KR100404209B1 - 프로젝터의 광학 시스템 - Google Patents

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Abstract

프로젝션(projection) 및 프로젝터(projector)의 광학 시스템에 관한 것으로서, 특히 3판식 액정 패널 구조에 2개의 광원을 사용하여 빛의 손실을 최소화함으로써, 광 이용 효율과 휘도를 향상시켜 고휘도, 고선명한 화상 구현을 실현할 수 있다. 또한, 고가의 PBS를 하나만 사용하고 보편적인 광학 부품을 사용함으로써, 소자의 가격을 낮출 뿐 아니라 콤팩트한 광학계를 구성하여 포터블 프로젝터(portable projector)에 응용이 가능하게 된다. 특히, 각 액정 패널에 칼라 필터를 배치하여 색 순도를 향상시키고, 최종 출력단에 편광기를 배치하여 편광된 빛에 소량 포함되어 있는 비편광 성분을 제거함으로써, 더욱 선명한 화상을 구현할 수 있다.

Description

프로젝터의 광학 시스템{optic system of projector}
본 발명은 프로젝션(projection) 및 프로젝터(projector)에 관한 것으로서,특히 2개의 광원을 사용하면서 콤팩트한 구성이 가능한 광학 시스템에 관한 것이다.
최근 위성 및 디지털 방송이 본격적으로 추진되면서 고해상도를 갖는 대형 화면 디스플레이에 대한 수요와 관심이 증가함에 따라 프로젝션 및 프로젝터에 대한 기대와 역할이 매우 증가되고 있다.
이와 아울러 고해상도를 가지면서 고휘도, 고선명한 화상 정보에 대한 요구가 더욱 강해지고 있고 높은 광 이용 효율을 가지는 새로운 광학 시스템에 대한 연구도 다양하게 진행되고 있다.
이때, 프로젝션 방식은 크게 투과형과 반사형으로 나눌 수가 있지만 최근 들어 고해상도를 추구하면서 개구율 문제, 가격 경쟁력 확보를 위하여 점차 반사형에 관한 기술적인 개발들이 많이 진행되고 있다.
도 1은 기존의 1개의 광원(Light source)과 3개의 반사형 액정 패널을 사용한 3판식 반사형 프로젝션 시스템의 기본 광학계이다.
도 1을 보면, 램프와 같은 광원(101)으로부터 나온 광은 미러(mirror)(104,105,108)에 의해 분리되어 R,G,B 파장별로 구분된 후, R,G,B에 해당하는 각 편광 빔 스플리터(PBS)(106,109,111)로 입사되어 S-편광과 P-편광된 빛으로 나누어진다. 그리고, 이들 빛 중 특정 편광된 빛(여기서는 S-편광된 빛을 이용한다.)이 액정 패널(107,110,112)로 입사된 후 다시 반사되어 나온 빛으로 영상을 구현할 수 있는 구조를 갖는다.
즉, 1개의 광원(101)으로부터 나온 비편광 백색광은 집광 렌즈(condensinglens)(102)와 PBS 어레이(103)를 거쳐 모두 S 편광된 빛으로 전환된 후 파장 선별성을 가진 제 1 이색성 미러(dichroic mirror)(104)로 입사된다. 상기 제 1 이색성 미러(104)는 레드 빛은 반사하며, 시안(cyan)빛은 투과시킨다. 상기 제 1 이색성 미러(104)에서 반사된 레드 빛은 다시 미러(105)에 의해 반사되어 PBS(106)로 입사된다. 상기 PBS(106)는 입사된 레드 빛을 S 편광된 빛과 P 편광된 빛으로 분리한다. 이때, S 편광된 레드 빛은 다시 PBS(106)에 의해 반사되어 레드 화상 정보를 가진 제 1 반사형 액정 패널(107)에 입사하게 된다. 상기 액정 패널(107)에서 반사된 레드 빛은 다시 PBS(106)로 입사되고, 상기 입사된 빛 중 P 편광된 레드 빛은 상기 PBS(106)를 투과하여 재결합기(113)로 출사된다.
한편, 상기 제 1 이색성 미러(104)를 투과한 시안 빛은 제 2 이색성 미러(108)를 거쳐 그린과 블루로 분리되어지고, 상기 레드 빛과 같은 과정으로 각각의 제 2 및 제 3 반사형 액정 패널(110,112)로 들어가게 된다. 그리고, 각각의 액정 패널(107,110,112)과 각 PBS(106,109,111)를 거쳐 변조(modulation)되어 나온 빛들은 최종적으로 재결합기(recombiner)(113)에 의해 세가지 색이 결합된 후 투사 렌즈를 거쳐 스크린에 투사된다.
이와 같이 프로젝션 시스템의 광학계를 구성할 때에는, 통상 도 1과 같이 1개의 광원과 3개의 액정 패널을 사용하는 경우가 대부분인데, 이 경우 1개의 광원과 3개의 액정 패널로부터 레드, 그린, 블루(red, green, blue) 세가지 색을 분리, 재합성 과정을 거쳐 풀 컬러(full color)를 만들어 내야 하므로, 광 이용 효율 측면에서 보면 최종 스크린 상에서 밝고 선명한 화상을 표현하는데 한계를 갖게 된다. 또한, 다수의 PBS와 이색성 필름을 사용함으로써, 광학계 구성이 복잡하고 장치의 소형화를 이루기가 어렵게 된다. 즉, 최종 스크린에서 보여지는 영상의 휘도와 선명도가 떨어지고, 소자의 구성이 복잡하게 되므로 콤팩트한 구성을 이루기가 어려운 문제점이 있다.
도 2는 상기된 도 1과 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 하나의 PBS와 이색성 프리즘만으로 콤팩트한 구성을 이룬 광학계를 보이고 있다.
즉, 도 2를 보면, 1개의 광원(201)으로부터 나온 비편광 백색광은 집광 렌즈(202)와 PBS 어레이(203)를 거쳐 모두 S 편광된 빛으로 전환된 후 PBS(204)로 입사된다. 이때, 상기 S 편광된 빛은 상기 PBS(204)에서 반사되어 이색성 프리즘(208)으로 입사되고, 상기 이색성 프리즘(208)에 의해 R,G,B 각각의 색으로 분리된 후 각각의 레드, 그린, 블루 액정 패널(205∼207)로 입사된다.
상기 레드, 그린, 블루 액정 패널(205∼207)의 전압 인가 여부에 따라 각각의 액정 패널(205∼207)에서 변조되어 나온 P 편광된 R,G,B 빛들은 다시 이색성 프리즘(208)에서 재결합된 후 PBS(204)로 입사된다. 이때, 상기 P 편광된 빛은 PBS(204)를 투과하여 투사 렌즈(209)로 입사된다. 한편, 각각의 액정 패널(205∼207)에서 반사되어 나온 빛들 중 S 편광된 빛들은 PBS(204)에서 다시 90도 반사되어 광원(201)으로 되돌아가게 된다.
그러나, 이러한 구조 역시 콤팩트한 구성은 가능하나 마찬가지로 1개의 광원을 사용하므로 최종 스크린에서 고휘도, 고선명한 화상 구현을 실현하기에는 한계가 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 2개의 광원을 사용하고 최종 출력단에 편광기를 배치함으로써, 광 이용 효율이 좋으면서 콤팩트한 구성이 가능한 프로젝터의 광학 시스템을 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 프로젝터의 광학 시스템의 일 예를 보인 구성도
도 2는 일반적인 프로젝터의 광학 시스템의 다른 예를 보인 구성도
도 3은 본 발명에 따른 프로젝터의 광학 시스템의 일 예를 보인 구성도
도 4는 본 발명에 따른 프로젝터의 광학 시스템의 다른 예를 보인 구성도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
301,304,401,405 : 광원
302,305,308,402,406,409 : 집광 렌즈
303,306,404,408 : 미러 308,403,407 : PBS 어레이
309,411 : PBS 310,312,314,412,414,416 : 칼라 필터
311,313,315,413,415,417 : 액정 필터
316,418 : 재결합기 317,419 : 편광기
318,420 : 투사 렌즈 410 : 프리 편광기
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 프로젝터의 광학 시스템은, 비편광 빛을 발광하여 일정 방향으로 집광하는 제 1, 제 2 광원 및 집광 렌즈와, 상기 제 1, 제 2 광원 및 집광 렌즈를 거쳐 각각 출사되는 비편광 빛을 반사시키는 미러와, 상기 미러에서 반사되는 빛을 집광하여 특정파로 편광하는 편광 변환부와, 상기 편광 변환부를 통해 출사되는 빛을 편광 방향에 따라 반사 또는 투과시키는 PBS와, 상기 PBS에서 반사되는 빛을 R,G,B 각각의 색으로 분리하여 해당 R,G,B 액정 패널로 출사하고, 상기 R,G,B 액정 패널에서 각각 변조되어 나오는 R,G,B 빛을 다시 재결합하여 상기 PBS로 출사하는 재결합기와, 상기 PBS를 투과하여 출사되는 빛을 받아 확산시키는 투사 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 PBS에서 출사되는 빛에 포함된 비편광 성분을 제거하여 투사 렌즈로 출사하는 편광기가 상기 PBS와 투사 렌즈 사이에 추가로 배치되는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1, 제 2 광원 및 집광 렌즈와 미러 사이에는 비편광된 빛을 특정파로 편광하는 PBS 어레이가 추가로 배치되는 것을 특징으로 한다.
이 경우 상기 편광 변환부는 상기 PBS 어레이에서 출사되는 편광된 빛에 포함된 비편광 성분을 제거하는 프리 편광기인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 재결합기와 R,G,B 액정 패널 사이에는 칼라 필터가 각각 추가로 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 프로젝터의 광학계 구성을 보인 도면으로서, 비편광된 빛을 발광하는 제 1, 제 2 광원(301,304), 상기 제 1, 제 2 광원(301,304)에서 각각 발광된 비편광 빛을 각각 집광하는 제 1, 제 2 집광 렌즈(302,305), 상기 제 1 집광 렌즈(302)에서 집광된 빛을 반사시키는 제 1 미러(303), 상기 제 2 집광 렌즈(305)에서 집광된 빛을 반사시키는 제 2 미러(306)로 구성된다. 그리고, 상기 제 1, 제 2 미러(303,306)에서 반사되는 빛을 다시 집광하는 제 3 집광 렌즈(307)와 상기 집광된 빛을 어느 한 방향으로 편광시키는 PBS 어레이(308)가 상기 제 1, 제 2 미러(303,306)의 광 경로 상에 순차적으로 배치된다. 또한, 상기 PBS 어레이(308)에서 출사되는 빛은 PBS(309)로 입사되며, 상기 PBS(309)는 재결합기(316)와 편광기(317) 사이에 배치된다.
상기 편광기(317)는 상기 PBS(318)에서 출사되는 빛에 포함된 비편광 빛을 제거하기 위해 배치되며, 상기 편광기(317)를 통해 출사되는 빛은 투사 렌즈(318)를 통해 스크린에 투사된다.
또한, 상기 재결합기(316)는 PBS(309)를 통해 입사되는 빛을 R,G,B 각각의 색으로 분리하여 레드, 그린, 블루 액정 패널(311,313,315)로 출사하고, 각각의 레드, 그린, 블루 액정 패널(311,313,315)에서 반사되는 R,G,B 빛을 다시 재결합하기 위해 이색성 프리즘으로 이루어진다. 그리고, 각각의 레드, 그린, 블루 액정 패널(311,313,315)과 재결합기(316) 사이에는 색 순도 향상을 위해 칼라 필터(310,312,314)를 추가적으로 배치한다.
이와 같이 구성된 본 발명을 보면, 제 1 광원(301)에서 발광된 비편광 빛은 집광 렌즈(302)로 출사되고, 제 2 광원(304)에서 발광된 비편광 빛은 집광 렌즈(305)로 출사된다. 상기 집광 렌즈(302,305)는 제 1, 제 2 광원(301,304)에서 발광된 빛을 일정방향 즉, 제 1, 제 2 미러(303,306) 방향으로 각각 평행하게 진행시킨다.
상기 제 1, 제 2 미러(303,306)는 입사되는 빛을 집광 렌즈(307)로 전반사시킨다. 상기 집광 렌즈(307)는 다시 입사되는 빛을 일정 방향 즉, PBS 어레이(308) 방향으로 평행하게 진행시킨다.
상기 PBS 어레이(308)는 평행하게 진행되어 입사되는 비편광 빛을 어느 한 방향으로 편광된 빛(예를 들면, S 편광된 빛)으로 변환하여 PBS(309)로 입사시킨다.
상기 PBS(309)는 S 편광된 빛은 반사시키고 P 편광된 빛은 투과시키거나, 반대로 S 편광된 빛은 투과시키고 P 편광된 빛은 반사시키도록 제작되며, 본 발명에서는 S 편광된 빛은 반사시키고 P 편광된 빛은 투과시키도록 제작되어 있다고 가정한다.
따라서, 상기 PBS(309)는 상기 PBS 어레이(308)에서 입사되는 S 편광된 빛을 재결합기(316)로 반사시킨다. 이때, 상기 재결합기(316)에 의해 입사되는 빛은 R,G,B 각각의 색으로 분리된 후 각각의 레드, 그린, 블루 액정 패널(311,313,315)로 입사된다.
그리고 나서, 상기 레드, 그린, 블루 액정 패널(311,313,315)의 전압 인가 여부에 따라 각각의 액정 패널(311,313,315)에서 변조되어 나온 P 편광된 R,G,B 빛들은 다시 재결합기(316)에서 재결합된 후 PBS(309)로 입사된다. 이때, P 편광된 빛은 PBS(309)를 투과하여 편광기(317)로 입사되고, 이 중 S 편광된 빛이 있다면 다시 PBS(309)에서 반사되어 제 1, 제 2 광원(301,304)으로 피드백된다. 이때, 상기 재결합기(316)와 레드, 그린, 블루 액정 패널(311,313,315) 사이에 칼라 필터(310,312,314)를 배치하면 색 순도를 향상시킬 수 있으므로, 이 경우 더욱 향상된 고선명 화상을 얻을 수 있게 된다.
한편, 상기 편광기(317)는 상기 PBS(309)의 출력광에 일부 혼합되어 있는 비편광 성분을 제거한 후 투사 렌즈(318)로 출사한다. 상기 투사 렌즈(318)는 상기 편광기(317)에 의해 고휘도, 고선명한 화상 정보를 가진 빛을 최종 스크린 상에 투사한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예로서, 제 1 집광 렌즈(402)와 제 1 미러(404) 사이에 그리고, 제 2 집광 렌즈(406)와 제 2 미러(408) 사이에 각각 PBS 어레이(403,407)를 배치하고, 집광 렌즈(309)와 PBS(411) 사이에는 프리편광기(prepolarizer)(410)를 배치하는 것을 제외하고는 상기된 도 3과 동일하다. 즉, 제 1, 제 2 광원(401,405)에서 발광된 비편광 빛은 제 1, 제 2 집광 렌즈(402,406)에 의해 집광되고, 각각의 PBS 어레이(403,407)에서 S 편광된 빛으로 변환된 후 제 1, 제 2 미러(404,408)와 집광 렌즈(409)를 거쳐 프리 편광기(410)로 입사된다. 이때, 상기 PBS 어레이(403,407)의 편광 변환 효율이 100% 완벽하지 않기 때문에 프리 편광기(410)에서 S 편광된 빛만을 투과시킴으로써, 콘트라스트 비(contrast ratio)의 추가적인 증대를 추구할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 프로젝터의 광학 시스템에 의하면, 3판식 액정 패널 구조에 2개의 광원을 사용하여 빛의 손실을 최소화함으로써, 광 이용 효율과 휘도를 향상시킬 수 있으므로 고휘도, 고선명한 화상 구현을 실현할 수 있다. 또한, 고가의 PBS를 하나만 사용하고 보편적인 광학 부품을 사용함으로써, 소자의 가격을 낮출 뿐 아니라 콤팩트한 광학계를 구성할 수 있으므로 포터블 프로젝터(portable projector)에 응용이 가능하게 된다. 또한, 각 액정 패널에 칼라 필터를 배치하여 색 순도를 향상시키고, 최종 출력단에 편광기를 배치하여 편광된 빛에 소량 포함되어 있는 비편광 성분을 제거함으로써, 더욱 선명한 화상을 구현할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (6)

  1. 3판식 액정 패널 구조를 갖는 프로젝터의 광학 시스템에 있어서,
    비편광 빛을 발광하여 일정 방향으로 집광하는 제 1, 제 2 광원 및 집광 렌즈;
    상기 제 1, 제 2 광원 및 집광 렌즈를 거쳐 각각 출사되는 비편광 빛을 반사시키는 미러;
    상기 미러에서 반사되는 빛을 집광하여 특정파로 편광하는 편광 변환부;
    상기 편광 변환부를 통해 출사되는 빛을 편광 방향에 따라 반사 또는 투과시키는 PBS;
    상기 PBS에서 반사되는 빛을 R,G,B 각각의 색으로 분리하여 해당 R,G,B 액정 패널로 출사하고, 상기 R,G,B 액정 패널에서 각각 변조되어 나오는 R,G,B 빛을 다시 재결합하여 상기 PBS로 출사하는 재결합기; 그리고
    상기 PBS를 투과하여 출사되는 빛을 받아 확산시키는 투사 렌즈를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 프로젝터의 광학 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 PBS에서 출사되는 빛에 포함된 비편광 성분을 제거하여 투사 렌즈로 출사하는 편광기가 상기 PBS와 투사 렌즈 사이에 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 프로젝터의 광학 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1, 제 2 광원 및 집광 렌즈와 미러 사이에는 비편광된 빛을 특정파로 편광하는 PBS 어레이가 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 프로젝터의 광학 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 편광 변환부는
    상기 PBS 어레이에서 출사되는 편광된 빛에 포함된 비편광 성분을 제거하는 프리 편광기인 것을 특징으로 하는 프로젝터의 광학 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 재결합기는 이색성 프리즘으로 구성되는 것을 특징으로 하는 프로젝터의 광학 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 재결합기와 R,G,B 액정 패널 사이에는 칼라 필터가 각각 추가로 배치되는 것을 특징으로 하는 프로젝터의 광학 시스템.
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