KR100447168B1 - 투사형 광학 장치 - Google Patents

투사형 광학 장치 Download PDF

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Abstract

액정 투사형 표시 장치에 보조 광원을 채용하여 색 재현 범위를 향상시키는 투사형 광학 장치에 관한 것으로서, 특히 주 광원으로 램프의 발광 특성과 효율, 램프 수명등을 고려하여 100W 정도의 초고압 수은 램프를 채용함으로써, 제품의 수명을 향상시키고, 또한 레드 보조 광원을 채용함으로써, 칼라 전반(gamut)을 확대시켜 색 재현성을 향상시킴에 의해 CRT 대비 동등 또는 그 이상의 칼라를 구현함과 동시에 제품의 휘도와 효율을 높일 수 있다.

Description

투사형 광학 장치{Projection-type optics system}
본 발명은 투사형 광학 장치에 관한 것으로서, 특히 액정 투사형 표시 장치에 보조 광원을 채용하여 색 재현 범위를 향상시키는 투사형 광학 장치에 관한 것이다.
종래의 40＂이상의 대화면 디스플레이는 CRT(Cathode Ray Tube) 방식의 프로젝션 TV가 대형 디스플레이 시장을 주도해 왔으나, CRT 브라운관 자체의 크기 및 무게로 인하여 광학 시스템과 셋트 사이즈가 커져야만 하는 단점이 있었다. 따라서, 가정용으로서 대화면 디스플레이를 구현하기에는 셋트의 무게 및 부피에 있어 상당한 제한이 뒤따르고, 시장 확대의 걸림돌이 되고 있으며, 고선명(High Definition TV ; HDTV)와 같은 고해상도 사양에서 필요한 휘도를 얻기가 곤란하였다.
이러한 단점을 보완한 것이 액정 패널을 이용한 투사형 표시 장치 즉, 액정 투사형 표시 장치이다. 이 장치는 0.5-2＂정도의 소형, 고화질의 액정 패널을 이용하여 스크린 상에 확대 투사하여 대화면의 영상을 쉽게 구현할 수 있다. 그리고, 액정을 사용하기 때문에 소형, 경량화가 가능하므로 가정용 대화면 디스플레이로서 충분한 가능성이 있다. 또한, CRT 대비 고해상도와 고휘도를 확보할 수 있기 때문에 HDTV 시대의 대표적 표시 소자로서 기대되어지고 있다.
상기 액정 프로젝션 TV는 도 1과 같이, 광원으로부터 나온 빛이 액정 패널을 투과하여 액정 패널 상의 영상을 투사 렌즈(projection lens)를 이용하여 스크린상에 확대 투영시키는 장치이다.
이때, 칼라를 구현하기 위해서는 R,G,B 3색의 빔을 제어할 필요가 있으며, 제어하는 방식에 따라 일반적으로 말하는 3판식 방식과 단판식 방식으로 분류된다.
상기 3판식 방식은 색 분리 및 합성 방식을 이용하여 R,G,B 3매의 액정 패널을 사용하여 칼라를 구현하는 방식이며, 단판식 방식은 1매의 패널 안에 R,G,B의 칼라 필터를 내장시켜 칼라를 구현하는 방식이다.
단판 방식의 경우, 칼라 필터에 의한 광의 흡수가 일어나 스크린 상의 휘도를 올리기가 곤란하며, 3판식에 비해 3배의 해상도가 필요하기 때문에 고해상도 구현에 어려움이 많다.
도 2는 종래의 3판식 액정 패널을 갖는 투사형 표시 장치의 광학계로서, 광원으로서는 타원형 반사경이 부착되어 있는 램프(Lamp)(201)를 사용하고, 상기 램프(201)로부터 발광된 빛은 제 1 플라이 아이(Fly-Eye) 렌즈(202), 제 2 플라이 아이 렌즈(203)를 지나면서 출사되는 빔의 분포가 고르게 된다.
그리고, 상기 제 1, 제 2 플라이 아이 렌즈(202,203)를 지나면서 고르게 분포된 빔은 편광 빔 분리기(Polarzing Beam Splitter ; PBS) 어레이(204)를 통과하면서 편광된다. 즉, 비편광의 광이 상기 PBS 어레이(204)를 통과하면 S파 또는, P파로 편광된다.
상기 편광된 빔은 조명 렌즈(205)를 지나면서 집광되어 제 1 이색성 미러(Dichroic Mirror)(206)로 입사된다. 상기 제 1 이색성 미러(206)는 입력되는 빛 중에서 레드 빛은 반사시키고 시얀 빛은 투과시키도록 이색성 필름을 코팅하여형성된다. 상기 제 1 이색성 미러(206)에서 반사된 레드 빛은 다시 레드 토탈 미러(207)에서 반사되어 레드 액정 패널(209)로 입사된다.
한편, 상기 제 1 이색성 미러(206)를 투과하는 시얀 빛은 제 2 이색성 미러(211)를 거치면서 블루와 그린 빛으로 분리된다. 이때, 상기 제 2 이색성 미러(211)는 입력되는 시얀 빛 중 그린 빛은 반사시키고, 블루 빛은 투과시키도록 이색성 필름을 코팅하여 형성된다. 상기 제 2 이색성 미러(211)에서 반사된 그린 빛은 그린 액정 패널(213)로 입사된다.
또한, 상기 제 2 이색성 미러(211)를 투과하는 블루 빛은 집광 렌즈(214), 블루 반사 미러(215), 집광 렌즈(216), 및 블루 반사 미러(217)를 순차 거친 후 블루 액정 패널(219)로 입사된다.
이때, 상기 레드 토탈 미러(207)와 레드 액정 패널(209) 사이, 제 2 이색성 미러(211)와 그린 액정 패널(213) 사이, 그리고 블록 반사 미러(217)와 블루 액정 패널(219) 사이에는 R,G,B 각각의 색 순도 향상을 위해 이색성 레드, 그린, 블루 필터링 렌즈(208,212,218)가 배치되어 있다.
한편, 상기 R,G,B 액정 패널(209,213,219)에서 선택적으로 투과되는 R,G,B 각각의 빛은 이색성 프리즘(X-cube)(210)으로 입사되어 백색광으로 재합성된 후 투사 렌즈(220)와 백 미러를 통하여 스크린에 조사된다. 즉, 상기 이색성 프리즘(210)으로 입사되는 레드 빛과 블루 빛은 반사되어 투사 렌즈(220)로 입사되고, 그린 빛은 상기 이색성 프리즘(220)을 그대로 투과하여 투사 렌즈(220)로 입사된다. 상기 투사 렌즈(220)를 거쳐 나온 백생광은 스크린에 확대 투사된다.
이때, 상기된 액정 프로젝터는 CRT와는 달리 광원을 필요로 하며, 광원은 발광 스펙트럼의 특성이 좋으면서 형상이 작고 고휘도로서 점광원에 가까운 고효율 램프이어야 하며, 사용시 안정적인 특성과 장수명이 실현되어야 한다.
따라서, 최근에 초고압 수은(UHP) 램프가 LCD 프로젝터의 광원으로 자주 사용되고 있다. 상기 UHP 램프는 이상적인 발광 특성을 지닌 램프로서, 수은 증기압의 증대에 따라 램프 전압이 증가하기 때문에 램프 효율의 저하없이 Arc 길이를 단축할 수 있으며, 또한 발광 준위의 유도 방출 에너지가 높기 때문에 Arc 중심만으로도 발광하며, 광학계에 의한 집광 이득이 좋다.
이러한 초고압 수은 램프의 등장은 액정 프로젝터 및 DMD 프로젝터 등에 적용되어 제품의 다양화와 고성능화에 기여, 최근의 sFPD(small Flat Panel) 디스플레이 시장을 선도하고 있다.
그러나, 초고압 수은 램프의 경우에도 시스템의 밝기를 향상시키기 위하여 램프의 전력을 100W에서 120W나 150W로 올려 휘도를 향상시키면 스펙트럼의 적색 성분비는 상승하나 램프의 수명이 짧아지고, 저전력의 100W용 램프를 사용하면 램프의 수명은 늘어나나 램프의 휘도가 떨어지면서 스펙트럼의 적색 성분비마저 떨어져 색 재현성이 나빠지는 단점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 액정 투사형 표시 장치에 보조 광원을 채용하여 색 재현 범위를 향상시킴으로써, CRT 대비 이상의 칼라를 구현함과 동시에 제품의 휘도와 효율을 향상시키는 투사형광학 장치를 제공함에 있다.
도 1은 일반적인 액정 프로젝션 티브이의 기본 원리는 나타낸 도면
도 2는 일반적인 투사형 광학 장치의 구조를 나타낸 도면
도 3은 본 발명에 따른 투사형 광학 장치의 구조를 나타낸 도면
도 4는 본 발명에 따른 LCD와 CRT의 칼라 전반을 비교한 그래프
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
201 : 주 광원 202,203 : 플라이 아이 렌즈
204 : PBS 어레이 205 : 조명 렌즈
206 : 이색성 레드 반사 미러 207 : 레드 토탈 미러
208 : 레드 필터링 렌즈 209 : 레드 액정 패널
210 : 이색성 프리즘 211 : 이색성 블루 필터 미러
212 : 그린 필터링 렌즈 213 : 그린 액정 패널
214,216 : 조명 렌즈 215,217 : 블루 반사 미러
218 : 블루 필터링 렌즈 219 : 블루 액정 패널
220 : 투사 렌즈 301 : 레드 보조 광원
302 : 레드 필터 미러
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 투사형 광학 장치는, 비편광 백색광을 발광하는 주 광원과, 상기 주 광원에서 발광되는 빛의 분포성을 균질화하고 비편광 빛을 편광시켜 집광하는 제 1 광학부와, 상기 제 1 광학부를 통해 나오는 빛 중에서 레드 빛만을 반사시키는 이색성 레드 반사 미러와, 특정 범위의 레드 파장을 갖는 레드 빛을 발광하는 레드 보조 광원과, 상기 이색성 반사 미러에서 반사되는 빛은 다시 반사시키고, 상기 레드 보조 광원에서 발광되는 빛은 투과시키는 레드 필터 미러와, 상기 레드 필터 미러를 반사 또는 투과하는 레드 빛을 입력받아 화상을 형성한 후 투과 또는 반사시키는 레드 액정 패널과, 상기 이색성 레드 반사 미러를 투과하는 빛 중에서 그린과 블루를 각각 분리한 후 반사 및 집광을 통해 각각의 그린, 블루 액정 패널에 화상을 형성하는 제 2 광학부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 보조 광원으로는 LED, LD, 할로겐 램프(halogen lamp), 레드 인광 물질(phosphor) 또는, 면 광원 소자를 채용할 수 있다.
상기 레드 필터 미러는 레드 파장의 특정 범위(650nm 전후)에서 레드 빛이 투과되도록 제작되는 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.
본 발명에 따른 투사형 광학 장치의 주 광원은 램프의 수명이나, 효율, 스펙트럼의 특성 등을 고려하여 100W의 초고압 수은 램프를 적용하여 장수명(10000시간 이상), 고휘도(600nit 이상)를 구현하고, 레드 보조 광원을 채용하여 이상적인 분광 특성을 갖도록 하는데 있다.
특히, 레드 보조 광원을 채용함으로써, 색 재현 범위를 향상시켜 CRT 대비 동등 또는 그 이상의 칼라를 구현함과 동시에 제품의 휘도와 효율을 향상시키는데 있다.
도 3은 본 발명에 따른 레드 보조 광원이 채용된 투사형 표시 장치의 광학계의 구조를 보이고 있다. 도 3을 보면, 레드 보조 광원(301)과 레드 필터 미러(302)를 제외한 나머지 구성은 상기된 도 2와 동일하므로 동일 소자에 대해서는 동일 부호를 사용하고 상세 설명을 생략한다.
상기 레드 필터 미러(302)는 일반적으로 LCD 프로젝터 등에 사용되고 있는 토탈 미러와는 그 기능이 상당히 다르다. 즉, 상기 레드 필터 미러(302)는 대부분의 레드 파장의 빛은 반사시키고, 레드 파장의 특정 범위(예, 650nm 전후)에서는 부분적으로 레드 파장의 빛을 투과시키도록 제작되었다. 일 예로, 본 발명에서는 645nm 이하의 레드 빛은 반사시키고, 645nm 이상의 빛은 투과하도록 제작하였다.
그리고, 상기 레드 필터 미러(302)의 후방(광 진행 방향의 반대편)에 레드 보조 광원(301)을 배치한다.
상기 레드 보조 광원(301)으로는 레드 LED(Light Emitting Diode) 또는, LD(Laser Diode)를 채용할 수 있다. 상기 레드 보조 광원(301)의 또 다른 예로서,할로겐 램프(halogen lamp)나 레드 인광 물질(phosphor) 또는, 면 광원 소자를 채용할 수도 있다.
따라서, 초고압 수은 램프(201)에서 나온 레드 광 중에서 645nm 이하의 빛만 상기 레드 필터 미러(302)에서 반사되어 LCD쪽으로 입사되고, 레드 필터 미러(302) 후방에 위치한 레드 보조 광은 그 파장대가 645nm-655nm이며, 이 파장대의 빛은 레드 필터 미러(302)를 그냥 투과하여 LCD쪽으로 입사된다.
즉, 초고압 수은 램프(201)에서 나온 비편광 백색광은 제 1, 제 2 플라이 아이 렌즈(202,203)를 지나면서 출사되는 빔의 분포가 고르게 된다. 그리고, 상기 제 1, 제 2 플라이 아이 렌즈(202,203)를 지나면서 고르게 분포된 빔은 편광 빔 분리기(PBS) 어레이(204)를 통과하면서 S파 또는, P파로 편광된다.
상기 편광된 빔은 조명 렌즈(205)를 지나면서 집광되어 제 1 이색성 미러(206)로 입사된다. 상기 제 1 이색성 미러(206)는 입력되는 빛 중에서 레드 빛은 반사시키고 시얀 빛은 투과시키도록 이색성 필름을 코팅하여 형성된다.
이때, 상기 제 1 이색성 미러(206)에서 반사된 레드 빛은 다시 레드 필터 미러(302)에서 반사되어 레드 액정 패널(209)로 입사된다.
한편, 상기 레드 보조 광원(301)에서 발광된 레드 빛은 상기 레드 필터 미러(302)를 투과하여 레드 액정 패널(209)로 입사된다.
이후의 동작은 상기된 도 2와 동일하므로 상세 설명을 생략한다.
본 실시예에서 사용된 레드 보조 광원은 약 50lm 정도의 밝기 구현이 가능한 3x2 어레이의 레이저 다이오드로 구성되어 있다.
따라서, 본 시스템을 적용하면 LCD 프로젝터의 단점 중에 하나인 색 재현 범위를 향상시켜 CRT 대비 동등이상의 색상을 구현할 수 있을 뿐만 아니라 시스템의 고휘도화를 달성할 수 있다.
도 4는 이를 그래프로 나타낸 것으로서, LCD와 CRT 칼라 전반(gamut) 비교 그래프이다.
특히, 리어(rear) 프로젝션 시스템에 있어서는 제품의 성능못지 않게 중요한 것이 제품의 수명이다. 따라서, 본 발명의 광학 장치를 리어 프로젝션 시스템에 적용하면 색 재현성과 더불어 제품의 수명을 향상시키므로, 향후 LCD 프로젝션 TV 시장에서 경쟁력을 높일 수 있다.
또한, 본 발명은 DMD등의 램프를 광원으로 사용하는 프로젝션 시스템에 적용하여도 같은 효과를 볼 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명에 따른 투사형 광학 장치에 의하면, 램프의 발광 특성과 효율, 램프 수명등을 고려하여 100W 정도의 초고압 수은 램프를 주 광원으로 사용하여 제품의 수명을 향상시켰으며, 또한 레드 보조 광원을 채용함으로써, 칼라 전반(gamut)을 확대시켜 CRT 대비 색 재현성이 뛰어나며, 타사 동급 기종 대비 약 20% 이상 밝기를 향상시키는 효과가 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 (9)

  1. 레드, 그린, 블루 각각의 액정 패널에 형성된 화상에 따라 투과하거나 반사되는 빛을 재합성하여 스크린에 확대 투사하는 투사형 광학 장치에 있어서,
    비편광 백색광을 발광하는 광원;
    상기 광원에서 발광되는 빛의 분포성을 균질화하고 비편광 빛을 편광시켜 집광하는 제 1 광학부;
    상기 제 1 광학부를 통해 나오는 빛 중에서 레드 빛만을 반사시키는 이색성 레드 반사 미러;
    기 설정된 특정 파장 범위의 레드 빛은 투과시키고 상기 특정 파장 범위를 벗어나는 레드 빛은 반사시키도록 설계되어, 상기 이색성 레드 반사 미러에서 반사되는 특정 파장 범위를 벗어나는 레드 빛을 다시 반사시키는 레드 필터 미러;
    레드 광 진행 방향의 반대 위치인 상기 레드 필터 미러의 후방에 배치되어 상기 특정 파장 범위의 레드 빛을 발광하여 상기 레드 필터 미러로 입사시키는 레드 보조 광원;
    상기 레드 필터 미러에서 반사되는 특정 파장 범위를 벗어나는 레드 빛과 상기 레드 필터 미러를 투과하는 특정 파장 범위의 레드 빛을 입력받아 화상을 형성하는 레드 액정 패널; 그리고
    상기 이색성 레드 반사 미러를 투과하는 빛 중에서 그린과 블루를 각각 분리한 후 반사와 집광을 통해 각각의 그린, 블루 액정 패널에 화상을 형성하는 제 2 광학부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 저전력의 초고압 수은 램프인 것을 특징으로 하는 투사형 광학 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 초고압 수은 램프는 100W용 램프인 것을 특징으로 하는 투사형 광학 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 레드 보조 광원으로 LED를 사용하는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 레드 보조 광원으로 레이저 다이오드를 사용하는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 레드 보조 광원으로 할로겐 램프를 사용하는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 레드 보조 광원으로 레드 인광 물질을 사용하는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 레드 보조 광원은 645nm와 655nm 사이의 레드 파장을 갖는 빛을 발광하는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 레드 필터 미러는
    645nm보다 낮은 파장의 레드 빛은 반사시키는 것을 특징으로 하는 투사형 광학 장치.
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