KR20110135568A - 조명광학유닛 및 이를 가지는 디스플레이장치 - Google Patents

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KR20110135568A
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light
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homogenizing
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전기욱
김성태
노정호
이원용
장경철
홍석찬
김종회
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삼성전자주식회사
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Abstract

디스플레이장치의 디스플레이소자에 광을 생성 및 조사하는 조명광학유닛은, 광원과; 광원으로부터 조사되는 광을 균일화시키며 광경로 상에 순차 배치된 복수의 균일화렌즈를 포함하는 균일화유닛과; 균일화유닛으로부터 출사되는 광을 집속시켜 디스플레이소자에 출사하며 광경로 상에 순차 배치된 복수의 콘덴싱렌즈를 포함하는 콘덴싱유닛을 포함하며, 균일화유닛 및 콘덴싱유닛의 배치는, 균일화렌즈를 구성하는 복수의 셀 렌즈 중에서 하나의 셀 렌즈의 폭 및 디스플레이소자에 표시되는 영상의 폭에 기초하여 지정되는 것을 특징으로 한다.

Description

조명광학유닛 및 이를 가지는 디스플레이장치 {ILLUMINATING UNIT AND DISPLAY APPARATUS HAVING THE SAME}
본 발명은 프로젝션 방식의 조명광학유닛 및 이를 가지는 디스플레이장치에 관한 것으로서, 상세하게는 디스플레이소자에 입사되는 광의 광효율을 향상시키는 배치 구조의 조명광학유닛 및 이를 가지는 디스플레이장치에 관한 것이다.
디스플레이장치는 액정 또는 플라즈마 패널로 구현되는 디스플레이 패널을 구비함으로써 영상을 처리하여 이러한 패널 상에 표시한다. 또한, 대화면의 고화질 화상을 구현하는 디스플레이장치로서, 디스플레이 패널에 형성된 화상을 다양한 렌즈 구성에 의해 대형 스크린에 투사하는 프로젝션(projection) 방식의 디스플레이장치가 제안되어 있다.
이러한 프로젝션 방식의 디스플레이장치는 램프 등으로 구현된 광원으로부터 생성된 광을 디스플레이 패널에 조명함으로써 패널 상에 화상을 형성한다. 그런데 램프는 수명이 짧고 열 발생이 많은 문제점을 가지므로, 근래에는 램프를 대신하여 발광 다이오드 소자(light-emitting unit, LED)를 광원으로 적용하는 예가 증가하고 있다. 발광 다이오드 소자는 램프에 비해 수명이 길고 열 발생이 적고, 색 재현성이 우수하며 보다 선명한 화상을 표시할 수 있는 장점이 있다.
그런데, 디스플레이 패널에 영상을 표시하기 위해서는, 패널에 대한 광조사 영역은 패널 상에서 영상이 표시되는 유효 영역보다 커야만 한다. 만일, 패널에 대한 광조사 영역이 상기한 유효 영역보다 작은 경우, 영상의 가장자리에 광이 제대로 공급되지 않으므로 영상의 가장자리가 어둡거나 표시되지 않는다. 반면, 패널에 대한 광조사 영역이 상기한 유효 영역보다 현저히 큰 경우, 상기한 유효 영역 외측에 조사되는, 즉 영상의 표시에 기여하지 않는 광량이 많아지게 된다. 이는 광손실의 증가에 따른 광효율의 저하를 초래한다.
디스플레이 패널에 대한 광조사 영역은 광원으로부터 패널 사이에 개재된 다양한 렌즈 구성들에 의해 결정되므로, 영상의 표시 상태 및 광효율을 고려하여 이러한 렌즈 구성들을 배치하는 것은 디스플레이장치의 설계에서 중요한 패러미터가 된다.
본 발명의 실시예에 따른 디스플레이장치의 디스플레이소자에 광을 생성 및 조사하는 조명광학유닛은, 광원과; 상기 광원으로부터 조사되는 광을 균일화시키며 광경로 상에 순차 배치된 복수의 균일화렌즈를 포함하는 균일화유닛과; 상기 균일화유닛으로부터 출사되는 광을 집속시켜 상기 디스플레이소자에 출사하며 광경로 상에 순차 배치된 복수의 콘덴싱렌즈를 포함하는 콘덴싱유닛을 포함하며, 상기 균일화유닛 및 상기 콘덴싱유닛은 하기 수학식을 만족하게 배치된 것을 특징으로 한다.
<수학식 1>
1.0 < (D2/H2)/(D1/H1) ≤ 1.4
여기서, H1은 상기 균일화렌즈 중 하나의 셀 렌즈의 폭이며, H2는 상기 디스플레이소자에서의 영상의 폭이며, D1은 상기 복수 균일화렌즈 중에서 광경로 상에 최초 배치된 어느 하나의 광입사면 및 최후 배치된 다른 하나의 광출사면 사이의 거리이며, D2는 상기 복수 균일화렌즈 중에서 상기 최후 배치된 다른 하나의 광출사면 및 상기 복수의 콘덴싱렌즈 중에서 광경로 상에 최후 배치된 어느 하나의 광입사면 사이의 거리이다.
여기서, 상기 H1는 상기 셀 렌즈의 가로폭 또는 세로폭으로 지정되며, 상기 H2는 상기 H1이 상기 셀 렌즈의 가로폭인 경우에 상기 영상의 가로폭으로, 상기 H1이 상기 셀 렌즈의 세로폭인 경우에 상기 영상의 세로폭으로 지정될 수 있다.
또한, 상기 균일화렌즈는 동일 규격의 상기 셀 렌즈가 어레이 배열된 플라이아이(fly-eye) 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 광원으로부터의 확산광을 평행광으로 조정하여 상기 균일화유닛에 출사하며, 광경로 상에 순차 배치된 복수의 평행광렌즈를 포함하는 평행광유닛을 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 복수의 평행광렌즈는 상기 광원 측에 배치된 제1평행광렌즈 및 상기 균일화유닛 측에 배치된 제2평행광렌즈를 포함하며, 다음 수학식을 만족할 수 있다.
<수학식 2>
0.5 ≤ p1/p2 ≤ 1.2
여기서, p1은 상기 제1평행광렌즈의 파워이며, p2는 상기 제2평행광렌즈의 파워이다.
또한, 상기 복수의 콘덴싱렌즈는 상기 평행광유닛 측에 배치된 제1콘덴싱렌즈 및 상기 디스플레이소자 측에 배치된 제2콘덴싱렌즈를 포함하며, 다음 수학식을 만족할 수 있다.
<수학식 3>
0.9 ≤ p3/p4 ≤ 1.1
여기서, p3은 상기 제1콘덴싱렌즈의 파워이며, p4는 상기 제2콘덴싱렌즈의 파워이다.
여기서, 상기 제1콘덴싱렌즈 및 상기 제2콘덴싱렌즈 사이의 광경로 상에 설치되는 반사미러를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 균일화유닛으로부터 출사되는 광을 기 설정된 편광 특성으로 변환하여 상기 콘덴싱유닛에 출사하는 편광변환유닛을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광원은 발광 다이오드 소자를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이장치는, 광을 생성 및 조사하는 상기한 구조에 따른 조명광학유닛과; 상기 조명광학유닛으로부터 조사되는 광에 의해 영상을 표시하는 디스플레이소자와; 상기 디스플레이소자에 표시되는 영상을 스크린 상에 투사하는 투사광학유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이장치의 디스플레이소자에 광을 생성 및 조사하는 조명광학유닛은, 광원과; 상기 광원으로부터 조사되는 확산광을 평행광으로 조정하며, 광경로를 따라서 순차 배치된 제1평행광렌즈 및 제2평행광렌즈를 포함하는 평행광유닛과; 상기 제2평행광렌즈로부터 출사되는 광을 균일화시키며, 광경로를 따라서 순차 배치된 제1균일화렌즈 및 제2균일화렌즈를 포함하는 균일화유닛과; 상기 제2균일화렌즈로부터 출사되는 광을 기 설정된 편광 특성으로 변환하는 편광변환유닛과; 상기 편광변환유닛으로부터 출사되는 광을 집속시켜 상기 디스플레이소자에 출사하며, 광경로를 따라서 순차 배치된 제1콘덴싱렌즈 및 제2콘덴싱렌즈를 포함하는 콘덴싱유닛을 포함하며, 상기 제1균일화렌즈, 상기 제2균일화렌즈 및 상기 제2콘덴싱렌즈 사이의 거리는, 상기 제1균일화렌즈를 구성하는 복수의 셀 렌즈 중에서 하나의 상기 셀 렌즈의 폭 및 상기 디스플레이소자에 표시되는 영상의 폭에 기초하여 지정되는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 제1균일화렌즈, 상기 제2균일화렌즈 및 상기 제2콘덴싱렌즈는 하기 수학식을 만족하게 배치될 수 있다.
<수학식 4>
1.0 < (D2/H2)/(D1/H1) ≤ 1.4
여기서, H1은 상기 셀 렌즈의 폭이며, H2는 상기 디스플레이소자에서의 영상의 폭이며, D1은 상기 제1균일화렌즈의 광입사면 및 상기 제2균일화렌즈의 광출사면 사이의 거리이며, D2는 상기 제2균일화렌즈의 광출사면 및 상기 제2콘덴싱렌즈의 광입사면 사이의 거리이다
여기서, 상기 H1는 상기 셀 렌즈의 가로폭 또는 세로폭으로 지정되며, 상기 H2는 상기 H1이 상기 셀 렌즈의 가로폭인 경우에 상기 영상의 가로폭으로, 상기 H1이 상기 셀 렌즈의 세로폭인 경우에 상기 영상의 세로폭으로 지정될 수 있다.
또한, 상기 제1균일화렌즈 및 상기 제2균일화렌즈는 동일 규격의 상기 셀 렌즈가 어레이 배열된 플라이아이 렌즈를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 제1균일화렌즈 및 상기 제2균일화렌즈는 각각의 상기 셀 렌즈의 볼록한 판면이 상호 반대방향을 향하게 배치될 수 있다.
또한, 상기 제1평행광렌즈 및 상기 제2평행광렌즈는 콜리메이팅(collimating) 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1콘덴싱렌즈 및 상기 제2콘덴싱렌즈 사이의 광경로 상에 설치되는 반사미러를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 광원은 발광 다이오드 소자를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이장치는, 광을 생성 및 조사하는 상기한 구조에 따른 조명광학유닛과; 상기 조명광학유닛으로부터 조사되는 광에 의해 영상을 형성하는 디스플레이소자와; 상기 디스플레이소자에 형성되는 영상을 스크린 상에 투사하는 투사광학유닛을 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 조명광학유닛 및 상기 디스플레이소자는 복수의 컬러에 각기 대응하게 설치되며, 각 컬러에 대응하는 상기 디스플레이소자에 표시되는 영상을 합성하여 상기 투사광학유닛으로 전달하는 영상합성유닛을 더 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이장치의 구성도,
도 2는 도 1의 디스플레이장치에서 조명광학유닛 및 디스플레이소자의 개략적인 배치도,
도 3은 도 2의 디스플레이장치에서 광원, 균일화유닛 및 디스플레이소자를 나타낸 사시도,
도 4는 도 2의 디스플레이장치에서 균일화렌즈 및 디스플레이소자에 따라서 조명광학유닛을 배치하는 방법을 나타내는 구성도,
도 5는 도 4의 디스플레이소자에서, 조명광학유닛으로부터 조사되는 광의 폭이 영상의 폭에 비해 큰 경우를 나타내는 예시도,
도 6은 도 4의 디스플레이소자에서, 조명광학유닛으로부터 조사되는 광의 폭이 영상의 폭에 비해 작은 경우를 나타내는 예시도,
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스플레이장치의 구성도이다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다. 이하 실시예에서는 본 발명의 사상과 직접적인 관련이 있는 구성들에 관해서만 설명하며, 그 외의 구성에 관해서는 설명을 생략한다. 그러나, 본 발명의 사상이 적용된 디스플레이장치(1)를 구현함에 있어서, 이와 같이 설명이 생략된 구성이 불필요함을 의미하는 것이 아님을 밝힌다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 디스플레이장치(1)의 광학적 배치를 나타낸 평면도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 디스플레이장치(1)는 프로젝션 방식으로 구현되는 바, 소정 컬러의 광을 생성 및 조사하는 조명광학유닛(10)과, 조명광학유닛(10)으로부터 조사되는 광에 기초하여 판면 상에 영상을 표시하는 디스플레이소자(20)와, 디스플레이소자(20)에 표시되는 영상을 스크린(미도시)에 확대 투사하는 투사광학유닛(40)을 포함한다.
디스플레이장치(1)는 각 컬러, 예를 들면 RGB 컬러 각각에 대응하는 조명광학유닛(10) 및 디스플레이소자(20)를 포함한다. 그리고, 디스플레이장치(1)는 X-프리즘(prism) 또는 컬러 큐브(color cube)로 구현되며 각 컬러 별 디스플레이소자(20)에 형성되는 영상을 합성시켜 투사광학유닛(40)으로 전달시키는 영상합성유닛(30)을 더 포함한다. 본 실시예에서는 어느 하나의 컬러에 대응하는 조명광학유닛(10) 및 디스플레이소자(20)에 관해서만 설명하며, 다른 컬러의 경우에 관해서는 본 실시예를 응용할 수 있으므로 해당 설명을 생략한다.
조명광학유닛(10)은 광을 생성 및 조사하는 광원(100)과, 광원(100)으로부터 조사되는 확산광을 평행광으로 조정하는 평행광유닛(200)과, 평행광유닛(100)으로부터 출사되는 광을 균일화시키는 균일화유닛(300)과, 균일화유닛(300)으로부터 출사되는 광을 기 설정된 편광 특성으로 변환하는 편광변환유닛(400)과, 편광변환유닛(400)으로부터 출사된 광을 집속시켜 디스플레이소자(20)에 출사하는 콘덴싱유닛(500)을 포함한다.
또한, 조명광학유닛(10)은 콘덴싱유닛(500) 및 디스플레이소자(20) 사이에 개재되며 광의 편광 특성을 최종적으로 필터링하기 위한 편광판(600)을 더 포함할 수 있다.
이상, 광의 특성을 조정하는 조명광학유닛(10)의 각 구성은 렌즈 등으로 구현되며, 또한 수차의 보정 등을 위해 복수 개의 렌즈가 광경로를 따라서 배치된다.
디스플레이소자(20)는 조명광학유닛(10)으로부터 조사되는 광을 선택적으로 투과 또는 반사시켜 화상을 형성한다. 디스플레이소자(20)는 판면 상에 기 설정된 유효 영역을 가지며, 이 유효 영역에 광이 조사됨으로써 유효 영역 상에 영상이 표시된다.
디스플레이소자(20)는 입사되는 광을 각 픽셀 단위로 선택적으로 반사시킴으로써 화상을 형성하는 반사형 표시소자와, 입사광을 각 픽셀 단위로 선택적으로 투과시킴으로써 화상을 형성하는 투과형 액정표시소자로 구현될 수 있다. 반사형 표시소자로는 디지털 마이크로미러 디바이스(digital micro-mirror device, DMD) 소자, 반사형 액정표시소자(liquid crystal on silicon, LCOS) 등이 있다.
이하, 본 실시예에 따른 조명광학유닛(10)의 구성에 관해 도 2를 참조하여 설명한다. 도 2는 조명광학유닛(10)의 각 구성요소가 광원(100)으로부터 디스플레이소자(20)까지의 광경로(L)를 따라서 배치된 모습을 나타낸 구성도이다.
도면에 나타난 각 방향에 대해 설명한다. X, Y, Z 방향은 각각 상호 직교하는 방향이다. 광원(100)으로부터의 광경로(L)는 X 방향을 따라서 형성되며, 디스플레이소자(20)는 Y-Z 평면 상에 배치된다. 평행광유닛(200), 균일화유닛(300), 편광변환유닛(400) 및 콘덴싱유닛(500)은 광경로(L)를 따라서 광원(100) 및 디스플레이소자(20) 사이에 순차적으로 배치된다. 이하, 도 2를 포함한 각 도면 및 실시예에서는 이러한 방향 정의를 기초로 하여 설명한다. 여기서, X, Y, Z 방향의 반대방향은 각각 -X, -Y, -Z 방향으로 나타내고, Y-Z 평면은 Y 방향의 축 및 Z 방향의 축에 형성되는 평면을 의미한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 광원(100)은 다양한 형상 및 크기를 가지는 발광 다이오드 소자로 구현되며, 광을 생성하여 X 방향으로 조사한다. 광원(100)으로부터 조사되는 광은 확산광의 특성을 가진다.
평행광유닛(200)은 광원(100)으로부터 발산되는 확산광을 평행광으로 조정한다. 평행광유닛(200)은 광경로(L)를 따라서 순차 배치되며 콜리메이팅(collimating) 렌즈로 구현된 제1평행광렌즈(210) 및 제2평행광렌즈(220)를 포함한다.
균일화유닛(300)은 평행광유닛(200)에 의해 조정되는 평행광이 입사되면, 이 평행광의 광량 분포를 균일하게 조정한다. 균일화유닛(300)은 광경로(L)를 따라서 순차 배치되며 플라이아이(fly-eye) 렌즈로 구현된 제1균일화렌즈(310) 및 제2균일화렌즈(320)를 포함한다. 제1균일화렌즈(310) 및 제2균일화렌즈(320)는 각각 복수 개의 셀(cell) 렌즈 또는 세그먼트(segment) 렌즈가 어레이(array) 배열되어 형성된다. 각 셀 렌즈는 상호 배향하는 광입사면 및 광출사면 중에서, 어느 하나가 평탄한 판면을 가지고, 다른 하나가 볼록한 판면을 가진다.
여기서, 제1균일화렌즈(310) 및 제2균일화렌즈(320)는 동일한 규격을 가지며, 제1균일화렌즈(310) 및 제2균일화렌즈(320) 각각의 셀 렌즈의 가로폭 및 세로폭 비율은 디스플레이소자(20)에서 영상이 표시되는 유효 영역의 가로폭 및 세로폭 비율과 실질적으로 동일하게 마련된다. 이로써, 균일화유닛(300)에 의해 균일화된 광이 디스플레이소자(20)의 유효 영역에 조사될 때, 이 광조사 영역의 가로폭 및 세로폭 비율이 상기한 유효 영역에 대응하게 나타날 수 있다.
또한, 제1균일화렌즈(310) 및 제2균일화렌즈(320)는 본 실시예처럼 각 셀 렌즈의 볼록한 판면이 상호 반대방향을 향하고, 평탄한 판면이 상호 마주보게 설치될 수 있다. 그러나, 이는 디스플레이장치(1) 및 조명광학유닛(10)의 설계 단계에서 광 특성을 고려하여 변경이 가능하다.
편광변환유닛(400)은 균일화유닛(300)에 의해 균일화되는 광의 편광 특성을 변환시킨다. 편광변환유닛(400)은 일 방향으로 연장된 복수의 편광 프리즘(미도시)이 Y-Z 평면에 평행하게 병렬 배치됨으로써 구현된다. 이에 의하여, 편광변환유닛(400)은 균일화유닛(300)으로부터 출사되는 광을 P 편광 및 S 편광 중에서 기 설정된 어느 하나의 편광 특성을 가지게 하여 출사시킨다.
편광변환유닛(400)에 의해 편광변환된 광은 이후 편광판(600)을 통과함으로써, 디스플레이소자(20)에 조사되는 광의 편광 특성이 최종적으로 조정된다.
콘덴싱유닛(500)은 편광변환유닛(400)에 의해 편광 특성이 조정되는 광을 집속시켜 디스플레이소자(20)에 조사한다. 콘덴싱유닛(500)은 광경로(L)를 따라서 순차 배치되며 콘덴싱(condensing) 렌즈 또는 릴레이(relay) 렌즈로 구현된 제1콘덴싱렌즈(510) 및 제2콘덴싱렌즈(520)를 포함한다.
도 3은 이러한 구성에서, 광원(100), 균일화유닛(300) 및 디스플레이소자(20)를 나타낸 사시도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 제1균일화렌즈(310)는 Y-Z 평면을 따라서 어레이 배열되며 소정의 가로폭(CH) 및 세로폭(CV)을 가지는 복수의 셀 렌즈(311)를 가진다. 광원(100)으로부터의 광이 광경로(L)를 따라서 각각의 셀 렌즈(311)에 입사되고, 각 셀 렌즈(311)로부터 출사되는 광은 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P)에 중첩되게 조사된다.
유효 영역(P)은 디스플레이소자(20)의 판면 상에서 영상이 표시되는 영역이며, 소정의 가로폭(PH) 및 세로폭(PV)을 가진다.
디스플레이소자(20)에 영상이 정상적으로 표시되기 위해서는, 광원(100)으로부터 디스플레이소자(20)에 조사되는 광의 광조사 영역(E)이 유효 영역(P)을 포함하여야 한다. 즉, 상기한 광조사 영역(E)의 가로폭(EH) 및 세로폭(EV)은 유효 영역(P)의 가로폭(PH) 및 세로폭(PV)을 각각 초과하되, 유효 영역(P)이 광조사 영역(E) 내에 있어야 한다.
여기서, 유효 영역(P)의 외측에 나타나는 광조사 영역(E)의 일 영역(E-P)은 유효 영역(P)이 아니므로, 이 영역(E-P)에 조사되는 광은 영상 표시에 기여하지 않고 손실된다. 따라서, 광조사 영역(E)의 면적이 유효 영역(P)의 면적보다 크되, E-P 영역의 면적이 현저히 크면 광손실이 커지므로 바람직하지 않다.
따라서, 영상의 정상적인 표시 및 광효율의 측면을 고려하여 광조사 영역(E)의 가로폭(EH) 및 세로폭(EV)이 적절히 지정되는 것이 바람직하다. 본 실시예에 따르면, 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311)의 폭(CH, CV) 및 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P)의 폭(PH, PV)이 결정되면, 이에 대응하여 적절한 광조사 영역(E)이 형성되도록 조명광학유닛(10) 내 구성요소들의 배치 간격을 조절할 수 있다.
이로써, 별도의 물리적 구성을 설치하지 않고 간단하게 조명광학유닛(10)의 배치를 조절하는 것만으로, 디스플레이소자(20)에 대한 광의 조사 효율을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 실시예에 따라서 조명광학유닛(10)의 배치 간격을 조절하는 구성에 관해, 도 4를 참조하여 설명한다. 도 4는 균일화유닛(300), 편광변환유닛(400), 콘덴싱유닛(500) 및 디스플레이소자(20)가 광경로를 따라서 배치된 모습을 나타낸 구성도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 광원(100)으로부터 조사되는 광은 평행광유닛(200)을 거쳐서 제1균일화렌즈(310)의 각 셀 렌즈(311)로 입사된다. 제1균일화렌즈(310)의 각 셀 렌즈(311)로 입사되는 광은 제2균일화렌즈(320)를 통과하며, 편광변환유닛(400)에 의해 기 설정된 편광 특성으로 변환된다. 그리고, 이와 같이 변환되는 광은 제1콘덴싱렌즈(510) 및 제2콘덴싱렌즈(520)를 거쳐 집속되어 디스플레이소자(20)로 조사된다.
여기서, 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311) 하나의 폭을 H1이라고 하고, H1과 평행하며 디스플레이소자(20)에서 영상의 폭 또는 유효 영역(P)의 폭을 H2라고 한다. 여기서, H1은 셀 렌즈(311)의 가로폭 또는 세로폭 중 어느 하나로 지정될 수 있는데, H1이 셀 렌즈(311)의 가로폭인 경우에 H2는 유효 영역(P)의 가로폭으로, H1이 셀 렌즈(311)의 세로폭인 경우에 H2는 유효 영역(P)의 세로폭으로 각각 지정된다.
예를 들어, 제1균일화렌즈(310)의 중앙에 위치한 폭 H1의 셀 렌즈(311)에서, 셀 렌즈(311)의 폭 양단에 각각 평행하게 입사되는 두 개의 주광선(chief ray)을 고려한다. 이 두 개의 주광선은 제1균일화렌즈(310)를 통과하면서 굴절하여, 대략 제2균일화렌즈(320)의 광출사면(320b)에서 교차점을 형성한다. 이에 의하여, 두 주광선 및 제1균일화렌즈(310)의 광입사면(310a)에 의해 이등변삼각형 T1이 형성되는 바, 이등변삼각형 T1의 밑변은 하나의 셀 렌즈(311)의 폭인 H1이 되고, 높이는 제1균일화렌즈(310)의 광입사면(310a) 및 제2균일화렌즈(320)의 광출사면(320b) 사이의 거리인 D1이 된다.
그리고, 상기한 두 주광선은 제2균일화렌즈(320)의 광출사면(320b)에서 교차하여 진행하다가, 제2콘덴싱렌즈(520)의 광입사면(520a)에 입사된 이후에 평행광이 되어 디스플레이소자(20)로 출사된다. 즉, 제2콘덴싱렌즈(520)의 광입사면(520a)과 디스플레이소자(20) 각각에서, 두 주광선 사이의 폭은 실질적으로 동일한 H3를 나타낸다.
이에 의하여, 두 주광선 및 제2콘덴싱렌즈(520)의 광입사면(520a)에 의해 이등변삼각형 T2가 형성되는 바, 이등변삼각형 T2의 밑변은 H3가 되고, 높이는 제2균일화렌즈(320)의 광출사면(320b) 및 제2콘덴싱렌즈(520)의 광입사면(520a) 사이의 거리인 D2가 된다.
여기서, 디스플레이소자(20)의 영상이 정상적으로 표시되기 위해서는, 폭 H3가 폭 H2를 초과하여야 하는 바, 아래 수학식을 만족한다.
<수학식 1>
1.0<(H3/H2)≤k
여기서, k는 1을 초과하는 상수로서, 광효율을 고려하여 다양하게 지정될 수 있는 값이며, 상수 k에 관해서는 후술한다.
그런데, 상기한 두 주광선에 의해 형성된 이등변삼각형 T1 및 T2는 상호 닮은꼴이므로, 아래 수학식을 만족한다.
<수학식 2>
H1:D1=H3:D2
H3=H1*(D2/D1)
그리고, 수학식 2를 수학식 1에 대입하면 아래 수학식을 만족한다.
<수학식 3>
1.0<(H1/H2)*(D2/D1)≤k
1.0<(D2/H2)/(D1/H1)≤k
수학식 3에서, H1은 제1균일화렌즈(310)에서 하나의 셀 렌즈(311)의 폭이며, H2는 디스플레이소자(20)에서 영상의 폭 또는 영상이 표시되기 위한 유효 영역(P)의 폭이며, D1은 제1균일화렌즈(310)의 광입사면(310a) 및 제2균일화렌즈(320)의 광출사면(320b) 사이의 거리, D2는 제2균일화렌즈(320)의 광출사면(320b) 및 제2콘덴싱렌즈(520)의 광입사면(520a) 사이의 거리를 의미한다.
즉, 본 실시예에 따르면, 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311) 및 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P) 각각의 폭이 지정되면, 이에 대응하여 제1균일화렌즈(310), 제2균일화렌즈(320) 및 제2콘덴싱렌즈(520) 사이의 거리를 결정할 수 있다.
이에 부가하여, 본 실시예에서 조명광학유닛(10)을 효율적으로 구성하기 위해서는, 각 렌즈 사이의 파워가 조절되는 것이 바람직하다.
렌즈의 파워는 렌즈의 고유 특성으로서, 렌즈의 유효초점거리(effective focal length)의 역수이다. 렌즈의 유효초점거리가 상대적으로 짧은 경우에 파워가 크다고 하며, 렌즈의 유효초점거리가 상대적으로 긴 경우에 파워가 작다고 한다.
예를 들면, 평행광유닛(200)이 광원(100) 측에 배치된 제1평행광렌즈(210)와, 제1균일화렌즈(310) 측에 배치된 제2평행광렌즈(220)를 포함하는 경우, 제1평행광렌즈(210)의 파워 p1 및 제2평행광렌즈(220)의 파워 p2는 아래 수학식을 만족한다.
<수학식 4>
0.5 ≤ p1/p2 ≤ 1.2
또한, 콘덴싱유닛(500)이 제2평행광렌즈(220) 또는 편광변환유닛(400) 측에 배치된 제1콘덴싱렌즈(510)와, 디스플레이소자(20) 측에 배치된 제2콘덴싱렌즈(520)를 포함하는 경우, 제1콘덴싱렌즈(510)의 파워 p3 및 제2콘덴싱렌즈(520)의 파워 p4는 아래 수학식을 만족한다.
<수학식 5>
0.9 ≤ p3/p4 ≤ 1.1
평행광유닛(200) 및 콘덴싱유닛(500)이 수학식 4 및 수학식 5를 각각 만족하는 경우에, 광을 평행광으로 조정하거나 집속하는 기능이 정상적으로 수행될 수 있다. 상기한 범위를 벗어나는 경우에는 광원(100)으로부터의 광을 디스플레이소자(20)에 대해 기 설정된 범위 및 광량으로 전달하는 것이 곤란하며, 앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 실시예의 적용이 곤란하다.
이하, 본 발명의 사상을 뒷받침하도록, W=(D2/H2)/(D1/H1)라고 할 때 각 패러미터를 조정한 실험 케이스에 관해 설명한다.
이하 각 실험들에 적용되는 평행광유닛(200)의 구성 데이터는 다음과 같다.
구성 명칭 r(mm) d(mm) n vd
광원 광출사면 ∞ 1.700 1.52310 55.00
제1평행광렌즈 광입사면 ∞ 8.000 1.74330 49.22
제1평행광렌즈 광출사면 -15.311 4.896
제2평행광렌즈 광입사면 83.737 13.000 1.52917 55.00
제2평행광렌즈 광출사면 -15.961 1.567
상기 표 1에서, r은 광입사면 또는 광출사면의 곡률이며, ∞ 값은 광경로(L)에 대해 직교하는 직선을 형성함을 의미한다. r이 (-)값이면, 광입사면 또는 광출사면이 광의 진행방향으로 볼록함을 뜻한다. r이 (+)값이면, 광입사면 또는 광출사면이 광의 진행방향에 대해 반대방향으로 볼록함을 뜻한다.
d는 표 1에서 해당값의 행에 대응하는 구성 및 그 다음 행에 대응하는 구성 사이의 간격 또는 거리를 의미한다. 예를 들면, 표 1에서, 제1평행광렌즈(210)의 광입사면 및 광출사면 사이의 거리는 8.000mm이며, 제1평행광렌즈(210)의 광출사면 및 제2평행광렌즈(220)의 광입사면 사이의 거리는 4.896mm이다.
n은 굴절률, vd는 아베 상수(Abbe number)로서 렌즈의 고유 특성에 해당하는 값이다.
이와 같이 광원(100) 및 평행광유닛(200)을 구성한 상태에서, 각 실험 케이스에서는 다음과 같이 조명광학유닛(10) 및 디스플레이소자(20)의 구성을 조절하여 수행되었으며, 각 케이스 별로 디스플레이소자(20)에 입사되는 광의 손실율이 측정되었다.
(1) 제1케이스
제1케이스에 적용된 제1균일화렌즈(310), 제2균일화렌즈(320), 편광변환유닛(400), 제1콘덴싱렌즈(510), 제2콘덴싱렌즈(520), 편광판(600) 및 디스플레이소자(20)의 구성 데이터는 다음과 같다.
구성 명칭 r(mm) d(mm) n vd
제1균일화렌즈 광입사면 6.200 1.600 1.48990 55.67
제1균일화렌즈 광출사면 ∞ 9.600
제2균일화렌즈 광입사면 ∞ 1.600 1.48990 55.67
제2균일화렌즈 광출사면 -6.200 2.080
편광변환유닛 광입사면 ∞ 2.200 1.523014 58.59
편광변환유닛 광출사면 ∞ 2.505
제1콘덴싱렌즈 광입사면 44.518 5.000 1.713000 53.94
제1콘덴싱렌즈 광출사면 ∞ 40.292
제2콘덴싱렌즈 광입사면 22.720 4.710 1.834001 37.35
제2콘덴싱렌즈 광출사면 37.504 5.200
편광판 광입사면 ∞ 0.700 1.516330 64.14
편광판 광출사면 ∞ 2.220
디스플레이소자 광입사면 ∞ - 1.458440 67.82
표 2의 각 데이터의 의미는 표 1의 경우에 준한다.
그리고, 제1케이스에서 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311) 및 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P)은 다음과 같은 구성이 적용된다. 참고로, 셀 렌즈(311)의 코닉(Conic) 상수는 -2.000이다.
구성 명칭 가로폭(mm) 세로폭(mm)
셀 렌즈 4.400 3.300
디스플레이소자 유효 영역 15.872 11.904
표 3에서, 셀 렌즈(311)의 가로폭 및 세로폭 중 어느 것도 선택할 수 있는 바, 본 실시예에서는 셀 렌즈(311)의 세로폭 및 유효 영역(P)의 세로폭 데이터를 선택한다. 이 경우, 수식 W=(D2/H2)/(D1/H1)에서,
H1=3.300
H2=11.904
이 된다. 이하, 본 실험의 데이터에서는 H1, H2, D1, D2의 단위가 mm로 동일하므로, 편의상 단위를 생략한다.
또한, D1은 제1균일화렌즈(310)의 광입사면으로부터 제2균일화렌즈(320)의 광출사면까지의 거리이며, D2는 제2균일화렌즈(320)의 광출사면으로부터 제2콘덴싱렌즈(520)의 광입사면까지의 거리이므로, 표 2에 따르면,
D1=1.600+9.600+1.600=12.800
D2=2.080+2.200+2.505+5.000+40.292=52.077
따라서, W는 다음과 같이 구해진다.
W=(D2/H2)/(D1/H1)=(52.077/11.904)/(12.800/3.300)=1.128
도 5는 이러한 제1케이스에서 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P) 및 광조사 영역(E1)의 예시도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 디스플레이소자(20) 상에서 영상이 표시되는 유효 영역(P)의 폭이 H2a이고, 조명광학유닛(10)으로부터의 광이 디스플레이소자(20)에 조사됨으로써 형성되는 광조사 영역(E1)의 폭이 H3a이면, W=1.128이므로 H2a<H3a가 된다. 또한, 본 제1케이스에서, 디스플레이소자(20)에서 유효 영역(P)을 벗어나게 조사되는 광량의 정도를 나타내는 광손실율은 13.03%로 검출되었다.
디스플레이소자(20) 하측의 그래프는, 디스플레이소자(20) 중앙 영역을 따라서 연장된 직선 C에 대하여, 직선 C의 각 위치에서의 광량을 나타낸 것이다. 즉, 상기 그래프의 가로축은 직선 C를 따른 디스플레이소자(20)의 각 위치이며, 세로축은 광량이다. 이 그래프에서도 알 수 있듯이 광조사 영역(E1) 내에서는 소정 값 이상의 광량이 나타나지만, 광조사 영역(E1)을 벗어나면서 급격히 광량이 감소한다. 여기서, 광량의 급격한 감소 구간이 폭 H3a 밖이므로, 표시되는 영상에 미치는 영향은 거의 없다.
이상 살펴본 바와 같이, W=1.128인 제1케이스에서는 디스플레이소자(20)에서 영상을 정상적으로 표시할 수 있으면서 상대적으로 광손실이 적다는 것을 알 수 있다.
(2) 제2케이스
제2케이스에 적용된 제1균일화렌즈(310), 제2균일화렌즈(320), 편광변환유닛(400), 제1콘덴싱렌즈(510), 제2콘덴싱렌즈(520), 편광판(600) 및 디스플레이소자(20)의 구성 데이터는 다음과 같다.
구성 명칭 r(mm) d(mm) n vd
제1균일화렌즈 광입사면 5.100 1.600 1.48990 55.67
제1균일화렌즈 광출사면 ∞ 8.200
제2균일화렌즈 광입사면 ∞ 1.600 1.48990 55.67
제2균일화렌즈 광출사면 -5.100 1.500
편광변환유닛 광입사면 ∞ 2.200 1.523014 58.59
편광변환유닛 광출사면 ∞ 1.120
제1콘덴싱렌즈 광입사면 28.500 4.000 1.713000 53.94
제1콘덴싱렌즈 광출사면 450.600 25.500
제2콘덴싱렌즈 광입사면 18.000 4.000 1.834001 37.35
제2콘덴싱렌즈 광출사면 33.300 4.600
편광판 광입사면 ∞ 0.700 1.516330 64.14
편광판 광출사면 ∞ 2.200
디스플레이소자 광입사면 ∞ - 1.458440 67.82
표 4의 각 데이터의 의미는 표 1의 경우에 준한다.
그리고, 제2케이스에서 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311) 및 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P)은 다음과 같은 구성이 적용된다. 셀 렌즈(311)의 코닉 상수는 -1.800이다.
구성 명칭 가로폭(mm) 세로폭(mm)
셀 렌즈 4.400 2.470
디스플레이소자 유효 영역 12.000 6.750
표 5에서, 셀 렌즈(311)의 세로폭 및 유효 영역(P)의 세로폭 데이터를 선택하는 경우, H1=2.470, H2=6.750이 된다.
또한, 표 4에 따르면,
D1=1.600+8.200+1.600=11.400
D2=1.500+2.200+1.120+4.000+25.500=34.320
따라서, W는 다음과 같이 구해진다.
W=(D2/H2)/(D1/H1)=(34.320/6.750)/(11.400/2.470)=1.102
제2케이스 또한 제1케이스와 함께 W>1.0이므로, 디스플레이소자(20)에서 광조사 영역(E1) 및 유효 영역(P)이 도 5와 유사하게 나타난다. 다만, 제2케이스는 제1케이스에 비해 폭 H2a 및 폭 H3a 사이의 간격이 상대적으로 작으며, 따라서 광손실율도 상대적으로 작게 나타난다.
(3) 제3케이스
제3케이스에 적용된 제1균일화렌즈(310), 제2균일화렌즈(320), 편광변환유닛(400), 제1콘덴싱렌즈(510), 제2콘덴싱렌즈(520), 편광판(600) 및 디스플레이소자(20)의 구성 데이터는 다음과 같다.
구성 명칭 r(mm) d(mm) n vd
제1균일화렌즈 광입사면 6.200 1.600 1.48990 55.67
제1균일화렌즈 광출사면 ∞ 9.600
제2균일화렌즈 광입사면 ∞ 1.600 1.48990 55.67
제2균일화렌즈 광출사면 -6.200 2.080
편광변환유닛 광입사면 ∞ 2.200 1.523014 58.59
편광변환유닛 광출사면 ∞ 2.505
제1콘덴싱렌즈 광입사면 39.119 5.000 1.713000 53.94
제1콘덴싱렌즈 광출사면 333.812 33.569
제2콘덴싱렌즈 광입사면 22.392 4.710 1.834001 37.35
제2콘덴싱렌즈 광출사면 46.617 9.598
편광판 광입사면 ∞ 0.700 1.516330 64.14
편광판 광출사면 ∞ 2.200
디스플레이소자 광입사면 ∞ - 1.458440 67.82
표 6의 각 데이터의 의미는 표 1의 경우에 준한다.
그리고, 제3케이스에서 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311) 및 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P)은 다음과 같은 구성이 적용된다. 셀 렌즈(311)의 코닉 상수는 -2.000이다.
구성 명칭 가로폭(mm) 세로폭(mm)
셀 렌즈 4.400 3.300
디스플레이소자 유효 영역 15.872 11.904
표 7에서, 셀 렌즈(311)의 세로폭 및 유효 영역(P)의 세로폭 데이터를 선택하는 경우, H1=3.300, H2=11.904가 된다.
또한, 표 6에 따르면,
D1=1.600+9.600+1.600=12.800
D2=2.080+2.200+2.505+5.000+33.569=45.354
따라서, W는 다음과 같이 구해진다.
W=(D2/H2)/(D1/H1)=(45.354/11.904)/(12.800/3.300)=0.982
도 6은 이러한 제3케이스에서 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P) 및 광조사 영역(E2)의 예시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 유효 영역(P)의 폭을 H2b, 광조사 영역(E2)의 폭을 H3b라고 하면, W<1.0이므로 H2b>H3b로 나타난다. 이 경우는 광조사 영역(E2)이 유효 영역(P)보다 작으므로, 그래프에서도 나타나는 바와 같이, 광량이 급격히 저하되는 영역이 폭 H2b 내에 위치하게 된다. 이 때문에, 영상의 에지 영역이 상대적으로 어둡게 표시되거나 또는 거의 표시되지 않을 수도 있다.
따라서, W<1.0인 제3케이스는 영상을 적절하게 표시할 수 있는 구성이 아님을 알 수 있다.
(4) 제4케이스
제4케이스에 적용된 제1균일화렌즈(310), 제2균일화렌즈(320), 편광변환유닛(400), 제1콘덴싱렌즈(510), 제2콘덴싱렌즈(520), 편광판(600) 및 디스플레이소자(20)의 구성 데이터는 다음과 같다.
구성 명칭 r(mm) d(mm) n vd
제1균일화렌즈 광입사면 6.200 1.600 1.48990 55.67
제1균일화렌즈 광출사면 ∞ 9.600
제2균일화렌즈 광입사면 ∞ 1.600 1.48990 55.67
제2균일화렌즈 광출사면 -6.200 2.080
편광변환유닛 광입사면 ∞ 2.200 1.523014 58.59
편광변환유닛 광출사면 ∞ 2.505
제1콘덴싱렌즈 광입사면 49.259 5.000 1.713000 53.94
제1콘덴싱렌즈 광출사면 384.661 42.704
제2콘덴싱렌즈 광입사면 29.030 4.710 1.834001 37.35
제2콘덴싱렌즈 광출사면 67.590 13.955
편광판 광입사면 ∞ 0.700 1.516330 64.14
편광판 광출사면 ∞ 2.200
디스플레이소자 광입사면 ∞ - 1.458440 67.82
표 8의 각 데이터의 의미는 표 1의 경우에 준한다.
그리고, 제4케이스에서 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311) 및 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P)은 다음과 같은 구성이 적용된다. 셀 렌즈(311)의 코닉 상수는 -2.000이다.
구성 명칭 가로폭(mm) 세로폭(mm)
셀 렌즈 4.400 3.300
디스플레이소자 유효 영역 15.872 11.904
표 9에서, 셀 렌즈(311)의 세로폭 및 유효 영역(P)의 세로폭 데이터를 선택하는 경우, H1=3.300, H2=11.904가 된다.
또한, 표 8에 따르면,
D1=1.600+9.600+1.600=12.800
D2=2.080+2.200+2.505+5.000+42.704=54.489
따라서, W는 다음과 같이 구해진다.
W=(D2/H2)/(D1/H1)=(54.489/11.904)/(12.800/3.300)=1.18
W=1.18인 제4케이스에서 광손실율은 25.11%로 측정되었다.
(5) 제5케이스
제5케이스에 적용된 제1균일화렌즈(310), 제2균일화렌즈(320), 편광변환유닛(400), 제1콘덴싱렌즈(510), 제2콘덴싱렌즈(520), 편광판(600) 및 디스플레이소자(20)의 구성 데이터는 다음과 같다.
구성 명칭 r(mm) d(mm) n vd
제1균일화렌즈 광입사면 6.200 1.600 1.48990 55.67
제1균일화렌즈 광출사면 ∞ 9.600
제2균일화렌즈 광입사면 ∞ 1.600 1.48990 55.67
제2균일화렌즈 광출사면 -6.200 2.080
편광변환유닛 광입사면 ∞ 2.200 1.523014 58.59
편광변환유닛 광출사면 ∞ 2.505
제1콘덴싱렌즈 광입사면 51.221 5.000 1.713000 53.94
제1콘덴싱렌즈 광출사면 394.635 44.549
제2콘덴싱렌즈 광입사면 30.275 4.710 1.834001 37.35
제2콘덴싱렌즈 광출사면 71.363 14.785
편광판 광입사면 ∞ 0.700 1.516330 64.14
편광판 광출사면 ∞ 2.200
디스플레이소자 광입사면 ∞ - 1.458440 67.82
표 10의 각 데이터의 의미는 표 1의 경우에 준한다.
그리고, 제5케이스에서 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311) 및 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P)은 다음과 같은 구성이 적용된다. 셀 렌즈(311)의 코닉 상수는 -2.000이다.
구성 명칭 가로폭(mm) 세로폭(mm)
셀 렌즈 4.400 3.300
디스플레이소자 유효 영역 15.872 11.904
표 11에서, 셀 렌즈(311)의 세로폭 및 유효 영역(P)의 세로폭 데이터를 선택하는 경우, H1=3.300, H2=11.904가 된다.
또한, 표 10에 따르면,
D1=1.600+9.600+1.600=12.800
D2=2.080+2.200+2.505+5.000+44.549=56.334
따라서, W는 다음과 같이 구해진다.
W=(D2/H2)/(D1/H1)=(56.334/11.904)/(12.800/3.300)=1.22
W=1.22인 제5케이스에서 광손실율은 31.04%로 검출되었다.
(6) 제6케이스
제6케이스에 적용된 제1균일화렌즈(310), 제2균일화렌즈(320), 편광변환유닛(400), 제1콘덴싱렌즈(510), 제2콘덴싱렌즈(520), 편광판(600) 및 디스플레이소자(20)의 구성 데이터는 다음과 같다.
구성 명칭 r(mm) d(mm) n vd
제1균일화렌즈 광입사면 6.200 1.600 1.48990 55.67
제1균일화렌즈 광출사면 ∞ 9.600
제2균일화렌즈 광입사면 ∞ 1.600 1.48990 55.67
제2균일화렌즈 광출사면 -6.200 2.080
편광변환유닛 광입사면 ∞ 2.200 1.523014 58.59
편광변환유닛 광출사면 ∞ 2.505
제1콘덴싱렌즈 광입사면 52.763 5.000 1.713000 53.94
제1콘덴싱렌즈 광출사면 403.897 45.941
제2콘덴싱렌즈 광입사면 31.268 4.710 1.834001 37.35
제2콘덴싱렌즈 광출사면 74.561 15.428
편광판 광입사면 ∞ 0.700 1.516330 64.14
편광판 광출사면 ∞ 2.200
디스플레이소자 광입사면 ∞ - 1.458440 67.82
표 12의 각 데이터의 의미는 표 1의 경우에 준한다.
그리고, 제6케이스에서 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311) 및 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P)은 다음과 같은 구성이 적용된다. 셀 렌즈(311)의 코닉 상수는 -2.000이다.
구성 명칭 가로폭(mm) 세로폭(mm)
셀 렌즈 4.400 3.300
디스플레이소자 유효 영역 15.872 11.904
표 13에서, 셀 렌즈(311)의 세로폭 및 유효 영역(P)의 세로폭 데이터를 선택하는 경우, H1=3.300, H2=11.904가 된다.
또한, 표 12에 따르면,
D1=1.600+9.600+1.600=12.800
D2=2.080+2.200+2.505+5.000+45.941=57.726
따라서, W는 다음과 같이 구해진다.
W=(D2/H2)/(D1/H1)=(57.726/11.904)/(12.800/3.300)=1.25
W=1.25인 제6케이스에서 광손실율은 35.18%로 검출되었다.
(7) 제7케이스
제7케이스에 적용된 제1균일화렌즈(310), 제2균일화렌즈(320), 편광변환유닛(400), 제1콘덴싱렌즈(510), 제2콘덴싱렌즈(520), 편광판(600) 및 디스플레이소자(20)의 구성 데이터는 다음과 같다.
구성 명칭 r(mm) d(mm) n vd
제1균일화렌즈 광입사면 6.200 1.600 1.48990 55.67
제1균일화렌즈 광출사면 ∞ 9.600
제2균일화렌즈 광입사면 ∞ 1.600 1.48990 55.67
제2균일화렌즈 광출사면 -6.200 2.080
편광변환유닛 광입사면 ∞ 2.200 1.523014 58.59
편광변환유닛 광출사면 ∞ 2.505
제1콘덴싱렌즈 광입사면 55.317 5.000 1.713000 53.94
제1콘덴싱렌즈 광출사면 418.746 48.251
제2콘덴싱렌즈 광입사면 32.908 4.710 1.834001 37.35
제2콘덴싱렌즈 광출사면 79.834 16.498
편광판 광입사면 ∞ 0.700 1.516330 64.14
편광판 광출사면 ∞ 2.200
디스플레이소자 광입사면 ∞ - 1.458440 67.82
표 14의 각 데이터의 의미는 표 1의 경우에 준한다.
그리고, 제7케이스에서 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311) 및 디스플레이소자(20)의 유효 영역(P)은 다음과 같은 구성이 적용된다. 셀 렌즈(311)의 코닉 상수는 -2.000이다.
구성 명칭 가로폭(mm) 세로폭(mm)
셀 렌즈 4.400 3.300
디스플레이소자 유효 영역 15.872 11.904
표 15에서, 셀 렌즈(311)의 세로폭 및 유효 영역(P)의 세로폭 데이터를 선택하는 경우, H1=3.300, H2=11.904가 된다.
또한, 표 14에 따르면,
D1=1.600+9.600+1.600=12.800
D2=2.080+2.200+2.505+5.000+48.251=60.036
따라서, W는 다음과 같이 구해진다.
W=(D2/H2)/(D1/H1)=(60.036/11.904)/(12.800/3.300)=1.30
W=1.30인 제7케이스에서 광손실율은 41.31%로 검출되었다.
이상 각 실험 케이스에서 나타난 바와 같이, 디스플레이소자(20)에서 영상이 정상적으로 표시되기 위해서는 W=(D2/H2)/(D1/H1)>1.0이어야 하지만, W가 1.0을 초과하여 높은 값을 가질수록 광손실율이 증가한다.
따라서, W는 1.0<W≤k을 만족하되, 상수 k는 광손실율을 고려하여 적절하게 마련될 수 있다. 상수 k는 디스플레이장치(1)의 제조 단계에서, 조명광학유닛(10)을 구성하는 각 구성요소들의 광학적 특성에 따라서 상이하게 결정될 수 있다.
예를 들면, 앞서 설명한 여러 실험 케이스를 고려하면, 상수 k는 대략적으로 광손실율이 50% 내외 이하가 되도록 1.4 정도로 지정될 수 있으며, 광손실율이 보다 낮추어지도록 설계하는 경우에는 1.2 또는 1.3로 지정할 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시예에서는 디스플레이소자(20)의 영상의 폭 및 제1균일화렌즈(310)의 셀 렌즈(311)의 폭에 대응하여, 1.0<(D2/H2)/(D1/H1)≤k이 반영되게 조명광학유닛(10)의 배치를 구성한다. 이로써, 간단한 구조에 의해, 영상의 정상적인 표시 및 광효율의 향상을 기할 수 있다.
한편, 앞서 설명한 실시예에서는 광원(100)으로부터 디스플레이소자(20)까지의 광경로가 직선인 경우에 관해 설명했으나, 본 발명의 사상이 이에 한정되지 않는다. 도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 디스플레이장치(1a)의 구성도로서, 도 7에 도시된 바와 같이, 광원(100)으로부터 디스플레이소자(20)까지의 광경로가 꺾여 있을 수도 있다.
본 실시예에 따른 디스플레이장치(1a)의 조명광학유닛(10a)은 광원(100), 평행광유닛(200), 균일화유닛(300), 편광변환유닛(400), 콘덴싱유닛(500) 및 편광판(600)을 포함하며, 이들 구성은 앞서 설명한 실시예와 실질적으로 동일한 기능을 가진다.
여기서, 제1콘덴싱렌즈(510) 및 제2콘덴싱렌즈(520) 사이에서 광경로가 꺾여 있으므로, 조명광학유닛(10a)은 제1콘덴싱렌즈(510) 및 제2콘덴싱렌즈(520) 사이에 설치된 반사미러(700)를 포함함으로써, 제1콘덴싱렌즈(510)로부터 출사되는 광이 제2콘덴싱렌즈(520)로 입사되게 안내한다. 이와 같이 반사미러(700)에 의해 광경로가 꺾이는 경우에도, 반사미러(700)는 광경로를 변경할 뿐 실질적인 광의 특성을 변경하지 않으므로, 앞서 설명한 바와 같은 본 발명의 사상이 적용될 수 있다.
상기한 실시예는 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 하기의 특허청구범위에 기재된 발명의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
1 : 디스플레이장치
10 : 조명광학유닛
20 : 디스플레이소자
30 : 영상합성유닛
40 : 투사광학유닛
100 : 광원
200 : 평행광유닛
210 : 제1평행광렌즈
220 : 제2평행광렌즈
300 : 균일화유닛
310 : 제1균일화렌즈
311 : 셀 렌즈
320 : 제2균일화렌즈
400 : 편광변환유닛
500 : 콘덴싱유닛
510 : 제1콘덴싱렌즈
520 : 제2콘덴싱렌즈
600 : 편광판

Claims (20)

  1. 디스플레이장치의 디스플레이소자에 광을 생성 및 조사하는 조명광학유닛에 있어서,
    광원과;
    상기 광원으로부터 조사되는 광을 균일화시키며 광경로 상에 순차 배치된 복수의 균일화렌즈를 포함하는 균일화유닛과;
    상기 균일화유닛으로부터 출사되는 광을 집속시켜 상기 디스플레이소자에 출사하며 광경로 상에 순차 배치된 복수의 콘덴싱렌즈를 포함하는 콘덴싱유닛을 포함하며,
    상기 균일화유닛 및 상기 콘덴싱유닛은 하기 수학식을 만족하게 배치된 것을 특징으로 하는 조명광학유닛:
    <수학식 1>
    1.0 < (D2/H2)/(D1/H1) ≤ 1.4
    여기서, H1은 상기 균일화렌즈 중 하나의 셀 렌즈의 폭이며, H2는 상기 디스플레이소자에서의 영상의 폭이며, D1은 상기 복수 균일화렌즈 중에서 광경로 상에 최초 배치된 어느 하나의 광입사면 및 최후 배치된 다른 하나의 광출사면 사이의 거리이며, D2는 상기 복수 균일화렌즈 중에서 상기 최후 배치된 다른 하나의 광출사면 및 상기 복수의 콘덴싱렌즈 중에서 광경로 상에 최후 배치된 어느 하나의 광입사면 사이의 거리이다.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 H1는 상기 셀 렌즈의 가로폭 또는 세로폭으로 지정되며,
    상기 H2는 상기 H1이 상기 셀 렌즈의 가로폭인 경우에 상기 영상의 가로폭으로, 상기 H1이 상기 셀 렌즈의 세로폭인 경우에 상기 영상의 세로폭으로 지정되는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 균일화렌즈는 동일 규격의 상기 셀 렌즈가 어레이 배열된 플라이아이(fly-eye) 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원으로부터의 확산광을 평행광으로 조정하여 상기 균일화유닛에 출사하며, 광경로 상에 순차 배치된 복수의 평행광렌즈를 포함하는 평행광유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 평행광렌즈는 상기 광원 측에 배치된 제1평행광렌즈 및 상기 균일화유닛 측에 배치된 제2평행광렌즈를 포함하며, 다음 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛:
    <수학식 2>
    0.5 ≤ p1/p2 ≤ 1.2
    여기서, p1은 상기 제1평행광렌즈의 파워이며, p2는 상기 제2평행광렌즈의 파워이다.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 콘덴싱렌즈는 상기 평행광유닛 측에 배치된 제1콘덴싱렌즈 및 상기 디스플레이소자 측에 배치된 제2콘덴싱렌즈를 포함하며, 다음 수학식을 만족하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛:
    <수학식 3>
    0.9 ≤ p3/p4 ≤ 1.1
    여기서, p3은 상기 제1콘덴싱렌즈의 파워이며, p4는 상기 제2콘덴싱렌즈의 파워이다.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제1콘덴싱렌즈 및 상기 제2콘덴싱렌즈 사이의 광경로 상에 설치되는 반사미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 균일화유닛으로부터 출사되는 광을 기 설정된 편광 특성으로 변환하여 상기 콘덴싱유닛에 출사하는 편광변환유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 발광 다이오드 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  10. 디스플레이장치에 있어서,
    광을 생성 및 조사하는 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 조명광학유닛과;
    상기 조명광학유닛으로부터 조사되는 광에 의해 영상을 표시하는 디스플레이소자와;
    상기 디스플레이소자에 표시되는 영상을 스크린 상에 투사하는 투사광학유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치.
  11. 디스플레이장치의 디스플레이소자에 광을 생성 및 조사하는 조명광학유닛에 있어서,
    광원과;
    상기 광원으로부터 조사되는 확산광을 평행광으로 조정하며, 광경로를 따라서 순차 배치된 제1평행광렌즈 및 제2평행광렌즈를 포함하는 평행광유닛과;
    상기 제2평행광렌즈로부터 출사되는 광을 균일화시키며, 광경로를 따라서 순차 배치된 제1균일화렌즈 및 제2균일화렌즈를 포함하는 균일화유닛과;
    상기 제2균일화렌즈로부터 출사되는 광을 기 설정된 편광 특성으로 변환하는 편광변환유닛과;
    상기 편광변환유닛으로부터 출사되는 광을 집속시켜 상기 디스플레이소자에 출사하며, 광경로를 따라서 순차 배치된 제1콘덴싱렌즈 및 제2콘덴싱렌즈를 포함하는 콘덴싱유닛을 포함하며,
    상기 제1균일화렌즈, 상기 제2균일화렌즈 및 상기 제2콘덴싱렌즈 사이의 거리는, 상기 제1균일화렌즈를 구성하는 복수의 셀 렌즈 중에서 하나의 상기 셀 렌즈의 폭 및 상기 디스플레이소자에 표시되는 영상의 폭에 기초하여 지정되는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제1균일화렌즈, 상기 제2균일화렌즈 및 상기 제2콘덴싱렌즈는 하기 수학식을 만족하게 배치된 것을 특징으로 하는 조명광학유닛:
    <수학식 4>
    1.0 < (D2/H2)/(D1/H1) ≤ 1.4
    여기서, H1은 상기 셀 렌즈의 폭이며, H2는 상기 디스플레이소자에서의 영상의 폭이며, D1은 상기 제1균일화렌즈의 광입사면 및 상기 제2균일화렌즈의 광출사면 사이의 거리이며, D2는 상기 제2균일화렌즈의 광출사면 및 상기 제2콘덴싱렌즈의 광입사면 사이의 거리이다
  13. 제12항에 있어서,
    상기 H1는 상기 셀 렌즈의 가로폭 또는 세로폭으로 지정되며,
    상기 H2는 상기 H1이 상기 셀 렌즈의 가로폭인 경우에 상기 영상의 가로폭으로, 상기 H1이 상기 셀 렌즈의 세로폭인 경우에 상기 영상의 세로폭으로 지정되는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 제1균일화렌즈 및 상기 제2균일화렌즈는 동일 규격의 상기 셀 렌즈가 어레이 배열된 플라이아이 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제1균일화렌즈 및 상기 제2균일화렌즈는 각각의 상기 셀 렌즈의 볼록한 판면이 상호 반대방향을 향하게 배치된 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  16. 제11항에 있어서,
    상기 제1평행광렌즈 및 상기 제2평행광렌즈는 콜리메이팅(collimating) 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 제1콘덴싱렌즈 및 상기 제2콘덴싱렌즈 사이의 광경로 상에 설치되는 반사미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 광원은 발광 다이오드 소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학유닛.
  19. 디스플레이장치에 있어서,
    광을 생성 및 조사하는 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 따른 조명광학유닛과;
    상기 조명광학유닛으로부터 조사되는 광에 의해 영상을 형성하는 디스플레이소자와;
    상기 디스플레이소자에 형성되는 영상을 스크린 상에 투사하는 투사광학유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 조명광학유닛 및 상기 디스플레이소자는 복수의 컬러에 각기 대응하게 설치되며,
    각 컬러에 대응하는 상기 디스플레이소자에 표시되는 영상을 합성하여 상기 투사광학유닛으로 전달하는 영상합성유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이장치.
KR1020100055373A 2010-06-11 2010-06-11 조명광학유닛 및 이를 가지는 디스플레이장치 KR20110135568A (ko)

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