KR20080075211A - 복굴절 보상형 액정 디스플레이 및 이를 사용하는 프로젝션시스템 - Google Patents

Abstract

프로젝션 시스템은 이미지 형성 장치와 편광 빔스플리터를 포함한다. 조명 광이 제1 편광 빔스플리터를 통해 이미지 형성 장치를 조명한다. 지연 요소가 이미지 형성 장치와 편광 빔스플리터 사이에 배치된다. 바이어스 컨트롤러가 어두운 상태에서 이미지 형성 장치의 픽셀에 바이어스를 인가하여, 이미지 형성 장치로부터 반사된 이미지 광의 명암 대비를 실질적으로 최대화한다. 몇몇 배열에서, 편광 빔스플리터와 이미지 형성 장치 사이의 체적은 밀봉되며, 이 경우 지연 요소는 밀봉된 체적 내에 배치되어 편광 빔스플리터 또는 이미지 형성 장치에 부착된다.

액정 디스플레이, 프로젝션 시스템, 이미지 형성 장치, 빔스플리터, 바이어스 컨트롤러

Description

복굴절 보상형 액정 디스플레이 및 이를 사용하는 프로젝션 시스템{BIREFRINGENCE-COMPENSATED LIQUID CRYSTAL DISPLAY AND PROJECTION SYSTEM USING SAME}

본 발명은 이미지 프로젝션 시스템(image projection system)에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 이미지를 생성하기 위해 액정 이미징 패널(liquid crystal imaging panel)을 사용하는 프로젝션 시스템에 관한 것이다.

프로젝션 텔레비전에 사용될 수 있는 것과 같은 많은 이미지 프로젝션 시스템은 액정 디스플레이(LCD) 이미저 패널(imager panel)의 사용에 기초한다. 몇몇 LCD 패널은 반사 모드에서 동작되며, 이 경우 입사 조명 광은 반사 LCD 패널의 전방에 편광 빔스플리터(bean splitter)를 사용함으로써 반사된 이미지 광으로부터 분리된다. 이러한 구성에서, 조명 광은 편광 빔스플리터를 통해 LCD 패널로 통과된다. 따라서, LCD 패널에 입사된 조명 광은 편광된다. LCD 패널은 패널의 다수의 픽셀의 편광 변조를 선택적으로 조절함으로써 동작된다. 이미지의 어두운 영역과 연관된 그러한 픽셀들은 광의 편광 상태를 변경시키지 않는 반면에, 이미지의 밝은 영역과 연관된 그러한 픽셀들은 광의 편광 상태를 변경시킨다. 조명 광이 편광 빔스플리터에 의해 반사된 광으로서 LCD 패널로 반사될 때, 입사 광의 편광 상 태에 직교하는 편광 상태로 변경된 편광을 갖는 그러한 광은 편광 빔스플리터를 통해 투과된다. 이상적으로, 입사 광을 능동적으로 변조시키는 픽셀에 대응하는 광만이 편광 빔스플리터를 통해 프로젝터의 렌즈 시스템으로 투과되며, 한편 이미지의 어두운 영역에 대응하는 픽셀, 즉 광을 능동적으로 변조시키지 않는 픽셀에 의해 반사된 광은 편광 빔스플리터에 의해 차단된다. 따라서, 빔스플리터는 편광 변조 이미지 광을 비변조 광으로부터 분리시키는 데 사용될 수 있으며, 그 결과 투사될 수 있는 이미지 빔을 형성한다.

디스플레이의 한 가지 중요한 특성치는, 밝은 픽셀이 어두운 픽셀에 비해 얼마나 밝은지에 대한 정성적 측정치인 명암비(contrast ratio)이다. 명암비 RC는 다음과 같이 정량화될 수 있다:

RC = Ib/Id

여기서, Id 및 Ib는 각각 어두운 상태 및 밝은 상태에서 반사된 광량에 해당한다. 이상적으로, Id의 값은 명암비가 커지도록 가능한 한 작다.

그러나, 트위스트 네마틱(twisted nematic; TN), 수퍼 트위스트 네마틱(super twisted nematic; STN) 및 수직 정렬 네마틱(vertically aligned nematic; VAN) 패널과 같은 소정 유형의 LCD 이미지 형성 장치에서, 액정은 오프(비변조) 상태에서도 잔류 복굴절(residual birefringence)을 명백하게 나타낸다. 이러한 잔류 복굴절은 어두운 상태에서의 광량을 증가시켜서, 이미지 명암비의 저하를 초래한다.

이러한 잔류 복굴절을 보상하기 위해 동일하지만 반대 방향의 위상 차(retardation)를 갖는 복굴절 지연판(birefringent retardation plate)이 사용될 수 있지만, 편광 빔스플리터와 LCD 패널 사이에 삽입되는 1/4파장 지연판이 또한 잔류 복굴절을 보상하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 1/4파장 지연판은 편광 빔스플리터의 구성요소들의 복굴절을 보상하기 위해서도 사용될 수 있다. 보상 지연판은 편광 빔스플리터의 구성요소들의 복굴절을 보상하는 데에는 적합하지 않으며, 따라서 1/4파장 지연판의 사용이 보다 바람직하다.

1/4파장 지연판은 느리거나 빠른 축이 조명 광의 편광면에 평행한 상태로부터 몇 도정도 멀리 회전되도록 배향된다. 그러나, 이러한 보상 기술의 한 가지 단점은 1/4파장 지연기의 최적 배향을 달성하기 위해서는 아주 주의깊은 정렬을 필요로 한다는 것이다. 이러한 정렬 단계는 프로젝션 시스템의 제조 비용을 상승시킨다.

본 발명의 일 실시예는 제1 이미지 형성 장치 및 제1 편광 빔스플리터를 포함하는 프로젝션 시스템에 관한 것이다. 조명 광이 제1 편광 빔스플리터를 통해 제1 이미지 형성 장치로 통과된다. 제1 지연 요소(retardation element)가 제1 이미지 형성 장치와 제1 편광 빔스플리터 사이에 배치된다. 바이어스 컨트롤러(bias controller)가 제1 이미지 형성 장치에 부착되어 어두운 상태의 픽셀에 바이어스를 인가하여서, 제1 이미지 형성 장치로부터 제1 편광 빔스플리터를 통과한 이미지 광의 명암 대비를 실질적으로 최대화한다.

본 발명의 다른 실시예는 프로젝션 시스템의 동작 방법에 관한 것이다. 이 방법은 편광 빔스플리터 및 이미지 형성 장치와 편광 빔스플리터 사이에 배치된 지연 요소를 통과한 조명 광으로 이미지 형성 장치를 조명하는 단계를 포함한다. 조명 광의 적어도 일부는 이미지 광으로서 반사된다. 이미지 광은 편광 빔스플리터를 사용하여 비이미지 광으로부터 실질적으로 분리된다. 보상 바이어스 신호가 이미지 형성 장치의 픽셀에 인가되어, 이미지 광의 어두운 상태 휘도를 실질적으로 최소화한다.

본 발명의 다른 실시예는 프로젝션 장치에 관한 것이다. 이 장치는 제1 이미지 형성 장치로부터 분리된 제1 편광 빔스플리터를 갖는 제1 밀봉 유닛(sealed unit)을 포함한다. 제1 밀봉체가 편광 빔스플리터와 이미지 형성 장치 사이를 연결하여, 밀봉체, 제1 편광 빔스플리터 및 제1 이미지 형성 장치에 의해 둘러싸인 밀봉된 체적이 둘러싸이게 된다. 지연 요소가 밀봉된 체적 내에 배치되어, 제1 편광 빔스플리터 및 제1 이미지 형성 장치 중 하나에 부착된다.

본 발명의 상기 개요는 본 발명의 각각의 도시된 실시예 또는 모든 구현 형태를 설명하고자 하는 것은 아니다. 이하의 도면 및 상세한 설명은 이러한 실시예들을 더 구체적으로 예시한다.

본 발명은 첨부 도면과 관련하여 본 발명의 다양한 실시예에 대한 하기의 상세한 설명을 고려하여 더욱 완벽하게 이해될 수 있다.

도 1은 본 발명의 원리에 따라 이미지 형성 장치에서 잔류 복굴절을 보상하는 프로젝션 시스템의 일 실시예를 도시하는 개략도.

도 2A 및 도 2B는 이미지 형성 장치에서 잔류 복굴절의 영향을 도시하는 개략도.

도 3A 내지 도 3C는 보상 지연 요소에 의한 잔류 복굴절의 영향을 도시하는 개략도.

도 4A 및 도 4B는 본 발명의 원리에 따라 보상 지연 요소 및 이미지 형성 장치에 인가되는 바이어스에 의한 잔류 복굴절의 영향을 도시하는 개략도.

도 5A 및 도 5B는 본 발명의 원리에 따른 밀봉 이미징 유닛의 실시예를 도시하는 개략도.

도 6은 지연 요소의 다양한 배향각에 대해 어두운 상태 휘도를 인가된 바이어스의 함수로서 도시한 그래프.

본 발명이 다양한 변형예 및 대안적인 형태를 따를 수 있지만, 그 특정 형태가 예로서 도면에 도시되고 상세히 설명될 것이다. 그러나, 본 발명을 설명되는 특정 실시예로 제한할 의도가 없다는 것을 이해하여야 한다. 반대로, 첨부된 청구의 범위에 한정된 본 발명의 사상 및 범주 내에 속하는 모든 변형예, 등가물 및 대안예를 포함하고자 하는 것이다.

본 발명은 많은 상이한 유형의 프로젝션 시스템에 사용될 수 있다. 후술하는 본 발명을 통합할 수 있는 다중 패널 프로젝션 시스템(100)의 예시적인 일 실시예가 도 1에 개략적으로 도시되어 있다. 프로젝션 시스템(100)은 3개의 상이한 색상 대역의 광을 포함하는 광빔(104)을 발생시키는 광원(102)을 구비한 3패널 프로 젝션 시스템이다. 광빔(104)은 색상 분할 요소(106), 예컨대 이색 거울(dichroic mirror)에 의해 상이한 색상의 광을 포함하는 제1, 제2 및 제3 빔(104a, 104b, 104c)으로 분할된다. 빔(104a, 104b, 104c)은 색상이 예를 들어 각각 적색, 녹색 및 청색일 수 있다. 빔 조향 요소(108), 예컨대 거울 또는 프리즘이 임의의 빔(104, 104a, 104b, 104c)을 조향하는 데 사용될 수 있다.

빔(104a, 104b, 104c)은, 예컨대 LCoS(liquid crystal on silicon) 패널과 같은 LCD 기반 반사 이미지 형성 패널일 수 있는 각각의 이미지 형성 장치(110a, 110b, 110c)로 지향된다. 광빔(104a, 104b, 104c)은 각각의 편광 빔스플리터(PBS)(112a, 112b, 112c)를 통하여 각각의 이미지 형성 장치(110a, 110b, 110c)에 그리고 이로부터 결합된다. 이미지 형성 장치(110a, 110b, 110c)는 입사 광빔(104a, 104b, 104c)을 편광 변조시켜서, 각각의 이미지 빔(114a, 114b, 114c)은 PBS(112a, 112b, 112c)에 의해 분리되어 색상 조합기 유닛(116)으로 통과된다. 도시된 예시적인 실시예에서, 조명 광빔(104a, 104b, 104c)은 PBS(112a, 112b, 112c)에 의해 이미지 형성 장치(110a, 110b, 110c)로 반사되며, 생성된 이미지 광빔(114a, 114b, 114c)은 PBS(112a, 112b, 112c)를 통해 투과된다. 도시되지 않은 다른 접근법에서, 조명 광은 PBS를 통해 이미지 형성 장치로 투과될 수 있으며, 한편 이미지 광은 PBS에 의해 반사된다.

지연 요소(111a, 111b, 111c), 예컨대 1/4파장 지연 요소가 이미지 형성 장치(110a, 110b, 110c)와 그들 각각의 PBS(112a, 112b, 112c) 사이에 위치된다. 지연 요소(111a, 111b, 111c)는 이미지 형성 장치(110a, 110b, 110c)의 잔류 복굴절 을 보상하는 데에, 그리고 이하에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같이 PBS(112a, 112b, 112c)의 복굴절을 보상하는 데에 사용될 수 있다. PBS(112a, 112b, 112c)가 맥네일(MacNeille) 유형인 경우, 지연 요소(111a, 111b, 111c)는 사행 광선 효과(skew ray effect) 및 이미지 형성 장치의 잔류 복굴절을 보상하는 데 사용될 수 있다.

도시된 예시적인 실시예에서, 색상 조합기 유닛(116)은 예컨대 하나 이상의 이색 요소를 사용하여 상이한 색상의 이미지 광빔(114a, 114b, 114c)을 조합한다. 특히, 도시된 예시적인 실시예는 x-큐브(x-cube) 색상 조합기를 도시하지만, 다른 유형의 조합기가 사용될 수 있다. 3개의 이미지 빔(114a, 114b, 114c)은 색상 조합기 유닛(116)에서 조합되어, 프로젝션 렌즈 시스템(120)에 의해 스크린(도시 안됨)으로 지향될 수 있는 단일 유색 이미지 빔(118)을 생성한다.

컨트롤러(130)가 3개의 이미지 형성 장치(110a, 110b, 110c)에 연결된다. 컨트롤러(130)는 각각의 이미지 형성 장치에 의해 형성되는 이미지를 제어하는 제어 신호를 이미지 형성 장치(110a, 110b, 110c)에 인가한다. 또한, 이하에서 추가로 설명되는 이유를 위해, 컨트롤러(130)는 각각의 이미지 광빔(114a, 114b, 114c)의 명암 대비를 최대화하도록 각각의 이미지 형성 장치(110a, 110b, 110c)에 각각의 바이어스 신호(bias signal)를 인가한다. 컨트롤러는 비디오 신호를 수신하기 위해 컴퓨터 또는 텔레비전 튜너와 같은 비디오 소스에 결합될 수 있다. 비디오 신호는 각각의 이미지 형성 장치(110a, 110b, 110c)로 지향되는 제어 신호를 생성하도록 처리된다.

프로젝션 시스템의 다른 실시예는 하나 이상의 PBS를 사용할 수 있다. 예를 들어, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 제10/439449호 및 제10/914,596호에 더욱 상세하게 기술된 바와 같이, 프로젝션 시스템은 각각의 PBS를 구비한 하나 또는 두 개의 이미지 형성 장치를 사용할 수 있다. 이미지 형성 장치의 최대 개수는 3개로 제한되지 않으며, 프로젝션 시스템은 3개보다 많거나 적은 이미지 형성 장치를 사용할 수 있다. 또한, 고압 수은 램프와 같은 백색 광원 및 발광 다이오드와 같은 유색 광원을 포함하는 다양한 유형의 광원이 사용될 수 있다. 도시된 실시예에 있어서, 이미지 형성 장치에 도달하는 조명 광을 발생시키는 방식을 제한하거나, 조명 광을 이미지 형성 장치 도달 전에 처리하는 방식을 제한하려는 의도는 없다.

수직 정렬 네마틱(VAN) 모드 LCD 장치와 같은 몇몇 유형의 액정 이미지 형성 장치는 어두운 상태에서 5 ㎚ 정도의 잔류 위상차를 가진다. 이는 이미지 형성 장치의 잔류 위상차의 배향에 대해 90°로 배향되는 최대 5 ㎚의 위상차를 제공하는 지연기에 의해 보상될 수 있다. 그러나, 잔류 복굴절을 보상하기 위해 1/4파장 지연기를 사용하는 것이 유리하다. 예를 들어, 1/4파장 지연기는 편광 빔스플리터의 유리 프리즘의 응력 복굴절(stress birefringence)을 보상하는 데에(예컨대, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 출원 제11/088,153호 참조), 그리고 PBS가 맥네일 PBS인 경우 사행 광선 복굴절을 보상하는 데에 효과적이다.

이제, 이미지 형성 장치의 잔류 복굴절을 제어하기 위해 인가되는 바이어스의 사용이 도 2 내지 도 4를 참조하여 설명된다. 하기의 설명을 간단하게 하도록 이들 도면에서 임의의 좌표계가 사용되었다. x-z 평면은 도면의 평면에 평행하게 놓이며, 반면 y 방향은 도면 내로의 방향으로 놓인다. 도 2A 및 도 2B는 편광 빔스플리터(202)와 이미지 형성 장치(204) 사이에 지연 요소가 없는 경우를 도시한다. 도 2A에서, 편광 빔스플리터(202)로부터 z 방향으로 전파되는 광(206)은 광(206)의 전파 방향에 수직한 이중 화살표로 도시한 바와 같이 선형 편광, 즉 x-편광되는 것으로 가정한다. 도 2B에서, 광은 이미지 형성 장치(204)에 의해 반사되었으며, 이제 역방향인 음의 z-방향으로 전파되고 있다. 이미지 형성 장치에 소정의 잔류 복굴절이 존재하기 때문에, 광(210)은 더 이상 선형 편광되지 않고, 편광 성분들의 조합을 포함하는데, 즉 광은 x-편광 및 y-편광 성분의 조합을 포함한다. 도면에서, 광은 타원 편광되는 것으로 도시되어 있으며, 이 경우 y-편광 성분은 프로젝션 시스템의 명암비에 대해 불리하다. 실제 시스템에서, 편광 빔스플리터 외부로 전파되는 완전 선형 편광된 광을 얻는 것은 어렵다는 것을 알 것이다. 그러나, 본 설명은 x-방향에 평행하게 편광되는 그러한 광에 관한 것이다.

도 3A에서, 광(306)은 편광 빔스플리터(302)로부터 지연 요소(308)를 통해 이미지 형성 장치(304)로 전파된다. 위치 A에서, 광(306)은 선형 편광되고, 이어서 지연 요소(308)를 통과하여 위치 B에서 타원 편광된다. 광(306)은 시계 방향 타원 편광을 갖는 것으로 도시되어 있다. 이미지 형성 장치(304)의 잔류 복굴절을 거친 후, 도 3B에 도시된 반사된 광(310) 역시 타원 편광되지만, 이제 반시계 방향으로 타원 편광된다. 지연 요소(308)가 이미지 형성 장치(304)의 잔류 위상차를 보상하기에 정확히 충분한 위상차를 제공하면, 지연 요소(308)를 통과한 광(312)은 편광 빔스플리터(302)에 도달하기 전에 선형 편광된다. 잔류 복굴절의 정확한 보상을 위한 배향 조건은 정확한 보상을 제공하는 각도 θ, 즉 θC인 각도로 지연 요소가 배향되는 것이다. 이러한 상황에서, θ의 값은 고 명암 대비를 달성하는 데에 중요한데, 즉 지연 요소가 θC와 다른 각도로 배향되면 명암 대비의 상당한 저하를 초래할 수 있다. 예를 들어, 몇몇 LCD 프로젝션 시스템에서, θ의 값이 θC의 값과 약 ± 0.5°의 차이가 있을 때, 명암 대비는 30% 이상까지 저하될 수 있다. 예를 들어, 일본 요코하마 소재의 제이브이씨 코포레이션(JVC Corp.)에 의해 공급되는 구매가능한 JVC G1000 프로젝터에서의 이러한 영향에 대한 시험은 보상기가 그 사전설정 최적 회전각으로부터 0.5°만큼 회전된 때 명암 대비가 30%까지 저하됨을 보여주었다. 미국 애리조나주 템피 소재의 브릴리안 코포레이션(Brillian Corp.)에 의해 공급되는 브릴리안(Brillian) 타입 720p VAN 모드 이미지 형성 장치를 사용하는 프로젝터 시스템에서, 보상기가 최적 설정으로부터 0.7°만큼 회전된 때 명암 대비가 40%까지 저하된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 이미지 형성 장치의 잔류 복굴절을 보상하는 다른 접근법은 역시 지연 요소를 사용하면서 이미지 형성 장치의 복굴절을 바이어스시키는 것이다. 이는 이미지 형성 장치의 전체 복굴절을 변경시키고 이 바이어스는 명암 대비를 최대화하는 값으로 쉽게 조절될 수 있는데, 즉 바이어스를 전기적으로 조절하는 것은 지연 요소를 수동으로 조절하는 것에 비해 시간 소모가 상당히 덜하고 시간 경과에 따라 일정한 값으로 유지하기가 더 용이하다. 따라서, 프로젝션 장치를 조립하고 고성능을 유지하는 과정이 단순해지고 장치의 제조 용이성 이 더 우수해진다.

본 발명을 수행하는 예시적인 배열이 도 4A 및 도 4B에 개략적으로 도시되어 있다. 도 4A에서, 광(406)은 편광 빔스플리터(402)로부터 이미지 형성 장치(404)를 향해 전파된다. 광(406)은 편광 빔스플리터(402)로부터의 출사 시에 실질적으로 선형 편광되는 것으로 가정한다. 광(406)은 지연 요소(408)를 통과하여 타원 편광된 광(410)이 된다. 지연 요소(408)는 θC가 아닌 각도 θ로 배향된다. 바이어스 컨트롤러(412)가 이미지 형성 장치(404)에 바이어스를 인가한다. 이미지 형성 장치(404)로부터 반사된 광(414)은 이미지 형성 장치로의 바이어스를 조절함으로써 조절될 수 있는 편광 상태를 갖는다. 편광 상태는 지연 요소(408)로부터 편광 빔스플리터(402)로 통과하는 반사된 광(416)이 실질적으로 최대화된 명암비를 갖도록 조절되는데, 이는 실질적으로 선형인 편광 상태를 갖는 광(416)에 해당한다. 이러한 상태는 컨트롤러(412)에 의해 인가되는 바이어스 전압 Vb가 최대 명암 대비를 위해 요구되는 값인 Vc와 실질적으로 같을 때 발생한다.

이러한 보상 기술을 이해하는 다른 방식은 광이 편광 빔스플리터와 이미지 형성 장치 사이에서 왕복하는 동안 3개의 독립된 복굴절 소스, 즉 지연 요소로부터의 복굴절 be, 잔류 복굴절 br 및 바이어스 복굴절 bb를 거친다는 점을 고려하는 것이다. 잔류 복굴절 br 및 바이어스 복굴절 bb는 모두 입사 편광 광선에서 볼 때 위상차를 증가시킨다. 전체 위상차가 최소화되도록 be가 배향된 때 최대 명암 대비가 형성된다.

이미지 형성 장치(404)에는 항상 소정의 이탈 복굴절(stray birefringence) 이 존재하기 때문에, 이러한 보상 기술을 이해하는 다른 방식은 편광된 광선이 보상기(408)와 이미지 형성 장치(404)를 통한 그의 왕복에서 거치게 될 위상차의 크기가 최소화되도록 보상기(408)가 그의 광학축이 입력 편광에 대해 0이 아닌 각도 θC에 있는 상태로 배향될 수 있다는 점을 고려하는 것이다. 보상기(408)가 θC보다 큰 각도 θ로 회전된 때, 광선(416)은 과보상되어 PBS(402)로 역으로 진행하는 광선(416)은 원하는 것보다 큰 y-편광 성분을 포함한다. 그러나, 바이어스 전압 Vc의 인가를 통해 이미지 형성 장치(404)에 의해 인가되는 바이어스는 이러한 추가된 위상차를 대부분 보상할 수 있다. 이러한 방식으로, 프로젝션 시스템은 기계적 조절보다는 전자적 조절을 통해 최상의 명암 대비로 조절될 수 있다.

본 보상 기술을 사용하면, 프로젝션 시스템의 코어는 하기의 단계를 사용해서 정렬될 수 있다:

i) 1/4파장 지연기를 이미지 형성 장치 또는 편광 빔스플리터에 부착한다. 실질적으로 굴절률이 일치하는 광학 접착제를 사용하여 1/4파장 지연기를 부착하는 것이 바람직할 수 있다. 이는 반사 표면의 수를 감소시켜서, 손실을 낮추고 이미지 잔상(image ghosting)을 감소시키게 된다.

ii) 이미지 형성 장치와 편광 빔스플리터를 색상 조합기 둘레에 배열한다.

iii) 각각의 이미지 형성 장치의 6개의 축(x 위치, y 위치 및 z 위치의 3개의 위치와 피치(pitch)각, 롤(roll)각 및 요(yaw)각의 3개의 각도)을 조절하여, 각각이 초첨이 맞고, 수평 및 수직 방향으로 적절하게 배향되며, 광학 시스템 내에서 그리고 다른 이미지 형성 장치와 중심 설정되도록 조절한다.

iv) 각각의 이미지 형성 장치의 어두운 상태 바이어스 전압 Vb를 그 이미지 형성 장치에 의해 제어되는 색상 채널로부터의 최저 광 출력에 대해 조절한다.

제조 공정의 복잡성을 감소시키고 반사 표면의 수를 감소시키는 것 외에, 이러한 기술은 또한 광학 표면, 특히 이미지 형성 장치 상에 내려앉는 먼지 또는 기타 원하지 않는 입자의 양을 감소시키는 구성을 가능하게 한다. 이미지 형성 장치 상의 먼지는 이미지 형성 장치의 어두운 상태와 밝은 상태 모두에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 밝은 상태에서, 먼지는 이미지 형성 장치의 색상 채널에 대한 보색의 대략적인 집약점(more-or-less focused spot)으로서 두드러지게 나타난다. 예를 들어, 3채널 프로젝션 시스템의 녹색 채널의 이미지 형성 장치의 경우, 먼지 입자는 심홍색 점을 생성한다. 어두운 상태에서, 먼지는 색상 채널과 동일한 색상의 지점으로서 나타난다. 예를 들어, 3채널 프로젝션 시스템의 녹색 채널의 이미지 형성 장치의 경우, 먼지 입자는 녹색 점을 생성한다. 편광 빔스플리터의 면, 이미지 형성 장치 및 독립형 보상 지연기의 양면을 둘러싸는 먼지 차단 밀봉체를 생성하는 이미지 형성 장치 및 보상기에 대한 부착 방법을 개발하는 것은 복잡할 뿐만 아니라 대개 고가인 것으로 밝혀졌다. 보상 지연기를 이미지 형성 장치 또는 편광 빔스플리터에 부착함으로써, 이 문제는 상당히 단순해지는데, 즉 이제 밀봉할 간극이 2개가 아니라 하나만 존재하고 이러한 부착점의 개수의 감소로 인해 간단한 밀봉 구조의 형성이 용이해진다. 이들 2가지 가능성이 도 5A 및 도 5B에 개략적으로 도시되어 있다. 각각의 경우에, 먼지를 광학 표면으로부터 차단시키기 위해서 밀봉체(508)가 편광 빔스플리터(502)와 이미지 형성 장치(504) 사이에 형성된다. 도 5A에서 지연 요소(506)가 편광 빔스플리터(502)에 부착되며, 도 5B에서는 지연 요소(506)가 이미지 형성 장치(504)에 부착된다. 바이어스가 이미지 형성 장치(504)에 인가되는 전술한 보상 기술은, 정확하게 θc인 배향 각도를 달성하기 위해 지연 요소(506)를 높은 정밀도로 배향시킬 필요 없이, 빔스플리터(502) 또는 이미지 형성 장치(504)에의 지연 요소(506)의 부착이 간단하게 이루어질 수 있게 한다.

물론, 지연 요소(506)가 편광 빔스플리터(502) 또는 이미지 형성 장치(504)에 반드시 부착될 필요는 없으며, 편광 빔스플리터(502)와 이미지 형성 장치(504) 사이에 위치되어 소정의 다른 지지 구조체를 사용하여 지지될 수 있다는 것을 알 것이다.

예

미국 애리조나주 템피 소재의 브릴리안 코포레이션에 의해 공급되는 타입 720p VAN 모드 LCoS 이미지 형성 장치에 대해 이 기술을 시험하였다. 정밀 회전 스테이지 상의 1/4파장 지연기를 편광 빔스플리터와 이미지 형성 장치 사이에 위치시켰다. 시스템을 f/2.3에서 아크 램프로부터의 녹색광으로 조명하였다. 조명 광을 편광 빔스플리터에 의해 이미지 형성 장치로 반사시켰다. 편광 빔스플리터를 투과하여 이미지 형성 장치에 의해 반사되는 광을 투사하기 위해 프로젝션 렌즈를 장착하였다. 투사된 광속(light flux)을 측정하기 위해 프로젝션 렌즈의 전방 10 ㎝에 조도계(light meter)를 배치하였다. 이러한 이미저를 최적으로 보상하는 데 요구되는 1/4파장 지연기의 회전각은 대략 0.25°이며, 이는 대략 0.75 ㎚의 잔류 복굴절에 대응한다.

최적으로 어둡게 한 어두운 상태가 0의 그레이스케일(greyscale) (GS=0)로 설정한 이미지 형성 장치에 의해 달성되도록 지연기를 정렬하였으며, 이 지점에서 광 레벨은 7.5 lux로 측정되었다. 이러한 조건에서의 각도를 θ= 0°로 지정한다. 지연기를 0.125°의 각도로 회전시킨 때, 어두운 상태 휘도는 8 lux로 증가하였고, 이는 대략 6.5%의 명암 대비 저하에 대응한다.

다음으로, 지연기를 θ= 0.125°로 배향시킨 때 가능한 최저 휘도를 얻도록 이미지 형성 장치에 인가되는 전압 레벨을 조절하였다. 1/4파장 지연기가 최초 θ = 0°로 배향된 이미지 형성 장치에 대해, 바이어스 전압을 2.0의 감마(Gamma)에 대한 그레이스케일 레벨로 측정한다. 이러한 그레이스케일 세트의 수는 256개이며, 이는 8-비트 색상에 대응한다. 이는 실제상의 편의를 위해 행하였다. 실제 시스템에서, 바이어스 전압은 참조한 그레이스케일에 대응하는 전압 레벨과 같게 도입될 수 있다. 0.125°의 지연기의 이러한 회전의 경우, 가장 어둡게 한 어두운 상태는 7.7 lux의 레벨에서 20번째 그레이스케일로 측정되었다. 이는 θ = 0°에서 달성되는 암도값(dark value)만큼 어둡지는 않지만, 바이어스 전압이 없을 때보다 60% 우수하며, 명암 대비가 최적값으로부터 단지 2.5%만 저하되게 한다.

각도 허용 오차에 대한 실제적인 고려에 의해 오프셋 크기를 결정한다. 예를 들어, 편광 빔스플리터 배향이 ± 0.1°내로 제어되고 지연기의 축이 ± 0.05°내로 제어되면, 지연기를 0.3°의 최소 오프셋 각도에서 시스템에 배치시키는 것이 바람직하게 된다.

다른 각도 배치를 시험하기 위해, 지연기를 0.375°만큼 오프셋시킬 때의 효과를 조사하였다. 이러한 경우에, GS = 0의 어두운 상태(0 바이어스) 조건에서 광 출력이 11.5 lux로 측정되었으며, 이는 θ = 0°로 얻은 명암 대비로부터 50%만큼 명암 대비를 감소시킨다. 바이어스를 조절함으로써 8.3 lux의 최소 어두운 상태 광 세기가 되었고, 이는 약 47의 그레이스케일 레벨에서 얻었다. 따라서, 80%의 명암 대비 감소를 회복하였으며, 달성한 명암 대비는 θ = 0°인 때보다 단지 약 10% 낮았다. 이러한 이미지 형성 장치의 전체 명암 대비 레벨은 3000:1을 초과하는 것으로 측정되었기 때문에, 10%의 감소로 인해 명암비 역시 2700:1이 되었으며, 이는 많은 상업용 프로젝션 시스템에서 여전히 허용가능한 것이다.

지연기의 다양한 배향에 대한 어두운 상태의 휘도를 이미지 형성 장치에 인가된 바이어스 전압의 함수로서 도시한 그래프가 도 6에 도시되어 있다. 바이어스 전압은 그레이스케일로 나타내었다. 지연기가 음의 방향으로 회전하면 더 밝은 GS=0의 어두운 상태가 되며, 이러한 경우 바이어스 전압의 인가만으로 휘도가 증가함을 알 수 있다.

전술한 모든 각도는 지연기의 배향, 즉 이미지 형성 장치가 바이어스되지 않은 때 가장 밝지 않은 어두운 상태를 생성하는 배향에 대한 최적의 각도에 대한 것이다. 여기서 사용한 특정 이미지 형성 장치의 경우, 이러한 배향은 입사 광의 편광축에 대해 0.247°± 0.017°(표준 편차 1)의 각도에서 설정된 지연기의 빠르거나 느린 축에 대응한다. 따라서, 지연기는, 지연기의 빠르거나 느린 축이 약 0.25°+ 0.375°= 0.625°로 설정되도록 배향될 수 있지만, 사용되는 구성요소의 제조 허용 오차에 따라 다른 각도가 선택될 수도 있다.

예컨대, 대략 5 ㎚의 바이어스되지 않은 잔류 복굴절을 갖는 다른 VAN 모드 이미지 형성 장치의 경우, 지연기의 빠르거나 느린 축은 θ = 0°, 즉 θc = 1.75°에 대한 편광면에 대해 대략 1.75°로 설정된다. 따라서, 이러한 이미지 형성 장치와 함께 사용되는 지연기의 느리거나 빠른 축은 약 1.75° + 0.375°= 2.125°의 각도로 설정될 수 있지만, 다른 각도가 선택될 수도 있다.

상이한 실시예에서, 지연기의 빠르거나 느린 축은 θc의 값과 1°미만, 0.5°미만 또는 0.25°미만만큼 상이한 값의 각도로 설정될 수도 있다.

따라서, 본 발명은 전술한 특정 예에 한정되는 것으로 간주되어서는 안 되며, 오히려 첨부된 청구의 범위에 적절히 기재된 본 발명의 모든 태양을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 명세서의 검토시 본 발명에 적용될 수 있는 다양한 변형예, 동등한 공정뿐만 아니라 다수의 구조가 당업자에게 쉽게 명확해질 것이다. 청구의 범위는 이러한 변형예 및 장치를 포함하고자 한다.

Claims (19)

1. 제1 이미지 형성 장치,

   조명 광을 제1 이미지 형성 장치로 통과시키는 제1 편광 빔스플리터,

   제1 이미지 형성 장치와 제1 편광 빔스플리터 사이에 배치되는 제1 지연 요소, 및

   제1 이미지 형성 장치에 부착되어 어두운 상태의 픽셀에 바이어스를 인가하여서, 제1 이미지 형성 장치로부터 제1 편광 빔스플리터를 통과한 이미지 광의 명암 대비를 실질적으로 최대화하는 바이어스 컨트롤러를 포함하는 프로젝션 시스템.
2. 제1항에 있어서, 제1 이미지 형성 장치로부터 수용한 이미지 광을 투사하는 프로젝션 렌즈 유닛을 추가로 포함하는 프로젝션 시스템.
3. 제2항에 있어서, 색상 조합기 및 적어도 하나의 제2 이미지 형성 장치를 추가로 포함하여, 제1 이미지 형성 장치 및 적어도 하나의 제2 이미지 형성 장치로부터의 이미지 광이 프로젝션 렌즈 유닛에 의해 투사되는 조합된 이미지 빔을 생성하도록 색상 조합기에서 조합되는 프로젝션 시스템.
4. 제1항에 있어서, 조명 광을 발생시킬 수 있는 광원을 추가로 포함하는 프로젝션 시스템.
5. 제1항에 있어서, 이미지 형성 장치에 의해 형성된 이미지를 제어하도록 결합되는 컨트롤러를 추가로 포함하는 프로젝션 시스템.
6. 제1항에 있어서, 제1 지연 요소는 제1 이미지 형성 장치 및 제1 편광 빔스플리터 중 하나에 부착되는 프로젝션 시스템.
7. 제6항에 있어서, 제1 이미지 형성 장치와 제1 편광 빔스플리터 사이를 연결하는 먼지 차단 밀봉체를 추가로 포함하며, 제1 지연 요소가 제1 이미지 형성 장치, 제1 편광 빔스플리터 및 먼지 차단 밀봉체에 의해 형성되는 밀봉된 체적 내에 배치되는 프로젝션 시스템.
8. 제1항에 있어서, 제1 지연 요소는 빠른 축 및 느린 축을 가지며, 지연 요소의 빠른 축 및 느린 축 중 하나는 각도 θ로 배향되고, θc와 θ 사이의 차이는 1° 미만이며, 여기서 θc는 지연 요소의 빠른 축 또는 느린 축 중 하나가 제1 이미지 형성 장치의 픽셀에 바이어스가 인가되지 않을 때 최대 명암 대비를 달성하도록 배향되는 각도인 프로젝션 시스템.
9. 제8항에 있어서, θ와 θc 사이의 차이는 0.5°미만인 프로젝션 시스템.
10. 제9항에 있어서, θ와 θc 사이의 차이는 0.25°미만인 프로젝션 시스템.
11. 편광 빔스플리터 및 이미지 형성 장치와 편광 빔스플리터 사이에 배치된 지연 요소를 통과한 조명 광으로 이미지 형성 장치를 조명하는 단계,

    조명 광의 적어도 일부를 이미지 광으로서 반사하는 단계,

    편광 빔스플리터를 사용하여 이미지 광을 비이미지 광으로부터 실질적으로 분리하는 단계, 및

    이미지 형성 장치의 픽셀에 보상 바이어스 신호를 인가하여, 이미지 광의 어두운 상태 휘도를 실질적으로 최소화하는 단계를 포함하는 프로젝션 시스템의 동작 방법.
12. 제11항에 있어서, 이미지 광에 포함된 이미지를 변경하도록 이미지 형성 장치를 제어하는 단계를 추가로 포함하는 프로젝션 시스템의 동작 방법.
13. 제1 이미지 형성 장치로부터 분리된 제1 편광 빔스플리터 및 편광 빔스플리터와 이미지 형성 장치 사이를 연결하는 제1 밀봉체를 포함하는 제1 밀봉 유닛을 포함하며, 밀봉된 체적이 밀봉체, 제1 편광 빔스플리터 및 제1 이미지 형성 장치에 의해 둘러싸이고, 지연 요소가 밀봉된 체적 내에 배치되어 제1 편광 빔스플리터 및 제1 이미지 형성 장치 중 하나에 부착되는 프로젝션 장치.
14. 제13항에 있어서, 색상 조합기를 추가로 포함하며, 제1 밀봉 유닛이 색상 조합기에 광학적으로 결합되어 제1 밀봉 유닛으로부터의 이미지 광이 색상 조합기로 전파되는 프로젝션 장치.
15. 제14항에 있어서, 프로젝션 렌즈 유닛을 추가로 포함하며, 이미지 광이 색상 조합기로부터 프로젝션 렌즈 유닛으로 전파되는 프로젝션 장치.
16. 제14항에 있어서, 적어도 하나의 제2 밀봉 유닛을 추가로 포함하며, 적어도 하나의 제2 밀봉 유닛으로부터의 이미지 광이 색상 조합기에서 제1 밀봉 유닛으로부터의 이미지 광과 조합되어 색상 조합된 이미지 빔을 형성하는 프로젝션 장치.
17. 제16항에 있어서, 적어도 하나의 제2 밀봉 유닛은 제2 밀봉 유닛 및 적어도 하나의 제3 밀봉 유닛을 포함하며, 제2 및 제3 밀봉 유닛으로부터의 이미지 광이 색상 조합기에서 제1 밀봉 유닛으로부터의 이미지 광과 조합되는 프로젝션 장치.
18. 제13항에 있어서, 조명 광을 발생시킬 수 있는 광원을 추가로 포함하며, 조명 광이 제1 편광 빔스플리터를 통해 제1 이미지 형성 장치를 조명하는 프로젝션 장치.
19. 제13항에 있어서, 제1 이미지 형성 장치에 의해 형성된 이미지를 제어하도록 결합되는 컨트롤러를 추가로 포함하는 프로젝션 장치.

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