KR101065065B1

KR101065065B1 - 레이저 디스플레이 장치

Info

Publication number: KR101065065B1
Application number: KR1020050123160A
Authority: KR
Inventors: 하경호
Original assignee: 삼성엘이디 주식회사
Priority date: 2005-12-14
Filing date: 2005-12-14
Publication date: 2011-09-15
Also published as: CN1982946A; JP2007164163A; CN1982946B; JP4586010B2; KR20070063188A; US7336686B2; US20070133630A1

Abstract

스펙클을 억제할 수 있도록 된 구조의 레이저 디스플레이 장치가 개시되어 있다.

이 개시된 레이저 디스플레이 장치는 캐비티 길이 만큼 이격 배치되어 공진기를 구성하는 제1 및 제2미러를 구비하는 반도체 레이저와; 제1미러를 투과하여 조사된 광을 변조하여 스크린에 영상을 제공하는 공간변조기;를 포함하는 것으로, 반도체 레이저의 코히어런스 길이 l_c와 유효 반사율 R 각각이 하기의 수학식으로 정의될 때, l_c는 하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 한다.

<수학식>

여기서, d는 캐비티 길이, R₁과 R₂는 제1 및 제2미러 각각의 반사율이다.

<조건식>

Description

레이저 디스플레이 장치{Laser display apparatus}

도 1a는 원래의 이미지를 보인 도면이고, 도 1b는 스펙클이 포함된 이미지를 보인 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 디스플레이 장치를 보인 개략적인 도면.

도 3은 반도체 레이저의 유효 반사율 변화에 따른 코히어런스 길이 변화를 나타낸 그래프.

도 4는 반도체 레이저의 스펙클 콘트라스트(Cs) 측정 방식을 보인 도면.

도 5a 내지 도 5d는 90.5%, 66.6%, 18.7% 및 5.4% 유효 반사율(R) 각각에 대한 촬열된 이미지를 보인 도면.

도 6은 유효 반사율 변화에 따른 스펙클 콘트라스트(Cs) 변화를 보인 그래프.

도 7은 코히어런스 길이 변화에 따른 스펙클 콘트라스트(Cs) 변화를 보인 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10, 41...레이저 광원 11...제1클래드층

12...제1반사면 13...활성층

14...제2반사면 15...제2클래드층

20...공간변조기 30, 47...스크린

43...냉각기 45...레이저 구동원

49...카메라

본 발명은 레이저를 광원으로 이용하는 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 스펙클을 억제할 수 있도록 된 구조의 레이저 디스플레이 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 레이저 디스플레이 장치는 레이저의 직진성이 우수하여 투사형 디스플레이의 구성이 용이하다. 그리고, 레이저 광의 세기가 다른 종류의 광원에서 조사된 광의 세기에 비하여 크므로, 고선명의 대화면을 구현할 수 있다.

한편, 레이저 디스플레이 장치는 높은 코히어런시(coherency) 즉, 높은 가간섭성을 가지는 레이저를 광원으로 이용하는 바, 스펙클(speckle)이 발생하는 문제점이 있다. 여기서, 스펙클은 레이저 광원이 가지는 높은 코히어런시에 의해 이미지 주변에서 무작위로 발생하는 가간섭성의 노이즈를 말한다.

예를 들어, 도 1a에 도시된 바와 같은 원래의 이미지를 레이저 디스플레이 장치를 통하여 스크린에 구현하고자 하는 경우, 상기한 스펙클에 의하여 도 1b에 도시된 바와 같이 이미지가 표현되는 문제점이 있다.

상기한 스펙클을 억제하기 위한 종래의 일 구성이 미국 특허 제5,274,494호(발명의 명칭: Speckle suppression illuminator, 특허일 : 1993년 12월 28일)에 개시된 바 있다.

이 개시된 종래의 스펙클 억제 조명장치는 제1파장의 코히어런트 광을 조사하는 광원의 전방에 입사광을 산란시키는 가스를 포함하는 챔버인 라만 셀(Raman cell)을 배치한 구성을 가진다. 따라서, 공간적으로는 코히어런스하고, 시간적으로 인코히어런스(incoherence)한 레이저 빔을 제공함으로써, 스펙클의 강도 및 발생 범위를 감소시킨다.

한편, 상기한 바와 같이 구성된 종래의 장치를 레이저 광원에서 조사된 광의 진행 경로 상에 라만 셀이라는 구성요소가 더 구비됨으로써, 그 광학적 구성 및 배치가 복잡해지고, 조립공수의 증가 및 제조 원가의 상승 등의 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점들을 감안하여 안출된 것으로서, 별도의 구성요소의 추가 없이도 스펙클을 억제할 수 있도록 된 구조의 레이저 디스플레이 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 장치는,

캐비티 길이 만큼 이격 배치되어 공진기를 구성하는 제1 및 제2미러를 구비하는 반도체 레이저와;

상기 반도체 레이저의 상기 제1미러를 투과하여 조사된 광을 변조하여 스크 린에 영상을 제공하는 공간변조기;를 포함하는 것으로,

상기 반도체 레이저의 코히어런스 길이 l_c와 유효 반사율 R 각각이 하기의 수학식으로 정의될 때, 상기 코히어런스 길이 l_c는 하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 장치.

<수학식>

여기서, d는 상기 반도체 레이저의 캐비티 길이, R₁은 상기 제1미러의 반사율, R₂는 상기 제2미러의 반사율이다.

<조건식>

보다 바람직하게는 상기 반도체 레이저의 유효 반사율 R은 0.1 내지 0.3 범위의 값을 가진다.

이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 레이저 디스플레이 장치를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 레이저 디스플레이 장치의 광학적 배치를 보인 도면이다.

도면들을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 레이저 디스플레이 장치는 레이저 광을 주사하여 스크린(50)에 영상을 표시하는 것으로서, 광을 조사하는 반도 체 레이저(10)와, 입사광을 변조하여 상기 스크린(50)에 영상을 제공하는 공간변조기(spatial modulator)(20)를 포함한다.

상기 반도체 레이저(10)는 제1 및 제2클래드층(11)(15)과, 이들 사이에 배치된 활성층(13)과, 레이저 빔이 출사되는 측벽에 공진기를 구성하는 제1 및 제2미러(12)(14)를 구비한다. 그리고, 상기 반도체 레이저(10)는 가시광선의 광을 스크린(30)에 조사하기 위한 것으로, 대략 400nm 내지 700nm 파장 영역의 가시광선 광을 조사한다. 여기서, 상기 제1미러(12)와 상기 제2미러(14)는 캐비티(cavity) 길이 d 만큼 이격 배치되어 있다.

따라서, 상기 반도체 레이저(10)에 전원을 인가시 상기 활성층(13)에서 생성된 빔이 상기 제1미러(12)와 제2미러(14) 사이에서 공진되면서, 소정 파장의 광만이 증폭되어 상기 제1미러(12)와 제2미러(14)를 투과하여 조사된다.

상기 공간변조기(20)는 상기 제1미러(12)를 투과하여 조사된 광을 변조하여 상기 스크린(30)에 영상을 제공한다.

본 발명은 반도체 레이저(10)의 유효 반사율 R과, 캐비티 길이 d를 조절하여 코히어런스 길이(l_c)를 변화시킴으로써, 스크린(30) 상에서의 스펙클 콘트라스트를 낮춘 점에서 그 특징이 있다. 이하, 스크린(30)에서의 스펙클 강도를 결정하는 코히어런스 길이(l_c)와 반도체 레이저(10)의 관계를 살펴 본 후, 반도체 레이저(10)의 유효 반사율 R의 조건 및 캐비티 길이 d를 최적화하기로 한다.

코히어런스 길이(l_c)는 반도체 레이저(10)와 같이 좁은 스펙트럼 선폭을 갖 는 경우에는 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.

여기서, c는 광속도, F는 패브리-페롯(Fabry-Perot)형 캐비티에서의 피네스(finesse),

는 주파수 당 모드 개수, d는 캐비티 길이, R은 아래의 수학식 2로 정의되는 반도체 레이저의 유효 반사율을 말한다.

여기서, R₁은 상기 제1미러의 반사율이고, R₂는 상기 제2미러의 반사율이다.

상기한 수학식 1을 참조하면, 가간섭성 유지거리를 의미하는 코히어런스 길이(l_c)는 반도체 레이저(10)의 캐비티 길이(d)와 유효 반사율(R)에 의존하게 된다. 그러므로, 반도체 레이저(10)의 유효 반사율(R)이나 캐비티 길이(d)를 감소시키면, 조사 빔의 코히어런시가 감소하게 되어, 스크린(30) 면에서의 스펙클 강도가 감소하게 된다.

도 3은 반도체 레이저의 유효 반사율 변화에 따른 코히어런스 길이 변화를 나타낸 그래프이다. 즉, 도 3은 90.5%, 66.6%, 18.7% 및 5.4% 유효 반사율(R)을 가지는 GaN형 반도체 레이저를 제작하여, 이들의 코히어런스 길이(l_C)의 계산값과, 실험적으로 도출된 코히어런스 팩터(F_C)를 측정한 결과를 나타낸 것이다.

도 3을 참조하면, 반도체 레이저의 유효 반사율이 낮아지면 낮아질수록 l_C와, F_C 값이 낮아짐을 알 수 있다.

그리고, 도 4는 반도체 레이저의 스펙클 콘트라스트 측정장치를 보인 도면이다. 이 스펙클 콘트라스트 측정장치는 앞서 설명된 90.5%, 66.6%, 18.7% 및 5.4% 유효 반사율(R) 각각과 캐비티 길이 d 값이 650㎛인 GaN형 반도체 레이저(41)를 냉각기(43) 상에 장착한 후, 레이저 구동원(45)을 통하여 상기 반도체 레이저(41)를 구동하고, 이 반도체 레이저(41)의 파-필드(far-field)를 렌즈계의 사용없이 스크린(47) 상에 투영한다. 이어서, 카메라(49) 예를 들어, 수동기능을 가지는 디지털 카메라를 통하여, 상기 스크린(47)에 투영된 이미지를 조리개 F10, 노출 -2.0EV로 촬영한 후, 수학식 3 내지 5를 이용하여 스펙클 콘트라스트(Cs)를 계산하였다.

여기서, I(n)는 광세기(intensity) 값, N은 데이터 번호, avg는 평균 광세 기, σ는 표준 편차를 나타낸 것이다.

도 5a 내지 도 5d는 90.5%, 66.6%, 18.7% 및 5.4% 유효 반사율(R) 각각에 대한 촬영된 이미지를 보인 도면이고, 도 6은 유효 반사율 변화에 따른 스펙클 콘트라스트(Cs) 변화를 보인 그래프이다.

도 5a는 제1미러(12)의 반사율 R₁과 제2미러(12)(14)의 반사율 R₂ 각각이 90.5%로 설정된 반도체 레이저에 의해 스크린에 조사된 이미지를 촬영한 것이다. 이 경우, 스펙클 콘트라스트(C_S)가 0.422의 값을 가지며, 도시된 바와 같이 거칠고 큰 얼룩 무늬가 나타남을 알 수 있다.

도 5b는 제1미러(12)의 반사율 R₁은 66.6%로, 제2미러(12)(14)의 반사율 R₂ 는 90.5%로 설정된 반도체 레이저에 의해 스크린에 조사된 이미지를 촬영한 것이다. 이 경우, 스펙클 콘트라스트(C_S)가 0.312의 값을 가지며, 도 5a에 비하여 상대적으로 작은 얼룩 무늬가 나타남을 알 수 있다.

도 5c는 제1미러(12)의 반사율 R₁은 대략 18.7%로, 제2미러(12)(14)의 반사율 R₂는 90.5%로 설정된 반도체 레이저에 의해 스크린에 조사된 이미지를 촬영한 것이다. 이 경우, 스펙클 콘트라스트(Cs)가 0.171의 값을 가지며, 도 5a 및 도 5b에 비하여 상대적으로 훨씬 작은 얼룩 무늬가 나타남을 알 수 있다.

도 5d는 제1미러(12)의 반사율 R₁은 대략 5.4%로, 제2미러(12)(14)의 반사율 R₂는 90.5%로 설정된 반도체 레이저에 의해 스크린에 조사된 이미지를 촬영한 것이 다. 이 경우, 스펙클 콘트라스트(Cs)가 0.133의 값을 가지며, 얼룩 무늬가 거의 나타나지 않음을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 반도체 레이저의 반사율(R)이 90.5%에서 5.4%로 낮아짐에 따라 코히어런시가 감소하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 스펙클 콘트라스트(Cs)가 최대 1/3 수준으로 줄어들게 됨을 알 수 있다.

한편, 상기한 코히어런스 길이(l_c)는 유효 반사율(R)에만 의존하는 변수가 아니라, 수학식 1에 나타낸 바와 같이 캐비티 길이 d에도 의존한다. 또한, d 값과 R 값에 의하여 정의되는 코히어런스 길이(l_c)는 도 7에 도시된 바와 같이, 스펙클 콘트라스트(Cs) 변화와 일정한 관련이 있다.

도 7은 코히어런스 길이(l_c) 변화에 따른 스펙클 콘트라스트(Cs) 변화를 보인 그래프이다. 도 7을 참조하면, 스펙클 콘트라스트(Cs)는 코히어런스 길이(l_c)가 길어질수록 기울기가 완만해지면서 점점 그 값이 증가함을 알 수 있다. 예컨대, 코히어런스 길이(l_c)가 0.85cm를 기준으로, 그 이하에서 Cs 값이 0.25 이하의 값을 가지고, l_c가 0.85cm를 초과하는 경우 Cs 값이 0.25 보다 큰 값을 가짐을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 실험 결과를 토대로, 부가적인 광학요소의 추가 내지는 RF(Radio Frequency) 구동장치를 추가하지 않고도, 다음과 같이 반도체 레이저의 구조를 개선한 점에 특징이 있다.

즉, 도 2를 참조하여 설명된 본 발명의 반도체 레이저(10)는 하기의 수학식 6의 조건을 만족하는 코히어런스 길이(l_c) 값을 가진다.

상기한 조건은 도 7에 도시된 코히어런스 길이(l_c)와 스펙클 콘트라스트(Cs)의 관계를 고려하여 설정한 것으로, l_c 값이 수학식 6의 상한을 초과하는 경우, 스펙클 콘트라스트(Cs) 값이 0.25를 초과하게 되어, 스크린에 스펙클이 크게 나타나는 문제점이 있다.

또한, 상기 수학식 6의 조건을 만족하는 범위 내에서 상기 캐비티 길이 d는 하기의 수학식 7을 만족하는 것이 바람직하다.

이는 수학식 1의 코히어런스 길이(l_c)가 캐비티 길이 d에 비례하는 점을 고려한 것으로서, 수학식 7의 범위로 제한함으로써, 가간섭성이 유지되는 거리인 코히어런스 길이(l_c)를 단축시킬 수 있다. 또한, 수학식 7의 범위로 캐비티 길이 d의 값을 한정하는 경우는 유효 반사율 R이 0.3을 초과하는 경우에 있어서도, 스펙클 콘트라스트비를 20% 범위 내로 관리할 수 있다.

또한, 상기 수학식 6의 조건을 만족하는 범위 내에서 반도체 레이저(10)의 유효 반사율(R)은 하기의 수학식 8의 조건을 만족한다.

이는 캐비티 길이 650㎛에서 스펙클 콘트라스트(Cs)가 0.25 이하의 값을 갖도록 하기 위한 것으로, 이와 같이 유효 반사율을 설정한 경우 유효 반사율 90.5%를 가지는 반도체 레이저의 스펙클 콘트라스트(Cs) 값인 0.422에 비하여 크게 낮출 수 있어서, 스펙클 발생을 억제할 수 있다.

보다 바람직하게는, 상기 반도체 레이저(10)의 유효 반사율 R은 하기의 수학식 9의 조건을 만족한다.

수학식 9의 범위로 유효 반사율을 유지하는 경우, 반도체 레이저(10)의 기본적인 공진 구조를 구성하면서도, 스펙클 콘트라스트(Cs) 값이 0.2 이하가 되도록 하여 스펙클을 보다 억제할 수 있다.

상기한 바와 같이 구성된 본 발명에 따른 레이저 디스플레이 장치는 가시광선 파장 영역의 광을 조사하는 반도체 레이저의 유효 반사율 및/또는 캐비티 길이를 조절하여 코히어런스 길이(l_c)를 최적화함으로써 별도의 구성요소의 추가 없이도, 스크린 상에서의 스펙클을 억제할 수 있다는 이점이 있다.

상기한 실시예들은 예시적인 것에 불과한 것으로, 당해 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다.

따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위 내에서 정해져야만 할 것이다.

Claims

캐비티 길이 만큼 이격 배치되어 공진기를 구성하는 제1 및 제2미러를 구비하는 반도체 레이저와;

상기 반도체 레이저의 상기 제1미러를 투과하여 조사된 광을 변조하여 스크린에 영상을 제공하는 공간변조기;를 포함하는 것으로,

상기 반도체 레이저의 코히어런스 길이 l_c와 유효 반사율 R 각각이 하기의 수학식으로 정의될 때, 상기 코히어런스 길이 l_c, 상기 캐비티 길이 d 및 상기 반도체 레이저의 유효 반사율 R 각각은 하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 장치.

<수학식>

여기서, d는 상기 반도체 레이저의 캐비티 길이, R₁은 상기 제1미러의 반사율, R₂는 상기 제2미러의 반사율이다.

<조건식>

<조건식>

<조건식>

R>0.3
삭제
제1항에 있어서,

상기 반도체 레이저의 유효 반사율 R은 하기의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 장치.

<조건식>

0.3<R≤0.62
삭제
제1항 또는 제3항에 있어서,

상기 반도체 레이저는,

400nm 내지 700nm 파장 영역의 가시광선 광을 조사하는 것을 특징으로 하는 레이저 디스플레이 장치.