KR100682902B1 - 레이저 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 ｔｖ - Google Patents

레이저 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 ｔｖ Download PDF

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Abstract

레이저 광원의 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 TV가 개시되어 있다.
이 개시된 조명계는, 복수의 레이저를 가지는 레이저 광원 유닛; 상기 레이저 광원 유닛에서 출사된 레이저 빔을 파장에 따라 서로 다른 세그먼트에 분리하여 집속시키는 제1 회절광학소자; 상기 집속된 레이저 빔은 복수의 빔렛으로 구성되고, 상기 각각의 빔렛이 중첩적으로 집속되도록 하여 레이저 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 반점을 제거시키는 제2 회절광학소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 구성에 의해 레이저 빔으로 인한 반점을 크게 감소시키거나 또는 제거하여 화질을 크게 개선할 수 있다.

Description

레이저 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 ＴＶ{Illumination system eliminating laser speckle and projection TV employing the same}
도 1은 미국 특허 6,594,090 B2에 개시된 종래의 프로젝터를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로젝션 TV의 개략적인 구성도이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명계를 나타낸 것이다.
도 4a는 본 발명에 따른 프로젝션 TV에 구비된 제1 회절광학소자의 마스크 패턴의 일 예를 나타낸 것이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 제1 회절광학소자에 의해 변환된 빔 이미지를 나타낸 것이다.
도 5a는 본 발명에 따른 프로젝션 TV에 구비된 제2 회절광학소자의 적색 세그먼트에 대한 X축 방향 프레그먼트를 나타낸 것이다.
도 5b는 도 5a에 도시된 제2 회절광학소자의 적색 세그먼트에 대한 X축 방향 프레그먼트에 의해 변환된 빔 이미지와 광 강도 분포를 나타낸 것이다.
도 6a는 본 발명에 따른 프로젝션 TV에 구비된 제2 회절광학소자의 적색 세그먼트에 대한 Y축 방향 프레그먼트를 나타낸 것이다.
도 6b는 도 6a에 도시된 제2 회절광학소자의 적색 세그먼트에 대한 Y축 방향 프레그먼트에 의해 변환된 빔 이미지와 광 강도 분포를 나타낸 것이다.
<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100...레이저 광원 유닛, 105...제1 회절광학소자
110...제2 회절광학소자, 115...디스플레이 소자
120...투사렌즈유닛, 125...스크린
L1...제1칼라빔 세그먼트, L2...제2칼라빔 세그먼트
L3...제3칼라빔 세그먼트
본 발명은 레이저 광원의 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 TV에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회절광학소자를 이용하여 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 효과적으로 레이저 반점을 감소 또는 제거한 조명계 및 프로젝션 TV에 관한 것이다.
레이저 광원 유닛을 구비한 프로젝션 TV는 넓은 칼라 게멋을 가지기 때문에 칼라 표현 범위가 넓고, 시준성(collimation)이 우수하여 광효율이 높을 뿐만 아니라 발산각이 적어 프로젝션 TV를 소형화하는데 크게 기여할 수 있다. 하지만, 이러한 이점이 있는 반면, 가간섭성으로 인해 반점(speckle)이 발생하는 단점이 있다. 반점은 가간섭성의 빔이 거친 표면에서 반사될 때 반사된 임의의 위상을 가지는 빔의 간섭에 의해 발생된다. 이러한 반점은 화상의 해상도 및 화질을 나쁘게 하는 주 요 원인이 된다.
종래에 레이저 반점(speckle)을 제거하기 위한 프로젝터가 미국 특허 6,594,090 B2호에 개시되어 있다.
종래의 프로젝터(10)는 도 1에 도시된 바와 같이 동축선 상에 배열된 레이저 광원(20)과, 빔 확장 광학계(24), 확산기(diffuser)(34), 빔 정형 광학계(38)를 포함한다. 상기 빔 확장 광학계(24)는 발산 렌즈(26), 콜리메이팅 렌즈(30)를 구비하고, 빔 정형 광학계(38)는 플라이아이 인티그레이터(40), 콘덴서 렌즈(44) 및 필드 렌즈(46)를 구비한다.
상기 광원(1)에서 나온 빔은 빔 확장 광학계(24)에 의해 빔 단면이 증대된 평행 확장 빔으로 되고, 이 확장 빔은 상기 빔 정형 광학계(38)에 의해 서로 중첩적으로 조사되고, 이것에 의해 가우시안 분포를 갖는 레이저 빔이 균일한 분포를 가지는 빔으로 되며, 액정 공간 광 변조기(52)의 형상에 맞게 조절된다. 상기 액정 공간 광 변조기(52)에서 반사된 화상은 편광 빔스프리터(50)에서 반사되어 프로젝션 렌즈(58)에 의해 확장되어 스크린(60)에 맺힌다.
종래의 구조에서는 상기 확산기(34)에 의해 확산된 빔이 빔 정형 광학계(38)에 의해 상기 공간 광 변조기(52)에 중첩적으로 조사됨으로써 레이저의 반점이 제거된다. 하지만, 상기와 같이 확산기(34)만을 이용하여 레이저 반점을 제거하는 경우 반점 제거 효율이 떨어져 화질이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 레이저 광원 유 닛을 구비하여 소형화를 달성하고, 회절광학소자를 이용하여 레이저 반점을 효과적으로 감소 또는 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 TV를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 조명계는, 복수의 레이저를 가지는 레이저 광원 유닛; 상기 레이저 광원 유닛에서 출사된 레이저 빔을 파장에 따라 서로 다른 세그먼트에 분리하여 집속시키는 제1 회절광학소자; 상기 집속된 레이저 빔은 복수의 빔렛으로 구성되고, 상기 각각의 빔렛이 중첩적으로 집속되도록 하여 레이저 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 반점을 제거시키는 제2 회절광학소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 복수의 레이저는 동일 광축으로 출사되는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 회절광학소자는 레이저 광원 유닛에서 출사된 레이저 빔을 동심의 고리 형태로 집속시키는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 회절광학소자는 상기 각각의 세그먼트에 대응되는 회절 패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 회절광학소자는 레이저 빔의 단면을 소정 형태로 정형해주는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 프로젝션 TV는, 복수의 레이저를 가지는 레이저 광원 유닛; 상기 레이저 광원 유닛 유닛에서 출사된 레이저 빔을 파장에 따라 서로 다른 세그먼트에 분리하여 집속시키는 제1 회절광학소자; 상기 집속된 레이저 빔은 복수의 빔렛으로 구성되고, 상기 각각이 빔렛이 중첩적으로 집속되도록 하여 레이저 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 반점을 제거시키는 제2 회절광학소자; 상기 제2 회절광학소자를 통과한 빔을 이용하여 화상을 형성하는 디스플레이 소자; 상기 화상을 스크린에 확대 투사시키는 투사렌즈 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 TV에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 반점을 제거한 프로젝션 TV가 도 2에 도시되어 있다.
본 발명에 따른 프로젝션 TV는, 레이저 광원 유닛(100)과, 레이저 광원 유닛(100)으로부터 출사된 레이저 빔을 파장에 따라 서로 다른 영역에 집속시키는 제1 회절광학소자(105)와, 레이저 빔의 반점을 제거하기 위한 제2 회절광학소자(110)와, 입사빔을 공간 변조하여 화상을 형성하기 위한 디스플레이 소자(115)를 포함한다. 또한, 상기 디스플레이 소자(115)로부터의 화상을 스크린(125)에 확대 투사시키는 투사렌즈유닛(120)이 구비된다.
상기 제1 회절광학소자(105)는 레이저 빔을 파장에 따라 발산각도가 다르게 회절시켜 서로 다른 영역에 집속시킨다. 예를 들어, 도 3에 도시된 바와 같이 입사빔을 파장에 따라 동심의 고리 형태로 분리시켜, 제2 회절광학소자(110)에 제1칼라빔 세그먼트(L1), 제2칼라빔 세그먼트(L2) 및 제3칼라빔 세그먼트(L3)로 구획되도록 한다. 여기서, 제1 칼라빔은 적색빔, 제2 칼라빔은 녹색빔, 제3 칼라빔은 청색빔이 될 수 있다.
상기 제1 회절광학소자(105)는 빔 분리 기능과 함께 레이저 빔으로 인한 반점을 제거하는 기능도 함께 가지도록 제작 가능하다. 도 4a는 제1 회절광학소자(105)의 마스크 패턴을 나타낸 것이고, 도 4b는 제1 회절광학소자(105)에 의해 변환된 고리 형태의 빔 이미지를 나타낸 것이다. 제1 회절광학소자(105)의 에너지 효율은 제1 회절광학소자(105)와 제2 회절광학소자(110) 사이의 거리에 따라 바뀔 수 있으며 고리 형태의 빔이 겹쳐질 경우 에너지 효율이 저하되므로 고리 형태의 빔이 겹쳐지지 않도록 한다.
상기 제2 회절광학소자(110)는 제1 회절광학소자(105)와 디스플레이 소자(115) 사이의 광경로 상에 배치되고, 빔 단면이 상기 디스플레이 소자(120)의 형태를 가지도록 빔을 정형(shaping)한다. 또한, 제2 회절광학소자(110)는 입사빔을 디스플레이 소자(115)에 중첩적으로 맺히게 함으로써 빔을 공간적으로 평균화하여 레이저 빔으로 인한 반점을 제거한다. 다시 말하면, 상기 제2 회절광학소자(110)에 입사되는 빔은 복수의 빔렛(b)(beamlet)들로 구성되고, 이 빔렛(b)들은 상기 제2 회절광학소자(110)에 의해 디스플레이 소자(115)의 형태대로 정형되고, 디스플레이 소자(120)에 중첩적으로 맺힌다. 이와 같이 디스플레이 소자의 형태로 정형된 빔이 디스플레이 소자에 중첩적으로 맺힘에 따라 레이저 빔이 공간적으로 평균화되어 균일하게 분포됨으로써 결과적으로 레이저 빔으로 인한 반점이 현저하게 감소되거나 제거된다.
제1 회절광학소자(105)에 의해 레이저 빔이 파장에 따라 복수의 세그먼트로 구획되어 상기 제2 회절광학소자(110)에 집속되고, 상기 제2 회절광학소자(110)는 각 칼라빔 세그먼트에 대응되는 최적의 회절 패턴으로 설계될 수 있다. 회절광학소자는 파장에 의존하는 성질이 있으므로, 각 칼라빔의 파장에 최적인 회절 패턴을 가지도록 설계하여 각 칼라빔에 대한 회절 효율을 최대화할 수 있다. 그리고, 이러한 최적의 회절 패턴의 설계로 각 칼라빔이 디스플레이 소자(115)에 정확하게 집속되도록 하는 것이 가능하다.
도 5a는 상기 제2 회절광학소자(110)의 적색 세그먼트(L1)에 대한 X축 방향 프레그먼트를 나타낸 것으로, 256*256 픽셀, 43*25 빔렛, RMS=3.2%, 90.0%의 회절효율을 가진다. 도 5b는 도 5a에 도시된 제2 회절광학소자의 프레그먼트에 의해 디스플레이 소자(115)에 집속된 영상과 이 영상의 광 강도 분포를 나타낸 것이다. X축 방향의 광 강도 분포가 대체적으로 고르게 분포되어 있음을 알 수 있다.
도 6a는 제2 회절광학소자(110)의 적색 세그먼트(L1)에 대한 Y축 방향 프레그먼트를 나타낸 것으로, 256*256 픽셀, 43*25 빔렛, RMS=3.1%, 90.0%의 회절효율을 가진다. 도 6b는 도 6a에 도시된 제2 회절광학소자 프레그먼트에 의해 디스플레이 소자(115)에 집속된 영상과 이 영상의 광 강도 분포를 나타낸 것이다. Y축 방향의 광 강도 분포가 대체적으로 고르게 분포되어 있음을 알 수 있다. 또한, 여기서 도시하지는 않았지만 녹색 세그먼트(L2), 청색 세그먼트(L3)들도 적색 세그먼트(L1)와 유사하게 스퀘어 강도 분포를 가진다.
상기 제2 회절광학소자(115)에 의해 디스플레이 소자(120)에 집속된 빔이 X축 방향과 Y 축 방향 모두 스퀘어 분포를 가지므로 레이저 빔이 공간적으로 평균화되어 레이저 반점이 현저하게 감소되거나 제거됨을 알 수 있다.
한편, 레이저 반점의 콘트라스트는 다음 식과 같이 나타나며, 이 콘트라스트 값이 4% 이하이면 육안으로 감지할 수 없는 수준이 된다.
Figure 112004053966412-pat00001
여기서, <Ii> 는 회절광학소자의 i 번째 픽셀을 통과한 빔의 강도(intensity)의 평균값을 나타내고, σ는 표준 편차(standard deviation)를 나타내며, μ는 평균값(Mean value)을 나타낸다.
제2 회절광학소자(110)를 통과한 빔은 균일한 세기 분포를 가지는 빔으로 변환된다. 레이저빔은 레이저 광원 유닛에서 출사시 가우시안 분포를 가지지만, 상기 제2 회절광학소자(110)를 통해 디스플레이 소자(115)에 중첩적으로 맺힘으로써 균일한 세기 분포(스퀘어 분포)를 가지는 빔으로 변환되어 레이저 반점이 제거된 고화질의 영상을 얻을 수 있다.
다음, 상기 제2 회절광학소자(110)는 빔 단면 형상을 디스플레이 소자(115)의 형상으로 만들어 준다. 디스플레이 소자로는 예를 들어, 투과형 LCD, LCoS, DMD(Digital Micromirror Device), 회절형 라이트 밸브(Grating Light Valve) 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 이들 디스플레이 소자는 4:3 또는 16:9의 종횡비를 가지는 사각형 형태를 가진다. 레이저 광원 유닛(100)에서 나온 빔은 그 단면이 원형을 가지고, 디스플레이 소자는 사각형의 형태를 가지므로 광효율을 위해 레이저 광원 유닛(100)에서 출사된 빔의 형상을 디스플레이 소자의 형상대로 만들어 줄 필 요가 있다. 따라서, 레이저 빔을 상기 제2 회절광학소자(110)에 의해 상기 디스플레이 소자(115)의 형상에 맞게 변환시킨다.
또한, 제2 회절광학소자(110)의 패턴을 조절하여 빔의 발산각을 조절할 수 있다. 빔의 발산각을 조절하여 조명계의 F/No를 크게 함으로써 프로젝션 TV의 구성을 소형화할 수 있다.
상기 제2 회절광학소자(110)를 통해 정형된 빔이 디스플레이 소자(115)에 입사되고, 디스플레이 소자(115)에 의해 형성된 화상이 투사렌즈 유닛(120)에 의해 스크린(125)에 확대 투사된다.
상기 레이저 광원 유닛(100)은 서로 다른 파장의 빔을 조사하는 복수개의 레이저를 구비하여 칼라별로 동축상으로 동시에 출사시킨다. 예를 들어, 상기 레이저 광원 유닛(100)은 적색빔, 녹색빔, 청색빔을 조사하는 제1, 제2 및 제3 레이저를 구비하고, 적색빔, 녹색빔, 청색빔을 동시에 조사하면서 3패널식의 디스플레이 소자를 이용하여 상기 칼라빔들에 대한 화상을 동시에 형성하여 스크린(125)에 투사함으로써 칼라화상을 형성한다.
또는, 적색빔, 녹색빔, 청색빔을 순차적으로 조사하면서 1패널식의 디스플레이 소자를 이용하여 상기 칼라빔들에 대한 화상을 순차적으로 형성하여 스크린(125)에 투사함으로써 칼라화상을 형성한다.
본 발명에서는 레이저 광원 유닛을 이용하는데 있어서, 레이저 빔으로 인한 반점을 크게 감소시키거나 또는 제거한 조명계를 제공하고, 이러한 조명계를 채용하여 화질이 개선된 프로젝션 TV를 제공한다.
또한, 본 발명은 레이저 광원 유닛을 이용하여 빔 발산각을 최소화할 수 있으므로 프로젝션 TV를 컴팩트화 및 슬림화하는 데 유리하다.

Claims (11)

  1. 동일 광축으로 빔을 출사하는 복수의 레이저를 가지는 레이저 광원 유닛;
    상기 레이저 광원 유닛에서 출사된 레이저 빔을 파장에 따라 서로 다른 세그먼트에 분리하여 집속시키는 제1 회절광학소자;
    상기 집속된 레이저 빔은 복수의 빔렛으로 구성되고, 상기 각각의 빔렛이 중첩적으로 집속되도록 하여 레이저 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 반점을 제거시키는 제2 회절광학소자;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명계.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1 회절광학소자는 레이저 광원 유닛에서 출사된 레이저 빔을 동심의 고리 형태로 집속시키는 것을 특징으로 하는 조명계.
  4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제2 회절광학소자는 상기 각각의 세그먼트에 대응되는 회절 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 조명계.
  5. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,
    상기 제2 회절광학소자는 레이저 빔의 단면을 소정 형태로 정형해주는 것을 특징으로 하는 조명계.
  6. 동일한 광축으로 빔을 출사하는 복수의 레이저를 가지는 레이저 광원 유닛;
    상기 레이저 광원 유닛 유닛에서 출사된 레이저 빔을 파장에 따라 서로 다른 세그먼트에 분리하여 집속시키는 제1 회절광학소자;
    상기 집속된 레이저 빔은 복수의 빔렛으로 구성되고, 상기 각각이 빔렛이 중첩적으로 집속되도록 하여 레이저 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 반점을 제거시키는 제2 회절광학소자;
    상기 제2 회절광학소자를 통과한 빔을 이용하여 화상을 형성하는 디스플레이 소자;
    상기 화상을 스크린에 확대 투사시키는 투사렌즈 유닛;을 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 TV.
  7. 삭제
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 제1 회절광학소자는 레이저 광원 유닛에서 출사된 레이저 빔을 동심의 고리 형태로 집속시키는 것을 특징으로 하는 프로젝션 TV.
  9. 제 6항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 제2 회절광학소자는 상기 각각의 세그먼트에 대응되는 회절 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 프로젝션 TV.
  10. 제 6항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 제2 회절광학소자는 레이저 빔의 단면을 상기 디스플레이 소자의 형태로 정형해 주는 것을 특징으로 하는 프로젝션 TV.
  11. 제 6항 또는 제 8항에 있어서,
    상기 디스플레이 소자는 투과형 LCD, LCoS, DMD(Digital Micromirror Device), 회절형 라이트 밸브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프로젝션 TV.
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