KR101306028B1

KR101306028B1 - 레이저-기반 프로젝터의 색 혼합 막대 통합기

Info

Publication number: KR101306028B1
Application number: KR1020087017477A
Authority: KR
Inventors: 오스카 헨드리커스 윌렘센; 마셀리너스 피트러스 카롤루스 마이클 크린
Original assignee: 코닌클리즈케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이.
Priority date: 2005-12-20
Filing date: 2006-12-13
Publication date: 2013-09-12
Also published as: US20080278691A1; WO2007072336A1; JP2009520233A; CN101346658A; KR20080080388A; JP5244612B2; EP1966644A1; CN101346658B; US8029144B2

Abstract

본 발명은 색 순차 동작형이고 레이저-기반의 프로젝터의 비용을 감소시키고 크기를 줄이기 위한 레이저 광원의 높은 빔 품질을 개발하는 시스템(150)(160), 장치(100), (200) 및 방법을 제공한다. 색 혼합 막대 통합기(100)(200)(500)(550)를 이용하여, 레이저 광이 균질화되어, 적당한 조명 패턴을 공간 광 변조기에 공급한다. 막대 통합기는 또한 적어도 두개의 원색들의 광을 재결합하기 위해 이용되어, 다이크로익 재결합 광학계를 회피한다. 이러한 목적을 위해 모든 광은 하나의 동일한 색 혼합 막대 통합기의 입사면(101)에 커플링된다. 이러한 방식으로, 낮은 비용의 컴팩트한 조명 시스템이 얻어진다. 추가의 반사층들을 통합기의 입사면(101)(201) 및 출사면(105)에 부가함으로써, 통합기의 길이가 감소되고/되거나, 시스템의 F/#가 증가된다. 이것은 진정한 휴대형 프로젝터를 가능하게 해준다. 본 발명에 따른 색 혼합 막대 통합기를 반사형 공간 광 변조기를 갖는 광 엔진에 응용할 때, 통합기는 광 리사이클링에 매우 적합하고, 이것은 이미지의 휘도를 평균 비디오 디스플레이 부하에서 세배까지 증가시킬 수 있다.

레이저-기반의 프로젝터, 색 혼합 막대 통합기, 균질화, 스펙클

Description

레이저-기반 프로젝터의 색 혼합 막대 통합기{COLOR MIXING ROD INTEGRATOR IN A LASER-BASED PROJECTOR}

본 발명은 레이저-기반 프로젝션 엔진들 내에서 디스플레이 패널을 조명하기 위한 색 혼합 막대 통합기(color mixing rod integrator)에 관한 것이다. 더 구체적으로, 본 발명은 레이저-기반 프로젝션 엔진들 내에서 레이저 스펙클(laser speckle)을 줄이고 동시에 프로젝트된 이미지들의 균질의 조명을 보장하는 색 혼합 막대 통합기에 관한 것이다.

현재 초고압(ultra high pressure: UHP) 램프가 배면 및 정면 프로젝션 응용들을 위한 가장 확증된 광원인데, 왜냐하면 그것은 알맞은 비용에서 높은 루멘 효율(lumen efficacy)과 높은 소스 밝기를 겸비하기 때문이다. 최근 몇 년 동안 고체-상태 광원 기술이 대단히 향상되어, UHP 기술과 경쟁할 것이 기대된다. 이것은 왜냐하면 고체-상태 광원들이 높은 색 순도, 빠른 광학적 응답, 및 수은 없는 동작과 같은 소정의 독특한 이점들을 제공하기 때문이다. 디스플레이들에 응용 가능한 가장 성숙한 고체-상태 광원 기술은, 저비용으로, 높은 루멘 효율과, 작은 폼 팩터(form factor)를 갖고, 모든 디스플레이 원색들(display primaries)에 이용가능한 고휘도 LED이다. 그러나, LED의 광출력은 다소 낮기 때문에, 그리고 에텐 듀(etendue)가 UHP 램프의 것과 유사하기 때문에, LEDs에 기초한 프로젝터들은 낮은 루멘 출력과 적당한 사이즈를 갖는다. 따라서, 그러한 프로젝터들은 대형 스크린 크기를 요구하는 응용에 UHP 램프들과 (아직은) 경쟁할 수 없다. 그러나, 그들은 낮은 동작 전력과 컴팩트한 디자인을 요구하는 핸드헬드 및 모바일 프로젝션과 같은 새로운 응용 영역들에 매우 잘 이용될 수 있다. 그러나, LED 기반 프로젝터들이 보다 소형의 크기와 보다 높은 루멘 출력의 계속-증가하는 요구들을 따라갈 수 있을지는 여전히 불명확한 채로 남아 있다.

고체-상태 광원의 다른 타입인, 레이저는 매우 작은 에텐듀와 결합된 매우 높은 소스 휘도를 갖는다. 사실, 그것은 포인트 소스로서 여겨질 수 있고 이것은 최소의 광 엔진을 구성하는 것을 가능하게 해준다. 그것은 핸드헬드 및 모바일 응용들을 위한 진정한 휴대형 배터리 작동형 미니어처 프로젝션 디스플레이의 설계 및 실시를 가능하게 해준다. 또한, 레이저들은 몇 와트(Watts) 수준일 수 있는 출력 전력들에서 이용가능하고, 따라서 높은 루멘 출력을 가능하게 해준다. 상기의 내용을 명심하면, 레이저들은 모든 타입의 프로젝션 응용들에 대한 궁극적인 광원이 될 것으로 기대된다.

그러나, 디스플레이들에서 레이저의 응용을 방해하는 몇가지 문제들이 있다. 이 문제들 중 가장 중요한 것들은 레이저 스펙클(laser speckle), 비용, 녹색(green)과 청색(blue)의 이용가능성, 루멘 효율이다. 스펙클 문제는 꽤 심각하다. 비록 이용가능성과 루멘 효율이 아마도 가까운 장래에 해결될지라도, 디스플레이들을 위한 레이저들은 그들의 학습 커브의 시작점에 있을 것인데, 이는 레이저 에서 나오는 루멘당 비용이 여전히 꽤 높을 것임을 암시한다. 그러므로, 기업 대 기업 정면 프로젝션 및 배면 프로젝션 TV(business to business front projection and rear projection TV)와 같은 응용들에 있어서 확립된 UHP 기술과 경쟁하는 것은 매우 어려울 것이다. 그 대신, 새로운 휴대형 프로젝션 응용들을 겨냥하는 것이 훨씬 더 현명할 것이다.

이러한 타입의 응용들을 위해, LEDs와 레이저들은 둘다 매력적인 옵션들이고, 아마도 그들은 주로 프로젝터의 가격 및 크기에서 서로 경쟁할 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 레이저-기반 프로젝터의 크기는 LED-기반 프로젝터의 크기보다 훨씬 더 작을 것이지만, 레이저에 의해 생성되는 루멘당 가격은 가까운 장래에 더 높은 수준의 규모가 될 것이다. 또한, 두 기술들이 그들의 완전한 성숙기에 도달했을 때에도, 레이저들은 더 비쌀 것인데, 그 이유는 레이저들을 위한 처리 순서가, 각각 높은 수준의 처리 제어로 수행되어야 하는 피착 단계들을 더 많이 요구하기 때문이다.

그럼에도 불구하고, 루멘당 더 고가의 가격은 프로젝션 디스플레이들에서 레이저들의 응용에 대한 병목 제거일 필요는 없는데, 왜냐하면 프로젝터의 완전한 광 엔진의 비용을 낮추기 위한 많은 기회가 있기 때문이다. 우선, 레이저들을 이용하는 프로젝터들은 보다 광 효율이 높을 것인데, 이는 요구되는 레이저로부터의 루멘 출력이 감소된다는 것을 의미한다. 둘째, 이차원 주사 미러(scanning mirror)를 구비한 아키텍처를 이용함으로써 LCoS 패널과 같은 고가의 광 변조기에 대한 필요를 회피한다. 그러나, 이러한 타입의 엔진이 요구되는 이미지 품질을 제공할 수 있을지는 의문이다. 또한, 이차원 광 변조기에 기초한 다소 통상적인 프로젝터의 비용을 낮추는 것도 옵션이다.

더 최근에, 광 도파관들(light guides)을 이용한 광학 아키텍처들이 또한 HTPS 투과형- 및 DMD 및 LCoS-기반 반사형 프로젝션 엔진들을 위해 제안되었다. 이 제안된 아키텍처들은 그들이 백색 광을 발광하는 광원과 결합되어야 한다는 점에서 공통점을 갖는다.

이것은 광이 세개 또는 그 이상의 원색들로 분리되어야 함을 의미하는데, 이 기능은 세개 타입의 다이크로익 필터들(dichroic filters)로 통합기의 출사면(exit face)을 덮음으로써 얻어질 수 있다. 백색 광원의 다른 암시는 움직이는 부품들(moving parts)을 이용하지 않고서는 색 순차적 동작(color sequential operation)이 불가능하다는 것이다. 따라서, 이 아키텍처들은 3-패널 아키텍처들에 더 적합한데, 3-패널 아키텍처들은 본질적으로 더 비싸고 1-패널 아키텍처보다 덜 컴팩트하다.

LEDs 또는 레이저들과 같은 디스플레이 원색들의 광을 발광하는 광원이 이용될 때, 싱글 디스플레이 패널 상에 프레임 순차적 동작을 이용하는 것이 가능하다. 그러한 아키텍처에서는 세가지 색들 모두의 균질화를 위해 단지 하나의 광 도파관이 요구된다.

본 발명은 프레임 순차적 동작형이고 레이저-기반의 프로젝터의 비용을 감소시키고 크기를 줄이기 위해 레이저 광원의 높은 빔 품질을 개발하는 광학 시스템, 컴포넌트 및 방법을 제공한다. 색 혼합 막대 통합기를 이용하여, 본 발명은 레이저 광을 균질화하여, 적당한 조명 패턴을 공간 광 변조기에 공급한다. 색 혼합 막대 통합기는 또한 적어도 두개의 원색들의 광을 재결합하기 위해 이용되어, 다이크로익 재결합 광학계에 대한 필요성을 회피한다. 이러한 목적을 위해 모든 광은 하나의 동일한 통합기의 입사면(entrance face)(101)에 커플링되는데, 도 1을 참조한다.

도 1a는 본 발명의 제1 실시예에 따른, 세개의 레이저 소스들로 조명되는 색 혼합 막대 통합기를 예시한다.

도 1b는 근접 조명에 의해 프로젝터의 광 엔진에서 색 혼합 막대 통합기를 이용하는 것을 예시한다.

도 1c는 중계(relay) 광학계를 응용함으로써 프로젝터의 광 엔진에서 색 혼합 막대 통합기를 이용하는 것을 예시한다.

도 2는 본 발명에 따른, 색 혼합 막대 통합기의 제1 대안적인 실시예를 도시한다.

도 3은 본 발명에 따른, 장치 내에 관련 광속들(light fluxes)을 갖는 막대 통합기 컴포넌트를 예시한다.

도 4는 본 발명에 따른, 색 혼합 막대 통합기 컴포넌트(100)의 투과율을 출사면의 반사율의 함수로서 나타낸 그래프를 도시한다.

도 5a 및 5b는 본 발명에 있어서 색 혼합 막대 통합기의 두가지 대안적인 실 시예를 도시한다.

다음의 설명은 제한적인 목적이 아니라 예시적인 목적을 위해 제공된 것임을 당업자에 의해 이해될 것이다. 숙련공은 첨부된 청구항들의 범위 및 본 발명의 사상 내에 들어오는 많은 변형들이 있다는 것을 이해할 것이다. 공지된 기능들 및 구조에 대한 불필요한 상세 사항은 본 발명을 불명료하게 하지 않도록 본 설명에서 생략될 것이다.

본 발명은, 광 도파관이 디스플레이 원색들의 파장에서 광을 방출하고 높은 빔 품질을 갖는 적어도 두개의 그리고 가장 보편적으로 세개의 타입의 레이저 소스들과 결합되는 시스템, 장치, 및 방법을 제공한다. 광 빔들은, 예를 들면 포지티브 렌즈들(positive lens)과 같은 광학 소자들에 의해 입사 구멍들에 초점이 맞추어져, 통합기 내에서 발산한다(도 1 참조). 광 도파관에서, 대부분의 광선들은 도파관의 벽들을 때릴 것이며, 그곳에서 광선들은 내부 전반사(total internal reflection: TIR)에 의해 반사된다. 이 메커니즘은, 광 도파관의 출사면에서의 광 분포가 균일하고 디스플레이 패널을 조명하기 위해 이용될 수 있도록 보장한다.

도 1에서 통합기에 들어갈 때 빔들 사이의 거리는 꽤 멀다는 것에 유의한다. 바람직한 실시예에서, 그 거리는 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 강도 분포 간의 부정합(mismatch)을 피하기 위해 가능한 한 작다. 또한, 빔들의 방향은 색 혼합 막대 통합기(100)의 입사면(101)에 바람직하게 수직임에 유의한다. 또한, 동일한 각도에서의 하나 또는 그 이상의 빔들, 또는 약간 다른 각도에서의 빔들은, 빔들이 동일한 구멍에 초점을 맞출 수 있게 하는 것이 가능하다. 비록 이것은 정확한 이미지를 생성하지만, 광이 초점 너머에서 차단될 때 색음(colored shadows)이 발생할 수 있다.

바람직한 실시예들은 도 1b 및 1c에 예시된 두가지 대안적인 방식들로 패널을 조명한다. 제1 대안(150)에서, 색 혼합 막대 통합기(100)는 디스플레이 패널(108)을 근접 조명(proximity illumination)하기 위해 이용된다. 모든 광이 하나의 통합기 내에서 결합되므로, 이 조명 시스템은 LCOS 패널 또는 디지털 미러 디바이스(Digital Mirror Device: DMD)(108)와 같은 색-순차적으로 동작되는 디스플레이 패널과 결합되어야 한다. 도 1b에서, 제1 대안(150)은, 다시 말해서 LCOS 패널(108)을 조명하는 것으로 예시된다. 도 1c에 도시된, 제2 대안(160)은 중계 광학계(109)를 이용하여 조명을 위해 본 발명의 색 혼합 막대 통합기(100)를 이용한다. 또한 제2 대안(160)은 제1 대안보다 부피가 더 크다는 것에 유의한다.

모바일 또는 핸드헬드 프로젝터를 위해서는, 작은 디바이스를 갖는 것이 필수적이다. 그러나, 광 도파관에서 충분한 균질성(homogenization)을 갖기 위해, 광 빔들의 대부분은 그 측벽들에서 적어도 두번의 반사를 가져야 한다. 본 발명에서, 색 혼합 막대 통합기에서의 반사의 횟수는 발산 각도 θ가 증가함에 따라 증가될 수 있는데, 이것은 낮은 f-넘버를 갖는 빔을 이용하는 것과 동등하다. 그러나, 발산 각도는 시스템의 프로젝션 렌즈에서 여전히 받아들여질 수 있는 수준까지만 증가될 수 있다. 실제로, 프로젝션 렌즈는 전형적으로 공기중에서 f-넘버 2를 갖는다(이는, 그것이 유리 또는 플라스틱에 전형적인 굴절율 1.5를 가질 때 광 통합 기 내에서 f-넘버가 3임을 암시한다). 광 분포의 충분한 균질화를 얻기 위해 통합기의 길이와 폭의 비율이 f-넘버의 두배와 같아야만 한다는 경험 법칙(rule of thumb)을 이용할 때, 결과는 통합기 길이가 70㎜이다. 이것은 모바일 프로젝터를 위해서 다소 크기 때문에, 통합기에 대한 대안적인 설계가 제2 실시예에서 제공되고 도 2에 도시된다.

제2 실시예(200)에서, 레이저 광의 일부는 또한 레이저 광원들을 향해 도로 반사하도록 허용된다. 이를 위해, 색 혼합 막대 통합기의 출사면(105)은 레이저 광원들의 파장들에서 부분적으로 반사성인 부분적 반사성 코팅(204)에 의해 덮여져서, 거기에 입사하는 광이 레이저 광원들을 향해 통합기를 통해 부분적으로 도로 반사된다. 도로 광원들을 향해 진행하는 대부분의 광의 손실을 방지하기 위해, 색 혼합 막대 통합기(200)의 입사면(101)은, 거기에 입사하는 광을 색 혼합 막대 통합기(200)의 출사면(105)을 향해 도로 반사하기 위해, 예를 들면 은 또는 다층 유전체 스택과 같은 고도의 반사성 코팅(202)으로 덮여진다. 입사면(101) 상의 고도의 반사성 코팅(202)의 반사 계수는 바람직하게 매우 높다. 실제로, 적어도 98%의 반사 계수가 바람직하다. 복수의 구멍들(103)은 입사면(101) 상에 고도의 반사성 코팅(202)에 바람직하게 만들어졌고, 상기 복수의 구멍들(103) 각각은 상기 복수의 레이저 광원들 중의 적어도 하나에 대응한다. 비록, 모든 세개의 색들을 위해 하나의 구멍이 가능하지만, 이것은 색 혼합 막대 통합기(200)의 쓰루풋(throughput)을 감소시켜 바람직하지 않다. 상기 복수의 구멍들(103)의 각각의 구멍은, 극도로 낮은 에텐듀를 가져서 매우 작은 스폿에 초점이 맞추어질 수 있는 레이저 광이 심 각한 광 손실이나 회절 효과 없이 구멍을 통과할 수 있도록 하는 직경을 갖는다.

단지 예시적인 방식으로, 도 1a에는 초점이 맞추어져서 반각 θ_1/2으로 색 혼합 막대 통합기(100)에 들어가는 레이저 빔이 도시되어 있다. 그러한 반각의 빔은 수힉식 1에 주어진 직경 d로 초점이 맞추어질 수 있다.

구멍의 직경은 회절 효과들을 최소화하기 위해 바람직하게 이 크기를 적어도 두배만큼 초과한다.

도 2에 도시된 실시예에서, 비록 입사면(101) 상의 반사성 코팅(202)이 거기에 입사하는 광의 대부분을 출사면(105)을 향해 도로 반사하지만, 광의 일부는 구멍들(103)을 통과할 것이거나, 또는 시스템 내의 어디에선가 흡수될 것이다. 통합기(200)의 총 광학적 쓰루풋에 대한 손실 팩터들의 영향을 결정하기 위해 색 혼합 막대 통합기(200)의 모델이 아래에 제시된다.

색 혼합 막대 통합기(200) 내의 상이한 위치들에서의 광속(light flux)은 도 3에 표시된다. 도 3에서, 다음과 같은 기호들이 정의된다.

φ ₀ (r)는 상대 면적 r(즉, 전체 면적에 대한 분율)을 갖고 입사 구멍(301)을 통해 통합기에 들어가는 광속이다. 물론, 광속은 구멍의 반경의 함수이다. 통합기(100)(200) 내부에서, 왼쪽으로부터 오른쪽으로 가고 있는 광속은 φ ₁ 로서 정의되 고 오른쪽으로부터 왼쪽으로 가고 있는 광속은 Ψ ₁ 로서 정의된다. 마지막으로, 통합기를 떠나는 광속은 φ _T 로서 정의된다.

측벽들(통합기의 내부 표면)(107)의 반사 계수는 내부 전반사 때문에 1로 정의되고, 입사면의 반사율은 R_i로서 정의되고 출사면의 반사율은 R_e로서 정의되고, 출사면의 투과율은 T_e로서 정의된다.

이제 통합기 내부 및 외부의 상이한 위치들에서의 광속은 다음의 수학식들 세트로 기술될 수 있다.

투과된 강도는 φ ₁ 과 Ψ ₁ 을 제거함으로써 계산된다:

이 공식으로, 투과 효율이 계산될 수 있는데, 이것은 φ _T /φ ₀ 로서 정의된다. 근접 조명에 의해 0.55”WVGA HTPS 투과형 LCD 패널을 조명하는 레이저 빔에 대한 계산의 결과는 다음과 같다:

·출사면의 면적은 대략 8.4×11.2㎟이다.

·통합기의 구멍(103) 상에 초점이 맞추어지는 빔의 최대 F/#는 5이다. 따라서, (회절 제한된) 빔의 스폿 직경은 이 경우 최대 60㎛이고, 이것은 구멍 직경이 120㎛이거나 또는 그보다 커야 함을 암시한다.

·r의 값은 3·10^-4이다(색들을 위한 3개의 구멍들).

·입사면의 반사 계수는 98%와 99% 사이에서 변화된다.

도 4는 색 혼합 막대 통합기(200)의 투과율을 출사면의 반사율의 함수로서 나타낸 그래프를 도시한다.

계산에서, 두개의 대안들이 색 혼합 막대 통합기를 응용하기 위해 구별될 수 있다.

1. 제1 대안에서, 빔은 제1 통과에서 통합기 후위에서 통합기의 출사면을 완전히 커버할 정도로 통합기(500) 내부에서 발산한다. 그것이 출사면을 막 커버하는 상황이 도 5a에 도시된다. 또한 더 긴 통합기(또는 더 낮은 f-넘버)도 가능하다. 낮은 f-넘버(예를 들면, 2)를 선택함으로써, 컴팩트한 통합기가 얻어질 수 있다. 시뮬레이션으로부터, 출사면의 반사 계수 0.5와 통합기 길이 35㎜는 출사면에서 균질한 패턴을 생성하는 것으로 판정되었다. 도 4로부터 색 혼합 막대 통합기(500)의 투과율은 그 경우에 거의 1이다.

2. 제2 대안에서, f-넘버는 제1 대안에서의 통합기(500)의 그것보다 더 크게 선택되어, 색 혼합 막대 통합기(510)를 통한 제1 통과는 출사면에서 상대적으로 작 은 스폿을 생성한다. 이 상황은 도 5b에 도시된다. 출사면의 반사 계수가 너무 작으면, 출사면에서의 강도 분포는 밝은 '핫 스폿'을 나타내는데, 이것은 또한 프로젝트된 이미지에서도 나타난다. 그러므로, 반사 계수는 바람직하게 충분히 높게 선택되지만 너무 높게 선택되지는 않는다. 시뮬레이션으로부터, f-넘버 5와 색 혼합 막대 통합기 길이 20㎜를 결합할 때, 끝단면(end face)에서의 반사 계수 R_e는 바람직하게 적어도 95%이다. R_e=95%인 상황에서, 색 혼합 막대 통합기의 쓰루풋은, R_i=98%와 99%에 대하여 각각 72%와 83%이다. R_e=95%에서의 쓰루풋은 주로 입사면의 반사에 기인한 손실에 의해 결정된다. 따라서, 예를 들면, 정확한 파장의 광만을 통과하도록 허용하는 간섭 필터들을 입사 구멍들(203)에 배치함으로써, r을 감소시키는 것이 유리하다.

본 발명의 색 혼합 막대 통합기(200)를 응용하기 위한 이 제2 대안은 더 높은 f-넘버를 갖는 프로젝션 렌즈를 포함할 수 있다. 이것은, 그것이 비용을 줄이고 초점 심도를 증가시킨다는 이점을 갖는다.

본 발명의 색 혼합 막대 통합기(200)를 응용하는 두가지 대안적인 실시예들에서, 광은, 평균적으로, 색 혼합 막대 통합기(200)를 복수회 통과할 것이다. 색 혼합 막대 통합기(200)를 상이한 회수 통과하는 빔들의 경로 길이 차가 이용된 광의 코히런스 길이보다 길다면, 빔들은 서로 간섭하지 않는다. 이것은 통합기를 통한 한번의 통과만을 이용하는 시스템과 비교할 때, 감소된 스펙클 콘트라스트를 갖는 조명 시스템에 의한 레이저 생성 이미지를 야기한다. 또한, 평균 통과 횟수가 스펙클 감소의 양을 결정한다는 것이 유효하다. 그러므로, 제2 대안은 최상의 스펙클 감소를 제공한다.

본 발명에서:

·색 혼합 막대 통합기는 광학 통합기 및 색 혼합기를 포함하는데, 색 혼합 막대 통합기는 그의 광원과 함께 프로젝션 엔진 내의 조명 장치로서 이용될 수 있다. 본 발명의 색 혼합 막대 통합기는 근접 조명을 위해 그리고 중계 렌즈들을 이용하여 조명을 위해 이용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 광학 이미징 시스템의 출사면의 사이즈를 증가시키거나 감소시키는 것도 가능하다. 출사면의 확대의 경우에, 디스플레이 패널에서의 f-넘버가 여전히 전형적으로 2가 되도록, 통합기의 f-넘버는 더 작게 만들어질 수 있다.

·조명되는 패널은 이차원 또는 일차원 공간 광 변조기일 수 있다. 전자의 경우는 실시예들의 앞의 논의에서 상세히 설명되어 있다. 후자의 경우에, 광-도파관의 두께가 광-도파관의 다른 디멘젼들(dimensions)보다 훨씬 작은, 설명된 실시예들의 모양을 갖는 평면형 광-도파관이 사용되어야 한다.

·본 발명은 시스템의 제한된 수용 어퍼쳐에 기인한 광 손실이 없이 매우 작은 디스플레이 패널들(0.5”이하)을 조명하기 위해 이용될 수 있다. 매우 작은 디스플레이 패널은 패널 비용을 감소시키고, 동시에 조명 광학계의 크기를 감소시킨다. 이것은 UHP 및 LED 기반 시스템들에 비한 본 발명의 이점이다.

·위에서 논의된 본 발명의 모든 실시예들에서, 레이저당 하나의 색이 이용된다. 그러나, 이것은 논의를 간단히 하기 위해서였다. 색당 더 많은 레이저들이 이용되는 것이 가능하여, 각각의 색이 입사면에 그 자체의 구멍을 갖는다. 색당 하나보다 많은 소스의 이용은 비용을 추가하지만, 동시에, 스펙클 콘트라스트를 감소시킨다.

·도 1b 및 1c에 도시된 조명 스킴 둘다는 시스템의 광학 효율을 증가시키는 추가적인 이점을 갖는다는 것을 유념해야 한다. 오프-상태(off-state)에서 픽셀들의 광은 막대 통합기를 향해 방향 수정되어 향해질(redirected) 수 있다. 통합기의 출사 및/또는 입사면의 반사 계수는 꽤 높기 때문에, 대부분의 광은 리사이클될(recycled) 수 있다. 속성 계산으로부터 비디오 디스플레이 부하에서 피크 휘도가 세배 증가한다는 결과를 얻는다. 이것은 눈부신 이미지들(sparkling images)을 초래한다.

·이미지에서 핫 스폿의 효과를 감소시키기 위해, 통합기의 출사면의 반사 계수는 출사면의 표면에 걸쳐 일정할 필요는 없다.

·본 발명은 또한 세개보다 많은 원색들을 갖는 광 엔진 아키텍처들에도 적용된다.

본 발명의 색 혼합 막대 통합기의 바람직한 실시예들이 설명되었지만, 당업자는, 본 명세서에서 설명된 본 발명의 실시예들이 예시적인 것이고, 본 발명의 진정한 범위로부터 벗어나지 않으면서 다양한 변경들 및 변형들이 이루어질 수 있고, 그 구성 요소들이 등가물들로 대체될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 또한, 본 발명의 중심적인 범위를 벗어나지 않은 채 본 발명의 교시를 특정 상황에 적응시키기 위해 많은 변경들이 이루어질 수 있다. 그러므로, 본 발명은 본 발명을 실시하기 위해 숙고된 최선의 모드(best mode)로서 개시된 특정 실시예들에 제한되지 않고, 오히려 본 발명은 첨부된 청구항들의 범위 내에 들어오는 모든 실시예들뿐만 아니라 모든 실시 기술들을 포함하는 것으로 의도된다.

Claims

복수의 디스플레이 원색들의 레이저 광의 복수의 빔들에 대한 색 혼합 막대 통합기로서,

레이저 광이 통과하는 내부 및 입사하는 광을 반사하는 내부 표면을 갖는 막대형 본체;

입사하는 광을 상기 막대형 본체의 상기 내부로 다시 반사하기 위한 제1 반사 코팅으로 피복되고, 복수의 구멍들을 내부에 갖는 상기 막대형 본체의 제1 단부 상에 위치된 입사면 - 상기 복수의 구멍들의 각각의 구멍은 상기 복수의 빔들 중 적어도 하나의 빔의 광이 상기 막대형 본체의 상기 내부를 통과할 수 있게 하고, 상기 복수의 구멍들의 각각의 구멍은 복수의 레이저 광원들 중 적어도 하나의 광원에 대응하고, 상기 복수의 구멍들 사이의 거리는 상기 복수의 구멍들을 통해 상기 색 혼합 막대 통합기에 들어가는 상기 복수의 빔들 사이의 부정합(mismatch)을 감소시키기 위해 작아짐 -;

상기 입사면에 대향하며 평행하도록 상기 막대형 본체의 제2 단부 상에 위치하는 출사면 - 상기 출사면은 입사하는 광의 일부를 통과하게 하도록 구성됨 -; 및

상기 빔들 각각을 상기 내부를 통해 상기 출사면을 향해 발산시키는 적어도 하나의 렌즈

를 포함하고,

상기 복수의 구멍들을 통해 상기 색 혼합 막대 통합기에 들어가는 상기 레이저 광의 일부는 출사광(exit light)으로서 상기 출사면을 통과하기 전에 상기 내부를 복수 회 강제로 통과되고, 그 후 상기 출사광은 상기 출사면을 통한 출사(exiting)가 상기 색 혼합 막대 통합기에 의해 균질화되는, 색 혼합 막대 통합기.
제1항에 있어서,

상기 막대형 본체는, 상기 출사면을 통해 출사되는 균질화된 광이 내부에서 스펙클(speckle)이 감소되도록, 레이저 광의 상기 복수의 빔들의 코히런스 길이(coherence length)보다 길거나 또는 그와 동일한 길이를 더 포함하는, 색 혼합 막대 통합기.
제1항에 있어서,

상기 출사면을 통과하는 상기 레이저 광은 내부에서 스펙클이 적어도 75% 만큼 감소되고, 그 투과율은 85%보다 큰, 색 혼합 막대 통합기.
제1항에 있어서,

상기 적어도 하나의 렌즈는, 상기 색 혼합 막대 통합기를 통한 제1 통과의 종료시의 빔의 발산이 출사면 전체에 걸친 스폿과 상기 출사면 상의 미리 결정된 직경의 스폿으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 발산이 되도록 상기 복수의 구멍들에 위치된 적어도 하나의 포지티브 렌즈(positive lens)를 포함하는, 색 혼합 막대 통합기.
복수의 디스플레이 원색들의 레이저 광의 복수의 빔들에 대한 색 혼합 막대 통합기로서,

레이저 광이 통과하는 내부 및 입사하는 광을 반사하는 내부 표면을 갖는 막대형 본체;

입사하는 광을 상기 막대형 본체의 상기 내부로 다시 반사하기 위한 제1 반사 코팅으로 피복되고, 복수의 구멍들을 내부에 갖는 상기 막대형 본체의 제1 단부 상에 위치된 입사면 - 상기 복수의 구멍들의 각각의 구멍은 상기 복수의 빔들 중 적어도 하나의 빔의 광이 상기 막대형 본체의 상기 내부를 통과할 수 있게 함 -;

상기 입사면에 대향하며 평행하도록 상기 막대형 본체의 제2 단부 상에 위치하는 출사면 - 상기 출사면은 입사하는 광의 일부를 통과하게 하도록 구성됨 -; 및

상기 빔들 각각을 상기 내부를 통해 상기 출사면을 향해 발산시키는 적어도 하나의 렌즈

를 포함하고,

상기 복수의 구멍들을 통해 상기 색 혼합 막대 통합기에 들어가는 상기 레이저 광의 일부는 출사광(exit light)으로서 상기 출사면을 통과하기 전에 상기 내부를 복수 회 강제로 통과되고, 그 후 상기 출사광은 상기 출사면을 통한 출사(exiting)가 상기 색 혼합 막대 통합기에 의해 균질화되고,

상기 적어도 하나의 렌즈는, 상기 색 혼합 막대 통합기를 통한 제1 통과의 종료시의 빔의 발산이 출사면 전체에 걸친 스폿과 상기 출사면 상의 미리 결정된 직경의 스폿으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 발산이 되도록 상기 복수의 구멍들에 위치된 적어도 하나의 포지티브 렌즈(positive lens)를 포함하고,

상기 출사면은, 입사하는 광의 일부가 통과되도록 하고, 입사하는 광의 일부를 상기 레이저의 광원들을 향해 상기 막대형 본체 내로 다시 반사하는 부분 반사형 코팅으로 피복되고,

상기 입사면 상의 상기 제1 반사 코팅은 부분 반사형 코팅의 반사율보다 높은 반사율을 갖는, 색 혼합 막대 통합기.
제5항에 있어서,

상기 제1 반사 코팅은 은과 유전체 스택(dielectric stack)으로 이루어진 그룹으로부터 선택되고;

상기 복수의 구멍들 각각은, 상기 복수의 구멍들의 제1 구멍에 초점이 맞추어질 수 있는 상기 레이저 광의 직경을 적어도 두배(a factor of two)만큼 초과하는 직경을 갖는, 색 혼합 막대 통합기.
제6항에 있어서,

상기 레이저 광은 공기 중에서 반각 θ_1/2 < 20°로 상기 복수의 구멍들 각각에 들어가도록 초점이 맞추어지고,

상기 복수의 구멍들의 각각은 직경 ≥ 2d를 갖고, d는 회절 효과를 최소화하기 위해 수학식

에 의해 결정되고,

상기 제2 반사 코팅은 50%보다 낮은 투과 계수 T_e와, 반사 계수 R_e = 1 - T_e를 갖도록 치수화(dimensioned)되어, 상기 광의 일부는 투과되고 일부는 상기 색 혼합 막대 통합기 내로 다시 반사되며,

상기 반사된 광은 상기 입사면으로 다시 진행하여, 상기 출사면에서 상기 색 혼합 막대 통합기를 나가는 광이 상기 색 혼합 막대 통합기를 적어도 2회 통과한 광으로 구성되는 순효과(net effect)를 갖고, 상기 색 혼합 막대 통합기를 또 한번 통과하기 위해 반사되는, 색 혼합 막대 통합기.
삭제
각각의 빔이 복수의 디스플레이 원색들 중 하나를 포함하는 복수의 레이저 광 빔들을 통합하는 방법으로서,

색 혼합 막대 통합기를 제공하는 단계 - 상기 색 혼합 막대 통합기는 제1 단부 상에 위치하는 입사면, 및 상기 입사면에 대향하며 평행하도록 제2 단부 상에 위치하는 출사면을 포함하고, 또한 상기 복수의 레이저 광 빔들이 통과하는 내부 및 입사하는 광을 상기 색 혼합 막대 통합기의 내부로 다시 반사하는 내부 표면을 가짐 -;

상기 입사면을 상기 복수의 레이저 광 빔들의 광이 상기 색 혼합 막대 통합기의 내부로 통과하게 하기 위해 복수의 구멍들을 내부에 갖는 제1 반사 코팅으로 피복하는 단계 - 상기 제1 반사 코팅은 입사하는 광을 상기 색 혼합 막대 통합기의 내부로 다시 반사하도록 구성되고, 상기 복수의 구멍들의 각각의 구멍은 복수의 레이저 광원들 중 적어도 하나의 광원에 대응하고, 상기 복수의 구멍들 사이의 거리는 상기 복수의 구멍들을 통해 상기 색 혼합 막대 통합기에 들어가는 상기 복수의 빔들 사이의 부정합을 감소시키기 위해 작아짐 -; 및

상기 복수의 레이저 빔들 각각을 상기 내부를 통해 상기 출사면을 향해 발산하는 단계

를 포함하고,

상기 복수의 구멍들을 통해 상기 색 혼합 막대 통합기에 들어가는 상기 레이저 빔들의 광의 일부는 상기 출사면을 통과하기 전에 상기 내부를 복수 회 강제로 통과되고, 그 후 출사광으로서 상기 출사면을 통해 출사하고, 상기 출사광은 상기 색 혼합 막대 통합기에 의해 균질화되는 방법.
제9항에 있어서,

상기 색 혼합 막대 통합기는, 상기 출사면을 통해 출사되는 상기 광이 내부에서 감소된 스펙클을 갖도록, 레이저 광의 상기 빔들의 코히런스 길이보다 길거나 또는 그와 동일한 길이를 더 포함하는 방법.
삭제
제9항에 있어서,

입사하는 광의 일부를 상기 색 혼합 막대 통합기의 내부로 다시 반사하고, 입사하는 광의 나머지 부분은 통과하도록 하는, 상기 출사면을 피복하는 부분 반사형 코팅을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
각각의 빔이 복수의 디스플레이 원색들 중 하나를 포함하는 복수의 레이저 광 빔들을 통합하는 방법으로서,

색 혼합 막대 통합기를 제공하는 단계 - 상기 색 혼합 막대 통합기는 제1 단부 상에 위치하는 입사면, 및 상기 입사면에 대향하며 평행하도록 제2 단부 상에 위치하는 출사면을 포함하고, 또한 상기 복수의 레이저 광 빔들이 통과하는 내부 및 입사하는 광을 상기 색 혼합 막대 통합기의 내부로 다시 반사하는 내부 표면을 가짐 -;

상기 입사면을 상기 복수의 레이저 광 빔들의 광이 상기 색 혼합 막대 통합기의 내부로 통과하게 하기 위해 복수의 구멍들을 내부에 갖는 제1 반사 코팅으로 피복하는 단계 - 상기 제1 반사 코팅은 입사하는 광을 상기 색 혼합 막대 통합기의 내부로 다시 반사하도록 구성됨 -;

상기 복수의 레이저 빔들 각각을 상기 내부를 통해 상기 출사면을 향해 발산하는 단계; 및

입사하는 광의 일부를 상기 색 혼합 막대 통합기의 내부로 다시 반사하고, 입사하는 광의 나머지 부분은 통과하도록 하는, 상기 출사면을 피복하는 부분 반사형 코팅을 제공하는 단계

를 포함하고,

상기 복수의 구멍들을 통해 상기 색 혼합 막대 통합기에 들어가는 상기 레이저 빔들의 광의 일부는 상기 출사면을 통과하기 전에 상기 내부를 복수 회 강제로 통과되고, 그 후 출사광으로서 상기 출사면을 통해 출사하고, 상기 출사광은 상기 색 혼합 막대 통합기에 의해 균질화되며,

상기 복수의 구멍들의 각각의 구멍은, 상기 복수의 구멍들을 통과하는 레이저 광의 빔들의 직경을 적어도 두배만큼 초과하는 직경 d를 갖는 방법.
제13항에 있어서,

상기 발산하는 단계는, 상기 색 혼합 막대 통합기를 통한 제1 통과의 종료시의 빔의 발산이 출사면 전체에 걸친 스폿과 상기 출사면 상의 미리 결정된 직경의 스폿으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 발산이 되도록 상기 복수의 구멍들에 위치된 복수의 광학 소자들을 제공하는 단계를 더 포함하는 방법.
제14항에 있어서,

상기 광 빔들 각각이 공기 중에서 반각 θ_1/2 < 20°로 상기 복수의 구멍들 중의 구멍에 들어가도록 초점을 맞추는 단계;

상기 복수의 구멍들 중의 상기 구멍 각각이 직경 ≥ 2d를 갖도록 크기를 정하는 단계 - d는 회절 효과를 최소화하기 위해 수학식

에 의해 결정됨 -; 및

상기 제2 반사 코팅을 50%보다 낮은 투과 계수 T_e와, 반사 계수 R_e = 1 - T_e를 갖도록 치수화하여, 상기 광의 일부는 투과되고 일부는 상기 색 혼합 막대 통합기의 상기 내부로 다시 반사되도록 하는 단계

를 더 포함하고,

상기 반사된 광은 상기 입사면으로 다시 진행하여, 상기 출사면에서 상기 색 혼합 막대 통합기를 나가는 광이 상기 색 혼합 막대 통합기를 적어도 2회 통과한 광으로 구성되는 순효과(net effect)를 갖고, 상기 색 혼합 막대 통합기를 또 한번 통과하기 위해 반사되는 방법.
삭제
프로젝션 엔진으로서,

색 혼합 막대 통합기 - 상기 색 혼합 막대 통합기는,

복수의 디스플레이 원색들의 복수의 레이저 광 빔들을 통과하는 내부 및 입사하는 광을 막대형 본체의 상기 내부로 다시 반사하는 내부 표면을 갖는 막대형 본체,

상기 복수의 레이저 광 빔들이 상기 막대형 본체의 상기 내부로 통과하도록 하기 위한 복수의 구멍들을 갖는 제1 반사 코팅으로 피복된 상기 막대형 본체의 제1 단부 상에 위치된 입사면 - 상기 제1 반사 코팅은 입사하는 광을 상기 막대형 본체의 상기 내부로 다시 반사하고, 상기 복수의 구멍들의 각각의 구멍은 복수의 레이저 광원들 중 적어도 하나의 광원에 대응하고, 상기 복수의 구멍들 사이의 거리는 상기 복수의 구멍들을 통해 상기 색 혼합 막대 통합기에 들어가는 상기 복수의 빔들 사이의 부정합을 감소시키기 위해 작아짐 - ,

상기 입사면에 대향하며 평행하도록 상기 막대형 본체의 제2 단부 상에 위치하는 출사면,

상기 복수의 빔들의 빔 각각을 상기 내부를 통해 상기 출사면을 향해 발산시키는 적어도 하나의 렌즈 - 상기 적어도 하나의 렌즈는 상기 복수의 구멍들에 근접하여 위치함 - ,

를 포함하고,

상기 복수의 구멍들을 통해 상기 색 혼합 막대 통합기에 주어진 반각(given half angle)으로 들어가는 상기 레이저 광 빔들의 일부는 상기 출사면을 통과하기 전에 상기 내부를 복수 회 강제로 통과되며, 그 후 상기 출사면을 통한 출사가 상기 색 혼합 막대 통합기에 의해 균질화됨 -; 및

상기 출사면을 통해 나가는 균질화된 광에 의해 디스플레이 패널의 조명이 이루어지도록 상기 색 혼합 막대 통합기의 상기 출사면에 근접하여 구성된 디스플레이 패널

을 포함하는 프로젝션 엔진.
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제17항에 있어서,

상기 디스플레이 패널의 조명을 달성하기 위해 구성된, 상기 출사면에 근접하여 구성되는 중계 광학계를 더 포함하는 프로젝션 엔진.
제1항에 있어서,

각각의 색은 상기 복수의 구멍들 중 그 자체의 구멍을 통해 제공되고, 각각의 색은 상기 복수의 레이저 광원들 중 하나보다 많은 레이저 광원에 의해 제공되는, 색 혼합 막대 통합기.
제9항에 있어서,

각각의 색은 상기 복수의 구멍들 중 그 자체의 구멍을 통해 제공되고, 각각의 색은 상기 복수의 레이저 광원들 중 하나보다 많은 레이저 광원에 의해 제공되는 방법.
제17항에 있어서,

각각의 색은 상기 복수의 구멍들 중 그 자체의 구멍을 통해 제공되고, 각각의 색은 상기 복수의 레이저 광원들 중 하나보다 많은 레이저 광원에 의해 제공되는 프로젝션 엔진.