KR20120033981A - 파장판 및 파장판을 이용한 편광 변환 소자, 조명 광학계, 화상 표시 장치 - Google Patents

Abstract

여기에는 주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖도록 구성된 제1 수정판과, 주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖는 제2 수정판을 포함하는 파장판이 개시되어 있고, 제2 수정판의 주면은 제1 수정판의 주면에 중첩되어 있으며, 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도에서는 제1 수정판의 광학축과 제2 수정판의 광학축이 이루는 각도가 45도이고, 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서는 제1 수정판의 광학축이 제2 수정판의 광학축과 평행하다.

Description

파장판 및 파장판을 이용한 편광 변환 소자, 조명 광학계, 화상 표시 장치 {WAVE PLATE AND POLARIZATION CONVERSION ELEMENT, ILLUMINATION OPTICAL SYSTEM, AND IMAGE DISPLAY DEVICE THAT USE WAVE PLATE}

본 발명은 투과하는 광의 편광 방향을 변화시키는 파장판(wave plate), 및 파장판을 이용한 편광 변환 소자, 조명 광학계, 화상 표시 장치에 관한 것이다.

종래 기술의 투사형 화상 표시 장치(프로젝터)에는 광의 이용 효율을 향상시키기 위해 편광 변환 소자가 이용되고 있다. 이 편광 변환 소자에는 광의 편광 방향을 변화시키기 위해 반파장판(half-wave plate)이 이용되고 있다.

이러한 용도의 반파장판은 가시 영역의 파장 전반에 대해 양호한 편광 변환을 행하는 것이 필요하고, 광대역의 반파장판이 이용되고 있다.

반파장판의 재료로서는 폴리카보네이트(polycarbonate) 등과 같은 필름이 일반적으로 이용되고 있다. 그러나, 예를 들어 일본 특허 4277514호(이하, 특허 문헌 1)는 내열성(heat resistance) 및 내광성(light resistance)을 개선하기 위한 수정 파장판(quartz wave plate)을 제안한다. 특허 문헌 1에서는 파장판이 2장의 수정판(quartz plate)을 적층함으로써 구성된다. 구체적으로는, 입사하는 직선 편광의 편광면과 제1 파장판의 광학축에 의해 형성되는 각도가 θ1이고, 입사하는 직선 편광의 편광면과 제2 파장판의 광학축에 의해 형성되는 각도가 θ2이면, θ2＝θ1+45 및 0＜θ1＜45를 충족하도록 구성함으로써 광대역화가 달성될 수 있다.

일본 특허 공개 2009-133917호(이하, 특허 문헌 2)는 2장의 동일한 수정판이 서로로부터 45도만큼 이동된 채로 서로에 대해 접착되고, 하나의 수정판은 기준 면에 대하여 22.5도의 각도를 이루도록 배치되는 기술을 개시하고 있다.

수정판을 그렇게 배치함으로써, 시야각 특성에서 편향(bias)을 갖는 파장판이 구성된다. 특허 문헌 2에서는 이 파장판의 배치를 변화시킴으로써 이 시야각 특성이 유효하게 이용된다.

그러나, 특허 문헌1의 기술에서는 2장의 수정판의 각각에 의해 발생된 위상 차가 입사 광선의 입사각에 따라 변화한다. 그러므로, 2장의 수정판에서의 위상 차의 편차가 소거될 필요가 있고, 복잡한 설계가 요구된다.

또한, 파장 분산 및 휘도의 저하를 억제하고 필름으로 이루어진 반파장판의 광학 성능과 동등한 광학 성능을 달성하기 위해서는, 수정판의 두께를 가능한 한 얇게 설정할 필요가 있다. 그러나, 두께가 얇아질수록 가공의 어려움이 증가하고 수율 및 비용에 대한 영향이 커진다.

특허 문헌 2에 기재된 것과 유사한 방법을 채용하는 것이 효과적일 것이다. 구체적으로는, 이 방법에서는 수정 파장판의 설계가 단순해지고, 수정판의 두께가 커진다. 또한, 조명 광학계 및 편광 변환 소자에 파장판을 배치하는 방식에 기초하여 전반적인 최적화가 도모된다.

그러나, 특허 문헌 2에서처럼 2장의 동일한 수정판을 서로로부터 45도만큼 이동시켜 서로에 대해 접착하고, 하나의 수정판을 기준 면에 대하여 22.5도의 각도를 이루도록 배치하는 것에 의해서만 파장판이 구성되면, 흔히 파장판의 광학 성능에 변화가 생긴다.

변화 없이 양호한 편광 변환 효율을 갖고 쉽게 제조될 수 있는 파장판, 편광 변환 소자, 조명 광학계 및 화상 표시 장치를 제공하기 위한 기술이 요구된다.

본 발명의 한 실시예에 따르면, 주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖도록 구성된 제1 수정판과, 주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖도록 구성된 제2 수정판을 포함하는 파장판이 제공된다. 제2 수정판의 주면은 제1 수정판의 주면 상에 중첩된다.

또한, 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도에서는 제1 수정판의 광학축과 제2 수정판의 광학축이 이루는 각도가 45도이고, 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서는 제1 수정판의 광학축이 제2 수정판의 광학축과 평행하다.

본 발명의 실시예에 따르면, 파장판 또는 수정판의 주면에 평행한 방향으로부터 수정판을 보는 경우에, 2장의 수정판은 수정판의 광학축 방향이 서로 평행하도록 배치되어 있다. 구체적으로는, 이 실시예는 주면에 평행한 방향으로부터 본 2개의 광학축의 방위가 파장판의 광학 특성에 큰 영향을 가지며, 이러한 2개의 광학축이 서로 평행해지도록 파장판을 구성함으로써, 편광 변환 효율의 광파장 의존성이 최대한으로 저감될 수 있다는 것에 기초하는 것이다. 또한, 입사각이 0도보다 작은 부측(negative side)에 있는 광에 대한 편광 변환 효율의 입사각 의존성도 저감될 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 입사광을 ｐ편광과 ｓ편광으로 분할하도록 구성된 편광 분할기와, 편광 분할기에 의해 분할된 ｐ편광과 ｓ편광 중 하나의 광로 상에 배치되도록 구성된 파장판을 포함하는 편광 변환 소자가 제공된다. 이 파장판으로서는 위에서 설명한 파장판이 이용된다.

그러므로, 이 편광 변환 소자에서도, 편광 변환 효율의 파장 의존성 및 입사각 의존성이 저감될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광원 및 광원으로부터 출사된 광의 조도 불균일을 경감하는 인티그레이터(integrator) 소자를 포함하는 조명 광학계가 제공된다.

또한, 조명 광학계는, 인티그레이터 소자를 투과한 광의 광로 상에 배치되도록 구성되고, 입사광을 ｐ편광과 ｓ편광으로 분할하는 편광 분할기와, 편광 분할기에 의해 분할된 ｐ편광과 ｓ편광 중 하나의 광로 상에 배치된 파장판을 포함하는 편광 변환 소자도 포함한다. 이 편광 변환 소자로서는 위에서 설명한 편광 변환 소자가 이용된다.

본 발명의 한 실시예의 조명 광학계에 따르면, 위에서 설명한 편광 변환 소자가 이용되기 때문에, 광원에 대하여 넓은 파장 범위 및 입사각을 갖는 광의 편광 변환이 수행된다. 이것은 종래 기술의 조명광보다 더 밝은 조명광을 제공할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 위에서 설명한 조명 광학계와, 조명 광학계로부터 출사된 광을 분할하도록 구성된 분광 광학계와, 분할된 광을 변조하도록 구성된 액정 패널과, 액정 패널에 의해 변조된 광을 합성하도록 구성된 광 합성기와, 광 합성기에 의해 합성된 광을 투사하도록 구성된 렌즈를 포함하는 화상 표시 장치가 제공된다.

본 발명의 한 실시예의 화상 표시 장치에 따르면, 위에서 설명한 조명 광학계가 이용되기 때문에, 광원으로부터의 광에 대한 효율이 높은 화상이 생성될 수 있다. 그러므로, 저소비 전력으로 더 밝은 화상이 제공될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 파장판 또는 수정판의 주면에 평행한 방향으로부터 수정판을 보는 경우에, 2장의 수정판의 광학축 방향이 서로 평행해지도록 구성된다. 그래서, 입사각 의존성 및 파장 의존성이 저감되고, 변화 없는 양호한 편광 변환 효율이 달성될 수 있다.

도 1a는 제1 실시예에 따른 파장판을 그 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도이고, 도 1b는 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도이며,
도 2a는 종래 기술의 파장판을 그 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도이고, 도 2b는 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도이며,
도 3은 본 발명의 한 실시예에서의 파장판에 입사되는 광의 입사각을 도시하는 설명도이고,
도 4a는 제1 실시예에 따른 파장판에 관한 시뮬레이션에 의해 구한 평행 니콜(Nicol)에서의 투광율을 도시하며, 도 4b는 교차 니콜에서의 투광율을 도시하고,
도 5a는 종래 기술의 파장판에 관한 시뮬레이션에 의해 구한 평행 니콜에서의 투광율을 도시하며, 도 5b는 교차 니콜에서의 투광율을 도시하고,
도 6a는 시험 제작한 수정판을 그 주면에 평행한 방향으로부터 본 모식도이며, 도 6b는 주면에 수직한 방향으로부터 본 모식도이고,
도 7a는 시험 제작한 수정판에 의해 구성된 제1 실시예에 따른 파장판을 그 주면에 평행한 방향으로부터 본 모식도이며, 도 7b는 주면에 수직한 방향으로부터 본 모식도이고,
도 8a는 시험 제작한 수정판에 의해 구성된 종래 기술의 파장판을 그 주면에 평행한 방향으로부터 본 모식도이며, 도 8b는 주면에 수직한 방향으로부터 본 모식도이고,
도 9는 제작한 파장판의 투과율이 측정되는 방법을 도시하는 설명도이며,
도 10a는 제1 실시예에 따른 파장판에 관한 평행 니콜에서의 투광율의 실측치를 도시한 것이고, 도 10b는 교차 니콜에서의 투광율의 실측치를 도시한 것이며,
도 11a는 종래 기술의 파장판에 관한 평행 니콜에서의 투광율의 실측치를 도시한 것이고, 도 11b는 교차 니콜에서의 투광율의 실측치를 도시한 것이며,
도 12a는 수정판들을 서로 접착하여 제작한 제1 실시예에 따른 파장판에 관한 평행 니콜에서의 투광율을 측정하여 얻은 실측치를 도시한 것이고, 도 12b는 교차 니콜에서의 투광율을 측정하여 얻은 실측치를 도시한 것이며,
도 13은 제2 실시예에 따른 편광 변환 소자를 도시하는 개략적 구성도이고,
도 14a는 제2 실시예에 따른 편광 변환 소자의 정면도이며, 도 14b 및 도 14c는 제2 실시예에 따른 편광 변환 소자를 구성하는 파장판의 배치를 도시하는 설명도이고,
도 15a 내지 도 15h는 제2 실시예에 따른 편광 변환 소자에서의 파장판의 조합을 도시하는 설명도이며,
도 16은 제3 실시예에 따른 조명 광학계를 도시하는 개략적 구성도이고,
도 17은 제4 실시예에 따른 화상 표시 장치를 도시하는 개략적 구성도이다.

본 발명을 실시하기 위한 가장 양호한 형태의 예에 대해 아래에서 설명하겠다. 그러나, 본 발명은 다음의 예로 제한되는 것이 아니다. 설명 순서는 다음과 같다.

1. 제1 실시예(파장판의 예)

2. 제2 실시예(편광 변환 소자의 예)

3. 제3 실시예(조명 광학계의 예)

4. 제4 실시예(화상 표시 장치의 예)

우선, 본 명세서에서의 좌표계를 정의한다. 본 명세서에서는 오른손 좌표계에 기초하여 설명이 이루어질 것이다. 도면에서 X축과 Y축은 파장판면에서의 방향으로 정의되고, Z축은 파장판의 두께 방향으로 정의된다. 또한, 이 파장판을 데스크 위에 놓고 위로부터 보면, 오른손 측이 X축 정방향(positive direction)으로 정의되고, 상측이 Y축 정방향으로 정의된다. 또한, 데스크 아래 영역으로부터 상측을 향하는 방향이 Z축 정방향으로 정의된다.

또한, 이 파장판에 관해 광학 계산을 행하는 경우에는 통상적으로 광이 Z축의 작은 값 측으로부터 파장판에 입사하여 파장판을 통해 Z축의 큰 값 측으로 전달된다는 가정에 기초하여 계산이 수행된다.

또한, X축 방향은 입사광의 편광 방향으로 정의된다.

1. 제1 실시예

도 1a 및 도 1b는 제1 실시예에 따른 파장판(100)의 개략적 구성을 도시하는 모식도이고, 삼각법에 기초하여 표현된다.

도 1a는 파장판(100)을 그 주면(100a)에 대해 평행한 방향으로부터 본 상면도이다. 도 1b는 제1 실시예에 따른 파장판(100)을 그 주면(100a)에 대해 수직한 방향으로부터 본 정면도이다.

도 1a에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 파장판(100)은 제1 수정판(1)의 주면과 제2 수정판(2)의 주면이 중첩되는 구성을 갖는다.

도면에서, 화살표 A1은 수정판(1)의 광학축 방향을 나타내고, 화살표 A2는 수정판(2)의 광학축 방향을 나타낸다. 광학축은 Ｃ축이라고도 지칭된다. 본 명세서에서 화살표로 나타내는 방향은 다음과 같다. 구체적으로는, 도 1b와 같은 정면도에서, 화살촉 측의 광학축 선단은 전방 측, 즉 관측자에 가까운 쪽을 나타낸다. 이것은 본 명세서에서의 다른 도면들에도 적용된다.

또한, 본 명세서에서, 방위각은, 수정판의 주면에 수직한 방향으로부터 파장판을 본 경우에, 광학축과 입사광의 편광 방향(X축)에 의해 형성되는 각도를 지칭하며, 수정판의 두께 방향(Z축 방향)에서의 광학축의 방위와는 무관한 것이다. 그러므로, 예를 들어 도 1b에서의 화살표 A1의 화살촉이 XY면내에서 180도 반대 방향을 향하고 있는 경우에도 방위각은 동일하다.

도 1a의 화살표 A1 및 A2로 도시된 바와 같이, 파장판(100)의 주면(100a)에 대해 평행한 방향, 즉 입사광의 편광 방향(X축)에 대해 수직한 방향으로부터 본 상면도에서, 제1 수정판(1)의 광학축 및 제2 수정판(2)의 광학축은 주면(100a)에 대하여 경사져 있다. 즉, 제1 수정판(1) 및 제2 수정판(2)은 결정의 광학축을 비스듬하게 두는 방식으로 절단함으로써, 이른바 Z컷에 의해 형성되어 있고, 1장의 수정판으로도 0차의 반파장판으로서 기능할 수 있다.

또한, 이 상면도에서, 제1 수정판(1)의 광학축과 제2 수정판(2)의 광학축은 서로 거의 평행하다.

도 1b에 도시된 바와 같이, 주면(100a)에 대해 수직한 방향으로부터 파장판(100)을 본 정면도에서, 제1 수정판(1)의 광학축과 제2 수정판(2)의 광학축으로 형성된 각도는 45도이다. 입사광의 편광 방향으로서 정의되는 X축 방향에 대한 제1 수정판(1)의 광학축의 방위각은 67.5도로 설정되고, 제2 수정판(2)의 광학축의 방위각은 22.5도로 설정되는 것이 바람직하다.

방금 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는 파장판(100)의 주면(100a)에 대해 평행한 방향, 즉 입사광의 편광 방향(X축)에 대해 수직한 방향으로부터 본 상면도에서, 제1 수정판(1)의 광학축 및 제2 수정판(2)의 광학축은 서로 거의 평행하다. 종래 기술에서는, 예를 들어 특허 문헌1에서와 마찬가지로, 파장판면에서의 광학축 방향으로만 고려되고 있다.

그러나, 1장의 수정판이 0차의 반파장판으로서 기능하게 하기 위해, 수정의 광학축을 비스듬하게 두는 방식으로 판을 절단하는 경우에, 수정판의 광학축은 3차원적으로 경사진다. 그러므로, 도 1b에 도시된 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도에서의 광학축의 방향으로 뿐만 아니라, 도 1a와 같이, 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서의 광학축의 방향으로도 고려할 필요가 있다.

본 발명의 실시예는 파장판의 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서의 광학축의 방향이 서로 평행하도록 2장의 수정판을 구성함으로써, 광대역화가 쉽게 성취될 수 있다는 것에 기초한 것이다.

또한, 본 실시예에서는, 동일한 수정판이 제1 수정판(1) 및 제2 수정판(2)으로서 이용될 수 있다. 구체적으로는, 정면도에서 동일한 2장의 수정판의 광학축들에 의해 형성된 각도가 45도이고, 상면도에서 광학축이 서로 평행하도록, 수정판을 주면 내의 방향으로 회전시키고, 주면들을 서로 중첩시킴으로써 파장판이 구성될 수 있다.

이것은 복수 종의 수정판을 제조할 필요를 없애며, 그래서 제조 공정을 단순화 하고 비용을 저감하는 것이 가능하다.

이 파장판(100)에 대하여, X축 방향을 따르는 편광 방향을 갖는 광을 입사시키는 경우에 관해 시뮬레이션이 수행되었다. 또한, 비교예로서, 도 2a 및 도 2b에 도시된 파장판(110)에 관해서도 시뮬레이션이 유사하게 수행되었다.

도 2b는 파장판(110)의 주면(110a)에 수직한 방향으로부터 파장판(110)을 본 정면도이다. 도 2a는 주면(110a)에 대해 평행하고 입사광의 편광 방향에 대해 수직한 방향으로부터 파장판(110)을 본 상면도이다.

도 2a에 도시된 바와 같이, 이 파장판(110)은 제1 수정판(1a)과 제2 수정판(2a)의 주면들을 서로 중첩시킴으로써 구성된다.

도면에서, 화살표 A3은 제1 수정판(1a)의 광학축 방향을 나타내고, 화살표 A4는 제2 수정판(2a)의 광학축 방향을 나타낸다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 파장판(110)의 주면(110a)에 대해 수직한 방향으로부터 본 정면도에서, 제1 수정판(1a)의 광학축 및 제2 수정판(2a)의 광학축의 방위각은 도 1a 및 도 1b에 도시된 본 실시예에 따른 파장판(100)과 유사하게 각각 67.5도, 22.5도이다.

그러나, 도 2a에 도시된 바와 같이, 주면(110a)에 대해 평행하고 입사광에 대해 수직한 상면도 방향으로부터 파장판(110)을 본 경우에는 제1 수정판(1a)의 광학축과 제2 수정판(2a)의 광학축은 서로 교차하는 방향으로 되어 있다.

시뮬레이션에서는 수정의 광학축에 대하여 25도로 절단함으로써 얻어지는 25도 Z컷 웨이퍼가 수정판(1, 2) 및 수정판(1a, 1b)으로서 이용되었다. 입사각 0도로 입사하였고 파장 480㎚를 갖는 광에 대하여 180도의 위상 차가 얻어지도록 웨이퍼의 두께는 약 0.15㎜로 설정되었다.

구체적으로는, 수정판(1, 2, 1a, 2a)은 동일한 수정판이고, 광학축의 방위각이 위에서 설명한 바와 같이 67.5도 및 22.5도로 설정되는 방식으로 서로 중첩되도록 주면 내의 방향으로 회전되었다.

또한, 수정은 결정이기 때문에, 액정 시뮬레이터를 이용하여 시뮬레이션이 수행되었다.

반파장판으로서의 성능을 조사하기 위해, 파장판의 입사 측 및 출사 측에 편광판이 배치되었고, 이러한 편광판이 평행 니콜인 경우와 편광판이 교차 니콜인 경우의 각각에 대해 계산이 수행되었다.

입사 측의 편광판을 통과한 광의 편광 방향이 파장판(100, 110)의 X축 방향과 일치하도록 각각의 편광판이 배치되었다. 반파장판을 통과한 광은 90도만큼 회전된 편광 방향을 갖는다. 그래서, 평행 니콜에서는 파장판을 통과한 광이 출사 측에 배치된 편광판에 의해 차폐되었다. 그러므로, 입사 측에 배치된 편광판을 투과한 후의 광에 대하여 출사 측에 배치된 편광판을 통과한 후의 광의 투과율이 더 낮으면, 파장판의 편광 변환 효율이 더 높아진다고 말할 수 있다.

교차 니콜에서는 파장판을 통과한 광의 편광 방향이 출사 측에 배치된 편광판의 편광축 방향과 일치한다. 그러므로, 입사 측에 배치된 편광판을 투과한 후의 광에 대하여 출사 측에 배치된 편광판을 통과한 후의 광의 투과율이 더 높으면, 파장판의 편광 변환 효율이 더 높아진다고 말할 수 있다.

시뮬레이션에서는 각각의 파장판에 대한 광의 입사각이 -3도, 0도 및 +3도로 설정된 3개의 패턴에 관한 투과율이 구해졌다.

도 3에서 화살표 A5로 도시된 바와 같이, 파장판(100)의 주면에 대하여 수직한 광의 입사각은 0도로 정의된다. 또한, 화살표 A6으로 도시된 바와 같이, 파장판(100)의 주면에 대하여 경사지고 X축 정측(positive side)으로부터 부측으로 이동하는 광선의 입사각이 정각으로 정의된다. 화살표 A7로 도시된 바와 같이, 경사지고 X축 부측으로부터 정측으로 이동하는 광선의 입사각이 부각(negative angle)으로 정의된다.

이것은 파장판(110)에 대해서도 적용된다.

도 4a 및 도 4b는 본 실시예에 따라 파장판(100)에 관해 수행된 위에서 설명한 시뮬레이션의 결과를 도시한다. 도 4a는 평행 니콜에서의 투과율을 도시하고, 도 4b는 교차 니콜에서의 투과율을 도시한다.

선 a, b 및 c는 파장판(100)에 대한 광선의 입사각이 각각 0도, -3도 및 +3도인 경우에 대응한다.

도 4a에 도시된 바와 같이, 평행 니콜에서는 입사각이 -3도인 광의 투과율이 입사각이 0도인 광의 투과율과 거의 동등한 낮은 값을 갖고, 파장이 420㎚ 내지 700㎚인 광대역에서 두개의 입사각 모두로부터 높은 변환 효율이 얻어진다. 또한, 광의 입사각이 +3도인 경우에는 더 긴 파장 측에서 투과율이 더 높아진다.

또한, 도 4b에 도시된 바와 같이, 교차 니콜에서도, 입사각이 -3도인 광의 투과율은 입사각이 0도인 광의 투과율과 거의 동등한 높은 값을 갖고, 파장이 420㎚ 내지 700㎚인 광대역에서 두개의 입사각 모두로부터 높은 변환 효율이 얻어진다. 또한, 입사각이 +3도인 광의 경우에는 파장이 더 긴 광에 대한 투과율이 더 낮아진다.

도 5a 및 도 5b는 2장의 수정판을 그 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서 광학축이 서로 교차되는 방식으로 서로 중첩시킴으로써 구성된 파장판(110)의 시뮬레이션 결과를 도시한다.

도 5a는 평행 니콜에서의 투과율을 도시한다. 도 5b는 교차 니콜에서의 투과율을 도시한다.

선 a, b 및 c는 파장판(110)에 대한 광선의 입사각이 각각 0도, -3도 및 +3도인 경우에 대응한다.

도 5a에 도시된 바와 같이, 평행 니콜에서는 입사각이 0도인 광의 투과율은 본 실시예에 따른 파장판(100)과 거의 동일한 값을 갖는다. 그러나, 입사각이 -3도인 광의 투과율은 파장에 전혀 무관한 값을 갖는다. 그래서, 본 실시예의 파장판(100)에서는 종래 기술의 이러한 파장판(110)에 비해, 입사각이 부측에 있는 광의 변환 효율이 개선되는 것을 확인할 수 있다.

또한, 입사각이 +3도인 광에 대해서는, 더 짧은 파장 측에서의 투과율이 더 높다.

도 5b에 도시된 바와 같이, 교차 니콜에서는 입사각이 0도인 광의 투과율이 본 실시예에 따른 파장판(100)의 투과율과 거의 동일한 값을 갖는다. 그러나, 입사각이 -3도인 광의 투과율은 최대 84％ 정도이다. 그러므로, 도 4b와 비교함으로써, 본 실시예에 따른 파장판(100)에서는 입사각이 부측에 있는 광의 변환 효율이 개선되는 것을 확인할 수 있다.

입사각이 +3도인 광의 투과율은 더 짧은 파장 측에서 더 낮다.

방금 설명한 바와 같이, 종래 기술의 파장판(110)에서는 투과율의 파장 의존성과 입사각 의존성이 모두 존재한다. 대조적으로, 본 실시예에 따른 파장판(100)에서는 도 4a 및 도 4b에 도시된 바와 같이, 입사각이 -3도인 광은 파장 의존성이 없고 입사각이 0도인 광의 투과율과 동등한 투과율을 나타낸다. 즉, 본 실시예의 파장판(100)에 의해 입사각이 부각인 광에 대하여, 입사각 의존성 및 파장 의존성이 저감되고 높은 변환 효율이 실현될 수 있다고 말할 수 있다.

구체적으로는, 파장판을 이용한 광학계에서는 이 광학계에서의 렌즈 구성 등으로 인해 광의 입사각의 함수로서의 광의 강도 분포에 흔히 편향이 생긴다. 그러한 경우에 본 실시예에 따른 파장판(100)을 이용하고 강도가 큰 광이 0도보다 더 작은 부측의 입사각으로 입사하도록 파장판을 그 면내에 회전하여 배치함으로써 더 높은 효율을 갖는 편광 변환이 수행될 수 있다.

실제로 파장판을 제조하고 측정하는 것을 통한 이러한 시뮬레이션 결과의 검증 결과에 대해 아래에서 도 6a 내지 도 12b를 참조하여 설명하겠다.

우선, 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 제각기 장방형을 갖는 제1 수정판(1c) 및 제2 수정판(2c)을 잘라낸다. 이러한 수정판(1c, 2c)은 동일한 수정판이다. 시뮬레이션과 마찬가지로, 그것들은 광학축에 대해 25도로 Z컷함으로써 얻어지고, 그들의 두께는 0도의 입사각으로 입사하고 480㎚의 파장을 갖는 광에 대한 180도의 위상 차가 얻어질 수 있도록 약 0.15㎜로 설정되었다.

또한, 도 6b는 제1 수정판(1c) 및 제2 수정판(2c)을 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도이다. 도 6a는 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도이다.

또한, 화살표 A8은 제1 수정판(1c)의 광학축 방향을 나타낸다. 화살표 A9는 제2 수정판(2c)의 광학축 방향을 나타낸다. 제1 수정판(1c)과 제2 수정판(2c)은 모두 입사광의 편광 방향(X축)에 대한 광학축의 방위각이 22.5도이다.

제1 수정판(1c)과 제2 수정판(2c)의 주면에는 수정판의 정면 측과 배면 측을 구별하기 위해 트렌치(Trench)(3, 4)가 만들어졌다.

도 7a 및 도 7b는 제1 수정판(1c) 및 제2 수정판(2c)을 중첩하여 구성된 본 실시예에 따른 파장판(100)의 모식도이다.

도 7b는 파장판(100)의 주면(수정판(1c, 2c)의 주면)에 대해 수직한 방향으로부터 본 정면도이다. 도 7a는 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도이다.

도 7b에 도시된 바와 같이, 제2 수정판(2c)은 그 주면에서의 방향으로 90도만큼 회전되어 있다. 도 7b에서, 제2 수정판(2c)의 트렌치(4)는 점선으로 도시되어 있다. 이것은 도 7b에서 트렌치(4)가 제2 수정판(2c)의 배면 측에 배치되어 있음을 의미한다. 구체적으로는, 도 7b에 도시된 제2 수정판(2c)은 도 6b에 도시된 제2 수정판(2c)의 정면 측과 배면 측을 역전시키고 도면에서 반시계 방향으로 90도만큼 회전시켜 얻어진다.

그렇게 파장판(100)을 구성함으로써, 정면도에서의 제2 수정판(2c)의 광학축의 방위각은 67.5도로 설정된다. 또한, 제1 수정판(1c)의 광학축의 방위각은 22.5도이다. 또한, 도 7a에 도시된 바와 같이, 각각의 수정판의 광학축은 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서 서로 평행하다.

도 8a 및 도 8b는 제1 수정판(1c)과 제2 수정판(2c)을 중첩하여 구성된 종래 기술의 파장판(110)(도 2 참조)을 도시하는 모식도이다.

도 8b는 파장판(110)의 주면(수정판(1c, 2c)의 주면)에 대해 수직한 방향으로부터 본 정면도이다. 도 8a는 이 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도이다.

도 8b에 도시된 바와 같이, 제2 수정판(2c)은 그 주면에서의 방향으로 도면에서 시계 방향으로 90도만큼 회전된다. 또한, 점선으로 표현된 트렌치(4)에 의해 도시된 바와 같이, 도 8b에 도시된 제2 수정판(2c)은 도 6b에 도시된 제2 수정판(2c)의 정면 측과 배면 측을 역으로 하여 얻어진다.

파장판(110)이 그렇게 구성되면, 정면도에서의 제2 수정판(2c)의 광학축의 방위각이 67.5도로 설정될지라도, 상면도에서의 제2 수정판(2c)의 광학축은 도 8a에 도시된 바와 같이 제1 수정판(1c)의 광학축과 교차하는 방향으로 지향된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 그렇게 구성된 파장판(100, 110)이 글라스 백판(glass whiteboard)(5)에 고정되고, 분광 광도계 내에 설치된다. 제1 수정판(1c)과 제2 수정판(2c)은 멘딩 테이프(mending tape)(6)에 의해 글라스 백판(5)에 간단하게 고정된다.

또한, 분광 광도계의 광원(7)으로부터 파장판(100, 110)에 대하여 출사된 광(8)의 입사 측에 편광판(10)이 배치되고, 파장판(100, 110)을 투과한 광(8)의 출사 측에 분광기(analyzer)(11)가 배치되었다.

광원(7)으로부터 출사된 광(8)은 편광판(10)을 통해 투과된 후, 점(9)으로 도시된 바와 같이, 제1 수정판(1c)과 제2 수정판(2c) 사이의 교차 부분에 입사된다. 이 교차 부분교차 부분투과된 광은 분광기(11)에 입사되고, 분광기(11)를 통해 투과된 광은 수광부(미도시)에 의해 검출된다.

이 분광기(11)는 그 입사면에서의 방향으로 회전되고, 평행 니콜 및 교차 니콜에서의 파장판(100, 110)의 투과율이 측정되었다.

도 10a 및 도 10b는 본 실시예에 따른 파장판(100)의 투과율을 실측한 결과를 도시한다.

도 10a는 평행 니콜에서의 투과율을 도시하고, 도 10b는 교차 니콜에서의 투과율을 도시한다. 선 a, b 및 c는 제각기 파장판(100)에 대한 광의 입사각이 0도, -3도 및 +3도인 경우에 대응한다.

제1 수정판(1c)과 제2 수정판(2c)의 중첩이 멘딩 테이프(6)에 의해 간단하게 수행되기 때문에, 도 10a에서의 투과율은 선 a, b 및 c 모두에서 시뮬레이션 결과를 도시하는 도 4a에서의 투과율보다 크다.

그러나, 다음과 같은 경향은 시뮬레이션 결과의 경향과 동일하다. 구체적으로는, 광의 입사각이 0도 및 -3도인 경우에는 투과율의 파장 의존성이 작다. 광의 입사각이 +3도인 경우에는 투과율의 파장 의존성이 크고, 더 긴 파장 측에서 투과율이 더 크다.

교차 니콜에서의 투과율을 도시하는 도 10b에서도, 도 4b에 비해 투과율은 더 작을지라도, 다음과 같은 경향은 시뮬레이션 결과의 경향과 동일하다. 구체적으로는, 광의 입사각이 0도 및 -3도인 경우에는 투과율의 파장 의존성이 작다. 광의 입사각이 +3도인 경우에는 투과율의 파장 의존성이 크고, 더 긴 파장 측에서 투과율이 더 작다.

도 11a 및 도 11b는 종래 기술의 구성을 갖는 파장판(110)의 투과율을 실측한 결과를 도시한다.

도 11a는 평행 니콜에서의 투과율을 도시하고, 도 11b는 교차 니콜에서의 투과율을 도시한다. 선 a, b 및 c는 제각기 파장판(110)에 대한 광의 입사각이 0도, -3도 및 +3도인 경우에 대응한다.

도 11a에서는 투과율이 전체적으로 더 클지라도, 경향은 도 5a의 시뮬레이션 결과의 경향과 거의 동일하다. 구체적으로는, 입사각이 +3도인 광의 투과율은 예를 들어 더 짧은 파장 측에서 더 크다.

교차 니콜의 경우를 도시하는 도 11b에서도 투과율이 전체적으로 더 작을지라도, 경향은 도 5a의 시뮬레이션 결과의 경향과 거의 동일하다. 구체적으로는, 입사각이 +3도인 광의 투과율은 예를 들어 더 짧은 파장 측에서 더 작다.

도 12a 및 도 12b는 제1 수정판(1c)을 제2 수정판(2c)에 실제로 접착하고 그 면에 반사 방지막을 형성함으로써 제작된 본 실시예의 파장판(100)에 관해 도 9와 유사하게 투과율을 측정함으로써 얻어진 결과를 도시한다. 제1 수정판(1c)과 제2 수정판(2c)의 접착은 UV 접착제에 의해 행해졌다.

도 12a는 평행 니콜의 파장판(100)의 투과율을 도시하고, 도 12b는 교차 니콜의 파장판(100)의 투과율을 도시한다.

도 12a에 따르면, 입사각이 0도 및 -3도인 광의 투과율은 전반적으로 작고, 도 4a의 시뮬레이션 결과의 변환 효율과 거의 동등하게 높은 변환 효율이 달성될 수 있음을 나타낸다. 또한, 입사각이 +3도인 광의 투과율이 더 긴 파장 측에서 더 크다는 경향은 시뮬레이션 결과와 잘 맞는다.

또한, 반사 방지막이 제공되기 때문에, 교차 니콜의 경우를 도시하는 도 12b에서는 투과율이 전체적으로 약 10％ 정도 더 크다. 그러나, 입사각이 0도 및 -3도인 광에 대하여는 파장 의존성이 거의 존재하지 않고 투과율이 크다. 또한, 입사각이 +3도인 광의 투과율이 더 긴 파장 측에서 더 작다는 경향은 도 4b의 시뮬레이션 결과와 잘 맞는다.

위에서 설명한 바와 같이, 본 실시예의 파장판(100)에 따르면, 수정판들을 그들의 주면에 평행한 방향으로부터 보는 경우에, 수정판들의 광학축이 서로 평행하게 하는 방식으로 2장의 수정판을 구성함으로써, 입사각이 0도보다 작은 부측에 있는 광에 대한 파장 의존성이 저감될 수 있다.

예를 들어, 파장판(100)이 그 주면 내의 방향으로 회전되고 -3도의 입사각의 방향을 따라 강한 광이 입사되도록 배치되면, 도 12a 및 도 12b 등에 도시된 입사각이 -3도 및 0도인 광에 대한 특성이 지배적이고, 가시광 영역 전반에서 양호한 편광 변환 효율이 달성될 수 있다.

위에서는 420㎚ 내지 700㎚의 파장 영역에 관한 데이터가 도시되었을지라도, 더 짧은 파장 측에서의 한계에 관해서는 적어도 400㎚ 이하까지 동일하게 유리한 효과가 달성될 수 있다.

또한, 파장판(100)은 동일한 Z컷에 의해 만들어진 2장의 파장판을 주면 내의 방향으로 회전시키고 이러한 파장판들을 중첩함으로써 얻어지는 단순한 구성을 갖는다. 그래서, 제조도 쉽고, 비용 저감도 달성될 수 있다.

위에서 설명한 특허 문헌1의 기술에서는, 설계의 복잡성 및 파장 분산을 억제할 목적 때문에, 1장의 수정판의 두께가 약 0.1㎜ 정도로 설정될 필요가 있다. 이 두께는 일반적인 제조방법에서의 제조 한계에 가깝고, 그러므로 생산성이 열악하다.

그러나, 본 실시예에 따른 파장판(100)에서는, 위에서 설명한 바와 같이, 단판(single-plate) 두께가 약 0.15㎜인 수정판일지라도, 파장 의존성이 충분히 저감될 수 있고, 생산성이 향상될 수 있다. 본 실시예에서의 수정판의 단판 두께 가 적어도 0.1㎜ 내지 0.3㎜의 범위에 있으면, 입사각이 0도보다 작은 부측에 있는 광에 대한 파장 의존성이 저감될 수 있다.

위 설명에서는 광학축에 대한 25도의 Z컷에 의해 만들어진 수정판이 이용되는 예가 설명되었다. 그러나, 이 각도는 예를 들어 15도 내지 30도의 범위 내에서 적절하게 설정될 수 있을 것이다.

제1 수정판의 광학축의 방위각과 제2 수정판의 광학축의 방위각의 조합이 (22.5도, 67.5도), (112.5도, 157.5도) 또는 (157.5도, 112.5)도인 경우에도 동일하게 유리한 효과가 달성될 수 있다.

2. 제2 실시예 (편광 변환 소자의 예)

아래에서는, 편광 변환 소자가 위에서 설명한 파장판(100)을 이용하여 구성되는 예에 대해 설명하겠다. 도 13은 본 발명의 제2 실시예에 따른 편광 변환 소자(200)의 구성을 도시하는 개략적 구성도이다.

본 실시예에 따른 편광 변환 소자(200)는 입사광을 ｐ편광과 ｓ편광으로 분할하는 편광 분할기(20)와, 편광 분할기(20)에 의해 분할된 ｐ편광과 ｓ편광 중 하나의 광로 상에 제공된 파장판(24)을 포함한다.

편광 분할기(20)는 예를 들어 평행 6면체 형상을 갖는 복수의 프리즘(21)을 서로 접착함으로써 구성된다. 프리즘(21)들 사이의 접착면에는 예를 들어 ｓ편광을 반사하고 ｐ편광을 투과하는 PBS면(22a)과, PBS면(22a)에 의해 반사된 ｓ편광을 다시 반사하는 반사 면(22b)이 교대로 형성되어 있다.

PBS면(22a)을 투과한 p편광이 출사되는 프리즘(21)의 출사 면에는 파장판(24)이 제공되어 있다. 이 파장판(24)으로서는 제1 실시예(도 1a 및 도 1b)에서 도시된 파장판(100)이 이용될 수 있다. 이 예에서는, p편광의 편광 방향이 도 1a 및 도 1b에서의 파장판(100)의 X 방향과 일치하도록 파장판(100)이 면방향으로 회전되어 제공된다.

출사 면 상에 파장판(24)이 설치된 프리즘(21)의 광 입사 측의 면에는 차광판(23)이 제공될 수 있을 것이다.

화살표 A10에 도시된 바와 같이, 본 실시예에서의 편광 변환 소자(200)에 입사된 ｓ편광은 프리즘(21)의 PBS면(22a)에 의해 반사되고, 반사 면(22b)에 입사된다. 그 후, s편광은 반사 면(22b)에 의해 다시 반사되고, ｓ편광으로서 그대로 출사된다.

한편, 화살표 A11로 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 편광 변환 소자(200)에 입사된 ｐ편광은 프리즘(21)의 PBS면(22a)을 통해 투과되어 파장판(24)에 입사된다. 파장판(24)에 입사된 ｐ편광에서는 X축에 대하여 45도의 방위각으로 가상 축에 기초하여 180도의 위상 차(λ/2)가 발생된다. 결과적으로, 축 대칭적 편광 변화가 발생하고, 광은 ｓ편광으로서 출사된다.

이 방식으로, 본 실시예에 따른 편광 변환 소자(200)에서는 ｐ편광과 ｓ편광을 모두 포함하는 광이 이러한 편광 방향 중 하나의 광으로 변환된다.

특히, 제1 실시예에 도시된 파장판(100)이 파장판(24)으로서 이용된다. 그래서, 입사각이 부측에 있는 광에 대한 파장 의존성이 저감될 수 있다. 그러므로, 광이 0도보다 작은 부측에 있는 입사각으로, 바람직하게는 -3도로 파장판(24)에 입사되게 하는 방식으로 편광 변환 소자를 배치함으로써, 높은 편광 변환 효율이 실현될 수 있다.

도 14a는 이 편광 변환 소자(200)를 파장판(24) 측으로부터 본 개략적 정면도이다.

편광 변환 소자(200)는 T1과 T2라는 2개의 영역으로 분할된다. 영역 T1과 영역 T2의 각각에 파장판(24)이 배치된다. 편의상, 다음의 설명은 영역 T2에 배치되는 파장판(24a)에 관해서 및 영역 T1에 배치되는 파장판(24b)에 관해서 구분해서 설명된다. 그러나, 이 파장판(24a와 24b)은 제1 실시예에 도시된 파장판(100)과 동일한 것이고, 외형을 장방형으로 가공함으로써 얻어진다.

영역 T2에서는, 도 14b에 도시된 바와 같이, 제1 실시예(도 1a 및 도 1b)에 도시된 파장판(100)의 방위와 동일한 방위로 파장판(24a)이 배치되어 있다. 화살표 A12는 파장판(24a)을 구성하는 제1 수정판(1)의 광학축 방향을 나타내며, 화살표 A13은 파장판(24a)을 구성하는 제2 수정판(2)의 광학축 방향을 나타낸다.

영역 T1에서의 파장판(24b)은 영역 T2에 배치된 파장판(24a)을 그 주면에서의 방향(XY면에서의 방향)으로 180도 회전시켜 얻어지는 방위에 배치되어 있다. 이 때, 파장판(24b)을 구성하는 제1 수정판(1)과 제2 수정판(2)의 광학축은 각각 도 14c에 도시된 화살표 A14와 A15의 방위에 있다.

그러므로, 영역 T2에서의 파장판(24a)은 입사각이 0도보다 작은 부측에 있는 광에 대하여 높은 변환 효율을 제공한다. 영역 T1에서의 파장판(24b)은 파장판(24a)을 주면에서의 방향으로 180도 회전시켜 얻어지기 때문에, 파장판(24b)은 입사각이 0도보다 큰 정측에 있는 광에 대하여 양호한 변환 효율을 나타낸다.

일반적으로, 광학계에서의 렌즈의 편심 등과 같은 광학계의 구성으로 인해, 편광 변환 소자에 입사되는 광의 입사각의 분포가 불균일하다. 그러므로, 편광 변환 소자에 입사되는 광의 입사각의 분포는 그 주면에서 반드시 균일할 필요는 없다.

그러나, 본 실시예와 마찬가지로, 편광 변환 소자(200)에서의 파장판(24)의 방위를 적절하게 변화시킴으로써, 주면에서의 광의 입사각 분포에 따른 편광 변환이 수행될 수 있고, 그래서 변환 효율이 더 향상될 수 있다.

여기에 도시된 파장판(24a, 24b)의 광학축의 방향의 조합 외에, 동등하게 유리한 효과를 제공하는 조합이 존재한다. 이러한 조합들은 예를 들어 파장판(24a, 24b)을 그들의 주면(XY면)에서의 방향으로 회전시킴으로써 얻어진다.

이러한 조합들은 도 15a 내지 도 15h에서 예시된다. 다음의 설명에서는, 제1 수정판(1)의 광학축의 방위가 화살표 A12에 의해 도시되고, 제2 수정판(2)의 광학축의 방위가 화살표 A13에 의해 도시된다. 이 예에서는 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서의 제1 수정판(1)과 제2 수정판(2)의 광학축이 평행하고, 모든 조합에서 동일하다. 그러나, 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도에서의 광학축의 조합은 다르다.

도 15a는 도 14a 내지 도 14c에 도시된 조합을 도시한다. 그러므로, 화살표 A12에 의해 도시된 제1 수정판(1)의 광학축의 방위각은 67.5도이고, 화살표 A13에 의해 도시된 제2 수정판(2)의 광학축의 방위각은 22.5도이다.

파장판(24b)은 파장판(24a)을 그 주면에서의 방향으로 180도 회전시켜 얻어진다. 이미 설명한 바와 같이, 본 명세서에서의 정의로서, 방위각은 Z축 방향에서의 광학축의 방위와 무관한 것이고, 화살촉이 도면에서 180도 반대쪽으로 지향된 광학축은 동일한 방위각을 갖는다. 그러므로, 화살표 A12에 의해 도시된 광학축의 방위각은 마찬가지로 67.5도이고, 화살표 A13에 의해 도시된 광학축의 방위각은 22.5도이다.

도 15b에 도시된 바와 같이, 정면도에서의 제1 수정판(1)의 광학축의 방위와 제2 수정판(2)의 광학축의 방위를 교환함으로써 얻어지는 구성을 채용하는 것도 가능하다. 파장판(24c)에서는 제1 수정판(1)의 광학축(화살표 A12)의 방위각이 22.5도이고, 제2 수정판(2)의 광학축(화살표 A13)의 방위각이 67.5이다.

이 파장판(24c)을 주면에서의 방향으로 180도 회전시켜 파장판(24d)이 얻어진다. 제1 수정판(1)의 광학축(화살표 A12)의 방위각이 22.5도이고, 제2 수정판(2)의 광학축(화살표 A13)의 방위각이 67.5도이다.

도 15c는 도 15a에서의 파장판(24a, 24b)을 주면에서의 방향(XY면에서의 방향)으로 90도 회전시킴으로써 얻어지는 구성을 도시한다. 그러므로, 파장판(24e)에서는 제1 수정판(1)의 광학축의 방위각이 화살표 A12에 의해 도시된 157.5도(-22.5도)이고, 제2 수정판(2)의 광학축의 방위각이 화살표 A13에 의해 도시된 112.5도(-67.5도)이다.

파장판(24f)은 파장판(24e)을 그 주면에서의 방향으로 180도 회전시켜 얻어진다. 그러므로, 제1 수정판(1)의 광학축(화살표 A12)의 방위각과 제2 수정판(2)의 광학축(화살표 A13)의 방위각은 마찬가지로 각각 157.5도 및 112.5도이다.

도 15d는 도 15b에서의 파장판(24c, 24d)을 주면에서의 방향으로 90도 회전시킴으로써 얻어진 구성을 도시한다. 파장판(24g)의 제1 수정판(1)의 광학축(화살표 A12)의 방위각은 112.5도(-67.5도)이고, 제2 수정판(2)의 광학축(화살표 A13)의 방위각은 157.5도(-22.5도)이다.

파장판(24h)은 파장판(24g)을 그 주면에서 180도 회전시켜 얻어진다. 그러므로, 제1 수정판(1)의 광학축(화살표 A12)의 방위각도 마찬가지로 112.5도이고, 제2 수정판(2)의 광학축(화살표 A13)의 방위각은 157.5도이다.

도 15e는 도 15a에서의 파장판(24a)과 도 15b에서의 파장판(24d)의 조합을 도시한다.

도 15f는 도 15b에서의 파장판(24c)과 도 15a에서의 파장판(24b)의 조합을 도시한다.

도 15g는 도 15c에서의 파장판(24e)과 도 15d에서의 파장판(24h)의 조합을 도시한다.

도 15h는 도 15d에서의 파장판(24g)과 도 15c에서의 파장판(24f)의 조합을 도시한다.

구체적으로는, 파장판(24a)과 동등한 파장판으로서 파장판(24c, 24e, 24g)이 존재하고, 파장판(24b)과 동등한 파장판으로서 파장판(24d, 24f, 24h)이 존재한다. 그러므로, 총 4×4=16의 조합이 존재한다. 도 15a 내지 도 15h는 이러한 16개 조합 중 8개 조합을 도시한다.

3. 제3 실시예 (조명 광학계의 예)

아래에서는 본 발명의 한 실시예에 따른 파장판(100)을 이용하여 예를 들어 프로젝터 등과 같은 화상 표시 장치 등에 적용될 수 있는 조명 광학계를 구성하는 예에 관해 도 16을 참조하여 설명하겠다.

도 16은 제3 실시예에 따른 조명 광학계(300)의 구성을 도시하는 개략적 구성도이다. 본 실시예에 따른 조명 광학계(300)는 광을 출사하는 광원(30)과, 광원(30)으로부터 출사된 광의 조도 불균일을 저감시키는 인티그레이터 소자(35)와, 인티그레이터 소자(35)를 통해 투과된 광의 편광 방향을 정렬시키는 편광 변환 소자(36)를 포함한다.

광원(30)에는 예를 들어 초고압 수은 램프 등이 이용되고 있다. 광원(30)으로부터 출사된 광은 리플렉터(reflector)(31)에 의해 반사되어, 리플렉터의 광 출사구를 덮는 방폭 글라스(explosion-proof glass)(32)를 통해 출사된다. 방폭 글라스(32)는 광원(30)을 손상 등으로부터 보호하기 위해 제공된다.

방폭 글라스(32)를 통해 투과된 광은, 인티그레이터 소자(35)에 의해, 도면에서 XY면에서의 조도 분포의 불균일이 저감된다. 본 실시예에서는, 인티그레이터 소자(35)가 제1 플라이 아이 렌즈(fly eye lens)(33)와 제2 플라이 아이 렌즈(34)로 구성된다.

광원(30)과 인티그레이터 소자(35)의 사이에는 자외선 차단 필터 등이 배치될 수 있을 것이다.

인티그레이터 소자(35)를 통해 투과된 광은 편광 변환 소자(36)에 의해 편광 방향이 한 방향으로 정렬된 광으로 변환되어, 조명 광학계(300)로부터 출사된다.

이 편광 변환 소자(36)로서는 제2 실시예에 도시된 편광 변환 소자(200)가 이용될 수 있다.

이 편광 변환 소자(36)에서는 예를 들어 제2 플라이 아이 렌즈를 구성하는 개별적 렌즈(34a 내지 34d)에 대응하는 파장판(37a 내지 37d)이 제공된다.

렌즈(34a, 34b)로부터의 광에 대해서는, 제1 실시예(도 1a 및 도 1b)에 도시된 파장판(100)과 동일한 파장판((37a, 37b))이 제2 실시예(도 14a 내지 도 14c)에 도시된 파장판(24a)의 좌표축 방향과 동일한 좌표축 방향으로 각각 배치되어 있다.

렌즈(34c, 34d)로부터의 광에 대해서는, 파장판(37a, 37b)을 주면에서의 방향(XY면에서의 방향)으로 180도 회전시켜 얻는 파장판(37c, 37d)이 각각 배치되어 있다. 즉, 파장판(37c, 37d)은 도 14a 내지 도 14c에 도시된 파장판(24b)에 상당하는 것이다.

광원(30)으로부터 출사된 광의 조도 분포는 광이 인티그레이터 소자(35)를 통과할지라도 완전히 균일해지지는 않는다. 예를 들어 도 16에서의 광선(L1 내지 L4)과 마찬가지로 외측으로부터 내측으로 이동하는 광의 강도는 흔히 기타 광선의 강도보다 크다.

구체적으로는, 파장판(37a, 37b)에 입사되는 광선에서는 입사각이 0도보다 작은 부측에 있는 광선(L1, L2)의 강도가 더 크다. 그러므로, 파장판(37a, 37b)을 구성하는 수정판의 광학축이 제2 실시예(도 14a 내지 도 14c)에 도시된 파장판(24a)의 방위와 동일한 방위에 있도록 파장판(37a, 37b)을 배치함으로써 광선(L1, L2)이 우선적으로 편광 변환될 수 있고, 변환 효율이 향상될 수 있다.

파장판(37c, 37d)에 입사되는 광선에서는 입사각이 0도보다 큰 정측에 있는 광선(L3, L4)의 강도가 더 크다. 그러므로, 파장판(37a(37b))을 그 주면 방향으로 180도 회전시켜 그 광학축이 제2 실시예(도 14a 내지 도 14c)에 도시된 파장판(24b)의 방위와 동일한 방위에 있도록 배치함으로써, 광선(L3, L4)이 우선적으로 편광 변환될 수 있고, 변환 효율이 향상될 수 있다.

이 방식으로, 본 실시예에서는 큰 강도를 갖는 광의 입사각에 대응하여 파장판(37a 내지 37d)을 배치함으로써 편광 변환 효율이 향상될 수 있다. 그래서, 조명의 휘도가 향상될 수 있다.

4. 제4 실시예 (화상 표시 장치의 예)

위에서 설명한 조명 광학계를 이용하여 예를 들어 프로젝터 등과 같은 화상 표시 장치를 구성함으로써 더 밝고 더 선명한 화상이 표시된다. 도 17은 제4 실시예에 따른 화상 표시 장치(400)의 구성을 도시하는 개략적 구성도이다.

본 실시예에 따른 화상 표시 장치(400)는 편광을 출사하는 조명 광학계(40)와, 조명 광학계(40)에 의해 출사된 광을 분할하는 분광 광학계(50)와, 분광 광학계(50)에 의해 분할된 광선을 변조하는 액정 패널(63, 68, 73)을 포함한다.

또한, 화상 표시 장치(400)는 액정 패널(63, 68, 73)에 의해 변조된 각각의 광선을 합성하는 광 합성기(80)와, 광 합성기(80)에 의한 합성에 의해 얻어진 광을 투사하는 투사 렌즈(90)를 포함한다.

조명 광학계(40)로서는 제3 실시예(도 16)에 도시된 조명 광학계(300)가 이용될 수 있다. 초고압 수은 램프 등과 같은 광원으로부터 출사된 백색광은 리플렉터(42)에 의해 반사되고, 방폭 글라스(43)를 통해 투과되어 출사된다. 본 실시예에서는 조명 광학계(40) 내에 UV 차단 필터(44)가 배치되고, 방폭 글라스(43)를 통해 투과된 광으로부터 자외선이 제거된다.

UV 차단 필터(44)를 통해 투과된 광은 제1 플라이 아이 렌즈(45) 및 제2 플라이 아이 렌즈(46)에 의해 조도 불균일이 저감된 후, 편광 변환 소자(47)에 입사된다. 편광 변환 소자(47)로서는 제2 실시예(도 13)에 도시된 편광 변환 소자(200)가 이용된다. 편광 변환 소자(47)는 입사광을 예를 들어, s편광으로 변환하고, 이 s편광이 조명 광학계(40)로부터 출사된다.

조명 광학계(40)로부터 출사된 광은 예를 들어, 콘덴서 렌즈(condenser lens)(48)에 의해 평행해지고, 분광 광학계(50)에 입사된다.

분광 광학계(50)는 다이크로익 미러(dichroic mirror)(49) 및 다이크로익 미러(53)를 포함한다. 예를 들어, 다이크로익 미러(49)는 조명 광학계(40)로부터의 백색광 중에서 청색광을 투과시키고, 적색광 및 녹색광을 반사한다. 다이크로익 미러(53)는 다이크로익 미러(49)에 의해 반사된 광의 광로 상에 배치된다. 그것은 녹색광을 반사하고 적색광을 투과시킨다.

분광 광학계(50)에 입사된 광은 우선 예를 들어, 다이크로익 미러(49)에 입사된다. 다이크로익 미러(49)는 청색광을 투과시키고, 적색광 및 녹색광을 반사한다.

다이크로익 미러(49)를 통해 투과된 청색광은 UV 흡수 필터(51)를 통해 투과되며, 그럼으로써 자외선이 차단된다. UV 흡수 필터(51)을 통해 투과된 청색광은 미러(52)에 의해 반사되고, 따라서 그 이동 경로가 변화됨으로써, 청색광이 콘덴서 렌즈(61)에 입사된다.

콘덴서 렌즈(61)에 의해 집광된 청색광의 편광 방향은 입사 측 편광판(62)에 의해 직선 편광으로 정렬되고, 액정 패널(63)에 입사된다. 액정 패널(63)의 후속 스테이지에는 분광기로서의 출사 측 편광판(64)이 배치되어 있다. 출사 측 편광판(64)은 액정 패널(63)을 통해 투과된 광 중에서 소정의 편광 방향의 광만을 투과시킨다.

입사 측 편광판(62)과 출사 측 편광판(64)의 편광면은 예를 들어, 서로 일치하도록 배치되어 있다. 액정 패널(63)로서는 예를 들어 트위스트 네마틱형(twisted nematic type) 패널이 이용될 수 있다. 이 경우에, 예를 들어 액정 패널(63)의 각각의 화소에는 화상 정보에 따른 청색광용 신호 전압이 인가되고, 이 전압에 따라 각각의 화소를 통해 투과되는 청색광의 편광 방향이 회전된다. 화소마다 편광 방향이 상이한 이 청색광을 출사 측 편광판(64)을 통해 투과시킴으로써, 화상 정보에 따른 강도 분포를 갖는 청색광이 얻어질 수 있다.

출사 측 편광판(64)을 통해 투과되는 청색광은 예를 들어, 합성 프리즘(80)의 입사면에 제공된 반파장막(half-wave film)을 통해 투과된다. 그럼으로써, 편광 방향이 90도 회전되고, 그 후, 청색광이 합성 프리즘(80)에 입사된다.

다이크로익 미러(49)에 의해 반사된 적색광 및 녹색광은 다이크로익 미러(53)에 입사된다. 다이크로익 미러(53)는 녹색광을 반사하고 적색광을 투과시킨다.

다이크로익 미러(53)에 의해 반사된 녹색광은 콘덴서 렌즈(66)에 입사된다.

콘덴서 렌즈(66)에 의해 집광된 녹색광은 입사 측 편광판(67)에 의해 직선 편광으로 변환되고, 액정 패널(68)에 입사된다. 액정 패널(68)은 화상 정보에 따라 각각의 화소를 통해 투과되는 녹색광의 편광 방향을 회전시킨다. 액정 패널(68)을 통해 투과된 녹색광은, 출사 측 편광판(69)을 통해 투과되며, 그럼으로써 화상 정보에 따른 강도 분포를 갖는 녹색 화상광으로 되어, 합성 프리즘(80)에 입사된다.

한편, 다이크로익 미러(53)를 통해 투과된 적색광은 집광 렌즈(collecting lens)(54)를 통해 투과된 후 미러(55)에 의해 반사된다.

미러(55)에 의해 반사된 적색광의 광로 상에는 대역 통과 필터 등과 같은 파장 선택 필터(56)가 배치되고, 유효한 적색광만을 후속 스테이지로 투과시킨다.

파장 선택 필터(56)를 통해 투과된 적색광은 집광 렌즈(57)를 통해 투과된 후, 미러(58)에 의해 반사됨으로써, 그 이동 경로가 변화된다.

이 적색광은 녹색광 및 청색광에 비해 그 광로가 더 길기 때문에 더 쉽게 확산된다. 그러므로, 적색광은 집광 렌즈(54, 57)에 의해 수렴되게 된다.

미러(58)에 의해 반사된 적색광은 콘덴서 렌즈(71)에 의해 집광된 후, 입사 측 편광판(72)에 입사된다. 적색광은 입사 측 편광판(72)을 통해 투과됨으로써 직선 편광으로 되어 액정 패널(73)에 입사된다.

액정 패널(73)에서는 화상 정보에 기초한 전압 신호가 각각의 화소에 인가된다. 또한, 투과된 적색광의 편광 방향은 전압 신호에 따라 회전된다. 액정 패널(73)을 통해 투과된 적색광은 출사 측 편광판(74)에 입사되어 화상 정보에 따른 강도 분포를 갖는 적색 화상광으로 된다.

출사 측 편광판(74)을 통해 투과된 적색광의 편광 방향은 예를 들어 합성 프리즘(80)의 입사면에 제공된 반파장필름(75)에 의해 90도 회전되며, 그 후, 적색광이 합성 프리즘(80)에 입사된다.

합성 프리즘(80)은 ｐ편광인 녹색광을 투과시키고 ｓ편광인 청색광 및 적색광을 반사하며, 그럼으로써, 적색광과 녹색광 및 청색광을 동일한 광로 상에 합성한다. 합성 프리즘으로부터 출사된 합성광은 투사 렌즈(90)에 의해 예를 들어 스크린에 확대적으로 투사된다.

방금 설명한 바와 같이, 본 실시예에 따른 화상 표시 장치(400)에서는 제3 실시예(도 16)에 도시된 조명 광학계가 이용된다. 이 조명 광학계(40)에서는 광원(41)으로부터의 광의 편광 변환 효율이 높다. 따라서, 조명 광학계(40)는 저소비 전력으로 휘도가 높은 광을 출사할 수 있다. 그러므로, 본 실시예에 따른 화상 표시 장치(400)는 더 밝고 더 선명한 화상을 저비용으로 제공할 수 있다.

위에서는 본 발명의 실시예에 따른 파장판, 편광 변환 소자, 조명 광학계 및 화상 표시 장치에 대해 설명하였다. 그러나, 본 발명은 위에서 설명한 실시예에 의해 제한되는 것이 아니며, 특허청구의 범위에 기재된 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 가능한 다양한 형태를 포함하는 것이다.

본 발명은 2010년 9월 30일에 일본 특허청에 출원된 일본 우선권 특허 출원 번호 제2010-221508호에서 개시된 것과 관련된 요지를 포함하며, 그 전체 내용은 본원에 참조로서 원용된다.

Claims (11)

1. 파장판으로서,
   주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖도록 구성된 제1 수정판, 및
   주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖도록 구성된 제2 수정판 - 상기 제2 수정판의 주면은 상기 제1 수정판의 주면 상에 중첩됨 - 을 포함하고,
   상기 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도에서는 상기 제1 수정판의 광학축과 상기 제2 수정판의 광학축이 이루는 각도가 45도이고, 상기 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서는 상기 제1 수정판의 광학축이 상기 제2 수정판의 광학축과 평행한, 파장판.
2. 제1항에 있어서,
   상기 정면도에서의 상기 제1 수정판의 광학축의 방위각이 22.5도, 67.5도, 112.5도 또는 157.5도일 때, 상기 정면도에서의 상기 제2 수정판의 광학축의 방위각은 각각 67.5도, 22.5도, 157.5도 또는 112.5도인, 파장판.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 수정판과 제2 수정판은 원하는 파장을 갖는 광에 대하여 180도의 위상 차를 발생시키는, 파장판.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 수정판과 제2 수정판의 광학축은 상기 제1 수정판과 제2 수정판의 주면에 대하여 15도 내지 30도의 각도만큼 경사져 있는, 파장판.
5. 제1항에 있어서,
   상기 제1 수정판과 제2 수정판은 동일한 두께 및 두께 방향의 동일한 광학축 경사를 갖는, 파장판.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 수정판 및 상기 제2 수정판의 단판 두께가 0.1㎜ 내지 0.3㎜인, 파장판.
7. 편광 변환 소자로서,
   입사광을 ｐ편광과 ｓ편광으로 분할하도록 구성된 편광 분할기, 및
   상기 편광 분할기에 의해 분할된 상기 ｐ편광과 상기 ｓ편광 중 하나의 광로 상에 배치되도록 구성된 파장판을 포함하며,
   상기 파장판은 주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖는 제1 수정판, 및 주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖는 제2 수정판을 포함하고, 상기 제2 수정판의 주면은 상기 제1 수정판의 주면 상에 중첩되며,
   상기 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도에서는 상기 제1 수정판의 광학축과 상기 제2 수정판의 광학축이 이루는 각도가 45도이고, 상기 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서는 상기 제1 수정판의 광학축이 상기 제2 수정판의 광학축과 평행한, 편광 변환 소자.
8. 제7항에 있어서,
   복수의 상기 편광 분할기 및 복수의 상기 파장판이 구비되고,
   상기 파장판은 입사광의 입사각과 강도가 상기 파장판의 시야각 특성에 대응하도록 상기 주면 내의 방향으로 회전되어 배치되는, 편광 변환 소자.
9. 조명 광학계로서,
   광원,
   상기 광원으로부터 출사된 광의 조도 불균일(illuminance unevenness)을 경감하도록 구성된 인티그레이터(integrator) 소자, 및
   상기 인티그레이터 소자를 투과한 광의 광로 상에 배치되도록 구성되고 입사광을 ｐ편광과 ｓ편광으로 분할하는 편광 분할기 및 상기 편광 분할기에 의해 분할된 상기 ｐ편광과 상기 ｓ편광 중 하나의 광로 상에 배치된 파장판을 포함하는 편광 변환 소자를 포함하며,
   상기 파장판은 주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖는 제1 수정판, 및 주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖는 제2 수정판을 포함하고, 상기 제2 수정판의 주면은 상기 제1 수정판의 주면 상에 중첩되며,
   상기 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도에서는 상기 제1 수정판의 광학축과 상기 제2 수정판의 광학축이 이루는 각도가 45도이고, 상기 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서는 상기 제1 수정판의 광학축이 상기 제2 수정판의 광학축과 평행한, 조명 광학계.
10. 제9항에 있어서,
    상기 편광 변환 소자는 복수의 상기 편광 분할기와 복수의 상기 파장판을 포함하고,
    상기 파장판은 입사광의 입사각과 강도가 상기 파장판의 시야각 특성에 대응하도록 상기 주면 내의 방향으로 회전되어 배치되는, 조명 광학계.
11. 화상 표시 장치로서,
    광원,
    상기 광원으로부터 출사된 광의 조도 불균일을 경감하는 인티그레이터 소자, 및
    상기 인티그레이터 소자를 투과한 광의 광로 상에 배치되고 입사광을 ｐ편광과 ｓ편광으로 분할하는 편광 분할기 및 상기 편광 분할기에 의해 분할된 상기 ｐ편광과 상기 ｓ편광 중 하나의 광로 상에 배치된 파장판을 포함하는 편광 변환 소자를 포함하도록 구성된 조명 광학계,
    상기 조명 광학계로부터 출사된 광을 분할하도록 구성된 분광 광학계,
    상기 분할된 광을 변조하도록 구성된 액정 패널,
    상기 액정 패널에 의해 변조된 광을 합성하도록 구성된 광 합성기, 및
    상기 광 합성기에 의해 합성된 광을 투사하도록 구성된 렌즈를 포함하고,
    상기 파장판은 주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖는 제1 수정판, 및 주면에 대하여 경사진 결정 광학축을 갖는 제2 수정판을 포함하고, 상기 제2 수정판의 주면은 상기 제1 수정판의 주면 상에 중첩되며,
    상기 주면에 수직한 방향으로부터 본 정면도에서는 상기 제1 수정판의 광학축과 상기 제2 수정판의 광학축이 이루는 각도가 45도이고, 상기 주면에 평행한 방향으로부터 본 상면도에서는 상기 제1 수정판의 광학축이 상기 제2 수정판의 광학축과 평행한, 화상 표시 장치.

Images