KR100884787B1 - 빔 변환 장치 - Google Patents

Abstract

빔 변환 장치가 개시된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 입력된 2차원 빔의 제1축 방향의 길이가 확대될 수 있도록 입력된 2차원 빔을 굴절시키는 제1 렌즈; 제1 렌즈를 거쳐 제1축 방향의 길이가 확대된 2차원 빔의 제1축 방향과 직교하는 제2축 방향의 길이를 소정 거리에 있는 일 초점으로 집광하여 2차원 빔을 1차원 빔으로 변환시키는 빔 변환 렌즈; 및 빔 변환 렌즈의 전면 또는 후면에 위치하며, 제1 렌즈를 거쳐 제1축 방향의 길이가 확대된 2차원 빔의 발산 각도를 조절하는 제2 렌즈를 포함하는 빔 변환 장치가 제공된다. 본 발명에 의하면, 광원으로부터 조사된 2차원 빔을 1차원 빔으로 변환(집광)시킴에 있어 그 집광 효율 및 조도 균일성을 보다 극대화할 수 있는 효과가 있다.

빔 변환 렌즈, 제1 렌즈, 제2 렌즈, 실린더 렌즈.

Description

빔 변환 장치{A beam conversion apparatus}

도 1a는 본 발명의 빔 변환 장치를 이용한 디스플레이 장치를 나타낸 도면.

도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 변환 장치의 일면 및 타면을 나타낸 도면.

도 2는 입력된 2차원 빔이 본 발명의 제1 굴절면을 통해 제1축 방향으로 확대될 때의 확대 특성을 나타내는 테이블을 예시한 도면.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 빔 변환 장치를 거친 경우의 빔의 조도 균일성의 증가를 보여주기 위한 그래프.

도 4a는 도 1b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 변환 장치의 일면을 나타낸 도면이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 빔 변환 장치의 실제 구현 데이터를 예시한 도면.

도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 변환 장치의 일면을 나타낸 도면이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 빔 변환 장치의 실제 구현 데이터를 예시한 도면.

도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔 변환 장치의 일면을 나타낸 도면이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 빔 변환 장치의 실제 구현 데이터를 예시한 도면.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 빔 변환 장치를 통해 변환된 1차원 빔의 입사 대상물 중 하나인 광 변조기의 구조를 예시한 도면.

도 7c 및 도 7d는 도 7a의 광 변조기에 있어 광 변조 원리를 설명하기 위한 도면.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

110 : 제1 렌즈 115 : 제1 굴절면

120 : 제2 렌즈 125 : 제2 굴절면

130 : 빔 변환 렌즈 140 : 광 변조기

본 발명은 조명 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 2차원 빔을 1차원 빔으로 변환시키는 빔 변환 장치에 관한 것이다.

최근 촬상 장치, 프로젝션 시스템 등이 소형화되는 가운데 광원으로부터 조사된 빔을 효율적으로 집광하는 다양한 장치 및 방법들이 제시되고 있다. 특히, 소형의 디지털 장치(예를 들어, 휴대폰, PMP 등) 내부에 촬상 장치 또는 프로젝션 시스템을 내장하는 기술이 발전하고 있으며, 이러한 이유로 광학 장치 또는 조명 장치에 있어서 집광 효율의 향상은 중요한 문제로 대두되고 있다.

그러나 종래 기술에 의하면 이러한 집광 효율을 향상시키기 위하여 X축 및 Y 축상으로 투사되는 빔의 굴절을 담당하는 다수개의 렌즈를 복잡하게 조합하는 방법을 사용하였다. 그러나 이처럼 다수개의 렌즈를 이용하여 집광 효율을 향상하고자 하는 시도는 그 부피를 크게 하여 최근의 광학 장치의 소형화 추세에 부합하지 못할 뿐만 아니라, 그 제조 공정상의 정밀도를 낮추는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 광원으로부터 조사된 2차원 빔을 1차원 빔으로 변환(집광)시킴에 있어 그 집광 효율을 보다 극대화하고, 변환된 1차원 빔의 조도 균일성을 향상시킬 수 있는 빔 변환 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 광학 장치(또는 조명 장치)의 구성을 보다 단순화하고 제작된 광학 장치의 부피를 줄임으로써 대형 디스플레이 장치에는 물론 휴대폰, PMP 등의 소형 디지털 장치에도 적용 가능한 빔 변환 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 이외의 목적들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 입력된 2차원 빔의 제1축 방향의 길이가 확대될 수 있도록 입력된 2차원 빔을 굴절시키는 제1 렌즈; 제1 렌즈를 거쳐 제1축 방향의 길이가 확대된 2차원 빔의 제1축 방향과 직교하는 제2축 방향의 길이를 소정 거리에 있는 일 초점으로 집광하여 2차원 빔을 1차원 빔으로 변환시키는 빔 변환 렌즈; 및 빔 변환 렌즈의 전면 또는 후면에 위치하며, 제1 렌즈를 거쳐 제1축 방향의 길이가 확대된 2차원 빔의 발산 각도를 조절하는 제2 렌즈를 포함하는 빔 변환 장치가 제공될 수 있다.

여기서, 제1 렌즈의 제1축 방향의 굴절면은 비구면(aspheric profile)일 수 있다.

여기서, 빔 변환 렌즈는 제1 렌즈를 거쳐 제1축 방향의 길이가 확대된 2차원 빔의 제1축 방향의 길이는 그대로 유지시킬 수 있다. 이때, 빔 변환 렌즈는 곡률이 어느 일 방향면에만 존재하되, 빔 변환 렌즈에 곡률이 존재하는 어느 일 방향면은 2차원 빔의 제2축 방향과 동일 방향에 대응되는 면일 수 있다. 이러한 빔 변환 렌즈로는 실린더 렌즈가 이용될 수 있다.

여기서,제2 렌즈는 제1 렌즈를 거쳐 제1축 방향의 길이가 확대된 2차원 빔이 평행 출사되도록 발산 각도를 조절할 수 있다.

여기서, 빔 변환 렌즈로부터 소정 거리에 있는 일 초점은 입사된 빔을 변조하는 광 변조기 상에 존재하고, 빔 변환 렌즈에 의해 변환된 1차원 빔은 광 변조기로 전달될 수 있다. 이때, 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.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 빔 변환 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.

또한, 이하에서 사용될 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 명세서에서 어떤 구성요소로부터 다른 구성요소에 "조사된다" 거나 "입사된다" 등으로 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접 조사되거나 또는 직접 투사될 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소를 거쳐 조사되거나 또는 입사될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에 어떤 구성요소로부터 다른 구성요소에 "직접 조사된다" 거나 "직접 입사된다" 라고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소를 거치지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

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 "포함하 다" 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 1a는 본 발명의 빔 변환 장치를 이용한 디스플레이 장치를 나타낸 도면이다. 도 1a는 본 발명에 따른 빔 변환 장치를 설명하기에 앞서 디스플레이 장치의 경우를 예로 들어 본 발명의 빔 변환 장치가 적용되는 분야의 일 예를 간략히 보여주기 위한 것이다. 따라서, 컬러 디스플레이 장치의 경우에는 3색 광원이 이용될 것이지만, 도 1a에서는 1개의 광원으로부터 스크린 상에 영상이 구현되는 경우를 가정하여 간략히 설명하기로 한다. 또한, 본 발명의 빔 변환 장치에 대한 상세한 설명은 도 1b 이하의 도면에서 후술할 것인바, 도 1a에 대한 설명에서는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 도 1a는 디스플레이 장치의 어느 일면(본 실시예에서는 X축 방향면)을 나타낸 것이다.

도 1a를 참조하면, 디스플레이 장치는 본 발명의 빔 변환 장치(도 1a의 식별부호 A 참조)를 포함하며, 이외의 구성 요소로서 광원(100), 광 변조기(140), 반사 미러(150), 투사 렌즈(160), 스캐너(170)를 더 포함하고 있다. 이때, 광원(100)으로부터 조사된 2차원 빔은 본 발명의 빔 변환 장치의 제1 렌즈(110), 제2 렌즈(120) 및 빔 변환 렌즈(130)를 거치면서 1차원 빔으로 변환되어 입사광의 변조를 수행하는 광 변조기(140)로 입사된다. 입사된 1차원 빔은 광 변조기(140)를 거치면 서 회절광으로 변조되고, 다시 반사 미러(150), 투사 렌즈(160), 스캐너(170) 등을 거쳐 스크린(180) 상에 투영된다. 여기서, 반사 미러(150)는 광 변조기(140)로부터 출사된 회절광의 광 경로를 변경하여 보다 짧은 경로에 의해 스크린(180)에 전달되도록 보조하는 역할을 수행하며, 투사 렌즈(160)는 회절광을 확대 투사시키는 역할을 수행한다. 다만, 이러한 반사 미러(150) 및 투사 렌즈(160)는 경우에 따라서 생략될 수도 있음은 물론이다.

도 1b는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 변환 장치의 일면 및 타면을 나타낸 도면이다. 여기서, 도 1b의 (a)는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 변환 장치를 일면(제1축 방향, 예를 들어, Y축 방향)에서 바라본 경우를 도시한 것이고, 도 1b의 (b)는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 변환 장치를 타면(제2축 방향, 예를 들어, X축 방향)에서 바라본 경우를 도시한 것이며, 도 1b의 (c) 내지 (f)는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 변환 장치의 각 구성 요소를 통과함에 따라 변화되는 빔의 형태를 예시한 것이다.

도 1b의 (a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 변환 장치는 제1 굴절면(115)을 갖는 제1 렌즈(110), 제2 굴절면(125)을 갖는 제2 렌즈(120) 및 빔 변환 렌즈(130)를 포함한다.

제1 렌즈(110)는 광원(100)으로부터 조사된 2차원 빔(도 1b의 (c)와 같은 형태를 갖는 것으로 가정함)을 입력(입사)받는다(도 1b의 (d) 참조). 이때, 입력된 2차원 빔은 제1 렌즈(110)에 형성된 제1 굴절면(115)을 거치면서 제1축 방향으로 확대(확산)된다(도 1b의 (e) 참조). 즉, 제1 굴절면(115)은 입력된 2차원 빔의 제1축 방향의 길이가 확대될 수 있도록 입력된 2차원 빔을 제1축 방향으로 확대 굴절시킨다. 이를 위해, 제1 렌즈(110)에 형성된 제1 굴절면(115)은 2차원 빔의 제1축 방향에 대응하여 음의 굴절률을 갖도록 제작될 수 있다. 이처럼 제1 굴절면(115)을 이용하여 입력된 2차원 빔의 직경(면적)을 확대시키는 이유는 광원(100)(예를 들어, 레이저 장치 등)으로부터 조사된 2차원 빔은 그 직경이 작아서 실제 구현되는 디스플레이 장치 등에 있어서는 그 2차원 빔의 직경을 확대시킬 필요가 있기 때문이다.

여기서, 렌즈 또는 굴절면이 음의 굴절률을 갖는다는 것은 빔이 이러한 렌즈 또는 굴절면을 통과한 경우 그 빔의 직경(또는 면적)이 확대됨을 의미하고, 양의 굴절률을 갖는다는 것은 빔이 렌즈 또는 굴절면을 통과한 경우 그 빔의 직경이 축소됨을 의미한다. 그리고 도 1b를 포함한 이하의 모든 도면에서는 2차원 빔의 제1축 방향은 Y축 방향을, 제2축 방향은 X축 방향을 지시하는 것으로 가정하여 설명하지만, 이와 반대일 수 있음은 물론이다. 또한, 도 1b를 포함한 이하의 모든 도면에서는 광원(100)으로부터 조사된 2차원 빔이 직접 제1 렌즈(110)에 입력되는 경우를 가정하여 설명하지만, 광원(100)으로부터 조사된 2차원 빔은 다른 구성 요소를 거쳐 제1 렌즈(110)에 입력될 수 있음은 물론이다. 예를 들어, 광원(100)으로부터 조사된 2차원 빔은 콜리메이션 렌즈(collimation lens)(미도시)를 거쳐 평행 시준(平行 視準)된 후 제1 렌즈(110)로 입력될 수 있다. 또한, 도 1b를 포함한 이하의 모 든 도면에서는 광원(110)으로부터 조사된 2차원 빔이 제1 렌즈(110)의 제1 굴절면(115)을 거치면서 어느 일 방향(제1축 방향)으로만 확대되는 경우를 가정하여 설명하지만, 제1 렌즈(110)에 형성된 굴절면의 형태(형상)에 따라 2차원 빔의 모든 방향(즉, 제1축 방향 및 제2축 방향 모두)에서의 확대가 이루어질 수도 있음은 자명하다.

이때, 제1 굴절면(115)은 비구면(aspheric profile)으로 제작될 수 있다. 이처럼 제1 굴절면(115)을 비구면으로 제작하는 경우에는 구면으로 제작하는 경우보다 구면 수차 등의 오차를 줄일 수 있음은 물론, 2차원 빔의 직경(또는 면적)이 확대되어 제2 렌즈(120) 또는 빔 변환 렌즈(130)로 전달되는 과정에서도 빔의 전달 손실을 줄일 수 있어 후술할 광 변조기(140)에 입력되는 빔의 조도 균일성을 증가(즉, 광 강도 분포를 일정하게 유지)시킬 수 있는 이점이 있다.

제2 렌즈(120)는 제1 렌즈(110)의 제1 굴절면(115)을 거쳐 제1축 방향의 길이가 확대된 2차원 빔을 입력받는다. 이때, 제2 렌즈(120)로 입력된 2차원 빔은 제2 렌즈(120)에 형성된 제2 굴절면(125)를 거치면서 발산 각도가 조절되어 평행 출사된다. 즉, 제2 굴절면(125)은 제1 렌즈(110)의 제1 굴절면(115)을 거치면서 제1축 방향으로 발산되는 2차원 빔의 발산 각도를 줄여 평행 출사될 수 있도록 한다. 이를 위해, 제2 렌즈(120)에 형성된 제2 굴절면(125)은 입력된 2차원 빔의 제1축 방향에 대응하여 양의 굴절률을 갖도록 제작할 수 있다. 도 1을 포함한 이하의 모든 도면에서는 제1 렌즈(110)의 제1 굴절면(115)을 거쳐 확대(발산)된 2차원 빔이 제2 렌즈(120)의 제2 굴절면(125)을 거쳐 다시 평행 출사되는 경우를 가정하여 설명하지만, 본 발명의 빔 변환 장치에 있어 제2 굴절면(125)을 갖는 제2 렌즈(120)가 반드시 구비되어야 하는 것은 아님은 물론이다. 예를 들어, 제1 굴절면(115)을 거쳐 확대된 2차원 빔은 본 발명의 빔 변환 렌즈(130)로 직접 입력될 수도 있다. 다만, 이하의 모든 도면에서는 도 1b에서와 같이 제2 굴절면(125)을 거친 이후의 2차원 빔이 평행 출사되도록 그 발산 각도가 조절되는 것으로 가정하기로 한다.

빔 변환 렌즈(130)는 제2 렌즈(120)의 제2 굴절면(125)을 거쳐 평행 출사된 2차원 빔을 입력받는다. 상술한 바와 같이 본 발명의 빔 변환 장치에 있어 제2 굴절면(125)을 갖는 제2 렌즈(120)가 생략되는 경우에는 제1 렌즈(110)의 제1 굴절면(115)을 거쳐 제1축 방향의 길이가 확대된 2차원 빔이 직접 빔 변환 렌즈(130)로 입력될 수도 있음은 물론이다. 여기서, 빔 변환 렌즈(130)는 입력된 2차원 빔의 제2축 방향(제2축 방향은 제1축 방향과 직교함, 이와 같음)의 길이를 소정 거리에 있는 일 초점으로 집광함으로써 입력된 2차원 빔을 1차원 빔으로 변환시킨다(도 1b의 (b) 및 (f) 참조). 즉, 입력된 2차원 빔은 빔 변환 렌즈(130)를 거치면서 1차원 빔으로 변환되어 광 변조기(140)로 라인 입사(즉, 1차원 입사)된다. 여기서, 본 명세서에서 정의하는 1차원 입사란 광 변조기(140)로 입사되는 빔의 어느 일 축 방향 제2축 방향의 폭(도 1b의 (f)의 식별부호 l 참조)이 광 변조기(140)의 1 픽셀(fixel)의 크기와 같거나 또는 그 크기보다 작은 값을 갖는 경우를 의미한다. 예를 들어, 광 변조기(140)의 1 픽셀의 크기가 가로 방향 및 세로 방향으로 각각 약 20㎛인 경우를 가정하면, 광 변조기(140)로 입사되는 빔의 어느 일 축 방향(본 실 시예의 경우는 제2축 방향)의 폭이 20㎛ 이내인 경우가 여기에 해당할 수 있다. 본 실시예에서는 빔 변환 렌즈(130)를 거친 빔이 1차원 입사되는 대상물로서 광 변조기(140)를 중심으로 설명(이하, 이와 같음)하지만, 이러한 1차원 빔이 입사되는 대상물은 반드시 광 변조기(140)에 한정되는 것이 아님은 자명하다.

상술한 바와 같이 빔 변환 렌즈(130)를 거친 2차원 빔이 광 변조기(140)에 1차원 입사시키기 위해, 빔 변환 렌즈(130)의 제2축 방향(예를 들어, X축 방향)의 초점 거리는 빔 변환 렌즈(130)와 광 변조기(140) 간의 이격 거리에 일치되도록 설정될 수 있다. 또한 이때, 빔 변환 렌즈(130)는 입력된 2차원 빔의 제1축 방향의 길이는 그대로 유지되도록 설정할 수 있다. 이를 위하여 빔 변환 렌즈(130)는 곡률이 어느 일 방향면에만 존재하도록 제작될 수 있고, 빔 변환 렌즈(130)에 곡률이 존재하는 어느 일 방향면은 입력된 2차원 빔의 제2축 방향과 동일 방향에 대응되는 면(도 1b의 (b)의 식별번호 135 참조)일 수 있다. 이러한 빔 변환 렌즈(130)로는 실린더 렌즈(cylinder lens) 등이 이용될 수 있으며, 위에서 기재한 바와 같이 곡률이 존재하는 어느 일 방향면은 입력된 2차원 빔의 1차원 빔으로의 변환(집광)을 위하여 양의 굴절률을 갖도록 제작할 수 있다.

도 2는 입력된 2차원 빔이 본 발명의 제1 굴절면을 통해 제1축 방향으로 확대될 때의 확대 특성을 나타내는 테이블을 예시한 도면이다.

여기서, 도 2의 (a)는 광원(100)으로부터 조사되어 제1 굴절면(115)으로 입력된 2차원 빔의 직경(diameter)을 나타내고, 도 2의 (b)는 제1 굴절면의 곡률 반 경을 나타내고, 도2의 (c)는 제1 굴절면(115)을 거쳐 제1축 방향으로 확대된 2차원 빔의 원추 계수(conic factor)를 나타내며, 도 2의 (d)는 입력된 2차원 빔이 제1 굴절면(115)을 거쳐 제1축 방향으로 확대될 때의 그 확대 배율(magnification)을 나타낸다.

도 2의 테이블을 참조하면, 입력된 2차원 빔의 직경(도 2의 (a) 참조)은 제1 굴절면(115)을 거치면서 소정의 확대 배율(도 2의 (d) 참조)에 의해 제1축 방향으로 확대되고 있다. 또한 이때, 입력된 2차원 빔의 직경과 제1 굴절면(115)의 확대 배율을 곱하게 되면, 테이블에 예시된 다양한 값들의 조합에 상관없이 제1 굴절면(115)을 거친 이후의 2차원 빔의 제1축 방향의 길이가 8mm로 일정함을 알 수 있다. 이와 같이 제1 굴절면(115)을 거친 이후 제1축 방향으로 확대된 2차원 빔의 길이를 일정하게 유지시키기 위해, 제1 굴절면(115)의 곡률 반경 및 원추 계수는 도 2의 (b) 및 도 2의 (c)를 통하여 예시된 것과 같은 다양한 값들의 조합으로 구성될 수 있다. 즉, 제1 굴절면(115)의 곡률 반경 및 원추 계수를 도 2의 (b) 및 도 2의 (c)와 같이 설정하는 경우 도 2의 (d)와 같은 확대 배율을 구현해낼 수 있게 된다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 빔 변환 장치를 거친 경우의 빔의 조도 균일성의 증가를 보여주기 위한 그래프이다. 여기서, 도 3a는 본 발명의 빔 변환 장치를 거치지 않은 경우 광 변조기(140)에 입사된 빔의 조도 균일성을 예시한 그래프이고, 도 3b는 본 발명의 빔 변환 장치를 거친 경우 광 변조기(140)에 입사된 빔의 조도 균일성을 예시한 그래프이다. 도 3a 및 도 3b에 도시된 그래프의 X축은 광 변 조기(140)의 제1축 방향의 중심을 기준으로 하였을 때의 거리를 나타내며, 그래프의 Y축은 상대 조도를 나타낸다.

도 3a를 참조하면, 광 변조기(140)의 제1축 방향의 중심에서의 조도를 1이라 가정하였을 경우 그 중심으로부터 멀어질수록 상대 조도가 급격히 감소하고 있으며, 광 변조기(140)의 제1축 방향의 중심으로부터 각각 ± 0.8mm가 되는 지점에 이르면 그 상대 조도 값이 약 0.2 정도까지 감소하게 된다. 즉, 일반적으로 광원(100)으로부터 조사된 빔의 상대 조도는 도 3a와 같은 가우스 분포의 형태를 가지게 되며, 이 경우에는 광 변조기(140)에 입사된 빔의 조도 균일성(즉, 광 강도 분포의 균일성)이 매우 좋지 않은 것을 알 수 있다.

도 3b를 참조하면, 광 변조기(150)의 제1축 방향의 중심으로부터 약 ± 4mm가 되는 지점까지의 상대 조도가 거의 1에 가까운 값을 가짐을 알 수 있다. 결국 이는 광 변조기(140)의 제1축 방향의 길이를 그 중심으로부터 약 ± 4mm가 되도록 제작하는 경우라도 본 발명의 빔 변환 장치를 거쳐 광 변조기(140)로 입사되는 빔의 광 강도를 일정하게 유지할 수 있다는 것을 의미한다. 이와 같이 광 변조기(140)에 입사되는 빔의 광 강도를 일정하게 유지하게 되면 광 변조기(140)를 통한 광 변조가 보다 정확하게 이루어질 수 있으며, 이를 이용하여 제작한 광학 장치, 디스플레이 장치 등에 있어 영상 구현의 정확성을 높일 수 있는 이점이 있게 된다. 본 발명의 빔 변환 장치를 거치는 경우 이처럼 빔의 광 강도를 일정하게 유지할 수 있는 이유는 도 1에서 상술한 바와 같이 제1 굴절면(115), 빔 변환 렌즈(130) 등을 통하여 광 손실을 최소화함은 물론 그 집광 효율을 극대화할 수 있기 때문이다.

도 4a는 도 1b에 도시된 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 변환 장치의 일면을 나타낸 도면이고, 도 4b는 도 4a에 도시된 빔 변환 장치의 실제 구현 데이터를 예시한 도면이다.

여기서, 도 4a에 도시된 본 발명의 빔 변환 장치의 일 면은 2차원 빔의 제1축 방향에 상응하는 방향면을 나타내고, 이때 제1축 방향은 Y축 방향을 의미하는 것으로 가정한다. 또한, 도 4b에 예시된 테이블에서의 각 파라미터를 설명하면 다음과 같다. 테이블의 'Y Radius'는 본 발명의 빔 변환 장치에서의 각 부분에 대한 제1축 방향의 곡률 반경을 나타내는 데이터이고, 'Thickness'는 본 발명의 빔 변환 장치에서의 각 부분에 대한 거리를 나타내는 데이터이고, 'Glass'는 본 발명의 빔 변환 장치에서의 각 부분에 대한 유리 물성을 나타내는 데이터이고, 'Diameter'는 입력된 2차원 빔이 본 발명의 빔 변환 장치의 각 부분을 거침에 따라 변화되는 빔의 직경을 나타내는 데이터이며, 'Conic'은 입력된 2차원 빔이 본 발명의 제1 굴절면(115)을 통해 확대될 때의 원추 계수를 나타내는 데이터이다. 이하에서 설명할 도 5a, 도 5b, 도 6a 및 도 6b의 경우에도 위의 설명과 같다.

도 4a 및 도 4b를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 변환 장치를 구현하기 위한 실제 구현 데이터를 각 부분간의 거리 및 각 부분의 곡률 반경을 중심으로 살펴보면 다음과 같다. 먼저 본 발명의 빔 변환 장치에서의 각 부분간의 거리의 경우, 광원(100)과 제1 렌즈(110)의 입사면 간의 거리(d1)는 10mm이고, 제1 렌 즈(110)의 입사면과 제1 렌즈(110)의 제1 굴절면(115) 간의 거리(d2)는 1mm이며, 제1 굴절면(115)과 제2 렌즈(120)의 입사면 간의 거리(d3)는 15.28mm이며, 제2 렌즈(120)의 입사면과 제2 렌즈(120)의 제2 굴절면(125) 간의 거리(d4)는 2mm로 설정될 수 있다. 이어서 제2 굴절면(125)과 빔 변환 렌즈(130)의 입사면 간의 거리(d5)는 0.2mm이고, 빔 변환 렌즈(130)의 입사면과 출사면 간의 거리(d6)는 1.5mm이며, 빔 변환 렌즈(130)의 출사면과 광 변조기(140) 간의 거리(d7)는 15mm로 설정될 수 있다. 또한, 본 발명의 빔 변환 장치에서의 각 부분의 곡률 반경의 경우, 제1 렌즈(110)의 제1 굴절면(115)의 곡률 반경(r3)은 1이고, 제2 렌즈(120)의 제2 굴절면(125)의 곡률 반경(r5)은 -13.363으로 설정될 수 있다. 이외의 부분의 곡률 반경은 infinity(즉, 곡률 반경이 무한대)로 설정되고 있으며, 여기서, 곡률 반경이 무한대라 함은 해당 부분이 곡률이 없이 평탄(flat)하다는 것을 의미한다. 또한 이때, 도 4b의 테이블의 'diameter'을 참조하면, 위와 같이 설정된 거리, 곡률 반경 등에 의해 본 발명의 빔 변환 장치에 입력된 2차원 빔은 제1 렌즈(110)의 제1 굴절면(115)을 거치면서 제1축 방향(예를 들어, 도 4b의 테이블의 경우 Y축 방향)의 길이가 3mm에서 10mm로 확대되어 광 변조기(140)로 입사됨을 알 수 있다.

도 5a는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 변환 장치의 일면을 나타낸 도면이고, 도 5b는 도 5a에 도시된 빔 변환 장치의 실제 구현 데이터를 예시한 도면이며, 도 6a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔 변환 장치의 일면을 나타낸 도면이고, 도 6b는 도 6a에 도시된 빔 변환 장치의 실제 구현 데이터를 예시한 도면이 다.

도 5a를 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 변환 장치의 경우 제1 렌즈(110)의 제1 굴절면(115)의 위치가 도 4a의 빔 변환 장치에서의 제1 굴절면(115)의 위치와 상이하게 제작되고 있다. 즉, 도 4a의 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 변환 장치의 경우에는 제1 굴절면(115)이 제1 렌즈(110)의 출사면에 위치하고 있지만, 도 5a의 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 변환 장치의 경우에는 제1 굴절면(115)이 제1 렌즈(110)의 입사면에 위치하고 있다. 이에 따른 도 5a의 빔 변환 장치의 제작을 위한 실제 구현 데이터는 도 5b에 예시된 테이블과 같으며, 이는 도 4b의 테이블에 대한 앞선 상세한 설명의 내용에 의해 쉽게 이해될 수 있으므로 도 5b의 테이블에 예시된 실제 구현 데이터에 대해서는 그 상세한 설명을 생략하기로 한다.

도 6a를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔 변환 장치의 경우 제2 렌즈(120)와 빔 변환 렌즈(130)의 위치가 도 5a의 빔 변환 장치에서의 각각의 위치와 상이하게 제작되고 있다. 즉, 도 5a의 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔 변환 장치의 경우에는 제2 렌즈(120)가 빔 변환 렌즈(130)의 전면에 배치되고 있지만, 도 6a의 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 빔 변환 장치의 경우에는 제2 렌즈(120)가 빔 변환 렌즈(130)의 후면에 배치되고 있다. 이에 따른 도 6a의 빔 변환 장치의 제작을 위한 실제 구현 데이터는 도 6b에 예시된 테이블과 같으며, 이에 대한 상세한 설명은 생략한다. 다만, 본 발명의 빔 변환 장치는 도 4a 내지 도 6b를 통해 예시된 구성, 배치 및 구현 데이터에 한정되는 것은 아니며, 보다 다양한 구 성, 배치 및 구현 데이터들이 존재할 수 있음은 자명하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 제1 렌즈(110)(하나의 비구면 렌즈)와 다른 두개의 렌즈(제2 렌즈(120) 및 빔 변환 렌즈(130), 예를 들어 2개의 구면 실린더 렌즈로 구현될 수 있음)의 간단한 구성만으로도 집광 효율 및 조도 균일성이 우수한 빔 변환 장치를 제작할 수 있으며, 그 제작된 빔 변환 장치의 크기가 수십 mm 단위에 불과(도 4b, 도 5b, 도 6b의 테이블 참조)하여 대형 디스플레이 장치는 물론 소형의 디스플레이 장치, 광학 장치, 조명 장치 등에도 적용할 수 있는 이점이 있다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명의 빔 변환 장치를 통해 변환된 1차원 빔의 입사 대상물 중 하나인 광 변조기의 구조를 예시한 도면이다. 여기서, 도 7a는 본 발명에 적용 가능한 압전 방식의 광 변조기 소자의 일 형태를 나타낸 사시도이고, 도 7b는 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 7a 및 도 7b에 도시된 광 변조기 소자를 중심으로 광 변조 원리를 설명하기로 한다.

도 7a 및 도 7b를 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 제공한다.

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 7c 및 도 7d를 참조하여 구조물층(54)과 절연층(52)간의 높이 변화에 따른 광 변조 원리를 설명한다.

도 7c 및 도 7d는 도 7a의 광 변조기에 있어 광 변조 원리를 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 7c는 도 7a의 광 변조기 소자의 어레이로 구성된 광 변조기의 평면도이고, 도 7d는 도 7c의 BB'선을 기준선으로 하여 나타낸 단면도이다.

도 7c를 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 대 한 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 면당 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 7d를 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 광반사 층(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.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 빔 변환 장치에 의하면, 광원으로부터 조 사된 2차원 빔을 1차원 빔으로 변환(집광)시킴에 있어 그 집광 효율을 보다 극대화하고, 변환된 1차원 빔의 조도 균일성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 광학 장치(또는 조명 장치)의 구성을 보다 단순화하고 제작된 광학 장치의 부피를 줄임으로써 대형 디스플레이 장치에는 물론 휴대폰, PMP 등의 소형 디지털 장치에도 적용 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 (7)

1. 입력된 2차원 빔의 제1축 방향의 길이가 확대될 수 있도록, 상기 제1축 방향에 대응되는 면에만 음의 굴절력의 곡률을 갖는 실린더 렌즈로 이루어진 제1 렌즈;

   상기 제1 렌즈를 거쳐 상기 제1축 방향의 길이가 확대된 2차원 빔의 상기 제1축 방향과 직교하는 제2축 방향의 길이를 소정 거리에 있는 일 초점으로 집광함으로써 상기 2차원 빔이 1차원 빔으로 변환될 수 있도록, 상기 제2축 방향에 대응되는 면에만 양의 굴절력의 곡률을 갖는 실린더 렌즈로 이루어진 빔 변환 렌즈; 및

   상기 빔 변환 렌즈의 전면 또는 후면에 위치하여, 상기 제1 렌즈를 거쳐 상기 제1축 방향의 길이가 확대된 2차원 빔의 발산 각도를 조절함으로써 평행 출사될 수 있도록, 상기 제1축 방향에 대응되는 면에만 양의 굴절력의 곡률을 갖는 실린더 렌즈로 이루어진 제2 렌즈

   를 포함하는 빔 변환 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제1 렌즈의 상기 제1축 방향에 대응되는 면은 비구면(aspheric profile)인 것을 특징으로 하는 빔 변환 장치.
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,

   상기 빔 변환 렌즈로부터 상기 소정 거리에 있는 일 초점은 입사된 빔을 변조하는 광 변조기 상에 존재하고, 상기 빔 변환 렌즈에 의해 변환된 상기 1차원 빔은 상기 광 변조기로 전달되되,

   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 구조물층의 중앙 부분을 상하로 움직이게 하는 압전 구동체를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔 변환 장치.

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