KR100634539B1 - 주사 광학 이미징 시스템 - Google Patents

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KR100634539B1 KR1020050011415A KR20050011415A KR100634539B1 KR 100634539 B1 KR100634539 B1 KR 100634539B1 KR 1020050011415 A KR1020050011415 A KR 1020050011415A KR 20050011415 A KR20050011415 A KR 20050011415A KR 100634539 B1 KR100634539 B1 KR 100634539B1
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Abstract

이미징용 빔을 출사하는 조명계와, 조명계로부터 입사되는 빔을 주사하는 스캐너와, 커 효과(Kerr effect)를 가지는 물질로 이루어져 스캐너에 의해 주사되는 이미징 빔의 경로를 따라가며 자동 정렬되는 렌즈를 형성하는 비선형 광학소자와, 비선형 광학소자를 활성화하여 이미징 빔의 경로를 따라가며 비선형 광학소자에 렌즈를 형성하는 비선형 광학 굴절율 변화를 유발하는 펌핑 광원을 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템이 개시되어 있다.

Description

주사 광학 이미징 시스템{Optical scanning imaging system}
도 1은 분해 가능한 최소 단위 픽셀의 정의를 보여준다.
도 2는 본 발명에 따른 해상도를 향상시키는 개념을 보여준다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주사 광학 이미징 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 4는 커 효과를 나타내는 물질로 이루어진 비선형 광학소자에서의 자기 포커싱(self-focusing) 또는 자기-디포커싱(self-defocusing)원리를 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 펌핑 빔이 없을 때와 펌핑 빔이 존재할 때, 비선형 광학소자를 통과한 빔의 경로 변화를 비교하여 보여준다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템의 이미징용 빔의 광로도의 예를 보인 평면도 및 측면도이다.
도 8은 비선형 광학소자를 구비하지 않는 경우의 제1초점면(P1)에서의 빔 웨이스트를 보여준다.
도 9는 비선형 광학소자를 구비하는 경우, 비선형 광학소자의 초점 위치인 제2초점면(P2)에서의 빔 웨이스트가 제1초점면(P1)에서의 빔 웨이스트에 비해 줄어들게 됨을 보여준다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10...조명계 11,13,15...레이저 광원
12,14,16...빔 강도 변조기 20...색광 결합기
30...펌핑 광원 35...펌핑 빔 변조기
40...집속렌즈 50...스캐너
70...비선형 광학소자 90...펌핑 빔 커터
100...투과광학계
본 발명은 주사 광학 이미징 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 해상도를 향상시킬 수 있도록 개선된 주사 광학 이미징 시스템에 관한 것이다.
멀티미디어 사회로의 급진전과 함께, 표시 화면의 대형화 및 고화질화가 요구되고 있다. 최근에는 높은 해상도에 더하여 보다 자연스러운 자연색의 구현이 중요시되고 있다.
완벽한 자연색 구현을 위해서는 레이저와 같은 색순도가 높은 광원의 이용이 필수적이다. 레이저를 이용해 화면을 구현하는 장치 중의 하나가 스캐너를 이용한 주사 광학 레이저 이미징(imaging) 시스템이다. 주사 광학 방식의 레이저 이미징 시스템은, 회전 다면경(polygon mirror)과 갈바노 미터 미러(galvanometer mirror)를 주로 이용하였다. 그러나 이러한 회전 다면경과 갈바노 미터 미러를 이용한 주 사 광학 방식의 레이저 이미징 시스템은, 소형화가 어렵고 단가가 높다.
이러한 점을 감안하여, 본 출원인은 MEMS 스캐너를 이용한 레이저 이미징 시스템을 대한민국 특허 출원 2000-65257호 및 이에 대응하는 미국 특허 6,636,339호에서 제안한 바 있다.
MEMS 스캐너를 이용한 레이저 이미징 시스템은, 작은 형체 요소(small form factor), 저전력 소비 및 자연스러운 칼라 실현을 위한 유망한 프로젝션 디스플레이 장치 중 하나이다.
MEMS 스캐너를 적용하여 대화면-고해상 레이저 이미징 시스템을 구현하기 위해서는, 충분한 주사속도, 주사 각도 및 미러 크기가 요구된다.
레이저광은 가간섭성 광(coherent light)이기 때문에, 레이저빔의 폭이 작을수록 진행하는 동안 회절이 많이 일어나 사용되는 레이저빔의 폭을 무한히 작게 하는 것은 곤란하다. 또한, 잘 알려져 있는 바와 같이, 광빔은 회절 특성(diffractive nature)으로 인하여 점으로 포커스 되지 않으며, 이에 의해 해상도 한계(limit of resolution)가 존재한다. 또한, 렌즈 시스템에 입사되는 광빔의 크기가 크면 포커스되는 광빔의 크기는 작아진다.
따라서, 해상도를 높이려면 광빔의 크기를 적절히 크게 할 필요가 있으며, 고 해상도 화상을 구현하기 위해서는, 큰 값의 스캐닝 주파수 및 θD값이 필요하다. 레이저 빔 주사광학 시스템에서의 영상 해상도는 콜리메이팅된 빔의 직경(D)과 빔 주사각도(θ)의 곱(θD)으로 나타내는 광학적인 불변량에 의하여 결정된다.
래스터(raster) 주사 시스템의 성능은 θD [deg·mm]로서 정의된다. VGA급 및 XGA 급은 각각 θD가 대략 7.50 및 12.00 정도 요구되며, 고선명(HD:High Definition)급 디스플레이를 구현하려면, 이 θD product는 대략 22.5 정도가 요구되는 것으로 알려져 있다.
θ는 한 방향으로의 스캐너의 기계적인 주사 각도(단위:degree)이고, D는 빔 폭 즉, 레이저 스캐닝 장치에서는 스캐너의 유효 미러 크기(단위:mm)에 해당한다.
고해상 이미징 시스템을 실현하려면 MEMS 스캐너의 미러 크기가 클 것이 요구된다. 또한, 대화면 고해상 레이저 이미징 시스템을 구현하기 위해서는, 주사 속도가 빨라야 한다.
하지만, 미러의 크기를 키우면, 반대로 관성 모멘트 등의 물리적인 성질에 기인하여, MEMS 스캐너의 최대 구동 속도를 빠르게 하기가 어렵고, 이에 의해 주사 속도가 느려지게 된다. 따라서, 주사 속도를 빠르게 하면서, 동시에 미러의 크기를 크게 하는데는 어려움이 있다.
또한, MEMS 스캐너에 의한 주사 각도를 무한히 크게 할 수는 없으며, 그 주사 각도는 한정된다.
초소형 고성능 레이저 빔 프로젝션 디스플레이를 구현하기 위해서 고속 스캐닝이 가능한 MEMS 스캐너가 유력한 빔 스캐닝 디바이스로 고려되지만, 소자 설계 시 구동 속도, 구동 각도, 반사 미러의 크기간에 트레이드-오프(trade-off) 관계가 존재하여, 고해상도 영상 구현을 위한 고속의 MEMS 스캐너를 디자인하기가 쉽지 않다. 현재의 MEMS 제조 기술로는, 충분한 미러 크기를 충족하면서, 고선명급의 고해상 디스플레이를 실현하기에 충분한 주사 속도 및 주사 각도를 달성할 수 있는 MEMS 스캐너를 얻기 어렵다.
본 발명은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로, 스캐닝면의 크기를 키우지 않고도 해상도를 높일 수 있도록 개선된 주사 광학 이미징 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은, 이미징용 빔을 출사하는 조명계와; 상기 조명계로부터 입사되는 빔을 주사하는 스캐너와; 커 효과(Kerr effect)를 가지는 물질로 이루어져, 상기 스캐너에 의해 주사되는 이미징 빔의 경로를 따라가며 자동 정렬되는 렌즈를 형성하는 비선형 광학소자와; 상기 비선형 광학소자를 활성화하여 이미징 빔의 경로를 따라가며 상기 비선형 광학소자에 렌즈를 형성하는 비선형 광학 굴절율 변화를 유발하는 펌핑 광원;을 구비하는 것을 특징으로 한다.
상기 비선형 광학소자는, 중심이 상기 스캐너의 축 중심과 일치하는 원의 호를 따르는 형상으로 이루어질 수 있다.
상기 조명계는, 레이저 광원을 사용하는 레이저 조명계인 것이 바람직하다.
상기 조명계는, 화상신호에 따라 변조된 R,G,B 레이저빔을 포함하는 파장별 복수의 레이저빔을 단일 광경로로 출사하도록 형성될 수 있다.
상기 조명계는, 레이저 광원을 사용하는 레이저 조명계인 것이 바람직하다.
상기 조명계는, 화상신호에 따라 변조된 R,G,B 레이저빔을 포함하는 파장별 복수의 레이저빔을 단일 광경로로 출사하도록 된 것이 바람직하다.
상기 펌핑 광원은 레이저 광원일 수 있다.
상기 펌핑 광원으로부터 출사된 펌핑 빔은, 상기 이미징용 빔과 동일 광로로 상기 스캐너에 입사되는 것이 바람직하다.
상기 펌핑 광원은 상기 조명계로부터 출사되는 이미징용 빔과는 다른 파장의 펌핑 빔을 출사하는 것이 바람직하다.
상기 비선형 광학소자에 의해 형성되는 렌즈의 초점 거리를 조절하도록 상기 펌핑 광원으로부터 출사되는 펌핑 빔의 경로 상에, 펌핑 빔의 강도를 변조하는 펌핑 빔 변조기;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기한 특징점 중 적어도 어느 하나를 포함하는 주사 광학 이미징 시스템은 광 주사장치에 사용될 수 있다.
상기한 특징점 중 적어도 어느 하나를 포함하는 주사 광학 이미징 시스템은 프로젝션 장치에 프로젝션 이미지를 형성하기 위해 사용될 수 있다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하면서, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
스캐너의 미러면의 직경을 D, 스캐너의 미러면에 입사되는 광빔의 입사각을 δ라 할 때, 스캐너의 유효 직경(Dmin)은 Dmin = D cosδ가 된다. 스캐너에 의해 주사된 광빔의 분해 가능한 한계(limit) 해상도 각도(resolvable angle)를 θmin이라 할 때, 한계 해상도 각도는, 원형 광빔에 대해서는 θmin = 1.22 λ/ Dmin 이 되고, 정사각형 광빔에 대해서는 θmin=λ/ Dmin 가 된다.
스캐너 미러면의 최대 틸트 각도를 ±θmax라 할 때, 원형 광빔에 대해 분해할 수 있는 픽셀의 최대 이론적인 개수 N은, 수학식 1과 같이 나타내질 수 있다.
Figure 112005007273334-pat00001
도 1은 분해 가능한 최소 단위 픽셀의 정의를 보여준다.
도 1에 보여진 바와 같이, 스캐너(1)에 의해 반사되어 상면 또는 물체면에 조사되는 광빔의 스폿 반경을 a이라 할 때, 스캐너(1)에 의해 주사되는 광빔의 한계 해상도 각도 θmin은 스폿 중심 사이의 간격이 상기 반경 a 만큼 이격되는 각도를 말한다. 그리고, 분해 가능한 최소 단위 픽셀의 크기는 상면 또는 물체면에 조사되는 광빔 스폿의 반경에 해당한다. 여기서, 상면은 프로젝션 시스템에서의 스크린이나 광 주사장치를 사용하는 이미징 시스템의 이미징 면 예컨대, 인쇄기의 감광매체면이 될 수 있다. 상기 물체면은, 프로젝션 시스템에서 액정표시소자와 같은 화상형성기(imager)가 배치되는 위치에 해당할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 해상도를 향상시키는 개념을 보여준다.
본 발명은, 도 2에 도시된 바와 같이, 스캐너(1)와 상면 또는 물체면 사이에 해상도를 증대시키기 위한 광학계 즉, 렌즈부재(5)를 둠으로써, 스캐너(1)에 의해 정해지는 해상도 한계보다 향상된 해상도로 상면 또는 물체면에 광빔 스폿을 형성할 수 있는 구성을 가진다.
이 렌즈부재(5)는 후술하는 바와 같이, 커 효과(Kerr effect)를 가지는 물질로 이루어져, 상기 스캐너(1)에 의해 주사되는 이미징 빔의 경로를 따라가며 자동 정렬되는 렌즈를 형성하는 비선형 광학소자로 이루어질 수 있다. 도 2에서는 렌즈부재(5)를 렌즈 형상으로 도시하였는데, 이는 기능적인 형상을 보인 것일 뿐이다.
도 1에 비해, 도 2에서와 같이, 스캐너(1)와 상면 또는 물체면 사이에 해상도를 증대시키기 위한 렌즈부재(5)를 두면, 스캐너(1)를 θmin만큼 회동 또는 회전시키는 동안, 상면 또는 물체면에 분해 가능한 광빔 스폿이 여러 개 형성될 수 있어, 도 1에 비해 더 많은 최소 단위 픽셀로 분해하는 것이 가능하다. 즉, 도 2에서와 같이 렌즈부재(5)를 구비하면, 도 1의 경우에 비해 최소 단위 픽셀 크기를 작게 할 수 있다. 따라서, 이러한 본 발명의 원리를 적용하면, 주사 광학 이미징 시스템의 해상도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 주사 광학 이미징 시스템의 개략적인 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 주사 광학 이미징 시스템은 이미징용 가시광빔을 출사하는 조명계(10)와, 조명계(10)로부터 입사된 빔을 주사하는 스캐너(50)와, 커 효과(Kerr effect)를 가지는 물질로 이루어져 상기 스캐너(50)에 의해 주사되는 이미징 빔의 경로를 따라가며 자동 정렬되는 렌즈를 형성하는 적어도 하나의 비선형 광학소자(70) 즉, 커 렌즈(Kerr lens)와, 상기 비선형 광학소자(70)를 활성화시키는 펌핑 광원(30)을 포함하여 구성된다. 상기 스캐너(50) 에 의해 주사된 빔 이미지는 투사 광학계(100)에 의해 상면(또는 스크린)에 형성된다.
상기 조명계(10)는, 레이저 광원을 사용하는 레이저 조명계인 것이 바람직하다. 상기 조명계(10)는 도 3에 도시된 바와 같이, 파장별 복수의 레이저광을 광경로를 달리하여 출력하는 복수의 레이저 광원과, 이 복수의 레이저 광원에서 출력되는 서로 다른 파장의 레이저광의 광경로를 결합하기 위한 색광 결합기(20)를 포함할 수 있다.
상기 복수의 레이저 광원은, 예컨대, R, G, B 레이저광을 광경로를 분리하여 출력하는 제1 내지 제3레이저 광원(11)(13)(15)을 포함할 수 있다.
상기 제1 내지 제3레이저 광원(11)(13)(15)으로는 고체 레이저 또는 반도체 레이저를 구비할 수 있다. 상기 제1 내지 제3레이저 광원(11)(13)(15) 앞에는 각 파장의 레이저 빔을 화상 신호에 따라 변조시키는 빔 강도 변조기(12)(14)(16)를 위치시킬 수 있다.
여기서, 상기 제1 내지 제3레이저 광원(11)(13)(15)으로 R, G, B 파장의 레이저 빔을 출사하며, 화상 신호에 따라 각 파장의 레이저 빔 출력을 변조시켜 출력할 수 있도록 된 반도체 레이저를 구비하는 것도 가능하다. 이 경우, 도 3의 빔 강도 변조기(12)(14)(16)는 생략된다.
상기 색광 결합기(20)는 예를 들어, 제1 내지 제3이색 미러(21)(23)(25)를 포함할 수 있다. 도 3을 참조로 설명하면, 제1이색 미러(21)는 제1레이저 광원(11)에서 출사되는 적색 레이저 빔(R)을 반사시킨다. 제2이색 미러(23)는 제2레이저 광 원(13)에서 출사되는 초록 레이저 빔(G)을 반사시키고, 제1이색 미러(21)쪽에서 입사되는 적색 레이저 빔(R)은 투과시켜, 적색 및 초록 레이저 빔(R+G)의 광경로를 일치시킨다. 제3이색 미러(25)는 제3레이저 광원(15)에서 출사되는 청색 레이저 빔(B)을 반사시키고, 제2이색 미러(23)쪽에서 입사되는 적색 및 초록 레이저 빔(R+G)은 투과시켜, 적색, 초록 및 청색 레이저 빔(R+G+B)의 광경로를 일치시킨다. 이러한 색광 결합기(20)에 의해 제1 내지 제3레이저 광원(11)(13)(15)에서 출사되는 적색, 초록 및 청색 레이저 빔(R)(G)(B)은 그 광경로가 합쳐져 스캐너(50)로 입사되게 된다. 여기서, 상기 제1이색 미러(21) 대신에 전반사 미러를 배치하는 것도 가능하다.
상기와 같이 레이저 광원을 사용하는 조명계(10)는 화상 신호에 따라 변조된 파장별 복수의 레이저 빔 예컨대, R,G,B 레이저 빔을 단일 광경로로 출사한다.
여기서, 도 3에서는 조명계(10)가 R,G,B 레이저 광을 출사하는 3개의 레이저 광원을 구비하는 경우를 보여주는데, 이는 예시일 뿐으로, 조명계(10)의 구성은 다양하게 변형될 수 있다.
상기 스캐너(50)로는, 입사 빔을 양방향으로 스캐닝 가능한 스캐너를 구비하는 것이 바람직하다. 대안으로, 상기 스캐너(50)로 단방향으로 스캐닝하는 스캐너를 구비하는 것도 가능하다. 상기 양방향으로 스캐닝 가능한 스캐너에는 MEMS 스캐너 또는 갈바노미터 미러 스캐너가 있다. 상기 단방향으로 스캐닝 가능한 스캐너에는 복수의 스캐닝 미러면을 구비하는 회전 다면경이 있다. 도 3에서는, 상기 스캐너(50)로 MEMS 스캐너를 구비하는 경우를 예시적으로 보여준다.
상기 스캐너(50)에는 조명계(10)로부터의 이미징용 빔뿐만 아니라, 후술하는 바와 같이, 상기 펌핑 광원(30)으로부터의 펌핑 빔도 입사되기 때문에, 고강도 펌핑 빔 파워에 의해 그 스캐너(50)의 미러면이 손상되지 않도록, 미러면은 전반사 코팅된 것이 바람직하다.
상기 투사광학계(100)로는, 투사렌즈유니트 등과 같은 이미지 릴레이 광학계를 구비할 수 있다. 또한, 상기 투사광학계(100)로 에프-세타 렌즈를 구비하는 것도 가능하다.
본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은, 상기 투사광학계(100)로 이미지 릴레이 광학계 들을 구비하여, 1차원 또는 2차원 프로젝션 이미지를 형성하는 프로젝션 장치, 예컨대, 프로젝터 또는 프로젝션 텔레비전과 같은 프로젝션 디스플레이나 사용자의 망막에 이미지를 형성하는 두부 장착용 디스플레이 시스템에 사용될 수 있다. 투사렌즈 유니트 등에 대해서는 프로젝션장치 분야에서 잘 알려져 있으므로, 여기서는 그 자세한 도시 및 설명을 생략한다.
또한, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은, 상기 투사광학계로 에프-세타 렌즈를 구비하여, 인쇄기와 같은 화상형성장치의 광주사장치로 사용될 수도 있다. 이때, 광주사장치는, 화상을 양방향으로 주사한다.
상기 비선형 광학소자(70)는, 커 효과(Kerr effect)를 나타내는 물질로 이루어진다. 커 효과는 3차 비선형 광학계수가 큰 물질에 강한 세기의 광이 입사할 경우, 광의 세기에 비례하는 물질의 굴절율 변화가 발생하는 현상이다.
도 4는 커 효과를 나타내는 물질로 이루어진 비선형 광학소자(70)에서의 자 기 포커싱(self-focusing) 또는 자기-디포커싱(self-defocusing)원리를 설명하기 위한 도면이다. 도 4에서는 상기 비선형 광학소자(70)의 일부분만을 보여준다.
도 4를 참조하면, 이러한 커 효과를 나타내는 물질로 이루어진 비선형 광학소자(70)에 공간적인 세기 분포를 가지는 빔 예컨대, 상기 펌핑 광원(30)으로부터의 펌핑 빔이 입사할 경우, 매질의 굴절율 변화 역시 이에 대응되는 공간적인 분포를 갖게 된다. 만약 빔의 세기 분포(intensity profile)가 축상 대칭이며, 래디얼 방향으로 적절한 분포(distribution)를 가지는 경우, 유도되는 비선형 굴절율 변화량(△n(r)의 크기 역시, 이러한 광의 세기 분포(I(r))에 비례한다. 여기서, r은 빔의 중심축으로부터 거리를 나타낸다.
도 4는 비선형 광학소자(70)에 입사되는 빔이 가우시안 TEM00 모드의 레이저 광일 때, 비선형 광학소자(70)에 이와 유사한 굴절율 변화 분포가 유도되는 경우를 보여준다. 이와 같이 유도되는 비선형 굴절율 변화량에 의해 비선형 광학소자(70) 매질은 볼록(또는 오목)렌즈와 같은 역할을 하게 되며 이를 자기 포커싱(또는 자기-디포커싱) 현상이라 한다. 도 4에서는, 가우시안 TEM00 모드의 강도 분포를 가지는 평행 빔이 비선형 광학소자(70)에 입사될 때, 비선형 광학소자(70)가 자기-포커싱에 의해 볼록 렌즈로서 역할을 하는 경우를 보여준다.
비선형 굴절율 변화량(△n(r))이 포지티브 값일 경우, 즉, 광의 세기가 클수록 굴절율이 클 경우, 비선형 광학소자(70)는 볼록 렌즈로서 역할을 하게 된다. 반대로, 비선형 굴절율 변화량(△n(r))이 네거티브 값일 경우, 즉, 광의 세기가 클수 록 굴절율이 작을 경우, 비선형 광학소자(70)는 오목 렌즈로서 역할을 하게 된다.
따라서, 비선형 광학소자(70)의 재질을 적절히 선택하면, 비선형 광학소자(70)가 볼록렌즈 및 오목 렌즈 중 어느 한 역할을 하도록 할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템에 있어서, 상기 비선형 광학소자(70)는, 빔 경로의 왜곡(distortion)을 최소화할 수 있도록, 도 3에 보여진 바와 같이, 그 중심이 상기 스캐너(50)의 회동 중심과 일치하는 원의 호를 따르는 형상으로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 펌핑 광원(30)은 레이저 광원인 것이 바람직하다. 또한, 상기 펌핑 광원(30)은 상기 조명계(10)로부터 출사되는 이미징용 빔과는 다른 파장의 펌핑 빔을 출사하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템에 있어서, 상기 펌핑 빔은 이미징 빔과 일치되는 경로를 따라 스캐너(50)에 입사되고, 이에 따라 펌핑 빔이 이미징 빔의 경로를 따라가며 비선형 광학소자(70)에 조사될 수 있도록 된 것이 바람직하다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은, 상기 펌핑 광원(30)에서 출사된 펌핑 빔은 반사시키고, 조명계(10)로부터 진행하는 빔을 투과시켜 그 경로를 일치시키는 광로 결합기 예컨대, 이색 미러(27)를 더 구비할 수 있다.
이 경우, 상기 펌핑 빔은 이미징용 빔과 일치되는 경로를 따라 스캐너(50)에 입사되고, 그 스캐너(50)에 의해 주사되어 이미징 빔의 경로를 따라가며 비선형 광학소자(70)에 비선형 광학 굴절율 변화를 일으키게 되며, 이에 의해. 비선형 광학 소자(70)가 이미징 빔의 경로를 따라 가며 렌즈로서 작용을 하게 된다.
도 5는 펌핑 빔이 없을 때와 펌핑 빔이 존재할 때, 비선형 광학소자(70)를 통과한 빔의 경로 변화를 비교하여 보여준다. 도 5에서 점선으로 나타낸 바와 같이, 펌핑 빔이 없을 때에는 비선형 광학소자(70)는 렌즈로서 작용을 하지 않게 되고, 이에 의해 빔의 발산각은 전혀 변화되지 않게 된다. 반면에, 도 5에서 실선으로 나타낸 바와 같이, 비선형 광학소자(70)에 렌즈를 형성하는 비선형 굴절율 변화를 일으키도록 펌핑 빔이 조사될 경우, 비선형 광학소자(70)는 렌즈로서 작용을 하게 되고, 이에 의해 빔의 발산각이 변화된다. 도 5에서는 스캐너(50)쪽에서 발산 빔이 비선형 광학소자(70)로 입사되고, 비선형 광학소자(70)가 입사되는 발산빔을 집속하는 볼록렌즈로서 역할을 하도록 된 경우를 보여준다.
상기와 같은 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템에 있어서, 렌즈를 형성하는 비선형 굴절율 변화를 일으키도록 비선형 광학소자(70) 즉, 커 렌즈(Kerr lens)는 펌핑 빔의 파장에는 잘 반응하지만, 이미징빔( 예컨대, R, G, B 빔)에 대해서는 비선형 특성이 나타나지 않는 재질로 이루어질 것이 바람직하다. 즉, 비선형 광학소자(70)는 이미징 빔의 파장 및 강도 범위에서는 렌즈 효과를 나타내지 않는 파장 선택성을 가지는 재질로 이루어지는 것이 바람직하다.
커 효과가 나타나는 물리적인 근원(physical origin)은 여러 가지(열적, 분자의 재배열(molecular reorientation), 전자적인,...)가 있으며, 고해상도 영상 구현이 영상 픽셀에 대응하는 픽셀 주파수가 높으므로, 고속 응답성이 있는 커 매질이 유리하다. 일반적으로, 열적으로 물리적인 근원을 가지는 재질의 반응시간이 가장 길고, 분자 재배열의 물리적인 근원을 가지는 재질의 반응시간이 중간, 전자적으로 물리적인 근원을 가지는 재질의 반응시간이 가장 짧다. 따라서, 반응시간 측면에서는 전자적으로 물리적인 근원을 가지는 커 재질이 상기 비선형 광학소자(70)로 사용되는 것이 가장 바람직하다.
상기 비선형 광학소자(70)는 이미징용 가시광 레이저 빔과 펌프 레이저 빔에 대한 비선형 특성의 파장 선택성이 있어, 가시광에 대해서는 투명하면서도 가시광에 대한 굴절율 변화가 유발되는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 비선형 광학소자(70)는 비선형 광학 현상의 응답속도가 충분히 짧고, 펌핑 빔 파워 영역에서 충분한 비선형 광학 굴절율 변화를 유발할 수 있는 높은 3차 비선형 광학계수를 가지는 물질로 이루어진 것이 바람직하다.
상기 펌핑 광원(30) 즉, 펌핑 레이저는 상기 비선형 광학소자(70)에 충분한 광학 굴절율 변화를 유발할 수 있는 수준의 광 파워를 가져야 하며, 이미징 빔들과는 파장이 달라야 한다. 또한, 펌핑 광원(30)은 비선형 광학소자(70)에 의해 형성되는 렌즈의 초점 거리 조절을 위해, 후술하는 펌핑 빔 강도 변조기(35)를 부착 가능한 것이 바람직하다.
상기 비선형 광학소자(70)를 형성하는데 사용될 수 있는 커 효과를 나타내는 매체 및 그에 적합한 펌핑 광원의 예는 다음과 같다: CS2(액상 카본 2황화물:liquid carbon disulfied) + Nd:YAG 펌프 레이저, 반도체 게인 매체(Semiconductor gain medium) + 연속발진(cw) 내지 펄스형 Nd:YAG 레이저, 순수한 네마틱 액정(pure nematic liquid crystals(NLCs)) 또는 다이(또는 C60)가 도핑된 NLCs + cw 가시광/UV 레이저, 무기물이 도핑된 하이브리드 글래스(inorganic doped hybrid glass) + 가시광 레이저, 등등.
한편, 주사 중심축으로부터 거리에 따라, 비선형 광학소자(70)로부터 상면 예컨대, 스크린까지의 간격이 달라지기 때문에, 비선형 광학소자(70)에 의해 형성되는 렌즈의 초점 거리가 일정한 경우, 주사 중심축으로부터 거리에 따라 전체 상면 상에서 스폿크기가 달라진다. 예를 들어, 상면의 에지 부분에서의 스폿 크기가 상면의 중심 부분에서의 스폿 크기보다 크게 된다. 이는 비선형 광학소자(70)가 상면의 중심 부분에서 초점이 맺도록 하는 초점거리를 가진다면, 상면의 에지 부분에서는 상면이 초점을 지난 곳에 위치하게 되기 때문이다.
따라서, 상면 전체에 걸쳐 고정된 스폿 크기가 유지될 수 있도록, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은, 상기 펌핑 빔 강도를 제어함으로써 상면 상의 어느 위치에서든 동일 크기의 스폿이 형성될 수 있도록 비선형 광학소자(70)의 초점 거리를 조절할 수 있도록 마련된 것이 바람직하다.
이를 위하여, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은, 상기 펌핑 광원(30)으로부터 출사되는 펌핑 빔의 진행 경로 상에, 상면 상의 어느 위치에서든 동일 크기의 스폿이 형성될 수 있도록 비선형 광학소자(70)의 초점거리가 조절되도록 펌핑 빔의 강도를 변조하는 펌핑 빔 변조기(35)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 상면 전체에 걸쳐 고정된 스폿 크기를 유지할 수 있다.
상기와 같이, 펌핑 빔 변조기(35)를 구비하는 간단한 구성의 추가에 의해, 상면 상의 어느 위치에서든 동일 크기의 스폿이 형성될 수 있도록 비선형 광학소자 (70)에 조사되는 펌핑 빔의 강도를 변조할 수 있으므로, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은, 스폿 크기가 달라지는 문제를 해결하기 위해 요구되는 복잡한 보정 광학 시스템이 불필요하여, 광학적 구성이 간단해지는 이점이 있다.
한편, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은, 비선형 광학소자(70)를 통과한 펌핑 빔을 제거하기 위하여, 상기 비선형 광학소자(70)와 투사광학계(100) 사이에, 펌핑 빔 커터(cutter)(90)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 펌핑 빔과 이미징용 빔의 파장이 서로 다르므로, 상기 펌핑 빔 커터(90)로는 이미징용 빔을 통과시키고 펌핑 빔은 차단하는 밴드 에지 필터(band edge filter)를 구비할 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은, 도 3에 도시된 바와 같이, 스캐너(50) 이전의 광로 상에 스캐너(50)에 조사되는 빔의 크기를 줄일 수 있도록, 집속렌즈(40)를 더 포함할 수 있다. 이 집속렌즈(40)는 일매 또는 복수의 렌즈로 이루어질 수 있으며, 조명광학계(10)에 포함될 수 있다. 이와 같이 집속렌즈(40)에 의해 스캐너(50)에 조사되는 빔 크기를 줄이는 경우에는, 스캐너(50) 예컨대, MEMS 스캐너의 미러면의 크기를 보다 줄일 수 있는 이점이 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템에서의 해상도 증대 효과를, 스캐너(50)에 입사되는 이미징용 빔이 비선형 광학소자(70)에 앞서는 제1초점면(P1)에 포커싱되는 비평행광빔이 되는 광학적 구성을 가지는 경우를 예를 들어 설명하면 다음과 같다.
도 6 및 도 7은 각각 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템의 이미징용 빔의 광로도의 예를 보인 평면도 및 측면도이다. 편의상, 펌핑 광원(30), 펌핑 빔 커터(90) 및 펌핑 빔의 도시는 생략하였다.
도 6 및 도 7을 참조하면, 조명광학계(10)로부터 조사되는 가시광 레이저 빔은 집속 렌즈(40)에 의해 제1초점면(P1)에 포커싱된다.
상기 비선형 광학소자(70)는 펌핑 빔을 조사함으로써 얻어지는 렌즈 효과에 의해 상기 제1초점면(P1)을 지나 발산하는 빔을 제1초점면(P1)에서의 빔 웨이스트보다 작은 빔 웨이스트로 제2초점면(P2)에 포커싱한다.
이때, 도 8 및 도 9의 비교로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 비선형 광학소자(70)를 구비하면, 비선형 광학소자(70)를 구비하지 않는 경우에 비해, 제2초점면(P2)에서의 빔 웨이스트를 제1초점면(P1)에서의 빔 웨이스트보다 줄일 수 있기 때문에, 최소 단위 픽셀 크기를 작게 할 수 있으며, 이에 따라 해상도가 향상된다.
도 8은 비선형 광학소자(70)를 구비하지 않는 경우의 제1초점면(P1)에서의 빔 웨이스트를 보여준다. 도 9는 비선형 광학소자(70)를 구비하는 경우, 비선형 광학소자(70)의 초점 위치인 제2초점면(P2)에서의 빔 웨이스트가 제1초점면(P1)에서의 빔 웨이스트에 비해 줄어들게 됨을 보여준다.
도 8의 경우, 제1초점면(P1)이 물체면이 된다. 도 9의 경우, 제2초점면(P2)이 물체면이 된다. 즉, 제1초점면(P1)은 비선형 광학소자(70)를 구비하지 않을 때의 기존 물체면에 해당하고, 제2초점면(P2)은 제1초점면(P1)과 투사광학계(100) 사이에 비선형 광학소자(70)를 구비함에 의해 얻어지는 새로운 물체면이다.
이때, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템에 의하면, 도 9로부터 알 수 있는 바와 같이, 펌핑 빔 변조기(35)에 의해 비선형 광학소자(70)에 조사되는 펌핑 빔의 강도를 조절하여, 중심축으로부터 위치에 따라 비선형 광학소자(70)에 의해 형성되는 렌즈(70')의 초점 거리를 변화시킴으로써, 제2초점면(P2)이 스크린과 같은 상면과 동일하게 평면을 이루도록 할 수 있으므로, 초점면(P2)을 지나 투과광학계(100)에 의해 상면에 형성되는 스폿의 크기를 균일하게 유지할 수 있다. 도 9에서 렌즈(70')는 비선형 광학소자(70)에 형성되는 렌즈를 가상적으로 보인 것이다.
한편, 상기 제2초점면(P2)은 액정표시소자(LCD) 프로젝터 등에서의 LCD 이미저(imager) 등이 놓이는 물체면에 해당하게 된다. 상기 제2초점면(P2)에 구현되는 가상적인 화상 이미지는 투사광학계(100)로 적용되는 이미지 릴레이 광학계에 의해 스크린에 형성된다. 상기 스크린은 프로젝션 장치의 투사 화상을 보여주기 위한 통상적인 스크린에 해당한다. 또한, 상기 프로젝션 장치가 두부장착용인 경우, 상기 스크린은 사용자의 망막에 해당한다.
여기서, 상기 비선형 광학소자(70)를 구비하지 않는 경우에는, 상기 제1초점면(P1)이 물체면이 되고, 이 제1초점면(P1)이 LCD 프로젝터 등에서의 LCD 이미저 소장 등이 위치하는 곳에 해당한다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템에 의하면, 비선형 광학소자(70)에 의해 물체면에 포커싱되는 광빔의 빔 웨이스트를 보다 줄일 수 있기 때문에, 최소 단위 픽셀 크기를 줄일 수 있으며, 이에 의해 스캐너(50)의 스캐닝면의 크기를 키우지 않고도 해상도가 증대될 수 있다.
이상에서는, 도 3의 구성을 예로 들어, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시 스템에 대해 설명하였는데, 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
상기한 바와 같은 본 발명에 따른 주사 광학 이미징 시스템은, 스캐너와 투사광학계 사이에 커 효과(Kerr effect)를 가지는 물질로 이루어져, 스캐너에 의해 주사되는 이미징 빔의 경로를 따라가며 자동 정렬되는 렌즈를 형성하는 비선형 광학소자를 구비함에 의해, 스캐닝면의 크기를 키우지 않고도 해상도를 높일 수 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 스캐너의 물리적인 크기에 제약을 받지 않고, 해상도를 높이는 것이 가능하다.

Claims (23)

  1. 이미징용 빔을 출사하는 조명계와;
    상기 조명계로부터 입사되는 빔을 주사하는 스캐너와;
    커 효과(Kerr effect)를 가지는 물질로 이루어져, 상기 스캐너에 의해 주사되는 이미징 빔의 경로를 따라가며 자동 정렬되는 렌즈를 형성하는 비선형 광학소자와;
    상기 비선형 광학소자를 활성화하여 이미징 빔의 경로를 따라가며 상기 비선형 광학소자에 렌즈를 형성하는 비선형 광학 굴절율 변화를 유발하는 펌핑 광원;을 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 비선형 광학소자는, 중심이 상기 스캐너의 축 중심과 일치하는 원의 호를 따르는 형상으로 이루어진 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 펌핑 광원은 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 펌핑 광원으로부터 출사된 펌핑 빔은, 상기 이미징용 빔과 동일 광로로 상기 스캐너에 입사되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  5. 제2항에 있어서, 상기 펌핑 광원은 상기 조명계로부터 출사되는 이미징용 빔과는 다른 파장의 펌핑 빔을 출사하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  6. 제2항에 있어서, 상기 비선형 광학소자에 의해 형성되는 렌즈의 초점 거리를 조절하도록 상기 펌핑 광원으로부터 출사되는 펌핑 빔의 경로 상에, 펌핑 빔의 강도를 변조하는 펌핑 빔 변조기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미 징 시스템.
  7. 제2항에 있어서, 상기 펌핑 광원으로부터 출사되고, 비선형 광학소자를 통과한 펌핑 빔을 제거하는 펌핑 빔 커터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  8. 제2항에 있어서, 상기 스캐너 이전의 광로 상에 상기 스캐너에 조사되는 빔의 크기를 줄일 수 있도록, 집속렌즈;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 펌핑 광원은 레이저 광원인 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 펌핑 광원으로부터 출사된 펌핑 빔은, 상기 이미징용 빔과 동일 광로로 상기 스캐너에 입사되는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  11. 제1항에 있어서, 상기 펌핑 광원은 상기 조명계로부터 출사되는 이미징용 빔과는 다른 파장의 펌핑 빔을 출사하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  12. 제1항에 있어서, 상기 비선형 광학소자에 의해 형성되는 렌즈의 초점 거리를 조절하도록 상기 펌핑 광원으로부터 출사되는 펌핑 빔의 경로 상에, 펌핑 빔의 강도를 변조하는 펌핑 빔 변조기;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  13. 제1항에 있어서, 상기 펌핑 광원으로부터 출사되고, 비선형 광학소자를 통과한 펌핑 빔을 제거하는 펌핑 빔 커터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  14. 제1항에 있어서, 상기 스캐너 이전의 광로 상에 상기 스캐너에 조사되는 빔의 크기를 줄일 수 있도록, 집속렌즈;를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  15. 제1항에 있어서, 상기 비선형 광학소자에 의해 형성되는 렌즈의 초점 거리를 조절하도록 상기 펌핑 광원으로부터 출사되는 펌핑 빔의 경로 상에, 펌핑 빔의 강도를 변조하는 펌핑 빔 변조기와;
    상기 펌핑 광원으로부터 출사되고, 비선형 광학소자를 통과한 펌핑 빔을 제거하는 펌핑 빔 커터;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 조명계는, 레이저 광원을 사용하는 레이저 조명계인 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 조명계는, 화상신호에 따라 변조된 R,G,B 레이저빔을 포함하는 파장별 복수의 레이저빔을 단일 광경로로 출사하도록 된 것을 특징으로 하는 주사 광학 이미징 시스템.
  18. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 주사 광학 이미징 시스템을 구비하는 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  19. 제18항에 있어서, 상기 주사 광학 이미징 시스템의 조명계는, 레이저 광원을 사용하는 레이저 조명계인 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  20. 제19항에 있어서, 상기 조명계는, 화상신호에 따라 변조된 R,G,B 레이저빔을 포함하는 파장별 복수의 레이저빔을 단일 광경로로 출사하도록 된 것을 특징으로 하는 광 주사장치.
  21. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 주사 광학 이미징 시스템을 구비하여, 프로젝션 이미지를 형성하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 장치.
  22. 제21항에 있어서, 상기 주사 광학 이미징 시스템의 조명계는, 레이저 광원을 사용하는 레이저 조명계인 것을 특징으로 하는 프로젝션 장치.
  23. 제21항에 있어서, 상기 조명계는, 화상신호에 따라 변조된 R,G,B 레이저빔을 포함하는 파장별 복수의 레이저빔을 단일 광경로로 출사하도록 된 것을 특징으로 하는 프로젝션 장치.
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