KR100446570B1 - 광학소자,편광조명장치및투사형표시장치 - Google Patents

Abstract

편광 조명장치(1)에서는 제 1 및 제 2 광원부(101x, 101z)에서 방사된 랜덤한 편광광을 편광 분리부(202)에 의해 2 종류의 편광광으로 방향분리한 후, x방향으로 시프트된 2차 광원상을 형성시켜 편광방향을 맞춘다. 이 때, 제 1 및 제 2 광원부(101x, 101z)로부터의 출사광에서, S편광광에 의한 2차 광원상끼리, 및 P 편광광에 의한 2차 광원상끼리 겹쳐지도록 제 1 내지 제 3 집광 미러판(1001x, 1002, 1001z)은 비스듬하게 배치되어 있다.

따라서, 복수의 광원을 사용하면서 광원상의 면적을 크게 하지 않고, 동시에 양방의 편광성분을 이용하는 것이 가능한 편광 조명장치를 제공하고, 또한 매우 밝은 투사영상을 투사하는 것이 가능한 투사형 표시장치를 제공하는 것이 가능하게 된다.

Description

광학소자, 편광조명장치 및 투사형 표시장치

액정소자와 같이 특정한 편광광을 변조하는 타이프의 변조소자를 사용한 액정 표시 장치에서는, 광원에서 출사되는 광이 갖는 2종류의 편광성분 중, 한쪽의 편광 성분밖에 이용할 수 없다. 따라서, 밝은 투사화상을 얻으려면 광의 이용효율을 높일 필요가 있다. 그러나, 유일한 광원을 사용한 투사형 표시장치에서 광의 이용 효율을 높이려면 한도가 있기 때문에, 복수의 광원을 사용해서 광량을 증가시키는 것도 밝은 투사화상을 얻기 위한 하나의 수단이다.

그러나, 단지 광원을 복수 정렬시킨 것으로는, 광원상(光源像)의 면적이 복수배로 될 뿐이고, 어떤 일정한 면적에 있어서 광량은 유일한 광원을 사용한 경우와 같다. 따라서, 이 경우는 복수의 광원을 사용해도 실질적으로 일정한 면적당의 광량은 증가되지 아니한다.

또한, 광원을 복수로 사용하여 광량을 증가시켰더라도 광원에서 출사되는 광이 갖는 2종류의 편광성분 중 한편의 편광성분 밖에 이용되지 아니하면, 그 광량의 반은 낭비가 되어 버리고 그 효과는 반감되어 버린다.

그래서, 본 발명의 과제는 복수의 광원을 사용하면서도 광원상의 면적을 크게 하지 아니하고, 또한 양쪽의 편광성분을 이용하는 것이 가능한 편광조명장치를 제공하고, 또한 매우 밝은 투사화상을 투사할 수 있는 투사형 표시장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 편광 방향을 맞춘 편광광을 사용해서 정방형의 조명영역 등을 균일하게 조명하는 편광 조명장치 및 이 편광 조명장치를 사용한 투사형 표시장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 2개의 광원에서 출사된 광의 편광방향을 맞추면서 합성하기 위한 구조에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 실시형태 1에 관한 편광조명장치의 제 1 광원부로부터의 광에 대한 편광동작을 도시하는 설명도.

도 2는 본 발명이 실시형태 1에 관한 편광조명장치의 제 2 광원부로부터의 광에 대한 편광동작을 도시하는 설명도.

도 3은 편광분리부(202)의 상세한 구조를 설명하기 위한 도면.

도 4는 본 발명의 실시형태 1에 관한 편광조명장치에 구성한 광학계의 기본 구성을 도시하는 개략적인 구성도.

도 5는 도 1에 도시하는 편광조명장치의 집광미러판의 사시도.

도 6은 도 1에 도시하는 편광조명장치에서의 편광동작을 도시하는 설명도.

도 7은 도 1에 도시하는 편광조명장치의 렌즈판의 사시도.

도 8은 도 1에 도시하는 편광조명장치의 집광렌즈판에 있어서 2차 광원상의 형성위치를 도시하는 설명도.

도 9는 본 발명의 실시형태 1에 관한 편광조명장치의 제 1 광원부로부터의광에 대한 편광동작을 도시하는 설명도.

도 10은 본 발명의 실시형태 1에 관한 편광조명장치의 제 2 광원부로부터의 광에 대한 편광동작을 도시하는 설명도.

도 11은 본 발명의 실시형태 3에 관한 편광조명장치에 구성한 광학계의 기본 구성을 도시하는 개략적인 구성도.

도 12는 본 발명의 실시형태 4에 관한 편광조명장치에 구성한 광학계의 기본구성을 도시하는 개략적인 구성도.

도 13은 본 발명의 실시형태 5에 관한 편광조명장치에 구성한 광학계의 기본 구성을 도시하는 개략적인 구성도.

도 14는 본 발명의 실시형태 6에 관한 편광조명장치에 구성한 광학계의 기본 구성을 도시하는 개략적인 구성도.

도 15는 본 발명의 실시형태 7에 관한 편광조명장치에 구성한 광학계의 기본 구성을 도시하는 개략적인 구성도.

도 16은 실시형태 8로서 실시형태 1 내지 7에 관한 편광조명장치에 사용할 수 있는 집광 미러판의 설명도.

도 17 및 도 18은 도 1, 도 2, 도 4에 도시하는 편광조명 광학계를 구비한 투사형 표시장치의 예의 광학계의 개략적인 구성도.

도 19a 내지 도 19c는 편광조명장치의 광원램프의 발광스펙트럼에 대해서 도시하는 설명도.

도 20은 도 1, 도 2, 도 4에 도시하는 편광조명 광학계를 구비한 투사형 표시장치의 다른 예의 광학계의 개략적인 구성도.

본 발명의 광학소자는, 거의 6 면체의 광학 소자로서, 제 1 의 광원에서 출사된 광속을 입사하는 제 1 면과, 제 2 의 광원에서 출사된 광속을 입사하는 제 1 면과, 상기 광학 소자에 형성된 제 1 의 편광 분리막에서 특정의 편광 광속으로 분리된 편광 광속을 출사하여 다시 입사시키는 제 3 면과, 상기 광학 소자에 형성된 제 2 의 편광 분리막에서 특정의 편광 광속으로 분리된 편광 광속을 출사하여 다시 입사시키는 제 4 면과, 상기 제 1 의 편광 분리막과 상기 제 2 의 편광 분리막에 의해 분리된 특정의 편광 광속을 출사하여 다시 입사시키는 제 5 면과, 상기 광학소자에서 출사된 편광 광속의 편광 방향을 맞추는 편광 변환 광학 소자를 향해, 상기 제 3 면과, 상기 제 4 면, 상기 제 5 면에서의 편광 광속을 출사하는 제 6 면으로 이루어지며, 상기 제 1 면과 상기 제 2 의 편광 분리막은 직교하고, 상기 제 2 면과 상기 제 1 의 편광 분리막은 직교하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 광학소자를 다음에 상술하는 바와 같은 편광조명장치의 편광분리·합성광학소자로서 채용하면 상기 과제를 해결할 수가 있게 된다.

본 발명의 편광조명장치는 2개의 편광 분리막이 형성된 거의 6면체 형상의 편광분리·합성광학소자와 편광분리·합성광학소자의 제 1, 제 2 면쪽으로 각각 설치된 제 1, 제 2 광원부와 편광분리·합성광학소자의 제 3 면쪽에 설치되고 각각 입사광의 진행방향을 거의 반전시킴과 함께 집광상을 형성하는 복수의 집광반사 소자를 구비한 제 1 집광 반사 광학 소자와, 상기 편광분리·합성광학소자의 제 4 면쪽에 설치되고 각각 입사광의 진행방향을 거의 반전시킴과 동시에 집광상을 형성하는 복수의 집광소자를 구비한 제 2 집광반사 광학소자와, 상기 편광분리·합성광학소자의 제 5 면쪽에 설치되어, 각각 입사광의 진행방향을 거의 반전시킴과 동시에 집광상을 형성하는 복수의 집광반사 소자를 구비한 제 3 집광반사 광학소자와, 상기 편광분리·합성광학소자의 제 3 면과 제 1 집광반사 광학소자 사이에 설치된 제 1 λ/4 위상차판과, 상기 편광분리·합성광학소자의 제 4 면과 제 2 집광반사 광학소자 사이에 설치된 제 2 λ/4 위상차판과, 상기 편광분리·합성광학소자의 제 5 면과 제 3 집광반사 광학소자 사이에 설치된 제 3 λ/4 위상차판과, 상기 편광분리·합성광학소자의 제 6 면쪽에 설치되고 편광분리·합성광학소자에서 출사된 광의 편광방향을 맞추는 편광변환 광학소자를 갖고, 상기 제 1 면과 상기 제 2 면은 직교하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 편광조명장치에서는 편광분리·합성수단의 제 1, 제 2 면쪽에 설치된 제 1 및 제 2 광원부에서 출사된 랜덤한 편광광을 편광분리·합성광학소자에 의해 2종류의 편광광, 즉 P 편광광, S 편광광으로 분리한다. 그래서, 각 편광광을 편광분리·합성광학소자의 제 3, 제 4, 제 5 면쪽으로 각각 설치된 제 1, 제 2, 제3 집광반사소자에 의해, 복수의 중간광속으로 분리한다. 다시, 각 중간 광속의 편광 방향을 편광분리·합성광학소자의 제 6 면쪽에 설치된 편광변환 광학소자에 의해 맞춘다. 따라서, 2개의 광원부를 사용하고 있음에도 불구하고, 조명하는 면적을 거의 하나의 광원몫의 조명면적으로 할 수가 있다. 이 때문에, 일정면적당의 광량을 하나의 광원의 경우와 비교해서 약 2배로 할 수가 있으므로, 조명영역을 매우 밝게 조명할 수 있게 된다. 또한, 각 집광반사 광학소자에 의해 분리된 중간 광속을 1곳의 조명영역 위에서 중첩되도록 하면, 피조명영역 위를 균일하게 조명할 수가 있게 된다. 따라서, 본 발명의 편광조명장치를 표시장치의 광원으로서 사용하면 매우 균일한 화상을 얻을 수가 있다. 또 다시, 본 발명의 편광조명장치에서는 제 1 및 제 2 광원에서 출사된 랜덤한 편광광을 거의 손실없이 P 편광광이나 S 편광광 등으로 정리해서 합성할 수 있다. 따라서, 액정소자와 같은 특정한 편광광을 변조하는 타이프의 변조소자를 사용한 표시 장치에 본 발명의 편광조명장치를 채용하면 매우 밝은 화상을 얻을 수 있게 된다.

본 발명의 편광조명장치에 있어서, 제 1 집광반사 광학소자를 편광분리·합성광학소자의 제 3 면에 직교하는 축에 대해서 직교하지 아니한 상태에서 설치하고, 상기 제 2 집광반사 광학소자를 편광분리·합성소자의 제 4 면에 직교하는 축에 대해서 직교하지 아니하는 상태에서 설치하고, 상기 제 3 집광반사 광학소자를 편광분리·합성소자의 제 5 면에 직교하는 축에 대해서 직교하지 아니하는 상태에서 설치하면, 간단한 구성이면서 각 집광반사 광학소자에 의해 형성된 P 편광광 및 S 편광광에 의한 각 2차 광원상을 다른 소정 위치로 형성할 수 있다.

한편, 본 발명의 편광조명장치에 있어서, 상기 제 1 집광반사 광학소자와 편광분리·합성소자의 제 3 면, 상기 제 2 집광반사 광학소자와 편광분리·합성소자의 제 4 면, 상기 제 3 집광반사 광학소자와 편광분리·합성소자의 제 5 면 중 최소한 하나 사이에 변각프리즘을 설치하도록 하면, 제 1 내지 제 3 집광반사 광학소자를 편광분리·합성소자의 면에 대해서 평행하게 설치할 수 있으므로, 이들의 집광반사 광학소자의 설치가 용이해진다. 또, 변각 프리즘과 편광분리·합성광학소자의 면을 접착에 의해 일체화하고, 또는 변각 프리즘과 집광반사 광학소자를 접착에 의해 일체화함으로써, 경계면에 있어서 광의 반사손실을 삭감하거나, 광학계의 소형화를 도모할 수 있다.

다시, 본 발명의 편광조명장치에 있어서, 편광변환 광학소자에서 출사되는 편광광속의 진행방향을 바꾸는 광로 변경 광학소자를 편광변환 광학소자의 출사쪽에 설치하면, 이 편광조명장치를 투사형 표시장치 등의 광원으로서 사용하는 경우에 콤팩트한 장치를 얻을 수 있게 된다. 특히, 치수가 비교적 큰 2개의 광원의 광축에 의해 규정되는 평면과 평행한 조명광을 출사할 수 있도록 광로 변경 광학소자를 설치하면, 편광조명장치의 한편 방향의 두께를 얇게 할 수 있고, 박형의 편광조명장치를 실현할 수 있다.

또한, 상기 편광조명장치에 있어서, 제 1, 제 2, 제 3 집광반사 광학소자의 집광반사소자는 곡면 미러(mirror)로 구성할 수 있다. 또 제 1, 제 2, 제 3 집광반사 광학소자의 집광반사소자는, 렌즈와, 상기 렌즈의 편광분리·합성광학소자와는 반대쪽에 설치된 반사면으로 구성할 수도 있다.

본 발명에 관한 편광조명장치는 편광조명장치에서 출사된 광을 변조해서 화상을 형성하는 광변조 소자와 이 광변조 소자에 의해 형성된 화상을 투사하는 투사광학계를 갖춘 투사형 표시장치에 사용할 수 있다.

다시, 본 발명에 관한 평광조명장치는 조명장치에서 출사된 광을 복수의 색광으로 분리하는 색광분리 광학소자와, 상기 색광분리수단에 의해 분리된 색광을 각각 변조해서 화상을 형성하는 복수의 광변조소자와, 상기 복수의 광변조소자에 의해 형성된 화상을 합성하는 색광합성수단과, 상기 색광합성 광학소자에 의해 합성된 화상을 투사하는 투사광학계를 갖춘 칼러 화상을 표시하는 투사형 표시장치에 사용할 수도 있다.

이와 같이 해서, 본 발명의 편광조명장치를 사용한 투사형 표시장치를 구성하면, 밝고 또한 밝기가 균일한 투사 화상을 얻을 수 있다. 또한, 본 발명의 편광조명장치는 편광방향을 맞춘 광속을 출사하므로, 광변조소자로서 액정소자를 사용한 투사형 표시장치에 적합하다.

상기 투사형 표시장치에서는, 상기 제 1, 제 2 광원부 중 최소한 한편이 착탈 가능하게 구성되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 투사형 표시장치를 운반할 때에 어느 한편의 광원을 뗄 수 있고, 운반성이 향상한다.

또, 상기 투사형 표시장치에서는 상기 제 1, 제 2 광원부 중 최소한 한편이 선택점등이 가능하도록 되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이 구성하면, 예를 들어 투사형 표시장치를 배터리 구동할 때에 한편의 광원만을 선택 점등함으로써 배터리의 수명시간을 연장시킬 수 있다. 또, 주위가 밝은 곳에서 투사화상을 관찰하는 경우에는 2개의 광원을 점등시키고, 주위가 어두운 곳에서 투사화상을 관찰하는 경우에는 한편만을 선택점등시키는 것으로써 투사화상의 밝기를 환경에 따라서 적절히 변화시킬 수 있게 된다.

다시, 상기 투사형 표시장치에서는 상기 제 1, 제 2 광원에서 출사되는 광의 분광특성을 서로 다른 특성으로 할 수도 있다. 이와 같이 구성하면, 조명광의 색조를 소정의 색조로 용이하게 설정할 수 있다.

이하에, 도면을 참조해서 본 발명의 실시형태를 설명한다.

또한, 이하의 각 실시예의 설명 및 첨부도면에 있어서 대응하는 부분에는 동일한 부호를 붙여서 그들의 설명의 중복을 회피하고 있다. 또, 서로 직교하는 3개의 공간축을 x축, y축, z축으로 하고 x축에 평행한 2개의 방향을 각각 +x방향 및 -x방향, y축에 평행한 2개의 방향을 각각 +y방향 및 -y방향, z축에 평행한 2개의 방향을 각각 +z방향 및 -z방향으로 한다.

(실시형태 1)

도 1, 도 2는 본 발명의 편광조명장치의 제 1 실시형태를 도시하는 사시도이다. 본 실시형태에서는 편광방향이 랜덤한 광(이하 「랜덤한 편광광」이라 칭함.)을 출사하는 제 1 및 제 2 광원부(101x, 101z)이 2개 설치되어 있다. 도 1은 이들 2개의 광원중 제 1 광원부(101x)에서 출사된 랜덤한 편광광이 그것의 편광방향에 의한 x축을 따라 방향분리되는 모양을 도시하는 도면, 도 2는 제 2 광원부(101z)에서 출사된 랜덤한 편광광이 그 편광방향에 의해 x방향으로 분리되는 모양을 도시하는 도면이다.

도 1, 도 2에 도시하는 바와 같이, 본 형태에 관한 편광조명장치(1)는 xy평면내에 있어서 직각으로 꺾어지는 시스템 광축 L1', L1을 따라 제 1 광원부(101x), 편광분리부(202)(편광분리·합성광학소자), 제 1 집광미러판(1001x)(제 1 집광반사 광학소자)과 상기 제 2 집광미러판(1002)(제 2 집광반사 광학소자)을 구비한 인테그레이터 광학계(201) 및 집광렌즈(1040)(편광변환 광학소자)를 갖추고 있다. 제 1 광원부(101x)에서 출사된 광속은 뒤에 설명하는 바와 같이, 편광분리(202)에 있어서 2종류의 편광광속으로 분리된 후 제 1 집광미러판(1001x), 제 2 집광미러판(1002), 편광분리부(202), 및 집광렌즈(1040)에 의해 다시 1종류의 편광광속에 합성되고 정방형상의 조명영역(301)에 이르도록 되어 있다.

또, yz 평면내에 있어서 직각으로 꺾이는 시스템 광축 L2', L2을 따라서 제 2 광원부(101z), 상기한 편광 분리부(202), 제 3 집광미러판(1001z)(제 3 집광반사 광학소자)과 상기 제 2 집광미러판(1002)을 구비한 인테그레이터 광학계(201) 및 집광 렌즈(1040)가 설치된 구성으로 되어 있다. 제 2 광원부(101z)에서 출사된 광속은 뒤에서 설명하는 바와 같이, 편광 분리부(202)에 있어서 2종류의 편광광속으로 분리된 후 제 3 집광미러판(1001z), 제 2 집광미러판(1002), 편광분리부(202) 및 집광렌즈(1040)에 의해 다시 1종류의 편광광속에 합성되고 정방형상의 조명영역(301)에 이르도록 되어 있다.

또한, 집광렌즈(1040)와 조명영역(301)과의 사이에는 집광렌즈(1040)에서 출사된 광의 진행방향을 바꾸는 반사미러(300)(광로 변경광학소자)가 설치되어 있다. 집광렌즈(1040)로부터의 출사광은 이 반사미러(300)에서 반사되고, 제 1 광원부(101x)의 광축과 제 2 광원부(101z)의 광축을 포함하는 평면에 대해서 거의 평행한 방향으로 진행방향을 바꾼다.

제 1 및 제 2 광원(101x, 101z)은 각각 광원램프(111x, 111z)와, 포물면 반사경(reflector)(112x, 112z)으로부터 대략 구성되어 있고, 광원램프(111x, 111z)로부터 방사된 편광방향이 랜덤한 편광광은 각각 포물면 반사체(112x, 112z)에 의해 한방향으로 반사되고 거의 평행한 광속으로 되어 편광분리부(202)에 입사한다. 여기에서, 포물면 반사체(112x, 112z)에 대신해서, 타원면 반사체, 구면 반사체 등도 사용할 수 있다.

편광분리부(202)는 4각기둥형상의 편광빔 스플릿터(splitter)이고, 유전체 다층막으로 형성되는 제 1 및 제 2 편광 분리막(211x, 211z)을 유리로 만든 프리즘(1010)에 내장한 구조로 되어 있다. 제 1 편광 분리막(211x)은 제 1 광원부(101x)로부터의 출사광에 대해서 경사지게 설치되고, 편광분리부(202)의 입사면(1011x)에 대해서 각도 α=45도를 이루도록 형성되어 있다. 또 제 2 편광 분리막(211z)은 제 2 광원부(101z)로부터의 출사광에 대해서 경사지게 설치되고 편광분리부(202)의 입사면(1011z)에 대해서 각도 α=45도를 이루도록 형성되어 있다.

도 3은 이 편광분리부(202)의 상세한 구조를 설명하기 위한 도면이다. 이 도면에 도시하는 바와 같이, 편광분리부(202)는 2개의 삼각추프리즘(291, 295)과 2개의 사각추프리즘(292, 294)으로 구성되어 있다.

제 1 삼각추프리즘(291)의 측면 BDH와 제 1 사각추프리즘(292)의 측면 BDH 사이 및 제 2 사각추프리즘(294)의 측면 BFH와 제 2 삼각추프리즘(295)의 측면 BFH와의 사이에는 각각 편광 분리막(211x)이 형성되어 있다. 이 편광 분리막(211x)은, 예를 들어, 제 1 삼각추프리즘(291)의 측면 BDH, 제 1 사각추프리즘(292)의 측면 BDH 중 어느 한편과, 제 2 사각추프리즘(294)의 측면 BFH, 제 2 삼각추프리즘의 측면 BFH 중 어느 한편에 각각 유전체 다층막을 증착함으로써 형성된다. 여기에서 편광 분리막(211x)을 형성하는 면은 제 1 삼각추프리즘(291)의 측면 BDH, 제 1 사각추프리즘(292)의 측면 BDH의 어느 것이라도 좋고, 또한 제 2 삼각추프리즘(294)의 측면 BFH, 제 2 사각추프리즘(295)의 측면 BFH의 어느 것이라도 좋다. 그러나, 2개의 프리즘으로 형성되는 편광 분리막(211x)은 평탄한 것이 바람직하기 때문에 제 1 삼각추프리즘(291)의 측면 BDH와 제 2 사각추프리즘(294)의 측면 BFH로 형성되거나, 혹은 제 1 사각추프리즘(292)의 측면 BDH와 제 2 삼각추프리즘(295)의 측면 BFH로 형성하는 것이 바람직하다.

한편, 제 1 삼각추프리즘(291)의 측면 ABH와 제 2 사각추프리즘(294)의 측면 ABH와의 사이, 및 제 1 사각추프리즘(292)의 측면 BGH와 제 2 삼각추프리즘(295)의 측면 BGH와의 사이에는 각각 편광 분리막(211z)이 형성되어 있다. 이 편광 분리막(211z)은 제 1 삼각추프리즘(291)의 측면 ABH, 제 2 사각추프리즘(294)의 측면 ABH의 어느 한편과, 제 1 사각추프리즘(292)의 측면 BGF, 제 2 삼각 추프리즘(295)의 측면 BGH 중 어느 한편에, 각각 유전체 다층막을 증착함으로써 형성된다. 여기에서 편광 분리막(211z)을 형성하는 면은 제 1 삼각추프리즘(291)의 측면 ABH, 제 2 사각추프리즘(294)의 측면 ABH의 어느 것이라도 좋고 또 제 1 사각추프리즘(292)의 측면 BGH, 제 2 삼각추프리즘(295)의 측면 BGH의 어느 것이라도 좋다. 그러나, 2개의 프리즘으로 형성되는 편광 분리막(211z)은 평탄한 것이 바람직하기 때문에 제 1 삼각추프리즘(291)의 측면 ABH와 제 1 사각추프리즘의 측면 BGH로 형성하거나, 혹은 제 2 사각추프리즘(294)의 측면 ABH와 제 2 삼각추프리즘(295)의 측면 BGH로 형성하는 것이 바람직하다.

다시, 제 1 삼각추프리즘(291)과 제 1 사각추프리즘(292)의 편광 분리막(211x)이 형성된 면 BDH가 맞붙여짐으로써 제 1 프리즘 합성체(293)가 형성된다. 또한, 제 2 사각추프리즘(294)과 제 2 삼각추프리즘(295)의 편광 분리막(211x)이 형성된 면 BFH이 맞붙여짐으로써 제 2 프리즘 합성체(296)가 형성된다. 최후로 2개의 프리즘 합성체(293, 296)의 편광 분리막(211z)이 형성된 면 ABGH가 맞붙여짐으로써 편광분리부(202)가 완성된다.

다시, 도 1, 도 2에 의거해서 설명한다. 편광분리부(202)의 출사면(1012x)에는 제 1 λ/4 위상차판(1021x)이, 또 출사면(1013)에는 제 2 λ/4 위상차판(1022)이 각각 형성되고, 그들의 위상차판의 외측에는 편광분리부(202)의 거의 중심을 향하도록, 또한, x축 및 y축에 각각 교차하도록 제 1 집광미러판(1001x) 및 제 2 집광미러판(1002)이 yz평면 및 zx평면에 대해서 각각 소정의 각도를 이루도록 설치되어 있다. 편광 분리부(202)의 출사면(1012z)에는 제 3 λ/4 위상차판(1021z)이 형성되고, 이 위상차판의 외측에는 편광분리부(202)의 거의 중심을 향하도록, 또한 z축에 교차하도록 제 3 집광미러판(1001z)이 xy평면에 대해서 소정의 각도를 이루도록 설치되어 있다. 이들의 집광 미러판(1001x, 1002, 1001z)의 구성의 상세한 것에 대해서는 후술한다.

편광분리부(202)의 출사면(1014)쪽에는 뒤에서 상세히 설명하는 집광렌즈판(1041) 및 λ/2 위상차판(1043)에 의해 구성된 집광렌즈(1040)가 시스템 광축 L1(L2)에 대해서 수직인 방향으로 설치되어 있다.

이상과 같이 구성된 편광조명장치(1)에 있어서, 먼저 도 1, 도 4에 의거해서제 1 광원(201x)에서 출사된 랜덤한 편광광이 그것의 편광방향에 따라서 x축을 따라 방향 분리되는 과정에 대해서 설명한다. 도 4는 도 1의 xy평면에 있어서 단면도를 도시한 것이고, 또 상기한 과정의 설명에는 직접관계가 없기 때문에 반사미러(300)는 생략되고, 집광렌즈(1040)에서 조명영역(301)에 이르는 광로는 직선적으로 표현되어 있다. 또한 이점에 관해서는 후술하는 도 11 내지 도 15에 있어서도 동일하다.

제 1 광원부(101x)에서 출사된 랜덤한 편광광은 P편광광과 S편광광의 혼합광으로서 생각할 수가 있다. 제 1 광원부(101x)에서 출사되고 편광분리부(202)의 입사면(1011x)에 입사된 혼합광은 편광 분리막(211x)에 의해 P편광광과 S편광광의 2종류의 편광광으로 분리된다. 즉, 램덤한 편광광에 포함되는 P편광광은 편광 분리막(211x)을 그대로 투과하고 출사면(1012x)로 향하지만, S편광광은 편광 분리막(211x)에서 반사되어서 편광분리부(202)의 출사면(1013)으로 진행방향을 바꾼다.

편광분리부(202)에 의해 분리된 2종류의 편광광은 λ/4 위상차판(1021x, 1022)을 통과하여 집광미러판(1001x, 1002)에 의해 반사된다.

이들의 집광미러판(1001x, 1002)은 그 외관도를 도 5에 도시하는 바와 같이, 어느 것이나 정방형 형상의 외형을 갖는 동일한 미소집광미러(1003)를 매트릭스형상으로 복수배열하고, 그것의 표면에 일반적인 알루미늄의 증착막으로 형성되는 반사면(1004)을 형성하는 것으로, 본 예에서는 미소집광미러(1003)의 반사면(1004)은 구면형상으로 형성되어 있다. 단, 이 반사면(1004)의 곡률 형상은 포물면 형상, 타원면 형상, 혹은 트릭(trick)면 형상이라도 좋고 그들은 광원(101x, 101z)으로부터의 입사광속의 특성에 따라서 설정할 수 있다.

편광 분리막(211x)에 의해 분리된 P편광광 및 S편광광은 각각 λ/4 위상차판(102x, 1022)을 통과하고, 집광미러판(1001x, 1002)에 의해 반사되고 다시 λ/4 위상차판(1021x, 1022)을 통과하는 동안에 편광광의 진행방향을 거의 180도 반전시킴과 동시에 편광방향이 90도 회전한다. 이 편광광의 변화의 모양을 도 6에 의해 설명한다. 또 이 도면에서는 설명의 간략화를 위해 집광미러판(1001x, 1002)을 평면형상의 미러판(1060)으로서 그리고 있다. λ/4 위상차판(1021x, 1021z)에 의해 우회전의 원편광광(1062)(단, λ/4 위상차 판의 설치방법에 따라서는 좌회전의 원편광광으로 된다.)으로 변환되고 미러판(1060)으로 도달한다. 미러판(1060)에 의해 광은 반사되나 동시에 편광면의 회전방향도 변화한다. 즉, 우회전의 편광광은 좌회전의 편광광으로(좌회전의 편광광은 우회전의 편광광으로) 변화한다. 미러판(1060)에 의해 광의 진행방향을 180도 반전되고 동시에 좌회전의 원편광광(1063)으로 된 편광광은 다시 λ/4 위상차판(1021x, 1021z)을 통과하는 때에 S 편광광(1064)으로 변환된다. 또 같은 과정을 거쳐서 S편광광(1064)은 P편광광(1061)으로 변환된다.

따라서, 출사면(1021x)에 달한 P편광광은 λ/4 위상차판(1021x) 및 집광미러판(1001x)에 의해 편광광의 진행방향을 거의 180도 반전됨과 동시에 S편광광으로 변환되고 편광 분리막(211x)에서 반전되고 진행방향을 바꾸어서 출사면(1014)으로 향한다. 다른 편 출사면(1013)에 달한 S편광광은 λ/4 위상차 판(1022) 및 집광미러판(1002)에 의해 편광광의 진행방향을 거의 180도 반전됨과 동시에 P편광광으로 변환되고, 이번은 편광 분리막(211x)을 그대로 투과하고 출사면(1014)로 향한다. 즉, 편광 분리막(211)은 편광합성막으로서도 작용하고 있으므로, 편광분리부(202)는 편광분리. 합성수단으로서 기능한다.

집광미러판(1001x, 1002)은 집광작용을 갖는 미소집광미러(1003)에 의해 구성되어 있기 때문에, 입사광의 진행방향을 거의 반전시킴과 동시에 각각의 집광미러판(1001x, 1002)을 구성하는 미소집광미러(1003)와 동수(同數)의 복수의 집광상을 형성한다. 이들의 집광상은 광원상에 지나지 아니하기 때문에 아래에서는 2차 광원상이라 칭한다. 또한, 집광렌즈판(1041)은 도 7에 도시하는 바와 같은 정방형 형상의 미소렌즈(1042)로 형성하는 복합렌즈체이고, 집광렌즈판(1041)을 구성하는 미소렌즈(1042)의 수는 집광미러판(1001x, 1002)을 구성하는 미소집광미러(1003)의 수와 같다. 또, 본예의 경우, 복수의 미소렌즈(1042)에는 편심렌즈를 사용하고 있다. 또한 후술하는 위상차층(1044)의 x축 방향의 칫수에 미소렌즈의 x축 방향의 치수를 맞추고 x축 방향으로 정렬하는 미소렌즈의 수를 2배로 증가시켜 구성한 집광렌즈판을 사용해도 좋고 그 경우에는 2개의 집광미러판(1001x, 1002)에서 집광렌즈판에 입사하는 각각의 광속을 보다 높은 효율로 조명영역(301)으로 유도할 수 있다.

여기에서, 집광미러판(1001x)은 xz평면에 직교하는 축에 대해서 직교하지 아니하는 상태에서, 또 집광미러판(1002)은 yz평면에 직교하는 축에 대해서 직교하지 아니하는 상태에서, 즉 xz평면, yz평면에 대해서 각각 β도의 각도를 이루도록 설치되어 있다. 따라서 P편광광에 의한 2차 광원상과 S편광광에 의한 2차 광원상과는 약간 다른 위치에 형성되게 된다. 즉, 조명영역(301)쪽에서 집광렌즈(1040)를 본 경우에 2종류의 편광광이 형성되는 2차광원상을 도 8에 도시하면 P편광광이 형성되는 2차광원상 C1(원형의 상(像) 중에서, 우로 올라간 사선을 붙인 영역)과 S편광광이 형성하는 2차 광원상 C2(원형의 상 중에서, 좌로 올라간 사선을 붙인 영역)의 2개의 2차광원상이 가로방향으로 정렬하는 상태로 형성되게 된다. 이에 대해서, 집광렌즈판(1041)의 조사영역(301)쪽의 면에는 P편광광에 의한 2차 광원상 C1의 형성위치에 대응해서 위상차층(1044)이 선택적으로 형성된 λ/2 위상차판(1043)이 설치되어 있다. 따라서, P편광광은 위상차층(1044)을 통과할 때에 편광면의 회전작용을 받아 P편광광은 S편광광으로 변환된다. 한편, S편광광은 위상차층(1044)을 통과하지 아니하므로 편광면의 회전작용을 받지 아니하고 λ/2 위상차판(1043)을 통과한다. 그런 이유로, 집광렌즈(1040)에서 출사되는 광속의 대부분은 S편광광으로 정렬된다.

이와 같이 해서, S편광광으로 맞추어진 광속은 집광렌즈(1040)에서 출사된 후, 반사미러(300)를 거쳐서 조명영역(301)에 조사된다. 즉 집광미러판(1001x, 1002)의 미소집광미러(1003)로 잘라낸 이미지면은 집광렌즈판(1041)에 의해 1곳에 중첩 결상되고 λ/2 위상차판(1043)을 통과할 때에 1종류의 편광광으로 변환되어 거의 모든 광이 조명영역(301)으로 도달하므로, 조명영역(301)은 거의 1종류의 편광광으로 균일하게 조명된다.

다음으로, 도 2에 도시한 제 2 광원부(2012)에서 출사된 랜덤한 편광광이 그편광방향에 의해 x축을 따라 방향분리되는 과정이나, 이것에 대해서는 먼저 도 1, 도 4를 사용해서 설명한 과정과 원리적으로는 동일하기 때문에 그것의 상세한 설명에 대해서는 생략한다.

도 2에 있어서, 제 2 광원(1012)에서 출사된 랜덤한 편광광 중, P편광광은 분리부(202)의 편광 분리막(211z)을 그대로 투과하여 출사면(1012z)로 향하지만, S편광광은 편광 분리막(211z)에서 반사되어서 편광분리부(202)의 출사면(1013)으로 진행방향을 바꾼다. 이와 같이 분리된 P편광광 및 S편광광은 각각 λ/4 위상차판(1021z, 1022)을 통과하고 집광미러판(1001z, 1002)에 의해 반사되고 다시 λ/4 위상차판(1021z, 1022)을 통과한다. 따라서, 출사면(1012z)에 도달한 P편광광은 λ/4 위상차판(1021z) 및 집광미러판(1001z)에 의해 편광광의 진행방향을 거의 180도 반전시킴과 동시에 S편광광으로 변환되고 편광 분리막(211z)에서 반전되고 진행방향을 바꾸어서 출사면(1014)으로 향한다. 다른 편 출사면(1013)에 달한 S편광광은 λ/4 위상차판(1022) 및 집광미러판(1002)에 의해 편광광의 진행방향을 거의 180도 반사됨과 동시에 P편광광으로 변환되고 이번에는 편광 분리막(2112)을 그대로 투과하고 출사면(1014)으로 향한다.

여기에서 집광미러판(1001z)도 집광미러판(1001x, 1002)와 같이 집광작용을 갖는 미소집광미러(1003)에 의해서 구성되어 있다. 그래서 yz평면에 직교하는 축에 대해서 직교하지 아니하는 상태에서 즉 yz평면에 대해서 β도의 각도를 이루도록 설치되어 있다. 따라서, P편광광에 의한 2차 광원상과 S편광광에 의한 2차 광원상은 약간 다른 위치에 형성되게 된다. 단, 이때 형성되는 2차 광원상은 제 1광원부(201x)로부터의 출사광에 포함되어 있던 S편광광에 의한 2차 광원상 및 P편광광에 의한 2차 광원상과 겹친다. 따라서, 제 2 광원부(201z)로부터의 출사광도 제 1 광원부(201x)로부터의 출사광과 같이 S편광광으로 맞추어진다. 그 결과, 제 1 및 제 2 광원부(201x, 201z)로부터의 출사광은 S편광광으로서 합성되고 반사미러(300)를 거쳐서 조명영역(301)에 조사된다.

이상으로 설명한 바와 같이 본예의 편광조명장치(1)에 의하면 제 1 및 제 2 광원부(101x, 101z)에서 방사된 랜덤한 편광광을 편광분리부(202)에서 2종류의 편광광으로 방향분리한 후 각 편광광을 λ/2 위상차판(1043)의 소정의 영역으로 유도해서 P편광광을 S편광광으로 변환한다. 따라서, 제 1 및 제 2 광원부(101x, 101z)에서 방사된 랜덤한 편광광을 손실 없이 거의 S편광광으로 맞춘 상태에서 합성하므로 조명영역(301)을 밝게 조명할 수 있는 효과를 나타낸다. 또 2개의 광원(101x, 101z)을 사용함에 불구하고 조명하는 면적은 한광원몫의 조명면적이기 때문에 일정면적당의 광량을 한광원의 경우와 비교해서 2배로 할 수 있다. 다시 제 1 및 제 2 광원부(101x, 1012)으로 형성되는 2개의 광원을 설치한다고는 해도 쌍방을 zx평면 위에 설치할 수 있다. 이 경우 집광렌즈(1040)에서 출사된 조명광속의 진행방향을 바꾸는 반사미러(300)가 설치되어 있으므로 2개의 광원이 설치되어 있는 zx평면과 조명광속의 출사방향을 평행하게 할 수 있다. 그런 까닭에, 조명장치의 박형화나 저배화(低背化)에 적합하다. 즉 집광렌즈(1040)의 후단에 설치된 변각미러에 의해 편광조명장치의 소형화를 위한 설계의 자유도는 더욱 향상한다.

더욱이 2 종류의 편광광을 각각 λ/2 위상차판(1043)의 소정의 영역으로 유도하려면 편광 분리부(202)의 편광 분리 성능이 높은 것이 필요하나 본 예에 있어서는 유리로 만든 프리즘과 무기재료로 형성되는 유전체 다층막을 이용해서 편광 분리부(202)를 구성하고 있으므로 편광 분리부(202)의 편광 분리 성능은 열적으로 안정하다. 그런 이유로, 큰 광출력이 요구되는 조명 장치에 있어서도 항상 안정된 편광 분리성능을 발휘하므로 만족한 성능을 갖는 편광 조명 장치를 실현할 수 있다.

다시 본 예에서는 가로 길이의 정방형 형상인 조명 영역(301)의 형상에 맞추어서 제 1 내지 제 3 집광 미러판(1001x, 1002, 1001z)의 미소 집광 미러(1003)를 가로 길이의 정방형 형상으로 하고 동시에 편광 분리부(202)에서 출사된 2 종류의 편광광은 가로 방향(x 방향)으로 분리되는 상태로 되어 있다. 이 때문에 가로 길이의 정방형 형상을 갖춘 조명 영역(301)을 형성하는 경우에도 광량을 낭비하는 일이 없고 조명 효율을 높일 수가 있다.

또한 본 형태에 있어서는 λ/2 위상차 판(1041)의 조명 영역쪽에 설치하였으나 2차 광원상이 형성되는 위치 근처라면 다른 위치라도 좋고 제한되지 않는다. 예를 들면, λ/2 위상차 판(1043)을 집광렌즈판(1041)의 광원쪽에 설치해도 된다.

다시 집광렌즈판(1041)을 구성하는 미소 렌즈(1042)는 가로 길이의 정방형 렌즈로 하였으나 그것의 형상에 대해서는 특히 한정이 없다. 단 도 8에 도시하는 바와 같이, P 편광광이 형상하는 2차 광원상 C1과 S 편광광이 형성하는 2차 광원상 C2은 가로 방향으로 정열하는 상태에서 형성되므로 각각의 상의 형성 위치에 대응시켜서 집광 렌즈판(1041)을 구성하는 미소 렌즈(1042)의 형상이나 그것의 수는 결정하는 것이 바람직하다.

또 특성이 다른 2 종류의 위상차층을 P 편광광에 의한 집광 위치와 S 편광광에 의한 집광 위치의 각각에 설치하고 어떤 특정의 편광 방향을 갖춘 1 종류의 편광광으로 맞추어도 되고 위상차층(1044)을 S 편광광에 의한 2차 광원상 C2의 형성되는 위치에 설치해서 P 편광을 끌어내는 구성으로 해도 좋다.

(실시형태 2)

또한 도 1 및 도 2 에서 도시하는 편광 조명 장치(1)에서는 P 편광광이 형성하는 2차 광원상과, S 편광광이 형성하는 2차 광원상은 x축에 평행하게 정렬하는 상태로 형성하였으나 도 9, 도 10 에 도시하는 편광 조명 장치(2)와 같이 P 편광광이 형성하는 2차 광원상과 S 편광광이 형성하는 2차 광원상이 z 축으로 평행하게 정렬하는 상태에서 형성해도 된다. 이 경우에는 제 1 내지 제 3 집광 미러판(1001x, 1002, 1001z)을 yz 평면, zx 평면, xy 평면에 대해서 기우는 방향을 각각 변경하는 것만으로 좋고 그것의 기본적인 원리에 대해서는 편광 조명 장치(1)와 같기 때문에 상세한 설명을 생략한다.

(실시형태 3)

도 1, 도 2 혹은 도 9, 도 10 에 도시된 구성에 있어서, S 편광광 및 P 편광광의 2차 광원상을 x 방향 또는 z 방향으로 어긋난 위치에 형성함에 있어서 변각프리즘을 사용해도 좋다. 이 경우는 도 1, 도 2 혹은 도 9, 도 10 에 도시된 편광 조명 장치(1) 혹은 편광 조명 장치(2)에 있어서 편광 분리부(202)와 제 1 집광 미러판(1001) 사이 편광 분리부(202)와 제 2 집광 미러판(1002) 사이 편광 분리부(202)와 제 3 집광 미러판(1001x) 사이에 각각 변각 프리즘을 설치하면 된다.

도 11은 도 1, 도 2에 도시된 편광 조명 장치에 있어서 변각 프리즘(2001)을 설치한 경우의 xy 평면에서 단면도를 도시한 것이다. 도면에서 알 수 있는 바와 같이, 이 편광 조명 장치(3)의 경우에는 제 1 내지 제 3의 집광 미러판(1001x, 1002, 1001z)의 모든 것을 시스템 광축 L1', L2'(혹은 시스템광축 L1, L2)에 대해서 수직인 위치에 설치할 수 있기 때문에 집광 미러판의 설치가 용이해진다.

또 본 예의 경우에는 변각 프리즘(2001)을 편각 분리부(202)의 출사면(1012x, 1012z 및 1013)에 광학 접착에 의해 일체화하고 있고 경계면에 있어서 광의 반사 손실을 줄일 수 있는 효과가 있다.

다시 제 1 내지 제 3 λ/4 위상차판(1021x, 1022, 10212)은 편광 분리부(202)의 출사면과 변각 프리즘(2001) 사이에 설치해도 좋다.

(실시형태 4)

도 12에 도시하는 편광 조명 장치(4)와 같이, 변각 프리즘(2001)을 제 1 및 제 3 집광 미러판(1001x, 1001z)과 각각 일체화하고 또한 제 2 집광 미러(1002)와도 일체화한 형태로 설치할 수도 있고 그 경우도 경계면에 있어서 광의 반사 손실을 삭감할 수 있는 효과가 있다. 이 경우에도, 제 1 내지 제 3 λ/4 위상차판(1021x, 1022, 1021z)은 제 1 내지 제 3 집광 미러판(1001x, 1002, 1001z)과 변각 프리즘(2001) 사이에 설치할 수 있다.

(실시형태 5)

다시 도 13에 도시하는 편광 조명 장치(5)와 같이 제 1 내지 제 3 집광미러(1001x, 1002, 1001z)를 구성하는 미소 집광 미러의 집광 특성을 조정함으로써 편광 분리부(202), 제 1 내지 제 3 λ/4 위상차판(1021x, 1022, 1021z) 각 변각 프리즘(2001) 제 1 내지 제 3 집광 미러판(1001x, 1002, 1001z)을 모두 일체화할 수 있다. 그 경우에는, 경계면에 있어서 광의 반사 손실을 삭감할 수 있음과 동시에 광학계 전체를 소형화할 수 있는 효과가 있다. 이 경우도 제 1 내지 제 3 λ/4 위상차판(1021x, 1022, 10212)은 제 1 내지 제 3 집광 미러판(1001x, 1002, 1001z)과 변각 프리즘(2001) 사이에 설치해도 좋다.

(실시형태 6)

도 14에 도시하는 편광 조명 장치(6)에서는 각 광학계의 설치는 실시형태 1과 같으나, 벽면을 구성하는 6 개의 투명판(2501)으로 프리즘 구조체(203)를 구성하고, 그 내부에 편광 분리막(211)이 형성되어 있는 평판 형상의 편광 분리판(2502)을 설치하고 다시 액체(2503)를 충전하여 형성되는 구조체를 편광 분리부(202)로서 사용하고 있는 점이 특징이다. 단 투명판(2501), 편광 분리판(2502) 및 액체(2503)의 각각의 굴절율을 거의 일치시켜 둘 필요가 있다. 이에 따라 편광 분리부(202)의 비용절감 및 경량화를 도모할 수 있다.

(실시형태 7)

도 15에 도시하는 편광 조명 장치(7)에서는 각 광학계의 설치는 실시형태 1과 동일하나 편광 분리부(202)를 평판 형상의 구조체로 하고 있는 것에 특징이 있다. 즉 편광 분리막(226)을 2개의 유리기판으로 협지한 구조의 편광 분리판(2504)을 시스템 광축 L1', L2'(L1, L2)에 대해서 γ=45 도의 각도를 이루도록 설치함으로써 각주 형상의 프리즘을 사용한 편광 분리부(202)(도 1 참조)와 거의 동일한 기능을 발휘하고 있다. 이에 따라, 편광 분리부(202)의 비용절감 및 경량화를 도모할 수 있다.

(실시형태 8)

이상으로 상술한 편광 조명 장치 1 내지 7에 있어서 제 1 내지 제 3 집광 미러판(1001X, 1002, 1001Z)의 일부 또는 전부를 도 16에 도시한 바와 같은 집광 미러판(1005)으로서도 좋다. 집광 미러판(1005)은 복수의 미소 렌즈(1006)와 미러판(1007)으로 구성된 것이다. 이 구성에 있어서 복수의 미소렌즈(1006)의 각각을 편심 렌즈로 하면 집광 미러판(1005)을 편광 분리부(202)의 출사면(1012X, 1012Z, 1013)에 대해서 평행하게 설치할 수 있기 때문에 집광 미러판(1005)의 설치가 용이해진다.

또한, 도 5 기재된 제 1 내지 제 3 집광 미러판(1001x, 1001z, 1002)의 일부 또는 전부의 반사면(1004)을 편심 반사면으로 구성할 수도 있고, 이 경우에는 이들의 미러판을 편심 분리부(202)의 출사면(1012x, 1012z, 1013)에 대해서 평행하게 설치할 수 있기 때문에 제 1 내지 제 3 집광 미러판(1001x, 1001z, 1002)의 설치가 용이해진다.

(실시형태 9)

도 17, 도 18에는 실시형태 1 내지 8에 관한 편광 조명 장치 중 실시형태 1에 관한 편광 조명 장치(1)를 사용해서 그것의 투사 화상의 밝기를 향상시킨 투사형 표시 장치의 한 에를 도시하고 있다. 또 본 예의 투사형 표시 장치에 있어서는편광 조명 장치(1)의 2개의 광원에 발광 스펙트럼이 다른 2 종류의 광원 램프를 사용하고, 그들의 광원 램프를 선택적으로 점등 가능하게 하고 있다.

도 17, 도 18에 있어서 본 예의 투사형 표시 장치(8)에 내장된 편광 조명 장치(1)는 랜덤한 편광광을 한방향으로 출사하는 제 1 광원부(101x) 및 제 2 광원부(101z)를 갖추고 이들의 광원에서 출사된 랜덤한 편광광은 편광 분리부(202)에 있어서 2 종류의 편광광으로 분리됨과 함께 분리된 각 편광광중 P 편광광에 대해서는 집광 렌즈(1040)의 λ/2 위상차판(1043)에 의해 S 편광광으로 변환되고 거의 1 종류의 편광 상태(S 편광 상태)로 되어 집광 렌즈에서 출사된다. 집광 렌즈부에서 출사된 편광 광속은 반사 미러(300)에 의해 출사 방향을 -z 방향으로 바뀌어지고 청색 녹색 반사 다이크로익(dichroic) 미러(2701)에 입사하도록 되어 있다.

이 편광 조명 장치(1)에서 출사되는 광속은 먼저 청색 녹색 반사 다이크로익 미러(2701)에 있어서 적색광이 투과되어 청색광 및 녹색광이 반사된다. 적색광은 반사 미러(2702)에서 반사되고 제 1 액정 라이트 밸브(2703)에 도달한다. 한편 청색광 및 녹색광중 녹색광은 녹색 반사 다이크로익크 미러(2704)에 의해 반사되어서 제 2 액정 라이트 밸브(2705)에 도달한다.

여기에서 청색광은 다른 2 색광에 비해서 광로의 길이가 길기 때문에, 청색광에 대해서는 입사쪽 렌즈(2706), 릴레이 렌즈(2708) 및 출사쪽 렌즈(2710)로 형성되는 릴레이 렌즈계로 구성한 도광 수단(2750)을 설치하고 있다. 즉 청색광은 녹색 반사 다이크로익 미러(2704)를 투과한 후에, 먼저 출사쪽 렌즈(2706) 및 반사 미러(2707)를 거쳐서 릴레이 렌즈(2708)로 유도되고 이 릴레이 렌즈(2708)에 집광된 후에 반사 미러(2709)에 의해 출사쪽 렌즈(2710)로 유도된다. 그런 후에 제 3 액정 라이트 밸브(2711)에 도달한다. 여기에서 제 1 및 제 3 액정 라이트 밸브(2703, 2705, 2711)는 각각의 색광을 변조하고 각 색에 대응한 화상 정보를 포함시킨 후에 변조한 색광을 다이크로익 프리즘(2713)에 입사한다. 다이크로익 프리즘(2713)은 그것의 내부에 적색 반사의 유전체 다층막과 청색 반사의 유전체 다층막이 십자형상으로 형성된 구성을 하고 있고 각각의 변조 광속을 합성한다. 합성된 광속은 투사렌즈(2714)를 통과해서 스크린(2715) 위에 화상을 형성할 수 있다.

이와 같이 구성한 투사형 표시 장치(8)에서는 1 종류의 편광광을 변조하는 타이프의 액정 라이트 밸브가 사용되고 있다. 따라서 종래의 조명 장치를 사용해서 랜덤한 편광광을 액정 라이트 밸브로 유도하면 랜덤한 편광광 중의 반은 편광판에서 흡수되어서 열로 변해버리기 때문에, 광의 이용효율이 낮으며, 편광판의 발열을 억제하는 대형이고 소음이 큰 냉각 장치가 필요하하는 문제점이 있었으나, 본 예의 투사형 표시 장치(8)에서는 이와 같은 문제점이 대폭적으로 해소되어 있다.

즉 본 예의 투사형 표시 장치(8)에서는 편광 조명 장치(1)에 있어서 한편의 편광광(예를 들면 P 편광광)만에 대해서 λ/2 위상차 판(1043)에 의해 편광면의 회전 작용을 부여하고 다른 편의 편광광(예를 들면 S 편광광)과 편광면이 맞추어진 상태로 한다. 그런 까닭에, 편광 방향이 맞추어진 편광광이 제 1 내지 제 3 액정 라이트 밸브(2703, 2705, 2711)로 유도되므로 광의 이용 효율이 향상되고 밝은 투사 화상을 얻을 수 있다. 또한 편광판에 의한 광흡수량이 저감되므로 편광판의 온도 상승이 억제된다. 그러한 까닭에 냉각장치의 소형화나 저소음화를 실현할 수 있다. 다시 제 1 및 제 2 광원(101x, 101z)으로 형성되는 2개의 광원을 갖추고 또한 어느 광원으로부터의 출사광에 대해서도 손실없이 편광 방향을 맞추고 있어 밝은 투사 화상을 얻을 수 있다. 더욱이 편광 조명 장치(1)에서는 편광 분리막으로서 열적으로 안정한 유전체 다층막을 사용하고 있기 때문에 편광 분리부(202)의 편광 분리성능은 열적으로 안정하다. 그 까닭에 큰 광출력이 요구되는 투사형 표시 장치(8)에 있어서도 항상 안정된 편광 분리성능을 발휘한다.

다시 편광 조명 장치(1)에서는 편광 분리부(202)에서 출사된 2 종류의 편광광은 가로 방향으로 분리되어 있으므로 광량을 낭비하는 일이 없고 가로 길이의 정방형 형상을 하는 조명 영역을 형성할 수 있다. 그 까닭에 편광 조명 장치(1)는 보기 쉽고 또한 박력 있는 화상을 투사할 수 있는 가로 길이의 액정 라이트 밸브용에 적합하다.

이것에 덧붙여서 본 예에서는 색광 합성 수단으로서 다이크로익 프리즘(2713)을 사용하고 있으므로, 소형화가 가능함과 함께 액정 라이트 밸브(2703, 2705, 2711)와 투사 렌즈(2714) 사이의 광로의 길이가 짧다. 따라서 비교적 소구경의 투사렌즈를 사용해도 밝은 투사 화상을 실현할 수 있는 특징이 있다. 또한 각 색광은 3 광로 내의 한광로 만이 그 광로의 길이가 다르나 본 예에 있어서는 광로의 길이가 가장 긴 청색광에 대해서는 입사쪽 렌즈(2706), 릴레이 렌즈(2708) 및 출사쪽 렌즈(2710)로 형성되는 릴레이 렌즈계로 구성된 도광 수단(2750)을 설치하고 있기 때문에 색 얼룩 등이 생기지 않는다. 다시, 본 예에서 편광 변환 수단인 집광 렌즈(1040)와 청색 녹색 반사 다이크로익 미러(2701) 사이에 광로 변경 광학 소자인 반사 미러(300)를 설치하고 있으므로 편광 변환 수단에서 출사된 편광 광속의 진행 방향을 바꿀 수 있다. 이에 따라, 색광 분리 수단, 색광 합성 수단, 광변조 수단 및 투사 광학계 등이 설치되는 평면과 칫수가 비교적 큰 2 개의 광원을 갖춘 편광 조명 장치(1)를 포함하는 평면을 평행한 상태로 설치할 수 있기 때문에 투사형 표시 장치의 한편 방향의 두께를 얇게 하여, 박형의 투사형 표시 장치를 실현하고 있다.

또 본 예의 투사형 표시 장치(8)에 내장된 편광 조명 장치(1)에 있어서 제 1, 제 2 광원부(101x, 101z)중 어느 한편을 떼고 붙일 수 있도록 해도 좋다. 이와 같이 구성함으로써, 예를 들면, 투사형 표시 장치(8)를 운반할 때에 어느 한편의 광원부를 뗄 수 있고 운반성이 향상한다. 본 예의 투사형 표시 장치(8)에 내장된 편광 조명 장치(1)의 2개의 광원부(101x, 101z)에는 발광 스펙트럼이나 휘도 특성이 다른 2 종류의 광원 램프가 사용되고 다시 그들의 광원 램프는 선택적으로 점등할 수 있는 구성으로 되어 있다. 이와 같은 구성을 채용함으로써 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

1) 발광 스펙트럼이 다른 2 종류의 광원 램프를 선택적으로 점등 가능하도록 함으로써, 투사 화상의 색조를 관찰자의 기호에 따라 적절하게 변화시킬 수 있게 된다.

2) 2개의 광원 램프를 선택적으로 점등 가능하게 함으로써 주위가 밝은 장소에서 투사 화상을 관찰하는 경우에는 2개의 광원을 점등시키고, 주위가 어두운 곳에서 투사 화상을 관찰하는 경우에는 한편만을 선택 점등시키도록 주변환경이나 관찰자의 기호에 따라서 투사 화상의 밝기를 적절하게 변화시킬 수 있게 된다.

3) 2개의 광원 램프를 선택적으로 전환해서 사용하는 형태로 하면 광원 램프 자체의 수명을 연장시킬 수 있음과 함께, 예를 들면, 한편의 광원 램프가 수명이나 고장 등으로 점등할 수 없게 된 경우에도 다른 편의 광원 램프를 사용함으로써 투사 화상을 계속해서 표시할 수 있게 되는 등 자유스럽게 사용하도록 향상된다. 나아가서는 예를 들면 투사형 표시 장치(8)를 배터리 구동할 때에 한편의 광원 램프만을 선택 점등함으로써 배터리의 수명 시간을 길게 할 수도 있다.

또한 상기 1)에도 관계하나, 본 예의 투사형 표시 장치(8)에 의하면 다음과 같은 효과도 기대할 수 있다. 투사형 표시 장치에 사용되는 광원 램프에 대해서는 청색광, 녹색광, 적색광의 모든 파장역에 있어서 광출력이 크고, 또한 그들의 비율이 균형을 이루는 것이 이상적이나, 현재의 상태에서는 그와 같은 이상적인 광원 램프는 거의 없다. 도 19a 내지 도 19c는 광원 램프와 편광 조명 장치에서 출사되는 광의 스펙트럼에 대해서 도시하는 설명도이고 이 도면을 사용해서 구체적으로 설명한다. 예를 들면, (a)에 표시하는 바와 같이 발광 효율은 비교적 높으나 적색광의 강도가 상대적으로 낮다(일반적인 고압 수은 램프가 이 경우에 해당함)든가, (b)에 표시하는 바와 같이 적색광의 발광 강도는 비교적 크나 전체의 발광 효율이 상대적으로 낮은(어떤 종류의 메탈 할라이드 램프(metal halide lamp)가 이 경우에 해당함) 정도이다. 이와 같은 광원 램프의 현상(現狀)에 있어서 (a)와 (b)에 표시한 발광스펙트럼을 갖는 2 종류의 광원 램프를 본 예의 투사형 표시 장치(8)의 편광 조명 장치(1)에 사용하는 동시에 점등된 상태에서 사용하면 편광 조명 장치(1)에서 출사되는 광의 스펙트럼은 (c)에 표시하는 바와 같은 이상적인 것으로 되도록 할 수가 있고, 밝고, 고품위의 투사 화상을 얻을 수 있는 투사형 표시 장치를 용이하게 실현할 수가 있게 된다.

또한 편광 조명 장치(1) 대신에 앞에 기술한 편광조명 장치 2 내지 8을 사용해도 되는 것은 물론이다.

(실시형태 10)

투사형 표시 장치로서는, 도 20에 도시하는 바와 같이, 미러 광학계에서 색광 합성 수단을 구성해도 된다. 색광 합성 수단에 미러 광학계를 사용한 경우에는 3 곳의 액정 라이트 밸브(2703, 2705, 2711)와 광원(101)과의 광로의 길이가 어느 것이나 같기 때문에 특별한 도광 수단을 사용하지 아니하여도 밝기 얼룩이나 색 얼룩이 작은 효과적인 조명을 할 수 있는 특징이 있다.

즉, 도 20 에 도시하는 투사형 표시 장치(9)에서는 도 1, 도 2, 도 4 에 도시한 편광 조명 장치(1)가 사용되고 있고 제 1 광원(101x) 및 제 2 광원(101z)(도시 아니함)에서 방사된 랜덤 편광광은 편광 분리부(202)에 있어서 2 종류의 편광광로 분리함과 함께 분리된 각 편광광 중 P 편광광에 대해서는 집광 렌즈(1040)의 λ/2 위상차판(1043)에 의해 S 편광광으로 변환하도록 되어 있다.

이와 같은 편광 조명 장치(1)(본 예에 있어서도 앞의 투사형 표시 장치(8)의 경우와 같이 광로 변경 광학 소자인 반사 미러를 구비하고 있으나 도 20 에서는 반사 미러는 생략되어서 그려져 있다.)에서 출사된 광속은 먼저 적색 반사 다이클로익 미러(2801)에 있어서, 적색광이 반사되고 척색광 및 녹색광이 투과하도록 되어있다. 여기에서 적색광은 반사 미러(2802)에서 반사되고 제 1 액정 라이트 밸브(2703)에 이른다. 한편 청색광 및 녹색광 중 녹색광은 녹색 반사 다이크로익 미러(2803)에 의해 반사되고 제 2 액정 라이트 밸브(2705)에 이른다. 청색광은 녹색 반사 다이크로익 미러(2803)를 투과한 후 제 3 액정 라이트 밸브(2711)에 이른다(색광 분리 수단). 그런 후 제 1 및 제 3 액정 라이트 밸브(2703, 2705, 2711)는 각각의 색광을 변조하고 각 색에 대응한 영상 정보를 포함시킨 후 변조한 색광을 출사한다(광 변조 소자). 여기에서 강조 변조된 적색광은 녹색 반사 다이크로익 미러(2804) 및 청색 반사 다이크로익 미러(2805)를 투과해서 투사 렌즈(2714)(투사광학계)에 이른다. 강도 변조된 녹색광은 녹색 반사 다이클로익 미러(2804)에서 반사된 후 청색 반사 다이크로익 미러(2805)를 투과해서 투사 렌즈(2714)에 이른다. 강도 변조된 청색광은 반사 미러(2802) 및 청색 반사 다이클로익 미러(2805)에서 반사된 후 투사 렌즈(2714)에 이른다.

이와 같이, 다이크로익 미러로 형성되는 미러 광학계에서 색광 합성 수단을 구성한 투사형 표시 장치(9)에 있어서 1 종류의 편광광을 변조하는 타이프의 액정 라이트 밸브가 사용되고 있기 때문에 종래의 조명 장치를 사용해서 랜덤한 편광판에서 흡수되어서 열로 바뀌어 버린다. 따라서 종래의 조명 장치에서는 광의 이용 효율이 낮으면서 편광판의 발열을 억제하는 대형으로 소음이 큰 냉각 장치가 필요한 문제점이 있었으나 본 예의 투사형 표시 장치(9)에서는 이러한 문제점이 대폭으로 해소되어 있다.

즉 본 예의 투사형 표시 장치(9)에서는 편광 조명 장치(1)에 있어서 한편의편광광(예를 들면 P 편광광)만에 대해서 λ/2 위상차판(1043)에 의해 편광면의 회전 작용을 부여하고 다른 편의 편광광(예를 들면 S 편광광)과 편광면이 맞추어진 상태로 한다. 그런 까닭에, 편광 방향의 정열된 편광광이 제 1 내지 제 3 액정 라이트 밸브(2703, 2705, 2711)로 유도되므로 광의 이용 효율이 향상되고 밝은 투사 화상을 얻을 수가 있다. 또 편광판에 의한 광 흡수량이 저감하므로 편광판에서의 온도상승이 억제된다. 그런 까닭에 냉각 장치의 소형화나 저소음화를 실현할 수 있다. 다시 제 1 및 제 2 광원(101x, 101z)로 형성되는 2개의 광원을 갖추고 또한 어느 광원으로부터의 출사광에 대해서도 손실 없이 편광 방향을 맞추고 있으므로 밝은 투사 화상을 얻을 수가 있다. 더욱이 편광 조명 장치(1)에서는 편광 분리막으로서 열적으로 안정한 유전체 다층막을 사용하고 있기 때문에 편광 분리부(202)의 편광 분리성능은 열적으로 안정하다. 그런 까닭에 큰 광 출력이 요구되는 투사형 표시 장치(9)에 있어서도 항상 안정된 편광 분리 성능을 발휘한다.

또한 편광 조명 장치(1) 대신에 상술한 편광 조명 장치(2 내지 8)를 사용해도 좋은 것은 말할 나위도 없다.

(그 밖의 실시형태)

또한 상기한 예에 있어서는 P 편광광을 S 편광광으로 변환하도록 하고 있으나, 역으로 S 편광광을 P 편광광으로 변환해도 된다. 이 경우에는 λ/2 위상차 판(1043)의 위상차 층(1044)을 S 편광광에 의한 2차 광원상이 형성되는 위치에 설치하면 된다. 또한 P 편광광 및 S 편광광의 쌍방에 대해서 편광면의 회전 작용을 부여함으로써 편광면을 맞추어도 된다. 이 경우에는 쌍방의 편광광에 의한 2차 광원상이 형성되는 위치에 위상차층을 설치하면 된다.

또 상기한 예에서는 λ/2 위상차판, λ/4 위상차판으로서 일반적인 고분자 필름으로 형성되는 것을 상정하고 있다. 그러나 이들의 위상차판을 트위스티드·네마틱 액정(TN 액정)을 사용해서 구성을 해도 된다. TN 액정을 사용한 경우에는 위상차 판의 파장 의존성을 적게 할 수 있으므로 일반적인 고분자 필름을 사용한 경우에 비해서 λ/2 위상차판 및 λ/4 위상차판의 편광 변환 성능을 향상시킬 수 있다.

[발명의 효과]

본 발명의 편광 조명 장치에서는 제 1 및 제 2 광원에서 방사된 랜덤한 편광광을 편광 분리부에서 각각 2 종류의 편광광으로 방향 분리한 후 각 편광광을 소정의 영역으로 유도해서 편광 방향을 맞춘다. 따라서 제 1 및 제 2 광원부에서 방사된 랜덤한 편광광을 거의 P 편광광 또는 S 편광광으로 맞추고 또한 합성한 상태에서 조명 영역에 조사할 수 있기 때문에 밝은 조명이 가능한 효과를 발휘한다. 또 2개의 광원을 사용하고 있음에도 불구하고 조명하는 면적은 한광원몫의 조명 면적이다. 이 때문에 일정한 면적당의 광량을 한 광원의 경우와 비교해서 2배로 할 수가 있으므로 이점에서도 밝게 조명이 될 수 있는 효과를 발휘한다.

본 발명의 광학 소자는 편광 조명 장치에 채용할 수가 있다. 또한 본 발명의 편광 조명 장치는 투사형 표시 장치 등 특정의 편광광을 사용하는 장치의 광원으로서 사용하기에 적합하다.

Claims (11)

1. 거의 6 면체의 광학 소자로서,

   제 1 의 광원에서 출사된 광속을 입사하는 제 1 면과,

   제 2 의 광원에서 출사된 광속을 입사하는 제 2 면과,

   상기 광학 소자에 형성된 제 1 의 편광 분리막에서 특정의 편광 광속으로 분리된 편광 광속을 출사하여 다시 입사시키는 제 3 면과,

   상기 광학 소자에 형성된 제 2 의 편광 분리막에서 특정의 편광 광속으로 분리된 편광 광속을 출사하여 다시 입사시키는 제 4 면과,

   상기 제 1 의 편광 분리막과 상기 제 2 의 편광 분리막에 의해 분리된 특정의 편광 광속을 출사하여 다시 입사시키는 제 5 면과,

   상기 광학 소자에서 출사된 편광 광속의 편광 방향을 맞추는 편광 변환 광학 소자를 향해, 상기 제 3 면, 상기 제 4 면, 상기 제 5 면에서의 편광 광속을 출사하는 제 6 면으로 이루어지며,

   상기 제 1 면과 상기 제 2 의 편광 분리막은 직교하고, 상기 제 2 면과 상기 제 1 의 편광 분리막은 직교하는 것을 특징으로 하는 광학 소자.
2. 2 개의 편광 분리막이 형성된 거의 6 면체 형상의 편광 분리·합성 광학 소자와,

   상기 편광 분리·합성 광학 소자의 제 1, 제 2 면쪽에 각각 배치된 제 1, 제2 광원부와,

   상기 편광 분리·합성 광학 소자의 제 3 면쪽에 배치되고, 각각 입사광의 진행 방향을 거의 반전시킴과 동시에 집광상을 형성하는 복수의 집광 반사 소자를 구비한 제 1 집광 반사 광학 소자와,

   상기 편광 분리·합성 광학 소자의 제 4 면쪽에 배치되고, 각각 입사광의 진행 방향을 거의 반전시킴과 동시에 집광상을 형성하는 복수의 집광 반사 소자를 구비한 제 2 집광 반사 광학 소자와,

   상기 편광 분리·합성 광학 소자의 제 5 면쪽에 배치되고, 각각 입사광의 진행 방향을 거의 반전시킴과 동시에 집광상을 형성하는 복수의 집광 반사 소자를 구비한 제 3 집광 반사 광학 소자와,

   상기 편광 분리·합성 광학 소자의 제 3 면과 상기 제 1 집광 반사 광학 소자 사이에 배치된 제 1의 λ/4 위상차판과,

   상기 편광 분리·합성 광학 소자의 제 4 면과 상기 제 2 집광 반사 광학 소자 사이에 배치된 제 2의 λ/4 위상차판과,

   상기 편광 분리·합성 광학 소자의 제 5 면과 제 3 집광 반사 광학 소자 사이에 배치된 제 3의 λ/4 위상차판과,

   상기 편광 분리·합성 광학 소자의 제 6 면쪽에 배치되고, 상기 편광 분리·합성 광학 소자에서 출사된 광의 편광 방향을 맞추는 편광 변환 광학 소자를 갖고,

   상기 제 1 면과 상기 제 2 면은 직교하는 것을 특징으로 하는 편광 조명 장치.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 집광 반사 광학 소자는 상기 편광 분리·합성 광학 소자의 제 3 면에 직교하는 축에 대해서 직교하지 않는 상태로 배치되어 있고,

   상기 제 2 집광 반사 광학 소자는 편광 분리·합성 소자의 제 4 면에 직교하는 축에 대해서 직교하지 않는 상태로 배치되어 있고,

   상기 제 3 집광 반사 광학 소자는 편광 분리·합성 소자의 제 5 면에 직교하는 축에 대해서 직교하지 않는 상태에서 배치되는 것을 특징으로 하는 편광 조명 장치.
4. 제 2 항에 있어서, 제 1 집광 반사 광학 소자와 편광 분리·합성 소자의 제 3 면, 상기 제 2 집광 반사 광학 소자와 편광 분리·합성 소자의 제 4 면, 상기 제 3 집광 반사 광학 소자와 편광 분리·합성 소자의 제 5 면 중, 적어도 하나 사이에 설치된 변각 프리즘을 갖춘 것을 특징으로 하는 편광 조명 장치.
5. 제 2 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 변환 광학 소자에서 출사된 광의 진행 방향을 바꾸는 광로 변경 광학 소자를 갖춘 것을 특징으로 하는 편광 조명 장치.
6. 제 2 항 내지 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 집광 반사 광학 소자의 집광 반사 소자는 곡면 미러로 형성되는 것을 특징으로 하는 편광 조명 장치.
7. 제 2 항 내지 4 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 집광 반사 소자는 렌즈와 상기 렌즈의 편광 분리·합성 광학 소자와는 반대쪽의 면에 설치된 반사면으로 형성되는 것을 특징으로 하는 편광 조명 장치.
8. 제 2 항에 기재된 편광조명 장치와,

   상기 편광 조명 장치에서 출사된 광을 변조해서 화상을 형성하는 광변조 소자와,

   상기 광변조 소자에 의해 형성된 화상을 투사하는 투사광학계를 갖춘 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
9. 제 2 항에 기재된 편광 조명 장치와,

   상기 편광 조명 장치에서 출사된 광을 복수의 색광으로 분리하는 색광 분리 광학 소자와,

   상기 색광 분리 수단에 의해 분리된 색광을 각가 변조해서 화상을 형성하는 복수의 광 변조 소자와,

   상기 복수의 광변조 소자에 의해 형성된 화상을 합성하는 색광 합성 광학 소자와,

   색광 합성 광학 소자에 의해 합성된 화상을 투사하는 투사 광학계를 갖춘 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
10. 제 8 항 또는 9 항에 있어서, 제 1, 제 2 광원 중 적어도 한편이 착탈 가능하게 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.
11. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 제 1, 제 2 광원 중 적어도 한편이 선택 점등이 가능하도록 되어 있는 것을 특징으로 하는 투사형 표시 장치.