KR20020036766A - 액정 디스플레이 소자 및 투사형 액정 디스플레이 장치 - Google Patents

액정 디스플레이 소자 및 투사형 액정 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명에 따른 액정 패널에서, 제1 및 제2 렌즈 표면들을 갖는 마이크로렌즈가 각각의 화소 개구에 대응하여 배치된다. 제2 렌즈 표면의 초점 위치는 실질적으로 제1 렌즈 표면의 주 지점과 일치하고, 전체 마이크로렌즈의 초점 위치는 실질적으로 화소 개구와 일치한다. 액정 패널에서, 광축에 대하여 발산각(divergence angle) 성분을 갖는 입사광이 마이크로렌즈로부터 방출될 때, 발산각 성분이 제거된다.

Description

액정 디스플레이 소자 및 투사형 액정 디스플레이 장치{Liquid crystal display element and projection type liquid crystal display device}
발명의 분야
본 발명은 액정 디스플레이 소자 및 액정 디스플레이 소자를 사용하여 영상을 디스플레이하는 투사형 액정 디스플레이 장치에 관한 것이다.
관련 기술의 설명
종래에, 액정 디스플레이 소자(이하, "액정 패널(LCD)"이라 칭함)에 의해 광학적으로 변조된 광선을 투사함으로써 영상을 디스플레이하는 투사형 액정 디스플레이 장치들(액정 투사기들)이 공지되어 있다. 상기 투사형 액정 디스플레이 장치들은 2가지의 영상 투사법들, 즉, 스크린의 정면측으로부터 영상을 투사하는 정면 투사법(정면형) 및 스크린의 배후측으로부터 영상을 투사하는 배후 투사법(배후형)을 채택할 수 있다. 컬러 디스플레이를 생성하는 투사형 액정 디스플레이 장치들은 단일 액정 패널을 사용하는 단일 패널형, 및 3가지의 색채들 즉, 적색(R), 녹색(G), 및 청색(B)의 광선에 대응하는 3개의 액정 패널들을 사용하는 3-패널형으로 분할된다.
도 9는 관련 기술로서 투사형 액정 디스플레이 장치의 광학 시스템(주로, 조명 광학 시스템)의 일반적 구성을 나타낸다. 투사형 액정 디스플레이 장치는 광원(101), 한 쌍의 제1 및 제2 멀티렌즈 어레이 적분기들(이하, "MLA들"라 칭함)(102 및 103), PS 빔 합성기(104), 콘덴서 렌즈(105), 필드 렌즈(106), 액정 패널(107), 및 광축(100)을 따라 그 순서로 배열된 투사 렌즈(108)를 포함한다. MLA들(102 및 103)은 2차원 형태로 배열된 복수의 마이크로렌즈들(102M 및 103M)을 각각 갖는다. PS 빔 합성기(104)는 제2 MLA(103)의 인접하는 마이크로렌즈들(103M) 사이의 경계들에 따라 배열된 복수의 반(1/2)-파장판들(104A)을 포함한다.
투사형 액정 디스플레이 장치에서, 광원(101)으로부터 방사된 조명광은 MLA들(102 및 103)을 통해 통과하고, 복수의 작음 빔들로 분할된다. MLA들(102 및 103)을 통해 통과된 광선은 광축(100)에 대해 수직인 평면에서 서로 교차하는 P-편광 성분 및 S-편광 성분을 포함하는 광선(L10)으로서 PS 빔 합성기(104)로 유입된다. 상기 PS 빔 합성기(104)는 광선(L10)을 2가지 유형의 편광 성분들(L11 및L12)(각각, P-편광 성분 및 S-편광 성분)로 분리한다. 분리된 편광 성분 중의 하나(L11)는 그의 편광 방향(예를 들면, P-편광 방향)을 유지하면서 PS 빔 합성기(104)로부터 방출된다. 다른 편광 성분(L12)(예를 들면, S-편광 성분)은 반-파장판(104A)의 작용에 의해 다른 편광 성분(예를 들면 P-편광 성분)으로 변환된 후 그로부터 방출된다. 결과적으로, 2개의 분리된 편광 성분들(L11 및 L12)의 편광 방향은 특정 방향으로 단일화된다.
PS 빔 합성기(104)로부터 방출된 광선은 콘덴서 렌즈(105) 및 필드 렌즈(106)를 통해 통과하고, 액정 패널(107)로 향한다. MLA들(102 및 103)에 의해 분리된 작은 빔들은 제2 MLA(103)에서 콘덴서 렌즈(105)의 초점 길이(fc) 및 마이크로렌즈들(103M)의 초점 길이(fML2)에 의해 결정되는 확대율로 확대되고, 액정 패널(107)의 전체 입사 표면을 조사한다. 결과적으로, 복수의 확대된 빔들이 액정 패널(107)의 입사 표면 상에 중복되고, 전체 입사 표면은 균일하게 조사된다. 액정 패널(107)은 영상 신호들에 따라 입사광을 공간적으로 변조시키고, 광선을 방출한다. 액정 패널(107)로부터 방출된 광선은 투사 렌즈(108)에 의해 스크린(도시되지 않음)에 투사됨으로써 스크린 상에 영상을 형성한다
액정 패널에서, 박막 트랜지스터(TFT) 등은 기판 상에 구동 장치로서 형성되고, 따라서, 블랙 매트릭스(black matricx)라 칭하는 차폐 영역(shielded region)이 인접하는 화소들 사이에 형성된다. 이러한 이유 때문에, 액정 패널의 개구율은 100%가 되지 못한다. 통상적으로, 액정 패널의 유효 개구율을 증가시키기 위해, 예를 들면, 도트당(화소당 또는 서브화소당) 하나 또는 그 이상의 집광 마이크로렌즈들이 광 입사측 상에 배치된 대향 기판 상에 광축 방향으로 놓인다. 여기서, 액정 패널의 "유효 개구율"은 액정 패널로부터 방출된 광선 빔의 액정 패널 상으로 입사되는 모든 광선 빔에 대한 비율을 의미한다. 투사형 액정 디스플레이 장치에서, 일반적으로, 액정 패널의 유효 개구율은 액정 패널의 광 손실뿐만 아니라, 하류측에 배치된 투사 렌즈에 의한 광 소멸을 고려하여 정의된다.
도 10은 마이크로렌즈들을 사용하는 액정 패널(107) 구조의 일례를 나타낸다. 보기 쉽도록, 도 10의 일부는 음영으로 나타낸다. 액정 패널(107)은 화소 전극 기판(140B), 및 그 사이의 액정층(145)과 함께 그의 광 입사측 상의 화소 전극 기판(140B)에 반대로 위치한 대향 기판(140A)을 포함한다.
화소 전극 기판(140B)은 글래스 기판(148), 복수의 화소 전극부들(146), 및 글래스 기판(148)의 광 입사측 상에 놓인 복수의 블랙 매트릭스부들(147)을 포함한다. 상기 화소 전극부들(146) 및 블랙 매트릭스부들(147)은 2차원 형태로 배열된다. 각각의 화소 전극부들(146)은 도전성의 투명한 물질로 제조된다. 각각의 블랙 매트릭스부들(147)은 인접한 화소 전극부들(146) 사이에 형성되고, 예를 들면 금속막에 의해 차폐된다. TFT(도시하지 않음) 등의 스위칭 소자는 영상 신호에 따라 인접하는 화소 전극부(146)에 전압을 선택적으로 인가하도록 각각의 블랙 매트릭스부(147)에 형성된다.
대향 기판(140A)은 광 입사측으로부터 순서대로 배열된 글래스 기판(141), 마이크로렌즈 어레이(142), 및 커버 글래스(144)를 포함한다. 수지층(143)은 글래스 기판(141)과 마이크로렌즈 어레이(142) 사이에 형성된다. 비록 도시되진 않았지만, 대향 전극들은 이 대향 전극들과 대응하는 화소 전극부들(146) 사이에 전위를 발생시키도록 커버 글래스(144)와 액정층(146) 사이에 삽입된다. 수지층(143)은 굴절율 n1을 갖는 광학 수지로 제조된다.
마이크로렌즈 어레이(142)는 화소 전극부들(146)에 대응하는 2차원 형태로 배열된 굴절율 n2(>n1)를 갖는 광학 수지로 제조된 복수의 마이크로렌즈들(142M)을 포함한다. 각각의 마이크로렌즈들(142M)은 광 입사측에서 볼록하고, 양의 굴절력을 갖는다. 마이크로렌즈들(142M)은 글래스 기판(141) 및 수지층(143)을 통해 대응하는 화소 전극부(146) 쪽으로 입사되는 광선을 수집하는 작용을 한다. 하류측에 배치된 투사 렌즈(108)가 충분한 F-수를 갖는 한, 마이크로렌즈들(142M)에 의해 수집되고, 액정 패널(107) 상으로 입사되는 광선 중 개구(146A)로 유입되는 광선이 영상 디스플레이를 위해 이용할 수 있다. 상기 마이크로렌즈들(142M)은 마이크로렌즈들(142)이 형성되지 않은 경우보다 화소 전극부(146)의 개구(146A)로 보다 많은 광선이 유입되게 한다. 이는 유효 개구율을 증가시키고, 광선 이용 효율을 증진시킨다.
마이크로렌즈들(142M)의 광축(200)에 관하여 발산각(β)에서 상기 구조를 갖는 액정 패널(107)로 유입되는 광선(211)은 마이크로렌즈들(142M)의 굴절력에 의해 굴절되고, 마이크로렌즈들(142M)이 사용되지 않는 경우보다 큰 각도로 발산되면서 그로부터 방출된다. 이러한 경우에, 출사광의 발산각(θ)은 마이크로렌즈들(142M)의 굴절력에 의해 생성된 각도(α)와 각 성분(β)의 합이고, 하기 수학식(1)으로 나타낸 조건을 만족시킨다:
[수학식 1]
θ = α+ β
마이크로렌즈들(142M)의 초점 길이가 fML로 지정되고, 그 최대 외곽 크기(직경)가 "2a"로 지정된다고 가정될 때, 마이크로렌즈들(142M)의 굴절력에 의해서만 생성되는 각도(α)는 하기 수학식(2)으로 정의된다:
[수학식 2]
tanα = a/fML
액정 패널(107) 상으로 입사되는 조명광의 발산각(입사 발산각)(β)은 하기 수학식(3)으로 정의된다:
[수학식 3]
tanβ= rc/fc
여기서, fc는 콘덴서 렌즈(105)의 초점 길이를 나타내고(도 9), rc는 그의 반경을 나타낸다.
액정 패널(107)로부터 방출된 광선의 발산각이 θ로 지정될 때, 투사 렌즈(108)의 필요 F-수(Fno.)는 하기 수학식(4)으로 정의된다:
[수학식 4]
Fno. = 1 / (2sinθ)
상기 액정 패널(107)에서, 큰 발산각(β)을 갖는 광선이 유입될 때, 그것은 마이크로렌즈들(142M)의 렌즈 작용에 의해 개구(146A) 내에 충분히 수집될 수 없고, 그 일부는 블랙 매트릭스부(147)에 의해 소멸된다. 광선이 패널로부터 방출될 때, 그것은 마이크로렌즈들을 사용하지 않는 경우보다 마이크로렌즈들(142M)의 굴절력에 의해 보다 큰 각도에서 발산되고, 발산각(θ)은 수학식(1)에 나타낸 바와 같이 증가된다. 다른 한편, 투사 렌즈(108)는 수학식(4)으로 정의된 F-수에 의해 결정되는 미리 결정된 각도보다 큰 발산각을 갖는 광선을 내부에 수용할 수 없다. 이러한 이유 때문에, 과도하게 큰 출사 발산각(θ)을 갖는 광선은 하류측에 배치된 투사 렌즈(108)에 의해 소멸된다.
상기한 바로부터, 입사 발산각(β)은 광선 이용 효율을 개선시키기 위해 마이크로렌즈들(142M)에 대해 순서대로 감소되어야 한다. 그러나, 입사 발산각(β)의 감소는 수학식(3)으로 나타낸 바와 같이, 콘덴서 렌즈(105)의 초점 거리의 증가를 유도하고, 또한 제2 MLA(103)의 마이크로렌즈들(103M)의 초점 길이의 증가를 역시 유도한다. 따라서, 입사 발산각(β)을 감소시키기 위해, 광원(101)으로부터 액정 패널(107)에 이르는 광학적 경로 길이는 증가되어야 한다. 광학적 경로에서 그러한 증가는 장치의 전체적인 크기를 확대시키고, 액정 패널(107)로부터 상류에 배치된 성분들을 포함하는 전체 조명 광학 시스템의 광 이용 효율을 감소시킨다. 투사 렌즈(108)에 의한 소멸은 발산각(β)에 대응하여 투사 렌즈(108)로서 큰 F-수(예를 들면, 약 1.2 내지 1.5)를 갖는 렌즈를 사용함으로써 피할 수 있지만, 큰 F-수를 갖는 이러한 렌즈는 실질적으로 설계의 어려움을 증대시키고 단가를 증가시킨다.
상기한 바와 같이, 조명 시스템 및 액정 패널(107)의 마이크로렌즈들(142M)은 다음 문제점들 (i) 내지 (iii)를 갖는다:
(i) 큰 입사 발산각(β)을 갖는 광선은 액정 패널 또는 투사 렌즈의 블랙 매트릭스부에서 소멸을 겪는다.
(ii) 입사 발산각(β)을 감소시킴으로써, 액정 패널의 유효 개구율은 감소하지만, 전체 조명 시스템의 광 이용 효율은 감소되고, 장치의 크기는 증가한다.
(iii) 액정 패널로부터 방출된 광선의 발산각(β)은 마이크로렌즈들의 굴절력에 의해 생성된 각도(α)와 입사 발산각(β)의 합이고, 출사광은 마이크로렌즈들이 사용되지 않는 경우보다 큰 각도로 발산된다. 이러한 이유 때문에, 투사 렌즈는 큰 발산각(θ)에 대응하는 큰 F-수를 가져야 한다. 이는 투사 렌즈의 설계의 어려움을 증대시키고 비용을 증가시킨다.
상기 문제점(i)에 기재된 블랙 매트릭스부(147)의 소멸은 액정 패널(107)의 마이크로렌즈들(142M)의 초점 길이를 감소시킴으로써 감소될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에, 마이크로렌즈들(142M)의 굴절력에 의해 생성된 각도(α)는 증가하고, 출사 발산각(θ) 역시 증가한다. 이는 상기 문제점(iii)을 야기한다. 투사 렌즈(108)의 F-수를 감소시킴으로써 휘도가 보장되는 경우, 이미지화 성능이 영향을 받고, 투사 렌즈 자체 크기 및 제조 단가가 증가한다. 실제 투사형 액정 디스플레이 장치에서, 화소 개구와 마이크로렌즈들 사이의 길이는 투사 렌즈(108)의 F-수에 따라 마이크로렌즈들(142M)의 초점 길이(fML)를 길게 함으로써 최적화된다.
도 11에 나타낸 바와 같이, 마이크로렌즈 어레이(152)가 화소 전극 기판(140B) 측 상에 역시 놓이고, 대향 기판(140A) 내의 마이크로렌즈 어레이(142)의 마이크로렌즈들(142M)에 의해 생성된 각도(α)가 마이크로렌즈 어레이(152)로부터 광선이 방출될 때 널화되는 다른 유형의 액정 패널이 제안되어 있다. 대향 기판(140A)의 마이크로렌즈 어레이(142)는 글래스 기판(141)의 광 출사면 상에 직접적으로 형성된다. 다른 마이크로렌즈 어레이(152)는 광학 수지로 제조되고, 화소 전극 기판(140B)의 광 출사측에 배치된다. 글래스 기판(151)은 마이크로렌즈 어레이(152)의 광 출사측에 배치된다. 마이크로렌즈 어레이(152)는 대향 기판(140A)의 마이크로렌즈들(142M)에 대응하는 복수의 마이크로렌즈들(152M)을 포함한다. 각각의 마이크로렌즈들(152M)은 광 출사측에서 볼록하고, 양의 굴절력을 갖는다. 마이크로렌즈들(152M)은 대향 기판(140A)의 대응하는 마이크로렌즈들(142M)과 조합된 콜리메이터(collimator)로서 기능한다. 이러한 액정 패널에서, 대향 기판(140A)의 글래스 기판(141) 및 마이크로렌즈들(142M)의 굴절율들(n1 및 n2) 및 화소 전극 기판(140B)의 마이크로렌즈들(152M) 및 글래스 기판(151)의 굴절율들(n3 및 n4)은 다음 조건 n2>n1 및 n3>n4를 만족시킨다.
이러한 유형의 액정 패널에 입사된 광선은 먼저 예를 들면 도 11에 나타낸 입사광(212)에서와 같이, 대향 기판(140A)의 마이크로렌즈들(142M)의 굴절력에 의해 각도(α)로 굴절된다. 이어서, 입사광(212)은 화소 전극 기판(140B) 측 상의 마이크로렌즈들(152M)의 콜리메이터로서 작용에 이해 각도(α)로부터 반대인 -α의 각도로 굴절된다. 결과적으로, 광선이 마이크로렌즈들(152M)로부터 방출될 때, 대향 기판(140A)의 마이크로렌즈들(142M)의 굴절력에 의해 생성된 각 성분(α)은 널화된다. 각 성분(α)이 널화되기 때문에, 출사 발산각(θ)은 수학식(1)에 따라 β와 동일해지고, 도 10에 나타낸 유형에서보다 각도(α)만큼 작아질 수 있다. 마이크로렌즈들(152M)의 이러한 배열에서, 예를 들면, 발산각(β)을 갖는 입사광(213)이 마이크로렌즈들(152M-1) 다음에 마이크로렌즈들(152M-2)에 유입될 때, 마이크로렌즈들(152M-2)은 입사광을 위한 콜리메이터로서 기능하지 않는다. 이러한 경우에, 상기 관계 "θ=β"가 성립되지 않고, 출사 발산각(θ)은 입사 발산각(β)보다 크다. 이는 유효 개구율을 증가시키는 것을 불가능하게 한다.
예를 들면, 일본국 특허 출원 제5-341283호는 광선이 방출될 때 입사 발산각(β)이 널화되는 액정 패널을 제시한다. 액정 패널은 한 쌍의 글래스 기판들 및 그 사이에 배치된 액정층을 포함하고, 마이크로렌즈들은 화소 개구들에 대응하는 글래스 기판들중 적어도 하나의 양 측 상에 배열된다. 기판의 양 측 상에 배치된 2개의 마이크로렌즈들은 동일한 초점 길이를 갖고, 그 사이의 거리는 초점 길이와 동일하게 설정된다. 이러한 이유 때문에, 각각의 마이크로렌즈들은 마이크로렌즈들이 형성되는 기판 표면으로부터 반대쪽 표면에 인접한 입사 평행 광을 수집하는 광학 특성을 갖고, 그에 따라 입사 발산각(β)을 널화시킨다. 이러한 액정 패널에서, 마이크로렌즈들은 이온 교환법에 의해 형성된다.
상기 문헌에서, 마이크로렌즈들의 하나의 표면은 기판들의 내부측들 쪽으로 볼록하고, 다른 표면(기판들의 양 단부 표면들)은 평탄하다. 더욱이, 화소 개구와 화소 개구 측 상의 마이크로렌즈들 사이의 길이는 거의 0이다. 마이크로렌즈들을 갖는 기판의 두께는 거의 수십 밀리미터인 것으로 생각된다. 그러나, 그러한 기판에서, 마이크로렌즈들을 갖는 기판을 생산하기는 상당히 어렵다. 특히, 이온 교환법을 사용하는 생산에서, 마이크로렌즈들의 목적하는 광학 특성을 달성하기 위해두께를 조절하고, 거의 수십 밀리미터 두께를 갖는 박막 기판을 정밀하게 가공하기는 어렵다. 예를 들면, 기판들의 양 단부들에 배치된 마이크로렌즈들의 표면을 연마시킬 필요가 있는 것으로 생각되지만, 상기 박막 기판을 정밀하게 연마하기는 상당히 어렵다. 최근 들어, 액정 패널의 해상도를 증가시키고 화소 피치를 감소시키려는 요청이 늘고 있다. 결과적으로, 보다 정밀한 가공을 필요로 한다. 상기 문헌에 개시된 액정 패널은 이러한 점에서 불리하다.
본 발명은 상기 문제점들에 비추어 이루어진 것으로, 본 발명의 목적은 크기를 증가시키지 않고, 생산 어려움을 증대시키지 않으면서 유효 개구율을 증가시킴으로써 광 이용 효율이 증대되는 액정 디스플레이 소자 및 투사형 액정 디스플레이 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 국면에 따라, 상기 목적을 달성하기 위해, 액정층, 광선을 투과시키기 위해 복수의 화소 개구들을 갖는 화소 전극부, 및 상기 화소 개구들에 대응하는 상기 액정층의 광 입사측과 광 출사측 중 적어도 하나에 2차원 형태로 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 갖는 적어도 하나의 마이크로렌즈 어레이를 포함하는 액정 디스플레이 소자가 제공된다. 각각의 마이크로렌즈들은 상기 화소 개구들중 대응하는 개구 쪽으로 입사광을 수집하기 위해 광축 방향으로 적어도 하나의 렌즈 표면을 갖는 집광 렌즈, 및 그 초점 위치가 상기 집광 렌즈의 주 지점과 실질적으로 일치하도록 광축 방향으로 적어도 하나의 렌즈 표면을 갖는 필드 렌즈를 포함한다. 집광 렌즈 및 필드 렌즈 모두는 액정층의 광 입사측 상에 형성될 수 있거나,또는 예를 들면, 집광 렌즈는 액정층의 광 입사측 상에 형성될 수 있고, 필드 렌즈은 광 출사측 상에 형성될 수 있다.
바람직하게는, 각각의 마이크로렌즈들의 전체의 초점 위치는 화소 개구와 실질적으로 일치한다. 비네팅(vignetting) 인자는 전체 마이크로렌즈들의 초점 위치가 화소 개구에 근접하게 놓임에 따라 더 커지는 것으로 생각되지만, 비네팅 인자는 입사광의 모든 각 성분들을 고려하여, 초점 위치가 화소 개구와 완전히 일치할 때 항상 제일 큰 것은 아니다. 예를 들면, 광선 빔의 허리가 화소 개구와 일치하도록 초점 위치를 설정하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 일면에 따라, 발광을 위한 광원, 입사광을 광학적으로 변조시키기 위한 액정 디스플레이 소자, 및 상기 액정 디스플레이 소자에 의해 변조된 광선을 투사하기 위한 투사 렌즈를 포함하는 투사형 액정 디스플레이 장치가 제공된다. 본 발명은 이러한 액정 디스플레이 소자에 적용된다.
본 발명의 액정 디스플레이 소자 및 투사형 액정 디스플레이 장치에서, 광 이용 효율은 크기를 증가시키지 않고, 생산의 어려움을 증대시키지 않으면서 유효 개구율을 증가시킴으로써 증대된다. 더욱이, 예를 들면, 입사광이 광축에 대하여 발산각 성분을 갖는 경우에, 발산각 성분은 광선이 마이크로렌즈 어레이로부터 방출될 때 제거된다. 따라서, 예를 들면 마이크로렌즈들의 초점 길이가 감소될 때조차 출사광의 발산각은 과도하게 증가하는 것이 방지된다. 이는 예를 들면 투사형 액정 디스플레이 장치에 사용된 투사 렌즈에 의한 광선의 소멸을 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투사형 액정 디스플레이 장치의 광학 시스템의 전체적인 구성을 나타내는 구조도.
도 2는 제1 실시예에서 액정 패널의 일반적 구조를 나타내는 단면도.
도 3은 도 2에 나타낸 액정 패널에서 마이크로렌즈부의 구조를 나타내는 간략도.
도 4는 제2 마이크로렌즈 어레이 및 PS 빔 합성기의 주 구조를 나타내는 부분 확대도.
도 5a 및 5b는 도 2에 나타낸 액정 패널의 유효 개구율의 구체적인 실시예들 및 비교예들을 나타내는 설명도.
도 6a 및 6b는 도 2에 나타낸 액정 패널의 변형을 나타내는 단면도.
도 7a 내지 7c는 마이크로렌즈의 표면 형상의 변형을 나타내는 설명도.
도 8은 도 2에 나타낸 액정 패널의 다른 변형을 나타내는 단면도.
도 9는 공지된 유형의 투사형 액정 디스플레이 장치에서 광학 시스템의 일반적 구성을 보여주는 평면도.
도 10은 공지된 유형의 액정 패널의 구조의 일 실시예를 나타내는 단면도.
도 11은 액정 패널의 구조의 다른 실시예를 나타내는 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
11: 광원 14, 18, 23: 전반사 미러
15, 104: PS 빔 합성기 16: 콘덴서 렌즈
17, 19: 이색성 미러 24R, 24G, 24B: 필드 렌즈
25: 액정 패널 26: 교차형 프리즘
27: 투사 렌즈 28: 스크린
42: 마이크로렌즈 어레이 45: 액정층
46: 화소 전극부 47: 블랙 매트릭스부
본 발명의 추가의 목적, 특징들 및 장점들은 첨부된 도면을 참조한 하기 바람직한 실시예들의 설명으로부터 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투사형 액정 디스플레이 장치의 광학 시스템의 전체적인 구성의 일 예를 나타낸다. 도 1에 나타낸 투사형 액정 디스플레이 장치는 3개의 투과 액정 패널을 사용함으로써 컬러 영상 디스플레이를 생성하는 이른바 3-패널형으로 이루어져 있다. 이 투사형 액정 디스플레이 장치는 발광을 위한 광원(11), 한 쌍의 제1 및 제2 멀티렌즈 어레이 적분기들(이하, "MLA들"라 칭함)(12 및 13), 및 제2 MLA(13) 쪽으로 거의 90˚로 광학 경로(광축 10)를 굽히도록 MLA들(12 및 13) 사이에 배치된 전반사 미러(14)를 포함한다. 복수의 마이크로렌즈들(12M 및 13M)은 MLA들(12 및 13) 내에 2차원 형태로 배열된다. MLA들(12 및 13)은 조명 분포를 균일하게 만들기 위해 입사광을 복수의 작은 빔들로 분할하도록 작용한다.
광원(11)은 컬러 영상 디스플레이에 필요한 적색 광, 청색 광 또는 녹색 광을 포함하는 백색광을 방출한다. 광원(11)은 백색광을 방출하기 위한 발광 부재(도시하지 않음), 및 발광 부재로부터 방출된 광선을 반사시키고 수집하기 위한 오목 미러를 포함한다. 발광 부재는 예를 들면 할로겐 램프, 할로겐화 금속 램프, 또는 크세논 램프이다. 바람직하게는, 오목 미러는 집광 효율을 개선시키기 위한 형상을 갖고, 예를 들면 타원형 미러 및 포물선형 미러에서와 같이 회전 대칭 형상을 갖는다.
투사형 액정 디스플레이 장치는 제2 MLA(13)의 광 출사측 상에 순서대로 배열된 PS 빔 합성기(15), 콘덴서 렌즈(16), 및 이색성 미러(17; dichroic mirror)를 포함하기도 한다. 이색성 미러(17)는 입사광을 예를 들면 적색광(LR) 및 다른 색채의 광선으로 분리시키는 기능을 한다.
PS 빔 합성기(15)는 제2 MLA(13)에서 인접하는 마이크로렌즈들(13M) 사이의 경계에 대응하는 위치에 형성된 복수의 반-파장판들(15a)을 갖는다. PS 빔 합성기(15)는 도 4에 나타낸 바와 같이, 입사광(LO)을 2가지 유형의 편광 성분(L1 및 L2)(P-편광 성분 및 S-편광 성분)으로 분리시키는 기능을 한다. PS 빔 합성기(15)는 편광 방향(예를 들면, P-편광 방향)을 유지하면서 그로부터 분리된 편광 성분들 중 하나(L2)를 방출하고, 반-파장판(15a)의 작용에 의해 편광(L1)을 다른 편광 성분(예를 들면, P-편광 성분)으로 전환시킨 후 다른 편광 성분(L1)(예를 들면 S-편광 성분)을 방출하도록 작용한다.
투사형 액정 디스플레이 장치는 이색성 미러(17)에 의해 분리된 적색광(LR)의 광학 경로를 따라 순서대로 배열된 전반사 미러(18), 필드 렌즈(24R), 및 액정 패널(25R)을 추가로 포함한다. 전반사 미러(18)는 이색성 미러(17)에 의해 분리된 적색광(LR)을 액정 패널(25R) 쪽으로 반사한다. 액정 패널(25R)은 영상 신호들을 따라 필드 렌즈(24R)를 통해 그 위에 입사된 적색광(LR)을 공간 변조시키는 작용을 한다.
투사형 액정 디스플레이 장치는 이색성 미러(17)에 의해 분리된 다른 색채 광선의 광학 경로를 따라 배치된 이색성 미러(19)를 추가로 포함한다. 이색성미러(19)는 입사광을 예를 들면, 녹색광 및 청색광으로 분리시키는 기능을 한다.
투사형 액정 디스플레이 장치는 이색성 미러(19)에 의해 분리된 녹색광(LG)의 광학 경로를 따라 순서대로 필드 렌즈(24G) 및 액정 패널(25G)을 추가로 포함한다. 액정 패널(25G)은 영상 신호들에 따라 필드 렌즈(24G)를 통해 그 위에 입사된 녹색광(LG)을 공간 변조시키는 작용을 한다.
투사형 액정 디스플레이 장치는 이색성 미러(19)에 의해 분리된 청색광(LB)의 광학 경로를 따라 순서대로 배열된 계전기 렌즈(20), 전반사 미러(21), 계전기 렌즈(22), 전반사 미러(23), 필드 렌즈(24B), 및 액정 패널(25b)을 추가로 포함한다. 전반사 미러(21)는 계전기 렌즈(20)를 통해 그 위에 입사되는 청색광(LB)을 전반사 미러(23) 쪽으로 반사시킨다. 전반사 미러(23)은 전반사 미러(21)에 의해 반사되고 계전기 렌즈(22)를 통해 그 위에 입사되는 청색광(LB)을 액정 패널(25b) 쪽으로 반사한다. 액정 패널(25b)은 영상 신호들에 따라, 전반사 미러(23)에 의해 반사되고, 필드 렌즈(24B)를 통해 그 위에 입사된 청색광(LB)을 공간 변조시키도록 작용한다.
투사형 액정 디스플레이 장치는 3가지 색채 광선(LR, LG 및 LB)을 합성하도록 적색광(LR), 녹색광(LG) 및 청색광(LB)의 광학 경로의 교차점에 배치된 교차형 프리즘(26)을 추가로 포함한다. 투사형 액정 디스플레이 장치는 교차형 프리즘(26)으로부터 방출되는 합성광을 스크린(28) 쪽으로 투사하기 위한 투사 렌즈(27)를 추가로 포함한다. 교차형 프리즘(26)은 3개의 입사 표면들(26R, 26G, 및 26b), 및 출사면(26T)을 갖는다. 액정 패널(25R)로부터 방출되는 적색광(LR)은 입사 표면(26R)에 유입되고, 액정 패널(25G)로부터 방출되는 녹색광(LG)은 입사 표면(26G)에 유입되고, 액정 패널(25b)로부터 방출되는 청색광(LB)은 입사 표면(26b)에 유입된다. 교차형 프리즘(26)은 입사 표면들(26R, 26G 및 26b) 상으로 입사되는 3가지 색채의 광선을 합성하고, 출사면(26T)으로부터 합성된 광선을 방출한다.
도 2는 액정 패널들(25R, 25G 및 25b)의 구조의 일 예를 나타낸다. 액정 패널들(25R, 25G 및 25b)은 이들이 상이한 광선 성분들을 변조시키는 것을 제외하고는 실질적으로 동일한 기능과 구조를 갖는다. 이하, 액정 패널들(25R, 25G 및 25b)의 구조는 총괄적으로 기재할 것이다. 조사를 용이하게 하기 위해, 도 2의 일부는 음영으로 나타내지 않는다. 액정 패널(25)(25R, 25G 및 25b)은 화소 전극 기판들(40B) 및 그들 사이의 액정층(45)과 함께 화소 전극 기판(40B)의 입사측에 반대인 대향 기판(40A)을 포함한다.
화소 전극 기판(40B)은 글래스 기판(48), 및 글래스 기판(48)의 입사측 상에 배열된 복수의 화소 전극부들(46) 및 복수의 블랙 매트릭스부들(47)을 포함한다. 화소 전극 기판(40B)은 화소 전극부들(46)과 블랙 매트릭스부들(46) 사이에 개입된 정렬막(도시하지 않음), 및 액정층(46)을 포함하기도 한다. 화소 전극부들(46) 및 블랙 매트릭스부들(47)은 2차원 형태로 배열된다. 화소 전극부들(46)은 투명한 도전성 물질로 형성된다. 블랙 매트릭스부들(47) 각각은 인접한 화소 전극부들(46) 사이에 형성되고, 예를 들면 금속막에 의해 달성된다. 여기서, 블랙 매트릭스부(47)는 영상 신호들을 따라 인접하는 화소 전극부(46)에 전압을 선택적으로 인가하기 위한 TFT(도시하지 않음) 등의 스위칭 소자를 갖는다. 블랙 매트릭스부들(47)로 포위된 하나의 화소 전극부(46)의 개방 영역은 입사광을 투과시키고, 하나의 화소에 대해 화소 개구(46A)를 형성한다.
대향 기판(40A)은 입사광 측으로부터 순서대로 배열된 글래스 기판(41), 제1 수지층(43A), 마이크로렌즈 어레이(42), 제2 수지층(43B) 및 커버 글래스(44)를 포함한다. 대향 기판(40A)은 커버 글래스(44)와 액정층(45) 사이에 형성된 대향 전극들 및 정렬막(모두 도시하지 않음)을 포함하기도 한다. 각각의 대향 전극은 대응하는 화소 전극(46)과 협력하여 전위를 발생시킨다.
마이크로렌즈 어레이(42)는 광학 수지로 제조되어 있고, 화소 전극부들(46)에 대응하는 2차원 형태로 배열된 복수의 마이크로렌즈들(42M)을 포함한다. 각각의 마이크로렌즈들(42M)은 전체적으로 양의 굴절력을 갖고, 액정 패널(25) 상에 입사되는 광선을 대응하는 화소 전극부(46) 쪽으로 수집하도록 작용한다. 하류측에 배치된 투사 렌즈(27)는 충분한 F-수를 갖고, 액정 패널(25)로 들어가는 대부분의 광선은 마이크로렌즈들(42M)에 의해 수집되고, 화소 개구(46A)로 유입되는 광선이 영상 디스플레이를 위해 유효하다. 액정 패널(25)로부터 출사광을 효과적으로 사용하기 위해, 투사 렌즈(27)의 F-수는 마이크로렌즈들(42M)의 개구수 이상이거나 또는 거의 동일한 것이 바람직하다.
각각의 마이크로렌즈들(42M)에서, 2개의 렌즈 표면(R1 및 R2)은 하나의 화소 개구(46A)에 대해, 즉 도트당(화소당 또는 서브화소당) 광축 방향으로 배열된다. 렌즈 표면들(R1 및 R2)은 양의 굴절력을 갖는다. 도 2에서, 렌즈 표면들(R1 및 R2)은 구형이고, 제1 렌즈 표면(R1)은 광 입사측(광원측)에서 볼록하고, 제2 렌즈 표면(R2)은 광 출사측에서 볼록하다. 그러한 형상들을 갖는 렌즈 표면들(R1 및 R2)이 양의 굴절력을 갖기 N이해, 제1 수지층(43A), 마이크로렌즈 어레이(42), 및 제2 수지층(43B)의 굴절율들(n1, n2 및 n3)은 다음 관계식 n2>n1, n3을 갖도록 설정된다. 바람직하게는, 굴절율들(n2 및 n1) 사이의 상대적인 차이는 예를 들면 약 0.2 내지 0.3으로 가능한 한 크다. 이것은 또한 n2 및 n3에 적용된다.
각각의 마이크로렌즈들(42M)에서, 제2 렌즈 표면(R2)의 초점 위치는 제1 렌즈 표면(R1)의 주 지점 H1과 실질적으로 일치하고(도 3 참조), 전체 마이크로렌즈들(42M)의 초점 위치는 화소 개구(46A)의 위치와 실질적으로 일치한다. 제1 렌즈 표면(R1)은 집광 렌즈를 형성하고, 제2 렌즈 표면(R2)은 필드 렌즈를 형성한다. 상기 광학 조건을 만족시키는 마이크로렌즈들(42M)의 광학 오퍼레이션 및 장점들은 이후 상세히 기재할 것이다.
비네팅 인자는 전체 마이크로렌즈들의 초점 위치가 화소 개구에 근접하게 놓임에 따라 증가하는 것으로 생각되지만, 비네팅 인자는 초점 위치가 화소 개구와 완전히 일치할 때 항상 제일 큰 것은 아니다. 입사광의 모든 각 성분들을 고려하여, 초점 위치는 예를 들면, 광선 빔의 허리가 화소 개구와 일치하도록 배치되는 것이 바람직할 수 있다.
이는 제1 수지층(43A), 마이크로렌즈 어레이(42) 및 제2 수지층(43B)이 렌즈 표면들(R1 및 R2)이 양의 굴절력 및 미리 결정된 광학적 특성을 갖도록 구축되는 한 만족스럽고, 이들의 형상은 도면에 나타낸 것들로만 제한되지 않는다. 마이크로렌즈들(42M)을 적절히 작용시키기에 충분한 굴절력이 보장될 수 있는 한,수지층들(43A 및 43B)은 생략될 수 있고, 마이크로렌즈 어레이(42)는 하기 변형 예에 기재된 바와 같이, 글래스 기판(41)과 커버 글래스(44) 사이에 직접적으로 형성될 수 있다.
이하, 액정 패널(25)에 마이크로렌즈 어레이(42)를 생성하는 방법에 대해 간단한 설명이 주어질 것이다. 먼저, 제1 수지층(43A) 및 제2 수지층(43B)이 형성된다. 제1 수지층(43A)은 예를 들면 마이크로렌즈들(42M)의 제1 렌즈 표면(R1)의 패턴을 그 위에 갖는 스탬퍼에 의해 아크릴계 수지를 몰딩함으로써 형성된다. 마찬가지로, 제2 수지층(43B)은 예를 들면 마이크로렌즈들(42M)의 제2 렌즈 표면(R2)의 패턴을 그 위에 갖는 스탬퍼에 의해 아크릴계 수지를 몰딩함으로써 형성된다. 이와 같이 몰딩된 2개의 수지층들(43A 및 43B)은 상호 반대로 배치되고, 그들 사이의 공간은 마이크로렌즈 어레이(42)의 재료로서 광학 수지(예를 들면, 우레탄 또는 아크릴계 수지)로 충전된다. 충전된 수지는 제1 수지층(43A), 마이크로렌즈 어레이(42) 및 제2 수지층(43B)을 조합하기 위해 접착제로서 작용하기도 한다. 그 후, 제1 수지층(43A) 및 제2 수지층(43B)의 표면들이 연마된다. 마이크로렌즈 어레이의 생산 방법은 상기 방법으로 제한되지 않고, 다른 방법들도 채택될 수 있다.
액정 패널(25)에서, 커버 글래스(44), 정렬막(도시하지 않음) 및 액정층(45)은 제2 렌즈 표면(R2)과 화소 개구(46A) 사이에 삽입된다. 바람직하게는, 그의 두께는 가능한 한 작도록 설정된다(예를 들면, 전체 두께는 공기 중에서 거의 5㎛ 내지 25㎛이다).
다음으로, 상기 구조를 갖는 투사형 액정 디스플레이 장치의 오퍼레이션을기재할 것이다.
먼저, 투사형 액정 디스플레이 장치의 일반적인 오퍼레이션은 도 1을 참조하여 기재할 것이다. 광원(11)으로부터 방출된 백색광은 MLA들(12 및 13)을 통해 투과됨으로써 복수의 작은 빔들로 분할된다. MLA들(12 및 13)을 통해 투과된 광선은 PS 빔 합성기(15)로 유입된다. PS 빔 합성기(15) 상의 입사광(LO)은 광축(10)에 수직인 평면에서 교차되는 P-편광 성분 및 S-편광 성분을 포함한다. PS 빔 합성기(15)는 입사광(LO)을 도 4에 나타낸 바와 같이 2가지 유형의 편광 성분들(P-편광 성분 및 S-편광 성분)로 분리한다. 분리된 편광 성분들 중의 하나(L2)는 그의 편광 방향(예를 들면, P-편광 방향)을 유지하면서 PS 빔 합성기(15)로부터 방출된다. 다른 편광 성분(L1)(예를 들면, S-편광 성분)은 반-파장판(15a)의 작용에 의해 다른 편광 성분(예를 들면, P-편광 성분)으로 전환된 후 방출된다. 결과적으로, 2개의 분리된 편광 성분들(L1 및 L2)의 편광 방향들은 특정 방향(예를 들면, P-편광 방향)으로 단일화된다.
PS 빔 합성기(15)로부터 방출된 광선은 콘덴서 렌즈(16)를 통해 통과하고, 이색성 미러(17)로 유입된다. 예를 들면, 입사광은 이색성 미러(17)의 작용에 의해 적색광(LR) 및 다른 색채의 광선으로 분리된다.
이색성 미러(17)에 의해 분리된 적색광(LR)은 전반사 미러(18)에 의해 액정 패널(25R) 쪽으로 반사되고, 필드 렌즈(24R)를 통해 액정 패널(35R)로 유입된다. 입사 적색광(LR)은 액정 패널(25R)의 영상 신호들에 따라 공간 변조되고, 교차형 프리즘(26)의 입사 표면(26R)으로 유입된다.
이와는 대조적으로, 이색성 미러(17)에 의해 분리된 다른 색채 광선은 이색성 미러(19)로 유입되고, 예를 들면 녹색광(LG) 및 청색광(LB)으로 분리된다. 이색성 미러(19)에 의해 분리된 녹색광(LG)은 필드 렌즈(24G)를 통해 액정 패널(25G)에 유입된다. 녹색광(LG)은 액정 패널(25G)의 영상 신호들에 따라 공간 변조되고, 이어서 교차형 프리즘(26)의 입사 표면(26G)으로 유입된다.
이색성 미러(19)에 의해 분리된 청색광(LB)은 계전기 렌즈(20)를 통해 전반사 미러(21)로 유입되고, 그로부터 전반사 미러(23) 쪽으로 반사된다. 이어서, 청색광(LB)은 계전기 렌즈(22)를 통해 전반사 미러(23)로 유입되고, 그로부터 액정 패널(25b) 쪽으로 반사된다. 청색광(LB)은 필드 렌즈(24B)를 통해 액정 패널(25b)에 유입되고, 영상 신호들에 따라 공간 변조되고, 이어서, 교차형 프리즘(26)의 입사 표면(26b)으로 유입된다.
MLA들(12 및 13)에 의해 분리된 복수의 빔들은 확대되고, 액정 패널들(25R, 25G 및 25b)의 입사 표면들 상에 중첩되고, 입사 표면들에 균일하게 조사한다. 빔들은 콘덴서 렌즈(16)의 초점 길이(fc) 및 제2 MLA(13)의 마이크로렌즈들(13M)의 초점 길이(fMLA2)에 따라 결정된 배율로 확대된다.
3가지 색채 광선(LR, LG 및 LB)은 교차형 프리즘(26)에 의해 합성되고, 출사면(26T)으로부터 투사 렌즈(27) 쪽으로 방출된다. 출사광은 투사 렌즈(27)에 의해 스크린(28)의 정면측 또는 배후측으로 투사되고, 그에 따라 스크린(28) 상에 영상을 형성한다.
본 실시예의 주 부분인, 액정 패널(25)에서 마이크로렌즈들(42M)의 광학 오퍼레이션 및 장점들은 이하 주로 도 3을 참조하여 기재할 것이다.
도 3은 설명을 간단히 하기 위해 액정 패널에서 마이크로렌즈부의 주 성분들만을 나타낸다. 상기한 바와 같이, 마이크로렌즈들(42M)의 제1 렌즈 표면(R1) 및 제2 렌즈 표면(R2)은 양의 굴절력을 갖는다. 제2 렌즈 표면(R2)의 초점 위치는 제1 렌즈 표면(R1)의 주 지점(H1)과 실질적으로 위치하고, 전체 마이크로렌즈의 초점 위치는 화소 개구(46A)와 실질적으로 일치한다. 다음 설명에서, 전체 액정 패널(25)은 상류측에 배치된 조명 광학 시스템으로부터 방출된 발산각(β)을 갖는 조명광으로 조사되는 것으로 추정된다.
먼저, 마이크로렌즈들(42M)의 광학 경로(60)와 평행한 주 광선(60A)(실선으로 나타냄)에 대한 설명이 주어질 것이다. 주 광선(60A)은 전체 마이크로렌즈들의 굴절력에 의해 화소 개구(46A)에 인접하게 수집된다. 광축(60)에 관하여 마이크로렌즈들(42M)로부터 방출되는 광선의 최대 발산각(α)은 마이크로렌즈들(42M)의 최대 외곽 크기와 전체 마이크로렌즈들(42M)의 합성 초점 길이 사이의 관계식에 의해 결정된다. 보다 상세하게는, 최대 발산각(α)은 하기 수학식(5)으로 주어진다:
[수학식 5]
tanα = a/f
여기서 2a는 직경을 나타내고, f는 합성 초점 길이를 나타낸다.
합성 초점 길이(f)는 하기 수학식으로 주어진다:
[수학식 6]
f = f1xf2/(f1+f2-Δ)
여기서, f1은 제1 렌즈 표면(R1)의 초점 길이를 나타내고, f2는 제2 렌즈 표면(R2)의 초점 길이를 나타내며, Δ는 제1 렌즈 표면(R1)의 주 지점(H1)과 제2 렌즈 표면(R2)의 주 지점(H2) 사이의 거리(주 거리)를 나타낸다.
제2 렌즈 표면(R2)의 초점 위치 및 제1 렌즈 표면(R1)의 주 지점(H1)이 서로 일치할 때, Δ는 f2와 동일하고, 따라서, 합성 초점 길이(f)는 하기 수학식으로 주어진다:
[수학식 7]
f = f2
수학식(7)은 합성 초점 길이(f)가 제1 렌즈 표면(R1)의 초점 길이(f1)와 무관하게 일정한 값(f2)임을 보여준다. 수학식(5) 및 (7)은 주 광선(60A)의 출사광의 최대 발산각(α)이 마이크로렌즈들(42M)의 반경 "a" 및 제2 렌즈 표면(R2)의 초점 길이(f2)에 의해 직접적으로 및 독점적으로 결정되는 것을 보여준다. 이러한 경우에, 전체 렌즈의 합성 초점 위치는 제1 렌즈 표면(R1)의 초점 길이(f1)에 기초하여 고정된 합성 초점 길이(f)에 의해 조절될 수 있다. 초점 길이(f1)를 적절히 설정함으로써 작업에 필요한 화소 개구(46A)와 제2 렌즈 표면(R2) 사이의 거리가 보장될 수 있다.
다음으로, 각 성분과 함께 광축(60)에 유입되는 발산광(60B)(허선으로 나타냄)을 기재할 것이다. 광축(60)에 관하여 ±β의 각도로 액정 패널(25)을 조사하는 광선은 주 광선(60A)에 관하여 ±β로 발산되면서 제1 렌즈 표면(R1)을 통해 통과한다. 제2 렌즈 표면(R2)의 초점 위치는 제1 렌즈 표면(R1)의 주 지점(H1)과 일치하기 때문에 제2 렌즈 표면(R2)을 통과할 때 광선은 주 광선(60A)과 평행하게 된다. 즉, 주 광선(60A) 및 발산광(60B)은 마이크로렌즈(42M)로부터 발산된 후 최대 발산각(α)과 동일해진다.
상기 광학 작용을 갖는 마이크로렌즈들(42M)을 설치함으로써, 액정 패널(25)로부터 방출되는 광선의 최대 발산각(θ)은 하기 수학식(8)으로 주어진다:
[수학식 8]
θ= α
수학식(8)은 액정 패널(25)로부터 방출된 광선의 발산각(θ)이 역시 2개의 파라메터들, 즉, 마이크로렌즈들(42M)의 반경 "a" 및 제2 렌즈 표면(R2)의 초점 길이(f2)에 의해서만 결정되고, 조명광의 발산각(β)은 출사광의 발산각(θ)에 어떠한 영향도 미치지 않음을 보여준다. 즉, 본 실시예에 따라, 조명광의 발산각(β)은 조명광이 액정 패널(25)로부터 방출될 때 제거되고, 발산각(θ)은 도 10에 나타낸 관련 예에서보다 각도 β만큼 더 작아질 수 있다. 따라서, 마이크로렌즈들(42M)의 초점 길이가 감소될 때조차, 블랙 매트릭스부(47)에서 광선의 소멸 정도를 감소시킬 수 있다. 이는 유효 개구율을 감소시킴 없이 마이크로렌즈들(42M)의 초점 길이를 실질적으로 감소시킬 수 있고, 화소 개구(46A)에 형성된 광점의 크기를 실질적으로 감소시킬 수 있다. 결과적으로, 액정 패널(25)의 유효 개구율이 증가할 수 있다.
더욱이, 화소 개구(46A)에서 광점의 크기가 본 실시예에서 만족스럽게 감소될 수 있기 때문에, 관련 기술에 비해, 입사 발산각(β)은 증가될 수 있다. 도 3에나타낸 바와 같이, 입사 발산각(β)을 증가시킴으로써, 광점 크기는 화소 개구(46A)의 개구 크기에 따라 증가될 수 있고, 출사광의 양은 증가될 수 있다. 입사 발산각(β)의 증가는 액정 패널(25) 상으로 입사되는 광선의 양 및 광학 시스템을 수용하는 하우징의 크기에 대해 충분하다.
도 9를 참조하여 기재한 관련 기술과 마찬가지 방식으로, 액정 패널(25) 상으로 입사하는 조명광의 발산각(β)은 하기 수학식(3)으로 정의된다:
[수학식 3]
tanβ= rc/fc
여기서, fc는 콘덴서 렌즈(16)의 초점 길이를 나타내고, rc는 그의 반경을 나타낸다.
이러한 방식으로, 발산각(β)은 콘덴서 렌즈(16)의 반경(rc) 및 초점 길이(fc)에 의해 결정되는 파라미터이다. 그러나, 콘덴서 렌즈(16)의 반경(rc)은 광원(11)을 형성하는 램프의 크기에 의해 실질적으로 결정되기 때문에, 발산각(β)이 증가할 때, 초점 길이(fc)가 감소한다. 다른 한편, 제1 MAL(12)의 각각의 마이크로렌즈들(12M)의 배율(M)(액정 패널(25) 및 제1 MLA(12)의 조명 영역의 유사 비율에 대응하는 고정 값)은 하기 수학식(7)으로 주어지는 바와 같이, 제2 MAL(13)의 각각의 마이크로렌즈들(13M)의 초점 길이(fMLA2)와 콘덴서 렌즈(16)의 초점 길이(fc)의 비율이다. MLA들(12 및 13)에 의해 분리된 작은 빔들은 액정 패널을 조사하도록 배율(M)로 확대된다.
[수학식 7]
M= fc/fMLA2
이러한 이유 때문에, 발산각(β)을 증가시키기 위해 콘덴서 렌즈(16)의 초점 길이(fc)를 감소시키는 것은 제2 MLA(13)의 마이크로렌즈들(13M) 각각의 초점 길이(fMLA2)가 역시 감소되어야하는 것을 의미한다. 2개의 MLA들(12 및 13) 사이의 거리는 초점 길이(fMLA2)가 감소함에 따라 감소되기 때문에, 광학 시스템의 전체 크기는 감소될 수 있다. 결과적으로, 광학 시스템을 위한 하우징의 크기는 감소된다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 제2 MLA(13)의 마이크로렌즈들(13M) 중의 하나의 유효 직경이 D로 지정될 때, PS 빔 합성기(15)는 이 PS 빔 합성기(15)의 구조를 고려하여, 하나의 마이크로렌즈(13)에 대해 거의 D/2의 크기를 갖는 개구 상으로 입사되는 광선의 편광 성분만을 전환시킬 수 있다. 따라서, PS 빔 합성기(15)로 광선을 수집하는 효율을 개선시키기 위해, 제2 MLA(13) 상의 광원 영상의 크기를 감소시킴으로써 PS 빔 합성기(15) 상으로 입사되는 광선 빔의 직경을 감소시키는 것이 바람직하다. 제2 MLA(13) 상에 형성된 광원 영상의 크기는 일반적으로 광원(11)을 형성하는 램프의 아크 길이 및 반사경과 광원(11)의 아크 사이의 거리(아크-미러 거리)에 관하여 하기 수학식(8)으로 주어진다:
[수학식 8]
램프 아크 길이 x fMLA2/아크-미러 거리
이는 제2 MLA(13) 상의 광원 영상이 초점 길이(fMLA2)를 감소시키기 위해 발산각(β)을 증가시킴으로써 더 작아짐을 보여준다. 결과적으로, 제2 MLA(13) 및 PS빔 합성기(15)로 광선을 수집하는 효율을 개선시킬 수 있고, 액정 패널(25)로부터 상류에 배치된 전체 조명 시스템에 출력된 광선을 증가시킬 수 있고, 액정 패널(25) 상의 입사광의 양을 증가시킬 수 있다.
상기한 바와 같이, 액정 패널(25) 상의 입사광의 발산각(β)을 증가시킴으로써, 광학 시스템을 위한 하우징의 크기를 감소시킬 수 있고 전체 조명 시스템의 광 출력을 증가시킬 수 있다.
[실시예]
도 5a는 도 2에 나타낸 구조를 갖는 액정 패널이 사용된 경우에 유효 개구율(투사 렌즈로 광선을 수집하는 효율)의 간단한 예를 나타낸다. 본 실시예에서, 유효 개구율은 도 5b에 나타낸 시뮬레이션 조건하에 산출되었다. 도 5b에 나타낸 바와 같이, 도트 크기(도 3에 나타낸 "2a"에 대응함)는 18㎛x18㎛로 설정되고, 화소 개구(46A)의 크기는 12㎛x12㎛로 설정되었다. 조명 광학 시스템으로서, 0.9인치 패널에 대한 플라이-아이 적분기 광학 시스템이 사용되었다(액정 패널 상의 입사광의 발산각(β)은 ±9˚였다). 투사 렌즈(27)의 F-수는 1.7로 설정되었다(액정 패널로부터 출사광의 발산각(θ)은 17.1˚였다).
그러한 시뮬레이션 조건에 의해, 마이크로렌즈들(42M)의 합성 초점 길이(f)가 41㎛이고, 제2 렌즈 표면(R2)과 화소 개구(46A) 사이의 거리가 8㎛일 때, 유효 개구율은 산출 결과의 96%였다. 비교 예들에 대해, 단지 하나의 렌즈 표면이 굴절력을 갖는 경우에 종래의 단일 렌즈형 집광 마이크로렌즈들을 사용하여 시뮬레이션을 수행하였다(도 10 참조). 제1 비교예에서, 마이크로렌즈들의 초점 길이는 오히려 길게 70㎛로 설정되고, 유효 개구율은 86%였다. 제2 비교예에서, 마이크로렌즈들의 초점 길이는 다소 짧게 41㎛로 설정되었고, 유효 개구율은 77%였다.
투사 렌즈의 소멸은 초점 길이가 비교 예들의 조건하에 단축되기 때문에, 초점 길이가 70㎛였을 때 유효 개구율은 초점 길이가 41㎛였을 때보다 약 10% 더 컸다. 이와는 대조적으로, 본 실시예에서, 합성 초점 길이는 제2 비교예와 마찬가지 방식으로 짧았지만(f=41㎛), 유효 개구율은 제1 비교예의 그것보다 105 더 컸고, 여기서 초점 길이는 더 길었다. 이는 입사 조명광의 발산각(β)이 마이크로렌즈들(42M)의 광학 작용에 의해 널화되었기 때문이다. 특히, 시뮬레이션 결과는 상이한 굴절율들을 갖는 표면들 사이의 인터페이스에서 반사 손실을 포함하기 때문에, 4%(100%-96%)가 반사 손실에 대응하는 것으로 생각된다. 즉, 본 실시예에서, 블랙 매트릭스부 또는 투사 렌즈에 의한 소멸은 거의 야기되지 않고, 마이크로렌즈들(42M)은 유효 개구율을 증가시키는 데 효과적인 것으로 생각된다.
상기한 바와 같이, 본 실시예에 따라, 2개의 렌즈 표면들(R1 및 R2)을 갖는 마이크로렌즈들(42M)은 각각의 화소 개구에 대응하여 배치되고, 제2 렌즈 표면(R2)의 초점 위치는 제1 렌즈(R1)의 주 지점(H1)과 실질적으로 일치하도록 이루어지고, 전체 마이크로렌즈들의 초점 위치는 화소 개구(46A)의 위치와 실질적으로 일치하도록 이루어진다. 따라서, 광선이 마이크로렌즈들(42M)로부터 방출될 때 광축에 대하여 입사광의 발산각 성분(β)을 제거할 수 있다. 이는 액정 패널의 유효 개구율을 증가시키고, 전체 조명 광학 시스템의 광 이용 효율을 증진시킨다. 광 출력에서 그러한 증가 외에, 조명 광학 시스템의 크기를 감소시킬 수 있고, 투사 렌즈의 단가를 감소시킬 수 있다. 따라서, 크기 감소 및 휘도의 증가가 가능하고, 마이크로렌즈들의 가공이 용이해진다.
이러한 방식으로, 본 실시예는 구조를 확대하지 않고 생산 곤란성을 증대시키지 않으면서 유효 개구율을 증가시키고, 광 이용 효율을 증진시킬 수 있게 한다.
[변형예]
도 6a 및 6b는 액정 패널(25)의 구조의 변형예들을 나타낸다. 도 6a 및 6b에 관해서, 대향 기판들(40A-1 및 40A-2)은 도 2에 나타낸 것과 상이하다. 마이크로렌즈들(42M)의 렌즈 표면들(R1 및 R2)은 도 2의 수지층들 사이의 인터페이스에 의해 형성되지만, 이들은 글래스와 수지 사이의 인터페이스(또는 공기층)에 의해 형성될 수 있다. 도 6a 및 6b에서, 마이크로렌즈들(42M)은 굴절율들(ng1 및 ng2)을 갖는 2개의 글래스층들(51 및 53) 사이에 굴절율들(n1)을 갖는 수지층(52)을 배치함으로써 형성된다. 제1 렌즈 표면(R1)은 글래스층(51)과 수지층(52) 사이의 인터페이스에 의해 형성되고, 제2 렌즈 표면(R2)은 글래스층(53)과 수지층(52) 사이의 인터페이스에 의해 형성된다. 이러한 경우에, 렌즈 표면들(R1 및 R2)의 형상은 2개의 인터페이스들 사이의 굴절율의 차이에 의해 결정된다.
도 6a에 나타낸 구조에서, 수지층(52)과 글래스층들(51 및 53)의 굴절율은 n1>ng1 및 ng2의 관계식을 만족시킨다. 이러한 경우에, 제1 렌즈 표면(R1)은 광 입사측(광원측)에서 볼록하고, 제2 렌즈 표면(R2)은 광 출사측에서 볼록하다. 이와는 대조적으로, 도 6b에 나타낸 구조에서, 수지층(52)과 글래스층(51 및 53)의 굴절율은 n1<ng1 및 ng2의 관계식을 만족시킨다. 이러한 경우에, 제1 렌즈 표면(R1)은 광입사측에서 오목하고, 제2 렌즈 표면(R2)은 광 출사측에서 오목하다. 도 6b에서, 수지층(52)은 공기층으로 대체될 수 있다.
도 6a 및 6b에 나타낸 액정 패널들의 대향 기판들(40A-1 및 40A-2)은 예를 들면 먼저 2개의 글래스 기판의 표면상에 렌즈 표면들(R1 및 R2) 각각을 형성하고, 글래스 기판들을 서로 대향하도록 배치하고, 수지층(52)의 재료로서 작용하는 광학 수지(예를 들면, 우레탄 또는 아크릴계 수지)로 이들 사이의 공간을 충전시킴으로써 생성된다. 글래스 기판의 표면은 예를 들면 이방성 에칭, 부등방성 에칭 및 드라이 에칭 등의 여러 가지 에칭 방법에 의해 처리될 수 있다.
도 2에 나타낸 구조와는 대조적으로, 수지층들(43A 및 43B)은 도 6a 및 6b에서 대향 기판(40A-1 및 40A-2)으로부터 생략된다. 따라서, 수지층들의 수를 감소시키고, 단가를 감소시킬 수 있다.
도 7a 및 7b는 마이크로렌즈들(42M)의 렌즈 표면들(R1 및 R2)의 형상에 대한 변형을 나타낸다. 렌즈 표면들(R1 및 R2)은 구형일 뿐만 아니라(도 7c), 타원 등의 비구형이거나(도 7b), 또는 프레넬(Fresnel)형일 수 있다(도 7a). 구형 렌즈가 용이하게 취급될 수 있지만, 초점 길이를 최소화시키는 곡률 반경은 도트 크기에 의해 제한되고, 따라서, 초점 길이를 감소시키는 것은 렌즈 인터페이스에서 굴질 지수의 충분한 차이가 보장되지 않는 한 곤란하다. 이와는 대조적으로, 비구형 표면 및 프레넬 표면은 도면들에 나타낸 바와 같이 보다 짧은 초점 길이 및 평탄한 주요 평면인 장점을 갖고, 발산각(β)을 널화하는데 효과적이다.
도 8은 액정 패널(25)의 구조의 다른 변형을 나타낸다. 이러한 변형에서, 집광 렌즈 표면은 대향 기판 내에 배치되고, 필드 기능을 갖는 렌즈 표면은 화소 전극 기판에 배치된다. 이러한 액정 패널은 화소 전극 기판(50B) 및 이 화소 전극 기판(50B)의 광 입사측에 배치되고 이들 사이의 액정층(45)과 대향하는 대향 기판(50A)을 포함한다.
대향 기판(50A)은 광 입사측으로부터 순서대로 배열된 글래스 기판(41), 수지층(43A), 제1 마이크로렌즈 어레이(42A), 및 커버 글래스(44A)를 포함한다. 다른 한편, 화소 전극 기판(50B)은 광 입사측으로부터 순서대로 배열된 화소 전극부(46) 및 블랙 매트릭스부(47), 커버 글래스(44B), 제2 마이크로렌즈 어레이(42B), 수지층(43B) 및 글래스 기판(48)을 포함한다.
제1 마이크로렌즈 어레이(42A)는 광학 수지로 제조되고, 화소 전극부(46)에 대응하는 2차원 형태로 배열된 복수의 제1 마이크로렌즈들(42M-1)을 포함한다. 마이크로렌즈들(42M-1) 각각은 양의 굴절력을 갖는 제1 렌즈 표면(R1)을 갖고, 집광 렌즈로서 작용한다. 수지층(43A)의 굴절율(n1) 및 제1 마이크로렌즈 어레이(42A)의 굴절율(n2)은 n2>n1의 관계식을 갖고, 제1 렌즈 표면(R1)은 광 입사측(광원측)에서 볼록하다
마찬가지로, 제2 마이크로렌즈 어레이(42B)는 광학 수지로 제조되고, 화소 전극부(46)에 대응하는 2차원 형태로 배열된 복수의 제2 마이크로렌즈들(42M-2)을 포함한다. 마이크로렌즈들(42M-2) 각각은 양의 굴절력을 갖는 제2 렌즈 표면(R2)을 갖고, 필드 렌즈로서 작용한다. 즉, 제2 렌즈 표면(R2)의 초점 위치는 제1 렌즈 표면(R1)(제1 마이크로렌즈들(42M-1)의 주 지점과 실질적으로 일치한다. 수지층(43B)의 굴절율(n4) 및 제2 마이크로렌즈 어레이(42B)의 굴절율(n3)은 n3>n4의 관계식을 갖고, 제2 렌즈 표면(R2)은 광 입사측에서 볼록하다
도 8에 나타낸 변형은 화소 개구(46A)가 2개이 마이크로렌즈들(42M-1 및 42M-2)(2개의 렌즈 표면들(R1 및 R2)) 사이에 배치되는 점에서 상이한 한편, 2개의 마이크로렌즈들(42M-1 및 42M-2)의 합성 초점 위치는 화소 개구(46A)에 인접하게 배치되는 점에서 동일하다. 합성 초점 위치와 화소 개구(46)의 위치의 정렬은 예를 들면 마이크로렌즈들(42M-1 및 42M-2)과 화소 개구(46A) 사이의 거리를 조절함으로써 제어될 수 있다. 이러한 변형 구조는 가장 큰 비네팅 인자를 얻지만, 작업을 보다 난해하게 만들 것으로 생각된다.
도 6 내지 8에 나타낸 상기 변형들은 서로 독립적이지 않고, 임의로 조합될 수 있다.
무엇이 현재 바람직한 실시예들로 고려되는지에 관련하여 본 발명을 기재하였지만, 본 발명은 개시된 실시예들로만 제한되지 않음을 이해해야 한다. 이에 반하여, 본 발명은 첨부된 특허 청구의 범위 및 전신에 포함된 여러 가지 변형 및 등가의 배열을 커버하도록 의도된다. 예를 들면, 굴절력을 갖는 단지 2개의 렌즈 표면들만이 상기 실시예들에서 하나의 도트에 대해 제공되었지만, 하나의 도트에 대한 렌즈 표면의 수는 3개 이상일 수 있다. 본 발명은 3패널 투사형 액정 디스플레이 장치에 적용될 뿐만 아니라, 단일 패널 투사형 액정 디스플레이 장치에 적용될 수 있다.

Claims (6)

  1. 액정층;
    광선을 투과시키기 위해 복수의 화소 개구들을 갖는 화소 전극부; 및
    상기 화소 개구들에 대응하는 상기 액정층의 광 입사측과 광 출사측 중 적어도 하나에 2차원 형태로 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 갖는 적어도 하나의 마이크로렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 각각의 마이크로렌즈들은
    상기 화소 개구들중 대응하는 개구 쪽으로 입사광을 수집하기 위해 광축 방향으로 적어도 하나의 렌즈 표면을 갖는 집광 렌즈; 및
    그 초점 위치가 상기 집광 렌즈의 주 지점과 실질적으로 일치하도록 광축 방향으로 적어도 하나의 렌즈 표면을 갖는 필드 렌즈를 포함하는, 액정 디스플레이 소자.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 마이크로렌즈들의 전체의 초점 위치는 상기 대응하는 화소 개구와 실질적으로 일치하는, 액정 디스플레이 소자.
  3. 제 1 항에 있어서,
    광축에 대하여 발산각 성분을 갖는 입사광이 상기 마이크로렌즈 어레이로부터 방출될 때, 상기 발산각 성분은 상기 필드 렌즈의 광학 작용에 의해 제거되고, 상기 입사광의 출사각은 광축에 평행하게 들어가는 주 광선의 출사각과 실질적으로 일치하는, 액정 디스플레이 소자.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 액정 디스플레이 소자는 투사 렌즈를 경유하여 상기 액정 디스플레이 소자를 통해 투과된 광선을 투사하는 투사형 액정 디스플레이 장치에 인가되고, 상기 각각의 마이크로렌즈들의 개구수는 상기 투사 렌즈의 F-수와 실질적으로 일치하는, 액정 디스플레이 소자.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 각각의 마이크로렌즈들은 하나 또는 그 이상의 구형 표면, 비구면 표면, 및 프레넬(Fresnel) 표면으로 형성되는, 액정 디스플레이 소자.
  6. 광선을 발하기 위한 광원;
    입사광을 광학적으로 변조시키기 위한 액정 디스플레이 소자; 및
    상기 액정 디스플레이 소자에 의해 변조된 광선을 투사시키기 위한 투사 렌즈를 포함하고,
    상기 액정 디스플레이 소자는
    액정층;
    광선을 투과시키기 위해 복수의 화소 개구들을 갖는 화소 전극부; 및
    상기 화소 개구들에 대응하는 상기 액정층의 광 입사측과 광 출사측 중 적어도 하나에 2차원 형태로 배열된 복수의 마이크로렌즈들을 갖는 적어도 하나의 마이크로렌즈 어레이를 포함하고,
    상기 각각의 마이크로렌즈들은
    상기 화소 개구들중 대응하는 개구 쪽으로 입사광을 수집하기 위해 광축 방향으로 적어도 하나의 렌즈 표면을 갖는 집광 렌즈; 및
    그 초점 위치가 상기 집광 렌즈의 주 지점과 실질적으로 일치하도록 광축 방향으로 적어도 하나의 렌즈 표면을 갖는 필드 렌즈를 포함하는, 투사형 액정 디스플레이 장치.
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