KR20010033014A

KR20010033014A - Ｌｃｄ 영사기용 평면 편광자

Info

Publication number: KR20010033014A
Application number: KR1020007006367A
Authority: KR
Inventors: 데니스 에프. 반더워프
Original assignee: 스프레이그 로버트 월터; 미네소타 마이닝 앤드 매뉴팩춰링 캄파니
Priority date: 1997-12-11
Filing date: 1998-11-03
Publication date: 2001-04-25
Also published as: KR100566020B1; EP1038201A1; MXPA00005282A; CA2312127A1; AU1298599A; WO1999030201A1; US5940149A; CN1157626C; CN1281556A; TW430746B; JP2001526405A

Abstract

본 발명은 광원, 조준 렌즈, 평면 편광 변환기, 액정 표시 패널 및 투영 렌즈를 포함하는 액정 표시 영사기에 관한 것이다. 조준 렌즈는 광원으로부터 광 비임을 수용하여 조준된 광 비임을 생성시키도록 광학적으로 정렬된다. 평면 편광 변환기는 조준된 광 비임을 수용하도록 조준 렌즈의 앞에 광학적으로 정렬된다. 편광 변환기는 제1 프리즘 표면을 갖는 프리즘 필름, 반사 편광 필름 및, 프리즘 필름과 편광 필름 시트 사이에 위치하는 ¼ 파장 리타더 필름을 포함한다. 프리즘 표면은 보각 밑각으로 위치하는 교번식 투과 프리즘 부면 및 반사 프리즘 부면을 갖고, 이 때 반사 프리즘 부면은 제2 밑각 β로 위치하며 투과 프리즘 부면은 일반적으로 180。-β와 동일한 제1 밑각으로 위치한다.

Description

ＬＣＤ 영사기용 평면 편광자 {Planar Polarizer For LCD Projectors}

본 발명은 편평 편광 변환기 및 신규 편평 편광 변환기를 포함하는 액정 표시 (LCD) 영사 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 예를 들면, 완전색 큰 대각면 (full-color large-diagonal) LCD 영사 시스템에 사용하기 위한 소형 평면 편광 변환기에 관한 것이다. 큰 대각면 LCD 장치는 150 mm를 넘는 대각면 치수를 갖는 장치로서 정의된다. 본 발명의 편광 변환기는 편광되지 않은 광원으로부터 넓은 영역에 걸쳐 효율적으로 선형 편광을 생성시키는 평면 부품을 포함한다.

일부 단일 패널 LCD 장치, 구체적으로는 영사 시스템은 편광을 필요로 한다. 효율적인 평면 편광 장치는 소형 및 휴대용 LCD 장치의 디자인에 크게 도움이 될 수 있다.

편광되지 않은 광은 선형 성분 및 직각 성분을 포함한다. LCD 영사 패널용 편광을 생성시키는 일반적인 방법은 편광 비임 스플리터 (PBS) 입방체의 사용을 포함한다. 선형으로 편광된 성분 광은 PBS 입방체에 의해 투과되어 LCD 패널로 보내지는 반면, 직각 성분은 수직 방향으로 반사된다. 편광을 생성시키는 다른 일반적인 방법은 광원과 LCD 패널 사이에 위치하는 흡수 염료 또는 요오드 기재 편광자 필름의 사용을 포함한다. 흡수 필름은 단일 성분 선형 편광을 한 방향으로 투과시키는 반면, 직각 성분은 흡수한다. 흡수 편광자 필름은 종종 시판되는 LCD 패널 내로 일체적으로 포함된다. 별법으로는, 별도의 편광자 플레이트가 광원과 LCD 사이에 위치할 수 있다.

PBS 입방체 및 흡수 편광자 방법은 모두 광원으로부터 이용가능한 광의 최대로 단지 절반만이 LCD 패널을 통한 투과용 편광으로 변환된다는 점에서 비효율적이다. PBS 입방체로부터 반사된 편광 성분을 재활용하려는 시도들이 행하여져 왔다. 그러나, 고체 유리 PBS 입방체는 부피가 커서 소형 또는 평면용으로는 적용할 수 없다.

최근에, 반사 편광 시트 필름이 개발되었다. 흡수 시트 편광자 대신, 반사 편광 시트 필름의 사용은 광원의 방향으로 광 비임의 s-편광 성분을 다시 반사시킬 수 있게 만든다. 반사된 편광을 광원 뒤의 구형 반사경으로 돌려 보내어 다시 LCD 패널로 보내는 방법들이 설명되어 왔다. 그러나, 이들 방법은 광의 효율적인 재활용을 위해서는 광학 부품들의 극도로 정확한 위치조정을 필요로 한다. 또한, 이들 방법 역시 소형용으로 용이하게 적합하지 않다.

다른 시스템들은 광을 광원으로 돌려보내지 않고서 다양한 타입의 편광 생성 필름으로부터 반사된 편광을 재활용함으로써 효율을 개선시키려는 시도를 하였다. 이들 시스템 중의 몇몇은 편광 성분들을 분리시키기 위하여 홀로그래피 광학 소자를 사용하는 편광 변환 장치를 사용한다. 이들 시스템은 모두 상당한 공간을 차지할 수 있기 때문에 큰 게이트 (large-gate) LCD 패널용 또는 소형용으로 적합하지 않다.

최근에, 플레이트 유사 소자 내에서 편광으로 변환시키고 편광을 재활용하는 시스템이 발표되었다.

도 1은 미국 특허 제5,566,367호에 예시된 초기 플레이트 유사 변환기 (10)을 예시한다. 편광되지 않은 조준된 입사광의 비임을 수렴 마이크로렌즈 (32) 및 오목 마이크로렌즈 (34)를 포함하는 렌스형 소자 (30)에 의해 조준된 서브비임 (22)로 축소한다. 서브비임 (22)는 제2 프리즘 소자 (40) 상으로 입사된다. 선형으로 편광된 비임 (24)는 프리즘 소자 (40)을 빠져나간다. 프리즘 소자 (40)은 일련의 ¼ 파장 리타더 필름 (quarter-wave retarder film) (44) 및 반사 편광 비임 스플리팅 코팅 (46)을 갖는 제1 입사 측면 프리즘 (42)를 포함한다. 전체 반사경 (48)이 측면 프리즘 (50)의 접촉 표면 상에 형성된다. 이러한 편광 변환기 (10)에서는, 수렴 마이크로렌즈 (32) 및 오목 마이크로렌즈 (34) 사이에서의 정확한 위치설정이 요구된다. 더욱 중요하게는, 렌즈형 소자 (30)과 제2 프리즘 소자 (40) 사이, 보다 정확하게는 오목 마이크로렌즈 (34) 및 제1 입사 프리즘 (42) 사이에서의 정확한 위치맞추기가 효율적인 작업을 위해서는 필수적이다. 마찬가지로, 소자들의 정확한 두께 조절도 유사하게 요구된다. 이들의 정확한 위치조정 및 두께 요구조건은 선택적 프리즘 표면 상에 필요한 코팅의 부착과 함께 상당한 제조상의 어려움을 제공한다.

〈발명의 요약〉

본 발명은 편광되지 않은 광을 LCD 영사기에 사용하기 적합한 선형 편광으로 효율적으로 변환시키는 얇은 평면 장치를 포함한다. 이 시스템은 별도의 광각 반사 편광자 및 리타더 시트 필름과 함께, 선형 마이크로프리즘 시트 소자를 사용할 수 있게 한다. 임의의 마이크로프리즘 소자 상에 선택적 광학 코팅이 필요하지 않고, 평면 편광 변환기의 작용은 소자 위치맞추기 및 두께와는 독립적이다.

본 발명에 따른 광 비임의 편광용 평면 편광 변환기는 차례차례로 광학적으로 정렬된 광 편의 조립체 (light deviation assembly), 양면 프리즘 필름, ¼ 파장 리타더 필름, 평면 반사 편광자 필름, 임의적인 흡수 편광 필름 및 비임 통합 필름을 포함한다.

광 편의 조립체는 광 비임을 각 β로 양면 프리즘 필름을 향해 보내진다. 프리즘 필름은 제1 프리즘 표면 및 제2 프리즘 표면을 갖고, 제1 프리즘 표면은 보각 밑각으로 위치하는 교번식 투과 프리즘 부면 또는 표면 및 반사 프리즘 부면 또는 표면을 갖는다. 반사 프리즘 부면은 제2 밑각 β₂로 위치하는 반면, 투과 프리즘 부면은 내부 제1 밑각 β₁으로 및 일반적으로 180。-β₂(이 때, β1 =β2=β임)과 같은 총 밑각으로 위치한다. 정점 각 α (이 때 α₂+2β₂=180。임)를 갖는 다수개의 역반사 선형 마이크로프리즘이 반사 프리즘 부면의 표면 상에 위치한다. 흡수 편광 필름 및 반사 편광 필름 모두가 동일한 편광 축을 따라 정렬된다. 바람직한 실시태양에서는, 리타더 필름, 반사 편광자 필름 및 흡수 편광자 필름이 얇은 유리 기판 상에 스택되어 장착된다.

별법의 실시태양에서는, 광 편의 조립체가 1개 이상의 편의 프리즘 시트 또는 1개 이상의 편의 프리즘 시트 및 시준기 (collimator)를 포함한다. 바람직한 실시태양에서는 β가 일반적으로 45。와 동일하다.

본 발명에 따른 액정 표시 영사기는 광 비임을 생성시키는 광원, 광 비임을 수용하여 조준된 광 비임을 생성시키도록 광학적으로 정렬된 조준 렌즈, 및 조준된 광 비임을 수용하도록 광학적으로 정렬된 상기한 바와 같은 평면 편광 변환기를 포함한다. 액정 표시 패널은 편광 변환기와 광학적으로 정렬되고, 영사 렌즈 조립체는 액정 패널과 광학적으로 정렬된다.

도 1은 선행 기술의 플레이트 유사 편광 변환기의 횡단면도이다.

도 2는 본 발명에 따른 평면 편광 변환기의 횡단면도이다.

도 3은 도 1에 예시한 평면 편광 변환기의 확대한 세부 횡단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 광 편의 조립체의 별법의 실시태양의 횡단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 광 편의 조립체의 제2의 별법의 실시태양의 횡단면도이다.

도 6은 경사 편광 투과 축을 갖는 본 발명에 따른 평면 편광 변환기의 투시도이다.

도 7은 본 발명에 따른 LCD 영사 시스템의 단순 개략 측면도이다.

도 8은 본 발명에 따른 제2 LCD 영사 시스템의 단순 개략 평면도이다.

도 9는 본 발명에 따른 제3 LCD 영사 시스템의 단순 개략 평면도이다.

도 10은 본 발명에 따른 제4 LCD 영사 시스템의 단순 개략 평면도이다.

도 11은 본 발명에 따른 제5 LCD 영사 시스템의 단순 개략 평면도이다.

도 2는 편광되지 않고 조준된 입사광의 비임 (12)을 편광시키기 위한 본 발명에 따른 평면 편광 변환기 (100)의 횡단면도를 예시한다. 평면 편광 변환기 (100)은 모두 차례대로 광학적으로 정렬되어 스택된 광 편의 조립체 (13), 양면 프리즘 필름 또는 시트 (140), ¼ 파장 리타더 필름 또는 시트 (160), 평면 반사 편광자 필름 또는 시트 (170), 임의적인 흡수 편광 필름 또는 시트 (180) 및 비임 통합 필름 또는 시트 (190)을 포함한다. 용어 "광학적으로 정렬된"이란 광 비임의 광 경로에 따른 위치조정으로 정의되며, 광 경로가 예를 들면 반사 표면에 의해 꺾이거나 또는 예를 들면 프리즘 표면에 의해 벗어나는 경우를 포함한다. 광 경로를 따른 광 비임의 입사 순서가 본 발명의 광학 소자에 대한 전방 및 후방 위치를 결정한다.

광 위치조정 장치 (130)은 조준 소자 및 광 편의 소자를 포함한다. 본 실시태양에서는, 광 조준 및 편의 조립체 (130)이 수렴 비임 (110)을 조준된 비임 (120)으로 바꾸는 조준 렌즈 (102) (도 7에 예시됨) 및 제1 프리즘 시트 (132)를 포함한다. 제1 프리즘 시트 (132)는 평면 표면 (134) 및 일련의 편의 프리즘 (136)을 포함한다.

광 비임 (120)은 입사각 θ로 제1 프리즘 시트 (132)로 입사된다. 편의 프리즘 (136)은 조준된 광을 전체 내부 반사 (TIR) 및 굴절에 의해 밑각 β로 (밑각은 기준 밑면 (112)에 대하여 시계반대 방향으로 측정됨) 벗어나게 한다. 본 실시태양에서는, β=45。 및 θ=90。이다. 편의 프리즘 (136)은 밑각 α₁(도 3에서 더 잘 보임) 및 입사각에 대하여 측정된 편차각 δ를 갖고, 이 때 θ=β+δ이다. 그러므로, δ=45。이다. 도 2에 예시한 실시태양의 편의 프리즘 (136)의 경우, 황색 광에 대하여 굴절율 n = 1.492를 갖는 아크릴 플라스틱의 경우 밑각 α₁= 59.15。이다. 프리즘 홈의 폭은 대표적으로는 0.1 mm 내지 0.5 mm이고, 대표적인 시트 두께는 1 mm 내지 3 mm이다.

이어서 벗어난 광선 (122)는 양면 프리즘 시트 (140)으로 들어간다. 양면 프리즘 시트 (140)은 하부 프리즘 표면 (142) 및 상부 프리즘 표면 (152)를 포함한다. 프리즘 표면 (142 및 152)는 다수개의 프리즘을 갖고, 각 프리즘은 보각인 제1 및 제2 부면 밑각으로, 즉 제1 및 제1 부면 밑각 값을 더하면 180도가 되도록 배향된 제1 및 제2 부면 또는 표면을 갖는다. 하부 프리즘 표면은 사이에 끼워진 교번식 투과 프리즘 제1 부면 (144) 및 반사 프리즘 제2 부면 (146)을 갖는다. 반사 프리즘 제2 부면 (146)은 제2 부면 밑각 β₂로 위치한다. 투과 프리즘 제1 부면 (144)는 내부 부면 밑각 β₁(기준 면에 대하여 시계방향으로 측정됨)로 위치하고, 제1 부면 밑각은 일반적으로 180。-β₁과 같다. 상부 프리즘 표면 (152)는 각각 제1 및 제2 부면 밑각 180-β₁및 β₂로 사이에 끼워지거나 또는 짜맞춰진 교번식 제1 및 제2 투과 프리즘 부면 (154 및 156)을 포함한다.

평면 편광 변환기 (100)에서, │β1│=│β2│=│β│=45도이고, 재료의 굴절률과는 독립적이다. β=45。의 값은 복제된 부품을 분리하기 어렵게 만드는 로킹 (locking)각을 피하게 하여 제조 효율을 제공한다. 제1 부면 (146 및 156)은 서로 평행하고, 평행한 제2 부면 (144 및 154)에 대하여 수직적으로 위치한다. 그러나, 당 업계의 통상의 숙련인은 상기한 각에 대하여 다수개의 상이한 값들이 선택될 수 있음을 인식할 수 있을 것이다.

투과 프리즘 부면 (144 및 154)가 서로 평행하고 벗어난 광선 (122)의 경로에 대하여 수직이기 때문에, 광선 (122)는 양면 프리즘 시트 (140)을 통하여 벗어나지 않게 통과된다. 이어서 광선 (122)는 예를 들면, 광밴드 타입 ¼ 파장 리타더, 예를 들면 일본 도꾜 소재의 니또 덴코 코포레이션 (Nitto Denko Corporation) 제품인 니또 덴코 타입 NRF-QF03A와 같은 ¼ 파장 리타더 (160)의 평면 시트를 통과하여, 광각 편광 분리 필름 (170), 예를 들면 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 3M 제품인 3M 듀얼 브라이트니스 인헨스먼트 필름 (Dual Brightness Enhancement Film) (DBEF)의 평면 시트 상에 충돌된다. 광선 (122)의 p-편광 성분 (124a)은 편광자 필름 (170)에 의해 투과되는 반면, s-편광 직각 성분 (126)은 ¼ 파장 리타더 시트 (160)을 통해 180도-베타의 각으로 다시 반사된다. ¼ 파장 리타더는 s-성분 (126)을 원형으로 편광된 광선 (128a)로 변환시킨다. 이어서 원형으로 편광된 선 (128a)는 상부 프리즘 표면 (152)의 제2 프리즘 부면 (156)을 통과한다. 제2 투과 프리즘 부면 (156)이 광선 (128a)에 수직이기 때문에, 광선 (128a)는 상부 프리즘 표면 (152)를 통해 배광되지 않게 통과하여 하부 프리즘 표면 (142)의 반사 부면 (146) 상에 충돌된다.

도 3은 반사 부면 (146) 중의 하나를 포함하여, 평면 편광 변환기 (100)의 세부 확대도를 예시한다. 반사 부면 (146)은 프리즘 부면의 표면에 형성된 일련의 마이크로프리즘 (148)을 포함한다. 마이크로프리즘 (148)은 꼭지점 각 α₂=90。를 갖고, TIR 역반사경으로 작용하며, 이 때 α₂+2β=180。이다. 광선 (128a)은 반사 부면 (146)의 표면에서 광선 (128b)로 역반사된다. 반사된 선 (128b)는 들어오는 선 (128a)와 동일한 각으로 및 반대 방향으로 되돌아간다. 예시된 실시태양에서, 하부 프리즘 표면 (142)의 기저 프리즘은 0.1 mm 내지 0.5 mm 사이의 폭을 갖는 반면, 역반사 마이크로프리즘 (148)은 0.01 내지 0.05 mm 사이의 폭을 갖는다.

도 2에 예시한 바와 같이, 이어서 반사된 원형으로 편광된 광선 (128b)는 ¼ 파장 리타더 필름 (160)을 통과할 때 p-편광 광선 (124b)로 전환된다. p-편광 광선 (124b)는 반사 편광자 필름 (170)에 의해 투과되고, 그 후, p-편광된 광선 (124b)는 프리즘 비임 통합 시트 (190) 상에 충돌된다. 요오드 또는 염료 클린업 흡수 편광자 필름 (180)은 임의의 산란 성분을 흡수하기 위하여 비임 통합 시트 (190) 앞에 위치할 수 있다. 흡수 편광 필름 (180) 및 반사 편광 필름 (170)은 모두 동일한 편광 축을 따라 정렬된다. 본 발명의 예시적 실시태양에서, 흡수 편광자는 고 콘트라스트 타입 요오드 편광자, 예를 들면 일본 도꾜 소재 니또 덴코 코포레이션 제품인 니또 덴코 타입 EG1425DUHCARP이다.

프리즘 비임 통합 시트 (190)은 프리즘 밑각 γ를 갖는 프리즘 표면 (194) 및 하부 평면 표면 (192)를 포함한다. 평면 표면 (192) 및 프리즘 표면 (194)에서의 굴절에 의해, 원래의 p-편광선 (124a) 및 변환된 p-편광선 (124b) 모두가 조준된다. 예시적인 실시태양에서는, 황색 광에 대하여 굴절율 n = 1.492를 갖는 아크릴 플라스틱의 경우 프리즘 밑각 γ= 66.1。이다. 프리즘 표면에서 프리즘 홈의 폭은 대표적으로는 0.1 mm 내지 0.5 mm이고, 대표적인 프리즘 비임 통합 시트 두께는 1 mm 내지 3 mm이다.

리타더 필름 (160), 반사 편광자 필름 (170) 및 흡수 편광 필름 (180)은 약 1 mm 두께의 얇은 유리 기판 상에 광학적으로 정렬되고 스택되며 장착된다. 모든 성분들이 밀접하게 스택되었을 때, 생성된 편광 변환기 (100)의 총 두께는 8 mm 내지 10 mm이다. 연장되고 조준된 편광되지 않은 광 비임이 이 평면 편광 변환기 (110) 상으로 입사될 때, 조준된 편광 비임이 생성된다.

도 4는 본 발명에 따른 광 편의 조립체의 광 편의 소자 (232)의 별법의 실시태양을 예시한다. 광 편의 소자 (232)는 제1 프리즘 소자 (240) 및 제2 프리즘 소자 (260)을 포함한다. 제1 프리즘 소자 (240)은 하부 평면 표면 (242) 및 일련의 프리즘 (246)을 갖는 상부 프리즘 표면 (244)를 포함한다. 각 프리즘 (246)은 제1 부면 (248) 및 제2 부면 (250)을 갖는다. 본 예시적 실시태양에서는, 하부 평면 표면 (242)가 수직이고, 제2 부면 (250)이 들어오는 조준된 편광되지 않은 광선 (220)에 평행하다. 제1 부면 (248)은 광선 (220)에 대하여 TIR의 각과 동일하거나 또는 이보다 큰 밑각 φ₁을 갖는다. 들어오는 광선 (220)은 하부 평면 표면 (242)를 통해 벗어나지 않게 통과하고, 상부 프리즘 표면 (244)의 프리즘 (246)의 제1 부면 (248)에서 TIR에 의해 벗어나게 되고, 이어서 제2 부면 (250)에서 내부 광선 (222)로서 밑각 = φ₁로 굴절된다.

제2 프리즘 소자 (260)은 하부 프리즘 표면 (262) 및 상부 평면 표면 (264)를 포함한다. 하부 프리즘 표면은 다수개의 프리즘 (266)을 포함하며, 각 프리즘은 제1 부면 (268) 및 제2 부면 (270)을 갖는다. 제2 부면 (27)은 내부 광선 (222)에 대하여 직각으로 배향된다. 제1 부면 (268)은 φ₁의 밑각으로 배향된다. 광선은 부면 (270)에서 벗어나지 않고 평면 표면 (264)에서 굴절되어, 방출 선에 대한 편차각 δ를 만들고, 이 때 δ+ β= 90。이다. 본 예에서는, β= 45。이고, 편차각 δ= 45。이다. 비록 설명한 편광 변환기의 프리즘 소자가 편차각 δ= 45。로 디자인되지만, 당업계의 통상의 숙련인들은 본 발명의 가르침을 사용하는 편광 변환 시스템은 이 편차각을 변화시켜 제조할 수 있다.

들어오는 선 (220)이 프리즘 부면 표면 (250)에 평행하고, 내부 선 (222)가 프리즘 부면 표면 (248 및 268)에 평행하기 때문에, 광선의 기하학적 차단 손실은 없고, 최소한의 기하학적 처리 손실이 있다.

도 5는 본 발명에 따른 광 편의 조립체의 제2의 별법의 광 편의 소자 (332)를 예시한다. 본 실시태양에서는, 방출 광선 (32)에 대한 바람직한 벗어나기 β가 45。와 동일하다. 광 편의 소자 (332)는 제1 프리즘 소자 (340) 및 제2 프리즘 소자 (360)을 포함한다. 제1 프리즘 소자 (340)은 하부 평면 표면 (342) 및 일련의 프리즘 (346)을 갖는 상부 프리즘 표면 (344)를 포함한다. 각 프리즘 (346)은 제1 부면 (348) 및 제2 부면 (350)을 갖는다. 광 편의 소자 (332)에서는, 하부 평면 표면 (342)가 직각이고, 제2 부면 (350)이 들어오는 조준된 편광되지 않은 광선 (320)에 평행하다. 제1 부면 (348)의 밑각 φ₁은 광선 (320)에 대하여 TIR의 각보다 작다. 들어오는 광선 (320)은 하부 평면 표면 (342)를 통해 벗어나지 않게 통과하고, 제1 부면 (348)에서 내부 광선 (322)로서 내각 φ₂로 굴절된다. 본 실시예에서는, φ₂ φ₁이다.

제2 프리즘 소자 (360)은 하부 프리즘 표면 (362) 및 상부 평면 표면 (364)를 포함한다. 하부 프리즘 표면 (362)는 다수개의 프리즘 (366)을 포함하며, 각 프리즘 (366)은 제1 부면 (368) 및 제2 부면 (370)을 갖는다. 제2 부면 (370)은 내부 광선 (322)에 대하여 직각으로 배향된다. 제1 부면 (368)은 φ₂의 밑각으로 배향되고, 내부 광선 (322)에 평행하다. 내부 광선 (322)는 제2 부면 (37)에서는 벗어나지 않지만, 평면 표면 (364)에서 굴절되어, 방출되는 선 (324)에 대하여 편차각 δ를 만든다. δ+ β= 90。이다. 본 예에서는, β = 45。이고, 편차각 δ= 45。이다. φ₂와 δ사이의 관계는 스넬의 법칙 (Snell's Law)에 의해 설명된다:

sin (δ) = n sin (/2-φ₂)

δ = asin (n cos (φ₂))

이때, n = 소자 (36)의 굴절율.

들어오는 조준된 광선 (320)은 평면 표면 (342)에서 굴절되지 않지만, 제1 부면 표면 (348) 및 평면 표면 (364)에 의해 굴절된다. 방출 광선 (324)는 편차각 = 45。에서 방출된다. 제2 부면 (350)이 들어오는 광선 (320)과 평행하고, 내부 선 (322)에 평행하기 때문에, 소자들을 통과하는 최소한의 광의 기하학적 차단 손실이 있다.

본 발명은 수용하는 액정 표시 (LCD) 패널의 편광 투과 축이 경사져 있는, 즉 편광 필름의 투과 축이 수평 또는 수직인 아닌 경우를 포함한다. 도 6은 편광 투과 축 (410)의 경사진 배향을 갖는 본 발명에 따른 프리즘 시트를 포함하는 평면 편광 변환기 조립체 (400)을 예시한다. 프리즘 시트는 편광 축 (410)에 대하여 대각선으로 위치하는 홈 (420)을 갖는다. 프리즘 홈 (420)은 별법으로는 편광 축 (410)에 평행하게 배향된다. 별법의 실시태양은 수직 또는 수평 배향 또는 45。 이외의 각의 배향을 갖는 홈을 포함할 수 있다.

도 7은 도 2 및 3에 예시된 평면 편광 변환기 (100)을 포함하는 단일 패널 LCD 영사기 조립체 (500)의 선형 형태를 예시한다. LCD 조립체 (500)은 후방 구형 반사경 (510), 광원 (520), 집광 렌즈 (530), 프레스넬 (Fresnel) 조준 렌즈 (102)를 포함하는 평면 편광 변환기 (100), 단일 패널 LCD (540), 프레스넬 시야 렌즈 (550) 및 투영 렌즈 (560)을 포함하는데, 이들은 모두 일반적으로 선형 경로를 따라 광학적으로 정렬된다.

광원 (520)은 일반적으로 유리 집광 렌즈 (530) 뒤 및 후방 구형 반사경 (510) 곡선의 반경 근처에 위치한다. 용어 광원은 백열, 텅스텐, 석영-할로겐, 금속 할로겐화물 및 다른 아크 방전 램프를 포함하는, 영사 시스템과 함께 사용될 수 있는 임의의 방사선원, 뿐만 아니라 당업계에 공지되어 있는 다른 광원을 포함한다. LCD 조립체 (500)에서, 광원 (520)은 프레스넬 조준 렌즈 (102)로부터 약 90 mm에 위치한, 독일 무니히 소재 오스람 (Osram GmbH) 제품인 오스람 타입 HMP 400 DE와 같은, 금속 할로겐화물 타입의 400 와트 방전 램프이다.

광원 (520)은 구형 반사경 (520)에 의해 앞쪽으로 향하고 집광 렌즈 (530)에 의해 굴절되는 편광되지 않은 광 (108)을 생성시킨다. 본 예시적 실시태양에서, 뒤의 유리 구형 반사경 (510)은 이색 반사 코팅과 함께 32 mm의 곡선 반경을 갖고, 집광 렌즈 (530)은 램프 (520)으로부터 광선 (108)을 수용하고 생성된 광 비임 (110)을 90 mm 초점 거리 프레스넬 조준 렌즈 (102)로 보내는 유리 구형 집광 렌즈이다.

발산 광 비임 (110)은 프레스넬 렌즈 (102)에 의해 조준된광 비임 (120)으로 조준된다. 평면 편광 변환기 (100)은 편광되지 않은 조준된광 비임 (120)을 직선으로 편광된 조준된 광선 (124)로 변환시키고 이것은 단일 패널 LCD (540) 상에 충돌된다. 광 비임 (124)는 LCD 패널을 통과하여 상 비임 (508)을 형성한다. 프레스넬 시야 렌즈 (550)은 상 비임 (508)을 투영 렌즈 (560)으로 수렴시킨다. 투영 렌즈 (560)은 LCD 패널 (540)의 상을 표시용 스크린으로 영사시킨다.

본 발명의 예시적인 실시태양에서, 조립된 평면 편광 변환기 (100)은 약 140 mm 폭 x 110 mm 높이 x 10 mm 두께이고, 160 mm 대각선 SVGA TFT-LCD 패널 (540), 일본 나라 소재의 샤프 인크. (Sharp, Inc.)로부터 예를 들면 샤프 모델 번호 LQ64SP1 앞에 위치한다. 편광 변환기의 선형 홈은 LCD 패널 (540)의 편광 투과 축에 수직으로 배향된다. 프레스넬 수렴 렌즈 (550)은 152 mm 초점 거리를 갖고 광을 LCD 패널의 상을 영사하는 167 mm 초점 거리, f/5.6 3 소자 투영 렌즈인 투영 렌즈 (550)으로 수렴시킨다.

도 8은 소자들이 광학적으로 정렬되어 있는, 광원 (620), 평면 편광 변환기 (604), 프레스넬 조준 렌즈 (602), 단일 패널 LCD (640) 및 프레스넬 수렴 렌즈 (650)을 갖는 별법의 제2 LCD 영사기 조립체 (600)을 예시한다. LCD 영사기 조립체 (600)은 또한 투영 렌즈 (660) 및 후면 구형 반사경, 및 도 7에 예시한 바와 유사한 집광 렌즈를 포함할 수 있다. LCD 영사기 조립체 (600)의 영사기 배열에서, 광원 (620) 및 프레스넬 렌즈 시준기 (602)는 밑각 180。-β 오프축으로 위치한다. 본 예에서는, β= 45。이고 밑각은 135。와 같다. 시준기 (602)의 오프축 배열은 편광 변환기 (604)의 광 위치조정 조립체에서 광 편광 소자를 필요로 하지 않는다. 별법의 실시태양에서, 시준기는 λ₁의 오프축 밑각으로 위치할 수 있고, 광 위치조정 조립체는 λ₂의 편차각을 갖는 광 편향기를 포함할 수 있으며, 이 때 λ₁+ λ₂= β이다. 편광 변환기 (604) 및 LCD 패널 (640) 사이에 삽입된, 회전하는 반파장 리타더 시트 (630)를 첨가함으로써, 편광 변환기의 편광 축은 LCD 패널 편광 축이 수평 또는 수직이 아닐 때 LCD 패널의 편광 축과 정렬되도록 회전될 수 있다.

도 9-11에서, LCD 조립체 (600)과 유사한 소자들은 마지막 두자리 수가 동일한 도면 부호로 표시한다. 도 9는 치밀한 배열을 갖는 완전색 큰 게이트 LCD 영사기 조립체 (700)를 나타내며, 여기서 광원 (720)에 의해 생성된 광선의 경로는 평면 거울 (770)에 의해 꺾여 프레스넬 조준 렌즈 (702)를 향하게 된다. LCD 영사기 조립체 (700)은 프레스넬 조준 렌즈 (702)를 포함하는 광 위치조정 조립체를 갖는 평면 편광 변환기 (704)를 포함한다. 프레스넬 렌즈 시준기 (702)는 밑각 180。-β 오프 축으로 위치하는 반면, 나머지 편광 변환기는 거울 및 LCD (740)에 평행하게 정렬된다. 회전하는 반파장 리타더 시트 (730)도 또한 나타나 있다. 본 예에서는, β= 45。이다. 도 10은 치밀한 배열을 갖는 또 다른 LCD 영사기 조립체 (800)을 나타내며, 여기서 프레스넬 렌즈 시준기 및 평면 거울은 오프축 프레스넬 반사 시준기 (880)으로 합해져서, 광 경로를 꺾이게 하고 광원 (820)에 의해 생성된 광선 (808)을 배향 및 조준시킨다. 반사 시준기는 180-베타의 밑각으로 위치하고 광선 (808)을 조준된 광 비임 (810)으로 반사시키고 조준한다. LCD 영사기 조립체 (800)은 편광 변환기 (804), 반파장 리타더 시트 (830), 및 LCD 패널 (840), 프레스넬 수렴 렌즈 (850) 및 투영 렌즈 (860)을 추가로 포함한다. 반사 시준기 (880)의 위치설정은 또한 편광 변환기 (804)에 대한 광 편의 소자를 필요로 하지 않는다.

도 11은 LCD 영사기 조립체 (900)의 다른 예시적 실시태양을 예시한다. LCD 영사기 조립체 (900)은 다른 소자들로부터 분리되어 있고 평면 변환기 (904)에 대하여 직각으로 위치하는, 광 편의 시트 (932) 및 프레스넬 렌즈 시준기 (902)를 포함하는 광 위치조정 조립체를 갖는다. 광원 (920)은 프레스넬 렌즈 시준기 (902)의 뒤에 위치한다. 프레스넬 렌즈 시준기 (902)는 광을 조준하고 광 편의 시트 (932)는 밑각 β로 조준되고 편광되지 않은 광선을 평면 편광 변환기 (904)로 향하게 한다.

본 발명의 편광 변환 시스템은 선행 기술에서 설명된 것에 비하여 여러 개의 장점들을 갖는다. 첫째, 시스템의 작용이 프리즘 시트 또는 양면 프리즘 시트의 맞은편 프리즘 표면의 횡방향 위치설정과는 독립적이다. 둘째, 시스템에 미치는 작용은 프리즘 시트 두께 또는 프리즘 시트들 사이의 분리와는 독립적이다. 세째, 이들 시트 상의 임의의 프리즘 표면 상에 선택적 코팅을 필요로 하지 않는다. 억제 및 편광 분리 필름은 평면 시트로서 도포될 수 있으며, 프리즘 시트와는 분리된다. 이들 특징들은 편광 변환기의 제조를 크게 간략화하고 제조 비용을 더욱 효율적으로 만든다. 모든 프리즘 시트들이 표준 플라스틱 성형 기술에 의해 제조될 수 있다. 필요에 따라, 또한, 프리즘 시트들인 광 투과를 증가시키기 위하여 반사 방지 코팅을 포함할 수 있다. 최종적으로, 다수개의 소형 및 어댑터블 LCD 영사기 조립체 배치가 가능하고, 따라서 본 발명을 다양한 분야에 사용할 수 있다.

본 명세서에서 설명하고 예시한 실시태양들은 단지 예시적인 것으로서, 본 발명의 영역에 제한을 가하는 것으로 간주되어서는 안된다. 당 업계의 통상의 숙련인들은 본 발명의 본질 및 영역에 따라 다른 변법 및 변형이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다.

Claims

제2 밑각 β로 위치하는 반사 프리즘 부면 및 일반적으로 180。-β와 동일한 제1 밑각으로 위치하는 투과 프리즘 부면의 보각 밑각으로 위치하는 교번식 투과 프리즘 부면 (144) 및 반사 프리즘 부면 (146)을 갖는 제1 프리즘 표면 (142)를 갖는 프리즘 필름 (140),

¼ 파장 리타더 필름 (160), 및

¼ 파장 리타더 필름을 프리즘 필름과 편광 필름 시트 사이에 위치시키는, 반사 편광 필름 (170)

을 포함하는, 광 비임의 광 경로를 따른 입사 순서가 전방 및 후방 위치를 결정하는, 광 비임을 편광시키기 위한 평면 편광 변환기 (100).
제1항에 있어서, 프리즘 필름 앞에 위치하는 광 편의 조립체 (130)을 추가로 포함하고, 이 때 광 편의 조립체가 밑각 β로 광 비임을 보내는 평면 편광 변환기.
제2항에 있어서, 상기 광 편의 조립체가 광 편의 프리즘 시트 (132)를 포함하는 평면 편광 변환기.
제2항에 있어서, 상기 광 편의 조립체가 광 편의 프리즘 시트 (132) 및 조준 렌즈 (102)를 포함하는 평면 편광 변환기.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 광 편의 조립체가 일반적으로 180。-β와 동일한 밑각으로 위치한 조준 렌즈 (602)를 포함하는 평면 편광 변환기.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 β가 일반적으로 45。와 동일한 평면 편광 변환기.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 반사 편광 필름의 뒤에 위치하는 흡수 편광자 (180)을 추가로 포함하는 평면 편광 변환기.
제7항에 있어서, 상기 ¼ 파장 리타더 필름, 반사 편광자 필름 및 흡수 편광자 필름이 유리 기판 상에 스택되어 장착된 평면 편광 변환기.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 반사 편광 필름 뒤에 위치하는 비임 통합 필름 (190)을 추가로 포함하는 평면 편광 변환기.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 프리즘 필름이 교번식 제1 및 제2 투과 부면 (154, 156)을 갖는 제2 프리즘 표면 (152)을 갖고, 이 때 상기 제1 투과 부면이 일반적으로 제1 프리즘 표면의 투과 프리즘 부면에 평행하고 제2 투과 부면이 일반적으로 제1 프리즘 표면의 반사 프리즘 부면에 평행한 평면 편광 변환기.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 프리즘 표면의 반사 프리즘 부면 (146)이 다수개의 역반사 마이크로프리즘 (148)을 포함하는 평면 편광 변환기.
제11항에 있어서, 마이크로프리즘이 정점 각 α를 갖고, 이 때 α+ 2β= 180。인 평면 편광 변환기.
제2항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광 편의 조립체가 제1 (240) 및 제2 프리즘 소자 (260)을 포함하고, 이 때 제1 프리즘 소자가 광 비임을 제1 편차각 φ로 벗어나게 하고, 제2 프리즘 소자가 광 비임을 제2 편차각으로 벗어나게 하는 평면 편광 변환기.
제13항에 있어서, 상기 제1 및 제2 프리즘 소자 각각이 교번식 제1 및 제2 프리즘 표면 (248, 250, 268, 270)을 갖고, 이 때 제2 프리즘 소자의 제1 프리즘 표면 (268)이 제1 편차각 φ로 배향되고, 제1 프리즘 소자의 제2 프리즘 표면 (250)이 입사 광 비임과 평행하게 배향되고, 제2 프리즘 소자의 제2 프리즘 표면 (270)이 φ+ 90。로 배향되는 평면 편광 배향기.
제14항에 있어서, 상기 제1 프리즘 소자의 제1 프리즘 표면 (248)이 일반적으로 φ와 동일한 밑각으로 배향되며, 이 때 φ가 원 광 비임의 전체 내부 반사 각과 동일하거나 또는 더 큰 평면 편광 배향기.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 평면 편광 시트 (400)이 경사진 편광 투과 축 (410)을 갖는 평면 편광 변환기.
제1항 내지 제16항 중 어느 한 항 기재의 평면 편광 변환기를 포함하는 액정 표시 패널.
광 비임을 각 β로 나가게 하는 광 편의 조립체 (130),

제1 프리즘 표면이 보각으로 위치하는 교번식 투과 프리즘 부면 (144) 및 반사 프리즘 부면 (146)을 갖고, 이 때 반사 프리즘 부면이 일반적으로 β와 동일한 제2 밑각으로 위치하고 투과 프리즘 부면이 일반적으로 180도-베타와 동일한 제1 밑각으로 위치하며 반사 프리즘 부면의 표면이 다수개의 역반사 마이크로프리즘 (148)을 갖고, 제2 프리즘 표면이 교번식 제1 및 제2 투과 프리즘 부면 (154, 156)을 갖고, 이 때 제1 투과 부면이 일반적으로 제1 프리즘 표면의 투과 프리즘 부면과 평행하고 제2 투과 부면이 일반적으로 제1 프리즘 표면의 반사 프리즘 부면과 평행한, 제1 프리즘 표면 (142) 및 제2 프리즘 표면 (152)를 갖는 양면 프리즘 필름 (144),

¼ 파장 리타더 필름 (160),

¼ 파장 리타더 필름을 프리즘 필름과 반사 편광 필름 시트 사이에 위치시키는 평면 반사 편광 필름 시트(170),

모두 동일한 편광 축을 따라 정렬되는 반사 편광 필름과 그 뒤에 위치하는 흡수 편광 필름 (180), 및

흡수 편광 필름 뒤에 위치하는 비임 통합 필름 (190)

을 포함하는, 광 비임의 광 경로를 따른 입사 순서가 전방 및 후방 위치를 결정하는, 광 비임을 편광시키기 위한 평면 편광 변환기 (100).
광 비임을 생성시키는 광원 (520),

광 비임을 수용하여 조준된 광 비임을 생성시키는 광학적으로 정렬된 조준 렌즈 (102),

보각 밑각으로 위치하는 교번식 투과 프리즘 부면 및 반사 프리즘 부면, 제2 밑각 β로 위치하는 반사 프리즘 부면 및 일반적으로 180。-β와 동일한 제1 밑각으로 위치하는 투과 프리즘 부면을 갖는 제1 프리즘 표면을 갖는 프리즘 필름,

¼ 파장 리타더 필름 (160), 및

반사 편광 필름 (170)

을 포함하고, 이 때 ¼ 파장 리타더 필름이 프리즘 필름과 반사 편광 필름 시트 사이에 위치하는, 조준된 광 비임을 수용하여 편광된 광 비임을 생성시키도록 광학적으로 정렬된 평면 편광 변환기 (100),

편광된 광 비임을 수용하여 상 비임을 생성시키는 편광 변환기와 광학적으로 정렬된 액정 표시 패널 (540), 및

상 비임을 수용하는 액정 패널과 광학적으로 정렬된 투영 렌즈 조립체 (560)

을 포함하는 액정 표시 영사기 (500).
제19항에 있어서, 광원과 조준 렌즈 사이에 유리 집광자 렌즈 (530)을 추가로 포함하고, 상기 투영 렌즈 조립체가 프레스넬 수렴 렌즈 (550) 및 서로에 대하여 광학적으로 정렬된 1개 이상의 투영 렌즈를 포함하는 액정 표시 영사기.
제19항 또는 제20항에 있어서, 조준 렌즈로부터 조준된 광 비임을 수용하도록 광학적으로 정렬된 광 편의 조립체를 추가로 포함하고, 상기 광 편의 조립체가 광 비임을 β각으로 보내는 액정 표시 영사기.
제21항에 있어서, 상기 조준 렌즈 (902) 및 광 편의 조립체 (932)가 서로에 대하여 평행하고 평면 편광 변환기에 대하여 일정 각으로 위치하는 액정 영사기 (900).
제19항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 β가 대략 45。와 동일한 액정 영사기.
제19항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조준 렌즈가 평면 편광 변환기에 대하여 일정 각으로 배향된 액정 영사기.
제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 광 비임을 조준 렌즈를 향하여 반사시키도록 광학적으로 정렬된 거울 (770)을 추가로 포함하는 액정 영사기.
제19항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조준 렌즈가 반사 시준기인 액정 영사기.