KR100531295B1

KR100531295B1 - 단판식 프로젝션 디바이스

Info

Publication number: KR100531295B1
Application number: KR10-2003-0048697A
Authority: KR
Inventors: 박종명; 문희종
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2003-07-16
Filing date: 2003-07-16
Publication date: 2005-11-28
Also published as: KR20050009397A

Abstract

본 발명은 광학계에 관한 것으로, 특히 시분할 색분리 합성 방식의 단판식 광학계에 있어서 색온도 보정에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 상기 광학계의 색분리 및 색온도 보정 수단으로 한면에 빨강색(Red)면, 녹색(Green)면, 파랑색(Blue)면, 색온도 보정면의 4면이 일정 영역으로 분리되어 구성된 필터를 사용함으로써, 색온도 보정이 우수하고 광효율이 좋은 단판식 광학계를 구성하는 효과가 있다.

Description

단판식 프로젝션 디바이스{Single panel projection device}

본 발명은 광학계에 관한 것으로, 특히 광학계에 쓰여 높은 광효율을 갖는 시분할 색분리 합성 방식의 단판식 프로젝션 디바이스에 관한 것이다.

최근의 디스플레이 장치는 경량화, 경박화뿐만 아니라 대화면으로 되어가는 추세에 놓여져 있다. 특히 대화면 디스플레이 장치는 디스플레이 분야에 있어서 중요한 이슈로 떠오르고 있으며, 현재가지 이러한 대화면 디스플레이 장치로 개발된 것 중에는 프로젝션 티브이가 있다.

이와 같은 대화면 디스플레이 장치인 프로젝션 티브이는 CRT(Cathode Ray Tube) 프로젝션 티브이와 LCD(Liquid Crystal Display) 프로젝션 티브이, DLP(Digital Light Processing) 프로젝션의 세가지 형태로 나뉠 수 있다. 여기서 상기 LCD를 이용한 프로젝션 티브이는 다시 투과형 LCD를 이용하는 시스템과 반사형 LCD(LCoS)를 이용하는 시스템으로 나뉜다. 여기서 반사형 LCD를 이용하는 시스템은 투과형 LCD보다 패널의 가격을 저렴하게 제작할 수 있는 장점이 있다.

상기 반사형 LCD를 이용한 프로젝션 광학계는 다음의 세가지로 분류된다.

첫 번째는 삼판식 광학계로 반사형 LCD(이후 'LCoS') 3매를 이용하여 R,G,B의 색을 분리 합성하여 영상 정보를 표시하는 것이다.

두 번째는 2판식 광학계로 LCoS(Liquid Crystal on Silicon) 2매를 이용하여 하나의 패널에는 R만의 정보를, 다른 하나의 패널은 시간에 따라 G와 B의 정보를 표시하는 것이다.

세 번째는 단판식 광학계로 R,G,B의 영상 정보를 하나의 패널에서 시간에 따라 순차적으로 표시하는 것이다.

이러한 여러 가지 광학계 중 단판식 광학계는 구조가 간단하며, 가격 또한 저렴한 장점을 가지고 있다.

도 1은 상기 단판식 광학계의 구조를 나타낸 도면이다.

도 1과 같이, 상기 단판식 광학계는, 램프(1), 적분기(integrator)(2), 컬러 휠(color wheel)(3), 조명 렌즈(Illumination Lens)(4), PBS(Polarizing Beam Splitter) 또는 TIR(Total Internal Reflection) 프리즘(5), 패널(panel)(6)로 구성된다.

상기와 같이 구성된 단판식 광학계의 동작을 간단히 설명하면, 상기 램프(1)에서 나온 빛은 적분기(2)를 통과하면서 균일한 공간 분포를 갖는 광으로 되고, 상기 적분기(2)를 통과한 빛을 컬러 휠(3)에서 빨강(Red), 녹색(Green), 파랑(Blue)의 삼색 필터에 의하여 시간적으로 삼색으로 변환시킨다. 이 빛은 다시 조명렌즈(4)에 의하여 PBS 또는 TIR 프리즘(5)을 지나 패널(6)에 도달하게 된다.

이 때, 상기 컬러 휠(3)에서 색을 분리시키는 필터 구조의 예를 도 2에 도시하였다.

도 2와 같이, 컬러 휠(3)은 R(빨강), G(녹색), B(파랑)의 삼색의 컬러 필터(Filter)로 구성되어 있고, 중심은 모터에 연결되어 회전하는 구조로 되어 있다.

상기 R 필터가 적분기(2)의 위치에 오면 빨강색 파장대의 색의 빛이 통과하고, 녹색 필터가 적분기(2)의 위치에 오면 녹색 파장대의 색의 빛이 통과하게 되고, 파랑색 필터가 적분기(2)의 위치에 오면 파랑색 파장대의 색의 빛이 통과하게 된다.

모터에 의하여 상기 컬러 휠(3)이 회전하면 패널에 R,G,B 파장대의 색의 빛이 시간 순차적으로 패널(6)에 도달하게 된다. 상기 패널(6)에 도달한 빛은 패널의 종류에 따라서 투과하거나 반사한 후 투사렌즈(미도시)로 향하고, 상기 투사렌즈를 통해 스크린(미도시)에 결상된다.

임의의 한 순간에 패널(6)에 도달한 빛은 R,G,B 중 한 색으로 구성되어 있으나 시간적으로 합하면 백색의 빛으로 인지되게 된다.

이와 같이, R,G,B 삼색의 시간 순차적 삼색 분리 합성을 이용한 단판식 프로젝션 디스플레이 광학계의 경우 매우 간단한 구성을 갖는 장점이 있는 반면에 임의의 순간에 삼색 중에 한색 만을 이용하고, 나머지 두 색을 이용하지 못함으로써 광량 손실이 많다는 단점이 있다.

이러한 단점을 보완하기 위하여 도 3과 같이 R,G,B 삼색 필터 뿐만 아니라 W(White) 부분을 추가하여 광효율을 높이는 방법을 이용할 수 있다.

도 3과 같이, 4면(RGBW) 컬러 휠을 이용한 색분리 합성의 경우 R,G,B 각각의 색의 경우는 R,G,B 각 면이 이용될 시간을 이용하고, 그레이 스케일(Gray Scale)의 경우에는 R,G,B를 합한 시간과 백색(W)의 시간을 합하여 구성한다.

이 경우 R,G,B 각각의 광량은 증가하지 않으나 백색의 밝기가 증가하게 된다. 따라서, 전체 시스템의 광효율을 높일 수 있다.

이 때, R,G,B 색 필터를 설계하려면 R,G,B 광량 비율을 백색면(W)의 색온도에 따라 구성하여야 한다. 상기 백색면의 색온도는 광원에서 이용하는 파장대역 내의 색온도와 같게 된다.

이를 좀 더 자세히 설명하기 위해 프로젝션 디스플레이 광학계의 광원으로 가장 많이 이용되고 있는 초고압 수은 램프의 분광 그래프를 도 4에 도시하였다.

도 4에서, 400nm 부분의 피크(peak) 영역은 프로젝션 디스플레이 광학계의 광부품 열화를 방지하기 위해 자외선 필터로 제거한다. 상기 400nm 부근의 피크 영역을 제외한 나머지 영역의 색온도, 즉 백색면의 색온도는 8300K 이다.

따라서, 4면(RGBW) 컬러 휠에서 R,G,B 영역 색온도의 합은 8300K로 맞추게 된다.

한편, 최근 프로젝션 티브이 시스템에서 색온도는 9300K 이상의 고온(청색계열)을 지향하고 있다(이는 동양인의 시각 특성에 맞춘 것이다). 따라서 4면(RGBW)의 색온도를 9000K 이상 구성하려면 R,G,B 면의 색온도를 10000K 이상으로 형성하여야 백색의 색온도 8300K와의 보정으로 9000K 이상의 색온도를 구성할 수 있다.

따라서, 종래에는 R,G,B면의 색온도를 올리기 위해 패널에서 직접 상대적으로 색온도가 낮은 영역인 R과 G의 광량을 줄이는 방법을 사용했다.

이러한, 종래의 R,G,B 색 온도 보정은 색온도를 올리기 위해 광량을 줄이는 방법을 사용하므로 광량 손실이 발생하는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 새로운 형태의 4색(R,G,B,Notch Filter) 분할 방식이 가능한 단판식 프로젝션 디스플레이를 구성하여 색온도 보정에 의한 광손실을 개선하며, 색온도를 보정하는 광학계를 제작하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광학계는 특히, 시분할 색분리 합성 방식의 단판식 광학계에 있어서, 상기 광학계의 색분리 및 색온도 보정 수단으로 한면에 빨강색(Red)면, 녹색(Green)면, 파랑색(Blue)면, 색온도 보정면의 4면이 일정 영역으로 분리되어 구성된 필터를 사용함을 특징으로 한다.

상기 색온도 보정면은 컬러 노취 필터(color notch filter)임을 특징으로 한다.

상기 빨강색면, 녹색면, 파랑색면, 색온도 보정면은 이색거울(dichroic mirror)로 구성하는 것이 바람직하다.

이하 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 단판식 프로젝션 디스플레이의 시분할 색 구현 부품인 컬러 휠을 나타낸 도면이다.

도 5와 같이, 본 발명에 따른 컬러 휠은 빨강색(Red), 녹색(Green), 파랑색(Blue) 컬러 필터와, 원하는 파장대의 빛만 통과시키도록 하는 컬러 노취 필터(Color Notch Filter)의 4면으로 구성되며, 상기 각 면은 이색거울(Dichroic Mirror)을 이용하였다.

상기 R,G,B 컬러 필터의 분광 투과율 그래프는 도 6에 도시하였다.

도 6과 같이, R,G,B 컬러 필터의 대역폭 중 빨강색(R) 영역은 약 590nm에서 700nm의 범위를 갖고, 녹색(G) 영역은 약 470nm에서 580nm의 범위를 갖도록 되어 있다. 파랑색(B) 영역의 경우 400nm 부근의 피크 영역은 앞서 설명한 바와 같이 광부품의 열화를 방지하기 위해 자외선 필터로 걸러내므로, 약 410nm에서 510nm의 영역을 갖게 된다.

상기의 컬러 필터와 램프에서 나온 분광 분포와의 관계를 알아보기 위해 도 7에 RGB 컬러 필터 대역과 램프의 분광 그래프를 같이 나타내었다.

도 7과 같이, RGB 컬러 필터는 시간에 따라서 램프에서 나온 분광분포중에 각 필터 대역에 해당하는 파장만 통과시키게 되고, 이에 따라 컬러 필터가 없었던 램프의 색온도와는 다른 색온도를 갖게 된다.

도 8은 앞서 언급한 컬러 노취 필터의 분광 투과율 그래프를 램프의 분광 그래프와 함께 도시하였다.

상기 컬러 노취 필터는 도 8과 같은 대역폭을 갖으면서 전체 광학계의 색온도를 변화시키게 된다.

때문에, 상기 컬러 노취 필터의 중심 파장과 대역폭을 변경하면 원하는 색온도를 얻게된다. 여기서 상기 대역폭은 중심 파장 영역에서 노취 필터의 절반에 해당하는 높이에서의 넓이를 기준으로 하게 되며 도 8의 a부분이다.

다음의 표 1은 상기 대역폭이 20nm일 때, 컬러 노취 필터의 중심파장별 색온도를 나타낸 것이다.

중심파장(nm)	510	550	570	590
색온도(K)	8200	10000	9900	9800

상기 표 1과 같이 컬러 노취 필터의 대역폭이 20nm인 경우 중심 파장이 550nm이면 색온도는 10000K가 된다. 이 때, 중심 파장이 550nm이면 주로 녹색(G) 영역의 빛이 걸러졌음을 알 수 있다.

다음의 표 2는 대역폭이 30nm일 때, 컬러 노취 필터의 중심파장별 색온도를 나타내었다.

중심파장(nm)	510	550	570	590
색온도(K)	8200	11000	11000	11000

상기 표 2와 같이, 컬러 노취 필터의 대역폭이 30nm인 경우 중심 파장이 510nm일 때 색온도는 8200K, 중심 파장이 590nm이면 11000K가 됨을 알 수 있다. 상기 중심 파장이 590nm이면 주로 빨강색(R) 영역의 빛이 걸러진 것이다.

상기 표 1과 표2를 통해, 컬러 노취 필터의 중심 파장과 대역폭을 변화시킴으로써 광학계의 색온도를 조절할 수 있음을 알 수 있다.

상기의 컬러 노취 필터를 이용한 4면(R,G,B,CNF) 분할 방식의 단판식 프로젝션 디스플레이의 실시예들을 살펴보면 다음과 같다.

도 9는 본 발명에 따른 4면(R,G,B,CNF) 컬러 드럼을 사용한 광학계를 나타낸 도면이다.

도 9와 같이, 상기 광학계는 플라이 아이 렌즈(FEL)(91), 내부 전반사 프리즘 혹은 미러(TIR Prism or Mirror)(92), 4면(R,G,B,CNF) 컬러 드럼(93), PBS(Polarized Beam Splitter)(94), LCD(Liquid Crystal Display)(95) 등으로 구성되며, 이와 같은 구성은 종래의 컬러 드럼을 사용한 광학계의 구성과 동일하다.

즉, 종래 컬러 드럼을 사용한 광학계의 컬러 드럼 대신 본 발명에 따른 4면(R,G,B,CNF) 컬러드럼(93)을 사용함으로써 색온도 보정이 우수한 광학계를 구성하게 되는 것이다.

도 10은 본 발명에 따른 4면(R,G,B,CNF) 컬러 드럼을 사용한 광학계의 다른 실시예를 나타낸 도면이다.

도 10과 같이, 상기 광학계는 PCCR 적분기(101), 4면(R,G,B,CNF) 컬러 드럼(102), PBS(103), LCD(104) 등으로 구성되며, 이와 같은 구성은 종래 컬러 드럼을 사용한 광학계 중 P/S 컨버팅 시스템(converting system)으로 PCCR 적분기(101)를 사용한 구성과 동일하다.

즉, 앞서 설명한바와 같이 종래의 컬러 드럼 대신 본 발명에 따른 4면(R,G,B,CNF) 컬러 드럼(102)을 사용함으로써 색온도 보정이 우수한 광학계를 구성하게 된다.

도 11은 본 발명에 따른 4면(R,G,B,CNF) 컬러 휠을 사용한 광학계의 일실시예를 나타낸 도면이다.

도 11과 같이, 상기 광학계는 렘프(111), 적분기(112), 4면(R,G,B,CNF) 컬러 휠(113), 조명 렌즈(114), PBS 또는 TIR 프리즘(115), 패널(116)로 구성되며, 이와 같은 구성은 앞서 설명했던 도 1의 구성과 같다.

도 1의 구성에서의 컬러 휠(3) 대신 본 발명에 따른 4면(R,G,B,CNF) 컬러 휠(113)을 사용함으로써 색온도 보정이 우수한 광학계를 구성하게 되는 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 단판식 프로젝션 디바이스는 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 색분리 합성 방법으로 새로운 형태의 4면(R,G,B,CNF) 분할 방식을 사용함으로써, 색온도 보정이 우수하고 광효율이 좋은 광학계를 구성하는 효과가 있다.

둘째, 색온도 보정면을 이용함으로써 시스템 설계시 원하는 폭 넓은 색온도를 설정하게 되는 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 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 단판식 프로젝션 디스플레이 광학계를 나타낸 구성도

도 2는 일반적인 3면(RGB) 컬러 휠의 필터 부분을 나타낸 평면도

도 3은 일반적인 4면(RGBW) 컬러 휠의 필터 부분을 나타낸 평면도

도 4는 초고압 수은 램프의 분광 그래프

도 5는 본 발명에 따른 4면(R,G,B,CNF) 컬러 휠의 필터 부분을 나타낸 평면도

도 6은 R,G,B 컬러 필터 분광 투과율 그래프

도 7은 R,G,B 컬러 필터 대역과 초고압 수은 램프의 분광 그래프

도 8은 본 발명에 따른 컬러 노취 필터의 대역과 초고압 수은 램프의 분광 그래프

도 9는 본 발명에 따른 단판식 반사형 LCD 광학계의 일실시예를 나타낸 구성도

도 10은 본 발명에 따른 단판식 반사형 LCD 광학계의 다른 실시예를 나타낸 구성도

도 11은 본 발명에 다른 단판식 프로젝션 디스플레이 광학계를 나타낸 구성도

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

91 : 플라이아이 렌즈(FEL) 93 : 4면(R,G,B,CNF) 컬러 드럼

94 : PBS 101 : PCCR 적분기

112 : 적분기 113 : 4면(R,G,B,CNF) 컬러 휠

114 : 조명렌즈 116 : 패널

Claims

시분할 색분리 합성 방식의 광학계에 있어서,

상기 광학계의 색분리 및 색온도 보정 수단으로 한면에 빨강색(Red)면, 녹색(Green)면, 파랑색(Blue)면, 색온도 보정면의 4면이 일정 영역으로 분리되어 구성된 필터를 사용함을 특징으로 하는 단판식 프로젝션 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 색온도 보정면은 컬러 노취 필터(color notch filter)임을 특징으로 하는 단판식 프로젝션 디바이스.
제 1 항에 있어서,

상기 빨강색면, 녹색면, 파랑색면, 색온도 보정면은 이색거울(dichroic mirror)임을 특징으로 하는 단판식 프로젝션 디바이스.