된다. 그리고 M개의 소렌즈를 통과하는 암선의 전체가 다른 위치에 형성되도록 할 필요는 없고, 일부가 다른 위치에 형성되도록 하는 것만으로 충분하다.
그리고 암선을 다은 위치에 형성시키는 것은, 상술한 제1원리, 제2원리의 어느 것에 의해서도 가능하다.
즉, 제1원리에 기초하면, 동일한 열방향위치로 배열된 M개의 소렌즈를 통과흐는 부분광속 가운데, 일부에 대하여 크로스다이크로익프리즘(4)의 중심축(5)에 대한 부분광속의 중심축의 위치를 다르게 변화시키면 된다.
더욱이 제2원리에 기초하면, 동일한 열방향위치에 배열되는 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속 가운데, 일부에 대하여, 액정 라이트밸브(3) 상에 충첩되는 부분광속의 각도 혹은 크로스다이크로익프리즘(4)에 입사되는 부분광속의 각도를 다르게 변화시키면 된다.
본 발명은, 상기와 같은 원리를 추구하는 것에 의하여, 상술한 바와 같은 종래의 기술에 있어서의 과제를 해결하는 것이 가능하게 된다. 다음에 그 수단 및 작용, 효과에 대하여 설명한다.
본 발명의 조명광학계는,
조명광을 3색의 광으로 분리하는 색광분리수단과,
상기 3색의 광을, 부여되는 화상신호에 기초하여 각각 변조하는 3조의 광변조수단과,
X자형으로 배치되는 2종류의 다이크로익막을 구비하고, 상기 다이크로익막이 상호 교차되는 위치에 상당하는 중심축을 구비하며, 상기 3조의 광변조수단에 의하여 변조되는 3색의 광을 합성하여 동일 항향으로 출사하는 색광합성수단과,
상기 색광합성수단에 의하여 합성된 광을 투사면상에 투사하는 투사수단을 구비하는 투사형 표시장치에 사용되고, 상기 조명광을 출사하는 조명광학계에 있어서,
상기 색광합성수단의 상기 중심축에 거의 평행한 열방향 및 상기 열방향과 거의 수직인 행방향으로 분할되는 복수개의 부분광속을 발생함과 같이, 상기 복수개의 부분광속을 중첩하는 분할중첩광학계를 구비하고,
상기 분할중첩광학계는,
동일한 열방향에 존재하는 상기 부분광속 가운데, 일부의 부분광속이 조명하는 상기 광변조수단상의 조명영역이, 다른 부분광속이 조명하는 조명영역에서 상기 행방향으로 어긋나도록 구성하는 것을 특징으로 한다.
하나의 부분광속은, 색광합성수단의 중심축을 투사면상에 투영하여 중심축에 상당하는 암선을 형성하고, 일렬의 복수의 부분광속은 통상 색광합성수단의 중심축을 투사면상의 거의 동일한 위치에 투영하여 암선을 형성한다. 상기 구성에 의하면, 일부의 부분광속이 조명하는 광변조수단상의 조명영역이, 다른 부분광속이 조명하는 조명영역에서 행방향(중심측에 거의 평행한 열방향과 거의 수직인 방향)으로 어긋난다. 그 결과 제1원리에 기초하여 색광합성수단의 중심축에 대한 일부의 부분광속의 중심광로의 위치를 다른 부분광속의 중심축광로의 위치에서 어긋나게 하는 것이 가능하고, 각각의 부분 광속은 다른 위치에 암선을 형성한다. 따라서 투사되는 화상에 형성되는 암선이 눈에 띄기 어렵게 되는 것이 가능하다.
상기 조명광학계에 있어서,
상기 분할중첩광학계는,
상기 열방향 및 행방향으로 배열된 복수개의 소렌즈를 구비하는 제1렌즈어레이와,
상기 제1렌즈어레이의 복수개의 소렌즈에 각각 대응하도록 배치되는 복수개의 소렌즈를 구비하는 제2렌즈어레이를 구비하고,
상기 제2렌즈어레이의 열방향을 따라 배치되는 적어도 1열의 소렌즈 가운데 적어도 일부의 소렌즈는, 다른 소렌즈의 광학적 중심과 다른 위치에 광학적 중심을 구비하는 렌즈(편심렌즈)인 것이 바람직하다.
상기 구성에 의하면, 적어도 일렬의 복수개의 소렌즈 가운데, 일부의 부분광속이 통과하는 일부의 소렌즈의 광학적 중심을 다른 소렌즈의 광학적 중심의 위치와 다른 위치에 구비되는 렌즈로 하는 것에 의하여, 일부의 부분광속의 광로를 다른 부분광속의 광로에서 어긋나도록 하는 것이 가능하게 된다. 따라서 상기 제1원리에 기초하여, 이들 복수개의 부분광속에 의하여 색광합성수단의 중심축이 거의 동일한 위치에 투영되는 것을 방지할 수 있다. 이 결과 투사되는 화상에 형성되는 암선을 눈에 띠지 않도록 하는 것이 가능하다.
또한 상기 조명광학계에 있어서,
상기 일부의 소렌즈는, 상기 일부의 소렌즈를 통과하는 부분광속에 의한 피조명영역상의 조명영역이, 상기 다른 소렌즈를 통과하는 부분광속에 의한 피조명영역상의 조명역역에 대하여 상기 행방향으로 어긋나도록, 광학적 중심이 상기 다른 소렌즈의 광학적 중심과 다른 위치에 배치되는 편심렌즈인 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 일부의 소렌즈를 통과하는 부분광속의 광로가 다른 소렌즈를 통과하는 부분광속의 광로에서 어긋나서, 제1원리에 기초하여 이들 복수개의 부분광속에 의하여 색광합성수단의 중심축이 거의 동일한 위치에 투영되는 것을 방지할 수 있다. 이 결과, 투사되는 화상에 형성되는 암선을 눈에 띄기 어렵게 하는 것이 가능하다.
또한 상기 조명광학계의 각 경우에 있어서,
동일한 열방향에 존재하는 상기 복수개의 소렌즈는, 복수개의 조로 분할되고,
동일한 조에 포함되는 소렌즈는 렌즈중심에 대하여 동일한 위치에 광학적 중심을 구비하며,
다음 조에 포함되는 소렌즈는, 상기 렌즈중심에 대하여 다른 위치에 광학적 중심을 구비하는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 복수개의 조마다에 소렌즈를 통과하는 부분광속의 광로가 다르기 때문에, 투영되는 색광합성수단의 중심축에 상당하는 암선은 복수개의 조 마다에 형성되며, 색광합성수단의 중심축이 거의 동일한 위치에 투영되는 것을 방지할 수 있다.
더욱이 상기 복수개의 조의 각각의 조를 통과하는 부분광속의 광량이 동일하도록 동일한 열방향으로 존재하는 복수개의 소렌즈를 조(組) 나눔하는 것이 바람직하다. 각각의 조를 통과하는 부분광속의 광량이 다르면, 각각의 조를 통과하는 부분광속에 의하여 투영되는 색광합성수단의 중심축에 상당하는 암선의 암도도 각각 다르게 된다. 이들의 암선을 눈에 띠지 않도록 하는 것이 본 발명의 목적이지만, 인간은 상대적인 비교에 의한 광의 식별능력이 비교적 높기 때문에, 암선의 암도가 다른 것은 그리 바람직하지 못하다. 따라서 각각의 조를 통과한 부분 광속의 광량이 같으면 각각의 조를 통과하는 부분 광속에 의한 암선의 암도를 같이 하는 것이 가능하다.
그리고 상기 복수개의 조는, 상기 열방향을 따라 구분된 적어도 2개의 영역으로 하여도 좋다. 이와 같이 하면 간단한 구성으로 색광합성수단의 중심축이 거의 동일한 위치에 투영되는 것을 방지할 수 있다.
이 때 상기 복수개의 조는 열방향을 따라 구분된 두 개의 영역이고, 이러한 두 개의 영역 가운데 일방의 영역에 포함되는 복수개의 소렌즈의 광학적 중심과, 타측영역에 포함되는 복수개의 소렌즈의 광학적 중심이, 렌즈 중심에 대하여 대칭인 위치에 있는 것이 바람직하다.
이와 같이 하면, 일측 영역에 포함되는 소렌즈와 동일한 소렌즈를 상하 역방향으로 배치하는 것에 의하여 타측의 영역을 구성하는 것이 가능하기 때문에, 제2렌즈어레이를 일종류의 소렌즈로 구성할 수 있다.
또한 상기 조명광학계의 각 경우에 있어서,
상기 제2렌즈어레이의 복수개의 소렌즈의 각각의 광학 중심이, 상기 광원의 광축 중심에 상당하는 상기 제2렌즈어레이의 중심에서 점대칭의 위치에 배치되어 있는 것이 바람직하다.
투사형표시장치에 이용되는 광원은, 일반적으로 광축 중심의 광량이 최고 크고, 광축 중심에서 떨어짐에 따라서 작게 되는 경향이 있다. 이와 같은 광원을 투사형 표시장치에 사용하는 경우, 상기와 같이 하면 제2렌즈어레이의 복수개의 소렌즈를 통과하는 부분 광속에 의하여 투영되는 색광합성수단의 중심측에 상당하는 암선의 암도를 전부 같이 하는 것이 가능하다.
또한 상기 조명광학계의 각 경우에 있어서,
상기 분할중첩광학계는, 더욱이
상기 제1렌즈어레이 및 제2렌즈어레이의 복수개의 소렌즈를 통과하는 복수개의 부분광속을, 상기 광변조수단 상의 조명위치에 거의 중첩 결합하는 중첩결합렌즈와,
상기 제2렌즈어레이와 상기 중첩결합수단과의 사이에 설치되는 편광변환소자를 구비하고,
상기 편광변환소자는,
서로 평행한 편광분리막과 반사막을 복수조 구비하고, 상기 제2렌즈어레이의 복수개의 소렌즈를 통과한 복수개의 부분광속을 각각 2종류의 직선편광성분으로 분리하는 편광빔스플리터어레이와,
상기 편광빔스플리터어레이로 분리된 상기 2종류의 직선 편광성분의 편광방향을 구비하는 편광변환수단을 구비하도록 하여도 좋다.
이와 같이 하면, 랜덤한 편광광을 구비하는 조명광을 한종류의 직선편광광으로 변환하여 이용할 수 있어서, 광의 이용효율을 높일 수 있다.
본 발명의 투사형표시장치는,
상기 조명광학계의 어느 하나와,
상기 조명광을 3색의 광으로 분리하는 색광분리수단과,
상기 3색의 광을, 부여된 화상신호에 기초하여 각각 변조하는 3조의 광변조수단과,
X자형상으로 배치된 2종류의 다이크로익막을 구비하고, 상기 다이크로익막이 서로 교차하는 위치에 상당하는 중심축을 구비하며, 상기 3색의 광변조수단에 의하여 변조된 3색의 광을 합성하여 출사하는 색광합성수단과,
상기 색광합성수단에 의하여 합성된 광을 투사면 상에 투사하는 투사수단을 구비하고,
상기 조명광학계는,
상기 색광합성수단의 중심축과 거의 평행한 열방향, 및 상기 열방향과 거의 수직인 해방향으로 분할되는 복수개의 부분광속을 발생하는 것과 같이 상기 복수개의 부분광속을 중첩하는 분할중첩광학계를 구비하고,
상기 분할중첩광학계는,
동일한 열방향에 존재하는 상기 부분광속 가운데, 일부의 부분광속이 조명하는 상기 광변조수단상의 조명영역이, 다른 부분광속이 조명하는 조명영역에서 상기 행방향으로 어긋나도록 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 조명광학계의 어느 하나를 투사형표시장치에 사용하는 것에 의하여, 상기 각조명광학계와 동일하게 투사된 화상에 형성되는 암선을 눈에 띠지 않도록 할 수 있다.
다음에는 본 발명의 실시예에 기초하여 설명하기로 한다. 그리고 이하의 설명에서는 광의 진행방향을 z방향, 광의 진행방향(z방향)에서 본 3시 방향을 x방향, 12시 방향을 y방향이라고 한다.
A. 제1실시예
도 5는, 본 발명의 제1실시예의 투사형 표시장치의 요부를 보인 개략평면도이다. 이러한 투사형 표시장치는 조명광학계(100)과, 다이크로익미러(210,212)과 반사미러(218,222,224)와, 입사측렌즈(230)과 릴레이렌즈(232)과, 3매의 필트렌즈(240,242,244)와 3매의 액정라이트밸브(액정패널)(250,252,254)와, 크로스다이크로익프리즘(260)과 투사렌즈계(270)을 구비하고 있다.
조명광학계(100)는, 거의 평행한 광속을 출사하는 광원(110)과, 상기 제1렌즈어레이(120)와, 제2렌즈어레이(130)와, 중첩렌즈(150)과, 반사미러(160)을 구비하고 있다. 조명광학계(100)는, 피조명영역인 3매의 액정라이트밸브(250,252,254)를 거의 균일하게 조명하기 위한 인테그레이터광학계이다.
광원(110)은, 방사상의 광선을 출사하는 방사광원으로서의 광원램프(112)와, 상기 광원램프(112)에서 출사된 방사광을 거의 평행한 광선속으로 출사하는 요면경(114)를 구비하고 있다. 요면경(114)에 대한 하나의 바람직한 실시예는, 포물선 반사경(Parabolic reflector)을 사용하는 것이 가능하다.
도 6은 제1렌즈어레이(120)의 외관을 보인 사시도이다. 제1렌즈어레이9120)는, 거의 구(矩)형상의 윤곽을 구비하는 소렌즈(122)가 M행, N열의 매트릭스 형상으로 배열된 구성을 구비하고 있다. 이러한 열은 M=6, N=4이다. 상기 제2렌즈어레이(130)는, 기본적으로는 제2렌즈어레이(120)의 소렌즈(122)에 대응하도록 소렌즈가 M행 N열의 매트릭스 형상으로 배열된 구성을 구비하고 있다. 그리고 제2렌즈어레이(130)의 상세한 것은 후술한다. 각 소렌즈(122)는, 광원(110)(도 5 참조)에서 출사된 광속을 복수개의 (즉 M × N개) 부분광속으로 분할하고, 각 부분광속을 제2렌즈어레이(130)의 근방에서 집광시킨다. 각 소렌즈(122)를 z방향에서 본 외형형상은 액정라이트밸브(250,252,254)의 표시영역의 형상과 거의 유사한 형상을 이루도록 설정되어 있다. 본 실시예에서는 소렌즈(122)의 아스펙트비(Aspect ratio)(가로세로의 치수의 비율)는 4:3으로 설정하고 있다.
도 5에 도시한 투사형표시장치에 있어서, 광원(110)에서 출사된 평행광속은 인테그레이터광학계를 구성하는 제1 및 제2렌즈어레이(120,130)에 의하여 복수개의 부분광속으로 분할된다. 제1렌즈어레이(120)의 각 소렌즈(122)에서 출사되는 부분광속은 소렌즈(122)의 집광작용에 의하여 제2렌즈어레이(130)의 대응하는 각 소렌즈(132) 내에서 광원(110)의 광원상이 결상되도록 집광된다. 즉 제1렌즈어레이(120)의 소렌즈(122)의 수만큼, 대응하는 제2렌즈어레이(130)의 소렌즈(132) 내에 2차광원상이 형성된다.
중첩렌즈(150)는, 제2렌즈어레이(130)의 각 소렌즈(132)에서 출사된 부분광속을 중첩시키고, 피조명영역인 액정라이트밸브(250,252,254)에 집광시키는 중첩광학계로서의 기능을 구비한다. 그리고 이러한 중첩렌즈(150)의 기능과, 제2렌즈어레이(130)의 각 소렌즈의 기능을 구비하는 한매의 렌즈어레이를 2매의 렌즈(130,150) 대신 사용하는 것도 가능하다. 또한 반사미러(160)는, 중첩렌즈(150)에서 출사된 광속을 다이크로익미러(210)의 방향을 반사하는 기능을 구비하는 것이지만, 장치의 구성에 의해서는 반드시 필요한 것은 아니다. 상기와 같이 하여 액정 라이트밸브(250,252,254)는 거의 균일하게 조명하게 된다.
2매의 다이크로익미러(210,212)는, 중첩렌즈(150)에서 집광된 백색광을, 적, 녹, 청의 3색의 색광으로 분리되는 색광분리수단으로서의 기능을 가진다. 제1다이크로익미러(210)는, 조명광학계(100)에서 출사된 백색광속의 적색광성분을 투과시킴과 같이, 청색광성분과 녹색광성분을 반사한다. 상기 제1다이크로익미러(210)을 투과한 적색광은 반사미러(218)에서 반사되고, 필드렌즈(240)를 통하여 적색광의 액정라이트밸브(250)에 도달한다. 상기 필드렌즈(240)는, 제2렌즈어레이(130)에서 출사된 각 부분광속을 그 중심축에 대하여 평행한 광속으로 변환한다. 다른 액정 라이트밸브의 전에 설치된 필드렌즈(242,244)도 동일하다. 제1다이크로익미러(210)에서 반사된 청색광과 녹색광 가운데, 녹색광은 제2다이크로익미러(212)에 의하여 반사되고, 필드렌즈(242)를 통과하여 녹색용의 액정 라이트밸브(252)에 도달한다. 한편 청색광은, 제2다이크로익미러(212)을 통과하고 입사측렌즈(230), 릴레이렌즈(232) 및 반사미러(222,224)를 구비한 릴레이렌즈계를 통하고, 더욱이 필드렌즈(244)를 통하여 청색광용의 액정라이트밸브(254)에 도달한다. 청색광에 릴레이렌즈계가 사용되어 있는 것은, 청색광의 광로의 길이가 다른 색광의 광로의 길이보다 길기 때문에, 광의 이용효율의 저하를 방지하기 위한 것이다. 즉, 입사측렌즈(230)에 입사되는 부분광속이 그대로 출사측렌즈(244)에 전해지기 때문이다.
3매의 액정라이트밸브(250,252,254)는, 부여되는 화상정보(화상신호)에 따라서, 3색의 색광을 각각 변조하여 화상을 형성하는 광변조수단으로서의 기능을 구비한다. 크로스다이크로익프리즘(260)는, 3색의 색광을 합성하여 칼러화상을 형성하는 색광합성수단으로서의 기능을 구비한다. 그리고 크로스다이크로익프리즘(260)의 구성은, 도 18 및 도 19에 설명한 것과 같다. 즉 크로스다이크로익프리즘(260)에는, 적광을 반사하는 유전체 다층막과, 청광을 반사하는 유전체 다층막이, 4개의 직각 프리즘의 계면에 약 X자형상으로 형성되어 있다. 이들 유전체 다층막에 의하여 3개의 색광이 합성되어, 칼러화상을 투사하기 위한 합성광이 형성된다. 크로스다이크로익프리즘(260)에서 생성된 합성광을 투사스크린(300) 상에 투사하여 칼라화상을 표시하는 투사광학계로서의 기능을 구비한다.
그리고 도 5에 도시한 제1시시예의 투사형 표시장치는, 제2렌즈어레이(130)에 특징이 있다. 도 7은 제2렌즈어렌이(130)은, 그 소렌즈(132)의 광축의 위치가 다른 3종류의 소렌즈(132a,132b,132c)를 사용하여 행마다 다른 구성을 가진다. 도 7의 (A)에 있어서, 각 소렌즈의 표면에 그려진 +자는, 각 소렌즈의 광축의 위치, 즉 광학적 중심을 보이고 있다. 제2렌즈어레이(130)의 제2, 5행째를 구성하는 소렌즈(132a)의 광축의 위치는, 렌즈의 중심에 있다. 또한 제3, 6행째를 구성하는 소렌즈(132b) 광축의 위치는, 렌즈중심에 대하여 +x방향으로 어긋나 있다. 제1, 4행째를 구성하는 소렌즈(132c)의 광축의 위치는 렌즈중심에 대하여 -x방향으로 어긋나 있다. 도 7의 (B)는 소렌즈(132b,132c)와 같은 광축의 위치의 어긋난 소렌즈(편심렌즈)의 구조예를 보이고 있다. 소렌즈(132b,132c)는, 도시한 바와 같이 구면렌즈를 소정의 위치에서 커트하는 것에 의하여 커트후의 렌즈중심에 대하여 광축이 어긋난 렌즈와 등가의 구조를 가지는 편심렌즈이다.
도 8은, 제2의 렌즈어레이(130)의 기능을 보이는 설명도이다. 도 8a는 제2렌즈어레이(130)의 위체서 제2행째에 있어서 평면도, 도 8b는 제2렌즈어레이(130)의 위에서 제3행째에 있어서의 평면도, 도 8c는 제2렌즈어레이(130)의 위에서 제4행째의 있는 평면도이다. 그리고 도시의 편의를 위하여 광원부(110)에서 액정 라이트밸브(252) 까지의 광로상의 주요부만을 보이고 있다. 또한 제1, 제2렌즈어레이(120,130)의 제2열째(도 6, 도 7)에 착안하여 설명한다.
도 8a에 있어서, 광원부(110)에서 출사된 평행광은, 제1렌즈어레이(120)의 소렌즈(122)에 의하여 부분광속으로 분할되고, 제2렌즈어레이(130)의 소렌즈(132a)에서 출사된 부분광속은, 중첩렌즈(150)에 의하여 액정라이트밸브(252)의 광의 입사면인 피조명영역(252a)를 조명한다. 여기서 소렌즈(132a)는 광축의 위치가 렌즈중심에 있고(도 7), 소렌즈(132a)에서 출사되는 부분광속은 그 중심축(256cl)이 피조명영역(252a)의 중심을 통과하도록 조명영역(256la)를 조명한다. 한편 도 8 (B)에 있어서, 제2렌즈어레이(130)의 2열째의 소렌즈(132b)에서 출사된 부분광속은 도 8의 (A)와 동일하게 피조명영역(252a)를 조명한다. 그런데 소렌즈(132b)의 광축의 위치가 +x방향으로 어긋나 있어서(도 7), 소렌즈(132b)에서 출사되는 부분광속은 그 중심축(257cl)이 피조명영역(252a)의 중심에 대하여 +x방향으로 어긋나 통과하도록 조명영역(256la)에서 +x방향으로 어긋한 조명영역(257la)를 조명한다. 또한 도 8의 (C)에 있어서도, 제2렌즈어레이(130)의 2열째의 소렌즈(132c)에서 출사한 부분광속은 도 8의 (A), (B)와 동일하게 피조명영역(252a)를 조명한다. 그런데 소렌즈(132c)의 광축의 위치가 -x방향으로 어긋나 있어서(도 7), 소렌즈(132c)에서 출사되는 부분광속은, 그 중심축(258cl)가 피조명영역(252a)의 중심에 대하여 -x방향으로 어긋나 통과하도록, 조명영역(256la)에서 -x방향으로 어긋난 조명영역(258la)를 조명한다. 그리고 제2렌즈어레이(130)의 제5, 제6, 제1행째에 있어서의 부분광속의 광로도, 각각 도 8의 (A),(B),(C)에 도시하도록 동일한 열방향으로 배치된 렌즈어레이를 통과하는 부분광속은, 제2렌즈어레이의 3종류의 소렌즈(132a,132b,132c) 및 중첩렌즈(150)에 의하여 각각 다른 3종류의 조명영역(256la,257la,258la)에서 중첩되어 피조명영역(252a)를 조명하며, 각각의 중심축(256cl, 257cl, 258cl)도 피조명영역(252a)의 중심에 대하여 각각 다른 위치를 통과하는 것으로 된다.
도 9는, 액정 라이프밸브(252) 상에 제1, 제2렌즈어레이(120,130)에 의한 부분광속이 중첩되는 모양을 도시한 개념도이다. 이 도면은, 액정 라이트밸브(252)를 중첩렌즈(150)측에서 본 도면이고, 소렌즈(132a)를 통과하는 부분광속에 의한 조명영역(256la)을 실선으로 도시하고, 소렌즈(132b)를 통과하는 부분광속에 의한 조명영역(257la)을 점선으로 도시하며, 소렌즈(132c)를 통과하는 부분광속에 의한 조명영역(258la)을 일점쇄선으로 도시하고 있다. 또한 조명영역(256la,257la, 258la)의 y방향의 어긋남에 대해서는 각각의 위치의 차이를 명확하게 하기 위하여 어긋나도록 하여 도시하고 있을 뿐이고, 실제는 거의 어긋남이 없다. 도시한 바에서 알 수 있는 바와 같이, 조명영역(256la)에 대하여 조명영역(257la)는 +x방향으로, 조명영역(258la)는 -x방향으로 각각 어긋나 있다. 여기서 조명영역(256la, 257la,258la)의 x방향의 위치가 어긋나면, 액정라이트밸브(252)의 양단부에 조명얼룩이 생기지만, 실제로는 투사에 사용되는 유효한 영역(253)이 액정 라이트밸브(252)의 외형 보다 일회분 작게 설정되어 있고, 다른 부분은 투사되지 않기 때문에 문제없다.
도 10은, 소렌즈(132a,132b,132c)를 통과하는 부분광속이, 크로스다이크로익프리즘(260)을 통과하는 모양을 보인 설명도이다. 그리고 설명을 이용하기 쉽도록 하기 위하여, 설명에 필요하지 않는 부분은 생략 또는 간략화하여 도시한다. 제2렌즈어레이(130)의 제2행 제2열째의 소렌즈(132a)를 통과한 부분광속의 중심축(256cl)과, 제3행 제2열째의 소렌즈(132b)를 통과한 부분광속의 중심축(247cl)과, 제4행 제2열째의 소렌즈(132c)를 통과한 부분광속의 중심축(258cl)는, 크로스다이크로익프리즘(260)의 중심축(262)에 대하여 다른 위치를 각각 통과한다. 우선 제1원리로서 상술한 바와 같이 크로스다이크로익프리즘(260) 내를 통과하는 부분광속의 중심축의, 크로스다이스로익프리즘(260)의 중심축(262)에 대한 위치가 다르면 암선의 형성되는 위치도 다르게 된다. 따라서 동일한 열방향으로 배열되는 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속의 각각에 의하여 형성되는 암선이 1개소에 집중되는 것 없이, 암선을 눈에 띠지 않도록 하는 것이 가능하다.
다음에 제2렌즈어레이(130)에 있어서 광축의 위치가 다른 렌즈의 배열방법에 대하여 설명한다. 도 11은, 제2렌즈어레이(130)의 각행의 소렌즈의 광축의 위치와 각 소렌즈를 통과하는 부분광속의 광량의 관계를 보이는 설명도이다. 도 11a는, 광원부(110)에서 출사되는 광량의 분포에 대하여 보이고 있다. 또한 도 11b는 광원부(110)에서 제2렌즈어레이(130)을 본 정면도를 도시하고 있다. 도 11a에 도시한 바와 같이 광원부(110)는 일반적으로 램프광원(112)의 광축 중심부근이 최고 밝고, 광축중심에서 떨어짐에 따라 어둡게 된다. 즉 제2렌즈어레이(130)의 각 소렌즈를 통과하는 부분광속의 밝기는, 도 11b에 도시한 바와 같이 행방향으로 착목하고 제2, 5행째의 밝기를 중심 정도로 가정하면, 제3, 4이 밝기는 크고, 제1, 6행째는 작게 된다.
그런데, 이미 설명한 바와 같이 제2렌즈어레이(130)의 동일한 열방향으로 배열되는 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속은 동일한 위치에 광축을 구비하는 소렌즈마다에, 본 실시예에서는, 소렌즈(132c)에 의한 제1행과 제4행의 조(組), 소렌즈(132a)에 의한 제2행과 제5행의 조, 소렌즈(132b)에 의한 제3행과 제6행의 조 마다에, 스크린상의 동일한 위치에 암선을 형성한다. 각각의 조를 통과하는 부분광속의 광량이 다르면, 형성되는 3개의 암선의 암도도 각각 상이하게 된다. 인간은 상대적인 비교에 의한 광의 식별능력이 비교적 높기 때문에 복수개의 암선의 암도가 상호 다르면 암선이 눈에 띄기 쉬운 경향이 있다.
그런데 제2렌즈어레이의 동일한 열방향으로 배열되는 M개의 소렌즈 가운데, 그 광축의 위치가 동일한 소렌즈를 하나의 조로 하고, 각각의 조를 통과하는 부분광속의 광량이 동일하도록 각 소렌즈의 광축의 위치를 결정하면, 각각의 조를 통과하는 부분광속에 의한 3본의 암선의 암도를 거의 동등하게 하는 것이 가능하다.
따라서 본 실시예에서는, 도 11b에 도시한 바와 같이 제1행째와 제4행째를, 제2행째와 제5행째를, 제3행째와 제6행째를 각각 조로 하여, 각각의 조의 렌즈의 고아축을 렌즈의 중심에 대하여 -x방향, 중심 +x방향의 3위치로 배치하고 동일한열방향으로 배열되는 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속의 각각에 의하여 형성되는 암선이 3개소로 분리하고, 더욱이 동일한 정도의 암도로 형성되기 때문에 암선을 눈에 띄기 어렵게 할 수 있게 된다.
그리고 각 소렌즈(132b,132c)의 광축의 위치의 어긋남 량에 대해서는, 제2렌즈어레이(130)나 편광변환소자(140), 중첩렌즈(150), 필드렌즈(240,242,244), 액정 라이트밸브(250,252,254), 크로스다이크로익프리즘(260)의 중심축(262) 등의 기하학적인 관계에서 계산에 의하여 구해질 수 있다. 또한 실험적으로 구해질 수도 있다. 이 때 각 소렌즈(132b,132c), 즉 광축의 위치가 렌즈 중심에서 어긋나 있는 소렌즈의 광축의 위치는, 이들 소렌즈를 통과하는 각 부분광속에 의한 암선이, 제2행째 및 제5행째의 소렌즈(132a), 즉 광축의 위치가 렌즈중심에 이는 소렌즈를 통과하는 부분광속에 의하여 발생하는 암선의 간격의 중간에 발생하도록 어긋나 있는 것이 바람직하다. 특히 광축의 위치가 렌즈 중심에 있는 소렌즈(소렌즈 132a)를 통과하는 부분광속에 의하여 발생하는 암선의 간격의 정 중간에, 광축의 위치가 렌즈 중심에서 어긋나 있는 소렌즈(소렌즈 132b,132c)를 통과하는 부분광속에 의한 암선이 발생하도록 어긋나 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 하면 발생하는 암선이 겹치지 않도록 암선의 간격을 최고 넓은 간격으로 하는 것이 가능하다.
본 실시예에서는 행마다 렌즈의 광축의 위치를 변하여 배치하고 있지만, 동일한 열방향으로 배열되는 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속의 각각에 의하여 형성되는 암선이 1개소에 집중되지 않도록 하는 것이 가능하면 좋고, 이들에 한정되는 것은 아니다.
도 12는, 도 7에 도시한 렌즈어레이와는 다른 구성을 가지는 제2렌즈어레이(130')를 보이고 있다. 제2렌즈어레이(130')는, M행의 소렌즈를 행의 중심에서 상부와 하부의 두 개의 영역으로 구분되고, 상부는 광축이 렌즈의 중심에서 -x방향으로 어긋난 위치에 있는 소렌즈(132'c)로 구성되며, 하부는 광축이 렌즈의 중심에서 +x방향으로 어긋난 위치에 있는 소렌즈(132'b)로 구성되어 있다. 이와 같은 제2렌즈어레이(130')를 도 5에 도시한 조명광학계(100)에 적용하고, 투사형 표시장치에 사용하여도, 동일한 열방향으로 배열되는 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속에 의하여 형성되는 암선이 2개소로 분리하여 형성되기 때문에, 제2렌즈어레이(130)를 적용한 경우에 비하여 암선의 분리수가 작게 되지만, 동일하게 암선을 눈에 띄기 어렵게 하는 것도 가능하게 된다. 또한 이러한 경우에는 다른 위치에 광선을 구비하는 소렌즈가 제2렌즈어레이(130')의 상하행 방향에서 두 개의 영역으로 구분되어 있을 뿐이기 때문에, 제2렌즈어레이(130)에 비하여 용이하게 제2의 렌즈어레이(130')를 구성하는 것이 가능하다.
B. 제2실시예
도 13은, 본 발명에 의한 제2실시예의 투사형 표시장치를 보이는 도면이다. 제2실시예에서는, 제1실시예의 제2렌즈어레이(130)과 중첩렌즈(150)의 사이에 편광변환소자(140)를 설치한 조명광학계(100')를 사용하는 점에서 구별된다. 다른 구성요소는, 제1실시예와 동일하다. 또한 조명광학계(100')에서 출사된 조명광이 소정의 편광광인 점에 차이가 있지만, 장치로서의 기본적인 기능은 동일하다. 제2렌즈어레이(130)는, 제1실시예와 동일하게 도 12에 도시한 제2렌즈어레이(130')를 사용하여도 좋다. 이하에서는 제1실시예와 다른 기능에 대하여 설명한다.
도 14는, 편광변환소자(140)(도 13)의 구성을 보인 설명도이다. 이러한 편광변환소자(140)는, 편광빔스플리터어레이(141)과, 선택위상차판(142)를 구비하고 있다. 편광빔스플리터어레이(141)는, 각각 단면이 평행사변형의 기둥형상의 복수개의 투과성판재(143)이, 교대로 부착된 형상을 구비하고 있다. 투광성판재(143)의 경계에는 편광분리막(144)과 반사막(145)가 교대로 형성되어 있다. 그리고 이러한 편광빔스플리터어레이(141)는, 편광분리막(144)와 반사막(145)가 교대로 배치되도록, 이들의 막이 형성된 복수개의 판유리를 부착하여, 소정의 각도로 경사지도록 절단하는 것에 의하여 제조된다.
제1 및 제2렌즈어레이(120,130)를 통과한 랜덤한 편광방향을 구비하는 광은, 편광분리막(144)에서 s편광광과 p편광광으로 분리된다. p편광광은, 편광분리막(144)를 그 대로 투과한다. 한편 s편광광은, s편광광의 편광분리막(144)로의 입사점에 있어서 수직선에 대하여 입사광선 및 반사광선과 수직선이 이루는 각도가 대칭으로 되도록 반사된다(반사의 법칙). 편광분리막(144)에서 반사된 s편광광은 더욱이 반사막(145)에서 반사의 법칙에 따라 반사되고, 편광분리막(144)을 그대로 통과한 p편광광과 거의 평행한 상태로 출사된다. 선택위상차판(142)는 편광분리막(144)를 통과하는 광의 출사면 부분에는 λ/2위상차층(146)이 형성되어 있고, 반사막(145)에서 반사되는 광의 출사면부분에는 λ/2위상차층이 형성되어 있지 않는 광학소자이다. 따라서 편광분리막(144)를 투과한 p편광광은 λ/2위상차층(146)에 의하여 s편광광으로 변환되어 출사된다. 그 결과 편광변환소자(140)에 입사되는 램덤한 편광방향을 구비하는 광속은 거의 대부분이 s편광광으로 변환되어 출사된다. 물론 반사막(145)에서 반사되는 광의 출사면 부분으로 만큼 선택위상차판(142)의 λ/2위상차층(146)의 폭(Wp)(즉 편광분리막(144)의 x방향의 폭)의 반과 동등하다. 이 때문에 도 13에 도시한 바와 같이 광원(110)의 광축(2점쇄선으로 도시)는, 편광변환소자(140) 이후의 시스템광축(일점쇄선으로 도시)에서 Wp/2와 동일한 거리(L)만큼 어긋난 위치로 설정되어 있다.
또한 제1실시예에 있어서(도 5), 제1렌즈어레이(120)의 소렌즈(122)에 의하여 집광되는 부분광속은, 제2렌즈어레이(130)의 대응하는 소렌즈(132) 내에서 광원(110)의 광원상이 결상되도록 집광되어 있지만, 제2실시예에서는 편광변환소자(140)에 있어서 제2렌즈어레이(130)에서 출사되는 각 부분광속을 유효하게 이용하기 때문에 편광변환소자(140)의 편광분리막(144)(도 14)의 근방에서 광원상이 결상되도록 하는 것이 바람직하다.
도 15, 도 16은, 제2실시예에 있어서 제2의 렌즈어레이(130)(도 7)의 기능을 보이는 설명도이다. 도 15는 제2렌즈어레이(130)의 제2행째 제1열의 소렌즈(132a)를 통과하는 부분광속의 광로를 보이고 있고, 도 16은 제2렌즈어레이(130)의 제4행째 제1열의 소렌즈(132c)를 통과하는 부분광속의 광로를 보이고 있다. 도 15에 있어서, 도시하지 않은 제1렌즈어레이(120)의 제2행 제1열의 소렌즈(122)에서 출사되고, 그 중심축(356c)이 시스템광축에 평행한 부분광속(256)은, 소렌즈(122)의 집광작용에 의하여 편광분리막(144) 상에 집광된다. 편광분리막(144)를 그대로 투과한 부분광속(256a)는, 중첩렌즈(150)의 집광작용에 의하여 액정 라이트밸브(252)의 광의 입사면인 피조명영역(252a)를 조명한다. 또한 편광분리막(144)에서 반사되고, 더욱이 반사막(145)에서 반사된 부분광속(356b)도, 동일하게 피조명영역(252a)를 조명한다. 여기서 소렌즈(132a)는 광축의 위치가 렌즈중심에 있고(도 7), 소렌즈(132a)에서 출사되는 부분광속은 그 중심축(256cl)이, 시스템광축에 평행하게 편광변환소자(140)에 입사되며, 편광변환소자(140)에서 출사되는 두 개의 부분광속(356a,356b)는, 그들의 중심축(356cla,356clb)가 피조명영역(252a)의 중심을 통과하도록 피조명영역(356la)를 조명한다.
도 16에 있어서, 도 15와 동일하게 제1렌즈어레이(120)의 제4행 제1열의 소렌즈(122)에서 출사되고, 그 중심축(358cl)이 시스템광축에 평행한 부분광속(358)은, 소렌즈(122)의 집광작용에 의하여 편광분리막(144) 상에 집광된다. 편광분리막(144)를 그대로 통과한 부분광속(358a)는, 중첩렌즈(150)의 집광작용에 의하여 피조명영역(252a)를 조명한다. 또한 편광분리막(144)에서 반사되고, 더욱이 반사막(145)에서 반사된 부분광속(356b)도, 동일하게 피조명영역(252a)를 조명한다. 여기서 소렌즈(132c)는 광축의 위치가 렌즈의 중심에서 -x방향으로 어긋나 있기 때문에( 도 7), 소렌즈(132c)에서 출사되는 부분광속은 그 중심축(358cl)이, 광의 진행방향에 대하여 시스템광축에서 어긋나 가는 방향으로 경사져 편광변환소자(140)에 입사되고, 편광변환수자(140)에서 출사되는 두 개의 부분광속(358a,358b)는, 그들의 중심축(358cla,358clb)가 피조명영역(252a)의 중심보다도 -x방향으로 어긋나 피조명영역(252a)를 통과하도록 조명영역(358la)를 조명한다.
따라서 제2실시예에 있어서도, 제1실시예와 동일하게 액정 라이트밸브(250, 252,254)에 있어서, 제2렌즈어레이의 동일한 열방향의 소렌즈에서 출사되는 부분광소에 의한 조명위치(중첩결합위치)를, 광축의 위치가 다른 소렌즈(132a,132b,132c) 마다 어긋나게 하는 것이 가능하다. 따라서 동일한 열방향으로 배열된 M개의 소렌즈를 통과하는 부분광속의 각각에 의하여 형성되는 암선이 1개소에 집중되는 일 없이, 암선을 눈에 띄기 어렵게 하는 것이 가능하게 된다.
그리고 액정라이트밸브(250,252,254)는, 그 입사면에 편광판을 배치하는 것이 일반적이다. 따라서 액정 라이트밸브(250,252,254)에서 변조되는 광속은 소정의 편광광만이고, 다른 편광광은 불필요한 광속으로서 손실된다. 따라서 제2실시예에서는 편광변환소자(140)에서 출사되는 광속을, 액정 라이트밸브(250,252,254)에서 이용되는 소정의 편광광과 동일한 편광광으로 하면, 제1실시예에 비하여 투사형 표시장치로서의 광의 이용효율을 높일 수 있게 된다.
그런데 제2실시예에 있어서도, 제1실시예와 동일하게 각 소렌즈(132b,132c)의 광축의 위치의 어긋남 량을, 제2렌즈어레이(130)이나 편광변환소자(140), 중첩렌즈(150), 필드렌즈(240,242,244), 액정 라이트밸브(250,253,254), 크로스다이크로익프리즘(260)의 중심축(262) 등의 기하학적인 관계에서 계산하여 구할 수 있다. 또한 실험적으로 구하는 것도 가능하다. 단 제2실시예에 있어서는 제2렌즈어레이를 통과한 부분광속은 편광변환소자(140)에 의하여 행방향으로 간격(Wp) 만큼 어긋난 부분광속(도 14)도 발생하고, 부분광속의 행방향의 간격은 제1실시예의 1/2로 된다. 따라서 각 소렌즈(132b,132c) 즉 광축의 위치가 렌즈 중심에서 어긋나 있는 소렌즈의 광축의 위치는 이와 같은 1/2 간격에서 발생하는 제2행째 및 제5행째의 소렌즈(132a) 즉 광축의 위치가 렌즈 중심에 있는 소렌즈를 통과하는 부분광속에 의하여 발생하는 암선의 간격의 정중간에 광축의 위치가 렌즈중심에서 어긋나 있는 소렌즈(소렌즈 132b,132c)를 통과하는 부분광속에 의한 암선이 발생하도록 어긋나 있는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명은 상기의 실실예나 실시형태에 한정되는 것은 아니고, 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 다양한 형태로 실시하는 것이 가능하고, 예를 들면 다음과 같은 변형도 가능할 것이다.
제1렌즈어레이는, 광학적 중심(광축)의 위치가 각행마다에 또는 복수개의 조 마다, 행방향으로 전체가 다른 위치에 어긋나 있어도 좋다. 또한 한 개의 행 또는 한 개의 조만이 행방향이 다른 위치에 어긋나 있어도 좋다. 더욱이 상기 실시예에서는 광원에서 광속을 매트릭스 형상으로 복수개의 광속으로 분할하였지만, 본 발명은 적어도 거의 1열로 배치된 복수개의 광속으로 분할하는 경우에도 적용할 수 있다. 즉 제2렌즈어레이의 소정의 열방향을 따라 배열되는 적어도 1열의 소렌즈 가운데 적어도 일부의 소렌즈는 다른 소렌즈의 광학적 중심과 다른 위치에 광학적 중심을 구비하는 렌즈이면 충분하다. 이 때 일부의 소렌즈를 통과한 부분광속에 의한 피조명영역상의 조명위치(조명영역)이 다른 소렌즈를 통과한 부분 광속에 의한 조명위치와는 다른 것으로 된다. 이것에 의하여, 크로스다이크로익프리즘의 중심축에 대한 부분광속의 위치가 적어도 일부의 소렌즈를 통과한 부분광속과 다른 소렌즈를 통과한 부분광속과 다른 것으로 되어 암선의 발생위치를 분리하는 것이 가능하다. 따라서 크로스다이크로익프리즘에 기인하여 발생하는 암선을 눈에 띄기 어렵게 할 수 있게 된다.
즉, 투사형 표시장치는 색광합성수단의 중심축에 상당하는 방향을 따라서 분할된 적어도 일열의 복수개의 부분광속을 발생하는 것과 같이 광변조수단 상에서 복수개의 부분광속을 중첩하는 분할중첩광학계를 준비하면 된다. 그리고 이러한 분할 중첩광학계는 일례의 부분광속 가운데 일부의 부분광속이 조명하는 광변조수단 상의 조명영역이, 다른 부분광속이 조명하는 조명영역에서 생광합서웃단의 중심에 상당하는 방향과는 다른 방향으로 어긋나도록 하여, 일부의 부분광속의 광로를 다른 부분광속의 광로에서 어긋난 조명위치변경수단을 구비하면 충분하다.
상기 각 실시예에서는, 투과형의 투사형 표시장치에 본 발명을 적용한 경우의 예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 반사형의 투사형 표시장치에도 적용될 수 있다. 여기서 투과형은, 액정 라이트밸브 등의 광변조수단이 광을 투과하는 타입을 의미하고, 반사형은 광변조수단이 광을 반사하는 타이프인 것을 의미한다. 반사형의 투사형 표시장치에서는 크로스다이크로익프리즘은 백색광을 적, 녹, 청의 3색의 광으로 분리하는 색광분리수단으로서 이용됨과 동시에, 변조된 3색의 광을 다시 합성하여 동일한 방향으로 출사하는 색광합성수단으로서 이용된다. 반사형 투사형 표시장치에 본 발명을 적용한 경우에도, 투과형 표시장치와 거의 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 발명에 의한 조명광학계는, 각종의 투사형 표시장치에 적용할 수 있다. 또한 본 발명에 의한 투사형 표시장치는 예를 들면 컴퓨터에서 출력된 화상이나 비디오레코더에서 출력된 화상을 스크린 상에 투사하여 표시하기 위하여 적용할 수도 있다.

Claims (18)

  1. 조명광을 3색의 광으로 분리하는 색광분리수단과,
    상기 3색의 광을, 부여된 화상신호에 기초하여 각각 변조하는 3조의 광변조수단과,
    X자형상으로 배치된 2종류의 다이크로익막을 구비하고, 상기 다이크로익막이 상호 교차하는 위치에 상당하는 중심축을 구비하며, 상기 3조의 광변조수단에 의하여 변조된 3색의 광을 합성하여 동일 방향으로 출사하는 색광합성수단과,
    상기 색광합성수단에 의하여 합성된 광을 투사면상으로 투사하는 투사수단을 구비하는 투사형 표시장치에 사용되고, 상기 조명광을 출사하는 조명광학계로서,
    상기 색광합성수단의 상기 중심축과 거의 평행한 열방향 및 상기 열방향에 거의 수직인 행방향으로 분할된 복수개의 부분광속을 발생함과 같이, 상기 복수개의 부분광속을 중첩하는 분할중첩광학계를 구비하고,
    상기 분할중첩광학계는,
    동일한 열방향으로 존재하는 상기 부분광속 가운데, 일부의 부분광속이 조명하는 상기 광변조수단 상의 조명영역이, 다른 부분광속이 조명하는 조명영역에서 상기 행방향으로 어긋나도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 분할중첩광학계는,
    상기 열방향 및 행방향으로 배치된 복수개의 소렌즈를 구비하는 제1렌즈어레이와,
    상기 제1렌즈어레이의 상기 복수개의 소렌즈에 각각 대응하여 배치되는 복수개의 소렌즈를 구비하는 제2렌즈어레이를 구비하고,
    상기 제2렌즈어레이의, 열방향을 따라 대부분 배열되는 적어도 1열의 소렌즈 가운데 적어도 일부의 소렌즈는, 다른 소렌즈의 광학적 중심과 다른 위치에 광학적 중심을 구비하는 렌즈인 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  3. 제2항에 있어서, 상기 일부의 소렌즈는, 상기 일부의 소렌즈를 통과하는 부분광속에 의한 피조명영역상의 조명영역이, 다른 소렌즈를 통과하는 부분광속에 의한 피조명영역 상의 조명영역에 대하여 상기 행방향으로 어긋나도록, 광학적 중심이 상기 다른 소렌즈의 광학적 중심과 다른 위치에 배치된 편심렌즈인 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 동일한 열방향에 존재하는 상기 복수개의 소렌즈는, 복수개의 조(組)로 나누어지고,
    동일의 조에 포함된 소렌즈는 렌즈 중심에 대하여 동일한 위치에 광학적 중심을 구비하며,
    다른 조에 포함된 소렌즈는, 서로 렌즈중심에 대하여 다른 위치에 광학적 중심을 구비하는 것을 특징으로 하는 조명광학계
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수개의 조의 각각의 조를 통과하는 부분광속의 광량이 동등하도록, 동일한 열방향에 존재하는 복수개의 소렌즈를 조로 나누는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  6. 제4항에 있어서, 상기 복수개의 조는, 상기 열방향을 따라 구분된 적어도 두 개의 영역인 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수개의 조는 열방향을따라 구분된 두 개의 영역이고,
    상기 두 개의 영역 가운데 일방의 영역에 포함되는 복수개의 소렌즈의 광학적 중심과,
    타른 측의 영역에 포함되는 복수개의 소렌즈의 광학적 중심이, 렌즈 중심에 대하여 대칭인 위치에 있는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  8. 제2항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2렌즈어레이의 복수개의 소렌즈의 각각의 광학 중심이, 상기 광원의 광축 중심에 상당하는 상기 제2렌즈어레이의 중심에서 점대칭의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  9. 제2항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분할중첩광학계는, 더욱이
    제1렌즈어레이 및 제2렌즈어레이의 복수개의 소렌즈를 통과하는 복수개의 부분광속을, 상기 광변조수단 상의 조명위치에서 거의 중첩결합하는 중첩결합렌즈와,
    상기 제2렌즈어레이와 중첩결합수단과의 사이에 설치되는 편광변환소자를 구비하고,
    상기 편광변환소자는,
    서로 평행한 편광분리막과 반사막을 복수조 구비하고, 상기 제2렌즈어레이의 복수개의 소렌즈를 통과한 복수개의 부분광속을 각각 2종류의 직선 편광성분으로 분리하는 편광 빔스플리터어레이와,
    상기 편광 빔스플리터어레이에서 분리된 상기 2종류의 직선편광성분의 편광방향을 구비하는 편광변환수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  10. 조명광을 출사하는 조명광학계와,
    상기 조명광을 3색의 광으로 분리하는 색광분리수단과,
    상기 3색의 광을 부여된 호상 신호에 기초하여 각각 변조하는 3조의 광변조수단과,
    X자형상으로 배치된 2종류의 다이크로익막을 구비하고, 상기 다이크로익막이 서로 교차하는 위치에 상당하는 중심축을 구비하며, 상기 3조의 광변조수단에 의하여 변조된 3색의 광을 합성하여 출사하는 색광합성수단과,
    상기 색광합성수단에 의하여 합성된 광을 투사면 상에 투사하는 투사수단을 구비하고,
    상기 조명광학계는,
    상기 색광합성수단의 중심축과 거의 평행한 열방향 및 열방향과 거의 수직인 행방향으로 분할된 복수개의 부분광속을 발생함과 같이, 상기 복수개의 부분광속을 중첩하는 분할 중첩광학계를 구비하고,
    상기 분할중첩광학계는,
    동일한 열방향에 존재하는 부분광속 가운데, 일부의 부분광속이 조명하는 광변조수단 상의 조명영역이, 다른 부분광속이 조명하는 조명 영역에서 상기 행방향으로 어긋나도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 분할중첩광학계는,
    상기 열방향 및 행방향으로 배열된 복수개의 소렌즈를 구비하는 제1렌즈어레이와,
    상기 제1렌즈어레이의 복수개의 소렌즈에 각각 대응하여 배치되는 복수개의 소렌즈를 구비하는 제2렌즈어레이를 구비하고,
    상기 제2렌즈어레이의 열방향을 따라 대부분 배열되는 적어도 1열의 소렌즈 가운데 적어도 일부의 소렌즈는 다른 소렌즈의 광학적 중심과 다른 위치에 광학적 중심을 구비하는 렌즈인 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 일부의 소렌즈는 상기 일부의 소렌즈를 통과하는 부분광속에 의한 피조명영역 상의 조명영역이, 다른 소렌즈를 통과하는 부분광속에 의하여 피조명영역 상의 조명영역에 대하여, 행방향으로 어긋나도록 광학적 중심이 다른 소렌즈의 광학적 중심과 다른 위치에 배치되는 편심렌즈인 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
  13. 제11항 또는 제12항에 있어서,
    동일한 열방향으로 존재하는 복수개의 소렌즈는, 복수개의 조(組)로 나누어지고,
    동일한 조에 포함되는 소렌즈는 렌즈의 중심에 대하여 동일한 위치에 광학적 중심을 구비하며,
    다른 조에 포함되는 소렌즈는, 서로 렌즈 중심에 대하여 다른 위치에 광학적 중심을 구비하는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 복수조의 각각의 조를 통과하는 부분광속의 광량이 동등하도록, 동일한 열방향에 존재하는 복수개의 소렌즈를 조로 나누는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 복수조는, 열방향을 따라 구분된 적어도 2개의 영역인 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수개의 조는 열방향을 따라 구분되는 두 개의 영역이고,
    상기 두 개의 영역 가운데 일측의 영역에 포함되는 복수개의 소렌즈의 광학적 중심과,
    다른측 영역에 포함되는 복수개의 소렌즈의 광학적 중심이, 렌즈 중심에 대하여 대칭인 위치에 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
  17. 제11항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제2렌즈어레이의 복수개의 소렌즈의 각각의 광학중심이, 상기 광원의 광축 중심에 상당하는 제2렌즈어레이의 중심에서 점대칭의 위치에 배치되는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
  18. 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분할중첩광학계는, 더욱이
    상기 제1렌즈어레이 및 상기 제2렌즈어레이의 복수개의 소렌즈를 통과하는 복수개의 부분광속을, 상기 광변조수단상의 조명위치에서 거의 중첩결합하는 중첩결합렌즈와,
    상기 제2렌즈어레이와 중첩결합수단 사이에 설치되는 편광 변환소자를 구비하고,
    상기 편광변환소자는,
    서로 평행한 편광분리막과 반사막을 복수조 구비하고, 상기 제2렌즈어레이의 복수개의 소렌즈를 통과한 복수개의 부분광속을 각각 2종류의 직선편광성분으로 분리되는 편광 빔스플리터어레이와,
    상기 편광 빔스플리터어레이에서 분리되는 상기 2종류의 직선편광성분의 편광방향을 구비하는 편광변환수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
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