KR101227474B1 - 레이저 반점 감소 장치 및 이를 이용한 광학계 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화면의 출렁거림이나 밝기 저하 없이 레이저 반점을 감소시킬 수 있는 장치를 제공하기 위한 것으로서, 입력되는 빔을 원하는 크기의 평행광으로 출사시키는 입사 렌즈부와, 상기 입사 렌즈부에서 출사되는 일정한 크기의 평행광을 멀티 레벨의 위상을 갖는 빔으로 출사하는 MRPP(Multi-Random Phase Plate)와, 상기 MRPP에서 멀티 레벨의 위상을 가지고 투사되어진 빔을 다시 모아서 출사시키는 집속렌즈를 포함하여 구성되는데 있다.

레이저 반점, 콜리메이터, MRPP, Goodman

Description

레이저 반점 감소 장치 및 이를 이용한 광학계{apparatus for speckle reduction in laser and projection system of the same}

도 1 은 본 발명에 따른 레이저 반점 감소 장치를 이용한 광학계를 나타낸 전체 구성도

도 2 는 본 발명에 따른 광학계의 입사 렌즈부를 나타낸 구성도

도 3 은 본 발명에 따른 레이저 반전 감소 장치에서 MRPP의 전체 구성을 나타낸 도면

도 4 는 도 3의 MRPP의 부분적 세부 패턴의 구성을 나타낸 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 광원 200 : 레이저 반점 감소 장치

210 : 집속렌즈 220 : MRPP

300 : 입사렌즈부 310 : 입사렌즈

320 : 콜리메이터 330 : 외관 경통

340 : 내관 경통 400 : 투사계

500 : 스크린

본 발명은 광학계에 대한 것으로, 특히 조명 검출기가 레이저 조명에 의해 조사된 표면을 관측하여 강도 검출기에 의해 검출된 레이저 반점을 감소시키기 위한 레이저 조명 분야에 대한 것이다.

최근 디스플레이 분야의 급격한 발전이 이루어지면서 소비자들은 좀더 밝고 선명한 이미지를 좀더 큰 화면으로 보기를 원하고 있다. 이러한 소비자의 욕구를 충족시키기 위한 수단의 하나로 레이저를 이용한 디스플레이의 개발이 활발하게 진행되고 있다.

하지만 레이저 조명은 간섭성이기 때문에 스크린에 의해 확산될 때, 인간의 눈에 밝고 어두운 간섭무늬인 레이저 반점을 만들게 된다. 따라서 이러한 현상으로 인해서 본래의 이미지를 선명하게 보지 못하게 되는 현상이 나타나게 된다.

이러한 레이저 반점을 없애기 위해 사용된 종래의 방법들은 'Goodman'에 의해 알려진 N개의 무관계(uncorelated) 반점 패턴을 중첩시킴으로서 감소시키고 있다.

즉, Goodman에 의해 알려진 시간평균을 사용하는 진동으로 시청 스크린이나 파이버를 움직임으로써 다중 반점 패턴을 생성한다. 이때 진동은 광학 축을 중심으로 작은 원 또는 작은 타원을 통상적으로 뒤따른다. 이는 반점 패턴이 시청 스크린을 보는 눈에 대해 변이 되도록 하여, 시간에 걸쳐 다중 반점 패턴을 형성한다.

따라서 임의의 시간에서 반점의 양이 변화되지 않더라도, 눈은 진동 속도가 임계 속도 이상이 되는 경우 감소된 반점을 인지한다. 즉, 눈은 진동이 통합 시간 내에서 무관계 반점 패턴을 생성할 만큼 눈에 대한 통합 시간이 충분히 길다면 감소된 반점을 검출하게 된다.

또한, 레이저 조명 디스플레이 분야에서는 회절성 광학 소자가 레이저 반점을 감소시키기 위해 레이저 조명 영상 시스템에 부가될 수 있다는 것이 알려져 있다. 즉, 상기 회절성 광학 소자는 중간 영상 평면에 또는 중간 영상 평면 근처에 위치되어 디스플레이 스크린에서 변화하는 위상을 생성하기 위해 디스플레이 시스템 광학층을 중심으로 회전 또는 환상 패턴인 중간 영상 평면에서 이동된다. 이렇게 변화하는 위상은 시간에 따라 무관계 반점 패턴을 생성하여서 시간 평균을 사용하여 감소된 반점을 검출한다.

하지만, 이와 같이 시청 스크린이나 파이버를 움직임으로써 다중 반점 패턴을 생성하여 감소된 반점을 검출하는 방법은 화면의 출렁거림으로 시청에 불쾌감을 유발할 수 있으며, 또한 밝기 저하와 같은 문제점을 가지고 있다.

따라서 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 화면의 출렁거림이나 밝기 저하 없이 레이저 반점을 감소시킬 수 있는 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 레이저 빔의 이동경로를 다변화 할 수 있는 광학계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 광 파이버(Fiber)를 사용하지 않는 광학계를 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 레이저 빔에 위상차이를 주어서 진행시키는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 레이저 빔의 위상차이는 멀티-레벨로 랜덤(random)하게 구현하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 반점 감소 장치의 특징은 입력되는 빔을 받아들이는 입사렌즈와, 입사렌즈로 입사된 빔을 일정한 크기의 평행광으로 만들어주는 콜리메이터와, 콜리메이터가 고정 부착되는 외관 경통과, 입사렌즈가 고정 부착되고, 입력되는 빔의 직경을 3mm ~ 10mm로부터 선택된 어느 한 빔의 직경으로 가변하기 위해, 외관 경통 내에서 앞뒤로 이동하여, 입사렌즈와 콜리메이터 사이의 거리를 조절하는 내관 경통과, 콜리메이터에서 출사되는 일정한 크기의 평행광을 멀티 레벨의 위상을 갖는 빔으로 출사하도록, 평행광의 파장보다 더 큰 크기의 패턴을 포함하는 MRPP(Multi-Random Phase Plate)와, MRPP에서 멀티 레벨의 위상을 가지고 투사되어진 빔을 다시 모아서 출사시키는 집속렌즈를 포함하여 구성되는데 있다.
바람직하게 상기 입사 렌즈, 콜리메이터, MRPP 및 집속렌즈 면은 무반사(anti-reflection : AR) 코팅이 형성된 것을 특징으로 한다.

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바람직하게 상기 MRPP는 서로 다른 위상을 가지고 빔을 출사시키는 다수개의 패턴들이 구성된 섹터들이 다수개 배열되어 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 다수개의 패턴들은 적어도 하나 이상의 크기를 갖는 패턴들로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 패턴은 수백 nm ~ 수 mm 까지의 크기를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 MRPP는 전체 광학계의 DMD의 미러 크기보다 작게 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 MRPP는 폴리카본네이트(polycarbonate) 또는 글라스(Glass) 위에 판금구조로 구성되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게 상기 MRPP는 중심을 축으로 회전되도록 구성되어, 상기 회전에 따라 입사렌즈와 콜리메이터(Collimator) 간의 거리를 조절하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 레이저 반점 감소 장치를 이용한 광학계의 특징은 빔(beam)의 소스를 제공하는 광원과, 입력되는 빔을 받아들이는 입사렌즈와, 입사렌즈로 입사된 빔을 일정한 크기의 평행광으로 만들어주는 콜리메이터와, 콜리메이터가 고정 부착되는 외관 경통과, 입사렌즈가 고정 부착되고, 입력되는 빔의 직경을 3mm ~ 10mm로부터 선택된 어느 한 빔의 직경으로 가변하기 위해, 외관 경통 내에서 앞뒤로 이동하여, 입사렌즈와 콜리메이터 사이의 거리를 조절하는 내관 경통과, 콜리메이터에서 출사되는 일정한 크기의 평행광을 멀티 레벨의 위상을 갖는 빔으로 출사하도록, 평행광의 파장보다 더 큰 크기의 패턴을 포함하는 MRPP(Multi-Random Phase Plate)와, MRPP에서 멀티 레벨의 위상을 가지고 투사되어진 빔을 다시 모아서 출사시키는 집속렌즈와, 집속렌즈에서 출사되는 빔을 이용하여 스크린에 영상을 확대 투사시키는 투사계를 포함하여 구성되는데 있다.

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본 발명의 다른 목적, 특성 및 이점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명에 따른 레이저 반점 감소 장치 및 이를 이용한 광학계의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1 은 본 발명에 따른 레이저 반점 감소 장치를 이용한 광학계를 나타낸 전체 구성도이다.

도 1과 같이, 빔(beam)의 소스를 제공하는 광원(100)과, 상기 광원(100)에서 빔을 입력으로 원하는 크기의 평행광으로 출사시키는 입사 렌즈부(300)와, 상기 입사 렌즈부(300)에서 출사되는 일정한 크기의 평행광을 멀티 레벨의 위상을 갖는 빔으로 출사하는 MRPP(Multi-Random Phase Plate)(220)와, 상기 MRPP(220)에서 멀티 레벨의 위상을 가지고 투사되어진 빔을 다시 모아서 출사시키는 집속렌즈(210)와, 상기 집속렌즈(210)에서 출사되는 빔을 이용하여 스크린(500)에 영상을 확대 투사시키는 투사계(400)로 구성된다.

상기 입사 렌즈부(200)는 광원에서 입력되는 빔을 받아들이는 입사렌즈(310)와, 상기 입사렌즈(310)로 입사된 빔을 일정한 크기의 평행광으로 만들어주기 위한 콜리메이터(Collimator)(320)로 구성된다.

이때, 상기 콜리메이터(320)에서 생성되는 평행광의 크기는 시스템에 따라 3mm ~ 10mm사이에서 원하는 직경을 선택적으로 사용할 수 있도록 구성되어 진다. 이때, 평행광의 직경이 10 mm 이상으로 더 커질 수도 있으나, 전체 시스템의 효율 도 고려해서 5mm의 크기로 생성하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 입사 렌즈부(200)를 비롯한 모든 렌즈 및 MRPP의 모든 면은 무반사(anti-reflection : AR) 코팅을 하여 빔의 반사를 최소화하도록 구성된다.

상기 MRPP(220)는 폴리카본네이트(polycarbonate) 또는 글라스(Glass) 위에 판금으로 구성되어 투과되는 빔의 위상차를 변화시킨다.

또한, 상기 MRPP(220)의 표면은 한번의 에칭(etching)에 의해서 패턴(pattern)을 구현되며, 그 패턴의 크기는 수백 nm ~ 수 mm 정도까지의 크기를 가지도록 구성된다.

이때, 상기 패턴의 크기는 입사되는 레이저의 파장보다는 커야 웨이브 가이드 효과를 나타낼 수 있다. 본 발명에서 사용하고 있는 그린 레이저의 파장이 530~540 nm의 크기를 가지고 있으므로, 본 명세서에서는 도 4에서 나타내고 있는 것과 같이 550nm~700nm의 크기를 가지도록 패턴을 형성하고 있다. 아울러, 이와 같은 크기를 갖는 패턴을 형성하기 위해 각 패턴간의 간격은 1㎛를 갖는 것이 바람직하다.

그리고, 모터에 의해서 상기 MRPP(220)가 중심을 축으로 회전하도록 구성된다.

또한, 상기 입사 렌즈부(300)는 도 2와 같이, 콜리메이터(Collimator)(320)가 고정 부착된 외관 경통(330)과, 상기 외관 경통(330)내에서 앞뒤로 이동이 가능하고 입사렌즈(310)가 부착된 내관 경통(340)으로 구성된다. 그래서, 상기 입사 렌즈부(300)를 제조할 때, 상기 내관 경통을 앞 뒤로 이동시켜 상기 입사렌즈(310)와 콜리메이터(Collimator)(320)간의 거리를 조절하여 평행광의 크기를 조절하도록 구성된다.

이때, 상기 MRPP(220)는 전체 광학계의 DMD의 미러 크기보다 작게 구성된다. 즉, 상기 DMD 미러의 크기가 14㎛이므로 이보다 작은 패턴을 사용한다.

이와 같이 구성된 본 발명에 따른 레이저 반점 감소 장치를 이용한 광학계의 동작을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 레이저 광원(100)에서 나온 빔은 광학 기기 입사 렌즈부(300)의 입사면으로 받아 들여서 이를 원하는 크기의 평행광을 만들기 위하여 콜리메이터(Collimator)(320)를 통과시킨다.

이때, 상기 콜리메이터(320)에서 생성되는 평행광의 크기는 시스템에 따라 3mm ~ 10mm사이에서 원하는 직경을 선택적으로 사용할 수 있도록 구성되어 진다. 이때, 평행광의 직경이 10 mm 이상으로 더 커질 수도 있으나, 전체 시스템의 효율도 고려해서 5mm의 크기로 생성하는 것이 바람직하다.

이렇게 상기 콜리메이터(320)에서 평행광이 되어서 나온 빔은 그대로 회전하고 있는 MRPP(Multi-Random Phase Plate)(220)를 통과하면서 진행을 하게 된다.

이때, 상기 MRPP(220)는 폴리카본네이트(polycarbonate) 또는 글라스(Glass) 위에 판금(plate)을 통해 소정의 패턴들이 형성되어 있다.

즉, 도 3과 같이, MRPP에는 판금을 이용하여 다수개의 섹터(221)들이 구성되어 있으며, 이 각각의 섹터(221)들은 도 4와 같이 서로 다른 위상을 가지고 빔을 출사시키는 패턴들이 서로 다른 크기로 구성되어 있다.

이와 같이 판금을 이용하여 소정의 패턴들이 형성되어 있으므로 상기 MRPP(220)는 고전력(high power)에 따른 구동시에도 열에 의한 손상을 막을 수 있다.

이때, 상기 각 섹터(221)의 크기는 가로(4㎛)×세로(4㎛)의 크기로 형성되며, 또한 상기 각 섹터(221)에 형성되는 서로 다른 크기의 패턴들은 이웃하는 패턴과의 거리를 1㎛의 거리를 두고 서로 다른 크기로 형성된다.

따라서, 상기 MRPP(220)가 연속적으로 회전을 하고 있기 때문에 이 MRPP(220)를 통과하는 빔은 서로 다른 크기의 패턴이 있는 부분과 그렇지 않은 부분을 동시에 지나가면서 연속적인 위상의 변화를 일으킨다.

이러한 과정을 통해서 상기 MRPP(220)를 통과하는 동안에 서로 다른 위상을 가지는 빔이 서로 다른 경로를 가지면서 계속적으로 바뀌어 지게 된다.

이러한 빔의 위상변화와 경로 변화로 인해서 스크린(500) 상에는 위상 차에 해당하는 간섭무늬가 계속 변화하면서 생기게 된다.

이러한 간섭무늬는 서로 다른 레이저 반점 패턴이 독립적으로 생기게 된다. 이렇게 생긴 서로 독립적인 레이저 반점 패턴들이 스크린 상에서 보여질 때는 이러한 패턴들의 평균으로 보여지기 때문에 레이저 반점을 줄이는 것과 같은 효과를 나타낸다.

결과적으로 레이저 빔에서 나온 빔은 진술한 광학장치를 거치는 동안 본래 가지고 있던 간섭(Coherency) 성질이 줄어들게 되고, 이는 스크린 상에서 레이저 반점의 감소로 나타나게 된다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 레이저 반점 감소 장치 및 이를 이용한 광학계는 레이저의 진행경로를 다변화 시켜줌으로 인해서 레이저의 고유한 특성인 간섭성을 줄여 스크린 상에서 레이저 반점을 줄이는 효과가 있다.

따라서, 본 발명은 레이저를 광원으로 하는 디스플레이 분야에 적용하여 보다 선명한 이미지를 구현하는 효과를 볼 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (14)

1. 입력되는 빔을 받아들이는 입사렌즈와,

   상기 입사렌즈로 입사된 빔을 일정한 크기의 평행광으로 만들어주는 콜리메이터와,

   상기 콜리메이터가 고정 부착되는 외관 경통과,

   상기 입사렌즈가 고정 부착되고, 상기 입력되는 빔의 직경을 3mm ~ 10mm로부터 선택된 어느 한 빔의 직경으로 가변하기 위해, 상기 외관 경통 내에서 앞뒤로 이동하여, 상기 입사렌즈와 상기 콜리메이터 사이의 거리를 조절하는 내관 경통과,

   상기 콜리메이터에서 출사되는 일정한 크기의 평행광을 멀티 레벨의 위상을 갖는 빔으로 출사하도록, 상기 평행광의 파장보다 더 큰 크기의 패턴을 포함하는 MRPP(Multi-Random Phase Plate)와,

   상기 MRPP에서 멀티 레벨의 위상을 가지고 투사되어진 빔을 다시 모아서 출사시키는 집속렌즈를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 반점 감소 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 입사 렌즈, MRPP 및 집속렌즈 면은 무반사(anti-reflection : AR) 코팅이 형성된 것을 특징으로 하는 레이저 반점 감소 장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 MRPP는 서로 다른 위상을 가지고 빔을 출사시키는 다수개의 패턴들이 구성된 섹터들이 다수개 배열되어 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 반점 감소 장치.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 다수개의 패턴들은 적어도 하나 이상의 크기를 갖는 패턴들로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 반점 감소 장치.
7. 제 5 항에 있어서,

   상기 패턴은 수백 nm ~ 수 mm 까지의 크기를 갖도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 반점 감소 장치.
8. 삭제
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 MRPP는 전체 광학계의 DMD의 미러 크기보다 작게 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 반점 감소 장치.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 MRPP는 폴리카본네이트(polycarbonate) 또는 글라스(Glass) 위에 판금구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 반점 감소 장치.
11. 제 1 항에 있어서,

    상기 MRPP는 중심을 축으로 회전되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 반점 감소 장치.
12. 삭제
13. 빔(beam)의 소스를 제공하는 광원과,

    입력되는 빔을 받아들이는 입사렌즈와,

    상기 입사렌즈로 입사된 빔을 일정한 크기의 평행광으로 만들어주는 콜리메이터와,

    상기 콜리메이터가 고정 부착되는 외관 경통과,

    상기 입사렌즈가 고정 부착되고, 상기 입력되는 빔의 직경을 3mm ~ 10mm로부터 선택된 어느 한 빔의 직경으로 가변하기 위해, 상기 외관 경통 내에서 앞뒤로 이동하여, 상기 입사렌즈와 상기 콜리메이터 사이의 거리를 조절하는 내관 경통과,

    상기 콜리메이터에서 출사되는 일정한 크기의 평행광을 멀티 레벨의 위상을 갖는 빔으로 출사하도록, 상기 평행광의 파장보다 더 큰 크기의 패턴을 포함하는 MRPP(Multi-Random Phase Plate)와,

    상기 MRPP에서 멀티 레벨의 위상을 가지고 투사되어진 빔을 다시 모아서 출사시키는 집속렌즈와,

    상기 집속렌즈에서 출사되는 빔을 이용하여 스크린에 영상을 확대 투사시키는 투사계를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 광학계.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 MRPP는 서로 다른 위상을 가지고 빔을 출사시키는 다수개의 패턴들이 구성된 섹터들이 다수개 배열되어 구성되는 것을 특징으로 하는 광학계.

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