KR20160095360A

KR20160095360A - 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스

Info

Publication number: KR20160095360A
Application number: KR1020150016534A
Authority: KR
Inventors: 박준; 여상옥; 정병우; 이옥렬
Original assignee: 엘지전자 주식회사
Priority date: 2015-02-03
Filing date: 2015-02-03
Publication date: 2016-08-11
Also published as: KR102268170B1

Abstract

프리즘 몸체; 상기 프리즘 몸체의 한면을 구성하며, 입사된 광을 투과시키도록 표면에 반사 방지 코팅층이 형성된 광투과면; 상기 프리즘 몸체의 다른 한면을 구성하며, 상기 광투과면과 일측이 접하며 90도 각도를 이루며, 광을 반사시키도록 표면에 거울 코팅층이 형성된 광반사면; 및 상기 프리즘 몸체의 또 다른 한면을 구성하며, 상기 광투과면에 일측이 접하고 상기 광반사면에 타측이 접하며, 상기 광투과면 및 상기 광반사면과 각각 45도 각도를 이루며, 상기 광투과면을 통해 입사된 광을 상기 광반사면으로 반사시키고, 상기 광반사면으로부터 반사된 광을 상기 투과면으로 재반사시켜 S-P 선편광 변환을 수행하도록 표면에 위상 변환 코팅층이 형성된 위상 변환면을 포함하는 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스가 제공된다.

Description

프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스{PHASE RETARDER FOR PROJECTOR}

본 발명은 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스에 관한 것으로, 상세하게는 3개의 면에 각각 반사 방지 코팅층, 위상 변환 코팅층, 거울 코팅층이 형성된 프리즘을 이용하여 위상 지연을 위한 코팅층의 숫자를 현저하게 줄이면서도 S파 성분을 P파 성분으로 변환할 수 있는 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스에 관한 것이다.

정보화시대가 급속히 발전함에 따라 대화면을 구현하는 디스플레이 기기의 중요성이 강조되고 있다. 이러한 대화면을 구현하는 기기의 일 예로서 영상을 확대 투사하는 기능을 갖춘 프로젝터가 있다.

프로젝터는 내부의 소형 디스플레이에 구현된 소화상을 투사렌즈를 이용하여 대화면의 스크린에 확대투사함으로써 대화면의 화상을 표시하는 프로젝션 장치로서, 스크린의 전면에 화상이 투사되는 전면 투사방식과 스크린의 후면에 화상이 투사되는 후면 투사방식으로 대별된다. 이 중에서 후자의 대표적인 예로 프로젝션 텔레비젼을 들 수 있다. 그리고, 프로젝터에서 소형의 영상을 제공하는 디스플레이로는 음극선관(CRT)과 액정표시소자(LCD)가 이용되고 있으며, 최근에는 프로젝터의 박형화에 유리한 액정표시소자를 이용한 액정프로젝터가 널리 이용되고 있다.

일반적인 액정프로젝터는 소화상을 제공하는 액정표시소자와, 구현된 소화상을 스크린에 확대투사시키는 투사렌즈계와, 액정표시소자에 광을 제공하는 광원과, 광원과 액정표시소자 사이의 광경로를 조절하기 위한 조명계와, 신호처리를 하는 구동회로부를 포함한다. 이러한 액정프로젝터는 효율 좋은 광학계 및 램프변경 등을 통해 고휘도를 구현하려는 추세와, 밝기는 다소 떨어지더라도 소형화, 경량화를 통해 휴대 및 설치의 간편성 등을 강조하려는 추세가 병행되고 있다.

최근에는 프로젝터의 성능이 중요시됨에 따라, 하드웨어 또는 소프트웨어 면에서 새로운 다양한 시도들이 적용되고 있다. 일 예로 레이저 다이오드(LD), 발광 다이오드(LED), 유기 EL(OLED) 및 형광체 등을 광원으로 사용하는 프로젝터를 구현하려는 시도가 있다.

예를 들어, 레이저 다이오드는 양단에 전압을 인가하면 유도 방출(stimulated emission) 및 보강 간섭을 통해 일정한 파장을 갖는 결 맞는(coherent) 빛, 즉, 레이저를 방출하도록 이루어진다. 복수의 레이저 다이오드에 서 각각 방출되는 레이저는 렌즈를 통해 집광되어 고휘도의 광원을 형성한다.

일반적으로 광원유닛은 청색광을 이용하여 여러가지 색을 포함하는 빛을 형성한다. 다만, 청색광을 얻기 위하여, 별도의 청색광 경로가 필요하므로 청색광의 경로를 형성하기 위한 광원유닛 내부의 공간이 필요하게 된다.

프로젝터는 다이크로 필터와 S-P 선편광 변환 광학계를 포함할 수 있다. 다이크로 필터는 광이 입사되면 S파 성분은 반사시키고 P파 성분은 투과시키는 필터링 소자이다. S-P 선편광 변환 광학계는 S파 성분을 P파 성분으로 변환시키는 동작을 수행하는 위상 지연 소자이다.

종래의 S-P 선편광 변환 광학계는 입사된 S파 성분에 대하여 2번의 90도 위상 지연을 통해 180의 위상 지연된 P 성분을 가진 광으로 출력하기 위하여 1/4 파장판(quarter-wave plate)과 반사판(mirror plate)을 구비하고 있다.

한편, 1/4 파장판(quarter-wave plate)은 1/4 파장 위상 지연을 위해 표면에 위상 지연 코팅층이 형성되어 있다. 1/4 파장판(quarter-wave plate) 및 반사판(mirror plate)을 이용하여 S파 성분을 P파 성분으로 변환하기 위해서는 1/4 파장판(quarter-wave plate)에 100층 이상의 광학 코팅을 수행해야만 한다.

따라서, 1/4 파장판(quarter-wave plate)의 제조 단가가 높게 되는 문제점이 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 3개의 면에 각각 반사 방지 코팅층, 위상 변환 코팅층, 거울 코팅층이 형성된 프리즘을 이용하여 위상 지연을 위한 코팅층의 숫자를 현저하게 줄이면서도 S파 성분을 P파 성분으로 변환할 수 있는 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스를 제공하는데 있다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 제안되는 실시 예가 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측면에 의하면, 프리즘 몸체; 상기 프리즘 몸체의 한면을 구성하며, 입사된 광을 투과시키도록 표면에 반사 방지 코팅층이 형성된 광투과면; 상기 프리즘 몸체의 다른 한면을 구성하며, 상기 광투과면과 일측이 접하며 90도 각도를 이루며, 광을 반사시키도록 표면에 거울 코팅층이 형성된 광반사면; 및 상기 프리즘 몸체의 또 다른 한면을 구성하며, 상기 광투과면에 일측이 접하고 상기 광반사면에 타측이 접하며, 상기 광투과면 및 상기 광반사면과 각각 45도 각도를 이루며, 상기 광투과면을 통해 입사된 광을 상기 광반사면으로 반사시키고, 상기 광반사면으로부터 반사된 광을 상기 투과면으로 재반사시켜 S-P 선편광 변환을 수행하도록 표면에 위상 변환 코팅층이 형성된 위상 변환면을 포함하는 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스가 제공된다.

상기 위상 변환면은 상기 광투과면을 통해 입사된 광의 S파성분을 1/4파장 변환을 수행하여, 상기 광반사면쪽으로 반사키고, 상기 광반사면에 의해서 반사된 광에 대하여 1/4파장 변환을 수행하여 P파로 위상 변환하여 상기 광투과면쪽으로 반사시키도록 구성될 수 있다.

상기 반사 방지 코팅층, 상기 거울 코팅층, 및 상기 위상 변환 코팅층은 유전체 코팅층을 포함하여 구성될 수 있다.

상기 프리즘 몸체는 굴절률 1.7 이상, 440nm 파장 대역에서 투과율 : 99% 이상, 광탄성 상수(Photoelastic constant)가 1.84이하인 재질일 수 있다.

상기 위상 변환 코팅층은 TiO₂층과 SiO₂층이 번갈아가면서 복수의 층으로 코팅처리될 수 있다.

상기 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스는 상기 프리즘 몸체의 가장자리를 둘러싸서 프로젝터에 고정시키기 위한 지지부 프레임을 더 포함할 수 있다.

상기 프리즘 몸체는 5면체의 프리즘 구조를 가지며, 상기 광투과면, 광반사면; 및 상기 위상 변환면은 사각형이고, 상기 광투과면, 광반사면; 및 상기 위상 변환면에 수직인 두면은 삼각형일 수 있다.

상기 프리즘 몸체는 하기의 수학식에 의해 정의되는 내부 전반사에 의해 위상 지연을 일으키도록 구성된다.

(단, δ는 위상 지연된 각도이며, P는 P파이고, S는 S파이고, n은 굴절율이며, θ는 광의 입사각이고, δs는 입사광(S파)의 위상 지연 각도이고, δp는 출사광(P파)의 위상 지연 각도)

본 발명에 의하면, 프리즘의 내부 전반사에 의해 발생되는 위상 지연 효과를 이용하여 성능 확보가 어려운 광학 코팅 성능을 극대화시키고 위상 지연을 위한 코팅층의 수를 줄이고 반사 부품수를 줄일 수 있게 된다. 이에 따라 프로젝션 장치에서 부품의 개수를 줄여서 제조 단가를 낮출 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 위상 지연 광학 디바이스를 프로젝션 장치에 장착하는 것을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스의 성능 평가 그래프이다.
도 5는 종래의 위상 지연 광학 디바이스의 성능 평가 그래프이다.

이하에서는 본 발명의 구체적인 실시 예를 도면과 함께 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상이 제시되는 실시 예에 제한된다고 할 수 없으며, 또 다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제 등에 의해서 퇴보적인 다른 발명이나, 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시 예를 용이하게 제안할 수 있다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재하였으므로, 단순한 용어의 명칭이 아닌 용어가 가지는 의미로서 본 발명을 파악하여야 함을 밝혀 두고자 한다.

즉, 이하의 설명에 있어서, 단어 '포함하는'은 열거된 것과 다른 구성요소들 또는 단계들의 존재를 배제하지 않는다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스를 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스(100)는 프리즘 몸체(110), 광투과면(120), 광반사면(130), 위상 변환면(140)을 포함하여 구성될 수 있다.

프리즘 몸체(110)는 내부 전반사에 의해 발생되는 위상 지연 효과를 구현할 수 있다.

프리즘 몸체(110)의 내부 전반사에 의해 발생되는 위상 지연은 수학식1의 공식에 의해 정의될 수 있으며, 종래에 공기중에서 이루어지는 평면 반사에게서는 발생되지 않는 위상 지연이다.

여기에서 δ는 위상 지연된 각도를 나타내며, P는 P파를 나타내며, S는 S파를 나타내며, n은 굴절율을 나타내며, θ는 광의 입사각을 나타낸다. 따라서, δ는 프리즘 몸체(110)로 들어오는 입사광(S파)의 위상 지연 각도(δs)와 프리즘 몸체(110)의 내부 전반사에 의해 프리즘 몸체(110)로부터 나가는 출사광(P파)의 위상 지연 각도(δp)와 의 차이를 나타낸다. 예를 들어 δ가 45도 위상 지연시 선편광이 원편광으로 변경된다. 따라서, 프리즘 몸체(110) 내부에서 2회 반사가 일어나면 1회 반사시마다 90도 회전을 하여 2회 반사시에 180도 회전을 하여 S파에서 P파로의 변환이 일어날 수 있다.

프리즘 몸체(110)는 내부 전반사에 의해 위상 지연 효과를 발생시킬 수 있는 재질이어야 한다. 프리즘 몸체(110)가 내부 전반사에 의한 위상 지연 효과를 최상으로 구현하기 위해서는 프리즘 몸체(110)를 구성하는 재질의 굴절률, 투과율, 광탄성 상수가 적절한 조건내에 있어야 한다. 예를 들어, 광탄성 상수가 낮을수록 내부 전반사가 효율이 좋지만, 임계치의 이상의 되면 투과율이 떨어지게 된다. 따라서, 적정 투과율을 유지하면서 광탄성 상수가 낮은 지점을 찾아 재질을 선택하는 것이 중요하다.

예를 들어, 여러번의 실험결과에 의하면, 프리즘 몸체(110)는 굴절률 1.7 이상, 440nm 파장 대역에서 투과율 : 99% 이상, 광탄성 상수(Photoelastic constant)가 1.84이하인 재질을 사용할 때에 우수한 효과를 발견할 수 있었다.

광투과면(120)은 프리즘 몸체(110)의 한면을 구성하며, 입사된 광을 투과시키도록 표면에 반사 방지 코팅층이 형성된다.

광반사면(130)은 프리즘 몸체(110)의 다른 한면을 구성하며, 광투과면(120)과 일측이 접하며 90도 각도를 이룬다. 광반사면(130)은 프리즘 몸체(110)내에서 광을 반사시키도록 표면에 거울 코팅층이 형성된다.

위상 변환면(140)은 프리즘 몸체(110)의 또 다른 한면을 구성하며, 광투과면(120)에 일측이 접하고 광반사면(130)에 타측이 접한다.

위상 변환면(140)은 광투과면(120) 및 광반사면(130)과 각각 45도 각도를 이룬다. 위상 변환면(140)은 표면에 위상 변환 코팅층이 형성되어 있다. 위상 변환면(140)은 위상 변환 코팅층에 의해 광투과면(120)을 통해 입사된 광을 광반사면(130)으로 반사시킨다. 아울러, 위상 변환면(140)은 광반사면(130)으로부터 반사된 광을 광투과면(120)으로 재반사시켜 S-P 선편광 변환을 수행할 수 있다.

구체적으로 위상 변환면(140)은 광투과면(120)을 통해 입사된 광의 S파성분을 1/4파장 변환을 수행하여, 광반사면(130)쪽으로 반사킨다. 위상 변환면(140)은 광반사면(130)에 의해서 반사된 광에 대하여 1/4파장 변환을 수행하여 P파로 위상 변환하여 광투과면(120)쪽으로 반사시킨다.

반사 방지 코팅층, 거울 코팅층, 및 위상 변환 코팅층은 유전체 코팅층을 포함하여 구성될 수 있다.

예를 들어, 위상 변환면(140)에 형성된 위상 변환 코팅층은 TiO₂층과 SiO₂층이 번갈아가면서 복수의 층으로 코팅처리될 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스를 설명하기 위한 도면이다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 위상 지연 광학 디바이스를 프로젝션 장치에 장착하는 것을 설명하기 위한 도면이다.

도 2 및 도 3를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 위상 지연 광학 디바이스(100)는 지지 프레임(150)에 의해 프로젝션 장치(200)에 장착될 수 있다.

지지 프레임(150)은 프리즘 몸체(110)의 가장자리를 둘러싸서 프로젝션 장치(200)에 고정시키기 위해 사용된다.

프리즘 몸체(110)는 5면체의 프리즘 구조를 가지며, 광투과면(120), 광반사면(130) 및 위상 변환면(140)은 사각형이고, 광투과면(120), 광반사면(130) 및 위상 변환면(140)에 수직인 두면은 삼각형일 수 있다.

이와 같이 프리즘 몸체(110)에서 3개의 면을 구성하는 광투과면(120)에 반사 방지 코팅층을 형성하고, 광반사면(130)에 거울 코팅층을 형성하고, 위상 변환면(140)에 위상 변환 코팅층을 형성하고, 프리즘 몸체(110)의 내부 전반사에 의해 발생되는 위상 지연 효과를 구현함으로써 위상 지연을 위한 코팅층의 숫자를 현저하게 줄이면서도 S파 성분을 P파 성분으로 변환할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스의 성능 평가 그래프이고, 도 5는 종래의 위상 지연 광학 디바이스의 성능 평가 그래프이다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스에서는 입사광의 입사 각도와 파장에 대하여 민감도가 낮아짐에 따라 고출력 레이저를 광원으로 사용하는 프로젝션 장치에 안정적인 성능을 제공할 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스에서는 프리즘 몸체(110)에 광투과면(120)과 광반사면(130)을 일체로 구현했음에 따라 종래에 광반사판을 조립시에 발생될 수 있는 치수문제로부터도 자유로울 수 있다.

아울러, 본 발명의 일실시예에 따른 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스에서는 프리즘 몸체(110)을 사용함으로써 광원의 광경로에 있어 광축의 이동없이 완벽하게 호환하여 사용이 가능하다.

지금까지 본 발명에 따른 구체적인 실시예에 관하여 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서는 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

프리즘 몸체;
상기 프리즘 몸체의 한면을 구성하며, 입사된 광을 투과시키도록 표면에 반사 방지 코팅층이 형성된 광투과면;
상기 프리즘 몸체의 다른 한면을 구성하며, 상기 광투과면과 일측이 접하며 90도 각도를 이루며, 광을 반사시키도록 표면에 거울 코팅층이 형성된 광반사면; 및
상기 프리즘 몸체의 또 다른 한면을 구성하며, 상기 광투과면에 일측이 접하고 상기 광반사면에 타측이 접하며, 상기 광투과면 및 상기 광반사면과 각각 45도 각도를 이루며, 상기 광투과면을 통해 입사된 광을 상기 광반사면으로 반사시키고, 상기 광반사면으로부터 반사된 광을 상기 투과면으로 재반사시켜 S-P 선편광 변환을 수행하도록 표면에 위상 변환 코팅층이 형성된 위상 변환면을 포함하는 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스.
제1 항에 있어서, 상기 위상 변환면은 상기 광투과면을 통해 입사된 광의 S파성분을 1/4파장 변환을 수행하여, 상기 광반사면쪽으로 반사키고, 상기 광반사면에 의해서 반사된 광에 대하여 1/4파장 변환을 수행하여 P파로 위상 변환하여 상기 광투과면쪽으로 반사시키는 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스.
제1 항에 있어서, 상기 반사 방지 코팅층, 상기 거울 코팅층, 및 상기 위상 변환 코팅층은 유전체 코팅층을 포함하는 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스.
제1 항에 있어서, 상기 프리즘 몸체는 굴절률 1.7 이상, 440nm 파장 대역에서 투과율 : 99% 이상, 광탄성 상수(Photoelastic constant)가 1.84이하인 재질인 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스.
제1 항에 있어서, 상기 위상 변환 코팅층은 TiO₂층과 SiO₂층이 번갈아가면서 복수의 층으로 코팅처리된 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스.
제1 항에 있어서, 상기 프리즘 몸체의 가장자리를 둘러싸서 프로젝터에 고정시키기 위한 지지 프레임을 더 포함하는 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스.
제1 항에 있어서, 상기 프리즘 몸체는 5면체의 프리즘 구조를 가지며,
상기 광투과면, 광반사면; 및 상기 위상 변환면은 사각형이고, 상기 광투과면, 광반사면; 및 상기 위상 변환면에 수직인 두면은 삼각형인 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스.
제1 항에 있어서, 상기 프리즘 몸체는 하기의 수학식에 의해 정의되는 내부 전반사에 의해 위상 지연을 일으키는 프로젝션 장치를 위한 위상 지연 광학 디바이스.

(단, δ는 위상 지연된 각도이며, P는 P파이고, S는 S파이고, n은 굴절율이며, θ는 광의 입사각이고, δs는 입사광(S파)의 위상 지연 각도이고, δp는 출사광(P파)의 위상 지연 각도)