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KR100782806B1 - 단판식 컬러 화상 표시 장치 - Google Patents

단판식 컬러 화상 표시 장치 Download PDF

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KR100782806B1
KR100782806B1 KR1020010045221A KR20010045221A KR100782806B1 KR 100782806 B1 KR100782806 B1 KR 100782806B1 KR 1020010045221 A KR1020010045221 A KR 1020010045221A KR 20010045221 A KR20010045221 A KR 20010045221A KR 100782806 B1 KR100782806 B1 KR 100782806B1
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Abstract

복수의 색광을 선택적으로 투과 및/또는 반사시키는 스위칭 가능한 컬러 필터를 복수개 구비하여, 디스플레이 디바이스의 동일 픽셀에 복수의 색광을 순환적으로 조사하여 한 비데오프레임동안 단위 픽셀에서 완전한 컬러 화상을 구현할 수 있도록 된 구조를 갖는 단판식 컬러 화상 표시장치가 개시되어 있다. 이 개시된 단판식 컬러 화상 표시장치는, 컬러 휠을 사용한 종래의 투사형 단판식 화상 표시장치와 물리적으로 동일한 해상도를 가지며, 3개의 디스플레이 디바이스를 이용하는 종래의 3판식 컬러 화상 표시장치와 실질적으로 동일한 광효율 및 해상도를 갖는다.

Description

단판식 컬러 화상 표시 장치{Single panel type image display apparatus}
도 1은 종래의 단판식 컬러 화상 표시장치의 일예를 보인 도면,
도 2는 도 1의 마이크로 렌즈 어레이 및 액정표시소자에서의 광선 경로를 보인 도면,
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 단판식 컬러 화상 표시 장치를 개략적으로 보인 도면,
도 4는 도 3의 편광 변환기의 일 실시예를 개략적으로 보인 도면,
도 5는 도 3의 스위칭 가능한 컬러 필터의 구조를 보인 도면,
도 6a 및 도 6b는 도 5의 스위칭 가능한 컬러 필터의 액정층의 구조 및 그 스위칭 가능한 컬러 필터의 색광의 선택적 투과 반사를 설명하기 위한 도면,
도 7은 본 발명의 스위칭 가능한 컬러 필터의 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)에 대한 회절 반사율을 개략적으로 보인 그래프,
도 8은 도 3의 화상생성부의 구조를 구체적으로 보인 도면,
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단판식 컬러 화상 표시 장치를 개략적으로 보인 도면,
도 10 및 도 11은 각각 도 9의 화상생성부의 실시예를 개략적으로 보인 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
50...조명부 51...광원 53...조명 렌즈
53a,53b...파리눈 렌즈 어레이 55...편광 변환기
56,130...편광분할기 57...반사부재 58...반파장판
70...색광 분리부 71,72,73...스위칭 가능한 컬러 필터
75,76,77...선택적 반사/투과층 78,111...투명 기판
79...투명 전극 80,96,115...액정층 81...액정 방울
83...액정 용액 90...화상생성부
91,160...제1 및 제2마이크로 렌즈 어레이 93...투과형 액정표시소자
99...투사렌즈유니트 110...반사형 액정표시소자
119...실리콘 기판 150...마이크로 프리즘 어레이
본 발명은 컬러 화상 표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 전기적 영상 신호에 따라 영상을 구현하는 한 개의 디스플레이 디바이스를 이용하여 3개의 디스플레이 디바이스를 이용하는 3판식 컬러 화상 표시장치와 동일한 광효율 및 해상도를 달성할 수 있도록 된 단판식 컬러 화상 표시 장치에 관한 것이다.
도 1은 종래의 단판식 컬러 화상 표시장치의 일예를 보인 도면이고, 도 2는 도 1의 마이크로 렌즈 어레이 및 액정표시소자에서의 광선 경로를 보인 도면이다. 도면을 참조하면, 종래의 단판식 컬러 화상 표시장치는, 조명부와, 서로 기울어지게 배치된 3매의 이색 미러(4R)(4G)(4B)와, 마이크로 렌즈 어레이(10)와, 액정표시소자(20)를 포함하여 구성된다.
상기 조명부는 백색광원인 램프(1)와, 상기 램프(1)의 일측을 감싸도록 설치된 구면경(2)과, 상기 램프(1)에서 출사되어 직접적으로 입사되는 발산광 및 상기 구면경(2)에서 반사되어 입사되는 발산광을 집속시켜 평행광으로 바꾸어주는 콘덴서 렌즈(3)로 이루어진다.
상기 조명부에서 출사된 백색광은 3매의 이색 미러(4R)(4G)(4B)에 의해 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)의 삼원색으로 분리된다. 이색 미러(4R)는 상기 조명부쪽에서 입사되는 백색광 중 적색광(R)은 반사시키고 나머지 색광은 투과시킨다. 이색 미러(4G)는 이색 미러(4R)를 투과한 색광 중 녹색광(G)은 반사시키고 나머지 색광 즉, 청색광(B)은 투과시킨다. 이색 미러(4B)는 청색광(B)을 반사시킨다.
상기 3매의 이색 미러(4R)(4G)(4B)는 서로 θ만큼 기울어져 있어 부채살 모양을 이룬다. 즉, 이색 미러(4G)에 대해 이색 미러(4R)는 -θ, 이색 미러(4B)는 +θ만큼 기울어지게 배치되어 있다. 여기서, +는 시계 반대방향, -는 시계 방향을 의미한다.
따라서, 녹색광(G)의 주광선(chief ray)에 대해 적색광(R)의 주광선은 -θ, 청색광(B)의 주광선은 +θ만큼 기울어진 각으로 마이크로 렌즈 어레이(10)에 입사한다.
마이크로 렌즈 어레이(10)는, 마이크로 렌즈 요소(10a)를 이루는 다수의 실 린더리컬 렌즈가 수평 방향으로 배열된 것이다. 이 마이크로 렌즈 어레이(10)는 서로 다른 기울기로 입사되는 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 액정표시소자(20)의 신호전극(21R)(21G)(21B) 상에 스트라이프(stripe) 형상으로 집속시킨다.
상기 액정표시소자(20)는 2장의 투명한 유리기판(24)(25) 사이에 액정층(23)이 샌드위치된 구조로, 액정층(23) 양면에는 투명 전도막(22)과 신호전극(21R)(21G)(21B)이 매트릭스 구조로 형성되어 있다.
상기와 같이 구성된 종래의 단판식 컬러 화상 표시 장치에서, 3매의 이색 미러(4R)(4G)(4B)에 의해 삼원색으로 분리되어 액정표시소자(20)의 신호 전극 상에 집속되는 R, G, B 스트라이프는, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)의 주광선의 입사각 차이 때문에, 수평 방향으로 일정간격으로 배열되며, R, G, B 영상 신호 전극(21R)(21G)(21B)에 대응된다. R, G, B 신호 전극(21R)(21G)(21B)은 서브 픽셀(subpixel)로, 이 R, G, B 신호전극(21R)(21G)(21B)이 모여 하나의 영상 픽셀(image pixel)을 이룬다.
상기와 같이 단위 마이크로 렌즈(10a)에 R, G, B 삼원색에 해당하는 3개의 서브 픽셀이 대응하고, 이 3개의 서브 픽셀들이 필드 렌즈(5)와 투사렌즈(6)에 의해 스크린(7)에 결상되면, 서브 픽셀 3개가 세트를 이루어 하나의 영상 픽셀로 보여지게 되는 것이다. 따라서, 시청자는 전체가 영상 픽셀로 구성된 컬러 화상을 보게 된다.
그런데, 상기와 같은 종래의 단판식 컬러 화상 표시 장치는, 3개의 서브 픽셀이 한 개의 영상 픽셀을 이루므로, 액정 표시 소자의 해상도가 1/3로 떨어진다. 따라서, 예를 들어, 미국 특허 5,633,755호 및 미국 특허 5,159,485등에 개시되어 있는 컬러 휠을 사용한 투사형 단판식 화상 표시장치와 비교하여, 동일한 해상도를 실현하기 위해서는 액정 표시 소자(20)의 물리적인 해상도를 3배만큼 크게 해야 한다.
따라서, 상기와 같이, 액정 표시 소자(20)의 물리적 해상도가 3배 증가되면, 개구율이 나빠지게 되기 때문에 광효율이 감소하고, 양산 수율이 감소하여 제조가격이 상승하는 문제점이 있다. 또한, 액정 표시 소자(20)를 물리적 해상도가 3배로 되도록 제조해야 하기 때문에, 액정 표시 소자(20)의 크기가 커질 수 있는데, 이와 같이 액정 표시 소자(20)의 크기를 크게 하면, 콘덴서 렌즈(3)나 필드 렌즈(5) 또는 투사렌즈(6)를 크게 구성해야 하기 때문에 제조 가격이 증가되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 개선하기 위하여 안출된 것으로, 조명부에서 출사된 백색광을 복수의 색광으로 분리하는 색광 분리부의 구조를 개선하여, 컬러 휠을 사용한 종래의 투사형 단판식 화상 표시장치와 물리적으로 동일한 해상도를 가지며, 3개의 디스플레이 디바이스를 이용하는 종래의 3판식 컬러 화상 표시장치와 실질적으로 동일한 광효율 및 해상도를 갖도록 된 단판식 컬러 화상 표시 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 단판식 컬러 화상 표시 장치는, 백색광을 출사하는 조명부와; 복수의 색광을 선택적으로 투과 및/또는 반사시키도록 형성된 복수의 스위칭 가능한 컬러 필터를 구비하여, 상기 조명부쪽에서 입사되는 백색광을 복수의 색광으로 분리하여 반사시키는 색광 분리부와; 상기 색광 분리부에서 분리된 복수의 색광을 이용하여 복수 컬러 화상을 생성하는 화상생성부와; 상기 화상생성부에서 생성된 복수 컬러 화상을 스크린으로 투사시키는 투사렌즈유니트;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 색광 분리부는, 분리하고자 하는 색광 수와 동일한 매수의 스위칭 가능한 컬러 필터를 구비한다.
상기 스위칭 가능한 컬러 필터는, 전기적인 신호에 따라 분리하고자 하는 색광 수만큼 분할된 서브프레임동안마다 복수의 색광을 교대로 선택하여 반사시킬 수 있도록 구성된다.
즉, 상기 스위칭 가능한 컬러 필터는, 분리하고자하는 색광 수에 해당하는 전기적으로 스위칭 가능한 복수의 선택적 반사/투과층;을 구비한다. 상기 선택적 반사/투과층은, 적어도 일측이 투명한 기판 사이에 샌드위치되며, 소정 간격으로 배열된 고분자 사슬로 얽힌 액정 방울과, 상기 액정 방울 사이사이에 차있는 액정 용액을 포함하며, 전기적인 신호에 따라 상기 액정 방울과 액정 용액 사이의 굴절율 차가 조절되어 소정 색광을 선택적으로 반사시키도록 된 액정층과; 상기 액정층에 전계를 인가할 수 있도록 상기 기판 내측면에 형성된 투명 전극;을 포함한다.
여기서, 상기 복수의 스위칭 가능한 컬러 필터는, 서로 소정 각도로 비스듬하게 배치된 것이 바람직하다.
상기 조명부는, 백색광을 출사하는 광원과; 상기 광원에서 출사된 광을 평행광으로 바꾸어주는 조명 렌즈와; 상기 광원에서 출사된 광을 단일 선편광의 광으로 변환하는 편광 변환기;를 포함한다.
여기서, 상기 조명 렌즈는, 상기 광원쪽에서 입사되는 광을 균일빔으로 변환시키는 파리눈렌즈 어레이를 포함할 수 있다.
상기 편광 변환기는, 입사광을 선편광에 따라 선택적으로 투과 및 반사시키는 편광분할기와; 상기 편광분할기에서 반사된 광을 상기 편광분할기를 투과한 광과 나란한 방향으로 반사시키는 반사부재와; 상기 편광분할기를 투과한 광 또는 상기 반사부재에서 반사된 광의 경로 상에 배치된 반파장판;을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 광원은, 포물경을 가지는 램프형 광원인 것이 바람직하다.
상기 화상생성부는, 상기 색광 분리부쪽에서 입사되는 색광들을 집속시키는 제1마이크로 렌즈 어레이와; 상기 제1마이크로 렌즈 어레이를 경유하여 입사된 색광으로부터 칼라 화상을 생성하기 위한 디스플레이 디바이스;를 포함한다.
여기서, 상기 디스플레이 디바이스는, 투과형 액정표시소자일 수 있다.
대안으로, 상기 디스플레이 디바이스는, 반사형 액정표시소자이고, 상기 색광 분리부와 제1마이크로 렌즈 어레이 사이에 입사광을 편광에 따라 투과 또는 반사시키는 편광분할기;를 더 구비하는 것도 가능하다.
상기 디스플레이 디바이스에서 반사된 광이 입사할 때와 동일한 상기 제1마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈를 통과하도록 하기 위해, 상기 디스플레이 디 바이스와 제1마이크로 렌즈 어레이 사이에 마이크로 프리즘 어레이 또는 제2마이크로 렌즈 어레이를 더 구비하는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명에 따른 단판식 컬러 화상 표시 장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 단판식 컬러 화상 표시 장치를 개략적으로 보인 도면이다.
도면을 참조하면, 본 발명에 따른 단판식 컬러 화상 표시 장치는, 백색광을 출사하는 조명부(50)와, 상기 조명부(50)쪽에서 입사되는 백색광을 복수의 색광으로 분리하여 반사시키는 색광 분리부(70)와, 상기 색광 분리부(70)에서 분리된 복수의 색광을 이용하여 컬러 화상을 생성하는 화상생성부(90)와, 상기 화상생성부(90)에서 생성된 복수 컬러 화상을 스크린(미도시)으로 투사시키는 투사렌즈유니트(99)를 포함하여 구성된다.
상기 조명부(50)는, 백색광을 출사하는 광원(51)과, 상기 광원(51)에서 출사된 광을 평행광으로 바꾸어주는 조명 렌즈(53)와, 상기 광원(51)에서 출사된 광을 단일 선편광의 광으로 변환하는 편광 변환기(55)를 포함하여 구성된다.
상기 광원(51)으로는 백색광을 출사하는 램프형 광원을 구비하는 것이 바람직하다. 상기 램프형 광원은 백색광을 생성하는 램프(51a)와, 상기 램프(51a)의 일측을 감싸도록 된 반사경(51b)으로 이루어진다. 상기 반사경(51b)은 상기 램프(51a)의 위치를 일 초점으로 하고, 램프(51a)에서 출사되고 상기 반사경(51b)에서 반사된 광이 평행광이 되도록 하는 포물경인 것이 바람직하다.
상기 조명 렌즈(53)로는, 상기 광원(51)쪽에서 입사되는 광을 균일빔으로 변환시키는 파리눈 렌즈(Fly eye lens) 어레이(53a)(53b)를 구비할 수 있다. 상기 파리눈 렌즈 어레이(53a)(53b)는 입사빔을 균일한 사각빔으로 변환한다. 여기서, 상기 조명부(50)는 광혼합수단으로 상기 조명 렌즈(53) 대신에 입사광을 난반사시켜 균일광이 되도록 하는 스크램블러를 구비할 수도 있다.
상기 편광 변환기(55)는 도 4에 도시된 바와 같이, 입사광을 선편광에 따라 선택적으로 투과 및 반사시키는 편광빔분할기(56)와, 상기 편광빔분할기에서 반사된 광을 상기 편광빔분할기를 투과한 광과 나란한 방향으로 반사시키는 반사부재(57)와, 상기 편광빔분할기를 투과한 광 또는 상기 반사부재에서 반사된 광의 경로 상에 배치된 반파장판(half-wave plate:58)의 어레이로 구성될 수 있다.
따라서, 광원(51)에서 출사된 광은 상기 편광 변환기(55)를 경유하면서 단일 선편광의 광으로 변환된다.
한편, 상기 조명부(50)는, 상기 광원(51)에서 출사된 광을 평행광으로 바꾸어주는 콘덴서 렌즈(59)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 조명부(50)에서는 단일 선편광의 균일한 평행빔이 출사된다.
상기 색광 분리부(70)는, 복수의 색광 예컨대, 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)을 선택적으로 반사 및/또는 투과시키도록 형성되고, 서로 소정 각도로 비스듬하게 배치되어 부채꼴 형상을 이루도록 된 복수의 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)를 구비한다. 상기 색광 분리부(70)는 분리하고자 하는 색광 수와 동일한 매수의 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)로 이루어진다. 예를 들어, 입사되는 광을 삼원색광 즉, 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)으로 분리하고자 하는 경우, 색광 분리부(70)는 도 3에 도시한 바와 같이, 3개의 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)를 구비한다.
각 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)는 전기적인 신호에 따라 분리하고자 하는 색광수 만큼 분할된 서브프레임동안 복수의 색광을 교대로 선택하여 반사시킬 수 있도록 구성된다. 즉, 각 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)는 도 5에 도시된 바와 같이, 분리하고자하는 색광 수에 해당하는 전기적으로 스위칭 가능한 복수의 선택적 반사/투과층(ESBG:Electronically Switching Bragg Grating)(75)(76)(77)을 구비한다. 예를 들어, 상기 색광 분리부(70) 및 이에 대응되는 화상생성부(90)가 조명부(50)에서 입사되는 백색광을 삼원색광 즉, 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)으로 분리하고, 이를 이용하여 컬러 화상을 생성하도록 마련된 경우, 각 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)는 도 5에 도시된 바와 같이, 제1 내지 제3선택적 반사/투과층(75)(76)(77)을 구비한다.
상기 제1 내지 제3선택적 반사/투과층(75)(76)(77)은 각각, 투명한 기판(78) 사이에 샌드위치되어 전기적인 신호에 따라 소정 색광을 선택적으로 반사시키는 액정층(80)과, 상기 액정층(80)에 전계를 인가할 수 있도록 상기 기판(78) 내측면에 형성된 투명전극(79)을 포함하여 구성된다.
상기 액정층(80)은 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 소정 간격으로 배열된 고분자 사슬로 얽힌 액정 방울(81)과, 상기 액정 방울(81) 사이사이에 차있는 액정 용액(83)으로 이루어져 있다.
상기 액정 방울(81)은 일정 간격(d)으로 배열되어 있다. 고분자 사슬로 얽혀있는 액정 방울(81)의 굴절율(nLCM)과 액정 용액(83)의 굴절율(nP)이 서로 다르면, 상기와 같이 일정 간격으로 배열된 액정 방울(81)은 회절 격자처럼 작용하여 입사광을 회절 반사시킨다. 따라서, 상기 액정층(80)은 회절 격자 간격 즉, 액정 방울(81)의 배치 간격(d)에 따라, 백색광의 스펙트럼 중 특정 스펙트럼 밴드의 광만을 반사시키는 컬러 반사 필터로 작용할 수 있다.
상기와 같이 구성된 액정층(80)에서 특정 색광의 선택적 반사는 다음과 같은 원리에 의해 일어난다. 즉, 도 6a에 도시된 바와 같이, 액정층(80)에 전압이 인가되지 않은 상태에서, 액정 방울(81)의 굴절율(nLCM)과 액정 용액(83)의 굴절율(nP)이 서로 다르면, 상기 액정층(80)은 도 6a에 도시된 바와 같이, 특정 색광은 회절 반사시키고, 나머지 색광은 투과시킨다. 도 6b에 도시된 바와 같이, 액정층(80)에 인가된 소정 전압에 의해 액정 방울(81)을 이루는 액정 분자들이 전기장 방향으로 정렬하여 액정 방울(81)의 굴절율(nLCM)과 액정 용액(83)의 굴절율(nP)이 같아지면, 액정 방울(81)과 액정 용액(83) 사이의 굴절율 차에 의해 형성되었던 회절 격자가 사라지게 되므로, 액정층(80)은 입사광을 거의 모두 회절없이 투과시키게 된다.
따라서, 예를 들어, 도 3 및 도 5에 도시된 바와 같이, 상기 색광 분리부(70)가 입사되는 광을 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)으로 분리하기 위해 3개의 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)로 이루어지고, 이 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)가 각각 광이 입사되는 쪽에서부터 제1 내지 제3선택적 반사/투과층(75)(76)(77)을 구비하며, 상기 제1 내지 제3선택적 반사/투과층(75)(76)(77)이 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)을 각각 선택적으로 반사 및 투과시킬 수 있는 간격으로 배치된 액정 방울(81)을 구비한다고 하자. 그러면, 상기 각 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)는, 입력되는 전압 신호에 따라 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B) 중 어느 한 색광은 반사시키고 나머지 색광은 투과시킬 수 있다. 즉, 제1반사/투과층(75)에는 전압이 인가되지 않고, 제2 및 제3선택적 반사/투과층(76)(77)에는 전압이 인가된 경우, 제1선택적 반사/투과층(75)은 적색광(R)은 회절 반사시키고, 녹색광(G) 및 청색광(B)은 투과시키며, 제2 및 제3선택적 반사/투과층(76)(77)은 제1선택적 반사/투과층(75)을 투과한 녹색광(G) 및 청색광(B)을 모두 투과시킨다. 제2선택적 반사/투과층(76)에는 전압이 인가되지 않고, 제1 및 제3선택적 반사/투과층(75)(77)에 전압이 인가된 경우, 제1선택적 반사/투과층(75)은 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)을 모두 투과시키고, 제2선택적 반사/투과층(76)은 제1선택적 반사/투과층(75)을 투과하여 입사된 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B) 중 녹색광(G)은 회절 반사시키고, 나머지 색광은 투과시키며, 제3선택적 반사/투과층(77)은 입사된 적색광(R) 및 청색광(B)을 모두 투과시킨다. 제3선택적 반사/투과층(77)에는 전압이 인가되지 않고, 제1 및 제2선택적 반사/투과층(75)(76)에 전압이 인가된 경우, 제1 및 제2선택적 반사/투과층(75)(76)은 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)을 모두 투과시키고, 제3선택적 반사/투과층(77)은 제1 및 제2선택적 반사/투과층(75)(76)을 경유하여 입사된 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B) 중 청색광(B)은 회절 반사시키고 나머지 색광은 투과시킨다.
이때, 상기와 같이 선택적 회절 반사가 일어나는 제1 내지 제3선택적 반사/투과층(75)(76)(77)의 액정층(80)에서는 광손실이 거의 발생하지 않아, 도 7에 보여진 바와 같이, 동일한 광량의 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)에 대해 거의 동일한 크기의 큰 회절 반사율을 가질 수 있다.
따라서, 상기한 바와 같이 구성된 색광 분리부(70)는 서로 비스듬하게 배치된 3개의 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)에 의해 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 선택적으로 회절 반사시켜 화상생성부(90)의 서로 다른 위치에 조사할 수 있으며, 한 비데오 프레임을 3등분한 서브프레임동안마다 화상생성부(90)의 동일 위치에 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)을 교대로 조사할 수 있기 때문에, 본 발명에 따른 단판식 컬러 화상 표시장치는 도 1 및 도 2를 참조로 앞서 설명한 종래의 단판식 컬러 화상 표시장치에 비해 3배 높은 물리적인 해상도 즉, 종래의 컬러 휠을 사용한 단판식 화상표시장치와 물리적으로 동일한 해상도를 실현할 수 있으며, 종래의 3판식 컬러 화상 표시장치와 동일한 해상도를 실현할 수 있다.
도 3 및 도 8을 참조하면, 상기 화상생성부(90)는, 상기 색광 분리부(70)쪽에서 입사되는 색광들을 집속시키는 제1마이크로 렌즈 어레이(91)와, 상기 제1마이크로 렌즈 어레이(91)를 경유하여 입사된 색광을 이용하여 컬러 화상을 생성하기 위한 디스플레이 디바이스를 포함하여 구성된다.
상기 제1마이크로 렌즈 어레이(91)는, 마이크로 렌즈(91a) 요소를 이루는 다 수의 실린더리컬 렌즈가 수평 방향으로 배열된 것이다. 이 제1마이크로 렌즈 어레이(91)는 서로 다른 기울기로 입사되는 색광들 예컨대, 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 디스플레이 디바이스의 신호전극 상에 스트라이프(stripe) 형상으로 집속시킨다.
상기 제1마이크로 렌즈 어레이(91)에서, 1개의 마이크로 렌즈(91a)는 디스플레이 디바이스의 3개의 픽셀 열에 대응한다. 즉, 각 마이크로 렌즈(91a)는 서로 다른 각으로 입사되는 색광들이 집속됨으로써 분리되어 3개의 픽셀 열 즉, 3개의 신호전극(97a)(97b)(97c) 영역에 조사되도록 한다.
본 실시예에 있어서, 상기 디스플레이 디바이스로는 투과형 액정표시소자(93)를 구비한다. 상기 투과형 액정표시소자(93)는 2장의 투명한 유리기판(94) 사이에 액정층(96)이 샌드위치된 구조이다. 광이 입사하는 쪽의 액정층(96) 인접면에는 투명 전극(95)이 코팅되어 있으며, 광이 출사되는 쪽의 액정층(96) 인접면에는 신호전극(97a)(97b)(97c)이 매트릭스 구조로 형성되어 있다. 상기 신호전극(97a)(97b)(97c)은 단위 마이크로 렌즈(91a)에 대해 3개가 한 조를 이루도록 되어 있으며, 상기 신호전극(97a)(97b)(97c)은 상기 투명 전극(95)과 마찬가지로 투명 전극으로 된 것이 바람직하다.
여기서, 상기 투과형 액정표시소자(93)에 구동 전압을 인가하기 위한 상기 신호전극(97a)(97b)(97c)은 박막 트랜지스터(TFT:Thin Film Transistor) 형태일 수 있다.
한편, 상기 화상생성부(90)와 투사렌즈유니트(99) 사이에는 화상생성부(90) 쪽에서 입사되는 광을 집속시켜 투사렌즈유니트(99)로 전달하는 필드렌즈(98)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 투사렌즈유니트(99)는, 상기 화상생성부(90)에서 생성된 컬러 화상을 스크린(미도시)에 확대 투사한다.
이하에서는, 상기와 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 단판식 컬러 화상 표시 장치의 작동을 상기 색광 분리부(70) 및 이에 대응되는 화상생성부(90)가 조명부(50)에서 입사되는 백색광을 삼원색광 즉, 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)으로 분리하고, 이를 이용하여 컬러 화상을 생성하도록 마련된 경우에 대해 한정하여 설명한다.
광원(51)으로부터 출사된 백색광은 광혼합수단인 파리눈 렌즈 어레이(53a)(53b)에 의해 집속되어 균일한 사각형 빔 형상으로 되고, 편광 변환기(55)에서 단일 선편광된 광으로 변환된다. 선편광된 사각형 빔은 콘덴서 렌즈(59)에 의해 콜리메이팅되어, 부채꼴 형상으로 배치된 복수의 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)로 이루어진 색광 분리부(70)에 입사된다.
상기 색광 분리부(70)에 입사된 백색광은 삼원색광 즉, 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)으로 분리된다. 상기 색광 분리부(70)의 각 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)는, 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)을 1/3 비데오 서브프레임동안마다 선택적으로 반사한다. 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)가 서로 θ만큼 기울어지게 배치되어 있으므로, 예를 들어, 스위칭 가능한 컬러 필터(71)가 적색광(R)을 선택 반사하고, 스위칭 가능한 컬러 필터(72)가 녹색광(G) 을 선택 반사하고, 스위칭 가능한 컬러 필터(73)가 청색광(B)을 선택 반사하면, 녹색광(G)에 대해 적색광(R)은 -θ, 청색광(B)은 +θ만큼의 반사각 차이를 갖는다. 이와 같이 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)은 서로 θ만큼 기울기 차이를 갖고 제1마이크로 렌즈 어레이(91)에 입사하므로, 마이크로 렌즈(91a)에 의해 분리되어 액정표시소자(93)의 서로 다른 위치 즉, 서로 다른 신호 전극(97a)(97b)(97c)에 순환적으로 집속된다. 적색광(R), 녹색광(G) 및 청색광(B)의 주요 광선(chief ray) 사이의 분리 간격 또는 픽셀 피치 p는, 마이크로 렌즈(91a)의 초점거리를 fm이라 할 때, p= fm ×tanθ와 같다.
그러므로, 단위 마이크로 렌즈(91a)에 대응하는 3개의 신호전극(97a)(97b)(97c) 중 신호전극(97a)에는 스위칭 가능한 컬러 필터(71)에서 반사된 색광, 신호전극(97b)에는 스위칭 가능한 컬러 필터(72)에서 반사된 색광, 신호전극(97c)에는 스위칭 가능한 컬러 필터(73)에서 반사된 색광이 각각 스트라이프 형상으로 집속된다.
따라서, 표 1에서와 같이, 1 비데오 프레임을 3개의 비데오 서브프레임으로 나누어 각 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)에 3원색광을 선택적으로 반사하도록 전기적 신호를 인가하고, 그에 대응하는 신호전극(97a)(97b)(97c)에는 집속되는 색광에 대응하는 컬러 영상신호가 인가되도록 하면, 1/3 비데오 서브 프레임동안마다 액정표시소자(93)의 동일 픽셀에서 서로 다른 컬러 화상이 순환적으로 형성되어, 한 비데오 프레임동안 동일 픽셀에서 세가지 컬러 화상이 순차로 형성된다.
비데오 디스플레이 시간 스위칭 가능한 컬러 필터 신호전극
1/3비데오 서브프레임 71:R 72:G 73:B 97a:R 97b:G 97c:B
1/3비데오 서브프레임 71:B 72:R 73:G 97a:B 97b:R 97c:G
1/3비데오 서브프레임 71:G 72:B 73:R 97a:G 97b:B 97c:R
표 1에서, 71∼73은 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)를 나타내고, 97a, 97b, 97c는 신호전극(97a)(97b)(97c)을 나타내며, R, G, B는 스위칭 가능한 컬러 필터(71)(72)(73)에서 반사되는 적색광, 녹색광, 청색광 및 신호전극(97a)(97b)(97c)에 인가되는 적색, 녹색, 청색 영상신호를 나타낸다.
상기와 같이, 액정표시소자(93)의 투명 전극(95)으로 픽셀 행(pixel row)을 어드레싱하면서 신호전극(97a)(97b)(97c)에 1/3비데오 서브프레임동안 그 신호전극(97a)(97b)(97c) 위에 집속되는 색광과 같은 컬러 영상 신호를 부가(load)하는 매트릭스 방식으로, 액정표시소자(93)에 컬러 영상 비디오 신호를 인가하면서 구현된 컬러 화상은 투사렌즈유니트(99)에 의해 확대되어 스크린에 투사된다.
이상에서와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 단판식 화상 표시장치는, 광원(51)에서 출사된 광을 단일 선편광된 광으로 바꾸고, 이 광을 복수의 색광으로 분리하여 컬러 화상을 형성하는데 사용하므로, 종래의 3판식 화상 표시장치와 실질상 동일한 광효율을 실현할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 단판식 컬러 화상 표시장치를 개략적으로 보인 것이고, 도 10은 도 9의 화상생성부(100)의 일 실시예, 도 11은 도 9의 화상생성부(100)의 다른 실시예를 보인 것으로, 도 3에서와 동일 참조부호는 그 구조 및 기능이 실질적으로 동일한 부재를 나타낸다.
본 실시예에 따른 단판식 컬러 화상 표시장치는 디스플레이 디바이스로 반사 형 액정표시소자(110)를 구비하고, 색광 분리부(70)와 제1마이크로 렌즈 어레이(91) 사이에 입사광을 편광에 따라 투과 또는 반사시켜 입사광과 출사광의 경로를 분리하기 위하여 편광분할기(130)를 구비한 점에 그 특징이 있다.
상기 반사형 액정표시소자(110)는 액정층(115)을 샌드위치시키는 한쌍의 기판(111)(119) 중 광이 입사되는 투명 기판(111)의 반대쪽 기판(119)이 실리콘 기판으로 되고, 상기 기판(119)의 액정층(115)에 인접한 면에는 신호전극(117a)(117b)(117c)이 미러코팅된 것이 바람직하다. 상기 투명 기판(111)의 액정층(80)에 인접한 면에는 투명 전극(113)이 형성된다. 여기서, 상기 신호전극(117a)(117b)(117c)은 앞선 실시예에서의 신호전극(97a)(97b)(97c)과 마찬가지로 단위 마이크로 렌즈(91a)당 3개가 한조로 되어 R,G,B 영상 신호가 교대로 입력되도록 되어 있다.
상기와 같이 신호전극(117a)(117b)(117c)이 형성되는 기판(119)으로 실리콘 기판을 이용하면, 잘 알려진 바와 같이, "Chip on Silicon" 방법을 이용하여, CMOS나 PMOS와 같이 빠르게 어드레싱이 가능한 회로 소자를 구성하는 것이 가능하기 때문에, 일반적인 방법보다 빠른 어드레싱 속도를 달성할 수 있다.
한편, 제1마이크로 렌즈 어레이(91)에 의해 분리되어 반사형 액정표시소자(93)로 입사되는 색광들 중 신호전극(117a)(117c) 위치에 떨어지는 빔은 θ의 입사각을 가지고 그 신호전극(117a)(117c)에 집속되므로, 이 색광들은 스넬법칙에 따라 다시 θ의 반사각을 가지고 반사된다. 따라서, 픽셀의 영상 정보가 서로 섞이는 것을 방지하기 위해, 상기 반사형 액정표시소자(110)와 제1마이크로 렌즈 어레이(91) 사이에 도 10에 도시된 바와 같이 마이크로 프리즘 어레이(150) 또는 도 11에 도시된 바와 같이 제2마이크로 렌즈 어레이(160)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이와 같이 마이크로 프리즘 어레이(150) 또는 제2마이크로 렌즈 어레이(160)를 더 구비하면, 입사되는 색광들이 모두 신호전극(117a)(117b)(117c)의 거울면에 수직으로 입사될 수 있으므로, 상기 반사형 액정표시소자(110)에서 반사된 광은 그 반사형 액정표시소자(110)에 입사할 때와 동일한 제1마이크로 렌즈 어레이(91)의 마이크로 렌즈(91a)를 통과하게 되어 픽셀의 영상 정보가 서로 섞이지 않게 된다.
상기와 같은 본 발명의 다른 실시예에 따른 단판식 컬러 화상 표시장치에서는, 색광 분리부(70)에서 분리된 색광이 편광분할기(130)에서 반사되어 화상생성부(90)쪽으로 입사되는 경우, 반사형 액정표시소자(110)로부터 반사된 광은 입사될 때와 편광이 90도 회전하므로 상기 편광분할기(130)를 투과한다. 따라서, 상기 반사형 액정표시소자(110)에 의해 구현된 컬러 화상은 투사렌즈유니트(99)에 의해 스크린에 확대 투사된다.
이상에서는 본 발명에 따른 컬러 화상 표시장치가 액정 표시소자를 구비하는 것으로 설명 및 도시하였는데, 이는 일 예일뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 단판식 컬러 화상 표시장치는, 복수의 색광을 선택적으로 투과 및/또는 반사시키는 스위칭 가능한 컬러 필터를 복수개 구비 하여, 디스플레이 디바이스의 동일 픽셀에 복수의 색광을 순환적으로 조사하여 한 비데오프레임동안 단위 픽셀에서 완전한 컬러 화상을 구현할 수 있도록 된 구조를 가지므로, 컬러 휠을 사용한 종래의 투사형 단판식 화상 표시장치와 물리적으로 동일한 해상도를 가지며, 3개의 디스플레이 디바이스를 이용하는 종래의 3판식 컬러 화상 표시장치와 실질적으로 동일한 광효율 및 해상도를 갖는다.

Claims (17)

  1. 백색광을 출사하는 조명부와;
    복수의 색광을 선택적으로 투과나 반사시키도록 형성된 복수의 스위칭 가능한 컬러 필터를 구비하여, 상기 조명부쪽에서 입사되는 백색광을 복수의 색광으로 분리하여 반사시키는 색광 분리부와;
    상기 색광 분리부에서 분리된 복수의 색광을 이용하여 복수 컬러 화상을 생성하는 화상생성부와;
    상기 화상생성부에서 생성된 복수 컬러 화상을 스크린으로 투사시키는 투사렌즈유니트;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 색광 분리부는, 분리하고자 하는 색광 수와 동일한 매수의 스위칭 가능한 컬러 필터를 구비하는 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 스위칭 가능한 컬러 필터는, 전기적인 신호에 따라 분리하고자 하는 색광 수만큼 분할된 서브프레임동안마다 복수의 색광을 교대로 선택하여 반사시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 스위칭 가능한 컬러 필터는, 전기적인 신호에 따라 분리하고자 하는 색광 수만큼 분할된 서브프레임동안마다 복수의 색광을 교대로 선택하여 반사시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스위칭 가능한 컬러 필터는, 분리하고자하는 색광 수에 해당하는 전기적으로 스위칭 가능한 복수의 선택적 반사/투과층;을 구비하는 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  6. 제5항에 있어서, 상기 선택적 반사/투과층은,
    적어도 일측이 투명한 기판 사이에 샌드위치되며, 일정 간격으로 배열된 고분자 사슬로 얽힌 액정 방울과, 상기 액정 방울 사이사이에 차있는 액정 용액을 포함하며, 전기적인 신호에 따라 상기 액정 방울과 액정 용액 사이의 굴절율 차가 조절되어 색광에 따라 선택적으로 반사시키도록 된 액정층과;
    상기 액정층에 전계를 인가할 수 있도록 상기 기판 내측면에 형성된 투명 전극;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  7. 제6항에 있어서, 상기 복수의 스위칭 가능한 컬러 필터는,
    서로 비스듬하게 배치된 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 스위칭 가능한 컬러 필터는,
    서로 비스듬하게 배치된 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 조명부는,
    백색광을 출사하는 광원과;
    상기 광원에서 출사된 광을 평행광으로 바꾸어주는 조명 렌즈와;
    상기 광원에서 출사된 광을 단일 선편광의 광으로 변환하는 편광 변환기;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 조명 렌즈는,
    상기 광원쪽에서 입사되는 광을 균일빔으로 변환시키는 파리눈렌즈 어레이를 포함하는 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  11. 제9항에 있어서, 상기 편광 변환기는,
    입사광을 선편광에 따라 선택적으로 투과 및 반사시키는 편광분할기와;
    상기 편광분할기에서 반사된 광을 상기 편광분할기를 투과한 광과 나란한 방향으로 반사시키는 반사부재와;
    상기 편광분할기를 투과한 광 또는 상기 반사부재에서 반사된 광의 경로 상에 배치된 반파장판;을 포함하는 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  12. 제9항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 광원은, 포물경을 가지는 램프형 광원인 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 화상생성부는,
    상기 색광 분리부쪽에서 입사되는 색광들을 집속시키는 제1마이크로 렌즈 어레이와;
    상기 제1마이크로 렌즈 어레이를 경유하여 입사된 색광으로부터 칼라 화상을 생성하기 위한 디스플레이 디바이스;를 포함하는 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  14. 제13항에 있어서, 상기 디스플레이 디바이스는, 투과형 액정표시소자인 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  15. 제13항에 있어서, 상기 디스플레이 디바이스는, 반사형 액정표시소자이고,
    상기 색광 분리부와 제1마이크로 렌즈 어레이 사이에 입사광을 편광에 따라 투과 또는 반사시키는 편광분할기;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 디스플레이 디바이스에서 반사된 광이 입사할 때와 동일한 상기 제1마이크로 렌즈 어레이의 마이크로 렌즈를 통과하도록 하기 위해, 상기 디스플레이 디바이스와 제1마이크로 렌즈 어레이 사이에 마이크로 프리즘 어레이 또는 제2마이크로 렌즈 어레이를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
  17. 제15항에 있어서, 상기 디스플레이 디바이스는, 액정층을 샌드위치시키는 한쌍의 기판 중 광이 입사되는 투명 기판의 반대쪽 기판이 실리콘 기판으로 된 것을 특징으로 하는 단판식 컬러 화상 표시 장치.
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