(57)【要約】      （修正有）【課題】  光効率が高く、コントラストが改善された反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムを提供する。【解決手段】  本発明のプロジェクションシステムは、光ビームを発する光源と、前記光ビームが通過する光学系と、前記光ビームを反射させて画像情報として出力する反射型液晶パネルと、前記反射型液晶パネルの画像情報を拡大投射する投射レンズと、前記投射レンズで拡大投射された画像情報をディスプレイするためのスクリーンと、を含み、前記光学系の照明レンズから出力される光ビームは、偏光ビームスプリッタ境界面の法線を基準に入射される光ビームの入射角をαとし、前記偏光ビームスプリッタの内部で屈折される光ビームの屈折角をβとし、前記偏光ビームスプリッタの屈折率をｎとすれば、ｎ×ｓｉｎβ＝ｓｉｎαとなり、前記偏光ビームスプリッタの屈折率ｎは、１.６以上２.０以下である【選択図】    図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを発する光源と、前記光源から出力された光ビームが通過する光学系と、前記光学系を通過した光ビームを反射させて画像情報として出力する反射型液晶パネルと、前記反射型液晶パネルの画像情報を拡大投射する投射レンズと、前記投射レンズで拡大投射された画像情報をディスプレイするためのスクリーンと、を含む反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムにおいて、
前記光学系の照明レンズから出力される光ビームは、偏光ビームスプリッタ境界面の法線を基準に入射される光ビームの入射角をαとし、前記偏光ビームスプリッタの内部で屈折される光ビームの屈折角をβとし、前記偏光ビームスプリッタの屈折率をｎとすれば、ｎ×ｓｉｎβ＝ｓｉｎαを満たし、前記偏光ビームスプリッタの屈折率ｎは、１.６以上２.０以下であることを特徴とする反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステム。
【請求項２】
前記光学系は、
均一な空間分布を持つように変化させるインテグレータ（Integrator）と、前記インテグレータから出力された光ビームを時間順次的なＲ、Ｇ、Ｂの光ビームに分離させるカラーフィルタと、前記分離した光ビームを液晶パネル方向に照明する第１照明レンズ及び第２照明レンズと、前記第１、第２照明レンズの光ビームを偏光させて出力させる偏光ビームスプリッタ（Polarization Beam Splitter）と、を含むことを特徴とする請求項１記載の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステム。
【請求項３】
前記照明レンズから入射された波動の性質を持つ光ビームを前記偏光ビームスプリッタでＳ波およびＰ波に偏光させたとき、Ｓ波およびＰ波のいずれか少なくとも一つの波を反射型液晶パネルに入射することを特徴とする請求項１記載の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステム。
【請求項４】
前記偏光ビームスプリッタの内部で屈折される光ビームの屈折角βは、７.５°以下になることを特徴とする請求項１記載の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステム。
【請求項５】
前記インテグレータは、フライアイレンズ（Fly Eye Lens）、ロッドレンズ（Rod Lens）、チュネル（tunel）のいずれか少なくとも一つでなることを特徴とする請求項２記載の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステム。
【請求項６】
前記液晶パネルは、単板式パネルや三板式パネルのいずれか少なくとも一つであることを特徴とする請求項１記載の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムに係り、さらに詳細には、反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムにおいて偏光ビームスプリッタの構造を最適化して光効率を高め、画像のコントラストを改善させることができる反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
最近、ディスプレイ装置は軽量化、軽薄化はもとより、大画面化されつつある。特に、大画面ディスプレイ装置はディスプレイ分野において重要なイシューとして浮上しており、プロジェクションＴＶは現在までかかる大画面ディスプレイ装置として開発されたものの一つである。
【０００３】
図１は、従来の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステム構造を示す概路図である。図１に示すように、光ビームを発する光源Ｌａｍｐ１と、前記光源１から出力された光ビームを均一な空間分布を持つように変化させるインテグレータ（Integrator）２と、前記インテグレータ２から出力された光ビームを時間順次的なＲ、Ｇ、Ｂの光ビームに分離させるカラーホイールフィルタ（Color Wheel filter）３と、前記分離した光ビームを液晶パネル方向に照明する第１照明レンズ及び第２照明レンズ４と、前記第１、第２照明レンズ４の光ビームを偏光させて出力させる偏光ビームスプリッタ（Polarization Beam Splitter）５と、前記偏光された光ビームを反射させて画像情報として出力する反射型液晶パネル６と、前記反射型液晶パネル６の画像情報を拡大投射する投射レンズ７と、前記投射レンズ７で拡大投射された画像情報をディスプレイするためのスクリーン８と、を含む。
【０００４】
かかる構造を持つ従来の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムにおいて、前記カラーホイールフィルタの構造をさらに詳しく説明すると、次の図２のようになる。
【０００５】
図２は、カラーホイールにおいて色を分離させるフィルタの構造を示す概路図である。図２に示すように、カラーホイールフィルタはＲ（赤）、Ｇ（緑）、Ｂ（青）の三色のカラーフィルタ（Filter）で構成されており、中心はモータに連結されて回転する構造になっている。Ｒフィルタ２１がインテグレータ２の位置に来ればＲ波長帯の色の光ビームが通過し、Ｇフィルタ２２がインテグレータ２の位置に来ればＧ波長帯の色の光ビームが通過し、Ｂフィルタ２３がインテグレータ２の位置に来ればＢ波長帯の色の光ビームが時間順次に逹するようになる。液晶パネルに逹した光ビームは液晶パネルの種類によって透過または反射した後、投射レンズ７へ向かい、投射レンズ７を通過してスクリーンに結像される。この際、任意の一瞬間に液晶パネルに達した光ビームは、Ｒ、Ｇ、Ｂのいずれか一つの色で構成されているが、時間的に合わせると白色光ビームと認知され得る。前記液晶パネルの種類は、液晶パネルの数によって単板式液晶パネルと三板式液晶パネルとに分けられる一方、光ビームを画像情報に変える方法によって透過型液晶パネルと反射型液晶パネルとに分けられる。
【０００６】
一方、従来の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムにおける反射型液晶パネルに入射する光ビームの保存量は、図３のようになる。
【０００７】
図３は、従来の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムに用いられる偏光ビームスプリッタの動作を説明するための概路図である。図３を参照して光保存量について説明すると、先ず、光保存量を定義するためのｆ−ｎｕｍｂｅｒは次の数式１で表現される。
【０００８】
（数１）
F／＃＝１／（２×ｔａｎα）
前記数式１において、αは前記照明レンズから出力される光ビームが偏光ビームスプリッタ境界面の法線を基準に入射されるときの入射角であり、ｆ−ｎｕｍｂｅｒ（Ｆ／＃）は第２照明レンズの焦点距離を口径で割った値である。このような数式１を利用すると、光学的保存物理量であるエタンデュ（Etendue）は次の数式２で表現される。
【０００９】
（数２）
エタンデュ（Etendue）＝π×Ｓ／｛４×（Ｆ／＃）２｝
前記数式２において、Ｓは液晶パネルの面積であり、F／＃は照明レンズのｆ−ｎｕｍｂｅｒを示す。このようなエタンデュ量は、反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムで光ビームの進行経路によって説明すると、液晶パネルの面積と照明レンズのｆ−ｎｕｍｂｅｒによってその値が変わる。このような前記液晶パネル面積及びｆ−ｎｕｍｂｅｒの変化によるエタンデュの変化量をさらに詳しく説明すると、次の図４のようになる。
【００１０】
図４ａ及び図４ｂは、液晶パネルの面積及びｆ−ｎｕｍｂｅｒの変化によるエタンデュの変化量を示すグラフである。図４ａは、従来の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステム構造において、液晶パネルの対角寸法によるエタンデュの変化量を示すグラフであり、図４ｂは、ｆ−ｎｕｍｂｅｒによるエタンデュの変化量を示すグラフである。
【００１１】
図４を説明すると、先ず、前記図４ａにおいてパネル対角寸法の変化量によるエタンデュの変化量を示すことができる理由は、前記パネルの面積は結局パネルの対角寸法で表現できるからである。図４ａに示すように、照明レンズのｆ−ｎｕｍｂｅｒ値が３.０であるとき、液晶パネルの対角寸法が増加すると、エタンデュも増加する。また、図４ｂに示すように、液晶パネルの対角寸法が０.８インチであるとき、照明レンズのｆ−ｎｕｍｂｅｒ値が増加すると、エタンデュは減少する。すなわち、前記図４ａおよび図４ｂから、前記エタンデュは液晶パネルの面積とｆ−ｎｕｍｂｅｒによって決定されることが分かる。
【００１２】
一方、大画面ディスプレイ装置であるマイクロディスプレイプロジェクションシステムにおいて、液晶パネルは半導体製造方法と同様にウエハー上部に形成してなるが、この際、前記液晶パネルの大きさを小さくすると、一定の面積を持つウエハー上に形成できる液晶パネルの個数がさらに多くなるので、生産性の向上が図られ、製造コストを減らすことができる。
【００１３】
このような液晶パネルの製造工程の特性を考慮すると、マイクロプロジェクションシステムで高いコストがかかる液晶パネルの価格を減らすためには、液晶パネルの大きさを減らすほうが好ましい。同時に、画像の解像度を考慮すると、液晶パネルに形成される画素の個数は、従来の画素の個数と同一にする必要がある。したがって、画素の個数を同一にするとともに液晶パネルの大きさを減らすためには、液晶パネルの画素の大きさを小さくしなければならない。
【００１４】
このように、液晶パネルの画素の大きさを小さくすると、透過型液晶パネルの場合は開口率が小さくなってプロジェクションシステムの光効率が低下するが、反射型液晶パネルは開口率が従来の場合と同一に維持される長所がある。しかし、反射型液晶パネルを利用して開口率を維持させるとしても液晶パネルの大きさを減らすと、エタンデュが小さくなって光効率が低下する。低下した光効率を補償するためにｆ−ｎｕｍｂｅｒを減らす必要があるが、そうすると、前記偏光ビームスプリッタに入射される光ビームの入射角α値が大きくなり、偏光ビームスプリッタの性能が低下してしまうという問題が発生する。ゆえに、全体システムのコントラスト（Contrast）が低下してしまうという問題が発生する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
本発明は、かかる従来の問題点を解決するためのもので、その目的は、反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステム動作時に光効率が高く、コントラストが改善された反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムを提供することにある。
【００１６】
本発明の他の目的は、偏光ビームスプリッタの構造を最適化することで、小さなｆ−ｎｕｍｂｅｒでも高い偏光比を持つ偏光ビームスプリッタを提供することにある。
【００１７】
本発明のまた他の目的は、光効率が向上した小型の反射型液晶パネルを適用することにより、製造コストを低減できる反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
本発明は、光ビームを発する光源と、前記光源から出力された光ビームが通過する光学系と、前記光学系を通過した光ビームを反射させて画像情報として出力する反射型液晶パネルと、前記反射型液晶パネルの画像情報を拡大投射する投射レンズと、前記投射レンズで拡大投射された画像情報をディスプレイするためのスクリーンと、を含む反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムにおいて、前記光学系の照明レンズから出力される光ビームは、偏光ビームスプリッタ境界面の法線を基準に入射される光ビームの入射角をαとし、前記偏光ビームスプリッタの内部で屈折される光ビームの屈折角をβとし、前記偏光ビームスプリッタの屈折率をｎとすれば、ｎ×ｓｉｎβ＝ｓｉｎαを満たし、前記偏光ビームスプリッタの屈折率ｎは、１.６以上２.０以下であることを特徴とする。
【００１９】
本発明において、前記光学系は、均一な空間分布を持つように変化させるインテグレータ（Integrator）と、前記インテグレータから出力された光ビームを時間順次的なＲ、Ｇ、Ｂの光ビームに分離させるカラーフィルタと、前記分離した光ビームを液晶パネル方向に照明する第１照明レンズ及び第２照明レンズと、前記第１、第２照明レンズの光ビームを偏光させて出力させる偏光ビームスプリッタ（Polarization Beam Splitter）と、を含むことを特徴とする。
【００２０】
本発明において、前記照明レンズから入射された波動の性質を持つ光ビームを前記偏光ビームスプリッタでＳ波およびＰ波に偏光させたとき、Ｓ波およびＰ波のいずれか少なくとも一つの波を反射型液晶パネルに入射することを特徴とする。
【００２１】
本発明において、前記偏光ビームスプリッタの内部で屈折される光ビームの屈折角βは、７.５゜以下になることを特徴とする。
【００２２】
本発明において、前記インテグレータは、フライアイレンズ（Fly Eye Lens）、ロッドレンズ（Rod Lens）、チュネル（tunel）のいずれか少なくとも一つでなることを特徴とする。
【００２３】
本発明において、前記液晶パネルは、単板式パネルや三板式パネルのいずれか少なくとも一つであることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２４】
本発明は、偏光ビームスプリッタの偏光比を最適化することにより、小さなｆ−ｎｕｍｂｅｒでも偏光ビームスプリッタの性能を向上させることができる。また、性能が向上した偏光ビームスプリッタを使用することにより、液晶パネルの大きさが小さくても光効率を高めることができる。したがって、反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムの低コスト化と性能向上を図ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
本発明は、光ビームを発する光源と、前記光源から出力された光ビームが通過する光学系と、前記光学系を通過した光ビームを反射させて画像情報として出力する反射型液晶パネルと、前記反射型液晶パネルの画像情報を拡大投射する投射レンズと、前記投射レンズで拡大投射された画像情報をディスプレイするためのスクリーンと、を含む反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムにおいて、前記光学系の照明レンズから出力される光ビームは、偏光ビームスプリッタ境界面の法線を基準に入射される光ビームの入射角をαとし、前記偏光ビームスプリッタの内部で屈折される光ビームの屈折角をβとし、前記偏光ビームスプリッタの屈折率をｎとすれば、ｎ×ｓｉｎβ＝ｓｉｎαを満たし、前記偏光ビームスプリッタの屈折率ｎは、１.６以上２.０以下であることを特徴とする。
【００２６】
本発明において、前記光学系は、均一な空間分布を持つように変化させるインテグレータ（Integrator）と、前記インテグレータから出力された光ビームを時間順次的なＲ、Ｇ、Ｂの光ビームに分離させるカラーフィルタと、前記分離した光ビームを液晶パネル方向に照明する第１照明レンズ及び第２照明レンズと、前記第１、第２照明レンズの光ビームを偏光させて出力させる偏光ビームスプリッタ（Polarization Beam Splitter）と、を含むことを特徴とする。
【００２７】
本発明において、前記照明レンズから入射された波動の性質を持つ光ビームを前記偏光ビームスプリッタでＳ波およびＰ波に偏光させたとき、Ｓ波およびＰ波のいずれか少なくとも一つの波を反射型液晶パネルに入射することを特徴とする。
【００２８】
本発明において、前記偏光ビームスプリッタの内部で屈折される光ビームの屈折角βは、７.５゜以下になることを特徴とする。
【００２９】
本発明において、前記インテグレータは、フライアイレンズ（Fly Eye Lens）、ロッドレンズ（Rod Lens）、チュネル（tunel）のいずれか少なくとも一つでなることを特徴とする。
【００３０】
本発明において、前記液晶パネルは、単板式パネルや三板式パネルのいずれか少なくとも一つであることを特徴とする。
【００３１】
以下、本発明の実施形態を添付図を参照して詳しく説明する。
図５は本発明の偏光ビームスプリッタの動作を説明するための概路図である。
【００３２】
図５に示すように、前記照明レンズから出力される光ビームにおいて、偏光ビームスプリッタ境界面の法線を基準に入射される光ビームの入射角をαとし、前記偏光ビームスプリッタの内部で屈折される光ビームの屈折角をβとするとき、sinα／sinβは偏光ビームスプリッタの屈折率ｎであって、スネル（Ｓｎｅｌｌ）の法則によって一定である。したがって、光ビームの入射角αが与えられ、前記偏光ビームスプリッタの屈折率ｎを調節すると、これによる光ビームの屈折角βを求めることができる。前記スネルの法則は、同じ媒質で光ビームの入射角のｓｉｎ値と屈折角のｓｉｎ値との比が一定であるという光の屈折の法則として定義される。ここで、偏光ビームスプリッタ境界面とは、図３において、第１照明レンズ及び第２照明レンズ４から光が入射する境界面である。
【００３３】
本発明の実施形態では、光ビームの偏光ビームスプリッタ内の屈折角βを減らすことで光効率を高め、偏光ビームスプリッタの性能を向上させることができる。光ビームは、波動の性質を持ち、波動の方向と振動方向とが同じであるＰ波と、波動の移動方向と振動方向とが直角を成すＳ波とで構成される。図５に示すように、偏光ビームスプリッタは、偏光ビームスプリッタの内部傾斜面でＳ波を反射しＰ波を透過して、照明レンズから入射された光ビームを偏光させる。この時、マイクロディスプレイプロジェクションシステムでは、液晶パネルの種類および位置により、偏光ビームスプリッタから互いに直角方向に出力されるＳ波およびＰ波のいずれか一つの波を選択して使用する。
【００３４】
本発明の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムは、偏光ビームスプリッタでＰ波を透過させて用いる構造になっており、これによりＳ波の透過率を低下させＰ波の透過率を高めることで、プロジェクションシステムのコントラストを向上させることができる。このような前記光ビームの屈折角βの変化量によるＳ波およびＰ波の透過率の変化量をさらに詳しく説明すると、次の図６のようになる。
【００３５】
図６ａ及び図６ｂは、本発明の偏光ビームスプリッタにおいて前記光ビームの屈折角βの変化量によるＳ波およびＰ波の透過率の変化量を示すグラフである。図６ａは、光ビームの屈折角βによる偏光ビームスプリッタの内部傾斜面におけるＳ波の透過率を波長別に示すものであり、図６ｂは、光ビームの屈折角βによる偏光ビームスプリッタの傾斜面におけるＰ波の透過率を波長別に示すものである。図６ａに示すように、光ビームの屈折角βを±７.５゜の範囲に変化させるとき、βの値が小さくなるほどＳ波の透過率が低くなる。また、図６ｂに示すように、βの絶対値が小さくなるほどＰの透過率が高くなる。すなわち、前記図６ａおよび図６ｂから、β値が小さくなるほど、Ｓ波の透過率は低くなり、Ｐ波の透過率は高くなって、偏光ビームスプリッタの性能が向上することが分かる。
【００３６】
表１は、照明レンズのｆ−ｎｕｍｂｅｒが２.４、すなわち数式１によって前記光ビームの入射角αが１２゜であるとき、偏光ビームスプリッタの屈折率ｎによる光ビームの屈折角βを前記スネルの法則によって求めたものである。
【００３７】
【表１】
2005165319.tif 000003
【００３８】
表１に示すように、照明レンズのｆ−ｎｕｍｂｅｒが２.４、すなわち数式１によって前記偏光ビームスプリッタに入射する光ビームの入射角αが１２゜であるとき、偏光ビームスプリッタの屈折率ｎが１.６以上であれば、光ビームの屈折角β値は７.５以下になる。すなわち、図６ａおよび図６ｂに示すように、屈折率ｎが１.６以上２.０以下の範囲にある時、光ビームのＳ波の透過率を低下させるとともにＰ波の透過率を高めることで、偏光ビームスプリッタの性能を改善させることができる。したがって、小型の液晶パネルにおいて光効率を補正するためにｆ−ｎｕｍｂｅｒを小さくしても、改善した偏光ビームスプリッタから液晶パネルに入射するＰ波の量が多くなることにより、反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムのコントラストを向上させることができ、同時に製造コストを減らすことができる。
【００３９】
本発明の実施形態の変形例によれば、前記インテグレータは、光源から入射される光ビームを均一な空間分布を持つように変化させてカラーホイールフィルタに出力させるもので、フライアイレンズ（FlyEyeLens）、ロッドレンズ（RodLens）、チュネル（tunel）のいずれか一つからなる。前記フライアイレンズ、ロッドレンズ、チュネルは光ビームを均一な空間分布を持つように変化させる同一の機能を有する。
【００４０】
また、前記液晶パネルは、パネルの数によって単板式パネル及び三板式パネルに分けられるが、本発明の実施形態では、単板式液晶パネルを用いている。本発明の実施形態の他の変形例として、三板式液晶パネルを用いて反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムを構成することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】従来の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムの構造を示す概路図である。
【図２】カラーホイールにおいて色を分離させるフィルタの構造を示す概路図である。
【図３】従来の反射型マイクロディスプレイプロジェクションシステムに用いられる偏光ビームスプリッタの動作を説明するための概路図である。
【図４】図４ａ及び図４ｂは液晶パネルの面積及びｆ−ｎｕｍｂｅｒの変化によるエタンデュの変化量を示すグラフである。
【図５】本発明の偏光ビームスプリッタの動作を説明するための概路図である。
【図６】図６ａ及び図６ｂは本発明の偏光ビームスプリッタにおいて光ビームの屈折角βの変化量によるＳ波およびＰ波の透過率の変化量を示すグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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