KR19980052816A - 액정 프로젝터 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 편광분리 코팅면에 입사하는 빔(beam)의 각도를 임의로 조절하여 편광도를 높이고 파장에 따른 민감도를 줄일 수 있는 액정 프로젝터 광학계에 관한 것으로서, 광원과, 상기 광원에서 출사되는 빛을 한쪽 방향으로 진행하도록 반사시키는 제1 반사수단과, 상기 광원의 출사빔을 S편광빔 및 P편광빔으로 분리하는 편광빔 분리수단과, 상기 편광빔 분리수단에서 출사되는 S편광빔과 P편광빔이 동일한 방향으로 진행하도록 반사시키는 제2 반사수단과, 상기 제2 반사수단에서 방향이 바뀐 S편광빔의 위상을 변경시키는 편광변환수단과, 상기 P편광빔 및 S편광빔을 집광하는 광폭변환수단을 구비하되,

상기 편광빔 분리수단은 제1 평면 글래스와, 상기 제1 평면 글래스의 입사면에 형성된 제1 편광분리 코팅면과, 상기 제1 편광분리 코팅면 상에 접합되는 제2 평면 글래스를 포함하여 구성하되, 상기 제1 편광분리 코팅면과 입사빔 사이의 각도가 조절가능하도록 자유도를 갖고 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

액정 프로젝터 광학계

본 발명은 액정 프로젝터 광학계에 관한 것으로서 특히, 편광분리 코팅면에 입사하는 빔(beam)의 각도를 임의로 조절하여 편광도를 높이고 파장에 따른 민감도를 줄일 수 있는 액정 프로젝터 광학계에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술에 의한 액정(LCD) 프로젝터에서 편광분리 프리즘(polarization beam spiltter : 이하 PBS 라 한다.)을 사용하는 광학계의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1에서, 참조번호 10은 광원을 나타내고, 20은 상기 광원(10)에서 출사되는 빛을 한쪽 방향으로 진행하도록 반사시키는 포물선 형상의 제1 반사경을 나타내고, 30은 상기 광원(10)에서 출사되는 빛을 S편광빔 및 P편광빔으로 분리하는 PBS를 나타내고, 40은 상기 PBS(30)에서 출사되는 S편광빔을 P편광빔과 동일한 방향으로 진행하도록 반사시키는 판형의 제2 반사경을 나타내며, 50은 상기 제2 반사경(40)에서 방향이 바뀐 S편광빔의 위상을 180도 이동시켜 통과시키는 λ/2 플레이트를 나타낸다.

또한, 참조번호 60은 상기 PBS(30)에서 출사되는 P편광빔과 λ/2 플레이트(50)를 통과한 S편광빔을 집광하는 집광렌즈를 나타내고, 70 및 80은 상기 집광렌즈(60)와 스크린(미도시)의 사이에 순차로 배치된 LCD 및 투사렌즈를 나타낸다.

한편, 상기 PBS(30)의 편광 분리면은 도 2에 도시된 바와 같이 수평면과 45도의 각을 이루며, 입사되는 빛은 상기 편광 분리면과 45도의 각을 이룬다. 이때, 출사되는 P편광빔은 상기 편광 분리면을 그대로 통과하여 진행하고, S편광빔은 상기 편광 분리면에서 입사빔과 90도의 각을 이루며 진행한다.

도 3은 글래스의 굴절율이 1.5일 때 입사빔의 편광빔(P/S) 분리 특성을 나타내는 그래프이다.

상기 도 3에 도시된 바와 같이 글래스의 굴절율이 1.5일 때 입사각이 56°에서 P파의 반사율이 0 즉, P파가 전부 투과됨을 알 수 있다. 따라서, 파장의 의존도와 입사빔의 각도 의존도를 최소화하기 위해서는 56°를 기준으로 편광 분리를 설계하여야 한다.

그러나, 상기와 같은 종래의 기술에서는 편광 분리 프리즘의 블록이 크기 때문에 재료비 및 가공비가 상승하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 편광분리 프리즘을 사용하지 않고 다수의 평면 글래스를 사용하고 그 사이에 편광분리 코팅면을 형성하되 입사되는 빛의 각도를 임의로 조절가능하도록 구성함으로써 편광도를 높일 수 있는 동시에 제품의 단가를 줄일 수 있는 액정 프로젝터 광학계를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래 기술에 의한 액정 프로젝터 광학계의 구성을 나타내는 도면,

도 2는 종래의 편광분리프리즘(PBS)에서 광 진행을 나타내는 도면,

도 3은 굴절율이 1.5인 글래스(glass)의 편광빔 분리특성 그래프,

도 4는 본 발명에 의한 액정 프로젝터 광학계의 구성을 나타내는 도면,

도 5는 본 발명에 의한 편광빔 분리수단의 상세도면,

도 6은 본 발명에 의한 편광빔 분리수단의 제2 실시예를 나타내는 도면,

도 7은 편광분리 코팅면을 구성하는 코팅층의 일 실시예를 나타내는 도면,

도 8은 코팅층 개수의 변화에 의한 P파 반사율의 변화 그래프,

도 9는 코팅 두께에 따른 입사각과 P파 반사율의 관계 그래프,

도 10 및 도 11은 편광분리 코팅면을 입사면과 평행하지 않도록 형성하여 S파의 출사빔 방향을 조정하는 실시예를 나타내는 도면,

도 12 및 도 13은 평면 글래스의 수를 늘여 S파의 출사빔 방향을 조정하는 실시예를 나타내는 도면.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광원과, 상기 광원에서 출사되는 빛을 한쪽 방향으로 진행하도록 반사시키는 제1 반사수단과, 상기 광원의 출사빔을 S편광빔 및 P편광빔으로 분리하는 편광빔 분리수단과, 상기 편광빔 분리수단에서 출사되는 S편광빔과 P편광빔이 동일한 방향으로 진행하도록 반사시키는 제2 반사수단과, 상기 제2 반사수단에서 방향이 바뀐 S편광빔의 위상을 변경시키는 편광변환수단과, 상기 P편광빔 및 S편광빔을 집광하는 광폭변환수단을 구비하는 액정 프로젝터 광학계에 있어서,

상기 편광빔 분리수단은 제1 평면 글래스와, 상기 제1 평면 글래스의 입사면에 형성된 제1 편광분리 코팅면과, 상기 제1 편광분리 코팅면 상에 접합되는 제2 평면 글래스를 포함하여 구성하되, 상기 제1 편광분리 코팅면과 입사빔 사이의 각도가 조절가능하도록 자유도를 갖고 배치되는 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계를 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제2 평면 글래스의 입사면에 P편광 성분의 반사를 줄이기 위해 제2 편광분리 코팅면을 형성한다. 이때, 상기 제2 편광분리 코팅면은 무반사(antireflection) 코팅된다.

또한, 상기 제1 편광분리 코팅면은 그 법선이 입사빔과 45° 내지 65°의 각도를 이루어지며, 각각 굴절율이 다른 다수의 코팅층으로 이루어진다. 이때, 상기 코팅층이 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제1 막과, 굴절율이 높은 재질로 형성된 제2 막으로 이루어지면, 그 코팅 두께는 각각 λ/4(λ:입사광의 중심파장)로 형성된다.

한편, 상기 코팅층이 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제1 막과, 굴절율이 높은 재질로 형성된 제2 막과, 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제3 막이 순차적으로 코팅되어 이루어지면, 상기 제1 막 및 제3 막의 코팅 두께는 각각 λ/8(λ:입사광의 중심파장)로 형성되고, 상기 제2 막의 코팅 두께는 λ/4로 형성된다.

한편, 상기 코팅층이 굴절율이 높은 재질로 형성된 제1 막과, 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제2 막과, 굴절율이 높은 재질로 형성된 제3 막이 순차적으로 코팅되어 이루어지면, 상기 제1 막 및 제3 막의 코팅 두께는 각각 λ/8(λ:입사광의 중심파장)로 형성되고, 상기 제2 막의 코팅 두께는 λ/4로 형성된다.

또한, 상기 제1 편광분리 코팅면은 S파의 진행방향을 조절할 수 있도록 입사면 및 출사면과 평행하지 않게 형성될 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 구성은, 광원과, 상기 광원에서 출사되는 빛을 한쪽 방향으로 진행하도록 반사시키는 제1 반사수단과, 상기 광원의 출사빔을 S편광빔 및 P편광빔으로 분리하는 편광빔 분리수단과, 상기 편광빔 분리수단에서 출사되는 S편광빔과 P편광빔이 동일한 방향으로 진행하도록 반사시키는 제2 반사수단과, 상기 제2 반사수단에서 방향이 바뀐 S편광빔의 위상을 변경시키는 편광변환수단과, 상기 P편광빔 및 S편광빔을 집광하는 광폭변환수단을 구비하는 액정 프로젝터 광학계에 있어서,

상기 편광빔 분리수단은 순차 접합된 제1,제2,제3,제4 평면 글래스와, 상기 각 평면 글래스의 사이에 형성된 제1,제2,제3 편광분리 코팅면을 포함하여 구성하되, 상기 각 평면 글래스의 굴절율이 각각 n1,n2,n2,n1으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계를 제공한다.

본 발명의 실시예에 의하면, 상기 제2 편광분리 코팅면은 S파의 진행방향을 조절할 수 있도록 입사면 및 출사면과 평행하지 않게 형성되고, 상기 평면 글래스의 일부를 깍아서 S파의 출사방향이 입사빔과 수직을 이루도록 할 수 있다.

이하, 본 발명에 의한 액정 프로젝터 광학계의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 본 발명에 의한 액정 프로젝터 광학계의 구성을 나타내는 도면이고, 도 5는 본 발명에 의한 편광빔 분리수단의 상세도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 액정 프로젝터 광학계는 광원(110)과, 상기 광원(110)에서 출사되는 빛을 한쪽 방향으로 진행하도록 반사시키는 포물성 형상의 제1 반사경(120)과, 상기 광원(110)의 출사빔을 S편광빔 및 P편광빔으로 분리하는 편광빔 분리수단(130)과, 상기 편광빔 분리수단(130)에서 출사되는 S편광빔과 P편광빔이 동일한 방향으로 진행하도록 반사시키는 판형의 제2 반사경(140)과, 상기 제2 반사경(140)에서 방향이 바뀐 S편광빔의 위상을 변경시키는 편광변환수단(150)과, 상기 P편광빔 및 S편광빔을 집광하는 광폭변환수단(160)을 포함하여 구성된다.

도 5를 참조하면, 상기 편광빔 분리수단(130)은 제1 평면 글래스(131)와, 상기 제1 평면 글래스(131)의 입사면에 형성된 제1 편광분리 코팅면(132)과, 상기 제1 편광분리 코팅면(132) 상에 접합되는 제2 평면 글래스(133)를 포함하여 구성한다. 이때, 상기 제1 편광분리 코팅면(132)의 법선과 입사빔 사이의 각도()가 조절가능하도록 자유도를 갖고 배치된다. 상기의 각도()는 45° 내지 65°가 적절하다.

도 6을 참조하면, 상기 제2 평면 글래스(133)의 입사면에 P편광 성분의 반사를 줄이기 위해 제2 편광분리 코팅면(134)을 형성할 수 있다. 이때, 상기 제2 편광분리 코팅면(134)은 무반사(antireflection) 코팅된다.

상기 도 5 및 도 6에서의 동작을 설명하면, 광원으로부터의 입사빔은 상기 제2 편광분리 코팅면(134)에서 S파의 일부(10% 내지 20%)가 반사되고, 상기 제2 평면 글래스(133)에서는 소정의 각으로 굴절된다. 이때, 진행하고 있는 빔은 P파 50%와 S파 30% 내지 40%가 포함되어 있다.

상기의 빔은 제1 편광분리 코팅면(132)에서 S파 30% 내지 40%가 반사된다.

도 5에서 참조부호,는 제2 편광분리 코팅면 및 제1 편광분리 코팅면에서 입사빔과 법선과의 각도를 나타내는 데, 상기 제2 편광분리 코팅면(134)에서의 각이 상기 제1 편광분리 코팅면(132)에서의 각보다 크다.

한편, 상기 제1 편광분리 코팅면(132)은 각각 굴절율이 다른 다수의 코팅층으로 이루어진다.

도 7은 상기 제1 편광분리 코팅면(132)을 구성하는 코팅층의 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 7을 참조하면, 상기 제1 편광분리 코팅면(132)은 굴절율이을 갖는 코팅층을 단위로 한다. 상기 코팅층은 높은 굴절율()을 갖는 제1 막과, 낮은 굴절율()을 갖는 제2 막과, 높은 굴절율()을 갖는 제3 막이 순차적으로 코팅되어 이루어진다. 이때, 상기 제1 막 및 제3 막의 코팅 두께는 각각 λ/8(λ:입사광의 중심파장)로 형성되고, 상기 제2 막의 코팅 두께는 λ/4로 형성된다. 이를 다음의 식으로 표현할 수 있다.

상기 도 7을 참조하여 빔을 진행 동작을 설명하면 다음과 같다.

먼저, Snell의 굴절법칙에 의하여 하기의 식이 구해지고,

또한, Brewster's angle 에 의하여 하기의 식이 구해진다.

,

결국, 평판 글래스의 굴절율 n에 대하여 다음과 같이 표시할 수 있다.

따라서, 예를 들어이면가 된다.

도 8은 코팅층 개수의 변화에 의한 P파 반사율의 변화를 나타내는 그래프로서, 코팅층 개수가 많을수록 P파의 반사율이 낮아지는 것을 나타낸다.

한편, 다른 실시예에 의하면 상기 코팅층은 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제1 막과, 굴절율이 높은 재질로 형성된 제2 막으로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제1 막 및 제2 막의 두께는 각각 λ/4(λ:입사광의 중심파장)로 형성된다. 이를 다음의 식으로 표현할 수 있다.

또한, 상기 코팅층은 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제1 막과, 굴절율이 높은 재질로 형성된 제2 막과, 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제3 막이 순차적으로 코팅되어 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제1 막 및 제3 막의 두께는 각각 λ/8(λ:입사광의 중심파장)로 형성되고, 상기 제2 막은 λ/4로 형성된다. 이를 다음의 식으로 표현할 수 있다.

도 9는 상기의 각 실시예에서 5개의 코팅층을 사용하는 경우에 코팅 두께에 따른 입사각과 P파 반사율의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 9를 참조하면, 액정 프로젝터와 같이 광원의 크기가 1 내지 5mm 인 조명 광학계의 경우에는의 코팅을 하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 것을 이용하면, 상기 제2 편광분리 코팅면은 Brewster's angle()에 의하여 결정한다.

예를 들어 n = 1.52 이면= 56.66°가 된다.

이때,=로 설정하면, P파는 완전히 투과하고 S파는 10 내지 20% 반사하게 된다.

한편, 상기 제1 편광분리 코팅면에서는의 코팅층을 m층으로 형성하여 P파는 모두 투과하고 S파는 모두 반사하도록 설계한다.

한편, 도 10을 참조하면, 본 발명의 편광빔 분리수단(130)은 제1 평면 글래스(131)와 제2 평면 글래스(133)의 사이에 형성된 제1 편광분리 코팅면(132)을 S파의 진행방향을 조절할 수 있도록 입사면 및 출사면과 평행하지 않게 형성할 수 있다.

또한, 도 11에 도시된 바와 같이 상기 평면 글래스의 일부를 깍아서 S파의 출사방향이 입사빔과 수직을 이루도록 할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 실시예에 의하면, 도 12에 도시된 바와 같이 편광빔 분리수단을 순차 접합된 제1,제2,제3,제4 평면 글래스(211,212,213,214)와, 상기 각 평면 글래스(211,212,213,214)의 사이에 형성된 제1,제2,제3 편광분리 코팅면(221,222,223)을 포함하여 구성하되, 상기 각 평면 글래스의 굴절율이 각각 n1,n2,n2,n1으로 이루어진다. 이때, 상기 제2 편광분리 코팅면(222)은 도 13에 도시된 바와 같이 S파의 진행방향을 조절할 수 있도록 입사면 및 출사면과 평행하지 않게 형성될 수 있다. 상기 제2 편광분리 코팅면(222)이 중심성에 대해 θ의 각도로 회전되면 S파의 출사빔은 2θ의 각이 변경된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명의 편광 변환 장치는 편광분리 코팅면으로 입사되는 빛의 각도를 임의로 조절함으로써 편광도를 높일 수 있으며, 액정 프로젝터의 경우 빔 각도에 따른 콘트라스트의 저하를 방지할 수 있으며, 광효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Claims (15)

1. 광원과, 상기 광원에서 출사되는 빛을 한쪽 방향으로 진행하도록 반사시키는 제1 반사수단과, 상기 광원의 출사빔을 S편광빔 및 P편광빔으로 분리하는 편광빔 분리수단과, 상기 편광빔 분리수단에서 출사되는 S편광빔과 P편광빔이 동일한 방향으로 진행하도록 반사시키는 제2 반사수단과, 상기 제2 반사수단에서 방향이 바뀐 S편광빔의 위상을 변경시키는 편광변환수단과, 상기 P편광빔 및 S편광빔을 집광하는 광폭변환수단을 구비하는 액정 프로젝터 광학계에 있어서,

   상기 편광빔 분리수단은 제1 평면 글래스와, 상기 제1 평면 글래스의 입사면에 형성된 제1 편광분리 코팅면과, 상기 제1 편광분리 코팅면 상에 접합되는 제2 평면 글래스를 포함하여 구성하되, 상기 제1 편광분리 코팅면과 입사빔 사이의 각도가 조절가능하도록 자유도를 갖고 배치되는 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제2 평면 글래스의 입사면에 P편광 성분의 반사를 줄이기 위해 제2 편광분리 코팅면을 형성한 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제2 편광분리 코팅면은 무반사(antireflection) 코팅된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 편광분리 코팅면은 그 법선이 입사빔과 45° 내지 65°의 각도를 이루도록 배치된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 편광분리 코팅면은 각각 굴절율이 다른 다수의 코팅층으로 이루어진 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 코팅층은 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제1 막과, 굴절율이 높은 재질로 형성된 제2 막으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제1 막 및 제2 막의 두께는 각각 λ/4(λ:입사광의 중심파장)로 형성된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
8. 제 5 항에 있어서,

   상기 코팅층은 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제1 막과, 굴절율이 높은 재질로 형성된 제2 막과, 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제3 막이 순차적으로 코팅되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 제1 막 및 제3 막의 두께는 각각 λ/8(λ:입사광의 중심파장)로 형성되고, 상기 제2 막은 λ/4로 형성된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
10. 제 5 항에 있어서,

    상기 코팅층은 굴절율이 높은 재질로 형성된 제1 막과, 굴절율이 낮은 재질로 형성된 제2 막과, 굴절율이 높은 재질로 형성된 제3 막이 순차적으로 코팅되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
11. 제 10 항에 있어서,

    상기 제1 막 및 제3 막의 코팅 두께는 각각 λ/8(λ:입사광의 중심파장)로 형성되고, 상기 제2 막의 코팅 두께는 λ/4로 형성된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
12. 제 1 항에 있어서,

    상기 제1 편광분리 코팅면은 S파의 진행방향을 조절할 수 있도록 입사면 및 출사면과 평행하지 않게 형성된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
13. 광원과, 상기 광원에서 출사되는 빛을 한쪽 방향으로 진행하도록 반사시키는 제1 반사수단과, 상기 광원의 출사빔을 S편광빔 및 P편광빔으로 분리하는 편광빔 분리수단과, 상기 편광빔 분리수단에서 출사되는 S편광빔과 P편광빔이 동일한 방향으로 진행하도록 반사시키는 제2 반사수단과, 상기 제2 반사수단에서 방향이 바뀐 S편광빔의 위상을 변경시키는 편광변환수단과, 상기 P편광빔 및 S편광빔을 집광하는 광폭변환수단을 구비하는 액정 프로젝터 광학계에 있어서,

    상기 편광빔 분리수단은 순차 접합된 제1,제2,제3,제4 평면 글래스와, 상기 각 평면 글래스의 사이에 형성된 제1,제2,제3 편광분리 코팅면을 포함하여 구성하되, 상기 각 평면 글래스의 굴절율이 각각 n1,n2,n2,n1으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 제2 편광분리 코팅면은 S파의 진행방향을 조절할 수 있도록 입사면 및 출사면과 평행하지 않게 형성된 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.
15. 제 1 항에 있어서,

    상기 평면 글래스의 일부를 깍아서 S파의 출사방향이 입사빔과 수직을 이루도록 하는 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터 광학계.