KR100438282B1 - 빔폭 조절 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 빔폭 조절 장치는, 입사된 광을 수개의 수렴광으로 집속하는 수렴 렌즈 유니트와; 상기 수렴 렌즈 유니트를 통해 집속된 수렴광을 P파와 S파로 분리하는 제 1PBS 어레이와; 상기 제 1PBS 어레이에서 분리된 광에서 주변부 광을 P파 또는 S파 중 어느 하나의 편광이 되도록 하는 편광 변환수단과; 상기 주변부 광이 중앙부로 반사된 후 출사되도록 하는 제 2PBS 어레이가 포함되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 빔폭 조절 방법은, 광원에서 입사된 광을 수개의 수렴광으로 집속하는 단계와; 상기 집속된 수렴광을 P파 광과 S파 광으로 분리하는 단계와; 분리된 P파 광과 S파 광 중에서 중앙부 광은 P파로, 주변부 광은 S파로 편광 변환하는 단계와; 상기 P파 상태의 중심부 광은 그대로 투과시키지만, S파 상태의 주변부 광은 그 빔폭을 줄여서 투과시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

빔폭 조절 장치 및 방법{Apparatus and Method for adjusting width of a beam}

본 발명은 빔폭 조절 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 프로젝션 TV나 프로젝터와 같은 투사 광학계에 있어서, 광원에서 방사된 광의 빔폭을 줄여주는 빔폭 조절 장치 및 방법에 관한 것이다.

최근, 디스플레이(Display) 장치는 경량화, 경박화뿐만 아니라 대화면화 추세에 놓여져 있다. 특히 대화면 디스플레이 장치는 디스플레이 분야에 있어서 중요한 문제로 떠오르고 있으며, 현재까지 이러한 대화면 디스플레이 장치로 개발된 것 중에 하나로 프로젝션 TV가 있다.

이와 같은 대화면 디스플레이 장치인 프로젝션 TV는 디스플레이 소자에 따라 CRT 프로젝션 TV와 LCD 프로젝션 TV, DLP 등의 세 가지 형태로 나뉠 수 있다. 이중에서 LCD프로젝션 TV와 DLP는 정보를 표시하는 디스플레이 소자에 광원을 이용하여 빛을 조사하고, 그 소자에서 반사된 혹은 투과된 빛을 이용하여 디스플레이 하는 방식을 사용하고 있는데, 상기 광원으로 가장 널리 사용되고 있는 것은 아크램프이다.

도 1은 종래의 아크램프를 광원으로 이용한 프로젝션 TV의 광학계를 나타낸 것이다.

도 1을 참조하면, 종래의 광학계는, 광을 방사하는 아크램프(111)와, 상기 아크램프(111)에서 후방으로 방사되는 광을 전방으로 반사시키는 리플렉터(112; reflector)로 구성된 광원부(110)와; 상기 광원부(110)에서 방사된 광을 한 방향으로 편광시키는 편광부(120)와; 상기 편광부(120)를 통과한 광을 집속시키는 콘덴서 렌즈(130; condenser Lens)와; 상기 콘덴서 렌즈(130)를 통과한 광 중에서 청색은 투과시키고, 적색과 녹색은 반사시키는 제 1색분리 미러(140)와; 상기 제 1색분리 미러(140)를 투과한 청색광을 반사시키는 전반사 미러(150)와; 상기 제 1색분리 미러(140)에서 반사된 적색 및 녹색광 중에서 적색은 투과시키고, 녹색은 반사시키는 제 2색분리 미러(160)와; 상기 전반사 미러(150)와 상기 제 2색분리 미러(160)에서 투과 또는 반사된 광을 편광에 따라 투과 또는 반사시키는 PBS 유니트(Polarizing Beam Splitter Unit)(170)와; 상기 PBS 유니트(170)로부터 입사된 적색, 녹색, 청색광을 인가되는 영상신호에 따라 선택적으로 반사시키는 LCD패널(180); 및 상기 LCD패널(180)에서 선택적으로 반사된 적색, 녹색, 청색을 합성하여 영상을 구현하는 합성프리즘(190); 를 포함하여 구성되어 있다.

그러나, 상기와 같은 종래의 광학계는, 아크램프(111)의 구조상 리플렉터(11

2)의 크기를 줄이는데 한계가 있어서, 상기 광원부(112)에서 방사되는 광 즉, 조명광의 빔폭이 커지게 된다. 그런데, 조명광의 빔폭이 커질 경우 편광판(120), 콘덴서 렌즈(130), 색분리 미러(140)(160) 등의 광학부품의 크기도 함께 커지게 되므로, 광학계의 부피가 증가하고, 값이 상승하게 된다. 또한, 광 손실이 발생하게 된다.

한편, 도 2를 참조하면, 상기 제 1색분리 미러(140)는 조명광의 조사 각도의 편차가 작을수록 컬러 쉬프트(Color Shift)가 작음을 알 수 있고, 도 3을 참조하면, 상기 PBS(170)는 조사 각도가 45°에 가까울수록 투과율이 높다는 것을 알 수 있다. 여기서, 도 2는 일반적인 색분리 미러에 있어서 입사광의 조사 각도에 따른 반사 특성을 나타낸 것이고, 도 3은 일반적인 PBS에 있어서 입사광의 조사 각도에 따른 투과 특성을 나타낸 것이다.

그런데, 상기와 같은 빔폭의 크기로 인한 문제를 해결하기 위하여 보다 집속력이 높은 콘덴서 렌즈(130)로 상기 조명광의 빔폭을 대폭 줄이게 되면, 이번에는 색분리 미러(140)(160)에 대한 조명광의 조사 각도가 커지고(통상 54°~ 56°), 조사 각도의 편차가 커지는 문제가 발생한다. 즉, 조명광의 조사 각도의 편차가 커지므로, 색분리 미러(140)(160)에서 컬러 쉬프트가 심하게 나타나고, 조명광의 조사 각도가 커지므로, PBS(170)에서의 투과율이 떨어져 전체 광학계에서 출사되는 영상의 콘트라스트(Contrast)가 현저히 저하된다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 창출된 것으로서, 조명광의 빔폭을 줄여 줌으로써, 조명광의 손실을 막고, 기존의 대형 광학부품을 값이 저렴한 소형 광학부품으로 대체시키며, 또한 조명광의 조사 각도의 편차 및 조사 각도를 작게 해줌으로써, 색분리 미러에서 나타나는 컬러 쉬프트를 줄여주고, PBS 및 합성프리즘에서의 광 투과율을 높여 광학계에서 출사되는 영상의 콘트라스트(contrast)를 향상시키는 빔폭 조절 장치 및 방법을 제시하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 상기 광원 장치를 이용한 개선된 투사 광학계를 제시하는데 다른 목적이 있다.

도 1은 종래의 아크램프를 광원으로 이용한 프로젝션 TV의 광학계를 나타낸 도면이고,

도 2는 일반적인 색분리 미러에 있어서 입사광의 조사 각도에 따른 반사 특성을 나타낸 도면이고,

도 3은 일반적인 PBS에 있어서 입사광의 조사 각도에 따른 투과 특성을 나타낸 도면이고,

도 4는 본 발명에 따른 빔폭 조절 장치의 구성을 나타낸 도면이고,

도 5는 본 발명에 따른 투사 광학계의 구성을 나타낸 도면이고,

도 6a, 도 6b는 본 발명에 따른 투사 광학계에 구비된 빔 콘덴서의 동작을 설명하기 위한 도면이고,

도 7은 본 발명에 따른 투사 광학계에 있어서 광원에서 바로 나온 광의 분포(1)와 빔 콘덴서를 거친 광의 분포(2)를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

110: 광원부 111,510: 광원

112: 리플렉터(Reflector) 120: 편광부

130,520: 콘덴서 렌즈(condenser Lens)

140,160,531: 색분리 미러 150, 532: 전반사 미러

170,543: PBS(Polarizing Beam Splitter)

180,541: LCD패널 190,542: 합성프리즘

410: 수렴 렌즈 유니트 420: 빔 콘덴서(Beam condenser)

421: 제 1PBS어레이(PBS Array) 422: 편광 변환 수단

423: 제 2PBS어레이 530: 광 분할부

540: 광 합성부

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 빔폭 조절 장치는, 입사된 광을 수개의 수렴광으로 집속하는 수렴 렌즈 유니트와; 상기 수렴 렌즈 유니트를 통해 집속된 수렴광을 P파와 S파로 분리하는 제 1PBS 어레이와; 상기 제 1PBS 어레이에서 분리된 광에서 주변부 광을 P파 또는 S파 중 어느 하나의 편광이 되도록 하는 편광 변환수단과; 상기 주변부 광이 중앙부로 반사된 후 출사되도록 하는 제 2PBS 어레이가 포함되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 편광 변환수단은 상기 제 1PBS 어레이에서 분리된 광 중에서 중앙부 광은 P파로, 주변부 광은 S파로 변환하고, 상기 제 2PBS 어레이는 상기 중앙부 광은 그대로 투과시키고 주변부 광은 중앙부로 반사 후 투과시키는 것을 특징으로 한다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 빔폭 조절 방법은, 광원에서입사된 광을 수개의 수렴광으로 집속하는 단계와; 상기 집속된 수렴광을 P파 광과 S파 광으로 분리하는 단계와; 분리된 P파 광과 S파 광 중에서 중앙부 광은 P파로, 주변부 광은 S파로 편광 변환하는 단계와; 상기 P파 상태의 중심부 광은 그대로 투과시키지만, S파 상태의 주변부 광은 그 빔폭을 줄여서 투과시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기의 다른 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 투사 광학계는, 광을 방사하는 광원과; 상기 광원으로부터 방사된 광을 수개의 수렴광으로 집속하는 수렴 렌즈 유니트와; 상기 수렴 렌즈 유니트를 통해 집속된 수렴광을 P파와 S파로 분리하는 제 1PBS 어레이와, 상기 제 1PBS 어레이에서 분리된 광에서 주변부 광을 P파 또는 S파 중 어느 하나의 편광이 되도록 하는 편광 변환수단과, 상기 주변부 광이 중앙부로 반사된 후 출사되도록 하는 제 2PBS 어레이가 포함되는 빔 콘덴서와; 상기 빔 콘덴서를 통과한 광을 집속하는 콘덴서 렌즈와; 상기 콘덴서 렌즈를 통과한 광을 컬러별로 분리하는 광 분할부; 및 상기 광 분할부에서 분리된 각 컬러를 합성하여 영상을 구현하는 광 합성부; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.여기서, 상기 편광 변환수단은 상기 제 1PBS 어레이에서 분리된 광 중에서 중앙부 광은 P파로, 주변부 광은 S파로 변환하고, 상기 제 2PBS 어레이는 상기 중앙부 광은 그대로 투과시키고 주변부 광은 중앙부로 반사 후 투과시키는 것을 특징으로 한다.이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 빔폭 조절 장치의 구성을 개략적으로 나타낸 것이다.

도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 빔폭 조절 장치는, 입사된 광을 수개의 수렴광으로 집속하는 수렴 렌즈 유니트(410); 및 상기 수렴 렌즈 유니트(410)를 통해 집속된 수렴광을 편광에 따라 P파와 S파로 분리하는 제 1PBS 어레이(421)와, 상기 제 1PBS 어레이(421)에서 분리된 광 중에서 중앙부 광은 P파로, 주변부 광은 S파로 변환하는 편광 변환수단(422)과, 상기 편광 변환수단(422)을 통과한 광 중에서 중앙부의 P파 광은 그대로 투과시키지만, 주변부의 S파 광은 그 빔폭을 줄여서 투과시키는 제 2PBS 어레이(423)로 구성된 빔 콘덴서(420); 를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 제 1, 제 2PBS 어레이(421)(423)에는 편광상태에 따라 입사광이 P파이면 투과시키고, S파이면 반사시키는 P/S분리면이 다수 형성되어 있고, 상기 제 1PBS 어레이(421)의 P/S분리면과 제 2PBS 어레이(423)의 P/S분리면은 그 대향면이 서로 엇갈리게 형성되어 있다.

한편, 도 5는 도 4와 같은 빔폭 조절 장치를 이용하여 구성한 본 발명에 따른 투사 광학계를 나타낸 것이다.

도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 투사 광학계는, 광을 방사하는 광원(510)과; 상기 광원으로부터 방사된 광을 수개로 집속하는 수렴 렌즈 유니트(410)와; 상기 수렴 렌즈 유니트(410)를 통해 집속된 수렴광의 빔폭을 편광을 이용하여 줄여주는 빔 콘덴서(420)와; 상기 빔 콘덴서(420)를 통과한 광을 집속하는 콘덴서 렌즈와(520); 상기 콘덴서 렌즈(520)를 통과한 광을 컬러별로 분리하는 광 분할부(530); 및 상기 광 분할부(530)에서 분리된 컬러를 합성하여 영상을 구현하는 광 합성부(540); 를 포함하여 구성된다.

여기서, 상기 광 분할부(530)는, 입사광을 컬러별로 분리하는 색분리 미러(531)와; 분리된 컬러를 특정 광로로 유도하는 전반사 미러(532); 를 포함하여 구성되고, 상기 광 합성부(540)는, 입사광을 인가되는 영상신호에 따라 선택적으로 반사시키는 LCD패널(541)과; 상기 LCD패널(541)에서 반사된 컬러를 합성하여 영상을 구현하는 합성 프리즘(542)과; 상기 광 분할부(530)에서 입사된 컬러를 해당 LCD패널(541)로 보내고, 상기 LCD패널(541)에서 반사된 컬러를 상기 합성프리즘(54

2)으로 보내는 PBS(543); 를 포함하여 구성된다.

그럼, 상기와 같은 구성을 갖는 투사 광학계의 동작을 통해 본 발명에 따른 빔폭 조절 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다.

도 6a는 본 발명에 따른 투사 광학계에 구비된 빔폭 조절 장치를 확대하여 나타낸 도면이고, 도 6b는 상기 빔폭 조절 장치중 빔 콘덴서의 동작을 설명하기 위한 도면이다.

상기 광원(510)에서 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 성분을 갖는 백색광이 생성되어 방사되면, 상기 백색광은 수렴 렌즈 유니트(410)를 통과하게 된다. 이때, 상기 수렴 렌즈 유니트(410)는 도 6a에서 보는 바와 같이 다수의 수렴 렌즈(410a,.., 410n)가 일렬로 결합된 원통형 구조로 되어 있으므로, 입사된 광은 다수의 수렴광이 된다.

한편, 도 6b를 참조하면, 상기 수렴광은 제 1PBS 어레이(421)를 통과하게 되는데, 상기 제 1PBS 어레이(421)에는 P파는 투과시키고, S파는 반사시키는 다수의 P/S분리면이 형성되어 있다. 따라서, 상기 수렴광은 각각 P파와 S파로 분리되어 진행되고, 이후 편광 변환수단(422)에 입사된다.

이에 따라, 상기 P파와 S파로 분리되어 입사된 수렴광은 편광 변환수단(422)을 통과하면서, 그 중심부 광은 모두 P파가 되고, 그 주변부 광은 모두 S파가 되어 제 2PBS 어레이(423)에 입사되는데, 여기서는 입사광의 위상을 90°변환하여 출사시키는 1/2λ 편광판을 상기 제 1PBS 어레이(421)와 제 2PBS 어레이(423)사이의 광로상에 선택적으로 설치하여 상기 편광 변환수단을 구성하였다.

한편, 제 2PBS 어레이(423)에는 제 1PBS 어레이(421)의 분리면에 역방향인 다수의 P/S분리면이 형성되어 있는데, 상기 P/S분리면들은 제 1PBS 어레이(421)의 P/S분리면과 마찬가지로 P파는 투과시키고, S파는 투과시키는 특성을 갖는다.

이러한 구조적 특징으로 인해, 상기 제 2PBS 어레이(423)에 입사된 P파 상태의 중심부 광은 상기 P/S분리면을 그대로 투과한다. 따라서, 원래의 빔폭이 유지된다.

그러나, 상기 제 2PBS 어레이(423)에 입사된 S파 상태의 주변부 광은 상기 분리면에서 다중 반사되어 출사된다. 즉, 상기 주변부 광은 광축에 수직하게 반사되는 제 1반사와, 광축에 평행하게 반사되는 제 2반사 과정을 거쳐 출사된다.

따라서, 도 7에서 보는 바와 같이 상기 빔 콘덴서(420)에서 나온 광은 그 빔폭이 줄어들게 된다. 여기서, 도 7은 광원에서 나온 광의 분포((1))와 빔 콘덴서를 거친 광의 분포((2))를 나타낸 것으로, 광원(510)에서 나온 광의 빔폭이 약 50mm인데 비하여, 빔 콘덴서(420)를 거친 광의 빔폭은 약 36~38mm로 그 빔폭이 상당히 줄었음을 알 수 있다.

한편, 상기 빔 콘덴서(420)에서 나오는 광의 빔폭은 상기 수렴 렌즈 유니트(410)와 빔 콘덴서(420)의 조합을 통해 조절할 수 있다. 예컨대, 상기 수렴 렌즈 유니트(410)의 구성을 변경하여 수렴되는 광의 수를 조절하고, 상기 수렴광의 수에 따라 상기 빔 콘덴서(420)의 구성을 변경하면 상기 빔폭을 보다 작게 또는 보다 크게 조정 할 수 있다.

이후, 상기 빔 콘덴서(420)를 통과한 광은 색분리 미러(531)를 거치면서 컬러(적색, 녹색, 청색)별로 분리되어 각각의 LCD패널(541)로 보내지고, 상기 LCD패널(541)에서는 인가되는 영상신호에 따라 입사된 컬러광을 선택적으로 반사시켜 PBS(543)로 보낸다. 이에 따라, PBS(543)에 입사된 컬러광들은 상기 PBS(543)를 투과 또는 반사하여 합성프리즘(542)에 도달되고, 상기 합성프리즘(542)에 도달된 각 컬러광은 합성되어 영상을 구현하게 된다.

이와 같은 본 발명에 따른 빔폭 조절 방법 및 장치는, 광원(510)으로부터 방사된 광 즉, 조명광의 빔폭을 일정범위 내에서 자유롭게 조절할 수 있으므로, 종래 보다 작은 빔폭을 갖는 조명광을 만들 수 있다. 또한, 상기 빔폭 조절 장치에서 나오는 조명광은 비교적 평행하므로(도 6 참조), 이를 콘덴서 렌즈(520)로 집속시키더라도 종래와 같이 조명광의 조사 각도가 크게 증가하지 않는다.

이상, 전술한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것으로, 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경, 개량, 대체 및 부가 등의 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 이하 첨부되는 특허청구의 범위에 의하여 정하여야만 한다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 빔폭 조절 장치 및 방법은, 빔 콘덴서를 이용하여, 광원에서 방사되는 광의 빔폭을 줄여준다. 따라서, 광 손실이 적으며, 기존보다 소형 광학부품을 사용할 수 있다. 즉, 광학계가 소형화되는 이점을 갖는다.

또한, 상기 빔 콘덴서를 통과하면서 빔폭이 줄어든 조명광은 비교적 평행하게 진행된다. 따라서, 콘덴서 렌즈를 통해 상기 조명광을 색분리 미러에 집광 시키더라도 조사 각도의 편차가 적고, 조사 각도가 크게 증가하지 않는다. 즉, 종래의 광학계보다 조명광의 조사 각도 편차 및 조사 각도가 줄어들므로, 색분리 미러에서 나타나는 컬러 쉬프트가 그만큼 감소되고, PBS 및 합성프리즘에서의 광 투과율은 그 만큼 높아져 광학계에서 출사되는 영상의 콘트라스트(contrast)가 향상되는 이점이 있다.

또한, 광학계에 사용되는 광학부품은 크기가 줄수록 가격이 저렴하게 되므로, 본 발명에 따른 빔폭 조절 장치를 이용할 경우 기존의 프로젝션 TV나 프로젝터를 보다 저렴하게 생산할 수 있는 이점이 있다.

Claims (5)

1. 입사된 광을 수개의 수렴광으로 집속하는 수렴 렌즈 유니트와;

   상기 수렴 렌즈 유니트를 통해 집속된 수렴광을 P파와 S파로 분리하는 제 1PBS 어레이와;

   상기 제 1PBS 어레이에서 분리된 광에서 주변부 광을 P파 또는 S파 중 어느 하나의 편광이 되도록 하는 편광 변환수단과;

   상기 주변부 광이 중앙부로 반사된 후 출사되도록 하는 제 2PBS 어레이가 포함되는 것을 특징으로 하는 빔폭 조절 장치.
2. 제 2항에 있어서,

   상기 편광 변환수단은 상기 제 1PBS 어레이에서 분리된 광 중에서 중앙부 광은 P파로, 주변부 광은 S파로 변환하고,

   상기 제 2PBS 어레이는 상기 중앙부 광은 그대로 투과시키고 주변부 광은 중앙부로 반사 후 투과시키는 것을 특징으로 하는 빔폭 조절 장치.
3. 광원에서 입사된 광을 수개의 수렴광으로 집속하는 단계와;

   상기 집속된 수렴광을 P파 광과 S파 광으로 분리하는 단계와;

   분리된 P파 광과 S파 광 중에서 중앙부 광은 P파로, 주변부 광은 S파로 편광 변환하는 단계와;

   상기 P파 상태의 중심부 광은 그대로 투과시키지만, S파 상태의 주변부 광은그 빔(beam)폭을 줄여서 투과시키는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔폭 조절 방법.
4. 광을 방사하는 광원과;

   상기 광원으로부터 방사된 광을 수개의 수렴광으로 집속하는 수렴 렌즈 유니트와;

   상기 수렴 렌즈 유니트를 통해 집속된 수렴광을 P파와 S파로 분리하는 제 1PBS 어레이와, 상기 제 1PBS 어레이에서 분리된 광에서 주변부 광을 P파 또는 S파 중 어느 하나의 편광이 되도록 하는 편광 변환수단과, 상기 주변부 광이 중앙부로 반사된 후 출사되도록 하는 제 2PBS 어레이가 포함되는 빔 콘덴서와;

   상기 빔 콘덴서를 통과한 광을 집속하는 콘덴서 렌즈와;

   상기 콘덴서 렌즈를 통과한 광을 컬러별로 분리하는 광 분할부; 및

   상기 광 분할부에서 분리된 각 컬러를 합성하여 영상을 구현하는 광 합성부; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 편광 변환수단은 상기 제 1PBS 어레이에서 분리된 광 중에서 중앙부 광은 P파로, 주변부 광은 S파로 변환하고,

   상기 제 2PBS 어레이는 상기 중앙부 광은 그대로 투과시키고 주변부 광은 중앙부로 반사 후 투과시키는 것을 특징으로 하는 투사 광학계.