KR100425642B1 - 화상디스플레이장치 - Google Patents

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아드리아누스 요한네스 스테파누스 데 반
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

화상 디스플레이 장치(1)는 조명 시스템(3) 및 n개의 픽셀들(21)의 매트릭스가 제공되고 피치 pp를 갖는 화상 디스플레이 패널(13)을 구비한다. 이 장치(1)는 이미지를 형성하기 위해 화상 디스플레이 패널에 의해 변조되는 광을 투사하기 위한 투사 렌즈 시스템(19)을 더 구비한다. 화상 디스플레이 패널(13)의 조명측에는 m개의 마이크로렌즈(17) 및 피치 pm을 갖는 마이크로렌즈 어레이(15)가 제공되어 있다. 조명 소자는 동시에 광을 발생시킨다. 게다가, N ≪ m, n 및 p1≫pm, pp이다.

Description

화상 디스플레이 장치
서두부에 기술된 형태의 화상 디스플레이 장치는 예를 들면, 유럽 특허 출원 EP 0 444 871에 공지되어 있다. 이 출원에 기술된 화상 디스플레이 장치는 광빔을 발생하기 위한 조명 시스템을 포함한다. 이 광빔은 디스플레이될 화상 정보에 따라 액정 화상 디스플레이 패널에 의해 이어서 변조된다. 화상 디스플레이 패널은 액정층으로 구성되며, 2차원 어레이로 배열된 픽셀들이 제공된다. 사이에 액정층이 존재하는 2개의 선택적 투명판들은 전극들을 구비하며, 이들에 의해 픽셀들에는 화상 정보가 제공된다. 이어서, 화상 디스플레이 패널로부터 오는 변조된 빔이 투사 렌즈 시스템에 의해서 이미지를 형성하기 위해 투사된다. 하나의 픽셀은 실제로 스위치되는 활성부와 수동부로 구성된다. 픽셀들의 활성부와 수동부간의 비에 따라 화상 디스플레이 패널의 기하학적 구경(aperture)이 정해진다.
현재의 LCD 투사 시스템들에서, 그 목적은 비용을 낮추기 위해서 소형화하는 것이다. 그러나, 분해능을 유지하면서 화상 디스플레이 패널들의 사이즈가 감소되면, 화상 디스플레이 패널들의 기하학적 구경이 감소될 것이다. 이러한 제한된 구경으로 인해서, 액정 화상 디스플레이 패널을 구비한 화상 디스플레이 장치에 있어서 광 손실들이 상당히 클 수 있어, 시스템의 광출력이 감소한다. 이러한 이유로, 마이크로렌즈 어레이는 상기 특허 출원에 기술된 바와 같이, 화상 디스플레이 패널의 조명측에 배열된다. 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈는 화상 디스플레이 패널의 각각의 픽셀에 대응하며, 이때 마이크로렌즈에 입사되는 최대 광량은 대응하는 픽셀의 활성부에 집중된다.
상기 유럽 특허 출원에 기술된 화상 디스플레이 장치의 문제점은 시스템의 스루풋(throughput)이 조명측에 있는 화상 디스플레이 패널의 기판 두께와 픽셀들의 활성부의 크기들에 따라 제한된다는 것이다. 스루풋이라는 용어는 방사 에너지를 전달하는 광학 시스템의 파워를 뜻하는 것으로 이해된다. 이 파워는 광학 시스템에서 기하학적 구경 및 같은 곳에서의 퓨필(pupil)의 조합에 의해 결정되며, 구경의 표면과 그 구경 중심의 퓨필에 의해 정해진 공간 각도와의 곱으로서 표현될 수도 있다.
상기 언급된 화상 디스플레이 장치에서 최대의 스루풋을 실현할 수 있도록 하기 위해서, 대응하는 픽셀 위의 마이크로렌즈를 통해 입사하는 서브-빔(sub-beam)의 직경은 화상 디스플레이 패널의 영역에서 가능한 한 많도록, 이 픽셀의 활성부의 크기에 대응하여야 하며, 픽셀에 입사되는 빔의 발산(divergence)은 전자-광학 효과에 의해 허용되는 발산보다는 크지 않아야 한다. 화상 디스플레이 패널의 영역에서 빔의 직경은 마이크로렌즈에 입사되는 빔의 발산과 화상 디스플레이 패널의 조명측의 기판 두께에 따른다. 다음에, 마이크로렌즈에 입사되는 빔의 발산은 램프 표면과 패널 표면간의 비에 의해서 결정된다. 그러나, 상기 언급된 파라미터들은 장치의 조립시 통상 고정되어 있기 때문에 항상 적응시킬 수는 없다. 픽셀 당 빔 직경이 화상 디스플레이 패널의 영역에서 너무 클 경우, 적어도 광빔의 일부는 수동 픽셀부로 입사될 것이므로, 결국 광 손실이 따른다. 이는 화상 디스플레이 패널의 열적 부하(thermal load)라는 또 다른 문제를 갖게 된다. 수동부들에 입사되는 광은 패널을 가열시킨다. 이것은 특히 강력한 광원들을 갖는 화상 디스플레이 장치들에서 문제가 된다.
이로부터, 마이크로렌즈에 입사하는 빔에 대한 원하는 발산의 실현에 있어서는 특히, 소형 화상 디스플레이 패널들에서 문제들을 초래하는 결과가 따른다. 더구나, 같은 문제가 비교적 작은 픽셀들을 갖는 화상 디스플레이 패널들에서 발생한다. 픽셀들이 작을수록, 픽셀들의 기하학적 구경이 감소하여 화상 디스플레이 패널에 입사되는 광의 발산이 증가한다.
본 발명은 조명 시스템(illumination system), n개 픽셀들의 매트릭스가 제공되어 있고 피치 pp를 갖는 화상 디스플레이 패널, 및 투사 렌즈 시스템을 포함하는 화상 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 화상 디스플레이 패널의 조명측에는 m개의 마이크로렌즈들을 포함하고 피치 pm를 갖는 마이크로렌즈 어레이가 제공되어 있다.
도 1은 본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치의 실시예를 도시한 것이다.
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치의 일부의 실시예들을 도시한 것으로, 한 픽셀이 하나보다 많은 마이크로렌즈에 의해 조명을 받는 것을 도시한 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치의 일부의 실시예들을 도시한 것으로, 하나의 마이크로렌즈가 하나보다 많은 픽셀을 조명하는 것을 도시한 것이다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치의 실시예를 도시한 것으로 조명 소자가 적분기 시스템의 제 2 렌즈 플레이트의 렌즈 그룹 혹은 렌즈들로 구성된 것을 나타낸 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치 일부의 실시예를 도시한 것으로, 화상 디스플레이 패널이 반사형 화상 디스플레이 패널인 것을 도시한 것이다.
도 8a 및 도 9a 각각은 픽셀에 대해 가능한 모양을 도시한 것이다.
도 8b 및 도 9b는 이들 모양에 관련된 마이크로렌즈 어레이를 도시한 것이다.
도 8c 및 도 9b는 조명 소자의 가능한 공간 분포를 도시한 것이다.
본 발명의 목적은 마이크로렌즈 어레이가 앞에 놓인 화상 디스플레이 패널을 갖는 화상 디스플레이 장치에서, 화상 디스플레이 패널 앞에 단일의 마이크로렌즈 어레이를 갖춘 공지된 화상 디스플레이 장치들과 비교하여 스루풋이 상당히 크며,마이크로렌즈에 입사하는 빔의 허용된 발산에 의해 제한되지 않는 화상 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
이를 위해서, 본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치는 조명 시스템이 N 개의 조명 소자들을 포함하며, 이들 소자는 어레이로 배열되어 있고 피치 p1을 가지며 동시에 광을 발생하며, 여기서 N << m, n 및 p1>> pm, pp인 것을 특징으로 한다.
이 방법에서, 각 픽셀은 N개의 마이크로렌즈들을 통해 조명을 받으며 하나의 마이크로렌즈로부터 나오는 광은 N개의 픽셀들에 입사된다. 이것은 마이크로렌즈 당 스루풋이 인수(factor) N에 의해 상승됨을 뜻한다.
본 발명은, 화상 디스플레이 패널에서의 전자-광학 효과, 또는 아마도 투사렌즈의 원하는 구경이 마이크로렌즈에 입사하는 빔이 취할 수 있는 발산이라기 보다는, 광선들이 화상의 형성에 기여하도록 픽셀에 입사되어야 하는 공간 각도를 바람직하게 정한다는 인식에 기초한다. 전자-광학 효과에 의해 부과된 공간 각도는 이 픽셀에 관련된 원하는 변조를 취할 수 있도록 광선들이 픽셀에 입사해야 하는 범위의 각도이다. 전자-광학 효과에 기인하는 허용된 발산과 마이크로렌즈에 입사하는 빔에 대해 허용된 발산간 차가 인수 10정도 된다는 것은 매우 일반적인 것이다. 따라서, 화상 디스플레이 패널의 전자-광학 효과에 의해 허용된 공간 각도가 예를 들면, 마이크로렌즈에 대해 허용된 것보다 인수 10정도 더 크다면, 본 발명은 픽셀당 허용된 공간 각도를 다른 마이크로렌즈들로부터 나오는 광선들로, 예를 들어, 상기 예에서 어레이로 배열된 마이크로렌즈들의 어레이에서 10을 채울 것을 제안한다. 이것은 픽셀에 대응하는 마이크로렌즈를 2차원 어레이로 배열된 10개의 조명 소자들로 비추는 것에 의해 달성된다. 따라서 조명 소자들의 수는 픽셀들의 수 및 마이크로렌즈들의 수보다 매우 작아도 충분하다. 조명 소자들의 어레이는 마이크로렌즈 어레이의 피치 및 화상 디스플레이 패널의 피치보다 훨씬 큰 피치를 갖는다. 스루풋을 증가시키는 인수는 조명 소자들의 수 N과 같다.
이러한 방식으로, 스루풋 및 분해능이 유지되는 동안, 화상 디스플레이 패널의 전자-광학 효과가 다시 한정치(limiting influence)로 될 때까지 화상 디스플레이 패널의 사이즈는 감소될 수 있다. 한편, 화상 디스플레이 패널의 크기 및 스루풋이 유지되는 동안, 분해능은 보다 선명한 이미지가 실현될 수 있도록 증가될 수 있다. 픽셀들 및 화상 디스플레이 패널의 크기들이 유지되는 동안, 보통보다 높은 스루풋도 실현될 수 있어 보다 밝은 이미지가 얻어진다.
유럽 특허 출원 EP 0 518 362는 화상 디스플레이 장치로서, 어레이는 마이크로렌즈 어레이의 피치와 동일하고 화상 디스플레이 패널의 피치와 동일한 피치를 가지며, 마이크로렌즈들의 수 및 픽셀들의 수와 그 수가 동일하며, 화상 디스플레이 패널의 활성 픽셀부들에 광을 집중시키는 마이크로렌즈 어레이 앞에 실제 광원 어레이들이 배열된 것을 기술하고 있음에 유념해야 한다. 이러한 장치의 문제는 작은 픽셀들을 갖는 화상 디스플레이 패널들의 경우 현저하게, 마이크로렌즈들 뿐만 아니라 조명 소자들도 매우 작고 실질적으로 동일해야 한다는 것으로, 이러한 사실은 제조 과정을 복잡하게 하는 경향이 있다.
본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치의 또 다른 실시예는 마이크로렌즈들의어레이 및 화상 디스플레이 패널이 텔리센트릭(telecentric) 구성으로 배열되는 것을 특징으로 한다.
그것에 의하여 화상 디스플레이 패널의 픽셀들과 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈들의 상대적인 위치들이 화상 디스플레이 패널 상의 위치와 무관하게 달성된다.
본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치의 바람직한 실시예는 조명 소자들의 어레이의 피치 p1및 화상 디스플레이 패널의 피치 pp에 대해서
M. p1= pp
이며, 마이크로렌즈 어레이의 피치 pm과 화상 디스플레이 패널의 피치 pp에 대해서
pm = x. pp
이며, M은 마이크로렌즈 어레이의 배율이고 x는 정수인 것을 특징으로 한다.
이러한 조건하에서, 어레이에 관련된 조명 소자들은 화상 디스플레이 패널의 픽셀들 상에 이미지를 적합하게 형성할 수 있어 광 손실은 최소한으로 제한된다. 이를 위해서, 이미지 형성 후 2개의 조명 소자들 사이의 상호 거리는 화상 디스플레이 패널의 피치 pp와 동일해야 한다.
픽셀들의 피치 및 마이크로렌즈들의 피치는 같을 수 있으며(x=1), 또는 마이크로렌즈들의 피치는 픽셀들의 배수일 수도 있다(x > 1). 후자 가능성의 이점은 마이크로렌즈들이 약간 큰 사이즈로 주어질 수 있어 이들의 제조가 매우 작은 픽셀 크기의 경우 특히 용이하다는 것이다.
텔리센트릭 구성이 아닌 경우, 피치들 pm및 pp는 마이크로렌즈들과 픽셀들간의 원하는 대응 관계를 유지하기 위해서 서로 적응되어야 한다. 사실, 마이크로렌즈를 조명하는 빔의 주요 광선은 마이크로렌즈 어레이와 화상 디스플레이 패널의 조립체에 더 이상 수직이 아니다.
본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치의 또 다른 실시예는 화상 디스플레이 패널의 픽셀들의 활성부들의 형상에 대응하는 형상의 방사 표면을 갖는 것을 특징으로 한다.
따라서, 화상 디스플레이 패널의 픽셀들의 활성부들은 가능한 한 최적으로 이용된다.
본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치의 또 다른 실시예는 제 1 렌즈 플레이트와 제 2 렌즈 플레이트를 구비한 적분기 시스템으로서, 그 각각의 플레이트는 어레이로 배열된 복수의 렌즈들을 포함하고, 제 2 렌즈 플레이트의 렌즈들은 조명 소자들의 어레이를 구성하는 것을 특징으로 한다.
각 조명 소자는 이제 적분기 시스템의 제 2 렌즈 플레이트의 렌즈로 구성된다. 장점은, 적분기 시스템의 존재에 기인하여, 화상에 대한 강도(intensity)가 균일하게 분포될 것이라는 것이다. 또한, 적분기 시스템의 도움으로, 광원으로부터 나오는 빔의 형상은 화상 디스플레이 패널의 형상으로 변환될 수 있다. 예를 들면, 단면이 원형인 빔은 예를 들면, 4:3의 화상 디스플레이 패널의 그것에 대응하는 종횡비로, 단면이 직사각형인 빔으로 변환될 수 있다.
본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치의 또 다른 실시예는 조명 시스템이 제 1 렌즈 플레이트와 제 2 렌즈 플레이트를 구비한 적분기 시스템으로서, 그 각각의 플레이트는 어레이로 배열된 복수의 렌즈들을 포함하며, 제 2 렌즈 플레이트의 인접 렌즈들의 그룹으로 조명 소자들이 구성되는 것을 특징으로 한다.
대안적으로, 조명 소자는 제 2 렌즈 플레이트의 복수의 인접 렌즈들을 모은 것으로서 구성될 수 있다.
본 발명의 이들 및 다른 특징들에 대해서 이하 기술되는 실시예로부터 명백하게 될 것이며 이들 실시예로 분명해질 것이다.
도 1에 도시된 화상 디스플레이 장치(1)는 어레이로 배열된 복수의 광원들(5)로 구성된 조명 시스템(3)을 포함한다. 각각의 광원은 예를 들면 타원형 반사기(elliptic reflector)인 반사기(7)로 둘러싸여져 있다. 이러한 반사기(7)는 광원(5)에 의해 방출된 광의 대부분이 가능한 한 많이 화상 디스플레이 장치에 도달하는 것을 보장한다. 반사기(7)들과 결합한 광원(5)들은 서로 이격된 조명 소자들(11)의 어레이(9)가 형성되는 것을 보장한다.
또한, 화상 디스플레이 장치(1)는 화상 디스플레이 패널(13)을 갖는다. 화상 디스플레이 패널(13)은 예를 들면 액정 물질 및 픽셀들의 매트릭스를 포함할 수 있으며, 여기서 픽셀 매트릭스는 이에 입사되는 편광 방향을 디스플레이될 화상 정보에 따라 변조하기 위해 트위스트 네마틱(TN), 슈퍼-트위스트 네마틱(STN) 혹은 강유전체 효과에 기초하여 동작된다. 한편, 화상 디스플레이 패널의 동작은 또한 예를 들면, 폴리머가 분산된 액정(PDLC)에서와 같이 입사된 비편광(unpolarized)광의 분산에 기초될 수 있다. 이들 모든 경우들에서, 액정 물질층은 예를 들면, 디스플레이될 화상 정보를 각 픽셀에 제공하도록 전극 구조가 제공된 예를 들면, 유리 혹은 합성물질로 된 2장의 광학 투명 기판들 사이에 제공된다.
각 픽셀은 실제로 스위치되는 활성부, 및 수동부로 구성된다. 픽셀 당 활성 및 수동부간의 비는 화상 디스플레이 패널의 기하학적 구경을 정한다. 제한된 구경에 기인하여, 광 손실들은 액정 화상 디스플레이 패널을 포함하는 화상 디스플레이 장치에 상당할 수 있다. 이러한 이유로, 조명 시스템(3)과 화상 디스플레이 패널(13)간의 광로 내에 마이크로렌즈들(17)을 갖는 마이크로렌즈 어레이(15)는 화상 디스플레이 패널(13)의 픽셀들의 활성부들에 조명 시스템(3)으로부터 최대의 광량을 집중시키기 위해 종종 사용된다. 마이크로렌즈 어레이의 포컬 플레인(focal plane)은 화상 디스플레이 패널 내에 위치된다.
이어서 화상 디스플레이 패널(13)에 의해 변조된 광은, 간단히 하기 위해서 단일 투사 렌즈로 나타낸, 투사 렌즈 시스템(19)에 의해 이미지를 형성하기 위해 투사된다.
마이크로렌즈 어레이를 사용할 때, 화상 디스플레이 장치의 스루풋은 화상 디스플레이 패널의 기하학적 구경 및 전자-광학 효과에 의해 허용될 발산에 의해 한정될 뿐만 아니라, 마이크로렌즈들에 입사되는 광빔의 발산에 의해서도 제한될 것이다. 최대 스루풋을 실현할 수 있도록 하기 위해서, 주어진 픽셀에 입사되는 서브-빔의 직경은 화상 디스플레이 패널의 영역에서 가능한 한, 이러한 픽셀의 활성부의 크기에 상응해야 한다. 화상 디스플레이 패널의 영역에서 빔의 직경은 마이크로렌즈에 입사되는 빔의 발산 및 화상 디스플레이 패널의 조명측에서 기판의 두께에 달려있다. 그리고, 마이크로렌즈에 입사되는 빔의 발산은 램프 표면과 패널 표면간의 비에 의해서 결정된다. 그러나, 언급된 파라미터들은 항상 적응될 수 없다.
화상 디스플레이 패널의 영역에서의 빔의 크기는 활성 픽셀부의 크기와 실질적으로 같거나 또는 작아야 한다. 그 경우가 아니라면, 광은 수동 픽셀부에 역시 입사될 것이며 광 손실 및 패널 가열의 결과가 초래될 것이다. 본 발명은 입사광 빔의 발산에 관한 한계가 하나보다 많은 마이크로렌즈를 통해 화상 디스플레이 패널의 각각의 픽셀을 조명함으로써, 그리고 각각의 마이크로렌즈가 하나보다 많은 픽셀을 조명하게끔 함으로서 해결될 수 있음을 인식하고 있다. 이것은 단일 광원 대신에, 동시에 광을 방출하는 복수(N)의 조명 소자(11)를 이용하여 달성된다. 도 1에서, 각각의 조명 소자는 별도의 광원으로 구현된다. 이하 예시될 다른 가능성으로서, 이에 따라 조명 소자 어레이가 실현될 수 있다.
필드 렌즈(18, 20)는 마이크로렌즈 어레이(15)와 화상 디스플레이 패널(13)을 조합한 것 앞에 혹은 뒤에 놓일 수 있다. 이것은 최적으로 투사 렌즈의 구경을 이용할 가능성을 제공한다. 더욱이, 필드 렌즈가 없는 경우와 비교하여, 보다 작은 구경을 갖는 투사 렌즈를 사용하여도 충분할 것이다.
대안적으로 상기 언급된 조합된 것 앞과 뒤 모두에 필드렌즈를 배치하는 것이 가능하다. 투사 렌즈의 구경을 최적으로 이용하는 것 외에도, 2개의 필드 렌즈들(18, 20)만으로도 텔리센트릭(telecentric) 조명이 실현되는 것을 보장한다. 이와 같이 하여, 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈의 상대 위치들 및 화상 디스플레이 패널의 픽섹들은 화상 디스플레이 패널 상의 위치와는 무관한 것이 달성된다. 필드 렌즈들(18, 20)이 선택적인 것이기 때문에, 도 1, 6a 및 6b에는 점선으로서도시하였다.
도 2는 조명 소자(11)의 수, 마이크로렌즈(17)의 수 및 화상 디스플레이 패널(13)의 픽셀(21) 수간의 대응관계를 단면으로 도시한 것이다. 화상 디스플레이 장치에서 최대 스루풋을 실현하기 위해서는 텔리센트릭 구성의 경우
M.p1= pp
pm= x.pp
이고, 여기서, M은 마이크로렌즈 어레이의 배율이고 x는 정수인 관계가 유지되어야 한다. 이것은 이미지 형성 후, 조명 소자들이 화상 디스플레이 패널의 픽셀들에 일치하고, 마이크로렌즈 어레이의 피치 pm가 화상 디스플레이 패널의 피치 pp와 같거나(x=1) 또는 정수배(x>1)이어야 함을 뜻한다.
예를 들면, 화상 디스플레이 패널(13)의 하나의 픽셀(21)은 각각의 마이크로렌즈(15)에 대응할 수도 있다. 마이크로렌즈 어레이의 피치 pm은 이때 화상 디스플레이 패널(13)의 피치 pp와 같다(x=1). 예를 들면, 화상 디스플레이 패널의 하나보다 많은 픽셀이 한 마이크로렌즈에 대응하는 것도 가능하다(x>1). 한 마이크로렌즈가 하나보다 많은 픽셀에 대응하면, 마이크로렌즈의 사이즈를 크게 할 수도 있어, 이들을 보다 쉽게 제조할 수가 있다. 이것은 특히 소형 픽셀들을 갖는 화상 디스플레이 패널들의 경우에 이점이 된다. 이 경우, 마이크로렌즈 어레이의 피치 pm은 화상 디스플레이 패널 pp의 피치보다 크다. 한 예가 도 10에 도시되어 있다.
텔리센트릭 구성이 아닌 경우, 피치들 pm및 pp는 서로에 적응되어야 하는데, 마이크로렌즈에 입사되는 빔의 주 광선이 마이크로렌즈 어레이 및 화상 디스플레이 패널의 조립체에 더 이상 수직하기 않기 때문이다.
화상 디스플레이 패널(13)은 매트릭스로 배열된 n개의 픽셀들(21)을 포함하며, 마이크로렌즈 어레이(15)는 m개의 마이크로렌즈(17)를 포함한다. 화상 디스플레이 패널(13)의 픽셀(21)은 실제로 스위치되는 활성부(23), 그리고 수동부(25)로 구성된다. 화상 디스플레이 패널의 기하학적 구경은 활성부의 표면과 수동부의 표면간의 비로 결정된다.
화상 디스플레이 패널에서의 전자-광학 효과, 및 아마도 투사 렌즈의 구경은 이미지의 형성에 기여하기 위해서 픽셀에 광선이 입사되어야 하는 공간 각도를 정해야 한다. 수동 픽셀부들에 최소의 광량이 입사되도록 하기 위해 마이크로렌즈에 입사되는 광선에 허용되는 제한된 발산의 결과로서, 공간 각도는 단일 마이크로렌즈로부터 나오는 광선에 의해 완전히 채워질 수 없다. 이러한 이유로, 본 발명은 몇 개의 마이크로렌즈로부터 나오는 광선으로 하나의 픽셀에 관련된 공간 각도를 채우는 것을 제안한다. 이것은 하나의 광원 대신에, 동시에 광을 방출하는 복수의 조명 소자들 N을 갖는 분할된 광원을 사용함으로써 달성된다. 이러한 방식에서, 스루풋은 조명 소자들(11)의 수와 같은 인수만큼 증가된다. 전자-광학 효과에 의해서 허용된 발산 및 화상 디스플레이 패널의 기판의 두께 및 픽셀 크기와 같은 기하학적 인수들로, 실현될 수 있는 인수를 정한다. 전자-광학 효과에 의해 허용된 발산과 마이크로렌즈에 입사되는 빔에 대해 허용된 발산간의 차 인수 10은 매우 일반적이다. 따라서, 화상 디스플레이 패널의 전자-광학 효과에 의해 허용된 공간 각도가 마이크로렌즈에 입사되는 빔에 대해 허용된 것보다 10 정도 클 경우, 픽셀당 허용된 공간 각도를 몇 개의 마이크로렌즈로부터 나오는 광선으로 채우는 것이 제안된다. 이 효과는 많은 조명 소자들, 예를 들면 2차원 어레이로 배열된 10개의 소자들로 마이크로렌즈를 비춤으로써 달성된다. 이 어레이 내의 조명 소자의 구성은 대칭일 수도 있으나 필요한 것은 아니다. 사실, 예를 들면, TN 효과와 같이 모든 전자-광학 효과가 대칭인 것은 아니다. 전자-광학 효과가 최적 화상 콘트라스트를 제공하는 화상 디스플레이 패널에 광 입사각이 바람직하게 실현된다.
조명 소자(11)의 수(N)는 픽셀(21)의 수 및 마이크로렌즈(17)의 수보다 아주 작아도 충분하다(N<<m, n). 조명 소자(11)의 어레이(9)의 피치 p1은 마이크로렌즈 어레이의 피치 pm및 화상 디스플레이 패널(13)의 피치 pp보다 훨씬 크다(p1 >>pm, pp).
도 2 및 도 3은 3개의 다른 조명 소자로부터 나오는 3개의 광빔들 각각이 마이크로렌즈를 조명하고 이어서 하나의 단일 픽셀을 조명하는 방법에 대해서 도시한 것이다. 도 2는 화상 디스플레이 패널의 활성 픽셀부 내의 점에 조명 소자 내에 위치한 점의 이미지를 도시한 것이다. 도 3은 각각의 조명 소자의 크기 및 한편으로 활성 픽셀부의 크기가 서로에 대해 어떻게 적응되어야 하는가를 도시한 것이다. 크기를 맞출 때, 당연히 마이크로렌즈 어레이의 배율 M이 고려될 것이다.
도 4 및 도 5는 3개의 다른 조명 소자로부터 나오는 3개의 광빔들이 단일 마이크로렌즈를 통해 3개의 상이한 픽셀들을 어떻게 조명하는가에 대해서 도시한 것이다. 도 4에서, 3개의 상이한 조명 소자들의 각각의 조명 소자의 한 점은 3개의 상이한 픽셀들 내의 한 점에 이미지가 형성된다. 도 5는 조명 소자의 크기와 픽셀의 활성부의 크기간의 관계를 도시한 것이다.
서로 분리된 조명 소자들의 어레이는 예를 들면, 도 1에 도시된 광원 어레이에 의해서 실현될 수도 있다. 이러한 어레이를 실현하는 다른 방법은 도 6a 및 도 6b에 도시되어 있다. 조명 시스템(3)은 광원(5)으로부터 최대의 광량을 장치에 도달하도록 보장하는 반사기(7)에 의해 부분적으로 둘러싸인 하나의 광원(5)을 포함한다. 반사기(7)는 예를 들면, 조준된(collimated) 광빔이 형성되도록 하기 위한 파라볼릭(parabolic) 반사기일 수도 있다. 반사기는 대안으로 역시 조준된 빔이 얻어지도록 하기 위해 집광 렌즈와 결합된 구형 반사기일 수도 있다. 더구나, 조명 시스템(3)에는 제 1 렌즈 플레이트(29) 및 제 2 렌즈 플레이트(31)를 포함하는, 적분기 시스템이라 불리는 렌즈 시스템(27)이 제공된다. 이들 렌즈들(33) 각각은 제 2 렌즈 플레이트(31)의 관련 렌즈(35)에 광원(5)의 이미지를 형성한다. 광원(5)에 면하는 측에서, 제 1 렌즈 플레이트(29)에는 렌즈 어레이(33)가 제공되고 다른 측은 바람직하게도 평면이다. 이들 렌즈(33) 각각은 제 2 렌즈 플레이트(31)의 관련 렌즈(35)에 광원(5)의 이미지를 형성한다. 광원(5)에 면하는 제 2 렌즈 플레이트(5) 측은 바람직하게도 평면이나, 다른 측에는 렌즈 어레이(35)가 제공된다. 제 1 렌즈 플레이트(29)의 로우 및 컬럼 렌즈들의 수는 예를 들어, 제 2 렌즈플레이트(31)의 그것에 상응한다. 상이한 렌즈(33)들에 의해 대응하는 렌즈(35)에 광원(5)의 이미지를 형성하기 위해서, 제 1 렌즈 플레이트(29)에 입사되는 빔의 다른 부분이 매번 사용된다. 이러한 방식에서, 제 2 렌즈 플레이트(31)의 렌즈(35)의 수에 대응하는 다수의 조명 소자(11)가 형성되는데, 이들 소자는 서로 분리되어 있다. 제 1 렌즈 플레이트(29) 및 제 2 렌즈 플레이트(31)의 렌즈 구성은 예를 들면 US-A 5,184,248과 같이, 서로 다를 수 있다.
제 1 렌즈 플레이트(29)에서, 광원 혹은 광원들로부터 가능한 한 많은 광을 수신하도록 하기 위해 렌즈(31)를 서로 인접시키는 것이 중요하다. 그러나, 조명 소자(11)는 서로 떨어져 있어야 한다. 더구나, 렌즈 혹은 프리즘 시스템(도시안됨)은 제 2 렌즈 플레이트(31) 뒤쪽에 있을 수도 있다. 이에 따라 화상 디스플레이 패널(13)의 평면 내에 다시 나타난 모든 이미지들은 서로 포개어져(superimpose) 그 평면 내에서 조명 파워가 원하는 균일성을 갖는 것이 달성될 수 있으며, 균일성의 정도는 플레이트(29 및 31)의 렌즈 수에 의해서 결정된다. 동일한 결과는 제 2 렌즈 플레이트에 제 3 렌즈를 합쳐 달성될 수 있다. 실제로, 이것은 제 2 렌즈 플레이트의 각각의 렌즈가 쇄기 형상(wedge-shaped)임을 의미한다. 더구나, 적분기 시스템은 광원으로부터 나오며 예를 들면 단면이 원형인 광빔이 예를 들면 4:3인 화상 디스플레이 패널의 경우에 대응하는 종횡비를 갖는 사각 단면을 갖는 광빔으로 변환될 수 있는 이점을 갖는다. 상기 기술된 적분기 시스템에 관련한 상세한 정보에 대해서는 미국 특허 US-A 5,098,184 및 US-A 5,184,248을 참조한다.
도 6a는 수직 방향으로 단지 4개의 렌즈(33)를 도시한 것이다. 실제로, 제 1렌즈 플레이트(29)는 예를 들면, 8 x 6 렌즈들을 포함한다. 제 2 렌즈 플레이트(31)의 렌즈들(35) 각각은 조명 소자로서 기능할 수 있다. 그러나, 제 2 렌즈 플레이트(35)가 8 x 6 렌즈들을 포함하면, 바람직하게 6개의 렌즈들의 8개의 그룹이 렌즈(35)의 그룹을 형성하는데, 이것은 10개 정도의 조명 소자만이 필요하기 때문이다. 이때 6개의 렌즈(35)의 8개의 그룹 각각은 조명 소자 역할을 한다. 이것은 도 6b에 도시되었으며, 여기서는 단지 4개의 조명 소자만이 도시되어 있다. 렌즈대신에, 이 도면에 조명 소자(11)가 도시되어 있다. 제 2 렌즈 플레이트(31)의 다수의 렌즈(35)가 공동으로 하나의 조명 소자를 구성하는 것을 실현하기 위해서, 프리즘이 제 1 렌즈 플레이트(29)의 렌즈(33) 각각에 합해질 수도 있다.
상기 기술된 실시예에서, 화상 디스플레이 패널은 전달형 화상 디스플레이 패널이다. 그러나, 화상 디스플레이 패널은 대안으로 반사형 화상 디스플레이 패널일 수도 있다. 반사형 화상 디스플레이 패널이 이에 입사되는 광의 편광 방향의 변조에 기초하여 동작된다면, 변조될 진행 빔 b1 및 되돌아오는 변조된 빔 b2는 편광-분리 소자에 의해서 서로 분리될 수 있다. 그러나, 반사형 화상 디스플레이 패널이 분산 효과에 기초하여 동작될 경우, 빔들은 분리될 수 없으며 변조될 빔 b1 및 변조된 빔 b2는 이들 구별짓기 위해서 서로부터 공간적으로 분리되어야만 할 것이다. 이것은 예를 들면, 빔이 변조되어 도 7에 도시된 바와 같이 마이크로렌즈 어레이에 각도 Θ로 입사되게 함으로써 실현될 수 있다. 각도 Θ의 사이즈는 공간 분리 정도를 결정한다.
조명 시스템의 효율을 증가시키기 위해서, 2차 광원의 표면의 형상, 예를 들면, 적분기 시스템의 렌즈 표면의 형상 혹은 제 2 렌즈 플레이트의 렌즈 그룹의 표면의 형상은 화상 디스플레이 패널의 픽셀들의 활성부들의 형상에 적응될 수 있으며, 구성은 픽셀들의 구성에 적응될 수 있다. 예를 들면, 픽셀들이 델타 구성으로 배열되면, 조명 소자 역시도 델타 구성으로 배열되어야 한다. 픽셀들의 형상보다는 픽셀들의 구성이 조명 소자의 구성을 결정한다. 더구나, 최적의 결과를 위해, 마이크로렌즈의 구성도 픽셀의 구성에 적응되어야 한다. 상기 예에서, 마이크로렌즈들은 따라서 델타 구성으로 배열된다. 이들의 형상은 중요하지 않으나 이들이 서로 인접한다는 사실이 중요하며, 따라서 이들의 형상은 일반적으로 자동적으로 결정된다. 이러한 방법으로, 각각의 픽셀은 세기의 어떠한 손실도 없이 최적으로 조명된다.
도 8 및 도 9는 픽셀들, 마이크로렌즈 어레이들 및 조명 소자들의 형상과 구성을 최적으로 조합한 예를 도시한 것이다.
도 8a에서, 완전한 픽셀은 6각형(hexagonal)이며 픽셀들은 델타 구성으로 배열되는 한편, 활성부는 정사각형이다. 마이크로렌즈 어레이(15)의 마이크로렌즈(17)는 따라서 델타 구성으로 배열된다. 이들이 취한 형상은 특히 서로 인접해야 하는 조건에 의해서 결정된다(도 8b). 구성은 픽셀(21)의 구성에 대응한다. 도 8c는 조명 소자(11)가 델타 형상으로 배열된 것, 즉 이들이 픽셀들(21)의 구성에 대응하는 것을 도시한 것이다. 조명 소자(11)는 정사각형이므로, 픽셀들(21)의 활성부(23)의 형상에 대응한다.
도 9a는 전체 픽셀(21)이 정사각형이며, 픽셀들이 정사각형 구성으로 배열되는 한편, 활성 픽셀부(23)는 직사각형인 것을 도시한 것이다. 관련 마이크로렌즈 어레이의 마이크로렌즈는 이에 따라 도 9b에 도시된 바와 같이, 정사각형으로 배열된다. 마이크로렌즈의 형상은 중요하지 않다. 조명 소자(11), 픽셀(21)의 활성부(23)의 형상에 대응하는 방사 표면 형상도 정사각형 구성으로 배열된다.
도 10은 마이크로렌즈의 피치 pm이 픽셀들의 피치 pp의 정수배인 실시예를 도시한 것이다. 이것은 모든 조명 소자에 의해서 모든 픽셀이 조명을 받지 않음을 의미한다. 도 10에서, 각각의 마이크로렌즈(17)는 2개의 픽셀들(21)에 대응하며, 따라서 각각의 픽셀은 조명 소자수의 반에 의해서 조명을 받게 될 것이다. 화상 세기는 따라서 약간 감소될 것이나, 이점은 마이크로렌즈 어레이가 쉽게 제조될 수 있다는 것으로 이것은 비교적 소형의 픽셀들을 갖는 화상 디스플레이 패널들에 특히 이롭다. 조명 소자들 A, B, C, D, E 및 F는 각각 픽셀들 a, b, c, d, e 및 f에 이미지를 형성한다. 렌즈 i에 대해서는, 이것은 패널(13)에 나타나고, 렌즈 i+1에 대해서는 패널(13')에, 렌즈 i+2에 대해서는 패널(13")에 나타난다. 조명 소자(A)에 의해서 렌즈 i를 통해 조명된 픽셀은 조명 소자(C)에 의해서 렌즈 i+1을 통해서 그리고 조명 소자(E)에 의해서 렌즈 i+2를 통해 비춰질 것이라는 결과를 나타낸다. 픽셀들(21)은 따라서 2개의 그룹으로 분할될 수 있다. 한 그룹은 조명 렌즈(A, C 및 E)에 의해서 비춰지고 다른 그룹은 조명 렌즈(B, D 및 F)에 의해서 조명된다. 도시된 예에서, 각각의 픽셀(21)은 따라서 3개의 조명 소자로부터 광을 받는다. 도 10은 렌즈 i에 대한 방사 경로만을 도시하고 있다.
실제로, 이는 마이크로렌즈 어레이가 동일한 방식으로 화상 디스플레이 패널의 외각 픽셀들에도 방사되도록 화상 디스플레이 패널보다 약간 크고 화상 디스플레이 패널보다 많은 마이크로렌즈를 갖는 것을 일반적으로 보장한다.
본 발명에 따른 화상 디스플레이 장치에 대한 모든 실시예에서, 픽셀들의 어레이들, 마이크로렌즈들 및 조명 소자들을 1차원으로 나타내었다. 이들 어레이들은 물론 2차원 어레이들이다.

Claims (4)

  1. 조명 시스템, n개의 픽셀들의 매트릭스가 제공되고 피치 pp을 갖는 화상 디스플레이 패널, 및 투사 렌즈 시스템을 포함하는 화상 디스플레이 장치로서, 상기 화상 디스플레이 패널의 조명측에는 m개의 마이크로렌즈들을 포함하고 피치 pm을 갖는 마이크로렌즈 어레이가 제공되는, 상기 화상 디스플레이 장치에 있어서,
    상기 조명 시스템은, 어레이로 배열되고, 피치 p1을 갖고, 동시에 광을 발생시키는, N개의 조명 소자들을 포함하며, 여기서 N<<m, n, 및 p1>> pm, pp이고, 상기 마이크로렌즈 어레이 및 상기 화상 디스플레이 패널은 텔리센트릭(telecentric) 구성으로 배열되고, 상기 조명 소자들의 어레이의 피치 p1및 상기 화상 디스플레이 패널의 피치 pp에 대해서
    M ·p1= pp
    가 성립하고, 상기 마이크로렌즈 어레이의 피치 pm및 상기 화상 디스플레이 패널의 피치 pp에 대해서
    pm= x ·pp가 성립하며, 여기서, M은 상기 마이크로렌즈 어레이의 배율이고, x는 정수인, 화상 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 조명 소자들은 상기 화상 디스플레이 패널의 픽셀들의 활성부들의 형상에 대응하는 형상을 갖는 방사 표면을 갖는 것을 특징으로 하는, 화상 디스플레이 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 조명 시스템은 제 1 렌즈 플레이트 및 제 2 렌즈 플레이트를 가진 적분기 시스템을 포함하고, 상기 플레이트들 각각은 어레이로 배열된 복수의 렌즈들을 포함하며, 상기 제 2 렌즈 플레이트의 렌즈들은 조명 소자들의 어레이를 구성하는 것을 특징으로 하는, 화상 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 조명 시스템은 제 1 렌즈 플레이트 및 제 2 렌즈 플레이트를 가진 적분기 시스템을 포함하고, 상기 플레이트들 각각은 어레이로 배열된 복수의 렌즈들을 포함하며, 상기 조명 소자들은 상기 제 2 렌즈 플레이트의 인접한 렌즈들의 그룹으로 구성된 것을 특징으로 하는, 화상 디스플레이 장치.
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