KR20110084328A - 고 내구성 색상 조합기 - Google Patents

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KR20110084328A
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앤드류 제이 오더커크
스테펜 제이 윌렛
찰스 엘 브루존
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쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
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Abstract

광학 요소, 이 광학 요소를 사용한 색상 조합기, 및 이 색상 조합기를 사용한 이미지 프로젝터가 기술된다. 광학 요소는, 광의 상이한 파장 스펙트럼을 수광하고 이러한 광의 상이한 파장 스펙트럼을 포함한 조합된 광 출력을 생성하는 색상 조합기로서 구성될 수 있다. 광학 요소는 광학 요소 내의 반사 편광기에 손상을 입힐 수 있는 화학선 광의 많은 부분을 반사시키는 파장 선택성 이색 거울을 포함한다. 파장 선택성 이색 거울은 광의 다른 파장의 많은 부분을 투과시킨다. 광학 요소를 사용한 생성된 색상 조합기는 파장 선택성 이색 거울이 없는 색상 조합기에 비해 개선된 내구성을 가질 수 있다. 색상 조합기를 사용한 이미지 프로젝터는 반사성(디지털 마이크로-미러를 포함함) 또는 편광(액정을 포함함) 이미지형성 모듈을 포함할 수 있다.

Description

고 내구성 색상 조합기{HIGH DURABILITY COLOR COMBINER}
이미지를 스크린 상에 투사하는 데 사용되는 투사 시스템은 조명 광을 발생시키기 위해 상이한 색상들을 가진, 발광 다이오드(LED)와 같은 다수의 색상 광원을 사용할 수 있다. 여러 광학 요소들이 LED와 이미지 디스플레이 유닛 사이에 배치되어 LED로부터의 광을 조합하여 이미지 디스플레이 유닛으로 전달한다. 이미지 디스플레이 유닛은 이미지를 광에 부여하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 이미지 디스플레이 유닛은 투과성 또는 반사성 액정 디스플레이에서와 같이 편광을 사용할 수 있다.
이미지를 스크린 상에 투사하기 위해 사용되는 또 다른 프로젝션 시스템은 텍사스 인스트루먼츠(Texas Instruments)의 디지털 라이트 프로세서(Digital Light Processor, DLP(등록상표)) 디스플레이에 사용되는 어레이와 같은 디지털 마이크로-미러 어레이(digital micro-mirror array)로부터 이미지방식(imagewise)으로 반사되도록 구성되는 백색 광을 사용할 수 있다. DLP(등록상표) 디스플레이에서, 디지털 마이크로-미러 어레이 내의 개별 거울은 투사된 이미지의 개별 픽셀을 나타낸다. 투사된 광학 경로로 입사 광이 지향되도록 해당 거울이 틸팅될 때 디스플레이 픽셀이 조명된다. 광학 경로 내에 배치된 회전 컬러 휠(rotating color wheel)이 디지털 마이크로-미러 어레이로부터의 광의 반사에 맞추어져, 반사된 백색 광이 픽셀에 대응하는 색을 투사하도록 필터링된다. 이어서, 디지털 마이크로-미러 어레이는 그 다음의 원하는 픽셀 색으로 스위칭되고, 전체 투사된 디스플레이가 연속적으로 조명되는 것으로 보일 정도의 신속한 속도로 과정이 계속된다. 이 디지털 마이크로-미러 프로젝션 시스템은 보다 적은 수의 픽셀화된 어레이 구성요소를 필요로 하며, 이는 보다 작은 크기의 프로젝터를 형성할 수 있다.
LED 조명이 프로젝션 조명을 위한 일반적인 방법이 되어가고 있다. LED는 긴 수명, 높은 색역, 높은 효율, 순차적 이미지형성기를 위해 점멸되는 능력을 제공하고, 수은을 함유하지 않는다. 그러나, LED는 비교적 낮은 휘도를 갖는다. 적색, 녹색 및 청색 LED로부터 제조된 백색 소스의 유효 휘도를 적어도 두 배로 만드는 한 가지 방법은 LED의 개별 색상이 서로 공간적으로 중첩되도록 광학적으로 보이게 하기 위해 이색 필터를 사용하는 색상 조합기를 사용하는 것이다. 이들 유형의 장치는 광범위하게 ＂색상 조합기＂인 것으로 기술된다.
색상 조합기는 전형적으로 이색 필터를 사용하는데, 이는 이를 통과하는 광 빔(light beam)에 대해 틸팅된다. 쓰리엠 컴퍼니(3M Company)는 최근에, 이색 필터가 LED 출력을 위한 평균 광 경로에 대해 수직 입사각을 이루고 광이 반사 편광기 및 1/4 파장 판의 조합을 통해 효과적으로 방향전환되는 색상 조합기를 개발하였다.
이미지 휘도는 프로젝션 시스템의 중요한 파라미터이다. 유색 광원의 휘도와, 광을 이미지 디스플레이 유닛으로 수집, 조합, 균질화 및 분배하는 효율은 모두 휘도에 영향을 미친다. 최신의 프로젝터 시스템의 크기가 감소함에 따라, 유색 광원에 의해 생성되는 열을 소형 프로젝터 시스템 내에서 소산될 수 있는 낮은 수준으로 유지함과 동시에 적절한 수준의 출력 휘도를 유지할 필요성이 있다. 광원에 의한 과도한 전력 소비 없이 적절한 수준의 휘도를 갖는 광 출력을 제공하도록 증가된 효율로 다수의 유색 광을 조합하는 광 조합 시스템에 대한 필요성이 있다. 또한, 광 조합기 내의 파장 민감성 구성요소의 열화를 최소화시키는 방식으로 상이한 파장 스펙트럼들의 광을 지향시키는 광 조합 시스템에 대한 필요성이 있다.
일반적으로, 본 설명은 고-내구성 광학 요소, 이 광학 요소를 사용한 색상 조합기, 및 이 색상 조합기를 사용한 이미지 프로젝터에 관한 것이다.
일 태양에서, 광학 요소는, 제1 입력 표면을 갖고 제1 입력 표면에 수직한 제1 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되는 제1 색상 선택성 이색 필터; 제1 유색 광 빔을 대략 45도의 각도로 인터셉트(intercept)하도록 배치되는 색상 선택성 이색 거울; 및 제1 색상 선택성 이색 필터에 대향되어, 색상 선택성 이색 거울에 인접하게 배치되는 반사 편광기를 포함한다. 색상 선택성 이색 거울은 제1 유색 광 빔의 많은 부분을 반사시킬 수 있다. 일 실시 형태에서, 제1 유색 광 빔은 반사 편광기를 열화시킬 수 있는 광의 파장을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 광학 요소는, 제2 입력 표면을 갖고, 제2 입력 표면에 수직한 제2 유색 광 빔을 투과시키고 반사 편광기를 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 제2 색상 선택성 이색 필터를 추가로 포함하는데, 색상 선택성 이색 거울은 제2 유색 광 빔의 많은 부분을 투과시킬 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 광학 요소는 제3 입력 표면을 갖고, 제3 입력 표면에 수직한 제3 유색 광 빔을 투과시키고 반사 편광기를 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 제3 색상 선택성 이색 필터를 추가로 포함하는데, 색상 선택성 이색 거울은 제3 유색 광 빔의 많은 부분을 투과시킬 수 있다.
다른 태양에서, 색상 조합기는 광학 요소를 포함한다. 광학 요소는, 제1 입력 표면을 갖고, 제1 입력 표면에 수직한 제1 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되는 제1 색상 선택성 이색 필터; 제1 유색 광 빔을 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 색상 선택성 이색 거울; 및 제1 색상 선택성 이색 필터에 대향되어, 색상 선택성 이색 거울에 인접하게 배치되는 반사 편광기를 포함하는데, 색상 선택성 이색 거울은 제1 유색 광 빔의 많은 부분을 반사시킬 수 있다. 일 실시 형태에서, 제1 유색 광 빔은 반사 편광기를 열화시킬 수 있는 광의 파장을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 광학 요소는, 제2 입력 표면을 갖고, 제2 입력 표면에 수직한 제2 유색 광 빔을 투과시키고 반사 편광기를 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 제2 색상 선택성 이색 필터를 추가로 포함하는데, 색상 선택성 이색 거울은 제2 유색 광 빔의 많은 부분을 투과시킬 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 광학 요소는 제3 입력 표면을 갖고, 제3 입력 표면에 수직한 제3 유색 광 빔을 투과시키고 반사 편광기를 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 제3 색상 선택성 이색 필터를 추가로 포함하는데, 색상 선택성 이색 거울은 제3 유색 광 빔의 많은 부분을 투과시킬 수 있다.
또 다른 태양에서, 프로젝션 시스템은 광학 요소를 포함한다. 광학 요소는, 제1 입력 표면을 갖고, 제1 입력 표면에 수직한 제1 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되는 제1 색상 선택성 이색 필터; 제1 유색 광 빔을 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 색상 선택성 이색 거울; 및 제1 색상 선택성 이색 필터에 대향되어, 색상 선택성 이색 거울에 인접하게 배치되는 반사 편광기를 포함하는데, 색상 선택성 이색 거울은 제1 유색 광 빔의 많은 부분을 반사시킬 수 있다. 일 실시 형태에서, 제1 유색 광 빔은 반사 편광기를 열화시킬 수 있는 광의 파장을 포함한다. 다른 실시 형태에서, 광학 요소는, 제2 입력 표면을 갖고, 제2 입력 표면에 수직한 제2 유색 광 빔을 투과시키고 반사 편광기를 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 제2 색상 선택성 이색 필터를 추가로 포함하는데, 색상 선택성 이색 거울은 제2 유색 광 빔의 많은 부분을 투과시킬 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 광학 요소는 제3 입력 표면을 갖고, 제3 입력 표면에 수직한 제3 유색 광 빔을 투과시키고 반사 편광기를 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 제3 색상 선택성 이색 필터를 추가로 포함하는데, 색상 선택성 이색 거울은 제3 유색 광 빔의 많은 부분을 투과시킬 수 있다.
또 다른 태양에서, 광학 요소는, 제1 입력 표면을 갖고 제1 입력 표면에 수직한 제1 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되는 제1 색상 선택성 이색 필터; 제1 유색 광 빔을 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 반사 편광기; 제1 유색 광 빔을 출력 표면에 수직한 출력 방향으로 투과시키도록 배치되는 출력 표면; 및 제1 유색 광 빔 및 제2 유색 광 빔 둘 모두를 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 색상 선택성 이색 거울을 포함한다. 색상 선택성 이색 거울은 제2 유색 광 빔의 제1 많은 부분을 출력 방향으로 반사시킬 수 있고, 제1 광 빔의 제2 많은 부분을 출력 방향으로 투과시킬 수 있다. 일 실시 형태에서, 광학 요소는, 제2 입력 표면을 갖고, 제2 입력 표면에 수직한 제3 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되는 제2 색상 선택성 이색 필터를 추가로 포함하고, 제3 유색 광 빔은 반사 편광기 및 색상 선택성 이색 거울 둘 모두를 대략 45도의 각도로 인터셉트할 수 있다. 색상 선택성 이색 거울은 제3 광 빔의 제3 많은 부분을 출력 방향으로 투과시킬 수 있다.
본 명세서 전반에 걸쳐, 동일한 도면 부호가 동일한 요소를 지시하는 첨부 도면을 참조한다.
도 1a는 광학 요소의 개략도.
도 1b는 PBS의 사시도.
도 2는 PBS의 사시도.
도 3a 내지 도 3d는 광 조합기의 개략적인 평면도.
도 4는 폴리싱된 PBS의 평면도.
도 5는 광 분할기의 개략적인 평면도.
도 6a 및 도 6b는 2채널 색상 조합기의 도면.
도 7a 및 도 7b는 색상 조합기의 도면.
도 8은 투과 스펙트럼의 그래프.
도 9는 프로젝터의 개략도.도면은 반드시 축척대로 도시된 것은 아니다. 도면에 사용된 유사한 도면 부호는 유사한 구성요소를 지칭한다. 그러나, 주어진 도면에서 구성요소를 지칭하기 위한 도면 부호의 사용은 동일한 도면 부호로 표시된 다른 도면의 구성요소를 제한하고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다.
본 명세서에 설명된 광학 요소는, 상이한 파장 스펙트럼 광을 수광하고 이 상이한 파장 스펙트럼 광을 포함한 조합된 광 출력을 생성하는 고 내구성 색상 조합기로서 구성될 수 있다. 일 태양에서, 수광된 광 입력은 편광되고, 조합된 광 출력은 편광된다. 다른 태양에서, 수광된 광 입력은 비편광되고, 조합된 광 출력은 비편광된다. 몇몇 실시예에서, 조합된 광은 수광된 광 각각과 동일한 에텐듀(etendue)를 갖는다. 조합된 광은 광의 하나 초과의 파장 스펙트럼을 포함하는 다색의 조합된 광일 수 있다. 조합된 광은 수광된 광 각각의 시간 시퀀스화된(time sequenced) 출력일 수 있다. 일 태양에서, 광의 상이한 파장 스펙트럼의 각각은 상이한 유색 광(예컨대, 적색, 녹색 및 청색)에 대응하고, 조합된 광 출력은 백색 광이거나, 또는 시간 시퀀스화된 적색, 녹색 및 청색 광이다. 본 명세서에 제공되는 설명을 위해, "유색 광" 및 "파장 스펙트럼 광" 둘 모두는 사람의 눈으로 볼 수 있는 경우에 특정 색에 상관될 수 있는 파장 스펙트럼 범위를 갖는 광을 의미하도록 의도된다. 보다 일반적인 용어 "파장 스펙트럼 광"은, 예를 들어 적외선 광을 비롯한 광의 가시 및 다른 파장 스펙트럼 둘 모두를 지칭한다.
또한, 본 명세서에 제공되는 설명을 위해, 용어 "원하는 편광 상태에 정렬된"은 광학 요소의 통과 축의 정렬을 광학 요소를 통과하는 광의 원하는 편광 상태, 즉 s-편광, p-편광, 우원 편광, 좌원 편광 등과 같은 원하는 편광 상태에 관련시키려는 것이다. 도면을 참조하여 본 명세서에 기재되는 일 실시 형태에서, 제1 편광 상태에 정렬된 편광기와 같은 광학 요소는 p-편광 상태의 광을 통과시키고 제2 편광 상태(이 경우 s-편광 상태)의 광을 반사하거나 흡수하는 편광기의 배향을 의미한다. 원한다면, 편광기는 대신에 s-편광 상태의 광을 통과시키고 p-편광 상태의 광을 반사하거나 흡수하도록 정렬될 수 있는 것으로 이해하여야 한다.
또한, 본 명세서에 제공되는 설명을 위해, 용어 "향하는(facing)"은 하나의 요소의 표면으로부터의 수직선이 역시 다른 하나의 요소에 수직한 광학 경로를 따르도록 배치되는 그러한 하나의 요소를 지칭한다. 다른 요소를 향하는 하나의 요소는 서로 인접하게 배치되는 요소들을 포함할 수 있다. 다른 요소를 향하는 하나의 요소는 하나의 요소에 수직한 광선이 또한 다른 하나의 요소에도 수직하도록 광학체(optics)에 의해 분리되는 요소들을 추가로 포함한다.
일 태양에 따르면, 광학 요소는 제1 유색 광을 반사 편광기를 향해 투과시키도록 위치되는 제1 색상 선택성 이색 필터를 포함한다. 제1 유색 광은 거의-수직 입사로(즉, 필터의 표면에 대략 90도로) 제1 색상 선택성 이색 필터를 통과하고, 대략 45도의 각도로 반사 편광기를 인터셉트한다. 색상 선택성 이색 거울이 반사 편광기에 인접하게 위치되고, 반사 편광기에 손상을 입힐 수 있는 광(즉, 보다 높은 에너지의 청색 또는 자외선(UV) 광과 같은 화학선 광(actinic light))으로부터 반사 편광기를 보호하는 역할을 한다. 색상 선택성 이색 거울은 반사 편광기를 인터셉트하기 전에 제1 유색 광(즉, 잠재적으로 손상을 입히는 광)을 인터셉트한다. 색상 선택성 이색 거울은 제1 유색 광의 많은 부분을 반사시키고, 적은 부분(minor portion)을 반사 편광기를 통해 투과시킨다. 일 태양에서, 색상 선택성 이색 거울에 의해 반사되는 많은 부분은 색상 선택성 이색 거울에 입사하는 제1 유색 광의 51%, 60%, 70%, 75%, 80%, 85% 초과, 또는 심지어 90% 초과일 수 있다.
수직 입사각으로 사용되는 색상 선택성 이색 필터를 구비한 색상 조합기의 한가지 이점은 이들이 낮은 F-수 광학 시스템과 함께 사용될 수 있다는 것이다. 한 가지 단점은 반사 편광기가 낮은 흡수율, 넓은 각도 수용 범위, 및 화학선 광에 대한 심한 노출 하에서의 긴 수명을 가질 필요가 있다는 것이다. 쓰리엠 컴퍼니의 MZIP 또는 APF 다층 광학 필름(Multilayer Optical Film: MOF) 반사 편광기를 사용한 색상 조합기는 충분한 각도 및 광대역 광학 성능을 갖지만, UV, 청색 및 가능하게는 녹색 광과 같은 화학선 광에 의해 광-열화될 수 있다. 색상 조합기에 적합한 응용은 반사 편광기가 화학선 광에 장기간 노출되는 것을 필요로 할 수 있으며, 이는 반사 편광기를 열화시킬 수 있다. 본 발명은 개선된 반사 편광기 광-안정성을 갖는 내구성을 갖는 색상 조합기를 설명한다.
반사 편광기를 광-열화시키는 공정이 부분적으로 이해된다. 이론에 의해 구속되기를 원하지는 않지만, 이 공정은 다음의 단계를 통해 일어나는 것으로 생각된다:
1. 화학선 광(UV, 청색, 및 일부 녹색 파장)이 반사 편광기 내의 폴리에스테르 내의 결합 분리를 유발한다.
2. 반-결정성 폴리에스테르의 비정질 영역의 절단된 중합체 사슬이 재-배열되어 보다 큰 결정을 형성하거나 폴리에스테르 내의 공액(conjugation)을 연장시켜, 중합체의 증가된 흡수성을 유발한다.
3. 보다 큰 결정은 광을 산란시킨다.
4. 산란된 광은 증가된 평균 경로 길이를 가져서, 결합 분리 비율, 흡수를 증가시키고, 결국 보다 높은 온도를 유발한다.
5. 낮은 광 세기 하에서, 편광기의 효율은 감소한다. 높은 광 세기 하에서, 반사 편광기는 가열로 인해 최악으로 작동불능될 수 있다.
편광비를 저하시키는 것을 포함한 다른 열화 공정들이 일어나는 것으로 생각되지만, 이들 공정은 위의 것보다 덜 중요할 수 있다.
2개 이상의 비편광된 유색 광이 광학 요소로 지향될 때, 각각은 하나 이상의 반사 편광기에 의해 편광에 따라 분할될 수 있다. 아래에 설명되는 일 실시 형태에 따르면, 유색 광 조합 시스템은 상이한 유색 비편광된 광원으로부터 비편광된 광을 수광하고, 비편광되거나 또는 하나의 원하는 상태로 편광되는 조합된 광 출력을 생성한다. 일 태양에서, 2개, 3개, 4개 또는 그 초과의 수광된 유색 광이 광학 요소 내의 반사 편광기에 의해 편광(예컨대, s-편광 및 p-편광, 또는 우좌 원형 편광)에 따라 각각 분할된다. 하나의 편광 상태의 수광된 광은 재순환되어 원하는 편광 상태가 된다.
일 태양에 따르면, 광학 요소는 반사 편광기를 포함하는데, 반사 편광기는 3개의 유색 광 각각으로부터의 광이 대략 45도 각도로 반사 편광기를 인터셉트하도록 위치된다. 반사 편광기는 맥네일 편광기, 와이어 그리드(wire grid) 편광기, 다층 광학 필름 편광기, 또는 원형 편광기, 예컨대 콜레스테릭 액정 편광기와 같은 임의의 공지된 반사 편광기일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 다층 광학 필름 편광기가 바람직한 반사 편광기일 수 있다.
다층 광학 필름 편광기는 광의 상이한 파장 범위와 상호작용하는 역할을 하는 상이한 층 ＂패킷(packet)＂을 포함할 수 있다. 예를 들어, 단일 다층 광학 필름 편광기는 필름 두께를 통해 수 개의 층 패킷을 포함할 수 있으며, 각각의 패킷은 하나의 편광 상태를 반사하고 다른 편광 상태를 투과시키기 위해 광의 상이한 파장 범위(예컨대, 색)와 상호작용한다. 일 태양에서, 다층 광학 필름은 예를 들어 청색 광과 상호작용하는 필름의 제1 표면에 인접한 층(즉, ＂청색 층＂)의 제1 패킷, 예를 들어 녹색 광과 상호작용하는 층(즉, ＂녹색 층＂)의 제2 패킷, 및 예를 들어 적색 광과 상호작용하는 필름의 제2 표면에 인접한 층(즉, ＂적색 층＂)의 제3 패킷을 구비할 수 있다. 전형적으로, ＂청색 층＂ 내의 층들 사이의 간격은 광의 보다 짧은 (그리고 보다 높은 에너지의) 청색 파장과 상호작용하기 위해, ＂적색 층＂ 내의 층들 사이의 간격보다 훨씬 작다.
중합체 다층 광학 필름 편광기는 위에 기재된 바와 같은 필름 층의 패킷을 포함할 수 있는 특히 바람직한 반사 편광기일 수 있다. 종종, 청색 광과 같은, 보다 높은 에너지 파장의 광은 필름의 시효 안정성에 불리한 영향을 줄 수 있고, 적어도 이러한 이유로, 반사 편광기와 청색 광의 상호작용 횟수를 최소화시키는 것이 바람직하다. 또한, 필름과 청색 광의 상호작용의 특성은 불리한 시효의 심각성에 영향을 미친다. 필름을 통한 청색 광의 투과는 일반적으로 ＂청색 층＂(즉, 얇은 층) 측으로부터 입사되는 청색 광의 반사보다 필름에 덜 유해하다. 또한, ＂청색 층＂ 측으로부터 필름에 입사되는 청색 광의 반사는 ＂적색 층＂(즉, 두꺼운 층) 측으로부터 입사되는 청색 광의 반사보다 필름에 덜 유해하다. 예를 들어 반사 편광기의 배치 및 배향에 의해, 반사 편광기와 화학선 광의 상호작용 횟수를 감소시키기 위한, 그리고 상호작용의 심각성을 감소시키기 위한 기술들이 설명되었다. 적합한 기술은 본 명세서와 동일자로 출원된, 발명의 명칭이 편광 변환 색상 조합기(POLARIZATION CONVERTING COLOR COMBINER)인, 공동-계류중인 대리인 사건 번호 제64829US002호에서 설명된다.
일 태양에서, 본 발명은 화학선 광의 대부분이 반사 편광기에 전혀 도달하지 못하게 막음으로써, 색상 조합기와 같은 광학 요소 내의 반사 편광기의 안정성을 더욱 개선하는 것에 관한 것이다. 색상 선택성 이색 거울은 화학선 광의 많은 부분을 반사하는 반면, 광의 다른 파장의 많은 부분을 투과시킨다. 일 태양에서, 색상 선택성 이색 거울은 반사 편광기에 인접하게 배치된다. 일 실시 형태에서, 색상 선택성 이색 거울은 반사 편광기 상에 직접 형성될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 색상 선택성 이색 거울은, 이 후에 반사 편광기에 인접하게 위치되는 대각 프리즘 면과 같은 광학 요소 상에 대신 형성될 수 있다. 또 다른 실시 형태에서, 색상 선택성 이색 거울은 반사 편광기에 인접하게 위치되는 별개의 필름 또는 판 요소일 수 있다. 색상 선택성 이색 거울은 무기 유전체 스택의 진공 증착과 같은 임의의 공지된 공정에 의해 형성될 수 있다. 본 발명의 일 태양에서, 청색 광이 반사 편광기와 상호작용하기 전에 청색 광의 많은 부분이 색상 선택성 이색 거울에 의해 반사되기 때문에, 청색 층은 반사 편광기로부터 제거될 수 있다.
반사 편광기와 색상 선택성 이색 거울은 본 명세서에서 ＂보호된 반사 편광기(protected reflective polarizer: PRP)＂로 지칭되고, 2개의 프리즘의 대각 면(diagonal face)들 사이에 배치될 수 있다. PRP는 대신에 펠리클(pellicle)과 같은 자립형(free-standing) 필름일 수 있다. 몇몇 실시 형태들에서, 광학 요소 광 이용 효율은 PRP가 2개의 프리즘들 사이에 배치될 때, 예컨대 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter: PBS)일 때 개선된다. 이 실시 형태에서는, 그렇지 않다면 광 경로로부터 이탈할, PBS를 통해 이동하는 광의 일부가 프리즘 면으로부터 내부 전반사(total internal reflection: TIR)되어 광 경로에 재합류할 수 있다. 적어도 이러한 이유로, 하기의 설명은 PRP가 2개의 프리즘의 대각 면들 사이에 배치되는 광학 요소에 관한 것이지만, PBS가 펠리클로서 사용될 때 동일한 방식으로 기능할 수 있음이 이해될 것이다. 일 태양에서, PBS 프리즘의 외부 면 모두는 PBS에 입사되는 광이 내부 전반사를 겪도록 고도로 폴리싱된다. 이러한 방식으로, 광이 PBS 내에 수용되며, 이 광은 부분적으로 균질화되면서 여전히 에텐듀를 보존한다.
일 태양에 따르면, 색상 선택성 이색 필터와 같은 파장 선택성 필터가 상이한 유색 광원 각각으로부터의 입력 광의 경로 내에 배치된다. 색상 선택성 이색 필터 각각은, 입력 광 빔이 s- 및 p-편광된 광의 분할을 최소화시키기 위해, 그리고 색 변환(color shifting)을 최소화시키기 위해 거의 수직 입사로 필터를 인터셉트하도록 위치된다. 색상 선택성 이색 필터 각각은, 인접 입력 광원의 파장 스펙트럼을 갖는 광을 투과시키고 다른 입력 광원들 중 적어도 하나의 파장 스펙트럼을 갖는 광을 반사하도록 선택된다. 몇몇 실시 형태들에서, 색상 선택성 이색 필터 각각은, 인접 입력 광원의 파장 스펙트럼을 갖는 광을 투과시키고 다른 입력 광원들 모두의 파장 스펙트럼을 갖는 광을 반사하도록 선택된다. 일 태양에서, 색상 선택성 이색 필터 각각은, 각각의 색상 선택성 이색 필터의 표면에 대한 거의 수직 입력 광 빔이 대략 45도의 인터셉트 각도(intercept angle)로 반사 편광기를 가로지르도록 반사 편광기에 대해 위치된다. 색상 선택성 이색 필터의 표면에 대한 수직선이란 색상 선택성 이색 필터의 표면에 수직하게 통과하는 선을 의미하고; 거의 수직이란 수직선으로부터 약 20도 미만, 또는 바람직하게는 수직선으로부터 약 10도 미만으로 벗어난 것을 의미한다. 일 실시 형태에서, 반사 편광기와의 인터셉트 각도는 약 25 내지 65도; 35 내지 55도; 40 내지 50도; 43 내지 47도; 또는 44.5 내지 45.5도 범위이다.
일 실시 형태에서, 지연기가 색상 선택성 이색 필터와 PRP 사이에 배치된다. 색상 선택성 이색 필터, 지연기 및 광원 배향의 특정 조합은 모두, 색상 조합기로서 구성될 때, 조합된 광을 효율적으로 생성하는, 보다 작고 보다 콤팩트한 광학 요소를 가능하게 하도록 협력한다. 일 태양에 따르면, 지연기는 반사 편광기의 편광 상태에 대략 45도로 정렬되는 1/4-파장 지연기이다. 일 실시 형태에서, 정렬은 반사 편광기의 편광 상태에 35 내지 55도; 40 내지 50도; 43 내지 47도; 또는 44.5 내지 45.5도일 수 있다.
일 태양에서, 제1 유색 광은 비편광된 청색 광을 포함하고, 제2 유색 광은 비편광된 녹색 광을 포함하며, 제3 유색 광은 비편광된 적색 광을 포함하고, 유색 광 조합기는 적색 광, 청색 광 및 녹색 광을 조합하여 비편광된 백색 광을 생성한다. 일 실시 형태에서, 유색 광 조합기는 적색, 녹색 및 청색 광을 조합하여, 시간 시퀀스화된 비편광된 적색, 녹색 및 청색 광을 생성한다. 일 태양에서, 제1, 제2 및 제3 유색 광 각각은 별개의 광원 내에 배치된다. 다른 태양에서, 3개의 유색 광 중 하나 초과가 광원들 중 하나 내로 조합된다. 또 다른 태양에서, 3개 초과의 유색 광이 광학 요소 내에 조합되어 조합된 광을 생성한다.
광 빔은 PBS에 입사될 때 시준되거나, 수렴하거나, 또는 발산할 수 있는 광선을 포함한다. PBS에 입사되는 수렴 또는 발산 광은 PBS의 면 또는 단부 중 하나를 통해 손실될 수 있다. 그러한 손실을 피하기 위해, 프리즘 기반 PBS의 외부 면 모두는 PBS 내에서의 내부 전반사(TIR)를 가능하게 하도록 폴리싱될 수 있다. TIR을 가능하게 하는 것은 PBS에 입사되는 광의 이용을 개선하여, 일정 범위의 각도 내에서 PBS에 입사되는 광의 실질적으로 전부가 원하는 면을 통해 PBS로부터 출사되도록 재지향된다.
각각의 유색 광의 편광 성분이 편광 회전 반사기로 통과할 수 있다. 편광 회전 반사기는 편광 회전 반사기 내에 배치된 지연기의 유형 및 배향에 따라 편광 성분의 크기를 변경시키고 광의 전파 방향을 역전시킨다. 편광 회전 반사기는 색상 선택성 이색 필터와 같은 파장 선택성 거울 및 지연기를 포함할 수 있다. 지연기는 1/8 파장 지연기, 1/4-파장 지연기 등과 같은 임의의 원하는 지연을 제공할 수 있다. 본 명세서에 설명된 실시 형태들에서, 1/4-파장 지연기 및 관련 색상 선택성 이색 반사기를 사용하는 것이 유리하다. 선형 편광된 광은 광 편광 축에 45°의 각도로 정렬된 1/4-파장 지연기를 통과할 때 원형 편광된 광으로 변경된다. 색상 조합기 내의 1/4-파장 지연기/반사기와 반사 편광기로부터의 후속 반사는 색상 조합기로부터 효율적인 조합된 광 출력을 생성한다. 대조적으로, 선형 편광된 광은 다른 지연기를 통해 다른 배향으로 통과할 때 어느 정도까지 s-편광과 p-편광(타원형 또는 선형) 사이의 편광 상태로 변경되고, 조합기의 보다 낮은 효율을 유발할 수 있다. 편광 회전 반사기는 일반적으로 색상 선택성 이색 필터와 지연기를 포함한다. 인접 광원에 대한 지연기 및 색상 선택성 이색 필터의 위치는 편광 성분 각각의 원하는 경로에 좌우되고, 도면을 참조하여 다른 부분에서 설명된다. 일 태양에서, 반사 편광기는 콜레스테릭 액정 편광기와 같은 원형 편광기일 수 있다. 이러한 태양에 따르면, 편광 회전 반사기는 어떠한 관련 지연기 없이 색상 선택성 이색 필터를 포함할 수 있다.
프리즘, 반사 편광기, 1/4-파장 지연기, 거울, 필터 또는 다른 구성요소를 비롯한 광학 요소의 구성요소들은 적합한 광학 접착제에 의해 함께 접합될 수 있다. 구성요소들을 함께 접합시키도록 사용되는 광학 접착제는 광학 요소에 사용되는 프리즘의 굴절률보다 더 낮은 굴절률을 갖는다. 완전히 함께 접합된 광학 요소는 조립, 취급 및 사용 중의 정렬 안정성을 비롯한 여러 이점들을 제공한다. 몇몇 실시 형태들에서, 2개의 인접한 프리즘이 광학 접착제를 사용하여 함께 접합될 수 있다. 몇몇 실시 형태들에서, 단일 광학 구성요소가, 예를 들어, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 2개의 인접한 삼각형 프리즘의 광학체를 포함한 단일 삼각형 프리즘과 같은, 2개의 인접한 프리즘의 광학체를 포함할 수 있다.
전술된 실시예는 도면 및 하기의 그 관련 설명을 참조하여 보다 용이하게 이해될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 태양에 따른 광학 요소(10)의 개략도이다. 광학 요소(10)는 PBS(100), 제1 유색 광원(80), 선택적인 광 터널(40), 입력 표면(55)을 구비한 제1 색상 선택성 이색 필터(50), 1/4-파장 지연기(60), 및 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)를 포함한다. PBS(100)는 아래에서 도 1b를 참조하여 추가로 설명되고, 제1 프리즘 면(130), 제2 프리즘 면(140) 및 이들 사이의 대각 프리즘 면(25)을 구비한 제1 프리즘(110)을 포함한다. PBS(100)는 제3 프리즘 면(150), 제4 프리즘 면(160) 및 이들 사이의 대각 프리즘 면(35)을 구비한 제2 프리즘(120)을 추가로 포함한다. PBS(100)는 2개의 대각 프리즘 면(25, 35) 사이에 배치되는 보호된 반사 편광기(PRP)(190)를 또한 추가로 포함한다. PRP(190)는 색상 선택성 이색 거울(20) 및 반사 편광기(30)를 포함한다. 광학 요소(10) 내의 1/4-파장 지연기(60)에 대한 PRP(190)의 상대 정렬 및 배향은 도 1b 및 도 2를 참조하여 다른 부분에서 설명된다.
제1 유색 광원(80)은, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 비보호된 반사 편광기에 손상을 입힐 수 있는 화학선 광원이다. 제1 유색 광(82)이 선택적인 광 터널(40)을 통과하고, 도시된 바와 같이 대략 수직 방향으로 색상 선택성 이색 필터(50)의 입력 표면(55)을 인터셉트한다. 제1 유색 광(82)은 색상 선택성 이색 필터(50), 1/4-파장 지연기(60)를 통과하고, 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)에 입사되며, 대략 45도 각도로 색상 선택성 이색 거울(20)을 인터셉트한다. 제1 유색 광원(80)으로부터의 제1 유색 광(82)의 많은 부분(84)이, 제1 유색 광(82)이 반사 편광기(30)를 인터셉트하기 전에, PRP(190) 내의 색상 선택성 이색 거울(20)로부터 반사된다. 제1 유색 광(82)의 적은 부분(86)은 PRP(190) 내의 반사 편광기(30)를 향해 색상 선택성 이색 거울(20)을 통과한다. 도 1a는 제1 유색 광(82)의 적은 부분(86)이 반사 편광기(30)를 통과하고 (잠재적으로 얼마간의 손상을 유발하면서) 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)에 의해 흡수되는 것을 보여준다. 몇몇 실시 형태들에서, 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)는 화학선 광의 광학 경로 내의 임의의 장소에, 예를 들어 색상 선택성 이색 거울(20)과 반사 편광기(30) 사이에; 반사 편광기(30)와 대각 프리즘 면(35) 사이에; 제3 프리즘 면(150)에 인접하게; 또는 도 1a에 도시된 바와 같이 제3 프리즘 면(150)으로부터 이격되어 배치될 수 있다.
다른 태양에 따르면, 선택적인 광 터널(40) 또는 렌즈 조립체(미도시)는 광원을 다른 구성요소로부터 이격시키는 간격을 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 광의 얼마간의 시준을 제공할 수 있다. 광 터널은 직선형 또는 곡선현 면을 구비할 수 있거나, 그들은 렌즈 시스템에 의해 대체될 수도 있다. 각각의 응용의 특정 상세 사항에 따라 상이한 접근법이 바람직할 수 있고, 당업자는 특정 응용을 위한 최적의 접근법을 선택하는 데 어려움이 없을 것이다.
도 1b는 PBS의 사시도이다. PBS(100)는 프리즘(110, 120)의 대각 면들 사이에 배치되는 보호된 반사 편광기(PRP)(190)를 포함한다. PRP(190)는 도 1a를 참조하여 설명된 바와 같이 색상 선택성 이색 거울(20)과 반사 편광기(30)를 포함한다. 프리즘(110)은 2개의 단부 면(175, 185)과, 그들 사이에 90°각도를 갖는 제1 및 제2 프리즘 면(130, 140)을 포함한다. 프리즘(120)은 2개의 단부 면(170, 180)과, 사이에 90°각도를 갖는 제3 및 제4 프리즘 면(150, 160)을 포함한다. 제1 프리즘 면(130)은 제3 프리즘 면(150)에 평행하고, 제2 프리즘 면(140)은 제4 프리즘 면(160)에 평행하다. "제1", "제2", "제3" 및 "제4"로 도 1b에 도시된 4개의 프리즘 면의 식별은 단지 하기의 논의에서 PBS(100)의 설명을 명확하게 하는 역할을 한다. PRP(190)는 직교 반사 편광기 또는 비-직교 반사 편광기일 수 있다. 비-직교 반사 편광기는 맥네일(MacNeille) 편광기와 같이, 무기 유전체의 순차적 침착에 의해 생성된 것과 같은 다층 무기 필름을 포함할 수 있다. 직교 반사 편광기는 편광 축 상태를 갖고, 와이어-그리드 편광기(wire-grid polarizer)와, 다층 중합체 라미네이트의 압출 및 후속 연신에 의해 생성될 수 있는 것과 같은 중합체 다층 광학 필름 둘 모두를 포함한다. 일 실시 형태에서, PRP(190)는 하나의 편광 축이 제1 편광 상태(195)에 평행하고 제2 편광 상태(196)에 수직하도록 정렬된다. 일 실시 형태에서, 제1 편광 상태(195)는 s-편광 상태일 수 있고, 제2 편광 상태(196)는 p-편광 상태일 수 있다. 다른 실시 형태에서, 제1 편광 상태(195)는 p-편광 상태일 수 있고, 제2 편광 상태(196)는 s-편광 상태일 수 있다. 도 1b에 도시된 바와 같이, 제1 편광 상태(195)는 단부 면(170, 175, 180, 185) 각각에 수직하다.
직교 반사 편광기 필름은, 완전히 시준되지 않고 중앙 광 빔 축으로부터 발산하거나 비스듬한 입력 광선을 높은 효율로 통과시키는 능력을 편광 빔 스플리터에 제공한다. 직교 반사 편광기 필름은 유전체 또는 중합체 재료의 다수의 층을 포함하는 중합체 다층 광학 필름을 포함할 수 있다. 유전체 필름의 사용은 낮은 광 감쇠 및 높은 광 통과 효율의 이점을 가질 수 있다. 다층 광학 필름은 미국 특허 제5,962,114호(존자(Jonza) 등) 또는 미국 특허 제6,721,096호(브루존(Bruzzone) 등)에 기술된 것과 같은 중합체 다층 광학 필름을 포함할 수 있다.
도 2는 몇몇 실시 형태들에 사용되는 바와 같은, PBS에 대한 1/4-파장 지연기의 정렬의 사시도이다. 1/4-파장 지연기는 입사 광의 편광 상태를 변경시키도록 사용될 수 있다. PBS 지연기 시스템(200)은 제1 및 제2 프리즘(110, 120)을 구비한 PBS(100)를 포함한다. 1/4-파장 지연기(220)가 제1 프리즘 면(130) 및 제2 프리즘 면(140)에 인접하게 배치된다. PRP(190)는 제1 편광 상태(195)에 정렬되는 직교 반사 편광기 필름을 포함한다. 1/4-파장 지연기(220)는 제1 편광 상태(195)에 45°로 정렬될 수 있는 1/4 파장 편광 상태(295)를 포함한다. 비록 도 2가 시계 방향으로 제1 편광 상태(195)에 45°로 정렬된 편광 상태(295)를 도시하지만, 편광 상태(295)는 대신에 반시계 방향으로 제1 편광 상태(195)에 45°로 정렬될 수 있다. 몇몇 실시 형태들에서, 1/4 파장 편광 상태(295)는 제1 편광 상태(195)에 임의의 각도 배향으로, 예를 들어 반시계 방향으로 90°로부터 시계 방향으로 90°까지 정렬될 수 있다. 전술된 바와 같이 지연기를 대략 +/- 45°로 배향시키는 것이 유리할 수 있는데, 왜냐하면 선형 편광된 광이 편광 상태에 그렇게 정렬된 1/4-파장 지연기를 통과할 때 원형 편광된 광이 생성되기 때문이다. 1/4-파장 지연기의 다른 배향은 거울로부터의 반사시, p-편광된 광으로 완전히 변환되지 않은 s-편광된 광, 및 s-편광된 광으로 완전히 변환되지 않은 p-편광된 광을 유발하여, 본 설명의 다른 부분에 기술된 광학 요소의 감소된 효율을 초래할 수 있다.
도 3a는 광 조합기의 평면도이다. 도 3a에서, 광 조합기(300)는 프리즘(110, 120)의 대각 면들 사이에 배치된 PRP(190)를 구비한 PBS(100)를 포함한다. 프리즘(110)은 그들 사이에 90° 각도를 갖는 제1 및 제2 프리즘 면(130, 140)을 포함한다. 프리즘(120)은 그들 사이에 90° 각도를 갖는 제3 및 제4 프리즘 면(150, 160)을 포함한다.PRP(190)는 제1 편광 상태(195)(이 도면에서, 페이지에 수직함)로 정렬된 직교 반사 편광기를 포함할 수 있다. PRP(190)는 대신에 비-직교 편광기를 포함할 수 있다. PRP(190)는 반사 편광기(미도시)에 인접하게 배치되는 색상 선택성 이색 거울(도 1a의 요소(20))을 추가로 포함한다. 도 3a 내지 도 3d에서, 색상 선택성 이색 거울은, 도 3b를 참조하여 설명되는 바와 같이, 화학선 광이 반사 편광기를 인터셉트하기 전에 화학선 광을 반사시키도록 배치된다. 광 조합기(300)는 PRP(190)의 구성요소를 통과하는 임의의 화학선 광을 흡수하도록 배치되는, 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)를 추가로 포함한다.
선택적인 파장 선택성 흡수기(70)는 화학선 광이 통과하도록 요구되지 않는 임의의 프리즘 면, 예를 들어 도 3a 내지 도 3d에서, 제1 프리즘 면(130), 제2 프리즘 면(140), 또는 제1 및 제2 프리즘 면(130, 140) 둘 모두에 인접하게 배치될 수 있다. 그러나, 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)는 색상 선택성 이색 거울(20)에 의해 투과되는 화학선 광의 광학 경로 내의 임의의 장소에 배치될 수 있는 것으로 이해하여야 한다. 일 실시 형태에서, 청색 파장 선택성 흡수기는 PRP(190)의 색상 선택성 이색 거울(20)과 반사 편광기(30) 사이에 배치될 수 있다.
광 조합기(300)는 제1, 제2 및 제3 프리즘 면(130, 140, 150)을 향하여 배치되는 1/4-파장 지연기(220)를 포함한다. 1/4-파장 지연기(220)는 제1 편광 상태(195)에 45° 각도로 정렬된다. 광학적 투과성 재료(340)가 각각의 1/4-파장 지연기(220)와 그들 각각의 프리즘 면 사이에 배치된다. 광학적 투과성 재료(340)는 프리즘(110, 120)의 굴절률 이하의 굴절률을 갖는 임의의 재료일 수 있다. 일 실시 형태에서, 광학적 투과성 재료(340)는 공기이다. 다른 실시예에서, 광학적 투과성 재료(340)는 1/4-파장 지연기(220)를 그들 각각의 프리즘 면에 접합시키는 광학 접착제이다.
광 조합기(300)는 도시된 바와 같이 1/4-파장 지연기(220)를 향하여 배치되는 제1, 제2 및 제3 반사기(310, 320, 330)를 포함한다. 반사기(310, 320, 330)의 각각은 도 3a에 도시된 바와 같이 인접한 1/4-파장 지연기(220)로부터 분리될 수 있다. 또한, 반사기(310, 320, 330)의 각각은 인접한 1/4-파장 지연기(220)와 직접 접촉할 수 있다. 대안적으로, 반사기(310, 320, 330)의 각각은 광학 접착제에 의해 인접한 1/4-파장 지연기(220)에 접착될 수 있다. 광학 접착제는 경화성 접착제일 수 있다. 광학 접착제는 또한 감압 접착제일 수 있다.
광 조합기(300)는 2색상 조합기일 수 있다. 이 실시 형태에서, 반사기(310)는 제1 색상 선택성 이색 필터이고, 반사기(320, 330) 중 하나는 제2 색상 선택성 이색 필터이며, 각각 제1 및 제2 유색 광을 투과시키고 광의 다른 색을 반사시키도록 선택된다. 제3 반사기는 거울이다. 거울이란 광의 실질적으로 모든 색을 반사시키도록 선택되는 정반사기(specular reflector)를 의미한다. 제1 및 제2 유색 광은 스펙트럼 범위에서 최소의 중첩을 가질 수 있지만, 원하는 경우에 상당한 중첩이 있을 수 있다.
도 3a에 도시된 일 실시 형태에서, 광 조합기(300)는 3색 조합기이다. 이 실시 형태에서, 반사기(310, 320, 330)는, 각각 제1, 제2 및 제3 유색 광을 투과시키고 광의 다른 색을 반사시키도록 선택되는 제1, 제2 및 제3 색상 선택성 이색 필터이다. 일 태양에서, 제1, 제2 및 제3 유색 광은 스펙트럼 범위에서 최소의 중첩을 갖지만, 원하는 경우에 상당한 중첩이 있을 수 있다. 이 실시 형태의 광 조합기(300)를 사용하는 방법은 제1 유색 광(350)을 제1 색상 선택성 이색 필터(310)를 향해 지향시키는 단계, 제2 유색 광(360)을 제2 색상 선택성 이색 필터(320)를 향해 지향시키는 단계, 제3 유색 광(370)을 제3 색상 선택성 이색 필터(330)를 향해 지향시키는 단계, 및 PBS(100)의 제4 면으로부터 조합된 광(380)을 수광하는 단계를 포함한다. 제1, 제2 및 제3 유색 광(350, 360, 370) 각각의 경로가 도 3b 내지 도 3d를 참조하여 추가로 기술된다.
일 실시 형태에서, 제1, 제2 및 제3 유색 광(350, 360, 370)의 각각은 비편광된 광일 수 있고, 조합된 광(380)은 비편광된다. 다른 실시 형태에서, 제1, 제2 및 제3 유색 광(350, 360, 370)의 각각은 각각 청색, 녹색 및 적색 비편광된 광일 수 있고, 조합된 광(380)은 비편광된 백색 광일 수 있다. 제1, 제2 및 제3 유색 광(350, 360, 370)의 각각은 발광 다이오드(LED) 광원으로부터의 광을 포함할 수 있다. 다양한 광원, 예를 들어 레이저, 레이저 다이오드, 유기 LED(OLED) 및 비-고체 광원, 예를 들어 적절한 수집기 또는 반사기를 갖는 초고압(UHP) 할로겐 또는 제논 램프가 사용될 수 있다. LED 광원은 다른 광원에 비해, 경제적인 작동, 긴 수명, 견고성, 효율적인 광 생성 및 개선된 스펙트럼 출력을 비롯한 이점들을 가질 수 있다. 도 3a 내지 도 3d에 도시되진 않았지만, 색상 조합기(300)는 다른 부분에서 설명되는 선택적인 광 터널(40)을 포함할 수 있다.
이제 도 3b를 참조하면, 제1 유색 광(350)이 비편광된 실시 형태에 대해 광 조합기(300)를 통한 제1 유색 광(350)의 광학 경로가 기술된다. 이 실시 형태에서, 제1 유색 광(350)은 비보호된 반사 편광기에 손상을 입힐 수 있는 화학선 광이다. 제1 유색 광(350)의 많은 부분(351)은 PRP(190)로부터 반사된다. 제1 유색 광(350)의 적은 부분(352)은 PRP(190)를 통과하고, 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)에 의해 흡수된다.
제1 유색 광(350)은 제1 색상 선택성 이색 필터(310), 1/4-파장 지연기(220)를 통해 지향되고, 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)에 입사된다. 제1 유색 광(350)은 PRP(190)를 인터셉트하고, PRP(190)로부터 반사되는 많은 부분(351) 및 PRP(190)를 투과하는 적은 부분(352)으로 분할된다. 많은 부분(351)은 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
적은 부분(352)은 PRP(190)를 통과하고, 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)로부터 출사되며, 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)에 의해 흡수된다.
이제 도 3c를 참조하면, 제2 유색 광(360)이 비편광된 실시 형태에 대해 광 조합기(300)를 통한 제2 유색 광(360)의 광학 경로가 기술된다. 이 실시 형태에서, s-편광된 제2 유색 광(365) 및 p-편광된 제2 유색 광(362)을 포함하는 비편광된 광이 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
제2 유색 광(360)은 제2 색상 선택성 이색 필터(320), 1/4-파장 지연기(220)를 통해 지향되고, 제2 프리즘 면(140)을 통해 PBS(100)에 입사된다. 제2 유색 광(360)은 PRP(190)를 인터셉트하고, p-편광된 제2 유색 광(362) 및 s-편광된 제2 유색 광(361)으로 분할된다. p-편광된 제2 유색 광(362)은 PRP(190)를 통과하고, 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
s-편광된 제2 유색 광(361)은 PRP(190)로부터 반사되고, PBS(100)의 제1 프리즘 면(130)으로부터 출사되며, 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)를 통과하고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 광(390)으로 변화된다. 원형 편광된 광(390)은 제3 색상 선택성 이색 필터(330)로부터 반사되어, 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과하고, 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)를 통과하고, p-편광된 제2 유색 광(363)으로서 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)에 입사된다. 광선(363)은 PRP(190)를 통과하고, 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)로부터 출사되고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 광(390)으로 변화된다. 원형 편광된 광(390)은 제1 색상 선택성 이색 필터(310)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과하고, s-편광된 제2 유색 광(365)으로서 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)에 입사된다. s-편광된 제2 유색 광(365)은 PRP(190)로부터 반사되고, 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
이제 도 3d를 참조하면, 제3 유색 광(370)이 비편광된 실시 형태에 대해 광 조합기(300)를 통한 제3 유색 광(370)의 광학 경로가 기술된다. 이 실시 형태에서, s-편광된 제3 유색 광(374) 및 p-편광된 제3 유색 광(373)을 포함하는 비편광된 광이 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
제3 유색 광(370)은 제3 색상 선택성 이색 필터(330), 1/4-파장 지연기(220), 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)를 통해 지향되고, 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)에 입사된다. 제3 유색 광(370)은 PRP(190)를 인터셉트하고, p-편광된 제3 유색 광(372) 및 s-편광된 제3 유색 광(371)으로 분할된다. p-편광된 제3 유색 광(372)은 PRP(190)를 통과하고, 제3 프리즘 면(150)으로부터 출사되고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 광(390)으로 변화된다. 원형 편광된 광(390)은 제1 색상 선택성 이색 필터(310)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과하고, s-편광된 제3 유색 광(374)으로서 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)에 입사된다. s-편광된 제3 유색 광(374)은 PRP(190)로부터 반사되고, 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
s-편광된 제3 유색 광(371)은 PRP(190)로부터 반사되고, 제2 프리즘 면(140)을 통해 PBS(100)으로부터 출사되고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 광(390)으로 변화된다. 원형 편광된 광(390)은 제2 색상 선택성 이색 필터(320)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과하고, p-편광된 제3 유색 광(373)으로서 제2 프리즘 면(140)을 통해 PBS(100)에 입사된다. p-편광된 제3 유색 광(373)은 PRP(190)를 통과하고, 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
도 4는 폴리싱된 PBS(400)의 평면도를 도시한다. 일 실시 형태에 따르면, 프리즘(110, 120)의 제1, 제2, 제3 및 제4 프리즘 면(130, 140, 150, 160)은 폴리싱된 외부 표면이다. 다른 실시 형태에 따르면, PBS(100)의 외부 면 모두(미도시된 단부 면을 포함함)는 PBS(100) 내에서 경사진 광선의 TIR을 제공하는 폴리싱된 면이다. 폴리싱된 외부 표면은 프리즘(110, 120)의 굴절률 "n2"보다 작은 굴절률 "n1"을 갖는 재료와 접촉한다. TIR은 특히 폴리싱된 PBS(400) 내로 지향된 광이 중앙 축을 따라 시준되지 않은 때, 즉 입사광이 수렴하거나 발산할 때, 폴리싱된 PBS(400) 내에서의 광 이용을 개선한다. 적어도 일부 광은 제3 프리즘 면(150)을 통해 출사될 때까지 내부 전반사에 의해 폴리싱된 PBS(400) 내에 갇힌다. 몇몇 경우들에서, 광의 사실상 전부는 제3 프리즘 면(150)을 통해 출사될 때까지 내부 전반사에 의해 폴리싱된 PBS(400) 내에 갇힌다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광선 L0가 각도 θ1의 범위 내에서 제1 프리즘 면(130)에 입사된다. 폴리싱된 PBS(400) 내의 광선 L1이 프리즘 면(140, 160)과 단부 면(미도시)에서 TIR 조건이 충족되도록 각도 θ2의 범위 내에서 전파된다. 광선 "AB", "AC" 및 "AD"는 제3 프리즘 면(150)을 통해 출사되기 전에 상이한 입사각으로 PRP(190)를 가로지르는, 폴리싱된 PBS(400)를 통한 많은 광 경로 중 3가지를 나타낸다. 광선 "AB" 및 "AD" 둘 모두는 또한 출사 전에 각각 프리즘 면(140, 160)에서 TIR된다. 각도 θ1 및 θ2의 범위는 폴리싱된 PBS(400)의 단부 면에서 반사가 또한 일어날 수 있도록 하는 소정의 원추각(a cone of angles)일 수 있음을 이해하여야 한다. 일 실시 형태에서, PRP(190)는 상이한 편광의 광을 넓은 범위의 입사각에 걸쳐 효율적으로 분할시키도록 선택된다. 광을 넓은 범위의 입사각에 걸쳐 분할시키는 데에 중합체 다층 광학 필름이 특히 적합하다. 맥네일 편광기 및 와이어-그리드 편광기를 비롯한 다른 반사 편광기가 사용될 수 있지만, 편광된 광을 분할시키기에 덜 효율적이다. 맥네일 편광기는 설계 각도와는 실질적으로 상이한 입사각, 전형적으로는 편광 선택성 표면에 45도이거나 PBS의 입력 면에 수직인 입사각에서 광을 효율적으로 투과시키지 못한다. 맥네일 편광기를 사용하는 편광된 광의 효율적 분할은 수직선으로부터 약 6 또는 7도 미만의 입사각으로 제한될 수 있는데, 그 이유는 몇몇의 더 큰 각도에서 p-편광 상태의 상당한 반사가 일어날 수 있고, 몇몇의 더 큰 각도에서 s-편광 상태의 상당한 투과가 또한 일어날 수 있기 때문이다. 둘 모두의 효과는 맥네일 편광기의 분할 효율을 감소시킬 수 있다. 와이어-그리드 편광기를 사용하는 편광된 광의 효율적 분할은 전형적으로 와이어의 일측에 인접한 공기 갭을 필요로 하고, 와이어-그리드 편광기가 보다 높은 굴절률의 매질 내에 침지될 때 효율이 저하된다. 편광된 광을 분할시키는 데 사용되는 와이어-그리드 편광기가 예를 들어 PCT 공보 WO 2008/1002541호에 나타나 있다.
도 5는 본 발명의 일 태양에 따른 광 분할기(500)의 개략적인 평면도이다. 광 분할기(500)는 도 3a 내지 도 3d에 도시된 광 조합기와 동일한 구성요소를 사용하지만, 반대로 기능하는데, 즉 조합된 광(580)은 제4 프리즘 면(160)을 향해 지향되어, 각각 제1, 제2 및 제3 색을 갖는 제1, 제2 및 제3 수광된 광(550, 560, 570)으로 분할된다. 도 5에서, 광 분할기(500)는 프리즘(110, 120)의 대각 면들 사이에 배치된 PRP(190)를 구비한 PBS(100)를 포함한다. 프리즘(110)은 그들 사이에 90° 각도를 갖는 제1 및 제2 프리즘 면(130, 140)을 포함한다. 프리즘(120)은 그들 사이에 90° 각도를 갖는 제3 및 제4 프리즘 면(150, 160)을 포함한다. PRP(190)는 제1 편광 상태(195)(이 도면에서, 페이지에 수직함)에 정렬된 직교 반사 편광기, 또는 비-직교 편광기일 수 있지만, 직교 반사 편광기가 바람직하다. PRP(190)는 반사 편광기(미도시)에 인접하게 배치되는 색상 선택성 이색 거울(도 1a의 요소(20))을 추가로 포함한다. 도 5에서, 색상 선택성 이색 거울은 도 3b를 참조하여 설명된 바와 같이, 화학선 광이 반사 편광기를 인터셉트하기 전에 화학선 광을 반사시키도록 배치된다. 광 조합기(300)는 PRP(190); 도 5에서, 제1 프리즘 면(130), 제2 프리즘 면(140), 또는 제1 및 제2 프리즘 면(130, 140) 둘 모두를 통과하는 임의의 화학선 광을 흡수하도록 배치되는, 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)를 추가로 포함한다. 일반적으로, 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)는 색상 선택성 이색 거울에 의해 투과되는 화학선 광의 광학 경로 내의 임의의 장소에 배치될 수 있다. 일 실시 형태에서, 청색 파장 선택성 흡수기가 색상 선택성 이색 거울과 반사 편광기 사이에 배치될 수 있다. 다른 실시 형태에서, 청색 파장 흡수기(70)가 제2 프리즘 면(140)에 인접하게 배치될 수 있다.
광 분할기(500)는 또한 제1, 제2 및 제3 프리즘 면(130, 140, 150)을 향하여 배치되는 1/4-파장 지연기(220)를 포함한다. 1/4-파장 지연기(220)는 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 제1 편광 상태(195)에 45° 각도로 정렬된다. 광학적 투과성 재료(340)가 각각의 1/4-파장 지연기(220)와 그들 각각의 프리즘 면 사이에 배치된다. 광학적 투과성 재료(340)는 프리즘(110, 120)의 굴절률보다 낮은 굴절률을 갖는 임의의 재료일 수 있다. 일 태양에서, 광학적 투과성 재료(340)는 공기일 수 있다. 일 태양에서, 광학적 투과성 재료(340)는 1/4-파장 지연기(220)를 그들 각각의 프리즘 면에 접합시키는 광학 접착제일 수 있다.
광 분할기(500)는 도시된 바와 같이 1/4-파장 지연기(220)를 향하여 배치되는 제1, 제2 및 제3 반사기(310, 320, 330)를 포함한다. 일 태양에서, 반사기(310, 320, 330)는 도 3a에 도시된 바와 같이 인접한 1/4-파장 지연기(220)로부터 분리될 수 있다. 일 태양에서, 반사기(310, 320, 330)는 인접한 1/4-파장 지연기(220)와 직접 접촉할 수 있다. 일 태양에서, 반사기(310, 320, 330)는 광학 접착제에 의해 인접한 1/4-파장 지연기(220)에 접착될 수 있다.
일 실시예에서, 광 분할기(500)는 2색 분할기이다. 이 실시 형태에서, 반사기(310)는 제1 색상 선택성 이색 필터이고, 반사기(320, 330) 중 하나는 제2 색상 선택성 이색 필터이며, 각각 제1 및 제2 유색 광을 투과시키고 광의 다른 색을 반사시키도록 선택된다. 제3 반사기는 거울이다. 거울이란 광의 실질적으로 모든 색을 반사시키도록 선택되는 정반사기(specular reflector)를 의미한다. 일 태양에서, 제1 및 제2 유색 광은 스펙트럼 범위에서 최소의 중첩을 갖지만, 원하는 경우에 상당한 중첩이 있을 수 있다.
일 실시예에서, 광 분할기(500)는 3색 분할기이다. 이 실시 형태에서, 반사기(310, 320, 330)는, 각각 제1, 제2 및 제3 유색 광을 투과시키고 광의 다른 색을 반사시키도록 선택되는 제1, 제2 및 제3 색상 선택성 이색 필터이다. 일 태양에서, 제1, 제2 및 제3 유색 광은 스펙트럼 범위에서 최소의 중첩을 갖지만, 원하는 경우에 상당한 중첩이 있을 수 있다. 이 실시 형태의 광 분할기(500)를 사용하는 방법은 조합된 광(580)을 PBS(100)의 제4 프리즘 면(160)을 향해 지향시키는 단계, 색상 선택성 이색 필터(310)로부터 제1 유색 광(550)을 수광하는 단계, 제2 색상 선택성 이색 필터(320)로부터 제2 유색 광(560)을 수광하는 단계, 및 제3 색상 선택성 이색 필터(330)로부터 제3 유색 광(570)을 수광하는 단계를 포함한다. 조합된, 제1, 제2 및 제3 수광된 광(580, 550, 560, 570)의 각각의 광학 경로는 도 3b 내지 도 3d의 설명을 따르지만, 모든 광선의 방향은 역전된다.
일 실시 형태에서, 조합된 광(580)은 비편광된 광일 수 있고, 제1, 제2 및 제3 유색 광(550, 560, 570)의 각각은 비편광된 광이다. 일 실시 형태에서, 조합된 광(580)은 비편광된 백색 광일 수 있고, 제1, 제2 및 제3 유색 광(550, 560, 570)의 각각은 각각 청색, 녹색 및 적색 비편광된 광이다. 일 태양에 따르면, 조합된 광(580)은 발광 다이오드(LED) 광원으로부터의 광을 포함한다. 다양한 광원, 예를 들어 레이저, 레이저 다이오드, 유기 LED(OLED) 및 비-고체 광원, 예를 들어 적절한 집광기 또는 반사기를 갖는 초고압(UHP) 할로겐 또는 제논 램프가 사용될 수 있다. LED 광원은 다른 광원에 비해, 경제적인 작동, 긴 수명, 견고성, 효율적인 광 생성 및 개선된 스펙트럼 출력을 비롯한 이점들을 가질 수 있다.
본 발명의 일 태양에 따르면, 도 6a 및 도 6b는 제1 유색 광원(650) 및 제2 유색 광원(660)이 광을 PBS(100)의 동일한 프리즘 면(즉, 제3 프리즘 면(150)) 내로 주입하도록 배치되는 2채널 색상 조합기(600)를 도시한다. 아래에서 설명되는 일 실시 형태에 따르면, 제1 유색 광원(650)은 비편광된 청색 광원(650)일 수 있고, 제2 유색 광원(660)은 비편광된 적색 광원(660)일 수 있다. 청색 광원(650)으로부터의 청색 광(651)과 적색 광원(660)으로부터의 적색 광(661)은 색상 조합기(600)의 구성요소의 수를 감소시키기 위해 조합될 수 있다. 청색 및 적색 광(651, 661)은 예를 들어 통합 로드(integrating rod)(미도시)를 사용하여 함께 혼합될 수 있다. 일 태양에 따르면, 광원을 PBS(100)로부터 이격시키는 간격을 제공할 뿐만 아니라 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 광의 얼마간의 시준을 제공하기 위해, 청색, 적색 및 녹색 광원(650, 660, 670)에 대해 선택적인 광 터널(40) 또는 렌즈의 조립체(미도시)가 제공될 수 있다.
2채널 색상 조합기(600)는 녹색 광 반사성 이색 필터(610), 적색 광 반사성 이색 필터(620), 및 광대역 거울(630)을 포함한다. 2채널 색상 조합기(600)는 다른 부분에서 설명되는 바와 같이 선택적인 청색 광 선택성 흡수기(미도시)를 추가로 포함한다. 일 실시 형태에서, 청색 광 선택성 흡수기가 광대역 거울(630)에 포함될 수 있어, 광대역 거울(630)에 입사하는 임의의 청색 광이 반사되기 보다는 흡수된다(도 6a에 도시되고 아래에서 더욱 상세히 설명되는 바와 같음). 다른 실시 형태에서, 청색 광 선택성 흡수기는, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 청색 광 반사성 이색 거울(20)을 통해 투과되는 청색 광 광학 경로 내의 임의의 장소에 위치될 수 있다.
이제 도 6a를 참조하면, 청색 광(651) 및 적색 광(661)이 비편광된 실시 형태에 대해, 광 조합기(600)를 통한 청색 광원(650)으로부터의 청색 광(651) 및 적색 광원(660)으로부터의 적색 광(661)의 광학 경로가 기술된다. 이 실시 형태에서, 청색 광(651)은 비보호된 반사 편광기에 손상을 입힐 수 있는 화학선 광이다. 청색 광(651)의 많은 부분(652)은 PRP(190)로부터 반사된다. 청색 광(651)의 적은 부분(653)은 PRP(190) 내의 색상 선택성 이색 거울(20)을 통과하고, 선택적인 청색 광 선택성 흡수기(미도시)에 의해 흡수된다.
청색 광원(650)으로부터의 청색 광(651)은 선택적인 광 터널(40), 녹색 광 반사성 이색 필터(610), 1/4-파장 지연기(220)를 통과하고, 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)에 입사된다. 청색 광(651)은 PRP(190)를 인터셉트하고, 청색 광(651)의 반사된 많은 부분(652) 및 청색 광(651)의 투과된 적은 부분(653)으로 분할된다. 많은 부분(652)은 청색 광(651)의 비편광된 많은 부분(652)으로서 PBS(100)로부터 출사된다. 청색 광(651)의 적은 부분(653)은 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)로부터 출사되고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과하고, 광대역 거울(630)에 포함된 청색 광 선택성 흡수기에 의해 흡수된다.
적색 광원(660)으로부터의 적색 광(661)은 선택적인 광 터널(40), 녹색 광 반사성 이색 필터(610), 1/4-파장 지연기(220)를 통과하고, 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)에 입사된다. 적색 광(661)은 PRP(190)를 인터셉트하고, p-편광된 적색 광선(662) 및 s-편광된 적색 광선(663)으로 분할된다. s-편광된 적색 광선(663)은 PRP(190)로부터 반사되고, s-편광된 적색 광선(663)으로서 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
p-편광된 적색 광선(662)은 PRP(190)를 통과하고, 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)로부터 출사되고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 적색 광선(664)으로 변화된다. 원형 편광된 적색 광선(664)은 광대역 거울(630)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과하여 s-편광된 적색 광선(665)으로 변화되고, 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)에 입사되고, PRP(190)로부터 반사되고, 제2 프리즘 면(140)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다. s-편광된 적색 광선(665)은 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 적색 광선(666)으로 변화되고, 적색 광 반사성 이색 필터(620)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 p-편광된 적색 광선(667)으로 변화된다. p-편광된 적색 광선(667)은 제2 프리즘 면(140)을 통해 PBS(100)에 입사되고, 변화되지 않은 상태로 PRP(190)를 통과하고, p-편광된 적색 광선(667)으로서 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
이제 도 6b를 참조하면, 녹색 광(671)이 비편광된 실시 형태에 대해, 광 조합기(600)를 통한 녹색 광원(670)으로부터의 녹색 광(671)의 광학 경로가 기술된다. 이 실시 형태에서, p-편광된 녹색 광선(672) 및 s-편광된 녹색 광선(677)을 포함하는 비편광된 광이 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
녹색 광원(670)으로부터의 녹색 광(671)은 선택적인 광 터널(40), 적색 광 반사성 이색 필터(620), 1/4-파장 지연기(220)를 통과하고, 제2 프리즘 면(140)을 통해 PBS(100)에 입사된다. 녹색 광(671)은 PRP(190)를 인터셉트하고, p-편광된 녹색 광선(672) 및 s-편광된 녹색 광선(673)으로 분할된다. p-편광된 녹색 광선(672)은 PRP(190)를 통과하고, p-편광된 녹색 광선(672)으로서 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
s-편광된 녹색 광선(673)은 PRP(190)로부터 반사되고, 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)로부터 출사되고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 녹색 광선(674)으로 변화된다. 원형 편광된 녹색 광선(674)은 광대역 거울(630)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과하여 p-편광된 녹색 광선(675)으로 변화되고, 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)에 입사되고, PRP(190)를 통과하고, 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다. p-편광된 녹색 광선(675)은 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 녹색 광선(676)으로 변화되고, 녹색 광 반사성 이색 필터(610)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 s-편광된 녹색 광선(677)으로 변화된다. s-편광된 녹색 광선(677)은 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)에 입사되고, PRP(190)로부터 반사되고, s-편광된 녹색 광선(677)으로서 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다.
2채널 색상 조합기(600)의 다른 실시 형태(미도시)에서, 제2 색상 선택성 이색 필터(620), 선택적인 광 터널(40) 및 제3 광원(670)과 광대역 거울(630)의 상대 위치는 스위칭될 수 있다. 이 실시 형태에서, 광대역 거울(630)은 제2 프리즘 면(140)에 인접하고; 제2 색상 선택성 이색 필터(620), 선택적인 광 터널(40) 및 제3 광원(670)은 제1 프리즘 면(130)에 인접하다. 청색 파장 선택성 흡수기(70)는, 도 3a 내지 도 3d를 참조하여 다른 부분에서 설명된 바와 같이, 색상 선택성 이색 거울(20)을 통해 투과되는 청색 광의 광학 경로 내의 임의의 장소에 배치될 수 있다.
일 태양에 따르면, 도 7a 및 도 7b는, 아래에서 설명되는 바와 같이, 도 3a 내지 도 3d와 도 6a 및 도 6b의 PRP(190)가 성분 색상 선택성 이색 거울(20)과 반사 편광기(30)로 분할되는 색상 조합기(700)를 도시한다. 색상 선택성 이색 거울(20)은 자립형 색상 선택성 이색 거울(예를 들어, 펠리클)일 수 있거나, 또는 이는 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같은 제3 및 제4 프리즘(780, 790)과 같은 프리즘의 대각선 상에 배치될 수 있다. 이 태양에서, 화학선 광 경로(즉, 제1 유색 광원(750)으로부터의 제1 유색 광(751))는 반사 편광기(30)로부터 더욱 분리된다.
도 7a 및 도 7b는 제2 유색 광원(760) 및 제3 유색 광원(770)이 광을 PBS(100) 내로 주입하도록 배치되는 색상 조합기(700)를 도시한다. 제2 유색 광원(760)과 제3 유색 광원(770)은 출력 표면(제4 프리즘 면(160))을 통해 PBS(100)로부터 출력 방향으로 출사된다.
제1 유색 광원(750)은 제2 유색 광원(760)으로부터의 제2 유색 광(761) 및 제3 유색 광원(770)으로부터의 제3 유색 광(771)과 조합되는 제1 유색 광(751)(화학선 광)을 주입하도록 배치되지만 PBS(100)에 입사되지 않는다. 아래에서 설명되는 일 실시 형태에 따르면, 제1 유색 광원(750)은 비편광된 청색 광원(750)일 수 있고, 제2 유색 광원(760)은 비편광된 적색 광원(760)일 수 있고, 제3 유색 광원(770)은 비편광된 녹색 광원(770)일 수 있다. 청색 광원(750)으로부터의 청색 광(751), 적색 광원(760)으로부터의 적색 광(761), 및 녹색 광원(770)으로부터의 녹색 광(771)은 색상 조합기(700)의 내구성을 개선하기 위해 조합될 수 있다. 일 태양에 따르면, 광원을 PBS(100)로부터 이격시키는 간격을 제공할 뿐만 아니라, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 광의 얼마간의 시준을 제공하기 위해, 청색, 적색 및 녹색 광원(750, 760, 770)에 대해 선택적인 광 터널(40) 또는 렌즈의 조립체(미도시)가 제공될 수 있다.
색상 조합기(700)는 녹색 광 반사성 이색 필터(720), 적색 광 반사성 이색 필터(730), 및 광대역 거울(740)을 포함한다. 일 실시 형태에서, 청색 광 선택성 흡수기가, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 청색 광 반사성 이색 거울(20)을 통해 투과되는 청색 광 광학 경로 내에 포함될 수 있다.
이제 도 7a를 참조하면, 청색 광(751)이 비편광된 실시 형태에 대해 광 조합기(700)를 통한 청색 광원(750)으로부터의 청색 광(751)의 광학 경로가 기술된다. 이 실시 형태에서, 청색 광(751)은 비보호된 반사 편광기에 손상을 입힐 수 있는 화학선 광이다. 청색 광(751)의 많은 부분(752)은 색상 선택성 이색 거울(20)로부터 반사된다. 청색 광(751)의 적은 부분(753)은 색상 선택성 이색 거울(20)을 통과하고, 색상 조합기(700)로부터 출사되고, 선택적인 청색 광 선택성 흡수기(미도시)에 의해 선택적으로 흡수된다.
청색 광원(750)으로부터의 청색 광(751)은 선택적인 광 터널(40)을 통과하고, 제7 프리즘 면(792)을 통해 제4 프리즘(790)에 입사되고, 색상 선택성 이색 거울(20)을 인터셉트한다. 청색 광(751)은 청색 광(751)의 반사된 많은 부분(752) 및 청색 광(751)의 투과된 적은 부분(753)으로 분할된다. 청색 광(751)의 많은 부분(752)은 제8 프리즘 면(794)을 통해 제4 프리즘(790)으로부터 출력 방향으로 출사된다. 청색 광(751)의 적은 부분(753)은 색상 선택성 이색 거울(20)을 통과하고, 제6 프리즘 면(784)을 통해 제3 프리즘(780)으로부터 출사됨으로써 색상 조합기(700)를 떠난다.
도 7a로 돌아가서, 적색 광(761)이 비편광된 실시 형태에 대해 광 조합기(700)를 통한 적색 광원(760)으로부터의 적색 광(761)의 광학 경로가 기술된다. 이 실시 형태에서, p-편광된 적색 광선(767) 및 s-편광된 적색 광선(765)을 포함하는 비편광된 광이 제8 프리즘 면(794)을 통해 제4 프리즘(790)으로부터 출력 방향으로 출사된다.
적색 광원(760)으로부터의 적색 광(761)은 선택적인 광 터널(40), 녹색 광 반사성 이색 필터(720), 1/4-파장 지연기(220)를 통과하고, 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)에 입사된다. 적색 광(761)은 반사 편광기(30)를 인터셉트하고, p-편광된 적색 광선(762) 및 s-편광된 적색 광선(763)으로 분할된다. p-편광된 적색 광선(762)은 반사 편광기(30)를 통과하고, 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)로부터 출사되고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 적색 광선(764)으로 변화된다. 원형 편광된 적색 광선(764)은 광대역 거울(740)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 s-편광된 적색 광선(765)으로 변화되고, 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)에 입사된다. s-편광된 적색 광선(765)은 반사 편광기(30)로부터 반사되고, 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사되고, 제5 프리즘 면(782)을 통해 제3 프리즘(780)에 입사되고, 색상 선택성 이색 거울(20)을 통과하고, s-편광된 적색 광선(765)으로서 제8 프리즘 면(794)을 통해 제4 프리즘(790)으로부터 출사된다.
s-편광된 적색 광선(763)은 반사 편광기(30)로부터 반사되고, 제2 프리즘 면(140)을 통해 PBS(100)로부터 출사되고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 적색 광선(766)으로 변화된다. 원형 편광된 적색 광선(766)은 적색 광 반사성 이색 필터(730)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과하여 p-편광된 적색 광선(767)으로 변화되고, 제2 프리즘 면(140)을 통해 PBS(100)에 입사되고, 반사 편광기(30)를 통과하고, 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다. p-편광된 적색 광선(767)은 제5 프리즘 면(782)을 통해 제3 프리즘(780)에 입사되고, 색상 선택성 이색 거울(20)을 통과하고, p-편광된 적색 광선(767)으로서 제8 프리즘 면(794)을 통해 제4 프리즘(790)으로부터 출사된다.
이제 도 7b를 참조하면, 녹색 광(771)이 비편광된 실시 형태에 대해 광 조합기(700)를 통한 녹색 광원(770)으로부터의 녹색 광(771)의 광학 경로가 기술된다. 이 실시 형태에서, p-편광된 녹색 광선(772) 및 s-편광된 녹색 광선(777)을 포함하는 비편광된 광이 제8 프리즘 면(794)을 통해 제4 프리즘(790)으로부터 출사된다.
녹색 광원(770)으로부터의 녹색 광(771)은 선택적인 광 터널(40), 적색 광 반사성 이색 필터(730), 1/4-파장 지연기(220)를 통과하고, 제2 프리즘 면(140)을 통해 PBS(100)에 입사된다. 녹색 광(771)은 반사 편광기(30)를 인터셉트하고, p-편광된 녹색 광선(772) 및 s-편광된 녹색 광선(773)으로 분할된다. p-편광된 녹색 광선(772)은 반사 편광기(30)를 통과하고, 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사되고, 제5 프리즘 면(782)을 통해 제3 프리즘(780)에 입사되고, 색상 선택성 이색 거울(20)을 통과하고, p-편광된 녹색 광선(772)으로서 제8 프리즘 면(794)을 통해 제4 프리즘(790)으로부터 출사된다.
s-편광된 녹색 광선(773)은 반사 편광기(30)로부터 반사되고, 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)로부터 출사되고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 녹색 광선(774)으로 변화된다. 원형 편광된 녹색 광선(774)은 녹색 광 반사성 이색 필터(720)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과하여 p-편광된 녹색 광선(775)으로 변화되고, 제1 프리즘 면(130)을 통해 PBS(100)에 입사되고, 반사 편광기(30)를 통과하고, 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)로부터 출사된다. p-편광된 녹색 광선(775)은 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 원형 편광된 녹색 광선(776)으로 변화되고, 광대역 거울(740)로부터 반사되어 원형 편광의 방향을 변화시키고, 1/4-파장 지연기(220)를 통과할 때 s-편광된 녹색 광선(777)으로 변화된다. s-편광된 녹색 광선(777)은 제3 프리즘 면(150)을 통해 PBS(100)에 입사되고, 반사 편광기(30)로부터 반사되고, 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출사되고, 제5 프리즘 면(782)을 통해 제3 프리즘(780)에 입사되고, 색상 선택성 이색 거울(20)을 통과하고, s-편광된 녹색 광선(777)으로서 제8 프리즘 면(794)을 통해 제4 프리즘(790)으로부터 출사된다.
다른 실시 형태에서(미도시), 색상 조합기는 제4 유색 광을 포함할 수 있다. 이 실시 형태에서, 광대역 거울(740)은 도 7a 및 도 7b에 도시된 바와 같은 제1 및 제2 색상 선택성 이색 필터(720, 730), 선택적인 광 터널(40), 및 제2 및 제3 광원(760, 770)과 동일한 방식으로 배치되는, 제3 색상 선택성 이색 거울, 선택적인 광 터널(40), 및 제4 유색 광원으로 대체될 수 있다. 제3 색상 선택성 이색 필터는 제4 유색 광에 투명하고, 제2 및 제3 유색 광(760, 770)을 반사시킬 수 있다.
또 다른 실시 형태(미도시)에서, 색상 선택성 이색 거울(20)은 대신에 청색 광 투과성, 적색 및 녹색 광 반사성 색상 선택성 이색 거울일 수 있다. 이 실시 형태에서, 적색 및 녹색 광(761, 771)은 이전에 기재된 바와 같이 제4 프리즘 면(160)을 통해 PBS(100)로부터 출력 방향으로 출사된 다음, 제5 프리즘 면(782)을 통해 제3 프리즘(780)에 입사되고, 색상 선택성 이색 거울(20)로부터 반사되고, 제6 프리즘 면(784)을 통해 제3 프리즘(780)으로부터 출사된다. 청색 광(750)은 이전에 기재된 바와 같이 제4 프리즘(790)에 입사되지만, 청색 광(751)의 많은 부분(753)은 청색 광 투과성 색상 선택성 이색 거울(20)을 통과하고 제6 프리즘 면(784)을 통해 제3 프리즘(780)으로부터 출사되며; 청색 광(750)의 적은 부분(752)은 청색 광 투과성 색상 선택성 이색 거울로부터 반사되고 제8 프리즘 면(794)을 통해 제4 프리즘(790)으로부터 출사된다.
도 9는 3색 광 조합 시스템(902)을 포함하는 프로젝터(900)를 도시한다. 3색 광 조합 시스템(902)은 출력 영역(904)에서 조합된 광 출력을 제공한다. 일 실시 형태에서, 출력 영역(904)에서의 조합된 광 출력은 편광된다. 출력 영역(904)에서의 조합된 광 출력은 광 엔진 광학체(906)를 통해 프로젝터 광학체(908)로 통과한다.
광 엔진 광학체(906)는 렌즈(922, 924) 및 반사기(926)를 포함한다. 프로젝터 광학체(908)는 렌즈(928), PBS(930) 및 프로젝션 렌즈(932)를 포함한다. 프로젝션 렌즈(932) 중 하나 이상은 투사된 이미지(912)에 대한 초점 조절을 제공하도록 PBS(930)에 대해 이동가능할 수 있다. 반사성 이미지형성 장치(910)가 프로젝터 광학체 내의 광의 편광 상태를 변조할 수 있어서, PBS(930)를 통해 프로젝션 렌즈 내로 통과하는 광의 세기가 변조되어 투사된 이미지(912)를 생성할 것이다. 반사성 이미지형성 장치(910)의 작동과 광원(916, 918, 920)의 시퀀싱(sequencing)을 동기화시키기 위해 반사성 이미지형성 장치(910)에 그리고 광원(916, 918, 920)에 제어 회로(914)가 결합된다. 일 태양에서, 출력 영역(904)에서의 조합된 광의 제1 부분이 프로젝터 광학체(908)를 통해 지향되고, 조합된 광 출력의 제2 부분이 다시 출력 영역(904)을 통해 색상 조합기(902) 내로 재순환될 수 있다. 조합된 광의 제2 부분은 예를 들어 거울, 반사 편광기, 반사성 LCD 등으로부터의 반사에 의해 색상 조합기 내로 다시 재순환될 수 있다. 도 9에 도시된 배열은 예시적이며, 개시된 광 조합 시스템은 반사성 마이크로-미러 이미지형성 장치 등을 포함한 다른 프로젝션 시스템과도 또한 사용될 수 있다. 하나의 대안적인 태양에 따르면, 투과성 이미지형성 장치가 사용될 수 있다.
일 태양에 따르면, 전술한 바와 같은 유색 광 조합 시스템은 3색(백색) 출력을 생성한다. 반사성 편광 필름을 갖는 편광 빔 스플리터의 편광 특성(s-편광된 광에 대한 반사 및 p-편광된 광에 대한 투과)이 광원의 넓은 범위의 입사각에 대하여 낮은 감도를 갖기 때문에 시스템은 높은 효율을 갖는다. 색상 조합기 내의 광원으로부터의 광의 시준을 개선하기 위해 추가의 시준 구성요소가 사용될 수 있다. 소정 정도의 시준이 없으면, 입사각(angle of incidence, AOI), TIR의 손실 또는 TIR을 방해하는 증가된 소멸파 결합(evanescent coupling), 및/또는 PBS 내에서의 열화된 편광 식별 및 기능의 함수로서 이색 반사율의 변동과 관련된 상당한 광 손실이 있을 것이다. 본 발명에서, 편광 빔 스플리터는 광이 내부 전반사에 의해 수용되게 하고 요구되는 표면을 통해서만 방출되도록 하는 광파이프로서 기능한다.
실시예
도 8은 TFCalc 소프트웨어(미국 오리건주 포틀랜드 소재의 소프트웨어 스펙트라 인크.(Software Spectra, Inc.)로부터 입수가능함)를 사용하여 모델링한, 적색, 녹색 및 청색 이색 필터(R, G, B로 표기됨)와 하나의 이색 거울(BB로 표기됨)의 투과 스펙트럼의 그래프이다. TFCalc 모델을 460 ㎚ 1/4 파장 두께를 갖는 교번하는 SiO2 및 TiO2 층의 10 쌍의 광학 스택으로 시작하였고, 추가의 SiO2 및 TiO2 층을 삽입한 니들 최적화(needle optimization)와 함께 국부 탐색을 사용하여 최적화시켰다. 광학 스택의 총 두께를 3000 ㎚로 제한하였다.
3개의 이색 필터를 0° 평균 입사각(즉, 표면에 수직함)에서 램버시안(Lambertian) 각도 분포를 갖는 F1.5 원추체 내에 입사하는 적색(630 ㎚), 녹색(530 ㎚), 및 청색(460 ㎚) 광을 투과시키도록 모델링하였다. 각각의 이색 필터의 입력 면은 공기 중에 있었다. 이색 거울을 45° 평균 입사각에서 램버시안 각도 분포를 갖는 F1.5 원추체 내에 입사하는, 460 ㎚에 중심설정된 광을 차단하고 530 ㎚ 및 630 ㎚에서의 광을 투과시키도록 모델링하였다. 이색 거울의 입력 면은 1.52 굴절률을 갖는 유리로 모델링하였다.
도 3b에 도시된 색상 조합기에 대한 도 8의 투과 스펙트럼의 적용은 입사 청색 광(도 3b의 제1 유색 광(350))이 PRP(190)의 이색 거울(BB)을 인터셉트하였음을 보여준다. 이색 거울은 청색 광의 대략 75%(도 3b의 많은 부분(351))를 반사시켰고, 대략 25%(도 3b의 적은 부분(352))를 투과시켰다. 청색 광의 투과된 25%는 도 3a 내지 도 3d에 도시된 바와 같은 색상 조합기 내의 PRP(190) 내의 반사 편광기에 의해 전형적으로 투과되는 동일한 편광 상태의 것이다. 투과된 청색 광은 선택적인 파장 선택성 흡수기(70)에 의해 시스템으로부터 제거될 수 있어서, 이색 거울이 없는 색상 조합기에 비해, 대략 12.5%의 반사 편광기의 청색 광 노출을 유발한다. 실제로, 청색 LED의 출력이 25% 손실을 보상하기 위해 증가될 수 있어서, 반사 편광기의 실제 청색 광 노출은 이색 거울이 없는 색상 조합기의 약 17%일 것이다. 유사하게, 녹색 LED의 출력도 또한 이색 거울을 통해 손실을 보상하기 위해 증가될 수 있다(도 8로부터, 대략 75% 투과).
전형적으로, 청색 광은 녹색 광보다 대략 10배 더 광화학성이다. 녹색의 방사 출력이 청색의 방사 출력의 2배인 구성의 경우, 이색 거울을 구비한 위의 색상 조합기는 이색 거울이 없는 색상 조합기에 비해 약 4배의 반사 편광기의 수명을 제공할 것이다. 산란이 파장에 민감하고, 반사 편광기에 대한 단파장 광 노출의 감소가 광을 산란시키려는 경향을 감소시키려고 할 것이기 때문에, 수명 개선이 더욱 증대될 수 있다.
일반 색상 조합기(CC) 구성(즉, 파장 선택성 이색 거울이 없음)의 명소 효율(photopic efficiency)을 청색 보호된 색상 조합기(BBCC)와 비교하였다. 파장 선택성 이색 거울이 없는 일반 색상 조합기(CC)가, 예를 들어, 2008년 9월 8일자로 출원된, 발명의 명칭이 광 조합기(LIGHT COMBINER)인 미국 출원 제61/095,129호에 개시된다. 플랫라이트(Phlatlight™) LED(루미너스 인크.(Luminus Inc.)로부터 입수가능함)의 스펙트럼 출력을 사용하여 명소 효율을 위한 데이터를 생성하였다. BBCC는 CC 구성에 비해, 청색 출력의 74.3% 및 녹색 출력의 88.0%를 가졌다. 청색 광원은 종종 장치의 출력을 제한하는 LED 색상이 아니기 때문에, BBCC는 CC의 휘도 및 출력의 88%를 가졌다.
II-VI족 반도체 변환 녹색 LED와 같은, 보다 긴 파장을 갖는 녹색 광원을 사용하여 다른 구성을 모델링하였다. 청색과 녹색 LED 사이의 더욱 우수한 스펙트럼 분리를 제공하는, 녹색 II-VI족 LED를 구비한 청색 및 적색 LED를 사용함으로써 개선된 색상 조합기가 제조될 수 있다. 보다 긴 파장의 녹색 II-VI족 LED를 구비한 CC와 BBCC 사이의 휘도 저하(휘도의 대략 3% 저하)는 표준 InGaN 녹색 LED(대략 12%의 휘도 저하)에 비해 경미하였다.
반사 편광기의 청색 광 노출은, 다른 부분에서 설명되는 바와 같이, 청색 광 반사성 이색 거울과 반사 편광기 사이에 파장 선택성 흡수기(즉, 청색 필터)를 배치함으로써 더욱 감소될 수 있다. 위와 동일한 분석을 사용하면, 이 접근법은 수명을 6배 만큼 연장시킬 수 있는 가능성을 갖는다.
잠재적인 우려 사항은 청색 광을 흡수함으로써 초래되는 가열이 반사 편광기에 손상을 입힐 수 있다는 것이다. 피크 온도는 반사 편광기에 수직한 양 면들(즉, 도 1b에 도시된 단부 면(170, 175, 180, 185)) 상에 히트 싱크를 배치함으로써 감소될 수 있다. 피크 온도를 감소시키기 위한 다른 방법은 사파이어의 층과 같은, 높은 열 전도도를 갖는 재료의 층을 이색 거울 내에 포함시키는 것을 포함한다. 사파이어 층은 세륨과 같은 적합한 요소로 도핑함으로써, 추가의 청색-광 흡수 코팅을 부가함으로써, 또는 사파이어를 청색 반사성 이색 코팅으로 코팅함으로써 황색일 수 있다.
반사 편광기에 대한 청색 광의 노출은 CC 또는 BBCC 색상 조합기 내에서 균일하지 않을 수 있다. CC에서, 비-균일성은 청색 LED와 PBS 사이의 조명 광학체(예를 들어, 다른 부분에서 설명되는 바와 같은 광 터널)에 의해 유발될 수 있다. BBCC 내의 청색 반사기는 청색 이색성의 각도 선택성 및 편광 선택성으로 인해 비-균일성을 부가할 수 있다.
보호 청색 이색 반사기를 구비한 색상 조합기의 효율은 위에 제공된 간이 분석보다 더 높을 수 있다. 몇몇 메커니즘은 청색 보호 반사기에 의해 유발되는 비효율을 감소시킬 수 있다. 예를 들어, 청색 반사기는 전역 최적화 방법을 통해 최적화될 수 있다. 전역 최적화를 사용함으로써, 또는 유전체 코팅 스택의 평균 굴절률을 증가시킴으로써 설계가 개선될 수 있다. 유전체 스택의 임의의 조합이 사용될 수 있으며, 예를 들어 TiO2 및 Al2O3의 간섭 스택이 위의 실시예에 사용된 TiO2 및 SiO2대신에 사용될 수 있다. 더욱이, 실제의 손실이 포함되지 않았다. 반사 편광기로부터의 반사가 아주 높을 수 있지만, 반사 편광기에 의해 투과된 광은 1/4-파장 지연기에 의해 4회 회전될 수 있고, 반사 편광기와의 산란 및/또는 탈편광 상호작용이 최소화되어야 한다. 산란은 청색 광의 경우 가장 심할 수 있고, 지연기는 설계에 의해 바람직하게는 모든 3가지 색에 대해 1/4 파장 지연을 제공한다. 이러한 설계는 달성하기 어려울 수 있고, 성능이 보통 저하된다. 위의 효율 계산은 또한 일반 색상 조합기가 초기에 반사 편광기에 의해 투과되는 청색 광을 효율적으로 방출시키는 것으로 가정한다.
시스템 효율을 개선하는 다른 기술은 녹색 광원보다 청색 광원에 대해 더욱 큰 F-수를 갖는 광원을 사용하는 것일 수 있다. 광학 시스템이 청색 및 녹색 광원에 대한 F-수가 동일할 것을 필요로 하는 경우에, 고 분산성 광학 요소, 예를 들어 "파리-눈(fly s-eye)" 균질기 내의 복렌즈(binary lens)가 사용될 수 있다. 청색 광에 대한 더욱 큰 F-수는 더욱 효율적인 청색 보호 필터가 설계될 수 있게 한다.
청색 LED 전방의 지연기가 단지 녹색 및 적색 파장에 대해 기능할 필요가 있을 뿐이고, 적색 LED 전방의 지연기가 단지 녹색 광에 1/4 파장 지연을 제공할 필요가 있을 뿐이고, 녹색 LED 전방의 지연기가 단지 적색 광에 1/4 파장 지연을 제공할 필요가 있을 뿐이기 때문에, 청색 보호된 색상 조합기에 대한 성능은 일반 구성에 대해 증가할 수 있다. 이는 또한 적색과 녹색 LED 사이의 파장의 차이가 작을 것이기 때문에, II-VI족과 같은, 더욱 긴 파장의 녹색 LED에 이점을 제공할 수 있다. 제한된 스펙트럼 범위에 걸쳐 기능하는 더욱 넓은 범위의 이용가능한 지연기가 있다.
달리 지시되지 않는다면, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용되는 특징부 크기, 양 및 물리적 특성을 표현하는 모든 숫자는 "약"이라는 용어에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 반대로 지시되지 않는다면, 상기 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기술된 수치적 파라미터들은 본 명세서에 개시된 교시 내용을 이용하는 당업자들이 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 달라질 수 있는 근사치이다.
본 명세서에 인용된 모든 참고 문헌 및 공보는 본 발명과 직접 모순되지 않는 한 본 발명에 그 전체가 참고로 본 명세서에 명백히 포함된다. 특정 실시 형태들이 본 명세서에 예시되고 기술되었지만, 당업자는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 대안 및/또는 등가의 구현예들이 도시되고 기술된 특정 실시 형태들을 대신할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 출원은 본 명세서에 논의된 특정 실시 형태의 임의의 변형 또는 수정을 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 발명은 오직 특허청구범위 및 그의 등가물에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims (57)

  1. 제1 입력 표면을 갖고, 제1 입력 표면에 수직한 제1 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되는 제1 색상 선택성 이색 필터;
    제1 유색 광 빔을 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 색상 선택성 이색 거울; 및
    제1 색상 선택성 이색 필터에 대향되어, 색상 선택성 이색 거울에 인접하게 배치되는 반사 편광기를 포함하고,
    색상 선택성 이색 거울은 제1 유색 광 빔의 많은 부분을 반사시킬 수 있고 제1 유색 광 빔의 적은 부분을 투과시킬 수 있는 광학 요소.
  2. 제1항에 있어서, 제1 유색 광 빔의 많은 부분은 제1 유색 광 빔의 적어도 60%를 구성하는 광학 요소.
  3. 제1항에 있어서, 제1 유색 광 빔의 많은 부분은 제1 유색 광 빔의 적어도 75%를 구성하는 광학 요소.
  4. 제1항에 있어서, 제1 유색 광 빔은 반사 편광기를 열화시킬 수 있는 제1 파장 범위의 광을 포함하는 광학 요소.
  5. 제4항에 있어서, 제1 파장 범위의 광을 흡수할 수 있고 제1 유색 광 빔의 적은 부분을 인터셉트하도록 배치되는 파장 선택성 흡수기를 추가로 포함하는 광학 요소.
  6. 제5항에 있어서, 파장 선택성 흡수기는 색상 선택성 이색 거울과 반사 편광기 사이에 배치되는 광학 요소.
  7. 제4항에 있어서, 제1 파장 범위의 광은 청색 광 또는 자외선 광을 포함하는 광학 요소.
  8. 제4항에 있어서, 제1 파장 범위의 광은 100 내지 500 나노미터의 파장 범위를 갖는 광을 포함하는 광학 요소.
  9. 제1항에 있어서, 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter: PBS)를 형성하는 제1 및 제2 프리즘을 추가로 포함하고, 반사 편광기 및 색상 선택성 이색 거울은 PBS의 대각선 상에 배치되는 광학 요소.
  10. 제1항의 광학 요소를 포함하는 색상 조합기.
  11. 제10항의 색상 조합기를 포함하는 프로젝션 시스템.
  12. 제1항에 있어서,
    제2 입력 표면을 갖고, 제2 입력 표면에 수직한 제2 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되며, 제2 유색 광 빔은 또한 색상 선택성 이색 거울을 대략 45도의 각도로 인터셉트하는, 제2 색상 선택성 이색 필터를 추가로 포함하고,
    색상 선택성 이색 거울은 제2 유색 광 빔의 많은 부분을 투과시킬 수 있는 광학 요소.
  13. 제12항에 있어서, 제1 유색 광 빔 및 제2 유색 광 빔 각각은 수렴 또는 발산 광선을 포함하는 광학 요소.
  14. 제12항에 있어서,
    제1 색상 선택성 이색 필터와 반사 편광기 사이에 배치되는 제1 지연기; 및
    제2 색상 선택성 이색 필터와 반사 편광기 사이에 배치되는 제2 지연기를 추가로 포함하는 광학 요소.
  15. 제14항에 있어서, 반사 편광기는 제1 편광 상태에 정렬되고, 각각의 지연기는 제1 편광 상태에 대략 45도 각도로 정렬된 1/4-파장 지연기를 포함하는 광학 요소.
  16. 제15항에 있어서, 제1 유색 광 빔은 제1 유색 비편광된 광을 포함하고, 제2 유색 광 빔은 제1 유색 비편광된 광과는 상이한 제2 유색 비편광된 광을 포함하는 광학 요소.
  17. 제16항의 광학 요소를 포함하는 색상 조합기.
  18. 제17항에 있어서,
    제1 유색 비편광된 광을 방출하는 제1 유색 광원;
    제2 유색 비편광된 광을 방출하는 제2 유색 광원; 및
    제1 유색 비편광된 광 및 제2 유색 비편광된 광을 포함하는 조합된 광을 추가로 포함하는 색상 조합기.
  19. 제18항의 색상 조합기를 포함하는 프로젝션 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    제3 입력 표면을 갖고, 제3 입력 표면에 수직한 제3 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되며, 제3 유색 광 빔은 또한 색상 선택성 이색 거울을 대략 45도의 각도로 인터셉트하는, 제3 색상 선택성 이색 필터; 및
    제1 편광 상태에 대략 45도 각도로 정렬되고, 제3 색상 선택성 이색 필터를 향하여 배치되는, 제3 1/4-파장 지연기를 추가로 포함하고,
    색상 선택성 이색 거울은 제3 유색 광 빔의 많은 부분을 투과시킬 수 있는 광학 요소.
  21. 제20항에 있어서, 제1 유색 광 빔은 제1 유색 비편광된 광을 포함하고, 제2 유색 광 빔은 제2 유색 비편광된 광을 포함하며, 제3 유색 광 빔은 제3 유색 비편광된 광을 포함하고, 제1, 제2 및 제3 유색 비편광된 광의 각각은 상이한 파장 범위를 포함하는 광학 요소.
  22. 제21항의 광학 요소를 포함하는 색상 조합기.
  23. 제22항에 있어서,
    제1 유색 비편광된 광을 방출하는 제1 유색 광원;
    제2 유색 비편광된 광을 방출하는 제2 유색 광원;
    제3 유색 비편광된 광을 방출하는 제3 유색 광원; 및
    제1 유색 비편광된 광, 제2 유색 비편광된 광 및 제3 유색 비편광된 광을 포함하는 조합된 광을 추가로 포함하는 색상 조합기.
  24. 제23항의 광학 요소를 포함하는 프로젝션 시스템.
  25. 제1 입력 표면을 갖고, 제1 입력 표면에 수직한 제1 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되는 제1 색상 선택성 이색 필터;
    제1 유색 광 빔을 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 반사 편광기;
    제1 유색 광 빔을 출력 표면에 수직한 출력 방향으로 투과시키도록 배치되는 출력 표면; 및
    제1 유색 광 빔 및 제2 유색 광 빔 둘 모두를 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 색상 선택성 이색 거울을 포함하고,
    색상 선택성 이색 거울은 제2 유색 광 빔의 제1 많은 부분을 출력 방향으로 반사시킬 수 있고, 제1 유색 광 빔의 제2 많은 부분을 출력 방향으로 투과시킬 수 있는 광학 요소.
  26. 제25항에 있어서, 색상 선택성 이색 거울은 출력 방향에 수직한 제2 유색 광 빔의 제1 많은 부분을 투과시킬 수 있고, 출력 방향에 수직한 제1 유색 광 빔의 제2 많은 부분을 반사시킬 수 있는 광학 요소.
  27. 제25항에 있어서,
    제2 입력 표면을 갖고, 제2 입력 표면에 수직한 제3 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되며, 제3 유색 광 빔은 반사 편광기 및 색상 선택성 이색 거울 둘 모두를 대략 45도의 각도로 인터셉트할 수 있는, 제2 색상 선택성 이색 필터를 추가로 포함하고,
    색상 선택성 이색 거울은 제3 광 빔의 제3 많은 부분을 출력 방향으로 투과시킬 수 있는 광학 요소.
  28. 제25항에 있어서, 제2 유색 광 빔의 많은 부분은 제2 유색 광 빔의 적어도 60%를 구성하는 광학 요소.
  29. 제25항에 있어서, 제2 유색 광 빔의 많은 부분은 제2 유색 광 빔의 적어도 75%를 구성하는 광학 요소.
  30. 제25항에 있어서, 제2 유색 광 빔은 반사 편광기를 열화시킬 수 있는 파장 범위의 광을 포함하는 광학 요소.
  31. 제30항에 있어서, 상기 파장 범위의 광은 청색 광 또는 자외선 광을 포함하는 광학 요소.
  32. 제30항에 있어서, 상기 파장 범위의 광은 100 내지 500 나노미터의 파장 범위를 갖는 광을 포함하는 광학 요소.
  33. 제25항에 있어서, 편광 빔 스플리터(PBS)를 형성하는 제1 및 제2 프리즘을 추가로 포함하고, 반사 편광기는 PBS의 대각선 상에 배치되는 광학 요소.
  34. 제25항에 있어서, 제1 유색 광 빔 및 제2 유색 광 빔 각각은 수렴 또는 발산 광선을 포함하는 광학 요소.
  35. 제27항에 있어서,
    제1 색상 선택성 이색 필터와 반사 편광기 사이에 배치되는 제1 지연기; 및
    제2 색상 선택성 이색 필터와 반사 편광기 사이에 배치되는 제2 지연기를 추가로 포함하는 광학 요소.
  36. 제35항에 있어서, 반사 편광기는 제1 편광 상태에 정렬되고, 각각의 지연기는 제1 편광 상태에 대략 45도 각도로 정렬된 1/4-파장 지연기를 포함하는 광학 요소.
  37. 제36항에 있어서, 제1 유색 광 빔은 제1 유색 비편광된 광을 포함하고, 제2 유색 광 빔은 제2 유색 비편광된 광을 포함하며, 제3 유색 광 빔은 제3 유색 비편광된 광을 포함하고, 제1, 제2 및 제3 유색 비편광된 광의 각각은 상이한 파장 범위를 포함하는 광학 요소.
  38. 제37항의 광학 요소를 포함하는 색상 조합기.
  39. 제38항에 있어서,
    제1 유색 비편광된 광을 방출하는 제1 유색 광원;
    제2 유색 비편광된 광을 방출하는 제2 유색 광원;
    제3 유색 비편광된 광을 방출하는 제3 유색 광원; 및
    제1 유색 비편광된 광, 제2 유색 비편광된 광 및 제3 유색 비편광된 광을 포함하는 조합된 광을 추가로 포함하는 색상 조합기.
  40. 제39항의 광학 요소를 포함하는 프로젝션 시스템.
  41. 제1 입력 표면을 갖고, 제1 입력 표면에 수직한 제1 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되며, 제1 유색 광 빔은 반사 편광기를 열화시킬 수 있는 제1 파장 범위의 광 및 제2 파장 범위의 광을 포함하는, 제1 색상 선택성 이색 필터;
    제1 유색 광 빔을 대략 45도의 각도로 인터셉트하도록 배치되는 색상 선택성 이색 거울; 및
    제1 색상 선택성 이색 필터에 대향되어, 색상 선택성 이색 거울에 인접하게 배치되는 반사 편광기를 포함하고,
    색상 선택성 이색 거울은 제1 파장 범위의 광의 많은 부분을 반사시킬 수 있고, 제1 파장 범위의 광의 적은 부분을 투과시킬 수 있으며, 제2 파장 범위의 광의 많은 부분을 투과시킬 수 있는 광학 요소.
  42. 제41항에 있어서, 제1 파장 범위의 광의 많은 부분은 제1 파장 범위의 광의 적어도 60%를 구성하는 광학 요소.
  43. 제41항에 있어서, 제1 파장 범위의 광의 많은 부분은 제1 파장 범위의 광의 적어도 75%를 구성하는 광학 요소.
  44. 제41항에 있어서, 제1 파장 범위의 광을 흡수할 수 있고 제1 파장 범위의 광의 적은 부분을 인터셉트하도록 배치되는 파장 선택성 흡수기를 추가로 포함하는 광학 요소.
  45. 제44항에 있어서, 파장 선택성 흡수기는 색상 선택성 이색 거울과 반사 편광기 사이에 배치되는 광학 요소.
  46. 제44항에 있어서, 파장 선택성 흡수기는 색상 선택성 이색 거울과 반사 편광기 사이에 배치되는 광학 요소.
  47. 제41항에 있어서, 제1 파장 범위의 광은 청색 광 또는 자외선 광을 포함하는 광학 요소.
  48. 제41항에 있어서, 제1 파장 범위의 광은 100 내지 500 나노미터의 파장 범위를 갖는 광을 포함하는 광학 요소.
  49. 제41항에 있어서, 편광 빔 스플리터(PBS)를 형성하는 제1 및 제2 프리즘을 추가로 포함하고, 반사 편광기 및 색상 선택성 이색 거울은 PBS의 대각선 상에 배치되는 광학 요소.
  50. 제41항의 광학 요소를 포함하는 색상 조합기.
  51. 제50항의 색상 조합기를 포함하는 프로젝션 시스템.
  52. 제41항에 있어서,
    제2 입력 표면을 갖고, 제2 입력 표면에 수직한 제2 유색 광 빔을 투과시키도록 배치되며, 제2 유색 광 빔은 또한 색상 선택성 이색 거울을 대략 45도의 각도로 인터셉트하는, 제2 색상 선택성 이색 필터를 추가로 포함하고,
    색상 선택성 이색 거울은 제2 유색 광 빔의 많은 부분을 투과시킬 수 있는 광학 요소.
  53. 제52항에 있어서, 제1 유색 광 빔 및 제2 유색 광 빔 각각은 수렴 또는 발산 광선을 포함하는 광학 요소.
  54. 제52항에 있어서,
    제1 색상 선택성 이색 필터와 반사 편광기 사이에 배치되는 제1 지연기; 및
    제2 색상 선택성 이색 필터와 반사 편광기 사이에 배치되는 제2 지연기를 추가로 포함하는 광학 요소.
  55. 제54항에 있어서, 반사 편광기는 제1 편광 상태에 정렬되고, 각각의 지연기는 제1 편광 상태에 대략 45도 각도로 정렬된 1/4-파장 지연기를 포함하는 광학 요소.
  56. 제52항에 있어서, 제1 유색 광 빔은 제1 유색 비편광된 광을 포함하고, 제2 유색 광 빔은 제1 유색 비편광된 광과는 상이한 제2 유색 비편광된 광을 포함하는 광학 요소.
  57. 제54항의 광학 요소를 포함하는 색상 조합기.
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