KR0166577B1

KR0166577B1 - 영상 투영장치

Info

Publication number: KR0166577B1
Application number: KR1019890014501A
Authority: KR
Inventors: 헨리쿠스 요하네스 반 덴 브란트 아드리아누스
Original assignee: 에프.제이.스미트; 엔.브이.필립스 글로아이람펜파브리켄
Priority date: 1988-10-13
Filing date: 1989-10-10
Publication date: 1999-03-20
Also published as: EP0364043B1; JPH02149882A; DE68920396D1; EP0364043A1; CN1020962C; DE68920396T2; KR900007043A; HK144196A; US4969730A; NL8802517A; JP3060049B2; CN1041828A

Abstract

제1광 빔(b₁)을 생성하는 광원(1), 이 광빔의 경로에 제공되는 굴절 영상 표시 시스템(10), 및 영상 표시 시스템에서 발생하는 제2광 빔(b₂)의 경로에 배열된 투영 렌즈 시스템(20)을 포함하는 영상 투영 장치가 기술되어 있다. 그 동작 원리를 상기 두 빔(b₁,b₂)중 하나의 전체 내부 반사에 기초를 두는 빔-분할 소자(5)가 한편으로는 상기 광원과 영상 표시 시스템 사이의 광 경로에 또 다른 한편으로는 상기 시스템과 투사 렌즈 시스템 사이의 광 경로에 제공된다. 이로 인해 이들 빔이 적절하게 분리되며 또한 장치의 크기가 감소한다.

Description

영상 투영 장치

제1도는 영상 투영 장치의 제1실시예도.

제2도 및 제3도는 컬러 영상 투영 장치의 실시예도.

제4도는 영상 투영 장치의 제2실시예도.

제5도는 제2실시예에 사용된 컬러 영상 투영 장치도.

제6도는 상기 투영 장치에 사용된 편광 감지 빔 분할기의 일실시예도.

제7도는 3개의 광원을 가진 컬러 영상 투영 장치의 일실시예도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 방사원 4 : 편광기

10 : 표시 패널 20 : 투영 렌즈 시스템

30 : 투영 스크린

본 발명은 영상 투영 장치에 관한 것이다. 상기 영상 투영 장치는 제1광빔을 생성하는 광원과, 상기 제1광 빔 경로 상에 배열되고 투영될 영상을 생성시키는 적어도 1개의 영상 표시 패널을 갖춘 반사 영상 표시 시스템과, 상기 영상 표시 시스템으로부터 발생되는 제2광 빔의 경로상에 배열되어 상기 영상 표시 시스템에 의해 생성된 영상을 투영 스크린 위에 투영시키는 투영 렌즈 시스템을 구비하고 있다.

일반적인 영상 투영 장치는 널리 공지되어 있으며, 이 장치는 예를 들어, 비디오 영상, 그래픽 영상, 숫자 정보 또는 이들의 조합을 표시하는 장치를 구비한다. 이 영상들은 단색 영상일 수도 있고 컬러 영상일 수도 있다. 컬러 영상인 경우에, 표시 시스템은 예를 들어 기본 색인 적색, 녹색 및 청색용 3개의 색 채널을 구비하는데, 각 채널은 표시 패널을 갖추고 있다. 단색 영상이란 단지 한가지 색을 갖는 영상을 의미하는 것인데, 원리적으로 이색은 소정 파장에 대응하며, 실제로는 소정의 중심 파장 근처의 파장 밴드에 대응한다. 이러한 영상은 중심 파장 및 가능한 그 근처이 파장 대역을 갖는 단색 빔으로서 통상 언급되는 것에 의해 형성될 수 있다. 투영 스크린은 상기 투영 장치의 일부분을 형성하고 투영 장치의 한 측면에 설치될 수 있다. 상기 스크린은 투영 장치와 약간 떨어져서 위치될 수 있고 예를 들어 적절한 반사성을 갖는 벽으로 구성될 수 있다.

유럽 특허출원 제 0 166 194호는 두 전극간에 제공되는 액정 물질층을 갖는 반사 영상 표시 패널을 구비하는 영상 투영 장치에 대해 개시하고 있다. 이 영상 표시 패널은 LCD(액정 디스플레이)로서 공지되어 있다. 반사 영상 표시 패널이 사용 될 때, 상기 패널에 의해 반사된 제2빔이 방사원으로부터 발생되는 제1빔과 충분한 정도로 공간적으로 분리되도록 하여 상기 제2빔 경로에 배열된 투영 렌즈 시스템이 제1광 빔의 일부를 가로채지 않도록 한다. 이를 위해 유럽 특허 출원 번호 제 0 166 194 호에 개시된 장치는 상기 제1빔의 주광선(chief ray)이 선정된 각도(predetermined angle) 즉, 패널 상에 수직으로 입사되는 각도인 90°를 벗어나서 상기 영상 표시 패널에 입사된다. 그리고 나서, 제2빔의 주 광선은 동일한 크기의 반대 각도로 반사됨으로서 제1및 제2빔의 주 광선들은 서로 다른 방향을 갖게 되고 입사 각도의 2배 각도를 갖게 된다. 제1빔과 제2빔간을 충분히 분리시키기 위하여, 입사 각도는 비교적 큰 각도이어야만 한다. 특히 LCD 패널이 사용될 때, 제1빔의 입사 각도가 0도 및 기껏해야 수 도 정도가 바람직하다. 그러면, 영상 표시 패널과 상당히 멀리 떨어진 곳에서만 두 빔이 완벽히 분리되기 때문에 영상 투영 장치가 상당히 길어지게 된다.

본 발명의 목적은 영상 표시 패널에 입사되는 제1빔의 입사 각도를 작게 하면서 콤팩트 구조의 영상 투영 장치를 제공하고자 하는 것이다. 이를 위해 본 발명에 따른 장치는 한편으로는 광원과 영상 표시 시스템간에 그리고 다른 한편으로는 상기 영상 표시 시스템과 투영 렌즈 시스템간에 제1매체에서 제2매체로의 빔 분할 전이부(beam-splitting transition)를 제공하며, 상기 매체들은 서로 다른 굴절률을 가지며, 상기 전이부는 제1및 제2광 빔 중 한 빔을 전부 반사시키고 다른 광 빔은 상기 전이부에 의해 투과되도록 배열되는 것을 특징으로 한다.

상기 전이부는 제1및 제2빔의 주 광선들 사이의 작은 각도로 상기 주광선들을 완전히 분리하게 되어, 결국 이들 빔 들을 완전히 분리시킴으로써 투영 렌즈 시스템이 상기 전이부에 상당히 인접해서 배열될 수 있다.

원리적으로, 두개의 투명한 매체간의 어떠한 전이부라도 이들 매체의 굴절률이 상당히 큰 값으로 제공된 전이부로서 사용될 수 있다. 그러나, 양호하게도 상기 투영 장치는 빔-분할 전이부가 공기와 투명 물질(air and transparent material)간의 인터페이스에 의해 구성된다는 것을 또한 특징으로 하고 있다.

본 실시예는 빔-분할 전이부가 프리즘들의 마주보는 두 면들간의 공기 층을 갖는 두개의 투명한 프리즘으로 형성된 프리즘 시스템에 포함되는 것을 또한 특징으로 하고 있다.

상기 전이부가 프리즘 시스템에 포함되기 때문에, 오염 및 파손으로부터 적 절히 보호될 수 있다. 합성 프리즘의 제1빔의 입사면과 제2빔의 출사면은 영상 표시 패널에서처럼 제1및 제2빔의 주축 각각에 대해 동일한 방향을 가짐으로써, 광학 수차는 아주 간단한 방식으로 보정될 수 있다.

영상 표시 시스템이 영상 정보에 따라 제2광빔의 편광 방향을 변조시키고 또한 이용 가능한 광을 최적으로 사용하는 영상 투영 장치의 일실시예는 한편으로는 광원에서 빔-분할 전이부까지의 방사 경로와 다른 한편으로는 상기 전이부에서 투영 렌즈 시스템까지의 방사 경로에 편광-감지 빔 분할기가 제공되어 광원에서 발생하는 빔을 영상 표시 시스템에 입사되는 서로 직각을 이루며 편광되는 서브 빔 2개로 분할시키고 이들 두개의 서브 빔들을 영상 정보로 변조시킨 후 결합시키는 것을 또한 특징으로 한다.

편광-회전형 표시 패널들을 구비하는 종래의 영상 투영 장치에서는, 주어진 제1편광 방향의 광만이 패널들로 투과되는 반면에, 본 발명에 따른 바로 위에서 언급한 실시예에서는, 제1편광 방향에 대해 수직인 제2편광 방향을 가지는 광, 그래서 기본적으로 상기 광원으로부터 나온 모든 광이 영상 정보로 변조되어 이용 가능한 광이 최적으로 사용된다.

광속(luminous flux)을 증가시키기 위해 동일 광원에서 발생하는 서로 수직을 이루는 두 광 빔을 동일한 화상 정보로 변조시킨 다음 이들 빔을 재결합시키는 것을 미합중국 특허 제 4127332호로부터 알 수 있다. 종래의 투영 장치에 있어서, 각각의 광빔은 각 영상 표시 패널에 의해 변조됨으로서 본 발명에서와 같이 두 배의 패널 수가 요구된다. 게다가, 종래 기술의 투영 장치에 있어서는, 변조된 제2빔은 편광-감지 빔 분할기에 의해 변조되지 않은 제1빔으로부터 분할되는 것이지 동작 모드가 전체 내부 반사에 기초로 한 소자에 의해서 분할되는 것이 아니다.

본 발명에 따른 영상 투영 장치의 실제 중요한 실시예는, 영상 표기 시스템이 컬러-선택 소자와 영상 소자가 그룹으로 분할되는 합성 영상 표시 패널을 구비하는 컬러 영상 표시 시스템이며, 영상 소자들로 이루어진 각 그룹은 영상 소자의 관련 그룹에 속하는 컬러 선택 소자의 컬러에 대응하는 소정 색의 서브 영상을 생성하는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 컬러 영상 표시 시스템은 컬러-선택 소자가 다수의 컬러-선택 빔 분할기로 구성되어 광 빔을 서로 다른 세 가지 색의 서브 빔으로 분할시키고 단색 영상 정보로 변조된 서브 빔을 컬러 영상 정보-변조된 광 빔과 결합시키는 것을 특징으로 하고, 각 서브 빔 경로에 개별 영상 표시 패널이 제공되어 이들의 집합(collective) 영상 소자가 영상 소자 그룹을 구성하도록 하는 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 실시예는 컬러 영상 표시 시스템이 영상 소자가 그룹으로 배열되는 단일 영상 표시 패널을 포함하는데, 각 그룹은 주어진 색의 서브 영상을 생성하는 특징을 지니고 있고, 각 영상 소자에는 컬러 필터가 제공되어 관련 영상 소자가 속해 있는 그룹에 의해 생성된 서브 영상의 색과 일치하는 상기 색의 광만을 투과시키는 것을 특징으로 한다.

또 다른 실시예는 컬러 영상 투영장치가 최소 수의 광학 소자를 구비하며 콤팩트 구조로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 컬러 영상 투영 장치의 또다른 실시예는 광원이 해당 수의 단색 광 빔을 방사하는 다수의 단색 광원으로 형성되고 상기 광원은 단색 반사 영상 표시 패널과 빔 분할 전이부가 각각 배열된 개별 컬러 채널의 일부를 구성하는 것을 특징으로 하고, 컬러-선택 소자의 시스템은 투영 렌즈 시스템 앞에 제공되어 단색 영상 정보-변조된 광 빔을 하나의 컬러 영상 정보-변조 광 빔과 결합시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 이용하여 보다 상세하게 설명한다.

제1도는 조사 시스템(1)을 도시한 것으로, 이 시스템은 방사원(2), 예컨대 할로겐화 금속 램프와, 단일 렌즈로 개략적으로 표시된 콘덴서 시스템(3)을 구비하고 있다. 상기 시스템은 다수 개의 렌즈 및/또는 미러 들을 포함할 수도 있다. 조사 시스템은 영상 표시 패널(10)에 입사되는 빔(b₁)을 생성한다. 이 패널은 예컨대 액정 패널(또는 LCD)이다. 이러한 패널은 예컨대 네마틱형의 액정 물질층(13)을 구비하는데, 이 물질층은 두판(11, 12)간에 끼워져 있다. 상기 판(11)은 예컨대 유리로 만들어져서 투명한 반면에, 판(12)은 선택적으로 투과성을 지나거나 반사성을 지닌다. 이 판들 각각은 제어 전극(14, 15)을 갖고 있는데, 상기 전극(14)은 투과성을 지니는 반면에, 전극(15)은 유리판(12)이 사용될 때 반사성을 지니게 되고 반사성 판(12)이 사용되었을 때 투과성을 지니게 된다. 전극들은 여러 개의 행 및 열로 분할되어 디스플레이 패널에서 다수의 영상 소자를 한정한다. 그런 다음 개략적으로 도시된 구동 터미널(16, 17)을 이용해서 매트릭스 전극들을 구동함으로써 서로 다른 영상 소자들을 제어할 수 있다. 따라서, 액정 물질층(13) 양단의 원하는 위치에 전계를 가할 수 있다. 이러한 전계는 상기 물질(13)의 굴절률을 효과적으로 가변시킴으로써, 소정의 영상 소자를 통과하는 광은 국부 전계가 관련 영상 소자 영역에 존재하는지 여부에 따라 편광 방향의 회전에 순응할 수도 있고 순응하지 않을 수도 있다.

통상적인 수동 제어식 영상 표시 패널 대신에, 능동 제어식 영상 표시 패널이 사용될 수도 있다. 후자의 영상 표시 패널인 경우, 기판들 중 하나에 전극이 제공되고 다른 기판에는 반도체 구동 전극이 제공된다. 이제, 각 영상 소자는 예컨대 박막 트랜지스터와 같은 자체 능동 제어 소자에 의해 구동된다.

유럽 특허 출원 번호 제 0, 266, 184호에는 직접 구동식 영상 표시 패널 2종류가 개시되어 있다.

이 영상 표시 패널은 미합중국 특허 제 4, 127, 322호에 개시된 것과 같이 매우 복잡한 시스템의 일부분 일수도 있다. 상기 시스템에서, 영상은 음극선관의 도움을 생성도니다. 이 음극선관에서 방출되는 광 빔은 광 전도층에 입사되며, 상기 광 전도층에서는 전하 패턴이 음극선관의 영상에 따라 생성된다.

이로 인해 전계가 음극선관이 영상에 따라, 광 전도층과 제2의 카운터 즉 전극간에 위치하는 액정층 전역에 걸쳐 형성된다. 전계를 가변 시키면 액정층의 굴절률을 2배로 가변 시킬 수 있으므로 결과적으로 상기 층에 입사되는 투영 빔 내에서 편광 방향의 회전을 미소한 차이로 가변 시킬 수가 있다. 적절한 동작을 위해 이 시스템은 다수의 부가층들을 구비해야만 한다. 미합중국 특허 제 4, 127, 322 호에 개시된 장치는 훨씬 전문적인 용도를 위한 것이다.

액정 물질층을 가진 표시 패널의 도움으로 영상을 투영하기 위해, 상기 패널에 입사되는 빔은 반드시 편광 되어야 하고 보다 바람직하게는 선형적으로 적절히 편광 되어야 한다. 그러나 방사원(2)은 일반적으로 편광 되지 않은 광을 방사한다. 편광기(4)를 사용하면 원하는 편광 방향을 가지는 선형으로 편광된 성분이 이 광으로부터 선택된다. 영상 표시 패널에 의해 반사된 빔 반사 경로(b₂)에 편광 분석기(9)를 설치하면, 이 편광 분석기의 편광 방향은 예를 들어 편광기(4)의 편광 방향과 효과적으로 평행하게 된다. 이로 인해 영상 소자에서 생성되어, 활성화되고 빔의 편광 방향이 변경되지 않은 광이 분석기에 의해 투영 렌즈 시스템(20)으로 투과된다. 빔의 편광 방향을 90도 회전시키는 비활성화 영상 소자들로부터 발생되는 광은 분석기에 의해 차폐된다. 단일 렌즈 소자로 개략 도시된 투영 렌즈 시스템(20)은 표시 패널(10)을 투영 스크린(30)에 표시한다. 이 투영 스크린과 렌즈 시스템(20)간의 광학 경로 길이는 비교적 길다. 장치의 치수를 제한하기 위해서 상기 투영 렌즈 시스템(20)과 스크린(30)간의 방사 경로는 반사기들을 사용하여 줄어들 수 있다.

이상 전술한 실시예에서, 전계가 공급되지 않은 영상 소자들은 투영 스크린(30)상에 흑색 도트로서 표시된다. 상기 영상 소자를 선택적으로 제어할 수가 있는데, 즉 영상 소자 양단에 전계를 공급해서 입사된 선형 편광의 편광 방향을 90도 회전시키는 것이 아니고 상기 선형 편광을 타원 편광으로 변환하여 제어하는 것이다. 이 광의 일부는 투영 스크린으로 투과되고 나머지는 차단된다. 관련 영상 소자는 투영 스크린 상에 흑색 또는 백색 소자로서 표시되지 않지만 회색 소자로는 표시되며, 이 회색은 조정 가능하다.

선형 편광을 사용하는 대신에 액정 표시 패널들을 가진 영상 투영 장치는 원형 또는 타원형의 편광을 사용할 수도 있다. 상기 영상 표시 패널은 원형 편광의 회전 방향 또는 타원형 편광의 타원 축들간의 비율을 약간 변경시킬 수가 있다. 보조 편광 수단을 사용하면, 상기 광은 반드시 선형 편광으로 변환되어야 하고, 이 변환은 상기 선형 편광의 편광 방향을 변화시킨다.

구동 상태에서는 편광 방향을 회전시키고 비구동 상태에서는 편광 방향을 더 이상 회전 시키지 않는 영상 소자로 된 영상 표시 시스템을 사용하는 경우, 모든 빔의 편광 방향을 90도 회전시키는 액정 물질로 된 여분의 층이 영상 표시 패널(10)과 나란히 제공 가능하므로, 투영 스크린 상의 영상은 구동 상태에서 편광 방향을 변경시키지 않는 영상 소자로 된 영상 표시 패널을 갖춘 투영 장치에서 형성 된 영상과 마찬가지로 동일한 극성을 갖게 된다.

구동상태에서 편광 방향을 변경시키지 않는 영상 소자로 된 투영 장치에서 예컨대, 콘트라스트(cnotrast)의 증가를 위해 또는 컬러 디펜던시(dependency)를 줄이기 위해 또는 표시 패널의 스위칭 율을 증가시키기 위해 투영 스크린 상에 흑색 소자로서 나타나는 영상 소자를 얻기를 요망하는 경우 제1도에 참조 번호 18로 표시된 보조 편광 회전자(polarization roatator)가 사용될 수 있다.

액정 물질층 대신에 λ/4-판이, 여기서 λ는 투영광의 파장이고, 보조 편광 회전자(18)로서 사용될 수 있다. 이 편광 회전자는 이제 기술될 실시예에도 사용될 수 있다.

제1도는 빔들(b₁,b₂)의 주 광선만을 도시하고 있다. 그러나 이 빔들은 전체 영상 표시 패널(10)을 커버할 수 있을 정도의 소정 폭을 갖고 있다. 투영 렌즈 시스템(20)은 빔(b₂)이 광만을 감지하고 빔(b₁)의 광은 감지하지 못한다. 상기 시스템과 영상 표시 패널간의 간격이 크게 되지 않도록 하면서 투사 렌즈 시스템 영역 내에서 빔들(b₁,b₂)을 적절히 분리시키려면, 본 발명에 따른 복합 프리즘 시스템(5) 형태의 각도-의존형 빔 분리기(angle-dependent beam separator)를 사용한다. 이 복합 프리즘 시스템은 유리 또는 합성수지 물질로 된 2개의 투명 프리즘(6, 7)과 이 프리즘 사이에 존재하는 공기층(8)으로 이루어진다. 프리즘 물질의 굴절률(n_m)(예컨대, n_m은 1.5)이 공기의 굴절률 n₁(n₁=1.0)을 초과하므로, 임계 각도(θg)와 같거나 큰 각도(θi)로 프리즘과 공기간의 인터페이스 상에 입사되는 광 빔은 전부 반사되게 된다. 여기서 상기 임계 각도는 다음의 관계식을 갖는다.

상기 광 빔이 임계 각도보다 작은 각도로 상기 인터페이스 상에 입사될 때, 상기 광 빔은 완전히 송신된다. 제1도의 일실시예에 있어서, 프리즘(6, 7)의 굴절률과 공기층(8)의 방위(orientation)는 광원에서 발생된 빔(b₁)이 인터페이스(6, 8)에 의해 표시 패널(10)을 향해 그 전체가 반사되고 이 패널에서 발생된 광 빔(b₂)은 상기 인터페이스에 의해 모두 투과되도록 선택되었다. 빔(b₁)과 빔(b₂)의 입사 각도는 인터페이스 상에서 임계 각도보다 크거나 작다.

상기 프리즘 시스템은 빔(b₂)의 주 광선이 빔(b₁)의 주 광선과 함께 90도에 가가운 광 각을 에워싸도록 한다. 따라서, 투영 렌즈 시스템(20)이 표시 패널(10)에 인접 배치될 수 있으므로, 영상 투영 장치의 길이를 프리즘이 존재하지 않는 경우보다 상당히 짧게 할 수가 있다.

빔들(b₁,b₂)의 방향과 관련해서 인터페이스 (6, 8)의 방위를 선택적으로 선택 가능한데 즉, 빔(b₁)을 프리즘 시스템보다 아래에 위치된 표시 패널로 투과시키고, 빔(b₂)은 투영 렌즈 시스템(20)을 향해 반사시키는 방식으로 가능하다. 후자의 경우는 컬러 빔 투영이라 해도 변조된 빔(b₂)에서 컬러 수차가 작게 발생한다는 장점을 가지고 있다.

컬러 영상이 투영되는 경우, 단일 영상 표시 패널을 가진 영상 표시 시스템 대신에 예컨대 3영상 표시 패널 및 다수의 컬러-선택 빔 분할기를 구비하는 복합 영상 표시 시스템을 사용할 수가 있다. 제2도는 이러한 복합 영상 표시 시스템을 도시한 것이다.

본 실시예에 있어서, 이색성 미러(dichroic mirror)(41, 42)는 2개로 구성된 범용의 이색성 크로스(dichroic cross)(40)에 의해 컬러 분할 처리(colour splitting)가 이루어진다. 인터페이스(6,8)에 의해 반사된 빔(b₁)은 청색 광을 반사시키는 제1이색성 미러(41)에 입사된다. 청색 성분(b_1,b)은 표시 패널(50)에 입사되고, 이 패널에서 청색의 서브 영상(sub-image)이 형성되며, 청색 영상 정보로 변조된 빔(b_2,b)은 패널(50)에 의해 이색성 크로스(40)로 반사된다. 적색과 녹색 성분을 가지며 이색성 미러(41)에 의해 투과된 빔은 적색 성분(b_1,r)을 표시 패널(60)로 반사시키는 제2이색성 미러(42)에 입사된다. 이 패널에서 적색의 서브 영상이 생성된다. 적색 영상 정보로 변조된 빔(b_2,r)은 이색성 크로스(40)로 반사된다. 미러(42)에 의해 투과된 녹색 성분(b_1,g)은 영상 표시 패널(10)에 의해 변조되어 빔성분(b_2,g)으로서 이색성 크로스(40)로 반사된다. 이색성 미러들(41, 42)이 복귀 빔성분(b_2,b)(b_1,r)을 다시 반사하고 빔 성분 (b_2,g)을 투과하므로, 이들 빔 성분들은 컬러 영상 정보로 변조되는 단일 빔(b₂)으로 합쳐진다.

제3도는 컬러 영상 투영 장치의 또다른 실시예를 도시한 것으로, 이 실시예는 광원에서 발생되는 빔(b₁)의 전반사가 발생했을 때 공기층이 두 프리즘간에 존재하지 않는 경우이다. 이 실시예는 빔 분리-컬러 분할 처리와, 컬러 재조합 처리를 해결하는 프리즘 시스템(70)을 구비한다. 이 프리즘 시스템(70)은 3개의 프리즘(71, 72 및 73), 상기 프리즘들(71, 72)간에 존재하는 제1공기층(75) 및 상기 프리즘들(72, 73)간에 존재하는 제2공기층(76)으로 형성되어 있다. 프리즘(72)은 제1이색성 층(77)으로 덮여 있고 프리즘(73)은 제2이색성 층(78)으로 덮여져 있다.

광원(2)에서 발생한 빔(b₁)은 평면(81)을 통해 프리즘(71)으로 들어가서 예컨대 유리 재질의 프리즘 물질과 공기간의 인터페이스인 평면(80)에 입사된다. 입사각도(θi)가 임계 각도를 초과하므로 빔(b₁)은 전부 반사된다. 그리고 이 빔은 공기층(75)을 통과하게 된다. 왜냐하면 프리즘 물질(72)과 공기간의 인터페이스에 대한 입사 각도가 임계 각도보다 작기 때문이다. 그리고 빔(b₁)은 예컨대 청색 성분(b_1,b)을 반사시키는 이색성 층(77)에 입사된다. 이 빔은 임계 각도 보다 큰 각도로 프리즘(72)과 공기(75)간의 인터페이스로 입사된 후 청색 표시 패널(50)을 향해 전부 반사된다. 청색 영상 정보로 변조된 빔 성분(b_2,b)은 공기층(75)으로부터 이색성층(77)으로 전반사되며, 상기 이색성층(77)은 투영렌즈 시스템(20)을 향해 상기 빔 성분을 반사시킨다. 컬러 합성 적색과 이색성층(77)에 의해 투과된 녹색을 가진 빔은 제2이색성층(78)에 입사되며, 제2이색성층은 적색 성분(b_1,r)을 반사시키고 녹색 성분(b_1,g)을 녹색 표시 패널(10)을 향해 투과한다. 녹색 영상 정보로 변조된 빔 성분(b_2,g)은 투영 렌즈 시스템(20)으로 직접 반사된다. 이색성층(78)에 이해 반사된 적색 빔 성분(b_1,r)은 공기층(76)에서 적색 영상 표시 패널(60)로 전반사 된다. 적색 영상 정보로 변조된 빔 성분(b_2,r)은 우선 공기층(76)에서 전반사된 후 그 후 이색성층(78)에 의해 반사된 후 녹색 빔 성분(b_2,g)과 합쳐진다. 이색성층(76)에서 이러한 빔 성분들은 청색 빔 성분(b_2,g)과 합쳐진다. 이색성층(76)에서 이러한 빔 성분들은 청색 빔 성분(b_2,g)과 합쳐진다. 이색성층(76)에서 이러한 빔 성분들은 청색 빔성분(b_2,b)과 함께 결합되고, 컬러 영상 정보로 변조된 완전환 빔(complete beam)(b₂)이 얻어진다. 이 빔은 프리즘(71)과 공기간의 인터페이스(80)에 임계 각도보다 작은 각도로 반사되어 투영 렌즈 시스템(20)으로 투과된다.

편광기(40)와 분석기(9)가 프리즘(71)의 한 면(8)에 적절히 제공되므로, 전술한 성분들은 3색 성분으로 동시에 작용하게 되어 각각의 컬러 성분용의 분리 시스템이 필요 없게 되며 또한 소자들(4, 9)을 위한 개별적인 캐리어도 필요하지 않게 된다.

이외에도 프리즘 소자(82)가 프리즘(71)의 면(80)상에 적절히 배치된다. 이는 프리즘 시스템의 입사면(81)또는 출사면(83)이 영상 표시 패널처럼 제1및 제2빔의 주 광선과 관련하여 동일 방위를 갖도록 한다. 투영 빔(b₁, b₂)에 관하여는, 프리즘 시스템(70)이 이중면-평행 판(double plane-parallel plate)으로서 동작하므로 결과적으로 투영 빔의 광학 수차를 간단한 방식으로 최소화할 수 있다.

제4도는 영상 투영 장치의 일실시예를 도시한 것으로, 이 실시예에서는 조사 시스템(1)으로부터 나온 광 빔이 효과적으로 사용되고 있다. 광원에 의해 생성된 빔(b₁)은 편광 방향이 서로 수직을 이루는 2개의 빔 성분(b'₁,b₁)을 갖는다. 빔(b₁)은 편광-감지 빔 분할기(90)에 입사된다. 이 빔 분할기는 2개의 투명 프리즘(91, 92)과 이들 사이에 배치된 편광-분리층(polarization-separating layer)(93)으로 형성될 수 있다. 층(93)은 편광 방향이 입사면과 평행하는 빔, 즉 p-성분으로서 알려진 빔 성분(b'₁)을 반사시키고, 편광방향이 입사면의 횡방향으로 신장하는 즉 s-성분으로서 알려진 빔 성분(b₁)을 투과한다. 입사면은 입사 빔의 주 광선에 형성되는 면이며 층(93)에 대해 수직이다.

층(93)에 의해 반사된 빔 성분(b'₁)은 반사기(95)에 의해 영상 표시 패널(10)로 보내진다. 이 성분은 각도-의존형 빔 분할기(5)의 공기층(8)을 통과하는데 그 이유는 빔의 입사각도가 임계 각도보다 작기 때문이다. 영상 정보로 변조되어 반사되어진 빔 성분(b'₂)은 공기층에서 임계 각도보다 큰 각도로 입사된 후 상기 성분(b'₂)을 편광-감지 빔 분할기(90)로 반사시키는 반사기(96)로 전반사된다. 패널(10)의 활성화된 영상 소자 즉, 편광 방향을 변경시키지 않는 소자로부터 나온 광은 층(93)에 의해 투영 렌즈 시스템으로 반사된다. 비활성화된 영상 소자로부터 나온 광은 층(93)에 의해 조사 시스템(1)으로 투과된다.

반사기(96)에 의해 빔 분할기(5)로 반사된 S-편광 빔 성분(b₁)은 영상 표시 패널(10)로 전반사되고, 영상 정보로 변조되어 반사된 후, 빔 분할기(5)를 통과한 후 최종적으로는 반사기(95)에 의해 편광-감지 빔 분할기(90)로 반사된다. 활성화된 영상 소자로부터 발생한 빔 성분들 중 일부(b₂)는 투영 렌즈 시스템으로 투과된다.

빔 분할기(90)는 빔 성분 2개(b'₁, b₁)를 형성할 뿐만 아니라 영상 표시 패널에 의해 변조된 그 성분들을 하나의 빔(b₂)으로 다시 결합시킨다. 이외에도 편광-감지 빔 분할기(90)는 빔 성분이 편광 변조를 그 성분들의 강도 변화(intensity variation)로 변환시킬 수 있다. 결론적으로, 상기 빔 분할기는 편광기의 역할도 하며 영상 표시 패널 전후에 제공될 분석기의 역할도 한다. 이 빔 분할기(90)의 다양한 기능으로 인해, 제4도의 실시예에서는 소자수의 최소화가 가능하게 된다.

제4도에 도시된 장치는 1개의 영상 표시 패널 대신에, 앞서 설명한 제2도의 관련 설명에서와 동일한 방식으로 합성 영상 표시 시스템을 사용할 수 있다. 상기 이색성 크로스(40)는 제4도에 개략적으로 도시되어 있다.

여기에서 컬러 분할은 보통 컬러-분할 프리즘 시스템으로 칭하는 것에 의해 이루어질 수 있다. 제5도는 시스템(100)이 각각 녹색, 청색 및 적색의 서브 영상을 재생하기 위한 반사 영상 표시 패널들(10, 50 및 60)과 함게 컬러 영상 투영 장치 내에 어떻게 배열될 수 있는지를 보여주고 있다. 프리즘 시스템(100)은 3개의 프리즘(101, 102 및 103), 프리즘(101, 102)들간의 인터페이스에 제공된 제1이색성층(104) 및, 프리즘들(102, 103)간의 인터페이스에 제공된 제2이색성층(105)로 형성된다.

이색성층(104)은 청색 빔 성분(b'₁,_b)을 프리즘(101)의 정면 즉 공기와 접하는 면으로 반사시키되 상기 청색 빔 성분(b'₁,_b)이 청색 표시 패널(50)로 반사되어지는 각도로 반사시킨다. 이색성층(104)에 의해 투과된 광 중 녹색 성분(b'₁,_g)은 녹색 영상 표시 패널(10)로 투과되는 통시에 적색 성분(b'₁,_r)은 프리즘의 정면으로 반사된다. 공기층(106)은 상기 프리즘의 정면과 이색성층(104) 사이에 존재한다. 부빔 성분(b'₁,_r)은 이 성분들이 적색 표시 패널(60)로 반사되어지는 각도로 유리-공기 간의 인터페이스 입사된다. 유사한 방식으로, 상기 빔(b'₁)은 프리즘 시스템(100)에 의해 상이한 컬러를 가진 성분 (b'₂,_b; b'₂,_g및 b'₂,_r)으로 분할되고 관련 표시 패널들(50, 10 및 60)에 의해 변조된 후 동일 시스템(100)에 의해 부빔(b'₂)과 재결합된다. 상기 편광-감지 빔 분할 프리즘(90)은 상기 부빔의 편광 변조를 강도 변조(intensity modulation)로 변환시킨다. 제5도에 도시되지 않은 빔(b₁)은 부빔(b'₁)과 동일한 경로를 통해 통과하지만 방향은 반대 방향으로 통과한다.

영상 투영 장치 내의 편광-감지 빔 분할기는 2배 굴절 물질의 2-결합 프리 즘으로 구성되고 상기 두 프리즘의 광 축이 서로 직각을 이루는 프리즘인 월라스톤(Wollaston)프리즘에 의해 이미 알려진 방식으로 구성 가능하다. 한편, 2배-굴절 물질로 된 글랜-톰슨(Glan-Thompson) 프리즘 또는 글랜-테일러(Glan-Taylor) 프리즘을 이용할 수도 있으며, 상기 프리즘에서는 편광 방향들, P 또는 S중 하나를 가진 한 빔 성분이 프리즘 면에서 용이하게 전부 내부 반사되며 다른 빔 성분은 내부 반사를 하기 쉽지 않다. 이상 전술한 두 프리즘들과 상기 월라스톤 프리즘은 이들 프리즘들을 위해 사용해야 하는 2배-굴절 물질 때문에 비용이 비싸다.

따라서, 영상 투영 장치용이란 것을 고려해야 하는데 제6도에 도시된 빔 분할기는 소비자를 위해 특별히 제안된 것이다. 빔 분할기(110)는 예컨대 유리로 된 2개의 투명 프리즘(111, 112)과 중간층(113)으로 형성된다. 이 중간층은 2배-굴절 물질로 구성되는데 확실한 이중 반사를 제시할 수도 있는 액정 물질이 바람직하다. 액정 물질의 정상 굴절률(n₀)은 거의 1.5 이며, 여분의(extraordinary) 굴절률(n_e)은 층(113)의 합성물에 따라 1.6 내지 1.8이다. 층(113)이 액정 물질로 구성된 경우 프리즘(111,112)에는 층(113)의 광 축이 도면의 평면에 대해 직각이 되도록 하게 하는 소위 방위 설정층(orientation layer)(114, 115)가 제공된다. 빔 분할기에 입사된 빔(b₁)은 2개의 편광 성분 즉, P-편광 성분 및 S-편광 성분을 갖는다. 프리즘의 굴절률이 층(113)의 굴절률(n_e) 예컨대 1.8과 동일한 것인가를 보장하는 측정이 이루어진다. 빔(b₁)이 임계 각도(θg)를 초과하거나 동일한 각도인 입사각도(θi)에서 층(103)에 입사되면, P-편광 빔 성분은 정상 굴절률이 이 성분에 공급되었을때 화살표(117) 방향으로 전반사 되기 쉽다. 편광 방향이 입사면의 횡방향으로 신장하는 S-편광 빔 성분 때문에, 액정 물질이 이상 굴절률이 공급 되므로, 이 성분은 빔 분할기를 통과할 때 어떠한 굴절률의 차이도 볼 수가 없다. 따라서 층(113)과 프리즘(112)을 원래 방향으로 통과하게 된다.

액정 물질의 굴절률 차(n=n_e-n_O)가 커질 수 있기 때문에 이러한 물질로 된 빔 분할기(110)는 입사 각도가 광범위한 것에 적합하다. 이외에도 프리즘 물질의 굴절률과 층(113)의 굴절률을 빔(b₁)파장의 변화에 따라 동일 방식으로 확실히 가변 시킬 수 있으므로, 상기 빔 분할기는 넓은 파장 영역에 걸쳐 높은 편광 효율을 얻을 수 있다.

제6도의 빔 분할기가 갖고 있는 가장 중요한 장점은 비용이 저렴하다는 것인데 그 이유는 2배-굴절 프리즘 물질을 사용할 필요가 없고 그 생산이 비교적 간단하기 때문이다.

프리즘을 고체화할 필요가 없으며 한편, 유리 또는 층(113)의 굴절률(n_e)과 동일한 고 굴절률을 갖는 투명 액체 또는 합성 물질이 제공되는 다른 투명체로 된 벽(walls)으로 프리즘이 구성 가능하다. 이들 벽은 어떠한 편광 소거 효과(depolarizing effects)를 증명할 수 없는 액체나 합성수지 물질의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖지 않으면 안 된다.

빔 분할기(110)는 반사 영상 표시 패널들에 의해 영상 정보와 함께 변조된 부빔(b'₁, b₂)들을 결합시키는데도 사용될 수 있다.

제7도는 각각 주 컬러인 녹색, 청색 및 적색용 3 컬러 채널들(120, 121 및 122)을 가진 컬러 영상 투영 장치의 평면도를 도시한 것이다. 각각의 3컬러 채널들은 개별의 방사원, 각도-의존형 빔 분할기 및 반사 영상 표시 패널을 구비한다. 이들 소자들(2, 5 및 10)은 녹색 채널내에 도시되어 있다. 다른 채널에도 대응 소자들이 유사한 방식으로 배열되어 있다. 영상 정보로 변조된 컬러 빔들(b_g, b_b및 b_r)은 이색성 크로스(40) 또는 컬러 조합 프리즘 시스템에 의해 단일 빔(b)으로 결합되며, 상기 단일 빔은 투영 렌즈 시스템에 의해 도시되지는 않았지만 표시 스크린 상에 투영된다.

제7도에 도시된 각 컬러 채널들(120, 121, 122)은 제4도의 것과 유사하며, 편광-감지 빔 분할기는 서로 직각을 이루는 2-편광 빔 들을 형성해서 동일 영상 표시 패널로 변조하여 재결합하므로 광이 적절하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 장치에 사용될 수 있는 직접 제어식 반사 LCD 표시 패널은 미합중국 특허 제 4, 239, 346호에 개시되어 있다.

본 발명의 개념은 표시 패널 1개만을 사용하는 컬러 영상 투영 장치에 아주 적합하다. 이 장치는 단색 패널(10)이 복합 또는 컬러 패널로 대체되는 제1도 내지 제4도의 구조일 수도 있다. 상기 컬러 패널은 예컨대, 단색 패널의 영상 소자 수의 3배가 되는 영상 소자 수를 구비한다. 컬러 패널의 영상 소자는 3그룹으로 배열되는데 이들 그룹에 의해 적색, 녹색 및 청색 서브 영상이 생성된다. 각 그룹은 영상 소자는 투영 스크린 상의 영상 소자에 항상 추가된다. 각 영상 소자는 예컨대 관련 영상 소자를 필요로 하는 컬러만을 투과하는 개별 컬러 필터에 의해 처리된다.

Claims

제1광 빔을 생산하는 광원과, 상기 제1광 빔 경로 상에 배열되고 적어도 1개의 영상 표시 패널을 가지고 투영될 영상을 생성하는 반사 영상 표시 시스템과, 영상 표시 시스템에서 발생하는 제2광 빔 경로 상에 배열되어 상기 영상 표시 시스템에 의해 생성된 영상을 투영 스크린 상에 투영시키는 투영 렌즈 시스템을 구비하는 영상 투영 장치에 있어서, 상기 광원과 영상 표시 시스템간에 또한 상기 영상 표시 시스템과 투영 렌즈 시스템간에 제1매체로부터 제2매체로의 빔-분할 전이부가 제공되며, 이들 매체는 서로 다른 굴절률을 가지며, 상기 빔-분할 전이부는 제1및 제2광 빔 중 한 빔은 전부 반사 시키는 반면 다른 한 빔은 투과시키도록 배열되는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
제1항에 있어서, 상기 빔-분할 전이부는 공기와 투명 물질간의 인터페이스로 구성되는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
제2항에 있어서, 상기 빔-분할 전이부는 프리즘의 두 마주보는 면 사이에서 공기층을 갖는 두개의 투명 프리즘으로 구성된 프리즘 시스템에 포함되는 것을 특징으로 하는 영상 투영장치.
제1항 내지 3항중 어느 한 항에 있어서, 상기 영상 표시 시스템이 영상 정보에 따라서 상기 제2광 빔의 편광 방향을 변조시키며, 상기 광원에서 빔-분할 전이부까지의 방사 경로와, 또한 상기 전이부에서 투영 렌즈 시스템까지의 방사 경로에 편광-감지 빔 분할기가 제공되어 상기 광원에서 발생한 빔을 영상 표시 시스템으로 모두 입사되는 서로 수직으로 편광되는 두개의 서브 빔으로 분할하고 이 서브 빔들을 영상 정보에 따라 변조시킨후 재결합시키는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 영상 표시 시스템은 영상 소자가 그룹으로 분할되는 복합 영상 표시 패널과 컬러-선택 소자를 구비하는 컬러 영상 표시 시스템이며, 상기 영상 소자 그룹 각각은 영상 소자의 관련 그룹에 속해 있는 컬러-선택 소자들의 색에 대응하는 주어진 색의 서브 영상을 생성시키는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
제5항에 있어서, 상기 컬러-선택 소자들은 다수의 컬러-선택 빔 분할기로 구성되어 광 빔을 서로 다른 색의 세 가지 단색 서브 빔으로 분할하고 단색 영상 정보로 변조된 상기 서브 빔들을 더하여 하나의 단색 영상 정보-변조된 광 빔으로 생성하며, 각 서브 빔 경로에는 개별 영상 표시 패널이 제공되어 상기 패널의 집합 영상 소자들이 상기 영상 소자 그룹 중 한 그룹을 구성하는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
제6항에 있어서, 상기 컬러 영상 표시 시스템은 영상 소자들이 그룹으로 배열되는 하나의 영상 표시 패널을 포함하며, 각 그룹은 소정의 컬러로 된 서브 영상을 생성하며, 각 영상 소자에는 컬러 필터가 제공되어 관련 영상 소자들이 속해 있는 해당 그룹에 의해 생성될 서브 영상의 컬러에 대응하는 컬러의 광만을 투과하는 것을 특징으로 하는 영상 투영 장치.
제1항 내지 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원은 해당 수의 단색 광 빔을 방사하는 다수의 단색 광원들로 구성되며, 상기 광원들은 개별 컬러 채널들의 일부를 형성하며 상기 채널들 각각에는 단색 반사 영상 표시 패널과 빔-분할 전이부가 배열되어 있으며, 상기 투영 렌즈 시스템은, 단색 영상 정보-변조된 광 빔들을 결합하여 하나의 컬러 영상 정보-변조된 광 빔을 생성하는 컬러-선택 소자 시스템보다 앞에 배치되는 것을 특징으로 하고 컬러 영상을 투영하기 위한 영상 투영 장치.