KR101455997B1 - 프로젝션 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로젝션 시스템에 관한 것으로 특히, 프로젝터 또는 프로젝션 시스템의 밝기 및 대비를 향상시킬 수 있는 프로젝션 시스템에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 광원과; 상기 광원에서 출사된 적색, 녹색, 및 청색광이 입사되는 패널과; 상기 광원에서 패널 사이에서 광의 경로를 조절하며, 상기 적색 및 녹색광이 지나는 적색 및 녹색 채널에 위치하는 제1광학부와, 상기 청색광이 통과하는 청색 채널에 위치하며 상기 제1광학부와 다른 특성을 가지는 제2광학부를 포함하는 경로조절부와; 상기 패널에서 반사된 광을 합성하는 합성부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

프로젝터, 광학부, 광원, PBS, 대비.

Description

프로젝션 시스템{Projection system}

본 발명은 프로젝션 시스템에 관한 것으로 특히, 프로젝터 또는 프로젝션 시스템의 밝기 및 대비를 향상시킬 수 있는 프로젝션 시스템에 관한 것이다.

최근 프로젝터(Projector) 또는 프로젝션 시스템(Projection System)에 사용하고 있는 조명 광학계는 일반적으로 적색(Red), 녹색(Green), 청색(Blue) 광원의 광학계에 대하여 동일한 렌즈를 사용하고 동일한 F 수(F number; 렌즈의 초점거리 f와 유효구경(조리개 구경) D의 비 f/D)를 갖는 조명 광학계를 사용하고 있다. 이러한 이유로 각 색상에 대한 조명 광학계의 F 수는 동일한 특성을 가지는 것이 일반적이다.

그러나 이러한 조명 광학계에서 사용하는 부품의 특성에 따라 적색, 녹색, 및 청색 광의 광량을 다르게 하여야 하거나, 각 색상에 대한 대비(Contrast) 특성을 조절해야 하는 경우가 있는데, 종래의 조명 광학계에서는 이러한 요구를 충족시키지 못하는 상태이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 반사형 또는 투과형 광학계에서 적색, 녹색, 및 청색광 조명 광학계의 F 수를 필요에 따라 개별적으로 변경함으로써 광량 및 대비를 필요에 따라 변경할 수 있는 프로젝션 시스템을 제공하고자 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 광원과; 상기 광원에서 출사된 적색, 녹색, 및 청색광이 입사되는 패널과; 상기 광원에서 패널 사이에서 광의 경로를 조절하며, 상기 적색 및 녹색광이 지나는 적색 및 녹색 채널에 위치하는 제1광학부와, 상기 청색광이 통과하는 청색 채널에 위치하며 상기 제1광학부와 다른 특성을 가지는 제2광학부를 포함하는 경로조절부와; 상기 패널에서 반사된 광을 합성하는 합성부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 광원과; 상기 광원의 광을 균일하게 하며, 적색, 녹색, 및 청색광 중 적어도 일부에 대하여 서로 다른 F 수를 갖는 균일광 조명 유닛과; 상기 광원의 광을 적색, 녹색, 및 청색 광학계로 분리하는 색분리부와; 상기 색분리부를 통과한 광이 입력되는 패널과; 상기 색분리부와 패널 사이에 위치하여 광 경로를 조절하는 경로조절부와; 상기 패널에서 반사된 광을 합성하여 영상을 형성하는 합성부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다음과 같은 효과가 있는 것이다.

이상에서와 같이 본 발명은 색상별로 조명계 F 수를 변경하여 광학계의 화이트 컬러 좌표를 조절하면서 동시에 대비 특성을 향상시킬 수 있다.

또한 밝기 특성 및 대비 특성이 우수하지만 신뢰성에 문제가 있을 수 있는 필름형 PBS의 단점을 보완하기 위하여 적색 및 녹색 채널에는 필름형 PBS를 사용하고 청색 채널에는 유전체 코팅을 한 코팅형 PBS를 사용하여 광학계의 대비 특성을 향상시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

층, 영역 또는 기판과 같은 요소가 다른 구성요소 "상(on)"에 존재하는 것으로 언급될 때, 이것은 직접적으로 다른 요소 상에 존재하거나 또는 그 사이에 중간 요소가 존재할 수도 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 표면과 같은 구성 요소의 일부가 '내부(inner)'라고 표현된다면 이것은 그 요소의 다른 부분들 보다도 소자의 외측으로부터 더 멀리 있다는 것을 의미한다고 이해할 수 있을 것이다.

비록 제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또 는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

프로젝터(Projector) 및 프로젝션 시스템(Projection system)의 예를 살펴보면, 크게 반사형과 투과형 조명계를 이용하며, 반사형 조명계에는 도 1과 같은 PBS(Polarizing Beam Splitter)를 이용하는 3판식 반사형 LCD 조명계와, 도 2와 같은 Color Quad 시스템을 이용하는 3판식 반사형 LCD 조명계, 및 도 3과 같은 평판 PBS를 이용하는 반사형 조명계가 있다.

이러한 반사형 조명계는, 광원(10)에서 출사되는 광이 FEL(Fly eye lens) 및 PBS 어레이로 이루어지는 균일광 조명 유닛(11)과 집광 렌즈(12)를 거친 후 각 광학계(30)를 거쳐서 LCD 패널(20)로 입사된 후 온/오프 동작을 하는 LCD 패널(20)을 거쳐 다시 결합되어 합성된다.

이때, 도 1과 같은 PBS 시스템의 광학계(30)는 다이크로익 미러(31)를 이용하여 각 색상의 광을 분리하고, PBS(32) 및 X-프리즘(33)을 이용하여 화상을 형성하고, 도 2와 같은 Color Quad 시스템의 광학계(30)는 네 개의 PBS(32)를 이용하여 각 색상의 광을 분리 및 합성한다.

또한, 도 3과 같은 평판 PBS를 이용하는 시스템은 다이크로익 미러(31)를 통하여 각 색상의 광을 분리하고, Wire Grid PBS(34) 및 X-프리즘(33)을 이용하여 화상을 합성한다.

한편, 투과형 광학계의 예로는 도 4와 같은 투과형 3판식 광학계가 있으며, 다이크로익 미러(31)를 통하여 분리된 각 색상의 광은 LCD 패널(20)을 투과하여 X-프리즘(33)을 통하여 합성된다.

이와 같은 각 광학계의 예와 사용되는 부품의 특성들을 정리하면 표 1과 같다.

상술한 조명 광학계에서 사용하는 광학부품 중 대비(Contrast) 및 색상(Color)에 관련된 대표적인 부품이 PBS(Polarizing Beam Splitter)이다. 이 PBS는 세 가지 종류로 구분이 가능하며, 유리(Glass)에 유전체로 코팅한 것과, 유리 사이에 편광분리가 가능한 필름(Film)을 사용한 것 그리고 유리 기판에 알루미늄 와이어(Al Wire)를 이용하여 편광을 분리한 것으로 나눌 수 있다.

여기서 각 PBS의 특징을 살펴보면 유리에 유전체 코팅한 것은 가격이 저렴하고 신뢰성에 문제를 발생시키지는 않지만, 입사하는 빛의 각도에 따라 반사/투과 특성이 달라져 전체 시스템에 대비(Contrast)가 저하되는 문제를 가지며, 두 번째 유리에 편광분리가 가능한 필름을 사용한 경우 입사되는 빛의 각도에 따른 광학성능이 크게 달라지지는 않지만, 필름의 광 흡수율에 의하여 신뢰성에 문제를 야기시키며, 세 번째 유리 기판 위에 알루미늄 와이어를 구성한 PBS의 경우 신뢰성에 문제나 입사광의 각도에 의한 문제는 발생하지 않으나 입사광의 투과율이 다른 PBS보다 떨어져 시스템의 밝기가 저하되고 가격이 비싸다는 단점을 가지고 있다.

위에서 언급한 세 가지 PBS의 투과특성의 측정은 도 5와 같이, 입사광의 각도(θ)에 따라 투과의 정도를 측정함으로써 가능하며, 이러한 방법으로 측정한 결과는 도 6a 내지 도 9b와 같다.

도 6a 및 도 6b는 각각 유리에 유전체 코팅한 청색광용 PBS의 Tp 투과특성 및 Ts 투과특성을 나타내고 있고(Tp는 p 편광의 투과율, Ts는 s 편광의 투과율), 도 7a 및 도 7b는 각각 유리에 유전체 코팅한 녹색/적색광용 PBS의 Tp 투과특성 및 Ts 투과특성을 나타내고 있다.

또한, 도 8a 및 도 8b는 각각 필름형 PBS의 Tp 투과특성과 대비 특성을 나타내고 있고, 도 9a 및 도 9b는 각각 유리 기판에 Al 와이어를 구성한 PBS의 Tp 투과특성 및 Ts 투과특성을 나타내고 있다.

위의 세 가지 PBS의 투과특성을 살펴본 결과 유리에 유전체 코팅을 한 PBS(도 6a 내지 도 7b)의 경우 입사광의 각도에 따라 투과특성이 많이 변함을 알 수 있다.

따라서, 이러한 PBS의 투과특성을 고려하면 비용이 저렴하고, 밝기가 밝으며, 대비가 높은 광학계 시스템을 설계할 수 있다.

이와 같이 대비가 높고 밝기가 밝은 시스템을 제안하기 위하여 녹색/적색 채널에 위치하는 PBS는 필름형 PBS를 사용하고, 신뢰성에 문제가 발생할 수 있는 청색 채널에 이용되는 PBS는 유리에 유전체 코팅을 한 코팅형 PBS를 사용할 수 있다.

이 경우 유리에 유전체 코팅을 한 코팅형 PBS의 대비 저하가 광학계 시스템에서 문제를 발생시킬 수 있는데, 이 문제는 하기에 표현되어 있는 것과 같이 청색 채널의 F 수(F number)만을 조정하여 실제로 청색 채널의 PBS에 입사하는 빛의 각도를 완화하여 대비를 향상시킬 수 있다.

이와 같은 광학계는 도 10에서 도시하는 바와 같이, 광원(100)에서 나오는 광이 경로조절부(500)를 통하여 패널(600)로 입사된다. 이와 같이 패널(600)로 입사된 광은 패널(600)의 동작에 따라 온/오프 경로를 달리하여 합성부(700)로 입사되어 최종 색상을 합성하게 된다.

이때, 광원(100)은 램프를 이용할 수 있고, 이때, 이 광원(100)의 빛은 균일광조명 유닛(200)을 통하여 균일하게 혼합될 수 있고, 이 광은 색분리부(400)를 통하여 적색(Red), 녹색(Green), 및 청색(Blue) 광의 색상으로 분리될 수 있다.

이와 같은 각 색상의 분리는 다이크로익 미러(410, 420)를 이용할 수 있다. 즉, 적색광을 투과하는 제1다이크로익 미러(410)와 청색광을 투과하는 제2다이크로익 미러(420)가 이용될 수 있다.

한편, 반도체 발광 소자와 같은 별도의 적색, 녹색, 및 청색 광원을 이용한다면 이러한 색분리부(400)는 필요하지 않게 된다.

경로조절부(500)는 상술한 바와 같이, 광원(100)에서 패널(600) 사이에서 광의 경로를 조절하며, 이때, 적색 및 녹색광이 지나는 적색 및 녹색 채널에 위치하는 제1광학부를 이루는 PBS(510, 520)는 청색광이 통과하는 청색 채널에 위치하는 제2광학부를 이루는 PBS(530)와 광학적 및 기구적 특성이 서로 다를 수 있다.

한편, 패널(600)에서 반사된 광을 합성하는 합성부(700)는 X-프리즘이 이용될 수 있다.

이러한 광학계에서 광학계의 밝기를 향상하기 위하여 조명광의 F 수를 작게 설계할 수 있고, 이와 같이 작은 조명 F 수를 갖는 광학계에서 대비를 유지시키기 위하여 적색 및 녹색광이 지나는 적색 및 녹색 채널에 위치하는 PBS(510, 520)는 상술한 필름형 PBS를 사용할 수 있다.

여기서 청색 채널에 위치하는 PBS(530)는 필름형 PBS가 신뢰성 문제를 일으킬 수 있으므로 유전체 코팅을 한 코팅형 PBS를 사용할 수 있다. 그런데 이 유전체 코팅을 한 PBS는 입사광의 각도가 커지면(즉, 조명광의 F 수가 작아지면) 투과율과 대비 특성이 저하될 수 있으므로 청색 채널의 F 수를 다른 색상의 조명 F 수와 다른 값을 갖도록 할 수 있다.

그런데 도 10과 같은 광학계에서 조명광의 F 수를 결정하는 부분은 균일광 조명 유닛(200)이며, 이러한 통상의 균일광 조명 유닛(200)은 도 11에서와 같이, 제1플라이 아이 렌즈(Fly eye lens; FEL; 210)와, 이 제1플라이 아이 렌즈(210)와 마주보는 제2플라이 아이 렌즈(220) 및 PBS(230)가 어레이를 이루고, 이와 같이 구성되는 균일광 조명 유닛(200)을 통과한 광은 집광 렌즈(300)를 통하여 패널(600)에 입사되게 된다.

이때, 조명광의 F 수를 결정하는 부분은 제1플라이 아이 렌즈(210)에서 이루어지게 된다. 즉, 이 제1플라이 아이 렌즈(210)의 유효면의 크기에 따라 조명광의 F 수가 결정된다.

따라서, 본 발명의 실시예에서는 이러한 제1플라이 아이 렌즈(210)의 주변부에 청색광의 광만을 반사하는 청색 반사 코팅(240)을 수행하여 적색/녹색광보다 작은 조명광으로 청색광을 패널(600)에 조사함으로써 청색 채널의 대비를 향상시킬 수 있다.

이러한 청색 반사 코팅(240)은 다이크로익 코팅(Dichroic Coating)을 통하여 이루어질 수 있다.

청색 채널의 조명광 F 수를 조절하는 방법으로는 상술한 제1플라이 아이 렌즈(210)에 청색 반사 코팅(240)을 하는 방법 외에 제1플라이 아이 렌즈(210) 근처의 외각 부분에 청색 반사 코팅을 한 다른 필터(도시되지 않음)가 이용될 수도 있다.

본 발명의 또 다른 응용의 예를 살펴보면 상술한 바와 같이 광학계의 대비를 향상시키면서 광학계에서 요구되어지는 화이트 컬러(White Color) 좌표를 구현할 수 있다는 것이다.

일반적으로 화이트 컬러 좌표를 조절하는 방법은 광원에서 나온 광을 색상에 따라 분리하는 과정에서 Dichroic Mirror 혹은 Color Filter를 이용하여 투과율을 조정하는 방법과 위의 Filter들의 투과파장 범위를 변경하는 방법을 사용하고 있다. 이러한 경우 Panel앞에 있는 PBS에 입사하는 광량은 Color별로 달라지지만 입사각은 달라지지 않는다. 그래서 White Color 좌표를 조정하기 위하여 각종 Filter를 이용하여 투과율을 저하시키는 과정에서 전체 White의 밝기는 떨어지지만, 그에 비해 Black의 광량은 저하되지 않아 System의 Contrast가 저하되는 영향을 받게 된다.

하지만 본 발명에서 제안한 것과 같이 제1플라이 아이 렌즈(210) 측에 청색, 또는 녹색, 적색의 광을 전체 면적이 아닌 외각 부분에서 반사할 수 있는 구조를 사용한다면 화이트 컬러 좌표를 조절하기 위하여 광량을 줄이고자 하는 색상의 조명 F 수를 크게 하여 개별 색상의 광량을 저하시킬 수 있는 것뿐만 아니라 패널(600) 앞에 PBS에 입사되는 광의 각도 또한 줄어들어 대비가 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

도 14 및 도 15의 그래프는 조명광의 F 수에 따른 조명 광량의 차이를 나타내고 있다.

상기 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

도 1은 PBS를 이용하는 3판식 반사형 LCD 조명계를 나타내는 개략도이다.

도 2는 Color Quad 시스템을 이용하는 3판식 반사형 LCD 조명계를 나타내는 개략도이다.

도 3은 평판 PBS를 이용하는 반사형 조명계를 나타내는 개략도이다.

도 4는 투과형 3판식 광학계를 나타내는 개략도이다.

도 5는 PBS의 투과특성 측정방법을 나타내는 개략도이다.

도 6a 및 도 6b는 각각 유리에 유전체 코팅한 청색광용 PBS의 Tp 투과특성 및 Ts 투과특성을 나타내는 그래프이다.

도 7a 및 도 7b는 각각 유리에 유전체 코팅한 녹색/적색광용 PBS의 Tp 투과특성 및 Ts 투과특성을 나타내는 그래프이다.

도 8a 및 도 8b는 각각 필름형 PBS의 Tp 투과특성과 대비 특성을 나타내는 그래프이다.

도 9a 및 도 9b는 각각 유리 기판에 Al 와이어를 구성한 PBS의 Tp 투과특성 및 Ts 투과특성을 나타내는 그래프이다.

도 10은 본 발명의 실시예를 나타내는 개략도이다.

도 11은 통상의 균일광 조명 유닛에 의한 조명광 각도를 나타내는 개략도이다.

도 12는 청색광의 조명광 각도를 나타내는 개략도이다.

도 13은 제1플라이 아이 렌즈를 나타내는 평면도이다.

도 14 및 도 15는 조명광의 F 수에 따른 조명 광량의 차이를 나타내는 그래프이다.

Claims (14)

1. 광원과;

   상기 광원에서 출사된 적색, 녹색, 및 청색광이 입사되는 패널과;

   상기 광원에서 패널 사이에서 광의 경로를 조절하며, 상기 적색 및 녹색광이 지나는 적색 및 녹색 채널에 위치하는 제1광학부와, 상기 청색광이 통과하는 청색 채널에 위치하며 상기 제1광학부와 다른 특성을 가지는 제2광학부를 포함하는 경로조절부와;

   상기 광원과 경로조절부 사이에 구비되어, 상기 적색, 녹색, 및 청색광 중 적어도 일부에 대하여 서로 다른 F 수를 갖는 균일광 조명 유닛; 및

   상기 패널에서 반사된 광을 합성하는 합성부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
2. 제 1항에 있어서, 상기 경로조절부는, PBS(Polarizing Beam Splitter) 인 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
3. 제 1항에 있어서, 상기 합성부는, 프리즘인 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
4. 제 1항에 있어서, 상기 경로조절부는,

   상기 적색 및 녹색 채널에 구비되는 필름형 PBS와;

   상기 청색 채널에 구비되며, 유전체로 코팅된 유리로 이루어지는 코팅형 PBS 를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
5. 제 1항에 있어서, 상기 광원과 경로조절부 사이에는, 상기 광원의 광을 적색, 녹색, 및 청색 채널로 분리하는 색분리부가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
6. 제 5항에 있어서, 상기 색분리부는, 적어도 하나 이상의 다이크로익 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제 1항에 있어서, 상기 균일광 조명 유닛은,

   상기 광원 측에 위치하는 제1플라이 아이 렌즈와;

   상기 제1플라이 아이 렌즈와 마주보는 제2플라이 아이 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
10. 제 9항에 있어서, 상기 제1플라이 아이 렌즈는, 청색 반사 코팅을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
11. 제 10항에 있어서, 상기 청색 반사 코팅은, 상기 제1플라이 아이 렌즈의 테두리측에 형성된 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
12. 광원과;

    상기 광원의 광을 균일하게 하며, 적색, 녹색, 및 청색광 중 적어도 일부에 대하여 서로 다른 F 수를 갖는 균일광 조명 유닛과;

    상기 광원의 광을 적색, 녹색, 및 청색 광학계로 분리하는 색분리부와;

    상기 색분리부를 통과한 광이 입력되는 패널과;

    상기 색분리부와 패널 사이에 위치하여 광 경로를 조절하는 경로조절부와;

    상기 패널에서 반사된 광을 합성하여 영상을 형성하는 합성부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
13. 제 12항에 있어서, 상기 균일광 조명 유닛은,

    상기 광원 측에 위치하며, 청색 반사 코팅을 가지는 제1플라이 아이 렌즈와;

    상기 제1플라이 아이 렌즈와 마주보는 제2플라이 아이 렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
14. 제 12항에 있어서, 상기 경로조절부는,

    상기 적색 및 녹색광이 지나는 적색 및 녹색 채널에 위치하는 제1PBS와;

    상기 청색광이 통과하는 청색 채널에 위치하며 상기 제1PBS와 다른 특성을 가지는 제2PBS를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.

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