KR100437060B1 - 고휘도단판식액정프로젝터용lcd장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고휘도 단판식 액정 프로젝터용 LCD 장치에 관한 것으로서, 광원으로부터의 R,G,B의 광선이 통과되도록 지정된 3개의 LCD셀을 담당하는 제1마이크로 렌즈와, 상기 3개의 LCD셀에 각각 형성되는 복수개의 제2마이크로 렌즈를 통하여 LCD의 각 LCD셀에 광원으로부터의 빛이 공급되도록 함으로써, LCD에 입사되는 광선의 각도를 좁혀 LCD의 콘트라스트를 향상시키거나, 일정수준의 콘트라스트를 확보한 상태에서 LCD로 입사될 수 있는 광선의 각도폭을 증대시켜 광원으로부터의 광손실을 줄이고 LCD의 휘도를 향상시키도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

고휘도 단판식 액정 프로젝터용 LCD 장치

본 발명은 단판식 액정 프로젝터에 사용되는 LCD 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액정의 콘트라스트(Contrast)를 향상시키거나 액정에 제공되는 광량을 증가시킬 수 있도록 한 LCD 장치에 관한 것이다.

일반적으로 브라운관에 표시된 화상을 스크린에 투사하기 위한 투사기로는 CRT용이 기존에 주로 사용되어 왔으나 대형 스크린에 적용시 부피가 커지고 설치시 많은 면적을 차지하는 문제점이 발생됨으로 인하여 얇은 구조로 형성할 수 있는 액정표시소자를 이용한 투사기가 발전되고 있다.

상기 액정표시소자를 이용한 투사기에서 액정표시소자는 자체적으로 발광하지 않기 때문에 별도의 광원이 필요하고, 상기 광원에 따라 화면의 밝기 및 칼라의 선명도가 결정되었다.

도 1은 일반적인 액정 투사장치의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1을 참조하면, 참조번호 50은 광원을 나타내고, 51은 상기 광원(50)에서 출사되는 빛을 한쪽 방향으로 진행하도록 반사시키는 포물선 형상의 반사경을 나타내고, 52는 상기 광원(50)에서 출사되는 빔에서 원하지 않는 빔 즉 자외선 및 적외선을 차단시키기 위한 UV/IR 필터를 나타내고, 53은 상기 UV/IR 필터(52)에서 출사되는 빔을 모아주는 콘덴싱 렌즈(condensing lens)를 나타내고, 54는 표면에 모자이크 상태의 3원색 컬러필터가 부착된 액정 패널을 나타낸다.

또한, 참조번호 55,56은 상기 액정 패널(50)의 전후에 배치되는 편광판을 나타내고, 57은 투사렌즈를 나타낸다.

상기 액정 패널(54)에 사용되는 컬러필터는 도 2에 도시된 바와 같이 스트라이프(stripe) 구조 또는 델타(delta) 구조의 픽셀을 갖고 이루어진다.

상기와 같은 구성을 갖는 액정 투사장치는 구성이 간단하고 소형으로 구현할 수 있는 장점이 있으나, 상기 액정 패널(54)에 조사되는 빔의 2/3가 도 2에 도시된 바와 같은 컬러필터에 의해 흡수된다. 예를 들면, R을 표시할 화소에서는 R 필터가 부착되어 G 및 B는 흡수 제거한다. 그에 따라 상기 액정 패널(50)에 입사되는 빔의 1/3 만이 사용 가능하게 되어 이론적으로 제공되는 광선의 밝기가 1/3 이하로 떨어지는 문제점이 발생된다.

상기와 같은 문제점으로 인해 표시에 필요한 파장의 광속을 서로 다른 각도로 액정 패널에 입사시키고 스크린에 합성시켜 컬러 화면을 얻음으로서 컬러필터를 사용하지 않아서 밝기를 향상시킬 수 있는 기술이 연구되었다.

도 3은 종래 기술에 의하여 컬러필터를 사용하지 않는 액정 디스플레이 장치용 광학계의 구성을 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 종래 기술에 의한 액정 디스플레이 장치용 광학계는 광원(60)과, 상기 광원(60)에서 나오는 빔(beam)을 반사시키는 타원형상의 반사경(61)과, 상기 반사경(61)에 의해 출력되는 빔을 평행성을 갖는 일정한 방향으로 변경시키기 위한 콘덴싱 렌즈(62)와, 상기 콘덴싱 렌즈(62)에서 출력되는 빔에서 특정한 색의 광선 파장에 대해 투과 및 반사작용을 일으키는 다이크로익 미러(dichroic mirror)로서 청색(Blue)만을 반사시키고 적색(Red) 및 녹색(Green)은 투과시키는 B반사 미러(63)와, 상기 B반사 미러(63)에서 투과된 적색(Red) 및 녹색(Green) 중 적색(Red) 만을 상기 청색(Blue)과 동일한 방향으로 반사시키고 녹색(Green) 중 적색(Red) 만을 상기 청색(Blue)과 동일한 방향으로 반사시키고 녹색(Green)을 투과시키는 R반사 미러(64)와, 상기 R반사 미러(64)를 투과한 녹색(Green)을 상기 R와 다른 각의 동일한 방향으로 반사시키는 G반사 미러(65)와, 상기 B반사 미러(63)와 R반사 미러(64) 및 G반사 미러(65)의 출력빔을 LCD(66)의 해당 셀에 통과시키도록 하는 마이크로 렌즈(67)와, 상기 마이크로 렌즈(67) 및 LCD(66)를 통과한 빛이 스크린(68)에 영상으로 맺히게 하는 다수의 렌즈(69,70)로 이루어진다.

상기와 같이 구성된 LCD 프로젝터는 광원(60)으로부터의 빛이 상기 서로 다른 경사 각도를 가지고 설치된 B,R,G반사 미러(63,64,65)에 의해 각각 서로 다른 반사 각도로 해당되는 색의 빛을 반사시키게 되므로 도 4에 상세히 도시된 바와 같이 수평방향으로 3개씩의 LCD 셀을 담당하는 마이크로 렌즈(67)로 하여금 입사되는 B,R,G 광선을 3개의 LCD 셀에 각각 제공될 수 있도록 하여 하나의 백색광을 표현할 수 있는 단위의 화소를 형성할 수 있게 하였으므로, 상기와 같은 경우에는 이론적으로 광원(60)으로부터 출발한 광선은 상기 B,R,G반사 미러(63,64,65)에 의해 모든양이 흡수되는 곳 없이 LCD(66)를 투과하여 스크린(68)에 영상을 맺게 하므로 상기 컬러필터를 사용하던 종래의 구조에서 문제점으로 제기되었던 화면의 휘도(輝度)문제를 해결할 수 있도록 하고 있다.

여기서, 상기 LCD(66)에 설치된 마이크로 렌즈(67)의 설치상태를 도 5를 참조하여 상세히 살펴보면 LCD(66)의 R을 표현하는 셀(66-R)의 중심과 마이크로 렌즈(67)의 중심이 일치하도록 설치되어 있는 바, 상기와 같은 상태에서 상기 하나의 마이크로 렌즈(67)가 담당하는 3개의 LCD 셀에 각각의 B,R,G광선이 제공되는 것은 도 6에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈(67)로 입사되는 B,R,G광선이 LCD(66)에 대해 수평방향으로는 서로 다른 각도로 제공됨으로써 이루어지며, 한편 상기와 같은 B,R,G광선이 LCD(66)의 수평 단면에 대해 이루는 각은 도 7에 도시된 바와 같이 '0'의 각을 갖는 상태로 LCD(66)에 입사되도록 되어 있다.

한편, 상기와 같이 사용되는 LCD(66)의 일반적인 콘트라스트 비(최대투과 광량/최소투과 광량 : C/R)의 특성이 도 8에 도시된 바, 일반적으로 콘트라스트 비는 LCD(66)에 대하여 광선의 수평 방향 각도변화에 대해서는 그 변화가 심하지 않으나, 광선의 수직 방향 각도변화에 대해서는 그 변화가 매우 심하며, 상기와 같은 콘트라스트 특성을 충족시키기 위하여 일반적으로 LCD에 입사되는 광선의 각도를 일정한 범위 내에 포함될 수 있도록 하여 LCD의 평균적인 콘트라스트 특성을 확보하도록 하고 있다.

한편, 도 8에는 도 10에 도시된 바와 같은 일반적인 경우의 LCD 광학계에서의 광선 입사 각도에 따른 콘트라스트 비의 범위가 A범위 내로 표시되어 있다.

여기서, 상기 도 5내지 도 7에 도시된 바와 같은 LCD와 마이크로 렌즈의 구조에서 마이크로 렌즈(67)로 입사되는 광선이 LCD(66)에 제공되는 상태를 보다 상세히 살펴보면, 하나의 마이크로 렌즈(67)가 3개의 LCD 셀에 대응하는 구조이므로 마이크로 렌즈(67)에 입사되는 광선의 각도에 따라서 3개의 LCD셀이 각각 B,R,G의분리된 빛의 통과를 실현하기 위해서는 마이크로 렌즈(67)에 입사되는 광선의 각도 범위가 구분되어야하는 바, 도 9에 도시된 바와 같이 마이크로 렌즈(67)를 통과하여 각 LCD셀의 중심으로 제공되는 3개의 광축간의 빔 각도(θa)와, 각 LCD셀의 최외곽에 도달하여 인접한 LCD셀과의 구분이 이루어지는 허용 각도(βa)가 존재하게 된다.

여기서, 상기 빔 각도(θa)와 허용 각도(βa)의 개념을 하나의 LCD셀에 대하여 적용하여 보면, 도 10에 도시된 바와 같이 하나의 LCD셀에 입력될 수 있는 허용 각도(βa)는 빔 각도(θa)가 수평선에 대해 0°인 광축과, 마이크로 렌즈(67)와 해당 LCD셀의 대칭되는 최외곽을 각각 경유하는 광선(L)이 이루는 각이 된다.

이때, 상기 허용 각도(βa)를 수식적으로 표현하면 다음의 수학식 1과 같다.

[수학식 1]

여기서, b : LCD셀 폭의 절반 길이

fm : 마이크로 렌즈의 물질내에서의 초점거리

따라서, LCD셀의 크기(2b)와 마이크로 렌즈(67)의 초점거리(fm)에 의해서 LCD셀에 제공될 수 있는 광선의 허용 각도(βa)가 결정되며, 실제적인 설계에 있어서는 LCD셀의 크기가 일정한 경우 해당 LCD가 요구하는 콘트라스트를 허용하는 허용 각도(βa)를 설정한 상태에서 상기 마이크로 렌즈(67)의 초점거리(fm)를 조절하게 된다.

그런데, 실질적으로 조명 광학계에 있어서, 일반적으로 사용되는 광원의 발광체 크기는 통상 3㎜~5㎜의 크기를 갖으며 그 광선의 각도는 약 ±7~10°의 범위를 가지므로 상기 도 10에 도시된 바와 같은 일반적인 경우의 LCD 광학계에서의 허용 각도인 3~5°의 각이 초과되므로 상기 허용 각도 이상의 각으로 제공되는 광선은 차단되도록 설계되어 광손실의 양이 크다는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 마이크로 렌즈로부터 LCD 셀에 입사되는 광선의 각도를 조절하여 LCD의 콘트라스트 비를 향상시키거나 동일한 콘트라스트 비를 유지하면서 LCD셀에 유입되는 광선의 양을 증대시킬 수 있도록 하여 광손실을 줄이고 LCD의 휘도를 향상시킬 수 있도록 한 고휘도 단판식 액정 프로젝터용 LCD 장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 액정 디스플레이 장치의 구성을 나타내는 도면,

도 2는 도 1에 사용되는 컬러 필터의 예를 나타내는 도면,

도 3은 종래 기술에 의하여 컬러필터를 사용하지 않는 액정 디스플레이 장치용 광학계의 구성을 나타내는 도면,

도 4와 도 5는 도 3의 LCD와 마이크로 렌즈를 도시한 상세도,

도 6은 하나의 마이크로 렌즈가 3개의 LCD 셀에 B,R,G광선을 각각 제공는 상태를 도시한 것으로서, 도 5의 A-A'선 단면도,

도 7은 도 5의 B-B'선 단면도,

도 8은 LCD에 입사되는 광선의 수평/수직 각도와 콘트라스트 비의 그래프,

도 9는 마이크로 렌즈를 통과하여 LCD셀에 입사되는 광선을 도시한 도면,

도 10은 일반적인 경우의 LCD 광학계 광선 제공상태를 도시한 도면,

도 11은 본 발명에 따른 LCD 광학계 광선 제공상태를 도시한 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: LCD 1B,1R,1G: LCD셀

2: 제1마이크로 렌즈 3B,3R,3G: 제2마이크로 렌즈

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 고휘도 단판식 액정 프로젝터용 LCD 장치는 광원으로부터의 R,G,B의 광선이 통과되도록 지정된 3개의 LCD셀을 담당하는 제1마이크로 렌즈와, 상기 3개의 LCD셀에 각각 형성되는 복수개의 제2마이크로 렌즈를 통하여 LCD의 각 LCD셀에 광원으로부터의 빛이 공급되도록 된 것을 특징으로 한다.

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

도 11은 본 발명에 따른 고휘도 단판식 액정 프로젝터용 LCD 장치의 요부를 도시한 도면으로서, 광원으로부터의 빛이 복수개의 마이크로 렌즈를 통하여 LCD(1)의 각 LCD셀에 공급되도록 되어 있다.

여기서, 상기 복수개의 마이크로 렌즈는 각각 B,R,G의 광선이 통과되도록 지정된 3개의 LCD셀(1B,1R,1G)을 담당하는 제1마이크로 렌즈(2)와, 상기 각각의 LCD셀(1B,1R,1G)을 담당하는 제2마이크로 렌즈(3B,3R,3G)로 구성되어 있으며, 상기 제1마이크로 렌즈(2)와 제2마이크로 렌즈(3B,3R,3G)의 초점거리는 동일하게 구성하였다.

물론, 상기 제1마이크로 렌즈(2)와 제2마이크로 렌즈(3B,3R,3G)는 동일 투명 물체에 각각의 렌즈부를 형성하여 구성할 수 있으며, 상기 렌즈부의 형성방법은 상기 투명 물체 내에서 렌즈의 굴절면을 형성할 수 있는 방법이라면 어느 방법이든 족하다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명의 작용을 본 발명의 요부인 마이크로 렌즈와 LCD(1)가 이루는 구성부분에서의 작용으로 초점을 맞추어 설명하면 다음과 같다.

광원으로부터 공급된 광선은 상기 제1마이크로 렌즈(2)에 의해 집광되어 각각 B,R,G의 광선을 통과시키도록 설정된 3개의 LCD셀(1B,1R,1G)로 각각 공급된다.

이때, 상기 제1마이크로 렌즈(2)를 통과한 광선은 상기 각각의 LCD셀(1B,1R,1G)로 공급되기 직전에 제2마이크로 렌즈(3B,3R,3G)를 통과하게 되는 바, 상기 제2마이크로 렌즈(3B,3R,3G)는 상기 제1마이크로 렌즈로(2)부터 제공된 빛의 경로를 굴절시켜 LCD셀(1B,1R,1G)에 공급하게 된다.

하나의 LCD셀(1G)에 입사되는 광선의 허용 각도(βa)를 살펴보면 상기 종래기술이 도시된 도 10과 동일한 구성에 제2마이크로 렌즈(3B,3R,3G)만 첨가된 경우이므로 상기 제1마이크로 렌즈(2)의 최외곽을 통과하여 상기 제2마이크로 렌즈(3G)의 수평선에 대해 대칭되는 방향의 최외곽으로 입사되는 광선이 허용 각도(βa)를 결정하게 되고;

이때, 상기 제2마이크로 렌즈(3G)의 최외곽으로 입사되는 광선은 상기 제2마이크로 렌즈(3G)의 초점거리가 상기 제1마이크로 렌즈(2)의 초점거리와 동일하므로 상기 제2마이크로 렌즈(3G)를 통과한 이후 상기 제1마이크로 렌즈(2)의 최외곽으로부터 제2마이크로 렌즈(3G)의 중심을 통과하는 광선에 평행한 상태로 진행하게 된다.

따라서, 상기 허용 각도(βa)는 상기 제1마이크로 렌즈(2)의 최외곽으로부터 제2마이크로 렌즈(3G)의 중심을 통과하는 광선이 수평선(빔 각도0°인 광축)과 이루는 각으로 결정되며 이를 수식적으로 표시하면 다음의 수학식 2와 같다.

[수학식 2]

여기서, b : LCD셀 폭의 절반 길이

fm : 마이크로 렌즈의 물질 내에서의 초점거리

따라서, 종래의 4b/fm과 비교하여 보다 좁은 각도로 광선이 LCD셀(1G)에 입사됨을 알 수 있다.

여기서, 상기 제2마이크로 렌즈(3G)에 의해 굴절되는 빛에 의해 LCD(1)에서발생될 수 있는 효과는 2가지로 구분될 수 있는 바, 그 하나는 LCD(1)의 콘트라스트 비의 향상이고, 다른 하나는 LCD(1)에 입사되는 광량의 증가로 LCD(1)의 휘도(輝度)가 향상되는 것이다.

즉, 상기와 같이 광선의 허용 각도(βa)가 Tan^-1(3b/fm)인 경우는 종래의 제2마이크로 렌즈(3B,3R,3G)가 부착되지 않은 경우에 비해 LCD(1)에 입사되는 광선의 각도가 좁은 범위내로 수렴되므로 도 8에 도시된 B의 범위로 입사 광선의 각도가 제한됨에 따라 콘트라스트 비가 향상되는 효과를 얻을 수 있으며;

종래의 LCD에서 요구하던 콘트라스트 비를 유지하는 상태에서 상기 제1마이크로 렌즈(2)와 제2마이크로 렌즈(3B,3R,3G)의 초점거리를 줄이면 상기 제1마이크로 렌즈(2)와 제2마이크로 렌즈(3B,3R,3G)의 대칭되는 위치의 최외곽을 통해 입사되는 광선의 각도는 더욱 큰 각도로 조절될 수 있어서 동일한 콘트라스트 비를 유지하면서 각LCD 셀에 유입되는 광량을 증대시켜 광손실을 축소시킴과 아울러 LCD(1)의 휘도를 향상시킨다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 고휘도 단판식 액정 프로젝터용 LCD 장치는 LCD에 입사되는 광선을 두 개의 마이크로 렌즈로 집광하여 LCD의 콘트라스트를 향상시키거나 광원으로부터의 광손실을 줄이고 LCD의 휘도를 향상시키도록 하는 효과를 얻을 수 있다.

Claims (2)

1. 광원으로부터의 R,G,B의 광선이 통과되도록 지정된 3개의 LCD셀을 담당하는 제1마이크로 렌즈와, 상기 3개의 LCD셀에 각각 형성되는 복수개의 제2마이크로 렌즈를 통하여 LCD의 각 LCD셀에 광원으로부터의 빛이 공급되도록 된 것을 특징으로 하는 고휘도 단판식 액정 프로젝터용 LCD 장치.
2. 상기 제 1 항에 있어서,

   상기 제1마이크로 렌즈와 제2마이크로 렌즈의 초점거리는 동일하게 구성되어, 상기 제2마이크로 렌즈를 통과한 빛은 상기 제1마이크로 렌즈의 최외곽으로부터 제2마이크로 렌즈의 중심을 통과하는 광선에 평행한 상태로 출사되는 것을 특징으로 하는 고휘도 단판식 액정 프로젝터용 LCD 장치.

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