KR100609060B1 - 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자 - Google Patents

광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자 Download PDF

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KR100609060B1 KR1019990029639A KR19990029639A KR100609060B1 KR 100609060 B1 KR100609060 B1 KR 100609060B1 KR 1019990029639 A KR1019990029639 A KR 1019990029639A KR 19990029639 A KR19990029639 A KR 19990029639A KR 100609060 B1 KR100609060 B1 KR 100609060B1
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Abstract

광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자가 개시된다. 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자는 블러스터의 각도로 입사하는 광을
Figure 111999017686165-pat00001
/2의 위상차로 변환시키는 소정의 두께를 갖는 매질, 및 매질의 전면과 후면에 코팅되어 블러스터의 각도로 입사하는 광을 S편광파는 반사하고 P편광파는 투과하는 편광분리막으로 구성되어, 블러스터의 각도로 입사하는 광을 전면에 코팅된 편광분리막에서 S편광파는 반사하고 P편광파는 투과하며, 투과된 P편광파가 매질의 소정의 두께를 통과하면서
Figure 111999017686165-pat00002
/2의 위상차를 가지게 되어 편광분리막에 의해 반사된 S편광파와 동일한 S편광파를 가지고 진행한다. 이 편광변환소자는 편광분리와 편광변환을 동시에 수행하는 매질구조의 소자를 사용하므로써 광효율을 높이고 원가는 낮추면서 생산성을 높이는 장점이 있다.
광투사형 디스플레이장치, 편광분리기, 편광변환기, 편광변환소자

Description

광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자{Polarization Separating And Converting Glass Of Projection Display Unit}
도1 은 종래 편광빔 스프리터를 이용한 광투사형 디스플레이장치의 광학계 구성을 보여주는 도면.
도2 는 종래 편광분리매질을 이용한 광투사형 디스플레이장치의 광학계 구성을 보여주는 도면.
도3 은 본 발명에 따른 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자를 보여주는 단면도.
도4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광투사형 디스플레이장치의 반사형 편광변환소자를 보여주는 단면도.
*도면의 주요부분에 대한 부호설명*
101: 광(Light) 102: S편광파
104: 편광변환소자 104a: 매질
104b: 편광분리막 105: 반사경
106: P편광파
본 발명은 광투사형 디스플레이장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 광효율을 증대시키고 생산성을 높이기 위하여 편광분리기와 편광변환기를 간단하게 일체화시킨 편광변환소자에 관한 것이다.
일반적으로 프로젝션 텔레비젼이나 비디오 프로젝터 등과 같은 상품의 영상투사시스템은 특수 제작된 소형 음극선관이나 액정표시소자 또는 폴리머분산 액정표시판넬 등의 영상디스플레이수단을 사용하여 영상을 발생시키고, 그 영상을 투사렌즈를 이용하여 대형 화면을 얻을 수 있다는 장점에서 날로 그 수요가 증대되고 있는 실정이다.
도1 은 종래 편광빔 스프리터를 이용한 광투사형 디스플레이장치의 광학계 구성을 보여주는 도면이다.
도시된 바와 같이, 편광빔 스프리터를 이용한 광투사형 디스플레이장치(10)는 광원(11), 광원(11)에서 출사되는 빛을 S편광파(18)와 P편광파(19)로 분리하여 S편광파(18)는 반사시키고 P편광파(19)는 통과시키는 편광빔 스프리터 (Polariz- ation Beam Splitter : 이하 PBS라 한다)(12), PBS(12)에서 반사되는 S편광파(18)를 P편광파(18)와 동일한 방향으로 진행하도록 반사시키는 판형의 반사경(13), 및 반사경(13)에서 방향이 바뀐 S편광파(18)의 위상을
Figure 111999008321341-pat00003
/2로 변환시켜 통과시키는 반파장판의 편광변환기(14)로 구성된다.
또한, PBS(12)에서 출사되는 P편광파(19)와 반파장판을 통과하는 S편광파 (18)를 집광하는 집광렌즈(15), 집광렌즈(15)에서 출사된 빛이 투과하는 액정표시 소자(16) 및 스크린(도시안됨)에 액정표시소자(16)의 액정층을 투과한 입사광을 확대 투사시키는 투사렌즈유니트(17)를 더 구비한다.
이와같이 구성된 광투사형 디스플레이장치(10)는 광원(11)에서 발생된 빛이 PBS(12)에 입사되면 P편광파(19)는 투과되고 S편광파(18)는 반사되어 두개의 편광성분으로 분리되며, P편광파(19)는 액정표시소자(16)로 입사되고, S편광파(18)는 방향전환 반사경(13)에 의해 방향이 전환되고 편광변환기(14)에 의해 P편광파로 변환되어 액정표시소자(16)로 입사된다.
도2 는 종래 편광분리글라스를 이용한 광투사형 디스플레이의 광학계 구성을 보여주는 도면이다.
도시된 바와 같이, 편광분리글라스를 이용한 광투사형 디스플레이(20)는 광원(21), 광원(21)에서 출사된 빛을 S편광파(28)와 P편광파(29)로 분리하여 S편광파(28)는 반사시키고 P편광파(29)는 투과시키는 편광분리매질(22), 편광분리매질(22)에서 출사되는 P편광파(29)를 S편광파(28)와 동일한 방향으로 진행하도록 반사시키는 판형의 반사경(23), 반사경(23)에서 방향이 바뀐 S편광파의 위상을
Figure 111999017686165-pat00004
/2로 변환시켜 통과시키는 반파장판의 편광변환기(24)로 구성된다.
또한, 편광분리매질(22)에서 출사되는 P편광파(29)와 반파장판을 통과하는 S편광파(28)가 투과하는 액정표시소자(25) 및 스크린(도시안됨)에 액정표시소자 (25)의 액정층을 투과한 입사광을 확대 투사시키는 투사렌즈유니트(27)를 더 구비한다.
이와같이 구성된 광투사형 디스플레이장치(20)는 광원(21)에서 발생된 빛이 편광분리매질(22)에 입사되면 P편광파(29)는 투과되고 S편광파(28)는 반사되어 두개의 편광성분으로 분리되며, S편광파는 액정표시소자(25)로 입사되고, P편광파는 방향전환 반사경(23)에 의해 방향이 전환되고 편광변환기(24)에 의해 S편광파로 변환되어 액정표시소자(25)로 입사된다.
그러나, 상술한 PBS나 편광분리기를 사용하는 경우 광효율이 1/2로 감소하고 편광변환기는 가공이 어려워 가격이 고가이다. 또한, 광도(Intensity of Light)의 공간적 균일성 확보를 위해 작은 편광기와 편광변환기를 광로에 직각인 면에서 결합하여 사용하므로 제작과 조립의 공정이 복잡하고 어려워 생산성을 현저히 낮추고 있는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 간단한 구조와 조립과정을 갖도록 편광분리기와 편광변환기를 일체화시킨 편광변환소자를 제공하는 데 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 블러스터의 각도로 입사하는 광을
Figure 111999017686165-pat00005
/2의 위상차로 변환시키는 소정의 두께를 갖는 매질, 및 매질의 전면과 후면에 코팅되어 블러스터의 각도로 입사하는 광을 S편광파는 반사하고 P편광파는 투과하는 편광분리막으로 구성되어, 블러스터의 각도로 입사하는 광을 전면에 코팅된 편광분리막에서 S편광파는 반사하고 P편광파는 투과하며, 투과된 P편광파가 매질의 소정의 두께를 통과하면서
Figure 111999017686165-pat00006
/2의 위상차를 가지게 되어 편광분리막에 의해 반사된 S편광파와 동일한 S편광파를 가지고 진행하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자를 제공한다.
본 발명에 따르면, 매질은 가시광선영역에서 정상굴절율과 이상굴절율이 서로 다른 단광축 복굴절 재질이다.
그리고, 편광분리막은 입사하는 광을 S편광파는 반사하고 P편광파만을 투과하는 편광순도를 높이기 위한 박막코팅이다.
또한, 박막코팅은 다층유전코팅(Multi-layer dielectric coating)이다.
한편, 다른 실시예에 의한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 블러스터의 각도로 입사하는 광을
Figure 111999017686165-pat00038
/4의 위상차로 변환시키는 소정의 두께를 갖는 매질, 매질의 전면에 코팅되어 블러스터의 각도로 입사하는 광을 S편광파는 반사하고 P편광파만을 투과하는 편광순도를 높이기 위한 박막코팅으로 형성된 편광분리막, 및 매질의 후면에 코팅되어 매질을 통과하는 광을 전반사시키는 전반사거울로 구성되어 블러스터의 각도로 입사하는 광을 전면에 코팅된 편광분리막에서 S편광파는 반사하고 P편광파는 투과하며, 투과된 P편광파가 매질의 소정의 두께를 통과하면서
Figure 111999017686165-pat00039
/4의 위상차가 발생되고 전반사거울면에서 반사된 후 다시 매질의 소정의 두께를 통과하면서
Figure 111999017686165-pat00040
/4의 위상변환을 갖게 되어 결과적으로
Figure 111999017686165-pat00041
/2의 위상변환이 되어 편광분리막에 의해 반사된 S편광파와 동일한 S편광파와 방향을 가지고 진행하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자를 제공한다.
다른 실시예에 따르면, 매질은 가시광선영역에서 정상굴절율과 이상굴절율이 서로 다른 단광축 복굴절 재질이다.
그리고, 편광분리막은 입사하는 광을 S편광파는 반사하고 P편광파만을 투과하는 편광순도를 높이기 위한 박막코팅이다.
또한, 박막코팅은 다층유전코팅(Multi-layer dielectric coating)이다.
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 더욱 상세하게 설명한다.
도3 는 본 발명에 따른 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자를 보여주는 단면도이다.
도시된 바와 같이, 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자(104)는 소정의 두께를 갖는 매질(104a)과 매질(104a)의 전면과 후면에 코팅된 편광분리막 (104b)으로 구성된다.
매질(104a)은 가시광선영역(파장:400~ 700㎚)에서 정상굴절율(Ordinary Refractive Index)과 이상굴절율(Extraodinary Refractive Index)이 서로 다른 단광축 복굴절 재질이다. 바람직하게는 매질(104a)은 결정성의 수정(Crystalline Quartz)으로 파장 550㎚인 광에서의 평균 굴절율은 1.5506이고 정상굴절율과 이상굴절율의 차이인 복굴절율이 0.0090인 재질을 사용한다. 또한, 매질(104a)은 폴리카보네이트 필름(Poly-carbonate Film)등 단광축 복굴절 성질을 가진 유기재료(Organic Material)도 사용가능하다.
그리고, 입사하는 블러스터의 각도(Brewster Angle)는 하기의 식에 의해 구해지고, 상기 수정인 경우 계산된 값은 57.18도이다.
Figure 111999017686165-pat00042
θ= tan-¹( Nbm / No)
θ
Figure 112006034823594-pat00013
: 블러스터 각도(Brewster Angle)
Nbm : 매질(104a)의 평균 굴절율
No : 공기의 굴절율
또한, 블러스터 각도에 의해 매질의 두께가 구해진다.
Figure 111999017686165-pat00043
T1 = 2d cos(90。 - θ)
T1 : 매질(104a)의 두께
d : 수직투과시 S편광파와 P편광파의 성분이
Figure 111999008321341-pat00015
/4의 위상차를 일으키
는 두께
이 매질(104a)의 두께 T1은 블러스터 각도로 입사하는 광(101)을
Figure 112006034823594-pat00016
/2의 위상차로 변환시킨다.
또한, 편광분리막(104b)은 박막코팅(Thin Coating)으로 블러스터 각도로 입사하는 광(101)을 S편광파인 R(S)(102)는 반사하고 P편광파 T(P)(106)만 투과하는 편광순도를 높이기 위한 다층유전코팅(Multi-layer dielectric coating)이다.
이하, 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자의 동작을 설명한다.
블러스터의 각도로 입사하는 광인 I(P+S)(101)를 전면에 코팅된 편광분리막 (104b)에서 S편광파인 R(S)(102)는 반사하고 P편광파인 T(P)(106)는 투과한다.
투과된 P편광파인 T(P)(106)가 매질의 소정의 두께(T1)를 통과하면서
Figure 111999017686165-pat00017
/2의 위상차를 가지게 되어 반사된 S편광파인 R(S)(102)와 동일한 S편광파인 T2(P)(103)로 진행한다. 이 변환된 S편광파인 T2(P)(103)는 반사경(105)에 의해 방향이 변환되어 편광분리막(104b)에 의해 반사된 S편광파인 R(S)(102)와 동일한 방향으로 진행한다.
한편, 도4 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광투사형 디스플레이장치의 반사형 편광변환소자를 보여주는 단면도이다.
도시된 바와 같이, 광투사형 디스플레이장치의 반사형 편광변환소자(206)는 소정의 두께를 갖는 매질(206a), 매질(206a)의 전면에 코팅된 편광분리막 (206b), 매질(206a)의 후면에 코팅된 전반사거울(206c)로 구성된다.
매질(206a)은 상술한 매질(104a)과 동일한 복굴절 재질 또는 유기재료 필름(Organic Material Film)으로 되어 있지만 두께는 상술한 매질(104a) 두께의 1/2배이다. 하기식에 의해 두께가 구해진다.
Figure 111999017686165-pat00044
θ= tan-¹( Nbm / No)
θ
Figure 112006034823594-pat00021
: 블러스터 각도(Brewster Angle)
Nbm : 매질(206a)의 평균 굴절율
No : 공기의 굴절율
Figure 111999017686165-pat00045
T2 = d cos(90。 - θ)
T2 : 매질(206a)의 두께
d : 수직투과시 S편광파와 P편광파의 성분이
Figure 111999008321341-pat00023
/4의 위상차를 일으키
는 두께
그리고, 편광분리막(206b)은 박막코팅(Thin Coating)으로 블러스터 각도로 입사하는 광인 I(201)를 S편광파인 R(202)은 전반사하고 P편광파인 T(203)만 투과하는 편광순도를 높이기 위한 다층유전코팅(Multi-layer dielectric coating)이다.
또한, 전반사거울(206c)은 매질(206a)을 투과한 광인 T(203)을 전반사시킨다.
이하, 광투사형 디스플레이장치의 반사형 편광변환소자의 동작을 설명한다.
블러스터의 각도로 입사하는 광인 I(201)를 전면에 코팅된 편광분리막 (206b)에서 S편광파인 R(202)은 전반사하고 P편광파인 T(203)는 투과한다.
투과된 T(203)는 매질(206a)의 소정의 두께(T2)를 투과하면서
Figure 111999017686165-pat00024
/4의 위상변환을 갖는다. 그리고, 이
Figure 111999017686165-pat00025
/4의 위상변환된 T(203)는 전반사거울면(206c)에서 반사된 후 다시 매질(206a)의 소정 두께(T2)를 투과하면서
Figure 111999017686165-pat00026
/4의 위상차를 갖게 되어 결과적으로
Figure 111999017686165-pat00027
/2의 위상변환이 되어 편광분리막(206b)에서 반사된 S편광파인 R(202)와 동일한 S편광파와 방향인 TRT(205)를 가지고 진행한다.
삭제
따라서, 본 발명은 편광분리와 편광변환을 동시에 수행하는 매질구조의 소자를 사용하므로써 광효율을 높이고 원가는 낮추면서 생산성을 높이는 장점이 있다.
본 발명은 특허청구범위에서 청구하는 청구의 요지를 벗어나지 않고 도 당해의 분야에서 통상의 지식을 가진자에 의하여 다양하게 변경실시될 수 있으므로, 본 발명의 기술보호범위는 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 않는다.
















Claims (10)

  1. 블러스터의 각도로 입사하는 광을
    Figure 111999017686165-pat00046
    /2의 위상차로 변환시키는 소정의 두께를 갖는 매질; 및
    상기 매질의 전면과 후면에 코팅되어 상기 블러스터의 각도로 입사하는 광을 S편광파는 반사하고 P편광파를 투과하는 편광분리막으로 구성되어,
    블러스터의 각도로 입사하는 광을 전면에 코팅된 상기 편광분리막에서 S편광파는 반사하고 P편광파는 투과하며, 상기 투과된 P편광파가 상기 매질의 소정의 두께를 통과하면서
    Figure 111999017686165-pat00047
    /2의 위상차를 가지게 되어 상기 편광분리막에 의해 반사된 S편광파와 동일한 S편광파를 가지고 진행하는 것을 특징으로 하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 매질은 가시광선영역에서 정상굴절율과 이상굴절율이 서로 다른 단광축 복굴절 재질인 것을 특징으로 하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 편광분리막은 입사하는 광을 S편광파는 반사하고 P편광파만을 투과하는 편광순도를 높이기 위한 박막코팅인 것을 특징으로 하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자.
  4. 블러스터의 각도로 입사하는 광을
    Figure 111999017686165-pat00048
    /4의 위상차로 변환시키는 소정의 두께를 갖는 매질;
    상기 매질의 전면에 코팅되어 상기 블러스터의 각도로 입사하는 광을 S편광파는 반사하고 P편광파를 투과하는 편광분리막; 및
    상기 매질의 후면에 코팅되어 상기 매질을 통과하는 광을 전반사시키는 전반사거울로 구성되어,
    블러스터의 각도로 입사하는 광을 전면에 코팅된 상기 편광분리막에서 S편광파는 반사하고 P편광파는 투과하며, 상기 투과된 P편광파가 상기 매질의 소정 두께를 통과하면서
    Figure 111999017686165-pat00049
    /4의 위상차가 발생되고 상기 전반사거울면에서 반사된 후 다시 상기 매질의 소정의 두께를 통과하면서
    Figure 111999017686165-pat00050
    /4의 위상변환을 갖게 되어 결과적으로
    Figure 111999017686165-pat00051
    /2의 위상변환이 되어 상기 편광분리막에 의해 반사된 S편광파와 동일한 S편광파와 방향을 가지고 진행하는 것을 특징으로 하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자.
  5. 제4 항에 있어서, 상기 매질은 가시광선영역에서 정상굴절율과 이상굴절율이 서로 다른 단광축 복굴절 재질인 것을 특징으로 하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자.
  6. 제4항에 있어서, 상기 편광분리막은 입사하는 광을 S편광파는 반사하고 P편광파만을 투과하는 편광순도를 높이기 위한 박막코팅인 것을 특징으로 하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자.
  7. 삭제
  8. 제3 항에 있어서, 상기 박막코팅은 다층유전코팅인 것을 특징으로 하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자.
  9. 제6 항에 있어서, 상기 박막코팅은 다층유전코팅인 것을 특징으로 하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 편광분리막에 의해 반사된 S편광파와, 상기 편광분리막을 통과한 P편광파가 상기 매질을 통과하여 변환된 S편광파가 동일한 방향으로 출사되도록 하는 반사경을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광투사형 디스플레이장치의 편광변환소자.
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