KR101193524B1

KR101193524B1 - 광 주사 유닛, 이를 포함하는 화상 투영 장치, 차량 헤드업 디스플레이 장치 및 휴대 전화기

Info

Publication number: KR101193524B1
Application number: KR1020117001996A
Authority: KR
Inventors: 유키코 하마노; 히로시 아키야마; 요시타카 타카하시
Original assignee: 가부시키가이샤 리코
Priority date: 2008-07-23
Filing date: 2009-06-16
Publication date: 2012-10-24
Also published as: TWI442160B; AU2009275024A1; RU2011106767A; CN102105831B; EP2300864B1; CN102105831A; JP2010049232A; RU2464603C1; US20110128602A1; JP5304380B2; EP2300864A4; AU2009275024B2; KR20110022720A; NZ589949A; BRPI0916289A2; WO2010010773A1; TW201015197A; NO20110302A1; EP2300864A1; US8810880B2

Abstract

광 주사 유닛(10)은, 광원(11)과, 광원(11)으로부터의 발산광을 투영 평면(Sc) 상에 스팟을 형성하기 위한 수렴광으로 변환하는 양의 파워를 가지는 발산광 변환 소자(12)와, 제1 주사 방향 및 제1 주사 방향에 직교하는 제2 주사 방향으로 발산광 변환 소자(12)로부터의 광을 편향시키는 광 편향기(13)와, 광 편향기(13)에 의해 편향된 광의 편향각을 변환하는 음의 파워를 가지는 편향각 변환 소자(14)를 포함하도록 구성된다.

Description

광 주사 유닛, 이를 포함하는 화상 투영 장치, 차량 헤드업 디스플레이 장치 및 휴대 전화기{OPTICAL SCAN UNIT, IMAGE PROJECTOR INCLUDING THE SAME, VEHICLE HEAD-UP DISPLAY DEVICE, AND MOBILE PHONE}

본 발명은 광 주사 유닛 및 이를 포함하는 화상 투영 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 광 편향기의 사용에 의해 광속(light beam)으로 2차원 주사함으로써 투영 평면에서 2차원 화상를 생성하며, 휴대 전화기 또는 차량 헤드업 디스플레이와 같은 소형 전자 장치에 장착되기에 적합한 화상 투영 장치에 관한 것이다.

이전에는, 광원, 조명 시스템으로부터의 광의 세기를 변조하는 공간 광 변조기, 및 공간 광 변조기로 변조된 광을 화상화하는 투영 렌즈를 포함하는 화상 투영 장치가 널리 보급되었다. 화상 투영 장치의 다운사이징에 대한 요구가 증가하여왔다.

또한, 광원, LED, 및 LD(laser diode)가 대중화됨에 따라, 화상 투영 장치를 포함하는 휴대 전화기와 같은 소형 전자 장치가 개발되어 왔다.

광 주사 유닛을 이용하는 다른 종류의 화상 투영 장치가 제안되어 왔다. 이러한 광 주사 유닛에서, 광 편향기는 스팟으로 투영 평면을 2차원적으로 주사하고 잔상 효과를 이용하여 2차원 화상을 형성하기 위하여 광원으로부터의 광속을 2차원적으로 편향한다. 이러한 광 주사 유닛은 광원으로부터의 광속을 편향시키는 광 편향기 용으로, 폴리곤 미러, 갈바노 미러, MEMS(Micro Electro Mechanical System) 기술에 의해 제조된 MEMS 장치, 또는 이와 유사한 것을 채용한다.

이러한 광 주사 유닛은 2차원 주사 때문에 투영된 화상이 다양한 종류의 변형를 가질 수 있다는 문제점을 갖는다. 이 문제를 해결하는 관점에서, 다양한 시도가 이루어졌다.

일례는, 예를 들어 일본 미심사 특허 출원 공보 No. 2006-178346(특허 문헌 1)에 개시된 바와 같이, 일정한 속도의 주사를 획득하고 화상 변형을 보정하기 위하여 회전식으로 비대칭인 형상으로의 f-arcsine θ 렌즈와 같은 광 주사 시스템이다.

다른 예는, 예를 들어 일본 미심사 특허 출원 공보 No. 2005-234157(특허 문헌 2)에 개시된 바와 같이, 사다리꼴 변형 또는 TV 왜곡을 보정하기 위하여 회전식으로 비대칭인 반사면을 갖는 광 주사 시스템이다.

또 다른 예는, 예를 들어 국제 특허 출원 공보 No. WO 2005/083493(특허 문헌 3)에 개시된 바와 같이, 주사각(scan angle)에 의해 발생되는 화상의 밝기에서의 불균일성을 보정하는 오목면을 갖는 원주형 렌즈와 같은 광 보정 시스템이다.

더 큰 2차원 화상이 장치로부터 투영 평면으로 매우 가까운 범위 내에서 형성되는 근거리 범위 투영을 수행하도록 휴대 전화기와 같은 소형 전자 장치에 장착되는 화상 투영 장치에 대한 증가하는 수요가 있다. 근거리 범위 투영은, 예를 들어 도 29에 도시된 바와 같이, 근거리 범위에서의 수직 투영(주사 광속의 진행 방향에 수직인 평면으로의)뿐만 아니라 휴대 전화기(60)가 배치되는 평면(61)에서 2차원 화상(62)을 투영하는 것을 포함한다. 휴대 전화기(60)는 초소형 투영 엔진으로서 화상 투영 장치를 포함한다. 화상 투영 장치는 양호한 2차원 화상을 평면(61)에 투영할 수 있게 하는데, 그리고 소형화의 관점에서 복잡한 구조를 갖는 종래 기술에서의 광 시스템과 다르게 상대적으로 간단한 구조를 갖는 광 시스템이 되는데 필요하다.

그러나, MEMS 장치 또는 이와 유사한 것에 포함된 광 편향기의 편향각 θ에 제한이 있다. 예를 들어, ±8도인 광 편향기의 최대 편향각(θ)에서, 광속의 주사각은 ±16도가 되어, 획득가능한 화상이 32도의 전체 화각을 갖는 화상으로 제한된다. 광 편향기를 이용하여 A4 크기의 투영 화상을 형성하기 위하여는, 소형 전자 장치는 50 cm 이상의 긴 거리를 필요로 할 것이다.

따라서, 2차원적으로 주사하는 광 주사 유닛에서 근거리 범위 투영을 획득하기 위하여는 광 편향기를 이용하여 증가된 각도로 광속을 편향시키는 것이 필수적이다.

그러나, 특허 문헌 1 및 2에 개시된 광 주사 시스템은 너무 복잡하고 큰 구조여서, 휴대 전화기와 같은 소형 전자 장치에 대하여 적합하지 않다. 이들은 크기 감소와 근거리 범위 화상 투영을 동시에 획득하는데 대하여 적합하지 않다.

또한, 특허 문헌 3에 개시된 광 주사 시스템은 균일한 밝기 분포를 획득하려는 목적으로 화상 평면(투영 평면)에서 스팟 주사 속도를 일정하게 만들도록 광의 편향각을 보정한다. 그러나, 이는 매우 가까운 범위에서의 평면 상에 큰 화상을 투영할 수 있는 컴팩트한 주사 시스템을 개시하거나 교시하지 못한다.

본 발명의 목적은 작은 편향각을 갖는 광 편향기를 이용하여 큰 주사 각도를 실현하는 광 주사 유닛과, 큰 2차원 화상을 매우 가까운 범위에서 투영할 수 있는 화상 투영 장치와, 이 화상 투영 장치를 포함하는 차량 헤드업 디스플레이 및 휴대 전화기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 양태에 따르면, 광 주사 유닛은, 광원; 상기 광원으로부터의 발산광을 투영 평면 상에 스팟을 형성하기 위한 수렴광으로 변환하는 양의 파워를 가지는 발산광 변환 소자; 제1 주사 방향 및 상기 제1 주사 방향에 직교하는 제2 주사 방향으로 상기 발산광 변환 소자로부터의 광을 편향시키는 광 편향기; 및 상기 광 편향기에 의해 편향된 광의 편향각을 변환하는 음의 파워를 가지는 편향각 변환 소자를 포함한다. 양의 파워란 평행광을 수렴광으로 변환하는 렌즈 파워를 말하며, 음의 파워란 평행광을 발산광으로 변환하는 렌즈 파워를 말한다.

상기 양태의 일 특징에서, 상기 편향각 변환 소자는 단일 렌즈로 이루어진다.

상기 양태의 다른 특징에서, 상기 편향각 변환 소자는 상이한 유리 재료로 형성되는 복수의 렌즈로 이루어진다.

상기 양태의 다른 특징에서, 상기 광 편향기는 상기 발산광 변환 소자로부터의 광을 상기 제1 주사 방향으로 편향시키는 제1 편광기부와, 상기 발산광 변환 소자로부터의 광을 상기 제2 주사 방향으로 편향시키는 제2 편광기부로 구성되고; 상기 제1 및 제2 편광기부는 통합하여 형성된다,

상기 양태의 다른 특징에서, 상기 광 편향기는 상기 제1 및 제2 편광기부에 의해 회전가능한 미러부를 포함하고, 상기 미러부의 법선 방향과 상기 광원으로부터 방출되고 상기 발산광 변환 소자를 투과하는 광의 진행 방향 사이의 입사각은 상기 제1 및 제2 주사 방향으로 45도 이하가 되도록 설정된다.

상기 양태의 다른 특징에서, 상기 광 주사 유닛은 상기 광원으로부터 방출되고 상기 발산광 변환 소자를 투과하는 광의 진행 방향을 상기 제1 및 제2 주사 방향으로의 기준 위치에서 상기 미러부의 법선 방향과 일치시키기 위한 상기 광 편향기와 상기 편향각 변환 소자 사이의 빔 스플리터를 더 포함하고, 상기 광 편향기는 상기 제1 및 제2 편향기부에 의해 회전가능한 미러부를 포함한다.

상기 양태의 다른 특징에서, 상기 광 편향기는 상기 제1 및 제2 주사 방향으로 지지 샤프트 주위로 왕복 이동하는 광 진동 소자로 구성된다. 또한, 기준 광축이 상기 광 진동 소자가 기준 위치에 있을 때 상기 광 진동 소자에 의해 편향된 광의 진행 방향이고, 편향각(θ)이 상기 광 편향기에 의해 편향된 진행하는 광의 상기 기준 광축에 대한 각도이고, 주사각(α)이 상기 편향각 변환 소자에 의해 변환된 진행하는 광의 상기 기준 광축에 대한 각도인 경우에, 상기 편향각 변환 소자는 기준 광축에 통과한 입사광의 편향각을 θ = α를 만족하도록 변환하고, 상기 기준 광축에 통과하지 않은 입사광의 편향각을 θ < α을 만족하도록 변환한다.

상기 양태의 다른 특징에서, 상기 발산광 변환 소자와 상기 편향각 변환 소자는 회전 대칭 렌즈이다.

상기 양태의 다른 특징에서, 상기 편향각 변환 소자는 회전 비대칭 렌즈이다.

상기 양태의 다른 특징에서, 상기 편향각 변환 소자의 적어도 한 면은 비구면 형상으로 형성된다.

상기 양태의 다른 특징에서, 상기 광 편향기로부터 상기 편향각 변환 소자로의 광축 방향은 상기 광 편향기에 의해 상기 제1 및 제2 주사 방향으로 편향되고 상기 편향각 변환 소자를 통해 방출된 광으로 2차원으로 주사되는 투영 평면에 대하여 경사진다.

본 발명의 다른 양태에 따르면, 화상 투영 장치는 전술한 광 주사 유닛과, 상기 광 주사 유닛을 제어하는 제어 유닛을 포함하고, 상기 제어 유닛은, 상기 광원의 발광을 제어하는 광원 제어 회로, 상기 광 편향기의 편향각을 제어하는 편향각 제어 회로, 및 획득된 화상 데이터를 적절히 보정하고 상기 편향각 제어 회로와 상기 광원 제어 회로에 보정된 화상 데이터를 출력하는 화상 처리 회로를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 차량 헤드업 디스플레이 장치는 전술한 화상 투영 장치를 포함한다.

본 발명의 또 다른 양태에 따르면, 휴대 전화기는 전술한 화상 투영 장치를 포함한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 화상 투영 장치의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 2는 광 편향기의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 3a는 기준 광축(Lb)을 따른 수렴광을 도시하고, 도 3b는 수렴광이 편향각 변환 소자를 투과할 때 기준 광축(Lb)에 대하여 경사각(편향각(θ))을 갖는 수렴광을 도시한다.
도 4a 내지 4c는 편향각 변환 소자를 이용하여, 그리고 편향각 변환 소자 없이 측정된 값을 나타내는 그래프이며, 도 4a는 주사각(편향각)에서의 변화를 도시하고, 도 4b는 주사 속도에서의 변화를 도시하고, 도 4c는 정규화된 최대값에 의해 도 4b로부터 얻어진 주사 속도에서의 변화를 도시한다.
도 5a는 편향각 변환 소자의 광축으로부터의 반경에 대한 입사면에서의 새그(sag)량 및 새그 변화량을 도시하는 그래프이고, 도 5b는 출사면에서의 새그 및 새그 변화량을 도시하는 그래프이다.
도 6은 도 1과 상이한 반사 부재를 갖는 화상 투영 장치를 개략적으로 도시한다.
도 7은 도 1 및 6과 상이한 반사 부재를 갖는 화상 투영 장치를 개략적으로 도시한다.
도 8은 제2 실시예에 따른 화상 투영 장치를 개략적으로 도시한다.
도 9은 제3 실시예에 따른 화상 투영 장치를 개략적으로 도시한다.
도 10은 투영 평면에서의 컬러 화상에서의 열화 및 그 보정을 도시한다.
도 11은 제4 실시예에 따른 차량 헤드업 디스플레이 장치를 개략적으로 도시한다.
도 12는 미러부에서의 빔 크기 및 발산광 변환 소자 사이의 관계를 나타낸다.
도 13은 최적 설계된 광 시스템(광 주사 유닛)의 사용에 의한 시뮬레이션에서 얻어진 광로를 도시한다.
도 14는 제1 실시예에 따른 화상 투영 장치의 변형예의 광 주사 유닛에 대한 구조를 개략적으로 도시한다.
도 15a 내지 15f는 각각 0, 15, 30, 45, 60, 75의 입사각(φ)에서의 화상 투영 장치의 변형예에 의해 형성된 스크린 상에서의 스팟을 도시한다.
도 16은 도 15a 내지 15f에서의 스팟이 어떻게 형성되는지 도시한다.
도 17은 제2 실시예에 따른 화상 투영 장치의 변형예의 광 주사 유닛에 대한 구조를 개략적으로 도시한다.
도 18은 제2 실시예에 따른 화상 투영 장치(광 주사 유닛)의 변형예의 제1 발산광 변환 소자의 단면도이다.
도 19는 제2 실시예에 따른 화상 투영 장치(광 주사 유닛)의 변형예의 제2 발산광 변환 소자의 단면도이다.
도 20은 제2 실시예에 따른 화상 투영 장치(광 주사 유닛)의 변형예의 광로 합성 유닛의 단면도이다.
도 21은 제2 실시예에 따른 화상 투영 장치(광 주사 유닛)의 변형예의 초점 렌즈의 단면도이다.
도 22는 제2 실시예에 따른 화상 투영 장치(광 주사 유닛)의 변형예의 편향각 변환 소자의 단면도이다.
도 23은 제5 실시예에 따른 화상 투영 장치의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 24는 제5 실시예에 따른 화상 투영 장치와 비교하기 위한 다른 화상 주사 유닛을 개략적으로 도시한다
도 25a, 25b는 광 편향기가 제5 실시예에 따른 광 주사 유닛 및 도 24에서의 광 주사 유닛에 의해 X 축 주위로 5도만큼 회전될 때 화상 평면에서의 스팟 다이어그램을 각각 도시한다.
도 26은 제5 실시예에 따른 화상 투영 장치의 변형예의 광 주사 유닛의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 27a는 제5 실시예에 따른 광 주사 유닛의 변형예에서 광 편향기가 0도(진폭 = 0) 만큼 회전된 기준 위치(고정 위치)에 있을 때의 화상 평면에서의 스팟 다이어그램을 도시하고, 도 27b는 제5 실시예에 따른 광 주사 유닛의 변형예에서 광 편향기가 15도(진폭 = 15) 만큼 회전될 때의 화상 평면에서의 스팟 다이어그램을 도시한다.
도 28a는 제6 실시예에 따른 휴대 전화기의 평면상의 측면도이고 도 28b는 도 28a에서의 화살표 A로부터 본 휴대 전화기를 도시한다.
도 29는 화상 투영 장치를 포함하는 휴대 전화기의 일례를 도시한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들이 상세하게 설명될 것이다.

[제1 실시예 ]

도 1은 제1 실시예에 따른 화상 투영 장치(1)를 개략적으로 도시하며, 도 2는 광 편향기(13)의 구조를 개략적으로 도시한다. 도 1에서, 광 편향기(13)에 의해 편향된 주 광선(principal ray)과 기준 광축(Lb) 사이의 각도는 편향각(θ)으로 정의되며, 편향각 변환 소자(14)를 투과한 주 광선과 기준 광축(Lb) 사이의 각도는 주사각(α)으로 정의된다. 기준 광축은, 후술되는 바와 같이, 광 편향기(13)가 기준 위치(고정 위치: θ = α = 0)에 있을 때 광 편향기(13)에 의해 편향된(반사된) 주 광선의 진행 방향을 말한다.

제1 실시예에서, 화상 투영 장치(1)는 광 주사 유닛(10)과 제어 유닛(20)을 포함한다. 광 주사 유닛(10)은 스크린(Sc) 상에 화상을 투영하기 위한 광 투영 시스템을 구성하는 광원(11), 발산광 변환 소자(커플링 렌즈)(12), 광 편향기(13)(광 진동 소자), 및 편향각 변환 소자(14)를 주로 포함한다.

광원(11)은 본 발명에서 638 nm의 중심 파장을 갖는 적색 광속을 방출하는 반도체 레이저와 같은 단색 광원이다. 광원(11)과 광 편향기(13)는, 후술되는 바와 같이, 방출하기 위하여 제어 유닛(20)에 의해 제어된다.

발산광 변환 소자(12)는 광원(11)으로부터 방출되는 발산광(이하 광속(P)이라 한다)을 수렴광으로 변환하도록 양의 파워를 갖도록 구성된다. 즉, 발산광 변환 소자(12)는 스크린(Sc) 상에서 미리 정해진 크기의 스팟(S)을 형성하도록 광원(11)으로부터의 광속(P)의 발산각을 수렴각으로 변환한다.

광 편향기(13)는, 주사를 위하여, 발산광 변환 소자(12)로부터의 수렴광으로서의 광속(P)을 서로 2차원적으로 직교하는 제1 및 제2 주사 방향으로 편향시킨다. 제1 및 제2 주사 방향은 투영 평면(스크린(Sc))에 포함되며, 도 1에서 이들은 도면에 직교하는 방향(화살표 x 참조)과, 정면으로부터 보이는 수직 방향(화살표 y 참조)이다.

도 2에서, 광 편향기(13)는 직사각형의 외부 프레임(13a)(제1 편향기부), 외부 프레임(13a) 내부에 배치된 직사각형의 내부 프레임(13b)(제1 편향기부), 및 내부 프레임(13b) 내부에 배치된 이동가능한 직사각형의 미러부(13c)를 주로 포함한다. 미러부(13c)는 광속을 반사하는 미러면을 포함하며, 한 쌍의 지지 샤프트(13d)를 통해 내부 프레임(13b)에 의해 회전가능하게 지지된다. 내부 프레임(13b)은 지지 샤프트(13d)에 대하여 직교하여 연장하는 한 쌍의 지지 샤프트(13e)를 통해 외부 프레임(13a)에 의해 회전가능하게 지지된다. 따라서, 예를 들어, 미러부(13c)는 한쌍의 지지 샤프트(13d) 주위로 수평 방향으로 회전되고, 내부 프레임(13b)은 한 쌍의 샤프트(13e) 주위로 수직 방향으로 회전된다. 회전 방향 중 하나는 제1 주사 방향이며, 다른 하나는 제2 주사 방향이다.

이러한 광 편향기(13)는 실리콘 크리스탈로 이루어진 공지된 MEMS 미러를 포함할 수 있다. 예를 들어, MEMS 미러에서, 미러부(13c)와 내부 프레임(13b)은 에칭에 의해 실리콘 크리스탈 기판의 하부 위에 형성된다.

MEMS 미러에서, 도시되지 않은 2개의 전극이 미러부(13c)의 오른쪽 및 왼쪽 부분에 대응하는 미러부의 하부 기판에 형성된다. 미러부(13c)의 전극과 하부 기판 상의 2개의 전극 사이에 전압을 인가함으로써, 정전기력이 한 쌍의 지지 샤프트(13d)에 작용하여 미러부(13c)를 경사지게 한다.

또한, MEMS 미러에서, 도시되지 않은 2개의 전극이 내부 프레임(13b)의 상부 및 하부에 대응하는 내부 프레임(13b)의 하부 기판에 형성된다. 내부 프레임(13b)의 전극과 하부 기판의 2개의 전극 사이에 전압을 인가함으로써, 정전기력이 한 쌍의 내부 샤프트(13e)에 작용하여 내부 프레임(13b)을 경사지게 한다.

미러부(13c)는 그 배면에 자기 소자를 포함하여 하부 기판 상의 코일로부터의 자력에 의해 경사지도록 구성될 수 있거나, 또는 압전 소자의 변형력에 의해 경사지도록 구성될 수 있다. 이는, 제1 실시예에 한정되어서는 안된다.

MEMS 미러와 같은 것으로 광속을 고속으로 편향하기 위하여, 미러부(13c)는 대략 공진점에서 구동될 필요가 있다. 이 때문에, 미러부(13c)의 편향각 또는 입사각은 시간에 대하여 사인파 형태로 변경되어야만 한다. 미러부(13c)는 대략 1 mm의 크기로 극히 작으며, 그 1차(primary) 공진 주파수는 한 쌍의 지지 샤프트(13d)의 두께 또는 폭(디자인)에 따라 변형 방향으로 증가될 수 있도록 그 회전 모멘트는 매우 작다. 지지 샤프트(13d) 주위로(수평 방향) 높은 1차 공진 주파수를 용이하게 획득하는 것이 가능하다. 본 실시예에서, 지지 샤프트(13d) 주위의 회전 또는 수평 주사는 고속 주사 방향(주 주사 방향)으로 설정되며, 지지 샤프트(13e) 주위의 회전 또는 수직 주사는 부 주사 방향으로 설정된다.

불균일한 구동력, 공기 저항 등 때문에, 일반적인 구동 기술에 의해 미러부(13c)의 진폭에서 증가를 달성하고 그 운동을 안정화하는 것은 어렵다. 그러나, 본 실시예에 따른 MEMS 미러는, 미러부(13c)가 1차 공진 주파수 근처에서 구동되기 때문에, 전체 스크린(Sc)을 주사하기에 충분히 큰 진폭으로 안정적으로 움직일 수 있다. 또한, 매우 가까운 범위의 투영을 획득하는 목적으로, 미러부(13c)의 회전/진동에 직교하는 (지지 샤프트(13e) 주위로의) 방향에서 회전하는/진동하는 내부 프레임(13b)의 진폭을 증가시키는 것이 필수적이다. 그러나, 부 주사 방향이기 때문에, 내부 프레임(13b)은 초당 화상 프레임의 수에 의존하는 낮은 주파수(예를 들어, 초당 30, 60 또는 120 프레임의 화상 생성을 위한 30, 60 또는 120Hz)에서 부 주사 방향으로 구동되어야만 한다. 내부 프레임(13b)rjl 지지 샤프트(13e) 사이의 공진에 의해 낮은 주파수에서 내부 프레임(13b)을 구동하기 위하여는, 회전축으로서 매우 얇은 지지 샤프트(13e)를 형성하는 것이 필수적이지만, 얇은 샤프트가 충분한 충격 저항을 가질 수 없고 쉽게 파손될 수 있기 때문에 실용적이지 않다. 지지 샤프트(13e)의 두께를 증가시키기 위하여, 지지 샤프트(13e) 주위의 회전(진동)의 공진 주파수(A)는 높은 값으로 설정되어야 한다. 내부 프레임(13b)의 공진 주파수(B)가 낮은 값으로 설정되고 공진 주파수(A, B)가 서로 일치하지 않기 때문에, 공진은 여기에서 활용될 수 없다. 결론적으로, 원하는 진폭의 미러부(13c)를 얻기 위하여는 더 큰 파워를 사용하는 것이 필수적이다. 부 주사 방향으로의 공진으로 미러부를 구동하기 위하여, 2축 주사(예를 들어, 일본 심사 특허 출원 공보 No. 2005-5262899호에 개시된 바와 같은)는 래스터(raster) 주사 대신에 화상을 생성하는 좋은 방법일 수 있다. 2축 주사에 의해, 미러부(13c)는 주 및 부 주사 방향 모두에서 높은 진폭을 갖는 공진 진동으로 구동될 수 있어, 적은 파워로 근거리 범위 투영을 가능하게 한다.

상술한 MEMS 미러로 구성되는 광 편광기(13)에 의해 편향되고 발산광 변환 소자(12)를 투과하는 수렴광은 2차원으로 직교하는 방향, 즉, 제1 주사(수평) 방향 및 제2 주사(수직) 방향으로 스위핑된다.

제1 실시예에서, 제1 및 제2 편향기부는 통합하여 형성된다; 그러나, 이들은 독립적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 단일 축 회전 소자로서 2개의 MEMS 센서가 사용될 수 있거나, 평면 미러가 스테핑 모터의 출력 샤프트에 부착되어 일정한 각속도로 회전될 수 있다.

또한, 광 편향기는 2차원 주사용으로 구성된다; 그러나, 1차원 주사용으로 구성될 수 있다.

상기 광 투영 시스템에 관하여 해결되어야하는 다른 문제는 매우 가까운 범위에서 스크린(Sc)에 큰 화상을 투영하기 위하여, 미러부(13c)의 진폭은 더 증가될 필요가 있다는 것이다.

그러나, 증가된 진폭으로는, 불균일한 구동력 또는 공기 저항 때문에, 미러부(13c)는 안정적으로 구동할 수 없다. 제1 위치에서 큰 진폭을 달성하기에 충분히 큰 구동력을 생성하는 것은 어렵다. 구체적으로는, 공진 주파수가 더 높을수록, 큰 진폭을 얻기는 더 어렵다. 이 문제를 해결하기 위하여, 미러부(13)의 무게는 그 두께를 얇게 하거나 그 크기를 감소시킴으로써 감소될 수 있다.

그러나, 미러부(13c)를 얇게하거나 그 크기를 감소시키는 것으로부터 문제가 발생한다. 얇아진 미러부(13c)로, 변형량이 증가되어 광 편향기(13)의 파손을 야기할 수 있으며, 또는 변형된 미러부(13c)로 광을 반사시키는 것이 광 수차를 증가시켜, 스크린(Sc)에서 스팟(S)의 안정적인 생성을 방해하고, 투영된 화상의 해상도를 감소시킬 수 있다. 한편, 크기가 감소된 미러부(13c)로, 발산광 변환 소자(12)는 미러부(13c)에서 더 작은 빔 크기로 수렴광의 초점을 맞추는데 필요하며, 더 작은 빔 크기를 획득하기 위하여는 부품의 조립 및 제조의 정밀도가 개선될 필요가 있다. 그러나, 발산광 변환 소자(12)의 NA(numerial aperture)는 전술한 바와 같이 광원(11)으로부터의 광속(P)에 기초하여 스크린(Sc) 상에 미리 정해진 크기의 스팟(S)을 형성하도록 결정되기 때문에, 발산광 변환 소자(12)로부터 미러부(13c)(광 편향기(13))까지의 거리(광로)는 미러부(13c)상에서 빔 크기를 감소시키기 위하여 도 12에 도시된 바와 같이 길어져야 한다. 이것은 전체 광 시스템의 크기 감소를 방해할 것이다. 대조적으로, 2개의 사이의 거리가 짧은 값일 때, 발산광 변환 소자(12)로부터의 광속의 빔 크기는 미러부(13c)의 유효 반사면보다 더 클 것이다. 광원(11)으로부터의 광속의 효율적인 사용이 방해될 수 있다.

전술한 문제점을 고려하여, 미러부(13c)의 진폭은 본 실시예에서 ±7.5도로 설정된다. 다른 말로 하면, 광 편향기(13)에 의해 편향된 광속(P)의 편향각(θ)의 최대값은 ±15이다. 광 편향기(13)만을 사용하여(편향각 변환 소자(14) 없이), 예를 들어, A4 크기(210 mm × 297 mm)의 2차원 화상을 얻기 위하여 대략 560 mm의 투영 범위가 필요하며, 14인치 크기의 2차원 화상을 얻기 위하여 대략 500 mm의 투영 범위가 필요할 것이다. 이것들은 모두 큰 거리이다. 따라서, 광 편향기(13)만으로는, 화상 투영 장치는 매우 가까운 범위의 투영에서 화상을 투영할 수 없다.

본 실시예의 화상 투영 장치(1)에 따라, 편향각 변환 소자(14)와 발산광 변환 소자(12)는, 광 편향기(13)의 미러부(13c)의 크기, 치수 및 진폭을 고려하여 최적으로 설계된다. 편향각 변환 소자(14)는 광 편향기(13)에 의해 편향된 광속의 편향각(θ)을 편향각(θ)보다 더 큰 주사각(α)으로 변환하는 편향각 변환 소자가 되도록 구성된다. 본 실시예에서, 편향각 변환 소자(14)는 예를 들어 단일 유리 재료로 이루어진 단일 렌즈이다. 도 13은 최적으로 설계된 광 시스템(광 주사 유닛(10))의 사용에 의한 시뮬레이션에서 얻어진 광로를 도시한다. 도 13은 광원(11)으로부터 편향각 변환 소자(14)로의 광 시스템의 선형으로 배열된 부품 사이에서의 광로와, 미러부(13c)가 미리 정해진 각도로 경사질 때의 시뮬레이션 결과로서의 광로를 개략적으로 도시한다. 이 시뮬레이션에서, 530 nm의 파장을 갖는 광속이 광원(11)으로부터 방출된다고 가정된다.

제1 실시예에서(도 13의 시뮬레이션에서도), 발산광 변환 소자(12)의 초점 길이(focal length)는 3.91 mm로 설정되고, 광원(11)으로부터 발산광 변환 소자(12)의 제1 면(광원(11)에 대향하는)은 3 mm로 설정된다. 그 중심 두께는 2.4 mm이고, 굴절률(n_CL)이 1.5196인 유리 재료로 이루어진다. 발산광 변환 소자(12)의 제2 면으로부터 광 편향기(13)의 반사면까지의 거리는 18.354 mm로 설정되며, 광 편향기(13)의 반사면을부터 편향각 변환 소자(14)의 제1 면까지의 거리는 8 mm로 설정된다. 편향각 변환 소자(14)는 3 mm의 중심 두께를 가지며, 굴절률(n_EXP)이 1.5196인 유리 재료로 이루어진다. 이 광 시스템(광 주사 유닛(10))은 편향각 변환 소자(14)의 제2 면으로부터 200 mm 떨어진 위치에 광원(11)으로부터의 광의 초점을 맞추도록 설계된다.

발산광 변환 소자(12)의 렌즈면 모두는 비구면이다. 그 비구면 형상은 광원(11)으로부터 광 편향기(13)로의 광의 광축 방향이 Z 축 방향이고, 렌즈면의 정점(Q1, Q2)이 원점인 직교 좌표계에서 광축 방향으로의 렌즈면의 거리(z)와 반지름(h) 사이의 관계에 기초하여 다음의 수학식 1로 표현된다.

여기에서, c는 근축 곡률(paraxial curvature)(c = 1/r, r은 곡률 반지름)이고, k는 원추 상수이고, A, B, C, D, E, F, G ...는 비구면 계수이더. "SQRT(Q)"는 수학식 1에서 Q의 제곱근을 나타낸다는 것에 유의하라.

아래의 표 1은 발산광 변환 소자(12)의 해당 표면에서의 데이터를 나타낸다. 표 1에서, "E-0n"는 10^-n을 나타낸다.

	제1 면	제2 면
r	11.305091	-2.298941
k	0	0
A	-1.44724E-02	4.64187E-03
B	-1.31006E-04	4.18303E-04
C	1.27580E-04	6.37029E-05
D	4.06654E-05	2.07440E-05

발산광 변환 소자(12)로부터의 수렴광은 광 편향기(13)를 통하여 편향각 변환 소자(14)로 향하게 된다. 도 3a 내지 3c는 광 편향기(13)에 의해 편향된 수렴광이 어떻게 편향각 변환 소자(14)를 투과하는지를 도시한다. 도 3a에서, 수렴광은 기준 광축(Lb)을 따라 진행하고, 도 3b에서, 수렴광은 기준 광축(Lb)에 대하여 소정의 각도(편향각(θ))로 경사진다. 도 3a 및 3b에서, 도면 부호 14a, 14b는 편향각 변환 소자(14)의 입사면과 출사면을 각각 나타내며, 이들은 후술된다.

편향각 변환 소자(14)는 음의 파워를 가지고 발산광 변환 소자(12)로부터의 수렴 광속을 더 약한 수렴 광속으로 변환하여 스크린(Sc) 상에서 그것의 초점을 맞추도록(빔 크기를 미리 정해진 빔 크기보다 더 작게 감소시키도록) 구성된다. 또한, 편향각 변환 소자(14)는, 도 3b에 도시된 바와 같이, 편향각(θ)을 갖는 입사광을 기준 광축에 대한 각도인 주사각(α)을 갖는 출사 광속으로 변환한다. 제1 실시예에서, 편향각 변환 소자(14)의 설계와 배치는 광속이 기준 광축(Lb) 상에 입사할 때 편향각(θ) = 주사각(α)을 만족하고, 광속이 기준 광축(Lb) 상에 입사하지 않을 때 편향각(θ) < 주사각(α)을 만족하도록 결정된다. 또한, 편향각 변환 소자(14)는, 10도의 편향각(θ)를 갖는 입사 광속을 20도의 주사각(α)을 갖는 출사 광속으로 변환하고, 15도의 최대 편향각(θ)을 갖는 입사 광속을 31.3도의 주사각(α)을 갖는 것으로 변환하도록 설계되고 배치된다. 즉, 광속의 크기를 거의 두 배로 한다. 최대 진폭이 ±7.5도로 설정된 광 편향기(13)의 미러부(13c)에 의해 광속이 편향되기 때문에 입사 광속의 최대 편향각(θ)은 ±15도이다.

편향각 변환 소자(14)는 비구면인 제1 면(광 편향기(13)의 측에서의)과 구면인 제2 면을 포함한다. 그 비구면 형상은 제1 및 제2 면의 정점(Q1', Q2')을 연결하는 직선 또는 광원(11)으로부터 스크린(Sc)으로의 광축 방향이 Z 축 방향인 직교 좌표계에서의 광축 방향으로의 렌즈면의 거리(z)와 반지름(h) 사이의 관계에 기초하여 전술한 수학식 1에 의해 표현된다. 제1 및 제2 렌즈면에서의 데이터는 다음의 표 2에서 나타낸다.

	제1 면	제2 면
r	-6.267876	19.975324
k	0	0
A	8.87931E-04	0
B	-2.92949E-04	0
C	6.96796E-05	0
D	-6.36735E-06	0

제1 실시예에서, 편향각 변환 소자(14)는 비구면의 제1 면과 구면의 제2 면을 포함하도록 구성된다; 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 제1 면 및 제2 면 모두 비구면이 될 수 있으며, 또는 이들은 스크린(Sc) 상에서의 스팟의 필요한 레벨 또는 투영된 화상에 따라 구면일 수 있다.

편향각 변환 소자(14)와 발산광 변환 소자(12)의 렌즈면은 회전 대칭 형상으로 형성된다. 이 때문에, 양 소자는 용이하게 기계 가공될 수 있다. 더하여, 제조상의 오차 또는 조정 오차가 큰 값으로 설정되기 때문에, 용이하게 조립될 수 있다. 편향각 변환 소자(14)와 발산광 변환 소자(12)의 렌즈면들 중에서, 광이 투과하는 단지 하나(Ie)만이 회전 대칭이어야 한다. 이들이 수지 재료 또는 이와 유사한 것으로 이루어질 때, 그 전체 외부 형상은, 도 3c에 도시된 바와 같이, 조립, 조정 또는 그 밖의 것을 고려하여 회전 대칭일 수 있다.

도 4a 내지 4c를 참조하여, 편향각 변환 소자(14)의 효과가 설명된다. 도 4a 내지 4c는 편향각 변환 소자(14)를 이용하여, 그리고 편향각 변환 소자(14)를 이용하지 않고서 측정된 값의 그래프이다. 도 4a 내지 4c에서, 기호 Ci는 편향각 변환 소자(14)를 이용한 주사각의 특성 곡선이며, 기호 Ct는 편향각 변환 소자(14)를 이용하지 않은 주사각의 특성 곡선이다. 또한, 도면에서, 수평축은 시간을 나타내며, 최대값이 편향각(θ) 또는 주사각(α)이 최대 진폭(공진 사이클의 절반 또는 1/4 사이클)에 도달하는 시간이고 1과 -1로 정규화되는 시간축에서 미러부(13c)의 중심각이 0으로 된다. 도 4a에서, 수직축은 주사각(α)(또는 편향각 변환 소자(14)가 없는 경우의 편향각(θ))을 나타내고, 기호 Ci1, Ct1은 주사각(α)의 특성 곡선을 나타낸다. 도 4b에서, 수직축은 광속(P)의 (스크린(Sc) 상에서의 스팟(S)의) 주사 속도를 나타내고, 기호 Ci2, Ct2는 주사 속도의 특성 곡선을 나타낸다. 도 4c는 도 4b에 기초하고, 수직축은 최대값에 의해 정규화된 광속(P)의 주사 속도를 나타내고, 특성값 Ci3, Ct3은 실질적으로 Ci2, Ct2와 같다. MEMS 미러(광 편향기(13)의 미러부(13c))는 전술한 바와 같이 -7.5 내지 +7.5도의 각도 범위 내에서 회전되어, 편향각(θ)은 -15도 내지 +15도 사이에서 변경된다.

도 4a, 및 도 13에서의 시뮬레이션 결과로부터 분명한 바와 같이, 편향각 변환 소자(14)가 이용될 때의 주사각(α)(곡선 Ci1)은 그것이 사용되지 않을 때의 주사각(곡선 Ci2)보다 더 크다. 편향각 변환 소자(14)를 이용하여, ±7.5도인 미러부(13c)의 최대 진폭에서, 주사각(α)은 최대로 대략 ±30도(곡선 Ci1)이고, A4 크기 화상을 형성하기 위한 화상 투영 장치로부터 스크린(Sc)까지의 필요 거리는 대략 240 mm가 되어, 매우 가까운 범위에서의 투영을 실현시킨다. 대조적으로, 편향각 변환 소자(14)를 이용하지 않을 때, 주사각(α)은 최대로 ±15도(곡선 Ct1)인 편향각(θ)과 동일하여, 필요 거리는 대략 560 mm가 될 것이다.

도 4b, 4c로부터 분명한 바와 같이, 주사 속도는 시간축에서 0에서, 즉 주사각(α)(편향각(θ))가 0인 때에, 가장 빠르며, 편향각 변환 소자(14)의 사용에 관계 없이 주사각이 증가함에 따라 감소한다. 특성 곡선 Ci2, Ci3(편향각 변환 소자(14)를 사용하는 경우)를 Ct2, Ct3(편향각 변환 소자(14)를 사용하지 않는 경우)와 각각 비교하면, Ci2, Ci3는 Ct2, Ct3보다 주사 속도에서의 동일한 변동량에 대하여 더 많은 시간이 걸린다는 것을 보여주며, 그것은 Ci2, Ci3에서의 주사 속도는 Ct2, Ct3에서 보다도 더 긴 시간에서 일정한 것으로 고려된다. 편향각 변환 소자(14)를 이용하는 경우, 주사 속도에서의 변동이 작은 시간 범위는 편향각 변환 소자(14)가 없는 경우보다도 더 크며, 정속도가 그 시간 범위에서 획득된다. 따라서, 편향각 변환 소자(14)를 이용하는 경우, 화상 변형을 보상하고, 광속의 조도(illuminance)를 균일하게 하고, 화상의 밝기에서의 불균일을 감소시키는 것이 가능하다.

다음으로, 편향각 변환 소자(14)의 입사면(14a)과 출사면(14b)의 형상이 설명된다. 입사면(14a)과 출사면(14b)은 광축 주위로 회전 대칭이 되도록 형성된다. 도 5a, 5b는 수직축에서의 새그(sag)량(mm)(특성 곡선 Cs) 및 새그량에서의 변동(㎛)(특성 곡선 Ca)을 도시하고 수평축에서의 편향각 변환 소자(14)의 광축으로부터의 반경(mm)을 도시하는 그래프이다. 도 5a는 입사면(14a)의 특성을 도시하며, 도 5b는 출사면(14b)의 특성을 도시한다. 새그량은, 광축 방향이 z-축 방향이고 z-축 방향으로의 광축에서의 좌표가 0일 때, 반경 위치에서의 해당하는 면 상에서의 z 좌표(입사측: +, 출사측:-)를 말한다는 것에 유의하라. 또한, 변동량은 반경 방향으로의 단위 변동량에 대한 새그량에서의 변동을 말하며, 반경 방향으로의 특성 곡선 Cs의 1차 미분량이다.

도 5a, 5b는 변동량(절대값)은 광축으로부터 입사면(14a)과 출사면(14b)의 주변으로 증가한다는 것을 보여준다. 광축으로부터 주변으로 변동량이 증가하는 형상으로 입사면(14a)을 형성하는 것은 입사 위치가 광축으로부터 주변으로 멀어짐에 따라 더 큰 주사각(α)으로 편향각 변환 소자(14)가 광속을 방출하게 하는 것을 가능하게 한다. 더하여, 입사면(14a)이 비구면이 되게 형성함으로써, 스크린(Sc) 상에서의 스팟(S)의 크기가 감소될 수 있다. 이것은, 출사면(14b)에서도 마찬가지이며, 전술한 방법으로 형성된 출사면(14b)은 동일한 효과를 획득할 수 있다. 제1 실시예에서 편향각 변환 소자(14)를 이용하는 경우, 스팟(S)의 크기는 1 mm 이하일 수 있다. 그러나, 예를 들어 평탄한 렌즈면을 갖는 것을 이용하는 경우, 스팟(S)의 크기는 3 mm 이상일 수 있으며, 투영된 화상은 스크린(Sc) 상에서 흐려질 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 제어 유닛(20)은 편향각 제어 회로로서의 광 편향기 제어 유닛(21)과, 광원 제어 유닛으로서의 발광량 제어 유닛(22)을 포함한다. 제어 유닛(20)은 원 화상 신호(23)로서 화소 위치 (i, j)에서의 화상 데이터인 화상 데이터 G(i,j)를 공급받는다. 제어 유닛(20)에서, 광 편향기 제어 유닛(21)은 동기 검출을 위하여 미러 위치 신호(Mp)에 따라 광 편향기(13)을 알맞게 제어하며, 발광량 제어 유닛(22)은 화상 데이터 G(i, j)와 미러 위치 신호(Mp)에 따라 광원(11)을 제어한다. 광 편향기 제어 유닛(21)은 회전 제어 신호(Wc)를 출력함으로써 광 편향기(13)를 제어하며, 발광량 제어 유닛(22)은 발광 제어 신호(Lc)를 출력함으로써 광원(11)을 제어한다. 미러 위치 신호(Mp)는 광 편향기(13)으로부터 출력된 신호이며, 도 1에서 진동하는 미러부(13c)의 변위를 나타낸다. 광 편향기(13)가 전자기 액추에이터에 의해 구동될 때, 미러 위치 신호(Mp)는 미러 진동에 기인하는 역 EMF를 검출함으로써 획득된다. 광 편향기(13)가 피에조 액추에이터에 의해 구동될 때, 미러 위치 신호(Mp)는 피에조에서 생성되는 역 EMF를 검출함으로써 획득된다. 또한, 미러부(13c)에 의해 편향된 광속을 수광하기 위하여 적절한 위치에서 수광 소자(28)를 제공하여, 도 7에 도시된 바와 같이, 미러 위치 신호(Mp)는 미러부(13c)의 변위에 관련된 수광 소자(28)로부터의 신호를 이용하여 획득될 수 있다. 또한, 도면에서는 도시되지 않았지만, 변위를 가지고 가변하는 정전 커패시턴스를 검출하기 위하여 변위에 의해 영향을 받지 않는 미리 정해진 위치뿐만 아니라, 변위하는 부분(여기서는 미러부(13c))에 전극이 제공될 수 있다. 제1 실시예에서, 발광량 제어 유닛(22)은 광 편향기 제어 유닛(21)에 의한 광 편향기(13)에 대한 제어에 따라 광원(11)을 제어한다.

예를 들어, 스크린(Sc)에서 수평 방향으로 i번째, 수직 방향으로 j번째 픽셀을 투영하기 위하여, 미러부(13c)가 픽셀 위치 (i, j)에 대응하는 위치 (i', j')에서 스크린(Sc) 상에 스팟(S)을 형성하도록 경사질 때, 화상 데이터 G(i, j)에 대한 양으로 광속을 방출하도록, 발광량 제어 유닛(22)은 발광량 제어 신호를 광원(11)에 출력한다. 스테핑 모터 등에 의해 비공진식으로 구동될 수 있는 광 편향기를 이용하여, 광 편광기 제어 유닛(21)은 픽셀 위치 (i, j)에 대응하는 위치 (i', j')에서 스크린(Sc) 상에 스팟(S)을 형성하도록 구동 제어 신호를 발광량 제어 신호에 동기하여 광 편광기에 출력한다.

따라서, 광원(11)은 발산광을 수렴광으로 변환하는 발산광 변환 소자(12)로 화상 데이터 G(i, j)에 대한 양으로 발산 광속을 방출하고, 이를 광 편광기(13)로 방출한다.

픽셀 위치에 따른 위치 (i', j')에서 스크린(Sc) 상에 스팟(S)을 형성하기 위하여 적합한 각도로 있는 미러부(13c)에 의해 수렴광은 수평 및 수직 방향으로 편향각 변환 소자(14)로 편향된다. 편향각 변환 소자(14)는 입사 수렴광의 편향각(θ)를 주사각(α)으로 변환하고, 이를 투영 평면으로서의 스크린(Sc)에 방출한다. 이것은 스크린(Sc)에서의 위치 (i', j')에서 스팟(S)을 형성한다. 전술한 동작은 원 화상 신호(23)에서의 모든 화상 데이터 G(i, j)에 기초한 주사 순서로 순차적으로 수행되어, 이에 의해 2차원의 원 화상 데이터에 관련하여 스크린(Sc) 상에 2차원 화상을 생성한다.

전술한 바와 같이, 편향각 변환 소자(14)를 이용하여, 광 주사 유닛(10)(화상 투영 장치(1))는 광 편향기(13)의 편향각이 작을 때에도 큰 주사각을 얻을 수 있으며, 근거리 범위에서 투영 평면(스크린(Sc)) 상에 큰 화상을 투영할 수 있다. 본 실시예에서, 광 편향기(13)의 편향각(θ)이 최대 ±15도이더라도, 광속의 주사각(α)은 최대 ±30도일 수 있다. 따라서, 대략 240 mm의 투영 범위에서 A4 크기의 화상을 투영할 수 있다.

또한, 편향각 변환 소자(14)를 이용하는 경우, 광 주사 유닛(10)(화상 투영 장치(1))은 편향각 변환 소자(14)를 이용하지 않는 경우 이상으로 화상 변형 및 밝기에서의 불균일을 보정할 수 있도록 소정의 범위 내에서 일정한 주사 속도를 유지할 수 있다.

더하여, 광 주사 유닛(10)(화상 투영 장치(1))은 편향각 변환 소자(14)를 포함하는 간단한 구조를 이용하여 전술한 효과를 달성할 수 있기 때문에 다운사이징의 관점에서 매우 유익하다.

광 주사 유닛(10)(화상 투영 장치(1))은 광 편향기(13)의 미러부(13c)가 투영된 화상의 해상도에서의 감소를 억제하기 위하여 안정적으로 회전될 수 있도록 편향각 변환 소자(14)를 이용하여 주사각(α)을 증가시키도록 구성된다. 또한, 부분이나 부품의 제조 및 조립 정밀도를 증가시키지 않으면서 광원(11)으로부터의 광속을 효율적으로 이용할 수 있어, 유닛의 다운사이징에 기여한다.

또한, 발산광 변환 소자(12)는 다음의 이유로 원주 비구면(anamorphic aspherical face) 또는 자유로운 형상의 만곡면을 가질 수 있다. 일반적으로, 반도체 레이저로부터의 광속의 세기(intensity) 분포는 가우스 분포이며, 광속의 확산 각도는 반도체 레이저의 활성층에 대하여 평행 방향 및 수직 방향으로 상이하다. 이 때문에, 회전 대칭의 발산광 변환 소자(12)를 통한 광속은 타원형이 될 것이다. 그러나, 타원형 빔의 성형을 위한 원형 개구를 갖는 빔 성형판의 제공은 흐려짐(vignetting)을 야기하여, 광 손실 증가, 과도한 전력 손모 및 타원형 스팟에 따른 스크린(Sc) 상에서의 투영된 화상의 열화를 발생시킨다. 이것이 발산광 변환 소자(12)가 반도체 레이저의 활성층에 대하여 수평 및 수직 방향으로 상이한 초점 길이를 갖는 원주 비구면 또는 자유로운 형상의 만곡면을 포함할 수 있는 이유이다. 이에 의해, 광 손실을 방지하고 스크린 상에서의 원형 스팟을 형성하는 것이 가능하다. 또한, 동일한 초점 길이를 갖는 원주 비구면 또는 자유로운 형상의 만곡면을 이용하는 경우, 형성된 스팟의 형상은 미러가 고정 상태일 때 수평 방향으로 더 짧은 길이를 갖는 타원형일 것이지만, 미러가 회전할 때의 주사 방향으로의 잔상 효과 때문에, 화소에서 원형에 가까울 것이다.

발산광 변환 소자(12)는 스크린(Sc) 상에 스팟(S)을 형성하도록 광원(11)으로부터의 광을 수렴광으로 변환하는 기능만을 하기 때문에 도 6에서 반사 소자(24)로 교체될 수 있다. 반사 소자(24)는 광 손실을 방지하고 원형 스팟을 형성하도록 자유로운 형상의 만곡 반사면을 가진다.

또한, 반사 소자(25)가 광 편향기(13)에 의해 편향된 광속의 편향각(θ)을 더 큰 주사각(α)으로 변환할 수 있는 한, 편향각 변환 소자(14)는 도 7에서 반사 소자(25)로 교체될 수 있다. 반사 소자(25)는 반사 소자(24)와 같은 자유로운 형상의 만곡 반사면을 포함한다. 도 7에서의 광 주사 유닛(10)(화상 투영 장치(1))은, 전술한 바와 같이, 동기 검출을 위한 수광 소자(28)를 이용하여 미러부(13c)에 의해 편광된 광속을 수광하도록 구성되어, 수광 소자(28)로부터의 신호에 따라 미러부(13c)의 변위를 나타내는 미러 위치 신호 Mp를 생성한다.

또한, 광 편향기(13)의 편향 속도 또는 진폭이 수평 및 수직 방향으로 상이한 경우에, 발산광 변환 소자(12)와 편향각 변환 소자(14)는 광 편향기(13)의 편향 속도 또는 진폭을 갖는 수평 및 수직 방향에 대한 수렴광 또는 발산광의 양을 차별화하도록 원주 비구면 또는 자유로운 형상의 만곡면을 갖는 전술한 반사 소자일 수 있다.

[제1 실시예의 변형예 ]

다음으로, 제1 실시예에 따른 화상 투영 장치의 변형예가 설명된다. 이 변형된 실시예는 실험을 통해 스크린(Sc) 상에서의 화상의 변형이 미러부(13c) 상에서의 빛의 입사각(φ)에서의 변경에 따라 어떻게 변경되는지를 찾기 위하여 화상 투영 장치(1t)를 이용한다. 화상 투영 장치(1t)의 구조는 기본적으로 화상 형성 장치(1)와 동일하여, 동일한 구성 요소와 기능에는 제1 실시예에서의 동일한 도면 부호가 부여되고, 그에 대한 상세한 설명은 생략된다. 도 14는 화상 투영 장치(1t)의 광 주사 유닛(10t)과, 입사각(φ)에서의 광로가 45도인 것을 개략적으로 도시한다.

여기에서, 입사 광축(Li)은 광원(11)으로부터 방출되고 발산광 변환 소자(12t)를 투과하는 주광(principle ray)의 진행 방향을 말한다. 입사각(φ)은 기준 위치(고정 위치)에 있는 미러부(13c)(광 편향기(13))의 반사면의 법선에 대한 입사 광축(Li)의 각도를 말한다.

도 14에 도시된 바와 같이, 광 주사 유닛(10t)은 발산광 변환 소자(12t)와 편향각 변환 소자(14t)를 제외하고는 광 주사 유닛(10)과 동일하다. 구체적으로는, 광원(11)은 530 mm의 파장을 갖는 광속을 발광하고, 발산광 변환 소자(12t)의 초점 길이는 3.89 mm로 설정되고, 광원(11)으로부터 발산광 변환 소자(12t)의 제1 면(광원(11)을 마주보는)까지의 거리는 3 mm이다. 발산광 변환 소자(12t)는 1.5196의 굴절률(n_CL)과 2.4 mm의 중심 두께를 갖는 유리 재료로 이루어진다. 그 제2 면으로부터 광 편향기(13)의 반사면까지의 거리는 18.354 mm로 설정되고, 광 편향기(13)의 반사면으로부터 편향각 변환 소자(14)의 제1 면(광 편향기(13)를 마주보는)까지의 거리는 8 mm로 설정된다. 편향각 변환 소자(14t)는 3 mm의 중심 두께와 1.5196의 굴절률(n_EXP)을 갖는 유리 재료로 이루어진다. 광 시스템(광 주사 유닛(10t))은 편향각 변환 소자(14t)의 제2 면(스크린(Sc)을 마주보는)으로부터 200 mm 떨어진 위치에 광원(11)으로부터의 광속의 초점을 맞추도록 구성된다.

발산광 변환 소자(12t)의 양면은 비구면이며, 전술한 수학식 1로 표현된다. 면들에 대한 데이터는 다음의 표 3에 도시된다.

	제1 면	제2 면
r	11.048116	-2.291852
k	0	0
A	5.82336E-03	9.26966E-03
B	2.88669E-02	4.76865E-03
C	7.12105E-02	3.75871E-03
D	-6.67302E-02	1.78366E-03

편향각 변환 소자(14t)의 양면도 역시 비구면이며, 전술한 수학식 1로 표현된다. 면들에 대한 데이터는 다음의 표 4에 도시된다.

	제1 면	제2 면
r	3.810490	65.526384
k	0	0
A	-3.78571E-04	-5.10841E-05
B	7.74024E-06	1.31502E-05
C	-2.79002E-05	-9.19009E-07
D	4.40239E-07	1.33105E-08

이러한 광 주사 유닛(10t)을 이용하여, 스팟이 미리 정해진 조건 하에서 0, 15, 30, 45, 60, 및 75도의 입사각(φ)으로 스크린(Sc) 상에 형성된다. 도 15a 내지 15f는 스크린(Sc)에서의 스팟 위치를 개략적으로 도시한다. 도 16은 스팟이 어떻게 형성되는지를 도시한다.

도면에서, 정면으로 보아서, 수직 방향은 x 축이고, 수평 방향은 y 축이다. 도 15a 내지 15f는 스팟(S0 내지 S6)이 0, 15, 30, 45, 60, 및 75도의 입사각(φ)으로 형성되는 위치를 각각 도시한다. 비교를 위하여, 도 15a 내지 15f는 동일한 배율의 크기로 도시된다.

스팟(S0 내지 S6)은 다음의 방법으로 형성된다. 광 편광기(13)의 미러부(13)는 서로 직교하는 2개의 축 주위로 회전(진동)된다. 2 축 중 하나는 x' 축이고, 다른 하나는 y' 축이며, x' 축은 스크린(Sc)의 x 축과 동일한 평면에 배치되고, y' 축은 스크린(Sc)의 y 축과 동일한 평면에 배치된다(도 16). x' 및 y' 축은 입사각(φ)가 x' 축 평면에 직교하는 평면에서 변경되도록 설정된다(도 14).

미러부(13c)가 x' 축 주위로만 회전될 때, 스팟의 위치는 x 축 방향(도 16에서 미러부(13c)에서 스팟(Sx)까지의 일점 쇄선으로 표시됨)으로만 변경된다. 미러부(13c)가 y' 축 주위로만 회전될 때, 스팟의 위치는 x 축 방향(도 16에서 미러부(13c)에서 스팟(Sy)까지의 이점 쇄선으로 표시됨)으로만 변경된다. 도 15a 내지 15f에서의 스크린(Sc)의 xy 좌표에서, 각각 x 축 방향과 y 방향으로 스팟 위치를 이동하는 y' 축과 x' 축 주위로의 미러부(13c)의 회전은 +y' 축 방향과 +x' 축 방향이 되도록 설정된다. 광 편향기(13)는 내부 프레임(13b)을 지지하는 한 쌍의 지지 샤프트(13)가 x' 축이 되도록 배치된다.

도 15a 내지 15f에서, 스팟(S0)은 고정된 미러부(13c)(x' 축과 y' 축 모두의 주위로 0도)에 의해 편향된 광속으로 형성된다. 유사하게, 스팟(S1 내지 S6)은 각각 미러부(13c)가, x' 축 주위로 +5도로 그리고 y' 축 주위로 +10도 회전될 때, x' 축 주위로 +5도로 그리고 y' 축 주위로 0도 회전될 때, x' 축 주위로 +5도로 그리고 y' 축 주위로 -10도 회전될 때, x' 축 주위로 -5도로 그리고 y' 축 주위로 +10도 회전될 때, x' 축 주위로 -5도로 그리고 y' 축 주위로 0도 회전될 때, x' 축 주위로 -5도로 그리고 y' 축 주위로 -10도 회전될 때 형성된다. 도면에서, 스팟(S1 내지 S6)은 화상 변형에서의 차이를 더 용이하게 이해할 수 있도록 스팟(S0)을 둘러싸는 직선에 의해 연결된다.

도 15a에서 0인 입사각(φ)에서, 미러부(13c)는 고정 위치에 있으며, 입사각(φ)에 기인하는 투영된 화상의 변형이 가장 작도록 스크린(Sc)을 마주본다. 도 15a 내지 15f로부터 명백한 바와 같이, 입사각(φ)이 더 커질수록 스크린(Sc) 상에서의 화상 변형은 더 커진다. 구체적으로는, 스팟의 위치는 입사각(φ)에 관계없이 y 축 방향으로는 실질적으로 동일하다. 대조적으로, x 축 방향으로의 스팟의 위치에 관하여, 입사각(φ)이 더 클수록 y' 축 주위로의 미러부(13c)의 회전에 대한 스팟 위치의 변동량은 더 작아진다. 광 주사 유닛(10t)에서 x' 축에 직교하는 평면에서의 입사각(φ)을 변경하는데 있어서, 광의 진폭이 실질적으로 수직 방향(미러부(13c)의 y' 축 회전 방향 및 스크린(Sc)의 x 축 방향)으로 대략 cosφ배 되기 때문에, 입사각(φ)이 증가함에 따라, 투영된 화상은 φ의 값에 따라 x 축 방향으로 축소되도록(cosφ배로 된다) 변형된다.

따라서, 더 큰 입사각(φ)에서 미리 정해진 크기로 화상을 형성하기 위하여, 미러부(13c)의 진폭을 증가시키는 것이 필요하다(y' 축 주위에서). 그러나, 이것은 달성하기 매우 어렵다. 이러한 이유로, 광 편향기(13)에 의해 편향된 광속의 편향각(θ)을 본 실시예에서와 같이 편향각 변환 소자(14t)의 사용에 의해 더 큰 주사각(α)으로 변환하는 것이 유익하다.

바람직하게는, 입사각(φ)은 편향각 변환 소자(14t)를 이용하더라도, 원하는 크기의 화상을 생성하기 위하여 0 또는 0에 가까운 매우 작은 값으로 설정되어야만 한다. 그러나, 이것은 광 주사 유닛이 빔 스플리터(제5 실시예에서 후술됨)를 포함하는 것을 필요로 하며, 이는 부품 배치의 자유도 감소뿐만 아니라 부품 및 구성품의 개수와 제조비에서의 증가를 가져온다. 그러나, 전술한 바와 같이, 입사각(φ)이 증가함에 따라 형성된 화상의 크기가 cosφ배로 되기 때문에, 0의 입사각(φ)에서의 화상에 비하여 45의 입사각(φ)에서 화상의 대략 70% 크기가 형성될 것이다. 이러한 방법으로, 빔 스플리터를 이용하지 않고 원하는 크기에 가까운 크기로 화상을 형성하는 것이 가능하다.

도 15a 내지 15f에서, x' 축 주위로의 미러부(13c)의 회전 각도에서의 차이가 입사각(φ)에서의 차이와 실절적으로 동일하게 빔 위치에 영향을 주기 때문에, 스팟(S1 내지 S3)의 좌표의 절대값은 스크린(Sc) 상에서의 y 축 방향으로의 스팟(S4 내지 S6)의 좌표의 절대값과 다르다. 또한, 광 주사 유닛(10t)에서, 편향각 변환 소자(14t)가 광로에 삽입되어, 변형량은 입사각(φ)에 비하여 cosφ배인 값과는 거리가 멀어진다. 그러나, 광로에서 편향각 변환 소자(14)가 없는 시뮬레이션에서, cosφ배인 값에 매우 가까운 값이 된다. 이 시뮬레이션의 예는 다음의 표 5에 나타낸다. 다음의 표 5는 미러부(13c)가 y' 축 주위로만 10도 회전될 때(x' 축 주위로 0도) 0, 15, 30, 45, 60 및 75도의 입사각(φ)에서의 스크린(Sc) 상에서의 스팟(S)의 x 좌표를 나타낸다. 표 5에서 괄호 안의 값은 0도의 입사각(φ)에서의 x 좌표(입사각 때문에 가장 적은 변형)에 cosφ를 곱하여 얻어진 것에 주의하라. 또한, 미러부는 x' 축 주위로 회전되지 않는다; 따라서, y 좌표는 항상 0이다(x 축에서).

	입사각(φ)
	0°	15°	30°	45°	60°	75°
편향각 변환 소자(14t)가 있는 경우	174.0	164.4 (168.1)	140.4 (150.7)	109.1 (123.0)	73.8 (87.0)	36.9 (45.0)
편향각 변환 소자(14t)가 없는 경우	76.8	73.9 (74.2)	65.5 (66.5)	52.6 (54.3)	36.6 (38.4)	18.8 (19.9)

[제2 실시예 ]

다음으로, 도 8을 참조하여 제2 실시예에 따른 화상 투영 장치(1A)가 설명된다. 화상 투영 장치(1A)는 컬러 화상 투영 장치이고, 그 구조는 제1 실시예의 화상 투영 장치(1)의 구조와 기본적으로 동일하여, 동일한 기능과 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 부여되고, 그에 대한 상세한 설명은 생략된다.

화상 투영 장치(1A)는 3개의 광원(11a, 11b, 11c)과 3개의 발산광 변환 소자(12a, 12b, 12c)를 포함하는 광 주사 유닛(10A)를 포함한다. 광원(11a, 11b, 11c)은 각각 컬러 화상 투영을 위한 적색, 녹색 및 청색의 단색 광원이다. 단색광을 이용하여, 화상 투영 장치(1A)는 높은 색순도를 갖는 밝은 컬러 화상을 생성할 수 있다. 단색 광원은 적절한 파장을 갖는 레이저일 수 있다. 제2 실시예에서, 광원(11a)은 적색광을 위한 638 nm의 파장을 갖는 반도체 레이저이고, 광원(11b)은 녹색광을 위한 1060 nm의 파장을 갖는 반도체 레이저이고 560 nm의 2차 고조파를 이용하며, 광원(11c)은 청색광을 위한 445 nm의 파장을 갖는 반도체 레이저이다. 제1 실시예에서의 발산광 변환 소자(12)와 동일하게 기능하는 발산광 변환 소자(12a, 12b, 12c)가 광원으로부터의 광속을 수렴광이 되도록 초점을 맞추기 위하여 제공되며, 이들은 동일한 비구면을 갖는다.

광 주사 유닛(10A)은 광원(11a, 11b, 11c)으로부터 방출되고 발산광 변환 소자(12a, 12b, 12c)를 통과하는 광속을 하나로 합성하기 위하여 발산광 변환 소자(12a)로부터 광 편광기(13)로의 광로에 광로 합성 유닛(16a, 16b)을 포함하도록 구성된다.

본 실시예에서, 광로 결합 유닛(16)은 유전체 다층 필터로 이루어지며, 미리 정해진 파장 범위의 광을 반사하고 그 파장 범위 밖의 광을 통과시키는 특성을 갖는다. 광원(11b)에 대응하는 광로 결합 유닛(16a)은 510 nm 내지 570 nm의 파장 범위의 녹색광의 95% 이상을 반사하고, 이 범위가 아닌 파장 범위를 갖는 빛의 90% 이상을 투과시킨다. 광원(11c)에 대응하는 광로 결합 유닛(16b)은 400 nm 내지 490 nm의 파장 범위의 청색광의 95% 이상을 반사하고, 이 범위가 아닌 파장 범위를 갖는 빛의 90% 이상을 투과시킨다.

화상 투영 장치(1A)에서, 광원(11a, 11b, 11c)은 제어 유닛(20)(발광량 제어 유닛(22))의 제어 하에서 적절하게 광속을 방출한다. 적색 광원(11a)으로부터의 광속은 발산광 변환 소자(12a)에 의해 수렴광으로 변환되고, 광로 결합 유닛(16a, 16b)을 통해 광 편향기(13)로 투과한다. 이 광속의 광로는 기준 광로(Pb)로 설정된다. 녹색 광원(11b)으로부터의 광속은 발산광 변환 소자(12b)에 의해 수렴광으로 변환되고, 기준 광로(Pb)에서 광로 결합 유닛(16a)에 의해 반사되고, 광로 결합 유닛(16b)을 통해 광 편향기(13)로 투과한다. 청색 광원(11b)으로부터의 광속은 발산광 변환 소자(12c)에 의해 수렴광으로 변환되고, 기준 광로(Pb)에서 광로 결합 유닛(16b)에 의해 광 편향기(13)로 반사된다.

따라서, 광원(11a, 11b, 11c)으로부터 방출된 광속은 발산광 변환 소자(12a, 12b, 12c)에 의해 각각 수렴광으로 변환되고, 광로 결합 유닛(16a, 16b)에 의해 결합되어 광 편향기(13)로 향하게 된다.

결합된 광속은 광 편향기(13)에 의해 편향각(θ)으로 편향되고, 편향각 변환 소자(14)에 의해 편향각(θ)보다 더 큰 주사각(α)으로 하나로 변환되어 제1 실시예에서의 화상 투영 장치(1)에서와 같이 스크린(Sc) 상에 스팟(S)을 형성한다. 광 편향기(13)의 미러부(13c)는 제어 유닛(20)(광 편향기 제어 유닛(21))의 제어 하에서 수렴광을 반사하고 그 진행 방향을 2차원적으로 변경(편향각(θ))하도록 구동되어, 이에 의해 스크린(Sc) 상에 스팟을 2차원적으로 형성한다. 광 주사에 대하여, 광원(11a, 11b, 11c)의 방출 타이밍, 광 세기, 및 방출 주기는 스크린(Sc) 상에서 컬러 화상을 생성하도록 화상 데이터(각 화소 (i, j)에서의 화상 데이터 G(i, j))에 기초하여 적절하게 제어된다.

본 실시예에 따른 화상 투영 장치(1A)는, 제1 실시예에 따른 화상 투영 장치(1)와 같이, 작은 편향각을 갖는 광 편향기(13)를 이용하여도 큰 주사각으로 광속을 방출할 수 있다. 이 때문에, 매우 가까운 범위에서 화상을 투영하고, 화상 변형 또는 밝기에서의 불균일을 보정하도록 미리 정해진 범위에서 일정한 주사 속도를 유지할 수 있다.

또한, 화상 투영 장치(1A)는 높은 콘트라스트와 높은 색순도를 갖는 컬러 화상을 형성할 수 있도록 단색 광원(11a, 11b, 11c)을 포함한다. 또한, 화상 투영 장치(1A)는 각 픽셀을 직접 렌더링하고, 흑색 화상 데이터 G(i, j)에 따라 레이저로부터의 발광 없이 픽셀 (i, j)을 렌더링하도록 구성된다. 이것은 화상의 흑색 부분이 너무 밝게 되는 것을 방지할 수 있으며, 액정과 같은 마이크로 디스플레이를 사용하는 화상 투영 장치와 비교하여 화상 콘트라스트를 개선할 수 있다.

또한, 본 실시예의 화상 투영 장치(1A)에 따르면, 발산광 변환 소자(12a, 12b, 12c)는 동일한 비구면 형상으로 형성된다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 이들은 단색 광원으로부터의 광속으로 스크린(Sc) 상에 원하는 스팟을 형성하도록 반도체 레이저의 2차 고조파의 발산광에 따라 서로 상이한 초점 길이 또는 형상을 갖도록 최적으로 설계될 수 있다.

[제2 실시예의 변형예 ]

다음으로, 도 17 내지 22를 참조하여 화상 투영 장치(1A)의 변형예로서 화상 투영 장치(1At)(광 주사 유닛(10t))가 설명된다. 화상 투영 장치(1At)(광 주사 유닛(10t))는 더 작은 크기의 컬러 화상 투영 장치의 다른 예이다. 그 구조는 제2 실시예에서의 화상 투영 장치(1A)의 구조와 기본적으로 동일하여, 동일한 기능 및 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 부여되고, 그에 대한 상세한 설명은 생략된다. 도 17은 화상 투영 장치(1At)의 구조를 개략적으로 도시하지만, 간략화를 위하여 제어 유닛(20)의 도시를 생략한다. 도 18은 화상 투영 장치(1At)에 사용된 제1 발산광 변환 소자(12At1)의 단면을 도시하고, 도 19는 화상 투영 장치(1At)에 사용된 제2 발산광 변환 소자(12At2)의 단면을 도시하고, 도 20은 광로 결합 유닛(16At)의 단면을 도시하고, 도 21은 초점 렌즈(70)의 단면을 도시하고, 도 22는 제2 발산광 변환 소자(12At2)의 단면을 도시한다. 다음에서, 각 광학 소자의 광로의 광축 방향(주광)은 Z 축으로 설정된다. 그러나, 도 17 내지 22에서, 광원(11At)의 제1 광원(11At1)의 출사 광축 방향은 Z 축이 되도록 설정되고, Z 축에 직교하는 방향은 Y 축이 되도록 설정되고, 양 축에 직교하는 방향은 X 축이 되도록 설정된다. 또한, 도 18 내지 22에서, 각 광학 요소의 광축 방향은 z 축이 되도록 설정되고, 도면에 직교하는 방향은 x 축이 되도록 설정되며, x-z 평면에 직교하는 방향은 y 축이 되도록 설정된다. 다음에서, 화상 투영 장치(1At)의 위치 관계 및 구조는 X, Y, Z 축(이하, 전역 축(global axes)이라 한다)의 직교 좌표계을 이용하여 설명될 것이며, 각 광학 소자의 구조(렌즈 데이터 등)는 x, y, z 축(이하, 지역 축(local axes)이라 한다)의 직교 좌표계를 이용하여 설명될 것이다.

도 17에 도시된 바와 같이, 화상 투영 장치(1At)의 광 주사 유닛(10At)은 제1 및 제2 광원(11At1, 11At2)과, 제1 및 제2 발산광 변환 소자(12At1, 12At2)를 포함하도록 구성된다.

제1 광원(11At1)은 640 nm의 중심 파장을 갖는 반도체 레이저 칩(11ta)(이하, 적색 LD 칩이라 한다)과, 445 nm의 중심 파장을 갖는 반도체 레이저 칩(11tb)(이하, 청색 LD 칩이라 한다)이 단일 패키지에서 Y 축 방향으로 배열된 하이브리드 레이저(HBLD)이다. 제1 광원(11At1)에서, 적색 LD 칩(11ta)의 발광 지점과 청색 LD 칩(11tb)의 발광 지점 사이(출사 광축 사이)의 거리는 0.9 mm로 설정된다. 적색 LD 칩(11ta)의 출사 광축이 제1 발산광 변환 소자(12At1)의 후술되는 제1 렌즈면(12ta1)의 광축(12tc)과 일치하고, 적색 및 청색 LD 칩(11ta, 11tb)의 출사 광축과, 광축(12tc)과, 제1 발산광 변환 소자(12At1)의 제2 렌즈면(12ta2)의 광축(12td)이 동일 평면상에 있도록, 광원(11At1)과 제1 발산광 변환 소자(12At1)의 위치가 결정된다. 적색 및 청색 LD 칩(11ta, 11tb)으로부터의 광속(선형 편광된 발산광)은 커버 유리(11tc)를 투과하여 제1 발산광 변환 소자(12At1)로 향하게 된다.

제1 발산광 변환 소자(12At1)는 n₆₄₀ = 1.506643, n₄₄₅ = 1.519219의 굴절률을 갖는 유리 재료로 이루어지고, 적색 및 청색 LD 칩(11ta, 11tb)로부터의 광속을 실질적으로 평행한 광속으로 만드는 기능을 한다. 도 18에 도시된 바와 같이, 제1 발산광 변환 소자(12At1)는 제1 광원(11At1)을 마주보는 제1 면(12ta)과 후술되는 광로 결합 유닛(16At)을 마주보는 제2 면(12tb)을 포함한다.

제1 발산광 변환 소자(12At1)의 제1 면(12ta)은 제1 렌즈면(12ta1)과 제2 렌즈면(12ta2)을 포함한다. 제1 렌즈면(12ta1)은 회전 대칭 비구면이며, 적색 LD 칩(11ta)으로부터의 발산광을 커플링하는 기능을 한다. 회전 대칭 비구면은 제1 렌즈면(12ta1)의 광축(12tc)(회전 축)에서의 점 Q3이 원점이고, 후술되는 광로 결합 유닛(16At)에서 적색 LD 칩(11a)의 방향이 +z 축이고, 도 18에 도시된 수평 방향의 우측이 +y 축이고, 도면의 앞쪽에서 뒤쪽으로의 z 및 y 축에 직교하는 방향이 + x 축인 직교 좌표계(도 18의 화살표 x, y, z)에서 전술한 수학식 1에 의해 표현될 수 있다. 렌즈면(12ta1)에 대한 데이터는 다음의 표 6에 나타낸다.

	제1 렌즈면(12ta1)
r	-1.8945
k	-1.36684
A	4.36388E-03
B	8.23972E-02
C	-5.41640E-01
D	2.06620E+00
E	-3.32445E+00
F	5.71337E-01
G	4.54194E+00
H	-5.06044E+00
J	1.67894E+00

제2 렌즈면(12ta2)은 회전 비대칭 원주 비구면이며, 청색 LD 칩(11tb)으로부터의 발산광을 커플링하는 기능을 한다. 광축 방향으로의 x-y 평면에서의 원주 비구면의 거리 z(z 축에 평행한 평면의 새그량)은 제2 렌즈면(12ta2)의 광축(12td)(회전 축)에서의 점 Q4가 원점이고, 후술되는 광로 결합 유닛(16At)에서 청색 LD 칩(11tb)으로의 방향이 +z 축인 직교 좌표계(도 18의 화살표 x, y, z)에서, 다음의 수학식 2로 표현된다.

여기에서, CUX는 x 방향으로의 곡률(= 1/RDX, RDX는 x 방향으로의 곡률 반지름)을 나타내고, CUY는 y 방향으로의 곡률(= 1/RDY, RDY는 y 방향으로의 곡률 반지름)을 나타내고, KX는 X 방향으로의 원추 상수를 나타내고, KY는 Y 방향으로의 원추 상수를 나타내고, AR, BR, CR, DR은 변형 계수이고 각각 4차, 6차, 8차 및 10차 회전 대칭부이며, AP, BP, CP, DP는 변형 계수이고 각각 4차, 6차, 8차 및 10차 회전 비대칭부이다.

수학식 2의 각 계수는 다음의 표 7에 나타낸다. 표 7에서, "E-0n"은 "10^-n"을 나타낸다.

	제2 렌즈면(12ta2)
RDY	-1.87285
RDX	-1.88279
KY	-2.47171
KX	-3.14941
AR	-2.70533E-06
BR	1.12256E-02
CR	1.69715E-02
DR	-2.43464E-13
AP	-3.06876E+01
BP	2.54510E-01
CP	-7.31530E-02
DP	1.99910E+02

제1 발산광 변환 소자(12At1)의 제2 면(12Atb)은 회전 대칭 비구면이며, 그 회전축은 제1 면(12ta)의 제1 렌즈면(12ta1)의 광축(12tc)과 일치한다. 회전 대칭 비구면은 제2 면(12tb)의 광축(12tc)(회전 축)에서의 점 Q5가 원점이고, 후술되는 광로 결합 유닛(16At)에서 광원(11At1)으로의 방향이 +z 축인 직교 좌표계(도 18에서, x, y, z)에서 전술한 수학식 1에 의해 표현된다. 제2 면(12tb)에 대한데이터는 다음의 표 8에 나타낸다.

	제2 면(12tb)
r	6.72201
k	-96.775174
A	1.73436E-02
B	-3.73549E-03
C	-8.57595E-05
D	4.33127E-05
E	4.29861E-05
F	1.57947E-05
G	-1.02243E-05
H	2.68002E-07
J	7.83204E-08

제1 렌즈면(12ta1)의 두께(광축(12tc)에서 Q3에서 Q5까지)는 1.5 mm이고, 제2 렌즈면(12ta2)의 두께(광축(12td)에서 Q4에서 Q5까지)는 1.5 mm이다. 제1 렌즈면(12ta1)의 광축(12tc)과 제2 렌즈면(12ta2)의 광축(12td) 사이의 거리는 y 축 방향으로 0.93 mm이다. 광축(12tc, 12td)은 Y-Z 평면(전역 축)에 배치된다. 도 17에서, 제2 광원(11At2)은 제1 발산광 변환 소자(12At1)에 의해 변환된 2개의 실질적으로 평행한 광과 함께 컬러 화상 투영을 위한 광을 방출하도록 제공된다.

제2 광원(11At2)은 중심 파장이 1060 nm인 반도체 레이저이고, 530 nm의 중심 파장으로 변환된 SHG 레이저 빔을 방출한다. 제2 광원(11At2)의 출사 지점(가상 발광점(11te))으로부터의 광속은 커버 유리(11td)를 투과하고, 제2 발산광 변환 소자(12At2)로 향하게 된다.

제2 발산광 변환 소자(12At2)는 530 nm의 파장에서 n₅₃₀ = 1.51199의 굴절률을 갖는 유리 재료로 이루어지고, 제2 광원(11At2)으로부터의 광속을 실질적으로 평행한 광속으로 만드는 기능을 한다. 도 19에 도시된 바와 같이, 제2 발산광 변환 소자(12At2)는 제2 광원(11At2)을 마주보는 제1 면(12te)과 광로 결합 유닛(16At)을 마주보는 제2 면(12tf)을 포함한다.

제1 및 제2 면(12te, 12tf)은 동일한 광축(12tg)(회전축)을 갖는 회전 대칭 비구면이다. 제1 면(12te)은 광축(12tg)에서의 점 Q6이 원점이고, 광로 결합 유닛(16At)에서 제2 광원(11At2)으로의 방향이 +z 축이고, 도 19에서 수직 방향의 상측이 +y 축이며, 도면에서 앞쪽에서 뒤쪽으로의 z 및 y 축에 직교하는 방향이 +x 축인 직교 좌표계(도 19에서, x, y, z)에서 전술한 수학식 1로 표현된다. 유사하게, 제2 면(12tf)은 광축(12tg)에서의 점 Q7이 원점이고, 광로 결합 유닛(16At)에서 제2 광원(11At2)으로의 방향이 +z 축인 직교 좌표계(도 19에서, x, y, z)에서 전술한 수학식 1로 표현된다. 제1 및 제2면에 대한 데이터는 다음의 표 9에 나타낸다.

	제1 면(12te)	제2 면(12tf)
r	-16.1264	-1.44657
k	117.47157	-1.588621
A	-8.65693E-02	-6.15995E-02
B	-4.93648E-02	-7.53448E-03
C	5.92904E-02	1.25281E-02
D	-1.72890E-01	-3.16739E-02

광축(12tg)에서 Q7에서 Q8까지의 제2 발산광 변환 소자(12At2)의 두께는 1.5 mm이다. 도 17에 도시된 바와 같이, 광로 결합 유닛(16At)은 제2 및 제1 발산광 변환 소자(12At2, 12At1)로부터의 상이한 파장의 광속을 하나로 결합하도록 제공된다. 이에 의해, 결합된 광은 초점 렌즈(70)를 투과하여 주사를 위하여 광 편향기(13)로 향하게 된다. 광로 결합 유닛(16At)은 도 20에 도시된 바와 같이, 평판에 유사한 프리즘이고, 제1 발산광 변환 소자(12At1)를 마주보는 제1 면(16ta)과 제2 발산광 변환 소자(12At2)을 마주보는 제2 면(16tb)를 포함한다.

제1 면(16ta)의 법선(na)과 제2 면(16tb)의 법선은 동일 평면에서 평행하지 않으며, 동일 평면을 따르는 광로 결합 유닛(16At)의 단면은 쐐기꼴 형상이다. 쇄기꼴 형상의 꼭지점 각도(β)는 0.8도로 설정된다. 제1 및 제2 면(16ta, 16tb)의 각각은 파장 선택 특성을 갖는 필름을 갖는다. 본 변형례에서, 제1 면(16At)의 필름은, 예를 들어, 640 nm ± 10 nm의 파장을 갖는 광에 대하여 45 ± 1.5도의 입사각에서 95%의 반사율과 5%의 투과율을 가지며, 530 nm ± 5 nm의 파장을 갖는 광에 대하여 45 ± 1.5도의 입사각에서 99% 이상의 투과율을 가지며, 445 nm +10 nm/-5 nm의 파장을 갖는 광에 대하여 46.5 ± 2.5도의 입사각에서 99% 이상의 투과율을 가진다. 제2 면(16tb)의 필름은 640 nm ± 10 nm의 파장을 갖는 광에 대하여 43.5 ± 1.5도의 입사각에서 99% 이상의 투과율을 가지며, 530 nm ± 5 nm의 파장을 갖는 광에 대하여 46.5 ± 1.5도의 입사각에서 95% 이상의 투과율을 가지며, 445 nm +10 nm/-5 nm의 파장을 갖는 광에 대하여 46.5 ± 2.5도의 입사각에서 5%의 투과율을 가진다. 제1 및 제2 면(16ta, 16tb)의 필름은 제1 및 제2 발산광 변환 소자(12At1, 12At2)로부터 (도 17에서 후술되는 수광 소자(71)로) 3파장을 갖는 광속의 대략 5%의 양을 투과시키도록 설정된다.

광로 결합 유닛(16At)은 n₆₄₀ = 1.514846, n₅₃₀ = 1.519584, n₄₄₅ = 1.525786의 굴절률을 갖는 유리 재료로 이루어진다. 도 20에서, 제1 면(16ta)의 광 중심은 점 Q8이며, 점 Q8에서의 그 법선(na)과 제2 면(16tb)의 교점은 점 Q9이다.

점 Q8은 제1 발산광 변환 소자(12At1)의 제1 면(12ta)의 제1 렌즈면(12ta1)의 광축(12tc)(도 18에서 Z 축 방향)에 위치한다. 광축(12tc)은 광축(12tc, 12td)을 포함하는 평면 (도 17, 18에서 Y-Z 평면(전역 축))에 수직인 광로 결합 유닛(16At)의 제1 면(16ta)과 45도의 각도를 이룬다. 광로 결합 유닛(16At)의 중심 두께(Q8과 Q9 사이)는 1.1 mm로 설정된다.

따라서, 적색 LD 칩(11ta)으로부터의 광속은 제1 발산광 변환 소자(12At1)에 의해 선형 편광된 발산광으로 커플링된다. 그 다음, 주광은 45도의 입사각으로 제1 면(16ta)의 점 Q8에 입사하고, 이에 의해 초점 렌즈(70)로 반사된다. 반사된 광의 광로는 초점 렌즈(70)에서 광 편향기(13)로의 결합된 광속(후술함)의 단일 광로이다. 전술한 바와 같이, 제1 발산광 변환 소자(12At1)에 의해 커플링된 광속의 대략 5%의 양은 광로 결합 유닛(16)을 투과하여, 후술되는 수광 소자(71)로 진행한다.

청색 LD 칩(11tb)으로부터의 광속은 제1 발산광 변환 소자(12At1)에 의해 선형 편광된 발산광으로 커플링되고, 제1 면(16ta)에 입사하여, 제2 면(16tb)에 의해 다시 제1 면(16ta)으로 반사되어, 다른 광속과 결합된다. 전술한 바와 같이, 제1 발산광 변환 소자(12At1)로부터의 광속의 대략 5%의 양은 광로 결합 유닛(16At)을 투과하여 후술되는 수광 소자(71)로 진행한다.

유사하게, 제2 광원(11At2)으로부터의 광속은 제2 발산광 변환 소자(12At2)에 의해 선형 편광된 발산광으로 커플링되고, 제2 면(16tb)상에서 제1 면(16ta)으로 입사하고, 다른 광속과 결합된다. 전술한 바와 같이, 제2 발산광 변환 소자(12At2)로부터의 광속의 대략 5%의 양은 광로 결합 유닛(16At)의 제2 면(16tb)에 의해 후술되는 수광 소자(71)로 반사된다.

광로 결합 유닛(16At)에 의해 결합된 3파장을 갖는 광속(레이저 빔)은 어퍼쳐 소자(72)를 투과하고, 초점 렌즈(70)로 향하게 된다. 어퍼쳐 소자(72)는 광속이 미러부(13c)가 아닌 다른 부분에 입사하는 것을 방지하도록 광 편향기(13)의 미러부(13c)의 개구보다 더 작은 개구를 포함한다. 본 변형예에서, 어퍼처 소자(72)의 개구의 직경은 0.96 mm로 설정되고, 그 중심은 광로(결합된 광속의 주광)의 광축과 일치한다. 어퍼쳐 소자(72)는 컬러 화상 품질의 열화를 야기할 수 있는 미러부(13c)가 아닌 부분에 입사하는 광에 기인하는 플레이(flare)의 발생을 방지할 수 있다.

초점 렌즈(70)는 스크린(Sc) 상에 미리 정해진 크기의 스팟(S)을 형성하도록 3파장을 갖는 평행 광속을 수렴시킨다. 이는 n₆₄₀ = 1.514846, n₅₃₀ = 1.519584, n₄₄₅ = 1.525786의 굴절률을 갖는 유리 재료로 이루어진다. 초점 렌즈(70)는 어퍼쳐 소자(72)를 마주보는 제1 면(70a)과, 광 편향기(13)를 마주보는 제2 면(70b)을 포함하며, 이들은 모두 축(70c)에서 곡률 중심을 갖는 비구면이다. 제1 면(70a)의 곡률 반지름은 6.65277 mm이며, 제2 면(70b)의 곡률 반지름은 3.3 mm이다. 광축 방향에서의 초점 렌즈(70)의 두께(각각 제1 및 제2 면(70a, 70b)의 광축(70c)에서의 Q10과 Q11의 사이)는 2.0 mm이다. 초점 렌즈(70)는 광축(70c)이 단일 광로의 광축(어퍼쳐 소자(72)의 개구 중심)과 일치하도록 배치된다. 결합된 광속은 초점 렌즈(70)를 통해 광 편향기(13)로 향하게 된다.

광 편향기(13)는 제1 및 제2 실시예에 따른 광 주사 유닛(10(도 2, 10A)에서와 동일하게 구성된다. 광 주사 유닛(10At)에서, 미러부(13c)의 중심이 단일 광로의 광축에 있고, 고정 상태에서의 미러부(13c)의 법선이 광로의 광축과 30도의 각도를 이루고(입사각 = 30도), y' 축(도 17에서의 화살표 y')이 제1 및 제2 발산광 변환 소자(12At1, 12At2)의 광축(12tc, 12tg)(및 광로의 광축)을 포함하는 평면에 있도록, 광 편향기(13)가 배치된다. 광 편향기(13)의 x' 축(도 17에서 화살표 x')은 도면에 수직인 방향이다. 광 편향기(13)는 x' 축(부 주사 방향) 주위로 느리게 회전하고 y' 축(주 주사 방향) 주위로 빠르게 회전하도록 구성된다. 광속은 광 편향기(13)에 의해 편향각 변환 소자(14At)로 편향된다.

편향각 변환 소자(14At)는 n₆₄₀ = 1.506643, n₅₃₀ = 1.51199, n₄₄₅ = 1.519219의 굴절률을 갖는 유리 재료로 이루어진다. 편향각 변환 소자(14At)는 음의 파워를 갖는 렌즈이며, 도 22에 도시된 바와 같이, 광 편향기(13)를 마주보는 제1 면(14ta)와 스크린(Sc)(도 8 등)을 마주보는 제2 면(14tb)을 포함한다. 제1 면(14ta)은 축(14tc)에 곡률 중심을 갖는 구면이며, 제2 면(14tb)은 비구면으로 축(14tc) 주위로 회전 대칭이다. 편향각 변환 소자(14)는, 축(14tc)이 고정 상태에서의 미러부(13c)에 의해 편향된 광속의 주광과 일치하도록 배치된다. 축(14tc)에서의 그 두께(Q12에서 Q13)는 1.3 mm이다. 제1 면(14ta)은 축(14tc)에서의 점 Q12가 원점이고, 광 편향기(13)로부터 스크린(Sc)으로의 방향이 +z 축이고, +z 축에 직교하는 방향의 상측이 +y 축이고, 도면의 앞쪽에서 뒤쪽으로의 z 및 y 축에 직교하는 방향이 +x 축인 직교 좌표계(도 22에서, x, y, z)에서 전술한 수학식 1로 표현된다. 제2 면(14b)은 축(14tc)에서의 점 Q13이 원점이고, 광 편향기(13)로부터 스크린(Sc)으로의 방향이 +z 축인 직교 좌표계에서 전술한 수학식 1로 표현된다. 제1 및 제2 면에 대한 데이터는 다음의 표 10에 도시된다.

	제1 면(14ta)	제2 면(14tb)
r	-3.06894	-0.00822
k	0	-1553036.915
A	0	-7.15587E-04
B	0	2.14538E-04
C	0	-2.92748E-05
D	0	1.47948E-06

입사 광속은 편향각 변환 소자(14)에 의해 더 큰 주사각을 갖는 변환(확대)되어 스크린(Sc)에 투영된다.

광 주사 유닛(10At)에서, 제2 발산광 변환 소자(12At2)의 광축(12tg)은 -Z 축 방향(전역 축, 청색 LD 칩(11tb)의 출사 광축에서 제1 광원(11At1)으로부터 광로 결합 유닛(16At)으로의)으로 광로 결합 유닛(16At)의 제1 면(16ta)의 중심인 점 Q8로부터 0.37 mm 떨어져 배치된다. 제2 광원(11At2)의 출사 지점(530 nm의 중심 파장을 갖는 SHG 광의 가상 출사 지점(11te))은 -Z 축 방향으로 점 Q8로부터 0.33 mm 떨어져 배치된다.

초점 렌즈(70)의 제1 면(70b)의 점 Q11과 미러부(13c)의 중심 지점(13f) 사이의 거리는 2.5 mm로 설정된다. 미러부(13c)의 중심 지점(13f)과 편향각 변환 소자(14)의 제1 면(14a)의 점 Q12사이의 거리는 3.0 mm로 설정된다.

도 17에 도시된 바와 같이, 광 주사 유닛(10At)은 수광 신호를 수광된 광속의 양에 따른 레벨로 제어 유닛(20)(도 8)에 출력하는 수광 소자(71)를 포함한다. 광로 결합 유닛(16t)은 투과된 3파장을 갖는 광속의 대략 5%의 양을 갖는다. 수광 소자(71)는 수광면이 광로 결합 유닛(16At)의 제1 및 제2 면(16ta, 16tb)에 의해 반사되거나 이를 투과한 광속을 수광하도록 배치된다.

광 주사 유닛(10At)에서, 제어 유닛(20)(도 8)은 수광 소자(71)로부터의 수광 신호를 이용하여 미리 정해진 양으로 방출된 광의 양을 조정하도록 제1 및 제2 광원(11At1, 11At2)에 대한 구동 전류를 제어한다(피드백 제어). 따라서, 광 주사 유닛(10At)은 주변 온도 등에서의 변동에 기인하는 밝기 또는 컬러 밸런스에서의 변동없이 양호한 컬러 화상을 형성할 수 있다. 또한, 다른 실시예들도 수광 소자(71)를 이용한 피드백 제어를 채용하여 본 실시예와 동일한 효과를 얻을 수 있다.

광 주사 유닛(10At)은 제2 실시예에서의 광 주사 유닛(10A)과 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 이는 단일 패키지에서 적색 및 청색 LD 칩(11ta, 11tb)을 포함하는 제1 광원(11At1)용 하이브리드 레이저(HBLD)를 이용하고, 이에 의해 컬러 화상 투영 장치용 광 모듈을 다운사이징한다.

[제3 실시예 ]

도 9를 참조하여 제3 실시예에 따른 화상 투영 장치(1B)가 설명된다. 화상 투영 장치(1B)는 제2 실시예에 따른 화상 투영 장치(1A)보다 더 나은 컬러 화상을 형성하기 위한 추가 기능을 포함한다. 화상 투영 장치(1B)의 구조는 화상 투영 장치(1A)의 구조와 동일하다; 따라서, 동일한 기능 및 구성 요소에는 동일한 도면 부호가 부여되고, 그에 대한 상세한 설명은 생략된다.

화상 투영 장치(1B)는 광 편향기 제어 유닛(21) 및 발광량 제어 유닛(22)에 더하여, 화상 처리 유닛(26)(화상 처리 회로)을 포함하는 제어 유닛(203)을 포함한다. 양호한 화상을 스크린(Sc)에 투영하기 위하여, 화상 처리 유닛(26)은 제어 유닛(203)에 의해 수신된 원 화상 신호(23)에 기초하여 화상 데이터 G(i, j)를 보정하고, 보정된 화상 데이터 G'(i, j)를 광 편향기 제어 유닛(21) 및 발광량 제어 유닛(22)으로 출력한다. 화상 데이터 보정에 의해, 광 투영 시스템의 광학 특성(예를 들어, 광 변환 소자(12a, 12b, 12c)와 편향각 변환 소자(14)의 광학 특성 및 광 편향기(13)의 주사 속도 특성)에 기인하는 스크린(Sc)에서의 컬러 화상의 열화를 보정할 수 있다.

화상 보정의 종류는 다음에서 설명된다.

(변형 보정)

도 10은 스크린(Sc)에서의 변형된 화상과 보정된 화상을 도시한다. 도 10에서, 사각형(231)은 원 화상 신호(23)(도 9)에 기초하여 스크린(Sc)에 정확하게 형성된 것이며, 사각형(232)은 광 시스템 때문에 변형된 것이다.

변형된 사각형(232)은 스크린(Sc)에서 사각형(231)으로 보정된다. 구체적으로는, 변형된 사각형(232)에서의 각 점은 원 화상 신호(23)에 따라 스크린에 컬러 화상을 정확하게 투영하도록 사각형(231)에서 적합한 점으로 변환된다. 여기에서, 스팟(S)의 위치는 광 편향기 제어 유닛(21)의 제어 하에서 광 편향기(13)의 진폭에 의해 결정된다. 따라서, 발광량 제어 유닛(22)은 광 편향기(13)의 진폭에 따라 광원(11a, 11b, 11c)의 발광 타이밍 및 양을 제어하도록 구성된다. 광원은, 광 편향기(13)의 각도와 스팟 위치 (i, j)의 관계를 나타내는 도시되지 않은 메모리에 저장된 룩업 데이블을 참조하여 광 편향기(13)의 각도와 화소 (i, j)에서의 화상 데이터 G(i, j)에 기초한 세기로 발광하도록 제어된다. 또한, 변형된 사각형(232)을 정확한 사각형(231)으로 변환하는 변환 함수가 화상 데이터 G(i, j)를 화상 데이터 G'(i, j)로 변환하는데 미리 필요하다. 광원에 대한 발광 제어는 스크린(Sc) 상에 변환된 화상 데이터 G'(i, j)를 형성하기 위하여 광 편향기(13)의 동작에 따라 수행된다. 변형된 사각형(232)이 광원의 발광 타이밍을 변경함으로써 보정되는 경우, 사각형(231) 외부의 변형된 사각형(232)의 일부는 조명이 되지 않는다. 이 때문에, 사각형(231)에서의 적분 광량은 변형된 사각형(232)보다 더 적다. 따라서, 광원은, 광량을 유지하기 위하여, 변형된 사각형(232)을 형성하기 위한 광량에 비하여 사각형(231)을 형성하기 위한 광량을 증가시켜 발광하도록 광원이 제어된다.

화상 투영 장치(1B)에서, 제어 유닛(203)이 원 화상 신호(23)를 수신할 때, 화상 처리 유닛(26)은 원 화상 신호(23)를 정확하게 보정하고, 광 편향기 제어 유닛(21)과 발광량 제어 유닛(22)은 보정된 원 화상 신호(23)에 기초하여 광원(11a, 11b, 11c)과 광 편향기(13)를 제어한다. 이것은 스크린(Sc)에서의 매우 적은 변형을 갖는 양호한 화상의 생성을 가능하게 한다.

(사다리꼴(trapezoidal) 변형 보정)

화상 변형은 다른 인자 때문에 발생할 수 있다. 예를 들어, 화상 투영 장치(1B)와 스크린(Sc)이 서로에 대하여 상대적으로 경사질 때, 투영된 컬러 화상은 스크린(Sc)에 사다리꼴 변형을 포함할 수 있다. 화상 처리 유닛(26) 또는 도시되지 않은 균등한 처리 유닛은 전술한 변형과 같은 방법으로 사다리꼴 변형을 보정할 수 있다.

일본 미심사 특허 출원 공보 No. 2006-178346 및 No. 2006-234157은 사다리꼴 변형에 대한 미리 정해진 양을 인식하도록 광 시스템을 설정함으로써 사다리꼴 변형을 보정하는 기술을 개시한다. 그러나, 사다리꼴 변형이 화상 투영 장치(1B)와 스크린(Sc) 사이의 위치 관계에 의해 발생하기 때문에, 변형의 양 및 방향(상측과 하측 사이의 관계)은 이 둘의 위치 관계에 따라 변경될 것이다. 특히, 변형의 양과 방향에서의 변동은 화상 투영 장치(1B)를 포함하는 휴대 장치를 이용한 투영에서 두드러진다. 전술한 바를 고려하여, 제3 실시예에 따른 화상 투영 장치(1B)는 화상 처리 유닛(26) 또는 균등한 처리 유닛을 이용하여 사다리꼴 변형 보정의 양을 조정할 수 있도록 구성된다. 예를 들어, 투영된 화상을 도시하는 동안 사용자가 조그 다이얼 또는 버튼에 대한 조작을 통해 보정량을 조정하도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 사다리꼴 변형을 위한 변환 함수를 저장하고, 보정량에 따라 변형 함수 또는 계수를 변경함으로써 조정된 보정량에 따라 화상 투영 장치(1B)가 보정된 화상을 투영하는 것이 가능하다. 따라서, 화상 투영 장치(1B)는 매우 적은 변형을 갖는 컬러 화상을 형성할 수 있다.

(밝기 불균일 보정)

화상 투영 장치(1B)에서, 광 편향기(13)의 미러부(13c)는 스팟(S)을 형성하기 위하여 정현파 형태로 진동하여, 광속의 주사각(α)(편향각(θ))는 시간에 대하여 정현파 형태로 가변한다. 이러한 이유로, 도 4b, 4c에 도시된 바와 같이, 주사 속도는 시간 축에서 0일 때 또는 주사각(α)(편향각(θ))이 0일 때 가장 빠르고, 주사각(α)(편향각(θ))이 더 클수록 주사 속도는 더 느려진다. 즉, 화소당 적분 광량은 주사각(α)에 따라 달라진다. 소정 레벨의 휘도를 갖는 광속을 이용하여 투영 평면을 주사하는데 있어서, 작은 주사각(α)으로 주사되는 투영 평면의 영역은 광속이 높은 주사 속도로 통과하기 때문에 화소당 적분 광량이 작어 어두울 것이다. 대조적으로, 큰 주사각(α)으로 주사되는 투영 평면의 영역은 광속이 낮은 주사 속도로 통과하기 때문에 화소당 적분 광량이 상대적으로 커 밝을 것이다.

제1 실시예의 변형예에 따른 화상 투영 장치(1A)와 유사하게, 화상 투영 장치(1B)는 소정의 범위에서의 일정한 주사 속도와 광속의 세기에서의 개선된 균일성을 보여준다. 그러나, 개선된 균일성을 더 보정하는 것은 투영된 컬러 화상의 품질을 개선하게 한다. 밝기 분포에서의 불균일은 광원(11a, 11b, 11c)의 발광량을 조정하는 화상 처리 유닛(26) 또는 도시되지 않은 균등한 처리 유닛에 의해 보정가능하다. 이 목적으로, 화상 처리 유닛은 미러 위치 신호(Mp)(미러부(13c)의 각도)로부터 스팟의 화소 위치 (i, j)를 판단하고, 화소 위치 (i, j)에 따라 보정된 세기를 갖는 광속을 방출하도록 광원을 제어한다. 밝기에서의 불균일의 보정은, 광원이 화상의 주변부에는 상대적으로 낮은 세기 또는 상대적으로 짧은 발광 시간으로 발광하도록 수행되며, 화상의 중심에는 상대적으로 높은 세기 또는 상대적으로 긴 발광 시간으로 발광하도록 제어된다. 화소 (i, j)에서의 광의 세기는 도시되지 않은 메모리에 저장되고, 화소 위치 (i, j)와 보정량(보정된 광의 세기) 사이의 관계를 나타내는 룩업 테이블을 참조하여 보정가능하다. 또한, 광의 세기는 화소 (i, j)에 대한 함수 및 보정량에 의해 보정될 수 있다. 따라서, 화상 투영 장치(1B)는 밝기에서 매우 적은 불균일을 갖는 화상을 형성할 수 있다.

(변형 보정 2)

전술한 바와 같이, 주사각(α)(편향각(θ))에서의 증가에 따른 주사 속도에서의 감소 때문에 변형이 컬러 화상에서 발생한다. 이러한 변형은 화상 처리 유닛(26) 또는 도시되지 않은 균등한 처리 유닛에 의해 전술한 변형과 동일한 방법으로 보정가능하다. 따라서, 화상 투영 장치(1B)는 매우 적은 왜곡을 갖는 화상을 형성할 수 있다.

(컬러 보정)

도 9에서의 화상 투영 장치(1B)는 광원(11a, 11b, 11c)으로부터 상이한 파장을 갖는 3개의 광속(적색, 녹색, 청색)을 결합하여 광 편향기(13)에 의해 광을 편향시키고 단일 편향각 변환 소자(14)에 의해 광의 편향각(θ)을 주사각(α)으로 변환하도록 구성된다. 결합된 광의 상이한 파장 때문에, 색수차가 발생하고, 광의 변환된 주사각(α)은 파장에 따라 달라, 이는 스크린(Sc)에서 동일한 화상 데이터 G(i, j)에 기초하여 형성된 스팟(S)에서의 색이동(color shift)을 발생시킬 수 있다.

이러한 색이동의 양은 각 파장(적색, 녹색, 청색)에 대하여 측정되거나 설계됨으로써 얻어질 수 있어, 색이동은 광원(11a, 11b, 11c)으로부터의 광속의 스팟 위치(S)를 보정함으로써 보정될 수 있다. 따라서, 화상 처리 유닛(26) 또는 균등한 처리 유닛은 광 편향기(13)의 미러부(13c)의 움직임에 따른 타이밍에 광속을 방출하도록 광원(11a, 11b, 11c)을 제어한다. 예를 들어, 화상 처리 장치(26)는 3가지 색상에 대한 스팟 위치의 시프트량에 따라 광원(11a, 11b, 11c)의 발광 타이밍을 독립적으로 조정할 수 있다.

또한, 이러한 색이동은 조립 오류 및 조정 오류, 부품 및 구성 요소에서의 차이, 및 온도나 시간적인 변경에 따른 변동과 같은 광원(11a, 11b, 11c)과 광로 결합 유닛(16)의 다양한 인자 때문에 발생할 수 있다. 따라서, 색이동에 대한 보정량은 화상 처리 유닛(26) 또는 균등한 처리 유닛에서 적절하게 변경가능한 것이 바람직하다. 예를 들어, 보정 조작 유닛(도시되지 않음)의 제공으로, 보정량은 보정 조작 유닛으로부터의 입력에 따라 조정될 수 있다. 따라서, 화상 투영 장치(1B)는 매우 적은 색이동을 갖는 컬러 화상을 형성할 수 있다.

[제4 실시예 ]

다음으로, 도 11을 참조하여 제1 내지 제3 실시예 중 어느 하나에 따른 화상 투영 장치를 포함하는 차량용 헤드업 디스플레이 장치(30)가 설명된다.

헤드업 디스플레이 장치(30)는 차량의 내부에 제공되며, 프로젝터(31) 및 프로젝터(31)로부터의 광을 반사하는 윈드 실드(32)를 주로 포함한다.

프로젝터(31)는 제1 및 제3 실시예에 따른 화상 투영 장치 중 하나이며, 광축 방향으로 미리 정해진 위치로 화상을 투영한다. 프로젝터(31)는 광축(광원(11) 또는 광원(11a 내지 11c)의 방출 방향)이 윈드 실드(32)로 향하게 되고 윈드 실드(32)가 운전자(33)의 머리 방향으로 광을 반사하도록 배치된다.

코팅이 없는 윈드 실드(32)는 화상을 투영하기에 충분한 빛을 반사할 수 있는 유리면 반사율로서 대략 수 %의 반사율을 가진다. 이것이 광원(11)으로부터의 광속을 반사하기 위한 부분 반사면(32a)을 포함하고, 개선된 반사율을 가지기 때문에, 프로젝터(31)는 더 낮은 조도의 광원으로 화상을 형성할 수 있다. 반사율을 개선하기 위하여, 부분 반사면(32a)은 코팅 또는 기상 증착에 의한 금속 박막, 유전체 다층 등을 포함할 수 있다. 이 대신에, 부분 반사면(32a)은 목표 지점에 수지를 코팅하고 공지된 기술에 의해 그 영역을 임프린팅(imprinting)함으로 형성될 수 있는 미세 구조를 포함할 수 있다. 또한, 미세 구조는 윈드 실드의 몰드에 직접 형성될 수 있다. 특히 광원이 전술한 실시예에서와 같이 상대적으로 작은 대역폭을 갖는 레이저이거나 단색 광속을 방출하는 LED일 때, 특정 파장을 갖는 광속만을 효율적으로 반사하기 위하여 부분 반사면(32a)을 구성하는 것이 바람직하다. 이것은 투영된 화상의 콘트라스트 및 가시도(visibility)를 향상시킬 수 있다. 또한, 광원용 레이저의 사용에 의해, 편향 선택 특성을 갖는 층 및 미세 구조를 설계하는 자유도를 증가시킬 수 있다. 부분 반사면(32a)은 주변광이 투과되게 하고 광원(11)으로부터의 광속을 운전자석에 있는 운전자(33)의 눈으로 반사시킬 수 있다.

부분 반사면(32a)은 상기 층 또는 미세 구조가 바람 또는 윈드 실드 와이퍼와의 마찰로부터 보호될 수 있도록 차량의 내부에 제공된다. 또한, 부분 반사면(32a)에 대응하는 위치에서 윈드 실드의 외부 면에 반사 보호층을 제공하는 것은 외부 면으로부터의 반사를 억제시키는 것을 가능하게 하여 중첩하는 화상의 형성을 방지하고 투영된 화상의 품질을 개선한다.

프로젝터(31)를 구동함으로써, 광속은 부분 반사면(32a)으로 방출되고, 이에 의해 운전자(33)의 눈의 방향으로 반사된다. 이 때, 허상(Vi)이 윈드 실드(32)의 전방에 형성된다. 운전자(33)는 부분 반사면(32a)에 의한 투영된 화상을 허상(Vi)으로서 본다.

제4 실시예는 가상 투영 평면으로서의 윈드 실드의 전방에 화상을 투영하기 위하여 부분 반사면(32a)에 의해 프로젝터(31)로부터의 광속을 반사하는 헤드업 디스플레이 장치(30)(도 11)를 예로서 설명한다. 그러나, 본 발명은 이러한 구성에 한정되지 않는다. 헤드업 디스플레이 장치는 제1 내지 제3 실시예 중 어느 하나에 따른 화상 투영 장치를 포함하는 한, 어떠한 방법으로도 구성될 수 있다. 예를 들어, 프로젝터(31)가 계기 패널(대쉬보드) 위에 제공된 스크린(Sc)에 화상을 투영하고, 운전자(33)는 부분 반사면(32a)을 통해 투영된 화상을 보도록 구성될 수 있다. 이 경우에, 스크린 에서의 투영된 화상의 허상은 윈드 실드(32)의 전방에 보인다. 다른 예는 화상은 윈드 실드(32)의 부분 반사면(32a) 상에 직접 투영된다.

또한, 차량용 헤드업 디스플레이 장치(30)에 따르면, 프로젝터(31)는 제1 내지 제3 실시예 중 어느 하나에 따른 화상 투영 장치에 더하여 다음의 제5 실시예에 따른 화상 투영 장치(1C)일 수 있다.

[제5 실시예 ]

다음으로, 도 23을 참조하여 제5 실시예에 따른 화상 투영 장치(1C)가 설명된다. 화상 투영 장치(1C)는 미러부의 광의 입사각(φ)(제1 실시예의 변형예 참조)이 거의 0에 가깝도록 빔 스플리터를 포함한다. 화상 투영 장치(1C)의 구조는 기본적으로 제2 실시예에서의 화상 투영 장치(1A)의 구조와 동일하여, 동일한 구성 요소와 기능에는 동일한 도면 부호가 부여되고, 그에 대한 설명은 생략된다. 도 23은 간략화를 위하여 제어 유닛(20)(제어 유닛(203))의 도시를 생략한다.

화상 투영 장치(1C)는 광 편향기(13)와 편향각 변환 소자(14) 사이에 빔 스플리터(50)와 초점 렌즈(51)를 포함하는 광 주사 유닛(10C)을 포함한다. 광 주사 유닛(10C)에서, 광원(11a)은 640 nm의 중심 파장을 갖는 선형 편향된 발산광을 방출하며, 광원(11b)은 530 nm의 중심 파장을 갖는 선형 편향된 발산광을 방출하며, 광원(11a)은 450 nm의 중심 파장을 갖는 선형 편향된 발산광을 방출한다. 발산광은 각각 발산광 변환 소자(12a, 12b, 12c)에 의해 실질적으로 평행광으로 변환되고, 광로 결합 유닛(16a, 16b)을 투과하여, 빔 스플리터(50)로 향하게 된다.

빔 스플리터(50)는 편향 분리 필름(50a) 및 위상판(52)을 포함하는 프리즘으로 구성된다. 편향 분리 필름(50a)은 편광 분리를 위한 작용을 하며, 광로 결합 유닛(16a, 16b)으로부터 640, 530, 450 nm의 중심 파장을 갖는 선형 편광된 평행광을 반사하도록 설정된다. 위상판은 편광 분리 필름(50a)의 편광 분리를 돕기 위하여 평면의 λ/4 판으로 이루어진다. 빔 스플리터(50)의 프리즘은 높은 굴절률을 갖는 유리 재료로 이루어진다; 따라서, 광 편향기(13)에 의해 편향된 광속이 편광 분리 필름(50a)상으로 일정한 각도로 입사되도록 한다.

제5 실시예에서, SCHOTT AG에 의해 제조된 유리 재료 SF11(굴절률 n₆₄₀ = 1.777781, n₅₃₀ = 1.795226, n₄₅₀ = 1.819054)이 빔 스플리터(50)의 프리즘용으로 사용된다. 위상판(52)을 포함하는 빔 스플리터(50)는 한 변이 4 mm인 정육면체로 형성된다. 편향 분리 필름(50a)은 위상판(52)에 대하여 45도로 경사지며, 빔 스플리터(50)의 굴절률과 동일한 굴절률을 갖는다. 빔 스플리터(50)는 편광 분리 필름(50a)이 광로 결합 유닛(16a, 16b)으로부터의 선형 편광된 평향광을 위상판(52)의 수선과 일치하는 방향으로 반사한다. 편향 분리 필름(50a)에 의해 반사된 평행광은 위상판(52)에 의해 원형으로 편광된 광으로 변환된다. 변환된 평행광의 진행 방향으로 초점 렌즈(51)가 제공된다.

초점 렌즈(51)의 렌즈면은 제1 실시예에서 수학식 1로 표현된 비구면 형상을 가지며, 그 중심 두께는 1.8 mm이다. 초점 렌즈(51)는 원형으로 편광된 평행광을 원형으로 편광된 수렴광으로 만든다. 광 편광기(13)는 초점 렌즈(51)를 마주보도록 원형으로 편광된 수렴광의 진행 방향으로 제공된다. 원형으로 편광된 수렴광은 다시 초점 렌즈(51)로 입사하고, 위상판(52)과 빔 스플리터(50)에 입사하도록 미리 정해진 각도 범위로 회전하는 미러부(13c)에 의해 편향된다. 위상판(12)을 통해, 원형으로 편광된 수렴광은 편광 분리 필름(50a)에 의해 반사된 선형 편광된 평행광에 비하여 90도 회전된 위상을 갖는 선형 편광된 광으로 변환된다. 이에 의해, 입사 수렴광은 다시 편광 분리 필름(50a)을 투과한다. 편향각 변환 소자(14)는 수렴광의 진행 방향으로 제공되며, 광 편향기(13)로부터 편향각 변환 소자(14)로의 광축 방향이 +Z 축 방향인 직교 좌표계에서 다음의 수학식 3으로 표현되는 자유로운 형상의 회전 비대칭 면인 xy 다항식 비구면 형상을 갖는다. 그 중심 두께는 2 mm이다.

여기에서, SQRT(Q)는 Q의 제곱근을 나타내고, z는 Z 축에 평행한 평면의 새그를 나타내고, c는 근축 곡률(paraxial curvature)(c = 1/r, r은 곡률 반지름)을 나타내고, k는 원추 상수이고, C_j는 x^myⁿ(C1=k)의 계수이다.

초점 렌즈(51)는 광 편향기(13)를 마주보는 제1 면(51a)과 빔 스플리터(50)(위상판(52))을 마주보는 제2 면(51b)을 포함한다. 제1 및 제2 면(51a, 51b)에 대한 데이터는 다음의 표 11에서 도시된다. 또한, 편향각 변환 소자(14)는 빔 스플리터(50)를 마주보는 제1 면(14a)과 반대측의 제2 면(14b)을 포함한다. 제1 및 제2 면(14a, 14b)에 대한 데이터는 다음의 표 12에서 도시된다. 표 11, 12에서, "E-0n"은 10^-n을 나타낸다.

	제1 면(51a)	제2 면(51b)
Y 곡률 반지름	-19.27821	-7.81898
원추 상수(K)	0	0
4차 계수(A)	-1.03837E-02	-7.72978E-03
6차 계수(B)	2.60615E-02	1.99134E-03
8차 계수(C)	-1.15980E-01	-2.83959E-03
10차 계수(D)	1.78671E-01	1.06423E-03

	제1 면(14a)	제1 면(14b)
Y 곡률 반지름	-2.61282	-21.37601
C1	-6.37139E-02	-6.32679E+01
C2	1.36565E-02	1.58637E-02
C3	-1.92926E-02	-3.26041E-02
C4	-9.95952E-03	-4.88315E-02
C5	-8.77081E-04	-6.86162E-04
C6	-5.71051E-03	-4.48665E-02
C7	3.83616E-03	3.07467E-03
C8	1.96274E-03	2.32631E-03
C9	9.95785E-05	-1.75772E-04
C10	-8.56356E-04	1.95995E-04
C11	5.61833E-03	2.15677E-03
C12	-2.51097E-06	5.05552E-04
C13	8.70872E-06	-1.18958E-03
C14	1.23661E-04	7.97527E-05
C15	6.18582E-04	-5.65857E-04
C16	1.11484E-03	3.92203E-04

제5 실시예에서, 초점 렌즈(51)와 편향각 변환 소자(14)는 SCHOTT AG의 유리 재료 BK7(굴절률 n₆₄₀ = 1.514846, n₅₃₀ = 1.519584, n₄₅₀ = 1.525320)로 이루어진다. 광축에서의 빔 스플리터(50)와 초점 렌즈(51) 사이의 거리는 0.2 mm이며, 초점 렌즈(51)와 광 편향기(13)(미러부(13c)) 사이의 거리는 0.5 mm이며, 빔 스플리터(50)와 편향각 변환 소자(14) 사이의 거리는 1.5 mm이다. 화상 투영 장치를 다운사이징하는 관점에서, 바람직하게는 발산광 변환 소자(12)와 빔 스플리터(50)는 서로 가깝게 배치되어야만 한다.

간략화를 위하여 제어 유닛(20)(제어 유닛(203))의 도시를 생략한 도 24를 참조하여 광 주사 유닛(10C')이 광 주사 유닛(10C)과의 비교를 위하여 설명된다. 광 주사 유닛(10C)은, 빔 스플리터(50)를 포함하지 않고, 초점 렌즈(51)와 편향각 변환 소자(14) 사이의 거리가 2.2 mm인 것을 제외하고는 광 주사 유닛(10C')과 동일하다. 이것은 빔 스플리터(50) 없이 적절하게 스팟 크기를 좁히기 위한 것이다. 또한, 광 주사 유닛(10C)의 편향 분리 필름(50a)과 위상판(52)의 편광 분리에 균등한 편광 분리를 갖는 반사면(50b)이 제공된다.

도 23, 24에서의 광 주사 유닛(10C, 10C')은 모두 편향각 변환 소자(14)의 제2 면(14)으로부터 205 mm 떨어진 위치에서 광속의 초점을 맞추기 위하여 설계된다. 도 25a, 25b는 광 주사 유닛(10C, 10C')의 광 편향기(13)가 x 축 주위로 회전될 때의 화상면에서의 스팟 다이어그램을 각각 도시한다.

도 25a에서, 광 주사 유닛(10C)은 3가지 색상(R, G, B)의 스팟을 거의 동일한 위치에 형성하지만, 광 주사 유닛(10C')은 서로 다른 위치에 형성한다. 따라서, 빔 스플리터(50)를 포함하는 광 주사 유닛(10C)은 색수차를 보정할 수 있다.

편향각 변환 소자(14)는 음의 파워를 갖는 렌즈이며, 기울어진 광 편향기(13)로부터의 광속을 발산하도록(광축으로부터 멀어지는 방향으로 방출되도록) 회절시킨다. 이것은 더 짧은 파장을 갖는 입사광을 더 크게 회절시킨다. 이것은 광 주사 유닛(10C')에서 두드러진다. 대조적으로, 빔 스플리터(50)를 포함하는 광 주사 유닛(10C)에서, 빔 스플리터(50)는 파장에 따라 입사광을 분할하고, 더 짧은 파장을 갖는 광속을 광축에 접근하는 방향으로 방출한다.

전술한 바와 같이, 빔 스플리터(50)와 편향각 변환 소자(14)의 특성이 상이한 파장을 갖는 광속의 굴절률에서의 차이를 고려하여 설정되기 때문에, 광 주사 유닛(10C)은 색수차를 감소시킬 수 있다.

빔 스플리터(50)의 사용으로, 입사각에 기인하는 화상 변형이 없도록 광 주사 유닛(10C)에서 미러부(13c)에서의 광의 입사각(φ)을 0으로 설정하는 것이 가능하다.

다음으로, 도 26을 참조하여 제5 실시예에서의 화상 투영 장치의 변형예로서의 화상 투영 장치(1Ct)가 설명된다. 화상 투영 장치(1Ct)에서, 편향각 변환 소자(14t5)는 서로 상이한 유리 재료로 이루어지는 복수의(본 실시예에서는 2개) 렌즈로 이루어진다. 화상 투영 장치(1Ct)의 구조는 기본적으로 제5 실시예에서의 화상 투영 장치(1C)의 구조와 동일하여, 동일한 구성 요소 및 기능에는 동일한 도면 부호가 부여되고 그에 대한 상세한 설명은 생략된다. 도 26은 간략화를 위하여 제어 유닛(20)(제어 유닛(203))의 도시를 생략한다.

편향각 변환 소자(14t5)는 제1 렌즈(14A)와 제2 렌즈(14B)를 포함한다. 제1 렌즈(14A)는 HOYA Co. Ltd.의 유리 재료 LaF2(굴절률 n₆₄₀ = 1.740080, n₅₃₀ = 1.749756, n₄₄₅ = 1.762083)로 이루어진다. 제1 렌즈(15A)는 빔 스플리터(50t5)를 마주보는 비구면의 제1 면(14Aa)과 구면의 제2 면(14Ab)를 포함한다. 제1 및 제2 면에 대한 데이터는 다음의 표 13에 나타낸다.

	제1 면(14Aa)	제2 면(14Ab)
r	-3.81443	-57.69500
k	0	0
A	4.96976E-04	0
B	2.37495E-04	0
C	-2.17429E-05	0
D	1.23840E-06	0

제2 렌즈(14B)는 SCHOTT AG의 전술한 유리 재료 SF11로 이루어진다. 제2 렌즈(14B)는 제1 렌즈(14A)를 마주보는 구면의 제1 면(14Ba)과 비구면의 제2 면(14Bb)을 포함한다. 제1 및 제2 면에 대한 데이터는 다음의 표 14에 나타낸다.

	제1 면(14Ba)	제2 면(14Bb)
r	55.69676	-21.45130
k	0	0
A	0	5.65731E-04
B	0	-1.38671E-06
C	0	-1.68803E-07
D	0	2.42731E-09

화상 투영 장치(1Ct)에서, 빔 스플리터(50t5)와 초점 렌즈(51t5)의 광 데이터 및 크기는 제5 실시예의 화상 투영 장치(1C)에서와 상이하다.

빔 스플리터(50t5)는 SCHOTT AG의 유리 재료 SF11로 이루어진 한 변이 5 mm인 정육면체의 프리즘과 두께가 0.5 mm인 위상판(52t5)으로 구성된다. 위상판(52t5)은 n₆₄₀ = 1.515, n₅₃₀ = 1.520, n₄₄₅ = 1.525의 굴절률을 갖는다.

초점 렌즈(51ta)는 SCHOTT AG의 전술한 유리 재료 BK7로 이루어지고, 제1 실시예에서의 수학식 1로 표현된 미구면 형상을 갖는다. 중심 두께는 1.8 mm이다. 초점 렌즈(51ta)는 광 편광기(13)를 마주보는 제1 면(51ta)과 빔 스플리터(50t5)를 마주보는 제2 면(51tb)을 포함한다. 제1 및 제2 면에 대한 데이터는 다음의 표 15에 나타낸다. 표 15에서, "E-0n"은 10^-n을 나타낸다.

	제1 면(51ta)	제2 면(51tb)
r	11.95774	93.94806
k	0	0
A	2.87818E-03	2.69767E-03
B	1.59861E-04	1.15924E-03
C	7.04233E-05	1.91127E-03
D	2.00773E-05	-1.14693E-03

도 27a는 광 편향기(13)가 광 주사 유닛(10Ct)에서 기준 위치(고정 위치, 회전각 = 0, 스웨이 각 = 0)에 있을 때의 화상면에서의 스팟 다이어그램을 도시하고, 도 27b는 광 편향기(13)가 축들 중 하나 주위로 15도(스웨이각 = 15도)로 회전될 때의 화상면에서의 스팟 다이어그램을 도시한다.

도 27a에서, R, G, B 컬러의 스팟 위치는 광 편향기(13)가 회전되지 않을 때 서로 거의 일치하고, 도 27b에서, 이들은 화상면의 중심에 가까운 매우 작은 영역에 있다. 도 27a, 27b로부터 알 수 있듯이, 상이한 재료의 제1 및 제2 렌즈(14A, 14B)로 구성된 편향각 변환 소자(14t5)의 사용에 의해, 광 주사 유닛(10Ct)은 색수차를 감소시킬 수 있다. 제1 및 제2 렌즈(14A, 14B)의 유리 재료 또는 광 데이터는 빔 스플리터(50t5) 또는 다른 광학 소자를 고려하여 최적으로 선택되거나 설정되는 것이 바람직하다. 또한, 도면에서는 도시되지 않았지만, 광 편향기(13)가 15도(편향각(θ) = 30도)로 회전될 때, 편향각 변환 소자(14t5)를 통과한 광속의 주사각(α)은 대략 45도이다. 따라서, 편향각 변환 소자(14t5)가 편향각 변환(확대) 기능을 가질 수 있다는 것이 확인된다.

[제6 실시예 ]

도 28a, 28b를 참조하여 제1 내지 제3 및 제5 실시예 중 하나에 따른 화상 투영 장치를 포함하는 휴대 전화기(40)가 설명된다. 도 28a은 예를 들어 평면에 있는 휴대 전화기(40)의 측면도이며, 도 28b는 화살표 A로부터 본 도 28a의 휴대 전화기(40)를 도시한다.

제6 실시예에 따른 휴대 전화기(40)는 키 조작부(41a)를 갖는 전화기 본체(41), 도시되지 않은 스크린 디스플레이를 포함하는 커버부(42), 및 전화기 본체(41)와 커버부(42)를 회전가능하게 연결하는 샤프트(43)를 포함한다. 도면에서 도시되지 않았지만, 휴대 전화기(40)는 전화기 본체(41)와 커버부(42)가 서로 평행하게 있는 접혀진(닫힌) 상태와, 전화기 본체(41)와 커버부(42)가 미리 정해진 각도로 서로 떨어진 열린 상태를 갖는다.

휴대 전화기(40)에서, 커버부(42)는 본 발명에 따른 화상 투영 장치로 구성되고 광축 방향으로 미리 정해진 위치에 화상을 투영하는 프로젝터(44)를 포함한다. 본 실시예에서, 프로젝터(44)는 열린 상태에 있는 휴대 전화기(40)(커버부(42)는 전화기 본체(41)에 수직)가 배치된 평면에 화상(46)를 투영하도록 구성된다.

광이 평면(45)에 서 있는 커버부(42)의 상면(42a)으로부터 평면(45)으로 향하도록 광축 방향(Lb)(광원(11) 또는 광원(11a 내지 11c)의 방출 방향)이 평면(45)에 대하여 경사진다.

광축(Lb)이 평면(45)에 대하여 경사지기 때문에, 전술한 실시예에서와 동일한 방식으로 프로젝터(44)에 의해 평면(45)에 투영된 화상은 사다리꼴 변형(도 28b에서 2점 쇄선으로 표시된 46')을 가질 수 있다. 사다리꼴 변형은 다음과 같이 보정될 수 있다.

휴대 전화기(40)의 크기와 휴대 전화기(40)에서의 프로젝터(44)의 위치는 미리 정해진다. 따라서, 프로젝터(44)(상술한 실시예에서의 편향각 변환 소자)의 발광 지점으로부터 투영 평면까지의 거리 또는 그 위치는 휴대 전화기(40)의 프로젝터 모드의 설정과 휴대 전화기(40)와 투영 평면 사이의 위치 관계에 기초하여 결정될 수 있다. 본 실시예에서, 평면(45) 상에 투영되는 화상의 위치는 프로젝터(44)의 발광 지점으로부터 평면(45)까지의 거리, 평면(45)에 대한 광축의 입사(투영)각, 및 평면(45)에서의 전화기 본체(41)의 위치에 기초하여 결정된다. 따라서, 정확한 직사각형 화상(46)에 비하여 평면(45) 상에 화상이 얼마나 사다리꼴로 변형되는지를 미리 알 수 있다. 휴대 전화기(40)에서, 화상 데이터에 기초한 스팟 위치는 원 화상 신호에 기초하여 정확한 직사각형 화상(46)을 형성하도록 보정된다. 휴대 전화기에서의 변형 보정은 제3 실시에에서와 동일한 방법으로 수행되며, 그에 대한 상세한 설명은 생략된다.

휴대 전화기(40)의 프로젝터 모드에서, 전화기 본체(41)는 화상을 원하는 위치(평면(45)) 상으로 투영하기 위하여 미리 정해진 방법(본 실시예에서는 열린 상태)으로 배치된다. 휴대 전화기(40)는 광원(11)(11a 내지 11c)으로부터의 광속에 따라 평면(45)에 화상(46)을 투영한다. 근거리 범위 화상 투영을 수행할 수 있는 본 발명에 따른 화상 투영 장치를 포함함으로써, 휴대 전화기(40)는 큰 화상, 예를 들어, 편향각 변환 소자(14)로부터 대략 240 mm의 범위에서 A4 크기의 화상을 평면(45)에 투영할 수 있다. 휴대 전화기(40)로서 평균 크기에서 현재의 일반적인 휴대 전화기를 이용하여, 프로젝터(44)의 발광 지점으로부터 평면(45)까지의 광축 방향으로의 거리(또는 발광 지점으로부터 투영된 화상까지의 최단 거리)를 대략 240 mm 이상으로 설정하는 것이 매우 용이하다. 따라서, 휴대 전화기(40)는 사다리꼴 변형 없이 평면(45) 상에서 적어도 대략 A4 크기로 양호하고 큰 화상을 투영할 수 있다. 이에 따라, 휴대 전화기(40)는 예를 들어 이것이 놓인 책상에서 대략 A4 크기의 화상을 투영하는 매우 유용한 프로젝터 기능을 제공할 수 있다.

또한, 휴대 전화기(40)의 프로젝터(44)는 평면(45)에 대한 광축(Lb) 방향의 경사 때문에 매우 가까운 범위에서의 투영된 큰 화상의 가시성을 개선할 수 있다. 이것은 뷰어(viewer)가 투영된 화상을 보는 동안, 평면(45)에 경사진 광축 방향(Lb)으로 휴대 전화기(40)가 뷰어의 시야 외부의 위치에 배치될 수 있기 때문이다. 광축 방향(Lb)이 투영 평면에 수직이거나 거의 수직이라면, 휴대 전화기(40)는 뷰어의 시야를 가린다.

제6 실시예를 따른 휴대 전화기(40)에서, 전화기 본체(41)는 평면(45)에 화상을 투영하기 위한 열린 상태로 배치되지만, 프로젝터 기능이 원하는 투영 평면에 대하여 미리 정해진 상태로 수행될 수 있는 한, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 휴대 전화기의 투영 평면은 휴대 전화기가 놓이는 평면일 필요는 없으며, 예를 들어, 벽에 걸린 스크린일 수 있다. 또한, 이 경우에, 매우 가까운 투영 범위 내에서도 큰 크기의 화상을 투영하는 것이 가능하다.

전술한 실시예를 통해 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 광 주사 유닛에서, 편향각 변환 소자는 광 편향기에 의해 편향된 광속의 편향각을 더 큰 주사각으로 변환하기 위한 음의 파워를 가진다. 따라서, 작은 진폭을 갖는 회전 가능한 미러를 이용하더라도, 진폭의 상한에 관계없이 광속을 이용하여 넓게 주사하여 매우 가까운 범위에서 화상을 투영하는 것이 가능하다.

또한, 넓은 화각에서 주사하는 광 주사 유닛을 다운사이징하는 것을 용이하게 하도록, 편향각 변환 소자는 단일 렌즈로 이루어질 수 있어, 이에 의해 광 주사 유닛을 포함하는 프로젝터를 다운사이징할 수 있다.

또한, 편향각 변환 소자는 상이한 유리 재료로 이루어진 복수의 렌즈로 구성될 수 있다. 이것은 복수의 광원의 사용에 의해 형성된 컬러 화상의 색수차를 감소시키고 색이동 없이 높은 품질의 화상을 형성할 수 있는 화상 투영 장치를 제공하는 것이 가능하다.

광 편향기는 서로 통합된 제1 편향기부와 제1 편향기부를 포함한다. 이것은 광 편향기의 다운사이징을 가능하게 하여, 전체 광 주사 유닛을 다운사이징한다.

또한, 광 편향기는 제1 및 제2 편향기부에 의해 회전가능한 미러부를 포함하며, 발산광 변환 소자를 통과한 광속의 미러부에 대한 입사각은 45도 이하로 설정된다. 이것은 입사각의 크기에 따른 화상 변형을 감소시킬 수 있다.

또한, 광 주사 유닛은 복수의 광원의 사용에 의해 형성된 컬러 화상의 색수차를 감소시킬 수 있도록 회전가능한 미러부와 빔 스플리터를 포함하며, 입사각의 크기에 따른 변형 없이 화상을 생성한다. 따라서, 색이동 없이 높은 품질을 갖는 컬러 화상을 형성하는 화상 투영 장치를 제공하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면, 광 편향기의 편향각이 더 클수록 주사각도 더 커진다. 이 때문에, 작은 진폭을 갖는 회전 가능한 미러부의 사용으로도, 진폭의 상한에 관계없이 광속을 이용하여 넓게 주사하여 매우 가까운 범위에서 화상을 투영하는 것이 가능하다. 또한, 화상 변형과 밝기에서의 불균일을 보정하도록 더 긴 시간에서 일정한 주사 속도를 유지하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명에 따르면, 발산광 변환 소자와 편향각 변환 소자는 각각 광축 주위로 회전 대칭인 렌즈면을 포함한다. 제조상의 에러와 조립 에러가 큰 값으로 설정될 수 있기 때문에, 이것은 발산광 변환 소자와 편향각 변환 소자의 기계 가공 및 조립을 용이하게 한다.

또한, 편향각 변환 소자는 경사진 광축을 이용하여 투영된 투영 평면 상의 화상의 변형 또는 왜곡에서의 감소를 돕도록 회전 비대칭 렌즈일 수 있다. 또한, 스팟 크기 및 스팟 세기와 같은 스팟의 품질을 개선하는 것이 가능하다.

본 발명에 따르면, 편향각 변환 소자는 적어도 하나의 비구면을 포함한다. 이 때문에, 이것은 투영 평면 상에서 스팟 크기를 확대하지 않으면서 더 큰 주사각으로 광속을 방출할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전술한 다운사이징된 광 주사 유닛을 포함하는 화상 투영 장치는 매우 가까운 범위에서 변형이 거의 없이 큰 화상을 투영할 수 있다. 이것은 광원의 발광 타이밍 또는 양을 제어하여 화상 해상도에서의 감소를 가지지 않으면서 사다리꼴 변형, 색이동, 및 밝기에서의 불균일이 거의 없이 투영 평면 상에 양호한 화상을 투영할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 전술한 다운사이징된 화상 투영 장치를 포함하는 차량 헤드업 디스플레이는 매우 가까운 범위에서 큰 화상을 형성하여 운전자에게 높은 가시성을 갖는 양호한 화상을 제공할 수 있다.

또한, 차량 헤드업 디스플레이의 다운사이징된 화상 투영 장치는, 차량의 다양한 영역에서 배치될 수 있도록 근거리 범위 투영을 수행할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전술한 화상 투영 장치를 포함하는 휴대 전화기는 그 크기를 증가시키지 않으면서 매우 가까운 범위에서 양호하고 큰 화상을 투영하여 사용자에게 높은 가시성으로 제공할 수 있다.

본 발명이 예시적인 실시예를 이용하여 설명되었지만, 이에 한정되지 않는다. 설명된 실시예에서 특허청구범위에 의해 정의되는 바와 같은 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않으면서 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해되어야 한다.

Claims

광원;
상기 광원으로부터의 발산광을 수렴광으로 변환하고, 투영 대상에 스팟을 형성하기 위하여 양의 파워를 가지는 제1 발산광 변환 소자 및 제2 발산광 변환 소자;
상기 광원의 광의 출사를 제어하는 제어 장치;
상기 제1 발산광 변환 소자로부터의 광과 상기 제2 발산광 변환 소자로부터의 광이 입사하고, 각각의 광을 제1 방향과 제2 방향으로 출사시키는 광로 합성 유닛;
상기 제1 방향의 광로 상에 설치되어, 상기 광로 합성 유닛으로부터의 광을 제1 주사 방향 및 상기 제1 주사 방향에 직교하는 제2 주사 방향으로 편향시키는 광 편향기;
상기 광 편향기에 의해 편향된 광의 편향각을 변환하는 음의 파워를 가지는 편향각 변환 소자; 및
상기 제2 방향의 광로 상에 설치되어, 수광한 광의 광량에 따른 신호를 상기 제어 장치에 출력하는 수광 소자
를 포함하고,
상기 제어 장치는, 상기 수광 소자로부터 출력된 신호를 이용하여, 상기 광원의 출사를 제어하는 것을 특징으로 하는,
광 주사 유닛.
제1항에 있어서,
상기 편향각 변환 소자는 단일 렌즈로 이루어지는,
광 주사 유닛.
제1항에 있어서,
상기 편향각 변환 소자는 상이한 유리 재료로 형성되는 복수의 렌즈로 이루어지는,
광 주사 유닛.
삭제
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 광 편향기는 상기 제1 및 제2 주사 방향으로 지지 샤프트 주위로 왕복 이동하는 광 진동 소자로 구성되며;
기준 광축이 상기 광 진동 소자가 기준 위치에 있을 때 상기 광 진동 소자에 의해 편향된 광의 진행 방향이고, 편향각(θ)이 상기 광 편향기에 의해 편향된 진행하는 광의 상기 기준 광축에 대한 각도이고, 주사각(α)이 상기 편향각 변환 소자에 의해 변환된 진행하는 광의 상기 기준 광축에 대한 각도인 경우에, 상기 편향각 변환 소자는 상기 기준 광축에 통과한 입사광의 편향각을 θ = α를 만족하도록 변환하고, 상기 기준 광축에 통과하지 않은 입사광의 편향각을 θ < α을 만족하도록 변환하는,
광 주사 유닛.
삭제
삭제
제1항에 있어서,
상기 편향각 변환 소자는 회전 비대칭 렌즈인,
광 주사 유닛.
제1항에 있어서,
상기 편향각 변환 소자의 적어도 한 면은 비구면 형상으로 형성되는,
광 주사 유닛.
삭제
제1항에 따른 광 주사 유닛; 및
상기 광 주사 유닛을 제어하는 제어 유닛
을 포함하고,
상기 제어 유닛은, 상기 광원의 발광을 제어하는 광원 제어 회로, 상기 광 편향기의 편향각을 제어하는 편향각 제어 회로, 및 획득된 화상 데이터를 적절히 보정하고 상기 편향각 제어 회로와 상기 광원 제어 회로에 보정된 화상 데이터를 출력하는 화상 처리 회로를 포함하는,
화상 투영 장치.
제13항에 따른 화상 투영 장치를 포함하는 차량 헤드업 디스플레이 장치.
제13항에 따른 화상 투영 장치를 포함하는 휴대 전화기.