KR20030079268A - 프로젝션 디스플레이 시스템 - Google Patents

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KR20030079268A
KR20030079268A KR1020020018207A KR20020018207A KR20030079268A KR 20030079268 A KR20030079268 A KR 20030079268A KR 1020020018207 A KR1020020018207 A KR 1020020018207A KR 20020018207 A KR20020018207 A KR 20020018207A KR 20030079268 A KR20030079268 A KR 20030079268A
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light source
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KR1020020018207A
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박준찬
임영빈
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삼성에스디아이 주식회사
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Abstract

반사형 액정 디스플레이와 광학 엔진을 이용하여 액정 디스플레이의 영상을 프로젝션 스크린으로 확대 투사하는 프로젝션 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, 백색광을 방출하는 광원과; 광원으로부터 백색광을 제공받아 R, G, B 광 가운데 제1, 2 광을 반사하고 제3 광을 투과하는 제1 다이크로익 미러와; 광원과 제1 다이크로익 미러 사이에 배치되고 백색광의 주광선들을 평행하게 분포시켜 제1 다이크로익 미러에 제공하는 제1 릴레이 렌즈군과; 제1, 2 광 경로상에 배치되어 제1 광을 반사하고 제2 광을 투과하는 제2 다이크로익 미러와; 제3 광 경로상에 배치되어 제3 광의 주광선들을 평행하게 분포시키는 제2 릴레이 렌즈군과; 각자의 제1, 2, 3 광 경로상에 제공되는 3개의 편광 빔 스플리터 및 반사형 액정 디스플레이를 포함하는 프로젝션 디스플레이 시스템을 제공한다.

Description

프로젝션 디스플레이 시스템 {A PROJECTION DISPLAY SYSTEM}
본 발명은 프로젝션 디스플레이 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반사형 액정 디스플레이와 광학 엔진을 이용하여 액정 디스플레이의 영상을 프로젝션 스크린으로 확대 투사하는 프로젝션 디스플레이 시스템에 관한 것이다.
상기 반사형 액정 디스플레이의 한 종류인 엘코스(LCOS; Liquid Crystal On Silicon, 이하 편의상 'LCOS'라 한다)는 통상의 액정 디스플레이와 달리 반도체 기판 위에 액정 셀을 형성한 것으로서, 각 화소의 구성 요소와 스위칭 회로를 고집적으로 배치하여 대략 1인치 정도의 소형 크기로 엑스지에이(XGA)급 이상의 고해상도를 실현할 수 있다.
이러한 이유로 LCOS 패널이 프로젝션 시스템의 디스플레이 장치로 주목을 받고 있으며, 상기 LCOS 패널과 이를 이용한 프로젝션 디스플레이 시스템의 기술 개발 및 상품화가 활발하게 진행되고 있다.
상기 프로젝션 디스플레이 시스템이 풀-칼라 화면을 구현하는 방식에는 백색광을 R(적), G(녹), B(청) 광으로 변환하고, R, G, B 광에 대응하는 3개의 LCOS 패널을 구비하여 각각의 LCOS 패널이 구현한 R, G, B 영상을 칼라 영상으로 합성하여 프로젝션 스크린에 투사하는 3-패널 방식이 있다.
도 5는 종래 기술에 의한 프로젝션 디스플레이 시스템의 개략도로서, 광원(1)에서 방출된 백색광은 제1 다이크로익 미러(3a)를 통해 B 광이 분리되고, B 광은 제1 릴레이 렌즈(5a)를 통해 제1 LCOS 패널(7a)에 입사한다. 그리고 제1 다이크로익 미러(3a)에서 반사된 R/G 광은 제2 다이크로익 미러(3b)를 통해 분리되고, 각자의 R/G 광은 제2, 3 릴레이 렌즈(5b, 5c)를 통해 제2, 3 LCOS 패널(7b, 7c)에 입사한다.
이로서 3개의 LCOS 패널(7a, 7b, 7c)이 각자의 R, G, B 영상을 구현하면, 엑스-큐브(X-cube)와 같은 합성수단(9)이 R, G, B 영상을 합성하여 프로젝션 렌즈계(11)에 제공하고, 프로젝션 렌즈계(11)는 칼라 영상을 프로젝션 스크린(미도시)으로 확대 투사하여 이미지를 구현하게 된다.
그러나 도 6에 도시한 바와 같이, 각자의 LCOS 패널(7) 전면에 릴레이 렌즈(5)를 배열하는 구조에서는 다이크로익 미러(3) 위치에서 텔레센트릭 특성(주광선들이 평행하게 진행하여 입사 대상의 전 영역에 걸쳐 입사각 분포가 동일하게 되는 것)이 확보되지 않음을 확인할 수 있다.
즉, LCOS 패널(7)에 제공되는 광 경로를 역으로 살펴보면, LCOS 패널(7)에서는 광 분포가 텔레센트릭 특성을 가지고 있으나, LCOS 패널(7)과 다이크로익 미러(3) 사이에 배치된 릴레이 렌즈(5)에 의해 다이크로익 미러(3)에서는 주광선들의 각도에 차이가 생겨 텔레센트릭 특성이 유지되지 못한다.
여기서, 통상의 다이크로익 미러(3)는 유전체가 코팅된 글래스로 이루어지며, 코팅막의 두께와 재질 및 층수에 따라 특정 파장의 빛을 선택적으로 투과 또는 반사하도록 설계되는데, 상기와 같이 다이크로익 미러(3)에서 주광선들의 각도 분포에 차이가 생기면, 주광선의 각도 분포에 따라 투과 또는 반사되는 빛의 파장이 이동하는 문제가 발생한다.
그 결과, 종래의 프로젝션 시스템은 LCOS 패널(7)의 좌우 부분에 서로 다른 파장대의 빛이 제공되며, 실제 이미지가 구현되는 프로젝션 스크린 상에서 화면의 좌우 부분에 색차이가 발생하게 된다.
상기한 문제는 다이크로익 미러(3)에서 뿐만 아니라 편광 빔 스플리터와 LCOS 패널(7)에서 주광선의 각도 분포에 차이가 발생할 때, 좌우 색차이나 광량 차이를 일으킨다. 이는 편광 빔 스플리터가 유전체로 코팅되어 있고, LCOS 패널(7)의 입사각에 따라 광 투과율 등 표시 특성이 변화하기 때문이다.
이로서 종래의 프로젝션 시스템은 좌우 색차이 문제를 해소하기 위해 LCOS 패널(7)에 대향하는 릴레이 렌즈(5)의 일면에 다이크로익 코팅막(13)을 형성하고있으나, 이 방법은 재료비 상승을 유발하며, 다이크로익 미러(3)에서 텔레센트릭 특성을 확보하지 못한 채, 빛의 파장만을 제어하는 한계를 안고 있다.
따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 광학 엔진의 배열을 최적화하여 다이크로익 미러에서 텔레센트릭 특성을 확보하고, 프로젝션 스크린의 좌우 색차이 및 광량 차이 등을 예방할 수 있는 프로젝션 디스플레이 시스템을 제공하는데 있다.
도 1은 본 발명에 의한 프로젝션 디스플레이 시스템의 개략도.
도 2는 도 1에 도시한 제1 릴레이 렌즈군의 확대도.
도 3은 R/G 광 영역에서 주광선의 경로를 나타낸 개략도.
도 4는 B 광 영역에서 주광선의 경로를 나타낸 개략도.
도 5는 종래 기술에 의한 프로젝션 디스플레이 시스템의 개략도.
도 6은 도 5에 도시한 LCOS 패널과 다이크로익 미러의 확대도.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
광원으로부터 백색광을 제공받아 R, G, B 광 가운데 제1, 2 광을 반사하고 제3 광을 투과하는 제1 다이크로익 미러와, 광원과 제1 다이크로익 미러 사이에 배치되고 백색광의 주광선들을 평행하게 분포시켜 제1 다이크로익 미러에 제공하는 제1 릴레이 렌즈군과, 제1, 2 광 경로상에 배치되어 제1 광을 반사하고 제2 광을 투과하는 제2 다이크로익 미러와, 각자의 제1, 2, 3 광 경로상에 제공되는 3개의 편광 빔 스플리터 및 반사형 액정 디스플레이를 포함하는 프로젝션 디스플레이 시스템을 제공한다.
그리고 제3 광 경로상으로 제2 릴레이 렌즈군이 위치하여 제1 다이크로익 미러를 통과한 제3 광의 주광선들을 평행하게 분포시킨다.
이와 같이 본 발명에 따른 프로젝션 디스플레이 시스템은 제1, 2 다이크로익 미러와 3개의 편광 빔 스플리터 및 3개의 반사형 액정 디스플레이 모두에서 주광선들의 텔레센트릭 특성을 유지하여 스크린의 좌우 색차이 발생을 방지한다.
이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 프로젝션 디스플레이 시스템의 개략도로서, 프로젝션 시스템은 크게 백색광을 방출하는 광원(2)과, 백색광에 텔레센트릭 특성을 부여하는 제1 릴레이 렌즈군(4)과, 제1 릴레이 렌즈군(4) 다음에 배치되어 백색광을 R, G, B 광으로 분리시키는 제1, 2 다이크로익 미러와(6a, 6b), 각자의 R, G, B 광을 제공받아 단색의 영상을 구현하는 3개의 반사형 액정 디스플레이(8a, 8b, 8c)를 포함한다.
먼저, 상기 광원(2)은 포물선 모양의 반사판(10)을 구비하여 광원(2)에서 방출된 빛이 광학 필터(12)에 집중 조사되도록 하며, 광학 필터(12)는 광원(2)에서 제공받은 백색광 가운데 가시광의 적색보다 파장이 긴 적외선과, 가시광의 자색보다 파장이 짧은 자외선을 차단하여 가시광 범위의 빛을 선택적으로 투과시킨다.
그리고 광학 필터(12) 다음에 한쌍의 플라이-아이 렌즈(14)(fly-eye lens)가 배열되어 백색광의 밝기 균질성을 향상시키며, 플라이-아이 렌즈(14) 다음에 배치되는 편광 변환계(16)(PCS; Polarization Conversion System)가 광원(2)에서 방출된 불안정한 편광 상태의 빛을 반사형 액정 디스플레이 구동에 유리한 안정된 편광 상태의 빛으로 변환시키는 역할을 한다.
상기 편광 변환계(16) 다음으로 다수의 릴레이 렌즈로 이루어진 제1 릴레이 렌즈군(4)이 배열된다. 제1 릴레이 렌즈군(4)은 주광선들을 평행하게 분포시켜제1 다이크로익 미러(6a)에 텔레센트릭 특성이 유지된 백색광이 입사하도록 한다.
보다 구체적으로, 상기 제1 릴레이 렌즈군(4)은 일례로 도 2에 도시한 바와 같이, 정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제1 렌즈(18)와, 부의 굴절력을 가지며 양면이 오목한 제2 렌즈(20)와, 부의 굴절력을 갖는 매니스커스 렌즈인 제3, 4 렌즈(22, 24)와, 정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제5 렌즈(26)를 순차 배열한 구성으로 이루어진다.
이로서 상기 백색광은 제1 릴레이 렌즈군(4)을 통과하면서 주광선이 텔레센트릭 특성을 확보하여 제1 다이크로익 미러(6a)의 전부분에 걸쳐 주광선의 입사각 분포가 동일해진다. 따라서 제1 릴레이 렌즈군(4)을 통과한 백색광은 제1 다이크로익 미러(6a)에서 텔레센트릭 특성이 유지되어 제1 다이크로익 미러(6a)가 정해진 파장의 빛을 정확하게 반사/투과하도록 한다.
상기 제1 다이크로익 미러(6a)는 제1 릴레이 렌즈군(4) 다음에 배치되어 백색광을 제공받아 B 광을 투과하고, R/G 광을 반사하여 B 광을 분리시키며, R/G 광 경로상에 제2 다이크로익 미러(6b)가 배치되어 R 광을 투과하고 G 광을 반사하여 R/G 광을 분리시킨다.
그리고 각자의 R, G, B 광 경로상으로 3개의 편광판(28a, 28b, 28c)과 편광 빔 스플리터(30a, 30b, 30c) 및 반사형 액정 디스플레이(8a, 8b, 8c)가 구비된다. 상기 편광판(28)은 자신의 편광축과 동일한 편광 파장의 빛을 선택적으로 투과하며, S-편광만을 투과시킨다.
상기 편광 빔 스플리터(30)는 입사된 빛을 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리하여 이 가운데 반사 효율이 좋은 S-편광 빛을 반사형 액정 디스플레이(8)에 제공한다.
상기 반사형 액정 디스플레이(8)는 S-편광 빛을 제공받아 액정의 화소별 구동을 통해 단색의 영상을 구현하며, 이 영상은 반사형 액정 디스플레이(8)에 내장된 반사판(미도시)를 통해 편광 빔 스플리터(30)에 제공된다. 그리고 3개의 편광 빔 스플리터(30a, 30b, 30c)를 빠져나온 단색의 영상들은 합성부(32)에서 칼라 영상으로 합성된다.
여기서, 본 실시예에 의한 반사형 액정 디스플레이(8)는 바람직하게 반도체 기판의 일면에 액정 셀을 형성한 이른바 엘코스(LCOS; Liquid Crystal On Silicon) 패널로 이루어지며, 개개의 엘코스 패널(8)이 대략 1인치 정도의 소형 크기를 가짐에 따라, 프로젝션 시스템의 소형화에 유리한 장점을 갖는다.
그리고 상기 합성부(32)는 일례로 X-큐브로 이루어지며, 자신의 4면중 3개의 면으로 각자의 편광 빔 스플리터(30)와 마주하여 이들 편광 빔 스플리터(30)로부터 제공받은 단색의 영상을 칼라 영상으로 합성하고, 합성된 칼라 영상을 나머지 한개의 면과 접하는 프로젝션 렌즈계(34)에 제공하여 이 프로젝션 렌즈계(34)를 통해 도시하지 않은 스크린으로 칼라 영상을 확대 투사하도록 한다.
이 때 본 실시예에서, 제1 다이크로익 미러(6a)와 제2 다이크로익 미러(6b)는 중간에 주광선의 분포를 변화시키는 중간 매개물 없이 직접적인 광 경로를 제공함에 따라, 제1, 2 다이크로익 미러(6a, 6b)에서 주광선의 텔레센트릭 특성을 유지한다.
도 3은 R/G 광 영역에서 주광선의 경로를 나타낸 개략도로서, 주광선들은 제1, 2 다이크로익 미러(6a, 6b)에서 텔레센트릭 특성을 유지함과 아울러, 제2 다이크로익 미러(6b)와 2개의 편광 빔 스플리터(30a, 30b) 및 반사형 액정 디스플레이(8a, 8b)가 그들 사이에 중간 매개물 없이 직접적인 광 경로를 제공함에 따라, 2개의 편광 빔 스플리터(30a, 30b)와 반사형 액정 디스플레이(8a, 8b) 모두에서 텔레센트릭 특성을 유지한다.
따라서 본 실시예는 제1, 2 다이크로익 미러(6a, 6b)가 정해진 파장의 빛을 정확하게 반사/투과하여 스크린에서의 좌우 색차이를 유발하지 않으며, 2개의 편광 빔 스플리터(30a, 30b)와 반사형 액정 디스플레이(8a, 8b)를 통해서 좌우 색차이와 광량 차이 등을 유발하지 않는다.
한편, 도 1에 도시한 바와 같이 B 광 영역에서는 제1 다이크로익 미러(6a)와 B용 편광 빔 스플리터(30c) 사이에 미러(36)가 배치되어 B 광을 굴절시키는데, R/G 광 경로와 비교하여 B 광의 경로가 길기 때문에, 제1 다이크로익 미러(6a)와 B용 편광 빔 스플리터(30c) 사이에 제2 릴레이 렌즈군(38)을 배열한다.
도 4는 B 영역에서 주광선 경로를 나타낸 개략도로서, 제1 릴레이 렌즈군(4)을 통과한 백색광은 제1 다이크로익 미러(6a)에서 텔레센트릭 특성을 유지하며, 제1 다이크로익 미러(6a) 다음에 배치된 제2 릴레이 렌즈군(38)을 통해 도시한 C지점에서 촛점이 맺어진 후, B용 편광 빔 스플리터(30c)와 반사형 액정 디스플레이(8c)에서 다시 텔레센트릭 특성을 유지한다.
상기 제2 릴레이 렌즈군(38)은 일례로 정의 굴절력을 갖는 매니스커스 렌즈인 제1 렌즈(40)와, 정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제2 렌즈(42)와, 도시한 C지점 다음에 위치하며 정의 굴절력을 가지면서 양면이 볼록한 제3, 4 렌즈(44, 46)를 순차 배열한 구성으로 이루어진다.
이와 같이 본 실시예에 의한 프로젝션 시스템은 제1, 2 다이크로익 미러(6a, 6b)와 3개의 편광 빔 스플리터(30a, 30b, 30c) 및 3개의 반사형 액정 디스플레이(8a, 8b, 8c) 모두에서 주광선들이 텔레센트릭 특성을 유지함에 따라, 스크린 상에서 좌우 색차이가 발생하지 않는 장점을 갖는다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
이와 같이 본 발명에 따르면 제1, 2 다이크로익 미러와 3개의 편광 빔 스플리터, 그리고 3개의 반사형 액정 디스플레이 모두에서 주광선들이 텔레센트릭 특성을 유지하며, 그 결과 스크린 상에서 좌우 색차이를 제거할 수 있다. 또한, 릴레이 렌즈 뒷면에 다이크로익 코팅막을 구비하지 않음에 따라, 제품의 원가를 낮추는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 백색광을 방출하는 광원과;
    상기 광원으로부터 백색광을 제공받아 백색광의 R(적), G(녹), B(청) 광 가운데 제1, 2 광을 반사하고, 제3 광을 투과하는 제1 다이크로익 미러와;
    상기 광원과 제1 다이크로익 미러 사이에 배치되고, 상기 백색광의 주광선들을 평행하게 분포시켜 제1 다이크로익 미러에 제공하는 제1 릴레이 렌즈군과;
    상기 제1, 2 광 경로상에 배치되며, 제1, 2 광 가운데 제1 광을 반사하고, 제2 광을 투과하는 제2 다이크로익 미러와;
    상기 제1, 2, 3 광 경로상에 각각 구비되어 입사된 빛을 S-편광 빛과 P-편광 빛으로 분리하는 3개의 편광 빔 스플리터; 및
    각자의 편광 빔 스플리터 일면에 구비되며, S-편광 빛을 제공받아 액정의 화소별 구동으로 단색의 영상을 구현하는 3개의 반사형 액정 디스플레이
    를 포함하는 프로젝션 디스플레이 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 광원과 제1 릴레이 렌즈군 사이에 적외선과 자외선 파장대의 빛을 차단시키는 광학 필터가 위치하는 프로젝션 디스플레이 시스템.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 광학 필터 다음에 한쌍의 플라이-아이 렌즈가 위치하는 프로젝션 디스플레이 시스템.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 플라이-아이 렌즈 다음에 편광 변환계(PCS; Polarization Conversion System)가 위치하는 프로젝션 디스플레이 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 릴레이 렌즈군이 상기 광원에서 제1 다이크로익 미러를 향하여, 정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제1 렌즈와, 부의 굴절력을 가지며 양면이 오목한 제2 렌즈와, 부의 굴절력을 갖는 매니스커스 렌즈인 제3, 4 렌즈와, 정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제5 렌즈를 순차 배열하는 프로젝션 디스플레이 시스템.
  6. 제1 항에 있어서,
    상기 제3 광 경로상에 제2 릴레이 렌즈군이 위치하여 제1 다이크로익 미러를 통과한 제3 광의 주광선들을 평행하게 분포시키는 프로젝션 디스플레이 시스템.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제2 릴레이 렌즈군이 제1 다이크로익 미러에서 편광 빔 스플리터를 향하여, 정의 굴절력을 갖는 매니스커스 렌즈인 제1 렌즈와, 정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제2 렌즈와, 정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제3, 4 렌즈를 순차 배열하는 프로젝션 디스플레이 시스템.
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