KR20120007015U

KR20120007015U - 편광 빔 스플리터 및 투영 장치

Info

Publication number: KR20120007015U
Application number: KR2020120002488U
Authority: KR
Inventors: 유우지 다나까
Original assignee: 아사히 가세이 이-매터리얼즈 가부시키가이샤
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2012-03-28
Publication date: 2012-10-10
Also published as: KR200473436Y1; KR20130006695U; JP5368501B2; KR200470550Y1; JP2012208202A; CN202676987U

Abstract

광의 이용 효율이 높은 소형의 투영 장치를 실현 가능한 편광 빔 스플리터 및 당해 편광 빔 스플리터를 사용한 투영 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 소정 방향의 편광 성분을 투과하고, 소정 방향으로 대략 직교하는 방향의 편광 성분을 반사하는 편광 분리면(141)을 구비한 편광 빔 스플리터(14)이며, 편광 분리면(141)에 있어서 반사된 광이 집광되도록, 편광 분리면(141)이 곡면을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 편광 빔 스플리터(14)를 사용하여 투영 장치(1)를 구성하는 것을 특징으로 한다.

Description

편광 빔 스플리터 및 투영 장치{POLARIZING BEAM SPLITTER AND PROJECTION APPARATUS}

본 고안은, 편광 빔 스플리터 및 이것을 사용한 투영 장치에 관한 것이다.

최근, 액정 표시 소자나 DMD 등을 라이트 벌브로서 사용하는 투영형 영상 표시 장치(이하, 투영 장치)의 휴대 기기에의 탑재가 기대되고 있고, 이에 수반하여, 투영 장치에 사용되는 광학 모듈의 소형화가 요구되고 있다. 투영 장치는, LED 등의 광원, 광원으로부터 발생하는 광을 유도하는 도광체(예를 들어, 라이트 가이드), 렌즈, 편광 빔 스플리터(이하, PBS), 액정 표시 장치 등의 표시 장치(예를 들어, 반사형 액정 표시 장치), 투사 렌즈 등으로 구성된다.

상술한 휴대 기기용의 투영 장치에 있어서, 탑재되는 표시 장치에도 소형화가 요구된다. 예를 들어, 대각선 길이로 0.21인치 = 약 5.3㎜와 소형의 표시 장치를 채용하는 경우가 있다. 그러나, LED 등의 광원으로부터 발생하는 광을 프레넬 렌즈, 라이트 가이드, F넘버(number)가 작은 렌즈(예를 들어, 대략 반구 형상의 렌즈) 등을 사용하여 집광해도, 직경 6 내지 8㎜ 정도로까지만 집광할 수 있다. 표시 장치에 입사되지 않는 광은 영상의 투영에는 사용되지 않으므로, 광의 이용 효율이 대폭으로 저하된다고 하는 문제가 있다.

라이트 가이드나 반구 렌즈 등을 사용하여 LED로부터 발생하는 확산광을 효율적으로 수집하여, 원하는 형상의 광을 성형하는 방법이 알려져 있다(예를 들어, 특허 문헌 1 참조). 그러나 라이트 가이드와 반구 렌즈로 구성되는 조명 장치는, 반구 렌즈로부터 투영면까지의 광로 상에 있어서 복수의 집광점을 갖고, 조도 불균일이 커서 조도 균일성이 부족하다고 하는 문제가 있다. 이로 인해, 이 조명 장치를 사용하여 투영 장치를 구성해도, 투영되는 영상에 조도 불균일이 발생하게 된다. 반구 렌즈에 비구면 렌즈 등을 조합함으로써, 조도 불균일을 개선하는 것은 가능하지만, 렌즈 매수의 증가에 의해 광학계가 대형화하게 된다. 또한, 이와 같은 광학계는 렌즈 설계가 용이하지 않다고 하는 문제도 있다.

일본 특허 출원 공개 제2007-88377호 공보

본 고안은 이러한 점을 감안하여 이루어진 것이며, 광의 이용 효율이 높은 소형의 투영 장치를 실현 가능한 편광 빔 스플리터 및 당해 편광 빔 스플리터를 사용한 투영 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 고안의 편광 빔 스플리터는, 소정 방향의 편광 성분을 투과하고, 상기 소정 방향으로 대략 직교하는 방향의 편광 성분을 반사하는 편광 분리면을 구비한 편광 빔 스플리터이며, 상기 편광 분리면에 있어서 반사된 광이 집광되도록, 상기 편광 분리면이 곡면을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

이 구성에 따르면, 편광 빔 스플리터의 편광 분리면이 곡면을 포함하여 구성되어 있기 때문에, 편광 분리된 광을 집광할 수 있다. 이와 같은 편광 빔 스플리터를 투영 장치에 사용하는 경우, 광의 이용 효율을 높게 유지하는 동시에 렌즈 등의 광학 소자의 수를 삭감하여 소형화 가능하다. 이로 인해, 상기 구성에 의해, 광의 이용 효율이 높은 소형의 투영 장치를 실현 가능한 편광 빔 스플리터가 제공된다.

본 고안의 편광 빔 스플리터에 있어서, 상기 편광 분리면이, 확산 반사성을 구비해도 된다.

본 고안의 편광 빔 스플리터에 있어서, 상기 편광 분리면이, 와이어 그리드 편광자에 의해 구성되어도 된다. 이 구성에 따르면, 곡면에 있어서도 광학 특성이 저하되기 어려운 와이어 그리드 편광자를 사용하기 때문에, 양호한 광학 특성의 편광 빔 스플리터가 얻어진다.

본 고안의 편광 빔 스플리터에 있어서, 상기 와이어 그리드 편광자의 두께가 50㎛ 이하이어도 된다.

본 고안의 투영 장치는, 광원과, 상기 광원으로부터의 광을 유도하여 광 빔을 성형하는 도광체와, 상기 도광체로부터의 광 빔의 형상을 보정하는 편광 소자와, 상기 편광 소자로부터의 광 빔을 편광 분리하는 상기의 편광 빔 스플리터와, 상기 편광 빔 스플리터에 있어서 반사되고, 집광된 편광 빔이 입사되는 반사형 표시 장치를 구비한 것을 특징으로 한다.

이 구성에 따르면, 편광 빔 스플리터의 편광 분리면이 곡면을 포함하여 구성되어 있기 때문에, 편광 분리된 광을 집광할 수 있다. 이로 인해, 이와 같은 편광 빔 스플리터를 투영 장치에 사용함으로써, 광의 이용 효율을 높게 유지하는 동시에 렌즈 등의 광학 소자의 수를 삭감한 투영 장치가 제공된다. 또한, 그 결과, 조도 불균일이 없도록 광 빔의 형상을 보정하는 소자를 배치해도, 충분히 소형화할 수 있다.

본 고안의 투영 장치에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 반사형 표시 장치 사이에, 상기 반사형 표시 장치의 입광면에 대략 상사하는 형상의 광 빔을 성형하는 라이트 가이드를 구비해도 된다. 이 구성에 따르면, 광의 이용 효율이 보다 높은 투영 장치가 제공된다.

본 고안의 투영 장치에 있어서, 상기 라이트 가이드와 상기 반사형 표시 장치 사이에, 상기 광 빔의 형상을 보정하는 렌즈를 구비해도 된다.

본 고안의 투영 장치에 있어서, 상기 편광 소자가, 확산 반사성 및 정투과성을 구비한 와이어 그리드 편광자이어도 된다. 또한, 본 고안의 투영 장치에 있어서, 상기 편광 소자가, 확산 반사성 및 확산 투과성을 구비한 와이어 그리드 편광자이어도 된다. 또한, 본 고안의 투영 장치에 있어서, 상기 편광 소자가, 확산 반사성 및 확산 투과성을 구비한 수지 다층 복굴절 폴리머 편광자이어도 된다.

본 고안의 투영 장치에 있어서, 상기 편광 소자가, 상기의 편광 빔 스플리터이어도 된다.

본 고안에 따르면, 광의 이용 효율이 높은 소형의 투영 장치를 실현 가능한 편광 빔 스플리터 및 당해 편광 빔 스플리터를 사용한 투영 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 제1 실시 형태에 관한 투영 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 2a 및 도 2b는 투영 장치에 사용되는 편광 빔 스플리터의 구성을 도시하는 모식도.
도 3은 비교예에 관한 투영 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 4는 제2 실시 형태에 관한 투영 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 5는 제3 실시 형태에 관한 투영 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 6은 제4 실시 형태에 관한 투영 장치의 구성을 도시하는 모식도.
도 7a 및 도 7b는 투영 장치에 있어서 반사형 표시 장치에 방사되는 광의 방사 조도 분포를 확인하기 위한 시뮬레이션 모델 및 시뮬레이션 결과에 대해서 나타내는 도면.
도 8a 내지 도 8c는 확산성을 갖는 편광 필름의 효과를 확인하기 위한 시뮬레이션 모델 및 시뮬레이션 결과에 대해서 나타내는 도면.

본 고안자들은, 곡면을 포함하도록 편광 빔 스플리터의 편광 분리면을 구성함으로써, 편광 빔 스플리터에 오목 거울(또는 볼록 거울)의 기능을 부여할 수 있는 것을 발견하였다. 그리고, 이와 같은 편광 빔 스플리터를 사용함으로써, 광의 이용 효율이 높은 소형의 투영 장치를 실현 가능한 것을 발견하였다. 이하, 본 고안의 실시 형태에 대해서 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

(제1 실시 형태)

도 1은, 본 실시 형태에 관한 편광 빔 스플리터를 사용한 투영 장치의 구성 및 광로에 대해서 도시하는 모식도이다. 도 1에 도시되는 투영 장치(1)는, 투영에 사용되는 광을 발하는 광원(11)과, 광원(11)으로부터의 광을 유도하여 광 빔을 성형하는 라이트 가이드(도광체)(12)와, 라이트 가이드(12)로부터의 광 빔의 형상을 보정하는 확산성(산란성)을 도시하는 편광 필름(편광 소자)(13)과, 편광 필름(13)으로부터의 광 빔을 편광 분리하는 편광 분리면이 곡면을 포함하여 구성되는 PBS(편광 빔 스플리터)(14)와, PBS(14)에 있어서 분리된 편광 빔을 성형하는 라이트 가이드(15)와, 라이트 가이드(15)로부터의 편광 빔이 입사되는 반사형 표시 장치(16)와, 반사형 표시 장치(16)에서 반사되고, PBS(14)를 투과한 편광 빔을 투영하는 투영 렌즈(17)를 포함한다.

광원(11)은, 대략 직육면체 형상을 갖고, 그 발광면이 라이트 가이드(12)의 입광면에 근접하도록 배치된다. 이와 같이 광원(11)의 발광면과 라이트 가이드(12)의 입광면을 근접시킴으로써, 광원(11)에 있어서의 발광을 효율적으로 이용할 수 있다. 광원(11)은, 예를 들어, 단색광을 발광 가능한 LED이다. 백색광을 발광하는 LED와 필터를 조합하여 사용해도 된다. 광원(11)은, 접착 등에 의해 라이트 가이드(12)와 밀접하고 있어도 된다. 또한, 광원(11)의 형상은 원기둥 형상 등이어도 된다.

라이트 가이드(12)는, 광원(11)으로부터의 광을 성형하여 전방(도 1의 우측 방향)으로 조사하기 위해, 광원(11)의 발광면측에 배치된다. 고휘도 타입의 LED로부터의 발광의 확산각은 120도(편측 60도) 정도로 되어 있다. 이와 같이 넓은 확산각을 갖는 광원(11)을 사용하는 경우, 광원으로부터의 발광은 원뿔 형상으로 확산되고, 그 상태에서는 효율적으로 이용할 수 없다. 따라서, 확산되는 광을 집광하여 전방으로 조사하기 위해 라이트 가이드(12)를 사용한다. 광원(11)으로부터 라이트 가이드(12)에 입사한 광은, 라이트 가이드(12)의 내면을 전반사에 의해 전파하므로 광의 확산 로스를 저감할 수 있다.

라이트 가이드(12)의 출광면으로부터 발해지는 광의 확산 각도를 작게 하기 위해, 라이트 가이드(12)의 측면에는 입광면의 면적으로부터 출광면의 면적이 커지도록 경사를 부여하는 것이 바람직하다. 라이트 가이드(12)가 육면체인 경우, 적어도 2면이 경사면인 것이 바람직하고, 4면이 경사면[즉, 라이트 가이드(12)가 사각뿔대형임]이면 보다 바람직하다. 경사면의 각도(경사 각도)는 경사면마다 설정해도 되고, 경사면이 곡면으로 되도록 곡률을 갖고 있어도 된다. 라이트 가이드(12)는 육면체인 것에 한정되지 않고, 원뿔대 등의 형상이어도 된다. 이와 같이, 라이트 가이드(12)의 형상은, 투영하는 광의 조도 분포에 따라서 설정할 수 있다.

라이트 가이드(12)의 측면에는, 광 반사성이 있는 알루미늄 등의 금속으로 구성되는 반사면을 설치하는 것이 바람직하다. 이와 같은 반사면을 설치함으로써, 전반사의 임계각을 넘어 라이트 가이드(12) 외부에 누출된 광을, 다시, 라이트 가이드(12)의 출광면으로부터 출광할 수 있다. 이로 인해, 광의 이용 효율을 개선할 수 있다. 또한, 이와 같은 반사면으로서, PET 수지 등의 복굴절성 기재에 형성된 것을 사용해도 된다.

라이트 가이드(12)의 길이, 측면의 경사 각도, 입광면의 면적, 출광면의 면적 등, 라이트 가이드(12)의 각 파라미터는, 투영 장치(1)의 크기 등에 따라서 설정할 수 있다. 예를 들어, 투영 장치(1)가 소형인 경우, 광원(11)으로서 사용되는 LED의 발광면의 면적은 1 내지 2㎟ 정도이므로, 라이트 가이드(12)의 입광면의 크기는, 1 내지 2㎟ 정도가 된다. 광의 이용 효율을 고려하면, 라이트 가이드(12)의 길이는 입광면의 짧은 변의 길이의 2배 이상, 경사 각도는 3 내지 15도(기준은 입광면에 수직인 축)로 하는 것이 바람직하다. 라이트 가이드(12)의 출광면의 면적은, 라이트 가이드(12)의 길이나 측면의 경사 각도에 의해 결정된다. 라이트 가이드(12)의 재질은, 글래스, 수지 등의 투명성이 높은 재질이면 특별히 한정되지 않고, 가공성, 비용 등을 고려하여 선택할 수 있다.

편광 필름(13)은, 라이트 가이드(12)로부터 출광한 광의 편광도를 소정 정도로 일치시키는 동시에 광 빔의 형상을 보정 가능하도록, 라이트 가이드(12)의 출광면측에 배치된다. 라이트 가이드(12)로부터 출광한 광을 그대로 사용하는 경우나 렌즈 등으로 집광하여 사용하는 경우, 투영된 영상의 조도 분포에 큰 불균일을 발생하는 경우가 있다. 이것을 해소하기 위해, 확산성(산란성)을 갖는 편광 필름(13)을 사용한다. 또한, 편광 필름(13)은 확산성을 갖는 편광 소자이면 필름 형상이 아니어도 되고, 예를 들어, PBS 등이어도 된다.

확산성을 갖는 편광 필름(13)으로서, 금속 와이어 그리드가 형성된 수지 기재 표면에 수 마이크로 미터로부터 수백 마이크로 미터의 미세한 요철을 부여한 와이어 그리드 편광자를 사용할 수 있다. 이와 같은 구성의 와이어 그리드 편광자는, 확산 투과성과 확산 반사성을 갖는다. 제작 공정의 가열 프레스 등에 의해 임의의 미세 패턴을 부여하는 것이 가능하며, 확산 투과성, 확산 반사성, 및 지향성을 용이하게 제어 가능하다. 예를 들어, 와이어 그리드 편광자로서, 투명 수지 필름 기재 상에 80㎚ 내지 130㎚의 피치의 미세한 요철을 UV 수지 등으로 형성한 후, 요철 형상의 일면에 알루미늄 등의 금속을 증착한 것이 적절하게 사용된다. 또한, 수지 기재에 미리 원하는 연신을 실시해 두고, 수지 기재의 가열에 의한 수축을 이용하여 요철을 형성한 와이어 그리드 편광자를 사용할 수도 있다. 이 와이어 그리드 편광자는, 가열 온도나 연신 배율 등을 제어함으로써 요철 형상을 제어함으로써 확산성을 자유롭게 설정할 수 있다.

와이어 그리드 편광자의 확산성은, 요철 형상의 제어에 의해 설정할 수 있다. 반사형 표시 장치(16)에 효율적으로 조명되도록, 지향성을 갖게 하는 것도 가능하다. 광로 외부에의 확산 로스를 저감하기 위해 확산성은 지나치게 높지 않은(미확산성을 가짐) 것이 바람직하다. 예를 들어, 확산 각도는, 바람직하게는 30도 이하이며, 보다 바람직하게는 20도 이하이며, 더욱 바람직하게는 5 내지 10도이다. 이하의 표에, 확산 각도와 조명광의 특성의 관계를 나타낸다. 또한, 확산성은, 균등 확산이어도 이방성 확산이어도 되고, 요구되는 조명 효율, 균정도 등으로부터 설계할 수 있다. 또한, 반사형 표시 장치(16)의 형상(어스펙트비) 등에 맞추어, 수직 방향 및 수평 방향의 확산성을 제어함으로써, 반사형 표시 장치(16)에 대하여 균정도 높고, 또한 효율적으로 조명할 수 있다. 이와 같은 제어는, 예를 들어, 반사형 표시 장치(16)의 어스펙트비가 10:7인 경우, 긴 변측의 확산 각도를 크게(작게) 함으로써 행하는 것이 바람직하다. 이와 같이, 와이어 그리드 편광자의 확산 각도는, 투영 장치(1)의 광학 설계에 따라서 설정할 수 있다.

상술한 확산 투과성과 확산 반사성을 갖는 와이어 그리드 편광자 대신에, 확산 반사성과 정투과성(확산성을 갖지 않는 투과)을 갖는 편광 소자를 사용해도 된다. 이와 같은 편광 소자는, 확산 투과성과 확산 반사성을 갖는 와이어 그리드 편광자의 양면을 직각 프리즘이나 수지 필름 등에 접착하고, 이들을 일체화함으로써 얻어진다. 직각 프리즘이나 수지 필름 등과의 접착은, 접착제 등을 사용하여 행할 수 있다. 와이어 그리드 편광자를 접착제 등에 의해 직각 프리즘 등에 접착한 경우, 반사면은 확산성을 나타내지만, 와이어 그리드 편광자가 충분히 얇기 때문에, 투과광의 확산성은 매우 낮아진다. 즉, 실질적으로 투과광은 확산되지 않는다. 이로 인해, 투과광은 확산되지 않고, 반사광은 확산된다고 하는 특이한 성질이 얻어진다. 투과광의 확산 각도는, 바람직하게는 10도 이하, 보다 바람직하게는 0 내지 5도이며, 반사광의 확산 각도는, 광로 외부에의 확산 로스를 저감하기 위해서, 바람직하게는 30도 이하, 보다 바람직하게는 20도 이하, 더욱 바람직하게는 5 내지 15도이다.

또한, 편광 필름(13)의 배치 위치는, 광원(11)으로부터 PBS(14)까지의 광로 사이이면 특별히 한정되지 않는다. 또한, 편광 필름(13)으로서, 굴절률이 다른 수지층을 다층화한 반사형의 편광자, 예를 들어, 3M사제 DBEF 등을 사용해도 된다. 또한, PBS(14)에 의해, 충분한 편광도와 충분한 확산성이 얻어지는 경우에는, 편광 필름(13)을 생략해도 된다.

PBS(14)는, 편광 필름(13)으로부터의 광을 편광 분리 가능하도록 편광 필름의 이면측[라이트 가이드(12)와 반대측]에 배치된다. PBS(14)는, 편광 분리면(141)이 곡면을 포함하도록 구성되어 있고, 입사한 광을 편광 분리하는 동시에, 편광 분리면(141)에 있어서 반사된 광을 집광한다. PBS(14)를 투영 장치(1)에 사용함으로써, 광의 이용 효율을 높게 유지하는 동시에 렌즈 등의 광학 소자의 수를 삭감하는 것이 가능하게 된다. 즉, PBS(14)를 사용함으로써, 광의 이용 효율이 높은 소형의 투영 장치를 실현 가능하다.

도 2a 및 도 2b는, PBS(14)의 구성 및 광로에 대해서 도시하는 모식도이다. 도 2a에 도시되는 바와 같이, PBS(14a)에 있어서 편광 분리면(141a)은 대략 원호 형상으로 형성되어 있고, 반사측의 일면 A가 오목 거울을 구성하고 있다. 이로 인해, 편광 분리면(141a)에 있어서 반사된 한쪽의 편광의 광은, 반사광의 출광면(142a)측에 있어서 집광된다. 다른 쪽의 편광의 광은, 편광 분리면(141a)을 투과하고, 실질적으로 확산되지 않고 투과광의 출광면(143a)으로부터 출광한다. 반사광의 집광도는, 편광 분리면(141a)의 곡률 반경에 의해 변경할 수 있다. 예를 들어, 곡률 반경을 어느 정도 작게 함으로써, 반사광의 집광도를 높이는 것이 가능하다.

도 2b에 도시되는 PBS(14b)와 같이, 편광 분리면이 곡면(141b)과 평면(141c)으로 구성되어도 된다. 도 2b에서는, 평면(141c)의 중앙 부분에 곡면(141b)이 배치되어 있고, 곡면(141b)에 있어서 반사된 광은 집광된다. 도 2b에 있어서, 편광 분리면에 있어서 반사된 한쪽의 편광의 광은, 반사광의 출광면(142b)측에 있어서 집광되고, 편광 분리면(141b)을 투과한 다른 쪽의 편광의 광은, 실질적으로 확산되지 않고 투과광의 출광면(143b)으로부터 출광한다. 곡면(141b)에 있어서 반사된 광은 집광하고, 평면(141c)에 있어서 반사된 광은 집광하지 않기 때문에, 곡면(141b)과 평면(141c)의 면적을 제어함으로써 집광도를 변경 가능하다.

PBS(14)의 반사광의 출광면(142)의 형상은, 반사형 표시 장치(16)의 입광면의 형상과 상사인 것이 바람직하다. 또한, PBS(14)는 충분히 소형인 것이 바람직하다. 이와 같이, PBS(14)를 소형화하는 동시에, 그 형상을 반사형 표시 장치(16)의 형상에 대응시킴으로써, 투영 장치(1)에 있어서의 광의 이용 효율을 높여, 조도를 크게 할 수 있다.

PBS(14)에는, 글래스 등의 투명성이 높은 재질이 사용된다. 예를 들어, PBS(14)로서, 2개의 직각 프리즘을 접합한 것을 사용할 수 있다. 또한, PBS(14)의 편광 분리면(141)에는, 예를 들어, 상술한 와이어 그리드 편광자를 사용할 수 있다. 와이어 그리드 편광자는 수지 기재를 사용하여 구성되어 있으므로, 곡면을 형성하는 것이 용이하다. 또한, 와이어 그리드 편광자는, 곡면에 접합해도 광학 특성이 저하되기 어렵기 때문에, 이것을 사용함으로써 양호한 광학 특성의 PBS(14)가 얻어진다. 또한, 곡면에의 형상 추종성의 관점으로부터, 와이어 그리드 편광자의 두께는 50㎛ 이하로 하는 것이 바람직하고, 40㎛ 이하이면 보다 바람직하다.

PBS(14)는 확산(산란) 반사성을 갖고 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 편광 필름(13)을 생략 가능하게 되므로, 투영 장치(1)를 더 소형화하는 동시에, 부품 비용을 저감할 수 있다. 또한, PBS(14)를 사용함으로써, 편광 분리면(141)에 있어서 반사한 편광을 충분히 집광할 수 있기 때문에, PBS(14)의 반사광의 출광면(142)측에 배치되는 라이트 가이드(15)를 생략하는 것도 가능하다.

라이트 가이드(15)는, 반사형 표시 장치(16)의 입광면의 형상에 맞추어 광을 성형 가능하도록 PBS(14)의 반사광의 출광면(142)측에 배치되어 있다. 예를 들어, PBS(14)의 입광면에 있어서의 광 빔의 직경이 6㎜ 내지 8㎜ 정도의 경우, PBS(14)로서 적어도 직경 6㎜의 조명광을 수용 가능한 크기가 필요해진다. PBS(14)를 대략 한 변이 6㎜인 큐브 형상으로 하면, 반사광의 출광면(142)의 면적은 36㎟이다. 대각 0.21인치, 어스펙트비 10:7의 반사형 표시 장치(16)를 사용하는 경우, 그 입광면의 치수는, 가로 약 4.3㎜, 세로 약 3.2㎜이므로 그 면적은 약 14㎟이다. 이 경우, 광의 이용 효율은 38.8％ 정도(14/36=0.388)이다. 이와 같은 경우라도, 라이트 가이드(15)를 사용함으로써 광의 이용 효율은 대폭으로 개선하고, 거의 로스 없이 반사형 표시 장치(14)에 조명 가능하게 된다. 라이트 가이드(15)는, 라이트 가이드(12)와 마찬가지로 구성 가능하므로 상세에 대해서는 생략한다.

반사형 표시 장치(16)는, 라이트 가이드(15)의 출광면측에 배치되어 있다. 반사형 표시 장치(16)로서, 대표적으로는, 반사형의 액정 표시 장치(LCD, LCOS)가 사용된다. 반사형 표시 장치(16)에 있어서 반사된 광은 편광 방향이 대략 수직 방향으로 변경되므로, PBS(14)의 편광 분리면(141)을 투과하여, PBS(14)의 출광면(142)과 반대인 면측에 배치된 투영 렌즈(17)에 의해 투영된다. 투영 렌즈(17)는 1매의 렌즈로 구성되어도 되고, 복수매의 렌즈를 조합하여 구성되어도 된다.

이상과 같이 구성된 투영 장치(1)에 있어서, 광원(11)으로부터의 광은, 라이트 가이드(12)를 통하여 빔 형상으로 되고, 편광 필름(13)에 있어서 빔 형상이 보정된 후, PBS(14)에 입사한다. PBS(14)에서는, 빔의 한쪽의 편광 성분이 편광 분리면(141)에 있어서 반사되어 출광면(142)으로부터 출광하고, 집광한다. 다른 쪽의 편광 성분은 편광 분리면(141)을 투과한다. 출광면(142)으로부터 출광한 한쪽의 편광 방향의 빔은, 라이트 가이드(15)에 의해 반사형 표시 장치(16)의 형상으로 갖추어져, 반사형 표시 장치(16)에 입사한다. 반사형 표시 장치(16)에 입사된 빔은 반사형 표시 장치(16)의 표시 영상에 따라서 반사되고, 편광 분리면(14) 및 투영 렌즈(17)를 통하여 도시하지 않은 스크린 등에 투영된다.

이와 같은 구성의 투영 장치(1)에서는, PBS(14)의 편광 분리면(141)이 곡면을 포함하여 구성되어 있기 때문에, 편광 분리된 광을 집광할 수 있다. 이와 같은 PBS(14)를 사용한 투영 장치(1)는, 이 외에 광학 소자를 부가하는 일 없이 광의 이용 효율을 높게 유지할 수 있다. 또한, PBS(14)의 집광 특성에 의해, 예를 들어, 도 3에 도시되는 투영 장치(3)[광원(31), 라이트 가이드(32), 집광 렌즈(33), 편광 필름(34), PBS(35), 라이트 가이드(36), 반사형 표시 장치(37), 투영 렌즈(38)에 의해 구성됨]와 같이 집광 렌즈(33)를 사용하지 않아도 충분한 성능을 얻을 수 있다. 즉, PBS(14)에 의해, 렌즈, 라이트 가이드, 편광 소자 등의 광학 소자의 수를 삭감하여 소형화 가능하다. 또한, 그 결과, 조도 불균일이 없도록 광 빔의 형상을 보정하는 편광 필름(13) 등의 광학 소자를 배치해도, 충분히 소형화 가능하다. 이와 같이, 본 실시 형태에 의해, 조도 불균일이 없으며 광의 이용 효율이 높은 소형의 투영 장치(1)를 실현할 수 있다.

본 실시 형태는, 다른 실시 형태에 나타내어지는 구성과 적절하게 조합하여 실시 가능하다.

(제2 실시 형태)

본 실시 형태에서는, 도 1에 도시되는 투영 장치의 변형예에 대해서 설명한다. 도 4는, 본 실시 형태에 관한 투영 장치의 구성 및 광로에 대해서 도시하는 모식도이다. 도 4에 도시되는 투영 장치(1a)는, 투영에 사용되는 광을 발하는 광원(11)과, 광원(11)의 광으로부터 광 빔을 성형하는 프레넬 렌즈(도광체)(21)와, 프레넬 렌즈(21)로부터의 광 빔의 형상을 보정하는 확산성을 나타내는 편광 필름(편광 소자)(13)과, 편광 필름(13)으로부터의 광 빔을 편광 분리하는 편광 분리면이 곡면을 포함하여 구성되는 PBS(편광 빔 스플리터)(14)와, PBS(14)에 있어서 분리된 편광 빔을 성형하는 라이트 가이드(15)와, 라이트 가이드(15)로부터의 편광 빔이 입사되는 반사형 표시 장치(16)와, 반사형 표시 장치(16)에서 반사되고, PBS(14)를 투과한 편광 빔을 투영하는 투영 렌즈(17)를 포함한다. 즉, 투영 장치(1)의 라이트 가이드(12)가 프레넬 렌즈(21)로 변경되어 있다. 이하에 있어서, 제1 실시 형태와의 차이점에 대해서 주로 설명하고, 반복된 설명은 생략한다. 또한, 상술한 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용한다.

프레넬 렌즈(21)는, 라이트 가이드(12)와 마찬가지로, 광원(11)으로부터의 광을 성형하여 전방(도 1의 우측 방향)으로 조사한다. 이로 인해, 프레넬 렌즈(12)는, 광원(11)의 발광면측에 배치된다. 또한, 프레넬 렌즈(21)는, LED로부터의 광이 충분히 입사하도록 광원에 근접하여 배치된다. 프레넬 렌즈(21)에 의해, 광원(11)으로부터 발생하는 확산광은 대략 평행광에 갖추어져 편광 필름(13)에 입사하게 된다. 프레넬 렌즈(21)는 라이트 가이드(12)나 통상의 렌즈 등과 비교하여 소형화할 수 있으므로, 본 실시 형태에 나타내는 프레넬 렌즈(21)를 사용하는 투영 장치(1a)는, 라이트 가이드(12)를 사용하는 투영 장치(1)와 비교하여 더욱 소형화가 가능하다.

투영 장치(1a)에 있어서, 광원(11)으로부터의 광은, 프레넬 렌즈(21)를 통하여 대략 평행광으로 되고, 편광 필름(13)에 있어서 빔 형상이 보정된 후, PBS(14)에 입사한다. PBS(14)에서는, 빔의 한쪽의 편광 성분이 편광 분리면(141)에 있어서 반사되어 출광면(142)으로부터 출광하고, 집광한다. 다른 쪽의 편광 성분은 편광 분리면(141)을 투과한다. 출광면(142)으로부터 출광한 한쪽의 편광 방향의 빔은, 라이트 가이드(15)에 의해 반사형 표시 장치(16)의 형상으로 갖추어져, 반사형 표시 장치(16)에 입사한다. 반사형 표시 장치(16)에 입사된 빔은 반사형 표시 장치(16)의 표시 영상에 따라서 반사되고, 라이트 가이드(15), 편광 분리면(14) 및 투영 렌즈(17)를 통하여 도시하지 않은 스크린 등에 투영된다.

(제3 실시 형태)

본 실시 형태에서는, 도 1에 도시되는 투영 장치의 다른 변형예에 대해서 설명한다. 도 5는, 본 실시 형태에 관한 투영 장치의 구성 및 광로에 대해서 도시하는 모식도이다. 도 5에 도시되는 투영 장치(1b)는, 투영에 사용되는 광을 발하는 광원(11)과, 광원(11)으로부터의 광을 유도하여 광 빔을 성형하는 라이트 가이드(도광체)(12)와, 라이트 가이드(12)로부터의 광 빔의 형상을 보정하는 확산성(산란성)을 도시하는 PBS(편광 소자)(22)와, PBS(22)로부터의 광 빔을 집광하는 집광 렌즈(23)와, 집광 렌즈(23)로부터의 광 빔을 편광 분리하는 편광 분리면이 곡면을 포함하여 구성되는 PBS(편광 빔 스플리터)(14)와, PBS(14)에 있어서 분리된 편광 빔을 성형하는 라이트 가이드(15)와, 라이트 가이드(15)로부터의 편광 빔이 입사되는 반사형 표시 장치(16)와, 반사형 표시 장치(16)에서 반사되고, PBS(14)를 투과한 편광 빔을 투영하는 투영 렌즈(17)를 포함한다. 즉, 투영 장치(1)의 편광 필름(13)이 PBS(22)로 변경되고, PBS(22)와 PBS(14) 사이에 집광 렌즈(23)가 추가되어 있다. 이하에 있어서, 제1 실시 형태와의 차이점에 대해서 주로 설명하고, 반복된 설명은 생략한다. 또한, 상술한 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용한다.

PBS(22)는, 라이트 가이드(12)로부터 출광된 광의 편광도를 소정 정도로 일치시키는 동시에, 광의 형상을 보정하기 위해, 입광면이 라이트 가이드(12)의 출광면과 마주 보도록 배치된다. 또한, 광의 형상을 보정하기 위해, PBS(22)는 확산성을 갖고 있다. PBS(22)의 편광 분리면(221)은, 편광 분리된 광이 집광되도록 곡면을 포함하여 구성되는 것이 바람직하지만, 편광 분리면(221)은 곡면을 포함하지 않아도 된다. PBS(22)로서, 예를 들어, PBS(14)와 마찬가지의 구성의 것을 사용할 수 있다. 또한, PBS(22)의 편광 분리면(221)을 반사하지 않고 투과하는 광은, PBS(221)의 투과광의 출광면측에 있어서 흡수시키는 것이 바람직하다. 이에 의해 광로 내에서의 불필요한 광을 저감하여, 투영 장치(1b)의 콘트라스트를 개선할 수 있다.

집광 렌즈(23)는, PBS(22)로부터의 광 빔을 집광하기 위해, 입광면이 PBS(22)의 반사광의 출광면과 마주 보도록 배치된다. 집광 렌즈(23)는, 예를 들어, 반구 형상의 볼록 렌즈이다. 또한, PBS(22)가 집광 가능하게 구성되는 경우, 집광 렌즈(23)는 생략하는 것이 가능하다.

투영 장치(1b)에 있어서, 광원(11)으로부터의 광은, 라이트 가이드(12)를 통하여 빔 형상으로 되어, PBS(22)에 입사한다. PBS(22)에서는, 빔의 한쪽의 편광 성분이 편광 분리면(221)에 있어서 반사되어 출광한다. 다른 쪽의 편광 성분은 편광 분리면(221)을 투과한다. PBS(22)에 있어서 반사된 광은, 집광 렌즈(23)에서 집광된 후, PBS(14)에 입사한다. PBS(14)에서는, 빔의 한쪽의 편광 성분이 편광 분리면(141)에 있어서 반사되어 출광면(142)으로부터 출광하고, 집광한다. 다른 쪽의 편광 성분은 편광 분리면(141)을 투과한다. 출광면(142)으로부터 출광한 한쪽의 편광 방향의 빔은, 라이트 가이드(15)에 의해 반사형 표시 장치(16)의 형상으로 갖추어져, 반사형 표시 장치(16)에 입사한다. 반사형 표시 장치(16)에 입사된 빔은 반사형 표시 장치(16)의 표시 영상에 따라서 반사되고, 라이트 가이드(15), 편광 분리면(14) 및 투영 렌즈(17)를 통하여 도시하지 않은 스크린 등에 투영된다.

(제4 실시 형태)

본 실시 형태에서는, 도 1에 도시되는 투영 장치의 다른 변형예에 대해서 설명한다. 도 6은, 본 실시 형태에 관한 투영 장치의 구성 및 광로에 대해서 도시하는 모식도이다. 도 6에 도시되는 투영 장치(1c)는, 투영에 사용되는 광을 발하는 광원(11)과, 광원(11)으로부터의 광을 유도하여 광 빔을 성형하는 라이트 가이드(도광체)(12)와, 라이트 가이드(12)로부터의 광 빔의 형상을 보정하는 확산성(산란성) 및 집광성을 나타내는 PBS(편광 소자)(24)와, PBS(24)로부터의 광 빔을 편광 분리하는 편광 분리면이 곡면을 포함하여 구성되는 PBS(편광 빔 스플리터)(14)와, PBS(14)에 있어서 분리된 편광 빔을 성형하는 라이트 가이드(15)와, 라이트 가이드(15)로부터의 편광 빔을 보정하는 보정 렌즈(25)와, 보정 렌즈(25)로부터의 광이 입사되는 반사형 표시 장치(16)와, 반사형 표시 장치(16)에서 반사되고, PBS(14)를 투과한 편광 빔을 투영하는 투영 렌즈(17)를 포함한다. 즉, 투영 장치(1)의 편광 필름(13)이 PBS(24)로 변경되고, 라이트 가이드(15)와 반사형 표시 장치(16) 사이에 보정 렌즈(25)가 추가되어 있다. 이하에 있어서, 제1 실시 형태와의 차이점에 대해서 주로 설명하고, 반복된 설명은 생략한다. 또한, 상술한 제1 실시 형태와 동일한 구성에 대해서는 동일한 부호를 사용한다.

PBS(24)는, 라이트 가이드(12)로부터 출광된 광의 편광도를 소정 정도로 일치시키고, 광의 형상을 보정하고, 광을 집광하기 위해, 입광면이 라이트 가이드(12)의 출광면과 마주 보도록 배치된다. 광의 형상을 보정하기 위해, PBS(24)는 확산성을 갖고 있다. 또한, 편광 분리된 광을 집광하기 위해, PBS(24)의 편광 분리면(241)은 곡면을 포함하여 구성되어 있다. 이와 같이, PBS(24)가 집광 기능을 가짐으로써, 집광 렌즈를 생략할 수 있다. PBS(24)는, PBS(14)와 근접하여 배치하는 것이 바람직하다. 또한, PBS(24)는, PBS(14)와 접착해도 된다. PBS(24)로서, PBS(14)와 마찬가지의 구성의 것을 사용할 수 있다. 또한, PBS(24)의 편광 분리면(241)을 반사하지 않고 투과하는 편광은, PBS(241)의 투과광의 출광면측에 있어서 흡수시키는 것이 바람직하다. 이에 의해 광로 내에서의 불필요한 광을 저감하여, 투영 장치(1c)의 콘트라스트를 개선할 수 있다.

보정 렌즈(25)는, 라이트 가이드(15)로부터의 광 빔을 보정하여 반사형 표시 장치(16)에 입사시키기 위해, 입광면이 PBS(22)의 반사광의 출광면과 마주 보도록, 또한, 출광면이 반사형 표시 장치(16)의 입광면과 마주 보도록 배치된다.

투영 장치(1c)에 있어서, 광원(11)으로부터의 광은, 라이트 가이드(12)를 통하여 빔 형상으로 되어, PBS(24)에 입사한다. PBS(24)에서는, 빔의 한쪽의 편광 성분이 편광 분리면(241)에 있어서 반사되어 출광하고, 집광한다. 다른 쪽의 편광 성분은 편광 분리면(241)을 투과한다. PBS(24)에 있어서 반사된 광은 PBS(14)에 입사한다. PBS(14)에서는, 빔의 한쪽의 편광 성분이 편광 분리면(141)에 있어서 반사되어 출광면(142)으로부터 출광하고, 집광한다. 다른 쪽의 편광 성분은 편광 분리면(141)을 투과한다. 출광면(142)으로부터 출광한 한쪽의 편광 방향의 빔은, 라이트 가이드(15) 및 보정 렌즈(25)에 의해 반사형 표시 장치(16)의 형상으로 갖추어져, 반사형 표시 장치(16)에 입사한다. 반사형 표시 장치(16)에 입사된 빔은 반사형 표시 장치(16)의 표시 영상에 따라서 반사되고, 보정 렌즈(25), 라이트 가이드(15), 편광 분리면(14) 및 투영 렌즈(17)를 통하여 도시하지 않은 스크린 등에 투영된다.

또한, 이와 같은 구성의 투영 장치(1c)는, 라이트 가이드(12), PBS(24), PBS(14), 라이트 가이드(15), 보정 렌즈(25) 등의 일체화가 가능해지기 때문에, 각 부재간에 있어서의 광의 계면 반사나 확산 로스를 저감하여, 광의 이용 효율을 더 개선할 수 있다.

다음에, 고안의 효과를 확인하기 위해 행한 시뮬레이션 결과에 대해서 설명한다.

도 7a 및 도 7b는, 투영 장치에 있어서 반사형 표시 장치에 방사되는 광의 방사 조도 분포를 확인하기 위한 시뮬레이션 모델 및 시뮬레이션 결과에 대해서 나타내는 도면이다. 도 7a는, 광원(501), 라이트 가이드(502), PBS(503), PBS(504), 라이트 가이드(505)로 구성되는 시뮬레이션 모델[도 6의 투영 장치(1c)의 광학계의 일부에 상당]을 나타내고 있고, 도 7b는, 라이트 가이드(505)의 출광면(506)에 있어서의 방사 조도 분포를 나타내고 있다. 도 7a에 있어서, PBS(503)의 편광 분리면은 곡률 반경이 20㎜의 곡면이며, 확산(산란) 반사성을 갖고 있다. 또한, PBS(504)의 편광 분리면은 곡률 반경이 22㎜의 곡면으로 되어 있다. 도 7b로부터, 실시 형태에 관한 투영 장치에 의해 균질성이 높은 방사 조도 분포를 실현할 수 있는 것을 알 수 있다.

도 8a 내지 도 8c는, 확산성(산란성)을 갖는 편광 필름[실시 형태에 있어서의 편광 필름(13)에 상당]의 효과를 확인하기 위한 시뮬레이션 모델 및 시뮬레이션 결과에 대해서 나타내는 도면이다. 도 8a는, 광원(511), 라이트 가이드(512), 집광 렌즈(513), 편광 필름(514), 스크린(515)으로 구성되는 시뮬레이션 모델을 도시하고 있고, 도 8b는 편광 필름(514)이 확산성을 갖는 경우의 스크린(515)에 있어서의 방사 조도 분포를 나타내고 있고, 도 8c는 편광 필름(514)이 확산성을 갖지 않는 경우의 스크린(515)에 있어서의 방사 조도 분포를 나타내고 있다. 도 8b 및 도 8c로부터, 편광 필름(514)에 확산성을 부여한 경우, 방사 조도 불균일을 대폭으로 저감할 수 있는 것을 알 수 있다.

이상과 같이, 본 고안에 따르면, PBS의 편광 분리면이 곡면을 포함하여 구성되어 있기 때문에, 편광 분리된 광을 집광할 수 있다. 이와 같은 PBS를 사용한 투영 장치는, 이 외에 광학 소자를 부가하지 않고 광의 이용 효율을 높게 유지할 수 있다. 또한, PBS의 집광 특성에 의해, 집광 렌즈를 사용하지 않아도 충분한 성능을 얻을 수 있다. 즉, PBS에 의해, 렌즈, 라이트 가이드, 편광 소자 등의 광학 소자의 수를 삭감하여, 투영 장치의 소형화가 가능하다. 또한, 그 결과, 조도 불균일이 없도록 광 빔의 형상을 보정하는 편광 소자를 배치해도 충분히 소형화 가능하다. 이와 같이, 본 고안에 의해, 광의 이용 효율이 높은 소형의 투영 장치를 실현 가능한 PBS를 제공할 수 있다. 또한, 조도 불균일이 없으며 광의 이용 효율이 높은 소형의 투영 장치를 제공할 수 있다.

또한, 본 고안은 상기 실시 형태의 기재에 한정되지 않고, 그 효과가 발휘되는 형태로 적절하게 변경하여 실시할 수 있다. 예를 들어, 반사형 표시 장치로서는 액정 표시 장치 이 외에 DMD, DLP 등을 적용할 수도 있다.

또한, 첨부 도면에 도시되어 있는 구성의 크기나 형상 등에 대해서는, 고안의 효과를 발휘하는 범위 내에서 적절하게 변경하는 것이 가능하다. 기타, 본 고안은, 본 고안의 범위를 일탈하지 않고 적절하게 변경하여 실시할 수 있다.

본 고안의 편광 빔 스플리터 및 투영 장치는, 휴대형의 컴퓨터나 휴대 전화기 등의 소형의 휴대 기기에 적절하게 사용된다.

1, 1a, 1b, 1c, 3 : 투영 장치
11, 31 : 광원
12, 15, 32, 36 : 라이트 가이드
13 : 편광 필름
14, 14a, 14b, 22, 24, 35 : PBS
16, 37 : 반사형 표시 장치
17, 38 : 투영 렌즈
21 : 프레넬 렌즈
23, 33 : 집광 렌즈
25 : 보정 렌즈

Claims

소정 방향의 편광 성분을 투과하고, 상기 소정 방향으로 대략 직교하는 방향의 편광 성분을 반사하는 편광 분리면을 구비한 편광 빔 스플리터이며,
상기 편광 분리면에 있어서 반사된 광이 집광되도록, 상기 편광 분리면이 곡면을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는, 편광 빔 스플리터.
제1항에 있어서, 상기 편광 분리면이, 확산 반사성을 구비한 것을 특징으로 하는, 편광 빔 스플리터.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 편광 분리면이, 와이어 그리드 편광자에 의해 구성된 것을 특징으로 하는, 편광 빔 스플리터.
제3항에 있어서, 상기 와이어 그리드 편광자의 두께가 50㎛ 이하인 것을 특징으로 하는, 편광 빔 스플리터.
광원과,
상기 광원으로부터의 광을 유도하여 광 빔을 성형하는 도광체와,
상기 도광체로부터의 광 빔의 형상을 보정하는 편광 소자와,
상기 편광 소자로부터의 광 빔을 편광 분리하는 제1항 또는 제2항에 기재된 편광 빔 스플리터와,
상기 편광 빔 스플리터에 있어서 반사되고, 집광된 편광 빔이 입사되는 반사형 표시 장치를 구비한 것을 특징으로 하는, 투영 장치.
제5항에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 반사형 표시 장치 사이에, 상기 반사형 표시 장치의 입광면에 대략 상사하는 형상의 광 빔을 성형하는 라이트 가이드를 구비한 것을 특징으로 하는, 투영 장치.
제6항에 있어서, 상기 라이트 가이드와 상기 반사형 표시 장치 사이에, 상기 광 빔의 형상을 보정하는 렌즈를 구비한 것을 특징으로 하는, 투영 장치.
제5항에 있어서, 상기 편광 소자가, 확산 반사성 및 정투과성을 구비한 와이어 그리드 편광자인 것을 특징으로 하는, 투영 장치.
제5항에 있어서, 상기 편광 소자가, 확산 반사성 및 확산 투과성을 구비한 와이어 그리드 편광자인 것을 특징으로 하는, 투영 장치.
제5항에 있어서, 상기 편광 소자가, 확산 반사성 및 확산 투과성을 구비한 수지 다층 복굴절 폴리머 편광자인 것을 특징으로 하는, 투영 장치.