KR20010050970A - 조명장치와 투사형 표시장치 - Google Patents

Abstract

광원의 광속을 제 1렌즈 어레이에 조사하고, 제 1렌즈 어레이를 투과한 광속을 제 1렌즈 어레이의 직전에 설치한 편광변환소자에 인도하고, 편광변환소자에서 나오는 광속을 제 2렌즈 어레이에 인도하고, 광변조소자를 조명하는 조명장치에 있어서, 제 1렌즈 어레이의 결상위치(f)를 편광변환소자에 의해 분리되는 P편광과 S편광의 각각의 광로 중, 짧은 쪽의 광로 길이를 S, 긴쪽의 광로 길이를 L로 하였을 때, S〈f〈L의 범위내가 되도록 함으로써 광원에서 광변조소자에 도달하는 광속을 많게할 수 있다.

Description

조명장치와 투사형 표시장치{Optical iluminination system and projection apparatus}

본 발명은, 예를 들면 액정표시패널 등의 광변조소자(표시디바이스)에 대하여 효율 좋게 빛을 조사할 수 있는 조명장치와, 이 조명장치를 갖춘 투사형 표시장치에 관한 것이다.

최근에는, 예를 들면 소위 라이트밸브라고 말하는 광변조소자인 액정표시패널 등의 광학소자를 사용한 프로젝터장치, 텔레비전 수상기, 컴퓨터용의 디스플레이 등의 표시장치가 넓은 분야에서 보급되고 있다.

이와 같은 액정표시패널 등을 사용한 투사형 표시장치는, 광원에서 출사되는 빛을 3원색으로 분광하여 액정표시패널에 입사하고, 이 액정표시패널에 있어서 입력한 영상신호에 의해 광변조한 후에 합성하여, 컬러영상신호를 생성하고 있다.

그리고, 이 컬러영상신호는 투사렌즈를 거쳐서 스크린에 확대 투영된다.

그런데, 이와 같은 광학계에서는, 광원으로서 그 연색성의 양호성에서 초고압 수은램프나 메탈 할라이드램프 등이 많이 사용된다.

그러나, 이들의 광원은 이상적인 점광원으로는 되지 않기 때문에, 이들의 광원에서 사출된 광속은 큰 발산각을 가진다.

한편, 본 발명이 적응되는 광학계에 사용되는 조명광학계에는, 광원에서 사출되는 광속을 효율 좋고 균일하게 액정표시패널에 대하여 조사할 수 있는 것이 요구된다.

그러나, 상술과 같이 일반적으로 사용되고 있는 광원이 발생하는 광속은 큰 발산각을 가진다.

이 때문에, 광원에서 사출된 광속을 효율 좋게 액정표시패널에 조사하는 것이 곤란하다.

이와 같이, 큰 발산각을 갖는 광원에서 사출되는 광속을 효율 좋게 액정표시패널에 조사하기 위한 수단으로서는, 예를 들면 작은 렌즈를 다수 격자형으로 배치한 구조를 갖는 렌즈 어레이 등을 사용하여, 액정표시패널에 도달시키는 광속을 수속하고, 또한 조명도의 분포를 균일하게 하고자 하는 것이 일반적으로 알려져 있다.

이런 종류의 렌즈어레이를 사용한 일반적인 투사형 표시장치의 예를 도 1에 따라서 설명한다.

광원(3)에는 방물면경(3a)의 초점위치에, 예를 들면 초고압 수은램프(3b)가 배치되어 있고, 소정의 발산각을 갖는 광속이 그 개구에서 사출된다.

그리고, 광원(3)에서 출사된 광속 중에서, 적외영역(IR) 및 자외영역(UV)의 불필요한 광선은 UV/IR 컷필터(5)에 의해 차단되어 유효한 광선만이 후편의 제 1광학블록(1)에 유도된다.

이 제 1광학블록(1)은, 광변조소자(광공간 변조소자)인 액정표시패널(45, 49, 53)의 유효개구의 애스펙트비에 대략 서로 닮은 외형을 갖는 복수의 볼록형의 셀렌즈(21a)가 격자형으로 배열되어 있는 제 1렌즈 어레이(21)를 포함하는 광학소자에 의해 구성되어 있다.

제 1광학블록(1)의 후편에 배치되는 제 2광학블록(2)의 제 2렌즈 어레이(23)는, 입사측에 복수의 볼록형의 셀렌즈(23a)를 형성하고, 출사측에는 제 1집광성분으로 되어 있는 1개의 볼록면(23f)을 가지고 있다.

또, 제 2렌즈 어레이(23)와 액정표시패널(45, 49, 53)의 유효개구의 사이에는, 광원(3)에서 출사된 빛을 적, 녹, 청의 각 색으로 분해하는 다이크로익 미러(14, 27)가 배치되어 있다.

이 도면에 나타내는 예에서는, 먼저 다이크로익 미러(14)에서 적색광(R)을 반사하고, 녹색광(G) 및 청색광(B)을 통과시키고 있다. 이 다이크로익 미러(14)에서 반사된 적색광(R)은, 미러(15)에 의해 진행방향을 90도 구부려서 콘덴서 렌즈(51)에서 수속되어서 적색용 액정표시패널(53)에 입사한다.

한편, 다이크로익 미러(14)를 통과한 녹색광(G) 및 청색광(B)은 다이크로익 미러(27)에 의해 분리되게 된다. 즉, 녹색광(G)은 반사되어서 진행방향을 90도 구부려서 콘덴서 렌즈(47)를 거쳐서 녹색용 액정표시패널(49)로 인도한다. 그리고 청색광(B)은, 다이크로익 미러(27)를 투과하여 직진하고, 릴레이 렌즈(29, 33), 콘덴서 렌즈(43), 미러(31, 35)를 거쳐서 청색용 액정표시패널(45)에 인도된다.

액정표시패널(45, 49, 53)의 입사측에는 입사한 빛의 편광방향을 일정방향으로 가즈런히 하기 위한 편광판(도시생략)이, 또 후편에는 출사한 빛의 소정의 편광면을 갖는 빛만이 투과하는 편광판(도시생략)이 배치되고, 액정을 구동하는 회로의 전압에 의해 빛의 강도를 조소하도록 구성되어 있다.

그리고, 액정표시패널(45, 49, 53)에서 광변조된 각 색의 빛은, 광합성수단으로서의 다이크로익 프리즘(41)에 의해 합성되게 된다. 이 다이크로익 프리즘(41)에서는 적색광(R)은 반사면(41a)에서, 또 청색광(B)은 반사면(41b)에서 투사렌즈(13)가 배치되어 있는 방향으로 반사된다.

그리고 녹색광(G)이 반사면(41a, 41b)을 투과함으로, RGB 각 빛이 하나의 광축에 합성되고, 투사렌즈(13)에 의해 스크린(102)에 확대 투영된다.

다음에, 제 1광학블록(1)과 제 2광학블록(2)의 렌즈 어레이(21, 23)의 구성에 대해서 도 2, 도 3에 따라, 다시 상세히 설명한다.

먼저, 도 2는 주로 제 1광학블록(1)의 광학특성에 의한 광속의 형성예를 나타내고 있고, 광원에서 출사된 광속(L)은, 제 1렌즈 어레이(21)의 각각의 셀렌즈(21a)에 의해 분할되고, 제 1광학블록(1)을 출사한 후, 제 2광학블록(2)의 근방에 있어서 제 1렌즈 어레이(21)의 각각의 셀렌즈(21a)에 대응한 상을 만든다. 그후, 광속은 제 2렌즈 어레이(23)의 볼록면(23f)에 의해 제 2집광성분이 되는 콘덴서 렌즈(47)에 인도된다. 그 콘덴서 렌즈(47)에 의해 도 1에 나타낸 투사렌즈(13)의 눈동자의 근방에 광원의 상이 재결상된다.

또한, 부호(41)는 다이크로익 프리즘, 부호(49)는 액정표시패널을 나타낸다.

도 3은 주로 제 2광학블록(72)에 의한 광속의 형성예를 나타내고 있고, 제 2렌즈 어레이(23)는, 그 각각의 셀렌즈(23a)의 외형치수와 제 2렌즈 어레이(21)와의 간격을 적절하게 설정함으로써, 상기 조명계의 거둬들이는 발산각(θ)을 제어한다.

이 거둬들여진 발산각내의 광속은, 제 1집광성분인 볼록면(23f)에서 제 2집광성분인 콘덴서 렌즈(47)에 인도되고, 상기 제 1집광성분과 상기 제 2집광성분으로 합성한 합성집광성분에 의해 액정표시패널(49)을 효율좋게 또한 균일하게 조사한다.

이상과 같이, 예를 들면 광원에서 출사되어 제 2집광성분인 콘덴서 렌즈(47)에 인도된 광속은, 전후에 편광판을 가지는 액정표시패널(49)에서 변조된 후, 예를 들면 다이크로익 프리즘(41)과 같은 색합성소자에 입사한다.

또한, 제 1집광성분인 볼록면(23f)을 경유하여 제 2집광성분인 콘덴서 렌즈(47)에 입사하는 빛은, 앞서 나타낸 바와 같이 도중에 도시하지 않은 다이크로익 미러 등의 광학소자에 의해 적색광(R)·녹색광(G)·청색광(B)으로 분리된 광선중의 녹색광(G)을 나타내고 있다.

도 1에 나타낸 다이크로익 프리즘(41)은, 4개의 프리즘을 소정의 반사특성을 가지고 있는 박막으로 형성되는 반사면(41a, 41b)을 거쳐서 첩합시켜 형성되어 있다.

도 1, 도 2는 녹색광(G)의 경로만을 실선으로 나타내고 있으나, 적색광(R) 및 청색광(B)은 각 색의 액정표시패널에 의해 동일하게 광변조된 후에, 화살표로 나타내고 있는 바와 같이, 다이크로익 프리즘(41)에 대해서 각각 다른 방향에서 입사하게 된다.

액정표시패널(49)에서 변조된 녹색광(G)은, 다이크로익 프리즘(41)을 그대로 투과하고, 다이크로익 프리즘(41)에 입사한 적색광(R)은 반사면(41a)에서 입사한 청색광(B)은 반사면(41b)에서 각각 반사한다. 결국, 다이크로익 프리즘(41)에 의해 RGB 각 빛이 합성되고, 컬러영상신호가 생성되고, 투사렌즈(13)에 입사한다.

이와 같이 볼록형의 셀렌즈(21a, 23a)가 격자형으로 배열된 제 1 및 제 2렌즈 어레이(21, 23)를 광원의 후편에 설치함으로써, 콘덴서 렌즈만을 배치한 경우보다도 광원에서 출사된 빛을 효율좋게, 또한 균일하게 액정표시패널(45(49, 53))의 유효개구에 조사할 수 있도록 되어 있다.

도 4a, 4b는 제 1렌즈 어레이(21)의 셀렌즈(21a21d)의 애스팩트비(횡의 길이 대 종의 길이의 비)와 제 2렌즈 어레이(23)의 셀렌즈(23(a, b, c, d))의 일예를 나타내고 있고, 예를 들면 16:9로 설정되어 있다. 이 셀렌즈(21(a, b, c, d))의 애스팩트비는, 광변조소자인 도 1의 액정표시패널(45, 49, 53)의 애스팩트비 및 도 1의 스크린(102)의 애스팩트비와 개략 일치시키고 있다.

다음에 도 5를 이용하여 거둬들임이 가능한 발산각과, 제 1, 제 2렌즈어레이의 간격 및 제 2렌즈어레이의 셀렌즈사이즈의 관계를 기술한다.

도 5에 나타내는 바와같이 제 2렌즈 어레이의 셀렌즈(23)의 사이즈를 y, 제 1, 제 2렌즈 어레이의 간격을 1로 하면 거둬들임이 가능한 발산각(θ)은 Tanθ=y/1 이 된다. 이와 같이 제 1, 제 2렌즈 어레이만으로 구성되어 있을 경우는, 제 1, 제 2렌즈어레이의 간격과 제 2렌즈 어레이의 셀렌즈 사이즈 y만으로 거둬들임이 가능한 발산각이 결정된다.

또, 광원에서 출사된 빛을 효율좋게 액정표시패널(45)에 조사하기 위해 일반적 사용되는 것에 편광변환소자가 있다.

도 6은, 편광변환소자(60)를 사용하였을 때의 조명광학계를 나타내고 있다.

이 도면에 있어서 광원(3)에서 출사된 빛은, 제 1렌즈 어레이로 구성되는 제 1광학블록(1)을 통과하여 편광변환소자(60)에 조사되고, 다시 제 2렌즈 어레이에 의해 구성되는 제 2광학블록(2)에 의해 콘덴서 렌즈(47)로 향하여 출사된다.

편광변환소자(60)는 뒤에서 기술하는 바와 같이, 편광빔 스플리터와 반사면, 다시 편광방향을 변환하기 위한 λ/2판으로 되고, 광원에서 사출된 랜덤한 편광면을 가지는 빛이 편광빔 스플리터에 소정의 각에서 입사함으로써 P편광파는 투과하고, S편광파는 반사면에 의해 재차 광축방향으로 반사되어, 재차 광축에 따라서 진행한다. 이 분리된 P편광 혹은 S편광의 어느 한편의 광로상에 λ/2판을 배치함으로써 한쪽편의 편광면만을 회전시킬 수 있고, 모든 편광면을 일치시킬 수 있다.

편광변환소자(60)에서 사출되는 편광면의 가지런한 빛을 액정표시패널(49)에 조사함으로써, 종래 편광판에 의해 흡수되게 되었던 빛을 유효하게 이용하고, 광원에서 출사된 빛을 효율좋게 액정표시패널에 조사하는 것을 할 수 있도록 되어 있다.

이와 같은 편광변환소자(60)를 배치하는 장소로서는, 광원과 상기 제 1광학블록사이, 혹은 상기 제 2광학블록(2)의 근방 등이 고려되는바, 도 6에 나타내는 바와 같이 광이용효율의 점에서 제 2광학블록(2)의 근방에 배치하는 것이 소망스럽다.

상술과 같은 초고압 수은램프나 메탈 할라이드램프 등을 광원으로서 이용하고 있는 조명광학계에 있어서, 상기 광원(3)에서 사출되는 광속을 효율좋게 이용하기 위해서는, 램프가 가지는 장소의 발산각의 광속을 효율좋게 거둬들이는 것이 필요하다.

이 발산각의 거둬들임을 제어하고 있는 것이 상술과 같이 제 1렌즈 어레이와 제 2렌즈 어레이의 간격과, 제 2렌즈 어레이의 셀렌즈의 사이즈이다.

그렇지만, 광원에서 사출된 광속을 효율좋게 이용하기 위해서는 도 6에 나타내는 바와 같이, 상술의 편광변환소자(60)를 제 2렌즈 어레이의 근방에 배치하는 것이 필요하다. 그 결과 도 7에 나타내는 바와 같이, 제 2렌즈 어레이 근방에 복수의 개구제한이 생기고, 거둬들이는 발산각에 제한이 생긴다. 또한 편광변환소자의 편광빔 스플리터에 의해 반사되는 S편광은, 편광빔 스플리터와 반사면에 의해서 광로를 구부리기 위해, 편광빔 스플리터를 투과하는 P편광의 광로길이에 비해 길게 된다. 이 때문에 P광로와 S광로에서는 거둬들이는 발산각에 차이가 생긴다. 그 결과, P광로 혹은 S광로의 어느 것의 광로에서 충분한 발산각이 거둬들여지지 않게 된다. 이것은, 광학계의 광이용효율의 악화를 초래한다.

이하, 이점을 도 7을 참조하여 상세히 설명한다.

제 2렌즈 어레이의 1개의 셀렌즈(23a)앞에 편광변환소자(60)를 배치하면, 도면과 같이 셀렌즈의 사이즈가 제 1렌즈 어레이의 셀렌즈(21a)의 반이 된다. 또한 제 2렌즈 어레이의 셀렌즈(23a)의 개구부 이외에 편광변환소자(60)에 의해 복수의 개구가 생기고, 이 복수의 개구에 의해 거둬들임이 가능한 발산각에 제한이 생긴다.

예를 들면, 가장 제 1렌즈 어레이측에 있는 개구상에 제 1렌즈 어레이의 셀렌즈의 결상위치(f)를 설정하면, 도 7a에 나타내는 바와 같이 최대개구에 입사하는 발산각(θ1)중 광학계를 통과할 수 있는 광속은 A영역의 광속만이 된다.

다음에, 가장 액정표시패널측에 있는 개구상에 제 1렌즈 어레이의 셀렌즈의 결상위치(f)를 설정하면, 도 7b에 나타내는 바와 같이 최대개구에 입사하는 발산각(θ1)중 광학계를 통과할 수 있는 광속은, B, C영역의 광속만이 된다.

또한, 편광변환소자(60)의 광로가 짧게되는 도 7c의 경우라도, 액정패널측에 가까운 쪽에 제 1렌즈 어레이의 셀렌즈의 결상위치를 설치하면, 발산각(θ3) 이상의 빛에서는, 의연하게 영역A의 빛은 편광변환소자(60)를 통과할 수 없게 된다.

이와 같이 제 1렌즈 어레이를 통과하는 일부의 광속만을 이용한 조명광학계에서는, 액정표시패널 상에서의 조명도 얼룩이나, 제 1편광성분의 액정표시패널측에 배치되는 다이크로익 미러에의 입사광선의 치우침에 의해, 액정표시패널 상에서의 색얼룩을 발생한다. 따라서 유효하게 이용할 수 있는 광속은, 제 1렌즈 어레이전면을 통과하고 편광변환소자 및 제 2렌즈 어레이를 통과할 수 있는 광속이다.

도 1은 종래의 투사형 표시장치의 광학소자의 배치를 설명하는 도면이다.

도 2는 광원을 표시패널에 조사할 때의 광학소자의 배치도를 나타낸다.

도 3은 제 1 및 제 2셀렌즈 어레이에 의해 제한되는 광속의 발산각의 설명도이다.

도 4는 제 1 및 제 2셀렌즈의 외형을 나타내는 평면도이다.

도 5는 제 1 및 제 2셀렌즈에 의해 제한되는 광속의 설명도이다.

도 6은 편광변환소자와 제 1 및 제 2셀렌즈 어레이의 배치도를 나타낸다.

도 7은 셀렌즈 어레이의 초점위치에 의해 거둬들일 수 없는 빛이 생기는 것을 나타내는 설명도이다.

도 8은 본 발명이 적응 가능한 투사형 텔레비전세트의 개요를 나타내는 사시도이다.

도 9는 투사형 텔레비전세트의 내부구조를 나타내는 측면도이다.

도 10은 투사형 표시장치의 광학소자의 배치의 일예를 나타내는 도면이다.

도 11은 편광변환소자의 내부구조를 광학로에 의해 나타낸 모식도이다.

도 12는 광원에서 제 1, 제 2셀렌즈 어레이 및 편광변환소자의 각 개구를 통과할 수 있는 광속을 거둬들일 수 있을 때의 발산각의 설명도이다.

도 13은 편광변환소자가 제 2렌즈 어레이의 액정표시패널 측에 위치하고 있을 때의 조명장치의 설명도이다.

도 14는 다이크로익프리즘의 다른 실시예를 나타내는 평면도이다.

도 15는 영상을 직접 스크린에 투영하는 프론타입의 표시장치의 모식도이다.

도 16은 본 발명의 투사형 표시장치가 되는 다른 실시예의 광학배치도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호설명

21. 제 1렌즈 어레이 23. 제 2렌즈 어레이

47. 콘덴서 렌즈 49. 액정표시패널

본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 이룩된 것으로, 예를 들면 액정패널 등의 표시디바이스에 대해서 효율좋게 빛을 조사하는 광학계를 실현하는 것이다.

본 발명의 조명장치에서는, 표시장치를 형성하는 광변조소자에는 광원으로부터의 광속이 조명용의 광학장치를 거쳐서 조사하도록 되어 있다.

이 조명용의 광학장치의 제 1광학블록은, 제 1렌즈 어레이를 포함하고 있다.

이 제 1렌즈 어레이는, 광변조소자에 대해서 거의 서로 닮은형상을 가지는 복수의 셀렌즈를 가지고 있다.

제 2광학블록은, 제 2렌즈 어레이와 편광변환소자를 가지고 있다. 이 제 2렌즈 어레이는, 복수의 셀렌즈를 가지고 있고, 제 1광학블록의 제 1렌즈 어레이에 대응하고 있다.

제 2광학블록의 제 1집광성분은, 제 2렌즈 어레이를 통과한 광속을 광변조소자측으로 향하여 집광하는 것이다.

제 2집광성분은, 제 2광학블록에서 사출된 광속을 소정의 위치에 결상시키기 위해, 광변조소자의 근방에 배치되어 있다.

이 경우에, 제 1렌즈 어레이의 결상위치(f)는 상기 편광변환소자에 의해 분리되는 P편광과 S편광의 각각의 광로중, 짧은 쪽의 광로길이를 S, 긴 쪽의 광로길이를 L로 하였을 때

S〈 f〈 L

를 만족하도록 설정되어 있다. 이것에 의해, 상술한 바와 같은 광학계에 있어서 최대한의 발산각의 거둬들임이 가능하게 되고, S광로와 P광로의 거둬들임 발산각의 차이도 작게할 수 있고, 광원에서 사출되는 광속을 유효하게 이용할 수 있다.

(실시예)

이하, 본 발명의 적절한 실시의 형태를 첨부도면에 의거하여 상세히 설명한다. 또한, 이하에 기술하는 실시의 형태는, 본 발명의 적절한 구체예이기 때문에, 기술적으로 바람직한 여러가지의 한정이 붙어 있으나, 본 발명의 범위는, 이하의 설명에 있어서 특히 본 발명을 한정하는 뜻의 기재가 없는 한, 이들의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 8은, 본 발명의 광학장치의 바람직한 실시의 형태를 가지는 투사형 표시장치를 갖추는 투사형 텔레비전세트(100)를 나타내는 외관도이고, 도 9는 도 8의 투사형 표시장치(1)를 갖추는 액정방식의 배면투사형 텔레비전세트 내부를 나타내고 있고, 액정프로젝터장치라고도 한다.

먼저, 이 텔레비전세트(100)의 개략의 구조에 대해서 설명하면, 도 8 및 도 9에 있어서, 텔레비전세트(100)는 캐비넷(101), 스크린(102), 미러(103), 그리고 투사형 표시장치(1)를 내장하고 있다.

투사형 표시장치(1)가 광원(3)의 빛을 이용하여 투사하고자 하는 투사광(5)은, 미러(103)로 반사하여, 스크린(102)의 배면(104)에서 투사하도록 되어 있다.

스크린(102)에 투사된 영상은, 사용자가 스크린(102)에 있어서 컬러영상 혹은 흑백영상으로서 볼 수 있다.

이하의 실시의 형태에 있어서는, 스크린(102)에 있어서 컬러영상이 표시할 수 있는 것에 대해서 설명한다.

투사형 표시장치(1)는, 도 10에 나타내는 바와 같이 광원(3) 및 투사렌즈(13)를 가지고 있다. 광원(3)과 투사렌즈(13)는, 광학장치(11) 본체에 착탈 가능하게 부착되어 있다.

광원(3)은, 예를 들면 방물면형의 반사경(3a)과 램프(3b)를 가지고 있다. 이 램프(3b)는 메탈 할라이드램프 혹은 할로겐램프 등을 이용할 수 있다. 한편, 투사렌즈(13)는, 광학장치(11)에서 인도되는 합성광(컬러화상광)을, 도 9의 스크린(102)의 배면(104)에 대해서 포커스 조정할 수 있는 기구를 가지고 있다.

다음에, 도 10에 따라서 광학장치(11) 중의 광학계에 대해서 설명한다.

광원(3)의 근처에는, 필터(5), 제 1광학블록(1)과 제 2광학블록(2)이 배치되어 있다. 이들의 필터(5), 제 1광학블록(1)과 제 2광학블록(2)은, 광원(3)에서 나오는 빛(광속)(LP)의 광축(OP)에 관해서 직교하여 서로 평행하게 배치되어 있다.

제 1광학블록(1)의 제 1렌즈 어레이(21)와 제 2광학블록(2)의 제 2렌즈 어레이(23)는, 예를 들면 직사각 형상의 다수의 렌즈가 평면적으로 집합한 것이며, 필터(5)를 통과하여 온 빛(LP)을 평균화하여, 액정표시패널(45, 49, 53)측에 조사광을 공급하고, 투사렌즈(13)에 보낸다. 제 2광학블록(2)의 편광변환소자(60)는 광원에서 사출되는 랜덤한 편광의 광속을 단일의 편광방향의 광속으로 변환하기 위한 것이다.

필터(5), 제 1광학블록(1)과 제 2광학블록(2)을 통과한 빛(L)은, 앞에서도 기술한 바와 같이 적색광(R), 녹색광(G), 그리고 청색광(B)을 포함하고 있으나, 다음에 설명하는 광학계에 의해, 빛(L)은 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)에 분할된 후에, 소정의 광변조가 부여되어서 재차 이들 삼원색이 구성됨으로써, 투사렌즈(13)측에 컬러화상광인 합성광(13A)을 합성하도록 되어 있다.

직진하는 광축(OP)에 따라서, 다이크로익 미러(14, 27), 릴레이 렌즈(29), 미러(31)가 배열되어 있다. 이 광축(OP)과 직교하는 방향의 별도의 광축에 따라서는, 다이크로익 미러(14)에 대응하여 미러(15)가 배열되어 있다. 그리고 콘덴서 렌즈(제 2집광성분)(51) 및 광변조소자로서의 액정표시패널(53)이 배치되어 있다.

다이크로익 미러(27)에 대응하여 콘덴서 렌즈(제 2집광성분)(47)와, 광변조소자로서의 액정표시패널(49)이 배치되어 있다.

미러(31)에 대응하여 릴레이 렌즈(33)와, 미러(35)가 배치되어 있다. 그리고, 콘덴서 렌즈(제 2집광성분)(43), 그리고 광변조소자로서의 액정표시패널(45)이 배치되어 있다.

이들의 액정표시패널(53, 49, 45)에 대응하여, 다이크로익 프리즘(광합성부재, 또는 합성광학소자 혹은 클로스 프리즘이라고도 부른다)(41)이 배치되어 있다. 이 다이크로익 프리즘(41)에 대응하여 투사렌즈(13)가 위치하고 있다.

다이크로익 미러(14, 27)는, 파장에 따라서 빛을 반사하는 광반사특성 및 빛을 투과하는 광투과특성을 가지는 미러이다.

도 3의 빛(L)의 적색광(R)은, 다이크로익 미러(14)에서 반사되어서 미러(15)측에 보내지는 동시에, 빛(L)의 녹색광(G)과 청색광(B)은 다이크로익 미러(14)를 투과하여, 다이크로익 미러(27)측에 보내진다. 녹색광(G)은, 이 다이크로익 미러(27)에서 반사되어서, 콘덴서 렌즈(47) 및 액정표시패널(49)에 보내진다. 청색광(B)은, 다이크로익 미러(27)를 통과하고, 릴레이 렌즈(29)를 통과해서 미러(31)에서 반사되고, 그리고 릴레이렌즈(33)를 통과하여 미러(35)에서 반사됨으로써, 콘덴서렌즈(43)와 액정표시패널(45)을 통과한다.

미러(15)에서 반사된 적색광(R)은, 콘덴서 렌즈(51) 및 액정표시패널(53)을 통과하여 다이크로익 프리즘(41)에 공급된다.

다음에, 도 10에 나타내는 다이크로익 프리즘(41)에 대해서 설명한다. 이 다이크로익 프리즘(41)은, 적색광(R), 청색광(B), 적색광(G)을 합성하여, 합성광(13A)을 만드는 프리즘이다. 이 다이크로익 프리즘(41)은, 4개의 단면 삼각형상의 프리즘(41A, 41B, 41C, 41D)를 접착제로 첩합하여서 형성된 프리즘이다. 각 프리즘(41A, 41B, 41C, 41D)의 하나의 면 혹은 2개의 면에는, 소정의 광투과특성 및 광반사특성을 가지는 광학박막(41a, 41b)가 형성되어 있다. 이와 같은 미리 정해진 광투과특성 및 광반사특성을 가지는 광학박막(광학다층막)(41a 과 41b)은, 프리즘(41A, 41B, 41C, 41D)의 접착하고자 하는 면에 대해서 형성되어 있다.

이 다이크로익 프리즘(41)의 각 프리즘(41A-41D)는, 플라스틱 혹은 유리에 의해 단면 삼각형상으로 만들어져 있다.

다음에, 도 10에 있어서 광원(3)의 램프(3b)가 발생하는 빛(LP)이 스크린(102)에 도달하기까지의 경로를 간단하게 설명한다.

램프(3b)가 발생하는 빛(LP)은, 필터(5)를 통과하여 불요광선(적외와 자외선)이 제거되어서 빛(L)이 된다. 이 빛(L)중의 적색광(R)은, 다이크로익 미러(14)에서 반사되어서, 미러(15)에서 반사한 후에, 콘덴서 렌즈(51) 및 액정표시패널(53)을 통과하여, 다이크로익 프리즘(41)의 광학박막(41a)에서 반사된다.

한편, 빛(L)중의 녹색광(G)과 청색광(B)은, 다이크로익 미러(14)를 통과하고, 그중의 녹색광(G)이 다이크로익 미러(27)에서 반사되어서 콘덴서 렌즈(47), 액정표시패널(49)을 통과하고 다이크로익 프리즘(41)의 광학박막(41a, 41b)을 투과한다.

다이크로익 미러(27)를 통과한 청색광(B)은, 릴레이 렌즈(29)를 통과하고 미러(31)에서 반사되어서, 릴레이렌즈(33)를 통하고 다시 미러(35)에서 반사한다. 이 청색광(B)은, 콘덴서 렌즈(43) 및 액정표시패널(45)을 통과하여, 다이크로익 프리즘(41)의 광학박막(41b)에서 반사한다.

이와 같이, 다이크로익 프리즘(41)에 집합한 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)은 광학박막(41a, 41b)의 광투과특성과 광반사특성에 의해 합성되어서, 합성광(13A)으로서 액정표시패널(53, 49, 45)이 표시하고 있는 화상의 정보를 투사렌즈(13)의 투사렌즈에서 투사스크린(102)의 배면에 확대 투사된다.

도 11a는 본 발명에서 채용할 수 있는 편광변환소자(60)의 개요를 나타낸 것이며, 제 1렌즈 어레이의 하나의 셀렌즈(21a)를 통과한 빛에 대응하는 부분의 구성만을 나타내고 있다.

이 도면에 있어서 편광변환소자(60)는, 광원에서 조사된 무편광의 빛(랜덤광) 중에서 P편광파성분을 투과하고, S편광성분을 반사하는 편광빔 스플리터(61)와, 반사된 S편광성분을 반사하는 반사면(62), 이 반사면(62)에서 반사된 S편광성분을 P편광성분으로 변환하는 1/2λ판(63)을 갖추고 있다.

또한, 도 11b의 경우는 편광프리즘의 대신에 빔스플리터(61), 반사판(62), 1/2λ판이 판형의 광학소재에 의해 기하학적으로 형성되어 있고, 판형의 부재로 구성됨으로써, 편광소자를 저코스트화 할 수 있도록 한 것으로, 본질적으로 (a)의 경우와 동일한 편광변환처리를 행하는 것이다.

도 12는 본 발명의 조명장치에 있어서, 채용되고 있는 제 1렌즈 어레이의 하나의 셀렌즈의 초점위치를 설명하는 개요도이다.

이 도면에 있어서, 부호(21a)는 제 1렌즈 어레이의 1개의 셀렌즈를 나타내고, 부호(23a)는 제 2렌즈 어레이의 1개의 셀렌즈를 나타낸다.

부호(60)는 상기 도 11에 나타낸 바와 같이, 편광변환소자(60)의 각 부의 개구위치를 나타내고, 입사개구위치(x)와, 출사개구위치(y)와 상기 편광변환소자에서 기술하였을 때의 반사판(62)의 입사개구위치(z)를 편의적으로 나타내고 있다.

예를 들면, 도 12a와 같이 가장 제 1렌즈 어레이측에 있는 개구(x)상에 제 1렌즈 어레이(21a)의 결상위치(f)를 설정하면, 편광변환소자(60) 및 제 2렌즈 어레이(23a)를 통과할 수 있는 최대 발산각(θ1)의 광속이 결상하는 위치는, 도 12a에 나타내는 바와 같이 제 1렌즈 어레이(21a)의 셀렌즈개구의 최하단(p1)과, 가장 액정표시소자측에 위치하는 개구(y)의 최상단(pA)을 연결한 광선(A)과, 가장 제 1렌즈 어레이측에 있는 개구위치(x)의 교차점(Ps)이 된다.

그리고, 이 교차점(Ps)과 제 1렌즈 어레이(21a)의 셀렌즈의 중심을 연결한 광선(S)과, 광축이 이루는 각(θ1)이 이 경우의 최대 거둬들임 발산각(θ1)이 된다.

또한, 가장 액정표시소자측에 위치하는 개구의 위치(y)에 제 1렌즈 어레이의 결상위치(f)를 설정하면, 편광변환소자 및 제 2렌즈 어레이를 통과할 수 있는 최대 발산각의 광속이 결상하는 위치는, 도 12b에 나타내는 바와 같이 제 1렌즈 어레이의 셀렌즈개구의 최상단(P2)과 가장 제 1렌즈 어레이측에 있는 개구의 위치(x)의 최상단(P2)을 연결한 광선(B)과, 이 선의 연장선 상에 있는 가장 액정표시소자측에 위치하는 개구위치(y)의 교차점(PL)이 된다. 그리고 이 교차점(PL)과 제 1렌즈 어레이의 셀렌즈(21a)의 중심을 연결한 광선(L)과, 광축이 이루는 각(θ2)이 이 경우의 최대 거궈들임 발산각(θ2)이 된다.

이상에서, 도 12c에 나타내는 바와 같이, 이와 같은 구성에 있어서 가장 큰 발산각(θ3)을 거둬들이기 위해서는, 상기 광선(A)과 광선(B)의 교차점에 제 1렌즈 어레이의 셀렌즈(21a)의 결상위치(f)를 설정하는 일이 소망스럽다. 이 제1렌즈 어레이의 결상위치(f)는, 상기 편광변환소자(60)에 의해 분리되는 P편광과 S편광의 각각의 광로중, 짧은 쪽의 광로길이를 S, 긴 쪽의 광로길이를 L로 하였을 때

S〈 f〈 L

의 범위내가 된다.

도 13은, 상기 실시예가 편광변환소자(60)를 제 2렌즈 어레이(23a)의 광원측에 설치한데 대해서, 편광변환소자(60)를 광변조소자가 되는 액정패널(49)측에 설치한 경우를 나타낸다.

즉, 제 2광학블록(2)이 2장으로 분할되어 있는 렌즈어레이(23a 와 23f)에 의해 구성되어 있고, 그 중간에 편광변환소자(60)가 설치되어 있는 경우를 나타낸다.

이와 같은 광학계는, 도 12의 나타내는 바와 같이 제 2렌즈 어레이를 점선으로 나타내는 위치에 배치하고, 이 렌즈어레이(23)의 집광면(23f)이 편광변환소자(60)의 출구측에 위치하게 되는바, 이 경우에 있어서도 광원(3)에서 출사된 빛은, 제 1광학블록(1)을 형성하는 제 1렌즈 어레이(21)의 결상위치가

S〈 f〈 L

가 되도록 설정되어 있으면, 도 12에서 설명한 바와 같이 제 1 및 제 2광학블록을 통과하고, 또한 편광변환소자를 통과할 수 있는 광원의 발산각(θ)이 최대 되도 거둬들일 수 있게 된다.

도 14는 본 발명의 다이크로익 프리즘(41)의 다른 실시예를 나타낸 것이다.

이 도면에서 도 10에서 나타낸 다이크로익 프리즘의 부분과, 동일의 부호는 동일의 부재를 가지는 것이다.

이와 같은 색합성 프리즘을 사용하여도 본 발명의 본질적인 효과에 어떠한 변경을 부여하는 것은 아니다.

그런데, 본 발명은 상기 실시의 형태에 한정되지 않는다.

상술한 실시의 형태에서는, 액정표시패널을 3매 이용한 소위 3판식이라고 불리는, 특히 배면투사형의 표시장치의 예를 나타내고 있다. 그러나 이것에 한하지 않고, 액정표시패널을 1매밖에 이용하지 않는 소위 단판식의 것 등에도 채용할 수 있다.

또 라이트밸브 혹은 광변조소자는, 액정표시패널에 한하지 않고 다른 종류의 표시패널을 이용할 수도 있다.

또, 도 15와 같은 소위 스크린(102)의 전면측으로부터 투사형 표시장치(1)에서 직접 스크린에 투사하는 프론트 프로젝터라고 불리는 방식의 프로젝터 등에도,본 발명은 적용할 수 있다.

도 16은 본 발명의 표시장치로서의 다른 예를 나타낸 것으로, 도 10과 동일부분은 동일부호로 하고, 그 상세한 설명을 생략한다. 이 도면에 있어서는, 색합성프리즘이 도 14에서 나타낸 바와 같은 다이크로익 프리즘구성의 것이 사용되고 있는 외에, 편광변환소자(60)로서 도 11b에 나타내는 바와 같은 판형의 편광판을 사용하는 경우를 나타내고 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 편광변환소자 등을 사용하여 효율적으로 액정표시패널에 조사되는 빛을 형성하는 것같은 조명계에 있어서, 광원측에 배치되어 있는 제 1렌즈 어레이의 초점위치를 S〈 f〈 L가 되도록 설정함으로써, 광원으로부터의 발산각을 크게 할 수 있고, 광량의 로스나 광량의 불균일을 방지하고, 균일한 결상성능을 얻을 수 있다는 효과를 나타낸다.

Claims (6)

1. 광원과, 이 광원으로부터의 광속이 조사되는 복수의 셀렌즈를 가지는 제 1렌즈 어레이와,

   상기 제 1렌즈 어레이에 대응하고, 복수의 셀렌즈를 가지는 제 2렌즈 어레이와,

   상기 제 2렌즈 어레이의 광원측에 인접하여 배치된 편광변환소자와,

   상기 편광변환소자가 광로를 구부림으로써 생기고, 상기 제 1렌즈 어레이에서 상기 제 2렌즈 어레이까지의 광로길이중, 긴 쪽의 광로 길이를 L, 짧은 쪽의 광로 길이를 S, 상기 제 1렌즈 어레이의 셀렌즈의 결상위치를 f로 하였을 때,

   S〈 f〈 L

   를 만족하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
2. 광원과, 이 광원으로부터의 광속이 조사되는 복수의 셀렌즈를 가지는 제 1렌즈 어레이와,

   상기 제 1렌즈 어레이에 대응하고, 복수의 셀렌즈를 가지는 제 2렌즈 어레이와,

   상기 제 2렌즈 어레이의 광원측과 반대방향측에 인접하여 배치된 편광변환소자와,

   상기 편광변환소자가 광로를 구부림으로써 생기고, 상기 제 1렌즈 어레이에서 상기 편광변환소자의 사출면까지의 광로 길이중, 긴 쪽의 광로 길이를 L, 짧은 쪽의 광로 길이를 S, 상기 제 1렌즈 어레이의 셀렌즈의 결상위치를 f로 하였을 때,

   S〈 f〈 L

   를 만족하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
3. 제 1항 1 또는 제 2항에 있어서,

   상기 복수의 셀렌즈는, 광변환소자와 서로 닮은 형상으로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 조명장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 편광변환소자가 프리즘형의 편광빔 스플리터와 단면이 삼각형의 프리즘형의 미러와 1/2파장판으로 구성된 것을 특징으로 하는 조명장치.
5. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,

   상기 편광변환소자가 판형의 편광빔 스플리터와 미러판과 1/2파장판으로 구성된 것을 특징으로 하는 조명장치.
6. 상기 제 1항 또는 제 2항의 기재의 조명장치에서 출력되는 빛을 3원색으로 분리하고, 각 원색광을 각각 영상신호에 의해 변조하는 광변조소자를 거쳐서 스크린에 투영하는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.