KR102481627B1 - 입체영상장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로젝터로부터 나온 P-편광 및 S-편광이 혼재된 광을 각각의 편광방향 성분으로 분리한 후 다시 합하는 방법을 사용하여 입체영상의 밝기를 향상시키는 입체영상장치에 관한 것으로, 본 발명의 일실시예는 편광 성분에 따라 입사광을 분할하여 상기 편광성분의 혼재가 가능하도록 분할된 광들을 설정된 방향으로 반사 또는 투과시키는 부분 편광 광분할기, 및 상기 부분 편광 광분할기에서 반사된 광의 진행경로를 스크린 방향으로 전환시키는 광학부재를 포함하는 입체영상장치를 제공한다.

Description

입체영상장치{Tree Dimensional stereoscopic image device}

본 발명은 입체영상장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 프로젝터로부터 나온 P-편광 및 S-편광이 혼재된 광을 각각의 편광방향 성분으로 분리한 후 다시 합하는 방법에 있어서 상기 분리된 후의 편광광들은 P-편광 및 S-편광이 부분적으로 혼재되어 사용하여 입체영상의 밝기를 향상시키는 입체영상장치에 관한 것이다.

일반적으로 입체영상장치는 3차원 공간에 있는 것처럼 보이는 영상을 제공하는 장치를 말한다. 즉, 2차원 영상에 깊이 정보를 부가하고, 이 깊이정보를 이용하여 관찰자가 3차원의 생동감 및 현실감을 느낄 수 있게 하는 기술이다.

이러한 입체영상장치는 좌우의 눈에 각기 좌우 방향에서 본 것과 동일한 영상을 제시하여 두 눈에 시차를 주고 이것을 합성하여 하나의 입체 영상으로 보이게 한다.

대한민국 등록특허 제10-1396860호

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 일부의 편광이 서로 섞이는 부분 편광 광분할기(Partial Polarization Beam Splitter; PPBS)를 사용하여 입체영상의 화질을 유지할 수 있는 입체영상장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 편광 광분할기(Polarization Beam Splitter; PBS) 와이들로부터 발생되는 편광광의 편광 정밀도를 향상시키기 위한 선형 편광부재(linear polarizer)를 사용하지 않고도 입체영상의 화질을 유지할 수 있는 입체영상장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 두 편광의 방향을 서로 일치시키는 반파장 리타더(Half wave retarder)를 추가적으로 사용하지 않고도 입체영상의 화질을 유지할 수 있는 입체영상장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 선형 편광부재 및 반파장 리타더 등의 사용에 따른 광효율 저하를 개선하여 입체영상의 밝기를 향상시킬 수 있는 입체영상장치를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 편광 성분에 따라 입사광을 분할하여 상기 편광성분의 혼재가 가능하도록 분할된 광들을 설정된 방향으로 반사 또는 투과시키는 부분 편광 광분할기, 및 상기 부분 편광 광분할기에서 반사된 광의 진행경로를 스크린 방향으로 전환시키는 광학부재를 포함하는 입체영상장치를 제공한다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 입체영상장치는, 상기 부분 편광 광분할기와 상기 광학부재 사이에 배치되어 상기 부분 편광 광분할기에서 반사된 광을 변조시키는 제1 편광 변조기, 및 상기 부분 편광 광분할기를 투과하여 상기 스크린 방향으로 진행하는 광을 변조시키는 제2 편광 변조기를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 제1 편광 변조기 및 상기 제2 편광 변조기는 각각 입사되는 광이 좌측 영상 또는 우측 영상인지 여부에 따라 원편광 방향을 변경할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 부분 편광 광분할기는 다층 코팅된 편광 분할막을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 광학부재는 상기 부분 편광 광분할기에서 반사된 광을 전반사시키는 전반사 수단을 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 광학부재는 기준선에 대한 상기 부분 편광 광분할기의 배치 각도, 상기 편광 분할막의 배치 각도, 상기 기준선에 대한 상기 광학부재의 배치 각도 중 적어도 하나의 설정에 따라 상기 전반사 수단의 반사면으로의 입사각에 따른 위상차를 최소화하는 전반사 조건을 가질 수 있다.

본 발명의 실시예에 있어서, 상기 광학부재는 상기 입사각이 상기 스크린 방향으로 전반사되기 위한 임계각 이상으로 설정되도록 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 선형 편광부재와 반사광의 광로 상에 있는 반파장 리타더를 사용하지 않는 대신 다층 코팅 방식의 부분 편광 광분할기를 사용하여 입체영상의 밝기를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 반사 광로에 있는 편광 변조기를 전반사 조건의 광학부재와 부분 편광 광분할기 사이에 사용하여 편광 변조기의 크기와 장치의 전반적인 크기를 소형화가 가능하여 장치의 단가 및 사용 편의성을 극대화시킬 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 본 발명에 대한 제1 비교 실시예에 따른 입체영상장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 2는 도 1의 입체영상장치에서 반사부재의 재질별 입사각에 따른 반사 후의 P-파와 S-파의 위상차를 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명에 대한 제2 비교 실시예에 따른 입체영상장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체영상장치의 구조를 나타내는 도면이다.
도 5는 (A) 편광 변조기와, (B) 입체안경에 사용되는 1/4 파장 리타더의 파장에 따른 지연을 나타내는 그래프이다.
도 6은 편광 변조기와 입체안경에 사용되는 λ/4파장 플레이트(리타더)의 파장에 따른 위상차의 차이값을 나타내는 그래프이다.
도 7은 다층 코팅에 의한 부분 편광 광분할기에서 반사된 광의 위상변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 부분 편광 광분할기에 입사각 약 9°인 경우 (A) 반사광(S-편광) 및 (B) 투과광(P-편광)의 반사 및 투과율을 나타내는 그래프이다.
도 9는 입사각 약 17°인 경우 (A)반사광 및 (B)투과광의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 10은 입사각 약 25°인 경우 (A)반사광 및 (B)투과광의 크기를 나타내는 그래프이다.
도 11은 프리즘에서 입사각에 따른 전반사 각도를 나타내는 도면이다.
도 12는 도 11에 개시된 전반사 영역에서의 반사된 광이 S-편광광과 P편광광의 위상 차이를 나타내는 그래프이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

이하에서는, 편의상 영상신호를 “광”으로 표시하도록 하겠으며, 이하에서 “광”으로 표시된 단어는 “영상신호”의 의미를 내포하는 것으로 간주한다.

본 발명을 설명하기에 앞서, 본 발명에 대한 일 비교 실시예에 따른 입체영상장치에 관하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 대한 제1 비교 실시예에 따른 입체영상장치의 구조를 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1의 입체영상장치에서 반사부재의 재질별 입사각에 따른 반사 후의 P-파와 S-파의 위상차를 나타내는 그래프이다.

도 1에서는 편광 광분할기, 선형 편광부재 및 반파장 리타더를 이용한 입체영상장치의 구성을 나타내고 있다.

즉, 프로젝터에 내재되어 있는 디지털 마이크로 미러장치(Digital Micromirror Device: DMD) 등 화상면(Image surface)(1)로부터 나온 광은 프로젝션 렌즈(Projection lens)(2)를 투과한 후 편광 광분할기(Polarizing beam Splitter: PBS)(3)에서 각각 두 개의 편광성분의 빛으로 나뉠 수 있다.

일반적으로, 편광 광분할기(3)에서 반사 및 투과된 광은 각각 S-편광 및 P-편광성분을 가질 수 있다. 그러나, 실제적인 경우, 편광 광분할기(3)는 완벽히, 예컨대 약 99%이상으로 S-편광 및 P-편광성분으로 분리시키지 못하여 이 편광 광분할기(3)로 입사하는 광의 입사각(Angle of Incidence: AOI)에 의하여 차이가 있으나 약 80%에서 약 99%사이의 순수 편광성분을 가지고 나머지는 다른 편광성분 예컨대 반사된 S-편광에는 약 20%에서 약 1% 사이의 P-편광성분이 혼재할 수 있다.

따라서, 본 발명에 대한 일 비교 실시예에서는 이를 순수한 편광성분 예컨대 약 99% 이상으로 사용하기 위하여 상기 편광 광분할기(3) 이후에 제1 선형 편광부재(4) 및 제2 선형 편광부재(8)를 사용할 수 있다. 그러나, 일반적으로 사용되는 필름(Film) 형태의 선형 편광부재의 광 효율 내지는 광 투과율은 약 90% 정도로 광 손실이 커질 수 있다. 또한, 투과된 광 및 반사된 광은 서로 다른 편광성분을 가지므로 이를 동일한 편광으로 변환시켜 사용할 수 있다. 예를 들면, 도 1의 반사 광로에 반파장 리타더(5)를 사용함으로서 제1 편광 변조기(6) 및 제2 편광 변조기(9)에 도달하는 광은 모두 P-편광을 가지게 된다. 이후, 이러한 두 개의 투과된 광 및 반사된 광은 제1 편광 변조기(6) 및 제2 편광 변조기(9)에 의하여 원하는 좌 및 우 원형편광으로 바뀌어 편광방식의 3D영상을 구현할 수 있다.

다음으로, 반사된 광은 스크린(10)에서 투과한 광에 의한 영상의 크기보다 크게 보일 수 있다. 그 이유는, 반사광의 광로가 투과광의 광로에 비하여 항상 길기 때문이다. 따라서 이들의 영상의 크기를 일치시키기 위하여, 곡률을 갖는 반사부재(7)에 의하여 반사된 광의 상을 축소시켜 스크린(10) 상에 영상이 맺히게 하면, 스크린(10)에 도달하는 투과된 광과 반사된 광의 상의 크기가 실질적으로 동일한 크기를 가질 수 있다.

여기서, 도 1에 예시된 부품 구성 및 배치에는 구현이 어려운 부분이 있는데, 첫번째로, 편광 광분할기(3)로부터 반사된 광을 소정의 영상신호로 변조하는 편광 변조기(6)의 위치가 편광 광분할기(3)와 반사부재(7) 사이에 있는 부분이다.

일반적으로 사용되는 실버나 알루미늄으로 이루어진 반사부재에 있어서, 이들에 입사되는 광의 입사각에 따라서 반사광의 편광방향이 바뀔 수 있다. 이때, 반사광에 있어서 P-파와 S-파 사이의 위상차는 도 2에 도시된 그래프를 통해 확인할 수 있다.

일반적으로 사용되는 프로젝터는 출사되는 광의 발산 각도가 ± 약 10° 정도이며, 따라서 도 1의 반사부재(7)에 입사된 광의 입사각은 45°± 10°, 즉 35°에서 55°의 범위를 갖게 된다. 이 경우에, 도 2에 도시된 결과에 의하면, 실버 미러(A)에 있어서 반사 후 위상의 변화량은 약 19.5°이고 알루미늄 미러(B)는 이 값이 15°정도가 된다. 따라서, 반사경에 입사되는 광의 편광이 직선 편광이며 또한 입사각과 반사면이 이루는 면에 수직 내지는 수평으로 편광 되어 S-편광광과 P-편광 광 중 어느 하나만 존재하는 경우에는 이 직선 편광의 편광방향은 반사 후에도 영향을 받지 않는다.

그러나, 예컨대 상기 편광 광분할기(3) 이후, 그리고 반사부재(7) 이전에 편광 변조기(6)를 삽입하면 이 편광 변조기(6)에 의하여 발생된 원형 편광광이 상기 반사부재(7)에 입사하게 되어 실버 미러(A)인 경우에는 입사각에 따라서 최대 약 19.5°/90≒21.7(%)의 위상차가 발생하여 예컨대 반사된 광은 원형편광이 아닌 타원 편광 또는 직선 편광으로 바뀌게 되어 원형편광을 이용화는 입체 영상방법에는 사용할 수 없게 된다.

이는 원형 편광 또는 타원 편광광은 반사부재(7)에 입사하는 순간에는 그 편광 축이 무작위 방향으로 배열된 직선 편광으로서 반사부재(7)와 닿기 때문이다. 알루미늄 미러(B)의 경우에도 최대 약 16.7 %의 위상차가 발생하여 실버 미러(A)인 경우에 비하여는 다소 작기는 하나, 원형편광에 왜곡이 발생하여 실질적으로는 원형편광을 이용하는 입체영상장치에서는 사용할 수가 없다. 결과적으로, 도 1에 도시된 것과 같이 편광 변조기(6)는 편광 광분할기(3)와 반사부재(7) 사이에서 사용하기 어렵기 때문에 도 1의 구성은 도 3과 같은 구성으로 변경 사용될 수 있다.

도 3은 본 발명에 대한 제2 비교 실시예에 따른 입체영상장치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 편광 광분할기(13)에서 반사된 광의 광로에는 반파장 리타더(18), 선형 편광부재(19), 및 편광 변조기(20)가 도 1의 편광 광분할기(13)와 반사부재(17) 사이가 아닌 반사부재(17)와 스크린(미도시) 사이에 배치되어 있다.

또한, 도 1에서 반사부재(7)는 예컨대 오목 곡면으로 형성되어 반사된 광에 의한 영상의 크기를 작게 하는 기능을 수행하지만, 실질적으로 투과광과 반사광의 광로 차이는 영사거리 수십 미터(m)에 비하여 매우 작은 값인 수 센티미터(㎝)의 크기이므로, 오목 곡면의 곡률이 약 10 미터(m) 이상으로 매우 커져야 하여, 현실적으로 제작이 매우 어렵다. 따라서, 도 3에서는 오목 곡면의 반사부재(17) 대신에 제작이 용이한 평면 반사부재를 이용하고, 편광 광분할기(13)에서 투과한 이후의 광로에 소정의 렌즈(16)를 사용하여 투과된 광의 영상의 크기를 확대하여 반사된 광의 영상크기에 ??추어 사용할 수 있다.

본 발명에서는 상술한 제1 및 제2 비교 실시예에서 필수적으로 사용되는 편광 광분할기(Polarization Beam Splitter; PBS)와 이들로부터 발생되는 편광광의 편광 정밀도를 향상시키기 위한 선형 편광부재를 사용하지 않고도, 단지 일부의 편광이 서로 섞이는 부분 편광 광분할기 (Partial Polarization Beam Splitter; PPBS)를 사용하여 입체영상의 화질을 유지할 수 있다. 또한, 본 발명에서는 두 편광의 방향을 서로 일치시키는 반파장 리타더를 추가적으로 사용하지 않고도 입체영상의 크로스톡(cross-talk) 등 화질을 유지하게 함으로서 상기 선형 편광부재 및 반파장 리타더의 사용에 따른 약 15%의 광효율 저하를 개선하여 입체영상장치의 밝기를 획기적으로 향상시킬 수 있다.

더불어, 본 발명에서는 제1 및 제2 비교 실시예의 편광 광분할기(PBS)와는 다른 부분 편광 광분할기(PPBS)를 사용함으로서, 편광 코팅(coating)에 의한 편광 광분할기 사용시에 있어서 최대의 단점으로 알려진 편광 분리 효율이 낮은 편광 광분할기에 대한 큰 입사각(AOI: Angle of Incidence)에 대하여도 사용이 가능하게 됨에 따라 광 시야각 내지는 대형 영사 화면에도 사용할 수 있게 하는 장점이 있다.

나아가, 본 발명에서는 반사 광로상에서 편광 광분할기와 반사부재 사이에 편광 변조기를 위치시켜 사용하는 것이 가능해짐에 따라 편광 변조기의 크기를 작게 만들어 사용할 수 있게 되어 전체적인 장치의 소형화 및 편광 변조기의 소형화에 따른 재료비를 획기적으로 절감시킬 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 입체영상장치의 구조를 나타내는 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 입체영상장치는 프로젝션 렌즈(22)와 스크린 사이에 위치하며, 부분 편광 광분할기(23), 제1 편광 변조기(24), 제2 편광 변조기(26) 및 광학부재(25)를 포함할 수 있다.

구체적으로, 프로젝터의 화상면(Image surface)(21)으로부터 나온 광은 프로젝션 렌즈(Projection lens)(22)와 본 발명의 일 실시예에 따른 입체영상장치를 거처 소정의 스크린(screen)(미도시)에 결상될 수 있다. 이때, 화상면(21)으로부터 방출되어 프로젝션 렌즈(22)를 통과한 광은 P-편광과, S-편광이 혼재된 상태로 부분 편광 광분할기(Partial Polarizing beam Splitter: PPBS)(23)로 입사할 수 있다.

부분 편광 광분할기(23)는 편광 성분에 따라 입사광을 분할하여 편광성분의 혼재가 가능하도록 분할된 광들을 설정된 방향으로 반사 또는 투과시킬 수 있다. 여기서, 부분 편광 광분할기(23)는 특정 편광성분(P-편광성분)은 투과시키고, 다른 편광성분(S-편광성분)은 투과되는 광(P-편광성분)의 방향과 다른 방향으로 반사시켜 광을 여러 방향으로 분할하는 역할을 수행할 수 있다. 따라서, 부분 편광 광분할기(23)에 입사된 광 중 P-편광성분은 투과되어 스크린 방향으로 진행하고, S-편광성분은 반사되어 광학부재(25) 방향으로 진행할 수 있다. 이러한 부분 편광 광분할기(23)는 편광성분의 혼재가 가능하도록 분할된 광들을 설정된 방향으로 반사 또는 투과시키기 위하여, 다층 코팅된 편광 분할막을 포함할 수 있다.

광학부재(25)는 부분 편광 광분할기(23)에서 반사된 광의 진행경로를 스크린 방향으로 전환시킬 수 있다. 여기서, 광학부재(25)는 부분 편광 광분할기(23)에서 반사된 광을 전반사시키는 전반사 수단을 포함할 수 있다. 이때, 광학부재(25)는 (수평)기준선에 대한 부분 편광 광분할기(23)의 배치 각도(a), 다층 코팅된 편광 분할막의 배치 각도(b), (수평)기준선에 대한 광학부재(25)의 배치 각도(d) 중 적어도 하나의 설정에 따라 전반사 수단의 반사면으로의 입사각(c)에 따른 위상차를 최소화하는(위상 변이의 변화가 최소화) 전반사 조건을 갖춰 광의 진행경로를 전환시킬 수 있다. 예컨대, 광학부재(25)는 입사각(c)이 스크린 방향으로 전반사되기 위한 임계각 이상으로 설정되도록 배치될 수 있다.

제1 편광 변조기(24) 및 제2 편광 변조기(26)는 전기적인 신호에 의하여 편광 방향을 변경하는 기능을 수행할 수 있다.

여기서, 제1 편광 변조기(24)는 부분 편광 광분할기(23)와 광학부재(25) 사이에 배치되어 부분 편광 광분할기(23)에서 반사된 광을 변조시킬 수 있다. 제1 편광 변조기(24)는 부분 편광 광분할기(23)에서 반사된 광을 선 편광에서 원 편광 상태로 변조시킬 수 있다.

또한, 제2 편광 변조기(26)는 부분 편광 광분할기(23)를 투과하여 스크린 방향으로 진행하는 광을 변조시킬 수 있다. 제2 편광 변조기(26)는 부분 편광 광분할기(23)를 투과한 광을 선 편광에서 원 편광 상태로 변조시킬 수 있다.

이러한 제1 편광 변조기(24) 및 제2 편광 변조기(26) 각각은 입사되는 광이 좌측 영상 또는 우측 영상인지 여부에 따라 원편광 방향을 변경할 수 있다.

이하에서는, 도 5 내지 도 12를 참조하여 상술한 제1 및 제2 비교 실시예와 대비되는 본 발명의 일 실시예에 따른 기술적 특징 및 동작 원리를 설명한다.

도 5는 (A) 편광 변조기와, (B) 입체안경에 사용되는 1/4 파장 리타더의 파장에 따른 지연을 나타내는 그래프이다.

우선, 편광 변조기 및 λ/4파장 플레이트(리타더)에 있어서 위상차(Retardance)는 이들을 투과하는 파장의 함수이다. 예컨대, 실제 입체영상장치에 사용되고 있는 편광 변조기와 입체안경(3D glasses)에 부착되어 있는 λ/4 파장 플레이트(리타더)의 가시광선 영역(예컨대 약 400nm ~ 약 700nm)에서의 위상차(Retardance)는 도 5와 같이 나타날 수 있다.

여기서, λ/4파장 플레이트(리타더)는 임의의 방향으로 직선 편광된 광의 그 편광 방향이 약 90° 회전하도록 하는 기능을 가질 수 있다.

다음으로, 도 5의 편광 변조기와 입체안경에 사용되는 λ/4파장 플레이트(리타더)의 파장에 따른 위상차를 도 6에 도시하였다.

도 6은 편광 변조기와 입체안경에 사용되는 λ/4파장 플레이트(리타더)의 파장에 따른 위상차의 차이값을 나타내는 그래프이다.

도 6을 참조하면, 가시광선, 예컨대 약 400㎚ ~ 약 700㎚ 영역에 있어서 편광 변조기와 입체안경에 사용되는 λ파장 플레이트의 지연 최대 차이 값은 약 12㎚이며, 이 값은 예컨대 파장영역의 중간인 약 550㎚에서의 λ값이 약 140㎚이므로 이 파장에서의 값에 비하여 1/10정도 크기의 비교적 작은 값이다.

다음으로 편광 변조기와 입체안경의 λ/4 파장 플레이트의 빠른 축(fast axis)과 느린 축(slow axis)에 약 45°로 편광방향이 경사진 직선 편광이 입사되는 경우에 대해서 살펴보면, 우선 편광 변조기의 빠른 축(fast axis)과 ±45°로 입사하는 두가지 경우, 즉 S-편광 및 P-편광이 약 45°로 빠른 축(fast axis)에 입사하는 경우에는, 이 편광 변조기를 통과하는 광은 원형 편광으로 바뀌며, 그 회전 방향은 바뀌지 않는다.

그러나, 실제적인 상용품의 편광 변조기와 입체안경의 λ/4 파장 플레이트는 특히, OCB(Optically compensated bend) 방식의 재료를 사용하는 경우에는 직선 편광광의 빠른 축(fast axis)과의 각도에 따라서 입사광의 파장에 따라서 위상차가 다소 차이가 있을 수 있다. 따라서, 입체안경(3D glasses)에서 어느 한쪽 글라스(glass)가 블랙(black)으로 차단되어야 하는 경우, 이에 수직방향으로 편광방향이 바뀐 광이 입사되면 약간의 광이 투과되며, 미세한 색을 띠게 될 수 있다. 이러한 결과로서 편광 변조기에 입사하는 직선편광의 방향이 빠른 축(fast axis)이 +45°, 내지는 -45°인 경우에 원형 편광광의 회전방향은 동일하지만 λ/4 파장 플레이트가 포함되어 있는 입체안경에서 관측할 때에 광의 차폐의 어두워지는 정도가 서로 다르게 될 수 있다. 따라서 도 1 및 도 2의 제1 비교 실시예에서는 반사광의 광로에 반파장 리타더를 사용하여 편광방향을 차폐가 많이 되는 편광방향으로 바꾸어 줄 수 있다.

다음으로, 제1 및 제2 비교 실시예에 개시된 편광 광분할기를 사용하지 않고 다층 코팅에 의한 부분 편광 광분할기를 사용할 경우 투과광과 반사광의 위상변화를 살펴보기로 한다.

도 7은 다층 코팅에 의한 부분 편광 광분할기에서 반사된 광의 위상변화를 나타내는 그래프이다. 도 7에서는 다층 코팅에 의한 부분 편광 광분할기에서 반사광(S-편광광)의 파장에 따른 약 400㎚~700㎚ 사이의 위상차 변화를 나타내고 있으며, 상대적인 값을 표시하기 위하여 약 700㎚에서의 위상차 값을 기준으로 도시하였다.

도 7을 참조하면 다층 코팅에 의하여 제작된 부분 편광 광분할기의 반사광은 약 400㎚~700㎚ 사이의 파장에서 위상차의 변화량이 약 30°임을 알 수 있다. 이 값은 도 6에서 편광 변조기와 입체안경에 사용되는 λ/4 파장 플레이트의 파장에 따른 위상차의 차이값의 약 2배일 수 있다.

따라서, 상술한 내용을 바탕으로, 부분 편광 광분할기에서 반사된 광은 파장에 따라서 위상차가 도 7에 개시된 값을 추가하여 바뀌게 되며, 부분 편광 광분할기에서의 반사가 없는 경우 입체안경을 통과한 광이 색을 띤 경우가 반대로 블랙에 가깝게 변하는 경우가 있다. 따라서, 이러한 조건에서는, 제1 비교 실시예의 반파장 리타더(5) 및 제2 비교 실시예의 반파장 리타더(18)를 사용치 않아도 이러한 다층 코팅에 의한 부분 편광 광분할기를 사용하는 것만으로도 입체안경에서 바라는 블랙으로 차폐하는 효과를 얻을 수 있어서, 제1 및 제2 비교 실시예의 반파장 리타더(5)(18) 사용에 따른 광의 왜곡(필름 형태의 리타더는 표면이 완전 평탄하지 않음)과 약 3%의 효율 손실을 개선할 수 있다.

한편, 입체안경에서 블랙에 가까운(글라스를 거의 투과 못함)경우와, 약간 투과하는 경우, 투과광의 광량 비율은 측정값으로서 1.5배 정도의 차이가 있다. 즉 입체안경에 광이 S-편광으로 입사할 때 P-편광으로 입사하는 광에 비하여 블랙인 글라스에서는, 약 1.5배 더 많이 투과할 수 있다. 일반적으로 상용화 되는 입체영상 기기의 경우에는 블랙인 경우에 좌/우 글라스의 투과율 비율인 크로스톡(cross-talk)이 약 2% ~ 약 2.5%정도로 설정될 수 있다. 또한, 광이 완전히 차폐되지 않고 미세하게 투과된 부분은 크로스톡이 약 0.2% 정도일 수 있다. 따라서, 만약에 P-편광광이 입체안경으로 입사하여 좌/우 글라스 중 어느 한 편이 블랙으로 완전 차폐가 되는 경우에, 이 글라스에 100%로 편광된 S-편광광이 입사 한다고 하면 크로스톡은 최대 약 0.2% 증가함을 알 수 있다.

전반적으로 상술한 일반적인 크로스톡 값 약 2% ~ 약 2.5%에서 최대 약 0.2% 증가는 실질적으로 사용하는데 지장이 되지 않는 값이 되며, 부분 편광 광분할기인 경우에는 이 값은 더욱 줄어 들게 된다.

상술한 현상을 도 8 내지 도 10을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 코팅의 부분 편광 광분할기에서 살펴보기로 하자.

도 8은 부분 편광 광분할기에 입사각 약 9°인 경우 (A) 반사광(S-편광) 및 (B) 투과광(P-편광)의 반사 및 투과율을 나타내는 그래프이다.

약 400㎚ ~ 약 700㎚ 사이의 반사율의 평균값은 약 98%, 그리고 투과율의 평균값은 88%이다. 종래 기술들은 이러한 편광 광분할기로부터 투과 및 반사된 광은 선형 편광부재에 의하여 한 가지의 편광 성분, 즉 투과 및 반사광은 각각 P-편광 및 S-편광 만으로 약 99% 이상 변환될 수 있다. 따라서, 이에 의한 손실은 상기 평균값으로부터 각각 약 2% 및 약 12%, 합계 약 14% 정도가 될 수 있다. 나아가, 일반적으로 사용되는 필름 형태의 선형 편광부재의 효율은 약 90%정도로, 이 또한 광효율을 크게 저하시키는 원인이 된다.

이에, 본 발명의 일 실시예에서는 선형 편광부재를 사용하지 않고 부분 편광 광분할기를 사용하면 이들의 손실은 거의 없게 되어 광 효율이 증가할 수 있다. 상기와 같이 선형 편광부재를 사용하지 않는 경우, 최대 크로스톡 값은 약 2% 정도가 되나, 실질적으로 입사각 약 9°에서의 광 손실량은 약 14% 정도이므로, 크로스톡 최대값 2%의 14%/200%=0.01% 증가로써, 본 발명의 일 실시예에서 크로스톡의 증가는 없다고 간주할 수 있다.

도 9는 입사각 약 17°인 경우 (A)반사광 및 (B)투과광의 크기를 나타내는 그래프이다.

도 10은 입사각 약 25°인 경우 (A)반사광 및 (B)투과광의 크기를 나타내는 그래프이다.

도 9에서 입사각 약 17°인 경우, (A)반사광 및 (B)투과광의 평균값은 각각 약 97%와 약 96%이다. 또한, 도 10에서 입사각 약 25°인 경우, (A)반사광 및 (B)투과광의 평균값은 각각 약 95%와 약 90%이다. 상기와 같이, 입사각 약 17°와 약 25°에 있어서 크로스톡 증가는 각각 0.00%와 0.01%으로 현실적으로 무시 가능한 수준이다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 특징을 더 살펴보면, 편광 변조기를 편광 광분할기와 반사부재 사이에 놓고 사용할 수 없는 이유는 도 2에서 도시된 것과 같이 반사부재의 반사면으로 주로 사용되고 있는 실버와 알루미늄의 입사각에 따른 반사 후의 P-파와 S-파의 위상 차이가 크기 때문이다. 즉, 반사경 이전에 편광 변조기를 사용하여 원편광을 만들면 반사 후에는 입사 및 출사된 광의 각도에 따라서 원편광을 이루지 못하여 스크린 상의 전체 화면의 위치에 따라서 입체영상이 균일하게 보이지 못하게 될 수 있다.

도 11은 프리즘에서 입사각에 따른 전반사 각도를 나타내는 도면이다.

도 11에서는 사잇각 약 45°인 프리즘(광학부재)에서 입사각이 약 9°, 약 17°, 약 25°인 경우에 전반사 각도는 (A)지점, (B)지점 및 (C) 지점 각각에서 약 51°, 약 56° 및 약61° 로 설정될 수 있다.

도 11과 같이 전반사 각도가 약 51°, 약 56° 및 약 61°인 경우, 반사된 광의 S-편광광과 P-편광광의 위상 차이를 도 12에 도시하였다. 이 중에서 상기 위상 차이가 최소로 되는 부근(약 52°)에서 도 11에 도시된 전반사 각도 영역에서의 위상 차이는 도 12와 같다.

도 12는 도 10에 개시된 전반사 영역에서의 반사된 광이 S-편광광과 P편광광의 위상 차이를 나타내는 그래프이다.

도 12에서는 위상 차이가 최소로 되는 부분(약 52°부근)을 포함하고 있고 최대 값은 약 3%이다. 즉, 프리즘에 입사하는 광의 입사각이 (A) 약 9°, (B) 약 17°, 및 (C) 약 25°인 범위에서 최대 위상 차이가 약 3%가 될 수 있다. 이들 값은 도 2에서의 실버 미러와 알루미늄 미러에 비하여 상대적으로 매우 작은 값으로서 원형편광이 상기 프리즘의 전반사면에 입사하더라도 출사되는 광의 편광도 약 3%이내에서 원형편광을 유지함을 알 수 있고, 이는 실질적으로 사람의 육안으로는 식별이 어려운 크기임을 알 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 선형 편광부재와 반사광의 광로 상에 있는 반파장 리타더를 사용하지 않는 대신 다층 코팅 방식의 부분 편광 광분할기를 사용하여 입체영상의 밝기를 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 반사 광로에 있는 편광 변조기를 전반사 조건의 광학부재와 부분 편광 광분할기 사이에 사용하여 편광 변조기의 크기와 장치의 전반적인 크기를 소형화가 가능하여 장치의 단가 및 사용 편의성을 극대화시킬 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

21: 화상면
22: 프로젝션 렌즈
23: 부분 편광 광분할기
24: 제1 편광 변조기
25: 광학부재
26: 제2 편광 변조기

Claims (6)

1. 편광 성분에 따라 입사광을 분할하여 상기 편광 성분의 혼재가 가능하도록 분할된 광들을 설정된 방향으로 반사 또는 투과시키는 부분 편광 광분할기(23); 및
   부분 편광 광분할기(23)에서 반사된 광의 진행경로를 스크린 방향으로 전환시키는 광학부재(25)를 포함하며,
   부분 편광 광분할기(23)와 광학부재(25) 사이에 배치되어 부분 편광 광분할기(23)에서 반사된 광을 변조시키는 제1 편광 변조기(24); 및
   부분 편광 광분할기(23)를 투과하여 상기 스크린 방향으로 진행하는 광을 변조시키는 제2 편광 변조기(26)를 포함하고,
   제1 편광 변조기(24) 및 제2 편광 변조기(26)는 각각 입사되는 광이 좌측 영상 또는 우측 영상인지 여부에 따라 원편광 방향을 변경하며,
   부분 편광 광분할기(23)는 다층 코팅된 편광 분할막을 포함하며,
   광학부재(25)는 부분 편광 광분할기(23)에서 반사된 광을 전반사시키는 전반사 수단을 포함하고,
   상기 전반사 수단으로 입사하는 광의 입사각도는 이 전반사 수단으로부터 반사된 광의 S-편광광과 P-편광광의 위상차이가 최소로 되는 입사각도를 포함하는 각도영역을 가지며,
   광학부재(25)는 기준선에 대한 부분 편광 광분할기(23)의 배치 각도, 상기 편광 분할막의 배치 각도, 상기 기준선에 대한 광학부재(25)의 배치 각도 중 적어도 하나의 설정에 따라 상기 전반사 수단의 반사면으로의 입사각에 따른 위상차를 최소화하는 전반사 조건을 가지며,
   광학부재(25)는 상기 입사각이 상기 스크린 방향으로 전반사되기 위한 임계각 이상으로 설정되도록 배치되고,
   부분 편광 광분할기(23)는 편광 성분에 따라 입사광을 분할하여 편광성분의 혼재가 가능하도록 분할된 광들을 설정된 방향으로 반사 또는 투과시킬 수 있고, 특정 편광성분(P-편광성분)은 투과시키고, 다른 편광성분(S-편광성분)은 투과되는 광(P-편광성분)의 방향과 다른 방향으로 반사시켜 광을 여러 방향으로 분할하는 역할을 수행함으로써, 부분 편광 광분할기(23)에 입사된 광 중 P-편광성분은 투과되어 스크린 방향으로 진행하고, S-편광성분은 반사되어 광학부재(25) 방향으로 진행하고,
   상기 다층 코팅된 편광 분할막은 부분 편광 광분할기(23)가 편광성분의 혼재가 가능하도록 분할된 광들을 설정된 방향으로 반사 또는 투과시키도록 하고,
   광학부재(25)는 부분 편광 광분할기(23)에서 반사된 광의 진행경로를 스크린 방향으로 전환시키고,
   광학부재(25)는 기준선에 대한 부분 편광 광분할기(23)의 배치 각도(a), 다층 코팅된 편광 분할막의 배치 각도(b), 기준선에 대한 광학부재(25)의 배치 각도(d) 중 적어도 하나의 설정에 따라 전반사 수단의 반사면으로의 입사각(c)에 따른 위상차를 최소화하는 전반사 조건을 갖춰 광의 진행경로를 전환시킬 수 있어, 광학부재(25)는 입사각(c)이 스크린 방향으로 전반사되기 위한 임계각 이상으로 설정되도록 배치되고,
   제1 편광 변조기(24) 및 제2 편광 변조기(26)는 전기적인 신호에 의하여 편광 방향을 변경하는 기능을 수행하고,
   제1 편광 변조기(24)는 부분 편광 광분할기(23)와 광학부재(25) 사이에 배치되어 부분 편광 광분할기(23)에서 반사된 광을 선 편광에서 원 편광 상태로 변조시킬 수 있고,
   또한, 제2 편광 변조기(26)는 부분 편광 광분할기(23)를 투과하여 스크린 방향으로 진행하는 광을 선 편광에서 원 편광 상태로 변조시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 입체영상장치.
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