KR100880761B1 - 편광 빔 스플리터를 지닌 이미지 투영 시스템 - Google Patents

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Abstract

발명에 따른 이미지 투영 시스템(10)은 시스템에서 편광기 및 분석기로 기능하는 와이어 그리드 편광 빔 스플리터(14)를 포함한다. 광원(20)은 편광 빔 스플리터에 전달되는 소스 광선을 생성하며, 편광 빔 스플리터는 하나의 편광을 반사하고, 다른 하나의 편광을 투과시킨다. 액정 어레이(26)가 반사 광선이나 투과 광선 내에 배치된다. 이 어레이는 이미지 정보를 인코딩한 광선의 편광을 변조시키고, 변조 광선을 다시 편광 빔 스플리터로 보낸다. 편광 빔 스플리터는 한가지 편광을 다시 반사하고 다른 한가지 편광을 투과시켜서, 인코딩된 이미지가 스크린(25)에 반사되거나 투과되게 한다. 편광 빔 스플리터는 제 1, 2 층(201, 203) 사이에 삽입된, 길이방향으로 긴 평행 이격 소자(30)의 어레이를 지닌 내장형 와이어 그리드 편광기일 수 있다. 이 소자들은 소자들 사이에서 다수의 간격(207)을 형성하며, 이 간격의 굴절률은 제 1 층이나 제 2 층의 굴절률보다 작다.

Description

편광 빔 스플리터를 지닌 이미지 투영 시스템{IMAGE PROJECTION SYSTEM WITH A POLARIZING BEAM SPLITTER}
본 발명은 광의 한가지 선형 편광을 반사시키고 다른 한가지 선형 편광을 투과시키는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)를 포함하는, 가시광선 스펙트럼 내에서 동작가능한 이미지 투영 시스템에 관한 것이다. 특히 본 발명은 다수의 길이방향 반사 요소를 포함하는 빔 스플리터를 갖춘 이미지 투영 시스템에 관한 것으로서, 이러한 반사 요소는 광선에 나타나는 기하학적 왜곡(일그러짐), 비점수차(astigmatism), 코마(coma)를 줄이도록 기판 상에 배열된다.
편광은 투영 LCD같은 일부 응용환경에서 요구된다. 이러한 디스플레이 장치는 광원, 집광 및 상맺힘을 위한 렌즈같은 광학 소자, 광의 한가지 편광을 액정 배열에 투과시키는 편광기, 이미지 정보를 인코딩하도록 광의 편광을 조작하기 위한 액정 어레이, 편광 변경 및 유지를 위한 어레이 내 각 화소의 어드레싱 수단, 선택된 화소로부터 불필요한 광을 제거하기 위한 제 2 편광기(분석기라 불림), 그리고 이미지의 상이 맺힐 스크린을 포함한다.
단일 편광 빔 스플리터(PBS)를 이용하여 제 1 편광기와 제 2 편광기(분석기)의 두 기능을 행하는 것이 가능하다. 액정 어레이가 LCOS(Liquid Crystal On Silicon) 광 밸브처럼 반사형일 경우, 편광기로부터 유입되는 광선을, 선택 화소의 편광을 변경시킴으로서 이미지를 인코딩한 후 다시 그 편광기로 반사시킬 수 있다. 이러한 시스템은 Takanashi의 미국 특허 5,239,322 호에 소개되어 있다. 이 개념은 Fritz와 Gold의 US 5,513,023 호에서 한층 다듬어졌다. 유사한 접근법들이 광학적 배열 및 성능에서 중요한 장점들을 제공한다. 그러나, 이들 중 어느것도 기존 편광 빔 스플리터의 결점 때문에 실용화되지 못하고 있다. 투영 LCD에 기존 편광 빔 스플리터를 이용할 때의 단점은 이미지가 밝지 않고, 콘트래스트가 불량하며, 그리고 색상 균형이나 강도가 고르지 못하다는 것이다. 추가적으로, 여러 기존 편광 빔 스플리터들은 과도한 발열 때문에 수명이 짧으며 가격도 비싸다.
이러한 이미지 투영 시스템을 상용화시키기 위해, CRT 텔레비전 디스플레이 장치에 의해 제공되는 이미지보다 훨씬 우수한 이미지를 만들어내야 한다. 왜냐하면, 이러한 시스템이 기존 CRT 기술보다 비싸기 때문이다. 따라서, 따라서, 이미지 투영 시스템은 1) 적절한 색상이나 색상 균형을 가진 밝은 이미지를 제공하여야 하고, 2) 이미지 콘트래스트가 우수해야 하며, 3) 가능한 저렴해야 할 것이다. 개선된 편광 빔 스플리터(PBS)는 이 목적을 달성하는 데 있어 중요한 역할을 한다. 왜냐하면, PBS가 디스플레이 시스템의 잠재적 성능을 결정하는 제한적 성분이기 때문이다.
디스플레이 성능에 크게 영향을 미치는 PBS 특성은 1) 편광기가 기능할 수 있는 각구경(angular aperture)이나 f-넘버, 2) PBS 이용에 관련된 흡수량 또는 에너지 손실, 그리고 3) PBS의 내구성이다. 광학 장치에서, 각구경이나 f-넘버는 PBS 가 요망 성능 수준을 이용하고 유지할 수 있는 원추형 광의 각도를 나타낸다. 원추가 크거나 f-넘버가 작은 것이 바람직하다. 왜냐하면, 원추가 클수록 광원으로부터 많은 광을 모을 수 있고, 이로 인해 에너지 효율이 증가하고 시스템이 소형화되기 때문이다.
PBS 이용에 관련된 흡수 및 에너지 손실은 시스템의 밝기에 영향을 미친다. 왜냐하면, 많은 광들이 광학계에서 손실되고 일부 광만이 남아 스크린에 투영될 수 있기 때문이다. 추가적으로, 편광기에서 흡수되는 광에너지 량은 그 내구성에 영향을 미칠 것이다. 특히, 광학계를 투과하는 광이 제곱센티미터당 와트 수준으로 매우 강한, 이러한 이미지 투영 시스템에서 그 내구성에 영향을 미칠 것이다. 이러한 광의 강도는 폴라로이드 시트같은 대중적인 편광기를 쉽게 손상시킬 수 있다. 실제로, 내구성 문제는 이 응용분야에 사용될 수 있는 편광기들을 제한한다.
투영 시스템이 작고 가볍게 만들어질수록, 제품이 저렴하고 바람직하기 때문에, 내구성이 또한 중요하다. 그러나 이를 위해서는, 광 강도가 더 높아져야 하고, 이로 인해 PBS에 부하가 가중되고 수명이 단축된다.
기존 PBS 장치의 문제점은 디스플레이 장치의 중요한 성능 요소인 변환 효율이 불량하다는 것이다. 변환 효율은 광원에서 요구하는 전력 중 얼마만큼이 사람이 관측할 스크린 상의 광 강도 전력으로 변환되는 지를 나타내는 척도이다. 이는 광원에서 요구되는 전력으로 스크린 상의 총 광전력을 나눈 비율로 표현된다. 기존 단위들은 루멘/와트 이다. 여러 가지 이유로 비율이 높은 것이 유리하다. 예를 들어 변환 효율이 낮을 경우, 광원이 밝아야 하고, 이 경우에 큰 전력이 필요하고 다 량의 열이 발생되며, 장치의 부피가 커져야 한다. 추가적으로, 변환 효율이 낮으면 투영 시스템의 비용이 증가된다.
변환 효율이 낮으면 광학적 효율이 낮고, 이는 광학계의 f-넘버에 직접 관련된다. 대등한 시스템에 비해 절반의 f-넘버를 가진 시스템은 광원으로부터 광을 모음에 있어 네배로 효율적이다. 따라서, 훨씬 작은 f번호를 제공함으로서 광 에너지를 보다 효율적으로 거두어들일 수 있고, 따라서, 변환 효율을 증가시킬 수 있는, 개선된 편광 빔 스플리터(PBS)를 제공하는 것이 바람직하다.
기존 편광 빔 스플리터가 투영 시스템에서 빔 스플리터로 사용될 때의 변환 효율에 대하여, 기존 편광 빔 스플리터의 열악한 성능에는 여러 가지 이유가 있다. 먼저, 현재의 빔 스플리터는 광이 스플리터를 어떤 각도(또는 입사각 근처의 좁은 원추각)에서 때리지 못할 경우 불량하게 기능한다. 주광(principal ray)이 이 각도로부터 벗어나면, 각각의 종류의 편광 빔 스플리터가 강도, 편광 순도, 그리고 색상 균형을 저하시킨다. 이는 광원으로부터 들어오는 광선과 액정 어레이로부터 반사되는 광선에도 영향을 미친다. 이 주각도(principal angle)는 PBS의 설계 및 구성과, 이러한 여러 빔 스플리터에서 사용되는 편광 메커니즘의 물리적 관계에 따라 좌우된다. 현재 가용한 편광 빔 스플리터는 전자기파 스펙트럼의 가시광선부의 주편광각도로부터 멀리 떨어진 각도에서 효율적으로 동작할 수 없다. 이 제한요소로 인해, 광학적 배열 및 상용 디스플레이 설계를 구현하는 것이 불가능하다.
주광이 두 편광을 분리시키기 위한 최적 각도로 편광기에서 충돌할 경우에도, 나머지 광선들이 이 각도로부터 멀리 빗나갈 수 없거나 그 시각적 질이 저하될 것이다. 이는 디스플레이 장치에 있어 중대한 결함이다. 왜냐하면, 편광기에 들어오는 광이 전형적 광원에 의해 방출되는 광을 효율적으로 이용할 수 있도록 강하게 수렴되거나 강하게 발산되어야 하기 때문이다. 이는 광학계의 f번호로 표현된다. 단일 렌즈의 경우, f번호는 초점길이에 대한 구경(aperture)의 비이다. 일반적인 광학 기구에서, f번호는 다음과 같이 정의된다.
F/# = l/(2nsinθ)
이때, n은 광학 소자가 위치하는 공간의 굴절률이고, θ는 반원축 각도(half cone angle)이다. F번호가 작을수록, 렌즈가 모으는 방사 플럭스 ΘC가 커지고, 밝은 이미지를 디스플레이하는 데 장치가 더 효율적일 것이다. 방사 플럭스는 F/#의 역제곱으로 증가한다. 광학 트레인에서, 최대 F/#를 가진 광학 소자는 광학 효율면에서 제한된 요소가 될 것이다. 전통적 편광기를 이용한 디스플레이 장치의 경우에, 제한 요소는 거의 편광기이며, 따라서 PBS가 변환 효율을 제한한다. 따라서, 현재 가용한 어떤것보다도 작은 F/#를 가진 PBS 종류를 개발하는 것이 유익할 것이다.
F/#가 작은 전통적 편광기가 가용하지 않기 때문에, 설계자들은 더 작고 더 밝은 광원을 구체화함으로서 변환 효율의 문제점을 해결하고 있다. 일반적으로 아크 램프인 이러한 광원이 가용하지만, 무겁고 부피가 크며 동작시 계속적인 냉각을 요구하는 고가의 전력 공급원을 필요로한다. 냉각 팬(cooling fans)은 불필요한 잡음 및 진동을 발생시킨다. 이 특징들은 투영기 및 유사 디스플레이 장치의 이용에 방해가 된다. 또한, F/#가 작은 PBS는 저전력, 저소음의 기존 광원으로부터 광을 효율적으로 모을 수 있게 한다.
기존 편광 빔 스플리터의 또다른 단점은 소광 능력(extinction)이 떨어진다는 점이다. 이는 이미지의 콘트래스트를 저하시킨다. 소광은 불요한 편광에 의해 거부된 광에 대한 요망 편광의 편광기를 투과한 광의 비율이다. 효율적인 디스플레이 장치에서, 이 비율은 PBS를 투과한 광의 전체 원추에 대해 최소의 값으로 유지되어야 한다. 따라서, 높은 콘트래스트 이미지를 얻도록 높은 소광비를 가지는 편광 빔 스플리터를 제공하는 것이 바람직하다.
기존 편광 빔 스플리터의 세 번째 단점은 가시광선 스펙트럼에서 반응이 균일하지 않거나 색상 충실도가 열악하다는 것이다. 결과적으로 색상 균형이 맞지 않아서, 밝은 색상으로부터의 일부 광이 편광 빔 스플리터의 유약함을 수용하도록 던저져야 함에 따라 투영 디스플레이 시스템이 더욱 비효율적이 된다. 따라서, 양호한 색상 균형을 뛰어난 효율로 이미지에 부여하도록, 가시 광선 스펙트럼에 대해 균일한 반응을 가지는 개선된 편광 빔 스플리터를 제공하는 것이 바람직하다. 빔 스플리터는 투영된 색상을 왜곡시키기 보다는 무색이어야 하며, 편광간 누화(crosstalk)를 발생시켜서는 안된다. 이 누화가 예리함과 콘트래스트를 저하시키기 때문이다. 이 특성은 편광기의 모든 부분에 대해 적용되어야 하며, 편광기에서 발생하는 모든 각도의 입사광에 대해 적용되어야 한다. "스패식(spathic)"이라는 용어는 단면적, 입체각, 그리고 편광된 광선의 파장에 대한 상대강도 분포를 보존하는 편광기를 설명하도록 만들어졌다(R.C.Jones, Jour. Optical Soc. Amer. 39, 1058, 1949). 편광기 및 분석기로 기능하는 PBS는 투과 및 반사에 대해 "스패식"이 어야 하며, 각구경이 큰 광선의 경우에도 역시 "스패식"이어야 한다.
기존 편광 빔 스플리터의 네 번째 단점은 내구성이 좋지 않다는 것이다. 여러 기존 편광 빔 스플리터들이 과도한 발열 및 광화학적 반응으로 인한 기능저하를 받는다. 따라서, 저하 신호를 보이지 않으면서 수천시간동안 강한 광자 플럭스를 견뎌낼 수 있는 개선된 편광 빔 스플리터를 제공하는 것이 바람직하다. 추가적으로, 경제적이면서 대량제작이 용이한 편광 빔 스플리터를 제공하는 것이 바람직하다.
이러한 기준에 부합하기 위한 필요성으로 인해, 투영 시스템에 실제 활용할 수 있는 편광기는 몇가지 종류만이 있다. 넓은 각구경과 고충실도 편광을 동일한 빔 스플리팅 장치에 통합하기 위해 수많은 시도가 있었다. 이 노력의 상대적 성공은 아래에 설명된다. 박막 간섭 필터는 분석기로도 사용되는 편광 빔 스플리터를 제작하려는 노력 중 가장 자주 언급되는 편광기 종류이다. MacNeille은 넓은 스펙트럼 범위에서 효과적인 이러한 편광기를 가장 먼저 소개하였다(US 2,403,731). 이는 글래스 큐브 내에 입사광에 대각선으로 설정되는 박막 멀티-층으로 구성되어, 시트 편광기에 비해 부피가 크고 무겁다. 더욱이, 이는 통상적으로 45도인 단일 입사각에 대해 설계되어야 하며, 광이 2도 정도의 미세하게 단일 입사각과 차이가 나게 입사되더라도 그 성능이 불량하다. 이 설계에 대하여 다른 자들이 개선사항을 제시하였다(가령, J.Mouchart, J.Begel, 그리고 E.Duda, Applied Physics 28, 2847-2853, 1989; 그리고 L.Li 와 J.A.Dobrowolski, Applied Optics 13, 2221-2225, 1996). 이들 모두는 각구경이 증가하려면 파장 범위를 크게 감소시켜야 할 필요성이 있다. 이는 광학 설계가 광을 편광 빔 스플리터에 도달하기 전에 적절한 색상 대역으로 나누는 일부 설계(US 5,658,060, 5,798,819)에서 행하여질 수 있다. 이 방식으로, 빔 스플리터에 대한 스펙트럼 대역폭 요청을 감소시킬 수 있고, 각구경을 넓힐 수 있지만, 추가적인 구성요소 및 복잡도가 상당한 비용, 부피, 중량을 시스템에 부과한다.
그럼에도 불구하고, 개선된 빔 스프리터 큐브들이 시장에서 판매되고 있으며, Balzers와 OCLI같은 잘 알려진 판매자들이 판매하고 있다. 이 큐브들은 f/2.5~f/2.8같은 F/#를 제공하고 있으며, 이러한 값은 2년전에 비해 괄목할만큼 개선된 점이다. 그러나, 광학 투영 시스템의 나머지 주된 구성요소들의 범위 내에 있는 F/1.2~f/2.0의 범위와는 여전히 큰 차이가 있다. 이러한 f-넘버에 도달하면 시스템 효율을 4배만큼 개선시킬 수 있다. 부피, 중량, 비용의 감소처럼 다른 목적을 얻기 위해, 앞서 불가능했던 설계의 흥정(trade-off)을 투영 디스플레이 기술자들이 행할 수 있다.
레이더처럼 가시광선 광학계와는 거리가 먼 기술에서, 장파장 레이더 파를 편광시키는 데 와이어 그리드(wire grid)가 적절하게 사용되고 있다. 이 와이어 그리드 편광기는 반사기로도 사용되고 있다. 적외선 범위의 광학적 요소로 이들이 잘 알려져 있으며, 이 경우에 투과성 편광기 소자로 주로 사용된다.
아직까지 실현된 바는 없으나, 가시광선 스펙트럼 영역에서 디스플레이 장치에 와이어 그리드 편광기를 이용할 수 있다는 가설이 있다. 예를 들어 Grinberg는 US 4,688,897 호에서, 와이어 그리드 편광기가 LCD용 반사기 및 전극으로 기능한다 는(그러나 분석기로는 기능하지 않는다는) 것을 제시하였다.
가상 이미지 디스플레이 효율을 개선시키기 위해 이색성 편광기(dichroic polarizer) 대신에 와이어 그리드 편광기를 이용할 수 있다는 가설이 또한 제시되어 있다(US 5,383,053). 이 경우에 그리드 편광기의 콘트래스트나 소광에 대한 필요성은 완전히 없어지며, 그리드는 기본적으로 편광 감지 빔 조향 장치로 사용된다. 5,383,053 호에서는 분석기나 편광기 중 다른 하나로의 기능을 행하지 못한다. 또한, 광대역 큐브 빔 스플리터도 상기 용도(둘 중 하나)로 기능함을 위 내용으로부터 알 수 있다. 그러나 이 기술은 기능성이라 하더라도 수용 각도가 크게 제한되며 또한 엄청나게 고가여서 고려할 수 없다.
또다른 특허(US 4,679,910)는 적외선 카메라 및 그 외 다른 적외선 기기의 테스트용으로 설계된 이미징 시스템에서 그리드 편광기 이용을 소개한다. 이 경우에, 장치는 장파장 적외선에 대한 빔 스플리터를 요구하며, 이 경우에 그리드 편광기만이 실제 유용한 해법이다. 이 특허는 가시광선 범위에 대한 활용도를 제시하지 않으며, 또한 각구경이 클 필요성에 대해서도 언급하지 않는다. 광의 가시적 이미지로의 효율적 변환에 대한 필요성과, 광대역 성능에 대한 필요성도 취급하지 않는다.
적외선 스펙트럼 부분에서의 와이어-그리드 편광기에 대해 다른 특허들이 존재한다(가령, US 4,514,479, 4,743,093, 5,177,635). 방금 언급한 예외사항을 제외하곤, 적외선 스펙트럼에서 편광기의 투과 성능만이 강조된다.
이 참고문헌들은 와이어-그리드 어레이가 편광기로 기능할 수 있다고 수십년 동안 알려져왔음을 보여준다. 그럼에도 불구하고 대외적으로는, 와이어 그리드 어레이가 이미지 투영 시스템용으로 제시되거나 개발되었다고 느껴지지 않는다. 와이어 그리드 편광기가 가시광선 스펙트럼에 적용되지 않은 한가지 이유는 제작이 어렵기 때문이다. US 4,514,479 호는 근적외선 범위에서 와이어 그리드 편광기를 이용하기 위해 포토레지스트의 홀로그래픽 노출과 이온 밀(ion mill)에서의 에칭 방법을 소개한다. US 5,122,907 호에서는, 작은 길이방향 타원형 금속이 타원형 금속의 장축을 어떤 정도로 정렬시키도록 차후에 신장되는 투과성 매트릭스로 구현된다. 투과 광선이 편광되더라도, 장치는 반사되지 않는다. 더욱이, 타원형 입자들은 전자기파 스펙트럼의 가시광선부에서 유용할 정도로 충분히 작게 만들어지지 않는다. 따라서, 실용적 장치들은 더 긴 파장을 가진 적외선 스펙트럼에 제한된다.
또다른 공지 기술 편광기는 스침 각도 기화 증착에 의해 더 미세한 라인을 얻는다(US 4,456,515). 불행하게도, 라인들은 가시광선과의 상호작용이 약한 작은 단면적을 가지며, 따라서, 이미지 생성에 사용하기에는 광학적 효율이 너무 낮다. 이러한 여러 가지 공지기술 노력에서처럼, 이 장치는 매우 임의적인 형태 및 공간을 지닌 와이어를 가진다. 이러한 임의성은 성능을 저하시킨다. 왜냐하면, 가깝게 이격된 소자들의 영역이 잘 투과되지 않으며, 넓게 퍼진 소자들의 영역은 반사도가 불량하기 때문이다. 이 효과들중 하나 또는 둘 모두가 발생할 경우, 편광(소광) 정도는 최대값보다 작다.
완벽한(그리고 거의 완벽한) 반복성의 경우에, 격자용으로 개발된 수학이 잘 적용된다. 역으로, 임의적 와이어의 경우(동일 방위각을 가진다 하더라도), 산란 이론이 최적의 설명을 제공한다. 단일 원통형 와이어로부터의 산란은 Il.C.Van de Ilust, Light Scattering by Small Particles, Dover, 1981)에 소개되어 있다. 현재의 임의-와이어 그리드는 기판 전체에 구현되어 있다. 와이어 위치가 임의적일뿐 아니라, 직경도 임의적이다. 산란된 광선의 위상도 임의적일 것이고, 따라서, 반사는 엄격하게 정반사가 아닐 것이며, 투과는 높은 공간성, 또는 이미지 충실도를 유지하지 않을 것이다. 광선의 이러한 저하는 고분해능 고밀도 정보 이미지의 전송에 이용하는 것을 막는다.
공지 기술에서는, 편광기 및 분석기로 모두 기능할 때 요구되는 각도에서 스패식(spathic) PBS 로 전체 가시광선 범위에 대해 동작하도록 와이어 어레이가 만들어질 수 있거나 만들어져야 한다는 것을 제시하지 못한다. 게다가, 이러한 동작에 필요한 좁고, 높으며, 균일하게 이격된 와이어 제작의 어려움이 언급된다(Zeitner 외 다수, Applied Physics, 38, 11 pp.2177-2181(1999), Schnabel 외 다수, Optical Engineering 38, 2 pp.220-226(1999)). 따라서, 이미지 투영에 대한 공지 기술이 디스플레이 장치의 일부분으로 스패식 PBS를 이용하는 것에 관하여 전혀 제시하는 바가 없다는 것이 놀라운 사실이 아니다.
Tamada와 Matsumoto(US 5,748,368)는 적외선 스펙트럼과 가시광선 스펙트럼 일부에서 동작하는 와이어 그리드 편광기를 소개하고 있다. 그러나, 이는 크고 폭넓게 이격된 와이어들이 가시광선의 예기치않게 짧은 파장에서 공진 및 편광을 생성하는 개념을 바탕으로 한다. 불행하게도, 이 장치는 가시광선 파장이 협대역에서만 제대로 기능하며, 전체 가시광선 스펙트럼에서는 제대로 기능하지 않는다. 따라 서, 풀칼라(full color) 이미지 생성에 이용하기엔 적절하지 않다. 그러므로, 이러한 장치는 이미지 디스플레이용으로 실용적이지 못하다. 왜냐하면, 이미지 투영 시스템용으로 편광기가 무색성이어야 하기 때문이다.
와이어 그리드 편광기가 간과된 또한가지 이유는 광선 입사각이 커질수록 전형적 와이어 그리드 편광기의 성능이 저하된다는 종래의 믿음에 있다(G.R.Bird와 M.Parrish, Jr.의 "The Wire Grid as a Near-Infrared Polarizer", J. Opt. Soc. Am., 50, pp.886-891,(1960); the Handbook of Optics, Michael Bass, Volume II, p3-34, McGraw-Hill(1995)). 가시광선 스펙트럼 범위에서 35도 이상의 입사각에 대해 제대로 동작하는 설계에 관한 보고서가 전혀 없다. 또한, 입사각을 이렇게 제한시키는 중요한 설계 인자를 누구도 지적하지 않고 있다. 이 인지된 설계 제한인자는 투과 및 반사 모두에서 적절한 성능을 필요로하는 성공적인 빔 스플리터를 구현할 때에 더욱 커진다.
이 중요한 포인트는 강조되어야 한다. 적외선 및 가시광선 스펙트럼 범위의 와이어 그리드 편광기에 대한 현존하는 문헌 및 특허 히스토리는 투과형 편광기로서의 이용에 집중되어 있으며, 반사형 편광기에는 주목하지 않고 있다. 와이드 그리드 편광기는 수십년간 기술적 문헌으로 보고되어 있으며, 1960년대 이후 특히 빈도가 증가하고 있다. 당 분야에서 상당한 작업이 진행되었음에도 불구하고, 반사평 편광기로 와이어 그리드 편광기를 이용하고 생산하는 것에 대한 상세한 논의가 거의 없으며, 이미징 장치에 이용하기 위해 스패식 편광 빔 스플리터에서 필요한 동시적 투과형 및 반사형 편광기로 이용하는 사항에 관한 문헌도 거의 없다. 위의 내 용을 살펴볼 때, 광대역 가시광선 빔 스플리터로 와이어 그리드 편광기를 이용할 수 있는 가능성이 불분명하고, 또는, 이러한 장치에 이를 이용하는 것이 실용적이지 않다는 결론을 얻을 수 있다.
상술한 기존 편광기들이 상용화에 가까운 편광기들이기 때문에, Takanashi(US 5,239,322)가장 빈약한 결과를 제외하곤 무엇이든 구현하도록 자신의 투영 장치를 축소하는 것이 불가능하였다. 가시광선 스펙트럼에 대해 무색성을 유지하고, 수용각이 넓으며, 요망 광 편광에서 투과 및 반사 손실이 적고, 소광비가 우수한, Takanashi의 발명에 요구되는 성능을 제공하는 편광기가 가용하지 않았다.
특화된 성능의 투과 및 반사 성질을 필요로하는 이미지 디스플레이 시스템에는 여러가지 중요한 특징이 있다. 프로젝터의 경우, 광원이 스크린 상에 효율적으로 위치하려면 p-편광 투과 및 s-편광 반사의 곱(RsTp)이 반드시 커야 한다. 다른 한편, 스크린 상에 고밀도 정보를 얻는 데 필요한 해상도 및 콘트래스트를 위해, 반대의 곱(RpTs)이 매우 작아야 한다. 즉, s-편광 광의 투과값과 p-편광 광의 반사값이 작아야 한다.
또다른 중요한 특징은 수용각도가 넓어야 한다는 것이다. 광원으로부터 모으는 광이 최대일 경우, 즉, 변환 효율이 최대일 경우, 수용각은 커야 한다. 20도보다 큰 반치각(half-angle)을 가진 원추형 광(수렴 또는 발산)이 수용되는 것이 바람직하다.
원추가 큰 광을 수용하고 큰 각도에서 제대로 동작하는 능력의 중요한 결과는 이미징 시스템의 광학적 설계가 더 이상 제한되지 않는다는 점이다. 그래서 기 존 광원이 사용되어, 저비용, 낮은 동작 온도, 작은 크기, 가벼운 무게의 장점을 활용할 수 있다. 각이 넓으면, 디스플레이 장치 및 동작의 개선을 위해 나머지 광학 소자들을 선호 위치로 설계자가 위치시킬 수 있다.
또다른 중요한 특징은 부피 및 중량에 있다. 기존 기술은 글래스 튜브의 이용을 요건으로 한다. 이 큐브는 시스템에 어떤 요건 및 페널티를 부과한다. 부과되는 요건은 이 큰 덩어리의 글래스의 열적 로딩 취급의 필요성과 스트레스 복굴절없는 고품질 재료의 필요성을 포함한다. 이는 추가적인 비용을 발생시킬 수 있다. 추가적으로, 큐브의 추가적인 중량과 부피가 그자체적으로 어려움을 발생시킨다. 따라서, 많은 공간을 차지하지 않으면서 무게도 그다지 크지 않은 빔 스플리터가 바람직하다.
또한가지 중요한 특징은 견고성이다. 현대의 광원은 광이 스위치 온된 직후 편광기에 매우 높은 열적 기울기를 발생시킨다. 기껏해야, 이는 편광간 누화를 일으키는 열적 복굴절을 유도할 수 있다. 더욱이, 강렬한 광에 장시간 노출됨으로서, 일부 물질의 성질이 변할 수 있다. 따라서, 광원으로부터의 장기간 방사 및 고온에 견딜 수 있는 빔 스플리터가 바람직하다.
다른 한가지 중요한 특징은 원추형 입사광에 대해 빔 스플리터의 균일한 소광(또는 콘트래스트) 성능이다. McNeille-형 박막 스택 편광기는 P-편광 광에 비해 S-편광 광의 반사도 차이로 인해 편광된 광을 생성한다. S 및 P 편광의 형성이 광선의 입사 평면에 따라 좌우되고, 이는 편광기에 입사되는 원추형 광 내의 방위각을 변경시키기 때문에, McNeille-형 편광기는 전체 원추에 대해 동등하게 제대로 동작하지 않는다. McNeille-형 편광기의 이러한 유약함은 잘 알려져 있다. 이는, 원추형 광의 각도를 제한함으로서, 그리고 추가적 광학 요소의 이용을 통해 광학계 자체에서의 보상에 의해, 투영 시스템 설계에서 처리되어야만 한다. McNeille-ud 프리즘의 이러한 원초적 유약함은 현 투영 시스템의 비용과 복잡도를 상승하게 하고, 빔 스플리터의 광학 효율이나 f-넘버에 대한 제약을 통해 시스템 성능을 제약한다.
다른 중요한 특징들은 정렬의 케이스를 포함한다. 생산 비용 및 유지는 어셈블리 기준에 직접 영향받는다. 이 비용은 낮은 허용오차 정렬을 필요로하지 않는 구성요소들로 크게 감소될 수 있다.
종래의 특허(US 6,234,634)는 이미지 투영 시스템에서 편광 및 분석의 두 용도를 위한 PBS로 와이어 그리드 편광기를 이용하는 것을 소개한다. 그러나, 이 와이드 그리드 편광기는 자체적으로 여러 문제점을 안고있다. 예를 들어, 와이어 그리드가 습도가 높거나, 공기 오염이 상당하거나, 또는 그 외 다른 조건의 환경에서 손상되기 쉽다. 따라서, 와이어 그리드를 보호하는 것이 바람직하다. 와이어 그리드 편광기가 파장에 민감한 광학 장치이기 때문에, 1보다 큰 굴절률을 가진 재료나 매질에 편광기를 내장하는 것은 동일 구조로 대기 상에서 사용한 편광기보다 편광기 성능을 항상 변화시킬 것이다. 일반적으로, 이 변화는 의도된 장비에 비해 적절하지 않은 결과를 수반한다. 그러나 이러한 편광기 내장은 다른 광학적 장점을 제공한다. 예를 들어, 편광기 내장으로 인해 편광기 성능이나 편광 그 자체가 악영향을 받을 수 있지만, 편광기 내장은 다른 유익한 광학적 성질을 제공할 수 있고, 편 광기를 보호할 수 있다. 따라서, 이러한 내장된 와이어 그리드 편광기의 최적 성능을 얻는 것이 바람직하다.
와이어 그리드는 글래스같은 기판의 외면에 통상적으로 배치된다. 일부 와이어 그리드는 기판 물질이나 글래스에 완전히 둘러싸인다. 예를 들어, 1940년 12월 10일자 미국특허 2,224,214 호(Brown)는 와이어 주변에 포장된 글래스 파우더를 녹임으로서, 그리고 글래스와 와이어를 신장시킴으로서 편광기를 형성하는 과정을 소개한다. 마찬가지로, Garvin 외 다수에게 허여된 1981년 9월 15일자 US 4,289,381 호는 그리드 형성을 위해 기판 위에 금속층을 증착시키고 이후 그리드 위에 기판 물질을 증가시킴으로서 편광기를 형성하는 과정을 소개한다. 어느 경우에도, 와이어와 그리드는 기판과 같은 물질로 둘러싸인다. 상술한 바와 같이, 와이어나 그리드를 포장하는 것은 그리드의 광학적 성능에 해로운 결과를 가져온다.
Tamada 외 다수의 US 5,748,368(1998.5.5)은 기판 상에 배치되는 그리드와, 상기 그리드 위에 배치되는 웨지형 글래스 플레이트를 가진 협대역폭 편광기를 공개한다. 기판과 같은 굴절률을 가지도록 짝지어지는 소자들 위에 결합 오일이 또한 제공된다. 따라서, 그리드는 기판이나 글래스에 둘러싸인다. 왜냐하면, 결합 오일이 동일한 굴절률을 가지기 때문이다. 또한, 이러한 그리드 포장은 그리드의 광학적 성능에 해로운 결과를 가져온다.
와이어 그리드 편광기의 성능을 결정하는 중요한 인자는 입사광의 파장과 평행 그리드 소자의 중심간 간격 또는 주기성간의 관계이다. 그리드 간격이나 주기성이 파자에 비해 길 경우, 그리드는 편광기로 보다는 회절 격자로 기능한다. 또한 공지 원리에 따라 모든 편광을 회절시킨다. 그리드 간격이나 주기성이 파자보다 훨씬 짧을 경우, 그리드는 그리드 소자에 평행하게 편광되는 전자기 방사를 반사시키고 수직 편광의 방사를 투과시키는 편광기로 기능한다.
그리드 주기가 반파장에서 파장의 두배까지 범위에 있는 투과 영역은 그리드의 투과 및 반사 특성의 급격한 변화를 특성으로 한다. 특히, 그리드 소자에 수직으로 편광된 광의 경우 급격한 반사율 증가와 이에 대응하는 급격한 투과율 감소는 어떤 주어진 입사각에서 한개 이상의 특정 파장에서 발생할 것이다. 이 효과들은 1902년 Wood에 의해 최초로 보고된 바 있으며(1902년 Philosophical Magazine), Wood's Anomalies(Wood의 변칙성)로 불린다. 이어서, Fayleigh가 Wood의 데이터를 분석하여 높은 차수 회절이 나타나는 각도와 파장의 조합에서 변칙성이 나타남을 발견하였다(Philosophical Magazine, vol.14(79), pp. 60-65, 1907년 7월). Fayleigh는 변칙성이 위치를 예측하는 방정식을 개발하였다("Rayleigh Resonances"라 불림).
각도 의존성 효과는 각도 증가에 따라 투과 영역을 더 큰 파장으로 옮기는 것이다. 이는 편광 빔 스플리터나 편광 터닝 미러로 편광기가 의도될 때 중요하다. 왜냐하면 이러한 용도가 큰 입사각을 필요로하기 때문이다.
와이어 그리드 편광기는 기판이 지지하는 다수의 평행 전도 전극으로 구성된다. 이러한 장치는 전도체의 주기나 피치, 개별 전도체의 폭, 그리고 전도체의 두께를 특징으로 한다. 광원에 의해 생성되는 광선은 전도 소자에 수직인 입사 평면으로, 법선으로부터 각도 θ에서 편광기에 입사된다. 와이어 그리드 편광기는 이 광선을 정반사 성분과, 비회절 투과 성분으로 나눈다. 가장 긴 공진 파장보다 짧은 파장의 경우, 한개 이상의 높은 차수의 회절 요소도 존재할 것이다. S 및 P 편광에 대한 통상적 정의를 이용하여, S 편광을 가진 광은 입사면에 대해 수직인, 따라서 전도 소자에 평행인 편광 벡터를 가진다. 역으로, P 편광을 가진 광은 입사면에 평행한, 따라서 전도 소자에 수직인 편광 벡터를 가진다.
일반적으로, 와이어 그리드 편광기는 그리드의 와이어에 평행한 전기장 벡터를 지닌 광을 반사할 것이고, 그리드의 와이어에 수직인 전기장 벡터를 지닌 광을 투과시킬 것이다. 그러나, 입사면은 그리드 와이어에 수직일 수도, 수직이 아닐 수도 있다.
이상적으로는, 와이어 그리드 편광기가 S 편광 광처럼 광의 한가지 편광에 대한 완벽한 반사경으로 기능할 것이며, P 편광 광같은 나머지 편광에 대해서는 완전히 투과성일 것이다. 그라나 실제로는, 반사경으로 사용되는 가장 반사성이 강한 전극조차도 입사광 일부를 흡수하고 90~95%만을 반사시키며, 평탄한 글래스도 표면 반사로 인해 입사광의 100%를 투과시키지 못한다.
본 출원인의 기존 특허(US 6,122,103)는 P 편광에 대한 편광기 특성에만 크게 영향을 미치는 두 공진을 가진 와이어 그리드 편광기의 투과 및 반사를 소개한다. S 방향으로 편광된 입사광의 경우에, 편광기 반사율은 이상치에 접근한다. S 편광의 반사 효율은 0.4~0.7 미크론 범위의 가시광선 범위에서 90% 이상이다. 이 파장 대역에서, S 편광 광의 2.5% 미만이 투과되며, 나머지는 흡수된다. 투과된 작은 성분을 제외하면, S 편광에 대한 와이어 그리드 편광기 특성은 연속적인 알루미 늄 반사경의 특성과 매우 유사하다.
P 편광에서 입사각이 클 경우, 와이어 그리드의 투과 및 반사 효율은 0.5 미크론 미만의 파장에서 공진 효과에 의해 영향받는다. 0.5 미크론보다 긴 파장에서, 와이어 그리드 구조는 P 편광 광에 대해 손실형 유전층으로 기능한다. 이 층의 손실과, 표면으로부터의 반사는 함께 P 편광 광에 대한 투과율을 제한한다.
출원인의 기존 특허(US 5,122,103)는 Tamada(US 5,748,368)에 의해 제시된 바와 같이, 여러 다른 종류의 공지 기술 와이어 그리드 편광기의 연산된 성능을 소개한다. 상술한 바와 같이, 굴절률이 같은 유체가 두 기판 사이에 사용되어, 그리드가 일정 굴절률의 매질로 둘러싸이게 된다. 0.58~0.62 미크론 범위의 좁은 파장 영역이 존재한다. 이때, P 편광에 대한 반사율은 거의 0에 가깝다. US 5,748,368 호는 높은 소광비를 가진 협대역폭 와이어 그리드 편광기를 구현하는 데 이 효과를 활용하는 와이어 그리드 편광기를 소개한다. Tamada의 특허 명세서에 주어진 예는 550nm의 그리드 주기를 이용하였으며, 그리드 두께, 전도체 폭 및 형태, 그리고 입사각에 따라 좌우되는 800~950 nm의 공진 파장을 생성하였다. Tamada가 이용한 공진 효과는 상술한 위치에서의 공진과 다르다. 두 공진이 일치될 수 있으나 반드시 그럴 필요는 없다. Tamada는 이러한 두 번째 공진을 이용한다. 더욱이, 박막 간섭 효과가 활동하기 시작할 수 있다. 수직 편광 광의 반사율이 몇퍼센트 미만인 편광기의 대역폭은 중심 파장의 5%이다. 이 종류의 협대역 편광기가 일부 응용장치를 가질 수 있으나, LCD같은 여러 가시광선 시스템들은 400~700 nm의 가시광선 스펙트럼 파장에 대해 균일한 특성으로 광학 소자들을 편광시키는 것을 요한다.
광대역 편광기의 필요 요건은 최장 파장 공진점이 의도한 이용 스펙트럼보다 짧은 파장으로 옮겨지거나 억제되어야 한다는 점이다. 최장 파장 공진점이 파장은 세가지 방식으로 감소될 수 있다. 그러나, 그리드 주기 감소는 그리드 구조 제작을 더욱 어렵게 한다. 특히, 그리드 소자의 두께가 반사된 편광의 적절한 반사율을 보장하도록 유지되어야 하기 때문이다. 두 번째로, 입사각은 통상적 입사각에 가깝게 제약될 수 있다. 그러나, 입사각 제약은 편광기 소자의 활용도를 크게 감소시킬 수 있고, 45도로 중심을 가진 광각 대역폭이 요망되는 투영 LCD같은 응용장치에서 그 활용을 배제시킬 수 있다. 세 번째로, 기판의 굴절률이 낮아질 수 있다. 그러나, 편광기 소자의 볼륨 제작에 가용한 합리적 가격의 기판은 Corning 타입 1737F나 Schott 타입 AF45같은 여러 가지 박막 글래스로서, 가시광선 스펙트럼에 대해 1.5~1.53 사이의 굴절률을 가진다.
상술한 바와 같이, 와이드 그리드 편광기는 기판이 지지하는 다수의 평행 전도 전극을 포함할 수 있다. 그러나 기판 자체는 상술한 이미지 디스플레이 장치에서 사용되는 와이어 그리드 편광기의 활용을 제한할 수 있는 광학적 결과를 가질 수 있다. 예를 들어, 조준되지 않은 광선이 기판을 기울어진 각도로 투과할 경우 기판이 비점수차(astigmatism)와 코마(coma)같은 수차를 일으킬 수 있다. 큐브 편광 빔 스플리터가 사용되는 한가지 이유는 큐브 표면에 수직인 광학축으로 광이 이러한 큐브에 입사되기 때문이며, 따라서 이 수차가 최소화되기 때문이다.
수직 입사와는 다른 각도로 기판에 충돌하는 광은 기판의 기울기 방향을 따라 측방으로 밀려나는 문제점을 일으킬 수 있다. 결과적으로, 기판에 입사되는 발 산 원추형 광은, 한 방향으로 길어지도록 광선이 둥근 영역을 유발하는 비점수차와 코마로 인한 문제점을 지닌다. 이는, 다색 광이 기울어진 기판을 따라 산포됨에 따른 색수차와 조합하여, 고품질 이미징 광학계에 받아들일 수 없는 왜곡을 일으킨다. 이 수차는 기판의 평탄성에 관계없이 일어난다. 따라서, 수차가 교정되거나 무시될 수준이 아니라면, 이미징 장치에 평판 투과 광학장치가 사용될 수 없다.
위 내용에 따라, 밝은 이미지 및 우수한 이미지 콘트래스트를 제공하면서 가격도 저렴한 이미지 투영 시스템을 개발하는 것이 바람직할 것이다. 비점수차 및 코마같은 수차를 감소시키면서 기하학적 찌그러짐을 감소시킨 투과/반사 광선을 생성할 수 있는 편광 빔 스플리터를 지닌 이미지 투영 시스템을 개발하는 것이 또한 바람직할 것이다. 환경적 기능저하 및 그 외 다른 손상원에 대해 보호되면서, 빔 스플리터의 성능 보호에 따른 해로운 효과를 감소시킬 수 있는, 편광 빔 스플리터를 갖춘 이미지 투영 시스템을 개발하는 것이 또한 바람직할 것이다.
발산광을 이용할 수 있고(또는 작은 F/#를 가지는), 광에너지를 효율적으로 이용할 수 있으면서도, 높은 변환 효율을 가지는, 그리고 내구성이 있는, 편광 빔 스플리터를 지닌 이미지 투영 시스템을 개발하는 것이 또한 바람직하다. 소광비가 높고, 가시광선 스펙트럼에 대해 균일한 응답을 가지며, 색상 충실도가 우수하고, 스패식(spathic)-형이고, 견고하며, 온도차에 견딜 수 있는 편광 빔 스플리터를 지닌 이미지 투영 시스템을 개발하는 것이 또한 바람직하다.
어떤 입사각으로도 위치할 수 있는 편광 빔 스플리터를 지닌 이미지 투영 시 스템을 개발하는 것이 또한 바람직하다. 그래서, 이미지 투영 시스템에 상당한 설계 제약을 부여하지 않도록 하는 것이 바람직하며, 또한 설계에 있어서 유연성이 발휘될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 원추형 전체 입사광의 모든 각도에 대해 p-편광 광을 효율적으로 투과시키고 s-편광 광을 효율적으로 반사시키는 편광 빔 스플리터를 지닌 이미지 투영 시스템을 개발하는 것이 또한 바람직하다. 가볍고 소형인 편광 빔 스플리터를 지닌 이미지 투영 시스템을 개발하는 것이 또한 바람직할 것이다. 정렬이 용이한 편광 빔 스플리터를 지닌 이미지 투영 시스템을 개발하는 것이 또한 바람직하다.
본 발명은 와이어 그리드 편광기인 편광 빔 스플리터를 지닌 이미지 투영 시스템을 제공한다. 와이어 그리드 편광 빔 스플리터는 길이가 긴 얇은 소자의 평행 배열을 가진다. 이 배열은, 광의 한가지 편광이 이 소자를 투과하고 광의 다른 한가지 편광이 이 소자로부터 반사되도록, 광원의 광선 전자기파와 상호작용하도록 설정되고, 이 소자들도 이러한 상호작용에 부합하는 크기를 가진다. 입사 광선의 방향과 소자 중 한가지 이상을 포함하는 평면에 수직인 방위각의 편광을 가진 광이 투과되며, 투과 광선을 형성한다. 반대의 편광, 즉, 입사광선의 방향과 소자 중 한가지 이상을 포함하는 평면에 평행한 방향의 편광을 가진 광은 반사되고 반사 광선을 형성한다.
이 시스템은 가시광선을 생성하는 광원을 포함한다. 편광 광 스플리터는 광원에 가깝게 위치한다. 시스템은 반사형 액정 어레이를 또한 포함한다. 어레이는 반사 광선이나 투과 광선으로 편광 빔 스플리터에 가깝게 위치할 수 있다. 어레이 는 광선의 편광을 변조시키고, 변조 광선을 생성한다. 어레이는 변조 광선을 다시 빔 스플리터로 향하게 방향설정된다. 빔 스플리터 소자의 배열은 변조 광선의 전자기파와 상호작용하여, 다시 한가지 편광을 투과시키고 다른 한가지 편광을 반사시키게 된다. 따라서, 변조 광선의 반사부는 제 2 반사 광선을 형성하고, 변조 광선의 투과부는 제 2 투과 광선을 형성한다. 어레이는 변조 광선에 이미지 정보를 인코딩하도록 광선의 편광을 변경시킨다. 빔 스플리터는 변조 편광을 비변조 광선으로부터 분리시키고, 따라서, 스크린 상에서 이미지를 눈에 보이게 한다.
스크린은 제 2 반사 광선이나 제 2 투과 광선으로 배열된다. 어레이가 반사 광선으로 배열되면, 스크린은 제 2 투과 광선으로 배열된다. 어레이가 투과 광선으로 배열되면 스크린은 제 2 반사 광선으로 배열된다.
공지 기술의 무겁고 덩치큰 스플리터들과는 달리, 본 발명의 빔 스플리터는 일반적으로 평면인 시트(sheet)이다. 빔 스플리터는 또한 효율적이어서, 시스템의 시감 효능(luminous efficacy)이 크다.
발명의 한 태양에 따르면, 빔 스플리터는 제 1 층과 제 2 층 사이에 놓인 길이방향으로 긴 평행-이격 소자들의 어레이를 가진 내장형 와이어 그리드 편광기를 포함한다. 이 소자들은 소자들 간에 다수의 갭(gap)을 형성하며, 이 갭은 제 1 층이나 제 2 층의 굴절률보다 작은 굴절률을 제공한다. 이 갭(gap)이 공기를 포함하거나 진공을 가지는 것이 바람직하다.
발명의 또한가지 태양에 따르면, 와이어 그리드 편광기의 소자들이 기판 상에 배치될 수 있다. 기판은 매우 얇아 대략 5mm 미만의 두께를 가져서, 비점수차, 코마, 그리고 색수차를 감소시킬 수 있다. 추가적으로, 와이어 그리드 편광기와 기판은 3 표준파장편위/인치보다 작은 기하학적 왜곡이 감소된 투과 광선을 투과시킨다.
발명의 또다른 태양에 따르면, 기판은 반사 광선의 왜곡을 감소시키기 위해 3 표준파장편위/인치보다 작은 평탄한 표면을 가진다.
발명의 한가지 태양에 따르면, 빔 스플리터는 0~80도 범위의 입사각에서 광선과 변조 광선에 대해 정렬될 수 있다.
발명의 한가지 태양에 따르면, 광선은 10~25 도 사이의 반치각(half angle)을 가진 유용한 수렴 원추를 가진다. 이 빔 스플리터는 대략 1.2~2.5 범위의 작은 F-번호를 가진다.
발명의 한 태양에 따르면, 빔 스플리터는 s-편광 반사광과 p-편광 투과광의 곱(RsTp)으로 규정되는 50% 이상의 변환 효율을 가진다. 추가적으로, s-편광 투과광과 p-편광 반사광은 둘다 5%보다 작다. 더욱이, 변조 광선의 반사광 비율과 투과광 비율은 67%보다 크다.
발명의 한가지 태양에 따르면, 시스템은 광원과 빔 스플리터 사이에 배치되는 프리-편광기(pre-polarizer)와, 빔 스플리터와 스크린 사이에 놓이는 포스트-편광기(post-polarizer)를 포함한다.
도 1a는 본 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터를 이용한 본 발명의 이미지 투영 시스템의 한가지 선호되는 실시예의 도식적 도면.
도 1b와 1c는 여러 다른 설정에서의 발명에 따른 이미지 투영 시스템의 도식적 도면.
도 2a는 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 선호되는 실시예에서 S 및 P 편광에 대한 파장 및 투과율간 관계를 도시하는 그래프.
도 2b는 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 선호되는 실시예에서 S 및 P 편광에 대한 파장 및 반사율간 관계를 도시하는 그래프.
도 2b는 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 선호되는 실시예에서 파장, 효율, 그리고 투과 소광간의 관계를 도시하는 그래프.
도 3은 입사각의 함수로 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 선호되는 실시예의 성능을 도시하는 그래프.
도 4a는 본 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 대안의 실시예에서의 이론적 배출 성능을 도시하는 그래프.
도 4b는 본 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 대안의 실시예에서의 이론적 소광 성능을 도시하는 그래프.
도 4c는 본 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 대안의 실시예에서의 이론적 배출 성능을 도시하는 그래프.
도 5a는 발명의 이미지 투영 시스템의 대안의 실시예의 도식적 도면.
도 5b와 5c는 발명의 이미지 투영 시스템의 대안의 실시예의 도식적 도면.
도 6은 발명의 이미지 투영 시스템의 대안의 실시예의 도식적 도면.
도 7은 본 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 사시도.
도 8은 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 단면 측면도.
도 9는 발명의 내장형 와이어 그리드 편광기의 단면도.
도 1a에서는, 발명에 따른 이미지 투영 시스템(10)의 디스플레이 광학 트레인이 도시된다. 이미지 투영 시스템(10)은 빔 스플리터(14)로 와이어 그리드 편광기를 가진다. 와이어 그리드 편광 빔 스플리터(14)(WGP-PBS)는 광원(20)으로부터 한가지 편광의 광을 반사형 액정 어레이(26)에게로 효율적으로 반사시키고, 이후, 이와 다른 편광이 반사광을 디스플레이 스크린(25)에게로 효율적으로 투과시킨다.
적절한 광학적 효율을 위해, WGP-PBS(14)는 광원(20)으로부터 요망 편광의 높은 반사율(Rs)을 가져야 하며, 액정 어레이(26)로부터 이와 반대되는 편광의 높은 투과율(Tp)을 가져야 한다. 변환 효율은 이 두 값의 곱, 즉, RsTp에 비례하며, 따라서, 둘(Rs, Tp) 중 하나가 부족하더라도 다른 하나가 크다면 어느 정도 보완이 될 수 있다.
본 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터(14)의 예들은 가시광선 스펙트럼 부분에 대해 디스플레이 장치에서 편광기 및 분석기로 본 발명의 WGP-PBS(14)를 이용하는 장점을 보여주는 다음의 특성들을 제시한다. 추가적인 개선점에 대한 이론적 연산은 더 좋은 편광 빔 스플리터도 가능함을 나타낸다.
도 2a와 2b에 따르면, WGP-PBS의 S 편광 및 P 편광에 대해 각각 측정된 투과율 및 반사율이 도시된다. 도 2c에서, WGP-PBS의 효율은 반사율과 투과율의 곱으로 나타난다. 추가적으로, 소광이 도 2c에 도시된다. 도 2a-2c에서, WGP-PBS는 30, 45, 60도의 입사각에서 s 편광을 반사시키고 p 편광을 투과시키도록 정렬된다. 프로젝터같은 이미지 투영 시스템의 경우에, 광원이 스크린 상에 효율적으론 놓인다면, 반사된 s 편광과 투과된 p 편광의 곱(RsTp)은 커야할 것이다. 다른 한편, 스크린 상의 고밀도 정보를 얻는 데 필요한 분해능을 위해, 역전 곱(RpTs)이 매우 작아야 한다는 것이 중요하다. 본 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터가 Rayleigh 공진이나 그 외 다른 현상에 의한 저하없이 전체 스펙트럼에 있어 이 표준에 부합한다는 것을 도면으로부터 알 수 있다.
또다른 중요한 특징은 수용각이 넓다는 것이다. 광원으로부터 모이는 광, 즉, 변환 효율이 최대화될 때, 수용각이 커야만 한다는 것이다. 도 3에서, 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 성능이, 45도로 기울어진 광학 축 주변에 중심을 잡은 원추형 광의 여러 부분에 대해 도시된다. 도 3에서, 제 1 기준각은 입사면의 각이고, 제 2 기준각은 입사면에 수직인 평면의 각이다. 발명의 WGP-PBS가 대략 10~25도 사이의 반치각(half-angle)을 가진 원추형 광(수렴 또는 발산광)을 수용할 수 있다는 것을 알 수 있다.
도 4a-4c에 따르면, 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 대안의 실시예에 따른 이론적 연산에 의해, 상당히 큰 원추형 광과 그 외 다른 개선도 가능함을 알 수 있다. 도 4a와 4b는 130 nm로 감소된 주기 p를 가진 와이어 그리드 편광 빔 스플리터의 이론적 배출 및 소광을 보여준다. 추가적으로, 그리드 높이나 두께는 130nm이다. 라인-간격 비는 0.48이다. 기판 그루브 깊이는 50 nm이다. 기판은 BK7 글래스이다. 도 4a에서의 배출은 도 2c에서 도시되는 배출보다 훨씬 가깝게 모여있다. 따 라서, 성능은 주기 p를 감소시킴으로서 개선될 수 있다. 도 4b에서 소광은 도 2c에 비하여 크게 증가하였음에 주목하여야 한다.
상술한 바와 같이, 큰 각도에서 제대로 기능하는 WGP-PBS로 더 큰 원추형 광을 수용하는 능력의 중요한 결과는, 이미징 시스템의 광학적 설계를 전혀 제한하지 않는다는 것이다. 따라서, 기존의 광원이 사용될 수 있고, 저비용, 저온 동작, 작은 크기, 가벼운 무게의 장점을 얻을 수 있다. 넓은 범위의 각도에서 WGP-PBS가 제대로 기능함에 따라, 설계자는 디스플레이 장치의 크기 및 동작을 개선시키도록 다른 광학 소자들을 선호 위치로 배치할 수 있다. 도 1b와 1c를 보면, 발명의 PBS의 넓은 범위 각에 의해 제공되는 설계상의 유연성이 나타난다. 도 1b에서처럼, 광원(20)과 어레이(26)가 가깝게 놓일 수 있고, 둘 모두 PBS(14)에 대해 상대적으로 작은 입사각을 가진다. 이러한 구조는 시스템(10) 구성요소의 컴팩트한 설계에 도움이 된다. 또한, 도 1c에 도시되는 바와 같이, 광원(20)과 어레이(26)가 멀리 이격되어 위치할 수 있고, 이때, 둘 모두 상대적으로 큰 입사각을 가진다. 어느 경우에도, 입사각은 전통적인 빔 스플리터에서 요구되는 45도 각도로부터 크게 변한다.
와이어 그리드의 또한가지 특징은 디스플레이 유닛에 대한 장점을 제공한다. 종래의 기술은 글래스 큐브의 이용을 요건으로 하였다. 이 큐브는 시스템에 어떠한 요건 및 페널티를 부과한다. 부과되는 요건은 이 큰 덩어리의 글래스에 대한 열적 로딩 취급 필요성과, 스트레스 복굴절이 없는 고품질 재료에 대한 필요성을 포함한다. 이는 추가 비용, 추가 중량, 추가적인 큐브 무게를 발생시킨다. 발명의 WGP- PBS는 부피도 작고 중량도 그다지 무겁지 않은 분할식/패턴처리식 박막이다. 발명의 WGP-PBS는 칼라 필터같은 다른 광학 소자에 통합될 수도 있어서, 투영 시스템의 부품수, 중량, 부피를 추가적으로 감소시킬 수 있다.
발명의 WGP-PBS는 또한 매우 견고하다. 현대 광원은 광이 스위치 온된 직후 편광기에 매우 높은 온도차를 발생시킨다. 잘해봐야, 이는 편광간 누화(crosstalk)를 야기시키는 열적 복굴절 및 스트레스 복굴절을 유도할 수 있다. 최악의 경우, 다층 편광기를 얇은 조각들로 갈라지게 하거나 큐브 빔 스플리터의 접합 인터페이스를 분리시킬 수 있다. 더욱이, 강렬한 광에 장기간 노출됨으로서, 일부 물질의 성질이 변화할 수 있다. 그러나, 와이어 그리드 편광 빔 스플리터는 글래스나 그 외 다른 기판 물질에 잘 부착된 화학적으로 비활성인 금속으로 만들어진다. 발명의 스플리터는 광원으로부터의 장기간 강렬한 방사와 고온에 견디도록 만들어진다.
발명의 WGP-PBS는 정렬시키기 용이하다. WGP-PBS는 광원의 광선을 액정 어레이에 보내도록 조정될 필요가 있는 단일 부품이다. 이는 평면 반사경용으로 사용되는 것과 똑같은 간단한 과정이다. WGP 표면의 법선 주위로 회전이 또한가지 조정 매개변수이다. 이는 광선의 편광 방위각을 결정한다. 이 조정은 중요하지 않다. 왜냐하면, WGP가 자체 분석기로 기능하며 이 측면에서 정렬로부터 빠져나갈 수 없기 때문이다. 광학 트레인에 다른 편광 소자들이 존재할 경우, WGP-PBS는 그 편광에 대해 방향설정되어야 하지만 작은 오정렬은 중요하지 않다. 왜냐하면, Malus의 법칙에 따르면, 편광축이 평행(또는 수직)에 매우 가까울 경우 각도 변화는 편광기가 투과시키는 강도에 거의 차이를 보이지 않기 때문이다.
기존 편광기에 대한 경쟁력을 위해, 곱 RsTp는 50% 이상이어야 한다. 이는, WGP-PBS가 기존 편광 빔 스플리터보다 광원으로부터 훨씬 더 많은 광을 모을 수 있었을 경우에만 실용적일 수 있는 낮은 추정치를 나타낸다. 50%의 추정치는 최적의 기존 빔 스플리터인 현대 MacNeille 큐브 빔 스플리터가 기껏해야 f/2.5의 f-넘버를 전달할 수 있다는 가정으로부터 도입된다. 두배 빠르거나 두배의 광을 모을 수 있는 광학 시스템은 이 값의 1/√2에 해당하는 f-넘버(또는 f/1.8)를 가질 것이다. 이 값은 광학 이미지 투영 시스템에서 합리적인 값이라 볼 수 있다. 두 배 속도로서, 두배의 광을 광원으로부터 모을 수 있는 시스템은 기존 큐브 빔 스플리터에 대해 RsTp의 2배 감소를 보완할 것이며, 결과적으로 동등한 투영 시스템 성능을 야기한다. 실제로, WGP-PBS가 f/1.2 미만으로 사용될 수 있기 때문에, 이렇게 낮은 한도도 매우 밝은 이미지를 생성할 수 있다. 물론, 이 최소값 이상인 RsTp 곱은 더 밝은 성능을 제공할 것이다.
또다른 중요 성능 인자는 암화소에 대한 명화소의 강도 비로 정의되는 이미지의 콘트래스트이다. WGP-PBS의 중요한 장점 중 한가지는 McNeille 프리즘같은 공지 기술 큐브 빔 스플리터에 비해 집합적 입사각에 대해 개선된 콘트래스트에 있다. McNeille 프리즘 편광기의 물리구조는 어떤 각도에서 S 대 V 편광의 반사율 차를 이용함으로서 광을 편광시킨다. S 및 P 편광이 입사면에 대해 규정되기 때문에, 원추형 광 중 특정 광선에 대한 유효 S 및 P 편광은, 원추형 광 내에 여러 광선이 고려됨에 따라, 광학축을 따르는 광선에 대해 회전한다. 이 거동 결과는 잘 알려진 집합적 각도 문제로서, 편광기 소광이 편광기 빔 스플리터를 투과하는 원추형 광 내의 어떤 각도 범위에 대해 크게 감소되어, 원추에 대한 평균 콘트래스트를 크게 감소시킨다.
다른 한편, WGP-PBS는 이 문제를 상당히 방지하는 광 편광을 달성하도록 앞서와는 다른 물리적 메커니즘을 이용한다. 이러한 거동의 차이점은, 원추형 광의 어떤 특정 광선에 대해 입사면에 상관없이 공간에서 동일한 방위각을 가지는 빔 스플리터의 와이어 그리드에 의해 편광이 야기된다는 사실에 기인한다. 따라서, 어떤 특정 광선에 대한 입사면이 McNeille 프리짐이나 WGP에 입사될 때와 동일하더라도, 편광 효과는 McNeille 프리즘 경우의 입사면에 따라서만 좌우되며, 따라서, WGP의 집합형 각도 성능이 큐브 빔 스플리터에 의해 제공되는 성능에 비해 상당히 개선된다.
WGP-PBS의 기능이 입사면에 독립적이라는 사실은 WGP-PBS가 어느 방향으로 향하는 와이어나 소자로도 실제 사용될 수 있다는 것을 의미한다. 발명의 선호되는 실시예는 편광기가 틸트되는 기준이 되는 축에 평행한 방향의 소자들을 가지며, 따라서, 광이 WGP-PBS에 한 각도에서 충돌한다. 이 특정 방향이 선호되는 데, 왜냐하면, 기판으로부터의 표면 반사의 편광 효과를 그리드로부터의 편광 효과에 부가시키기 때문이다. 그러나, WGP-PBS의 틸트축에 수직이도록 그리드 소자들을 회전시킴으로서 어떤 범위의 입사각에 대해 P 편광을 반사시키고 S 편광을 투과시키도록 기능하는 WGP-PBS를 생산하는 것이 가능하다. 마찬가지로, 그리드 소자들은 광선의 파면에 하기 임의 각도의 투영으로 정렬되는 편광을 가진 광을 투과 및 반사시키도록 기능하는 WGP-PBS를 얻기 위해 틸트 축에 대해 임의 각도로 위치할 수 있다. 따 라서, 임의 각도에서 정렬된 편광을 가진 광을 반사 및 투과시키는, 또는 P 편광을 반사시키고 S 편광을 투과시키는, WGP-PBS가 본 발명 내에 포함된다는 것을 알 수 있다.
WGP-PBS의 집합식 각도 성능 장점은 전체 원추형 광에 대해 보다 균일한 콘트래스트를 내재적으로 제공하며, 이는 매우 작은 f-번호용으로 WGP가 적절한 이유 중 한가지이다. 그러나, 이것이 이미지 콘트래스트에 영향을 미치는 유일한 인자는 물론 아니다. 이미지 콘트래스트는 불요한 편광의 작은 누출에 의해 큰 양으로 통제되지만 이 경우에는 TsRp가 중요한 매개변수가 아니다. 왜냐하면, 빔 스플리터와의 첫 번째 만남 이후 그러나 두 번째 만남 이전의 순서에 놓이는 이미지 발생 어레이가 이미지 콘트래스트 생성에 물론 참여하기 때문이다. 따라서, 최종 시스템 콘트래스트는 광 밸브 성능 및 편광기 소광에 따라 좌우될 것이다. 그러나, 광 밸브 성능이 실질적으로 무한대에 가까운 콘트래스트를 가진다고 가정될 수 있을만큼 광 밸브 성능이 충분하다는 가정하에, 요구되는 빔 스플리터 성능에 대한 하한이 결정될 수 있다. 이 경우에, 시스템 콘트래스트는 빔 스플리터 성능에 전적으로 의존할 것이다.
도 1a에서는 빔 스플리터(14)에 의해 충족되는 두가지 기능이 존재한다. 첫 번째는 광이 액정 어레이(26)나 그 외다른 적절한 이미지 발생 장치에 충돌하기 전에 편광 광을 준비하는 것이다. 이 요건은, 광 밸브에 의해 생성되는 광선의 편광 변화가 적절하게 감지되거나 분석되어 최종 이미지가 요망 수준의 성능에 부합되도록 광이 충분하게 편광되어야 한다는 것이다. 마찬가지로, 빔 스플리터(14)는 요망 시스템 콘트래스트 성능이 달성되도록 광 밸브에 의해 다시 빔 스플리터에게로 되돌아오는 광을 분석할만큼 충분한 성능을 빔 스플리터가 자여야 한다.
이 하한은 매우 쉽게 결정될 수 있다. 활용성과 이미지 품질 때문에, 10:1 미만의 콘트래스트(인접 암화소에 대한 명화소의 비)를 가진 이미지가 적절한 활용성을 가진다고 보긴 어렵다. 이러한 디스플레이 자치는 예를 들어 조밀한 텍스트에도 유용하지 못할 것이다. 디스플레이 시스템의 최소 콘트래스트를 10:1로 가정할 때, 불요한 편광 상태에 대해 10배의 요망 편광 상태의 광을 가지는 광의 입사광선이 요구된다. 편광기 성능 측면에서, 이는 10:1, 또는 단순히 10의 소광비를 가지는 것으로 취급된다.
이미지 분석을 위해 빔 스플리터(14)와의 두 번째 만남은 요망 편광 상태의 광을 투과시킬 수 있어야 하며, 또한 불요한 상태의 대부분의 광을 제거할 수 있어야 한다. 또한, 상기 편광 상태로 인코딩된 이미지를 가진 광선을 가정할 때, 그리고 이 광선이 10:1 비를 가진다고 가정할 때, 빔 스플리터는 10:1의 시스템 콘트래스트 목표에 부합하도록 이 10:1 비를 보존하는 것이 요망된다. 다시 말해서, 요망 편광의 경우에 대해 10배만큼 불요한 편광의 광을 감소시키는 것이 바람직하다. 이는 빔 스플리터의 분석 기능을 위해 10:1 의 최소 소광 성능을 이끌어낸다.
빔 스플리터의 편광기나 분석기 기능 중 하나, 또는 둘 모두가 높은 소광 성능을 가질 경우 높은 시스템 콘트래스트가 발생한다는 것을 알 수 있다. 또한, 이미지 투영 시스템이 적절하게 기능하기 위해 빔 스플리터의 분석기 기능과 편광기 기능의 성능이 반드시 짝을 이루어야 하는 것이 요건이 아니라는 것도 명백하다. 빔 스플리터의 편광기 및 분석기 성능에 대한 상한은 결정하기 매우 어렵지만, 대략 20,000 이상의 소광은 본 장치에서 필요하지 않다. 좋은 극장에서 발견되는 고품질 영화 프로젝션 시스템은 1000 이상의 이미지 콘트래스트를 제공하지 않으며, 수천 이상 범위의 콘트래스트를 가진 이미지와 10,000 이사의 콘트래스트를 가진 이미지를 육안으로 구별하는 것은 쉽지 않다. 수천의 콘트래스트를 가진 이미지를 생성할 필요성이 있을 때, 이 기술이 가능한 광 밸브가 존재한다고 가정할 경우, 빔 스플리터 소광에 대한 상한이 10,000-20,000 범위이면 충분하다.
와이어 그리드 빔 스플리터에 대한 최소 한도 및 최대 한도의 상술한 설명은 배울 점이 많지만, 상술한 와이어 그리드 빔 스플리터의 이론적 성능으로부터 명백한 바와 같이, 이보다 좋은 결과를 얻을 수도 있다. 이 정보에 따르면, 선호되는 실시예는 도 2a-2c에 도시되는 바와 같이, RsTp >= 65%, Rp나 Ts, 또는 둘 모두가 67% 이상이다. 반사 광선이 이미지 발생 어레이에 전달되는 모드에서 선호되는 실시예는 와이어 그리드 편광 빔 스플리터를 이용할 수 있으며, 이때, 어레이는 광을 다시 빔 스플리터에 보내어, 광이 빔 스플리터를 투과한다. 이 선호되는 실시예가 도 1a에 도시된다.
대안으로, 도 5a의 이미지 디스플레이 시스템(60)에 도시되는 바와 같이, 와이어 그리드 편광 빔 스플리터(14)는 광원(20)으로부터 반사형 액정 어레이(26)에게로 한가지 편광의 광을 효율적으로 보내고, 그후, 반대 편광의 반사광을 디스플레이 스크린(25)에게로 효율적으로 반사시킨다. 이미지 투영 시스템(60)의 두 번째 실시예는 도 1a에 도시되는 선호 실시예와 유사하며, 단지, 광원이 빔 스플리터(14)를 투과하고 이미지 발생 어레이(26)로 향하며, 그후, 스크린(25)에 디스플레이되기 전에 빔스플리터에 의해 반사되고 분석되도록 빔 스플리터(14)에게로 다시 반사되는 방식으로 빔 스플리터(14)가 이용될 수 있다.
또한, 도 5b와 5c를 참고할 때, 발명의 PBS의 넓은 각도 범위에 의해 제공되는 설계 유연성이 설명된다. 도 5b에서, 어레이(26)와 스크린(25)은 함께 가깝게 위치하며, 둘 모두 PBS(14)에 대해 상대적으로 작은 입사각을 가진다. 대안으로, 도 5c에서처럼, 어레이(26)와 스크린(25)은 서로 멀리 이격되게 위치하며, 둘 모두는 상대적으로 큰 입사각을 가진다.
도 6에 도시되는 바와 같이, 이미지 투영 시스템(80)의 제 3 실시예는 요망 수준의 시스템 성능을 얻는 것을 도울 수 있는 대안의 시스템 설계를 제공한다. 제 3 실시예는 필요한 시스템 콘트래스트 성능을 얻기 위해 편광 및 분석 기능 중 하나, 또는 둘 모두의 소광을 증가시키도록 와이어 그리드 편광 빔 스플리터와 직렬로 동작하는 한개 이상의 추가적인 투과형 또는 반사형 편광기를 포함할 것이다. 추가 편광기의 또다른 이유는 시스템 효율 증가를 위한 편광 회복 기법의 구현에 있다. 편광기(82)는 광원(20)과 WGP-PBS(14) 간의 광선에 배치된다. 포스트-편광기(84)가 어레이(26)와 스크린(25) 사이에, 또는, WGP-PBS(14)와 스크린(25) 사이에서, 변조 광선, 즉, 어레이(26)로부터 반사된 광선에 배치된다. 제 3 실시예는 와이어 그리드 광선 스플리터의 큰 원추형 광, 내구성, 그리고 상술한 나머지 장점의 이용을 여전히 실현할 것이다.
도면에서처럼, 이미지 디스플레이 시스템은 집광 장치(90)와 투영 장치(92) 를 또한 이용할 수 있다.
도 7 및 8을 보면, 발명의 와이어 그리드 편광 빔 스플리터(14)가 상세하게 도시된다. 편광 빔 스플리터는 계류중인 1999년 9월 7일자 미국특허 출원 09/390,833 호, "Polarizing Beam Splitter"에 더욱 상세하게 설명되어 있다. 그 내용은 본원에서 참고로 인용된다.
계류중인 상기 출원에서 설명되는 바와 같이, 편광 빔 스플리터(14)는 기판(40)에 배치되는 병렬 전도 소자의 그리드나 어레이(30)를 가진다. 광원(20)에 의해 생성되는 광선(130)은 전도 소자에 수직인 입사면의 법선으로부터 각도 θ에서 광학축을 가진 편광 빔 스플리터(14)에 입사된다. 대안의 실시예는 전도 소자의 평면에 각도 θ에서 입사면을 위치시킬 수 있다. 이때, θ는 대략 45도이다. 또하나의 대안의 실시예는 전도 소자에 평행하게 입사면을 위치시킬 수 있다. 편광 빔 스플리터(14)는 이 광선(130)을 정반사 성분(140)과, 투과 성분(150)으로 나눈다. S 및 P 편광에 대한 표준 정의를 이용하여, S 편광을 가진 광은 입사면에 수직인 편광 벡터를 가지며, 즉, 전도 소자에 평행한 편광 벡터를 가진다. 역으로, P 편광을 지닌 광은 입사면에 평행한, 즉, 전도 소자에 수직인 편광 벡터를 가진다.
이상적으로는, 편광 빔 스플리터(14)가 S 편광 광에 대해 완벽한 반사경으로 기능할 것이고, P 편광 광에 대해 완벽히 투과성일 것이다. 그러나 실제로는, 반사경으로 사용되는 가장 반사성이 강한 금속조차도 입사광의 일부분을 흡수하며, 따라서 WGP는 90~95%만을 반사할 것이고, 평판 글래스는 표면 반사로 인해 입사광의 100%를 투과시키지 못한다.
요구되는 성능 수준 달성을 위해 그룹으로 최적화되어야 하는 와이어 그리드 빔 스플리터(14)의 핵심 물리적 매개변수는 와이어 그리드(30)의 주기 p, 그리드 소자(30)의 두께나 높이 t, 그리드 소자(30)의 폭 w, 그리고 그리드 소자 측부의 기울기를 포함한다. 도 8을 살펴볼 때, 그리드 소자(30)의 일반 단면은 사다리꼴이나 장방형이다. 이 일반적 형태는 선호되는 실시예의 편광 빔 스플리터(14)의 필요 특성이기도 하지만, 그리드 소자(30)의 베이스에서, 코너(50)와 필렛(fillet)(54)의 둥근 부분처럼, 제작 공정으로 인한 자연스런 작은 변화가 허용된다.
빔 스플리터(14)의 이미징 충실도 요건에 부합하는 데 필요한 정반사 성능을 얻기 위해 와이어 그리드(30)의 주기 p가 반드시 규칙적이어야 한다. 그리드(30)가 완전히 규칙적이고 균일한 것이 바람직하지만, 일부 장치는 이것이 그다지 중요하지 않은 완화된 요건을 가질 수 있다. 그러나, 필요한 성능을 얻기 위해선, 이미지의 의미있는 치수 사이에서 10% 미만의 주기 p 변화가 요구된다고 믿어진다.
마찬가지로, 그리드 소자(30)의 폭 w나 그리도 소자 높이 t, 변의 기울기, 또는 코너의 둥글어짐(50), 필렛의 둥글어짐(54)과 같은 다른 매개변수들에 대한 빔 스플리터(14)에서의 합리적 변화도 디스플레이 성능에 물질적 영향을 미치지 않으면서 또한 가능하다. 특히, 빔 스플리터(14)가 광학계의 이미지 평면에 놓이지 않을 경우 더욱 그러하다. 이 변화는 투과 효율, 반사 효율, 색상 균일성 등의 변화처럼 종료된 빔 스플리터(14)에서 무늬로 눈에 보일 수 있고, 투영 이미징 시스템에 특정 장치에 대한 유용한 부분을 제공할 수 있다.
이 매개변수들의 최적화에 의해 부합되어야 하는 설계 목적은 장치의 콘트래 스트 요건을 충족시키면서도 최적의 효율이나 배출을 얻는 것이다. 상술한 바와 같이, 편광 빔 스플리터(14)에 요구되는 최소 실제 소광은 10 수준이다. 가치있는 제품을 얻기 위한 빔 스플리터(14)의 최소 요건 배출(RsTp)이 대략 50%이며, 이는 Rp와 Ts 중 하나, 또는 둘 모두가 67% 이상이어야 함을 의미한다. 물론, 빔 스플리터의 배출 및 소광에서의 높은 성능은 가치있는 것이고 더 좋은 제품을 제공할 것이다. 이 매개변수들이 와이어 그리드 빔 스플리터의 성능에 어떻게 영향을 미치는 지를 이해하기 위해, 45도의 입사각에서 각각의 매개변수에 의해 생성되는 성능 변화를 검사할 필요가 있다. 관심있는 다른 각도로 검사할 수도 있다.
와이어 그리드 빔 스플리터(14)의 성능은 주기 P의 함수이다. 와이어 그리드 소자(30)의 주기 P는 가시광선 스펙트럼 전체에서 합리적인 성능을 보이는 빔 스플리터(14)를 생성하기 위해 대략 0.21 미크론 미만으로 유지되어야 한다. 물론, 적색, 적녹색 등처럼, 완전한 가시광선 스펙트럼보다 적게 디스플레이되리라 기대되는 시스템에서 앞서보다 더 긴 주기의 빔 스플리터가 유용할 수 있다는 것을 당 분야의 통상의 지식을 가진 자들은 이해할 수 있을 것이다.
와이어 그리드 빔 스플리터(14)의 성능은 소자 높이나 두께 t의 함수이다. 와이어 그리드 두께 t는 요건 성능 제공을 위해 0.04~0.5 미크론 사이에 있어야 한다.
와이어 그리드 빔 스플리터(14)의 성능은 그리드 소자(30)의 주기에 대한 폭의 비(w/p)의 함수이다. 주기 p에 대한 그리드 소자(30)의 폭 w는 요건 성능 제공을 위해 0.3~0.76 사이로 유지되어야 한다.
와이어 그리드 빔 스플리터(14)의 성능은 그리드 소자(30)의 측부 기울기의 함수이다. 측부 기울기는 요건 성능 제공을 위해 수평으로부터 68도 이상이 선호된다.
상술한 바와 같이, 다른 인자들이 WG-PBS의 내구성 및 성능에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, WG-PBS는 WG-PBS의 내구성에 영향을 미칠 수 있는 장시간동안 높은 조명 플럭스와 그 외 다른 물리적으로 거칠을 조건처럼 격렬한 광학적 환경에 놓일 수 있다. 따라서, WG-PBS를 보호하는 것이 바람직하다. 그러나 상술한 바와 같이, 1보다 큰 굴절률의 매질이나 물질에 편광기를 내장하면, 동일 구조에서 대기로 가용한 경우에 비해 편광기 성능이 변화할 것이다. 따라서, 성능을 최적화하면서도 편광기를 보호하는 것이 바람직하다.
도 9에서, 본 발명의 내장형 와이어 그리드 편광기(200)가 도시된다. 편광기(200)는 제 1 광학 매질(201), 제 2 광학 매질(203), 그리고 제 1, 2 층(201, 203) 사이에 놓이는 다수의 길이방향 삽입 소자(205)를 포함한다. 상술한 바와 같이, 소자들을 내장함으로서 어떤 장점을 얻지만, 소자들의 편광이나 성능에 악영향을 미칠 수 있다. 따라서, 본 발명의 편광기(10)는 내장될 때 성능을 최적화하도록 설계된다(아래 설명 참조).
제 1, 2 층(201, 203)은 서로에 대해, 그리고 소자(205)에 면하는 제 1, 2 면(202, 204)을 각각 포함한다. 층(201, 203)은 제 1, 2 굴절률을 각각 가진다. 제 1, 2 광학 매질(201, 203)은 각각 두께 tL1과 tL2를 가지며, 광학적 측면에서 두껍다 고 간주된다. 이들은 글래스 시트나 폴리머 시트일 수 있고, 광학 오일, 또는 그 외 다른 유체, 또는 이와 유사한 광학적 물질일 수 있다. 두께 tL1과 tL2는 1미크론보다 크다. 광학 매질(201, 203)은 두개의 글래스 시트처럼 동일 물질일 수도 있고, 물질(201)은 글래스, 물질(203)은 오일처럼, 다른 물질로 선택될 수도 있다. 삽입 소자(205)는 제 1 층이나 기판(201)에 의해 지지될 수 있다.
소자(205)의 삽입 어레이는 다수의 병렬, 길이방향, 이격식 전도 소자(205)를 포함한다. 소자(205)는 제 1, 2 표면(205a, 205b)을 가지며, 제 1 표면(205a)은 제 1 표면(202)이나 제 1 층(201)을 향하고, 제 2 표면(205b)은 제 2 표면(204)이나 제 2 층(203)을 향한다. 제 1 표면(205a)은 제 1 층(201)의 제 1 표면(202)에 접촉하고 연결될 수 있고, 제 2 표면(205b)은 제 2 층(203)의 제 2 표면(204)에 접촉하고 연결될 수 있다(도 9 참조). 소자 어레이(205)는 제 1 편광의 대부분 광을 반사시키도록, 그리고 제 2 편광의 대부분의 광을 투과시키도록 가시광선 스펙트럼에서 광의 전자기파와 상호작용하도록 설정된다.
소자(205)의 크기와 소자(205) 배열의 크기는 사용 파장에 의해 결정되며, 넓은(broad), 또는 완전한(full) 스펙트럼 가시광에 대해 맞추어진다. 소자(205)는 비교적 길고 얇다. 각각의 소자(205)가 가시광선 파장보다 긴 길이를 가지는 것이 바람직하다. 따라서, 소자(205)는 최소 0.7미크론의 길이를 가진다. 그러나, 전형적인 길이는 훨씬 길다. 추가적으로, 소자(205)는 광파장 보다 짧은 소자의 간격(spacing), 피치(pitch), 또는 주기 P를 가진 배열로 위치한다. 따라서, 피치 는 .4 미크론 미만일 것이다.
소자(205)의 주기와, 광학 매질(201, 203)에 대한 물질 선택은 광선(209, 211, 213)과의 요망 상호작용을 얻고 향상시키도록 이루어진다. 광선(209)은 S 편광 및 P 편광으로 알려진 두 편광을 같은 양으로 지닌 광의 비편광 광선이다. 그러나 광선(209)은 두 편광 중 어느쪽으로 부분적이든 대부분이든 되도록 특정 장치에서 변경될 수 있다. 주기 P는 와이어 그리드가 S 편광 광(211)의 대부분 광을 정반사시키고 P 편광 광(213)의 대부분을 투과시키도록 선택된다.
광학 물질은 이 과정을 돕도록 선택된다. 예를 들어, S 및 P 편광에 동등하게 투과성이도록 광학 물질(201)을 선택할 수 있고, 이와 동시에, S 편광 광을 흡수하도록, 그렇지 않을 경우, P 편광 광의 투과와 S 편광광의 반사를 돕도록 광학 물질(203)을 선택하는 것이 가능하다. 선호되는 실시예에서, 층(201, 203)을 구성하는 광학 물질은 글래스이다. 다른 물질도 응용 장치에 따라 적절할 수 있다. 예를 들어, 제 2 층(203)이 글래스나 플라스틱 시트일 수 있다. 추가적으로, 제 2 층이 이산화규소, 질화규소, 플루오르화마그네슘, 산화탄탈륨 등처럼 진공 증착 박막층이거나 광학 박막층일 수 있다. 제 2 층(203)은 헥사메틸 디실라잔(hexamethyl disilazane)같은 박막을 남기도록 제 1 층과 소자 표면을 화학처리함으로서 형성될 수도 있다. 이러한 층은 환경 조건에 덜 민감함 한개 이상의 원자 단위 모노층일 수 있다. 대안으로, 화학처리는 거친 환경하에서 와이어 그리드 구조에 손상을 입힐 수 있는 물리적 매커니즘을 능동적으로 차단하도록 선택될 수 있다. 제 2 층은 여기서 언급한 다수의 물질 필름을 포함할 수도 있다.
길이방향 삽입 소자(205)는 그다지 크지 않다. 이 소자는 규칙적으로 배열된 어레이로서, 주기 P는 0.3 미크론 이하, 소자를 분리시키는 리브(rib)(205) 폭 wR과 간격(207)의 폭 wS은 0.15 미크론 이하이다. 소자(205)와 간격(207)의 폭은 요망 광학 성능 효과를 얻기 위해 변할 수 있고, 이는 아래에서 설명될 것이다. 이 소자(205)의 두께 tR은 광학적으로 불투명하기 위해 소자에 요구되는 값 사이에 놓일 것이고, 최대 1 미크론(알루미늄의 경우 40nm)이다. 상한은 제작 실용성과 광학적 성능을 고려하여 고정된다. 선호 실시예에서, 소자(205)는 전체 가시광선 스펙트럼에 대해 편광기가 사용될 경우 알루미늄이나 은같은 물질로 만들어진다. 그러나, 적색광처럼, 스펙트럼 일부에서 실행되는 편광기를 제공하는 특정 경우에 요구되는 요건일 경우, 구리나 금같은 다른 물질도 사용될 수 있다.
내장형 와이어 그리드 편광기(200)의 최적 성능을 얻는 데 있어 중요한 인자는 간격(207) 내에 배치된 물질이다. 소자들(205)간에 형성되는 간격(207)은 층)(201)처럼, 층(201, 203) 중 한개 이상의 굴절률보다 작은 굴절률을 제공하는 것이 바람직하다. 간격(207)이 낮은 굴절률을 제공할 때, 일정 굴절률을 가진 물질에 완전히 내장된 와이어 그리드에 대해 편광기(200) 성능이 개선됨을 출원인이 발견하였다. 선호 실시예에서, 이 물질은 대기이거나 진공일 것이나, 일부 응용장치에서의 실용성이나 성능을 이유로 하여 다른 물질이 사용될 수도 있다.
이 물질이 제작성처럼 필요한 다른 설계 제약을 충족시키면서 가능한 최저 굴절률 n을 가지는 것이 바람직하다. 이러한 다른 제약은 길이방향 소자(205)간 간 격(207)을 채우는 물질이 광학 물질(201, 203) 중 하나 또는 둘 모두로 구성되는 경우와 동일한 물질임을 필요로할 수 있다. 또는, 길이방향 소자(205)간에 간격(207)을 채우는 물질이 광학 물질(201, 203)과는 다른 물질이도록 선택될 수도 있다.
상술한 바와 같이, 선호 실시예에서, 간격(207) 내의 물질은 진공이나 대기일 것이다. 다른 물질로는 물(굴절률 1.33), 플루오르화마그네슘(굴절률 1.38)이 있으며, 증착, 스퍼터링, 또는 다양한 화학 기상 증착 공정을 이용하여 증착될 수 있는 광학적 박막 물질, 광학 오일, 나프타같은 액체 탄화수소, 톨루엔, 그 외 다른 저굴절률 물질등이 또한 포함될 수 있다. 간격(207) 물질이 플라스틱이나 테플론을 포함할 수도 있다.
추가적으로, WG-PBS의 기판(201)(도 9)(400(도 7)이 WG-PBs의 성능에 영향을 미칠 수 있다. 상술한 바와 같이, 광에 대해 한 각도로 WG-PBS의 기판을 정렬시킬 면, 조준되지 않은 광이 투과할 대 비점수차 및 코마 수차가 나타날 수 있다. 이 수차들은 기판의 평탄성 여부에 관계없이 발생한다. 따라서, 수차가 교정되거나 무시될 수 없을 경우 평판 투과성 광학장치가 이미징 장치에 사용될 수 없다.
이미지를 지닌 광선이 판의 전면에서 투과보다는 반사될 때 이 문제를 이미징 장치에서 방지할 수 있다. 왜냐하면, 기판의 기울기 방향을 따른 측방 위치 이동처럼, 이는 광학적 수차를 유발시키는 기울어진 기판을 따라 생기는 것이기 때문이다. 이러한 설정은 최종 이미지에 왜곡을 발생시키는 광선의 왜곡을 피하기 위해 평탄한 기판을 요구한다. 응용장치에 따라, 3 표준파장편위/인치보다 작은 평탄성 이 선호된다. 1 표준파장편위/인치보다 작은 값이 더욱 선호되며, 1/10 표준파장편위/인치보다 작은 값이 가장 바람직하다.
투과 광선의 경우, 비점수차 및 코마 수차를 감소시키는 것이 바람직하다. 따라서, 기판이 매우 얇거나 대략 5mm 미만의 두께를 가지는 것이 바람직하다.
본 발명의 이미지 시스템에 대한 또다른 중요한 고려사항은 WG-PBS로부터의 투과파에 기하학적 왜곡이 없게 하는 것이다. 투과 광선의 경우, 왜곡은 기판의 두면 사이에서 평행으로부터 편위에 의해 발생되는 것이 일반적이다. 투과 광선의 기하학적 왜곡이 3 표준파장편위/인치보다 작은 것이 바람직하고, 1/2 표준파장편위/인치보다 작은 것이 더욱 바람직하며, 1/10 표준파장편위/인치보다 작다면 가장 바람직하다.

Claims (37)

  1. 이미지 투영 시스템으로서, 이 시스템은,
    a) 가시광선을 생성할 수 있는 광원,
    b) 가시광선 내에서 광원 근처에 위치하며 가시광선에 대해 한 각도로 정렬되는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)로서, 상기 편광 빔 스플리터는,
    1) 상기 가시광선 내에 위치하는 제 1 표면을 가진 제 1 굴절률의 제 1 투과성 기판으로서, 이때, 상기 가시광선은 한 각도에서 상기 제 1 표면에 입사되는, 제 1 투과성 기판,
    2) 제 1 투과성 기판과 이격된 제 2 굴절률의 제 2 층, 그리고
    3) 제 1 투과성 기판과 제 2 층 사이에 배치되는 길이가 긴 얇은 이격형 소자들의 평행 배열로서, 이때, 소자들 간에 형성되는 다수의 간격은 제 1 투과성 기판이나 제 2 층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지며, 상기 배열과 상기 소자들은 가시광선의 전자기파와 상호작용을 일으켜서, i) 입사 광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 수직으로 향하는 편광을 가지는 광이 소자들을 투과하게 하여 제 1 투과 광선을 형성하도록, 그리고 ii) 상기 입사광선의 방향과 상기 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 평행하게 향하는 편광을 가진 광이 소자들로부터 반사되게 하여 제 1 반사 광선을 형성하도록, 상기 배열이 구성되고 상기 소자들의 크기가 결정되는, 이러한 소자들의 평행 배열
    을 포함하는 편광 빔 스플리터, 그리고
    c) 제 1 반사 광선이나 제 1 투과 광선 내에서 편광 빔 스플리터 근처에 위치하는 반사형 어레이로서, 이때, 상기 반사형 어레이는 이미지 정보를 인코딩하고자 광선의 편광을 선택적으로 변경시킴으로써 광선의 편광을 변조시켜서 변조 광선을 생성하며, 또한, 변조 광선을 다시 편광 빔 스플리터를 향해 보내도록 배치되는 반사형 어레이를 포함하되,
    상기 편광 빔 스플리터는 변조 광선에 대해 한 각도로 향하며 변조 광선 내에 추가적으로 위치하는 상기 편광 빔 스플리터로서, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 편광 빔 스플리터의 소자 배열은 변조 광선의 전자기파와 상호작용하여, i) 입사광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 수직으로 향하는 편광을 가진 광이 소자들을 투과하게 하여 제 2 투과 광선을 형성하고, 그리고 ii) 상기 입사광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 평행한 편광을 가지는 광을 소자들로부터 반사시켜서 제 2 반사 광선을 형성하며, 그래서, 변조 광선으로부터 변경되지 않은 편광을 분리해내는 것이 특징이며,
    상기 이미지 투영 시스템은,
    d) 인코딩된 이미지 정보를 디스플레이하기 위해 제 2 반사 광선이나 제 2 투과 광선 중 하나 내에 위치하는 스크린
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 투과성 기판의 두께가 5mm 미만인 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 투과성 기판의 평탄도가 3 표준파장편위/인치 미만인 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 1 투과 광선의 기하학적 왜곡이 3 파장편위/인치보다 작은 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 소자들간 간격이 공기를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서, 소자들간 간격이 진공을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 소자들간 간격이 제 1 투과성 기판과 제 2 층의 물질과는 다른 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 간격이 제 2 층과 같은 물질인 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 간격이 제 1 투과성 기판과 같은 물질인 물질을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 소자간 간격이 물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  11. 제 1 항에 있어서, 소자들간 간격이 플루오르화마그네슘을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  12. 제 1 항에 있어서, 소자들간 간격이 오일을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  13. 제 1 항에 있어서, 소자들간 간격이 탄화수소 화합물을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  14. 제 1 항에 있어서, 소자들간 간격이 플라스틱을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  15. 제 1 항에 있어서, 소자들간 간격이 플루오르화탄화수소(fluorinated hydrocarbon)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  16. 제 1 항에 있어서, 상기 배열과 상기 소자들은 상기 가시광선 스펙트럼 내에 상기 기판이나 상기 층 중 하나와 조합하여 공진 효과를 통상적으로 생성하도록 배 열 구성과 소자 크기가 결정되며, 또한, 상기 기판이나 상기 층 중 하나의 굴절률보다 작은 굴절률을 가진 상기 간격은 통상적으로 발생하는 공진 효과를 낮은 파장으로 이동시키며, 따라서, 어떤 공진 효과도 발생하지 않는 가시광선 파장의 대역을 넓히는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  17. 제 1 항에 있어서, 제 2 층이 박막(a film)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  18. 제 1 항에 있어서, 제 2 층이 다수의 박막(a plurality of films)을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  19. 제 1 항에 있어서, 제 2 층은 이산화규소, 질화규소, 플루오르화마그네슘, 그리고 산화티타늄 중에서 선택된 진공 증착 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  20. 제 1 항에 있어서, 제 2 층이 글래스 시트(a sheet of glass)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  21. 제 1 항에 있어서, 제 2 층이 플라스틱 시트를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  22. 제 1 항에 있어서, 제 2 층이 헥사메틸 디실라잔(hexamethal disilazane) 박막을 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  23. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터가 평면형 시트인 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  24. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터는 대략 0~80도 범위 사이의 한 입사각에서 상기 가시광선이나 변조 광선을 향하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  25. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터는 47도 이상이나 43도 미만의 입사각에서 상기 가시광선이나 상기 변조 광선을 향하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  26. 제 1 항에 있어서, 상기 가시광선은 10~25도 범위 사이의 반치각을 가진 발산형 원추를 가지는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  27. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터는 f/2.5 미만의 F-넘버로 사용되는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  28. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터는 p-편광 투과광의 비율과 s-편광 반사광의 비율의 곱에 의해 정의되는 50% 이상의 배출(throughput)을 가지며, 또한, s-편광 투과광과 p-편광 반사광이 모두 5% 미만인 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  29. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터는 s-편광 투과광의 비율과 p-편광 반사광의 비율의 곱에 의해 정의되는 50% 이상의 배출(throughput)을 가지며, 또한, p-편광 투과광과 s-편광 반사광이 모두 5% 미만인 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  30. 제 1 항에 있어서, 상기 편광 빔 스플리터는 반사광 비율과 투과광 비율의 곱에 의해 결정되는 65% 이상의 광선 배출(throughput)을 가지며, 또한, 반사광 백분율이나 투과광 백분율이 67% 이상인 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  31. 제 1 항에 있어서, 상기 반사형 어레이가 상기 제 1 반사 광선 내에 배치되고, 상기 스크린이 제 2 투과 광선 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  32. 제 1 항에 있어서, 상기 반사형 어레이가 상기 제 1 투과 광선 내에 배치되고, 상기 스크린이 제 2 반사 광선 내에 배치되는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  33. 제 1 항에 있어서,
    1) 소자 배열의 주기가 0.21 미크론 미만이고,
    2) 소자들의 두께가 0.04~0.5 미크론 사이이며, 그리고
    3) 소자들의 폭이 상기 주기의 30~76% 사이에 놓이는
    것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  34. 이미지 투영 방법으로서, 이 방법은,
    a) 광원을 이용하여 0.4~0.7 미크론 범위의 파장을 가지는 소스 광선을 생성하고,
    b) 상기 소스 광선 내에서 배치되는 편광 빔 스플리터를 이용하여 소스 광선의 편광을 분리시키며, 이때, 상기 편광 빔 스플리터는,
    1) 제 1 굴절률을 가지는 제 1 층,
    2) 제 1 굴절률과는 다른 제 2 굴절률을 가지는 제 2 층,
    3) 제 1 층과 제 2 층 사이에 배치되는 길이가 긴 얇은 이격형 소자들의 평행 배열로서, 이때, 이 소자 배열은 소스 광선의 전자기파와 상호작용을 일으켜서, i) 입사 광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 수직으로 향하는 편광을 가지는 광이 소자들을 투과하게 하여 제 1 투과 광선을 형성하도록, 그리고 ii) 상기 입사광선의 방향과 상기 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 놓이는 편광 방위각을 가지는 광이 상기 소자들로부터 반사되게 하여, 제 1 반사 광선을 형성하도록, 상기 소자 배열이 구성되고 그 크기가 결정되는, 이러한 소자들의 평행 배열, 그리고
    4) 제 1, 2 층과 소자들 사이에 형성되는 다수의 간격으로서, 제 1 층이나 제 2 층의 굴절률보다 작은 굴절률을 가지는 다수의 간격
    을 포함하며, 그리고
    c) 상기 제 1 반사 광선이나 상기 제 1 투과 광선 내에 배치되는 어레이를 이용하여 상기 제 1 반사 광선이나 상기 제 1 투과 광선의 편광을 선택적으로 변경함으로써 상기 제 1 투과 광선이나 상기 제 1 반사 광선을 변조하고 변조 광선을 생성하며,
    d) 변조 광선 내에 배치되는 편광 빔 스플리터를 이용하여 변조 광선의 편광들을 분리시키고, 이때, 상기 소자들은 변조 광선의 전자기파와 상호작용하여, i) 입사광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 수직으로 향하는 편광을 가진 광이 소자들을 투과하게 하여 제 2 투과 광선을 형성하고, 그리고 ii) 상기 입사광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 놓인 편광 방위각을 가진 광을 소자들로부터 반사시켜서 제 2 반사 광선을 형성하며, 그리고
    e) 제 2 투과 광선이나 제 2 반사 광선을 스크린 상에 디스플레이하는,
    이상의 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 방법.
  35. 이미지 투영 시스템으로서, 이 시스템은,
    a) 가시광선을 생성할 수 있는 광원,
    b) 가시광선 내에서 광원 근처에 위치하며 상기 가시광선에 대해 한 각도로 정렬되는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)로서, 상기 편광 빔 스플리터는,
    1) 상기 가시광선 내에 위치하는 제 1 표면을 가진 제 1 투과성 기판으로서, 이때, 상기 가시광선은 한 각도에서 상기 제 1 표면에 입사되며 상기 제 1 투과성 기판의 두께는 5mm 미만인, 제 1 투과성 기판, 그리고
    2) 제 1 투과성 기판상에 배치되는 길이가 긴 얇은 이격형 소자들의 평행 배열로서, 이때, 상기 소자 배열은 광원 가시광선의 전자기파와 상호작용을 일으켜서, i) 입사 광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 수직으로 향하는 편광을 가진 광이 소자들을 투과하게 하여 제 1 투과 광선을 형성하도록, 그리고 ii) 상기 입사광선의 방향과 상기 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 평행하게 향하는 편광을 가진 광이 소자들로부터 반사되게 하여, 제 1 반사 광선을 형성하도록, 상기 배열이 구성되고 상기 소자들의 크기가 결정되는, 이러한 소자들의 평행 배열
    을 포함하는 편광 빔 스플리터, 그리고
    c) 상기 제 1 반사 광선이나 상기 제 1 투과 광선 내에서 편광 빔 스플리터 근처에 위치하는 반사형 어레이로서, 이때, 상기 반사형 어레이는 이미지 정보를 인코딩하고자 광선의 편광을 선택적으로 변경시킴으로써 광선의 편광을 변조시켜서 변조 광선을 생성하며, 또한, 변조 광선을 다시 편광 빔 스플리터를 향해 보내도록 배치되는 반사형 어레이를 포함하되,
    상기 편광 빔 스플리터는 상기 변조 광선에 대해 한 각도로 정렬되며, 변조 광선 내에 추가적으로 위치하는 편광 빔 스플리터로서, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 편광 빔 스플리터의 소자 배열은 변조 광선의 전자기파와 상호작용하여, i) 입사광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 수직으로 향하는 편광을 가진 광이 소자들을 투과하게 하여 제 2 투과 광선을 형성하고, 그리고 ii) 상기 입사광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 평행한 편광을 가지는 광을 소자들로부터 반사시켜서 제 2 반사 광선을 형성하며, 그래서, 변조 광선으로부터 변경되지 않은 편광을 분리해내는 것이 특징이며,
    상기 이미지 투영 시스템은,
    d) 인코딩된 이미지 정보를 디스플레이하기 위해 제 2 반사 광선이나 제 2 투과 광선 중 하나 내에 위치하는 스크린
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  36. 이미지 투영 시스템으로서, 이 시스템은,
    a) 가시광선을 생성할 수 있는 광원,
    b) 가시광선 내에서 광원 근처에 위치하며 가시광선에 대해 한 각도로 정렬되는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)로서, 상기 편광 빔 스플리터는,
    1) 상기 가시광선 내에 위치하는 제 1 표면을 가진 제 1 투과성 기판으로서, 이때, 상기 가시광선은 한 각도에서 상기 제 1 표면에 입사되며 상기 제 1 투과성 기판의 평탄도는 3 표준파장편위/인치 미만인, 제 1 투과성 기판, 그리고
    2) 제 1 투과성 기판 상에 배치되는 길이가 긴 얇은 이격형 소자들의 평행 배열로서, 이때, 상기 소자 배열은 가시광선의 전자기파와 상호작용을 일으켜서, i) 입사 광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 수직으로 향하는 편광을 가진 광이 소자들을 투과하게 하여 제 1 투과 광선을 형성하도록, 그리고 ii) 상기 입사광선의 방향과 상기 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 평행하게 향하는 편광을 가진 광이 소자들로부터 반사되게 하여, 제 1 반사 광선을 형성하도록, 상기 배열이 구성되고 상기 소자들의 크기가 결정되는, 이러한 소자들의 평행 배열
    을 포함하는 편광 빔 스플리터, 그리고
    c) 상기 제 1 반사 광선이나 상기 제 1 투과 광선 내에서 편광 빔 스플리터 근처에 위치하는 반사형 어레이로서, 이때, 상기 어레이는 이미지 정보를 인코딩하고자 광선의 편광을 선택적으로 변경시킴으로서 광선의 편광을 변조시켜서 변조 광선을 생성하며, 또한, 상기 변조 광선을 다시 편광 빔 스플리터를 향해 보내도록 배치되는 반사형 어레이를 포함하되,
    상기 편광 빔 스플리터는 변조 광선에 대해 한 각도로 정렬되며, 변조 광선 내에 추가적으로 위치하는 편광 빔 스플리터로서, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 편광 빔 스플리터의 소자 배열은 변조 광선의 전자기파와 상호작용하여, i) 입사광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 수직으로 향하는 편광을 가진 광이 소자들을 투과하게 하여 제 2 투과 광선을 형성하고, 그리고 ii) 상기 입사광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 평행한 편광을 가지는 광을 소자들로부터 반사시켜서 제 2 반사 광선을 형성하며, 그래서, 변조 광선으로부터 변경되지 않은 편광을 분리해내는 것이 특징이고, 그리고
    상기 이미지 투영 시스템은,
    d) 인코딩된 이미지 정보를 디스플레이하기 위해 제 2 반사 광선이나 제 2 투과 광선 중 하나 내에 위치하는 스크린
    을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
  37. 이미지 투영 시스템으로서, 이 시스템은,
    a) 가시광선을 생성할 수 있는 광원,
    b) 가시광선 내에서 광원 근처에 위치하며 가시광선에 대해 한 각도로 정렬되는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter)로서, 상기 편광 빔 스플리터는,
    1) 상기 가시광선 내에 위치하는 제 1 표면을 가진 제 1 투과성 기판으로서, 이때, 상기 가시광선은 한 각도에서 상기 제 1 표면에 입사되는, 제 1 투과성 기판, 그리고
    2) 제 1 투과성 기판상에 배치되는 길이가 긴 얇은 이격형 소자들의 평행 배열로서, 이때, 상기 소자 배열은 가시광선의 전자기파와 상호작용을 일으켜서, i) 입사 광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 수직으로 향하는 편광을 가진 광이 소자들을 투과하게 하여 제 1 투과 광선을 형성하도록, 그리고 ii) 상기 입사광선의 방향과 상기 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 평행하게 향하는 편광을 가진 광이 소자들로부터 반사되게 하여, 제 1 반사 광선을 형성하도록, 상기 배열이 구성되고 상기 소자들의 크기가 결정되는, 이러한 소자들의 평행 배열
    을 포함하는 편광 빔 스플리터, 그리고
    c) 상기 제 1 반사 광선이나 상기 제 1 투과 광선 내에서 편광 빔 스플리터 근처에 위치하는 반사형 어레이로서, 이때, 상기 반사형 어레이는 이미지 정보를 인코딩하고자 광선의 편광을 선택적으로 변경시킴으로써 광선의 편광을 변조시켜서 변조 광선을 생성하며, 또한, 변조 광선을 다시 편광 빔 스플리터를 향해 보내도록 배치되는 반사형 어레이를 포함하되,
    상기 편광 빔 스플리터는 변조 광선에 대해 한 각도로 정렬되며 변조 광선 내에 추가적으로 위치하는 편광 빔 스플리터로서, 상기 편광 빔 스플리터와 상기 편광 빔 스플리터의 소자 배열은 변조 광선의 전자기파와 상호작용하여, i) 입사광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 수직으로 향하는 편광을 가진 광이 소자들을 투과하게 하여 제 2 투과 광선을 형성하고, 그리고 ii) 상기 입사광선의 방향과 소자들 중 한개 이상을 포함하는 평면에 평행한 편광을 가진 광을 소자들로부터 반사시켜서 제 2 반사 광선을 형성하며, 그래서, 변조 광선으로부터 변경되지 않은 편광을 분리해내는 것이 특징이고, 그리고
    상기 이미지 투영 시스템은,
    d) 인코딩된 이미지 정보를 디스플레이하기 위해 제 2 반사 광선이나 제 2 투과 광선 중 하나 내에 위치하는 스크린을 더 포함하며,
    이때, 제 1, 2 투과 광선의 기하학적 변위가 3 파장편위/인치 미만인 것을 특징으로 하는 이미지 투영 시스템.
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