KR20040034697A - 투사 시스템용 유효 아크 램프 조명기 - Google Patents

Abstract

투사 시스템용 아크 램프 조명기는 아크 이미지를 옆으로 넓히기 위해 하나 이상의 편광 변환 프리즘들을 포함한다. 원래의 아크 이미지를 또한 옆으로 펼치기 위해 개개의 경로들을 따라 아크 이미지를 개개의 편광 변환 프리즘들로 향하도록 하기 위해 미러들 및 필드 렌즈들과 함께 한 쌍 또는 3개의 투사 렌즈들이 사용될 수 있다. 2-경로 실시예의 콤팩트 장치는 한 쌍의 아크 이미지-크기의 입력 포트들, 공통 경로를 따라 아크 이미지가 향하도록 하기 위한 한 쌍의 TIR 프리즘들, 및 아크 이미지들을 편광 변환 시스템으로 안내하기 위한 직사각형 광 가이드를 포함하는 합성 광 가이드를 사용함으로써 가능하게 된다.

Description

투사 시스템용 유효 아크 램프 조명기{Efficient arc lamp illuminator for projection system}

단일 패널 스크롤링 컬러 투사 디스플레이 시스템은, 개개의 화상 소자들 및 픽셀들의 래스터(raster)를 갖는 액정 디스플레이(LCD) 패널과 같은 단일 광 변조기 패널을 특징으로 하며, 상기 패널은 수평으로 길어진(elongated) 적색, 녹색 및 청색 조명 바들 또는 스트라이프들(illumination bars or stripes)에 의해 조명된다. 입사 스트라이프의 컬러에 대응하는 디스플레이 정보를 갖는 픽셀들의 열들(rows)을 동기적으로 처리하는 동안 패널을 가로질러 수직으로 스트라이프들이 연속적으로 스크롤된다. 예를 들어, 1994년 3월 25일 피. 잔센(P. Janssen)에 의한 미국 특허 제 5,410,370 호, "스캐닝이 개선된 단일 패널 컬러 투사 비디오 디스플레이(Single panel color projection video display improved scanning)", 및 1995년 5월 16일 피. 잔센에 의한 미국 특허 제 5,416,514 호, "광 밸브의 판독/기록에 의해 컬러 조명 시스템을 동기화하기 위한 제어 회로를 갖는 단일 패널 컬러 투사 비디오 디스플레이(Single panel color projection video display having control circuitry for synchronizing the color illumination system withreading/writing of the light valve)"를 참조한다.

통상 3 패널 액정 디스플레이(LCD) 투사기들에 사용되는 조명기들은 투사 시스템들에 있어 필요한 강도 레벨을 제공하기 위해 고 강도 아크 램프들을 이용한다. 이러한 조명기들은 광 밸브 상에, 그에 따라 스크린 상에도 아크 램프로부터의 광을 균질화(homogenize)하기 위해 렌즈형 어레이들(lenticular arrays)을 이용한다. 미국 특허 제 5,986,809 호는, 소스 빔을 집중 위치(converging position)로 집중되는 다수의 중간 빔들로 분할하고, 중간 빔들을 집광하고, 중간 빔들 각각을 S 편광된 빔과 P 편광된 빔으로 부분적으로 분리한 다음, 편광된 빔들을 중첩함으로써, 조명의 균일도(uniformity)가 향상되는 조명기를 개시하고 있다.

이러한 조명기들이 실제로 균일한 조명을 달성한다고 할지라도, 각도 공간(angular space)이 최선의 가능한 방식으로 이용되지는 않는다. 낮은 각도 범위를 갖는 스크롤링 컬러 시스템에 있어서, 이것은 이론적으로 가능한 것 보다 낮은 휘도(brightness)를 유발한다.

본 발명은 아크 램프 조명기(arc lamp illuminator)에 관한 것이다.

도 1a 및 도 1b는 각각 아크 이미지의 투사도를 도시하는, 투사 시스템에 대한 종래 기술의 아크 램프 조명기의 축 도면 및 측면도.

도 1c는 1차 및 2차 아크 이미지들의 투사도를 도시하는, 본 발명의 아크 램프 조명기의 측면도.

도 2는 2개의 1차 아크 이미지들 및 2개의 2차 아크 이미지들의 투사도를 도시하는, 본 발명의 2-렌즈 아크 램프 조명기의 측면도.

도 3a 및 도 3b는 각각 본 발명의 다른 2-렌즈 아크 램프 조명기의 축 도면 및 측면도로서, 도 3b는 상이한 평면들에서의 광 분포의 투사도를 도시하는 도면.

도 4는 상이한 평면들에서의 광 분포의 투사도를 도시하는, 본 발명의 3-렌즈 아크 램프 조명기의 축 도면.

도 5는 본 발명의 2-렌즈 아크 램프 조명기에 대한 합성 광 가이드를 포함하는 콤팩트 집광 장치(compact light collection arrangement)의 축 도면.

도 6은 본 발명의 아크 램프 조명기를 일체화하는 투사 시스템의 블록도.

본 발명의 목적은 높은 휘도를 제공하고 서두에 언급된 형태의 아크 램프 조명기를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 아크 램프 조명기가 청구항 1항에 기술되어 있다.

투사 시스템용 아크 램프 조명기는 아크 이미지를 옆으로 넓히기 위해 하나 이상의 편광 변환 시스템들을 포함하여, 하나 이상의 1차 및 2차 아크 이미지들을생성하도록 한다. 단일 패널 스크롤링 컬러 투사 시스템에 있어서, 1차 및 2차 이미지들은, 스크롤링 스트라이프의 기하학을 어림하는 길어진 아크 이미지를 형성하기 위해, 인터리빙(interleaving)을 허용하도록 일정한 간격이 유지된다.

일 실시예에서, 아크 램프 조명기는 제 1 및 제 2 경로들을 따라 아크 이미지를 투사하기 위한 한 쌍의 투사 렌즈들을 갖는다. 각 경로에 있어서, 조명기는 편광 변환 시스템, 투사된 아크 이미지를 편광 변환 시스템으로 향하도록 하기 위한 필드 렌즈, 및 투사된 아크 이미지를 필드 렌즈로 향하도록 하기 위한 평면 미러를 포함한다.

투사 렌즈들은 측면(lateral plane)에서 경로들 중 한 경로를 따라 아크 이미지들을 투사할 수도 있으며, 이 경우, 평면 미러들은 투사된 이미지들을 필드 렌즈들에 반사하기 위해 측면에 대해 수직이다.

대안적으로, 투사 렌즈들은 측면 위와 아래의 경로들을 따라 아크 이미지들을 투사하고, 평면 미러들은 투사된 이미지들을 필드 렌즈들에 반사시키기 위해 각각 측면과 평행하고 그 면 위·아래에 놓인다.

다른 실시예에서, 아크 램프 조명기는 3개의 상이한 경로들, 즉, 하나의 중앙 경로 및 2개의 외곽 경로들을 따라 아크 이미지를 투사하기 위한 3개의 투사 렌즈들을 갖는다. 각 경로에 대해, 조명기는 편광 변환 시스템 및 투사된 아크 이미지를 편광 변환 시스템으로 향하도록 하기 위한 소형 미러를 포함한다. 2개의 외곽 경로들에 있어서, 투사된 아크 이미지를 소형 미러로 향하도록 하기 위한 대형 미러가 제공된다.

편광 변환 시스템은 통상적으로 편광 변환 프리즘으로서 구체화되고, 회전자 장치는 통상적으로 사분파 플레이트(quarter wave plate)이다.

종래 기술과 비교하여, 이 조명기는 더 긴 아크 램프들의 사용을 가능하게 하고, 단일 패널 스크롤링 컬러 시스템과 같이 낮은 각도 범위를 갖는 시스템에 대해 휘도를 최대화하면서 균일한 조명을 제공한다.

본 발명의 또다른 목적은 높은 휘도를 제공하고 서두에 언급된 형태의 아크 램프 조명기를 포함하는 투사 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 투사 시스템이 청구항 9항에 기술되어 있다.

본 발명의 상기 및 다른 특징들은 이하 설명되는 실시예들을 참조하여 명백해질 것이다.

도면들은 개략적으로 도시된 것으로 스케일링되어 그려진 것이 아니며, 일반적으로 동일한 참조 부호들은 동일한 부분들을 나타낸다.

도 1a 및 도 1b는 각각 투사 시스템에 대한 종래 기술의 아크 램프 조명기의 축 도면 및 측면도로서, 아크 램프(10)의 길어진 아크(12)의 이미지가 집광 렌즈(14)에 의해 이미지 평면(I)에 투사된다. 아크(12)의 방위는 각각 축 방향 평면 및 측면에 의해 규정되고, 이 평면들 각각은 집광 렌즈(14)의 광학축(O)을 통과한다. 아크 램프는 축 방향 평면을 가로지르고 측면에 놓이도록 위치된다. 도 1a의 축 도면에 있어서, A-A' 단면을 따라 보여지는 아크 이미지(16)는 수직으로 방위된 이미지 평면 상에 나타나고, 도 1b의 측면도에서 B-B' 단면을 따라 보여지는 아크 이미지(18)는 수평으로 방위된다. 본 발명에 따라, 휘도 스트라이프의 형상을 어림하는 이미지가 편광 변환 광학 장치를 사용하여 아크 이미지(18)로부터 만들어질 수 있다.

도 1c 또한 측면도로서, 이미지 평면(I)에서 편광 변환 장치(20)를 광학 경로에 삽입하는 아크 이미지의 효과를 도시한다. 아크 이미지(18)는 실제로PCD(20)에 의해 1차(P) 및 2차(S) 아크 이미지들(32, 34)로 분할된다. PCD(20)는 2개의 합성 프리즘들(22, 24)로 이루어진 공지된 형태의 것이며, 합성 프리즘들 각각은 한 쌍의 프리즘들(23, 25 및 26, 28)에 의해 각각 경계가 지어지는 내부 지향성 편광자(27, 30)를 포함한다. 동작시, 집광 렌즈(14)로부터의 편광되지 않은 광은 프리즘(26)으로 들어간다. 그 광의 일부는 편광자(30)에 의해 P 편광된 광으로 변환된다. 이 P 광은 프리즘(28)을 통과하여 1차 아크 이미지(32)를 형성하고, 이 광의 나머지는 편광자(30)에 의해 S 편광된 광으로 변환되고 편광자들(30, 27) 각각에 의해 반사되고 프리즘(25)을 통과하여 2차 아크 이미지(34)를 형성한다. 1차 이미지의 경로에 삽입된 반파 플레이트(half wave plate)(31)는 그의 광을 P에서 S로 변환한다.

PCD(20)는 평면 편광자들(27, 30)이 측면에 대해 수직이 되도록 방위되어, 길어진 아크 이미지가 그 세로 축을 따라 측면으로 분할되어, 원래의 아크 이미지의 길이보다 큰 거리로 아크 축을 따라 길어지는 길어진 조명 빔이 되도록 한다. 도 1c의 편광자들(27, 30)은 1차 및 2차 아크 이미지들이 완전히 분리되도록 배치된다. 대안적으로, 1차 및 2차 아크 이미지들은 결과의 조명 빔의 조명 균일도를 향상시키기 위해서 부분적으로 중첩될 수도 있다. 이것은 편광자들(27, 30)을 서로 더 근접하게 배치하거나 1차 및 2차 아크 이미지들의 광선들을 부분적으로 집광하기 위해 하나 이상의 보조 렌즈 소자들을 사용함으로써 달성될 수 있으며, 물론 그 결과는 프리즘 경계들에 의해 형성된 개구에 입력 이미지가 더 이상 맞추어지지 않게 되고 일부 광이 손실될 것이다.

도 2는 본 발명의 2-렌즈 아크 램프 조명기의 측면도로서, 아크 이미지들로부터 스트라이프를 구성하는 본 발명의 원리의 또다른 확장을 도시한다. 집광 렌즈들(36, 38)은 아크 이미지 경로를 중심축(C)으로부터 측면으로 떨어져 향하고 있는 2개의 경로들로 분할한다. 이러한 배치는 한 쌍의 PCD들(44, 50)을 사용하여 이미지 평면에서 총 4개의 아크 이미지들(56, 58, 60, 62)을 형성할 수 있도록 한다. 이 실시예에서는 이미지 평면에 대해 집광 렌즈들(36, 38)이 아주 근접하여 있고 상대적으로 크기가 크기 때문에, 중심축(C)으로 다시 향하는 발산(diverging) 이미지 경로들을 필드 렌즈들(40, 42)에 각각 반사시키고, 거기서 PCD들(44, 50)에 반사시키기 위해 평면 미러들(39, 41)이 사용된다.

PCD들(44, 50)은 도 1c에 도시된 PCD(20)와는 다른 것이다. 2개의 합성 프리즘들 대신에, PCD들(44, 50)은 합성 프리즘(46, 52) 및 전체 내부 반사(TIR, totally internal reflecting) 표면(46, 52)을 갖는 다른 프리즘(47, 53)으로 구성된다. 합성 프리즘들(46, 52)로부터의 광은 이미지 평면(I)에서 광 출력을 균질화하는 TIR 표면들(48, 54)에 의해 측면으로 제한된다. 반파 플레이트들(55, 57)은, 도 1c의 반파 플레이트(31)와 같이, 기존의 P 성분들을 90도 회전시켜 S 성분들로 변환한다. 본 발명에 사용하기에 적합한 이러한 PCD의 예시적인 일 실시예가 미국 특허 제 5,896,809 호에 개시되어 있다.

조명기에 대한 특정 어플리케이션에 의존하여, 집광 렌즈들이 이미지 경로들을 직접 필드 렌즈들로 조준(aim)하거나 또는 심지어는 직접 PCD들로 조준하여 미러들 및/또는 필드 렌즈들이 필요하지 않도록 하는 다른 광학 장치 설계들이 가능하다. 이러한 설계들은 물론 본 발명의 넓은 범위 내에서 변형예들을 허용한다.

도 2의 2-경로 실시예의 변형예가 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있고, 여기서, 집광 렌즈들(64, 65)은 중심축(C)으로부터 축 방향과 측면 방향으로 오프셋되어 있다. 평면 미러들(66, 67)이 축 평면을 가로지르고 측면에 평행하게 위치되어, 다시 중심축(C) 쪽으로 향하는 집광 렌즈들(64, 65)로부터의 축방향으로 발산하는 광선들을 필드 렌즈들(68, 70) 반사시키고, 차례로 그 광선들을 PCD들(72, 73) 및 반파 플레이트들(74, 75)로 향하게 하고, PCD들(72, 73)과 반파 플레이트들(74, 75)은 도 2에 도시된 PCD들(44, 50)과 반파 플레이트들(55, 57)과 구조 및 동작 면에서 유사하다.

B-B' 및 C-C'의 단면도들은 각각 PCD들을 분할하기 전 후의 광 분포의 투사도들이다. B-B' 단면에서의 길어진 아크 이미지들(83, 84)은 직사각형 광 가이드를 생성하는 프리즘 TIR 인터페이스들의 통합 특성(integrating property)에 의해 C-C' 단면에서 직사각형의 이미지들(85 내지 88)로 변환된다. 아크 쪽으로 거꾸로 광을 역반사하는 미러가 이 도면에는 도시되어 있지 않다.

도 4는 3개의 집광 렌즈들, 즉, 중앙 렌즈(82) 및 측면으로 오프셋된 사이드 렌즈들(84, 86)이 아크 램프 광을 3개의 광학 경로들, 즉, 중심축(C)을 따르는 중앙 경로와 중앙 경로로부터 축 방향으로 발산하는 사이드 경로들로 분할하는 본 발명의 다른 실시예를 도시한다. 대형 평면 미러들(그 중 하나가 88로 도시되어 있음)은 다시 중심축으로 향하는 사이드 경로 광선들을 미러들(89 내지 91)로 반사시키고, 이 미러들(89 내지 91)은 다수의 경로들로부터의 광선들을 PCD들의어레이(92)로 향하도록 하기에 충분히 간격을 두고 있으며, 이 PCD들의 어레이는 상술된 방식으로 아크 이미지들을 분할한다. A-A' 단면에 도시된 바와 같이, 어레이(92)는 3개의 PCD들(93, 94, 96)로 구성되며, 이 PCD들은 상술된 PCD들(44, 50)의 구성 및 동작과 유사하다.

도 3b에 도시된 바와 같이, 도 4의 B-B' 및 C-C'에 따른 단면도는 PCD들에 의해 분할되기 전후의 이미지들의 투사도를 도시한다. 도 3의 실시예에서와 같이, 아크 이미지들(112 내지 114)은 아크 이미지들(118 내지 123)로 분할되기 전에 프리즘 경계들에 의해 직사각형 모양으로 제한된다.

3개의 미러들은 각 오프-축 빔을 공통 축으로 각각 가져가기 위해 축 방향으로 서로로부터 조금 오프셋되어 있다.

도 5는 한 쌍의 아크 이미지들의 형성을 위한 콤팩트 장치를 도시하는 것으로, 이 이미지들은 상술된 방식으로 편광 변환 시스템을 사용하여 분리될 수도 있다. 렌즈들(125, 127)은 아크(12)의 개개의 이미지들(137, 139)을 형성하고, 폴딩 미러들(129, 131)은 이러한 이미지들을 합성 광 가이드(141)의 대향 입력 포트들(133, 135)로 향하도록 한다. 입력 포트들(133, 135)의 입력 개구 치수는 B-B'를 따라 도시된 바와 같이 아크 이미지와 정합된다. 2개의 포트들(133, 135)로부터의 광 빔들은 TIR 프리즘들(143, 145)에 의해 병렬 경로들로 폴딩되고, 또한 단일 직사각형 광 가이드(147)에 의해 편광 변환 시스템(도시되지 않음)으로 전달된다.

도 6은 본 발명의 아크 램프 조명기를 일체화하는 투사 시스템의 블록도이다. 조명기(600)는 조명을 광 변조기 패널(610)에 제공하고, 이 변조기 패널은 전기 신호 입력 소스(620)로부터의 디스플레이 정보에 따라 광을 변조한다. 투사 렌즈(630)는 이 변조된 광을 디스플레이면(도시되지 않음)에 투사한다. 본 발명의 조명기는 어떠한 투사 디스플레이 시스템에도 유용하지만, 특히, 단일 패널 스크롤링 컬러 투사 시스템과 같이 스트라이프형 조명을 필요로 하는 투사 시스템들에 유용하다. 이러한 시스템은, 예를 들어, 1994년 3월 25일, 피. 잔센에 의한 미국 특허 제 5,410,370 호, "스캐닝이 개선된 단일 패널 컬러 투사 비디오 디스플레이", 및 1995년 5월 16일, 피. 잔센 등에 의한 미국 특허 제 5,416,514 호, "광 밸브의 판독/기록에 의해 컬러 조명 시스템을 동기화하는 제어 회로를 갖는 단일 패널 컬러 투사 비디오 디스플레이"에 개시되어 있으며, 이 특허의 개시 내용은 본원에 참조로서 포함된다.

본 발명은 부득이 하게 제한된 수의 실시예들과 관련하여 설명되었다. 이 설명으로부터, 이 기술분야에 숙련된 사람들에게는 다른 실시예들과 실시예들의 변형예들이 명백해질 것이며, 이들은 본 발명의 범위 및 첨부된 청구항들 내에 완전히 포함되는 것으로 의도된다.

Claims (9)

1. 투사 시스템용 아크 램프 조명기(arc lamp illuminator)에 있어서:

   측면에 놓이는 축을 갖는 길어진 아크(elongated arc)(12)를 둘러싸는 인벨로프(envelope)(10)를 포함하는 아크 램프;

   상기 아크(12)의 이미지(16)를 투사하기 위한 적어도 하나의 투사 렌즈(14);

   상기 투사된 아크 이미지(16)를 상기 측면의 상기 축을 따라 1차 및 2차 아크 이미지들(32, 34)로 분할하기 위한 적어도 하나의 편광 변환 시스템(20); 및

   상기 1차 아크 이미지(32) 또는 2차 아크 이미지(34) 중 하나의 편광 감도(polarization sense)를 다른 아크 이미지의 편광 감도에 대응하도록 변환하기 위한 회전자 장치(31)를 포함하는, 아크 램프 조명기.
2. 제 1 항에 있어서,

   제 1 및 제 2 경로들을 따라 상기 아크 이미지(16)를 투사하기 위한 제 1 및 제 2 투사 렌즈들(36, 38);

   각 경로에 대해, 편광 변환 시스템(44, 50); 상기 투사된 아크 이미지를 상기 편광 변환 시스템으로 향하도록 하기 위한 필드 렌즈(40, 42); 및 상기 투사된 아크 이미지를 상기 필드 렌즈로 향하도록 하기 위한 평면 미러(39, 41)를 포함하는, 아크 램프 조명기.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 투사 렌즈들(64, 65)은 제 1 및 제 2 경로들을 따라 상기 측면에 상기 아크 이미지들을 투사하고, 상기 제 1 및 제 2 경로들에 대한 상기 평면 미러들(66, 67)은 각각 상기 제 1 및 제 2 투사 렌즈들로부터의 상기 투사된 이미지들을 반사시키기 위해 상기 측면에 대해 수직인, 아크 램프 조명기.
4. 제 2 항에 있어서,

   상기 제 1 및 제 2 투사 렌즈들(64, 65)은 상기 측면의 위·아래의 제 1 및 제 2 경로들을 따라 상기 아크 이미지들을 투사하고, 상기 제 1 및 제 2 경로들에 대한 상기 평면 미러들은 각각 상기 제 1 및 제 2 투사 렌즈들로부터의 상기 투사된 이미지들을 반사시키기 위해 상기 측면과 평행하고 상기 측면 위·아래에 놓이는, 아크 램프 조명기.
5. 제 1 항에 있어서,

   제 1, 제 2 및 제 3 경로들을 따라 상기 아크 이미지를 투사하기 위한 제 1, 제 2 및 제 3 투사 렌즈들(82, 84, 86);

   각 경로에 대해, 편광 변환 시스템(93, 94, 96); 상기 투사된 아크 이미지를 상기 편광 변환 시스템으로 향하도록 하기 위한 소형 미러(89, 90, 91); 및

   상기 제 1 및 제 3 경로들에 대해, 상기 투사된 아크 이미지를 상기 소형 미러(89)로 향하도록 하기 위한 대형 미러(88)를 포함하는, 아크 램프 조명기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 편광 변환 시스템(20)은 편광 변환 프리즘인, 아크 램프 조명기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 회전자 장치(31)는 반파 플레이트(half wave plate)인, 아크 램프 조명기.
8. 제 1 항에 있어서,

   분산하는(diverging) 제 1 및 제 2 경로들을 따라 상기 아크 이미지를 투사하기 위한 제 1 및 제 2 투사 렌즈들(125, 127);

   집중되는(converging) 경로들을 따라 상기 투사된 아크 이미지들이 향하도록 하기 위한 제 1 및 제 2 미러들(129, 131); 및

   상기 집중되는 아크 이미지들을 가로채도록(intercept) 위치된 합성 광 가이드(141)로서, 상기 아크 이미지들을 입력하기 위한 한 쌍의 대향 입력 포트들(133, 135), 공통 경로를 따라 상기 아크 이미지들이 향하도록 하기 위한 한 쌍의 TIR 프리즘들(143, 145), 및 상기 아크 이미지들을 상기 편광 변환 시스템으로 안내하기 위한 직사각형 광 가이드(147)를 포함하는, 상기 합성 광 가이드(141)를 포함하는, 아크 램프 조명기.
9. 투사 시스템에 있어서:

   전기 신호에 따라 광 이미지를 변조하기 위한 광 변조기 패널(610);

   상기 변조된 이미지를 디스플레이 스크린 상에 투사하기 위한 렌즈(630); 및

   상기 광 변조기 패널을 조명하기 위한 아크 램프 조명기(600)를 포함하고,

   상기 아크 램프는,

   측면에 놓이는 축을 갖는 길어진 아크(12)를 둘러싸는 인벨로프(10);

   상기 아크(12)의 이미지(16)를 투사하기 위한 적어도 하나의 투사 렌즈(14);

   상기 투사된 아크 이미지를 상기 측면의 상기 축을 따라 1차 및 2차 아크 이미지들(32, 34)로 분할하기 위한 적어도 하나의 편광 변환 시스템(20); 및

   상기 1차 아크 이미지(32) 또는 2차 아크 이미지(34) 중 하나의 편광 감도를 다른 아크 이미지의 편광 감도에 대응하도록 변환하기 위한 회전자 장치(31)를 포함하는, 투사 시스템.