KR20130107209A

KR20130107209A - 편광된 프로젝션 조명기

Info

Publication number: KR20130107209A
Application number: KR1020127033056A
Authority: KR
Inventors: 필립 이 왓슨; 즈성 윈; 앤드류 제이 오더키르크; 샤오후이 청; 킴 레옹 탄; 앤드류 티 티오
Original assignee: 쓰리엠 이노베이티브 프로퍼티즈 컴파니
Priority date: 2010-05-19
Filing date: 2011-05-09
Publication date: 2013-10-01
Also published as: WO2011146267A3; JP2013535018A; EP2572232A2; US20130057786A1; TW201202834A; CN102906626A; WO2011146267A2

Abstract

본 발명은 일반적으로 광학 요소, 광학 요소를 포함하는 광 프로젝터, 및 광학 요소를 포함하는 이미지 프로젝터에 관한 것이다. 특히, 광학 요소는 "플라이 아이 어레이"(FEA)와 같은 렌즈렛 어레이로 광을 균질화함으로써 광의 개선된 균일성을 제공한다. FEA는 비편광된 입력 광이 단일 편광 상태로 변환된 후에, 편광된 조합된 광을 균질화하도록 위치된다.

Description

편광된 프로젝션 조명기{POLARIZED PROJECTION ILLUMINATOR}

관련 출원

본 출원은 참고로 포함된 하기 미국 특허 출원에 관련된다: 2010년 1월 6일자로 출원된 발명의 명칭이 "소형 광학 적분기(Compact Optical Integrator)"인 미국 특허 출원 제61/292574호(대리인 문서 번호 65902US002); 및 또한, 둘 모두 본 출원과 동일자로 출원된 발명의 명칭이 "소형 조명기(Compact Illuminator)"(대리인 문서 번호 66360US002) 및 발명의 명칭이 "플라이 아이 적분기 편광 변환기(Fly Eye Integrator Polarization Converter)"(대리인 문서 번호 66247US002).

이미지를 스크린 상에 투사하는 데 사용되는 프로젝션 시스템(projection system)은 조명 광을 발생시키기 위해 상이한 컬러를 가진, 발광 다이오드(light emitting diode, LED)와 같은 다수의 컬러 광원을 사용할 수 있다. 여러 광학 요소들이 LED와 이미지 디스플레이 유닛 사이에 배치되어 LED로부터의 광을 조합하여 이미지 디스플레이 유닛으로 전달한다. 이미지 디스플레이 유닛은 광에 이미지를 부여하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있다. 예를 들어, 이미지 디스플레이 유닛은 투과형 또는 반사형 액정 디스플레이(liquid crystal display)에서와 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(digital micro-mirror, DMM) 어레이로부터 이미지방식(imagewise)으로 반사되도록 구성되는 백색 광을 사용할 수 있다. DLP^{(등록상표)} 디스플레이에서, 디지털 마이크로-미러 어레이 내의 개별 미러는 투사된 이미지의 개별 픽셀을 나타낸다. 투사된 광학 경로 내로 입사 광이 지향되도록 대응하는 미러가 틸팅될(tilted) 때 디스플레이 픽셀이 조명된다. 광학 경로 내에 배치된 회전하는 컬러 휠(color wheel)이 디지털 마이크로-미러 어레이로부터의 광의 반사에 맞추어져, 반사된 백색 광이 픽셀에 대응하는 컬러를 투사하도록 필터링된다. 이어서, 디지털 마이크로-미러 어레이는 그 다음의 원하는 픽셀 컬러로 스위칭되고, 전체 투사된 디스플레이가 연속적으로 조명되는 것으로 보일 정도의 신속한 속도로 과정이 계속된다. 디지털 마이크로-미러 프로젝션 시스템은 보다 적은 수의 픽셀화된 어레이 구성요소를 필요로 하며, 이는 보다 작은 크기의 프로젝터(projector)를 형성할 수 있다.

이미지 휘도는 프로젝션 시스템의 중요한 파라미터이다. 컬러 광원의 휘도와, 광을 이미지 디스플레이 유닛으로 수집, 조합, 균질화 및 전달하는 것의 효율은 모두 휘도에 영향을 미친다. 현대의 프로젝터 시스템의 크기가 감소함에 따라, 컬러 광원에 의해 생성되는 열을 작은 프로젝터 시스템 내에서 소산될 수 있는 낮은 수준으로 유지함과 동시에 적당한 수준의 출력 휘도를 유지할 필요성이 존재한다. 광원에 의한 과도한 전력 소비 없이 적당한 수준의 휘도를 갖는 광 출력을 제공하도록 증가된 효율로 다수의 컬러 광을 조합하는 광 조합 시스템에 대한 필요성이 존재한다.

그러한 전자 프로젝터는 흔히 스크린 상에 투사된 광에 대한 휘도 및 컬러 균일성을 개선하기 위해 광 빔을 광학적으로 균질화하는 장치를 포함한다. 2개의 통상적인 장치는 적분 터널(integrating tunnel) 및 플라이 아이 균질화기(fly's eye homogenizer)이다. 플라이 아이 균질화기는 매우 소형일 수 있으며, 이러한 이유로 통상적으로 사용되는 장치이다. 적분 터널은 균질화에 보다 효율적이지만, 중공 터널은 일반적으로 높이 또는 폭 중 어느 것이든 더 큰 것의 흔히 5배인 길이를 필요로 한다. 중실 터널은 흔히 굴절 효과로 인해 중공 터널보다 길다.

피코(pico) 및 포켓(pocket) 프로젝터는 광 적분기 또는 균질화기를 위한 이용가능한 공간이 제한된다. 그러나, 이들 프로젝터에 사용되는 광학 장치(예컨대, 컬러 조합기 및 편광 변환기)로부터의 효율적이고 균일한 광 출력은 소형이고 효율적인 적분기를 필요로 할 수 있다.

본 발명은 일반적으로 광학 요소, 광학 요소를 포함하는 광 프로젝터(light projector), 및 광학 요소를 포함하는 이미지 프로젝터(image projector)에 관한 것이다. 특히, 광학 요소는 "플라이 아이 어레이"(fly-eye array, FEA)와 같은 렌즈렛 어레이(lenslet array)로 광을 균질화함으로써 광의 개선된 균일성을 제공한다. 일 태양에서, 본 발명은 비편광된 광을 수용하고 편광된 광을 출력하도록 배치되는 편광 변환기(polarization converter)를 포함하는 광학 요소를 제공한다. 광학 요소는 편광된 광을 수용하고 수렴성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제1 복수의 렌즈를 갖는 제1 렌즈렛 어레이를 추가로 포함한다. 광학 요소는 또한 수렴성 편광된 광을 수용하고 발산성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제2 복수의 렌즈를 갖는 제2 렌즈렛 어레이를 추가로 포함한다. 제1 렌즈렛 어레이 및 제2 렌즈렛 어레이는 모놀리식 어레이(monolithic array)이고, 제1 복수의 렌즈의 제1 렌즈의 광학 축과 일치하는 편광된 광선은 제2 복수의 렌즈의 제2 렌즈의 광학 축과 일치한다.

다른 태양에서, 본 발명은 제1 비편광된 광원 및 제2 비편광된 광원, 제1 비편광된 광원 및 제2 비편광된 광원으로부터 조합된 비편광된 광을 출력하도록 배치되는 컬러 조합기(color combiner), 및 광학 요소를 포함하는 광 프로젝터를 제공한다. 광학 요소는 조합된 비편광된 광을 수용하고 편광된 광을 출력하도록 배치되는 편광 변환기, 편광된 광을 수용하고 수렴성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제1 복수의 렌즈를 갖는 제1 렌즈렛 어레이, 및 수렴성 편광된 광을 수용하고 발산성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제2 복수의 렌즈를 갖는 제2 렌즈렛 어레이를 포함한다. 제1 렌즈렛 어레이 및 제2 렌즈렛 어레이는 모놀리식 어레이이고, 제1 복수의 렌즈의 제1 렌즈의 광학 축과 일치하는 편광된 광선은 제2 복수의 렌즈의 제2 렌즈의 광학 축과 일치한다.

다른 태양에서, 본 발명은 제1 비편광된 광원 및 제2 비편광된 광원, 제1 비편광된 광원 및 제2 비편광된 광원으로부터 조합된 비편광된 광을 출력하도록 배치되는 컬러 조합기, 광학 요소, 발산성 편광된 광에 이미지를 부여하도록 배치되는 공간 광 변조기(spatial light modulator), 및 프로젝션 광학계(projection optics)를 포함하는 이미지 프로젝터를 제공한다. 광학 요소는 조합된 비편광된 광을 수용하고 편광된 광을 출력하도록 배치되는 편광 변환기, 편광된 광을 수용하고 수렴성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제1 복수의 렌즈를 갖는 제1 렌즈렛 어레이, 및 수렴성 편광된 광을 수용하고 발산성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제2 복수의 렌즈를 갖는 제2 렌즈렛 어레이를 포함한다. 제1 렌즈렛 어레이 및 제2 렌즈렛 어레이는 모놀리식 어레이이고, 제1 복수의 렌즈의 제1 렌즈의 광학 축과 일치하는 편광된 광선은 제2 복수의 렌즈의 제2 렌즈의 광학 축과 일치한다.

상기 개요는 본 발명의 각각의 개시된 실시예 또는 모든 구현예를 기술하고자 하는 것은 아니다. 이하의 도면 및 상세한 설명은 예시적인 실시예를 더욱 구체적으로 예시한다.

본 명세서 전반에 걸쳐, 유사한 도면 부호가 유사한 요소를 지시하는 첨부 도면을 참조한다.
도 1은 이미지 프로젝터의 개략도.
도 2는 광학 요소의 개략적인 단면도.
도 3은 광학 요소의 개략적인 단면도.
도 4는 편광 변환기의 개략적인 단면도.
도면들이 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 발명은 일반적으로 이미지 프로젝터에 관한 것이며, 특히 이미지 프로젝터는 "플라이 아이 어레이"(FEA)와 같은 렌즈렛 어레이로 광을 균질화함으로써 광의 균일성을 개선한다. 특정한 일 실시예에서, 소형 편광된 조명 시스템은 편광 변환 시스템(polarization converting system, PCS) 및 성형된 모놀리식 플라이 아이 어레이(FEA) 적분기를 포함한다. 편광 변환기와 저-복굴절 모놀리식 FEA와의 조합은 소형 시스템에서 높은 효율과 양호한 균일성 둘 모두를 동시에 이룰 수 있다. FEA 적분기는 2개의 대향하는 표면 상에 성형된 볼록 렌즈들의 어레이를 포함하며, 그 결과 PCS로 들어가는 비편광된 광의 약 85% 초과가 단일 편광으로 FEA를 빠져나간다.

LCoS-기반 휴대용 프로젝션 시스템은 저비용 및 고해상도 LCoS 패널의 입수가능성으로 인해 일반화되고 있다. LED-조명식 LCoS 프로젝터 내의 요소들의 목록은 LED 광원 또는 광원들, 선택적인 컬러 조합기, 선택적인 예비-편광 시스템, 릴레이 광학계(relay optics), PBS, LCoS 패널, 및 프로젝션 렌즈 유닛을 포함할 수 있다. LCoS-기반 프로젝션 시스템의 경우에, 프로젝터의 효율 및 콘트라스트는 PBS로 들어가는 광의 편광의 정도에 직접적으로 연관된다. 적어도 이러한 이유로, 반사/재순환 광학계 또는 편광-변환 광학 요소를 이용하는 예비-편광 시스템이 흔히 요구된다.

편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter) 및 1/2 파장 지연기(half-wave retarder)를 이용하는 편광 변환 체계는 편광된 광을 PBS에 제공하기 위한 가장 효과적인 방식 중 하나이다. 편광-변환된 광에 있어서 하나의 문제는 이것이 디스플레이된 이미지 내의 아티팩트(artifact)로 이어지는 공간적 불균일성을 겪을 수 있다는 것이다. 따라서, 편광 변환기를 갖춘 시스템에서, 균질화 시스템이 요구된다.

공기 간극에 의해 분리된 한 쌍의 얇은 유리 마이크로렌즈렛 어레이 플레이트로 구성된 FEA가 광을 균질화하는 데 사용되는 것은 통상적인 프로젝션 시스템에서 일반적이다. 휴대형 프로젝터에서, 그러한 쌍을 이룬 FEA 시스템은 전형적으로 더 큰 두께를 갖고 정렬 공차가 더욱 문제가 된다는 단점을 갖는다.

보다 최근에는, 단일-요소 모놀리식 성형된 플라스틱 또는 유리 FEA 유닛이 매우 소형의 프로젝션 시스템에 채택되었다. 그러나, 그러한 성형된 모놀리식 유닛은 전형적으로 50 ㎚ 이상의 최대 복굴절 및 지연과 광학 축 배향에 있어서의 높은 변동을 가지며, 이로써 비편광된 광을 균질화하는 데에만 사용된다. 고-효율 편광 변환기에 이어 저 복굴절을 갖는 단일 모놀리식 요소를 사용함으로써, 높은 광학적 효율, 양호한 이미지 균일성, 및 소형 크기를 동시에 달성할 수 있다.

특정한 일 실시예에서, 이미지 프로젝터를 위한 조명기는 방출된 비편광된 광이 편광 변환기로 지향되는 광원을 포함한다. 편광 변환기는 광을 각각의 편광 상태에 하나씩 2개의 경로로 분리한다. 2개의 편광 상태 각각에 대한 경로 길이는 대략 동일하고, 편광된 광 빔은 모놀리식 FEA 적분기로 통과한다. 모놀리식 FEA 적분기는 광 빔을 발산시킬 수 있고, 광 빔은 이어서, 예를 들어 광 빔에 이미지를 부여하기 위한 공간 광 변조기 및 이미지를 스크린 상에 디스플레이하기 위한 프로젝션 광학계를 사용함으로써 추가로 처리되도록 지향된다.

일부 경우에, 광학 프로젝터는 비-편광된 광원, 예컨대 발광 다이오드(LED) 또는 방전 등(discharge light), 편광 선택 요소, 제1 편광 공간 변조기, 및 제2 편광 선택 요소를 사용한다. 제1 편광 선택 요소가 비-편광된 광원으로부터 방출된 광의 50%를 거부하기 때문에, 편광-선택성 프로젝터는 흔히 비-편광된 장치보다 낮은 효율을 가질 수 있다.

편광-선택성 프로젝터의 효율을 증가시키는 하나의 기술은 광원과 제1 편광 선택 요소 사이에 편광 변환기를 추가하는 것이다. 일반적으로, 당업계에 사용되는 편광 변환기를 설계하는 2가지 방식이 있다. 첫 번째는 광원으로부터 방출된 광을 부분적으로 시준하고, 부분적으로 시준된 광 빔을 렌즈들의 어레이로 통과시키고, 편광 변환기들의 어레이를 각각의 초점에 위치시키는 것이다. 편광 변환기는 전형적으로 편광 선택성 틸팅된 필름을 갖는 편광 빔 스플리터(예를 들어, 맥네일 편광기(MacNeille polarizer), 와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer), 또는 복굴절성 광학 필름 편광기)를 갖고, 여기서 반사된 편광은 반사된 빔이 틸팅된 편광 선택성 필름에 의해 투과된 빔에 평행하게 전파되도록 틸팅된 미러에 의해 반사된다. 편광된 광의 하나의 빔 또는 다른 빔은 1/2 파장 지연기로 통과되어, 양 빔이 동일한 편광 상태를 갖게 된다.

비편광된 광 빔을 단일 편광 상태를 갖는 광 빔으로 변환하는 다른 기술은 광의 전체 빔을 틸팅된 편광 선택기로 통과시키는 것이고, 분할된 빔은 단일 편광 상태가 방출되도록 미러 및 1/2 파장 지연기에 의해 조정된다. 편광 변환기로 직접 편광 선택성 공간 광 변조기를 조명하는 것은 조도 및 컬러 비-균일성으로 이어질 수 있다.

특정한 일 실시예에서, 편광 변환기는 프로젝션 시스템에서 광을 균질화하기 위해 플라이 아이 어레이를 포함할 수 있다. 편광 변환기의 출력측은 광을 균질화하기 위해 모놀리식 FEA를 포함한다. 모놀리식 FEA의 입력측 및 출력측은 동일한 수의 렌즈를 포함하고, 이때 출력측 상의 각각의 렌즈는 입력측에서의 정합하는 렌즈의 초점에 대략적으로 중심설정된다. 렌즈는 원통형, 양면-볼록형, 구면형, 또는 비구면형일 수 있지만, 많은 경우에 구면형 렌즈가 바람직할 수 있다. 플라이 아이 적분기 및 편광 변환기는 프로젝터의 조도 및 컬러 균일성을 상당히 개선할 수 있다.

모놀리식 FEA의 렌즈들은 제1 필름 상에 플라스틱 렌즈를 미세복제함으로써 제조될 수 있으며, 이들은 절단, 정렬되고 제2 필름 상의 미세복제된 플라스틱 렌즈에 접합될 수 있다. 다른 대안은 하나 또는 둘 모두의 렌즈렛 어레이를 단일 유닛으로서 유리 또는 플라스틱으로부터 성형하고, 개재하는 필름 없이 이들을 함께 접합하는 것이다. 렌즈렛 어레이는 원통형 렌즈와 같은 단일 축 렌즈, 또는 구면형 렌즈와 같은 2개의 굴절 축을 갖는 렌즈로부터 만들어질 수 있다. 모놀리식 FEA의 각각의 입력 표면 및 출력 표면 상의 렌즈의 수는 단일 렌즈, 렌즈들의 일차원 어레이로부터 렌즈들의 2차원 어레이의 범위일 수 있다. 특정한 일 실시예에서, 모놀리식 FEA의 각각의 입력 표면 및 출력 표면은 5×5 어레이로부터 20×20 어레이 이상의 범위인 크기를 갖는 정사각형 어레이와 같은 구면형 렌즈들의 직사각형 어레이를 포함할 수 있다. 일반적으로, 더 큰 렌즈들의 어레이는 어레이들 사이의 분리를 감소시킬 수 있어서, 프로젝션 시스템의 전체 크기가 감소될 수 있다.

일부 경우에, 폴드형(folded) 플라이 아이 어레이가 조명하는 광을 균질화할 수 있다. 폴드형 플라이 아이 어레이에는 제1 렌즈렛 어레이, 폴딩 미러, 및 제2 렌즈렛 어레이가 형성될 수 있고, 여기서 제2 렌즈렛 어레이를 구성하는 렌즈들은 대략적으로, 제1 렌즈렛 어레이를 구성하는 렌즈들의 초점에 있다.

도 1은 본 발명의 일 태양에 따른 이미지 프로젝터(100)의 개략도를 도시한다. 이미지 프로젝터(100)는 조합된 광 출력(124)을 균질화 편광 변환기 모듈(130) 내로 주사할 수 있는 컬러 조합기 모듈(110)을 포함하며, 균질화 편광 변환기 모듈에서 조합된 광 출력(124)은 균질화 편광 변환기 모듈(130)을 빠져나와서 이미지 생성기 모듈(150)로 들어가는 균질화된 편광된 광(145)으로 변환된다. 이미지 생성기 모듈(150)은 프로젝션 모듈(170)로 들어가는 이미지화된 광(165)을 출력하고, 프로젝션 모듈에서 이미지화된 광(165)은 투사된 이미지화된 광(180)으로 된다.

일 태양에서, 컬러 조합기 모듈(110)은 시준 광학계(118)를 통해 컬러 조합기(120)로 입력되는 상이한 파장 스펙트럼의 입력 광원(112, 114, 116)을 포함한다. 컬러 조합기(120)는 상이한 파장 스펙트럼의 광을 포함하는 조합된 광 출력(124)을 생성한다. 본 발명에 사용하기에 적합한 컬러 조합기 모듈(110)은, 예를 들어 발명의 명칭이 "광 조합기(Light Combiner)"인 PCT 특허 공개 WO2009/085856호, 발명의 명칭이 "광 조합기(Light Combiner)"인 WO2009/086310호, 발명의 명칭이 "광학 요소 및 컬러 조합기(Optical Element and Color Combiner)"인 WO2009/139798호, 발명의 명칭이 "광학 요소 및 컬러 조합기"인 WO2009/139799호와; 또한 발명의 명칭이 "편광 변환 컬러 조합기(Polarization Converting Color Combiner)"인 공히 계류중인 PCT 특허 출원 US2009/062939호, 발명의 명칭이 "고 내구성 컬러 조합기(High Durability Color Combiner)"인 US2009/063779호, 발명의 명칭이 "컬러 조합기"인 US2009/064927호, 및 발명의 명칭이 "편광 변환 컬러 조합기(Polarization Converting Color Combiner)"인 US2009/064931호에 기술된 것들을 포함한다.

일 태양에서, 수용된 입력 광원(112, 114, 116)은 비편광되고, 조합된 광 출력(124)이 또한 비편광된다. 조합된 광 출력(124)은 광의 하나 초과의 파장 스펙트럼을 포함하는 다색성(polychromatic)의 조합된 광일 수 있다. 조합된 광 출력(124)은 수용된 광의 각각의 시간 순차화된(time sequenced) 출력일 수 있다. 일 태양에서, 각각의 상이한 파장 스펙트럼의 광은 상이한 컬러 광(예를 들어, 적색, 녹색 및 청색)에 대응하고, 조합된 광 출력은 백색 광, 또는 시간 순차화된 적색, 녹색 및 청색 광이다. 본 명세서에 제공되는 설명을 위해, "컬러 광" 및 "파장 스펙트럼 광" 둘 모두는 사람의 눈으로 볼 수 있는 경우에 특정 컬러에 상관될 수 있는 파장 스펙트럼 범위를 갖는 광을 의미하도록 의도된다. 보다 일반적인 용어 "파장 스펙트럼 광"은 가시 및 예를 들어 적외선 광을 포함하는 다른 파장 스펙트럼의 광 둘 모두를 지칭한다.

일 태양에 따르면, 각각의 입력 광원(112, 114, 116)은 하나 이상의 발광 다이오드(LED)를 포함한다. 다양한 광원, 예컨대 레이저, 레이저 다이오드, 유기 LED(OLED), 및 비 고체 광원, 예컨대 적당한 수집기 또는 반사기를 갖는 초고압(ultra high pressure, UHP) 할로겐 또는 제논 램프가 사용될 수 있다. 본 발명에 유용한 광원, 광 시준기, 렌즈, 및 광 적분기는, 예를 들어 그 개시 내용이 전체적으로 본 명세서에 포함된 공개된 미국 특허 출원 US2008/0285129호에 추가로 기술되어 있다.

일 태양에서, 균질화 편광 변환기 모듈(130)은 비편광된 조합된 광 출력(124)을 균질화된 편광된 광(145)으로 변환할 수 있는 편광 변환기(140)를 포함한다. 균질화 편광 변환기 모듈(130)은 균질화된 편광된 광(145)으로서 균질화 편광 변환기 모듈(130)을 빠져나가는 조합된 광 출력(124)을 균질화하여 그 균일성을 개선할 수 있는, 다른 부분에서 기술된 렌즈들의 모놀리식 FEA와 같은 렌즈들의 모놀리식 어레이(101)를 추가로 포함할 수 있다.

일 태양에서, 이미지 생성기 모듈(150)은 균질화된 편광된 광(145)을 이미지화된 광(165)으로 변환하도록 상호작용하는 편광 빔 스플리터(PBS)(156), 대표적인 이미징 광학계(152, 154), 및 공간 광 변조기(158)를 포함한다. 적합한 공간 광 변조기(즉, 이미지 생성기)는, 예를 들어 미국 특허 제7,362,507호(던컨(Duncan) 등), 제7,529,029호(던컨 등); 미국 특허 출원 공개 제2008-0285129-A1(마가릴(Magarill) 등); 및 또한 PCT 공개 WO2007/016015호(던컨 등)에서 이전에 기술되었다. 특정한 일 실시예에서, 균질화된 편광된 광(145)은 FEA의 각각의 렌즈로부터 나오는 발산성 광이다. 이미징 광학계(152, 154) 및 PBS(156)를 통과한 후에, 균질화된 편광된 광(145)은 공간 광 변조기를 균일하게 조명하는 이미징 광(160)으로 된다. 특정한 일 실시예에서, FEA 내의 각각의 렌즈로부터의 각각의 발산성 광선 번들(bundle)은 각각의 발산성 광선 번들이 서로 중첩되도록 공간 광 변조기(158)의 대부분을 조명한다.

일 태양에서, 프로젝션 모듈(170)은 투사된 광(180)으로서 이미지화된 광(165)을 투사하기 위해 사용될 수 있는 대표적인 프로젝션 광학계(172, 174, 176)를 포함한다. 적합한 프로젝션 광학계(172, 174, 176)는 이전에 기술되었으며, 당업자에게 주지되어 있다.

도 2는 본 발명의 일 태양에 따른 광학 요소(200)의 개략적인 측면도를 도시한다. 광학 요소(200)는 도 1에 도시된 것과 같은 이미지 프로젝터(100) 내의 균질화 편광 변환기 모듈(130)로서 사용될 수 있다. 광학 요소(200)는 편광 변환기(220), 제1 렌즈렛 어레이(210), 및 제2 렌즈렛 어레이(230)를 포함한다. 제1 렌즈렛 어레이(210) 및 제2 렌즈렛 어레이(230) 각각은 당업계에 공지된 바와 같이, "플라이 아이 어레이" 또는 FEA로서 지칭될 수 있다. 일부 경우에, 제1 렌즈렛 어레이(210) 및 제2 렌즈렛 어레이(230) 각각은 수렴(즉, 양(positive)의) 굴절력을 포함할 수 있다. 제1 렌즈렛 어레이(210) 및 제2 렌즈렛 어레이(230)는 함께, 두께 "t"를 갖고 제1 렌즈렛 어레이(210)와 제2 렌즈렛 어레이(230) 사이에 선택적인 중심 기재(214)를 포함할 수 있는 모놀리식 FEA(201)를 형성한다. 일반적으로, 두께 "t"는 편광 변환기(220)의 전체 크기에 따라 약 10 ㎜, 약 6 ㎜, 또는 약 4 ㎜, 또는 심지어 약 4 ㎜ 미만일 수 있다. 도 1에 도시된 비편광된 조합된 광 출력(124)과 같은 비편광된 광(250)이 편광 변환기(220)로 들어가고, 제1 발산성 p-편광된 광(260a) 및 제2 발산성 p-편광된 광(260b)으로서 모놀리식 FEA(201)를 빠져나간다. 일반적으로, 비편광된 조합된 광(250)의 각각의 편광 상태의 경로 길이는 본질적으로 하기 논의로부터 알 수 있는 바와 같이, 광학 요소(200)를 통해 동일하다.

편광 변환기(220)는 이하 설명되는 바와 같이, 비편광된 광(250)을 수용하고 제1 발산성 p-편광된 광(260a) 및 제2 발산성 p-편광된 광(260b)을 출력하도록 배치된다. 편광 변환기(220)는 제1 및 제2 면(223, 228)을 갖는 제1 프리즘(222), 제3 및 제4 면(221, 227)을 갖는 제2 프리즘(224), 및 제2 면(228)(제1 프리즘(222)과 공통), 제5 면(225) 및 대각면(229)을 갖는 제3 프리즘(226)을 포함한다. 반사 편광기(240)가 제1 프리즘(222)과 제2 프리즘(224) 사이에서 대각면 상에 배치된다.

반사 편광기(240)는 임의의 공지된 반사 편광기, 예컨대 맥네일 편광기, 와이어 그리드 편광기, 다층 광학 필름 편광기, 또는 원형 편광기, 예컨대 콜레스테릭 액정 편광기(cholesteric liquid crystal polarizer)일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 다층 광학 필름 편광기가 바람직한 반사 편광기일 수 있다. 일반적으로, 반사 편광기(240)는 직교 반사 편광기(Cartesian reflective polarizer) 또는 비-직교 반사 편광기(non-Cartesian reflective polarizer)일 수 있다. 비-직교 반사 편광기는 맥네일 편광기와 같이, 무기 유전체의 순차적 침착에 의해 생성된 것과 같은 다층 무기 필름을 포함할 수 있다. 직교 반사 편광기는 편광 축 방향을 갖고, 다층 중합체 라미네이트의 압출 및 후속 신장에 의해 생성될 수 있는 것과 같은 중합체 다층 광학 필름 및 와이어 그리드 편광기 둘 모두를 포함한다. 일 실시예에서, 반사 편광기(240)는 하나의 편광 축이 제1 편광 방향에 평행하고 제2 편광 방향에 수직하도록 정렬된다. 일 실시예에서, 제1 편광 방향은 s-편광 방향일 수 있고, 제2 편광 방향은 p-편광 방향일 수 있다.

직교 반사 편광기 필름은, 완전히 시준되지 않고 중심 광 빔 축으로부터 발산하거나 비스듬한 입력 광선을 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 기술되어 있는 것과 같은 중합체 다층 광학 필름을 포함할 수 있다.

편광 변환기(220)는 제4 면(227) 상에 배치된 1/4 파장 지연기(quarter-wave retarder)(242) 및 광대역 미러(broadband mirror)(244)를 포함하는 편광 회전 반사기를 추가로 포함한다. 편광 회전 반사기는 다른 문헌, 예를 들어 PCT 공개 WO2009/085856호(잉글리시(English) 등)에 논의되어 있다. 편광 회전 반사기는 광의 전파 방향을 역전시키고, 편광 성분 및 그들의 편광 회전 반사기에서의 배향에 따라, 편광 성분의 크기를 변경시킨다. 편광 회전 반사기는 일반적으로 반사기 및 지연기를 포함한다. 일 실시예에서, 반사기는 반사에 의해 광의 투과를 차단하는 광대역 미러일 수 있다. 지연기는 1/8 파장 지연기, 1/4 파장 지연기 등과 같은 임의의 원하는 지연을 제공할 수 있다. 본 명세서에 기술된 실시예에서, 1/4 파장 지연기 및 관련 반사기를 사용하는 것이 이로울 수 있다. 선형 편광된 광은 그것이 광 편광 축에 45°의 각도로 정렬된 1/4 파장 지연기를 통과할 때 원형 편광된 광으로 변경된다. 반사 편광기 및 1/4 파장 지연기/반사기로부터의 반사는 편광 변환기로부터의 효율적인 광 출력으로 이어진다. 대조적으로, 선형 편광된 광은 그것이 다른 지연기 및 배향으로 통과할 때 어느 정도까지 s-편광과 p-편광(타원형 또는 선형) 사이의 편광 상태로 변경되고, 편광 변환기의 보다 낮은 효율로 이어질 수 있다.

바람직하게는, 1/4 파장 지연기(242)는 제1 편광 방향에 대해 +/- 45°로 정렬된 1/4 파장 편광 방향을 포함한다. 일부 실시예에서, 1/4 파장 편광 방향은 제1 편광 방향에 대해 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 방향에 그렇게 정렬된 1/4 파장 지연기를 통과할 때 원형 편광된 광이 형성되기 때문이다. 1/4 파장 지연기의 다른 배향은 미러로부터의 반사 시에, p-편광된 광으로 완전히 변환되지 않은 s-편광된 광, 및 s-편광된 광으로 완전히 변환되지 않은 p-편광된 광을 형성하여, 다른 부분에서 기술된 바와 같은 감소된 효율로 이어질 수 있다.

제2 광대역 미러(246)는 제3 프리즘(226)의 대각면(229)에 인접하게 배치된다. 프리즘, 반사 편광기, 1/4 파장 지연기, 미러 및 임의의 다른 구성요소를 비롯한 편광 변환기의 구성요소들은 적합한 광학 접착제에 의해 함께 접합될 수 있다. 구성요소들을 함께 접합시키도록 사용되는 광학 접착제는 광 조합기에 사용되는 프리즘의 굴절률보다 낮은 굴절률을 가질 수 있다. 함께 완전히 접합된 편광 변환기는 조립, 취급 및 사용 동안 정렬 안정성을 비롯한 이점들을 제공한다.

특정한 일 실시예에 따르면, 프리즘 면(221, 223, 225, 227, 229)은 프리즘(222, 224, 226)의 굴절률 "n₂" 미만인 굴절률 "n₁"을 갖는 재료와 접촉하는 폴리싱된 외부 표면이다. 다른 실시예에 따르면, 편광 변환기(220)의 모든 외부 면(도시 안된 단부 면 포함)은 편광 변환기(220) 내에서 경사 광선의 TIR을 제공하는 폴리싱된 면이다. 폴리싱된 외부 표면은 프리즘(222, 224, 226)의 굴절률 "n₂" 미만인 굴절률 "n₁"을 갖는 재료와 접촉한다. TIR은, 특히 편광 변환기(220)로 지향된 광이 중심 축을 따라 시준되지 않은, 즉 유입하는 광이 수렴성이거나 발산성인 때, 편광 변환기(220) 내에서의 광 이용을 개선한다.

제1 렌즈렛 어레이(210)는 제1 p-편광된 광(252)을 수용하도록 배치된 복수의 렌즈 중 대표적인 제1 렌즈(212b) 및 제2 p-편광된 광(253)을 수용하도록 배치된 복수의 렌즈 중 대표적인 제2 렌즈(212a)를 포함한다. 일부 경우에, 제1 렌즈렛 어레이(210)의 각각의 렌즈는, 예를 들어 원통형 렌즈일 수 있고, 원통의 긴 축이 도 2에 도시된 단면에 수직하도록 어레이로 배열될 수 있다. 일부 경우에, 제1 렌즈렛 어레이(210)의 각각의 렌즈는, 예를 들어 구면형 렌즈일 수 있으며, 직사각형 어레이로 배열될 수 있다. 제1 렌즈렛 어레이(210)의 각각의 렌즈는 제1 광학 축(211), 및 전형적으로 평면형 표면인 표면(214)을 갖는다. 제1 렌즈렛 어레이(210)는 유리 또는 중합체로부터 형성될 수 있고, 표면(214)과 일치하는 기재를 포함할 수 있거나, 그 대신에 단일 재료로부터 형성된 모놀리식 렌즈렛 어레이일 수 있다.

제2 렌즈렛 어레이(230)는 제1 렌즈렛 어레이 및 제2 렌즈렛 어레이(230) 둘 모두의 각각의 렌즈의 광학 축(211)이 일치하도록 배치된 대표적인 제3 렌즈(232a) 및 대표적인 제4 렌즈(232b)를 포함한다. 일부 경우에, 제2 렌즈렛 어레이(230)의 각각의 렌즈는, 예를 들어 원통형 렌즈일 수 있고, 원통의 긴 축이 도 2에 도시된 단면에 수직하도록 어레이로 배열될 수 있다. 일부 경우에, 제2 렌즈렛 어레이(230)의 각각의 렌즈는, 예를 들어 구면형 렌즈일 수 있으며, 직사각형 어레이로 배열될 수 있다. 제2 렌즈렛 어레이(230)의 각각의 렌즈는 광학 축(211)에 정렬되고, 전형적으로 평면형 표면인 표면(214)을 갖는다. 제2 렌즈렛 어레이(230)는 유리 또는 중합체로부터 형성될 수 있고, 표면(214)과 일치하는 기재를 포함할 수 있거나, 그 대신에 단일 재료로부터 형성된 모놀리식 렌즈렛 어레이일 수 있다. 일반적으로, 제1 렌즈렛 어레이(210) 및 제2 렌즈렛 어레이(230) 둘 모두는 다른 부분에서 기술된 바와 같이, 모놀리식 FEA(201)를 형성하기 위해 단일 재료로부터 형성될 수 있다. 일반적으로, 제1 렌즈렛 어레이(210)의 각각의 렌즈(예를 들어, 제1 렌즈(212))의 초점은 제2 렌즈렛 어레이(230)의 각각의 렌즈(예를 들어, 제2 렌즈(232))의 제1 주 평면에 위치된다.

일부 경우에, 고 굴절률 유리가 렌즈렛 어레이를 위해 사용될 수 있다. 또한, 납을 가진 고 굴절률 유리는 바람직하게는 저-복굴절로 이어질 수 있는 낮은 응력 광학 성분(SOC)을 갖는 경향이 있다. 그러나, 작은 렌즈 특징부를 유리 내에 성형하는 것은 어려울 수 있다. 결과적으로, 예를 들어 폴리카르보네이트(PC), 사이클로-올레핀 중합체(COP), 사이클로-올레핀 공중합체(COC), 및 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 중합체를 비롯한 중합체 재료가 렌즈렛 어레이 구성을 위해 바람직하다. 예시적인 중합체 재료는, 예를 들어 사이클로-올레핀계 중합체 재료, 예컨대 제오넥스(Zeonex)(등록상표)(예를 들어, 미국 캔터키주 루이스빌 소재의 제온 케미칼스 엘.피.(Zeon Chemicals L.P.)로부터 입수가능한 E48R, 330R, 340R, 480R 등); 사이클로-올레핀 공중합체, 예컨대 APL5514ML, APL5014DP 등(일본 소재의 미쯔이 케미칼스, 인크.(Mitsui Chemicals, Inc.)로부터 입수가능함); 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA) 재료, 예컨대 WF100(일본 소재의 미쯔비시 레이온 테크놀로지스(Mitsubishi Rayon Technologies)로부터 입수가능함) 및 아크리펫(Acrypet)(등록상표) VH001(중국 광동성 소재의 광저우 홍수 트레이딩 컴퍼니.(Guangzhou Hongsu Trading Co.)로부터 입수가능함); 및 폴리카르보네이트, 폴리에스테르, 또는 폴리페닐렌 설파이드 재료를 포함한다. 일반적으로, (550 ㎚의 공칭 파장에서) 50 ㎚ 미만, 또는 30 ㎚ 미만, 또는 심지어 20 ㎚ 미만의 복굴절이 바람직하다.

비편광된 광선(250)은 제2 프리즘(224)의 제3 면(221)을 통해 편광 변환기(220)로 들어가고, 반사 편광기(240)에 인터셉트(intercept)되며, 여기서 제1 p-편광된 광선(252)과 제1 s-편광된 광선(251)으로 분할된다. 제1 p-편광된 광선(252)은 반사 편광기(240)를 통과하고, 광대역 미러(246)로부터 반사되며, 제3 프리즘(226)의 제5 면(225)을 통해 편광 변환기(220)를 빠져나간다. 제1 p-편광된 광선(252)은 제1 렌즈렛 어레이(210)의 제1 렌즈(212b)로 들어가고, 제1 p-편광된 발산성 광선(260b)으로서 제2 렌즈렛 어레이(230)의 제3 렌즈(232b)를 빠져나간다.

제1 s-편광된 광선(251)은 반사 편광기(240)로부터 반사되고, 제4 면(227)을 통해 제2 프리즘을 빠져나가며, 그것이 1/4 파장 지연기(242)를 통과함에 따라 원형 편광된 수렴성 광으로 변경되고, 원형 편광의 방향을 변경시키는 광대역 미러(244)로부터 반사되고, 그것이 다시 1/4 파장 지연기(242)를 통과함에 따라 제2 p-편광된 광(253)으로 된다. 제2 p-편광된 수렴성 광(253)은 반사 편광기(240)를 통과하고, 제1 프리즘(222)의 제1 면(223)을 통해 편광 변환기(220)를 빠져나간다. 제2 p-편광된 광선(253)은 제1 렌즈렛 어레이(210)의 제2 렌즈(212a)로 들어가고, 제2 p-편광된 발산성 광선(260a)으로서 제2 렌즈렛 어레이(230)의 제4 렌즈(232a)를 빠져나간다.

일부 경우에, 1/4 파장 지연기(242)는 대신에, 당업자에게 공지된 바와 같이, 광대역 미러(244)와 반사 편광기(240) 사이에서 반사 편광기(240)에 인접하게 배치될 수 있으며(도시 안됨), 유사한 광학 경로가 편광 변환기(220)를 통해 추적될 수 있다. 일부 경우에, 1/4 파장 지연기(242) 및 광대역 미러(244)를 포함하는 편광 회전 반사기는 대신에, 당업자에게 공지된 바와 같이, 제3 면(221) 상에 배치될 수 있고, 비편광된 입력 광선(250)은 제4 면(227)을 통해 편광 변환기(220)로 들어갈 수 있으며, 유사한 광학 경로가 편광 변환기(220)를 통해 추적될 수 있다.

특정한 일 실시예에서, 플라이 아이 어레이(FEA)를 횡단하는 광 빔에 영향을 줄 수 있는 복굴절성 효과의 크기를 최소화하는 것은 낮은 응력 광학 계수(SOC)를 갖고 얇은 FEA 재료의 선택을 포함한다. 낮은 SOC는 기재의 양 표면이 정합하는 렌즈렛 어레이로 구성/성형된 후에, FEA의 기재에 낮게 유도된 복굴절로서 나타난다. 저 복굴절을 달성하기 위한 제2 태양은 기재 재료 내의 광학 경로를 감소시키는 것이다. 이는 렌즈렛에 대한 짧은 초점 길이 설계를 요구한다. 제1 렌즈렛 어레이의 초점은 제2 렌즈렛 어레이의 주 평면 상으로 향한다. 짧은 초점 길이는 각각의 렌즈렛 요소에 대해 작은 곡률 반경을 이루게 한다. 결과적으로, 각각의 렌즈렛 요소의 개구(aperture)를 유지하기 위해, 각각의 렌즈렛의 측방향 크기는 전형적으로 감소된다(즉, 굴절력이 없는 어레이의 평탄 영역이 없음). 따라서, 어레이당 렌즈렛의 결과적인 수가 증가되며, 이는 빔 균질화를 개선할 수 있다.

작은 렌즈렛 측방향 크기를 갖는 것은 제2 렌즈렛 어레이 내의 대응하는 렌즈렛 광학 축에 대한 제1 렌즈렛 어레이 내의 각각의 렌즈렛 요소의 광학 축의 정합에 있어서의 높은 정밀도를 요구한다. 특정한 일 실시예에서, 예를 들어 LED 조명기 내에 사용되는 FEA는 대략 0.6 ㎜ × 0.9 ㎜ 렌즈렛 개구를 가질 수 있고, 이때 전형적인 기계적 위치 공차는 30 내지 50 um이고 오정렬로부터의 광 크로스토크(light crosstalk)가 심해질 것이다. 저 복굴절성 FEA 요소에 대한 필요성은 작고 얇은 렌즈렛 요소 설계를 이루게 한다. 작은 렌즈렛 요소는 요구되는 정렬 정밀도를 유지하기 위해 모놀리식 FEA 제조에 대한 필요성을 갖게 한다. 얇은 렌즈렛 기재는 기재 내에 유도되는 동일한 크기의 응력에 대해 매우 낮은 복굴절을 보장한다.

도 3은 본 발명의 일 태양에 따른 광학 요소(400)의 개략적인 측면도를 도시한다. 광학 요소(400)는 도 1에 도시된 것과 같은 이미지 프로젝터(100) 내의 균질화 편광 변환기 모듈(130)로서 사용될 수 있다. 광학 요소(400)는 편광 변환기(420), 제1 렌즈렛 어레이(410), 및 제2 렌즈렛 어레이(430)를 포함한다. 제1 렌즈렛 어레이(410) 및 제2 렌즈렛 어레이(430) 각각은 당업계에 공지된 바와 같이, "플라이 아이 어레이" 또는 FEA로서 지칭될 수 있다. 제1 렌즈렛 어레이(410) 및 제2 렌즈렛 어레이(430)는 함께, 두께 "t"를 갖고 제1 렌즈렛 어레이(410)와 제2 렌즈렛 어레이(430) 사이에 선택적인 중심 기재(414)를 포함할 수 있는 모놀리식 FEA(401)를 형성한다.

도 3에 도시된 각각의 요소(410-446)는 이전에 기술된, 도 2에 도시된 유사한 도면부호의 요소(210-246)에 대응한다. 예를 들어, 도 3의 제3 프리즘(426)은 도 2의 제3 프리즘(226)에 대응하는 등이다. 도 3에서, 반사 편광기(440)의 상대 위치는 도 2의 반사 편광기(240)의 위치로부터 변경되었으며, 그 결과 비편광된 입력 광(450)의 각각의 성분의 경로 길이는 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 3에 도시된 구성에서 상이하다. 일반적으로, 각각의 편광 성분의 경로 길이는 바람직하게는 동일하지만, 광학 요소(400)는 균질화 편광 변환기의 대안적인 실시예로서 기능할 것이다.

비편광된 광선(450)은 제2 프리즘(424)의 제3 프리즘 면(421)을 통해 편광 변환기(420)로 들어가고, 반사 편광기(440)에 인터셉트되며, 여기서 제1 p-편광된 광선(452)과 제1 s-편광된 광선(453)으로 분할된다. 제1 p-편광된 광선(452)은 반사 편광기(440)를 통과하고, 광대역 미러(446)로부터 반사되며, 제3 프리즘(426)의 제5 프리즘 면(425)을 통해 편광 변환기(420)를 빠져나간다. 이어서, 제1 p-편광된 광선(452)은 1/2 파장 지연기(448)를 통과하고, 제2 s-편광된 광선(454)으로 변경된다. 제2 s-편광된 광선(454)은 제1 렌즈렛 어레이(410)의 제1 렌즈(412b)로 들어가고, 제2 s-편광된 발산성 광선(460b)으로서 제2 렌즈렛 어레이(430)의 제3 렌즈(432b)를 빠져나간다.

제1 s-편광된 광선(453)은 반사 편광기(440)로부터 반사되고, 제3 프리즘 면(423)을 통해 제2 프리즘(424)을 빠져나간다. 제1 s-편광된 광선(453)은 제1 렌즈렛 어레이(410)의 제2 렌즈(412a)로 들어가고, 제1 s-편광된 발산성 광선(260a)으로서 제2 렌즈렛 어레이(430)의 제4 렌즈(432a)를 빠져나간다.

도 4는 본 발명의 특정한 일 실시예에 따른 편광 변환기(520)의 개략적인 단면도를 도시한다. 편광 변환기(520)는 이미 기술된 편광 변환기, 예를 들어 광학 요소(200) 내의 편광 변환기(220) 및 광학 요소(400) 내의 편광 변환기(420) 중 임의의 것을 대신하여 사용될 수 있다. 간략화를 위해, 렌즈렛 어레이가 도 5에서 제거되었으며, 편광 변환기(520)를 통한 광의 경로만이 기술될 것이다. 그러나, 도 1의 편광 변환기 모듈(130)은 도 2 및 도 3에서 기술된 것과 유사한 편광 변환기(520) 및 임의의 관련된 렌즈렛 어레이를 포함한다는 것을 이해하여야 한다.

도 4에 도시된 각각의 요소(520-546)는 이전에 기술된, 도 2에 도시된 유사한 도면부호의 요소(220-246)에 대응한다. 예를 들어, 도 4의 제3 프리즘(526)은 도 2의 제3 프리즘(226)에 대응하는 등이다. 도 4에서, 반사 편광기(540)의 상대 위치는 도 2의 반사 편광기(240)의 위치로부터 변경되었으며, 그 결과 비편광된 입력 광(552)의 각각의 성분의 경로 길이는 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 도 4에 도시된 구성에서 상이하다. 일반적으로, 각각의 편광 성분의 경로 길이는 바람직하게는 동일하지만, 편광 변환기(520)는 균질화 편광 변환기의 대안적인 실시예로서 기능할 것이다.

도 4에 도시된 특정한 일 실시예에서, 제2 프리즘(524)은 프리즘 면(523)의 길이를 연장시키는 선택적인 긴 부분("P")을 갖는다. 프리즘 면(523)의 연장된 길이는, 예를 들어 2010년 1월 6일자로 출원된 발명의 명칭이 "소형 광학 적분기"인 공히 계류중인 미국 특허 출원 제61/292574호(대리인 문서 번호 65902US002)에 기술된 바와 같이, 비편광된 입력 광(552)의 경로 길이를 증가시키고, 그 결과 비편광된 입력 광(552)의 균질화를 증가시키는 역할을 할 수 있다.

특정한 일 실시예에서, 편광 변환기(520)는 도 4에 도시된 바와 같이, 제1 프리즘(522)과 제3 프리즘(526) 사이에 배치된 1/2 파장 지연기(548)를 포함한다. 특정한 일 실시예에서, 1/2 파장 지연기(548)는 대신에, 도 3에 도시된 1/2 파장 지연기(448)와 유사한 방식으로, 프리즘 면(525)에 인접하게 배치될 수 있다. 일부 경우에, 1/2 파장 지연기(548)는 반사 편광기(540)를 통해 투과된 광의 광학 경로 내의 임의의 위치에 배치될 수 있어서, 투과된 광의 편광 상태가 반사된 광의 편광 상태로 변경된다. 특정한 일 실시예에서, 1/2 파장 지연기는 프리즘 면(523, 540, 548, 525, 529) 중 임의의 것에 인접하게 삽입될 수 있다.

중심 비편광된 광 빔(552)은 제1 프리즘 면(521)으로 들어가고, 반사 편광기(540)에 인터셉트되며, 여기서 투과된 p-편광된 광 빔(562)과 반사된 제1 s-편광된 광 빔(553)으로 분할된다. 반사된 제1 s-편광된 광 빔(553)은 이어서 제2 면(523)을 통해 편광 변환기(520)를 빠져나간다. 투과된 p-편광된 광 빔(562)은 제2 프리즘(522)을 빠져나가고, 제2 s-편광된 광 빔(572)으로 변경하는 1/2 파장 지연기(548)를 통과하며, 광대역 반사기(546)로부터 반사되고, 제5 면(525)을 통해 편광 변환기(520)를 빠져나간다.

달리 지시되지 않는 한, 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 않는 한, 상기 명세서 및 첨부된 특허청구범위에 기재되는 수치 파라미터는 본 명세서에 개시된 교시 내용을 이용하는 당업자가 얻고자 하는 원하는 특성에 따라 변할 수 있는 근사치이다.

본 명세서에 인용된 모든 참고 문헌 및 공보는 그들이 본 발명과 직접적으로 모순될 수 있는 경우를 제외하고는, 명백하게 전체적으로 본 발명의 개시 내용에 참고로 포함된다. 특정 실시예가 본 명세서에 예시되고 기술되어 있지만, 당업자는 본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 다양한 대안 및/또는 등가의 구현예가 도시되고 기술된 특정 실시예를 대신할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 본 출원은 본 명세서에 논의된 특정 실시예의 임의의 적응 또는 변형을 포함하도록 의도된다. 따라서, 본 발명은 오직 특허청구범위 및 그의 등가물에 의해서만 제한되는 것으로 의도된다.

Claims

비편광된 광을 수용하고 편광된 광을 출력하도록 배치되는 편광 변환기(polarization converter);
편광된 광을 수용하고 수렴성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제1 복수의 렌즈를 갖는 제1 렌즈렛 어레이(lenslet array);
수렴성 편광된 광을 수용하고 발산성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제2 복수의 렌즈를 갖는 제2 렌즈렛 어레이를 포함하며,
제1 렌즈렛 어레이 및 제2 렌즈렛 어레이는 모놀리식 어레이(monolithic array)이고, 제1 복수의 렌즈의 제1 렌즈의 광학 축과 일치하는 편광된 광선은 제2 복수의 렌즈의 제2 렌즈의 광학 축과 일치하는 광학 요소.
제1항에 있어서, 모놀리식 어레이는 유리, 플라스틱, 또는 실리콘을 포함하는 광학 요소.
제1항에 있어서, 모놀리식 어레이는 550 ㎚의 공칭 파장에서 약 30 ㎚ 미만의 복굴절(birefringence)을 포함하는 광학 요소.
제1항에 있어서, 편광된 광선은 동일한 광학 경로 길이를 갖는 제1 편광 광선 및 제2 직교 편광 광선을 포함하는 광학 요소.
제1항에 있어서, 제1 복수의 렌즈 각각의 초점은 제2 복수의 렌즈의 제1 주 평면에 위치되는 광학 요소.
제1항에 있어서, 모놀리식 어레이는 제1 복수의 렌즈와 제2 복수의 렌즈 사이에 배치되는 중합체 필름을 추가로 포함하는 광학 요소.
제1항에 있어서, 제1 복수의 렌즈 및 제2 복수의 렌즈는 일대일 대응(one-to-one correspondence)을 갖는 광학 요소.
제1항에 있어서, 제1 복수의 렌즈 및 제2 복수의 렌즈 중 적어도 하나는 원통형 렌즈를 포함하는 광학 요소.
제1항에 있어서, 제1 복수의 렌즈 및 제2 복수의 렌즈 중 적어도 하나는 양면-볼록형 렌즈, 구면형 렌즈, 또는 비구면형 렌즈를 포함하는 광학 요소.
제1항에 있어서, 제1 복수의 렌즈 각각 및 제2 복수의 렌즈 각각은 수렴 굴절력(converging power)을 갖는 광학 요소.
제1항에 있어서, 편광 변환기는 편광 빔 스플리터(polarizing beam splitter, PBS) 및 편광 회전기(polarization rotator)를 포함하는 광학 요소.
제11항에 있어서, PBS는 맥네일 편광기(MacNeille polarizer), 맥네일 편광기들의 어레이, 와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer), s-편광 반사 편광기, 또는 p-편광 반사 편광기를 포함하는 광학 요소.
제11항에 있어서, 편광 회전기는 1/4 파장 지연기(quarter-wave retarder), 1/2 파장 지연기(half-wave retarder), 액정(liquid crystal), 또는 액정 중합체를 포함하는 광학 요소.
제11항에 있어서, 광대역 반사기(broadband reflector)를 추가로 포함하는 광학 요소.
제14항에 있어서, 광대역 반사기는 내부 전반사(total internal reflection, TIR) 표면을 갖는 프리즘을 포함하는 광학 요소.
제14항에 있어서, 광대역 반사기는 미러(mirror)를 포함하는 광학 요소.
제1 비편광된 광원 및 제2 비편광된 광원;
제1 비편광된 광원 및 제2 비편광된 광원으로부터 조합된 비편광된 광을 출력하도록 배치되는 컬러 조합기(color combiner);
광학 요소를 포함하며, 상기 광학 요소는
조합된 비편광된 광을 수용하고 편광된 광을 출력하도록 배치되는 편광 변환기;
편광된 광을 수용하고 수렴성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제1 복수의 렌즈를 갖는 제1 렌즈렛 어레이;
수렴성 편광된 광을 수용하고 발산성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제2 복수의 렌즈를 갖는 제2 렌즈렛 어레이를 포함하며,
제1 렌즈렛 어레이 및 제2 렌즈렛 어레이는 모놀리식 어레이이고, 제1 복수의 렌즈의 제1 렌즈의 광학 축과 일치하는 편광된 광선은 제2 복수의 렌즈의 제2 렌즈의 광학 축과 일치하는 광 프로젝터(light projector).
제1 비편광된 광원 및 제2 비편광된 광원;
제1 비편광된 광원 및 제2 비편광된 광원으로부터 조합된 비편광된 광을 출력하도록 배치되는 컬러 조합기;
광학 요소 - 상기 광학 요소는
조합된 비편광된 광을 수용하고 편광된 광을 출력하도록 배치되는 편광 변환기;
편광된 광을 수용하고 수렴성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제1 복수의 렌즈를 갖는 제1 렌즈렛 어레이; 및
수렴성 편광된 광을 수용하고 발산성 편광된 광을 출력하도록 배치되는 제2 복수의 렌즈를 갖는 제2 렌즈렛 어레이를 포함하며,
제1 렌즈렛 어레이 및 제2 렌즈렛 어레이는 모놀리식 어레이이고, 제1 복수의 렌즈의 제1 렌즈의 광학 축과 일치하는 편광된 광선은 제2 복수의 렌즈의 제2 렌즈의 광학 축과 일치함 - ;
발산성 편광된 광에 이미지를 부여하도록 배치되는 공간 광 변조기(spatial light modulator); 및
프로젝션 광학계(projection optics)를 포함하는 이미지 프로젝터(image projector).
제18항에 있어서, 공간 광 변조기는 LCoS(liquid crystal on silicon) 이미저(imager) 또는 투과형 액정 디스플레이(LCD)를 포함하는 이미지 프로젝터.
제18항에 있어서, 렌즈들의 제2 어레이의 각각의 렌즈로부터의 발산성 편광된 광은 공간 광 변조기의 대부분을 조명하는 이미지 프로젝터.