KR20080010132A - 반사형 프로젝션 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조명 광학계 및 투사 광학계에서 반사형 PBS(Polarized Beam Splitter)를 투사렌즈군 사이에 배치하여 백 초점 거리(BFL) 및 광학계의 높이를 최소화할 수 있도록 한 반사형 프로젝션 시스템에 관한 것으로, 램프에서 조사된 광을 정렬하여 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광을 출사하는 조명계와, 상기 조명계로부터 입사된 광을 반사시켜 화상 정보가 실린 광으로 출사하는 화상광 형성계, 및 상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이에 위치하고, 복수개 이상의 렌즈군 및 반사형 PBS를 가지며, 상기 화상광 형성계로부터 입사된 광 중 어느 하나의 편광 성분의 광은 투과하고, 다른 하나의 편광 성분의 광은 반사하여 스크린에 투사하는 투사계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

반사형, PBS, LCoS, LCD, BFL

Description

반사형 프로젝션 시스템{REFLECTIVE TYPE PROJECTION SYSTEM}

도 1a 내지 1c는 일반적인 3판식 반사형 조명 광학계의 구성도이다.

도 2a 내지 2b는 일반적인 단판식 반사형 조명 광학계의 구성도이다.

도 3a는 일반적인 투사렌즈계의 구조도이고, 도 3b는 도 3a의 투사렌즈계를 이용한 반사형 투사 광학계를 나타낸 구성도이다.

도 4는 본 발명에 사용되는 반사형 PBS의 구성도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3판식 반사형 투사 광학계의 구성도이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 2판식 반사형 투사 광학계의 구성도이다.

도 7a는 일반적인 단판식 반사형 투사 광학계의 구성도이고, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 단판식 반사형 투사 광학계의 구성도이다.

도 8a는 도 7a의 투사렌즈계의 구성도이고, 도 8b는 도 7b의 투사렌즈계의 구성도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

41, 51, 71 : 램프 42a, 42b : 제 1, 제 2 플라이 아이 렌즈

43 : PBS 어레이

44a, 54a, 75a : 제 1 조명렌즈

44b, 54b, 75b : 제 2 조명렌즈

45a, 55a, 75a : 제 1 반사형 PBS

45b, 55b, 75b : 제 2 반사형 PBS

46a, 56a, 76a : 제 1 렌즈군(후군)

46b, 56b, 76b : 제 2 렌즈군(전군)

47 : X-프리즘 57 : 다이크로익 프리즘

48a, 48b, 48c, 58a, 58b, 77 : 반사형 패널

본 발명은 프로젝션 시스템에 관한 것으로, 특히 반사형 PBS(Polarized Beam Splitter)를 이용하여 백 초점 거리(BFL) 및 광학계 높이를 최소화하고 조명 효율을 높인 반사형 프로젝션 시스템에 관한 것이다.

최근 디스플레이 장치는 경량화, 경박화 뿐만 아니라 대화면으로 되어 가는 추세이고, 특히 대화면 디스플레이 장치는 디스플레이 분야에 있어서 중요한 과제로 떠오르고 있으며, 현재까지 이러한 대화면 디스플레이 장치로 개발된 것으로 프로젝션 TV가 있다.

프로젝션 TV는 CRT(Cathode Ray Tube) 프로젝션 TV와 LCD(Liquid Crystal Display) 프로젝션 TV의 두 가지 형태로 나눌 수 있는데, LCD를 이용한 프로젝션 TV는 다시 투과형 LCD를 이용하는 시스템과 반사형 LCD(Liquid Crystal on Silicon;LCoS)를 이용하는 시스템으로 나뉜다.

여기서, 반사형 LCD를 이용하는 시스템은 반사형 LCD보다 패널의 가격을 저렴하게 제작할 수 있는 장점이 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참고하여 일반적인 프로젝션 시스템 및 조명 광학계에 관하여 설명하면 다음과 같다.

도 1a내지 도 1c는 일반적인 3판식 반사형 LCD 조명 광학계의 구성도이다.

종래 기술 반사형 LCD를 이용한 프로젝션 TV의 조명계의 하나인 도 1a의 3 PBS 시스템의 반사형 조명 광학계는 램프(Lamp)(1)에서 조사된 광이 콘덴싱 렌즈(condensing lens)를 거쳐 제 1 다이크로익 미러(Dichroic Mirror)(2)를 지나면서 레드(Red;R), 그린(Green;G)의 광은 반사하고 블루(Blue;B)의 광은 투과한다.

그리고 반사된 레드, 그린의 광은 제 2 다이크로익 미러(3)를 통과하면서 그린의 광은 반사하고, 레드의 광은 투과 과정을 거쳐 R, G, B LCD 패널 앞에 있는 제 1, 2, 3 PBS(Polarized Beam Splitter)(4a)(4b)(4c)에 입사된다.

각각 제 1, 2, 3 PBS(4a)(4b)(4c)에 입사된 각각의 R, G, B의 광은 반사되어 제 1, 2, 3 LCD 패널(5a)(5b)(5c)로 입사되고, 입사 된 각각의 R, G, B의 광은 제 1, 2, 3 LCD 패널(5a)(5b)(5c)에 의해 위상이 바뀌며 반사되어 각각 제 1, 2, 3 PBS(4a)(4b)(4c)를 투과하게 된다.

이렇게 투과된 R, G, B의 광은 X-프리즘(6)에서 합성되어 투사렌즈(Projection Lens)로 입사된다.

이러한 구조의 3 PBS 시스템의 반사형 조명계에서는 램프(1),제 1, 2 다이크로익 미러(2)(3)에 의한 1단과 제 2 LCD 패널(5b),제 2 PBS(4b)에 의한 2단, 그리 고 제 1, 3 LCD 패널(5a)(5c), X-프리즘(6), 제 1, 3 PBS(4a)(4c)에 의한 3단의 구성으로 이루어져 시스템의 크기(Depth)가 커진다.

또한, 시스템을 구성하는 부품들의 개수가 다이크로익 미러 2장, 미러 1장 그리고 R, G, B의 경로 차이를 보정하기 위한 릴레이 렌즈(Relay Lens), PBS 3개 X-프리즘 등의 많은 부품들을 필요로 하게 된다.

이와 같은 릴레이 시스템을 없애고 컬러 셀렉터(color selector)를 사용한 Color Quad 시스템의 3판식 반사형 LCD 조명계의 구성은 도 1b에서와 같다.

도 1b의 조명계는 컬러 셀렉터를 사용하여 R, G, B 광의 광 경로의 차이를 없앤 것으로, 램프(7)에서 나온 광이 제 1 컬러 셀렉터(8a)를 통과하면서 블루(B)만 S파(Secondary wave)로 바뀌고, 레드(R),그린(G)은 P파(Primary wave)로 출력이 된다.

이 광이 제 1 반사형 PBS(9a)를 통과하면서 S파는 반사되고 P파는 투과하여, 블루의 광은 블루 LCD 패널의 앞에 있는 제 2 PBS(9b)에 도달한다.

이 블루 광은 다시 제 2 PBS(9b)에서 반사되어 제 3 LCD 패널(10c)에 입사되고, 반사되면서 위상이 바뀌어 제 2 PBS(9b)를 투과하여 제 4 컬러 셀렉터(8d)를 거쳐 제 4 PBS(9d)로 입사된다.

그리고 레드, 그린의 광은 제 2 컬러 셀렉터(8b)에 의해 그린의 광은 S파로, 레드의 광은 P파로 제 3 PBS(9c)에 입사된다. 제 3 PBS(9c)에서 그린의 광은 반사하고 레드는 투과하여 각각 제 1, 2 LCD 패널(10a)(10b)로 입사된다.

제 1, 2 LCD 패널(10a)(10b)로 입사된 그린, 레드의 광은 위상이 바뀌어 반 사되어 다시 제 3 PBS(9c)에 입사되어 합성되고, 제 3 컬러 셀렉터(8c)에 의해서 편광 상태가 같아져 제 4 PBS(9d)에 입사된다.

이와 같은 과정으로 제 4 PBS(9d)에 도달한 레드(R),그린(G),블루(B)는 PBS의 P/S 분리 및 합성의 특성에 의해 합성되어져 투사렌즈로 입사된다.

이와 같은 Color Quad 시스템의 3판식 반사형 LCD 조명계는 2단 구성으로 이루어져 있으며, 릴레이 시스템이 필요 없어 구성이 단순화되기는 했지만, 4개의 컬러 셀렉터와 PBS를 포함하기 때문에 가격 측면에서 유리하지 못하다.

그리고 PBS에서 P/S 분리 및 합성을 하는 과정에서 입력된 파가 출력될 때 다른 성분의 편광을 가지게 되는 광탄성 문제가 있을 수 있다.

이상에서 설명한 일반적인 광학계의 가격 측면에서의 문제, PBS에 의한 광탄성 문제를 해결하고, 광각의 조명광을 사용하여 조명 효율을 높이기 위하여 평판형 PBS(Wire Grid Type PBS)를 사용하는 조명계가 사용된다.

도 1c는 일반적인 반사형 PBS를 사용한 조명 광학계의 구성도이다.

도 1c에 도시된 바와 같이, R, G, B의 광을 조사하는 램프(Lamp)(31)와, 램프(31)에서 조사되어 PCS(Polarization Converting System)을 거쳐 한쪽 방향으로 편광 성분이 정렬된 광을 받아 블루(B)의 광을 투과하고 그린(G),레드(R)의 광을 반사하여 두개의 경로로 분리하는 제 1 다이크로익 미러(32a)와, 반사된 옐로우(G+R)의 광을 제 1 릴레이 렌즈(33a)를 통하여 받은 레드의 광은 투과하고 그린의 광은 반사하는 제 2 다이크로익 미러(32b)와, 제 2 다이크로익 미러(32b)에 의해 반사된 그린의 광을 제 2 LCoS 패널(35b)로 투과하는 제 2 필름 타입 PBS(34b) 와, 제 2 다이크로익 미러(32b)에 의해 투과된 레드의 광을 제 1 LCoS 패널(35b)로 투과하는 제 1 필름 타입 PBS(34a)와, 제 1 다이크로익 미러(32a)에서 투과되어 제 2 릴레이 렌즈(33b), 미러, 제 3 릴레이 렌즈(33c)를 거쳐 입사되는 블루의 광을 제 3 LCoS 패널(35c)로 투과하는 제 3 필름 타입 PBS(34c)와, 제 1, 2, 3 LCoS 패널(35a)(35b)(35c)에 의해 반사되고 각각 제 1, 2, 3 필름 타입 PBS(34a)(34b)(34c)에 의해 반사되는 R, G, B의 광을 합성하여 투사렌즈(38)로 입사시키는 X-프리즘(36)과, X-프리즘(36)에 입사되기 전에 콘트라스트를 높이기 위하여 각각의 R, G, B의 광을 편광하는 제 1, 2, 3 편광판(37a)(37b)(37c)을 포함하여 구성된다.

그러나 이와 같은 도 1c의 조명 광학계는 패널과 투사렌즈의 거리를 줄이는 것에 한계가 있어 백 초점 거리(Back Focal Length;BFL)가 길어지는 문제가 있다.

이와 같이 BFL이 늘어나는 경우에는 투사렌즈의 효율의 저하가 일어나 원하는 만큼의 성능을 얻기가 힘들다.

도 2a 내지 2b는 일반적인 단판식 반사형 조명 광학계의 구성도이다.

도 2a의 PBS를 사용한 조명계는 광원(21)과, 상기 광원(21)에서 방출되는 광을 균일한 광으로 변환하는 적분기(integrator)(22)와 상기 적분기(22)를 통과한 광을 각각의 R/G/B 광으로 분리한 후 그 분리된 R/G/B 광을 조사하는 컬러 휠(23)과, 상기 컬러 휠(23)을 통과한 R/G/B 광을 집속시키고 일정한 면적으로 광을 발출하는 조명렌즈(24)와, 상기 조명렌즈(24)에서 방출된 광을 편광시켜 출력시키는 편광 빔 스프릿터(PBS : Polarization Beam Splitter)(25)와, 상기 편광된 광을 반사 시켜 화상 정보로 출력하는 LCoS 패널(반사형 액정 패널)(26)을 포함하여 구성된다.

도 2b의 평판형 PBS를 사용한 조명계는 광원(27)과, 상기 광원(27)에서 방출되는 광을 균일한 광으로 변환하는 적분기(28)와 상기 적분기(28)를 통과한 광을 각각의 R/G/B 광으로 분리한 후 그 분리된 R/G/B 광을 조사하는 컬러 휠(29)과, 상기 컬러 휠(29)을 통과한 R/G/B 광을 집속시키고 일정한 면적으로 광을 발출하는 조명렌즈(30)와, 상기 조명렌즈(30)에서 방출된 광을 편광시켜 출력시키는 반사형 PBS(31)와, 상기 편광된 광을 반사시켜 화상 정보로 출력하는 LCoS 패널(반사형 액정 패널)(32)을 포함하여 구성된다.

도 2a에서는 PBS(25)에서의 광탄성 문제와 Skew Ray가 발생하고, 도 2b에서는 광탄성 문제와 Skew Ray는 발생하지 않으나, 도 2a의 투사렌즈(미도시)보다 백 초점 거리가 증가하여 투사렌즈의 설계에 어려움을 가지며, 상기 투사렌즈의 크기가 커져 가격적인 부담을 갖게 된다.

도 3a 및 3b는 일반적인 투사렌즈계의 구조와 이 투사렌즈계를 이용한 프로젝션 시스템을 나타낸 구성도이다.

도 3a는 투사렌즈계의 구성도로서, 부(negative)의 굴절력을 갖는 제 1 렌즈군(33)과, 정(positive)의 굴절력을 갖는 제 2 렌즈군(35)과, 상기 제 1 렌즈군(33)을 통과한 광을 상기 제 2 투사렌즈군(35)으로 반사하는 폴딩 미러(34)로 구성된다.

도 3b는 상기 투사렌즈계를 이용한 반사형 프로젝션 시스템을 나타낸 구성도 로서, 조명계는 도 1b의 구성과 동일하므로 설명은 생략하기로 한다. 도시된 바와 같이, LCoS 패널(10b)과 투사렌즈의 거리를 줄이는 것에 한계가 있다. 따라서, 백 초점 거리(Back Focal Length : BFL)가 길어져 투사렌즈의 설계가 어려울 뿐만 아니라, 투사렌즈의 가격에도 적지 않은 부담이 된다는 문제가 있다.

그러나 이상에서 설명한 일반적인 프로젝션 시스템은 다음과 같은 문제점이 있다.

첫째, 3 PBS 시스템의 반사형 조명계는 전체의 광 경로가 3단 구성을 갖는 것으로 시스템의 크기(Depth)가 커지고, 시스템을 구성하는데 많은 부품들을 필요로 하게 된다.

둘째, Color Quad 시스템의 반사형 조명계는 2단 구성으로 전체 구조가 단순화되기는 했지만, 4개의 컬러 셀렉터와 PBS를 포함하기 때문에 가격 측면에서 유리하지 못하다.

또한, PBS에서 P/S 분리 및 합성을 하는 과정에서 입력된 파가 출력될 때 다른 성분의 편광을 가지게 되는 광탄성 문제가 있을 수 있다.

셋째, Wire Grid PBS 시스템에서는 광탄성 문제와 가격적인 문제, 낮은 조명 효율 등의 문제는 해결되지만, 수차 문제가 발생하게 된다.

비점수차를 줄이는 방법으로 삽입된 판의 두께를 얇게 하거나, 두 개의 판을 상이한 방향으로 배치하는 방법을 사용하는 경우에도 다음과 같은 문제가 있다.

즉, 삽입된 판의 두께가 얇아지면 판 자체가 휘는 문제가 발생하고, 판의 배 치를 상이하게 하는 것은 비점수차를 상쇄시키는 것이 아니라, 단지 스폿(Spot)의 모양을 원형으로 만드는 것에 불과하여 스폿의 크기를 증가시킨다.

또한, 두 판의 각도는 아주 상이한 각도를 가지고 있어 한 평면상에 조명계를 구성할 수 없게 된다.

넷째, R, G, B의 신호가 필름 형태의 PBS(Polarized Beam Splitter)를 투과하지 않고 반사되어 투사렌즈로 입사되도록 하는 구조에서는 패널과 투사렌즈 사이의 거리를 줄이는 것이 한계가 있어 투사렌즈의 백 초점 길이(Back focal length)가 길어진다.

이는 사이즈 대비 투사 거리가 길어지기 때문에 이를 프로젝션 티브이에 적용할 경우에는 그 크기(Depth)를 줄이는데 한계를 주게 된다.

또한, 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 패널의 배치 각도를 돌리고 광학계를 세우는 경우에도 광학계의 높이 때문에 실제로 티브이 세트가 커지는 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 일반적인 프로젝션 시스템의 문제를 해결하기 위한 것으로, 반사형 PBS(Polarized Beam Splitter)를 이용하여 조명 광학계 및 투사 광학계를 구성함으로써, 투사렌즈와 반사형 패널 간의 거리를 최소화하고 조명 효율을 높인 프로젝션 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

또한, 종래의 복잡했던 이미지 생성계의 구조를 간단하게 구성하여 소형화함으로써, 제작 비용이 저렴한 반사형 프로젝션 시스템을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반사형 프로젝션 시스템은, 램프에서 조사된 광을 정렬하여 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광을 출사하는 조명계와, 상기 조명계로부터 입사된 광을 반사시켜 화상 정보가 실린 광으로 출사하는 화상광 형성계, 및 상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이에 위치하고, 복수개 이상의 렌즈군 및 반사형 PBS(Polarization Beam Splitter)를 가지며, 상기 화상광 형성계로부터 입사된 광 중 어느 하나의 편광 성분의 광은 투과하고, 다른 하나의 편광 성분의 광은 반사하여 스크린에 투사하는 투사계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 이하에서의 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 반사형 프로젝션 시스템의 바람직한 실시예에 관하여 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명에 사용되는 반사형 PBS의 구조를 나타낸 도면이다.

도시된 바와 같이, 유리판 상에 스트라이프 패턴이 형성된 판 형태인 구조로, P파 성분의 편광은 투과하고, S파 성분의 편광은 반사한다. 전술한 편광의 성분에 따른 반사와 투과는 스트라이프 패턴이 형성된 방향에 따라 반사와 투과를 달리할 수도 있다.

본 발명에서는 전반사미러(folding mirror) 대신 상기 반사형 PBS를 이용하여 조명 광학계와 투사 광학계를 구성하였으므로, 투사렌즈와 반사형 패널 간의 거 리를 최소화할 수 있다. 또한, 투사렌즈의 설계적 부담 및 투사렌즈의 크기를 줄일 수 있으므로, 기존에 설계가 복잡했던 조명 광학계의 색 분리/합성계 또는 화상광 형성계의 구조를 간단하게 구성할 수 있고, 프로젝션 광학 엔진(Projection Light Engine)을 소형화하여 제작 비용을 절감할 수 있는 프로젝션 시스템을 구현할 수 있다.

도 5 내지 7은 본 발명의 실시예에 따른 반사형 프로젝션 시스템의 구성도로서, 본 발명은 반사형 PBS와 같은 판 모양의 광학부품을 사용하는 광학계에서 투사렌즈의 백 초점 거리(BFL)를 최소화하여 전체 광학계의 크기를 최소화할 수 있도록 한 것이다. 또한, 광학계의 높이를 최소화하면서 반사형 PBS를 조명계에 사용하면서도 광학적인 성능에 영향을 주지 않는 프로젝션 시스템에 관한 것이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 3판식 반사형 프로젝션 시스템의 구성도로서, 도시된 바와 같이, 조명계, 투사계, 화상광 형성계로 나눌 수 있다.

상기 조명계는 램프(41)와, 상기 램프(41)에서 조사된 광의 균일성(Uniformity)을 확보하기 위한 제 1, 2 플라이 아이 렌즈(FEL)(42a, 42b)와, 상기 FEL(42a, 42b)들을 통과한 광을 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광으로 변환하는 편광 분리 어레이(PBS Array)(43)와, 상기 PBS 어레이(43)를 통과한 광을 집속하여 출사하는 제 1, 제 2 조명렌즈(44a, 44b)로 구성된다.

상기 화상광 형성계는 상기 제 2 조명렌즈(44b)로부터 입사되는 광을 레드(R), 그린(G), 블루(B)로 색 분리/합성하는 X-프리즘(47)과, 상기 X-프리즘(47)에서 분리된 R, G, B의 광을 다시 합성하여 화상 정보가 실린 광으로 출사하기 위 해 상기 분리된 R, G, B의 광을 상기 X-프리즘으로 반사시키는 제 1, 2, 3 반사형 패널(48a, 48b, 48c)로 구성된다.

상기 투사계는 상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이에 위치하고, 다수의 렌즈들로 조합되어 상기 X-프리즘(47)에서 입사되는 광의 색수차와 구면수차를 보정하는 제 1 렌즈군(46a)과, 상기 제 1 렌즈군(46a)을 통과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 1 반사형 PBS(45a)를 갖는 하단부와, 상기 제 1 반사형 PBS(45a)를 투과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 2 PBS(45b)와, 다수의 렌즈들로 조합되어 상기 제 2 반사형 PBS(45b)를 투과한 광의 비점수차와 왜곡을 보정하는 제 2 렌즈군(46b)을 갖는 상단부로 구성된다.

여기서, 상기 하단부는 상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이의 광경로상에서 상기 제 1 렌즈군(46a)은 상기 X-프리즘(47)과, 상기 제 1 반사형 PBS(45a)는 상기 제 2 조명렌즈(44b)와 인접하게 위치한다.

또한, 제 1 렌즈군(46a)은 상기 조명계의 조명렌즈로 공용 사용되고, 상기 반사형 패널들(48a, 48b, 48c)은 반사형 LCD 패널 또는 반사형 LCoS 패널을 사용할 수 있으며, 상기 반사형 PBS들(46a, 46b)은 유리판 상에 스트라이프 패턴이 형성된 판 형태의 구조를 사용할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 3판식 반사형 프로젝션 시스템은, 램프(41)에서 나온 광이 상기 제 1, 2 플라이 아이 렌즈(FEL)(42a, 42b)와, 상기 FEL(42a, 42b)과, 상기 PBS 어레이(43)를 거쳐 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광으로 정렬되고, 이 정렬된 광은 제 1 및 제 2 조명렌즈(44a, 44b)에서 집속되어 출사된다.

이 출사된 광은 제 1 반사형 PBS(45a)에 의해 P파 성분의 광은 투과되고, S파 성분의 광은 반사된다. 이 투과된 P파 성분의 광은 투사계의 제 1 렌즈군(46a)에서 다시 집속되어 출사되고, 이 출사된 광은 X-프리즘(47)에 의해 레드(R), 그린(G), 블루(B)로 분리된다.

이 분리된 R, G, B 광은 외부에서 입력되는 제어신호에 따른 제 1, 2, 3 반사형 패널(48a, 48b, 48c)의 ON/OFF 동작에 의해 투과되거나 상기 X-프리즘(47)으로 화상 정보를 갖게 하여 반사되고, 이 반사된 광은 상기 X-프리즘(47)에서 합성되어 투사계의 제 1 렌즈군(46a)으로 입사된다.

이 입사된 광은 상기 제 1 렌즈군(46a)에서 색수차와 구면수차가 보정되고, 상기 제 1 렌즈군(46a)을 통과한 광은 상기 제 1 반사형 PBS(45a)에 의해 P파 성분의 광은 투과되고, S파 성분의 광은 반사된다. 이 반사된 S파 성분의 광은 다시 제 2 반사형 PBS(45b)에 의해 P파 성분의 광은 투과되고, S파 성분의 광은 반사되는 필터링 과정을 거쳐 제 2 렌즈군(46b)에 입사되고, 상기 제 2 렌즈군(46b)에서는 입사된 광의 비점수차와 왜곡을 보정하여 스크린(미도시)에 투사하거나, 또는, 부가된 줌 기능의 제 3, 제 4 렌즈군(미도시) 등을 거쳐 스크린(미도시)에 확대 투사하여 화면을 표시할 수 있다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 2판식 반사형 투사 광학계의 구성도로서, 도시된 바와 같이, 조명계, 투사계, 화상광 형성계로 나눌 수 있다.

기본적인 구조는 도 5의 3판식 구조와 같으나, 색 분리/합성을 위해 다이크로익 프리즘을 사용하였다.

상기 조명계는 램프(51)와, 상기 램프(51)에서 조사된 광을 옐로우(R+G)/마젠타(R+B)로 분리/투과하는 컬러 휠(52)과, 상기 컬러 휠(52)에서 분리/투과된 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광의 균일성을 확보하기 위한 PCS(Polarization Conversion System) 및 인테그레이터(53)와, 상기 정렬된 광을 집속하는 제 1, 제 2 조명렌즈(54a, 54b)로 구성된다.

상기 화상광 형성계는 상기 제 2 조명렌즈(54b)로부터 입사되는 광을 R, G+B로 색 분리하는 다이크로익 프리즘(Dichroic Prism)(57)과, 상기 분리된 R, G+B의 광을 다시 합성하여 화상 정보가 실린 광으로 출사하기 위해, 상기 분리된 R, G+B의 광을 화상 정보를 갖게 하여 상기 다이크로익 프리즘(58)으로 반사시키는 제 1, 2 반사형 패널(58a, 58b)로 구성된다.

상기 투사계는 상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이에 위치하고, 다수의 렌즈들로 조합되어 상기 다이크로익 프리즘(57)에서 입사되는 광의 색수차와 구면수차를 보정하는 제 1 렌즈군(56a)과, 상기 제 1 렌즈군(56a)을 통과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 1 반사형 PBS(55a)를 갖는 하단부와, 상기 제 1 반사형 PBS(55a)를 투과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 2 PBS(55b)와, 다수의 렌즈들로 조합되어 상기 제 2 반사형 PBS(55b)를 투과한 광의 비점수차와 왜곡을 보정하는 제 2 렌즈군(46b)을 갖는 상단부로 구성된다.

여기서, 상기 하단부는 상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이의 광경로상에서 상기 제 1 렌즈군(56a)은 상기 다이크로익 프리즘(57)과, 상기 제 1 반사형 PBS(55a)는 상기 제 2 조명렌즈(54b)와 인접하게 위치한다.

또한, 제 1 렌즈군(56a)은 상기 조명계의 조명렌즈로 공용 사용되고, 상기 반사형 패널들(58a, 58b)은 반사형 LCD 패널 또는 반사형 LCoS 패널을 사용할 수 있으며, 상기 반사형 PBS들(56a, 56b)은 유리판 상에 스트라이프 패턴이 형성된 판 형태의 구조를 사용할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 2판식 반사형 프로젝션 시스템은, 램프(41)에서 나온 광은 컬러 휠(52)을 거쳐 옐로우(R+G)/마젠타(R+B)로 분리/투과되고, PCS 및 인테그레이터를 거쳐 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광으로 정렬되며, 이 정렬된 광은 제 1 및 제 2 조명렌즈(54a, 54b)에서 집속되어 출사된다.

이 출사된 광은 제 1 반사형 PBS(55a)에 의해 P파 성분의 광은 투과되고, S파 성분의 광은 반사된다. 이 투과된 P파 성분의 광은 투사계의 제 1 렌즈군(56a)에서 다시 집속되어 출사되고, 이 출사된 광은 다이크로익 프리즘(57)에 의해 R은 반사하고, G+B는 투과하여 분리된다.

이 분리된 R, G+B 광은 외부에서 입력되는 제어신호에 따른 제 1, 2 반사형 패널(58a, 58b)의 ON/OFF 동작에 의해 투과되거나 상기 다이크로익-프리즘(57)으로 화상 정보를 갖게 하여 반사되고, 이 반사된 광은 상기 다이크로익 프리즘(57)에서 합성되어 투사계의 제 1 렌즈군(56a)으로 입사된다.

이 입사된 광은 상기 제 1 렌즈군(56a)에서 색수차와 구면수차가 보정되고, 상기 제 1 렌즈군(56a)을 통과한 광은 상기 제 1 반사형 PBS(55a)에 의해 P파 성분의 광은 투과되고, S파 성분의 광은 반사된다. 이 반사된 S파 성분의 광은 다시 제 2 반사형 PBS(55b)에 의해 P파 성분의 광은 투과되고, S파 성분의 광은 반사되는 필터링 과정을 거쳐 제 2 렌즈군(56b)에 입사되고, 상기 제 2 렌즈군(56b)에서는 입사된 광의 비점수차와 왜곡을 보정하여 스크린(미도시)에 투사하거나, 또는, 부가될 수 있는 줌 기능의 제 3, 제 4 렌즈군(미도시) 등을 거쳐 스크린(미도시)에 확대 투사하여 화면을 표시할 수 있다.

도 7은 단판식 반사형 프로젝션 시스템의 구성도로서, 도 7a는 일반적인 단판식 반사형 프로젝션 시스템의 구성도이고, 도 7b는 본 발명의 실시예에 따른 단판식 반사형 프로젝션 시스템의 구성도이다.

도 7a는 도시된 바와 같이, 램프(61)와, 이 램프(61)에서 조사된 광의 균일성을 확보하여 정렬하는 인테그레이터(62)와, 이 정렬된 광의 특정색만을 분리/투과시키기 위한 컬러 휠(63)과, 이 분리/투과된 광을 집속하여 조사하는 조명렌즈(64)와, 상기 조명렌즈(64)에서 조사된 입사광을 반사 및 투과시키는 PBS 프리즘(65)과, 상기 편광 프리즘(65)에서 반사된 광을 외부에서 입력되는 제어 신호의 ON/OFF 동작에 따라 화상 정보를 갖게 하여 상기 PBS 프리즘(65)으로 반사하는 반사형 패널(10)과, 상기 PBS 프리즘(65)으로부터 화상 정보가 실린 광이 입사되는 제 1 렌즈군(67a)과 상기 제 1 렌즈군(67a)을 거친 광을 반사하는 폴딩 미러(folding mirror)와, 상기 반사된 광을 스크린에 확대 투사하는 제 2 렌즈군(67b)으로 구성된다.

도 7b는 도시된 바와 같이, 조명계, 투사계, 화상광 형성계로 나눌 수 있다.

상기 조명계는 램프(71)와, 상기 램프에서 조사된 광을 R, G, B로 분리/투과하는 컬러 휠(72)과, 상기 컬러 휠(72)에서 분리/투과된 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광의 균일성을 확보하기 위한 PCS(Polarization Conversion System) 및 인테그레이터(73)와, 상기 정렬된 광을 집속하는 제 1, 제 2 조명렌즈(75a, 75b)로 구성된다.

상기 화상광 형성계는 상기 제 2 조명렌즈(75b)로부터 입사되는 R, G, B로 분리된 광을 외부에서 입력되는 영상신호에 따라 상기 제 1 렌즈군(76a)으로 반사시키는 반사형 패널(77)로 구성된다.

상기 투사계는 상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이에 위치하고, 다수의 렌즈들로 조합되어 상기 반사형 패널(77)에서 입사되는 광의 색수차와 구면수차를 보정하는 제 1 렌즈군(76a)과, 상기 제 1 렌즈군(76a)을 통과한 광의 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 1 반사형 PBS(75a)를 갖는 하단부와, 상기 제 1 반사형 PBS(75a)를 투과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 2 PBS(75b)와, 다수의 렌즈들로 조합되어 상기 제 2 반사형 PBS(75b)를 투과한 광의 비점수차와 왜곡을 보정하는 제 2 렌즈군(76b)을 갖는 상단부로 구성된다.

여기서, 상기 하단부는 상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이의 광경로상에서 상기 제 1 렌즈군(76a)은 상기 반사형 패널(77)과, 상기 제 1 반사형 PBS(75a)는 상기 제 2 조명렌즈(74b)와 인접하게 위치한다.

또한, 제 1 렌즈군(76a)은 상기 조명계의 조명렌즈로 공용 사용되고, 상기 반사형 패널(77)은 반사형 LCD 패널 또는 반사형 LCoS 패널을 사용할 수 있으며, 상기 반사형 PBS들(75a, 75b)은 유리판 상에 스트라이프 패턴이 형성된 판 형태의 구조를 사용할 수 있다.

이와 같은 본 발명의 단판식 반사형 프로젝션 시스템은, 램프(71)에서 나온 광은 컬러 휠(72)을 거쳐 R, G, B로 분리되고, PCS(Polarization Conversion System) 및 인테그레이터(73)를 거쳐 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광으로 정렬되며, 이 정렬된 광은 제 1 및 제 2 조명렌즈(54a, 54b)에서 집속되어 출사된다.

이 출사된 광은 제 1 반사형 PBS(75a)에 의해 P파 성분의 광은 투과되고, S파 성분의 광은 반사된다. 이 투과된 P파 성분의 광은 투사계의 제 1 렌즈군(76a)에서 다시 집속되어 출사되고, 이 출사된 광은 외부에서 입력되는 제어신호에 따른 반사형 패널(58a, 58b)의 ON/OFF 동작에 의해 투과되거나 화상 정보가 실린 광으로 상기 다이크로익-프리즘(57)으로 반사되고, 이 반사된 광은 상기 다이크로익 프리즘(57)에서 합성되어 투사계의 제 1 렌즈군(56a)으로 입사된다.

이 입사된 광은 상기 제 1 렌즈군(56a)에서 색수차와 구면수차가 보정되고, 상기 제 1 렌즈군(56a)을 통과한 광은 상기 제 1 반사형 PBS(55a)에 의해 P파 성분의 광은 투과되고, S파 성분의 광은 반사된다. 이 반사된 S파 성분의 광은 다시 제 2 반사형 PBS(55b)에 의해 P파 성분의 광은 투과되고, S파 성분의 광은 반사되는 필터링 과정을 거쳐 제 2 렌즈군(56b)에 입사되고, 상기 제 2 렌즈군(56b)에서는 입사된 광의 비점수차와 왜곡을 보정하여 스크린(미도시)에 투사하거나, 또는, 부가될 수 있는 줌 기능의 제 3, 제 4 렌즈군(미도시) 등을 거쳐 스크린(미도시)에 확대 투사하여 화면을 표시할 수 있다.

도시된 도 7a와 7b의 구조를 살펴보면 백 초점 거리(BFL)의 극명한 차이점에 의해, 본 발명에 따른 단판식의 프로젝션 시스템의 백 초점 거리가 현저히 줄어들 었음을 알 수 있다.

도 8은 도 7의 투사렌즈계의 구성도로서, 반사형 패널과 투사렌즈와의 백 초점 거리에 따른 차이를 나타낸 도면이다.

도 8a는 도 7a에 사용되는 투사렌즈계의 구성도로서, 제 1 렌즈군(67a)과 제 2 렌즈군(67b), 그 사이에 끼워진 폴딩 미러(68)를 포함하여 구성된다.

도시된 바와 같이, 패널과 투사렌즈와의 거리가 길어짐에 따라 투사렌즈의 사용 면적, 렌즈경(D1)이 증가됨을 알 수 있다.

도 8b는 도 7b에 사용되는 투사렌즈계의 구성도로서, 제 1 렌즈군(76a)과 제 2 렌즈군(76b), 그 사이에 끼워진 반사형 PBS(75a)를 포함하여 구성된다.

도시된 바와 같이, 패널과 투사렌즈와의 거리가 도 7a에 비해 짧아짐에 따라 투사렌즈의 사용 면적, 렌즈경(D2)이 감소되고, 상기 제 1 렌즈군(76a)은 전술한 조명계의 조명렌즈로도 공용하여 사용되는 구조이므로, 조명계의 사이즈를 대폭 줄일 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 반사형 PBS(Wire Grid Type PBS, 고분자 물질을 이용한 PBS 등의 판 모양을 하고 있는 PBS)를 이용한 반사형 프로젝션 시스템은 반사형 PBS를 사용하여 이전의 광학계보다 작은 크기를 갖도록 구성하는 것이 가능하고, 반사형 PBS를 사용하는 광학계에 있어서 BFL이 최소화되며, 광학계의 크기가 최소가 되는 프로젝션 시스템을 구성할 수 있다.

본 발명은 이와 같은 반사형 PBS를 채용한 구조로, 작은 F/#에서도 P/S 분리 및 합성을 할 수 있어 보다 밝은 조명계를 구현하고, 입사되는 광의 콘트라스트를 향상시키기 위하여 투사렌즈군 사이에 반사형 PBS를 삽입한 구조를 갖는다.

이와 같은 본 발명에 따른 반사형 프로젝션 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 반사형 3판식 광학계의 구성시에 반사형 PBS를 사용하여 광탄성 문제를 해결하는 효과가 있다.

둘째, 투사렌즈에 입사하는 광의 콘트라스트를 향상시킬 수 있다.

셋째, 투사렌즈로 입사하는 광을 반사형 PBS를 투과하지 않고 반사하여 투사렌즈로 입사되도록 하여 비점수차가 발생하지 않도록 하는 효과를 갖는다.

넷째, 광학 시스템을 구성하는 데 많은 부품들을 필요로 하는 이전 기술에 비하여 전체 구조가 단순화되고 가격 측면에서 유리하다.

다섯째, 전체 구조가 단순화되므로 티브이 세트의 크기(Depth)를 줄이는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (10)

1. 램프에서 조사된 광을 정렬하여 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광을 출사하는 조명계;

   상기 조명계로부터 입사된 광을 반사시켜 화상 정보가 실린 광으로 출사하는 화상광 형성계; 및

   상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이에 위치하고, 복수개 이상의 렌즈군 및 반사형 PBS(Polarization Beam Splitter)를 가지며, 상기 화상광 형성계로부터 입사된 광 중 어느 하나의 편광 성분의 광은 투과하고, 다른 하나의 편광 성분의 광은 반사하여 스크린에 투사하는 투사계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 프로젝션 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 반사형 프로젝션 시스템은,

   램프와, 상기 램프에서 조사된 광의 균일성(Uniformity)을 확보하기 위한 플라이 아이 렌즈(FEL)와, 상기 FEL를 통과한 광을 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광으로 변환하는 편광 분리 어레이(PBS Array)와, 상기 PBS 어레이를 통과한 광을 집속하여 출사하는 조명렌즈로 구성되는 조명계;

   상기 조명렌즈로부터 입사되는 광을 레드(R),그린(G),블루(B)로 색 분리/합성하는 X-프리즘과, 상기 X-프리즘에서 분리된 R, G, B의 광을 다시 합성하고, 화상 정보가 실린 광으로 출사하기 위해 상기 분리된 R, G, B의 광을 상기 X-프리즘 으로 반사시키는 제 1, 2, 3 반사형 패널로 구성되는 화상광 형성계; 및

   다수의 렌즈들로 조합되어 상기 X-프리즘에서 입사되는 광의 색수차와 구면수차를 보정하는 제 1 렌즈군과, 상기 제 1 렌즈군을 통과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 1 반사형 PBS를 갖는 하단부와,

   상기 제 1 반사형 PBS를 투과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 2 PBS와, 다수의 렌즈들로 조합되어 상기 제 2 반사형 PBS를 투과한 광의 비점수차와 왜곡을 보정하는 제 2 렌즈군을 갖는 상단부로 구성되는 투사계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 프로젝션 시스템.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 하단부는,

   상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이의 광경로상에서 상기 제 1 렌즈군은 상기 X-프리즘과, 상기 제 1 반사형 PBS는 상기 조명렌즈와 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 반사형 프로젝션 시스템.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 반사형 프로젝션 시스템은,

   램프와, 상기 램프에서 조사된 광을 옐로우(R+G)/마젠타(R+B)로 분리/투과하는 컬러 휠과, 상기 컬러 휠에서 분리/투과된 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광의 균일성을 확보하기 위한 PCS(Polarization Conversion System) 및 인테그레이터와, 상기 정렬된 광을 집속하는 조명렌즈로 구성되는 조명계;

   상기 조명렌즈로부터 입사되는 옐로우와 마젠타로 분리된 광을 R, G+B로 색 분리하는 다이크로익 프리즘(Dichroic Prism)과, 상기 분리된 R, G+B의 광을 다시 합성하여 화상 정보가 실린 광으로 출사하기 위해, 상기 분리된 R, G+B의 광을 상기 다이크로익 프리즘으로 반사시키는 제 1, 2 반사형 패널로 구성되는 화상광 형성계; 및

   다수의 렌즈들로 조합되어 상기 다이크로익 프리즘에서 입사되는 광의 색수차와 구면수차를 보정하는 제 1 렌즈군과, 상기 제 1 렌즈군을 통과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 1 반사형 PBS를 갖는 하단부와,

   상기 제 1 반사형 PBS를 투과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 2 PBS와, 다수의 렌즈들로 조합되어 상기 제 2 반사형 PBS를 투과한 광의 비점수차와 왜곡을 보정하는 제 2 렌즈군을 갖는 상단부로 구성되는 투사계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 프로젝션 시스템.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 하단부는,

   상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이의 광경로상에서 상기 제 1 렌즈군은 상기 다이크로익 프리즘과, 상기 제 1 반사형 PBS는 상기 조명렌즈와 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 반사형 프로젝션 시스템.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 반사형 프로젝션 시스템은,

   램프와, 상기 램프에서 조사된 광을 R, G, B로 분리/투과하는 컬러 휠과, 상 기 컬러 휠에서 분리/투과된 어느 하나의 편광 성분을 갖는 광으로 변환하고, 변환된 광의 균일성을 확보하기 위한 PCS(Polarization Conversion System) 및 인테그레이터와, 상기 정렬된 광을 집속하는 제 1, 제 2 조명렌즈로 구성되는 조명계;

   상기 조명렌즈로부터 입사되는 R, G, B로 분리된 광을 상기 제 1 렌즈군으로 반사시키는 반사형 패널로 구성되는 화상광 형성계; 및

   다수의 렌즈들로 조합되어 상기 반사형 패널에서 입사되는 광의 색수차와 구면수차를 보정하는 제 1 렌즈군과, 상기 제 1 렌즈군을 통과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 1 반사형 PBS를 갖는 하단부와,

   상기 제 1 반사형 PBS를 투과한 광을 편광 성분에 따라 반사 또는 투과시키는 제 2 PBS와, 다수의 렌즈들로 조합되어 상기 제 2 반사형 PBS를 투과한 광의 비점수차와 왜곡을 보정하는 제 2 렌즈군을 갖는 상단부로 구성되는 투사계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반사형 프로젝션 시스템.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 하단부는,

   상기 조명계와 상기 화상광 형성계 사이의 광경로상에서 상기 제 1 렌즈군은 상기 반사형 패널과, 상기 제 1 반사형 PBS는 상기 조명렌즈와 인접하게 위치하는 것을 특징으로 하는 반사형 프로젝션 시스템.
8. 제 2, 4, 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈군은,

   상기 조명계의 조명렌즈로 공용하여 사용되는 것을 특징으로 하는 반사형 프 로젝션 시스템.
9. 제 2, 4, 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사형 패널은,

   반사형 LCD 패널 또는 반사형 LCoS 패널인 것을 특징으로 하는 반사형 프로젝션 시스템.
10. 제 1 항에 있어서, 상기 반사형 PBS는,

    유리판 상에 스트라이프 패턴이 형성된 판 형태인 것을 특징으로 하는 반사형 프로젝션 시스템.

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