KR100853843B1 - 초소형 컬러 디스플레이 장치 - Google Patents

초소형 컬러 디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

초소형 컬러 디스플레이 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 2차원 빔 형태의 색광(color light)을 각각 조사하는 N(N은 3이상의 자연수)개의 광원; N개의 광원으로부터 조사된 각 색광이 동일 경로를 통해 출사될 수 있도록 각 색광의 출사 경로를 조정하는 경로 조정물; 입사된 각 색광을 소정의 광 강도 정보에 상응하여 광 변조한 변조광을 생성하는 광 변조기; 경로 조정물에 의해 출사 경로가 조정된 각 색광이 광 변조기에 1차원 입사될 수 있도록 2차원 빔 형태의 색광을 1차원 빔 형태의 색광으로 변환하는 빔 변환기; 및 광 변조기에 의해 생성된 상기 변조광을 입력받아 화면 상에 2차원 투사하는 스캐너를 포함하는 초소형 컬러 디스플레이 장치가 제공된다. 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에 의하면, 대형 디스플레이 장치는 물론 휴대 단말기, PDA 등의 소형 디스플레이 장치에도 적용 가능한 효과가 있다.
컬러 디스플레이 장치, 경로 조정물, 빔 변환기, 광 변조기.

Description

초소형 컬러 디스플레이 장치{Miniature color display apparatus}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 방식의 초소형 컬러 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서의 색광별 조명 모듈의 일 예를 나타낸 도면.
도 2d는 도 2c의 녹색광에 대한 조명 모듈의 실제 구현 데이터를 예시한 도면.
도 3a는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서 조명 모듈을 거쳐 광 변조기에 입사된 색광의 균일도를 나타내는 그래프의 일 예.
도 3b는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서 조명 모듈을 거쳐 광 변조기에 입사된 색광의 두께를 나타내는 그래프의 일 예.
도 3c는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서 조명 모듈을 거쳐 광 변조기에 입사된 색광의 형태를 예시한 도면.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에 적용 가능한 광 변조기의 일 예를 나타낸 도면.
도 4c 및 도 4d는 도 4a 또는 도 4b의 광 변조기에 있어 광 변조 원리를 설 명하기 위한 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서의 투사 모듈 및 그에 따른 실제 구현 데이터를 예시한 도면.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서 변조광이 투사 모듈을 거쳐 스크린 상에 투사될 때의 투사 효율을 예시한 도면.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 광원
120 : 콜리메이션 렌즈
130 : 경로 조정물
140 : 빔 변환기
150 : 광 변조기
160 : 투사 렌즈
170 : 스캐너
본 발명은 컬러 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 투사 방식(projection type)을 이용한 초소형 컬러 디스플레이 장치에 관한 것이다.
최근 디스플레이 기술이 발달함에 따라 TV, 모니터 등의 대형 디스플레이 장치는 물론 휴대 단말기, PDA(Personal Digital Assistants), PMP(Portable Multimedia Player) 등의 소형 디스플레이 장치에 대한 수요가 날로 증가하고 있다. 특히, 투사 방식을 이용한 디스플레이 장치는 예를 들어 CRT TV, LCD TV, PDP TV 등의 다른 대형 디스플레이 장치에 비해 대형 화상의 구현에 보다 적합할 뿐만 아니라 가격 경쟁력 면에서도 장점이 있어 수요자들에게 각광을 받고 있다.
그러나, 종래의 투사 방식의 디스플레이 장치는 화상의 구현을 위해 사용되는 부품(예를 들어, 광원, 미러, 광학 렌즈 등)의 개수가 많고 복잡할 뿐만 아니라, 부품간에 소정의 이격 거리 또는 투사 거리가 확보되어야 하는 이유로 소형 디스플레이 장치에는 적용하기가 어려운 문제점이 있었다. 즉, 종래 기술에 의하면 투사 방식을 이용한 디스플레이 장치의 구현에 있어 소형화에 일정한 한계가 있는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 대형 디스플레이 장치는 물론 휴대 단말기, PDA 등의 소형 디스플레이 장치에도 적용 가능한 투사 방식의 초소형 컬러 디스플레이 장치를 제공하기 위한 것이다.
또한, 본 발명은 디스플레이 장치의 소형화는 물론 구성의 단순화 및 제작 비용의 절감이 가능한 투사 방식의 초소형 컬러 디스플레이 장치를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 2차원 빔 형태의 색광(color light)을 각각 조사하는 N(N은 3이상의 자연수)개의 광원; N개의 광원으로부터 조사된 각 색광이 동일 경로를 통해 출사될 수 있도록 각 색광의 출사 경로를 조정하는 경로 조정물; 입사된 각 색광을 소정의 광 강도 정보에 상응하여 광 변조한 변조광을 생성하는 광 변조기; 경로 조정물에 의해 출사 경로가 조정된 각 색광이 광 변조기에 1차원 입사될 수 있도록 상기 2차원 빔 형태의 색광을 1차원 빔 형태의 색광으로 변환하는 빔 변환기; 및 광 변조기에 의해 생성된 변조광을 입력받아 화면 상에 2차원 투사하는 스캐너를 포함하는 초소형 컬러 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
여기서, 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치는 광원으로부터 조사된 색광이 평행 조사될 수 있도록 광원으로부터 조사된 색광의 발산 각도를 조절하는 콜리메이션 렌즈(collimation lens)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 광원은 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 및 유기발광 다이오드(OLED) 중 어느 하나일 수 있다. 또한, N개의 광원은 각각 상이한 색광을 조사하는 제1 광원, 제2 광원 및 제3 광원의 3개의 광원이 이용되고, 경로 조정물은 각 광원별로 각 광원의 전면부에 하나씩 배치될 수 있다. 이때, 제1 광원, 제2 광원 및 제3 광원은 빛의 3원색인 적색, 녹색 및 청색의 3색 광원이 이용될 수 있다.
여기서, 경로 조정물은 복수개의 반사면을 가지는 전반사 프리즘이 이용될 수 있다. 이때, 각 광원별로 하나씩 배치된 경로 조정물 중 어느 하나는, 전반사 프리즘의 입사면에 결합되고, 광원으로부터 조사된 2차원 빔 형태의 색광의 직경을 확대시키는 제1 렌즈; 및 전반사 프리즘의 출사면에 결합되고, 전반사 프리즘을 거쳐 출사되는 2차원 빔 형태의 색광을 상기 빔 변환기로 평행 입사시키는 제2 렌즈를 더 포함할 수 있다.
여기서, 빔 변환기는 2차원 빔 형태의 색광의 제1축 방향의 길이는 그대로 유지하고, 제1축 방향과 직교하는 제2축 방향의 길이는 광 변조기 상의 일 초점으로 집광시키는 1차원 빔 형성 렌즈를 포함할 수 있다.
또한, 1차원 빔 형성 렌즈는 곡률이 어느 일 방향면에만 존재하는 실린더 렌즈이되, 실린더 렌즈에 곡률이 존재하는 어느 일 방향면은 2차원 빔 형태의 색광의 제2축 방향과 동일 방향에 대응되는 면일 수 있고, 실린더 렌즈의 어느 일 방향면은 비구면(aspheric profile)일 수 있다.
여기서, 광 변조기는, 기판; 기판 상에 위치하는 절연층; 절연층 상에 위치하고, 입사광을 반사 또는 회절시키는 하부 광반사층; 중앙 부분이 절연층과 소정 간격만큼 이격되어 위치하는 구조물층; 구조물층의 중앙 부분 상에 위치하고, 입사광을 반사 또는 회절시키는 상부 광반사층; 및 구조물층 상에 위치하고, 구조물층의 중앙 부분을 상하로 움직이게 하는 압전 구동체를 포함할 수 있다.
여기서, 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치는 광 강도 정보를 생성하여 광 변조기에 전달하는 영상 제어 회로를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치는 화면 상에 2차원 투사되는 변조광의 투사 범위를 확대하는 투사 렌즈를 더 포함할 수 있다.
여기서, 스캐너는 갈바노 스캐너 또는 폴리곤 미러 스캐너일 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초소형 컬러 디스플레이 장치를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 명세서에서 어떤 구성요소로부터 다른 구성요소에 "조사된다" 거나 "투사된다" 등으로 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접 조사되거나 또는 직접 투사될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소를 거쳐 조사되거나 또는 투사될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 어떤 구성요소로부터 다른 구성요소에 "직접 조사된다" 거나 "직접 투사된다" 라고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소를 거치지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 본 발명의 특정 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서 "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 방식의 초소형 컬러 디스플레이 장치의 개략적인 구성을 나타낸 도면이다. 여기서, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 방식의 초소형 컬러 디스플레이 장치를 위에서 바라봤을 때를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 방식의 초소형 컬러 디스플레이 장치는 광원(110), 콜리메이션 렌즈(120), 경로 조정물(130), 빔 변환기(140), 광 변조기(150), 투사 렌즈(160) 및 스캐너(170)를 포함한다. 여기서, 광원(110), 콜리메이션 렌즈(120), 경로 조정물(130) 및 빔 변환기(140)는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 컬러 디스플레이 장치에서의 조명 모듈(illumination module)에 해당하고, 투사 렌즈(160) 및 스캐너(170)는 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 컬러 디스플레이 장치에서의 투사 모듈(projection module)에 해당한다. 또한 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치는 가로 방향으로 44mm, 세로 방향으로 33mm의 크기를 가지는 경우를 예시하고 있다.
광원(110)은 본 발명에 있어 스크린(180) 상에 컬러 이미지(color image)를 구현하기 위하여 적어도 3개의 색광(color light)을 조사할 수 있는 조합으로 구성될 수 있다. 이를 위해 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 컬러 디스플레이 장치는 빛의 3원색에 각각 해당하는 적색 광원(112), 청색 광원(114) 및 녹색 광 원(116)의 3개의 광원을 구비하고 있으며, 이러한 적색 광원(112), 청색 광원(114) 및 녹색 광원(116)은 2차원 빔(beam) 형태의 색광을 각각 조사한다.
다만, 광원(110)은 스크린(180) 상에 컬러 이미지를 구현할 수 있는 조합으로 구성된다면 본 발명의 일 실시예와 다른 조합의 3색 광원 또는 4개 이상의 광원으로 구성될 수 있음은 물론이다. 또한, 이러한 광원(110)으로는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 및 유기발광 다이오드(OLED) 중 어느 하나로 구현될 수 있다.
콜리메이션 렌즈(collimation lens)(120)는 광원(110)으로부터 조사된 색광이 평행 조사될 수 있도록 광원(110)으로부터 조사된 색광의 발산 각도를 조절한다. 즉, 광원(110)으로부터 조사된 색광은 콜리메이션 렌즈(120)를 거치면서 확산됨과 동시에 평행 시준(視準)될 수 있다. 여기서, 본 실시예에 따른 초소형 컬러 디스플레이 장치는 적색 광원(112) 및 청색 광원(114)의 전면에 제1 콜리메이션 렌즈(122) 및 제2 콜리메이션 렌즈(124)가 구비되고, 녹색 광원(116)의 전면에는 별도의 콜리메이션 렌즈가 구비되지 않은 경우를 예시하고 있다. 다만, 녹색 광원(116)의 전면에도 별도의 콜리메이션 렌즈가 구비될 수 있음은 물론이며, 후술할 경로 조정물(130)이 콜리메이션 렌즈의 평행 시준 기능을 동시에 수행할 수 있는 경우(본 실시예의 녹색 광원(116)의 전면에 위치한 제3 경로 조정물(136)의 경우를 참조)에는 적색 광원(112) 및 청색 광원(114)의 경우에도 콜리메이션 렌즈(120)를 생략할 수 있음은 자명하다.
또한 이때, 각 광원별로 조사되는 2차원 빔 형태의 색광의 개구수(NA : Numerical Aperture)는 다음과 같이 설정될 수 있다. 예를 들어, 전면에 별도의 콜리메이션 렌즈를 구비하고 있는 적색 광원(112) 및 청색 광원(114)의 경우에는 개구수(NA)를 0.3으로 하고, 전면에 별도의 콜리메이션 렌즈를 구비하지 않고 있는 녹색 광원(116)의 경우에는 개구수(NA)를 0.005로 할 수 있다. 여기서, 개구수(NA)는 일반적으로 n×sinθ로 정의되며, n은 광원(110)으로부터 조사된 색광의 이동 경로상에 존재하는 매질의 굴절률을 의미하고, θ는 광원으로부터 조사된 색광의 광축을 기준으로 하였을 때의 색광의 최대 발산 각도를 의미한다. 따라서, 색광의 이동 경로상에 존재하는 매질이 굴절률 1인 공기인 경우를 가정하면, 적색 광원(112) 및 청색 광원(114)의 경우에는 각각 최대 발산 각도를 약 17.46°(= sin-1 0.3)로 하여 적색광 및 청색광을 조사하고, 녹색 광원(116)의 경우에는 최대 발산 각도를 약 0.29°(= sin-1 0.005)로 하여 녹색광을 조사한다는 것을 의미한다. 이와 같이 각 광원별로 색광의 개구수(NA)를 달리하여 조사하는 이유는 광원별로 조사된 각 색광이 본 발명의 콜리메이션 렌즈(120) 및 경로 조정물(130)을 거친 후 동일한 지름(diameter)을 가지면서 후술할 빔 변환기(140)로 입사될 수 있도록 하기 위함이다. 따라서, 광원별 색광의 개구수(NA)는 상술한 예와 다른 수치로 설정될 수도 있음은 자명하다.
이와 같이 적색 광원(112) 및 청색 광원(114)으로부터 조사된 적색광 및 청색광은 각각 제1 콜리메이션 렌즈(122) 및 제2 콜리메이션 렌즈(124)를 거쳐 경로 조정물(130)(보다 정확하게는 본 실시예의 경우 각각 제1 경로 조정물(132) 및 제2 경로 조정물(134))로 입사되고, 녹색 광원(116)으로부터 조사된 녹색광은 직접 경로 조정물(130)(보다 정확하게는 본 실시예의 경우 제3 경로 조정물(136))로 입사된다.
경로 조정물(130)은 입사된 각 색광이 동일 경로를 통해 출사될 수 있도록 각 색광의 출사 경로를 조정한다. 즉, 경로 조정물(130)은 입사된 각 색광이 동일 경로를 통해 출사됨으로써 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에 구비된 단일의 빔 변환기(140)로 입사될 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 이와 같이 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에 있어서 경로 조정물(130)을 두는 이유는 각 색광이 1 패널의 광 변조기(150)에 의해 광 변조가 이루어지도록 하기 위해서는 각각의 색광 모두 빔 변환기(140)를 거쳐 광 변조기(150)까지 이르는 동일(단일) 경로를 따라 이동할 필요가 있기 때문이다. 만일 본 실시예와 같은 경로 조정물(130)을 별도로 두지 않는 경우를 가정하면, 색광별로 1패널의 광 변조기(150)까지 이르는 경로가 각각 상이하게 되어 광학계의 부피가 증가하므로 소형(또는 초소형)의 컬러 디스플레이 장치의 구현에 한계가 있게 되며, 이러한 한계를 극복하기 위하여 3 패널의 광 변조기를 구비하는 경우에는 그 광학계의 구성이 복잡해지며 컬러 디스플레이 장치의 제작 비용이 상승하게 되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 본 발명은 경로 조정물(130)(예를 들어, 단순히 복수개의 반사면을 가지는 전반사 프리즘 등)을 구비함으로써 광학계의 구성의 단순화 및 제작 비용의 절감을 할 수 있고, 보다 소형화된 컬러 디스플레이 장치를 제작할 수 있는 이점이 있게 된다.
여기서, 본 발명의 일 실시예에 따른 초소형 컬러 디스플레이 장치에는 각 광원별로 각각 1개씩 그 전면부에 총 3개의 경로 조정물(130)(즉, 제1 경로 조정물(132), 제2 경로 조정물(134) 및 제3 경로 조정물(136))을 구비되는 경우를 예시하고 있지만, 이 중 2개 이상(또는 전부)이 단일화된 하나의 경로 조정물(130)의 형태로 구현될 수도 있음은 물론이다.
빔 변환기(140)는 경로 조정물(130)에 의해 출사 경로가 조정된 각 색광을 입사받고, 각 색광이 광 변조기(150)에 1차원 입사될 수 있도록 2차원 빔 형태의 각 색광을 1차원 빔 형태의 색광으로 변환하는 역할을 수행한다.
이와 같이 입사된 2차원 빔 형태의 색광을 1차원 빔 형태의 색광으로 변환하기 위하여 빔 변환기(140)에는 1차원 빔 형성 렌즈(143)가 포함될 수 있다. 예를 들어, 1차원 빔 형성 렌즈(143)는 입사된 2차원 빔 형태의 색광의 제1축 방향(예를 들어, y축 방향)의 길이는 그대로 유지하고, 2차원 빔 형태의 색광의 제2축 방향(여기서, 제2축 방향은 색광의 제1축 방향과 직교함, 예를 들어, x축 방향)의 길이는 광 변조기(150)의 일 초점으로 집광시킴으로써 2차원 빔 형태의 색광을 1차원 빔 형태의 색광으로 변환하게 된다(후술할 도 3c 참조). 이러한 1차원 빔 형성 렌즈(143)의 예로는 곡률이 어느 일 방향면에만 존재하는 실린더 렌즈(cylinder lens)가 이용될 수 있다. 이때, 실린더 렌즈에 곡률이 존재하는 어느 일 방향면은 2차원 빔 형태의 색광 중 광 변조기(150)의 일 초점으로 집광될 제2축 방향과 동일 방향에 대응되는 면이 될 수 있으며, 또한 실린더 렌즈에 곡률이 존재하는 어느 일 방향면은 구면 수차 등을 최대한 제거할 수 있도록 하기 위하여 비구면(aspheric profile)으로 형성될 수 있다.
이와 같은 경로 조정물(130), 빔 변환기(140) 등을 포함하는 본 발명의 조명 모듈에 대해서는 이하 도 2a 내지 도 2e를 통하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
광 변조기(150)는 입사된 각 색광을 소정의 광 강도 정보에 상응하여 광 변조한 변조광(회절광)을 생성한다. 여기서, 광 강도 정보는 스크린(180) 상에 구현될 실제 컬러 영상에 대한 각 색광별 영상 정보를 의미한다. 즉, 광 강도 정보는 1 프레임의 영상을 구성하는 픽셀들에 관한 각 색광(예를 들어, 적색/녹색/청색)별 화소 정보와 관련된 것으로서, 예를 들어, 1 픽셀을 8비트 화소 데이터로서 표현하는 경우에는 총 2^8개(즉, 256개) 단계로 구분되는 색광별 계조(階調)값으로 정의될 수 있음은 자명한 바이다. 이러한 광 강도 정보는 영상 제어 회로(미도시)에 의해 생성된 후 광 변조기(150)로 전달된다. 이 경우, 광 변조기(150)는 영상 제어 회로(미도시)로부터 전달된 광 강도 정보에 상응하여(보다 정확하게는 전달된 광 강도 정보에 대응되는 구동 전압값이 광변조기(150)의 압전 구동체(55)에 인가됨에 따라) 입사된 색광의 광 변조를 수행함으로써 변조광을 생성하게 된다. 본 발명에 적용 가능한 광 변조기(150)의 일 예 및 광 변조기(150)를 이용한 색광의 광 변조 원리는 이하 도 4a 내지 도 4d를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다. 이와 같이 광 변조기(150)에 의해 광 변조된 변조광은 본 발명의 투사 모듈(투사 렌즈(160), 스캐너(170) 등)로 전달(입사)된다.
스캐너(170)는 광 변조기(150)에 의해 생성된 변조광을 입력(입사) 받아 스크린(180) 상에 2차원 투사(주사)하는 역할을 수행한다. 이러한 스캐너(170)로는 폴리곤 미러 스캐너(polygon mirror scanner) 또는 본 실시예의 갈바노 스캐너(galvanometer scanner) 등이 이용될 수 있으며, 이 외에도 단방향 또는 양방향으로 회전함에 따라 입사된 색광을 스크린(180)(다만, 도 1의 스크린(180)은 도면 도시의 편의상 원 화면 중 그 일부만을 표시한 것임, 이하 같음)상에 2차원 주사할 수 있는 장치라면 특별한 제한 없이 이용될 수 있음은 물론이다.
투사 렌즈(160)는 스크린(180)에 2차원 투사되는 변조광의 투사 범위를 확대하는 역할을 수행한다. 이러한 투사 렌즈(160)는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에 있어 필수적인 구성 요소라 할 수는 없지만, 투사 렌즈(160)를 구비함으로써 컬러 디스플레이 장치의 부피(크기)를 줄일 수 있는 등의 이점이 있다. 예를 들어, 광 변조기(150)에 의해 생성된 변조광이 투사 렌즈(160)를 거치지 않고 직접 스캐너(170)로 입사되는 경우를 가정하면, 스캐너(170)에 입사된 변조광의 지름이 충분한 크기를 갖지 못하기 때문에 변조광을 스크린(180) 전체(전면)에 2차원 투사하기 위해서는 스캐너(170)가 보다 많은 회전을 할 수 있도록(결국, 보다 빠른 회전 속도를 갖도록) 제어하거나 또는 스캐너(170)와 스크린(180)간의 이격 거리를 보다 많이 확보하여야 하는 등의 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 투사 렌즈(160)를 이용하여 스크린(180)에 2차원 투사될 변조광의 투사 범위를 미리 확대시킴으로써 상술한 문제점을 해결할 수 있고, 컬러 디스플레이 장치를 소형화할 수 있는 이점이 있게 된다. 다만, 투사 렌즈(160)는 본 실시예에서와 같이 반드시 광 변조기(150)와 스캐너(170) 사이에 구비될 필요는 없으며, 스캐너(170)와 스크린(180) 사이에 구비될 수도 있음은 물론이다. 또한, 본 발명의 투사 렌즈(160)는 본 실시예에서와 같이 복수 개의 렌즈군(lens array)으로 구현될 수도 있지만, 단일화된 하나의 모듈로서 구현될 수도 있음은 물론이다. 그리고 본 실시예에서는 컬러 디스플레이 장치의 소형화를 위하여 투사 렌즈(160) 이외에도 반사 미러(165)를 별도로 둠으로써 디스플레이 장치의 공간 활용도를 보다 극대화하고 있지만, 반사 미러(165) 또한 본 발명에 있어 반드시 구비하여야 하는 필수 구성 요소에는 해당 하지 않음은 자명하다.
이와 같은 투사 렌즈(160), 스캐너(170) 등을 포함하는 본 발명의 투사 모듈에 대해서는 이하 도 5a 내지 도 6c를 통하여 보다 상세히 설명하기로 한다.
도 2a 내지 도 2c는 도 1의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서의 색광별 조명 모듈의 일 예를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 2a는 적색 광원(112)으로부터 조사된 적색광이 본 발명의 조명 모듈을 거쳐 1패널의 광 변조기(150)에까지 이르는 경로를 보여주는 것이고, 도 2b는 청색 광원(114)으로부터 조사된 청색광이 본 발명의 조명 모듈을 거쳐 1패널의 광 변조기(150)에까지 이르는 경로를 보여주는 것이며, 도 2c는 녹색 광원(116)으로부터 조사된 녹색광이 본 발명의 조명 모듈을 거쳐 1패널의 광 변조기(150)에까지 이르는 경로를 보여주는 것이다.
도 2a를 참조하면, 적색 광원(112)으로부터 조사된 적색광은 제1 콜리메이션 렌즈(122)를 거쳐 확산 및 평행 시준되어 제1 경로 조정물(132)로 입사되고, 제1 경로 조정물(132)로 입사된 적색광은 제1 경로 조정물(132)의 제1 반사면(132-1), 제2 반사면(132-2) 및 다시 제1 반사면(132-1)에 의해 순차적으로 반사되어 빔 변환기(140)의 입사면(141)으로 입사된다. 그리고 빔 변환기(140)의 입사면(141)으로 입사된 적색광은 빔 변환기(140)의 반사면(142)에 의해 반사되고, 다시 1차원 빔 형성 렌즈(143)를 거치면서 2차원 빔 형태의 적색광이 1차원 빔 형태의 적색광으로 변환되어 광 변조기(150)에 1차원 입사된다.
도 2b의 경우에도 청색 광원(114)으로부터 조사된 청색광이 조명 모듈(제2 콜리메이션 렌즈(124), 제2 경로 조정물(134) 및 빔 변환기(140))을 거쳐 광 변조기(150)에까지 이르는 원리는 도 2a의 경우와 동일한바, 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 2c를 참조하면, 녹색 광원(116)으로부터 조사된 녹색광은 별도의 콜리메이션 렌즈를 거치지 않고 직접 제3 경로 조정물(136)로 입사된다. 이때, 입사된 녹색광은 제3 경로 조정물(136)의 제1 렌즈(136a), 제1 반사면(136-1), 제2 반사면(136-2), 제3 반사면(136-3) 및 제2 렌즈(136b)에 의해 확산 및 평행 시준되어 빔 변환기(140)의 입사면(141)으로 입사된다. 이를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다. 녹색 광원(116)으로부터 조사된 2차원 빔 형태의 녹색광은 제3 경로 조정물(136)의 제1 렌즈(136a)에 의해 그 색광의 직경이 확대되며, 직경이 확대된 녹색광은 제1 반사면(136-1), 제2 반사면(136-2), 제3 반사면(136-3)에 의해 순차적으로 반사되어 2 렌즈(136a)로 입사된다. 또한 이때, 제2 렌즈(136b)로 입사된 녹색광은 제2 렌즈(136b)를 거치면서 빔 변환기(140)에 평행 입사될 수 있도록 그 발산 각도가 조절된다. 여기서, 제1 렌즈(136a)는 입사된 2차원 빔 형태의 색광의 직경을 확대시키는 역할을 수행할 수 있도록 오목 렌즈가 이용될 수 있고, 제2 렌즈(136b)는 직경이 확대되어 입사된 2차원 빔 형태의 색광의 발산 각도를 줄여 빔 변환기(140)로 평행 입사시키는 역할을 수행할 수 있도록 볼록 렌즈가 이용될 수 있다. 즉, 제3 경로 조정물(136)의 경우에는 녹색광의 출사 경로를 조정하는 역할은 물론, 제3 경로 조정물(136)에 구비된 제1 렌즈(136a) 및 제2 렌즈(136b)를 통해 녹색광을 확산 및 평행 시준하는 콜리메이션 렌즈의 역할까지 함께 수행하고 있 음을 알 수 있다.
이때, 상술한 바와 같은 녹색광에 대한 출사 경로의 조정, 확산 및 평행 시준이 가능하도록 하기 위하여, 제3 경로 조정물(136)은 제1 경로 조정물(132) 또는 제2 경로 조정물(134)로 이용되는 전반사 프리즘 등에 제1 렌즈(136a), 제2 렌즈(136b)를 더 결합시켜 일체화시킨 형태로 구현할 수 있다. 예를 들어, 도 2c에서와 같이 제1 렌즈(136a)를 전반사 프리즘의 입사면에 일체화시켜 결합함으로써 녹색 광원(116)으로부터 조사된 녹색광의 직경을 확대시키고, 제2 렌즈(136b)를 전반사 프리즘의 출사면에 일체화시켜 결합함으로써 전반사 프리즘(즉, 도 2c의 제1 반사면(136-1), 제2 반사면(136-2), 제3 반사면(136-3)을 갖는 광학 부재)을 거쳐 출사되는 녹색광을 빔 변환기(140)로 평행 입사시킬 수 있다. 이와 같이 제3 경로 조정물(136)을 거쳐 빔 변환기(140)로 입사된 녹색광은 도 2a와 동일한 원리에 의해 빔 변환기(140)의 반사면(142) 및 1차원 빔 형성 렌즈(143)를 거쳐 광 변조기(150)에 1차원 입사된다.
즉, 본 발명의 제3 경로 조정물(136)은 색광의 광 경로 변경(조정)을 위한 광학 부재(전반사 프리즘 등)와 색광의 발산 각도를 확대 또는 축소시키기 위한 광학 부재(오목 렌즈, 볼록 렌즈)를 일체화하여 결합함에 의해 상술한 두 가지의 기능을 동시에 수행할 수 있는 이점을 가지고 있다. 따라서, 본 발명은 광 경로 조정을 위한 광학 부재와 색광의 발산 각도를 확대, 축소시키기 위한 광학 부재를 별도로 두는(배치하는) 경우에 비하여 디스플레이 장치에 있어서의 공간 활용도를 보다 높일 수 있고, 그 크기 또는 부피를 최소화할 수 있어 초소형의 컬러 디스플레이 장치를 제작할 수 있는 이점이 있다.
또한, 도 1에서 앞서 예시한 바와 같이 적색 광원(112) 및 청색 광원(114)의 개구수(NA)를 0.3으로 하고, 녹색 광원(116)의 개구수(NA)를 0.005로 설정하여 각 색광을 조사한 경우, 녹색 광원(116)으로부터 최초 조사된 녹색광의 발산 각도는 다른 두 광원으로부터 조사된 색광의 발산 각도보다 작게 된다. 이때, 각 광원별로 조사된 각 색광이 동일 직경(크기)을 가지면서 빔 변환기(140)로 입사되기 위해서는 최초 조사된 색광의 발산 각도가 작은 녹색광의 경우가 다른 두 색광의 경우보다 더 긴 광 경로가 필요하게 된다. 그러나 본 발명은 도 2c의 제3 경로 조정물(136)과 같은 형태의 광학 부재를 이용함으로써 최소한의 공간을 사용하면서도 다른 두 색광의 경우와 동일한 직경을 갖는 2차원 빔을 만들어냄으로써 초소형의 컬러 디스플레이 장치의 제작(구현)을 가능하게 하고 있다.
도 2d는 도 2c의 녹색광에 대한 조명 모듈의 실제 구현 데이터를 예시한 도면이다. 먼저, 도 2d의 테이블에서의 각 파라미터를 설명하면 다음과 같다. 테이블의 'Radius'는 본 발명의 조명 모듈에서의 각 부분에 대한 곡률 반경을 나타낸 데이터이고,'Thickness'는 본 발명의 조명 모듈에서의 각 부분에 대한 거리를 나타낸 데이터이고,'Glass'는 본 발명의 조명 모듈에서의 각 부분에 대한 유리 물성을 나타낸 데이터이며,'Diameter'는 본 발명의 조명 모듈의 각 부분을 통해 확산되는 색광의 외경(지름)을 나타낸 데이터이다.
여기서, 곡률 반경(테이블의 'Radius')의 값이 infinity(즉, 곡률 반경이 무 한대)라 함은 해당 부분이 곡률이 없이 평탄(flat)하다는 것을 의미하며, 도 2c에서의 1차원 빔 형성 렌즈(143)는 예를 들어 그 곡률 반경이 + 8.707(테이블의 식별부호 r4 참조)인 것을 알 수 있다.
또한 도 2d의 테이블을 참조하여 본 발명의 녹색광에 대한 조명 모듈에 있어서의 주요 부분간의 거리를 살펴보면 다음과 같다. 예를 들어, 본 발명의 조명 모듈에 있어서 녹색 광원(116)과 제3 경로 조정물(136)의 입사면 간의 거리(d1)는 11.28141mm이고, 제3 경로 조정물(136)의 입사면과 제1 반사면(136-1) 간의 거리(d2)는 6mm이고, 제1 반사면(136-1)과 제2 반사면(136-2) 간의 거리(d3)는 20mm이고, 제2 반사면(136-2)과 제3 반사면(136-3) 간의 거리(d4)는 4mm이며, 빔 변환기(140)의 1차원 빔 형성 렌즈(143)와 광 변조기(150) 간의 거리(d5)는 16.5971mm일 수 있다. 상술한 예와 같이 본 발명은 경로 조정물(130), 빔 변환기(140) 등을 포함하는 조명 모듈을 이용하여 수십 mm 단위를 갖는 초소형의 컬러 디스플레이 장치를 제작할 수 있다. 다만, 도 2d의 테이블은 본 발명의 조명 모듈에 있어서의 실제 구현 데이터의 일 예에 불과하며, 도 2d의 테이블이 예시하는 수치와 다른 수치를 갖는 다양한 예들이 존재할 수 있음은 자명하다.
도 3a는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서 조명 모듈을 거쳐 광 변조기에 입사된 색광의 균일도를 나타내는 그래프의 일 예이다. 여기서, 그래프의 X축은 광 변조기(150)의 제1축 방향(즉, 광 변조기(150)에 입사된 색광의 제1축 방향)의 중심을 기준으로 하였을 때의 거리를 나타내며, 그래프의 Y축은 상대 조도를 나타내고 있다.
도 3a를 참조하면, 광 변조기(150)의 제1축 방향의 중심에서의 조도를 1이라고 가정하였을 경우, 그 중심으로부터 멀어질수록 상대 조도가 작아지는 것을 알 수 있다. 다만, 그 중심으로부터 약 ± 4mm가 되는 범위까지의 상대 조도는 약 0.5 정도의 값을 유지하고 있으며, 일반적으로 광 변조기(150)에 입사되는 색광이 0.5 이상의 상대 조도를 갖는 경우에는 색광의 균일도가 우수하다고 볼 수 있다. 결국 이는 본 발명에 있어서의 광 변조기(150)의 제1축 방향의 길이를 그 중심으로부터 약 ± 4mm가 되도록 제작하는 경우 조명 모듈을 거쳐 광 변조기(150)의 제1축 방향으로 입사되는 색광의 밝기(세기)를 균일하게 유지할 수 있다는 것을 의미한다. 이와 같이 광 변조기(150)에 입사되는 색광의 밝기(세기)를 균일하게 유지하게 되면 광 변조기(150)를 통하여 보다 정확한 광 변조가 이루어질 수 있으므로, 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서의 컬러 영상 구현의 정확도를 높일 수 있는 이점이 있다.
도 3b는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서 조명 모듈을 거쳐 광 변조기에 입사된 색광의 두께를 나타내는 그래프의 일 예이다. 여기서, 그래프의 X축은 광 변조기(150)의 제2축 방향(즉, 광 변조기(150)에 입사된 색광의 제2축 방향)의 중심을 기준으로 하였을 때의 거리를 나타내며, 그래프의 Y축은 상대 조도를 나타내고 있다.
도 3b를 참조하면, 본 발명의 조명 모듈을 거쳐 입사된 색광의 조도는 광 변조기(150)의 제2축 방향의 중심에 집중되어 있고, 그 폭이 20㎛(단, 중심에서의 최 대 조도 대비 13.5%의 조도를 기준으로 함)에 불과한 것을 알 수 있다. 결국 이는 2차원 빔 형태의 색광이 본 발명의 빔 변환기(140)를 거침에 따라 1차원 빔 형태의 색광으로 변환되어 광 변조기(150)에 1차원 입사된다는 것을 의미한다.
도 3c는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서 조명 모듈을 거쳐 광 변조기에 입사된 색광의 형태를 예시한 도면이다. 여기서, 도 3c의 점선는 본 발명의 빔 변환기(140)의 1차원 빔 형성 렌즈(143)를 거치기 전의 2차원 빔 형태의 색광을 예시한 것이며, 이때 2차원 빔 형태의 색광은 원형을 가지는 것으로 가정하고 있다. 또한, 도 3c의 실선는 2차원 빔 형태의 색광이 본 발명의 1차원 빔 형성 렌즈(143)를 거친 이후 광 변조기(150)로 입사되는 1차원 빔 형태의 색광을 예시하고 있다.
즉, 도 3c를 통해 볼 수 있듯이, 2차원 빔 형태의 색광은 1차원 빔 형성 렌즈(143)를 거치면서 제1축 방향(본 실시예의 y축 방향)의 길이는 그대로 유지하고, 제2축 방향(본 실시예의 x축 방향)의 길이는 광 변조기(150)의 일 초점으로 집광됨으로써 1차원 빔 형태의 색광으로 변환되고 있다. 여기서, 광 변조기(150)의 일 초점은 광 변조기(150)에서의 1 픽셀(fixel)의 크기(예를 들어, 가로 방향 및 세로 방향의 길이가 각각 수십 ㎛ 정도) 이내의 면적을 갖는 일 지점(point)을 의미하며, 따라서 본 명세서에서 정의하는 1차원 빔 형태의 색광이란 광 변조기(150)에 입사되는 색광의 어느 일 축 방향(여기서는 제2축 방향)의 폭(길이)이 광 변조기(150)에서의 1 픽셀(fixel)의 크기와 같거나 또는 1 픽셀의 크기보다 작은 값을 갖는 경우를 의미한다. 예를 들어, 1차원 빔 형성 렌즈(143)를 거쳐 광 변조 기(150)에 입사된 1차원 빔 형태의 색광의 제2축 방향의 폭(길이)은 도 3b를 통해 상술한 바와 같이 20㎛가 될 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에 적용 가능한 광 변조기의 일 예를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 4a는 본 발명에 적용 가능한 압전 방식의 광 변조기 소자의 일 형태를 나타낸 사시도이고, 도 4b는 본 발명에 적용 가능한 압전 방식의 광 변조기 소자의 다른 형태를 나타낸 사시도이다.
여기서, 광 변조기는 크게 직접 광의 온/오프를 제어하는 직접 방식과 반사 및 회절을 이용하는 간접 방식으로 나뉘고, 간접 방식은 다시 정전기 방식(예를 들어, 실리콘 라이트 머신사(社)의 GLV(Grating Light Valve) 디바이스 등)과 압전 방식으로 나뉠 수 있다. 이러한 광 변조기는 위의 구동 방식에 상관없이 본 발명에 적용 가능함은 물론이나, 이하에서는 도 4a 및 도 4b에 도시된 광 변조기 소자를 중심으로 광 변조 원리를 설명하기로 한다.
도 4a 및 도 4b를 참조하면, 본 발명에 적용 가능한 압전 방식의 광 변조기 소자는 기판(51), 절연층(52), 희생층(53), 구조물층(54) 및 압전 구동체(55)를 포함한다. 여기서, 희생층(53)은 절연층(52)의 양 측단에 위치하여 절연층(52)과 구조물층(54)이 소정 간격만큼 이격될 수 있도록 하는 역할을 수행한다. 다만, 기판(51) 자체가 함몰된 형태로 구현되는 경우에는 희생층(53)은 생략될 수도 있음은 물론이다. 압전 구동체(55)는 상부 전극 및 하부 전극간의 전압차에 따라 수축 또는 팽창하여 구조물층(54)의 중앙 부분을 상하로 움직이게 하는 구동력을 제공한 다.
여기서, 구조물층(54)의 중앙 부분에는 복수의 홀(hole)(54(b) 또는 54(d) 참조)이 구비될 수 있고, 홀이 형성되어 있지 않은 구조물층(54)의 중앙 부분 상에는 입사광을 반사 또는 회절시키는 상부 광반사층(54(a) 또는 54(c) 참조)이, 홀의 위치와 대응되는 절연층(52) 상에는 입사광을 반사 또는 회절시키는 하부 광반사층(52(a) 또는 52(b) 참조)이 형성될 수 있다. 이하 도 4c 및 도 4d를 참조하여 구조물층(54)과 절연층(52)간의 높이 변화에 따른 광 변조 원리를 설명한다.
도 4a 및 도 4b는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에 적용 가능한 광 변조기의 일 예를 나타낸 도면이다. 여기서, 도 4c는 도 4a의 광 변조기 소자의 어레이로 구성된 광 변조기의 평면도이고, 도 4d는 도 4c의 BB'선을 기준선으로 하여 나타낸 단면도이다.
도 4a를 참조하면, 광 변조기는 각각 제1 화소(pixel #1), 제2 화소(pixel #2), …, 제m 화소(pixel #m)를 담당하는 m개의 마이크로 미러(50-1, 50-2, …, 50-m)로 구성된다. 광 변조기는 수직 주사선 또는 수평 주사선(여기서, 수직 주사선 또는 수평 주사선은 m개의 화소로 구성되는 것으로 가정함)의 1차원 영상에 대한 영상 정보를 담당하며, 각 마이크로 미러(50-1, 50-2, …, 50-m)는 수직 주사선 또는 수평 주사선을 구성하는 m개의 화소 중 어느 하나의 화소들을 담당한다.
따라서, 각각의 마이크로 미러에서 반사 및 회절된 광은 이후 스캐너에 의해 스크린에 2차원 영상으로 투사된다. 예를 들면, VGA 640*480 해상도의 경우 480개의 수직 픽셀에 대해 스캐너의 한 면에서 640번 모듈레이션을 하여 스캐너의 한 면 당 화면 1 프레임이 생성된다.
이하 제1 화소(pixel #1)을 중심으로 광 변조의 원리에 대하여 설명하지만, 다른 픽셀들에 대해서도 동일한 내용이 적용 가능함은 물론이다.
본 실시예에서 구조물층(54)에 형성된 홀(54(b)-1)은 2개인 것으로 가정한다. 2개의 홀(54(b)-1)로 인하여 구조물층(54) 상부에는 3개의 상부 광반사층(54(a)-1)이 형성된다. 절연층(52)에는 2개의 홀(54(b)-1)에 상응하여 2개의 하부 광반사층이 형성된다. 그리고 제1 화소(pixel #1)와 제2 화소(pixel #2) 사이의 간격에 의한 부분에 상응하여 절연층(52)에는 또 하나의 하부 광반사층이 형성된다. 따라서, 각 픽셀당 상부 광반사층(54(a)-1)과 하부 광반사층의 개수는 동일하게 되며, 0차 회절광 또는 ±1차 회절광을 이용하여 변조광의 휘도를 조절하는 것이 가능하다.
도 4d를 참조하면, 빛의 파장이 λ인 경우 상부 광반사층(54(a))이 형성된 구조물층(54)과 하부 광반사층(52(a))이 형성된 절연층(52) 간의 간격이(2n)λ/4(n은 자연수)가 되도록 하는 제1 전압이 압전 구동체(55)에 인가된다(도 4d의 (a) 참조). 이 경우 0차 회절광(반사광)의 경우 구조물층(54) 상에 형성된 상부 광반사층(54(a))으로부터 반사된 광과 절연층(52) 상에 형성된 하부 광반사층(52(a))으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 nλ와 같아서 보강 간섭을 하여 회절광은 최대 휘도를 가진다. 여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 광의 휘도는 상쇄 간섭에 의해 최소값을 가진다.
또한, 상부 광반사층(54(a))이 형성된 구조물층(54)과 하부 반사층(52(a))이 형성된 절연층(52) 간의 간격이 (2n+1)λ/4(n은 자연수)가 되도록 하는 제2 전압이 압전 구동체(55)에 인가된다(도 4d의 (b) 참조). 이 경우 0차 회절광(반사광)의 경우 구조물층(54) 상에 형성된 상부 광반사층(54(a))으로부터 반사된 광과 절연층(52) 상에 형성된 하부 광반사층(52(a))으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 (2n+1)λ/2와 같아서 상쇄 간섭을 하여 회절광은 최소 휘도를 가진다. 여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 보강 간섭에 의해 광의 휘도는 최대값을 가진다. 상술한 간섭의 결과, 광 변조기는 반사 또는 회절광의 광량을 조절하여 영상 정보를 빛에 실을 수 있게 되며, 이러한 원리를 이용한 것이 입사광의 광 변조 과정이다.
이상에서는 구조물층(54)과 절연층(52) 간의 간격이 (2n)λ/4 또는 (2n+1)λ/4인 경우를 설명하였으나, 입사광의 회절 또는 반사에 의해 간섭되는 세기를 조절할 수 있는 간격을 가지고 구동할 수 있는 다양한 실시예가 본 발명에 적용될 수 있음은 자명하다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 컬러 디스플레이 장치에서의 투사 모듈 및 그에 따른 실제 구현 데이터를 예시한 도면이다. 도 5b의 테이블에서의 각 파라미터는 도 2d를 통해 설명하였는바, 그 상세한 설명은 생략한다. 도 5b의 테이블을 중심으로 도 5a에 도시된 투사 모듈을 설명하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 투사 모듈은 스크린(180)(도 5b의'OBJ STANDARD'참조)과 광 변조기(150)(도 5b의'IMA STANDARD'참조) 간에 존재하며, 총 10개의 부분 영역으로 구분되고 있다. 예를 들어, 스크린(180)과 스캐너(170) 간의 거리(d1)는 290mm이고, 이외의 각 부분간의 거리는 d2 내지 d10과 같을 수 있다. 또한, 각 부분의 곡률 반경도 r1 내지 r10과 같을 수 있다. 다만, 본 발명의 투사 모듈 역시 도 5b의 테이블이 예시하는 수치와 다른 수치를 갖는 다양한 예들이 존재할 수 있음은 자명하다.
도 6a 및 도 6b는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서 변조광이 투사 모듈을 거쳐 스크린 상에 투사될 때의 투사 효율을 예시한 도면이다.
도 6a는 본 발명의 투사 렌즈의 성능을 보여주는 MTF(Modulation Transfer Function) 차트를 나타낸 것이다. 여기서, 도 6a의 x축은 공간 주파수(spatial frequency)를 나타내고, y축은 콘트라스트(contrast)를 나타낸다. 공간 주파수의 단위는 lp/mm(line pair/mm)이고, 이는 스크린(180)의 1mm 당 포함되어 있는 라인 쌍(흰색 선 및 검은색 선의 쌍으로 구성됨)의 개수를 의미한다. 예를 들어, 스크린(180)의 1mm 내에 각각 200㎛ 간격을 가지며 5개의 라인 쌍(1개의 흰색 선 및 1개의 검은색 선)이 포함되어 있는 경우의 공간 주파수는 5 lp/mm가 된다. 이러한 MTF 차트에서의 콘트라스트는 공간 주파수가 증가할수록 감소하게 되며, 이는 스크린(180)의 1mm 당 포함된 라인 쌍의 개수가 증가하면 증가할수록 사람의 눈을 통해 스크린(180)의 1mm 이내에 포함된 선들을 명확히 구분해내기가 점점 어려워지기 때문이다. 즉, MTF 차트는 스크린(180) 상에 투사된 영상을 사람이 눈을 통해 명확히 인식(구분)해낼 수 있는 정도를 나타내는 것이다. 따라서 도 6a를 참조하면, 일반적으로 사람이 스크린(180) 상의 영상을 구분해낼 수 있는 콘트라스트를 0.3 정도(최대 콘트라스트는 1 인 경우를 기준)라 가정할 때 본 발명의 투사 렌즈(160)를 거쳐 스크린(180) 상에 투사된 변조광(영상)의 공간 주파수는 약 5 lp/mm임을 알 수 있다. 결국 이는 본 발명의 투사 렌즈(160)의 확대 배율이 20배인 경우를 가정할 때, 0.3 정도의 콘트라스트를 가지는 광 변조기(150)에서의 공간 주파수는 약 100 lp/mm(= 5 lp/mm ㅧ 20)가 된다는 것을 의미하므로, 본 발명의 투사 렌즈(160)의 투사 효율이 상당히 우수하다는 것을 보여준다. 여기서, 투사 렌즈(160)의 확대 배율이 20배라는 것은 예를 들어 광 변조기(150)의 입사 평면의 크기가 그 중심으로부터 ± 4mm 인 경우, 변조광이 스크린(180) 상에 투사될 때의 투사 평면의 크기는 20배 확대된 ± 80mm가 됨을 의미한다.
도 6b는 본 발명의 초소형 컬러 디스플레이 장치에서 변조광이 투사 렌즈(160)를 거쳐 스크린(180) 상에 투사될 때의 왜곡 수차(distortion aberration)를 보여주는 그래프이다. 이러한 왜곡 수차는 렌즈의 위치별 배율의 변화(차이)에 의하여 발생할 수 있다. 이상적인 렌즈의 경우에는 그 중심점을 기준으로 하였을 때 외각 방향으로의 위치별 배율이 일정(즉, 곡률이 일정)하여야 하지만, 실제 제작된 렌즈의 경우에는 가공상의 오차, 변조광의 입사 방향(각도) 등의 다양한 요인에 인하여 위치별 배율이 조금씩 달라질 수 있다. 즉, 변조광이 투사 렌즈(160)를 거쳐 스크린(180) 상에 투사되는 경우에도 투사 렌즈(160)의 위치별 확대 배율의 차이에 의하여 도 6b와 같은 왜곡 수차가 발생할 수 있는 것이다. 이때, 왜곡 수차가 + 값을 가지면 화면의 각 측면이 오목하게 보이게 되며, 왜곡 수차가 - 값을 가지면 화면의 각 측면이 볼록해 보이게 된다. 다만, 이러한 왜곡(볼록 또는 오목하게 보임)을 사람이 눈을 통해 인식할 수 있으려면 적어도 그 왜곡 수차가 약 ±2% 정도가 되어야 하며, 도 6b의 경우에는 본 발명의 투사 렌즈(160)의 왜곡 수차가 ±0.1% 범위 내이므로 본 발명의 투사 렌즈(160)는 사람이 전혀 인식할 수 없을 정도의 왜곡 수차를 가지고 있음을 알 수 있다. 따라서, 본 발명의 투사 렌즈(160)는 상당히 우수한 투사 효율을 가지고 있다.
상술한 바와 같이 본 발명은 투사 방식의 컬러 디스플레이 장치를 초소형으로 제작하였음에도 불구하고, 종래의 투사 방식의 컬러 디스플레이 장치와 동등하거나 보다 우수한 성능을 나타내고 있으며, 결국 휴대 단말기, PDA, PMP 등의 소형의 컬러 디스플레이 장치에도 적용할 수 있는 이점이 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 투사 방식의 초소형 컬러 디스플레이 장치에 의하면, 대형 디스플레이 장치는 물론 휴대 단말기, PDA 등의 소형 디스플레이 장치에도 적용 가능한 효과가 있다.
또한, 본 발명은 디스플레이 장치의 소형화는 물론 구성의 단순화 및 제작 비용의 절감이 가능한 효과가 있다.
이상에서는 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 쉽게 이해할 수 있을 것이다.

Claims (14)

  1. 2차원 빔 형태의 색광(color light)을 각각 조사하는 N(N은 3이상의 자연수)개의 광원;
    상기 N개의 광원으로부터 조사된 각 색광이 동일 경로를 통해 출사될 수 있도록 각 색광의 출사 경로를 조정하는 경로 조정물;
    광 강도 정보에 상응하여 인가된 구동 전압에 따라 입사된 각 색광을 광 변조한 변조광을 생성하는 광 변조기;
    상기 경로 조정물에 의해 출사 경로가 조정된 각 색광이 상기 광 변조기에 1차원 입사될 수 있도록 상기 2차원 빔 형태의 색광을 1차원 빔 형태의 색광으로 변환하는 빔 변환기; 및
    상기 광 변조기에 의해 생성된 상기 변조광을 입력받아 화면 상에 2차원 투사하는 스캐너
    를 포함하는 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 및 유기발광 다이오드(OLED) 중 어느 하나인 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광원으로부터 조사된 색광이 평행 조사될 수 있도록 상기 광원으로부터 조사된 색광의 발산 각도를 조절하는 콜리메이션 렌즈(collimation lens)를 더 포함하는 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 N개의 광원은 각각 상이한 색광을 조사하는 제1 광원, 제2 광원 및 제3 광원의 3개의 광원이 이용되고, 상기 경로 조정물은 각 광원별로 각 광원의 전면부에 하나씩 배치되는 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 광원, 제2 광원 및 제3 광원은 빛의 3원색인 적색, 녹색 및 청색의 3색 광원인 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 경로 조정물은 복수개의 반사면을 가지는 전반사 프리즘이 이용되는 초 소형 컬러 디스플레이 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 각 광원별로 하나씩 배치된 경로 조정물 중 어느 하나는,
    상기 전반사 프리즘의 입사면에 결합되고, 광원으로부터 조사된 2차원 빔 형태의 색광의 직경을 확대시키는 제1 렌즈; 및
    상기 전반사 프리즘의 출사면에 결합되고, 상기 전반사 프리즘을 거쳐 출사되는 2차원 빔 형태의 색광을 상기 빔 변환기로 평행 입사시키는 제2 렌즈를 더 포함하는 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 빔 변환기는,
    상기 2차원 빔 형태의 색광의 제1축 방향의 길이는 그대로 유지하고, 상기 제1축 방향과 직교하는 제2축 방향의 길이는 상기 광 변조기 상의 일 초점으로 집광시키는 1차원 빔 형성 렌즈를 포함하는 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 1차원 빔 형성 렌즈는 곡률이 어느 일 방향면에만 존재하는 실린더 렌즈이되,
    상기 실린더 렌즈에 곡률이 존재하는 상기 어느 일 방향면은 상기 2차원 빔 형태의 색광의 상기 제2축 방향과 동일 방향에 대응되는 면인 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 실린더 렌즈의 상기 어느 일 방향면은 비구면(aspheric profile)인 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 변조기는,
    기판;
    상기 기판 상에 위치하는 절연층;
    상기 절연층 상에 위치하고, 입사광을 반사 또는 회절시키는 하부 광반사층;
    중앙 부분이 상기 절연층과 소정 간격만큼 이격되어 위치하는 구조물층;
    상기 구조물층의 상기 중앙 부분 상에 위치하고, 입사광을 반사 또는 회절시키는 상부 광반사층; 및
    상기 구조물층 상에 위치하고, 상기 광강도 정보에 상응하는 상기 구동 전압을 인가받아 상기 구조물층의 중앙 부분을 상하로 움직이게 하는 압전 구동체를 포함하는 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광 강도 정보를 생성하여 상기 광 변조기에 전달하는 영상 제어 회로를 더 포함하는 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 화면 상에 2차원 투사되는 상기 변조광의 투사 범위를 확대하는 투사 렌즈를 더 포함하는 초소형 컬러 디스플레이 장치.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 스캐너는 갈바노 스캐너 또는 폴리곤 미러 스캐너인 초소형 컬러 디스플레이 장치.
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