KR20040000745A

KR20040000745A - 이색 미러 휠을 채용한 조명 광학계 및 이를 구비하는화상 표시 장치

Info

Publication number: KR20040000745A
Application number: KR1020020035673A
Authority: KR
Inventors: 김성하; 조건호; 김대식
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2002-06-25
Filing date: 2002-06-25
Publication date: 2004-01-07
Anticipated expiration: 2022-06-25
Also published as: US6869189B2; EP1377073A3; JP2004054249A; EP1377073A2; KR100930237B1; EP1377073B1; DE60305383T2; CN1467534A; CN1204436C; US20030234913A1; JP3953979B2; DE60305383D1

Abstract

이색 미러 휠을 채용한 조명 광학계 및 이를 포함하는 화상 표시 장치가 개시된다. 개시된 조명 광학계는, 광을 출사하는 광원과, 광원으로부터의 입사하는 광 중 적어도 삼색광을 분리 및 반사시키도록 적어도 세 개의 세그먼트로 구분된 이색 미러가 복수개 배열되는 이색 미러 휠을 포함한다. 개시된 화상 표시 장치는, 광을 출사하는 광원과, 광원으로부터의 광 중 적어도 삼색광을 분리 및 반사시키도록 적어도 세 개의 세그먼트로 구분된 이색 미러가 복수개 배열되는 이색 미러 휠을 포함하는 조명 광학계와, 조명 광학계로부터 입사하는 광을 변조하여 화상을 형성하는 화상 광학계 및, 화상 광학계에서 반사된 광을 스크린으로 투사시키는 투사 광학계를 포함한다. 광을 시간적, 공간적으로 분리하여 광손실을 줄이고 고해상도의 화상을 제공할 수 있다.

Description

이색 미러 휠을 채용한 조명 광학계 및 이를 구비하는 화상 표시 장치{Illumination optical system employing dichroic mirror wheel and image display system comprising the same}

본 발명은 조명 광학계 및 이를 구비하는 화상 표시 장치에 관한 것으로서 더욱 상세하게는 이색 미러 휠을 구비하는 조명 광학계 및 이를 구비하는 화상 표시 장치에 관한 것이다.

도 1은 종래의 컬러 휠을 사용하는 단판식 컬러 화상 표시장치의 일 예를 보인 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 컬러 휠을 사용하는 단판식 컬러 화상 표시장치는, 광원(100)과, 광원(100)으로부터 입사하는 광을 컬러 휠로 포커싱하는 집속 렌즈(102)와, 집속된 광을 순차적으로 화상 표시 장치의 각 색별 화상 신호에 대응하여 색을 분리하는 컬러 휠(105)과, 컬러 휠(105)을 통과하며 분리된 각 색광의 광강도 분포를 균일하게 하는 플라이 아이 렌즈(107, 110)와, 각 색광을 인가된 영상신호에 맞추어 광 변조하는 화상표시소자(112)와, 변조된 광을 스크린(118)으로 투사하는 투사렌즈(115)를 구비한다.

컬러 휠을 사용하는 종래의 단판식 컬러 화상 표시 장치는 램프(100)로부터 입사하는 빔을 컬러 휠(105)이 회전하며 레드, 그린 및 블루광의 순서로 다른 색광은 투과시키지 않고 각 컬러 필터의 해당 색광만을 투과시키므로 전체 광량의 2/3가 손실되어 광효율이 떨어지는 단점을 가진다.

도 2는 종래의 이색 미러를 사용하는 단판식 컬러 화상 표시장치의 일예를 보인 도면이고, 도 3은 도 2의 마이크로 렌즈 어레이 및 액정표시소자에서의 광경로를 보인 도면이다. 도면을 참조하면, 종래의 이색 미러를 사용하는 단판식 컬러 화상 표시장치는, 램프 아크와, 서로 기울어지게 배열된 3매의 이색 미러(204R)(204G)(204B)와, 편광 변환기(205)와, 마이크로 렌즈 어레이(206)와, 액정 표시 소자(207)와, 필드 렌즈(208)와, 투사 렌즈(209)를 포함하여 구성된다.

상기 램프 아크는 백색 광원인 램프(202)와, 상기 램프(202)의 일측을 감싸도록 설치된 구면경(201)과, 상기 램프(202)에서 출사되어 직접적으로 입사되는 발산광 및 상기 구면경(201)에서 반사되어 입사되는 발산광을 집속시켜 평행광으로 바꾸어주는 콘덴서 렌즈(203)로 이루어진다.

상기 램프 아크에서 출사된 백색광은 3매의 이색 미러(204R)(204G)(204B)에 의해 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)의 삼원색으로 분리된다. 이색 미러(204R)는 상기 램프 아크쪽에서 입사되는 백색광 중 적색광(R)은 반사시키고 나머지 색광은 투과시킨다. 이색 미러(204G)는 이색 미러(204R)를 투과한 색광 중 녹색광(G)은 반사시키고 나머지 색광 즉, 청색광(B)은 투과시킨다. 이색 미러(204B)는 청색광(B)을 반사시킨다.

상기 3매의 이색 미러(204R)(204G)(204B)는 서로 θ만큼 기울어져 있어 부채살 모양을 이룬다. 즉, 이색 미러(204G)에 대해 이색 미러(204R)는 -θ, 이색 미러(204B)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(206)는, 마이크로 렌즈 요소(206a, 206b)를 이루는 다수의 실린더리컬 렌즈가 수평 방향으로 배열된 것이다. 이 마이크로 렌즈 어레이(206)는 서로 다른 기울기로 입사되는 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)을 화상표시소자(211)의 신호전극(207R, 207G, 207B) 상에 스트라이프(stripe) 형상으로 집속시킨다.

상기 화상표시소자(211)는 2장의 투명한 유리기판(212)(213) 사이에 액정층(207)이 샌드위치된 구조로, 액정층(207) 양면에는 투명 전도막(214)과 신호전극(207R)(207G)(207B)이 매트릭스 구조로 형성되어 있다.

상기와 같이 구성된 종래의 단판식 컬러 화상 표시 장치에서, 아크 램프로부터 입사되는 백색광은 3매의 이색 미러(207R)(207G)(207B)에 의해 삼원색으로 분리되어 화상표시소자(211)의 신호 전극(207R, 207G, 207B)에 집속된다. 신호전극(207R, 207G, 207B)은 적색광(R), 녹색광(G), 청색광(B)의 주광선의 입사각 차이 때문에, 수평 방향으로 일정간격으로 배열되는데, R, G, B 신호 전극(207R, 207G, 207B)은 서브 픽셀(subpixel)로, R, G, B 신호전극(207R, 207G, 207B)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(208)와 투사렌즈(209)에 의해 스크린(210)에 결상되면, 서브 픽셀 3개가 세트를 이루어 하나의 영상 픽셀로 보여지게 되는 것이다. 따라서, 시청자는 전체가 영상 픽셀로 구성된 컬러 화상을보게 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 제5,633,755호 및 미국 특허 제5,159,485등에 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.

따라서, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 시간적 공간적으로 광을 분리하여 조명함으로써 광효율을 증가시킬 수 있는 경박단소한 조명광학계를 제공하고 이를 구비하는 저가의 고휘도 고화질의 화상 표시 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 컬러 휠을 사용하는 단판식 컬러 화상 표시 장치의 일 예를 보인 도면,

도 2는 종래의 이색 미러를 사용하는 단판식 컬러 화상 표시 장치의 일 예를 보인 도면,

도 3은 도 2의 마이크로 렌즈 어레이 및 액정표시소자에서의 광경로를 보인 도면,

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 조명 광학계 및 이를 구비하는 화상 표시 장치를 나타낸 구성도,

도 5a는 본 발명의 제1실시예에 따른 조명 광학계에 구비되는 이색 미러 휠을 나타낸 평면도,

도 5b는 본 발명의 제1실시예에 따른 조명 광학계에 구비되는 이색 미러 휠을 나타낸 사시도,

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 조명 광학계에 구비되는 이색 미러 휠의 광분리 및 반사를 설명하는 개념도,

도 7은 본 발명의 제1실시예에 따른 화상 표시 장치에서 각 색광이 마이크로 렌즈 어레이를 통과하여 판넬에 이르는 광경로를 도시한 도면,

도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 조명 광학계 및 이를 구비하는 화상 표시 장치를 나타낸 구성도,

도 9는 도 8에 도시된 미러에서 종축편차(b)를 제거하는 방법을 나타낸 도면,

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 조명 광학계에서 이색 미러 휠이 회전함에 따라 판넬의 동일 픽셀에 결상되는 각 색광의 순서가 변하는 것을 보인 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

40 ; 조명 광학계 50 ; 화상 광학계

60 ; 투사 광학계 401 ; 램프

402 ; 반사경 403 ; 광학 적분기

404 ; 콜리메이팅 렌즈 405 ; 편광 변환기

406 ; 집속 렌즈 407 ; 이색 미러 휠

407a ; 제1이색미러 407b ; 제2이색미러

407c ; 제3이색미러 409 ; 콜리메이팅 렌즈

410 ; 마이크로 렌즈 어레이 411 ; 판넬

412 ; 필드 렌즈 413 ; 투사 렌즈

414 ; 스크린 809 ; 미러

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은,

광을 출사하는 광원;과 상기 광원으로부터의 입사하는 광 중 적어도 삼색광을 분리 및 반사시키도록 적어도 세 개의 세그먼트로 구분된 이색 미러가 복수개 배열되는 이색 미러 휠;을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계를 제공한다.

여기서, 상기 이색 미러의 수는 상기 세그먼트의 개수와 동일한 것이 바람직하다.

상기 삼색광은 레드, 그린 및 블루광이 될 수 있다.

상기 이색 미러의 대응하는 위치의 세그먼트는 서로 다른 색광을 반사시킨다.

분리된 각 색광의 초점의 횡축 편차가 a이고 이색 미러의 수직축이 광축에 대해 θ만큼 경사각을 가지는 경우 이색 미러간의 간격 d는 수학식 1을 만족한다.

이색 미러간의 간격이 d이고 이색 미러의 수직축이 광축에 대해 θ만큼 경사각을 가지는 경우 각 색광의 종축 편차 b는 수학식 2를 만족한다.

상기 이색 미러에서 반사되는 광의 광경로 상에 상기 종축 편차를 제거하는 미러를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 광원과 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 균일하게 하는 광학 적분기를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 광학 적분기와 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 평행광으로 형성하는 콜리메이팅 렌즈를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 콜리메이팅 렌즈와 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 일편광광으로 변환하는 편광 변환기를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 편광 변환기와 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 상기 이색 미러 휠에 포커싱하는 집광 렌즈를 더 구비하는 것이 바람직하다.

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명은 또한,

광을 출사하는 광원과, 상기 광원으로부터의 광 중 적어도 삼색광을 분리 및 반사시키도록 적어도 세 개의 세그먼트로 구분된 이색 미러가 복수개 배열되는 이색 미러 휠을 포함하는 조명 광학계;와 상기 조명 광학계로부터 입사하는 광을 변조하여 화상을 형성하는 화상 광학계; 및, 상기 화상 광학계에서 반사된 광을 스크린으로 투사시키는 투사 광학계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치를 제공한다.

상기 삼색광은 레드, 그린 및 블루광일 수 있다.

분리된 각 색광의 초점의 횡축 편차가 a이고 이색 미러의 수직축이 광축에대해 θ만큼 경사각을 가지는 경우 이색 미러간의 간격 d는 수학식 1을 만족한다.

상기 화상 광학계는,

상기 이색 미러 휠에서 분리 및 반사된 색광을 서로 다른 위치에 결상시키는 렌즈 어레이; 및 상기 렌즈 어레이로부터 입사하는 광을 변조하여 화상을 형성하는 판넬;을 구비한다.

상기 투사 광학계는,

상기 화상 광학계의 화상을 스크린으로 전달하는 투사렌즈를 포함한다.

상기 화상 광학계와 상기 투사 광학계 사이의 광경로 상에 상기 화상 광학계를 출사하는 광을 균일하게 하는 필드 렌즈를 더 구비하는 것이 바람직하다.

본 발명은 이색 미러 휠을 채용하는 조명 광학계를 도입하여 광을 시간적 공간적으로 분리하여 풀 컬러를 구현할 수 있으므로 컬러 휠을 사용하는 단판식 컬러 화상 표시 장치에서 발생하는 광손실이 없으며 고정식 이색 미러를 사용하는 컬러 화상 표시 장치의 해상도보다 세 배의 해상도를 실현할 수 있는 장점을 가진다.

이하 본 발명의 실시예에 따른 이색 미러 휠을 구비하는 조명 광학계와 이를 채용하는 화상 표시 장치를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4는 이색 미러 휠을 구비하는 본 발명의 제1실시예에 따른 조명 광학계와 이를 구비하는 화상 표시 장치를 나타낸 도면이다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 제1실시예에 따른 화상표시장치는, 광을 각 파장대역별로 분리하여 조사하는 조명 광학계(40)와, 조명 광학계(40)로부터 입사하는 광을 인가되는 영상 신호에 따라 광변조하여 화상을 형성하는 화상 광학계(50)와, 화상 광학계(50)로부터 입사하는 광을 스크린(414)으로 전달하는 투사 광학계(60)로 이루어진다.

조명 광학계(40)는, 광원으로 램프(401)와 램프(401)로부터 발산하는 광을 모아주는 반사경(402)과, 광원으로부터 입사하는 광 중 적어도 삼색광을 분리 및 반사시키도록 적어도 세 개의 세그먼트로 구분된 이색 미러가 복수개 배열되는 이색 미러 휠(407)을 포함한다. 여기서, 삼색광은 레드(R), 그린(G) 및 블루(B) 광이 일반적이고, 이색 미러(407a, 407b, 407c)는 세그먼트의 수와 동수개가 배열되는 것이 바람직하다. 즉 세그먼트가 세 개로 구분되면 이색 미러도 차례로 세 개가 배열되고 이색 미러가 여섯 개의 세그먼트를 가지면 이색 미러도 여섯 개가 배열되어 이색 미러 휠(407)을 이룬다. 본 발명의 제1실시예에 따른 조명 광학계에는 도시된 바와 같이 제1 내지 제3이색미러(407a, 407b, 407c)를 구비하며 각 이색 미러(407a, 407b, 407c)는 세 개의 세그먼트로 구분된다.

또한, 조명광학계(40)에는 광원의 전방에는 광원으로부터 출사하는 광의 강도를 균일하게 해주는 광학 적분기(403)가 더 배치되며, 광학 적분기(403)를 통과한 광을 평행하게 형성하는 콜리메이팅 렌즈(404)와, 콜리메이팅 렌즈(404)로부터 입사하는 광을 일 편광광으로 변환하는 편광변환기(405)와, 편광변환기(405)를 출사한 광을 이색 미러 휠(407)에 집속시키는 집속 렌즈(406)가 차례로 더 구비된다.

화상 광학계(50)는 이색 미러 휠(407)에서 분리 및 반사된 색광(R, G, B)을 서로 다른 위치에 결상시키는 마이크로 렌즈 어레이(410)와 마이크로 렌즈 어레이(410)로부터 입사하는 광을 변조하여 화상을 형성하는 판넬(411)을 구비한다. 이색 미러 휠(407)과 마이크로 렌즈 어레이(410)사이의 광경로 상에는 콜리메이팅 렌즈(409)가 더 배열되어 각 색광을 평행광으로 형성하여 마이크로 렌즈 어레이(410)에 집중되게 한다. 마이크로 렌즈 어레이(410)는 도 7에 도시된 바와 같이, 제 1 및 제2 마이크로 렌즈 어레이(410a, 410b)로 구성될 수 있는데 제1마이크로 렌즈 어레이(410a)는 필드 렌즈로서 광 손실을 줄이기 위해 사용된다.

투사 광학계(60)는 판넬(411)에서 인가되는 영상신호에 따라 변조된 광을 스크린으로 투사하는 투사렌즈(413)를 포함한다. 또한, 판넬(411)과 투사렌즈(413) 사이의 광경로 상에 필드 렌즈(412)를 더 마련하여 투사렌즈(413)의 구경을 줄일수 있다. 판넬(411)을 통과한 광은 필드 렌즈(412)에서 굴절되어 투사 렌즈(413)로 결상한다.

스크린(414)에 투사된 화상은 도 5a 및 도 5b에 도시된 이색 미러 휠(407)이 회전함에 따라 도 7의 판넬(411)의 동일한 픽셀에 대해 서로 다른 색광이 입사하여 형성된다.

도 5a는 본 발명의 제1실시예에 따른 조명 광학계에 구비되는 이색 미러 휠 중 제1 내지 제3이색미러(407a)(407b)(407c)를 나타낸 평면도이며, 도 5b는 동일물의 사시도이다.

도 5a를 참조하면, 제1이색미러(407a)는 순서대로 각 색광(R, G, B)을 구별하여 분리 및 반사시키는 제1 내지 제3세그먼트(407a_1)(407a_2)(407a_3)로 구분되고, 유사하게 제2이색미러(407b)는 각 색광(G, B, R)을 분리하는 제1 내지 제3세그먼트(407b_1)(407b_2)(407b_3)로 구분되고, 유사하게 제3이색미러(407c)는 각 색광(B, R, G)을 분리하는 제1 내지 제3세그먼트(407c_1)(407c_2)(407c_3)로 구분된다.

도 5b를 참조하면, 제1이색미러(407a)와 동일하게 구분된 제2 및 제3이색미러(407b, 407c)는 제1이색미러(407a)의 특정 세그먼트, 예를 들어 레드(R)광을 반사시키는 제1세그먼트(407a_1)에 대응하는 위치의 제1세그먼트(407b_1)와 제1세그먼트(407c_1)가 각각 그린(G)광 및 블루(B)광을 분리 및 반사시키도록 배열된다.

제1이색미러(407a)의 제1세그먼트(407a_1)에서 먼저 레드(R)광만을 반사시키고 그린(G) 및 블루(B)광을 투과시키면 제2이색미러(407b)의 제1세그먼트(407b_1)는 그린(G)광만을 반사시키고 블루(B)광을 투과시킨다. 제3이색미러(407c)의 제1세그먼트(407c_1)는 블루광을 투과시킨다. 이러한 광분리는 제1 내지 제3이색미러(407a)(407b)(407c)의 제2 및 제3세그먼트들(407b_1, 407b_2)(407c_1, 407c_2)에서도 동시에 일어나 공간적으로 광을 분리한다.

즉, 제1이색미러(407a)의 제2세그먼트(407a_2)에서는 제1세그먼트(407a_1)에서 레드(R)광만을 반사시키는 시점에 그린(G)광만을 반사시키고 레드(R) 및 블루(B)광은 투과시킨다. 제2이색미러(407b)의 제2세그먼트(407b_2)는 제1이색 미러(407a)의 제2세그먼트(407b_2)를 통과한 레드(R) 및 블루(B)광 중 블루(B)광만을 반사시키고 레드(R)광은 통과시킨다. 제3이색미러(407c)의 제2세그먼트(407c_2)는 제2이색미러(407b)의 제2세그먼트(407b_2)를 통과한 레드(R)광을 반사시킨다.

같은 방식으로 제1이색미러(407a)의 제3세그먼트(407c_3)는 블루(b)광만을 반사시키고 레드(R) 및 그린(G)광은 투과시키며, 제1이색미러(407a)의 제3세그먼트(407c_3)에 대응하는 위치의 제2이색미러(407b)의 제3세그먼트(407b_3)는 레드(R)광만을 반사시키고 그린(G)광은 투과시키며, 제2이색미러(407b)의 제3세그먼트(407b_3)에 대응하는 위치의 제3이색미러(407c)의 제3세그먼트(407c_3)는 제2이색미러(407b)의 제3세그먼트(407b_3)를 통과한 그린(G)광을 반사시킨다.

이색 미러 휠(407)은 상술한 바와 같이 각 색광을 공간적으로 분리하는 동시에 모터에 의해 회전하면서 각 색광을 시간적으로도 분리한다. 이색 미러 휠(407)이 반시계방향으로 회전하면 제1이색미러(407a)의 제1세그먼트(407a_1)는 제2세그먼트(407a_2)의 위치로 이동하고 제2세그먼트(407a_2)는 제3세그먼트(407a_3)의 위치로 동시에 이동하게 되고 공간적으로 제1세그먼트(407a_1)에 입사하던 광은 1/3프레임 동안 레드(R)광만이 반사되어 분리되었다가 동일 위치에 제3세그먼트(407a_3)가 회전하여 위치하게 되어 동일 위치로 입사하는 광은 다시 다음 1/3프레임 동안 블루(B)광만이 분리 반사되게 된다. 마지막으로 1/3프레임동안 다시 제2세그먼트(407a_3)가 최초 제1세그먼트(407a_1)의 위치에 다시 회전하여 위치하게 되어 그린(G)광만을 반사시킨다.

제1이색미러(407a)의 제2세그먼트(407a_2)가 위치하던 공간에 입사하는 광은 1/3프레임 동안 제2세그먼트(407a_2)에 의해 그린(G)광만을 분리 반사시키고 레드(R) 및 블루(B)광은 투과시키는데, 제1세그먼트(407a_1)가 회전하여 제2세그먼트(407a_2)위치로 오게 되면 레드(R)광만을 분리 반사시키고 그린(G) 및 블루(B)광은 제2이색미러(407b)로 통과시키게 된다. 다시 1/3프레임이 지나면 제3세그먼트(407a_3)가 최초 제2세그먼트(407a_2)의 위치로 오게 되어 블루(B)광만을 분리 반사시키고 레드(R) 및 그린(G)광을 통과시킨다.

제2이색미러(407b)는 제1이색미러(407a)의 제1세그먼트(407a_1)에 대응하는 제1세그먼트(407b_1)에서 제1이색미러(407a)의 제1세그먼트(407a_1)를 통과한 그린(G) 및 블루(B)광 중 그린(G)광만을 분리 반사시키고 제1이색미러(407a)와 동일한 1/3프레임동안 동일한 방향으로 회전하므로 제1이색미러(407a)가 반시계방향으로 회전하는 경우 제2이색미러(407b)도 반시계방향으로 회전하여 제1세그먼트(407b_1)의 위치에 제3세그먼트(407b_3)가 위치하게 된다. 이 때 제1이색미러(407a)의 제1세그먼트(407a_1)의 위치에 제3세그먼트(407a_3)가 회전하여 위치하게 되어 제1 및 제2이색미러(407a)(407b)의 대응하는 위치의 각 세그먼트는 변동이 없게 된다.

제2이색미러(407b)의 제1세그먼트(407b_1)의 위치에 제3세그먼트(407b_3)가 오면 제1이색미러(407b)의 제3세그먼트(407b_3)를 통과한 레드(R) 및 블루(B)광 중 레드(R)광만을 분리 반사시키고 블루(B)광은 제3이색미러(407c)로 진행시킨다. 제3이색미러(407c)에서는 제2이색미러(407b)의 제1세그먼트(407b_1)의 제1세그먼트(407b_1)에 대응하는 위치에 제1세그먼트(407c_1)가 제1 및 제2이색미러(407a)(407b)의 회전에 따라 동시에 반시계방향으로 회전하여 제3세그먼트(407c_3)가 위치하게 된다. 즉 제3이색미러(407c)는 1/3 프레임동안 먼저 제2이색미러(407b)의 제1세그먼트(407b_1)를 통과한 블루(B)광을 반사시키다가 제1 및 제2이색미러(407a)(407b)의 회전에 따라 동시 회전하여 1/3 프레임동안 제2이색미러(407b)의 제3세그먼트(407b_3)를 통과한 그린(G)광을 반사시킨다.

도 10은 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같은 이색 미러 휠(407)이 회전함에 따라 판넬(414)의 동일 픽셀에 결상되는 각 색광의 순서가 변하는 것을 보인 도면이다.

도면을 참조하면, 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같은 이색 미러 휠(407)이 회전하면서 반사된 광은 도 4의 판넬(414)에 입사하는데, 제1내지 제3이색미러(407a)(407b)(407c)의 제1세그먼트들(407a_1)(407b_1)(407c_1)에서 반사된 광은 1/3프레임동안 414_1과 같이 판넬(414)에 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)광이 순서대로 픽셀에 입사하고 세로 픽셀수/3 만큼 반복된다. 도 5a 및 도 5b의이색 미러 휠(407)이 시계방향으로 회전하여 제1세그먼트들(407a_1)(407b_1)(407c_1)이 있던 위치에 제1 내지 제3이색미러 (407a)(407b)(407c)의 제2세그먼트들 (407a_2)(407b_2)(407c_2)이 위치하게 되면, 그린(G), 블루(B) 및 레드(R)광이 순서대로 제1 내지 제3이색미러(407a)(407b)(407c)에서 반사되고 픽셀에 순서대로 입사하여 414_2에 도시된 바와 같이 세로 픽셀에 순서대로 배열된다. 다시 이색 미러 휠(407)이 회전하여 제2세그먼트들(407a_2)(407b_2)(407c_2)이 있던 위치에 제3세그먼트들(407a_3)(407b_3)(407c_3)이 위치하면 414_3에 도시된 바와 같이 순서대로 블루(B), 레드(R) 및 그린(G)광이 세로 픽셀에 입사한다.

예를 들어, 본 발명의 실시예에 따른 화상 표시 장치에서는 프레임 속도가 60Hz인 경우 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)의 세 세그먼트로 구분된 이색미러가 세 개 배열된 이색 미러 휠을 프레임 속도의 세 배 즉, 180Hz로 회전시켜 풀컬러 화상을 얻을 수 있다. 만약 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)의 여섯 세그먼트로 구분된 이색미러가 여섯 개 배열된 이색 미러 휠을 사용하는 경우 상기 이색 미러 휠의 속도의 절반의 속도 90Hz로 회전시키면 풀컬러 화상을 얻을 수 있다. 이색미러를 더 많은 수의 세그먼트로 구분할수록 이색 미러 휠의 속도는 감소시키면서 풀컬러 화상을 얻을 수 있다.

이색 미러 휠(407)은 제1 내지 제3 이색 미러(407a)(407b)(407c)의 서로 대응하는 위치의 각 세그먼트가 서로 다른 색광을 분리 및 반사시키도록 배열되어 공간적으로 광을 분리할 수 있으며 종래의 컬러휠과 달리 제1 내지 제3이색미러(407a)(407b)(407c)가 회전하면서 시간적으로도 광을 각 파장대별로 분리할 수 있어서 광량 전체를 세 가지 색광으로 분리할 수 있으므로 100%에 근접하는 광효율을 얻을 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 조명광학계에 채용되는 이색 미러 휠(407)은 공간적으로 광을 분리하는 것과 동시에 시간적으로 광을 분리하여 시공간적으로 광을 이용하는 유용한 광학수단이다.

이색 미러 휠(407)의 각 이색 미러(407a)(407b)(407c)의 각 세그먼트는 분리하고자 하는 파장대역에 따라 세 가지 이상의 각 세그먼트로 구분될 수 있다. 예를 들어, 레드(R), 옐로우(Y), 그린(G) 및 블루(B)광을 분리하고자 하는 경우 네 개의 세그먼트로 구분되고 네 개의 이색 미러가 배열되어 이색 미러 휠을 구성할 수 있다. 또는 이색 미러(407a)(407b)(407c)가 레드(R), 그린(G) 및 블루(B)광을 분리하된 공간적으로 광을 더 세분화하여 해상도를 높일 수 있도록 각 이색미러(407a)(407b)(407c)의 세그먼트를 여섯 개 또는 아홉 개 등, 삼의 배수로 구분하도록 할 수 있다. 어떠한 경우이든 대응하는 이색미러의 각 세그먼트는 서로 다른 색광을 분리 반사시킬 수 있도록 배열된다.

도 6은 이색 미러 휠(407)의 광분리 및 반사에 대해 설명하는 개념도이다.

도 6을 참조하면, 이색 미러 휠(407)은 레드(R), 그린(G), 블루(B)의 세그먼트로 구분된 제1 내지 제3이색 미러(407a)(407b)(407c)가 d만큼의 간격을 두고 배열되어 있다. 제1 내지 제3이색 미러(407a)(407b)(407c)의 평면에 대한 수직축(n)이 광축(X)에 대해 경사각(θ)만큼 기울어져 있으며 각 이색 미러(407a)(407b)(407c)에서 분리 및 반사된 각 색광이 서로 다른 위치에 포커싱하고 있다. 각 색광은 광축(X)에 나란한 횡축방향으로 편차가 발생하는데 이를 횡축편차(a)라 하고, 각 색광의 광축(X)에 직교하는 종축방향으로 발생하는 편차를 종축편차(b)라 한다.

도 7은 파장대별로 기울기가 다른 평행한 각 색광이 마이크로 렌즈 어레이(410)를 통과하면서 판넬(411)의 각 픽셀을 통과하는 광경로를 도시하고 있다.

도 7을 참조하면, 도 6에 도시된 바와 같이 이색 미러 휠(407)을 통과하면서 분리된 각 색광이 제1마이크로 렌즈 어레이(410a)를 통과하면서 광경로가 굴절되고 제2마이크로 렌즈 어레이(410b)를 통과하면서 다시 굴절되어 동일 색광은 하나의 초점에 포커싱되어 색깔별로 서로 다른 픽셀에 포커싱이 맞추어 지도록 한다. 레드광이 상부 픽셀, 그린광이 중간 픽셀, 블루광이 하부 픽셀을 통과한다.

예를 들어, 1024*768의 해상도를 가지는 0.9 Inch LCD(Liquid Crystal Display) 마이크로 소자를 사용하는 경우, 횡방향 픽셀 피치(P)는 0.018mm로 픽셀의 필팩터(fill factor; F)를 80%로 가정하면 이용가능한 픽셀의 개구 크기(Aperture size; AS)는 수학식 3에 의해 0.014mm가 된다.

이것은 도 7의 판넬(411)을 통과하는 광의 포커스 간격이 0.018mm가 되어야 함을 의미한다. 도 4의 콜리메이팅 렌즈(409)의 지름이 25mm, 초점 거리(Fc)가 30mm 이고 마이크로 렌즈 어레이(410)의 마이크로 렌즈의 지름이 픽셀 피치(P)의세배 즉 0.054mm, 초점 거리(Fm)이 0.135mm 라고 가정하면 횡축편차(a)는 수학식 4로부터 4mm의 값을 구할 수 있다.

이 횡축편차(a)값으로부터 도 6에 도시된 이색 미러 휠(407)의 제1 내지 제3이색미러(407a)(407b)(407c)사이의 간격(d)을 구할 수 있다. 경사각(θ)가 45도라고 가정하면 제1 내지 제3이색미러(407a)(407b)(407c)사이의 간격(d)은 수학식 1에 의해 2.83mm가 산출된다.

판넬(411)의 각 픽셀에 초점을 맺으며 통과하는 광의 초점에서의 빔크기(w)는 마이크로 렌즈 어레이(410)에 입사하는 단색 평행광의 발산각(φ)을 ±2도 라고 가정하면 수학식 5에 의해 0.0047mm로 구해지고 이는 픽셀(411)의 개구 크기(AS), 0.014mm 보다 작은 값으로 각 색광이 해당 픽셀에 초점을 맺는 것을 알 수 있다.

도 6에서 종축 편차(b)가 나타나 있는데 이것은 수학식 5를 이용하여 이색 미러(407a)(407b)(407c) 간의 간격(d) 및, 광축(X)과 이색 미러(407a)(407b)(407c) 평면에 대한 수직축(n)과의 경사각(θ)을 대입하여 구할 수 있다. 간격(d)가 수학식 2에 의해 구한 값 2.83mm 이고 경사각(θ)가 45도인 경우 종축편차(b)는 8mm이다.

횡배율(M)은 콜리메이팅 렌즈(409)의 초점 거리(Fc)가 30mm 이고 마이크로 렌즈의 초점 거리(Fm)이 0.135mm 일 때 수학식 6에 의해 0.0045이고, 종배율은 횡배율의 제곱이므로 0.00002이기 때문에 종축편차(b)는 무시할 수 있다.

도 8은 조명 광학계(40)과 화상 광학계(50)의 사이에 미러를 더 구비하는 본 발명의 제2실시예에 따른 조명 광학계(40)와 이를 구비하는 화상 표시 장치를 나타내는 구성도이며, 도 9는 상술한 종축편차(b)를 무시할 수 없는 경우 미러(809)를 조명 광학계(40)와 화상 광학계(50) 사이에 더 배치하여 종축편차(b)를 제거하는 방법을 도시하고 있다.

도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 이색 미러 휠(407)과 콜리메이팅 렌즈(409)사이에 각 색광별 초점이 맺히는 초점면(810)에 수직한 방향(812)으로 각 색광을 반사시키는 미러(809)를 더 배치하면 도 4에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 조명 광학계(40)와 이를 구비하는 화상 표시 장치에서 나타나던 광의 종축편차(b)가 제거된다.

도 9를 참조하면, 집속 렌즈(409)를 통과한 광은 제1 내지 제3이색 미러(407a)(407b)(407c)에서 레드(R), 그린(B) 및 블루(B)광으로 분리되어 초점이 맺히는데 미러(809)를 도시된 바와 같이 배치하면 초점을 연결하는 초점면(810)에 대해 광이 수직한 방향(812)으로 광이 반사되면서 종축 편차(b)가 제거된다.

이러한 방법으로 종축편차(b)를 제거하는 방법 이외에도, 이색 미러 휠(407)을 구성하는 제1 내지 제3이색미러(407a)(407b)(407c)의 각각의 평면을 도 2에 도시된 종래의 컬러 화상 표시 장치의 이색 미러(204R, 204G, 204B)와 같이 제1 및 제3이색미러(407a)(407c)를 제2이색미러(407b)에 대해 소정 각도(δ)만큼 기울여 각 색광의 파장에 따라 발생하는 종축편차(b)를 제거할 수 있다.

조명 광학계(40), 화상 광학계(50) 및, 투사 광학계(60)에 구비되는 각 광학소자의 기능과 상기 광학소자를 진행하는 광의 광경로 및 이색 미러 휠(407)의 기능은 도 4에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 조명 광학계 및 이를 구비하는 화상 표시 장치에서 상술한 바와 같다.

본 발명은 소정 색광만을 반사시키고 나머지 색광은 투과시키는 복수개의 세그먼트로 구성되는 복수개의 이색 미러로 이루어지는 이색 미러 휠을 구비하는 조명 광학계와 이를 포함하는 화상 표시 장치를 제공하여 시간적, 공간적으로 광을 분리하여 광손실을 제거함과 동시에 고해상도의 화상을 구현할 수 있다.

상기한 설명에서 많은 사항이 구체적으로 기재되어 있으나, 그들은 발명의 범위를 한정하는 것이라기보다, 바람직한 실시예의 예시로서 해석되어야 한다.

예를 들어 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상에 의해 각 색광을 분리하는 복수개의 세그먼트로 구분되는 복수개의 이색 미러가 배열되어 형성되는 이색 미러 휠을 다양하게 채용할 수 있을 것이다. 때문에 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 의하여 정하여 질 것이 아니고 특허 청구범위에 기재된 기술적 사상에 의해 정하여져야 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에서 제공되는 이색 미러 휠을 구비하는 조명 광학계와 이를 구비하는 화상 표시 장치의 장점은 시간적 공간적으로 광을 분리할 수 있어 광손실을 제거하고 고해상도의 화상을 구현할 수 있다는 것이다.

Claims

광을 출사하는 광원;

상기 광원으로부터의 입사하는 광 중 적어도 삼색광을 분리 및 반사시키도록 적어도 세 개의 세그먼트로 구분된 이색 미러가 복수개 배열되는 이색 미러 휠;을 포함하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
제 1 항에 있어서,

상기 이색 미러의 수는 상기 세그먼트의 개수와 동일한 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
제 1 항에 있어서,

상기 삼색광은 레드, 그린 및 블루광인 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
제 1 항에 있어서,

상기 이색 미러의 대응하는 위치의 세그먼트는 서로 다른 색광을 반사시키는것을 특징으로 하는 조명 광학계.
제 1 항에 있어서,

분리된 각 색광의 초점의 횡축 편차가 a이고 이색 미러의 수직축이 광축에 대해 θ만큼 경사각을 가지는 경우 이색 미러간의 간격 d는 다음의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
제 1 항에 있어서,

이색 미러간의 간격이 d이고 이색 미러의 수직축이 광축에 대해 θ만큼 경사각을 가지는 경우 각 색광의 종축 편차 b는 다음의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
제 6 항에 있어서,

상기 이색 미러에서 반사되는 광의 광경로 상에 상기 종축 편차를 제거하는 미러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
제 1 항에 있어서,

상기 광원과 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 균일하게 하는 광학 적분기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
제 8 항에 있어서,

상기 광학 적분기와 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 평행광으로 형성하는 콜리메이팅 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
제 9 항에 있어서,

상기 콜리메이팅 렌즈와 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 일편광광으로 변환하는 편광 변환기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
제 10 항에 있어서,

상기 편광 변환기와 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 상기 이색 미러 휠에 포커싱하는 집광 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 조명 광학계.
광을 출사하는 광원과, 상기 광원으로부터의 광 중 적어도 삼색광을 분리 및 반사시키도록 적어도 세 개의 세그먼트로 구분된 이색 미러가 복수개 배열되는 이색 미러 휠을 포함하는 조명 광학계;

상기 조명 광학계로부터 입사하는 광을 변조하여 화상을 형성하는 화상 광학계; 및

상기 화상 광학계에서 반사된 광을 스크린으로 투사시키는 투사 광학계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 이색 미러의 수는 상기 세그먼트의 개수와 동일한 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 삼색광은 레드, 그린 및 블루광인 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 이색 미러의 대응하는 위치의 세그먼트는 서로 다른 색광을 반사시키는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 12 항에 있어서,

분리된 각 색광의 초점의 횡축 편차가 a이고 이색 미러의 수직축이 광축에 대해 θ만큼 경사각을 가지는 경우 이색 미러간의 간격 d는 다음의 식을 만족하는것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 12 항에 있어서,

이색 미러간의 간격이 d이고 이색 미러의 수직축이 광축에 대해 θ만큼 경사각을 가지는 경우 각 색광의 종축 편차 b는 다음의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 17 항에 있어서,

상기 이색 미러에서 반사되는 광의 광경로 상에 상기 종축 편차를 제거하는 미러를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 광원과 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 균일하게 하는 광학 적분기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 광학 적분기와 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 평행광으로 형성하는 콜리메이팅 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 20 항에 있어서,

상기 콜리메이팅 렌즈와 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 일편광광으로 변환하는 편광 변환기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 12 항에 있어서,

상기 편광 변환기와 상기 이색 미러 휠 사이의 광경로 상에 상기 광을 상기 이색 미러 휠에 포커싱하는 집광 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 화상 광학계는,

상기 이색 미러 휠에서 분리 및 반사된 색광을 서로 다른 위치에 결상시키는 렌즈 어레이; 및

상기 렌즈 어레이로부터 입사하는 광을 변조하여 화상을 형성하는 판넬;을 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 12 항에 있어서, 상기 투사 광학계는,

상기 화상 광학계의 화상을 스크린으로 전달하는 투사렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.
제 24 항에 있어서,

상기 화상 광학계와 상기 투사 광학계 사이의 광경로 상에 상기 화상 광학계를 출사하는 광을 균일하게 하는 필드 렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 화상 표시 장치.