KR100883988B1 - 광변조기를 포함하는 스캐닝 디스플레이 장치 및 광원프로파일 설정 방법 - Google Patents

광변조기를 포함하는 스캐닝 디스플레이 장치 및 광원프로파일 설정 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1차원 광변조기에 의한 변조광(1차원 영상)을 스캐닝함으로써 2차원 영상을 구성하되, 스크린 상의 위치에 상관없이 균일한 화면광량을 가지도록 하는 광원 프로파일을 가지는 스캐닝 디스플레이 장치에 관한 것이다. 입력되는 구동 신호에 따라 입사광을 변조시켜 1차원 영상에 상응하는 변조광을 출력하는 광변조기; 입력되는 영상 제어 신호를 상기 구동 신호로 변환하여 상기 광변조기에 출력하는 구동 회로; 상기 광변조기로부터의 변조광을 스크린 상에 스캐닝하여 2차원 영상을 표시하는 스캐너; 상기 광변조기에 상기 입사광을 조사하는 광원; 입력되는 광원 제어 신호에 상응하여 상기 광원으로부터 조사되는 상기 입사광의 입사광량을 조절하는 광원 드라이버; 및 스크린의 단위면적당 화면광량이 일정하도록 상기 스크린 위치에 따라 변화하는 상기 입사광량과 상기 광원 제어 신호 간의 관계를 나타내는 광원 프로파일에 상응하는 상기 광원 제어 신호를 상기 광원 드라이버에 제공하고, 상기 영상 제어 신호를 상기 구동 회로에 제공하여 상기 광변조기에 의한 영상 투사를 제어하는 프로젝션 제어부를 포함하는 스캐닝 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
광변조기, 스캐너, 광원, 프로파일, 설정

Description

광변조기를 포함하는 스캐닝 디스플레이 장치 및 광원 프로파일 설정 방법{Scanning display apparatus having optical modulator and method for setting light source profile}
도 1은 광변조기를 이용한 스캐닝 디스플레이 장치를 도시한 도면.
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전체를 이용한 일 형태의 회절형 광 변조기 모듈의 사시도.
도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전체를 이용한 다른 형태의 회절형 광 변조기 모듈의 사시도.
도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 회절형 광 변조기 어레이의 평면도.
도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 회절형 광 변조기 어레이에 의해 스크린에 이미지가 생성되는 모식도.
도 3은 스캐닝 디스플레이 장치의 블록 구성도.
도 4는 종래 광원 출력 제어부의 광원 프로파일의 일례 및 그에 따른 영상을 나타낸 도면.
도 5는 스크린 내의 각 부분에서의 스캐닝 선속도를 계산하기 위한 도면.
도 6은 스크린의 중심선을 중심으로 각 위치에서의 화면광량을 나타낸 도면.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광원 프로파일을 설정하는 방법의 흐름도.
도 8은 스크린을 N개로 분할한 도면.
도 9는 단위면적당 화면광량, 단위면적당 화면광량의 역함수, 정규화된 역함수의 그래프.
본 발명은 광변조기를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 1차원 광변조기에 의한 변조광(1차원 영상)을 스캐닝함으로써 2차원 영상을 구성하되, 스크린 상의 위치에 상관없이 균일한 화면광량을 가지도록 하는 광원 프로파일을 가지는 스캐닝 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 광빔을 스캐닝하여 광빔을 감광매체에 스폿(spot)시켜 화상 이미지를 결상시키는 역할을 한다.
최근에는 프로젝션(Projection) 텔레비젼 등이 개발됨에 따라 영상 디스플레이에 빔을 주사하는 수단으로서 광빔 스캐닝 장치가 이용되고 있다.
스캐닝 디스플레이 장치는 광변조기 및 스캐너를 포함한다. 광변조기는 광원으로부터의 입사광을 변조시킨 변조광을 출력한다. 여기서, 광변조기는 복수의 마이크로 미러가 일렬로 배치되어 있고, 각 마이크로 미러는 하나의 픽셀을 담당하여 1차원 영상(수직 주사선 또는 수평 주사선)에 해당하는 변조광을 출력한다.
스캐너는 광변조기로부터의 변조광을 소정 방향으로 스캔함으로써 다수의 1차원 영상이 연속적으로 표시되어 2차원 영상을 스크린 상에 표현한다.
여기서, 스캐너는 변조광을 소정 방향으로 스캔하기 위해 일정한 각속도로 회전하게 된다. 스캐너로부터 반사된 변조광이 스크린에 표시됨에 있어서, 스크린 상에서의 위치에 따라 변조광이 스캐너로부터 스크린까지의 거리의 차이로 인해 스크린 상에서의 스캐닝 선속도는 서로 다르게 된다. 따라서 광원으로부터의 입사광량이 일정한 경우 스캐닝 선속도가 다름으로 인해 스크린의 단위면적당 투사되는 광량인 화면광량은 스크린의 중심부와 가장자리부에서 서로 다르게 되고 화질의 불균일이 발생하게 된다.
따라서, 본 발명은 스캐닝시 스크린에서의 위치별로 스캐닝 선속도가 다름으로 인해 발생하는 화질의 불균일을 보상할 수 있도록 광원으로부터의 입사광량을 조절하는 광원 프로파일의 설정 방법 및 이를 적용한 디스플레이 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 스크린의 단위면적당 투사되는 광량을 균일하게 유지하기 위해 광량 프로파일을 스크린 상의 스캐닝 위치에 따라 다르게 설정하는 디스플레이 장치 및 그 설정 방법을 제공한다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 입력되는 구동 신호에 따라 입사광을 변조시켜 1차원 영상에 상응하는 변조광을 출력하는 광변조기; 입력되는 영상 제어 신호를 상기 구동 신호로 변환하여 상기 광변조기에 출력하는 구동 회로; 상기 광변조기로부터의 변조광을 스크린 상에 스캐닝하여 2차원 영상을 표시하는 스캐너; 상기 광변조기에 상기 입사광을 조사하는 광원; 입력되는 광원 제어 신호에 상응하여 상기 광원으로부터 조사되는 상기 입사광의 입사광량을 조절하는 광원 드라이버; 및 스크린의 단위면적당 화면광량이 일정하도록 상기 스크린 위치에 따라 변화하는 상기 입사광량과 상기 광원 제어 신호 간의 관계를 나타내는 광원 프로파일에 상응하는 상기 광원 제어 신호를 상기 광원 드라이버에 제공하고, 상기 영상 제어 신호를 상기 구동 회로에 제공하여 상기 광변조기에 의한 영상 투사를 제어하는 프로젝션 제 어부를 포함하는 스캐닝 디스플레이 장치가 제공될 수 있다.
바람직하게는, 상기 광원 프로파일은 상기 스크린을 복수의 영역으로 분할하고, 각 영역에 대하여 상기 입사광량이 서로 다를 수 있다. 여기서, 상기 광원 프로파일은 상기 스크린의 중심으로부터 상기 스크린의 양 단으로 갈수록 상기 입사광량이 많아지도록 할 수 있다.
또한, 상기 광원은 각각 적색, 녹색 및 청색의 입사광을 조사하는 복수 개가 있으며, 상기 광원 프로파일은 상기 각 광원별로 다르게 설정될 수 있다.
또한, 상기 광원 프로파일은 상기 입사광량이 일정한 경우 상기 스크린에서의 위치별 단위면적당 화면광량을 나타낸 그래프의 역함수를 이용할 수 있다. 여기서, 상기 광원 프로파일은 상기 입사광량이 상기 스크린의 양단에서 최대가 되도록 정규화될 수 있다.
그리고 스크린의 단위면적당 광량이 일정하도록 상기 스크린에서의 위치에 따라 변화하는 상기 광량과 상기 광원 제어 신호 간의 관계를 나타내는 광원 프로파일을 저장하는 메모리를 더 포함하되, 상기 프로젝션 제어부는 상기 메모리로부터 상기 광원 프로파일을 독출할 수 있다.
또한, 상기 광변조기는, 상기 입사광을 반사시키는, 일렬로 배치된 복수의 마이크로 미러; 및 상기 구동 신호에 의해 상기 마이크로 미러를 상하로 구동시키는 구동 수단을 포함하되, 상기 하나의 마이크로 미러가 상기 스크린 내의 일 픽셀을 담당할 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 1차원 영상을 스캐닝하여 스크린 상에 2차원 영상을 표현하는 스캐닝 디스플레이 장치의 광원 프로파일을 설정하는 방법에 있어서, (a) 광원으로부터의 동일한 입사광량에 대하여 상기 스크린에서의 위치별 단위면적당 화면광량을 나타내는 그래프를 획득하는 단계; (b) 상기 그래프의 역함수를 산출하는 단계; 및 (c) 상기 역함수 및 상기 광원에서의 최대 출력을 이용하여 상기 광원 프로파일을 설정하는 단계를 포함하는 광원 프로파일 설정 방법이 제공될 수 있다.
여기서, 상기 단계 (a)는 상기 스크린에서의 위치 및 상기 스크린의 중심선 간의 거리와, 상기 위치에서의 스캐닝 선속도 및 상기 중심선에서의 스캐닝 선속도의 비로부터 상기 그래프를 획득할 수 있다.
본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 1차원 영상을 스캐닝하여 스크린 상에 2차원 영상을 표현하는 스캐닝 디스플레이 장치의 광원 프로파일을 설정하는 방법에 있어서, (a) 광원으로부터의 동일한 입사광량에 대하여 상기 스크린의 단위면적당 화면광량을 측정하는 단계; (b) 상기 스크린에서의 위치별 단위면적당 화면광량을 나타낸 그래프의 역함수를 구하는 단계; 및 (c) 상기 역함수 및 상기 광원에서의 최대 출력을 이용하여 상기 광원 프로파일을 설정하는 단계를 포함하는 광원 프로파일 설정 방법이 제공될 수 있다.
광원 프로파일 설정 방법에서, 바람직하게, 상기 단계 (c)는, 상기 역함수의 양단이 1이 되도록 정규화하는 단계; 상기 정규화된 그래프를 상기 스크린에서의 위치에 따라 N등분하는 단계-여기서, 상기 N은 2 이상의 자연수임-; N등분된 각 영역별로 대표값을 구하는 단계; 상기 영역별 대표값에 상기 광원의 최대 출력을 곱 하여 영역별 입사광량을 산출하는 단계; 및 상기 스크린에서의 위치와 상기 영역별 입사광량에 관한 상기 광원 프로파일을 생성하는 단계를 포함할 수 있다.
그리고 상기 광원 프로파일은 상기 스크린의 중심으로부터 상기 스크린의 양 단으로 갈수록 상기 입사광량이 많아지도록 할 수 있다.
또한, 상기 광원은 각각 적색, 녹색 및 청색의 입사광을 조사하는 복수 개가 있으며, 상기 광원별로 상기 단계 (a) 내지 (c)를 반복 수행할 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 스캐닝 디스플레이 장치 및 광원 프로파일의 설정 방법의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 본 명세서의 설명 과정에서 이용되는 숫자(예를 들어, 제1, 제2 등)는 동일 또는 유사한 개체를 순차적으로 구분하기 위한 식별기호에 불과하다.
도 1은 광변조기를 이용한 스캐닝 디스플레이 장치를 도시한 도면이다. 도 1을 참조하면, 스캐닝 디스플레이 장치는 광원(110), 광변조기(120), 구동 회로(125), 스캐너(130) 및 영상 제어부(150)를 포함한다.
광원(110)은 스크린(140)에 영상이 투사될 수 있도록 광을 조사한다. 광원(110)은 백색광을 조사할 수도 있고, 빛의 삼원색인 적색광, 녹색광 또는 청색광 중의 어느 하나를 조사할 수도 있다. 바람직하게는 광원(110)은 레이저, LED 또는 레이저 다이오드일 수 있다. 백색광을 조사하는 경우에는 색분리부(미도시)를 두어 백색광을 소정 조건에 따라 적색광, 녹색광 및 청색광으로 분리할 수 있다.
광원(110)과 광변조기(120) 사이에 조명 광학계(115)가 있어 광원(110)에서 투사되는 광의 방향을 소정의 각도로 반사시켜 광변조기(120)에 광이 집중되도록 할 수 있다. 색분리부(미도시)에 의해 색분리가 이루어진 경우에는 상기 광이 집중되도록 하는 기능이 추가될 수 있다.
광변조기(120)는 구동 회로(125)에서 제공하는 구동 전압에 따라 광원(110)으로부터 조사된 광을 변조한 변조광을 출력한다. 광변조기(120)는 일렬로 배치된 복수의 마이크로 미러로 구성되며, 광변조기(120)는 하나의 프레임 영상에서 수직 주사선 또는 수평 주사선에 해당하는 1차원 직선 영상을 담당한다. 즉, 1차원 직선 영상에 대하여 광변조기(120)는 인가되는 구동 전압에 따라 1차원 직선 영상의 각 픽셀에 해당하는 각 마이크로 미러의 변위를 변화시킴으로써 휘도를 변화시킨 변조광을 출력한다.
복수의 마이크로 미러는 수직 주사선 또는 수평 주사선을 구성하는 픽셀의 수와 동일한 것이 바람직하다. 변조광은 추후 스크린(140)에 투사될 수직 주사선 또는 수평 주사선의 영상 정보(즉, 수직 주사선 또는 수평 주사선을 구성하는 각 픽셀의 휘도값)가 반영된 빛이며, 0차 회절광(반사광) 또는 +n차 회절광, -n차 회절광(n은 자연수)일 수 있다.
구동 회로(125)는 영상 제어부(150)로부터의 영상 제어 신호에 따라 출력되는 변조광의 휘도를 변화시키는 구동 전압을 광변조기(120)에 제공한다.
집속 광학계(131)는 광변조기(120)에서 출력되는 변조광이 스캐너(130)에 전달되도록 해준다. 하나 이상의 렌즈가 포함될 수 있으며, 필요에 따라 배율을 조절하여 광변조기(120)의 크기와 스캐너(130)의 크기에 맞도록 하여 변조광을 전달한다.
스캐너(scanner; 130)는 광변조기(120)로부터 입사되는 변조광을 소정 각도로 반사시켜 스크린(140)에 투사한다. 이때 소정 각도는 영상 제어부(150)로부터 입력되는 스캐너 제어 신호에 의해 정해진다. 스캐너 제어 신호는 영상 제어 신호와 동기하여 영상 제어 신호에 상응하는 스크린(140) 상의 수직 주사선(또는 수평 주사선) 위치에 변조광이 투사될 수 있는 각도로 스캐너(130)를 회전시킨다. 스캐너(130)는 폴리곤 미러(Polygon Mirror), 회전바(Rotating bar) 또는 갈바노 미러(Galvano Mirror) 등이 될 수 있다.
광변조기(120)로부터의 변조광은 상술한 것과 같이 0차 회절광, +1차 회절광 또는 -1차 회절광 등일 수 있다. 각 회절광은 스캐너(130)에 의해 스크린(140)에 투사된다. 이 경우 각 회절광의 경로가 서로 다르기 때문에 슬릿(133, slit)을 두어 필요로 하는 차수의 회절광을 선택하여 스크린(140)에 투사되도록 한다.
투사 광학계(132)는 광변조기(120)로부터의 변조광이 스캐너(130)에 투사되도록 한다. 투사 렌즈(projection lens)(미도시)를 포함한다.
영상 제어부(150)는 영상 제어 신호, 스캐너 제어 신호, 광원 제어 신호를 각각 구동 회로(125), 스캐너(130), 광원(110)에 제공한다. 서로 연동되는 영상 제어 신호, 스캐너 제어 신호, 광원 제어 신호에 의해 한 프레임 영상이 스크린(140) 상에 디스플레이되도록 한다. 영상 제어부(150)는 하나의 프레임에 해당하는 영상 신호를 입력받고, 영상 신호에 따라 광원(110), 광변조기(120) 및 스캐너(130)를 제어한다. 영상 제어부(150)는 프레임을 구성하는 각 픽셀에 대하여 표시하고자 하는 휘도 정보에 상응하는 영상 제어 신호를 구동 회로(125)에 제공하고, 영상 제어 신호에 상응하여 수직 주사선(또는 수평 주사선)이 스크린(140) 상의 소정 위치에 투사되도록 스캐너(130)의 회전 각도 또는 회전 속도를 조절한다.
본 발명에 적용되는 광변조기(120)는 다음과 같다.
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 제5,311,360 호에 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.
도 2a는 본 발명에 적용 가능한 간접 광변조기 중 압전체를 이용한 일 형태의 광변조기의 마이크로 미러의 사시도이며, 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전체를 이용한 다른 형태의 광변조기의 마이크로 미러의 사시도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 기판(210), 절연층(220), 희생층(230), 리본 구조물(240) 및 압전체(250)를 포함하는 마이크로 미러가 도시되어 있다.
기판(210)은 일반적으로 사용되는 반도체 기판이며, 절연층(220)은 식각 정지층(etch stop layer)으로서 증착되며, 희생층으로 사용되는 물질을 식각하는 에천트(여기서 에천트는 식각 가스 또는 식각 용액임)에 대해서 선택비가 높은 물질로 형성된다. 여기서 절연층(220) 상에는 입사광을 반사하기 위해 반사층(220(a), 220(b))이 형성될 수 있다.
희생층(230)은 리본 구조물(240)이 절연층(220)과 일정한 간격으로 이격될 수 있도록 양 사이드에서 리본 구조물(240)을 지지하고, 중심부에서 공간을 형성하는 역할을 한다.
리본 구조물(240)은 상술한 바와 같이 입사광에 대하여 회절 및 간섭을 일으켜서 신호를 광변조하는 역할을 한다. 리본 구조물(240)의 형태는 상술한 바와 같이 복수의 리본 형상으로 구성될 수도 있고, 리본의 중심부에 복수의 오픈홀(240(b), 240(d))을 구비할 수도 있다. 또한, 압전체(250)는 상부 및 하부 전극간의 전압차에 의해 발생하는 상하 또는 좌우의 수축 또는 팽창 정도에 따라 리본 구조물(240)을 상하로 움직이도록 제어한다. 여기서, 반사층(220(a), 220(b))은 리본 구조물(240)에 형성된 홀(240(b), 240(d))에 대응하여 형성된다.
예를 들면, 빛의 파장이 λ인 경우, 리본 구조물(240)에 형성된 상부 반사층(240(a), 240(c))과 절연층(220)에 형성된 하부 반사층(220(a), 220(b)) 간의 간격이(2n)λ/4(n은 자연수)가 되도록 하는 제1 전압이 압전체(250)에 인가된다. 이 경우 0차 회절광(반사광)의 경우 상부 반사층(240(a), 240(c))으로부터 반사된 광과 하부 반사층(220(a), 220(b))으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 nλ와 같아서 보강 간섭을 하여 변조광은 최대 휘도를 가진다. 여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 광의 밝기는 상쇄 간섭에 의해 최소값을 가진다.
또한, 리본 구조물(240)에 형성된 상부 반사층(240(a), 240(c))과 절연층(220)에 형성된 하부 반사층(220(a), 220(b)) 간의 간격이 (2n+1)λ/4(n은 자연수)가 되도록 하는 제2 전압이 압전체(250)에 인가된다. 이 경우 0차 회절광(반사광)의 경우 상부 반사층(240(a), 240(c))으로부터 반사된 광과 하부 반사층(220(a), 220(b))으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 (2n+1)λ/2와 같아서 상쇄 간섭을 하여 변조광은 최소 휘도를 가진다. 여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 보강 간섭에 의해 광의 휘도는 최대값을 가진다.
이러한 간섭의 결과, 마이크로 미러는 반사광 또는 회절광의 광량을 조절하여 하나의 픽셀에 대한 신호를 빛에 실을 수 있다. 이상에서는, 리본 구조물(240)과 절연층(220) 간의 간격이 (2n)λ/4 또는 (2n+1)λ/4인 경우를 설명하였다. 하지만, 리본 구조물(240)과 절연층(220) 간의 간격을 조절하여 입사광의 회절, 반사에 의해 간섭되는 광의 휘도를 조절할 수 있는 다양한 실시예가 본 발명에 적용될 수 있음은 당연하다.
이하에서는, 상술한 도 2a에 도시된 형태의 마이크로 미러를 중심으로 설명한다. 또한, 이하 0차 회절광(반사광), +n차 회절광, -n차 회절광(n은 자연수) 등을 변조광이라고 통칭한다.
도 2c는 도 2a에 도시된 마이크로 미러를 복수 개 포함하는 광변조기의 평면도이다.
도 2c를 참조하면, 광변조기는 각각 제1 픽셀(pixel #1), 제2 픽셀(pixel #2), …, 제m 픽셀(pixel #m)을 담당하는 m개의 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m)로 구성된다. 광변조기는 수직 주사선 또는 수평 주사선(여기서, 수직 주사선 또는 수평 주사선은 m개의 픽셀로 구성되는 것으로 가정함)의 1차원 영상에 대한 영상 정보를 담당하며, 각 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m)는 수직 주사선 또는 수평 주사선을 구성하는 m개의 픽셀 중 하나씩의 픽셀을 담당한다. 따라서, 각각의 마이크로 미러에서 반사 및/또는 회절된 광은 이후 광 스캔 장치에 의해 스크린에 2차원 영상으로 투사된다. 예를 들면, VGA 640×480 해상도의 경우 480개의 수직 픽셀에 대해 광 스캔 장치(미도시)의 한 면에서 640번 모듈레이션을 하여 광 스캔 장치의 한 면당 스크린 1 프레임이 생성된다. 여기서, 광 스캔 장치는 폴리곤 미러(Polygon Mirror), 회전바(Rotating bar) 또는 갈바노 미러(Galvano Mirror) 등이 될 수 있다.
이하 제1 픽셀(pixel #1)을 중심으로 광변조의 원리에 대하여 설명하지만, 다른 픽셀들에 대해서도 동일한 내용이 적용가능함은 물론이다.
본 실시예에서 리본 구조물(240)에 형성된 홀(240(b)-1)은 2개인 것으로 가정한다. 2개의 홀(240(b)-1)로 인하여 리본 구조물(240) 상부에는 3개의 상부 반사층(240(a)-1)이 형성된다. 절연층(220)에는 2개의 홀(240(b)-1)에 상응하여 2개의 하부 반사층이 형성된다. 그리고 제1 픽셀(pixel #1)과 제2 픽셀(pixel #2) 사이의 간격에 의한 부분에 상응하여 절연층(220)에는 또 하나의 하부 반사층이 형성된다. 따라서, 각 픽셀당 상부 반사층(240(a)-1)과 하부 반사층의 개수는 3개로 동일하게 되며, 도 2a를 참조하여 전술한 바와 같이 변조광(0차 회절광 또는 ±1차 회절광)을 이용하여 변조광의 밝기를 조절하는 것이 가능하다.
도 2d를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 회절형 광변조기 어레이에 의해 스크린에 이미지가 생성되는 모식도가 도시된다.
수직으로 배열된 m개의 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m)에 의해 반사 및 회절된 광이 광 스캔 장치에서 반사되어 스크린(170)에 수평으로 스캔되어 생성된 스크린(180-1, 180-2, 180-3, 180-4, …, 180-(k-3), 180-(k-2), 180-(k-1), 180-k)이 도시된다. 광 스캔 장치가 한번 회전하는 경우 하나의 영상 프레임이 투사될 수 있다. 여기서, 스캔 방향은 왼쪽에서 오른쪽 방향(화살표 방향)으로 도시되어 있으나, 그 역 방향으로도 영상이 스캔될 수 있음은 자명하다.
본 발명은 상술한 1차원 회절형 광변조기를 포함하는 스캐닝 디스플레이 장치에 적용가능하다. 다양한 멀티미디어 기능을 구비한 휴대용 전자기기(예를 들어, 휴대폰, PDA(Personal digital assistants), 노트북(Notebook) 등)가 투사형 표시 부를 추가적으로 가지는 모바일 디스플레이 장치에서 소비 전력의 감소를 위해 본 발명의 내용을 적용하는 것도 가능하다.
도 3은 스캐닝 디스플레이 장치의 블록 구성도이다.
도 3을 참조하면, R, G, B 영상 신호가 영상 제어부(150)으로 입력된다. 여기서, 영상 신호 입력부(321)는 영상 신호를 영상 보정부(322)로 전달하며, 영상 신호는 R, G, B 디지털 데이터 및 타이밍 신호로 구성된다. 이후 영상 보정부(322)는 수신한 영상 신호를 소자간 편차에 따라 보정하거나 컬러 특성을 보정된다. 여기서 영상 보정부(322)는 외부 메모리(330)와 연결되어 초기 설정값을 읽은 후 보정 로직에 의해 보정 프로세스를 수행할 수 있다.
영상 데이터 동기 신호 출력부(325)는 라스트(raster) 스캔 방향의 영상 신호를 수직 방향으로 회전(pivot)시키고 프레임당 동기 신호, 픽셀 동기 신호 및 수직 라인 출력 타이밍 신호 등을 구동 회로(125)에 전달한다.
구동 회로(125)는 디지털 영상 데이터를 패널을 구동하기 위한 아날로그 신호로 변환시키며, 수직 라인 출력 타이밍 신호에 동기화되어 광변조기(120)을 구동시킨다. 또한, 구동 회로(125)는 상부 전극 전압 범위 조정부(323)에서 결정된 아날로그 전압 범위를 참조하여 영상 계조도와 출력 전압 레벨을 서로 매칭시킨다.
광변조기(120)은 상부 전극과 하부 전극(하부 전극 전압 제어부(324)에 의해서 전압이 인가됨) 간의 상대 전압 차에 의해 기계적 변형이 일어나고 광원(110)으로부터 입사된 광의 회절량을 변조한다.
스캐너 출력 제어부(326)는 수직 라인 출력 타이밍 신호에 동기되어 스캐 너(130)의 위치 제어 신호를 스캐너 드라이버(360)에 출력한다. 광원 출력 제어부(327)는 영상 동기 신호에 동기되어 R, G, B 광원을 순차적으로 출력하도록 광원 제어 신호를 출력하여 광원(110)를 구동하는 광원 드라이버(350)에 전달한다. 메모리(330)는 영상 보정부(322)에 대한 보정 값(픽셀별, 컬러별) 및 상부 전극 전압 범위, 하부 전극 전압의 초기 설정값, 스캐너 프로파일 및 광원 출력 설정값 등을 저장한다.
스캐너 출력 제어부(326)는 메모리(330)에 저장된 스캐닝 프로파일로부터 위치값을 디지탈 값으로 읽어들이고, 스캐너 드라이버(360)에 출력한다. 스캐너 드라이버(360)는 입력된 디지털 위치값을 아날로그 변환하고 스캐너(130)에 제공하여 스캐너(130)의 위치를 제어한다.
도 4는 종래 광원 출력 제어부의 광원 프로파일의 일례 및 그에 따른 영상을 나타낸 도면이다. 본 발명에서, 입사광량은 광원으로부터 출력되는 단위면적당 광량을 의미하고, 화면광량은 스크린에 투사되는 단위면적당 광량을 의미한다.
또한, 본 예에서는 컬러 영상을 표현하기 위해 광원은 적색 광원, 녹색 광원, 청색 광원의 3개가 있고, 1차원 광변조기는 1개 있는 것으로 가정하지만, 이것이 본 발명의 권리범위를 한정하는 것이 아님은 분명하다.
종래 광원 출력 제어부에 저장되어 있는 광원 프로파일은 하나의 영상 프레임을 구성하는 하나의 스크린에 대해서 일정한 입사광량을 출력하도록 설정되어 있다.
컬러 영상을 표현하기 위해, 1차원 회절형 광변조기가 순차적으로 적색, 녹 색, 청색 영상에 관련된 영상 정보를 입사광에 실은 변조광을 생성하고 출력해야 한다. 적색, 녹색, 청색 순으로 영상 정보에 따른 광 변조를 하고자 하는 경우, 적색 광원, 녹색 광원, 청색 광원의 순서로 각 광원은 턴온된다. 어느 하나의 광원이 턴온되어 있는 경우 다른 광원은 턴오프되어 있는 것이 바람직하다.
각 광원은 턴온되어 있는 동안 항상 일정한 입사광량을 출력하도록 설정되어 있다. 적색 광원에 의해 생성된 적색 영상(410)을 참조하면, 스크린의 중심선(C1)과 스크린의 가장자리(E1)에서 화면광량이 차이가 남을 확인할 수 있다. 이는 스캐너의 회전 각속도가 일정하고 스캐너의 반사표면으로부터 스크린까지의 거리가 스크린의 각 부분에서 서로 다름으로 인해, 스크린 표면에서의 스캐닝 선속도가 불균일하기 때문에 발생한다. 화면광량이 차이가 남으로 인해 광원에서 동일 계조, 동일 광량을 출력하는 경우 투사된 적색 영상(410)의 중심선(C1) 부근은 밝고, 적색 영상(410)의 양단(E1) 부근은 어두운 효과를 가져온다.
이는 적색 광원에 의해 생성된 적색 영상(410) 이외에, 녹색 영상(420), 청색 영상(430)에서도 마찬가지이다.
도 5는 스크린 내의 각 부분에서의 스캐닝 선속도를 계산하기 위한 도면이고, 도 6은 스크린의 중심선을 중심으로 각 위치에서의 화면광량을 나타낸 도면이다. 여기서, 도 1을 참조하면, 광변조기(120)로부터의 변조광이 스캐너(130)의 표면에서 반사되어 스크린(140)에 투사된다. 이 때 변조광은 스캐너(130)의 회전 중심축(500)에서 반사되는 것으로 가정한다.
광변조기(120)는 수직 방향으로 일렬로 배치된 복수의 마이크로 미러에 의해 수직 주사선에 해당하는 변조광을 출력한다. 스캐너는 수직 주사선에 해당하는 변조광을 수평 방향으로 스캔하여 2차원 영상을 표시하는 것으로 가정한다.
도 5를 참조하면, 스캐너의 회전 중심축(500)으로부터 스크린의 중심선(510)까지의 수직 거리를 d라고 가정한다. 그리고 스크린의 가로 길이를 H로 가정하고, 스크린의 중심선(510)에서 현재 변조광이 투사되는 스크린 상의 위치를 스캐닝 선(530)이라 하고, 그 거리를 h라 한다.
스크린 상에서의 스캐닝 선속도 V는 하기의 수학식 1과 같다.
V = r×ω
여기서, r은 스캐너의 회전 중심축(500)과 현재 스캐닝 선(530) 간의 거리, ω는 스캐너의 회전 각속도를 나타낸다.
스크린의 중심선(510)에서의 스캐닝 선속도(Vc) 및 스크린의 양단(520)에서의스캐닝 선속도(Ve)는 상기의 수학식 1에 의해 하기의 수학식 2와 같다.
Vc = d×ω
Ve = (d2 + (H/2)2)1/2×ω
따라서, 스크린의 중심선(510)과 양단(520)에서의 속도 비는 d/(d2 + (H/2)2)1/2 와 같으며, 임의의 스캐닝 선(530)에서의 속도 비는 d/(d2 + h2)1/2 와 같다.
화면광량(단위면적당 스크린에 투사되는 광량)은 동일 계조/동일 광량(Lmax)를 인가하는 경우, Lmax/(V×t×b)로 계산된다. 여기서, Lmax는 광원에서의 입사광량이며, V는 스캐닝 선속도, t는 단위 면적(여기서는, 가로 방향으로 하나의 픽셀)에 변조광이 투사되는 시간, b는 스크린의 수직 방향 길이를 나타낸다. 여기서, t×b는 스캐닝 선(530)의 위치에 상관없이 일정한 상수로 볼 수 있다.
따라서, 정규화된(normalized) 단위면적당 화면광량은 하기의 수학식 3과 같으며, 이는 도 6에 도시되어 있다.
(단위면적당 화면광량) = d/(d2 + h2)1/2 (-H/2 ≤ h ≤ H/2)
여기서, h는 스크린의 중심선(510)을 0으로 가정한 경우, 스캐닝 선(530)까지의 거리를 나타낸다.
상기의 수학식 3과 같이 단위면적당 화면광량이 스캐닝 선(530)의 위치에 따라 차이가 나기 때문에 이를 보정할 필요가 있으며, 이하에서는 광원 프로파일을 스캐닝 선(530)의 위치에 따라 분할 설정함으로써 화질의 불균일을 보상하는 방법에 대해서 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 광원 프로파일을 설정하는 방법의 흐름도이다. 도 8은 스크린을 N개로 분할한 도면이고, 도 9는 단위면적당 화면광량, 단위면적당 화면광량의 역함수, 정규화된 역함수의 그래프이다.
단계 S710에서, 광원으로부터의 동일한 입사광량에 대한 스크린에서의 위치 별 단위면적당 화면광량에 관한 그래프(910)를 획득한다(도 9의 (a) 참조). 이는 도 6을 참조하면서 앞서 상세히 설명하였는 바 생략하기로 한다.
단계 S720에서, 단위면적당 화면광량에 관한 그래프(910)의 역함수(920)를 구한다(도 9의 (a) 참조). 역함수(920)의 식은 하기의 수학식 4와 같다.
(d2 + h2)1/2/d (-H/2 ≤ h ≤ H/2)
단계 S730에서, 상기의 수학식 4와 같은 역함수(920) 및 상기 광원에서의 최대 출력을 이용하여 광원 프로파일을 설정한다.
광원 프로파일을 설정함에 있어서, 하나의 영상 프레임을 구성하는 화면에 대해 N개의 영역(800(1) 내지 800(N))으로 분할한다. 여기서, N은 2 이상의 자연수이다. N개의 영역에 대하여 각각 하나씩의 입사광량 값으로 구성되는 광원 프로파일을 설정한다.
도 9의 (c)를 참조하면, 역함수(920)에 대하여 스크린의 양단에서 1의 값을 가지도록 정규화된 그래프(930)를 획득한다. 정규화된 그래프(930)를 도 8에 도시된 것과 같이 N개의 영역으로 N등분한다.
N등분된 각 영역에서의 대표값을 설정한다. 각 영역에 해당하는 정규화된 그래프(930)의 함수값 중 어느 하나가 대표값으로 설정될 수 있다. 각 영역에서의 최대값이 대표값이 되거나(참조번호 940), 최소값이 대표값이 될 수 있다(참조번호 950). 그 외에도 다양한 값이 각 영역에서 대표값이 될 수 있음은 자명하다.
각 영역별 대표값에 광원의 최대 출력(white 설정에 의한) 값을 곱함으로써 각 영역별 입사광량 값을 결정할 수 있다. 결정된 입사광량 값에 대하여 광원 드라이버에서 광원을 구동시키기 위한 전류 제어 인덱스 값을 구한다. 상기 전류 제어 인덱스 값을 참조표(Lookup table) 형태로 메모리에 저장하고, 실시간으로 참조하여 출력함으로써 스캐닝 선속도의 차이에 의한 화질의 불균일을 보상할 수 있다.
본 발명에서 광원 프로파일은 상기와 같이 스크린 상의 각 위치에 따른 단위면적당 화면광량 비를 고려하여 설정되며, 메모리에 참조표(Lookup table) 형태로 저장되어 스캐닝 디스플레이 장치의 디스플레이 동작시 실시간으로 참조되어 광원 드라이버에 전달될 수 있다.
또한, 본 발명에서 광원 프로파일은 컬러 영상의 경우 각 색 광원에 따라 별도로 설정될 수 있다. 예를 들어, 적녹청으로 이루어진 컬러 영상의 경우, 적색, 녹색, 청색의 3 광원이 있으며, 각각의 광원에 대해 상술한 방법으로 N개의 영역에 대한 입사광량 값을 설정하고, 해당 색이 디스플레이 되는 경우 실시간으로 참조될 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의하면, 단위면적당 화면광량을 구함에 있어서, 상기의 수학식 3에 의한 계산 이외에, 실제 화면광량의 측정부를 구비하여 광원으로부터의 동일한 입사광량에 대해 스크린에서의 단위면적당 화면광량을 측정하고, 참조번호 910과 동일 또는 유사한 그래프를 획득할 수도 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 광원 프로파일 설정 방법 및 이를 적용한스캐닝 디스플레이 장치는 스캐닝시 스크린에서의 위치별로 스캐닝 선속도가 다름으로 인해 발생하는 화질의 불균일을 보상할 수 있도록 광원으로부터의 입사광량을 조절하는 광원 프로파일의 설정 방법 및 이를 적용한 디스플레이 장치를 제공한다.
또한, 스크린의 단위면적당 투사되는 광량을 균일하게 유지하기 위해 광량 프로파일을 스크린 상의 스캐닝 위치에 따라 다르게 설정하는 것이 가능하다.
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 (17)

  1. 입력되는 구동 신호에 따라 입사광을 변조시켜 1차원 영상에 상응하는 변조광을 출력하는 광변조기;
    입력되는 영상 제어 신호를 상기 구동 신호로 변환하여 상기 광변조기에 출력하는 구동 회로;
    상기 광변조기로부터의 변조광을 스크린 상에 스캐닝하여 2차원 영상을 표시하는 스캐너;
    상기 광변조기에 상기 입사광을 조사하는 광원;
    입력되는 광원 제어 신호에 상응하여 상기 광원으로부터 조사되는 상기 입사광의 입사광량을 조절하는 광원 드라이버; 및
    상기 스크린의 단위면적당 화면광량이 일정하도록 상기 스크린 위치에 따라 변화하는 상기 입사광량과 상기 광원 제어 신호 간의 관계를 나타내는 광원 프로파일에 상응하는 상기 광원 제어 신호를 상기 광원 드라이버에 제공하고, 상기 영상 제어 신호를 상기 구동 회로에 제공하여 상기 광변조기에 의한 영상 투사를 제어하는 프로젝션 제어부를 포함하는 스캐닝 디스플레이 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원 프로파일은 상기 스크린을 복수의 영역으로 분할하고, 각 영역에 대하여 상기 입사광량이 서로 다른 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 광원 프로파일은 상기 스크린의 중심으로부터 상기 스크린의 양 단으로 갈수록 상기 입사광량이 많아지도록 하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 각각 적색, 녹색 및 청색의 입사광을 조사하는 복수 개가 있으며,
    상기 광원 프로파일은 상기 각 광원별로 다르게 설정되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광원 프로파일은 상기 입사광량이 일정한 경우 상기 스크린에서의 위치별 단위면적당 화면광량을 나타낸 그래프의 역함수를 이용하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광원 프로파일은 상기 입사광량이 상기 스크린의 양단에서 최대가 되도록 정규화되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스크린의 단위면적당 광량이 일정하도록 상기 스크린에서의 위치에 따라 변화하는 상기 광량과 상기 광원 제어 신호 간의 관계를 나타내는 광원 프로파일을 저장하는 메모리를 더 포함하되,
    상기 프로젝션 제어부는 상기 메모리로부터 상기 광원 프로파일을 독출하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이 장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 광변조기는,
    상기 입사광을 반사시키는, 일렬로 배치된 복수의 마이크로 미러; 및
    상기 구동 신호에 의해 상기 마이크로 미러를 상하로 구동시키는 구동 수단을 포함하되,
    상기 하나의 마이크로 미러가 상기 스크린 내의 일 픽셀을 담당하는 것을 특 징으로 하는 스캐닝 디스플레이 장치.
  9. 1차원 영상을 스캐닝하여 스크린 상에 2차원 영상을 표현하는 스캐닝 디스플레이 장치에서 상기 스크린의 단위면적당 광량이 일정하도록 상기 스크린에서의 위치에 따라 변화하는 상기 광량과 광원 제어 신호 간의 관계를 나타내는 광원 프로파일을 설정하는 방법에 있어서,
    (a) 광원으로부터의 동일한 입사광량에 대하여 상기 스크린에서의 위치별 단위면적당 화면광량을 나타내는 그래프를 획득하는 단계;
    (b) 상기 그래프의 역함수를 산출하는 단계; 및
    (c) 상기 광원 프로파일이 상기 역함수에 비례하는 값을 가지고 상기 광원에서의 최대 출력을 최대값으로 하도록 설정되는 단계를 포함하는 광원 프로파일 설정 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단계 (a)는 상기 스크린에서의 위치 및 상기 스크린의 중심선 간의 거리와, 상기 위치에서의 스캐닝 선속도 및 상기 중심선에서의 스캐닝 선속도의 비로부터 상기 그래프를 획득하는 것을 특징으로 하는 광원 프로파일 설정 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 단계 (c)는,
    상기 역함수의 양단이 1이 되도록 정규화하는 단계;
    상기 정규화된 그래프를 상기 스크린에서의 위치에 따라 N등분하는 단계-여기서, 상기 N은 2 이상의 자연수임-;
    N등분된 각 영역별로 대표값을 구하는 단계;
    상기 영역별 대표값에 상기 광원의 최대 출력을 곱하여 영역별 입사광량을 산출하는 단계; 및
    상기 스크린에서의 위치와 상기 영역별 입사광량에 관한 상기 광원 프로파일을 생성하는 단계를 포함하는 광원 프로파일 설정 방법.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 광원 프로파일은 상기 스크린의 중심으로부터 상기 스크린의 양 단으로 갈수록 상기 입사광량이 많아지도록 하는 것을 특징으로 하는 광원 프로파일 설정 방법.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 광원은 각각 적색, 녹색 및 청색의 입사광을 조사하는 복수 개가 있으며,
    상기 광원별로 상기 단계 (a) 내지 (c)를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 광원 프로파일 설정 방법.
  14. 1차원 영상을 스캐닝하여 스크린 상에 2차원 영상을 표현하는 스캐닝 디스플레이 장치에서 상기 스크린의 단위면적당 광량이 일정하도록 상기 스크린에서의 위치에 따라 변화하는 상기 광량과 광원 제어 신호 간의 관계를 나타내는 광원 프로파일을 설정하는 방법에 있어서,
    (a) 광원으로부터의 동일한 입사광량에 대하여 상기 스크린의 단위면적당 화면광량을 측정하는 단계;
    (b) 상기 스크린에서의 위치별 단위면적당 화면광량을 나타낸 그래프의 역함수를 구하는 단계; 및
    (c) 상기 광원 프로파일이 상기 역함수에 비례하는 값을 가지고 상기 광원에서의 최대 출력을 최대값으로 하도록 설정되는 단계를 포함하는 광원 프로파일 설정 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 단계 (c)는,
    상기 역함수의 양단이 1이 되도록 정규화하는 단계;
    상기 정규화된 그래프를 상기 스크린에서의 위치에 따라 N등분하는 단계-여기서, 상기 N은 2 이상의 자연수임-;
    N등분된 각 영역별로 대표값을 구하는 단계;
    상기 영역별 대표값에 상기 광원의 최대 출력을 곱하여 영역별 입사광량을 산출하는 단계; 및
    상기 스크린에서의 위치와 상기 영역별 입사광량에 관한 상기 광원 프로파일 을 생성하는 단계를 포함하는 광원 프로파일 설정 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 광원 프로파일은 상기 스크린의 중심으로부터 상기 스크린의 양 단으로 갈수록 상기 입사광량이 많아지도록 하는 것을 특징으로 하는 광원 프로파일 설정 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 광원은 각각 적색, 녹색 및 청색의 입사광을 조사하는 복수 개가 있으며,
    상기 광원별로 상기 단계 (a) 내지 (c)를 반복 수행하는 것을 특징으로 하는 광원 프로파일 설정 방법.
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