KR100634001B1 - 발광 다이오드를 구비한 프리즘 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 발광 다이오드를 구비한 프리즘에 관한 것으로, 프리즘에 각각 다른 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드를 장착하고, 발광 다이오드의 광들을 한 방향으로 합성하여 출사시킬 수 있으므로, 광원으로 사용할 수 있고, 구조가 간단하고 크기가 작아 광학계의 크기를 줄일 수 있으며, 저가로 양산할 수 있는 효과가 있다.
프리즈, 발광다이오드, 광원, PBS, 투과, 반사

Description

발광 다이오드를 구비한 프리즘 { Prism with light emitting diode }
도 1은 종래 기술에 따라 발광 다이오드를 이용하여 광원으로 사용한 개념도
도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드를 구비한 프리즘(Prism)의 개략적인 사시도
도 3은 본 발명에 따른 프리즘의 제 1 PBS 주변에 장착된 발광 다이오드들을 도시한 단면도
도 4는 도 3의 발광 다이오드들에서 출사된 광이 합성되는 경로를 도시한 도면
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드를 구비한 프리즘(Prism)에 있는 제 1 PBS의 반사 스펙트럼을 도시한 그래프
도 6은 본 발명에 따른 프리즘의 제 2 PBS 주변에 장착된 발광 다이오드들을 도시한 단면도
도 7은 도 6의 발광 다이오드들에서 출사된 광이 합성되는 경로를 도시한 도면
도 8은 본 발명에 따른 발광 다이오드를 구비한 프리즘(Prism)에 있는 제 2 PBS의 반사 스펙트럼을 도시한 그래프
도 9a와 9b는 본 발명에 따라 프리즘의 외주면에 파장 변환을 설명하기 위한 개략적인 개념도
도 10은 본 발명에 따른 프리즘을 사용한 디스플레이 시스템의 광학계에 대한 제 1 실시예의 구성도
도 11은 본 발명에 따른 프리즘을 사용한 다른 디스플레이 시스템의 광학계에 대한 제 2 실시예의 구성도
도 12은 본 발명에 따른 프리즘을 사용한 디스플레이 시스템의 광학계에 대한 제 3 실시예의 구성도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100 : 프리즘 110 : QWP
120 : 미러 150,170,340 : PBS
180 : 인터그레이터(Intergrator) 201,202,203,204,205 : 발광다이오드
300 : 조명 렌즈군 320 : DMD 패널
331,332 : TIR 프리즘 350 : LCOS 패널
360 : LCD 패널
본 발명은 발광 다이오드를 구비한 프리즘에 관한 것으로, 보다 상세하게는 프리즘에 각각 다른 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드를 장착하고, 발광 다이오드의 광들을 한 방향으로 합성하여 출사시킬 수 있으므로, 광원으로 사용할 수 있고, 구조가 간단하고 크기가 작아 광학계의 크기를 줄일 수 있으며, 저가로 양산할 수 있는 발광 다이오드를 구비한 프리즘에 관한 것이다.
일반적으로, 프로젝션(Projection) TV 또는 모니터에 적용되는 광원으로는 고압 수은 램프, 크세논(Xenon) 램프, 금속-할로겐화물(Metal-halide) 램프, 텅스텐-할로겐(Tungsten-halogen) 램프 등을 사용하였다.
그러나, 최근에는 수명과 색 및 효율이 좋은 발광 다이오드가 개발되면서 마이크로 소자(Micro Device, MD)를 사용하는 프로젝션 시스템에 적용을 검토하고 있는 추세이다.
이 발광 다이오드는 기존의 광원이 가시광 영역에 모든 부분에 걸쳐 발광하는 것과는 달리 녹색, 적색, 청색광의 작은 대역에 대하여 광을 발하는 특징을 가지고 있어, 쓰지 않는 광을 광학 필터를 사용하여 광학계 안에서 커팅(Cutting)하는 조작을 하지 않아도 되는 장점을 가지고 있다.
또한, 발광 다이오드를 DMD(Digital Micromirror device)를 사용하는 프로젝션 시스템에 적용하는 경우, 기존 램프를 사용하면서 시간에 따른 색을 변화시키기 위한 칼라 휠(Color-Wheel)과 같은 장치를 사용하지 않아도 되는 장점을 가지고 있다.
또, 한가지의 장점은 마이크로 소자를 사용한 프로젝션(Projection)에서 다 원색(Multi-Primary Color)를 이용한 광학계를 구현할 때, 발광 다이오드는 녹색, 적색, 청색 뿐만 아니라 오렌지, 시안(Cyan)과 같은 색으로 발광하는 것이 있기 때문에 종래의 램프에서 보다 우수한 칼라를 구현할 수 있다는 장점을 가지고 있다.
도 1은 종래 기술에 따라 발광 다이오드를 이용하여 광원으로 사용한 개념도로서, 청색 발광 다이오드(10)의 청색광을 제 1 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)(15)에서 반사시켜 제 2 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)(25)로 전달하고, 상기 제 2 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)(15)는 청색광을 투과하고, 녹색 발광 다이오드(20)의 녹색광을 반사시키면, 녹색광과 청색광은 합성되어 제 3 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)(35)으로 전달된다.
상기 제 3 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)(35)은 적색 발광 다이오드(30)의 적색광을 반사시키고, 이 적색광은 상기 제 3 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)(35)에서 투과된 녹색광, 청색광과 합성되어 원하는 광원으로 사용되게 된다.
하지만, 이런 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)를 사용한 광학계를 이용하여 각 발광 다이오드에서 방출된 녹색, 적색, 청색 등의 광을 동일한 경로(Path)로 진행시켜 합성하는 방법은, 광학계가 복잡해지고 광학계 크기가 커지며, 다원색(Multi-Primary Color)을 이용하는 광학계를 구현하기 어렵다는 문제점을 가지고 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 프리즘에 각각 다른 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드를 장착하고, 발광 다이오드의 광들을 한 방향으로 합성하여 출사시킬 수 있으므로, 광원으로 사용할 수 있고, 구조가 간단하고 크기가 작아 광학계의 크기를 줄일 수 있으며, 저가로 양산할 수 있는 발광 다이오드를 구비한 프리즘을 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 양태(樣態)는, 각각 다른 파장의 광을 방출하는 복수개의 발광 다이오드와;
상기 복수개의 발광 소자가 장착되며, 상기 복수개의 발광 소자 중 적어도 하나 이상의 파장의 광은 반사시키고 나머지 파장의 광의 P파(Primary wave)는 투과시키고, S파(Secondary wave)는 반사시키는 한 쌍의 제 1과 2 PBS(Polorization Beam Splitter)가 형성된 프리즘 바디로 이루어진 발광 다이오드를 구비한 프리즘이 제공된다.
상기한 본 발명의 목적들을 달성하기 위한 바람직한 다른 양태(樣態)는, 사각기둥 형상이고,
상기 사각기둥의 면에 녹색, 청색, 적색, 오렌지색, 시안(Cyan)색 발광 다이오드가 대응되어 장착되어 있고,
상기 사각기둥 내부에 제 1 PBS(Polorization Beam Splitter)가 형성되어 있고,
상기 제 1 PBS에 교차되는 제 2 PBS가 형성되어 이루어진 발광 다이오드를 구비한 프리즘이 제공된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같다.
도 2는 본 발명에 따른 발광 다이오드를 구비한 프리즘(Prism)의 개략적인 사시도로서, 프리즘(100)은 사각기둥 형상이고, 상기 사각기둥의 면에 녹색, 청색, 적색, 오렌지색, 시안(Cyan)색 발광 다이오드(201,202,203,204,205)가 대응되어 장착되어 있고, 상기 사각기둥 내부에 제 1 PBS(Polorization Beam Splitter)(150)가 형성되어 있고, 상기 제 1 PBS(150)에 교차되는 제 2 PBS(170)가 형성되어 구성된다.
도 3은 본 발명에 따른 프리즘의 제 1 PBS 주변에 장착된 발광 다이오드들을 도시한 단면도로서, 프리즘(100)의 제 1 PBS(150)는 적색광은 반사시키고, 녹색과 청색광 중 P파(Primary wave)는 투과시키고, S파(Secondary wave)는 반사시킨다.
즉, 녹색과 청색 발광 다이오드(202,203)는 제 1 PBS(150)를 기준으로 프리즘의 광출력 방향(A)과 반대의 방향에 있는 프리즘 영역에 장착되어 있고, 적색 발광 다이오드(201)는 상기 제 1 PBS를 기준으로 프리즘의 광출력 방향(A)에 있는 프리즘 영역에 장착되어 있는 것이 바람직하다.
도 4는 도 3의 발광 다이오드들에서 출사된 광이 합성되는 경로를 도시한 도면으로서, 적색 발광 다이오드(201)의 적색광은 제 1 PBS에서 반사되어 'A'방향으로 진행되고, 녹색과 청색 발광 다이오드(202,203)의 녹색광 및 청색광은 제 1 PBS에서 P파는 투과되어 'A'방향으로 진행되고, S파는 반사된다.
즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 적색 발광 다이오드(201)의 적색광은 제 1 PBS(150)에서 'a'경로와 같이 전부 반사되어 'A'방향으로 출력된다.
그리고, 청색 발광 다이오드(203)의 청색광의 P파는 제 1 PBS(150)에서 투과되어 'A'방향으로 출력되고, 청색광의 S파는 'c'경로로 상기 제 1 PBS(150)에서 반사되어 프리즘의 외주면에서 파장변환되어 P파로 반사되어 제 1 PBS(150)를 투과하게 된다.
상기 제 1 PBS(150)를 투과한 청색광의 P파는 프리즘의 외주면에서 S파로 파장변환되어 'A'방향으로 출력된다.
또한, 상기 녹색 발광 다이오드(202)의 녹색광은 상기 청색 발광 다이오드(203)의 청색광과 동일한 조건으로, 제 1 PBS(150)에 대하여 투과 및 반사하여 'A'방향으로 출력된다.
그러므로, 본 발명에 따른 프리즘은, 장착된 발광 다이오드들의 광들이 합성되어 한 방향(A방향)으로 출사되게 된다.
여기서, 도 9a와 9b에 도시된 바와 같이, 프리즘 바디의 외주면에는 외측방향으로 QWP(Quater wave plate)(110)와 미러(Mirror)(120)가 순차적으로 형성되어 있다.
이 때, 상기 제 1 PBS(150)에서 투과되지 못한 S파가 도 9a에 도시된 바와 같이 프리즘의 외주면에 도달되면, QWP(110)에서 P파로 편광 변환되고 미러(120)에서 반사되어 P파로 출력된다.
그리고, 상기 제 1 PBS(150)에서 투과된 P파가 프리즘의 외주면에 도달되면, 도 9b와 같이 QWP(110)에서 S파로 편광 변환되고 미러(120)에서 반사되어 S파로 출력된다.
도 5는 본 발명에 따른 발광 다이오드를 구비한 프리즘(Prism)에 있는 제 1 PBS의 반사 스펙트럼을 도시한 그래프로서, 프리즘의 제 1 PBS는 적색광은 전부 반사시키고, 청색, 시안(Cyan)색, 녹색과 오렌지색광의 P파는 투과시키고, S파는 반사시킨다.
도 6은 본 발명에 따른 프리즘의 제 2 PBS 주변에 장착된 발광 다이오드들을 도시한 단면도로서, 프리즘(100)의 제 2 PBS(170)는 적색광은 반사시키고, 녹색과 시안(Cyan)색의 광 중 P파는 투과시키고, S파는 반사시킨다.
즉, 녹색과 시안색 발광 다이오드(202,204)는 제 2 PBS(170)를 기준으로 프리즘(100)의 광출력 방향(A)과 반대의 방향에 있는 프리즘 영역에 장착되어 있고, 오렌지색 발광 다이오드(205)는 상기 제 2 PBS(170)를 기준으로 프리즘(100)의 광출력 방향(A)에 있는 프리즘 영역에 장착되어 있는 것이 바람직하다.
도 7은 도 6의 발광 다이오드들에서 출사된 광이 합성되는 경로를 도시한 도면으로서, 오렌지색 발광 다이오드(205)의 적색광은 제 2 PBS(170)에서 반사되어 'A'방향으로 출력되고, 녹색과 시안(Cyan)색 발광 다이오드(202,204)의 녹색광 및 시안색광은 제 2 PBS(170)에서 P파는 투과되어 'A'방향으로 진행되고, S파는 반사된다.
그러므로, 적색 발광 다이오드(201)의 적색광은 제 2 PBS(170)에서 'a'경로로 전부 반사되어 'A'방향으로 출력되고, 시안색 발광 다이오드(204)의 시안색광의 P파는 제 2 PBS(170)에서 투과되어 'A'방향으로 출력된다.
그리고, 시안색광의 S파는 'c'경로로 상기 제 2 PBS(170)에서 반사되어 프리즘의 외주면에서 파장변환되어 P파로 반사되어 제 2 PBS(170)를 투과하게 되고, 상기 제 2 PBS(170)를 투과한 청색광의 P파는 프리즘의 외주면에서 S파로 파장변환되어 'A'방향으로 출력된다.
도 8은 본 발명에 따른 발광 다이오드를 구비한 프리즘(Prism)에 있는 제 2 PBS의 반사 스펙트럼을 도시한 그래프로서, 프리즘의 제 2 PBS는 적색광과 오렌지색광은 전부 반사시키고, 청색, 시안(Cyan)색과 녹색광의 P파는 투과시키고, S파는 반사시킨다.
도 10은 본 발명에 따른 프리즘을 사용한 디스플레이 시스템의 광학계에 대한 제 1 실시예의 구성도로서, 발광 다이오드들이 구비된 프리즘(100)과; 상기 프리즘(100)의 발광 다이오드들에서 방출된 광의 광분포를 균일화하기 위기 위해 상기 프리즘(100)에 결합된 인터그레이터(Intergrator)(180)와; 상기 인터그레이터(180)를 통과한 광을 집속하는 조명 렌즈군(300)과; 상기 조명 렌즈군(300)을 통과한 광을 특정한 방향과 특정한 각으로 입사시키는 TIR(Total Internal Reflection Prism) 프리즘(331,332)과; 상기 TIR 프리즘(331,332)을 통하여 입사된 광의 각도를 변화시켜 출사시키는 DMD(Digital Mirror Device) 패널(320)로 구성된다.
한편, 최근에 널리 사용되고 있는 DMD 패널을 이용한 프로젝터가 대거 출시되고 있다. 이를 통상 DLP(Digital Light Processing) 프로젝터라 부른다.
상기 DLP 프로젝터에 사용되는 DMD(Digital Mirror Device)란 정방형인 소형 의 미세 거울들이 화소를 이루며 가로/세로로 배열되어 있고, 이 거울들은 각각 대각을 축으로 하여 외부의 전기적인 신호에 의하여 기울기(Tilting)가 이루어지기 때문에 이 거울에 광을 입사시키면 반사되는 광의 각도가 변화한다.
이때, 상기 광의 각도는 연속적인 각도의 변화가 이루어지지 않으며 오직 두 방향의 각만을 가지기 때문에 이의 위치를 이용하여 광을 컨트롤 할 수 있는 반사형 디지털 디스플레이 소자가 된다.
그리고, 상기 TIR 프리즘(331,332)은 2개의 프리즘이 미세한 공기간극을 두고 접합되어져 있어 입사되는 광이 첫 번째 프리즘(331)의 경계면에서 내부 전반사되어 DMD(320)로 입사하게 되고, 상기 DMD(320)는 화이트 신호시 화소 미러들의 기울기에 의하여 입사된 광과 다른 각도로 광을 출력시킴으로써, 상기 TIR 프리즘(331,332)에서 내부 전반사를 일으키지 않고 투과되는 동작을 하게 된다.
따라서, 본 발명에 따른 발광 다이오드가 구비된 프리즘은 DLP 프로젝터의 광학계의 광원으로 사용할 수 있는 것이다.
도 11은 본 발명에 따른 프리즘을 사용한 다른 디스플레이 시스템의 광학계에 대한 제 2 실시예의 구성도로서, 본 발명의 프리즘(100)은 LCOS(Liquid Crystal on Silicon) 패널을 사용하는 프로젝터의 광학계에서 광원으로도 사용될 수 있는데, 프리즘(100)이 결합된 인터그레이터(180)에서 조명 렌즈군(300)을 통한 광을 PBS(340)에 반사시키고, 반사된 광은 LCOS(Liquid Crystal on Silicon) 패널(350)에서 파장변환되어 출력시키도록 구성하면 된다.
도 12은 본 발명에 따른 프리즘을 사용한 디스플레이 시스템의 광학계에 대 한 제 3 실시예의 구성도로서, 프리즘(100)이 결합된 인터그레이터(180), 조명 렌즈군(300)와 LCD 패널(360)을 순차적으로 직렬로 정렬시키면, 프리즘(100)의 발광 다이오드에서 방출된 광은 인터그레이터(180)와 조명 렌즈군(300)을 통하여 LCD 패널(360)에 입사되고, LCD 패널(360)에서 투과되어 출력되는 LCD 패널을 사용하는 프로젝터의 광학계에서 광원으로 이용될 수 있다.
이상 상술한 바와 같이, 본 발명은 프리즘에 각각 다른 파장의 광을 방출하는 발광 다이오드를 장착하고, 발광 다이오드의 광들을 한 방향으로 합성하여 출사시킬 수 있으므로, 광원으로 사용할 수 있고, 구조가 간단하고 크기가 작아 광학계의 크기를 줄일 수 있으며, 저가로 양산할 수 있는 효과가 있다.
본 발명은 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.

Claims (8)

  1. 각각 다른 파장의 광을 방출하는 복수개의 발광 다이오드와;
    상기 복수개의 발광 다이오드가 장착되며, 상기 복수개의 발광 다이오드 중 적어도 하나 이상의 파장의 광은 반사시키고 나머지 파장의 광의 P파(Primary wave)는 투과시키고, S파(Secondary wave)는 반사시키는 한 쌍의 제 1과 2 PBS(Polorization Beam Splitter)가 형성된 프리즘 바디로 이루어진 발광 다이오드를 구비한 프리즘.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수개의 발광 다이오드는,
    녹색, 청색, 적색, 오렌지색과 시안(Cyan)색 발광 다이오드인 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 구비한 프리즘.
  3. 사각기둥 형상이고,
    상기 사각기둥의 면에 녹색, 청색, 적색, 오렌지색, 시안(Cyan)색 발광 다이오드가 대응되어 장착되어 있고,
    상기 사각기둥 내부에 제 1 PBS(Polorization Beam Splitter)가 형성되어 있고,
    상기 제 1 PBS에 교차되는 제 2 PBS가 형성되어 이루어진 발광 다이오드를 구비한 프리즘.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 프리즘의 제 1 PBS는,
    적색광은 전부 반사시키고;
    청색, 시안(Cyan)색, 녹색과 오렌지색광의 P파는 투과시키고, S파는 반사시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 구비한 프리즘.
  5. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 프리즘의 제 2 PBS는,
    적색광과 오렌지색광은 전부 반사시키고;
    청색, 시안(Cyan)색과 녹색광의 P파는 투과시키고, S파는 반사시키는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 구비한 프리즘.
  6. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 녹색과 청색 발광 다이오드는 제 1 PBS를 기준으로 프리즘의 광출력 방 향과 반대의 방향에 있는 프리즘 영역에 장착되어 있고,
    적색 발광 다이오드는 상기 제 1 PBS를 기준으로 프리즘의 광출력 방향에 있는 프리즘 영역에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 구비한 프리즘.
  7. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 녹색과 시안색 발광 다이오드는 상기 제 2 PBS를 기준으로 프리즘의 광출력 방향과 반대의 방향에 있는 프리즘 영역에 장착되어 있고,
    상기 오렌지색 발광 다이오드는 상기 제 2 PBS를 기준으로 프리즘의 광출력 방향에 있는 프리즘 영역에 장착되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 구비한 프리즘.
  8. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,
    상기 프리즘 바디의 외주면에는 외측방향으로 QWP(Quater wave plate)와 미러(Mirror)가 순차적으로 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 발광 다이오드를 구비한 프리즘.
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