KR20050004903A - 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 가이드들을 구비한 소형광 엔진 - Google Patents

Abstract

단일 패널 스크롤링 컬러 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진은 동일하지 않은 경로들을 통해 소스로부터 출력 렌즈까지 광을 가이드하기 위해 광 가이드를 이용한다. 이 광 가이드는 광의 손실이 거의 없거나 전혀 없으며 또는 광 경로와 무관하게 각 범위(angular extent)를 증가시켜, 높은 성능과 저 비용을 가지는 소형인 배치를 가지게 하는 것을 특징으로 한다.

Description

프로젝션 디스플레이 시스템용 광 가이드들을 구비한 소형 광 엔진{COMPACT LIGHT ENGINE WITH LIGHT GUIDES FOR PROJECTION DISPLAY SYSTEM}

단일 패널 스크롤링 컬러 프로젝션 디스플레이 시스템은 개별 화상 소자들 또는 픽셀들의 래스터를 가지는 액정 디스플레이(LCD) 패널과 같은 단일 광 변조기 패널을 특징으로 하고, 이러한 패널은 수평으로 연장된 적색, 녹색 및 청색 조명 바(bar)들 또는 줄무늬(stripes)들에 의해 조명된다. 줄무늬들은 패널을 수직으로 가로질러 연속적으로 스크롤되고, 픽셀들의 조명된 행들은 그렇게 입사한 줄무늬의 컬러에 대응하는 디스플레이 정보로 동기적으로 어드레싱된다. 예를 들어, 1994년 3월 25일에 특허 허여된 P.Janssen의 "Single panel color projection video display improved scanning"이라는 제목의 미국 특허 5,410,370호와, 1995년 5월16일에 특허 허여된 P.Janssen등의 "Single panel color projection video display having control circuitry for synchronizing the color illumination system with reading/writing of the light valve"라는 제목의 미국 특허 5,416,514호를 보자.

이러한 단일 패널 시스템들은 각 개별 적색, 녹색 및 청색 빔들이 완전히 조명하고 개별 광 변조기 패널에 의해 변조되는 좀더 일반적인 3개 패널 시스템들과는 구별되어야 한다. 이후 변조된 빔들은 완전한 컬러 디스플레이를 생성하기 위해 디스플레이 스크린 상에 겹쳐진다. 예를 들어, 1999년 6월 29일에에 특허 허여된 Hatanaka의 "Liquid-crystal image projecting apparatus having a color purity correction filter"라는 제목의 미국 특허 5,917,561호를 보자.

단일 패널과 3개 패널 컬러 프로젝션 디스플레이 시스템들에 관한 광 엔진들은 통상 밝은 디스플레이에 필요한 강도 레벨을 제공하기 위한 고 강도의 아크 램프들과, 변조를 위해 램프 광을 적색, 녹색 및 청색 성분들로 분할한 다음, 프로젝션 디스플레이를 위해 변조된 성분들을 재결합하기 위한 이색성 필터를 이용한다.

종래 기술의 단일 패널과 3개 패널 시스템들 모두에서, 높은 광 효율에 대한 바램이 적색, 녹색 및 청색 빔들이 거의 같은 광 경로 길이들을 가질 것을 요구했다. 그렇지 않으면, 광원으로부터 디스플레이 패널로 더 멀리 가야할 이들 빔들은 더 큰 각 범위(etendue; angular extent)를 가지게 되고, 이들 빔들로부터의 광의 일부는 손실된다. 예를 들어, 1989년 9월 5일에에 특허 허여된 McKechnie 등의 "Display System with Equal Path Lengths"라는 제목의 미국 특허 B1 4,864,390호를 보자.

불행히도 이러한 시스템은 광 이용의 관점에서는 효율적이지만, 3개 컬러들에 관해서 같은 이미지들을 생성하기 위해 비교적 높은 광학 품질의 다수의 중계를 요구한다. 또한, 앞의 광 수집 단계들에서 광의 철저한 통합(혼합)이 반드시 필요하다. 다수의 광 성분들이 시스템의 크기와 전체적인 비용에 크게 기여한다.

컬러 프로젝터를 스크롤하기 위한 현재 사용된 광 엔진(1)에 관한 조명 구조가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 소스(S)로부터의 백색 광은 이색성 소자(2)에 의해 청색 성분(B)과 녹색/적색 성분(G/R)으로 분할된다. B 성분은 렌즈(3)와 미러(4)에 의해 프리즘 스캐너(5)쪽으로 향하게 된다. G/R 성분은 렌즈(6)를 통해 이색성 소자(7)로 이색성 소자(2)에 의해 통과되고, 이 이색성 소자(7)는 G/R 성분을 녹색 성분(G)과 적색 성분(R)으로 분할한다. G 성분은 이색성 소자(7)에 의해 프리즘 스캐너(8)로 반사되고, 적색 성분은 이색성 소자(7)를 통해 프리즘 스캐너(9)로 통과된다. 이후, 스캐닝된 R, G, B 성분들은 미러(12)와 중계 렌즈(13 내지 17)에 의해 재결합 이색성 소자(10, 11)로 향하게 된다.

중계 렌즈(13 내지 17)는 프리즘 스캐너(5, 8, 9)로부터 출력 렌즈(18)까지의 긴 재결합 경로를 통해 광이 팽창하는 것을 제한하도록 디자인된다. 따라서, 프리즘 스캐너(5, 8, 9)에서 텔레센트릭(telecentric)한 광은 재결합 이색성 소자(10, 11)에서 텔레센트릭하지 않다. 그 결과, (고가의) 그림자 이색성 기구가 사용되지 않는 한, 스캔(디스플레이의 상부로부터 하부까지의)에 걸쳐 컬러 셰이딩(shading)이 도입된다.

2002년 __월에 출원되고 본 출원과 동일한 양수인에게 양도된 필립스 관리 번호 PH__(ID702697)호인 미국 특허 출원 __호는 손실이 적은 각 범위 보존 광 가이드들에 관한 것으로, 이들은 본 출원의 광 엔진들에 사용된다.

본 발명은 프로젝션 디스플레이 시스템에 관한 광 엔진에 관한 것으로, 좀더 구체적으로는 단일 패널 스크롤링 컬러 프로젝션 디스플레이 시스템에서 사용하기에 특히 적합한 광 가이드를 이용하는 소형 광 엔진에 관한 것이다.

도 1은 광원으로부터 적색, 녹색, 및 청색 빔들에 대한 디스플레이 패널까지의 동일한 경로 길이들을 가지는 종래 기술의 스크롤링 컬러 프로젝터에 대한 개략적인 레이아웃을 도시하는 도면.

도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 일 실시예에 따라 광 가이드들을 이용하는 스크롤링 컬러 프로젝터에 대한 소형의 광 엔진의 평면도, 측면도, 정면도를 각각 도시하는 도면.

도 2d는 도 2a의 광 엔진의 빔 분할 부분의 상세도.

도 3은 도 2a의 광 엔진의 빔 분할 부분의 또다른 실시예의 개략도.

도 4는 도 2a의 소형 광 엔진을 이용하는 프로젝션 디스플레이 시스템의 개략도.

도 5는 조명 소스와 빔 스플리터 사이에 있는 도 2b의 광 가이드 부분의 배면도.

도 6은 도 4에 도시된 유형의 프로젝션 디스플레이 시스템에서 유용한 편광 변환 시스템의 개략도.

본 발명에 따르면, 프로젝션 디스플레이 시스템의 적어도 광 엔진 부분은 손실이 적은 각 범위 보존 광 가이드들을 이용하고, 이러한 광 가이드들은 개별 광 빔들에 관한 같지 않은 경로 길이들의 사용을 통한 소형 배치를 가능하게 하며, 많은 높은 품질의 광학 렌즈에 대한 수요를 제거하고, 종래 기술의 동일한 광 경로 디자인들의 광 효율성을 보존한다.

본 발명의 일 양태에 따라, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진은 소스로부터의 광을 2개 또는 그 이상의 광 성분들로 분할하는 빔 스플리터와,

소스로부터 빔 스플리터까지 광을 가이드하기 위한 적어도 1개의 소스 브랜치와, 빔 스플리터로부터 광 성분들을 멀리 가이드하기 위한 적어도 2개의 성분 브랜치들을 포함하는 광 가이드를 포함한다.

광 엔진의 바람직한 일 실시예에 따라, 빔 스플리터는 교차된 이색성 소자들을 포함하거나 소스 광을 적색, 녹색 및 청색 성분들로 분할한다.

광 엔진의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 적색, 녹색 및 청색 광 성분들에 대한 스캐닝 줄무늬 생성기가 제공되는데, 광 가이드의 각각의 성분 브랜치는 광 성분들 중 하나를 스캐닝 줄무늬 생성기들 중 하나로 가이드한다.

광 엔진의 또다른 바람직한 실시예에 따르면, 적색, 녹색 및 청색 성분들을 재결합하기 위해 교차된 이색성 소자들의 빔 재결합기가 제공된다.

본 발명의 또다른 양태에 따르면, 프로젝션 디스플레이 시스템이 제공되는데, 이 시스템은 본 발명의 광 엔진, 디스플레이 신호에 따라 광을 변조하기 위한 적어도 1개의 광 변조기 패널, 및 디스플레이 스크린 상으로 변조된 광을 투영하기위한 프로젝션 렌즈를 포함한다.

프로젝션 디스플레이 시스템의 바람직한 일 실시예에 따르면, 제 1 편광된 상태의 광을 투과시키고 제 1 편광 상태에 가로지르는 제 2 편광 상태의 광을 반사하기 위해, 광 엔진과 광 변조 패널 사이에 편광 빔 스플리터(PBS)가 제공된다.

이제 본 발명의 광 엔진에 관한 조명 구조의 일 실시예(20)의 평면도인 도 2a를 참조하면, 집광 기기(미도시)에 의해 텔레센트릭하게 만들어진 소스(S)로부터의 백색 광은 광 가이드(21)의 소스 브랜치(21a)에 의해 광 가이드 경로에 병합된 빔 스플리터(25)로 운반된다. 소스 브랜치(21a)는 직사각형 단면의 직선 광 가이드 섹션(22, 24)과 내부 반사 표면(23a)을 가지는 광 결합 소자(23)를 포함한다. 빔 스플리터(25)는 백색 광을 적색, 녹색 및 청색(R, G, B) 성분들로 분할하고, 각 성분은 회전 프리즘(38, 39, 40)으로 향한다. G와 R 성분은 각각 광 가이드(21)의 성분 브랜치(21b, 21c)에 의해 프리즘(39, 40)으로 파이프를 통해 운반된다. 성분 브랜치(21b, 21c) 각각은 직사각형 단면의 3개의 직선 광 가이드 섹션(각각 26, 28, 30 및 32, 34, 36)과 3개의 광 결합 소자(각각 27, 29, 31 및 33, 35, 37)를 포함한다.

광은 무손실이나 손실이 거의 없는 다양한 브랜치들을 통해 가이드되거나 각 범위가 증가된다. 광 가이드의 구조와 동작에 대한 좀더 상세한 설명은 본 명세서와 동시 출원되고 본 명세서에 참조로 병합된 공동 계류중인 미국 특허 출원 번호(필립스 관리 번호 PHID702697호)에서 찾아볼 수 있다.

광 가이드의 상이한 브랜치들 내의 다수의 반사로 인해, 출구(25a, 31a 및 37a)에서의 광이 완전히 혼합되어 매우 균일하게 된다. 출구(25a, 31a 및 37a)는 회전 프리즘(38, 39, 40) 상으로 각각 이미지화되어 그 위에 직사각형의 컬러 줄무늬들을 형성한다. 회전하는 프리즘들의 시차는 컬러 줄무늬들의 연속적인 스크롤 동작을 일으킨다. 스크롤하는 컬러 줄무늬들은 빔 재결합기(41)에 의해 조합되고,이 빔 재결합기는 각 α°에서 교차한 이색성 소자들(41a, 41b)을 포함한다. 따라서, R, G 및 B 스크롤 줄무늬들의 조합된 이미지는 출력 렌즈(43)에 전달된다.

입력에서의 백색 광의 텔레센트릭성은 고가의 중계 광학 기구의 결여에도 불구하고 재결합 이색성 기구와 함께 광 가이드 브랜치들에 의해 철저히 보존된다. 또한, 비-이미지화 구조는 매우 소형으로 높은 성능과 낮은 비용을 가지는 컬러 프로젝션 디스플레이용 광 엔진을 가능하게 한다.

도 2a의 광 엔진의 측면도인 도 2b는 소스(S)로부터의 백색 광의 입력에 대한 또다른 가능한 배치를 보여준다. 이 배치에서, 백색 광은 상부로부터 직선 광 가이드 섹션(44, 46)과 광 결합 소자(45)에 의해 가이드된다. 이러한 배치의 배면도인 도 5는, 광 가이드 섹션(46)이 내부 반사 표면(47a)을 가지는 광 결합 소자(47)에 의해 광 가이드 섹션(22)에 연결되는 것을 보여준다.

도 2a의 광 엔진의 정면도인 도 2c는 "렌즈 동공(lens pupil)(44)"을 보여준다. 렌즈 동공(44)의 모양은 출력 렌즈(43)의 직사각형 개구와 재결합된 광의 텔레센트릭함(원뿔)에 의해 결정된다. 빔이 나타날 때, 빔은 직사각형 출력 개구로부터 발산되어 둥글게 된 모양을 형성한다.

빔 스플리터와 이웃하는 광 가이드 섹션들의 상세도인 도 2d는, 직선 광 가이드 섹션(24)으로부터 빔 스플리터(25)로 들어가는 백색 광이 숨겨진 이색성 소자들에 의해 3개의 성분 빔들로 분할되는 것을 보여준다. 이색성 소자(25a)는 광 가이드 섹션(26)을 따라 B 성분을 보내는 청색 광을 반사하고, 광 가이드 섹션(48)을 따라 G 성분을 보내는 녹색 광을 통과시킨다. 이색성 소자(25b)는 광 가이드 섹션(32)을 따라 R 성분을 보내는 적색 광을 반사하고, 광 가이드 섹션(48)을 따라 G 성분을 보내는 녹색 광을 통과시킨다. 광 가이드 섹션(48)은 빔 스플리터(25)의 출력 면(25c)으로의 회전 프리즘(38)의 근접성으로 인해, 도 2a의 배치가 필요 없게 되었다는 점이 주목될 것이다.

도 3은 교차된 이색성 소자들을 구비한 빔 스플리터(25)가 각각 숨겨진 이색성 표면(54a, 57a)을 구비한 2개의 개별 빔 분할 소자들(54, 57)로 대체된 또다른 빔 분할 배치를 보여준다. 소스(S)로부터의 백색 광은 직선 광 가이드 소자들(51, 53)과, 내부 반사 표면(52a)을 구비한 광 결합 소자(52)를 포함하는 소스 가이드로부터 빔 스플리터(54)로 들어간다. 청색 광은 표면(52a)으로부터 성분 B로서 직선 광 가이드 섹션(55)으로 반사된다. 적색 및 녹색 광은 적색 광이 성분 R로서 직선 광 가이드 섹션(60)으로 표면(57a)에 의해 반사되는 빔 스플리터(57)로 통과된다. 녹색 광은 성분 G로서 직선 광 가이드 섹션(58)으로 통과된다. 접착층들(56, 59, 61)은 빔 스플리터(54, 57)에 직선 광 가이드 섹션들(55, 58, 60)을 고정한다.

도 4는 본 발명의 광 엔진(71)을 이용하는 프로젝션 디스플레이 시스템(70)의 일 실시예에 관한 개략적인 레이아웃이다. R, G 및 B 광의 스크롤하는 띠들의 이미지를 구성하는 광 엔진으로부터의 출력 광은 편광자(72)를 통해 내부 편광된 빔 분할 표면(73a)을 가지는 편광 빔 스플리터(PBS)(73)를 향하게 된다. 편광자(72)는 편광되지 않은 광을 하나의 편광 상태의 광으로 변환하는데, 예를 들어 S 표면 (73a)이 S광을 광 변조기 채널(74)로 통과시키고, 이 패널은, 디스플레이 신호(75)에 따라 광을 변환하고 PBS(73)로 변조된 광을 반사시킨다. 변조 및 반사의과정에서, 패널(74)은 S로부터 P로 광의 편광 상태를 변경하고, 표면(73a)은 PBS(73)로부터의 광을 디스플레이를 위해 프로젝션 렌즈(76)로 반사시킨다.

도 6은 도 4에 도시된 유형의 스크롤 컬러 프로젝션 디스플레이 시스템에 있어 유용한 편광 변환 시스템(PCS)(80)의 개략도이다. PCS(80)는 편광자(72)를 대체하고, 스크롤하는 컬러 띠들의 폭을 2배로 한다는 점에서 유리하다. 광 가이드 섹션(82)은 컬러 띠(81)를 가이드한다{단면이 보여진 것으로, 광 가이드 섹션(82)의 단면에 대응한다}. 편광 되지 않은 컬러 띠(81)는 내부 편광 층(83a)을 가지는 광 결합 소자(83)로 들어가고, 여기서 S 편광 상태에서의 성분들은 출력 표면(83b)을 통해 광 가이드 섹션(86)으로 층(83a)에 의해 반사된다. P 편광 상태에서의 성분들은 광 결합 소자(84)로 통과되고 반사 표면(84a)으로부터 반사된다. 반사된 P 성분들은 출력 표면(84b)을 통과하여 ½파 판(half wave plate)(85)을 통해 광 가이드 섹션(86)으로 가서, S 성분들로 변환된다. 그러므로, PCS(80)는 편광 되지 않은 컬러 띠(81)를 컬러 띠(81)의 폭의 두배를 가지는 S 편광된 컬러 띠(87)로 변환하였다. 이러한 더 넓은 종횡비는, 예를 들어 일정한 더 높은 주파수 스캐닝 시스템들에서 유리하다.

본 발명은 부득이하게 제한된 개수의 실시예들의 관점에서 기술되었다. 본 설명으로부터, 다른 실시예들과 실시예들의 변형예들이 당업자들에게 분명하게 될 것이고, 이들은 본 발명과 첨부된 청구항들의 범위 내에 충분히 포함되는 것으로 의도된다.

본 발명은 프로젝션 디스플레이 시스템에 관한 광 엔진에 사용할 수 있는 것으로, 단일 패널 스크롤링 컬러 프로젝션 디스플레이 시스템에서 사용하기에 특히 적합한 광 가이드를 이용하는 소형 광 엔진에 이용 가능하다.

Claims (14)

1. 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진(20)으로서,

   소스로부터의 광을 2개 또는 그 이상의 광 성분들로 분할하는 빔 스플리터(25)와,

   광 가이드(21)로서,

   상기 소스로부터의 광을 빔 스플리터(25)로 가이드하기 위한 적어도 1개의 소스 브랜치(21a),

   상기 빔 스플리터(25)로부터 광 성분들을 멀어지도록 가이드하기 위한 적어도 제 1 및 제 2 성분 브랜치(21b, 21c)를 포함하는 광 가이드(21)를 포함하는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
2. 제 1항에 있어서, 상기 빔 스플리터(25)는 상기 소스 광을 적색, 녹색, 및 청색 성분들로 분할하기 위한 교차된 이색성 소자(25a, 25b)를 포함하는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
3. 제 2항에 있어서, 적색, 녹색, 및 청색 광 성분들에 대해서 제 1, 제 2, 및 제 3 스캐닝 줄무늬 생성기(38, 39, 40)가 각각 제공되고, 녹색과 청색 성분들을 스캐닝 줄무늬 생성기(39, 40)로 각각 가이드하기 위해 상기 광 가이드(21)의 적어도 제 1 및 제 2 성분 브랜치(21b, 21c)가 각각 제공되는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
4. 제 3항에 있어서, 상기 스캐닝 줄무늬 생성기(38, 39, 40)는 각각 회전 가능한 프리즘을 포함하는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
5. 제 2항에 있어서, 상기 적색, 녹색, 및 청색 성분들을 재결합하기 위해, 빔 재결합기(41)가 제공되는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
6. 제 5항에 있어서, 상기 빔 재결합기(41)는 교차된 이색성 소자(41a, 41b)를 포함하는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
7. 제 6항에 있어서, 상기 광 엔진으로부터 재결합된 성분 빔들의 방향을 지정하기 위해 출력 렌즈(43)가 제공되는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
8. 제 1항에 있어서, 상기 빔 스플리터(50)는 광을 성분 빔들로 분할하기 위해 이색성 거울(54a, 57a)을 각각 가지는 제 1 및 제 2 빔 분할 프리즘(54, 57)을 포함하는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
9. 제 1항에 있어서, 상기 소스 브랜치(21a)는 적어도 2개의 직선 광 가이드 섹션(22, 24)과 적어도 1개의 광 결합 소자(23)를 포함하는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
10. 제 9항에 있어서, 상기 소스 브랜치(21a)는 적어도 4개의 광 가이드 섹션(22, 24, 45, 47)과 적어도 3개의 광 결합 소자(23, 44, 46)를 포함하는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
11. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 성분 브랜치(21b, 21c) 각각은 적어도 3개의 직선 광 가이드 섹션(26, 28, 30)(32, 34, 36)과, 적어도 3개의 광 결합 소자(27, 29, 31)(33, 35, 37)를 각각 포함하는, 프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진.
12. 프로젝션 디스플레이 시스템(70)으로서,

    프로젝션 디스플레이 시스템용 광 엔진(71)으로서,

    소스로부터의 광을 2개 또는 그 이상의 광 성분들로 분할하는 빔 스플리터(25)와,

    광 가이드(21)로서,

    상기 소스로부터의 광을 상기 빔 스플리터(25)로 가이드하기 위한 적어도 1개의 소스 브랜치(21a)와,

    상기 빔 스플리터(25)로부터 상기 광 성분들을 멀어지도록 가이드하기 위한 적어도 제 1 및 제 2 성분 브랜치(21b, 21c)를 포함하는 광 가이드(21)를 포함하는 광 가이드(21)를 포함하는 광 엔진(71)과,

    디스플레이 신호(75)에 따라 광을 변조하기 위한 적어도 1개의 광 변조기 패널(74)과,

    상기 변조된 광을 디스플레이 스크린 상으로 투영하기 위한 프로젝션 렌즈(76)를 포함하는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
13. 제 12항에 있어서, 상기 광 엔진(71)과 상기 광 변조 패널(74) 사이에 편광자(72)와 편광 빔 스플리터(PBS)(73)가 제공되고, 상기 PBS(73)는 제 1 편광 상태의 광을 투과시키고 상기 제 1 편광 상태와 교차하는 제 2 편광 상태의 광을 반사시키기 위한 표면(73a)을 가지는, 프로젝션 디스플레이 시스템.
14. 제 12항에 있어서, 상기 광 엔진(71)과 상기 광 변조 패널(74) 사이에 편광 변환 시스템(PCS)(80)이 제공되고, 상기 PCS(80)는 제 1 광 가이드 섹션(82), 상기 제 1 광 가이드 섹션(82)에 이웃하고 내부 편광 표면(83a)을 가지는 제 1 광 결합 소자(83), 상기 제 1 광 결합 소자(82)에 이웃하고 반사 표면(84a)과 출력 표면(84b)을 가지는 제 2 광 결합 소자(84), 상기 출력 표면(84b)에 이웃하는 ½파 판(85) 및 광 결합 소자(83, 84)의 상기 출력 표면(83b, 84b)에 이웃하는 제 2 광 가이드 섹션(86)을 가지는, 프로젝션 디스플레이 시스템.