KR20040073498A - 투사 디스플레이 장치 및 투사 광학 렌즈 시스템 - Google Patents

투사 디스플레이 장치 및 투사 광학 렌즈 시스템 Download PDF

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KR20040073498A
KR20040073498A KR10-2004-7009689A KR20047009689A KR20040073498A KR 20040073498 A KR20040073498 A KR 20040073498A KR 20047009689 A KR20047009689 A KR 20047009689A KR 20040073498 A KR20040073498 A KR 20040073498A
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projection display
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KR10-2004-7009689A
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시미즈제프리에이
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코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

투사 광학계(452, 652)에 의한 투사에 있어서 비축(off axis) 집광을 위해 경사를 갖는 지오메트리를 형성하여 투사 디스플레이(400)에 어느 정도 비 텔레센트릭한(nontelecentric) 투사 광학계를 제공하고, 투사 광학계(452)를 통과하여 투사에 의해 디스플레이되는 서로 다른 원색(primary colors)의 객체 디지털 그래픽을 위해 복수의 원색 성분 객체면을 제공함으로써, 디지털 컬러 그래픽 투사 디스플레이(400)에서 측색 색수차 효과(lateral-color chromatic-aberration effects)의 보정을 달성할 수 있다. 적어도 2개의 원색 성분 객체면(690R, 690G, 690B)은 투사 광학계(452, 652)로부터 서로 다른 유효 축방향 거리에 위치되고, 이 유효 축방향 거리는 투사 광학계(452, 652)의 비축 집광을 위한 경사를 갖는 특성 및 투사 광학계에 의해 서로 다른 원색에서의 수평 배율(lateral magnification)의 측색 색수차(lateral-color chromatic-aberration) 차이를 해결하여, 이러한 수평 배율의 색 의존성 차이를 보정하게 한다.

Description

투사 디스플레이 장치 및 투사 광학 렌즈 시스템{LATERAL COLOR COMPENSATION FOR PROJECTION DISPLAYS}
전형적인 컬러 디지털 그래픽 투사 디스플레이 장치는 3개의 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널(digital-graphic-encoding beam modulator panels)을 사용하는데, 각 패널은 컬러 그래픽의 적색, 녹색 및 청색 성분에 각각 해당된다. 빔 변조기 패널의 예시로는 투과형 폴리실리콘 액정 디스플레이(liquid crystal displays : LCD), 반사형 디지털 마이크로미러 장치(digital micromirror devices : DMD) 및 반사형 액정 디스플레이(reflective liquid crystal displays : RLCD)-반사형 액정 온 실리콘 디스플레이(reflective liquid crystal on silicon displays : LCoS)로도 알려져 있음-가 포함된다. 때때로 3개의 패널로부터의 그래픽 인코딩형 빔(graphic-encoded beams)은 색 성분 빔 재조합 광(component-colorbeam recombination optics)과 광학적으로 조합되고, 단일 투사 렌즈를 통과하여 투사된다.
더 높은 해상도, 더 높은 화소수(pixel count) 및 더 소형화된 장치에 대한 요구가 증가됨에 따라, 컬러 디지털 그래픽 투사 디스플레이용 투사 렌즈의 설계에서의 어려움이 증가되었다. 강조되고 있는 투사 렌즈의 특징 중의 하나로서, "측색(lateral color)"으로 지칭되는 특징이 있다. 측색은 그래픽의 수평 배율에 있어서 파장이나 색 또는 그래픽의 색에 대한 의존성을 포함하는 색수차(chromatic aberration)를 지칭한다. 이러한 수평 배율에서의 색에 의한 변동은 전형적으로 적색, 녹색 및 청색 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널에서, 투사된 그래픽 디스플레이의 중심부로부터 외부를 향해 그래픽으로 촬상되는(imaged) 중첩된 색 성분의 수렴(convergence)에서의 변동을 초래한다. 따라서, 디스플레이의 중심부에서 그래픽의 색 성분 화소의 완전한 수렴이 존재하도록 디지털 그래픽 인코딩 패널의 위치를 정하면, 디스플레이의 에지에서는 색 수렴 상태로부터 하나의 화소만큼 벗어나거나 그 이상으로 벗어날 수 있다. 이러한 색 수렴의 변동은 특히 컴퓨터 그래픽 디스플레이의 투사에 있어서 화질을 열화시킨다.
측색 비수렴성(lateral-color misconvergence)은 3중 패널 투사 모니터의 개발에 있어서 중대한 문제이다. 예를 들면, 1200×1600개의 화소-각 화소는 대략 10㎛2임-를 갖는 패널 어레이를 내장하고, 측색 비수렴 상태의 화소가 절반 이하가 되게 하는 설계에 따른 투사 모니터를 제조한다는 것은 투사 렌즈 제조업자들에게있어서 달성하기 어려운 목표이다. 이러한 패널 어레이를 갖는 종래의 투사 모니터는 패널 어레이에서 측정된 바에 의하면 그래픽의 모서리에서 대략 12㎛의 측색 비수렴성을 가질 수 있다는 것이 확인되었는데, 이는 화소보다 더 크다. 이 정도의 측색 비수렴성은, 그래픽 디스플레이의 에지에 전형적으로 아이콘과 메뉴가 위치되는 컴퓨터 디스플레이 모니터 애플리케이션에서는 중대한 문제이다. 일반적으로, 측색 효과를 보정하기 위해서는, 투사 렌즈(projection lens)의 크기를 증가시키거나 소정의 소자를 추가할 수 있지만, 이는 설계의 복잡성 및 제조 비용을 증가시킨다. 실제적인 문제로서, 렌즈 설계만으로는 디스플레이 해상도의 증가에 대한 요구를 만족시키기에 충분하지 않다.
전자 투사 디스플레이에서의 해결 방안으로서 반사형 액정 편광 변조기를 내장한 시스템에 기반하는 반사형 편광 변조기(reflective-polarization-modulator)가 제시된다. 반사형 편광 변조기에 기초하는 대부분의 아키텍처는 편광 변조기 패널로부터 투사 렌즈까지의 거리가 투사 렌즈의 초점 거리(focal length)에 비해 큰 장치를 내장하고 있다. 이는 투사 모니터 및 투사 텔레비전 등과 같은 배면 투사 디스플레이(rear projection displays)에서는 특히 그러하다. 일반적으로, 배면 초점 거리(back-focal distance)가 커질수록, 투사 렌즈의 제조는 더욱 어려워진다. 이러한 시스템용으로 생산하고자 하는 시도로서 투사 렌즈를 제조하는 또 다른 광학 설계에서의 제한은, "텔레센트릭성(telecentricity)"을 필요로 한다는 것이다. 텔레센트릭 렌즈 시스템은 입사 동공(entrance pupil)을 무한대로 구비한다. 무한대로 입사 동공을 갖는 주광선(chief rays)-"주광(principal rays)"으로도 지칭됨-이라는 용어는 주광선이 광학 축에 평행하고, 그에 따라 화상 상의 모든 지점이 동일한 각도의 세트 또는 동공 특성을 갖게 하는 것을 의미한다.
반사형 액정 편광 변조기 및 텔레센트릭 투사 렌즈를 내장하는 종래의 디지털 그래픽 프로젝터는 Chiu 등에 의한 미국 특허 공개 번호 제 5,777,789 호에 개시되어 있다. '789 특허의 프로젝터는 프로젝터용으로 편광되지 않은 "백색"광의 광원으로서 금속 할로겐 화합물 아크 램프를 구비한다. 아크 램프로부터의 광은, 프로젝터 내에 내장된 액정 편광 변조기의 편광 변조기 평면에 대해 공간적으로 균일한 강도를 갖는 일반적인 평행한 가시적 백색광 조명 빔(white-light illumination beam)을 생성하는 기능을 하는 조명 광학계(illumination optics)를 통해 전달된다. 편광되지 않은 조명 빔은 큐브형 편광 빔분할기(polarizing beamsplitter cube)로 조사되는데, 이 편광 빔분할기는 편광되지 않은 빔을 실질적으로 편광된 광-그러나 통상적으로 완벽하지는 않음-의 2개의 빔으로 분할하고, 이 2개의 빔은 실질적으로 직교한다. '789 특허에 따른 디지털 화상 프로젝터의 큐브형 편광 빔분할기 내에서 생성된 2개의 광 빔 중의 하나는 실질적으로 편광된 소스 빔으로서 기능하고, 큐브형 편광 빔분할기로부터 색 분할/조합 프리즘 어셈블리로 전달된다. 색 분할/조합 프리즘 어셈블리는 3개의 프리즘을 포함하는데, 이 프리즘의 소정의 면은 다이크로익 코팅(dichroic coatings)을 보유하여 실질적으로 편광된 소스 빔의 백색 가시광을 적색, 청색 및 녹색 광 성분으로 순차적으로 분할하고, 각각의 실질적으로 편광된 색 성분 광 빔을 대응되는 반사형 액정 편광 변조기-'789 특허에서는 "광 밸브(light valve)"로서 지칭됨-에 조사한다.
'789 특허에 따른 디지털 화상 프로젝터의 3개의 편광 변조기는 각각 반사형 편광 변조기 평면을 색 분할/조합 프리즘 어셈블리의 색 성분 출력 평면에서 방출되는 실질적으로 편광된 색 성분 광 빔에 대응하도록 정의되는 빔성분 광 경로(component-beam optical path)에 대해 수직하게 하여 위치된다. '789 특허에 따르면, 프리즘 어셈블리의 색 성분 출력 평면에 대해 편광 변조기를 기계적으로 조정함으로써 투사 스크린 상에 반사형 액정 편광 변조기의 화상을 부합시킬 수 있다. 일반적으로, 반사형 편광 변조기는 원하는 복합 색 그래픽의 색 성분 화상을 인코딩하는 편광 변조기에 인가된 신호에 따라서, 편광 변조기 평면 상에서 화소의 배열을 기반으로 광 빔의 편광을 선택적으로 회전시키는 것에 의해 대응되는 색 성분 광 빔의 분극을 변조시키는 역할을 한다. 특히, 주어진 색으로 조명되는 최종 촬상된 그래픽의 각 화소에 있어서, 해당 색의 실질적으로 편광된 색 성분 광 빔의 편광은 최종 촬상된 그래픽 내의 화소 위치에 대응되는 편광 변조기 평면 상의 위치에서 반사형 액정 편광 변조기에 의해 회전된다. 이러한 조명된 화소는 "밝은(light)" 화소로 지칭된다. 이와 반대로, 주어진 색으로 조명되지 않는 최종 촬상된 그래픽의 각 화소에 있어서, 해당 색의 실질적으로 편광된 색 성분 광 빔은 최종 화상 그래픽 내의 화소 위치에 대응되는 편광 변조기 평면 상의 위치에서 반사형 액정 편광 변조기에 의해 변경되지 않은 편광된 빔과 함께 반사된다. 이러한 조명되지 않은 화소는 "어두운(dark)" 화소로 지칭된다.
그러므로 '789 특허에 따라 디지털 그래픽 프로젝터의 액정 편광 변조기에 의해 공간적으로 선택적인 편광 변조된 색 성분 광 빔은 색 분할/조합 프리즘 어셈블리를 통과하는 대응되는 빔성분 광 경로를 따라서 편광 변조기의 반사형 편광 변조기 평면으로부터 실질적으로 되반사된다. 3개의 반사된 색 성분 광 빔은 각각 실질적으로 프리즘 어셈블리를 통과하는 원래의 경로를 재트레이싱(retrace)하고, 다른 2개의 색 성분 광 빔과 재조합하여 하나로 복합된 공간적으로 선택적인 편광 변조형 광 빔을 형성한다. 복합된 광 빔은 색 분할/조합 프리즘 어셈블리로부터 방출되고 큐브형 편광 빔분할기로 전달된다. 큐브형 편광 빔분할기는 복합된 광 빔을 밝은 화소로 이루어진 복합 색 그래픽을 전달하는 편광 변조된 밝은 화소 성분 빔과, 어두운 화소로 이루어진 네거티브 컬러 그래픽을 전달하는 편광 변조되지 않은 어두운 화소 성분 빔으로 분할한다. 어두운 화소 성분 빔의 편광은 반사형 액정 변조기에 의해 변경되지 않기 때문에, 어두운 화소 성분 빔은 조명 광원이던 아크 램프를 향해 프로젝터를 통과하는 광 경로를 다시 재트레이싱한다. 편광 변조된 밝은 화소 성분 빔은 편광 빔 분할기로부터 '789 특허에 따른 디지털 그래픽 프로젝터의 투사 렌즈에 조사된다. '789 특허에 따르면, 투사 렌즈는 큰 유리 작업 거리(glass working distance) 및 텔레센트릭 조명에 적합하도록 설계된 역망원형(retrofocus) 텔레센트릭 렌즈이다. 투사 렌즈는 원하는 복합 색 그래픽을 투사 스크린에 투사하는 기능을 한다.
일반적으로, 투사 디스플레이의 설계자들은 "완전하게" 투사된 그래픽을 달성하기 위해 분투하고 있다. 그러나, 투사 디스플레이 설계자들은 몇 개의 예를 든다고 하면, 투사된 그래픽 내에서 적절한 화상 높이의 유지 및 측색 효과 등과 같은 문제점에 직면하고 있다. 단일 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널 또는다수의 빔 변조기 패널 중 어느 하나와 텔레센트릭 시스템을 가지고, 설계자들은 렌즈들을 통해 이러한 "완전하게 촬상된 그래픽"을 달성해야 한다. 그러나, 렌즈 시스템만으로 "완전하게" 촬상된 그래픽을 달성하는 것은 문제를 유발하고, 종종 너무 비싸서 경제적 수용 한도를 초과할 수 있다. 이러한 렌즈 시스템이 빔 변조기 패널의 전면에 위치되든지 후면에 위치되든지 간에, 현재 가능한 최고의 렌즈 시스템을 이용한다고 해도 측색의 문제점이 때때로 발생된다. "완전하게 촬상된 그래픽"을 달성하고자 하는 투사 디스플레이 설계자는 렌즈 시스템에 의한 실제적 문제에 의해 제한받고 있다.
본 발명은 컬러 디지털 그래픽 투사 디스플레이 장치(color digital-graphics projection display arrangement) 및 이러한 투사 디스플레이 장치용의 투사 광학 렌즈 시스템에 관한 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 실시예에 대한 단순화된 광학계의 개략도,
도 2는 본 발명에 따른 투사 디스플레이에 대한 실시예에 있어서, 편광 빔분할기와, 색 분할/조합 프리즘 어셈블리와, 적색, 녹색 및 청색 반사형 편광 변조기와, 투사 광학계를 나타내는 단순화된 광학계의 개략도로서, 화상의 중심부에 초점을 갖는 광선 콘(ray cone)과, 화상 디스플레이의 주변의 한 점에 초점을 갖는 광선 콘의 제각기의 주광선의 평행성의 부족으로 투사 광학계에서 비 텔레센트릭 광학계가 되는 것을 과장하여 도시하는 도면,
도 3은 텔레센트릭 투사 광학계와, 수직 방향으로 동등한 디스플레이 객체면 내에 위치되는 적색, 녹색 및 청색 반사형 액정 편광 변조기를 구비하는 종래 기술에 의한 투사 디스플레이 내의 측색 비수렴성을 나타내는 간략화된 도면,
도 4는 텔레센트릭 투사 광학계와, 세로 방향으로 상이한 디스플레이 객체면 내에 위치된 적색, 녹색 및 청색 반사형 편광 변조기를 갖는 가상 투사 디스플레이 내의 측색 비수렴성을 나타내는 간략화된 도면,
도 5는 비 텔레센트릭 투사 광학계와, 세로 방향으로 상이한 디스플레이 객체면 내에 위치된 적색, 녹색 및 청색 반사형 편광 변조기를 갖는 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 실시예에서 측색 수렴을 나타내는 간략도,
도 6은 디지털 그래픽 투사 디스플레이용의 본 발명에 따른 투사 광학 렌즈 어셈블리의 실시예에 대한 단순화된 광학계의 개략도.
본 발명의 목적은 디지털 컬러 그래픽 투사에 있어서 측색 효과의 보정을 제공하는 투사 디스플레이 장치 및 투사 광학 렌즈 시스템을 제공하는 것이다. 이 목적은 청구항 1에 설명된 본 발명에 따른 투사 디스플레이 장치 및 청구항 4에 설명된 투사 광학 렌즈 시스템에 의해 달성될 수 있다.
대체적으로, 투사 광학계에 의한 투사에 있어서 비축(off axis) 집광을 위해 경사를 갖는 지오메트리를 형성하여 투사 디스플레이에 어느 정도 비 텔레센트릭한(nontelecentric) 투사 광학계를 제공하고, 투사 광학계를 통과하여 투사에 의해 디스플레이되는 서로 다른 원색(primary colors)의 객체 디지털 그래픽을 위한 객체면-투사 광학계로부터 서로 다른 유효 축방향 거리(axial distance) 상에 위치됨-을 제공함으로써 본 발명에 의해 디지털 컬러 그래픽 투사 디스플레이에서 측색 색수차 효과의 보정을 달성할 수 있고, 여기에서의 축 거리는 투사 광학계의 비축 집광을 위한 경사를 갖는 지오메트리와, 서로 다른 원색에서 투사 광학계에 의한 수평 배율(lateral magnification) 내의 측색 색수차에 대한 해결책으로서, 수평 배율에서 이러한 색 의존성 차이가 보정되게 한다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 디지털 컬러 그래픽 투사 디스플레이의 투사 광학계는 적색, 녹색 및 청색의 객체 그래픽에 대해 제각기의 3원색 성분 객체면을 제공한다. 투사 광학계로부터 3원색 성분 객체면의 유효 축 거리는 서로 상이한 것이 바람직하다.
본 발명의 투사 디스플레이는 적색, 녹색 및 청색의 원색 성분에 대해 제각기 하나씩 대응되는 3원색 성분 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널을 포함하는 것이 바람직하다. 각각의 빔 변조기 패널은 평면 어레이 내에서 배열되는 복수의 광 변조기 화소 소자를 포함하는 것이 바람직하다. 각각의 원색 성분 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널은 투사 디스플레이의 대응되는 원색 성분 객체면에 근접하게 위치되는 빔 변조기 패널의 광 변조기 화소 소자의 평면 어레이 내에 위치되는 것이 바람직하다. 원색 성분 빔 변조기 패널의 각 광 변조기 화소 소자는 빔 변조기 패널에 인가된 그래픽 인코딩 제어 신호에 따라 화소 소자를 조명하는 광의 광변조를 제어 가능하도록 조절된다. 원색 성분 빔 변조기 패널의 광 변조기 화소 소자는 원하는 복합 색 디지털 그래픽의 대응되는 원색 그래픽 성분에 따라 빔 변조기 패널을 조명하는 원색 성분 광 빔에 기반하여 화소 어레이를 공간적으로 광변조하는 것에 의해 그래픽 인코딩 원색 성분 빔을 형성하도록 총체적으로 조절되는것이 바람직하다. 원색 성분 인코딩 빔 중심축은 제각기 각각의 그래픽 인코딩 원색 성분 빔에 대해 정의될 수 있는데, 각각의 원색 성분으로 인코딩 빔 중심축은 원색 성분 변조기 패널 중심축 교차점에서, 기본적으로 수직 입사에 의해 대응되는 원색 성분 빔-변조기 패널과 교차한다. 3원색 성분 빔-변조기 패널과 제각기의 원색 성분 변조기 패널 중심축 교차점 상에서 광 변조기 화소 소자의 위치에 위치되는 제각기의 평면형 어레이는 기본적으로 서로 위치 상 일치되는 것이 바람직하다. 객체 화소 간격 거리는 빔 변조기 패널 내에서 인접한 화소 소자들간의 평균 중심부 대 중심부 거리로서 정의될 수 있다.
본 발명에 따른 투사 디스플레이의 복합 색 화상면은 그 자신에 대해 정의된 복합 색 화소 위치의 어레이를 갖는 것이 바람직하다. 복합 색 화상면 내의 각각의 복합 색 화소 위치는 빔 변조기 패널 상에서 기본적으로 일치되는 위치에 제각기 위치되는 3개의 광 변조기 화소 소자에 대응되는 것이 바람직하다. 투사 광학계 중심축은 투사 광학계에 대해 투사 광학계의 중심을 통과하는 것으로 정의될 수 있다. 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 투사 광학계는 투사 광학계 중심축을 따라서 투사 광학계 구경 조리개 위치에 위치된 투사 광학계 구경 조리개(aperture stop)를 갖는다. 복합 색 화상면 중심축 교차점은 3원색 성분 변조기 패널 중심축 교차점에 대응되는 복합 색 화상면과 투사 광학계 중심축의 교차에 의해 정의될 수 있다.
복합 색 화상 테스트 포인트 위치는 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 복합 색 화상면 내에서 복합 색 화상면 중심축 교차점으로부터 수평 방향으로 변위를 갖고, 복합 색 화상면 내의 단일 복합 색 화소의 위치에 대응되도록 정의되는 것이 바람직하다. 복합 색 화상면 내의 복합 색 화상 테스트 포인트 위치는 3원색 성분 빔 변조기 패널 상에서 기본적으로 일치된 위치에 제각기 위치되는 3개의 광 변조기 객체 테스트 포인트 화소 소자에 대응되는 것이 바람직하다. 각 원색 성분에 있어서, 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는, 복합 색 화상면 내의 복합 색 화상 테스트 포인트 위치로부터 투사 광학계 구경 조리개의 중심점을 통과하는 투사 광학계 및 투사 디스플레이의 임의의 간섭 광(intervening optics)을 이용하여 빔 변조기 패널의 중심축 교차점으로부터 수평 방향으로 변위를 갖는 지점에서 대응되는 원색 성분 빔 변조기 패널과 교차하는 광의 원색 성분 광선을 트레이싱함으로써 정의될 수 있다. 3원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 각각 주광선 트레이스가 통과하는 원색 성분 의존성 경로-수평 배율에서의 측색 색수차 차이를 포함하여 광의 색수차가 나타남-를 광학적으로 트레이싱한다. 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 투사 광학계에 대한 투사 광학계 구경 조리개의 투사 광학계 구경 조리개 위치는, 비 텔레센트릭 투사 광학계에 의한 투사를 위해 비축 집광을 위해 경사를 갖는 지오메트리에 따라 교차점에서 빔 변조기 패널의 수직 방향에 대해 경사를 갖는 비 텔레센트릭 경사 각도에서 각각의 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스가 대응되는 원색 성분 빔 변조기 패널과 교차하게 하는 비 텔레센트릭 구경 조리개 위치이다. 3원색 성분 빔 변조기는 각각 투사 광학계로부터의 유효 축 거리만큼 축 상에 개별적으로 위치되어, 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스와 대응되는 원색 성분 빔 변조기 패널의 비 텔레센트릭 교차각 및 제각기의 원색성분에서 수평 배율에서의 측색 색수차 차이를 포함하는 색수차를 고려하면, 대응되는 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스가 대응되는 객체 테스트 포인트 화소 소자의 중심부에서 화소 간격 거리의 대략 절반 내에서 빔 변조기 패널과 교차하게 되어, 투사 광학계의 서로 다른 원색 성분의 광선의 수평 배율에서의 차이가 복합 색 화상면 내의 투사 광학계에 의해 촬상된 복합 색 그래픽에 걸쳐 보정된다.
본 발명에 따른 투사 디스플레이의 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널은 투과형 폴리실리콘 액정 디스플레이(LCD), 반사형 디지털 마이크로미러 장치(DMD) 또는 반사형 액정 디스플레이(RLCD)를 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 투사 디스플레이의 일실시예에서, 각각의 원색 성분 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널은 대응되는 원색 성분 객체면에 기본적으로 일치되도록 위치되는 빔 변조기 패널의 광 변조기 화소 소자의 평면 어레이로 배치된다. 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 이와 다른 실시예에서, 대응되는 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스가 대응되는 광 변조기 객체 테스트 포인트 화소 소자의 중심부에서 객체 화소 간격 거리의 대략 절반 내로 빔 변조기 패널과 교차되도록, 적어도 하나의 원색 성분 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널을 대응되는 원색 성분 객체면으로부터 원색 성분 화소 수렴 디포커스(defocus) 거리만큼 이격된 빔 변조기 패널의 광 변조기 화소 소자의 평면 어레이 내에 배치한다.
측색 색수차 효과를 실제적으로 보정할 수 있게 하는 본 발명에 따른 디지털 그래픽 색 투사 디스플레이용 투사 광학 렌즈 시스템은 투사 광학계 입사 광학 포트(projection-optics entrance optical port) 및 투사 광학계 출사 광학포트(projection-optics exit optical port)를 구비한다. 투사 광학계 중심축은 투사 광학 렌즈 시스템에 있어서 렌즈 시스템의 중심을 통과하고, 입사 광학 포트 및 출사 광학 포트로부터 축을 따라 연장되는 것으로 정의된다.
본 발명에 따른 투사 광학 렌즈 시스템에 의해 복합 색 그래픽을 촬상할 수 있는 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면은, 렌즈 시스템에 있어서 투사 광학계 출사 광학 포트로부터 투사된 빔 출사 전파 방향으로 이격되는 렌즈 시스템의 투사 광학계 중심축에 대해 실질적으로 수직하게 연장되도록 정의된다. 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 내의 화상면 중심축 교차점은 투사 광학계 중심축과 화상면의 교차에 의해 정의된다.
3개의 원색 성분-바람직하게는 적색, 녹색 및 청색임-의 각각에 있어서, 원색 성분 투사 디스플레이 객체면은 투사 광학계 입사 광학 포트로부터 투사된 빔 입사 전파 방향과 반대되는 방향으로 이격되는 본 발명에 따른 투사 광학 렌즈 시스템의 투사 광학계 중심축에 대해 실질적으로 수직하게 연장되도록 정의된다. 원색 성분 객체면 중심축 교차점은 투사 광학계 중심축과 제각기의 객체면의 교차에 의해 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면의 각각에 대해 제각기 정의된다.
3개의 원색 성분 각각에 대하여, 본 발명에 따른 투사 광학 렌즈 시스템은 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면 내에 위치된 원색 성분의 그래픽을 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면에 투사하여 촬상하는데 적합하다. 투사 광학 렌즈 시스템에는 측색 색수차가 발생된다. 예를 들면, 투사 광학계 중심축을 따라서 테스트 객체 위치에 위치되고, 렌즈 시스템에 의해 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면으로 투사되는 투사 광학계 중심축에 비례하는 수평 범위를 갖는 테스트 복합 색 객체 그래픽의 수평 배율은 서로 다른 원색 성분에 있어서 상이할 것이다.
본 발명의 투사 광학 렌즈 시스템은 투사 광학계 입사 광학 포트에 위치된 입사 광학 표면(entrance optical surface)을 갖는 입사 광학 소자(entrance optical element)를 포함한다. 투사 광학계 중심축과 투사 광학 렌즈 시스템의 입사 광학 표면간의 교차를 가지고 객체면 거리 기준점(object-plane distance base point)을 정의한다. 원색 성분 객체면의 축방향 위치 거리는 투사 광학 렌즈 시스템의 입사 광학 표면 상의 객체면 거리 기준점으로부터 제각기의 원색 성분 객체면의 객체면 중심축 교차점까지 측정된 각각의 원색 성분 투사 디스플레이 객체면마다 제각기 정의된다.
본 발명의 투사 광학 렌즈 시스템은 투사 광학계 중심축을 따라서 투사 광학계 구경 조리개 위치에 위치된 투사 광학계 구경 조리개(projection-optics aperture-stop)를 구비한다.
본 발명의 투사 광학 렌즈 시스템에 대한 복합 색 화상 테스트 포인트 위치는 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면에서 화상면 중심축 교차점으로부터 수평 방향으로 변위를 갖는 것으로 정의된다. 각 원색 성분에 대해서, 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 내에서 수평 방향으로 변위를 갖는 복합 색 화상 테스트 포인트 위치에서부터 투사 광학계 출사 광학 포트를 지나 투사 광학계 구경 조리개의 중심점을 통과하는 투사 광학 렌즈 시스템을 통과하고, 또한, 투사 광학계입사 광학 포트의 외부까지 제각기의 원색 성분에 대한 광선을 광학 트레이싱하여 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면과 교차하게 함으로써, 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스를 제각기 정의한다. 각각의 3원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 측색 색수차를 포함하여 렌즈 시스템의 색수차가 발생되는 투사 광학 렌즈 시스템을 통과하는 대응되는 원색 성분 의존성 경로를 제각기 트레이싱한다. 각각의 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스와 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면 사이의 교차점으로 대응되는 원색 성분 객체 테스트 포인트 위치를 정의한다. 각각의 3원색 성분 객체 테스트 포인트 위치는, 대응되는 원색 성분의 광에 있어서 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 내의 수평 방향으로 변위를 갖는 복합 색 화상 테스트 포인트 위치와 광학적으로 공액된다(conjugate). 각각의 원색 성분 객체 테스트 포인트 위치는 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면의 객체면 중심축 교차점으로부터 수평 방향으로 변위를 가지고 위치되어 원색 성분 객체 테스트 포인트 수평 방향 변위 거리를 정의한다.
본 발명에 따른 투사 광학 렌즈 시스템에서 투사 광학계 구경 조리개의 투사 광학계 구경 조리개 위치는 비 텔레센트릭 구경 조리개 위치이다. 비 텔레센트릭 구경 조리개 위치에 의한 결과로, 각각의 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 교차점에서 객체면의 수직 방향에 대해 경사를 갖는 비 텔레센트릭 교차 각도를 가지고 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면과 교차한다. 대응되는 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스와 제각기의 원색 성분 객체면 사이의 비 텔레센트릭 교차 각도 및 서로 다른 원색 성분에 의한 렌즈 시스템의 수평 배율에서의 측색 색수차 차이를 포함하는 색수차를 고려하면, 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면은 투사 광학계 충심축 방향을 따라서, 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면에 대한 원색 성분 객체 테스트 포인트 수평 방향 변위 거리를 기본적으로 서로 동일하게 하는 제각기의 축방향 위치를 갖는다. 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면에 대한 제각기의 축방향 위치는 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면 중 적어도 2원색 성분 객체면에 대해서, 또한 바람직하게는 3개의 원색 성분 객체면 전부에 대한 제각기의 원색 성분 객체면 축방향 위치 거리를 서로 다르게 하여, 본 발명에 따른 투사 광학 렌즈 시스템의 측색 색수차에 의해 유발된 서로 다른 원색 성분을 갖는 광선의 수평 배율 차이가 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 내의 렌즈 시스템에 의해 촬상된 복합 색 그래픽에 걸쳐 적어도 부분적으로 보정되게 한다.
바람직하게는, 본 발명의 투사 광학 렌즈 시스템은 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면에 대하여 대응되는 대체로 직사각형의 객체 그래픽 필드 내에 일치되는 치수를 갖는 3개의 원색 성분 각각의 객체 그래픽을 투사에 의해 촬상하는데 적합하다. 이러한 객체 그래픽 필드는 예를 들면 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널의 변조기 평면의 치수에 대응되는 것이 바람직하다. 각각의 객체 그래픽 필드는 3개의 객체 그래픽 필드 전부에 대해 동일한 높이 치수를 갖고, 3개의 객체 그래픽 필드 전부에 대해 동일한 폭 치수를 갖는다. 투사 광학 렌즈 시스템의 입사 광학 표면 상의 객체면 거리 기준점과 대응되는 원색 성분 객체면의 객체면 중심축 교차점 사이의 각각의 객체면 축방향 위치 거리를 객체 그래픽 필드의 높이 치수 및 폭 치수 중 작은 값의 적어도 2배가 되게 하여, 이러한 투사 광학 렌즈 시스템이 디지털 그래픽 투사 디스플레이 내에 결합될 때, 렌즈 시스템의 투사 광학계 입사 포트와 투사 디스플레이의 원색 성분 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널 사이에 편광 빔분할기 소자 및 빔 색 분할/조합 소자(beam color dividing/combining elements)-바람직하게는, 이 소자들은 제각기 투사 광학계 입사 포트로부터 대응되는 원색 성분 객체면 축방향 위치 거리까지 동일한 유효 축방향 거리 상에 제각기 위치됨-를 수용할 수 있게 하는 것이 바람직하다.
화상 그래픽 필드는, 원색 성분 투사 디스플레이 객체면의 객체 그래픽 필드의 화상에 대응되도록 본 발명에 따른 투사 광학 렌즈 시스템의 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 상에서 정의되는 것이 바람직하다. 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 상에서의 복합 색 화상 테스트 포인트 위치는 화상 그래픽 필드의 주변부에 근접하게 하여 화상 그래픽 필드 내에 위치되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 투사 광학 렌즈 시스템에 있어서, 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면과의 교차점에서 투사된 빔 입사 전파 방향과는 일반적으로 반대되는 방향으로 트레이싱되는 각각의 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 투사 광학계 중심축으로부터 발산되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 투사 광학 렌즈 시스템 내에서, 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면의 제각기의 원색 성분 객체면 축방향 위치 거리는 서로 다른 것이 바람직하다.
가시화를 위해 원하는 복합 색 디지털 그래픽을 투사하는 본 발명에 따른 투사 디스플레이는 투사 디스플레이 하우징(projection display housing) 및 투사 디스플레이 하우징 내의 조명 소스(illumination-source) 위치 내에 위치되어 백색 스펙트럼 조명광을 제공하기 위한 조명 소스를 포함하는 것이 바람직하다. 빔 형성 광학계는 조명 소스로부터 조명광을 수신하기 위해 투사 디스플레이 하우징 내에 위치되는 것이 바람직하다. 빔 형성 광학계는 이러한 광으로 빔 형성 광학계에 대해 정의된 조명 빔 중심축을 따라서 실질적으로 전파되는 초점을 갖는 조명 빔을 형성하기에 적합하다.
또한, 본 발명에 따른 투사 디스플레이는 편광 빔분할기를 포함하는 것이 바람직하다. 어두운 화소 편광 상태로 편광된 빔 축인 조명 빔 수신 축(illumination-beam-reception axis) 및 밝은 화소 편광 상태로 편광된 빔 축은 편광 빔분할기에 의해 정의된다. 편광 빔분할기는 실질적으로 조명 빔 수신 축을 따라서 편광 빔분할기를 향해 전파되는 조명 빔을 수신하여, 조명 빔을 실질적으로 어두운 화소 편광 상태로 편광된 빔 축을 따라 편광 빔분할기로부터 바깥쪽을 향해 전파되는 선형적으로 편광된 어두운 화소 편광 상태 빔으로 분할하여, 네거티브 컬러 그래픽을 보유하는 어두운 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 광과, 원하는 복합 색 그래픽을 보유하는 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 광을 포함하는 혼합 편광 그래픽 인코딩형 빔(mixed-polarization graphics-encoded beam)-실질적으로 어두운 화소 편광 상태로 편광된 빔 축을 따라서 빔분할기를 향해 전파됨-을 수신하고, 혼합 편광 그래픽 인코딩형 빔을 실질적으로 조명 빔 수신 축을 따라서 편광 빔분할기로부터 외부로 전파되는 네거티브 컬러 그래픽을 보유하는 어두운 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 빔과, 실질적으로 밝은 화소 편광 상태로 편광된 빔 축을 따라서 편광 빔분할기로부터 외부로 전파되는 원하는 복합 색 그래픽을 보유하는 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 빔으로 분할한다. 편광 빔분할기의 조명 빔 수신 축은 조명 빔 형성 광학계의 조명 빔 중심축에 대해 실제적으로 정렬되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 투사 디스플레이는 복합 빔 입력/출력 광학 포트 및 3원색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트를 구비하는 빔 색 분할/조합 광학계를 더 포함하는 것이 바람직하다. 빔 색 분할/조합 광학계는 실질적으로 복합-빔 입력/출력 중심축을 따라서 복합 빔 입력/출력 광학 포트로 전파되는 백색 스펙트럼 입력 빔을 수용하고, 백색 스펙트럼 입력 빔을 3원색 성분 출력 서브-빔으로 분할하며, 제각기 대응되는 원색 성분 출력/입력 광학 포트로부터 실질적으로 대응되는 원색 성분 서브-빔 출력/입력 중심축을 따라 전파되는 각각의 원색 성분 출력 서브-빔을 투사하는 데에 있어서 적합하다. 빔 색 분할/조합 광학계는 실질적으로 대응되는 원색 성분 서브-빔 출력/입력 중심축을 따라서 3원색 성분 출력/입력 광학 포트 중 대응되는 하나의 원색 성분 출력/입력 광학 포트로 전파되는 3개의 원색 성분 각각에 대한 제각기의 입력 서브-빔을 수용하고, 3원색 성분 입력 서브-빔을 복합 색 출력 빔으로 조합하며, 복합 빔 입력/출력 광학 포트로부터 실질적으로 복합-빔 입력/출력 중심축을 따라서 전파되는 복합 색 출력 빔을 투사하는 데 있어서도 또한 적합하다. 빔 색 분할/조합 광학계는 복합-빔 입력/출력 중심축을 편광 빔분할기의 어두운 화소 편광 상태로 편광된 빔 축과 실제적으로 정렬되게 하여 투사 디스플레이 하우징 내에 위치시키고 방향을 정하는 것이 바람직하다. 각각의 원색 성분에 대응되는 원색 성분 중심 광 경로(component-primary-color central optical path)는 빔 색 분할/조합 광학계 및 편광 빔분할기를 통과하여 광의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 중심축으로써 정의되는 것이 바람직한데, 여기에서 광은 대응되는 원색 성분이 실질적으로 대응되는 원색 성분 서브-빔 출력/입력 중심축을 따라서 대응되는 원색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트로 전파되고, 그 다음에 빔 색 분할/조합 광학계 및 편광 빔분할기를 통과하여 실질적으로 밝은 화소 편광 상태로 편광된 빔 축을 따라서 편광 빔분할기의 외부를 향하여 전파된다.
또한, 본 발명에 따른 투사 디스플레이는 투사 광학계 입사 광학 포트 및 투사 광학계 출사 광학 포트를 구비하는 투사 디스플레이 하우징에 탑재되는 투사 광학계를 포함하는 것이 바람직하다. 투사 광학계 중심축은 입사 광학 포트 및 출사 광학 포트의 중심을 통과하는 투사 광학계에 대하여 정의되는 것이 바람직하다. 편광 빔분할기의 밝은 화소 편광 상태로 편광된 빔 축은 투사 광학계의 투사 광학계 중심축과 효율적으로 정렬되는 것이 바람직하다. 투사 광학계는 투사 광학계 중심축을 따라서 투사 광학계 구경 조리개 위치에 위치된 투사 광학계 구경 조리개를 구비한다. 투사 광학계는 실질적으로 투사 광학계 중심축을 따라서 전파되는 복합 색 그래픽 보유 빔을 입사 광학 포트를 통해 수신하고, 실질적으로 투사 광학계 중심축의 수직 방향을 따라 연장되는 것이 바람직한 복합 색 그래픽을 그래픽 디스플레이 화상면 내에 효율적으로 촬상하기 위해서 출사 광학 포트를 통해 빔을 투사하기에 적합하다. 투사 광학계는 입사 광학 포트로 입사되는 그래픽 보유 빔을 통과시키는 입사 광학 표면을 구비한 입사 광학 소자를 포함하는 것이 바람직하다. 투사 객체 거리 기준점은 투사 광학계의 중심축과 투사 광학계의 입사 광학 표면 사이의 교차로서 정의되는 것이 바람직하다. 투사 광학계에서는 측색 색수차가 발생된다. 예를 들면, 테스트 투사 광학계 중심축을 따라 객체 그래픽 위치에 위치되고 및 투사 광학계에 의해 그래픽 디스플레이 화상면 상에 투사된 투사 광학계 중심축에 비례하는 수평 범위를 갖는 테스트 복합 색 객체 그래픽의 수평 배율은 서로 다른 원색 성분마다 상이할 것이다.
본 발명에 따른 투사 디스플레이는 3개의 반사형 원색 성분 디지털 그래픽 인코딩 편광 변조기를 더 포함하는 것이 바람직하다. 각각의 반사형 원색 성분 편광 변조기는 평면 어레이 내에 정렬되는 복수의 개별적으로 제어 가능한 반사형 편광 변조기 화소 소자를 포함하는 실질적으로 평평한 반사형 편광 변조기 평면(reflective polarization-modulator face)을 구비하는 것이 바람직하다. 이러한 각각의 반사형 원색 성분 편광 변조기는 빔 색 분할/조합 광학계의 3원색 성분 출력/입력 광학 포트들 중 대응되는 하나의 포트에 대하여 출력 서브-빔을 인터셉트하도록 위치되는 것이 바람직하고, 반사형 편광 변조기에서 대응되는 원색 성분 출력/입력 광학 포트를 마주보고 실질적으로 대응되는 원색 성분 서브-빔 출력/입력 중심축에 수직한 방향으로 연장되는 제각기의 편광 변조기 면에 대해 배향되는 것이 바람직하다. 편광 변조기 평면 중심축 교차점은 각각의 반사형 편광 변조기 평면에 대해서, 편광 변조기 평면과 대응되는 원색 성분 서브-빔 출력/입력 중심축의 교차점으로서 정의되는 것이 바람직하다. 3원색 성분 편광 변조기의 편광변조기 평면 상에 반사형 편광 변조기 화소 소자의 위치와 함께 편광 변조기 평면들에 대한 제각기의 편광 변조기 평면 중심축 교차점의 위치가 지정되어 있는 제각기의 평면 어레이는 기본적으로 서로 그 형상이 일치되는 것이 바람직하다. 각각의 반사형 편광 변조기 평면에 있어서, 편광 변조기 평면 축방향 위치 거리는 편광 변조기 평면의 편광 변조기 평면 중심축 교차점으로부터 빔 색 분할/조합 광학계 및 편광 빔분할기를 통과하는 대응되는 원색 성분 중심 광 경로를 따라서 투사 광학계의 입사 광학 표면 위의 투사 객체 거리 기준점까지의 측정에 의해 정의되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 반사형 원색 성분 디지털 그래픽 인코딩 편광 변조기 내에 있는 각각의 반사형 편광 변조기 화소 소자는 화소 소자에 입사되는 선형적으로 편광된 원색 성분 광을 반사시키고, 편광 변조기에 인가되는 그래픽 인코딩 제어 신호에 따라서 반사된 선형적으로 편광된 광의 편광을 변조시키는 데 적합하다. 바람직하게는, 원색 성분 디지털 그래픽 인코딩 편광 변조기의 편광 변조기 평면에 있는 반사형 편광 변조기 화소 소자는, 원하는 복합 색 디지털 그래픽의 대응되는 원색 성분 그래픽에 따라서 빔 색 분할/조합 광학계의 대응되는 원색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트로부터 편광 변조기 평면으로 투사되는 선형적으로 편광된 원색 성분 어두운 화소 편광 상태 출력 서브-빔을 화소 어레이를 기반으로 하여 그 전체를 반사적이고 공간적으로 변조시켜서, 대응되는 원색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트로 조사되는 반사된 혼합 편광 그래픽 인코딩 원색 성분 입력 서브-빔을 형성하는 데 적합하다. 바람직하게는, 그래픽디스플레이 화상면은 그에 대해 정의되는 복합 색 화소 위치의 어레이를 구비한다. 그래픽 디스플레이 화상면 내의 이러한 각각의 복합 색 화소 위치는 3개의 반사형 원색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면 위의 실제적으로 일치되는 위치에 제각기 위치되는 3개의 반사형 편광 변조기 화소 소자에 대응되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 그래픽 디스플레이 화상면 내에서 복합 색 화상 테스트 포인트 위치는 투사 광학계 중심축과 그래픽 디스플레이 화상면의 교차점으로부터 수평 변위를 갖는 것으로 정의된다.
이러한 화상 테스트 포인트 위치는 그래픽 디스플레이 화상면 내의 단일의 복합 색 화소의 위치에 대응되는 것이 바람직하다. 그래픽 디스플레이 화상면 내의 복합 색 화상 테스트 포인트 위치는 편광 변조기 평면의 제각기의 편광 변조기 평면 중심축 교차점으로부터 수평 변위를 갖게 하여 3개의 반사형 원색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면 위의 실제적으로 일치되는 위치에 제각기 위치되는 3개의 반사형 편광 변조기 객체 테스트 포인트 화소 소자에 대응되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 각각의 원색 성분에 있어서, 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는, 그래픽 디스플레이 화상면 내의 복합 색 화상 테스트 포인트 위치로부터 투사 광학계 구경 조리개의 중심점을 통과하는 투사 광학계를 통과하고, 편광 빔분할기를 통과하며, 빔 색 분할/조합 광학계를 통과하여, 편광 변조기 평면의 편광 변조기 평면 중심축 교차점으로부터 수평 변위를 갖는 위치에 있는 대응되는 원색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면을 교차하게 하여 원색 성분을 갖는 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 광의 광선을 트레이싱하는 것으로 정의될 수있다. 각각의 3원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 주광선 트레이스가 통과하는 광학계의 색수차-측색 색수차를 포함함-를 나타내는 원색 성분 의존성 경로를 따라 진행된다. 투사 광학계 구경 조리개의 투사 광학계 구경 조리개 위치는, 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스가 교차점에서 변조기 평면의 수직 방향에 대해서 기울기를 가져서 비 텔레센트릭 교차 각도로 대응되는 원색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면과 교차하는 비 텔레센트릭 구경 조리개 위치이다. 3개의 반사형 원색 성분 편광 변조기는, 각각 빔 색 분할/조합 광학계의 대응되는 원색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트의 대응되는 원색 성분 서브-빔 출력/입력 중심축을 따라서 축 방향에서 개별적으로 위치되어, 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스와 대응되는 원색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면사이의 비 텔레센트릭 교차 각도 및 제각기의 원색 성분에 따른 수평 배율에서 주광선 트레이스가 통과하는 광학계의 측색 색수차 차이-측색 색수차를 포함함-를 고려하면, 대응되는 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 편광 변조기 객체 테스트 포인트 화소 소자에서 대응되는 원색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면과 실질적으로 교차하게 된다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 3개의 반사형 원색 성분 디지털 그래픽 인코딩 편광 변조기 중에서 적어도 2개의 변조기의 편광 변조기 평면에서 제각기의 편광 변조기 평면 축방향 위치 거리가 서로 상이하여, 투사 광학계의 측색 색수차에 의해 유발된 서로 다른 원색 성분 광선의 수평 배율 차이가 투사 광학계에 의해서 그래픽 디스플레이 화상면 내에 촬상된 복합 색 그래픽에 걸쳐 보정되게 한다.
바람직하게는, 본 발명의 투사 디스플레이의 원색 성분은 적색, 녹색 및 청색이다.
복합 색 화상 테스트 포인트 위치는 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 그래픽 디스플레이 화상면 주변에 위치되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 복합 색 화상 테스트 포인트 위치는 그래픽 디스플레이 화상면의 주변에 위치되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 투사 디스플레이에 있어서, 3개의 반사형 원색 성분 디지털 그래픽 인코딩 편광 변조기의 편광 변조기 평면에서 제각기의 편광 변조기 평면 축방향 위치 거리는 서로 다르다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 투사 디스플레이에 있어서 각 반사형 원색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면은 그래픽 디스플레이 화상면에 광학적으로 공액된(conjugate) 대응되는 원색 성분 객체면에 적어도 근접하게 위치된다. 하나 이상의 편광 변조기 평면은 대응되는 원색 성분 객체면으로부터 원색 성분 화소 수렴 디포커스 거리만큼 이격되어, 편광 변조기 객체 테스트 포인트 화소 소자에서, 대응되는 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 편광 변조기 평면과 실질적으로 교차된다.
본 발명에 따른 투사 디스플레이에 있어서 적절한 편광 빔분할기는 맥네일형(MacNeille-type) 다층 유전막 편광 빔분할기, 배선 격자 편광기 편광 빔분할기(wire-grid-polarizing beam splitters) 또는 교번적인 복굴적/비복굴절 필름 편광기 편광 빔분할기(birefringent/nonbirefringent-film-polarizerpolarizing beamsplitters)를 포함한다. 맥네일형 다층 유전막 편광 빔분할기는 일반적으로 MacNeille에 의한 미국 특허 공개 번호 제 2,403,731 호 및 Sannohe와 Miyatake에 의한 미국 특허 공개 번호 제 5,453,859 호에 개시되어 있다. 배선 격자 편광기 편광 빔분할기는 일반적으로 공개된 국제 PCT 특허 공개 번호 제 WO 01/09677 호 및 제 WO 00/70386 호에 개시되어 있다. 교번적인 복굴절/비복굴절 필름 편광기 편광 빔분할기는 일반적으로 공개된 국제 PCT 특허 공개 번호 제 WO 00/70386 호에 개시되어 있다.
본 발명에 따른 투사 디스플레이의 빔 색 분할/조합 광학계는 프리즘의 평면 위에 다이크로익 미러(dichroic mirrors)가 탑재되어 있는 프리즘 어셈블리 및 플레이트 탑재형 다이크로익 미러의 어셈블리를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 투사 디스플레이의 투사 광학계는 텔레센트릭 조건으로부터 작은 정도만큼만 편향(deviate)되는 것이 바람직하다. 투사 광학계의 텔레센트릭 조건으로부터 편향된다는 것은, 즉 무한 동공(infinite pupil) 대신에 유한 동공(finite pupil)을 사용하거나, 투사 광학계에 의한 투사를 위한 비축 집광 용도로 경사를 갖는 지오메트리를 형성하는 것 등이다. 비축 집광 용도의 경사를 갖는 지오메트리를 사용하여 측색을 보정할 수 있다.
또한 유한 동공 위치는 일반적으로 투사 광학계의 설계에 도움을 준다. 유한 동공을 물리적 렌즈 어셈블리에 근접하게 위치시키는 것은, 텔레센트릭 렌즈 어셈블리의 무한 동공 위치에서보다 더 간단하다. 투사 광학계의 비 텔레센트릭 동공 위치를 지정하는 관용도(latitude)를 제공하는 것은, 유사한 텔레센트릭 투사광학계의 설계에 비해서 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 투사 광학계의 설계가 단순하다는 설계 자유도(design freedom)를 나타낸다. 텔레센트릭 조건은 화상의 균일성을 보조하고, 프리즘 색 분할과 편광 분할 성분의 각도 허용성을 보조한다. 그러므로, 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 투사 광학계에 있어서, 텔레센트릭 조건으로부터의 편향은 크지 않거나 작게 유지되는 것이 바람직하다.
3개의 원색 각각에 대해 별도의 객체면을 제공하는 것은 3개의 원색에 대해 하나의 객체면을 요구하는 것에 비해서 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 투사 광학계의 설계를 단순화하는 설계 자유도를 제공한다.
색 성분 객체 그래픽의 수평 방향 오프셋(lateral offset)을 시프팅하기 위해서 적은 양의 디포커스(defocus)를 사용하여 본 발명에 따른 투사 디스플레이에서의 색 수렴을 조절할 수 있다.
종속항에 유리한 실시예가 추가적으로 제시되어 있다. 본 명세서에 제시된 본 발명의 특징 및 다른 특징은 이하에서 설명되는 실시예를 참조함으로써 명백해지고 명확해질 것이다.
다음에 도 1을 참조하면, 디지털 그래픽 투사 디스플레이(400)는 고 강도 램프(404) 및 포물선 반사기(parabolic reflector)(406)를 포함하고, 프로젝터에 대해 편광되지 않은 백색 스펙트럼 광으로 이루어진 조명 빔(408)을 형성하는 조명빔 소스 어셈블리(402)를 구비한다. 자외선, 적외선 및 스펙트럼 노치 필터 어셈블리(spectral notch filter assembly)(407)는 편광되지 않은 조명 빔의 경로(408) 내에 위치되어 빔에서 자외선 주파수 및 적외선 주파수의 광을 제거하고, 빔의 주파수 스펙트럼에 원하는 색의 스펙트럼 형상을 전달한다.
광 보존 빔 편광기 어셈블리(light-conserving beam-polarizer assembly)(410)는 디지털 화상 프로젝터(400) 내의 편광되지 않은 조명 빔의 경로(408) 내에 위치된다. 빔 편광기 어셈블리(410)는 Itoh와 Hashizume에 의한 미국 특허 공개 번호 제 5,986,809 호-이 특허의 개시 내용은 본 명세서에 참조에 의해 인용되어 있음-에 설명된 빔 편광기와 대략 유사한 타입이다. 간략하게 말해서, 빔 편광기 어셈블리(410)는 실질적으로 직사각형의 제 1 평볼록(plano-convex) 렌즈 소자(413)로 이루어진 직사각형의 어레이로 구성된 제 1 렌즈 어레이(412)를 포함한다. 작동 중에, 제 1 렌즈 어레이(412)는 조명 빔(408)을 초점을 갖는 서브-빔의 직사각형 어레이로 분할한다. 일반적으로, 특히 조명 빔(408)에 대한 빔 편광기 어셈블리(410)의 효과 및 제 1 렌즈 어레이(412)의 효과는 도 1에 도시하지 않았다. 또한, 빔 편광기(410)는 제 1 렌즈 어레이(412)에 의해 생성된 초점을 갖는 서브-빔의 초점면(focal plane) 내에 위치되는 편광 빔분할기/반 파장판 어셈블리(polarizing-beamsplitter/half-wave-plate assembly)(414)를 포함한다. 편광 빔분할기/반 파장판 어셈블리(414)는 제 2 렌즈 어레이(416) 및 교차하는 연장된 편광 빔분할기 필름 스트립(polarizing-beamsplitter-film strips)(420)과 연장된 반사형 미러 스트립(422)의 복수의 쌍을 포함한다. 편광 빔분할기 필름 스트립(420)과 반사형 미러 스트립(422)은 모두 조명 빔(408)의 중심 광선에 대해 수직한 방향으로 서로 선형적으로 평행하게 연장되고, 빔(408)의 중심 광선에 대해 실질적으로 45°의 각도로 기울어져 있다. 제 2 렌즈 어레이(416)는 빔 편광기 어셈블리(410)의 제 1 렌즈 어레이(412)에서 제 1 렌즈 소자(413)에 대해 하나씩 대응되는 실질적으로 직사각형인 제 2 렌즈 소자(417)의 직사각형 어레이를 포함한다. 제 2 렌즈 어레이(414)의 각 제 2 렌즈 소자는 제 1 렌즈 어레이(412)의 대응되는 제 1 렌즈 소자(413)로부터 수신된 편광되지 않은 서브-빔을 시준(collimate)하고, 편광 빔분할기/반 파장판 어셈블리(414)의 편광 빔분할기 필름 스트립(420) 부분으로 서브-빔을 전달한다. 편광 빔분할기 필름 스트립(420)은 편광되지 않은 서브-빔을 2개의 선형적으로 편광된 서브-빔으로 분할하는데, 제 1 편광된 서브-빔은 편광 빔분할기 필름 스트립(420)을 통과하고, 제 2 편광된 서브-빔은 편광 빔분할기 필름 스트립(420)에서 인접한 반사형 미러 스트립(422)으로 반사된다. 제 1 및 제 2 편광된 서브-빔은 기본적으로 서로에 대해 직교하는 편광을 갖는다. 반사형 미러 스트립(422)은 편광 빔분할기/반 파장판 어셈블리(414)의 외부를 향해 조명 빔(408)의 빔 축(411)에 대해 실질적으로 평행한 방향을 따라서 제 2 선형적으로 편광된 서브-빔을 반사하도록 배향될 것이다. 연장된 반 파장판 스트립(424)은 각각의 편광 빔분할기 필름 스트립(420)과 함께 정렬된다. 편광 빔분할기 필름 스트립(420)을 통과하는 제 1 선형적으로 편광된 서브-빔은 또한 반 파장판 스트립(424)을 통과한다. 반 파장판 스트립(424)은 실질적으로 90°만큼 제 1 선형적으로 편광된 서브-빔의 편광 상태를 회전시켜서 반사형 미러 스트립(422)에서반사된 제 2 선형적으로 편광된 서브-빔의 편광 상태와 기본적으로 일치되게 한다. 그것에 의해, 빔 편광기 어셈블리(410)는, 편광되지 않은 조명 빔(408) 내의 소정의 특정 편광 상태에 대응되는 광을 손실하지 않으면서, 편광되지 않은 조명 빔(408)을 기본적으로 하나의 편광 상태를 갖는 선형적으로 편광된 서브-빔의 어레이로 이루어지는 선형적으로 편광된 조명 빔(409)으로 변환한다.
일반적으로, 평볼록 렌즈 빔 형성 렌즈(planoconvex beam-shaping lens)(426)는 조명 빔(409)의 경로 내에 위치되고, 빔 편광 어셈블리(410)에 의해 생성된 선형적으로 편광된 서브-빔의 어레이 내의 여러 서브-빔을 합체된 선형적으로 편광된 조명 빔으로 초점을 집중시키고 합체시키는 역할을 한다. 그렇게 복수의 서브-빔을 합체된 선형적으로 편광된 조명 빔으로 합체시킴으로써, 결과적인 조명 빔이 빔의 전체 단면적에 걸쳐 균일한 세기를 갖게 한다.
조명 빔 리디렉션 미러(illumination beam redirection mirror)(421)는 선형적으로 편광된 조명 빔(409)을 반사시켜 투사 디스플레이(400)의 광학적 설계에서의 물리적 밀집성을 제공한다. 평볼록 중계 렌즈(planoconvex relay lens)(466) 및 트리밍 시트 편광기(trimming sheet polarizer)(468)는 선형적으로 편광된 조명 빔(409)의 경로 내에서 조명 빔 리디렉션 미러(421) 이후에 위치된다. 평볼록 중계 렌즈(466)는 평볼록 빔 형성 렌즈(426)와 함께 조명 광학 화상면에 대해서 합체된 선형적으로 편광된 조명 빔으로 촬상하는 기능을 갖는다. 트리밍 편광기(468)는 빔 편광기 어셈블리(410)에 의해 생성된 빔의 편광 방향의 수직 방향에 평행한 배향을 갖는 선형적으로 편광된 광을 통과시키도록 배향된다.
맥네일형 다층 유전막 편광 빔분할기(470)는 트리밍 편광기(468)를 통과하는 선형적으로 편광된 조명 빔(409)의 경로 내에 위치된다. 맥네일형 편광 빔분할기(470)는 제 1 빔분할기 프리즘(471), 제 2 빔분할기 프리즘(472) 및 제 1 프리즘(471)과 제 2 프리즘(472)의 빗면(hypotenuse faces) 사이에 위치되는 다층 유전체 편광 필름(476)으로 형성된다. 제 1 및 제 2 빔분할기 프리즘(471, 472)은 광학 유리로 이루어져 있다. 다층 유전체 편광 필름(476)으로 이루어진 유전 재료층은 도 1에 도시되어 있지 않다. 다층 편광 필름(476)으로 이루어진 층의 두께와 굴절률 및 빔분할기 프리즘(471, 472)의 광학 유리의 굴절률은, 다층 필름(476) 상에 본질적으로 최적 편광 각도인 45°로 입사되는 편광되지 않은 광의 광선이 다층 재료를 통과하고, 소위 "브루스터의 각도(Brewster's angle)"에서 서로 다른 굴절률을 갖는 층들 사이의 연속적인 인터페이스와 충돌하게 하는 값이 되도록 선택된다.
제 1 재료를 통과하여 전파되어 브루스터의 각도에서 서로 다른 굴절률을 갖는 제 2 재료와의 인터페이스에서 충돌하는 편광되지 않은 광의 광선은 부분적으로는 인터페이스에서 반사되고, 부분적으로는 제 2 재료 내부로 굴절된다. 반사된 광선은 그 전계(electric field)("E-필드")를 인터페이스에 충돌하는 광선의 전파 방향 및 인터페이스에 수직한 방향에 의해 정의되는 입사면에 수직하게 배향되게 하여, 기본적으로 그 전체가 선형적으로 편광된다. 굴절된 광선은 오직 부분적으로만 편광되고, 입사면 내의 E-필드 성분은 입사면에 수직한 E-필드 성분보다 더 크다. 브루스터의 각도에서의 반사에 의한 편광에 대한 논의는 Eugene Hecht에 의한 "Optics"라는 제목의 문헌(Third Edition, pp.342∼346, Addison Wesley 1998)에서 확인할 수 있을 것이다.
맥네일형 다층 유전막 편광 빔분할기(470)에서, 다층 유전체 편광 필름(476) 내에 다수의 인터페이스를 제공하여 브루스터의 각도에서 연속적인 인터페이스를 통과하는 광선으로부터 광의 편광된 성분을 연속적으로 반사시킨다. 여러 인터페이스로부터 반사된 편광된 광의 성분을 추정에 의해 추가할 수 있도록 다층 필름 내의 층 두께를 선택한다. 결과적으로, 연속적인 인터페이스를 통과하는 굴절된 광선은 입사면 내에 놓인 E-필드로 인하여 연속하여 더욱 더 편광된다. 전형적으로, 실제적인 문제로서, 다층 유전체 편광 필름(476)을 완전히 통과하는 광선이 입사면 내에 놓인 E-필드에 의해 사실상 완전히 선형적으로 편광되게 하기에 충분한 개수의 층을 선택한다. 또한, 반사된 광선은, 앞서 언급된 바와 같이, 입사면에 수직한 E-필드에 대해 사실상 완전히 선형적으로 편광된다. 다층 유전막에 기반하는 종래의 맥네일형 편광 빔분할기의 형성은, MacNeille에 의한 미국 특허 공개 번호 제 2,403,731 호 및 Sannohe와 Miyatake에 의한 미국 특허 공개 번호 제 5,453,859 호에 개시되어 있다. 투사 디스플레이(400)에 적합한 맥네일형 편광 빔분할기는 상업적으로 입수 가능하다.
빔 편광기 어셈블리(410), 트리밍 편광기(468) 및 맥네일형 편광 빔분할기(470)는, 편광 빔분할기(470)에 입사된 선형적으로 편광된 조명 빔(409)이 빔분할기에서 송신된 선형적으로 편광된 조명 빔(434)으로서 편광 빔분할기(470)를 통과하도록 서로에 대해 배향된다. 빔분할기에서 송신된 선형적으로 편광된 조명빔(434)이 편광 상태를 바꾸지 않으면서 빔분할기를 떠날 때 빔이 취한 축을 따라서 편광 빔분할기(470)로 다시 직접 반사되면, 이러한 반사된 선형적으로 편광된 빔이 편광 빔분할기(470)를 통과하고 조명 소스 어셈블리(402)를 향하는 경로를 따라서 빔분할기(470)에 의해 방향 전환되지 않고 되돌아오게 하여, 투사 디스플레이(400)의 디스플레이 스크린(456)이 원하는 그래픽의 "밝은" 화소가 촬상되는 것에 따라 밝아지게 되기 때문에, 편광 빔분할기(470)를 통과하는 선형적으로 편광된 조명 빔(434)의 편광 상태는 어두운 화소 편광 상태가 된다. 편광된 조명 빔(409)은 편광 빔분할기(470)의 제 2 프리즘(472)의 면에 대해 실질적으로 수직 방향으로 연장되는 어두운 화소 편광 상태로 편광된 빔 축(473)을 따라서 편광 빔분할기(470)로부터 외부를 향해 실질적으로 전파된다.
빔분할기에서 송신된 편광된 조명 빔(434)은 원색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436) 내부로 전파된다. 원색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)는 프리즘의 면에 다이크로익 코팅 처리가 되어 있는 3개의 프리즘을 포함하고, 프리즘 어셈블리(436)로 입사하는 백색 스펙트럼 광의 빔을 제각기 적색, 녹색 및 청색 광의 서브-빔 성분으로 분할하는 데 적합하다. 이러한 원색 분할/조합 프리즘 어셈블리는 통상적이므로, 프리즘 어셈블리에 대해서는 더 세부적으로 설명하지 않는다. 특히, 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436) 내의 빔분할기에서 송신된 편광된 조명과 및 적색, 녹색 및 청색 성분 서브-빔의 광 경로는 도 1에 도시하지 않는다. 원색-프리즘 분할/조합 어셈블리는 복합 빔 입력/출력 광학 포트(437), 적색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438R), 녹색 성분 서브-빔 출력/입력 광학포트(438G) 및 청색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438B)를 포함한다. 적색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438R)에 근접하게 적색 성분 반사형 디지털 그래픽 인코딩 액정 편광 변조기(440R)가 위치된다. 녹색 성분 반사형 디지털 그래픽 인코딩 액정 편광 변조기(440G) 및 청색 성분 반사형 디지털 그래픽 인코딩 액정 편광 변조기(440B)는 제각기 녹색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438G) 및 청색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438B)에 근접하게 위치된다. 이하에서 논의되는 바와 같이, 적색, 녹색 및 청색 화상 성분 편광 변조기의 적색, 녹색 및 청색 성분 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)은 제각기 적색, 녹색 및 청색 성분 서브-빔의 제각기의 중심축에 대해 서로 다른 축방향 위치에 위치된다. 각각의 적색, 녹색 및 청색 화상 성분 반사형 편광 변조기(440R, 440G, 440B)는, 변조기에 인가되어 원하는 색을 갖는 화상의 색 화상 성분을 인코딩하는 디지털 그래픽 인코딩 신호에 따라서 화소마다 편광 변조기의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B) 상에 조사되는 선형적으로 편광된 빔의 편광을 공간적으로 선택하여 변조하는데 적합하다. 이러한 반사형 액정 편광 변조기는 통상적인 것이다.
대응되는 색 편광 변조기에 인가된 원하는 복합 색 디지털 그래픽의 특정 색 성분을 인코딩하는 신호는, 특정 색에서 빛을 내지 않고 유지되는 투사된 화상 그래픽 내의 화소에 대응되는 편광 변조기 평면(441) 상의 화소가 화소 소자 위에 조사되는 선형적으로 편광된 광의 편광 상태를 바꾸지 않게 하여 인코딩한다. 특정한 색 성분에서 빛을 내는 투사된 그래픽 화상 내의 화소에 대응되는 화소 소자는 조명의 정도에 대응되는 범위로 화소 소자 위에 조사되는 선형적으로 편광된 광의편광 상태를 회전시키는 기능을 한다. 특정한 색 성분 편광 변조기(440)에 의해 형성되어 공간적으로 선택하여 편광 변조된 색 성분 광 서브-빔은 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)의 대응되는 색 성분 서브-빔 출력/입력 포트(438) 내로 다시 반사된다. 3개의 색 성분 광 서브-빔은 프리즘 어셈블리(436)를 통과하는 제각기의 경로를 재트레이싱(retrace)하고, 프리즘 어셈블리의 복합 빔 입력/출력 포트(437)에서 복합된 혼합 편광 복합 색 광 빔으로서 출사된다.
혼합 편광으로 조합된 복합 광은 프리즘 어셈블리(436)의 복합 빔 입력/출력 포트(437)로부터 편광 빔분할기(470)의 어두운 화소 편광 상태로 편광된 빔 축(473)에 대해 실질적으로 정렬된 복합 빔 입력/출력 중심축을 따라서 실질적으로 전파된다. 혼합 편광으로 조합된 복합 광 빔은 빔분할기로부터 송신되는 편광된 조명 빔(434)이 출사되는 편광 빔분할기(470)의 면으로 전파된다. 반사형 편광 변조기(440)에 의해 그 편광 방향이 변경되지 않는 혼합된 편광 복합 빔의 성분은 어두운 화소 편광 상태에 있고, 그에 따라서 편광 빔분할기(470)의 다층 유전체 편광 필름(476)을 통과하고, 램프(402)를 향해 되돌아서 전파된다. 반사형 편광 변조기(440)에 의해 그 편광 상태가 어느 정도 회전된 혼합 편광 복합 빔의 성분은 어느 정도는 밝은 화소 편광 상태에 있고, 어느 정도는 편광 빔분할기(470)의 다층 유전체 편광 필름(476)에 의해 반사된다. 편광 빔분할기의 편광 필름(476)으로부터 반사된 광은 편광 빔분할기(470)의 제 2 프리즘(472)의 면에 대해서 실질적으로 수직한 방향으로 연장되는 밝은 화소 편광 상태로 편광된 빔 축(474)을 따라 실질적으로 전파된다. 밝은 화소 편광 상태 광의 빔은 편광 빔분할기(470)의 밝은 화소 편광 상태로 편광된 빔 축(474)에 대해 실질적으로 정렬된 투사 렌즈(452)의 중심축(460)을 따라서 디지털 그래픽 투사 디스플레이(400)의 투사 렌즈(452)의 입력 포트를 실질적으로 통과한다. 편광 분석기 필터(polarization analyzer filter)(454)는 편광 빔분할기(470)와 투사 렌즈(452)의 입력 포트(450) 사이에 위치되어, 밝은 화소 편광 상태에 있는 선형적으로 편광된 광을 통과시키도록 배향되는 것에 의해 명암 콘트라스트 비를 향상시킨다. 투사 렌즈(452)는 가시화를 위해서, 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리를 통과하는 복합 빔의 회전된 편광 성분에 의해 전달되는 원하는 복합 화상을 디스플레이 스크린(456) 상에 투사한다. 이하에서 논의되는 바와 같이, 투사 렌즈 구경 조리개(458)는 투사 렌즈(452)의 중심축을 따라서 비 텔레센트릭 위치에 위치됨으로써, 편광 변조기(440R, 440G, 440B)의 적색, 녹색 및 청색 성분 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)의 개별적인 축 방향 위치와 관련하여, 투사 렌즈(452)의 측색 색수차에 의해 유발된 색 비수렴성(color misconvergence)이 감소되게 한다.
다음으로 도 2를 참조하면, 조명 빔 수신 축(477), 어두운 화소 편광 상태로 편광된 빔 축(473) 및 밝은 화소 편광 상태로 편광된 빔 축(474)은 본 발명에 따른 투사 디스플레이(400)의 편광 빔분할기(470) 면으로부터 실질적으로 수직하게 연장되는 것으로 정의된다. 원색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)는 그 평면이 적색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438R)를 포함하는 적색 성분 프리즘(478R)과, 그 평면이 녹색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438G)를 포함하는 녹색 성분 프리즘(478G)과, 그 제 1 평면이 청색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438B)를 포함하는 청색 성분 프리즘(478B)을 포함한다. 적색, 녹색 및 청색 성분 서브-빔 출력/입력 중심축(439R, 439G, 439B)은 원색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)의 적색, 녹색 및 청색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438R, 438G, 438B)로부터 제각기 실질적으로 수직하게 연장된다. 적색 성분 반사형 액정 편광 변조기(440R)는 적색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438R)에 근접하게 위치되고, 대응되는 적색 성분 서브-빔 출력/입력 중심축(439R)에 대해 실질적으로 수직하게 배향된다. 녹색 성분 반사형 액정 편광 변조기(440G) 및 청색 성분 반사형 액정 편광 변조기(440B)는 제각기 녹색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438G) 및 청색 성분 서브-빔 출력/입력 광학 포트(438B)에 근접하게 위치되고, 제각기 대응되는 녹색 및 청색 성분 서브-빔 출력/입력 중심축(439G, 439B)에 대해 실질적으로 수직하게 배향된다. 청색 성분 프리즘(478B)의 제 2 평면은 원색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)의 복합 빔 입력/출력 광학 포트(437)를 포함한다. 복합 빔 입력/출력 중심축은 투사 디스플레이(400)의 편광 빔분할기(470)의 어두운 화소 편광 상태로 편광된 빔 축(473)에 대해 사실상 정렬되면서, 원색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)의 복합 빔 입력/출력 광학 포트(437)에서 수직 방향으로 실질적으로 연장된다.
투사 디스플레이(400)의 투사 광학계(452)는 투사 광학계 입사 광학 포트(450) 및 투사 광학계 출사 광학 포트(457)를 구비한다. 투사 광학계 중심축(460)은 투사 광학계(452)의 중심을 통해 연장되고, 입사 광학 포트(450)와 출사 광학 포트(457)의 중심을 통과하는 것으로 정의된다. 편광 빔분할기(470)의밝은 화소 편광 상태로 편광된 빔 축(474)과, 투사 광학계(452)의 투사 광학계 중심축(460)은 서로에 대해 사실상 정렬된다. 적색, 녹색 및 청색 성분 색 각각에 있어서, 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)는, 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)에서 반사되어 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436), 편광 빔분할기(470) 및 투사 광학계(452)를 통과하여 편광 변조기 평면에 수직한 대응되는 적색, 녹색 및 청색 성분 서브-빔 출력/입력 중심축(439R, 439G, 439B)을 실질적으로 따르는 대응되는 색 성분을 갖는 광의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 중심축과 일치되도록 정의되는데, 여기에서, 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 중심축(480)은 실질적으로 투사 광학계(452)의 중심축(460)과 일치된다. 도 2에서 확인할 수 있는 바와 같이, 적색 성분 중심 광 경로(480R)는, 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)의 적색 성분 프리즘(478R)과 녹색 성분 프리즘(478G) 사이에 위치된 적색-반사형/녹색-투과형 다이크로익 미러에서 적색의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 반사 및 적색 성분 프리즘(478R)의 평면에서 적색의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 전체 내부 반사를 트레이싱한다. 청색 성분 중심 광 경로(480B)는, 청색 성분 프리즘(478B)과 적색 성분 프리즘(478R) 사이에 위치된 청색-반사형/적색-녹색-투과형 다이크로익 미러에서 청색의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 반사 및 청색 성분 프리즘(478B)의 제 2 평면에서 청색의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 전체 내부 반사를 트레이싱한다. 적색, 녹색 및 청색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)는 편광 빔분할기(470)를 통과하는 동일 선 상에 있고, 편광 빔분할기의 다층 유전체 편광 필름(476)에서 동일하게 동일 선 상에 있는 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 반사를 트레이싱한다. 측정의 편의상, 투사 객체 거리 기준점(462)은 투사 광학계(452)의 중심축(460)과 투사 광학계의 입사 광학 표면 사이의 교차점으로서 정의되는데, 이 교차점은 광 경로-이 광 경로는 서로에 대해서, 또한 투사 광학계(452)의 중심축(460)에 대해 동일 선 상에 있음-의 길이 방향을 따르는 3개의 중심 광 경로(480R, 480G, 480B) 위에 있다.
투사 디스플레이(400)의 투사 광학계(452)는 투사 디스플레이의 디스플레이 스크린(456) 상에 그 축 방향 위치를 다르게 하여 적색, 녹색 및 청색 성분 컬러 그래픽을 촬상하기 위한 객체면을 제공하도록 설계된다. 특히, 투사 광학계(452)는 투사 객체 거리 기준점(462)으로부터 대응되는 색 성분 중심 광학 경로(480R, 480G, 480B)를 따라서 제각기 축 방향에서 측정된 축방향 거리를 다르게 하여 위치되는 적색, 녹색 및 청색 성분 그래픽을 디스플레이 스크린(456) 상에 촬상하기 위한 별도의 객체면을 제공한다. 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)를 따르는 이러한 축방향 거리는 대응되는 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 반사에 의해 발생된 광 경로 방향에서의 각각의 변동으로 세그먼트마다 측정된다. 3개의 반사형 색 성분 편광 변조기(440R, 440G, 440B)는, 각각의 색 성분 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)이 대응되는 성분 색의 촬상 그래픽을 위한 객체면에 적어도 근접하도록 위치된다. 3개의 색 성분 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)의 축방향 위치의 차이는 도 2에 과장된 방식으로 도시되어 있다.
투사 디스플레이(400)의 투사 광학계(452)는 비 텔레센트릭하다. 특히, 투사 광학계(452)는 투사 광학계의 투사 광학계 중심축(460)을 따라서 비 텔레센트릭 투사 광학계 구경 조리개 위치-투사 광학계의 초점으로부터 축 방향으로 변위를 가짐-에 위치되는 투사 광학계 구경 조리개(458)를 포함한다. 투사 광학계(452)의 중심축(460)과 디스플레이 스크린(456)의 교차점(482)으로부터 수평 방향으로 오프셋되는 투사 디스플레이(400)의 디스플레이 스크린(456) 상에 투사되는 컬러 그래픽 위의 하나의 대표적인 복합 색 포인트(486)로부터 색 성분 주광선(488R, 488G, 488B)을 트레이싱하는 것에 의해, 투사 광학계(452)의 비 텔레센트릭 특성을 도 2에서 확인할 수 있을 것이다. 투사된 그래픽 상의 수평 방향으로 오프셋된 복합 색 포인트(486)로부터 시작하여, 투사 광학계 구경 조리개(458)의 중심부를 통과하는 투사 광학계(452)를 통과하고, 그 다음에 편광 빔분할기(470)와 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)를 통과하여 대응되는 색 성분 편광 변조기(440R, 440G, 440B)의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)에서 투사 광학계(452)의 색수차-측색 색수차를 포함함-를 나타내는 색 의존성 경로를 따라서 대응되는 색 성분을 갖는 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 광의 광선을 트레이싱함으로써 이러한 대표적인 색 성분 주광선(488R, 488G, 488B)을 각각 정의할 수 있다. 투사 광학계(452)의 투사 광학계 출력 포트(457)에 입사하기 전의 대표적인 색 성분 주광선(488R, 488G, 488B)은 도 2에 일직선의 광선으로서 도시하였다. 색 성분 주광선(488R, 488G, 488B)은 도 2에서 투사 광학계(452)의 내부를 통과하는 것으로 도시되지 않았다. 투사 광학계 입력 포트(450)를 출사하면, 대표적인 색 성분 주광선(488R, 488G, 488B)은 서로에 대해 이격되어 있는 3개의 평행한 광선으로 도시되어, 측색 색수차에 기인된 투사 광학계(452)에 의해 제공되는 3개의 색 성분의 수평 배율에서의 차이를 포함하는 투사 광학계(452) 내의 색 수차를 나타낸다. 투사 광학계(452)의 투사 광학계 구경 조리개(458) 중심부는 비 텔레센트릭 구경 조리개 위치이므로, 투사 광학계 구경 조리개(458)의 중심부를 통과하는 3개의 대표적인 색 성분 주광선(488R, 488G, 488B)은 각각, 도 2에 도시된 바와 같이, 교차점에서 변조기 평면(441R, 441G, 441B)의 수직 방향에 대해 경사를 갖는 소정의 비 텔레센트릭 교차 각도를 가지고 대응되는 원색 성분 편광 변조기(440R, 440G, 440B)의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)과 교차된다. 투사 광학계(452)의 중심축(460)과 디스플레이 스크린의 교차점(482)으로부터 수평 방향으로 오프셋되는 디스플레이 스크린(456) 상의 복합 색 포인트로부터 트레이싱된 임의의 색 성분 주광선이, 대응되는 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)로부터 투사 디스플레이의 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)의 대응되는 색 성분 출력/입력 광학 포트(438R, 438G, 438B)에서 외부로 진행되는 방향을 따라서 발산되도록, 투사 광학계(452)의 투사 광학계 중심축(460)을 따라서 존재하는 투사 광학계 구경 조리개(458)의 위치를 투사 광학계의 초점에 대하여 선택한다. 일반적으로, 투사 광학계(452)의 중심축(460)과 디스플레이 스크린(456)의 교차점(482)으로부터 디스플레이 스크린(456) 상의 복합 색 포인트의 수평 방향 오프셋이 커질수록, 복합 색 포인트에 대응되는 색 성분 주광선과 대응되는 원색 성분 편광 변조기(440R, 440G, 440B)의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)의 비 텔레센트릭 교차 각도가 더 커진다. 본 발명에따른 투사 디스플레이(400)에서는, 투사 광학계의 색수차에 기인하는 투사 광학계(452)에 의한 서로 다른 테스트 포인트 색 성분 주광선을 따르는 수평 배율에서의 차이에 대한 보정을 제공하고, 그것에 의해서 전체 복합 색 그래픽에 걸친 서로 다른 색 성분에 대한 수평 배율에서의 차이에 대하여 적어도 부분적인 보정을 제공할 수 있도록, 디스플레이 스크린(456) 상에서 선택된 복합 색 테스트 포인트의 수평 방향의 오프셋으로부터 트레이싱된 색 성분 주광선과, 대응되는 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B) 사이의 발산 및 대응되는 색 성분 편광 변조기(440R, 440G, 440B)의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)의 각각의 축방향 위치를 선택한다.
도 3에는 투사 디스플레이에서 투사 렌즈의 측색 색수차에 의해 기인된 가상의 종래 기술에 따른 제 1 투사 디스플레이의 색 비수렴성이 도시되어 있다. 도 3의 가상의 종래 기술에 따른 제 1 투사 디스플레이는 광학적 설계에 의해 정렬되어 있는 반사형 적색, 녹색 및 청색 성분 액정 편광 변조기(도시하지 않음), 편광 빔분할기(도시하지 않음), 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(도시하지 않음) 및 종래의 텔레센트릭 투사 렌즈(도시하지 않음)를 내장하고 있고, 이 구성은 대체적으로 앞서 논의된 미국 특허 공개 번호 제 5,777,789 호의 투사 디스플레이의 구성과 유사하다. 도 3의 단순화된 개략적인 측면도에는 종래 기술의 투사 디스플레이에서의 적색, 녹색 및 청색 반사형 액정 편광 변조기(도시하지 않음)의 제각기의 적색, 녹색 및 청색 성분 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)의 상부 절반이 중첩되어 도시되어 있다. 적색, 녹색 및 청색 성분에 있어서, 색 성분 중심 광 경로(502R,502G, 502B)는, 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(도시하지 않음), 편광 빔분할기(도시하지 않음) 및 투사 렌즈(도시하지 않음)를 통과하여 사실상 편광 변조기 평면의 수직 방향을 따라서 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)에서 반사되는 대응되는 색 성분을 갖는 광의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 중심축과 일치되도록 정의되고, 여기에서, 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 중심축은 투사 렌즈의 중심축과 실질적으로 일치된다. 도 3에 도시된 가상의 종래 기술에 따른 제 1 투사 디스플레이에서, 3개의 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)은 대응되는 색 성분 중심 광 경로(502R, 502G, 502B)를 따라서 축 방향에서 측정되는 임의의 기준점(도시하지 않음)으로부터 동일한 축 방향 거리에 위치된다. 임의의 기준점은 3개의 색 성분 중심 광 경로-이 경로들은 동일 선상에 위치됨- 상에서 광 경로의 길이 방향을 따라서 투사 렌즈로의 입사 표면 등과 같은 위치에 위치된다. 그러므로, 가상의 종래 기술에 따른 제 1 투사 디스플레이에서는, 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리의 지오메트리에 의해 판정되는 바와 같이, 3개의 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)이 서로에 대해 상이한 위치 및 배향을 갖는다고 해도, 도 3의 개략적인 측면도에서는 편광 변조기 평면을 서로에 대해 중첩되는 것으로 도시하였다. 각각의 반사형 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)은 평면형 어레이 내에 정렬되는 복수의 개별적으로 제어 가능한 반사형 편광 변조기 화소 소자(도시하지 않음)를 포함한다. 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B) 상의 화소 소자의 위치를 편광 변조기 평면과 대응되는 색 성분 중심 광 경로 사이의 제각기의 교차점에 위치시키는 제각기의 평면형 어레이는 사실상 서로에대해 기하학적으로 일치된다. 도 3에는 상세하게 도시되지 않았으나, 도 3에 도시된 바와 같은 3개의 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)의 중첩은 개개의 화소 소자마다 기하학적으로 일치된다는 것으로 이해할 수 있을 것이다.
3개의 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(504R, 504G, 504B)은, 도 3에서의 가상의 종래 기술에 따른 제 1 투사 디스플레이의 3개의 반사형 편광 변조기에 의해 생성되고 디스플레이 스크린(도시하지 않음) 상에 투사된 그래픽 위의 단일 수평 방향 오프셋 복합 색 테스트 포인트(도시하지 않음)에 대응된다. 복합 색 테스트 포인트는, 투사 렌즈의 중심축이 디스플레이 스크린과 교차하는 그래픽의 중심점으로부터 수평 방향으로 변위를 갖는 그래픽의 주변부 위에 위치된다. 예를 들면, 테스트 포인트 적색 성분 광선 콘(504R)은, 투사된 그래픽 상의 복합 색 테스트 포인트로부터 시작하여, 투사 렌즈, 편광 빔분할기 및 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리를 통과하여 테스트 포인트를 다시 조명하는 적색의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 광의 모든 광선을, 측색 색수차를 포함하여 투사 렌즈의 색수차가 발생되는 적색 색 의존성 경로를 따라서 적색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면(500R)까지 트레이싱하는 것에 의해서 정의된다. 이와 유사하게, 투사된 그래픽 상의 동일한 복합 색 테스트 포인트로부터 시작하여, 투사 렌즈, 편광 빔분할기 및 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리를 통과하여 테스트 포인트를 다시 조명하는 녹색의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 광의 모든 광선을, 측색 색수차를 포함하여 투사 렌즈의 색수차가 발생되는 녹색 색 의존성 경로를 따라 녹색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면(500G)까지 트레이싱함으로써, 녹색 테스트 포인트색 성분 광선 콘(504G)을 정의한다. 또한, 이와 유사하게 복합 색 테스트 포인트로부터 시작하고, 투사 렌즈, 편광 빔분할기 및 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리를 통과하여 테스트 포인트를 다시 조명하는 청색의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 광의 모든 광선을, 측색 색수차를 포함하여 투사 렌즈의 색수차가 발생되는 청색 색 의존성 경로를 따라서 청색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면(500B)까지 트레이싱함으로써, 청색 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(504B)을 정의한다.
도 3에 도시된 가상의 종래 기술에 따른 제 1 투사 디스플레이의 3개의 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(504R, 504G, 504B)은 각각 투사 디스플레이의 투사 렌즈에 대하여 정의되는 테스트 포인트 색 성분 주광선(506R, 506G, 506B)을 포함한다. 투사 렌즈(도시하지 않음)는 텔레센트릭하기 때문에, 이 렌즈는 렌즈의 중심축을 따라서 렌즈의 초점에 위치되는 투사 렌즈 구경 조리개를 구비한다. 색 성분의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 광의 광선을, 투사된 그래픽 상의 복합 색 테스트 포인트로부터 시작하여, 투사 렌즈 구경 조리개의 중심부를 통해-즉, 렌즈의 초점을 통해- 투사 렌즈를 통과하고, 다음에 편광 빔분할기 및 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리를 통과하여, 측색 색수차를 포함하여 투사 렌즈의 색수차를 나타내는 색 의존성 경로를 따라서 대응되는 색 성분 편광 변조기의 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)까지 트레이싱함으로써 각각의 테스트 포인트 색 성분 주광선(506R, 506G, 506B)을 정의한다. 가상의 종래 기술에 따른 투사 디스플레이의 투사 렌즈는 텔레센트릭하기 때문에, 대응되는 편광 변조기 평면(500R, 500G,500B)과의 교차점에서, 각각의 테스트 포인트 색 성분 주광선(506R, 506G, 506B)은 대응되는 색 성분 중심 광 경로(502R, 502G, 502B)에 평행하게 연장되고, 대응되는 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)에 대해 사실상 수직하게 연장된다.
투사 렌즈 내의 측색 색수차에 기인하여, 투사 렌즈에 의해 촬상된 복합 색 그래픽의 적색 성분의 수평 배율은 투사 렌즈에 의해 촬상된 그래픽의 녹색 성분의 수평 배율과는 상이하고, 또한 투사 렌즈에 의해 촬상된 그래픽의 청색 성분 화상의 수평 배율과도 상이하다. 결과적으로, 적색, 녹색 및 청색 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(504R, 504G, 504B)은 도 3의 중첩된 측면도에서 일치되지 않으며, 그 대신에, 광선 콘(504R, 504G, 504B)이 제각기 대응되는 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)과 교차되는 포인트는, 중심축(502R, 502G, 502B)이 대응되는 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)과 교차하는 포인트로부터 수평 방향으로 오프셋-예를 들면, 도 3에 도시된 바와 같이 높이가 다름-되어 상이하다. 수평 방향 오프셋에서의 이러한 차이가 편광 변조기 내의 반사형 편광 변조기 화소 소자의 중심부-대-중심부의 간격보다 더 크다면, 투사된 그래픽 내에서 하나의 수평 방향으로 오프셋된 복합 색 테스트 포인트는, 제 1 화소 어드레스에 대응되는 적색 성분 편광 변조기의 화소 소자로부터 반사된 적색 광과, 제 2의, 서로 다른 화소 어드레스에 대응되는 녹색 성분 편광 변조기의 화소 소자에서 반사된 녹색 광과, 또 다른 제 3 화소 어드레스에 대응되는 청색 성분 편광 변조기의 화소 소자에서 반사되는 청색 광에 의해 조명될 수 있다. 그러므로, 투사 렌즈에서의 측색 색수차는 컬러 디지털 그래픽 투사 디스플레이에서 중대한 색 비수렴성 문제를 유발할 수 있다.
일반적으로, 측색 색수차에 추가하여, 광학 시스템은 축방향 색 색수차(axial color chromatic aberration)로 지칭되는 제 2의 타입을 갖는 색수차를 갖기도 한다. 광학 시스템에서의 축방향 색 색수차는 시스템의 중심축을 따라서 시스템 상에 입사되는 서로 다른 색을 갖는 광의 시준된 빔이, 서로에 대해 축방향을 따라서 이격되어 있는 중심축 상의 다른 초점에 집중되어 있는 것에 의해 발생된다. 도 3에 도시된 가상의 종래 기술에 따른 제 1 투사 디스플레이에서, 투사 렌즈의 광을 색 보정하여 축방향 색 색수차를 충분히 보정함으로써, 임의의 기준점으로부터 동일한 축방향 거리에 위치되는 3개의 색 성분 편광 변조기 평면(500R, 500G, 500B)에 의해 제각기 생성된 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔으로 인코딩된 각각의 성분 컬러 그래픽이 투사 디스플레이의 디스플레이 스크린 상에 촬상될 때 적절하게 초점이 맞춰지게 한다.
다음으로 도 4를 참조하면, 가상의 제 2 투사 디스플레이에 대한 투사 렌즈에서의 측색 색수차 효과가 도시되어 있는데, 이것은 텔레센트릭한 제 2 투사 디스플레이의 투사 렌즈에는, 제 1 투사 디스플레이의 투사 렌즈와 동일한 정도로 축방향 색 색수차에 대해 색 보정이 수행되지 않았다는 점에서, 도 3에 도시된 가상의 종래 기술에 따른 제 1 투사 디스플레이와는 다르다. 특히, 도 4에 도시된 가상의 제 2 투사 디스플레이의 투사 렌즈는 그 축 방향 위치를 상이하게 하여 적색, 녹색 및 청색 성분에 대한 객체면을 제공한다. 도 3과 유사하게, 도 4에는 단순화된 개략적인 측면도가 도시되어 있는데, 이는 제각기 적색, 녹색 및 청색 반사형 액정 편광 변조기(도시하지 않음)의 적색, 녹색 및 청색 성분 편광 변조기 평면(51OR,510G, 510B)의 상부 절반 부분을 나타낸다. 각각의 적색, 녹색 및 청색 성분에 있어서, 색 성분 중심 광 경로(502R, 502G, 502B)가 앞서 언급된 도 3에 도시된 제 1 투사 디스플레이에 대해 정의되는 것과 동일하게, 색 성분 중심 광 경로(512R, 512G, 512B)는 제 2 투사 디스플레이에 대해 정의된다. 도 4에 도시된 가상의 제 2 투사 디스플레이의 텔레센트릭 투사 렌즈(도시하지 않음)는 디스플레이 스크린(도시하지 않음) 상에 적색, 녹색 및 청색 성분 그래픽을 촬상하기 위한 객체면을 제공하는데, 이 객체면은 3개의 중심 광 경로 상의 소정의 위치에서 광 경로-이 경로는 동일 선상에 있음-의 길이 방향을 따라서 위치된 임의의 기준점으로부터 대응되는 색 성분 중심 광 경로(512R, 512G, 512B)를 따라서 제각기 축방향에서 측정된 서로 다른 축방향 거리에 위치된다. 대응되는 성분 색의 그래픽을 촬상하기 위해 각각의 색 성분 편광 변조기 평면(510R, 510G, 510B)이 객체면과 부합되도록, 3개의 반사형 색 성분 편광 변조기를 배치한다.
도 4에 도시된 가상의 제 2 투사 디스플레이에서, 각각 3개의 편광 변조기 평면(510R, 510G, 510B)은 투사 디스플레이의 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(도시하지 않음)의 대응되는 색 성분 출력/입력 광학 포트에 입사하는 대응되는 색 성분 중심 광 경로(512R, 512G, 512B)에 수직하게 배향된다. 결과적으로, 3개의 편광 변조기 평면(510R, 510G, 510B)은 투사 디스플레이 내에서 서로 다른 배향 및 위치를 갖는다. 단순성을 위해, 도 4에 도시된 개략적인 측면도에서는 색 성분 편광 변조기 평면(510R, 510G, 510B)을 서로에 대해 평행하게 배향되도록 도시하였다. 도 4에 도시된 편광 변조기 평면(510R, 510G, 510B)은 서로에 대해 축방향으로 이격된 것으로 도시하여, 대응되는 색 성분 중심 광 경로(512R, 512G, 512B)를 따라서 측정된 임의의 기준점으로부터 편광 변조기 평면의 축방향 거리에서의 차이를 나타내었다. 도 4에는 상세하게 도시하지 않았으나, 도 4에 도시된 바와 같은 편광 변조기 평면(510R, 510G, 510B)은, 편광 변조기 평면에 대해 수직 방향으로 도시된 색 성분 중심 광 경로(512R, 512G, 512B)와 평행한 방향을 갖는 축을 따라서 축방향으로 정렬된 3개의 편광 변조기 평면의 대응되는 화소 소자와 함께 축방향으로 정렬되는 것을 이해할 수 있을 것이다.
도 3에 도시된 가상의 종래 기술에 따른 제 1 투사 디스플레이의 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(504R, 504G, 504B)과 동일하게, 도 4에 도시된 가상의 제 2 투사 디스플레이의 3개의 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(514R, 514G, 514B)은, 투사 디스플레이의 3개의 반사형 편광 변조기에 의해 생성된 제 2 투사 디스플레이의 디스플레이 스크린(도시하지 않음) 상에 투사된 그래픽의 주변부 상의 단일의 수평 방향으로 오프셋된 복합 색 테스트 포인트(도시하지 않음)에 대응된다. 특히, 도 4에 도시된 제 2 투사 디스플레이의 3개의 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(514R, 514G, 514B)은 앞서 언급된 도 3의 제 1 투사 디스플레이의 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(504R, 504G, 504B)에서와 동일하게 정의된다. 유사한 방식으로, 도 4에 도시된 가상의 제 2 투사 디스플레이의 3개의 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(514R, 514G, 514B)은 각각, 앞서 언급된 도 3의 제 1 투사 디스플레이의 테스트 포인트 색 성분 주광선(506R, 506G, 506B)에서와 동일하게, 투사 디스플레이의 텔레센트릭 투사 렌즈에 대해 정의되는 테스트 포인트 색 성분 주광선(516R, 516G,516B)을 포함한다. 가상의 제 2 투사 디스플레이의 투사 렌즈는 텔레센트릭하기 때문에, 대응되는 편광 변조기 평면(510R, 510G, 510B)과의 교차점에서, 각각의 테스트 포인트 색 성분 주광선(516R, 516G, 516B)은 대응되는 색 성분 중심 광 경로(512R, 512G, 512B)와 평행하게 연장되고, 사실상 대응되는 편광 변조기 평면(510R, 510G, 510B)에 수직하게 연장된다. 투사 렌즈에서의 측색 색수차에 기인하여, 투사 렌즈에 의해 촬상된 수평 배율이 달라진다. 결과적으로, 적색, 녹색 및 청색 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(514R, 514G, 514B)이 대응되는 편광 변조기 평면(510R, 510G, 510B)과 교차하는 포인트는 중심축(512R, 512G, 512B)이 대응되는 편광 변조기 평면과 교차되는 포인트로부터 수평 방향으로의 오프셋만큼의 차이를 갖는다. 수평 방향 오프셋의 이러한 차이가 편광 변조기 내에 있는 반사형 편광 변조기 화소 소자의 중심부-대-중심부 간격보다 크다면, 투사된 그래픽 내에서 단일의 수평 방향으로 오프셋된 복합 색 테스트 포인트는 3개의 서로 다른 어드레스에 대응되는 3개의 색 성분 편광 변조기의 색 성분 화소 소자로부터 반사되는 적색, 녹색 및 청색 성분의 광에 의해 조명될 수 있다. 그러므로 도 4에 도시된 가상의 제 2 투사 디스플레이의 투사 렌즈에서의 측색 효과는 상당한 색 비수렴성을 초래할 수 있다.
도 5는 도 1에 도시된 본 발명에 따른 투사 디스플레이(400)의 실시예에서, 투사 광학계(452) 내의 측색 색수차 효과의 보정에 대해 나타낸다. 도 3 및 도 4와 유사하게, 도 5에 도시된 단순한 개략화된 측면도는 제각기 적색, 녹색 및 청색 반사형 액정 편광 변조기(440R, 440G, 440B)(도 5에 도시하지 않음)의 적색, 녹색및 청색 성분 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)의 상부 절반 부분을 나타낸다. 투사 디스플레이(400)의 투사 광학계(452)는 그 축방향 위치가 서로 다른 적색, 녹색 및 청색 성분 그래픽을 디스플레이 스크린(456) 상에 촬상하기 위한 객체면을 제공한다. 일반적으로, 이러한 다수의 객체면 투사 광학계는, 이와 다르지만, 대등하게 디스플레이 스크린 상에 3개의 적색, 녹색 및 청색 성분 컬러 그래픽 전부를 촬상하기 위해 단일 객체면을 제공하는 성능 제약을 갖는 투사 광학계를 제조하는 것에 비해서 설계하기가 더 간단하고 비용이 저렴한 편이다. 각각의 적색, 녹색 및 청색 성분에 있어서, 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)는, 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436), 편광 빔분할기(470) 및 투사 광학계(452)를 통과하고 사실상 편광 변조기 평면에 수직한 방향을 따라서 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)에서 반사되는 대응되는 성분 색의 광의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 중심축과 일치되는 것으로 정의되며, 여기에서 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 서브-빔의 중심축은 투사 광학계(452)의 중심축(460)과 사실상 일치된다. 투사 디스플레이(400)의 투사 광학계(452)는 측정의 편의를 위해서, 투사 광학계(452)의 중심축(460)과 및 투사 광학계의 입사 광학 표면사이의 교차점-이 교차점은 3개의 중심 광 경로(480R, 480G, 480B) 상의 교차점으로서 동일 선상에 있는 광 경로의 길이 방향을 따라서 존재함-으로 정의되는 투사 객체 거리 기준점(462)으로부터 대응되는 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)를 따라 제각기 축방향에서 측정되는 서로 다른 축방향 거리에 위치되는 적색, 녹색 및 청색 성분 그래픽을 디스플레이 스크린(456) 상에 촬상하기 위한 별도의 객체면을 제공한다. 대응되는 색 성분의 그래픽을 촬상하기 위해 각각의 색 성분 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)이 적어도 객체면에 근접하게 되도록, 3개의 반사형 색 성분 편광 변조기(440R, 440G, 440B)의 위치를 정한다.
도 5의 투사 디스플레이(400)에서, 각각 3개의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)은 투사 디스플레이의 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)의 대응되는 색 성분 출력/입력 광학 포트(438R, 438G, 438B)에 입사되는 대응되는 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)에 대해 수직하게 배향된다. 결과적으로, 투사 디스플레이 내에 있는 3개의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)의 배향 및 위치는 도 1에 도시된 바와 같이 서로 상이하다. 도 4에 도시된 가상의 제 2 투사 디스플레이의 경우에, 도 5의 개략적인 측면도에서, 단순성을 위해 색 성분 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)은 서로에 대해 평행하게 배향되어 있다. 도 5에서, 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)은 서로에 대해 축방향으로 이격된 것으로 도시되어, 대응되는 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)를 따라서 측정되는 투사 객체 거리 기준점(462)으로부터 편광 변조기 평면의 축방향 거리에서의 차이를 나타낸다. 각각의 반사형 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)은 평면형 어레이 내에 정렬된 복수의 개별적으로 제어 가능한 반사형 편광 변조기 화소 소자(도시하지 않음)를 포함한다. 편광 변조기 평면과 대응되는 색 성분 중심 광 경로사이에 있는 제각기의 교차점에 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B) 위의 화소 소자의 위치가 설정되어 있는 제각기의 평면형 어레이는, 사실상 서로에 대해 기하학적으로 일치된다. 도 5에는 세부적으로 도시되지 않았으나, 도 5에 도시된 편광 변조기평면(441R, 441G, 441B)은, 편광 변조기 평면에 수직한 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)의 방향에 평행한 축을 따라서 축방향으로 정렬된 3개의 편광 변조기 평면의 대응되는 화소 소자와 축방향 정렬되는 것으로 이해될 수 있다.
도 3 및 도 4에 도시된 가상의 제 1 및 제 2 투사 디스플레이의 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(504R, 504G, 504B 및 514R, 514G, 514B)에서와 같이, 도 5에 도시된 3개의 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(524R, 524G, 524B)은, 본 발명에 따른 투사 디스플레이(400)의 실시예에서 투사 광학계(452)의 중심축(460)의 교차점(482)으로부터 수평 방향으로 오프셋되고, 디스플레이 스크린(456) 상에 투사된 복합 색 그래픽의 주변부에 있는 단일의 복합 색 테스트 포인트(484)-도 1 참조-에 대응된다. 특히, 투사된 그래픽 상의 복합 색 테스트 포인트(484)로부터 시작하여, 다시 테스트 포인트를 조명하는 대응되는 색의 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 광의 모든 광선을, 투사 광학계(452), 편광 빔분할기(470) 및 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)를 통과하여 측색 색수차를 포함하여 투사 광학계(452)의 색수차를 나타내는 색 의존성 경로를 따라 대응되는 색 성분 편광 변조기(440R, 440G, 440B)의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)까지 트레이싱하는 것에 의해서 각각의 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(524R, 524G, 524B)을 정의한다.
투사 디스플레이(400)의 투사 광학계(452)는, 투사 광학계의 초점으로부터 축방향으로의 변위를 갖는 투사 광학계의 투사 광학계 중심축(460)을 따라서 비 텔레센트릭 투사 광학계 구경 조리개 위치에 위치되는 투사 광학계 구경 조리개(458)에 대해 비 텔레센트릭하다. 투사 디스플레이(400)의 각각 3개의 테스트 포인트색 성분 광선 콘(524R, 524G, 524B)은 투사 디스플레이의 비 텔레센트릭 투사 광학계(452)에 대해 정의되는 테스트 포인트 색 성분 주광선(526R, 526G, 526B)을 포함한다. 대응되는 성분 색을 갖는 밝은 화소 편광 상태로 선형적으로 편광된 광의 광선을, 투사된 그래픽 상의 복합 색 테스트 포인트(484)로부터 시작하여, 투사 광학계 구경 조리개(458)의 중심부를 통해 투사 광학계(452)를 통과하고, 다음에 편광 빔분할기(470)와 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)를 통과하여, 대응되는 색 성분 편광 변조기(440R, 440G, 440B)의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)까지 측색 색수차를 포함하는 투사 광학계(452)의 색수차를 나타내는 색 의존성 경로를 따라서 트레이싱하는 것에 의해 각각의 테스트 포인트 색 성분 주광선(526R, 526G, 526B)을 정의한다. 투사 광학계(452)의 투사 광학계 구경 조리개(458)의 중심부는 비 텔레센트릭 구경 조리개 위치이므로, 투사 광학계 구경 조리개(458)의 중심부를 통과하는 각각의 색 성분 테스트 포인트 주광선(526R, 526G, 526B)은, 도 5에 도시된 바와 같이, 교차점에서 변조기 평면(441R, 441G, 441B)의 수직 방향에 대해 경사를 갖는 비 텔레센트릭 교차 각도로 대응되는 원색 성분 편광 변조기(440R, 440G, 440B)의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)과 교차한다. 특히, 각각의 색 성분 테스트 포인트 주광선(526R, 526G, 526B)이 대응되는 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)로부터 투사 디스플레이의 빔 색 분할/조합 프리즘 어셈블리(436)의 대응되는 색 성분 출력/입력 광학 포트(438R, 438G, 438B)의 외부를 향하여 진행되는 방향을 따라서 발산되도록, 투사 광학계(452)의 투사 광학계 중심축(460)을 따르는 투사 광학계의 초점에 대한 투사 광학계 구경 조리개(458)의위치를 선택한다. 결과적으로, 대응되는 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)를 따라서 측정되는 투사 객체 거리 기준점(462)으로부터 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)의 축방향 거리가 증가될수록, 대응되는 색 성분 테스트 포인트 주광선(526R, 526G, 526B)-또한 그 자신의 대응되는 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(524R, 524G, 524B)-과 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)이 교차하는 수평 방향 오프셋이 증가된다. 그러므로, 도 5에 도시된 바와 같이, 색 성분에 대한 제각기의 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)의 축방향 위치가, 색 성분 중심 광 경로(480R, 480G, 480B)에 대한 테스트 포인트 색 성분 광선 콘(524R, 524G, 524B)의 색 성분 테스트 포인트 주광선(526R, 526G, 526B)의 비 텔레센트릭 교차 각도를 고려하여 선택되었다면, 측색 색수차로부터 기인하는 투사 광학계(452)에 의한 서로 다른 색의 색 성분 서브-빔의 수평 배율 차이에 대한 보정을 제공하도록 비 텔레센트릭 투사 광학계(452)를 설계할 수 있다. 투사 광학계(452)의 고정된 설계에 있어서, 색 성분 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B)이 투사 광학계(452)에 의해 색 성분에 대해 설정된 대응되는 객체면으로부터 멀어지는 방향으로 이동되면, 편광 변조기 평면(441)에 의해 인코딩된 색 성분 그래픽이 디스플레이 스크린(456) 상에서 이동되어 초점이 집중되지 않게 될 수 있다. 색 성분 테스트 포인트 주광선(526R, 526G, 526B)과 편광 변조기 평면(441R, 441G, 441B) 사이의 비 텔레센트릭 교차 각도는 작은 정도의 디포커스를 이용하여 디스플레이 스크린(456) 상의 색 수렴을 조정할 수 있게 한다.
다음으로 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)의실시예는, 도 1에 도시된 투사 디스플레이(400) 등과 같은 본 발명의 디지털 그래픽 색 투사 디스플레이에 적용되기에 적합하다. 렌즈 어셈블리(652)는 투사 광학계 입사 광학 포트(650)와 투사 광학계 출사 광학 포트(657)를 구비한다. 투사 광학계 중심축(660)은 렌즈 어셈블리(600)의 중심을 통과하고 입사 광학 포트(650) 및 출사 광학 포트(657)로부터 축방향을 따라 연장된다.
복합 색 그래픽은 투사 광학계 출사 광학 포트(657)로부터 이격된 렌즈 어셈블리(652)의 투사 광학계 중심축(660)에 대해 수직 방향으로 연장되는 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(656) 내의 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)에 의해 촬상될 수 있다. 렌즈 어셈블리(652)의 투사 광학계 중심축(660)은 화상면 중심축 교차점(682)에서 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(656)과 교차한다.
적색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R)은 투사 광학계 입사 광학 포트(650)로부터 이격된 위치에 있는 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)의 투사 광학계 중심축(660)에 대해 수직 방향으로 연장된다. 이와 유사하게, 녹색 성분 투사 디스플레이 객체면(690G) 및 청색 성분 투사 디스플레이 객체면(690B)은 제각기 렌즈 어셈블리(652)의 투사 광학계 중심축(660)에 대해 수직한 방향으로 연장된다. 투사 광학계 중심축(660)은 적색 성분 객체면 중심축 교차점(692R)에서 적색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R)과 교차한다. 투사 광학계 중심축(660)은 녹색 성분 객체면 중심축 교차점(692E)에서 녹색 성분 투사 디스플레이 객체면(690G)과 교차하고, 청색 성분 객체면 중심축 교차점(692B)에서 청색 성분 투사 디스플레이 객체면(690B)과 교차한다.
투사 광학 렌즈 어셈블리에는 축방향 색 효과 및 측색 효과가 모두 나타난다. 이하에서 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 각각의 적색, 녹색 및 청색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R, 690G, 690B)은 투사 광학계 중심축(660)을 따르는 서로 다른 축방향 위치를 갖는다. 적색 광에 대해서, 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)는 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(656)에 적색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R) 내에 위치된 적색 색상의 그래픽을 투사에 의해 촬상하기에 적합하다. 녹색 광에 대해서, 렌즈 어셈블리(652)는 녹색 성분 투사 디스플레이 객체면(690G) 내에 위치된 녹색 색상의 그래픽을 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(656)에 또한 투사에 의해 촬상하기에 적합하다. 이와 유사하게 청색 광에 대해서도, 렌즈 어셈블리(652)는 청색 성분 투사 디스플레이 객체면(690B) 내에 위치된 청색 색상의 그래픽을 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(656)에 촬상하기에 적합하다. 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)는, 중심축(660)을 따라서 테스트 객체 위치에 위치되고, 렌즈 어셈블리에 의해 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(656)에 투사되는 투사 광학계 중심축(660)에 대해 수평 범위를 갖는 테스트 복합 색 객체 그래픽의 수평 배율이 서로 다른 원색 성분에 대해 상이하다는 것에 의해 측색 색수차를 나타내는 것뿐만 아니라, 축방향 색 효과에 기인하여 하나 이하의 원색 성분 외에는 모두 어느 정도 초점이 벗어나게 된다.
투사 광학 렌즈 어셈블리(652)는 투사 광학계 입사 광학 포트(650)에 위치되는 입사 렌즈(693)를 포함한다. 입사 렌즈(693)는 입사 광학 포트(650)의 외부를 향해 대향하는 입사 광학 표면(694)을 구비한다. 투사 광학계 중심축(660)은 렌즈어셈블리(652)와 적색, 녹색 및 청색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R, 690G, 690B) 사이의 객체면 축방향 위치 거리를 측정하기 위한 편의상의 포인트로서 기능하는 객체면 거리 기준점(662)에서 입사 렌즈(693)의 입사 광학 표면(694)과 교차한다.
투사 광학 렌즈 어셈블리(652)는 투사 광학계 중심축(660)을 따라서 투사 광학계 구경 조리개 위치(695)에 위치되는 투사 광학계 구경 조리개(658)를 구비한다. 투사 광학계 구경 조리개 위치(695)는 이하에 논의되는 바와 같이 투사를 위한 비축 집광용으로 소정의 경사를 갖는 지오메트리를 형성하기 위해 선택된 비 텔레센트릭 위치이다.
복합 색 화상 테스트 포인트 위치(686)는 화상면 중심축 교차점(682)으로부터 수평 방향으로 변위를 갖는 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(656) 내에 위치된다. 각각의 적색, 녹색 및 청색 성분 원색에 있어서, 대응되는 테스트 포인트 주광선 트레이스는 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)에 대해서 결정된다. 주광선 트레이스의 결정은 광학 설계에 있어서는 통상적이다. 예를 들어, 본 명세서에 참조 문서로 인용된 문서인 Eugene Hecht에 의한 "Optics"라는 제목의 문헌(Third Edition, pp.173∼175, Addison Wesley 1998)을 참조하라.
적색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 적색 광의 광선으로서 연장되는데, 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(656) 내의 수평 방향으로 변위를 갖는 복합 색 화상 테스트 포인트 위치(686)로부터 투사 광학계 출사 광학 포트(657)를 향하고, 투사 광학계 구경 조리개(658)의 중심점-투사 광학계 중심축(660) 위의 투사 광학계 구경 조리개 위치(695)와 일치됨-을 통해서 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)를 통과하며, 투사 광학계 입사 광학 포트(650)를 통과하여 적색 성분 색 투사 디스플레이 객체면(690R)과 교차할 때까지 연장된다. 적색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스(688R)는 측색 색수차를 포함하여 렌즈 어셈블리의 색수차를 나타내는 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)를 통과하는 적색 색 의존성 경로를 트레이싱한다. 녹색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스(688G) 및 청색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스(688B)는 동일하게 결정된다. 녹색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스(688G)는 렌즈 어셈블리(652)를 통과하는 녹색 색 의존성 경로를 트레이싱하고, 청색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스(688B)는 렌즈 어셈블리(652)를 통과하는 청색 색 의존성 경로를 트레이싱한다. 색 의존성 경로는 측색 색수차를 포함하여 렌즈 어셈블리(652)의 색수차를 나타내는 녹색 및 청색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스(688G, 688B)에 의해 제각기 선택된다. 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)의 투사 광학계 광학 출력 포트(657)에 입사되기 이전의 적색, 녹색 및 청색 성분 주광선 트레이스(688R, 688G, 688B)를 도 6에 하나의 단일 선상의 광선으로서 나타내었다. 도 6에는 색 성분 주광선 트레이스(688R, 688G, 688B)가 렌즈 어셈블리(652) 내부를 통과하는 것을 도시하지 않았다. 투사 광학계 광학 입력 포트(650)가 존재하면, 적색, 녹색 및 청색 주광선 트레이스(688R, 688G, 688B)는 서로에 대해 이격된 3개의 평행한 광선으로 도시되어, 렌즈 어셈블리(652)의 측색 색수차에 의해 발생된 3개의 색 성분의 수평 배율에서의 차이를 포함하여 투사 광학 렌즈 어셈블리(652) 내의 색수차를 나타낸다.
적색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스(688R)는 적색 성분 객체 테스트 포인트 위치(696R)에서 적색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R)과 교차한다. 녹색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스(688G)는 녹색 성분 객체 테스트 포인트 위치(696G)에서 대응되는 녹색 성분 투사 디스플레이 객체면(690G)과 교차한다. 이와 유사하게, 청색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 청색 성분 객체 테스트 포인트 위치(696B)에서 청색 성분 투사 디스플레이 객체면(690B)과 교차한다. 각각의 적색, 녹색 및 청색 성분 객체 테스트 포인트 위치(696R, 696G, 696B)는, 대응되는 적색, 녹색 또는 청색 원색의 광에 대한 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(656) 내의 복합 색 화상 테스트 포인트 위치(686)에 대해 광학적으로 공액된다.
각각의 적색, 녹색 및 청색 성분 객체 테스트 포인트 위치(696R, 696G, 696B)는 대응되는 적색, 녹색 및 청색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R, 690G, 690B)의 객체면 중심축 교차점(692R, 692G, 692B)으로부터 수평 방향으로 변위를 갖는다. 적색 성분 객체 테스트 포인트 위치(696R)와 적색 성분 객체면 중심축 교차점(692R)사이의 적색 성분 객체 테스트 포인트 수평 방향 변위 거리는 도 6에 ΔR로 표시되어 있다. 이와 유사하게, 청색 색 성분 객체 테스트 포인트 위치(696B)와 청색 성분 객체면 중심축 교차점(692B) 사이의 청색 성분 객체 테스트 포인트 수평 방향 변위 거리는 ΔB로 표시되어 있다. 녹색 객체 테스트 포인트 수평 방향 변위 거리 ΔG(도 6에 도시되지 않음)는 녹색 성분 객체 테스트 포인트 위치(696E)와 녹색 성분 객체면 중심축 교차점(692G) 사이의 거리이다.
앞서 언급된 바와 같이, 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)에서 투사 광학계 구경 조리개(658)의 투사 광학계 구경 조리개 위치(695)는 비 텔레센트릭 구경 조리개 위치이다. 결과적으로, 도 6에 과장되어 도시된 바와 같이, 각각의 적색, 녹색 및 청색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 교차점에서 객체면의 수직한 방향에 대해 경사를 갖는 비 텔레센트릭 교차 각도로 대응되는 색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R, 690G, 690B)과 교차한다. 3개의 적색, 녹색, 청색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R, 690G, 690B)의 투사 광학계 중심축(660)을 따르는 제각기의 축방향 위치는, 대응되는 색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스(688R, 688G, 688B)와 제각기의 색 성분 객체면(690R, 690G, 690B)사이의 비 텔레센트릭 교차 각도 및 색 성분 객체면(690R, 690G, 690B)의 축방향 위치를 고려할 때, 적색, 녹색 및 청색 성분 객체 테스트 포인트 수평 방향 변위 거리(ΔR, ΔG, ΔB)가 서로에 대해 실질적으로 동일하도록 선택된다. 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널을 내장하는 특정한 디지털 그래픽 투사 디스플레이 내에서 사용하기 위해서, 적색, 녹색 및 청색 성분 객체 테스트 포인트 수평 방향 변위 거리(ΔR, ΔG, ΔB)는, 빔 변조기 패널의 인접한 화소 소자의 적어도 중심부-대-중심부 간격 거리 내에서 서로 동일한 값을 갖도록 한정되는 것이 유리하다. 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)의 색수차 효과에 기인하여, 적색, 녹색 및 청색 성분 객체 테스트 포인트 수평 방향 변위 거리(ΔR, ΔG, ΔB)가 기본적으로 동일해야 한다는 조건을 만족시키기 위해서는, 렌즈 어셈블리(652)에서 입사 렌즈(693)의 입사 광학 표면(694) 상의 객체면 거리 기준점(692)과 대응되는 적색, 녹색 및 청색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R, 690G, 690B)의 제각기의 객체면 중심축 교차점(692R, 692G, 692B) 사이의 객체면 축방향 위치 거리를 서로 다르게 한다.
투사 광학 렌즈 어셈블리(652)는 적색, 녹색 및 청색 광의 빔을 별도로 변조시키기 위해 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널을 내장하는 디지털 그래픽 투사 디스플레이 내에서 유용하게 사용될 수 있으며, 그 후에 이 적색, 녹색 및 청색 광의 빔은 조합되어 렌즈 어셈블리(652)를 통해 투사되는 복합 색 그래픽 보유 빔을 형성하여 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(656)에서 복합 색 그래픽을 촬상한다. 렌즈 어셈블리(652)의 입사 광학 포트(650)에 있는 객체면 거리 기준점(692)과 대응되는 적색, 녹색 및 청색 성분 투사 디스플레이 객체면(690R, 690G, 690B)의 제각기의 객체면 중심축 교차점(692R, 692G, 692B)사이의 색 성분 객체면 축방향 위치 거리를 충분히 크게 하여, 입사 광학 포트(650)와 디지털 그래픽 인코딩 빔 변조기 패널 사이에 적색, 녹색 및 청색 광 빔을 위해 객체면 위치에 위치된 편광 빔분할기 및 빔 색 분할/조합 소자를 수용하도록 렌즈 어셈블리를 설계할 수 있으며, 여기에서 광 경로는 제각기 입사 광학 포트(650)와 제각기의 빔 변조기 패널사이에서 연장되어 제각기 적색, 녹색 및 청색 성분 객체면 축방향 위치 거리에 사실상 대응되는 편광 빔분할기 및 빔 색 분할/조합 소자를 통과한다. 디지털 그래픽 투사 디스플레이에 있어서 편광 빔분할기 및 빔 색 분할/조합 소자의 일 구성은 도 1 및 도 2에 도시된 투사 디스플레이의 실시예와 관련하여 앞서언급되었다. 디지털 그래픽 투사 디스플레이 내의 투사 광학 렌즈 어셈블리(652)에서 사용하기에 적합할 것으로 기대되는 편광 빔분할기 및 빔 색 분할/조합 소자의 다른 구성은 예를 들어, Sampsell과 Florence에 의한 미국 특허 공개 번호 제 6,113,239 호 및 Johnson과 Sharp에 의한 미국 특허 공개 번호 제 6,183,091 호에 개시되어 있다.
F/2.8의 F-번호를 갖는 화상 콘(image cone)을 허용하는 프리즘 성분을 갖는 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 실시예를 고려하자. 투사 디스플레이가 F/3.8에서 작동되면, 2.7°의 주광선 경사(chief ray tilt)를 도입할 수 있고, 여전히 모든 광선은 프리즘 광의 F/2.8 화상 콘 내에 유지될 수 있다. 100㎛만큼의 촬상 패널의 축방향 시프트는 5㎛의 주광선 높이 시프트를 유발할 수 있다. 이러한 높이 시프트는 화소에 있어서 큰 부분이 될 수 있고, 일반적으로 측색을 보정하는 데 있어서 충분한 자유도를 제공할 것으로 기대된다. 선택된 동공 위치도 또한 조명 시스템의 설계에서 고려되어야 하다. 조명 시스템에서 렌즈의 배율 및 거리는 디스플레이의 텔레센트릭 투사 광학계에 따라서 변경될 수 있고, 이러한 변경은 큰 기술적 문제 없이 시행될 수 있는 것이다.
이하에는 광학 설계 소프트웨어를 사용하여 본 발명에 따른 투사 디스플레이의 투사 렌즈를 설계하기에 일반적으로 적합할 것으로 기대되는 절차가 설명되어 있다.
주어진 객체-디스플레이 스크린-로부터 단일 화상면-편광 변조기-으로의 최적의 촬상을 위한 초기 설계를 최적화한다. 중심부 (주) 광선 각도를 포함하여 메리트 함수(merit function)로 텔레센트릭 조건을 지정한다. 화상은 스폿 크기(spot size)에 의해 특성화된다. 화상을 적색, 녹색 및 청색의 3개의 중심 파장으로 특성화한다.
대개, 측색 즉, 3개의 색에 의한 화상 크기가 상이하고, 그 모두가 타겟(target)에서 만나지 않는 현상이 해결되지 않았을 것이다. 그렇다면 초기 동공 위치를 확인하고 판정한다. 패널 위치의 변동, 즉 Δz가 허용되고, 나머지 측색이 Δh라면, 라디안 단위의 동공 각도는 대략 θp=Δh/Δz이다. 이 동공 각도를 0 각도에 반대되는 메리트 함수 내의 목표값으로 정한다.
설계 소프트웨어에서 다중 구정 시스템을 생성한다. 각 색마다 상이한 패널 위치를 갖는 3개의 구성이 존재하고, 변수는 최종 화상 거리이다. 메리트 함수를 수정하여 각 색으로 된 화상 특성이 그 구성에 대응하게 한다. 초기에 각 색의 거리 변동값은 Δz=Δh/θp이다.
새로운 조건에 기반하여 시스템을 최적화한다. 각 구성마다 화상 거리가 변할 수 있게 한다. 제한된 범위 내에서 동공 각도가 변할 수 있게 한다. 이제 이들 추가적인 변수로, 양호한 촬상 성능을 갖는 렌즈를 알 수 있을 것이다.
허용되는 렌즈 설계에 의하면 유한 동공 각도가 존재할 것이다. 이 동공 각도를 조명 시스템 설계에서의 제한으로서 사용한다. 그러면 새로운 투사 렌즈의 동공 특성을 갖는 조명 시스템을 재설계할 수 있다.
본 발명은 앞서 설명된 특정한 실시예로 한정하고자 하는 것이 아니다. 예를 들면, 본 발명에 따른 투사 디스플레이는 앞서 설명된 반사형 액정 편광 변조기이외에, 투과형 폴리실리콘 액정 디스플레이 또는 반사형 이산 미러 장치 등과 같은 다른 촬상 패널을 사용할 수 있다. 본 발명의 범주 및 개시 내용을 벗어나지 않으면서 본 명세서에 특정하게 제시된 본 발명에 대한 변경을 가할 수 있으며, 본 발명은 본 발명과 부합되는 모든 다른 실시예, 대체물 및 수정을 포괄하고자 의도된 것임을 인식할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 원하는 복합 색 디지털 그래픽을 복합 색 화상면 상에 투사하는 투사 디스플레이 장치로서,
    상기 투사 디스플레이는 투사 광학계에 의한 투사용으로서 비축(off axis) 집광을 위해 경사를 갖는 지오메트리를 형성하기 위한 비 텔레센트릭 투사 광학계(nontelecentric projection optics)를 포함하고,
    상기 투사 광학계는 상기 투사 광학계를 통해 복합 색 화상면(composite color image plane)에 투사에 의해 디스플레이되는 서로 다른 원색(primary color)의 객체 디지털 그래픽(object digital graphics)에 제각기 복수의 원색 성분 객체면을 제공하고,
    적어도 2개의 상기 원색 성분 객체면은 상기 투사 광학계로부터 서로 다른 유효 축방향 거리에 위치되고,
    상기 투사 광학계로부터 상기 객체면의 제각기의 상기 유효 축방향 거리는, 상기 투사 광학계의 상기 비축 집광을 위한 상기 경사를 갖는 지오메트리 및 상기 투사 광학계에 의해 서로 다른 원색에서의 수평 배율(lateral magnification)의 측색 색수차(lateral-color chromatic-aberration) 차이를 해결하여, 이러한 수평 배율의 색 의존성 차이를 보정하도록 선택되는
    투사 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 투사 광학계는 적색, 녹색 및 청색의 객체 그래픽에 대해 제각기 3원색 성분 객체면을 제공하는 투사 디스플레이 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 3원색 성분 객체면의 상기 투사 광학계로부터의 상기 유효 축방향 거리는 서로 다른 투사 디스플레이 장치.
  4. 디지털 그래픽 색 투사 디스플레이용 투사 광학 렌즈 시스템으로서,
    투사 광학계 입사 광학 포트(projection-optics entrance optical port) 및 투사 광학계 출사 광학 포트(projection-optics exit optical port)를 구비하고,
    투사 광학계 중심축(projection-optics central axis)은 상기 투사 광학 렌즈 시스템에 있어서 상기 렌즈 시스템의 중심을 통과하고, 상기 입사 광학 포트 및 상기 출사 광학 포트로부터 축을 따라 연장되는 것으로 정의되고,
    복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면(composite-color-graphics projection-display image plane)은, 상기 투사 광학계 출사 광학 포트로부터 투사된 빔 출사 전파 방향(projected-beam exit propagation direction)으로 이격되는상기 투사 광학계 중심축에 대해 실질적으로 수직하게 연장되는 것으로 정의되고,
    화상면 중심축 교차점(image-plane central-axis intersection point)은 상기 투사 광학계 중심축과 상기 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면의 교차에 의해 정의되고,
    3개의 원색 성분의 각각에 있어서, 원색 성분 투사 디스플레이 객체면은 상기 투사 광학계 입사 광학 포트로부터 투사된 빔 입사 전파 방향과 반대되는 방향으로 이격되는 상기 투사 광학계 중심축에 대해 실질적으로 수직하게 연장되는 것으로 정의되고,
    원색 성분 객체면 중심축 교차점은 상기 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면의 각각에 대해 상기 투사 광학계 중심축과 상기 제각기의 객체면의 교차에 의해 제각기 정의되고,
    상기 3개의 원색 성분 각각에 대하여, 상기 투사 광학 렌즈 시스템은 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면 내에 위치된 상기 원색 성분의 그래픽을 상기 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면에 투사하여 촬상하는데 적합하고,
    상기 투사 광학 렌즈 시스템에는 측색 색수차가 발생되고,
    상기 투사 광학 렌즈 어셈블리는 상기 투사 광학계 중심축을 따라서 투사 광학계 구경 조리개(projection-optics aperture-stop) 위치에 위치된 투사 광학계 구경 조리개를 구비하고,
    상기 투사 광학 렌즈 시스템은 상기 투사 광학계 입사 광학 포트에 위치된 입사 광학 표면(entrance optical surface)을 갖는 입사 광학 소자(entranceoptical element)를 포함하고,
    상기 투사 광학계 중심축과 상기 투사 광학 렌즈 시스템의 상기 입사 광학 표면 사이의 교차로 객체면 거리 기준점(object-plane distance base point)이 정의되며,
    원색 성분 객체면 축방향 위치 거리는, 상기 투사 광학 렌즈 시스템의 상기 입사 광학 표면 상의 상기 객체면 거리 기준점으로부터 제각기의 원색 성분 객체면의 상기 객체면 중심축 교차점까지 측정하여 각각의 원색 성분 투사 디스플레이 객체면마다 제각기 정의되고,
    복합 색 화상 테스트 포인트 위치는 상기 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면에서 상기 화상면 중심축 교차점으로부터 수평 방향으로 변위를 갖는 것으로 정의되고,
    각 원색 성분에 대해서, 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 상기 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 내에서 수평 방향으로 변위를 갖는 상기 복합 색 화상 테스트 포인트 위치에서부터 상기 투사 광학계 출사 광학 포트를 지나 상기 투사 광학계 구경 조리개의 중심점을 통과하는 상기 투사 광학 렌즈 시스템을 통과하고, 또한 상기 투사 광학계 입사 광학 포트의 외부까지 제각기의 원색 성분에 대한 광선을 광학 트레이싱하여, 상기 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면과 교차하게 함으로써 제각기 정의되고,
    각각의 3원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 서로 다른 원색에서의 수평 배율의 측색 색수차를 포함하여 상기 렌즈 어셈블리의 색수차가 나타나는 상기 투사 광학 렌즈 시스템을 통과하는 상기 대응되는 원색 성분 의존성 경로를 제각기 트레이싱하고,
    각각의 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스와 상기 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면 사이의 교차점은 대응되는 원색 성분 객체 테스트 포인트 위치-상기 3원색 성분 객체 테스트 포인트 위치는 대응되는 원색 성분의 광을 상기 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 내에서 수평 방향으로 변위를 갖는 복합 색 화상 테스트 포인트 위치에 대해 광학적으로 공액(conjugate)시킴-를 정의하고,
    각각의 원색 성분 객체 테스트 포인트 위치가 상기 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면의 상기 객체면 중심축 교차점으로부터 수평 방향으로 변위를 갖게 하여, 원색 성분 객체 테스트 포인트 수평 방향 변위 거리를 정의하고,
    상기 투사 광학계 구경 조리개의 상기 투사 광학계 구경 조리개 위치는 비 텔레센트릭 구경 조리개 위치여서, 각각의 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스가 교차점에서 상기 객체면의 수직 방향에 대해 경사를 갖는 비 텔레센트릭 교차 각도로 상기 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면과 교차하고,
    상기 대응되는 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스와 상기 제각기의 원색 성분 객체면 사이의 상기 비 텔레센트릭 교차 각도 및 상기 제각기의 원색 성분에서의 수평 배율의 측색 색수차 차이를 포함하는 색수차를 고려하면, 상기 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면은 상기 투사 광학계 중심축 방향을 따라서 상기 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면에 대한 상기 원색 성분 객체 테스트 포인트 수평 방향 변위 거리를 기본적으로 서로 동일하게 하는 제각기의 축방향 위치를 갖고,
    상기 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면의 상기 제각기의 축방향 위치는 상기 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면 중 적어도 2원색 성분 객체면에 대해서 상기 제각기의 원색 성분 객체면 축방향 위치 거리를 서로 다르게 하여, 상기 투사 광학 렌즈 시스템의 상기 측색 색수차에 의해 유발된 서로 다른 원색 성분을 갖는 광선의 수평 배율 차이가 상기 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 내의 상기 렌즈 어셈블리에 의해 촬상되는 상기 복합 색 그래픽에 걸쳐 적어도 부분적으로 보정되게 하는
    투사 광학 렌즈 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 투사 광학 렌즈 시스템은 상기 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면에 대하여 대응되는 대체로 직사각형의 객체 그래픽 필드 내에 일치되는 치수를 갖는 원색 성분 객체 그래픽을 투사에 의해 촬상하는 데 적합하고, 상기 객체 그래픽 필드는 높이 치수와 폭 치수를 갖는데 상기 투사 광학 렌즈 시스템의 상기 입사 광학 표면 상의 상기 객체면 거리 기준점과 상기 대응되는 원색 성분 객체면의 상기 객체면 중심축 교차점 사이의 각각의 객체면 축방향 위치 거리는 상기 객체 그래픽 필드의 상기 높이 치수 및 상기 폭 치수 중 작은 값의 적어도 2배가 되게 하는 투사 광학 렌즈 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    화상 그래픽 필드는 상기 원색 성분 투사 디스플레이 객체면의 상기 객체 그래픽 필드의 화상에 대응되도록 상기 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 상에서 정의되고, 상기 복합 색 그래픽 투사 디스플레이 화상면 상의 상기 복합 색 화상 테스트 포인트 위치는 상기 화상 그래픽 필드의 주변부에 근접하게 하여 상기 화상 그래픽 필드 내에 위치되는 투사 광학 렌즈 시스템.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 대응되는 원색 성분 투사 디스플레이 객체면과의 상기 교차점에서 투사된 빔 입사 전파 방향과는 일반적으로 반대되는 방향으로 트레이싱되는 각각의 원색 성분 테스트 포인트 주광선 트레이스는 투사 광학계 중심축으로부터 발산되는 투사 광학 렌즈 시스템.
  8. 제 5 항에 있어서,
    상기 3원색 성분 투사 디스플레이 객체면의 상기 제각기의 원색 성분 객체면축방향 위치 거리는 서로 다른 투사 광학 렌즈 시스템.
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