KR100474918B1 - 편광 변환 장치 - Google Patents

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KR100474918B1
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Abstract

본 발명은 프로젝션 티브이(TV), 모니터, 및 빔 프로젝트에 사용되는 광학 계의 편광 변환 장치에 관한 것으로, 본 발명의 편광 변환 장치는 글래스 기판과,상기 기판의 상, 하부면 사이에 소정각을 가지고 형성되어 입사되는 비 편광 빛을 직교하는 두 개의 편광 방향으로 분리하기 위한 반사형 편광판 및 상기 반사형 편광판과 결합되어 상기 반사형 평광판에 의해 편광된 빛의 편광방향을 변환하기 위한 편광 변환판과, 상기 반사형 편광판 및 편광 변환판과 평행하고 상기 반사형 편광판 및 편광변환판으로부터 입사된 빛을 반사시키기 위한 반사판을 포함하여 구성되기 때문에 구조가 간단하고, PCS 어레이의 각도와 열에 따른 성능 저하를 방지할 수 있다.

Description

편광 변환 장치{Polarization conversion system}
본 발명은 프로젝션 티브이(TV), 모니터 등에 적용되는 광학계의 편광 변환 장치에 관한 것으로서, 특히 금속 격자 무늬를 가진 반사형 편광판과 결합된 편광 변환판을 이용한 편광 변환 장치에 관한 것이다.
최근 TV의 대형화에 따라 프로젝션 시스템이 많이 연구되고 있다. 프로젝션 시스템의 이미지 소자로는 폴리 실리콘(Poly-silicon)과 실리콘 크리스탈(Silicon Crystal)에 액정을 올린 것과, 나노(nano) 기술을 이용한 DMD(Digital Micromirror Display) 등이 있다. 이 중 액정 소자를 이용하는 시스템은 빛의 편광을 변조(Modulation)해서 화면을 표시하고 있다. 따라서, 액정에 빛을 쬐어줄 때 편광된 빛을 쬐어 주어야 하므로, 램프에서 나오는 비편광된 빛을 편광된 빛으로 바꾸어주기 위한 많은 소자들이 연구되어 왔다.
이 중 하나로 반사형 편광자가 있다. 도 1은 이러한 반사형 편광자의 일 예를 도시하고 있다.
상기 도 1에서 반사형 편광판은 격자 무늬로 형성된 편광자의 간격이 파장보다 클때는 회절 격자로 행동하며, 파장 무늬보다 작을 때는 편광판으로 행동하는 특성을 이용하여 글래스 기판 위에 알루미늄 라인(Aluminum line)을 파장보다 작은 주기로 심어준 반사형 편광판이다.
도 1의 반사형 편광판는 전기장이 격자에 수직으로 진동하는 편광은 투과하고, 수평으로 진동하는 편광은 반사시켜 빔을 분리하는 특성이 있다.
한편, 종래의 편광 변환 장치로서, 편광 빔 스플리터(Polarization Bean Splitter ; 이하 PBS라 칭함) 어레이를 이용한 편광 변환 장치가 있다. 즉, PBS 어레이는 광원에서 조사되는 비편광된 빛을 한쪽 편광으로 바꿔주는 소자이다. 상기 PBS란 두 글래스(Glass) 사이에 특수 코팅을 해서 P파는 투과시키고, S파는 반사시키는 소자이다.
그리고, 상기 PBS를 여러장 겹쳐 놓은 것이 PBS 어레이이다.
도 2는 상기된 PBS 어레이가 적용되는 광학계의 일 예를 보인 것으로서, PBS 어레이(202) 전단에 입사되는 광빔을 균일하게 분할함과 동시에 분할된 광빔을 집속하는 플라이 아이 렌즈(Fly-eye Lens)(201)가 배치되어 있다. 상기 플라이 아이 렌즈(201)에 의해 상기 PBS 어레이(202)에는 빛이 입사되는 곳과 입사되지 않는 부분이 생기게 된다.
이때, 빛의 편광을 한 방향으로만 편광시키기 위해 상기 PBS 어레이(202) 중 플라이 아이 렌즈(201)로부터 빛이 입사되는 부분에 설치된 PBS의 출사면에 λ/2판(203)을 설치하고, 빛이 입사되지 않는 부분에 설치된 PBS에는 λ/2판(203)을 설치하지 않는다.
상기 λ/2판(203)은 선편광의 방향을 변환하는 편광 변환판으로서, S파(즉, 수직 선편광)는 P파(즉, 수평 선편광)로, P파는 S파로 변환한다.
일 예로, 상기 PBS 어레이(202)의 PBS들은 P파는 투과시키고, S파는 반사시키도록 제작되었다고 가정한다. 따라서, P 편광된 빛이 플라이 아이 렌즈(201)를 통해 PBS 어레이(202)로 입사되면, 상기 PBS 어레이(202)에 입사된 P 편광된 빛은 해당 PBS를 투과하여 λ/2판(203)으로 입사된다. 상기 λ/2판(203)은 P파를 S파로 변환하여 출사하고, 상기 변환된 S파는 릴레이 렌즈(relay lens)(204)를 거쳐 패널(205)로 출사된다. 한편, S 편광된 빛이 플라이 아이 렌즈(201)를 통해 PBS 어레이(202)로 입사되면, 상기 PBS 어레이(202)에 입사된 S 편광된 빛은 해당 PBS를 반사하여 λ/2판이 설치되지 않은 PBS로 입사된다. 상기 λ/2판이 설치되지 않은 PBS는 반사되어 입사되는 S파를 다시 반사시켜 패널(205)로 출사한다. 결국, 상기 패널(205)에는 S 편광된 빛만 입사되게 된다.
또한, 상기 플라이 아이 렌즈(201)를 통해 비편광 빛이 PBS 어레이(202)로 입사되더라도 λ/2판(203)이 설치된 PBS는 비편광 빛 중 P파만을 λ/2판(203)으로 투과시키고, S파는 λ/2판(203)이 설치되지 않은 PBS로 반사시킨다. 그러면, 상기된 과정에 의해 λ/2판(203)에서 변환된 S파와, 상기 λ/2판(203)이 설치되지 않은 PBS에서 반사되는 S파가 패널(205)로 출사된다.
하지만, 상기 PBS는 정해진 각도에 대해서는 좋은 성능을 가지고 있는데 반해 각도가 약간 다르게 들어오는 빛에 대해서는 그 성능이 깨지는 단점이 있다. 이것은 PBS 어레이에서도 역시 같은 문제점이 발생한다. 그리고 빛의 양이 많아짐에 따라 PBS 글래스의 열도 올라간다. 이때 올라간 글래스의 열에 의한 스트레스(Stress)로 인해 광탄성 등의 문제가 발생하고, 이로 인해 불균일한 굴절율을 가지는 문제점이 있다.
즉, PBS 코팅면은 온도가 올라감에 따라 글래스의 재질에 광탄성 효과가 일어나거나 굴절률이 변하여 편광이 손실되는 경우가 발생한다. 그리고 허용 각도도 현재 기술로는 F/2.3이상으로는 힘들다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 격자 무늬 패턴을 갖는 반사형 편광판 및 상기 반사형 편광자와 결합된 편광 변환판을 이용하여 빛을 한쪽 방향으로 편광시킴으로써, 구조가 간단하고, PBS 어레이의 각도와 열에 따른 성능 저하를 방지할 수 있는 편광 변환 장치(Polarization conversion system)를 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 편광 변환 장치는, 소정각을 가지고 형성되어 입사되는 비 편광 빛을 직교하는 두 개의 편광 방향으로 분리하기 위한 반사형 편광판 및 상기 반사형 편광판과 결합되어 상기 반사형 평광판에 의해 편광된 빛의 편광방향을 변환하기 위한 편광 변환판, 그리고 상기 반사형 편광판 및 편광 변환판과 평행하고 상기 반사형 편광판 및 편광변환판으로부터 입사된 빛을 반사시키기 위한 반사판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 편광 변환판은 상기 반사형 편광판의 상부면 또는 하부면에 형성된다.
상기 반사형 편광판은 금속의 격자 무늬 모양의 편광자가 형성된다.
상기 편광 변환판은 수직 선편광을 수평 선편광으로 또는, 수평 선편광을 수직 선편광으로 변환하는 λ/2판이다.
상기 편광 변환 장치의 전단에는 입사되는 광빔을 균일하게 분할함과 동시에 분할된 광빔을 집속하는 플라이-아이 렌즈와 램프를 배치하고, 후단에는 패널을 배치하여 투사 장치의 광원 광학계를 구성한다.
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.
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 편광 변환 장치의 구조 단면도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 편광 변환 장치는 소정각을 가지고 형성되어 입사되는 비 편광된 빛을 직교하는 두 개의 편광 방향으로 분리하기 위한 반사형 편광판(302)과, 상기 반사형 편광판(302)의 상부면에 형성되어 상기 반사형 평광판에 의해 편광된 빛의 편광방향을 변환하기 위한 편광 변환판(303)과, 상기 반사형 편광판(302) 및 편광 변환판(303)과 평행하고, 상기 반사형 편광판(302) 및 편광변환판으로부터 입사된 빛을 반사시키기 위한 반사판(304)을 포함하여 구성된다.
여기서, 상기 반사형 편광판(302)은 입사면이 알루미늄(aluminum)과 같은 반사가 뛰어난 금속을 이용하여 격자 무늬 모양의 편광자를 형성한다.
참고로, 상기 격자 무늬의 간격이 입사되는 빛의 파장보다 클 경우, 상기 반사형 편광판(302)에 형성된 상기 격자 무늬는 회절 격자로서의 역할을 하게 되고, 상기 격자 무늬의 간격이 입사되는 빛의 파장보다 작을 경우, 상기 반사형 편광판(302)에 형성된 상기 격자 무늬는 편광자로서의 역할을 하게 된다.
즉, 상기 반사형 편광판(302)은 알루미늄 라인(Aluminum line)을 파장보다 작은 간격으로 심어준 편광자로서, 전기장이 상기 알루미늄 라인에 수직으로 진동하는 빛은 투과하고, 수평으로 진동하는 빛은 반사시킴으로써 광원으로부터 입사되는 빛을 분리할 수 있는 특성이 있다.
따라서, 본 발명의 편광 변환 장치는 이와 같은 특성을 이용하여 입사되는 비 편광된 빛을 상기 반사형 편광판(302)을 이용하여 일정편광방향의 빛은 투과시키고, 상기 투과된 빛에 수직하는 편광방향의 빛은 반사시킬 수 있다.
이때, 상기 반사형 편광판(302)으로부터 반사되어 편광된 빛을 상기 반사형 편광판(302)에 평행한 반사판(304)을 이용하여 반사시켜 나가게 한다.
또한, 상기 반사형 편광판(302) 상에 형성된 상기 편광 변환판(303)은 λ/2판으로서, 선편광의 방향을 변환시킬 수 있다. 즉, 상기 편광 변환판(303)에 입사된 빛의 성분이 S파(즉, 수직 선편광)일 경우 P파(즉, 수평 선편광)로 변환시키고, 상기 편광 변환판(303)에 입사된 빛의 성분이 P파일 경우 S파로 변환시켜 출사한다.
따라서, 본 발명의 편광 변환 장치는 비 편광된 빛이 상기 반사형 편광판(302)과 λ/2판을 통과함으로써, 상기 반사형 편광판(302)으로부터 반사 편광된 빛과 같은 방향의 편광된 빛을 얻을 수 있다.
이때, 상기 λ/2판은 상기 기판(301)의 상부면에 상기 반사형 편광판(302)로부터 떨어져 입사하는 빛에 수직으로 형성될 수 있지만, 상기 λ/2판이 별도로 외부에 장착되기 때문에 복잡한 구조가 될 뿐만 아니라, 정밀도를 요하고 부피가 커지는 단점이 있다.
따라서, 본 발명의 편광장치는 상기 λ/2판을 상기 반사형 편광판(302)에 접촉하도록 형성함으로써, 구조물을 간단하게 하고, 단순하게 제작할 수 있다.
이와 같이 구성된 본 발명의 제 1 실시예에 따른 편광 변환장치의 동작은 다음과 같다.
먼저, 비 편광된 빛을 플라이 아이 렌즈를 이용하여 반사형 편광판(302)의 입사면으로만 입사시킨다. 이때, 설명의 편의상 빛이 입사되는 부분을 A 영역이라고 칭한다.
상기 A 영역으로 비편광된 빛이 입사되면 반사형 편광판(302)은 그 중 P파는 투과시키고 S파는 반사시킨다.
이때, 상기 반사형 평광편을 투과 편광된 상기 P파는 광축이 P파에 45도로 설정된 λ/2판을 통과하여 S파로 변환되어 출사된다. 그리고, 상기 반사형 편광판(302)에서 반사된 S파는 반사판(304)에서 다시 반사되어 S파 그대로 출사된다.
즉, 비 편광이었던 광원의 빛 중 P파는 반사형 편광판(302)과 λ/2판을 거쳐 S파로, S파는 반사형 편광판(302)과 반사판(304)에 반사되어 그대로 출사됨으로써, 상기 편광 변환 장치에서는 전부 편광된 S파만 출사된다.
따라서, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 편광 변환장치는 반사형 평광판을 투과 편광된 빛을 편광 변환판(303)을 이용하여 편광 방향을 바꾸어 상기 반사형 편광판(302)에 의해 반사 편광된 빛과 동일한 방향으로 편광된 빛을 획득할 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 편광 변환 장치의 구조단면도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 편광 변환 장치는 소정각을 가지고 형성되어 입사되는 비 편광 빛을 직교하는 두 개의 편광 방향으로 분리하기 위한 반사형 편광판(402), 상기 반사형 편광판(402)의 하부면에 형성되어 상기 반사형 평광판에 의해 편광된 빛의 편광방향을 변환하기 위한 편광 변환판(403)과, 상기 반사형 편광판(402) 및 편광 변환판(403)과 평행하고, 상기 반사형 편광판(402) 및 편광변환판으로부터 입사된 빛을 반사시키기 위한 반사판(404)을 포함하여 구성된다.
여기서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 편광 변환장치는 제 1 실시예에서 상기 반사 편광판과, 편광 변환판(403)의 위치가 서로 바뀌었을 뿐 나머지 기구물의 구성은 대동소이(大同小異)하기 때문에 재차 설명하지 않기로 한다.
이와 같은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 편광 변환장치의 동작은 다음과 같다.
먼저, 비 편광된 빛을 플라이 아이 렌즈를 이용하여 상기 편광 변환판(403)의 입사면으로 입사시킨다. 이때, 상기 편광 변환판(403)으로 입사되는 빛이 도달하는 부위를 A 영역이라고 칭한다.
다음, A 영역으로 입사된 비편광된 빛은 S파와 P파가 각각 비슷하게 혼합되어 있는 빛으로, 상기 편광판에 입사될 경우, 입사된 빛의 성분이 S파일 경우 P파로 변환시키고, 입사된 빛의 성분이 P파일 경우 S파로 변환되어 상기 반사형 편광판(402)으로 입사된다. 즉, 편광만 서로 반전되었을 뿐 비편광된 빛이 그대로 상기 반사형 편광판(402)에 도달한다고 보아도 될 것이다.
다음, 상기 반사형 편광판(402)에 도달한 빛의 P파는 투과되고, S파는 반사되어 각각 편광된다. 이때, 상기 P파는 그대로 출사되며, 상기 S파는 다시 상기 λ/2판으로 진행하여 P파로 변환되어 반사판(404)으로 향한다.
이때, 상기 반사형 평광판(402)을 투과 편광된 상기 S파는 광축이 S파에 45도로 설정된 λ/2판을 통과하여 P파로 변환되어 출사된다.
마지막으로, 상기 λ/2판에 의해 P파로 변환된 빛은 상기 반사판(404)에 의해 반사되어 진행함으로써 상기 반사형 편광판(402)으로부터 투과 편광된 P파와 같은 방향이 된다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시예에 따른 편광 변환장치는 반사형 평광판에 의해 반사 편광된 빛을 편광 변환판(403)을 이용하여 편광 방향을 바꾸고 반사판(404)에 반사시켜 상기 반사형 편광판(402)에 의해 투과 편광된 빛과 동일한 방향으로 편광된 빛을 획득할 수 있다.
즉, 상기 실시예 1,2의 반사형 편광판(302,402)의 특징인 P파는 투과하고 S파는 반사하는 특징을 반대로 하는 S파는 투과하고 P파는 반사하는 반사형 편광판을 이용할 때도 역시 같은 방법으로 편광변환된다. 단지 마지막 투과되는 편광 방향이 상기 실시예 1,2의 반대가 된다.
결국, 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 따른 편광 변환장치는 광원으로부터 입사되거나, 광원으로부터 입사되어 편광 변환판(303,403)을 통과한 비편광된 빛이 반사형 편광판(302,402)에 의하여 투과 및 반사되어 각각 두 개의 성분으로 편광되고, 상기 두 개의 성분 중 하나의 편광된 빛을 상기 편광 변환판(303,403)을 이용하여 변환시켜 나머지 하나의 편광된 빛과 같은 편광방향의 빛을 얻을 수 있다.
이와 같은 본 발명의 제 1 및 제 2 실시예에 따른 편광 변환 장치는 투사형 표시 장치등의 광학계에 이용될 때는 통상 램프와 플라이 아이 렌즈와 같이 사용된다.
이때 상기 편광 변환 장치의 위치는 도 2의 PBS 어레이 위치가 된다. 즉, PBS 어레이 대신 본 발명의 편광 변환 장치를 배치하여 투사형 표시 장치등의 광학계를 구성할 수 있다.
그리고, 상기 플라이 아이 렌즈를 거친 빛은 도 3과 도 4의 A 부분에만 입사되도록 플라이 아이 렌즈와 편광 변환 장치를 배치한다.
이때, 본 발명에 따른 반사형 편광판(302,402)의 입사면은 금속 특히, 알루미늄으로 격자 무늬가 형성되어 있기 때문에, 종래의 PBS 어레이의 PBS 코팅면과는 달리 여러 장점이 있다.
즉, 본 발명에 따른 편광 변환 장치는 상기 알루미늄과 같은 금속 격자모양의 편광자가 형성된 반사형 편광판(302,402)을 이용함으로서 종래 기술의 글래스의 굴절률을 이용하지 않기 때문에 굴절률 변화에 따른 문제가 발생하지 않는다.
더욱이, 상기 램프와 같은 광원으로부터 조사되는 빛이 많아 질 경우, 종래의 PBS 어레이에서는 열에 의한 굴절율의 변화에 의해 광탄성이 발생하여 편광의 불량이 발생되었지만, 본 발명의 편광 변환장치는 온도 변화에 무관하게 동작하기 때문에 광원으로부터 조사되는 빛의 양에 관계없을 뿐만 아니라, 외부의 온도가 -40℃ ∼200℃까지 적용 가능하다.
또한, 격자 방향에 전기장이 흔들리는 방향과, 그 방향으로의 자유전자 유무에 따른 반사,투과 현상이므로 각도에 따른 민감도가 덜하다. 각도에 따른 한계는 빛이 45°입사할 때 P파의 파장과 격자 무늬의 주기의 공명(Resonance) 현상으로 인해 반사하는 경우이다.
이때, 블루 파장 대역에 이 공명 현상이 존재하지만 여러 가지 공지된 기술을 이용하여 파장 대역을 400nm 이하로 내릴 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 빛의 허용 각도를 약 F/1.8정도까지 할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 편광 변환장치는 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명의 변환장치는 격자 무늬 패턴을 갖는 반사형 편광판 및 상기 반사형 편광판과 결합된 편광 변환판을 이용하여 광원으로부터 조사된 비편광된 빛을 투과 및 반사 편광시키고, 상기 투과 또는 반사 편광된 빛 중에 하나의 편광 방향을 변화시킴으로써 일률적으로 하나의 편광된 빛을 획득할 수 있기 때문에, 구조가 간단하고, PBS 어레이의 각도와 열에 따른 성능 저하를 방지할 수 있다. 또한, 빛의 허용 각도도 F/1.8정도까지 견딜 수 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 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
도 1은 일반적인 반사형 편광판의 일 예를 보인 도면
도 2는 종래의 PBS 어레이를 이용한 편광 변환 장치의 일 예를 보인 도면
도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 편광 변환 장치의 구조 단면도
도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 편광 변환 장치의 구조단면도
도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
302,402 : 반사형 편광판 303,403 : 편광 변환판
304,404 : 반사판

Claims (9)

  1. 글래스 기판;
    상기 기판의 상, 하부면 사이에 소정각을 가지고 금속의 격자무늬 패턴을 갖도록 편광자가 형성되어 입사되는 빛을 직교하는 두 개의 편광 방향으로 분리하고 상기 분리된 두 개의 편광 방향 중 어느 하나의 편광 방향을 갖는 빛은 투과시키고 다른 하나는 반사시키는 반사형 편광판;
    상기 반사형 편광판의 상부면 또는 하부면에 형성되어 상기 반사형 편광판에 의해 투과 또는 반사된 빛의 편광 방향을 변화시키는 편광 변환판; 그리고,
    상기 반사형 편광판 및 편광 변환판과 평행하게 형성되어 상기 반사형 편광판에서 반사된 빛의 진행 방향을 상기 반사형 편광판에서 투과된 빛의 진행 방향과 동일하도록 변경시켜주는 반사판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 편광 변환 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광자는 반사율이 높은 것을 특징으로 하는 편광 변환 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속은 알루미늄인 것을 특징으로 하는 편광 변환 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광자의 간격은 상기 편광 변환 장치로 입사되는 빛의 파장보다 작은 것을 특징으로 하는 편광 변환 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 변환판은 수직 선편광을 수평 선편광으로 또는, 수평 선편광을 수직 선편광으로 변환하는 λ/2판인 것을 특징으로 하는 편광 변환 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 편광 변환 장치의 전단에는 입사되는 광빔을 균일하게 분할함과 동시에 분할된 광빔을 집속하는 플라이-아이 렌즈와 램프를 배치하고, 후단에는 패널을 배치하여 투사 장치의 광원 광학계를 구성하는 것을 특징으로 하는 편광 변환 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 플라이 아이 렌즈에서 출사된 빛이 상기 반사형 편광판 및 편광 변환판으로만 입사되도록 상기 플라이 아이 렌즈와 편광 변환 장치가 배치되는 것을 특징으로 하는 편광 변환 장치.
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