이하, 본 발명의 실시 형태에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
우선, 도3은 본 발명의 일 실시의 형태가 되는 투사형 영상 디스플레이 장치의 전체 구성을 도시하기 위한 장치의 내부를 투시하여 도시한 사시도이다.
이 도3에 있어서, 부호 100은 조명 광학계(광원부)를 도시하고 있으며, 뒤에서도 상세하게 설명하겠지만, 예를 들어 메탈 할라이드 램프나 초고압 수은 램프 등의 소위 고휘도 광원을 포함하여 구성되어 있다. 또, 도면 중 부호 200은 특히 본 발명이 되는 투사형 영상 디스플레이 장치의 특징 부분을 구성하는, 소위 광학 엔진이다. 그리고 상기 조명 광학계(100)로부터의 광은 광학 엔진(200) 내의 광 분리 합성 유닛에 입사된 후, 뒤에서도 상세하게 설명하겠지만, R, G, B 3개의 반사형 영상 표시 소자에 있어서 영상 신호에 의해 변조되어 합성되고, 대략 직각으로 굽어져 출사된다. 그 후, 이 출사 광은 투사 광학계를 구성하는 투사 렌즈(300)를 거쳐서 캐비넷(400)의 배면에 설치된 반사 미러(500)에서 반사된 후, 스크린(600)에 반사된다. 또, 도면 중 화살표는 상기 설명한 출사 광 및 그 출사 광을 도시하고 있다.
또한, 첨부한 도4는 상기 도3에 도시한 광학계의 다른 실시예를 도시하는 사시도이다. 이 광학계에서는 상기 도3에 도시한 광학계에 비교해서 투사 렌즈(300)에 근접하여 그 출사 광의 광축을 변환(굴절)하기 위한 미러(700)가 설치되어 있는 점에서 다르다. 또, 이러한 광학계에 따르면 투사 렌즈(300)로부터의 출사 광을 직접 스크린에 투사하고, 이로써 영상을 확대하여 투사하는 것이 가능하다.
또한, 첨부한 도5는 상기 도3에 도시한 광학계의 또 다른 실시예를 도시하는 사시도이다. 즉, 이 도면에 도시하는 광학계에서는 상기 도3에 도시한 광학계와는달리 반사 미러를 이용하는 일이 없고, 투사 렌즈(300)로부터의 출사 광을 직접 스크린에 투사하고, 영상을 확대하여 투사하는 것이다. 또, 이 경우에는 상기 광학 엔진(200)의 일부에 투사 렌즈(300)를 포함한 구성으로 해도 좋다.
계속해서, 상기 조명 광학계(광원부)(100)로부터의 R, G, B로 이루어지는 성분 광을 입사하여 각각 변조하고, 그 후, 이들 R, G, B 성분의 광을 합성하여(예를 들어 그 후방단에 설치된 투사 렌즈(300)로) 출사하는 상기 광학 엔진(200)의 구조의 일례를(여기에서는 특히 이하에 도1에 의해 도시하는 구조의 광학 엔진부의 예를) 첨부한 도6에 의해 상세하게 도시한다.
이 도6은 상기 광학 엔진(200)의 중심 부분의 구성을 도시하고 있으며, 도면에 있어서 다이크로익 미러(210)에 의해 색 분리부를 형성하고, 3개의 반사형 액정 패널(221, 222, 223)로부터 영상 표시부(변조부)를 형성하고, 그리고 3개의 프리즘형 편광 빔 스플리터(231, 232, 233)에 의해 각 색 성분 광의 합성부를 형성하고 있다. 또 도면 중 화살표는 이 광학 엔진(200)으로의 입사 광 및 출사 광을 도시하고 있으며, 그리고 도면 중 부호 241은 상기 편광 빔 스플리터(231와 232) 사이에 삽입된 특정 파장 선택성의 편광 변환 소자인 소위 협대역 위상차판을, 그리고 부호 242는 상기 편광 빔 스플리터(232와 233) 사이에 삽입된(부착된) 협대역 위상차판을 각각 도시하고 있다. 또, 여기에서는 도면에 도시하지 않았지만 이들 다이크로익 미러(210)나 편광 빔 스플리터(231, 232, 233)는 적치용의 적치대부 상에 탑재되고 좀더 소정의 위치에서 정밀하게 배치된다.
보다 구체적으로는 상기한 이들 편광 변환 소자(위상차 필름: 1/2 파장판)는예를 들어 HOYA 가부시끼가이샤제의 기본 재료 「BSC7」,「FD2」,「FD1」,「FD6」,「FDS90」 등으로 이루어지는 프리즘(예를 들어 상기 편광 빔 스플리터를 구성하는 프리즘)의 측면에 적절히 금속다층막을 증착함으로써 형성할 수 있다. 또, 이러한 구성의 편광 변환 소자(편광 빔 스플리터의 광 출사 면에 부착된다)에 따르면, 종래의 단책형(단면, 평행사변형)으로 절단된 위상차 필름을 다수 접합시켜 구성하는 편광 변환 소자와 비교하고, 콘트라스트나 색 불균일 등을 더욱 향상하는 것이 가능해 진다. 이는 종래의 단책형의 위상차 필름을 다수 접합시킨 구성의 편광 변환 소자로는 접합할 때에 생기는 공차(제작 오차)에 의해 서로 인접하는 위상차 필름 사이에 약간의 캡(간극)이 생겨버리고, 그 때문에 예를 들어 S 편광으로 변환되야 할 광이 P 편파인 채로 빠져나가서 S 편광에 P 편광이 섞여버리는 현상이 생기는(P 편광과 S 편광의 혼합비) 것에 의한다. 이에 반하여, 상기 본 발명에 있어서의 상기 편광 변환 소자의 구성에 따르면, 상기 P 편광이 S 편파로 변환되지않고 그대로 통과하는 것은 위상차 필름이 부착되는 면의 단부(예를 들어 0.25mm 정도)만이며, 그 때문에 예를 들어 그 부분을 차광하는 등의 대책에 의해 P 편광과 S 편광과의 혼합비를 큰 폭으로 향상하는 것이 가능해진다. 또 이는 이하 도7에 도시하는 협대역 위상차판(250), 도9나 도10에 도시한 1/2 파장판(프리즘(106c)과 1/2 파장판(107))에 대해서도 마찬가지이다.
또한, 상기 다이크로익 미러(210)에 대신에 다이크로익 프리즘을 이용하여 구성하는 것도 가능하다. 또, 이 예에서는 제조 과정에 있어서의 프리즘의 배치의 확실성(틀린것을 적게한다)을 고려하여, 각 편광 빔 스플리터(231, 222, 223)를 각각 그 높이가 다른 프리즘의 조합에 의해 구성하는 것으로 하고 있지만, 그러나 이들 프리즘은 전부 동일한 높이의 것으로 해도 그 기능이나 동작은 마찬가지이다.
다음에 첨부한 도1에는 상기 광학 엔진(200)의 중심 부분의 보다 상세한 구조를 설명하기 위해 그 상면도가 도시되어 있다. 또, 이 도면에 있어서도 상기 도6에 도시했던 것과 동일한 구성 요소에 대해서는 동일한 부호가 부착되어 있다. 그리고 이 상세한 구조에서도 분명한 바와 같이, 상기한 청색(B)용 반사형 액정 패널(221), 적색(R)용 반사형 액정 패널(222), 녹색(G)용 반사형 액정 패널(223)의 전방면에는 각각 1/4 파장판(225-R, 225-G, 225-G)이 설치되어 있다. 또, 편광 빔 스플리터(231과 232) 사이에 삽입된 협대역 위상차판(241)은 청색(B) 광만을 선택적으로 그 편광 방향이 90도만 회전되는 위상차판이며, 그리고 편광 빔 스플리터(232와 233) 사이에 삽입된 협대역 위상차판(242)은 적색(R) 광만을 선택적으로 그 편광 방향이 90도만 회전되는 위상차판이다.
상기 광학 엔진(200)에 있어서의 광원으로부터 투사되는 광에 대하여 색 분리, R, G, B 변조, 광 합성 형상이 상기 도1 중에 화살표와 기호에 의해 도시되어 있다. 또 광원으로부터 투사되는 광은, 후에 상세하게 설명하겠지만, 고휘도 광원으로부터의 광에서 적외선이나 자외선 영역의 파장 성분을 제거하고(즉, 백색광을 얻는다) 균일한 광속량 분포를 가지는 광속을 얻은 후, 예를 들어, 그 적색(R) 성분을 P 편광으로 하여 입사하고, 남은 녹색(G) 성분과 청색(B) 성분은 S 편광으로 하여 입사한다.
상기 도1에서도 분명한 것 같이 상기 R, G, B 성분으로 이루어지는 광은 우선 다이크로익 미러(210)에 입사되고, B 성분 광은 이를 통과하고, 다른 쪽 R 성분 광과 G 성분 광과는 그 표면에서 반사되어 대략 90도만큼 그 광로가 회전된다. 그 후, 우선 B 성분 광은 편광 빔 스플리터(231)에 의해 반사하여 그 광로가 90도 회전되고, 청색(B)용 반사형 액정 패널(221)에 입사하고, 영상 신호에 맞추어 변조된 후에 원래의 광로로 되돌아 온다. 또, 그 때 상술한 바와 같이 각 판사형 액정 패널(221)의 전면에는 1/4 파장판(이 경우, 부호 225-B의 파장판)이 설치되어 있다. 1/4 파장판은 편광 빔 스플리터의 편광 축과 각 반사형 액정 패널의 반사축을 모으는 역할을 가지고 있다. 즉, 편광 빔 스플리터의 제조 오차나 반사형 액정 패널의 제조 오차를 흡수하기 위해 1/4 파장판을 회전시켜 편광 축의 모으는 것을 행한다. 또 도면에서는 이들 광 성분을 B(P), B(S)의 기호에 의해 도시하고 있다. 그 후, 이 P 편광 성분의 B 광은 선택적으로 편광 방향이 90도 회전되는 협대역 위상차판(241)의 움직임에 의해 S 편광 성분의 B 광이 되어 편광 빔 스플리터(232)로 안내되고, 다른 색 성분 광과 합성된다.
한 편, 다이크로익 미러(210)에서 반사된 P 편광인 R 성분 광은 편광 빔 스플리터(233)를 투과하여 적색(R)용 반사형 액정 패널(222)에 이르고, 영상 신호에 맞추어 변조된 후에, 원래의 광로로 되돌아 온다. 그 때, 역시 반사형 액정 패널(222)의 전방면의 1/4 파장판(225-R)을 회전시켜 편광 축을 회전하고, 편광 빔 스플리터와 반사형 액정 패널의 편광 축이 최적이 되도록 모아진다(도면 중 기호 R(P), R(S)를 참조). 그리고 그 후 이 S 편광 성분의 R 광은 선택적으로 편광 방향이 90도 회전되는 협대역 위상차판(242)의 움직임에 의해 P 편광 성분의 R 광이되어 편광 빔 스플리터(232)로 안내되고, 다른 색의 성분 광과 합성된다.
또한, 다이크로익 미러(210)에서 반사된 G 성분 광은 편광 빔 스플리터(233)에서 반사되어 90도 회전되어 녹색(G)용 반사형 액정 패널(233)로 향하고, 영상 신호에 맞추어 변조된 후에, 원래의 광로로 되돌아 온다. 그 때 역시 액정 패널(223)의 전방면의 1/4 파장판(225-G)을 회전시킴으로써 편광 빔 스플리터와 반사형 액정 패널의 편광 축이 최적이 되도록 모아진다(도면 중 신호 G(S), G(P)를 참조). 그리고 그 후 그 P 편광 성분의 G 광은 그대로 협대역 위상차판(242)을 투과하여 편광 빔 스플리터(232)로 안내되고, 다른 색 성분 광과 합성된다.
편광 빔 스플리터(232)에서는 상기와 같이, S 편광 성분의 B 광(B(S)), P 편광 성분의 R 광(R(P)), 그리고 P 편광 성분의 G 광(G(P))이 합성되고, 이로써 영상 신호에 의해 변조된 광 신호로서 그 후방단에 설치된, 예를 들어 투사 렌즈 등에 안내되고, 스크린에 투사되게 된다.
그런데, 본원 발명자들에 의한 여러 가지 실험의 결과에 따르면, 상기 광학 엔진을 구성하는 R, G, B 3개의 반사형 영상 표시 소자 상에 반사되어 변조된 3개 광 파장 성분 중 특히 인간의 눈에 의한 비시감도가 가장 높은 광 성분인 G 성분을, 반사를 수반하는 일이 없이, 즉, P 편광인 채로 후방단의 2개의 편광 빔 스플리터(233, 232)를 투과하는 구성으로 함으로써, 광 합성의 광학계를 구성하는 PBS의 2개를 G 성분 광량의 계 내에 있어서의 저감을 가장 작게 할 수 있음이 인식되었다. 이에 따라, 이러한 구성의 광학 엔진에 의하면, 특히 얻어지는 화상의 콘트라스트가 손상되는 일이 없고, 또 다른 화질의 하나이기도 한 휘도도 저감하는일이 없고, 우수한 화질의 투사 영상을 얻을 수 있는 일이 인식되었다. 즉, G 성분의 광량이 감쇠된 경우, 다른 색 성분 광인 R 성분이나 B 성분의 경우에 비교해, 그 비시감도가 크므로 R 성분, 혹은 B 성분의 강도가 증대되고, 예를 들어 본래, 검게 표시된 부분의 색이 붉은 색을 띠게 되어, 혹은 청색을 띠어 표시되게 되며, 얻어지는 투사 화상의 콘트라스트가 저하되어 버린다.
또한, 그 때 다른 색 성분 광인 R 성분에 대해서는 광 합성 광학계를 구성하는 편광 빔 스플리터 2개를 우선 S 편광에 의해 반사시킨 후에 P 편광에 의해 투과시키도록 구성하고, 그리고 남은 B 성분에 대해서는 이들과는 반대로 P 편광에 의해 투과시킨 후에 S 편광에 의해 반사시킨 구성으로 함으로써, 상기 G 성분과의 비교에 있어서 밸런스가 좋은, 즉 콘트라스트가 우수한 화상을 얻는 것이 가능해지는 것이 인식된다.
혹은, 이 대신에, 예를 들어 첨부한 도2에도 도시한 바와 같이, 광 합성 광학계를 구성하는 편광 빔 스플리터의 2개를, 우선 R 성분에 대해서는 P 편광에 의해서 투과시킨 후에 S 편광에 의해 반사시키고 다른 쪽 B 성분에 대해서는 S 편광에 의해 반사시킨 후에 P 편광에 의해 투과시키도록 구성해도 거의 마찬가지로 콘트라스트가 우수한 화상을 얻는 것이 가능해짐이 확인되었다. 또, 이 도2에 도시하는 구성에서는 도면에서도 명백한 바와 같이, 다이크로익 미러(210)는 B 성분 광과 G 성분 광을 반사하고, R 성분 광 만을 통과하고, 그리고 청색(B)용 반사영상 액정 패널(221)과 적색(R)용 반사형 액정 패널(222), 또는 청색(B)용 협대역 위상차판(241)과 적색(R)용 협대역 위상차판(242)의 위치가 바뀌어 구성되어 있다.
게다가, 상기 도1 및 도2에 도시한 구성에 의하면, 하나의 성분 광만을 반사하여 투과하는 편광 빔 스플리터(단, 도1에서 B광용 PBS(231)이며, 도2에서는 R 광용 PBS(233)이다)와 광 합성을 행하는 편광 빔 스플리터(232) 사이에 설치된 협대역 위상차판(도1에서는 241로 도2에서는 242로 도시된다)에 대해서는 이들 1/2 파장판으로 해도 좋다. 이는 이 협대역 위상차판의 역할로서 B 광을 P 편광으로부터 S 편광으로 편광하기만 하거나, 또는 P 광을 P 편광으로부터 S 편광으로 편광하기만 할 뿐이므로 비교적 고가인 협대역 위상차판에 대신에 저가인 이들 1/2 파장판으로 하는 것이 가능해지기 때문이다. 또, 이와 같은 1/2 파장판으로서 특히 무기 재질인, 예를 들어, 수정판에 의해 형성된 1/2 파장판으로 함으로써, 비교적 저가로 내광성이 우수한 것으로 할 수 있고, 장치 전체의 내광성의 향상에 기여할 수 있다.
또한, 첨부한 도7에는 상기 광학 엔진(200)의 또 다른 구성예가 도시되어 있으며, 이 예에서는 편광 빔 스플리터(232)의 출사면에는 B 광의 편향면을 선택적으로 회전하는 협대역 위상차판(250)이 설치되어 있다. 즉, 이와 같은 구성에 의하면, 도면에도 도시한 바와 같이 광학 엔진(200)으로부터의 출사광인 편광 빔 스플리터(232)로부터의 광속은 전부 광 성분이 P 편광의 광속, 즉 B(P), B(P), R(P)로 되어 있다. 혹은 또 도면에 도시하지 않는 1/2 파장판을 설치하여 광속의 전성분의 편광면을 90도 더 회전하여 S 편광의 광속으로 하는 것도 가능하다.
다음에 상기 고휘도 광원으로부터의 광에서 적외선이나 자외선 영역의 파장 성분을 제거하고(즉, 백색광을 얻는다) 균일한 광속량 분포를 가지는 광속을 상기광학 엔진(200)에 대하여 입사하는 광원부(조명 광학계)(100)의 원리 구성에 대하여, 첨부하는 도8을 참조하고, 이하에 상세하게 설명한다. 또, 이 광원부(100)는 상기 도2에 도시한 구성이 되는 광학 엔진(200)에 대하여 YZ 평면내에 있어서는, 즉 적색(R) 성분과 녹색(G) 성분을 P 편광으로 하고, 청색(B) 성분은 S 편광의 광으로서 공급하는 것이다. 또, 도2에 도시한 광학 엔진(200)의 ZX 평면내에 있어서, 청색(B) 성분은 P 편광에 상당하고, 녹색(G) 성분과 적색(R) 성분은 S 편광 상당이 된다. 이상의 구성으로 함으로써, ZY 평면에 있어서 S 편광 상당이 되는 녹색(G) 성분과 적색(R) 성분에 대한 다이크로익 미러(210) 및 편광 빔 스플리터(231, 232)의 특성은 ZX 평면에서 S 편광으로서 만들어진 광이 각각 입사된 경우보다 우수한 것이 되는 경우도 있다.
우선, 도8에 있어서, 광원부(100)는 예를 들어, 초고압 수은 램프, 메탈 할라이드, 크세논 램프, 수은 크세논 램프, 할로겐 램프 등의 백색 램프로 이루어지는 고휘도 광원(101)을 포함하여 구성되어 있다. 또, 광원부(100)는 적외선이나 자외선 영역의 파장광을 흡수 또는 반사하여 제거하기 위한 필터(102)를 통하고, 그 후, 소정의 색 성분 광만을 반사하는 동시에 다른 색 성분의 광을 투과하는 다이크로익 미러(103)와, 이 다이크로익 미러의 후방단에 설치된 2장의 반사 미러(104, 105)로 구성되는 색 분리부로 안내된다. 또, 이 색 분리부에서 분리된 광은 편광 빔 스플리터(106a, 106b)와 반사 프리즘(106c)를 조합하고 또 그 출사구에 1/2 파장판(107)을 설치한 광학 소자를 통과하는 구성으로 되어 있다.
이와 같은 구성에 의하면, 첨부한 도9의 설명도에서도 명백한 바와 같이, S편광의 청색(B) 광과 그리고 P 편광의 적색(R)과 녹색(G) 광이 얻어진다. 즉, 고휘도 광원(101)으로부터의 광속은 다이크로익 미러(103)에 의해 그 B 광 성분이 반사되어 한 쪽 반사 미러(104)로 향하는 동시에 그 G 광 성분과 R 광 성분은 그대로 투과하여 다른 반사 미러(105)로 향한다. 이들 반사 미러(104, 105)에 반사된 B 광 성분 그리고 G와 R의 광 성분은 다음에 편광 빔 스플리터(106a, 106b)의 다른 면에 입사된다. 이 편광 빔 스플리터(106a, 106b)에서는 반사 미러(104)로부터의 B 광 중, S 편광을 반사하는 한편, P 편광을 투과한다. 또, 반사 미러(105)로부터의 G 광과 R 광 중, P 편광을 투과하는 한편 S 편광을 반사한다. 또, 이 편광 빔 스플리터(106a, 106b)를 투과한 P 편광의 B 광과, S 편광의 G 광과 R 광이 반사 프리즘(106c)에 의해 반사되고, 게다가 출사구에 설치된 1/2 파장판(107)의 역할에 의해 편광면이 변환되고, S 편광의 B 광과, P 편광의 G 광과 R 광으로서 출사된다. 즉, S 편광의 청색광(도면에 있어서, B(S)로 도시된다)과 P 편광의 적색광(도면에 있어서, R(P)로 도시된다) 그리고 P 편광의 녹색광(도면에 있어서 G(P)로 도시된다)이 얻어지게 된다.
다시, 상기 도8로 되돌아가서, 다른 편광의 광속(즉, B(S), G(P), R(P))은 다음에 2장의 멀티 렌즈 어레이(131, 132)에 입사된다. 즉, 입사된 광속은 멀티 렌즈 어레이(131)에 의해 그 복수의 렌즈 수만큼 분할되고, 후방단에 대응하는 멀티 렌즈 어레이(132)의 움직임에 의해 반사형 액정 패널 상에 각각 확대 투사된다. 멀티 렌즈 어레이(131)에 설치된 멀티 렌즈의 수만큼 패널 상에 광속이 서로 겹치기 때문에 균일한 광량 분포의 광속이 된다. 이 광속은 또 필터(133)나 렌즈(134,135)를 통해서 소정의 크기의 광속이 되고, 후방단의 광학 엔진(200)으로 출사된다.
또한, 이 도8에서는, 상기 설명한 투사형 영상 디스플레이 장치를 구성하는 광학 엔진(200)(도2에 대응)과 투사 렌즈(300)도 동시에 도시되고 있는데, 그러나, 거의 그 구조를 도시한 광학 엔진(200)은 상기 도6에 있어서, 지면의 전후 방향의 이면(즉, 도6의 X축 방향)에서 본 상태에서 도시되어 있다(도면 중 좌표축을 참조).
또한, 이 도8에 도시한 광학 엔진(200)으로서 상기 도6에 도시한 구성의 광학 엔진에 대신에, 예를 들어 상기 도7에 도시한 구성을 구비한 광학 엔진을 이용함으로써, 그 사출 광의 전 성분을 P 편광 또는 S 편광으로서 투사 렌즈(300)를 거쳐서 확대 투사할 수 있다. 특히, 투사형 영상 디스플레이 장치로서 상기 도3 또는 도4에 도시한 바와 같이, 투사 렌즈(300)로부터의 사출 광을 그 후에 반사 미러(500 또는 700)로 반사하는 것에 있어서는 사출 광의 전 성분을 P 편광 또는 S 편광으로 함으로써, 반사면 상으로의 반사율을 향상하는 것이 가능해진다. 특히 사출광의 성분을 전부 S 편광으로 함으로써 반사면에서의 편광 성분의 특성으로부터 반사 미러 상으로의 반사율을 다른 것에 비교해도 대략 5% 정도 향상하는 것이 가능해지는 효과가 얻어진다.
또한, 상기 설명한 광원부(100)는 특히 그 다이크로익 미러(103)와 편광 빔 스플리터(106a, 106b)와 반사 프리즘(106c)의 조합을, 예를 들어 첨부한 도10에 도시하도록 구성하는 것도 가능해지며, 또 여기에는 도면에 도시하지는 않았지만, 상기 도8에 도시한 투사형 영상 디스플레이 장치의 구성에 대해서도 적절히 변경하는 것이 가능한 것은 물론이다.