KR100424766B1 - 영상 투사 장치 - Google Patents

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Abstract

영상 투사 장치가 개시된다. 광분리부는 광원에서 방출된 백색광을 서로 다른 파장을 갖는 R·G·B 단색광으로 분리한 후, 단색광에 대한 색띠를 형성한다. 갈바노미터는 분리된 단색광을 입력받아 소정의 각도로 반사시킨다. 광분리부는 회절격자, 홀로그램소자와 같은 홀로그래픽 광학 소자(Holograpic Optical Element : HOE)를 이용하여 손실되는 광량을 줄일 수 있다. 또한, 갈바노미터를 이용하여 분리된 R·G·B 단색광을 DMD 패널에 스캐닝할 때, 초기 상태는 복수의 색띠 중 하나의 색띠만 DMD 패널에 입사하도록 투사함으로써 광이용 효율을 향상시킬 수 있다. 이로 인해, 광량이 증가하여 광이용 효율이 향상됨으로써 구현되는 영상의 휘도는 개선된다.

Description

영상 투사 장치 {Apparatus for projection image}
본 발명은 영상 투사 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 홀로그램 소자(Holographic Optical Element)에서 분리된 각각의 R·G·B 빔을 갈바노미터(Galvanometer)를 이용하여 스크린에 투사하는 영상 투사 장치에 관한 것이다.
프로젝터(projector), 프로젝션 시스템(Projection System) 등은 입력받은 영상신호를 스크린에 투영시켜 화상을 보여주는 디스플레이 장치이다. 이러한 디스플레이 장치는 주로 회의실의 프리젠테이션, 극장의 영사기, 가정의 홈시어터 구현시 이용된다. 최근의 프로젝터는 액정표시소자(Liquid Crystal Display : LCD)가 대부분이며, 음극선관(Cathode Ray Tube : CRT)이 사용되기도 한다.
종래에는 대형화면을 구현하기 위해 LCD 및 CRT에 나타나는 영상을 렌즈로 확대한 후, 스크린에 투사하는 방법을 사용하였다. 그러나 이런 방법은 단지 영상만 확대될 뿐 선명한 화질을 제공하지 못 한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 현재는 DMD(Digital Micromirro Device) 패널, 레이저 등을 이용한 투사 영상 장치가 이용되고 있다.
DMD는 해상도에 따라 상응하는 수만큼의 마이크로미러를 가지고 있다. 이 마이크로미러는 입력되는 신호에 따라 빛의 반사를 제어한다. DMD란 간단히 말해 미세구동거울을 이용한 반도체 광스위치이다. DMD는 디지털 방식이므로 색 재현성이 좋으며 명암비가 높다. 또한, DMD는 편광필터에 의해 발생하는 빛의 손실이 없기 때문에 매우 높은 광출력을 얻을 수 있다.
한편, 레이저는 단색성, 지향성 및 집광성이 좋으며, 휘도가 높아 프로젝터에는 유용한 광원이라 할 수 있다. 따라서, 레이저에 의해 영상정보를 전송하면 대형화면에서도 고휘도·고선명한 영상을 출력할 수 있다.
도 1은 종래의 칼라휠을 이용한 투사형 영상 장치의 기본적인 구성을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 종래의 칼라휠을 이용한 투사형 영상 장치(100)는 광원(110), 칼라휠(120), DMD 패널(130) 및 투사렌즈(140)를 갖는다. 도 1에서 백색광의 광경로는 일점쇄선으로 나타낸다. 광원(110)은 아크(arc) 램프, 또는 레이저 등이 이용되며 백색광을 방출한다. 칼라휠(120)은 회전수단에 의해 회전하며(화살표 방향으로 도시됨), R(red)·G(green)·B(blue) 영역으로 구분되어 있다. 광원(110)에서 방출된 백색광은 칼라휠(120)의 R·G·B 영역에 의해 R·G·B 빔으로 구분된다. DMD 패널(130)은 다수의 마이크로미러(130a)로 이루어져 있다. 파장별로 구분된 R·G·B 빔은 DMD 패널(130)로 투사되어 마이크로미러(130a)에서 반사된다. 반사된 각각의 R·G·B 빔은 투사렌즈(140)를 투과하여 스크린(screen)에 영상을 구현한다.
이러한 투사형 영상 장치는 개별적으로 구동되는 마이크로미러에 의해, 분리된 R·G·B 빔에 대한 응답속도를 신속히 처리할 수 있다. 즉, 장치의 구성을 간단히 하면서 양질의 칼라 영상을 구현할 수 있다. 그러나, 칼라휠과 같은 칼라필터를 사용하는 경우, R 빔에 대해서는 R 영역의 칼라필터가 배치되지만, 이 때 G·B 빔은 흡수 또는 반사된다. 이는 G·B 빔에 대응하는 G·B 칼라필터에서도 동일하다. 따라서, 칼라필터방식에서는 입사하는 백색광의 1/3만큼만 사용할 수 있으며, 이로 인해 영상의 휘도도 1/3로 저하된다.
다시 말하면, 칼라화를 이루기 위해 칼라휠을 사용하는 경우, 광원으로부터 방출된 백색광이 칼라휠을 투과하면서 광량이 저감되어 광효율이 낮아지며, 구현 영상의 휘도를 극대화하기 어렵다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 홀로그램소자에서 분리된 단색광을 갈바노미터로 스캐닝하여 영상을 구현하는 영상 투사 장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 칼라휠을 이용한 투사형 영상 장치의 기본적인 구성을 도시한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 영상 투사 장치의 일 실시예에 대해 기본적인 구성을 도시한 도면,
도 3a 내지 도 3f는 본 발명에 따른 갈바노미터의 스캐닝 방법의 실시예를 설명하기 위한 도면,
도 4는 본 발명에 따른 DMD 패널에 화면 1 및 화면 2가 구현되는 방법을 설명하기 위한 도면,
도 5는 본 발명에 따른 그레이스케일(grayscale)을 결정하기 위한 실시예를 도시한 도면, 그리고,
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 광이용 효율을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
200 : 영상 투사 장치 210 : 광원
220 : 광분리부 222 : 면광원화부
224 : 선광원화부 226 : 색분리부
230 : 갈바노미터 232 : 반사경
234 : 구동부 240, 610 : DMD 패널
250 : 투사렌즈부
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 영상 투사 장치는, 백색광을 방출하는 광원; 상기 백색광을 서로 다른 파장을 갖는 단색광으로 분리하여 복수의 단색색띠를 형성하는 광분리부; 복수의 상기 단색색띠를 소정의 각도로 반사시키는 갈바노미터(Galvanometer); 반사된 상기 단색색띠를 입력받아 변조하여 소정의 각도로 반사시키는 디지털 마이크로미러(Digital Micromirror Device : DMD) 패널; 및 상기 패널에 대향하여 설치된 투사렌즈부;를 포함한다.
보다 상세하게는, 상기 광분리부는, 상기 백색광을 균일하게 면광원화하는 면광원화부; 면광원화된 상기 백색광을 선광원화하여 선광원을 생성하는 선광원화부; 및 생성된 상기 선광원을 단색광으로 분리하여 복수의 상개 단색색띠를 형성하는 색분리부;를 포함한다.
상기 선광원화부는 상기 면광원을 선광원화하는 실린드리컬 렌즈(Cylinderical lens)이며, 상기 색분리부는 상기 선광원을 적·녹·청색띠로 분리하는 홀로그램 소자(Holographic Optical Element)이다.
나아가, 상기 갈바노미터는, 하나의 반사면을 갖는 반사경; 및 상기 반사경이 적어도 하나 이상의 상기 단색색띠를 상기 DMD 패널의 상단으로 투사하도록 하는 제1위치 및 적어도 하나 이상의 상기 단색색띠를 상기 DMD 패널의 하단으로 투사하도록 하는 제2위치 사이에서 유동하도록 구동하는 구동부;를 갖는다.
상기 반사경은 상기 구동부에 의해 상기 제1위치 및 상기 제2위치 사이를 적어도 한 번 이상 왕복하며, 상기 제1위치에서 상기 제2위치로 유동시 다운 스캐닝 화면을 구현하며, 상기 제2위치에서 상기 제1위치로 유동시 업 스캐닝 화면을 구현한다. 상기 투사렌즈부는 상기 패널로부터 입사된 상기 광선을 결상하여 디스플레이 장치에 투사한다.
본 발명에 따른 영상 투사 장치를 이용함으로써, 광량이 증가하여 광효율이 높아지며, 구현 영상의 휘도를 극대화할 수 있다.
이하에서, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명에 따른 영상 투사 장치에 대하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 영상 투사 장치의 일 실시예에 대해 기본적인 구성을 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 영상 투사 장치(200)는, 광원(210), 광분리부(220), 갈바노미터(230), DMD 패널(240) 및 투사렌즈부(250)를 갖는다.
광원(210)은 적·녹·청색을 포함하는 백색광 또는 레이저 빔을 방출한다. 예를 들면, 광원(210)에는 레이저(laser), 메탈할라이드 램프(Metal Halide Lamp), 할로겐 램프(Halogen Lamp) 및 크세논 램프(Xenon lamp) 등이 이용된다.
광분리부(220)는 면광원화부(222), 선광원화부(224) 및 색분리부(226)를 갖는다. 면광원화부(222)는 입사된 백색광을 균일하게 면광원화하며, 실예로 라이트 튜브(222)를 이용한다. 라이트 튜브(222)는 육면체 형상이며 내부는 통공이다. 라이트 튜브(222)의 내부 4면은 거울로 이루어져 있다. 백색광은 통공인 라이트 튜브의 내부로 입사된다. 면광원화된 백색광은 사각형의 모양으로 출사된다.
선광원화부(224)는 면광원화된 사각형의 백색광을 선광원화한다. 선광원화부(224)는 주로 반원통형의 실린드리컬 렌즈(Cylinderical Lens)(224)가 사용된다.
색분리부(226)는 실린드리컬 렌즈(224)로부터 출사된 선광원을 서로 다른 파장을 갖는 R·G·B 단색광으로 분리하여 출사한다. 도 2에서 분리된 R 단색광은 일점쇄선, G 단색광은 이점쇄선 및 B 단색광의 광경로는 삼점쇄선으로 도시한다. 분리된 R·G·B 단색광은 갈바노미터(230)에 R·G·B 단색색띠(이하 '색띠'라 칭함)로 생성된다. 도 2에서 R 단색색띠는 사선, G 단색색띠는 격자무늬, B 단색색띠는 점선으로 도시한다. 색분리부(226)에는 홀로그램소자(Hologram Element) 또는 회절격자소자(Grating Element)가 이용된다. 광학에 이용되는 홀로그램소자는 홀로그래픽 광학 소자(Holograpic Optical Element : HOE)라고 한다. 이하 색분리부(226)는 HOE(226)라고 칭한다.
HOE(226)는 기존의 회절격자, 렌즈, 거울 및 광학필터를 홀로그래피 기술을 사용하여 제작한다. 이로 인해, HOE(226)는 대량생산이 가능하여 가격이 저렴하며 하나의 소자로 여러 가지 기능을 동시에 할 수 있다는 독특한 특성으로 많은 분야에 응용된다. 일반적으로 HOE(226)는 좁은 파장대역폭 또는 레이저, LED 등과 같은 단색광을 광원으로 사용하는 광학계에서 회절격자, 렌즈, 거울 및 광학필터에 대치해서 사용된다.
갈바노미터(Galvanometer)(230)는 생성된 R·G·B 색띠를 반사시켜 DMD 패널(240)에 순차적으로 스캐닝한다. 갈바노미터(Galvanometer)(230)는 반사경(232) 및 구동부(234)를 갖는다. 반사경(232)은 1cm 내지 2cm 크기의 갈바노 미러이다. 반사경(232)은 구동부(234)에 의해 R·G·B 색띠가운데 하나 이상의 색띠를 DMD 패널(240)의 상단으로 투사하도록 하는 제1위치 및 적어도 하나의 색띠를 DMD 패널(240)의 하단으로 투사하도록 하는 제2위치 사이에서 유동한다. 즉, 반사경(232)은 구동부(234)의 자기력에 의해 제1위치 및 제2위치 이로 움직이면서 R·G·B 색띠에 대한 단색광을 반사시킨다.
DMD 패널(240)은 갈바노미터(230)로부터 반사된 R·G·B 단색광을 영상신호로 변조하여 반사시킨다. 투사렌즈부(250)는 반사된 레이저 빔을 차례대로 투사하여 스크린(screen)에 화상을 구현한다.
본 발명에 대한 다른 실시예로 DMD 패널을 대신하여 LCD도 사용 가능하다. DMD 패널은 반사형 패널인 반면, LCD 패널은 투과형 패널이다. LCD 패널을 사용하게 되는 경우 투사렌즈 및 스크린의 위치는 변한다. 반사형 패널의 경우 투사렌즈 의 위치는 도 2에 도시된 바와 같다. 그러나, 투과형 패널의 경우 투사렌즈의 위치는 광입사방향의 반대 방향에 위치한다.
도 3a 내지 도 3f는 갈바노미터(230)의 스캐닝 방법의 실시예를 설명하기 위한 도면, 도 4는 DMD 패널(240)에 화면 1 및 화면 2가 구현되는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a 내지 도 3f 및 도 4를 참조하면, 갈바노미터(230)는 초기 스캐닝시 R·G·B 색띠 중 하나의 색띠를 DMD 패널(240)에 투사하며, 분리된 R·G·B 색띠를 소정의 순서에 의해 DMD 패널(240)에 스캐닝한다. 예를 들어, 초기 스캐닝시 R 색띠가 DMD 패널(240)에 입사된 경우, R 색띠가 소정의 시간동안 디스플레이되면(도 3a), 갈바노미터(230)는 구동부(234)의 구동신호에 의해 G 색띠를 스캐닝한다. 스캐닝된 G 색띠가 G 색띠의 폭만큼 디스플레이되면(도 3b), 갈바노미터(230)는 B 색띠를 스캐닝한다. 스캐닝된 B 색띠는 B 색띠의 폭만큼 디스플레이된다(도 3c).
갈바노미터(230)가 도 3a 내지 도 3f의 단계를 거쳐 위에서 아래로 한 번 움직이면(down scanning) 한 화면이 완성된다(도 3f). 즉, 갈바노미터(230)가 소정의 순서에 의해 R·G·B 색띠를 한 번 이상 DMD 패널(240)의 위에서 아래로 스캐닝하면 다운 스캐닝 화면이 구현된다. 이 때, DMD 패널(240)에는 한 개 이상의 R·G·B색띠가 스캐닝된다. R·G·B 순서로 R·G·B 색띠가 스캐닝되는 경우, 미리 입사된 R 색띠가 R 색띠의 폭만큼 DMD 패널(240)에 구현되는 데 소요되는 시간은 도 4에서와 같이 T1이다. 시간 T1이 지난 후 갈바노미터(230)의 구동부(234)는 선형구동신호를 보내어 DMD 패널(240)의 위에서 아래로 R·G·B 색띠를 스캐닝한다. DMD 패널(240)에 R·G·B 색띠가 각각 한 번씩 스캐닝되는 경우, B 색띠가 스캐닝된 후 갈바노미터(230)는 작동을 멈추며, T2시간동안 B 색띠가 B 색띠의 폭만큼 디스플레이되면 다운 스캐닝된 화면 1은 종료된다(도 3f).
반대로, 갈바노미터(230)가 아래에서 위로 한 번 움직여도(up scanning) 한 화면이 완성된다. 즉, 갈바노미터(230)가 R·G·B 색띠를 소정의 순서에 의해 한 번 이상 DMD 패널(240)의 아래에서 위로 스캐닝하면 업 스캐닝 화면이 구현된다. 화면 1에서 마지막으로 구현된 B 색띠가 B 색띠의 폭만큼 구현되는 데 소용되는 시간은 T3이다. 시간 T3이 지난 후 갈바노미터(230)의 구동부(234)는 선형구동신호를 보내어 DMD 패널(240)의 아래에서 위로 R·G·B 색띠를 스캐닝한다. DMD 패널(240)에 R·G·B 색띠가 각각 한 번씩 스캐닝되는 경우, R 색띠가 스캐닝된 후 갈바노미터(230)는 작동을 멈추며, T4시간동안 R 색띠가 R 색띠의 폭만큼 디스플레이되면 업 스캐닝된 화면 2는 종료된다. 갈바노미터(230)는 1초에 30회 왕복하므로 1초에 60장의 영상을 구현한다.
도 5는 본 발명에 따른 그레이스케일(grayscale)을 결정하기 위한 실시예를 도시한 도면이다.
그레이스케일은 R·G·B 단색광을 회색의 이미지로 변경하는 것을 말한다. 이때 R·G·B 단색광은 그 색상이 가지고 있는 명암에 맞추어 같은 밝기의 회색으로 바뀌게 된다. R·G·B 각각이 8bit 그레이스케일을 가지면, 256개의 컬러를 표시할 수 있다. 도 5를 참조하면, 각각의 R·G·B 단색광, 즉, R 색띠의 폭만큼 DMD 패널(240)에 구현하는 데 걸리는 시간 T를 분할하여 각각의 단계에 맞는 그레이스케일을 결정하면 된다. 각각의 R·G·B 단색광에 대한 색띠폭이 동일하면 화면의 열화는 가장 적게 된다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명에 따른 광이용 효율을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 6a 및 도 6b를 참조하면, H는 DMD 패널(610)의 세로축 길이, h는 R·G·B 단색광으로 구성된 색띠의 세로축 길이이다. DMD 패널(610)에 R·G·B 색띠가 각각 한 번씩 스캐닝되면 N = 1이다. 여기서 N은 R·G·B 단색광으로 구성된 색띠가 DMD 패널(610)의 세로축에 들어갈 수 있는 개수를 말한다. 즉, N = H / h이다. Ntotal은 완전한 한 화면을 구성하기 위해 필요한 R·G·B 색띠의 실제 개수를 말한다. 도 3a 내지 도 3f를 참조하면, Ntotal은 N 이외에 B1 + G1 + R1에 의한 하나의 R·G·B 색띠 및 B2 + G2 + R2에 의한 하나의 R·G·B 색띠를 필요로 한다. 즉, Ntotal= N + 2이다.
한 화면에서의 R·G·B 단색광의 이용 효율 F는 수학식 1에 의해 얻어진다.
예를 들어, N = 1이면, F = 1 - 2 / (1+2) = 1/3이 된다. 이는 종래의 R·G·B 단색광을 순차적으로 선택하여 처리하는 칼라필터 방식과 같은 광효율을 갖는다. N = 4이면, F = 1 - 2 / (4+2) = 2/3가 되나. 이는 N=1일 때에 비해 2배 높은 광이용 효율을 갖는다. 또한, N = 98이면, F=1-2(98+2)=0.98의 광이용 효율을 갖게 된다. 즉, N ≥2이며, N의 개수가 많을수록 광이용 효율은 개선된다.
본 발명에 따른 영상 투사 장치에 의하면, 홀로그래픽 광학 소자(Holograpic Optical Element : HOE)를 이용함으로써 백색광을 서로 다른 파장을 갖는 R·G·B 단색광으로 분리하는 경우 손실되는 광량을 줄일 수 있다. 또한, 분리된 R·G·B 단색광에 대한 각각의 색띠를 형성하고, 갈바노미터를 이용하여 DMD 패널에 스캐닝할 때, 초기 상태는 복수의 색띠 중 하나의 색띠만 DMD 패널에 입사하도록 투사함으로써 광이용 효율을 향상시킬 수 있다. 이로 인해, 광량이 증가하여 광효율이 향상됨으로써 구현되는 영상의 휘도를 개선할 수 있다.
이상에서 대표적인 실시예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시예애 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 국하되어 정해져서는안 되며, 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (7)

  1. 백색광을 방출하는 광원;
    상기 백색광을 균일하게 면광원화하는 면광원화부;
    면광원화된 상기 백색광을 선광원화하여 선광원을 생성하는 선광원화부;
    생성된 상기 선광원을 단색광으로 분리하여 복수의 상기 단색색띠를 형성하는 색분리부;
    복수의 상기 단색색띠를 소정의 각도로 반사시키는 갈바노미터(Galvanometer);
    반사된 상기 단색색띠를 입력받아 변조하여 소정의 각도로 반사시키는 디지털 마이크로미러(Digital Micromirror Device : DMD) 패널; 및
    상기 패널에 대향하여 설치된 투사렌즈부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 투사 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 면광원화부는 상기 백색광을 사각빔으로 면광원화하는 라이트 튜브인 것을 특징으로 하는 영상 투사 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 선광원화부는 실린드리컬 렌즈(Cylinderical lens)인 것을 특징으로 하는 영상 투사 장치.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 색분리부는 상기 선광원을 적·녹·청색띠로 분리하는 홀로그램 소자(Holographic Optical Element)인 것을 특징으로 하는 영상 투사 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 갈바노미터는,
    하나의 반사면을 갖는 반사경; 및
    상기 반사경이 적어도 하나의 상기 단색색띠를 상기 DMD 패널의 상단으로 투사하도록 하는 제1위치 및 적어도 하나의 상기 단색색띠를 상기 DMD 패널의 하단으로 투사하도록 하는 제2위치 사이에서 유동하도록 구동하는 구동부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 영상 투사 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 반사경은 상기 구동부에 의해 상기 제1위치 및 상기 제2위치 사이를 적어도 한 번 왕복하며, 상기 제1위치에서 상기 제2위치로 유동시 다운 스캐닝 화면을 구현하며, 상기 제2위치에서 상기 제1위치로 유동시 업 스캐닝 화면을 구현하는 것을 특징으로 하는 영상 투사 장치.
  7. 삭제
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