KR20130006308A - 조명 광학계 및 화상 표시 장치 - Google Patents

조명 광학계 및 화상 표시 장치 Download PDF

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이오리 다께쯔
고지 기따
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데쯔야 기따
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소니 주식회사
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Abstract

광원이 되는 소자수를 늘려도, 조명 광학계를 컴팩트하게 구성 가능한 조명 광학계 및 화상 표시 장치의 제공을 목적으로 한다.
조명 광학계는 이차원 레이저 어레이 광원과, 인티그레이터 광학계와, 복수의 제1 렌즈와, 복수의 제2 렌즈를 구비한다. 이차원 레이저 어레이 광원은, 복수의 레이저 광원을, 평면 상에 이차원 어레이 형상으로 하여 배치한다. 인티그레이터 광학계는, 입사광을 중첩하여 피조사면에 조사한다. 복수의 제1 렌즈는, 이차원 어레이 평면과 평행하게 배치되고, 이차원 어레이 평면의 제1 축방향의 발산각을 제한하면서, 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 제1 축방향으로 중첩하여 인티그레이터 광학계에 조사한다. 복수의 제2 렌즈는 제1 렌즈의 후방에 배치되고, 제1 축방향과 직교하는 제2 축방향의 발산각을 제한하면서, 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 제2 축방향으로 중첩하여 인티그레이터 광학계에 조사한다.

Description

조명 광학계 및 화상 표시 장치{ILLUMINATION OPTICAL SYSTEM AND IMAGE DISPLAY APPARATUS}
본 기술은 조명 광학계 및 화상 표시 장치에 관한 것이다.
화상 표시 장치 중 하나로서 프론트 프로젝터(투영 장치)가 알려져 있다. 프론트 프로젝터는, 광원으로서 방전 램프, 광변조 소자로서는 반사형 액정 표시 소자, 투과형 액정 소자나 DMD(Digital Micromirror Device) 등이 사용되고 있고, 디바이스, 광학계 모두, 다양한 개량을 거듭해오고 있다
최근 들어, 화상 표시 장치의 새로운 광원으로서, 레이저를 사용하는 제안이 있다. 레이저는 발광점이 매우 미소하고, 중앙부의 휘도가 높으며, 주변으로 갈수록 휘도가 급격히 감소하는, 거의 정규 분포에 따르는 조도 분포를 갖는다. 그 때문에, 레이저를 광원으로 하는 조명 광학계는 균일 분포의 조명으로서 이용하기 위한 휘도의 균일화가 필요해지며, 몇몇 제안이 이루어지고 있다(예를 들면, 특허문헌 1, 특허문헌 2 참조).
특허문헌 1 : 일본 특허 공개 제2006-5015호 공보 특허문헌 2 : 일본 특허 공개 제2009-192789호 공보
그러나, 제안된 조명 광학계는 일차원 레이저 어레이 광원이며, 보다 큰 광량을 얻으려고 광원이 되는 소자수를 늘리면, 조명 광학계가 커진다고 하는 결점을 갖는다.
본 기술은, 이러한 점을 감안하여 이루어진 것으로, 광원이 되는 소자수를 늘려도, 조명 광학계를 컴팩트하게 구성 가능한 조명 광학계 및 화상 표시 장치의 제공을 목적으로 한다.
상기 과제를 해결하기 위해서, 조명 광학계는 이차원 레이저 어레이 광원과, 인티그레이터 광학계와, 복수의 제1 렌즈와, 복수의 제2 렌즈를 구비한다. 이차원 레이저 어레이 광원은, 복수의 레이저 광원을 평면 상에 이차원 어레이 형상으로 하여 배치한다. 인티그레이터 광학계는 입사광을 중첩하여 피조사면에 조사한다. 복수의 제1 렌즈는 상기 평면과 평행하게 배치되고, 상기 이차원 어레이의 제1 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제1 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사한다. 복수의 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈의 후방에 배치되어, 상기 제1 축방향과 직교하는 제2 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제2 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사한다.
또한, 상기 과제를 해결하기 위해서, 화상 표시 장치는 광변조 소자와, 이차원 레이저 어레이 광원과, 인티그레이터 광학계와, 복수의 제1 렌즈와, 복수의 제2 렌즈를 구비한다. 이차원 레이저 어레이 광원은, 복수의 레이저 광원을 평면 상에 이차원 어레이 형상으로 하여 배치한다. 인티그레이터 광학계는 입사광을 중첩하여 상기 광변조 소자에 조사한다. 복수의 제1 렌즈는 상기 평면과 평행하게 배치되고, 상기 이차원 어레이의 제1 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제1 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사한다. 복수의 제2 렌즈는 상기 제1 렌즈의 후방에 배치되어, 상기 제1 축방향과 직교하는 제2 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제2 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사한다.
상기의 조명 광학계 및 화상 표시 장치에 따르면, 광원이 되는 소자수를 늘려도, 조명 광학계를 컴팩트하게 구성할 수 있다.
도 1은 제1 실시 형태의 화상 표시 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 2는 제1 실시 형태의 조명 광학계의 구성예를 제1 평면에 도시한 도면이다.
도 3은 제1 실시 형태의 조명 광학계의 구성예를 제2 평면에 도시한 도면이다.
도 4는 제1 실시 형태의 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 출사광의 모습을 제1 평면에 도시한 도면이다.
도 5는 제1 실시 형태의 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 출사광의 모습을 제2 평면에 도시한 도면이다.
도 6은 제1 실시 형태의 조명 광학계의 인티그레이터 광학계에 있어서의 입사광과 출사광의 관계를 제1 평면에 도시한 도면이다.
도 7은 제1 실시 형태의 조명 광학계의 인티그레이터 광학계에 있어서의 입사광과 출사광의 관계를 제2 평면에 도시한 도면이다.
도 8은 제1 실시 형태의 조명 광학계에 의해 조사면에 조사된 광선의 조도 분포를 도시하는 도면이다.
도 9는 제2 실시 형태의 조명 광학계의 구성예를 제1 평면에 도시한 도면이다.
도 10은 제2 실시 형태의 조명 광학계의 구성예를 제2 평면에 도시한 도면이다.
도 11은 제3 실시 형태의 조명 광학계의 구성예를 제1 평면에 도시한 도면이다.
이하, 본 기술의 실시 형태를 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
[제1 실시 형태]
우선, 제1 실시 형태의 화상 표시 장치의 전체 구성에 대하여 도 1을 사용하여 설명한다. 도 1은 제1 실시 형태의 화상 표시 장치의 구성예를 도시하는 도면이다.
화상 표시 장치(1)는 RGB(적색, 녹색, 청색)마다 광변조된 화상을 합성한 화상을 표시 출력한다. 화상 표시 장치(1)는, 예를 들면 프론트 프로젝터나 리어 프로젝터 등의 투영 장치이다.
화상 표시 장치(1)는 조명 광학계(10R, 10G, 10B), 반사형 편광 소자(2R, 2G, 2B), 광변조 소자(3R, 3G, 3B), 색합성 프리즘(4)(합성 광학계), 투영 렌즈(5)(투사 광학계)를 갖고 있다.
조명 광학계(10R, 10G, 10B)는 RGB의 각 색에 대응하는 이차원 레이저 어레이 광원을 갖는 조명 광학계이다. 예를 들면, 조명 광학계(10R)는 적색에 대응하는 이차원 레이저 어레이 광원을 갖는다. 조명 광학계(10G)는 녹색에 대응하는 이차원 레이저 어레이 광원을 갖는다. 조명 광학계(10B)는 청색에 대응하는 이차원 레이저 어레이 광원을 갖는다.
조명 광학계(10R)는 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 출사광(L1)을, 균일한 조도 분포로 하여 피조사면이 되는 광변조 소자(3R)에 조사한다. 조명 광학계(10G)는 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 출사광(L2)을, 균일한 조도 분포로 하여 피조사면이 되는 광변조 소자(3G)에 조사한다. 조명 광학계(10B)는 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 출사광(L3)을, 균일한 조도 분포로 하여 피조사면이 되는 광변조 소자(3B)에 조사한다.
조명 광학계(10R, 10G, 10B)로부터의 RGB의 각 광은, 각각 대응하는 반사형 편광 소자(2R, 2G, 2B)에서 반사하고, 대응하는 광변조 소자(3R, 3G, 3B)를 조사한다. 광변조 소자(3R, 3G, 3B)는 RGB의 각 광을 각각 광변조하여 반사한다.
광변조 소자(3R, 3G, 3B)에서 광변조된 RGB의 각 광은, 도시하지 않은 광학 보상 소자에서 광학 보상(위상 변조량이 미세 조정)된 후, 반사형 편광 소자(2R, 2G, 2B)에 입사한다. 다시, 반사형 편광 소자(2R, 2G, 2B)에 입사한 RGB의 각 광은, 광변조의 정도에 따라 일부는 투과하여 색합성 프리즘(4)에 입사하고, 일부는 반사하여 조명 광학계(10R, 10G, 10B)의 방향으로 되돌아간다.
색합성 프리즘(4)은 녹색 파장 대역의 입사광을 투과하고, 적색 파장 대역 및 청색 파장 대역의 입사광을 투영 렌즈(5) 방향으로 반사하도록 구성되어 있다. 색합성 프리즘(4)은, 예를 들면 복수의 유리 프리즘(4개의 대략 동일한 형상의 직각 2등변 프리즘)을 접합함으로써 구성되어 있고, 각 유리 프리즘의 접합면에는 소정의 광학 특성을 갖는 2개의 간섭 필터가 형성되어 있다. 제1 간섭 필터는 청색 파장 대역의 입사광을 반사하고, 적색 파장 대역 및 녹색 파장 대역의 입사광을 투과한다. 제2 간섭 필터는 적색 파장 대역의 입사광을 반사하고, 녹색 파장 대역 및 청색 파장 대역의 입사광을 투과한다. 따라서, 색합성 프리즘(4)은 광변조 소자(3R)로부터의 입사광(L4)과, 광변조 소자(3G)로부터의 입사광(L5)과, 광변조 소자(3B)로부터의 입사광(L6)을 합성하여 투영 렌즈(5)에 출사한다.
투영 렌즈(5)는 색합성 프리즘(4)으로부터의 출사광(L7)을 소정의 배율로 확대하여 스크린(도시하지 않음)에 영상을 투영한다.
또한, 광변조 소자로서는 반사형 액정 표시 소자, 투과형 액정 소자나 DMD(Digital Micromirror Device)를 사용한 구성으로 할 수 있다.
다음으로, 제1 실시 형태의 조명 광학계의 구성에 대하여 도 2, 도 3을 사용하여 설명한다. 도 2는 제1 실시 형태의 조명 광학계의 구성예를 제1 평면에 도시한 도면이다. 도 3은 제1 실시 형태의 조명 광학계의 구성예를 제2 평면에 도시한 도면이다. 또한, 제1 평면은 광원의 광축을 법선으로 하는 평면 상의 1축을 y축 방향이라 정의하고, y축 방향에 직교하는 방향을 x축 방향이라 정의한다. 이때, x축이 도면의 하방으로부터 상방을 향하여, y축이 바로 앞을 향하여 도면을 관통하는 방향에 있는 평면을 제1 평면이라 정의한다. 또한, y축이 도면의 하방으로부터 상방을 향하여, x축이 바로 앞에서부터 도면을 관통하는 방향에 있는 평면을 제2 평면이라 정의한다.
조명 광학계(10)는 대응하는 색(파장)을 특정하지 않는 이차원 레이저 어레이 광원(12)을 갖는 조명 광학계이다. 조명 광학계(10)는 조명 광학계(10R, 10G, 10B)와 마찬가지의 구성이며, 조명 광학계(10)를 설명함으로써 조명 광학계(10R, 10G, 10B)의 각각의 설명에 대신한다.
조명 광학계(10)(조명 광학 장치)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)과, 제1 렌즈(13)와, 제2 렌즈(14)와, 인티그레이터 광학계(11)를 구비한다. 조명 광학계(10)는 인티그레이터 광학계(11)로부터의 출사광을 광변조 소자(19)에 조사한다.
이차원 레이저 어레이 광원(12)은 복수의 싱글 레이저 광원을 평면 상에 이차원 어레이 형상으로 하여 배치한다. 예를 들면, 이차원 레이저 어레이 광원(12)은 m×n개의 싱글 레이저 광원을 m행, n열의 이차원 어레이 형상(매트릭스 형상)으로 배치한다.
싱글 레이저 광원은 광축에 대하여 소정의 발산각(확대각)을 갖고, 특정 방향에 대하여 큰 발산각을 갖는다. 이차원 레이저 어레이 광원(12)은 복수의 싱글 레이저 광원의 특정 방향을 일치시켜서 배치한다. 따라서, 이차원 레이저 어레이 광원(12)도 광축에 대하여 소정의 발산각을 갖고, 특정 방향에 대하여 큰 발산각을 갖는다. 또한, 여기에서의 특정 방향은 y축 방향이다.
조명 광학계(10)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)이 싱글 레이저 광원을 배치하는 평면과 평행하게 복수의 제1 렌즈(13)를 배치한다. 제1 렌즈(13)는 원통형 렌즈에 의해 구성된다.
제1 렌즈(13)는 x축 방향으로 배열하는 싱글 레이저 광원의 일렬마다 설치되고, y축 방향으로 줄지어 복수 배치된다. 제1 렌즈(13)는 입사광 중 FAST 축성분을 콜리메이트하는 FAC(Fast-Axis-Collimator) 렌즈이며, FAST 축성분에 대하여 준 평행광을 생성하는 렌즈로서 사용된다.
제1 렌즈(13)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터의 출사광을, 주로 y축 방향(이차원 어레이의 제1 축방향)에 대하여 발산각을 제한한 준 평행광(완전히 콜리메이트하지 않은 광선)으로 한다.
여기에서 말하는 준 평행광은 인티그레이터 광학계(11)의 입사면에 있어서, 인티그레이터 광학계(11)로의 입사광이 y축 방향으로 중첩하는 정도의 발산각을 갖는다. 제1 렌즈(13)는 디포커스하도록, 초점 위치가 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터 소정량만큼 어긋나게 배치되어 있다. 이에 의해, 제1 렌즈(13)는 출사광을, y축 방향에 대하여 준 평행광으로 하고 있다.
조명 광학계(10)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)이 싱글 레이저 광원을 배치하는 평면과 평행하게, 복수의 제2 렌즈(14)를 배치한다. 제2 렌즈(14)는 제1 렌즈(13)의 후방(인티그레이터 광학계(11)측)에 배치된다. 제2 렌즈(14)는 원통형 렌즈에 의해 구성된다.
제2 렌즈(14)는 y축 방향으로 배열하는 싱글 레이저 광원의 일렬마다 설치되고, x축 방향으로 배열하여 복수 배치된다. 제2 렌즈(14)는 입사광 중 SLOW 축성분을 콜리메이트하는 SAC(Slow-Axis-Collimator) 렌즈이며, SLOW 축성분에 대하여 준 평행광을 생성하는 렌즈로서 사용된다.
제2 렌즈(14)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터의 출사광을 주로 x축 방향(이차원 어레이의 제2 축방향)에 대하여 발산각을 제한한 준 평행광으로 한다.
여기에서 말하는 준 평행광은 인티그레이터 광학계(11)의 입사면에 있어서, 인티그레이터 광학계(11)로의 입사광이 x축 방향으로 중첩하는 정도의 발산각을 갖는다. 제2 렌즈(14)는 디포커스하도록, 초점 위치가 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터 소정량만큼 어긋나게 하여 배치되어 있다. 이에 의해, 제2 렌즈(14)는 출사광을 x축 방향에 대하여 준 평행광으로 하고 있다.
인티그레이터 광학계(11)는 제1 플라이 아이 렌즈(15)와, 제2 플라이 아이 렌즈(16)와, 콘덴서 렌즈(17)와, 필드 렌즈(18)를 구비한다. 인티그레이터 광학계(11)는 제1 렌즈(13) 및 제2 렌즈(14)가 일부를 중첩하면서 준 평행광으로 한 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터의 출사광을, 제1 플라이 아이 렌즈(15)에 입사한다. 따라서, 인티그레이터 광학계(11)는 제2 렌즈(14)로부터의 조사광이 일부 중첩하도록, 제2 렌즈(14)와 소정의 거리를 두고 배치된다.
인티그레이터 광학계(11)는 제1 플라이 아이 렌즈(15)로의 입사광을 분할한 후, 조사면에 중첩하도록 하여 출사한다. 인티그레이터 광학계(11)는 필드 렌즈(18)로부터의 출사광을 피조사면이 되는 광변조 소자(19)에 조사한다.
제1 플라이 아이 렌즈(15) 및 제2 플라이 아이 렌즈(16)는 입사한 준 평행광의 조도를 균일화한다. 콘덴서 렌즈(17)는 제2 플라이 아이 렌즈(16)의 출사광을 입사하여, 필드 렌즈(18)를 통하여 광변조 소자(19)에 조사한다.
이와 같이, 조명 광학계(10)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터의 출사광을, 우선 제1 렌즈(13)에 의해 y축 방향의 발산각을 작게 하고, 다음으로 제2 렌즈(14)에 의해 x축 방향의 발산각을 작게 하고 있다. 제1 렌즈(13) 및 제2 렌즈(14)를 출사한 준 평행광은 x축 방향 및 y축 방향에서 광선끼리가 일부 중첩하고, 인티그레이터 광학계(11)를 조사한다.
또한, 이차원 레이저 어레이 광원(12)이 출사하는 광선은 직선 편광이다. 이차원 레이저 어레이 광원(12)이 출사하는 광선의 편광 방향은 광변조 소자(19)가 반사형 액정 표시 소자(반사형 액정 표시 장치)나 투과형 액정 소자(투과형 액정 표시 장치)인 경우, 광변조 소자(19)의 편광 방향과 일치하도록 설치된다. 이에 의해, 조명 광학계(10)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 편광 방향을 유지함으로써, P/S 변환 소자 등을 추가할 필요도 없고 광 이용 효율을 높게 유지할 수 있다.
이 경우, 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 편광비는 바람직하게는 10이상이다. 즉, P 성분과 S 성분 중, 종이 되는 편광 성분을 1이라 했을 때, 주가 되는 편광 성분은 10이상이다. 보다 바람직하게는, 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 편광비는 20이상이다. 즉, P 성분과 S 성분 중, 종이 되는 편광 성분을 1이라 했을 때, 주가 되는 편광 성분은 20이상이다. 또한, 원하는 편광비를 얻을 수 없는 경우에는, 조명 광학계(10)는 P/S 변환 소자를 설치하여 광학 효율을 개선할 수 있다.
다음으로, 제1 실시 형태의 조명 광학계의 구성에 대하여 도 4, 도 5를 사용하여 설명한다. 도 4는 제1 실시 형태의 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 출사광의 모습을 제1 평면에 도시한 도면이다. 도 5는 제1 실시 형태의 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 출사광의 모습을 제2 평면에 도시한 도면이다.
이차원 레이저 어레이 광원(12)은 y축 방향으로 피치 P1(거리 P1), x축 방향으로 피치 P2(거리 P2)로 싱글 레이저 광원(20)을 이차원 어레이 형상으로 배치한다. 이차원 레이저 어레이 광원(12)은 y축 방향에 대하여 큰 발산각을 갖도록, 싱글 레이저 광원(20)을 배치한다.
싱글 레이저 광원(20)은 x축 방향으로 피치 P1보다 작은 피치 P2로 복수가 배열되어 일차원 레이저 어레이 광원을 구성한다. 일차원 레이저 어레이 광원은 대응하는 제1 렌즈(13)와 함께 일차원 레이저 어레이 유닛을 구성한다. 이차원 레이저 어레이 광원(12)은 복수의 일차원 레이저 어레이 유닛을 y축 방향으로 피치 P1으로 배열함으로써 복수의 싱글 레이저 광원(20)을 이차원 어레이 형상으로 배치한다.
제2 렌즈(14)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 후방에 배치되고, 이차원 레이저 어레이 유닛을 구성한다. 이차원 레이저 어레이 광원(12)은 필요한 광량에 따라, 1 또는 2 이상의 이차원 레이저 어레이 유닛에 의해 구성된다.
이러한 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터의 출사광은, 제1 렌즈(13)에 의해 y축 방향으로 발산각 β1을 갖고, 제2 렌즈(14)에 의해 x축 방향으로 발산각 α1을 갖는 준 평행광으로서 인티그레이터 광학계(11)를 조사한다.
이와 같은 구성에 의해, 조명 광학계(10)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 소자(싱글 레이저 광원(20))수가 늘어나도 발산각이 큰 방향으로의 소자의 배치를 용이하게 하고 있다. 또한, 조명 광학계(10)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 소자가 이차원 어레이 형상으로 배치한 배치면 중 어디에 있어도, 대응하는 제1 렌즈(13) 및 대응하는 제2 렌즈(14)에 의해 준 평행광이 생성 가능하며, 소자수의 증대에 용이하게 대응 가능하다.
이와 같이, 조명 광학계(10)는 보다 큰 광량을 얻기 위하여 싱글 레이저 광원(20)의 소자수를 늘려도 컴팩트하게 설계 가능하다. 또한, 이차원 레이저 어레이 광원(12)은 싱글 레이저 광원(20)을 이차원 어레이 형상으로 배치할 때, 발산각이 큰 y축 방향의 배치수를 발산각이 작은 x축 방향의 배치수보다 적게 함으로써 이차원 레이저 어레이 광원(12)을 콤팩트하게 하고 있다.
특히, 조명 광학계(10)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 소자수가 늘어나도, 이차원 어레이면의 중앙부로부터 멀어진 주연부에 위치하는 소자에 대해서, 중앙부에 위치하는 소자와 마찬가지로 인티그레이터 광학계로의 조명광의 수광을 용이하게 한다.
또한, 조명 광학계(10)는 제1 렌즈(13)와 제2 렌즈(14) 중, 제1 렌즈(13)를 광원측에 배치함으로써, 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터의 출사광 중 발산각이 큰 y축 방향에 대하여 먼저 준 평행광을 생성하여 조명 광학계(10)를 콤팩트하게 하고 있다.
다음으로, 제1 실시 형태의 인티그레이터 광학계(11)에 있어서의 입사광과 출사광의 관계에 대하여 도 6, 도 7을 사용하여 설명한다. 도 6은 제1 실시 형태의 조명 광학계의 인티그레이터 광학계에 있어서의 입사광과 출사광의 관계를 제1 평면에 도시한 도면이다. 도 7은 제1 실시 형태의 조명 광학계의 인티그레이터 광학계에 있어서의 입사광과 출사광의 관계를 제2 평면에 도시한 도면이다.
제1 평면에 나타난 인티그레이터 광학계(11)는 제2 렌즈(14)로부터 발산각 α1의 출사광을 입사하고, 수광각 α2로 광변조 소자(19)를 조사한다. 이때, 인티그레이터 광학계(11)는 제2 렌즈(14)의 X축 방향의 크기 L1x의 출사면으로부터 광을 수광하고, 광변조 소자(19)의 X축 방향의 크기 L2x의 피조사면을 조사한다.
마찬가지로, 제2 평면에 나타난 인티그레이터 광학계(11)는 제2 렌즈(14)로부터 발산각 β1의 출사광을 입사하고, 수광각 β2로 광변조 소자(19)를 조사한다. 이때, 인티그레이터 광학계(11)는 제2 렌즈(14)의 y축 방향의 크기 L1y의 출사면으로부터 광을 수광하고, 광변조 소자(19)의 y축 방향의 크기 L2y의 피조사면을 조사한다.
또한, 발산각 α1 및 발산각 β1은 싱글 레이저 광원(20)의 발광점의 크기, 실장 정밀도, 및 디포커스량에 의해 결정된다.
이들, L1x, L1y, α1, α2, L2x, L2y, β1, β2의 관계식은 라그랑주-헬름홀츠의 불변량에 의해, 수학식 1 및 2와 같이 표현된다. 또한, k1, k2는 제2 렌즈(14)로부터의 출사광과, 인티그레이터 광학계(11)가 수광하는 광의 관계를 나타내는 계수이다.
[수학식 1]
Figure pat00001
[수학식 2]
Figure pat00002
계수 k1, k2는 0.5로부터 1.5의 범위에 있는 것이 바람직하다. 예를 들면, 계수가 0.5 이하인 경우, 인티그레이터 광학계(11)는 50％ 이상의 광을 이용하지 못하는 것을 나타낸다. 또한, 계수가 1.5 이상의 비율인 경우, 인티그레이터 광학계(11)는 과대하게 용장 설계인 것을 나타낸다.
따라서, 조명 광학계(10)는 0.5≤k1≤1.5, 0.5≤k2≤1.5의 범위에서, 수학식 1 및 2를 만족함으로써, 적절하게 설계될 수 있다. 또한, 계수 k1, k2는 동등하게 해도 된다.
이와 같이, 조명 광학계(10)는 인티그레이터 광학계(11)의 수광 각도에 맞추어, 광선의 발산각을 컨트롤함으로써 광선의 이용 효율을 최적화하는 것이 가능하다. 또한, 조명 광학계(10)는 인티그레이터 광학계(11)로의 입사광의 중첩을 크게 함으로써, 조사면의 균일성을 얻을 수 있다.
다음으로, 제1 실시 형태의 조명 광학계(10)에 의해 조사면에 조사된 광선의 조도 분포에 대하여 도 8을 사용하여 설명한다. 도 8은 제1 실시 형태의 조명 광학계에 의해 조사면에 조사된 광선의 조도 분포를 도시하는 도면이다.
도 8에 도시하는 그래프는, 횡축을 조사면의 위치, 종축을 조도로 하여, 조명 광학계(10)가 조사면에 조사하는 광선의 조도 분포(91)(실선)와, 비교예가 되는 조명 광학계의 조도 분포(90)(파선)를 나타낸다.
비교예가 되는 조도 분포(90)는 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광을 평행광으로 하여 인티그레이터 광학계에 수광한 경우를 나타내고, 복수 있는 광원의 균일화가 충분히 이루어지지 않아 불균일한 조도 분포를 나타낸다. 한편, 조명 광학계(10)의 조도 분포(91)는 복수 있는 광원의 균일화가 이루어져 전체적으로 균일한 조도 분포를 나타낸다.
이와 같이, 조명 광학계(10)는 인티그레이터 광학계(11)에 의해, 조도가 균일화된 광선을 피조사면에 조사할 수 있다. 또한, 조명 광학계(10)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)을 큰 광량으로 하여도 발산각이 과대해지지 않고, x축 방향의 발산각과 y축 방향의 발산각을 컨트롤함으로써 인티그레이터 광학계(11)의 수광 각도와의 균형을 취할 수 있다. 이에 의해, 조명 광학계(10)는 광학 효율의 손실을 저감하여, 균일성이 좋은 조명광을 얻을 수 있다. 또한, 조명 광학계(10)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 편광 방향을 유지하여 피조사면에 조사함으로써, 높은 광학 효율을 실현한다.
[제2 실시 형태]
다음으로, 제2 실시 형태의 조명 광학계의 구성에 대하여 도 9, 도 10을 사용하여 설명한다. 도 9는 제2 실시 형태의 조명 광학계의 구성예를 제1 평면에 도시한 도면이다. 도 10은 제2 실시 형태의 조명 광학계의 구성예를 제2 평면에 도시한 도면이다. 또한, 제2 실시 형태의 설명에서는 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성에 대하여 부호를 동일하게 하여 상세한 설명을 생략한다. 또한, x축 방향, y축 방향, 제1 평면, 제2 평면의 정의는 제1 실시 형태와 마찬가지로 한다.
조명 광학계(30)는 제1 실시 형태의 조명 광학계(10)와 마찬가지로, 대응하는 색을 특정하지 않는 이차원 레이저 어레이 광원(12)을 갖는 조명 광학계이다.
조명 광학계(30)(조명 광학 장치)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)과, 제1 렌즈(13)와, 제2 렌즈(14)와, 인티그레이터 광학계(31)를 구비한다. 조명 광학계(30)는 인티그레이터 광학계(31)로부터의 출사광을 광변조 소자(19)에 조사한다.
인티그레이터 광학계(31)는 집광 렌즈(32)와, 로드 렌즈(33)와, 콘덴서 렌즈(34)와, 필드 렌즈(18)를 구비한다. 인티그레이터 광학계(31)는 제1 렌즈(13) 및 제2 렌즈(14)가 준 평행광으로 한, 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터의 출사광을, 집광 렌즈(32)를 통과하여 로드 렌즈(33)에 입사한다. 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터의 출사광은, 일부를 중첩(디포커스)하면서 로드 렌즈(33)의 입사면에 입사한다. 따라서, 인티그레이터 광학계(31)는 제2 렌즈(14)로부터의 조사광이 일부 중첩하도록, 제2 렌즈(14)와 소정의 거리를 두고 배치된다.
로드 렌즈(33)로의 입사광은 로드 렌즈(33)에 의해 중첩되고, 조도가 균일화된다. 콘덴서 렌즈(34)는 로드 렌즈(33)의 출사광을 입사하고, 필드 렌즈(18)를 통과하여 광변조 소자(19)에 조사한다.
이와 같이, 조명 광학계(30)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터의 출사광을, 우선 제1 렌즈(13)에 의해 y축 방향의 발산각을 작게 하고, 다음으로, 제2 렌즈(14)에 의해 x축 방향의 발산각을 작게 하고 있다. 제1 렌즈(13) 및 제2 렌즈(14)를 출사한 준 평행광은, x축 방향 및 y축 방향에서 광선끼리가 일부 중첩하고, 인티그레이터 광학계(31)를 조사한다.
또한, 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 편광 방향은, 광변조 소자(19)가 반사형 액정 표시 소자(반사형 액정 표시 장치)나, 투과형 액정 소자(투과형 액정 표시 장치)인 경우, 광변조 소자(19)의 편광 방향과 일치하도록 설치된다. 이에 의해, 조명 광학계(10)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 편광 방향을 유지함으로써, P/S 변환 소자 등을 추가할 필요도 없고, 광 이용 효율을 높게 유지할 수 있다. 또한, 제1 실시 형태와 마찬가지로, 조명 광학계(30)는 0.5≤k1≤1.5, 0.5≤k2≤1.5의 범위에서, 수학식 1 및 2를 만족함으로써, 적절하게 설계될 수 있다.
이와 같은 구성에 의해, 조명 광학계(30)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 소자(싱글 레이저 광원(20))수가 늘어나도, 발산각이 큰 방향으로의 소자의 배치를 용이하게 하고 있다. 또한, 조명 광학계(30)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 소자가 이차원 어레이 형상으로 배치한 배치면 중 어디에 있어도, 대응하는 제1 렌즈(13) 및 대응하는 제2 렌즈(14)에 의해 준 평행광이 생성 가능하며, 소자수의 증대에 용이하게 대응 가능하다. 또한, 조명 광학계(30)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 소자가 이차원 어레이 형상으로 배치한 배치면 중 어디에 있어도, 제1 렌즈(13) 및 제2 렌즈(14)가 각각의 소자에 대응함으로써 제1 렌즈(13) 및 제2 렌즈(14)의 구면 수차가 억제 가능하다.
이와 같이, 조명 광학계(30)는 보다 큰 광량을 얻기 위하여 싱글 레이저 광원(20)의 소자수를 늘려도, 컴팩트하게 설계 가능하다.
특히, 조명 광학계(30)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 소자수가 늘어나도, 이차원 어레이면의 중앙부로부터 멀어진 주연부에 위치하는 소자에 대해서, 중앙부에 위치하는 소자와 마찬가지로 인티그레이터 광학계로의 조명광의 수광을 용이하게 한다.
또한, 조명 광학계(30)는 제1 렌즈(13)와 제2 렌즈(14) 중, 제1 렌즈(13)를 광원측에 배치함으로써, 이차원 레이저 어레이 광원(12)으로부터의 출사광 중 발산각이 큰 y축 방향에 대하여 먼저 준 평행광을 생성하여 조명 광학계(30)를 콤팩트하게 하고 있다.
[제3 실시 형태]
다음으로, 제3 실시 형태의 조명 광학계의 구성에 대하여 도 11을 사용하여 설명한다. 도 11은 제3 실시 형태의 조명 광학계의 구성예를 제1 평면에 도시한 도면이다. 또한, 제3 실시 형태의 설명에서는 제1 실시 형태와 마찬가지의 구성에 대하여 부호를 동일하게 하여 상세한 설명을 생략한다. 또한, x축 방향, y축 방향, 제1 평면의 정의는 제1 실시 형태와 마찬가지로 한다.
조명 광학계(40)는 제1 실시 형태의 조명 광학계(10)와 마찬가지로, 대응하는 색을 특정하지 않는 이차원 레이저 어레이 광원(12)을 갖는 조명 광학계이다.
조명 광학계(40)(조명 광학 장치)는 이차원 레이저 어레이 광원(12)과, 제1 렌즈(13)와, 제2 렌즈(14)와, 릴레이 광학계(41)와, 인티그레이터 광학계(11)를 구비한다. 조명 광학계(40)는 인티그레이터 광학계(11)로부터의 출사광을 피조사면에 조사한다. 또한, 조명 광학계(40)는 인티그레이터 광학계(11) 대신에 인티그레이터 광학계(31)를 구비하도록 해도 된다.
릴레이 광학계(41)는 제1 릴레이 렌즈(42)와, 제2 릴레이 렌즈(43)를 구비한다. 조명 광학계(40)는 제2 렌즈(14)로부터의 출사광이 릴레이 광학계(41)를 통과함으로써, 이차원 레이저 어레이 광원(12)의 크기(면적)를 임의로 하고, 인티그레이터 광학계(11)를 구성하는 광학 장치(예를 들면, 제1 플라이 아이 렌즈(15))의 크기에 맞출 수 있다.
이와 같이, 조명 광학계(40)는 릴레이 광학계(41)를 구비함으로써, 이차원 레이저 어레이 광원(12)과 인티그레이터 광학계(11)의 조합의 유연성을 확장한다.
또한, 본 기술은 이하와 같은 구성도 채용할 수 있다.
(1) 복수의 레이저 광원을, 평면 상에 이차원 어레이 형상으로 하여 배치하는 이차원 레이저 어레이 광원과,
입사광을 중첩하여 피조사면에 조사하는 인티그레이터 광학계와,
상기 평면과 평행하게 배치되고, 상기 이차원 어레이의 제1 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제1 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사하는 복수의 제1 렌즈와,
상기 제1 렌즈의 후방에 배치되어, 상기 제1 축방향과 직교하는 제2 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제2 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사하는 복수의 제2 렌즈
를 구비하는 조명 광학계.
(2) 상기 복수의 제2 렌즈로부터 출사하는 광선은, 상기 제1 축방향 및 상기 제2 축방향 각각에 있어서, 출사 범위의 크기와 발산각의 곱이, 상기 피조사면의 조사 범위의 크기와 수광각의 곱의 0.5배 이상이면서 1.5배 이하인 (1) 기재의 조명 광학계.
(3) 상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는, 원통형 렌즈에 의해 구성되는 (1) 또는 (2) 기재의 조명 광학계.
(4) 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선은, 직선 편광이며, 상기 직선 편광의 편광 성분과, 상기 직선 편광과 직교하는 방향의 편광 성분의 비가 적어도 10 이상인 (1) 내지 (3) 중 어느 하나에 기재된 조명 광학계.
(5) 상기 이차원 레이저 어레이 광원은, 상기 복수의 레이저 광원을, 상기 제1 축방향에 있어서 제1 피치로 배열하고, 상기 제2 축방향에 있어서 상기 제1 피치보다 작은 제2 피치로 배열하는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 조명 광학계.
(6) 상기 인티그레이터 광학계는,
제1 플라이 아이 렌즈와,
상기 제1 플라이 아이 렌즈의 후방에 배치되는 제2 플라이 아이 렌즈와,
상기 제2 플라이 아이 렌즈의 후방에 배치되는 렌즈군
을 포함하여 구성되는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 조명 광학계.
(7) 상기 인티그레이터 광학계는,
로드 렌즈와,
상기 로드 렌즈의 전방에 위치하는 전방 렌즈와,
상기 로드 렌즈의 후방에 위치하는 후방 렌즈
를 포함하여 구성되는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 조명 광학계.
(8) 상기 복수의 제2 렌즈와 상기 인티그레이터 광학계 사이를 릴레이하는 릴레이 광학계를 구비하는 (1) 내지 (7) 중 어느 하나에 기재된 조명 광학계.
(9) 광변조 소자와,
복수의 레이저 광원을, 평면 상에 이차원 어레이 형상으로 하여 배치하는 이차원 레이저 어레이 광원과,
입사광을 중첩하여 상기 광변조 소자에 조사하는 인티그레이터 광학계와,
상기 평면과 평행하게 배치되고, 상기 이차원 어레이의 제1 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제1 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사하는 복수의 제1 렌즈와,
상기 제1 렌즈의 후방에 배치되어, 상기 제1 축방향과 직교하는 제2 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제2 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사하는 복수의 제2 렌즈
를 구비하는 화상 표시 장치.
(10) 상기 광변조 소자가 반사형 액정 표시 장치이며,
상기 이차원 레이저 어레이 광원의 편광 방향은, 상기 반사형 액정 표시 장치의 편광 방향과 일치하고 있는 (9)기재의 화상 표시 장치.
또한, 상술한 실시 형태는, 실시 형태의 요지를 일탈하지 않는 범위 내에 있어서 다양한 변경을 더할 수 있다.
또한, 상술한 실시 형태는, 다수의 변형, 변경이 당업자에 있어서 가능하고, 설명한 정확한 구성 및 응용예에 한정되는 것은 아니다.
1 : 화상 표시 장치
2R, 2G, 2B : 반사형 편광 소자
3R, 3G, 3B, 19 : 광변조 소자
4 : 색합성 프리즘
5 : 투영 렌즈
10, 10R, 10G, 10B, 30, 40 : 조명 광학계
11, 31 : 인티그레이터 광학계
12 : 이차원 레이저 어레이 광원
13 : 제1 렌즈
14 : 제2 렌즈
15 : 제1 플라이 아이 렌즈
16 : 제2 플라이 아이 렌즈
17, 34 : 콘덴서 렌즈
18 : 필드 렌즈
20 : 싱글 레이저 광원
32 : 집광 렌즈
33 : 로드 렌즈
41 : 릴레이 광학계
42 : 제1 릴레이 렌즈
43 : 제2 릴레이 렌즈
90, 91 : 조도 분포

Claims (10)

  1. 조명 광학계로서,
    복수의 레이저 광원을, 평면 상에 이차원 어레이 형상으로 하여 배치하는 이차원 레이저 어레이 광원과,
    입사광을 중첩하여 피조사면에 조사하는 인티그레이터 광학계와,
    상기 평면과 평행하게 배치되고, 상기 이차원 어레이의 제1 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제1 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사하는 복수의 제1 렌즈와,
    상기 제1 렌즈의 후방에 배치되어, 상기 제1 축방향과 직교하는 제2 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제2 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사하는 복수의 제2 렌즈
    를 구비하는, 조명 광학계.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 제2 렌즈로부터 출사하는 광선은, 상기 제1 축방향 및 상기 제2 축방향 각각에 있어서, 출사 범위의 크기와 발산각의 곱이, 상기 피조사면의 조사 범위의 크기와 수광각의 곱의 0.5배 이상이면서 1.5배 이하인, 조명 광학계.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 제1 렌즈 및 상기 제2 렌즈는, 원통형 렌즈에 의해 구성되는, 조명 광학계.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선은, 직선 편광이며, 상기 직선 편광의 편광 성분과, 상기 직선 편광과 직교하는 방향의 편광 성분의 비가 적어도 10 이상인, 조명 광학계.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 이차원 레이저 어레이 광원은, 상기 복수의 레이저 광원을, 상기 제1 축방향에 있어서 제1 피치로 배열하고, 상기 제2 축방향에 있어서 상기 제1 피치보다 작은 제2 피치로 배열하는, 조명 광학계.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 인티그레이터 광학계는,
    제1 플라이 아이 렌즈와,
    상기 제1 플라이 아이 렌즈의 후방에 배치되는 제2 플라이 아이 렌즈와,
    상기 제2 플라이 아이 렌즈의 후방에 배치되는 렌즈군
    을 포함하여 구성되는, 조명 광학계.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 인티그레이터 광학계는,
    로드 렌즈와,
    상기 로드 렌즈의 전방에 위치하는 전방 렌즈와,
    상기 로드 렌즈의 후방에 위치하는 후방 렌즈
    를 포함하여 구성되는, 조명 광학계.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 제2 렌즈와 상기 인티그레이터 광학계 사이를 릴레이하는 릴레이 광학계를 구비하는, 조명 광학계.
  9. 화상 표시 장치로서,
    광변조 소자와,
    복수의 레이저 광원을, 평면 상에 이차원 어레이 형상으로 하여 배치하는 이차원 레이저 어레이 광원과,
    입사광을 중첩하여 상기 광변조 소자에 조사하는 인티그레이터 광학계와,
    상기 평면과 평행하게 배치되고, 상기 이차원 어레이의 제1 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제1 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사하는 복수의 제1 렌즈와,
    상기 제1 렌즈의 후방에 배치되어, 상기 제1 축방향과 직교하는 제2 축방향의 발산각을 제한하면서, 상기 이차원 레이저 어레이 광원으로부터의 광선을 상기 제2 축방향으로 중첩하여 상기 인티그레이터 광학계에 조사하는 복수의 제2 렌즈
    를 구비하는 화상 표시 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광변조 소자가 반사형 액정 표시 장치이며,
    상기 이차원 레이저 어레이 광원의 편광 방향은 상기 반사형 액정 표시 장치의 편광 방향과 일치하고 있는, 화상 표시 장치.
KR1020120069968A 2011-07-06 2012-06-28 조명 광학계 및 화상 표시 장치 KR20130006308A (ko)

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