KR101109592B1 - 광원 모듈 및 이를 채용한 화상투사장치 - Google Patents

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Abstract

베이스에 설치되어 조명광을 생성 출사시키며 반사 특성을 가져 외부에서 입사되는 광을 반사시키도록 된 발광소자 칩과, 베이스와 결합되며 발광소자 칩 쪽에서 입사되는 광을 반사시켜 전방으로 진행시키는 반사경과, 반사경의 출구쪽에 설치되어 일부 광을 반사에 의해 피드백시키며 발광소자 칩에서 출사된 광을 단일 편광의 광으로 변환시켜 출력하는 편광 정렬 유니트를 포함하며, 피드백되는 광은, 발광소자 칩 및 베이스 중 적어도 어느 하나에 의해 반사된 후 편광 정렬 유니트쪽으로 다시 진행하도록 된 것을 특징으로 하는 광원 모듈 및 이를 채용한 화상투사장치가 개시되어 있다.

Description

광원 모듈 및 이를 채용한 화상투사장치{Light source module and image projection apparatus employing the same}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 모듈의 구조를 개략적으로 보여준다.
도 2는 조명 광원으로 도 1의 광원 모듈을 적용한 화상투사장치의 일 실시예를 보여준다.
도 3은 조명 광원으로 도 1의 광원 모듈을 적용한 화상투사장치의 다른 실시예를 보여준다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원 모듈의 구조를 개략적으로 보여준다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1,1R,1G,1B,110...광원 모듈 2...베이스
3...발광소자 칩 5...포물형 반사경
7...렌즈 플레이트 7a...렌즈
8,280...편광 정렬 유니트 9a...편광 플레이트
9b...1/4 파장판 20...색광 프리즘
50...인터그레이터 60...릴레이 렌즈
80...투과형 액정표시소자 90...투사렌즈 유닛
100...스크린 170,281...편광빔스프리터
180...반사형 액정표시소자 283...반사기
285...1/2 파장판 287...반사판
본 발명은 조명유니트 및 이를 채용한 화상투사장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 광의 이용 효율을 보다 높일 수 있도록 된 조명유니트 및 이를 채용하여 보다 밝은 화면을 구현할 수 있는 화상투사장치에 관한 것이다.
일반적으로, 조명유니트는 광을 조사하는 광원과, 이 광원에서 조사된 광을 전달하는 조명광학계로 구성되는 것으로, 자체적으로 발광 능력이 없는 액정표시소자 등의 화상형성소자를 이용하여 화상을 구현하는 화상투사장치 등에 널리 채용된다.
조명유니트의 광원으로 통상적으로 사용되는 메탈 할라이드 램프나 초고압 수은 램프 등은 그 수명이 기껏해야 수 천 시간 정도여서, 램프를 자주 교환해야 하는 불편함이 있다. 이러한 문제를 해결하기 위해 광원으로 상대적으로 수명이 긴 LED(Light-emitting Diode) 등의 소형 발광소자를 광원으로 사용하고자 하는 연구가 진행되고 있다. LED 광원에서는 발산광이 출사되기 때문에, 조명유니트는 LED에서 조사된 광을 집광시켜 일 방향으로 진행하도록 콜리메이팅 기능을 포함할 것이 요구된다.
화상투사장치를 LED 광원을 사용하여 구성할 때, 화상형성소자에 광을 모으는 과정이 있다. 이때, 화상형성소자에 집광된 광량은 화상투사장치의 전체적인 화면 밝기를 결정하게 된다. 그런데, 이렇게 집광될 수 있는 광량은 그 한계 값이 화상형성소자의 에텐듀(etendue)와 LED 광원의 휘도의 곱에 의해 결정된다.
여기서, 휘도는 단위 면적당, 단위 입체각당 발생하는 플럭스(flux) 량을 의미한다. 또한, LED 광원의 발광면적과 발광 각도의 입체각과의 곱이 보존량이 되며, 이를 에텐듀(etendue)라 한다. 에텐듀가 보존되기 위해서는 LED 광원의 발광면적과 그로부터 출사되는 광의 발광 각도의 입체각의 곱이 화상형성소자의 면적과 그에 입사되는 광의 입사각도의 입체각의 곱이 같아야 한다. 이와 같이 화상형성소자의 에텐듀는 기하학적으로 정해진다.
따라서, 화상투사장치의 밝기를 향상시키려면 LED 광원의 휘도를 높여야 한다. LED 광원의 자체 발광 휘도는 제조상 한계에 의해 결정된다.
그런데, 화상형성소자로 투과형 액정표시소자(LCD)나 반사형 액정표시소자 예컨대, LCOS 등과 같이 편광을 이용하는 소자를 이용할 경우, 편광 특성 때문에 최소한 50% 정도의 광 손실이 발생한다.
따라서, LED 광원 자체의 발광 휘도는 제조상 한계에 의해 결정되므로, 높은 휘도를 갖는 화상투사장치를 구현하기 위해서는, 화상형성소자에 유효광으로 사용되는 광량이 커지도록 할 필요가 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 화상형성소자의 편광 특성에 기인한 광손실이 발생하지 않도록 원하는 편광의 콜리메이팅된 광을 조명할 수 있도록 된 광원 모듈 및 이를 채용한 화상투사장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 광원 모듈은, 베이스에 설치되어 조명광을 생성 출사시키며, 반사 특성을 가져 외부에서 입사되는 광을 반사시키도록 된 발광소자 칩과; 상기 베이스와 결합되며, 상기 발광소자 칩 쪽에서 입사되는 광을 반사시켜 전방으로 진행시키는 반사경과; 상기 반사경의 출구쪽에 설치되어, 일부 광을 반사에 의해 피드백시키며, 상기 발광소자 칩에서 출사된 광을 단일 편광의 광으로 변환시켜 출력하는 편광 정렬 유니트;를 포함하며, 상기 피드백되는 광은, 상기 발광소자 칩 및 베이스 중 적어도 어느 하나에 의해 반사된 후 상기 편광 정렬 유니트쪽으로 다시 진행하도록 된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 광원 모듈은, 상기 편광 정렬 유니트와 발광 소자 칩 사이에 설치되어, 상기 발광 소자 칩에 대응하는 중심 부분에 상기 발광 소자 칩에서 출사되어 직접적으로 상기 편광 정렬 유니트쪽으로 진행하는 광 영역에 렌즈가 형성된 렌즈 플레이트;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이때, 상기 렌즈는 그 초점이 상기 발광 소자 칩의 표면 또는 그 부근에 위치하는 볼록렌즈이고, 상기 렌즈 플레이트는 투명소재로 이루어지는 것이 바람직하다.
또한, 상기 반사경은 포물형 반사경이고, 상기 발광소자 칩은 상기 반사경의 초점 또는 그 부근에 위치하는 것이 바람직하다.
상기 발광소자 칩은, 보통의 표면적을 가지는 단일 발광소자 칩, 보통의 표면적을 가지는 복수의 발광소자 칩의 어레이 및 보통의 표면적을 가지는 발광소자 칩보다 상대적으로 넓은 표면적을 가지는 단일 발광소자 칩 중 어느 하나일 수 있다.
상기 베이스의 상기 반사경의 출구를 향하는 면은 반사면인 것이 바람직하다.
본 발명의 일 특징에 따르면, 상기 편광 정렬 유니트는, 상기 반사경의 출구쪽에 위치되며, 입사되는 광 중 소정의 제1선편광성분은 진행시키고 이에 직교하는 제2선편광성분은 피드백시키는 편광 플레이트와; 상기 발광소자 칩과 편광 플레이트 사이에 위치되어 편광을 변화시키는 1/4 파장판;을 포함하여 구성될 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 편광 정렬 유니트는, 입사광을 편광에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시키는 복수의 편광빔스프리터와, 상기 복수의 편광빔스프리터 각각에 인접되게 위치되어 상기 복수의 편광빔스프리터와 함께 어레이 구조를 이루며, 상기 편광빔스프리터에서 반사된 광을 반사시켜 상기 편광빔스프리터를 투과한 광과 나란히 진행하도록 하는 복수의 반사기와; 상기 반사기의 출사면에 각각 위치되어 상기 반사기에서 반사되어 출사되는 광의 편광을 바꾸어주는 복수의 1/2 파장판과; 상기 반사기의 상기 발광소자 칩을 향하는 면에 각각 위치되어, 입사되는 광을 피드백시키는 복수의 반사판;을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 화상투사장치는 적어도 하나의 본 발명에 따른 광원 모듈과; 상기 광원 모듈쪽에서 조사되는 광으로부터 입력된 영상신호에 대응하는 화상을 형성하는 편광을 이용한 화상형성소자와; 상기 화상형성소자에서 형성된 화상을 스크린에 확대 투사시키는 투사렌즈유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광원 모듈은 복수개 구비되며, 이 복수의 광원 모듈은 서로 다른 색광을 조사하며, 상기 복수의 광원 모듈에서 출사되는 색광들을 합성하여 하나의 광경로로 통합하는 색합성 프리즘과; 상기 복수의 광원 모듈에서 출사된 광이 균일광이 되도록 하는 광 인터그레이터;를 더 포함할 수 있다.
상기 화상형성소자는 상기 광원 모듈에서 조명된 광을 이용하여 화상을 형성하는 반사형 액정표시소자이고, 상기 광원 모듈에서 조명된 광은 상기 화상형성소자 방향으로 향하고, 상기 화상형성소자에 의해 형성된 화상 정보를 나타내는 광은 스크린 방향으로 향하도록, 상기 조명유니트와 상기 화상형성소자 사이에, 입사광을 편광 방향에 따라 투과 또는 반사시키는 편광 선택성 광로 변환기;를 포함할 수 있다.
상기 화상형성소자는 투과형 액정표시소자일 수도 있다.
상기 광 인터그레이터는 한쌍의 플라이-아이 렌즈를 구비할 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 조명유니트 및 이를 채용한 화상투사장치의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 모듈(1)의 구조를 개략적으로 보여 준다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 모듈(1)은 베이스(2)에 설치되어 조명광을 생성 출사시키는 발광소자 칩(3)과, 상기 발광소자 칩(3) 쪽에서 입사되는 광을 반사시켜 전방으로 진행시키는 반사경(5)과, 상기 반사경(5)의 출구쪽에 설치되는 편광 정렬 유니트(8)와, 상기 발광소자 칩(3)에서 출사되어 직접적으로 상기 편광 정렬 유니트(8)쪽으로 진행하는 광 영역에 렌즈(7a)가 형성된 렌즈 플레이트(7)를 포함하여 구성된다.
상기 발광소자 칩(3)은 반사 특성을 가져 외부에서 입사되는 광을 반사시키도록 된 것이 바람직하다. 일반적인 발광소자 칩은 잘 알려져 있는 바와 같이, 그 표면의 매끄럽기 때문에 어느 정도 반사율을 가진다. 상기 발광소자 칩(3)은 이러한 발광소자 칩의 기본적인 반사 특성에 부가하여, 입사되는 외부광에 대한 반사율을 보다 높일 수 있도록, 반사층(미도시)이 형성된 것이 바람직하다. 예를 들어, 반사층은 발광소자 칩(3)의 기판과 그 위에 적층되는 반도체 층 사이에 형성될 수 있다. 상기 발광소자 칩(3)에 이러한 반사 특성을 부가하면, 상기 편광 정렬 유니트(8)에 의해 피드백된 광이 발광소자 칩(3)에 의해 반사된 후 상기 편광 정렬 유니트(8) 쪽으로 다시 진행하는 비율을 보다 높일 수 있다.
상기 발광소자 칩(3)으로는 상대적으로 표면의 면적은 작지만 어레이를 통해 복수의 LED 칩을 인접하게 패키징한 LED 칩 어레이 또는 상대적으로 넓은 표면의 LED 칩을 구비할 수 있다.
여기서, 표면의 면적이 작은 LED 칩은 보통의 표면적 예컨대, 1mm×1mm을 가 지는 LED 칩에 해당할 수 있다. 상기 LED 칩 어레이는 보통의 표면적을 가지는 단일 LED 칩의 2차원 어레이(n×n 어레이)에 해당한다. 상기 상대적으로 넓은 표면의 LED 칩은 보통의 표면적을 가지는 LED 칩보다 넓은 표면적을 가지는 경우를 말한다. LED 칩의 표면적이 넓은 수록 광이 생성되는 활성층의 면적이 넓으므로, 생성 출사되는 광량이 증가된다.
상기 발광소자 칩(3)으로 보통의 복수의 LED 칩의 2차원 어레이 또는 상대적으로 넓은 표면적을 가지는 LED 칩을 구비하는 경우, 보통의 LED 칩을 사용하는 경우에 비해 광원 모듈(1)의 출사 광량을 증대시킬 수 있다.
여기서, 상기 발광소자 칩(3)으로는 보통의 표면적을 가지는 LED 칩을 구비할 수도 있다. 또한, 상기 발광소자 칩(3)으로 넓은 표면적을 가지는 단일 LED 칩 또는 LED 칩 어레이를 사용하는 대신에 다른 종류의 단일 발광소자 칩 또는 발광소자 칩 어레이를 사용할 수도 있다. 예를 들어, 상기 발광소자 칩(3)으로 유기 EL 및 전계 발광소자(FED)의 단일 칩 또는 그 어레이를 사용할 수도 있다.
한편, 상기 발광소자 칩(3)이 설치되는 베이스(2)는 상기 편광 정렬 유니트(8)에 의해 후술하는 바와 같이 피드백되어 베이스(2)로 입사되는 광을 반사시킬 수 있도록 상기 반사경(5)의 출구를 향하는 면이 반사면인 것이 바람직하다. 이는 후술하는 바와 같이 상기 발광소자 칩(3)이 점광원이 아니라 실질적으로 면광원에 해당하므로, 피드백되는 광 중 일부가 발광소자 칩(3)으로 입사되지 않고, 베이스(2)로 입사될 수도 있기 때문에, 피드백되는 광이 상기 편광 정렬 유니트(8) 쪽으로 다시 진행하는 비율을 보다 높이기 위함이다.
상기 반사경(5)은 그 일측에 발광소자 칩(3)이 설치된 베이스(2)가 결합된다. 이 반사경(5)은 발광소자 칩(3) 쪽에서 입사되는 광을 반사시켜 전방으로 진행시키는 기능을 한다.
이때, 상기 반사경(5)은 포물형 반사경이고, 상기 발광소자 칩(3)은 상기 반사경(5)의 초점 또는 그 부근에 위치하는 것이 바람직하다. 이 경우, 발광소자 칩(3)에서 출사되어 반사경(5)에 입사되는 광은 그 반사경(5)에 의해 반사되면서 콜리메이팅되어 대략적인 평행광으로 된다. 여기서, 상기 반사경(5)에 의해 콜리메이팅된 광이 완전 평행광이 아니라 대략적인 평행광이 되는 이유는 상기 발광소자 칩(3)이 점광원이 아니라 실질적으로 면광원이기 때문이다.
상기 편광 정렬 유니트(8)는, 상기 반사경(5)의 출구쪽에 설치되어, 일부 광을 반사에 의해 피드백시키며, 상기 발광소자 칩(3)에서 출사된 광을 단일 편광의 광으로 변환시켜 출력한다.
본 실시예에 있어서, 상기 편광 정렬 유니트(8)는, 반사경(5)의 출구쪽에 위치되며, 입사되는 광 중 소정의 제1선편광 성분의 광은 진행시키고, 이에 직교하는 제2선편광 성분의 광은 예컨대, 반사시켜 피드백시키는 편광 플레이트(9a)와, 상기 발광소자 칩(3)과 편광 플레이트(9a) 사이에 위치되어 편광을 변화시키는 1/4 파장판(9b)을 포함하는 구성을 가진다.
상기 편광 플레이트(9a)로는 반사형 편광기(reflective polarizer)를 사용할 수 있다. 여기서, 반사형 편광기는, 등방성 물질의 배열로 이루어져 일 편광 성분의 광은 투과시키고 다른 편광성분의 광은 반사시킨다.
상기 렌즈 플레이트(7)는, 편광 정렬 유니트(8)와 발광 소자 칩(3) 사이에 설치된다. 상기 렌즈 플레이트(7)는 그 중심 부분에 형성된 렌즈(7a)가 상기 발광소자 칩(3)과 동일한 중심축을 갖도록 배치된다. 상기 렌즈 플레이트(7)는, 투명소재로 이루어진 것이 바람직하다. 또한, 상기 렌즈(7a)는 그 초점이 발광소자 칩(3)의 표면 또는 그 부근에 위치하는 볼록 렌즈인 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 발광소자 칩(3)에서 출사되어 직접적으로 상기 편광 정렬 유니트(8)쪽으로 진행하는 광은 상기 렌즈(7a)에 의해 콜리메이팅되어 대략적인 평행광으로 된다.
상기와 같은 구성을 갖는 광원 모듈(1)에서는 리사이클링(recycling)에 의해 원하는 편광의 콜리메이팅된 광을 50% 이상(이상적으로는 100%) 얻을 수 있다.
즉, 발광소자 칩(3)에서 생성된 발산광은 포물형 반사경(5)에서 반사된 후 대략적으로 직진광으로 만들어진다. 또한, 발광소자 칩(3)에서 생성된 발산광 중 중앙 부분으로 진행하는 광은 렌즈 플레이트(7)의 렌즈(7a)에 의해 집속되어 대략적으로 직진광으로 만들어진다.
발광소자 칩(3)에서 생성된 광은 대략적으로 무편광의 광이므로, 상기 직진광은 편광 정렬 유니트(8)의 1/4파장판(9b)을 통과한 후, 예컨대, 그 직진광의 P편광(또는 S 편광) 성분은 편광 플레이트(9a)를 투과하고 S 편광(또는 P 편광) 성분은 편광 플레이트(9a)에서 반사되어 피드백된다. 이 반사광은 역 진행하여 1/4파장판(9b)을 통과하고 발광 소자 칩(3)에서 되반사된다. 이 되반사된 광은 다시 반상경(5)에 의해 반사 또는 렌즈(7a)에 의해 집속되어 다시 직진화된 후 1/4파장판(9b)을 통과한다. 이때, S편광(또는 P 편광)의 광은 1/4 파장판(9b)을 2번 통과했 기 때문에 P 편광(또는 S 편광)의 광으로 바뀌게 된다. 따라서 상기 피드백 광은 이번에는 편광 플레이트(9a)를 통과할 수 있게 된다. 따라서, 광원 모듈(1)로부터 최종적으로 50% 이상(이상적으로는 100%)의 P편광(또는 S 편광)의 광이 출사된다.
도 1에 예시적으로 도시한 광경로로부터 알 수 있는 바와 같이, 반사경(5)에 의해 반사되어 직진화된 광 중에 피드백되는 광은, 반사경(5)의 소정 영역, 발광소자 칩(3) 및 반사경(5)의 다른 영역에서 순차로 반사되는 과정을 거쳐 편광 정렬유니트(8)쪽으로 다시 진행할 가능성이 높다. 또한, 렌즈 플레이트(7)의 렌즈(7a)에 의해 집속되어 직진화된 광 중에 피드백되는 광은 대부분 렌즈(7a)의 소정 영역을 통과하고, 발광소자 칩(3)에 의해 반사된 후 렌즈(7a)의 다른 영역을 통과하는 과정을 거쳐 편광 정렬 유니트(8)쪽으로 다시 진행할 가능성이 높다. 이와 같이, 피드백되는 광은 대부분 발광 소자 칩(3)에서 반사되어 편광 정렬 유니트(8)쪽으로 다시 진행하게 된다.
이때, 발광소자 칩(3)이 포물형 반사경(5)의 초점 또는 그 부근에 위치한다 해도, 발광소자 칩(3)이 점광원이 아니라 면광원이므로, 피드백되는 광 중 일부는 발광소자 칩(3)으로 입사되지 않고, 베이스(2)로 입사될 수도 있다. 상기 베이스(2)의 반사경(5)의 출구를 향하는 면이 반사처리되면, 피드백된 광이 편광 정렬 유니트(8)쪽으로 다시 진행되는 비율이 보다 높아질 수 있다.
상기와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 모듈(1)에서는 리사이클링(recycling)에 의해 발광소자 칩(3)에서 출사된 무편광의 발산광에 대해 원하는 편광의 콜리메이팅된 광을 50% 이상(이상적으로는 100%) 얻을 수 있어, 높은 휘도를 구현할 수 있다. 따라서, 이러한 광원 모듈(1)을 편광을 이용한 화상형성소자 예컨대, 투과형 액정표시소자 또는 반사형 액정표시소자(LCOS)를 사용하는 화상투사장치의 조명 광원으로 사용시 충분히 밝은 화면을 만들 수 있다.
이상에서는 본 발명에 따른 광원 모듈이 포물형 반사경을 구비하는 경우를 예를 들어 설명 및 도시하였는데, 이 대신에 본 발명에 따른 광원 모듈은 타원형 반사경을 구비할 수도 있다. 이 경우에는, 발광소자 칩은 타원형 반사경의 일 초점 또는 그 부근에 위치할 수 있으며, 렌즈 플레이트의 렌즈는 입사되는 발산광을 수렴시키도록 마련되고, 이 타원형 반사경의 출구 앞에 수렴광 또는 수렴 된 후 발산되는 광을 콜리메이팅하기 위한 렌즈 시스템(미도시)를 더 구비하면 된다. 이러한 변형에 따른 광원 모듈의 구조는 상기한 바로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 그 도시 및 보다 자세한 설명을 생략한다.
도 2는 조명 광원으로 도 1의 광원 모듈(1)을 적용한 화상투사장치의 일 실시예를 보여준다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 화상투사장치는, 제1 내지 제3광원 모듈(1R)(1G)(1B)과, 상기 제1 내지 제3광원 모듈(1R)(1G)(1B) 쪽에서 조명되는 광으로부터 입력된 영상신호에 대응하는 화상을 형성하는 화상형성소자와, 상기 화상형성소자에서 형성된 화상을 스크린에 확대 투사시키는 투사렌즈유닛을 포함한다.
상기 제1 내지 제3광원 모듈(1R)(1G)(1B)은 서로 다른 색광을 조사하도록 마련된다. 예를 들어, 제1광원 모듈(1R)은 적색광을 출사하는 발광소자 칩(3R)을 구 비하고, 제2광원 모듈(1G)은 녹색광을 출사하는 발광소자 칩(3G)을 구비하고, 제3광원 모듈(1B)은 청색광을 출사하는 발광소자 칩(3B)을 구비할 수 있다. 상기 제1 내지 제3광원 모듈(1R)(1G)(1B)로는 도 1을 참조로 앞서 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 모듈(1)을 사용할 수 있다.
서로 다른 색광을 조명하는 제1 내지 제3광원 모듈(1R)(1G)(1B)을 구비하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따른 화상투사장치는 제1 내지 제3광원 모듈(1R)(1G)(1B)에서 출사되는 색광들을 합성하여 하나의 광경로로 통합하는 색합성 프리즘(20) 예컨대, 엑스큐브 프리즘(X-cube prism)을 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 제1 내지 제3광원 모듈(1R)(1G)(1B)로부터 출사된 적색, 녹색 및 청색광은 색합성 프리즘(20)으로 입사된다. 색합성 프리즘(20)은, 제1 내지 제3광원 모듈 (1R)(1G)(1B)에서 입사되는 색광이 동일 경로로 진행하도록 입사광을 합성한다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 화상투사장치는 백색광을 출사하는 발광소자 칩을 가지는 단일 광원 모듈을 구비할 수도 있다. 이 경우, 색합성 프리즘(20)은 불필요하다. 이와 같이 본 발명의 일 실시예에 따른 화상투사장치에서는 적어도 하나 이상의 광원 모듈을 사용할 수 있으며, 광원 모듈의 수는 필요에 따라 다양하게 변경될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 화상투사장치는, 상기 제1 내지 제3광원 모듈(1R)(1G)(1B)에서 출사되고 색합성 프리즘(20)에 의해 동일 광로로 통합되어 진행하는 광이 균일광이 되도록 하는 광 인터그레이터(integrator:50)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 도 2에서는 상기 광 인터그레이터(50)로 한쌍의 플라이 아이 렌즈를 구비한 예를 보여준다. 상기 플라이-아이 렌즈는 볼록렌즈 또는 실린드리컬 렌즈 형상의 복수의 렌즈셀 어레이를 가진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 화상투사장치는 광 인터그레이터(50)와 화상형성소자 사이의 광로 상에 광 인터그레이터(50)로부터 출사되는 광을 화상형성소자(80)의 유효 면적에 맞추어 확대 또는 축소하는 릴레이 렌즈(60)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 화상형성소자(80)는 입사된 균일한 조명광을 화소단위로 제어하여 화상을 형성한다. 상기 화상형성소자(80)로는 투과형 액정표시소자를 구비할 수 있다. 투과형 액정표시소자는 화상신호에 따라 화소단위로 입사되는 균일한 조명광의 편광을 변화시켜 투과광을 온,오프 시킴으로써 화상을 형성한다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 화상투사장치로 도 2와 비교할 때, 반사형 화상형성소자(180)를 구비한 점에 차이가 있다. 여기서, 도 2에서와 실질적으로 동일 기능을 하는 부재는 동일 참조부호로 표기하고 그 반복적인 설명을 생략한다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 화상투사장치는, 화상형성소자(180)로 반사형 액정표시소자 예컨대, LCOS를 구비한다. 반사형 액정표시소자는 입사되는 균일한 조명광을 화소단위로 선택적으로 반사시켜 화상을 형성한다. 이 반사형 액정표시소자)는 화상신호에 따라 화소단위로 입사광의 편광을 변화시켜 반사광을 온,오프 시킴으로써 화상을 형성한다.
화상형성소자(180)로 반사형 액정표시소자를 적용하는 경우, 입사광을 편광 방향에 따라 투과 또는 반사시키는 편광 선택성 광로변환기, 예컨대, 편광빔스프리터(170)를 구비하는 것이 바람직하다. 편광빔스프리터(170)는 제1 내지 제3광원 모듈(1R)(1G)(1B) 쪽에서 입사된 일 편광의 광은 반사형 액정표시소자 방향으로 향하도록 하고, 반사형 액정표시소자에서 반사되어 입사되는 다른 편광의 광은 투사렌즈유닛(90)쪽으로 향하도록 입사광의 경로를 변환한다.
도 2 및 도 3를 참조로 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 모듈(1)은 편광을 이용한 화상형성소자 예컨대, 투과형 액정표시소자 또는 반사형 액정표시소자(LCOS)를 사용하는 화상투사장치의 조명 광원으로 사용할 수 있으며, 충분히 밝은 화면을 만들 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원 모듈(110)의 구조를 개략적으로 보인 것으로, 도 1을 참조로 설명한 본 발명의 일 실시예에 따른 광원 모듈(1)과 비교할 때, 편광 정렬 유니트(280)의 구성에 차이가 있으며, 나머지 구성은 실질적으로 일 실시예에서와 동일하다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원 모듈(110)에 있어서, 편광 정렬 유니트(280)는 복수의 소형 편광빔스프리터(281)와, 이 복수의 소형 편광빔스프리터(281) 각각에 인접되게 위치되어 상기 복수의 소형 편광빔스프리터와 함께 어레이 구조를 이루는 복수의 반사기(283)와, 상기 반사기(283)의 출사면에 각각 위치되는 복수의 1/2파장판(285)과, 상기 반사기(283)의 상기 발광소자 칩(3)을 향하는 면에 각각 위치되는 복수의 반사판(287)으로 이루어지며, 반사경(5)의 출구에 결합된다.
상기 복수의 소형 편광빔스프리터(281)는 입사광을 편광에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시킨다. 상기 복수의 반사기(283)는 소형 편광빔스프리터(281)에서 반사된 광을 반사시켜 이 소형 편광빔스프리터(281)를 투과한 광과 나란히 진행하도록 한다. 상기 1/2파장판(285)은 상기 반사기(283)에서 반사되어 출사되는 광의 편광을 바꾸어주어, 소형 편광빔스프리터(281)를 투과한 광의 편광과 동일 편광이 되도록 한다. 예를 들어, S편광(또는 P 편광)의 광은 소형 편광빔스프리터(281)를 투과하고, P 편광(또는 S 편광)의 광은 소형 편광빔스프리터(281)에서 반사된 다면, 1/2파장판(285)은 입사되는 P 편광(또는 S 편광)의 광을 S 편광의 광으로 바꾸어준다. 이에 의해 편광 정렬 유니트(280)를 통하여 출사되는 광은 단일 편광의 광이 된다.
상기 복수의 반사판(287)은, 반사기(283)로 바로 입사되는 광을 반사에 의해 차단시켜 피드백시키기 위한 것이다. 이 반사판(287)의 존재에 의해, 소형 편광빔스프리터(281)와 반사기(283)가 교대로 배치된 어레이 구조에 의해 발광소자 칩(3)에서 출사된 광을 편광에 기인한 광 손실 없이 모두 단일 편광의 광으로 변환하여 출력할 수 있게 된다.
소형 편광빔스프리터(281)와 반사기(283)의 교대로 배치된 어레이 구조로부터 얻어지는 복수의 반사판(287)의 배치 간격은, 반사판(287)에서 반사되어 피드백된 광이 발광소자 칩(3)에 의해 반사된 후 소형 편광빔스프리터(281)가 위치되는 영역으로 진행하는 비율이 최대화될 수 있도록 설계되는 것이 바람직하다. 이는 피드백 횟수가 증가할수록 반사되는 광량이 줄어들기 때문이다.
상기와 같은 구성을 갖는 광원 모듈(110)에서, 발광 소자 칩(3)에서 출사되고 반사경(5)에 의해 반사되거나 렌즈 플레이트(7)의 렌즈(7a)에 의해 굴절되어 직진광으로 바뀌어 소형 편광빔스프리터(281)가 위치된 영역으로 진행하는 광은 도 4a에 보여진 바와 같이, 바로 편광 정렬 유니트(280)에 의해 단일 편광의 광으로 정렬되어 광원 모듈(110)로부터 출사된다.
발광 소자 칩(3)에서 출사되고 반사경(5)에 의해 반사되어 직진광으로 바뀐 다음 반사판(287)이 위치되는 영역으로 진행하는 광은 도 4b에 보여진 바와 같이, 반사판(287)에 의해 반사되어 피드백된다. 이 피드백된 광은 반사경(5)의 소정 영역, 발광소자 칩(3)(또는 베이스(2)) 및 반사경(5)의 다른 영역에서 순차로 반사되어 소형 편광빔스프리터(281)이 위치하는 영역으로 진행한다. 이 광은 편광 정렬 유니트(280)에 의해 단일 편광의 광으로 정렬되어 광원 모듈(110)로부터 출사된다.
발광 소자 칩(3)에서 출사되고 바로 렌즈 플레이트(7)의 렌즈(7a)로 입사되어 굴절되어 직진화된 광 중 피드백되는 광의 진행 경로는 다음과 같다. 렌즈(7a)에 의해 굴절되어 직진광으로 바뀐 다음 반사판(287)이 위치되는 영역으로 진행하는 광은 반사판(287)에 의해 반사되어 피드백된다. 이 피드백된 광은 역으로 진행하여 발광소자 칩(3)(또는 베이스(2))로 입사되고, 그로부터 반사된 광의 대부분은 예컨대, 렌즈(7a)를 굴절 투과하여 소형 편광빔스프리터(281)이 위치하는 영역으로 진행한다. 이 광은 편광 정렬 유니트(280)에 의해 단일 편광의 광으로 정렬되어 광원 모듈(110)로부터 출사된다.
여기서, 피드백되는 광 중 일부는 다시 반사판(287)이 위치되는 영역으로 진 행하여 피드백 과정을 반복할 수도 있다. 이러한 피드백 과정을 반복하는 광량이 적을수록, 광원 모듈(110)에서 단일 편광의 광으로 출사되는 광량이 극대화될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 광원 모듈(110)의 경우에도, 포물형 반사경을 구비하는 대신에 타원형 반사경을 구비할 수도 있다. 이 경우에는, 발광소자 칩(3)은 타원형 반사경의 일 초점 또는 그 부근에 위치할 수 있으며, 렌즈 플레이트(7)의 렌즈(7a)는 입사되는 발산광을 수렴시키도록 마련되고, 이 타원형 반사경의 출구 앞에 수렴광 또는 수렴 된 후 발산되는 광을 콜리메이팅하기 위한 렌즈 시스템(미도시)를 더 구비하면 된다. 이러한 변형에 따른 광원 모듈의 구조는 상기한 바로부터 충분히 유추할 수 있으므로, 그 도시 및 보다 자세한 설명을 생략한다.
상기한 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원 모듈(110)의 경우에도 리사이클링(recycling)에 의해 발광소자 칩(3)에서 출사된 무편광의 발산광에 대해 원하는 편광의 콜리메이팅된 광을 50% 이상(이상적으로는 100%) 얻을 수 있어, 높은 휘도를 구현할 수 있다.
따라서, 상기한 바와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원 모듈(110)도, 도 2 및 도 3를 참조로 설명한 바와 같은 편광을 이용한 화상형성소자 예컨대, 투과형 액정표시소자 또는 반사형 액정표시소자(LCOS)를 사용하는 화상투사장치의 조명 광원으로 사용할 수 있으며, 충분히 밝은 화면을 만들 수 있다. 편광을 이용한 화상형성소자 예컨대, 투과형 액정표시소자 또는 반사형 액정표시소자(LCOS)를 사용하는 화상투사장치의 조명 광원으로 본 발명의 다른 실시예에 따른 광원 모듈 (110)을 사용하는 실시예에 대해서는 이상의 설명으로부터 충분히 유추할 수 있으며, 그 도시 및 보다 자세한 설명은 생략한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 광원 모듈에 의하면, 원하는 편광의 콜리메이팅된 광을 조명할 수 있으므로, 이를 편광을 이용한 화상형성소자를 구비하는 화상투사장치의 조명 광원으로 사용시, 화상형성소자의 편광 특성에 기인한 광손실이 발생하지 않도록 있어, 충분히 밝은 화면을 구현할 수 있다.

Claims (19)

  1. 베이스에 설치되어 조명광을 생성 출사시키며, 반사 특성을 가져 외부에서 입사되는 광을 반사시키도록 된 발광소자 칩과;
    상기 베이스와 결합되며, 상기 발광소자 칩 쪽에서 입사되는 광을 반사시켜 전방으로 진행시키는 반사경과;
    상기 반사경의 출구쪽에 설치되어, 일부 광을 반사에 의해 피드백시키며, 상기 발광소자 칩에서 출사된 광을 단일 편광의 광으로 변환시켜 출력하는 편광 정렬 유니트와;
    상기 편광 정렬 유니트와 발광 소자 칩 사이에 설치되어, 상기 발광 소자 칩에 대응하는 중심 부분에 상기 발광 소자 칩에서 출사되어 직접적으로 상기 편광 정렬 유니트쪽으로 진행하는 광 영역에 렌즈가 형성된 렌즈 플레이트;를 포함하며,
    상기 피드백되는 광은, 상기 발광소자 칩 및 베이스 중 적어도 어느 하나에 의해 반사된 후 상기 편광 정렬 유니트쪽으로 다시 진행하도록 된 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 렌즈는 그 초점이 상기 발광 소자 칩의 표면에 위치하는 볼록렌즈이고,
    상기 렌즈 플레이트는 투명소재로 이루어진 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
  4. 제3항에 있어서, 상기 반사경은 포물형 반사경이고, 상기 발광소자 칩은 상기 반사경의 초점에 위치하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
  5. 제4항에 있어서, 상기 발광소자 칩은,
    보통의 표면적을 가지는 단일 발광소자 칩, 보통의 표면적을 가지는 복수의 발광소자 칩의 어레이 및 보통의 표면적을 가지는 발광소자 칩보다 상대적으로 넓은 표면적을 가지는 단일 발광소자 칩 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
  6. 제1항에 있어서, 상기 반사경은 포물형 반사경이고, 상기 발광소자 칩은 상기 반사경의 초점에 위치하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
  7. 제1항에 있어서, 상기 발광소자 칩은,
    단일 제1발광소자 칩, 복수의 제1발광소자 칩의 어레이 및 제1발광소자 칩보다 상대적으로 넓은 표면적을 가지는 단일 제2발광소자 칩 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
  8. 제1항에 있어서, 상기 베이스의 상기 반사경의 출구를 향하는 면은 반사면인 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
  9. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 정렬 유니트는,
    상기 반사경의 출구쪽에 위치되며, 입사되는 광 중 소정의 제1선편광성분은 진행시키고 이에 직교하는 제2선편광성분은 피드백시키는 편광 플레이트와;
    상기 발광소자 칩과 편광 플레이트 사이에 위치되어 편광을 변화시키는 1/4 파장판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
  10. 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 편광 정렬 유니트는,
    입사광을 편광에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시키는 복수의 편광빔스프리터와, 상기 복수의 편광빔스프리터 각각에 인접되게 위치되어 상기 복수의 편광빔스프리터와 함께 어레이 구조를 이루며, 상기 편광빔스프리터에서 반사된 광을 반사시켜 상기 편광빔스프리터를 투과한 광과 나란히 진행하도록 하는 복수의 반사기와;
    상기 반사기의 출사면에 각각 위치되어 상기 반사기에서 반사되어 출사되는 광의 편광을 바꾸어주는 복수의 1/2 파장판과;
    상기 반사기의 상기 발광소자 칩을 향하는 면에 각각 위치되어, 입사되는 광을 피드백시키는 복수의 반사판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 광원 모듈.
  11. 청구항 제1항 또는 제3항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 광원 모듈과;
    상기 광원 모듈쪽에서 조사되는 광으로부터 입력된 영상신호에 대응하는 화상을 형성하는 편광을 이용한 화상형성소자와;
    상기 화상형성소자에서 형성된 화상을 스크린에 확대 투사시키는 투사렌즈유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 편광 정렬 유니트는,
    상기 반사경의 출구쪽에 위치되며, 입사되는 광 중 소정의 제1선편광성분은 진행시키고 이에 직교하는 제2선편광성분은 피드백시키는 편광 플레이트와;
    상기 발광소자 칩과 편광 플레이트 사이에 위치되어 편광을 변화시키는 1/4 파장판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 광원 모듈은 복수개 구비되며,
    이 복수의 광원 모듈은 서로 다른 색광을 조사하며,
    상기 복수의 광원 모듈에서 출사되는 색광들을 합성하여 하나의 광경로로 통합하는 색합성 프리즘과;
    상기 복수의 광원 모듈에서 출사된 광이 균일광이 되도록 하는 광 인터그레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 광원 모듈의 편광 정렬 유니트는,
    입사광을 편광에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시키는 복수의 편광빔스프리터와, 상기 복수의 편광빔스프리터 각각에 인접되게 위치되어 상기 복수의 편광빔스프리터와 함께 어레이 구조를 이루며, 상기 편광빔스프리터에서 반사된 광을 반사시켜 상기 편광빔스프리터를 투과한 광과 나란히 진행하도록 하는 복수의 반사기와;
    상기 반사기의 출사면에 각각 위치되어 상기 반사기에서 반사되어 출사되는 광의 편광을 바꾸어주는 복수의 1/2 파장판과;
    상기 반사기의 상기 발광소자 칩을 향하는 면에 각각 위치되어, 입사되는 광을 피드백시키는 복수의 반사판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
  15. 제14항에 있어서, 상기 광원 모듈은 복수개 구비되며,
    이 복수의 광원 모듈은 서로 다른 색광을 조사하며,
    상기 복수의 광원 모듈에서 출사되는 색광들을 합성하여 하나의 광경로로 통합하는 색합성 프리즘과;
    상기 복수의 광원 모듈에서 출사된 광이 균일광이 되도록 하는 광 인터그레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
  16. 제11항에 있어서, 상기 화상형성소자는 상기 광원 모듈에서 조명된 광을 이용하여 화상을 형성하는 반사형 액정표시소자이고,
    상기 광원 모듈에서 조명된 광은 상기 화상형성소자 방향으로 향하고, 상기 화상형성소자에 의해 형성된 화상 정보를 나타내는 광은 스크린 방향으로 향하도록, 상기 광원 모듈과 상기 화상형성소자 사이에, 입사광을 편광 방향에 따라 투과 또는 반사시키는 편광 선택성 광로 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
  17. 제11항에 있어서, 상기 화상형성소자는 투과형 액정표시소자인 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
  18. 제11항에 있어서, 상기 광원 모듈은 복수개 구비되며,
    이 복수의 광원 모듈은 서로 다른 색광을 조사하며,
    상기 복수의 광원 모듈에서 출사되는 색광들을 합성하여 하나의 광경로로 통합하는 색합성 프리즘과;
    상기 복수의 광원 모듈에서 출사된 광이 균일광이 되도록 하는 광 인터그레이터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 광 인터그레이터는 한쌍의 플라이-아이 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 화상투사장치.
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