KR100262826B1 - 액정프로젝터의편광변환장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액정 프로젝터의 광학계에 관한 것으로서, 특히 비편광된 빛을 빛의 손실없이 하나의 선편광된 빛으로 전환하여 광효율을 2배이상 향상시킬 수 있도록 한 액정 프로젝터의 편광 변환 장치에 관한 것이다.

상기 본 발명은, 광원과, 상기 광원을 제 1 초점으로 하고 광원으로부터 반사되는 빛을 제 2 초점면으로 집광시키는 타원 반사경과, 제 2 초점면에서 퍼지는 빛을 평행광으로 출력시키는 칼리메이팅 렌즈와, 상기 칼리메이팅 렌즈의 전방에 위치되어 P파는 투과시키고 S파는 일측 방향으로 반사시키는 편광 분리기(PBS)와, 상기 편광 분리기에서 반사된 S파를 다시 편광 분리기를 통해 후방측으로 되반사시키는 반사 거울과, 상기 타원 반사경의 전방인 제 2 초점면에 위치되어 상기 반사 거울에서 반사된 S파를 상기 편광 분리기측으로 반사시키고 중앙부에 스톱(STOP)이 형성된 전반사 거울과, 상기 전반사 거울과 소정의 간격을 두고 전방에 위치되어 상기 전반사 거울에서 반사된 빛을 P파로 변환시켜 상기 편광 분리기로 출력시키는 λ/4 플레이트로 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

액정 프로젝터의 편광 변환 장치

본 발명은 액정 프로젝터의 광학계에 관한 것으로서, 특히 비편광된 빛을 빔 폭 및 빔 각의 변화없이 하나의 선편광된 빛으로 전환하여 광효율을 2배이상 향상시킬 수 있도록 한 액정 프로젝터의 편광 변환 장치에 관한 것이다.

일반적으로 액정 프로젝터는 도 1에 도시된 바와 같이 화상을 형성하는 LCD 패널(10)과, 상기 LCD 패널(10)의 후방에 위치된 광원(11)과, 상기 광원(11)의 빛이 상기 LCD 패널(10)을 투과하도록 빛을 반사하는 오목형의 반사 거울(12)과, 상기 LCD 패널(10)을 투과한 빛의 배율을 조정하여 화상을 스크린(20)에 투영하는 줌 렌즈(13)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 액정 프로젝터는 LCD 패널(10)을 투과한 빛이 상기 줌 렌즈(13)를 통과하여 투사되도록 함으로써 스크린(20)에 화상이 투영되게 한다.

즉, 광원(11)에서 발생된 빛은 상기 반사 거울(12)에 의해 반사되어 화상이 형성된 상기 LCD 패널(10)을 투과하게 된다. 이때, 상기 반사 거울(12)에 의해 반사되는 광선은 직선광으로서 LCD 패널(10)의 전면을 투과하게 된다. LCD 패널(10)을 투과한 빛은 상기 줌 렌즈(13)를 통과하면서 적당한 배율로 조정된 후 스크린(20)을 향해 투사된다. 따라서, 상기 스크린(20)에는 상기 LCD 패널(10)과 동일한 화상이 투영된다.

여기서, 상기와 같은 액정 프로젝터에 사용되는 LCD 패널(10)은 선편광된 빛이 입사되어 영상 정보에 따라 편광 회전이 달라져 출력되고, 이 빛이 선편광 필터에 의하여 투과되는 빛의 양을 달리함으로써 영상 화면을 출력하게 된다.

따라서, 상기한 액정 프로젝터는 임의 편광을 갖는 빛을 하나의 선편광을 갖는 빛으로 만들어 주어야 하는데, 일반적으로 편광판을 사용하고, 이 편광판은 다른 성분의 빛을 흡수하므로써 편광 빛을 만드는 방법으로 동작되지만, 이때에 60%의 빛손실이 발생하게 된다.

한편, 상기와 같은 액정 프로젝터는 작은 화면을 대화면으로 확대 투사하는 것이기 때문에 대화면의 영상을 밝게 보기 위해서는 광학계의 광효율을 높여 주는 것이 주요 기술 과제가 되고 있다.

이와 같은 문제를 해결하는 광학적 수단의 하나가 편광 변환 장치의 도입이다. 상기 편광 변환 소자의 기본적 구성은 편광 변환기(PBS-Polarizing Beam Splitter), 선편광 90도 변환 소자(λ/2 플레이트의 위상차 판) 및 빛의 방향 변환 소자이다.

여기서, 상기 편광 변환기(이하 'PBS'로 함)는 비편광 빛을 P파 즉, 전기장의 방향이 빛 입사면에 나란한 성분의 빛과 S파로 공간적으로 분리하는 역할을 하게 되고, 상기 선편광 90도 변환 소자는 S파는 P파로 변환시키고, P파는 S파로 변환시키는 역할을 하게 되며, 상기 방향 변환 소자는 빛의 방향을 바꾸어 공간 분리된 빛을 동일 방향으로 합성할 수 있는 역할을 하게 된다.

이와 같은 상기한 편광 변환 장치는 미국 특허 제 5,283,600호에 공지되어 있다.

상기 미국 특허에서 제시된 동작을 도 2 및 도 3을 참고하여 설명하면, 광원(11)으로부터 비편광 빛이 PBS(30)에 입사되어 P파는 투과되고 S파는 반사되어 두 개의 편광 성분으로 공간 분리되어 P파는 목표하는 영상 소자, 즉 LCD 패널로 입사되고, S파는 방향 전환 미러(35)에 의해 목표 영상 소자로 향하는 데, 그 중간 경로에 위치한 λ/2(반파장) 플레이트(40)에 의해 P파로 변환됨으로써 영상 소자에 입사되는 빛은 모두 P파가 된다.

도 2 및 도 3에서 미설명부호 45, 45'는 폴러라이저(Polarizer)이고, 47'은 애낼라이저(Analyzer)이다.

그러나, 이러한 구성은 목표물의 광축을 기준으로 서로 각을 가지고 입사될 수밖에 없는데, 상기 PBS(30)로부터 LCD 패널(10)면까지의 거리와 PBS(30)크기에 의한 각도를 갖으며, 상기 PBS(30)와 LCD 패널(10)까지의 거리가 가까운 경우 각도가 커져 이로 인한 투사 렌즈(13) 등의 광학계에서 빛손실이 발생되거나 또는 각도를 줄이기 위해서는 LCD 패널(10)까지의 거리가 커져야 한다.

또한, 상기한 미국 특허의 특징은 도 3에 도시된 바와 같은 복수개의 PBS(30') 및 방향 전환 미러(35')와 λ/2 플레이트(40')를 사용하여 하나의 선편광 빛을 평행성을 유지하며 출력할 수 있도록 하였고, 편광 변환 장치에 입사된 광이 PBS(30)가 배열된 방향으로 퍼지는 동작 특성을 갖는 것이라 할 수 있다. 따라서, 수직 대비 수평 폭의 비가 큰 와이드 화면에 대하여는 효과적으로 광효율 향상을 구현할 수 있다.

이와 같은 미국 특허의 경우에 있어서, 광축을 중심으로 수평으로 대칭적 구성을 가지며, 이 중심 축에 대하여 좌우 방향으로 입사되는 빛은 한 편광성분의 빛은 그대로 PBS(30')에서 투과되고, 다른 편광성분의 빛은 반사되어 방향 전환 미러(35') 및 λ/2 플레이트(40')를 통해 빛 폭 만큼 편광 변화되어 출력되기 때문에 수직 및 수평의 빔 폭이 달라질 수밖에 없다.

또한, 상기한 종래의 편광 변환 장치는 LCD 패널 등 목표 지점에서의 수직 및 수평의 빔 폭을 유사하게 하기 위해서는 편광 변환 장치의 수평 방향에서 입사되는 빛의 빔 폭을 커팅하여야 하는데, 이는 광 손실을 수반하게 되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 반사 거울, 전반사거울, λ/4 플레이트를 이용하여 임의의 편광을 갖는 빛을 빔 폭 및 빔 각의 변화없이 하나의 선편광으로 변환시킴으로써 간단한 구조로 광손실을 줄이면서 광효율을 향상시킬 수 있도록 하는 액정 프로젝터의 편광 변환 장치를 제공하는데 있다.

도 1은 일반적인 액정 프로젝터의 개략적인 구성도,

도 2 및 도 3은 종래의 액정 프로젝터의 편광 변환 장치가 도시된 도면들,

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 액정 프로젝터의 편광 변환 장치가 도시된 도면들이다.

〈도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명〉

50 : 광원 55 : 타원 반사경

60 : 전반사 거울 60a : 스톱

65 : λ/4 플레이트 70 : 칼리메이팅 렌즈

75, 75' : 편광 분리기 80, 80' : 반사 거울

85 : 집광 렌즈 90 : LCD 패널

95 : 투사 렌즈

상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명의 액정 프로젝터의 편광 변환 장치는, 광원과, 상기 광원을 제1초점으로 하고 광원으로부터 반사되는 빛을 제2초점면으로 집광시키는 반사경과; 제2초점면에서 퍼지는 빛을 평행광으로 출력시키는 칼리메이팅 렌즈와; 상기 칼리메이팅 렌즈의 전방에 위치되는 P파는 투과시키고 S파는 일측 방향으로 반사시키는 편광 분리기와; 상기 편광 분리기에서 반사된 S파를 다시 편광 분리기를 통해 후방측으로 되반사시키는 반사 거울과; 중앙부에 스톱(STOP)이 형성되어 상기 제2초점면에 위치되고 상기 반사 거울에서 반사된 S파를 상기 편광 분리기측으로 반사시키는 전반사 거울과; 상기 전반사 거울의 전방에 위치되어 상기 전반사 거울에서 반사된 빛을 P파로 변환시켜 상기 편광 분리기로 출력시키는 λ/4 플레이트로 구성된 것을 특징으로 하여 가능하게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 액정 프로젝터의 편광 변환 장치는 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 백색의 빛을 방사하는 광원(50)과, 상기 광원(50)을 제 1 초점(P1)으로하고 광원(50)으로부터 반사되는 빛을 제 2 초점면(P2)으로 집광시키는 타원 반사경(55)과, 제 2 초점면(55)에서 퍼지는 빛을 평행광으로 출력시키는 칼리메이팅(Collimating) 렌즈(70)와, 상기 칼리메이팅 렌즈(70)의 전방에 위치되어 P파는 투과시키고 S파는 일측 방향으로 반사시키는 편광 분리기(PBS)(75)와, 상기 편광 분리기(75)에서 반사된 S파를 다시 편광 분리기(75)를 통해 후방측으로 되반사시키는 반사 거울(80)과, 상기 타원 반사경(55)의 전방인 제 2 초점면(P2)에 위치되어 상기 반사 거울(80)에서 반사된 S파를 상기 편광 분리기(75)측으로 반사시키고 중앙부에 스톱(STOP)(60a)이 형성된 전반사 거울(60)과, 상기 전반사 거울(60)과 소정의 간격을 두고 전방에 위치되어 상기 전반사 거울(60)에서 반사된 빛을 P파로 변환시켜 상기 편광 분리기(75)로 출력시키는 γ/4 플레이트(65)로 구성되어 있다.

여기서, 도 4에 도시된 바와 같이 상기 편광 분리기(75)가 하나만 구비되면 반사 거울(80)도 일측면에 하나가 구비되거나, 도 5에 도시된 바와 같이 편광 분리기(75')가 수평 방향의 빛을 이분토록 2개가 상호 접합되어 있으면, 상기 반사 거울(80')도 상기 편광 분리기(75')의 양측에 2개가 설치될 수 있다.

그리고, 상기 반사 거울(80,80')은 상기 전반사 거울(60)로 되반사되는 빛이 스톱(60a)으로부터 최소화되는 위치에 포커싱되도록 상기 편광 분리기(75,75')의 측면에서 일정 각도 경사지게 위치되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 λ/4 플레이트(65)는 그 중앙부에 제 2 초점면(P2)의 빛이 통과되도록 스톱형의 홀(65a)이 형성되어 있다.

한편, 상기 편광 분리기(75,75')를 통과한 P파는 집광 렌즈(85) 통해 LCD 패널(90)에 투과된 후 투사 렌즈(95)에 입사되면서 확대되어 영상 정보를 스크린에 투영하게 되어 있다.

상기와 같이 구성되는 본 발명에 따른 액정 프로젝터의 편광 변환 장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.

타원 반사경(55)의 제 1 초점면(P1)에 위치한 광원(50)으로부터 방사되는 빛은 타원 반사경(55)에 의해 제 2 초점면(P2)에 집광되고, 이렇게 집광된 빛은 전반사 거울(60) 및λ/4 플레이트(65)의 스톱(60a) 및 홀(65a)을 통과하여 칼리메이팅 렌즈(70)에 의하여 평행광으로 출력되면서 편광 분리기(75)에 입사된다.

이와 같이 상기 편광 분리기(75)에 입사된 빛 중 P파는 투과되어 LCD 패널(90)로 향하게 되고, S파는 반사되어 반사 거울(80)에 의해 입사된 각과 일정 정도 다른 각으로 반사되어 다시 편광 분리기(75)내로 되반사된 후, 후방측의 칼리메이팅 렌즈(70)에 의하여 제 2 초점면(P2)에 위치한 λ/4 플레이트(65)를 통과하여 전반사 거울(60)에 입사된다.

이때, 상기 칼리메이팅 렌즈(70)를 통과한 선편광은 λ/4 플레이트(65)에 통과하며 원편광으로 변환되면서 전반사 거울(60)에 입사된다.

이렇게 상기 전반사 거울(60)에 입사된 원편광은 다시 반사되어 수직한 다른 원편광의 빛으로 변화되어 전방의λ/4 플레이트(65)를 통과하면서 P파의 빛으로 변환된다. 이 빛은 칼리메이팅 렌즈(70)에 의하여 처음 입사된 평행광과는 다른 각을 갖는 평행광이 되어 평광 분리기(75)에 투과된 후, LCD 패널(90)에 입사되게 된다.

따라서, 광원(50)에서 임의의 편광으로 편광 분리기(75)에 입사된 빛은 모두 P파로 변환되어 하나의 선편광의 빛으로 출력되어 빛의 손실이 없기 때문에 2배이상의 광효율을 가질 수 있게 된다.

또한, 도 5에 도시된 바와 같이 복수개의 편광 분리기(75')를 상호 접합하여 구성한 경우, 수평 방향의 빔 폭을 2분하여 동작하는 차이가 있고, 수직의 광축면에 대칭적으로 작용하면서 편광 분리기(75')의 두께를 반으로 줄일 수 있는 동시에 좌우 대칭적 빔 각을 갖기 때문에 화질의 대칭에 따른 특성을 강화할 수 있게 된다.

상기와 같이 구성되고 작용하는 본 발명에 의한 액정 프로젝터의 편광 변환장치는 하나의 선편광을 광 손실 없이 출력할 수 있도록 구성되어 있기 때문에 광효율 및 색 재현성을 더욱 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 본 발명의 액정 프로젝터의 편광 변환 장치는 반사 거울, 전반사거울, λ/4 플레이트를 구비하여 장치의 구성을 간단히 하면서도 빔 폭 및 빔 각은 줄여 광학 효율을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (4)

1. 광원과, 상기 광원을 제1초점으로 하고 광원으로부터 반사되는 빛을 제2초점면으로 집광시키는 반사경과; 제2초점면에서 퍼지는 빛을 평행광으로 출력시키는 칼리메이팅 렌즈와; 상기 칼리메이팅 렌즈의 전방에 위치되어 P파는 투과시키고 S파는 일측 방향으로 반사시키는 편광 분리기와; 상기 편광 분리기에서 반사된 S파를 다시 편광 분리기를 통해 후방측으로 되반사시키는 반사 거울과; 중앙부에 스톱(STOP)이 형성되어 상기 제2초점면에 위치되고 상기 반사 거울에서 반사된 S파를 상기 편광 분리기 측으로 반사시키는 전반사 거울과; 상기 전반사 거울의 전방에 위치되어 상기 전반사 거울에서 반사된 빛을 P파로 변환시켜 상기 편광 분리기로 출력시키는 λ/4 플레이트로 구성된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터의 편광 변환 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 편광 분리기는 수평 방향의 빛을 이분토록 복수 개가 상호 접합되어 있고, 상기 반사 거울은 상기 편광 분리기의 인근에 복수 개가 설치된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터의 편광 변환 장치.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 반사 거울은 상기 전반사 거울로 되반사되는 빛이 스톱으로부터 최소화되는 위치에 포커싱되도록 상기 편광 분리기의 측면에서 일정 각도 경사지게 위치된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터의 편광 변환 장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 λ/4 플레이트는 그 중앙부에 제 2 초점면에 집광된 빛이 통과되도록 스톱형의 홀이 형성된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터의 편광 변환 장치.

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