KR20040002392A

KR20040002392A - 컴팩트 디스플레이 디바이스

Info

Publication number: KR20040002392A
Application number: KR1020027017561A
Authority: KR
Inventors: 보우테르 로에스트
Original assignee: 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2001-04-27
Filing date: 2002-04-18
Publication date: 2004-01-07
Also published as: US20020167733A1; WO2002088825A2; CN1464987A; EP1386191A2; WO2002088825A3; JP2005512110A

Abstract

본 발명은 헤드 마운트 디스플레이, 모바일 폰 , 및 PDA같은 소형 개인용 디바이스에서 사용될 수 있는 컴팩트 디스플레이 디바이스에 관련된다. 상기의 디스플레이 디바이스는 피사체 영상을 형성하기 위한 반사형 디스플레이와 광원 및 피사체 이미지의 가상 이미지를 영사하기 위한 광학 시스템이 제공된다. 반사형 디스플레이의 조명을 개선하기 위해 디스플레이 디바이스는 전반사를 통해서 반사형 디스플레이에 관해 실질적으로 수직의 조명을 위한 도광수단이 제공된다.

Description

컴팩트 디스플레이 디바이스{COMPACT DISPLAY DEVICE}

소형 디스플레이 디바이스는 PDA(personal digital assistant), 모바일 텔레폰, WAP 텔레폰 같은 소형의 개인용 디바이스와 두부 장착형 디스플레이(head-mounted display)에서 사용된다.

소형 디스플레이는 미국특허 공개공보(US 5,892,624)로부터 알려져 있다. 공지된 디스플레이 시스템은 광학 시스템을 포함하는데 상기 광학 시스템은 이머스드 빔 스플리터(immersed beam splitter)와 미러 요소(mirror element)를 구비하는 프리즘, 피사체 소스(object source)를 형성하는 반사형 액정 디스플레이, 및 반사형 액정 디스플레이를 조명하기 위한 광원을 구비한다. 작동 중에 광원은 프리즘을 통해서 반사형 액정 디스플레이를 조명한다. 반사형 액정 디스플레이는 광선을 변조하고 빔 스플리팅 표면(beam splitting surface)의 반사를 통해서 미러 요소로 레디에이션(radiation)을 반사한다. 미러 요소는 프리즘 내의 빔 스플리팅 표면을 통해서 소스 피사체(source object)를 이미징(imaging)한다.

상기 디스플레이 디바이스에서, 예를 들어 액정온실리콘(liquid crystal on silicon, LCOS)디스플레이 패널같은 거울식 반사형LCD (specular reflective LCD)가 적용될 수 있다, 그러나 이경우에 최대 획득 가능한 컨트라스트는 제한된다.

본 발명은 청구항1의 전제부에서 한정된 디스플레이 디바이스에 관련된다.

도1은 디스플레이 패널의 조명을 위하여 평행 6면체를 포함하는 제1 디스플레이 디바이스의 예를 도시하는 도면.

도2는 디스플레이 패널의 조명을 위한 TIR 프리즘을 포함하는 제2 디스플레이 디바이스의 예를 도시하는 도면.

본 발명의 목적은 개선된 컨트라스트를 갖는 소형 디스플레이 시스템을 제공하는 것이다. 상기 목적은 청구항1에 한정된 발명에 따르는 디스플레이 시스템에 의해서 성취된다. 본 발명은 반사형 디스플레이 패널의 평면에 조명이 실질적으로 수직인 경우에 거울식 반사형 디스플레이의 컨트라스트가 최대가 된다는 인식에 기초한다. 공지의 디스플레이 디바이스에서, 조명수단이 광학 시스템의 이미징 경로(imaging path)내에 나타날 것이기 때문에 이것은 문제를 일으킬 수도 있다. 본 발명에 따르는 디스플레이 디바이스에서 조명은 이미지 경로를 방해함이 없이 도광 수단(light guiding means)내에서 하나 이상의 내부 전반사(total internal reflections)를 통해 디스플레이 디바이스의 평면에 수직하게 방향 지워질 수 있다.

본 발명에 따르는 디바이스의 특별한 실시예는 청구항2 에서 한정된다. 상기 장치는 컴팩트 디스플레이 디바이스를 도출한다. 본 발명에 따르는 다른 실시예에서 평행6면체(parallelepiped)가 도광 수단으로 사용된다. 평행6면체의 모양의 적용은 컴팩트의 디스플레이 시스템을 허용하고 반사형 디스플레이 디바이스에의 실질적으로 수직인 조명을 허용한다.

본 발명에 따르는 디바이스의 다른 실시예는 청구항 6에서 한정된다. 상기 실시예에서, 수직의 조명은 광학 시스템과 반사형 디스플레이 수단사이에 배치된 도광 수단에 의해서 일어난다. 도광 수단은 프리즘을 포함할 수 있다.

이점을 갖는 다른 실시예가 종속항에서 한정된다.

본 발명의 이러한 측면 및 또 다른 측면은 이후에 설명될 실시예를 참조하여 명백해지고 명확해질 것이다.

도1은 도광 수단의 내부 전반사에 의해 디스플레이 디바이스의 조명이 일어나는 제1 디스플레이 디바이스의 예를 도시한다. 제1 디스플레이 디바이스(1)는 편광 빔 스플리팅(polarising beam splitting, PBS) 프리즘(4), 1/4파 평판(a quarter-wave plate), 및 오목거울(5)을 구비하는 광학 시스템(3)과 조명 소스(2)를 포함한다. 게다가, 제 1디스플레이 디바이스(1)는 반사형 디스플레이 패널(6)을 포함한다. 조명 소스(2)는 반사형 디스플레이 패널(6)의 컬러 시퀀셜(color sequential)조명을 위해 각각 적, 녹, 청 레디에이션(radiation)을 발산하는 3개의 LED(7,8,9)을 포함한다. 도광 수단은 반사형 디스플레이 패널(6)과 LED(7,8,9) 사이에 제공된다. 제1 디스플레이 디바이스(1)에서, 도광 수단은 유리로 만들어진 평행 6면체로 구성되는 편광 스플리팅 프리즘(4)에 의해 형성된다. 평행 6면체(4)는 같은 방향을 향하는 제1의 쌍(pair) 및 제2의 쌍의 평행면(10,11;17,18), 및 다른두 쌍의 면에 수직인 방향을 향하는 제3쌍의 면을 포함한다. 평행 6면체(4)의 제2쌍의 평행면(17,18)중 하나와 제1쌍의 평행면(10,11)중의 하나인 입구면(entrance face)(10)사이의 각(α)은 바람직하게는 60도이다. 상기 각(α)은 제1 디스플레이 디바이스(1)의 깊이를 감소시키기 위해 조정될 수 있다. 상기 깊이는 평행6면체(4)의 제2 쌍의 면(17,18)사이의 거리에 의해서 한정된다. 유리는 BK7타입일수 있다. 바람직하게는, 평행6면체는 평행6면체(4)의 제2쌍의 평행면(17,18)중 한 개의 면에 대해서 30도의 각도로 배열되는 빔 스플리팅 표면(13)이 제공된다. 빔 스플리팅 표면(13)은 Moxtek사로부터 주문될 수 있는 와이어드 그리드 편광기(wired grid polarizer)로 구성된다. 대안적으로 이중 휘도 개선 호일(Double Brightness Enhancement Foil, DBEF)이 적용될 수 있는데, 이것은 3M으로부터 주문될 수 있다. LED(7,8,9)가 평행6면체(4)의 입구면(10)에 장착된다. 이미지의 컨트라스트를 개선하기 위하여 편광기(14)가 LED(7,8,9)와 평행6면체(4)의 사이에 제공될 수 있다. 선택적으로, 산광기(diffuser)(도시되지 않음)가 반사형 디스플레이 패널(6)상의 광 분포를 개선하기위해 제공될 수 있다. 반사형 디스플레이 패널(6)이 평행 6면체(4)의 입구면(10)에 평행한 평행6면체(4)의 출구면(11)에 장착된다. 제1 디스플레이 디바이스(6)는 예를 들어 0.47'' 액정온실리콘(LCOS) 디스플레이 패널 같은 반사형 액정 디스플레이 패널을 포함한다. 바람직하게는, 형성된 이미지의 이미지 왜곡과 상면만곡(field curvature)을 감소시키기 위하여 평행6면체(4)의 출구면(11)과 LCOS 디스플레이 패널(6)사이에 렌즈(12)가 제공된다. 1/4파 평판(15)이 오목 거울을 마주보는 평행 6면체의 제2 쌍의 면 중 하나의 면(17)과오목 거울(5)사이에 제공된다.

작동 중에, 적, 녹, 및 청색 LED(7,8,9)는 LCOS 디스플레이 패널(6)에 연속적으로 보내지는 각각의 적, 녹, 및 청 이미지 컨텐트의 정보와 동기화 되는 주기동안 연속적으로 활성화 된다. LED(7,8,9)는 편광기(14)를 통해 평행 6면체(4)의 입구면(15)에 적, 녹, 및 청 레디에이션을 발산한다. 편광기(14)는 제1 방향으로 편광을 갖는 레디에이션의 일부만을 전달한다. 평행 6면체(4)는 빔 스플리팅 표면(13)에 레디에이션을 전달한다. 빔 스플리팅 표면(13)은 제1방향의 편광을 갖는 레디에이션의 일부를 렌즈(12)를 통해서 LCOS 디스플레이 패널(6)로 전달한다. LCOS 디스플레이 패널(6)은 제공되는 이미지 정보에 따라서 적, 녹, 및 청 레디에이션의 편광 방향을 회전시키고 평행 6면체로 레디에이션을 되반사 시킨다. 평행 6면체(4)는 빔 스플리팅 표면(13)으로 레디에이션을 전달한다. 빔 스플리팅 표면(13)은 제1방향과 수직인 제2 방향의 편광요소를 갖는 레디에이션의 일부를, 1/4파 평판(15)을 통해서 오목거울(5)을 향해 반사한다. 오목 거울(5)은 1/4파 평판(15)을 통해 평행 6면체로 레디에이션을 되반사하고, LCOS 디스플레이 패널(6)의 가상이미지를 형성한다. 레디에이션이 1/4파 평판(15)을 두 번 통과했기 때문에, 레디에이션의 편광은 제1방향으로 회전된다. 평행6면체(4)에서 편광 빔 스플리팅 표면(13)은 시청자의 눈(16)쪽으로 레디에이션을 전달한다. 제1 디스플레이 디바이스(1)를 이용하는 시청자는 2미터의 거리에서 32도의 시야각(viewing angle)으로 디스플레이의 가상 이미지를 볼 것이다. 이것은 1.3 미터 대각선의 스크린을 3미터의 거리에서 시청하거나 19인치 모니터를 0.75 미터의 거리에서 시청하는 것에 해당한다. 평행6면체(4)의 제1쌍의 면(10,11) 과 제2 쌍의 면(17,18) 사이의 각(α)과 평행 6면체(4)내부의 전반사의 적응은 컴팩트의 디스플레이 디바이스를 허용하고 반사형 LCOS디스플레이 패널(6)에 관해 실질적으로 수직인 조명을 제공한다. 상기 LCOS 디스플레이 패널(6)에 관한 실질적으로 수직인 조명은 형성된 이미지의 컨트라스트를 개선한다.

도2는 제2 디스플레이 디바이스의 예이다. 제2 디스플레이 디바이스(21)에서, 도광수단은 반사형 디스플레이(26)와 광학 시스템(23) 사이에 제공된다. 제2 디스플레이 디바이스(21)는 평행 6면체(24), 1/4파 평판(42), 및 오목 거울(25)을 포함하는 광학 시스템(23)과 조명소스(22)를 포함한다. 평행6면체(24)는 같은 방향을 향하는 제1의 쌍 및 제2의 쌍의 평행면(24,31;43,44)과 다른 두 개의 쌍의 면에 수직인 방향을 향하는 제3의 쌍의 면(도시되지 않음)을 포함한다. 제1의 쌍의 평행 면(24,31)중 하나인 입구면(31)과 평행6면체(24)의 제2의 쌍의 평행면(43,44)중 하나 사이의 각 (α)은 바람직하게는 80도이다. 상기 각(α)은 제2 디스플레이 디바이스(21)의 깊이를 감소하도록 조정될 수 있다. 상기 깊이는 평행 6면체(24)의 제2 쌍의 면 들의 면(43,44)사이의 거리에 의해서 한정된다. 조명 소스(22)는 디스플레이 스크린(26)의 컬러 시퀀셜 조명에 대해서 각각 적, 녹, 및 청 레디에이션을 발산하는 세 개의 LED(27,28,29)를 포함한다. 도광 수단은 TIR프리즘(35)에 의해서 형성된다. TIR프리즘(35)은 90도보다 큰 반사점(apex)(χ)를 갖는 삼각 프리즘과 베이스(39)로 구성된다, TIR프리즘(35)은 반사형 디스플레이 패널(6)과 광학 시스템사이에 배열되어서 입구면 또는 TIR 프리즘(35)의 베이스(39)는 평행6면체(24)의입구면(31)을 향하고 이들 면(31,39)사이에 에어갭이 형성된다. LED(27,28,29)는 TIR프리즘(35)의 입구면(39)의 일부상에 장착된다. 바람직하게는, 편광기와 산광기 시트(37)가 TIR프리즘(35)과 LED(27,28,29)사이에 제공될 수 있다. 예를 들어 제1 디스플레이에서 적용되는 것과 유사한 타입의 LCOS디스플레이 패널인 반사형 디스플레이 패널(26)은 TIR 프리즘(35)의 출구면(40)에 장착되는데, 상기 출구면은 입구면(39)과 반사형 디스플레이 패널(26)사이에 위치한다. 바람직하게는 렌즈(32)는 형성된 이미지의 상면만곡(field curvature)과 이미지 왜곡을 감소시키기 위해서 LCOS 디스플레이(26)와 TIR 프리즘(35) 사이에 제공된다. 게다가 반사형 편광기(41)가 평행6면체(24)의 입구면(31)과 TIR 프리즘(35)의 베이스(39)사이에 장착된다. 평행6면체(24)와 TIR 프리즘(35)의 물질은 BK7 타입의 유리일수 있다. 일반적으로 평행6면체(24)와 TIR 프리즘(35) 물질의 높은 굴절율은 더 소형의 시스템을 산출한다. 색수차를 감소시키기 위해 렌즈(32)의 물질의 굴절율은 평행6면체(24)와 TIR 프리즘(35)의 물질의 굴절율과 다르도록 선택될 수 있다. 빔 스플리팅 표면(33)과 반사형 편광기(41)는 Moxtek 사로부터 주문될수 있는 와이어드 그리드 편광기일수 있다. 대안적으로 이중 휘도 개선 호일(DBEF)이 적용될 수 있는데, 이것은 3M으로 부터 주문될 수 있다. 게다가 오목 거울은 평행6면체(24)의 제2쌍의 면 중 하나의 면에 인접하게 위치되고 1/4파 평판(42)이 출구면(43)과 오목거울(25)사이에 제공된다.

작동중에, 적, 녹, 및 청 LED(27,28,29)는 LCOS 디스플레이 패널(26)에 연속적으로 보내지는 각각의 적,녹, 및 청 이미지 컨텐트의 정보와 동기화되는 주기동안 연속적으로 활성화 된다. LED(27,28,29)는 대안적으로 편광기(36)와 산광기(37)를 통해 서 TIR 프리즘(35)의 입구면(39)부분으로 적, 녹, 또는 청 레디에이션을 발산한다. 편광기(36)는 제1 방향으로의 편광을 갖는 레디에이션의 일부만을 전달한다. LCOS 디스플레이 패널(26)을 마주보지 않는, TIR 프리즘(35)의 출구면(40)과 베이스(39)사이의 TIR 프리즘(35)의 측면(38)은 평행6면체(24)의 입구면(31)에서 반사형 편광기(41)를 향해 레디에이션을 반사한다. 반사형 편광기(41)는 TIR 프리즘(35)과 렌즈(32)를 통해서 LCOS 디스플레이 패널(26)을 향하여 제1방향의 편광요소를 갖는 레디에이션을 반사한다. LCOS 디스플레이 패널(26)은 제공되는 이미지 정보에 따라서 적, 녹, 혹은 청 레디에이션의 편광 방향을 회전시키고, 렌즈(32)와 TIR 프리즘(35)을 통해서 평행6면체(24)의 입구면(31)에서 반사형 편광기(41)에 레디에이션을 되반사한다. 반사형 편광기(41)는 평행6면체(24)를 향하여, 제1방향에 수직인 제2 방향의 편광 요소를 갖는 레디에이션의 일부를 전달한다. 평행6면체(24)의 빔 스플리팅 표면(33)은 1/4파평판(42)을 통해 오목 거울(25)을 향하여 제1 방향의 편광 요소를 갖는 레디에이션의 일부를 반사한다. 오목거울(25)은 1/4파 평판(42)을 통해 평행6면체로 레디에이션을 되반사하고, LCOS 디스플레이 패널(26)의 가상이미지를 형성한다. 레디에이션이 1/4파 평판(42)을 두 번 통과했기 때문에, 편광은 제1방향으로 회전된다. 빔 스플리팅 표면(33)은 이제 시청자의 눈(45)을 향해 레디에이션을 전달한다. 제2 디스플레이 디바이스(21)를 사용하는 시청자는 3미터 거리에서 35도의 시야각으로 가상이미지롤 보게된다. 이것은 0.75미터에서 19인치 모니터를 시청하는것에 해당한다. 평행6면체(24)의 다른 평행측면면(43,44)중 하나와 입구면(31)의 각(α)의 조정은 더 소형의 디스플레이 디바이스를 가능하게 하고, TIR프리즘(35)의 반사점(χ)의 조정은 TIR프리즘(35)의 전반사를 통해서 반사형 LCOS 디스플레이(26)에 관해 실질적으로 수직인 조명을 제공한다. LCOS 디스플레이 패널(26)에 관한 수직의 조명은 형성된 이미지의 컨트라스트를 개선한다. 광학 시스템의 입구 개구부(entrance aperture)는 TIR 프리즘(35)의 베이스(39)에 있기 때문에 LCOS 디스플레이 패널(26)의 모든 픽셀은 동일 면(38)에 의해서 조명되는데, 도1에 도시된 제1 디스플레이 디바이스(1)의 조명과 비교해서 더 균일한 조명을 제공한다. 게다가 제2 디스플레이 디바이스(21)에서의 조명은 빔 스플리팅 표면(33)의 눈 측면에 있지 않아서, 제1 디스플레이 디바이스(1)와 비교해서 형성된 이미지에서 일어나는 조명 시스템의 반사를 방해하는 기회는 감소된다.

상술한 바와 같은 본 발명은 디스플레이 디바이스 분야에서 이용가능하다.

Claims

피사체 소스(object source)를 형성하는 반사형(reflective) 디스플레이 수단, 상기 반사형 디스플레이 수단을 조명하기 위한 광원, 및 상기 피사체 소스의 가상 이미지를 영사(project)하기 위한 광학 시스템을 포함하는, 디스플레이 디바이스로서,

상기 디스플레이 디바이스는 전반사를 통해서 상기 반사형 디스플레이 수단에 관해 실질적으로 수직의 조명을 위한 도광 수단(light-guiding mean)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 광학 시스템은 평행6면체(parallelepiped), 1/4 파 평판(quarter-wave plate), 및 거울(mirror)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제2 항에 있어서, 상기 도광 수단은 상기 평행6면체를 포함하는데, 여기서 상기 광 소스는 상기 평행6면체의 면중 하나를 마주하고, 상기 반사형 디스플레이 수단은 상기 평행6면체의 한 면 중 마주보는 면에 인접하게 위치한 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제2항에 있어서, 상기 평행6면체는, 상기 반사형 디스플레이 수단을 향하여제1방향의 편광을 갖는 레디에이션의 일부를 전달하고, 상기 반사형 디스플레이 수단에 의해 반사된 상기 제1 방향에 수직인 제2방향의 편광을 갖는 레디에이션의 일부를 상기 1/4파 평판과 상기 거울을 향하여 반사하고, 상기 1/4파 평판과 상기 거울로부터 시청자에게 제1방향의 편광을 갖는 상기 반사된 레디에이션의 일부를 전달하기 위한, 편광 빔 스플리팅 표면(polarizing beam-splitting surface)을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제1항에 있어서, 상기 도광 수단은 상기 광학 시스템과 상기 반사형 디스플레이 수단의 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제5항에 있어서, 상기 디스플레이 디바이스는 상기 반사형 디스플레이 수단을 향하여 상기 도광 수단으로부터 제1방향의 편광을 갖는 레디에이션을 반사하고,상기 반사형 디스플레이 수단으로부터 상기 광학 시스템으로 제1방향에 수직인 제2 방향의 편광을 갖는 상기 반사된 레디에이션의 일부를 전달하기 위하여, 상기 도광수단과 상기 광학시스템사이에 반사형 편광 수단이 제공되는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제6항에 있어서, 상기 도광 수단은 프리즘을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제7항에 있어서, 상기 광학 시스템의 상기 입구면을 마주하는 상기 프리즘의 측면부는 광학적으로 상기 광원에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제8항에 있어서, 상기 광학 시스템은 평행6면체, 1/4파 평판, 및 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제9항에 있어서, 상기 평행 6면체는, 상기 1/4파 평판을 통해서 상기 거울을 향해 상기 반사형 디스플레이 수단으로부터 들어오는 제2방향의 편광을 갖는 레디에이션의 일부를 반사하고, 상기 1/4파 평판과 상기 거울로부터 시청자에게 제1방향의 편광을 갖는 상기 반사 레디에이션의 일부를 전송하는, 편광 빔 스플리팅 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 제1방향의 편광을 갖는 레디에이션을 전달하기 위하여 상기 레디에이션 소스와 상기 도광 수단사이에 추가의 편광수단이 위치하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디스플레이 디바이스는 상기 반사형 디스플레이 수단과 상기 광학 시스템사이에 위치된 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 디스플레이 디바이스는 반사형 액정 디스플레이 또는 디지털 미소반사형 디스플레이(digital micro-mirrored display)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 디스플레이 디바이스.
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 기재된 디스플레이 디바이스를 구비하는 두부 장착형 디스플레이(head mounted display, HMD).