KR0152982B1 - Lcd디스플레이 시스템용 조명 시스템 - Google Patents

Lcd디스플레이 시스템용 조명 시스템

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KR0152982B1 KR1019890019213A KR890019213A KR0152982B1 KR 0152982 B1 KR0152982 B1 KR 0152982B1 KR 1019890019213 A KR1019890019213 A KR 1019890019213A KR 890019213 A KR890019213 A KR 890019213A KR 0152982 B1 KR0152982 B1 KR 0152982B1
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포러 골든버그 질
다니엘 에스킨 조슈아
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프레데릭 얀 스미트
엔. 브이. 필립스 글로아이람펜파브리켄
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Abstract

시스템의 광도를 증가사키기 위한 LCD 디스플레이 시스템용 조명 시스템. 상기 시스템 광원(20)으로부터의 광 빔(24)을 두 개의 직교 편광되는 빔(28, 30)으로 분광하는 편광빔 분광기(26)를 포함한다. 원하는 편광 방향의 빔(28)을 프리즘(10)의 제1면(A)을 통해 향하게 함으로써 상기 빔은 프리즘(10)의 제2면(B)에서 반사되어 제3면(C)을 통해 출사된다. 편광되지 않는 방향의 다른 빔(30)은 편광 방향을 90。회전시키는 장치(36)을 통과해서 상기 프리즘으로 굴절되는 각도에서 프리즘(10)의 제2면의 아래 쪽으로 향하게 된다. 그런 다음 상기 두 빔(28, 30)은 프리즘의 제3면을 통해 프리즘으로부터 출사하게 되는데, 동일한 편광방향을 가지게 되며 단지 약간의 발산될 뿐이다. 재결합된 빔은 그후 광 변조 시스템 쪽으로 향하게 된다. 조명 시스템은 공기-유리 인터페이스의 수와 반사 표면의 수를 줄이게 된다.

Description

LCD 디스플레이 시스템용 조명 시스템
제1도는 제1광빔과 그리고 제1 광빔 방향으로 편광이 전환되는 제2 광빔을 결합시키는 프리즘의 기하학 형태를 예시한 도면.
제2도는 LCD 투영 텔레비전 시스템용 조명 시스템을 형성하는 편광빔 분광기 및 반사기와 관계하여 결합 프리즘을 예시한 도면.
제3도는 시스템의 효율을 극대화할 수 있도록 광을 분광시키고, 반사시키고 그리고 조합시키는 요소들이 두 개의 인접하는 프리즘과 결합된 조명 시스템에 대한 제2 실시예를 예시한 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
10, 50, 52 : 프리즘 20 : 광원
22 : 콘덴서 렌즈 26 : 편광빔 분광기
28 : P편광빔 30 : S편광빔
32, 34 : 반사기 또는 거울 36 : 회전자
38 : 광학기구 40 : 광 변조 LCD
[발명의 분야]
본 발명은 광빔을 두 개의 직교 편광되는 서브빔으로 분광시키고, 다시 이 서브빔을 재결합시키는 광학 시스템에 관한 것으로, 이 광학 시스템은 광빔으로부터 각각 선형으로 편광되는 제1 및 제2 서브빔을 얻는 수단을 구비하고 상기 서브빔의 편광 방향은 서로 직교하며 그리고 상기 두 개의 서브빔 중 한 서브빔의 방향을 90。로 회전시키는 수단을 구비한다.
본 발명은 또한 광원과, 이 광원으로부터 나오는 광을 빔으로 집중시키는 수단과 그리고 상기 광학 시스템을 구비하는 LCD 투영 디스플레이 장치용 조명 시스템에 관한 것이다.
[발명의 배경]
LCD 투영 디스플레이 장치용 조명 시스템에 있어서, 선형으로 편광되는 광은 편광되지 않은 광원으로부터 나오고 그리고 통상적인 여과 과정을 거쳐 선형으로 편광된 빔(lineraly polarized beam)이 되고 이 선형으로 편광된 빔은 광 변조장치로 향하게 된다. 이러한 광에 대한 여과로 인하여, 광원으로부터 나오는 광 중 단지 1/2만이 사용되게 된가. 그러나 투영 디스플레이 시스템의 경향은 정상적인 조명실(lit room)에서도 사용이 가능하도록 광도(brightness)가 극히 높은 시스템으로 변해 가는 추세여서, 광원으로부터 나오는 광 중에 절반의 광이 사용되지 못하는 시스템들은 분명히 비효율적이라 할 수 있다.
상기 두 개의 직교 빔 중 단지 하나만이 사용되는 LCD 디스플레이 시스템의 예가 세이코 엡슨사에 의해 제안된 디자인에 나타나 있는데, 이것은 1986년 5월 12일자 Electronics지의 47 페이지에 기재되어 있다. 이 시스템은 원하지 않는 편광빔을 흡수하고 광원으로부터 나오는 광 중 단지 40%만을 전달하는 흡수 편광자기(absorption polarizer)를 사용하고 있다.
광원으로부터 나오는 광을 모두 사용할 수 있는 시스템이 미합중국 특허 제 4,127,322호에 기재되어 있는데, 이 시스템은 LCD 투영 텔레비전 시스템에 관한 것으로 6개의 전자빔이 어드레스 되는 LCD를 사용한다. 3개의 LCD가 편광빔 분광기로부터 나오는 편광의 각 빔용으로 사용된다. 따라서, 이러한 시스템의 유용성은 다수의 LCD의 사용으로 인한 비용 및 복잡성 때문에 그 한계성에 직면하게 된다.
LCD 투영 텔레비전 시스템에서 조명 시스템의 모든 광을 이용하고자 하는 또다른 시도가 일본국 특허 제 61-122626호에 나타나 있는데, 여기서는 원하는 편광 방향의 광이 광 변조 LCD를 통과하도록 되어 있다. 다른 편광 방향의 광 성분이 추가된 미러에 의해 반사되어 다시 광원쪽으로 향하게 되고 다시 광 반사기에 의해 반사된다. 이렇게 반사된 광은 1/4 파장판을 두 번 통과하며, 광의 편광 방향은 90。로 회전되고 따라서 주 빔의 동일한 편광이 이루어진다. 전환된 빔은 그 후에 광 변조 LCD를 통과하게 된다. 그러나, 이러한 원리를 이용한 시스템은 광이 다수의 공기-유리 인터페이스 및 반사기를 통과해야 되기 때문에 비효율적이다.
본 발명은 LCD 투영 디스플레이 시스템용 조명 시스템에 관한 것으로, 원하지 않는 편광 상태로 나오는 광이 원하는 편광 상태로 전환되어 효율적인 방법으로 최소의 공기-유리 인터페이스 및 반사면 들과 결합된다.
본 발명은 서두에 밝힌 광학 시스템을 제공하는 것으로, 이 광학 시스템은 최소한 제1. 제2 및 제3면을 포함하는 프리즘 수단과 그리고 상기 제1 및 제2 편광 서브빔을 상기 프리즘 수단 쪽으로 향하게 하는 제1 및 제2 수단을 구비하며, 상기 제1수단은 상기 제1서브빔을 상기 프리즘 수단의 상기 제2면쪽으로 향하게 하여 상기 제1 서브빔이 상기 제2면으로부터 완전 내부 반사되고 제1 서브빔이 상기 프리즘 수단을 출사(exit)하는, 상기 프리즘 수단의 제3면 쪽으로 향하게 되며, 상기 제2수단은 상기 제2서브빔을 상기 편광 회전을 통하여 상기 프리즘 수단의 상기 제2면쪽으로 향하게 하여, 상기 제2서브빔은 상기 프리즘 수단내로 굴절되어 상기 제2서브빔이 상기 프리즘 수단을 출사하는 제3면쪽으로 향하게 된다. 본 발명은 공기-유리 인터페이스 및 반사면의 수를 최소화시켜 고도로 효율적인 시스템을 제공한다.
제2양상에 있어서, 본 발명은 신규의 개선된 조명 시스템에 관한 것으로, 전술한 광학 시스템을 특징으로 한다.
본 발명을 더 잘 이해할 수 있도록 첨부한 도면에 의거 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
[발명의 상세한 설명]
하나의 광원 또는 다른 광원으로부터 나오는 두 개의 빔을 결합시키는데는 통상의 프리즘이 사용된다. 제1도는 A, B, C와 각도 WA, WB, WC를 이루는 통상의 프리즘을 도시한 것이다. 만일 제1광빔(빔1)이 각도 θA로 면 A에 입사되면, 이 광빔은 Snell 법칙에 따라 주어지는각도 θ'A로 프리즘 내에 굴절된다. 이 빔은 각도 θ'B로 면 B에 입사되는데 여기서 각도 θ'B는,
Figure kpo00002
이다.
만일 각도 θ'B가 프리즘의 임계각(critical angle)보다 크거나 같으면, 빔은 면 B에서 완전 내부 반사(total internal reflection)(TIR)된다. 임계각은 법선과 최소의 각을 이루는 각으로 제한되는데, 이 각도에서 빔은 입사되는 면으로부터 완전 내부 반사된다. 만일 빔이 완전 내부반사(TIR)되면, 이 빔은 θ'C로 면 C에 입사되고, 여기서 각도 θ'C는
Figure kpo00003
이며, 또한 Snell 법칙에 따라 주어지는 각도 θC로 프리즘으로부터 굴절된다.
만일 제2광빔(빔2)이 각도 φB로 면 B에 입사되면, 이 광빔은 Snell 법칙에 따라 주어지는 각도 φ'B로 프리즘 내로 굴절된다. 이 빔은 각도 φ'C로 면 C에 입사되는데, 여기서는 φ'C는
Figure kpo00004
이다. 이 빔은 또한 Snell 법칙에 따라 주어지는 각도 φC로 프리즘으로부터 굴절된다.
편광빔은 통상적으로 S-편광빔 및 P-편광빔으로 언급되는데, P-편광빔은 입사면과 평행한 방향으로 편광되는 빔으로 정의되고, S-편광빔은 입사면과 수직 방향으로 편광되는 빔으로 정의된다. 프리즘을 출사한 후 두 빔의 발산 δ는 φC- θC로 정해진다. 대부분의 응용에서 , δ는 상기 두 빔이 거의 공선(collinear)되도록 최소화되어야 한다. δ를 최소화시키기 위해서는 φB는 가능한 한 커야 하고, θ'B는 프리즘의 임계각과 같아야 하며 WA는 θC= -φC가 성립되도록(θ'B+ φ'B)/2와 같아야 한다. 만일 프리즘의 굴절 인덱스가 1.52이고 제2빔(빔2)이 P편광된다면, 면 B에서 반사손실은 73。에 이르는 입사각과 비교하여 비교적 작게 된다. 만일 φB= 73。이고 θ'B= 41。(n=1.52에서의 임계각)이면, δ=3.0。가 된다. 면 B에서 빔 1 및 빔 2의 중심을 분리함으로써, 이 두 빔이 면 C 또는 면 C와 평행을 이루는 어느 면에서 일치되도록 할 수 있다.
제2도는 본 발명의 LCD 투영 텔레비전 시스템용 조명 시스템에 사용되는 결합 프리즘(10)을 예시한 것이다. 광원(20)으로부터 나오는 편광되지 않은 빔은 콘덴서 렌즈(22)와 같은 어떤 적당한 수단에 의해 시준(collimation)되고, 광원으로부터 나오는 편광되지 않은 빔(24)은 편광빔 분광기(26)쪽으로 향하게 된다. 편광빔 분광기(26)는 빔(24)을 편광빔 분광기(26)를 통과하는 P편광 방향의 제1빔(28)과 빔 분광기(26)에서 반사되는 S편광 방향의 제2빔(30)으로 분광시키는 역할을 한다. 제1빔(28)은 LCD 광 변조 시스템에 의해 사용될 방향인 P방향으로 편광되어 반사기(32)에 의해 프리즘(10)쪽으로 향하게 된다. 빔(28)은 면 A를 통하여 프리즘(10)내로 입사되며, 프리즘(10)의 임계각보다 더 큰 각도로 면(B)에 부딪치므로 이 빔(28)은 완전 내부 반사되어 면 C를 통하여 프리즘(10)밖으로 굴절된다.
제 2 빔(30)은 S방향으로 편광되고 편광빔 분광기(26)로부터 반사되어 반사기(34)쪽으로 향하게 된다. 빔(30)은 광 변조 LCD에 필요로 되는 방향과 직교하는 S방향으로 편광된다. 따라서 S편광빔(36)을 원하는 편광 방향(P방향)으로 전환시키기 위해서 반사기(34)와 프리즘(10)사이에 회전자(30)를 설치해 놓았는데, 이 회전자(36)에 의해 빔(30)의 편광이 90。로 회전되어 상기 S편광빔이 P편빔으로 된다. 빔(30)은 프리즘(10)의 면 B 아래쪽으로 향하고, 프리즘(10)안으로 굴절되어 면 C쪽으로 향하게 된다. 따라서 빔(28, 30)은 프리즘(10)의 면 C를 출사하여 같은 편광 방향을 이루게 됨을 알 수 있다. 상기 빔들을 광 변조 LCD(40)로 통과시키기 위해 다른 광학 기구(optics)(38)를 통과시킬 수 있으며 상기 광 변조 LCD는 광을 변조하여 원하는 이미지를 형성한다. 대안적으로, 광 변조 LCD(40)는 빔(28, 30)의 교차 지점에 설치될 수도 있다.
편광빔 분사기(26)는 당 기술 분야에 공지된 장치 중의 하나가 될 수 있다. 예를 들면, 이 분광기는 소정 기판에 설치되는 유전체로 된 박막 스택으로 만들어진다. 이 스택은 각각 1/4 파장 광학 두께로 되어 있는 고 및 저 굴절성 인덱스막의 교번층들(alternating layers)로 구성된다. 각각의 막/막 인터페이스에서, 광은 P편광능 전사하고 S편광은 반사시키는 Brewster 각으로 입사된다. 마찬가지로 반사기(32, 34)는 적당한 반사 장치가 될 수 있다. 그러나, 금속으로 된 전면미러를 사용하여 반사 장치의 효율을 크게 하면 대체로 조명 시스템의 효율도 역시 커지게 된다. 편광 회전 장치(36)는 90。로 회전시키는 공지된 다수의 장치로 사용될 수 있다. 이러한 장치들은 예를 들어, 1/2파 무색 파장판(halfwave achromatic wave-plate) 또는 2개의 1/4파 파장판 또는 통과하는 광의 편광면을 회전시키는 트위스트된 네마틱(nematic) 액체 수정 셀이 될 수 있다. 편광 회전장치(36)는 빔 경로를 따라 프리즘 앞의 어느 위치라도 설될수 있으며 즉, 반사기(34)는 앞 또는 뒤에 설치된다. 또한, 프리즘(10)은 대안적으로 유리 또는 액체로 채워진 프리즘보다는 광학 특성을 갖는 플라스틱으로 제작될 수도 있다. 마지막으로, 만일 S편광이 출력되기를 요망하는 경우에는, 편광 회전장치(36)가 빔(30)에 보다는 빔(28)에 놓여질 수 있다.
제3도는 LCD 투영 텔레비전 조명 시스템에 대한 또다른 실시예를 예시한 것으로, 이 실시예에서는 반사기(32, 34)대신에 프리즘 면들을 이용하여, 이 프리즘 면들은 완전 내부 반사(TIR)를 이용하여 빔(28, 30)의 방향을 설정하며 또한 상기 실시예에서는 프리즘들 중 한 프리즘을 이용, 상기 빔들(38, 30)을 결합시킨다.
제3도의 실시예에는 P편광빔의 방향을 설정하기 위한 면 D, E, F 및 G를 갖는 프리즘(50)과 S편광빔의 방향을 설정하기 위한 면 H, I, J 및 K를 갖는 프리즘(52)이 포함되어 있다. 프리즘(50)의 면 F와 프리즘(52)의 면 H 사이에 상기한 일련의 박막으로 된 1/4 파장층들로 구성되는 편광빔 분광기(56)가 설치되어 있다. 제3도에서 볼 수 있는 바와 같이, 프리즘(50)은 미러(32)와 결합 프리즘(10)을 대신한 것이다. 프리즘(52)은 미러(34)를 대신하고 표면(면 K)을 제공하여 이 표면상에 편광 회전자(36)를 설치한 것이다.
제3도에서, 제2도에 보인 요소들과 동일한 요소들은 동일 부호로 표시했다. 편광되지 않은 빔(24)의 입사빔은 프리즘(52)의 면 Ⅰ류 향하며, 빔 분광기(56)에 의해 두 개의 직교 편광빔(28, 30)으로 분광된다. P방향으로 편광되는 빔(28)은 프리즘(50)의 면 D에서 완전 내부 반사되어 면 F쪽으로 반사되는데, 면 F에서 상기 빔(28)은 다시 완전 내부 반사되어 프리즘(50)의 면 G밖으로 나아가게 된다. S 편광빔(30)은 편광빔 분광기(56)로부터 반사되어 프리즘(52)의 면 J쪽으로 향하데 되고, 면 J에서 상기 빔(30)은 다시 완전 내부 반사되어 편광 회전자(36)가 설치되어 있는 프리즘(52)의 면 K쪽으로 향하게 된다. 빔(30)의 편광 방향은 회전자(36)에 의해 S 편광으로부터 P 편광으로 회전되어 프리즘(50)의 면 F쪽으로 향하게 된다. 빔(30)은 프리즘(50)의 면 F상에 부딪혀 프리즘(50)내로 굴절되고 다시 면 G쪽으로 향하게 되며 면 G에서 상기 빔(30)은 제3도에 보인 바와 같이 빔(28)과의 발산 δ각도로 출사된다. 그 이후 재결합된 빔들이 광학기(38) 및 LCD(40)쪽으로 향하게 된다.
제3도에 예시한 실시예는 제2도의 실시예에 비해 여러 가지 장점을 나타낸다. 첫째, 미러(32, 34)가 광 빔(28, 30)을 완전 내부 반사시키는 프리즘 면들로 대체되기 때문에 광빔의 방향을 설정하는데 있어서 100%의 효율을 얻을 수 있다. 이와는 대조적으로, 통상적인 미러의 반사 능력은 단지 94%에 지나지 않는다. 따라서, 전반적인 조명 시스템의 효율이 개선된다. 둘째, 두 개의 광 빔 각각에 대한 공기-유리 인터페이스가 제거되므로 효율에 있어서의 추가적인 개선을 이룰 수가 있다. 마지막으로, 표면들이 프리즘(50, 52)의 고정 기하학 형태로 확정되어 있기 때문에, 편광빔 분광기(26), 미러(32, 34) 및 결합 프리즘(10)들이 부정확하게 배열될 가능성은 완전히 배제된다. 따라서, 제 3도와 같은 구성으로 LCD 조명 시스템에 최대의 광도를 제공할 수 있게 된다.
비록 본 발명은 몇가지 양호한 실시예로써 상술되었지만 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않는 범주 내에서 여러 가지 수정 및 변형이 가능한 바, 본 기술 분야에 지식을 가진 자이면 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 이러한 수정 및 변형은 본 발명의 범주 및 특허청구의 범위 내에서 고려될 수 있다.

Claims (11)

  1. 광빔을 직교 편광되는 두 개의 서브빔으로 분광시키고 상기 두 개의 서브빔을 재결합시키기 위하여, a) 상기 광빔으로부터 각각 선형으로 편광되고 편광 방향이 서로 직교하는 제1 및 제2 서브빔을 얻는 수단과, b) 상기 서브빔 중 한 서브빔의 편광 방향을 90。로 회전시키는 수단을 구비하는광학 시스템에 있어서, c) 최소한 제1, 제2 및 제3면을 포함하는 프리즘 수단; 및 d) 상기 제1 및 제2편광 서브빔을 상기 프리즘 수단 쪽으로 향하게 하는 제1 및 제2 방향 설정 수단으로서, 상기 제1수단은 상기 제1서브빔을 상기 프리즘 수단의 상기 제2면쪽으로 향하게 하여 상기 제1서브빔이 상기 제2면으로부터 완전 내부 반사되어 상기 제1서브빔이 상기 프리즘 수단에서 출사되는, 상기 제3면 프리즘 수단의 쪽으로 향하게 하고, 상기 졔2수단은 상기 제2 서브빔을 상기 편광 회전 수단을 통해 상기 프리즘 수단의 상기 제2면 쪽으로 향하게 하여 상기 제2 서브빔이 상기 프리즘 수단내로 굴절되어 상기 제3면에서 상기 제2서브빔이 상기 프리즘 수단에서 출사되는, 상기 제3면쪽으로 향하게 하는 상기 제1 및 제2 방향 설정 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 방향 설정 수단이 프리즘의 면을 구비하는 광학 시스템.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 방향 설정 수단이 미러를 구비하는 광학시스템.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제1 방향 설정 수단 및 상기 프리즘 수단이 단일 프리즘을 구비하는 광학 시스템.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제2 방향 설정 수단이 최소한 제1 및 제2면을 갖는 프리즘을 구비하고 상기 프리즘의 상기 제1면이 상기 제2방향 설정 수단으로써의 기능을 하는 광학 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 프리즘의 상기 제2면상에 상기 편광 회전 수단이 놓인 광학 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2 서브빔을 얻는 수단이 편광빔 분광기를 구비하는 광학 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 편광을 회전시키는 상기 수단이 1/2 파장판을 구비하는 광학 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 제2 서브빔의 상기 편광을 회전시키는 수단이 트위스트된 네마틱 액정 셀을 구비하는 광학 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2방향 설정 수단이 제1 및 제2 프리즘 수단을 구비하고, 상기 제1 및 제2 서브빔을 얻는 상기 수단이 상기 제1 및 제2 프리즘 수단 사이에 배치된 광학 시스템.
  11. a)광원과, b)상기 광원으로부터 나오는 광을 빔으로 집중시키는 수단을 구비하는 LCD투영 디스플레이 시스템용 조명 시스템에 있어서, 상기 빔을 직교 편광되는 두 개의 빔으로 분광시키고, 이 두 개의 빔을 LCD디스플레이 쪽으로 향하게 되는 합성 빔으로 재결합시키는, 상기 제1내지 10항 중 어느 한 항에서 청구된 광학 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 LCD 투영 디스플레이 시스템용 조명 시스템.
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