KR100400547B1 - 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치에 관한 것으로, 종래 1차원 광 모듈레이터와 이를 이용한 투사장치는 전압의 인가에 따라 기계적인 구동에 의해 입사되는 광을 회절시키는 방식의 GLV를 사용함으로써, 조사되는 광의 파장에 따른 구동특성의 신뢰성이 저하되는 문제점과 아울러 GLV 자체의 회절각이 작기 때문에 회절되지 않은 0차광과 회절된 ±1차광을 분리하기 위해 시스템 투사장치를 구현할때 그 투사장치의 두께가 두꺼워지는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 광이 입/출사되는 면이 평행사변형의 형상을 나타내며, 그 측면과 평행한 방향으로의 주기적인 분극반전이 나타나는 다수의 분극영역을 구비하는 비선형 물질과; 전기장이 상기 비선형 물질의 분극과 평행한 방향으로 인가될 수 있도록, 전압이 인가되는 전극과 상기 비선형 물질의 사이에 위치하는 유전막과; 상기 비선형 물질의 광이 입사되는 면과 출사되는 면이 동일하도록, 상기 입사면의 맞은편 면에 접하도록 위치하는 반사판으로 1차원 광 모듈레이터를 구성하여 출사광의 회절이 X축 및 Y축방향으로 일어나도록 함으로써, 회절된 광과 회절되지 않은 광이 분리되는 1차원 광 모듈레이터로부터의 거리가 줄어들게 되어 투사장치에 적용하였을때 그 투사장치를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

Description

1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치{ONE DIMENSION LIGHT LAY MODULATOR AND DISPLAY USING THEREOF}

본 발명은 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치에 관한 것으로, 특히 0차광과 1차광을 분리하기 위한 거리를 줄임으로써, 시스템의 크기를 줄일 수 있는 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치에 관한 것이다.

종래 디스플레이에 사용되는 1차원 광 모듈레이터는 입사광을 회절시켜 변조시키는 것으로, 대표적인 것이 미국의 SLM(SILICON LIGHT MACHINE) 사의 GLV(FRATING LIGHT VALVE)이다. 이 GLV는 반사형으로서 그 속도 및 콘트라스트 특성이 우수하여 차기 디스플레이용 모듈레이터로 대두되고 있으나 아직 상용제품에 적용되지는 못하고 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 상시 GLV의 구조 및 동작 특성을 상세히 설명한다.

도1은 상기 GLV의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1)에 광을 반사할 수 있는 복수의 리본(2)이 위치한다. 상기 각 리본(2)은 양측이 기판(1)에 고정되어 있으며, 중앙부는 상기 기판(1)과는 소정거리 이격되도록 위치한다.

또한, 상기 복수의 리본(2)에는 교번하여 전압을 인가하는 수단이 연결되어 있어, 전압의 인가에 따라 상기 복수의 리본(2) 중 교번하는 위치의 리본(2)을 기판(1)측으로 휘어지게 만들어 주변의 전압이 인가되지 않는 리본(2)과는 기판(1)으로 부터의 이격거리를 더 좁게 만들수 있다.

이와 같이 리본(2)의 일부의 상부면을 다른 리본(2)의 상부면에 대하여 동일평면 상에 있지 않도록 함으로써, 외부에서 입사되는 광에 대한 격자를 형성하게 되며, 그 격자에 의한 회절을 이용하여 광을 변조(MODULATION)할 수 있게 된다.

즉, 상기 복수의 리본(2) 중 전압을 인가할 수 있는 리본(2)에 전압을 인가하지 않으면 모든 리본(2)의 상부면은 모두 동일 평면상에 위치하게 되며, 이는 거울면과 동일한 효과를 나타내어 그 리본(2)의 상부면에 수직으로 입사되는 광을 그대로 반사하게 된다.

또한, 상기 복수의 리본(2) 중 전압을 인가할 수 있도록 구성된 리본(2)에 전압을 인가하면, 상기 설명한 바와 같이 그 전압이 인가된 리본(2)은 기판(1) 측으로 휘어지게 되어 리본(2)의 상부면은 격자형 구조를 나타내게 되어, 수직으로 조사되는 광을 회절시키게 된다.

도2a는 상기 모든 리본(2)에 전압이 인가되지 않은 경우 입사된 광이 그대로 반사되는 것의 모식도이고, 도2b는 일부의 리본(2)에 전압이 인가되어 격자형 표면을 형성하여, 광이 회절되도록 하는 과정의 모식도로서, 이에 도시한 바와 같이 전압의 인가여부에 따른 반사면의 변화를 이용하여 광을 변조할 수 있게 된다.

상기 GLV의 동작에서 전압이 인가된 리본(2)이 기판(1)측으로 내려가는 거리는 조사되는 광의 파장의 1/4이 되어야 최적의 회절효율을 얻을 수 있게 되나, 상기 GLV의 동작은 기계적인 동작으로 조사되는 광의 파장의 1/4을 정확히 맞출수 있도록 제어하기가 매우 어려운 문제점이 있으며, 상기 GLV의 리본(2)에 전압이 인가되지 않는 경우의 반사광인 0차광과, 전압이 인가되는 경우의 반사광인 ±1차광을분리하는데 필요한 길이는 적어도 370mm이상이 되어야 하므로 시스템의 크기가 커진다는 단점이 있다.

도3a와 도3b는 각각 상기 GLV를 이용한 투사장치의 평면도 및 측면도로서, 이에 도시한 바와 같이 광원(31)의 광을 GLV(32)측으로 반사함과 아울러 GLV(32)에서 회절되지 않은 광을 차단하는 반사 및 차단판(33)과; 상기 GLV(32)에서 회절된 광을 집속하는 결상렌즈(34)와; 상기 광을 집속하는 렌즈(35)와; 상기 렌즈(35)를 통해 조사되는 광을 반사시켜 이미지판(37, IMAGE PLANE)에 조사하는 갈바노미터(36)로 구성된다.

이와 같은 GLV(32)를 이용한 투사장치는 GLV(32)에서 회절된 광과 직접 반사되는 광원(31)의 광을 분리하여, 회절된 광 만을 사용하여 표시하게 되므로, 상기 반사되는 광과 회절되는 광을 정확하게 분리해야 콘트라스트가 향상된다.

상기 GLV(32)의 리본(2)에 전압이 인가되지 않아 GLV(32)의 표면이 거울면 처럼 평탄하게 위치하는 경우 조사되는 광원(1)의 광은 수직으로 반사되며, 이를 0차광이라고 하고, 상기 리본(2)의 일부에 전압이 인가되어 GLV(32)의 반사면에 단차가 발생하여 회절되는 광을 ±1차광이라고 하면, 상기 0차광과 ±1차광이 중첩되지 않는 부분에 상기 반사 및 차단판(33)을 위치시켜 결상렌즈(34)에 ±1차광 만이 도달할 수 있도록 한다.

이때 상기 0차광과 ±1차광이 중첩으로부터 벋어나는 GLV(32)로 부터의 거리를 D라고 한다면, 상기 GLV(32)의 리본간 이격거리가 4㎛인 1080픽셀 패널의 경우 그 D는 적어도 370mm이상이 되어야 하며, 이것은 일반 가정용 디스플레이에 적용하기에는 그 크기가 너무 큰 단점을 가지게 된다. 이는 GLV(32)가 가지는 회절각이 상대적으로 적기 때문이며, 회절각이 크면 상기 D는 그 값을 줄일 수 있게 된다.

상기 도3a에서 GLV(32)를 통해 회절되는 광은 X축에 대하여 회절하기 때문에 회절된 광은 반사 및 차단판(33)에 의해 차단되지 않게 되나, 도3b에 도시한 바와 같이 회절되는 광은 Y축 방향으로는 회절되지 않기 때문에 상기 반사 및 차단판(33)에 의해 차단됨을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 종래 1차원 광모듈레이터는 전압의 인가에 따라 기계적인 구동에 의해 입사되는 광을 회절시키는 방식의 GLV를 사용함으로써, 조사되는 광의 파장에 따른 구동특성의 신뢰성이 저하되는 문제점과 아울러 GLV 자체의 회절각이 작기 때문에 회절되지 않은 0차광과 회절된 ±1차광을 분리하기 위해 시스템 투사장치를 구현할때 그 투사장치의 두께가 두꺼워지는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 1차원 광모듈레이터를 기계적인 구동이 없도록 구성함과 아울러 그 1차원 광모듈레이터의 회절각을 증가시켜 상대적으로 짧은 거리내에서 0차광과 ±1차광을 분리할 수 있는 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 종래 1차원 광 모듈레이터의 사시도.

도2a와 도2b는 각각 도1의 리본에 전압이 인가되지 않은 경우와 인가된 경우의 반사면의 형상을 보인 단면도.

도3a와 도3b는 각각 도1의 종래 1차원 광 모듈레이터를 이용한 투사장치의 평면도 및 측면도.

도4는 본 발명의 기본이 되는 1차원 광 모듈레이터의 사시도.

도5a와 도5b는 도4에 있어서 전극에 전압이 인가여부에 따른 출사광의 출사방향을 보인 모식도.

도6은 본 발명 1차원 광 모듈레이터의 픽셀 단면도.

도7은 본 발명 1차원 광 모듈레이터의 단면도.

도8a 내지 도8c는 각각 종래 1차원 광 모듈레이터의 출사광 방향을 X, Y, Z축 방향에서 형상화한 모식도.

도9a 내지 도9c는 각각 본 발명 1차원 광 모듈레이터의 출사광 방향을 X, Y, Z축 방향에서 형성화한 모식도.

도10a 내지 도10b는 상기 도7에 보인 본 발명 1차원 광 모듈레이터를 이용한투사장치의 평면도 및 측면도.

도11은 z 축에서 본 본 발명 1차원 광 모듈레이터에서 회절된 광과 회절되지 않은 광의 위치를 보인 그래프도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10:비선형 물질 20:전극

30:반사막 40:유전막

상기와 같은 목적은 광의 입/출사면이 평행사변형의 형상을 나타내며, 그 측면과 평행한 방향으로의 주기적인 분극반전이 나타나는 다수의 분극영역을 구비하는 비선형 물질과; 전기장이 상기 비선형 물질의 분극과 평행한 방향으로 인가될 수 있도록, 전압이 인가되는 전극과 상기 비선형 물질의 사이에 위치하는 유전막과; 상기 비선형 물질의 광이 입사되는 면과 출사되는 면이 동일하도록, 상기 입사면의 맞은편 면에 접하도록 위치하는 반사판으로 구성되는 1차원 광 모듈레이터를 사용하여 X축으로의 회절뿐만 아니라 Y축으로도 출사광이 회절될 수 있도록 함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도4는 본 발명의 기본이 되는 1차원 광 모듈레이터의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 LiNbO₃와 같은 비선형 물질(10)에 주기적으로 분극의 방향이 반전된 영역을 형성해 두고, 그 비선형 물질(10)의 상하측에 전압을 인가할 수 있는 전극(20)과, 그 비선형 물질(10)의 광이 입사되는 방향과 광이 반사되어 출사되는 방향이 동일할 수 있도록 상기 비선형 물질(10)의 입/출사방향의 맞은편에 반사막(30)을 배치하여 구성한다.

이와 같은 구성에서 상기 전극(20)에 전압이 인가되지 않는 경우에는 상기 전극(20)과 평행한 방향으로 비선형 물질(10)에 광을 조사하면 전체적인 비선형 물질(10)의 굴절율이 모두 동일하여 조사되는 광은 그대로 반사막(30)에서 반사되어 입사된 방향으로 출사된다.

이는 도5a에 도시한 그래프에 나타낸 바와 같이 전극(20)에 전압이 인가되지 않는 경우에는 시간(T)에 따른 굴절율(n0)의 변화가 없어 조사된 광이 그 굴절율에 따라 굴절되어 반사막(30)에서 반사된 후 출사된다.

이때 굴절율(n0)을 1이라할때 조사된 광은 그대로 투과된다.

도5b는 상기 전극(20)에 전압이 인가된 경우의 출사광의 굴절율 변화를 보인 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 시간(T)의 변화에 따라 굴절율이 주기적으로 변화하게 된다.

이와 같이 굴절율이 주기적으로 변화됨에 따라 입사된 광은 특정한 방향으로 회절되어 출사된다.

상기 굴절율(n1)은 기본 굴절율(n0)에 비하여 큰 값이며, 굴절율(n2)은 기본 굴절율(n0)보다 작은 값이다. 이와 같이 굴절율의 변화를 주면 상기 비선형 물질(10)을 통해 출사되는 위치에서 광의 위상차가 발생하게 되며, 회절이 나타난다.

또한, 상기 분극에 의한 굴절율의 차(n1-n2)는 그 크기에 한계가 있기 때문에 광의 파장에 따른 원하는 만큼(λ/2)의 위상차를 나타내기 위해서는 상기 광이 투과되는 영역의 길이가 길어야 한다.

이와 같이 상기 1차원 광 모듈레이터의 전극(20)에 전압이 인가되지 않는 경우에는 상기 비선형 물질(10)에 광이 입사되는 방향과 동일한 방향으로 위상의 변화없이 반사판(30)에서 반사되며, 이 출사광을 0차광이라한다. 또한 전극(20)에 전압이 인가되어 항기 비선형 물질(10)에 분극이 반전된 주기적인 영역의 분극방향이 변화되고, 이에 따라 격자를 형성하여 반사판(30)에 의해 반사되는 광은 일정한 각으로 회절된다. 회절되는 광은 ±1차광이며, 격자의 형상에 따라 주기적으로 X축 방향으로 일정한 각도로 반복적으로 변화되는 것을 알 수 있다.

도6은 본 발명에서 적용되는 1차원 광 모듈레이터 픽셀의 단면모식도로서, 이에 도시한 바와 같이 Y축방향으로 ±1차광이 회절할 수 있도록, 경사진 형태를 나타낸다.

이를 좀더 자세히 살펴보면, 상기 도4에서 보여지는 주기적인 분극반전영역이 일정한 각으로 경사지게 위치하도록 비선형 물질(10)이 평행사변형로 위치하며, 그 분극반전영역의 분극또한 수평면에 대하여 일정한 각으로 기울어진 상태에서 주기적인 반전형으로 나타난다.

이때, 전극(20)은 항상 상기 분극반전영역의 분극방향에 대하여 수직으로 위치해야 하며, 이를 실현하기 위하여 상기 비선형 물질(10)의 상하측에 좌우의 두께가 다른 유전물질(40)을 배치하고, 그 유전물질(40)의 상하측에 전극(20)을 배치한다.

이와 같이 전극(20)의 형상이 배치되면, 그 전극(20)에 의해 비선형 물질(10)에 인가되는 전계의 방향은 상기 주기적인 반전이 나타나는 분극의 방향과 평행하게 된다.

도7은 상기 도6에 보여진 픽셀구조를 수평으로 다수개 배열하여 1차원 광 모듈레이터를 구현한 단면도이다.

도8a 내지 도8d는 상기 도4에 도시한 바와 같이 Y축 방향으로 광을 회절시키지 않는 1차원 광 모듈레이터를 사용한 경우 X, Y, Z축에 대한 회절각을 보인 모식도로서, 광을 입사받은 1차원 광 모듈레이터(81)는 전극에 전압이 인가되지 않는 경우 도8a에 도시한 바와 같이 입사각과 동일하게 상기 1차원 광 모듈레이터(81)의출사면에 수직인 방향으로 반사광이 출사된다. 이는 상기 언급한 바와 같이 0차광(82)이다. 또한, 상기 전극에 전압이 인가되는 경우 1차원 광 모듈레이터(81)에서 반사되어 출사되는 회절광은 상기 0차광(82)으로 부터 일정한 각(θx) 만큼 이격되도록 출사되며, 이때의 회절광은 ±1차광(83)이다.

이때 도8a는 X축의 방향만 고려한 것이며, X축으로의 회절각(θx)의 영향으로 어느정도의 거리(D1)가 지나서는 상기 0차광(82)과 ±1차광(83)은 서로 중첩되는 위치로 부터 벗어나게 된다.

또한, 도8b는 Y축 방향에서의 0차광(82)과 ±1차광(83)의 형상을 보인 것으로, 상기 1차원 광 모듈레이터는 X축에 대해서만 광을 회절시키므로, 평면상에서 0차광(82)과 ±1차광(83)은 Y축방향에서 볼때 전구간에서 중첩되어진다. 즉 상기 1차원 광 모듈레이터(81)의 Y축방향 회절각(θy)은 0이된다.

그리고, 도8c는 광이 모듈레이터로 입사되는 방향에서 바라본, 즉 Z축을 기준으로 본 출사되는 광을 보인 모식도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 회절은 X축으로만 작용하는 것으로, 회절광은 Y축으로의 변위를 갖지 않는다.

이와 같이 종래의 1차원 광 모듈레이터는 출사광을 X축으로만 회절시킴으로써, 0차광(82)과 ±1차광(83)이 분리되는 1차원 광 모듈레이터로 부터의 거리(D1)가 상대적으로 길어져 이를 이용한 투사장치는 그 두께가 두꺼워져 시스템의 크기가 커지게 된다.

그러나, 도9a 내지 도9c는 본 발명 1차원 광 모듈레이터를 사용한 경우의 X, Y, Z축에서 본 출사광의 모식도에서 알 수 있듯이 본 발명의 1차원 광 모듈레이터는 그 주기적인 분극반전영역이 입사광에 대하여 Y축에 대해 일정한 각도로 경사져 있으며, 이에 따라 회절되는 ±1차광(93)은 Y축으로의 회절각(θy)을 가진다.

즉, 도9a는 본 발명 1차원 광 모듈레이터를 사용하였을때 0차광(92)과 ±1차광(93)의 진행방향을 보인 모식도로서, 상기 도8a에 도시한 것과 동일하게 ±1차광(93)은 0차광에 대해 X축으로의 회절각(θx) 만큼 이격되어 진행한다.

도9b는 Y축 방향에서 본 0차광(92)과 ±1차광(93)의 진행방향을 보인 것으로, 상기 본 발명의 1차원 광 모듈레이터는 주기적인 분극반전영역이 일정한 각으로 경사지게 위치하도록 비선형 물질(10)이 평행사변형로 위치하며, 그 분극반전영역의 분극또한 수평면에 대하여 일정한 각으로 기울어진 상태에서 주기적인 반전형으로 나타나기 때문에 출사광이 X축 뿐만 아니라 Y축으로도 회절된다.

이와 같은 회절에 의해 0차광(92)과 ±1차광(93)이 분리되는 1차원 광 모듈레이터(91)로 부터의 거리(D2)는 이전의 거리(D1)에 비해 짧아지게 된다.

이는 도9c에 보여지는 Z축 방향에서 보여지는 0차광(92)과 ±1차광(93)의 모식도를 보면 그 거리가 짧아지는 이유에 대하여 쉽게 이해할 수 있게 된다.

0차광(92)과 ±1차광(93) 모두는 X축방향 즉, 좌우측으로 넓고 상하측으로는 좁은 형태이며, 상하측으로의 회절각(θy)이 미치는 영향이 좌우측으로의 회절각(θx)이 미치는 영향보다 그 거리(D2)의 차에 크게 영향을 주는 것을 알 수 있다.

도10a와 도10b는 각각 상기 도7에 도시한 Y축으로 광을 회절시키는 1차원 광 모듈레이터를 이용한 본 발명의 투사장치의 평면도와 측면도로서, 이에 도시한 바와 같이 광원(101)의 광을 인가받아 1차원 광 모듈레이터(102)로 입사시킴과 아울러 상기 1차원 광 모듈레이터(102)에서 회절되지 않고 출사되는 0차광을 차단하는 반사 및 차단부(103)와; 상기 1차원 광 모듈레이터(102)에서 X축과 Y축으로 회절되어 출사되는 출사광인 ±1차광을 인가받아 결상하는 결상렌즈(104)와; 상기 결상렌즈(104)를 통해 결상된 광을 스캔하여 이미지판(106)에 표시하는 갈바노미터(105)로 구성된다.

이와 같이 1차원 광 모듈레이터(102)에서 광을 회절시킬때 X축 뿐만 아니라 Y축으로도 회절시킴으로써, 상기 1차원 광 모듈레이터(102)와 반사 및 차단부(103) 사이의 거리는 종래에 비하여 현격하게 축소될 수 있으며, 이에 따라 투사장치의 두께를 감소시켜 시스템의 크기를 줄일 수 있게 된다.

도11은 상기와 같은 1차원 광 모듈레이터(102)의 출사광의 패턴으로 회절되는 출사광은 X, Y축 양 방향으로 소정의 각도로 회절됨을 알 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명 1차원 광 모듈레이터는 기계적인 구동부를 사용하지 않고 광을 회절시켜 그 동작의 신뢰성을 증가시키는 효과와 아울러 상기 회절이 X축 및 Y축방향으로 일어나도록 함으로써, 회절된 광과 회절되지 않은 광이 분리되는 1차원 광 모듈레이터로부터의 거리가 줄어들게 되어 투사장치에 적용하였을때 그 투사장치를 소형화할 수 있는 효과가 있다.

Claims (4)

1. 광이 입/출사되는 면이 평행사변형의 형상을 나타내며, 그 측면과 평행한 방향으로의 주기적인 분극반전이 나타나는 다수의 분극영역을 구비하는 비선형 물질과; 전기장이 상기 비선형 물질의 분극과 평행한 방향으로 인가될 수 있도록, 전압이 인가되는 전극과 상기 비선형 물질의 사이에 위치하는 유전막과; 상기 비선형 물질의 광이 입사되는 면과 출사되는 면이 동일하도록, 상기 입사면의 맞은편 면에 접하도록 위치하는 반사판으로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 1차원 광 모듈레이터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 전극은 픽셀별 구동이 가능하도록 상기 다수의 분극영역을 분할한 단위영역의 상하측에 각각 대향하도록 위치하는 것을 특징으로 하는 1차원 광 모듈레이터.
3. 제 1항에 있어서, 상기 다수의 분극영역은 전극에 전압이 인가되면, 그 분극방향을 변경하여 격자를 형성함으로써, 출사광이 X축 방향으로 회절되도록 함과 아울러 입사각에 대하여 일정한 방향으로 기울어짐으로써 출사광이 Y축 방향으로 회절되도록 하는 것을 특징으로 하는 1차원 광 모듈레이터.
4. 구비된 전극에 전압이 인가됨에 따라 입사된 광을 X축 및 Y축으로 소정각도회절시켜, 상기 입사광이 입사된 면을 통해 출사하는 1차원 광 모듈레이터와; 광원의 광을 상기 1차원 광 모듈레이터의 입사면으로 반사시킴과 아울러 상기 1차원 광 모듈레이터에서 출사되는 출사광중 회절되지 않은 광을 차단하는 반사 및 차단부와; 상기 반사 및 차단부를 통해 차단되지 않은 1차원 광 모듈레이터의 회절된 출사광을 인가받아 결상하는 결상렌즈와; 상기 결상렌즈를 통해 결상된 광을 이미지판으로 스케닝하여 이미지를 표시하는 갈바노미터로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 투사장치.