KR100432349B1 - 단일 패널 칼라 투사 비디오 디스플레이용 광학주사 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

복수의 칼라 성분을 갖는 이미지를 투사하기 위한 단일 패널 투사기용 방법 및 장치는, 빛을 복수의 방향으로 편향시키기 위한 장치와, 상기 편향장치에 의해 편향된 빛을 수광하는 광 패널을 구비한다. 상기 편향장치는 불균일한 두께를 갖는 투명한 광학 매체를 포함하는데, 광 비임은 상기 매체의 중앙 개구를 통해 입사하여, 상기 매체의 측면에 따른 영역에서 벗어난다.

Description

단일 패널 칼라 투사 비디오 디스플레이용 광학주사 방법 및 장치

(발명의 배경기술)

발명의 분야

본 발명은 일반적으로 광학주사 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 단일 광 패널(밸브)의 표면을 가로질러 복수(예를 들어, 3가지)의 칼라바(color bar)를 순차 주사하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

관련기술의 설명

전형적인 칼라 투사 디스플레이 텔레비전 수상기에서는, 개별적인 적색, 녹색 및 청색 텔레비전 화면을 투사하기 위해 적색, 녹색 및 청색의 인광체를 각각 갖는 3개의 분리된 음극선관(CRT)이 사용되고 있다. 이들 3가지 CRT 화면은 투사 렌즈에 의해 하나의 표시 스크린 상에 투사된다. 이에 따라, 적색, 녹색 및 청색의 텔레비전 화면은 스크린 상에 중첩되어 하나의 투사된 칼라 텔레비전 화면을 형성한다.

"3-밸브 광 패널 칼라 투사 디스플레이(three-valve light panel colour projection display)"로 불리는 또 다른 종래의 칼라 투사 디스플레이 시스템에서는, 3개의 CRT 대신에 3개의 광 밸브(light valve)가 사용된다. 백색광은 3가지 주 칼라(적, 녹, 청) 중 하나를 갖는 3개의 비임으로 분할된 후, 3개의 비임이 하나의 투사된 이미지로 재결합되기 이전에, 그들 각각은 3개의 광 밸브 중 하나에 의해 변조된다. 통상적으로, 상기 광 밸브 패널은 박막 트랜지스터(TFT) 어레이 액정표시(LCD) 패널이다. 그러나, 상기한 3-밸브 광 패널은 고가이며, 복잡한 광 경로를 갖는다.

본 발명의 출원인에게 양도되고 참조를 위해 본 명세서에 통합된, 예를 들어 미국 특허 US-A 5,532,763호에 기술된 것과 같은 종래의 3번째 시스템에 있어서는, 빛의 적색, 녹색 및 청색 대역을 주사하기 위해 회전 프리즘을 채용한 하나의 광 밸브 패널이 개발된 바 있다.

상기한 종래의 투사기 시스템에 있어서는, 상기한 광선속을 광 밸브 장치를 가로질러 투사하기 위해 그들 본래의 축으로부터 3가지 광선속의 편향을 달성하는데 회전 프리즘을 사용하고, 그것의 화소는 개별적인 칼라의 통과하는 광선속에 대해 적당한 화상 정보(적색, 녹색 또는 청색)로 프로그램된다. 인간의 눈은 이와 같이 3가지의 분리된 이미지의 "칼라 순차" 디스플레이를 "하나의" 이미지로 통합한다.

그러나, 상기한 종래의 프리즘 접근법은 2가지 중요한 단점을 갖는다. 첫째로, 출력 광선속의 주사 동작이 비선형적인 반면에, 상기 광 밸브는 주사 광 대역의 일정한 속도를 필요로 한다. 이러한 부조화 때문에, 전체 주사 영역보다 작은 영역이 사용되어, 큰 과잉주사(overscan)를 유발하고, 이에 따라 빛의 손실을 유발하게 된다. 따라서, 시스템의 효율이 열화되며, 선형 주사를 얻기 어렵다.

둘째로, 상기 프리즘에 사용되는 유리는 상대적으로 높은 굴절률을 지녀, 재료에 대한 비용이 증가된다.

결국, 본 발명의 목적은 종래의 투사기 시스템 및 방법에 대한 상기한 문제점을 극복하기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 광 밸브 장치를 가로질러 광선속을 주사하기 위해 복수(에를 들어 3개)의 광선속을 그들 본래의 축으로부터 편향시키는데 회전 프리즘을 사용하지 않는 단일 패널 투사장치용 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 큰 과잉주사 및 빛 손실을 방지하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 더욱 다른 목적은 상대적으로 저 비용의 시스템을 제공함에 있다.

본 발명의 일면에 따르면, 복수의 칼라 성분을 갖는 이미지를 투사하기 위해, 단일 패널 투사기에서 사용하기 위한 주사방법 및 장치가 제공되는데, 상기한 단일 패널 주사기는, 빛을 복수의 방향으로 편향시키기 위한 장치와, 상기 편향장치에 의해 편향된 빛을 수광하는 광 패널을 구비한다. 상기 편향장치는 불균일한 두께를 갖는 투명한 광학 매체를 포함하는데, 광 비임은 상기 매체의 중앙 개구를 통해 입사하여, 상기 매체의 측면에 따른 영역에서 벗어난다.

따라서, 본 발명의 구조 및 방법에 있어서는, 종래의 회전 프리즘을 사용하는 대신에, 본 발명은 변화하는 두께를 갖는 투명한 광학 매체를 사용하며, 비임은 상기 매체의 중앙 개구를 통해 입사하여 상기 매체의 측면에 따른 여러 지점에서 벗어난다. 바람직하게는, 상기 매체는 원통형, 계란형 또는 나선형을 갖지만, 설계자의 필요에 부합하는데 적합한 임의의 형태를 가질 수 있다.

이 결과, 큰 과잉주사와 빛의 손실이 방지된다. 더우기, 상기 시스템은 종래의 프리즘에 기초한 편향 시스템과는 대조적으로 상대적으로 저가로 제조할 수 있다.

또 다른 이점은, 상기 투명한 광학 매체용 재질은 유리일 필요는 없고, 일반적으로 입수가능한 플라스틱 등이 될 수 있어, 주사 영역을 증가시키기 위해 투명한 광학 매체를 설계함에 있어서 높은 자유도가 존재한다는 것이다.

더구나, 상기 광학 매체는 광학 시스템에 부합되도록 용이하고도 유리하게 형상화될 수 있어, 시스템의 광 경로에 있어서의 또 다른 비선형성을 보상할 수 있다.

상기한 것과 기타 목적, 국면 및 장점은 다음의 첨부도면을 참조하여 이하 설명되는 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 상세한 설명으로부터 보다 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 기본 원리를 나타낸 것으로, 특히 광선속이 통과하는 광학 매체(1)를 나타낸 것이다.

도 2는 본 발명에 따른 편향기(2)의 단면도 및 측면도를 나타낸 것이다.

도 3은 소정 각도 α로 중앙 개구를 통해 본체에 입사하는 광선속을 나타낸 것이다.

도 4a, 도 4b 및 도 4c는 개별적인 주사 패턴(6, 7, 8)과 편향기(9, 10, 11)의 단면을 각각 나타낸 것이다.

도 5a 및 도 5b는 편향기(15)의 측면과 단면을 각각 나타내고, 본 발명에 따른 3개의 광 비임의 편향을 나타낸 것으로, 특히 상기 편향기의 외경의 변화와 3가지 광 비임의 편향량과의 관계를 나타낸 것이다.

도 6은 본 발명에 따른 편향기를 채용한 광 경로 배치의 개략도이다.

이하, 첨부도면, 특히 도 1을 참조하면, 본 발명이 근거로 하는 물리학적 원리가 도시되어 있다.

전술한 것과 같이, 전형적인 단일 패날 광 밸브 투사기 시스템에 있어서는, 회전 프리즘이 일반적으로 사용된다. 비록, 단일 패널 투사기에 있어서 주사방법은 통상적으로 사용되는 회전 프리즘과 관계가 있지만, 본 발명은, 회전 프리즘 대신에, 비임이 원통형 매체의 중앙 개구를 통해 입사되어 상기 매체의 측면에 따른 여러 지점에서 벗어나는, 변화하는 두께를 갖는 투명한 광학 매체를 사용한다. 바람직하게는, 상기 매체는 원통형, 계란형 또는 나선형을 갖는다.

도 1은 본 발명의 기본 원리를 나타낸 것이다. 특히, 본 발명은 (예를 들어, 유리 등으로 형성된) 2개의 평행한 전이면(transition surface)을 갖는 광학 매체(1)를 통과한 광선속은 그것의 방향이 변화하지 않는다는 사실에 근거하고 있다. 그 대신에, 상기 광선속은, 재질의 두께 d, 그것의 굴절률 n 및 입사각 a의 함수인 평행한 오프셋(offset) s로 상기 매체(1)를 벗어난다. 특히, s의 변화값은 다음과 같다.

상기 방정식은 s의 변화가 d에 직접적으로 비례한다는 것을 명확히 나타내고 있다. 따라서, 변화하는 s를 얻는 방법은 상기 두께 d를 조절된 방식으로 변화시키는 것이다. 한가지 적절한 배치는, 예를 들어 다음과 같은 특성을 갖는 유리제의 물체(이하, "편향기"라 칭한다)를 사용하는 것이다(선형 편향에 대해서는 후술하는 도 2를 참고하라). 유리 대신에, 일반적으로 입수가능한 투명한 플라스틱도 사용할 수 있다.

본 발명의 구조 및 방법의 상세내용을 설명하면, 도 2∼도 4c는, 예를 들어 투사 텔레비젼 시스템에 사용하기 위한 주사장치(2)[예를 들어, 편향기(2)]에 대한 도면이다. 상기 주사장치는 광 비임이 예를 들면 광 밸브를 주사하도록(예를 들어, 광 밸브를 "가로질러 움직이도록") 하나 또는 그 이상의 광 비임(들)을 그것의/그들의 개별적인 축에 평행하게 편향시키기 위한 것이다. 결과적으로 얻어지는 주사 동작은 선형적이거나 비선형적일 수 있다.

먼저, 상기 편향기(2)의 단면은 바람직하게는 중앙부에 원형 관통공을 구비한 원통형, 계란형 또는 나선형으로 형성되고, 그것의 치수는 r(o) 및 r(i) 로서 각각 정의된다. 상기 편향기의 기본 기능이 손상되지 않는 한, 높이 h는 중요하지 않다. 따라서, 상기 주사장치는 설계자의 제약 및 요구조건에 따라 치수가 변경가능하다. r(i) 는 상수인 반면에, r(o) 는 회전각의 함수이다. r(o) 를 기술하는 수학 함수는 선형, 비선형, 주기, 단조, 불연속 등의 함수일 수 있다.

상기 편향기 재질의 굴절률은, 비록 더 큰 수치가 더 작은 전체 치수를 생기게 하므로 더 바람직하기는 하지만, 1.0보다 큰 임의의 수치가 될 수 있다. 상기 편향기는 설계자의 요구조건 및 제약에 따라 임의의 두께를 가질 수 있다. 그러나, 일반적으로 전체적인 시스템의 광 경로와 전체 치수 사이에는 균형이 존재하며, 굴절률이 작을수록 빛의 처리량은 높아진다.

도 3에 도시된 것 같이, 각도 a로 중앙 개구를 통해 본체(4)에 입사된 광선속(3)은 편향(5)을 겪는다. 편향된 양(5)은 편향기의 유효 두께에 의존하는 한편, 그것의 회전각에 의해 정의된다.

상기 광선속(3)을 고정된 위치로 유지하고 상기 편향기를 회전시키면, 광선 속의 주기적인 편향이 일어난다. 만일, r(o) 를 회전각에 직접 비례하도록 선택하면, 선형 주사패턴이 발생됨으로써, 종래기술의 프리즘 접근법의 단점을 극복할 수 있다. 그러나, 본 발명의 원리는 이와 같은 협소한 기능에 한정되지 않으며, 다양한 변형 및 확장이 상정될 수 있다.

예를 들어, 도 4a∼도 4c는 본 발명에 따른 편향기의 주사패턴(6, 7, 8)과 그들 각각의 단면(9, 10, 11)에 예를 각각 나타낸 것이다. 외경 및 내경의 설계는 광 밸브의 광 경로 및 전체 시스템에 대해 주사 동작을 적합화하는데 있어서 큰 자유도를 제공한다. 따라서, 시스템에서의 변경이 용이하게 보상될 수 있다.

상기한 투사기 시스템에 있어서는, 단순한 한 개의 광선속과는 달리, 3가지 광선속[예를 들어, 적색, 녹색 및 청색(R, G, B)]이 편향되어진다. 한가지 접근 방법은 예를 들어 기어 박스와 같은 공지된 기계적 수단에 의해 동기화된 3개의 편향기를 사용하는 것이다.

그러나, 더욱 간단한 접근방법은, 도 5a 및 도 5b에 도시된 것 같이, 단지 하나의 편향기(15)를 사용하는 것일 것이다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 것 같이, 적색, 녹색 및 청색을 각각 나타내는 3개의 광선속(12, 13, 14)이 각각의 칼라가 그 자신의 개별적인 회전각을 갖도록 서로 다른 측면에서 상기 편향기(15)의 중심부로 입사한다. 광선속 각각은 그것의 개별적인 들어오는 비임 각도와는 다른 오프셋을 갖는다. 따라서, 예를 들어, 도 5a 및 도 5b에 있어서는, 광 비임 14(예컨데, 청색)가 가장 많이 편향되고, 비임 12(예컨데, 적색)가 다음으로 많이 편향되며, 마지막으로 가장 적은 양의 편향을 필요로 하는 비임 13(예컨데, 녹색)이 그 다음으로 편향되는 것으로 도시되어 있다.

발산하는 탈출 광선속(16, 17, 18)은 각각 적절한 거울 장치[예를 들면, 거울(27, 29)]와 재결합 광학계(30)로 집광되어야 한다.

상기 재결합 광학계(30)는, 예를 들어, 서로 얽어 짠 색선별 거울(dichroic mirror)[예를 들면, 소위 "3D 색선별 결합기(dichroic combiner)"]을 포함한다.

도 6은 도 5a 및 도 5b에 도시된 본 발명의 장치를 사용한 광 경로 배치를 나타낸 것이다.

보다 구체적으로 설명하면, 백색광(19)은 복수의 색선별 거울(또는 필터)을 포함하는 3차원 색선별 광분할기(20)에 가해지며, 상기 색선별 광분할기는 들어오는 빛의 적색(21), 녹색(22) 및 청색(23) 부분이 들어오는 광선속의 축에 수직하게 서로에 대해 소정의 각(예를 들어, 120도의 각도)을 지니면서 상기 광분할기를 벗어나도록 한다.

각각의 광선속은 3개의 색선별 거울 중 한 개에 의해 반사된다. 간결과 명확을 기하기 위해, 도 6에는 간단히 3개의 거울 중 2개의 거울(24, 25)만을 도시하였다. 3번째 거울(미도시)은 본 명세서를 읽는 사람의 방향에 대해 상기 광분할기(20)의 뒤에 위치한다. 각각의 광선속은 회전축에 대해 동일한 각도로 상기 편향기(26)의 중심부에 입사한다. 각각의 광선속은 서로 다른 두께의 광학 매체(26)를 통과하기 때문에, 상기 편향기(26)를 벗어나는 광선속들은 3개의 광선속 각각에 대해 서로 다른 편향을 당하게 된다. 따라서, 광학 매체의 두께는 각각의 광선속에 대해 서로 다른 편향을 일으키게 한다.

거울들(27, 28, 29)은 비임들을 3차원 색선별 결합기(30)를 향해 방향을 재설정한다. 3개의 분리된 광선속(31, 32, 33)은 들어온 광선속(19)의 축에 대해 수직으로 장치를 벗어난다. 상기 편향기(26)의 회전은 개별적인 광선속의 z 방향 위치를 희망하는 주사동작에 따라 변화하도록 한다. 상기 거울에 대해서는 IR 및 UV 광선속을 각각 제거하기 위해 적외선(IR) 또는 자외선(UV) 코팅과 같은 특수한 코팅이 사용될 수 있다는 것을 주의해야 한다.

상기한 구조는 구성하기가 상대적으로 용이하고 종래기술의 회전 프리즘 설계가 지닌 문제점이 극복된다는 점에서 유리하다.

따라서, 본 발명의 구조 및 방법에서는, 광선속을 광 밸브 장치를 가로질러 주사할 목적으로 3가지 광선속을 그들 고유의 축으로부터 편향시키기 위한 회전 프리즘은 사용되지 않는다. 본 발명의 방법 및 장치는 큰 과잉주사와 빛 손실을 방지한다. 더구나, 비교적 비용이 적게 드는 시스템이 제공된다.

따라서, 종래의 회전 프리즘을 사용하는 대신에, 본 발명은, 비임이 매체의 중앙 개구를 통해 입사하여 상기 매체의 측면에 따른 여러 지점에서 벗어나는, 변화하는 두께를 갖는 투명한 광학 매체를 사용한다.

더우기, 본 발명의 구성으로, 보다 간단한 광 경로 및 덜 복잡한 구성부품의 배치가 이루어진다.

비록, 한 개의 바람직한 실시예를 사용하여 본 발명을 설명하였으나, 첨부된 청구범위의 사상 및 범주 내에서 본 발명에 대해 다양한 변형이 이루어질 수 있다는 것은 본 발명이 속한 기술분야의 당업자에게 있어서 자명할 것이다.

예를 들면, 비록 도면에는 원통형, 계란형 또는 나선형을 갖는 것으로 광학 매체를 도시하였으나, 시스템의 구성, 시스템의 성능 요구조건 및 치수 제약에 따라 다각형 형상과 같은 또 다른 형태가 유리할 수도 있다.

Claims (19)

1. 복수의 칼라 성분을 갖는 이미지를 투사하기 위한 단일 패널 투사기 시스템에 있어서,

   빛을 복수의 방향으로 편향시키는 수단과,

   상기 편향수단에 의해 편향된 상기 빛을 수광하는 광 패널을 구비하고,

   상기 편향수단은 불균일한 두께를 갖는 투명한 광학 매체를 구비하여,

   비임이 상기 매체의 중앙 개구를 통해 입사하여 상기 매체의 측면에 따른 영역에서 벗어나도록 구성된 것을 특징으로 하는 투사기 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 매체는 원통형, 계란형 또는 나선형으로 형성된 것을 특징으로 하는 투사기 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 편향수단은 광 비임이 상기 광 패널을 가로질러 움직이도록 그것의 개별적인 축에 평행하게 적어도 한 개의 광 비임을 편향시키며, 주사동작은 선형 또는 비선형 중 하나인 것을 특징으로 하는 투사기 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 편향수단은 투명한 플라스틱 또는 유리 중 하나를 구비한 것을 특징으로 하는 투사기 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 편향수단은 그 내부에 관통공이 구비된 나선형, 반나선형, 계란형, 원통형 중 하나를 갖는 단면을 포함하는 것을 특징으로 하는 투사기 시스템.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 관통공은 원형으로 상기 편향수단의 중심부에 위치하며, 그것의 치수는 r(o) 및 r(i) 로써 각각 정의되고, 이때,

   r(i) 는 상수이고, r(o) 는 회전각의 함수인 것을 특징으로 하는 투사기 시스템.
7. 제 6 항에 있어서,

   선형 주사패턴이 발생하도록, r(o) 는 회전각에 직접적으로 비례하도록 선택된 것을 특징으로 하는 투사기 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,

   복수의 광선속이 상기 편향수단에 의해 동시에 편향되는 것을 특징으로 하는 투사기 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   복수의 비임을 동시에 편향시키기 위해 하나의 편향기가 설치되고,

   상기 복수의 광 비임의 각각의 비임은 개별적인 회전각을 갖는 것을 특징으로 하는 투사기 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,

    발산하는 탈출 광선속을 집광시키기 위한 수단과 재결합 광학계를 더 구비하고, 상기 재결합 광학계는 서로 얽어 짠 색선별 거울을 포함하는 것을 특징으로 하는 투사기 시스템.
11. 들어오는 광 비임을 수광하고, 들어온 빛의 개별적인 부분들을 들어온 광선속의 축에 수직하게 광분할기를 벗어나도록 하며 서로에 대해 소정의 각을 갖도록 하는 복수의 색선별 거울을 구비한 3차원 색선별 광분할기와,

    상기 각각의 부분들을 반사하기 위한 복수의 거울과,

    상기 각각의 부분들을 받아 상기 부분들을 서로 다른 각도로 편향시키는 편향기와,

    상기 비임의 부분들의 진행 방향을 변경시키기 위한 복수의 제 2 거울과,

    상기 복수의 제 2 거울에 의해 진행방향이 변경된 상기 비임의 상기 부분들을 수광하는 결합기 시스템을 구비하여,

    상기 비임의 상기 부분들은 들어온 광선속의 축에 대해 수직으로 상기 결합기 시스템을 벗어나고, 상기 편향기의 회전은 개별적인 부분들의 소정 위치를 희망하는 주사동작에 따라 변화시키는 것을 특징으로 하는 광학계.
12. 단일 패널 투사기 시스템에서 사용하기 위해, 복수의 칼라 성분을 갖는 이미지를 투사하는 방법에 있어서,

    상기 단일 패널 투사기 시스템에 불균일한 두께를 갖는 투명한 광학 매체를 설치하는 단계와,

    상기 투명한 광학 매체에 의해, 빛을 복수의 방향으로 편향시키는 단계와,

    상기 단일 패널 투사기 시스템의 광 패널에 의해, 편향되어진 상기 빛을 수광하는 단계를 포함하고,

    비임이 상기 매체의 중앙 개구를 통해 입사하여 상기 매체의 측면에 따른 영역에서 벗어나는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 12 항에 있어서,

    투명한 광학 매체를 설치하는 상기 단계는 원통형 매체, 계란형 매체 및 나선형 매체 중 하나를 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 12 항에 있어서,

    상기 편향단계는, 광 비임이 상기 광 패널을 가로질러 움직이도록 그것의 개별적인 축에 평행하게 적어도 한 개의 광 비임을 편향시키는 단계를 포함하며, 주사동작은 선형 또는 비선형 중 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 12 항에 있어서,

    투명한 광학 매체를 설치하는 상기 단계는 투명한 플라스틱 및 유리 중 하나를 설치하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 12 항에 있어서,

    투명한 광학 매체를 설치하는 상기 단계는, 그것의 중심부에 원형 관통공이 구비된 나선형, 계란형 및 원통형 중 하나를 갖는 단면을 포함하는 투명한 광학 매체를 설치하는 단계를 포함하고, 그것의 치수는 r(o) 및 r(i) 로써 각각 정의되고, 이때,

    r(i) 는 상수이고, r(o) 는 회전각의 함수인 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 16 항에 있어서,

    선형 주사패턴이 발생하도록, r(o) 는 회전각에 직접적으로 비례하도록 선택된 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 12 항에 있어서,

    상기 편향단계는 상기 투명한 광학 매체에 의해 복수의 광선속을 동시에 편향시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 12 항에 있어서,

    상기 편향단계는 상기 투명한 광학 매체 중 하나의 매체에 의해 복수의 광선속을 동시에 편향시키는 단계를 포함하고,

    상기 복수의 광 비임의 각각의 비임은 개별적인 회전각을 가지며, 상기 방법은 발산하는 탈출 광선속을 집광시키는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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