KR20090046778A

KR20090046778A - 반사 편광기 및 흡수 편광기를 포함하는 편광 빔 스플리터,및 그의 이미지 디스플레이 시스템

Info

Publication number: KR20090046778A
Application number: KR1020097000625A
Authority: KR
Inventors: 알렉산더 엘. 글린스키; 존 이. 던캔; 찰스 엘. 브루존; 오드리 에이. 셔먼
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2006-07-14
Filing date: 2007-06-29
Publication date: 2009-05-11
Also published as: WO2008008646A3; EP2041617A2; JP2009544048A; TW200811447A; WO2008008646A2; US20080013051A1; CN101490606A

Abstract

광 빔을 방출하도록 구성된 조명원, 편광 빔 스플리터, 및 이미지 형성 장치를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템이 개시된다. 편광 빔 스플리터는 반사 편광기, 및 반사 편광기에 인접하게 배치된 흡수 편광기를 포함하며, 흡수 편광기는 반사 편광기를 통해 투과된 광 빔의 제1 부분을 수광하도록 구성된다. 이미지 형성 장치는 반사 편광기에 의해 반사된 광 빔의 제2 부분을 수광하도록 배치된다.

이미지 디스플레이 시스템, 편광기, 스플리터, 광 빔, 프리즘

Description

반사 편광기 및 흡수 편광기를 포함하는 편광 빔 스플리터, 및 그의 이미지 디스플레이 시스템{POLARIZING BEAM SPLITTERS INCORPORATING REFLECTIVE AND ABSORPTIVE POLARIZERS AND IMAGE DISPLAY SYSTEMS THEREOF}

본 발명은 편광 분리 장치를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 반사 편광기 및 흡수 편광기를 갖는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter, PBS)를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템에 관한 것이다.

PBS를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템은 프로젝션 디스플레이(projection display)와 같은 뷰잉 스크린(viewing screen) 상에 이미지를 형성하는 데 사용된다. 전형적인 이미지 디스플레이 시스템은 조명원을 포함하며, 이 조명원은 조명원으로부터의 광선이 투사될 원하는 이미지를 포함하는 이미지 형성 장치(즉, 이미저(imager))에서 반사되도록 배열된다. 이러한 시스템은 조명원으로부터의 광선 및 투사된 이미지의 광선이 PBS와 이미저 사이의 동일한 물리적 공간을 공유하도록 광선이 꺾이게 한다.

PBS는 전형적으로 뷰잉 스크린 상의 조명을 증가시키기 위해 낮은 F/#의 조명 시스템을 사용하여 큰 각도의 빔 원뿔(high-angle beam cone)로 작동하며, 여기서 "F/#"는 렌즈 초점 거리 대 렌즈 직경의 비를 지칭한다. 그러나, 낮은 F/#의 조명 시스템은 전형적으로 PBS 편광기의 법선에 대한 큰 입사각에서 광선을 PBS 편광기와 교차시킨다. 이는, 특히 적색 파장 스펙트럼에서 잔여 광선이 PBS 편광기를 통해 누설되게 한다. 이러한 광 누설은 상응하여 콘트라스트 비(contrast ratio)의 감소로 이어진다. 이러한 문제를 교정하는 하나의 통상적인 기술은 누설되는 광을 흡수하도록 흡수 편광기를 PBS의 출구에 인접하게 배치하는 것을 수반한다. 그러나, 외부 편광기는 정렬 배향에 민감하며, 이미지 디스플레이 시스템의 제조에 있어서 복잡성을 증가시킨다.

발명의 개요

본 발명은 광 빔을 방출하도록 구성된 조명원, PBS, 및 이미지 형성 장치를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템에 관한 것이다. PBS는 반사 편광기, 및 반사 편광기에 인접하게 배치된 흡수 편광기를 포함하며, 흡수 편광기는 반사 편광기를 통해 투과된 광 빔의 제1 부분을 수광하도록 구성된다. 이미지 형성 장치는 반사 편광기에 의해 반사된 광 빔의 제2 부분을 수광하도록 배치된다.

도 1은 본 발명의 이미지 디스플레이 시스템의 개략도.

도 2A는 적색 광 누설을 보여주는 비교예의 이미지 디스플레이 시스템의 디스플레이 퓨필(pupil)의 현미경 사진.

도 2B는 본 발명의 이미지 디스플레이 시스템의 디스플레이 퓨필의 현미경 사진.

도 3은 본 발명의 예시적인 이미지 디스플레이 시스템 및 비교예의 이미지 디스플레이 시스템에 대한 콘트라스트 비 대 광 파장 스펙트럼을 나타내는 그래프.

도 4는 본 발명의 예시적인 이미지 디스플레이 시스템 및 비교예의 이미지 디스플레이 시스템에 대한 명순응적으로 칭량된(photopically weighted) 콘트라스트 비 대 편광기 입사각을 나타내는 그래프.

도 5는 본 발명의 예시적인 이미지 디스플레이 시스템 및 비교예의 이미지 디스플레이 시스템에 대한 콘트라스트 비 대 광 파장 스펙트럼을 나타내는 그래프.

상기 도면은 본 발명의 일부 실시 형태를 설명하지만, 논의에서 알 수 있는 바와 같이 다른 실시 형태가 또한 고려된다. 모든 경우에서, 본 개시 내용은 본 발명을 제한이 아닌 설명을 위해 나타낸 것이다. 본 발명의 원리의 범주 및 사상에 속하는 많은 다른 변형 및 실시 형태들이 당업자에 의해 창안될 수 있음을 이해해야 한다. 도면은 축척대로 도시되지 않을 수도 있다. 도면 전체에 걸쳐서 동일한 부분을 지시하기 위해 동일한 도면 부호가 사용되었다.

도 1은 다양한 디스플레이 장치, 예컨대 미니 프로젝션 디스플레이(mini-projection display), 머리 장착형 디스플레이(head-mounted display), 가상 뷰어(virtual viewer), 전자 뷰파인더(electronic viewfinder), 헤드업 디스플레이(heads-up display), 광학 컴퓨팅(optical computing), 광학 상관(optical correlation), 및 기타 광학 뷰잉(optical viewing) 시스템에 사용될 수 있는, 본 발명의 이미지 디스플레이 시스템(10)의 개략도이다. 시스템(10)은 조명원(12), PBS(14), 이미저(16), 투사 렌즈(18), 및 디스플레이 스크린(20)을 포함한다. 이하 논의되는 바와 같이, PBS(14)는 광 누설의 위험을 감소시키도록 구성되며, 그럼으로써 생성되는 이미지의 콘트라스트 비가 향상된다.

조명원(12)은 PBS(14)를 향해 광 빔(22)을 방출하도록 구성된 발광 다이오드(LED) 광원이다. 도 1에는 단일 LED로서 도시되어 있지만, 조명원은 대안적으로 광 빔(22)을 방출하기 위한 복수의 LED 또는 기타 광원(예컨대, 레이저 다이오드, 백열 전구, 및 아크 램프)을 포함할 수도 있다. 일 실시 형태에서, 조명원(12)은 다양한 색상(예컨대, 적색, 녹색, 청색)의 LED 및 색상 조합기(color combiner)(예컨대, x-큐브(cube) 구성 색상 조합기)를 포함하며, 여기서 색상 조합기는 수신된 유색(colored) 광 빔들을 조합하고 PBS(14)를 향해 생성된 광 빔(22)을 지향시킨다. 조명원(12)은 LED 주변에 배치되어 PBS(14)를 향해 광 빔(22)을 추가로 포착하여 지향시키는 볼 렌즈(도시 안됨), 그라디움(gradium) 유형의 마이크로렌즈(도시 안됨), 및/또는 경사형 굴절률(graded index, GRIN) 렌즈(도시 안됨)를 또한 포함할 수 있다.

논의의 용이함을 위해, 광 빔(22)은 도 1에서 단일 광선으로서 예시되어 있다. 그러나, 당업자는 광 빔(22)이 다중 광선의 광 원뿔(light cone)로서 PBS(14)를 향해 방출된다는 것을 알 것이다. 광 빔(22)은 조명원(12)으로부터 비편광 상태로 방출된다. 그러한 것으로서, 광 빔(22)은 s-편광 상태의 광선(광선 22_S1) 및 p-편광 상태의 광선(광선 22_P1) 모두를 포함한다. 종래의 기호에 따르면, s-편광 상태의 광선은 (도 1의 도면에 직교하는, 종이 면으로부터 뻗어 나오는 제1 직교 전계 세그먼트를 나타내는) 도트 "·"로 표시되며, p-편광 상태의 광 빔은 (광의 전계 벡터가 종이 면 내에서 편광된 제2 직교 전계 세그먼트를 나타내는) 기호 "|"로 표시된다.

PBS(14)는 입력 프리즘(24), 출력 프리즘(26), 반사 편광기(28), 및 흡수 편광기(30)를 포함한다. 입력 프리즘(24) 및 출력 프리즘(26)은 반사 편광기(28) 및 흡수 편광기(30)의 대향 측들 상에서 서로 인접하게 배치된 저 복굴절성 프리즘(즉, 편광기 커버)이다. 입력 프리즘(24) 및 출력 프리즘(26)은 PBS(14)의 원하는 목적을 달성하기 위해 적합한 굴절률을 갖는 임의의 광 투과성 물질로부터 구성될 수 있다. "광 투과성" 물질은 입사 광의 적어도 일부가 그 물질을 통해 투과할 수 있게 하는 물질이다. 프리즘으로서 사용하기에 적합한 물질은 세라믹, 유리, 및 중합체를 포함한다.

입력 프리즘(24)은 외부면(32, 34), 및 입사면(36)을 포함한다. 유사하게, 출력 프리즘(26)은 외부면(38, 40), 및 입사면(42)을 포함한다. 입력 프리즘(24) 및 출력 프리즘(26)이 삼각형 프리즘으로서 도시되어 있지만, 입력 프리즘(24)과 출력 프리즘(26) 중 하나 또는 둘 모두는 대안적으로 다양한 상이한 기하학적 형상을 가진 편광기 커버로서 기능할 수도 있다. 예컨대, 입력 프리즘(24)과 출력 프리즘(26) 중 하나 또는 둘 모두는 설계 및 광학 요건이 필요로 하는 바에 따라 4개 이상의 측면을 가질 수 있다. 도시된 바와 같이, 반사 편광기(28) 및 흡수 편광기(30)는 서로 인접하게 배치되어, 반사 편광기(28)는 입력 프리즘(24)의 입사면(36)과 마주하고 흡수 편광기(30)는 출력 프리즘(26)의 입사면(42)과 마주하게 된다.

반사 편광기(28)는 조명원(12)으로부터 수광된 광 빔(22)의 광선을 반사된 편광 성분(s-편광된 광선)과 투과된 편광 성분(p-편광된 광선)으로 분할한다. 대안적인 실시 형태에서, 시스템(10)은 광 빔(22)을 PBS(14)로 진입하기 전에 적어도 부분적으로 사전 편광시키는 하나 이상의 반사 또는 흡수 사전 편광기(pre-polarizer)를 또한 포함한다. 이들 실시 형태에서, 하나 이상의 사전 편광기는 s-편광된 광선을 투과시키고, p-편광된 광선을 적어도 부분적으로 반사 또는 흡수한다.

반사 편광기(28)는 선형 반사 편광기 또는 원형 반사 편광기와 같은 당업자에게 공지된 임의의 반사 편광기일 수 있다. 본 발명의 실시 형태에 사용하기에 적합한 선형 반사 편광기의 특정한 예에는 와이어-그리드 편광기(wire-grid polarizer)(예컨대, 마가릴(Magarill) 등의 미국 특허 제6,719,426호에 개시된 바와 같이, 공기와 같은 저 굴절률 물질이 와이어 그리드에 인접한 것), 유전체 박막 코팅(예컨대, 맥네일(MacNeille) PBS), 중합체 블렌드 편광 필름, 유리섬유 복합 편광기, 및 복굴절성 중합체 다층 광학 필름(MOF)이 포함된다. 본 발명의 실시 형태에 사용하기에 적합한 원형 반사성 편광 필름의 특정한 예에는, 반사 편광기(28)와 흡수 편광기(30) 사이에 배치된 ¼ 파장판(wave plate)과 함께 사용될 수 있는 콜레스테릭 편광기(cholesteric polarizer)가 포함된다.

적합한 유리섬유 복합 편광기의 예에는 2005년 2월 28일자로 출원된 공동 소유의 미국 특허 출원 제11/068,158호에 개시된 것이 포함된다. 적합한 복굴절성 중합체 다층 광학 필름의 예에는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)에 의해 제조되며, 존자(Jonza) 등의 미국 특허 제5,882,774호; 웨버(Weber) 등의 미국 특허 제6,609,795호; 및 마가릴(Magarill) 등의 미국 특허 제6,719,426호에 기술된 것이 포함된다. 적합한 복굴절성 중합체 다층 광학 필름의 추가의 예에는 쓰리엠 컴퍼니로부터 "비퀴티"(VIKUITI) 고급 편광 필름(advanced polarizing film, APF)이라는 상표명으로 제조된 것이 포함된다.

몇몇 예시적인 실시 형태에서, 반사 편광기(28)는 적어도 제1 층 및 제2 층을, 그리고 바람직하게는 복수의 서로 끼워진(interleaved) 제1 층들 및 제2 층들을 포함할 수 있으며, 여기서 제1 및 제2 층의 중합체 물질은 상이하다. 본 발명의 일 실시 형태에서, 반사 편광기(28)는 웨버 등의 미국 특허 제6,609,795호에 개시된 바와 같이, 상이한 중합체 물질로 된 교번하는 층들의 다층 스택(stack)을 포함할 수 있다.

적합한 중합체 선형 반사성 편광 필름은 전형적으로 필름의 평면에서의 제1 방향을 따른 상이한 물질들 사이의 큰 굴절률 차이(Δn_x), 및 필름의 평면에서의 제1 방향에 직교하는 제2 방향을 따른 상이한 물질들 사이의 작은 굴절률 차이(Δn_y)를 특징으로 한다. 몇몇 예시적인 실시 형태에서, 반사성 편광 필름은 필름의 두께 방향을 따른 상이한 중합체 물질들 사이(예를 들어, 상이한 중합체 물질로 된 제1 층과 제2 층 사이)의 작은 굴절률 차이(Δn_z)를 또한 특징으로 한다. 일반적으로, 2가지 물질의 y-굴절률들 사이의 굴절률 부정합은 차단 상태에서 높은 반사율을 유지하면서 통과 상태에서 높은 투과율을 위해 작아야 한다. y-굴절률 부정합 및 z-굴절률 부정합(즉, 비-신장(non-stretched) 방향들)의 허용된 크기는 각각 x-굴절률 부정합(즉, 신장 방향)에 대해 설명될 수 있는데, 이는 후자의 값이 원하는 편광 정도를 달성하기 위해 편광기 박막 스택에 사용되는 층들의 개수를 제시하기 때문이다.

박막 스택의 총 반사율은 굴절률 부정합 Δn 및 스택 내의 층의 개수 N과 관련된다(즉, 곱 (Δn)²xN은 스택의 반사율과 관련됨). 예컨대, 반사율이 동일하지만 층의 개수가 절반인 필름을 제공하기 위해서는 √2배의 층들 사이의 굴절률 차이 등이 필요하다. 비 Δn_y / Δn_x의 절대값은 바람직하게는 제어되는 관련 파라미터이며, 여기서 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 광학 반복 단위 내의 제1 및 제2 물질에 대해 Δn_y= n_y1- n_y2 및 Δn_x = n_x1- n_x2이다. 비 Δn_y/ Δn_x의 적합한 절대값의 예에는 약 0.2 이하, 약 0.1 이하, 더 바람직하게는 약 0.05 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 0.02 이하가 포함된다. 바람직하게는, 비 Δn_y/ Δn_x는 관심 파장 범위 전체에 걸쳐(예컨대, 가시광 스펙트럼에 걸쳐) 원하는 한계 미만으로 유지된다. Δn_x에 대한 적합한 값은 약 0.06 이상, 약 0.09 이상, 더 바람직하게는 약 0.12 이상, 더욱 더 바람직하게는 약 0.15 이상, 또는 심지어 약 0.20 이상의 범위이다.

y 굴절률 부정합과 유사하게, z 굴절률 부정합의 허용된 크기가 또한 x 굴절률 부정합에 대해 설명될 수 있다. 비 Δn_z/ Δn_x의 절대값은 바람직하게는 제어되는 관련 파라미터이며, 여기서 본 명세서에서 설명되는 바와 같이 광학 반복 단위 내의 제1 및 제2 물질에 대해 Δn_z= n_z1- n_z2 및 Δn_x = n_x1- n_x2이다. 비 Δn_z/ Δn_x의 적합한 절대값의 예에는 약 0.2 이하, 약 0.1 이하, 더 바람직하게는 약 0.05 이하, 더욱 더 바람직하게는 약 0.02 이하가 포함된다. 바람직하게는, 비 Δn_z/ Δn_x는 관심 파장 범위 전체에 걸쳐(예컨대, 가시광 스펙트럼에 걸쳐) 원하는 한계 미만으로 유지된다.

흡수 편광기(30)는 반사 편광기(28)를 통해 투과되는 광 빔(22)의 광선을 수광하도록 구성되며, 또한 s-편광 상태인 광선을 흡수하도록 구성된다. 그러한 것으로서, 흡수 편광기(30)는 p-편광된 광선이 투과되도록 하면서 반사 편광기(28)를 통해 누설된 s-편광된 광선을 흡수하는 클린업(clean-up) 편광기로서 기능한다. 흡수 편광기(30)는 카우쉬(Kausch) 등의 미국 특허 제6,610,356호 및 오우더키르크(Ouderkirk) 등의 미국 특허 제6,096,375호에 개시된 것과 같은 당업자에게 공지된 임의의 2색성(dichroic) 편광 필름일 수 있다.

도 1에 도시된 배열에서, 반사 편광기(28)의 차단축은 바람직하게는 흡수 편광기(30)의 차단축과 가능한 한 정확하게 정렬되어, 특정 응용(예컨대, 휘도 향상 편광기)에 대해 수용가능한 성능을 제공한다. 차단축들의 오정렬의 증가는 반사 편광기(28)와 흡수 편광기(30)를 입력 프리즘(24)과 출력 프리즘(26) 사이에 함께 고정함으로써 생성되는 이득을 감소시키며, 그럼으로써 몇몇 디스플레이 응용의 경우에 PBS(14)의 효율을 저하시킨다. 예컨대, 휘도 향상 편광기의 경우, 반사 편광기(28)와 흡수 편광기(30)의 차단축들 사이의 각도는 약 +/-3° 미만, 더욱 더 바람직하게는 약 +/-1° 미만이어야 한다.

일 실시 형태에서, 흡수 편광기(30)는 반사 편광기(28)가 차단하기에는 덜 적합한 스펙트럼 대역을 차단하도록 구성된다(반대의 경우도 가능함). 예컨대, 흡수 편광기(30)는 흡수 편광기(30)의 차단축을 따라 적색 파장의 광선(즉, 약 600 나노미터 내지 약 700 나노미터)을 흡수하도록 구성될 수 있다. 이하 논의되는 바와 같이, 몇몇 다층 광학 필름의 경우, 반사 편광기(28)의 법선에 대해 큰 입사각을 가진 적색 파장의 광선은 반사되지 않고 반사 편광기(28)를 통해 누설된다. 이는 적색 파장의 스펙트럼에서 생성되는 이미지의 콘트라스트 비를 감소시킨다. 다른 실시 형태에서, 흡수 편광기(30)는 흡수 편광기(30)의 차단축을 따라 주황색 파장 및 적색 파장의 광선(즉, 약 580 나노미터 내지 약 700 나노미터)을 흡수하도록 구성된다. 이들 실시 형태는 흡수 편광기(30)가 이미지 포함 광선의 투과 수준을 유지하면서도 가장 높은 투과 비율을 가진 적색/주황색 파장의 광선을 차단할 수 있게 한다.

PBS(14)는 반사 편광기(28)와 흡수 편광기(30)의 차단축들이 가능한 한 정확하게 정렬되도록 반사 편광기(28)와 흡수 편광기(30)를 함께 고정함으로써 조립된다. 반사 편광기(28)와 흡수 편광기(30)를 함께 고정함으로써, 시스템(10)의 조립 동안에 반사 편광기(28)와 흡수 편광기(30)의 차단축들이 오정렬될 위험성이 감소된다. 이어서, 조합된 반사 편광기(28)/흡수 편광기(30)는 각각 입력 프리즘(24)과 출력 프리즘(26)의 입사면들(36, 42) 사이에 배치된다. 그 후, 입력 프리즘(24)과 출력 프리즘(26)은 함께 고정되며, 이는 형성된 PBS(14)를 시스템(10)의 제조 및 사용 동안 광학적으로 효율적이고 기계적으로 견고하게 한다. 대안적인 실시 형태에서, 입력 프리즘(24)과 출력 프리즘(26) 중 어느 하나 또는 둘 모두가 생략될 수 있다. 이러한 실시 형태에서, 반사 편광기(28)와 흡수 편광기(30)의 차단축들의 정렬은 편광기(28)와 흡수 편광기(30)를 함께 고정함으로써 유지된 상태로 남게 된다. 흡수 편광기(30)는 적층(lamination), 2개의 요소의 공압출(co-extrusion), 반사 편광기 상에의 흡수 편광기의 코팅, 또는 당업자에게 공지된 임의의 기타 적합한 수단에 의해 반사 편광기(28)에 고정될 수 있다.

이미저(16)는 입력 프리즘(24)의 외부면(34)에 인접하게 배치된, LcoS(liquid crystal on silicon) 이미저(예컨대, 강유전체 LCoS)와 같은 편광 회전 구성요소이다. 이미저(16)는 이미저(16)의 픽셀이 "온"(on) 또는 "오프"(off)인지의 여부에 기초하여 광 빔(22)의 광선의 편광을 반사 및 회전시킨다. 이미저(16)의 "오프" 픽셀과 접촉하는 광 빔(22)의 개별 광선은 이들의 편광이 변경되지 않은 상태로 이미저(16)에서 반사된다(즉, s-편광을 유지함). 대조적으로, 이미저(16)의 "온" 픽셀과 접촉하는 광 빔(22)의 개별 광선은 이들의 편광이 회전된 상태로 이미저(16)에서 반사된다(즉, s-편광으로부터 p-편광으로 회전됨). 결과적으로, 이미저(16)는 원하는 투사된 이미지를 생성하도록 제어되는 픽셀 설정에 기초하여 광 빔(22)의 개별 광선의 편광을 회전시킬 수 있다.

투사 렌즈(18)는 출력 프리즘(26)의 외부면(40)에 인접하게 배치되어, PBS(14)로부터 수광된 광 빔(22)의 광선을 디스플레이 스크린(20)으로의 투과를 위해 집광한다. 단일 투사 렌즈만이 예시되어 있지만, 시스템(10)은 필요에 따라 추가의 이미지 형성 광학체(imaging optics)를 포함하거나 투사 광학체를 포함하지 않을 수 있다. 디스플레이 스크린(20)은 시스템(10)의 사용자가 광 빔(22)에 의해 형성되는 이미지를 관찰하는 데 사용할 수 있는 뷰잉 스크린이다.

시스템(10)을 사용하는 동안, 조명원(12)은 PBS(14)를 향해 광 빔(22)을 방출하며, 여기서 광 빔(22)은 광선(22_S1)(즉, 광 빔(22)의 s-편광된 광선) 및 광선(22_P1)(즉, 광 빔(22)의 p-편광된 광선)을 포함한다. 광 빔(22)은 외부면(32)을 통과함으로써 PBS(14)에 진입하여, 반사 편광기(28)를 향해 진행한다. 반사 편광기(28)에 도달하기 전에, 광 빔(22)은 입력 프리즘(24)의 입사면(36)을 통과한다. 이어서, 반사 편광기(28)는 광선(22_S1)(s-편광된 광선)을 입력 프리즘(24)의 외부면(34)을 향해 반사시키고, 광선(22_P1)(p-편광된 광선)을 흡수 편광기(30)를 향해 투과시킨다. 반사 편광기(28)에서의 설계 한계, 헤이즈(haze), 또는 제조시 변동성으로 인해, 광선(22_S1)의 잔여 부분이 또한 반사 편광기(28)를 통해 투과할 수 있다.

상기 논의된 바와 같이, 흡수 편광기(30)는 s-편광된 광선을 차단하고, p-편광된 광선을 투과시킨다. 그러므로, 흡수 편광기(30)는 광선(22_S1)의 잔여 부분을 가로채어 흡수하고, 광선(22_P1)을 출력 프리즘(26)으로 투과시킨다. 광선(22_P1)은 입사면(42)을 통해 출력 프리즘(26)에 진입하여 외부면(38)을 향해 진행한다. 이어서, 광선(22_P1)은 외부면(38)을 통해 출력 프리즘(26)을 빠져 나와서, 버려질 수 있다.

광선(22_S1)은 입력 프리즘(24)의 외부면(34)을 통과함으로써 PBS(14)를 빠져 나온다. 입력 프리즘(24)을 빠져 나온 후, 광선(22_S1)은 이미저(16)와 접촉하여 반사된다. "오프" 상태의 이미저(16)의 픽셀과 접촉하는 개별 광선(22_S1)은 반사시 이들의 s-편광을 유지한다. 그러나, "온" 상태의 이미저(16)의 픽셀과 접촉하는 개별 광선(22_S1)은 반사시 이들의 편광이 s-편광으로부터 p-편광으로 회전된다. 결과적으로, 반사된 광 빔(22)은 새로운 일련의 s-편광된 광선(광선 22_S2) 및 p-편광된 광선(광선 22_P2)을 포함하며, 여기서 광선(22_P2)은 이미지 포함 광선이고 광선(22_S2)은 이미지 비포함 광선이다.

이미저(16)로부터 반사된 광선(22_S2, 22_P2)은 입력 프리즘(24)을 향해 다시 지향되고, 외부면(34)을 통해 입력 프리즘(24)으로 재진입한다. 이어서, 광선(22_S2, 22_P2)은 입력 프리즘(24)의 입사면(36)을 통과하여 반사 편광기(28)와 접촉한다. 그러면, 반사 편광기(28)는 광선(22_S2)(s-편광된 광선)을 조명원(12)을 향해 반사시키고, 광선(22_P2)(p-편광된 광선)을 흡수 편광기(30)를 향해 투과시킨다.

흡수 편광기(30)를 통해 투과된 후, 광선(22_P2)(즉, 이미지 포함 광선)은 입사면(42)을 통해 출력 프리즘(26)으로 진입한다. 이어서, 광선(22_P2)은 외부면(40)을 통해 출력 프리즘(26)을 빠져 나와서, 투사 렌즈(18)를 향해 진행한다. 그러면, 투사 렌즈(18)는 광선(22_P2)을 집광하고, 광선(22_P2)을 원하는 투사된 이미지로 디스플레이 스크린(20)을 향해 지향시킨다.

이상적으로는, 이러한 배열에 의해, PBS(14)의 반사 편광기(28)는 이미지 비포함 광선(즉, 광선 22_S2)으로부터 이미지 포함 광선(즉, 광선 22_P2)을 완전하게 분리할 것이며, 그럼으로써 높은 콘트라스트 비를 가진 이미지를 제공한다. 그러나, 반사 편광기(28)의 법선에 대해 큰 입사각으로 반사 편광기(28)를 향해 투과되는 개별 광선(22_S2)은 반사되지 않고 반사 편광기(28)를 통해 누설(즉, 투과)된다. 이것은, 예컨대 반사 편광기(28)의 반사 스펙트럼의 간섭 위상차 감소에 의해 야기될 수 있으며, 이는 광선(22_S2)의 최대 반사를 청색 파장 광으로 이동시키고 적색 파장 광의 반사 효율을 감소시킨다. 결과적으로, 반사 편광기(28)를 통해 누설되는 개별 광선(22_S2)은 흔히 적색 파장 광선이다. 낮은 F/#(예컨대, 약 F/2.0 미만)의 경우, 주황색 파장 광선(즉, 약 580 나노미터 내지 약 600 나노미터)이 또한 전형적으로 반사 편광기(28)를 통해 누설된다.

그러나, 흡수 편광기(30)는 광선(22_P2)을 출력 프리즘(26)으로 투과시키면서도 반사 편광기(28)를 통해 누설되는 광선(22_S2)을 흡수한다. 그러한 것으로서, 흡수 편광기(30)는 반사 편광기(28)를 통해 누설되는 이미지 비포함 광선을 차단하며, 그럼으로써 특히 적색 파장 광선과 관련하여 생성되는 이미지에 대해 높은 콘트라스트를 제공한다. 흡수 편광기(30)는 또한 반사 편광기 설계의 소광 한계(extinction limitation) 및 표면적 결함(cosmetic defect)으로 인해, 또는 마(Ma) 등의 미국 특허 공개 제2004/0227994호에 기술된 바와 같이 헤이즈로 인해, 반사 편광기(28)를 통해 누설되는 광을 차단하는 데 적합하다.

또한, 반사성 편광 필름은 패킷(packet)들 사이에서 가벼운 정도의 두께 변화를 가질 수 있는데, 이는 또한 반사 편광기(28)를 통한 광 누설로 이어질 수 있다. 이러한 광 누설은, 필름의 두께 변화에 의해 생성되는 스펙트럼 스파이크(spectrum spike)가 녹색 파장 및 청색 파장 광을 반사 편광기(28)를 통해 누설되게 한다는 점을 제외하고는, 상기 논의된 적색 파장 광 누설과 유사하다. 그러나, 흡수 편광기(30)는 또한 녹색 및 청색 파장에서의 광 누설을 흡수하는 데 적합하며, 그럼으로써 반사 편광기(28)의 두께 변화로 인한 광 누설이 감소된다.

반사 편광기(28)와 흡수 편광기(30)의 조합된 사용에 의해, 광 빔(22)의 광 원뿔은 디스플레이되는 이미지의 콘트라스트 비를 유지하면서 넓은 범위의 입사각을 갖게 된다. 이에 따라, 광 빔(22)의 광 원뿔은 낮은 F/#를 갖게 되고, 이는 더 높은 광 처리량(throughput) 및 효율로 전환된다. 시스템(10)에 적합한 F/#의 예에는 약 F/2.5 이하가 포함되며, 특히 적합한 F/#에는 약 F/2.0 이하가 포함되고, 더욱 더 특히 적합한 F/#에는 약 F/1.5 이하가 포함된다.

추가적으로, 넓은 범위의 입사각을 사용함으로써, 또한 반사 편광기(28) 및 흡수 편광기(30)가 45° 이외의 입사각으로 배향될 수 있으며, 여기서 입사각은 광 빔(22)을 형성하는 광 원뿔의 중심 광선과 반사 편광기(28) 및 흡수 편광기(30)의 법선 사이의 각도이다. 반사 편광기(28) 및 흡수 편광기(30)에 적합한 배향의 예에는 광 빔(22)을 형성하는 광 원뿔의 중심 광선에 대해 약 35° 내지 약 50° 범위의 절대값을 갖는 입사각이 포함되며, 특히 적합한 배향에는 약 40° 내지 약 45° 범위의 절대값을 갖는 입사각이 포함된다.

생성되는 이미지의 콘트라스트 비를 유지하는 것 외에, 흡수 편광기(30)의 전방에 반사 편광기(28)를 위치시킴으로써 또한 광 흡수로 인한 흡수 편광기(30)에서의 열 발생이 감소된다. 흡수 편광기(30)와 같은 흡수 편광기가 의도하지 않은 편광 상태를 가진 광선을 흡수한 때, 흡수된 광선은 흡수 편광기에서 열을 발생시킨다. 이것은 흡수 편광기 내의 2색성 염료(dichroic dye)를 열화시키며, 이는 흡수 편광기의 유효 수명을 단축시킨다. 그러나, 반사 편광기(28)는 의도하지 않은 편광 상태를 가진 광선의 상당 부분을 흡수 편광기(30)로부터 멀리 반사시킨다. 이것은 흡수 편광기(30)에 의해 흡수되는 광선의 양을 감소시키며, 그럼으로써 흡수 편광기(30)의 유효 수명을 유지한다.

본 발명은, 본 발명의 범주 내에 있는 많은 변형 및 변경이 당업자에게는 명백할 것이기 때문에 단지 예시로서 의도된 하기의 실시예에서 더욱 상세하게 설명 된다.

실시예 1 및 비교예 A 및 B

실시예 1 및 비교예 A 및 B를 위한 이미지 디스플레이 시스템을 준비하였으며, 여기서 각각의 시스템은 조명원, 사전 편광기, 이미저, 및 디스플레이 스크린 사이에 배치된 PBS를 포함하였다. 각각의 시스템의 구성요소들은 사전 편광기를 조명원과 PBS 사이에 위치시킨 상태에서 도 1에 도시된 것과 동일한 방식으로 배열하였다. 이미저는 그의 빠른 또는 느린 축이 s-편광된 광의 편광 방향과 정렬되고 그럼으로써 어두운 상태에서의 강유전체 LCoS 이미저를 모사하는 ¼ 파장판 및 반사 미러를 포함하였다. 이미저의 밝은 상태는 ¼ 파장판을 s-편광된 광에 대한 편광 방향에 대해 45°의 각도로 회전시킴으로써 모사하였다.

실시예 1의 PBS는 PBS(14)(도 1에 도시되었으며 상기 논의됨)와 동일한 것이며, 여기서 반사 편광기는 미국 미네소타주 세인트 폴 소재의 쓰리엠 컴퍼니로부터 "비퀴티"(VIKUITI) T-35 고급 편광 필름(advanced polarizing film, APF)이라는 상표명으로 제조된 다층 광학 필름이었고, 흡수 편광기는 일본 도쿄 소재의 산리츠 코포레이션(Sanritz Corporation)으로부터 "HLC2-2518"이라는 상표명으로 구매가능한 고 콘트라스트 비의 편광기였다.

비교예 A의 PBS는 실시예 1의 PBS에 사용된 것과 동일한 반사 편광기를 포함하였지만, 흡수 편광기는 포함하지 않았다. 비교예 B의 PBS는, 흡수 편광기를 도 1의 외부면(40)에 인접하여 PBS의 외측에 배치하였다는 것(즉, 외부 클린업 편광기)는 점을 제외하고는, 실시예 1의 PBS에 사용된 것과 동일한 반사 편광기 및 흡 수 편광기를 포함하였다. 실시예 1 및 비교예 A 및 B의 PBS의 편광 필름은 각각 입사 광 빔을 형성하는 광 원뿔의 중심 광선에 대해 45°의 입사각으로 위치시켰고, 광 원뿔은 F/#가 F/2.0이었다.

실험 동안, 광 빔을 각각의 시스템을 통해 방출시켰으며, PBS를 통해 누설된 적색 파장 광의 양을 디스플레이 스크린 상에서 시각적으로 관찰하여 정량적으로 측정하였다. 편광 회전 이미저 대신 반사 미러 및 ¼ 파장판을 사용하였기 때문에, 반사된 광선은 반사시 s-편광 상태를 유지하였다. 결과적으로, 미러로부터 반사된 광선은 반사 편광기로부터 조명원을 향해 다시 반사될 것이며, 그럼으로써 디스플레이 스크린 상에 어두운 상태의 이미지가 제공된다.

도 2A는 비교예 A(흡수 편광기 없음)의 시스템의 디스플레이 퓨필(display pupil)의 현미경 사진이다. 도시된 바와 같이, 비교예 A의 시스템은, 디스플레이 스크린의 측면 에지에 인접한 디스플레이 스크린의 약 40% 상의 시각적으로 관찰가능한 적색 부분(도 2A에서 밝은 색상 부분으로 나타남)을 제외하고는, 어두운 이미지를 제공하였다. 적색 부분은 반사 편광기의 법선에 대해 큰 입사각으로 반사 편광기와 교차하는 적색 파장 광선에 해당하였다. 적색 파장 광선은 반사 편광기를 통해 누설되어 디스플레이 스크린 상으로 투사되었다. 편광 회전 이미저와 함께 사용한다면, 누설된 광은 투사된 이미지의 콘트라스트 비를 감소시킬 것이다.

도 2B는 실시예 1의 시스템의 디스플레이 퓨필의 현미경 사진이다. 그러나, 실시예 1(내부 흡수 편광기) 및 비교예 B(외부 흡수 편광기)의 시스템들은 실질적으로 어두운 이미지를 제공하였고, 임의의 시각적으로 관찰가능한 적색 부분을 보 이지 않았다. 이미지는 도 2B에서 보다 밝은 색상 부분에 의해 나타나는, 디스플레이 스크린의 에지에서의 단지 가벼운 정도의 광 누설을 보였다. 그럼에도 불구하고, 실시예 1 및 비교예 B의 PBS에 사용된 흡수 편광기는 반사 편광기를 통해 누설된 적색 파장 광선을 효과적으로 흡수하였다.

도 3은 실시예 1 및 비교예 A 및 B의 시스템에 대한 측정된 콘트라스트 비 대 광 파장 스펙트럼을 나타내는 그래프이다. 콘트라스트 비를 결정하는 방법에 관한 논의는 마(Ma) 등의 미국 특허 공개 제2004/0227898 호에 제공되어 있다. 주어진 뷰잉 방향에 대해, "콘트라스트 비"는 스크린 상에 디스플레이될 수 있는 가장 밝은 상태와 가장 어두운 상태의 광 세기의 비로서 정의된다. 전형적으로, 콘트라스트 비는 스크린 상의 특정 위치에 대해 측정되며, 이때 디스플레이 장치는 가장 밝은 상태 및 가장 어두운 상태의 개개의 경우에 대해 구동된다. 표 1은 실시예 1 및 비교예 A 및 B의 시스템에 대한 색상 파장에 기초하는 측정된 명순응적으로 칭량된(photopically weighted) 콘트라스트 비를 제공한다.

도 3 및 표 1의 데이터는 실시예 1의 PBS에 의해 높은 콘트라스트 비가 얻어짐을 보여준다. 비교해 보면, 적색 파장 광선의 경우, 비교예 A의 PBS는 누설된 적색 파장 광으로 인해 낮은 콘트라스트 비를 보였다. 실시예 1의 시스템의 경우에 얻어진 콘트라스트 비는 비교예 B의 시스템의 경우에 얻어진 것에 필적한다. 그러나, 상기 논의된 바와 같이, 반사 편광기와 흡수 편광기의 조합을 PBS 내에 배치하기 전에 이러한 반사 편광기와 흡수 편광기를 함께 고정하는 것은 시스템의 조립 동안에 반사 편광기와 흡수 편광기의 차단축들을 오정렬시킬 위험성을 감소시키며, 그럼으로써 시스템 제조에 있어서의 복잡성이 감소된다. 비교해 보면, 비교예 B에 사용된 흡수 편광기는 PBS에 대해 외부에 있는 위치에서 반사 편광기와 정렬되었다. 이는 비교예 B의 시스템의 제조에 있어서 복잡성을 증가시킨다.

실시예 2-4 및 비교예 C-E

실시예 2-4를 위한 이미지 디스플레이 시스템은, 편광 필름들을 입사 광 빔을 형성하는 광 원뿔의 중심 광선에 대해 각각 35°, 45° 및 60°의 입사각으로 배향하였다는 것(예컨대, 실시예 2에서, 광 빔을 형성하는 광 원뿔의 중심 광선과 반사 편광기 및 흡수 편광기의 법선 사이의 입사각은 35°였음)을 제외하고는, 실시예 1을 위한 시스템에 대해 상기 논의된 것과 동일한 방식으로 배열하였다. 유사하게, 비교예 C-E를 위한 이미지 디스플레이 시스템은, 편광 필름을 입사 광 빔 형성 광 원뿔의 중심 광선에 대해 각각 35°, 45° 및 60°의 입사각으로 배향하였다는 것을 제외하고는, 비교예 B를 위한 시스템(흡수 편광기 없음)에 대해 상기 논의된 것과 동일한 방식으로 배열하였다.

도 4 및 도 5는 실시예 2-4 및 비교예 C-E의 시스템에 대한 측정된 콘트라스트 비 대 편광기 입사각 및 광-파장 스펙트럼을 각각 나타내는 그래프이다. 유사하게, 표 2는 실시예 2-4 및 비교예 A 및 B의 시스템에 대한 색상 파장에 기초하는 측정된 콘트라스트 비를 제공한다.

도 3 및 도 4와 표 2의 데이터는, 특히 적색 파장 스펙트럼에서, 실시예 2-4의 PBS에 의해 높은 콘트라스트 비가 얻어짐을 보여준다. 데이터는 또한 편광 필름의 입사각이 전체 파장 스펙트럼에 걸쳐 콘트라스트 비에 어떤 영향을 미치는지를 보여준다. 상기 논의된 바와 같이, 반사 및 흡수 편광기들에 대해 특히 적합한 배향은 약 40° 내지 약 45° 범위의 입사각을 포함한다. 도 3 및 도 4와 표 2에서 보여지는 바와 같이, 이들 입사각은 전체 가시광 스펙트럼에 걸쳐 높은 콘트라스트 비를 제공한다.

본 발명은 바람직한 실시 형태를 참조하여 설명되었지만, 당업자는 본 발명의 사상 및 범주로부터 벗어남이 없이 형태 및 상세 사항에 있어서 변경이 이루어질 수 있음을 인식할 것이다.

Claims

광 빔을 방출하도록 구성된 조명원;

반사 편광기; 및 반사 편광기에 인접하게 배치되고, 반사 편광기를 통해 투과된 광 빔의 제1 부분을 수광하도록 구성된 흡수 편광기를 포함하는 편광 빔 스플리터; 및

반사 편광기에 의해 반사된 광 빔의 제2 부분을 수광하도록 배치된 이미지 형성 장치

를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템.
제1항에 있어서, 반사 편광기는 광 빔을 형성하는 광 원뿔(light cone)의 중심 광선에 대해 약 35° 내지 약 50° 범위의 입사각으로 배향되는 이미지 디스플레이 시스템.
제1항에 있어서, 이미지 형성 장치는 반사성 이미지 형성 장치를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템.
제1항에 있어서, 반사 편광기는 다층 중합체 광학 필름, 중합체 블렌드 편광 필름, 와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer), 콜레스테릭 편광기(cholesteric polarizer), 유리섬유 복합 편광기, 및 유전체 박막 코팅으로 이루 어진 군으로부터 선택되는 이미지 디스플레이 시스템.
제1항에 있어서, 반사 편광기 및 흡수 편광기는 함께 고정되는 이미지 디스플레이 시스템.
제1항에 있어서, 흡수 편광기는 흡수 편광기의 차단축을 따라 약 580 나노미터 내지 약 700 나노미터 범위의 광 파장을 흡수하도록 구성되는 이미지 디스플레이 시스템.
제1항에 있어서, 편광 빔 스플리터는 한 쌍의 프리즘을 추가로 포함하며, 반사 편광기 및 흡수 편광기는 프리즘의 쌍 사이에 배치되는 이미지 디스플레이 시스템.
제1항에 있어서, 반사성 이미지 형성 장치는 LCoS(liquid crystal on silicon) 장치를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템.
제1항에 있어서, 반사 편광기는 통과축에 의해 특징지어지고 흡수 편광기는 통과축에 의해 특징지어지며, 반사 편광기의 통과축은 흡수 편광기의 통과축과 정렬되는 이미지 디스플레이 시스템.
광 빔을 방출하도록 구성된 조명원;

제1 외부면, 제2 외부면, 및 입사면을 포함하는 제1 프리즘; 제1 프리즘의 입사면에 인접하게 배치된 반사 편광기; 및 제1 프리즘의 반대편에서 반사 편광기에 인접하게 배치되고, 반사 편광기를 통해 투과된 광 빔의 제1 부분을 수광하도록 구성된 흡수 편광기를 포함하는 편광 빔 스플리터; 및

반사 편광기로부터의 광 빔의 제2 부분을 수광하도록 배치된 이미지 형성 장치

를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템.
제10항에 있어서, 반사 편광기는 광 빔을 형성하는 광 원뿔의 중심 광선에 대해 약 35° 내지 약 50° 범위의 입사각으로 배향되는 이미지 디스플레이 시스템.
제10항에 있어서, 이미지 형성 장치는 반사성 이미지 형성 장치를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템.
제10항에 있어서, 반사 편광기는 다층 중합체 광학 필름, 중합체 블렌드 편광 필름, 와이어 그리드 편광기, 콜레스테릭 편광기, 유리섬유 복합 편광기, 및 유전체 박막 코팅으로 이루어진 군으로부터 선택되는 이미지 디스플레이 시스템.
제10항에 있어서, 편광 빔 스플리터는 반사 편광기의 반대편에서 흡수 편광기에 인접하게 배치된 입사면을 갖는 제2 프리즘을 추가로 포함하는 이미지 디스플레이 시스템.
제10항에 있어서, 흡수 편광기는 흡수 편광기의 차단축을 따라 약 580 나노미터 내지 약 700 나노미터 범위의 광 파장을 흡수하도록 구성되는 이미지 디스플레이 시스템.
제10항에 있어서, 반사성 이미지 형성 장치는 LCoS 장치를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템.
제10항에 있어서, 반사 편광기는 통과축에 의해 특징지어지고 흡수 편광기는 통과축에 의해 특징지어지며, 반사 편광기의 통과축은 흡수 편광기의 통과축과 정렬되는 이미지 디스플레이 시스템.
광 빔을 방출하도록 구성된 조명원;

반사 편광기; 및 반사 편광기에 인접하게 배치된 흡수 편광기 - 여기서, 상기 흡수 편광기는 흡수 편광기의 차단축을 따라 약 580 나노미터 내지 약 700 나노미터 범위의 광 파장을 흡수하도록 구성됨 - 를 포함하는 편광 빔 스플리터; 및

반사 편광기로부터의 광 빔의 적어도 일부분을 수광하도록 배치된 이미지 형 성 장치

를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템.
제18항에 있어서, 반사 편광기는 광 빔을 형성하는 광 원뿔의 중심 광선에 대해 약 35° 내지 약 50° 범위의 입사각으로 배향되는 이미지 디스플레이 시스템.
제18항에 있어서, 이미지 형성 장치는 반사성 이미지 형성 장치를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템.
제18항에 있어서, 반사 편광기는 다층 중합체 광학 필름, 중합체 블렌드 편광 필름, 와이어 그리드 편광기, 콜레스테릭 편광기, 유리섬유 복합 편광기, 및 유전체 박막 코팅으로 이루어진 군으로부터 선택되는 이미지 디스플레이 시스템.
제18항에 있어서, 반사성 이미지 형성 장치는 LCoS 장치를 포함하는 이미지 디스플레이 시스템.
제18항에 있어서, 반사 편광기는 통과축에 의해 특징지어지고 흡수 편광기는 통과축에 의해 특징지어지며, 반사 편광기의 통과축은 흡수 편광기의 통과축과 정렬되는 이미지 디스플레이 시스템.