KR100463528B1 - 더블 컬러 리캡쳐링 적분기를 갖는 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 로테이션 프리즘에 의한 컬러 스크롤시 발생하는 비선형적인 스캔 경향을 해결함과 동시에 더블 컬러 리캡쳐링을 함으로써 광손실을 줄이는 방법을 제공하기 위한 것으로서, 광원램프와 포물면 반사경 또는 타원경으로 구성된 광원부와, LCOS등 LCD패널에 적용되는 경우 상기 광원부로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속을 P/S 분리하고 특정 편광 광속은 투과하고 나머지 편광 광속은 반사를 통해 위상을 변화시킨 후 재 투과시켜 하나의 편광 방향으로 유지하는 PCCR 적분기와, 상기 PCCR 적분기와 접촉되어 각각의 컬러 밴드 사이에 빛을 반사하는 미러 코팅 밴드를 삽입하여 입사되는 광속의 컬러를 분리 투과 및 반사하는 컬러필터와, 상기 컬러필터에서 출사되는 컬러를 회전을 통해 스크롤 하는 로테이션 프리즘을 포함하여 구성한다. 이때, DLP에 적용되는 경우에는 편광분리기 없이 컬러필터와 로테이션 프리즘으로 구성된다.

Description

더블 컬러 리캡쳐링 적분기를 갖는 광학계{optical system with double Color Recapturing Integrator}

본 발명은 프로젝션 TV 또는 프로젝션 모니터에 적용되는 광학계에 관한 것으로, 특히 블랙 밴드영역에 미러 코팅한 더블 컬러 리캡쳐링 적분기에 관한 것이다.

기존의 프로젝션(projection) TV 혹은 모니터(monitor)에 적용되는 광학계는 크게 LCOS나 LCD를 사용한 경우 광원램프에서 방사되는 편광 방향이 불규칙한 광원(이하, 불규칙한 편광 광속이라 함)을 일치하는 한 종류의 편광 방향을 갖는 편광 광속으로 변환시키는 편광 변환부와, 상기 편광 조명장치에서 한 종류의 편광 방향을 갖고 방사되는 편광 광속을 컬러 리캡쳐링을 수행하는 컬러 리캡쳐부와 이렇게 구성된 컬러를 반사형 또는 투과형 LCD에서 컬러 스크롤하기 위한 컬러 스크롤(color scroll)부로 구성된다.

이때, DLP 반사형 패널을 사용하는 경우는 편광변환이 필요 없으므로 컬러리캡쳐부와 컬러스크롤부만으로 구성된다.

도 1 은 일반적인 광학계에서 편광 변환부의 상세 구성도를 나타낸 도면이다.

도 1과 같이, 편광 변환부는 광원램프(11)와 포물면 반사경(12)으로 구성된 광원부(10)와, 제 1 광학요소(30)와, 제 2 광학요소(40)로 구성된 편광 발생부(40)로 구성된다.

그리고 상기 제 1 광학요소(30)는 직사각형 형상의 외형을 갖는 복수개의 광속 분할렌즈(31)가 매트릭스 형상으로 배열하여 구성되어 있고, 상기 제 2 광학요소(40)는 집광 렌즈 어레이(41), 차광판(44), 편광 분리 유니트 어레이(43), 선택 위상차판(45), 그리고 결합 렌즈(46)가 하나로 이루어진 복합체로 구성된다.

이와 같이 구성되는 편광 변환부는 광원부(10)에서 제 1 광학요소(30)로 입사한 불규칙한 편광 광속을 광속 분할 렌즈(31)에 의해 복수의 중간광속으로 분할된다.

이어 상기 분할된 복수의 중간광속은 편광 분리 유니트 어레이(43)에 의해 각각을 P편광 광속과 S편광 광속에 공간적으로 분리한 후, 선택 위상차판(45)에 의해 공간적으로 분리된 편광방향을 하나로 일치시킨다. 그리고 이렇게 일치된 편광 광속을 결합 렌즈(46)를 통해 조명영역(50)으로 유도시킨다.

도 2a, 2b 는 일반적인 분리 및 합성하는 컬러 분리 및 합성부의 상세 구성도를 나타낸 도면이다.

도 2a는 투과형 LCD를 나타낸 도면으로, 상기 조명영역(50)을 통해 출사되는 광속은 먼저, 색광 분리수단인 적색광 반사미러(72)에서 청색 및 녹색광은 투과하고 적색광은 반사한다. 이어 반사된 적색광은 다음 단에 있는 반사미러(71)에서 반사되어 적색광용 액정부(61)에 도달한다.

한편, 상기 적색광 반사미러(72)에서 투과된 청색광 및 녹색광은 다시 색광 분리 수단인 녹색광 반사미러(73)에 의해 녹색광은 반사되고, 청색광은 투과한다.

이어 반사된 녹색광은 녹색광용 액정부(62)에 도달하고, 상기 녹색광 반사미러(73)에 의해 투과된 청색광은 다음 단에 위치하는 반사미러(74)에서 반사되어 청색광용 액정부(63)에 도달한다.

그리고 상기 3개소 액정부(61)(62)(63)는 각각의 색광을 변조하여 각 색광에 대응한 화상 정보를 포함한 후에, 변조한 색광을 색광 합성 수단인 크로스 다이클로익 프리즘(60)에 입사되고, 상기 크로스 다이클로익 프리즘(60)은 각각의 변조광속을 합성하여 컬러화상을 형성한 후, 투사 광학계인 투사렌즈(70)에 의해 스크린(80)상에 확대 투영되어 투사화상을 형성한다.

도 2b는 반사형 LCD를 나타낸 도면으로, 상기 조명영역(50)을 통해 출사되는 광속은 먼저, 색광 분리수단인 청색광 반사미러(75)에 있어서 적색광 및 녹색광은 투과하고 청색광은 반사한다.

이어 반사된 청색광은 다음 단에 위치한 반사미러(77)로 반사되어 적색광용 PBS(94)에 반사되어 적색광용 액정부(95)에 도달한 후, 위상이 90도 반전된 후, 다시 적색광용 PBS(94)를 투과하여 크로스 다이클로익 프리즘(60)으로 입사된다.

한편, 상기 청색광 반사미러(75)에서 투과된 적색광 및 녹색광은 다시 색광 분리 수단인 녹색광 반사미러(76)에 의해 녹색광은 반사되고, 적색광은 투과한다.

이어 반사된 녹색광은 녹색광용 PBS(92)에 반사되어 녹색광용 액정부(93)에 도달한 후, 위상이 90도 반전된 후, 다시 녹색광용 PBS(92)를 투과하여 크로스 다이클로익 프리즘(60)으로 입사된다.

그리고 상기 녹색광 반사미러(76)에서 투과된 적색광은 적색광용 PBS(90)에 반사되어 적색광용 액정부(91)에 도달한 후, 위상이 90도 반전된 후, 다시 적색광용 PBS(90)를 투과하여 크로스 다이클로익 프리즘(60)으로 입사된다.

그리고 상기 크로스 다이클로익 프리즘(60)은 입사되는 각각의 변조광속을 합성하여 컬러화상을 형성한 후, 투사 광학계인 투사렌즈(70)에 의해 스크린(80)상에 확대 투영되어 투사화상을 형성한다.

이와 같이 구성되는 광학계는 디스플레이 디바이스(Display Device)인 액정부를 몇 개 사용하느냐에 따라 단판식, 2판식, 3판식으로 분류할 수 있다.

도 2a 및 도 2b에서 나타내고 있는 광학계는 3판식 광학계를 실시예로 나타내고 있다.

그러나, 이와 같은 3판식 광학계는 크게 다음 세 가지 문제점을 가지고 있다.

첫 번째는 광학부품의 수가 너무 많고, 조명계뿐만 아니라 광경로 차이를 보상하기 위한 릴레이(Relay)계까지 포함하고 있어서 복잡하며, 광학계의 크기 또한 커지는 문제점을 가지고 있다.

두 번째는 램프(Lamp)에서 출력된 적색(Red)광의 부족으로 인해 적색(Red)의 색순도가 저하되는데, 이로 인하여 색을 표현할 수 있는 능력 즉, 컬러 계조(Color gamut)의 넓이가 좁아지는 문제점을 가지고 있다.

마지막으로 세 번째는, 광학계의 주요 부품인 디스플레이 디바이스를 많이사용함으로 인해 비용 상승 문제와 R, G, B 패널(Panel)의 얼라인먼트(Alignment) 문제 등이 발생하게 된다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 최근에는 2판식 혹은 단판식의 광학계를 사용하고 있으나, 이런 2판식 혹은 단판식 광학계는 공간적으로 컬러를 분리/합성하는 3판식과는 달리 하나의 액정부에 다수개의 컬러를 갖는 광을 입사시켜 컬러 스크롤(scroll) 장치인 컬러 드럼(drum), 컬러 휠(wheel), 혹은 컬러필터를 통해 시간적으로 컬러를 분리/합성한다.

이로써, 기존의 3판식 광학계와 비교해보면 광량이 부족해지는 문제를 가지게 된다.

즉, 만약 적색광만을 투과시키는 컬러 스크롤 장치의 영역에 녹색광 혹은 청색광이 비춰진다면 적색광 이외의 광은 상기 컬러 스크롤 장치에 흡수 또는 반사되어 손실되게 되므로 상기 컬러 스크롤 장치를 거쳐 투과되는 광량이 그 만큼 적어지게 된다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 종래의 단판식 혹은 2판식 광학계에서 더블 컬러 리캡쳐링을 할 수 있는 적분기의 광학 부품 구조 및 원리를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 LCoS 혹은 DMD 패널과 같은 반사형 패널을 사용하여, 컬러 스크롤 방식을 사용한 단판식 혹은 2판식 광학계를 구성하는 경우, 기존보다 광량을 증가시키는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 컬러 스크롤시 발생하는 비선형적인 스캔 경향을 해결함과 동시에 더블 컬러 리캡쳐링을 함으로써 광손실을 줄이는 새로운 방법을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 종래의 광학계에서 보다 간단한 구조를 구현함으로써 종전의 광학계보다 크기가 작은 광학계를 구현하는데 있다.

도 1 은 일반적인 광학계에서 편광 변환부의 상세 구성도를 나타낸 도면

도 2a, 2b 는 일반적인 투과형 LCD 및 반사형 LCD의 3판식 광학계의 구성도를 나타낸 도면

도 3 은 본 발명에 따른 PCCR 적분기를 갖는 편광 변환부를 나타낸 도면

도 4a는 다이크로익 컬러 밴드(Dichroic color band)를 나타낸 도면

도 4b는 로테이팅 프리즘으로 스캔시 발생하는 비선형적인 스캔현상을 막기위해 각각의 컬러밴드 필터사이에 흡수체를 적용한 도면

도 5 는 도 4b에서 보인 흡수체에 의해 손실되는 광을 막기 위해 각각의 컬러밴드필터사이에 미러를 코팅한 도면

도 6 은 본 발명에 따른 PCCR 적분기를 갖는 편광 변환부의 다른 실시예를 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 광원부 110 : 광원램프

120 : 포물면 반사경 200 : PCCR 적분기

210 : 위상차판 211 : 개구부

220 : 반사형 편광판 230 : 반사면

300 : 컬러필터 400 : 로테이션 프리즘

500 : 블랙 밴드 600 : 미러 코팅 밴드

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 더블 컬러 리캡쳐링 적분기를 갖는 광학계의 특징은 광원램프와 반사경으로 구성된 광원부와, 상기 광원부로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속을 P/S 분리하고 특정 편광 광속은 투과하고 나머지 편광 광속은 반사를 통해 위상을 변화시킨 후 재 투과시켜 하나의 편광 방향으로 유지하는 PCCR 적분기와, 상기 PCCR 적분기와 접촉되어 각각의 컬러 밴드 사이에 빛을 반사하는 미러 코팅 밴드를 삽입하여 입사되는 광속의 컬러를 분리 투과 및 반사하는 컬러필터와, 상기 컬러필터에서 출사되는 컬러를 회전을 통해 스크롤 하는 로테이션 프리즘을 포함하여 구성되는데 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 더블 컬러 리캡쳐링 적분기의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 3 은 본 발명에 따른 PCCR(Polarization Converting and Color Recapturing) 적분기를 갖는 편광 변환부를 나타낸 도면이다.

도 3을 보면, 광원램프(110)와 반사경(120)으로 구성된 광원부(100)와, 상기 광원부(100)로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속을 P/S 분리하고 특정 편광 광속은 투과하고 나머지 편광 광속은 반사를 통해 위상을 변화시킨 후 재 투과시켜 하나의 편광 방향으로 유지하는 PCCR 적분기(200)와, 상기 PCCR 적분기(200)와 접촉되어 입사되는 광속의 컬러를 분리 투과 및 반사하는 컬러필터(300)로 구성된다.

이때, 상기 PCCR 적분기(200)는 편광 방향이 불규칙한 광이 입사되는 작은 개구부(211)와, 상기 광이 반사되도록 하는 반사면(230)으로 이루어진 소정의 경로와, 상기 입사된 광의 출사면에 형성되어 P편광 광속과 S편광 광속으로 분리하여 반사 또는 투과시키는 반사형 편광판(220)과, 상기 반사형 편광판(220)과 마주보는 상기 소정경로 내에 형성되어 상기 반사형 편광판(220)에서 반사되는 광의 위상을 90도 변환시켜 반사시키는 위상차판(210)으로 구성된다.

좀더 자세히 살펴보면, 상기 작은 개구부(211)를 통하여 편광 방향이 불규칙한 편광 광(240)이 입사되고, 그 광은 반사형 편광판(220)에 의해서 S편광 광속(250)은 통과시키고, P편광 광속(260)은 반사하게 된다. 이는 반사형 편광판의 특성에 따라 S편광 광속을 반사시키고, P편광 광속을 통과시킬 수도 있다.

그리고 상기 반사되는 P편광 광속(260)은 소정 경로면에 위치하는 반사면(230)에 반사 또는 직접 앞단에 위치하는 위상차판(210)으로 입사되고, 상기 위상차판(210)은 입사되는 P편광 광속의 위상을 90도 변환하여 S편광 광속(270)으로 변환하여 반사시킨다.

이렇게 반사된 광속(270)은 다시 반사형 편광판(220)으로 입사되는데, 이때의 편광 광속은 상기 위상차판(210)을 통해 S편광 광속으로 변환되었기 때문에 상기 반사형 편광판(220)을 통과하게 된다.

그래서 상기 반사형 편광판(220)은 최종적으로 PCCR 적분기(200)를 통하여 출사되는 광을 S파로 만들어주는 P/S 변환기의 역할을 수행하여 기존 FEL과 PBS 어레이(Array)를 사용하여 편광변환을 하는 것보다 간단한 구조를 가지며, 광학계 가격을 낮추게 된다.

그리고 상기 컬러필터(300)는 기존에 적분기와 컬러 휠 사이의 간격을 없애서 컬러 리캡쳐링 과정에서의 광 손실을 막을 수 있게 된다.

이와 같은 적분기의 구조에 로테이션 프리즘을 상기 적분기 다음 단에 위치시켜 컬러를 스크롤하고 있다.

이렇게 하는 경우 패널에서 컬러 밴드의 모양은 직사각형 모양을 유지할 수 있으며, 컬러 스크롤 방향 또한 선형적으로 유지할 수 있는 장점이 있다.

이때, 상기 더블 컬러 리캡쳐링 시스템과 컬러 스크롤 시스템은 편광된 빛을 사용하느냐 하지 않느냐에 따라서 적분기의 구조가 약간 달라지게 된다.

즉, 상기와 같이 편광된 빛을 사용하는 반사형 LCD(LCoS)나 투과형 LCD의 경우는 도 3과 같이 반사형 편광판과 파장판(wave plate)을 포함하는 구조를 가지고 있어서 컬러 리캡쳐링 뿐만 아니라 편광변환기능을 수행한다.

반면 편광된 빛을 사용하지 않는 DLP와 같은 경우는 도 6과 같이 반사형 편광판과 파장판을 갖지 않는 구조로 매우 간단한 구조를 갖는다.

이와 같은 구조를 갖는 편광 변환부는 로테이션 프리즘이 회전함과 동시에패널상에서 스캔되어지는 R,G,B 컬러 밴드가 패널의 중간부분에서는 천천히 스캔되어지고 위와 아래 부분에서는 빨리 스캔되어지는 비선형성의 특성을 갖게 된다.

이로 인하여 R,G,B의 컬러 밴드가 서로 겹치거나 벌어지게 되는 문제점을 갖게 된다.

이러한 문제점을 해결하는 방법으로 컬러필터(400) 각각의 컬러 밴드 사이에 빛을 흡수하는 블랙 밴드가 삽입되는 구조를 사용한다.

도 4a, 4b는 컬러필터를 통해 만들어진 컬러 밴드 필터를 나타낸 도면이다.

도 4a와 같이 기존 적분기에서 만들어진 컬러 밴드 필터는 위에서 설명한 것과 같이 R,G,B의 컬러 밴드가 서로 겹치거나 벌어지는 문제가 발생하는데, 이를 도 4b와 같이 각각의 컬러 밴드 사이에 빛을 흡수하는 블랙 밴드(500)를 삽입하여 이를 해결할 수 있다.

하지만 상기 도 4b와 같은 구조를 갖는 적분기는 빛을 흡수하는 블랙 밴드(500)에 의해 광량 손실의 발생을 피할 수 없게 된다.

따라서 다른 실시예인 더블 컬러 리캡쳐링 적분기 장치는 로테이션 프리즘(400)에 의해 야기되어지는 비선형적인 스캔 현상뿐만 아니라 상기 블랙 밴드로 인한 광손실에 따른 문제를 모두 해결할 수 있도록 블랙 밴드 영역을 미러 코팅함으로써 동시에 두 가지 문제점을 제거할 수 있다.

도 5 는 본 발명에 따른 컬러필터를 통해 만들어진 컬러 밴드 필터를 나타낸 도면이다.

도 5를 보면, 각각의 컬러 밴드 사이에 빛을 반사하는 미러 코팅 밴드(600)를 삽입하여 로테이션 프리즘에 의해 발생되는 R,G,B의 컬러 밴드가 서로 겹치거나 벌어지는 문제를 해결할 수 있으며, 또한 미러 코팅 밴드로 입사되는 빛을 다시 반사시켜 다음에 다시 사용할 수 있게되어 광량을 증가시킬 수 있게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 더블 컬러 리캡쳐링 적분기를 갖는 광학계는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 컬러 스크롤 장치로 로테이션 프리즘을 사용할 때, 패널에서 컬러 밴드의 모양을 직사각형 모양을 유지하고, 그 컬러 밴드의 스크롤 방향 또한 선형적으로 유지할 수 있을 뿐만 아니라 스크롤시 비선형적인 스캔 현상으로 인한 문제점을 해결, 그에 따른 광손실을 보다 최소화할 수 있는 장점을 가지고 있다.

둘째, 기존의 P/S 변환장치, 컬러 리캡쳐링 시스템, 컬러 스크롤링 시스템보다 간단한 구조를 가지고 있어서 광학계의 경박 단소화는 물론 비용을 절감할 수 있다는 장점을 가지고 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (2)

1. 광원램프와 반사경으로 구성된 광원부와,

   상기 광원부로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속이 입사되는 개구부, 상기 개구부를 통해 입사되는 광이 반사되도록 하는 반사면으로 이루어진 소정의 경로, 상기 소정의 경로를 거친 입사된 광의 출사면에 형성되어 P편광 광속과 S편광 광속으로 분리하여 반사 또는 투과시키는 반사형 편광판, 그리고 상기 반사형 편광판과 마주보는 상기 소정 경로 내에 형성되어 상기 반사형 편광판에서 반사되는 광의 위상을 90도 변환시켜 반사시키는 위상차판으로 이루어져 하나의 편광 방향으로 유지하는 PCCR 적분기와,

   적색광의 위상을 보조하는 적색 셀, 녹색광의 위상을 변조하는 녹색 셀, 그리고 청색광의 위상을 변조하는 청색 셀이 평행하게 접합되고, 상기 각 셀 사이에 빛을 흡수하는 블랙 밴드를 구비하여 상기 PCCR 적분기의 출사면과 접촉되어 상기 PCCR 적분기의 출사면을 통해 입사되는 광속의 컬러 중 서로 겹치거나 벌어지는 컬러를 흡수하는 컬러필터와,

   상기 컬러필터에서 출사되는 컬러를 회전을 통해 스크롤 하는 로테이션 프리즘을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 더블 컬러 리캡쳐링 적분기를 갖는 광학계.
2. 광원램프와 반사경으로 구성된 광원부와,

   상기 광원부로부터 출사되는 불규칙한 편광 광속이 입사되는 개구부, 상기 개구부를 통해 입사되는 광이 반사되도록 하는 반사면으로 이루어진 소정의 경로, 상기 소정의 경로를 거친 입사된 광의 출사면에 형성되어 P편광 광속과 S편광 광속으로 분리하여 반사 또는 투과시키는 반사형 편광판, 그리고 상기 반사형 편광판과 마주보는 상기 소정 경로 내에 형성되어 상기 반사형 편광판에서 반사되는 광의 위상을 90도 변환시켜 반사시키는 위상차판으로 이루어져 하나의 편광 방향으로 유지하는 PCCR 적분기와,

   적색광의 위상을 보조하는 적색 셀, 녹색광의 위상을 변조하는 녹색 셀, 그리고 청색광의 위상을 변조하는 청색 셀이 평행하게 접합되고, 상기 각 셀 사이에 빛을 반사하는 미러 코팅 밴드를 구비하여 상기 PCCR 적분기의 출사면과 접촉되어 상기 PCCR 적분기의 출사면을 통해 입사되는 광속의 컬러 중 서로 겹치거나 벌어지는 컬러를 분리 투과 및 반사하는 컬러필터와,

   상기 컬러필터에서 출사되는 컬러를 회전을 통해 스크롤 하는 로테이션 프리즘을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 더블 컬러 리캡쳐링 적분기를 갖는 광학계.