KR100709500B1 - 투사 디스플레이를 위한 ｌｅｄ 광원을 사용하는 방법 및 시스템 - Google Patents

투사 디스플레이를 위한 ｌｅｄ 광원을 사용하는 방법 및 시스템 Download PDF

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Abstract

단일 경로의 멀티미디어 투사기(30)에서, 푸른색, 녹색 및 적색의 일반적으로 단색성의 LED(72)로부터 발광된 빛은 광섬유(76)를 통해서 전파되고 그후에 광 통합기(40)를 통해서 통합된다. 디스플레이 컨트롤러(56)는 퍼스널 컴퓨터(58)로부터 이미지 데이터를 수신하여서 상기 데이터를 일반적인 디스플레이 장치(44)로 전달되는 컬러 프레임의 연속 데이터로 변환시킨다. 컨트롤러(56)는 데이터를 LED 전력 공급부(34)로 전송되는 ON/OFF 신호와 동조시킨다. 전자적으로 동조된 프레임 연속 정보는 컬러 휠 시스템(10)으로 얻을 수 있는 것 보다 더욱 빠르고 정확하게 순환된다. 다중 경로의 투사기(120)에서, LED(72)로부터의 빛은 계속해서 ON일 수 있고 개별 광 경로(36)를 따라서 전파되어서 통합기(40)를 통해서 통합된다. 컬러 프레임의 연속 데이터는 컨트롤러-동조 개별 디스플레이 장치(44)로 전달된다. 출력 단자는 콤바이너(122)와 결합되어서 합성 이미지를 형성한다.
투사기, 디스플레이 장치, 광섬유, 광 통합기, 컨트롤러

Description

투사 디스플레이를 위한 ＬＥＤ 광원을 사용하는 방법 및 시스템{System and method employing led light sources for a projection display}
본 발명은 이미지 투사 디스플레이(image projection display)에 관한 것이며, 특히 상기 디스플레이의 광경로(optical pathway)에 사용되는 LED 광원에 관한 것이다.
투사 시스템은 볼 수 있도록 동작 영상 및 정지 사진을 스크린 상으로 투사(project)하기 위하여 수년동안 사용되었다. 특히, 멀티미디어 투사 시스템을 사용하는 프리젠테이션(presentation)은 판매 진열, 비지니즈 모임 및 학교 수업을 진행하는데 있어서 인기가 있었다.
일반적인 작동 모드에서, 멀티미디어 투사 시스템은 퍼스널 컴퓨터("PC")로부터 아날로그 비디오 신호를 수신한다. 비디오 신호는 PC에 의해서 제공되는 유형의 정지 디스플레이 이미지, 부분적인 또는 완전한 동작의 디스플레이 이미지를 표현할 수 있다. 아날로그 비디오 신호는 통상적으로 투사 시스템에서 디지털 비디오 신호로 변환되고, 이 신호는 전자적으로 조절(condition)되고 처리되어서 액정 디스플레이("LCD") 또는 디지털 마이크로미러 장치(digital micromirror device;"DMD")와 같은, 이미지-형성 장치(an image-forming device)를 제어한다.
인기있는 유형의 멀티미디어 투사 시스템은 디스플레이 스크린 상으로 이미지를 투사하기 위하여, 이미지 형성 장치의 상부 및 하부의 넓은 스펙트럼의 광원과 광 경로 요소를 사용한다. DMD 기초 멀티미디어 투사기의 보기는 본원의 양수인 즉, 미국 오리건 윌슨빌 소재의 인포커스 시스템에 의해서 제조된 모델 LP420이다.
밝은 고품질의 컬러 이미지를 제조하는 투사기를 개발하는데 많은 노력을 기울여 왔다. 그러나, 종래 투사기의 광학 성능은 종종 기대 이하였다. 예를 들어, 특히 매우 밝은 실내에서 컴팩트한 휴대용 컬러 투사기를 사용할 때, 적당히 투사된 명도의 이미지를 얻기 어렵다. 투사기는 통상적으로 광원으로써 고강도의 아크 램프를 사용하고 그 다음 푸른색광, 녹색광 및 적색광을 제외하고는 모든 광을 여과하며 컬러 이미지 데이터를 조정(coordinate)하기 위하여 3개의 개별 광 경로 또는 어떤 형식의 연속적인 컬러 모듈레이터(modulator)를 사용한다.
LCD 디스플레이는 심각한 광 감쇄현상(light attenuation)을 가지고 3중 경로의 광 경로들은 무겁고 부피가 크기 때문에, 휴대용 멀티미디어 투사기는 통상적으로 단일 광 경로 구성의 DMD 디스플레이를 사용한다. 이러한 구성을 갖는 투사 컬러 이미지를 제조하는 것은 컬러 휠(color wheel)과 같이, 연속된 컬러 모듈레이터를 통해서 프레임 연속 이미지를 투사하는 것을 필요로 한다.
도 1은 통상적인 종래 기술의 프레임 연속 컬러(FSC) 디스플레이 시스템(10)을 도시하며, 상기 시스템(10)에서는 센서(12)가 각 적색, 녹색 및 푸른색 필터 세그먼트(R,G,B)를 갖는 컬러 휠(18)을 회전시키는 모터(16)의 소정의 컬러 표시 위치를 검출하기 위하여 타이밍 마크(14)를 감지한다. 광원(20)은 컬러 휠(18)과 릴레이 렌즈(24)를 통해서 광빔(22)을 LCD 기초 광판(light valve) 또는 DMD와 같은 디스플레이 장치(26) 상으로 투사한다. 디스플레이 컨트롤러(도시생략)는 컬러 휠(18)의 각 필터 세그먼트(R,G,B)를 통하여 광빔(22)의 전파(propagation)와 일치하도록 시간이 맞추어지는 연속된 적색, 녹색 및 푸른색 이미지 데이터를 갖는 디스플레이 장치(26)를 구동시킨다. DC 모터는 약 6,650 rpm 내지 약 7,500 rpm에서 컬러 휠(18)을 회전시킨다. 명백하게는, FSC 디스플레이 시스템의 성공적인 동작은 적색, 녹색 및 푸른색 이미지를 컬러 휠(18)의 각도 위치(angular position)와 적절하게 동기화시키는 가에 따라서 좌우된다.
센서(12)는 통상적으로 어떤 광전기(optoelectrical) 또는 전기기계식 샤프트 위치(shaft position) 또는 모터 아마츄어 위치 검출기를 사용하고 일반적으로 타이밍 마크(14)를 필터 세그먼트들중 하나를 스타트(start) 및 얼라이닝(aligning)시키기 위한 어떤 수단을 필요로 한다. 이러한 얼라인먼트는 통상적으로 비용이 많이 소모되는 에러가 자주 발생하는 기계식 조정작업이며, 이 조정작업은 모터(16)와 필터 세그먼트(R,G,B)의 기계식 설치부 사이의 각도 차이를 보충하는 것이다. 물론, 센서(12)와 연관된 전기 또는 기계적인 지연(delay)은 얼라인먼트 에러에 영향을 준다.
축적된 각도 에러(accumulated angular error)는 컬러 휠(18)의 각도 위치에 대한 적색, 녹색 및 푸른색 이미지 데이터 사이의 동조 에러(synchronization error)의 가능성과, 이전 작업자가 타이밍 듀티 사이클(timing duty cycle)을 디스플레이 컨트롤러 전자 장치 안으로 제조함으로써 회피할 수 있는 가능성을 열어 놓는다. 타이밍 듀티 사이클은 광빔(22)이 디스플레이 장치(26)에 부적절한 컬러가 제공되는 것을 방지하기 위하여 각 필터 세그먼트(R,G,B)의 각각을 통해서 전파(propagating)될 때, 단지 일부의 시간에 대해서만 적색, 녹색 및 푸른색 이미지 데이터로써 디스플레이 장치(26)를 구동시킬 목적으로 제공된다. 불행하게도, 타이밍 듀티 사이클은 각 컬러를 표시하기 위해서 사용가능한 전체 조명량을 감소시키므로, 그 결과에 따라서 표시된 컬러 이미지의 명도를 감소시킨다. 또한, 컬러 휠(18) 및 그와 관련된 모터들은 무겁고 소음이 있다.
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따라서, 컬러 휠 시스템에 대하여 본질적인 어떤 기계적인, 광학적인 및 전기적인 회전 타이밍 에러를 실질적으로 제거하는 다른 기술이 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 투사 디스플레이 시스템에서 LED 광원을 사용하는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명은 광대역 광원으로 시작하여 원하지 않는 파장을 여과시키는 것 보다는 주요 컬러와 같이 원하는 파장을 발광시키는 LEDs 또는 다이오드 레이저와 같은 광원을 사용한다. 본 발명은 컬러 휠, 컬러 휠 모터 또는 빔 스플리터(beam splitter)에 대한 필요성을 제거한다.
또한, LED는 발생한 푸른색광, 녹색광 및 적색광의 양을 직접 제어함으로써, 수명이 길고 HID 램프 보다 열 발생량이 적으며, 주요 컬러가 양호하고, 고장난 화소에 대해서는 여유분(redundancy)과, 더 나은 화면 색상(color depth)에 대한 컬러의 전자(빠른) 시퀸싱(sequencing)을 제공하고, 색 온도(color temperature)를 동적으로 조절(dynamic adjustment)할 수 있게 한다.
하나의 디자인 제한사항(constraint)은 특히, LED, 어떤 이미징 장치 또는 다른 민강성 시스템 부품에 대해서 열적 문제(thermal problem)를 일으키지 않고, 현재 사용되는 작은 이미징 장치를 효과적으로 조명하기 위하여, 개별적인 LEDs를 함께 충분히 인접하게 배치하는 것을 포함한다. 한 해결방안은 드러난 LED 다이들을 열전도성이 더 좋은 알루미나와 같은 열전도성 기판에 함께 설치하고 광섬유를 사용하여 빛을 이미징 장치를 효과적으로 투과시키는 단계를 포함한다. 각 LED, LED 다이 또는 LED 어레이는 '파리의 눈' 어레이('fly's eye' array)와 유사한 렌즈 표면으로 성형된 단부를 가질 수 있는 광섬유를 분리시키도록 결합될 수 있으며, 광섬유들은 함께 작은 그룹으로 묶여져셔, LED의 어레이의 표면적이 열 관리를 위하여 이미징 장치 보다 많은 커질 수 있지만, 효과적으로 더 작은 것으로 보일 수 있다. 광섬유의 묶음은 광을 효과적으로 혼합하여 이미징 장치를 균일하게 조명하기 위하여 통합 광섬유에 결합될 수 있다. 상기 유형의 LED 발광 디스플레이 투사기는 더 가볍고, 단순하며 밝고 저렴한 멀티미디어 투사 시스템을 제공한다.
본 발명의 단일 경로의 실시예에서, 푸른색, 녹색 및 적색의 일반적인 단색성의 LEDs 또는 LED 어레이로부터 발광된 빛은 광섬유를 통해서 전파되고 그후에 광 통합기 내에서 혼합된다. 디스플레이 컨트롤러는 퍼스널 컴퓨터와 같은 이미지 데이터 소스로부터 이미지 데이터를 수신하여 상기 데이터를 일반적인 디스플레이 장치로 전달되는 컬러 프레임의 연속 데이터로 변환시킨다. 컨트롤러는 데이터를 LED 전력 공급부로 전송된 ON/OFF 신호와 동조시킨다. 이러한 동조성은 전체적으로 전자적으로 행해지므로, 프레임 연속 정보는 컬러 휠 시스템에서 얻을 수 있는 것 보다 더욱 신속하고 정확하게 순환될 수 있다.
본 발명의 3중 경로의 실시예에서, 푸른색, 녹색 및 적색의 일반적으로 단색성의 LEDs 또는 LED 어레이로부터 발광된 빛은 광섬유를 통해서 분리된 각 경로를 따라서 전파되고 그후에 양호하게는 광 통합기를 통해서 공간적으로 거의 균일해진다. 디스플레이 컨트롤러는 퍼스널 컴퓨터와 같은 이미지 데이터 소스로부터 이미지 데이터를 수신하여 상기 데이터를 컬러 데이터로 변환시키고 이 컬러 데이터는 그 출력 단자가 콤바이너(combiner)에 결합된 각 분리된 디스플레이 장치로 전달된다. 디스플레이 컨트롤러는 합성 이미지를 형성하기 위해서 분리된 디스플레이 장치 사이에서 데이터를 동조시킨다. 이 실시예에서, 모든 3 세트의 LEDs는 ON으로 계속해서 남겨진다.
본 발명의 다른 목적 및 장점들은 첨부된 도면을 참고하여 기술되는 양호한 실시예의 하기 상세한 설명에서 더욱 명확해진다.
도 1은 광전기식으로 감지된 타이밍 마크를 갖는 컬러 휠을 사용하는 종래 기술의 FSC 디스플레이 장치의 작동 원리를 도시하는 간단한 다이애그램.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 LED 광원을 사용하는 광 경로를 도시하는 멀티미디어 투사기의 간단한 전기 블록도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 커버 플레이트를 통해서 광섬유에 광학적으로 접속된 LED 어레이 광원의 부분적으로 전개된 정사영(orthographic projection).
도 4는 도 3에 도시된 LED 어레이 커버 플레이트의 다른 실시예의 평면도.
도 5a와 도 5b는 단일 광섬유를 개별적인 평탄한 LED에 광학적으로 접속하기 위한 다른 실시예의 측면도.
도 6은 집광 렌즈로써 광섬유를 통하여 광섬유 통합기에 광학적으로 결합된 반사체를 갖는 LED의 실시예의 측면도.
도 7은 광섬유를 통하여 집광 렌즈로써 광섬유에 광학적으로 결합된 반사체를 갖는 LED 실시예의 측면도.
도 8은 다중의 각 섬유 묶음을 통하여 대중적인 광섬유 통합기에 광학적으로 접속된 다른 발광 파장의 다중 LED 어레이를 사용하는 실시예의 부분 개략적인 측면도.
도 9는 다중의 각 섬유 묶음을 통하여 광섬유 통합기를 분리하기 위하여 광학적으로 접속된 다른 발광 파장의 다중 LED 어레이를 사용하는 실시예의 부분 개략적인 측면도 또는 평면도.
도 2는 둘 이상의 다른 파장을 갖는 다중의 상대적으로 단색성인 광원(32)을 사용하는 본 발명의 멀티미디어 투사기(30)의 일반적인 "단일 경로"의 실시예를 도시한다. 광원(32)은 전력 공급부(32)에 의해서 전력이 공급되며 양호하게는 LED 어레이 또는 LEDs이다.
광원(32)으로부터 발광된 빛은 일반적으로 광 경로(36)의 분리된 부분과 공통 부분을 따라서 전파되며, 상기 광 경로(36)는 광 투과 가이드(38), 광 통합기(40), 하나 이상의 광 경로 렌즈(42), 디스플레이 장치(44), 투사 렌즈 그룹(46) 및 당기술에 공지된 여러 다른 광학 요소들을 포함할 수 있다.
디스플레이 장치(44)는 양호하게는 DMD이고 다른 방안으로는 반도체("LCOS") 어레이 장치 또는 LCD 광판 상의 반사성 액정일 수 있다. 투사 렌즈 그룹(46)은 양호하게는 고정 초점 길이의 렌즈를 포함하지만 다중 초점 렌즈 또는 줌 렌즈를 포함할 수 있다.
광학 요소들은 양호하게는 기계적으로 견고하고 열을 분산시키는 투사기 하우징 내에서(도시생략) 마그네슘 다이-캐스트 광학 프레임(magnesium die-cast optical frame;48)에 의해서 함께 유지된다. 이러한 프레임과 하우징은 당기술에 숙련된 기술자에게는 널리 공지되어 있으며 광학 요소들을 냉각시키고 공기 흐름(52)의 냉각작용을 촉진시키기 위하여 냉각 팬(50)을 수용하도록 구성될 수 있다. 전력 공급부(34)는 냉각 팬(50)과 디스플레이 컨트롤러(56)에 전력을 공급하는데 사용될 수 있다.
마이크로프로세서를 포함하는 디스플레이 컨트롤러(56)는 퍼스널 컴퓨터 또는 비디오 장치와 같은 멀티미디어 장치(58)로부터 컬러 이미지 데이터를 수용하고 이 이미지 데이터를 프레임의 연속적인 적색, 녹색 및 푸른색 이미지 데이터로 처 리하며, 연속적인 프레임은 전력 공급부(34)로 이송된 신호와 함께 적당한 동기성(synchronism)으로 디스플레이 장치(44)로 운반되어서 대응하는 컬러를 발광하는 광원(32)을 켠다.
디스플레이 장치(44)가 DMD인 경우에, 디스플레이 컨트롤러(56)는 렌즈(42)로부터 전파되는 빛이 투사 렌즈(46)를 향하여 또는 광학 프레임(48) 부근에 또는 광학 프레임(48) 상에 설치된 광 흡수면(60)을 향하여 어레이의 각 미러에 의해서 선택적으로 반사되도록, 디스플레이 장치(44)에서 디지털로 편향된 미러(digitally deflected mirror)의 고강도 어레이를 제어한다. ON 방향으로 배향된 디스플레이 장치(44)의 광 편향 미러는 스크린(도시생략) 상에 디스플레이하기 위해 투사 렌즈(46)를 통해서 전파되며, OFF 방향으로 배향된 디스플레이 장치(44)의 광 편향 미러는 광 흡수면(60)에 의해서 흡수된다.
DMD(44)는 양호하게는 알루미늄 마이크로 기계식 미러의 직사각형 어레이로 구성된 텍사스 인스트루먼트 모델 DMD 1076 공간 광 모듈레이터(spatial light modulator)이고, 상기 미러는 각각, 예를 들어, 힌지식 대각선 축에 대해서 ±10 도의 각도로 개별적으로 편향될 수 있다. 미러의 편향각(양각 또는 음각)은 밑에 있는 어드레싱 회로 및 미러 리셋 신호의 메모리 내용을 변경함으로써 개별적으로 제어된다.
만약, 디스플레이 장치(44)가, 예를 들어, 투과성 액정 디스플레이(LCD)이라면, 광 경로(36)는 어떤 벤드(bend)없이 LCD와 투사 렌즈(46)를 통하여 전파될 수 있다. 디스플레이 장치(44)가 투과성 LCD(44)인 곳에서, 광 투과 가이드(38)로부터의 빛은 선택된 통과 방위(pass orientation)를 갖는 빛을 생성하기 위하여 LCD(44)의 일부를 형성할 수 있는 편광자에 의해서 먼저 편광된다. 편광된 빛은 LCD(44)의 화소의 정보 패턴에 의해서 조절된다. 충분히 비활성인 화소는 90도 만큼 편광된 빛을 회전시키고 충분히 활성인 화소는 회전없이 편광된 빛을 통과한다. 조절된 빛은 충분히 활성된 화소의 회전 광을 차단하고 충분히 비활성인 화소의 비회전된 빛을 통과시키는 전방 편광기[또는 분광기(analyzer)]를 통과한다. 조절된 빛, 특히 비활성 화소를 통과하는 빛은 볼 수 있게 투사 렌즈(46)를 통해서 지향된다.
숙련된 기술자는 다양한 LCD 패널이 상업적으로 이용가능하고 본 발명에서 사용될 수 있는 여러 편광 기구를 사용한다는 사실을 이해할 것이다. 도 2에 대해서, LCD(44)는 반사성 LCD이고 도 9에 대해서는 LCD(44)이 모델 번호 LCX017AL로 소니 일렉트로닉스 인코포레이티드에 의해서 제조된 XGA-해상도의 LCD와 같은 투과성 LCD이다.
도 3은 광원(32)이 기판(74) 상의 다중 LED(72)의 다중 LED 어레이(70)를 포함하고 광 투과 가이드(38)가 광섬유(76)를 포함하는 실시예를 도시한다. 도 3에 있어서, 광섬유(76)의 단부는 연장되어서 커버 플레이트(80)에 있는 구멍(8)에 의해서 제자리에서 유지되고 일대일 방식으로 LED(72)와 짝지어진다. 이 실시예에서, LED(72)와 구멍(8)은 횡렬(82)과 종렬(84)로 정렬된다.
한 실시예에서, LED 어레이(70)는 약 16mm의 길이(62)와, 약 12mm의 폭(64)과, 약 1mm의 높이(66)를 가진다. 이 동일한 실시예에서, 커버 플레이트(80)는 20mm의 길이(68)와, 약 17mm의 폭(69)과, 약 10mm의 높이(104)를 가진다. 커버 플레이트(80)는 양호하게는 알루미늄, 마그네슘 및/또는 다른 열 발산 재료로 구성된다. 커버 플레이트(80)는 또한 LED 어레이(70)를 냉각시킬 목적으로 공기 흐름을 촉진하기 위하여 기판(74)의 표면(114)과 커버 플레이트(80)의 상부(112) 사이 뿐아니라, LED 어레이(70)의 측부(108)와 벽(106) 사이에 공간을 제공하도록 구성될 수 있다.
한 실시예에서, 광섬유(76)는 양호하게는, 약 0.17dB/m 보다 낮은 손실을 나타내고 불화 중합체 클래딩을 갖는 약 0.75 내지 1.5mm의 길고 얇은 폴리메틸-메타크릴레이트(polymethyl-methacrylate) 파장을 가진다.
한 실시예에서, 광원(32)은 약 200W가 공급되고 각각 3개의 추가적인 주요 파장 즉:약 30％ 내지 50％의 효율에서 푸른색, 녹색 및 적색중 하나를 각각 발광하는 다중 LED 어레이(70)를 포함한다. 예를 들어, 푸른색 LED(72)는 455 내지 485nm의 파장 범위에서 와트(W) 당 4.1루멘(lumen)을 발광하는 휴렛 팩커드(HP)에 의해서 제조된 HPWL 시리즈일 수 있다. 유사하게는, 녹색 LED(72)는 515 내지 545nm의 파장 범위에서 와트(W) 당 11.6루멘(lumen)을 발광하는 휴렛 팩커드(HP)에 의해서 제조된 HPWL 시리즈일 수 있으며; 적색 LED(72)는 610 내지 650nm의 파장 범위에서 와트(W) 당 11루멘(lumen)을 발광하는 휴렛 팩커드(HP)에 의해서 제조된 HPWL 시리즈일 수 있다. 숙련된 기술자는 효율이 증가된 더 나은 LED가 계발되어서 완전해지므로, 더 밝은 LED가 양호하다는 사실을 이해할 것이다. LED(72)는 열 발산을 촉진시키기 위하여 원하는 만큼 이격될 수 있다. 숙련된 기술자는 LED 어 레이(70)가 레이저 다이오드의 측면 발광 바(a side emitting bar)를 포함할 수 있다.
노락색, 청록색 또는 흰색의 다른 LED 발광 파장이 추가적으로 또는 다른 방식으로 사용될 수 있다. 비록, 자홍색 LED가 현재 존재하지 않지만, 적색 및 푸른색색 LED(72)를 혼합하여서 자홍색을 만들 수 있다. 편리성을 위하여, 흰색은 단일 컬러 또는 컬러들의 혼합으로 고려될 수 있다.
한 실시예에서, LED 어레이(70)는 56mm2 보다 작은 누적된 출력 면적을 가질 수 있는 하나 이상의 광섬유 묶음(86)으로 모아지는 18개의 광섬유(76)에 부착된다. 따라서, LED 어레이(70)는 묶음 출력 면적을 빠져나오는 빛이 LED 어레이(70)의 표면(114)으로부터 발광된 빛 보다 큰 강도를 가지도록, 각 광섬유 묶음(86)의 출력 면적 보다 더 큰 면적의 기판 표면(114)을 가진다.
도 4는 구멍(78)의 오프셋 횡렬(82a,82b)과 종렬(84a,84b)을 갖는 커버 플레이트(80a)의 다른 실시예를 도시한다. 도 4에 도시된 양호한 실시예에 대해서, 횡렬(82a,82b) 사이의 중심에 대한 중심의 거리(88)는 2.8mm이고; 연속된 횡렬(82a,82a) 사이 또는 연속된 횡렬(82b,82b) 사이의 중심에 대한 중심의 거리(90)는 5.6mm이며; 종렬(84a,84b) 사이의 중심에 대한 중심의 거리(92)는 1.5mm이고 연속된 종렬(84a,84a) 사이 또는 연속된 종렬(84b,84b) 사이의 중심에 대한 중심의 거리(94)는 3.0mm이다. 숙련된 기술자는 많은 구성의 LED 어레이(70)와 각 커버 플레이트(80)가 가능하다는 사실과 LED 어레이(70)는 동일한 또는 다른 발광 파장에 대해서 다른 구성을 가질 수 있다는 사실을 이해할 것이다. 예를 들어, 푸른색 또는 녹색 LED 어레이(70b,70g)는 함께 더욱 인접하게 패키지된 각 LED (72b,72g)를 가질 수 있으며 적색 LED(72r)는 적색 LED 어레이(70r)에 패키지된다. 숙련된 기술자는 단일 LED 어레이(70)가 모두 동일 파장을 발광하거나 또는 도 3에 도시된 바와 같이, 횡렬(82), 종렬(84) 또는 다른 파장 LED (72b,72g) 및/또는 (72r)의 그룹을 가질 수 있는 LED를 수용할 수 있다는 사실을 이해할 것이다. 숙련된 기술자는 발광 강도, 열 발산 특성 및 제조 비용이 사용되는 LED 어레이(70)의 크기 및 수와 및/또는 LED(72)의 간격 및 크기를 결정할 때 중요한 역할을 수행할 수 있다는 사실을 더욱 이해할 것이다.
도 5a와 도 5b는 단일 광섬유(76)를 개별 평탄면의 LED(72)에 광학적으로 접속하는 실시예를 도시한다. 도 5a와 도 5b에 있어서, 광섬유(76a 또는 76b)는 커버 플레이트(80) 없이 또는 커버 플레이트(80)와 함께 사용될 수 있다. 광섬유(76a)는 오목한 포물선형 단부면(90a)과 측벽(92a)을 향하여 오목한 곡면을 가지며, 광섬유(76b)는 오목한 구형 단부면(90b)과 측벽(92a)의 상대적으로 평탄한 각이 형성된 단부를 가진다. 실시예에서, 단부면(90a 또는 90b)[일반적으로 또는 집합적으로 단부면(90)]의 형태 및/또는 코팅과 측벽(92a 또는 92b)[일반적으로 또는 집합적으로 측벽(92)]의 단부의 형태 및/또는 코팅은 LED(72)로부터 발광된 빛을 원하는 전파 각도에서 광섬유(74)로 회전시키는 것을 촉진시키도록 변형되거나 또는 코팅될 수 있다. 유사하게, 공간(94a,94b)은 원하는 굴절율(refracive index)을 갖는 광학 겔(optical gel) 또는 접착제로 충전될 수 있다. 숙련된 기술자는 광섬유(76)의 평탄한 단부면(90)이 원하는 광학겔 또는 접착제와 함께 또는 원하는 광학 겔 또는 접착제 없이 LED(72)에 직접 버트 결합(butt-coupled)될 수 있다는 사실을 이해할 것이다. 숙련된 기술자는 LED(72)의 횡렬(82) 또는 종렬(84)에 측면 결합될 수 있다는 사실을 이해할 것이다. 숙련된 기술자는 또한 더 큰 광섬유 또는 광섬유가 단일 LED(72) 대신에 전체 LED 어레이(70)에 상기 기술한 것과 유사한 방식으로 결합되기에 적합할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
도 6은 LED(72)[또는 LED 어레이(70)]에 의해서 발광된 빛을 광섬유(76)에 결합된 집광 렌즈(102) 안으로 지향시키는 반사체(100)를 사용하는 실시예를 도시하며, 상기 광섬유(76)는 차후에 하나 이상의 광 통합기(40) 또는 더 큰 광섬유에 결합된다. 광섬유(76)는 적당한 광학 접착제로써 광 통합기(40)의 입력 단부에 굳게 접착되어서 조립 및 서비스 받는 동안 파손에 대한 취약성을 감소시킬 수 있거나 또는 다른 광 통합기(40)의 선택 운동을 수용하도록 설치되거나 또는 광 통합기(40)로부터 이격될 수 있다. 광 통합기(40)는 복수의 LED(72) 또는 LED 어레이(70)로부터의 빛을 균질하게 하도록 작용한다. 광 통합기(40)는 긴 터널 유형일 수 있고 단단한 유리 로드로 조성될 수 있으며, 상기 유리 로드는 이 로드를 통하여 빛을 전송하고 출력 단부에서 조명 필드를 생성하기 위하여 전체 내부 반사물 상에 의존한다. 광 통합기(40)는 양호하게는 사각형의 평탄면을 포함할 수 있고 내부 반사물을 보호할 수 있는 반사성의 미러형 측벽(mirrored side wall) 또는 클래딩(cladding)을 포함할 수 있다.
광 통합기(40)의 입력 및 출력 단부는 원하는 대로 광의 집합 또는 집중을 촉진시키는 다른 횡단면의 크기 및 형태를 가질 수 있다. 예를 들어, 광 통합기(40)의 출력 단부는 균질화된 빛을 경사지게 배치된 이미징 장치(44) 상으로 최적으로 상을 만들 수 있도록 성형되거나 및/또는 각이 형성될 수 있다. 이러한 한 광 통합기(40)는 직사각형 입력 단부 및 비대칭형 광 통합 터널을 포함하고, 상기 광 통합 터널은 터널의 비직사각형 출력 구멍을 빠져나오는 공간적으로 균일한 패턴으로 빛을 공간적으로 통합시킨다. 상기 비직사각형 출력 구멍을 빠져나오는 균일한 조명은 터널의 종축으로 경사지게 설치된 반사성 광판 상으로 릴레이 렌즈에 의해서 다시 상으로 만들어질 수 있다(re-imaged). 광판 상의 비직사각형 출력 구멍을 빠져나오는 이미지는 키스톤 디스토션(Keystone distortion), 조명 오버필 영역(illumination overfill region) 및 조명 드롭-오프 영역(illumination drop-off regions)을 보상하기 위하여 의도적으로 변형됨으로써, 광 손실을 방지하고 광판을 가로질러서 명도 및 명도 균일도를 증가시킨다. 숙련된 기술자는 광 통합기의 입력 및 출력 단부에 대해서 여러 형상 조합이 가능하다는 사실을 이해할 것이다.
광 통합기(40)는 SVGA와 XGA 해상도와 호환성이 있는 3 ×4 디스플레이 포맷을 제공하기 위하여 3 ×4 비율의 횡단면을 가진다. 한 실시예에서, 광 통합기(40)는 16.3mm × 21.7mm의 양호한 크기를 가진다. 광 통합기(40)는 그러나 9 × 16 비율의 횡단면(HDTV) 또는 5 × 4 횡단면(SXGA)와 같은 다른 포맷을 포함할 수 있다. 또한, 다른 횡단면의 다중 통합기 또는 관련 집합 및 투사 광학기구(optics)는 원하는 선명한 디스플레이 포맷을 제공하기 위하여 광 경로(36)로 선택적인 운동을 위해서 배열될 수 있다.
도 7은 LED(72)[또는 LED 어레이(70)]에 의해서 발광된 빛을 광섬유(76)로 지향시키는 반사체(100)를 사용하는 실시예를 도시한다. 다중 광섬유(76)를 통해서 전파되는 빛은 광 통합기(40) 또는 더욱 큰 광섬유에 연결된 큰 집광 렌즈(110)에 의해서 차후에 집합된다.
한 실시예에서, 도 2 내지 도 7에 있어서, 약 200 이상의 섬유 묶음(86)의 출력 단부는 광 통합기(40)의 입력 단부에 결합된다. 만약, 상기 기술한 푸른색, 녹색 및 적색 LED 어레이(70)[최적의 휘도(luminance)에서 조화를 이룬 흰색]의 광도계적으로 가중된 강도(photometrically weighted intensity)를 원한다면, 약 45의 푸른색 LED(72), 약 105의 녹색 LED(72)와, 약 50의 적색 LED(72)를 사용하여서 2000 루멘의 흰색광을 제조한다. 숙련된 기술자는 각 다른 컬러의 LED 어레이(70)가 작동되는 시간량을 조절함으로써 흰색 조화(white balancing)가 얻어지거나 또는 미세하게 조정될 수 있다.
도 8은 각 푸른색, 녹색 및 적색 발광 파장을 갖는 단일 컬러의 LED 어레이(70b,70g,70r)를 사용하는 단일 경로의 투사기(30)의 상세한 실시예를 도시한다. 각 유사 컬러의 LED(72), LED 어레이(70) 또는 LED 어레이(70)의 그룹으로부터의 광섬유(76)는 차후에 광 통합기(40)에 결합될 수 있는 공통 섬유 묶음(86)으로 묶어질 수 있다. 숙련된 기술자는 다른 그룹의 일반적인 컬러의 섬유 묶음(86)이 동일한 각도 또는 다른 각도로 통합기(40)에 연결될 수 있다는 사실을 이해할 것이다. 숙련된 기술자는 각 섬유 묶음(86)이 다른 컬러의 LED(72)로부터 집합되는 하나 또는 다중의 광섬유(76)을 수용하도록 다른 방식으로 구성될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 섬유 묶음은 광 통합기(40)의 입구 및 출구에서 각 광 파장의 누적 강도(cumulative intensity)를 더욱 균질하게 하기 위하여 바람직할 수 있다. 다른 컬러의 빛이 단일 경로 시스템의 디스플레이 장치(44)를 통해서 또는 디스플레이 장치(44)로 전파되기 전에 공통 광 통합기로 통합되는 도 1 내지 도 8에 있어서, 디스플레이 컨트롤러(56)는 단일 컬러의 LED(72)의 턴 ON과 턴 OFF를 프레임 연속 방식에서 퍼스널 컴퓨터(58)로부터의 컬러 이미지 데이터와 동조시킨다. 상기 LED 발광의 단일 경로의 투사기(30)는 가볍고, 단순하며 밝고 저렴한 멀티미디어 투사 시스템을 제공한다.
도 3에 대해서 상기 기술한 바와 같이, 여러 LED 컬러 선택사항들을 사용할 수 있다. 또한, 다른 LED 어레이로부터의 흰색광 또는 HID 또는 아크 램프와 같은 다른 흰색 광원이 개별적인 컬러 타임의 프레임(color time frame)에 사용되거나 또는 다른 컬러를 사용하는 프레임에 선택적으로 사용될 수 있다. 다른 방안으로, 또는 추가적으로, LED 어레이(70b,70g, 70r)를 동시에 사용하여 흰색 컬러 타임 프레임을 생성할 수 있다.
도 9는 각 섬유 묶음(86b,86g,86r)을 통해서 각 개별 광섬유 통합기(40)에 전파되고 양호하게는 LCD인 각 디스플레이 장치(44b,44g,44r)를 통해서 접파되는 것을 포함하는, 분리된 각 광 경로(36b,36g,36r)를 따라서 전파되는 빛을 발광하는 단일 컬러 LED 어레이(70b,70g,70r)를 사용하는 3중 경로의 투사기(120)의 실시예를 도시한다. 광 경로(36b,36g,36r)는 합성 이미지를 렌즈(42,46)로 발광하는 광학 콤바이너(combiner;122)에서 맞난다.
본 실시예의 장점은 LED 어레이(70b,70g,70r)는 연속적으로 남겨지고 컬러 프레임 동조(synchronization)를 필요로 하지 않는다. 대신에, 디스플레이 컨트롤러(56)는 서로에 대해서 적절하게 배향된 디스플레이 장치(44b,44g,44r)와 콤바이너(122)에 제공된 지시들을 동조시켜서 합성 이미지를 발생시킨다. 이러한 이미지는 각 컬러가 각 이미지 프레임에 대해서 단지 1/3 시간 만큼 투사되는 단일 경로의 실시예 보다 약 50％ 만큼 밝을 수 있다. 다른 장점은 일부 LCD가 일부 컬러에 대해서 투과성이 더욱 좋거나 또는 다른 LCD 보다 낳은 컬러 출력을 제공하기 때문에, 다른 컬러 프레임을 조절하기 위해서 다른 유형의 LCD를 사용할 수 있다는 것이다. 모든 3개의 컬러에 대해서 완만하게 잘 실행되는 단일 LCD에 대한 선택을 제한할 필요가 없다는 것은 매우 유리한 것이다.
상술한 바와 같이, 여러 LED 컬러 선택사항을 사용할 수 있다. 또한, 다른 LED 어레이 또는 HID 또는 아크 램프와 같은 다른 흰색 광원은, 예를 들어, 콤바이너(122)의 4 측부 안으로 입력되어서 명도를 개선하고 디스플레이 장치(44)와 함께 또는 디스플레이 장치(44) 없이 사용할 수 있다.
숙련된 기술자는 본 발명의 일부는 양호한 실시예에 대해서 상기 기술한 실행방법과 다르게 실행될 수 있다는 사실을 인식할 것이다. 예를 들어, 숙련된 기술자는 본원에서 기술한 연결된 기구인 여러 LED(72), LED 어레이(70), 광섬유(76), 섬유 묶음(86), 반사체(100), 콘덴서(102) 및 통합기(40)는 본 발명의 단일 경로 또는 3중 경로의 투사 시스템과 함께 사용될 수 있다는 것을 이해할 것이다.
또한, 본 발명은 많은 다른 폴딩 광학 경로, 분리된 파장의 광원 및 다른 디스플레이 장치, 디스플레이 컨트롤러 및 FSC 데이터 포맷과 함께 사용하기에 적당하다.
숙련된 기술자는 하기 원리의 범주 내에서 본 발명의 상기 기술한 실시예의 상세한 설명을 변경할 수 있다는 것을 인식할 것이다. 따라서, 본 발명은 멀티미디어 투사기에서 발견된 것과 다른 컬러 동조 적용상황에 적용할 수 있다. 본 발명의 범주는 따라서 하기 청구범위에 의해서만 결정되어야 한다.

Claims (24)

  1. 제 1 발광 타임의 프레임 동안 제 1 파장을 갖는 제 1 광을 발생시키는 제 1 세트의 제 1 LEDs와;
    제 2 발광 타임의 프레임 동안 제 1 파장과 상이한 제 2 파장을 갖는 제 2 광을 발생시키는 제 2 세트의 제 2 LEDs와;
    상기 제 1 LEDs중 적어도 하나로부터 제 1 광을 수광하는 대향 단부의 제 1 입력 단자와, 직접적으로 또는 간접적으로 제 1 광을 이미징 장치로 전파하는 제 1 출력 단자를 각각 포함하는 제 1 세트의 제 1 광섬유와;
    상기 제 2 LEDs중 적어도 하나로부터 제 2 광을 수광하는 대향 단부의 제 2 입력 단자와, 직접적으로 또는 간접적으로 제 2 광을 이미징 장치로 전파하는 제 2 출력 단자를 각각 포함하는 제 2 세트의 제 2 광섬유와;
    이미징 장치를 구동하기 위해서 데이터 소스로부터 컬러 이미지 데이터를 수신하여 상기 컬러 이미지 데이터를 적어도 제 1 및 제 2 컬러 프레임 연속 데이터(sequential data)로 변환하도록 구성되고, 이미징 장치가 제 1 발광 타임의 프레임 동안 제 1 컬러 프레임의 연속 데이터를 실행하고 제 2 발광 타임의 프레임 동안 제 2 컬러 프레임의 연속 데이터를 실행하도록, 각 제 1 및 제 2 세트의 LEDs의 제 1 및 제 2 발광 타임의 프레임을 제어하도록 구성된 디스플레이 컨트롤러와;
    동일 기판 상에 배열된 다른 컬러 LEDs를 구비하여 단일 방향으로부터 주요 색광들을 발광하는 단일 멀티-컬러 광원을 포함하는 이미지 투사 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 파장 및 제 2 파장과 상이한 제 3 파장을 갖는 제 3 광을 발생시키는 제 3 세트의 제 3 LEDs와;
    상기 제 3 LEDs중 적어도 하나로부터 제 3 광을 수광하는 대향 단부의 제 3 입력 단자와, 직접적으로 또는 간접적으로 제 3 광을 이미징 장치로 전파하는 제 3 출력 단자를 각각 포함하는 제 3 세트의 제 3 광섬유를 추가로 포함하며, 디스플레이 컨트롤러는 이미징 장치를 구동하기 위해서 컬러 이미지 데이터를 제 1, 2 및 제 3 컬러 프레임 연속 데이터(sequential data)로 변환하도록 구성되고, 이미징 장치가 각 제 1, 제 2, 제 3 발광 타임의 프레임 동안 제 1, 제 2, 제 3 컬러 프레임의 연속 데이터를 실행하도록, 각 제 1, 제 2, 제 3 세트의 LEDs의 제 1, 제 2, 제 3 발광 타임의 프레임을 제어하도록 구성된 이미지 투사 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 LEDs는 푸른색광, 녹색광 및 적색광을 각각 발광하는 이미지 투사 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 이미징 장치는 DMD, LCOS 또는 LCD를 포함하는 이미지 투사 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 소스는 퍼스널 컴퓨터를 포함하는 이미지 투사 시스템.
  6. 데이터 소스로부터 컬러 이미지 데이터를 수신하는 단계와;
    이미징 장치를 구동하기 위해서 상기 컬러 이미지 데이터를 적어도 제 1 및 제 2 컬러 프레임의 연속 데이터로 변환하는 단계와;
    제 1 발광 타임의 프레임 동안 제 1 세트의 제 1 LEDs로부터 제 1 파장의 제 1 광을 발생시키는 단계와;
    상기 제 1 LEDs중 적어도 하나로부터 제 1 광을 수광하는 대향 단부의 제 1 입력 단자와, 직접적으로 또는 간접적으로 제 1 광을 이미징 장치로 전파하는 제 1 출력 단자를 각각 포함하는 제 1 세트의 제 1 광섬유를 통해서 제 1 광을 전파하는 단계와;
    제 1 컬러 프레임의 이미지를 형성하는 이미징 장치에서 제 1 발광 타임의 프레임 동안 제 1 컬러 프레임의 연속 데이터를 실행하는 단계와;
    제 2 발광 타임의 프레임 동안 제 1 파장과 상이한 제 2 파장을 갖는 제 2 세트의 제 2 LEDs로부터 제 2 파장의 제 2 광을 발생시키는 단계와;
    상기 제 2 LEDs중 적어도 하나로부터 제 2 광을 수광하는 대향 단부의 제 2 입력 단자와, 직접적으로 또는 간접적으로 제 2 광을 이미징 장치로 전파하는 제 2 출력 단자를 각각 포함하는 제 2 세트의 제 2 광섬유를 통해서 제 2 광을 전파하는 단계와;
    제 2 컬러 프레임의 이미지를 형성하는 이미징 장치에서 제 2 발광 타임의 프레임 동안 제 2 컬러 프레임의 연속 데이터를 실행하는 단계와;
    동일 기판 상에 배열된 다른 컬러 LEDs를 구비하여 단일 방향으로부터 주요 색광들을 발광하는 효율적인 단일 멀티-컬러 광원을 사용하는 단계를 포함하는 컬러 디스플레이 정보를 투사하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 이미징 장치를 구동하기 위해서 컬러 이미지 데이터를 제 1, 제 2, 제 3 컬러 프레임의 연속 데이터로 변환시키는 단계와;
    제 3 발광 타임의 프레임 동안 제 3 세트의 제 3 LEDs로부터 제 3 파장의 제 3 광을 발생시키는 단계와;
    상기 제 3 LEDs중 적어도 하나로부터 제 3 광을 수광하는 대향 단부의 제 3 입력 단자와, 직접적으로 또는 간접적으로 제 3 광을 이미징 장치로 전파하는 제 3 출력 단자를 각각 포함하는 제 3 세트의 제 3 광섬유를 통해서 제 3 광을 전파하는 단계와;
    제 3 컬러 프레임의 이미지를 형성하는 이미징 장치에서 제 3 발광 타임의 프레임 동안 제 3 컬러 프레임의 연속 데이터를 실행하는 단계를 추가로 포함하는 컬러 디스플레이 정보를 투사하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 LEDs로부터 푸른색광, 녹색광 및 적색광을 각각 발광하는 단계를 추가로 포함하는 컬러 디스플레이 정보를 투사하기 위한 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 상기 이미징 장치는 DMD, LCOS 또는 LCD를 포함하는 컬러 디스플레이 정보를 투사하기 위한 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 이미징 장치는 다른 유형의 LCDs를 포함하는 컬러 디스플레이 정보를 투사하기 위한 방법.
  11. 광원(32);
    도파관(38);
    디스플레이 컨트롤러(56); 및
    콤바이너(46)를 포함하며,
    상기 광원(32)은 기판(74)과; 상기 기판 상에 배치되어서 제 1 파장을 갖는 제 1 광을 발생시키는 제 1 세트의 LEDs(72)와; 상기 기판 상에 함께 배치되어서 제 2 파장을 갖는 제 2 광을 발생시키는 제 2 세트의 LEDs(72)와; 상기 기판에 함께 배치되어서 제 1 파장, 제 2 파장 및 제 3 파장이 서로 상이한 상태의 제 3 파장을 갖는 제 3 광을 발생시키는 제 3 세트의 LEDs(72)를 포함하고,
    상기 도파관(38)은 제 1 광을 제 1 이미징 장치(44)로 전파하기 위하여, 제 1 세트의 LEDs에 광학적으로 연결된 제 1 세트의 광섬유(76)와; 제 2 광을 제 2 이미징 장치(44)로 전파하기 위하여, 제 2 세트의 LEDs에 광학적으로 연결된 제 2 세트의 광섬유(76)와; 제 3 광을 제 3 이미징 장치(44)로 전파하기 위하여, 제 3 세트의 LEDs에 광학적으로 연결된 제 3 세트의 광섬유(76)와;
    동일 기판 상에 배열된 다른 컬러 LEDs를 구비하여 단일 방향으로부터 주요 색광들을 발광하는 효율적인 단일 멀티-컬러 광원을 포함하고,
    상기 디스플레이 컨트롤러(56)는 데이터 소스(58)로부터 컬러 이미지 데이터를 수신하여 각 제 1, 제 2 및 제 3 이미징 장치를 구동할 목적으로 상기 컬러 이미지 데이터를 적어도 제 1, 제 2 및 제 3 컬러 데이터 변환해서 각 제 1, 제 2 및 제 3 이미지를 투사하도록 구성되고,
    상기 콤바이너(46)는 각 제 1, 제 2 및 제 3 이미징 장치로부터 제 1, 제 2 및 제 3 이미지를 동시에 수신하여 제 1, 제 2 및 제 3 이미지를 결합해서 합성 이미지를 형성하도록 구성된 이미지 투사 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2, 제 3 LEDs는 푸른색광, 녹색광 및 적색광을 각각 발광하는 이미지 투사 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 이미지 투사 시스템은 상기 제 1, 제 2 및 제 3 복수의 광섬유를 제자리에서 유지하기 위하여, 복수의 구멍을 갖는 커버 플레이트(80)를 추가로 포함하는 이미지 투사 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 LEDs 및 상기 복수의 구멍들은 대응하는 오프셋 열로 배열되는 이미지 투사 시스템.
  15. 제 11 항에 있어서, 각 제 1, 제 2 및 제 3 광섬유는 대응하는 LED로부터 발광된 광을 광섬유로 반사하는 동작을 용이하게 하기 위하여 오목형 단부를 구비하는 이미지 투사 시스템.
  16. 제 11 항에 있어서, 상기 이미지 투사 시스템은 대응하는 LED로부터 발광된 광을 광섬유로 반사하는 동작을 용이하게 하기 위하여, 제 1, 제 2 및 제 3 광섬유의 단부에 대응하게 배치된 제 1, 제 2 및 제 3 반사체(100)를 추가로 포함하는 이미지 투사 시스템.
  17. 제 16 항에 있어서, 상기 이미지 투사 시스템은 대응하는 LED로부터 발광된 광을 광섬유로 반사하는 동작을 용이하게 하는 상기 동작에 기여하기 위하여, 제 1, 제 2 및 제 3 광섬유의 상기 단부와 상기 제 1, 제 2 및 제 3 반사체들 사이에 대응하게 배치된 제 1, 제 2 및 제 3 집광 렌즈(102)를 추가로 포함하는 이미지 투사 시스템.
  18. 제 12 항에 있어서, 상기 제 1, 제 2 및 제 3 이미징 장치는 LCD를 포함하는 이미지 투사 시스템.
  19. 제 12 항에 있어서, 상기 데이터 소스는 퍼스널 컴퓨터를 포함하는 이미지 투사 시스템.
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