KR0174852B1 - 패널식 액정 전면 투영기용 광편향프리즘을 이용한 개선 광학계 - Google Patents

패널식 액정 전면 투영기용 광편향프리즘을 이용한 개선 광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액정투영기 또는 액정 모니터 등에 이용되는 광편향 소자에 관한 것으로, 특히, 고화질 디스플레이를 위한 액정의 광량을 증가시키기 위해 편광 빔 분리 및 합성프리즘과 TN액정 또는 1/2, 1/4파장판을 사용하여 광원의 효율을 2배로 증가시키고, 광의 강도를 균일하게 하여 광의 효율을 증가시킨 광편형소자로서, 같은 광원을 사용하여 효율을 2배로 증가시켰으며, 기존 광학계보다 절반 크기의 반사거울과 콘덴서렌즈를 사용하므로써, 설계가 용이하며 합성된 광의 강도를 균일하게 하여 효율을 증가시켜 편광 빔을 이용하는 액정투영기 또는 액정 모니터 등에 이용할 수 있어 매우 유용한 것이다.

Description

패널식 액정 전면 투영기용 광편향프리즘을 이용한 개선 광학계
제1도는 종래의 일반적인 액정 패널의 구성 분해 사시도.
제2도는 종래의 일반적인 색합성 미러 방식의 액정 투영기용 광학계 구성도.
제3도는 종래의 일반적인 색합성 프리즘 방식의 액정 투영기용 광학계 구성도.
제4도는 종래 프리즘을 사용한 광편향 소자(JP Patent 63-182987) 구성도.
제5도는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 빔 분리 및 합성프리즘에 TN액정 또는 1/2파장판을 사용한 경우의 광 계통도.
제6도는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 빔 분리 및 합성프리즘에 1/4파장판을 사용한 경우의 광 계통도.
제7도는 본 발명의 일 실시예에 따른 패널식 액정 전면 투영기용 광편향 프리즘을 이용한 개선 광학계 구성도이다.
본 발명은 액정투영기(LCD Projector) 또는 액정모니터 등에 이용되는 광편향 소자에 관한 것으로 특히, 고화질 디스플레이를 위한 액정의 광량을 증가시키기 위해 편광 빔 분리 및 합성프리즘과 티엔(TN : Twisted Nematic 이하 TN이라 칭한다.)액정 또는 1/2, 1/4파장판을 사용하여 광원의 효율을 2배고 증가시키고, 광의 강도를 균일하게 하여 광의 효율을 증가시킨 광편향소자로서 편광 빔을 이용하는 액정투영기 또는 액정 모니터 등에 이용할 수 있어 매우 유용한 것이다.
공지된 바와 같이 액정은 액체의 유동성과 결정의 광학적 성질을 겸비한 액체와 고체의 중간적 성질을 갖는 물질로서, 이러한 액정에 전계 또는 열을 가하면 그 광학적 이방성을 변화시킬 수 있다.
일반적으로 액정이라 불리며 광학적인 이방성을 나타내는 것에는 네마틱(Nematic), 콜레스테릭(Cholesteric), 그리고 스메틱(Smectic)의 세가지 종류가 있는데, 현재 표시장치로서 실용화 되고 있는 것은 네마틱 액정과 콜레스테릭 액정이다.
또한, 액정은 온도 변화에 의해서도 그 광학적 이방성을 변화시킬 수 있지만, 대부분의 경우 전계를 가함으로써, 분자배열을 바꾸어 그 광학적 성질을 변화시킬 수 있는데, 전계를 가하는 대표적인 방법에는 대별하여 디에스엠(DSM : Dynamic Scattering Mode)를 이용하는 것과 에프이엠(FEM : Field Effect Mode)를 이용하는 방법이 있다.
상기와 같은 액정에 의한 표시방법은 소비전력이 적고, 재료가 싸며 크기나 형태를 임의로 정할 수 있고, 밝은 곳일수록 잘보이며 칼라표시가 가능하다는 등의 강점을 가지고 실용화 되고 있다.
일반적인 액정의 액정판넬의 구조는 제1도와 같이 도시할 수 있는바, 편광방향이 나란하지 않은 광은 차단하고, 편광방향이 나란한 광은 액정에 조사(照射)하도록 된 편광자(1)와, 상기 편광자(1)에서 투과된 광이 조사되 액정(2)과, 상기 액정에서 조사된 광이 액정에서 영상제어신호와 함께 상이 형성되도록 하는 검광자(3)로 구성된다.
종래의 색합성 액정 투영기용 광학계는 크게 2가지가 있는데, 색합성 미러방식의 액정 투영기용 광학계는 제2도와 같이 도시되고, 색합성 프리즘 방식의 액정 투영기용 광학계는 제3도와 같이 도시된다.
즉, 제2도와 같이 도시되는 색합성 미러 방식의 액정 투영기용 광학계는 광원(11)과, 반사거울(12)과, 콘덴서렌즈(13)와 청색분리필터(14-B)와, 녹색분리필터(14-G)와, 청색용미러(15-B)와, 적색용미러(15-R)와, 청색용액정패널(16-B)와, 녹색용액정패널(16-G)와, 적색용액정패널(16-R)와, 청/녹색합성미러(17-BG)와, 청/녹/적색합성미러(17-BGR)와, 투사렌즈계(20)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 종래의 색합성 미러방식의 액정 투영기용 광학계는 광원(11)에서 방사되는 백색광을 반사거울(12)과 콘덴서렌즈(13)에서 시준시키고, 이 광은 청색분리필터(14-B)에서 청색은 반사하고 녹색과 적색은 투과한다.
이때, 반사된 청색은 청색용미러(15-B)에서 반사된 후 청색용액정패널(16-B)에 입사되고, 상기 청색광과 동일한 방법으로 각각의 액정패널 즉, 녹색용액정패널(16-G)와, 적색용액정패널(16-R)에서 상이 형성된 후 청색과 녹색은 청/녹색합성미러(17-BG)에 의해 색이 합성되고, 적색은 청/녹/적색합성미러(17-BGR)에 의해 청/녹색과 합성된 후 투사렌즈계(20)로 투사된다.
한편, 제3도와 같이 도시되는 색합성 프리즘 방식의 액정 투영기용 광학계는 광원(11)과, 반사거울(12)과, 콘덴서렌즈(13)와, 청색분리필터(14-B)와, 녹색분리필터(14-G)와, 청색용미러(15-B)와, 제1적색용미러(15-R-1)와, 제2적색용미러(15-R-2)와, 청색용액정패널(16-B)와, 녹색용액정패널(16-G)와, 적색용액정패널(16-R)와, 청/녹/적색합성프리즘(18)과, 투사렌즈계(20)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 종래의 색합성 프리즘 방식의 액정 투영기용 광학계는 제2도와 같이 구성된 종래의 색합성 미러 방식의 액정 투영기용 광학계와 동일한 방식에 의해 동작하므로 그 동작 설명은 생략한다.
상술한 바와 같은 종래의 액정투영기의 문제점은 각각의 액정패널에 편광판을 사용하므로 광원에 대한 광의 효율이 50% 이하로 낮다는 것이다.
그래서, 이를 해결하기 위해 프리즘을 사용한 광편향 소자는 이미 공지되어 있는 바(JP Patent 63-182987), 제4도와 같이 도시되며 그 구성설명은 생략한다.
상기와 같이 공지된 프리즘을 사용한 광편향 소자는 백색광이 적색편광프리즘에 입사하여 적색의 S파(Rs1)는 반사하고, 나머지 광(적색의 P파(Rp)+녹색, 청색)은 투과된 후 TN액정에서 편광방향이 90℃ 회전되어 적색의 P파(Rp)는 적색의 S파(Rs2)로 변환된 후 적색 편광프리즘에 의해 반사된 후 적색 액정패널에 입사된다.
또한, 나머지 광(녹색, 청색)도 상기와 같이 동작하여 각각의 액정패널에 입사되고, 제4도와 같은 광편향소자는 광의 S파와 P파를 모두 이용할 수 있으나, 아래와 같은 문제점이 발생하였다.
첫째, 녹색은 적색 편광프리즘과 TN액정을, 청색은 적색과 녹색의 편광프리즘 및 TN액정을 투과하므로 프리즘과 TN액정 투과시 광의 손실이 있고, 둘째, 액정패널에 직접 조사되는 광(Rs1, Gs1, Bs1)과 편향되어 조사되는 광(Rs2, Gs2, Bs2) 각각의 강도가 달라 화면의 밝기가 일정하지 않으므로 화질에 악영향을 준다.
본 발명의 광학계는 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 광의 편광을 분리하는 편광프리즘과 편광방향을 90℃로 회전시키는 TN액정이나 1/2 또는 1/4파장판을 사용함으로써, 손실되는 광을 이용하여 광원에 대한 광의 효율을 증가시켰으며, 빔분할프리즘(50 : 50)을 사용하여 액정패널에 직접 조사되는 광과 편향되어 조사되는 광의 강도를 균일하게 하여 광의 효율을 증가시켰다.
이하 도면을 이용하여 상세히 설명하면, 본 발명 편광 빔 분리 및 합성 프리즘에 TN액정 또는 1/2파장판을 사용한 광편향프리즘의 광 계통도는 제5도와 같이 도시할 수 있는 바, 편광 빔 분리 코팅이 되어 있는 편광분리 프리즘(32)과, 삼각프리즘(31)과 TN액정 또는 1/2파장판(33)이 일체로 광편향프리즘(30)을 구성하여 광원에서 나온 무편광빔은 반사거울에서 평행으로 시준되어 (A)면으로 입사한다.
이때, 빛을 횡파와 종파를 분리하도록 편광분리코팅이 되어 있는 입사면인(B)에서 (B)에 나란한 횡파는 반사하며 입사면에 수직한 종파는 투과되고, 투과된 종파(P1)는 빔을 50 : 50으로 분할하도록 코팅이 되어 있는 (E)면에서 50%는 투과되어((1/2)P1)(G)면에서 색분리 필터(도시하지 않음)로 조사되고, 50%는 반사되어((1/2)P1)(F)면에서 반사되어 (H)면에서 색분리 필터로 조사된다.
한편, (B)면에서 반사된 횡파는(S2)는 (C)면과 (D)면에서 반사되어 편광 방향을 90°로 회전시키는 TN액정에 입사되고, 상기 TN액정을 통해 횡파에서 종파로 변환된 광(P2)은 빔을 50 : 50으로 분할하도록 코팅이 되어 있는 (E)면에서 반사된 광 50%((1/2)P1)는 (G)면에서 색분리 필터로 조사되고, 투과된 광 50%((1/2)P1)는 (F)면에서 반사되어 (H)면에서 색분리 필터로 조사되어 면(G)와 면(H)를 통과하는 광의 강도는((1/2)P1 + (1/2)P2)가 된다.
또한, 본 발명 편광 빔 분리 및 합성프리즘에 1/4파장판을 사용한 경우의 광 계통도는 제6도와 같이 도시할 수 있는 바, 편광 빔 분리 코팅이 되어 있는 편광분리프리즘(32)과, 삼각프리즘(31)이 일체로 광편향프리즘(30)을 구성하여 광원에서 전송되는 무편광 빔은 반사거울에서 평행으로 시준되어 (A)면으로 입사한다.
이때, 빛을 횡파와 종파로 분리하도록 평광분리코팅이 되어 있는 입사면인 (B)면에서 (B)면에 나란한 횡파는 반사하고, 입사면에 수직한 종파는 투과되며, 투과된 종파는 빔을 50 : 50으로 분할하도록 코팅이 되어 있는 (E)면에서 50%는 투과되어((1/2)P1)(G)면에서 색분리 필터(도시하지 않음)로 조사되고, 50%는 반사되어((1/2)P1)(F)면에서 색분리 필터로 조사된다.
또한, (B)면에서 반사된 횡파(선편광)는 편광방향을 45°회전시켜 원편광을 만드는 1/4파장판(1)에 입사하여 원편광이 되며, (C)면과 (D)면에서 반사된 후 1/4파장판(2)에 입사되어 종파(선편광)가 된다.
이 광은 빔을 50 : 50으로 분할하도록 코팅이 되어 있는 (E)면에서 반사된 광 50%((1/2)P1)는 (G)면에서 색분리 필터로 조사되고, 투과된 광 50%((1/2)P1)는 (F)면에서 반사되어 (H)면에서 색분리 필터로 조사된다.
결국 면(G)과 면(H)를 통과하는 광의 강도는 ((1/2)P1 + (1/2)P2)가 되어 액정에 투과되는 합성된 광의 강도를 균일하게 하였으며, 편광자 및 검광자에 의하여 일반광학계에서 사용하지 못하는 편광빔을 100%사용하여 그 효율을 증가시켰다.
상기와 같은 편광 빔 분리 및 합성프리즘에 TN액정 또는 1/2파장판을 사용한 경우를 이용한 일 실시예인 패널식 액정 전면 투영기용 광편향 프리즘을 이용한 패널식 액정 전면 투영기용 광편향 프리즘 광학계는 제7도와 같이 도시할 수 있는 바, 광원(11)과, 반사거울(12)과, 콘덴서렌즈(13)와, 광편향프리즘(30)과, 청색분리필터(14-B)와, 녹색분리필터(14-G)와, 청색용미러(15-B)와, 적색용미러(15-R)와, 청색용액정패널(16-B)와, 녹색용액정패널(16-G)와, 적색용액정패널(16-R)와, 청/녹색합성미러(17-BG)와, 청/녹/적색합성미러(17-BGR)와, 투사렌즈계(20)로 구성된다.
상기와 같이 구성된 본 발명 패널식 액정 전면 투영기용 광편향 프리즘을 이용한 개선 광학계는 광원(11)에서 전송된 백색광을 반사거울(12)과 제5도와 같이 구성된 프리즘을 이용한 광편향프리즘(30)을 통과한 광((1/2)P1 + (1/2)P2)이 시준되는데, 이때 반사거울(12)는 그 크기를 액정크기의 1/2크기로 형성하고, 콘덴서렌즈(13)는 그 크기를 액정크기의 1/2 크기로 형성하며, 상기 광편향프리즘(30)을 통과한 광이 선편광이 되도록 하여, 액정패널의 구성 요소인 편광자를 사용하지 않도록 함을 특징으로 한다.
이후의 동작설명은 제2도의 동작설명과 동일하므로 생략한다.
상술한 바와 같은 특징을 이용하면 액정투영기 외에도 액정모니터를 비롯한 광학계의 광효율을 높이고자 하는 곳에 사용가능하므로 매우 유용하다.
즉, 종래의 기술은 광원에 대한 광의 이용 효율이 50% 미만이므로 상을 밝게 하는데 어려움이 있어서, 이를 해결하기 위한 광의 효율을 높이기 위해 프리즘을 사용하는 특허(JP Patent 63-182987)가 나와 있으나, 이는 편광 분리면에서 반사된 광과 투과되어 액정 및 프리즘을 통과한 후의 광은 강도에 차이가 있어서 화질에 악영향을 미치며 녹색은 적색편광프리즘을, 청색은 적색편광프리즘과 녹색편광프리즘을 통과하므로 광효율이 낮고, 시스템에 적용할 경우 많은 색분리 및 합성필터를 필요로 한다.
따라서, 편광자의 편광방향과 나란한 광은 투과하고, 나란하지 않은 광은 반사시키는 편광분리 및 합성프리즘과 TN액정이나 1/2파장판, 1/4파장판 그리고 50 : 50 빔분할기를 사용함으로써, 같은 광원을 사용하여 효율을 2배로 증가시켰으며, 기존 광학계보다 절반 크기의 반사거울과 콘덴서렌즈를 사용하므로써, 설계가 용이하며 합성된 광의 강도를 균일하게 효율을 증가시켰다.

Claims (4)

  1. 광원(11)과, 반사거울(12)과, 콘덴서렌즈(13)와, 청색분리필터(14-B)와, 녹색분리필터(14-G)와, 청색용미러(15-B)와, 적색용미러(15-R)와, 청색용액정패널(16-R)와, 청/녹색합성미러(17-BG)와, 청/녹/적색합성미러(17-BGR)와, 투사렌즈계로 이루어진 광학계에 있어서, 상기 광원에서 나온 무편광 빔이 반사거울에서 평행으로 시준되어 입사되는 (A)면과, (A)면에 입사된 빛을 횡파와 종파를 분리하도록 편광분리코팅이 되어 있는 입사면인 (B)면과, (B)면에 나란한 횡파는 반사하고, 입사면에 수직한 종파가 투과되면 투과된 종파가 50 : 50으로 분할하도록 코팅이 되어 있는 (E)면과, (E)면에서 50%가 반사되어((1/2)P1)색분리 필터로 조사되도록 하는 (G)면과, (E)면에서 투과된 50%((1/2)P1)가 반사되는 (F)면과, (F)면에서 반사된 광이 색분리 필터로 조사되도록 하는 (H)면과, (B)면에서 반사된 횡파(S2)가 반사되는 (C)면과, (C)면에서 반사된 횡파가 (S2)가 반사되는 (D)면과, (D)면에서 반사되어 편광방향을 90°회전시키는 TN액정(33)과, TN(33)을 통해 횡파에서 종파로 변환된 광(P2)을 50 : 50으로 분할하도록 코팅이 되어 있는 (E)면과, (E)면에서 50%가 반사되어((1/2)P1) 색분리 필터로 조사되도록 하는 (G)면과, (E)면에서 투과된 50%((1/2)P1)가 반사되는 (F)면과, (F)면에서 반사된 광이 색분리 필터로 조사되도록 하는 (H)면이 형성되도록 하여 상기 (E)면에서 반사된 광 50%((1/2)P1)는 (G)면에서 색분리 필터로 조사되고, 투과된 광 50%((1/2)P1)는 (F)면에서 반사되어 (H)면에서 색분리 필터로 조사되고, (G)면과 (H)면을 통과하는 광의 강도를 ((1/2)P1 + (1/2)P2)가 되도록 편광 빔 분리 코팅이 되어 있는 편광분리프리즘(32)과, 삼각프리즘(31)과 TN액정 또는 1/2파장판(33)을 일체로 구성하여 편광을 사용하는 광학계의 광효율을 증대시켜 주는 광편향프리즘(30)을 포함하는 것을 특징으로 하는 패널식 액정 전면 투영기용 광편향프리즘을 이용한 광학계.
  2. 제1항에 있어서, 상기 빔분할기(50 : 50)는 광의 강도를 균일하게 하도록 함을 특징으로 하는 패널식 액정 전면 투영기용 광편향프리즘을 이용한 광학계.
  3. 제1항에 있어서, 상기 TN액정 또는 1/2파장판(33)은 횡직선 편광을 종직선 편광으로 변환할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 패널식 액정 전면 투영기용 광편향프리즘을 이용한 광학계.
  4. 제1항에 있어서, 상기 TN액정 또는 1/2파장판(33) 대신에 횡직선 편광을 원편광으로 변환하고 다시 원편광을 종직선 편광으로 변환시키는 1/4파장판을 사용할 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 패널식 액정 전면 투영기용 광편향프리즘을 이용한 광학계.
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