KR100383336B1 - 컬러표시장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 색확산 격자와 액정 형태로 가능한 활성 매트릭스를 포함하는 색 표시 장치에 관한 것이다. 게다가, 이 장치는 구형 이소 렌즈의 매트릭스를 포함하고, 상기 미소 렌즈의 단면 형태는 확산 격자를 사용함으로써, R, G, B 색 빔의 분산을 집중시킬 수 있도록 되어 있어서, 투사 목표의 원형 구경을 가장 잘 사용할 수 있다.

Description

컬러 표시 장치
본 발명은 컬러 표시 장치에 관한 것으로, 특히 액정 컬러 표시 장치에 관한 것이다.
대형의 비디오 영상들을 발생시키기 위하여, 현재 투영 장치에 액티브 액정 매트릭스(active liquid matrices)(LCD)를 사용하는 경향이 있다.
컬러 영상의 투영은 기본 성분들, 즉 적, 녹 및 청(R, G, B)중 하나에 의해 각각 조명되는 세 개의 액티브 매트릭스에 기초하거나, 컬러 필터들이 장착된 단일의 3색 액티브 매트릭스에 기초하여 수행될 수 있다.
스크린(LCD)의 구조에 R, G, B 다색 필터들을 구비하는 것은 단순한 설계의 컬러 영상 투영 장치, 즉 모노밸브 투영기(monovalve projection)의 제조를 가능케하는 데, 이것은 이들이 소스와 단일 LCD 스크린으로 구성되기 때문이다.
그러나, 이들 다색 필터들의 존재는 LCD 스크린의 유효 전달(effective transmission)을 3으로 나누는 이들 다색 필터들의 흡수와 공간 분포와 관련된 낮은 휘도를 야기한다.
이들을 적당한 치수들(대각선이 6인치보다 작음)로 생산하려 한다면, 컬러 스크린(단색 스크린과 비교하면)의 경우에 영상 요소들(화소들)의 밀도를 증가시키기 위해 그리고 이들 다색 필터들을 얻기 위해 별도의 마스킹 레벨들을 실현시킬 필요가 있기 때문에, 이들 스크린의 가격은 또한 높게 유지된다.
이러한 단점들을 방지하기 위하여 다색 필터들이, 단일 백색 광원에 기초하여, 적, 녹, 청(R, G, B) 색 빔들을 세 개의 다른 방향들로 분산시킬 수 있는 회절 격자로 대체된 표시 스크린들을 생각해 냈다. 따라서, 각 색 범위의 광이 실질적으로 스크린의 한 화소에 초점이 맞추어 질 수 있는 렌즈들의 어레이들의 도움으로 다색 필터들이 없이, 모노밸브 투영과 호환성이 있는 삼색 스크린을 생산하는 것이 가능하게 되었다. 각 렌즈들은 부화소들의 (R, G, B) 트리플(triple)을 나타내는, 점(dot)에 대응한다. 제 1 도는 이러한 종래 기술에 따른 표시 장치를 나타낸다. 특정 범위의 광원(S)은 색 성분들(R, G, B)을 포함하는 백색 광을 발생시킨다. 이들 색 성분들은 콜리메이터(collimator)를 통해 다른 방향을 향하는 빔들(R, G, B)을 생성시키는 확산 격자(dispersive grating; RC)로 함께 보내진다. 렌즈들의 어레이(MLC)는 이들 빔들이 액티브 매트릭스(LCD)의 화소들에 초점이 맞추어 질 수 있도록 한다. 스폿들(spots)(SR, SG, SB)은 광원(S)으로부터 나오는 모든 광속이 액티브 매트릭스에 집중되게 하는 다양한 화소들에서 광원(S)의 적, 녹 및 청 영상들을 나타낸다. 매트릭스의 출구에서, 필드 렌즈(field lens)(L)는 투영 광학기(projection optic; P0)에서 다색 빔들이 집중할 수 있게 한다. 그러나, 이 형태의 장치에서 사용되는 색 분산은 빔들의 수평 분산을 생성시키고, 이는 투영 광학기의 수직 개구(aperture)는 사용되지 않는 반면 투영 광학기의 수평적으로 증가된 개구를 필요로 한다. 제 2 도는 이러한 분산을 도시한다. 단면이 hL, 및 lL의 치수를 갖는 렌즈에 대해, p가 부화소들의 두 중심들을 분리하는 간격을 나타낸다면, 렌즈로부터의 영상의 각 측면 상에서 p 만큼 수평 분산이 얻어진다.
투영 대물렌즈의 통상적인 원형 개구를 최적으로 활용하기 위해, 본 발명은 투영 광학기의 기하구조로 부화소들의 트리플 세트에 결합된 확산 색 어레이를 사용할 때의 부적합성 문제에 대한 최선의 해결책을 제공할 수 있는 표시 장치를 제안한다.
보다 정확하게, 본 발명의 요지는, 색 성분들(R, G, B)의 몇가지의 범위들을 동시에 방출하는 광원(S)과 x 축을 따라 정렬된 부화소들의 트리플 세트로서, 각각의 트리플은 이러한 축 x를 따라 치수 SPx를 가지며, 각각의 부화소는 표시될 색 성분에 대응하는, 상기 트리플 세트를 포함하는 공간 광 변조기(LCD)를 포함하는 컬러 표시 장치에 있어서, 상기 광원(S)과 상기 공간 광 변조기(LCD) 사이에,
- 여러 색 범위들(R, G, B)의 광을 다른 방향들을 따라 여러 각도로 분리하는 적어도 하나의 색 분리기(RC)와
- 각 색 범위의 광이 부화소 상에 실질적으로 초점이 맞추어질 수 있게 하는 구면 렌즈들의 어레이(MLC)를 포함하고,
상기 렌즈들의 어레이는 공간 광 변조기의 치수들과 실질적으로 동일한 치수들을 갖고, 1y 가 x 축에 수직인 y 축에 따른 치수이면 각 렌즈는 치수(Px및 Py)로 정의되는 단면을 갖고,
x 및 y 축은 공간 광 변조기에 의해 정의되는 평면(Px, Py)의 축에 대응하고,
상기 단면은 트리플의 단면과 동일한 면적을 갖지만 x 축에 따른 치수(1x)는 치수(3spx) 보다 작은 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 장치에 있어서, 광 변조기는 유리하게는 액정 스크린이 될 수 있다. 구면 렌즈들(MLC)의 어레이는 공간 광 변조기(LCD)에 고정될 수 있다.
제한되지 않는 예에 의한 다음의 설명과 첨부 도면을 참조함으로써 본 발명이 더욱 잘 이해되고 다른 이점들이 명백해질 것이다.
- 제 1 도는 회절 격자를 사용하는, 종래 기술에 따른 표시 장치의 예를 도시한 도면.
- 제 2 도는 제 1 도에 도시된 것과 같은 표시 장치에서 투영광 근처에서 광 빔들의 분산을 개략적으로 도시한 도면.
- 제 3a 도 및 제 3b 도는 액정 스크린의 영상 요소들의 배열들의 예를 도시한 도면.
- 제 4 도는 본 발명에 따른 표시 장치의 예에 있어서 "델타(DELTA)" 구조상의 렌즈 어레이의 중첩을 개략적으로 도시하는 도면.
- 제 5 도는 본 발명에 따른 장치의 예에 있어서, 세 개의 빔들, 즉 적, 녹, 청의 조사에 의해 만들어지는 렌즈로부터의 영상들의 중첩을 도시한 도면.
액티브 매트릭스(LCD)를 사용하는 표시 장치에 있어서, 세 개의 부화소들(R, G, B)의 세트는 백색 화소(D)를 정의할 수 있게 하고, 이러한 세트는 일반적으로 점(dot)으로 불리는 것임을 상기한다. 따라서 제 3a 및 제 3b 도는 점내의 색들의예시적인 분포들을 도시한다. 제 3a 도는 한 화소들과 동일한 색이 수직 방향을 따라 정렬된 배열("스트라이프(stripe)" 구조)을 도시한다. 제 3b 도는 한 화소들과 동일한 색이 경사진 방향으로 정렬하지만 서로 접촉하지 않은 배열을 나타낸다. "델타(DELTA)" 구조로도 불리는 이 구조에 있어서, 기본 트리플들은 오엽 배열의 형태(quincunx fashion)로 배치되고, 한 열이 일련의 백색 점들에 대응하는 제 3a도에서 설명된 구성과는 다르게 일련의 백색 점들을 정의하기 위해 2개의 열들(rows)이 사용된다.
이 "델타" 구조는, N 이 스트라이프 형태의 구성에 사용된 백색 점들의 수라면, 제 3a 도와 제 3b 도를 비교하여 도시했듯이 동일한 해상력을 얻기 위하여, 하나 및 액티브 매트릭스의 동일 영역에 대해, N/2개의 백색 점들을 사용할 수 있게 하는 한 특히 유리하다. 게다가, 소위 "델타" 구조는 광원의 원형 영상에 기하구조가 더욱 잘 적응될 수 있는 기본적인 부화소들을 제공한다. 실제로, 동일한 행방향과 열방향의 공간 해상도를 얻기 위하여, "스트라이프" 화소는 측면이 ps인 정사각형이 되어야 한다. 이것은 기본 화소의 치수들 ps 와 ps/3임을 의미한다.
제 3b 도에 도시된 것과 같은 "델타" 구조에 있어서, "스트라이프" 구조에 대응하는 것과 동일한 행방향의 공간 주파수는 기본 부화소 치수 h에 대응하고, 반면에 열방향 공간 주파수는 3/21(1은 부화소의 다른 치수)에 대응한다. 따라서 스트라이프 부화소의 기본 영역이 ps × ps/3과 동일하고, 반면에 "델타" 구조에 있어서, 이러한 기본 영역은 h × 1= ps × 3/2ps가 된다는 것은 명백하다. 이러한 후자의 구조에 있어서, 큰 영역으로 된 기본 부화소들이 채용되고 상기 모두는 각기본 부화소에 초점을 맞추고자 하는 광원의 영상의 기하구조에 더욱 잘 적응된다.
본 발명에 따른 장치의 일반적인 동작 원리는 제 1 도에 기초하여 정확하게 설명될 수 있다.
분리기(RC)의 기능은 콜리메이트된 광원(S)의 세 개의 스펙트럼 성분들을 여러 각도로(angularly) 분리하는 것이다. 세 개의 스펙트럼 밴드들은 이후 각 렌즈의 초점 평면에서 세 개의 축을 따라 초점이 맞춰진다. 제 1 도에서 개략적으로 도시된 예에 있어서, 녹색 빔(G)은 렌즈들(MLC)의 초점 평면에 대해 수직이고 적색(R)과 청색(B) 빔들은 이러한 수직에 대해 대칭이며 입사각 θ i를 만든다. 결과적으로, 한편에는 구면 렌즈상의 각 스펙트럼 성분의 입사각 θ i를 도입하고 다른 한편에는 이들 렌즈들의 초점거리 f를 도입함으로써, 동시에 다음과 같은 것을 얻는 것이 가능하다.
- 동일 색에 의해 어드레스된 부화소들의 각 열상에 중심이 위치되고 액티브 매트릭스(LCD)의 평면에의 각 색의 연속적인 포커싱. 장치의 특성(θ i, f)은 액티브 매트릭스(LC)의 치수, 화소의 수 및 점내의 부화소들의 분포에 의존한다.
- 초점이 맞춰진 색 밴드가 기본 부화소의 치수보다 적을 때, 매트릭스(LCD)의 전달 계수(transmission factor)의 이득. 이러한 이득 값은 다음과 같은 패러미터들, 구면 렌즈의 구경, 광원(Es)의 기하학적 크기(geometrical extent), 및 그 대각선(D)으로 특징되는 매트릭스(LCD)의 크기에 의존한다..
분리기(RC)의 기능은 회절 격자에 의해 유리하게 제공될 수 있는 데 그 회절 격자의 간격은 부화소들(R, G, B)의 정렬 방향에 수직이다.
본 명세서에는 세개의 쌍들로 분포된 R, G, B 부화소들을 소유하는 LCD 스크린의 크기에 적응된 장치의 실시예가 제안되어 있다.
LCD 스크린의 특성은 다음과 같다.
- 세개의 R, G, B 부화소들의 치수들이 125 × 125/3㎛2일 때, 80 × 60㎟ 셀 및 125 × 250/3㎛2기본 부화소들에 대해, 16/9 포맷, 4-inch 대각선, 480 라인들과 640 컬럼들로 정의되는 영상. 종래의 LCD 기술들에 따르면, 화소들의 어드레상을 위해 요구되는 라인폭은 약 15㎛이다(투명 화소 부분을 덮는 라인).
- 마이크로렌즈 어레이는, 예를 들면 제 4 도에 도시된 것과 같이 될 수 있는, LCD 스크린의 배킹 플레이트들(backing plates) 중 하나에 직접 만들어질 수 있다.
기하학적인 크기(Es = 80㎟ - Sr)의 광원(S)을 사용함으로써, 주어진 투영광학을 통과할 수 있는 광속에 대해 얻어지는 성능을 비교할 수 있다.
사실, 광원의 기하학적 치수(Es(max))의 제한된 값은 LCD 스크린의 크기에 의존한다. 이것은 장치의 다양한 패러미터들의 함수로서 다음과 같이 표현될 수 있다.
여기서, D는 인치(inch)로 표현된 스크린의 대각선
f는 렌즈들의 초점 거리
ψf: 화소의 사용가능한 폭(화소-라인폭)
부화소의 사용가능한 폭과 같은 치수가 되어야 하고 그러므로 Es = Es(max)가 되어야 할 렌즈의 초점 평면에서의 광원의 영상을 고려함으로써, f 를 결정하고 그러므로 유리 t = f,n 내의 연장(extension) t 를 결정할 수 있고, 이 연장(t)은 렌즈들의 매트릭스와 액정 셀 사이의 거리에 대응한다.
따라서, 초점 거리 f 를 계산함으로써, 영상들의 분산(spreading)을 고려하여, 렌즈들의 어레이에 의해 정의된 R, G, B 부화소 영상들 모두를 수집하는 데 필요로 되는 투영 광학기 N의 구경을 결정할 수 있다.
사실, 세 개의 광속들(R, G, B)을 수집하는 데 필요로 되는 대물 렌즈의 구경(N)을 계산할 수 있다. 왜냐하면 t는 투영 대물렌즈의 연장이고 ψ 는 제 1 도에 도시된 투영 렌즈의 반경일 때, N = tobjective/ψobjective이기 때문이다. 또한, ψ가 세 개의 조사들(R, G, B)(제 5 도에 도시된)의 분산의 크기들을 나타낼 때 동일 방향(homothety) N = t/ψ 에 의해서도 계산할 수 있다. 이 직경(ψ )은 치수 250㎛ x (80 + 125 + 83)㎛ 로 정의되는 직사각형의 대각선에 대응한다. 즉 385㎛에 대응한다.
이들 계산들은 본 발명에 따른 장치를 종래 기술에 따른 다른 형태의 장치와 비교할 수 있도록 세 개의 예시된 경우에 수행되었다. 결과들은 아래의 표 1 에 함께 모아져 있다.
<표 1>
예시된 제 1 의 경우는 실현 불가능한 형태의 렌즈와 실현 불가능한 형태의 대물 렌즈(300㎛ 배킹 플레이트의 렌즈들, 제조하기 곤란)를 야기한다. 따라서 이 형태의 투영기의 플럭스(flux)는 다소 제한적으로 속박된다.
예시된 제 2의 경우는 확실히 현실적인 형태의 렌즈(900㎛ 배킹 플레이트)를 이끌지만 상상하기 어려운 대 구경의 대물렌즈를 이끈다. 이 경우 구경 N을 증가시킬 수 있도록 큰 연장을 갖는 렌즈들을 선택할 필요가 있다. 투영된 플럭스는 이후 감소된다.
예시된 본 발명의 경우에서, 전체로서 연장과 개구의 실현가능한 값이 큰 발광 플럭스광이 통과할 수 있도록 결정된다.
사실, 900㎛의 배킹 플레이트 상에 마이크로렌즈들을 사용하여, 크기 Es = 80㎟ Sr 의, 150 W 램프로부터 플럭스를 효과적으로 4" 셀에 통과시킬 수 있다. 액티브 액정 매트릭스의 종전 효율(5%)과 외접원에 대한 셀의 면적비(60%)를 고려하여, 300∼400 루멘스(lumens) 정도의 출사 플럭스(exit flux)가 12,000 루멘스의 초기 플럭스로부터 얻어진다.
표 2 는 여기서 실현가능한 동일한 투영 구경(N = 1.5)을 갖는 제 1, 제 2 및 제 3 의 경우들에서 얻은 성능을 나타내고 다색 필터들을 사용하는 액티브 매트릭스와의 비교를 허용한다.
<표 2>

Claims (6)

  1. 색 성분들의 몇가지 범위들(R, G, B)을 동시에 방출하는 광원(S)과,
    x축을 따라 정렬되고 상기 x축에 수직인 y축을 따라 배열된 트리플들(triples)의 세트를 포함하는 공간 광 변조기(spatial light modulator; LCD)로서, 각각의 상기 트리플은 x축을 따라 정렬된 3개의 부화소들(sub-pixels)을 포함하고, 각각의 부화소는 x축을 따라 치수 SPx를 갖고, 각각의 부화소는 여러 색 범위들 (RGB)의 광을, 상이한 방향들에 따라, 상기 x축을 따라 펼쳐지는 빔들로, 여러 각도로 분리하는 색 성분(RC)에 대응하는, 상기 공간 광 변조기와,
    다양한 색 범위들(R, G, B)의 광을 상이한 방향들을 따라서 여러 각도로 분리하는 최소한 한 개의 색 분리기(color splitter)(RC)와,
    각각의 색 범위의 광이 실질적으로 부화소상에 초점이 맞춰질 수 있도록 하는 구면 렌즈 어레이(MLC)로서, 상기 렌즈 어레이는 상기 공간 광 변조기의 치수와 대략 동일한 치수들을 가지며 각각의 렌즈는 치수들 lL과 hL로 정의된 단면을 가지며, 상기 치수 lL은 상기 x축을 따라 정의되고 상기 치수 hL은 상기 y축을 따라 정의되는, 상기 구면 렌즈 어레이와,
    투영 광학기(projection optic; P0)를 포함하는 컬러 표시 장치에 있어서,
    렌즈의 단면은 트리플의 단면과 동일한 면적을 가지며, 상기 투영 광학기의 기하구조로 부화소 트리플들의 세트에 결합된 분산 색 격자 사용의 부적합성을 해소할 수 있도록 치수 lL은 치수 3SPx보다 작고 치수 lL은 상기 치수 hL보다 작은 것을 특징으로 하는 컬러 표시 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 동일한 색의 부화소들은 x 축에 대하여 경사진 방향으로 정열되며, 인접하지 않고,
    각 렌즈의 중심은 동일한 색의 부화소의 중심에 대략 대응하는 것을 특징으로 하는 컬러 표시 장치.
  3. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 렌크들의 단면은 각 트리플에 의해 한정된 단면과 동일한 직사각형이지만, 상기 평면(Px, Py)에서 상기 트리플에 수직으로 배향되는 것을 특징으로 하는 컬러 표시 장치.
  4. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 색 분리기(RC)는 감광 재료에서의 광 기록에 의해 얻어지는 위상 미세 구조(phase microstructures)(지수 또는 릴리프 변동들)를 가진 구성요소를 포함하는 것을 특징으로 한 컬러 표시 장치.
  5. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 공간 광 변조기(LCD)는 액정 스크린인 것을 특징으로 하는 컬러 표시 장치.
  6. 제 1항 또는 2항에 있어서, 상기 렌즈 어레이(MLC)는 상기 공간 광 변조기(MLC) 옆에 배치되는 것을 특징으로 하는 컬러 표시 장치.
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