KR100702420B1

KR100702420B1 - 광각 편광 빔 스플리터를 이용한 반사 ｌｃｄ 투사형 시스템

Info

Publication number: KR100702420B1
Application number: KR1020017014626A
Authority: KR
Inventors: 브루존찰즈엘; 오스틴데이빗제이더블유; 스트라스키로저제이; 액카르트스테펜케이; 웨버마이클에프; 보이드게리티
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 캄파니
Priority date: 1999-05-17
Filing date: 2000-05-16
Publication date: 2007-04-04
Also published as: DE60007117T2; US20030184864A1; EP1181617A1; KR20020041787A; WO2000070386A1; US6721096B2; EP1181617B1; US6486997B1; TW459146B; JP4638056B2; MXPA01011639A; DE60007117D1; CA2387982A1; JP2002544561A

Abstract

본 발명은 광각 카티젼 편광 빔 스플리터, f/#≤2.5인 광 밸브 조사 광학체와, 적어도 하나의 반사 광 밸브를 포함하는 광학 이미지 시스템에 관한 것이다. 이 카티젼 편광 빔 스플리터(PBS)는 고정 편광 축을 형성하는 구조 방향을 가진다. 카티젼 PBS의 사용에 의해, 보다 높은 광 출력을 제공하고, 또 다른 광학 소자를 대체 또는 증가하는 만곡된 PBS를 이용한 시스템의 개발을 가능하게 할 수 있다. 광각 카티젼 편광자의 특성을 인식하여 바람직하게 적용함으로써, 본 발명은 투사 시스템 구성 중에서 적어도 1200:1, 또는 더욱 바람직하게는 150:1의 콘트라스트비를 유지하면서, f/2.5 이하의 f/#으로 기능할 수 있는 고효율의 광학 이미지 시스템을 개시하고 있다.

Description

광각 편광 빔 스플리터를 이용한 반사 ＬＣＤ 투사형 시스템{REFLECTIVE LCD PROJECTION SYSTEM USING WIDE-ANGLE POLARIZING BEAM SPLITTER}

본 발명은 편광 빔 스플리터(PBS)를 구비한 광학 이미지 시스템에 관한 것이다. 상세하게는, 본 발명은 반사성 이미저(imager)와, 고정된 편광 각을 갖는 카티젼 광각 편광 빔 스플리터("PBS")를 구비한 광학 이미지 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 광학 이미지 시스템은 "고속"(낮은 f-수) 광 빔에 사용할 수 있는 한편, 높은 콘트라스트비를 제공할 수 있다. 용어 "광학 이미지 시스템"은 전면(front) 및 후면(rear) 투사형 시스템, 투사형 디스플레이 시스템, 헤드 장착형 디스플레이 시스템, 가상 뷰어, 헤드 업 디스플레이 시스템, 광 연산, 광 상관 및 다른 동일한 광 뷰잉 및 디스플레이 시스템을 포함한다.

광학 이미지 시스템은 투과성 또는 반사성 이미저, 즉 광 밸브를 포함하기도 한다. 종래의 투과성 광 밸브는 광 빔의 일부를 통과시켜 이미지를 형성한다. 바로 그 기능에 의해, 투과성 광 밸브는 반투명하고 광을 통과시킨다. 반사 광 밸브는 입력 빔의 선택된 부분만을 반사시켜 이미지를 형성한다. 반사 광 밸브는 조절 회로를 반사 표면 아래에 배치함으로써 중요한 이점을 제공하고, 보다 진보된 집적 회로 기술은 기판 재료가 그들의 불투명성에 의해 제한되지 않을 경우 이용하게 된다. 잠재적으로 저가이고 컴팩트한 새로운 액정 컬러 디스플레이(LCD) 투사기 구성은 반사형 LC 마이크로디스플레이의 사용에 의해 가능해질 수 있다.

반사 LCD 이미저에 기초한 투사 시스템에 있어서, 조사 빔 및 투사 이미지가 편광 빔 스플리터와 이미저 사이에서 동일한 물리적 공간을 공유하는 접힌 광 경로는 바람직한 컴팩트 구성을 제공한다. 본 발명은, p와 s 편광 상태간의 판별에 기초하여 PBS를 이용한 종래의 광학 이미지 시스템의 조사 광학체의 f/#를 제한하는 "편극 소거 캐스케이드" 문제점을 분석하여 알아본다. 대부분의 반사 LCD 이미저는 편광 회전한다. 즉, 편광은 가장 어두운 상태에 대하여 실질적으로 변경되지 않은 편광 상태로 투과되거나, 또는 소망의 그레이 스케일을 제공하도록 부여된 편광 회전 각도로 투과된다. 90°회전은 상기 시스템에서 가장 밝은 상태를 제공한다. 이에 따라, 광의 편광 빔은 대개 반사 LCD 이미저에 입력 빔으로서 사용된다. 편광 빔 스플리터(PBS)를 사용함으로써 입력 빔을 편광하고 광 경로를 폴딩하는 것에 대한 매력적인 설계 대안을 제공하게 된다.

PBS는 입사 광을 제1 편광 성분 및 제2 편광 성분으로 분할하는 광학 소자이다. 종래의 PBS의 기능은 광의 입사면, 즉 입사 광선에 의해 형성되고 편광면에 수직인 평면에 기초하고 있다. 또한, 입사면은 반사면으로 칭해지기도 하며, 반사된 광선에 의해 형성되고 반사면에 수직이다.

종래 편광자의 동작에 기초하여, 광은 2개의 편광 성분, 즉 p-성분과 s-성분을 가지는 것으로 기술되고 있다. p-성분은 입사 평면의 편광에 대응하고, s-성분은 입사 평면에 수직인 편광에 대응한다.

광학 이미지 시스템의 최대 예상 효율을 달성하기 위해서는, 낮은 f/# 시스템이 바람직하다(F.E. Doany et al., Projection display throughput; Efficiency of optical transmission and light-source collection, IBM J Res.Develop. V42, May/July 1998, pp.387-398 참조). f/#은 광학 렌즈의 집광 능력을 측정하고 수학식 1과 같이 정의된다.

f/#(또는 F)은 광학 소자를 조사하는 데 사용될 수 있는 광원뿔의 크기를 측정한다. f/#가 작을수록 렌즈는 고속이 되고 광학 소자에 사용될 수 있는 광원뿔은 더욱 커지게 된다. 보다 큰 광원뿔은 대체로 보다 높은 광 효율로 이행한다. 따라서, 고속(최저의 f/#) 조사 시스템은 보다 넓은 범위의 입사각을 갖는 광선을 수용할 수 있는 PBS를 필요로 한다.

최대 입사각 θ_max(광원뿔의 외부 광선)는 f/#, F로부터 다음의 수학식 2와 같이 수학적으로 유추될 수 있다.

종래의 접힌 광 경로 광학 이미지 시스템은 맥네일(MacNeile) 편광자로서 알려진 광학 소자를 사용하여 왔다. 맥네일 편광자는 브루스터각이라 칭해지는 각도가 존재하는 것을 이용하고 있으며, 굴절률이 상이한 2개 매질간의 인터페이스로부터 어떠한 p-편광도 반사되지 않는다. 브루스터각은 다음의 수학식 3과 같다.

여기서, n₀는 한 매질의 굴절률이고, n₁은 나머지 매질의 굴절률이다. 입사 광선의 입사각이 브루스터각에 도달한 경우, 반사된 빔 부분은 입사 평면에 수직인 평면에서 편광된다. 투과된 빔 부분은 입사 평면에 평행한 평면에서 우선적으로(완벽하게는 아니지만) 편광된다. s-편광의 효율적인 반사를 달성하기 위하여, 맥네일 편광자는 소망 각도에 대한 브루스터각 조건을 충족시키는 재료로 된 다층의 박막으로 구성된다. 박막 두께는 박막 층 쌍이 사분파 적층을 형성할 수 있도록 선택된다.

이러한 구성은 브루스터각 조건이 파장(재료에서의 분산 제외)과 무관하다는 점에서 이점이 있다. 그러나, 맥네일 편광자는 한 쌍의 재료에 대한 브루스터각 조건이 하나의 입삭각에만 엄밀히 충족되기 때문에 광각 성능을 달성하기에는 어려움이 있다. 입사각이 상기 브루스터 각으로부터 벗어날 경우에는 스펙트럼의 불균일한 누설이 발생한다. 이러한 누설은 박막 적층상의 입사각이 브루스터각 보다 더 수직으로 될 경우에 특히 심각하다. 또한, 후술되는 바와 같이, 각 광선의 반사 평면에 관하여 p, s-편광의 사용에 관련된 접힌 광 경로 투사기에는 정반대의 단점이 있다.

통상적으로, 맥네일 PBS는 글래스 큐브 내에 포함되며, PBS 박막 적층은 큐브의 대각선 평면을 따라 인가된다. 글래스 큐브에서 글래스 굴절률을 적절하게 선택함으로써, PBS는 큐브의 표면에 수직인 입사 광이 PBS의 브루스터각으로 입사하도록 구성될 수 있다. 그러나, 큐브 사용은 구성 소자의 편광 성능을 저하시키는 열 변형력에 의해 유도되는 복굴절의 발생과 관련하여 몇가지 단점을 발생시킨다. 값비싼 사전 어닐링 처리된 큐브에도 이러한 어려움이 발생하게 된다. 또한, 큐브는 컴팩트 시스템에 상당한 무게를 가중시킨다.

f/#가 f/2.5 정도로 낮은 경우에 s-편광 및 p-편광을 판별할 수 있는 동시에, 순수 s 편광 또는 순수 p 편광의 입사 빔 사이에서 100:1을 초과하는 소광 레벨(extinction level)을 제공하는 맥네일형 PBS가 개발되어 왔다. 후술하는 바와 같이, 맥네일형 PBS가 반사성 이미저를 가진 접힌 광 경로에 사용되는 경우, 콘트라스트는 주요 광선의 반사 평면에 대하여 회전되는 반사 평면을 갖는 광선의 편광 소거로 인해 저하된다고 하는 단점이 있다. 후술되는 바와 같이, 용어 "편광 소거(depolarization)"은 주요 광선의 편광 상태로부터 광선의 편광 상태의 벗어남을 나타낸다. 투사 시스템의 광이 대체로 원뿔과 같이 투사되는 경우, 대부분의 광선은 주요 광선에 완전히 평행하지 않다. 편광 소거는 f/#가 감소함에 따라 증가하고, 컬러 선택 필름으로부터의 다음 반사에서 증대된다. 이 "편광 소거 캐스케이드(depolarization cascade)"는 투사기에 기초한 맥네일 PBS의 f/#를 약 3.3으로 효율적으로 제한하도록 임의의 광학 이미지 시스템 설계자에 의해 계산되어 왔으며, 이로 인해 이 시스템의 광 처리 능력 효율을 제한하게 된다. A.E. Rosenbluth et al., Contrast properties of reflective liquid crystal light vlaves in projection displays, IBM J. Res. Develop. V42, May/July 1998, pp.359-386(이후 "로젠블루쓰 콘트라스트 특성"이라 함) 참조하고, 그 관련 부분은 본 명세서에 포함된 것으로 한다.

최근에, 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩츄어링사는 새로운 형태의 복굴절 중합체 다층 편광 필름("3M 신형 필름")을 개발하여 왔다. 공동 양도되어 계류중인 모출원 49837USA6E 빔 스플리터는, 편광 빔 스플리터와 같은 필름의 사용에 대하여 기술하고 있다. 유럽 특허 출원 EP 0 837 351 A2에서는 "광각" 반사성 편광자를 갖는 투사 디스플레이 장치에 3M 이중 밝기 강화 필름(DBEF), 초기의 3M 다층 필름 재료를 이용하는 것을 시도하고 있다. 이러한 참고 문헌은 p, s 미분에 관한 것이며, 공통 반사성 편광자로서 3M 재료를 사용하고 있다. 또한, "광각" 성능이 설계 목적에 광범위하게 인식되고 있지만, "광각"에 대한 참조 문헌은 콘트라스트 리미트, 스펙트럼 누설 감소 및 이러한 목적들을 달성하기 위한 방법에 관한 교시가 결여되어 있다는 점에서 무의미하다. 3M 제품 "DBEF"는 수직 입사 시에 블록 방향 누설이 통상 4~6퍼센트인 반사성 편광자이다. 각도가 큰 경우, 누설은 다소 감소되지만, 45°인 경우 통상적으로 여전히 소광이 다소 발생한다. DBEF를 사용할 경우의 콘트라스트비는 백색광에 대하여 99:1 또는 그 이하의 최대치로 제한된다. 그러나, DBEF는 조사 소스의 특성 및 정밀한 DBEF 샘플에 따라서 25:1 정도로 낮게 임의 컬러 대역의 콘트라스트비를 감소시키는 스펙트럼 누설을 발생시킨다. 우수한 성능을 얻기 위하여, 양호한 스크린 균일성 및 어두운 상태에서의 스펙트럼 누설의 결여가 모든 관련 컬러 밴드의 양호한 평균 콘트라스트를 수반하는 것이 바람직하다.

광각의 고속 광학 성분을 포함하고, 콘트라스트가 높은 이미지를 뷰잉 또는 디스플레이할 수 있는 광학 이미지 시스템이 여전히 요구되고 있다.

본 발명은 광각 "카티젼" 편광자 빔 스플리터("PBS")를 구비하는, 바람직하게는 그것을 이용하는 광학 이미지 시스템에 대하여 기술하고 있다. 카티젼 PBS는 PBS로 정의되며, 각 빔의 편광은 PBS 필름의 불변 직교 주축으로 칭해진다. 맥네일 PBS와는 달리, 카티젼 PBS에서 각 빔의 편광은 실질적으로 빔의 입사 각도와는 무관하다. 또한, 카티젼 PBS 필름 사용으로 인해, 보다 높은 광 출력을 제공하거나 또는 다른 광학 성분을 대체 또는 증가시키는 만곡 PBS를 사용하는 시스템 개발이 가능하였다.

광각 PBS는, PBS가 최대 11°또는 그 이상의 입사각을 갖는 광원뿔을 수용할 수 있고, 용인 가능 시스템 콘트라스트를 유지할 수 있을 때 형성된다. 광각 카티젼 편광자의 특성을 인식하고 바람직하게 적용함으로써, 본 발명은 f/2.5 이하의 f/#을 갖는 경우 동작할 수 있고, 투사 시스템 구성에서 적어도 100:1, 더욱 바람직하게는 150:1의 콘트라스트비를 유지할 수 있는 고효율 광학 이미지 시스템에 대하여 기술하고 있다.

본 발명에 따른 광학 이미지 시스템은 광각 카티젼 편광 빔 스플리터, f/#≤2.5인 광 밸브 조사 광학체, 적어도 하나의 반사성 광 밸브를 포함한다. 카티젼 편광 빔 스플리터(PBS)는 고정된 편광축을 형성하는 구조 방향을 갖는다. 반사성 카티젼 PBS는 재료축(Material Axis)으로 칭해지는 고정축을 따라 편광되는 광 빔의 성분을 실질적으로 반사한다. 재료 축을 따라 편광되지 않은 광 빔 성분이 실질적으로 투과된다. 따라서, 편광 빔 스플리터는 고정 편광 축으로 칭해지는 편광 상태를 갖는 제1 및 제2의 실질적으로 편광된 빔으로 입사 광을 분할하고, 그 제1 편광된 빔을 반사성 광 밸브로 전송한다. 예시적인 실시예에서, 카티젼 PBS는 3M 신형 필름을 포함한다. 다른 예시적인 실시예에서, 카티젼 PBS는, 예를 들면, Schnabel et al., "Study on Polarizing Visible Light by Subwavelengh-Period Metal-Stripe Gratings", Optical Engineering 38(2), pp.220-226, February 1999에 기술된 것과 같은 와이어 그리드 편광자를 포함할 수도 있으며, 이와 관련된 부분은 참조로 본 명세서에 포함되어 있다. 다른 적절한 카티젼 편광자가 사용될 수도 있다.

광 밸브 조사 광학체는 f/#가 최대 2.5이고 최소 원뿔 각도가 약 12°이며, 시스템은 이상적인 이미저를 사용할 경우 100:1을 초과하는 콘트라스트비를 가진다. 양호한 실시예에서, 콘트라스트비는 150:1을 초과하고, 조사 광학체는 2.0 이하의 f/#을 갖는다. 조사 광학체는 광 빔을 조절(예를 들면, 사전 편광, 균질화 및 여과)하는 광학체이다. f/#는 이미저에 입사하는 광 빔과 관련된다.

광 밸브는 스메틱 또는 네마틱 액정 광 밸브를 포함하는 편광 변조 광 밸브일 수 있다. 광학 이미지 시스템은 입력 광을 사전 편광된 광으로 편광하는 사전 편광자를 더 포함하며, 사전 편광된 광은 편광 빔 스플리터의 입사 광을 포함한다. 또한, 광학 이미지 시스템은 컬러 분리/재결합 프리즘, 또는 미러 및 복수의 반사성 광 밸브를 포함하기도 한다. 프리즘은 편광 빔 스플리터로부터 편광된 광을 수광하고, 그 편광된 광을 컬러 분리하여 편광된 컬러 빔을 각각의 광 밸브로 보낸다. 광학 이미지 시스템은 입사 광을 공급하는 적절한 광원을 포함하기도 한다.

다른 실시예에서, 반사성 광 밸브는 적어도 제1 편광 빔의 일부를 원래의 편광 빔 스플리터로 다시 반사시키거나 또는 제2 PBS로 반사시킨다.

도 1은 본 발명에 따른 광학 투사 시스템의 개략 평면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 광학 투사 시스템의 제2 실시예에 관한 개략 평면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 광학 투사 시스템의 제3 실시예에 관한 개략 평면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 광학 투사 시스템의 제4 실시예에 관한 개략 평면도이다.

도 5는 광학 시스템에서 하나 이상의 빔 형성 렌즈 대신에 사용될 수 있는 만곡 PBS의 투시도이다.

도 6은 3M 다층 중합체 PBS 필름에 2차원 곡률을 부여하는 수단을 도시한 도면이다.

도 7은 만곡 PBS를 사용한 마이크로-디스플레이의 광학 열(train)을 도시한 도면이다.

도 8은 광원이 이미저 위에 있는 실시예를 도시하고 있으며, 만곡 QWM은 만 곡 카티젼 PBS를 통해 초기에 투과된 입사 광의 편광을 회전하는데 사용된다.

도 9는 소형 렌즈형 카티젼 PBS를 포함하는 광학 이미지 시스템을 나타내는 도면이다.

도 10은 이중 만곡 카티젼 PBS 및 이중 광원 평면을 포함하는 광학 이미지 시스템을 나타내는 도면이다.

도 11은 주요 광선 및 수평으로 각을 이루는 경사 광선에 대한 광선 도해의 투시도이다.

도 12는 수직으로 각을 이루는 2가지 형태의 경사 광선에 대한 광선 도해의 투시도이다.

도 13은 주요 광선 및 수직으로 경사진 광선의 경로를 나타내는 PBS의 입사측의 등각투영도이다.

도 14는 동일 광선의 경로를 나타내는 도 13에 도시된 PBS의 출구측의 등각투영도이다.

도 15는 동일 광선의 경로를 나타내는 도 13에 도시된 PBS의 상면도이다.

도 16은 동일 광선의 경로를 나타내는 도 13에 도시된 PBS의 입사측의 정면도이다.

도 17은 광선 경로 및 반사 광선의 편광을 나타내는 맥네일 PBS의 출구측의 등각 투영도이다.

도 18은 PBS 및 반사성 이미저에서 벗어나 반사되는 경사 광선의 경로의 단순 투시도이다.

도 19는 광선 경로 및 반사 광선의 편광을 나타내는 도 2에 도시된 카티젼 PBS의 출구측의 등각 투영도이다.

도 20은 광선 경로 및 반사 광선의 편광을 나타내는 회전된 카티젼 PBS의 출구측의 투시도이다.

도 21은 PBS로 사용되는 3M DBEF를 포함하는 광학 이미지 시스템의 동공 이미지의 투영이다.

도 22는 맥네일 PBS를 포함한 광학 이미지 시스템의 동공 이미지의 투영이다.

도 23은 광각 카티젼 PBS를 포함한 본 발명에 따른 광학 이미지 시스템의 동공 이미지의 투영이다.

도 24는 3M 신형 필름 카티젼 PBS 및 맥네일 PBS를 이용한 광학 이미지 시스템의 모델링된 편광 소거 콘트라스트비 대 f/#의 그래프이다.

도 25는 3M 다층 중합체 카티젼 PBS 및 맥네일 PBS를 이용한 광학 이미지 시스템의 모델링된 편광 소거 콘트라스트비 대 수용각의 그래프이다.

도 26은 선형 소광 편광자를 통과한 후 초기에 편광되지 않은 광의 편광 상태의 코노스코픽 챠트이다.

도 27은 다층 중합체 반사성 PBS로부터 반사되고, (도 2에서와 같이) 반사 편광축을 중심으로 주요 광선 방향에 대하여 45°만큼 회전되는 초기 편광되지 않은 광의 편광 상태의 코노스코픽 챠트이다.

도 28은 3M DBEF의 시트로부터 반사되고 도 27에서처럼 회전된 후 초기 편광되지 않은 광의 편광 상태의 코노스코픽 챠트이다.

도 29는 맥네일 PBS로부터 반사된 후 초기 편광되지 않은 광의 편광 상태의 코노스코픽 챠트이다.

도 30은 다층 중합체 반사성 PBS로부터 반사되고, 투과 편광축을 중심으로 주요 광선에 대하여 45°만큼 회전된 후 초기 편광되지 않은 광의 편광 상태의 코노스코픽 챠트이다.

도 31은 제1 편광자와 평행한 평면 상에 놓여 있는 제2 동일 편광자를 이용하여 분석되는 수직으로 지향된 선형 편광자의 코노스코픽 콘트라스트비 등고선 플롯이다.

도 32는 y-지향되는 선형 편광자의 코노스코픽 콘트라스트비 등고선 플롯이며, 양축 다층 중합체 반사 편광자는 y-축에 평행한 반사축 및 x-y 평면에 대하여 45°로 방향지어진 수직 표면을 가지며, 분석 편광자는 y-z 평면에 있다. 반사성 편광자는 광범위한 각도에 관하여 LCD의 밝기를 강화시키도록 설계되었다.

도 33은 x-y 평면에 있는 y-지향의 선형 편광자의 코노스코픽 콘트라스트비 등고선 플롯이며, 45° 맥네일 큐브형 반사성 편광자는 y-축에 평행한 경사 축을 가지며, 분석 편광자는 y-z 평면에 있다.

도 34는 x-y 평면에 있는 y-지향되는 선형 편광자의 코노스코픽 콘트라스트비 등고선 플롯이며, 양축 다층 중합체 반사성 편광자는 y-축에 평행한 반사축과 x-y 평면에 대하여 45°로 방향지어진 수직 표면을 가지며, 분석 편광자는 y-z 평면에 있다. 이 실시예에서, 반사성 편광자는 카티젼 편광 빔 스플리터로서 기능하도록 설계된다.

도 35는 x-y 평면에 있는 x-지향의 선형 편광자의 코노스코픽 콘트라스트비 등고선 플롯이며, 양축 다층 중합체 반사성 편광자는 y-축에 평행한 투과축과 x-y 평면에 대하여 45

의 수직 표면을 가지며,분석 편광자는 y-z 평면에 있다. 이 실시예에서 반사성 편광자는 카티젼 편광 빔 스플리터로서 기능하도록 설계된다.

도 1 내지 도 4는 본 발명에 따른 광학 이미지 시스템의 예시적인 실시예를 개략적으로 도시하고 있다. 본 발명은 바람직하게는 카티젼 PBS 및 고속 조사 광학체를 구비하여 이용하도록 설계된 다양한 광학 이미지 시스템을 기술하고 있다. 편의상, 동일 소자는 2개의 최종 십진수가 동일한 참조 부호에 의해 식별되지만, 이러한 명명이 본 발명의 범위를 한정하지는 않는다.

카티젼 PBS가 편광의 고정 재료축을 가지기 때문에, 본 발명은 맥네일 PBS의 종래의 p 및 s축 보다는 카티젼 PBS의 x 및 y축에 관련된 편광 성분을 갖는 광에 관하여 기술하고 있다. 도 1 내지 도 4의 모든 주요 광선에 대하여, x-성분은 반사 평면 내에 포함되는 편광 방향을 가지기 때문에 주요 광선의 p-편광과 동일하고, y-성분은 반사 평면에 수직으로 지향되는 E 자계를 가지기 때문에 주요 광선의 s-편광과 동일하다.

도 1은 광 빔(14)을 제공하는 광원(12)을 포함하는 광학 디스플레이 시스템, 즉 광학 이미지 시스템(10)을 도시하고 있다. 광원(12)은 램프(11) 및 반사기(13)를 포함한다. 적절한 램프는 크세논, 백열, 레이저, LED, 금속 할로겐화 아크 또는 고압 수은 광원을 포함한다. 광 빔(14)은 광을 사전 편광하는 조사 광학체(15)를 통과하여 카티젼 PBS 소자(50)에 충돌한다.

카티젼 PBS 소자(50)는 글래스 큐브(54)에 포함되는 3M 신형 다층 중합체 필름(3M 신형 필름) 층(52)을 포함하고, 입사 광을 y 편광으로 반사시키도록 지향된다.

맥네일 PBS 시스템이 브루스터각을 소망의 값(통상 45°)으로 조정하는데 요구되는 특정 굴절률을 제공하는 글래스 큐브에 끼워지도록 구성되는 것이 통상이지만, 본 발명의 예시적인 카티젼 PBS는 그렇게 구성되어 있지 않다. 와이어 그리드 편광자 또는 3M 신형 필름 편광자는, 큐브 구성에 사용될 수도 있지만 단독으로 사용될 수도 있다(도 2 및 도 3 참조). 본 발명의 실시예에 사용되는 대부분의 3M 신형 필름 편광자는 글래스 시트 사이에서 가장 잘 동작하거나, 또는 박막으로서 동작한다. 즉, 광이 재료 매질에 입사할 때 박막을 통과하는 투과각이 스넬의 법칙에 의해 필름에 대하여 수직으로 회전되는 구성의 박막으로서 동작한다. 임의 굴절률의 글래스 큐브에서 잘 동작하는 다른 3M 신형 다층 필름 PBS가 제공되어 왔으며, 광이 대기로부터 재료 매질에 입사할 때 필름을 통과하는 투과각은 필름에 대하여 수직으로 회전되지 않는다.

글래스 큐브에서 잘 동작하는 필름은 각 층에 대하여 특히 필름 표면에 수직 방향으로 적절한 값의 이방성 굴절률을 확보하기 위한 추가 요구 조건을 가진다. 특히, 교호 층의 필름 두께 방향의 굴절률은 이상적으로 동일하다. 또한, 편광자의 X 방향(통과 방향)의 굴절률도 동일하다. 편광자가 모든 입사각에 대하여 통과 축을 따라 높은 투과성을 가지기 때문에, 교호 층의 X 및 Z(필름에 수직) 굴절률은 반드시 일치되어야 한다. X 및 Z 굴절률을 일치시키기 위해서는 X 굴절률만이 일치될 때 사용된 것과는 다른 재료 세트를 필요로 한다. 예전의 3M 다층 필름, 예를 들면 3M 상표 "DBEF" 필름은 과거에 X 굴절률이 일치하도록 제조되었다.

모든 층의 X 및 Z 굴절률을 일치시키는 방법은 참 단축 신장(true uniaxial stretch)을 부가하는 것이며, 이때 Y 방향으로 신장되는 동안 X 및 Z 방향 양쪽으로 완화(즉, 수축)될 수 있다. 이러한 방법에서, X 및 Z 굴절률은 소정의 층에서 동일하다. 제1 재료의 X 굴절률과 일치하는 제2 재료가 선택된 경우, Z 굴절률도 제2 재료층이 동일한 신장 상태에 있기 때문에 동일하다.

많은 실제 응용에서, 층들간의 근소한 Z 굴절률 불일치는 광이 필름 층에 입사하는 각도에 따라 용인 가능하다. 그러나, 필름이 글래스 프리즘 사이에 적층되는 경우, 즉 높은 굴절률 매질에 투입되는 경우, 광선은 필름 평면에 수직으로 구부러지지 않는다. 이 경우, 광선은 대기로부터의 입사에 비해 훨씬 크게 Z 굴절률 불일치를 감지하게 되고, X-편광된 광선은 부분 반사되거나 또는 매우 강하게 반사되게 된다. 광선이 필름 내부에 수직인 필름에 입사하는 각도가 클수록 Z 굴절률 불일치는 근소하게 된다.

Z 굴절률 불일치의 허용 크기는 Y 굴절률 불일치와 항상 관련된다. 왜냐하면, 후자의 크기는 편광자 박막 적층에 요구되는 층의 수를 결정하기 때문이다. 박막 적층의 총 반사율은 굴절률 불일치 Δn과 적층의 층 수 N에 의해 동일하게 제어되며, 즉

은 적층의 반사율을 결정한다. 예를 들면, 동일 반사율의 필름을 제공하기 위하여, 단지 층 수가 절반인 경우에는 층들간에 2배의 굴절률 차분 을 요구한다. Δn_z/Δn_y비는 제어되어야 하는 관련 파라미터이다. 대기중에서 사용될 수 있는 빔 스플리터 필름에 있어서, Δn_z/Δn_y비는 바람직하게는 0.5 보다 작고, 더욱 바람직하게는 0.2보다 작다. 글래스와 같은 보다 높은 굴절률 매질에 투입되는 필름에 있어서, Δn_z/Δn_y비는 바람직하게는 0.2 보다 작고, 더욱 바람직하게는 0.1보다 작으며, 가장 바람직하게는 0.05보다 작다.

또한, Δn_x는 Δn_y에 비해 매우 작아야 하며, Δn_z가 매우 작은 경우에는 Δn_x/Δn_y비는 대기중에 사용되는 필름에 대하여 바람직하게는 0.1 보다 작다. 투입된 필름에 대하여, 상기 비는 바람직하게는 0.1보다 작고, 가장 바람직하게는 0.01보다 작다. 그러나, 그 관련 부분이 참조로 본 명세서에 포함되고 있는 공동 양도된 미국 특허 출원 제08/958,329호에 기술되는 바와 같이, Δn_z가 제로가 아닌 경우, X 굴절률의 근소한 불일치는 p-편광의 투과를 향상시키는데 사용될 수 있다.

Z 굴절률 불일치는 s-편광의 투과와 무관하다. 당연히, s-편광은 필름의 Z 복굴절률을 감지하지 못한다. 그러나, 후술되는 바와 같이, 여러 방위각에서 복굴절 다층 편광자의 반사 특성은, 빔 스플리터가 y-편광(거의 s-편광)을 반사하고 x-편광(거의 p-편광)을 투과시키도록 구성된 경우 투사 시스템 성능이 우수하다는 것이다. y-편광(거의 s-편광)을 반사하고 x-편광(거의 p-편광)을 투과시키는 빔 스플리터는 주요 광축을 따라 잘 동작하지만, 유한 원뿔각을 갖는 광선에 대하여 콘트라스트는 원뿔각이 증가함에 따라 고속으로 저하한다. 큐브에 투입된 필름에 대하여, 이러한 문제점은 더욱 심각해진다. 큰 원뿔각을 가지며 높은 콘트라스트비를 요구하는 광학 시스템에 있어서, 양호한 PBS 구성은 y-편광을 반사하고 x-편광을 투사한다.

큐브 구성의 사용은, 경사진 글래스 슬랩을 통과하는 광에 의해 생성되는 것과 같은 비점수차에 대한 감도가 높은 경우나, 또는 감소된 광 경로 길이가 중요한 경우에 특히 바람직하다. 큐브 구성은 맥네일 편광자와 마찬가지로 열에 의해 유도되는 변형력 광 효과를 받게 되고 가중치가 증대한다고 하는 단점을 가진다.

도 1을 참조하면, 빔(14)의 y-성분을 포함하는 편광된 빔(18)은 컬러 스플리터/재결합 프리즘(36)으로 전송되며, 이 프리즘은 y-편광된 빔(18)을 3개의 서브 빔(20, 22, 24)으로 분할한다. 편광된 서브 빔(20, 22, 24)은 반사되어 각각 불충분한 적색, 녹색 및 청색 반사 이미저(26, 28, 30)로 변조된다. 대체로, 현행의 반사 LCD 광 밸브는 고정 카티젼 좌표에 잘 묘사되는 어두운 상태 및 밝은 상태의 정상 축 및 이상 축을 가지며, 카티젼 PBS의 고정 편광축은 이미저의 카티젼 구성을 일치시키는 데 보다 적절하다.

반사되어 변조된 서브 빔은 재결합기(36)에 의해 x-편광을 갖는 재결합 빔(32)으로 재결합된다. 재결합 빔(32)의 변조 성분은 PBS 소자(50)를 통과하여 투사 렌즈(34)에 의하여 이미지로서 투사된다.

본 발명의 실시예에서 예시적인 조사 광학체(15)는 PBS 큐브(50) 앞의 사전 편광자, 즉 편광 변환기(15a)와, PBS 큐브(50) 뒤의 클린업 편광자(15b)를 포함한다.

조사 광학체(15)는 2.5 이하의 f/#을 갖는 광로 이미저(26, 28, 30)를 조사한다.

이미저(26, 28, 30)는 스메틱, 네마틱, 또는 다른 적절한 반사 이미저일 수 있다. 스메틱인 경우, 도 1 및 도 2의 광학 이미지 시스템(10)의 이미저(26, 28, 30)는 강유전성 액정 디스플레이(FLCD) 이미저일 수 있다. 카티젼 PBS 및 스메틱 LCD 이미저의 결합은 f/#가 매우 낮은 광학 시스템을 가능하게 한다. FLCD와 같은 스메틱 LCD는 통상적으로 특히 광범위한 수광 원뿔(acceptance cone)을 가지며, 이로 인해 본 발명에 따른 시스템의 낮은 f/# 특성을 이용한다. 다층 중합체 PBS와 FLCD 반사 이미저 디바이스의 결합에 낮은 f/# 특성과 본 발명에서 사용될 수 있는 고속 광 빔을 이용한다. 예시적인 스메틱 광 밸브는 강유전성 액정 디스플레이(FLCD), 안티-FLCD(AFLCD), 아날로그 FLCD 및 일렉트로클리닉 LCD 모드 광 밸브를 포함한다. 예시적인 네마틱 액정 광 밸브는 비틀어지고, 수직으로 정렬되고, 하이브리드 정렬된 파이-셀을 포함한다.

도 2는 광원(112), 예를 들면 반사기를 구비한 아크 램프를 포함하는 투사 시스템(110)의 제2 실시예를 도시하고 있다. 또한, 광원은 고체 상태 광원, 예를 들면 발광 다이오드 또는 레이저 광원일 수 있다. 시스템(110)은 카티젼 PBS(150), 이미저(126), 조사 광학체(115) 및 집속 렌즈(134)를 더 포함한다. PBS(150)는 프리스탠딩(freestanding) 카티젼 PBS, 예를 들면 와이어 그리드 편광자 또는 글래스 평면 사이에 적층된 3M 신형 다층 필름이다. 도 2는 빔 경로 및 광선 편광을 도시하고 있다. y-편광(거의 s-편광)을 갖는 광은 ⓧ로 표시되며, 페 이지안에 편광이 있음을 나타낸다. x-편광(거의 p-편광)을 갖는 광은 편광 벡터를 나타내는 화살표로 표시된다. 직선은 입사광을 나타내고, 점선은 변화된 편광 상태를 갖는 이미저로부터 다시 방향 전환되는 광을 나타낸다. 광원에 의해 제공되는 광은 조사 광학체(115)에 의해 조절된다. 광의 y-성분은 카티젼 PBS(150)에 의해 반사되어 반사 이미저(126)에 충돌한다. 반사 이미저는 x-편광을 갖는 이미지 빔을 반사시켜 변조한다. 반사된 x-편광된 빔은 PBS(150)에 의해 투과되고 집속 렌즈(134)에 의해 집속된다. 광 필터, 빔 균질기, 편광 변환기, 릴레이 또는 시야 렌즈 등과 같은 투사 시스템의 많은 설계 특정 구성 소자는 본 발명의 논의에 불필요하여 도면에서 생략되고 있지만, 당업자에 의해 배치될 수 있다.

도 3은 원래 빔의 투과된 x-편광 성분을 사용하는 본 발명에 따른 투사 시스템(210)의 제3 실시예를 도시하고 있다. 시스템(210)은 광원(212), 카티젼 PBS(250), 제1 이미저(226), 제2 이미저(228), 조사 광학체(215) 및 투사 렌즈(234)를 포함한다. 이미저(226, 228)는 순차적인 컬러 또는 흑백이다. 광원(212)로부터의 광은 조사 광학체(215)를 통과하여 PBS(250)에 입사한다. PBS는 광의 x-편광 성분을 투과시키고 y-편광 성분을 반사시킨다. x-편광 성분은 제1 이미저(226)에 의해 반사되어 y-편광 빔으로 변조되며, 이 y-편광 빔은 투사 렌즈(234)로 PBS(250)에 의해 반사된다. y-편광 성분은 제2 이미저(228)에 의해 반사되어 x-편광 빔으로 변조되며, 이 x-편광 빔은 투사 렌즈(234)로 PBS(250)에 의해 투과된다. 원래 편광 상태에서 투사기로부터 다시 방향 전환된 광은 도면에 도시되고 있지 않다. 이 광은 이미저로부터 다시 방향 전환되며, PBS는 그 광을 램프쪽으로 다시 전송한다.

도 4는 광원(312)을 포함하는 본 발명에 따른 투사 시스템(310)의 제4 실시예를 도시하고 있다. 광은 아크 램프(311)에 의해 발생되어 타원형 반사기(313)에 의해 집광되며, 이 타원형 반사기는 광을 조사 광학체(315) 쪽으로 전송한다. 조사 광학체(315)는 조준 렌즈(317), 제1 소형 렌즈 어레이(319), 제2 소형 렌즈 어레이(321) 및 집광 렌즈(327)를 포함한다. 제2 소형 렌즈 어레이(321) 및 집광 렌즈(327) 사이에는 제프켄(Geffcken)형 설계의 변환기와 같은 임의 편광 변환기(323)가 배치된다. 편광 변환기(323)의 변화 효율에 따라, 편광 변환기 바로 다음에 배치되는 임의 사전 편광자(325)를 포함하는 것이 바람직할 수 있다. 소형 렌즈 어레이(319, 321) 쌍은 조준 렌즈(317)로부터 공칭적으로 조준된 광을 수광한다. 편광 변환기(323) 및 사전 편광자(325)는 소망의 방향으로 광을 편광시킨다.

소형 렌즈 어레이(319, 321)는 반사 이미저(326, 328, 330)를 고르게 조사하기 위하여 광을 형성하고 균질화한다. 카티젼 PBS(352)는 3개의 반사 이미저(326, 328, 330) 쪽으로 y-편광된 광을 재전송한다. PBS 표면(352)은 글래스 플레이트 사이에 버팀 없이 서 있을 수 있거나, 또는 도 4에 도시되는 글래스 프리즘(354) 내에 포함될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같은 3개 이미저 구성에서, 컬러 분리 프리즘(336)은 광을 원색, 적색, 녹색 및 청색으로 분리한다. 시야 렌즈(338, 340, 342)와 같은 인터비닝 렌즈(intervening lense)는 전체 시스템의 광학적 응답을 더욱 최적화하기 위하여 각각의 이미저와 컬러 분리 프리즘(336) 사이에 삽입될 수 있다. 이미저(326, 328, 330)는 광의 편광 상태를 특정 이미지 정보에 따른 가변 정도를 반영하여 변조시킨다. 컬러 분리 프리즘(326)은 적색, 녹색 및 청색 이미지를 결합하여 그 광을 카티젼 PBS(350)에 전송시키며, 실질적으로 x-편광만을 통과시킴으로써 이미지의 편광 상태를 분석한다. y-편광된 광은 광원쪽으로 다시 재전송된다. 카티젼 PBS(350)를 통과한 광은 투사 렌즈(334)에 의해 집광되고 뷰잉을 위해 전면 또는 후면 투사형 스크린(도시되지 않음)에 집속된다. 임의 포스트 편광자(334)는 PBS(350)와 투사 렌즈(334) 사이에 배치될 수 있다. 당업자라면 다른 광학 구성도 가능하다는 것을 알 수 있다.

카티젼 편광자는 1개 또는 2개 축을 따라 만곡될 수도 있다. 맥네일 PBS 시스템 또는 프루스트레이티드(Frustrated) 내부 전반사 PBS 시스템은 이러한 유연성을 제공하지 못한다.

투사 시스템에서 상당 비율의 램프 출력을 사용하기가 어렵기 때문에 특정 광학 소자의 사용을 필요로 한다. 반사성 광학체는 종종 램프의 후면측에 사용되기도 한다. 광범위한 원뿔각(작은 f-수)을 이용하는 투사 시스템은 물론 효율면에서도 증가된다. 3M 신형 다층 복굴절 편광 빔 스플리터(PBS)는 전 가시 스펙트럼에 대한 가장 광범위한 수용각의 하나를 제공한다. 다층 복굴절 PBS의 또다른 이점은 유연성/성형 특성을 빔 분할/반사 기능에 결합할 수 있는 가능성에 있다. 도 5, 도 7 및 도 9는 구부러진, 즉 평평하지 않은 카티젼 PBS를 포함하는 본 발명에 따른 광학 이미지 시스템의 다른 실시예를 도시하고 있다. 반사성 광학체가 굴절성 광학체 보다 낮은 f-수 광원뿔을 처리하는 더 컴팩트하고 단순한 시스템을 제공한다고 알려져 있다. 본 명세서에서 기술되는 다층 PBS 필름은 입사각의 편광 상태에 따라 반사성 및 투과성 모두를 가진다. 따라서, 오목한 다층 편광 필름은 투사 시스템의 빔 집속 광학체의 일부로서 사용될 수 있고, 또 광각 빔 스플리터로서 사용될 수 있다.

도 5에 개략적으로 도시되는 바와 같이 시스템의 1개 이상의 빔 성형 렌즈 대신에 만곡된 PBS를 사용할 수 있다. 도 5는 만곡된 카티젼 PBS(450), 광원(412), 반사성 LCD 이미저(426) 및 대안 렌즈(434)를 포함하는 광학 이미지 시스템(410)을 도시하고 있다. 광원(412)은 반사성 및 굴절정 빔 성형 및 조절 소자를 포함할 수 있다.

시스템 및 목적 사용 어플리케이션에 따라서, 만곡된 PBS(450)은 1개 또는 2개의 직교 평면축을 따라 구부러질 수 있다. 즉, 단순 또는 복합 곡률을 가질 수 있다. 1개 축에 따른 곡률을 갖는 PBS를 이용한 시스템은 직교 축을 따라 빔을 형성하도록 원통형 렌즈를 필요로 한다.

만곡된 편광자는, 뷰어의 눈에 직접 투사하는 마이크로 디스플레이로 칭해지기도 하는 전면 및 후면 투사형 시스템 모두에 사용 가능하고, 또는 "헤드업" 디스플레이 시스템에서 처럼 반투명 표면으로부터의 반사에 의해 가시 이미지를 형성하는 시스템에 사용 가능하다.

일정 입사각에 대하여 소광 대 방위각의 원형(방사) 플롯으로 나타날 때 크로스 편광자의 소광은 공지된 "말테제 크로스(Maltese cross)" 형태를 형성한다.

복굴절 보상 필름의 삽입 또는 크로스 편광자 사이의 플레이트 삽입으로, 인해 장축간의 모드 각에서의 소광이 증대되고, 특히 크로스가 원형(각과는 무관한) 형태로 넓어진다. 복굴절 보상 필름의 필요성이 없어지면 만곡된 편광자의 사용에 의해 상당한 보상이 또한 제공될 수 있다.

2D 만곡된 PBS는 도 6에 도시된 기술을 이용하여 실행시킴으로써 감소된다. 3M 다층 반사성 편광자 광학 필름("MOF")(550)은 플레이트(562)의 홀(560)에 걸쳐 신장되고, 진공을 가하여 홀(560)을 통해 필름(550)을 끌어 당긴다. 열총으로 열을 가하여 필름을 연화(軟化)시켜서 더욱 늘어지게 한다. 냉각되는 경우, 필름은 오목 형태를 유지한다. 만곡된 MOF는, 반사된 광의 1개 편광을 집속하고 직교 편광을 투과시키는 만곡된 PBS로서 동작한다. 복수의 직경 및 가열 시간에 대하여 시도한다. 모든 경우에, 편광 소거는 다름 아닌 오목 형태의 엣지 밖에서 유지된다. 타원형 엣지를 갖는 만곡된 PBS는 또한 타원형 홀을 통하여 진공이 형성함으로써 제조될 수 있다. 만곡된 PBS의 편광 축은 홀의 장축에 대한 MOF의 광축의 정렬에 따라 제어될 수 있다.

만곡된 PBS를 이용한 마이크로 디스플레이의 광학 열은 도 7에 도시된 바와 같이 입증된다. 확산원(512)으로부터의 광은 조사 광학체(515)에 통과되고, 사전 편광되어, 만곡된 PBS(550)으로부터 멀리 반사되고 4분파 미러(QWM)(558)로부터 멀리 반사된다. 그 결과 생성되는 편광 회전으로 광은 PBS(550)를 통과하여 대안 렌즈로 전송된다. 평평한 PBS로부터의 이미지 보다 더 밝은 이미지에서 생성되는 곡률을 제공하여 조사 광을 QWM(558)으로 집중시킨다. 수직 축을 중심으로 QWM(558)을 45°회전하면, 대안 렌즈(534)에 박막 편광자의 어두운 중앙 대역 특성을 포함한 어두운 상태가 나타난다. 가장 밝은 상태 각도 범위의 QWM(558)의 이미지가 수평 평면에 압축된다는 것을 알 수 있다.

수학적 모델은 구형 및 타원형 만곡 미러 모두로부터 촛점의 궤적(locus)을 계산하는데 사용된다. 타원율 e=a/b(a는 장축, b는 단축)를 갖는 타원형 단면에 있어서, 미러의 촛점 길이("보울(bowl)"의 저부로부터 측정됨)는 F

be²/2 이다. 이 결과는 컴팩트한 디자인, 즉 짧은 촛점 길이에 대하여, e＜1(편평 타원)임을 보여준다.

시뮬레이션은 소정의 촛점 길이의 타원 형태에 있어서 상당한 성능 이점이 없음을 나타낸다(F=R/2는 매우 유사한 성능이다). 또한, 광선 각도 왜곡 및 조사 불균일이 만곡 PBS에 대하여 광선이 거의 수직으로 입사할 경우 최소가 된다는 것이 밝혀졌다.

도 5에 도시된 시스템을 참조하면, 광원(확산 작은 후광)(412) 및 이미저(426)를 대안 렌즈(434)와 동일한 축을 따라 공통 평면에 배치함으로써, 어떠한 겉보기 이미지 왜곡도 발생하지 않게 이미저(426)와는 상관없이 양호한 조사를 얻을 수 있다. 또한, 소스/이미저 평면간의 거리는 특히 중요하지 않다는 것을 알 수 있다. 가장 컴팩트한 디자인은 만곡 PBS(450)의 중앙을 이미저(426)와 인접 광원(412)의 공통 엣지에 정렬시키는 것이다. 광원(412)을 경사지게 하면 조사가 다소 증가된다. 광원의 출력은 색선별 편광자에 의해 편광된다.

도 8은 광원(612)이 이미저(626) 상에 있는 경우 광학 이미지 시스템(610)의 또다른 실시예를 도시하고 있다. 만곡 QWM(658)은 만곡 카티젼 PBS(650)을 통해 초기에 투과되는 입사 광의 편광을 회전하는데 사용된다. QWM(658)의 곡률로 형성된 추가 빔은 이미지(426)의 조사를 최적화하는데 사용될 수 있다.

또한, PBS의 이미저 측에 광원을 배치하거나, 또는 절단 엣지에 이웃하게 광원을 배치함으로써 지연 필름을 생략할 수도 있다.

MOF 편광자는, 동질성을 증가시키기 위해 평면 또는 다른 소망의 궤적에 비균질 광원의 이미지를 비추는 방법을 생성하도록 복수의 만곡 표면으로 형성될 수 있다. 이것은 균일 조사를 제공하기 위해 투사 시스템에 통상 사용되는 소형 렌즈 어레이를 대체하거나 또는 증가시키는데 사용될 수 있다. 도 9는 소형 렌즈형 카티젼 PBS(750)를 포함한 광학 이미지 시스템(710)을 도시하고 있다. 실시예에서는 광원 영역(712)이 이미저(726) 상에 균일한 조사를 나타나도록 사다리꼴 형태이다.

도 10은 이중 곡선형 카티젼 PBS(850) 및 이중 광원 평면(812)을 포함한 광학 이미지 시스템(810)을 도시하고 있다. 도 10b에 도시되는 바와 같이, 조사/조절 광학체(815) 및 소형 렌즈 어레이(817)는 이중 광원 평면(812)을 제공하는데 사용될 수 있다. 이중 광원 빔은 만곡 카티젼 PBS(850)로부터 벗어나게 반사되고 이미저(826)로부터 벗어나게 반사된다. 투사 렌즈, 즉 대안 렌즈(834)는 투사 또는 뷰잉을 위해 투과 빔을 제공한다. 2개의 광원(또는 2개의 광원 평면)의 사용은, 2개의 만곡 PBS를 사용하여, 1개 엣지(1개의 모델링된 부분일 수 있음)에 결합하는 경우 가능하다. 결합 선(853)은 이상적으로 이미저의 중앙선 상에 있게 된다. "광원 평면"이 균질 조사의 평면에 나타나는 투사 시스템에 동일 개념이 사용될 수 있다.

사실상, 편광 소거 캐스케이드로 칭해지기도 하는 합성 각도 편광 소거 효과는 종래의 반사성 이미저 투사 시스템의 고속 광학체의 사용을 제한한다. 도 11 내지 도 18은 합성 각도 편광 소거 효과, 즉 편광 소거 캐스케이드 문제점을 도시하고 있다. 브루스터각 반사에 기초한 맥네일 PBS 시스템은, 맥네일 PBS의 기능이 입사광의 입사 각도에 따르기 때문에 PBS 코팅의 수직축 주위의 원통 좌표에 보다 정확하게 묘사된다. 그러나, 이미징 시스템은 고정 직교축에 관하여 동작하는 이미저를 포함한다. 이러한 질적 차이의 결과는 도 11 및 도 12에 도시된 사전 편광된 광선, 광선 1-4를 참작함으로써 식별될 수 있다. 이 도면에서, x, y, z 축은 주요 광선에 관련되며, z축은 주요 광선의 전파 벡터에 평행하고, y축은 사전 편광자 투과 축에 정렬된다. x, y, z 축은 사전 편광자 및 PBS에 대하여 도시되고 있다. y-축은 수직 방향으로서 본 실시예에서 참조된다. 주요 광선은 반사 이미저의 표면에 수직이다. PBS로부터의 반사 이후의 광선 축은 x', y', z'으로 식별된다. 방향 y와 y'이 평행하다는 것에 주목한다.

실제 광원이 원뿔 형태로 광 빔을 투사하며, 모든 광선은 완전히 조준되지 않는다. 따라서, 실제 투사 시스템은 대개 광원뿔을 사용한다. 이 광원뿔은 원뿔 각에 의해 형성된다. 원뿔 각은 투사 시스템에 의해 사용될 수 있는 그 광 빔으로부터의 모든 광선을 포함하는 가장 작은 각도이다.

도 11 및 도 12의 광선 1, 2, 3, 4는 광원뿔에서 밝혀진 상이한 형태의 4개 광선을 도시하고 있다. 광원(70)은 사전 편광자(72)에 의해 우선 조절되는 광원뿔을 생성한다. 예시적으로, 광선은 큰 값의 편향으로 도시된다. 모든 광선이 PBS(74)에 입사하는 것으로 이해된다. 광선 1은 z-축과 평행한 주요 광선이다. 광선 2-4는 비스듬한 광선, 즉 주요 축(z)에 평행하지 않은 광선이다. 광선 2의 전파 벡터 k₂는 x 성분을 가지며 수평 방향으로 각이 이루어진다. 즉, k₂벡터의 끝은 광선 2와 같은 사전 편광자 상의 동일 위치에서 생성되는 주요 광선으로부터 수평 x-z 평면에 수평으로 배치된다. 광선 3의 전파 벡터, k₃은 수직 성분을 가지며, 수직 방향으로 각이 이루어진다(k₃ 벡터의 끝은 광선 3와 같은 사전 편광자 상의 동일 위치에서 생성되는 주요 광선으로부터 수평 y-z 평면에 수직으로 배치된다). 광선 4는 수직 및 수평 방향 모두로 각이 이루어진다. 투사 시스템의 광원뿔에서 이러한 4가지 형태의 광선 각각의 반사량은 조사 시스템의 상세에 따라 다르다. 통상적인 조사 시스템에서 공통의 금속 할로겐화물 또는 크세논 램프 광원은, 단순 위상 공간을 고려할 때 소수 형태의 광선 1, 광선 3과 같은 많은 형태 광선 2, 어떤 다른 형태 보다도 많은 형태의 광선 4를 제공한다.

도 11의 광선 1은 투사 시스템의 주요 광선이고 사전 편광자(72)에 의해 y-방향으로 사전 편광된다. 광선 1은 y 또는 s-편광으로 반사되도록 지향되는 전반사성 편광자에 의해 100% 반사되고, 이 전반사성 편광자는 카티젼 편광자 또는 맥네일 편광자이다. 이 광선의 순수 y-편광은 맥네일 PBS에 있어서는 순수 s-편광이다. 즉, 편광 벡터는 PBS에 의해 반사될 때 광선에 대한 반사 평면(도 11의 x-z 평면)에 수직이다. z' 축을 따라 배치되고 z' 축에 수직인 미러 또는 미러형 이미저로부터 그 다음에 반사되는 경우, 광선 1은 반사된 후에 순수 y-편광된 상태 및 순수 s 편광된 상태 모두를 유지하고, 고효율로 광원으로 다시 반사된다. 따라서, 광선 1과 동일한 광선은 매우 양호하고, 누설이 적은 어두운 상태를 제공하고, 카티젼 또는 맥네일 PBS에 사용될 경우 매우 높은 콘트라스트비를 제공한다. 대부분의 광원은 조준된 광을 완전히 제공할 수 없다고 하는 단점이 있다.

광선 2는 광선 1로부터 수평 반사되기 때문에, 광선 2는 x 성분을 갖는 전파 방향(k₂벡터)을 가진다. 광선 2는 x-z 평면에 포함된다. 즉, 광선 2는 수평 평면 내에 각 변위를 가진다. x-z 평면이 여전히 반사 평면이기 때문에, 광선 2는 PBS로부터 반사되기 전과 반사된 후, 그리고 z' 축을 따라 배치되고 z' 축에 수직인 미러형 이미저로부터 반사된 후에도 여전히 순수 y 편광된다. 또한, 광선 2가 y-편광이 s-편광과 동일한 특성을 가지기 때문에, 편향으로 인해 광이 브루스터각으로부터 상당히 벗어나지 않은 한, 이상적인 맥네일 편광자와 이상적인 카티젼 편광자 모두는 광선 2 형태의 광선에 대하여 동일하고, 높은 콘트라스트를 제공한다. 이러한 것이 발생하는 경우, 맥네일 편광자는 s-편광 및 p-편광을 모두 반사시키고, 이미저로부터 되돌아온 광선을 램프로 다시 반사시킨다.

도 12의 광선 3은 y-z 평면에 포함되도록 광선 1로부터 편향된다. 광선 3은 광선 1에 대하여 수직으로 경사지고, 수직 평면을 따라 각 변위된다. 순수 y 방향에 따른 편광에 더하여, 광선 3은 또한 z 방향에 따른 편광 성분도 포함한다. 도 18에 도시된 바와 같이, 다음에 반사 이미저로부터 반사되는 경우, 생성된 광선 3"의 반사 평면은 광선 3'의 반사 평면과 더 이상 동일하지 않다. 광선 3"의 편광 벡터가 반사에 영향을 받지 않기 때문에, 반사 평면의 상기 회전은 광선 3"이 더 이상 순수 s-편광되지 않지만, 부분적으로 p-편광됨을 의미한다. 이것에 의해 "편광 소거 캐스케이드"의 일부라 칭하는 반사에 기인한 효과적인 편광 소거가 발생된다. 또한, 맥네일 및 카티젼 PBS가 입사각을 편광시키는 방법을 우선 분석한후 편광 소거 효과를 이후에 고려한다.

도 13 내지 도 20은 광선 1(주요 광선)의 반사와 PBS를 벗어나서 수직으로 경사진 광선 3의 반사를 도시하고 있다. PBS로부터의 반사후에, x, z 축은 y 축을 중심으로 회전하여 주요 광선의 전파 방향으로 정렬된다. 회전 축은 x', y', z'이며, 반사 광선은 각각 광선 1', 광선 3'이다.

도 13 내지 도 20을 참조하면, 입체 벡터로 표시되는 주요 광선은 z 방향으로 전파한다. 도 13 내지 도 16은 PBS(74)로부터 벗어나 반사되는 경우 광선 1, 3의 경로를 도시하고 있다. PBS(74)는 점선으로 표시되는 큐브(76)를 포함하며, 이 큐브는 큐브의 내부 대각선 평면을 따라 배치되는 PBS 표면(78)을 가진다. 큐브는 입사 광선을 수광하여 입사면(80)과 PBS 표면을 벗어나 반사되는 광선이 큐브를 빠져 나가는 출구 표면을 가진다.

도 13은 입사측 투시도이고, 도 14는 출구측 투시도이다. 도 15는 상면(84)의 평평한 상면도이고, 도 16은 PBS(74)의 입사측 입면도이다. 대시-도트-도트 벡터로 표시되는 광선 3은 y-z 평면을 따라 광선 1에 대하여 30°각도로 전파한다. 광선 1은 또한 동일한 y-z 수직 평면에 포함된다. 예시적으로, 양 광선은 PBS(74)의 표면의 접점(P)의 동일 점을 가지는 경우를 도시하고 있으며, 이 점은 수직 도트-대시 축의 교차로 표시된다. PBS(74)로부터 반사할 때, 광선 1'은 부의 x(z') 방향으로 전파하고, 광선 3'은 x-y(-y, z') 평면에서 30° 빗나간다.

도 17은 도 14와 동일한 것이며, PBS 표면은 종래의 맥네일 형태이고, 초기에 편광되지 않은 광선 1, 3의 편광 상태에 반사 효과를 나타낸다. 광선 1', 3'의 반사 성분의 편광 상태는 좁은 방향의 화살표로 도시된다. 반사 표면 수직은 a^로 도시된다. 광선 1 및 광선 3의 s-편광 상태가 반사됨을 알 수 있다. 그러나, 종래의 반사성 편광자가 들어오는 광선의 입사 평면에 기초하여 동작하기 때문에, 광선 1', 3'의 반사된 편광 상태의 각각은 각각의 광선의 입사 평면에 수직이다. 따라서, 맥네일 PBS로부터 반사된후, 광선 3'의 편광 상태는 도 17에 도시되는 바와 같이 y, z 평면으로부터 떨어져서 회전된다. 즉, 종래의 맥네일 편광자를 포함하는 시스템에서, 수직으로 경사진 광선의 반사는 주요 광선의 반사에 대하여 편광 소거된다. 경사 각도가 클수록, 편광 소거 영향도 커지게 된다. 경사 각도가 30°인 경우, 편광 소거 영향으로 반사 평면이 39.2 회전하고, 따라서 소망의 y, z' 평면으로부터 편광의 편광 상태가 회전하게 된다.

도 17과는 대조적으로, 도 19는 디스플레이 시스템(10)의 카티젼 PBS(50)로부터 벗어난 편광되지 않은 광선 1 및 광선 3의 반사를 도시하고 있다. 카티젼 PBS(50)는 고정된 수직 반사 축을 가진다. 카티젼 PBS(50)는 3M 신형 다층 복굴절 필름, 또는 다른 적절한 카티젼 PBS, 예를 들면 와이어 그리드 편광자, 또는 어떤 다른 카티젼 편광자 PBS를 포함한다.

도 18은 PBS(74)를 벗어난 광선 3'의 반사와 반사 이미저(86)를 벗어난 광선 3"의 다음 반사를 간단하고 상세하게 도시하고 있다. 현 모델에서, 미러는 이미저 성능 인자와 관련된 콘트라스트 저하, 예를 들면 이미저 어두운 상태에서의 픽셀화 또는 산란 지연으로 인한 회절 및 산란을 방지하도록 이상적인 이미저로서 사용된다. 미러는 광의 편광 상태를 회전시키지 못하며, 어두운 상태에서 가장 네마틱한 모드에 대하여 이상적인 반사성 LCD 이미저의 기능을 나타낸다.

도 12에 도시되는 편광 소거 효과는 광선 3"이 이미저(86)를 벗어나 반사되는 경우 증가된다. 양적인 면에서, 광선 3'의 편광 상태가 y-z 평면으로부터 각도 θ만큼 벗어나고, 미러형 이미저로부터 되돌아온 광선 3'의 편광 벡터는 편광 상태로부터 각도 2θ에 있게 되고, 이에 따라 편광 소거 캐스케이드가 발생하게 된다. 반사 평면의 회전으로부터 발생하는 순수 기하학적 영향으로 인해, 미러 반사된 광선 3"은 맥네일 PBS를 통해 누설하는 p 성분을 가지게 되고, 시스템에 있어서 어두운 상태의 콘트라스트를 저하시킨다. 편광 소거 캐스케이드 문제점은 PBS와 이미저 사이에 배치되는 컬러 분리 표면과 같은 다른 경사진 반사 표면의 출현에 의해 더욱 악화된다. 또한, 경사진 광선 편광 소거 증가에 대한 상세한 처리는 알란 이. 로젠블루스 등의(Alan E. Rosenbluth et al), "경사진 빔 스플리터 코팅에 의한 편광 소거로부터의 투사 디스플레이의 콘트라스트 손실(Contrast Losses in Projection Display from Depolarization by Tilted Beam Splitter Coatings)" 1997 International Display Reserch Conference, pp 226-9(이후 "Rosenbluth IDRC"라 함)에서 알 수도 있으며, 이 관련 부분은 본 명세서에 참조로 포함된다.

로젠블루스 콘트라스트 특성은 추가 구성 소자와, 주요 광선의 편광 방향에 평행 또는 수직인 1/4파 지연 플레이트를 배치함으로써 편광을 보상하는 방법을 기술하고 있다. 그러나, 낮은 f/#에서, 다른 경사진 표면에서 벗어나 반사되는 경사 광선에 기인하여 예를 들면 광의 컬러 성분을 분리 및 재결합하는 것과 같은 PBS에 의해 유도되는 편광의 증폭을 발생시킨다. 로젠블루스는 PBS 코팅에 대하여 기술되는 바와 같이 빔 분배 방해 코팅에 의해 합성각 편광 소거를 통한 편광 누화가 발생되는 것을 지적함으로써 반사 방해 코팅의 사용을 반대했다. 편광 소거에 의해 원하지 않은 어두운 상태 이미지의 강도가 발생되고, NA^-2,,에 비례하게 콘트라스트가 저하된다(로젠블루스 콘트라스트 특성, pp. 383-84 참조). 또한, 로젠블루스는 "콘트라스트＞100:1인 통상의 요구 조건이 사분파 지연기 없이 동작하는 PBS/TNLC 모델에 대하여 NA를 ~0.15[f/3.3]으로 제한한다는 것"에 대해 말하고 있다(로젠블루스 콘트라스트 특성, p. 382 참조). 따라서, 로젠블루스는 "종래 편광자의 "편광 소거 캐스케이드" 영향이 투사기에 기초한 맥네일 PBS의 f/#을 약 3.3 정도로 크게 제한하며, 이로 인해 이 시스템의 광 처리 능력 효율이 제한된다.

대체로, 카티젼 편광자(50)는 y-편광되는 광을 반사시키고, x-편광되는 광을 투과시킨다. 도 19에 도시된 바와 같이, 이것은 편광되지 않은 광에 대해서도 판명되었다. 카티젼 PBS(50)가 PBS의 재료의 고유의 고정 반사 축을 가지며 광선의 입사각에 의존하지 않기 때문에, 경사진 광선 3'으로서 반사되는 경우 초기 y-편광 되는 광선 3의 편광은 반사된 주요 광선 1'에 대해서는 현저하게 회전되지 않는다. 반사된 광선 3'의 편광 상태는 반사 광선과 PBS(50)를 포함하는 y-z 평면에 있도록 한정된다. 반사된 광선 3'은 실질적으로 x' 성분을 전혀 가지고 있지 않다.

따라서, y-편광된 광은 경사 광선의 입사각과는 상관없이 다음의 경사진 반사 표면에 나타난다. 반사 표면은 그 자신의 편광 소거를 다소 발생하지만, 그 편광 소거가 존재하지 않거나 또는 아주 작기 때문에 광선의 기존의 편광 소거를 증폭시키지 않는다. 이러한 효과는 LCD 이미저가 거의 순수 y-편광되는 광선으로 나타나고, 이미저에 도달하기 이전에 발생된 회전 각도를 최소화시킨다는 것을 보증한다.

광선 3'이 카티젼 PBS(50)에서 벗어나 반사되는 경우에, 도 12 및 도 18에 관련하여 기술되는 편광 소거 캐스케이드 및 콘트라스트 저하는 발생하지 않는다. 카티젼 PBS는 필요로 하지 않거나 또는 편광 상태에 있는 입사각으로 이득을 얻는다.

본 발명은 매우 광범위한 입사각을 갖는 광선을 이용할 수 있는 광학 이미지 시스템 실시예를 가능하게 한다. 본 발명에 따른 광학 시스템은 f/#가 2.5보다 작고 용인 가능한 시스템 콘트라스트를 갖는 조사 광학체를 가진다. 용인 가능한 콘트라스트는 이상적인 이미저로서 반사 미러를 이용하는 투사 시스템에서 관련된 모든 컬러 대역 상에서 적어도 100:1로 정의된다. 카티젼 편광자(50)를 포함하는 본 발명의 시스템(10)은, 렌즈 속도가 f/1.8이고 콘트라스트비가 200:1 이상인 조사 광학체를 이용하여 실험적으로 테스트된다.

요약하면, 본 발명에 따른 광학 시스템은 맥네일 PBS와는 반대로 카티젼을 사용하여 편광 소거를 최소화한다. 편광 소거 효과를 이해하고 최소화함으로써, 본 발명은 f/#가 최저인 광학체를 사용 가능하다.

본 발명의 시스템은 주요 광선에 관하여 수직 및 수평으로 각을 이루는 경사 광선에 대하여 또다른 이점을 제공한다. 도 12를 다시 참조하면, 광선 4는 수직 및 수평으로 각도 변위된다. 광선 4의 편광 벡터는 y, z에서 뿐만 아니라 x 방향의 성분을 포함한다. 반사된 광선 3'에 대하여 기술되는 편광 소거 효과 모두는 종래의 "평면 입사(plane-of-incidence)"를 포함한 시스템의 반사 광선 4' 상에 발생하게 된다. 또한, LCD 이미저는 우세한 y-편광을 따라 x' 편광된 광의 추가 성분으로 나타나게 된다. 편광 소거 성분은 맥네일 PBS 또는 컬러 분리 표면과 같은 다음의 경사진 반사 표면으로부터의 반사시에 증폭되게 된다. 증폭된 편광 소거 성분은 타입 3의 광선처럼 어두운 상태에서 동일한 저하를 야기한다. 이러한 효과에 더하여, 광의 한 편광만으로 잘 실행하도록 이미지가 최적화되기 때문에, 맥네일 PBS로부터의 광의 x-편광 성분의 출현으로 인해 추가 콘트라스트 저하가 있을 수 있다.

한편, 카티젼 PBS를 이용한 본 발명의 광학 이미지 시스템은 x 편광 성분의 반사를 최소화하며, 이에 따라 우수한 성능을 제공한다.

또한, 본 발명은 투사 시스템의 반사 카티젼 편광자의 사용에 추가 이점을 개시하고 있다. 전술한 실시예에서 기술되는 바와 같이, 카티젼 편광자는 임의의 입사각으로 지향될 수 있거나, 또는 부피를 최소화하고, 대형 왜곡 보정을 달성하고, 또는 투사 시스템의 성능을 최적하도록 형성될 수 있다. 한 예시적인 실시예에서, 카티젼 PBS는 주요 광선에 대하여 40°내지 50°각도로 지향된다.

PBS(50)가 고정 편광축을 가지기 때문에, PBS(50)의 지향은 중요하다. 도 20은 PBS(50)가 표면 수직을 중심으로 90°회전되는 경우 광선 1', 3'의 편광 방향을 도시하고 있다. PBS 반사 재료 축은 수직이 아니고 수평이다. 이 경우에, 편광 상태는 도 17의 맥네일 PBS에서와 동일하지만 반대로 회전한다. 보다 나은 결과를 얻기 위해, 편광 방향은 광선 3'의 전파 방향, k₃에 수직이고, 반사 재료 축 및 k₃에 의해 형성되는 평면에 포함되는 것이 바람직하다. 광선 1'에 대한 광선 3'의 편광 상태의 회전은 도 20에 도시된다.

도 24 및 도 25는 종래의 PBS 시스템과 예시적인 3M 필름 카티젼 PBS(50)의 편광 소거 콘트라스트비 대 f/# 및 수용각의 컴퓨터 모델링의 결과를 도시하고 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 카티젼 PBS 시스템은 f/#가 최저이고 수용각이 보다 광범위한 경우 훨씬 좋은 콘트라스비를 제공하게 된다.

본 발명의 이점은 이하의 실시예를 통해서 보다 잘 이해될 수 있다.

실시예 1

섬유 광 조사를 갖는 투사 시스템 테스트 베드의 성능

카티젼 편광자를 접힌 광 경로에 이용하는 최상의 방법을 이해하기 위해서, 반사 이미저 구성, 2개 형태의 이미저, FLCD에 기초한 이미저 및 네마틱에 기초한 이미저는 별도로 고찰된다.

PBS가 편광자 및 분석기로서 제공되는 반사 LC 마이크로 디스플레이를 이용한 컴팩트하고 비용 효율적인 LCD 투사기 구성은 도 2에 도시되고 있다. 도 2의 투사 디스플레이 테스트 베드 실행은 본 발명에 따른 시스템의 성능을 작성하고 비교하는데 사용된다. 제1 시스템은 광각 카티젼 PBS를 구비하여 테스트되고, 제2 시스템은 높은 성능 브루스터각 PBS를 이용하여 테스트된다. 2개의 0.3 mm 글래스 시트 또는 2개의 0.7 mm 글래스 시트 사이에 적층되는 3M 다층 중합체 PBS 필름은 대표적인 광각 카티젼 PBS로서 사용된다. 예를 들면, 콜로라도주에 소재하는 골든사의 발저스 박막(Balzers Thin Film)으로부터 입수 가능한 높은 성능 맥네일 PBS의 높은 소광 큐브는 브루스터각 PBS로서 사용된다.

맥네일 PBS 큐브의 성능은 이하와 같이 요약된다.

설계 f/# 소광 재료 크기 유효 구경

높은 소광 f/2.5 500:1 SF2 32 mm ×32 mm ×32 mm * 0.25 mm 30 mm ×30 mm

PBS 성분은 우선 섬유 광 조사로 f/1.8 내지 f/8.0의 조사 광학체를 갖는 광학 이미지 시스템에서 테스트된다. 섬유 광 조사의 조사 프로파일은 원활하게 변화하고, 거의 람베르티안이고 이미저를 균일하게 조사하지 않는다.

사용되는 이미저의 비이상적인 성능에 의한 변화 가능성을 방지하기 위하여, 반사 이미저의 영향은 사분파 필름, 예를 들면 뉴저지주에 소재하는 바링톤사의 에드먼드 사이어틱으로부터 입수 가능한 사분파 필름으로 이미저를 대체함으로써 모델링되고, 정면 미러에 적층된다. 필름의 광학 축이 입력 편광에 대하여 45°로 회전되는 경우, 밝은 이미지는 스크린에 투사된다. 사분파 필름이 제거될 때 어두운 상태가 발생되고, 나(bare) 알루미늄 미러는 이미저 위치에 배치된다. 그 구성은 광학축으로 LC를 수직으로 방향 전환시키는 LC 모드, 예를 들면 TN 또는 VAN(수직으로 정렬된 네마틱) 모드로 모델링된다. 다른 어두운 상태는 사분파 필름이 시스템에 배치되는 경우 발생되지만, 필름의 광학축이 입력 편광에 평행하게(또는 수직으로) 방향 전환되도록 회전되지는 않는다. 다른 구성은 그러한 지향의지연기, 예를 들면 상기 모드에서 이미저 상의 사분파 보상 필름으로 기능하는 FLC 이미저 또는 이상적인 이미저를 구비하는 LC 모드로 모델링한다.

통상적으로, 콘트라스트 측정은 어두운 상태 및 밝은 상태에 대하여 투사 스크린의 9개 위치에서 광 효율을 측정하고, 이 측정치의 비를 계산함으로써 행해질 수 있다. 이 비는 콘트라스트 동적 범위로 칭해지기도 한다. 콘트라스트 동적 범위는 콘트라스트비의 한 측정이다. 콘트라스트 동적 범위비는 가장 어두운 상태의 광 효율로 나눈 가장 밝은 상태에 투사된 광 효율로 정의된다. 전술한 바와 같이, 섬유 광이 이미저를 균일하게 조사하지 않기 때문에, 광이 가장 밝은 스크린 중앙에서의 단일 점 측정은 섬유 조사 경우에 사용된다. 따라서, 콘트라스트 동적 범위 결과는 섬유 조사에 대하여 스크린의 중앙에서의 단일 점 값, 또는 모든 다른 경우의 9개 점 평균치임을 알 수 있다. 섬유 조사 하에서 알몸 미러 어두운 상태의 경우에 대하여, 동적 범위와 광 효율 대 f/#가 측정된다. 광각 카티젼 PBS는 f/#가 낮은 경우 맥네일 큐브 보다 현저히 나은 콘트라스트 성능을 가진다.

광섬유 조사시 시스템 동적 범위 및 효율(나(裸) 미러 어두운 상태)

f/#	광각 카티젼 자속(lm)	광각 카티젼 동적 범위	맥네일 자속(lm)	맥네일 동적 범위
1.8 2.0 2.4 2.8 3.3 4.0 4.7 5.6 6.7 8.0	232.1 222.6 194.0 149.4 112.3 80.6 56.3 38.7 27.4 18.7	211:1 219:1 251:1 306:1 393:1 507:1 590:1 608:1 863:1 884:1	241.0 227.0 193.0 151.0 114.0 82.5 57.7 40.2 27.9 19.9	38:1 41:1 53:1 69:1 96:1 135:1 186:1 236:1 279:1 398:1

컬러 대역으로의 성능의 분리가 바람직하지만, 이러한 분리는 낮은 유효 광 레벨에 의한 섬유 조사를 처리할 수 있는 가능성을 증가시키지 않는다. 용어 컬러 대역은 독립 변조 동안에 백색광이 분리되는 파장길이 대역에 관련된다. 이 대역들은 통상적으로 100 nm 보다 작다. 예를 들면, 50-70 nm이다. 상기 대역은 컬러 전반에 해로운 광, 예를 들면 3개 대역, 적색/녹색/청색 이미지 형성 시스템에서 옐로우 및 시안 광을 포함하지 않도록 선택되기도 한다. 표 2의 예시적인 데이타는 본 발명의 시스템에 있어서 100:1을 초과하는 별개의 적색, 녹색 및 청색 콘트라스트 레벨을 설명 가능하게 입증하지 못하고 있지만, 상기 표는 이하에서 다른 조사 소스에 있어서 100:1을 초과하는 콘트라스트 레벨을 기술하고 있다. 유사 램베르티안 백색광에 대하여 카티젼 PBS가 맥네일 PBS보다 현저하게 우수하다는 것은 명백하다.

맥네일 및 광각 카티젼 시스템에 대하여 측정된 효율이 동일하지만, 광각 카티젼 PBS는 반사 방지 코팅을 포함하고 있지 않고, 맥네일 PBS는 반사 방지된다는 것에 주목해야 한다. 측정된 투과 대 각도 데이타를 통해서, 3M 다층 중합체 필름 보다 효율 증가 가능성이 있다는 것이 기대된다.

또한, 상이한 광학 이미지 시스템의 질적 성능은 스크린에 투사 렌즈의 동공을 투사함으로써 조사된다. 이러한 투사는 입사각을 스크린상의 위치에 맵핑한다. 코노스코픽 콘트라스트 플롯으로 동공 이미지의 표시를 광적으로 평균화한다. 디지탈 카메라는 그 동공의 상을 비추는데 사용된다. 생성된 투영은 도 21 내지 도 23에 도시된다.
도 21 내지 도 23은 어두운 상태 광이 사전 편광자 및 포스트 평광자를 포함하는 도 2의 투사기 테스트 베드를 통과한후 f/2 투사 렌즈의 동공에 나타나는 것을 도시하고 있다. 투사 렌즈의 동공에서 광이 각도에 의해 공간적으로 분류된다. 따라서, 이 이미지는 어두운 상태 광 투과 대 입사각의 코노스코픽 플롯의 표시이다. 이 이미지는 도 32 내지 도 34에 비교될 수 있으며, 계산된 콘트라스트 결과이다. 이하에서 더 상세하게 기술되는 결과 때문에, 사분파 필름은 콘트라스트비를 계산하기 위해 밝은 상태를 제공하는데 사용되고, 미러는 도면에 도시된 어두운 상태를 나타내는데 사용된다. 도 21 내지 도 23의 이미지는 양호한 이미지 품질을 자동으로 제공하도록 그 이득을 조절하는 디지탈 카메라를 이용하여 얻어지거나, 또는 모든 이미지는 동일한 조건 하에서 얻어진다. 카메라는 이득을 조절하기 때문에, 이 이미지는 질적으로만 사용될 수 있다. 각 이미지와 관련된 전 스크린 콘트라스트 값은 비교를 위해 이하에서 제공된다.

삭제

도 22는 맥네일 편광자의 어두운 상태 성능을 도시하고 있다. 컬러 묘사에서 좌측을 따라 나타나는 적색가 두드러지며, 적색는 45°보다 수직에 더 가까운 각도로 PBS 코팅에 입사하는 광에 대응한다. 양호한 콘트라스트의 상당히 깊은 말테제(Maltese) 대역을 가지지만, 그 대역은 또한 상당히 좁으며, 이미지의 상부 및 저부에 나타나는 타입 3 및 4 경사 광선은 밝기를 현저하게 증가시킨다. 상기 동공 이미지와 관련된 스크린상의 백색 콘트라스트는 53:1이지만, 특정 컬러 대역상의 콘트라스트는 관찰된 적색 누설로 인해 상기 보다 더 낮을 수 있다.

도 21은 3M DBEF를 이용하는 예시적인 시스템에 있어서 어두운 상태의 동공 이미지를 도시하고 있다. 이 이미지는 훨씬 덜 어둡지만 폭이 넓은 말테제 대역을 가진다. 스크린상에 투사되는 경우, 말테제 대역, 특히 그 대역의 좌측의 두드러진 청색/녹색 착색 뿐만아니라, 이미지를 지나는 수직 대역에 약간의 적색 착색이 있다. 이러한 붉어짐은 맥네일 PBS에서 보다 두드러지지 않다. 카티젼 편광자를 사용하기 때문에, 상기 맥네일 편광자에서 볼 수 있는 보다 넓은 말테제 대역 및 감소된 경사 광선 누설이 기대된다. 성능이 부적절한 이유는 편광자가 높은 소광으로 설계되지 않았기 때문이다. 이것은 맥네일 PBS에 관련된 말테제 대역의 밝기에서 입증된다. 이 DBEF PBS를 이용하여 측정된 백색광 콘트라스트는 95:1이지만, 이 콘트라스트는 전체 가시 대역에 걸쳐 균일하지 않다. 이것을 입증하기 위하여, 상기 경우에서 낮은 광 레벨에도 불구하고 상기 특정 샘플에 대하여 적색, 녹색 및 청색 컬러 대역 콘트라스트를 측정하는 시도가 행해졌다. DBEF PBS의 적색 대역 콘트라스트는 104:1로, 녹색 대역 콘트라스트는 94:1로, 청색 대역 콘트라스트는 79:1로 측정된다. 따라서, 이 DBEF PBS는 높은 콘트라스트 투사용으로 용인할 수 있는 PBS가 아니다. 결국, 도 23은 3M 다층 중합체 PBS의 어두운 상태 성능을 도시하고 있다. 카메라의 자동 이득 조절에도 불구하고, 이미지의 전반적인 어두움을 초래하고 있다. 말테제 대역의 폭은 맥네일 PBS 또는 DBEF PBS에서 보다 훨씬 넓으며, 타입 3 및 4 광선의 누설은 다른 경우 중 어느 한 경우에서 보다 훨씬 덜 심각하다. 상기 PBS를 이용하여 측정되는 백색광 콘트라스트는 222:1이다. 이 PBS의 컬러 대역 콘트라스트는 실시예 2에서 더욱 상세히 기술된다.

도 31 내지 도 35는 카티젼 편광자 광학 이미지 시스템이 투사 시스템의 조사 레그의 성능을 증가시키는 방법에 대하여 보다 질적으로 기술한 결과를 나타낸다. 컴퓨터 코드는 표면 또는 다층 적층으로부터 스토크 벡터의 투과 또는 반사를 모델링하는데 사용된다. 다양한 편광 상태의 광도는 CIE 1931 포토픽 응답 함수의 값 및 동일 에너지 램베르티안 발광체의 복사에 각 파장의 결과를 가중시키고, 400 내지 700 nm의 모든 파장에 걸쳐 적분함으로써 얻어진다. 이러한 방법에서 편광 상태 및 콘트라스트비와 같은 결과는 원뿔형 번들에서 각 광선에 대하여 얻어진다. 이 데이타를 나타내기 위하여, 도 31 내지 도 35는 코노스코픽 플롯을 도시하고 있다.

코노스코픽 플롯은 레이디얼 좌표로서 θ를 갖는 2차원 극좌표 시스템을 사용함으로써 극좌표 각도,θ, Φ로 변화하는 데이타를 나타낸다. 이것은 디스크에 상부 반구체를 맵핑하고, 상수 θ의 링을 따라 데이타 및 상수 Φ의 광선을 플롯팅한다. 통상적으로 코노스코픽 플롯은, 각도의 콘트라스트비의 플롯, 즉 콘트라스트비(CR) 대 뷰잉 각도를 통해 액정 디스플레이와 같은 장치의 각도 성능을 도시하는데 사용된다. 여러 각도에서 광선에 대하여 광 상태 대 어두운 상태 광도의 비를 형성하고, 일정한 CR의 등고선을 코노스코픽 플롯팅한다. 또한, 편광 데이타 세트를 코노스코픽 플롯팅하는 기술이 개발되었다.

도 31은 X-Y 평면에 있는 수직 또는 Y-지향 선형 편광자에 대하여 계산되고 제1과 평행한 평면에 있는 제2 동일 편광자로 분석된 코노스코픽 CR 등고선을 도시하고 있다. (편광자 지향은 그 투과축의 지향에 관하여 설명하는데 사용된다.) 광 상태는 분석기가 Y-축과 평행하게 지향될 때 발생하고, 분석기가 Y-축에 수직일 때에는 어두운 상태가 발생한다. 특유 패턴은 말테제 크로스(Maltese cross)로 칭해지며, 주요 평면에 관한 높은 콘트라스트 영역은 Φ = 0, 180 °, Φ = ±90°에 의해 형성되고 크로스의 어두운 아암을 형성한다. 각도에 비례한 광 상태 광도의 변화가 통상적이기 때문에, 큰 각도 CR의 약간 작은 영역도 매우 어둡다. 이 경우에, 실제 말타제 크로스와의 유사성은 작은 범위의 각도 때문이다. θ≥60°일 경우 그 유사성은 매우 커지게 된다.

또한, 단일 플롯으로 다량의 각도 의존 편광 데이타를 나타내기 위해 코노스코픽 포맷을 사용할 수 있다. 광선의 편광 상태를 나타내는 통상적인 방법은 편광 타원을 이용하는 것이다. 즉, 그 곡선은 발진 기간 동안 전계 벡터의 끝점까지 늘어진다. 타원은 광선 방향에 수직인 평면에 있는 한 쌍의 직교 기준 축에 관하여 광선의 편광 상태의 크기 및 방향을 그래픽적으로 표시한다. 중요한 특정 경우는 (타원이 원이 되는) 원형 편광 및 (타원이 직선으로 변질하는) 선형 편광을 포함한다.

임의의 θ및 Φ에 대하여, θ및 Φ로 형성되는 로컬 s-p 좌표계의 편광 타원은 글로벌 X-Y 좌표계에 플롯팅된다. 이러한 변화으로 몇 개의 각도 의존 편광 데이타 세트를 단일 공통 기준으로 나타낼 수 있게 된다. 예를 들면, 협폭의 수직 타원을 이러한 방법으로 플롯팅하면 Y-Z 평면에 거의 선형 편광을 나타내게 된다. Y-축에 평행하는 선형 편광은 θ=0이거나 또는 Φ=0 또는 180°일 때 발생하는 특별한 경우이다. 왜냐하면, 특별한 경우에만 Y-축이 사실상 광선 방향에 수직인 평면에 있기 때문이다. 협폭의 수평 타원의 경우에 대해서도 동일한 해석이 행해진다. 이러한 기술의 개량은 광의 편광도(DP)만큼 타원의 크기를 가중시킨다. (DP는 잘 형성된 편광 상태에서의 전체 광 밀도분의 일이다. 자연광은 랜덤하게 편광되며 DP

0이다.)

도 26은 각도 θ=0°, 10°, 20°, 30°, Φ=0°, 30°...330°를 따라 수직 또는 Y-방향 편광자를 통과한 초기에 편광되지 않은 광선의 계산된 편광 상태를 도시하고 있다. θ=30°이고 Φ=60°인 타원이 특히 표시되어 왔다. 이 모델은 타원이 수직선이 되도록 전형적인 높은 품질의 선형 편광자를 위한 것이다. 그러나, 큰 입사각이 주요 평면으로부터 떨어져 있는 경우 수직에서 떨어져서 타원이 약간 회전한다는 것에 주목한다. (θ>50°인 경우 효과가 꽤 현저하게 나타난다.) 상기 방향을 따라 편광자로부터 들어오는 광은 다른 방향으로 전달되는 광 보다 덜 수직으로 편광되고 더 수평으로 편광된다. 이것은 말테제 크로스의 원인이다. 교차(수평 또는 X-방향으로)된 편광자의 타원 패턴은 90°만큼 회전된 도 26과 동일하다. 주요 평면 내에서 교차된 편광자의 타원은 직교하고, 광은 이 방향을 따라 통과하지 않도록 저지된다. 큰 입사각이 주요 평면으로부터 떨어져 있는 경우, 2개 편광자의 타원은 (반대 방향으로 회전된다는 점에서) 더 이상 직교하지 않으며, 이것은 광이 누설하지 않는다는 것을 나타낸다.

도 34는, y-축에 평행한 반사 축 및 x-y 평면에 대하여 45°로 방향 지어진 수직 표면을 갖는 양축 다층 중합체 반사성 편광자 다음에 배치되고 x-y 평면에 있는 y-지향 선형 편광자의 코노스코픽 CR 등고선을 도시하고 있다. 이 특정 반사성 편광자는 카티젼형 편광 빔 스플리터로 사용하기 위해 특별히 설계된다. 분선 편광자(제1 선형 편광자와 동일함)는 y-z 평면에 배치된다. 분석기가 y-축에 평행하게 편광되는 광을 통과시키도록 방향지어질 때 광 상태가 발생되고, 분석기가 y-축에 평행하게 편광되는 광을 저지하도록 방향지어질 때 어두운 상태가 발생한다. 도 34에 도시된 CR 대 각도의 패턴은 말테제 대역으로 칭해지며, 공통 평면에 있지 않은 편광자에 의해 형성되는 패턴과 유사하다. (제2 편광자의 평면이 y-축을 중심으로 회전될 때의 실시예에서, 말테제 크로스 패턴은 X-축을 따라 시프트된다. 따라서, 말테제 대역은 말테제 크로스의 한쪽 아암이 되도록 나타나게 된다.) 수직 입사는 Φ=180°,θ=45 °일 때 발생한다. 광선은 부의(Φ=180°) x-축을 따라서 빔 스플리터의 표면에 거의 수직으로 충돌한다. 감소된 각도에 따른 반사 효율의 증가로 상기 대역이 부의 x-축을 따라 더 넓어지게 된다.

편광자와 빔 스플리터가 결합될 경우 계산되는 가장 큰 각도의 CR은 편광자를 단독으로 사용할 경우보다 훨씬 크고, 가장 작은 각도의 CR은 훨씬 작다. 반사성 편광자가 제1 편광자로부터의 광에 작용하는 방법에는 2가지가 있다. 첫번째는 편광되지 않은 광의 양을 줄이는 것이다. 편광되지 않은 광의 감소는 원하지 않은 편광량의 감소를 초해한다. 사실상 반사성 편광자는 제한된 범위의 각도에 대하여 광의 편광도(DP)를 증가시킨다. 약 99.80% 내지 99.90%의 경우에 제1 편광자로부터 높은 DP로 광이 방출하지만, 빔 스플리터를 직렬로 함으로써 DP는 99.98% 정도로 증가된다. 반사성 편광자가 제1 편광자로의 광에 작용하는 두번째 방법은, 선형 편광을 회전시키거나 또는 타원율을 도입하도록 그 편광의 특성을 변화시키는 것이다. 도 27은 PBS에 의한 반사후에 수직 편광된 광에 대하여 계산된 편광 타원을 도시하고 있다. 도 26과 비교하면, 반사성 편광자는 타원율을 부가하지 않고 편광을 회전시킨다는 것이 드러난다. 수직으로부터 상당히 회전된 타원을 갖는 영역은 도 34의 낮은 각도의 CR을 갖는 영역과 동일하다는 것을 알 수 있다.

전술한 효과를 나타내는 방법은 종래의 PBS를 포함한 광학 이미지 시스템과 카티젼 PBS를 포함하는 광학 이미지 시스템의 편광 콘트라스트비(DCR) 대 f/#이다. 도 24 및 도 25는 이 결과의 플롯이다. 편광 콘트라스트비는 수직(y) 대 수평(x') 분석기를 통한 사전 편광자/PBS를 통하는 반사 광의 투과 비율로서 정의된다. 당업자라면 광각 카티젼 PBS가 맥네일 PBS와 비교할 때 f/#가 낮은 경우 예외적인 DCR을 가진다는 것을 이해할 수 있다.

각도 CR은 DCR과 매우 유사하다. 이것은 반사하는 광의 편광을 유지하는 빔 스플리터의 능력의 척도이다. 그러나, DCR 대 각도는 밝은 상태 강도 및 어두운 상태 강도를 모든 Φ에서 임의 θ값에 걸쳐 적분함으로써 계산되어, 그 비가 얻어지고 각도 CR을 적분하지는 않는다. 도 34의 편광자와 빔 스플리터에 대해 계산된 DCR은 도 24 및 도 25에 도시된다. 예상되는 바와 같이, 결합된 편광자와 빔 스플리터는 큰 f-수(작은 각도)에 대해 보다 큰 DCR을 가진다.

도 32는, y-축에 평행한 반사 축과 x-y 평면에 45° 지향된 수직 표면을 가지는 반사성 편광자 다음에 배치되고 x-y 평면에 있는 y-지향 선형 편광자에 대하여 계산된 각도 CR을 도시하고 있다. 이 실시예에서, 3M 신형 필름 양축 다층 중합체 반사성 편광자는 광범위한 범위의 각도에 대하여 LCD의 밝기를 강화시키도록 설계되며, 3M 이중 밝기 강화 필름(DBEF)와 동일하다. 도 32에 도시된 각도 CR 패턴은 도 34에 비교할 때 매우 높은 콘트라스트의 협폭의 대역을 가진다. 약 f/14(θ≥2°) 보다 작은 f-수의 3M 신형 필름을 포함하도록 설계된 광학 이미지 시스템의 우수성이 도 32 및 도 34에 명확하게 도시된다. 그 우수성이 DBEF 편광 타원 플롯(도 28)을 빔 스플리터 플롯(도 27)을 비교함으로써 자명하지 않기 때문에, 빔 스플리터는 사실상 광범위한 범위의 각도에 걸쳐 거의 수직인 편광을 제공한다. 또한, 그것은 보다 큰 DP를 발생한다.

바로 앞에서 논의된 2개의 반사성 편광자는 대체로 카티젼 편광자가다. 비교에 의하면, 맥네일형 편광자는 아니다. 다층 광학 코팅은 등방성 재료로 행해지고, 한 편광을 반사하고 다른 편광을 투과시키는 브루스터각 현상에 의존한다. 도 33은, y-축에 평행한 경사 축을 가지는 45° 맥네일 큐브형 반사성 편광자가 다음에 배치되고 x-y 평면에 있는 y-지향 선형 편광자에 대해 계산된 각도 CR을 도시하고 있다. CR은 큐브 출력면에 평행한 y-z 평면에 분석 편광자(제1 선형 편광자와 동일함)를 배치함으로써 계산된다. 각도 CR 패턴은 양의 x-축을 따라 약간 커지는 감소된 영역의 큰 CR을 가질때 2개의 카티젼 편광자와는 상이하다. 도 24 및 도 25는, 이러한 특정 맥네일 편광자가 f/2의 카티젼 편광자 중 어느 하나 보다도 훨씬 더 나쁘고 훨씬 작은 범위의 각도에 대하여 유용한 콘트라스트를 제공한다는 것을 나타낸다.

도 29는 초기 편광되지 않은 광으로 조사되는 맥네일 편광자의 편광 타원의 코노스코픽 플롯을 도시하고 있으며, 또 카티젼 편광자와는 매우 상이한 작용을 도시하고 있다. 브루스터 현상에 대한 의존성은 특히, Φ=90° 축에 따른 타원의 심한 회전에서 꽤 명백해진다. 입사각의 증가는 광선이 45° 코팅에 충돌하는 반사 평면을 y 축을 따라 회전시킨다. 코팅이 S-편광을 반사시킬 때, 반사된 광선의 편광도 반드시 회전한다. 이러한 경사 광선은 입사각의 증가에 따라 성장하는 편광 회전의 각도로 맥네일 편광자에 의해 대부분 회전된다.

카티젼 편광자가 빔 스플리터에 부적절하게 적용될 수도 있는다는 것에 주목해야 한다. 이러한 점을 설명하기 위하여, y-축에 평행한 투과 축과 x-y 평면에 대하여 45°인 수직 평면을 가지는 반사성 편광자 다음에 배치되고 x-y 평면에 있는 수평 또는 x-지향 선형 편광자의 각도 CR을 계산한다. 제2 실시예에서 PBS로 사용되고 이 실시예에서도 사용되는 동일 반사성 편광자는 수직을 중심으로 90°만큼 회전될 뿐이기 때문에 수평 편광을 반사한다. 도 35는 이 경우에 말테제 대역이 상당히 좁고 매우 적은 영역의 성능이 양호하다는 것을 도시하고 있다. 그 결과는 도 30에서 확실하게 되며, 여기서 편광되지 않은 광으로 조사되는 수평 PBS는 소망의 방향, 즉 이 경우에 있어서 x-방향으로부터 멀리 강하게 회전되는 편광 상태로 광을 투과한다.

도 35의 실시예는, 수평으로 편광된 광을 반사하도록 지향되는 빔 스플리터 필름이 수직으로 편광되는 광을 반사하도록 지향되는 양호한 카티젼 편광자에도 불구하고 편광을 유지하는 서투른 작업을 행한다는 것을 나타낸다. 이전의 실시예에서, 제1 편광자의 투과축 및 제2 편광자의 반사축은 평행하며, s-편광된 광이 대부분 반사된다. 이 경우에, 제1 편광자의 투과축 및 제2 편광자의 반사축은 단지 동일 평면에 있으며, p-편광된 광이 압도적으로 반사한다. 편광된 광을 회전 없이 반사하는 카티젼 편광자의 능력에는 입사각에 따른 반사 변화를 최소화하도록 반사축의 양호한 지향이 분명히 요구된다.

섬유 조사 분석 결과는, 맥네일 높은 소광 PBS 큐브를 포함하는 TN 이미저 시스템이 카티젼 편광자를 포함하는 TN 이미저 시스템 만큼 높은 콘트라스트를 제공하지 않음을 보여준다.

실시예 2

랜취 조사를 갖는 투사 시스템 테스트 베드의 성능

시스템은 도 4에 도시되는 바와 같이 쌍을 이루는 소형 렌즈 어레이(랜취) 조사로 실시예 1과 같은 파라미터 하에서 테스트된다. 랜취 조사 경우에, 조사 프로파일은 소형 렌즈 어레이 적분기로 인해 매우 구조화되고, 이미저는 매우 균일하게 조사된다. 랜취 조사는 통상적으로 전자 투사기에 사용된다.

광학 이미지 시스템은 f/#가 1.8 내지 8.0인 구성 소자를 사용하여 테스트된다. 동적 범위는 전술한 바와 같이 측정된다.

랜취 조사의 맥네일 큐브의 경우에 대하여, 이하의 동적 범위 및 광 효율은 사분파 보상 필름으로 측정되고, 또 그 필름 없이 측정된다. 사분파 보상은 어두운 상태를 제공하기 위해 이미저에 입사하는 광의 편광 방향에 대하여 0°로 사분파 보상 필름(QWM)을 배치함으로써 이루어진다. 구성은 FLCD 이미저를 모델링한다. 미러는 네마틱 이미저를 모델링하기 위해 어두운 상태에만 사용된다. 결과가 컬러 대역에 의해 기록될 수 있도록 본 실시예에 충분한 조사가 이용 가능하다.

랜취 조사시 맥네일 PBS의 시스템 동적 범위

어두운 상태	미러	미러	미러	QWF를 갖는 미러	QWF를 갖는 미러	QWF를 갖는 미러
f/#	맥네일 녹색 동적 범위	맥네일 적색 동적 범위	맥네일 청색 동적 범위	맥네일 녹색 동적 범위	맥네일 적색 동적 범위	맥네일 청색 동적 범위
1.8 2.0 2.4 2.8 3.3 4.0 4.7 5.6 6.7 8.0	31:1 33:1 38:1 42:1 67:1 88:1 157:1 405:1 509:1 577:1	31:1 34:1 39:1 45:1 77:1 104:1 166:1 333:1 442:1 496:1	29:1 30:1 36:1 40:1 61:1 81:1 129:1 241:1 300:1 287:1	93:1 94:1 101:1 147:1 271:1 336:1 519:1 826:1 1019:1 1129:1	91:1 93:1 101:1 140:1 298:1 368:1 452:1 599:1 694:1 662:1	63:1 65:1 73:1 94:1 136:1 167:1 258:1 378:1 420:1 430:1

랜취 조사시 맥네일 PBS의 시스템 효율

f/#	맥네일 녹색 자속 (lm)	맥네일 적색 자속 (lm)	맥네일 청색 자속 (lm)
1.8 2.0 2.4 2.8 3.3 4.0 4.7 5.6 6.7 8.0	1110.0 1070.0 990.0 959.0 852.0 685.0 545.0 413.0 326.0 271.0	163.0 158.0 145.0 140.0 125.0 103.0 81.4 59.9 48.6 39.7	74.0 70.9 65.7 62.9 55.9 45.1 36.1 26.5 21.0 17.2

광각 카티젼 PBS에 행해지는 측정은 다음과 같은 결과를 제공한다.

랜취 조사시 광각 카티젼 PBS의 시스템 동적 범위

어두운 상태	미러	미러	미러	QWF를 갖는 미러	QWF를 갖는 미러	QWF를 갖는 미러
f/#	광각 카티젼 녹색 동적 범위	광각 카티젼 적색 동적 범위	광각 카티젼 청색 동적 범위	광각 카티젼 녹색 동적 범위	광각 카티젼 적색 동적 범위	광각 카티젼 청색 동적 범위
1.8 2.0 2.4 2.8 3.3 4.0 4.7 5.6 6.7 8.0	206:1 214:1 230:1 268:1 344:1 405:1 469:1 457:1 538:1 614:1	205:1 215:1 212:1 283:1 345:1 378:1 432:1 450:1 466:1 662:1	124:1 130:1 132:1 157:1 161:1 165:1 191:1 172:1 221:1 216:1	280:1 302:1 304:1 347:1 460:1 653:1 831:1 938:1 1018:1 1005:1	245:1 277:1 300:1 324:1 407:1 567:1 692:1 707:1 746:1 827:1	175:1 190:1 199:1 226:1 259:1 271:1 324:1 343:1 310:1 360:1

랜취 조사시 광각 카티젼 PBS의 시스템 동적 범위

f/#	광각 카티젼 녹색 자속(lm)	광각 카티젼 적색 자속(lm)	광각 카티젼 청색 자속(lm)
1.8 2.0 2.4 2.8 3.3 4.0 4.7 5.6 6.7 8.0	1219.0 1166.0 1060.0 978.4 853.3 699.6 537.4 367.8 302.1 234.2	173.8 164.3 146.3 141.0 120.8 96.1 73.3 52.5 39.5 35.1	77.7 74.5 67.4 59.9 49.4 40.2 34.3 21.8 16.4 11.4

실시예 2는 실제 투사 시스템의 구성과 거의 근사하게 유사하다. 이 실시예에서, 맥네일 큐브의 콘트라스트 성능은 광각 카티젼 PBS 보다 훨씬 작다; 그 차이는 광섬유 조사를 사용해서 볼 수 있는 것보다 훨씬 크다.
결과의 요약
3M 신형 필름 카티젼 PBS를 포함하는 전자 투사 시스템에 기초한 반사 네마틱 LCD는 맥네일 편광자 PBS를 포함하는 시스템 보다 많은 이점을 가지는 것으로 관찰된다. 이러한 이점은 다음과 같다.

1. 카티젼 PBS 시스템은 조사 대상의 모든 조사 프로파일에 대하여 특히 f/#가 낮은 맥네일 PBS 시스템 보다 더 높은 콘트라스트를 제공한다.

2. 카티젼 PBS 시스템은 측정 대상의 모든 컬러 대역에 대하여 유사한 맥네일 PBS 시스템 보다 더 높은 콘트라스트를 제공한다. 보다 높은 콘트라스트는 퀄러(Kohler) 및 중요 조사를 포함하는 시스템에서도 나타날 수 있다. 이러한 높은 콘트라스트에 의해, 조사 시스템 설계자는 조사 균일성 및 효율을 최적화할 수 있으며, 보다 적은 콘트라스트가 PBS의 콘트라스트 참작에 의해 부과된다.

이러한 작용을 보강하는 이론적인 참작에 따르면, 테스트되는 카티젼 PBS에 대하여 얻어진 결과는 임의의 광각 카티젼 PBS에 적용 가능하다. 다른 실시예는 와이어 그리드 편광자와 같은 다른 적절한 카티젼 PBS를 포함할 수 있다.

이론에 의해 매이고 싶지 않지만, 수직 입사로부터 상당히 빗나간 각도에서 용인 가능한 콘트라스트는 트위스티드 네마틱(TN) 이미저의 경우인 것 보다 FLCD 이미저에 대해서 달성하기가 더 용이하다고 밝혀졌다. 따라서, FLCD 이미저는 f/#가 매우 작은 TN 이미저에 관련하여 우수한 콘트라스트를 제공하며, 이로 인해 광각 PBS와 결합하여 사용되는 경우 TN 이미저에 관련하여 FLCD의 광 이용의 잠재적 효율을 증가시킨다. 광각 카티젼 PBS와 FLCD 이미저의 결합으로 인해 고속 광 빔을, 예를 들면 컬러 분리 프리즘이 f/#을 제한하지 않는 순차적 컬러 시스템에 사용할 수 있다. 2 보다 작은 f/#가 사용되는 이러한 종류의 시스템 또는 어떤 다른 시스템에서, 고속 광 빔을 갖는 FLCD의 콘트라스트 이점은 보다 효율적인 광 효율을 가능케 한다.

당업자라면 본 발명이 편광을 사용하는 광학 투사 시스템 또는 다른 이미징 시스템을 설계할 때 사용될 수 있는 것을 이해할 수 있게 된다. 예시적인 양호한 실시예를 참조하여 본 발명을 기술하고 있지만, 본 발명은 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 기술되고 도시되는 실시예는 예시적인 것일뿐이고 본 발명의 범위를 제한하지 않는다는 것을 이해할 수 있다. 다른 변경 및 수정은 본 발명의 사상 및 범위에 따라서 행해질 수 있다.

Claims

a) 고정 편광 축을 형성하는 구조 방향을 갖는 광각 카티젼 편광 빔 스플리터(50)와;

b) 적어도 하나의 반사 광 밸브(26) - 여기서, 상기 편광 빔 스플리터는 입사광을 고정 좌표계를 기준으로 편광 상태를 갖는 제1 및 제2의 실질적으로 편광된 빔으로 분할하고 상기 제1 편광 빔을 상기 반사 광 밸브 상으로 전송함 - 와;

c) 2.5 이하의 f/#을 갖는 광 밸브 조사 광학체(15)

를 포함하고,

상기 광각 카티젼 편광 빔 스플리터를 통해 적어도 하나의 반사 광 밸브로부터 전파하는 이미지 광은 가시광 범위 내의 투사된 컬러 대역에 걸쳐서 적어도 100:1의 동적 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 이미지 시스템.
제1항에 있어서, 상기 시스템은 약 12°의 최소 수광 원뿔각을 갖는 것인 광학 이미지 시스템.
제1항에 있어서, 콘트라스트비는 150:1을 초과하는 것인 광학 이미지 시스템.
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제1항에 있어서, 컬러 분리 및 재결합 프리즘(36)과 복수의 반사 광 밸브를 더 포함하고, 상기 프리즘은 상기 편광 빔 스플리터로부터의 편광된 광을 수광하며, 상기 편광된 광을 컬러 분리하여 그 편광된 컬러 빔을 각각의 광 밸브로 전송하는 것인 광학 이미지 시스템.
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제1항에 있어서, 상기 카티젼 편광 빔 스플리터는 다층 복굴절 필름을 포함하는 것인 광학 이미지 시스템.
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제1항에 있어서, 상기 카티젼 편광 빔 스플리터는 상기 중심 광선에 대하여 40°내지 50°로 회전되는 것인 광학 이미지 시스템.
a) 광 빔을 제공하는 조사 시스템(12)과;

b) 상기 광 빔을 수신하여 그 광 빔을 제1 및 제2 편광 성분으로 분할하도록 광학적으로 정렬되고, 고정 편광 축을 형성하는 구조 방향을 갖는 다층 중합체 필름(52)을 포함하는 광각 카티젼 편광 빔 스플리터(50)와;

c) 상기 제1 편광 성분을 수신하도록 광학적으로 정렬되어, 상기 제1 편광 성분을 적색, 녹색 및 청색 빔으로 분리하는 컬러 분리 프리즘(36)과;

d) 상기 광 빔을 조절하기 위하여 광학적으로 정렬된 2.5 이하의 f/#을 갖는 광 밸브 조사 광학체(15)와;

e) 상기 적색, 녹색 및 청색 빔을 각각 수신하도록 광학적으로 정렬되는 적어도 3개의 반사 광 밸브(26, 28, 30)

를 포함하고,

상기 카티젼 편광 빔 스플리터를 통해 적어도 3개의 반사 광 밸브로부터 반사되는 이미지 광은 적어도 150:1의 동적 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 광학 이미지 시스템.
a) 고정 편광 축을 형성하는 구조 방향을 가지며, 제1 편광을 갖는 순방향 진행광과 상기 제1 편광과는 상이한 제2 편광을 갖는 역방향 진행 이미지 광의 축 이탈 분리(off-axis separation)를 위해 배치되는 광각 카티젼 편광 빔 스플리터(50)와;

b) 상기 순방향 진행광을 상기 빔 스플리터로 전송하기 위해 2.5 이하의 f/#을 갖는 광 밸브 조사 광학체(15)

를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
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