KR20070061428A - 파장선택성 편광변환소자, 조명광학계, 투사표시광학계 및화상투사장치 - Google Patents

파장선택성 편광변환소자, 조명광학계, 투사표시광학계 및화상투사장치 Download PDF

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Abstract

편광변환소자와 파장선택성 위상차판에 의해 얻을 수 있는 편광변환기능을 겸비하고, 특히 화상투사장치에 있어서의 광학부품수의 감소나 구조의 간략화를 도모할 수 있도록 한 파장선택성 편광변환소자를 개시한다. 이 편광변환소자는 편광분리막과 위상차판을 가진다. 편광분리막은 투과 및 반사작용에 의해 광을 분리하는 기능을 가지고, 제 1의 편광방향의 광 및 제 1의 편광방향과 직교하는 제 2의 편광방향의 광에 대한 투과율이 각각, 파장역에 따라서, 50%보다 높은 투과율과 50%보다 낮은 투과율 사이에서 변화하는 특성을 가진다. 위상차판은 편광분리막에 의해 투과 또는 반사한 광의 편광방향을 제 1의 편광방향과 제 2의 편광방향 사이에서 변환한다. 편광변환소자는 제 1~제 3의 파장역 중 2개의 파장역의 광을 제 1 및 제 2의 편광방향 중 한쪽의 편광방향을 가지는 편광광으로서 사출하고, 다른 파장역의 광을 제 1 및 제 2의 편광방향 중 다른 쪽의 편광방향을 가지는 편광광으로서 사출한다.

Description

파장선택성 편광변환소자, 조명광학계, 투사표시광학계 및 화상투사장치{WAVELENGTH-SELECTIVE POLARIZATION CONVERSION ELEMENT, ILLUMINATION OPTICAL SYSTEM, PROJECTION DISPLAY OPTICAL SYSTEM, AND IMAGE PROJECTION APPARATUS}
도 1은 본 발명의 실시예 1인 투사표시광학계 및 이것을 구비한 액정프로젝터의 구성을 나타내는 도;
도 2는 실시예 1에서 사용되는 파장선택성 편광변환소자의 개략구성도;
도 3은 실시예 1의 변형예로서의 파장선택성 편광변환소자의 개략구성도;
도 4는 실시예 1에서 사용되는 파장선택성 편광변환소자에 있어서의 편광분리막의 일부의 분광투과율 시뮬레이션결과를 나타내는 도;
도 5는 실시예 1에서 사용되는 파장선택성 편광변환소자에 있어서의 편광분리막의 일부의 분광투과율 시뮬레이션결과를 나타내는 도;
도 6은 실시예 1에서 사용되는 파장선택성 편광변환소자에 있어서의 편광분리막의 분광투과율 시뮬레이션결과를 나타내는 도;
도 7은 본 발명의 실시예 2인 파장선택성 편광변환소자의 개략구성도;
도 8은 실시예 2의 파장선택성 편광변환소자에 있어서의 편광분리막의 분광투과율 시뮬레이션결과를 나타내는 도;
도 9는 본 발명의 실시예 3인 투사표시광학계 및 이것을 구비한 액정프로젝 터의 구성을 나타내는 도;
도 10은 실시예 3에서 사용되는 파장선택성 편광변환소자의 개략구성도;
도 11은 본 발명의 실시예 4인 투사표시광학계 및 이것을 구비한 액정프로젝터의 구성을 나타내는 도;
도 12는 실시예 4에서 사용되는 파장선택성 편광변환소자의 개략구성도;
도 13은 실시예 4에서 사용되는 파장선택성 편광변환소자에 있어서의 편광분리막의 분광투과율 시뮬레이션결과를 나타내는 도;
도 14는 본 발명의 실시예 5인 투사표시광학계 및 이것을 구비한 액정프로젝터의 구성을 나타내는 도;
도 15는 실시예 5에서 사용되는 파장선택성 편광변환소자의 개략구성도.
본 발명은 무편광광을 파장역(색)에 따른 편광방향의 광으로 변환하는 파장선택성 편광변환소자 및 이것을 구비한 액정프로젝터 등의 화상투사장치에 관한 것이다.
편광빔분할기에 의해 색분해 및 색합성을 행하는 화상투사장치가 일본 특개 2001-154152호 공보 및 US6742897공보에 개시되어 있다. 해당 장치에서는 광원으로부터 사출된 무편광광을 렌즈어레이에 의해서 복수의 광속으로 분할하고, 각 광속에 의해 형성된 2차 광원상을 콘덴서렌즈에 의해서 액정패널 등의 화상형성소자 상 에 중첩시켜 이것을 대략 균일한 밝기로 조명한다.
여기서, 렌즈어레이로부터 사출된 각 분할광속은 편광변환소자에 설치된, 렌즈어레이의 각각의 렌즈셀에 대응한 복수의 편광변환셀에 입사한다. 각 편광변환셀은 편광분리막과 1/2파장판과 반사면을 가진다. 각 편광변환셀에 입사한 무편광광은 편광분리막에 의해 P편광과 S편광으로 분리된다. P편광은 편광분리막을 투과 한 후, 1/2파장판에 의해서 그 편광방향이 90˚회전되어 S편광으로서 사출한다. 한편, S편광은 편광분리막에 의해서 반사되어 반사면에 의해 반사해서 S편광 그대로 사출된다.
하나의 편광방향만을 가진 S편광은 편광변환소자로부터 사출해서 콘덴서렌즈에 입사한다. 또한 콘덴서렌즈로부터 사출한 S편광은 다이클로익소자에 의해서 제 1 및 제 2의 파장역광과 제 3의 파장역광으로 분리된다. 이 단계에서는, 제 1 및 제 2의 파장역광은 같은 광로를 진행하고, 또한 같은 편광방향을 가진다. 그리고 이 후, 편광빔분할기를 사용해서 제 1 및 제 2의 파장역광을 각각 제 1 및 제 2의 화상형성소자에 인도하기 위해, 파장(색)선택성 위상차판을 통과시킨다. 이에 의해 제 1 및 제 2의 파장역광을 서로 다른 편광방향을 가지는 광으로 분리할 수 있다. 파장선택성 위상차판은 연신된 필름을 복수 적층해서 작성되고, 입사한 제 1 및 제 2의 파장역광 중, 한쪽의 파장역광의 편광방향만을 이 편광방향과 직교하는 편광방향으로 변환하고, 다른 쪽의 파장역광을 편광방향을 바꾸지 않고 투과시키는 특성을 가진다.
이와 같이 편광빔분할기를 사용해서 색분해를 행하는 화상투사장치에는, 렌 즈어레이의 근방에 배치되는 편광변환소자와 편광빔분할기의 근방에 배치되는 파장선택성 위상차판이 사용되는 것이 일반적이다.
또한, 특수한 예로서, US6742897공보 및 일본 특개평 11-153774호 공보에서 개시된 광학소자가 사용되는 경우도 있다. US6742897공보에는 소정 파장역광을 투과해서 다른 파장역광을 반사하는 제 1다이클로익층과, 이 다이클로익층을 투과한 광의 편광면을 90도 회전시키는 위상차층과, 이 위상차층으로부터의 광을 전반사하는 전반사층으로 이루어진 광학소자가 개시되어 있다.
종래의 편광빔분할기는 사용파장대 전역에 있어서 P편광을 투과, S편광을 반사하는 것을 목적으로 하고 있다.「Li Li and J. A. Dobrowo1ski, App1. Opt., vo1.39, p.2754, 2000」에는 P편광을 반사, S편광을 투과하는 편광빔분할기가 보고되어 있다. 어느 편광빔분할기도 사용파장대 전 대역에 대해서 편광분리하는 작용을 가진다. 이에 대해서 어느 파장대의 S편광을 투과, P편광을 반사, 그것과 다른 파장대의 S편광을 반사, P편광을 투과시키는 편광빔분할기는 지금까지 보고되어 있지 않다.
또, 다이클로익필터는 경사입사에 의해 P편광에 대한 투과대역이 넓어지고, S편광에 대한 투과대역이 좁아지기 때문에, 편광분리되는 특정의 파장대역이 나타난다. 그러나, P편광은 투과, S편광은 반사할 뿐이고, P편광은 반사, S편광은 투과 하는 일은 없고, 다른 파장대역에서 편광분리특성이 반대로 되는 특성이 되는 일은 없다.
일본 특개평11-153774호 공보에는, 파장선택성을 구비하고, 광의 편광, 검광, 색분리 및 색합성을 행하는 편광빔분할기가 개시되어 있다. 동 공보에서는, 청파장대역의 P편광을 반사, S편광을 투과하고, 또한 녹색과 적색대역의 P편광을 투과, S편광을 반사하는 작용을 가지는 편광빔분할기를 사용한 색분해색합성수단을 개시하고 있다. 그러나, 이 편광빔분할기에 대해서는 기능만이 표시되어 있고, 실제의 실현 방법에 관해서는 개시되어 있지 않다.
그러나, 일본 특개2001-154152호 공보에서 개시되어 있는 바와 같이, 편광변환소자와는 별도로 파장선택성 위상차판을 사용하면, 화상투사장치를 구성하는 광학부품의 수가 증가한다. 또, 파장선택성 위상차판을 위치결정 지지하거나, 다층필름에 의해 구성되는 이 파장선택성 위상차판을 냉각하거나 하는 구조가 필요하게 되어, 구조가 복잡하게 된다.
본 발명은, 종래는 편광변환소자와 파장선택성 위상차판에 의해 얻어지고 있었던 편광변환기능을 가지고, 특히 화상투사장치에 있어서의 광학부품수의 감소나 구조의 간략화를 도모할 수 있도록 한 파장선택성 편광변환소자를 제공한다.
편광변환소자와 파장선택성 위상차판에 의해 얻어지는 편광변환기능을 가지고, 특히 화상투사장치에 있어서의 광학부품수의 감소나 구조의 간략화를 도모할 수 있도록 한 파장선택성 편광변환소자를 제공하는 것을 목적의 하나로 한다.
본 발명의 1측면으로서의 파장선택성 편광변화소자는 제 1의 파장역의 광, 제 2의 파장역의 광 및 제 3의 파장역의 광을 포함하는 무편광광을 편광광으로 변 환하고, 이하를 포함한다.
·편광분리막: 이 편광분리막은 투과 및 반사작용에 의해 광을 분리하는 기능을 가지고, 제 1의 편광방향의 광 및 이 제 1의 편광방향과 직교하는 제 2의 편광방향의 광에 대한 투과율이 각각 파장역에 따라서 50%보다 높은 투과율과 50%보다 낮은 투과율 사이에서 변화하는 특성을 가진다. 위상차판: 이 위상차판은 상기 편광분리막에 의해 투과 또는 반사한 광의 편광방향을 상기 제 1의 편광방향과 상기 제 2의 편광방향 사이에서 변환한다. 상기 편광변환소자는 상기 제 1, 제 2 및 제 3의 파장역 중 2개의 파장역의 광을 상기 제 1 및 제 2의 편광방향 중 한쪽의 편광방향을 가지는 편광광으로서 사출하고, 상기 제 1, 제 2 및 제 3의 파장역 중 다른 파장역의 광을 상기 제 1 및 제 2의 편광방향 중 다른 쪽의 편광방향을 가지는 편광광으로서 사출한다.
또한, 상기 편광변환소자를 사용한 조명광학계, 화상표시광학계, 화상투사장치 및 화상투사시스템도 본 발명의 다른 측면을 구성한다.
본 발명의 새로운 목적 또는 특징은 이하의 도면을 참조해서 설명되는 바람직한 실시예에 의해 명확하게 될 것이다.
(바람직한 실시예의 상세한 설명)
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해서 설명한다.
(실시예 1)
도 1에는 본 발명의 실시예 1인 파장선택성 편광변환소자를 사용한 투사표시광학계 및 이것을 구비한 액정프로젝터(화상투사장치)의 구성을 나타낸다.
백색광원(1)으로부터 사출한 광속은 포물면리플렉터(2)에 의해서 평행광속으로 변환되어 사출된다. 또한, 여기서 말하는 평행광속은 완전히 평행한 광속뿐만이 아니라, 광학계의 특성상 평행하다고 간주할 수 있는 정도로 확산 또는 수렴하는 광속도 포함한 의미이다. 이것은 이하의 실시예에서도 같다.
이 평행광속은 제 1의 플라이아이렌즈(3)에 의해서 복수의 광속으로 분할되고, 각 분할광속은 집광된다. 각 분할광속은 제 2의 플라이아이렌즈(4), 파장선택성 편광변환소자(5)의 근방에 집광되어, 광원의 상(2차 광원상)을 만든다. 플라이아이렌즈(3), (4)는 복수의 렌즈셀이 2차원방향으로 배치되어 구성되어 있다. 각 렌즈셀은 피조명면인 후술하는 액정패널(화상형성소자)과 상사형상인 직사각형의 렌즈 형상을 가진다.
제 2의 플라이아이렌즈(4)를 사출해서 파장선택성 편광변환소자(5)에 입사하는 광속은 제 1의 편광방향의 직선편광인 P편광과 제 2의 편광방향의 직선편광인 S편광을 포함한 무편광광이다.
파장선택성 편광변환소자(5)는 제 2의 플라이아이렌즈(4)를 사출한 각 분할광속 중 제 1 및 제 2의 파장역인 적색(R) 대역과 녹색(G) 대역의 광을 S편광으로 변환한다. 또, 제 3의 파장역인 청색(B) 대역의 광을 P편광으로 변환한다.
여기서, 일반적으로, B대역의 파장은 430~500nm, G대역의 파장은 500~580nm, R대역의 파장은 580~670nm라고 말해진다. 단, 본 실시예의 프로젝터에 있어서는, 반드시 상기의 정의에 근거한 BGR 대역의 광을 사용하고 있는 것이 아니고, BGR 대역의 파장으로서 이하와 같은 파장의 광을 사용하고 있다. 예를 들면, B대역의 광 으로서는, 430nm 이상 490nm 이하(435nm 이상 485nm 이하라도 된다)의 광을 사용하고 있다. G대역의 광으로서는, 510nm 이상 570nm 이하(515nm 이상 565nm 이하라도 된다)의 광을 사용하고 있다. R대역의 광으로서는, 600nm 이상 660nm 이하(605nm 이상 655nm 이하라도 된다)의 광을 사용하고 있다. 이것은 이하에 설명하는 다른 실시예에서도 마찬가지이다. 또한, 상기 파장의 범위는 예이며, 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
파장선택성 편광변환소자(5)로부터 사출한 R대역 및 G대역의 S편광과 B대역의 P편광은 미러(20)에 의해 반사된다. 그 후, 복수의 분할광속은 콘덴서렌즈(6)에 의해서 집광되어 색분해합성광학계(7)를 거쳐 R대역, G대역 및 B대역용의 반사형 액정패널(15), (10), (14)를 각각 중첩적으로 조명한다. 또한, 광원(1)으로부터 적어도 콘덴서렌즈(6)까지를 조명광학계라고 한다. 이것은 이하에 설명하는 실시예에서도 마찬가지이다.
색분해합성광학계(7)는 콘덴서렌즈(6)를 투과한 편광광 중 B대역과 R대역의 광을 반사하고, G대역광을 투과하는 다이클로익미러(8)를 가진다. 다이클로익미러(8)를 투과한 G대역의 편광광은 제 1의 편광빔분할기(9)에 의해 반사되어 G대역용 반사형 액정패널(10)에 입사한다.
여기서, 각 반사형 액정패널은 구동회로(D)에 접속되어 있다. 이 투사표시광학계를 탑재한 프로젝터(화상투사장치)의 일부인 구동회로(D)에는, 퍼스널컴퓨터, DVD 플레이어, 비디오데크, 텔레비젼튜너 등의 화상정보공급장치(IP)로부터 화상신호가 입력된다. 이들에 의해서 화상표시시스템이 구성된다. 구동회로(D)는 입력된 화상신호의 R, G, B성분에 근거해서 각각의 색에 대응하는 반사형 액정패널을 구동한다. 이것에 의해 각 반사형 액정패널은 각 파장대의 입사광을 반사하는 동시에 변조해서 화상광으로서 사출한다. 또한, 이러한 구성은 이하의 실시예에서도, 도시하지 않지만 같다.
G대역용 액정패널(이하, G액정패널이라고 한다) (10)로부터의 화상광(편광광)은 제 1의 편광빔분할기(9)를 투과하고, 또한 제 2의 편광빔분할기(11)를 투과 해서 투사렌즈(12)에 의해서 도시하지 않은 스크린 상에 투영된다.
한편, 다이클로익미러(8)에 의해 반사된 B대역 및 R대역의 편광광 중 B대역의 편광광은 제 3의 편광빔분할기(13)를 투과하고, R대역의 편광광은 이 제 3의 편광빔분할기(13)에 의해 반사된다. 그리고, 제 3의 편광빔분할기(13)로부터 사출한 R대역의 편광광 및 B대역의 편광광은 각각 R대역용 액정패널(이하, R액정패널이라고 한다) (15) 및 B대역용 액정패널(이하, B액정패널이라고 한다)(14) 상에 도달한다.
B액정패널(14)에 의해 반사되고, 또한 변조된 B대역의 편광광은 제 3의 편광빔분할기(13)에 의해 반사된다. 또, R액정패널(15)에 의해 반사되고, 또한 변조된 R대역의 편광광은 제 3의 편광빔분할기(13)를 투과한다. 그 후, 파장선택성 위상판 (16)에 의해서 R대역의 편광광의 편광방향만이 90도 회전되어, R대역의 편광광과 B대역의 편광광의 편광방향이 서로 같게 된다. 그리고, 양 대역의 편광광은 제 2의 편광빔분할기(11)에 의해 반사되고, 투사렌즈(12)에 의해서 스크린상에 투영된다. 이것에 의해 RGB풀컬러의 투사화상이 스크린 상에 표시된다.
다음에, 전술한 파장선택성 편광변환소자(5)의 구성 및 광학작용에 대해서 도 2를 사용해서 자세하게 설명한다. 파장선택성 편광변환소자(5)는 플라이아이렌즈(3), (4)를 구성하는 복수의 렌즈셀에 대응해서 설치된, 서로 같은 구성을 가지는 복수의 편광변환셀(C)로 구성되어 있다.
또한, 각 편광변환셀(C)의 광입사면 중, 후술하는 파장선택성 편광분리막(32)의 위치로부터 그 아래쪽의 반사막(31)까지의 영역에는 광의 입사를 차단하기 위한 차광판(34)이 설치되어 있다. 이것에 의해, 광은 각 편광변환셀(C)의 입사면 중 파장선택성 편광분리막(32)과 그 위쪽에 배치된 반사막(31) 사이의 영역으로부터만 파장선택성 편광변환소자(5)에 입사한다. 또, (33)은 위상차판을 나타낸다. 이하, 파장선택성 편광분리막(32)을 단지 편광분리막으로 약기한다.
편광분리막(32)은 광의 입사방향(도의 좌측에서 우측을 향하는 방향)에 대해서 이 45도의 기울기를 가진다. 또, 반사막(31)은 편광분리막(32)에 대해서 평행하게 배치되어 있다. 또, 편광분리막(32)은 실제로는 평행 평판인 유리나 아크릴제의 기판의 표면에 다층막으로서 형성되어 있다.
또, 위상차판(33)은 필름형상으로 형성되고, 파장선택성 편광변환소자(5)의 사출면 중, 반사막(31)의 위치로부터 상방향으로 편광분리막(32)의 위치까지의 영역에 형성되어 있다.
또한, 본 실시예에서는 파장선택성 편광변환소자(5)의 사출면에 위상차판(33)을 설치했을 경우에 대해 설명하지만, 도 3에 나타내는 바와 같이, 위상차판(33)을, 입사측에 편광분리막(32)이 형성된 기판에 있어서의 사출측에 형성해도 된다.
편광분리막(32)은 R대역과 G대역의 P편광에 대한 투과율이 100% 또는 그에 가깝고(50%보다 높고), B대역광의 P편광에 대한 투과율이 0% 또는 거기에 그에 가까운(50%보다 낮은) 특성을 가진다. 또, 편광분리막(32)은 R대역과 G대역의 S편광에 대한 투과율이 0% 또는 그에 가깝고(50%보다 낮고), B대역광의 S편광에 대한 투과율이 100% 또는 그에 가까운(50%보다 높은) 특성을 가진다.
또, 위상차판(33)은 1/2파장판이며, 입사한 직선편광의 편광방향을 90도 회전시키는 기능을 가진다.
이와 같이 구성된 파장선택성 편광변환소자(5)에는 백색의 무편광광이 도의 좌측에서 입사한다. 이 무편광광 중 R대역 및 G대역의 P편광은 편광분리막(32)을 투과한 후, 위상차판(33)을 투과해서 S편광으로 변환되어 파장선택성 편광변환소자(5)로 부터 사출한다. R대역 및 G대역의 S편광은 편광분리막(32)에 의해반사하고, 또한 반사막(31)에 의해 반사해서 S편광으로서 파장선택성 편광변환소자(5)로부터 사출한다. B대역의 P편광은 편광분리막(32)에 의해 반사하고, 다시 반사막(31)에 의해 반사해서 P편광으로서 파장선택성 편광변환소자(5)로부터 사출한다. B대역의 S편광은 편광분리막(32)을 투과한 후, 위상차판(33)을 투과해서 P편광으로 변환되어 파장선택성 편광변환소자(5)로부터 사출한다.
이와 같이, 단일의 소자로서 구성된 파장선택성 편광변환소자(5)에 입사한 백색 무편광광은 R대역 및 G대역의 S편광과 B대역의 P편광으로 변환되어 이 소자 (5)로 부터 사출한다.
따라서, 이 편광변환소자(5)로부터 B대역광과 R대역광을 종래 사용되고 있던 파장선택성 위상차판을 개재하지 않고 다이클로익미러(8)로부터 제 3의 편광빔분할기(13)에 인도할 수 있다. 즉, 이 경우에서도, 제 3의 편광빔분할기(13)에 의해서 이들 B대역광과 R대역광을 그 편광방향에 따라서 분리해서, R액정패널(15)과 B액정패널(14)에 각각 입사시킬 수 있다. 이 때문에, 다이클로익미러(8)로부터 제 3의 편광빔분할기(13)까지의 광로에 파장선택성 위상차판을 설치하는 종래의 경우에 비해 광학계의 광학부품수를 줄일 수 있다. 또한, 파장선택성 위상차판이 불필요해지게 되어, 이것을 지지하거나 냉각하거나 하는 구조도 불필요하게 된다.
여기서, R대역 및 G대역의 광에 관해서 P편광의 투과율이 높고, S편광의 투과율이 낮고, B대역의 광에 관해서 P편광의 투과율이 낮고, S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 편광분리막(32)의 다층막구조에 대해 나타낸다.
편광분리막(32)의 막구조로서는, R대역 및 G대역의 P편광의 투과율이 높고, S편광의 투과율이 낮고, B대역의 P편광의 투과율이 낮고, S편광의 투과율이 높은 광학특성을 직접 가지는 막구조가 있다.
또, 다른 막구조로서 광학특성이 다른 2개의 막부를 적층한 것에 상당하는 구조도 있다. 예를 들면, 제 1의 막부로서 R대역, G대역 및 B대역의 P편광의 투과율이 높고, R대역 및 G대역의 S편광의 투과율이 낮고, B대역의 S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 것을 사용한다. 또, 제 2의 막부로서 R대역 및 G대역의 P편광의 투과율이 높고, B대역의 P편광의 투과율이 낮고, R대역, G대역 및 B대역의 S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 것을 사용한다.
또한, 여기에서 말하는 「높다」, 「낮다」는 기본적으로는 50%보다 높고, 낮은 것을 나타낸다. 보다 상세하게는, 투과율이 높다(반사율이 낮다)고 하는 표현은 편광분리막에 대해서 소정의 각도(여기에서는 45도)로 입사하는 광의 투과율이 50%를 넘고 있는(바람직하게는 80% 이상이다) 것, 반대로 말하면 , 반사율은 50% 보다 낮은(바람직하지는 20% 이하이다) 것을 의미한다. 한편, 투과율이 낮다(반사율이 높다)고 하는 표현은 편광분리막에 대해서 소정의 각도(여기에서는 45도)로 입사하는 광의 투과율이 50%보다 낮은(바람직하게는 20% 이하이다) 것, 반대로 말하면, 반사율은 50%보다 높은(바람직하게는 80% 이상이다) 것을 의미한다. 이하의 설명에서도, 특히 설명을 하지 않는 한 마찬가지이다.
또한 고굴절률 입사프리즘으로부터 저굴절률 매질에 임계각 이상으로 입사시키고, 에바넷센트파(evanescent wave)가 나타나는 영역에 박막이 존재하면, 광이 투과하고, 위상 변화하는 전반사 감쇠(Frustrated Total Internal Reflection: FTIR)를 이용한 막구조도 있다. 본 발명은 이들 막구조로 한정되는 것은 아니다.
표 1에는 상술한 2개의 막부를 적층한 것에 상당하는 구조를 가지는 편광분리막(32)의 예를 나타낸다. 여기에서는, 유리기판으로서는 OHARA사제의 PBH56를 사용했다. 또, 표 중의 H, M, L는 각각 고굴절률층, 중굴절률층 및 저굴절률층을 나타내고, H, M, L의 우측의 숫자는 각층(막)의 두께(nm)를 나타낸다. 본 구성예에서는, 고굴절률층으로서 TiO2를, 중굴절률층으로서 A12O3를, 저굴절률층으로서 MgF2를 사용했다.
전술한 제 1의 막부와 같이, R대역, G대역 및 B대역의 P편광의 투과율이 높고, R대역 및 G대역의 S편광의 투과율이 낮고, B대역의 S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 막구조는 잘 알려져 있다. 예를 들면, P편광에 대해서 다층막의 굴절률로부터 구해지는 브류스타각을 만족하고, S편광입사에 대해서 다이클로익필터로서 기능하는 막이다. 또, 다이클로익필터에 있어서의 S편광과 P편광의 커트오프파장을 조정함으로써도 실현할 수 있다.
이와 같은 제 1의 막부를 구성하는 다층막의 예로서,
「Sub | (108M l00H)5|접」
의 분광투과율특성의 시뮬레이션결과를 도 4에 나타낸다. Sub는 기판을, 접은 접착제를 나타내고 있다. 이 도에 있어서, Tp45는 P편광을 이 편광분리막(32)에 대해서 45도의 입사각으로 입사시킬 때의 투과율특성을, Ts45는 S편광을 이 편광분리막에 대해서 45도의 입사각으로 입사시킬 때의 투과율특성을 나타내고 있다. 이것은 이하의 시뮬레이션결과에 대해서도 마찬가지이다.
한편, 전술한 제 2의 막부와 같이, R대역 및 G대역의 P편광의 투과율이 높고, B대역의 P편광의 투과율이 낮고, R대역, G대역 및 B대역의 S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 것의 막구조는 종래 알려지지 않았다. 그러나, 검토결과, 많은 막구조로 실현할 수 있는 것을 알았다. 이러한 제 2의 막부를 구성하는 다층막의 예로서,
「Sub | (116M 171L 115M 75H)5|접」
의 분광투과율특성의 시뮬레이션결과를 도 5에 나타낸다. 또한, 이 예에 나타내는 제 2의 막부에 있어서, R대역 중 645nm 이상의 부분에서 S편광의 투과율이 50%를 밑돌지만, 이것에 대해서는, 최종적으로 본 실시예에서 얻고 싶은 편광분리막(32)의 특성으로부터 보면 허용범위이다. 다른 견해로는, 이 R대역의 S편광의 투과율은 제 1의 막부의 R대역(및 G대역)에서의 S편광의 투과율보다 높으면 된다.
표 1에 나타내는 편광분리막(32)의 막구조예는, 이들 2개의 막부를 적층하고, P편광 및 S편광 각각의 투과대 및 반사대의 리플을 저감시키기 위해서 막 두께를 최적화한 예이다. 또한, 제 1~제 32층까지가 제 1의 막부에 상당하고, 제 33~42층까지가 제 2의 막부에 상당한다. 단, 이들 막부를 적층하고 나서 전체적으로 최적화를 행했으므로, 각 막부의 광학특성을 완전히 알 수 있는 것은 아니다.
또, 도 6에는 표 1에 나타내는 편광분리막(32)의 투과율특성의 시뮬레이션결과를 나타내고 있다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 편광분리막(32)은 R대역과 G대역의 P편광에 대한 투과율이 높고, B대역광의 P편광에 대한 투과율이 낮고, R대역과 G대역의 S편광에 대한 투과율이 낮고, B대역광의 S편광에 대한 투과율이 높은 특성을 가진다.
또한, 표 1에 나타낸 유리기판의 재료, 박막의 재료, 각 박막의 차례, 층수 및 막두께는 예에 지나지 않고, 본 발명의 편광분리막의 구성은 이것에 한정되지않는다.
다음에, 본 실시예에 있어서, 파장선택성 편광변환소자(5)를 제 2의 렌즈어레이(4)와 콘덴서렌즈(6) 사이에 배치한 이유에 대해 설명한다. 렌즈어레이(3), (4)는 각각 포물면리플렉터(2)로부터 사출된 평행광속을 복수 광속으로 분할하는 기능과, 각 분할광속을 파장선택성 편광변환소자(5)의 근방에 집광하는 기능을 가진다. 한편, 콘덴서렌즈(6)는 제 2의 렌즈어레이(4)로부터 사출한 복수의 분할광속이 액정패널 상에서 서로 겹치도록 집광하는 기능을 가진다. 이 경우, 제 2의 렌즈어레이(4)에 의한 분할광속의 파장선택성 편광변화소자(5)를 향한 집광 정도와 콘덴서렌즈(6)에 의한 집광 정도를 비교하면, 전자의 집광 정도가 작다.
그런데, 일반적으로, 다이클로익막이나 편광분리막이라고 하는 다층막의 분광특성은 입사각도의존성이 강하고, 45도의 입사각도에 대해서는 설계상의 특성에 가까운 양호한 분광특성을 얻을 수 있지만, 입사각도가 45도로부터 멀어짐에 따라 분광특성이 시프트하는 경향이 있다. 즉, 분리하는 파장대에 어긋남이 생긴다.
전술한 것처럼 콘덴서렌즈(6)에 의한 광속의 집광 정도는 크다. 이 때문에, 만일 파장선택성 편광변환소자(5)를 콘덴서렌즈(6)보다 액정패널측에 배치하면, 이 파장선택성 편광변환소자(5)를 구성하는 편광분리막(32)에서의 분광특성이 시프트한다. 이것에 의해, 각 액정패널에 입사하는 각 대역광에 예정 외의 편광방향의 광이 많이 섞이고, 그 결과, 투사화상의 콘트라스트가 저하한다.
이 때문에, 본 실시예에서는, 제 2의 렌즈어레이(4)와 콘덴서렌즈(6)의 사이에 파장선택성 편광변환소자(5)를 배치하고, 이 편광변환소자(5)에의 입사광속의 집광 정도를 작게(결국은 평행광속에 가까운 상태로) 하고 있다. 이것에 의해 파장선택성 편광변환소자(5)를 구성하는 편광분리막(32)에 있어서 양호한 분광특성을 얻을 수 있도록 하고 있다. 따라서, 본 실시예에 의하면, 파장선택성 편광변환소 자(5)에 의한 적정한 분광특성을 이용해서, 콘트라스트가 높은 투사화상을 얻을 수 있다.
이상 설명한 파장선택성 편광변환소자를 제 2의 렌즈어레이와 콘덴서렌즈 사이에 배치하는 이유에 대해서는, 이하에 설명하는 다른 실시예에서도 같다.
(실시예 2)
도 7에는 본 발명의 실시예 2인 파장선택성 편광변환소자를 나타낸다. 이 파장선택성 편광변환소자(205)를 사용한 투사표시광학계는 실시예 1에서 도 1에 나타낸 투사표시광학계와 같고, 이 투사표시광학계를 구성하는 파장선택성 편광변환소자 이외의 구성요소에 대해서는 실시예 1과 동일한 부호를 붙인다. 본 실시예에서도 P편광을 제 1의 편광방향의 광으로 하고, S편광을 제 2의 편광방향의 광으로 한다.
본 실시예의 파장선택성 편광변환소자(205)의 구성 및 광학 작용에 대해서 자세하게 설명한다. 파장선택성 편광변환소자(205)는 플라이아이렌즈(3), (4)를 구성하는 복수의 렌즈셀에 대응해서 설치된, 서로 같은 구성을 가지는 복수의 편광변환셀(C)로 구성되어 있다. 또한, 각 편광변환셀(C)의 광입사면 중, 후술하는 파장선택성 편광분리막(42)의 위치로부터 그 아래쪽의 반사막(41)까지의 영역에는 광의 입사를 차단하기 위한 차광판(44)이 설치되어 있다. 이에 의해 광은 각 편광변환셀(C)의 입사면 중 파장선택성 편광분리막(42)과 그 위쪽에 배치된 반사막(41) 사이의 영역으로부터만 입사한다. 또 (43)은 위상차판을 나타낸다. 이하, 파장선택성 차광분리막(4)을 단순히 편광분리막으로 약기한다.
편광분리막(42)은 그 법선이 광의 입사방향(도의 좌측에서 우측을 향하는 방향)에 대해서 45도보다 큰 각도, 예를 들면 50도의 기울기를 가지도록 배치되어 있다. 또, 반사막(41)은 편광분리막(42)에 대해서 평행하게 배치되어 있다. 편광분리막(42)의 법선을 45도보다 큰 각도로 기울임으로써, 차광판(44)을 각 편광변환셀(C)의 광입사면 중, 반사막(41)의 위치보다 아래쪽까지 늘리고 있다. 이것에 의해 광은 입사면 중 반사막(41)과 편광분리막(42) 사이의 영역으로부터만 파장선택성 편광변환소자(205)에 입사한다.
또, 편광분리막(42)은 실제로는 평행평판인 유리나 아크릴제의 기판의 표면에 다층막으로서 형성되어 있다. 또, 위상차판(43)은 필름형상으로 형성되고, 파장선택성 편광변환소자(205)의 사출면 중, 반사막(41)의 위치로부터 상방향으로 편광분리막(42)의 위치까지의 영역에 형성되어 있다.
또한, 본 실시예에서도, 도 3에 나타내는 바와 같이, 위상차판(43)을 입사측에 편광분리막(42)이 형성되는 기판의 사출측에 형성해도 된다.
본 실시예에서도, 편광분리막(42)은 R대역과 G대역의 P편광에 대한 투과율이 100% 또는 그에 가깝고(50%보다 높고), B대역광의 P편광에 대한 투과율이 0% 또는 그에 가까운(50%보다 낮은) 특성을 가진다. 또, 편광분리막(42)은 R대역과 G대역의 S편광에 대한 투과율이 0% 또는 그에 가깝고(50%보다 낮고), B대역광의 S편광에 대한 투과율이 100% 또는 그에 가까운(50%보다 높은) 특성을 가진다.
또, 위상차판(43)은 1/2파장판이며, 입사한 직선편광의 편광방향을 90도 회전시키는 기능을 가진다.
이와 같이 구성된 파장선택성 편광변환소자(205)에는 백색의 무편광광이 도의 좌측에서 입사한다. 이 무편광광 중 R대역 및 G대역의 P편광은 편광분리막(42)을 투과한 후, 위상차판(43)을 투과해서 S편광으로 변환되어 파장선택성 편광변환소자(205)로부터 사출한다. R대역 및 G대역의 S편광은 편광분리막(42)에 의해 반사하고, 또한 반사막(41)에 의해 반사해서 S편광으로서 파장선택성 편광변환소자(205)로부터 사출한다. B대역의 P편광은 편광분리막(42)에 의해 반사하고, 또한 반사막(41)에 의해 반사해서 P편광으로서 파장선택성 편광변환소자(205)로부터 사출한다. B대역의 S편광은 편광분리막(42)을 투과한 후, 위상차판(43)을 투과해서 P편광으로 변환되어 파장선택성 편광변환소자(205)로부터 사출한다.
이와 같이, 단일의 소자로서 구성된 파장선택성 편광변환소자(205)에 입사한 백색 무편광광은 R대역 및 G대역의 S편광과 B대역의 P편광으로 변환되어 이 소자 (205)로부터 사출한다. 이것에 의해 실시예 1에서 설명한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
표 1에는, R대역 및 G대역의 P편광의 투과율이 높고, B대역의 P편광의 투과율이 낮고, R대역 및 G대역의 S편광의 투과율이 낮고, B대역의 S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 편광분리막(42)의 다층막구조의 예를 나타낸다. 여기에서는, 실시예 1과 마찬가지로 2개의 막부를 적층한 것에 상당하는 막구조를 나타낸다. 제 1의 막부로서는, 실시예 1과 마찬가지로, R대역, G대역 및 B대역의 P편광의 투과율이 높고, R대역 및 G대역의 S편광의 투과율이 낮고, B대역의 S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 것을 사용한다. 또, 제 2의 막부로서 R대역 및 G대역의 P편광의 투과율이 높고, B대역의 P편광의 투과율이 낮고, R대역, G대역 및 B대역의 S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 것을 사용한다.
유리기판으로서는 OHARA 사제의 LAL14를 사용했다. 또, 표 중의 H, M, L 및 H, M, L의 우측의 숫자의 의미는 실시예 1과 같다. 본 구성예에서도, 고굴절률층으로서 TiO2를, 중굴절률층으로서 A12O3를, 저굴절률층으로서 MgF2를 사용했다.
표 1에 나타내는 편광분리막(42)의 막구조예는, 이들 2개의 막부를 적층해서, P편광 및 S편광 각각의 투과대 및 반사대의 리플을 저감시키기 위해서 막두께를 최적화한 예이다. 또한, 제 1~제 32층까지가 제 1의 막부에 상당하고, 제 33~44층까지가 제 2의 막부에 상당한다. 단, 이들 막부를 적층하고 나서 전체적으로 최적화를 행했으므로, 각 막부의 광학특성을 완전하게 알 수 있는 것은 아니다.
또, 도 8에는 표 1에 나타내는 편광분리막(42)의 투과율특성의 시뮬레이션결과를 나타내고 있다. 이 도에 있어서, Tp50은 P편광을 편광분리막(42)에 대해서 50도의 입사각으로 입사시켰을 때의 투과율특성을, Ts50은 S편광을 편광분리막(42)에 대해서 50도의 입사각으로 입사시켰을 때의 투과율특성을 나타내고 있다. 이와 같이, 편광분리막에 대해 입사하는 입사각도는 45도에 한정되는 것은 아니다.
또한, 표 1에 나타낸 유리기판의 재료, 박막의 재료, 각 박막의 차례, 층수 및 막두께는 예에 지나지 않고, 본 발명의 편광분리막의 구성은 이것에 한정되지 않는다.
(실시예 3)
도 9에는 본 발명의 실시예 3인 파장선택성 편광변환소자를 사용한 투사표시광학계 및 이것을 구비한 액정프로젝터의 구성을 나타낸다.
백색광원(301)으로부터 사출한 광속은 포물면리플렉터(302)에 의해서 평행광속으로 변환되어 사출된다. 이 평행광속은 제 1의 플라이아이렌즈(303)에 의해서 복수의 광속으로 분할되고, 각 분할광속은 집광된다. 각 분할광속은 제 2의 플라이아이렌즈(304), 파장선택성 편광변환소자(305)의 근방에 집광되어 광원의 상(2차 광원상)을 만든다.
플라이아이렌즈(303), (304)는 복수의 렌즈셀이 2차원 방향으로 배치되어 구성되어 있다. 각 렌즈셀은 피조명면인 후술하는 액정패널과 상사형상인 직사각형의 렌즈형상을 가진다.
제 2의 플라이아이렌즈(304)를 사출해서 파장선택성 편광변환소자(305)에 입사하는 광속은 제 1의 편광방향의 직선편광인 P편광과 제 2의 편광방향의 직선편광인 S편광을 포함한 무편광광이다.
파장선택성 편광변환소자(305)는 제 2의 플라이아이렌즈(304)를 사출한 각 분할광속 중 제 1 및 제 2의 파장역인 R대역과 G대역의 광을 P편광으로 변환한다. 또, 제 3의 파장역인 B대역의 광을 S편광으로 변환한다.
파장선택성 편광변환소자(305)로부터 사출한 R대역 및 G대역의 P편광과 B대역의 S편광은 미러(320)에 의해 반사된다. 그 후, 복수의 분할광속은 콘덴서렌즈(306)에 의해서 집광되고, 색분해합성광학계(307)를 거쳐 R대역, G대역 및 B대역용의 반사형 액정패널(R, G, B액정패널) (315), (310), (314)를 중첩적으로 조명한 다.
색분해합성광학계(307)는 콘덴서렌즈(306)를 투과한 편광광 중 R대역과 B대역의 광을 반사하고, G대역광을 투과하는 다이클로익미러(308)를 가진다. 다이클로익미러(308)를 투과한 G대역의 편광광은 제 1의 편광빔분할기(309)를 투과해서 반사형의 G액정패널(310)에 입사한다.
G액정패널(310)로부터의 화상광(편광광)은 제 1의 편광빔분할기(309)에 의해 반사되고. 또한 파장선택성 편광빔분할기(311)에 의해 반사되어 투사렌즈(312)에 의해서 도시하지 않은 스크린 상에 투영된다. 여기서, 파장선택성 편광빔분할기(311)는 R대역의 S편광을 투과하고, G대역의 S편광을 반사한다. 또, B대역의 S편광을 반사하고, B대역의 P편광을 투과한다.
한편, 다이클로익미러(308)에 의해 반사한 R대역 및 B대역의 편광광 중 R대역의 편광광은 제 2의 편광빔분할기(313)를 투과하고, B대역의 편광광은 이 제 2의 편광빔분할기(313)에 의해 반사된다. 그리고, 제 2의 편광빔분할기(313)로부터 사출한 R대역의 편광광 및 B대역의 편광광은 각각 반사형의 R액정패널(315) 및 B액정패널(314)에 도달한다.
R액정패널(315)에 의해 반사되고, 또한 변조된 R대역의 편광광은 제 2의 편광빔분할기(313)에 의해 반사된다. 또, B액정패널(314)에 의해 반사되고, 또한 변조된 B대역의 편광광은 제 2의 편광빔분할기(313)를 투과한다.
그 후, 양 파장대의 광은 파장선택성 빔분할기(311)를 투과하고, 투사렌즈(312)에 의해서 스크린 상에 투영된다. 이것에 의해 RGB풀컬러의 투사화상이 스 크린 상에 표시된다.
다음에, 전술한 파장선택성 편광변환소자(305)의 구성 및 광학작용에 대해 도 10을 사용해서 자세하게 설명한다. 파장선택성 편광변환소자(305)는 플라이아이렌즈(303), (304)를 구성하는 복수의 렌즈셀에 대응해서 설치된, 서로 같은 구성의 복수의 편광변환셀(C)로 구성되어 있다. 또한, 각 편광변환셀(C)의 광입사면 중, 후술하는 파장선택성 편광분리막(32)의 위치로부터 그 아래쪽의 반사막(31)의 위치까지의 영역에는, 광의 입사를 차단하기 위한 차광판(34)이 설치되어 있다. 이것에 의해 광은 입사면 중 파장선택성 편광분리막(32)과 그 위쪽에 배치된 반사막(31) 사이의 영역으로부터만 파장선택성 편광변환소자(305)에 입사한다. 또, (36)은 위상차판을 나타낸다. 이하, 파장선택성 편광분리막(32)을 단지 편광분리막으로 약기한다.
편광분리막(32)은 광의 입사방향(도의 좌측에서 우측을 향하는 방향)에 대해서 45도의 기울기를 가진다. 또, 반사막(31)은, 편광분리막(32)에 대해서 평행하게 배치되어 있다. 또, 편광분리막(32)은 실제로는 평행평판인 유리나 아크릴제조의 기판의 표면에 다층막으로서 형성되어 있다.
또, 위상차판(36)은 필름형상으로 형성되고, 파장선택성 편광변환소자(305)의 사출면 중, 편광분리막(32)의 위치로부터 하방향으로 반사막(31)의 위치까지의 영역에 형성되어 있다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 위상차판(36)을 편광분리막(32)이 입사측에 형성되는 기판의 사출측에 형성해도 좋다.
본 실시예의 편광분리막(32)으로서는, 실시예 1과 같은 것이 사용되고 있다. 또, 위상차판(36)도 실시예 1의 위상차판(33)과 마찬가지로 1/2파장판이며, 입사한 직선편광의 편광방향을 90도 회전시키는 기능을 가진다.
이와 같이 구성된 파장선택성 편광변환소자(305)에는 백색의 무편광광이 도의 좌측에서 입사한다. 이 무편광광 중 R대역 및 G대역의 P편광은 편광분리막(32)을 투과해서 파장선택성 편광변환소자(305)로부터 사출한다. R대역 및 G대역의 S편광은 편광분리막(32)에 의해 반사하고, 또한 반사막(31)에 의해 반사한 후, 위상차판(36)을 투과해서 P편광으로 변환되어 파장선택성 편광변환소자(305)로부터 사출한다. 또, B대역의 P편광은 편광분리막(32)에 의해 반사하고, 또한 반사막(31)에 의해 반사한 후, 위상차판(36)을 투과해서 S편광으로 변환되어 파장선택성 편광변환소자(305)로부터 사출한다. B대역의 S편광은 편광분리막(32)을 투과해서 파장선택성 편광변환소자(305)로부터 사출한다.
이와 같이, 단일의 소자로서 구성된 파장선택성 편광변환소자(305)에 입사한 백색 무편광광은 R대역 및 G대역의 P편광과 B대역의 S편광으로 변환되어 이 소자 (305)로부터 사출한다. 이것에 의해, 실시예 1에서 설명한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
본 실시예에서는, 편광분리막(32)에 대한 광속의 입사각도가 45도의 경우를 나타냈지만, 본 발명에 있어서는, 실시예 2와 같이 입사각도는 45도로 한정되지 않는다. 또, 편광분리막이 형성되는 유리기판의 재료나 박막의 재료, 각 박막의 차례, 층수, 막두께도 표 1에 나타낸 실시예 1과 같은 것에 한정되지 않는다.
(실시예 4)
도 11에는 본 발명의 실시예 4인 파장선택성 편광변환소자를 사용한 투사표시광학계 및 이것을 구비한 액정프로젝터의 구성을 나타낸다.
백색광원(401)으로부터 사출한 광속은 포물면리플렉터(402)에 의해서 평행광속으로 변환되어 사출된다. 이 평행광속은 제 1의 플라이아이렌즈(403)에 의해서 복수의 광속으로 분할되고, 각 분할광속은 집광된다. 각 분할광속은 제 2의 플라이아이렌즈(404), 파장선택성 편광변환소자(405)의 근방에 집광되어 광원의 상(2차 광원상)을 만든다.
플라이아이렌즈(403), (404)는 복수의 렌즈셀이 2차원 방향으로 배치되어 구성되어 있다. 각 렌즈셀은 피조명면인 후술하는 액정패널과 상사형상인 직사각형의 렌즈형상을 가진다.
제 2의 플라이아이렌즈(404)를 사출해서 파장선택성 편광변환소자(405)에 입사하는 광속은 제 1의 편광방향의 직선편광인 P편광과 제 2의 편광방향의 직선편광인 S편광을 포함한 무편광광이다.
파장선택성 편광변환소자(405)는 제 2의 플라이아이렌즈(404)를 사출한 각 분할광속 중 제 1 및 제 3의 파장역인 R대역과 B대역의 광을 P편광으로 변환한다. 또, 제 2의 파장역인 G대역의 광을 S편광으로 변환한다.
파장선택성 편광변환소자(405)로부터 사출한 R대역 및 B대역의 P편광과 G대역의 S편광은 콘덴서렌즈(406)에 의해서 집광된다. 또한 복수의 분할광속은 미러(407)에 의해 반사되어 색분해합성광학계(408)를 거쳐 R대역, B대역 및 G대역용 의 반사형 액정패널(R, B, G액정패널) (413), (414), (411)을 중첩적으로 조명한다.
색분해합성광학계(408)는 편광광 중 R대역과 B대역의 광을 투과하고, G대역광을 반사하는 편광빔분할기(409)를 가진다. 편광빔분할기(409)에 의해 반사한 G대역의 편광광은 유리블록(410)을 투과해서 반사형의 G액정패널(411)에 입사한다.
G액정패널(411)로부터의 화상광(편광광)은 유리블록(410)을 투과하고, 편광빔분할기(409)를 투과해서 투사렌즈(415)에 의해서 도시하지 않은 스크린 상에 투영된다.
한편, 편광빔분할기(409)를 투과한 R대역 및 B대역의 편광광 중 B대역의 편광광은 다이클로익프리즘(412)에 의해 반사하고, R대역의 편광광은 이 다이클로익프리즘(412)를 투과한다. 그리고, 다이클로익프리즘(412)으로부터 사출한 B대역의 편광광 및 R대역의 편광광은 각각 반사형의 B액정패널(414) 및 R액정패널(413) 상에 도달한다.
B액정패널(414)에 의해 반사되고, 또한 변조된 B대역의 편광광은 다이클로익프리즘(412)에 의해 반사된다. 또, R액정패널(413)에 의해 반사되고, 또한 변조된 R대역의 편광광은 다이클로익프리즘(412)을 투과한다. 그 후, 양 파장대의 광은 편광빔분할기(409)에 의해 반사하고, 투사렌즈(415)에 의해서 스크린 상에 투영된다. 이것에 의해, RGB풀컬러의 투사화상이 스크린 상에 표시된다.
다음에, 전술한 파장선택성 편광변환소자(405)의 구성 및 광학작용에 대해 도 12를 사용해서 자세하게 설명한다. 파장선택성 편광변환소자(405)는 플라이아이 렌즈(403), (404)를 구성하는 복수의 렌즈셀에 대응해서 설치된, 서로 같은 구성을 가지는 복수의 편광변환셀(C)로 구성되어 있다. 또한, 각 편광변환셀(C)의 광입사면 중, 후술하는 파장선택성 편광분리막(52)의 위치로부터 그 아래쪽의 반사막(51)의 위치까지의 영역에는 광의 입사를 차단하기 위한 차광판(54)이 설치되어 있다. 이것에 의해 광은 입사면 중 편광분리막(52)과 그 위쪽에 배치된 반사막(51) 사이의 영역으로부터만 파장선택성 편광변환소자(405)에 입사한다. 또, (53)은 위상차판을 나타낸다.
편광분리막(52)은 광의 입사방향(도의 좌측에서 우측을 향하는 방향)에 대해서 45도의 기울기를 가진다. 또, 반사막(51)은 편광분리막(52)에 대해서 평행하게 배치되어 있다. 또, 편광분리막(52)은 실제로는 평행평판인 유리나 아크릴제의 기판의 표면에 다층막으로서 형성되어 있다.
또, 위상차판(53)은 필름형상으로 형성되고, 파장선택성 편광변환소자(405)의 사출면 중, 편광분리막(52)의 위치로부터 상방향으로 반사막(51)의 위치까지의 영역에 형성되어 있다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 위상차판(53)을, 입사측에 편광분리막(52)이 형성되는 기판의 사출측에 형성해도 된다.
본 실시예의 편광분리막(52)은 R대역과 B대역의 P편광에 대한 투과율이 100% 또는 그에 가깝고(50%보다 높고), G대역광의 P편광에 대한 투과율이 0% 또는 그에 가까운(50%보다 낮은) 특성을 가진다. 또, 편광분리막(52)은 R대역과 B대역의 S편광에 대한 투과율이 0% 또는 그에 가깝고(50%보다 낮고), G대역광의 S편광에 대한 투과율이 100%또는 그에 가까운(50%보다 높은) 특성을 가진다.
또, 위상차판(53)은 1/2파장판이며, 입사한 직선편광의 편광방향을 90도 회전시키는 기능을 가진다.
이와 같이 구성된 파장선택성 편광변환소자(405)에는 백색의 무편광광이 도의 좌측에서 입사한다. 이 무편광광 중 R대역 및 B대역의 P편광은 편광분리막(52)을 투과해서 파장선택성 편광변환소자(405)로부터 사출한다. R대역 및 B대역의 S편광은 편광분리막(52)에 의해 반사하고, 또한 반사막(51)에 의해 반사한 후, 위상차판(53)을 투과해서 P편광으로 변환되어 파장선택성 편광변환소자(405)로부터 사출한다. G대역의 P편광은 편광분리막(52)에 의해 반사하고, 또한 반사막(51)에 의해 반사한 후, 위상차판(53)을 투과해서 S편광으로 변환되어 파장선택성 편광변환소자(405)로부터 사출한다. G대역의 S편광은 편광분리막(52)을 투과해서 파장선택성 편광변환소자(405)로부터 사출한다.
이와 같이, 단일의 소자로서 구성된 파장선택성 편광변환소자(405)에 입사한 백색 무편광광은 R대역 및 B대역의 P편광과 G대역의 S편광으로 변환되어 이 소자(405)로부터 사출한다. 이것에 의해, 실시예 1에서 설명한 것과 같은 효과를 얻을 수 있다.
표 1에는 R대역 및 B대역의 광에 관해서 P편광의 투과율이 높고, S편광의 투과율이 낮고, G대역의 광에 관해서 P편광의 투과율이 낮고, S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 편광분리막(52)의 다층막구조에 대해 나타낸다.
여기에서는, 실시예 1과 마찬가지로 2개의 막부를 적층한 것에 상당하는 막 구조를 나타낸다. 제 1의 막부로서는 R대역, G대역 및 B대역의 P편광의 투과율이 높고, R대역 및 B대역의 S편광의 투과율이 낮고, G대역의 S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 것을 사용한다. 또, 제 2의 막부로서 R대역 및 B대역의 P편광의 투과율이 높고, G대역의 P편광의 투과율이 낮고, R대역, G대역 및 B대역의 S편광의 투과율이 높은 광학특성을 가지는 것을 사용한다.
유리기판으로서는 OHARA사제의 PBH56를 사용했다. 또, 표 중의 H, M, L 및 H, M, L의 우측의 숫자의 의미는 실시예 1과 같다. 본 구성예에서도, 고굴절률층으로서 TiO2를, 중굴절률층으로서 A12O3를, 저굴절률층으로서 MgF2를 사용했다.
표 1에 나타내는 편광분리막(52)의 막구조예는,이들 2개의 막부를 적층해서, P편광 및 S편광 각각의 투과대 및 반사대의 리플을 저감시키기 위해서 막두께를 최적화한 예이다. 또한, 제 1~제 28층까지가 제 1의 막부에 상당하고, 제 29~52층까지가 제 2의 막부에 상당한다. 단, 이들 막부를 적층하고 나서 전체적으로 최적화를 행했으므로, 각 막부의 광학특성을 완전하게 알 수 있는 것은 아니다.
또, 도 13에는, 표 1에 나타내는 편광분리막(52)의 투과율특성의 시뮬레이션결과를 나타내고 있다. 이 도에 있어서, Tp45는 P편광을 편광분리막(52)에 대해서 45도의 입사각으로 입사시켰을 때의 투과율특성을, Ts45는 S편광을 편광분리막(52)에 대해서 45도의 입사각으로 입사시켰을 때의 투과율특성을 나타내고 있다.
또한, 실시예 2에서 설명한 것처럼, 편광분리막(52)에 대한 입사각도는(45)도로 한정되는 것은 아니다. 또, 유리기판의 재료나 박막재료, 각 박막의 차례, 층 수, 막두께는 표 1의 것으로 한정되지 않는다.
(실시예 5)
도 14에는 본 발명의 실시예 5인 파장선택성 편광변환소자를 사용한 투사표시광학계 및 이것을 구비한 액정프로젝터의 구성을 나타낸다.
백색광원(501)으로부터 사출한 광속은 포물면리플렉터(502)에 의해서 평행광속으로 변환되어 사출된다. 이 평행광속은 제 1의 플라이아이렌즈(503)에 의해서 복수의 광속으로 분할되고, 각 분할광속은 집광된다. 각 분할광속은 제 2의 플라이아이렌즈(504), 파장선택성 편광변환소자(505)의 근방에 집광되어 광원의 상(2차 광원상)을 만든다.
플라이아이렌즈(503), (504)는 복수의 렌즈셀이 2차원 방향으로 배치되어 구성되어 있다. 각 렌즈셀은 피조명면인 후술하는 액정패널과 상사형상인 직사각형의 렌즈형상을 가진다.
제 2의 플라이아이렌즈(504)를 사출해서 파장선택성 편광변환소자(505)에 입사하는 광속은 제 1의 편광방향의 직선편광인 S편광과 제 2의 편광방향의 직선편광인 P편광을 포함하는 무편광광이다.
파장선택성 편광변환소자(505)는 제 2의 플라이아이렌즈(504)를 사출한 각 분할광속 중 제 1 및 제 3의 파장역인 R대역과 B대역의 광을 S편광으로 변환한다. 또, 제 2의 파장역인 G대역의 광을 P편광으로 변환한다.
파장선택성 편광변환소자(505)로부터 사출한 R대역 및 B대역의 S편광과 G대역의 P편광은 콘덴서렌즈(506)에 의해서 집광된다. 또한 콘덴서렌즈(506)에 의해서 집광되는 복수의 분할광속은 색분해합성광학계(522)를 거쳐 R대역, G대역 및 B대역용의 투과형 액정패널(이하, R, G, B액정패널이라 한다) (510), (521), (519)을 중첩적으로 조명한다.
색분해합성광학계(522)는 R대역광을 투과하고, B대역광 및 G대역광을 반사하는 제 1의 다이클로익미러(507)를 가진다. 이 제 1의 다이클로익미러(507)를 투과한 R대역의 편광광은 반사미러(508)에 의해 반사하고, 필드렌즈(509)를 개재해서 R액정패널(510)에 입사한다. R액정패널(510)에 의해 변조된 광(화상광)은 다이클로익프리즘(511)에 의해 진행방향이 90도 바꾸어져 투사렌즈(512)에 의해서 도시하지 않은 스크린에 투영된다.
한편, 제 1의 다이클로익미러(507)에 의해 반사한 B대역의 편광광 및 G대역의 편광광 중 G대역의 편광광은 제 2의 다이클로익미러(513)에 의해 반사하고, B대역의 편광광은 이것을 투과한다. 제 2의 다이클로익미러(513)에 의해 반사한 G대역의 편광광은 필드렌즈(520)를 투과하고, G액정패널(521)에 입사한다. G액정패널(521)에 의해 변조된 광은 다이클로익프리즘(511)을 투과해서, 투사렌즈(512)에 의해서 스크린에 투영된다.
또, 제 2의 다이클로익미러(513)를 투과한 B대역의 편광광은 릴레이렌즈 (514), (516), 반사미러(515), (517) 및 필드렌즈(518)를 개재해서 B액정패널(519)에 입사한다. B액정패널(519)에 의해 변조된 광(화상광)은 다이클로익프리즘(511)에 의해 진행방향이 90도 바꾸어져 투사렌즈(512)에 의해서 스크린에 투영된다. 이것에 의해 RGB풀컬러의 투사화상이 스크린에 표시된다.
다음에, 전술한 파장선택성 편광변환소자(505)의 구성 및 광학작용에 대해 도 15를 사용해서 자세하게 설명한다. 파장선택성 편광변환소자(505)는 플라이아이렌즈(503), (504)를 구성하는 복수의 렌즈셀에 대응해서 설치된, 서로 같은 구성을 가지는 복수의 편광변환셀(C)로 구성되어 있다. 또한, 각 편광변환셀(C)의 광입사면 중, 후술하는 파장선택성 편광분리막(52)의 위치로부터 그 아래쪽에 설치된 반사막(51)의 위치까지의 영역에는 광의 입사를 차단하기 위한 차광판(54)이 설치되어 있다. 이것에 의해 광은 입사면 중 파장선택성 편광분리막(52)과 그 위쪽에 배치된 반사막(51) 사이의 영역으로부터만 파장선택성 편광변환소자(505)에 입사한다. 또, (56)은 위상차판을 나타낸다. 또한, 파장선택성 편광분리막(52)을, 이하, 단지 편광분리막으로 약기한다.
편광분리막(52)은 광의 입사방향(도의 좌측에서 우측을 향하는 방향)에 대해서 45도의 기울기를 가진다. 또, 반사막(51)은 편광분리막(52)에 대해서 평행하게 배치되어 있다. 또, 편광분리막(52)은 실제로는 평행평판인 유리나 아크릴제의 기판의 표면에 다층막으로서 형성되어 있다.
또, 위상차판(56)은 필름형상으로 형성되고, 파장선택성 편광변환소자(505)의 사출면 중, 편광분리막(52)의 위치로부터 하방향으로 반사막(51)의 위치까지의 영역에 형성되어 있다.
또한, 도 3에 나타내는 바와 같이, 위상차판(56)을, 편광분리막(52)이 입사측에 형성되는 기판의 사출측에 형성해도 된다.
본 실시예의 편광분리막(52)으로서는 실시예 4와 같은 것이 사용되고 있다. 또, 위상차판(56)도 실시예 4의 위상차판(53)과 마찬가지로 1/2파장판이며, 입사한 직선편광의 편광방향을 90도 회전시키는 기능을 가진다.
이와 같이, 단일의 소자로서 구성된 파장선택성 편광변환소자(505)에 입사한 백색 무편광광은 R대역 및 B대역의 S편광과 G대역의 P편광으로 변환되어 이 소자(505)로부터 사출한다.
또한, 실시예 2에서 설명한 것처럼, 편광분리막(52)에 대한 입사각도는 45도로 한정되는 것은 아니다. 또, 유리기판의 재료나 박막재료, 각 박막의 차례, 층수, 막두께는 표 1의 것에 한정되지 않는다.
여기서, 종래의 편광변환소자와 투과형 액정패널을 사용한 구성에서는, 도 14에 나타낸 필드렌즈(520)와 G액정패널(521) 사이에 입사한 직선편광의 편광방향을 90˚회전시키는 위상판을 배치하고 있었다. 이것은 G대역을 P편광, R,B대역을 S편광으로 함으로써, 다이클로익프리즘에서의 광의 손실을 억제하기 위해서 이다.
이것에 대해, 본 실시예의 파장선택성 편광변환소자(505)를 사용함으로써, 이것과 같은 효과를 필드렌즈(520)와 G액정패널(521) 사이에 위상판을 배치하지 않아도 실현할 수 있다. 또한, 본 실시예에서는 액정패널(510), (519), (521)을 각각 R대역용, B대역용 및 G대역용으로 했을 경우에 대해 설명했지만, 액정패널의 배치와 대역과의 조합은 어떠한 것이어도 된다.
이상 설명한 것처럼, 상기 각 실시예에 의하면, 각 실시예에서 설명한 특성을 가지는 광분리막과 위상차판의 작용에 의해 제 1로부터 제 3의 파장역 중 2개의 파장역의 광과 다른 파장역의 광을 서로 다른 편광방향을 가지는 편광광으로서 사출할 수 있다. 이것에 의해 파장선택성 편광변환기능을 가지는 단일의 소자로서의 편광변환소자를 실현할 수 있다.
따라서, 이 편광변환소자로부터의 상기 2개의 파장역의 광 중 한쪽의 광과 상기 다른 파장역의 광을 종래의 파장선택성 위상차판을 개재하지 않고 동일 광로로부터 편광빔분할기에 인도할 수 있다. 즉, 이 경우에서도, 편광빔분할기에 의해서 이들 파장역광을 편광방향에 따라서 분리할 수 있다. 이 때문에, 편광빔분할기를 사용해서 색분리를 행하고, 제 1로부터 제 3의 파장광을 각각 대응하는 화상형성소자에 인도하는 투사표시광학계나 화상투사장치의 광학부품수를 종래에 비해 줄일 수 있다.
또, 파장선택성 위상차판이 불필요해짐으로써, 이것을 지지하거나 냉각하거나 하는 구조도 불필요하게 되어, 화상투사장치의 구조를 간략화할 수 있다.
또한, 파장선택성 편광변환소자로서는, 상기 각 실시예에서 설명한 것 이외의 구성을 채택할 수도 있다. R, G, B 중 어느 1개의 파장대역광을 P편광으로, 다른 2개의 파장대역광을 S편광으로 변환하거나 어느 1개의 파장대역광을 S편광으로, 다른 2개의 파장대역광을 P편광으로 변환하거나 할 수 있다. 이 파장선택성 편광변환소자를 사용해서 상기 각 실시예에서 설명한 것 이외의 구성을 채택할 수도 있다.
또한, 본 실시예에서는 화상형성소자로서 반사형 액정패널이나 투과형 액정패널을 사용하는 경우에 대해 설명했지만, 본 발명에서는 다른 화상형성소자, 예를 들면 DMD(디지털ㆍ마이크로미러ㆍ디바이스)를 사용해도 된다.
Figure 112006090963074-PAT00001

Claims (10)

  1. 제 1의 파장역의 광, 제 2의 파장역의 광 및 제 3의 파장역의 광을 포함하는 무편광광을 편광광으로 변환하는 파장선택성 편광변환소자로서,
    투과 및 반사작용에 의해 광을 분리하는 기능을 가지고, 제 1의 편광방향의 광 및 이 제 1의 편광방향과 직교하는 제 2의 편광방향의 광에 대한 투과율이 각각, 파장역에 따라서, 50%보다 높은 투과율과 50%보다 낮은 투과율 사이에서 변화하는 특성을 가지는 편광분리막; 및
    상기 편광분리막에 의해 투과 또는 반사한 광의 편광방향을 상기 제 1의 편광방향과 상기 제 2의 편광방향 사이에서 변환하는 위상차판을 포함하고,
    상기 편광변환소자는 상기 제 1, 제 2 및 제 3의 파장역 중 2개의 파장역의 광을 상기 제 1 및 제 2의 편광방향 중 한쪽의 편광방향을 가지는 편광광으로서 사출하고, 상기 제 1, 제 2 및 제 3의 파장역 중 다른 파장역의 광을 상기 제 1 및 제 2의 편광방향 중 다른 쪽의 편광방향을 가지는 편광광으로서 사출하는 것을 특징으로 하는 편광변환소자.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 편광분리막은 상기 제 1의 편광방향의 광에 대한 상기 2개의 파장역에서의 투과율이 50%보다 높고, 다른 파장역에서의 투과율이 50%보다 낮고, 또한 상기 제 2의 편광방향의 광에 대한 상기 2개의 파장역에서의 투과율이 50%보다 낮고, 상기 다른 파장역에서의 투과율이 50%보다 높은 광학특성을 가지는 것을 특징으로 하는 편광변환소자.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 2개의 파장역에 있어서의 상기 제 1의 편광방향의 광을 상기 편광분리막을 투과시키고, 상기 위상차판에 의해 상기 제 2의 편광방향의 광으로 변환해서 사출하고, 상기 2개의 파장역에 있어서의 상기 제 2의 편광방향의 광을 상기 편광분리막에 의해 반사해서 사출하고,
    상기 다른 파장역에 있어서의 상기 제 1의 편광방향의 광을 상기 편광분리막에 의해 반사해서 사출하고, 상기 다른 파장역에 있어서의 상기 제 2의 편광방향의 광을 상기 편광분리막을 투과시키고, 상기 위상차판에 의해 상기 제 1의 편광방향의 광으로 변환해서 사출하는 것을 특징으로 하는 편광변환소자.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 2개의 파장역에 있어서의 상기 제 1의 편광방향의 광을 상기 편광분리막을 투과시켜서 사출하고, 상기 2개의 파장역에 있어서의 상기 제 2의 편광방향의 광을 상기 편광분리막에 의해 반사하고, 상기 위상차판에 의해 상기 제 1의 편광방향의 광으로 변환해서 사출하고,
    상기 다른 파장역에 있어서의 상기 제 1의 편광방향의 광을 상기 편광분리막에 의해 반사하고, 상기 위상차판에 의해 상기 제 2의 편광방향의 광으로 변환해서 사출하고, 상기 다른 파장역에 있어서의 상기 제 2의 편광방향의 광을 상기 편광분리막을 투과시켜서 사출하는 것을 특징으로 하는 편광변환소자.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 편광분리막에 의해 반사한 광을 반사하고, 이 편광변환소자의 사출방향으로 향하게 하는 반사면을 가지는 것을 특징으로 하는 편광변환소자.
  6. 광원으로부터 사출된 제 1, 제 2 및 제 3의 파장역의 광을 포함하는 무편광광을 편광광으로 변환하는 제 1항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 기재된 편광변환소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
  7. 광원으로부터 사출된 제 1, 제 2 및 제 3의 파장역의 광을 포함하는 무편광광을 편광광으로 변환하는 제 1항 내지 제 5항 중의 어느 한 항에 기재된 편광변환소자를 포함하는 조명광학계;
    상기 조명광학계로부터의 상기 제 1, 제 2 및 제 3의 파장역의 광을 각각 제 1, 제 2 및 제 3의 화상형성소자에 인도하고, 이 제 1, 제 2 및 제 3의 화상형성소자로부터의 광을 합성하는 색분해합성광학계; 및
    이 합성된 광을 투사하는 투사렌즈
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사표시광학계.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 조명광학계는 상기 무편광광을 복수의 광속으로 분할하는 렌즈어레이, 상기 파장선택성 편광변환소자, 및 이 파장선택성 편광변환소자로부터의 광속을 집광하는 콘덴서렌즈를 가지는 것을 특징으로 하는 투사표시광학계.
  9. 제 7항에 기재된 투사표시광학계; 및
    입력된 화상신호에 근거해 상기 제 1, 제 2 및 제 3의 화상형성소자를 구동하는 구동회로를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
  10. 제 9항에 기재된 화상투사장치; 및
    이 화상투사장치에 화상신호를 공급하는 화상공급장치
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상표시시스템.
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