KR20030020358A - 파장-무관 고 콘트라스트 광 신호를 생성하기 위한 무색장치 - Google Patents

파장-무관 고 콘트라스트 광 신호를 생성하기 위한 무색장치 Download PDF

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KR20030020358A
KR20030020358A KR10-2003-7000233A KR20037000233A KR20030020358A KR 20030020358 A KR20030020358 A KR 20030020358A KR 20037000233 A KR20037000233 A KR 20037000233A KR 20030020358 A KR20030020358 A KR 20030020358A
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둔칸 예이. 안데르손
칼리드 샤하자드
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코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
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Abstract

프로젝션 광학 시스템에서 향상된 콘트라스트를 위한 장치는 서로 수직하게 정렬되는 빠른 축을 가지는 두 개 이상의 파장플레이트와 결합한 편광 빔 스플리터{PBS(polarizing beam splitter)}로 구성된다. 이 장치는 단독으로 동작하는 개별 지연기의 것보다 더 양호한 유효 광대역 주파수 응답을 가지며, 개별 지연기의 복굴절 요인(birefringence factor) 및 두께의 선택을 통해서, 파장 의존성이 최소화된다.

Description

파장-무관 고 콘트라스트 광 신호를 생성하기 위한 무색 장치{ACHROMATIC APPARATUS FOR PRODUCING A WAVELENGTH-INDEPENDENT HIGH CONTRAST LIGHT SIGNAL}
종래 프로젝션 광학 구조에서는, 편광 빔스플리터(PBS)는 입사 광 빔을 편광시키며 이 편광된 빔을 반사형 광 밸브로 향하게 한다. 유한 원뿔각(cone angle)를 가지는 광 빔을 병합하는 실제적인 프로젝션 시스템에서, (광학 축에 평행하지 않은) 시행 광선(skew ray)은 프로젝션 시스템의 콘트라스트에서 주목할 만한 열화를 생성한다.
반사형 액정 디스플레이(LCD)에서 이러한 콘트라스트의 손실을 보정하기 위한 하나의 방법은, 광원을 향하여 PBS에 의해 효과적으로 반사되도록, 빔 경로에 위치해서 반사형 광 밸브로부터 반사되는 이러한 시행 광선의 편광 상태의 방향을 재지정하는(즉, 변형시키는) 단일 파장플레이트를 이용하는 것이다. 이러한 파장플레이트에서, 다음의 수식에 의해 지배되는 위상 천이가 광 빔에서 도입된다.
Φ= (1/λ)Δn(λ)d
여기서, Φ는 위상 천이이며, λ는 특정 파장이고, Δn(λ)는 특정 물질 구조의 복굴절 요소를 나타내며, d는 파장플레이트의 두께이다.
이러한 파장플레이트의 이용이 시스템 콘트라스트를 향상시키더라도, 단일 파장플레이트는 입사 광 빔의 하나의 특정 파장만을 위한 1/4 파 위상 지연기가 되도록 설계된다. 이러한 1/4 파장 파장플레이트는 특정 설계 파장을 가지는 광선만을 최적으로 변형시키도록 물리적으로 구성되므로, 다른 파장을 가지는 광선은 위상 부정합으로 인해 이 파장플레이트에 의해 정확하게 변형되지 않는다. 다시, 최적의 콘트라스트보다 낮게 결과가 이루어진다. 그러나, 이러한 파장 의존성은, 위상 지연이 광의 파장과 무관한, 무색 파장플레이트(achromatic waveplate)의 이용을 통해서 극복될 수 있다. S. Pancharatnum에 의한, "복굴절 플레이트의 무색 결합(Achromatic combination of birefingent plates)"(인디언 과학 아카데미의 회보, Vol XLI, No.4, Sec A, 1955, pp130-144), A.M. 타이틀, "복굴절 필터의 향상, 2: 무색 파장플레이트(Improvement of birefringent filters, 2: Achromatic Waveplates)"(Appl, Optics Vol 14, N1, pp229-237, 1975), 및 영국 특허 제 GB 2331912 호 "광학 지연 디바이스(Optical retardance devices)"를 참조하라.
다른 응용에서 유사한 파장 제한을 극복하기 위해서, 두 개 이상의 파장플레이트가 고정 설계 위상 지연과 이로 인한 동일한 장치에서 넓은 파장 범위에 걸친 편광 상태의 변형을 제공하도록 결합되었다. "광학 의 핸드북, 권 Ⅱ(The handbook of Optics Volume Ⅱ)"(SBN 0-07-047974-7 para 3:53)은 특이성이며 유사성이 없는 분산 복굴절 물질(dispersive birefringent material)을 각각 가지는 파장 플레이트와 이 광대역 파장플레이트-결합의 구성을 설명한다. 파장플레이트의 광학 축을 정렬하거나 교차시켜 그리고 이들의 분산 특성을 신중히 선택함으로서, 광대역 파장플레이트 성능을 달성하는 것이 가능하다.
프로젝션 시스템에서 이용될 때 최적의 콘트라스트보다 낮은 결과가 이루어지는 것이 본 광학 장치의 불리한 점이다.
본 발명은 반사형 액정 디스플레이(LCD) 프로젝션 분야에 관한 것으로, 더 상세하게는 LCD 프로젝터에서 넓은 파장 범위에 걸쳐서 콘트라스트를 향상시키기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는, 프로젝션 광학 시스템에서 콘트라스트를 향상시키기 위한 장치를 도시하는 도면.
도 2는 시스템 콘트라스트 대 서로다른 파장플레이트 구성의 파장의 플롯을 도시하는 도면.
도 3은 도 1에 도시된 구성에서 이용되는 두 개의 지연기의 사시도.
도 4 및 도 5는 도 1에 도시된 바람직한 실시예에서의 지연기의, 각각의 지연 및 위상 천이 효과의 대안적인 표현을 도시하는 도면.
도 6은 두 개의 포지티브 A-플레이트 지연기의 사시도.
도 7은 두 개의 네거티브 A-플레이트 지연기의 사시도.
도 8은 네거티브 A-플레이트 지연기와 결합한 포지티브 A-플레이트 지연기의 사시도.
도 9는 두 개의 2축의 지연기(biaxial retarder)의 사시도.
본 발명의 목적은, 프로젝션 시스템에서 이용될 때, 광대역 파장 스펙트럼에 걸쳐서 고 콘트라스트를 제공하는 광학 장치를 제공하는 것이다.
이 목적은 청구항 1에 명시된 바와 같이 본 발명에 따르는 광학 장치에 의해 달성된다.
편광 빔 스플리터(PBS)는, 광대역 파장 스펙트럼에 걸쳐서 고 콘트라스트(즉, 중간 칼라의 어두운 상태)를 가지는 프로젝션 광학 시스템을 제공하기 위해서, 두 개 이상의 파장플레이트 또는 지연기와 결합된다. 유일한 파장 응답을 가지도록 설계되는, 각 개별 지연기는, 결합하는 다른 지연기의 빠른 축(fast axis)에 평행하거나 아니면 수직하게 정렬되는 자신의 빠른 축을 가진다. 최종 결합 지연기는 단독으로 동작하는 개별 지연기의 것보다 더 양호한 유효 광대역 파장 응답을 가진다. 더욱이, 결합은, PBS의 빗변 표면(hypotenuse surface)에 정확하게 정렬될 수 있는, 잘-한정된 빠른 축을 유효 지연기에 제공한다.
개별 지연기의 복굴절 요소 및 두께를 선택하면, 파장 의존성이 최소화되거나 제어될 수 있어, 결합 지연기로 하여금 진정한 수색성(achromaticity)에 접근하게 한다. PBS와 연계하여 작동하는 결합 지연기는 이제까지 가능했던 넓은 주파수범위에 걸쳐서 상당한 콘트라스트 향상을 제공한다.
다른 유리한 실시예는 종속항에 한정되어 있다.
본 발명의 이러한 양상 및 다른 양상은 이후 설명되는 실시예로부터 명료해질 것이며 이를 참조하여 설명될 것이다.
프로젝션 액정 디스플레이(LCD) 광학 시스템은, 입사광 빔이 다수의 파장을가지는 광으로 구성되었을 때 열하된(degraded) 콘트라스트 특성을 나타낼 수 있다. 본 발명은 이러한 열하를 줄이기 위한 장치를 개시한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따르는 광학 프로젝션 시스템에서 콘트라스트를 향상시키기 위한 장치(10)를 도시한다. 편광 빔 스플리터(PBS)(12)는 제 1 파장플레이트(16) 및 제 2 파장플레이트(18)을 통해서 입사광 빔(14)의 방향을 지정한다. 이후 광 빔(14)은 후속적으로 LCD 디바이스(20)에 의해 반사되며 지연기(16 및 18)를 통해서 PBS(12)를 향해 다시 한번 방향이 재지정된다. 지연기 결합은, 광이 광 빔(24)처럼 광원을 향하여 PBS(12)의 빗변 표면(22)에서 유효하게 되돌아 반사되도록 LCD(20)으로부터 반사된 광의 편광을 변환한다. 지연기(16 및 18)는, 실질적으로 파장과 무관한 입사광 상에서 일정한 위상 변화를 일으키는 유효 결합 지연기를 생성하도록 결합한다. 1/4 파(quarter wave), 즉 λ/4 와 등가인 위상 변화는 편광 변환이 유효하다는 것을 보장하기 위해 요구된다.
예컨대, 제 1 및 제 2 지연기(16 및 18)가 각각 Φ1및 Φ2의 위상 지연에 의해 특징지워 진다는 것을 가정하자. 합 Φ1+ Φ2은 광의 입사 파장에 대해 λ/4 와 실질적으로 동일해야 할 것이다. 유사하게, 각각 위상 지연 Φn을 가지는, 다중 지연기, n, 에 대해서, Φ1+ Φ2+ ∑nΦn의 합은 유효 편광 변환에 대해서 주어진 광의 입사 파장에 대해 λ/4 와 실질적으로 동일해야 할 것이다.
추가적으로, 결합된 파장플레이트는 PBS(12)의 축(26)에 정확하게 정렬될 수 있는 잘 한정되며 무색 유효 빠른 축을 가진다. 이러한 광학 정렬에서의 부정확성은 장치의 보상 특성에서의 심각한 열화에 기여할 수 있다.
각 개별 지연기는 수학식 1 에 의해 지배되는 위상 천이를 생성하므로,
지연기 쌍의 각 쌍의 크기의 결합 효과는 수학식 2 에 의해 설명되는 각 파장에 대한 위상 천이를 가지는 것으로서 특징지워 질 수 있는 "유효 지연기"를 생성한다.
Φ는 위상이며, λ는 특정 파장이며,는 특정 물질 구조의 복굴절 요인을 나타내고, da,b는 개별 파장플레이트(a 및 b)의 두께이다. 누적 위상 천이는 수학식 3 에 의해 설명되는, 개별 Φ의 합이다.
여기서 m은 이용되는 지연기의 수이다.
도 2는 서로다른 파장플레이트 구성을 위한 파장의 함수로서 시스템 콘트라스트의 그래프를 도시한다. 곡선(28)은 도 2에 라벨링된 단일 중심 파장(λ1)(30)에서 1/4 파가 되도록 설계된 단일 기준 파장플레이트를 위한 그래프를 도시한다. 곡선(32)은 팬카라트넘-유형(Pancharatnum-type) 파장플레이트 결합을 위한 그래프를 도시한다. 비대칭 및 대칭 각(skew and non-skew angle) 광선 양쪽 모두를 위해 줄어든 콘트라스트는 결합된 구조의 파장 의존성으로 인한 결합된 파장플레이트의 유효 빠른 축에서 정렬 "불안정성"으로부터 기인한다. 이러한 의존성은 펜카라트넘-유형 지연기 결합의 특성인 개별 지연기 빠른 축의 비-직교 방향으로부터 주로 기인한다.
직교 방향으로 무색 지연기(16 및 18)를 PBS(12)와 결합하면, 도 2의 최종 곡선(34)은 나머지 다른 두 개의 구성, 즉 곡선(28 및 32)에 걸쳐서 광대역 콘트라스트의 상당한 증가를 나타낸다. 두 개의 파장플레이트(16 및 18)에 의해 생성된 유효 무색 파장플레이트는 줄어든 파장 의존성을 나타내고, 축은 쉽게 교차되며 정확하게 정렬될 수 있어서, 이로 인해 곡선(34)에 의해 표현되는 비-무색 구성의 "불완전성"을 제거하게 된다.
도 3은 도 1에 도시된 구성에서 이용되는 두 개의 지연기(16 및 18)의 사시도를 도시한다. 각각의 두 개의 파장플레이트(a 및 b)의 빠른 축은 문자 f에 의해 지시되며 서로 직교한다. 소자의 두께 및 복굴절은 da와 db및와에 의해 각각 표현된다. 파장플레이트(16 및 18)는 파장플레이트의 복굴절 특성이 서로 다르도록 서로다른 물질로부터 구성된다. 각각의 파장플레이트는 주어진 파장의 1/4 파보다 실질적으로 더 높은 지연을 일반적으로 가질 것이다. 이는 무색 1/4 파 지연기를 생성하는 (지연기의 빠른 축을 교차하여 생성되는 바와 같이) 이러한 지연에서의 차이이다.
예컨대, x는 영(zero) 내지 다수의 파(즉, 0.4λ, 1.25λ, 3λ등)로부터의 임의의 수일 때, 제 1 파장플레이트가 x 에 (제 1 파장의 길이의 1/4 인) λ1/4 를 더한 값과 동일한 지연을 가진다고 가정하자. 이는 제 1 파장플레이트에, 각각 0.4λ+λ1/4, 1.25λ+ λ1/4, 3λ+λ1/4 등과 같은 지연을 줄 것이다. 이 예시적인 제 1 파장플레이트의 빠른 축과 x와 동일한 예시적인 지연을 가지는 제 2 파장플레이트의 빠른 축을 정렬하는 것은 모든 경우에서 결합을 위한 λ/4의 유효 지연을 생성할 것이다. 지연기 쌍의 주요 특징은, 빠른 축이 서로 수직하게 정렬되며, 이와 같이 구성된 결합은 단독으로 동작하는 각 지연기에 대한 경우에서보다 파장(λ1)을 중심으로 하는 더 넓은 범위의 개별 파장에 걸쳐서 유일한 고정 1/4 파 지연을 나타낼 것이다.
도 4 및 5는, 도 1에 도시된 지연기(16 및 18) 각각의 지연 및 위상 천이 효과의 대안적인 표현을 도시한다. 도 4에서, 곡선(38)은 예시적인 제 1 지연기(16)에 대한 파장의 함수로서 지연의 플롯을 도시한다. 곡선(40)은 제 2 예시적인 지연기(18)를 위한 지연 플롯을 도시한다. 곡선(42)은 지연기(16 및 18)의 결합에 의해 생성되는 "유효" 지연기의 지연 플롯을 도시한다. 곡선(42)은 파장에 비례하는 지연을 나타낸다는 것을 주목하라.
도 5에서, 위상 천이는 도 4에 도시된 동일한 범위의 파장에 걸쳐서 파장의 함수로서 플롯팅된다. 곡선(44 및 46)은 지연기(16 및 18)와 각각 연관되는 예시적인 위상 천이를 나타낸다. 곡선(48)은 파장 범위에 걸쳐서 위상 천이의 최소 기울기를 보여주는 지연기(16 및 18)의 예시적인 결합을 나타낸다.
도 6 내지 9는 다양한 예시적인 구성에서 지연기 쌍의 사시도를 도시한다. 지연기의 서로다른 유일한 결합은 시스템의 광학 특성에 특정 무색 향상을 제공할 수 있다. 도 6 내지 9에 도시된 각각의 구성에 대해서, 단축 지연기(uniaxial retarder)의 굴절률 프로파일은 평면에 놓인, 정상 굴절률(ordinary refractive index)(no)과 그 평면에 직교하는 이상 굴절률(extraordinary refractive index)(ne)로 구성된다. 상대 방향 벡터(relative directional vector)는 각 구성에서 각 축에 대해 도시되어 있다. A-플레이트 지연기를 지연기의 넓은 평면 표면에 있는 이상 굴절률의 단축 물질로 구성되는 것으로 한정하여, 이상 굴절률(ne)이 정상 굴절률(no)보다 더 작다면, 플레이트는 네거티브 A-플레이트이다. 대안적으로 ne이 no보다 더 크다면, 플레이트는 포지티브 A-플레이트이다.
도 6-9에서, 주어진 사행 광선에 대한 각 파장플레이트의 위상 지연은 주 광 빔 방향에 대하여 지연기 내의 광선의 극좌표 각도(polar angle)(θ) 및 방위각(azimuthal angel)(Θ)의 함수이며 수학식 4 에 의해 지배된다.
[수학식 4]
Φ(θ,Θ) = (1/λcos θ)Δn(θ,Θ) d
파장플레이트의 오프-측(off-axis) 위상 지연은, 아웃-오브-플레이트(out-of-plate) 굴절률(nz)이 가장 작은 인-평면(in-plane) 굴절률, 즉, 빠른 축보다 작거나 동일한 파장플레이트를 사용하여, 수학식 4 의 분모에서 cos θ항을 보상하기 위해 복굴절, Δn(θ,Θ)을 변경하여 일정하게 유지될 수 있다. 포지티브 A-플레이트에 대한 빠른 축이 no방향에 있고 네거티브 A-플레이트에 대한 빠른 축이 ne방향에 있으므로, 포지티브 A-플레이트는, 포지티브 A-플레이트의 오프-축 지연이 온-축(on-axis) 위상 지연과 실질적으로 동일하게 남아 있도록 설계될 수 있어서, 네거티브 A-플레이트보다 더 양호한 오프-축을 수행한다.
도 6은 직교 방향을 가지는 두 개의 포지티브 A-플레이트 지연기(50 및 52)의 사시도를 도시한다.
도 7은 직교 방향을 가지는 두 개의 네거티브 A-플레이트 지연기(54 및 56)의 사시도를 도시한다.
도 8은 포지티브 A-플레이트(58) 및 네거티브 A-플레이트(60)을 가지는 A-플레이트 결합을 도시한다.
2축 유형 지연기는 원하는 무색 특성을 생성하기 위해 또한 이용될 수 있다. 종래 기술에 알려진 바와 같이, 2축 지연기는 모두 서로다른 값을 가지는 세 개의 직교 굴절률로 구성된다. 도 9는 두 개의 예시적인 2축 지연기(62 및 64)의 사시도를 도시한다. 2축 및 A-플레이트 지연기의 다양한 결합이 동일한 효과로 또한 이용될 수 있다는 것이 인식될 수 있다.
본 발명의 다수의 변형 및 대안적인 실시예는 이전 설명의 관점에서 당업자에게 명료할 것이다. 따라서, 이러한 설명은 예시적인 것으로만 해석될 것이며 본 발명을 수행하는 최상의 모드를 당업자에게 교시하기 위한 목적이다. 본 실시예의 세부는 본 발명의 사상을 벗어남이 없이 변경될 수 있고 첨부된 청구범위의 범주 내에 있는 모든 변형의 이용이 배타적이지 않다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 반사형 액정 디스플레이(LCD) 프로젝션의 영역에 관한 것으로, 더 상세하게는 LCD 프로젝터에서 넓은 파장 범위에 걸쳐서 콘트라스트를 향상시키기 위한 장치에 이용가능하다.

Claims (11)

  1. 프로젝션 액정 디스플레이(LCD)에서 콘트라스트를 향상시키기 위한 광학 장치로서,
    편광 빔 스플리터{PBS(polarizing beam splitter)};
    제 1 파장플레이트(wave plate);
    적어도 하나의 제 2 파장플레이트; 및
    상기 PBS 및 상기 파장플레이트를 미리결정된 방향으로 결합하는 장착 구조를 포함하는, 광학 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 파장플레이트의 빠른 광학 축(fast optical axis)이 교차되도록 상기 제 2 파장플레이트에 대한 제 1 파장플레이트의 방향이 지정되는, 광학 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 파장플레이트를 포함하는 상기 유효 파장플레이트는 무색인(achromatic), 광학 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 파장플레이트는 2축(biaxial) 파장플레이트 및 단축(uniaxial) 파장플레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 파장플레이트인, 광학 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 파장플레이트는 2축 파장플레이트 및 단축 파장플레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 파장플레이트인, 광학 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 파장플레이트는 포지티브(positive) A-플레이트 및 네거티브(negative) A-플레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 파장플레이트인, 광학 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 2 파장플레이트는 포지티브 A-플레이트 및 네거티브 A-플레이트로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 파장플레이트인, 광학 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, Φ1+ Φ2는 입사하는 광의 조사 파장(incident illuminating wavelength)에 대해 실질적으로 1/4 파(one quarter-wave)와 실질적으로 동일한 유효 광대역 위상 지연을 생성하도록 상기 제 1 파장플레이트는 위상 지연(Φ1)을 가지고 상기 제 2 파장플레이트는 위상 지연(Φ2)을 가지는, 광학 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 합 Φ1+ Φ2+ ΣnΦn이 입사하는 광의 조사 파장에 대한 1/4 파와 실질적으로 동일한 유효 광대역 위상 지연을 생성하도록 Φn으로 설명되는 위상 지연을 각각 가지는 추가 n 파장플레이트를 더 포함하는, 광학 장치.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 파장플레이트는 수식에 의해 지배되는 위상 지연에 의해 각각 특징지워 지는, 광학 장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 파장플레이트를 포함하는 결합 본체(combinational entity)는 수식에 의해 지배되는 지연에 의해 특징지워 지는, 광학 장치.
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