KR100312499B1 - 액정디스플레이프로젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 조명계에 있어서 액정 디스플레이로 입사되는 광손실을 최소화할 수 있는 액정 디스플레이 프로젝터에 관한 것이다.

본 발명의 액정 디스플레이 프로젝터는 광을 발생하는 광원과, 광원으로부터 입사되는 광을 집속시키기 위한 집속렌즈와, 집속렌즈를 통과하는 광을 상호 직교하는 제1 및 제2 선편광빔으로 분리하여 제 1 선편광빔은 반사시키고 제2 선편광빔은 투과시키는 편광분리자와, 편광분리자에 의해 반사된 제1 선편광빔을 제2 선편광빔으로 변환시켜 주는 반파장판과, 반파장판으로부터 입사되는 제2 선편광빔의 광경로를 변환시켜 주는 반사미러와, 편광분리자를 투과한 제2 선편광빔과 반사미러에 의해 반사되는 제2 선편광빔의 동일한 방향으로 진행되도록 광경로를 변환하기 위한 회절격자를 구비한다.

본 발명에 의하면, 램프에서 발광된 비편광빔을 제조가 간단한 λ/2판과 회절격자를 이용하여 광손실없이 동일한 선편광 성분으로 변환함으로써 광의 이용효율을 높여 영상을 밝기를 향상시킬 수 있게 된다.

Description

액정 디스플레이 프로젝터{Liquid Crystal Display Projector}

본 발명은 액정디스플레이(Liquid Crystal Display; 이하, LCD라 함)를 이용한 프로젝터(Projector)에 관한 것으로, 특히 조명계에 있어서 LCD로 입사되는 광손실을 최소화할 수 있는 LCD 프로젝터에 관한 것이다.

통상적으로, LCD 프로젝터는 LCD에 표시된 소화면의 화상을 대형 스크린에 확대투사시키게 된다. 최근 디스플레이 장치에 있어서 대화면 고휘도의 영상 요구가 확대되고 있다. 고휘도의 화면은 조명계에서 나오는 광을 손실없이 얼마나 많이 효율적으로 사용하느냐에 따라 디스플레이 장치의 밝기가 좌우된다. 종래에는 화면의 밝기를 높이기 위해 램프의 밝기를 높이는데 주력해 왔으나 램프의 밝기를 올리는데 한계가 있으며 램프의 밝기는 램프의 수명과도 밀접한 관계가 있어 램프의 밝기를 높이면 램프의 수명이 짧아지는 상반된 관계가 있기 때문에 많은 문제점을 갖고 있다. 이러한 문제점으로 인해 최근에는 램프의 밝기를 일정하게 유지하고 다른 광학 소자를 이용해 손실되는 광을 최소화하는 방법이 연구되고 있다.

광손실을 최소화하기 위해 많이 사용되는 방법은 램프에서 방출된 비편광의 빛을 수직 및 수평 선편광빔(P파, S파)로 분리시키고 분리된 두 파의 성질 중 하나를 반대의 편광성분으로 바꾸어 하나의 편광성분으로 만들어 액정패널에 입사되게 하는 것이다.

도 1을 참조하면, 종래의 고효율 LCD 프로젝터의 광학계 구성이 도시되어 있다. 도 1에 도시된 LCD 프로젝터는 램프(2)에서 발산된 광을 집광하는 반사경(4)과, 램프(2)와 집광렌즈(14) 사이에 나란하게 배열된 제1 및 제2 다분할 렌즈 어래이(6, 8), 편광변환소자(10), λ/2판(12)과, 집광렌즈(14)에 의해 집광된 광을 색깔별로 분리하여 3원색(R, G, B)에 각각 대응하는 3매의 LCD 패널(26R, 26G, 26B)로 집속시키기 위한 제1 및 제2 색분리기(Dichroic Mirror)(16, 20), 제1 내지 제3 반사거울(18, 22, 24), LCD 패널(26R, 262G, 26B)로부터의 3원색 화상을 합성하기 위한 광합성기(28)와, 광합성기(28)로부터의 화상을 확대투사하기 위한 확대 투사렌즈(30)를 구비한다.

도 1의 액정프로젝터에서 제1 및 제2 다분할 렌즈 어래이(6, 8)는 램프(2)로부터 출사되고 반사경(4)에 의해 집광되는 광을 미세한 광들로 분할한다. 여기서, 제1 다분할 렌즈 어래이(6)는 광을 집속하는 반면에 제2 다분할 렌즈 어래이(8)는 광을 확산시키게 된다. 제2 다분할 렌즈 어래이(8)에 부착된 편광변환소자(10)는 미세한 광 각각을 수직 및 수평 선편광빔(S파, P파)으로 분리하고, 편광변환소자(10)의 배면에 부착된 λ/2판(12)에 의해 수평 선편광빔(P파)은 수직 선편광빔(S파)으로 변환되게 된다. 이렇게, 수직 선편광빔(S파)으로 변환된 광은 제1 집광렌즈(14) 쪽으로 진행하게 되어 조명장치의 광효율이 높아지게 됨과 아울러 광 밝기의 균일성을 확보할 수 있게 되었다. 제1 집광렌즈(14)는 입사되는 광빔을 제1 색분리기(16)로 집속시킨다. 제1 색분리기(16)는 적색(R) 광은 제2 반사거울(18) 쪽으로 투과시키는 반면에 다른 색, 즉 녹색(G) 및 청색(B)의 광은 제2 색분리기(20) 쪽으로 반사시킨다. 제2 반사거울(18)은 투과된 적색(R) 광을 제1 LCD패널(26R)로 전반사시킨다. 제2 색분리기(20)는 제1 색분리기(16)로부터 반사된 광 중 청색(B) 광은 제2 반사거울(22) 쪽으로 투과시키는 반면에 녹색(G) 광은 제2 LCD패널(26G)로 반사시킨다. 제2 색분리기(20)를 투과한 청색(B) 광은 제2 반사거울(22), 제3 반사거울(24)과 같은 릴레이 렌즈들을 경유하여 제3 LCD패널(26B)로 입사된다. 제 1 내지 제3 LCD패널(26R, 26G, 26B)은 입력 영상신호에 따라 입사되는 3원색 광의 투과율을 조정하여 광합성기(28) 쪽으로 진행시킨다. 광합성기(28)는 제1 내지 제 3 LCD패널(26R, 26G, 26B)로부터의 3원색 광을 합성하여 투사렌즈(30)로 진행시키고, 투사렌즈(30)는 광합성기(28)로부터의 광을 확대하여 스크린(도시하지 않음)에 결상시킨다.

그런데, 전술한 LCD 프로젝터를 편광변환소자(10)의 제조의 어려움뿐만 아니라 다분할 렌즈 어래이(6, 8)를 사용하여야 하기 때문에 부품가격이 높아지는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 조명계의 광손실을 최소화할 수 있는 LCD 프로젝터를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 제조가 간단한 광학부품이 사용 가능하고 부품가격을 대폭적으로 줄일 수 있는 LCD 프로젝터를 제공하는 것이다.

도 1은 일반적인 고효율 액정 프로젝터의 광학계 구성을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 액정 프로젝터의 광학계 구성을 나타낸 도면.

도 3a 및 도 3b는 일반적인 회절격자와 본 발명에 적용되는 회절격자를 나타낸 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 간단한 설명>

2, 32 : 램프 4, 34 : 반사경

6, 8 : 다분할 렌즈 어래이 10 : 편광변환소자

12, 40 : λ/2판 14, 36, 48 : 집속렌즈

16, 20, 50, 54 : 색분리기

18, 22, 24, 40, 46, 52, 56, 58 : 반사거울

26R, 26G, 26B; 60R, 60G, 60B: LCD 28, 62 : 광합성기

30, 64 : 투사렌즈 38 : 편광분리자

44, 66 : 회절격자

상기 목적들을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 LCD 프로젝터는 광을 발생하는 광원과, 광원으로부터 입사되는 광을 집속시키기 위한 집속렌즈와, 집속렌즈를 통과하는 광을 상호 직교하는 제1 및 제2 선편광빔으로 분리하여 제1 선편광빔은 반사시키고 제2 선편광빔은 투과시키는 편광분리자와, 편광분리자에 의해 반사된 제1 선편광빔을 제2 선편광빔으로 변환시켜 주는 반파장판과, 반파장판으로부터입사되는 제2 선편광빔의 광경로를 변환시켜 주는 반사미러와, 편광분리자를 투과한 제2 선편광빔과 반사미러에 의해 반사되는 제2 선편광빔이 동일한 방향으로 진행되도록 광경로를 변환하기 위한 회절격자를 구비한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 이점들은 첨부 도면을 참조한 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 도 2 및 도 3을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2에 도시된 LCD 프로젝터는 램프(32)에서 발산된 광을 집광하는 반사경(34)과, 발산광을 평행광으로 만드는 제1 집광렌즈(36)와, 비편광빔을 선편광빔으로 분리하기 위한 편광분리자(38)와, 편광성질을 바꾸는λ/2판(40)과, λ/2판(40)으로부터 입사되는 선편광빔의 광경로를 변환시켜 주기 위한 제1 반사거울(42)과, 편광분리자(38)와 반사거울(42)로부터 입사되는 광을 한방향으로 진행되도록 광경로를 변환하기 위한 회절격자(44)와, 제2 반사거울(30) 및 제2 집광렌즈(48)를 거쳐 집광된 광을 색깔별로 분리하여 3원색(R, G, B)에 각각 대응하는 3매의 LCD 패널(60R, 60G, 60B)로 집속시키기 위한 제1 및 제2 색분리기(Dichroic Mirror)(50, 54)와, 제3 내지 제6 반사거울(52, 56, 58)과, LCD 패널(60R, 60G, 60B)로부터의 3원색 화상을 합성하기 위한 광합성기(62)와, 광합성기(62)로부터의 화상을 확대투사하기 위한 확대 투사렌즈(64)를 구비한다.

도 2에 도시된 LCD 프로젝터에서 반사경(34)과 제1 집광렌즈(36)는 램프(32)로부터 발광된 광을 LCD 패널에 근접한 크기로 집광하면서 평행하게 진행시키게 된다. 이는 광을 평행하게 집광시킴으로써 LCD 패널(60R, 60G, 60B)의 화소로 입사되는 광을 손실을 최소화하기 위함이다. 이렇게 평행하게 집광된 광은 비편광으로 구성되어 있기 때문에 선편광으로 각각 분리하여 하나의 편광방향을 갖는 선편광으로 만들어야 한다. 이는 LCD 패널(60R, 60G, 60B)이 어느 한 선편광 상태에 따라 광 투과량이 조절되기 때문에 수직 선편광빔(S파) 또는 수평 선편광빔(P파)으로 변환하여 입사시켜야 하기 때문이다. 편광분리자(38)는 제1 집광렌즈(36)에 의해 집광된 비편광빔을 수직 선편광빔(S파)과 수평 선편광빔(P파)으로 분리하여 수직 선편광빔(S파)은 회절격자(44) 쪽으로 투과시키고 수평 선편광빔(P파)은 λ/2판(40) 쪽으로 반사시키게 된다. λ/2판(40)은 편광분리자(38)로부터 입사되는 수평 선편광빔(P파)을 수직 선편광빔(S파)으로 변환하고, 제1 반사거울(42)은 λ/2판(40)로부터 입사되는 수직 선편광빔(S파)을 회절격자(44) 쪽으로 전반사시키게 된다. 회절격자(44)는 편광분리자(38)와 반사거울(42)로부터 서로 다른 경로로 입사되는 수직 선편광빔(S파)을 한방향으로 진행하도록 광경로를 변환하게 된다.

상세히 하면, 일반적인 회절격자(66)는 도 3a에 도시된 바와 같이 한방향으로 입사되는 광을 여러방향으로 나누어 진행하도록 광경로를 변환한다. 그러나, 본 발명에 적용되는 회절격자(44)는 도 3b에 도시된 바와 같이 두 방향으로 입사된 광을 한방향으로 진행하도록 광경로를 변환하게 된다. 다시 말하여, 도 3a에 도시된 일반적인 회절격자(66)는 한방향으로 입사되는 광을 회절차수가 0차, ±1차, ±2차 등인 회절광으로 분리하는 반면에, 도 3b에 도시된 회절격자(44)는 각 차수에 대한 회절강도를 다음의 관계식에 대해 선택적으로 광이 회절되도록 함으로써 다른 방향으로 입사된 광을 한방향으로 진행시키게 된다. 특히, 본 발명의 회절격자(44)는 ±1차의 회절강도가 최대가 되게 하고 나머지 차수에 대해서는 최소가 되도록 설계되는 것이 바람직하다.

여기서, t(n)은 목표값이며, I(m)은 회절의 실제 강도이다. 도 3b의 회절격자(44)는 상기 수학식에 의해 ±1차의 회절강도가 최대가 되게하고 나머지 차수에 대해서는 최소가 되도록 설계되고 도 3a에 도시된 회절격자(66)와 입출사 방향이 반대가 되도록 배치되어 광을 회절시키게 된다. 이에 따라, 램프(32)에서 발광된 비편광빔이 선편광빔으로 변환되고 상기 회절격자(44)에 의해 한방향으로 진행하게 됨으로써 광손실을 최소화할 수 있게 된다.

이렇게, 광손실없이 선편광상태를 갖는 광은 제2 반사거울(46)과 제2 집광렌즈(48)에 의해 제1 색분리기(50)로 집속시킨다. 제1 색분리기(50)는 적색(R) 광은 제3 반사거울(52) 쪽으로 투과시키는 반면에 다른 색, 즉 녹색(G) 및 청색(B)의 광은 제2 색분리기(54) 쪽으로 반사시킨다. 제3 반사거울(52)은 투과된 적색(R) 광을 제1 LCD패널(60R)로 전반사시킨다. 제2 색분리기(54)는 제1 색분리기(50)로부터 반사된 광 중 청색(B) 광은 제4 반사거울(56) 쪽으로 투과시키는 반면에 녹색(G) 광은 제2 LCD패널(60G)로 반사시킨다. 제2 색분리기(54)를 투과한 청색(B) 광은 제4 반사거울(56), 제5 반사거울(58)과 같은 릴레이 렌즈들을 경유하여 제3LCD패널(60B)로 입사된다. 제1 내지 제3 LCD패널(60R, 60G, 60B)은 입력 영상신호에 따라 입사되는 3원색 광의 투과율을 조정하여 광합성기(62) 쪽으로 진행시킨다. 광합성기(64)는 제1 내지 제3 LCD패널(60R, 60G, 60B)로부터의 3원색 광을 합성하여 투사렌즈(64)로 진행시키고, 투사렌즈(64)는 광합성기(62)로부터의 광을 확대하여 스크린(도시하지 않음)에 결상시킨다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 LCD 프로젝터 의하면 램프에서 발광된 비편광빔을 광손실없이 동일한 선편광 성분으로 변환함으로써 광의 이용효율을 높여 영상을 밝기를 향상시킬 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 따른 LCD 프로젝터 의하면, 제조가 어렵과 단가가 높은 편광변환소자 및 다분할 렌즈 어레이를 사용하는 대신에 비교적 제조가 간단한 λ/2판과 회절격자를 이용하여 광손실을 최소화함으로써 부품가격을 대폭적으로 줄일 수 있게 된다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여져야만 할 것이다.

Claims (2)

1. 광을 발생하는 광원과,

   상기 광원으로부터 입사되는 광을 집속시키기 위한 집속렌즈와,

   상기 집속렌즈를 통과한 광을 상호 직교하는 제1 및 제2 선편광빔으로 분리하여 상기 제1 선편광빔은 반사시키고 상기 제2 선편광빔은 투과시키는 편광분리자와,

   상기 편광분리자에 의해 반사

   된 제 1 선편광빔을 상기 제2 선편광빔으로 변환시켜 주는 반파장판과,

   상기 반파장판으로부터 입사되는 제2 선편광빔의 광경로를 변환시켜 주는 반사미러와,

   상기 편광분리자를 투과한 제2 선편광빔과 상기 반사미러에 의해 반사되는 제2 선편광빔이 동일한 방향으로 진행되도록 광경로를 변환한기 위한 회절격자를 구비하는 것을 특징으로 하는 액정디스플레이 프로젝터.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제1 선편광빔은 P파이고, 상기 제2 선편광빔은 S파인 것을 특징으로 하는 액정디스플레이 프로젝터.