KR20070115882A - Etendue efficient combination of multiple light sources - Google Patents
Etendue efficient combination of multiple light sources Download PDFInfo
- Publication number
- KR20070115882A KR20070115882A KR1020077018222A KR20077018222A KR20070115882A KR 20070115882 A KR20070115882 A KR 20070115882A KR 1020077018222 A KR1020077018222 A KR 1020077018222A KR 20077018222 A KR20077018222 A KR 20077018222A KR 20070115882 A KR20070115882 A KR 20070115882A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- light
- light guide
- beam combiner
- rays
- multicolor
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0938—Using specific optical elements
- G02B27/095—Refractive optical elements
- G02B27/0972—Prisms
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
- G02B27/0905—Dividing and/or superposing multiple light beams
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
- G02B27/1006—Beam splitting or combining systems for splitting or combining different wavelengths
- G02B27/102—Beam splitting or combining systems for splitting or combining different wavelengths for generating a colour image from monochromatic image signal sources
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
- G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
- G02B27/145—Beam splitting or combining systems operating by reflection only having sequential partially reflecting surfaces
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/10—Beam splitting or combining systems
- G02B27/14—Beam splitting or combining systems operating by reflection only
- G02B27/149—Beam splitting or combining systems operating by reflection only using crossed beamsplitting surfaces, e.g. cross-dichroic cubes or X-cubes
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
- G02B27/28—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising
- G02B27/283—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for polarising used for beam splitting or combining
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N9/00—Details of colour television systems
- H04N9/12—Picture reproducers
- H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
- H04N9/3102—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators
- H04N9/3105—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM] using two-dimensional electronic spatial light modulators for displaying all colours simultaneously, e.g. by using two or more electronic spatial light modulators
-
- H—ELECTRICITY
- H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
- H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
- H04N9/00—Details of colour television systems
- H04N9/12—Picture reproducers
- H04N9/31—Projection devices for colour picture display, e.g. using electronic spatial light modulators [ESLM]
- H04N9/3141—Constructional details thereof
- H04N9/315—Modulator illumination systems
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Multimedia (AREA)
- Signal Processing (AREA)
- Projection Apparatus (AREA)
- Optical Elements Other Than Lenses (AREA)
- Non-Portable Lighting Devices Or Systems Thereof (AREA)
Abstract
Description
본 발명은 시스템의 에텐듀(etendue)를 증가시키지 않으면서 다색 조명을 제공하기 위한 개선된 시스템 및 방법론에 관한 것이다.The present invention relates to an improved system and methodology for providing multicolor illumination without increasing the etendue of the system.
본 출원은 2005년 2월 9일에 출원된 미국 가출원 제60/651,079호에 대해 우선권을 주장한다. 본 출원은 2005년 9월 30일에 출원된 일련번호 제11/240,169호의 일부계속출원이다. 이는 2003년 1월 21에 출원된 일련번호 제10/347,522호(현재 미국 특허 번호 제6,982,830호)의 계속출원이다. 이는 2001년 3월 23에 출원된 일련번호 제09/814,970호(현재 미국 특허 번호 제6,587,269호)의 계속출원이다. 이는 2000년 8월 24일에 출원된 미국 가출원 제60/227,312호와 2000년 11월 8일에 출원된 제60/246,683호에 대해 우선권을 주장한다. 이들 모두는 본 명세서 전체에서 참조로서 언급된다.This application claims priority to US Provisional Application No. 60 / 651,079, filed February 9, 2005. This application is partly filed in Serial No. 11 / 240,169, filed September 30, 2005. This is a continuing application of Serial No. 10 / 347,522 filed January 21, 2003 (currently US Pat. No. 6,982,830). This is a continuing application of serial number 09 / 814,970 filed March 23, 2001 (currently US Pat. No. 6,587,269). This claims priority to U.S. Provisional Application No. 60 / 227,312, filed August 24, 2000, and 60 / 246,683, filed November 8, 2000. All of which are referred to by reference throughout this specification.
액정 디스플레이(이하 "LCD")는 편광에너지의 전송을 제어하는데 사용되는 장치로 알려져 있다. LCD는 LCD에 인가되는 전류에 따라 투명하거나 불투명하게 될 수 있다. 이러한 기능 때문에, 프로젝션 시스템은 흔히 이미지 소스를 형성하기 위해 수많은 LCD를 포함하는 어레이를 사용한다. 특히, 프로젝션 시스템은 고 강도 편향 광에너지를 LCD 어레이(영상 표시기로도 불림)에 입력하고, LCD 어레이는 원하는 영상을 투영하기 위해 입력된 광에너지 중에서 소정부분을 선택적으로 투과한다. 단일 LCD는 상대적으로 작기 때문에, 수많은 LCD가 어레이에 함께 패킹될 수 있고, 이로써 고해상도 영상을 만들 수 있는 영상 표시기를 형성할 수 있다.Liquid crystal displays (hereinafter "LCDs") are known as devices used to control the transmission of polarization energy. The LCD may be transparent or opaque depending on the current applied to the LCD. Because of this function, projection systems often use arrays containing numerous LCDs to form image sources. In particular, the projection system inputs high intensity deflection light energy into an LCD array (also called an image indicator), and the LCD array selectively transmits a predetermined portion of the input light energy to project a desired image. Since a single LCD is relatively small, numerous LCDs can be packed together in an array, thereby forming an image indicator capable of producing high resolution images.
상기 설명한 바와 같이, 프로젝션 시스템은 우선 LCD에서 입력 광선을 편광시켜야 한다. 그러나, 전구와 같은 광원으로부터의 광에너지는 p-편광 또는 s-편광 중 하나를 가질 수 있다. LCD 영상 표시기로에서 이러한 입력 광선은 하나의 방향(즉, p-편광 또는 s-편광)이어야 하므로, LCD 프로젝터는 일반적으로 광원으로부터 광에너지의 절반만을 사용한다. 그러나, 프로젝션 시스템에 있어서 광선 출력의 밝기 및 강도를 최대화하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 쓸모없는 편광에너지를 포획하여 이 포획된 광에너지의 편광을 변환한 다음, 변환된 광에너지를 LD 영상 표시기를 향하도록 방향 전환을 하겠다는 여러 가지 방법론들이 있어왔다. 이 공지된 편광 복원에 관한 방법론은 광선의 쓸모없는 부분(바람직하지 않은 편광 부분)이 반파장판으로 보내어져 편광이 변경된 다음, 원래 편광된 빔과 재결합되어 확대 빔을 발생시키는 것을 수반한다. 불행하게도, 이 공지된 방법론을 실행하기 위해서는 일반적으로 2차원 렌즈 어레이와 편광 빔 분할기의 어레이를 포함하는 다루기 힘든 복잡한 시스템이 필요하다. 또한, 공지된 방법론은 많은 광에너지를 손해보아야 고강도 출력을 만들겠다는 프로젝터의 목적을 이룰 수 있다.As described above, the projection system must first polarize the input light in the LCD. However, light energy from a light source, such as a light bulb, can have either p- or s-polarized light. LCD projectors typically use only half of the light energy from the light source because such input light rays in an LCD image indicator must be in one direction (ie, p-polarized or s-polarized). However, it is desirable for the projection system to maximize the brightness and intensity of the light output. Accordingly, there have been various methodologies for capturing useless polarization energy, converting the polarized light energy captured, and then redirecting the converted light energy toward the LD image display. This known method of polarization reconstruction involves the use of unwanted parts of the light beam (undesired polarization parts) to the half-wave plate, where the polarization is changed, and then recombined with the original polarized beam to generate an enlarged beam. Unfortunately, implementing this known methodology generally requires an intractable and complex system comprising an array of two-dimensional lens arrays and polarizing beam splitters. In addition, the known methodology can achieve the purpose of a projector to produce high intensity outputs at the expense of a lot of light energy.
도광관 시스템은 도광관, 프리즘 및 빔 분할기를 사용하여 흰색 광선을 빨간색(R), 파란색(B) 및 녹색(G) 요소로 개별분리하는데 사용되어 왔다. 그러한 시스 템을 역으로 실시한다면 에텐듀를 증가시키지 않으면서 특정 스펙트럼을 갖는 다색 광원을 결합할 수 있다. 따라서, 에텐듀를 증가시키지 않으면서 다색 조명 시스템을 제공하는 시스템을 만드는 것이 바람직하다.Light guide systems have been used to separate white light rays into red (R), blue (B) and green (G) elements using light guides, prisms and beam splitters. If such a system is run in reverse, it is possible to combine a multicolor light source with a specific spectrum without increasing the etendue. Therefore, it is desirable to make a system that provides a multicolor illumination system without increasing etendue.
이러한 요구에 부응하여, 본 발명은 도파관 시스템을 사용하여 LCD 프로젝션 시스템에서 편광 복원 기능을 수행한다. 특히, 본 발명의 도파관 편광 복원 시스템(waveguide polarization recovery system)은 LCD 영상 표시기에 사용되도록 입력 광에너지를 편광시키기도 하고, 쓸모없는 광에너지의 편광을 변환함으로써 LCD 영상 표시기의 조명을 증가시킨다. 소형 편광 복원 도파관 시스템은 일반적으로 단일 유닛으로 완성되는 다음과 같은 광학 요소, 즉 (1)비편광에너지를 시스템에 입력하는 입력 도파관과, (2)편광에너지를 시스템으로부터 제거하는 출력 도파관와, (3)입력 도파관로부터 광에너지를 수용하여 제1 편광 유형의 광에너지를 투과하고 제2 편광 유형의 광에너지를 반사하는 편광 빔 분할기와, (4)투과 또는 반사된 광에너지의 편광을 변환하는 파장판을 포함한다. 또한, 편광 복원 시스템은 일반적으로 투과 및/또는 반사된 광에너지를 출력 도파관으로 향하도록 할 필요가 있을 때 배치되는 하나 이상의 거울을 포함한다. 입력 및 출력 도파관은 프로젝션 시스템의 필요에 따른 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 입력 도파관 또는 출력 도파관 중 어느 하나 또는 둘 다는 원하는 영상을 만들기 위해 필요에 따라 상향 또는 하향 테이퍼(tapered up or down)질 수 있다.In response to this need, the present invention uses a waveguide system to perform a polarization recovery function in an LCD projection system. In particular, the waveguide polarization recovery system of the present invention polarizes the input light energy for use in the LCD image display and increases the illumination of the LCD image display by converting the polarization of the useless light energy. The compact polarization recovery waveguide system generally comprises the following optical elements, which are typically completed in a single unit: (1) an input waveguide for inputting unpolarized energy into the system, (2) an output waveguide for removing polarized energy from the system, and (3 A polarization beam splitter that receives light energy from an input waveguide, transmits light energy of a first polarization type and reflects light energy of a second polarization type, and (4) a wavelength plate converting polarization of transmitted or reflected light energy. It includes. In addition, polarization recovery systems generally include one or more mirrors disposed when it is necessary to direct the transmitted and / or reflected light energy to the output waveguide. The input and output waveguides can be shaped as needed for the projection system. For example, either or both of the input waveguide or output waveguide may be tapered up or down as needed to produce the desired image.
도파관 편광 복원 시스템에 있어서, 입력 및 출력 도파관은 실질적으로 평행하거나 실질적으로 수직인 방향 중 하나가 되도록 구성된다. 입력 및 출력 도파관이 실질적으로 평행한 형상에 있어서, 출력 도파관은 빔 분할기에 의해 투과되는 광에너지를 직접 수용한다. 이와 같이, 광에너지는 실질적으로 동일한 방향으로 편광 복원 시스템에 진입하여 나온다. 이와 달리, 입력 및 출력 도파관은 실질적으로 서로 수직으로 위치될 수 있고, 이로써 광에너지는 진입하는 방향과 실질적으로 서로 수직인 방향으로 편광 복원 시스템으로부터 나올 수 있다. 수직인 입력 및 출력 도파관의 형상에 있어서, 거울은 편광 빔 분할기에 의해 투과된 광에너지를 수용하여 이 에너지를 출력 도파관을 향하도록 90도 방향 전환한다.In a waveguide polarization recovery system, the input and output waveguides are configured to be in either substantially parallel or substantially perpendicular directions. In the shape where the input and output waveguides are substantially parallel, the output waveguide directly receives the light energy transmitted by the beam splitter. As such, light energy enters and exits the polarization recovery system in substantially the same direction. Alternatively, the input and output waveguides can be positioned substantially perpendicular to each other so that light energy can come from the polarization recovery system in a direction substantially perpendicular to each other in the direction of entry. In the shape of the vertical input and output waveguide, the mirror receives the light energy transmitted by the polarizing beam splitter and redirects this energy 90 degrees toward the output waveguide.
본 발명의 편광 복원 도파관 시스템은 상기 열거한 광학 요소들을 단일 소형 유닛으로 결합한다. 일 실시예에 있어서, 도파관 편광 복원 시스템은 광학 요소 사이에 위치된 광학적으로 투명한 재료로 된 하나 이상의 "갭"을 더 포함함으로써 시스템에 의한 광학 에너지의 손실을 최소화하도록 내부 전반사를 더 강화한다.The polarization recovery waveguide system of the present invention combines the above listed optical elements into a single small unit. In one embodiment, the waveguide polarization recovery system further enhances total internal reflection to minimize loss of optical energy by the system by further including one or more "gaps" of optically transparent material positioned between the optical elements.
LED 조명 분야에서, 각각의 LED는 일반적으로 단색을 방출한다. 다색용으로 N개의 LED(일반적으로, N≥2)가 사용된다. 일반적으로 N개의 LED, 예를 들어 2개의 LED는 나란히 배치되어 동일한 표적으로 결합된다. 각각의 LED의 출력을 변화시킴으로써 원하는 색상과 밝기를 얻을 수 있다. 이러한 방식으로 색상을 결합하기 위해, 일반적인 조명 시스템의 에텐듀는 방출 면적이 커질수록 증가되어야 한다. 따라서, 본 발명의 일 실시예에 있어서, 도광관 기반 시스템은 에텐듀를 증가시키지 않으면서 색상을 결합한다.In the field of LED lighting, each LED typically emits a single color. N LEDs (typically N≥2) are used for multicolor use. Typically N LEDs, for example two LEDs, are placed side by side and combined with the same target. By varying the output of each LED, the desired color and brightness can be achieved. In order to combine color in this way, the etendue of a typical lighting system must increase with larger emission area. Thus, in one embodiment of the present invention, a light guide based system combines colors without increasing etendue.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다색 조명 시스템은 빔 결합기를 포함한다. 빔 결합기는 두 개의 삼각 프리즘과, 제1 광선을 투과하고 제2 광선을 반사하는 필터를 포함하며 여기서 각각의 광선은 상이한 파장을 가진다. 빔 결합기는 투과 광선과 반사 광선을 결합하여 결합 빔을 제공한다. 삼각 프리즘 각각의 표면은 연마되어 다색 조명 시스템의 에텐듀를 증가시키지 않으면서 상기 광선을 결합한다. According to one embodiment of the invention, the multicolor illumination system comprises a beam combiner. The beam combiner includes two triangular prisms and a filter that transmits the first light beam and reflects the second light beam, where each light beam has a different wavelength. The beam combiner combines the transmitted and reflected light beams to provide a combined beam. The surface of each of the triangular prisms is polished to combine the light rays without increasing the etendue of the multicolor illumination system.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다색 조명 시스템은 n+1개의 광선을 결합하는 n개 (n>2)의 빔 결합기와, 각각의 빔 결합기 사이에 제공되는 낮은 굴절률의 글루(glue) 또는 공기 갭을 포함하며, 여기서 각각의 광선은 상이한 파장을 갖는다. 각각의 빔 결합기는 두 개의 삼각 프리즘과, 이전 빔 결합기로부터 수용된 결합 빔을 투과하고 상기 n+1개의 광선 중에서 이전에 투과되거나 반사되지 않은 새로운 광선을 반사하는 필터를 포함하고, 삼각 프리즘 각각의 표면은 연마되어 있다. 빔 결합기는 투과되는 결합 빔과 반사되는 새로운 광선을 결합하여 새 결합 빔을 제공한다. 새 결합 빔은, 빔 결합기가 마지막 빔 결합기가 아닌 경우 다음 빔 결합기에 제공되고 빔 결합기가 마지막 빔 결합기인 경우 출력된다. 각각의 빔 결합기 사이의 낮은 굴절률의 글루 또는 공기 갭은 다색 조명 시스템의 에텐듀를 증가시키지 않으면서 다색 조명 시스템이 광선 모두를 결합할 수 있게 한다.According to one embodiment of the invention, a multicolor illumination system comprises n (n> 2) beam combiners that combine n + 1 rays and a low refractive index glue or air provided between each beam combiner. Gaps, where each ray has a different wavelength. Each beam combiner includes two triangular prisms and a filter that transmits the combined beam received from the previous beam combiner and reflects new rays previously transmitted or unreflected among the n + 1 rays, the surface of each triangular prism Is polished. The beam combiner combines the transmitted combined beam with the reflected new light beam to provide a new combined beam. The new combined beam is provided to the next beam combiner if the beam combiner is not the last beam combiner and output if the beam combiner is the last beam combiner. The low refractive index glue or air gap between each beam combiner allows the multicolor illumination system to combine all of the rays without increasing the etendue of the multicolor illumination system.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다색 조명 시스템은 적어도 두 개의 LED와, 각각의 LED와 결합되는 도광관과, X-큐브와, 낮은 굴절률의 글루 또는 공기 갭을 포함한다. 두 개의 LED는 두 개의 상이한 파장을 갖는 두 개의 광선을 제공한다. X-큐브는 LED와 결합되는 각각의 도광관으로부터 수용되는 광선을 결합하여, 출력 빔을 제공한다. 낮은 굴절률의 글루 또는 공기 갭은 다색 조명 시스템의 에텐듀를 증가시키지 않으면서 광선을 결합하도록 각각의 도광관과 X-큐브 사이에 제공된다. According to one embodiment of the present invention, a multicolor illumination system includes at least two LEDs, a light guide coupled to each LED, an X-cube, and a low refractive index glue or air gap. Two LEDs provide two rays of light with two different wavelengths. The X-cube combines the light rays received from each light guide coupled with the LEDs to provide an output beam. A low refractive index glue or air gap is provided between each light guide and the X-cube to couple the light rays without increasing the etendue of the multicolor illumination system.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광엔진은 상술한 바와 같은 다색 조명 시스템을 포함한다.According to one embodiment of the invention, the light engine comprises a multicolor illumination system as described above.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 프로젝션 디스플레이 시스템은 상술한 바와 같은 광엔진과, 디스플레이 신호에 따라 광선을 변조하는 적어도 하나의 광변조 패널(light modulator panel)과, 디스플레이 스크린에 변조된 광선을 투영하는 투영 렌즈를 포함한다.According to an embodiment of the present invention, a projection display system projects a light engine as described above, at least one light modulator panel that modulates light rays in accordance with a display signal, and modulated light rays on the display screen. It includes a projection lens.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다색 조명을 위한 방법은 제1 필터에 의해 투과되는 제1 광선과 제1 필터에 의해 반사되는 제2 광선을 제1 빔 결합기로 결합하여 결합 빔을 제공하는 단계와, 제2 필터에 의해 투과되는 결합 빔과 제2 필터에 의해 반사되는 제3 광선을 제2 빔 결합기로 결합하여 출력 빔을 제공하는 단계와, 에텐듀를 증가시키지 않으면서 상기 광선을 결합하도록 제1 및 제2 빔 결합기 사이에 낮은 굴절률의 글루 또는 공기 갭을 제공하는 단계를 포함하며, 여기서 각각의 광선은 상이한 파장을 갖는다. According to one embodiment of the invention, a method for multicolor illumination comprises combining a first light beam transmitted by a first filter and a second light beam reflected by the first filter with a first beam combiner to provide a combined beam. And combining the combined beam transmitted by the second filter and the third beam reflected by the second filter with a second beam combiner to provide an output beam, and to combine the beam without increasing etendue. Providing a low refractive index glue or air gap between the first and second beam combiners, wherein each light ray has a different wavelength.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다색 조명을 위한 방법은 대응하는 두 개의 도광관으로부터 수용되는 두 개의 상이한 파장을 갖는 적어도 두 개의 광선을 X-큐브로 결합하는 단계와, 에텐듀를 증가시키지 않으면서 광선을 결합하도록 각각의 도광관과 X-큐브 사이에 낮은 굴절률의 글루 또는 공기 갭을 제공하는 단계를 포함한다.According to one embodiment of the invention, a method for multicolor illumination comprises combining at least two rays of light having two different wavelengths received from corresponding two light guides into an X-cube, without increasing the etendue. Providing a low refractive index glue or air gap between each light guide and the X-cube to couple the light beams.
다음 도면들을 참조함으로써 본 발명의 여러 가지 이점들에 관하여 상세하게 설명하도록 하겠다. 동일 참조부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.With reference to the following drawings will be described in detail with respect to the various advantages of the present invention. Like reference numerals denote like elements.
도1 내지 도4와 도6 내지 도10은 본 발명의 여러 실시예에 따른 도파관 편광 복원 시스템의 개략도이다.1-4 and 6-10 are schematic diagrams of a waveguide polarization reconstruction system in accordance with various embodiments of the present invention.
도5는 본 발명의 일 실시예에 따른 편광 복원 시스템을 포함하는 소형 프로젝션 장치의 개략도이다.5 is a schematic diagram of a small projection apparatus including a polarization recovery system according to an embodiment of the present invention.
도11은 공기 갭 또는 낮은 굴절률의 글루 없이 90도 선회부를 포함하는 도광관의 개략도이다.11 is a schematic view of a light guide tube including a 90 degree turn without air gaps or low refractive index glue.
도12는 본 발명의 일 실시예에 따라 공기 갭 또는 낮은 굴절률의 글루를 갖는 90도 선회부를 포함하는 도광관의 개략도이다.Figure 12 is a schematic view of a light pipe including a 90 degree turn with an air gap or low refractive index glue in accordance with one embodiment of the present invention.
도13a 및 도13b는 본 발명의 일실시예에 따른 도광관 기반 다색 시스템의 개략도이다.13A and 13B are schematic diagrams of a light guide-based multicolor system in accordance with one embodiment of the present invention.
도14는 본 발명의 일 실시예에 따른 도광관 기반 다색 시스템의 개략도이다.14 is a schematic diagram of a light guide-based multicolor system according to an embodiment of the present invention.
도15는 본 발명의 일 실시예에 따른 X-큐브를 포함하는 도광관 기반 다색 시스템의 개략도이다.Figure 15 is a schematic diagram of a light guide-based multicolor system including an X-cube according to one embodiment of the present invention.
도16은 본 발명의 일 실시예에 따른 X-큐브를 포함하는 도광관 기반 다색 시스템의 개략도이다.Figure 16 is a schematic diagram of a light guide-based multicolor system including an X-cube in accordance with an embodiment of the present invention.
도17은 본 발명의 일 실시예에 따른 LED의 어레이를 포함하는 도광관 기반 다색 시스템의 개략도이다.17 is a schematic diagram of a light guide-based multicolor system including an array of LEDs in accordance with an embodiment of the present invention.
도18은 본 발명의 도광관 시스템을 포함하는 프로젝션 시스템의 개략도이다.18 is a schematic diagram of a projection system including the light guide system of the present invention.
도19는 파란색, 녹색 및 빨간색 광선의 피크 또는 고강도 영역을 도시한 그래프이다.19 is a graph showing peak or high intensity regions of blue, green and red light rays.
도20은 다른 고강도 영역을 갖는 세 개의 다른 빨간색 광선을 결합하여 형성되는 빨간색 광선을 도시한 그래프이다.20 is a graph showing red rays formed by combining three different red rays having different high intensity regions.
본 발명의 실시예들에 따르면, 도1 내지 도4와 도6 내지 도10에 도시된 바와 같이 소형 도파관 편광 복원 시스템(10)은 입력 도파관(20)과, 편광 빔 분할기[polarizing beam splitter(PBS), 30]와, 파장판(40)과, 출력 도파관(50)을 포함하고, 파장판은 구성에 따라 반파장판 또는 1/4 파장판일 수 있다. 입력 및 출력 도파관(20, 50) 사이에서 광선의 흐름을 유도할 필요가 있다면, 도파관 편광 복원 시스템(10)은 일반적으로 거울(60)을 더 포함한다. 이하에서는 도파관 편광 복원 시스템(10)을 위한 몇 가지 가능한 구성을 개괄적으로 설명한 뒤 개별 구성요소에 관해 상세하게 검토하도록 하겠다.According to embodiments of the present invention, the small waveguide
도1, 도3 및 도6은 출력 광에너지가 실질적으로 입력 광에너지와 평행한 도파관 편광 복원 시스템(10)의 일 형상을 도시하고 있다. 이러한 실시예에 있어서, 입력 도파관(20)은 광원 또는 LED 광원으로부터 비편광 입력 광선이 PBS(30)로 입사되도록 유도한다. 도시된 PBS(30)는 p-편광을 투과하고, 입력 광에너지 중에서 p-편광 부분은 최초 입력방향과 동일한 방향을 유지하는 반면에 s-편광은 최초 입력방향에 수직으로 반사된다. 반파장판(40)은 반사된 s-편광을 수용하여 p-편광으로 변환하도록 배치된다. 이어서, 거울(60)은 반파장판(40)으로부터의 변환 에너 지의 방향을 최초 입력방향으로 변경한다. PBS(30)로부터 투과된 광에너지와 반파장판(40)으로부터 변환된 광에너지는 모두 출력 도파관에서 재결합되고 혼합된다. 결과적으로 출력 광에너지는 균일한 강도의 프로파일을 가지고 편광된다. 이에 상반되는 편광 출력은 s-편광만 투과하는 PBS(30)를 사용함으로써 만들어질 수 있다는 점은 쉽게 알 수 있다.1, 3 and 6 illustrate one shape of waveguide
도2, 도4 및 도7 내지 도8은 출력 광에너지가 원래의 입력 광에너지에 수직인 다른 형상을 갖는 도파관 편광 복원 시스템(10)의 일 실시예를 도시하고 있다. 도1의 실시예에서와 같이, 입력 도파관(20)은 비편광 입력 광선을 PBS(30)로 입사되도록 유도한다. 또한, PBS(30)는 p-편광을 투과하는 동일한 기능을 수행하고, 입력 광에너지 중에서 p-편광 부분은 최초 입력방향과 동일한 방향으로 유지되는 반면에 s-편광은 최초 입력방향에 수직으로 반사된다. 그러나, 도2의 형상에 있어서 하나의 거울(60)은 입력 광에너지 중에서 투과된 p-편광 부분을 출력 도파관(50)을 향하여 90도 방향 전환한다. 또한, PBS(30)로부터 반사된 s-편광은 1/4 파장판(40')을 통해 한번 전파되고, 이어서 두 번째 거울(60)은 또 한 번의 통과를 위해 반사된 광에너지를 1/4 파장판(40')으로 반사한다. 제2 통과도 마찬가지로 출력 도파관(50) 방향이다. 반사된 s-편광은 1/4 파장판(40')을 두 번 통과하기 때문에 도시된 바와 같이 s-편광은 거울에 의해 두 번 p-편광되어 반 파장 이동된다. 또한, 양 p-편광 출력들은 출력 도파관에서 혼합되어 균일한 강도의 출력을 발생시킬 것이다. 도2의 실시예는 단지 두 개의 광학적 영역, 즉 입력 도파관(20)과, PBS(30)와, 1/4 파장판(40')과 거울(60)의 조합을 통해 형성된 제1 영역과, 입 력 도파관(50)과, 두 번째 거울(60)의 조합을 통해 형성된 제2 영역을 필요로 한다. 따라서, 본 시스템은 설계가 단순하며 상대적으로 저렴하다. 또한, 아래에서 상세하게 살펴보겠지만 본래의 입력 광에너지에 수직으로 출력 광에너지를 위치시키는 것은 프로젝션 시스템을 더 소형으로 만들 수 있다는 이점을 가진다.2, 4 and 7-8 illustrate one embodiment of a waveguide
파장판(40)이 PBS(30)에 의해 반사되는 광에너지를 변형하는 상기 형상과 달리, 도파관 편광 복원 시스템(10)의 다른 형상은 PBS(30)에 의해 투과된 광에너지를 변형하도록 파장판을 위치시킨다. 예를 들어, 도9 및 도10은 반파장판(40)이 PBS(30)에 의해 투과된 광에너지를 수용하도록 위치되는 형상을 도시하고 있다. 도9의 형상에 있어서, 반파장판(40)은 광학상으로 거울(60)과 출력 도파관(50) 사이에 위치된다. 반파장판(40)은 거울(60)에 의해 최초로 방향이 변경되는 투과된 광에너지를 수용한다. 이와 유사하게, 도10에서는 반파장판(40)이 PBS(30)와 거울(60) 사이에 위치된다. 이러한 방식으로, PBS(30)로부터 투과된 광에너지는 출력 도파관(50)을 향하도록 방향 전환되기 전에 먼저 재편광된다. 도9 및 도10의 형상은 입력 광에너지가 PBS(30)의 편광층을 한 번만 통과함으로써 시스템(10)의 광학 에너지 손실을 감소시킨다는 점에서 유리하다. 이와 달리, 상기 도2, 도4 및 도7 내지 도8의 형상은 입력 광에너지의 일부가 PBS(30)를 두 번 통과할 것을 요한다.Unlike the above shape, in which the
도파관 편광 복원 시스템(10)의 여러 가지 형상들은 아래의 상세한 설명과 같이 동일한 구성요소를 사용한다.The various shapes of the waveguide
일반적으로 입력 도파관(20)은 아크등과 같은 광원으로부터 광선을 집광하여 복수의 반사를 통해 광선을 혼합함으로써 도파관 편광 복원 시스템(10) 내에 더 균일한 강도의 프로파일을 발생시키는 적분기이다. 마찬가지로, 일반적으로 출력 도파관(50)은 도파관 편광 복원 시스템(10)으로부터 광선을 집광하여 복수의 반사를 통해 광선을 혼합함으로써 영상 표시기의 조명을 위해 더 균일한 강도의 프로파일을 발생시키는 적분기이다. 입력 도파관(20)과 출력 도파관(50)은, 예를 들어 단일 코어 광섬유 용융 광섬유 다발, 섬유 다발, 속이 차거나 빈 정방형 또는 직사각형 도광관 또는 호모지나이저일 수도 있으며, 이는 페이퍼지거나 테이퍼지지 않을 수 있다. 광학 프로젝션 시스템에 있어서, 입력 도파관(20)과 출력 도파관(50)은 일반적으로 영상 표시기 또는 최종적으로 투영된 영상의 형상에 대응하여 직사각형의 단면을 가진다. 입력 도파관(20)과 출력 도파관(50)은 용량 요건에 따라 유리, 석영 또는 플라스틱으로 만들어질 수 있다. In general, the
입력 도파관(20)과 출력 도파관(50) 중 어느 하나 또는 둘 다는 프로젝션 시스템을 위해 필요하다면 증가 또는 감소하는 테이퍼부를 가진다. 예를 들어, 도3 및 도4와, 도6 내지 도10은 입력 단면이 광원의 면적에 대응되고 출력 단면이 LCD 영상 표시기의 치수와 관계가 있고 입력 도파관(20')은 테이퍼진 로드인 도파관 편광 복원 시스템(10)의 실시예들을 도시하고 있다. 광학 프로젝션 시스템에서 미광을 최소화할 필요가 있다면 입력 도파관(20)의 최종 치수는 변경될 수 있다. 이와 유사하게, 도8은 출력 도파관(50')이 마찬가지로 테이퍼진 도파관 편광 복원 시스템(10)의 일 실시예를 도시하고 있다. PBS(30)와, 파장판(40)과, 프로젝션 시스템을 위한 출력 요건의 성능 파라미터에 따라 편광 복원은 출력 구경과 동일하지 않 은 수치의 구경에서 수행될 수도 있으므로 출력 도파관(50')은 테이퍼링되는 것이 유리하다. PBS(30)와 파장판(40)은 더 작은 수치의 구경에서 성능이 더 나으므로, 결과적으로 작은 수치의 구경을 갖는 큰 구역으로 입력 광에너지를 변환하고 이어서 출력 도파관(50')의 출력부에서 광에너지를 다시 더 큰 수치의 구경으로 변환함으로써 유리한 성능의 증가를 얻을 수 있다. 전반적으로 입력 도파관(20)과 출력 도파관(50)의 테이퍼링은 프로젝션 시스템의 전체 성능 요건에 부합하도록 선택될 수 있고, 이와 유사하게 입력 및 출력 도파관은 어느 한쪽 방향으로 테이퍼질 수 있다.Either or both of
도파관 편광 복원 시스템(10)은 PBS(30)를 더 포함한다. PBS(30)는 하나의 편광에너지를 투과하는 반면에 다른 편광에너지는 반사하는 잘 알려진 광학 소자다. 일반적으로 PBS(30)는, 대각면에 편광 코팅이 도포되며 플라스틱 또는 유리와 같이 광학적으로 투명한 재료로 된 직사각형 프리즘이다. 이와 달리, PBS(30)는 광에너지의 편광에 따라 광에너지를 선택적으로 투과하는 재료를 포함할 수 있다. 그러나, 수많은 PBS의 다른 설계와 유형이 존재하고 이러한 다른 PBS 중 어떠한 것이라도 본 발명의 도파관 편광 복원 시스템(10)에서 사용될 수 있다는 점을 알 수 있다. PBS(30)는 잘 알려져 있고 상업적으로도 유용한 아이템이므로 더 논의하지는 않겠다.Waveguide
도파관 편광 복원 시스템(10)의 다른 구성요소는 파장판(40)이다. 파장판(40)은 파장판(40)을 통해 통과하는 광에너지의 편광을 변환하는 광학적으로 투명한 요소이다. 파장판(40)은 일반적으로 한 축으로 광선의 전파를 변경하고, 이 로써 편광을 변경한다. 파장판(40)은 도파관 편광 복원 시스템(10)의 특정 구성의 필요에 따라 반파장 또는 1/4 파장 중 하나일 수 있다. 전반적으로 파장판(40)은 잘 알려져 있고 상업적으로 유용한 아이템이므로 더 논의하지는 않겠다.Another component of the waveguide
도파관 편광 복원 시스템(10)은 도파관 편광 복원 시스템(10)을 통해 광에너지를 유도할 필요가 있을 때 하나 이상의 거울(60)을 더 포함할 수 있다. 거울은 흔히 금속이 코팅된 유리면 또는 연마된 금속으로 알려져 있으나, 거울(60)은 본 발명의 목적을 위해 이러한 통상의 정의에 제한되지는 않는다. 그 대신 거울(60)은 광에너지를 반사하거나 방향 전환할 수 있는 소정의 광학 요소로 생각될 수 있다. 예를 들어, 거울(60)은 입사각을 사용하여 광에너지를 포획하여 방향을 전환하는 도광관, 예를 들어 프리즘 또는 90도 선회하는 선회부를 갖는 도광관(총괄적으로 본 명세서에서는 프리즘을 말한다)으로 교체될 수 있다. 예를 들어, 도9 및 도10은 PBS(30)에 의해 투과된 광에너지를 출력 도파관(50)을 향하도록 안내하거나 방향 전환하는 프리즘을 갖는 도파관 편광 복원 시스템(10)을 도시하고 있다. 작은 수치의 구경을 갖는 시스템에 있어서는, 내부 전반사가 프리즘에서 일어날 수 있으므로 결과적으로 코팅이 필요하지 않다.Waveguide
본 발명의 다른 바람직한 실시예에 있어서, 도6 내지 도10에 도시된 도파관 편광 복원 시스템(10)은 다른 광학 소자 사이에 하나 이상의 광학적으로 투명한 재료, 낮은 굴절률의 글루 또는 "갭(70)" (총괄적으로 본 명세서에서는 갭을 말한다)을 더 포함한다. 갭(70)은 광학 요소 사이에 남겨진 공기의 포켓일 수 있다. 갭(70)은 또한 내부 전반사가 여전히 일어나도록 낮은 굴절률의 에폭시 또는 다른 투명한 재료로 충전될 수 있으나 구성요소의 조립은 간단할 것이다. 예를 들어, 도6은 입력 도파관(20)과 PBS(30) 사이에 갭(70)을 갖는 형상을 도시한다. PBS(30)와 갭(70) 사이에 경계면으로부터의 내부 전반사는 광에너지가 입력 도파관(20)으로 대신 돌아가서 손실이 되는 것을 방지하기 때문에 이러한 갭(70)은 대각 PBS(30)에 의해 반사된 광에너지가 1/4 파장판(40')을 향하도록 90도 선회되는 것을 보장한다. 도6의 도파관 편광 복원 시스템(10)은 또한 다른 광학 소자 사이에서 내부 전반사를 촉진하는 다른 갭(70)을 가진다. 이와 유사하게, 도7은 갭(70)이 도4에 도시된 테이퍼진 입력 도파관(20)과 수직으로 구성된 출력 도파관(50)을 갖는 편광 복원 시스템에 추가되는 도파관 편광 복원 시스템(10)을 도시하고 있다. 또한, 이러한 갭(70)은 광학 요소 사이에 내부 전반사를 촉진함으로써 효율을 증가시킨다. 도6 및 도7에 도시된 바와 같이, 갭(70)은 시스템의 효율을 증가시키는 반면에 개별 부품 수를 증가시켜 도파관 편광 복원 시스템(10)이 더욱 복잡하게 된다.In another preferred embodiment of the present invention, the waveguide
도9 및 도10의 상기 구성에 있어서, 갭(70)은 거울처럼 광에너지가 출력 도파관(60')을 향하도록 유도하는 작용을 하는 프리즘(60')의 성능을 향상시키는 기능도 한다. 특히, 프리즘(60')의 빗변으로부터 다시 PBS(30)를 향하여 반사되는 광선이 이러한 갭(70)의 경계면과 충돌하여 내부에서 출력 도파관(50)을 향해 반사되도록 PBS(30)와 프리즘(60') 사이에 갭(70)이 필요하다. 이와 같이, 시스템의 효율은 손실을 최소화함으로써 개선될 수 있다.9 and 10, the
갭(70)의 성능은 투과 광선이 최소한의 손실을 겪도록 양 표면상에 무반사 코팅(anti-reflection coating)을 사용함으로써 더 좋아질 수 있다. The performance of the
도5는 도파관 편광 복원 시스템(10)을 사용하는 프로젝터(100)를 도시하고 있다. 프로젝터(100)는 집광 시스템(110)을 포함하고, 집광 시스템은 일례로서 두 개의 포물면 반사기와, 광원(120)으로부터 그 자신으로 되돌아가도록 빛을 반사함으로써 출력을 증가시키는 역반사기(retro-reflector)를 포함한다. 아크 광원(120)은 제1 포물면 반사기에 초점을 맞추도록 위치되고 입력 도파관(20)의 선단부는 제2 포물면 반사기에 초점이 맞춰진다. 이러한 집광 시스템(110)은 예시적으로 제공되었을 뿐이며 수많은 다른 집광 시스템이 알려져 있고 사용될 수 있다는 점을 알 수 있다. 마찬가지로, 광원(120)은 크세논, 메탈램프, HID 또는 수은등과 같은 아크등일 수 있으며, 시스템이 램프의 비-불투명 필라멘트(non-opaque filament)를 수용하도록 변형되는 경우에는 할로겐램프와 같은 필라멘트 램프일 수 있다.5 shows a
도시된 프로젝터(100)에서, 입력 도파관(20)은 LCD 영상 표시기(150)의 광학적 필요를 채우기 위해 집광 시스템(110)으로부터 집광된 입력 광선에 정합되도록 설계된 테이퍼진 도광관이다. 상기 도4에서 설명한 바와 같이, 입력 도파관(20)의 광선 입력은 PBS(30)에 의해 편광되고 다른 편광은 1/4 파장판(40')에 의해 복원된다. 출력 도파관(50)은 이어서 편광된 광학 에너지를 LCD 영상 표시기(150)를 향하도록 유도한다. 이러한 경우, 그 후 출력 도파관(50)에서의 출력 광선은 손실을 최소화하도록 입사광선의 편광과 정합하는 방향을 갖는 제2 PBS(130)로 입사된다. 컬러 휠(color wheel, 140) 또는 다른 종류의 컬러 섹션 시스템(color section system) 및 반사형 LCD 영상 표시기(150)는 종래 방식으로 투영 렌즈(160)에 의해 투영된 영상을 만든다. 도5에 도시된 바와 같이, 광학 소자의 수는 최소화되어 프로젝터 비용은 상대적으로 저렴하다.In the
도파관 편광 복원 시스템(10)은 다른 종류의 프로젝션 시스템에서도 사용될 수 있다는 점을 알 수 있다. 예를 들어, 프로젝터는 또한 투영된 영상을 형성하기 위해 두, 세 개의 영상 표시기(150)를 사용할 수 있다. 또한, 영상 표시기(150)는 실리콘 액정(LCOS) 기술을 사용하는 반사형 디스플레이 또는 편광 시스템을 필요로 하는 소정의 다른 종류의 시스템일 수 있다. It will be appreciated that the waveguide
도11을 살펴보면, 예를 들어 90도 선회하는 선회부는 가지고 있으나 공기 갭 또는 낮은 굴절률의 글루와, 도광관 내에 여러 광로를 갖지 않는 도광관(20, 50)이 도시되어 있다. 어느 정도 큰 각을 갖는 광선은 손실되어 도광관 시스템의 효율을 감소시킨다. 본 발명의 실시예에 따르면, 도광관 시스템(200)은 도12에 도시된 바와 같이 공기 갭 또는 낮은 굴절률의 글루(70)를 포함하는 도광관(20, 50)을 포함한다. 광선, 예를 들어 도11에서 손실되는 광로(a) 및 (c)는 내부 전반사에 의해 재포획되어 도광관 시스템(200)의 출력 도광관(50)에 의해 집광된다.Referring to Fig. 11, for example, there are shown
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도13a에 도시된 바와 같이 다색 시스템(300)은 결합기(310, 320)와, 공기 갭 또는 낮은 굴절률의 글루(70)와, 세 개의 광원, 즉 빨간색(R), 녹색(G) 및 파란색(B) 광원을 포함한다. 각각의 입력 광선은 도광관 또는 렌즈 시스템(200)(도시되지는 않았으나 도12에 도시된 것 같은 것)을 통해 다색 시스템(300)으로 직접 또는 간접적으로 연결된다. 각각의 빔 결합기는 필터 와, 두 개의 프리즘 또는 빔 분할기를 포함하고, 바람직하게는 모든 면이 연마된 삼각형 프리즘을 포함한다. 필터A를 갖는 제1 빔 결합기(310)는 빨간색 광선(R)을 투과하고 녹색 광선(G)을 반사한다. 필터A는 빨간색 광선(R)을 투과하고 녹색 광선(G)을 반사하도록 제어, 조정 또는 선택된다는 점을 알 수 있다. 입력부로부터의 빨간색 광선(R)은 제1 결합기(310)에 의해 투과되고 제1 결합기(310)의 다른 면으로부터의 녹색 광선(G)은 반사된다. 반사된 녹색 광선(G)은 투과된 빨간 광선(R)과 결합하여 결합기(310)의 동일면 외부로 함께 나온다. 결합된 빨간색/녹색 광선(R, G)은 이어서, 빨간색과 녹색 광선(R, G)을 투과하고 파란색 광선(B)을 반사하는 필터B를 갖는 제2 결합기(320)에 진입한다. 필터B는 빨간색과 녹색 광선(R, G)을 투과하고 파란색 광선(B)을 반사하도록 제어, 조정 또는 선택된다는 점을 알 수 있다. 결과적으로, 빨간색/녹색 광선은 제2 결합기(320)를 통해 계속하여 통과하고 파란색 입력부로부터의 파란색 광선(B)은 제2 결합기(320)에 의해 반사된다. 반사된 파란색 광선(B)은 투과된 빨간색과 녹색 광선(R, G)과 결합하고, 결합 광선(R, G, B)은 함께 다색 시스템(300)에서 나온다. 출력 강도와 색상은 다색 시스템(300)에 입력된 각각의 색상의 광선의 양에 따라 제어된다는 점을 알 수 있다. 또한, 광원의 배치는 임의적이고 다색 시스템(300)의 용도에 따른다. 즉, 녹색 광선(G) 대신 파란색 광선(B)을 반사하도록 조정된 필터A를 구비한 제1 빔 결합기(310)에 녹색 광선(G) 대신 파란색 광선(B)이 입력될 수 있다. 본 발명의 다색 시스템(300)의 출력 빔은 개별 입력 빔과 동일한 단면을 차지하고, 이에 따라 단일 광원과 동일한 에텐듀를 유지한다. 광선의 효율적인 결합은 빔 결합기(310, 320)와 같은 다양한 광학 요소 사이에 공기 갭 또는 낮은 굴절률의 글루(70)를 제공함으로써 얻어질 수 있다. 본 발명의 태양에 따라, 본 발명의 다색 시스템(300)의 결합 출력 빔은 광섬유 조명장치 또는 프로젝션 디스플레이용, 예를 들어 프로젝션 디스플레이 시스템용 광엔진으로 사용될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as shown in FIG. 13A, the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도13b에 도시된 바와 같이 다색 시스템(300)은 빔 결합기(310)와, 두 개의 광원, 즉 빨간색(R) 및 녹색(G) 광원을 포함한다. 각각의 광선 입력은 도광관 또는 렌즈 시스템(200)(도시되지는 않았으나 도12에 도시된 것 같은 것)을 통해 다색 시스템(300)으로 직접 또는 간접적으로 연결된다. 각각의 빔 결합기는 필터와, 두 개의 프리즘 또는 빔 분할기를 포함하고, 바람직하게는 모든 면이 연마된 삼각형 프리즘을 포함한다. 필터A를 갖는 제1 빔 결합기(310)는 빨간색 광선(R)을 투과하고 녹색 광선(G)을 반사한다. 필터A는 빨간색 광선(R)을 투과하고 녹색 광선(G)을 반사하도록 제어, 조정 또는 선택된다는 점을 알 수 있다. 입력부로부터의 빨간색 광선(R)은 제1 결합기(310)에 의해 투과되고 제1 결합기(310)의 다른 면으로부터의 녹색 광선(G)은 반사된다. 반사된 녹색 광선(G)은 투과된 빨간색 광선(R)과 결합하여 결합기(310)의 동일면 외부로 함께 나온다. 출력 강도와 색상은 다색 시스템(300)에 입력된 각각의 색상의 광선의 양에 따라 제어된다는 점을 알 수 있다. 또한, 광원의 배치는 임의적이고 다색 시스템(300)의 용도에 따른다. 즉, 녹색 광선(G) 대신 파란색 광선(B)을 반사하도록 조정된 필터A를 구비한 제1 빔 결합기(310)에 녹색 광선(G) 대신 파란색 광선(B)이 입력될 수 있다. 본 발명의 다색 시스템(300)의 출력 빔은 개별 입력 빔과 동일한 단면을 차지하고, 이에 따라 단일 광원과 동일한 에텐듀를 유지한다. 광선의 효율적인 결합은 삼각형 프리즘의 반사하는 연마된 표면에 의해 얻어질 수 있다. 본 발명의 태양에 따라, 본 발명의 다색 시스템(300)의 결합 출력 빔은 광섬유 조명장치 또는 프로젝션 디스플레이용, 예를 들어 프로젝션 디스플레이 시스템용 광엔진으로 사용될 수 있다.According to one embodiment of the invention, as shown in FIG. 13B, the
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도13a 및 도13b의 각각의 입력 광원(R, G, B)은 도14에 도시된 바와 같이 직선 또는 테이퍼진 도광관(330)과 결합되는 LED 광원이다. 도14에서 상향 테이퍼진 도광관(330)이 도시되었으나, 하향 테이퍼진 도광관(330)도 마찬가지로 사용될 수 있다는 점을 알 수 있다. 도17에 도시된 바와 같이, 광원은 각각 상이한 색상 또는 파장을 갖는 광선을 제공하는 복수의 LED광원 또는 LED광원의 어레이 I1-In (n≥2) 일 수 있다는 점을 알 수 있다. 선택적으로, 광원 I0는 광원 I0로부터 광선을 다음 빔 결합기 BC2로 투과하는 빔 결합기 BC1에 입력으로서 제공될 수 있다. 각각의 광원 Ij로부터의 광선 또는 광에너지는 광원 Ij로부터의 광선의 파장과 정합하는 필터 Fj를 포함하는 대응 빔 결합기 BCj에 의해 반사된다. 반사 광선 Ij는 투과 광선 I0…Ij - 1와 결합하고, 결합 광선 I0…Ij는 이어서 다음 빔 결합기 BCj +1에 진입한다. 마지막으로, 결합 광선 I0…In은 빔 결합기 BCn으로부터 나가서 직선, 상향 테이퍼지거나 하향 테이퍼진 출력 도광관(430)으로 진입한다. 도시되지는 않았으나, 각각의 광원은 도14에 도시된 바와 같이 직선, 상향 테이퍼지거나 하향 테이퍼진 도광관(330)에서 결합될 수 있다.According to one embodiment of the invention, each of the input light sources R, G, B in FIGS. 13A and 13B is an LED light source coupled with a straight or tapered
본 발명의 특정 용도로서 향상된 더 나은 색상이 필요한 경우, 넓은 구역을 컬러좌표공간(color coordinate space)으로 뒤덮도록 다양한 색상을 발생시키는 복수의 LED를 사용할 수 있다. 프로젝션 디스플레이 시스템에 있어서, 6-색 시스템은 더 선명하고 충분한 색상을 제공하는 것으로 알려져 왔다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, n-색 프로젝션 디스플레이 시스템은 도17에 도시된 바와 같이 n개의 상이한 색상의 광선 또는 n개의 상이한 파장을 갖는 광선을 제공하는 n개의 상이한 LED 광원(I1,…, In)을 포함한다. 필터 Fj는 파장λj를 갖는 광선만을 반사하도록 LED 광원 Ij의 파장 λj에 정합되도록 제어, 조정 또는 선택된다.If improved color is desired as a particular use of the present invention, a plurality of LEDs can be used that generate a variety of colors to cover a wide area with a color coordinate space. In projection display systems, six-color systems have been known to provide sharper and sufficient colors. According to one embodiment of the present invention, the n-color projection display system is provided with n different LED light sources I 1 ,... Which provide n different color light rays or light rays with n different wavelengths as shown in FIG. 17. , I n ). Filters F j is an LED light source is controlled, adjusted or selected to match the wavelength of λ j I j to reflect only light having a wavelength λ j.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 출력 광선의 밝기는 더 선명하고 강렬한 색상을 제공하기 위해 필터 또는 광원의 적절한 선택으로 제어 및 증가될 수 있다. 예를 들어, 각각의 필터 Fj는 대응하는 광원 또는 LED 광원으로부터 광선 또는 광에너지 중에서 저강도 부분을 걸러내도록 제어, 조정 또는 선택될 수 있고, 이로써 광선의 고강도 부분만을 전파하여 더 밝은 출력 빔을 발생시킬 수 있다.According to one exemplary embodiment of the present invention, the brightness of the output light beam can be controlled and increased with the appropriate choice of filter or light source to provide clearer and more intense colors. For example, each filter F j can be controlled, adjusted or selected to filter out the low intensity portion of the light or light energy from the corresponding light source or LED light source, thereby propagating only the high intensity portion of the light beam to produce a brighter output beam. Can be generated.
본 발명의 예시적인 일 실시예에 따르면, 도20에 도시된 바와 같이, 복수의 LED 광원은 단일 색상, 예를 들어 빨간색을 강화하기 위해 사용될 수 있다. 일반적으로 도19에 도시된 바와 같이, 각각의 광선은 고강도 영역, 예를 들어 빨간색 광선은 고강도 영역 λR을 갖고, 파란색 광선은 고강도 영역 λB를 갖는다. 예를 들어, 각각 고강도 영역 λR1, λR2 및 λR3를 갖는 세 개의 다른 빨간색 광선 R1, R2 및 R3는 X-큐브(410) 또는 빔 결합기(310, 320, BCj)에 입력되어 단일 고강도의 빨간색 광선을 형성하기 위해 결합된다. 대응하는 필터 FR1, FR2 및 FR3 각각은 빨간색 광선 R1, R2 및 R3의 저강도 영역을 걸러낸다.According to one exemplary embodiment of the present invention, as shown in Figure 20, a plurality of LED light sources can be used to enhance a single color, for example red. In general, as shown in Fig. 19, each ray has a high intensity region, for example, a red ray has a high intensity region λ R , and a blue ray has a high intensity region λ B. For example, three different red rays R1, R2 and R3 having high intensity regions λ R1 , λ R2 and λ R3 , respectively, are input to the X-cube 410 or
본 발명의 일 실시예에 따르면, 도15 및 도16에 도시된 바와 같이, 다색 시스템(400)은 다색 시스템(400)의 에텐듀를 증가시키지 않으면서 빔을 결합하기 위해 X-큐브 색상 결합기(410) [또는 X-큐브(410)]를 포함한다. 각각의 광원(도16) 또는 LED 광원(도15)은 직선, 상향 테이퍼지거나 하향 테이퍼진 도광관(420)에 결합된다. 빨간색 광원 또는 빨간색 LED로부터의 빨간색 광선(R)은 직선, 상향 테이퍼지거나 하향 테이퍼진 도광관(420)을 통해 X-큐브(410)의 제1 입력면으로 X-큐브(410)에 진입한다. 빨간색 광선(R)은 X-큐브(410)에 의해 투과되고 X-큐브(410)의 출력면 외부로 나와서 직선, 상향 테이퍼지거나 하향 테이퍼진 출력 도광관(430)으로 나간다. 녹색 광원 또는 녹색 LED 광원으로부터의 녹색 광선(G)은 직선, 상향 테이퍼지거나 하향 테이퍼진 도광관(420)을 통해 X-큐브(410)의 제2 입력면으로 X-큐브(410)에 진입한다. X-큐브(410)는 녹색 광선(G)을 반사한다. 반사된 녹색 광선(G)은 투과된 빨간색 광선(R)과 결합하여 X-큐브(410)의 동일한 출력면 외부로 함께 나와서 직선, 상향 테이퍼지거나 하향 테이퍼진 출력 도광관(430)으로 나간다. 파란색 광원 또는 파란색 LED 광원으로부터의 파란색 광선(B)은 직선, 상향 테이퍼지거나 하향 테이퍼진 도광관(420)을 통해 X-큐브(410)의 제3 입력 면으로 X-큐브(410)에 진입한다. X-큐브(410)는 파란색 광선(B)을 반사한다. 반사된 파란색 광선(B)은 투과된 빨간색 광선(R) 및 반사된 녹색 광선(G)과 결합하여 X-큐브(410)의 동일한 출력면 외부로 함께 나와서 직선, 상향 테이퍼지거나 하향 테이퍼진 출력 도광관(430)으로 나간다. 도광관(420, 430)은, 예를 들어 단일 코어 광섬유 용융 광섬유 다발, 섬유 다발, 속이 차거나 빈 정방형 또는 직사각형 도광관 또는 호모지나이저일 수도 있으며 이는 상향 또는 하향으로 페이퍼지거나 테이퍼지지 않을 수 있다. 출력 강도 및 색상은 대응하는 광원 또는 LED 광원에 의해 다색 시스템(400)으로 입력된 각각의 색상의 광선의 양에 의해 제어된다는 점을 알 수 있다. 또한, 광원의 배치는 임의적이고 다색 시스템(400)의 용도에 따른다는 점을 알 수 있다. 즉, X-큐브(410)의 제2 입력면에 입력되는 녹색 광선(G) 대신에 빨간색 광선(R)이 X-큐브(410)의 제2 입력면에 입력될 수 있다. 본 발명의 다색 시스템(400)의 출력 빔은 개별 입력 빔과 동일한 단면을 차지하고, 이에 따라 단일 광원과 동일한 에텐듀를 유지한다. 광선의 효율적인 결합은 X-큐브(410)와 직선, 상향 테이퍼지거나 하향 테이퍼진 도광관(420, 430)과 같은 다양한 광학 요소 사이에 공기 갭 또는 낮은 굴절률의 글루(70)를 제공함으로써 얻어질 수 있다. 본 발명의 태양에 따라, 본 발명의 다색 시스템(400)의 결합 출력 빔은 광섬유 조명장치 또는 프로젝션 디스플레이용, 예를 들어 프로젝션 디스플레이 시스템용 광엔진으로 사용될 수 있다.According to one embodiment of the present invention, as shown in Figures 15 and 16, the
본 발명의 일 태양에 따르면, 광선의 효율적인 결합은 도광관(20, 50, 330), 프리즘 및 빔 결합기(310, 320, BC1-BCn)과 같은 다양한 광학 요소 사이에 공기 갭 또는 낮은 굴절률의 글루(70)를 제공함으로써 얻어질 수 있다. 이러한 공기 갭 또는 낮은 굴절률의 글루(70)는 손실되었을 광선을 다색 시스템(300)으로 다시 반사하도록 내부 전반사를 제공하고, 이로써 광선 또는 광에너지의 손실을 최소화하거나 제거할 수 있다.According to one aspect of the present invention, the efficient coupling of the light beams results in an air gap or low refractive index between various optical elements such as light guides 20, 50, 330, prisms and
본 발명과 동일한 개념을 따르면서 광원의 위치와 필터 세트를 달리하는 다른 구성들이 만들어질 수 있다는 것은 본 기술분야의 당업자라면 쉽게 알 수 있다. 두 개 또는 n개의 색상의 순서는 변경될 수 있다. 또한, 컬러 LED의 진입 위치도 변경될 수 있다.It will be readily apparent to one skilled in the art that other configurations may be made that follow the same concept as the present invention and differ in the position of the light source and the filter set. The order of the two or n colors can be changed. In addition, the entry position of the color LED may be changed.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다색 조명을 위한 방법은 제1 필터 A에 의해 투과되는 제1 광선(R)과 제1 필터 A에 의해 반사되는 제2 광선(G)을 제1 빔 결합기(310)로 결합하여 결합 빔을 제공하는 단계와, 제2 필터 B에 의해 투과되는 상기 결합 빔과 제2 필터 B에 의해 반사되는 제3 광선(B)을 제2 빔 결합기(320)로 결합하여 출력 빔을 제공하는 단계와, 에텐듀를 증가시키지 않으면서 광선을 결합하도록 빔 결합기(310, 320) 사이에 낮은 굴절률의 글루 또는 공기 갭을 제공하는 단계를 포함하며, 여기서 각각의 광선은 상이한 파장을 갖는다. According to one embodiment of the invention, the method for multicolor illumination comprises a first beam combiner (1) and a second beam (G) transmitted by the first filter A and a second beam (G) reflected by the first filter A. 310 to provide a combined beam, and to combine the combined beam transmitted by the second filter B and the third light beam B reflected by the second filter B with a
본 발명의 일 실시예에 따르면, 다색 조명을 위한 방법은 대응하는 두 개의 도광관(330)으로부터 수용되는 두 개의 상이한 파장을 갖는 적어도 두 개의 광선을 X-큐브(410)로 결합하는 단계와, 에텐듀를 증가시키지 않으면서 광선을 결합하도록 각각의 도광관(330)과 X-큐브(410) 사이에 낮은 굴절률의 글루 또는 공기 갭을 제공하는 단계를 포함한다.According to one embodiment of the invention, a method for multicolor illumination comprises combining at least two rays of light having two different wavelengths received from two corresponding light guides 330 into an X-cube 410; Providing a low refractive index glue or air gap between each
도17을 다시 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따라, 본 발명의 도광관 기반 다색 시스템을 포함하는 광선 프로젝션 시스템의 개략도가 도시되어 있다. LED 광원(510), 예를 들어 본 명세서에서 설명한 소정의 다색 시스템으로부터의 출력은 종래 방식으로 투영 렌즈(530)에 의해 투영된 영상을 발생시키는 프로젝션 엔진(520)[예를 들어, 디지털 라이트 프로세싱(DLP), 실리콘 액정(LCOS) 또는 고온 폴리 실리콘(HTPs) 등]으로 입력된다. 본 발명의 일 태양에 따라, 프로젝션 엔진(520)은 디스플레이 신호에 따라 광선을 변조하는 적어도 하나의 광변조 패널을 포함하고, 투영 렌즈(530)는 디스플레이 스크린에 변조된 광선을 투영한다.Referring back to Figure 17, in accordance with one embodiment of the present invention, a schematic diagram of a light beam projection system including a light guide based multicolor system of the present invention is shown. The output from the LED
또한, 일반적으로 둥근 광섬유용으로 둥근 프리즘 또는 필터를 사용함으로써 시스템을 실시할 수 있다.It is also possible to implement the system generally by using round prisms or filters for round optical fibers.
속이 찬 테이퍼진 도광관(330, 420, 430)이 도14, 도15 및 도17에 도시되어 있으나, 복합 포물면 집광기(compound parabolic concentrator, CPC), 렌즈, 속이 차거나 빈 정방형 CPC 또는 도광관을 포함하는 다른 결합 구성들과 소정의 다른 영상 또는 비영상 시스템이 사용될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 테이퍼진 도광관은 렌즈 출력면을 갖는다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 도광관의 입력부는 LED 광원으로부터 결합효율을 증가시키는 형상을 갖는다.Solid tapered light guides 330, 420, 430 are shown in FIGS. 14, 15, and 17, but include a compound parabolic concentrator (CPC), a lens, a hollow or hollow square CPC or light guide. Other combination configurations and any other video or non-image system may be used. According to one embodiment of the invention, the tapered light guide has a lens output surface. In addition, according to an embodiment of the present invention, the input portion of the light pipe has a shape to increase the coupling efficiency from the LED light source.
본 발명은 도시된 실시예를 특정하여 설명되었으나 여러 반복, 변형, 개조가 본 개시내용을 기초로 이루어질 수 있으며 본 발명의 기술범위 내에서 계획될 수 있다는 점을 알 수 있다. 첨부된 청구항들은 상술한 실시예, 여러 대안 및 모든 균등물을 포함하는 것으로 해석될 수 있다.Although the present invention has been described with particular reference to the illustrated embodiments, it will be appreciated that various repetitions, modifications, and adaptations may be made based on the disclosure and may be envisioned within the technical scope of the present invention. The appended claims may be construed to include the embodiments described above, various alternatives, and all equivalents.
Claims (26)
Applications Claiming Priority (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US65107905P | 2005-02-09 | 2005-02-09 | |
US60/651,079 | 2005-02-09 | ||
US11/240,169 US7130122B2 (en) | 2000-08-24 | 2005-09-30 | Polarization recovery system for projection displays |
US11/240,169 | 2005-09-30 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20070115882A true KR20070115882A (en) | 2007-12-06 |
Family
ID=36793672
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020077018222A KR20070115882A (en) | 2005-02-09 | 2006-02-09 | Etendue efficient combination of multiple light sources |
Country Status (4)
Country | Link |
---|---|
EP (1) | EP1846799A4 (en) |
KR (1) | KR20070115882A (en) |
CA (1) | CA2594462A1 (en) |
WO (1) | WO2006086458A2 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110044295A (en) * | 2008-08-15 | 2011-04-28 | 웨이비엔, 인코포레이티드 | A recycling system and method for increasing brightness using light pipes with one or more light sources, and a projector incorporating the same |
Families Citing this family (13)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2008029337A1 (en) * | 2006-09-07 | 2008-03-13 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Beam combiner for multiple light sources |
JP5098291B2 (en) * | 2006-10-30 | 2012-12-12 | コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 | Illumination device and image projection device |
JP5136820B2 (en) * | 2006-12-06 | 2013-02-06 | カシオ計算機株式会社 | Light source unit and projector |
JP5047735B2 (en) * | 2007-08-30 | 2012-10-10 | 株式会社リコー | Illumination device and image display device |
JP2009175426A (en) * | 2008-01-24 | 2009-08-06 | Funai Electric Co Ltd | Image projector and optical axis adjusting method for the projector |
EP2307917B1 (en) * | 2008-06-27 | 2019-02-20 | Panavision Federal Systems, Llc | Wavelength separating beamsplitter |
WO2010113100A1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-07 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Led collimation optics module and luminaire using same |
CA2757050A1 (en) * | 2009-03-31 | 2010-10-07 | John Andre Adams | Led collimation optics module providing an isolation fitting |
CN104136837B (en) | 2012-03-12 | 2017-10-13 | 3M创新有限公司 | Photoconductive tube homogenizer |
GB2501927B (en) * | 2012-05-11 | 2016-06-08 | Cymtec Ltd | Waveguide assembly |
TWI484119B (en) * | 2012-08-14 | 2015-05-11 | Chroma Ate Inc | Artificial light source |
GB2520252A (en) * | 2013-11-12 | 2015-05-20 | Cymtec Ltd | Waveguide assembly |
US10473943B1 (en) * | 2016-11-09 | 2019-11-12 | ColdQuanta, Inc. | Forming beamformer having stacked monolithic beamsplitters |
Family Cites Families (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US5812713A (en) * | 1995-09-20 | 1998-09-22 | General Electric Company | Optical coupling system with bend |
JP3585097B2 (en) * | 1998-06-04 | 2004-11-04 | セイコーエプソン株式会社 | Light source device, optical device and liquid crystal display device |
JP3372883B2 (en) * | 1999-01-08 | 2003-02-04 | エヌイーシービューテクノロジー株式会社 | Projector device |
TW460723B (en) * | 1999-10-14 | 2001-10-21 | Ind Tech Res Inst | Time sequential color projection display system |
US6224216B1 (en) * | 2000-02-18 | 2001-05-01 | Infocus Corporation | System and method employing LED light sources for a projection display |
DE60110425T2 (en) * | 2000-07-10 | 2006-03-09 | Corporation For Laser Optics Research | SYSTEMS AND METHODS FOR SPECKLE REDUCTION THROUGH BANDWIDTH RAISING |
KR100917881B1 (en) * | 2002-06-25 | 2009-09-16 | 삼성전자주식회사 | Illumination optics comprising light separating and integrating device with diffraction device and Image display apparatus thereof |
JP2004220015A (en) * | 2002-12-26 | 2004-08-05 | Sanyo Electric Co Ltd | Lighting unit and projection video display device |
CA2522616A1 (en) * | 2003-04-24 | 2004-11-11 | Chromnomotion Imaging Applications, Inc. | Solid state light engine optical system |
WO2004107018A1 (en) | 2003-06-02 | 2004-12-09 | Koninklijke Philips Electronics N.V. | Led illumination system |
-
2006
- 2006-02-09 KR KR1020077018222A patent/KR20070115882A/en not_active Application Discontinuation
- 2006-02-09 CA CA002594462A patent/CA2594462A1/en not_active Abandoned
- 2006-02-09 EP EP06734567A patent/EP1846799A4/en not_active Withdrawn
- 2006-02-09 WO PCT/US2006/004405 patent/WO2006086458A2/en active Application Filing
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
KR20110044295A (en) * | 2008-08-15 | 2011-04-28 | 웨이비엔, 인코포레이티드 | A recycling system and method for increasing brightness using light pipes with one or more light sources, and a projector incorporating the same |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CA2594462A1 (en) | 2006-08-17 |
EP1846799A4 (en) | 2011-01-26 |
WO2006086458A3 (en) | 2007-08-16 |
WO2006086458A2 (en) | 2006-08-17 |
EP1846799A2 (en) | 2007-10-24 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US7710669B2 (en) | Etendue efficient combination of multiple light sources | |
JP5080987B2 (en) | Etendue-efficient combination of multiple light sources | |
KR20070115882A (en) | Etendue efficient combination of multiple light sources | |
US7339735B2 (en) | Polarization recovery system for projection displays | |
KR100879407B1 (en) | Light recovery for projection displays | |
US7325957B2 (en) | Polarized light emitting diode (LED) color illumination system and method for providing same | |
JP2001092005A (en) | Projector for display of electronic picture | |
JP2010204333A (en) | Projector | |
KR100636089B1 (en) | Reflection type color projector | |
JP2006525542A (en) | Projection system | |
JP3260821B2 (en) | Light source device and projection type liquid crystal image display device | |
JP2005234138A (en) | Projection image display device and projection image display method |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A201 | Request for examination | ||
E601 | Decision to refuse application |