KR20060037389A - 2차원 화상 형성 장치 - Google Patents

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KR20060037389A
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겐이치 가사즈미
기미노리 미즈우치
가즈히사 야마모토
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마츠시타 덴끼 산교 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명의 2차원 화상 형성 장치는, 레이저 광원(1a~1c)과, 광을 확산하는 확산판(6a~6c)과, 상기 레이저 광원(1a~1c)으로부터의 광을 상기 확산판(6a~6c)에 조사하는 조명 광학계와, 상기 확산판(6a~6c)을 요동하는 확산판 요동부(13a~13c)와, 상기 확산판(6a~6c)에 근접하게 설치되고, 해당 확산판(6a~6c)에 의해 확산된, 상기 레이저 광원(1a~1c)으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자(7a~7c)를 구비하되, 확산판(6a~6c)을, 확산판 요동부(13a~13c)에 의해, 확산판의 입자 사이즈 d와 확산판(6a~6c)의 요동 속도 V 사이에 성립하는 V>d×30(밀리미터/초)의 관계를 만족하는 속도로 요동시키는 것으로서, 이에 의해, 스크린(11) 위에 투영되는 화상에 존재하는 스펙클 노이즈(speckle noise)를 유효하게 저감할 수 있는 것이다.

Description

2차원 화상 형성 장치{TWO-DIMENSIONAL IMAGE FORMING APPARATUS}
본 발명은 2차원 화상 형성 장치에 관한 것으로, 텔레비전 수상기, 영상 프로젝터 등의 화상 표시 장치나, 반도체 노광 장치 등의 화상 형성 장치에 관한 것이다.
도 7은 종래의 레이저 디스플레이의 개략적인 구성을 나타내는 도면이다.
이 레이저 디스플레이(100)는 RGB 3색에 대응하는 레이저 광원(101a~101c)과, 레이저 광원(101a~101c)으로부터 출력된 레이저광 La~Lc을 입력 영상 신호의 원색 신호 Sa~Sc에 따라서 강도 변조하는 광변조기(106a~106c)를 갖고 있다. 레이저 디스플레이(100)는 광변조기(106a)에서 변조된 레이저광 La를 반사하는 미러(103)와, 광변조기(106b)에서 변조된 레이저광 Lb와 미러(103)에서 반사된 레이저광 La를 합파하는 다이클로익 미러(102a)와, 광변조기(106b)에서 변조된 레이저광 Lb와 다이클로익 미러(102a)로부터의 레이저광을 합파하는 다이클로익 미러(102b)를 갖고 있다. 또한, 이 레이저 디스플레이(100)는 다이클로익 미러(102b)에서 합파된 레이저광을 집광하는 집광 렌즈(107)와, 해당 집광 렌즈(107)에 의해 집광된 레이저광을 x방향으로 주사하는 폴리곤 스캐너(104)와, 폴리곤 스캐너(104)로부터의 광을 스크린(108) 위에 2차원의 화상이 형성되도록 y방향으로 주사하는 갈바노 스캐너(105)를 갖고 있다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
RGB 3색에 대응하는 레이저 광원(101a~101c)으로부터의 레이저광 La~Lc는 입력 영상 신호의 각 원색 신호 Sa~Sc에 따라서 광변조기(106a~106c)에서 강도 변조되고, 미러(103) 및 다이클로익 미러(102a, 102b)로 이루어지는 광학계에서 합파된다. 또한, 집광 렌즈(107)에 의해 집광된 레이저광은 폴리곤 스캐너(104)에 의해서 x방향으로, 갈바노 스캐너(105)에 의해서 y방향으로 주사되어, 스크린(108) 위에 2차원의 화상이 표시된다.
이상과 같이, 종래의 레이저 디스플레이(100)에서는, RGB 각각의 레이저 광원(101a~101c)으로부터 조사되는 광이 단색광이기 때문에, 적당한 파장의 레이저 광원을 이용함으로써, 색순도가 높고, 선명한 화상의 표시가 가능해진다.
그런데, 이러한 종래의 레이저 디스플레이에서는, 광원에 간섭성이 높은 광을 출력하는 레이저 광원을 이용하고 있기 때문에, 이른바 스펙클 노이즈(speckle noise)가 발생한다고 하는 문제가 있다. 이 스펙클 노이즈는, 레이저광이 스크린(108)에서 산란될 때, 스크린(108) 위의 각 부분에서 산란된 산란광끼리가 간섭하는 것에 의해서 발생하는 미세한 노이즈이다.
이러한 스펙클 노이즈를 제거하는 방법은, 예를 들면, 일본 특허 공개 평성 제7-297111호 공보에 개시되어 있으며, 이 공보에는 집광 광학계의 광로 위에 확산 판을 배치하고, 이 확산판을 회전시키는 것에 의해 상기 스펙클 노이즈를 제거하는 방법이 기재되어 있다.
그런데, 확산판을 회전시키기 위한 기구에 의해 장치 규모가 커지고, 또한, 확산판에서 산란되는 광의 손실에 의해, 스크린 위에 표시되는 화상의 밝기가 저하하는 등의 문제가 있었다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 스펙클 노이즈에 따른 화상의 열화를 확산판에 의해, 장치 규모를 그다지 크게 하는 일 없이 방지하고, 또한, 확산판에 의해 산란되는 광의 손실을 효과적으로 억제하여, 밝은 화상 표시를 할 수 있는 2차원 화상 형성 장치를 얻는 것을 목적으로 한다.
발명의 개시
본 발명의 청구범위 제 1 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 광변조에 의해 2차원 화상을 형성하는 장치로서, 코히런트 광원과, 광을 확산하는 확산판과, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 확산판에 조사하는 조명 광학계와, 상기 확산판을 요동하는 확산판 요동부와, 상기 확산판에 근접하게 설치되고, 해당 확산판에 의해 확산된, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자를 구비하되, 상기 확산판 요동부는, 상기 확산판의 입자 사이즈 d와, 상기 확산판을 요동하는 속도 V 사이에 성립하는 다음식, V>d×30(밀리미터/초)을 만족하는 속도로, 상기 확산판을 요동하는 것이다.
이에 의해, 스크린 위에 투영되는 화상에 존재하는 스펙클 노이즈를 저감할 수 있어, 고품질의 화상 표시가 가능해진다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 2 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 광변조에 의해 2차원 화상을 형성하는 장치로서, 코히런트 광원과, 광을 확산하는 확산판과, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 확산판에 조사하는 조명 광학계와, 상기 확산판에 근접하게 설치되고, 해당 확산판에 의해 확산된, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자와, 상기 공간광 변조 소자에서의 광변조에 의해 얻어진 상을 공간 위의 소정의 면에 투사하는 투사 렌즈를 구비하되, 상기 확산판은 그 확산각을 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수와, 상기 투사 렌즈의 밝기에 근거하여 결정한 것이다.
이에 의해, 확산판의 확산각, 조명 광학계의 실질적인 개구수, 투사 렌즈의 밝기가 적절한 관계로 되어, 투사 렌즈에서의 케라레에 의한 광량 손실을 방지하여, 밝은 화상 표시가 가능하다고 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 3 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 청구범위 제 2 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치에 있어서, 상기 확산판의 확산각 θ와, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin과, 상기 투사 렌즈의 밝기 f 사이에, θ/2+Sin-1(NAin)<2×Tan-1(1/2f)로 되는 관계가 성립하는 것이다.
이에 의해, 투사 렌즈에서의 케라레에 의한 광량 손실을 방지하여, 밝은 화상 표시를 실현할 수 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 4 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 광변 조에 의해 2차원 화상을 형성하는 장치로서, 코히런트 광원과, 광을 확산하는 확산판과, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 확산판에 조사하는 조명 광학계와, 상기 확산판에 근접하게 설치되고, 해당 확산판에 의해 확산된, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자와, 상기 공간광 변조 소자에서의 광변조에 의해 얻어진 상을 공간 위의 소정의 면에 투사하는 투사 렌즈를 구비하되, 상기 공간광 변조 소자와 상기 확산판은, 상기 확산판의 확산각과, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수와, 상기 공간광 변조 소자의 대각 방향의 화면 사이즈에 근거하여 결정한 거리만큼 떨어져서 배치되어 있는 것이다.
이에 의해, 확산판의 확산각, 조명 광학계의 실질적인 개구수, 공간광 변조 소자의 대각 방향의 화면 사이즈가 적절한 관계로 되어, 확산판에 의해 공간광 변조 소자의 화상 표시 부분의 외측으로까지 광이 산란되는 것을 방지하여, 코히런트 광원으로부터 스크린에 이르는 광전달 경로에서의 전체적인 광량 손실을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 5 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 청구범위 제 4 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치에 있어서, 상기 확산판의 확산각 θ와, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin과, 상기 공간광 변조 소자와 상기 확산판 사이의 거리 L과, 상기 공간광 변조 소자의 대각 방향의 화면 사이즈 D 사이에, (θ/2+Sin-1(NAin))×L<D/3의 관계가 성립하는 것이다.
이에 의해, 코히런트 광원으로부터 스크린에 이르는 광전달 경로에서의 전체 적인 광량 손실을 저감시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 6 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 광변조에 의해 2차원 화상을 형성하는 장치로서, 코히런트 광원과, 광을 확산하는 확산판과, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 확산판에 조사하는 조명 광학계와, 상기 확산판에 근접하게 설치되고, 해당 확산판에 의해 확산된, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자와, 상기 공간광 변조 소자의 상을 공간 위의 소정의 면에 투사하는 투사 렌즈를 구비하되, 상기 공간광 변조 소자와 상기 확산판은, 상기 확산판의 투과율 얼룩의 피치와, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수에 근거하여 결정한 거리만큼 떨어져서 배치되어 있는 것이다.
이에 의해, 확산판의 확산각, 확산판의 투과율 얼룩의 피치, 조명 광학계의 실질적인 개구수, 확산판과 공간광 변조 소자와의 거리가 적절한 관계로 되어, 확산판의 국소적인 투과율 얼룩에 의한 화상의 열화를 방지하여, 고품질의 화상 표시가 가능하게 된다고 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 7 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 청구범위 제 6 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치에 있어서, 상기 확산판의 투과율 얼룩의 피치 P와, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin과, 상기 공간광 변조 소자와 상기 확산판 사이의 거리 L 사이에, L×NAin>P로 되는 관계가 성립하는 것이다.
이에 의해, 확산판의 국소적인 투과율 얼룩에 의한 화상의 열화를 방지하여, 고품질의 화상 표시가 가능하게 된다고 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 8 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 청구범위 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 기재된 2차원 화상 형성 장치에 있어서, 상기 조명 광학계는 광 인티그레이터(integrator)를 포함하는 것이다.
이에 의해, 공간광 변조 소자 위에서의 균일한 조명을 실현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 9 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 청구범위 제 8 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치에 있어서, 상기 광 인티그레이터는 적어도 2장의 렌즈 어레이로 이루어지는 것이다.
이에 의해, 명암 얼룩을 없앨 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 10 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 청구범위 제 8 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치에 있어서, 상기 광 인티그레이터는 로드형 광 인티그레이터로 이루어지는 것이다.
이에 의해, 공간광 변조 소자 위에서의 균일한 조명을 간단한 구성에 의해 실현할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 11 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 청구범위 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 하나에 기재된 2차원 화상 형성 장치에 있어서, 상기 확산판은 소망하는 확산각이 얻어지도록 표면이 가공된 유사 랜덤 확산판으로 이루어지는 것이다.
이에 의해, 균일한 확산각과 투과율을 실현하여, 보다 노이즈가 적고, 밝은 화상 표시가 가능하게 된다고 하는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 12 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 청구범위 제 11 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치에 있어서, 상기 유사 랜덤 확산판은, 투명 기판을, 그 표면의 격자 형상으로 구획된 셀 영역을, 인접하는 셀 영역의 높이가 상이하도록 가공하여 이루어지는 것이다.
이에 의해, 확산판을 통과하는 광의 확산각이 셀의 크기에 따라서 엄밀하게 제어할 수 있어, 광이용 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 13 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 청구범위 제 12 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치에 있어서, 상기 투명 기판을 가공하여 이루어지는 유사 랜덤 확산판은, 인접하는 셀 영역의 높이의 차가, 이들 셀 영역을 통과하는 광의 위상이 π/4만큼 어긋나도록 설정한 것이다.
이에 의해, 확산각이 일정해지도록 확산판을 제작할 수 있어, 광이용 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명의 청구범위 제 14 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치는, 청구범위 제 11 항에 기재된 2차원 화상 형성 장치에 있어서, 상기 유사 랜덤 확산판은, 그 표면의 높이가 연속해서 변화되는 요철 표면 형상을 갖는 것이다.
이에 의해, 확산판 표면의 인접하는 요철부 사이에서의 단차에 의해 발생하는 큰 각도로 산란되는 고차의 회절광의 발생을 회피할 수 있어, 투영 렌즈에서의 케라레에 의한 광량의 손실을 없게 하여 광이용 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 2차원 화상 형성 장치를 설명하는 도면,
도 2는 상기 실시예 1의 2차원 화상 형성 장치에서의 조명 광학계를 설명하는 도면,
도 3(a)는 상기 실시예 1의 2차원 화상 형성 장치에서의 조명광의 개구수, 공간광 변조 소자의 출사광의 개구수, 확산판과 공간광 변조 소자 사이의 거리를 나타내는 도면,
도 3(b)는 상기 실시예 1의 2차원 화상 형성 장치에서의 확산판의 확산각을 나타내는 도면,
도 4(a)는 본 발명의 실시예 2에 따른 2차원 화상 형성 장치에서의 조명광의 개구수, 공간광 변조 소자의 출사광의 개구수를 나타내는 도면,
도 4(b)는 상기 실시예 2에 따른 2차원 화상 형성 장치에서의 확산판의 확산각을 나타내는 도면,
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 2차원 화상 형성 장치를 설명하는 도면으로서, 해당 2차원 화상 형성 장치에서 이용하는 유사 랜덤 확산판을 나타내는 도면,
도 6(a)는 본 발명의 실시예 4에 따른 2차원 화상 형성 장치를 설명하는 도면으로서, 해당 2차원 화상 형성 장치에서 이용하는 유사 랜덤 확산판을 설명하는 평면도,
도 6(b)는 상기 실시예 4에 따른 2차원 화상 형성 장치에서 이용하는 유사 랜덤 확산판을 설명하는 단면도,
도 7은 종래의 2차원 화상 형성 장치를 나타내는 개략적인 구성도.
발명을 실시하기 위한 최선의 형태
이하, 본 발명의 실시예를 도면을 참조하면서 설명한다.
(실시예 1)
도 1은 본 발명의 실시예 1에 따른 2차원 화상 형성 장치를 설명하는 개략적인 구성도이다.
도 1에 나타내는 2차원 화상 형성 장치(110)는 코히런트 광원인 RGB 3색의 각 원색 신호에 대응하는 레이저 광원(1a~1c)과, 광을 확산하는 확산판(6a~6c)과, 상기 레이저 광원(1a~1c)으로부터 출력된 레이저광 L1a~L1c를 각각 상기 확산판(6a~6c)에 조사하는 조명 광학계를 갖고 있다. 또한, 2차원 화상 형성 장치(110)는 상기 각 확산판(6a~6c)을 요동하는 확산판 요동부(13a~13c)와, 상기 확산판(6a~6c)에서 확산된 상기 각 레이저 광원(1a~1c)으로부터의 광을 변조하고, 액정 패널 등으로 구성되는 공간광 변조 소자(7a~7c)와, 상기 각 공간광 변조 소자(7a~7c)를 통과한 광을 합파하는 다이클로익 프리즘(9)과, 상기 다이클로익 프리즘(9)에서 합파된 광을 스크린(11) 위에 투사하는 투사 렌즈(10)를 갖고 있다.
여기서, 레이저 광원(1a)은 적색 레이저광 L1a를 출력하는 적색 레이저 광원, 레이저 광원(1b)은 녹색 레이저광 L1b를 출력하는 녹색 레이저 광원, 레이저 광원(1c)은 청색 레이저광 L1c를 출력하는 청색 레이저 광원이다. 또한, 레이저 광원(1a~1c)에는, He-Ne 레이저, He-Cd 레이저, Ar 레이저 등의 기체 레이저, AlGaInP계나 GaN계의 반도체 레이저, 또는 고체 레이저의 출력광을 기본파로 하는 SHG(Second Harmonic Generation) 레이저 등을 이용할 수 있다.
상기 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계는, 상기 레이저 광원(1a)으로부터의 광을 확대하는 빔 익스팬더(2a)와, 상기 빔 익스팬더(2a)에 의해 확대된 광을 이차원적으로 구분하여 확대 투영하는 광 인티그레이터(3a)를 갖고 있다. 또한, 이 광학계는 상기 광 인티그레이터(3a)에 의해 확대 투영된 광을 집광하는 집광 렌즈(12a)와, 집광된 광을 반사하는 미러(15a)와, 해당 미러(15a)로부터의 반사광을 변환하여 확산판(6a)에 조사하는 필드 렌즈(8a)를 갖고 있다. 이 필드 렌즈(8a)는 상기 투사 렌즈(10)의 개구내를 효율적으로 광이 통과하도록, 상기 확산판(6a)을 거쳐서 상기 공간광 변조 소자(7a)에 입사하는 광을 수속빔으로 변환하는 것이다.
상기 녹색 레이저 광원(1b)에 대응하는 조명 광학계는, 상기 레이저 광원(1b)으로부터의 광을 확대하는 빔 익스팬더(2b)와, 상기 빔 익스팬더(2b)에 의해 확대된 광을 이차원적으로 구분하여 확대 투영하는 광 인티그레이터(3b)를 갖고 있다. 또한, 이 광학계는 상기 광 인티그레이터(3b)에 의해 확대 투영된 광을 집광하는 집광 렌즈(12b)와, 집광된 광을 변환하여 확산판(6b)에 조사하는 필드 렌즈(8b)를 갖고 있다. 이 필드 렌즈(8b)는 상기 투사 렌즈(10)의 개구내를 효율적으로 광이 통과하도록, 상기 확산판(6b)을 거쳐서 상기 공간광 변조 소자(7b)에 입사 하는 광을 수속빔으로 변환하는 것이다.
상기 청색 레이저 광원(1c)에 대응하는 조명 광학계는, 상기 레이저 광원(1c)으로부터의 광을 확대하는 빔 익스팬더(2c)와, 상기 빔 익스팬더(2c)에 의해 확대된 광을 이차원적으로 구분하여 확대 투영하는 광 인티그레이터(3c)를 갖고 있다. 또한, 이 광학계는 상기 광 인티그레이터(3c)에 의해 확대 투영된 광을 집광하는 집광 렌즈(12b)와, 집광된 광을 반사하는 미러(15c)와, 해당 미러(15c)로부터의 반사광을 변환하여 확산판(6c)에 조사하는 필드 렌즈(8c)를 갖고 있다. 이 필드 렌즈(8c)는 상기 투사 렌즈(10)의 개구내를 효율적으로 광이 통과하도록, 상기 확산판(6c)을 거쳐서 상기 공간광 변조 소자(7c)에 입사하는 광을 수속빔으로 변환하는 것이다.
다음에, 상기 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계의 원리에 대해서 설명한다.
도 2는 도 1에 나타내는 2차원 화상 형성 장치에서의 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계를 간략화해서 나타내는 모식도이다. 또한, 도면 중 도 1과 동일 부호는 동일한 것을 나타내고, 녹색 레이저 광원(1b)에 대응하는 조명 광학계 및 청색 레이저 광원(1c)에 대응하는 조명 광학계는, 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계와 동일한 구성이다.
빔 익스팬더(2a)는 광원으로부터의 광이 입사하는 확대 렌즈(21)와, 해당 확대 렌즈(21)로부터의 출사광을 평행 광속으로 하는 콜리메이터 렌즈(22)에 의해 이루어진다.
광 인티그레이터 광학계(3a)는 2장의 2차원 렌즈 어레이(4 및 5)로 이루어지는 것이다. 렌즈 어레이(4)는 매트릭스 형상으로 배열된 복수의 소자 렌즈(41)로 이루어지고, 렌즈 어레이(5)는 매트릭스 형상으로 배열된 복수의 소자 렌즈(51)로 이루어진다. 이들 렌즈 어레이(4 및 5)는 공간광 변조 소자측의 소자 렌즈(51)에 의해서, 광원측의 소자 렌즈(41)의 상이 모두 공간광 변조 소자(7a) 위에 결상하도록 각각의 소자 렌즈가 배치되어 있다. 콜리메이터 렌즈(22)로부터의 콜리메이트된 광은, 해당 렌즈 어레이(4) 위의 중앙 부근에서는 밝고, 그 주변에서는 어두워지도록 분포하고 있다. 렌즈 어레이(4 및 5)는 렌즈 어레이(4) 위에 조사되는 광을 렌즈 어레이(4)의 미소 영역에 상당하는 각 소자 렌즈(41)로 잘라내고, 각 소자 렌즈(41)에 의해 잘라낸 광을 모두 공간광 변조 소자(7a) 위에서 중첩시킴으로써, 공간광 변조 소자(7) 위에서의 광강도 분포를 균일하게 하는 것이다.
또한, 상기 확산판 요동부(13a)는 스크린 위에 투영되는 화상에 존재하고 있던 스펙클 노이즈가 저감되도록 확산판(6a)을 요동하는 것으로서, 확산판(6)을 요동시키는 동작 조건 등을 규정하는 것에 의해서, 스펙클 노이즈를 유효하게 저감할 수 있다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
적색 레이저 광원(1a), 녹색 레이저 광원(1b), 청색 레이저 광원(1c)으로부터 출사한 광 L1a~L1c는, 각각 대응하는 조명 광학계를 지나서 확산판(6a~6c)에 입사하여, 확산판(6a~6c)에 의해 확산된다. 해당 각 확산판(6a~6c)에 인접하게 배치된 공간광 변조 소자(7a~7c)는 확산판(6a~6c)에 의해 확산된 레이저광에 의해 조명 되고, 각 공간광 변조 소자(7a~7c) 위에는 2차원 화상이 형성된다. 그리고, 각 공간광 변조 소자(7a~7c)를 통과한 광은 다이클로익 프리즘(9)에 의해 합파되고, 합파된 광은 투사 렌즈(10)에 의해서 스크린(11) 위에 투영된다.
여기서, 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계에서는, 상기 레이저 광원(1a)으로부터의 광이 빔 익스팬더(2a)에 의해 확대되고, 해당 확대된 광은 광 인티그레이터(3a)에 의해 이차원적으로 구분하여 확대 투영된다. 또한, 해당 조명 광학계에서는, 상기 광 인티그레이터(3a)에 의해 확대 투영된 광은 집광 렌즈(12a)에 의해 집광되고, 미러(15a) 및 필드 렌즈(8a)를 지나서 확산판(6a)에 입사한다. 이 때, 상기 필드 렌즈(8a)에서는 상기 투사 렌즈(10)의 개구내를 효율적으로 광이 통과하도록, 상기 확산판을 거쳐서 상기 공간광 변조 소자(7a)에 입사하는 광이 수속빔으로 변환된다.
또한, 녹색 레이저 광원(1b)에 대응하는 조명 광학계에서는, 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계와는 상이하게, 집광 렌즈(12b)에 의해 집광된 광이 직접 필드 렌즈(8a)에 입사한다. 청색 레이저 광원(1c)에 대응하는 조명 광학계에서는, 해당 레이저 광원(1c)으로부터 출력된 광이 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계와 전부 마찬가지로 해서 확산판(6c)에 유도된다.
또한, 확산판 요동부(13a~13c)는 변조된 레이저광을 스크린 위에 투영하고 있는 상태에서, 대응하는 확산판(6a~6c)을 각각 요동하도록, 즉 일정 방향으로 왕복 운동하도록 동작시킨다.
이하, 상기 확산판의 동작 조건에 대해서 도 3을 이용하여 설명한다.
도 3(a)는 본 실시예 1의 2차원 화상 형성 장치(110)에서의 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계를 들어서, 조명 광학계의 개구수 NAin, 공간광 변조 소자(7a)의 출사광의 개구수 NAout, 확산판(6a)과 공간광 변조 소자(7a) 사이의 거리 L을 나타내는 도면이다. 도 3(b)는 확산판(6a)의 확산각 θ를 나타내는 도면이다. 이들 도면에서, 도 1과 동일 부호는 동일한 것을 나타내고 있다. 또한, 녹색 레이저 광원(1b)에 대응하는 조명 광학계 및 청색 레이저 광원(1c)에 대응하는 조명 광학계에서도, 확산판의 동작 조건은 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계인 것과 동일하다.
먼저, 확산판(6a~6c)의 요동 속도에 대해서 설명한다.
확산판(6a)을 통과한 광이 공간광 변조 소자(7a) 위에 조사되면, 해당 공간광 변조 소자(7a) 위에는, 확산판(6a)의 입상성에 따른 스펙클 패턴이 형성된다. 스펙클 노이즈는 확산판 요동부(13a)를 이용하여 확산판(6a)을 요동하는 것에 의해 억압된다. 즉, 확산판(6a)의 요동에 의해, 스펙클 패턴이 공간광 변조 소자(7a)에 대하여 평행하게 이동하는 것으로 되어, 관찰 영상중인 스펙클이 평균화된다. 이 때, 확산판(6a)의 요동 속도는 그 입상성으로부터 규정된다. 구체적으로는, 확산판(6a)의 요동 속도는 확산판(6a)의 입상성에 따라 결정되는 입자 사이즈 d, 예를 들면 확산판(6a)의 랜덤한 표면 형상에서의 산과 산 또는 골짜기와 골짜기의 거리 d를, 인간의 눈의 특성인 잔상 시간(약 1/30초) 동안에 이동시킬 수 있는 속도이다. 따라서, 확산판(6a)의 요동 속도 V(밀리미터/초)는,
V>d×30 … (식 1)
의 조건을 만족하면 된다. 구체적으로는, 통상의 확산판(6a)은 입자 사이즈가 5마이크로미터 내지 100마이크로미터인 입상성을 가지기 때문에, 확산판(6a)의 요동 속도는 수백 마이크로미터초마다 내지 수 밀리미터초마다로 하면 된다.
또한, 확산판(6b, 6c)의 요동 속도도 상기 확산판(6a)의 요동 속도와 마찬가지로 설정된다.
다음에, 확산판(6a~6c)의 확산각에 대해서 설명한다.
확산판(6a)의 확산각 θ는 투사 렌즈(10)의 f값에 따라서 제한된다. 즉, 투사 렌즈(10)의 f값에 대하여 1/f라디안을 초과하는 각도로 입사한 광선은 투사 렌즈(10)에서 차광된다. 그 때문에, 충분하게 광의 이용 효율을 확보하기 위해서는, 공간광 변조 소자(7a)의 출사광의 개구수 NAout를 1/f 이하로 할 필요가 있다. 즉, 확산판(6a)의 확산각 θ와, 광 인티그레이터(3a)를 포함하는 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin과, 투사 렌즈(10)의 밝기 f 사이에,
θ/2+Sin-1(NAin)<2×Tan-1(1/2f) … (식 2)
의 관계가 성립하도록 하면 된다. 여기서, 확산각 θ는 확산판에 평행한 광이 입사했을 때의 출사광의 강도가 중심 강도의 1/2로 되는 각도(전각)로 정의된다.
예를 들면, 확산각 θ(θ=10°)의 확산판과 개구수 NAin(NAin=0.1)의 광 인티그레이터를 이용하면, 투사 렌즈(10)는 f5정도인 것으로 된다.
간단히 설명하면, 상기 (식 2)를 변형하면, 이하의 (식 2a)를 얻을 수 있다.
(2×Tan((θ/2+Sin-1(NAin))/2)-1>f … (식 2a)
이 (식 2a)의 좌변의 변수 θ에 10, NAin에 0.1을 대입하면,
(2×tan((5°+Sin-1(0.1))/2))-1=5.7
로 된다. 따라서, 투사 렌즈(10)의 밝기 f는 5정도이면, 상기 (식 2)가 나타내는 관계는 만족된다.
또한, 확산판(6b, 6c)의 확산각도 상기 확산판(6a)의 확산각과 마찬가지로 설정된다.
또한, 확산판(6a)을 효과적으로 이용하기 위해서는, 상술한 바와 같은 확산판(6a)의 요동 속도나 확산각을 규정하는 이외에, 확산판(6a)과 공간광 변조 소자(7a) 사이의 거리를 규정할 필요가 있다. 여기서, 공간광 변조 소자(7a)와 확산판(6a)과의 거리가 커지면, 확산판(6a)에 의해서 산란된 광의 일부가 공간광 변조 소자(7a)의 화상 표시 부분의 외측으로까지 산란되어, 전체적인 광량 손실로 된다. 이 광량 손실을 일정 이하로 억제하기 위해서는, 확산판(6a)과 공간광 변조 소자(7a) 사이의 거리 L은 확산판(6a)의 확산각 θ, 광 인티그레이터(3a)를 포함하는 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin, 확산판(6a)과 공간광 변조 소자(7a) 사이의 거리 L, 및 공간광 변조 소자(7a)의 화상 표시 범위의 대각선의 길이 D 사이에,
(θ/2+NAin)×L<D/3 … (식 3)
의 관계가 성립하도록 설정하면 된다.
또한, 확산판(6a)으로서 표면에 랜덤한 요철 패턴이 형성된 구조인 것을 이용한 경우에는, 국소적인 확산각 및 투과율이 확산판(6a) 위의 장소에 따라서 상이 하다. 이 때문에, 확산판(6a)이 공간광 변조 소자(7a)의 근처에 위치하고 있으면, 이 투과율의 편재에 의해서 공간광 변조 소자(7a) 위에서의 광강도 분포에도 격차가 발생하고, 확산판(6a)의 움직임에 따른 명도의 얼룩의 움직임이 스크린 위에 나타나, 이것이 화상에 중첩되어 버린다. 이를 방지하기 위해서, 확산판(6a)을 공간광 변조 소자(7a)로부터 일정 이상의 거리를 두고서 설치하는 것으로 된다. 확산판(6a)에는, 광 인티그레이터(3a)를 구성하는 렌즈 어레이(5)의 각 소자 렌즈로부터의 광이 각각 상이한 방향으로부터 입사하기 때문에, 확산판(6a)과 공간광 변조 소자(7a) 사이의 거리 L을 충분히 취함으로써, 확산판(6a)에 의해 확산된, 각각의 소자 렌즈로부터의 광에 의한 명도 얼룩이 평균화된다. 즉, 확산판(6a)과 공간광 변조 소자(7a) 사이의 거리 L은 확산판(6a)의 투과율 얼룩의 피치 P와, 광 인티그레이터(3a)의 실질적인 개구수 NAin과, 확산판(6a)과 공간광 변조 소자(7a) 사이의 거리 L 사이에,
L>P/NAin … (식 4)
의 관계가 성립하도록 설정하면 된다.
또한, 확산판(6a)을 보다 효과적으로 이용하기 위해서는, 상기 (식 3) 및 상기 (식 4)로부터, 확산판(6a)과 공간광 변조 소자(7a) 사이의 거리 L이,
P/NAin<L<D/(3×(θ/2+NAin)) … (식 5)
의 관계가 성립하도록 설정하면 된다.
통상의 확산판의 투과율 얼룩의 피치 P는 확산판(6a)의 입상성 d의 10배 이하이므로, 예를 들면, 개구수 0.1의 광 인티그레이터(3a)를 포함하는 조명 광학계 를 이용했을 때에는, 확산판(6a)의 입상성이 5마이크로미터 내지 100마이크로미터이면, 확산판(6a)과 공간광 변조 소자(7a) 사이는 수백 마이크로미터 내지 10밀리미터 이상의 거리를 두면 된다.
또한, 확산판(6b)과 공간광 변조 소자(7b)와의 거리, 및 확산판(6c)과 공간광 변조 소자(7c)와의 거리도, 상기 확산판(6a)과 공간광 변조 소자(7a)와의 거리와 마찬가지로 설정된다.
이와 같이, 본 실시예 1에서는, RGB 3색의 레이저 광원(1a~1c)과, 광을 확산하는 확산판(6a~6c)과, 상기 레이저 광원(1)으로부터의 광을 상기 확산판에 조사하는 조명 광학계와, 상기 확산판(6a~6c)을 요동하는 확산판 요동부(13a~13c)와, 상기 확산판(6a~6c)에 근접하게 설치되고, 해당 확산판(6a~6c)에서 확산된, 상기 레이저 광원(1a~1c)으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자(7a~7c)를 구비하고, 상기 확산판(6a~6c)을 요동시키는 동작 조건 등을 규정하는 것에 의해서, 밝고 또한 노이즈가 없는 고품질의 화상 표시가 가능해진다.
즉, 본 실시예 1에서는, 상기 확산판(6a~6c)의 요동 속도를, 확산판의 입자 사이즈 d와, 확산판(6a~6c)을 요동하는 속도 V 사이에, V>d×30(밀리미터/초)의 관계가 성립하도록 설정했기 때문에, 스크린(11) 위에 투영되는 화상에 존재하는 스펙클 노이즈를 유효하게 저감할 수 있다.
또한, 본 실시예 1에서는, 상기 확산판(6a~6c)의 확산각 θ를, 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin과, 상기 투사 렌즈(10)의 밝기 f에 근거하여 결정하도록 했기 때문에, 확산판의 확산각, 조명 광학계의 실질적인 개구수, 투사 렌즈의 밝기 가 적절한 관계로 되어, 투사 렌즈에서의 케라레에 의한 광량 손실을 방지하여, 밝은 화상 표시가 가능하다.
또한, 본 실시예 1에서는, 상기 공간광 변조 소자(7a~7c)와 상기 확산판(6a~6c) 사이의 거리 L을, 상기 확산판의 확산각 θ와, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin과, 상기 공간광 변조 소자의 대각 방향의 화면 사이즈 D에 근거하여 결정하도록 했기 때문에, 확산판의 확산각, 조명 광학계의 실질적인 개구수, 공간광 변조 소자의 대각 방향의 화면 사이즈가 적절한 관계로 되어, 확산판에 의해 공간광 변조 소자의 화상 표시 부분의 외측으로까지 광이 산란되는 것을 방지하여, 레이저 광원으로부터 스크린에 이르는 광전달 경로에서의 전체적인 광량 손실을 저감시킬 수 있다.
또한, 본 실시예 1에서는, 상기 공간광 변조 소자(7a~7c)와 상기 확산판(6a~6c) 사이의 거리 L을, 상기 확산판의 투과율 얼룩의 피치와, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin에 근거하여 결정하도록 했기 때문에, 확산판의 확산각, 확산판의 투과율 얼룩의 피치, 조명 광학계의 실질적인 개구수, 확산판과 공간광 변조 소자와의 거리가 적절한 관계로 되어, 확산판의 국소적인 투과율 얼룩에 의한 화상의 열화를 방지하여, 고품질의 화상 표시가 가능하다.
또한, 본 실시예 1에서는, 상기 조명 광학계가 광 인티그레이터를 포함하기 때문에, 공간광 변조 소자 위에서의 균일한 조명을 실현 가능하다.
(실시예 2)
도 4(a) 및 도 4(b)는 본 발명의 실시예 2에 따른 2차원 화상 형성 장치를 설명하기 위한 도면으로서, 도 4(a)는 조명광의 개구수 NAin, 및 공간광 변조 소자(7a)의 출사광의 개구수 NAout를 나타내고, 도 4(b)는 확산판(6a)의 확산각 θ를 나타내고 있다. 도면에서, 도 3과 동일 또는 상당하는 구성요소에 대해서는 동일 부호를 이용하고, 그 설명을 생략한다.
본 실시예 2의 2차원 화상 형성 장치(120)의 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계는, 상기 실시예 1의 2차원 화상 형성 장치(110)의 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계의 광 인티그레이터(3a) 및 집광 렌즈(12a) 대신에, 로드형 광 인티그레이터(14a) 및 투영 렌즈(15a)를 갖고 있다.
상기 로드형 광 인티그레이터(14a)는, 예를 들면 유리 등으로 할 수 있는, 직사각형의 단면을 가지는 투명 매체이고, 그 내부에 광을 반사하는 반사면이 형성된 것으로서, 확대 렌즈(21)에 의해 확대된 광을 내부 반사하여, 그 출사측 단면에서는 그 광강도 분포를 균일한 분포로서 출사하는 것이다.
상기 투영 렌즈(15a)는 상기 로드형 광 인티그레이터(14a)로부터의 광을, 그 출사측 단면이 공간광 변조 소자(7a)의 화상 표시 부분에 대하여 일대일로 대응하도록 공간광 변조 소자(7) 위에 투영하는 것이다.
또한, 도시하고 있지 않지만, 본 실시예 2의 2차원 화상 형성 장치(120)의 녹색 레이저 광원(1b) 및 청색 레이저 광원(1c)에 대응하는 조명 광학계는, 이 실시예 2의 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계와 마찬가지로, 상기 실시 예 1의 2차원 화상 형성 장치(110)의 녹색 레이저 광원(1b) 및 청색 레이저 광원(1c)에 대응하는 조명 광학계의 광 인티그레이터(3b, 3c) 및 집광 렌즈(12b, 12c) 대신에, 로드형 광 인티그레이터 및 투영 렌즈를 갖고 있다.
다음에 동작에 대해서 설명한다.
이 실시예 2의 2차원 화상 형성 장치(120)에서도, 실시예 1의 2차원 화상 형성 장치(110)와 마찬가지로, 적색 레이저 광원, 녹색 레이저 광원, 청색 레이저 광원으로부터 출사한 광은 각각 대응하는 조명 광학계를 지나서 확산판에 입사하여, 확산판에 의해 확산된다. 해당 확산판에 의해 확산된 레이저광에 의해 공간광 변조 소자는 조명되고, 각 공간광 변조 소자 위에는 2차원 화상이 형성된다. 그리고, 각 공간광 변조 소자를 통과한 광은 다이클로익 프리즘에 의해 합파되고, 합파된 광은 투사 렌즈에 의해서 스크린 위에 투영된다.
여기서, 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계에서는, 상기 레이저 광원(1a)으로부터의 광은 확대 렌즈(21)를 거쳐서 로드형 광 인티그레이터(14a)에 입사하고, 로드형 광 인티그레이터(14a)내에서 내부 반사를 반복하여, 그 출사측 단면에서는 균일한 광강도 분포로 되어서 출사된다. 출사된 광은 투영 렌즈(15a)에 의해 그 출사측 단면이 공간광 변조 소자(7a)의 화상 표시 부분에 대하여 일대일로 대응하도록 공간광 변조 소자(7a) 위에 투영된다. 이에 의해, 공간광 변조 소자(7a)를 조명하는 광은 그 광강도 분포가 균일한 것으로 된다.
또한, 녹색 레이저 광원에 대응하는 조명 광학계에서는, 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계와는 상이하게, 도 1에 나타내는 바와 같이, 집광 렌 즈(12b)에 의해 집광된 광이 직접 필드 렌즈(8a)에 입사한다. 청색 레이저 광원(1c)에 대응하는 조명 광학계에서는, 해당 레이저 광원(1c)으로부터 출력된 광이 적색 레이저 광원(1a)에 대응하는 조명 광학계와 전부 마찬가지로 해서 확산판(6c)에 유도된다.
이와 같이 본 실시예 2에서는, 상기 확산판(6a~6c)을 요동시키는 동작 조건 등을 규정하는 것에 의해서, 밝고 또한 노이즈가 없는 고품질의 화상 표시가 가능해진다.
또한, 이 실시예 2에서는, 조명 광학계를, 실시예 1의 2장의 2차원 렌즈 어레이(4 및 5)로 이루어지는 광 인티그레이터를 대신하여, 직사각형의 단면을 가지는 유리 등의 투명 매체로 이루어지는 로드형 광 인티그레이터를 포함하는 것으로 했기 때문에, 공간광 변조 소자 위에서의 균일한 조명을 간단한 구성에 의해 실현할 수 있는 효과가 있다.
(실시예 3)
도 5는 본 발명의 실시예 3에 따른 2차원 화상 형성 장치를 설명하기 위한 도면으로서, 해당 2차원 화상 형성 장치를 구성하는 확산판을 나타내고 있다.
상기 실시예 1, 2와 상이한 점은, 상기 실시예 1, 2에서는, 확산판으로서 표면에 랜덤한 요철 형상을 가지는 불투명 유리 형상의 확산판을 이용하고 있지만, 본 실시예 3에서는, 표면이 규칙적인 요철 형상을 가지는 유사 랜덤 확산판(18)을 이용하고 있는 점이다.
실시예 1 및 2의 확산판은 통상, 유리나 수지 등의 투명 기판 표면을 랜덤하게 거칠게 만드는 것에 의해서 제작되는 것인 데 반하여, 실시예 3의 유사 랜덤 확산판(18)은 투명 기판의 표면을 격자 형상으로 구분하여, 구분된 각 소영역을 그 높이가 인접하는 소영역의 높이와 상이하도록 가공하고, 그 표면 영역에 요철을 형성한 것이다. 즉, 이 유사 랜덤 확산판(18)의 표면은 2차원의 격자 형상 셀(19)로 분할되고, 각각의 셀을 통과하는 광의 위상이 랜덤하게 변이하도록, 그 높이가 랜덤하게 설정된다. 요철의 최대의 깊이 d는, 오목부와 볼록부를 통과하는 광의 위상차가 λ로 되는 경우로서, 확산판의 굴절률이 n, 공기의 굴절률이 1이기 때문에, d×(n-1)=λ의 관계식이 성립한다. 따라서, 요철의 최대의 깊이 d는 λ/(n-1)로 하면 된다.
다음에 작용 효과에 대해서 설명한다.
이 실시예 3의 2차원 화상 형성 장치는 실시예 1 및 2의 2차원 화상 형성 장치와는 확산판으로서 유사 랜덤 확산판을 이용하는 점만 상이하기 때문에, 이하, 유사 랜덤 확산판을 이용하는 이점에 대해서 설명한다.
즉, 도 5에 나타내는 유사 랜덤 확산판(18)을 이용하는 이점은, 유사 랜덤 확산판(18)을 통과하는 광의 확산각이 셀의 크기에 따라서 엄밀하게 제어할 수 있는 점이다. 즉, 유사 랜덤 확산판(18)을 통과하는 광은 이하의 (식 6)이 나타내는 강도 분포로써 확산된다.
I(θ)={sin(α)/α}2(α=θ×dc/(πㆍλ)) … (식 6)
여기서, dc는 격자 형상 셀(19)의 셀 피치, θ는 확산각이다.
예를 들면, 유사 랜덤 확산판(18)의 확산각의 반치전각이 10°로 되는 확산판(18)을 제작하기 위해서는, 상기 (식 6)에서 I(θ)=1/2, θ=10ㆍ(2π/360)을 대입해서 얻어진다. 청, 녹, 적색의 광파장이 각각 λ=0.473, 0.532, 0.640마이크로미터의 레이저 광원을 이용한 경우에는, 셀 피치 dc는 각각 2.4, 2.7, 3.2마이크로미터로 제작하면 된다.
유사 랜덤 확산판(18)의 제작 방법으로서는, 통상의 반도체 프로세스에서 이용되는 포토리소그래피법과 에칭법에 의해서 유리판 위에 요철 패턴을 형성하는 방법을 이용할 수 있다. 이 때, 도 5와 같이, 격자 형상 셀(19)의 깊이를 위상 변이 0, π/4, π/2, 3π/4에 상당하는 깊이로 설정해 놓으면, 유리판의 표면을 2회의 에칭 처리, 즉 π/4 및 위상 변이에 상당하는 깊이만큼 에칭하는 에칭 처리와, π/2 위상 변이에 상당하는 깊이만큼 에칭하는 에칭 처리에 의해, 유사 랜덤 확산판(18)을 용이하게 제작할 수 있다.
이렇게 해서 확산판을 제작함으로써, 통상의 확산판에서는 표면 형상이 랜덤한 것 때문에 발생하고 있었던 과제를 해결할 수 있다.
즉, 도 5에 나타내는 바와 같은 유사 랜덤 확산판(18)에서는, 1) 장소에 따라서 국소적인 확산각이 상이하여, 광이용 효율이 저하함, 2) 장소에 따라서 투과율이 변화되어, 화상에 강도 분포 얼룩이 발생함, 3) 확산각이 일정하게 되도록 확산판을 제작하는 것이 곤란함, 4) 확산각을 크게 취했을 때는 편향 방향이 흐트러지는 등의 과제를 해결하는 것이 가능하다.
이와 같이 본 실시예 3에서는, 확산각으로서 유사 랜덤 확산판(18)을 이용하도록 했기 때문에, 균일한 확산각과 투과율을 실현할 수 있어, 보다 사이즈가 작고, 밝은 화상 표시가 가능해진다.
또한, 본 실시예 3에서는, 상기 유사 랜덤 확산판(18)의 표면의 격자 형상으로 구획된 셀 영역을, 인접하는 셀 영역의 높이가 상이하도록 가공하고 있기 때문에, 확산판(18)을 통과하는 광의 확산각을 셀의 크기에 따라서 엄밀하게 제어할 수 있어, 광이용 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 실시예 3에서는, 상기 유사 랜덤 확산판(18) 표면의 인접하는 셀 영역의 높이의 차를, 이들 셀 영역을 통과하는 광의 위상이 π/4만큼 어긋나게 설정하도록 했기 때문에, 확산각이 일정하게 되도록 안정하게 확산판을 제작할 수 있어, 광이용 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
(실시예 4)
도 6(a) 및 도 6(b)는 본 발명의 실시예 4에 따른 2차원 화상 형성 장치를 설명하는 도면으로서, 도 6(a)는 상기 2차원 화상 형성 장치를 구성하는 확산판을 나타내는 평면도이고, 도 6(b)는 도 6(a)의 AA' 단면을 나타내는 도면이다.
이 실시예 4의 2차원 화상 형성 장치는, 실시예 3의 2차원 화상 형성 장치에서의 유사 랜덤 확산판(18)을 대신하여, 표면의 요철의 변화가 매끈한 구조의 유사 랜덤 확산판(20)을 이용한 것이다.
다음에, 작용 효과에 대해서 설명한다.
이 실시예 4의 2차원 화상 형성 장치는, 실시예 3의 2차원 화상 형성 장치의 확산판과는 그 표면 형상이 상이한 유사 랜덤 확산판(20)을 이용하는 것으로서, 이 점만 상기 실시예 3과 상이하기 때문에, 이하, 이 유사 랜덤 확산판(20)을 이용하는 이점에 대해서 설명한다.
도 6에 나타내는 유사 랜덤 확산판(20)에서는, 확산판 표면의 인접하는 요철부 사이에서의 단차에 의해 발생하고 있었던 큰 각도로 산란되는 고차의 회절광이 발생하지 않아, 광이용 효율을 향상시킬 수 있다.
회절광의 회절각은 요철 형상의 입상성의 사이즈 d에 의존하는 것이다. 이 입상성 사이즈 d가 클 때, 회절각은 작아지고, 입상성 사이즈 d가 작을 때, 회절각은 커진다. 본 실시예 4에서는, 입상성 사이즈 d가 일정 이하의 크기로 되도록 설정함으로써, 회절각을 일정 이하로 억제할 수 있고, 그 결과, 투영 렌즈(10)의 f값을 초과하는 광선이 없어져, 광이용 효율이 향상한다.
원활하게 변화되는 요철 형상을 가지는 유사 랜덤 확산판(20)의 제작 방법으로서는, 먼저, 유리 기판 표면을, 랜덤한 면내 분포를 가지는 단차 형상으로 되도록, 즉 단차부가 랜덤하게 분포한 표면 형상으로 되도록 가공한다.
즉, 유리 기판 표면에 포토레지스트를 스핀 코트하여, 포토리소그래피법에 의해서 랜덤한 면내 분포를 가지는 레지스트 패턴을 제작한다. 제작한 레지스트 패턴을 이온빔 에칭, 웨트 에칭 등의 방법에 의해 유리 기판 표면 형상에 전사한다. 이렇게 해서 제작된 유리 기판 표면은 오목부와 볼록부가 랜덤하게 분포하는 단차 형상을 하고 있다.
다음에, 유리 기판 표면을 그 표면의 철요의 변화가 매끄럽게 되도록 연마 처리한다. 이 때, 연마판으로서 버프와 같은 부드러운 재료를 이용하면, 도 6(a)에 나타내는 바와 같이, 기판 표면의 오목부와 볼록부가 랜덤하게 분포하는 단차 형상이, 표면의 높이의 변화가 완만한 철요 형상으로 된다. 연마시, 기판 표면의 오목부의 깊이가 감소하기 때문에, 소망하는 오목부의 깊이 Dx를 얻기 위해서는, 에칭에 의해서 제작하는 기판 표면의 오목부의 깊이를 소망하는 오목부의 깊이 Dx의 2~3배로 하는 것이 좋다.
이와 같이 본 실시예 4에서는, 확산판으로서 그 표면의 요철의 변화가 매끄러운 구조인 유사 랜덤 확산판(20)을 이용하기 때문에, 확산판 표면의 인접하는 요철부 사이에서의 단차에 의해 발생하는 큰 각도로 산란되는 고차의 회절광의 발생을 회피할 수 있어, 투영 렌즈(10)에서의 케라레에 의한 광량의 손실을 없게 하여 광이용 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 설명에서는, 컬러 화상의 투영 장치를 예로 들었지만, 본 발명은 단색 레이저의 화상 투영 장치, 예를 들면 반도체 노광 장치 등에도 이용 가능하다.
또한, 상기 각 실시예에서는, 2차원 화상 형성 장치가 투영 광학계와 스크린이 별개로 된 투사형 디스플레이인 경우에 대해서 설명했지만, 2차원 화상 형성 장치는 투영 광학계와 투과형 스크린을 조합한 배면 투사형 2차원 화상 형성 장치이더라도 무방하다.
본 발명의 2차원 화상 형성 장치는 밝고 또한 노이즈가 없는 고품질의 화상 표시를 가능하게 하는 것으로서, 텔레비전 수상기 , 영상 프로젝터 등의 화상 표시 장치나, 반도체 노광 장치 등의 화상 형성 장치에서 유용한 것이다.

Claims (14)

  1. 광변조에 의해 2차원 화상을 형성하는 장치로서,
    코히런트 광원과,
    광을 확산하는 확산판과,
    상기 코히런트 광원으로부터의 광을 확산판에 조사하는 조명 광학계와,
    상기 확산판을 요동하는 확산판 요동부와,
    상기 확산판에 근접하게 설치되고, 해당 확산판에 의해 확산된, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자
    를 구비하되,
    상기 확산판 요동부는,
    상기 확산판의 입자 사이즈 d와, 상기 확산판을 요동하는 속도 V 사이에 성립하는 다음식,
    V>d×30(밀리미터/초)
    을 만족하는 속도로 상기 확산판을 요동하는 것
    을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  2. 광변조에 의해 2차원 화상을 형성하는 장치로서,
    코히런트 광원과,
    광을 확산하는 확산판과,
    상기 코히런트 광원으로부터의 광을 확산판에 조사하는 조명 광학계와,
    상기 확산판에 근접하게 설치되고, 해당 확산판에 의해 확산된, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자와,
    상기 공간광 변조 소자에서의 광변조에 의해 얻어진 상을 공간 위의 소정의 면에 투사하는 투사 렌즈
    를 구비하되,
    상기 확산판은, 그 확산각을, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수와, 상기 투사 렌즈의 밝기에 근거하여 결정한 것인 것
    을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 확산판의 확산각 θ와, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin과, 상기 투사 렌즈의 밝기 f 사이에,
    θ/2+Sin-1(NAin)<2×Tan-1(1/2f)
    로 되는 관계가 성립하는 것
    을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  4. 광변조에 의해 2차원 화상을 형성하는 장치로서,
    코히런트 광원과,
    광을 확산하는 확산판과,
    상기 코히런트 광원으로부터의 광을 확산판에 조사하는 조명 광학계와,
    상기 확산판에 근접하게 설치되고, 해당 확산판에 의해 확산된, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자와,
    상기 공간광 변조 소자에서의 광변조에 의해 얻어진 상을 공간 위의 소정의 면에 투사하는 투사 렌즈
    를 구비하되,
    상기 공간광 변조 소자와 상기 확산판은, 상기 확산판의 확산각과, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수와, 상기 공간광 변조 소자의 대각 방향의 화면 사이즈에 근거하여 결정한 거리만큼 떨어져서 배치되어 있는 것
    을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 확산판의 확산각 θ와, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin과, 상기 공간광 변조 소자와 상기 확산판 사이의 거리 L과, 상기 공간광 변조 소자의 대각 방향의 화면 사이즈 D 사이에,
    (θ/2+Sin-1(NAin))×L<D/3
    의 관계가 성립하는 것
    을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  6. 광변조에 의해 2차원 화상을 형성하는 장치로서,
    코히런트 광원과,
    광을 확산하는 확산판과,
    상기 코히런트 광원으로부터의 광을 확산판에 조사하는 조명 광학계와,
    상기 확산판에 근접하게 설치되고, 해당 확산판에 의해 확산된, 상기 코히런트 광원으로부터의 광을 변조하는 공간광 변조 소자와,
    상기 공간광 변조 소자의 상을 공간 위의 소정의 면에 투사하는 투사 렌즈
    를 구비하되,
    상기 공간광 변조 소자와 상기 확산판은, 상기 확산판의 투과율 얼룩의 피치와, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수에 근거하여 결정한 거리만큼 떨어져서 배치되어 있는 것
    을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 확산판의 투과율 얼룩의 피치 P와, 상기 조명 광학계의 실질적인 개구수 NAin와, 상기 공간광 변조 소자와 상기 확산판 사이의 거리 L 사이에,
    L×NAin>P
    로 되는 관계가 성립하는 것
    을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 조명 광학계는 광 인티그레이터(integrator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 인티그레이터는 적어도 2장의 렌즈 어레이로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 광 인티그레이터는 로드형 광 인티그레이터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 확산판은 소망하는 확산각이 얻어지도록 표면이 가공된 유사 랜덤 확산판으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유사 랜덤 확산판은, 투명 기판을, 그 표면의 격자 형상으로 구획된 셀 영역을, 인접하는 셀 영역의 높이와 상이하도록 가공해서 이루어지는 것인 것을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 투명 기판을 가공해서 이루어지는 유사 랜덤 확산판은, 인접하는 셀 영역의 높이의 차가, 이들 셀 영역을 통과하는 광의 위상이 π/4만큼 어긋나도록 설정한 것인 것을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 유사 랜덤 확산판은, 그 표면의 높이가 연속해서 변화되는 요철 표면 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 2차원 화상 형성 장치.
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