KR100433211B1 - 광량 및 편광 균일화 광학소자를 이용한 프로젝터의 조명 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광량 및 편광 균일화 광학소자와 그를 이용하여 광학계의 부피를 줄일 수 있는 프로젝터의 조명 광학계에 관한 것이다.

본 발명의 광량 및 편광 균일화 광학소자는 입사광의 제1 편광 성분이 출사되는 제1 출사면과 상기 입사광의 제2 편광 성분이 출사되는 제2 출사면이 형성되며 상기 입사광이 내부에서 전반사를 통해 진행되게 하여 상기 입사광의 광분포를 균일하게 하는 로드와; 상기 제2 출사면에 대하여 경사지도록 상기 로드의 일측에 형성되어 상기 제2 편광 성분을 상기 제2 출사면 쪽으로 전반사시키는 경사면과; 상기 제1 출사면에 대하여 경사지도록 상기 로드의 내부에 형성되고 상기 입사광에서 상기 제1 편광 성분을 상기 제1 출사면 쪽으로 전반사시킴과 아울러 상기 제2 편광 성분을 상기 경사면 쪽으로 투과시키는 편광분리소자와; 상기 제2 출사면을 통해 출사되는 상기 제2 편광 성분을 상기 제1 편광 성분으로 변환하기 위한 편광변환기를 구비한다.

Description

광량 및 편광 균일화 광학소자를 이용한 프로젝터의 조명 광학계{OPTICAL ILLUMINATION SYSTEM OF PROJECTOR USING OPTICAL DEVICE UNIFORMING AMOUNT OF LIGHT AND POLARIZATION}

본 발명은 프로젝션 시스템의 조명 광학계에 관한 것으로, 특히 광량 및 편광 균일화 광학소자와 그를 이용하여 광학계의 부피를 줄일 수 있는 조명 광학계에 관한 것이다.

최근 들어, 화면크기에 제한이 있고 시스템의 크기가 큰 음극선관 디스플레이를 대체하여 두께가 상대적으로 얇으면서 대화면을 구현할 수 있는 평판 디스플레이로서 소화면 화상을 대형 스크린에 확대투사시키는 프로젝터의 보급이 급속히 증가하고 있다. 프로젝터는 소화면 화상을 구현하는 디스플레이 소자로서 음극선관, LCD(Liquid Crystal Display), 또는 DMD(Digital Micromirror Device)를 채용하고 있으나, 박형화 추세에 대응하여 LCD 또는 DMD가 주로 사용된다. LCD는 외부에서 주어지는 전기적인 변화에 따라 액정의 배열상태가 변하게 되고, 액정의 배열상태에 따라 광의 투과량이 제어되게 함으로써 화상을 구현한다. DMD는 외부에서 주어지는 전기적인 변화에 따라 마이크로미러의 경사각을 +10도에서 -10도 사이에서 변화시켜 광의 반사각이 2가지 모드를 가지게 하여 화상을 구현한다.

프로젝터는 소형 경량화 및 고휘도화를 기본축으로 발전하고 있다. 프로젝터는 소형 경량화를 위하여 3개의 디스플레이 소자를 이용하여 칼라를 구현하는 삼판식에서 1개의 디스플레이 소자를 이용하여 칼라를 구현하는 단판식으로 발전하고 있다. 또한, 프로젝터는 밝은 환경하에서도 선명한 화면을 볼 수 없는 문제점을 많이 극복할 수 있도록 개선되어지고 있다. 예를 들면, 광원으로 사용되는 램프가 작은 발광 크기를 갖도록 개선되고 있고, 도 1에 도시된 바와 같이 광량 균일화를 위한 플라이아이렌즈들(Fly eye lens)과 광원으로부터 발생한 광을 하나의 선편광으로 변환하는 편광 변환소자를 채용하여 광효율이 향상되게 하고 있다.

도 1에 도시된 프로젝터의 조명계는 광원(2)과 디스플레이 소자(12) 사이의 광경로 상에 광원(2) 측으로부터 순차적으로 배치된 제1 및 제2 플라이아이렌즈(4, 6)와, 편광분리 어레이(Polarizing Beam Spriter Array; 이하 'PBS 어레이'라 한다, 8)와, 역 푸리에변환 렌즈(10)를 구비한다.

광원(2)은 발광크기가 작은 아크발광 램프와 그 램프를 감싸는 형태로 설치된 포물반사경을 구비한다. 램프에서 아크발광으로 발생된 백색광은 포물반사경에서 반사되어 준평행광 형태로 제1 플라이아이렌즈(4) 쪽으로 진행하게 된다.

제1 및 제2 플라이아이렌즈(4, 6)는 매트릭스 형태로 배열된 다수개의 마이크로 렌즈셀들로 구성된다. 제1 플라이아이렌즈(4)는 광원(2)으로부터의 입사광을 렌즈셀 단위로 분할하여 제2 플라이아이렌즈(6)의 각 렌즈셀에 입사되게 한다. 제1 플라이아이렌즈(4)와 제1 초점거리(f)를 가지는 제2 플라이아이렌즈(6)는 제1 플라이아이렌즈(4)로부터의 입사광을 평행광으로 변환하여 PBS 어레이(8)로 진행되게 한다. 제2 플라이아이렌즈(6)는 푸리에변환 렌즈(Fourier Transform lens)라고도 한다. 이러한 제1 및 제2 플라이아이렌즈(4, 6)에 의해 디스플레이소자(12)에 입사되는 광량이 균일해지게 된다.

PBS 어레이(8)는 제2 플라이아이렌즈(6)로부터의 입사광을 어느 하나의 광축을 가지는 선편광, 즉 수직선편광(이하, P편광이라 함)과 수평선편광(이하, S편광이라 함)으로 분리한다. 이러한 편광분리를 위하여 PBS 어레이(8)는 도 2에 도시된 바와 같이 입사면 및 출사면 사이에 경사지게 형성된 편광분리면(18)을 가지는 다수개의 PBS 프리즘 막대들(16)로 구성된다. 입사광(14)은 PBS 프리즘 막대(16)의 경사진 편광분리면(18)에서 P편광(22)은 투과되고 S편광(20)은 반사됨으로써 분리된다. 이렇게, 최초의 편광분리면(18)에서 반사된 S편광(20)은 인접한 다음 편광분리면(18)에서 다시 반사되어 PBS 어레이(8)의 출사면을 통해 그대로 출사된다. 반면에, 편광분리면(18)을 투과한 P편광은 PBS 어레이(8)의 배면에 부분적으로 부착된 1/2파장판(24)에 의해 S편광(20)으로 변환되어 출사된다. 이에 따라, PBS 어레이(8)에 의해 입사광이 모두 하나의 선편광인 S편광으로 변환됨으로써 광원(2)에서 출사된 대부분의 광이 선편광을 이용하는 액정패널과 같은 디스플레이 소자(12)의 화상구현에 이용될 수 있으므로 휘도가 향상된다. 이러한 PBS 어레이(8)는 제2 플라이아이렌즈(6)의 배면에 부착되어 일체화된다.

역 푸리에변환 렌즈(9)는 PBS 어레이(8)로부터 평행하게 입사되는 S편광(20)을 디스플레이소자(12)에 최소의 입사각으로 집속되게 하여 광손실을 방지한다.

이러한 구성을 가지는 프로젝터의 조명 광학계는 광량 균일화를 위한 플라이아이렌즈들(4, 6)과 편광균일화를 위한 PBS 어레이(8)를 사용하여 디스플레이 소자(12)의 표시품질이 향상되게 한다. 그러나, 플라이아이렌즈(4, 6)들과 PBS 어레이(8)가 차지하는 공간이 상대적으로 큼에 따라 광학계의 부피가 커져 프로젝터를 소형화 및 박형화하기에 어려움이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 광량 균일화 및 편광 균일화 기능을 동시에 수행할 수 있는 광학소자를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 상기 광량 및 편광 균일화 광학소자를 이용하여 광학계 부피를 감소시킬 수 있는 프로젝터의 조명 광학계를 제공하는 것이다.

도 1은 통상의 액정 프로젝터의 조명 광학계 구성을 나타낸 도면.

도 2는 도 1에 도시된 편광균일화 어레이의 편광분리 및 편광균일화 원리를 설명하기 위한 도면.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광량 및 편광 균일화 광학소자를 이용한 조명 광학계의 구성을 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

2, 30 : 광원 4 : 제1 플라이아이렌즈

6 : 제2 플라이아이렌즈 8 : 편광분리(PBS) 어레이

10, 40 : 역 푸리에변환 렌즈 12, 42 : 디스플레이 소자

14 : 비편광 16 : PBS 프리즘 막대

18 : 편광분리면 20 : S파

22 : P파 24, 36 : 1/2파장판

32 : 광량 및 편광 균일화 로드렌즈

34 : 편광분리소자 36 : 푸리에변환 렌즈

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 광량 및 편광 균일화 광학소자는 입사광의 제1 편광 성분이 출사되는 제1 출사면과 상기 입사광의 제2 편광 성분이 출사되는 제2 출사면이 형성되며 상기 입사광이 내부에서 전반사를 통해 진행되게 하여 상기 입사광의 광분포를 균일하게 하는 로드와; 상기 제2 출사면에 대하여 경사지도록 상기 로드의 일측에 형성되어 상기 제2 편광 성분을 상기 제2 출사면 쪽으로 전반사시키는 경사면과; 상기 제1 출사면에 대하여 경사지도록 상기 로드의 내부에 형성되고 상기 입사광에서 상기 제1 편광 성분을 상기 제1 출사면 쪽으로 전반사시킴과 아울러 상기 제2 편광 성분을 상기 경사면 쪽으로 투과시키는 편광분리소자와; 상기 제2 출사면을 통해 출사되는 상기 제2 편광 성분을 상기 제1 편광 성분으로 변환하기 위한 편광변환기를 구비한다.상기 편광분리소자는 금속 와이어가 형성된 와이어 편광기를 구비한다.본 발명에 따른 프로젝터의 조명 광학계는 광을 조명 광학계에 조사하는 광원과; 상기 광원으로부터 입사되는 입사광의 제1 편광 성분이 출사되는 제1 출사면과 상기 입사광의 제2 편광 성분이 출사되는 제2 출사면이 형성되며 상기 입사광이 내부에서 전반사를 통해 진행되게 하여 상기 입사광의 광분포를 균일하게 하는 로드, 상기 제2 출사면에 대하여 경사지도록 상기 로드의 일측에 형성되어 상기 제2 편광 성분을 상기 제2 출사면 쪽으로 전반사시키는 경사면, 상기 제1 출사면에 대하여 경사지도록 상기 로드의 내부에 형성되고 상기 입사광에서 상기 제1 편광 성분을 상기 제1 출사면 쪽으로 전반사시킴과 아울러 상기 제2 편광 성분을 상기 경사면 쪽으로 투과시키는 편광분리소자 및, 상기 제2 출사면을 통해 출사되는 상기 제2 편광 성분을 상기 제1 편광 성분으로 변환하기 위한 편광변환기를 포함하는 광량 및 편광 균일화 광학소자와; 상기 제1 출사면과 상기 편광변환기를 통해 출사되는 광을 상기 디스플레이 소자에 조사하는 스페이스 멀티플렉싱 광학소자를 구비한다.상기 스페이스 멀티플렉싱 광학소자는 상기 제1 출사면과 상기 변광 변환기에 각각 대응되는 적어도 2 개의 렌즈셀들로 구성되어 상기 제1 출사면과 상기 편광 변환기로부터 입사되는 광을 푸리에변환하는 푸리에변환 광학소자와; 상기 적어도 2 개의 렌즈셀들로부터 각각 입사되는 광을 역 푸리에변환하여 상기 디스플레이 소자에 중첩되게 결상시키는 역 푸리에변환 광학소자를 구비한다.상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 3을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 광량 및 편광 균일화 광학소자를 이용한 프로젝터의 조명 광학계 구성을 도시한 것이다. 도 3에 도시된 조명 광학계는 광원(30)과 디스플레이 소자(42) 사이의 광경로 상에 광원(30) 측으로부터 순차적으로 배치된 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(Homogenizing and Polarizing Rod Rens)(32), 푸리에변환 렌즈(38)와 역 푸리에변환 렌즈(40)로 구성된 스페이스 멀티플렉싱 광학계(Space Multiplexing Optical System)를 구비한다. 여기서, 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)는 그의 제2 출사면과 푸리에변환 렌즈(38) 사이에 배치된 1/2파장판(36)을 더 구비한다.

광원(30)은 광을 발생시키는 램프와, 램프에서 발생된 광을 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32) 쪽으로 전반사시키는 반사경으로 구성된다. 램프로부터 발생된 광은 반사경에서 반사되어 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)에 입사된다.

광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)는 광원(30)의 반사경에 의해 집속되어 입사되는 입사광을 그의 내부에서 여러번 전반사시킴으로써 균일한 광분포를 갖게 함과 아울러 비편광을 S편광과 P편광으로 분리해낸다. 이를 위하여, 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)는 상대적으로 긴 길이를 가지며, 광출사 방향이 입사방향과 직각이 되게끔 전반사시키는 경사면(32A)을 가지는 직육면체의 형태를 가지고, 그 내부에는 편광분리를 위한 편광분리소자(34)가 경사지게 설치된다.

광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)는 내부 전반사를 위하여 외부, 즉 공기보다 큰 굴절율(n>1)을 가지는 매질로 이루어진다. 그리고, 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)로 입사된 광이 그의 내부에서 진행하여 로드렌즈(32)와 공기의 경계면에 소정의 임계각 이상으로 입사되게 함으로써 그 경계면에서 전반사되게 한다. 이렇게, 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)에 입사된 광들은 그의 내부의 경계면에서 반복적으로 전반사되어 편광분리소자(34)로 입사된다.

편광분리소자(34)는 입사되는 비편광을 S편광과 P편광으로 분리하여 S편광은 제1 출사면(35)쪽으로 전반사시키고, P편광은 경사면(32A) 쪽으로 투과시킨다. 편광분리소자(34)는 편광분리를 위한 다이크로익 코팅면 보다 각도특성이 양호하고 내열성을 가지는 와이어 편광기(Wire Polarizer)로 구성한다. 와이어 편광기는 통상 임의의 기판 상에 금속재질(Al 등)의 와이어가 입사광의 파장보다 작은 간격으로 나란하게 부착된 형태를 가지고서 S편광은 반사시키고 P편광은 투과시키게 된다. 편광분리소자(34)에서 전반사된 S편광은 제1 출사면(35), 즉 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)의 경계면에 소정의 임계각 보다 작은 각도로 입사되어 외부로 출사된다. 편광분리소자(34)를 투과한 P편광은 전반사원리에 의해 경사면(32A)에서 전반사되어 상기와 같은 원리로 제2 출사면(37)을 통해 출사된다.

광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)의 제2 출사면(37) 측에 소정의 이격거리를 가지고 설치된 1/2파장판(36)은 제2 출사면(37)으로부터의 P편광을 S편광으로 변환하여 출사되게 한다. 이에 따라, 1/2 파장판(36)을 포함하는 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)에 의해 광원(30)으로부터의 입사광은 균일한 광분포를 가지는 S편광으로 변환되어 진행되게 함으로써 광효율을 향상시킨다.

스페이스 멀티플렉싱 광학계 중 푸리에변환 렌즈(38)는 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)의 제1 및 제2 출사면(35, 37)에 대응되는 광경로 상에 제1 및 제2 출사면(35, 37)과 제1 초점거리(f)를 가지고 각각 위치하는 제1 및 제2 렌즈셀(38A, 38B)로 구성된다. 제1 및 제2 렌즈셀(38A, 38B)은 푸리에변환 원리로 입사광을 굴절시켜 출사시킨다. 예를 들면, 각 렌즈셀(38A, 38B)은 제1 초점거리(f)를 가지는 초점에서 입사되는 광을 평행광으로 굴절시켜 출사되게 한다. 스페이스 멀티플렉싱 광학계 중 역 푸레이변환 렌즈(40)는 푸리에변환 렌즈(38)와 제2 초점거리(f')를 가지고 광경로 상에 배치되어 각 렌즈셀(38A, 38B)로부터 입사된 광을 디스플레이 소자(42)로 집속시키게 된다. 이 경우, 제1 및 제2 렌즈셀(38A, 38B) 각각에서 출사된 광들은 역 푸리에변환 렌즈(40)를 경유하여 제2 초점거리(f')를 가지고 이격된 디스플레이 소자(42)에 중첩되어 결상됨으로써 광효율이 향상된다. 디스플레이 소자(42)는 전술한 조명 광학계로부터 입사되는 S편광을 이용하여 화상을 구현하고 그 화상을 도시하지 않은 투사렌즈를 통해 스크린에 확대투사시키게 된다.

이와 같이, 도 3에 도시된 조명 광학계는 광량을 균일화시키고 비편광을 일정한 편광상태를 가지게 변환하는 기능을 동시에 가지는 광량 및 편광 균일화 로드렌즈(32)를 이용함으로써 종래의 플라이아이렌즈들과 PBS어레이를 이용하는 경우와 동일하게 광분포 균일화 및 광효율 향상을 달성하면서도 광학계의 부피가 줄어들게 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광량 및 편광 균일화 광학소자는 그 부피가 작으면서도 광량 균일화와 비편광이 일정한 편광상태를 가지게 변환하는 기능을 동시에 수행할 수 있게 된다. 이에 따라, 본 발명에 따른 프로젝터의 조명 광학계는 이러한 광량 및 편광 균일화 광학소자를 이용함으로써 종래의 플라이아이렌즈들과 PBS어레이를 이용하는 경우와 동일하게 광분포 균일화 및 광효율 향상을 달성하면서도 광학계의 부피를 줄일 수 있게 된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 프로젝터의 조명 광학계를 이용하는 경우 프로젝터의 소형화 및 경량화를 달성할 수 있게 된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (8)

1. 입사광의 제1 편광 성분이 출사되는 제1 출사면과 상기 입사광의 제2 편광 성분이 출사되는 제2 출사면이 형성되며 상기 입사광이 내부에서 전반사를 통해 진행되게 하여 상기 입사광의 광분포를 균일하게 하는 로드와;

   상기 제2 출사면에 대하여 경사지도록 상기 로드의 일측에 형성되어 상기 제2 편광 성분을 상기 제2 출사면 쪽으로 전반사시키는 경사면과;

   상기 제1 출사면에 대하여 경사지도록 상기 로드의 내부에 형성되고 상기 입사광에서 상기 제1 편광 성분을 상기 제1 출사면 쪽으로 전반사시킴과 아울러 상기 제2 편광 성분을 상기 경사면 쪽으로 투과시키는 편광분리소자와;

   상기 제2 출사면을 통해 출사되는 상기 제2 편광 성분을 상기 제1 편광 성분으로 변환하기 위한 편광변환기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광량 및 편광 균일화 광학소자.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 편광분리소자는,

   금속 와이어가 형성된 와이어 편광기를 구비하는 것을 특징으로 하는 광량 및 편광 균일화 광학소자.
3. 삭제
4. 소형 디스플레이 소자에 구현된 화상을 확대투사하는 프로젝터에서 상기 디스플레이 소자에서 필요로 하는 광을 제공하는 조명 광학계에서 있어서,

   광을 상기 조명 광학계에 조사하는 광원과;

   상기 광원으로부터 입사되는 입사광의 제1 편광 성분이 출사되는 제1 출사면과 상기 입사광의 제2 편광 성분이 출사되는 제2 출사면이 형성되며 상기 입사광이 내부에서 전반사를 통해 진행되게 하여 상기 입사광의 광분포를 균일하게 하는 로드, 상기 제2 출사면에 대하여 경사지도록 상기 로드의 일측에 형성되어 상기 제2 편광 성분을 상기 제2 출사면 쪽으로 전반사시키는 경사면, 상기 제1 출사면에 대하여 경사지도록 상기 로드의 내부에 형성되고 상기 입사광에서 상기 제1 편광 성분을 상기 제1 출사면 쪽으로 전반사시킴과 아울러 상기 제2 편광 성분을 상기 경사면 쪽으로 투과시키는 편광분리소자 및, 상기 제2 출사면을 통해 출사되는 상기 제2 편광 성분을 상기 제1 편광 성분으로 변환하기 위한 편광변환기를 포함하는 광량 및 편광 균일화 광학소자와;

   상기 제1 출사면과 상기 편광변환기를 통해 출사되는 광을 상기 디스플레이 소자에 조사하는 스페이스 멀티플렉싱 광학소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 프로젝터의 조명 광학계.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 4 항에 있어서,

   상기 스페이스 멀티플렉싱 광학소자는,

   상기 제1 출사면과 상기 변광 변환기에 각각 대응되는 적어도 2 개의 렌즈셀들로 구성되어 상기 제1 출사면과 상기 편광 변환기로부터 입사되는 광을 푸리에변환하는 푸리에변환 광학소자와;

   상기 적어도 2 개의 렌즈셀들로부터 각각 입사되는 광을 역 푸리에변환하여 상기 디스플레이 소자에 중첩되게 결상시키는 역 푸리에변환 광학소자를 구비하는 것을 특징으로 하는 프로젝터의 조명 광학계.