KR20080066966A - 색분리 광학 요소 및 색분리 광학 요소를 이용한 광학시스템 - Google Patents

색분리 광학 요소 및 색분리 광학 요소를 이용한 광학시스템 Download PDF

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시몬 마가릴
스티븐 케이. 에크하르트
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

제1 투과성 만곡 외측면, 제2 투과성 만곡 외측면 및 내측면을 갖는 제1 프리즘을 포함하는 색분리 광학 요소가 개시되어 있다. 색분리 광학 요소는 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 면 및 내측면을 갖는 제2 프리즘을 또한 포함한다. 다이크로익 요소는 제1 프리즘의 내측면과 제2 프리즘의 내측면 사이에 배치된다. 제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면이 제1 방향을 따라 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 대체로 대향 배치되고, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면이 제2 방향을 따라 제2 프리즘의 제2 면과 대체로 대향 배치된다. 또한, 이와 같은 색분리 광학 요소를 이용하는 광학 시스템이 개시되어 있다.
프리즘, 다이크로익 요소, 색분리 광학 요소, 광원, 빔 스플리터

Description

색분리 광학 요소 및 색분리 광학 요소를 이용한 광학 시스템{COLOR-SPLITTING OPTICAL ELEMENT AND AN OPTICAL SYSTEM UTILIZING THE COLOR-SPLITTING OPTICAL ELEMENT}
본 발명은 색분리 광학 요소에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 본 발명은 적어도 2개의 상이한 방향으로 빛을 굴절시킬 수 있는 색분리 광학 요소에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 색분리 광학 요소를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템과 같은 광학 시스템에 관한 것이다.
광학 시스템은 널리 보급되어 있으며 종종 광원(들) 및 광학 요소 시스템을 포함한다. 전형적인 이미지 디스플레이 시스템은 조명원으로부터의 광선이 투사될 원하는 이미지를 갖는 이미지 형성 장치 또는 이미저(imager)에서 반사되도록 배열되는 조명원을 포함하고 있다. 하나의 통상적인 유형의 이미저(imager)는 실리콘 액정 표시 장치(LCoS)와 같은 편광 회전 이미지 형성 장치인데, 이는 입사 광선을 회전 편광시킴으로써 작동한다. 보다 구체적으로, 반사 편광 회전 이미저에서, 편광된 광선은 가장 어두운 상태에 대하여 이들의 편광이 실질적으로 변경됨이 없이 반사되거나 또는 원하는 그레이 스케일을 제공하도록 이들의 편광이 회전되어 반사된다.
일부 이미지 디스플레이 시스템에서, 광원 또는 광원들의 조립체로부터 나오는 광 빔(light beam)은 상이한 방향으로 진행하는 2개 이상의 빔들로 분리되는데, 이들은 더 하류에서 재결합되거나 재결합되지 않을 수 있다. 다른 유형의 광학 시스템에서, 상이한 광원들 또는 광원 조립체들로부터 나오는 광 빔들은 처음부터 상이한 방향으로 진행할 수 있으며, 또한 더 하류에서 재결합되거나 재결합되지 않을 수 있다. 이와 같은 다방향 광학 시스템은 보통은 비교적 복잡하며 많은 개수의 다양한 광학 요소들을 포함한다. 폴딩 미러(folding mirror)들이 일반적으로 광학 경로를 꺾이게 하는 데 사용되어 크고 복잡한 광학 시스템의 풋프린트(footprint)를 감소시킨다.
본 발명은 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 투과성 만곡 외측면 및 내측면을 갖는 제1 프리즘과, 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 면 및 내측면을 갖는 제2 프리즘을 포함하는 색분리 광학 요소에 관한 것이다. 다이크로익 요소(dichroic element)는 제1 프리즘의 내측면과 제2 프리즘의 내측면 사이에 배치된다. 제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면이 제1 방향을 따라 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 대체로 대향 배치되고, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면이 제2 방향을 따라 제2 프리즘의 제2 면과 대체로 대향 배치된다.
또한, 본 발명은 색분리 광학 요소를 포함하는, 제1 색상 및 제2 색상을 포함하는 광원과 함께 사용되기 위한 광학 시스템에 관한 것이다. 색분리 요소는 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 투과성 만곡 외측면 및 내측면을 갖는 제1 프리즘과, 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 면 및 내측면을 갖는 제2 프리즘을 포함한다. 다이크로익 요소는 제1 프리즘의 내측면과 제2 프리즘의 내측면 사이에 배치된다. 제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면이 제1 방향을 따라 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 대체로 대향 배치되고, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면이 제2 방향을 따라 제2 프리즘의 제2 면과 대체로 대향 배치된다.
이러한 예시적인 구현예에서, 제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면은 광 입사면이고, 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면은 제2 광 출사면이고, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면은 제1 광 출사면이다. 제1 조명 타겟이 제1 광 출사면으로부터 빛을 수광하도록 배치되고, 제2 조명 타겟이 제2 광 출사면으로 빛을 수광하도록 배치된다.
또한, 본 발명은 제1 색상, 제2 색상 및 제3 색상을 포함하는 광원과, 제1 색상 및 제2 색상의 빛을 제3 색상의 빛으로부터 분리시키도록 구성된 다이크로익 스플리터와, 색분리 광학 요소를 포함하는 광학 시스템에 관한 것이다. 색분리 광학 요소는 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 투과성 만곡 외측면 및 내측면을 갖는 제1 프리즘과, 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 면 및 내측면을 갖는 제2 프리즘을 포함한다. 다이크로익 요소는 제1 프리즘의 내측면과 제2 프리즘의 내측면 사이에 배치된다. 제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면이 제1 방향을 따라 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 대체로 대향 배치되고, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면이 제2 방향을 따라 제2 프리즘의 제2 면과 대체로 대향 배치된다.
이러한 예시적인 실시예에서, 색분리 광학 요소는 제1 투과성 만곡 외측면이 제1 색상 및 제2 색상을 포함하는 빛을 수용하고 다이크로익 요소가 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면을 향해 제1 색상의 빛을 투과시키고 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면을 향해 제2 색상의 빛을 반사시키도록 구성되어 배치된다. 제1 조명 타겟은 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면을 통해 투과되는 제1 색상의 빛을 수광하도록 배치되고, 제2 조명 타겟은 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면을 통해 투과되는 제2 색상의 빛을 수광하도록 배치된다. 제3 조명 타겟은 다이크로익 스플리터로부터 제3 색상의 빛을 수광하도록 배치된다.
본 발명의 색분리 광학 요소와 이러한 색분리 광학 요소를 포함하는 광학 시스템의 상기의 그리고 다른 태양들은 당업자에게 도면과 함께 후속의 상세한 설명으로부터 용이하게 자명하게 될 것이다.
본 발명이 속한 기술 분야에서 통상의 기술을 가진 자들이 본 발명을 제조하고 이용하는 방법을 용이하게 이해하도록 하기 위해서, 본 발명의 예시적인 실시예들을 다음의 도면을 참조하여 이하에서 상세히 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따라 구성된 예시적인 색분리 광학 요소의 개략 단면도.
도 2는 본 발명에 따라 구성되는 예시적인 색분리 광학 요소를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템과 같은 예시적인 광학 시스템의 일부의 개략도.
본 발명의 예시적인 실시예들은 2개 이상의 이미저를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템과 같이 빛이 2개 이상의 방향을 따라 진행하는 다방향 광학 시스템 에 사용하기에 적합하다.
도 1은 본 발명에 따라 구성되는 예시적인 색분리 광학 요소(50)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 색분리 광학 요소(50)는 제1 프리즘(40)과 제2 프리즘(30)을 포함한다. 색분리 광학 요소(50)의 구성요소(40, 30)들이 "프리즘" 이라 불리지만, 이 용어는 간단히 하기 위한 목적만으로 사용되고 있으며, 본 발명은 프리즘형, 대략 프리즘형인 구성요소(40, 30)의 형상 및 프리즘형 형태로부터 벗어난 것들을 포함한다. 프리즘(40, 30)은 임의의 적합한 재료, 바람직하게는 유리, 플라스틱 또는 다른 적합한 투명 재료와 같이 비산란성 광학적 투과 재료로 제조될 수 있다. 프리즘(40, 30)은 어떠한 시임(seam)도 갖지 않는 모놀리식 구조로서, 특정 재료에 대한 투과성을 최대화하는 것을 돕는다.
제1 프리즘(40)은 제1 투과성 만곡 외측면(42), 제2 투과성 만곡 외측면(44) 및 내측면(46)을 갖는다. 제2 프리즘(30)은 제1 투과성 만곡 외측면(32), 제2 면(34)(외측면이거나 아닐 수도 있음) 및 내측면(36)을 갖는다. 면은 광학 요소가 사용되는 대기에 노출되거나 또는 비교적 얇은 코팅 또는 필름을 보유하고 있으면 "외측면"으로 불리지만, 프리즘 또는 렌즈와 같이 다른 두꺼운 굴절 요소와 접촉해 있으면 그렇지 않다. 면은 적어도 하나의 편광 방향(polarization orientation)의 빛의 적어도 상당량을 투과시키도록 구성되는 경우 "투과성"이라고 불린다. 바람직하게는, 각각의 투과성 면은 특정 편광 특성을 갖는 수직 입사시 적어도 50%, 더 바람직하게는 적어도 70%, 훨씬 더 바람직하게는 적어도 90%의 빛을 투과시킨다. 일부 예시적인 실시예들에서, 하나 이상의 투과성 면들은 모든 편광 방향의 빛의 적어도 상당량을 투과한다.
제2 프리즘(30)의 제2 면(34)은 평면이거나 또는 곡면이다. 본 발명의 전형적인 실시예들에서 제2 면(34)은 비광학적 표면(유의한 양의 빛을 수광하도록 의도된 것이 아닌 표면)이며, 일부 예시적인 실시예들에서 이 면은 장착 구조물을 포함할 수도 있다. 장착 구조물은 탭(tab), 보스(boss), 플랜지(flange), 스냅(snap)과 같은 함몰부 및/또는 돌출부를 포함할 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로, 장착 구조물은 색분리 광학 요소의 다른 면들, 예를 들어 일반적으로 도 1을 보는 사람(viewer)을 향하거나 또는 그로부터 멀어지는 면 상에 배치될 수 있다.
각각의 투과성 만곡 외측면(42, 44, 32)은 특정 곡률에 의해 특징지워질 수 있다. 본 발명을 위해, 만곡 표면은 피크-밸리 차이( peak-to-valley difference)가 30λ를 초과하는 표면 프로파일(surface profile)을 갖는 표면이며, 여기서 λ는 약 550 ㎚이다. 본 발명의 예시적인 실시예들은 일반적으로 60λ 이상의 피크-밸리 차이 또는 120λ 이상의 피크-밸리 차이를 갖는 표면 프로파일을 갖는 하나 이상의 만곡 표면을 포함할 것이다. 하나 이상의 곡률은 특정 용도로 요구되는 바와 같이, 구면 곡률, 비구면 곡률 또는 원통형 곡률일 수 있다. 본 발명의 전형적인 실시예들에서, 하나 이상의 투과성 만곡 외측면들은 영이 아닌 광출력(optical power)을 갖는다.
일부 예시적인 실시예들에서, 제1 프리즘(40)의 제2 투과성 만곡 외측면(44)은 제2 프리즘(30)의 제1 투과성 만곡 외측면(32)과 대략 동일한 곡률을 갖는다. 일부 예시적인 실시예들에서, 제1 프리즘(44)의 제1 투과성 만곡 외측면(42)은 오 목하며, 제1 프리즘(40)의 제2 투과성 만곡 외측면(46)과 제2 프리즘(30)의 제1 투과성 만곡 외측면(32)은 모두 볼록하다. 다른 예시적인 실시예들에서, 제1 프리즘(44)의 제1 투과성 만곡 외측면(42)은 볼록하다. 선택적으로, 하나 이상의 투과성 만곡 외측면들은 프레넬 홈, 회절 홈 또는 프리즘형 구조물과 같은 미세구조물(microstructure)을 포함한다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예들에서, 제1 프리즘(40)의 제1 투과성 만곡 외측면(42)은 제1 방향(1)을 따라 제2 프리즘(30)의 제1 투과성 만곡 외측면(32)과 대체로 대향 배치되고, 제1 프리즘(40)의 제2 투과성 만곡 외측면(44)은 제2 방향(2)을 따라 제2 프리즘의 제2 면(34)과 대체로 대향 배치된다. 일부 예시적인 실시예들에서, 제1 방향(1)은 제2 방향(2)에 대하여 약 90도의 각도를 이루는데, 즉 제1 방향은 제2 방향에 대하여 대체로 직교한다. 다른 예시적인 실시예들에서, 제1 방향(1)은 제2 방향(2)에 대하여 임의의 다른 적합한 예각 또는 둔각을 이룰 수 있다.
색분리 광학 요소(50)는 제1 프리즘(40)의 내측면(46)과 제2 프리즘(30)의 내측면(36) 사이에 배치되는 다이크로익 요소(20)를 추가로 포함한다. 당업자라면 예시적인 색분리 광학 요소(50)의 다이크로익 요소(20)가 색분리 광학 요소(50)의 대각선을 따라 배치됨을 쉽게 알 수 있을 것이다. 적합한 다이크로익 요소는 특정 파장 대역 내의 빛을 투과시키고 상이한 파장 대역 내의 빛은 반사시키는 임의의 광학 요소를 포함한다. 하나의 예시적인 다이크로익 요소는 유전체 필름으로 된 다층 스택(stack)을 포함하는데, 이는 함께 진공 증착, 압출 성형 또는 적층될 수 있다.
도 1에 도시된 예시적인 실시예를 더 참조하면, 투과성 만곡 외측 표면(42)은 광 입사면이다. 투과성 만곡 외측면(42) 상에 입사되어 이를 투과하는 빛(a, b)은 적어도 2가지 상이한 색상, 예를 들어 제1 색상(a)과 제2 색상(b)의 빛을 포함한다. 광대역 색분리 요소에 있어서, 용어 "색상"이라 함은 적당한 스펙트럼 대역의 파장 범위의 중간 파장을 가리키는 데 사용될 것이다. 예를 들어, 600 내지 700 ㎚의 대역은 종종 "적색" 광으로 지칭되며, 585 내지 600 ㎚의 대역은 종종 "오렌지색" 광으로 지칭되고, 560 내지 585 ㎚의 대역은 종종 "황색" 광으로 지칭되고, 490 내지 560 ㎚의 대역은 종종 "녹색" 광으로 지칭되고, 400 내지 490 ㎚의 대역은 종종 "청색" 광으로 지칭된다. 그 곡률의 유형(예를 들어, 오목 또는 볼록)에 따라서, 투과성 만곡 외측 표면(42)은 제1 프리즘(40) 내에서 일반적으로 제1 방향(1)을 따라 그리고 다이크로익 요소(20)를 향해 진행하는 빛(a, b)을 모으거나 퍼지게 한다.
다이크로익 요소(20)는 제2 색상(b)을 갖는 빛의 적어도 상당 부분을 제1 프리즘(40)의 제2 투과성 만곡 외측면(44) 쪽으로 반사시켜서, 제2 색상(b)의 빛이 대체로 제2 방향(2)을 따라 제1 프리즘(40) 내에서 진행한다. 바람직하게는, 다이크로익 요소(20)는 제2 색상(b)을 갖는 실질적으로 모든 빛을 반사시킨다. 일부 예시적인 구성에서, 제1 프리즘(40)의 제2 투과성 만곡 외측면(44)의 제2 광 출사면이다. 그 곡률의 유형(예를 들어, 오목 또는 볼록)에 따라서, 투과성 만곡 외측 표면(44)은 빛이 색분리 요소(50)를 벗어날 때 빛(b)을 모으거나 퍼지게 한다. 제 1 색상(a)의 빛뿐만 아니라 제2 색상(b)의 임의의 누설된 빛도 포함하는 다이크로익 요소(20)에 의해 투과된 빛은 제2 프리즘(30) 내에서 대체로 제1 방향(1)을 따라 제1 투과성 만곡 외측면(32)을 향해 진행한다. 바람직하게는, 제2 색상(b)의 누설된 빛의 양은 중요하지 않다. 일부 예시적인 구성에서, 제2 프리즘(30)의 제1 투과성 만곡 외측면(32)은 제1 광 출사면이다. 면(32)의 곡률의 유형(예를 들어, 오목 또는 볼록)에 따라서, 투과성 만곡 외측 표면(32)은 빛이 색분리 요소(50)를 벗어날 때 빛(a)을 모으거나 퍼지게 한다.
일부 예시적인 실시예들에서, 하나 이상의 투과성 만곡 외측 표면(44, 32)은 특정 색상, 예를 들어 제1 색상(a) 또는 제2 색상(b)에 대해 우선적으로 구성될 수 있다. 본 발명의 문맥에서, 용어 "우선적으로 구성된"이라 함은 이 용어가 언급하는 광학 요소의 임의의 특징, 즉 투과 또는 수차 보정과 같이 그 성능을 현저하게 개선시키는 것을 포함한다. 예를 들어, 적어도 하나의 외측면(32, 44)의 곡률이 이 면을 투과하는 빛의 색상에 맞춰질 수 있는데, 이는 색 수차(color aberration)를 감소시킬 수 있다. 우선적 구성의 다른 예는 투과성 만곡 외측 표면(44, 32) 중 하나 또는 둘 모두에 색상 특정 코팅(color-specific coating)을 배치하는 것을 포함한다. 하나의 예시적인 실시예에서, 표면(32)에는 제1 색상(a)의 빛에 대한 반사 방지 코팅이 구비되고, 표면(44)에는 제2 색상(b)의 빛에 대한 반사 방지 코팅이 구비된다.
본 발명의 예시적인 색분리 요소는 하나 이상의 투과성 만곡 외측 표면 상에 배치된 편광 필름(도시되지 않음)을 추가로 포함할 수 있다. 도 1에 도시된 색분 리 요소(50)에 있어서, 편광 필름은 투과성 만곡 외측 표면(32), 투과성 만곡 외측 표면(44) 및 투과성 만곡 외측 표면(42) 중의 임의의 하나, 둘 또는 모두 상에 배치될 수 있다. 선형 반사 편광기, 예를 들어 다층 반사 편광 필름과, 연속 상 및 이 연속 상 내에 배치된 분산 상을 포함하는 확산 반사 편광기와, 원형 반사 편광기, 예를 들어 콜레스테릭 반사 편광기와 같은 반사 편광기와; 흡수 편광기를 포함하지만 이로 한정되지는 않는 임의의 적합한 편광 필름이 사용될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따라 구성된 색분리 광학 요소(150)를 포함하는 예시적인 광학 시스템(100)을 개략적으로 도시한다. 예시적인 색분리 광학 요소(150)는 예시적인 색분리 광학 요소(50)와 구조가 유사하며, 제1 투과성 만곡 외측면(142)과 제2 투과성 만곡 외측면(144)을 갖는 제1 프리즘(140)과, 제1 투과성 만곡 외측면(132)을 갖는 제2 프리즘(130)과, 제1 프리즘(140)과 제2 프리즘(130) 사이에 배치된 다이크로익 요소(120)를 포함한다. 예시적인 광학 시스템(100)은 3-이미저 투사 시스템의 일부일 수 있다. 이와 같은 투사 시스템은 3원색(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색)으로 된 이미지를 형성하고 이어서 결합되어 다색 이미지를 형성하는 실리콘 액정 표시 장치(LCoS)와 같은 반사 편광 회전 이미저와 함께 사용될 수 있다. 특정 용도에 적합한 것으로서 다른 색상의 광원과 함께 사용하기 위한 광학 시스템도 또한 본 발명의 범위 내에 속한다.
도 2에 도시된 예시적인 광학 시스템(100)은 임의의 적합한 조명원(도시되지 않음)과 함께 사용될 수 있다. 바람직하게는, 광원은 광대역 광원 또는 광원 조립체 또는 조립체들이다. 본 발명과 함께 사용하기에 적당한 광원은 투사 용도로 통 상 사용되는 고압 수은 아크 램프와 같은 아크 램프, LED 또는 LED를 포함하는 광원 조립체를 포함한다. 일부 예시적인 실시예들에서, 조명원은 레이저 또는 레이저들을 포함할 수 있다. 예시적인 실시예에서, 광원은 제1 색상 및 제2 색상을 포함하는 빛을 제공할 수 있다. 이와 같은 예시적인 광학 시스템에서, 제1 색상 및 제2 색상을 포함하는 빛이 제1 프리즘(140)의 제1 투과성 만곡 외측면(142)(광 입사면)에 의해 수광되고 제1 방향(1)을 따라 다이크로익 요소(120)를 향해 투과될 때 다이크로익 요소(120)가 제1 색상의 빛을 제2 프리즘(130)의 제1 투과성 만곡 외측면(132)(제1 광 출사면)을 향해 또한 제1 방향(1)을 따라 투과하고 제2 색상의 빛을 제2 방향(2)을 따라 제1 프리즘(140)의 제2 투과성 만곡 외측면(144)(제2 광 출사면)으로 반사시키도록 색분리 광학 요소(150)는 배치될 수 있다. 제1 방향과 제2 방향은 서로에 대하여 약 90도의 각도를 형성하지만, 다른 각도도 본 발명의 범위 내에 속한다. 광학 시스템(100)은 제2 프리즘(130)의 제1 투과성 만곡 외측면(132)을 통해 투과하는 제1 색상의 빛을 수광하도록 배치되는 제1 조명 타겟(128)과, 다이크로익 요소(120)에 의해 반사되고 제1 프리즘(140)의 제2 투과성 만곡 외측면(144)을 통해 투과된 제2 색상의 빛을 수광하도록 배치되는 제2 조명 타겟(118)을 추가로 포함한다.
일부 예시적인 실시예들에서, 광학 시스템(100)의 색분리 요소(150)는 제2 프리즘(130)의 제1 투과성 만곡 외측면(132)이 제1 색상의 빛에 대하여 우선적으로 구성되도록 구성된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 프리즘(140)의 제2 투과성 만곡 외측면(144)은 위에서 설명한 바와 같이 제2 색상의 빛에 대하여 우선적으 로 구성될 수 있다. 예를 들어, 제2 프리즘(130)의 제1 투과성 만곡 외측면(132)은 색상 특정 코팅, 예를 들어 제1 색상에 대한 반사 방지 코팅을 포함할 수 있다. 추가적으로 또는 대안적으로, 제1 프리즘(140)의 제2 투과성 만곡 외측면(144)은 색상 특정 코팅, 예를 들어 제2 색상에 대한 반사 방지 코팅을 포함할 수 있다.
제1 조명 타겟(128)과 제2 조명 타겟(118) 중 하나 또는 둘 모두는 LCoS와 같은 반사 편광 회전 이미저일 수 있다. 이와 같은 예시적인 실시예들에서, 편광 빔 스플리터(129, 119)가 조명 타겟(128, 118)에 궁극적으로 각각 입사되는 빛의 사전 편광을 위해 광학 시스템(100) 내에 포함될 수 있다. 편광 빔 스플리터(129, 119) 또는 이들 모두는 편광 빔 스플리터에 의해 반사된 빛이 각 편광 회전 이미저에 입사되도록 배치될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에 있어서, 광학 시스템(100)은 제1 색상, 제2 색상 및 제3 색상들을 포함하는 광대역 광원(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 어떤 경우에는, 제1 색상, 제2 색상 및 제3 색상들은 적색, 녹색 및 청색에 해당될 수 있다. 광학 시스템(100)은 인티그레이터(102, integrator)를 추가로 포함할 수 있다. 인티그레이터는 전형적으로 빛이 더 균일한 상태로 조명 타겟에 공급될 수 있도록 통과하는 빛을 균질화시키는 역할을 한다. 최근에 공지된 인티그레이터는 플라이-아이(fly-eye) 인티그레이터 및 미러 터널, 예를 들어 중실 또는 중공의 직사각형 터널과, 중실 유리(solid glass)로 구성된 긴 터널을 포함한다. 인티그레이터에 이어서 굴절성 광학 요소 또는 요소들(104)이 구비될 수 있다.
광학 시스템(100)은 다이크로익 스플리터(110)를 또한 포함할 수 있으며, 이 는 일부 예시적인 실시예에서 제1 색상 및 제2 색상의 빛을 제3 색상의 빛으로부터 분리시키도록 구성된다. 도 2에 도시된 예시적인 실시예에서, 다이크로익 스플리터(110)는 제1 색상 및 제2 색상의 빛을 반사시키고 제3 색상의 빛을 투과시키도록 구성되어 있다. 이러한 예시적인 광학 시스템(100)은 다이크로익 스플리터(110)로부터의 제1 색상 및 제2 색상의 빛을 수광하고 그 빛을 색분리 요소(150)의 제1 프리즘(140)의 제1 투과성 만곡 외측 표면(142)을 향해 반사시키도록 배치된 미러(114)를 추가로 포함한다. 굴절성 광학 요소 또는 요소들(112)은 다이크로익 스플리터(110)와 미러(114) 사이에 제공될 수 있다.
광학 시스템(100)은 또한 다이크로익 스플리터(110)로부터의 제3 색상의 빛을 수광하도록 배치된 반사 편광 회전 이미저와 같은 제3 조명 타겟(108)을 포함한다. 편광 회전 이미저를 이용하는 예시적인 실시예들에 있어서, 편광 빔 스플리터(109)가 조명 타겟(108)에 궁극적으로 입사되는 빛을 사전 편광시키기 위해 광학 시스템(100) 내에 포함될 수도 있다. 편광 빔 스플리터(109)에 의해 반사된 제3 색상의 빛이 편광 회전 이미저(108)에 입사되도록 편광 빔 스플리터(109)가 배치될 수 있다. 굴절성 광학 요소 또는 요소들(106)이 다이크로익 스플리터(110)와 조명 타겟(108) 사이에 구비될 수 있다. 하나 이상의 굴절성 요소(106)들은 보다 소형의 광학 시스템을 생성하도록, 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이, 끝 부분이 절단될 수 있다.
일부 예시적인 실시예들에서, 이미저(108, 118, 128)에 의해 조절된 빛은 크로스 다이크로익 결합기(214)를 사용하여 결합될 수 있다. 이어서, 결합된 빔들은 스크린(도시되지 않음) 또는 후속 처리를 위한 다른 광학 요소 또는 장치로의 전달을 위해 투사 광학계(218)에 의해 수집된다.
투사 용도를 위한 조명 시스템과 같은 예시적인 광학 시스템은 다음의 매개 변수들로써 구성될 수 있는데, 이들은 적색, 녹색 및 청색 조명을 이용하여 도 2에 도시된 광학 시스템을 수학적 모델링하는 것에 기초하는 것이다. 특히, 이와 같이 모델링된 광학 시스템은 3개-이미저 LCoS 기반 프로젝터 내의 조명 시스템으로 사용될 수 있다. LCoS (이미저) 크기는 8.717 x 15.566 ㎜ (대각선 0.7")로 유효 f-수가 2.3이다. 모델링된 데이터의 소수는 설명을 위한 목적으로만 제공되었을 뿐 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아님을 알아야 한다.
모델링된 광학 시스템에 있어서, 혼합된 적색, 녹색 및 청색 광은 약 3.63 x 6.48 ㎜의 광학 구경(clear aperture)과 약 25 ㎜의 길이를 갖는 중공 인티그레이터(102)에 의해 균질화된다. 이어서, 균질화된 빛은 렌즈(104)에 의해 시준되고 적색/시안색 다이크로익 스플리터(110)에 의해 적색 및 청색/녹색 스펙트럼 성분들로 분리된다. 적색광이 가로지른 모델링된 예시적인 시스템의 일부분의 다른 매개 변수들을 표1 에 도시하고 있다.
Figure 112008037543138-PCT00001
표 2는 다이크로익 스플리터(110)에서 반사를 시작하면서, 청색광 및 녹색광만이 가로지른 모델링된 예시적인 시스템의 일부의 매개 변수들을 도시하고 있다.
Figure 112008037543138-PCT00002
표 2로부터 자명한 바와 같이, 모델링된 예시적인 광학 시스템은 볼록하게 만곡된 외측면(142, 144, 132)을 갖는 폴리카르보네이트 색분리 광학 요소를 포함한다. 이러한 예시적인 색분리 요소에 있어서, 외측면(144, 132)의 곡률은 동일한 구면 곡률을 가지며 외측면(142)의 곡률은 비구면이다.
본 발명의 색분리 요소들의 예시적인 실시예들은 예컨대 추가의 굴절성 광학 요소에 대한 필요성을 감소 또는 제거함으로써 소형 광학 시스템을 만드는 데 사용될 수 있다. 만곡된 외측면들, 예를 들어 만곡된 외측 광 입사면, 제1 만곡된 외측 광 출사면 및 제2 만곡된 외측 광 출사면들은 모두 제1 방향과 제2 방향을 따라 색분리 광학 요소 내에서 진행하는 빛을 모으는 데 사용될 수 있다. 추가적인 굴절성 광학 요소에 대한 필요성의 감소로 인해, 본 발명의 예시적인 실시예들을 이용하는 광학 시스템은 조립 및 정렬하기가 더 용이할 수 있으며 더 튼튼하게 제작될 수 있다.
본 발명의 색분리 광학 요소 및 이러한 광학 요소를 이용하는 광학 시스템이 특정의 예시적인 실시예들에 관하여 설명되었지만, 본 발명의 정신 및 범위로부터 벗어나지 않으면서도 변경 및 변형이 이루어질 수 있다는 것을 당업자라면 쉽게 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 색분리 광학 요소의 형태, 크기 및 재질은 용도에 따라 상이할 수 있다. 본 명세서에 기재되고 도시된 요소뿐만 아니라, 본 발명에 따라 구성되는 광학 시스템은 특정 용도로 요구되는 바와 같이 추가의 굴절성 광학 요소, 반사성 광학 요소, 다이크로익 광학 요소 및 다른 광학 및 비광학 요소를 포함할 수 있다. 더욱이, 본 발명의 예시적인 실시예들은 적색, 녹색, 청색의 조명에 관하여 설명되었지만, 다른 유형 및 개수의 색상들이 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서도 설명된 색상들 대신에 또는 그에 추가하여 사용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 투과성 만곡 외측면 및 내측면을 갖는 제1 프리즘과; 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 면 및 내측면을 갖는 제2 프리즘과; 제1 프리즘의 내측면과 제2 프리즘의 내측면 사이에 배치되는 다이크로익 요소를 포함하고,
    제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면이 제1 방향을 따라 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 대체로 대향 배치되고, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면이 제2 방향을 따라 제2 프리즘의 제2 면과 대체로 대향 배치되는 색분리 광학 요소.
  2. 제1항에 있어서, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면은 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 대략 동일한 곡률을 갖는 색분리 광학 요소.
  3. 제1항에 있어서, 제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면 및 제2 프리즘의 제1 투과성 외측면은 볼록한 색분리 광학 요소.
  4. 제1항에 있어서, 제1 방향은 제2 방향에 대하여 약 90도의 각도를 이루는 색분리 광학 요소.
  5. 제1항에 있어서, 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면 중 적어도 하나 상에 배치되는 색상 특정 코팅을 추가로 포함하는 색분리 광학 요소.
  6. 제1항에 있어서, 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면 중 적어도 하나 상에 배치되는 편광 필름을 추가로 포함하는 색분리 광학 요소.
  7. 제1항에 있어서, 투과성 만곡 외측면들 중 적어도 하나는 미세구조물을 포함하는 색분리 광학 요소.
  8. 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 투과성 만곡 외측면 및 내측면을 갖는 제1 프리즘과, 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 면 및 내측면을 갖는 제2 프리즘과, 제1 프리즘의 내측면과 제2 프리즘의 내측면 사이에 배치되는 다이크로익 요소를 포함하는 색분리 광학 요소 - 여기서, 제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면이 제1 방향을 따라 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 대체로 대향 배치되고, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면이 제2 방향을 따라 제2 프리즘의 제2 면과 대체로 대향 배치되고, 제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면은 광 입사면이고, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면은 제2 광 출사면이고, 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면은 광 입사면임 - 와;
    색분리 광학 요소의 제1 광 출사면으로부터 빛을 수광하도록 배치되는 제1 조명 타겟과;
    색 분리 광학 요소의 제2 광 출사면으로부터 빛을 수광하도록 배치되는 제2 조명 타겟을 포함하는, 제1 색상 및 제2 색상을 포함하는 광원과 함께 사용하기 위한 광학 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 제1 방향은 제2 방향에 대하여 약 90도의 각도를 이루는 광학 시스템.
  10. 제8항에 있어서, 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면 중 적어도 하나는 제1 색상 또는 제2 색상의 빛에 대하여 우선적으로 구성되는 광학 시스템.
  11. 제8항에 있어서, 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면 중 적어도 하나 상에 배치되는 색상 특정 코팅을 추가로 포함하는 광학 시스템.
  12. 제8항에 있어서, 제1 조명 타겟과 제2 조명 타겟 중 적어도 하나가 편광 회전 이미저를 포함하는 광학 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 제1 조명 타겟과 제2 조명 타겟 중 적어도 하나는 편광 빔 스플리터에 의해 반사된 빛이 편광 회전 이미저에 입사되도록 배치되는 편광 빔 스플리터와 편광 회전 이미저를 포함하는 광학 시스템.
  14. 제1 색상, 제2 색상 및 제3 색상을 포함하는 광원과;
    제1 색상 및 제2 색상의 빛을 제3 색상의 빛으로부터 분리하도록 구성된 다이크로익 스플리터와;
    제1 투과성 만곡 외측면, 제2 투과성 만곡 외측면 및 내측면을 갖는 제1 프리즘과, 제1 투과성 만곡 외측면, 제2 면 및 내측면을 갖는 제2 프리즘과, 제1 프리즘의 내측면과 제2 프리즘의 내측면 사이에 배치되는 다이크로익 요소를 포함하는 색분리 광학 요소 - 여기서, 제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면이 제1 방향을 따라 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면과 대체로 대향 배치되고, 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면이 제2 방향을 따라 제2 프리즘의 제2 면과 대체로 대향 배치되고, 제1 투과성 만곡 외측면이 제1 색상 및 제2 색상을 포함하는 빛을 수광하고 다이크로익 요소가 제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면을 향해 제1 색상의 빛을 투과시키고 제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면을 향해 제2 색상의 빛을 반사시키도록 색분리 광학 요소가 구성되고 배치됨 - 와;
    제2 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측면을 통해 투과되는 제1 색상의 빛을 수광하도록 배치되는 제1 조명 타겟과;
    제1 프리즘의 제2 투과성 만곡 외측면을 통해 투과되는 제2 색상의 빛을 수광하도록 배치되는 제2 조명 타겟과;
    다이크로익 스플리터로부터 제3 색상의 빛을 수광하도록 배치되는 제3 조명 타겟을 포함하는 광학 시스템.
  15. 제14항에 있어서, 다이크로익 스플리터는 제1 색상 및 제2 색상의 빛을 반사시키고 제3 색상의 빛을 투과시키며, 광학 시스템은 다이크로익 스플리터로부터 제1 색상 및 제2 색상의 빛을 수광하여 그 빛을 색분리 요소의 제1 프리즘의 제1 투과성 만곡 외측 표면을 향해 반사시키도록 배치되는 미러를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 다이크로익 스플리터와 제3 조명 타겟 사이에 배치되는 굴절성 광학 요소를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 다이크로익 스플리터와 미러 사이에 배치되는 굴절성 광학 요소를 추가로 포함하는 광학 시스템.
  18. 제14항에 있어서, 제1 조명 타겟, 제2 조명 타겟 및 제3 조명 타겟 중 적어도 하나가 편광 회전 이미저를 포함하는 광학 시스템.
  19. 제14항에 있어서, 제1 조명 타겟, 제2 조명 타겟 및 제3 조명 타겟 중 적어도 하나가 편광 빔 스플리터에 의해 반사된 빛이 편광 회전 이미저 상에 입사되도록 배치되는 편광 빔 스플리터와 편광 회전 이미저를 포함하는 광학 시스템.
  20. 제14항에 있어서, 광원과 다이크로익 스플리터 사이에 배치되는 인티그레이터를 추가로 포함하는 광학 시스템.
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