KR100389024B1 - 단판식 액정패널의 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 시스템을 단순화할 수 있는 단판식 액정패널의 광학계에 관한 것이다.

본 발명에 따른 단판식 액정패널의 광학계는 광을 발생하는 광원과, 상기 광원으로부터의 광을 적색, 녹색 및 청색광으로 분리하기 위한 광분리광학계와, 상기 적색, 녹색 및 청색광을 집속시키는 다수의 단위 실린더렌즈들이 원통형으로 구성되어 적색, 녹색 및 청색광을 스크롤링하기 위한 드럼렌즈와, 상기 드럼렌즈에 의해 스크롤링된 적색, 녹색 및 청색광을 집속시키기 위한 집속 광학계와, 상기 집속 광학계로부터의 적색, 녹색 및 청색광을 편광특성에 따라 선택적으로 투과 및 반사시키기 위한 편광선택 광학계와, 상기 편광선택 광학계에 의해 반사된 적색, 녹색 및 청색광이 결상되는 액정패널을 구비하는 것을 특징으로 한다.

이에 따라, 시스템을 단순화시킬 수 있음과 아울러 비용을 절감할 수 있다.

Description

단판식 액정패널의 광학계{Optics System of Single Liquid Crystal Panel Type}

본 발명은 단판식 액정패널에 관한 것으로, 특히 시스템을 단순화할 수 있는 단판식 액정패널의 광학계에 관한 것이다.

프로젝터는 내부의 소형 디스플레이에 구현된 소화상을 투사렌즈를 이용하여 대화면의 스크린에 확대투사함으로써 대화면의 화상을 표시하게 된다. 이 프로젝터는 스크린의 전면에 화상이 투사되는 전면 투사방식과 스크린의 후면에 화상이 투사되는 후면 투사방식으로 대별된다. 이 중에서 후자의 대표적인 예로서 프로젝션 텔레비젼을 들 수 있다. 그리고, 프로젝터에서 소형의 영상을 제공하는 디스플레이로는 음극선관(CRT)과 액정표시장치(Liquid Crystal Display : LCD)가 이용되고 있다. 최근에는 프로젝터의 박형화에 유리한 액정패널을 이용한 프로젝터에 대한 관심이 커지고 있다.

통상 표시소자는 소화상을 제공하는 액정패널과, 액정패널 상에 표시된 소화상을 스크린에 확대투사시키는 투사렌즈계와, 상기 액정패널에 광을 제공하는 광원과, 광원과 액정패널 사이의 광경로를 조절하기위한 조명계와, 신호처리를 하는 구동회로부를 구비한다.

이러한 표시소자는 효율 좋은 광학계의 구성 및 램프변경 등을 통한 고휘도를 구현하려는 추세와, 밝기는 다소 떨어지더라도 소형화, 경량화를 통해 휴대 및 설치의 간편성 등을 강조하려는 추세가 병행되고 있다. 표시소자는 칼러 구현을 위하여 3매 또는 1매의 액정패널을 이용한다. 고휘도 구현을 목적으로 하는 경우 3매의 액정패널을 채용하지만 소형화 및 경량화를 목적으로 하는 경우 1매의 액정패널을 채용하는 것이 일반적이다.

1매의 액정패널을 채용하는 단판식 액정패널은 칼러를 구현하기 위하여 칼라필터를 이용하는 방법, 삼원색을 분리하여 특정한 각도로 입사시키는 방법, 삼원색을 순차적으로 표시소자에 보내주는 방법 등을 이용하고 있다. 이들 중에서 삼원색을 순차적으로 표시소자에 보내주는 화상투사 장치에는 도 1에 도시된 바와 같이 회전프리즘을 사용하는 방식이 대표적이다.

도 1을 참조하면, 종래의 단판식 액정패널의 광학계가 개략적으로 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 액정패널은 광을 발생하는 광원(2)과, 광원(2)과 집광렌즈(8) 사이의 광경로 상에 배치된 제1 및 제2 플라이아이렌즈(Fly Eye Lens : 이하 "FEL"이라 함)(4, 6)와, 편광 분리 어레이(Polarizing Beam Splitter Array; 이하 "PBS 어레이" 라 함)(7)와, 특정 파장대역의 광을 투과 및 반사시키는 제1 내지 제4 다이크로익미러(10, 12, 24, 26)와, 회전각에 따라 광경로를 변화시키는 제1 내지 제3 회전 프리즘(16, 18, 20)과, 제2 다이크로익미러(10)와 제3 스크롤링 장치 사이에 위치하는 제1 전반사미러(14)와, 제1 스크롤링 장치(16)와 제3 다이크로익미러(24) 사이에 위치하는 제2 전반사미러(22)와, 액정패널(30)과투사렌즈(31) 사이에 위치하는 편광분리장치(Polarizing Beam Splitter ; 이하, "PBS"라 한다)(28)를 구비한다.

제1 및 제2 FEL(4, 6)은 광원(2)에서 출사된 백색광을 셀 단위로 분할하여 PBS 어레이(7)의 특정부분에 집광되게 한다. PBS 어레이(7)는 입사광을 어느 하나의 광축을 가지는 선편광, 즉 P파와 S파로 분리시켜 S파는 그대로 출사되게 하고, P파는 PBS 어레이(7)의 배면에 부분적으로 부착된 1/2파장판(도시하지 않음)에 의해 S파로 변환되어 출사되게 한다. 집광렌즈(8)는 PBS 어레이(7)에서 출사되어 제1 다이크로익미러(10)로 입사되는 광의 퍼짐을 방지하게 된다.

제1 다이크로익 미러(10)는 입사광을 파장대역에 따라 반사 및 투과시켜 분리한다. 예를 들면, 제1 다이크로익 미러(10)는 입사광 중 청색 및 적색광을 반사시키고 녹색광을 투과시킨다. 제1 다이크로익 미러(10)에 의해 분리된 녹색광은 제1 회전프리즘(16)으로 진행하게 된다.

제2 다이크로익 미러(12)는 제1 다이크로익 미러(10)에서 반사되어 입사되는 청색 및 적색광 중 청색광은 투과시키고 적색광은 반사시킨다. 제2 다이크로익 미러(12)에 의해 분리된 적색광은 제2 회전프리즘(18)으로 진행하게 된다.

제1 전반사미러(14)는 제2 다이크로익미러(12)를 투과하여 입사되는 청색광을 반사시켜 제3 회전프리즘(20)으로 진행하게 한다.

제1 내지 제3 회전프리즘(16, 18, 20) 각각은 녹색, 적색, 청색광의 광경로 상에 위치한다. 이러한 각 회전프리즘(16, 18, 20)은 녹색, 적색, 청색광이 표시소자(30)의 서로 다른 위치에 결상되게 함과 아울러 회전에 의해 각 적색, 녹색,청색광의 결상위치가 스크롤링되게 한다. 이는 각 회전프리즘(16, 18, 20)의 회전각을 다르게 함으로써 각 광의 굴절각이 변화됨으로써 가능하게 된다. 즉, 제1 내지 제3 회전프리즘(16, 18, 20)은 초기조건이 서로 다르게 정해지게 된다. 제1 회전프리즘 내지 제3 회전프리즘(16 18, 20)에 광이 도달하는 경로의 길이가 같도록 세개의 회전프리즘의 위치가 서로 다르게 된다. 또한, 제1 회전프리즘(16)은 15도 정도로 기울어진 각도를 가지고 제2 회전프리즘(18)는 0도의 각도를 가지며, 제3 회전프리즘(20)은 -15도 기울어진 각도를 가진다. 이렇게 초기조건이 다른 세개의 회전프리즘(16, 18, 20)은 동시에 회전하게 된다. 이 결과, 액정패널(30) 상에서 적색, 녹색, 청색광이 순차적으로 스크롤링된다.

제1 회전프리즘(16)을 투과한 녹색광은 제2 전반사미러(22)에 의해 전반사되고, 제3 및 제4 다이크로익 미러(24, 26)를 투과하여 PBS(28)에 입사된다. 제2 회전프리즘(18)을 투과한 적색광은 제3 다이크로익미러(24)에 의해 반사되고 제4 다이크로익 미러(26)를 투과하여 PBS(28)에 입사된다. 제3 회전프리즘(20)을 투과한 청색광은 제4 다이크로익 미러(26)에 의해 반사되어 PBS(28)에 입사된다.

PBS(28)는 입사된 S파 성분의 청색, 적색, 녹색광을 액정패널(30)로 반사시킨다.

액정패널(30)은 제1 내지 제 3 회전프리즘(16, 18, 20)에 의해 스크롤링되는 삼색광에 대하여 입력되는 영상신호에 따라 화상을 표시한다. 액정패널(30)는 반사형 액정패널로서 PBS(28)에서 반사되어 입사되는 광을 영상신호에 따라 P편광으로 변환시켜 출사시킨다. PBS(28)는 표시소자(30)에서 P편광으로 출사된 광을 투과시켜 투사렌즈(31)로 입사시킨다. 투사렌즈(31)는 PBS(28)로부터 출사된 광을 스크린에 확대 투사시켜 화상을 구현하게 된다.

이와 같이, 단판식 액정패널의 광학계는 제1 내지 제3 회전프리즘(16, 18, 20)을 사용하고 있으며, 세개의 회전프리즘(16, 18, 20)이 적색, 녹색, 청색광의 경로에 배치됨으로써 도 2에 도시된 바와 같이 표시소자(30) 상에 서로 다른 위치에 적색, 녹색, 청색광이 결상되게 된다. 임의의 시간(Δt)이 지난 후 제1 내지 제3 회전프리즘(16, 18, 20)은 회전하면서 그 회전각도에 따라 표시소자(30)에 결상되는 적색, 녹색, 청색광이 순차적으로 스크롤링되게 된다.

한매의 액정패널에 순차적으로 적색, 녹색, 청색광을 스크롤링하기 위해서는 3개의 회전프리즘과 이를 구동하기 위한 3개의 모터가 필요하게 된다. 이에 따라, 시스템이 복잡해지는 문제점이 나타난다. 또한, 회전프리즘을 이용하는 경우 회전프리즘의 가격이 비싸며 회전프리즘을 이용하기 위해 많은 수의 광학부품이 필요하게 되어 비용이 커지게 된다. 액정패널의 구동신호에 따른 적색, 녹색, 청색광 각각을 제어하기 위해 회전프리즘의 제어가 필요하게 되는데, 이를 구현하기 위해 시스템이 복잡해지게 된다.

따라서, 본 발명의 목적은 시스템을 단순화시킬 수 있는 단판식 액정패널의 광학계를 제공하는 데 있다.

도 1은 종래의 단판식 액정패널의 광학계를 나타내는 도면.

도 2는 도 1에 도시된 회전프리즘을 경유하는 광경로를 나타내는 도면.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단판식 액정패널의 광학계를 나타내는 도면.

도 4a는 도 3에 도시된 실린더렌즈를 나타내는 사시도.

도 4b는 도 3에 도시된 드럼렌즈의 단위 실린더렌즈를 나타내는 사시도.

도 5는 도 3에 도시된 드럼렌즈를 나타내는 사시도.

도 6 내지 도 9는 도 5에 도시된 드럼렌즈의 동작원리를 나타내는 도면.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

2, 32 : 광원 4, 6, 34, 36 : FEL

7, 37 : PBS 어레이 8, 38 : 집광렌즈

10, 12, 24, 26, 40, 42 : 다이크로익 미러

14, 22, 44, 46, 50 : 전반사미러 48 : 드럼렌즈

28, 56 : PBS 50 : 필드렌즈

30, 58 : 액정패널 52, 54 : 실린더렌즈

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 단판식 액정패널의 광학계는 광을 발생하는 광원과, 상기 광원으로부터의 광을 적색, 녹색 및 청색광으로 분리하기 위한 광분리광학계와, 상기 적색, 녹색 및 청색광을 집속시키는 다수의 단위 실린더렌즈들이 원통형으로 구성되어 적색, 녹색 및 청색광을 스크롤링하기 위한 드럼렌즈와, 상기 드럼렌즈에 의해 스크롤링된 적색, 녹색 및 청색광을 집속시키기 위한 집속 광학계와, 상기 집속 광학계로부터의 적색, 녹색 및 청색광을 편광특성에 따라 선택적으로 투과 및 반사시키기 위한 편광선택 광학계와, 상기 편광선택 광학계에 의해 반사된 적색, 녹색 및 청색광이 결상되는 액정패널을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.

이하, 도 3 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 단판식 액정패널의 광학계를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 단판식 액정패널의 광학계는 광을 발생하는 광원(32)과, 광원(32)과 제1 집광렌즈(38) 사이의 광경로 상에 배치된 제1 및 제2 FEL(34, 36) 및 PBS 어레이(37)와, 특정 파장대역의 광을 투과 및 반사시키는 제1 및 제2 다이크로익미러(40, 42)와, 광의 진행경로를 바꾸기 위한 제1내지 제3 전반사미러(44, 46, 50)와, 다수의 실린더렌즈로 구성되는 드럼렌즈(48)와, 광을 집속시키는 실린더렌즈들(52, 54)과, 편광된 상태에 따라 광을 투과 또는 반사시키는 PBS(56)와, 액정패널(58) 및 투사렌즈(58)를 구비한다.

제1 및 제2 FEL(34, 36)은 광원(32)에서 출사된 백색광을 셀 단위로 분할하여 PBS 어레이(37)의 특정부분에 집광되게 한다. PBS 어레이(37)는 입사광을 어느 하나의 광축을 가지는 선편광, 즉 P파와 S파로 분리시켜 S파는 그대로 출사되게 하고, P파는 PBS 어레이(37)의 배면에 부분적으로 부착된 1/2파장판(도시하지 않음)에 의해 S파로 변환되어 출사되게 한다. 제1 집광렌즈(38)는 PBS 어레이(37)에서 출사되어 제1 및 제2 다이크로익미러(40, 42)로 입사되는 광의 퍼짐을 방지하게 된다.

제1 및 제2 다이크로익 미러(40, 42)는 서로 교차되도록 배치되며, 입사광을 파장대역에 따라 반사 및 투과시켜 분리한다. 예를 들면, 제1 다이크로익 미러(40)는 입사광 중 적색광을 반사시키고 청색광 및 녹색광을 투과시킨다. 또한, 제2 다이크로익미러(42)는 입사광 중 청색광을 반사시키고 적색광 및 녹색광을 투과시킨다. 이렇게 제1 및 제2 다이크로익미러(40, 42)는 입사광을 삼색광으로 분리하고 삼색광 중 녹색광을 투과시켜 드럼렌즈(48) 쪽으로 진행시킨다. 제1 전반사미러(44)는 제1 다이크로익미러(40)로부터의 분리된 적색광을 다수의 단위 실린더렌즈가 형성된 드럼렌즈(48) 쪽으로 전반사시킨다. 제2 전반사미러(46)는 제2 다이크로익미러(42)로부터의 청색광을 다수의 단위 실린더렌즈가 형성된 드럼렌즈(48) 쪽으로 전반사시킨다.

드럼렌즈(48)는 도 4b에 도시된 바와 같이 다수의 단위 실린더렌즈(48A)로 구성된다. 드럼렌즈(48)를 구성하는 단위 실린더렌즈(48A)는 도 4a에 도시된 종래의 실린더렌즈(47)의 형태에서 변화된 형태이다. 즉, 종래의 실린더렌즈(47)의 일측(47A)이 직선형인데 반하여 본 발명에 따른 드럼렌즈(48)를 구성하는 단위 실린더렌즈(48A)의 일측(48B)은 곡선형태이다. 이에 따라, 다수의 실린더렌즈(48A)에 의해 드럼렌즈(48)는 도 5에 도시된 바와 같이 원통의 형태를 가지게 된다. 드럼렌즈(48)는 단위 실린더렌즈(48A)에 입사되는 삼색광의 굴절각을 다르게 하여 액정패널의 단위화소(58A) 상의 서로 다른 위치에 결상되게 한다. 이때, 단위 실린더렌즈(48A)는 액정패널 단위화소(58A)의 크기와 대응되게 형성된다. 이와 아울러, 드럼렌즈(48)는 회전됨으로써 액정패널의 단위 화소(58A)에 결상되는 삼색광의 위치가 스크롤링되게 한다. 드럼렌즈(48)는 원통형이기 때문에 삼색광이 단위 실린더렌즈(48A)를 두번 통과하게 되어 삼색광의 경로가 틀어지게 된다. 이를 방지하기 위해, 드럼렌즈(48) 내에 적어도 1개 이상의 전반사미러를 배치한다. 예를 들면, 드럼렌즈(48) 내에 제3 전반사미러(50)를 배치함으로써 단위 실린더렌즈(48A)를 한번만 경유하게 한다.

제1 및 제2 실린더렌즈(52, 54)는 드럼렌즈(48)로부터의 적색, 녹색, 청색광을 집속시킨다. 이는 광경로가 길어짐에 따라 광분포가 넓어지는 것을 방지하기 위함이다.

PBS(56)는 입사된 S파 성분의 청색, 적색, 녹색광을 액정패널(58) 쪽으로 반사시킨다. 액정패널(58)은 드럼렌즈(48)에 의해 스크롤링되는 삼색광에 대하여 입력되는 영상신호에 따라 화상을 표시한다. 또한, 액정패널(58)은 PBS(54)에서 반사되어 입사되는 삼색광을 영상신호에 따라 P편광으로 변환시켜 출사시킨다. PBS(56)는 액정패널(58)로부터 P편광으로 출사된 광을 투과시켜 투사렌즈(60) 쪽으로 입사시킨다. 투사렌즈(60)는 PBS(56)로부터 출사된 광을 스크린에 확대 투사시켜 화상을 구현하게 된다.

도 6 내지 도 9는 드럼렌즈(48)의 동작원리를 나타내는 도면들이다.

도 6을 참조하면, 드럼렌즈(48)의 단위 실린더렌즈(48A)에 삼색광이 모두 입사된다. 단위 실린더렌즈(48A)는 분리되어 입사되는 적색, 녹색, 청색광의 굴절각을 다르게 하여 액정패널의 단위화소(56A) 상의 서로 다른 위치에 결상되게 한다.

도 7을 참조하면, 드럼렌즈(48)가 반시계방향으로 회전하게 되는 경우, 드럼렌즈의 단위 실린더렌즈(48A)에 입사되던 삼색광 중 청색광이 다음 단위 실린더렌즈에 입사되게 된다. 이에 따라, 단위 실린더렌즈(48A)에 입사되는 적색, 녹색, 청색광은 제1 초점(F)에 맺히게 되고, 다음 단위 실린더렌즈에 입사된 청색광은 제2 초점(F')에 맺히게 되어 광경로가 분리되게 된다. 이 결과, 단위 실린더렌즈(48A)로부터 청색광이 분리되어 줄어든 양만큼 액정패널 단위화소(58A) 상부에 위치한 청색광의 결상영역이 줄어들게 되며 제1 초점(F)으로부터 분리되어 제2 초점(F')에 맺힌 청색광은 액정패널의 단위화소(58A)의 하부에 결상되게 된다. 이렇게 드럼렌즈(48)가 반시계방향으로 좀더 회전하게 되면 도 8에 도시된 바와 같이 단위 실린더렌즈(48A)로부터 녹색광이 분리되어 줄어든 양만큼 액정패널 단위화소(58A)의 상부에 위치하는 녹색광의 결상영역이 줄어들게 되며 제1 초점(F)으로부터 분리되어 제2 초점(F')에 맺힌 녹색광은 액정패널의 단위화소(58A)의 청색광의 아래에 결상되게 된다. 이어서, 도 9에 도시된 바와 같이 단위 실린더렌즈(48A)로부터 분리된 적색광은 액정패널 단위화소(58A)에 결상되는 녹색광의 아래에 결상되게 된다. 이에 따라, 액정패널 단위화소(58A)에 적색, 녹색, 청색광이 순차적으로 스크롤링되게 된다. 결과적으로, 드럼렌즈(48)는 적색, 녹색, 청색광의 굴절각을 다르게 하여 액정패널(58) 상에 스크롤링되게 한다. 액정패널(58) 이외에 다른 표시소자를 이용하는 경우에도 마찬가지로 구성된다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 단판식 액정패널의 광학계는 다수의 단위 실린더렌즈로 구성되는 드럼렌즈를 구비하여 시스템을 단순화시킬 수 있다. 이에 따라, 종래의 단판식 액정패널의 광학계와 대비하여 회전프리즘을 사용하는 경우보다 비용을 절감할 수 있다.

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 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (4)

1. 광을 발생하는 광원과,

   상기 광원으로부터의 광을 적색, 녹색 및 청색광으로 분리하기 위한 광분리광학계와,

   상기 적색, 녹색 및 청색광을 집속시키는 다수의 단위 실린더렌즈들이 원통형으로 구성되어 적색, 녹색 및 청색광을 스크롤링하기 위한 드럼렌즈와,

   상기 드럼렌즈에 의해 스크롤링된 적색, 녹색 및 청색광을 집속시키기 위한 집속 광학계와,

   상기 집속 광학계로부터의 적색, 녹색 및 청색광을 편광특성에 따라 선택적으로 투과 및 반사시키기 위한 편광선택 광학계와,

   상기 편광선택 광학계에 의해 반사된 적색, 녹색 및 청색광이 결상되는 액정패널을 구비하는 것을 특징으로 하는 단판식 액정패널의 광학계.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 드럼렌즈의 단위 실린더렌즈를 경유한 광이 상기 단위 실린더렌즈를 경유하는 것을 방지하기 위하여 드럼렌즈 내에 적어도 하나 이상의 전반사미러를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 단판식 액정패널의 광학계.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 드럼렌즈의 단위 실린더렌즈의 크기는 액정패널의 단위셀의 크기에 대응되는 것을 특징으로 하는 단판식 액정패널의 광학계.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 드럼렌즈의 단위 실린더렌즈의 입사면과 출사면이 곡선형태인 것을 특징으로 하는 단판식 액정패널의 광학계.