KR100909023B1 - 조명광학계 및 그것을 이용한 투사형 표시장치 - Google Patents
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Abstract
본원 발명은, 광원수단으로부터의 광속을 복수의 광속으로 분할하는 분할수단과, 분할된 광속을 화상표시소자에 중첩하고, 조명하는 중첩수단을 가지는 조명광학계로서, 상기 분할수단은, 광축과 평행한 제 1단면에 있어서, 상기 광원수단으로부터의 광속을 분할하고, 상기 분할된 광속을 이용하여 제 1광원상 영역내에 복수의 제 1광원상을 형성하는 제 1광속 분할수단과, 상기 광축과 평행이고 또한 상기 제 1단면과 수직인 제 2단면에 있어서, 광원수단으로부터의 광속을 분할하고, 상기 분할된 광속을 이용하여 제 2광원상 영역내에 복수의 제 2광원상을 형성하는 제 2광속 분할수단을 가지고, 상기 제 2광속 분할수단의 상기 광원수단 측에는, 입사한 광속의 폭을 좁혀 사출시키는 압축광학계가 배치되어 있고, 상기 압축광학계는 상기 광원수단측으로부터 상기 화상표시소자측으로의 순서로 정의 굴절력의 광학소자와 부의 굴절력을 가지는 광학소자를 포함하고 있고, 상기 부의 굴절력을 가지는 광학소자의 상기 화상표시소자측의 면은 오목형상인 것을 특징으로 한다.
Description
도 1은 본 발명의 실시예1의 주요부 개략도;
도 2는 본 발명의 실시예1에 사용한 원통형 렌즈어레이의 사시도;
도 3은 본 발명의 실시예1에 있어서의 광원상형성영역을 나타내는 설명도;
도 4는 본 발명의 실시예1에 있어서의 어포컬 광학계(압축광학계)의 개략도;
도 5는 본 발명의 실시예2의 주요부 개략도;
도6 은 본 발명의 실시예2에서 사용한 원통형 렌즈어레이(5c)의 사시도;
도7은 본 발명의 실시예2에서 사용한 원통형 렌즈어레이(5c)의 확대도;
도8은 본 발명의 실시예3의 주요부 개략도;
도 9는 종래의 프로젝터의 구성을 나타내는 개략도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1, 101: 광원수단 2, 102: 리플렉터
3, 4, 6, 7: 원통형 렌즈어레이 5: 어포컬광학계
8, 105: 콘덴서 렌즈 9: 원통형 렌즈
10, 106: 색분해 광학계 11: 액정패널
103, 104: 플라이아이렌즈 107: 화상표시소자
5a: 정렌즈 5b: 부렌즈
10a: 편광빔 스플리터 La: 광축
101a, 10lb, 101c: 분할광속 Ea: 조명광학계
본 발명은, 광원수단으로부터 사출된 광속을 이용하여 피조명면을 조명하는 조명광학계에 관한 것이다. 또한, 그 조명광학계를 이용하여 피조명면에 설치한 액정패널 등의 화상표시소자를 조명하고, 화상표시소자로부터의 광을 스크린 등의 피투영면에 투영하는 화상표시장치(액정프로젝터 등)에 관한 것이다.
최근, 액정라이트벌브 등의 화상표시소자를 이용하여 화상정보에 대응해서 변조된 광속을 투사렌즈에 의해 스크린 등에 확대 투사하는 구성의 프로젝터가 여러 가지로 제안되고 있다. 이러한 프로젝터는 스크린에 투사된 화상이 화면전체에 걸쳐서 균일에 가까운 밝기를 가지고 있는 것이 중요하다.
도 9는, 종래의 프로젝터에 있어서의 조명광학계(Ea)의 주요부 개략도이다. 도 9에 있어서, 광원수단(101)으로부터 사출한 광속은 포물면으로 이루어지는 리플렉터(102)에 의해 대략 평행광이 되어 사출된다. 이 평행광속은, 제 1플라이아이렌즈(미소한 구면렌즈가 2차원적으로 배열된 렌즈어레이)(103)에 의해 분할되어, 각각 집광된다.
각각의 분할되어 집광된 분할광속(예로서 3개의 광속(101a,101b,101c)을 나 타내고 있음)은 제 2플라이아이렌즈(104)의 부근에 집광되어 광원수단(101)의 상(2차 광원상)을 형성한다. 이들의 플라이아이렌즈(103, 104)를 구성하는 미소렌즈는, 피조명면(107)에 설치한 액정패널과 상사의 형상을 한 구형(矩形) 렌즈형상을 하고 있다.
제 2플라이아이렌즈(104)를 사출한 복수의 분할광속(101a, 10lb, 101c)은 콘덴서렌즈(105)에 의해서 집광되어 색분해 광학계(106) 등을 경유하여 화상표시소자(107)를 복수의 분할광속에 의해 중첩적으로 조명한다.
또, 이 도9에서는, 설명을 용이하게 하기 위해서, 조명광학계(Ea)의 기능을 설명하기 위한 주요한 구성요소만을 나타내고 있다.
이러한 조명광학계에서는, 광의 이용효율을 높이려면 일반적으로 피조사면(107)에 입사하는 광속의 각도분포가 커지는 경향이 있다. 이 때문에 조명광학계내에 각도특성이 민감한 광학소자를 이용했을 때에는, 각종의 문제가 발생하게 된다. 예를 들면 색분해 광학계 등에 조명광학계의 광축에 대해서 경사진 색분리막(다이크로익 미러, 다이크로익 프리즘)이나 편광분리막(편광빔 스플리터 등)을 이용할 때가 있다. 이때는 피조사면(107) 면상에 밝기나 색 등의 불균일 및 콘트라스트의 저하가 발생해서, 화질이 열화하게 된다.
이 화질의 열화를 막을 수 있도록, 광학소자의 각도분포에 민감한 방향에 있어서는 각도분포를 작게 해서, 각도분포에 둔감한 방향에 있어서 각도분포를 크게 한 비대칭인 광학계를 이용한 조명광학계가 알려져 있다(특허문헌 1: 일본국 특개평 06-75200호 공보, 특허문헌 2: 일본국 특개 2004-45907호 공보).
특허문헌 1에서는 조명광학계에 광학 인티그레이터를 이용하고 있다. 이 광학 인티그레이터로서 1차원으로 배열된 원통형 렌즈어레이를 이용하고 있다. 그리고 다이크로익 미러 등의 각도민감도가 높은 광학소자의 편향방향의 조명에 쾰러 (Koehler)조명을 이용하여, 피조사면의 색불균일을 저감하고 있다.
또, 특허문헌 2는 박막부품의 각도민감도가 높은 방향의 단면내에 있어서, 동공위치에 조리개를 끼워 넣음으로써, 광선속의 한 단면방향의 각도분포를 작게 해서, 투사화상의 콘트라스트의 개선을 도모하고 있다.
특허문헌 1의 조명광학계에 있어서는, 원통형 렌즈어레이가 굴절력을 가지지 않는 단면(쾰러 조명단면)에 있어서 중첩적인 조명을 하고 있지 않다. 이 때문에, 라이트 벌브면(액정패널, 피조사면)에서의 조도분포에 불균일이 생기기 쉽다. 따라서 불균일인 조명분포 중에서 비교적 평탄한 분포인 곳만을 사용하지 않으면 안되기 때문에, 광의 이용효율은 낮다.
또, 광원수단으로부터 집광렌즈까지의 광속은 각도분포가 작다. 이 때문에, 그 사이에 있는 다이크로익 미러에서의 화질열화가 저감되는 효과가 있다. 그러나, 라이트 벌브면의 직전에서 집광렌즈에 의해 광속을 수속시키기 때문에, 집광렌즈의 뒤에 있는 라이트 벌브나 다이크로익 미러 등의 각도 민감도가 높은 광학소자에 의한 화질열화는 피할 수 없다. 게다가, 중첩적인 조명을 실시하지 않은 단면에서는, 광원수단의 변동(아크점프, 열화 등)에 의해, 발광분포가 휘도불균일을 가졌을 때에, 라이트 벌브상의 조도분포도 변동하고, 투사화면상에도 불균일하게 된다.
특허문헌 2의 화상표시장치는, 서로 직교하는 양방향의 단면을 중첩적인 조 명을 하고 있기 때문에, 광원수단의 발광분포의 영향은 받기 어렵다. 그러나, 조리개 의해 광속을 제한하고 있기 때문에, 광의 이용 효율이 큰폭으로 저하되게 된다.
또, 조리개는 아니고, 일부의 렌즈(렌즈어레이와 패널과의 사이의 광학계)의 주점 위치를 2개의 단면에서 다르게 함으로써, 2단면에 있어서의 각도분포를 서로 다르게 하고 있다. 그러나, 실시예에 기재된 방법(콜리메이터 렌즈의 주점을 변경함)에서는 액정패널면에서의 조명영역 경계가 불선명하게 되어 밝기의 저하나 조도 불균일을 일으킨다. 또는 조명광학계의 액정패널 측에 둘 수 있는 텔레센트릭(사출동공이 패널면에 대해서 충분히 먼 곳)의 조건이 붕괴되기 때문에, 콘트라스트의 불균일, 색 불균일 등을 일으켜 버린다.
본 발명은, 임의의 광학소자의 각도분포가 민감한 단면에 있어서 각도분포를 작게 하면서도, 화상표시소자 상의 밝기가 균일하고, 광원수단의 발광분포의 불균일의 영향을 실질적으로 받지 않고, 또한 광의 이용효율이 높은 조명광학계의 제공을 목적으로 한다.
본 발명의 제 1측면에 의하면, 본 발명에 의한 조명광학계는, 광원수단으로부터의 광속을 복수의 광속으로 분할하는 분할수단과, 분할된 광속을 화상표시소자에 중첩하여, 조명하는 중첩수단을 가지는 조명광학계로서,
상기 분할수단은, 광축과 평행한 제 1단면에 있어서, 상기 광원수단으로부터의 광속을 분할하고, 상기 분할된 광속을 이용하여 제 1광원상 영역내에 복수의 제 1광원상을 형성하는 제 1광속 분할수단과 상기 광축과 평행이고 또한 상기 제 1단면과 수직인 제 2단면에 있어서, 광원수단으로부터의 광속을 분할하고, 상기 분할된 광속을 이용하여 제 2광원상 영역내에 복수의 제 2광원상을 형성하는 제 2광속 분할수단을 가지고,
상기 제 2광속 분할수단의 상기 광원수단 측에는, 입사한 광속의 폭을 좁혀서 사출시키는 압축광학계가 배치되어 있고,
상기 압축광학계는 상기 광원수단 측으로부터 상기 화상표시소자 측으로의 순서로 정의 굴절력의 광학소자와 부의 굴절력을 가지는 광학소자를 포함하고 있고, 상기 부의 굴절력을 가지는 광학소자의 상기 화상표시소자 측의 면은 오목형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2측면에 의하면, 본 발명에 의한 조명광학계는, 광원수단으로부터의 광속을 복수의 광속으로 분할하는 분할수단과, 분할된 광속을 화상표시소자에 중첩하고, 조명하는 중첩수단을 가지는 조명광학계로서,
상기 분할수단은, 광축과 평행한 제 1단면에 있어서, 상기 광원수단으로부터의 광속을 분할하고, 상기 분할된 광속을 이용하여 제 1광원상 영역내에 복수의 제 1광원상을 형성하는 제 1광속 분할수단과, 상기 광축과 평행이고 또한 상기 제 1단면과 수직인 제 2단면에 있어서, 광원수단으로부터의 광속을 분할하고, 상기 분할된 광속을 이용하여 제 2광원상 영역내에 복수의 제 2광원상을 형성하는 제 2광속 분할수단을 가지고, 상기 제 2광속 분할수단의 상기 광원수단 측에는, 입사한 광속의 폭을 좁혀 사출시키는 압축광학계가 배치되어 있고, 상기 압축광학계는 상기 광 원수단 측으로부터 상기 화상표시소자 측으로의 순서로 정의 굴절력의 광학소자와, 부의 굴절력을 가지는 광학소자를 포함하고, 상기 부의 굴절력을 가지는 광학소자는 제 2단면에 있어서 굴절력을 가지는 렌즈어레이로부터 이루어지고, 상기 렌즈어레이를 구성하는 각 렌즈는 편심되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3측면에 의하면, 본 발명에 의한 조명광학계는, 광원수단으로부터의 광속을 복수의 광속으로 분할하는 분할수단과, 분할된 광속을 화상표시소자에 중첩하는 중첩수단을 가지는 조명광학계로서,
상기 분할수단은, 광축과 평행한 제 1단면에 있어서, 광원수단으로부터의 광속을 분할하는 제 1광속 분할수단과, 상기 광축과 평행이고 또한 상기 제 1단면과 수직인 제 2단면에 있어서, 광원수단으로부터의 광속을 분할하는 제 2광속 분할수단을 가지고, 상기 제 2광속 분할수단의 광원수단 측에는, 입사한 광속의 폭을 좁히는 압축광학계가 배치되어 있고, 상기 압축광학계는 광원수단측으로부터 화상표시소자측으로의 순서로 정의 굴절력의 광학소자와, 부의 굴절력을 가지는 광학소자를 포함하고 있고, 상기 부의 굴절력을 가지는 광학소자의 상기 화상표시소자 측의 면은 오목형상인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 4측면에 의하면, 본 발명에 의한 투사형 표시장치는, 상기 제 1측면 내지 제 3측면 중 어느 1 측면에 기재된 조명광학계와, 1매 이상의 화상표시소자와, 상기 화상표시소자의 화상을 투영하는 투영광학계를 가지는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 조명광학계 및 그것을 이용하는 투사형 표시장치의 실시예 에 대해서 설명한다.
[실시예 1]
도 1은, 본 발명의 조명광학계(Ea)의 실시예 1의 주요부 개략도이다. 도 1은, 화상표시소자로서 반사형의 액정패널(또는 반사형의 액정패널에 한정하지 않고 투과형에서도 됨)을 이용한 프로젝터에, 실시예 1의 조명광학계(Ea)를 적용했을 경우를 나타내고 있다.
여기서, 조명광학계(Ea)의 광축(La) 방향을 Z축으로 한다.
Z축에 직교하는 지면내를 Y축, Y축과 직교하는(지면과 수직하는) 방향을 X축으로 한다.
도 1(A)는 액정패널(11)면에의 입사광속의 각도분포가 넓은 단면(제 1단면, YZ면)을 나타내고 있다.
또, 도 1(B)에는 각도분포가 좁은 단면(제 2단면, XZ면)을 나타내고 있다. 이들 도면에는, 설명을 용이하게 하기 위하여 프로젝터에 이용되는 광학계의 기본적인 구성부품만을 나타내고 있다.
물론 그 밖에, 무편광광을 직선 편광광으로 변환하는 편광변환 소자가 어레이형상으로 배치된 편광변환 소자어레이나, 광로접이식 미러나, 열차단필터나, 편광판 등을 가지는 구성이어도 된다.
광원수단(램프의 발광부)(1)으로부터 전체방향으로 사출한 광속은 포물면으로 이루어지는 리플렉터(2)에 의해 대략 평행광으로 되어 사출한다.
이 평행광속은, 제 1원통형 렌즈어레이(광학소자 어레이, 이 원통형 렌즈어 레이의 사시도를 도 2에 도시함)(3)에 의해 복수의 부분광속으로 분할되고, 각각의 부분광속은 집광한다. 각각의 분할된 광속은 제 2원통형 렌즈어레이(4) 또는 그 부근에 집광되고, 각각의 부분광속이 각각 광원상(2차원 광원상)(la)을 형성한다.
실시예 1에 있어서, 제 1원통형 렌즈어레이(3)의 작용에 의해 형성되는 광원상(1a)을 도 3(A)에 도시한다. 도 3(A)는 광축(La)에 수직인 면에 있어서의 광원상의 강도분포를 나타내고, 이 도 3(A)에 있어서 제 1단면(YZ면)은 도면 중에 도시한바와 같이 직선형상으로 기재할 수 있다. 이때, 제 1단면(YZ면)에 있어서의, 광원상(1a)이 형성되는 영역의 폭을 W1으로 한다.
이 광원상(1a)의 형성 위치는 실시예1에 대해서는, 제 1단면(YZ면)에 굴절력을 가지는 제 2원통형 렌즈(4)의 위치, 바람직하게는 입사위치이다. 광원상(1a)의 형성영역의 폭 W1은, 제 1단면(YZ면)과 평행한 각종 단면에서 광원상(1a)의 형성영역을 절단했을 때에 얻을 수 있는 광원상 형성영역의 폭 중, 최대의 폭을 나타내는 것이다. 또는, 광축(La)을 포함한 제 1단면에서 절단했을 때에 얻을 수 있는 폭이다.
이들 원통형 렌즈어레이(3, 4)는, 제 1단면에 있어서만 굴절력을 가지고 있기 때문에, 제 1단면과 수직인 제 2단면(YX면)에 있어서는, 광속에 실질적으로 영향을 주는 것은 아니다.
한편, 어포컬 광학계(5), 제 3원통형 렌즈어레이(6), 제 4원통형 렌즈어레이(7), 및 제 5원통형 렌즈(9)는 제 2단면(XZ면)에 있어서만 굴절력을 가지고 있다. 이러한 부재는, 제 1단면(YZ면)에 있어서 굴절력을 가지고 있지 않다.
또, 어포컬계(5)(광속압축수단)은, 평행광을 그 광속경을 좁게 하면서 평행광으로서 출사시키는 광학계이다.
따라서, 제 2원통형 렌즈어레이(4)를 사출하여, 분할된 광속은, 제 1단면에 있어서는, 제 2단면 밖에 굴절력을 가지지 않는 상술한 광학소자의 영향을 받지 않는다. 이 때문에 분할된 각 광속은, 제 1단면에만 굴절력을 가지는 콘덴서렌즈(8)에 의해 집광되어 색분해 광학계(10)를 경유하여, 반사형의 액정패널(11)을 중첩적으로 조명한다.
또, (3) 내지 (9)는, 중첩수단의 한 요소를 구성하고 있다.
여기서, 색분해광학계(10)는, 조명광학계(Ea)의 광축(La)에 대해서 경사져서(조명광학계(Ea)의 광축(La)과 편광빔 스플리터(10a)의 광축이 45도 (구체적으로는, 42도 내지 48도의 범위내)를 이루도록 경사짐) 배치된 편광빔 스플리터(10a)를 가지고 있다.
물론, 그 외에 다이크로익 미러나 다이크로익 프리즘을 가지는 구성으로 하여도 된다.
또, 여기서 말하는 편광빔 스플리터란, 가시광선 영역내의 적어도 일부의 파장 영역내(바람직하게는 적어도 1Onm이상의 파장 영역내)의 광에 대해서, 편광분리 특성을 가지는 광학소자이다.
예를 들면 소정의 각도로 입사하는 광에 대해서, 한쪽의 편광방향의 광을 80%이상 반사하여, 그것과 수직인 다른 쪽의 편광방향의 광을 80%이상 투과하도록 하는 특성을 가지는 광학소자이다.
또, 편광분리 특성은, 반드시 가시광선 영역 전역의 광에 대해서 편광분리 특성을 가지는 광학소자일 필요는 없다.
다음에 도 1(B)를 이용하여, 제 2단면(XZ면)에 있어서의 광속의 거동(변화)에 대해서 설명한다. 제 2단면에 있어서는, 리플렉터(2)로부터 대략 평행광으로서 사출된 광속은, 제 1 및 제 2원통형 렌즈어레이(3, 4)의 영향을 받지 않고 광속압축 작용이 있는 어포컬 광학계(5)에 도달한다.
어포컬 광학계(5)는, 광원수단(1) 측으로부터 순서로 정렌즈(5a), 부렌즈(5b)로 구성되어 있고, 부렌즈(5b)의 액정패널(11)측의 면은 오목형상이다. 어포컬 광학계(5)를 출사하여 압축된 평행광속은, 제 3원통형 렌즈어레이(6)에 의해 분할되어 제 4원통형 렌즈어레이(7)의 부근에 각 분할광속이 집광되고, 광원상(1b)이 형성된다. 실시예 1에 있어서의, 제 2단면에 굴절력을 가지는 제 3원통형 렌즈(6)에 의해 형성되는 광원상(1b)을 도 3(B)에 도시한다. 이 도 3(B)는 조명광학계(Ea)의 광축(La)에 대해서 수직인 면에 있어서의 광원상에 대해 도시하고 있다. 이 도 3(B) 내에서의 제 2단면의 일례는 도 3(B)내에 도시된 제 2단면(일례)와 같이 직선으로 나타낼 수 있다. 이때, 이 단면내 방향에서의 폭을 W2로 한다.
이 도 3(B)와 도 3(A)를 비교하면 알 수 있는 바와 같이, 제 1단면에서의 광원상 폭(W1)에 비해, 제 2단면의 광원상 폭(W2)은 좁은 것을 알 수 있다. 이 폭(W1)과 폭(W2)의 대소관계(비)가 그대로 색분해 광학계(1O)내의 편광빔 스플리터(1Oa)에서의 각도분포의 대소관계(비)가 된다. 이 때문에 W1 > W2로 되는 관계, 바람직하게는 W2/W1가 0.8보다 작고 0.1보다 커지는 구성(0.1 <W2/W1 <0.8)으로 하 는 것이 바람직하다. 여기서, 이 조건식에 있어서, 상한치를 상회하면, 콘트라스트를 높이는 등의 효과를 충분히 얻을 수 없다.
또 반대로 하한치를 하회하면, 제 3원통형 렌즈어레이(6)의 임의의 렌즈 셀로 분할집광 되는 광속이 제 4원통형 렌즈어레이(7)에 있어서, 대응하는 렌즈셀에 입사하지 않고 다른 렌즈셀에 입사하는 비율이 증가한다. 대응셀에 입사하지 않았던 일부의 광속은 피조명면(11)에서 유효한 영역으로부터 어긋난 위치에 도달하기 때문에 유효 광속이 되지 않는다. 즉, 광의 이용효율이 저하된다.
상술의 하한치를 하회하는 경우, 피조명면(11)에 도달하지 않는 광의 비율이 급격하게 증가해서, 프로젝터로서의 밝기가 대폭 감소하기 때문에 바람직하지 않다.
여기서, 폭(W1)과 폭(W2)은, 각각 제 2원통형 렌즈(4)에 입사하는 입사광속의 제 1단면에 있어서의 광속경, 제 4원통형 렌즈(7)에 입사하는 입사광속의 제 2단면에 있어서의 광속경에 상당한다.
제 4원통형 렌즈어레이(7)로부터 사출하여, 분할된 광속은, 원통형 렌즈(9)에 의해 집광되어 편광빔 스플리터(10a)등을 가지는 색분해광학계(10)를 경유하여, 중첩적으로 반사형의 액정패널(11)을 조명한다.
실시예 1에서는, 콘덴서렌즈(8)는 제 2단면에서는 굴절력을 가지고 있지 않다. 이 때문에, 광속에 실질적으로 영향을 줄 것은 없지만, 콘덴서렌즈(8)를 구면 렌즈로 해서, 콘덴서렌즈(8)와 원통형 렌즈(9)에 의해 분할한 광속을 집광해도 된다.
또, 콘덴서렌즈(8)는, 부렌즈를 포함한 복수매로 구성한 집광계에서도 된다.
실시예1에 있어서 부렌즈(5b)의 화상표시소자(11) 측의 면은 오목형상이다. 도 4를 이용하여 이때의 오목형상으로 하는 것의 기술적 내용에 대해서 설명한다.
제 2단면에 있어서 광속 압축계(5)가 정, 부렌즈로 이루어지는 어포컬계로 한다. 이때, 어포컬계의 부렌즈(5b)가, 광원수단(1)측에 오목면을 향하여 있으면, 화상표시소자(11) 측에 오목면을 향하고 있는 경우에 비해서 주변부의 압축이 작고, 패널에 입사하는 광의 각도가 커진다. 이 때문에, 화상의 콘트라스트 등이 저하하게 된다.
또 압축비를 동일한 정도로 하기 때문에, 오목면의 위치를 화상표시소자(11) 측으로 이동하면, 평행도가 악화되게 된다. 이 결과 제 3원통형 렌즈어레이(6)의 임의의 렌즈셀로 분할되고 집광되는 광속이 제 4원통형 렌즈어레이(7)에 있어서, 대응하는 렌즈셀에 입사하지 않고 다른 렌즈셀에 입사하는 비율이 증가한다.
대응 셀에 입사하지 않았던 일부의 광속은 피조명면(11)에서 유효한 영역으로부터 어긋난 위치에 도달하기 때문에 유효광속이 되지 않고, 광의 이용효율이 저하한다.
실시예 1에서는 부렌즈(5b)의 광원수단(1)측의 면은 평면으로 되어 있지만, 볼록형상이어도 되고, 오목형상이어도 된다. 오목형상의 경우, 양 렌즈면이 오목형상이 되지만, 화상표시소자(11) 측이 광원수단 측에 비해서 강한 굴절력의 오목면을 가지게 하면 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다.
양렌즈면이 오목면인 때, 화상표시소자 측의 면이 광원수단 측에 비해 강한 굴절력의 오목형상이어도, 어느 정도의 효과를 얻을 수 있다.
실시예1에서는, 제 1단면에 대해서 제 2단면에서의 반사형인 액정패널(피조명면)(11)에 입사하는(조명광학계(Ea)중 파워를 가지는 최후의 광학소자를 통과한 후의) 조명광속의 각도분포를 좁히고 있다.
반사형의 액정패널(11)의 전(광입사측)에 놓여져 있는 색분해광학계(10)내에 배치된 편광빔 스플리터(10a)는, 제 2단면내에 있어서, 일부의 광속의 광로를 편향시킨다.
일반적인 유전체 다층막을 이용한 편광빔 스플리터는, 브류스터각(Brewster angle)에 있어서의 p편광과 s편광의 반사율의 차이를 이용하여 편광분리를 행하기 때문에, 브류스터각으로부터 빗나간 광선편광 분리가 불충분하게 된다.
그 때문에 넓은 각도분포를 가진 조명광학계를 이용했을 경우에는, 투과해야 할 편광광을 반사하거나 반사하여야 할 편광광을 투과하거나 한다.
이 때문에, 소망한 편광광과는 다른 편광상태의 광(누설광)이 액정패널 등에 입사하여, 화상의 콘트라스트가 낮게 된다.
실시예1에 의한 조명광학계에서는, 각도분포에 대해서 민감한 단면(제 2단면)에 있어서의 각도분포를, 각도분포에 대해서 둔감한 단면(제 1단면)에 있어서의 각도분포보다 작게하고 있다. 이것에 의해, 각도분포에 민감한 단면(제 2단면)에 있어서의 누설광의 발생량을 억제하여 높은 콘트라스트의 화상을 얻을 수 있고, 또 광의 높은 이용효율을 얻을 수 있다.
이 실시예1에 있어서는, 제 1단면에 있어서 리플렉터(2)로부터 출사한 광속 의 광속경은 압축하지 않고, 제 2단면에 있어서는 리플렉터(2)로부터 출사한 광속의 광속경을 압축하고 있다. 이에 의해, 제 1단면에 있어서의 광원상의 형성영역의 폭(W1)과 제 2단면에 있어서의 광원상의 형성영역의 폭(W2)을 다르게 하고 있지만, 이것은 이에 제한되는 것은 아니다.
예를 들면, 제 1단면에 있어도 제 2단면에 있어도 광속경을 압축해도 된다.
또,한 쪽에서는 광속경을 압축하고 다른 쪽에서는 광속경을 확대하여도 된다. 또 양자에 있어서의 광속경을 모두 확대해도 상관없다.
또 타원 리플렉터(2)를 이용하여 광속경의 압축을 실시하여도 된다. 또 광원상의 형성영역의 폭이 제 1단면과 제 2단면에서 서로 차이가 있어도 된다. 또한 각도분포에 민감한 단면에 있어서의 광원상 형성영역의 폭(W2)이 그 단면과 수직이고, 각도분포에 둔갑한 단면에 있어서의 광원상 형성영역의 폭(W1)에 대해서는, 작아지는 구성이면, 다른 어떠한 구성을 이용하여도 된다.
여기서 민감한 단면이란, 조명광학계(Ea)중에 배치된 편광 빔스플리터(10a)의 편광 분리면의 법선과 조명광학계(Ea)의 광축(La)의 양자에 대해서 평행한 단면, 여기에서는 제 2단면이다.
또, 둔감한 단면이란, 제 2단면에 수직인 제 1단면이다.
또, 프로젝터에서는, 광의 이용효율을 올리기 위해서 편광변환소자(편광 빔 스플리터 어레이)를 렌즈어레이의 부근에 배치하는 경우가 있다.
실시예 1에는, 편광변환소자는, 도시되어 있지 않지만, 제 2원통형 렌즈어레이(4)의 뒤쪽(광출사측), 또는 제 4원통형 렌즈어레이(7)의 뒤쪽에 배치하는 것이 바람직하다.
특히 제 4원통형 렌즈(7)의 뒤에 편광변환소자가 위치하는 경우는, 종래에 비해 광학소자를 소형화할 수 있어 장치의 소형화나 간략화를 도모할 수 있다고 하는 특장이 있다.
[실시예2]
도 5는, 본 발명의 조명광학계(Ea)의 실시예2의 주요부 개략도이다.
실시예 2는, 실시예 1에 비해서 압축광학계(5)의 부렌즈(5b)와 제 3 원통형 렌즈어레이(6)를 하나의 부품(일체화)으로 한 것이며, 제 5원통형 렌즈어레이(5c)가 그 부품에 상당한다. 제 5원통형 렌즈어레이(5c)의 사시도를 도 6에 도시한다.
또, 확대도를 도 7에 나타낸다. 제 5원통형 렌즈(5c)는 오목면의 위에 렌즈어레이가 형성되고 있는 것 같은 형상으로 이루어져 있다. 광학 작용은 도5(A), 도 5(B)에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 압축광학계(5)의 부렌즈(5b)와 제 3원통형 렌즈(6)를 겸비한 기능을 하고 있다.
제 5원통형 렌즈(5c)는, 렌즈어레이를 구성하는 각각의 렌즈의 중심(셀 중심)과 렌즈의 정점을 편심시킴으로써 부렌즈의 역할을 달성하고 있다. 이 경우, 렌즈어레이면이 압축광학계(5)의 부렌즈의 역할을 하고 있기 때문에, 렌즈어레이면이 화상표시소자(11) 측을 향하고 있다. 그 외의 광학소자는 실시예 1과 동일하다. 부렌즈와 광속분할의 역할을 실시하는 것이, 한 개의 부품 또한 하나의 면이기 때문에, 부품점수를 감소시킬 수 있고, 조명광학계의 구성이 간략화됨과 동시에, 수율의 향상이라고 하는 효과를 얻을 수 있다.
[실시예3]
도 8은 본 발명의 조명광학계를 이용한 화상표시장치(프로젝터)의 실시예 3의 주요부 개략도이다.
도 8에 있어서, (41)은 연속 스펙트럼으로 백색광을 발광하는 발광관이다. (42)는 발광관(41)으로부터의 광을 소정의 방향으로 집광하는 리플렉터이다. 발광관(41)과 리플렉터(42)에 의해 램프(광원수단)(40)을 형성한다. 이 램프(40)로부터의 광을 상술한 실시예 1, 2에 기재된 조명광학계(100)를 이용하여 액정표시소자(반사형 액정패널 등)(61R, 61G, 61B)에 안내하고 있다.
도 8에 있어서, (58)은 청색(B)과 적색(R)의 파장영역의 광을 반사하고, 녹색(G)의 파장영역의 광을 투과하는 다이크로익 미러이다. (59)는 투명기판에 편광 소자를 점착한 녹색(G)용의 입사측 편광판이며, S편광광만을 투과한다. (60)은 P편광광을 투과하고, S편광광을 반사하는 제 1편광 빔스플리터이고, 편광 분리면(60a)을 가진다.
(61R), (61G), (61B)는 각각 입사한 광을 반사하는 동시에, 화상변조하는 적색(R)용의 반사형 액정표시소자, 녹색(G)용의 반사형 액정표시소자, 청색(B)용의 반사형 액정표시소자이다. (62R), (62G), (62B)는 각각, 적색(R)용의 1/4파장판, 녹색(G)용의 1/4파장판, 청색(B)용의 1/4파장판이다. (64)는 투명기판에 편광소자를 점착한 적색(R)용과 청색(B)용의 입사측 편광판이며, S편광만을 투과한다. (65)는 청색(B)의 광의 편광방향을 90도 변환하고, 적색(R)의 광의 편광방향은 변환하지 않는 제 1색선택성 위상차판이다. (66)은 P편광을 투과하고, S편광을 반사하는 제 2편광 빔스플리터이고, 편광 분리면(66a)을 가진다. (67)은 적새(R)의 광의 편광방향을 90도 변환하고, 청색(B)의 광의 편광방향은 변환하지 않는 제 2색 선택성 위상차판이다.
(68)은 적색(R)용과 청색(B)용의 출사측 편광판(편광소자)이며, S편광만을 투과한다. (69)는 P편광을 투과하고, S편광을 반사하는 제 3편광 빔스플리터(색합성수단)이며, 편광 분리면(69a)을 가진다.
이상의 다이크로익 미러(58)로부터 제 3 편광빔 스플리터(69)에 의해, 색분해/합성 광학계(200)가 구성된다.
(70)은 투사렌즈이다. 상기 조명광학계(100), 색분해합성 광학계(200) 및 투사렌즈(70)에 의해 화상표시광학계가 구성되어 있다.
다음에, 조명광학계를 통과한 후의 광학적인 작용을 설명한다. 우선, 녹색(G)의 광로에 대해 설명한다.
다이크로익 미러(58)를 투과한 녹색(G)의 광은 입사측 편광판(59)에 입사한다. 또, 녹색(G)의 광은 다이크로익 미러(58)에 의해 분해된 후에도 S편광이 된다. 그리고, 녹색(G)의 광은, 입사측 편광판(59)으로부터 출사한 후, 제 1편광 빔스플리터(60)에 대해서 S편광으로서 입사하여 편광 분리면(60a)에서 반사되고, 녹색(G)용의 반사형 액정표시소자(61G)에 도달한다. 녹색(G)용의 반사형 액정표시소자(61G)에 대해서는, 녹색(G)의 광이 화상변조되어 반사된다. 화상변조된 녹색(G)의 반사광 중 S편광성분은, 다시 제 1편광 빔스플리터(60)의 편광 분리면(60a)에서 반사하여, 광원(40)측으로 되돌려져서 투사광으로부터 제거된다.
한편, 화상변조된 녹색(G)의 반사광 중 P편광성분은, 제 1 편광 빔스플리터(60)의 편광 분리면(60a)을 투과하고, 투사광으로서 제 3편광 빔스플리터(69)로 향한다.
이때, 모든 편광성분을 S편광으로 변환한 상태(흑색을 표시한 상태)에 있어서, 제 1편광 빔스플리터(60)와 녹색(G)용의 반사형 액정표시소자(61G)의 사이에 설치된 1/4파장판(62G)의 지상축(遲相軸)을 소정의 방향으로 조정한다. 이에 의해 제 1편광 빔스플리터(60)와 녹색(G)용의 반사형 액정표시소자(61G)에서 발생하는 편광상태의 외란의 영향을 작게 억제할 수 있다.
제 1편광 빔스플리터(60)로부터 출사한 녹색(G)의 광은, 제 3편광 빔스플리터(69)에 대해서 P편광으로서 입사하고, 제 3편광 빔스플리터(69)의 편광 분리면(69a)을 투과하여 투사렌즈(70)로 도달한다.
한편, 다이크로익 미러(58)를 반사한 적색(R)과 청색(B)의 광은, 입사측 편광판(64)에 입사한다. 또, 적색(R)과 청색(B)의 광은 다이크로익 미러(58)에 의해 분해된 후에도 S편광이 된다. 그리고 적색(R)과 청색(B)의 광은, 입사측 편광판(64)으로부터 출사한 후, 제 1색선택성 위상차판(65)에 입사한다. 제 1색선택성 위상차판(65)은, 청색(B)의 광만 편광방향을 90도 회전하는 작용을 가지고 있고, 이것에 의해 청색(B)의 광은 P편광으로서 적색(R)의 광은 S편광으로서 제 2편광 빔스플리터(66)에 입사한다.
S편광으로서 제 2편광 빔스플리터(66)에 입사한 적색(R)의 광은, 제 2편광 빔스플리터(66)의 편광 분리면(66a)에서 반사되고, 적색(R)용의 반사형 액정표시 소자(61R)로 도달한다.
또, P편광으로서 제 2 편광빔 스플리터(66)에 입사한 청색(B)의 광은, 제 2 편광 빔스플리터(66)의 편광 분리면(66a)을 투과하여 청색(B)용의 반사형 액정표시 소자(61B)로 도달한다.
적색(R)용의 반사형 액정표시소자(61R)에 입사한 적색(R)의 광은 화상변조되어 반사된다. 화상변조된 적색(R)의 반사광 중 S편광성분은, 다시 제 2편광 빔스플리터(66)의 편광 분리면에서 반사되고, 광원(40)측으로 되돌려져 투사광으로부터 제거된다.
한편, 화상변조된 적색(R)의 반사광 중 P편광성분은 제 2편광 빔스플리터(66)의 편광 분리면(66a)을 투과하고 투사광으로서 제 2색 선택성 위상판(67)으로 향한다.
또,청색(B)용의 반사형 액정표시소자(61B)에 입사한 B의 광은 화상 변조되어 반사된다. 화상 변조된 청색(B)의 반사광중 P편광 성분은, 다시 제 2편광 빔스플리터(66)의 편광 분리면(66a)을 투과하여 광원(40)측으로 되돌려져 투사광으로부터 제거된다.
한편, 화상 변조된 청색(B)의 반사광 중 S편광성분은 제 2편광 빔스플리터(66)의 편광 분리면에서 반사하여 투사광으로서 제 2색 선택성 위상판(67)으로 향한다.
이때, 제 2편광 빔스플리터(66)와 적색(R)용, 청색(B)용의 반사형 액정표시소자 (61R), (61B)의 사이에 설치된 1/4파장판 (62R), (62B)의 지상축을 조정한다. 이에 의해, 녹색(G)의 경우와 마찬가지로 적색(R), 청색(B)광 각각의 흑색의 표시의 조정을 실시할 수 있다.
이렇게 하여 1개의 광속에 합성되고, 제 2편광 빔스플리터(66)로부터 출사한 적색(R)과 청색(B)의 투사광 중 적색(R)광은, 제 2색 선택성 위상판(67)에 의해 편광 방향이 90도 회전되어 S편광 성분이 된다. 또한, 적색(R)의 광은 출사측 편광판(68)에 의해 검광되어 제 3편광 빔스플리터(69)에 입사한다.
또, 청색(B)의 광은 S편광인 채로 제 2색 선택성 위상판(67)을 그대로 투과 하고, 또한 출사측 편광판(68)에 의해 검광되어 제 3편광 빔스플리터(69)에 입사한다.
또, 출사측 편광판(68)에 의해 검광되는 것에 의해, 적색(R)과 청색(B)의 투사광은 제 2편광 빔스플리터(66)와 적색(R)용, 청색(B)용의 반사형 액정표시소자 (61R), (61B), 1/4파장판 (62R),(62B)을 통과하는 것에 의해 발생한 무효한 성분을 차단한 광이 된다.
그리고, 제 3편광 빔스플리터(69)에 입사한 적색(R)과 청색(B)의 투사광은 제 3편광 빔스플리터(69)의 편광 분리면(69a)을 반사하고, 상술한 상기 편광 분리면(69a)에서 투과한 녹색(G)의 광과 합성되어 투사렌즈(70)에 도달한다.
그리고, 합성된 R,G,B의 투사광은, 투사렌즈(70)에 의해 스크린 등의 피투사면에 확대투영된다.
이상 설명한 광로는 반사형 액정표시소자가 백색표시를 하는 경우이기 때문에, 이하에 반사형 액정표시소자가 흑색표시를 하는 경우의 광로를 설명한다.
우선, 녹색(G)의 광로에 대해서 설명한다.
다이크로익 미러(58)를 투과한 녹색(G)의 광의 S편광광은 입사측 편광판(59)에 입사하고, 그 후, 제 1편광 빔스플리터(60)에 입사하여 편광 분리면(60a)에서 반사되어 녹색(G)용의 반사형 액정표시소자(61G)에 도달한다.
그러나, 반사형 액정표시소자(61G)가 흑색표시를 하기 위해서, 녹색(G)의 광은 화상 변조되지 않은 채로 반사된다. 따라서, 반사형 액정표시소자(61G)로 반사된 후에도 녹색(G)의 광은 S편광광 그대로이기 때문에, 다시 제 1편광 빔스플리터(60)의 편광 분리면(60a)에서 반사하고, 입사측 편광판(59)을 투과하여 광원(40)측으로 되돌려져 투사광으로부터 제거된다.
다음에, 적색(R)과 청색(B)의 광로에 대해서 설명한다.
다이크로익 미러(58)를 반사한 적색(R)과 (B)청색의 광의 S편광광은, 입사측 편광판(64)에 입사한다. 그리고 적색(R)과 청색(B)의 광은, 입사측 편광판(64)으로부터 출사한 후, 제 1색선택성 위상차판(65)에 입사한다.
제 1색선택성 위상차판(65)은, 청색(B)의 광만 편광방향을 90도 회전하는 작용을 가지고 있고, 이에 의해 청색(B)의 광은 P편광으로서 적색(R)의 광은 S편광으로서 제 2편광 빔스플리터(66)에 입사한다.
S편광으로서 제 2편광 빔스플리터(66)에 입사한 적색(R)의 광은, 제 2편광 빔스플리터(66)의 편광 분리면(66a)에서 반사된 적색(R)용의 반사형 액정표시소자(61R)에 도달한다.
또, P편광으로서 제 2편광 빔스플리터(66)에 입사한 청색(B)의 광은, 제 2편 광 빔스플리터(66)의 편광 분리면(66a)을 투과하여 청색(B)용의 반사형 액정표시소자(61B)에 도달한다.
여기서, 적색(R)용의 반사형 액정표시소자(61R)는 흑색표시를 하기 위해서, 적색(R)용의 반사형 액정표시소자(61R)에 입사한 적색(R)의 광은 화상변조되지 않은 채로 반사된다.
따라서, 적색(R)용의 반사형 액정표시소자(61R)에서 반사된 후에도 적색(R)의 광은 S편광광인 채 그대로이다. 이 때문에, 다시 제 1편광 빔스플리터(60)의 편광 분리면(60a)에서 반사하고, 입사측 편광판(64)을 통과하여 광원(40)측으로 되돌려져 투사광으로부터 제거되기 때문에, 흑색표시가 된다.
한편, 청색(B)용의 반사형 액정표시소자(61B)에 입사한 청색(B)의 광은 청색(B)용의 반사형 액정표시소자(61B)가 흑색표시를 하기 위해서, 화상 변조되지 않은 채로 반사된다.
따라서, 청색(B)용의 반사형 액정표시소자(61B)에서 반사된 후에도 청색(B)의 광은 P편광광인 채 그대로이다. 이 때문에, 다시 제 1편광 빔스플리터(60)의 편광 분리면(60a)을 투과하고, 제 1색선택성 위상차판(65)에 의해, S편광으로 변환되고 입사측 편광판(64)을 투과하여 광원(40)측으로 되돌려져 투사광으로부터 제거된다.
이상이, 반사형 액정표시소자(반사형 액정패널)을 사용한 투사형화상표시장치에서의 광학 구성이다.
이 실시예 3에 있어서는, 색분해합성계(200)에 있어서, 파장선택성 위상차판 등을 이용한다.
그러나, 이 색분해합성계(200)내에 배치된 편광 빔스플리터가, 가시영역내의 특정의 파장영역에 대해서 편광 빔스플리터로서 기능하는 것을 이용하여도 된다. 이때는 다른 파장영역에 대해서는 편광방향에 관련되지 않고 투과 또는 반사하는 것과 마찬가지의 특성을 가지는 편광분리막을 가지는 구성이면, 파장선택성 위상차판은 불필요하게 된다.
또, 색분해합성계(200)와 투사렌즈(70)의 사이에 1/4위상차판을 배치하고, 투사렌즈(70) 내의 렌즈면에서 반사되어 돌아온 광이 재반사되어 다시 스크린방향(피투사면의 방향)으로 돌아오는 것을 막도록 구성하여도 된다.
또, 이 실시예 3에 있어서는, 액정표시소자가 3매인 실시예를 나타냈지만, 이 수는 3매에 한정하지 않고, 2매나 4매이어도 되고, 물론 1매이어도 된다.
본 실시예에 의하면, 피조명면을 대략 균일하게 조명할 수 있고, 또한 광의 이용 효율이 높은 조명광학계, 또 이 조명광학계를 이용한 투사형 표시장치를 얻을 수 있다.
Claims (18)
- 광원수단으로부터의 광속에 의해 피조명면을 조명하는 조명광학계로서,상기 조명광학계의 광축과 평행한 제1단면에 있어서, 상기 광원수단으로부터의 광속을 분할하고, 이 분할된 광속을 사용해서 제1광원상 영역 내에 복수의 제1광원상을 형성하는 제1광속 분할수단;상기 광축과 평행하고 또한 상기 제1단면과 수직인 제2단면에 있어서, 상기 광원수단으로부터의 광속을 분할하고, 이 분할된 광속을 사용해서 제2광원상 영역 내에 복수의 제2광원상을 형성하는 제2광속 분할수단;상기 제2광속 분할수단의 상기 광원수단 쪽에 배치되어, 입사광속의 폭을 좁혀서 사출시키는 압축광학계;상기 제1광속 분할수단 및 상기 제2광속 분할수단에 의해 분할된 복수의 광속을 상기 피조명면 상에서 중첩시키는 중첩계; 및상기 중첩계와 상기 피조명면 사이에 배치된 편광분리면을 가진 광학소자를 가지고,상기 편광분리면의 법선과 상기 제2단면은 평행하고,상기 제2단면에 있어서 상기 복수의 제2광원상이 형성되는 영역의 폭이 상기 제1단면에 있어서 상기 복수의 제1광원상이 형성되는 영역의 폭보다 작고,상기 압축광학계는 상기 광원수단 쪽으로부터 상기 피조명면 쪽으로 순차적으로 정의 굴절력의 광학소자와 부의 굴절력을 가진 광학소자를 포함하고,상기 부의 굴절력을 가진 광학소자의 상기 피조명면 쪽의 면은 오목형상인 것을 특징으로 하는 조명광학계.
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- 제 1항에 있어서,상기 제 2광속 분할수단에 입사하는 광속의 제 2단면에서의 폭이, 상기 제 1광속 분할수단에 입사하는 광속의 제 1단면에서의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 조명광학계.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1광속 분할수단에 입사하는 광속의 제 1단면에서의 폭을 W1, 상기 제 2광속 분할수단에 입사하는 광속의 제 2단면에서의 폭을 W2로 할 때,0.1 < W2/W1 < 0.8인 조건을 만족시키는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
- 제 1항에 있어서,상기 제 1광속 분할수단은, 제 1단면에 있어서 굴절력을 가지는 렌즈어레이를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
- 제 1항에 있어서,상기 제 2광속 분할수단은, 제 2단면에 있어서 굴절력을 가지는 렌즈어레이를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
- 제 1항에 있어서,상기 압축광학계의 부의 굴절력을 가지는 광학소자는, 상기 제 2광속 분할수단의 작용을 겸하고 있는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
- 제 1항에 있어서,상기 압축광학계의 부의 굴절력을 가진 광학소자는 제 2단면에 있어서 굴절력을 가진 렌즈어레이로 이루어지고,상기 렌즈어레이를 구성하는 복수의 렌즈셀은 렌즈셀의 중심에 대해서 렌즈셀의 광축이 편심된 렌즈셀을 포함하고,상기 렌즈셀이 구성된 면은 상기 렌즈어레이의 상기 피조명면 쪽에 있는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
- 제 1항에 있어서,상기 압축광학계를 구성하는 상기 정의 굴절력의 광학소자는 상기 제2단면 내에 있어서만 정의 굴절력을 가지고 있으며, 상기 압축광학계를 구성하는 상기 부의 굴절력을 가진 광학소자는 상기 제1단면 내에 있어서만 굴절력을 가지고 있으며,상기 제2단면 내에 있어서, 상기 정의 굴절력의 광학소자와 상기 부의 굴절력의 광학소자가 어포컬계를 구성하는 것을 특징으로 하는 조명광학계.
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- 제 1항, 또는 제4항 내지 제 10항 중 어느 한 항에 기재된 조명광학계, 1매 이상의 화상표시소자, 및 상기 화상표시소자의 화상을 투영하는 투영광학계를 가지는 것을 특징으로 하는 투사형 표시장치.
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