KR100370407B1 - 광스캐너 - Google Patents

Abstract

고속구동이 가능한 광 스캐너에 관해 개시된다. 개시된 광스캐너는: 베이스 기판과; 상기 베이스 기판의 상면에 형성되는 고정 빗살과; 상기 베이기판의 상방에 위치하는 것으로 입사된 빛을 반사하는 경면을 갖춘 거울판과; 상기 베이스 기판에 대한 상기 거울판의 회전운동을 보장하도록 상기 거울판의 양측에 마련되는 축; 상기 베이스 기판의 고정 빗살에 대응하게 상기 거울판의 하부에 부착된 이동빗살을 갖춘다. 이러한 광스캐너는 소형화가 가능하고 특히 전체 면적 중 거울판의 차지면적을 최대화할 수 있다.

Description

광스캐너{Optical scanner}

본 발명은 광스캐너에 관한 것으로서, 소형이면서도 전체 크기에서 거울판이 차지하는 면적을 최대화 할 수 있는 미소 거울을 이용한 광스캐너에 관한 것이다.

스크린에 영상을 구현하기 위해서는 수평으로 광을 주사함(scanning)과 동시에 수직으로 광을 주사하여야 한다. 일반적인 NTSC 영상신호의 경우에 수평으로 주사하는 속도는 15.75kHz이며, 수직 주사속도는 60Hz이다. 즉, 동영상은 1초에 30장의 정지화상으로 구성되며, 각 정지화상은 525개의 수평 주사선으로 구성된다(도 4b 참조). 수평주사부가 525개의 주사선을 그려나갈 동안 수직주사부는 화면의 상단부에서 하단부로 한 번만 주사하면 된다. 그런데 좌에서 우로 한 라인을 주사하고나서 다시 다음 라인을 주사하기 위해서는 처음의 좌측 시작점으로 수평 주사속도보다 5~10배 정도 빨리 복귀하여야 광의 손실이 없게 된다.

도 1은 종래 광스캐너가 적용된 레이저 영상투사장치의 광학계 구성도이다. 광원(100)은 백색광을 발생하는 백색광 레이저이다. 광원으로는 청·녹·적색의 반도체 레이저를 사용하거나, 파장 변환 고체 레이저를 사용할 수도 있다. 광분리부(250)는 백색광의 레이저 빔을 적, 녹, 청색의 단색광으로 분리하여 준다. 광분리부(250)는 두 개의 다이크로익 미러(670a, 680a)와 하나의 고반사 미러(690a)를 구비한다. 다이크로익 미러(670a, 680a)는 백색광을 적, 녹, 청색광으로 분리시켜 주며, 고반사 미러(690a)는 단색광의 광경로를 변경시켜 준다. 적,녹, 청색광으로 분리된 레이저 빔은 포커싱 렌즈(640a, 650a, 660a)에 의해 광음향 변조기(AOM; acousto-optic modulater)(610, 620, 630)로 집속되며, 영상신호에 의해 광변조된다. 광변조기 뒷 단에는 변조된 레이저 빔을 포커싱 렌즈(640a, 650a, 660a) 입사전의 평행광 형태로 복구시키기 위한 콜리메이팅 렌즈(640b, 650b, 660b)가 위치한다. 영상신호에 따라 변조된 각각의 청, 녹, 적색광은 광통합부(650)에서 다시 하나의 통합빔으로 합쳐진다. 광통합부(650)는 두 개의 다이크로익 미러(670b, 680b)와 한 개의 고반사 미러(690b)로 구성된다. 통합빔은 고반사 미러(710, 720)를 이용하여 적정한 각도로 폴리고널 미러(800)로 입사되도록 한다. 통합빔은 먼저 수평주사부인 폴리고널 미러(800)로 입사되어 수평주사 된다. 수평 주사빔은 폴리고널 미러(800)와 갈바노미터(700) 사이에 설치된 릴레이 렌즈계(310, 320)를 통과하면서 갈바노미터(700)의 미러면에 집속된다. 한 점에 모아진 레이저 빔은 다시 갈바노미터(700)에 의해 수직으로 주사된다. 폴리고널 미러(800)와 갈바노미터(700)에 의해 주사되는 화상은 갈바노미터 상단에 설치된 반사경(850)에 의해 정면의 스크린(900)으로 투사된다.

이와 같이 구성된 기존의 레이저 영상투사장치의 경우에는 회전하는 다각형미러(Polygonal mirror)(800)를 수평주사부로 사용하는데 이것은 앞서 진술한 바와 같이 빠른 복귀시간(feedback time)이 필요없는 장점이 있지만, 기계식으로 회전하므로 주사속도 증가에 한계가 있을 뿐 만 아니라 소형화하기 어려워서, 소형 레이저 TV 구현시에는 매우 불리하다. 따라서 소형 레이저 TV를 구현하기 위하여 MEMS(Micro-electro-mechanical system) 기술을 이용한 극소형 광스캐너를 수평주사부로 사용하는 방안이 제시되고 있다. 그러나, 회전형이 아닌 일반적인 갈바노미터 구동 방식은 복귀시간을 한 라인 주사 시간의 5~10배 정도로 빨리 하여야 하는데, 이와 같은 속도를 유지할 수 있는 극소형 광스캐너를 제작하는 것은 실제적으로 매우 어렵다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하고자 창안된 것으로, 소형이면서도 전체 크기에서 거울판이 차지하는 면적을 최대화 할 수 있는 미소 거울을 이용한 광스캐너를 제공하는데 그 목적이 있다.

도 1은 종래의 다면 투사용 광학계를 구비한 레이저 영상투사장치의 개략적 블럭도,

도 2a 및 도 2b는 각각 본 발명에 따른 광스캐너의 개략적 사시도 및 실제 제작된 미소거울을 찍은 사진,

도 3은 본 발명에 따른 광스캐너가 적용된 레이저 영상투사장치의 개략적 블럭도이다.

도 4a 및 도 4b는 각각 기존의 수평주사방식을 설명하기 위한 도면들로서,

도 4a는 수평주사신호를 나타낸 도면,

도 4b는 도 4a의 수평주사신호에 따른 주사순서를 나타낸 도면,

그리고 도 5a 및 도 5b는 각각 본 발명에 따른 수평주사방식을 설명하기 위한 도면들로서,

도 5a는 수평주사신호를 나타낸 도면이고,

도 5b는 도 5a의 수평주사신호에 따른 주사순서를 나타낸 도면이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10. 광원 25. 광분리부

61, 62, 63. 광음향 변조기(AOM; acousto-optic modulater)

64a, 65a, 66a. 포커싱 렌즈 64b, 65b, 66b. 콜리메이팅 렌즈

65. 광통합부 67a, 68a. 다이크로익 미러

69a. 고반사 미러 64a, 65a, 66a. 포커싱 렌즈

61, 62, 63. 광음향 변조기(AOM; acousto-optic modulater)

64b, 65b, 66b. 콜리메이팅 렌즈 65. 광통합부

70. 수직주사용 미소거울 71, 72. 고반사 미러

80. 수평주사용 미소거울 85. 반사경

90. 스크린

100. 광원 250. 광분리부

310, 320. 릴레이 렌즈계

610, 620, 630. 광음향 변조기(AOM; acousto-optic modulater)

640a, 650a, 660a. 포커싱 렌즈 640b, 650b, 660b. 콜리메이팅 렌즈

650. 광통합부 670a, 680a. 다이크로익 미러

690a. 고반사 미러 640a, 650a, 660a. 포커싱 렌즈

610, 620, 630. 광음향 변조기(AOM; acousto-optic modulater)

640b, 650b, 660b. 콜리메이팅 렌즈 650. 광통합부

700. 갈바노미터 710, 720. 고반사 미러

800. 폴리고널 미러 850. 반사경

900. 스크린 1000. 광스캐너

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 광스캐너는:

베이스 기판과;

상기 베이스 기판의 상면에 형성되는 고정 빗살과;

상기 베이기판의 상방에 위치하는 것으로 입사된 빛을 반사하는 경면을 갖춘 거울판과;

상기 베이스 기판에 대한 상기 거울판의 회전운동을 보장하도록 상기 거울판의 양측에 마련되는 축;

상기 베이스 기판의 고정 빗살에 대응하게 상기 거울판의 하부에 부착된 이동빗살을 갖추는 점에 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 상기 고정 빗살과 이에 대응하는 이동 빗살은 상기 축을중심으로 그 양측에 마련되는 것이 바람직하다.

이하 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 미소거울을 이용한 광스캐너의 실시예와 이러한 본 발명의 광스캐너가 적용될 수 있는 레이저 영상투사장치 및 그 구동 방법을 상세하게 설명한다.

도 2a는 본 발명에 따른 광 스캐너의 구조를 개략적으로 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 광스캐너는, 미소 거울(70, 80)들은 경면을 갖춘 거울판(1)과 이 거울판(1)의 회전운동을 보장하는 축(2)과 이 축(2)을 중심으로 그 양편 거울판(1) 하부에 부착된 이동빗살(3)들을 구비한 상부 구조물 및 고정빗살(4)과 이 고정빗살(5)이 부착된 기판(5)을 구비한 하부 구조물이 결합된 구조를 갖는다. 따라서, 경면(1)의 방향은 고정빗살(4)과 이에 맞물려 있는 이동 빗살(3) 간의 정전력에 의해 미세하게 변환된다. 도 2b는 이와 같이 반사 방향이 미세 변환하는 미소 거울의 실제 제작된 모습을 찍은 사진이다.본 발명에 따른 미소거울을 이용한 광 스캐너는 거울판(1)의 저면과 이에 대응하는 기판의 상면에 이동빗살(3) 및 고정빗살(5)이 형성되기 때문에 이들 빗살에 의한 점유되는 공간이 그리 크지 않고, 대부분이 거울판(1)이 차지하게 된다. 즉, 본원 발명에 따른 광스캐너는 전체 크기에서 거울판이 차지하는 면적이 최대화되면서도 소형화가 가능하다.

상기와 같이 극소형으로의 제작이 가능한 본 발명의 광스캐너를 제공함으로써, 예를 들어 레이저 영상투사장치에 적용하여 시스템의 크기를 줄여서 예를 들어 레이저 TV 등에 적용될 수 있는 광스캐너를 제안하고자 하는 것이다. 즉, 기존의 영상투사장치에서 광주사부인 폴리고널 미러와 갈바노미터를 두 개의 미소거울을 구비한 극소형 광스캐너로 대체하고, 고속 영상신호 처리에 적합한 구동 방식을 적용함으로써 고화질 레이저 TV가 구현될 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 미소 거울을 이용한 광스캐너는 수평주사선의 주사방향을 교대로 바꾸어 줌으로써 복귀 시간을 없애어서 상대적으로 느린 광스캐너로 정상적인 영상 구현이 가능하게 한다. 이것은 본 발명에 따른 광스캐너에 의해, 반대방향으로 그려지는 영상신호는 버퍼 메모리에 저장한 후에 반대로 출력함으로써 정상적인 영상이 재현이 가능하게 된다.

도 3은 본 발명에 따른 미소 거울을 이용한 광스캐너가 적용예를 도시하는 것으로서, 본 발명에 다른 광스캐너가 적용된 레이저 영상투사장치의 광학계 구성도이다. 도면에서, 광원(10)은 백색광을 발생하는 백색광 레이저이다. 광원으로는 청·녹·적색의 반도체 레이저를 사용하거나, 파장변환 고체 레이저를 사용할 수도 있다. 광분리부(25)는 백색광의 레이저 빔을 적, 녹, 청색의 단색광으로 분리하여 준다. 광분리부(25)는 두 개의 다이크로익 미러(67a, 68a)와 하나의 고반사 미러(69a)를 구비한다. 다이크로익 미러(67a, 68a)는 백색광을 적, 녹, 청색광으로 분리시켜 주며, 고반사 미러(69a)는 단색광의 광경로를 변경시켜 준다. 적, 녹, 청색광으로 분리된 레이저 빔은 포커싱 렌즈(64a, 65a, 66)에 의해 광음향 변조기(AOM; acousto-optic modulater)(61, 62, 63)로 집속되며, 영상신호에 의해 광변조된다. 광변조기 뒷 단에는 변조된 레이저 빔을 포커싱 렌즈(64a, 65a, 66a) 입사전의 평행광 형태로 복구시키기 위한 콜리메이팅 렌즈(64b, 65b, 66b)가 위치한다. 영상신호에 따라 변조된 각각의 청, 녹, 적색광은 광통합부(65)에서 다시 하나의 통합빔으로 합쳐진다. 광통합부(65)는 두 개의 다이크로익 미러(67b, 68b)와 한 개의 고반사 미러(69b)로 구성된다. 통합빔은 고반사 거울(71, 72)을 이용하여 적정한 각도로 본 발명에 따른 광스캐너(1000)의 수평주사용 미소거울(80)로 입사되도록 한다. 통합빔은 먼저 광스캐너(1000)의 수평주사용 미소거울(80)로 입사되어 수평으로 주사된다. 수평으로 주사된 빔은 다시 광스캐너(1000)의 수직주사용 미소거울(70)의 경면에 집속되어 수직으로 주사된다. 수평주사용 미소거울(80)과 수직주사용 미소거울(70)에 의해 주사되는 화상은 수직주사용 미소거울 상단에 배치된 반사경(85)에 의해 정면의 스크린(90)으로 투사 된다.

이와 같이, 수평주사용 미소거울(80)과 수직주사용 미소거울(70) 및 반사경(85)을 구비한 본 발명의 광스캐너(1000)는 전술한 바와 같이 MEMS(micro-electro-mechanical systems) 기술을 이용하여 극소형으로 제작된다.

상기와 같은 본 발명에 따른 광스캐너가 적용된 영상투사장치에서, 광스캐너의 구동 방법은 도 5a 및 도 5b에 잘 나타나 있는데, 이를 도 4a 및 도 4b에 도시된 종래의 광스캐너에 의한 구동 방법과 비교하여 보면 다음과 같다.

도 4a 및 도 5a에는 각각 종래 영상투사장치에서의 수평주사신호 및 본 발명에 따른 광스캐너가 적용된 영상투사장치에서의 수평주사신호를 나타내고, 도 4b 및 도 5b는 각각 종래 영상투사장치에서의 수평주사신호 및 본 발명에 따른 광스캐너가 적용된 영상투사장치에서의 수평주사신호에 따라 주사되는 레이저 빔의 주사 방향을 스크린 상에 나타낸 것이다. 이를 비교하여 보면 다음과 같다.

종래에는, 도 4a에 도시된 바와 같이, 수평주사신호의 실선 부분에 따라, 도 4b에 도시된 바와 같이, 실선으로 표시된 라인을 따라 좌에서 우로 한 라인을 주사하고, 다시 도 4a의 수평주사신호의 점선 부분에 따라 도 4b의 점선을 따라 좌측으로 주사속도 보다 5~10배 정도 빠른 속도로 복귀한다. 이러한 좌측에서 우측으로하는 수평주사와 우측에서 좌측으로하는 수평복귀를 순차적으로 반복함으로써 영상을구현하도록 하고 있었다. 따라서 기존의 구동 방식으로는 고해상도의 영상을 구현하기 위해서는 점점 고속의 수평 주사가 필요하게 되나, 실제적으로 광스캐너의 주사속도 향상에는 한계가 발생하게 된다.

이에 반하여 본 발명에 따른 광스캐너가 적용된 레이저 영상투사장치에서는 기존의 수평 주사부인 폴리고널 미러를 소형화하기 위하여 제안된 수평주사용 미소 거울이 도 5a에 도시된 바와 같은 수평주사신호에 의해 동작한다. 이 수평주사신호는 전부 실선부로 표시된 것이 의미하는 바와 같이 복귀를 위한 신호가 없다. 따라서, 복귀하는 순간에도 수평주사가 이루어지도록 구성되어 있는 점이 특징이다. 따라서, 수평주사는 도 5b에 도시된 바와 같이, 도 5a의 수평주사신호에 따라 좌측에서 우측으로 한번 주사하면 다음에는 반드시 우측에서 좌측으로 복귀하면서 수평주사를 하게된다. 이러한 좌측에서 우측으로의 수평주사와 우측에서 좌측으로의 수평주사를 반복하면서 전체 영상이 구현된다. 따라서, 이러한 구동 방법은 기존에 허비되는 복귀 시간 까지도 주사시간으로 이용함으로써 미소 거울의 속도가 기존 보다 빠르지 않더라도 충분하게 영상을 구현할 수 있게된다. 즉, 도 5b에 도시된 바와 같은 주사방식을 극소형 광스캐너에 적용하게 되면 빠른 복귀시간이 필요없게 되어 광스캐너의 구동 한계를 쉽게 뛰어 넘어 정상적인 고해상도 영상 구현이 가능하게 된다. 이 경우에 우에서 좌로 주사되는 영상은 입력되는 영상신호와 반대가 되므로, 전송되는 영상신호를 버퍼 메모리에 저장하였다가, 반대로 출력되도록 함으로써 정상상태의 영상이 재현되도록 한다. 이와 같이, 본 발명에 따른 광스캐너가 적용된 영상투사장치에서는 주사후 복귀시간이 필요없는 구동방식을 극소형 광스캐너에 적용함으로써 상대적으로 느린 속도로 구동하더라도 화상 구현에 전혀 지장이 없도록 한다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 미소거울을 이용한 광 스캐너는 상기 베이스 기판의 상면에 거울판이 설치되고, 기판의 상면에와 거울판의 저면에 고정 빗살과 이동 빗살이 형성됨으로써, 전체크기에서 거울판이 차지하는 면적을 최대화 할 수 있고, 또한 초소형화가 가능하다. 즉, 거울판을 구동하기 위한 이동빗살 및 고정빗살이 거울판과 기판의 사이에 위치하기 때문에 이들에 의한 점유되는 공간이 극히 작아지기 때문이다.

이러한 미소 거울을 이용한 광스캐너는 광스캐닝이 필요한 다양한 분야에 적용될 수 있음은 당연하다. 예를 들어 전술한 바와 같이 레이저 투사장치에 적용하게 되면, 종래의 영상투사장치에 비해 여러면에서 유리한 레이저 투사장치를 제작할 수 있다. 예를 들어 본 발명의 광스캐너는 종전의 수평주사용 회전 다면경과 수직주사용의 갈바노미터의 대용으로 대체시키는 데 사용될 수 있다. 즉, 본 발명의 광 스캐너가 적용되게 되면, 수평 주사를 복귀시간을 별도로 허비하지 않을 수 있게 되고 따라서 수평주사 속도 보다 5~10 배 이상 빠른 복귀 속도가 요구되는 기존의 구동 방식에 비하여 획기적으로 구동속도를 감소시킬 수 있게 된다.이러한 본 발명의 광스캐너는 레이저 투사장치에서의 광스캐너로서 매우 적합하다. 그러나, 그 외의 레이저의 스캐닝이 필요한 다른 분야에 적용도 가능할 것이다.

Claims (2)

1. 베이스 기판과;

   상기 베이스 기판의 상면에 형성되는 고정 빗살과;

   상기 베이기판의 상방에 위치하는 것으로 입사된 빛을 반사하는 경면을 갖춘 거울판과;

   상기 베이스 기판에 대한 상기 거울판의 회전운동을 보장하도록 상기 거울판의 양측에 마련되는 축;

   상기 베이스 기판의 고정 빗살에 대응하게 상기 거울판의 하부에 부착된 이동빗살을 갖춘 것을 특징으로 하는 광스캐너.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 고정 빗살과 이에 대응하는 이동 빗살은 상기 축을 중심으로 그 양측에 마련되는 것을 특징으로 하는 광스캐너.