KR20060036932A - 2중 프리즘으로 편광 재순환하는 조명 디바이스 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 편광되지 않은 광 빔(F1)을 방출하는 광원(S)과, 2개의 프리즘(1, 2)의 면(10, 20) 사이에 위치된 격자 편광자(3)를 포함하는 편광 빔 스플리터를 포함하는 조명 시스템에 관한 것이다. 광 빔은, 한 면(12)을 통해 제 1 프리즘으로 들어가고 광을 출력 면(21) 쪽으로 반사하는 면(22)으로 제 1 편광 방향을 가지는 광을 투과시키는 편광 빔 스플리터(3)에 도달한다. 게다가, 상기 스플리터는, 출력 면(11) 쪽으로 광을 반사하는 면(12)으로 제 2 편광 방향을 가지는, 광을 반사한다. 본 발명은 디스플레이 및 프로젝션 시스템에 적용 가능하다.

Description

2중 프리즘으로 편광 재순환하는 조명 디바이스{ILLUMINATING DEVICE WITH POLARIZATION RECYCLING IN A DOUBLE PRISM}
본 발명은 사물을 조명하기 위한 시스템, 특히 편광된 광을 사용하는 조명을 요구하는 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 특히 액정 프로젝션 및 백프로젝션(backprojection) 시스템에서 적용 가능하다.
이미지를 디스플레이하기 위해 광이 변조되는 것을 허용하는 액정 셀은, 동작을 위해 편광된 광에 의해 조명될 필요가 있다. 편광되지 않은 광원을 사용할 때, 조명원에 의해 방출된 조명 전력의 50%를 잃는 것을 피하기 위해서는 광의 2개의 편광을 사용하기 위한 수단이 제공되어야 하고, 이는 편광자에서의 흡수에 의해 생긴 손실을 고려하지 않은 것이다.
특허 US 5 784 181호에 설명된 시스템은 단면이 직각삼각형이고 직각삼각형의 직각의 한 면을 각각 포함하는 면 사이에 홀로그래피 편광 빔 스플리터를 끼운 2개의 프리즘을 제공한다고 특히 알려져 있다. 직각삼각형의 직각의 다른 면을 포함하는 프리즘의 다른 면은 하나의 동일한 평면 상에 위치하고 출구 면으로 사용된다. 편광되지 않은 광의 소스는 프리즘의 단면에 평행한 방향으로 프리즘 직각삼각형의 빗변을 형성하는 면을 조명하는 빔을 방출한다. 광은 제 1 편광을 거친 광을 프리즘의 출구 면으로 투과시키는 홀로그래피 스플리터에 도달하고, 이러한 프리즘은 이러한 제 1 편광은 제 2 편광으로 변형시키는 디바이스를 포함하며, 반면에 이러한 디바이스는 편광 변환 디바이스를 포함하지 않는 다른 프리즘의 출구 면으로 제 2 편광을 거친 광을 반사한다. 홀로그래피 디바이스는, 출구 면의 동일한 편광 다운스트림을 가지는 빔의 방향이, 하나의 동일한 방향으로 액정 셀을 조명하기 위해, 빔을 평행하게 하도록, 변경되는 것을 허용하는 출구 면과 연관된다.
하지만 그러한 시스템에서는, 홀로그래피 디바이스가 약 45°의 입사 브루스터(Brewster) 각 아래에서 조명되거나 또는 "판독되어야(read)" 한다. 따라서 약 30°의 입사각 아래에서 동작하는 것은 어렵다. 그러므로 이러한 시스템은 홀로그래피 디바이스를 사용하므로 낮은 발산을 가지는 조명 빔을 요구한다는 결점이 있다. 게다가, 이러한 시스템은 제한된 스펙트럼 대역 내에서만 효과적이다. 통상, 각 홀로그래피 디바이스는 가시광의 1차 스펙트럼 대역(적색, 녹색 또는 청색) 내에서만 효과적이다.
문서 US 5 716 122호는, 또한 박막 다층 타입의 편광 빔 스플리터에 의해 분리된 2개의 프리즘을 사용하는 편광 재순환 시스템을 설명하고(column 4 및 column 5 - column 17, line 42 내지 line 49 참조), 이러한 문서 US 5 716 122호에 따르면, 입사 빔은 반드시 평행한 광선으로만 이루어질 필요는 없지만, 평행하지 않은 성분을 포함할 수 있다(column 19, line 15 내지 line 17); 하지만, 이러한 문서에 언급되는 편광 빔 스플리터 상의 입사각은 45°와 38°사이의 범위에 있고, 이는 입사 빔이 이러한 빔의 일반적인 방향의 어느 한 면 위에 특히 5°이상의 넓은 발산을 가질 때 바람직하지 않은 제한을 나타낸다.
US 4 575 191호, US 4 161 349호, US 3 987 299호와 같은 다른 문서는, 단면이 직각삼각형이고, 직각삼각형의 직각의 한 면을 각각 포함하는 면 사이에 컬러 스플리터가 끼워지는 2개의 프리즘을 또한 제공하는 코에스터스(Koesters) 시스템이라고 알려진 시스템을 설명한다.
그러므로 본 발명의 목적은, 전술한 결점에 대한 해결책을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템의 일반적인 일 예를 도시하는 도면.
도 2의 (a)와 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템의 좀더 상세한 일 예를 도시하는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 프로젝션 시스템에 본 발명을 적용한 일 예를 도시하는 도면.
그러므로 본 발명은 편광되지 않은 광 빔을 방출하는 광학 소스를 포함하는 조명 디바이스에 관한 것이다. 편광 빔 스플리터는 제 1의 투명한 프리즘의 제 1 면과 제 2의 투명한 프리즘의 제 1 면 사이에 포함된다. 각각 제 2 출구 면을 가지는 이들 프리즘은 모두 하나의 동일한 평면 내에 위치한다. 각 프리즘의 제 1 면과 제 2 면은 수직이다. 광 빔은 이러한 프리즘의 제 3 면을 통해 제 1 프리즘을 통과하고 제 1 편광 방향으로 광을 투과시키고 제 2 편광 방향으로 광을 반사하는 편광 빔 스플리터에 도달한다. 게다가, 편광 빔 스플리터는 제 1 프리즘의 제 1 면과 제 2 프리즘의 제 1 면 사이에 위치한 격자 편광자를 포함한다. 또한 편광 빔 스플리터에 의해 투과된 광은, 그것을 제 2 프리즘의 상기 제 2 출구 면 쪽으로 반사하는 제 2 프리즘의 제 3 면으로 투과되는데 반해, 편광 빔 스플리터에 의해 반사된 광은 그것을 제 1 프리즘의 상기 제 2 출구 면 쪽으로 반사하는 제 1 프리즘의 상기 제 3 면으로 투과된다. 격자 편광자의 사용 덕분에, 편광은 광범위한 입사각에 걸쳐 효과적으로 분리될 수 있는데, 즉 이는 또한 넓은 발산, 특히 빔의 평균 방향의 어느 한 면 상에서 5°이상의 각으로 소스로부터 나오는 빔에 의해 제 1 프리즘의 제 3 면이 조명되는 것을 허용하지만, 이러한 발산은 빔의 평균 방향의 어느 한 면 상에서 10°이하의 각으로 유지되는 것이 바람직하다.
이러한 시스템은 프리즘의 상기 제 2 출구 면 중 하나와 연관된 편광 회전자 디바이스를 포함하는 것이 유리하다. 이후 이러한 디바이스는 동일한 편광 방향이 2개의 출구 면의 다운스트림으로 얻어지는 것을 허용한다.
상기 격자 편광자는 제 1 프리즘의 제 1 면 또는 제 2 프리즘의 제 1 면 상에 형성되는 것이 유리하다.
한편으로는 격자 편광자와, 격자 편광자가 형성되는 제 1 프리즘 또는 제 2 프리즘의 상기 제 1 면 사이에, 그리고 다른 한편으로는 격자 편광자와, 제 2 프리즘 또는 제 1 프리즘의 다른 제 1 면 사이에 각각 격자 편광자를 향하게 위치되는 에어 갭(air gap)이 제공되는 것이 유리하다. 이러한 에어 갭은 시스템을 냉각시키기 위해 사용될 수 있다.
본 발명의 시스템의 일 실시예에 따르면, 프리즘의 직각이 아닌 각은 실질적으로 제 1 면과는 60°의 각도로 반대 위치에 있고, 제 2 면과는 30°의 각도로 반대 위치에 있으며, 광 빔(F1)의 평균 방향은, 광 빔(F1)이 제 1 프리즘을 통과할 때 제 1 프리즘의 제 3 면에 실질적으로 수직이다. 이러한 기하학적인 구성은 제 1 프리즘의 제 2 출구 면을 통과하는 빔의 평균 방향과 제 2 프리즘의 제 2 출구 면을 통과하는 빔의 평균 방향이 실질적으로 서로에 대해 평행하고 이들 제 2 면에 대해서는 수직이다. 그러므로 이러한 구성은, 출구 면으로부터 나오는 빔의 광 축이 평행하도록 설계된다. 이러한 기하학적 구성에 의한 스플리터의 다운스트림으로 인해, 2개의 분리된 빔의 광학 경로가 거의 동일하게 되고, 이러한 사실은 이러한 디바이스를 프로젝션 시스템 이미저(imager)의 조명에 적용하는 것이 매우 유리하다는 점이 또한 주목되어야 한다.
프리즘 물질의 굴절율은 1.5 이하인 것이 바람직하고, 이는 빔의 발산이 더 넓은 경우에서도 격자 편광자 상의 입사각이 60°미만이 되게 얻어지게 한다.
시스템은 프리즘의 상기 제 2 출구 면에 광학적으로 결합되는 입구 면을 가지고, 프리즘의 제 3 면에 의해 반사되는 빔을 수신하는 광 적분 디바이스를 포함할 수 있고, 이 디바이스는 조명이 이러한 면에 걸쳐 실질적으로 균질한 출구 면을 통해 빔을 전달하는 것이 유리하다. 이러한 목적을 위해, 막대형 적분기(integrator)가 사용되는 것이 유리하다.
소스에 의해 방출된 광 빔은, 광 적분기 디바이스에 의해 수신된 빔의 포락선(envelope)이 모든 빔이 적분기 디바이스로 통과하도록 하는 시준되지 않은 빔인 것이 유리하다.
본 발명의 다양한 양상과 특징은 후속하는 상세한 설명과 첨부된 도면을 참조하여 좀더 뚜렷이 분명해 질 것이다.
그러므로 본 발명에 따른 조명 시스템의 일 예를 도 1을 참조하여 설명한다.
이 시스템은 2개의 프리즘(1, 2) 쪽으로 편광되지 않은 광 빔(F1)을 방출하는 광원(S)을 포함한다. 이들 2개의 프리즘은 광 빔(F1)의 입사 평면에서 단면을 가지고 직각삼각형의 형태를 취한다. 프리즘의 직각 모서리의 2면(10, 20) 사이에는 편광 빔 스플리터 디바이스(3)가 끼워져 있다. 프리즘의 직각 모서리의 나머지 2면(11, 21)은 하나의 동일한 평면에 위치하고 있다. 이들 면(11, 21)은 프리즘의 출구 면으로서의 역할을 한다.
프리즘(1) 단면의 직각삼각형 빗변을 포함하는 프리즘(1)의 면(12)은 시스템의 입구 면으로서의 역할을 한다.
광 빔(F1)은 그것이 프리즘(1)으로 들어가는 것을 허용하는 면(12) 상에 입사각을 가진다. 유리하게, 광 빔(F1)은 실질적으로 면(12)과 수직이다.
본 발명에 따르면, 편광 빔 스플리터는 특히 그것의 냉각을 허용하도록, 에어 갭(4)이 스플리터와 프리즘(1) 사이에 제공되는, 격자 편광 빔 스플리터이다. 입사하는 광선의 입사각이 적합하게 되도록, 한 방향으로 편광된 광은 편광 빔 스플리터에 의해 (거의) 영향을 받지 않는데 반해, 수직 방향으로 편광시킨 광은 편광 빔 스플리터에 의해 반사된다.
그러므로 광 빔(F1)은 한 방향으로 편광된 광을 프리즘(2)의 면(22) 쪽으로 투과시키는 편광 빔 스플리터(3)에 도달하고, 이러한 편광 빔 스플리터는 프리즘 단면의 직각삼각형 빗변을 포함하며, 프리즘(1)의 면(12) 쪽으로 반사하고 광은 제 1 방향에 수직인 방향으로 편광된다. 좀더 정확하게 얘기하면 편광 빔 스플리터는, 편광 방향이 편광 격자(3)의 요소 방향에 수직인 광을 투과시키고, 편광 방향이 이들 요소에 평행한 광은 반사시킨다.
격자 편광 빔 스플리터에 대한 설명은 US 6 122 103호에서 발견된다. 바람직하게, 편광 방위는 격자 요소가 도 1의 평면에 수직이 되도록 정해진다. 이러한 경우 편광(S)이 반사된다. 이러한 반사는 면(10) 쪽으로 일어나고 면(10) 상에 수신된 광은 보통 프리즘(1)의 면(12) 쪽으로 투과되어야 한다. 이것이 도 1에서의 예시적인 실시예에서, 광 또는 광의 일부가, 편광자(3)와 프리즘(1)의 면(10) 사이에서 반사되는 것을 피하기 위한 이유로, 이러한 면(10)은 유리하게 반사방지 코팅을 받아들이게 된다.
도 1에서의 예시적인 실시예에서, 편광 빔 스플리터는 프리즘(2)의 면(20)에 적용된다. 하지만, 편광 빔 스플리터가 프리즘(1)의 면(10)에 부착되면, 반사방지 코팅을 유리하게 받아들이는 것은, 프리즘(2)의 면(20)이라는 점이 분명하다.
프리즘(2)의 면(22)은 면(21) 쪽으로 투과된 광을 반사한다. 이러한 반사는 전(total) 내부 반사에 의하거나 반사 코팅(예를 들어, 금속)이 된 면(22) 상의 전반사에 의해 일어난다.
면(12)은, 면(11) 쪽으로의 편광 빔 스플리터에 의해 반사된 광을, 전 내부 반사에 의해 반사한다.
프리즘의 각도와 면(12) 상에서의 광 빔(F1)의 입사각은 2개의 출구 빔(FS1, FS2)의 방향이 평행하도록 선택되는 것이 유리하다.
도 2의 (a)는 도 1에서의 시스템의 좀더 상세한 예시적인 실시예를 도시한다.
빔(FS1, FS2)의 방향이 평행하도록, 프리즘(1, 2)은 한편으로 그것들의 면(11, 12)을 가지고, 다른 한편으로는 60°의 각도를 형성한다. 또한, 광 빔(F1)의 방향은 실질적으로 입구 면(12)의 평면에 수직인 것이 바람직하다. 그러므로 광 빔(F1)의 방향은 면(10)의 평면에 대해 30°의 입사각을 형성하는 것이 바람직하다{도 2의 (b) 참조}.
그러므로 앞서 지적된 바와 같이, 에어 갭이 편광자와, 프리즘(1)의 면(10) 사이에 제공되고, 프리즘이 약 1.5의 굴절율을 가지는 BK7과 같은 유리로 만들어진다면, 편광 빔 스플리터(3) 상의 광 빔(F1) 방향의 입사각은, 약 48°가 된다. 그러므로 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 이는 면(10)과 30°의 입사각을 형성하는 광 빔(F1)의 광선이 편광자 빔 스플리터(3)의 평면 상에, 약 48°의 입사각을 형성하게 된다는 것을 의미한다.
격자 편광 빔 스플리터를 사용함으로써 생기는 장점은, 이러한 스플리터가 광범위한 입사각에 걸쳐, 매우 높은 분리 효율을 가진다는 점이고, 이는 특히 격자 편광 빔 스플리터의 평균 방향의 어느 한 면 상에서 5°이상의 큰 발산을 보여주는 시준되지 않은 빔(F1)에 의해 격자 편광 빔 스플리터가 조명되는 것을 허용한다. 이러한 스플리터에 관한 최적의 효율은 0°와 60°사이의 범위에서, 빔(F1) 광선의 입사각에 관해 얻어진다. 그러므로 48°의 입사각으로, 최적의 동작 범위 내에 있게 된다.
또한, 소스에 의해 방출된 광 빔이 시준되지 않으면, 격자 편광 빔 스플리터의 사용은, 또한 각을 이룬 발산이 격자 편광 빔 스플리터의 평면과 약 48°의 입사각을 가지는 평균 방향의 어느 한 면에 분포하는 빔의 광을 분할시키고, 동시에 높은 분리 효율을 보여주게 된다. 실제로, 빔 발산은 빔의 평균 방향의 어느 한 면 상에서 9°또는 10°까지 받아들일 수 있다. 그러므로 그러한 구성은 격자 스플리터가, 예를 들어 48°+10°와 48°-10°사이의, 입사광의 입사각도를 가지고, 동작하는 구성이다. 그러므로 이러한 구성은 편광 빔 스플리터가, 최적을 효율로 동작하는 것을 허용한다.
임의의 일 방향으로만 편광된 조명 빔을 발산하는 조명 시스템을 얻기 위해서는, 프리즘의 출구 면 중 오직 한 면, 예를 들어 면(11)과 연관되는, 편광 회전자(6)가 제공된다. 그러므로, 이러한 편광 회전자는, 프리즘(1)의 면(12)에 의해 반사된 빔의 편광 방향을 90°만큼 회전되도록 한다.
도 3은 광 적분기 디바이스(7)가 제공되는 시스템을 도시한다. 이러한 디바이스는 프리즘(1, 2)의 출구 면(11, 21)에 결합되어, 면(12, 22)에 의해 반사된 모든 광의 결합을 허용하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, 소스(S)에 의해 방출된 광 빔은, 적분기 디바이스(7)의 입구 면(70)에 가깝게 초점이 맞추어지는 것이 바람직하다. 적분기 디바이스는, 그것의 출구 면(71)을 거쳐 사물(8)이 균일한 방식으로 조명되는 것을 허용하는 비교적 균질한 빔을 공급한다. 프로젝션 장치의 경우, 이러한 사물은 수신된 광을 변조하고 공간 광 변조기 상에 디스플레이된 이미지가 스크린 상에 투사되는 것을 허용하는 공간 광 변조기이다.
격자 편광 빔 스플리터는 소스(S)에 의해 방출된 광에 관해 반사적인 물질 대역의 어레이 형태로 프리즘(2)의 면(20) 상에 형성된다. 이러한 물질은 알루미늄과 같은 금속일 수 있다. 대역의 피치는, 예를 들어 약 수십 나노미터의 크기이고, 각 대역의 폭은 수 나노미터의 크기를 가진다.
그러한 조명 시스템은, 소스에 의해 방출된 시준되지 않은 빔으로 동작하고, 적분기 디바이스의 출구에서 균질한 조명을 발산한다는 장점을 가진다. 또한, 그러한 시스템은 광범위한 파장에 걸쳐, 특히 가시 범위에서 동작한다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 디스플레이 및 프로젝션 시스템, 특히 액정 프로젝션 및 백프로젝션 시스템에서 적용 가능하다.

Claims (9)

  1. 편광되지 않은 광 빔(F1)을 방출하는 광원(S), 제 1 투명 프리즘(1)의 제 1 면(10)과 제 2 투명 프리즘(2)의 제 2 면(20) 사이에 포함된, 편광 빔 스플리터(3)를 포함하는 조명 디바이스로서,
    프리즘 각각은 모두 하나의 동일한 평면 내에 위치한 제 2 출구 면(11, 21)을 가지고, 각 프리즘의 상기 제 1 면과 제 2 면은 수직이며, 상기 광 빔은 제 1 프리즘의 제 3 면(12)을 통해 제 1 프리즘을 통과하여, 제 1 편광 방향으로 광을 투과시키고 제 2 편광 방향으로 광을 반사시키는 편광 빔 스플리터(3)에 도달하며, 편광 빔 스플리터(3)에 의해 투과된 광은 제 2 프리즘의 제 3 면(22)으로 투과되고, 제 2 프리즘은 투과된 광을 제 2 프리즘의 상기 제 2 출구 면(21) 쪽으로 반사하며, 편광 빔 스플리터에 의해 반사된 광은 제 1 프리즘의 상기 제 3 면(12)으로 투과되고, 제 1 프리즘은 투과된 광을 제 1 프리즘의 상기 제 2 출구 면(11) 쪽으로 반사하는, 조명 디바이스에 있어서,
    편광 빔 스플리터(3)는 제 1 프리즘(1)과 제 2 프리즘(2)의 제 1 면(10, 20) 사이에 위치한 격자 편광자(3)를 포함하는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광 빔(F1)의 발산은 상기 빔의 평균 방향의 일 측면 상에서 5°이상인 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 광 빔(F1)의 발산은 상기 빔의 평균 방향의 일 측면 상에서 10°이하인 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프리즘의 상기 제 2 출구면(21 또는 11) 중 오직 한 면과 연관된 편광 회전자 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
  5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 격자 편광자는 상기 제 1 프리즘(1)의 제 1 면(10) 또는 상기 제 2 프리즘(2)의 제 1 면(20) 상에 형성되는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
  6. 제 5항에 있어서, 한편으로는 상기 격자 편광자(3)와, 상기 격자 편광자(3)가 형성되는 제 1 프리즘(1) 또는 제 2 프리즘(2)의 상기 제 1 면 사이에, 그리고 다른 한편으로는 상기 격자 편광자(3)와, 상기 제 2 프리즘(2) 또는 제 1 프리즘(1)의 다른 제 1 면(10) 사이에 각각 상기 격자 편광자(3)를 향하게 배치되는 에어 갭(4)이 제공되는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 프리즘의 직각이 아닌 각은 실질적으로 제 1 면과 60°의 각도로 반대 위치에 있고, 제 2 면과는 30°의 각도로 반대 위치에 있으며, 상기 광 빔(F1)의 평균 방향은 실질적으로 상기 광 빔(F1)이 제 1 프리즘을 통과할 때 상기 제 1 프리즘의 제 3 면에 수직인 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 프리즘 물질의 굴절율은 1.5 이하인 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
  9. 제 7항 또는 제 8항에 있어서, 상기 프리즘의 상기 제 2 출구 면(11, 21)에 광학적으로 결합되는 입구(entry) 면(70)을 가지고, 상기 프리즘의 제 3 면에 의해 반사된 상기 빔을 수신하는 광 적분 디바이스(7)를 포함하고, 출구 면(71)을 통해 상기 출구 면(71)에 대해 실질적으로 균일하게 조명하는 광 빔을 공급하는 것을 특징으로 하는, 조명 디바이스.
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