KR20060097670A

KR20060097670A - 광학계 및 화상투사장치

Info

Publication number: KR20060097670A
Application number: KR1020060022459A
Authority: KR
Inventors: 준 코이데
Original assignee: 캐논 가부시끼가이샤
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2006-03-10
Publication date: 2006-09-14
Also published as: JP4789488B2; US20060215247A1; CN100580503C; EP1701542A1; JP2006251460A; CN1831580A; EP1701542B1; KR100760637B1; US7588337B2

Abstract

콘트라스트의 특성을 향상시키고, 사용 환경의 밝기에 따른 밝기를 가진 화상을 표시할 수 있는 광학계를 개시한다. 상기 광학계는 제 1축방향으로 조명광속을 분할하고 재결합하는 옵티컬인티그레이터와 제 2축방향으로 조명광속의 광강도 분포를 변환하는 광강도분포 컨버터를 포함하고 있다. 상기 광학계는 개구를 가지는 광속제한 유닛을 부가하여 포함한다. 상기 개구의 크기는 제 2축방향으로는 가변이고, 제 1축방향으로는 불변이다.

Description

광학계 및 화상투사장치{OPTICAL SYSTEM AND IMAGE PROJECTION APPARATUS}

도 1은, 본 발명의 실시예 1인 액정 프로젝터의 조명광학계의 구성을 나타내는 사시도;

도 2는, 실시예 1의 조명광학계의 상면 단면도;

도 3은, 실시예 1의 조명광학계의 측면 단면도;

도 4 및 도 5는, 실시예 1의 조명광학계내에 이용된 광속제한유닛의 개구 가장자리의 형상을 나타내는 도면;

도 6a 및 도 6b는, 실시예 1의 조명광학계의 효과를 테스트한 실험 결과를 나타내는 도면;

도 7은, 본 발명의 실시예 2인 액정 프로젝터의 조명광학계의 구성을 나타내는 단면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 조명광학계 2:액정패널

3: 콘트롤러 4: 투사렌즈

5: 광확산 스크린 9: 조작패널

30: 다이크로익 미러 31, 32, 33: 편광빔 분할기

34, 35: 컬러편광자 36, 37: 더미 유리

100: 광원램프 101: 파라볼릭 반사미러

102, 103: 실린더형 어레이호모지나이저 105, 108: 실린더형 렌즈

106: 광속제한유닛 107: 실린더형 콘덴서렌즈

109: 광학부재 200: 화상공급장치

본 발명은, 프로젝터 등의 화상투사장치에 이용되는 광학계에 관한 것이며, 특히, 광원으로부터의 광을 이용하여 액정표시소자 등의 화상형성소자를 조명하고, 상기 화상형성소자상에 형성된 원화상을 스크린에 확대 투사하는 광학계에 관한 것이다.

액정패널 등을 화상형성소자로서 이용하는 프로젝터에서는, 광원으로부터의 광을 효율적으로 이용하고, 스크린 상에서의 조도 불균일을 저감하여, 고 콘트라스트로 화상을 표시하는 것이 중요하다. 이것들을 개선할 방법이 종래 많이 제안되어 있다.

예를 들면, 렌즈셀이 각각 2차원으로 배열된 2매의 렌즈 어레이에 의해 구성되는 옵티컬인티그레이터가 알려져 있다. 이 옵티컬인티그레이터에서, 제 1렌즈 어레이는 광원으로부터의 광속을 복수의 광속으로 분할하고, 제 2렌즈 어레이는 상기 복수의 광속을 확대하고 중첩하여 액정패널의 표시영역에 결상 시킴으로써, 균일성이 높은 조명광을 얻을 수 있다(일본국 특개평3-111806호 공보 참조).

또한, 프로젝터내에서의 색분해나 색조성에 이용되는 다이크로익 미러(dichroic mirror)등의 편향소자나 편광빔분할기 등의 편광분리소자의 입사각 의존특성 및 액정패널 의 입사각 의존특성의 각각 대해서, 콘트라스트 열화를 일으키는 방향에 있어서는 대략 평행한 빔으로 광을 전파시키고, 이것과 직교하는 방향에 있어서는 광 통합(optical integration)을 행하여 조명의 균일성을 실현하는 방법도 제안되고 있다 (일본국 공개특허 2004-245977호 공보 및 일본국 공개특허2004-271887호 공보 참조).

한편, 프로젝터에 대해서는, 단지 밝은 영상을 표시하는 것 뿐만 아니라, 어두운 환경에서 너무 밝은화상을 표시하지 않음으로써, 관찰자에게 눈부심을 느끼게 하지 않는 것도 요구된다. 즉, 고 콘트라스트 특성을 유지하면서 또는 콘트라스트 특성을 향상시키면서, 사용 환경의 밝기에 따라서 표시된 화상의 밝기를 억제하는 기능이 필요하다.

이 요구되는 기능의 실현에 대해서, 렌즈셀이 각각 2차원으로 배열된 2매의렌즈 어레이를 포함하는 옵티컬인티그레이터와 조명광속을 가변적으로 차단하는 수단을 이용함으로써, 콘트라스트 특성을 향상시키면서 표시 화상의 밝기를 억제할 방법이 일본국 공개특허 2004-151674호 공보에서 제안되어 있다.

그렇지만, 일본국 공개특허 2004-245977호 공보 및 일본국 공개특허 2004-271887호 공보에 기재되어 있는, 옵티컬인티그레이터와 광강도분포의 변환하는 광강도분포 변환수단을 2차원 축방향에서 별도로 제어하는 조명광학계에 있어서, 단지 일본국 공개특허 2004-151674호 공보에 제안되어 있는 조명광속을 가변적으로 차단하는 수단을 이용하는 경우에, 문제가 발생한다.

구체적으로는, 상기 조명광학계는, 조명광속을 2축방향으로 상이한 광전파 방법을 채택하고 있는 계이기 때문에, 액정패널에의 균일 조명의 밸런스가 붕괴되어 표시화상의 균일성이 유지되지 않을 수도 있다.

본 발명의 목적은 옵티컬인티그레이터와 광강도분포 컨버터를 포함하고, 콘트라스트 특성을 향상시키고, 또한 표시화상의 밝기의 균일성을 열화시키는 일없이 사용환경의 밝기에 따른 화상을 표시할 수 있는 광학계를 제공하는 데 있다.

본 발명은, 하나의 측면에 의하면, 광원으로부터의 조명광속을 화상형성소자에 도입하여, 상기 화상형성소자로부터의 광속을 피투사면에 투사하는 광학계를 제공한다. 상기 광학계는, 상기 조명광속의 진행 방향으로 직교하는 2차원 단면내에 있어서의 제 1축방향으로 상기 조명광속을 분할하고 재합성하는 옵티컬인티그레이터와; 상기 2차원 단면내에 있어서의 상기 제 1축방향에 대략 직교하는 제 2축방향으로 상기 조명광속의 광강도분포를 변환하는 작용을 가지는 광강도분포 컨버터를 포함한다. 상기 광학계는 개구를 가지는 광속제한유닛을 부가하여 포함한다. 상기 개구의 크기는 상기 제 2축방향으로는 가변이고 상기 제 1축방향으로는 불변이다.

다른 측면에 의하면, 본 발명은 광원으로부터의 조명광속을 화상형성소자에 도입하는 광학계이다. 상기 광학계는 상기 조명광속의 진행방향에 직교하는 2차원 단면내에 있어서의 제 1축방향으로 상기 조명광속을 분할하고 재합성하는 옵티컬인티그레이터와; 상기 2차원 단면내에 있어서의 상기 제 1축방향에 직교하는 제 2 축방향으로 상기 조명광속의 광강도분포를 변환하는 작용을 가지는 광강도분포 컨버터를 포함한다. 상기 광학계는 개구를 가지는 광속제한유닛을 포함하고 있다. 상기 개구의 크기는 제 2축방향으로는 가변이고 상기 제 1축방향으로는 불변이다.

또 하나의 다른 측면에 의하면, 본 발명은 광원으로부터의 조명광속을 화상형성소자에 도입하고, 상기 화상형성소자로부터의 광속을 피투사면에 투사하는 광학계이다. 상기 광학계는 상기 조명광속의 진행방향으로 직교하는 2차원 단면내에 있어서의 제 1축방향으로 상기 조명광속을 분할하고 재합성하는 옵티컬인티그레이터와; 상기 2차원 단면내에 있어서의 상기 제 1축방향에 대략 직교하는 제 2축방향으로 적어도 상기 조명광속의 광강도분포의 변환작용을 가지는 광강도분포 컨버터를 포함하고 있다. 상기 광학계는 개구를 가지는 광속제한유닛을 부가하여 포함하고 있다. 상기 광속제한유닛은, 상기 제 1축방향에서 상기 광학계의 광축으로부터 거리가 멀어지는 것에 따라, 상기 제 2축방향에 있어서의 개구의 폭이 커지는 부분을 가지고 있다.

본 발명은 상기 광학계중의 하나와 화상형성소자를 가진 화상투사장치, 또한 상기 화상투사장치와 화상공급장치에 의해 구성되는 화상표시시스템도 제공한다.

본 발명의 다른 목적 또는 특징은, 이하의 도면을 참조하면서 설명되는 바람직한 실시예에 의해 자명해질 것이다.

<바람직한 실시예의 상세한 설명>

이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 설명한다.

<실시예 1>

도 1 내지 도 3에는, 본 발명의 실시예 1인 조명광학계의 구성을 나타내고 있다. 도 1은 상기 조명광학계의 주요한 구성을 나타내는 사시도이고, 도 2는 도 1에 나타낸 조명광학계의 상면도이다. 도 3은 조명광학계의 측면도이다.

이들 도면에서, (1)은 조명광학계이다. (100)은 광원인 초고압 수은램프나 메탈 할로이드램프, 크세논램프 등의 방전가스 여기발광램프이다. 이하, 상기 방전가스 여기발광램프는 간단하게 광원램프라고 칭한다. 상기 광원램프(100)로부터 방출된 광속은, 파라볼릭 반사미러(포물면경)(101)에 의해 반사되어 평행하게 되고, 이에 의해 대략 평행한 가시광선 빔이 된다.

그러나, 실제의 광원은 유한 사이즈의 발광 분포를 가진다(즉, 광원의 발광 영역은 유한한 크기를 가진다). 그러므로, 본 실시예에서는, 가능한 한 발산(발산각)이 적은 고품질의 콜리메이트 광속(대략 평행한 광속)을 얻기 위해서, 가스의 전자여기 영역을 한정하여, 방전갭을 좁게함으로써, 형성된 점광원에 가까운 광원을 이용한다. 즉, 광원램프의 발광영역을 가능한 한 작게 하고 있다. 게다가 본실시예에서는, 방전갭에 직류를 인가하여 음극측에 고휘도 점광원을 발생시킬 수 있는 직류형을 채택하고 있다. 이것은 실질적인 발광영역의 크기가 커지는 것을 방지하기 위한 것, 즉, 발광영역의 크기를 작게하기 위한 것이다. 발광영역의 크기의 증가는 양극측과 음극측 양측 모두에 발광영역을 형성하여 발생되고, 결과로서 상기 방전갭에 교류를 인가하여 발생된 전극의 양방으로부터 전자가 방사되게 한다.

이 광원램프(100)와 파라볼릭 반사미러(101)에 의해 구성되는 램프유닛으로 부터 방사된 대략 평행한 광속은, 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)에 입사 한다. 상기 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)의 광입사 표면에는, 가시광선 범위 이외의 자외선을 차단하는 자외선 반사막이 코팅되어 있다. 상기 자외선은, 렌즈의 재료가 되는 광학유리나 광학 박막을 여기하거나 열화시키고, 또한, 화상형성소자 즉, 광변조기로서 액정소자에 이용되는 유기 재료인 액정 폴리머를 분해 변질할 가능성이 있다. 상기 자외선 반사막은, 광학유리와 광학박막의 열화 및 액정폴리머의 분해 변질 등을 방지하기 위해서 설치되는 것이다.

제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)는, 도 1 및 도 3의 수직방향(제 1축방향: 이하, 수직방향이라고 한다)으로만 굴절력을 가진다. 도 1 및 도 2의 수평방향을 제 2축방향, 또는 간단히 수평방향이라고 칭한다.

제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)에 입사한 광속은, 상기 어레이 호모지나이저의 실린더형 렌즈셀의 개수의 광속으로 분할된다. 상기 복수의 분할된 광속의 각각은, 실린더형 렌즈의 초선 위치에 집광한 후, 실린더형 콘덴서렌즈(107)에 의해 소정폭을 가지는 대략 평행한 광속으로 재변환된다. 여기에서 초선 위치란, 실린더형 렌즈셀의 배열방향과 실린더형 렌즈셀의 광학면의 법선을 포함한 평면내에서, 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)의 실린더형 렌즈셀에 입사한 평행광속이 집광하는 위치이다. 실린더형 렌즈셀은 초점이 아니라, 초선으로 형성된다. 상기 초선은 통상의 렌즈의 초점에 상당한다.

본 실시예 및 후술 하는 실시예에서, 대략 평행한 광속이란, 완전하게 평행한 광속 뿐만이 아니라, 광학적으로 평행으로 간주할 수 있는 범위에서 평행으로부 터 어긋나 있는 경우도 포함하는 것에 유의해야 한다.

제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)와 실린더형 콘덴서렌즈(107)의 주평면 사이의 간격은, 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)의 초점거리와 실린더형 콘덴서렌즈(107)의 초점거리의 합과 일치하도록 설정되어 있다. 이에 의해, 실린더형 콘덴서렌즈(107)에 의해 대략 평행한 광속으로 상기와 같은 재변환을 행한다. 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102), 실린더형 콘덴서렌즈(107), 및 제 2실린더형 어레이 호모지나이저(103)에 의해 옵티컬인티그레이터가 구성된다.

게다가 실린더형 콘덴서렌즈(107)의 광축선은, 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)의 각 어레이의 광축선(광축면)에 대해서 편심되어 있다. 따라서, 실린더형 콘덴서렌즈(107)의 사출측 초선의 위치에서, 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)의 실린더형 렌즈셀을 통과한 광속이 서로 겹친다. 이에 의해, 광 통합조작(즉, 광속의 분할 및 재합성, 또는 광속의 분할 및 분할된 광속의 겹침)을 행한다.

여기에서 광축선이란, 실린더형 콘덴서렌즈(107)의 광학면의 면대칭의 중심을 광축면으로 할 때, 그 광축면과 실린더형 콘덴서 렌즈의 광축면이 교차하여 형성된 선이다. 광축선은 광축면과 대체할 수 있다.

이와 같은 구성에 의해, 상기 초선의 위치에 액정패널(2)을 배치함으로써, 액정패널(2)의 변조면에서의 조도의 균일성을 향상시킬 수 있다.

제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)를 통과한 광속은, 제 2실린더형 어레이 호모지나이저(즉 제 2실린더형 렌즈어레이)(103)를 통과한다. 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)의 초선의 위치는 제 2실린더형 어레이 호모지나이저 (103)의 어레이의 동공위치에 대응하도록 설정되어 있다. 제 2실린더형 어레이 호모지나이저(103)와 실린더형 콘덴서렌즈(107)의 텐덤렌즈 구성에 의해, 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)의 각 실린더형 렌즈셀의 동공과 액정패널(2)의 변조면이 광학적 공역관계를 부여한다. 이에 의해, 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)의 각 실린더형 렌즈셀의 동공은, 수직 방향에서 액정패널(2)의 변조면에 결상 된다.

제 2실린더형 어레이 호모지나이저(103)을 설치한 이유에 대해 설명한다. 광원램프(100)와 파라볼릭 반사미러(101)로부터 구성되는 램프유닛으로부터 방사된 광속은, 가스여기 발광원의 유한한 크기의 발광분포에 의해, 이상적인 평행 광속은 되지 않고, 발산(즉 발산각)을 가지고 있다. 상기 광속의 발산을 수정하여(발산각을 감소시켜서) 제 1실린더형 어레이 호모지나이저(102)의 각 실린더형 렌즈셀의 동공을 통과한 광속을 액정패널(2)의 변조면에 실패없이 도입하기 위하여 제 2실린더형 어레이 호모지나이저(103)가 설치되어 있다.

제 2실린더형 어레이 호모지나이저(103)를 통과한 복수의 광속은, 편광변환 소자 어레이(104)에 입사한다. 편광변환소자 어레이(104)는, 램프유닛으로부터 방사한 광을, 다단으로 배열된 편광빔분할기에 의해, 소정의 편광방향, 즉 본 실시예에서는 수직편광 방향으로 변환한다.

상기 다단구성으로 배열된 편광 분리막에 대해서, 입사한 P편광(수직편광 방향에 의해 편광된 광)은 상기 편광 분리막을 투과한다. 한편, S편광(수평편광 방향에 의해 편광된 편광)은, 상기 편광 분리막에서 반사하여, 인접한 편광분리막에 서 재차 반사한다. 이에 의해, 상기 S편광의 광로는, 어레이의 피치만큼 시프트한다. 편광변환소자 어레이(104)로부터 사출하기 직전에, 1/2 파장판에 의해 S편광의 편광방향이 90도의 각도 만큼 회전된다. 이에 의해, S편광이 P편광으로 변환된후 편광변환소자 어레이(104)로부터 사출한다. 상기와 같이, 편광변환소자 어레이 (104)는, 무편광 광을, P편광으로 변환한다.

편광변환소자 어레이(104)로부터 사출된 복수의 광속은, 제 1실린더형 렌즈 (105)에 입사한다. 제 1실린더형 렌즈(105)는, 수평 방향으로만 굴절력을 가지고, 광속의 진행방향의 앞에 배치되어 있는 한 쌍의 제 2실린더형 렌즈(108)를 형성하여 빔 컴프레서(즉, 광강도분포 컨버터)을 구성하고 있다. 제 2실린더형 렌즈(108)도 수평방향으로만 굴절력을 가지고 있다.

본실시예에서, 제 1실린더형 렌즈(105) 및 제 2실린더형 렌즈(108)는 수평방향으로만 굴절력을 가지고 있지만, 본 발명은 그것에 한정되는 것은 아니다. 제 1실린더형 렌즈(105) 및 제 2실린더형 렌즈(108)중의 적어도 하나는 수직방향으로 도 굴절력을 가진 토릭렌즈(torric lens)이어도 된다. 제 1실린더형 렌즈(105)에 입사하는 광속은, 수평방향으로 압축되어 대략 어포칼(afocal) 상태로 액정패널(2)에 도입된다. 이 빔 컴프레서에는, 동공왜곡 수차가 소정량 의도적으로 주어진다. 이 동공왜곡 수차에 의해, 액정패널(2)의 변조면에서의 광강도 분포가 대략 균일하게 되도록 제어된다.

빔 컴프레서 내부의 광속은, 상기 빔컴프레서가 동공왜곡 수차를 가지고 있고, 램프유닛로부터 방사되는 광속이, 가스 여기에 의한 유한한 사이즈의 발광분포 를 가지는 광원으로부터 발광되므로, 이상적인 평행 광속이 되지 않는 특성을 가지고 있다.

특히, 도 2에서, 빔 컴프레서를 구성하고 있는 제 1실린더형 렌즈(105) 및 제 2실린더형 렌즈(108)의 공유초선 위치 또는 그 부근에 배치된 광속제한유닛(106)의 개구를 통과하는 광속은, 수직방향으로 연장되는 선형의 광속으로는 되지 않고, 수평방향으로 유한한 폭을 가지는 광속으로 된다. 광속제한유닛(106)을 구성하는 차광 블레이드의 개구의 안쪽에 대면한 가장자리를 형성하는 개구의 형상에 대해서는 후술 한다.

제 1실린더형 렌즈(105)를 통과한 복수의 광속은, 실린더형 콘덴서렌즈(107)에 입사하고, 상기 실린더형 콘덴서렌즈(107)의 초선위치에 배치된 액정패널(2)의 변조면에 대해서 수직방향으로 서로 겹쳐진다. 이에 의해, 광 통합(optical integration)을 행한다.

실린더형 콘덴서렌즈(107)를 통과한 광속은, 제 2실린더형 렌즈(108)에 입사 한다. 상기한 바와 같이, 제 2실린더형 렌즈(108)는 수평 방향으로만 굴절력을 가지고, 제 1실린더형 렌즈(105)의 한 쌍이 형성되어 빔 컴프레서를 구성하고 있다. 이 제 2실린더형 렌즈(108)에 의해 수평 방향으로 광속이 압축되어 대략 어포칼 상태로 액정패널(2)에 도입된다.

게다가 이 제 2실린더형 렌즈(108)에 의해, 제 1실린더형 렌즈(105)의 동공 위치 또는 그 부근과 액정패널(2)의 변조면이 대략 광학적 공역관계가 되도록 배치되어 있다. 그러나, 수차를 의도적으로 갖게하기 때문에 광학적 공역의 정밀도는 조악해진다. 상기한 바와 같이, 제 1실린더형 렌즈(105)의 동공은, 수평방향으로 액정패널(2)의 변조면에 결상된다.

제 2실린더형 렌즈(108)을 설치한 이유는, 제 2실린더형 어레이 호모지나이저(103)을 설치한 이유와 동일하다. 즉, 광원 램프(100)와 파라볼릭 반사미러(101)에 의해 구성되는 램프 유닛으로부터 방출된 광속의 발산을 수정하기 위해서, 제 1실린더형 렌즈(105)의 동공을 통과한 광속을 실패없이 액정패널(2)의 변조면에 도입하기 때문이다.

제 2실린더형 렌즈(108)을 통과한 광속은, 광학부재(109)에 입사 한다. 이 광학부재(109)의 위치에 편광분리 작용을 가진 편광 빔 분할기를 배치할 수 있다. 이 경우에, 상기 편광빔 분할기의 편광방향은 수평 방향으로 설정된다. 이들이, 광원램프(100)로부터의 조명광속을, 액정패널(2)에 도입하는 조명광학계의 기본 구성이다.

다음에, 광속제한유닛(106)에 대해 설명한다. 상기 광속제한유닛(106)은, 도 1 및 도 2에서 화살표로 나타낸 방향으로 차광부재를 구동함으로써 슬릿형상의 개구(이하, 슬릿 개구라고 함)의 수평방향의 폭을 변화시킬 수가 있다. 그러나, 수직 방향의 개구폭은, 소정의 개방폭으로부터 불변이다.

이 개구는,수직방향에 있어서는 차광부재를 설치하지 않고서, 후술하는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 개방되어도 된다. 또한, 수직방향에 있어서 광속(광속의 통과)을 제한하도록 개구형상을 프레임형상(즉, 구형(矩形)개구형상)으로 하여도 된다. 게다가, 수직방향으로 양자가 서로 분리되어 있고, 양자의 간격이 불변인 2개의 차광부재를 설치하여도 된다.

차광부재의 개구측의 가장자리부, 즉 가장자리를 형성한 슬릿 개구의 형상은, 도 1에 도시된 단순한 평행직선 형상이어도 되지만, 도 4에 도시된 개구의 안쪽으로 향하여 볼록한 형상의 비평행 형상(106A) 및 도 5에 도시된 파형형상의 곡선형상(106B)인 것이 바람직하다.

이것은, 단순한 평행 직선형상의 개구 가장자리에 의해 광속이 직선적으로 차단되면, 액정패널(2)에 도입되는 조명하는 광속의 강도분포에 부분적인 단차가 용이하게 발생 되기 때문이다.

이에 대해서, 본 실시예의 조명광학계는, 수직 방향으로 광 통합작용을 가지고 있다. 따라서, 상기 통합 전에 도 4 또는 도 5에 도시된 바와 같이 개구형상(106A, 106B)을 가지는 광속제한유닛(106)에 의해 그 수평 방향폭이 제어된 복수의 광속을 통합하는 것에 의해, 액정패널(2)에 도입되는 광속의 강도분포에 부분적인 단차가 생기는 것을 억제할 수가 있다.

도 4 및 도 5은 상기 광속제한유닛(106)의 개구형성 가장자리의 형상은 단지 그 예를 도시한 것이고, 본 발명에서의 그 형상은 이것에 한정되지 않는다. 복수의 직선에 의해 형성되는 톱니형상 이나 구형치 형상(矩形齒形狀)을 이용할 수 있다. 또한, 개구의 내부를 향하여 볼록한 반원형상 이나 타원형상이어도 된다.

광속제한유닛(106)은, 조명광학계에 있어서의 광속의 진행 방향으로 빔 컴프레서를 구성하고, 각각 정의 굴절력을 가지는 제 1실린더형 렌즈(105)와 제 2실린더형 렌즈(108)의 사이의 공유초선위치 또는 그 근방에 배치된다. 이 위치에서, 광 속은, 빔 컴프레서의 동공왜곡 수차를 가지고, 램프유닛으로부터의 광속이 이상적인 평행 광속이 되지않기 때문에, 수평방향으로 유한한 폭을 가진다. 이 때문에, 광속제한유닛(106)의 슬릿 개구폭이 무한하게 좁으면, 어포칼 특성을 가지는 빔 컴프레서로부터 정확한 평행 광속만이 사출하게 된다.

즉, 이 경우의 광속제한유닛(106)은, 레이저광의 콜리메이트 광을 추출하기 위해서 일반적으로 이용되는 공간필터(spatial filter)와 마찬가지의 역할을 하게 된다. 따라서, 액정패널(2)에 도입되는 광속은, 광속제한유닛(106)의 슬릿 개구폭이 더 좁게 설정되는 평행 광속에 가까워지게 된다.

한편, 프로젝터에 의해 현재 확대된 표시를 생성하는 액정패널(2)은 TN모드 동작 타입과 VAN모드 동작타입을 포함한다. 본 실시예의 상기 액정패널(2)을 포함하는 액정패널은, 모두 변조면에 대해서 수직으로 입사하는 조명광에 대해서 최대의 콘트라스트 값을 나타내고, 상기 입사하는 조명광이 수직으로부터 경사지는 만큼 더 낮은 콘트라스트 값을 나타내는 콘트라스트 특성을 가진다. 이 때문에, 광속제한 유닛 (106)의 슬릿 개구폭을 좁게함으로써 표시화상의 밝기가 감소하고, 이에 의해 콘트라스트 값이 향상하게 된다.

표시화상의 밝기의 균일성에 관해서는, 광속제한유닛(106)의 위치를 빔 컴프레서의 공유초선위치로부터 이동시킴으로써, 빔 컴프레서의 동공왜곡 수차를 적절하게 설정하여, 광속제한유닛(106)의 개구폭제어에 의해 표시화상의 밝기를 변화시키는 경우에도, 그 균일성을 유지할 수 있다.

예를 들면, 도 6a 및 도 6b에 설계예(실험예)를 나타낸다. 이들 설계예는, 광속제한유닛(106)의 개구 가장자리가 도 4에 나타낸 형상(106A)을 가지는 예이다. 도 6a 및 도 6b는, 액정패널(2)에 도입되는 조명광의 광량분포를 나타낸다. 이들 도면에서 백색영역은 밝고, 흑색영역은 어두운 것을 나타낸다. 액정패널(2)의 조명 광량이 최대, 즉 광속제한유닛(106)의 슬릿 개구가 완전히 개방된 상태를 도 6 a에 나타내고, 조명광량을 대략 반감시키도록 슬릿개구폭을 더 좁게한 상태를 도 6b에 나타내고 있다. 도 6a 및 도 6 b 양자 모두, 광량(강도)의 균일성은 양호하게 나타낸다. 이것은 슬릿 개구폭의 변화에 의해 전체의 광량만이 변화하고 있는 것을 입증한다.

따라서, 표시화상을 밝게 하고 싶은 경우에는 어떤 소망한 조도분포를 얻을 수 있도록, 또한, 표시화상을 어둡게 하고 싶은 경우에는 다른 어떤 소망한 조도분포를 얻을 수 있도록, 광속제한유닛(106)을 설계하는 것이 가능하다. 이 때문에, 화상표시용 확산스크린의 특성 및 밝기의 균일성에 대한 관측자의 느낌을 고려하여, 표시된 화상의 조도분포를 설정하는 것이 가능해진다. 예를 들면, 표시된 화상의 중앙부가 주변부에 비해 밝아지고 또는 어두워지도록 조도분포를 설정하는 것이 가능하다.

제 1실린더형 렌즈(105) 및 제 2실린더형 렌즈(108)은 수평방향으로만 굴절력을 가지고, 실린더형 콘덴서렌즈(107)은 수직방향으로만 굴절력을 가지지만, 본 발명은 이것에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제 1실린더형 렌즈(105) 및 제 2실린더형 렌즈(108)의 양자 중의 적어도 하나는 수직방향으로도 굴절력을 가지는 토릭렌즈로 하여도 된다. 이에 의해, 실린더형 콘덴서렌즈(107)의 효과 대신에 상기 굴절력을 이용하여도 된다.

<실시예 2>

도 7에는, 실시예 1의 조명광학계(1)를 이용한 액정 프로젝터(화상투사장치)의 실시예를 나타내고 있다. 도 7은 상기 프로젝터의 전체 광학계의 단면도이다. 이 도면의 직사각형 라인 내에서, 일점쇄선의 우측부는 조명광학계(1)의 상면도, 일점쇄선의 좌측부는 측면도를 나타내고 있다.

(3)은, 상기 프로젝터의 동작 전체를 제어하는 콘트롤러이며, 액정패널(2R, 2G, 2B)을 구동하는 드라이버를 포함하고 있다. 상기 드라이버는, 퍼스널 컴퓨터, DVD 플레이어, 텔레비젼 튜너 등의 화상공급장치(200)로부터의 비디오 입력신호(즉, 화상신호)를 각 컬러용의 액정 구동신호로 변환하고, 상기 구동신호를 반사형 적색용 액정패널(2R), 녹색용 액정패널(2G) 및 청색용 액정패널(2B)에 출력한다. 이에 의해, 각 액정패널에는 원화상이 형성된다. 상기 액정패널(2R,2G,2B)는 반사용 액정소자이다.

조명광학계(1)으로부터 사출되고, 상기 도면의 지면에 수직인 방향의 직선편광인 조명광 중의, 마젠타 색성분은, 마젠타 색성분을 반사하고 녹색성분을 투과하는 다이크로익 미러(30)에 의해 반사된 후, 블루크로스 컬러편광자(blue cross color polarizer)(34)에 입사한다. 상기 블루크로스 컬러편광자(34)는, 청색성분의 편광에 1/2파장의 리타데이션을 형성한다. 마젠타색 광성분의 상기 블루크로스 컬러편광자(34)의 통과에 의해, 지면에 평행한 방향의 직선 편광인 청색 광성분과 지면에 수직인 방향의 직선 편광인 적색 광성분이 생성된다.

상기 청색 광성분은, 제 1편광빔 분할기(33)에 P편광으로서 입사하고, 그 편광 분리막을 투과한 후, 청색용 액정패널(2B)에 도입된다. 적색 광성분은, 제 1편광빔 분할기(33)에 S편광으로서 입사하고, 그 편광 분리막에 의해 반사된 후, 적색용 액정패널(2R)에 도입된다.

한편, 다이크로익 미러(30)을 투과한 녹색 광성분은, 광로길이를 보정하기 위한 더미 유리(36)을 통과한 후, S편광으로서 제 2편광빔 분할기(31)에 입사한다. 상기 녹색 광성분은, 제 2편광빔 분할기(31)의 편광 분리막에 의해 반사되어, 녹색용 액정패널(2G)에 도입된다.

이와 같은 방식으로, 적색용 액정패널(2R), 녹색용 액정패널(2G) 및 청색용 액정패널(2G)이 컬러 광성분에 대응하여 조명된다. 각 액정패널에 입사한 컬러광 성분은, 각 액정패널에 의해 원화상에 따라 변조되어(즉, 각 화소의 변조상태에 따라 편광의 리타데이션이 부여되어), 반사된다.

각 액정패널에 의해 변조 및 반사된 광 중에, 조명광과 동일한 방향의 편광 성분은, 대체로 조명광로를 대략 되돌아오는 광로를 따라서 광원램프 쪽으로 돌아온다

상기 도면의 지면에 평행한 방향의 편광성분인 적색용 액정패널(2R)에 의해변조된 적색 광성분은, 제 1편광빔 분할기(33)의 편광 분리막을 투과 한 후, 적색의 편광에 1/2파장의 리타데이션을 부여하는 레드크로스 컬러편광자(35)를 투과한다. 상기 적색의 광성분은 상기 지면에 수직인 방향의 직선형 편광이 되어, S편광으로서 제 3편광빔 분할기(32)에 입사 한다.

상기 도면의 지면에 수직인 방향의 편광성분인 청색용 액정패널(2B)에 의해 변조된 청색 광성분은, S편광으로서 제 1편광빔 분할기(33)의 편광 분리막에 의해 반사된다. 다음에 레드크로스 컬러편광자(35)를 투과한 후, S편광으로서 제 3편광 빔 분할기(32)에 입사 한다.

상기 도면의 지면에 평행인 방향의 편광성분인 녹색용 액정패널(2G)에 의해 변조된 녹색광성분은, P편광으로서 제 2편광빔 분할기(31)의 편광분리막을 투과한다. 다음에, 광로길이를 보정하기 위한 더미 유리(37)을 투과한 후, 제 3편광빔 분할기(32)에 입사 한다.

제 3편광빔 분할기(32)에 입사한 S편광으로서의 적색광 성분및 청색광 성분은, 그 편광 분리막에 의해 반사된 후, 투사렌즈(4)를 향하여 진행한다. P편광으로서의 녹색광 성분은 제 3편광빔 분할기(32)의 상기 편광 분리막을 투과한 후, 투사렌즈(4)쪽으로 진행한다.

이와 같이 컬러합성된 변조광은, 투사렌즈(4)의 입사동공에 의해 포획되어, 광확산 스크린(5)에 전송 된다. 이에 의해, 비디오 입력신호(원화상)에 따른 화상이 광확산 스크린(5)에 표시된다.

각 액정패널의 변조면과 광확산 스크린(5)의 광확산면 사이에는 투사렌즈(4) 를 광학적공역 관계로 설치한다. 3개의 액정패널은, 대응하는 화소의 화상이 광확산 스크린(5)상에서 소정 정밀도로 겹치도록 기계적으로 또는 전기적으로 조정되고 있다.

이상과 같이 구성된 프로젝터에서, 조명광학계(1)내에 설치된 광속제한유닛 (106)은, 상기 유닛에 설치된 도시하지 않은, 모터 또는 전자 솔레노이드 등의 액츄에이터에 의해, 연속적으로 또는 단계적으로 슬릿 개구폭이 변화하도록 구동된다.

콘트롤러(3)에 의해 액츄에이터를 제어한다. 상기 프로젝터는, 슬릿 개구폭의 제어 모드로서 조작패널(9)로부터 출력되는 사용자의 조작에 따른 신호에 의거하여 슬릿 개구폭을 제어하는 모드를 가진다. 외부의 밝기를 검출하는 조도센서(10)로부터의 출력신호에 의거하여 슬릿 개구폭을 제어하는 또 다른 모드도 가진다. 이 모드에서는, 외부의 밝기가 밝을 때는, 어두울 때 보다, 슬릿 개구폭을 좁게 하도록 제어한다.

게다가, 버퍼메모리(도시하지 않음)에 저장된 입력화상 신호로부터 검출된 표시전의 화상 씬(scene)의 휘도신호레벨을 검출하고, 상기 검출결과에 의거하여 슬릿 개구폭을 제어하는 또 다른 모드를 갖추어도 된다. 이 모드에서는, 휘도레벨이 높을 때는, 낮을 때 보다 슬릿 개구폭을 좁게하도록 제어한다.

이들 개구폭 자동제어에 의해, 사용자의 의도 또는 표시상황이나 화상의 종류에 따라서 자동적으로 표시화상의 밝기를 조절할 수가 있다.

이상 설명한 것처럼, 이들 실시예에서, 제 2축방향인 수평방향의 광속폭을 제한하는 광속제한유닛(106)을, 제 1실린더형 렌즈(105)와 제 2실린더형 렌즈(108)의 공유초점 위치 또는 이들 렌즈(105,108)의 근방에 배치하고, 상기 광속제한유닛(106)의 슬릿 개구폭을 변경시킬 수 있다. 이것에 의하여, 표시화상의 밝기를 임의로 설정할 수 있고, 또한, 밝기를 감소시키는 경우에도, 표시화상의 밝기의 균일성 을 열화시키지 않고, 콘트라스트비를 보다 향상시킬 수 있는 프로젝터가 실현 가능하다.

바꾸어 말하면, 본 실시예에서, 광속제한유닛(106)에 의해 제 2축방향의 개구 사이즈만을 변경할 수 있다. 따라서, 표시화상의 밝기의 균일성의 열화 및 콘트라스트비의 저하없이, 표시화상의 밝기를 임의로 설정할 수 있다. 특히, 표시화상의 밝기를 억제하는 경우에도, 표시화상의 밝기의 균일성을 열화시키지 않고, 콘트라스트비를 보다 향상시킬 수 있다.

상기 각 실시예에서는, 이른바 프런트 프로젝션 타입의 프로젝터에 대해 설명했지만, 본 발명은, 이른바 리어 프로젝션 타입의 프로젝터에도 적용할 수 있다.

또한, 화상형성소자로서 액정패널을 이용했을 경우에 대해 설명하였지만, 본 발명은 다른 화상형성소자를 이용한 프로젝터에도 적용 가능하다.

게다가 상기 실시예에서는, 조명광학계내에 광속제한유닛(106)을 설치했을 경우에 대해 설명했지만, 동일한 구성을 가지는 광속제한유닛을, 조명광학계내에서는 아니고, 스크린에서 화상형성소자의 원화상을 투사하는 투사렌즈 내에 설치할 수 있다.

본 발명에 의하면, 옵티컬인티그레이터와 광강도분포 컨버터를 포함하고, 콘트라스트 특성을 향상시키고, 또한 표시화상의 밝기의 균일성을 열화시키는 일없이 사용환경의 밝기에 따른 화상을 표시할 수 있는 광학계를 제공할 수 있다.

Claims

광원으로부터의 조명광속을 화상형성소자에 도입하여, 상기 화상형성소자로부터의 광속을 피투사면에 투사하는 광학계로서,

상기 조명광속의 진행 방향으로 직교하는 2차원 단면내에 있어서의 제 1축방향으로 상기 조명광속을 분할하고 재합성하는 옵티컬인티그레이터와;

상기 2차원 단면내에 있어서의 상기 제 1축방향에 대략 직교하는 제 2축방향으로 상기 조명광속의 광강도분포를 변환하는 작용을 가지는 광강도분포 컨버터; 및

개구의 크기가 상기 제 2축방향으로는 가변이고 상기 제 1축방향으로는 불변인 개구를 가지는 광속제한유닛

을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 1항에 있어서,

상기 광속제한유닛의 개구 가장자리는, 비평행형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 1항에 있어서,

상기 광속제한유닛의 개구 가장자리는, 곡선형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 1항에 있어서,

상기 광강도분포 컨버터는, 2개의 정렌즈 유니트에 의해 구성되고 광속폭의 변환기능을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 4항에 있어서,

상기 광속제한유닛은, 상기 2개의 정렌즈 유닛의 사이에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광학계.
광원으로부터의 조명광속을 화상형성소자에 도입하는 광학계로서,

상기 조명광속의 진행방향에 직교하는 2차원 단면내에 있어서의 제 1축방향으로 상기 조명광속을 분할하고 재합성하는 옵티컬인티그레이터와;

상기 2차원 단면내에 있어서의 상기 제 1축방향에 직교하는 제 2축방향으로 상기 조명광속의 광강도분포를 변환하는 작용을 가지는 광강도분포 컨버터; 및

개구의 크기가 상기 제 2축방향으로는 가변이고 상기 제 1축방향는 불변인 개구를 가지는 광속제한유닛

을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 6항에 있어서,

상기 광속제한유닛에 있어서의 개구 가장자리는, 비평행 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 6항에 있어서,

상기 광속제한유닛에 있어서의 개구 가장자리는, 곡선 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 6항에 있어서,

상기광강도 분포 컨버터는, 2개의 정렌즈 유닛에 의해 구성되고 광속폭의 변환기능을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 9항에 있어서,

상기 광속제한유닛은, 상기 2개의 정렌즈 유닛의 사이에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광학계.
광원으로부터의 조명광속을 화상형성소자에 도입하고, 상기 화상형성소자로부터의 광속을 피투사면에 투사하는 광학계로서,

상기 조명광속의 진행방향에 직교하는 2차원 단면내에 있어서의 제 1축방향으로 상기 조명광속을 분할하고 재합성하는 옵티컬인티그레이터와;

상기 2차원 단면내에 있어서의 상기 제 1축방향에 직교하는 제 2축방향으로 적어도 상기 조명광속의 광강도분포의 변환작용을 가지는 광강도분포 컨버터; 및

개구를 가진 광속제한유닛

을 포함하고,

상기 광속제한유닛은, 상기 제 1축방향에 있어서 상기 광학계의 광축으로부터 거리가 멀어지는 것에 따라, 상기 제 2축방향에 있어서의 개구의 폭이 커지는 부분을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 11항에 있어서,

상기 광속제한유닛에 있어서의 개구 가장자리는, 비평행 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 11항에 있어서,

상기 광속제한유닛에 있어서의 개구 가장자리는, 곡선 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 11항에 있어서,

상기 광강도분포 컨버터는, 2개의 정렌즈 유닛에 의해 구성되고 광속폭의 변환기능을 가지는 것을 특징으로 하는 광학계.
제 14항에 있어서,

상기 광속제한유닛은, 상기 2개의 정렌즈 유닛의 사이에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 광학계.
화상형성소자; 및

제 1항에 기재된 광학계

를 가지는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제 16항에 있어서,

조작부재로부터의 조작신호, 입력된 화상신호의 종류 및 입력된 화상의 명암 씬(scene) 정보중의 적어도 1개에 의거하여 상기 광속제한유닛의 동작을 제어하는 콘트롤러를 부가하여 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제 16항에 있어서,

외부의 밝기를 검출하는 검출기; 및

상기 검출기의 검출결과에 의거하여 상기 광속제한유닛의 동작을 제어하는 콘트롤러

를 부가하여 포함하는 것을 특징으로 화상투사장치.
화상형성소자; 및

제 6항에 기재된 광학계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제 19항에 있어서,

조작부재로부터의 조작신호, 입력된 화상신호의 종류 및 입력된 화상의 명암 씬 정보중의 적어도 1개에 의거하여 상기 광속제한유닛의 동작을 제어하는 콘트롤러를 부가하여 포하하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제 19항에 있어서,

외부의 밝기을 검출하는 검출기; 및

상기 검출기의 검출결과에 의거하여 상기 광속제한유닛의 동작을 제어하는 콘트롤러

를 부가하여 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
화상형성소자; 및

제 11항에 기재된 광학계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제 22항에 있어서,

조작부재로부터의 조작신호, 입력된 화상 신호의 종류 및 입력된 화상의 명암 씬 정보중의 적어도 1개에 의거하여 상기 광속제한유닛의 동작을 제어하는 콘트롤러를 부가하여 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제 22항에 있어서,

외부의 밝기를 검출하는 검출기; 및

상기 검출기의 검출 결과에 의거하여 상기 광속제한유닛의 동작을 제어하는 콘트롤러

를 부가하여 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
제 16항에 기재된 화상투사장치; 및

상기 화상투사장치에 화상신호를 공급하는 화상공급장치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상표시시스템.
제 19항에 기재된 화상투사장치; 및

상기 화상투사장치에 화상신호를 공급하는 화상공급장치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상표시시스템.
제 22항에 기재된 화상투사장치; 및

상기 화상투사장치에 화상신호를 공급하는 화상공급장치

를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상표시시스템.