KR100845155B1 - 디스플레이 장치 - Google Patents

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KR100845155B1
KR100845155B1 KR1020070062007A KR20072007006A KR100845155B1 KR 100845155 B1 KR100845155 B1 KR 100845155B1 KR 1020070062007 A KR1020070062007 A KR 1020070062007A KR 20072007006 A KR20072007006 A KR 20072007006A KR 100845155 B1 KR100845155 B1 KR 100845155B1
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light
diffraction
diffracted light
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slit
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KR1020070062007A
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유로프 빅토르
윤상경
양행석
아나톨리 렙척
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삼성전기주식회사
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Abstract

개선된 공간 주파수 필터를 가지는 디스플레이 장치가 개시된다. 디스플레이 장치는, 영상정보에 따라 입사광을 변조한 변조광을 출력하는 광변조기; 상기 변조광 중 소정 차수의 회절광을 통과시키고, 인접한 기생 회절 차수의 회절광에 대해서는 미리 설정된 임계치 이하를 통과시키는 슬릿을 가지는 공간 주파수 필터(spatial frequency filter); 및 상기 슬릿을 통과한 회절광을 스크린 상에 투사하는 투사부를 포함한다. 기생 회절 차수의 회절광을 후단으로 통과시키지 않음으로써 화면의 컨트라스트 비를 향상시키는 효과가 있다.
디스플레이, 회절, 공간 주파수 필터, 슬릿

Description

디스플레이 장치{Display apparatus}
도 1은 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성도.
도 2는 도 1에 도시된 디스플레이 장치에 포함되는 광변조기의 사시도.
도 3은 도 1에 도시된 디스플레이 장치 중 일 실시예를 광축을 따라 펼친 전개도.
도 4는 도 1에 도시된 디스플레이 장치 중 다른 실시예를 광축을 따라 펼친 전개도.
도 5는 도 2에 도시된 광변조기의 리본에 굽은 형태를 가지는 경우의 단면도.
도 6은 공간 영역(spatial domain)에서 세 개의 주기적인 요소들의 합으로서 해석한 반사 광학 필드.
도 7은 공간 주파수 영역(spatial frequency domain)에서 도 6에 도시된 (a) 내지 (c)의 각 요소를 복소수 공간(complex space)에서 푸리에 변환(Fourier transform)한 회절 패턴.
도 8은 기생 회절 차수가 존재하는 광변조기의 회절 패턴과 종래 공간 주파수 필터를 나타낸 도면.
도 9는 광변조기가 동작한 경우와 동작하지 않은 경우 다양한 회절 차수의 파워 레벨.
도 10은 휨 굽힘 Hm에 대한 0.5차 기생 회절 차수와 1.5차 기생 회절 차수의 파워 효율을 도시한 도면.
도 11은 기생 회절 차수가 존재하는 광변조기의 회절 패턴과 본 발명의 실시예에 따른 공간 주파수 필터를 도시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
100: 디스플레이 장치
101: 광원
102: 조명 광학계
105: 광변조기
107: 투사 광학계
110: 스캐닝 미러
111: 스크린
본 발명은 디스플레이 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 개선된 공간 주파수 필터를 가지는 디스플레이 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 광신호 처리는 많은 데이타 양과 실시간 처리가 불가능한 기존의 디지탈 정보처리와는 달리 고속성과 병렬처리 능력, 대용량의 정보처리의 장점을 지니고 있으며, 공간 광변조이론을 이용하여 이진위상 필터 설계 및 제작, 광논리게이트, 광증폭기, 광소자, 광변조기 등의 연구가 진행되고 있다. 이 중에서 광변조기는 광메모리, 광디스플레이, 프린터, 광인터커넥션, 그리고 홀로그램 등의 분야에 사용되며, 이를 이용한 광빔 스캐닝 장치의 연구 개발이 진행되어 오고 있다.
이러한 광빔 스캐닝 장치는 화상 형성장치, 예를 들면, 레이저 프린터, LED 프린터, 전자 사진 복사기, 워드 프로세서 및 프로젝터 등에서 스캐닝을 통해 광빔을 감광매체에 스폿(spot)시켜 화상 이미지를 결상시키는 역할을 한다.
최근에는 프로젝션(projection) 텔레비젼 등이 개발됨에 따라 스크린에 광을주사하는 수단으로써 광변조기 및 스캐너가 이용되고 있다.
광변조기는 광원으로부터의 입사광을 변조시킨 변조광을 출력한다. 여기서, 광변조기는 홀이 구비된 복수의 마이크로 미러가 일렬로 배치되어 있고, 마이크로 미러 1개 혹은 그 이상이 하나의 픽셀을 담당하여 선형 영상(수직 주사선 또는 수평 주사선)에 해당하는 변조광을 출력한다. 스캐너는 광변조기로부터의 변조광을 소정 방향으로 스캔함으로써 다수의 선형 영상이 연속적으로 표시된 2차원 영상을 스크린 상에 표현한다.
광변조기가 출력하는 변조광은 여러 차수의 회절광을 포함하고 있다. 0차 회절광, ±1차 회절광 등의 주 회절 차수(main diffraction order) 회절광 이외에도 ±0.5차 회절광, ±1.5차 회절광 등의 기생 회절 차수(parasitic diffraction order) 회절광도 포함하고 있다. 필요로 하는 주 회절 차수의 회절광 이외에 영향을 미치는 기생 회절 차수의 회절광으로 인해 화면의 컨트라스트 비(contrast ratio)가 낮은 문제점이 있었다.
따라서, 본 발명은 기생 회절 차수의 회절광을 후단으로 통과시키지 않음으로써 화면의 컨트라스트 비를 향상시키는 디스플레이 장치를 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 컨트라스트 비를 향상시키는 개선된 공간 주파수 필터를 가지는 디스플레이 장치가 제공된다.
일 실시예에 따른 디스플레이 장치는, 영상정보에 따라 입사광을 변조한 변조광을 출력하는 광변조기; 상기 변조광 중 소정 차수의 회절광을 통과시키고, 인접한 기생 회절 차수의 회절광에 대해서는 미리 설정된 임계치 이하를 통과시키는 슬릿을 가지는 공간 주파수 필터(spatial frequency filter); 및 상기 슬릿을 통과 한 회절광을 스크린 상에 투사하는 투사부를 포함한다.
여기서, 상기 변조광은 0차 회절광 및 ±1차 회절광과, 상기 0차 회절광 및 상기 ±1차 회절광에 인접한 기생 회절 차수의 회절광을 포함할 수 있다.
그리고 상기 공간 주파수 필터는 쉬리렌 정지부(Schlieren stop)일 수 있다.
또한, 상기 공간 주파수 필터는 주 회절 차수 중 0차 회절광을 통과시키고 그 외 주 회절 차수의 회절광은 차단하며, 상기 0차 회절광에 인접한 기생 회절 차수의 회절광을 차단시킬 수 있다. 또는 상기 공간 주파수 필터는 주 회절 차수 중 ±1차 회절광을 통과시키고 그 외 주 회절 차수의 회절광은 차단하며, 상기 ±1차 회절광에 인접한 기생 회절 차수의 회절광을 차단시킬 수 있다.
또한, 상기 슬릿의 크기는 상기 소정 차수의 회절광은 최대한 통과시키고, 상기 인접한 상기 기생 회절 차수의 회절광은 최소한으로 통과시키도록 설정될 수 있다.
그리고 상기 슬릿의 크기는 하기의 수학식과 같을 수 있다.
Figure 112007045720111-pat00001
여기서, f는 상기 투사부의 초점 거리, λ는 상기 회절광의 파장, T는 피치(pitch), m(=P/T)은 피치 대 픽셀 비(pixel to pitch ratio), P는 상기 광변조기의 픽셀 어레이 주기, Δx는 상기 슬릿의 크기이다.
그리고 상기 광변조기는, 기판; 상기 기판 상에 위치하고, 하부 미러가 형성 되어 있는 절연층; 중앙 부분이 상기 절연층과의 사이에 소정 간격 이격되어 위치하고, 상기 중앙 부분에 상부 미러가 형성되어 있는 구조물층; 및 상기 구조물층의 양 측단 상에 형성되고, 상기 구조물층의 중앙 부분을 상하로 이동시키는 압전 구동체를 포함할 수 있다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징 들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 디스플레이 장치의 개략적인 구성도이고, 도 2는 도 1에 도시된 디스플레이 장치에 포함되는 광변조기의 사시도이며, 도 3은 도 1에 도시된 디스플레이 장치 중 일 실시예를 광축을 따라 펼친 전개도이고, 도 4는 도 1에 도시된 디스플레이 장치 중 다른 실시예를 광축을 따라 펼친 전개도이며, 도 5는 도 2에 도시된 광변조기의 리본에 굽은 형태를 가지는 경우의 단면도이다.
디스플레이 장치(100)는 광원(101), 조명 광학계(102), 광변조기(105), 투사 광학계(107), 스캐닝 미러(110)를 포함한다. 조명 광학계(102) 및 투사 광학계(107)는 일반적인 디스플레이 장치에 포함되는 것임을 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자(이하 '당업자'라 한다)라면 용이하게 인식할 수 있다.
광원(101)은 광(113)을 방출하며, 광(113)은 조명 광학계(102)를 통과하여 광축(112)을 따라 광변조기(105)에 입사된다. 광원(101)은 레이저 다이오드(laser diode), VECSEL(Vertical External Cavity Surface-Emitting Laser) 타입 레이저 또는 이와 유사한 기능을 하는 장치 등일 수 있다.
조명 광학계(102)는 광원(101)에서 방출되는 광(113)을 광축(112)에 평행하도록 모으는 빛모음 렌즈(Condenser, 103)와, 빛모음 렌즈(103)에 의해 모인 광(113)을 광변조기(105) 상에 집중시키는 원통 렌즈(104)를 포함한다. 이 외에도 도시되지 않았지만, 빛모음 렌즈(103) 대신에 발산 렌즈와 시준 렌즈를 이용하여 원통 렌즈(104)로 광(113)을 전달할 수도 있다. 조명 광학계(102)는 광원(101)으로부터의 광(113)을 Y 축 방향으로 평행하도록 집중시킴으로써, 광(113)이 선형광 형태로 광변조기(105) 상에 입사되도록 한다. 여기서, 광변조기(105)로의 광(113) 즉, 입사광의 입사각은 변조광이 투사 광학계(107)의 공간 주파수 필터(109)에 도달하도록 하는 각을 가진다.
조명 광학계(102) 이외에 다른 광학계에 의해서도 광변조기(105)에 입사광(113)을 비추는 것이 가능하다. 또한, 본 발명에서 사용되는 렌즈는 단일 구성품 렌즈에 제한되지 않고 복합 렌즈 또는 반사성 광학 소자로 대체될 수 있음을 당업자는 이해해야 할 것이다.
광변조기(105)는 상부 미러층을 가지는 복수의 리본들(115-1 ~ 115-n, 여기서, n은 임의의 자연수)이 원통 렌즈(104)의 초점선(여기서는 도 2의 Y축 방향)을 따라 선형 배열되어 있다. 광변조기(105)는 광변조기 구동회로(미도시)의 전기신호에 따라 각 리본(115-1, …, 115-n)을 상하 방향(여기서는 도 2의 Z축 방향)으로 구동시켜 입사광을 변조한다.
광변조기는 크게 직접 광의 온/오프를 제어하는 직접 방식과 반사 및 회절을 이용하는 간접 방식으로 나뉘며, 또한 간접 방식은 정전기 방식과 압전 방식으로 나뉠 수 있다. 여기서, 광변조기는 구동되는 방식에 상관없이 본 발명에 적용이 가능하다.
미국특허번호 제5,311,360호에 개시된 정전 구동 방식 격자 광변조기는 반사 표면부를 가지며 기판 상부에 부유(suspended)하는 다수의 일정하게 이격하는 변형 가능 반사형 리본을 포함한다. 먼저, 절연층이 실리콘 기판상에 증착되고, 이후 희생 이산화실리콘 막 및 질화실리콘 막의 증착 공정이 후속한다. 질화실리콘 막은 리본으로 패터닝되고 이산화실리콘층의 일부가 에칭되어 리본이 질화물 프레임에 의해 산화물 스페이서층 상에 유지되도록 한다. 리본상의 반사 표면과 기판의 반사 표면 사이의 수직 거리 d로 한정된 이러한 변조기의 격자 진폭은 리본(제1 전극으로서의 역할을 하는 리본의 반사 표면)과 기판(제2 전극으로서의 역할을 하는 기판 하부의 전도막) 사이에 전압을 인가함으로써 제어된다. 이하에서는 본 발명의 이해와 설명의 편의를 위해 압전 방식의 광변조기를 중심으로 설명하지만, 정전 방식의 광변조기에도 동일한 내용이 적용가능함은 물론이다.
도 2를 참조하면, 광변조기(105)는 다수의 리본들(115-1, …, 115-n, 이하 115라 함)을 포함하는 바, 도 2에서는 (ℓ-1)번째, ℓ번째, (ℓ+1)번째 리본(115-(ℓ-1), 115-ℓ, 115-(ℓ+1))(여기서, ℓ＜n)을 중심으로 설명한다.
광변조기(105)는 기판(미도시) 상에 위치하는 절연층(210)과, 중앙 부분(230)이 절연층(210)과의 사이에서 소정 간격 이격되어 위치하는 구조물층(200)과, 구조물층(200)의 양 측단 상에 형성되어 구조물층(200)의 중앙 부분(230)을 상하로 움직이게 하는 압전 구동체(미도시)를 포함한다. 구조물층(200)은 중앙 부분(230)을 포함하는 일표면 상에 광반사 특성을 가지는 상부 미러(250)가 형성되어 있다. 구조물층(200) 및 상부 미러(250)를 포함하여 일방향으로 긴 모양을 가지고 있는 바 리본(115)으로 칭한다.
리본(115)의 중앙 부분(230)에 홀(240)이 형성되지 않은 경우에는 둘 이상의 리본들(115)이 모여 영상 중 하나의 픽셀을 담당하게 된다. 복수의 리본들(115)은 압전 구동체에 가해지는 전압(광변조기 구동회로의 전기신호에 따라 변화함)에 따라 상하로 구동하게 된다. 복수의 리본들(115)이 모두 일정한 높이를 유지하다가, 예를 들어 짝수번째 리본들에 제1 전압이 가해져 짝수번째 리본들이 상방향 또는 하방향으로 움직이게 되면, 짝수번째 리본들에서 반사되는 제1 반사광과, 홀수번째 리본들에서 반사되는 제2 반사광 간에 경로 차이가 발생하여 회절(간섭)이 발생하게 되고, 이 특성을 이용하여 광의 강도를 변조하게 된다. 이를 통해 영상의 각 픽셀의 명암도를 표현할 수 있다.
또는 리본(115)의 중앙 부분(230)에 하나 이상의 홀(240)이 형성된 경우(도 2에 도시)에는 하나 이상의 리본(115)이 영상 중 하나의 픽셀을 담당하게 된다. 홀(240)은 리본(115)의 길이 방향(도 2의 X축 방향)으로 긴 직사각형의 슬릿일 수 있다. 이때 절연층(210)의 표면에 광반사 특성을 가지는 하부 미러(220)가 형성되어 있어야 한다. 압전 구동체에 전압을 가함으로써 리본(115)을 상하로 움직여 리본(115) 표면의 상부 미러(250)와 절연층의 하부 미러(220) 간의 간격 조절이 가능해진다. 상부 미러(250)에서 반사되는 제3 반사광과, 하부 미러(220)에서 반사되는 제4 반사광 간에 경로 차이가 발생하게 되어 회절(간섭)이 발생하게 된다.
상술한 것과 같이 리본(115)에 홀(240)이 있는 경우와 없는 경우 모두 각 반사광 간의 경로 차이를 이용하여 하나의 픽셀의 명암도를 표현하게 되며, 각 반사 광들은 회절(간섭) 원리에 의해 0차 회절광(120) 이외에 +1 회절 차수와 -1 회절 차수(D+1, D-1) 등의 회절광(121, 122)을 만들어 낸다.
이하에서는 리본(115)에 홀(240)이 형성된 경우를 가정하여 설명하기로 한다. 이 경우 하나의 픽셀 내에서 m(m은 2 이상의 자연수) 개의 회절 구조물(diffraction structure)이 반복된다. 여기서, 회절 구조물이라 함은 상부 미러에 의한 반사광과 하부 미러에 의한 반사광을 출력하는 일부분을 의미하며, 회절 구조물의 반복 주기는 T이고, 픽셀 어레이 주기(pixel array period)는 P(=mT)이다. 영상 중 하나의 픽셀을 담당하는 리본(115)은 하나이며 각 리본(115)에 하나의 홀(240)이 형성되어 있는 경우(도 2 참조)를 기준으로 하면, 상술한 m은 2가 된다. 즉, 하나의 픽셀 내에 2개의 회절 구조물이 포함된다(도 5 참조).
도 3에는 투사 광학계(107)에 포함되는 공간 주파수 필터(109)가 0차 회절광(120)을 진행시키고 +1 회절 차수와 -1 회절 차수(D+1, D-1) 등의 회절광(121, 122)의 진행을 정지시키는 것이 도시되어 있으며, 도 4에는 투사 광학계(107)에 포함되는 공간 주파수 필터(109)가 +1 회절 차수와 -1 회절 차수(D+1, D-1)의 회절광(121, 122)을 진행시키고 0차 회절광(120) 등의 진행을 정지시키는 것이 도시되어 있다.
도 3을 참조하면, 광변조기(105)는 하나 또는 둘 이상의 리본(115)이 영상의 한 픽셀의 명암도를 표현하도록 입사광을 변조한 변조광을 출력한다. 변조광은 앞서 설명한 것과 같이 다수 회절 차수의 회절광(120, 121, 122)을 포함한다. 광변조기(105)는 도 4의 Y축 방향으로 평행하게 배열된 다수의 리본들(115)에 의해 선형 영상을 표현하게 된다. 특정 시점에서 광변조기(105)는 2차원 영상을 구성하는 어느 하나의 선형 영상(수직 방향 또는 수평 방향)의 명암도를 표현하게 되고, 스캐닝 미러(110)는 스크린(111) 상의 특정 위치에 해당 선형 영상이 표시되도록 한다. 스캔 주파수에 따라 광변조기(105)는 다수의 선형 영상을 변조하고 스캐닝 미러(110)가 소정 방향(일방향 또는 양방향)으로 스캔을 하여 전체적으로 2차원 영상을 표시하게 된다.
광변조기(105)에서의 변조광(120, 121, 122)은 투사 광학계(107)를 통과하여 스캐닝 미러(110)로 전달된다. 투사 광학계(107)는 투사 렌즈(108) 및 공간 주파수 필터(109)를 포함한다. 투사 렌즈(108)는 선형 영상인 변조광(120, 121, 122)을 2차원 공간 영상(선형 영상이 좌우로 펼쳐진 형태)으로 펼친 후 스캐닝 미러(110)를 통해 최종적으로 스크린(111) 상에 선형 영상으로 투영되도록 한다. 공간 주파수 필터(109)는 변조광 중에서 0차 회절광(120)(도 3에 도시) 또는 ±1차 회절광(121, 122)(도 4에 도시)를 선별하여 통과시키도록 한다.
갈바노 미러는 제1 스캔 운동(A)에 의해 제자리로 돌아가고, 제2 스캔 운동(B)에 의해 1차원 직선 영상인 출력광을 스크린(111) 상에 투영한다. 혹은 그 반대일 수 있다. 또한, 갈바노 미러 대신에 폴리곤 미러(미도시)가 위치하여 일방향으로만 회전하면서 출력광을 스크린(111) 상에 투영할 수도 있다. 본 발명에서는 갈바노 미러와 폴리곤 미러를 통칭하여 스캐닝 미러라 한다.
도 3을 참조하면, 공간 주파수 필터(109)는 반사광(120)의 진행 경로 상에 W0의 크기를 가지는 슬릿(109a)이 형성되어 있어 0차 회절광(120)을 통과시키고 ±1차 회절광(121, 122)을 통과시키지 않는다.
도 4를 참조하면, 공간 주파수 필터(109)는 ±1차 회절광(121, 122)의 진행 경로 상에 W1의 크기를 가지는 슬릿(109b)이 형성되어 있어 ±1차 회절광(121, 122)을 통과시키고 W0의 크기를 가지는 셔터(shutter)(109c)가 형성되어 있어 0차 회절광(120)을 통과시키지 않는다.
여기서, W0의 크기는 하기의 수학식 1과 같이 대략적으로 0차 회절광(120)의 폭과 동일하다.
Figure 112007045720111-pat00002
여기서, λ는 회절광의 파장, f는 투사 렌즈(108)의 초점 거리(focal length)이다.
슬릿(109b)의 중심은 ±1차 회절광(121, 122)의 중심과 일치해야 한다. 그러므로 슬릿(109b)의 중심 간의 거리 D는 하기 수학식 2와 같다.
Figure 112007045720111-pat00003
따라서, 슬릿(109b)의 크기 W1은 하기의 수학식 3과 같다.
Figure 112007045720111-pat00004
광변조기(105)는 도 2를 참조하여 상술한 것과 같은 다층 구조물(multi-layer structure)에 해당한다. 즉, 광변조기(105)는 서로 다른 물질(예를 들어, 실리콘 질화물(silicon nitride), 금속, 압전 물질(piezoelectric material) 등)로 형성된 층으로 구성된다. 이러한 물질들은 서로 다른 열팽창계수(thermal expansion coefficients)를 가진다. 고온에서 서로 다른 층의 서로 다른 팽창에 의해 광변조기(105)의 리본을 변형시키고, 구부러지거나 휜 형태(curved or bended shape)를 가진다(바이몰프 효과(bimorph effect)). 제조 공정동안 주기적인 가열(heating) 및 냉각(cooling)이 가해진 후, 광변조기(105)의 리본은 잔여 스트레스(residual stress) 및 변형(deformation) 때문에 도 5에 도시된 것과 같이 약간 휜 형태를 가진다.
따라서, 제조 공정 동안 광변조기(105)의 리본은 작은 잔여 휨(small residual bending)을 가진다. 이러한 휨은 광변조기(105)의 각 리본마다 일정 형태를 가지며 주기적으로 반복된다. 따라서, 주기 mT를 가지는 리본의 상부 미러로부터 반사되는 반사광의 일부에 추가적인 위상 변조(phase modulation)가 제공된다. 이러한 위상 변조는 하부 미러가 휘지 않고 평평하게 유지되기 때문에 하부 미러로 부터 반사되는 반사광의 일부에는 존재하지 않는다.
그 결과 투사 렌즈(108)의 초점면(focal plane)에 있는 회절 패턴에 추가적인 기생 회절 차수의 회절광이 생성된다. 광변조기에서의 회절 메커니즘이 도 6 및 도 7에 도시되어 있다. 도 6은 공간 영역(spatial domain)에서 세 개의 주기적인 요소들의 합으로서 해석한 반사 광학 필드가 도시되어 있고, 도 7은 공간 주파수 영역(spatial frequency domain)에서 도 6에 도시된 (a) 내지 (c)의 각 요소를 복소수 공간(complex space)에서 푸리에 변환(Fourier transform)한 회절 패턴이 도시되어 있다.
광변조기로부터 반사되는 반사광은 좌측 서브 리본 반사광(left sub-ribbon reflected light)(도 6의 (a) 참조), 우측 서브 리본 반사광(right sub-ribbon reflected light)(도 6의 (b) 참조) 및 하부 반사광(bottom reflected light)(도 6의 (c) 참조)의 세 부분으로 분해된다. 각 부분은 초점면에 회절 패턴을 가진다. 회절 패턴은 공간 좌표(spatial coordinate)에서 푸리에 변환으로 제공될 수 있다. 하부 반사광의 회절 패턴은 주 회절 차수만을 가지는 반면 좌측 서브 리본 반사광과 우측 서브 리본 반사광의 회절 패턴은 주 회절 차수와 기생 회절 차수를 가진다.
광변조기가 동작하는 동안 하부 반사광과, 상부 미러에 의한 반사광(좌측 서브 리본 반사광 및 우측 서브 리본 반사광을 포함) 사이의 위상 쉬프트(phase shift)가 변화한다. 상부 미러에 의한 반사광의 위상 쉬프트를 영(zero)으로 가정하면, 광변조기가 동작하는 동안 하부 반사광에 의한 위상 쉬프트가 변화할 것이 다.
도 7에는 투사 렌즈(108)의 초점면에 있는 ξ축을 따른 복소수 벡터 분포(complex vector distribution)로서 복소수 공간 내에 회절 패턴이 제공된다. 회절 패턴 내에서 광학 필드(optical field)는 좌측 서브 리본 반사광, 우측 서브 리본 반사광 및 하부 반사광의 세 부분의 중첩(superposition)으로 정의될 수 있다.
광변조기가 동작하고 위상 쉬프트가 변화하는 동안 도 7의 (c)에 도시된 하부 반사광에 의한 회절 패턴은 주파수 축인 ξ축 주위를 회전한다. 주 회절 차수의 합성에 의해 빛의 간섭이 일어난다. 위상 쉬프트가 π의 홀수배일 때 0차 회절 차수에서는 상쇄 간섭이, +1차 및 -1차 회절 차수에서는 보강 간섭이 발생한다. 위상 쉬프트가 π의 짝수배일 때 반대로 0차 회절 차수에서는 보강 간섭이, +1차 및 -1차 회절 차수에서는 상쇄 간섭이 발생한다. 따라서, 주 회절 차수의 파워 레벨은 광변조기가 동작하는 동안 변화한다.
기생 회절 차수는 일정한 위상 쉬프트(constant phase shift)를 가지기 때문에 간섭하지 않는다. 하부 반사광의 회절 패턴에서 기생 회절 차수는 없다(도 7의 (c) 참조).
이러한 기생 회절 차수는 광변조기의 동작과는 독립적으로 안정적인 파워 레벨을 가지며, ξ축 상에 다음과 같은 좌표를 가진다: (n/m) fλ/T(도 7의 720 참조) , 여기서 n은 0 이상의 정수이다. 반면 주 회절 차수는 nfλ/T의 좌표를 가진다(도 7의 710 참조). 여기서, (n/m)은 실제 기생 회절 차수의 분수값(fractional number)을 나타낸다. 예를 들어, 도 5에 도시된 실시예에서 m은 2이므로, 기생 회 절 차수는 ±0.5, ±1.5 와 같은 숫자를 가진다.
그러므로 기생 회절 차수는 주 회절 차수보다 m배 더 밀집되어 위치하고 있다. 주 회절 차수와 인접한 기생 회절 차수 사이의 거리(D1)과 슬릿의 크기(W1)는 하기 수학식 4와 같다.
Figure 112007045720111-pat00005
그러므로 기생 회절 차수의 변조되지 않은 파워의 일부는 m이 2 이상이면 불가피하게 슬릿을 지나가게 된다.
도 8은 기생 회절 차수가 존재하는 광변조기의 회절 패턴과 종래 공간 주파수 필터를 나타낸 도면이다. 여기서, 종래 공간 주파수 필터(109)는 상기 수학식 1 내지 3에 의한 조건을 만족하는 쉬리렌 정지부(Schlieren stop)인 것으로 가정한다. 그리고 m은 2 인 경우를 나타내고 있다.
쉬리렌 정지부의 셔터(850)에 의해 0차 회절광이 차단되고, 슬릿(860)에 의해 -1차 회절광과 +1차 회절광이 다음 단으로 계속 진행하게 된다. 이 경우 슬릿(860)의 크기가
Figure 112007045720111-pat00006
이므로, 주 회절 차수(810) 이외에도 기생 회절 차 수(820)의 회절광의 일부가 슬릿(860)을 통과함으로써 스크린에 표시되는 화면의 화질에 영향을 미치게 된다.
도 9는 광변조기가 동작한 경우와 동작하지 않은 경우 다양한 회절 차수의 파워 레벨을 나타내고 있다. 파장 λ는 532nm이고, 회절 구조물의 반복 주기 T는 8mkm이고, 휨 굽힘(bending sag) H는 30nm인 경우를 예시로 하고 있다.
도 9의 (a)를 참조하면, 광변조기가 동작할 때(위상 쉬프트가 π의 홀수배인 경우) 주요 파워는 -1차 및 +1차 회절 차수에 집중된다. -1차 및 +1차 회절 차수의 총 파워는 약 0.8 정도이다.
도 9의 (b)를 참조하면, 광변조기가 동작하지 않을 때 (위상 쉬프트가 π의 짝수배인 경우) 주요 파워는 0차 회절 차수에 집중된다. 이 경우 -1차 및 +1차 회절 차수는 약 0.00013 정도로 매우 작은 파워를 가진다. 기생 회절 차수의 평균값(mean value)은 약 0.017 정도이다.
도 10은 휨 굽힘 Hm에 대한 0.5차 기생 회절 차수와 1.5차 기생 회절 차수의 파워 효율을 도시한 도면이다. 광변조기가 동작할 때와 동작하지 않을 때 기생 회절 차수의 효율은 휨 굽힘과 관련될 뿐이다.
도 8의 (b)에 도시된 쉬리렌 정지부(109)에 있는 슬릿(860)에 의해 기생 회절 차수의 절반이 통과하게 된다. 이 경우 컨트라스트 비는 다음과 같다.
C = (0.8 + 0.017) / (0.00013 + 0.017)
Figure 112007045720111-pat00007
48
여기서, 0.8은 광변조기가 동작할 때의 -1차 및 +1차 회절 차수의 파워, 0.00013은 광변조기가 동작하지 않을 때의 -1차 및 +1차 회절 차수의 파워, 0.017은 슬릿(860)을 통과한 기생 회절 차수의 파워이다.
광변조기의 하나의 픽셀이 3개의 회절 구조물(즉, 하나의 리본에 2개의 홀이 형성되어 있는 경우)을 포함하는 경우 쉬리렌 정지부는 더 많은 기생 회절 차수의 파워를 통과시키고 컨트라스트 비는 더 낮아질 것이다. 따라서, 본 발명에서는 이러한 문제점을 극복하여 컨트라스트 비를 높이고자 한다.
도 11은 기생 회절 차수가 존재하는 광변조기의 회절 패턴과 본 발명의 실시예에 따른 공간 주파수 필터를 도시한 도면이다. 도 11의 (a)는 기생 회절 차수가 존재하는 광변조기의 회절 패턴을 도시하고 있다. 여기서, 공간 주파수 필터는 쉬리렌 정지부를 일례로 설명하지만, 본 발명이 이에 국한되는 것은 아님을 당업자는 이해해야 할 것이다.
일 실시예에 따른 쉬리렌 정지부(1100a)는 제1 슬릿(1110)을 통해 -1차 및 +1차 회절광을 통과시키고, 셔터(1120)를 통해 주 회절 차수 중 0차 회절광 및 고차 회절 차수 회절광을 차단한다.
제1 슬릿(1110)은 Δx의 크기를 가지고 있으며, 하기 수학식 5의 조건을 만족해야 한다.
Figure 112007045720111-pat00008
여기서, f는 투사 광학계의 초점 거리, λ는 광원으로부터의 광의 파장, T는 회절 구조물의 반복 주기(즉, 피치(pitch)), m(=P/T)은 피치 대 픽셀 비(pixel to pitch ratio), P는 광변조기의 픽셀 어레이 주기(즉, 픽셀 크기), Δx는 쉬리렌 정지부의 제1 슬릿(1110)의 크기(W1)이다.
Δx = W1 = 1.5 fλ/mT 인 경우가 바람직하며, 이 경우 ±0.5차 및 ±1.5차의 기생 회절 차수의 회절광이 쉬리렌 정지부(1100a)를 통과하지 못하게 되고, 기생 회절 차수에 의한 영향을 최소화하는 것이 가능하다.
상기 수학식 5에서 a와 b는 쉬리렌 정지부(109)를 이용하여 통과시키고자 하는 주 회절 차수와, 차단하고자 하는 인접한 기생 회절 차수의 파워를 상호 비교함으로써 선택될 수 있다. 즉, 주 회절 차수의 회절광이 제1 슬릿(1110)을 통과하지 못하는 파워와, 기생 회절 차수의 회절광이 제1 슬릿(1110)을 통과하는 파워를 비교하여 적합한 값으로 선택될 수 있을 것이다.
또한, 다른 실시예에 따른 쉬리렌 정지부(1100b)는 제2 슬릿(1130)을 통해 0차 회절광을 통과시키고, 셔터(1140)를 통해 주 회절 차수 중 -1차 및 +1차 회절광 및 고차 회절 차수 회절광을 차단한다. 제2 슬릿(1130)은 Δx의 크기를 가지고 있으며, 상기 수학식 5의 조건을 만족해야 한다.
상기 수학식 5에서 a와 b는 쉬리렌 정지부(1100b)를 이용하여 통과시키고자 하는 주 회절 차수와, 차단하고자 하는 인접한 기생 회절 차수의 파워를 상호 비교함으로써 선택될 수 있다. 즉, 주 회절 차수의 회절광이 제2 슬릿(1130)을 통과하 지 못하는 파워와, 기생 회절 차수의 회절광이 제2 슬릿(1130)을 통과하는 파워를 비교하여 적합한 값으로 선택될 수 있을 것이다.
일 실시예 또는 다른 실시예에 따라 모든 기생 회절 차수가 쉬리렌 정지부에 의해 차단됨으로써 컨트라스트 비는 주 회절 차수의 광 파워 중 잔여 레벨에 의해서만 정의된다. 앞서의 경우를 가정하면, 컨트라스트 비는 다음과 같다.
C = 0.8 / 0.00013
Figure 112007045720111-pat00009
6000
이는 종래의 컨트라스트 비와 비교할 때 100배 이상이나 큰 값이다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 디스플레이 장치는 기생 회절 차수의 회절광을 후단으로 통과시키지 않음으로써 화면의 컨트라스트 비를 향상시키는 효과가 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 영상정보에 따라 입사광을 변조한 변조광을 출력하는 광변조기;
    상기 변조광 중 영상을 형성하는 데에 필요한 주 회절 차수의 회절광을 통과시키고, 상기 주 회절 차수의 회절광에 인접한 기생 회절 차수의 회절광에 대해서는 상기 영상의 화질에 영향을 주는지 여부를 결정하는 기준값 이하를 갖는 상기 기생 회절 차수의 회절광만을 통과시키는 슬릿을 가지는 공간 주파수 필터(spatial frequency filter); 및
    상기 슬릿을 통과한 회절광을 스크린 상에 투사하는 투사부를 포함하는 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 변조광은 0차 회절광 및 ±1차 회절광과, 상기 0차 회절광 및 상기 ±1차 회절광에 인접한 기생 회절 차수의 회절광을 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 공간 주파수 필터는 쉬리렌 정지부(Schlieren stop)인 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공간 주파수 필터는 주 회절 차수 중 0차 회절광을 통과시키고 그 외 주 회절 차수의 회절광은 차단하며, 상기 0차 회절광에 인접한 기생 회절 차수의 회절광을 차단시키는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 공간 주파수 필터는 주 회절 차수 중 ±1차 회절광을 통과시키고 그 외 주 회절 차수의 회절광은 차단하며, 상기 ±1차 회절광에 인접한 기생 회절 차수의 회절광을 차단시키는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿의 크기는 상기 영상을 형성하는 데에 필요한 주 회절 차수의 회절광은 최대한 통과시키고, 상기 주 회절 차수의 회절광에 인접한 상기 기생 회절 차수의 회절광은 최소한으로 통과시키도록 설정된 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 슬릿의 크기는 하기의 수학식과 같은 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치,
    Figure 112007045720111-pat00010
    여기서, f는 상기 투사부의 초점 거리, λ는 상기 회절광의 파장, T는 피치(pitch), m(=P/T)은 피치 대 픽셀 비(pixel to pitch ratio), P는 상기 광변조기의 픽셀 어레이 주기, Δx는 상기 슬릿의 크기임.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광변조기는,
    기판;
    상기 기판 상에 위치하고, 하부 미러가 형성되어 있는 절연층;
    중앙 부분이 상기 절연층과의 사이에 소정 간격 이격되어 위치하고, 상기 중앙 부분에 상부 미러가 형성되어 있는 구조물층; 및
    상기 구조물층의 양 측단 상에 형성되고, 상기 구조물층의 중앙 부분을 상하로 이동시키는 압전 구동체를 포함하는 것을 특징으로 하는 디스플레이 장치.
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