KR20050016836A - 편광 전환 시스템 및 그 제조 방법과 이를 이용한 액정프로젝터의 광학계 - Google Patents

편광 전환 시스템 및 그 제조 방법과 이를 이용한 액정프로젝터의 광학계

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KR20050016836A
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Abstract

본 발명은 프로젝터의 광학계에 관한 것으로, 고효율 편광 전환 시스템을 이용한 액정 프로젝터에 관한 것이다.
본 발명은 액정 프로젝터에서 와이어 그리드를 이용하여 고효율의 편광 변환 장치를 제조하고, 이를 이용하여 액정 프로젝터 광학계를 구성함으로써 새로운 액정 프로젝터를 제공한다.
따라서, 본 발명은 가시광영역의 광을 선편광으로 변환시키는 고효율의 편광 변환 시스템이 적용된 액정 프로젝터로 고선명, 고휘도의 영상을 구현하며, 편광 변환 시스템을 금속 와이어 그리드 편광자를 이용하여 제작함으로써 장시간 사용시 열적 변형이나 노화문제가 현저히 감소되면서도 높은 광이용효율을 얻을 수 있고, 나노임프린트 공정을 적용하여 저가로 대량 생산할 수 있어 원가가 절감되는 장점이 있다.

Description

편광 전환 시스템 및 그 제조 방법과 이를 이용한 액정 프로젝터의 광학계{Polarization recovery system and the fabrication method and the optic systems}
본 발명은 프로젝터의 광학계에 관한 것으로, 고효율 편광 전환 시스템을 이용한 액정 프로젝터에 관한 것이다.
최근 고해상도를 갖는 대형화면 디스플레이에 대한 수요와 관심이 증가함에 따라 프로젝션 및 프로젝터에 대한 기대와 역할이 매우 증가되고 있다.
일반적으로, 프로젝터는 내부의 소형 디스플레이에 구현된 소화상을 투사렌즈를 이용하여 대화면의 스크린에 확대 투사함으로써 대화면의 화상을 표시하게 된다.
상기 프로젝터에서 소형의 영상을 제공하는 화상 표시소자로는 폴리 실리콘(Poly-silicon)과 실리콘 크리스탈(Silicon Crystal)에 액정을 올린 액정 표시소자(LCoS : Liquid Crystal on Silicon) 및 MEMS(Micro-electro mechanical system) 기술을 이용한 디지털 미세 미러소자(DMD : Digital Micromirror Device) 등이 이용되고 있다.
여기서, 액정 표시소자인 액정 프로젝터에는 통상적으로 투과형 또는 반사형 LCD가 사용된다.
이러한 액정 프로젝터는 소형 경량화 및 고휘도화를 기본으로 고개구율과 고해상도를 향상시키는 방향으로 발전하고 있다.
도 1은 종래의 3판식 액정 프로젝터에 대한 광학계가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 종래의 3판식 액정 프로젝터의 광학계는 램프(102a) 및 반사경(102b)과 제1 전반사미러(110) 사이에 설치된 제1 플라이아이렌즈(Flyeye-lens)(104), 제2 플라이아이렌즈(106) 및 편광 빔스프리터 어레이(108)와, 제1 전반사미러(110)와 적색용 액정패널(130) 사이에 설치된 제1 집광렌즈(112), 적색투과 다이크로익미러(Dichroic mirror)(114), 제2 전반사미러(118) 및 제2 집광렌즈(128)와, 적색투과 다이크로익미러(114)와 녹색용 액정패널(134) 사이에 설치된 청색투과 다이크로익미러(116) 및 제3 집광렌즈(132)와, 청색투과 다이크로익미러(116)와 청색용 액정패널(138) 사이에 설치된 제1 릴레이렌즈(120), 제3 전반사미러(122), 제4 전반사미러(126) 및 제4 집광렌즈(136)와, 적·녹·청색용 액정패널(130, 134, 138) 사이에 설치된 다이크로익 프리즘(140)과, 다이크로익 프리즘(140)의 광출사면에 대면되게 설치되는 투사렌즈(142)를 구비한다.
상기 램프(102a) 및 반사경(102b)으로부터 조사되는 백색광은 제1 플라이아이렌즈(104)에 의해 셀(cell) 단위로 분할되어 제2 플라이아이렌즈(106)의 입사면에 포커싱(focusing)된다.
상기 제2 플라이아이렌즈(106)는 자신에게 입사된 광을 평행광으로 변환하여 편광 빔스프리터 어레이(108) 쪽으로 투과시키게 된다.
여기서, 상기 편광 빔스프리터 어레이(108)는 자신에게 입사된 광을 어느 하나의 광축을 가지는 선편광(P파 또는 S파)으로 변환하여 제1 전반사미러(110) 쪽으로 투과시키게 된다.
또한, 상기 제1 전반사미러(110)는 자신에게 입사된 광을 제1 집광렌즈(112) 쪽으로 반사시키며, 그 반사광은 제1 집광렌즈(112)에 의해 적색투과 다이크로익미러(114)에 집광된다.
상기 적색 투과 다이크로익미러(114)는 자신에게 입사된 광 중, 적색광을 제2 전반사미러(118) 쪽으로 투과시킴과 아울러 적색광 이외의 파장을 가지는 광을 청색투과 다이크로익미러(116) 쪽으로 반사시킨다.
상기 제2 전반사미러(118)는 적색투과 다이크로익미러(114)로부터 입사된 적색광을 제2 집광렌즈(128) 쪽으로 반사시키게 되며, 제2 집광렌즈(128)는 적색광을 적색용 액정패널(130)의 입사면에 집광시킨다.
그리고, 상기 청색 투과 다이크로익미러(116)는 제1 집광렌즈(114)로부터 입사된 광 중, 녹색광을 제3 집광렌즈(132) 쪽으로 반사시킴과 아울러 청색광을 제1 릴레이렌즈(120) 쪽으로 투과시키게 된다.
이어서, 상기 제3 집광렌즈(132)는 녹색광을 녹색용 액정패널(134)의 입사면에 집광시키게 된다.
그리고, 상기 제1 릴레이렌즈(120)에 입사된 청색광은 제3 전반사미러(122)에 의해 반사된 후, 제4 전반사미러(126)에 의해 제4 집광렌즈(136) 쪽으로 반사된다.
이어서, 상기 제4 집광렌즈(136)는 청색광을 청색용 액정패널(138)의 입사면에 집광시킨다.
상기 액정 패널들(130, 134, 138)은 데이터 신호레벨에 따라 광투과율을 조정함으로써 각각 자신에게 입사되는 적색광, 녹색광 및 청색광 각각에 대하여 투과량을 조정하게 된다.
이들 액정 패널들(130, 134, 138)의 출사면과 다이크로익 프리즘(140)의 입사면 그리고 액정 패널들(130, 134, 138)과 집광렌즈(128, 132, 136) 사이에는 통상 광 효율을 높이기 위한 편광판이 부착된다.
상기 다이크로익 프리즘(140)은 적색광, 녹색광 및 청색광을 합성하여 투사렌즈(142) 쪽으로 입사시키게 된다.
이를 위하여, 다이크로익 프리즘(140)에는 서로 교차하는 다이크로익 코팅면을 사이에 두고 4 개의 프리즘이 접합된다.
상기 다이크로익 프리즘(140), 액정 패널들(130, 134, 138) 및 도시하지 않은 편광판은 광합성계를 구성한다.
그리고, 상기 투사렌즈(142)는 다이크로익 프리즘(140)으로부터 입사되는 화상을 스크린에 확대 투사하게 된다.
여기서, 종래의 액정 프로젝터의 광학계에서 사용되는 편광 변환 장치에 대해서 좀 더 상세히 설명하면 다음과 같다.
일반적으로, 상기 편광 변환 장치로는 PBS 어레이를 이용하고 있는데, PBS 어레이는 램프에서 나오는 비편광된 빛을 한쪽 편광으로 바꿔주는 소자이다.
여기서, PBS란 두 글래스(Glass) 사이에 특수 코팅을 해서 P파는 투과시키고, S파는 반사시키는 소자이며, 상기 PBS를 여러장 겹쳐 놓은 것이 PBS 어레이이다.
그런데, 종래 PBS 어레이를 이용한 편광 변환 장치는 디스플레이에 있어서 중요한 성능 요소인 변환 효율이 나쁘다는 문제점이 있다.
편광 변환 효율은 광원이 요구하는 전력이 사람이 볼 수 있는 패널 혹은 스크린에 얼만큼의 빛의 강도 출력을 전송하는지를 나타내는 양이다.
이것은 광원에 의해 요구되는 전력으로 나뉘는 스크린의 총 광출력의 비율로 표현되며 고비율이 여러 가지 이유로 바람직하다.
예를 들어, 낮은 변환 효율은 수반하는 큰 전력 공급기, 과잉 열, 큰 용기와 캐비넷 등등과 함께 더 밝은 광원을 필요로 하게 되며 낮은 변환 효율은 영상 시스템의 가격을 상승시킨다.
상기 PBS 어레이를 사용한 편광 변환 장치는 광 경로에 대해서 많은 경계면들을 가지고 있기 때문에 약 80%의 광효율밖에 얻을 수 없으며 소형 PBS가 어레이 타입으로 배열된 소자의 특성상 장시간 사용시에 광탄성 문제, 열 노화에 따른 특성 변화 및 제조의 어려움에 따른 비용의 상승과 같은 문제점이 있다.
본 발명은 액정 프로젝터에서 와이어 그리드를 이용하여 고효율의 편광 변환 장치를 제조하고, 이를 이용하여 액정 프로젝터 광학계를 구성함으로써 새로운 액정 프로젝터를 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 편광 변환 시스템은, 서로 수직한 격자 패턴을 가지는 제 1, 2 와이어 그리드 편광자와; 상기 제 1와이어 그리드 편광자를 통과한 선편광을 편광 변환시켜 제 2 와이어 그리드로 입사시키는 편광 변환판;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 와이어 그리드 편광자는 금속 격자 패턴으로이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 편광 변환판은 입사되는 선편광에 대해서 최종적으로 λ/2 편광 변환하여 출사시키는 것을 특징으로 한다.
상기 선편광의 광 경로를 변환하기 위하여 전반사 미러를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 와이어 그리드 편광자는 임프리트 공정으로 제작되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 편광 변환 시스템의 제조 방법의 제 1 실시예는, 서로 수직한 격자 패턴을 가지는 제 1, 2 와이어 그리드 편광자를 제작하는 단계와; 상기 제 1, 2 와이어 그리드 편광자 사이에 편광 변환판을 위치시키고 편광 변환판의 양쪽 모서리를 상기 제 1, 2 와이어 그리드 편광자의 모서리에 각각 소정 각도를 가지고 부착시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 편광 변환판과 제 1, 2 와이어 그리드 편광자가 이루는 각도는 조절될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
상기 와이어 그리드 편광자는 임프린트 공정을 이용한 금속 격자 패턴으로이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 편광 변환판은 λ/2판을 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 편광 변환 시스템의 제조 방법의 제 2 실시예는, 서로 수직한 격자 패턴을 가지는 제 1, 2 와이어 그리드 편광자를 제작하는 단계와; 상기 제 1 와이어 그리드 편광자로 입사되는 광이 제 2 와이어 그리드 편광자로 반사되도록 제 1, 2 와이어 그리드 편광자를 사선으로 배치시키는 단계와; 상기 제 2 와이어 그리드 편광자의 배면에 편광 변환판을 배치시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 와이어 그리드 편광자는 임프린트 공정을 이용한 금속 격자 패턴으로이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 편광 변환판은 λ/4판을 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 편광 변환 시스템의 제조 방법의 제 3 실시예는, 서로 수직한 격자 패턴을 가지는 제 1, 2 와이어 그리드 편광자를 평면상에 배치시키는 단계와; 상기 제 2 와이어 그리드 편광자의 배면에 편광 변환판을 배치시키는 단계와; 상기 제 1, 2 와이어 그리드 편광자의 배면에서 일정 간격 이격하는 전반사 미러 코팅을 하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제 1 와이어 그리드 편광자를 투과한 선편광은 편광 변환판으로 반사되는 것을 특징으로 한다.
상기 와이어 그리드 편광자는 임프린트 공정을 이용한 금속 격자 패턴으로이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 편광 변환판은 λ/4판을 이용하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 액정 프로젝터의 광학계는, 금속 와이어 그리드 편광자와 편광 변환판으로 이루어진 편광 변환 시스템을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 편광 변환 시스템은 제 1 와이어 그리드 편광자를 통과한 선편광과 제 2 와이어 그리드 편광자를 통과한 선편광의 성분이 동일한 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조로 하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대해서 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 액정 프로젝터에서 편광 변환 시스템을 보여주는 도면이다.
도 2의 (a)는 본 발명에 따른 편광 변환 시스템의 측면도이고, 도 2의 (b)는 편광 변환 시스템의 입체도이다.
도 2의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 편광 변환 시스템은 두개의 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer)(200, 220)가 λ/2판(plate)(210)를 사이에 두고 45도 각도로 기울어져 배치되어 있다.
여기서, λ/2판(210)의 양쪽에 기울어져 배치되는 와이어 그리드 편광자(200, 220)는 원하는 각도(α,β)를 조절하여 투과 및 반사되는 광의 각도를 조절할 수 있다.
그리고, 상기 두개의 와이어 그리드 편광자(200, 220)는 격자 패턴이 서로 수직하게 형성되어 있다.
상기 λ/2판(210)은 선편광의 방향을 변환하는 편광 변환판으로서, S파(즉, 수직 선편광)는 P파(즉, 수평 선편광)로, P파는 S파로 변환한다.
일 예로, 상기 편광 변환 시스템이 P파의 편광으로 모두 변환시키도록 제작되었다고 가정한다.
따라서, P편광과 S편광을 모두 포함하는 광이 편광 변환 시스템으로 입사되면, 상기 편광 변환 시스템에 입사된 P + S 광은 제 1 와이어 그리드 편광자(200)를 투과하여 편광을 발생시키며, 여기서는 P파는 투과시키고 S파는 반사시켜 상기 S파가 λ/2판(210)으로 입사된다.
상기 λ/2판(210)은 S파를 P파로 변환하여 출사하고, 상기 변환된 P파는 제 1 와이어 그리드 편광자(200)와 정반대의 특성을 가지는 제 2 와이어 그리드 편광자(220)를 투과하여 입사된 P파를 반사시킨다.
따라서, 상기 편광 변환 시스템에 입사된 P + S 광은 100% 편광 변환되어 P편광으로 출사된다.
도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 액정 프로젝터에서 편광 변환 시스템을 보여주는 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 편광 변환 시스템은 두개의 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer)(300, 320)가 그 사이에 λ/4판(plate)(310)으로 이루어져 있으며, λ/4판(310)은 하나의 와이어 그리드 편광자(300, 320)의 일면에 부착되어 있다.
여기서, 상기 두개의 와이어 그리드 편광자(300, 320)는 기준선에 대해서 원하는 각도(α,β)를 조절하여 투과 및 반사되는 광의 각도를 조절할 수 있다.
그리고, 상기 두개의 와이어 그리드 편광자(300, 320)는 격자 패턴이 서로 수직하게 형성되어 있다.
상기 λ/4판(310)은 선편광의 방향을 변환하는 편광 변환판으로서, S파(즉, 수직 선편광)는 λ/4판(310)을 두번 통과함으로써 P파(즉, 수평 선편광)로, P파는 S파로 변환한다.
일 예로, 상기 편광 변환 시스템이 P파의 편광으로 모두 변환시키도록 제작되었다고 가정한다.
따라서, P편광과 S편광을 모두 포함하는 광이 편광 변환 시스템으로 입사되면, 상기 편광 변환 시스템에 입사된 P + S 광은 제 1 와이어 그리드 편광자(310)를 투과하여 편광을 발생시키며, 여기서는 P파는 투과시키고 S파는 반사시켜 상기 S파가 λ/4판(310)으로 입사된다.
상기 λ/4판(310)으로 입사되어 방향이 변환된 편광은 제 2 와이어 그리드 편광자(320)에서 반사되어 다시한번 λ/4판(310)을 통과하게 된다.
즉, 상기 S파는 λ/4판(310)과 제 2 와이어 그리드 편광자(320)를 투과하여 P파로 변환하여 출사하게 된다.
따라서, 상기 편광 변환 시스템에 입사된 P + S 광은 모두 편광 변환되어 P편광으로 출사된다.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 액정 프로젝터에서 편광 변환 시스템을 보여주는 도면이다.
도 4의 (a)는 본 발명에 따른 편광 변환 시스템의 측면도이고, 도 4의 (b)는 편광 변환 시스템의 입체도이다.
도 4의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 편광 변환 시스템은 두개의 와이어 그리드 편광자(wire grid polarizer)(400, 420)와 λ/2판(plate)(410)과 전반사 미러(430)를 포함하여 이루어진다.
여기서, 상기 두개의 와이어 그리드 편광자(400, 420)는 격자 패턴이 서로 수직하도록 부착되어 평면상에 배치된다.
상기 λ/2판(410)은 상기 두개의 와이어 그리드 편광자(400, 420) 중 하나의 편광자의 일면에 부착된다.
여기서, 상기 λ/2판(410)은 선편광의 방향을 변환하는 편광 변환판으로서, S파(즉, 수직 선편광)는 P파(즉, 수평 선편광)로, P파는 S파로 변환한다.
그리고, 상기 전반사 미러(430)는 두개의 와이어 그리드 편광자(400, 420)로 이루어진 평면과 일정 간격 이격하여 배치된다.
일 예로, 상기 편광 변환 시스템이 P파의 편광으로 모두 변환시키도록 제작되었다고 가정한다.
따라서, P편광과 S편광을 모두 포함하는 광이 편광 변환 시스템으로 입사되면, 상기 편광 변환 시스템에 입사된 P + S 광은 제 1 와이어 그리드 편광자(400)를 투과하여 편광을 발생시키며, 여기서는 P파는 반사시키고 S파는 투과시키도록 한다.
상기 제 1 와이어 그리드 편광자(400)를 투과한 S파는 내부에 형성되어 있는 전반사 미러(430)에서 전반사되어 λ/2판(410)으로 입사된다.
상기 λ/2판(410)은 S파를 P파로 변환하여 출사하고, 상기 변환된 P파는 제 1 와이어 그리드 편광자(400)와 정반대의 특성을 가지는 제 2 와이어 그리드 편광자(420)를 투과하여 입사된 P파를 투과시킨다.
따라서, 상기 편광 변환 시스템에 입사된 P + S 광은 모두 P편광으로 변환된다.
여기서, 본 발명에 따른 액정 프로젝터에서 사용하는 편광자는 금속 와이어 그리드 편광자(metal wire grid polarizer)를 사용하는 것이 바람직하며, 금속 와이어 그리드 편광자는 임프린트(imprint) 공정을 이용하여 제작하여 저가로 대량 생산할 수 있다.
따라서, 가시광의 파장보다 훨씬 작은 주기의 금속 격자 패턴으로 이루어진 와이어 그리드 편광자는 특정 편광, 즉 금속 격자에 수평하는 광파 성분은 반사를 하고 수직하는 성분은 투과하는 성질을 이용하게 된다.
이와 같은 금속 와이어 그리드 편광자를 이용하게 되면 열이나 강한 광에 노출되어도 쉽게 노화되지 않는 특성을 가지며, 임프린트 공정을 통해서 저가로 대량생산이 가능한 장점이 있다.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 실시예들로서, 편광 변환 시스템을 사용한 액정 프로젝터의 광학계이다.
도 5는 본 발명에 따른 편광 변환 시스템을 이용한 LCoS 단판식 광학계를 간략하게 보여주는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 액정 프로젝터는 램프(502a)와 반사경(502b)과 UV 컷 필터(510) 및 집광 렌즈(511), 릴레이 렌즈(Relay Lens)(512), 편광 변환 시스템(Polarization recovery system)(520), 플라이 아이 렌즈(Fly Eye Lens)(531), 컬러 실렉터(color selector)(532), PBS(550), LCoS 액정 패널(540)을 구비한다.
상기 광원의 램프(502a)에서 출사되어 UV 컷 필터(510) 및 집광 렌즈(511)를 통과한 가시영역의 광은 집광되어 릴레이 렌즈(512) 쪽으로 진행하게 된다.
그리고, 상기 릴레이 렌즈(512)는 입사광을 특정한 부분에 대한 평행광으로 변환하여 편광 변환 시스템(520)으로 투과시키게 된다.
여기서, 상기 편광 변환 시스템(520)은 앞서 언급한 바와 같이, 입사광을 어느 하나의 광축을 가지는 선편광, 즉 P편광과 S편광으로 분리하여 어느 하나의 선편광, 즉 P편광 또는 S편광으로 변환하게 된다.
이에 따라, 상기 편광 변환 시스템(520)에 의해 입사광이 모두 한 방향의 선편광 즉, S편광 또는 P편광으로 변환됨으로써 램프(2)에서 출사된 모든 광이 플라이 아이 렌즈(531)로 입사하게 된다.
그리고, 상기 플라이 아이 렌즈(531)로 입사된 선편광은 균일하게 집광되어 컬러 실렉터(532)로 입사된다.
여기서, 상기 컬러 실렉터(532)는 청색광, 적색광, 녹색광을 선택적으로 분리해낸다.
이어서, 상기 컬러 실렉터(532)를 거친 청색광, 적색광, 녹색광은 순차적으로 와이어 그리드 편광자를 이용한 PBS(Polarizing Beam Splitter)(550)로 입사하여, 각각 분리되어 반사된 후 LCoS 액정 패널(540)로 입사하게 되고, 상기 액정 패널(540)에서 변조된 광은 PBS(550)를 다시 투과하여 투사 렌즈(560)를 거쳐 스크린에 투사된다.
여기서, 상기 편광 변환 시스템(520)에서 P편광과 S편광을 모두 포함하는 가시광영역의 광이 시스템으로 입사되면, 상기 편광 변환 시스템(520)에 입사된 P + S 광은 제 1 와이어 그리드 편광자(521)를 투과하여 편광을 발생시키며, 여기서는 P파는 투과시키고 S파는 반사시켜 상기 S파가 λ/2판(522)으로 입사된다.
상기 λ/2판(522)은 S파를 P파로 변환하여 출사하고, 상기 변환된 P파는 제 1 와이어 그리드 편광자(521)와 정반대의 특성을 가지는 제 2 와이어 그리드 편광자(523)를 투과하여 입사된 P파를 반사시킨다.
따라서, 상기 편광 변환 시스템(520)에 입사된 P + S 광은 모두 P편광으로 변환되어 상기 플라이 아이 렌즈(531)로 입사된다.
도 6은 본 발명에 따른 다른 편광 변환 시스템을 이용한 LCoS 단판식 광학계를 간략하게 보여주는 도면이다.
도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 액정 프로젝터는 앞에서 설명한 도 5에서의 액정 프로젝터의 구조와 기본적으로 동일하다.
여기서, 상기 편광 변환 시스템(620)에서 출사되는 선편광을 플라이 아이 렌즈(631)로 집광시키기 위하여 전반사 미러(624)가 더 구비될 수 있다.
광원의 램프(602a)에서 출사된 광은 반사경(602b)에서 반사되어 UV 컷 필터(610) 및 집광 렌즈(611)를 통과한 가시영역의 광으로 집광되어 릴레이 렌즈 (612)쪽으로 진행하게 된다.
그리고, 상기 릴레이 렌즈(612)는 입사광을 특정한 부분에 대한 평행광으로 변환하여 편광 변환 시스템(620)으로 투과시키게 된다.
여기서, 상기 편광 변환 시스템(620)은 앞서 언급한 바와 같이, 입사광을 어느 하나의 광축을 가지는 선편광, 즉 P편광과 S편광으로 분리하여 어느 하나의 선편광으로 분리된다.
이에 따라, 상기 편광 변환 시스템(620)에 의해 입사광이 모두 한 방향의 선편광 즉, S편광 또는 P편광으로 변환됨으로써 램프(602a)에서 출사된 모든 광이 플라이 아이 렌즈(631)로 입사하게 된다.
그리고, 상기 플라이 아이 렌즈(631)로 입사된 선편광은 균일하게 집광되어 컬러 실렉터(632)로 입사된다.
여기서, 상기 컬러 실렉터(632)는 청색광, 적색광, 녹색광을 선택적으로 분리해낸다.
이어서, 상기 컬러 실렉터(632)를 거친 청색광, 적색광, 녹색광은 순차적으로 와이어 그리드 편광자를 이용한 PBS(Polarizing Beam Splitter)(650)로 입사하여, 각각 분리되어 반사된 후 LCoS 액정 패널(640)로 입사하게 되고, 상기 액정 패널(640)에서 변조된 광은 PBS(650)를 다시 투과하여 투사 렌즈(660)를 거쳐 스크린에 투사된다.
P편광과 S편광을 모두 포함하는 가시광영역의 광이 편광 변환 시스템(620)으로 입사되면, 상기 편광 변환 시스템(620)에 입사된 P + S 광은 제 1 와이어 그리드 편광자(621)를 투과하여 편광을 발생시키며, 여기서는 P파는 투과시키고 S파는 반사시켜 상기 S파가 λ/4판(622)으로 입사된다.
상기 λ/4판(622)으로 입사되어 방향이 변환된 편광은 제 2 와이어 그리드 편광자(623)에서 반사되어 다시한번 λ/4판(622)을 통과하게 된다.
즉, 상기 S파는 λ/4판(622)과 제 2 와이어 그리드 편광자(623)를 투과하여 P파로 변환하여 출사하게 된다.
여기서, 상기 제 1 와이어 그리드 편광자(621)를 투과한 P편광은 전반사 미러(624)에서 전반사되어 플라이 아이 렌즈(631)로 입사된다.
따라서, 상기 편광 변환 시스템(620)에 입사된 P + S 광은 모두 편광 변환되어 P편광으로 출사되어 플라이 아이 렌즈(631)로 입사된다.
도 7은 본 발명에 따른 다른 편광 변환 시스템을 이용한 3판식 액정 프로젝터의 광학계를 간략하게 보여주는 도면이다.
도 7을 참조하면, 3판식 액정 프로젝터의 광학계는 램프(702a) 및 반사경(702b)과, UV 컷 필터(710) 및 집광 렌즈(711), 릴레이 렌즈(712), 편광 변환 시스템(720), 제 1 전반사 미러(724), 상기 제 1 전반사 미러(724)와 편광 변환 시스템(720)으로부터 광이 입사되는 플라이 아이 렌즈(730), 제 2 전반사 미러(725), 다이크로익 프리즘(Dichroic Prism)(740)과 적색용 액정패널(751), 녹색용 액정 패널(752), 청색용 액정 패널(753), 제 3 내지 6 전반사 미러(726, 727)와, 적·녹·청색용 액정패널(751, 752, 753) 사이에 설치된 다이크로익 큐브(Dichroic cube)(760)과, 상기 다이크로익 큐브(760)의 광출사면에 대면되게 설치되는 투사 렌즈(770)를 구비한다.
상기 광원의 램프(702a)에서 출사되어 UV 컷 필터(710) 및 집광 렌즈(711)를 통과한 가시광 영역의 광은 집광되어 릴레이 렌즈(712) 쪽으로 진행하게 된다.
그리고, 상기 릴레이 렌즈(712)는 입사광을 특정한 부분에 대한 평행광으로 변환하여 편광 변환 시스템(720)으로 투과시키게 된다.
여기서, 상기 편광 변환 시스템(720)은 앞서 언급한 바와 같이, 입사광을 어느 하나의 광축을 가지는 선편광, 즉 P편광과 S편광으로 분리하여 어느 하나의 선편광, 즉 P편광 또는 S편광으로 변환하게 된다.
이에 따라, 상기 편광 변환 시스템(720)에 의해 입사광이 모두 한 방향의 선편광 즉, S편광 또는 P편광으로 변환됨으로써 램프(702a)에서 출사된 모든 광이 플라이 아이 렌즈(730)로 입사하게 된다.
여기서 상기 편광 변환 시스템(720)에서 변환된 일부 편광은 제 1 전반사 미러724)에 의해서 반사되어 플라이 아이 렌즈(730)로 입사된다.
그리고, 상기 플라이 아이 렌즈(730)로 입사된 모든 선편광은 균일하게 집광되어 제 2 전반사 미러(725)로 입사된다.
상기 제 2 전반사 미러(725)에서 반사된 선편광은 다이크로익 미러로 이루어진 다이크로익 프리즘(740)에서 청색광, 적색광, 녹색광으로 분리된다.
상기 적색광은 제 3 및 제 4 전반사 미러(726, 727)에 의해서 반사되어 적색용 액정 패널(751)로 입사되고, 상기 청색광은 제 5 및 제 6 전반사 미러(728, 729)에 의해서 반사되어 청색용 액정 패널(753)로 입사되고, 상기 녹색광도 녹색용 액정 패널(752)로 입사된다.
상기 액정 패널들(751, 752, 753)은 데이터 신호 레벨에 따라 광투과율을 조정함으로써 각각 자신에게 입사되는 적색광, 녹색광 및 청색광 각각에 대하여 투과량을 조정하고 변조하여 다이크로익 큐브(760)에 집광된다.
그러면, 상기 다이크로익 큐브(760)는 적색광, 녹색광 및 청색광을 합성하여 투사 렌즈(770) 쪽으로 입사시키게 된다.
이를 위하여, 다이크로익 큐브(760)에는 서로 교차하는 다이크로익 코팅면을 사이에 두고 4 개의 프리즘이 접합된다.
그리고, 상기 투사렌즈(770)는 다이크로익 큐브(760)로부터 입사되는 화상을 스크린에 확대 투사하게 된다.
도 8은 본 발명에 따른 또 다른 편광 변환 시스템을 이용한 LCoS 단판식 광학계를 간략하게 보여주는 도면이다.
도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 액정 프로젝터는 앞에서 설명한 도 5에서의 액정 프로젝터의 구조와 기본적으로 동일하다.
여기서, 상기 편광 변환 시스템(820)에서 출사되는 선편광을 플라이 아이 렌즈(830)로 집광시키기 위하여 오목 전반사 미러(concaved total reflection mirror)(825)가 더 구비될 수 있다.
광원의 램프(802a)에서 출사된 광은 반사경(802b)에서 반사되어 UV 컷 필터(810) 및 집광 렌즈(811)를 통과한 가시영역의 광으로 집광되어 릴레이 렌즈(812) 쪽으로 진행하게 된다.
그리고, 상기 릴레이 렌즈(812)는 입사광을 특정한 부분에 대한 평행광으로 변환하여 편광 변환 시스템(820)으로 투과시키게 된다.
여기서, 상기 편광 변환 시스템(820)은 앞서 언급한 바와 같이, 입사광을 어느 하나의 광축을 가지는 선편광, 즉 P편광과 S편광으로 분리하여 어느 하나의 선편광으로 분리된다.
이에 따라, 상기 편광 변환 시스템(820)에 의해 입사광이 모두 한 방향의 선편광 즉, S편광 또는 P편광으로 변환됨으로써 램프(802a)에서 출사된 모든 광이 플라이 아이 렌즈(830)로 입사하게 된다.
이때, 상기 편광 변환 시스템(820)에서 출사되는 일부 선편광을 플라이 아이 렌즈(830)로 집광시키기 위하여 오목 전반사 미러(825)를 소정 위치에 배치시켜 편광 변환된 모든 선편광을 플라이 아이 렌즈(830)로 입사시킨다.
그리고, 상기 플라이 아이 렌즈(830)로 입사된 선편광은 균일하게 집광되어 컬러 실렉터(840)로 입사된다.
여기서, 상기 컬러 실렉터(840)는 청색광, 적색광, 녹색광을 선택적으로 분리해낸다.
이어서, 상기 컬러 실렉터(840)를 거친 청색광, 적색광, 녹색광은 순차적으로 와이어 그리드 편광자를 이용한 PBS(Polarizing Beam Splitter)(850)로 입사하여, 각각 분리되어 반사된 후 LCoS 액정 패널(860)로 입사하게 되고, 상기 액정 패널(860)에서 변조된 광은 PBS(850)를 다시 투과하여 투사 렌즈(870)를 거쳐 스크린에 투사된다.
상기 편광 변환 시스템(820)이 P파의 편광으로 모두 변환시키도록 제작되었다고 가정한다.
따라서, P편광과 S편광을 모두 포함하는 광이 편광 변환 시스템(820)으로 입사(821)되면, 상기 편광 변환 시스템(820)에 입사된 P + S 광은 제 1 와이어 그리드 편광자(821)를 투과하여 편광을 발생시키며, 여기서는 P파는 반사시키고 S파는 투과시키도록 한다.
상기 제 1 와이어 그리드 편광자(821)를 투과한 S파는 내부에 형성되어 있는 전반사 미러(822)에서 전반사되어 제 2 와이어 그리드 편광자*824)의 배면에 형성되어 있는 λ/2판(823)으로 입사된다.
상기 λ/2판(823)은 S파를 P파로 변환하여 출사하고, 상기 변환된 P파는 제 1 와이어 그리드 편광자(821)와 정반대의 특성을 가지는 제 2 와이어 그리드 편광자(824)를 투과하여 입사된 P파를 투과시킨다.
따라서, 상기 편광 변환 시스템(820)에 입사된 P + S 광은 모두 편광 변환되어 P편광으로 출사되어 플라이 아이 렌즈(830)로 입사된다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명에 따른 편광 변환 시스템 및 그 제조 방법과 이를 이용한 액정 프로젝터의 광학계는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.
본 발명은 액정 프로젝터의 광학계에서 가시광영역의 광을 선편광으로 변환시키는 고효율의 편광 변환 시스템을 제공함으로써 이를 적용한 액정 프로젝터로 고선명, 고휘도의 영상을 구현하는 효과가 있다.
그리고, 본 발명은 편광 변환 시스템을 금속 와이어 그리드 편광자를 이용하여 제작함으로써 장시간 사용시 열적 변형이나 노화문제가 현저히 감소되면서도 높은 광이용효율을 얻을 수 있고, 나노임프린트 공정을 적용하여 저가로 대량 생산할 수 있어 원가가 절감되는 효과가 있다.
도 1은 종래의 3판식 액정 프로젝터에 대한 광학계.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예로서, 액정 프로젝터에서 편광 변환 시스템을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 다른 실시예로서, 액정 프로젝터에서 편광 변환 시스템을 보여주는 도면.
도 4는 본 발명에 따른 또 다른 실시예로서, 액정 프로젝터에서 편광 변환 시스템을 보여주는 도면.
도 5 내지 도 8은 본 발명에 따른 실시예들로서, 편광 변환 시스템을 사용한 액정 프로젝터의 광학계.
<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>
200, 300, 400, 521, 621, 721, 821 : 제 1 와이어 그리드 편광자
210, 410, 522, 823 : λ/2판
310, 622, 722 : λ/4판
220, 320, 420, 523, 623, 723, 824 : 제 2 와이어 그리드 편광자
502a, 602a, 702a, 802a : 램프
502b, 602b, 702b, 802b : 반사경
510, 610, 710, 810 : UV 컷 필터
511, 611, 711,, 811 : 집광 렌즈
512, 612, 712, 812 : 릴레이 렌즈
520, 620, 720, 820 : 편광 변환 시스템
531, 631, 730, 830 : 플라이 아이 렌즈
532, 632, 840 : 컬러 실렉터
540, 640, 860 : LCoS 액정 패널
550, 650, 850 : PBS 560, 660, 770, 870 : 투사 렌즈
724 : 제 1 전반사 미러 725 : 제 2 전반사 미러
726 : 제 3 전반사 미러 727 : 제 4 전반사 미러
728 : 제 5 전반사 미러 729 : 제 6 전반사 미러
740 : 다이크로익 프리즘 751 : 적색용 액정 패널
752 : 녹색용 액정 패널 753 : 청색용 액정 패널
760 : 다이크로익 큐브

Claims (18)

  1. 서로 수직한 격자 패턴을 가지는 제 1, 2 와이어 그리드 편광자와;
    상기 제 1와이어 그리드 편광자를 통과한 선편광을 편광 변환시켜 제 2 와이어 그리드로 입사시키는 편광 변환판;을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 와이어 그리드 편광자는 금속 격자 패턴으로이루어지는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 편광 변환판은 입사되는 선편광에 대해서 최종적으로 λ/2 편광 변환하여 출사시키는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 선편광의 광 경로를 변환하기 위하여 전반사 미러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 와이어 그리드 편광자는 임프리트 공정으로 제작되는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템.
  6. 서로 수직한 격자 패턴을 가지는 제 1, 2 와이어 그리드 편광자를 제작하는 단계와;
    상기 제 1, 2 와이어 그리드 편광자 사이에 편광 변환판을 위치시키고 편광 변환판의 양쪽 모서리를 상기 제 1, 2 와이어 그리드 편광자의 모서리에 각각 소정 각도를 가지고 부착시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 편광 변환판과 제 1, 2 와이어 그리드 편광자가 이루는 각도는 조절될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 와이어 그리드 편광자는 임프린트 공정을 이용한 금속 격자 패턴으로이루어지는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 편광 변환판은 λ/2판을 이용하는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  10. 서로 수직한 격자 패턴을 가지는 제 1, 2 와이어 그리드 편광자를 제작하는 단계와;
    상기 제 1 와이어 그리드 편광자로 입사되는 광이 제 2 와이어 그리드 편광자로 반사되도록 제 1, 2 와이어 그리드 편광자를 사선으로 배치시키는 단계와;
    상기 제 2 와이어 그리드 편광자의 배면에 편광 변환판을 배치시키는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 와이어 그리드 편광자는 임프린트 공정을 이용한 금속 격자 패턴으로이루어지는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 편광 변환판은 λ/4판을 이용하는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  13. 서로 수직한 격자 패턴을 가지는 제 1, 2 와이어 그리드 편광자를 평면상에 배치시키는 단계와;
    상기 제 2 와이어 그리드 편광자의 배면에 편광 변환판을 배치시키는 단계와;
    상기 제 1, 2 와이어 그리드 편광자의 배면에서 일정 간격 이격하는 전반사 미러 코팅을 하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 제 1 와이어 그리드 편광자를 투과한 선편광은 편광 변환판으로 반사되는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 와이어 그리드 편광자는 임프린트 공정을 이용한 금속 격자 패턴으로이루어지는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 편광 변환판은 λ/4판을 이용하는 것을 특징으로 하는 편광 변환 시스템의 제조 방법.
  17. 금속 와이어 그리드 편광자와 편광 변환판으로 이루어진 편광 변환 시스템을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터의 광학계.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 편광 변환 시스템은 제 1 와이어 그리드 편광자를 통과한 선편광과 제 2 와이어 그리드 편광자를 통과한 선편광의 성분이 동일한 것을 특징으로 하는 액정 프로젝터의 광학계.
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