KR100478804B1

KR100478804B1 - 광학시프터 및 광학표시시스템

Info

Publication number: KR100478804B1
Application number: KR10-2002-0072984A
Authority: KR
Inventors: 쿠메야스히로; 쿠리하라타카시; 나카니시히로시
Original assignee: 샤프 가부시키가이샤
Priority date: 2001-11-22
Filing date: 2002-11-22
Publication date: 2005-03-25
Also published as: TWI231379B; US7034784B2; TW200301367A; CN1423151A; US20030095092A1; CN1201180C; KR20030042426A

Abstract

광학시프터는 입사직선편광의 광축을 주기적으로 변위시키는 적어도 하나의 시프트부를 포함한다. 시프트부는 제1 및 제2 액정셀, 및 복굴절소자를 포함한다. 각 액정셀은 상기 셀에 인가되는 전압에 응답하여, 입사광의 편광방향을 제1 방향으로부터 제2 방향으로 또는 그 반대로 변화시킨다. 제1 및 제2 방향은 서로 직교한다. 복굴절소자는 그에 입사되는 광의 편광방향에 의해서 굴절율을 변화시킨다. 제1 및 제2 액정셀, 및 복굴절소자는 이 순서로 입사광을 투과시키도록 배치되어 있다. 제2 셀의 액정층은 입사직선편광이 제1 셀의 액정층을 투과할 때 야기되는 편광의 외란(disturbance)을 보상한다.

Description

광학시프터 및 광학표시시스템{OPTICAL SHIFTER AND OPTICAL DISPLAY SYSTEM}

본 발명은, 광출력신호가 존재하는 위치를 헤드 마운트 디스플레이(HMD)나 또는 투영형 표시시스템(즉, 프로젝터)내의 다른 위치로 물리적으로 시프트시키거나, 변위시키거나 또는 변화시키기 위해 사용될 수 있는 광학시프터에 관한 것이며, 또한 이러한 광학시프터를 포함하는 광학표시시스템에 관한 것이다.

액정표시소자(LCD)는, 한 쌍의 기판 및 상기 기판 사이에 끼인 액정층을 포함하고 있다. 2개의 기판 중 하나에는, 복수의 화소전극이 열 및 행 형태로(즉, 매트릭스 형태로) 규칙적으로 배열되어 있다. 화상신호를 나타내는 구동전압이 화소전극의 각각에 인가된다. 이 전압의 인가에 기초하여 액정층의 광학특성이 화소마다 변화된다. 따라서, 화상, 문자 등을 LCD에 표시할 수 있다.

기판상의 각 화소전극에 독립적으로 상이한 구동전압을 인가하는 방식에는 "심플 매트릭스 어드레싱" 방식 및 "액티브 매트릭스 어드레스" 방식이 포함된다.

액티브 매트릭스 어드레싱 방식의 경우, 각 화소전극에 대하여 복수의 스위칭소자가 기판상에 제공된다. 상기 스위칭소자를 포함하는 기판을 통상 "액티브 매트릭스 기판"이라고 칭한다. 액티브 매트릭스 기판상에서, 각 스위칭소자는 대응하는 화소전극과 대응하는 신호배선 사이를 전기적으로 접속 또는 비접속시키기 위해 선택적으로 ON 또는 OFF 된다. 이러한 스위칭소자로서는 금속-절연체-금속(MIM) 소자나 박막 트랜지스터(TFT)가 효과적으로 사용될 수 있다.

OFF 상태에서, 스위칭소자는 가능한 한 높은 전기저항을 가질 필요가 있다. 그러나, OFF 상태에 있는 스위칭소자가 강한 광에 노출되면, 스위칭소자의 전기저항이 감소되어, 리크전류가 발생된다. 따라서, 대응하는 화소전극에 저장되어 있던 전하가 부분적으로 손실된다. 또한, 그 경우, 화소전극에 적절한 레벨의 구동전압이 인가될 수 없다. 그러므로, 상기 LCD는 의도한대로 표시동작을 행할 수 없다. 예컨대, 블랙 표시모드에서도, 상기 LCD는 의도치 않게 일부 광을 누설시켜 그 콘트라스트비가 저하된다.

투과형의 LCD의 경우, 상기 문제를 해결하기 위해서, 액티브 매트릭스 기판상에, 또는 액티브 매트릭스 기판과는 액정층을 통해 대향하는 대향기판에, "블랙 매트릭스"라고도 불리는 차광층이 제공된다. 그러나, 상기 블랙 매트릭스가 제공되면, 반대로 화소의 개구율(즉, 전체 표시면적에 대한 총 투과면적의 비율)이 감소된다. 블랙 매트릭스의 총 면적을 축소시켜 고정세화를 달성하기 위해서는, 스위칭소자나 배선의 사이즈를 감소시켜도 좋다. 그러나, 이 경우에는, 구동력이 저하되거나 배선저항이 증가될 수 있다. 또한, LCD의 실제 제조기술상의 여러 가지 제약을 고려하면, 현재 스위칭소자나 배선의 사이즈를 더 감소시키는 것은 어렵다.

블랙 매트릭스상의 비표시영역을 이용하여 화면 해상도를 증가시킬 목적으로, 화상을 화소 피치와 거의 동등한 거리만큼 광학적으로 시프트시키거나 변위시키는 기술이 미국 특허 제4,984,091호에 개시되어 있다. 이 기술에 의하면, 화소가 시프트됨에 따라, 표시되는 화상도 시프트된 화소에 대응하는 위치로 시프트된다. 그 결과, 외관상의 화소수가 증가되기 때문에, 해상도가 낮은 표시패널이더라도, 고해상도의 표시패널과 비교할 만한 고정세의 화상을 표시할 수도 있다.

미국 특허 제6,O61,103호에는, 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)의 삼원색을 나타내는 3개의 화소(이하, 각각 "R, G 및 B 화소"라고 함)의 각 세트를 광학시프터에 의해 광학적으로 순차 변위시켜, 시프트된 3가지 타입의 화소에 의해 나타내는 3개의 화상성분으로 구성된 중첩된 합성 화상을 표시하는 방법이 개시되어 있다. 이 방법에서는, 하나의 화소에 대응하는 영역에서 R, G 및 B의 화소가 시순차 방식에 의해 표시된다. 그 결과, 표시패널상의 화소피치를 축소시키지 않고, 외관의 해상도를 3배로 할 수 있다.

또한, 미국 특허 제6,061,103에는, 화상을 광학적으로 변위시키는 수단으로서, 액정셀과 복굴절소자를 조합하여 포함하는 광학시프터가 개시되어 있다. 복굴절소자는, 입사광의 편광방향에 따라 입사광이 상이한 방향으로 굴절되는 재료로 형성된다. 따라서, 복굴절소자에 입사되는 광의 편광방향을 액정셀에 의해 변화시키면, 복굴절소자로부터 출사된 광의 광축(즉, 광의 전파방향)을 시프트시킬 수 있다.

도1은, 공지의 광학시프터를 도시하고 있다. 도1에 도시된 바와 같이, 이 광학시프터는, 입사광이 전파되는 방향으로 직렬로 배열된 액정셀(7) 및 복굴절소자(11)를 포함하고 있다. 액정셀(7)은, 입사직선편광의 전계 벡터면(이하, "편광면"이라 함)을 90°회전시킨 상태로부터, 그 편광면을 전혀 회전시키지 않고 그대로 입사직선편광을 투과시키는 상태로, 또는 그 반대로 전환할 수 있다. 복굴절소자(11)는, 입사직선편광의 편광면의 방향에 따라 입사광을 시프트시킬 수 있다.

도1에 도시된 예에서는, 액정셀(7)에 입사되는 광의 전계 벡터의 방향(즉, 편광방향)은 지면으로부터 나오는 방향이다. 액정셀(7)은 정(positive)의 굴절율 이방성 △ε을 갖는 트위스티드 네마틱 모드(twisted nematic mode)의 액정 재료(이하, "TN 모드의 액정재료"라고 함)를 사용하고 있다. 따라서, 액정셀(7)의 액정층에 전압이 인가되고 있지 않을 때(이하, 이 상태를 "전압 OFF 상태"라고 함), 그 액정분자는 90°비뚤어진다. 상기 액정분자의 선광성(旋光性) 때문에, 그 입사광의 편광면은 90°회전된다. 한편, 액정셀(7)의 액정층에 소정 레벨 이상의 전압이 인가되고 있을 때(이하, "전압 ON 상태"라고 함), 액정분자의 배향 방향은 발생된 전계의 방향으로 정합되어 있다. 따라서, 입사광은 그 편광면이 액정분자에 의해 회전되지 않고 액정셀(7)로부터 출사된다. 그리고, 복굴절소자(11)는, 편광면이 지면에 수직한 광은 그대로 투과시키지만, 편광면이 지면에 평행한 광은 굴절 또는 시프트시킨다.

도1에 도시된 광학시프터에서, 액정셀(7)은, 인가되는 전압의 크기에 따라서, 제1 직선편광을 통과 또는 투과시키는 상태로부터, 제1 직선편광과 수직한 편광면을 갖는 제2 직선편광을 출사시키는 상태로, 또는 그 반대로 적절하고 또한 신속하게 전환될 필요가 있다.

전술한 바와 같이, TN 모드의 액정재료로 형성된 액정셀의 경우, 상기 TN 모드의 액정재료에 전압을 인가하지 않을 때, 입사된 직선편광은 편광면이 90°회전된 직선편광으로서 액정셀로부터 출사된다. 그러나, TN 모드의 액정재료에 전압을 인가하면, 액정분자의 배향방향은 발생된 전계에 응답하여 빠르게 변화된다. 따라서, 상기 액정층은 입사광의 편광방향을 변화시키지 않는 상태로 곧 천이된다. TN 모드의 액정재료에 대한 전압의 인가를 정지하면, 액정분자는 원래 상태를 회복(즉, 완화됨)하지만, 그 응답속도는 느리다.

따라서, 액정층에 인가되는 전압을 로우(Low) 레벨(전형적으로는 O 볼트)로부터 하이(High) 레벨(전형적으로는 1O 볼트)로 증가시키는지 또는 하이 레벨로부터 로우 레벨로 감소시키는지에 따라, 액정분자의 배향방향은 상이한 속도로 변화된다. 즉, 상기 액정분자는 이 2가지 상황에서 상이한 응답속도를 갖는다. 이 응답속도를 평가하기 위해서는, 액정층의 전후에 한 쌍의 편광자를 그 축이 서로 직교하도록 배치하고, 시간에 따른 액정층의 투과율의 변화를 측정하면 좋다. 도2는, 인가전압을 로우 레벨로부터 하이 레벨로 증가시킨 후, 소정시간 경과후에, 인가되는 전압을 하이 레벨로부터 로우 레벨로 감소시킨 경우의 액정층의 투과율의 변화를 도시하는 그래프이다. 여기서, 액정층의 투과율이 최대치로부터 0으로 감소하는데 걸리는 시간을 "액정의 하강응답시간 τd"라고 하고, 투과율이 0으로부터 최대치로 증가하는데 걸리는 시간을 "액정의 상승응답시간 τr"이라고 한다. 도2에 도시된 바와 같이, 액정의 상승응답시간 τr은 비교적 짧지만, 액정의 하강응답시간 τd는 비교적 길다. 액정의 하강응답시간 τd가 길면, 표시패널에 표시되는 화상성분의 전환에 동기하여 화상을 시프트시킬 수 없다. 이 문제를 충분히 설명하기 전에, 표시패널의 화상전환 레이트에 관해서 설명한다.

통상, 표시패널은, 인터레이스 주사방식 또는 논인터레이스(noninterlacing) 주사방식 중 하나에 의해 구동된다. 인터레이스 주사에서는, 필드마다 홀수 라인 및 짝수 라인이 교대로 선택된다. 즉, 화상의 하나의 필드(또는 서브프레임)에서 홀수 라인이 선택되면, 화상의 다음 필드에서는 짝수 라인이 선택된다. 이와 같이, 홀수 필드 및 짝수 필드를 서로 조합함으로써 얻어진 하나의 완성된 화상(또는 영상)이 표시소자에 표시된다. 이 방법에 의하면, 각 필드의 선택기간은 통상 약 16.6 ms(즉, 60 Hz의 리프레쉬 레이트)이다. 한편 논인터레이스 주사에서는, 선택된 라인이 홀수인지 짝수인지에 관계없이, 화상의 복수 라인을 순차 하나씩 선택한다. 또한, 인터레이스 주사방식에서와 같이, 각 필드의 선택시간은 통상 약 16.6 ms(즉, 약 60Hz의 리프레쉬 레이트)이다. 여기서 사용됨에 있어서, "1 필드기간"은, 채용된 주사방식이 인터레이스인지 또는 논인터레이스인지에 관계없이, 화상의 1 수직동기기간을 말한다. LCD에서는, 1 필드기간은 블랭킹 타임(blanking interval)을 포함하는 주사기간에 대응한다.

상기 미국 특허 제6,O61,103호에 기재되어 있는 방법에 의하면, R, G 및 B 화소의 시프트위치에 따라 1 필드기간을 3개의 서브필드 기간으로 분할하고, 상기 3개의 서브필드 기간에서 하나의 화상의 3개의 상이한 성분(이하, "화상 서브필드" 또는 간단히 "서브필드"라고 함)을 표시패널에 순차 표시한다. 이 경우, 하나의 서브필드 기간은 약 5 ms 정도로 된다. 따라서, 광학시프터는 약 5 ms 정도의 짧은 시간 간격으로 상기 화상성분(또는 서브필드)을 광학적으로 변위시킬 필요가 있다. 또한, 광학시프터에 의한 서브필드의 시프트는 표시패널상의 동일한 서브필드의 전환과 타이밍을 맞춰야(또는 동기시켜야) 한다. 따라서, 표시패널상의 서브필드가 전환됨과 동시에 액정셀에 인가되는 전압에 응답하여 그 상태를 변화시켜야 한다.

그렇지만, 실제로, 임의의 액정셀의 경우, 인가된 전압에 응답하여 충분히 고속으로 상태를 변화시키는 것이 어렵다. 예컨대 TN 모드의 액정재료로 형성된 액정셀의 경우, 도2에 도시된 바와 같이, 액정의 상승응답시간 τr은 비교적 짧지만, 액정의 하강응답시간 τd는 통상 10+ ms 정도이고, 이는 약 5 ms 정도의 1 서브필드 기간보다 길다.

이와 같이 응답시간에 차가 생기는 이유는 다음과 같다. 구체적으로, 도2에 도시된 바와 같이, 투과율은 외부 에너지(즉, 전압)의 인가에 따라 액정분자의 배향방향이 하나의 방향으로 정합되도록 액정층에 전압을 인가함으로써 증가된다. 한편, 상기 투과율은 액정분자가 원래의 배향상태를 자연스럽게 회복하도록 액정층으로의 전압인가를 정지함으로써 감소된다.

이와 같이 채용된 액정재료가 긴 하강응답시간 τd를 갖고 있다면, 편광방향이 적절히 전환될 수 없다. 도1을 참조하면서, 이 문제를 더 설명한다. 도1에 도시된 바와 같이, 액정셀(7)의 액정층에 인가되는 전압을 ON 상태로부터 OFF 상태로 변화시키면, 액정셀(7)로부터 출사된 광의 편광면이 90°회전된다. 그 결과, 복굴절소자(11)로부터 출사되는 광의 광축은, 위치 B로부터 위치 A로 시프트된다. 이 때, 액정재료의 하강응답시간 τd가 너무 길면, 액정분자가 하강하는 동안 직선편광이 타원편광으로 변화된다. 따라서, 2개의 위치 A 및 B의 양쪽에 동일한 화상성분이 표시되고, 그 기간동안 2중화상(ghost image)이 표시된다. 따라서, 화상의 해상도가 저하된다.

또한, 액정재료의 상승응답시간 τr과 액정재료의 하강응답시간 τd 사이에 큰 차가 존재하면, 화상을 위치 A로부터 위치 B로 광학 시프트시키는 경우에 발생되는 2중화상의 강도가 위치 B로부터 위치 A로 광학 시프트시키는 경우에 발생되는 2중화상의 강도와 상이하게 된다. 그 결과, 상당한 플릭커가 시인된다.

일본 공개특허공보 제89-191123호에는, 우선광(右旋光) 및 좌선광(左旋光)의 TN 모드의 액정재료를 조합하여 포함하는 광 셔터가 개시되어 있다. 이 광 셔터는, 비교적 빠른 레이트로 활성화될 수 있지만, 광학시프터로서 사용될 수는 없다. 그 이유는 다음과 같다. 광학시프터는 표시패널상의 상기 서브필드의 전환에 동기하여 복수의 화상 서브필드를 하나씩 시프트시킬 필요가 있지만, 상기 광 셔터는 동작 도중에 일시적으로 광로를 기계적으로 차단한다. 즉, 상기 광 셔터는 서브필드 중 하나의 표시를 서브필드 기간 도중에 일시적으로 중단한다.

상기 문제점을 해결하기 위해, 본 발명의 바람직한 실시형태는 인가전압의 제거에 대한 액정재료의 응답이 매우 빠르지는 않더라도 2중화상을 거의 제거할 수 있는 광학시프터를 제공하고, 이러한 광학시프터를 포함하는 광학표시시스템을 제공한다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 광학시프터는, 시프트부에 입사된 입사직선편광의 광축을 주기적으로 변위시키는 적어도 하나의 시프트부를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 시프트부는, 제1 액정셀, 제2 액정셀 및 복굴절소자를 포함하는 것이 바람직하다. 제1 액정셀은 상기 제1 액정셀의 액정층에 인가되는 제1 전압에 응답하여, 입사광의 편광방향을 제1 방향으로부터 제2 방향으로 또는 그 반대로 변화시키고, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 직교하는 것이 바람직하다. 제2 액정셀은 제2 액정셀의 액정층에 인가되는 제2 전압에 응답하여, 상기 제1 액정셀의 액정층을 투과한 광의 편광방향을 제1 방향으로부터 제2 방향으로 또는 그 반대로 변화시키는 것이 바람직하다. 복굴절소자는 상기 제2 액정셀을 투과한 광의 광축을 시프트시키는 것이 바람직하다. 제2 액정셀의 액정층은, 입사직선편광이 상기 제1 액정셀의 액정층을 투과하는 과정에서 발생한 편광의 외란(disturbance)을 보상하는 것이 바람직하다.

본 발명의 이 바람직한 실시형태에 따른 광학시프터에서는, 제1 액정의 액정층의 파장 분산성 때문에, 타원편광성분이 생성되더라도, 제2 액정셀의 액정층이 편광상태를 변화시킴으로써(편광면의 회전 포함), 불필요한 타원편광성분을 상쇄시킬 수 있다. 이는 제2 셀의 액정층이 제1 셀의 액정층과 적절한 관계를 만족시키도록 배치되기 때문이다. 즉, 제1 셀의 액정분자의 배향방향과 제2 셀의 액정분자의 배향방향은 소정 범위내의 각도를 규정한다. 따라서, 가시광 대역에 타원편광성분을 갖지 않는 바람직한 직선편광이 복굴절소자에 입사되어, 2중화상이 생성되지 않는다.

본 발명의 바람직한 일 실시형태에 있어서, 상기 제1 및 제2 액정셀은, 제1 액정셀의 액정층의 중간부의 디렉터와 제2 액정셀의 액정층의 중간부의 디렉터가 서로 직교하도록 배치되어 있는 것이 바람직하다.

이 구체적인 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 제1 및 제2 액정셀의 액정층은, 서로 반대되는 선광 방향을 갖는 2개의 상이한 타입의 TN 모드의 액정재료로 형성되어 있어도 좋다.

이와 달리, 상기 제1 및 제2 액정셀의 액정층은, ECB 모드의 액정재료로 형성되어 있어도 좋다. ECB 모드의 액정재료의 2개의 액정층이 서로 평행하게 배치될 때, 액정층내의 액정분자의 배향방향(또는 디렉터)은 인가전압의 레벨에 의해 제어할 수 있다. 즉, 각 액정층에 하이 또는 로우 전압을 선택적으로 인가함으로써, 입사직선편광은 그대로 또는 액정층에 의해 그 편광상태가 변화된 후에 액정층을 투과한다.

본 발명의 다른 바람지한 실시형태에 있어서, 상기 제1 액정셀의 액정층의 중간부의 디렉터와 제2 액정세의 액정층의 중간부의 디렉터 사이에는 42°이상 45°이하의 각도가 규정되는 것이 바람직하다. 상기 각도를 2개의 동일한 부분으로 나누는 2등분선은 제1 액정셀에 입사되는 입사광의 편광방향에 대하여 약 45°의 각도를 규정하고 있는 것이 바람직하다.

이 구체적인 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 제1 및 제2 액정셀의 2개의 액정층 중 적어도 하나는 ECB 모드의 액정재료로 형성되어 있는 것이 바람직하다.

보다 구체적으로, 상기 ECB 모드의 액정재료로 형성된 적어도 하나의 액정층은, 상기 액정층에 전압이 인가되지 않을 때 220 nm 이상 280 nm 이하의 리타데이션(retardation)을 갖는 것이 바람직하다. 220 nm 이상 280 nm 이하의 범위에 속하는 리타데이션 값은 가시광 대역의 중심파장의 거의 절반이다. 따라서, 액정층이 전압 무인가 상태일 때, 상기 ECB 모드의 액정층은 상기 파장(즉, 녹색 광선)을 갖는 입사광선에 대하여 1/2 파장판으로서 기능할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태에서와 같이, 액정분자의 배향방향(또는 디렉터)을 규정하면, 입사광의 편광면을 적절하게 회전시킬 수 있다.

또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 광학시프터는 상기 시프트부와 동일한 구조 및 기능을 갖는 적어도 하나 이상의 시프트부를 더 포함하여도 좋다. 이와 같이 광학시프터가 복수의 시프트부를 포함하는 바람직한 실시형태에 있어서, 화상(또는 화소)은 일렬로 배열된 3개 이상의 위치로 시프트될 수 있다. 또한, 시프트부의 시프트방향을 적절하게 제어하면, 상기 화상(또는 화소)도 가상평면(예컨대, 투영면)내에 2차원적으로 시프트될 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따른 광학시프터모듈은, 상기한 본 발명의 임의의 바람직한 실시형태에 따른 광학시프터; 및 상기 제1 및 제2 액정셀에 각각 제1 및 제2 전압을 인가하는 구동회로를 포함하는 것이 바람직하다. 이러한 광학시프터모듈이 표시패널(예컨대, LCD 패널)과 결합되면, 상기 광학표시시스템은 해상도가 현저하게 증가된 고품위의 화상을 표시할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시형태에 있어서, 상기 구동회로는, 시프트되는 화상성분의 전환과 동기하여, 상기 제1 및 제2 전압의 하나만을 로우 레벨로부터 하이 레벨로 증가시키는 것이 바람직하다. 서브필드의 전환에 동기하여 액정셀에 인가되는 전압을 제어함으로써 그 상태를 변화시킨다.

이 구체적인 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 구동회로는, 서브필드가 전환될 때 제1 및 제2 전압을 모두 하이 레벨로 증가시킨 후, 서브필드 기간 동안 제1 및 제2 전압을 모두 로우 레벨로 감소시키는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 광학표시시스템은, 그에 화상을 표시하는 표시패널; 및 상기한 본 발명의 바람직한 실시형태 중 임의의 것에 따른 광학시프터를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 표시패널로부터 출사된 광을 상기 화상이 표시패널에 표시되고 있을 때 광학시프터에 의해 시프트시키는 것이 바람직하다. 본 발명의 광학표시시스템은 본 발명의 광학시프터를 포함하여, 2중화상을 거의 형성하지 않고 해상도가 현저하게 증가된 고품위의 화상을 표시할 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 실시형태에 있어서, 광학표시시스템은 상기 제1 및 제2 액정셀에 각각 제1 및 제2 전압을 인가하는 구동회로를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이 구체적인 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 구동회로는, 상기 제1 및 제2 전압의 하나만을 로우 레벨로부터 하이 레벨로 증가시키는 것이 바람직하다.

이와 달리, 상기 구동회로는, 상기 제1 및 제2 전압을 모두 하이 레벨로 증가시킨 후, 상기 표시패널에 표시된 화상이 다른 화상으로 전환되기 전에, 상기 전압 모두를 로우 레벨로 감소시켜도 좋다.

또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 표시패널로부터 출사되어 상기 광학시프터에 입사되는 광은 직선편광인 것이 바람직하다. 본 발명의 광학시프터에 입사되는 광이 타원편광이면, 본 발명의 광학시프터라도 2중화상을 완전하게 제거할 수는 없었다. 이러한 이유 때문에, 광학시프터에 입사되는 광은 넓은 가시광 대역에 타원편광성분을 거의 갖고 있지 않는 직선편광인 것이 바람직하다.

또 다른 바람직한 실시형태에 있어서, 상기 화상이 시프트될 때, 상기 화상의 각 화소는 시분할 방식에 의해 소정의 수의 칼라 화소로 분리되는 것이 바람직하고, 상기 칼라 화소는 시순차로 서로 중첩되는 것이 바람직하다. 이와 같이, 풀 칼라 화상은 시순사 화상으로서 표시될 수 있다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태에 따른 다른 광학표시시스템은 광원, 표시패널, 광제어수단 및 광학계를 포함하는 것이 바람직하다. 상기 광원은 광을 발광하는 것이 바람직하다. 상기 표시패널은 각 화소영역이 그에 입사된 광을 변조시킬 수 있는 복수의 화소영역을 포함하는 것이 바람직하다. 상기 광제어수단은 상기 광원으로부터 발광된 광을 상기 광의 파장에 대응되는, 상기 복수의 화소영역 중 하나에 집광시키는 것이 바람직하다. 상기 광학계는 피투영면상에 상기 표시패널에 의해 변조된 광을 투영시킴으로써 상기 피투영면상에 화상을 형성하는 것이 바람직하다. 상기 광학표시시스템은 상기 화상의 프레임을 나타내는 데이터로부터 복수의 서브프레임을 나타내는 데이터를 생성하고, 상기 표시패널에 상기 복수의 서브프레임을 시순차로 차례로 표시시키는 회로를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 광학표시시스템은 상기한 본 발명의 바람직한 실시형태 중 임의의 것에 따른 광학시프터를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 광학시프터는 상기 표시패널에 표시되는 상기 복수의 서브프레임 중 선택된 것을 상기 피투영면상에서 광학적으로 변위시키는 것이 바람직하다. 상기 피투영면상의 동일 영역은 상기 표시패널의 화소영역 중 서로 상이한 것에 의해 변조되고 서로 상이한 파장역에 속하는 광선에 의해 순차 조사되는 것이 바람직하다.

본 발명의 또 다른 바람직한 실시형태는 상기한 본 발명의 바람직한 실시형태 중 임의의 것에 따른 광학시프터의 구동방법을 제공한다. 상기 방법은, 시프트되는 한 쌍의 화상성분이 전환될 때, 상기 제1 및 제2 전압의 하나만을 로우 레벨로부터 하이 레벨로 증가시키는 스텝; 서브필드의 전환시에 상기 제1 및 제2 전압의 하나만을 로우 레벨로부터 하이 레벨로 증가시키는 스텝; 다른 서브필드의 전환시에, 상기 제1 및 제2 전압의 다른 하나만을 로우 레벨로부터 하이 레벨로 증가시키는 스텝; 및 서브필드 기간 동안 제1 및 제2 전압을 모두 하이 레벨로부터 로우 레벨로 감소시키는 스텝을 포함하는 것이 바람직하다.

본 발명의 다른 특징, 소자, 프로세스, 스텝, 특성 및 이점은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태에 대한 이하의 상세한 설명으로부터 보다 명확해질 것이다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 광학시프터는, 시프트부에 입사된 입사직선편광의 광축을 주기적으로 변위시키는 적어도 하나의 시프트부를 포함하고 있다. 상기 시프트부는, 도3에 도시된 바와 같이, 제1 액정셀(7), 제2 액정셀(8) 및 복굴절소자(11)를 포함하고 있다. 제1 액정셀(7)은, 구동회로(6)로부터 제1 액정셀(7)로 인가되는 전압이 하이인지 또는 로우인지에 따라, 입사광의 편광방향을, 서로 직교하는 2개의 방향 중 하나로부터 다른 하나로 전환할 수 있다. 또한, 제2 액정셀(8)도, 제1 액정셀(7)과 마찬가지로, 구동회로(6)로부터 제2 액정셀(8)로 인가되는 전압이 하이인지 또는 로우인지에 따라, 입사광의 편광방향을, 서로 직교하는 2개의 방향 중 하나로부터 다른 하나로 전환할 수 있다.

제1 액정셀(7), 제2 액정셀(8) 및 복굴절소자(11)는, 이 순서로 입사광을 투과시키도록 배치되어 있다. 제1 및 제2 액정셀(7,8)은, 제1 액정셀(7)의 액정층 (75a)의 중간부의 디렉터(즉, 액정분자의 배향방향을 나타내는 벡터) 및 제2 액정셀(8)의 액정층(75b)의 중간부의 디렉터가 서로 직교하도록 배치되어 있다. 여기서 사용됨에 있어서, 액정층의 상기 "중간부"는 액정층의 두께의 중심 주위에 위치되어 있는 액정층의 부분을 나타낸다.

종래 기술에서, 광학시프터는 1개의 액정셀 및 1개의 복굴절소자를 포함하고 있다. 그 경우, 액정셀의 액정층이 파장 의존성 또는 분산성을 가지기 때문에, 액정셀로부터 출사된 광이, 수평방향 및 수직방향 모두의 편광성분을 가지므로, 2중화상을 생성할 수 있다. 이에 대하여, 본 발명의 이 바람직한 실시형태에 따른 광학시프터에서는, 상기 디렉터가 서로 직교하는 한 쌍의 액정셀(7,8)을 복굴절소자 (11)의 전방에 배치하고 있다. 따라서, 두 개의 액정층 중 하나에 생성된 불필요한 편광성분이 다른 액정층에 생성된 편광성분에 의해 상쇄된다. 이 방법에서, 편광의 이러한 외란은 보상될 수 있다. 그 결과, 양호한 직선편광이 얻어질 수 있고, 2중화상이 거의 제거될 수 있다.

또한, 이 불필요한 편광성분은, 구동회로(6)에 의해 인가되는 전압이 동시에 하이 레벨로부터 로우 레벨로 감소되는 경우에 있어서, 액정 분자의 상태가 천이되고 있는 사이에도 상쇄될 수 있다.

이하, 도4a 내지 도4c 및 하기의 표1을 참조하면서, 불필요한 편광성분이 상쇄되는 이유를 설명한다. 도4a 내지 도4c는, 우선광의 TN 액정층(75a)과 좌선광의 TN 액정층(75b)을 복굴절소자(도4a 내지 도4c에 도시 안됨)의 전방에 배치한 구성을 도시하고 있다. 표시패널로부터 출사된 직선편광이 2개의 액정층 75a 및 75b를 이 순서로 투과한 후, 복굴절소자(도4a 내지 도4c에 도시 안됨)에 입사된다.

우선, 도4a에 도시된 상태를 설명한다. 이 상태에 있어서, 2개의 액정층(75a,75b)에 인가되고 있는 전압은 로우이고, 액정층(75a,75b)은 OFF 상태에 있다. 이 때, 제1 액정층(75a)에 의해 생성되는 위상차는 +π이고, 제2 액정층 (75b)에 의해 생성되는 위상차는 -π이다. 따라서, 이 2개의 액정층(75a,75b)을 투과한 편광의 합계 위상차는 0으로 된다. 따라서, 제1 액정층(75a)에 그 좌측 방향으로부터 입사된 편광이 수평 편광면을 가지면, 제2 액정층(75b)으로부터 출사된 편광도 수평 편광면을 갖는다

여기서 사용됨에 있어서, 액정층에 인가되는 전압이 하이인지 로우인지에 따라, 액정층을 투과한 광이 서로 상이한 2개의 상태 중 하나에 있는 (즉, 하나의 상태의 출사광의 편광면이 다른 상태의 출사광의 편광면과 직교하는) 경우에 있어서, 하이 전압이 인가되고 소정의 직선편광을 출사할 수 있는 액정층(또는 액정셀)을 "ON 상태에 있다"라고 한다. 한편, 상기 액정층에 인가되는 전압의 크기(또는 절대치)가 액정층을 ON 상태로 하기 위해 인가될 필요가 있는 전압의 크기보다 충분히 작고, ON 상태의 액정층으로부터 출사되는 편광의 편광면과 거의 직교하는 편광면을 갖는 편광이 액정층으로부터 출사되면, 상기 액정층(또는 액정셀)은 여기서 "OFF 상태에 있다"라고 한다.

액정층을 "OFF 시키기" 위해서는, 그 액정층에 인가되는 로우 전압을 0볼트로 감소시키면 좋다. 이와 달리, 옵셋전압으로서 0볼트가 아닌 값(예컨대 2.5볼트)을 공급함으써 액정층을 "OFF 시켜도" 좋다.

또, 여기서 사용됨에 있어서, 인가되는 "하이 전압"은 액정층을 "ON 시키기"에 충분히 높은 전압이고, 인가되는 "로우 전압"은 액정층을 "OFF 시키기"에 충분히 낮은 전압이다. 정(positive)의 굴절율 이방성 △ε을 갖는 TN 모드의 액정 재료를 사용하는 경우, 액정층이 "ON 상태"에 있는 동안에는 전계의 방향으로 액정분자가 배향되지만, 액정층이 "OFF 상태"에 있는 동안에는 약 90°정도 비틀어진다. 한편, 부(negative)의 굴절율 이방성 △ε을 갖는 TN 모드의 액정 재료를 사용하는 경우, 액정층이 "ON 상태"에 있는 동안에는 액정 분자가 약 90°정도 뒤틀리지만, 액정층이 "OFF 상태"에 있는 동안에는 한 방향으로 배향된다. 다음의 바람직한 실시형태에서, 본 발명은 정의 굴절율 이방성 △ε을 갖는 액정재료를 사용하여 설명된다. 그러나, 단, 본 발명은 부의 굴절율 이방성 △ε을 갖는 액정 재료를 사용하는 경우에도 실현될 수 있다.

다음, 도4b에 도시된 바와 같이, 제2 액정층(75b)에 인가되는 전압을 로우로부터 하이로 증가시키면 제2 액정층(75b)은 OFF 상태로부터 ON 상태로 전환된다. 상기한 바와 같이, 액정의 상승응답시간 τr은 너무 짧기 때문에 불필요한 2중화상을 형성할 수 없다. 이 경우, 제1 액정층(75a)에 의해 생성되는 위상차는 +π이지만, 제2 액정층(75b)에 의해 생성되는 위상차는 0이다. 따라서, 이 2개의 액정층 (75a,75b)을 투과한 편광의 합계 위상차는 +π로 된다. 따라서, 제1 액정층(75a)에 그 좌측 방향으로부터 입사된 편광이 수평 편광면을 가지면, 제2 액정층(75b)으로부터 출사된 편광은 수직 편광면을 갖는다.

그 후, 제1 액정층(75a)에 인가되는 전압을 로우로부터 하이로 증가시키면, 도4c에 도시된 바와 같이, 제1 액정층(75a)이 OFF 상태로부터 ON 상태로 전환된다. 상기 액정의 상승응답시간 τr도 너무 짧아서 불필요한 2중화상을 형성할 수 없다. 이 경우, 제1 액정층(75a)에 의해 생성되는 위상차는 0이고, 제2 액정층(75b)에 의해 생성되는 위상차도 0이다. 따라서, 이 2개의 액정층(75a,75b)을 투과한 편광의 합계 위상차는 0으로 된다. 따라서, 제1 액정층(75a)에 그 좌측 방향으로부터 입사된 편광이 수평 편광면을 가지면, 제2 액정층(75b)으로부터 출사된 편광도 수평 편광면을 갖는다.

그 후, 제1 및 제2 액정층(75a,75b)에 인가되는 전압을 모두 하이로부터 로우로 감소시킨다. 그러면, 상기 2개의 액정층은, 도4c에 도시된 상태(즉, ON 상태)로부터 도4a에 도시된 상태(즉, OFF 상태)로 변한다. 이 경우, 이 2개의 액정층 (75a,75b) 중 하나의 액정분자는 다른 액정층(75a 또는 75b)의 액정분자의 경상(鏡像)을 형성한다. 따라서, 제1 액정층(75a)으로부터 출사된 편광이 타원 편광이더라도, 상기 타원편광은 제2 액정층(75b)을 통과하는 과정에서 직선편광으로 변환된다. 바꿔 말하면, "액정 분자의 하강 기간"에 있어서, 제1 액정층(75a)에 의해 생성되는 위상차가 0에서 +π로 비교적 느리게 변화할 때, 제2 액정층(75b)에 의해 생성되는 위상차는 0에서 -π로 변화한다. 따라서, 이 2개의 액정층(75a,75b)에 의해 생성되는 합계 위상차는 항상 0으로 되어, 편광상태는 실질적으로 변화되지 않는다.

따라서, 액정층(75a,75b)이 도4c에 도시된 상태로부터 도4a에 도시된 상태로 변화되는 데에 비교적 긴 시간이 걸리더라도(즉, 액정의 하강응답시간 τd가 비교적 길더라도), 상기 상태천이 기간중에 있어서, 제2 액정층(75b)으로부터는 직선편광이 계속적으로 출사된다. 즉, 제2 액정층(75b)으로부터 출사되는 편광의 편광방향은 제1 액정층(75a)에 입사되는 편광의 편광방향으로부터 전혀 회전되지 않는다. 따라서, 액정의 하강응답시간 τd는 편광의 편광면의 광학 회전과 아무 관계가 없다. 즉, 편광면이 90°회전하는 것은, 액정층(75a,75b)이 도4a에 도시된 상태로부터 도4b에 도시된 상태로 변화할 때와, 도4b에 도시된 상태로부터 도4c에 도시된 상태로 변화할 때뿐이다. 이들 두 상태 천이의 속도는 모두 액정의 상승응답시간 τr에 의해 결정된다.

이와 같이, 이 바람직한 실시형태에 의하면, 화상을 시프트시키지 않고, 또는 화상을 소정의 위치에 표시하면서, 액정 분자가 ON 상태로부터 OFF 상태로 변화되는데(즉, 액정 분자가 "하강"으로 됨), 왜냐하면 이러한 상태 천이에는 대개 비교적 긴 시간이 걸리기 때문이다. 즉, 상기 출사광은 액정 분자가 하강하는 동안 그 편광방향을 전혀 변화시키지 않게 되어 있다. 따라서, 광학시프터의 시프트 주파수를 액정의 하강응답시간 τd에 영향 받지 않고 증가시킬 수 있다. 그 결과, 액정의 하강응답시간 τd가 비교적 길더라도, 2중화상이나 플릭커가 발생되지 않는다.

본 발명의 상기 바람직한 실시예는 TN 모드의 액정재료에 관해서 설명하였다. 그러나, 본 발명이 ECB 모드의 액정재료에 적용되더라도 마찬가지의 효과가 달성될 수 있다. 이하, 도5a 내지 도5c 및 하기의 표2를 참조하면서, ECB 모드의 액정재료를 사용할 때 불필요한 편광 성분의 상쇄에 관해 설명한다.

도5a 내지 도5c에 도시된 예에서는, ECB 모드의 액정분자가 45도로 배치된 제1 액정층(85a) 및 ECB 모드의 액정분자가 -45도로 배치된 제2 액정층(85b)이 복굴절소자(도5a 내지 도5c에 도시 안됨)의 전방에 배치되어 있다. 이 광학시프터의 기본 구성은 도3에 도시된 것과 동일하다.

우선, 도5a에 도시된 상태에서는, 2개의 액정층(85a,85b)에 인가되고 있는 전압은 Low 상태이고, 상기 액정층(85a,85b)은 OFF 상태에 있다. 이 때, 제1 액정층(85a)에 의해 생성되는 위상차는 +π이고, 제2 액정층(85b)에 의해 생성되는 위상차는 -π이다. 따라서, 이 2개의 액정층(85a,85b)을 투과한 편광의 합계 위상차는 0으로 된다. 따라서, 제1 액정층(85a)에 그 좌측 방향으로부터 입사된 편광이 수평 편광면을 가지면, 제2 액정층(85b)으로부터 출사된 편광도 수평 편광면을 갖는다.

다음, 제2 액정층(85b)에 인가되는 전압을 로우로부터 하이로 증가시키면, 도5b에 도시된 바와 같이, 제2 액정층(85b)은 OFF 상태로부터 ON 상태로 전환된다. 상기한 바와 같이, 액정의 상승응답시간 τr은 너무 짧기 때문에 불필요한 2중화상을 형성할 수 없다. 이 경우, 제1 액정층(85a)에 의해 생성되는 위상차는 +π이지만, 제2 액정층(85b)에 의해 생성되는 위상차는 0으로이다. 따라서, 이 2개의 액정층(85a,85b)을 투과한 편광의 합계 위상차는 +π로 된다. 따라서, 제1 액정층(85a)에 그 좌측 방향으로부터 입사된 편광이 수평 편광면을 가지면, 제2 액정층(85b)으로부터 출사된 편광은 수직 편광면을 갖는다.

그 후, 제1 액정층(85a)에 인가되는 전압을 로우로부터 하이로 증가시키면, 도5c에 도시된 바와 같이, 제1 액정층(85a)은 OFF 상태로부터 ON 상태로 전환된다. 또한, 상기 액정의 상승응답시간 τr도 너무 짧기 때문에 불필요한 2중화상을 형성할 수 없다. 이 경우, 제1 액정층(85a)에 의해 생성되는 위상차는 0이고, 제2 액정층(85b)에 의해 생성되는 위상차도 0이다. 따라서, 이 2개의 액정층(85a,85b)을 투과한 편광의 합계 위상차는 0으로 된다. 따라서, 제1 액정층(85a)에 그 좌측 방향으로부터 입사된 편광이 수평 편광면을 가지면, 제2 액정층(85b)으로부터 출사된 편광도 수평 편광면을 갖는다.

그 후, 제1 및 제2 액정층(85a,85b)에 인가되는 전압을 모두 하이로부터 로우로 감소시킨다. 그러면, 2개의 액정층(85a,85b)은, 도5c에 도시된 상태(즉, ON 상태)로부터 도5a에 도시된 상태(즉, OFF 상태)로 변화된다. 이 경우, 액정의 하강응답시간 τd는 비교적 길지만, 이 2개의 액정층(85a,85b) 중 하나의 액정분자가 다른 액정층(85a 또는 85b)의 액정분자의 경상(鏡像)을 형성한다. 따라서, 제1 액정층(85a)으로부터 출사된 편광이 타원 편광이더라도, 제2 액정층(85b)을 통과하는 과정에서 불필요한 편광성분이 제거되고, 타원 편광이 직선 편광으로 변환된다. 즉, "액정 분자의 하강 기간"에 있어서, 제1 액정층(85a)에 의해 생성되는 위상차는 0에서 +π로 비교적 느리게 변화하고, 제2 액정층(85b)에 의해 생성되는 위상차는 0에서 -π로 변화한다. 그 결과, 이 2개의 액정층(85a,85b)에 의해 생성되는 합계 위상차는 항상 0으로 되어, 편광상태는 거의 변화되지 않는다.

따라서, 액정층(85a,85b)이 도5c에 도시된 상태로부터 도5a에 도시된 상태로 변하는 데에 비교적 긴 시간이 걸리더라도(즉, 액정의 하강응답시간 τd가 비교적 길더라도), 상기 상태천이 기간에 있어서, 제2 액정층(85b)으로부터는 직선편광이 계속적으로 출사된다. 즉, 제2 액정층(85b)으로부터 출사된 편광의 편광 방향은 제1 액정층(85a)에 입사된 편광의 편광 방향으로부터 전혀 회전되지 않는다. 따라서, 액정의 하강응답시간 τd는 편광의 편광면의 광학 회전과 아무 관계가 없다.

이와 같이, ECB 모드의 액정재료를 사용하더라도, 액정의 하강응답시간 τd에 영향 받지 않고, 광학시프터의 시프트 주파수를 증가시킬 수 있다. 그 결과, 액정의 하강응답시간 τd가 비교적 길더라도, 2중화상이나 플릭커가 발생되지 않는다.

단, 상기 2개의 구성예의 각각에 있어서, 2개의 액정층을 모두 ON으로부터 OFF로 전환시키는 타이밍은, 다음에 2개의 액정층 중 하나를 OFF로부터 ON으로 전환시키는 타이밍보다 충분히 전인 것이 바람직하다. 즉, 2개의 액정층 중 하나를 OFF로부터 ON으로 전환시킬 때까지는, 2개의 액정층을 완전히 OFF 시켜야 한다. 또한, 그와 같은 상태 천이를 종료하는 데에는 액정의 하강응답시간 τd가 걸린다. 이러한 이유 때문에, 2개의 액정층을 모두 ON 시킨 후, 빠르게, 2개의 액정층에 인가되는 전압을 하이로부터 로우로 감소시키는 것이 바람직하다.

또한, 단, 2개의 액정층이 ON 상태로부터 OFF 상태로 변화하고 있는 동안에는, 화상을 시프트시킬 수 없다. 따라서, 서브필드가 전환될 때마다 화상을 시프트시켜야 하는 경우, 2개의 액정층이 ON 상태로부터 OFF 상태로 변화하는 천이 기간이 하나의 서브필드 기간내에 완전히 포함되도록 하는 것이 바람직하다.

이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명에 따른 광학표시시스템의 구체적인 바람직한 실시형태를 설명한다.

실시형태 1

도6a는 본 발명의 구체적인 바람직한 실시형태 1에 따른 광학표시시스템을 개략적으로 도시한다. 도6a에 도시되어 있는 바와 같이, 광학표시시스템은, 백라이트(backlight)(1), LCD(2), 광학시프터(3) 및 관찰광학계(4)를 포함하고 있다. 백라이트(1)는 투과형의 LCD(2)를 조명하는 광원이다. LCD(2)는, 구동회로(5)로부터 구동신호 및 영상신호를 수신하고, 영상신호에 의해 나타내는 내용을 갖는 화상을 표시할 수 있다. 관찰광학계(4)는, LCD(2)에 표시된 화상을 광학적으로 확대하기 위해 제공된다. 관찰자는, 광학시프터(3) 및 관찰광학계(4)를 통해, LCD(2)에 표시된 화상을 관찰할 수 있다.

도6a에 도시된 구체적인 바람직한 실시형태에서는, 백라이트가 필요한 투과형 액정표시소자를 사용하고 있다. 이와 달리, 그에 화상을 표시할 수 있으면, 상기 표시소자는 반사형의 액정표시소자이어도 좋고, 유기 EL 표시소자나 플라즈마 디스플레이 패널(PDP) 등의 자발광형의 표시패널이어도 좋다.

광학시프터(3)의 동작은, 광학시프터(3)에 별도로 제공되는 다른 구동회로 (6)에 의해 제어된다. 상기 구동회로(6)는, LCD(2)의 영상신호 표시에 동기하여 구동신호를 광학시프터(3)에 공급한다. 구동회로(6)는 광학시프터(3)에 포함되는 복수의 액정셀에 대하여 복수 레벨(즉, 하이 및 로우)의 전압을 인가하기 위한 전압인가부를 포함하고 있다.

도6a에 도시된 상기 광학표시시스템에 있어서, 백라이트(1), LCD(2), 관찰광학계(4) 및 구동회로(5)는 모두 종래의 광학표시시스템의 대응하는 것들과 동일한 구성을 갖고 있다. 따라서, 이 바람직한 실시형태의 광학표시시스템의 특징점은, 광학시프터(3)의 구성 및 동작에 있다.

도6b는 광학시프터(3)의 구성을 개략적으로 도시하고 있다. 도6b에 도시된 바와 같이, 광학시프터(3)는, 화상을 수직 방향으로 시프트시키는 제1 시프트부 (100) 및 화상을 수평 방향으로 시프트시키는 제2 시프트부(200)를 포함하고 있다.

제1 시프트부(100)는, 2개의 액정셀(7,8) 및 1개의 복굴절소자(11)를 포함한다. 마찬가지로, 제2 시프트부(200)도, 2개의 액정셀(9,10) 및 1개의 복굴절소자 (12)를 포함한다. 액정셀(7,8,9,10)의 각각은, 액정층; 액정층의 광입사측 및 광출사측에 각각 제공되는 한 쌍의 투명전극(도시 안됨); 및 이 부재들을 그 사이에 끼워 넣는 한 쌍의 투명기판을 포함하고 있다. 도6b에 도시된 액정셀(7,8) 및 복굴절소자(11)는 서로 수평 방향으로 떨어져 배치되어 있지만, 상기 액정셀(7,8) 및 복굴절소자(11)가 예컨대 접착제에 의해 일체화되어, 제1 시프트부(100)가 하나의 완전한 부품으로서 기능하도록 구성되어 있어도 좋다. 상기 내용은 제2 시프트부 (200)에 관해서도 적용할 수 있다.

이 바람직한 실시형태에 있어서, 각 액정셀(7,8,9,10)의 액정층은 TN 모드의 액정재료로 제작되어 있다. 따라서, 상기 액정층은, 그에 인가되는 전압이 하이인지 또는 로우인지에 따라, 입사광의 편광면을 약 90°회전시키는 제1 상태로부터 입사광의 편광면을 실질적으로 회전시키지 않고 그대로 투과시키는 제2 상태로, 또는 그 반대로 전환된다.

액정셀(7,8,9,10)에 사용될 수 있는 액정재료는, TN 모드의 액정재료에 한정되지 않는다. 이와 달리, 2개의 액정층이 모두 ON 상태로부터 OFF 상태로 전환되는 동안에, 2개의 액정층 중 하나에 의해 발생되는 불필요한 편광성분을 다른 액정층에 의해 상쇄할 수 있으면 임의의 다른 타입의 액정재료를 사용해도 좋다. 예컨대, ECB 모드의 액정재료를 사용할 수 있음은 말할 필요도 없다.

복굴절소자(11)는, 복굴절소자(11)의 광입사측에 대하여 소정의 경사각을 규정하는 "광학축"을 갖고 있다. 복굴절소자(11)는, 복굴절소자(11)의 광학축 및 입사광의 진행방향을 포함하는 평면(이하, "주단면(principal plane)"이라고 함)상에 있어서, 입사광을 정상광선(ordinary ray)과 이상광선(extraordinary ray)으로 분리하는 것이 가능하다. 따라서, 복굴절소자에 입사되는 입사광의 편광방향이 주단면에 대하여 수직하면, 입사광은 복굴절소자(11)에 있어서 정상광선으로 되어, 주단면내을 통해 곧바로 전파된다. 한편, 복굴절소자(11)에 입사되는 입사광의 편광방향이 주단면에 대하여 평행하면, 입사광은 복굴절소자(11)에 있어서 이상광선으로 되어, 주단면내에서 굴절된다.

복굴절소자(11)는, 일축(一軸) 결정재료(예컨대, 수정)로 제작된다. 그러나, 복굴절소자(11)에 사용되는 재료는 수정에 한정되지 않고, 임의의 다른 일축 결정재료이어도 좋다. 다른 바람직한 재료의 예에는, 리튬니오베이트(lithium niobate) , 방해석, 운모, 금홍석(TiO₂) 및 니트라틴(nitratine)(NaNO₃)이 포함된다. 헤드 마운트 디스플레이(HMD)와 같이, 표시시스템의 총 중량을 감소시켜야 하는 경우에는, 상대적으로 큰 굴절율 이방성 △n을 갖는 리튬니오베이트나 또는 금홍석을 사용하는 것이 바람직하다. 복굴절소자(11)가 이와 같이 △n이 큰 재료로 제작되면, 두께가 감소된 복굴절소자(11)에 의해 필요최소한의 화상시프트가 실현된다. 따라서, 이러한 재료는 표시시스템의 소형화 및 경량화에 효과적으로 사용될 수 있다.

액정셀(7,8)에 인가되는 전압을 변화시키면, 입사광의 편광방향을 복굴절소자(11)의 주단면에 대하여 수직한 방향으로부터 평행한 방향으로, 또는 그 반대로 전환시킬 수 있다. 이와 같이, 복굴절소자(11)의 주단면내에서 입사광선을 시프트시킬 수 있다. 그 결과, LCD(2)에 표시된 화상을 입사광의 광축에 수직한 방향으로 시프트시킬 수 있다.

제2 시프트부(200)도 제1 시프트부(100)와 동일한 구성을 갖고 있다. 이 2개의 시프트부(100,200) 사이의 유일한 차이점은, 제2 시프트부(200)가 제1 시프트부 (100)에 대하여 입사광의 광축에 90°의 회전각을 규정하도록 배치되어 있는 점이다. 이 때문에, 제2 시프트부(200)의 화소시프트의 방향은, 제1 시프트부(100)의 화소 시프트의 방향에 대하여 직교하고 있다. 이러한 위치에 배치되어 있는 제1 시프트부(100) 및 제2 시프트부(200)를 사용함으로써, 동일면(가상평면)상의 서로 상이한 4개의 위치 중 하나에 화상을 선택적으로 시프트시킬 수 있다.

이하, 도7a 내지 도7d 및 하기의 표3을 참조하면서, 이 바람직한 실시형태에 따른 광학시프터의 동작을 설명한다.

우선, 도7a에 도시된 바와 같이, 액정셀(7,8,9)을 OFF 시키고, 액정셀(1O)을 ON 시킨다. 이 경우, 표시패널상에 존재하는 화상의 임의의 화소가 가상평면상에 있어서의 위치 A에 있도록 한다.

다음, 도7b에 도시된 바와 같이, 액정셀(8,9)을 ON 시키고, 액정셀(10)을 ON으로 유지하여 상기 화소를 위치 B로 시프트시킨다. 상기 화상은 OFF 상태의 액정셀(8,9)을 ON 시킴으로써 시프트된다. 따라서, 이 시프트는 화상의 서브필드의 전환에 동기하여 비교적 신속하게 실행될 수 있다.

이 후, 현재 서브필드가 여전히 표시되는 동안, ON 상태의 액정셀(9,10)을 OFF 시킨다. 이 액정셀(9,10)을 OFF 시키는 데에 대한 액정재료의 응답은 느리다. 그러나, 액정셀(9,10)은 각각 우선광 및 좌선광의 액정재료로 제작되어 있기 때문에, 복굴절소자(12)에 입사되는 편광의 편광방향은 액정셀(9)에 입사된 편광의 원래 편광방향과 동일하다. 따라서, 화소의 위치는 B 그대로이다.

다음, 도7c에 도시된 바와 같이, 액정셀(8)을 ON으로 유지하고, 액정셀(10)을 ON 시켜 화소를 위치 C로 시프트시킨다. 상기 화상은 OFF 상태의 액정셀(10)을 ON 시킴으로써 시프트된다. 따라서, 이 시프트도 화상의 서브필드의 전환에 동기하여 비교적 신속하게 실행될 수 있다.

다음, 도7d에 도시된 바와 같이, 액정셀(7,9)을 ON 시키고, 다른 2개의 액정셀(8,10)을 ON으로 유지하여, 화소를 위치 D로 시프트시킨다. 그 후, 현재 서브필드가 여전히 표시되는 동안, ON 상태의 액정셀(7,8,9,1O)을 모두 OFF 시킨다. 그래도, 복굴절소자(12)에 입사되는 편광의 편광방향은 액정셀(9)에 입사된 편광의 원래의 편광방향과 동일하다. 따라서, 화소의 위치는 D 그대로이다.

그 후, 화상은 OFF 상태의 액정셀(10)을 ON 시킴으로써 위치 D로부터 위치 A로 시프트되어, 화상을 위치 B, C 또는 D로 시프트시키는 것과 마찬가지로 신속하게 실행될 수 있다.

도13은 상기와 같이 액정셀(7,8,9,10)을 동작시키기 위해 액정셀(7,8,9,10)에 인가되는 전압의 파형을 도시한다. 도13에서, 서브필드 A, B, C 및 D는 각각 도7a, 도7b, 도7c 및 도7d에 도시된 위치 A, B, C 및 D에 대응하고 있다. 즉, 서브필드 A의 기간에 있어서는, 상기 화소가 도7a에 도시된 위치 A에 있다. 다음 서브필드 B의 기간에 있어서는, 상기 화소가 도7b에 도시된 위치 B에 있다.

도13으로부터 알 수 있듯이, 액정셀(7,8)에 인가되고 있는 전압을 동시에 하이로부터 로우로 감소시킨다. 마찬가지로, 액정셀(9,10)에 인가되고 있는 전압도 동시에 하이로부터 로우로 감소시킨다.

액정셀(9,10)에 인가되고 있는 전압을 하이로부터 로우로 감소시키는 제1 타이밍은, 서브필드 B의 기간내에 포함되어 있고, 다음에 액정셀(1O)에 인가하는 전압을 로우로부터 하이로 증가시키는 타이밍보다 충분히 전이다. 액정셀(9,10)에 인가되고 있는 전압을 하이로부터 로우로 감소시키면, 액정층은 액정의 하강응답시간 τd의 경과 후에 완전히 OFF로 된다. 즉, 액정의 하강응답시간 τd가 경과되기 전에는, 액정층은 완전하게 OFF로 되지는 않는다. 그러나, 상기한 이유 때문에, 서브필드 B의 화상은 서브필드 B의 기간중에 시프트되지 않고, 2중화상도 발생되지 않는다.

단, 상기 바람직한 실시형태에 따른 광학표시시스템의 백라이트를 지향성을 갖는 광을 발광하는 조명원과 대체해도 좋고, 관찰광학계를 투사렌즈와 대체해도 좋다. 그러면, 상기 광학표시시스템이 투영형 표시시스템으로서 기능할 수 있다. 그래도, 본 발명의 광학시프터에 의해 상기한 HMD와 마찬가지로 해상도를 증가시킬 수 있다.

도8a는 광학시프터가 상기한 시프트동작을 행하지 않은 경우의 화소 배열을 도시하고, 도8b는 광학시프터가 시프트동작을 행한 경우의 화소 배열을 도시하고 있다. 도8a 및 도8b로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 광학시프터를 사용함으로써, LCD(2)의 실효 화소수가 4배로 증가될 수 있다.

실시형태 2

이하, 도9를 참조하면서, 본 발명의 구체적인 바람직한 실시형태 2에 따른 광학표시시스템을 설명한다.

이 바람직한 실시형태에 따른 광학표시시스템에서는, 광원(501)으로부터 발광된 광(적어도 R, G 및 B 성분을 포함)이 포물면미러(502)에 의해 반사되어, 거의 평행빔으로 된 후, 플라이아이렌즈(fly eye lens)(503)에 입사된다. 플라이아이렌즈(503)는, LCD 패널(504)을 균일하게 조명하기 위해 사용된다. 개구(aperture) (505)는 플라이아이렌즈(503)로부터 출사된 광빔을 선택적으로 통과시킴으로써 LCD 패널(504)에 입사되는 조명광의 평행도를 규제하기 위해 제공되어 있다. 개구(505)는, 구형(rectangular)의 개구부를 갖고 있고, 그 형상은 화소형상에 맞춰서 설계된다. 개구(505)를 통과한 광빔은, 렌즈(506)를 통과한 후, 다이크로익 미러(507R, 507G,507B)에 의해 R, G 및 B의 광선으로 분리된다. LCD 패널(504)은,렌즈(506, 508)에 의해 거의 평행화된 광빔에 의해 조사된다. 그러나, 다이크로익 미러(507R, 507G,507B)에 의해 상기 광빔이 분리된 R, G 및 B 광선은 LCD 패널(504)에 서로 상이한 각도로 입사된다. 이 바람직한 실시형태에서는, LCD 패널(504)로서, 768 × 1024 도트의 해상도를 갖는 0.9 인치 패널이 사용된다.

도10은, R, G 및 B 광선이 LCD 패널(504)에 입사되는 모양을 도시하는 단면도이다. 도10에 도시된 바와 같이, LCD 패널(504)의 광입사측에는, 마이크로렌즈 (509)의 어레이가 배치되어 있다. 각 마이크로렌즈(509)는 적색, 녹색 및 청색의 삼원색을 나타내는 3개의 화소(즉, R, G 및 B 화소의 세트)에 대해 제공되어 있다. R, G 및 B 광선은 각 마이크로렌즈(509)에 서로 상이한 각도로 입사된 후, 상기 렌즈(509)에 의해 그들의 대응하는 화소에 모인다. 이 3개의 화소는 독립적으로 구동되기 때문에, R, G 및 B 광선은 독립적으로 변조된다.

다시, 도9를 참조하면, LCD 패널(504)을 투과함으로써 변조된 광빔은, 광학시프터(510)를 통과한 후 투사렌즈(511)에 입사된다. 투사렌즈(511)를 통과한 광빔은, 스크린(도시 안됨)상에 화상을 형성한다. 스크린의 화상은, 광학시프터(510)에 의해 주기적으로 시프트된다.

다음, 도11을 참조하면서, 본 발명의 이 바람직한 실시형태 2에 따른 광학시프터(510)를 상세히 설명한다. 광학시프터(510)는, 도11에 도시된 바와 같이, 제1 시프트부(100)와 제2 시프트부(200)를 포함하고 있다. 제1 시프트부(100) 및 제2 시프트부(200)의 구성은, 바람직한 실시형태 1에 있어서 이미 설명한 것과 동일하다. 그러나, 이 바람직한 실시형태 2에서는, 제1 시프트부(100)의 시프트방향이 제2 시프트부(200)의 시프트방향과 평행하게 되도록 제1 시프트부(100) 및 제2 시프트부(200)가 배치되어 있다. 이러한 구성에서는, 화상을 입사광의 광축과 직교하는 면에 포함된 동일 직선상에 배열된 서로 상이한 3개의 위치 A, B 및 C로 시프트시킬 수 있다.

도12는, 도11에 도시된 광학시프터(510)에 의해 서브프레임이 수직으로 시프트되는 모양을 개략적으로 도시하고 있다. 광학시프터(510)에 의해, 하나의 완전한 화상을 구성하는 복수의 서브프레임이 한 방향(즉, 도12에 도시된 예에서는 수직으로 시프트되지만 수평으로 시프트되어도 좋다)으로 1화소씩 순차 시프트된다. 그 결과, 스크린상의 동일 화소영역이 시순차 방식에 의해 화상의 청색, 녹색, 적색, 청색, 녹색 및 적색 부분 등을 나타내는 광선에 의해 순차 조사된다. 이러한 구성을 갖는 광학표시시스템은 단지 1장의 LCD 패널(504)을 사용하지만, 3장의 LCD 패널을 사용하는 투영형 표시시스템의 해상도와 거의 동등한 해상도를 실현한다.

다음, 이 바람직한 실시형태에 따라 액정셀(7,8,9,10)에 인가되는 전압을 하기의 표4 및 도11을 참조하면서 설명한다.

우선, 액정셀(7,9,10)을 OFF 시키고, 액정셀(8)을 ON 시킨다. 이 경우, LCD 패널(504)에 표시되는 화상의 임의의 화소가 도11에 도시된 위치 A에 있도록 한다.

다음, 액정셀(7,9)을 OFF로 유지하고, 액정셀(8)을 ON으로 유지하고, 액정셀(1O)을 ON 시켜 상기 화소를 위치 B로 시프트시킨다. 즉, 이 화상 시프트는 OFF 상태의 액정셀(10)을 ON 시킴으로써 실행된다.

다음, 액정셀(7,9)을 ON 시키고, 2개의 다른 액정셀(8,10)을 ON으로 유지하여 상기 화소를 위치 C로 시프트시킨다. 즉, 이 화상 시프트는 OFF 상태의 액정셀(7,9)을 ON 시킴으로써 실행된다.

그 후, 다음에 서브필드가 전환되기 전에(즉, 현재 서브필드가 여전히 표시되는 동안), ON 상태의 액정셀(7,8,9,10)을 모두 OFF 시킨다. 이 액정셀(7,8,9,10)을 OFF 시키는 데에 대한 액정재료의 응답은 느리다. 그러나, 액정셀(7,8 및 9,10)의 각 쌍은 각각 우선광 및 좌선광의 액정재료로 제작되어 있기 때문에, 복굴절소자(12)에 입사되는 편광의 편광방향은 액정셀(7)에 입사된 편광의 원래 편광방향과 동일하다. 따라서, 화소의 위치는 C 그대로이다.

단지 액정셀(8)을 ON 시킴으로써 화상을 위치 C로부터 위치 A로 시프트시킬 수 있다. 따라서, 상기 위치 A로의 화상 시프트를 위치 B 또는 C로의 화상 시프트와 마찬가지로 신속하게 행할 수 있다.

상기와 같이, 이 바람직한 실시형태에 의하면, 단지 화상의 서브필드의 전환에 동기하여 OFF 상태의 액정셀(들)을 충분히 빠르게 ON 시킴으로써, 화소를 위치 A로부터 위치 B로 시프트시킨 후 위치 C로 시프트시킬 수 있다. 이 때문에, 어떠한 2중화상이나 플릭커를 발생시키지 않고 고품위의 화상을 표시할 수 있다.

도14는 상기와 같이 액정셀(7,8,9,10)을 동작시키기 위해 액정셀(7,8,9,10)에 인가되는 전압의 파형을 도시한다. 도14에서, 서브필드 A, B 및 C는 각각 도11에 도시된 위치 A, B 및 C에 대응하고 있다. 즉, 서브필드 A의 기간에 있어서는, 상기 화소가 도11에 도시된 위치 A에 있다. 다음 서브필드 B의 기간에 있어서는, 상기 화소가 도11에 도시된 위치 B에 있다.

도14로부터 알 수 있듯이, 액정셀(7,8)에 인가되고 있는 전압을 하이로부터 로우로 동시에 감소시킨다. 마찬가지로, 액정셀(9,10)에 인가되고 있는 전압도 하이로부터 로우로 동시에 감소시킨다.

액정셀(7,8,9,10)에 인가되고 있는 전압을 하이로부터 로우로 감소시키는 타이밍은, 서브필드 C의 기간내에 포함되어 있고, 다음에 액정셀(8)에 인가되는 전압을 로우로부터 하이로 증가시키는 타이밍보다 충분히 전이다. 액정셀(7,8,9,10)에 인가되고 있는 전압을 하이로부터 로우로 감소시키면, 액정의 하강응답시간 τd가 경과된 후에 액정층은 완전히 OFF로 된다. 즉, 상기 액정의 하강응답시간 τd가 경과되기 전에는, 액정층은 완전히 OFF로 되지 않는다. 그러나, 전술한 이유 때문에, 서브필드 C의 화상은 서브필드 C의 기간중에는 시프트되지 않고, 어떠한 2중화상도 발생되지 않는다.

상기한 바람직한 실시형태 2에 따른 광학표시시스템은, 스크린에 화상을 투영시키는 투영형 표시시스템이다. 그러나, 투사렌즈(511)를 관찰광학계와 대체하여 허상의 확대상을 본다면, 본 발명은 HMD에 적용하는 것도 가능하다.

바람직한 실시형태 1에서는 화소를 4개의 위치로 시프트시키고, 바람직한 실시형태 2에서는 화상을 3개의 위치로 시프트시킨다. 그러나, 본 발명은 이러한 구체적인 바람직한 실시형태에 한정되지 않는다. 이와 달리, 본 발명은 예컨대 2개의 위치 사이에서의 화상의 시프트나 또는 일렬로 배열된 4개의 위치 사이에서의 화상 시프트 등, 임의의 다른 패턴의 시프트에 대해서도 적용 가능하다.

상기 바람직한 실시형태 1 및 2에서는, 각 액정셀(7,8,9,10)을 그 대응하는 서브필드 기간동안 전환시킨다. 그러나, 액정재료의 응답속도에 따라, 그 대응하는 서브필드 기간동안에 액정셀(7,8,9,10)의 전환에 충분한 밸런스가 잡히도록 액정셀(들)(7,8,9 및/또는 10)을 이전 또는 다음 서브필드 기간내에서 ON 또는 OFF 시켜도 좋다.

실시형태 3

이하, 본 발명의 구체적인 바람직한 실시형태 3을 설명한다.

이 바람직한 실시형태 3에 따른 광학시프터는 기본적으로 상기 바람직한 실시형태 1의 광학시프터와 마찬가지로 도3에 도시된 구성을 갖고 있다.

이하, 도15를 참조하면서, 이 바람직한 실시형태 3에 따른 광학시프터의 보다 구체적인 구성에 관해 설명한다.

도15는, 광학시프터에 입사되는 직선편광이 X-Y 좌표계의 X축 방향과 평행한 편광방향을 갖는 경우를 도시하고 있다. 도15에 있어서, D₁은 제1 액정셀(7)의 액정층(75a)의 중간부의 디렉터를 나타낸다. D₂는 제2 액정셀(8)의 액정층(75b)의 중간부의 디렉터를 나타낸다. θ₁₂는 액정층(75a,75b)이 전압 무인가 상태일 때 디렉터 D₁ 및 D₂사이에 규정되는 각도를 나타낸다. S는 액정층(75a,75b)이 전압 무인가 상태일 때 상기 각도 θ₁₂를 2개의 동일한 부분으로 나누는 2등분선을 나타낸다. 또한, θ_S는 이등분선 S와 입사편광의 편광방향(즉, X축) 사이에 규정되는 각도를 나타낸다. 이 바람직한 실시형태에서는, 각도 θ₁₂를 42°이상 45°이하의 범위내로 규정하고, 각도 θ_S를약 45°로 규정하고 있다. 상기 각도 θ₁₂의 보다 바람직한 범위는 42°이상 44°이하의 범위이다. 여기서 사용됨에 있어서, "약 45°"의 각도는 44°이상 46°이하의 범위에 있는 각도이다.

이 바람직한 실시형태에서는, 2개의 액정셀의 2개의 액정층 중 적어도 하나를 ECB(수평 배향) 모드의 액정재료로 형성한다. ECB(수평 배향) 모드는, 네마틱(nematic) 액정층을 그 사이에 끼우는 한 쌍의 기판에 있어서의 배향 방향을 서로 평행하게 규정함으로써 실현된다. 전압 무인가 상태에서, 상기 액정층은 기판의 배향 방향과 평행한 디렉터를 갖는다. 따라서, 상기 2개의 액정층의 디렉터 D₁및 D₂가 전술한 각도를 규정하도록, 입사광의 편광방향에 대하여 2개의 액정셀의 위치를 규정한다. 2개의 액정셀을 모두 ECB(수평 배향) 모드의 액정재료로 구성한 경우, 액정층이 전압 무인가 상태일 때, 2개의 1/2 파장판을 적층함으로써 실현되는 경우와 마찬가지의 효과가 실현된다.

이와 같이 ECB(수평 배향) 모드의 액정층을 사용하는 경우, 각 액정층은 220 nm 이상 280 nm 이하의 리타데이션(retardation)을 갖는 것이 바람직하다. 이 범위의 리타데이션 값은, 가시광 대역의 거의 중심파장인 550 nm의 대략 절반의 크기이다. 따라서, 액정층이 전압 무인가 상태일 때, 상기 각 액정층은 약 550 nm 정도의 파장을 갖는 입사직선편광에 대하여 1/2파장판으로서 기능하여, 입사광의 편광면을 회전시킨다. 이 회전각도는, 입사광의 편광방향과 액정층의 디렉터 사이에 규정되는 각도의 2배이다.

이하, 제1 및 제2 액정셀(7,8)의 액정층(75a,75b)을 ECB(수평 배향)모드의 액정재료로 형성한 경우에 있어서, 제1 및 제2 액정셀(7,8)의 액정층(75a,75b)이 전압 무인가 상태일 때 220 nm 이상 280 nm 이하의 범위내의 리타데이션을 갖는 경우의 광학시프터의 동작에 관해 설명한다.

이 경우에 있어서, 2개의 액정셀(7,8)의 액정층에 인가되는 전압이 OFF 상태에 있을 때, 도15에 도시된 입사직선편광의 편광방향은, 제1 액정셀(7)에 의해서 약 45°만큼 반시계 방향으로 회전하여, 거의 2등분선 S와 정합된다. 엄밀하게는, 제1 액정셀(7)을 투과한 광은, 그의 액정층에 의해 야기되는 파장분산 때문에, 완전히 직선 편광으로 되는 것이 아니라 약간 타원 편광화된다. 이 현상을 이하에 상세히 설명한다.

550 nm의 파장을 갖는 광을 550 nm의 1/2에 상당하는 275 nm의 리타데이션을 갖는 액정층에 입사시키는 경우를 고려한다. 이 경우, 제1 액정셀(7)의 디렉터 D₁을 X축과 22.5°의 각도로 규정하고, 입사광(550 nm의 파장을 가짐)의 편광방향을 X축과 평행하게 규정한다. 이 때, 입사광의 편광방향은, 제1 액정셀(7)에 의해 45°(= 22.5×2)만큼 회전된다. 그러나, 입사광이 550 nm에서 벗어난 파장을 갖는 경우에는, 액정층에 의해 야기되는 파장분산 때문에 그의 편광방향이 이와 같이 회전하지는 않는다.

입사광의 파장을 λ nm, 액정층의 리타데이션을 R(λ) nm, 액정층을 투과하는 과정에서 입사광에 발생하는 위상차를 φ(λ)라고 하면, 상기 위상차 φ(λ)는 R(λ)/λ에 의해 표현된다. 단, 액정층의 리타데이션 R 및 위상차 φ는 파장 λ의 함수이다.

550 nm의 파장을 갖는 광이 275 nm의 리타데이션을 갖는 액정층에 입사되는 경우에는, φ(550) = 275/550 = 1/2 = 0.5로 된다. 따라서, 액정층은 마치 1/2 파장판처럼 기능한다. 그러나, 450 nm의 파장을 갖는 광(즉, 청색 광선)이 액정층에 입사되는 경우에는, φ(450) = 275/450 ≒ 0.61로 된다. 한편, 650 nm의 파장을 갖는 광(즉, 적색 광선)이 액정층에 입사되는 경우에는, φ(650) = 275/650 ≒ 0.42로 된다. 알 수 있는 바와 같이, 청색 또는 적색의 광선이 입사되는 경우에는, 이러한 위상차가 생기기 때문에, 액정층은 1/2 파장판으로서 기능할 수 없다. 그 결과, 직선편광이 다소 타원편광으로 변환된다.

그러나, 이 바람직한 실시형태의 구성에 의하면, 상기 광이 제2 액정셀(8)을 투과하면, 출사된 광의 편광방향은, 넓은 파장대역에서, 입사편광의 방향과 수직한 Y축 방향으로 정합된다. 그 이유는 다음과 같다. 구체적으로는, 2개의 액정층 (75a,75b)의 디렉터 D₁과 D₂사이에 규정되는 각도 θ₁₂가 42°내지 45°의 범위에 설정되어 있기 때문에, 제2 액정셀(8)에 입사된 약간의 타원편광이 다시 직선편광으로 변환되고, 파장분산의 불필요한 영향이 거의 제거된다. 보다 구체적으로는, 450 nm 또는 650 nm의 파장을 갖는 청색 또는 적색 광선이 제1 액정셀(7)에 입사하면, 1/2에서 어긋난 위상차가 일단 생성된다. 그러나, 상기 위상차는 제2 액정셀(8)에 의해 550 nm의 파장을 갖는 녹색 광선의 것과 거의 동일하게 된다.

따라서, 본 발명의 이 바람직한 실시형태에 따른 광학시프터를 사용하면, 광학시프터에 적색, 녹색 및 청색광선이 입사하더라도, 2중화상이 거의 형성되지 않고, 해상도가 현저하게 증가된 화상 시프트가 실현된다.

이하, 본 발명에 따른 광학표시시스템의 구체적인 바람직한 실시형태를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

도6a에 도시된 바와 같이, 이 바람직한 실시형태 3의 광학표시시스템도 백라이트(1), LCD(2), 광학시프터(3) 및 관찰광학계(4)를 포함하고 있다. 백라이트(1)는 투과형의 LCD(2)를 조명하는 광원이다. LCD(2)는 구동회로(5)로부터 구동신호 및 영상신호를 수신하고, 상기 영상신호에 의해 나타내는 내용을 갖는 화상을 표시할 수 있다. 관찰광학계(4)는 LCD(2)에 표시된 화상을 광학적으로 확대하기 위해 제공된다. 관찰자는 광학시프터(3) 및 관찰광학계(4)를 통해, LCD(2)에 표시된 화상을 관찰할 수 있다.

광학시프터(3)의 동작은 광학시프터(3)에 별도로 제공되는 다른 구동회로(6)에 의해 제어된다. 상기 구동회로(6)는, LCD(2)의 영상신호의 표시에 동기하여, 구동신호를 광학시프터(3)로 공급한다. 구동회로(6)는 광학시프터(3)에 포함되는 액정셀에 대하여 복수 레벨(즉, 하이 및 로우)의 전압을 인가하기 위한 전압인가부를 포함하고 있다.

도6a에 도시된 광학표시시스템에서, 백라이트(1), LCD(2), 관찰광학계(4) 및 구동회로(5)는 모두 종래의 광학표시시스템의 대응하는 것들과 동일한 구성을 갖고 있다. 따라서, 이 바람직한 실시형태의 광학표시시스템의 특징점은, 광학시프터(3)의 구성 및 동작에 있다.

이 바람직한 실시형태 3의 광학시프터(3)도 기본적으로는 도3에 도시된 것과 동일한 구성을 갖고 있다. 그러나, 이 광학시프터(3)에서는, 그 2개의 액정층이 모두 ECB(수평 배향) 모드의 액정재료로 구성되어 있다. 2개의 액정층 각각은 전압 무인가 상태에서 220 nm 이상 280 nm 이하의 리타데이션을 갖는다. 액정셀(7,8)은 그 디렉터가 입사광의 편광방향에 대하여 도15에 도시된 각도를 규정하도록 배치되어 있다.

이 바람직한 실시형태에서, 액정셀(7,8)의 액정층은 ECB 모드의 액정재료로 형성되어 있다. 그러나, 입사광이 복수의 액정층을 투과하는 과정에서, 입사광의 편광방향이 약 90°만큼 회전하거나 또는 전혀 회전하지 않으면 임의의 다른 타입의 액정재료를 사용하여도 좋다.

복굴절소자(11)는, 복굴절소자(11)의 광입사측에 대하여 소정의 경사각을 규정하는 광학축을 갖고 있다. 복굴절소자(11)는, "주단면"에 있어서, 입사광을 정상광선과 이상광선으로 분리할 수 있다. 따라서, 복굴절소자에 입사되는 입사광의 편광방향이 주단면에 대하여 수직이면, 입사광은 복굴절소자(11)에 있어서 정상광선으로 되어, 주단면을 통해 곧바로 전파된다. 한편, 복굴절소자(11)에 입사되는 입사광의 편광방향이 주단면에 대하여 평행하면, 입사광은 복굴절소자(11)에 있어서 이상광선으로 되어, 주단면내에서 굴절된다.

복굴절소자(11)는, 일축 결정재료(예컨대, 수정)로 제작된다. 그러나, 복굴절소자(11)에 사용되는 재료는 수정에 한정되지 않고, 임의의 다른 일축 결정재료이어도 좋다. 다른 바람직한 재료의 예에는 리튬니오베이트, 방해석, 운모, 금홍석(TiO₂) 및 니트라틴(nitratine)(NaNO₃) 등이 포함된다. 헤드 마운트 디스플레이(HMD)와 같이, 표시시스템의 총 중량을 감소시켜야 하는 경우, 상대적으로 큰 굴절율 이방성 △n을 갖는 리튬니오베이트나 금홍석을 사용하는 것이 바람직하다. 복굴절소자(11)가 이와 같이 △n이 큰 재료로 제작되면, 두께가 감소된 복굴절소자(11)에 의해 필요최소한의 화상 시프트가 실현된다. 따라서, 이러한 재료는 표시시스템의 소형화 및 경량화에 효과적으로 사용될 수 있다.

액정셀(7,8)의 액정층에 인가되는 전압을 변화시키면, 입사광의 편광방향을 복굴절소자(11)의 주단면에 대하여 수직한 방향으로부터 평행한 방향으로 또는 그 반대로 전환시킬 수 있다. 이와 같이, 상기 입사광은 복굴절소자(11)의 주단면내에서 시프트될 수 있다. 그 결과, LCD(2)에 표시된 화상을 입사광의 광축에 대하여 수직한 방향으로 시프트시킬 수 있다.

단, 상기한 바람직한 실시형태에 따른 광학표시시스템의 백라이트를 지향성을 갖는 광을 발광하는 조명원과 대체해도 좋고, 관찰광학계를 투사렌즈와 대체해도 좋다. 그러면, 광학표시시스템도 투영형 표시시스템으로서 기능할 수 있다. 그래도, 본 발명의 광학시프터에 의해 상기한 HMD와 마찬가지로 해상도를 증가시킬 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시형태 3에 대한 구체적인 실시예와 비교예를 설명한다.

실시예

이 구체적인 실시예에서는, 도16에 도시된 바와 같이 2개의 액정셀(7,8)과 복굴절소자(11)를 포함한 광학시프터를 사용하였다. 각 액정셀(7,8)은 ECB(수평 배향) 모드의 액정재료를 사용하여 제작되고, 액정셀(7,8)의 액정분자의 배향 방향이 도15에 도시된 관계를 만족하도록 배치되었다. 복굴절소자(11)로서는 수정판 (quartz plate)을 사용하였다.

이러한 구성을 갖는 광학시프터를 사용하고, 액정셀(7,8)에 인가되는 전압의 ON/OFF 상태를 제어함으로써, 1개의 화소로부터 출사된 광을 위치 A나 또는 위치 B로 선택적으로 시프트시킨다.

전압 무인가 상태에서, 액정셀(7,8)의 액정층은 275 nm의 리타데이션을 갖고 있다. 액정셀(7)의 액정분자의 배향 방향(즉, 디렉터 D₁)은 입사직선편광의 편광방향에 대하여 약 23°를 규정하고, 액정셀(8)의 액정분자의 배향 방향(즉, 디렉터 D₂)은 입사직선편광의 편광방향에 대하여 약 67°를 규정하고 하고 있다.

이 광학시프터를 사용하여, 2중화상이 형성되는 퍼센트를 조사하였다. 그 결과를 하기의 표5에 나타낸다.

표5에 나타낸 결과로부터 알 수 있듯이, 이 구체적인 실시예에서, 입사광은 위치 B에 거의 도달하지 않고 있다.

비교예

이 비교예에서는, 도1에 도시된 바와 같이, 액정셀(7)과 복굴절소자(11)를 포함한 광학시프터를 사용하였다. 액정셀(7)은 TN 모드의 액정재료로 구성되어 있고, 전압 무인가 상태에서, 그 액정층은 약 480 nm의 리타데이션을 갖고 있다. 엑정셀(7)의 광입사측의 2개의 기판 중 하나에 있어서, 액정분자의 배향 방향은 입사직선편광의 편광방향에 대하여 거의 평행하게 되어 있다.

이 광학시프터를 사용하여, 2중화상이 형성되는 퍼센트를 조사하였다. 그 결과를 하기의 표6에 나타낸다.

표6에 나타낸 결과로부터 알 수 있듯이, TN 모드의 액정셀(7)을 1개 포함하는 광학시프터에서는, 액정층의 파장분산에 기인하여, 450 nm의 파장을 갖는 입사광의 5%가 위치 B에 도달하여, 2중화상을 형성하였다. 마찬가지로, 650 nm의 파장을 갖는 입사광의 5%가 위치 B에 도달하여, 2중화상을 형성하였다. 그 결과, 해상도가 낮은 화상만이 얻어질 수 있었다.

상기한 본 발명의 여러 가지 바람직한 실시형태 중 임의의 것에 따른 광학시프터에 의하면, 액정층의 파장분산에 기인하여 종래의 광학표시시스템에서 자주 형성된 2중화상을 거의 제거할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 광학시프터를 포함하는 광학표시시스템은 해상도가 현저하게 증가된 고품위의 화상을 표시할 수 있다.

이상 본 발명의 바람직한 실시형태들에 대해 설명하였지만, 당업자들이라면 여러 가지로 변화시킬 수 있을 것이고 또한 구체적으로 설명한 바와 다른 여러 가지 실시형태들을 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 정신 및 범위 내에 속하는 본 발명의 모든 변경을 포괄하려는 것이다.

도1은, 액정셀과 복굴절소자를 조합하여 포함하는 종래의 광학시프터를 개략적으로 도시하는 도면이다.

도2는, 한 쌍의 편광자를 평행 니콜(Nicol)로서 배치하고 편광판 사이에 액정셀을 배치한 경우에 있어서의 시간에 따른 액정층의 투과율(또는 인가 전압)의 변화를 도시하는 그래프이다.

도3은, 본 발명의 여러 가지 바람직한 실시형태 중 임의의 것에 따른 광학시프터모듈의 기본 구성을 도시하는 단면도이다.

도4a 내지 4c는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 광학시프터내의 액정셀의 동작을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도5a 내지 도5c는, 본 발명의 다른 바람직한 실시형태에 따른 다른 광학시프터내의 액정셀의 동작을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도6a는, 본 발명의 구체적인 바람직한 실시형태 1에 따른 광학표시시스템의 기본 구성을 도시하는 단면도이다.

도6b는, 본 발명의 바람직한 실시형태 1에 따른 광학시프터의 구성을 도시하는 단면도이다.

도7a 내지 7d는, 바람직한 실시형태 1의 광학시프터의 동작을 도시하는 도면이다.

도8a 및 도8b는, 도6b에 도시된 광학시프터에 의해 화상의 해상도가 증가되는 것을 개략적으로 도시하는 도면으로, 도8a는 광학시프터가 동작하지 않고 있을 때의 화상을 도시하는 도면이고, 도8b는, 광학시프터가 동작하고 있을 때의 화상을 도시하는 도면이다.

도9는, 본 발명의 구체적인 바람직한 실시형태 2에 따른 광학표시시스템을 도시하는 도면이다.

도10은, 바람직한 실시형태 2에 사용되는 LCD 패널을 도시하는 단면도이다.

도11은, 바람직한 실시형태 2에 따른 광학시프터를 도시하는 단면도이다.

도12는, 화상이 광학적으로 시프트되는 것을 개략적으로 도시하는 도면이다.

도13은, 본 발명의 바람직한 실시형태 1에 있어서, 각 액정셀에 인가되는 전압의 파형이 변화되는 모양을 도시하는 타이밍도이다.

도14는, 본 발명의 바람직한 실시형태 2에 있어서, 각 액정셀에 인가되는 전압의 파형이 변화되는 모양을 도시하는 타이밍도이다.

도15는, 본 발명의 바람직한 실시형태에 따른 광학시프트내의 한 쌍의 액정셀의 2개의 액정층의 디렉터(director)와 입사광의 편광방향 사이의 관계를 도시하는 도면이다.

도16은, 본 발명의 바람직한 실시형태의 구체적인 실시예에 사용된 광학시프터의 구성을 개략적으로 도시하는 도면이다.

Claims

시프트부에 입사된 입사직선편광의 광축을 주기적으로 변위시키는 적어도 하나의 시프트부를 포함하는 광학시프터로서,

상기 시프트부는,

제1 액정셀의 액정층에 인가되는 제1 전압에 응답하여, 입사광의 편광방향을 제1 방향으로부터 제2 방향으로 또는 그 반대로 변화시키고, 상기 제1 방향과 제2 방향은 서로 직교하는 제1 액정셀;

제2 액정셀의 액정층에 인가되는 제2 전압에 응답하여, 상기 제1 액정셀의 액정층을 투과한 광의 편광방향을 제1 방향으로부터 제2 방향으로 또는 그 반대로 변화시키는 제2 액정셀; 및

상기 제2 액정셀을 투과한 광을 투과시키는 복굴절소자를 포함하고,

상기 제2 액정셀의 액정층은, 입사직선편광이 상기 제1 액정셀의 액정층을 투과하는 과정에서 발생한 편광의 외란(disturbance)을 보상하는 광학시프터.
제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 액정층은, 제1 액정셀의 액정층의 중간부의 디렉터와 제2 액정셀의 액정층의 중간부의 디렉터가 서로 직교하도록 배치되어 있는 광학시프터.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 액정셀의 액정층은, 서로 반대되는 선광(optical rotatory) 방향을 갖는 TN 모드의 액정재료로 형성되어 있는 광학시프터.
제2항에 있어서, 상기 제1 및 제2 액정셀의 액정층은, ECB 모드의 액정재료로 형성되어 있는 광학시프터.
제1항에 있어서, 상기 제1 액정셀의 액정층의 중간부의 디렉터와 제2 액정셀의 액정층의 중간부의 디렉터 사이에는 42°이상 45°이하의 각도가 규정되고,

상기 각도를 2개의 동일한 부분으로 나누는 2등분선은 제1 액정셀에 입사되는 입사광의 편광방향에 대하여 약 45°의 각도를 규정하고 있는 광학시프터.
제5항에 있어서, 상기 제1 및 제2 액정셀의 2개의 액정층 중 적어도 하나는 ECB 모드의 액정재료로 형성되어 있는 광학시프터.
제6항에 있어서, 상기 ECB 모드의 액정재료로 형성된 적어도 하나의 액정층은, 상기 액정층이 전압 무인가 상태일 때 220 nm 이상 280 nm 이하의 리타데이션을 갖고 있는 광학시프터.
제1항에 있어서, 상기 시프트부와 동일한 구조 및 기능을 갖는 적어도 하나 이상의 시프트부를 더 포함하는 광학시프터.
청구항 1에 기재된 광학시프터; 및

상기 제1 및 제2 액정셀에 각각 제1 및 제2 전압을 인가하는 구동회로를 포함하는 광학시프터모듈.
제9항에 있어서, 상기 구동회로는, 서브필드 전환과 동기하여, 상기 제1 및 제2 전압의 하나만을 로우 레벨로부터 하이 레벨로 증가시키는 광학시프터모듈.
제10항에 있어서, 상기 구동회로는, 서브필드가 전환될 때 제1 및 제2 전압을 모두 하이 레벨로 증가시킨 후, 서브필드 기간 동안 제1 및 제2 전압을 모두 로우 레벨로 감소시키는 광학시프터모듈.
화상을 표시하는 표시패널; 및

청구항 1에 기재된 광학시프터를 포함하며,

상기 표시패널로부터 출사된 광을 상기 화상이 표시패널에 표시되고 있을 때 광학시프터에 의해 시프트시키는 광학표시시스템.
제12항에 있어서, 상기 제1 및 제2 액정셀에 각각 제1 및 제2 전압을 인가하는 구동회로를 더 포함하는 광학표시시스템.
제13항에 있어서, 상기 구동회로는, 상기 제1 및 제2 전압의 하나만을 로우 레벨로부터 하이 레벨로 증가시키는 광학표시시스템.
제13항에 있어서, 상기 구동회로는, 상기 제1 및 제2 전압을 모두 하이 레벨로 증가시킨 후, 상기 표시패널에 표시되는 화상이 다른 화상으로 전환되기 전에, 상기 전압 모두를 로우 레벨로 감소시키는 광학표시시스템.
제12항에 있어서, 상기 표시패널로부터 출사되어 상기 광학시프터에 입사되는 광은 직선편광인 광학표시시스템.
제12항에 있어서, 상기 화상이 시프트될 때, 상기 화상의 각 화소는 시분할 방식에 의해 소정의 수의 칼라 화소로 분리되고, 상기 화소는 서로 시순차로 중첩되는 광학표시시스템.
광을 발광하는 광원;

각 화소영역이 그에 입사된 광을 변조시킬 수 있는 복수의 화소영역을 포함하는 표시패널;

상기 광원으로부터 발광된 광을 상기 광의 파장에 대응되는, 상기 복수의 화소영역 중 하나에 집광시키는 광제어수단; 및

피투영면상에 상기 표시패널에 의해 변조된 광을 투영시킴으로써 상기 피투영면상에 화상을 형성하는 광학계를 포함하는 광학표시시스템으로서,

상기 광학표시시스템은,

상기 화상의 프레임을 나타내는 데이터로부터 복수의 서브프레임을 나타내는 데이터를 생성하고, 상기 표시패널에 상기 복수의 서브프레임을 시순차로 차례로 표시시키는 회로; 및

상기 표시패널에 표시되는 상기 복수의 서브프레임 중 선택된 것을 상기 피투영면상에서 광학적으로 변위시키는 청구항 1에 기재된 광학시프터를 더 포함하고,

상기 표시패널의 화소영역 중 서로 상이한 것에 의해 변조되고 서로 상이한 파장역에 속하는 광선에 의해 상기 피투영면상의 동일영역이 순차 조사되는 광학표시시스템.
청구항 1에 기재된 광학시프터의 구동방법으로서, 상기 방법은,

서브필드 전환시에, 상기 제1 및 제2 전압의 하나만을 로우 레벨로부터 하이 레벨로 증가시키는 스텝;

다른 서브필드 전환시에, 상기 제1 및 제2 전압의 다른 하나만을 로우 레벨로부터 하이 레벨로 증가시키는 스텝; 및

서브필드 기간 동안 제1 및 제2 전압을 모두 하이 레벨로부터 로우 레벨로 감소시키는 스텝을 포함하는, 광학시프터의 구동방법.