KR100688863B1

KR100688863B1 - 스펙클을 저감하기 위한 한 쌍의 광학소자를 구비하는레이저 프로젝션 디스플레이 시스템

Info

Publication number: KR100688863B1
Application number: KR1020050074386A
Authority: KR
Inventors: 여인재; 김천기; 유승원
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2005-08-12
Filing date: 2005-08-12
Publication date: 2007-03-02
Also published as: KR20070019426A

Abstract

본 발명의 디스플레이시스템(100)은 소정 파장의 광빔을 출사하기 위한 광원부(110), 출사된 광빔을 포커싱하기 위한 조명렌즈부(120), 포커싱된 광빔을 변조하기 위한 광변조부(130), 변조된 광빔을 평행광으로 변환하기 위한 제1투사렌즈부(140), 서로 대칭하고 대칭축을 중심으로 소정 각도로 회전운동하는 한 쌍의 투과성광학소자를 구비하는 평행광의 스펙클을 저감하기 위한 스펙클저감부(150)와, 스펙클이 저감된 평행광을 확대하여 스크린에 투사하기 위한 제2투사렌즈부(160)를 포함한다. 한 쌍의 투과성광학소자는 두께 2mm, 굴절율 1.5을 가지며, 수평축을 기준으로 45°~ 60°범위의 각도로 경사지고 약 5.7°범위 내에서 왕복회전운동한다.

레이저, 프로젝션, 디스플레이, 투과성, 광학소자, 스펙클, 광변조

Description

스펙클을 저감하기 위한 한 쌍의 광학소자를 구비하는 레이저 프로젝션 디스플레이 시스템{Laser projection display system provided with a pair of optical elements for decreasing speckle}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저프로젝션디스플레이시스템의 개략적인 블럭도;

도 2는 도 1의 스펙클저감부에 설치되는 한 쌍의 광학소자의 개략도;

도 3은 도 2의 한 쌍의 광학소자가 회전하는 상태를 나타내는 개략도;

도 4는 도 3의 광학소자의 부분확대도;

도 5는 종래기술의 레이저프로젝션디스플레이시스템의 개략적인 블럭도;

도 6은 도 5의 프로젝션디스플레이시스템의 개략도; 및

도 7은 도 5 및 도 6의 파면변조기에 설치되는 투과성 회절격자의 개략적인 단면도이다.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

100 : 디스플레이시스템 110 : 광원부

120 : 조명렌즈부 130 : 광변조부

140 : 제1투사렌즈부 150 : 스펙클저감부

151, 152 : 투과성광학소자 151a, 152a : 코팅면

160 : 제1투사렌즈부 170 : 구동부

180 : 스크린

본 발명은 레이저프로젝션디스플레이시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구성으로 스펙클을 저감할 수 있는 레이저프로젝션디스플레이시스템에 관한 것이다.

레이저프로젝션디스플레이(Laser Projection Display)는 휴대폰, PDA, 미니 랩탑 디스플레이와 같은 소형의 핸드헬드(handheld) 기기에 연결하여, 예를 들어 벽이나 심지어 천장 등의 스크린에 크게 확대하여 보여주는 장치이다. 이러한 소형의 LPD 모듈이 적용되면 휴대폰이나 PDA 등에 들어 있는 멀티콘텐츠를 어느 곳에서나 크게 확대해 볼 수 있기 때문에 휴대폰이나 PDA로 볼 때 화면이 작아 답답했던 DMB 영상이나 영화, 교육, 게임 콘텐츠 등을 큰 화면으로 볼 수 있게 되며, 굳이 노트북에 프로젝터를 연결해 프리젠테이션을 하지 않아도 PDA 등으로 쉽게 프리젠테이션을 할 수 있다.

이러한 레이저프로젝션디스플레이는 간섭성의 빔(corherent beam)을 사용하기 때문에 간섭현상에 의해 스펙클(speckle)이 발생하는 데, 스펙클은 간섭성의 레이저빔이 사물 표면에서 반사될 때 표면의 거칠기에 의하여 산란되는 빛이 사람의 눈에 들어와서 망막에 맺히게 되는 랜덤한 간섭패턴(interference pattern)으로, 영상에 스펙클이 나타나면 눈이 피로해진다.

이러한 레이저프로젝션디스플레이를 구비한 광학계에서 스펙클을 저감하거나 제거하는 기술들이 현재 많이 알려져 있으며, 그 일례로 「레이저 스펙클을 감소하기 위한 방법 및 장치」가 2001년 10월 4일자 국제특허출원 PCT/US2001/31418에 개시되어 있으며, 이를 도 5 내지 도 6에 도시하였다.

도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 종래기술의 디스플레이시스템(40)은 디스플레이광학시스템(42)과 디스플레이전자시스템(44)을 포함하고 있다.

디스플레이광학시스템(42)은 레이저원(46), 조명광학시스템(48), 격자형광밸브(50), Schlieren광학시스템(52), 파면변조기(54), 프로젝션/스캐닝광학시스템(56) 및 디스플레이스크린(58)을 포함하고 있으며, 디스플레이전자시스템(44)은 레이저원(46), 격자형광밸브(50) 및 프로젝션/스캐닝광학시스템(56)에 전기적으로 접속되어 있다.

레이저원(46)은 레이저 조명을 방사한다.

조명광학시스템(48)은 발산렌즈(74), 시준렌즈(76) 및 원통형렌즈(78)를 포함하며, 레이저 조명을 격자형밸브(50)에 포커싱한다.

격자형광밸브(50)는 선형픽셀어레이에 대한 회절된 광선 또는 반사된 광선을 형성하는 레이저 조명을 변조한다. 이때, 레이저조명(72)은 각 픽셀에 대해 +1 및 -1의 회절차수, D₊₁ 및 D_-1을 포함하는 회절된 광선 또는 반사된 광선 R을 형성하는 포커스라인을 따라 선형픽셀어레이로 변조된다.

Schlieren광학시스템(52)은 제1,제2릴레이렌즈(82,84) 및 정지부(80)을 포함하며, Schlieren광학시스템(52)을 통과하기 위해 회절된 광선으로부터 반사된 광선을 구분하며, 정지부(80)에 의해 D₊₁ 및 D_-1을 포함하는 회절된 광선은 통과되고 반사된 광선 R은 정지된다.

파면변조기(54)는 라인 이미지에 적어도 부분적으로 직각으로 격자형 외형을 갖는 투과성회절격자를 포함하며, 라인 이미지 대역폭을 통해 위상을 변조한다.

프로젝션/스캐닝광학시스템(56)은 프로젝션렌즈(86)와 스캐닝미러(88)를 포함하며, 라인 이미지를 스크린(58)에 투영하고 스크린(58)에 2차원 이미지를 형성하기 위해 스크린(58)에 라인 이미지를 스캐닝한다.

상술한 구성을 갖는 디스플레이광학시스템(42)은 파면변조기(54)가 레이저 조명의 위상을 변화시켜 다중 스펙클패턴을 발생시킴으로써 스펙클을 감소시킨다. 여기서, 파면변조기(54)는 도 7과 같이 일면에 약 45° 방향으로 경사지게 형성되는 격자형외형(110)을 갖는 투과성회절격자가 요구된다.

그러나, 상술한 구성의 파면변조기(54)에 요구되는 투과성회절격자는 일면에 격자를 형성하는 작업이 까다롭고 복잡하여 제작공정이 어려울 뿐만 아니라 제작시간이 많이 걸리는 문제가 있었다.

또한, 회절격자를 통해 레이저가 회절되기 때문에 화질이 저하될 뿐만 아니라 광효율이 저하되는 문제가 있었다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안한 것으로, 본 발명의 목적은 구성이 간단한 한 쌍의 투과성광학소자를 사용하여 스펙클을 저감시킴으로써 제작이 용이할 뿐만 아니라 화질 및 광효율이 저하되지 않는 디스플레이시스템을 제공하는 것이다.

상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 소정 파장의 광빔을 출사하기 위한 광원부와, 출사된 광빔을 포커싱하기 위한 조명렌즈부와, 포커싱된 광빔을 변조하기 위한 광변조부와, 변조된 광빔을 평행광으로 변환하기 위한 제1투사렌즈부와, 시간에 따라 평행광의 광경로의 길이를 변환함으로써 평행광의 스펙클을 저감하기 위한 스펙클저감부와, 스펙클이 저감된 평행광을 확대하여 스크린에 투사하기 위한 제2투사렌즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙클을 줄이기 위한 한 쌍의 광학소자를 구비하는 레이저프로젝션디스플레이시스템을 제공한다.

본 발명의 디스플레이시스템은 서로 대칭하고 대칭축을 중심으로 소정 각도로 회전운동하는 한 쌍의 투과성광학소자를 포함하도록 스펙클저감부를 형성할 수 있다.

여기서, 한 쌍의 투과성광학소자는 두께가 2mm이고 굴절율이 1.5이 되도록 형성할 수 있다.

또한, 한 쌍의 투과성광학소자는 수평축을 기준으로 45°~ 60°범위의 각도로 경사지게 설치하거나, 수평축을 기준으로 45°~ 60°범위의 각도로 경사지며 약 5.7°범위 내에서 왕복회전운동하도록 설치할 수 있다.

또한, 한 쌍의 투과성광학소자는 유리로 형성할 수 있다.

또한, 한 쌍의 투과성광학소자는 평행광의 입사되는 면을 투과성이 우수한 코팅재질로 코팅처리할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스펙클을 저감하기 위한 한 쌍의 광학소자를 구비하는 레이저프로젝션디스플레이시스템에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 디스플레이시스템(100)은 광원부(110), 조명렌즈부(120), 광변조부(130), 제1투사렌즈부(140), 스펙클저감부(150), 제2투사렌즈부(160), 스크린부(170) 및 구동부(180)를 포함한다.

광원부(110)는 소정 파장의 광빔을 출사한다.

조명렌즈부(120)는 광원부(110)로부터 출사되어 오는 광빔을 광변조부(130)로 포커싱하기 위한 것으로, 발산렌즈, 시준렌즈, 원통형렌즈 등의 다수의 렌즈를 포함할 수 있으며, 본 실시예에서는 도시하지는 않았지만 광빔의 폭을 증가시키고 콜리메이션하는 줌렌즈, 빔형성(beam shaper)소자 및 Y방향 확대 및 콜리메이션 후 X방향 라인 빔 조명을 가능하게 하는 렌즈를 포함한다.

광변조부(130)는 포커싱된 광빔을 변조하여 제1투사렌즈부(140)로 보내기 위한 것으로, 본 실시예에서는 1차원 회절형 광변조소자를 사용하였다.

제1투사렌즈부(140)는 광변조부(130)로부터 보내진 광빔을 평행광으로 변환시켜 스펙클저감부(150)로 보내기 위한 것으로, 릴레이렌즈군과 투사렌즈군으로 구 성되며 두 렌즈 사이에 중간이미지평면(intermediate image plane)을 형성한다.

스펙클저감부(150)는 제1투사렌즈부(140)에서 보내진 평행광의 스펙클을 저감하며, 한 쌍의 투과성광학소자를 구비한다. 투과성광학소자에 대해서는 도 2 내지 도 4를 참조로 아래에 상세하게 설명할 것이다.

제2투사렌즈부(160)는 스펙클이 저감된 평행광을 확대하여 스크린(180)에 투사한다.

구동부(170)는 스펙클저감부(150)에 연결되어 스펙클저감부(150)를 구동시킨다.

스펙클저감부(150)는 도 2 및 도 3에 도시한 한 쌍의 투과성광학소자(151,152)를 구비한다.

도 2에 도시한 바와 같이, 한 쌍의 투과성광학소자(151,152)는 일점쇄선으로 도시한 X축에 대해 소정 각도, 바람직하게는 45°이상, 보다 바람직하게는 약 45°~60°로 경사지며 Y축에 대해 서로 대칭되게 설치한다.

투과성광학소자(151,152)는 유리 등의 투과성이 우수한 재료로 제작한다. 여기서, 투과성광학소자(151,152)의 굴절률 n은 1이 아닌 경우 모두 해당되며, 본 실시예에서는 굴절율 n = 1.5로 하였다. 또한, 투과성광학소자(151,152)의 두께 t는 스펙클저감부(150)의 크기 또는 디스플레이시스템(100)의 전체 크기에 따라 달리 변경할 수 있으며, 본 실시예에서는 두께 t = 2mm로 하였다.

투과성광학소자(151,152)는 광빔이 입사되는 입사면에 소정의 코팅재료, 바람직하게는 투과성이 우수한 코팅재료로 형성된 코팅면(151a,152a)을 갖는다. 여기 서, 광학소자(151,152)의 양면이 반반사코팅(anti-reflection coating)처리되며, 반반사코팅은 산화마그네슘(MgO) 등 인덱스(index)가 다른 재료를 번갈아 가며 실시된다.

상술한 구성을 갖는 투과성광학소자(151,152)는, 도 3에 도시한 바와 같이, 소정의 구동수단(미도시)에 의해 각각 A 및 A'을 중심으로 화살표방향으로 왕복회전운동된다. 여기서, 투과성광학소자(151,152)의 회전수는 1Hz ~ 1500Hz 범위로 하는 것이 바람직하다.

도 3에서 투과성광학소자(151,152)는 서로 대칭하게 회전하기 때문에 투과성광학소자(151)를 기초로 설명하고 투과성광학소자(152)에 대한 설명은 생략한다.

투과성광학소자(151,152)는 초기에 θ₁의 각도로 경사지게 위치하였다가 θ₂의 각도로 경사지게 위치하며, 이때 회전각의 차, 즉 θ₂- θ₁의 차 δθ는 약 5.7°(0.1(rad))인 것이 바람직하다. 여기서, 초기 경사각 θ₁은 작을 수록 좋으나 너무 작은 경우 광빔의 투과율이 저하되기 때문에 위에 설명한 바와 같이 약 45°~ 60°의 각도를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 초기 경사각 θ₁은 투과성광학소자(151,152)에 형성된 코팅면(151a,152a)의 코팅정도에 따라 다르게 할 수 있다.

점선으로 도시한 바와 같이, 투과성광학소자(151,152)의 경사각이 θ₁일 때, 광빔의 경로는 B₁이 되는 한편, 실선으로 도시한 바와 같이, 투과성광학소자(151,152)의 경사각이 θ₂일 때, 광빔의 경로는 B₂가 된다. 따라서, 투과성광학소자 (151,152)의 경사각이 θ₁에서 θ₂로 바뀔 때, 광빔의 경로는 B₁에서 B₂가 바뀌게 된다. 이러한 광경로의 변경에 의해 광학소자(152)를 떠나는 광빔은 동일한 광경로를 유지하면서 위상을 달리할 수 있으며, 이로 인해 스펙클이 크게 줄어들 수 있다.

투과성광학소자(151,152)의 경사각이 θ₁에서 θ₂로 바뀔 때 광빔의 경로길이 P는 P₁ = A ~ B₁에서 P₂ = A ~ B₂로 바뀌게 되며, 이를 기초로 경로길이차 δP = P₁ - P₂가 얻어진다. 이를 도 4를 참조로 상세하게 설명한다.

도 4는 경사각의 변화에 따른 광경로길이의 변화를 설명하기 위하여 경사각의 변화를 과장하여 도시한 것으로, 실제로는 경사각의 변화가 5.7°정도로 도시한 것보다 상당히 작다.

도 4에서, 경사각이 θ₂로 바뀌었을 때, 예를 들어, 광경로길이 P와 광경로길이차 δP = P₁ - P₂는 아래와 같은 수학식들을 통해 얻어진다.

,

본 실시예에서 광학소자의 굴절율 n = 1.5, t = 2mm, θ₁= 0.5(rad) 및 θ₂= 0.6(rad)라고 하면, 위 수학식 1 내지 수학식 4을 기초로 표 1과 같은 결과가 얻어진다.

θ(rad)	sin θ	sin θ'	cos θ	cos θ'	P(mm)	δP(mm)
θ₁= 0.5	0.479	0.340	0.878	0.948	1.631	0.063
θ₂= 0.6	0.565	0.376	0.825	0.926	1.694

통상적으로 단위시간당 광경로길이의 변화량이 1픽셀시간동안 광빔의 파장의 1배가 되면 스펙클이 완전히 제거된 것으로 본다. 표 1를 기초로 하면, 단위시간당 광경로길이의 변화량이 1픽셀시간동안 광빔의 파장의 1/2배가 되기 때문에 스펙클이 충분하게 감소된 것으로 볼 수 있다. 이는 사람의 눈의 망막에서 발생하는 이미지평면(image plane)에서 방출되는 간섭성의 빔의 간섭현상이 1픽셀 시간동안 망막위의 모든 점에서 보강간섭에서 상쇄간섭으로 완전히 반전되어 시세포의 시간적분효과에 의해 간섭에 의한 광량의 왜곡이 없어지기 때문이다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조로 스펙클을 줄이기 위한 한 쌍의 광학소자를 구비하는 레이저프로젝션디스플레이시스템에 대하여 설명하였지만, 본 발명의 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 수정, 변경 및 다양한 변형실시예가 가능함은 당업자에게 명백하다.

본 발명의 디스플레이시스템에 따르면, 구성이 간단한 소정의 굴절율을 갖는 한 쌍의 투과성광학소자를 사용하여 광빔의 스펙클을 저감시키기 때문에 종래기술에 비해 광학소자, 또는 스펙클저감부, 또는 디스플레이시스템의 제작공정이 매우 용이할 뿐만 아니라 제작시간을 크게 줄일 수 있다.

또한, 광학소자가 높은 투과율을 가지며, 아울러 코팅면을 달리하여 투과율을 높일 수 있기 때문에 종래기술에 비해 광효율이 크게 향상된다.

Claims

광빔을 출사하기 위한 광원부;

상기 출사된 광빔을 포커싱하기 위한 조명렌즈부;

상기 포커싱된 광빔을 변조하기 위한 광변조부;

상기 변조된 광빔을 평행광으로 변환하고 확대하여 스크린에 투사하기 위한 투사렌즈부; 및

시간에 따라 상기 평행광의 광경로의 길이를 변환함으로써 상기 평행광의 스펙클을 저감하기 위한 스펙클저감부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙클을 줄이기 위한 한 쌍의 광학소자를 구비하는 레이저프로젝션디스플레이시스템.
광빔을 출사하기 위한 광원부;

상기 출사된 광빔을 포커싱하기 위한 조명렌즈부;

상기 포커싱된 광빔을 변조하기 위한 광변조부;

상기 변조된 광빔을 평행광으로 변환하기 위한 제1투사렌즈부;

시간에 따라 상기 평행광의 광경로의 길이를 변환함으로써 상기 평행광의 스펙클을 저감하기 위한 스펙클저감부; 및

상기 스펙클이 저감된 평행광을 확대하여 스크린에 투사하기 위한 제2투사렌즈부를 포함하는 것을 특징으로 하는 스펙클을 줄이기 위한 한 쌍의 광학소자를 구비하는 레이저프로젝션디스플레이시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 스펙클저감부는 서로 대칭하고 대칭축을 중심으로 회전운동하는 한 쌍의 투과성광학소자를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이시스템.
제3항에 있어서, 상기 한 쌍의 투과성광학소자는 두께가 2mm이고 굴절율이 1.5인 것을 특징으로 하는 디스플레이시스템.
제3항에 있어서, 상기 한 쌍의 투과성광학소자는 수평축을 기준으로 45°~ 60°범위의 각도로 경사지게 설치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이시스템.
제3항에 있어서, 상기 한 쌍의 투과성광학소자는 수평축을 기준으로 45°~ 60°범위의 각도로 경사지며 약 5.7°범위 내에서 왕복회전운동하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 디스플레이시스템.
제3항에 있어서, 상기 한 쌍의 투과성광학소자는 유리인 것을 특징으로 하는 디스플레이시스템.
제7항에 있어서, 상기 투과성광학소자는 상기 평행광의 입사되는 면이 투과성이 우수한 코팅재료로 코팅처리되는 것을 특징으로 하는 디스플레이시스템.