상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 조명 광을 제공하는 광원; 상기 조명 광을 수신하고 수신된 상기 조명 광에 포함된 적색, 녹색 및 청색의 3원색을 동시에 서로 다른 영역에 조명하는 조명 광학계; 상기 조명 광학계로부터 적색 광을 조명받는 영역, 녹색 광을 조명받는 영역 및 청색 광을 조명받은 영역의 3개의 영역으로 분할되고, 상기 3개의 영역 각각은 2행 이상의 변조 소자를 구비하고, 상기 2행 이상의 변조 소자 각각은 상기 조명 광학계로부터 조명된 광을 변조하여 한 번에 스크린의 한 픽셀에 기여하는 공간 광 변조기; 상기 공간 광 변조기로부터의 상기 변조된 광을 상기 스크린에 스캔함으로써 상기 스크린에 1 프레임에 해당하는 2차원의 이미지가 생성되도록 하는 프레임 스캐너; 및 상기 프레임 스캐너로부터 전달되는 상기 변조된 광을 투사하고, 상기 스크린에 포커싱하는 프로젝션 광학계를 포함하는 이미지 프로젝션 시스템을 제공한다.
본 발명의 제 2 측면은 조명 광을 제공하는 광원; 상기 조명 광을 수신하고 수신된 상기 조명 광에 포함된 적색, 녹색 및 청색의 3원색을 서로 다른 영역에 조 명하는 조명 광학계; 상기 조명 광학계로부터 적색 광을 조명받는 영역, 녹색 광을 조명받는 영역 및 청색 광을 조명받은 영역의 3개의 영역으로 분할되고, 상기 3개의 영역 각각은 2행 이상의 변조 소자를 구비하고, 상기 2행 이상의 변조 소자 각각은 상기 조명 광학계로부터 조명된 광을 변조하여 한 번에 스크린의 한 픽셀에 기여하는 공간 광 변조기; 및 상기 공간 광 변조기부터의 광을 투사하고, 상기 스크린에 포커싱하는 프로젝션 광학계를 포함하며, 상기 공간 광 변조기는 상기 변조된 광을 상기 스크린에 스캔함으로써 상기 스크린에 1 프레임에 해당하는 2차원의 이미지가 생성되도록 하는 이미지 프로젝션 시스템을 제공한다.
본 발명의 제 3 측면은 이미지 프로젝션 방법에 있어서, (a) 복수의 영역을 가지고 상기 복수의 영역 각각은 복수 행의 변조 소자를 가지는 공간 광 변조기에 복수의 색을 가지는 광을 조명하되, 상기 복수의 영역 각각은 1색을 가지는 광이 조명되는 단계; (b) 상기 변조 소자를 제어하여 상기 조명된 광을 변조하는 단계; 및 (c) 상기 변조된 광을 스크린에 스캔함으로써 상기 스크린에 1 프레임에 해당하는 2차원 이미지가 생성되도록 하는 단계를 포함하는 이미지 프로젝션 방법을 제공한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어 져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가 진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
도 4는 본 발명의 제1 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면 프로젝션 시스템은 RGB 광원(31), 조명 광학계(32), SLM(33), 프레임 스캐너(34), 프로젝션 광학계(35) 및 스크린(36)을 포함한다. 프로젝션 시스템은 커플링 광학계(coupling optics, 37)를 더 포함할 수 있다.
RGB 광원(31)은 조명 광을 제공하는 기능을 수행한다. 도면에 표현된 광원은 단일 광원 일례로 3원색 각각에 대하여 하나의 LED를 사용한 광원이다. 도 2의 시간 다중화된 RGB 광원(21)과 달리 도 4의 RGB 광원(31)은 바람직하게 동시에 RGB를 조명한다.
조명 광학계(32)는 RGB 광원(31)으로부터의 조명 광을 수신하고 수신된 조명 광에 포함된 적색, 녹색 및 청색의 3원색을 동시에 SLM(33)의 서로 다른 영역에 조명하는 기능을 수행한다. 보다 구체적으로, 조명 광학계(32)는 적색 광을 SLM(33)의 적색 변조 소자로 조명하고, 녹색 광을 SLM(33)의 녹색 변조 소자로 조명하고, 청색 광을 SLM(33)의 청색 변조 소자로 조명한다.
SLM(33)은 조명 광학계(32)로부터 적색, 녹색 및 청색 광을 조명받은 3개의 영역으로 분할되고, 3개의 영역 각각은 2행 이상의 변조 소자를 구비하고, 변조 소자 각각은 조명 광학계(32)로부터 조명된 광을 변조한다. SLM(33)은 1개의 다이(die)로 제작되며, 복수 행의 적색 변조 소자, 복수 행의 녹색 변조 소자 및 복수 행의 청색 변조 소자를 포함한다. SLM(33)은 조명 광학계(32)로부터 조명되는 광을 변조하여 출력하는 기능을 수행한다. 도면에 표현된 SLM(33)은 48행으로 이루어지며, 각 행은 1024개의 변조 소자를 포함한다. 또한, 도면에 표현된 SLM(33)은 16행의 3개의 영역으로 그룹핑된다. 3개의 영역은 동시에 각각 하나의 3원색으로 조명된다. 바람직하게, 변조에 사용되는 데이터는 SLM(33)에 포함된 모든 변조 소자에 동시에 로딩된다.
프레임 스캐너(34)는 SLM(33)으로부터의 변조된 광을 프로젝션 광학계(35)를 통하여 스크린(36)에 스캔함으로써 스크린(36)에 1 프레임에 해당하는 2차원의 이미지가 생성되도록 한다. 바람직하게, 프레임 스캐너(34)는 스크린에 입사되는 광이 1행씩 쉬프트되도록 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 프레임 스캐너(34)가 SLM(33)에서 변조된 48 × 1024의 변조된 광을 스크린의 1 내지 48행에 조명하였다면, SLM(33)에서 그 다음으로 변조된 48 × 1024의 변조된 광을 스크린의 2 내지 49행에 조명하는 방식으로 동작할 수 있다. 또한, 프레임 스캐너(34)는 스크린에 입사되는 광이 복수 행씩 가령 2행씩 쉬프트되도록 제어할 수 있다. 1행씩 쉬프트하는 경우에 비하여, 2행씩 쉬프트하는 경우는 변조 소자의 동작 속도를 감소시킬 수 있다는 장점을 가지나, 동시에 표현할 수 있는 휘도 레벨은 감소한다는 단점을 가진다.
프로젝션 광학계(35)는 프레임 스캐너(34)에서 전달되는 변조된 광을 확대하고, 포커싱하여 스크린(36)에 투사한다. 이미지 프로젝션 시스템은 SLM(33)과 프레임 스캐너(34) 사이 위치한 커플링 광학계(37)를 더 구비할 수도 있다.
시간 상의 특정 포인트에서, SLM(33)은 48 × 1024의 픽셀의 휘도에 기여한 다. 프레임 스캐너(34)의 스캐닝을 통해, 스크린(36) 이미지의 각 프레임의 각 픽셀은 16개의 적색, 16개의 녹색, 16개의 청색 변조 소자들로부터 나온 빛으로 순차적으로 조명된다. 따라서, 각 픽셀의 최종 휘도는 순차적인 48 SLM 변조 소자의 휘도의 합이 된다. 예를 들어, 적색만 고려하면, 모든 적색 소자가 온(on)인 경우에, 픽셀은 밝은 적색일 것이다. 만약 모두 오프(off)라면, 픽셀은 검정색일 것이다. 만약 반이 온이라면, 픽셀은 중간 휘도의 적색일 것이다. 따라서, 16 적색 변조 소자는 그들을 단순히 온 또는 오프로 스위칭함으로써, 16 휘도 레벨의 제어를 가능하게 한다.
도 5는 단일 색상에 대한 픽셀 휘도 변조의 3가지 예를 도시한 것이다. 서브 픽셀은 스크린(36)의 이미지 픽셀의 휘도에 순차적으로 기여하는 SLM(33)의 개별 변조 소자를 지칭한다. 도 5의 (a)는 모든 서브 픽셀이 온 상태로써, 이미지 픽셀이 밝은 상태이다. 도 5의 (b)는 일부의 서브 픽셀이 온 상태로써, 이미지 픽셀이 중간 휘도를 가진다. 도 5의 (c)는 모든 서브 픽셀이 오프 상태로써, 이미지 픽셀이 어두운 상태이다.
추가적인 휘도 레벨은 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)의 사용에 의해 생성될 수 있다. 단일 이미지 픽셀이 조명되는 동안에 변조 소자가 N번 온 또는 오프로 스위칭될 수 있다면, 가용한 휘도 레벨의 숫자는 N배 더 높아질 것이다. 예를 들어, 단일 이미지 픽셀이 조명되는 동안에 변조 소자가 4번 스위칭될 수 있다면, 밝기 레벨의 총 수는 색상당 64(=16 x 4)가 될 것이다.
소자의 원하는 변조가 광원의 변조와 결합될 수 있다. 예를 들어, 변조 소자의 임의의 설정 기간 동안, 광원은 턴-오프될 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면 프로젝션 시스템은 RGB 광원(31`), 조명 광학계(32), SLM(33), 프레임 스캐너(34), 프로젝션 광학계(35) 및 스크린(36)을 포함한다. 프로젝션 시스템은 커플링 광학계(37)를 더 포함할 수 있다.
단일 광원인 도 4의 RGB 광원(31)과 달리, 도 6의 RGB 광원(31')은 1차원 어레이 광원 즉 3원색 각각이 대하여 복수의 부 광원(sub-light source)으로 나뉘는 광원이다. 복수의 부 광원은 일례로 복수의 LED일 수 있다. 복수의 부 광원은 동일한 휘도를 가질 수 있으나, 도면과 같이 서로 다른 휘도를 가질 수 있다. 복수의 부 광원이 서로 다른 휘도를 가지고, 복수의 부 광원에서 출력되는 광이 SLM(33)의 서로 다른 행에 조명되는 경우, 제어 가능한 휘도 레벨을 더욱 증가시킬 수 있다. 가령, RGB 광원(31')에 포함된 적색 광원이 4개의 적색 부 광원으로 구성되며, 그 중 제1 적색 부 광원(상대적으로 8에 해당하는 휘도를 가짐)에서 출력되는 광이 SLM(33)의 1 내지 4행(제1 그룹)에 조명되고, 제2 적색 부 광원(상대적으로 4에 해당하는 휘도를 가짐)에서 출력되는 광이 5 내지 8행(제2 그룹)에 조명되고, 제3 적색 부 광원(상대적으로 2에 해당하는 휘도를 가짐)에서 출력되는 광이 9 내지 12행(제3 그룹)에 조명되고, 제4 적색 부 광원(상대적으로 1에 해당하는 휘도를 가짐)에서 출력되는 광이 13 내지 16행(제4 그룹)에 조명되는 경우, 60 휘도 레벨의 제어를 가능하게 한다. 그룹은 하나 또는 복수의 행으로 구성될 수 있다.
도 6의 다른 구성요소들은 도 4와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면 프로젝션 시스템은 RGB 광원(31"), 조명 광학계(32'), SLM(33), 프레임 스캐너(34), 프로젝션 광학계(35) 및 스크린(36)을 포함한다. 프로젝션 시스템은 커플링 광학계(37)를 더 포함할 수 있다.
단일 광원인 도 4의 RGB 광원(31)과 달리, 도 7의 RGB 광원(31")은 2차원 어레이 광원이다. 즉, RGB 광원(31")은 2차원 어레이 형태로 배열된 복수의 부 광원으로 구성된다. 각 부 광원의 휘도는 변조 가능하며, 각 부 광원에서 제공된 조명 광은 조명 광학계(32')에 의하여 SLM(33)의 각 변조 소자에 조명된다. 이 경우, RGB 광원(31")은 그 자체로서 변조 소자의 속도를 증가시킬 필요 없이 픽셀 세기를 더욱 잘 제어할 수 있도록 변조된다. 도 7의 조명 광학계(32')는 광 결합을 필요로 하지 아니한다.
도 7의 다른 구성요소들은 도 4와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.
도 8은 본 발명의 제4 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면 프로젝션 시스템은 RGB 광원(31), 조명 광학계(32), SLM(33'), 프로젝션 광학계(35) 및 스크린(36)을 포함한다.
도 4의 프로젝션 시스템과 달리, 도 8의 프로젝션 시스템은 프레임 스캐너(34)를 생략하고, 대신에 SLM(33') 자체를 진동시킨다. 즉, SLM(33')이 도 4의 프레임 스캐너(35)의 기능도 수행한다.
도 8의 다른 구성요소들은 도 4와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 도 8에 있어서, RGB 광원(31)으로 도면과 같이 단일 광원이 사용될 수도 있으며, 도면과 달리 1차원 어레이 광원 또는 2차원 어레이 광원이 사용될 수도 있다.
여기에 설명된 프로젝션 시스템의 최대 프레임률은 SLM 변조 소자의 변조 속도 또는 SLM에 데이터가 로딩될 수 있는 속도(rate)에 의해 제한될 것이다. 예를 들어, 60 Hz 프레임률의 XGA 해상도 프로젝션의 경우에, 각 SLM 소자는 초당 최소 768 x 60 회 업데이트될 필요가 있다. 펄스 폭 변조의 사용은 업데이트 속도 요구 조건을 더 증가시킬 것이다. 데이터가 통상적으로 행해지는 것처럼 소자들의 작은 블록에 순차적으로 로딩되는 대신에 모든 SLM 소자에 동시에 로딩될 수 있다면, 데이터 속도는 현격히 증가할 것이다.
설명된 실시예들은 본 발명의 응용에 있어서, 암시적인 제한으로 해석되어서는 안된다. 당업자는 본 발명의 개념이 임의의 이미지 해상도 표준(VGA, SVGA, XGA, SXGA 등), 임의의 형태의 SLM(LCD, LCOS, DMD, 회절 광 밸브(GLV: Grating Light Valve) 등), 임의의 형태의 광원(백색 전구(white light bulb), LED, LD, 수 직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 이하 간략히 VCSEL이라 함), EELED(Egde Emitting Light Emitting Diodes) 등), 임의의 형태의 프레임 스캐너(MEMS 미러 스캐너, 폴리곤 미러 스캐너, 갈바닉(galvanic) 미러 스캐너 등), 임의의 형태의 광학계(굴절, 반사, 회절, 렌즈, 미러, 프리즘, 이색성(dichroic) 미러, 편광자, 코팅, 집적 광학계(integrated optics), 마이크로 광학계(micro-optics), 원형(round), 원통(cylindrical) 등), 임의의 형태의 색상 범위(color gamut)(RGB, CMYK 등)에 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명은 디스플레이 외에 광 통신, 바이오메디컬 이미징(biomedical imaging) 및 광 리소그래피(optical lithography)에도 응용될 수 있다.
유사하게, 당업자는 다음 사항을 이해할 것이다.
2행 이상의 변조 소자가 각 색상 영역(color zone)에 사용될 수 있다.
1열 이상의 변조 소자가 이미지 픽셀의 각 열에 사용될 수 있다.
긴 방향 또는 짧은 방향 중 하나로 이미지가 스캔될 수 있다.
변조 소자는 정사각형, 직사각형 또는 임의의 형태일 수 있다.
변조 소자의 열은 정사각형, 직사각형 또는 임의의 형태일 수 있다.
x와 y방향으로 임의의 프로젝션 확대 배율의 차이는 프로젝션 광학계 또는 커플링 광학계에서 구현될 수 있다.
스캐닝 방법은 순차 주사(progressive scan) 또는 비월 주사(interlaced scan)일 수 있다.
임의의 레이저 광원은 단일 모드 또는 멀티 모드일 수 있다.
본 발명에 의한 이미지 프로젝션 아키텍쳐는 종래의 2D 및 1D 아키텍쳐에 비해 중요한 장점을 제공한다.
1. 추가 제조 비용 없이, 변조 소자의 행을 최소 다이 폭까지 더한다. 보다 구체적으로, 1D 아키텍쳐의 SLM은 이론상으로는 1×1024의 변조 소자에 해당하는 다이를 사용하면 되나, 실제의 다이는 종횡비(aspect ratio)에 제한이 있으므로, 일례로 50×1024의 변조 소자에 해당하는 다이를 사용할 수밖에 없다. 물론 50×1024의 변조 소자에 해당하는 다이를 사용하는 경우에도, 1D 아키텍쳐의 SLM은 1×1024의 변조 소자만을 형성한다. 그러나, 본 발명에 의한 이미지 프로젝션 아키텍쳐는 1개의 다이에 50×1024의 변조 소자를 형성하여 다이를 효율적으로 사용할 수 있다.
2. 3원색으로 SLM을 동시 조명하여, 종래의 세개의 SLM 시스템에서만 가능했던 휘도 효율과 동등하게 한다.
3. 최소 다이 폭의 구속이 있는 경우에도, SLM의 표면 영역이 2D 등가물에서보다 약 10배 더 작게 한다.
4. 1D SLM과 비교하여, 각 이미지 픽셀에서 각 색상을 변조하기 위해 16 소자가 가용하고, 각 변조 소자는 16 배 낮은 속도로 동작할 수 있고, SLM이 현재의 2D SLM의 표준 변조 기술을 사용하게 한다.
5. 색상 당 16 개의 변조 소자가 기여하므로, 가간접성의(coherent) 레이저 조명과 함께 종종 보일 수 있는 소위 얼룩(speckle)을 감소시키는 평균화 동작이 행해진다. 보다 구체적으로, x번째 변조 소자의 얼룩은 x+1번째 변조 소자의 얼룩과 다를 것이며, 따라서 여러 변조 소자의 얼룩이 합해져서 평균화됨으로써, 얼룩이 감소된다.
6. 색상 당 16개의 변조 소자가 기여하므로, 동일한 순 이미지 픽셀 휘도(the same net image pixel brightness)가 16 소자의 다중 설정(multiple setting)에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 2개의 변조 소자를 사용하는 경우에, 01(오프 온)은 10(온 오프)과 동일한 휘도를 제공하지만, 얼룩은 다르다. 16 변조 소자를 가로질러, 프레임 단위(frame to frame basis)로 휘도 분포를 변화시키는 것은 임의의 얼룩의 추가적인 평균화와 감소를 제공할 것이다.
본 발명에 의한 프로젝터는 매우 작을 수 있으며(50 ㎤ 이하), 저가일 수 있다. 상기한 특정 실시예는 현재 2D SLM 기술로부터 변조 속도를 증가시킬 필요 없이, 프레임률 30 Hz 이상 및 250,000 색상(3원색 당 6 비트 또는 64 세기 레벨)에서 완전한 XGA 해상도 이미지를 제공할 것이다. 이 이미지 품질은 현재 모바일 장치에서 가용한 품질과 비교될 수 있다.