KR20190000456U

KR20190000456U - 소형 시준 이미지 프로젝터를 구비한 광학 시스템

Info

Publication number: KR20190000456U
Application number: KR2020187000091U
Authority: KR
Inventors: 조나단 겔베르그; 모르드카이 지로.; 아비아드 바르 메이르; 아비브 프로머; 지온 아이센펠드
Original assignee: 루머스 리미티드
Priority date: 2016-12-02
Filing date: 2017-12-03
Publication date: 2019-02-19
Also published as: EP3371642A4; TWM577117U; JP3226588U; EP3371642A1; DE212017000261U1; CN208953803U; JP2020503535A; TW201825938A; US20180157057A1; WO2018100582A1

Abstract

광학 시스템(100)은 편광 소스; 반사성-디스플레이 디바이스(70); 적어도 하나의 광-파 시준 부품(16) 및 광-파 출사면(20)에 각각 연관되는 외부 면을 갖는 이미지-시준 프리즘(102)을 포함한다. 편광-선택성 빔 스플리터 형상(10)은 광-파 입사면(8)에 비스듬한 면상에서 프리즘(102) 내에 배치된다. 반사성-디스플레이 디바이스는 빔 스플리터 형상(20)으로부터 반사된 편광 소스로부터의 광에 의해 조명되고, 이미지의 밝은 영역에 대응하는 편광의 회전을 발생시킨다. 반사성-디스플레이 디바이스(70)로부터의 이미지는 편광-선택성 빔 스플리터 형상(10)에 의해 선택적으로 투과되고. 시준 부품(16)에 의해 시준되고, 편광-선택성 빔 스플리터 형상(10)으로부터 반사되고 출사면(20)을 지나 투사된다. 일부 구현에서, 출사면에 또는 근처에 위치하는 부가적인 편광판은 원치않는 조명 광선의 흡광을 최적화하도록 돕는다.

Description

소형 시준 이미지 프로젝터를 구비한 광학 시스템{OPTICAL SYSTEM WITH COMPACT COLLIMATING IMAGE PROJECTOR}

본 고안은 광학 시스템에 관한 것으로, 특히, 소형 시준 이미지 프로젝터를 구비한 광학 시스템에 관한 것이다.

소형 광학 디바이스는 머리-착용 디스플레이(Head-Mounted Displays, HMDs) 분야에 특히 필요한데, 여기에서 광학 모듈은 시청자의 눈으로 전달하기 위해 이미지를 생성하고(imager) 이미지를 무한한 곳에 시준(視準)하는(collimation) 기능을 수행한다. 이 이미지는 디스플레이 디바이스로부터 획득될 수 있는데, 음극선관(cathode ray tube, CRT), 액정 디스플레이(LCD), 실리콘 액정 표시장치(LCoS), 디지털 미소 반사 표시기(Digital Micromirror Device, DMD), OLED 디스플레이, 주사 소스(scanning source) 또는 유사한 디바이스와 같은 공간 광 변조기(SLM)로부터 직접, 또는 릴레이 렌즈 또는 광 섬유 번들에 의해 간접적으로 획득할 수 있다. 픽셀 어레이로 구성된 이 이미지는 시준 장치에 의해 무한한 곳에 초점이 맞춰지며 일반적으로 보이지않는 애플리케이션 및 보이는 애플리케이션에 대해 각각 결합기 역할을 하는 반사 표면 또는 부분적인 반사 표면에 의해, 시청자의 눈으로 전송된다. 일반적으로, 종래의, 자유-공간 광학 모듈이 이 목적으로 사용된다.

시스템의 소정의 시야(field of view, FOV)가 증가하면, 이 유형의 종해의 광학 모듈은 중간 성능의 디바이스에 대해서도 더욱 무거워지고 부피가 커지며, 이런 이유로 비현실적이게 된다. 이것은 모든 종류의 디스플레이, 특히 시스템이 가능한 한 가볍고 소형이어야 하는 머리-착용 디스플레이에 대해서 주요한 단점이다.

소형화에 대한 탐구는 여러 상이하고 복잡한 광학적 해결책으로 이어졌지만, 그 중 대부분은 여전히 대부분의 실제 적용에 대해 충분히 작지 않으며, 동시에 비용, 복잡성 및 제조가능성 면에서 단점을 갖는다. 일부 경우, 광학 시야각의 전체 범위가 가시적인 눈-동작-박스(eye-motion-box, EMB)는 작으며, 예를 들어 6mm 미만이며, 시청자의 눈에 관한 광학 시스템의 작은 움직임에도 광학 시스템의 성능이 민감하도록 하고, 이러한 디스플레이로부터 편리한 텍스트 판독을 위해 충분한 동공 동작을 수용하지 못한다.

HMD 및 근안(near eye) 디스플레이는 Lumus Ltd.(이스라엘)로부터 상업적으로 사용가능하며, 일반적으로 부분적으로 반사하는 표면을 구비한 광-유도 기판(도파관) 또는 사용자의 눈에 이미지를 전달하기 위한 다른 적용가능한 광학 소자를 이용한다. Lumus Ltd. 기술의 다양한 양태는 다음의 PCT 공보에 기재되어 있으며, 본 고안에 관련된 배경을 제공하도록 참고로 사용된다: WO 01/95027, WO 2006/013565, WO　2006/085309, WO　2006/085310, WO　2007/054928, WO　2008/023367 and WO　2008/129539.

본 고안은 소형 시준 이미지 프로젝터를 구비한 광학 시스템이다. 본 고안의 특정 바람직한 실시예는 상대적으로 큰 EMB 값과 함께 넓은 FOV에 대한 단순하고 소형인 해결책을 제공한다.

본 고안의 일 실시예의 교시에 따르면, (a) 광파 입사면 및 광파 출사면, 이미지 디스플레이 면 및 시준 면을 포함하는 다수의 외부 면, 광파 입사면에 비스듬한 면상에서 프리즘내에 배치되는 편광-선택성 빔 스플리터 형상을 갖는, 광파 투과 물질을 포함하는 이미지 시준 프리즘; (b) 광파 입사면과 연관되는 편광의 소스; (c) 프리즘의 이미지 디스플레이 면과 연관되고, 빔 스플리터 형상으로부터 반사된 편광 소스로부터의 광에 의해 조명되고, 이미지의 밝은 영역에 대응하는 반사광은 편광의 소스에 관해 회전된 편광을 갖도록 구성되는 반사성-디스플레이 디바이스; (d) 시준면의 적어도 일부와 연관되는 적어도 하나의 지연 판(retardation plate); 및 (e) 지연 판의 적어도 일부 위에 놓이는 적어도 하나의 광파 시준 부품을 포함하여, 반사성-디스플레이 디바이스로부터의 이미지는 편광-선택성 빔 스플리터 형상에 의해 선택적으로 투과되고. 시준 부품에 의해 시준되고, 편광-선택성 빔 스플리터 형상으로부터 반사되고 출사면을 지나 투사되는 광학 시스템이 제공된다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 프리즘의 광파 입사면 및 광파 출사면은 평행하다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 프리즘의 인접한 표면 사이의 적어도 하나의 각도는 수직이 아니다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 프리즘은 직육면체 프리즘이고, 다른 경우 정육면체 프리즘이다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 편광-선택성 빔 스플리터 형상은 와이어 그리드(wire grid) 빔 스플리터이다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 편광-선택성 빔 스플리터 형상은 (a) 편광의 소스에 가장 가까운 제1 빔 스플리터 소자; (b) 흡수성 편광판(polarizer); 및 (c) 광파 시준 부품에 가장 가까운 제2 빔 스플리터 소자를 포함하는 복합 빔 스플리터 형상이다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 제1 빔 스플리터 소자는 와이어-그리드 빔 스플리터 소자이다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 프리즘의 광파 출사면과 연관되는 출구 편광판이 제공되며, 이 출구 편광판은 편광-선택성 빔 스플리터 형상을 가로지르는 편광의 소스로부터 임의의 조명의 흡광(extinction)을 보장하도록 편광-선택성 빔 스플리터 형상에 교차-관계(crossed-relation)로 배향된다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 반사성-디스플레이 디바이스는 실리콘 액정 표시장치를 포함한다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 서로 평행한 적어도 두 개의 주요 면을 갖는 광-유도 기판, 및 광파 입력 개구가 또한 제공되며, 광파 입력 개구는 프리즘의 광파 출사면에 광학적으로 결합된다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 광-투과 기판에는 주요 면에 비스듬한 각도로 기판 내에서 연장되는 적어도 하나의 부분적인 반사면이 들어 있다.

본 고안의 일 실시예의 추가 구성에 따르면, 적어도 하나의 지연 판(retardation plate)은 편광 축과 정렬되는 제1 고정(fast) 축을 갖는 제1 지연 판 및 편광 축에 45도로 정렬되는 고정 축을 갖는 제2 지연 판을 포함한다.

설명 및 청구범위에 사용되는 용어 "광-유도(light-guide)"는 임의의 광-투과체, 바람직하게는 광 투과 고체를 말하며, "광학 기판"으로 불릴 수 있다.

결과적인 광학 시스템은 큰, 고품질의 이미지를 제공하도록 구현될 수 있고, 눈의 큰 운동도 수용한다.

도1은 본 고안의 일 실시예에 따라 구성되고 동작하는 소형 시준 이미지 프로젝터를 제공하는 광학 시스템의 개략적인 전개 평면도이다.
도2는 출구 편광판의 추가에 의해 수정된 도1의 광학 시스템의 개략적인 전개 평면도이다.
도3은 이미지 프로젝터의 출력부에 도달하는 광원으로부터 원치 않는 방사의 잠재적인 경로를 도시하는 도2와 유사한 개략도이다.
도4는 다수의 편광 소자를 포함하는 편광-선택성 빔 스플리터의 바람직한 구현의 세부사항을 나타내도록 추가로 전개된 도2의 광학 시스템의 개략적인 전개 평면도이다.
도5는 이미지 프로젝터의 출력부에 도달하는 광원으로부터 원치 않는 방사선의 잠재적인 경로를 도시하는 도4와 유사한 개략도이다.
도6은 편광 소자의 다양한 상이한 조합에 대해 평면 외(out of plane) 비스듬한 빔(skew-beam) 각도의 함수로서 바람직하지 않은 광학 신호의 투과의 변화를 나타내는 그래프이다.
도7은 다양한 부품을 단일 구조로 조립한 후, 도1, 2 및 4의 광학 시스템의 개략적인 평면도이다.
도8은 광-유도 기판에 결합된 도7의 디바이스를 포함하는 광학 시스템의 개략적인 평면도이다.
도9는 직사각형이 아닌 형태로 구현된 도7과 유사한 광학 시스템의 개략적인 평면도이다.
도10은 배경 잡음의 디스플레이 명암비 사이의 관계를 도시하는 그래프이다.

본 고안은 광-유도 기판에 결합된 소형 시준 프로젝터를 구비한 광학 시스템에 관한 것이다.

본 고안에 따르는 광학 시스템의 원리 및 동작은 도면 및 첨부되는 설명을 참고로 잘 이해될 수 있을 것이다.

도면을 살펴보면, 도1, 2, 4 및 7-8은 본 고안의 다양한 양태에 따라 구성되고 동작하는, 일반적으로 100으로 표기된, 광학 시스템의 다양한 구현을 도시한다. 일반적인 용어에서, 시스템(100)은 광파 투과 물질로 구성된 이미지-시준 프리즘(102)을 포함하며, 이미지 시준 프리즘(102)은 광파 입사면(8), 광파 출사면(20), 이미지 디스플레이 면(12) 및 시준 면(18)을 포함하는 다수의 외부 면을 갖는다. 편광-선택성 빔 스플리터 형상(10)(짧게 "PBS(10)"라고 불릴 수도 있는)은 광파 입사면(8)에 비스듬한 평면상에서 프리즘(102) 내에 배치된다.

편광판(4)과 광원(62)의 조합으로서 도시된, 편광 소스는 광파 입사면(8)과 연관된다. 프리즘의 이미지 디스플레이 면과 연관되고, 이미지에 대응하는 반사된 광의 공간 변조를 생성하는 반사성-디스플레이 디바이스(70)는 이미지 디스플레이 면(12)과 연관된다. 반사성-디스플레이 디바이스(70)는 빔 스플리터 형상(10)으로부터 반사된 편광 소스로부터의 광에 의해 조명된다. 반사성-디스플레이 디바이스(70)는 원하는 이미지의 밝은 영역에 대응하는 반사광이 편광의 소스에 대해 회전된 편광을 갖도록 구성된다. 따라서, 전술된 도면에 도시된 바와 같이, 편광된 조명은 빔 스플리터 형상(10)에 대해 제1 편광, 일반적으로 s-편광으로 입사면(8)을 지나 프리즘(102)으로 들어가고, 이미지 디스플레이 면(12)을 향해 반사되며, 이미지 디스플레이 면(12)에서 반사성-디스플레이 디바이스(70)에 영향을 준다. 이미지의 밝은 영역에 대응하는 픽셀은 변조된 회전 편광(일반적으로 p-편광)으로 반사되어 밝은 픽셀로부터의 방사선이 빔 스플리터 형상을 따라 통과되고 시준 면(18)에 도달하며, 시준 면(18)에서 시준 면의 적어도 일부와 연관된 적어도 하나의 지연 판, 바람직하게는 1/4-파 판(quarter-wave plate, 14)을 관통하고, 지연 판의 적어도 일부 위에 놓이는 적어도 하나의 광-파 시준 부품(16)으로 들어가고, 1/4-파 판(14)을 지나 역으로 반사된다. 편광 축에 45도로 그 고정 축과 정렬된 1/4-파 판(14)을 통한 이중 통과는 편광을 회전시켜(예를 들어, p-편광을 s-편광으로 변환) 시준된 이미지 조명이 빔 스플리터 형상(10)에서 출사면(20)을 향해 반사되게 한다.

본 고안의 명세서의 특히 바람직하지만 비-제한적인 세트에서, 이미지 시준 프리즘(102)의 광-파 출사면(20)은 서로 평행인 적어도 두 개의 주요 면(32, 34)을 갖는 광-유도 기판(36)의 광-파 입력 구멍에 광학적으로 결합된다. 이 경우, 빔-스플리터 형상(10)에서의 반사를 거쳐 광원에 의해 조명된 반사성-디스플레이 디바이스(70)로부터의 이미지는 시준 부품(16)에 의해 시준되고 빔 스플리터 형상(10)으로부터 반사되어 출사면(20)을 통과하고 광-유도 기판(36)의 입력 구멍으로 나아가 내부 반사에 의해 기판 내로 전파된다.

이 단계에서, 본 고안은 특히 유리한 광학 시스템을 제공한다는 것을 이해할 것이다. 특히, 반사성-디스플레이 디바이스(70)에 조명을 전달하기 위해 및 시준된 광을 시준 부품(16)으로부터 출사면(20)으로 반사하기 위해 단일 편광-선택성 빔 스플리터 형상(10)을 이용함으로써, 특히 짧은 초점 거리를 갖는 시준 프리즘(102)의 매우 작은 구현을 달성하는 것이 가능하며, 이는 일반적으로 이 두 기능을 위한 두 개의 별도의 프리즘 조립체를 필요로 하는 종래 디바이스에 반해, 주어진 크기의 반사성-디스플레이 디바이스에 대해 넓은 FOV 디스플레이를 제공하는데 유리할 수 있다.

여기에 규정된 소형 형상의 중요함은, 특정 구현에서, 조명 원이 프리즘의 출구 구멍의 맞은 편에 있다는 것이다. 이것은, 일부 경우, 어떤 조명원도 출구 구멍에서 나오는 빔 스플리터를 따라 누설되어 광-유도 기판에 도달하지 못하여, 노이즈를 증가시키고 이미지 대비(contrast)를 감소시킬 수 있도록 하는 특별한 예방책을 필요로 한다. 이하 서술되는 다양한 실시예는 다양한 특히 바람직한 구현을 개시하는데, 여기에서 소자들은, 높은 비스듬한 빔(skew-beam) 각도에서조차도, 광-유도 기판에 도달하는 것으로부터 조명 방사선의 흡광을 향상시켜 개선하도록 제공된다.

본 고안의 특히 바람직한 구현은 LCD 또는 LCOS 디스플레이와 같은 일부 공간 광 변조기(SLM) 마이크로-디스플레이 소스에서, 그 동작은 디바이스에 입사된, 상이한 편광 상태에서 반사된 편광을 기반으로 한다. 무-편광 반사형 SLM은 또한 SLM 입구에 1/4 파 판을 추가함으로써 사용될 수 있다. 이것은 들어가고 나오는 경로에서 1/4 파 판을 지나 광속(light beam)의 이중 경로가 광속 편광을 회전시킬 때, 이러한 유형의 SLM을 본 고안의 디바이스에서 사용하기 적합한, 편광 회전 SLM로 전환할 것이다.

이하의 설명에서, 반사 및 편광 회전 마이크로 디스플레이의 예로서 LCOS를 참고할 것이지만, 이것은 오직 비-제한적인 예이며, "반사성 디스플레이 디바이스"로 불리는 다른 편광 회전 마이크로 디스플레이도 또한 적용할 수 있다.

시준 프리즘(102)은 두 개의 프리즘(도1의 6, 22)을 기반으로 하며, 이들 중 적어도 하나는 편광-선택성 빔 스플리터 형상(10)의 적어도 일부를 형성하는 편광 비 스플리터(PBS)를 구비한 빗변 쪽에 제공되며, s-편광을 반사하고 p-편광을 통과시킨다. 프리즘들의 두 개의 빗변 쪽은 서로 결합되어, 결합된 시준 프리즘 조립체를 형성한다. 이 단일 결합된 프리즘은 LCOS의 조명 및 LCOS의 시준을 위해 사용된다.

결합된 프리즘(102)의 기하학적 형상은 응용에 따라 변경될 수 있으며, 직교 면을 기반으로 할 필요는 없다. 특정의 바람직한 구현에서, 프리즘의 광-파 입사면(8) 및 광-파 출사면(20)은 평행하다. 특정의 특히 바람직한 구현에서, 프리즘은 서로 직교하는 직사각형 면을 갖는 직육면체(cuboid)의 프리즘이고, 여기에 도시된 특정의 특히 바람직한 예에서, 각각의 부품 프리즘(6, 22)은 45도 직각 단면 형태를 갖는다. 특정 응용의 세부사항에 따라 비-직교 프리즘 면, 및 45도 이외의 각도로 배치되는 편광 빔-스플리터 형상을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 비-직사각형 디바이스의 하나의 비-제한적인 예가 도9에 도시되어 있다. 변형된 비-직사각형 기하학적 구조로부터 직접 이뤄지는 변화 이외에, 도9의 구조 및 기능은 도1의 것과 유사하며, 유사한 요소는 유사하게 표시된다.

LED, 레이저 또는 임의의 다른 광원(62)을 형성할 수 있는 입사 광속(2)은 도1에 도시된 바와 같이 선형 편광판(4)을 통과한다. 편광된 조명의 높은 품질을 보장하는데는 여전히 유리할지라도, 선형 편광판(4)은 광원(62) 자체가 편광화된 경우에는 필요하지 않다. 입사 광속(2)은 도1에 도시된 바와 같이, PBS(10)의 표면에 관해, 선형으로 s-편광된다. 도시된 바와 같이, 광원으로부터의 s-편광된 입력 광-파(light-wave, 2)는, 그 입사면(8)을 지나, 광-파 투과 물질로 조성되는, 프리즘(102)(사이에 PBS(10)를 구비한 프리즘(6, 22)으로부터 구성되는 "광-유도" 광학 디바이스로 간주될 수 있는) 안에 결합된다. PBS(10)로부터의 반사 후에, 광-파는 프리즘(6)의 외부면(12)을 지나 기판의 외부에 결합된다. 광-파는 밝은 이미지 신호를 위해 s-편광 상태로부터 p-편광으로 변환하는 LCOS 소자(70)에 의해 반사된다. p-편광된 광-파는 표면(12)을 지나 광학 소자(6)로 다시 들어간다. 이제 p-편광된 광-파는 PBS를 통과한 다음, 프리즘(22)의 외부 표면(18)을 지나 광-가이드 Q밖에 결합된다. 그 다음에 광-파는 적어도 하나의 1/4-파장 지연 판(14)을 통과하고, 반사 및 시준 광학 소자(16), 예를 들어 구형 시준 거울에 의해 반사되고, 지연 판(14)을 다시 통과하여 돌아가고, 외부 표면(18)을 지나 광-가이드로 다시 들어간다. 가장 바람직하게는, 편광 축에 대해 각각 0°및 45°에 있는 그들의 고정 축으로, 두 개의 지연 판이 사용된다. 45°지연 판을 이중 통과하는 것은 광속(light beam)을 p-편광으로부터 s-편광으로 변경한다. 0°지연 판은 편광 빔 스플리터(28)에서 원하지 않는 높은 각도의 비스듬한 광선(skew rays)의 효과적인 흡광을 돕는다. 광속은 그 다음에 PBS(10)에 의해 반사되어 외부 표면(20)을 지나 프리즘(22)에서 나온다. 이 광-파는 LCOS에 의해 변조되고 반사 광학 소자(16)에 의해 시준되는 이미지 정보를 포함한다. 일부 구성에서, 이 빔은 눈 또는 카메라에 의해 보이도록 반사할 광학 결합기(optical combiner) 소자에 결합될 것이다. 이 실시예의 성능은 고효율 편광판인 PBS(10)에 따른다. 추가적인 예는 이 편광판이 덜 효율적이고 추가 소자가 높은 이미지 대비를 달성하는데 사용되는 것을 보여줄 것이다.

다른 실시예가 도2에 도시되어 있는데, 여기에서 선형 편광판(30)은 광파 출사면(20)에 추가된다. 편광판(30)은 PBS(10)로부터 반사된 s-편광을 통과시키기 위해, 자신의 편광 축이 편광판(4)에 평행으로 배향된다. 이 편광판의 추가는 광원(62)으로부터 직접 통과하는 바람직하지 않은 광을 소멸시키도록 돕는다. 이러한 바람직하지 않은 광의 예시적인 경로는 도3에 도시되어 있다. 광-파(34)의 빔은 점선으로 도시되어 있다. LED, 레이저 또는 임의의 다른 광원(62)부터의 입사 광-파(34)는 도3에 도시된 바와 같이 선형 편광판(4)(광원 자체가 편광된 경우 선형 편광판(4)은 선택적이다)를 통과한다. 광-파는 PBS(10)의 평면에 관해 선형으로 s-편광된다. 그러나, 비스듬한 광선(도면의 평면에서 벗어난)은 PBS(10)에 대해 약간 적은 p-편광 성분을 갖는다. 이 광-파 입사면(8)은 프리즘(102) 안에 결합되고, PBS(10)를 통과하고, 프리즘(22)의 외부면(20)을 통과하고, 선형 편광판(30)에 도달한다. 원하지 않은 P-편광된 광은 선형 편광판(30)에 의해 제거되어 화상 정보의 높은 대비율을 허용한다. 이러한 목적을 위해, 선형 편광판(30)은 선형 편광판(4)의 편광 축과 평행한 자신의 편광 축을 갖는다. 이 구성은 PBS(10)가 이상적인 광범위한 스펙트럼 편광판과 아주 유사하다고 가정할 경우 효과적이다. 이 편광판이 이상적이지 않은 경우를 다루기 위해 추가 예가 논의될 것이다. 부가적인 편광판은 광학 경로에 도입될 수 있는 임의의 스트레스 복국절(birefringence)의 영향에 대한 대처를 돕는데 유용하다.

다른 실시예가 도4에 도시되어 있는데, 편광 선택성 빔 스플리터 형상(10)은 편광된 광의 소스에 가장 인접한 제1 편광 빔-스플리터 소자(PSB, 24), 흡수성 편광판(26) 및 광-파 시준 부품(16)에 가장 인접한 제2 편광 빔-스플리터 소자(PBS, 28)를 포함하는 복합 빔 스플리터 형상이다. 편광 빔-스플리터 소자(24, 28)는 다수의 유전체 코팅층으로 형성된 편광-빔 스플리터 및 와이어 그리드(wire grid) 금속 스트립을 포함하지만 이에 국한되지는 않는 임의의 종류의 편광-빔 스플리터로서 구현될 수 있다. 이하 추가로 기재되는 특히 바람직한 일 구현에서, 적어도 제1 편광 빔-스플리터 소자(24)는 와이어-그리드 소자이다.

앞에서처럼, 광학 디바이스는 빗변 면(24, 28) 상에 각각 PBS를 갖는 두 개의 프리즘(6, 22)에 기반한다. 도면 전체에서 다양한 부품이 그 사이의 공간과 함께 개략적으로 명확하게 도시되어 있기는 하지만, 인접한 평행 표면은 일반적으로 광학 접합제(cement)로 함께 접합되어 단단한 단일 구조를 형성한다. 따라서, 이 경우, 프리즘의 두 빗변 면은 그 사이의 선형 편광판(26)과 서로 접합되어, 이 조립체가 접합된 정육면체(cube) 프리즘이 된다. 실사회 적용에서 이 PBS들이 이상적이지 않고 s-편광 전체를 반사하지는 않기 때문에, 흡수성 편광판(26)은 PBS(24, 28)을 통과하는 s-편광의 흡광에 크기 기여한다. 특히, 유전체 PBS 소자가 소자(24, 28)에 대해 사용되면, 큰 각도의 비스듬한 광선에 대한 선택적 투과는 s-편광의 성분을 포함한다. 이 성분은 직교(Cartesian)(고정 축) 편광판인 흡수성 편광판(26)에 의해 제거된다.

전술된 바와 같이, 본 고안의 다양한 응용은 비-직사각형 형태의 프리즘을 이용할 수 있다. 어떤 경우에는, 빔 스플리터 소자(24 및 28) 사이의 방향의 차이를 갖는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 경우, 부가적인 웨지(wedge)가 빔 스플리터 소자 사이에 제공되어 원하는 배향 각도 차이를 달성할 수 있다.

모든 다른 양태에서, 도4의 디바이스의 구조 및 기능은 도1-3의 문맥에서 전술된 것과 동일하고 이 설명을 참고로 하여 이해할 수 있을 것이다. 일부 특히 바람직하지만 비-제한적인 응용에서, 광-파 출사면(20)으로부터의 출력 이미지는 도8을 참고로 이하 추가로 설명되는 바와 같이, 눈 또는 카메라에 의해 보이도록 반사시킬 광학 결합기 소자에, 바람직하게는 편광판(30)을 거쳐, 결합될 것이다.

전술된 복합 빔 스플리터 형상의 사용은 광학 디바이스에서 나갈 수 있는 광원(62)로부터 임의의 원하지 않는 직사 광(direct light)의 흡광에 추가로 기여하도록 돕는다. 이것은 도5에 도시되어 있다. 광파의 빔의 잠재적인 경로는 도5에서 점선으로 도시된다. LED, 레이저 또는 임의의 다른 광원(62)부터의 입사 광-파(34)는 도5에 도시된 바와 같이 선형 편광판(4)(광원 자체가 편광되지 않은 경우 선형 편광판(4)은 선택적이다)을 통과한다. 프로젝터 출력부에 도달하기 위해, PBS 구조(10)의 평면에 대해 선형으로 s-편광되고 표면(8)을 지나 프리즘(102)으로 들어가는 광-파는 선형 편광판(26)은 PBS(24)를 통과하고, 선형 편광판(26)을 지나고, PBS(28)를 지나고, 프리즘(20)의 외부 면(20)을 통과하고, 선형 편광판(30)을 통과한다. 비스듬한 광선을 포함하는 이 광파는 광원(62)으로부터 직접 오는 바람직하지 않은 s-편광된 광을 또한 포함한다. 선형 편광판(26)은 이미지 정보의 높은 대비율을 허용하기 위해 이들 광파의 전력(power) 소멸을 돕는다. 이 목적을 위해, 선형 편광판(26)은 선형 편광판(4)의 편광 축에 90도로 배향된 편광 축을 갖는다. PBS(24, 28) 및 편광판(26)을 관통하는 광원으로부터 P-편광된 직사 광을 구비한 임의의 경사진 광선은 선형 편광판(4)에 평행하게 배향된 편광 축을 갖는 편광판(30)에 의해 감쇠된다.

다양한 상이한 구현에 따르는 광파(34)의 흡광(extinction) 효율은 이하에서 논의될 것이다.

서로 90도로 배향될 때, 교차 편광 위치라고 불리는, 두 개의 상업적으로 이용가능한 선형 편광판의 흡광은 편광 평면에 수직인 입사광에 대해 0.01% 이하에 도달할 수 있다. 그러나, 수직 입사로부터 약 ±17도의 경사진 광선을 다룰 때, 흡광은 다를 수 있다. 도4의 평면에서, 법선에 17도인 광속의 흡광 측정은 흡광이 수직 입사와 거의 동일하다는 것을 나타낸다. 도4의 평면 밖(수직)에 광속 경사 각의 성분이 존재할 때, 투과율이 상승한다. 이것은 편광판 소자의 다양한 상이한 조합에 대해 도6의 그래프에 의해 도시된다. 모든 곡선은 편광-선택성 빔 스플리터 형상(10)의 다양한 가능한 구현을 형성하는 적어도 하나의 선형 편광판 또는 빔 스플리터를 통과하는 편광된 가시 광의 것이며, 일부 경우 출구에서 제2 편광판(30)이 뒤따르며, 달성되는 흡광 정도에 연관된다. 곡선(110)은 편광판(26)이 유전체 코팅 PBS 소자(24, 28) 사이의 교차된 방향의 선형 편광판인 경우 흡광 기능이다. 곡선(116)은 편광-선택성 빔 스플리터 형상(10)이 단독으로 사용되는 와이어 그리드 빔으로서 구현되는 경우의 흡광 기능이다. 편광판(30) 없이, 이 두 경우에 대해 투과된 빔을 분석하는 것은 이 빔이 PBS 형상(10)의 방향에 관해 s-편광 및 p-편광 성분을 갖는다는 것을 도시한다. 선형 편광판(30)의 추가는 PBS-선형 편광판-PBS 조합에 대한 곡선(112), 및 빔 스플리터 형상(10)에 대해 단독으로 사용되는 와이어 빔 스플리터에 대한 곡선(118)에 도시된 바와 같이, p-편광 성분을 감소시킨다. 선형 편광판(30)의 추가는 따라서 노이즈 감소 및 대비 향상에 대해 매우 유리한 것으로 보인다. 곡선(114)에 의해 도시된, 전체 각도 범위에 걸친 가장 높은 흡광은 빔 스플리터 형상(10)이, 결합된 장치의 일부로서 편광판(30) 다음에, PBS 소자(24), 편광판(26), 및 유전체 PBS 소자(28)에 대한 와이어 그리드를 포함한 경우, 달성된다.

많은 더욱 단순한 기계적 모듈을 구비한 단일 소형 소자를 형성하기 위해 프로젝터 디바이스의 도4에 도시된 다양한 부품의 일부 또는 전부를 부착하는 것이 일반적으로 유리하다. 이미 언급한 바와 같이, 프리즘(6, 22)은 PBS 형상(10)과 함께 접합된다. 전체 광학 디자인에서 인접한 부품의 세부 사항에 따라, 다른 편광판(4, 30)의 일부 또는 전부, 반사 및 시준 요소(16) 및 지연판(들)(14)이 프리즘에 접합될 수 있다. 도7은 LCOS(70) 및 광원(62)을 제외하고 모든 소자가 접합되는 모듈을 도시한다. 이 소자들은 바람직하게는 조립체의 대응 표면에 인접하게 장착되지만, 그 위에 접합되지는 않는다.

따라서 설명된 디바이스는 시준 이미지를 생성하는 소형 프로젝터가 필요한 광범위한 응용분야에 사용될 수 있다. 적합한 응용의 예는 머리 장착 디스플레이(HMD) 및, 전방표시 디스플레이(Head-Up Display, HUD), 휴대폰, 소형 디스플레이, 3-D 디스플레이, 소형 빔 익스팬더(beam expander)와 같은 다양한 이미지화 응용 분야뿐만 아니라, 평면판 표시장치(flat-panel indicator), 소형 조명기 및 스캐너와 같은 비-이미지화 응용분야를 포함하지만, 이에 국한되지는 않는다. 특히 바람직하지만 응용분야의 서브셋을 제한하지는 않는 것의 도시에 의해, 도8은 광학 시스템을 형성하도록 기판(36)과 결합된, 도7에 관한 상세한 구조에 대응하는 프로젝터 디바이스(42)를 도시한다. 이러한 기판(36)은 일반적으로 적어도 두 개의 주요 면(32, 34) 및 하나 이상의 부분적인 반사면(66) 및 기판에 광을 결합하기 위한 광학 웨지 소자(38)를 포함한다. 프로젝터 디바이스(42)로부터의 출력 광-파(40)는 웨지(38)를 지나 기판(36)으로 들어간다. 들어오는 광-파(40)(기판(36)에 관하여)는 도8에 도시된 바와 같이 내부 전반사(Total Internal Reflection, TIR)에 의해 기판에 가둬진다. 도파관으로부터의 추출(outcoupling)은 부분적으로 반사하는 표면(66) 또는 회절(diffractive) 소자, 또는 임의의 다른 적합한 추출 장치에 의해 적용될 수 있다. 웨지 소자(38)는 단순히 하나의 비-제한 광학 결합 형상을 도시한 것이고, 다른 소자 및 형상은 광학 디바이스로부터 기판(36)으로 광을 결합하는데 사용될 수 있다.

도5에 도시된 바와 같이, LCOS에 의해 생성된 이미지의 대비(시스템의 최소 대비 값)에 대한, 광원으로부터 광학 기판(36)까지의 직사 광속의 효과는 다음과 같이 주어진다:

여기에서,

S_w는 LCOS로부터의 백색 이미지이고,

S_b는 LCOS로부터의 흑색 이미지이고,

N_scat는 산란의 결과로서 기판에 들어가는 원치않는 광이고,

N_dir은 기판(36)으로 들어가는, 나머지 직사 LED 광이고,

N_dir은 LCOS에 의해 생성된 이미지와 인터페이스하는 원치않는 노이즈이다.

N_scat가 매우 낮은 것으로 가정할 때, 대비에 대한 N_dir의 효과는 도10에 도시되어 있다. 대비는 직사 광속(N_dir)의 소멸에 의해 제한된다. 따라서, 여기에 개시된 구조 및 광학적 형상에 의해 제시된 바와 같이, 이 직사 광속의 최대 감쇠(attenuation)를 얻는 것이 중요하다.

첨부된 청구범위가 다중 종속성 없이 초안작성된 경우, 이것은 단지 이러한 다중 종속성을 허용하지 않는 사법권에서 공식 요건을 수용하기 위해서 이뤄진 것이다. 청구범위를 다중 종속항으로 만듦으로써 나타낼 수 있는 모든 가능한 구성적 특징의 조합은 명백하게 예상되고 본 고안의 일부로 간주되어야 한다.

상기 설명은 단지 예로서 제공하도록 의도된 것이며, 많은 다른 실시예는 첨부된 청구범위에서 규정된 본 고안의 범주내에서 가능하다는 것을 이해할 것이다.

2 : 입사 광속 4 : 편광판
8 : 광파 입사면 10 : 편광-선택성 빔 스플리터 형상
12 : 이미지 디스플레이 면 14 : 1/4 파 판
16 : 광-파 시준 부품 18 : 시준 면
20 : 광파 출사면 22 : 프리즘
36 : 광-유도 기판 62 : 광원
70 : 반사성-디스플레이 디바이스 100 : 광학 시스템
102 : 이미지 시준 프리즘

Claims

(a) 광파 입사면 및 광파 출사면, 이미지 디스플레이 면 및 시준 면을 포함하는 다수의 외부 면, 상기 광파 입사면에 비스듬한 면상에서 상기 프리즘내에 배치되는 편광-선택성 빔 스플리터 형상을 갖는, 광파 투과 물질을 포함하는 이미지 시준 프리즘;
(b) 상기 광파 입사면과 연관되는 편광의 소스;
(c) 상기 프리즘의 상기 이미지 디스플레이 면과 연관되고, 상기 빔 스플리터 형상으로부터 반사된 상기 편광의 소스로부터의 광에 의해 조명되고, 이미지의 밝은 영역에 대응하는 반사광은 편광의 소스에 관해 회전된 편광을 갖도록 구성되는 반사성-디스플레이 디바이스;
(d) 상기 시준면의 적어도 일부와 연관되는 적어도 하나의 지연 판(retardation plate); 및
(e) 상기 지연 판의 적어도 일부 위에 놓이는 적어도 하나의 광-파 시준 부품을 포함하고,
상기 반사성-디스플레이 디바이스로부터의 이미지는 상기 편광-선택성 빔 스플리터 형상에 의해 선택적으로 투과되고. 상기 시준 부품에 의해 시준되고, 상기 편광-선택성 빔 스플리터 형상으로부터 반사되고, 상기 출사면을 지나 투사되는 광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프리즘의 상기 광-파 입사면 및 상기 광-파 출사면은 평행인
광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프리즘의 인접한 면 사이의 적어도 하나의 각도는 수직이 아닌
광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프리즘은 직육면체(cuboid) 프리즘인
광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프리즘은 정육면체(square cuboid) 프리즘인
광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 편광-선택성 빔 스플리터 형상은 와이어 그리드 빔 스플리터인
광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 편광-선택성 빔 스플리터 형상은
(a) 상기 편광의 소스에 가장 가까운 제1 빔 스플리터 소자;
(b) 흡수성 편광판; 및
(c) 상기 광-파 시준 부품에 가장 가까운 제2 빔 스플리터 소자를 포함하는 복합 빔 스플리터 형상인
광학 시스템.
제7항에 있어서,
상기 제1 빔 스플리터 소자는 와이어 그리드 빔 스플리터인
광학 시스템.
제7항에 있어서,
상기 프리즘의 상기 광-파 출사면과 연관되는 출구 편광판을 추가로 포함하고,
상기 출구 편광판은 흡수성 편광판을 가로지르는 상기 편광의 소스로부터 임의의 조명의 흡광(extinction)을 보장하도록 상기 흡수성 편광판에 교차-관계(crossed-relation)로 배향되는
광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 프리즘의 상기 광-파 출사면과 연관되는 출구 편광판을 추가로 포함하고,
상기 출구 편광판은 상기 편광-선택성 빔 스플리터 형상을 가로지르는 상기 편광의 소스로부터 임의의 조명의 흡광(extinction)을 보장하도록 상기 편광-선택성 빔 스플리터 형상에 교차-관계(crossed-relation)로 배향되는
광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 반사성-디스플레이 디바이스는 실리콘 액정 표시장치를 포함하는
광학 시스템.
제1항에 있어서,
서로 평행한 적어도 두 개의 주요 면을 갖는 광-유도 기판, 및 광-파 입력 개구를 추가로 포함하고,
상기 광-파 입력 개구는 상기 프리즘의 상기 광-파 출사면에 광학적으로 결합되는
광학 시스템.
제12항에 있어서,
상기 광-투과 기판은 상기 주요 면에 비스듬한(oblique) 각도로 상기 기판 내에서 연장되는 적어도 하나의 부분적-반사면을 포함하는
광학 시스템.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 지연 판(retardation plate)은 편광 축과 정렬되는 고정(fast) 축을 갖는 제1 지연 판 및 편광 축에 45도로 정렬되는 고정 축을 갖는 제2 지연 판을 포함하는
광학 시스템.