KR20080048046A - 조명 시스템 및 이를 포함하는 프로젝션 시스템 - Google Patents

조명 시스템 및 이를 포함하는 프로젝션 시스템 Download PDF

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Abstract

조명 시스템 및 이를 포함하는 프로젝션 시스템이 개시된다. 조명 시스템은 독립적으로 작동 가능한 광원들의 2차원 어레이를 포함한다. 각 광원은 픽셀화 광학 광 변조기의 전체 활성 영역을 실질적으로 조명한다. 각 광원은 광을 서로 다른 방출 방향으로 방출한다. 각 방출 방향은 활성 영역 내의 각각의 위치를 향한다. 활성 영역 내의 각 픽셀은 독립적으로 작동 가능한 광원들의 2차원 어레이로부터의 콘형 입사 광에 의해 조명된다. 콘형 광은 콘 각도를 갖고 각 광원으로부터의 적어도 하나의 광선을 포함한다. 적어도 하나의 그러한 콘형 광의 콘 각도는 독립적으로 작동 가능한 광원들 중 하나 이상의 광원들의 세기를 조절함으로써 제어될 수 있다.
조명, 프로젝션, 광원, 2차원 어레이, 변조기, 콘형 광

Description

조명 시스템 및 이를 포함하는 프로젝션 시스템{ILLUMINATION SYSTEM AND PROJECTION SYSTEM INCORPORATING SAME}
본 발명은 대체로 조명 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 특히 프로젝션 시스템에서 높은 콘트라스트를 생성하는 조명 시스템에 적용 가능하다.
조명 시스템은 전형적으로 광원과, 광을 광원으로부터 원하는 목적지로 전송하는 조명 광학 장치(illumination optics)를 포함한다. 조명 시스템은 프로젝션 표시 장치 및 액정 표시 장치(LCD)용 백라이트와 같은 각종 응용예에 채용된다. 조명 시스템의 광원으로는 예컨대, 수은 아크 램프와 같은 아크 램프, 백열 램프, 형광 램프, 발광 다이오드(LED), 또는 레이저를 들 수 있다.
프로젝션 시스템은 전형적으로 이미지를 생성하는 액티브 광 밸브(active light valve)과, 광 밸브를 조명하기 위한 조명 시스템과, 전형적으로 프로젝션 스크린 상에 이미지를 투사 및 표시하는 광학 장치를 포함한다. 프로젝션 시스템 내의 조명 시스템은 전형적으로 아크 램프와 같은 하나 이상의 백색 광원을 사용한다. 조명 시스템의 조명 광학 장치는 백색 광을 적색, 녹색 및 청색과 같은 서로 다른 색상들로 분리하는 수단을 포함할 수 있다.
종종, 투사된 이미지를 높은 휘도, 높은 해상도 및 높은 콘트라스트로 표시 하는 방식으로 광 밸브를 조명하는 것이 바람직하다.
대체로, 본 발명은 조명 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 프로젝션 시스템에서 채용되는 조명 시스템에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에서, 조명 시스템은 복수의 개별 광원을 포함한다. 각 개별 광원의 출력 광 세기는 개별적으로 제어될 수 있다. 조명 시스템은 복수의 개별 광원의 결합 평면에 위치된 구경 조리개(aperture stop)를 추가로 포함한다. 구경 조리개는 개구(opening)를 갖는다. 복수의 개별 광원으로부터의 광이 개구의 적어도 일부를 채워 구경 조리개에 제1 광학 필드(optical field)를 형성한다. 조명 시스템은 투사가능 이미지를 표시할 수 있는 활성 영역을 가진 픽셀형 광 변조기(pixelated light modulator)를 추가로 포함한다. 제1 광학 필드는 활성 영역을 조명하여 활성 영역에 제2 광학 필드를 형성한다. 제1 및 제2 광학 필드는 푸리에 변환 쌍(Fourier transform pair)을 형성한다. 투사가능 이미지의 명암비는 개별 광원들 중 하나 이상의 개별 광원의 출력 세기를 선택적으로 제어함으로써 조절될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 조명 시스템은 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이를 포함한다. 조명 시스템은 제1 광학 전송 시스템을 추가로 포함한다. 제1 광학 전송 시스템은 광 소자로부터 광을 수광하고, 픽셀형 광 변조기의 활성 영역을 조명한다. 활성 영역은 투사가능 이미지를 표시할 수 있다. 적어도 하나의 광 소자로부터의 광은 활성 영역을 유한한 개수의 방향으로부터 조명한다. 활성 영역 내의 각 픽셀은 각각의 광 소자에 의해 조명된다. 투사가능 이미지의 명암비는 하나 이상의 광 소자의 출력 세기를 조절함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 조명 시스템은 독립적으로 작동 가능한 광원들의 2차원 어레이를 포함한다. 각 광원은 픽셀화 광학 광 변조기의 전체 활성 영역을 실질적으로 조명할 수 있다. 각 광원은 광을 서로 다른 방출 방향으로 방출한다. 각 방출 방향은 활성 영역 내의 각각의 위치를 향한다. 활성 영역 내의 각 픽셀은 독립적으로 작동 가능한 광원들의 2차원 어레이로부터의 콘형 입사 광에 의해 조명된다. 콘형 광은 콘 각도를 갖고 각 광원으로부터의 적어도 하나의 광선을 포함한다. 적어도 하나의 그러한 콘형 광의 콘 각도는 독립적으로 작동 가능한 광원들 중 하나 이상의 광원들의 세기를 조절함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 조명 시스템은 조절 가능한 2차원의 세기 프로파일을 가진 광을 방출할 수 있는 확장형 광원을 포함한다. 조명 시스템은 이미지를 표시할 수 있는 활성 영역을 가진 광 변조기를 추가로 포함한다. 확장형 광원의 일 지점이 전체 활성 영역을 동일한 방향으로부터 조명한다. 이 방향은 확장형 광원 내의 지점마다 다르다. 표시된 이미지의 콘트라스트는 방출된 광의 2차원 세기 프로파일을 조절함으로써 제어될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 프로젝션 시스템은 소정 명암비를 가진 투사가능 이미지를 형성하기 위해 픽셀형 광 변조기의 활성 영역을 조명할 수 있는 복수의 개별 광원을 포함한다. 각 개별 광원은 실질적으로 전체 활성 영역을 조명한다. 프로젝션 시스템은 각 개별 광원의 출력 광 세기를 개별적으로 제어하는 프로세서를 추가로 포함한다. 프로세서는 각 개별 광원에 대응하는 명암비를 더 추가로 결정한다. 프로세서는 투사가능 이미지의 평균 휘도를 결정한다. 평균 휘도가 임계값보다 작으면, 프로세서는 투사가능 이미지의 명암비를 증가시키기 위해 낮은 명암비를 가진 하나 이상의 개별 광원의 출력 광 세기를 감소시킨다.
본 발명은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시 형태에 대한 하기의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완벽하게 이해 및 인식될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템의 3차원 개략도를 도시한다.
도 2 및 도 2b는 도 1의 확장형 광원에 대한 2개의 예시적인 단면 세기 프로파일을 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템의 개략 측면도를 도시한다.
도 4a 내지 도 4e는 본 발명에 따른 예시적인 콘형 광을 도시한다.
도 5는 본 발명에 따른 다른 예시적인 콘형 광을 도시한다.
도 6a 내지 도 6c는 본 발명의 다른 실시예에 따른 예시적인 광 어셈블리의 개략 정면도를 도시한다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 표시 장치의 3차원 개략도를 도시한다.
도 8a 및 도 8b는 본 발명에 따른 예시적인 조명 방향을 도시한다.
도 9는 본 발명에 따른 추가의 예시적인 조명 방향을 도시한다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 전송 시스템의 개략 측면도를 도시한다.
도 11은 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 전송 시스템의 개략 측면도를 도시한다.
도 12는 본 발명의 다른 실시예에 따른 광학 전송 시스템의 개략 측면도를 도시한다.
도 13은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 광학 전송 시스템의 개략 측면도를 도시한다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 표시 장치의 개략 측면도를 도시한다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 광학 전송 시스템의 개략 측면도를 도시한다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 표시 장치의 개략 측면도를 도시한다.
도 17a 및 도 17b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 예시적인 광원의 개략 정면도를 도시한다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템의 개략 측면도를 도시한다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 시스템의 개략 측면도를 도시한다.
도 20은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프로젝션 시스템의 개략 측면도를 도시한다.
본 발명은 대체로 조명 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 또한 조명 시스템을 포함하는 프로젝션 시스템에 적용 가능하며, 여기서 투사된 이미지를 높은 콘트라스트 및 휘도로 표시하는 것이 바람직하다. 본 발명은 투사가능 이미지를 생성하는 액정 표시 장치(LCD) 또는 디지털 마이크로-미러 장치(digital micro-mirror device; DMD)를 포함하는 프로젝션 시스템에 특히 적용 가능하다.
본 명세서에서, 다수의 도면에 사용된 동일한 참조 번호는 동일 또는 유사한 특성 및 기능을 가진 동일 또는 유사한 소자를 가리킨다.
본 발명의 이점은 조명 시스템의 광 세기 프로파일이, 예컨대 투사된 이미지의 전체 휘도에 따라, 각각의 투사된 이미지 또는 연속된 투사된 이미지의 콘트라스트 및/또는 휘도를 최적화하도록 동적으로 제어될 수 있다는 점이다. 예컨대, 조명 시스템은 실외의 낮 장면과 같은 밝은 투사된 이미지에 최대 휘도를 제공하고 밤 장면과 같은 비교적 어두운 투사된 이미지에 최적의 콘트라스트를 제공하도록 동적으로 제어될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템(100)의 3차원 개략도를 도시한다. 조명 시스템(100)은 광 어셈블리(110) 및 광 변조기(130)를 포함한다. 광 어셈블리(110)는 광 변조기(130)를 조명하기 위한 광을 방출하는 확장형 광원(115)을 포함한다.
본 발명의 일 태양에 따라, 확장형 광원(115)은 광선(112A, 112B, 112C)으로 나타낸 방향과 같은 서로 다른 방출 방향으로 광을 방출한다. 예컨대 x-y 평면에서, 확장형 광원(115)의 2차원 세기 프로파일은 x-y 평면에서 하나 이상의 방향을 따라 전자 장치(105)에 의해 제어될 수 있다. 예컨대, 세기 프로파일은 도 2a 및 도 2b에 개략적으로 도시된 바와 같이 방향(A1-A2 및 B1-B2)을 따라 전자 장치(105)에 의해 제어될 수 있다. 도 2a는 x-y 평면에서의 세기(I)를 x 방향에 따른 위치의 함수로 도시하고, 도 2b는 세기를 y 방향에 따른 위치의 함수로 도시한다. 특히, 도 2a는 A1-A2 방향에 따른 예시적인 세기 프로파일(210, 211)을 도시하고, 도 2b는 B1-B2 방향에 따른 예시적인 세기 프로파일(220, 221)을 도시한다. 세기 프로파일(210, 220)은 전자 장치(105)의 일 구성에 대응할 수 있고, 세기 프로파일(211, 221)은 전자 장치(105)의 다른 구성에 대응할 수 있다. 방향(A1A2, B1B2)은 단순히 예시적인 방향에 불과함을 알 것이다. 일반적으로, 본 발명의 일 태양에 따라, 전자 장치(105)는 x-y 평면에서 원하는 2차원 세기 프로파일을 생성하기 위해 확장형 광원(115)에 전력 공급할 수 있다.
도 1을 다시 참조하면, 광 변조기(130)는 이미지를 표시할 수 있는 활성 영역(140)을 갖는다. 본 발명의 일 태양에 따라, 확장형 광원(115)의 모든 각각의 발광 지점이 실질적으로 전체 활성 영역(140)을 조명한다. 예컨대, 확장형 광원(115)의 발광 지점(113, 114)의 각각이 실질적으로 전체 활성 영역(140)을 조명한다. 또한, 확장형 광원(115)의 각각의 개별 발광 지점이, 발광 지점마다 다를 수 있는 공통 방향으로부터 활성 영역(140)을 조명한다. 예컨대, 확장형 광 원(115)에서의 발광 지점(113)은 입체 콘 각도(α)를 가진 콘형 광(117)을 방출한다. 콘형 광(117)은 예시적인 광선(113A, 113B, 113C)을 포함한다. 콘형 광(117)은 공통 방향("U")으로부터 활성 영역(140)을 조명한다. 특히, 방출된 광선(113A)은 광선(U1)으로서 활성 영역(140)을 조명하고, 방출된 광선(113B)은 광선(U2)으로서 활성 영역(140)을 조명하고, 방출된 광선(113C)은 광선(U3)으로서 활성 영역(140)을 조명하며, 여기서 광선(U1, U2, U3)은 모두 공통 방향("U")을 따라 존재한다. 다른 예로서, 발광 지점(114)은 예시적인 광선(V1, V2, V3)으로 방향 "V"를 따라 활성 영역(140)을 조명하며, 여기서 방향 "V"는 방향"U"와 다르다.
조명 시스템(100)은 도 1에 명확하게 도시되지는 않은 다른 구성 요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 조명 시스템(100)은 광 어셈블리(110)와 광 변조기(130) 사이에 위치되어 광을 광 어셈블리로부터 변조기로 전달하는 광 모듈을 포함할 수 있다. 특히, 광 모듈은 공통 방향 "U"를 따라 실질적으로 전체 활성 영역(140)을 조명하도록 예컨대 콘형 광(117) 내의 광선을 방향 전환(redirect)시키도록 설계될 수 있다.
광 변조기(130)는 이미지를 표시할 수 있는 임의의 광 변조기일 수 있다. 예컨대, 광 변조기(130)는 디지털 마이크로-미러 장치(DMD)와 같은 마이크로전자기계 시스템(Microelectromechanical system; MEMS)일 수 있다. DMD는 경사식(tiltable) 마이크로-미러들의 어레이를 전형적으로 포함한다. 각 미러의 경사는, 예컨대 전기 신호에 의해, 독립적으로 제어될 수 있다. 각 미러(또는 픽셀)의 경사로 인해 미러는 빠르고 정확한 광 스위치의 역할을 한다. 결과적으로, DMD는 입사 광이 조명될 때 예컨대 이미지를 표시하기 위해 입사 광을 디지털 변조하는 공간 광 변조기의 역할을 할 수 있다. DMD의 일 예로는 미국 텍사스주 달라스 소재의 텍사스 인스트루먼츠 컴퍼니(Texas Instruments Company)에서 입수 가능한 디지털 라이트 프로세서(Digital Light Processor™; DLP™)를 들 수 있다.
광 변조기(130)의 다른 예로는, 예컨대 미국 특허 제5,841,579호에 설명되어 있는 그레이팅 광 밸브(grating light valve; GLV), 또는 액정 표시 장치(LCD)를 들 수 있다. LCD 타입 변조기(130)는 예컨대 각각 고온 폴리실리콘(high temperature polysilicon; HTPS) LCD 또는 실리콘 액정(liquid crystal on silicon; LCoS) 표시 장치와 같은 광 투과형 또는 반사형일 수 있다. 전형적인 LCD에서, 액정 박막은, 예컨대, 유리 또는 플라스틱으로 만들어진 두 기판 사이의 갭을 채운다. 편광 시트가 액정에 드나드는 광을 편광시키기 위해 기판의 한 면 또는 양면 상에 통상 배치된다. 액정과 마주하는 기판의 면들은 전형적으로 액정 셀들 또는 픽셀들의 어레이를 한정하는 패터닝된 전도성 전극으로 코팅된다. 셀을 가로질러 전극에 전계를 인가하면 셀 내의 액정 분자의 배향이 변화되어 셀의 광 투과 또는 반사 특성에 영향을 미칠 수 있다. 개별 픽셀의 광학 특성에 영향을 줄 수 있음으로 인해 LCD는 입사 광으로 조명될 때 이미지를 표시할 수 있다.
일반적으로, 광 변조기(130)는 이미지를 형성할 수 있는 전자적으로 주소지정이 가능하거나 스위칭이 가능한 임의의 디바이스일 수 있다. 일부 응용예에서, 광 변조기(130)는, 예컨대 특별한 응용예에 따라 시간의 함수로서 재생, 변화 또는 달리 갱신될 수 있는 정적 이미지를 표시할 수 있다.
광 변조기의 명암비는 변조기의 활성 영역에서 "화이트(white)" (또는 "온(on)") 상태 및 "어두운" (또는 "오프(off)" 또는 "블랙(black)") 상태 사이의 밝기 또는 휘도의 비로서 통상 정의된다. 순차 콘트라스트 및 ANSI(American National Standards Institute) 콘트라스트와 같은 명암비를 측정하는 상이한 방법들이 있다. 순차 명암비 측정에서, 변조기(130)와 같은 변조기의 명암비는 전체 활성 영역이 "화이트"("온" 상태)를 표시하는 상태에서 활성 영역(140)의 휘도를 예컨대 영역의 중심에서 또는 중심 근처에서 측정한 후, 전체 활성 영역이 "블랙"("오프" 또는 "어두운" 상태)을 표시하는 상태에서 유사한 측정을 수행함으로써 전형적으로 결정한다. 명암비는 측정된 두 휘도 값의 비이다.
ANSI-콘트라스트는 교번하는 "화이트" 및 "블랙" 픽셀로 만들어진 16 박스(픽셀) 체크보드 표시 장치를 제공함으로써 측정된다. "화이트" 상태의 밝기는 8개의 "화이트" 픽셀의 중심들에서 휘도를 측정 및 추가함으로써 얻어진다. 유사하게, "블랙" 상태의 밝기는 8개의 "블랙" 픽셀의 중심에서 휘도를 측정 및 추가함으로써 얻어진다. ANSI-콘트라스트는 두 밝기 값의 비이다.
본 발명의 일 태양에 따라, 활성 영역(140)에 표시되는 이미지의 명암비는 방출된 광의 2차원 세기 프로파일을 조절함으로써 제어될 수 있다. 예컨대, 도 2a 및 도 2b를 다시 참조하면, 세기 프로파일(210, 220)로 특징되는 세기 프로파일은, 세기 프로파일(211, 221)로 특징되는 세기 프로파일에 대해 활성 영역에 표시되는 동일 이미지의 명암비와는 다른 명암비를 가진 활성 영역(140)에 표시되는 이미지를 가져올 수 있다.
본 발명의 이점은, 주어진 광 변조기 및/또는 광원에 대해, 표시된 이미지의 명암비 및/또는 휘도가 확장형 광원(115)의 2차원 세기 프로파일을 조절함으로써 향상되거나 최적화될 수 있다는 것이다.
조명 시스템(100)은 향상된 콘트라스트, 해상도 및 휘도를 제공하기 위해 전면 또는 배면 프로젝션 시스템에 유리하게 채용될 수 있다. 프로젝션 시스템에 의해 형성되는 이미지는 실제 또는 가상 이미지일 수 있고, 이 경우 시청자는 직접, 또는 예컨대 접안 렌즈로, 이미지를 볼 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템(300)의 개략 측면도를 도시한다. 조명 시스템(300)은 광 어셈블리(310)와, 활성 영역(340)을 가진 픽셀형 광 변조기(330)를 포함한다. 광 어셈블리(310)는 광원(315A, 315B, 315C)과 같은 독립적으로 작동 가능한 광원(315)의 2차원 어레이를 포함한다. 각 광원은 개별적으로 또는 독립적으로 작동될 수 있으며, 이는 예컨대 독립적으로 작동 가능한 각 광원의 출력 광 세기가 독립적으로 작동 가능한 다른 광원의 출력 광 세기와는 독립적으로 조절될 수 있음을 의미한다. 예컨대, 광원(315A)의 출력 광 세기는 광원(315B)의 출력 광 세기와는 다를 수 있고, 광원(315B)의 출력 광 세기는 광원(315C)의 출력 광 세기와 다를 수 있다. 일부 응용예에서 또는 일부 환경 하에서, 독립적으로 작동 가능한 광원들 중 하나 이상의 광원의 출력 광 세기는, 예컨대 그들의 특별한 광원을 턴 오프시키거나 달리 차단함으로써 감소되거나 최소화될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 광원(315)에서 각각의 독립적으로 작동 가능한 광 원은 전체 활성 영역(340)을 실질적으로 조명한다. 예컨대, 독립적으로 작동 가능한 광원(315C)은 전체 활성 영역(340)을 실질적으로 조명한다. 또한, 각각의 독립적으로 작동 가능한 광원은 광을 서로 다른 방출 방향으로 방출한다. 예컨대, 광원(315A)은 광 방출 방향(A, B)을 따라 방출되는 광선(318A, 318B)과 같이 서로 다른 방출 방향으로 각각 광을 방출하고; 광원(315B)은 방출 방향(A, B)을 따라 방출되는 광선(316A, 316B)과 같이 서로 다른 방출 방향으로 각각 광을 방출하고; 광원(315C)은 방출 방향(A, B)을 따라 방출되는 광선(317A, 317B)과 같이 서로 다른 방출 방향으로 각각 광을 방출한다. 또한, 각 방출 방향은 활성 영역(340)에서 각각의 위치를 향하는데, 이는 광원(315)에 의해 주어진 방향으로 방출되는 모든 광선이 각각의 위치에서 활성 영역(340)을 조명하는 것을 의미한다. 예컨대, 방향 "A"를 따라 방출되는 광선(316A, 317A, 318A)은 픽셀(341A)과 같은 활성 영역(340) 내에서 동일한 위치로 수렴한다. 다른 예로서, 방향 "B"를 따라 방출되는 광선(316B, 317B, 318B)은 픽셀(341B)과 같은 활성 영역(340)에서 서로 다른 위치로 수렴하며, 여기서 방향 "B"는 방향 "A"와 다르다.
활성 영역(340) 내의 각 픽셀은, 광원들(315)의 2차원 어레이 내의 각각의 독립적으로 작동 가능한 광원으로부터 방출되는 적어도 하나의 광선을 포함하는 콘 각도를 가진 콘형 입사 광에 의해 조명된다. 예컨대, 활성 영역(340) 내의 픽셀(341C)은 콘형 광(320)에 의해 조명된다. 콘형 광(320)은 콘 각도(β)를 가진다. 도 3은 콘형 광(320)에서 두 개의 예시적인 맨 가장자리 광선(320A, 320B)을 도시한다. 콘형 광(320)은 복수의 광선을 포함하고, 여기서 복수의 광선은 광원 들(315)의 2차원 어레이 내의 각각의 독립적으로 작동 가능한 광원으로부터 적어도 하나의 광선을 포함한다.
콘형 광(320)의 콘 각도(β)는 광원들(315)의 2차원 어레이 내의 독립적으로 작동 가능한 광원들 중 하나 이상의 광원의 출력 광 세기를 조절함으로써 제어될 수 있다. 예컨대, 독립적으로 작동 가능한 광원들(315) 중 하나 이상의 광원의 출력 광 세기를 수정함으로써, 콘형 광(320)은 콘 각도(γ)를 가진 콘형 광(350)로 변화될 수 있고, 여기서 γ는 β보다 작다.
일반적으로, 광 변조기의 명암비는 변조기를 조명하는 콘형 입사 광의 콘 각도가 증가함에 따라 감소한다. LCD 변조기의 경우에, 이러한 감소는 입사 광선의 입사 각에 대한 액정 물질 지연(retardance)의 의존성에 전형적으로 기인한다. 이러한 의존성은 어두운 상태에서 픽셀의 휘도를 증가시킴으로써 명암비를 감소시킨다. 경사진 입사 각에서 편광 시트(또는 편광 빔 분할기와 같은 다른 구성 요소)에서의 광 누설도 또한 콘트라스트 저하에 기여할 수 있다.
DMD 변조기의 경우에, 명암비의 감소는 적어도 부분적으로는 광 회절 효과에 기인한 것으로 이해된다. 모든 광 변조기에서, 예컨대 완벽하지 않은 렌즈 표면에서 나오는 이탈하거나 산란된 광은 명암비를 감소시킬 수 있다.
본 발명의 한 가지 이점은, 광 변조기(330)에 의해 표시되는 이미지의 콘트라스트가 광원들(315)의 2차원 어레이 내의 개별 광원의 출력 광 세기를 조절함으로써 증가될 수 있어서 활성 영역(340) 내의 콘형 입사 광들의 하나 이상의 콘 각도가 감소되어, 예컨대 이미지 콘트라스트가 향상될 수 있다는 점이다.
또한, 본 발명의 일 실시예에서, 이미지의 명암비 및/또는 휘도를 더욱 향상시키기 위해, 콘형 입사 광의 콘 각도의 크기에 크게 영향을 주지 않는 하나 이상의 광원의 출력 세기를 증가시킬 수 있다. 이러한 광원은 예컨대 콘형 입사 광의 내부에 위치된 입사 광선에 기여하는 광원일 수 있다.
조명 시스템(300)은 도 3에 명확하게 도시되지는 않은 다른 구성 요소를 추가로 포함할 수 있다. 예컨대, 조명 시스템(300)은, 광 어셈블리(310)와 픽셀형 광 변조기(330) 사이에 배치되어 광을 광 어셈블리로부터 변조기로 전달하는 광학 구성요소를 포함할 수 있다. 특히, 광학 구성요소는, 예컨대, 방향 "A"를 따라 방출되는 모든 광선을 픽셀(341A)로 방향 전환시키고 방향 "B"를 따라 방출되는 모든 광선을 픽셀(341B)로 방향 전환시키도록 설계될 수 있다.
조명 시스템(300)은 향상된 콘트라스트, 해상도 및 휘도를 제공하기 위해 전면 또는 배면 프로젝션 시스템에 유리하게 채용될 수 있다.
본 발명에서, 콘형 광은 일반적으로 콘 각도라고 하는 끼인각(inclusion angle)을 한정하는 복수의 광선을 말한다. 본 발명에 따른 일반적인 콘형 광이 도 4a에 도시되어 있으며, 여기서 콘형 광(400)은 광선(400A, 400B, 400C)과 같은 복수의 광선을 포함하며, 광선은 끼인 입체각 또는 콘 각도(α1)를 한정한다. 콘형 광(400)는 또한 임의로 형상화된 폐곡선(411)에 의해 정의된 베이스(base; 410)를 x-y 평면 내에 갖는다. 베이스는 전형적으로 콘형 광이 광 변조기와 교차하는 z 축에 따른 콘 단면을 말한다. 일반적으로, z 축을 따르는 다른 위치에서 콘형 광(400)의 단면은 베이스(410)와는 다른 형상을 가질 수 있다. 예컨대, x-y 평면에서의 콘형 광(400)의 단면(420)은 베이스(410)와는 다른 형상을 가진다. 베이스(410)는 예컨대 활성 영역(340) 내의 픽셀(도 3 참조) 또는 활성 영역(140) 내의 위치(도 1 참조)를 조명한다.
다른 예시적인 콘형 광이 도 4b 내지 도 4e에 도시되어 있다. 예컨대, 도 4b는 정점(412), 콘 각도(α2), 예시적인 최외측 광선(401A, 401B, 401C) 및 x-y 평면 내의 단면 프로파일(421)을 가진 콘형 광(401)을 도시하며, 여기서 프로파일(421)은 예컨대 원 또는 타원 또는 임의의 형상일 수 있다. 본 발명에 따른 콘형 광은 콘형 광(401)과 유사하나 정점(412) 근처에서 잘린 콘형 광일 수 있음을 알 것이다.
도 4c는 직사각형 베이스(413), 끼인 입체각(α3) 및 예시적인 최외측 광선(402A, 402B, 402C)을 가진 콘형 광(402)을 도시한다. 단면(422)은 z 축을 따른 다른 위치에서 x-y 평면 내의 콘형 광의 단면이다. 알 수 있는 바와 같이, 단면(422)은 임의 프로파일을 갖는다. 다른 예시적인 콘형 광이 도 4d에 개략적으로 도시되어 있고, 여기서 콘형 광(403)은 직사각형 베이스(414)와, 콘 각도(α4)와, z 축을 따른 다른 지점에서 x-y 평면 내에 원형 또는 타원형 프로파일을 가진 단면(423)을 갖는다. 베이스(413 또는 414)는 예컨대 활성 영역(340) 내의 픽셀을 조명할 수 있다(도 3 참조).
또 다른 예로서, 도 4e는 직사각형 베이스(415) 및 끼인각(α5)을 가진, 절 두 피라미드의 형상 또는 절두체(frustum) 타입의 콘형 광(404)을 도시한다. 콘형 광(404)은 z 축을 따른 다른 지점을 따라 단면(424)과 같은 직사각형 단면을 갖는다. 베이스(415)는, 예컨대 활성 영역(340) 내의 픽셀을 조명할 수 있다(도 3 참조).
일반적으로, x-y 평면 내의 콘형 광의 베이스 또는 콘형 광의 다른 단면은 특별한 응용예에서 바람직할 수 있는 2차원 형상을 가질 수 있다. 예시적인 형상은 원형, 타원형, 다각형, 예컨대 4변형, 마름모형, 평행4변형, 사다리꼴, 직사각형, 정사각형, 또는 삼각형, 또는 주어진 응용예에서 유리할 수 있는 어떤 다른 형상을 포함한다. 예컨대, 도 3을 다시 참조하면, 콘형 광(320)의 베이스의 형상은 픽셀(341C), 즉 콘형 광에 의해 조명되는 픽셀의 형상과 실질적으로 매칭하도록 설계될 수 있다. 형상 매칭은 표시된 이미지의 콘트라스트 및/또는 휘도를 증가시킬 수 있다.
도 4a 내지 도 4e에 도시된 예시적인 콘형 광은 중실형일 수 있거나 광선이 없는 단면을 가질 수 있다. 한 가지 그러한 예가 도 5에 도시되어 있다. 콘형 광(500)은 광선(500A, 500B, 500C, 500D)과 같은 복수의 광선을 포함한다. 복수의 광선은 끼인 입체각 또는 콘 각도(α6)를 정의한다. 콘형 광(500)은 또한 개구 영역(511)을 가진 직사각형 베이스(510)를 x-y 평면 내에 가진다. 단면(520)은 베이스(510)에 대응하는 지점과는 다른 z 축에 따른 지점에서의 x-y 평면 내의 콘형 광(500)의 단면이다. 단면(520)은 개구 영역(530)을 갖는다. 도 5에 도시된 바와 같이, 콘형 광(500)은 광선을 포함하지 않는 단일 개구부(540)를 갖는다. 일반적으로, 콘형 광(500)은 하나보다 많은 개구부를 가질 수 있다.
도 3을 다시 참조하면, 광원(315)의 어레이는 한 응용예에서 유리할 수 있는 임의 타입의 광원을 포함할 수 있다. 예로는 수은 아크 램프와 같은 아크 램프, 백열 램프, 형광 램프, 레이저, 발광 다이오드(LED), 유기발광 다이오드(OLED), 수직 공진 표면 발광 레이저(vertical cavity surface emitting lasers; VCSEL), 또는 임의의 다른 적합한 발광 장치를 들 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 광원들(315)의 2차원 어레이 내의 각 광원은 LED이다.
어레이(315) 내의 독립적으로 작동 가능한 광원들은 하나의 응용예에서 바람직할 수 있는 어레이의 임의 형태로 배열될 수 있다. 예로는 직사각형, 삼각형, 6각형, 원형, 또는 어떤 다른 적합하게 구성된 어레이를 들 수 있다. 도 6a 내지 도 6c는 독립적으로 작동 가능한 광원들의 서로 다른 어레이를 가진 3개의 예시적인 광 어셈블리의 개략 정면도를 도시한다. 도 6a는 독립적으로 작동 가능한 광원들(615)의 2차원 직사각형 어레이를 포함하는 광원 어셈블리(610)를 도시한다. 광원(616A)은 광원 어레이 내의 예시적인 독립적으로 작동 가능한 광원이다. 도 6b는 독립적으로 작동 가능한 광원들(625)의 2차원 원형 어레이를 포함하는 광원 어셈블리(620)를 도시한다. 광원(626A)은 광원 어레이 내의 예시적인 독립적으로 작동 가능한 광원이다. 유사하게, 도 6c는 독립적으로 작동 가능한 광원들(635)의 2차원 어레이를 포함하는 광원 어셈블리(630)를 도시한다. 광원(636A)은 광원 어레 이 내의 예시적인 독립적으로 작동 가능한 광원이다. 본 발명에 따라, 독립적으로 작동 가능한 광원들의 어레이는 서로 다른 크기의 광원을 포함할 수 있음을 알 것이다. 예컨대, 광원들(635)의 어레이에서, 광원(636B)은 광원(636C)보다 더 큰 면적을 갖는다.
본 발명의 일 실시예에서, 개별 광원들은 서로 다른 타입일 수 있다. 예컨대, 광원들 중 일부는 LED일 수 있고, 다른 일부는 아크 램프일 수 있으며, 어레이 내의 또 다른 일부 광원은 OLED일 수 있다. 또한, 광원의 방출 스펙트럼은 서로 다를 수 있다. 예컨대, 독립적으로 작동 가능한 LED들의 어레이에서, 서로 다른 LED들이 백색, 녹색 및 청색과 같은 서로 다른 색상의 광을 방출할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프로젝션 표시 장치(700)의 3차원 개략도를 도시한다. 프로젝션 표시 장치(700)는 조명 시스템(701) 및 프로젝션 시스템(702)을 포함한다. 조명 시스템(701)은 확장형 광원(710), 제1 광학 전송 시스템(720) 및 픽셀형 광 변조기(730)를 포함한다.
확장형 광원(710)은 광축(716)에 집중되며, 광 소자(715A, 715B)와 같은 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이(715)를 포함한다. 각각의 광 소자는 출력 광 세기, 콘 각도 및 한 방향을 따라 전파되는 중심 광선으로 특징되는 콘형 광을 방출한다. 예컨대, 광 소자(715B)는 콘 각도(α7), 예시적인 최외측 광선(705A, 705B) 및 방향(704)을 따라 전파되는 중심 광선(705C)을 가진 콘형 광(703)을 방출한다.
제1 광학 전송 시스템(720)은 광원(710)에 의해 방출되는 광을 입사면(721)으로부터 수신하고, 수신된 광을 출사면(722)에 전송하고, 전송된 광을 출사면으로부터 픽셀형 광 변조기(730)로 전달한다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 제1 광학 전송 시스템(720)에 의해 전송되는 적어도 하나의 광 소자로부터의 광은 유한한 개수의 방향으로부터 픽셀형 광 변조기(730)를 조명하며, 여기서 유한한 개수의 방향은 적어도 2개이다. 예컨대, 제1 광학 전송 시스템(720)은 입사면(721)으로부터 콘형 광(703)을 수신하고, 수신된 광을 출사면(722)에 전송하고, 전송된 광을 두 방향(717, 719)을 따라 변조기(730)에 전달한다. 예컨대, 광선(716A, 716B)은 콘형 광(703)로부터 발생되어, 출사면(722)을 나와서, 방향(717)을 따라 변조기(730) 쪽으로 전파된다. 유사하게, 광선(718A, 718B)은 콘형 광(703)로부터 발생되어, 출사면(722)을 나와 방향(719)을 따라 변조기(730)쪽으로 전파된다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 방향(717, 719)은 도 8a 및 도 8b에 도시된 개략도를 참조하여 설명되는 바와 같이 광축(716)을 중심으로 회전 대칭이다. 도 8a는 광축(716)과 각(α8)을 이루는 방향(717)과, 광축(716)과 각(α9)을 이루는 방향(719)을 도시하며, 여기서 α8 및 α9는 동일하다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따라, 방향(704)은 방향(717, 719) 중 하나와 동일하다. 예컨대, 도 8a에서 방향(704)은 방향(717)을 따라 존재한다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 방향(717, 719) 및 광축(716)은 동일한 평면 내 에 있을 필요가 없다. 그러나, 본 발명의 일 실시예에 따라, 방향(717, 719) 및 광축(716)은 도 8b에 개략적으로 도시된 바와 같이 동일한 평면(810) 내에 있다.
도 7을 다시 참조하면, 광학 전송 시스템(720)은 모든 콘형 광의 광선이 방향(717, 719)을 따라 광학 전송 시스템을 나가도록 콘형 광(703)을 방향 전환시킨다. 일부 광 소자로부터의 콘형 광 내의 광선들은 실질적으로 단일 방향을 따라 제1 광학 전송 시스템(720)을 나갈 수 있다. 이는 예컨대 광 소자(715C)와 같이 광축(716)에 가까이 위치된 광 소자의 경우일 수 있다.
일반적으로, 콘형 광 내의 광선, 예컨대 광 소자(715B)로부터의 콘형 광(703) 내의 광선은 유한한 개수의 방향을 따라 제1 광학 전송 시스템(720)의 출사면(722)을 나갈 수 있다. 일 예가 도 9에 개략적으로 도시되어 있다. 특히, 도 9는 콘 각도(α10) 및 방향(904)을 따라 전파되는 중심 광선(915A)을 가진 콘형 광(903)을 방출하는 광 소자(715D)를 도시한다. 콘형 광(903) 내의 광선은 광축(716)을 중심으로 회전 대칭인 3개의 서로 다른 방향(U1, U2, U3)을 따라 제1 광학 전송 시스템(720)을 나오는 데, 이는 각(ω1, ω2, ω3)이 동일함을 의미하며, 여기서 ω1는 방향(U1)과 광축(716) 사이의 각도이고, ω2는 방향(U2)과 광축(716) 사이의 각도이며, ω3는 방향(U3)과 광축(716) 사이의 각도이다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 방향(904)은 3개의 방향(U1, U2, U3) 중 한 방향과 동일하다.
도 7을 다시 참조하면, 픽셀형 광 변조기(730)는 픽셀(751, 752)과 같은 개별적으로 제어 가능한 픽셀들의 어레이를 포함하는 활성 영역(740)을 갖는다. 활 성 영역(740)은 제1 광학 전송 시스템(720)에 의해 전달되는 광으로 조명될 때 이미지를 표시할 수 있다. 일반적으로, 광 변조기(730)는 LCD 또는 DMD와 같은 이미지를 형성할 수 있는 전자적으로 주소지정이 가능하거나 스위칭이 가능한 장치일 수 있다. 본 발명의 일 실시예에서, 픽셀을 조명하는 콘형 입사 광의 콘 각도가 감소됨에 따라 광 변조기(730) 내의 각 픽셀은 보다 높은 명암비를 제공한다.
제1 광학 전송 시스템(720)은 광을 본 발명에 따른 광 변조기(730)에 전송하기 위해 제1 광학 전송 시스템(720)에서 사용될 수 있는 하나 이상의 광학 구성요소, 예컨대 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 광 균일화기(light homogenizer), 광학 필터, 컬러 휠(color wheel), 미러, 또는 임의의 다른 광학 구성요소를 포함할 수 있다.
예시적인 제1 광학 전송 시스템(720)은 도 10 에 개략적으로 도시된 광학 전송 시스템(1300)이다. 광학 전송 시스템(1300)은 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이(715)와 활성 영역(740)을 가진 픽셀형 광 변조기(730) 사이에 위치된다. 예시를 용이하게 하기 위해서 그리고 일반성을 손상시키지 않고, 어레이(715)의 3개의 광 소자(715A, 715B, 715C)만이 도시되어 있다. 광학 전송 시스템(1300)은 제1 렌즈 어레이(1305), 제2 렌즈 어레이(1315) 및 필드 렌즈(1330)를 포함한다. 각각의 광 소자는 제1 렌즈 어레이(1305)로부터의 전용 렌즈 및 제2 렌즈 어레이(1315)로부터의 전용 렌즈를 갖는다. 예컨대, 광 소자(715A)는 전용 렌즈(1310, 1320)를 갖는다. 광학 전송 시스템(1300)은 각각의 광 소자로부터 출력되는 광이 전체 활성 영역(740)을 유한한 개수의 방향으로부터 사실상 조명하도록 각각의 광 소자로부터의 광을 방향 전환시킨다. 예컨대, 광 소자(715-A)는 콘형 광(1360)을 방출한다. 렌즈(1310, 1320, 1330)는 광선(1371, 1372)에 의해 예시된 바와 같은 방향(1370)을 따라 전체 활성 영역(740)을 조명하기 위해 콘형 광(1360) 내의 광선을 방향 전환시키도록 협동식으로 작용한다.
다른 예시적인 제1 광학 전송 시스템(720)은 도 11에 개략적으로 도시된 광학 전송 시스템(1400)이다. 광학 전송 시스템(1400)은 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이(715)와 활성 영역(740)을 가진 픽셀형 광 변조기(730) 사이에 위치된다. 도 11의 예에서, 각각의 광 소자는 광 소자에 의해 방출되는 콘형 광의 콘 각도를 감소시키기 위한 전용 렌즈 캡(dedicated lens cap)을 포함한다. 예컨대, 광 소자(715A)는 렌즈 캡(1430)을 포함한다. 광학 전송 시스템(1400)은 렌즈 어레이(1405), 집속 렌즈(1410) 및 광학 필드 렌즈(1420)를 포함한다. 각각의 광 소자는 렌즈 어레이(1405)로부터의 전용 렌즈를 갖는다. 예컨대, 광 소자(715A)는 전용 렌즈(1406)를 갖는다. 광학 전송 시스템(1400)은 각각의 광 소자로부터 출력되는 광이 전체 활성 영역(740)을 유한한 개수의 방향으로부터 사실상 조명하도록 각각의 광 소자로부터의 광을 방향 전환시킨다. 예컨대, 광 소자(715A)는 콘형 광(1460)을 방출한다. 렌즈(1406, 1410, 1420)는 광선(1471, 1472)에 의해 예시된 바와 같은 방향(1470)을 따라 전체 활성 영역(740)을 조명하기 위해 콘형 광(1460) 내의 광선을 방향 전환시키도록 협동식으로 작용한다. 광학 필드 렌즈(1420)는 조명 시스템(1490)을 텔레센트릭(telecentric)화하며, 이는 조명 시스템(1490)의 입사동(entrance pupil)과 출사동(exit pupil) 중 하나 또는 양자가 무한 거리에 또는 무한 거리 가까이에 위치될 수 있음을 의미한다.
광학 전송 시스템(1400)은 또한, 동일 방향으로 방출되는 광선이 활성 영역(740) 내의 실질적으로 동일한 위치를 향하도록, 어레이(715)에 의해 방출되는 광선을 지향시킨다. 예컨대, 광선(1431, 1432, 1433)은 동일한 방향(1480)을 따라 서로 다른 광 소자들에 의해 방출된다. 광학 전송 시스템(1400)은 이들 광선이 실질적으로 활성 영역(740) 내의 동일 지점(1491)으로 수렴하도록 광선들을 방향 전환시킨다.
다른 예시적인 제1 광학 전송 시스템(720)은 도 12에 개략적으로 도시된 광학 전송 시스템(1600)이다. 광학 전송 시스템(1600)은 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이(715)와 활성 영역(740)을 가진 픽셀형 광 변조기(730) 사이에 위치된다. 간단화를 위하여 그리고 일반성의 손상 없이, 어레이(715)의 3개의 광 소자(715A, 715B, 715C)만이 도시되어 있다. 광학 전송 시스템(1600)은 제1 렌즈 어레이(1605)와, 제2 렌즈 어레이(1615)와, 광 균일화기(1650)와, 렌즈(1630, 1640)를 포함하는 릴레이 렌즈 시스템(1625)을 포함한다. 각각의 광 소자는 제1 렌즈 어레이(1605)로부터의 전용 렌즈 및 제2 렌즈 어레이(1615)로부터의 전용 렌즈를 갖는다. 예컨대, 광 소자(715A)는 전용 렌즈(1610, 1620)를 갖는다. 광학 전송 시스템(1600)은 각각의 광 소자로부터 출력되는 광이 전체 활성 영역(740)을 유한한 개수의 방향으로부터 사실상 조명하도록 각각의 광 소자로부터의 광을 방향 전환시킨다. 예컨대, 광 소자(715A)는 콘형 광(1660)을 방출한다. 광학 전송 시스템(1600)은 방향(1671, 1672)을 따라 전체 활성 영역(740)을 조명하기 위해 콘형 광(1660) 내의 광선을 방향 전환시키며, 여기서 이들 두 방향은 광축(716)을 중심으로 회전 대칭일 수 있다.
균일화기(1650)는 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이(715)로부터 수신되는 광을 균일화하도록 설계된다. 예컨대, 균일화기(1650)는 광 소자(715A)로부터 수신되는 광을 균일화하며, 여기서 균일화는 균일화기(1650)에서 나오는 광이 균일화기(1650)에 들어가는 광보다 더 균일한 공간 세기 분포를 가짐을 의미한다. 알려진 광 균일화기의 예는 미국 특허 제5,625,738호 및 제6,332,688호와, 미국 특허 출원 공개 제2002/0114167호, 제2002/0114573호 및 제2002/0118946호에서 찾아 볼 수 있다.
균일화기(1650)는 입사면(1651), 광학 로드(optical rod; 1653) 및 출사면(1652)을 갖는다. 입사면(1651)은 출사면(1652)과 평행하거나 평행하지 않을 수 있다. 일반적으로, 출사면(1652)은 활성 영역(740)의 형상과는 다른 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 출사면(1652)은 사다리꼴일 수 있고, 활성 영역(740)은 정사각형일 수 있다. 일부 응용예에서, 출사면(1652) 및 활성 영역(740)은 동일한 형상, 예컨대 직사각형 또는 정사각형일 수 있다.
입사면(1651), 출사면(1652) 및 광학 로드(1653)의 단면은 임의의 형상, 예컨대 직사각형, 사다리꼴, 정사각형, 타원, 또는 어떤 응용예에서 바람직할 수 있는 임의의 다른 형상을 가질 수 있다. 입사면(1651), 출사면(1652) 및 광학 로드(1653)의 단면은 서로 다른 형상을 가질 수 있다. 예컨대, 입사면(1651)은 원형일 수 있고, 출사면(1652)은 정사각형일 수 있다. 광학 로드(1653)의 단면은 광 학 로드를 따라 다른 위치들에서 다를 수 있다. 예컨대, 광학 로드(1653)는 광축(716)을 따르는 그의 길이를 따라 테이퍼질 수 있다. 광학 로드(1653)의 단면의 변은 직선 또는 곡선일 수 있다. 테이퍼진 광학 로드의 일 예가 미국 특허 제6,332,688호에 도시되어 있다.
균일화기(1650)는 3차원 형상, 예컨대 6면체와 같은 다면체를 가질 수 있다. 균일화기(1650)의 일부 또는 전체는 중실 또는 중공일 수 있다. 균일화기(1650)는 반사, 전반사, 굴절, 산란, 또는 회절과 같은 어떤 적합한 광학 방법, 또는 그 조합에 의해 입력 광을 균일화시킬 수 있다.
다른 예시적인 제1 광학 전송 시스템(720)은 도 13에 개략적으로 도시된 광학 전송 시스템(1700)이다. 광학 전송 시스템(1700)은 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이(715)와 활성 영역(740)을 가진 픽셀형 광 변조기(730) 사이에 위치된다. 간단화를 위하여 그리고 일반성의 손상 없이, 어레이(715)의 3개의 광 소자(715A, 715B, 715C)만이 도시되어 있다. 광학 전송 시스템(1700)은 복수의 광 가이드(1701), 복수의 렌즈 캡(1702), 렌즈 어레이(1704), 집속 렌즈(1710) 및 필드 렌즈(1720)를 포함한다. 각각의 광 소자는 복수의 광 가이드(1701)로부터의 전용 광 가이드, 복수의 렌즈 캡(1702)으로부터의 전용 렌즈 캡, 그리고 렌즈 어레이(1704)로부터의 전용 렌즈를 갖는다. 예컨대, 광 소자(715A)는 전용 광 가이드(1701A), 렌즈 캡(1702A) 및 렌즈(1704A)를 가지며, 여기서 도 13의 예에서, 렌즈 캡(1702A)은 광 가이드(1701A)의 출사면(1760) 상에 장착된다. 광학 전송 시스템(1700)은 각각의 광 소자로부터 출력되는 광이 전체 활성 영역(740)을 유한한 개 수의 방향으로부터 사실상 조명하도록 각각의 광 소자로부터의 광을 방향 전환시킨다. 예컨대, 광학 전송 시스템(1700)은 방향(1731, 1732)을 따라 전체 활성 영역(740)을 조명하기 위해 광 소자(715A)에 의해 방출되는 광을 방향 전환시키며, 여기서 이들 두 방향은 광축(716)을 중심으로 회전 대칭일 수 있다.
광학 전송 시스템(1700)은 렌즈 어레이(1704)에 또는 그 근처에 위치된 구경 조리개(1705)를 추가로 포함한다. 도 13에 도시된 실시예에서, 복수의 광 가이드(1701) 중 각각의 광 가이드의 출사면의 이미지가 실질적으로 전체 활성 영역(740) 상에 형성된다. 예컨대, 출사면(1760)의 이미지가 실질적으로 전체 활성 영역(740) 상에 형성된다.
도 7을 다시 참조하면, 프로젝션 시스템(702)은 제2 광학 전송 시스템(750) 및 프로젝션 스크린(760)을 포함한다. 제2 광학 전송 시스템(750)은 광 변조기(730)에 의해 형성되는 이미지를 프로젝션 스크린(760) 상에 투사시킨다. 도 7은 광 투과형 광 변조기(730)를 도시한다. 일반적으로, 광 변조기(730)는 투과형 또는 반사형일 수 있다. 프로젝션 표시 장치(700)와 유사하나 반사형 광 변조기를 채용하는 프로젝션 표시 장치가 도 14에 개략적으로 도시되어 있다. 특히, 도 14는 대략적인 방향(W1)으로 광을 수신하고 프로젝션 스크린(760) 상으로의 투사를 위해 수신된 광을 제2 광학 전송 시스템(750)을 향해 대략적인 방향(W2)으로 선택적으로 반사시키는 반사형 픽셀형 광 변조기(1030)를 도시한다.
도 7을 다시 참조하면, 프로젝션 표시 장치(700)는 배면 프로젝션 시스템일 수 있으며, 이 경우, 프로젝션 스크린(760)은 배면 프로젝션 스크린이다. 프로젝 션 표시 장치(700)는 전면 프로젝션 시스템일 수 있고, 이 경우 프로젝션 스크린(760)은 전면 프로젝션 스크린이다.
제2 광학 전송 시스템(750)은 본 발명에 따라 광 변조기(730)(또는1030)에 의해 표시되는 이미지를 스크린(760)에 투사시키기 위해 제2 광학 전송 시스템(750)에 사용될 수 있는 하나 이상의 광학 구성요소, 예컨대 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 편광기, 색상 조합기, 미러, 프레넬(Fresnel) 렌즈, 또는 임의의 다른 광학 구성요소를 포함할 수 있다.
예시적인 제2 광학 전송 시스템(750)은 도 15에 개략적으로 도시된 광학 전송 시스템(1500)이다. 광학 전송 시스템(1500)은 픽셀형 광 변조기(730)와 프로젝션 스크린(760) 사이에 배치되고, 복수의 렌즈 소자, 특히 렌즈 소자(1510, 1520, 1530, 1540, 1550)를 포함한다. 광학 전송 시스템(1500)은 활성 영역(740)에 표시된 이미지를 확대하여 프로젝션 스크린(760)에 투사시킨다. 알려진 프로젝션 시스템의 다른 예가 미국 특허 제6,417,971호; 제6,301,057호 및 제5,969,876호에 설명되어 있다.
도 16은 본 발명의 다른 실시예에 따른 프로젝션 표시 장치(1100)의 개략 측면도를 도시한다. 프로젝션 표시 장치(1100)는 조명 시스템(1101) 및 프로젝션 시스템(1102)을 포함한다. 조명 시스템(1101)은 주로 이미지 형성 변조기(1160)를 조명하도록 설계되고, 프로젝션 시스템(1102)은 주로, 예컨대 시청자(1195)가 볼 수 있도록 변조기(1160)에 의해 형성되는 이미지를 프로젝션 스크린(1190)에 투사시키도록 설계된다.
조명 시스템(1101)은 확장형 광원(1110), 제1 광학 전송 시스템(1120), 구경 조리개(1130), 제2 광학 전송 시스템(1150) 및 픽셀형 광 변조기(1160)를 포함한다. 확장형 광원(1110)은 개별 광원(1111)과 같은 복수의 개별 광원(1115)을 포함한다. 개별 광원의 각각은 개별적으로 제어될 수 있으며, 이는, 예컨대 각 개별 광원의 출력 세기가 다른 개별 광원들과는 독립적으로 제어될 수 있음을 의미한다. 일부 응용예에서, 도 17a 및 도 17b를 참조하여 보다 상세하게 설명되는 바와 같이 개별 그룹인 서로 다른 서브세트의 복수의 개별 광원(1115)을 제어하는 것이 유리할 수 있다.
도 17a는 본 발명의 일 실시예에 따른 도 16의 광원(1115)과 유사한 복수의 개별 광원(1215)의 개략 정면도이다. 복수의 개별 광원(1215)은 전기 커넥터(1222)에 의해 서로 연결된 개별 광원(1220A)과 같은 개별 광원들의 제1 원형 열(circular row)(1220)을 포함한다. 제1 원형 열(1220) 내의 모든 개별 광원은 전자 장치(1221)에 의해 단체로 전력이 공급될 수 있다. 복수의 개별 광원(1215)은 전기 커넥터(1232)에 의해 서로 연결된 개별 광원(1230A)과 같은 개별 광원들의 제2 원형 열(1230)을 추가로 포함한다. 제2 원형 열(1230) 내의 모든 개별 광원은 전자 장치(1231)에 의해 단체로 전력이 공급될 수 있다. 복수의 개별 광원(1215)은 전기 커넥터(1242)에 의해 서로 연결된 개별 광원(1240A)과 같은 개별 광원들의 제3 원형 열(1240)을 추가로 포함한다. 제3 원형 열(1240) 내의 모든 개별 광원은 전자 장치(1241)에 의해 단체로 전력이 공급될 수 있다. 일반적으로, 복수의 개별 광원(1215)은 보다 많거나 적은 광원 열을 가질 수 있다. 도 17a에 도시된 예시적 인 2차원 광원에서, 각 열의 출력 세기는 개별적으로 제어될 수 있다. 일반적으로, 광원(1215)은 서로 다른 세그먼트를 포함할 수 있으며, 여기서 각 세그먼트의 출력 광 세기는 개별적으로 제어될 수 있다.
도 17b는 본 발명의 일 실시예에 따른 복수의 개별 광원(1250)의 개략 정면도이다. 복수의 개별 광원(1250)은 1에서 16까지 번호가 붙여진 16개의 개별 광 세그먼트를 포함한다. 각각의 광 세그먼트는, 예컨대 전용 전자 회로에 의해 개별적으로 제어된다. 예컨대, 전자 장치(1212)는 광 세그먼트(12)의 출력 광 세기를 제어하고, 전자 장치(1209)는 광 세그먼트(9)의 출력 광 세기를 제어한다.
도 16을 다시 참조하면, 복수의 개별 광원(1115)은 비평면인 것으로 도시되어 있다. 일반적으로, 복수의 개별 광원(1115)은 주어진 응용예에서 유리할 수 있는 임의의 구성으로 배열될 수 있다. 예컨대, 복수의 개별 광원(1115)은 구형, 타원체형, 포물선형, 쌍곡선형, 평면형, 또는 임의의 다른 적절한 표면을 형성하도록 배열될 수 있다. 다른 예로서, 복수의 개별 광원(1115)은 4면체, 6면체, 8면체, 12면체, 20면체, 또는 임의의 다른 다면적인 표면과 같은 다면체의 적어도 일부를 형성하도록 배열될 수 있다. 또 다른 예로서, 복수의 개별 광원(1115) 내의 서로 다른 광원은 서로 다른 방식으로 배열될 수 있다. 예컨대, 내부 광원은 다각면체의 일부를 형성할 수 있고, 외부 광원은 구형 표면의 일부를 형성할 수 있다. 구형 표면은 또한 광원의 개별 세트 2개를 형성하기 위해 다각면체로부터 위치적으로 오프셋될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 복수의 개별 광원(1115)은 서로 다른 크기 광 원을 포함할 수 있다. 예컨대, 도 17b를 참조하면, 광원(10)은 광원(16)보다 넓은 면적을 갖는다. 복수의 개별 광원(1115) 중의 광원들은 서로 다른 타입일 수 있다. 예컨대, 광원들 중 일부는 LED일 수 있고, 다른 일부는 아크 램프일 수 있으며, 또 다른 일부 광원은 OLED일 수 있다. 또한, 광원의 방출 스펙트럼은 서로 다를 수 있다. 예컨대, 복수의 개별 LED들에서, 서로 다른 LED들은 백색, 녹색, 적색, 또는 청색과 같은 서로 다른 색상 광을 방출할 수 있다.
구경 조리개(1130)는 광 투과형인 개구 영역(1140)을 갖는다. 개구 영역(1140)은 일 응용예에 적합할 수 있는 정사각형, 원형, 타원형, 사다리꼴, 또는 임의의 다른 형상일 수 있다. 더욱이, 개구(1140)의 크기는, 예컨대 수동으로 또는 전자적으로, 제어될 수 있다.
제1 광학 전송 시스템(1120)은 개구(1130)의 평면과 실질적으로 일치하거나 그 평면에 실질적으로 가까운 평면 내에 복수의 개별 광원(1115)의 이미지를 형성한다. 형성된 이미지는 개구(1140)의 적어도 일부분을 채우는 제1 광학 필드(1145)이다. 본 발명의 일 실시예에서, 제1 광학 필드(1145)는 실질적으로 전체 개구(1140)를 채운다. 광학 필드(1145) 및 복수의 개별 광원(1115)은 결합(conjugate) 쌍을 형성하는 데, 이는 예컨대 광학 필드(1145)가 복수의 개별 광원(1115)의 이미지 평면에 놓임을 의미한다.
본 발명의 한 가지 장점은 동적 아포다이제이션(dynamic apodization)이며, 이는 복수의 개별 광원(1115) 내의 개별 광원의 개별제어에 의해 구경 조리개(1130)의 유효 형상 및/또는 크기가 동적으로 제어될 수 있어 투사된 이미지의 휘도 및/또는 콘트라스트가 향상됨을 의미한다.
제1 광학 전송 시스템(1120)은 복수의 개별 광원(1115)의 이미지를 개구(1140) 상에 형성하도록 제1 광학 전송 시스템(1120)에서 적합하게 사용될 수 있는 하나 이상의 광학 구성요소, 예컨대 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 광 균일화기, 광학 필터, 컬러 휠, 미러, 프레넬 렌즈, 또는 임의의 다른 광학 구성요소를 포함할 수 있다.
픽셀형 광 변조기(1160)는 이미지를 형성할 수 있는 픽셀(1171)과 같은 픽셀을 포함하는 픽셀화 활성 영역(1170)을 갖는다. 제2 광학 전송 시스템(1150)은 제1 광학 필드(1145)를 활성 영역(1170) 상에 전송하여, 픽셀형 광 변조기(1160) 또는 활성 영역(1170)의 평면 내에 제2 광학 필드(1165)를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 제1 광학 필드(1145) 및 제2 광학 필드(1165)는 푸리에 변환 쌍을 형성하며, 이는 일반적으로 광학 필드(1145) 내의 모든 각각의 지점이 실질적으로 전체 활성 영역(1171)을 유한한 개수의 방향, 바람직하게는 한 방향 또는 두 방향으로부터 조명함을 의미한다. 또한, 동일한 방향을 따라 전파되는 제1 광학 필드(1145)로부터의 모든 광선은 실질적으로 활성 영역(1170) 내의 각각의 지점에서 집중된다.
제2 광학 필드(1165)는 활성 영역(1170)의 일부를 조명할 수 있으며, 이 상황을 언더필(underfill)이라고도 한다. 제2 광학 필드(1165)는 활성 영역(1170)을 지나 연장된 영역을 조명할 수 있으며, 이 상황을 때때로 오버필(underfill)이라고도 한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 제2 광학 필드(1165)의 크기는 활성 영 역(1170)의 크기와 실질적으로 동일하며, 이는 오버필 또는 언더필이 최소이거나 없음을 의미한다.
제2 광학 전송 시스템(1150)은 제1 광학 필드(1145)를 수신하여 두 광학 필드가 푸리에 변환 쌍을 형성하는 변조기(1160)에 제2 광학 필드(1165)를 형성하기 위해 제2 광학 전송 시스템(1150)에서 적합하게 사용될 수 있는 하나 이상의 광학 구성요소, 예컨대 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 광 균일화기, 광학 필터, 컬러 휠, 미러, 프레넬 렌즈, 또는 임의의 다른 광학 구성요소를 포함할 수 있다.
예시적인 제1 광학 전송 시스템(1120) 및 제2 광학 전송 시스템(1150)이 도 18에 도시되어 있다. 도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 조명 시스템(1900)의 개략 측면도를 도시한다. 조명 시스템(1900)은 복수의 개별 광원(1115)을 포함한다. 간단화를 위해 그리고 일반성의 손상 없이, 복수의 개별 광원(1115)은 3개의 광원(1115A, 1115B, 1115C)을 포함한다. 일반적으로, 복수의 개별 광원(1115)은 응용예에 의해 요구되는 바와 같이 배열된 개별 광원들의 어레이를 포함할 수 있다. 조명 시스템(1900)은 활성 영역(1170)을 가진 픽셀형 광 변조기(1160)를 추가로 포함한다. 조명 시스템(1900)은 제1 복수의 개별 렌즈(1910), 제2 복수의 개별 렌즈(1920), 구경 조리개(1930), 집속 렌즈(1940) 및 필드 렌즈(1980)를 추가로 포함한다. 각 개별 광원은 제1 복수의 개별 렌즈(1910)로부터의 전용 렌즈 및 제2 복수의 개별 렌즈(1920)로부터의 전용 렌즈를 갖는다. 예컨대, 광원(1115A)은 전용 렌즈(1910A, 1920A)를 갖는다. 제2 복수의 개별 렌즈(1920)는 구경 조리개(1930)의 개구(1931)에 위치되어 있다. 도 18에 도시된 예시적인 실시예에 따 라, 구경 조리개(1930)는 복수의 광원(1115)의 결합 평면 내에 위치된다. 예컨대, 광원(1115A)은 구경 조리개(1930)의 개구(1931)에서 이미지가 형성된다. 복수의 광원(1115)으로부터의 광은 개구(1931)에 제1 광학 필드(1990)를 형성한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 각 개별 광원으로부터의 광은 실질적으로 전체 활성 영역(1170)을 동일한 방향으로 조명한다. 예컨대, 개별 광원(1115A)에 의해 방출되는 광은 실질적으로 전체 활성 영역(1170)을 광선(1951, 1952, 1953)에 의해 예시된 방향(1950)으로 조명한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따라, 구경 조리개(1930)의 개구(1931)를 주어진 방향으로 나가는 광선은 활성 영역(1170) 내의 동일 위치를 향한다. 예컨대, 광선(1961, 1962, 1963)은 방향(1960)을 따라 구경 조리개(1930)의 개구(1931)를 나간다. 이어서, 이들 광선은 활성 영역(1170) 내의 동일 위치(1970)로 수렴한다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 제1 광학 필드(1990)는 실질적으로 전체 활성 영역(1170)을 조명하여 활성 영역에 제2 광학 필드(1991)를 형성하며, 여기에서 두 광학 필드는 푸리에 변환 쌍을 형성한다.
도 16을 다시 참조하면, 프로젝션 시스템(1102)은 제3 광학 전송 시스템(1180) 및 프로젝션 스크린(1190)을 포함한다. 제3 광학 전송 시스템(1180)은 광 변조기(1160)에 의해 형성된 이미지를 프로젝션 스크린(1190) 상에 투사시킨다. 도 16은 광 투과형 광 변조기(1160)를 도시한다. 일반적으로, 이전에 설명된 바와 같이, 광 변조기(1160)는 광 투과형 또는 반사형일 수 있다.
프로젝션 표시 장치(1100)는 배면 프로젝션 시스템일 수 있고, 이 경우 프로젝션 스크린(1190)은 배면 프로젝션 스크린이다. 프로젝션 표시 장치(1100)는 전 면 프로젝션 시스템일 수 있고, 이 경우 프로젝션 스크린(1190)은 전면 프로젝션 스크린이다.
제3 광학 전송 시스템(1180)은 광 변조기(1160)에 의해 표시되는 이미지를 스크린(1190) 상으로 투사하기 위해 제3 광학 전송 시스템(1180)에서 적합하게 사용될 수 있는 하나 이상의 광학 구성요소, 예컨대 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이, 편광기, 색상 조합기, 미러, 프레넬 렌즈, 구경 조리개, 또는 임의의 다른 광학 구성요소를 포함할 수 있다. 제3 광학 전송 시스템(1180)의 일 예가 도 15에 도시되어 있다.
프로젝션 표시 장치(1100)는 각 개별 광원에 대응하는 명암비를 측정 및 저장하는 프로세서(1103)를 추가로 포함한다. 이는, 예컨대 개별 광원들 중 하나를 제외한 모두를 턴 오프시키고 "온(on)"광원에 대응하는 활성 영역(1170) 내의 명암비를 측정함으로써 행해질 수 있다. 이러한 측정은 각 광원에 대해 행해져 전자적으로 저장된 룩업 테이블을 생성하며, 룩업 테이블은 개별 광원들을 가장 나쁘거나 작은 명암비에서부터 가장 좋거나 높은 명암비까지 등급을 매긴다.
프로세서(1103)는 또한 투사가능 이미지가 예컨대 제3 광학 전송 시스템(1180)에 의해 프로젝션 스크린(1190) 상으로 투사될 수 있는 활성 영역(1170) 내에 형성되는 투사가능 이미지의 평균 휘도를 측정할 수 있다. 측정된 평균 휘도는, 하나 이상의 개별 광원의 출력 세기를 조절함으로써 투사가능 이미지의 명암비 및/또는 휘도를 증가시키기 위해, 프로세서(1103)에 의해 사용될 수 있다. 예컨대, 평균 휘도가 야간 장면과 같은 비교적 어두운 이미지를 나타내는 임계 값보다 작으면, 프로세서(1103)는 가장 낮은 대응 명암비를 가진 독립 광원들 중 하나 이상의 독립 광원의 출력 세기를 감소시키거나 그 독립 광원을 완전히 턴 오프시킬 수 있다. 영향을 받는 개별 광원은 복수의 개별 광원(1115)의 외부에, 내부에, 또는 일반적으로 확장형 광원(1110) 내의 서로 다른 위치에 있을 수 있다. 본 발명의 이점은 개별 광원의 위치에 관계없이 투사가능 이미지의 명암비 및/또는 휘도를 향상시키기 위해 개별 광원의 출력 세기가 개별적으로 제어될 수 있다는 것이다. 동시에, 프로세서(1103)는 대응하는 높은 명암비를 가진 하나 이상의 개별 광원의 출력 세기를 증가시킬 수 있다. 그러므로, 비교적 어두운 투사가능 이미지의 휘도 및 콘트라스트가 증가될 수 있다.
활성 영역(1170) 내의 투사가능 이미지의 평균 휘도가 실외 낮 이미지와 같은 밝은 이미지를 나타내는 임계 값보다 높으면, 프로세서(1103)는 모든 개별 광원(1115)을 온 상태로 유지할 수 있고 개별 광원들 중 하나 이상의 광원 출력 세기도 증가시킬 수 있다.
본 발명의 이점은 프로세서(1103)가 임의의 주어진 활성 영역(1170)을 위한 각각의 개별 광원과 임의의 주어진 복수의 광원(1115)에 대해 명암비를 측정할 수 있다는 점이다. 예컨대, 대응하는 낮은 명암비를 가진 특별한 개별 광원의 출력 세기는 개별 광원이 확장형 광원(1110)에 위치하는 장소에 관계 없이 감소될 수 있다. 프로세서(1103)는 전자 장치(105)(도 1 참조)의 일부일 수 있고, 이 경우 프로세서(1103)의 기능은 전자 장치(105)에 의해 실행될 수 있다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 시스템(1800)의 측면도를 도 시한다. 프로젝션 시스템(1800)은 제1 조명 시스템(1801), 제2 조명 시스템(1802) 및 제3 조명 시스템(1803)을 포함하나, 일반적으로 프로젝션 시스템(1800)은 더 많거나 적은 조명 시스템을 가질 수 있다. 또한, 도 19는 일반적으로 x 및 y 방향을 따라 배열된 3개의 조명 시스템을 도시하나, 일반적으로 각 조명 시스템은 주어진 응용예에서 요구되는 임의의 방향으로 배향될 수 있다.
도 19에서의 각 조명 시스템은 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이, 제1 렌즈 어레이, 제2 렌즈 어레이, 필드 렌즈 및 이미지를 표시할 수 있는 활성 영역을 가진 광 변조기를 포함한다. 예컨대, 제1 조명 시스템(1801)은 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 제1의 2차원 어레이(1810)를 포함하고, 이들 중 3개(광 소자(1801A, 1801B, 1801C))가 도 19 에 도시되어 있다. 통상, 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이 각각은 주어진 응용예에서의 요구를 최적으로 충족시키기 위해 배열된 복수의 광원을 포함한다. 조명 시스템(1801)은 제1 렌즈 어레이(1820) 및 제2 렌즈 어레이(1830)를 추가로 포함한다. 어레이(1810) 내의 각각의 광 소자는 제1 렌즈 어레이(1820)로부터의 전용 렌즈 및 제2 렌즈 어레이(1830)로부터의 전용 렌즈를 갖는다. 예컨대, 광 소자(1801C)는 전용 렌즈(1820-C, 1830-C)를 갖는다. 조명 시스템(1801)은 필드 렌즈(1840)와, 활성 영역(1851)을 갖는 광 변조기(1850)를 추가로 포함하고, 여기서 활성 영역은 이미지를 표시할 수 있다. 광 변조기(1850)는 이미지를 형성할 수 있는 LCD 또는 어떤 다른 광 변조기일 수 있고, 그 예는 본 명세서에서 이전에 설명되었다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 각각의 광 소자에 의해 방출되는 광은 대응하 는 광 변조기의 전체 활성 영역을 실질적으로 조명한다. 예컨대, 광 소자(1801A)로부터 방출되는 모든 광은 실질적으로 전체 활성 영역(1851)을 조명한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따라, 조명은 동일한 방향을 따라 존재한다. 예컨대, 광 소자(1801A)로부터 방출되는 광은 광선(1811, 1812)에 의해 예시되는 바와 같은 방향(1810A)을 따라 활성 영역(1851)을 조명하고, 광 소자(1801B)로부터 방출되는 광은 방향(1810B)을 따라 활성 영역(1851)을 조명하고, 광 소자(1801C)로부터 방출되는 광은 방향(1810C)을 따라 활성 영역(1851)을 조명한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따라, 방향(1810A, 1810B, 1810C)은 도 19에 도시된 바와 같이 서로 다르다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이에 의해 동일 방향을 따라 방출되는 모든 광선은 대응하는 광 변조기의 활성 영역 내의 동일한 위치로 사실상 수렴한다.
도 19에 도시된 3개의 예시적인 조명 시스템 각각은 조명을 동일한 색상 또는 서로 다른 색상들로 제공할 수 있다. 예컨대, 조명 시스템(1801)은 예컨대 청색 발광원을 사용함으로써, 또는 도 19에 명확하게 도시되지는 않은 적합한 컬러 필터를 포함시킴으로써 조명을 청색으로 제공할 수 있다. 유사하게, 조명 시스템(1802)은 조명을 적색으로 제공할 수 있고, 조명 시스템(1803)은 조명을 녹색으로 제공할 수 있다.
프로젝션 시스템(1800)은 3개의 광 변조기들에 의해 형성되는 이미지들을 조합 및 중첩시키는 색상 조합기(1860)를 추가로 포함한다. 도 19는 광 투과형 LCD 와 같은 광 투과형 광 변조기를 도시한다. 일부 응용예에서, 변조기는 반사형일 수 있고 (예컨대, 도 14 및 도 20 참조), 이 경우 색상 조합기(1860)는 광 변조기에 의해 형성되는 반사된 이미지들을 조합 및 중첩시킨다.
서로 다른 광 변조기들에 의해 형성되는 이미지들의 경로들이 색상 조합기(1860)에 개략적으로 도시되어 있다. 특히, 광선 경로(1861)는 조명 시스템(1801)에 의해 형성되는 이미지에 대한 일반 전파 경로를 나타내고, 광선 경로(1862)는 조명 시스템(1802)에 의해 형성되는 이미지에 대한 일반 전파 경로를 나타내며, 광선 경로(1863)는 조명 시스템(1803)에 의해 형성되는 이미지에 대한 일반 전파 경로를 나타낸다. 광선 경로들이 서로에 대해 약간 오프셋된 것으로 도시되어 있지만, 이는 예시를 용이하게 하기 위한 것이다. 일반적으로, 조명 시스템들에 의해 형성되는 이미지들은 높은 해상도를 가진 컬러 이미지를 형성하기 위해 실질적으로 중첩되고 겹쳐진다.
프로젝션 시스템(1800)은 투사 렌즈 시스템(1870) 및 프로젝션 스크린(1880)을 추가로 포함한다. 투사 렌즈 시스템(1870)은 전형적으로 다수의 렌즈(예컨대, 도 19에서 5개)를 포함한다. 알려진 투사 렌즈 시스템의 예가 미국 특허 제6,417,971호; 제6,301,057호 및 제5,969,876호에 설명되어 있다.
프로젝션 시스템(1800)은 배면 프로젝션 시스템일 수 있고, 이 경우 프로젝션 스크린(1880)은 바람직하게는 배면 프로젝션 스크린이다. 프로젝션 시스템(1800)은 전면 프로젝션 시스템일 수 있고, 이 경우 프로젝션 스크린(1880)은 바람직하게는 전면 프로젝션 스크린일 수 있다.
도 20은 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 시스템(2000)의 개략 측면도를 도시한다. 프로젝션 시스템(2000)은 제1 조명 시스템(2001), 제2 조명 시스템(2002) 및 제3 조명 시스템(2003)을 포함하나, 일반적으로 프로젝션 시스템(2000)은 더 많거나 적은 조명 시스템을 가질 수 있다. 또한, 도 20은 일반적으로 x 및 y 방향을 따라 배열된 3개의 조명 시스템을 도시하나, 일반적으로 각 조명 시스템은 주어진 응용예에서 요구되는 임의의 방향으로 배향될 수 있다.
도 20의 각 조명 시스템은 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이, 제1 렌즈 어레이 및 제2 렌즈 어레이를 포함한다. 예컨대, 제1 조명 시스템(2001)은, 3개의 광 소자(광 소자(2001A, 2001B, 2001C))가 도 20에 도시되어 있는 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이(2010)와, 제1 렌즈 어레이(2020)와, 제2 렌즈 어레이(2030)를 포함한다. 통상, 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이 각각의 광 소자는 주어진 응용예에서의 요구를 최적으로 충족시키도록 배열된다.
또한, 조명 시스템에서의 각각의 광 소자는 대응하는 제1 렌즈 어레이로부터의 전용 렌즈 및 대응하는 제2 렌즈 어레이로부터의 전용 렌즈를 갖는다. 예컨대, 광 소자(2001C)는 제1 렌즈 어레이(2020)로부터의 전용 렌즈(2020C)와 제2 렌즈 어레이(2030)로부터의 전용 렌즈(2030C)를 갖는다. 3개의 조명 시스템은 동일한 필드 렌즈(2005) 및 동일한 반사형 광 변조기(2050)를 공유하고, 여기서 반사형 광 변조기(2050)는 이미지를 표시할 수 있는 활성 영역(2051)을 갖는다. 광 변조기(2050)는 바람직하게는 DLP와 같은 DMD이다.
도 20에 도시된 예시적인 실시예에서, 조명 시스템은 광 변조기(2050)를 공유한다. 일부 응용예에서, 각 조명 시스템은 전용 광 변조기를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 각각의 광 소자에 의해 방출되는 광은 광 변조기의 전체 활성 영역을 실질적으로 조명한다. 예컨대, 광 소자(2001A)로부터 방출되는 모든 광은 실질적으로 전체 활성 영역(2051)을 조명한다. 또한, 본 발명의 일 실시예에 따라, 주어진 광 소자로부터의 광선은 활성 영역(2051)을 동일 방향을 따라 조명하며, 여기서 조명의 방향은 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 동일한 2차원 어레이 내의 광 소자마다 다르다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이에 의해 동일한 방향을 따라 방출되는 모든 광선은 광 변조기(2050)의 활성 영역(2051) 내의 동일 위치로 사실상 수렴한다.
도 20에 도시된 3개의 예시적인 조명 시스템 각각은 조명을 동일한 색상 또는 서로 다른 색상들로 제공할 수 있다. 예를 들어, 조명 시스템(2001)은, 예컨대 청색 발광원을 사용함으로써 또는 도 20에 명확하게 도시되지는 않은 적합한 컬러 필터를 포함함으로써 조명을 청색으로 제공할 수 있고, 조명 시스템(2002)은 조명을 적색으로 제공할 수 있고, 조명 시스템(2003)은 조명을 녹색으로 제공할 수 있다.
프로젝션 시스템(2000)은 서로 다른 광 소자들로부터 광 변조기(2050)로의 컴팩트하고 효율적인 광 방향 전환을 위해 3개의 조명 시스템에 의해 공유되는 색상 조합기(2060)를 추가로 포함한다. 색상 조합기(2060) 내의 광선 경로는 도 20 에 개략적으로 도시되어 있다. 특히, 경로(2061)는 조명 시스템(2001)으로부터의 광선에 대한 일반 전파 경로를 나타내고, 경로(2062)는 조명 시스템(2002)으로부터의 광선에 대한 일반 전파 경로를 나타내며, 경로(2063)는 조명 시스템(2003)으로부터의 광선에 대한 일반 전파 경로를 나타낸다. 광선 경로들이 서로에 대해 약간 오프셋된 것으로 도시되어 있지만, 이는 예시를 용이하게 하기 위한 것이다. 일반적으로, 조명 시스템으로부터의 광선들은 활성 영역(2051)의 효율적인 조명을 제공하도록 충분히 중첩된다.
프로젝션 시스템(2000)은 컴팩트하고 효과적인 광 방향 전환을 위한 전반사(total internal reflection; TIR) 프리즘(2070)을 추가로 포함한다. TIR 프리즘(2070)은 제1프리즘(2071), 제2프리즘(2072), 입사면(2074), 출사면(2075) 및 프리즘(2072)으로부터 프리즘(2071)을 분리하기 위한 공기와 같은 저 인덱스 영역(low index area; 2073)을 포함한다.
입사면(2074)으로부터 제1 프리즘(2071)에 입사하는 광(2081)의 광선은 지점(2085)에서 제1프리즘(2071)과 저 인덱스 영역(2073) 사이의 계면에서 전반사되고, 광 변조기(2050) 쪽으로 광선(2082)으로서 전파된다. 광선(2082)은 활성 영역(2051) 내의 픽셀에 입사한다. 픽셀이 "온(on)" 상태이면, 입사 광선(2082)은 광선(2083)으로서 다시 반사되어 출사면(2075)으로부터 TIR 프리즘(2070)을 나와 투사 렌즈 시스템(2090) 쪽으로 전파된다. 한편, 픽셀이 "오프(off)"상태이면, 입사 광선(2082)은 투사 렌즈 시스템(2090)으로부터 멀리 광선(2084)으로서 반사된다. 광선(2084)은 도 20에 도시되지 않은 차광 장치(light trap)에 의해 전형적으 로 차단된다.
프로젝션 시스템(2000)은 투사 렌즈 시스템(2090) 및 프로젝션 스크린(2095)을 추가로 포함한다. 투사 렌즈 시스템(2090)은 전형적으로 다수의 렌즈(예컨대, 도 20에서 5개)를 포함한다. 알려진 투사 렌즈 시스템의 예가 미국 특허 제6,417,971호; 제6,301,057호 및 제5,969,876호에 설명되어 있다.
프로젝션 시스템(2000)은 배면 프로젝션 시스템일 수 있고, 이 경우 프로젝션 스크린(2095)은 바람직하게는 배면 프로젝션 스크린이다. 프로젝션 시스템(2000)은 전면 프로젝션 시스템일 수 있고, 이 경우 프로젝션 스크린(2095)은 바람직하게는 전면 프로젝션 스크린이다.
프로젝션 시스템(2000)는 각각의 개별 광 소자에 대응하는 명암비를 결정하고 등급을 매기고 저장하는, 도 16의 프로세서(1103)와 유사한, 프로세서(2024)를 추가로 포함한다. 프로세서(2024)는 광 변조기(2050)에 의해 형성되는 투사가능 이미지의 평균 세기를 추가로 결정하며, 이에 기초하여, 프로세서(2024)는 낮은 명암비를 가진 하나 이상의 개별 광 소자의 출력 세기를 감소시킬 수 있고, 그리고/또는 전체 투사가능 이미지의 명암비 및/또는 휘도를 향상시키기 위해 높은 명암비를 가진 하나 이상의 다른 개별 광 소자의 출력 세기를 증가시킬 수 있다.
위에서 인용된 모든 특허, 특허 출원 및 다른 공개 문헌은 마치 전부 기재된 것처럼 본 명세서에 참고 문헌으로서 포함된다. 본 발명의 특정 예들이 본 발명의 각종 태양의 설명을 용이하게 하기 위해 위에서 상세히 설명되었으나, 본 발명은 상기 특정 예에 한정되지 않음을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 첨부된 청구 의 범위에 의해 정의되는 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 모든 변형예, 실시예, 대안예를 포함하기 위한 것이다.

Claims (20)

  1. 각각의 출력 광 세기가 개별적으로 제어 가능한 복수의 개별 광원과;
    복수의 개별 광원의 결합 평면에 위치되고, 개구를 갖고, 복수의 개별 광원으로부터의 광이 개구의 적어도 일부를 채워 제1 광학 필드가 형성되는 구경 조리개와;
    투사가능 이미지를 표시할 수 있는 활성 영역을 가진 픽셀형 광 변조기를 포함하고, 제1 광학 필드는 활성 영역을 조명하여 활성 영역에 제2 광학 필드를 형성하고, 제1 및 제2 광학 필드는 푸리에 변환 쌍을 형성하며, 투사가능 이미지의 명암비가 개별 광원들 중 하나 이상의 개별 광원의 출력 세기를 선택적으로 제어함으로써 조절 가능한, 프로젝션 표시 장치용 조명 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 복수의 개별 광원은 개별 광원들의 원형 어레이를 형성하는 조명 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 복수의 개별 광원 중 적어도 하나는 LED인 조명 시스템.
  4. 제1항에 있어서, 각 개별 광원을 개별적으로 작동시키는 전자 회로를 추가로 포함하는 조명 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 구경 조리개의 개구는 원형인 조명 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 복수의 개별 광원으로부터의 광은 구경 조리개의 전체 개구를 실질적으로 채우는 조명 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 복수의 개별 광원의 각각은 이미지가 구경 조리개의 개구 내에 형성되는 조명 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 픽셀형 광 변조기는 액정 변조기를 포함하는 조명 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 픽셀형 광 변조기는 디지털 마이크로-미러 장치를 포함하는 조명 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 투사가능 이미지의 콘트라스트는 복수의 개별 광원 중 최외측 개별 광원들 중 하나 이상의 개별 광원의 출력 세기를 감소시킴으로써 커지는 조명 시스템.
  11. 제1항의 조명 시스템을 하나 이상 포함하는 프로젝션 표시 장치.
  12. 제11항에 있어서, 전면 프로젝션 표시 장치인 프로젝션 표시 장치.
  13. 제11항에 있어서, 배면 프로젝션 표시 장치인 프로젝션 표시 장치.
  14. 제11항에 있어서, 프로젝션 표시 장치에 의해 형성되는 이미지는 가상 이미지인 프로젝션 표시 장치.
  15. 광축에 집중된 독립적으로 작동 가능한 광 소자들의 2차원 어레이와;
    광축에 집중되어 광 소자로부터 광을 수광하고 픽셀형 광 변조기의 활성 영역을 조명하는 제1 광학 전송 시스템을 포함하고, 활성 영역은 투사가능 이미지를 표시할 수 있고, 적어도 하나의 광 소자로부터의 광은 활성 영역을 유한한 개수의 방향으로부터 조명하며, 유한한 개수의 방향은 광축을 중심으로 회전 대칭이며, 활성 영역 내의 각 픽셀은 각각의 광 소자에 의해 조명될 수 있고, 투사가능 이미지의 명암비는 하나 이상의 광 소자의 출력 세기를 조절함으로써 제어 가능한, 프로젝션 표시 장치용 조명 시스템.
  16. 독립적으로 작동 가능한 광원들의 2차원 어레이를 포함하고, 각 광원은 픽셀화 광학 광 변조기의 동일한 활성 영역을 실질적으로 조명할 수 있고, 각 광원은 광을 서로 다른 방출 방향으로 방출하며, 각 방출 방향은 활성 영역 내의 각각의 위치를 향하며, 활성 영역 내의 각 픽셀은 독립적으로 작동 가능한 광원들의 2차원 어레이로부터의 콘형 입사 광에 의해 조명되고, 콘형 광은 콘 각도를 갖고 각 광원 으로부터의 적어도 하나의 광선을 포함하며, 적어도 하나의 그러한 콘형 광의 콘 각도는 독립적으로 작동 가능한 광원들 중 하나 이상의 광원들의 세기를 조절함으로써 제어 가능한 조명 시스템.
  17. 조절 가능한 2차원 세기 프로파일을 가진 광을 방출할 수 있는 확장형 광원과;
    이미지를 표시할 수 있는 활성 영역을 가진 광 변조기를 포함하고, 확장형 광원의 지점은 전체 활성 영역을 동일한 방향으로 조명하고, 방향은 확장형 광원 내의 지점마다 다르며, 표시된 이미지의 콘트라스트는 방출된 광의 2차원 세기 프로파일을 조절함으로써 제어 가능한 조명 시스템.
  18. 명암비를 가진 투사가능 이미지를 형성하기 위해 픽셀형 광 변조기의 활성 영역을 조명할 수 있고, 각 개별 광원이 전체 활성 영역을 실질적으로 조명하는 복수의 개별 광원과;
    각 개별 광원의 출력 광 세기를 개별적으로 제어하고 각 개별 광원에 대응하는 명암비를 결정하는 프로세서를 포함하고, 프로세서는 투사가능 이미지의 평균 휘도를 결정하여, 평균 휘도가 임계 값보다 작으면, 프로세서는 투사가능 이미지의 명암비를 증가시키기 위해 대응하는 낮은 명암비를 가진 하나 이상의 개별 광원의 출력 광 세기를 감소시키는 프로젝션 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 프로세서는 투사가능 이미지의 명암비를 추가로 증가시키기 위해 대응하는 높은 명암비를 가진 하나 이상의 개별 광원의 출력 광 세기를 추가로 증가시키는 프로젝션 시스템.
  20. 제18항에 있어서, 출력 세기가 프로세서에 의해 감소되는 개별 광원들 중 적어도 하나의 개별 광원이 복수의 개별 광원의 내부에 위치된 프로젝션 시스템.
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