KR100407968B1 - 레이저 디스플레이 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 디스플레이 장치를 제공하기 위한 것으로서, R, G, B 빔을 출력하는 R, G, B 레이저; 상기 R, G, B 빔을 합성한 백색빔을 R, G, B의 빔으로 순차적으로 분리하는 회전 색분리 수단; 상기 회전 색분리 수단의 후면에 위치하고 상기 레이저에서 나온 빔을 입사하여 포커싱하고, 소정 각도로 빔을 방사하는 다수개의 마이크로 렌즈 어레이; 상기 마이크로 렌즈 어레이로부터 방사된 빔을 입사하고 상기 광을 전반사시켜 레이저빔을 균일하게 섞는 로드렌즈; 상기 레이저빔을 타임 스케일링 방식으로 R, G, B 빔을 입력하고 영상신호에 따라 해당 영상을 출력하는 디스플레이 패널로 크게 구성되어, 광량 손실이 적은 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 빔이 외부로 퍼지지 않도록 로드렌즈에 입사시켜 광손실을 줄이고, 또한 로드렌즈에 입사시 빔을 더 넓게 퍼지게 하여 로드렌즈에서 빔의 전반사율을 높여 빔의 가간섭성을 낮추어 섬광과 스펙클을 최소화하여 디스플레이 장치의 화질을 개선한다.

Description

레이저 디스플레이 장치{Laser Display Device}

본 발명은 마이크로 렌즈어레이를 이용한 레이저 디스플레이에 관한 것으로, 특히 마이크로 렌즈를 이용한 스펙클 저감 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 레이저를 이용한 디스플레이 시스템은 LCD나 DMD, 혹은 GLV 패널에 투사시키고 이들 패널의 영상을 투사광학계를 이용하여 스크린에 결상시킨다.

종래의 기술로써 시스템 안에서 스펙클을 줄이기 위한 방법은 다음과 같다.

도1은 종래기술에 따른 레이저 디스플레이 장치 구성도이다.

도1에서 R, G, B레이저(111)에서 나온 광은 광합성계(112)에 의해 한쪽 방향으로 모아져 디퓨져(113)를 통과한 다음, 조명계(114)에 의해 색이 분리되고 분리된 색이 패널(115)에 조사된다.

패널(115)로 입사되는 광은 패널(115)의 영상 신호를 통해 영상을 표현하게 되고 투사광학계(116)에 의해 스크린(117)에 결상하여 화상을 볼 수 있게 된다.

상기와 같이 차세대 디스플레이로 단파장의 R, G, B 레이저(111)를 광원으로 이용한 시스템에서 가장 큰 문제로 대두되고 있는 것은 레이저빔 고유의 특성인 가간섭성으로 인해 스크린(117) 상에서 반짝거리는 섬광(scintillation)과얼룩(speckle) 등의 화질 저하 현상이다.

이러한 장치는 레이저빔을 디퓨저(113)에 통과시켜 빔을 퍼트려 레이저빔의 가간섭성을 줄여 섬광 및 얼룩 등을로 인한 화질저하는 막는 반면, 디퓨져(113)를 통과해 퍼진 빔으로 인한 광손실이 많아지게 되고, 이는 화면의 밝기를 감쇄시켜 광효율을 떨어뜨리는 문제가 있다.

따라서 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 레이저 디스플레이 시스템 내부에서 마이크로 렌즈를 이용하여 광의 손실을 최대로 줄이면서 스펙클을 효과적으로 저감시켜 밝고 선명한 화상을 제공하는 디스플레이 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

도1은 종래기술에 따른 레이저 디스플레이 장치 구성도이다.

도2는 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 장치의 개략도이다.

도3은 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 색분리 수단에 부착한 장치의 도면이다.

도4는 도2와 같은 레이저 디스플레이 장치를 보다 상세히 도시한 레이저 디스플레이 장치 구성도이다.

도5a 및 도5b는 각각 디퓨저와 마이크로 렌즈 어레이를 도시한 것이고, 도6a 및 도6b는 상기 디퓨저 및 마이크로 렌즈 어레이를 통과하는 빔의 경로를 도시한 것이며, 도7a 및 도7b는 상기 디퓨저 및 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 빔의 로드렌즈에 입사되는 경우의 빔의 경로를 도시한 것이다.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 광원 15, 16 : 렌즈계

20 : 회전 색분리 수단 30 : 디스플레이 패널

40 : 투사광학계 50 : 스크린

41 : R, G, B 레이저 43-1, 43-2, 43-3 : 렌즈

31 : 회전 색분리 수단 33 : 마이크로 렌즈 어레이

42 : 로드렌즈 45 : 디스플레이 패널

44 : 반사 미러 46 : 프리즘

47 : 투사렌즈

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치의 특징은 R, G, B 빔을 출력하는 R, G, B 레이저; 상기 R, G, B 빔을 합성한 백색빔을 R, G, B의 빔으로 순차적으로 분리하는 회전 색분리 수단; 상기 회전 색분리 수단의 후면에 위치하고 상기 레이저에서 나온 빔을 입사하여 포커싱하고, 소정 각도로 빔을 방사하는 다수개의 마이크로 렌즈 어레이; 상기 마이크로 렌즈 어레이로부터 방사된 빔을 입사하고 상기 광을 전반사시켜 레이저빔을 균일하게 섞는 로드렌즈; 상기 레이저빔을 타임 스케일링 방식으로 R, G, B 빔을 입력하고 영상신호에 따라 해당 영상을 출력하는 디스플레이 패널을 포함하여 이루어지는데 있다.

본 발명의 특징에 따른 작용은 초점거리가 짧은 마이크로 렌즈 어레이를 이용하여 로드렌즈를 광량 손실이 적은 마이크로 렌즈 어레이 근처에 위치시켜 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 빔이 외부로 퍼지지 않도록 로드렌즈에 입사함으로써 광의 손실을 줄일 수 있다.

또한 본 발명의 특징에 따른 작용은 마찬가지로 상기 마이크로 렌즈의 곡률을 크게하고 초점거리를 짧게 함으로써 회전 색분리 수단을 투과한 빔을 더 넓게 퍼지게 하여 로드렌즈에서 빔의 전반사율을 높여 빔의 가간섭성을 낮추어 섬광과 스펙클을 최소화하여 디스플레이 장치의 화질을 개선할 수 있다.

본 발명의 다른 목적, 특성 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 레이저 디스플레이 장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도2는 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 장치의 개략도로, 광원(10)과, 렌즈계(15, 16)와, 회전 색분리 수단(20)과, 디스플레이 패널(30)과, 투사광학계(40)와, 스크린(50)으로 구성된다.

상기 광원(10)으로 R, G, B 레이저를 이용하고, 상기 회전 색분리 수단(20)으로 컬러휠을 이용하고, 상기 디스플레이 패널(30)로 DMD 패널을 이용한다.

R, G, B 레이저에서 나온 레이저빔이 렌즈계(15)를 통해 합성되어 백색광원으로 만들어진 후 컬러휠을 통과한다.

컬러휠은 빠르게 돌면서 이 백색광을 R, G, B 광원으로 분해하고 후면에 도3에 도시한 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이(33)를 구비하여 백색광을 통과하도록 한다.

컬러휠을 통과한 이 레이저빔은 렌즈계(16)를 통해 DMD 패널에 타임 스케일 방식으로 R, G, B를 조사하고 영상 신호를 받은 DMD 패널을 순차적으로 조사되는 R, G, B 광원을 영상신호에 따라 온/오프 동작을 하면서 빔을 반사시킨다.

도4은 도2와 같은 레이저 디스플레이 장치를 보다 상세히 도시한 레이저 디스플레이 장치 구성도이다.

도4에 도시된 바와 같이 레이저 디스플레이 장치는 R, G, B 빔을 출력하는 R, G, B 레이저(41)와, 상기 R, G, B 빔을 합성한 백색빔을 R, G, B의 빔으로 순차적으로 분리하는 회전 색분리 수단(31)과, 상기 회전 색분리 수단(31)의 후면에 위치하고 상기 R, G, B 레이저(41)에서 나온 R, G, B빔을 입사하여 포커싱하고, 소정 각도로 빔을 방사하는 다수개의 마이크로 렌즈 어레이(33)와, 상기 마이크로 렌즈 어레이(33)로부터 방사된 R, G, B빔을 입사하고 빔을 전반사시켜 레이저빔을 균일하게 섞는 로드렌즈(42)와, 상기 R, G, B 레이저빔을 순차적으로 타임 스케일링 방식으로 입력하고 영상신호에 따라 해당 영상을 출력하는 디스플레이 패널(45)을 포함하여 이루어지는데 있다.

그리고, 상기 R, G, B 레이저(41) 뒤에 위치하고, R, G, B 레이저(41)로부터 출력되는 R, G, B 빔을 모아 상기 백색빔을 출력하는 렌즈(43-1)를 더 포함하여 구성된다.

상기 로드렌즈(42)로부터 출력된 빔을 모아주는 렌즈(43-2)와, 상기 로드렌즈(42)로부터 출력된 레이저빔의 경로를 꺽어주는 반사 미러(44)와, 상기 반사 미러(44)로부터 출력된 빔을 모아주는 렌즈(43-3)를 더 포함하여 구성된다.

그리고, 상기 디스플레이 패널(45)로부터 출력된 레이저빔을 전반사시키는 TIR 프리즘(46)을 더 포함하여 구성되고, 상기 전반사된 레이저빔을 투사하는 투사렌즈(47)와, 상기 출력된 레이저빔을 디스플레이 하는 스크린(미도시)을 포함하여 구성된다.

상기 회전 색분리 수단(20)으로 컬러휠을 이용하고, 상기 디스플레이 패널(30)로 DMD 패널을 이용한다.

상기와 같은 레이저 디스플레이 장치의 동작원리를 도4, 도5a 및 도5b, 및 도6a 및 도6b, 도7a 및 도7b를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도5a 및 도5b는 각각 디퓨저와 마이크로 렌즈 어레이를 도시한 것이고, 도6a 및 도6b는 상기 디퓨저 및 마이크로 렌즈 어레이를 통과하는 빔의 경로를 도시한 것이며, 도7a 및 도7b는 상기 디퓨저 및 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 빔의 로드렌즈에 입사되는 경우의 빔의 경로를 도시한 것이다.

먼저, R, G, B 레이저(41)에서 나온 빔은 렌즈(43-1)에 의해 하나의 백색광으로 모아지게 되고, 컬러휠이 빠르게 돌면서 이 백색광을 R, G, B로 순차적으로 빔을 분리해 낸다.

일반적으로 마이크로 렌즈 어레이(33)는 액정 프로젝터에서 실효 개구율 향상을 위하여 사용한다.

이 마이크로 렌즈 어레이(33)를 컬러휠 뒷면에 붙임으로써 로드렌즈(42)에입사하는 빔의 각도를 최대한 퍼지게 한다.

즉, 도6a 및 도6b에 도시한 바와 같이, 일반 디퓨저에 비해 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 빔의 각도가 크게 된다.

그리고 도6a 및 도7a에 도시한 바와 같이, 일반 디퓨저는 헤이즈(haze) 현상을 이용하여 빔을 랜덤하게 퍼트려 가간섭성을 제거하지만, 이 과정에서 디퓨저에 의해 빔이 많이 퍼져 로드렌즈(42)로 인사되는 광의 손실이 발생하게 되고, 로드렌즈(42)로 입사되는 빔의 각도가 작기 때문에 전반사가 거의 일어나지 않아 빔의 가간섭성이 낮아 스펙클이 발생한다.

반면에 도6b 및 도7b에 도시한 바와 같이, 마이크로 렌즈 어레이(33)는 일반 렌즈와 같은 역할을 하여 초점거리에서 포커싱하기 때문에 퍼지는 빔의 각도가 디퓨저보다 크게 된다.

따라서 마이크로 렌즈 어레이(33)의 초점거리와 근접한 위치에 로드렌즈(42)를 배치하면 레이저빔의 상당량이 로드렌즈(42)로 입사하게 되므로 광손실을 최대한 줄일 수 있고, 또한 디퓨저에서 나온 빔보다 훨씬 큰 각도를 갖고 로드렌즈(42)에 입사하게 된다.

즉, 마이크로 렌즈 어레이(33)는 기존의 디퓨저(diffuser)보다 빔을 퍼트려주는 역할을 더 크게 하여 마이크로 렌즈 어레이(33)를 통과하여 로드렌즈(42)에 입사하는 빔이 디퓨저보다 훨씬 큰 각도로 입사되므로 로드렌즈(42) 안에서 내부 전반사가 많이 이루어진다.

이에 따라 일반 디퓨저에서 나온 빔과 달리 더욱 균일하게 빔이 섞이게 되어레이저빔의 가간섭(coherence) 특성을 상쇄시켜 스펙클(speckle)을 크게 감쇄시킨다.

또한 디퓨저는 헤이즈(haze) 현상을 이용한 것으로 빛이 투과하면서 광량 손실이 많은 반면 마이크로 렌즈는 글레스이기 때문에 광량 손실이 훨씬 적다.

진술한 마이크로 렌즈 어레이(33)와 로드렌즈(42)를 이용한 광학계는 기존의 디퓨저를 사용한 방식과 달리 광량 손실을 적게 하면서 스펙클을 획기적으로 줄여 깨끗한 화질을 구현한다.

상기와 같이 로드렌즈(42)를 통과하여 균일하게 된 빔은 큰 각도로 퍼지게 된다.

이것을 렌즈(43-2)를 사용하여 모으고, 모인 빛은 반사 미러(44)에 디스플레이 패널(45)에 입사된다.

디스플레이 패널(45)로 예를 들면, DMD 패널을 이용하는 경우, DMD 패널에 타임 스케일링(time scaling) 방식으로 순차적으로 R, G, B를 조사하고, DMD 패널은 순차적으로 조사되는 R, G, B 광원을 영상신호에 따라 온/오프 동작을 하면서 빔을 반사시킨다.

그리고 DMD 패널의 온/오프 동작에 의해 나온 빔이 TIR 프리즘(46)에 전반사되고 투사렌즈(47)에 의해 확대되어 스크린에 화면을 결상시킨다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 장치는 다음과 같은 효과가 있다.

레이저 디스플레이 장치에서, 기존에 디퓨저를 구동하기 위한 별도의 모터를 사용할 필요가 없이, 일반적인 액정 프로젝터에서 실효 개구율 향상을 위하여 사용되는 마이크로 렌즈 어레이를 컬러휠 방식의 DLP 세트에 응용하여 컬러휠 뒷면에 상기 마이크로 렌즈 어레이를 부착함으로서 시스템을 간편하게 한다.

또한 디퓨저의 최대 약점인 광손실 측면에서 마이크로 렌즈 어레이는 광손실이 적고, 로드렌즈에 입사하는 광의 입사각도를 크게하여 로드렌즈 안에서 레이저빔의 전반사 횟수를 증가시켜서 레이저빔의 가간섭 특성을 크게 줄여 스펙클을 효과적으로 제거하여 화질을 개선한다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 이탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (10)

1. R, G, B 빔을 출력하는 R, G, B 레이저;

   상기 R, G, B 빔을 합성한 백색빔을 R, G, B의 빔으로 순차적으로 분리하는 회전 색분리 수단;

   상기 회전 색분리 수단의 후면에 위치하고 상기 레이저에서 나온 빔을 입사하여 포커싱하고, 소정 각도로 빔을 방사하는 다수개의 마이크로 렌즈 어레이;

   상기 마이크로 렌즈 어레이로부터 방사된 빔을 입사하고 상기 광을 전반사시켜 레이저빔을 균일하게 섞는 로드렌즈;

   상기 레이저빔을 타임 스케일링 방식으로 R, G, B 빔을 입력하고 영상신호에 따라 해당 영상을 출력하는 디스플레이 패널을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 R, G, B 레이저 뒤에 위치하고, R, G, B 레이저로부터 출력되는 R, G, B 빔을 모아 상기 백색빔을 출력하는 결상렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 로드렌즈로부터 출력된 빔을 모아주는 렌즈계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 로드렌즈로부터 출력된 레이저빔의 경로를 꺽어주는 반사 미러를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 반사 미러로부터 출력된 빔을 모아주는 렌즈계를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 디스플레이 패널로부터 출력된 레이저빔을 전반사시키는 프리즘을 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 전반사된 레이저빔을 투사하는 투사렌즈를 더 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 로드렌즈로부터 출력된 레이저빔을 디스플레이 하는 스크린을 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치.
9. 제1항에 있어서, 상기 디스플레이 패널은 레이저빔을 타임 스케일링 방식으로 R, G, B 빔을 입력하고 영상신호에 따라 온/오프 조절하며 레이저빔을 반사시키는 DMD 패널을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치.
10. 제1항에 있어서, 상기 회전 색분리 수단은 컬러휠을 포함하는 것을 특징으로 하는 마이크로 렌즈 어레이를 이용한 레이저 디스플레이 장치.