KR102620899B1 - 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 조립하는 방법, 이를 이용한 레이저 다이오드 액정 광학엔진 및 액정 프로젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저다이오드 액정 광학엔진에 관한 것이다.
본 발명에서는 편광빔스플리터의 표면 또는 액정 광모듈레이터 대향면에 전면적으로 직접 접착되는 λ/4위상차판을 포함하는 레이저다이오드 액정 광학엔진이 개시된다.
본 발명에 따른 레이저다이오드 액정 프로젝터에 의하면 편광빔스플리터와 액정으로 형성되는 광모듈레이터 사이를 좁은 간격으로 유지하면서도 그 사이에 λ/4위상차판을 손쉽게 설치하여 화이트와 블랙을 표시하는 컨트라스트를 올릴 수 있게 되었다.

Description

레이저다이오드 액정 광학 엔진을 조립하는 방법, 이를 이용한 레이저 다이오드 액정 광학엔진 및 액정 프로젝터{METHOD FOR ASSEMBLING A LASER DIODE LIQUID CRYSTAL OPTICAL ENGINE, LASER DIODE LIQUID CRYSTAL OPTICAL ENGINE AND LIQUID CRYSTAL PROJECTOR ASSEMBLED BY USING THE SAME METHOD}

본 발명은 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 조립하는 방법, 이를 이용한 레이저 다이오드 액정 광학엔진 및 액정 프로젝터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 λ/4위상차판을 간단한 방식을 접착시킬 수 있는 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 조립하는 방법, 이를 이용한 레이저 다이오드 액정 광학엔진 및 액정 프로젝터에 관한 것이다.

손바닥 크기보다 작은 휴대용 소형 프로젝터를 개발하거나 또는 노트북 등에 임베디드로 들어갈 정도 크기의 프로젝터를 상용화하기 위해서는 크기가 작고, 저 소비 전력의 프로젝터를 개발하여야 한다. 크기도 작고 저전력의 프로젝터를 달성하기 위해서는 소비 전력 대비 우수하며 작은 크기의 광원을 사용하여야 한다. 이러한 저전력프로젝터에 가장 적합한 광원으로는 레이저 광원 또는 전계발광소자(LED)를 들 수 있다.

LED 광원과 레이저 광원은 적은 전력에 높은 휘도의 광을 방출하는 효율적인 광원으로 알려져 있다. 하지만 양 소자는 각각 단점을 가지고 있다. LED 광원은 높은 에땅듀의 광원으로서 레이저보다 광효율이 못하다는 단점이 있다. 이에 비해 레이저 광원은 LED보다 높은 광효율을 보이지만 스펙클이라는 레이저 특유의 간섭 패턴이 나타나는 단점을 지니고 있다. 따라서 레이저광의 스펙클 현상을 감소시킬 수 있다면 레이저 광원만큼 마이크로 프로젝터에 적합한 소형 광원이 없다.

도 1은 레이저 광원을 사용하며 반사형 광모듈레이터로 구현된 종래 레이저 광원을 이용하는 프로젝터의 구조를 보여주고 있다. 종래 레이저 광원을 이용하는 프로젝터는 R광원 (10R), G광원(10G), 및 B광원(10B)으로 구성되는 레이저 광원과, 50R, 50G, 및 50B로 구성되는 다이크로익 미러(50), 반사경(51, 53), 디퓨저(20), 빔쉐이퍼(30), 필드렌즈(40), 광모듈레이터(60), 투사렌즈(70) 및 편광빔스프리터(80)로 구성되는 광학엔진과 이를 구동하는 회로부를 포함하도록 구성된다.

레이저 광원은 R/G/B 광을 순차적으로 조사하는 것이 바람직하다. 레이저 R/G/B 광원(10R, 10G, 10B)을 순차적으로 조사한다는 것은 하나의 프레임을 조사할 전체 시간을 T라 할 때, T/3 시간 동안에는 R 광원을 조사하고, 연이은 T/3 시간 동안에는 G 광원을 조사하고, G 광원 조사 시간에 연이은 T/3 시간 동안에는 B 광원을 조사하는 것을 의미하는 것이다.

마이크로 프로젝터용 광원은 크기도 작으면서도 광출력이 높은 광원이어야 하기 때문에 레이저 광원이나 전계발광소자(LED) 광원이 적당하다. 세 개의 광원 (10R, 10G, 10B) 중에 적어도 하나의 레이저 광원이 포함되어야 하며, 바람직하게는 세 개 모두 레이저 광원을 사용하거나 또는 필요에 따라서 레이저와 LED 광원을 혼합한 하이브리드 타입으로 구성한다. 세 광원으로부터 발광되는 광은 각각의 다이크로익 미러 50R, 50G, 50B에 의해 반사 또는 투과되어 디퓨저(20)에 입사된다. 다이크로익 미러 50G는 G광원(10G에서 조사되는 녹색 레이저 광)은 반사시키고 나머지 광은 투과시키는 기능을 하며, 다이크로익 미러 50G는 가시광선 영역을 모두 반사하는 일반 미러를 사용하여도 무방하다. 다이크로익 미러 50R은 R광원(10R에서 조사되는 붉은 색 레이저 광)은 반사사키고, 나머지 파장 영역의 광은 투과시키는 기능을 하며, 다이크로익 미러 50B는 B광원(10B에서 조사되는 청색 레이저 광)은 반사시키고 나머지 파장영역의 광은 투과시키는 기능을 하는 미러이다.

레이저 광원(10R, 10G, 10B)으로부터 출사된 레이저 광은 반사경(51, 53)에 의해 반사된 후 디퓨저(20)에 입사된다. 디퓨저는 광축에 수직하게 진동하고 있어서 디퓨저를 통과하면서 광의 임의성(Randomness)이 증가된다. 이러한 디퓨저(Diffuser)는 레이저광 특유의 스펙클(Speckle)을 제거하기 위한 장치로서 레이저광의 코히어런스(Coherence) 특성을 감소시켜서 스펙클을 감소시킨다. 디퓨저(20)를 진동시키면 스펙클을 더욱 더 감소시킬 수 있게 된다.

디퓨저(20)를 통과한 광은 빔 쉐이퍼(Beam Shaper, 30)에 의해 빔 형상이 변형된다. 빔 형상을 변형시키는 이유는 광모듈레이터(60)의 입사면 형상에 적합하게끔 입사되는 빔 모양을 성형하여 광 효율을 좋게 하기 위함이다.

빔쉐이퍼(30)의 대표적인 예로는 플라이아이 렌즈를 들 수 있다. 플라이아이 렌즈는 다수 개의 소형 렌즈체로 구현된다. 플라이아이 렌즈에 구현되는 소형 렌즈체는 여러 가지 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 사각볼록렌즈 형상 육각볼록렌즈 형상 및 원형 등으로 구현이 가능하나, 바람직하게는 광모듈레이터의 형상(보다 정확한 표현으로는 광모듈레이터의 유효 화면 형상)과 동일한 형상으로 구비되도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 광모듈레이터의 유효 화면 형상이 사각 형상일 경우 소형 렌즈체의 형상도 사각 형상으로 구비되도록 함으로써 광 손실을 최소화할 수 있다.

도 1의 실시예에서는 빔쉐이퍼(30)로 양 면에 소형 렌즈체가 구성되어 있는 양면형 플라이아이렌즈를 사용하였으나 단면형 플라이아이 렌즈 두 매를 사용하여도 무방하며, 이러한 양면 혹은 두 매에 각각 형성된 다수의 소렌즈체들은 서로 1대 1로 대응되도록 형성한다.

필드렌즈(40)는 빔쉐이퍼(30)에 의해 성형된 광을 광모듈레이터(60)로 집속시키는 렌즈로서, 통상 1~3매로 구성하고 이들 렌즈와 빔쉐이퍼(30)와의 거리를 조절함으로써 집속을 정확하게 달성할 수 있다.

광모듈레이터(60)는 입사된 광을 선택적으로 투과, 차단하거나 또는 광경로를 변경시켜 영상 이미지를 형성하는 소자를 의미한다. 광모듈레이터(60)의 대표적인 예로는 DMD (Digital Micromirror Device), 액정디스플레이소자(LCD), LCOS 등이 있다. DMD는 필드 시퀀셜을 이용한 구동 방법으로 화소의 수만큼 매트릭스 형태로 배열된 디지털 거울(DIGITAL MIRROR)를 이용하여 DLP프로젝터에 사용되는 소자이다. DLP는 광원으로부터 조사된 광을 디지털 거울에 의한 광 경로를 조절하여 스크린으로 반사시킴으로써 계조 및 이미지를 구현하는 프로젝터이다. 액정디스플레이소자(LCD)는 액정을 선택적으로 온/오프하여 이미지를 형성하는 소자이다. 액정 디스플레이 소자를 이용하는 프로젝터로는 직시형과 투사형 및 반사형이 있다. 직시형 프로젝터는 액정디스플레이 소자 뒤의 백라이트로 부터의 광이 액정 패널을 통과하면서 생성된 이미지를 직접적으로 관찰하는 방식이며, 투사형 프로젝터는 액정디스플레이 소자를 통과하면서 생성된 이미지를 투사렌즈를 이용하여 확대한 뒤 스크린에 투사하여 스크린에서 반사되는 이미지를 관찰하는 방식이다. 반사형은 투사형과 거의 같은 구조이지만 하부 기판상에 반사막을 형성하여 반사되는 광을 스크린에 확대 투사하는 방식이다. LCoS(Liquid Crystal on Sylicon)는 반사형 액정 디스플레이의 일종으로 종래 액정 디스플리이 소자의 양면 기판 중에서 하부 기판을 투명한 유리 대신에 실리콘 기판을 사용하여 반사형으로 동작시키는 광학소자이다.

도 1의 실시예는 반사형 광학계로서 편광빔스플리터(80)는 광모듈레이터(60)에서 생성된 이미지를 투사렌즈(70)로 전달하는 역할을 한다. 편광빔스플리터(80, PBS, Polarized Beam Splitter)는 유리 재질의 육면체 안에 편광분리막이 대각선으로 형성되어 있는 것으로서 반사형 광학엔진에는 필수적인 광학소자이다.

편광빔스플리터(80)는 입사되는 광을 편광분리막을 이용하여 P편광은 통과시키고 S편광은 투사렌즈 반대 방향으로 반사시키는 광학 소자이다. 또는 편광빔스플리터는 필요에 따라 S편광은 통과시키고 P편광은 반시시키도록 구성될 수 있다. 도 1에서는 편의상 P편광은 통과시키고 S편광은 반사시키는 구조로 설명을 진행한다. 이러한 편광빔스플리터(80)의 광학 특성에 따라 편광빔스플리터(80)를 구비하는 반사형 액정 디스플레이는 광원에서 출사된 광을 어느 한 지점에서 선편광 상태로 전환해 주어야 광효율을 유지할 수 있지만 레이저 광원(10)은 편광비(Polarization Extinction Ration, PER)가 100:1에 이를 정도로 선평광된 광원이므로 반사형 액정 디스플레이에 매우 적합한 광원이다.

이렇게 편광빔스플리터(80)의 편광분리막을 통과한 P편광은 반사형 광모듈레이터(60)를 통하여 이미지가 형성되는 과정에서 S편광으로 전환(광모듈레이터가 온된 영역에서만 전환됨)되고, S편광으로 전환된 이미지 광은 다시 한번 편광빔스플리터(80) 안으로 입사되고, 편광분리막과 만나게 된다. 이번에는 이미지 광이 모두 S편광이므로 편광분리막에 모두 반사되어서 투사렌즈(70)로 입사하게 된다. 투사렌즈(70)는 다수 개의 렌즈를 이용하여 형성되는 것으로서, 광모듈레이터(60)에 의해 형성된 이미지를 스크린(미도시)에 확대 투사한다.

도 1에 도시된 종래 레이저 광원을 이용하는 프로젝터는 여러 개 광학소자를 사용하는데 각 광학소자의 광축을 정확하게 일치시키는 것은 쉽지 않다. 이와 같이 여러 개 광학소자간의 광축을 정확히 정렬시키기 위해 경통을 사용하고 있으나 경통과 광학소자 사이에 유격이 있어 광학축이 어긋나는 것을 완전히 방지할 수는 없다. 또한, 편광빔스플리터(80)와 광모듈레이터의 광축을 정확히 일치시키더라도 입사되는 광의 각도에 따라 광모듈레이터에 의해서 출사되는 광의 반사각이 달라져서 입사각과 상이한 각도로 편광빔스플리터(80)로 재입사되는 문제점이 지니고 있다.

광학소자간의 광축이 불일치하고 편광빔스플리터(80)로 재입사되는 광의 각도가 달라지는 문제로 인하여 화면 전체를 블랙 영상으로 형성하더라도 빛샘이 발생하여 완전한 블랙이 아닌 상태가 되어 컨트라스트를 저하시키게 된다. 이러한 컨트라스트 저하를 해소하기 위해서 일본 소니(Sony)사는 편광빔스플리터와 광모듈레이터 사이의 간격을 인위적으로 넓게 형성하고 양 사이에 기구물을 설치하는 방식으로 프로젝터를 제작한 바 있다. 해당 기구물은 λ/4위상차판을 삽입하여 회전시킬 수 있는 것으로서 λ/4위상차판의 회전 각도를 임의로 조절할 수 있는 방식이다. 소니사는 최종 조립 단계에서 기구물을 이용하여 λ/4위상차판을 회전시키면서 최적의 컨트라스트를 확보할 수 있는 프로젝터 방식을 개시하였다.

그런데 이와 같은 소니 방식은 몇 가지 문제점을 지니고 있다. 편광빔스플리터와 광모듈레이터 사이의 간격은 광효율 및 정렬 문제를 최소화하기 위해서는 최대한 좁게 유지하는 것이 좋다. 하지만 소니 방식은 λ/4위상차판을 삽입하기 위한 구조물이 상당한 부피(광축 방향으로 약 4mm 정도의 폭을 가짐)를 가지므로 전술한 바와 같이 편광빔스플리터와 광모듈레이터 사이의 간격을 넓게 유지(대략 5mm)해야 하는 문제점이 있었다. 또한, λ/4위상차판을 회전시키기 위한 부가적인 기구물을 구비하여야 하므로 제작 단가가 올라가는 문제점이 있었다.

한국공개특허 제10-2006-0031693호 (2006.04.12)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 부가적인 기구물 없이도 안정적으로 편광빔스플리터와 광모듈레이터 사이에 λ/4위상차판을 설치하고 손쉽게 회전시킬 수 있는 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 조립하는 방법, 이를 이용한 레이저 다이오드 액정 광학엔진 및 액정 프로젝터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적은 레이저다이오드를 광원으로 사용하고, 액정소자를 광모듈레이터로 사용하며 편광빔스플리터를 구비하는 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 제조하는 방법으로서, 편광빔스프리터의 출사면에 UV 경화 접착제를 전면적으로 도포하는 제1단계와, λ/4위상차판을 편광빔스플리터의 출사면에 위치시키는 제2단계와, λ/4위상차판이 합치된 편광빔스플리터를 경통에 위치시키는 제3단계와, 암실에서 레이저다이오드 및 광모듈레이터를 블랙 영상을 구현하도록 동작시키는 제4단계 및 완전한 블랙 영상이 구현되도록 λ/4위상차판을 회전시킨 후 UV광을 조사하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 제조하는 방법에 의해서 달성 가능하다.

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본 발명에 따른 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 조립하는 방법, 이를 이용한 레이저 다이오드 액정 광학엔진 및 액정 프로젝터에 의하면 편광빔스플리터와 액정으로 형성되는 광모듈레이터 사이를 좁은 간격으로 유지하면서도 그 사이에 λ/4위상차판을 손쉽게 설치하여 화이트와 블랙을 표시하는 컨트라스트를 올릴 수 있게 되었다.

도 1은 레이저 광원을 사용하며 반사형 광모듈레이터로 구현된 레이저 광원을 이용하는 종래 프로젝터의 구조도.
도 2는 경통에 λ/4위상차판 삽입홈을 형성한 본원 발명자가 개발을 시도한 프로젝터의 구성도.
도 3은 편광빔스플리터와 광모듈레이터의 설치 각도에 의해 빛샘이 발생하는 원리를 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드 액정 광학엔진의 구조도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드 액정 광학엔진의 구조도.
도 6은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 편광빔스플리터와 λ/4위상차판의 접착 각도 범위를 설명하는 개념도.
도 7은 광모듈레이터와 λ/4위상차판 사이의 틸트 각도에 의한 휘도 변화를 설명하기 위한 개념도.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

본원 출원인은 레이저 광원 및 반사형 액정(LCoS)을 광모듈레이터로 사용하여 프로젝터를 제조하고 있는 국내 유일의 기업이다. 배경 기술에서 설명한 바와 같이 반사형 액정에서 화상이 형성되는 픽셀에서 반사되어 편광빔스플리터에 재입사되는 광의 각도와 편광빔스플리터에 최초 입사되는 광의 각도 차이로 인하여 컨트라스트 저하가 발생된다. 이러한 컨트라스트 저하를 방지하기 위해 본원 발명자는 반사형 액정과 편광빔스플리터 사이에 λ/4위상차판을 설치하려는 시도를 하였다.

도 2는 경통에 λ/4위상차판 삽입홈을 형성한 본원 발명자가 개발을 시도한 프로젝터의 구성도이다. 경통(13)에는 도 1에서 설명했던 광학모듈들을 설치하기 위한 공간을 구비함을 알 수 있다. 다만 도 1에서 두 개의 반사경(51, 53)을 사용하였으나 도 2에서는 이중 하나의 반사경(51)을 생략하였으며, 하나로 형성된 필드렌즈(40)를 도 2에서는 제1필드렌즈(41) 및 제2필드렌즈(43)로 두 개로 분할 형성하였으며, 경통(13)에는 편광빔스플리터(80)와 광모듈레이터(60) 사이에 λ/4위상차판(90)을 삽입하기 위한 공간을 설치한 차이점이 있다.

도 2에 제시된 액정 프로젝터는 모든 광학모듈을 경통의 각 삽입홈에 위치시켜 조립을 완료한 후 암실에서 레이저 다이오드(10R, 10G, 10B) 및 광모듈레이터(60)를 전체 화면이 블랙 영상을 구현하도록 동작시킨다. 전술한 이유로 약간의 빛샘이 발생하여 완전 블랙이 구현되지 않는다. 작업자는 λ/4위상차판(90)을 회전시키면서 완전한 블랙을 구현하는 위치에 λ/4위상차판(90)을 경통에 본딩 처리하면 조립이 완료된다.

도 2에서 편광빔스플리터(80)의 출사면과 광모듈레이터(60)의 입사면 사이(L1) 거리는 약 2mm이며, λ/4위상차판(90)의 두께는 약 1mm이다. 여기서 편광빔스플리터(80)의 출사면은 제2필드렌즈(43)를 통해 입사된 광이 반사된 후 광모듈레이터(60) 방향으로 출사되는 면을 의미한다. 편광빔스플리터(80)의 출사면과 λ/4위상차판(90) 사이 거리는 0.5mm이고 λ/4위상차판(90)과 광모듈레이터(60)의 입사면 사이 거리도 0.5mm에 불과하다. 이렇게 협소한 공간으로 인해서 숙련된 작업자가 작업하더라도 λ/4위상차판(90)을 회전시킨 후 원하는 각도로 부착시키는 것은 쉽지 않다. 또한, 작업자가 λ/4위상차판(90)을 부착하는 과정에서 편광빔스플리터(80)의 출사면과 광모듈레이터(60)의 입사면을 건드리거나 이물질이 비산하여 편광빔스플리터(80)의 출사면과 광모듈레이터(60)의 입사면에 달라붙게 되는 문제가 빈번히 발생되었다. 도 2의 구조에서는 λ/4위상차판(90)을 경통(13)에 마련된 홈에 본딩 처리할 때 편광빔스플리터(80)의 출사면과 광모듈레이터(60)의 입사면 사이에 유효화면을 형성하기 위해 광이 조사되는 영역을 제외한 나머지 영역에서 본딩 처리가 이루어져야 한다. 그 이유는 유효화면 영역에 본딩 처리가 되면 본딩액의 두께가 고르지 않아 광경로가 변경될 수 있기 때문이다. 일반적인 LED를 광원으로 사용하는 경우는 광원을 초점을 쉽게 조절할 수 있으므로 편광빔스플리터(80)의 출사면과 광모듈레이터(60)의 입사면에 촛점이 맺히지 않게 하면 이러한 이물질은 확대되어 보이지 않으므로 크게 문제가 되지 않는다. 이에 비해 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 본발명의 광학엔진의 경우에는 초점 심도가 깊기 때문에 초점면으로부터 벗어난 위치의 이물도 보이기 때문에 이러한 이물질이 투사렌즈(70)에 의해 확대된 후 화면에 나타나게 된다. 따라서 본 발명의 경우는 편광빔스플리터(80)의 출사면과 광모듈레이터(60)의 입사면에 이물질이 부착될 경우 이를 경통에서 빼낸 후 깨끗히 세척한 후 다시 설치해야 하는 번거러움이 발생함을 파악하게 되었다.

도 2와 같은 구조의 프로젝터 제작에서 발생되는 문제점을 해결하기 위하여 본원 발명자는 λ/4위상차판(90)을 편광빔스플리터(80)의 출사면 또는 광모듈레이터(60)의 입사면에 직접 부착하는 방식을 고려하였다. 광모듈레이터(60)의 입사면의 경우는 많은 화소가 있으므로 부착에 사용되는 UV 접착제에 의한 영향에 더 영향을 받을 수 있으므로 편광빔스플리터(80)의 출사면이 더 적합하다.

도 3은 편광빔스플리터와 광모듈레이터의 설치 각도에 의해 빛샘이 발생하는 원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 3의 설명에서 광모듈레이터로 LCoS를 사용하는 예에 대해 설명하기로 한다.

(1) 통상의 LCoS는 통과하는 광의 위상을 1/4λ만큼 이동시키고, 1/4λ 위상차판은 통과하는 광의 위상을 1/4λ만큼 이동시킨다. 따라서 LCoS/위상차판/편광빔스플리터(PBS)는 동일한 편광축(P편광에 수직 또는 수평)으로 일치되도록 설치한다.

(2) 위상이 '0'일 때 광이 1/4λ 위상차판을 통과하게 되면 파장의 꼭지점이 1/4λ 위상으로 변한다.

(3) LCoS를 통과하면서 위상은 3/4λ로 변한다.

(4) LCoS에서 반사되는 광은 다시 1/4λ 위상차판을 통과하면서 1λ의 위상으로 변화함으로써 결과적으로 1/4λ 위상차판의 역할은 없는 것으로 보여지게 된다.

(5) LCoS는 액정소자로서 배향시 발생하는 프리틸트 각으로 인한 누설광이 존재하며 이로 인해서 CR(Contrast Ratio)이 감소하게 된다. 이러한 누설광이라도 PBS에서 정확한 편광 분리가 이루어진다면 최종적으로 차단되어서 CR비가 높아져야 한다. 그러나 PBS는 입사면에 수직하게 입사하는 광에 대해서는 편광분리 기능이 잘 이루어지지만 입사광의 Incident angle이 증가할수록 편광분리 기능이 약화된다. 따라서 100% 평행광으로 collimating하는 것이 불가능하기 때문에 결국 PBS를 통과하는 누설광이 발행하게 되는 것이다.

(6) 상기의 누설광의 위상은 도 3의 붉은 점과 같이 1λ에 못미치는 지점에 위치하게 된다. Black신호의 경우 정상적인 위상은 1λ에 도달해야 하지만 누설광들은 1λ에 도달하지 못하게 된다.

이러한 문제점은 1/4λ 위상차판을 기준 편광축에 대하여 비틀어서(광축에 대해 회전하여) 1λ의 위치를 도 3의 붉은 점 위치로 변경시켜 누설광을 차단할 수 있게 되는 것이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드 액정 광학엔진의 구조도이다. 도 2에 제시된 레이저 다이오드 액정 광학엔진과 구조적인 차이점은 경통(13)에는 편광빔스플리터(80)의 출사면 및 광모듈레이터(60)의 입사면 사이 공간에 λ/4위상차판(90)을 설치하기 위한 별도 홈을 형성하지 않고 편광빔스플리터(80)의 출사면을 좀 더 여유있게 형성하고 해당 여유 공간을 이용하여 편광빔스플리터(80) 출사면에 직접 λ/4위상차판(90)을 본딩하는 방식이다.

도 4를 이용하여 본 발명에 따른 레이저 다이오드 액정 광학엔진를 제조하는 공정을 설명하기로 한다. 도 4에 제시된 레이저 다이오드 액정 광학엔진은 모든 광학모듈을 경통(13)의 각 삽입홈에 위치시킨다. 이때 편광빔스플리터(80)의 출사면에는 UV 경화 접착제를 전면(全面)적으로 도포하고 λ/4위상차판(90)을 위치시킨 상태에서 경통(13)의 해당 삽입홈에 설치한다. 모든 광학모듈을 경통(13)의 해당 위치에 삽입한 후 암실에서 레이저 다이오드(10R, 10G, 10B) 및 광모듈레이터(60)를 전체 화면이 블랙 영상을 구현하도록 동작시킨다. 전술한 이유로 약간의 빛샘이 발생하여 완전 블랙이 구현되지 않는다. 작업자는 λ/4위상차판(90)을 회전시키면서 완전한 블랙을 구현하는 위치에 λ/4위상차판(90)을 회전시킨 후 UV광을 조사하면 레이저다이오드 액정 프로젝터 제작이 완성된다.

도 4의 경우 λ/4위상차판(90)이 편광빔스플리터(80)의 출사면에 직접 본딩 처리되므로 λ/4위상차판(90)과 광모듈레이터(60) 사이 간격은 1mm로 유지할 수 있으므로 도 2에 제시된 구조에 비해 간격이 두 배 넓어지므로 작업자가 λ/4위상차판(90)을 회전시키는 것이 상대적으로 수월하다. λ/4위상차판(90)을 편광빔스플리터(80)의 출사면에 직접 본딩 처리할 때, λ/4위상차판(90)의 중심부에 액상의 UV 경화 접착제를 바르고 편광빔스플리터(80)의 출사면과 합착시키면 액상의 UV 경화 접착제의 표면 장력에 의해 전면에 골고루 도포된다. 이때 액상의 UV 경화 접착제의 점도가 너무 낮을 경우 λ/4위상차판(90)을 편광빔스플리터(80)에 접촉할 때 물처럼 아래로 흘러내려서 λ/4위상차판(90)과 편광빔스플리터(80) 사이에 남아있는 UV 경화 접착제가 적게 될 수 있다. 반대로 점도가 너무 높게 되면 액상의 UV 경화 접착제가 대향면에 얇고 넓게 퍼지지 않고 위상판의 중심부에 응축되는 현상이 발생할 수 있다. 따라서 액상의 UV 경화 접착제의 점도는 200 ~ 3,000 센티포아즈(cps)가 적합하다.

또한, 액상 UV 경화 접착제는 프로젝터를 구성하는 λ/4위상차판(90) 및 편광빔스플리터(80) 등의 광학계에 영향을 주지 않기 위해서는 1.4 ~ 1.6 사이의 굴절율을 갖는 것이 바람직하며 투과율은 97%이상인 것을 사용하는 것이 바람직하다.

UV 경화 접착제로 사용할 수 있는 대표적인 접착제로는 OCA(Optically Clear Adhesive) 및 OCR(Optically Clear Resin)가 있다. OCA는 양면에 접착제가 도포된 필름 형태로 제공되며, OCR은 비정형의 액상 형태로 제공된다. 액상인 OCR의 경우에는 부품 사이에 형성되는 미세한 공기층 제거에 효과적인 특징을 가지고 있으므로 본 발명에서는 OCR을 사용하는 것이 바람직하다.

광학적 접착소재는 다양한 성분으로 제조할 수 있다. 주로 사용되는 접착소재로는 아크릴(Acryl)계, 실리콘(Silicone)계, 우레탄(Urethane)계 등의 성분이 있으며, 이 중에서 아크릴 계열의 접착소재가 투명성도 좋으며 UV를 통해 빠르게 경화시킬 수 있어 가장 적합하다.

또한, 도 4의 경우 편광빔스플리터(80)의 출사면과 λ/4위상차판(90) 전체가 밀착되면서 UV 접착제가 발라지므로 UV접착제가 얇게 전체적으로 고른 두께로 도포되는 장점이 있다. 따라서 도 2와 달리 유효화면을 형성하기 위해 편광빔스플리터(80)와 광모듈레이터(60) 사이의 광경로 상에 접착제가 도포되더라도 화질에 영향을 주지 않는 이점이 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 다이오드 액정 광학엔진의 구조도이다. 도 2에 제시된 레이저 다이오드 액정 광학엔진과 구조적인 차이점은 경통(13)에는 편광빔스플리터(80)의 출사면 및 광모듈레이터(60)의 입사면 사이 공간에 λ/4위상차판(90)을 설치하기 위한 별도 홈을 형성하지 않고 광모듈레이터(60)의 입사면을 좀 더 여유있게 형성하고 해당 여유 공간을 이용하여 광모듈레이터(60)의 입사면에 직접 λ/4위상차판(90)을 본딩하는 방식이다. 도 5에 제시된 레이저 다이오드 액정 광학엔진의 제조 방법은 도 4에 제시된 방식과 유사하므로 설명을 생략하기로 한다.

편광빔스플리터(80)의 출사면 또는 광모듈레이터(60)의 입사면에 도포되는 접착제로는 투명한 재질의 UV 광경화제를 사용할 수 있다. λ/4위상차판(90)과 편광빔스플리터(80) 사이에 도포되는 UV광경화제는 얇고 고르게 액상상태로 유지되기 때문에 표면장력에 의해 λ/4위상차판(90)은 편광빔스플리터(80) 출사면에 부착되어서 외부의 힘에 부드럽게 밀려 움직이는 상태이기 때문에 위상판의 회전각도를 임의대로 조절할 수 있다. 또한, 마찰에 의한 디브리스(Debris) 발생이 없고 경화 중 위치 이탈이 되지 않는 이점이 있으므로 최적의 위치에서 UV를 조사하여 경화시킬 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 일 실시예로서, 편광빔스플리터와 λ/4위상차판의 접착 각도 범위를 설명하는 개념도이다. 도 6(a)는 편광빔스플리터(70) 표면에 λ/4위상차판(90)이 접착된 실시예를 도시한 것이며, 도 6(b)는 도 6(a)의 화살표 방향에서 편광빔스플리터(70) 표면을 바라볼 때, 편광빔스플리터(70) 표면에 λ/4위상차판(90)이 부착되는 각도를 설명하는 도면이다. 편광빔스플리터(70) 표면과 λ/4위상차판(90)은 직사각 형상으로 구비되며, 양자는 광축을 기준으로 5°이하의 범위 내에서 접착된다.

도 7은 광모듈레이터와 λ/4위상차판 사이의 틸트 각도에 의한 휘도 변화를 설명하기 위한 개념도이다. 도 7에 도시된 바와 같이 λ/4위상차판(90)이 광모듈레이터와 θ만큼 틸트되면 블랙 영역이 확장되면서 누설광을 차단할 수 있다. 하지만 이와 같은 틸트 현상에 의해 화이트 영역이 감소되므로 밝기가 감소되는 문제점이 수반된다. 따라서 λ/4위상차판(90)을 광축을 기준으로 5°를 초과하도록 틸트시킬 경우 본원 발명자이 직접 측정해 본 결과 밝기가 상당히 감소되므로 틸트각은 5°이하 범위 내로 유지하는 것이 바람직하다.

지금까지 설명한 실시예에서 디퓨저(20)는 광원(10R, 10G, 10B)과 빔쉐이퍼(30) 사이에 설치되는 것으로 설명하였으나, 디퓨저(20)의 설치 위치는 광원과 편광빔스플리터(80) 사이 광경로상의 어느 위치에 설치하여도 무방하다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

10: 레이저 광원 10R: R광원
10G: G광원 10B: B광원
13: 경통 20: 디퓨저
30: 빔쉐이퍼 40: 필드렌즈
41: 제1필드렌즈 43: 제2필드렌즈
50, 50R, 50G, 50B: 다이크로익 미러
51, 53: 반사경 60: 광모듈레이터
70: 투사렌즈 80: 편광빔스플리터
90: λ/4위상차판

Claims (13)

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8. 레이저다이오드를 광원으로 사용하고, 액정소자를 광모듈레이터로 사용하며 편광빔스플리터를 구비하는 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 제조하는 방법으로서,
   편광빔스프리터의 출사면에 UV 경화 접착제를 전면적으로 도포하는 제1단계와,
   λ/4위상차판을 편광빔스플리터의 출사면에 위치시키는 제2단계와,
   λ/4위상차판이 합치된 편광빔스플리터를 경통에 위치시키는 제3단계와,
   암실에서 레이저다이오드 및 광모듈레이터를 블랙 영상을 구현하도록 동작시키는 제4단계 및
   완전한 블랙 영상이 구현되도록 λ/4위상차판을 회전시킨 후 UV광을 조사하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 제조하는 방법.
   
9. 제8항에 있어서,
   상기 UV 경화 접착제의 점도는 200 ~ 3,000 cps인 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 제조하는 방법.
   
10. 레이저다이오드를 광원으로 사용하고, 액정소자를 광모듈레이터로 사용하며 편광빔스플리터를 구비하는 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 제조하는 방법으로서,
    λ/4위상차판의 중심부에 액상의 UV 경화 접착제를 도포하는 제1단계와,
    UV 경화 접착제가 도포된 λ/4위상차판을 편광빔스플리터의 출사면에 합치시키는 제2단계와,
    λ/4위상차판이 합치된 편광빔스플리터를 경통에 위치시키는 제3단계와,
    암실에서 레이저 다이오드 및 광모듈레이터를 블랙 영상을 구현하도록 동작시키는 제4단계 및
    완전한 블랙 영상이 구현되도록 λ/4위상차판을 회전시킨 후 UV광을 조사하는 제5단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 제조하는 방법.
    
11. 제10항에 있어서,
    상기 UV 경화 접착제의 점도는 200 ~ 3,000 cps인 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 액정 광학 엔진을 제조하는 방법.
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