KR100842598B1 - Screen and display device using micro lens array - Google Patents
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Abstract
본 발명은 레이저를 광원으로 이용하는 프로젝션 시스템에서, 대향하는 두 개의 마이크로 렌즈 어레이를 사용함으로써 레이저를 광원으로 사용할 때 발생되는 스펙클을 제거할 수 있는 스크린 및 디스플레이 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a screen and display device that can eliminate speckle generated when using a laser as a light source by using two arrays of opposing micro lenses in a projection system using a laser as a light source.
본 발명의 일 실시예에 따른 배면 투사 스크린은, 투사되는 영상의 픽셀 크기와 같거나 작고 상기 픽셀에 대응되는 마이크로 렌즈를 패턴 피치로 형성하는 제1 마이크로 렌즈 어레이 및 제2 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이와 제2 마이크로 렌즈 어레이를 초점거리만큼 이격시켜 대향하도록 배치하여 배면으로 영상을 투사하는 것을 특징으로 한다.A rear projection screen according to an embodiment of the present invention includes a first micro lens array and a second micro lens array which form a micro pitch corresponding to the pixel and smaller than or equal to the pixel size of the projected image at a pattern pitch. The first microlens array and the second microlens array are spaced apart from each other by a focal length to face each other, thereby projecting an image to the rear surface.
레이저, 프로젝션, 투사, 배면, 마이크로 렌즈 어레이 Laser, Projection, Projection, Rear, Micro Lens Array
Description
도1a 및 도1b는 각각 종래의 레이저를 광원으로 하는 리어 프로젝션 시스템과 프론트 프로젝션 시스템을 나타낸다.1A and 1B show a rear projection system and a front projection system each using a conventional laser as a light source.
도2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 시스템의 개략도이다.2A is a schematic diagram of a projection system according to an embodiment of the present invention.
도2b는 도2a의 마이크로 렌즈 어레이의 단면을 나타낸다.Fig. 2B shows a cross section of the micro lens array of Fig. 2A.
도3a는 단일 마이크로 렌즈 어레이의 단면을 나타내고, 도3b는 도3a의 단일 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 광의 파장에 따른 세기를 나타낸다.FIG. 3A shows a cross section of a single micro lens array, and FIG. 3B shows the intensity according to the wavelength of light passing through the single micro lens array of FIG. 3A.
도4a는 본 발명에 따른 듀얼 마이크로 렌즈 어레이의 단면을 나타내고, 도4b는 도4a의 듀얼 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 광의 파장에 따른 세기를 나타낸다.FIG. 4A shows a cross section of the dual micro lens array according to the invention, and FIG. 4B shows the intensity according to the wavelength of light passing through the dual micro lens array of FIG. 4A.
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 프론트 프로젝션 시스템을 나타낸다.5 shows a front projection system according to another embodiment of the present invention.
※도면의 주요 부분에 대한 설명※※ Description of main part of drawing ※
21 : 제1 마이크로 렌즈 어레이 22 : 제2 마이크로 렌즈 어레이21: first micro lens array 22: second micro lens array
23 : 집광 렌즈 24 : 프로젝터23
25 : 렌즈 패턴25 lens pattern
51 : 마이크로 렌즈 어레이 52 : 미러51: Micro Lens Array 52: Mirror
53 : 프로젝터53: projector
본 발명은 레이저를 이용한 프로젝션 시스템에 사용되는 스펙클(speckle)이 없는 스크린 및 디스플레이 장치에 관한 것이다. The present invention relates to speckle-free screens and display devices used in laser-based projection systems.
보다 구체적으로, 본 발명은 레이저를 광원으로 이용하는 프로젝션 시스템에서, 대향하는 두 개의 마이크로 렌즈 어레이를 사용함으로써 레이저를 광원으로 사용할 때 발생되는 스펙클을 제거할 수 있는 스크린 및 디스플레이 장치에 관한 것이다.More specifically, the present invention relates to a screen and display apparatus that can eliminate speckles generated when using a laser as a light source by using two arrays of opposing micro lenses in a projection system using a laser as a light source.
종래의 프로젝션 장치들에서는 광원으로, 수은 램프등을 사용하였으나, 최근에는 레이저를 광원으로 하는 프로젝션 장치가 연구되고 있다. 레이저 광원은 종래의 수은 램프 등에 비해 수명도 현저히 길고, 부피도 작아서 최근의 박형 TV에 사용될 경우 많은 장점을 갖는다.Conventional projection apparatuses use a mercury lamp as a light source, but recently, a projection apparatus using a laser as a light source has been studied. The laser light source has a much longer life and a smaller volume than a conventional mercury lamp, and thus has many advantages when used in a recent thin TV.
레이저를 광원으로 사용하는 경우, 종래의 리어 프로젝션 시스템에서 스크린으로 사용되는 프레넬(Fresnel) 렌즈와 렌티큘러 (Lenticular) 렌즈로 구성된 스크린이나, 또는 일반 스크린을 사용하게 되면 빛의 불규칙적인 산란을 유도하여 스펙클을 발생시키게 된다. When using a laser as a light source, a screen consisting of Fresnel and Lenticular lenses used as screens in a conventional rear projection system, or using a regular screen, induces irregular scattering of light. Will cause speckle.
도1a 및 도1b는 각각 종래의 레이저를 광원으로 하는 리어 프로젝션 시스템과 프론트 프로젝션 시스템을 나타낸다.1A and 1B show a rear projection system and a front projection system each using a conventional laser as a light source.
레이저 광원(11)을 사용하여 일반 스크린(12)에 영상을 투사시키면, 레이저의 특성으로 인해 스크린에 알갱이 모양의 스펙클(13)이 형성되어, 화질을 현저히 떨어뜨리는 원인이 된다. 레이저는 가간섭성 때문에 불규칙한 면을 통과하면서 간섭을 일으켜 스크린(12)에 스펙클(13)을 만들어 낸다. When the image is projected onto the
레이저를 광원으로 사용하는 디스플레이 시스템에서, 이러한 스크린에 보이는 스펙클을 없애기 위하여 여러 방법을 시도하고 있다. In display systems that use a laser as a light source, several methods have been tried to eliminate speckle on these screens.
첫 번째로 공간적 가간섭성을 없애기 위해 레이저 광을 섬유 재질(fiber)에 넣고 흔들거나, 디퓨져를 사용하여 빔이 균일하게 섞일 수 있도록 하였다. 이와 같은 방법은 스펙클을 저감하는데 효과는 있으나 완전히 없앨 수는 없었다.First, to eliminate spatial coherence, laser light was placed in a fiber and shaken, or a diffuser was used to uniformly mix the beams. This method is effective in reducing speckle but cannot be eliminated completely.
두 번째 방법으로는 시간적 가간섭성을 없애기 위해 펄스를 이용하는 것인데 이것은 제품의 안전성 때문에 시도가 불가능 하다. 또 다른 방법으로는 스크린을 물리적으로 흔들어 주어 스크린에 입사하는 빔의 위상을 랜덤화 함으로써 스펙클을 제거하는 방법이다. 이것은 스펙클을 완전히 없앨 수는 있지만 대량 생산에 적용하기는 힘들다. The second method is to use pulses to eliminate temporal coherence, which is impossible to attempt because of product safety. Another method is to remove speckle by physically shaking the screen to randomize the phase of the beam incident on the screen. This can completely eliminate speckle, but it's hard to apply to mass production.
위에 설명한 스펙클 감소 방법들은 종래의 레이저 디스플레이 시스템에 부품을 추가하거나, 스크린을 흔들어 사용하는 방법으로서, 레이저가 표면이 울퉁불한면을 반드시 지나갈 수 밖에 없는 구조로 형성되므로, 가간섭성(coherence)이 긴 레이저 특성 때문에 반드시 상쇄 보강간섭에 의한 스펙클 현상이 일어난다. The speckle reduction method described above is a method of adding components to a conventional laser display system or shaking a screen, and since the laser is formed to have a structure that must pass through a rough surface, coherence is achieved. Due to this long laser characteristic, speckle phenomenon due to offset constructive interference necessarily occurs.
도1a에 도시된 리어 프로젝션 시스템의 경우에는, 스펙클 현상을 방지하기 위해 스크린에 빛이 산란할 수 있도록 디퓨져(diffuser) 알갱이를 넣는 방법도 시도되었다. 그러나, 이때에도 디퓨저 알갱이가 불규칙하게 분포하기 때문에 레이저가 조사되는 표면을 울퉁불퉁하게 하여 레이저가 간섭을 일어나게 하는 환경을 제공하게 된다. In the case of the rear projection system shown in FIG. 1A, a method of inserting diffuser grains to scatter light on the screen has also been attempted to prevent speckle. However, even at this time, since the diffuser grains are irregularly distributed, the surface to which the laser is irradiated is roughened to provide an environment in which the laser causes interference.
결과적으로, 종래의 레이저를 광원으로 사용하는 시스템은, 레이저의 스크린 표면에서의 불규칙적인 산란과 표면에의 거칠기에 의한 불규칙한 슬릿 구조로 인한 상쇄 보광 간섭으로 스펙클이 형성될 수 밖에 없는 구조이다. As a result, a system using a conventional laser as a light source is a structure in which speckles are inevitably formed due to offset complementary interference due to irregular scattering on the screen surface of the laser and irregular slit structure due to roughness on the surface.
레이저를 광원으로 사용하는 프로젝션 시스템에서 스펙클 문제를 근본적으로 해결할 수 있는 방법이 요구된다.There is a need for a fundamental solution to the speckle problem in projection systems using lasers as light sources.
본 발명은 레이저를 광원으로 사용하는 디스플레이 장치 또는 시스템에서 2개의 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 스크린을 사용하여 균일하고 스펙클이 없는 영상을 디스플레이하는 스크린 또는 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.An object of the present invention is to provide a screen or device for displaying a uniform and speckle-free image using a screen including two micro lens arrays in a display device or system using a laser as a light source.
본 발명은 레이저를 광원으로 사용하는 디스플레이 장치 또는 시스템에서, 스펙클 문제를 해결하여, 레이저 광원을 장점을 최대한 살릴 수 있는 스크린 또는 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a screen or display device that can solve the speckle problem in a display device or system using a laser as a light source and make the most of the advantages of the laser light source.
본 발명의 일 실시예에 따른 배면 투사 스크린은, 투사되는 영상의 픽셀 크기와 같거나 작고 상기 픽셀에 대응되는 마이크로 렌즈를 패턴 피치로 형성하는 제1 마이크로 렌즈 어레이 및 제2 마이크로 렌즈 어레이를 포함하고, 상기 제1 마이크로 렌즈 어레이와 제2 마이크로 렌즈 어레이를 초점거리만큼 이격시켜 대향하도록 배치하여 배면으로 영상을 투사하는 것을 특징한다.A rear projection screen according to an embodiment of the present invention includes a first micro lens array and a second micro lens array which form a micro pitch corresponding to the pixel and smaller than or equal to the pixel size of the projected image at a pattern pitch. The first micro lens array and the second micro lens array may be spaced apart from each other by a focal length to face each other to project an image on the rear surface.
본 발명의 일 실시예에 따른 전면 투사 스크린은, 투사되는 영상의 픽셀 크기와 같거나 작고 상기 픽셀에 대응되는 마이크로 렌즈를 패턴 피치로 형성하는 마이크로 렌즈 어레이; 및 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 영상을 반사시키는 미러;를 포함하고, 상기 마이크로 렌즈 어레이와 미러를 초점거리의 1/2만큼 이격되도록 배치하여 전면으로 영상을 투사하는 것을 특징으로 한다. According to an embodiment of the present invention, a front projection screen may include: a microlens array having a pattern pitch of a microlens equal to or smaller than a pixel size of a projected image and corresponding to the pixel; And a mirror for reflecting the image passing through the micro lens array, wherein the micro lens array and the mirror are disposed to be spaced apart by 1/2 of a focal length to project the image to the front.
본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 레이저 광원을 사용하는 영상 프로젝터; 및 상기 영상 프로젝터로부터 투사되는 영상을 디스플레이하며, 서로간에 초점거리만큼 이격되어 대향하도록 배치되고 상기 투사되는 영상의 픽셀 크기와 같거나 작으며 상기 픽셀에 대응되는 마이크로 렌즈를 패턴 피치로 형성하는 제1 마이크로 렌즈 어레이와 제2 마이크로 어레이를 포함하여 구성되는 배면 투사 스크린;을 포함하는 것을 특징으로 한다.A display apparatus according to an embodiment of the present invention, an image projector using a laser light source; And a first display configured to display an image projected from the image projector, and to form a micro pitch corresponding to the pixel, the microlenses having a pattern pitch that is equal to or smaller than the pixel size of the projected image and is spaced apart from each other by a focal length. And a rear projection screen including a micro lens array and a second micro array.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 보다 상세히 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도2a는 본 발명의 일 실시예에 따른 프로젝션 시스템의 개략도이다.2A is a schematic diagram of a projection system according to an embodiment of the present invention.
레이저를 광원으로 사용하는 프로젝터(24)로부터 영상이 투사된다. 투사된 광은 제1 마이크로 렌즈 어레이(21)와 제2 마이크로 렌즈 어레이(22)를 통과하여, 사용자에게 투사된다. 제1 마이크로 렌즈 어레이(21)와 제2 마이크로 렌즈 어레이(22)는 본 발명에 따른 스펙클이 없는 스크린을 구성한다.The image is projected from the
바람직하게는, 실시예에 따라 제2 마이크로 렌즈 어레이(22) 이후에 종래 스크린의 프레넬 렌즈와 같은 집광 역할을 하는 집광 렌즈(23)를 배치하여, 스크린 영역 밖으로 나가는 빛을 시야각 범위 내로 집광시켜 줄 수 있다. 집광 렌즈(23) 로는 프레넬 렌즈 외에 볼록 렌즈도 사용될 수 있다.Preferably, according to the embodiment, after the second
또한, 바람직하게는, 실시예에 따라 제2 마이크로 렌즈 어레이(22) 이후에 집광 렌즈(23)와 함께, 또는 집광 렌즈(23) 대신, 투사되는 영상의 시야각을 확대시켜 시청자의 눈으로 전달하는 렌티큘러 렌즈 역할을 하는 광각 렌즈(미도시)가 사용될 수도 있다.Further, according to an embodiment, the viewing angle of the projected image is magnified and transmitted to the viewer's eyes together with the
도2b는 도2a의 마이크로 렌즈 어레이(21,22)의 단면을 나타낸다. 볼록 렌즈 형상의 패턴(25)들이 일정한 간격으로 배열되어 있다. Fig. 2B shows a cross section of the
마이크로 렌즈 어레이(21,22)의 각각의 마이크로 렌즈들은 투사되는 영상의 각 픽셀에 대응된다. 패턴(25)의 피치는 투사되는 영상의 픽셀 사이즈와 같거나 더 작아야 한다. 영상의 픽셀 사이즈보다 더 크게 되면 상이 겹쳐서 해상도가 떨어지기 때문이다. 바람직하게, 패턴(25)의 피치는 수백 ㎚ 내지 수㎛ 정도로 형성할 수 있다. Each of the micro lenses of the
본 발명에 따른 듀얼 마이크로 렌즈 어레이(21,22)는 종래의 스펙클 제거를 위해 사용되던 디퓨저 알갱이를 대신하여 입사된 빔을 산란시켜 영상을 맺히도록 한다. 마이크로 렌즈 어레이(21,22)에 의해 맺힌 영상이 시청자의 눈으로 전달된다.The dual
그러나, 본 발명에 따른 듀얼 마이크로 렌즈 어레이(21,22)는 종래의 디퓨져 알갱이가 불균일하게 분포되어 빛의 산란을 유도한 것과 달리 일정한 형상과 간격으로 배열되며, 각 마이크로 렌즈의 굴절률과 곡률 반경에 의해 균일하게 빔을 굴절시키게 되고, 스펙클 현상을 일으키지 않는다.However, the
마이크로 렌즈 어레이(21,22)는 투명한 재질로 형성할 수 있으며, 바람직하게는 투명 플라스틱으로 제조할 수 있다.The
마이크로 렌즈 어레이(21,22)의 패턴(25)은 투명 기판에 레이저 빔 직접 묘화법(laser direct writing) 포토리소그래피를 통한 에칭, 임프린트 방법, 이-빔(E-beam)을 이용한 패터닝 등 마이크로 단위의 패터닝이 가능한 공정 방법을 적용하여 패터닝할 수 있다. 가장 바람직하게는, 레이저 빔 직접 묘화법을 이용하여 패터닝할 수 있다.The
본 발명에 따른 도2a의 디스플레이 장치에서, 제1 마이크로 렌즈 어레이(21)와 제2 마이크로 렌즈 어레이(22)의 각 마이크로 렌즈들은 초점 거리 f 만큼 이격되어 마주보도록 배치된다. 위와 같이, 제1 마이크로 렌즈 어레이(21)의 초점을 제2 마이크로 렌즈 어레이(22)에 맺히도록 한다.In the display device of FIG. 2A according to the present invention, each of the micro lenses of the first
위와 같이 두 개의 마이크로 렌즈 어레이를 마주보도록 배치함으로써, 투사되는 광의 파장에 의존성이 없고, 회절에 의한 2,3,4..차 오더를 무시할 수 있게 하여 균일성을 확보할 수 있다. By arranging the two micro lens arrays to face each other as described above, there is no dependence on the wavelength of the projected light, and uniformity can be ensured by allowing the 2,3,4..order orders due to diffraction to be ignored.
도3a는 단일 마이크로 렌즈 어레이의 단면을 나타내고, 도3b는 도3a의 단일 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 광의 파장에 따른 세기를 나타낸다.FIG. 3A shows a cross section of a single micro lens array, and FIG. 3B shows the intensity according to the wavelength of light passing through the single micro lens array of FIG. 3A.
도4a는 본 발명에 따른 듀얼 마이크로 렌즈 어레이의 단면을 나타내고, 도4b는 도4a의 듀얼 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 광의 파장에 따른 세기를 나타낸다.FIG. 4A shows a cross section of the dual micro lens array according to the invention, and FIG. 4B shows the intensity according to the wavelength of light passing through the dual micro lens array of FIG. 4A.
도3b 및 도4b에서, x축은 각각 도3a 및 도4a의 마이크로 렌즈 어레이의 장축 방향을 나타내고, y축은 측정되는 광의 세기를 나타나는 것으로서, 동일한 레이저를 조사하였을 때 측정되는 최대 광의 세기를 1로 하고 그와 상대적인 크기를 그래프로 표시한 것이다.In FIGS. 3B and 4B, the x-axis represents the major axis direction of the microlens arrays of FIGS. 3A and 4A, respectively, and the y-axis represents the intensity of the light to be measured. The maximum light intensity measured when the same laser is irradiated is 1; It is a graph of its relative size.
도3b와 도4b를 비교해 보면, 본 발명에 따른 듀얼 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 광은 파장에 관계없이 일정한 세기를 나타내며, 파장에 따른 균일성(uniformity)를 확보할 수 있음을 알 수 있다.Comparing FIG. 3B and FIG. 4B, it can be seen that the light passing through the dual micro lens array according to the present invention exhibits a constant intensity regardless of the wavelength and ensures uniformity according to the wavelength.
마이크로 렌즈 어레이(21,22) 각각의 패턴들(25)은 각각의 패턴에 입사되는 빔이 겹쳐서 입사되지 않도록 디자인한다. 이렇게 디자인된 본 발명에 따른 듀얼 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 스크린은 리어 스크린(rear screen)으로 사용할 수 있다.The
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 프론트 프로젝션 시스템을 나타낸다.5 shows a front projection system according to another embodiment of the present invention.
도5에 도시된 실시예에서는 2개의 마이크로 렌즈 어레이 대신, 한개의 마이크로 렌즈 어레이(51)와 미러(52)가 사용된다.In the embodiment shown in Fig. 5, instead of two micro lens arrays, one
레이저를 광원으로 사용하는 프로젝터(53)로부터 영상이 투사된다. 투사된 광은 마이크로 렌즈 어레이(51) 통과하여, 미러(52)에 반사되어 다시 마이크로 렌즈 어레이(51)를 통과하여 시청자의 눈으로 전달된다. 마이크로 렌즈 어레이(51)와 미러(52)는 본 발명에 따른 스펙클이 없는 스크린을 구성한다.An image is projected from the
도2a에 도시된 실시예와 동일한 효과를 얻기 위해, 마이크로 렌즈 어레이(51)와 미러(52) 사이의 거리는 마이크로 렌즈 어레이(51)를 구성하는 마이크로 렌즈의 초점 거리 f의 1/2로 형성한다.In order to achieve the same effect as the embodiment shown in Fig. 2A, the distance between the
마이크로 렌즈 어레이(51)를 통과한 영상은 미러(52)에 의해 반사되면서 마이크로 렌즈 어레이(51)의 초점 거리 f 만큼 이동하여 마이크로 렌즈 어레이(51)에 상이 맺히게 된다.The image passing through the
바람직하게는, 실시예에 따라 마이크로 렌즈 어레이(51) 이전에 종래 스크린의 프레넬 렌즈와 같은 집광 역할을 하는 집광 렌즈 또는 투사되는 영상의 시야각을 확대시켜 시청자의 눈으로 전달하는 렌티큘러 렌즈 역할을 하는 광각 렌즈(미도시)를 배치하여 사용할 수 있다.Preferably, before the
본 발명에 따른 듀얼 마이크로 렌즈 어레이로 구성된 스크린 또는 디스플레이 장치를 사용하면, 레이저를 광원을 사용하는 시스템에서 스펙클 발생을 방지할 수 있다. By using a screen or display device composed of a dual micro lens array according to the present invention, it is possible to prevent speckle generation in a system using a laser light source.
또한, 본 발명에 따른 스크린 또는 디스플레이 장치는 파장에 따른 의존성 없이 균일하게 영상을 디스플레이할 수 있다.In addition, the screen or display device according to the present invention can display the image uniformly without depending on the wavelength.
또한, 본 발명에 따른 듀얼 마이크로 렌즈 어레이를 포함하는 스크린은 제조시에도 임프린트, 몰딩 공정 등 대량 생산 방법을 적용할 수 있다.In addition, the screen including the dual micro lens array according to the present invention can be applied to a mass production method such as an imprint, molding process even during manufacturing.
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