KR101351351B1 - 피코 프로젝터의 광학 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 생성된 화상을 스크린 등에 확대 투영하는 프로젝터에 사용되는 광학 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 휴대폰 등의 소형 휴대기기 등에 장착될 수 있는 피코 프로젝터용의 광학 시스템에 관한 것으로, 조명 광학부로부터 출사된 광이 내부 반사 구조물을 통해 DMD 소자로 입사되고 DMD 소자로부터 반사된 광이 내부 반사 구조물을 통해 투사광학부로 전달되는 피코 프로젝터용 광학 시스템에 있어서, 내부 반사 구조물은 1매의 틸트 릴레이 렌즈와 1매의 프리즘 구조물을 포함하고, 틸트 릴레이 렌즈는 조명 광학부로부터 입사된 광을 프리즘 구조물의 입사면으로 릴레이하도록 상기 프리즘 구조물의 입사면에 대응하여 경사져 위치되고, 프리즘 구조물은 상기 틸트 릴레이 렌즈로부터 입사된 광을 DMD 소자를 향해 굴절시키고, DMD 소자로부터 반사된 광을 투사 광학부를 향해 광 경로 변환하는 것을 특징으로 하는 피코 프로젝터용 광학 시스템을 제공한다.

Description

피코 프로젝터의 광학 시스템{OPTICAL SYSTEM FOR PICO PROJECTOR}

본 발명은 생성된 화상을 스크린 등에 확대 투영하는 프로젝터에 사용되는 광학 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 휴대폰 등의 소형 휴대기기 등에 장착될 수 있는 피코 프로젝터용의 광학 시스템에 관한 것이다.

일반적으로 광학 에너지(optical energy)를 스크린 상에 투영하기 위한 장치인 공간적인 광 변조기(spatial light modulator)는 광통신, 화상처리 및 정보 디스플레이 장치와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다. 통상적으로 이러한 장치들은 광학 에너지를 스크린 상에 표시하는 방법에 따라 직시형 화상 표시장치(direct-view image display device)와 투사형 화상표시장치(projection-type image display device)로 구분된다.

직시형 화상표시장치의 예로서는 CRT(Cathode Ray Tube)를 들 수 있는데, 이러한 CRT 장치는 소위 브라운관으로 불리는 것으로 화질은 우수하나 화면의 대형화에 따라 그 중량과 용적이 커지게 되는 문제점이 있다.

한편 투사형 화상표시장치로는 액정표시장치(Liquid Crystal Display : LCD), DMD(Deformable Mirror Device) 및 AMA(Actuated Mirror Array)를 들 수 있다. 이중 DMD 및 AMA는 반사 광변조기(Reflective Spatial Light Modulators)로 분류되는데, DMD를 이용한 프로젝션 시스템은 마이크로 미러를 이용하기 때문에 콘트라스트의 이득을 위해 토털 인터널 리플렉션(Total Internal Reflection : TIR)을 통상적으로 사용하고 있다.

도 1은 이와 같은 TIR 구조로서 TIR 프리즘을 사용하는 피코 프로젝터용의 광학 시스템을 개략적으로 도시한 도면으로, 도 1에 도시한 바와 같은 종래의 피코 프로젝터의 광학 시스템(10)은 프로젝터에 광을 제공하도록 구성된 조명 광학부(11), 조명 광학부(11)로부터 입사된 광을 DMD 패널 또는 LCD 패널을 같은 이미지 소스(13)에 입사시키는 동시에 이미지 소스(13)로부터 반사된 빛을 투사 광학계(14)로 입사시키도록 2매의 TIR 프리즘(12a,12b) 및 TIR 프리즘(12a,12b)을 통과하여 전달된 광을 스크린(15)으로 투사하기 위한 투사 광학계(14)를 포함하여 구성된다.

그러나 이와 같은 구조의 TIR 프리즘은 콘트라스트 이득으로 인해 화질의 열화가 작다는 이점이 얻어지지만, 사면이 45°를 이루고 있기 때문에 임의의 굴절률을 갖는 프리즘으로는 동일 공간 내에서 빛을 반사 혹은 투과시켜 사용할 수 없기 때문에 사면의 형성이나 사면의 형성 후 이들을 조립함에 있어서 정밀한 작업을 필요로 하고, 이로 인해 부품의 단가가 올라가고 결과적으로는 이를 채용하는 전자 제품의 비용이 지나치게 비싸진다는 문제점이 있으며, 따라서 이를 대체할 수 있는 구조물이 요구되고 있다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 발명으로, 종래 2매의 TIR 프리즘을 대체할 수 있는 구조물을 제공하여 화질의 열화는 최소화하면서 부품의 단가는 줄일 수 있는 내부 반사부 구조물을 제공하는 것을 목적으로 하고 있다.

전술한 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따르면, 조명 광학부로부터 출사된 광이 내부 반사 구조물을 통해 DMD 소자로 입사되고 DMD 소자로부터 반사된 광이 내부 반사 구조물을 통해 투사광학부로 전달되는 피코 프로젝터용 광학 시스템이 제공되고, 여기서 내부 반사 구조물은 1매의 틸트 릴레이 렌즈와 1매의 프리즘 구조물을 포함하고, 틸트 릴레이 렌즈는 조명 광학부로부터 입사된 광을 프리즘 구조물의 입사면으로 릴레이하도록 프리즘 구조물의 입사면에 대응하여 경사져 위치되고, 프리즘 구조물은 틸트 릴레이 렌즈로부터 입사된 광을 DMD 소자를 향해 굴절시키고, DMD 소자로부터 반사된 광을 투사 광학부를 향해 광 경로 변환하는 것을 구성적인 특징으로 한다.

틸트 릴레이 렌즈는 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈를 포함하여 형성되거나, 틸트 릴레이 렌즈의 표면이 프리즘 구조물의 입사면에 대응하여 비구면 가공될 수도 있으며, 조명 광학부는, RGB LED 중 두개의 LED로 이루어진 제1 광원부와, 제1 광원부에 포함되지 않은 하나의 LED로 이루어진 제2 광원부, 제1 광원부와 제2 광원부로부터 출사된 광을 혼합하기 위한 다이크로익 필터부, 다이크로익 필터부로부터 출사된 광을 균일화하기 위한 플라이아이 렌즈를 포함하고, 플라이 아이 렌즈로부터 출사된 광이 틸트 릴레이 렌즈로 입사되도록 구성된다.

본 발명에 따르면 종래 2매의 TIR 프리즘을 대체할 수 있는 구조물을 제공하여 화질의 열화를 억제하면서도 부품의 단가는 줄일 수 있는 내부 반사부 구조물을 제공할 수 있다.

도 1은 종래 2매의 프리즘을 사용하는 프로젝터용 광학 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.
도 2는 본 발명에 따른 피코 프로젝터용 광학 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되는 실시예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이다.

본 명세서에서 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 그리고 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 따라서, 몇몇 실시예들에서, 잘 알려진 구성 요소, 잘 알려진 동작 및 잘 알려진 기술들은 본 발명이 모호하게 해석되는 것을 피하기 위하여 구체적으로 설명되지 않는다.

명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다. 그리고, 본 명세서에서 사용된(언급된) 용어들은 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 또한, '포함(또는, 구비)한다'로 언급된 구성 요소 및 동작은 하나 이상의 다른 구성요소 및 동작의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

다른 정의가 없다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어(기술 및 과학적 용어를 포함)는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 공통적으로 이해될 수 있는 의미로 사용될 수 있을 것이다. 또 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 기술적 특징을 구체적으로 설명하기로 한다. 도 2은 본 발명에 따른 피코 프로젝터에 사용되는 광학 시스템의 제1 실시예를 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 피코 프로젝터용 광학 시스템(100)은 프로젝터에 광을 제공하도록 구성된 조명 광학부(110), 조명 광학부(110)로부터 입사된 광을 DMD 패널로 이루어진 이미지 소스(130)에 입사시키는 동시에 이미지 소스(13)로부터 반사된 빛을 투사 광학계(140)로 입사시키도록 구성된 내부 반사부(120), 내부 반사부(120)로부터 전달된 광을 전방의 스크린(미도시)으로 투사하기 위한 투사 광학계(140)를 포함하여 구성된다.

조명 광학부(110)는 광학 시스템(100)에 필요한 광을 생성하기 위해 RGB LED를 포함한다. 도2에 도시된 도면에서 블루 LED(111b)와 레드 LED(111r)는 하나의 칩에 동시적으로 형성되고 그린 LED(111g)는 다른 하나의 칩에 형성된다. 본 실시예에서 블루 LED(111b)와 레드 LED(111r)가 하나의 칩으로 형성되었지만 본 발명은 이에 한정되지 안고 임의의 조합이 하나의 칩으로 형성될 수 있고, 3방향에서 광원을 설치하는 경우 RGB LED는 각각의 칩에 하나씩 형성될 수도 있다. 그러나 본 실시예에서는 블루 LED(111b)와 레드 LED(111r)를 제1 광원부, 그린 LED(111g)는 제2 광원부하면 광원에 의해 차지되는 영역을 감소키켜 피코 프로젝터의 크기를 감소할 수 있다.

제1 광원부(111b,111r)의 전방에는 2매의 렌즈가 한쌍으로 이루어진 제1 콜리메이션 렌즈부(112a)가 형성되어, 제1 광원부(111b,111r)으로부터 출사되는 광을 광경로상의 후단에 위치된 다이크로익 필터부(113)에 시준한다.

또한 상기와 유사하게 하나의 칩 패키지로 형성된 제2 광원부(111g)의 전방에도 2매의 렌즈가 한쌍으로 이루어진 제2 콜리메이션 렌즈부(112b)가 형성되어, 제2 광원부(111g)로부터 출사되는 광을 광경로상의 후단에 위치된 다이크로익 필터부(113)에 시준한다.

다이크로익 필터부(113)는 2개의 다이크로익 필터, 즉 제1 다이크로익 필터(113a)과 제2 다이크로익 필터(113b)를 포함하여 구성된다. 제1 다이크로익 필터(113a)의 일표면은 적색광의 파장을 굴절 및 반사하고 적색광 이외의 청색 또는 녹색광의 파장은 통과하도록 처리된다. 따라서 제1 광원부(111b, 111r)로부터 조사되는 청색광은 제1 다이크로익 필터(113a)를 통과하게 적색광은 제1 다이크로익 필터(113a)에서 반사되어 그 전방에 위치한 플라이아이 렌즈(114)로 입사되게 된다.

제2 다이크로익 필터(113b)의 일표면은 청색광의 파장을 굴절 및 반사하고 청색광 이외의 적색 또는 녹색광의 파장은 통과하도록 처리된다. 따라서 제1 광원부 중 블루 LED(111r)로부터 조사되고 제1 다이크로익 필터(113a)를 통과한 청색광은 제2 다이크로익 필터(113b)에서 반사되어 그 전방에 위치한 플라이아이 렌즈(114)로 입사되게 된다.

제1 다이크로익 필터(113a)는 적색광에 해당하는 파장만을 반사하고 다른 광은 통과시키며 또한 제2 다이크로익 필터(113b)는 청색광에 해당하는 파장만을 반사하고 다른 광은 통과시킴에 따라 제2 광원부(111g)으로부터 조사되는 녹색광은 제1 다이크로익 필터(113a) 및 제2 다이크로익 필터(113b)를 모두 통과하여 광경로 상의 전방에 위치한 광균일화 수단으로서의 플라이아이 렌즈(114)로 입사되게 된다.

플라이아이 렌즈(114)를 개략적으로 도시한 도면이다. 플라이아이 렌즈(114)는 복수개의 렌즈 셀 어레이로 형성된 렌즈로서 광을 균일하게 전달하는 광균일화 수단으로서 기능한다. 본 발명에 따른 플라이아이 렌즈는 DMD 패널의 형상에 대응하여 대략 사각형상을 지닌 복수개의 렌즈 셀 어레이로 구성되며 따라서 플라이아이 렌즈(114)를 통과한 광은 대략 사각형상의 광프로파일을 가지면서 균일하게 전달된다.

다음으로, 플라이아이 렌즈(114)를 통과한 사각형상의 광프로파일을 가지는 광은 광경로상의 후단에 위치된 릴레이 렌즈(115)를 통과하여 내부 반사부(120)으로 입사된다.

본 발명에 따른 내부 반사부(120)는 1매의 틸트 릴레이 렌즈(121)와 1매의 프리즘 구조물(120)로 이루어진다. 틸트 릴레이 렌즈(121)는 릴레이 렌즈(115)로부터 릴레이된 광을 광경로상의 후단에 위치된 프리즘 구조물(122)로 릴레이하도록 경사져서 형성된다.

틸트 릴레이 렌즈(121)의 경사각도는 후단에 위치되는 프리즘 구조물의 제1면(122a)(또는 입사면 또는 반사면이라고 함)의 경사면에 대향하여 경사져 형성된다. 이때의 틸트 릴레이 렌즈(121)는 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈로 이루어질 수도 있고, 또는 틸트 릴레이 렌즈(121)의 표면이 프리즘 구조물(122)의 입사면으로 릴레이된 광을 전달하도록 비구면 처리될 수도 있다. 이때 비구면의 형성은 그 후측에 위치된 프리즘의 입사면을 고려하여 가공처리되는 것이 바람직하며, 또한 틸트 릴레이 렌즈(121)는 텔레센트릭 렌즈로 구성될 수도 있다.

프리즘 구조물(122)은 광의 경로를 전환하기 위한 구조물로서 알려져 있고, 틸트 릴레이 렌즈(121)로부터 입사된 광은 프리즘 구조물의 입사면을 통해 DMD 미러 어레이(130)로 입사되고, DMD 미러 어레이로부터 반사된 광은 프리즘 구조물의 반사면(122a)을 통해 반사되고 투사광학부(140)로 출사된다.

이와 같은 본 발명에 따르면, 종래 2매의 프리즘 구조물로 이루어진 내부 반사 구조물에 비해 1매의 프리즘 구조물만을 사용함으로써 제조 비용이 절감될 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 게시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아닌 설명을 위한 것이고, 이런 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.

따라서 본 발명의 보호 범위는 전술한 실시예에 의해 제한되기 보다는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100: 피코 프로젝터 광학 시스템
110: 조명 광학부
111r,111g,111b: 광원(LED)
113: 다이크로익 필터부
114: 플라이 아이 렌즈
115: 릴레이 렌즈
120: 내부 반사 구조물
121: 틸트 릴레이 렌즈
122: 프리즘 구조물
130: DMD(Digital Mirror Device)
140: 투사 광학부

Claims (3)

1. 조명 광학부로부터 출사된 광이 내부 반사 구조물을 통해 DMD 소자로 입사되고 DMD 소자로부터 반사된 광이 내부 반사 구조물을 통해 투사광학부로 전달되는 피코 프로젝터용 광학 시스템에 있어서,
   상기 내부 반사 구조물은 1매의 틸트 릴레이 렌즈와 1매의 프리즘 구조물을 포함하고,
   상기 틸트 릴레이 렌즈는 조명 광학부로부터 입사된 광을 프리즘 구조물의 입사면으로 릴레이하도록 상기 프리즘 구조물의 입사면에 대향하여 위치되고,
   상기 프리즘 구조물은 상기 틸트 릴레이 렌즈로부터 입사된 광을 상기 DMD 소자를 향해 굴절시키고, 상기 DMD 소자로부터 반사된 광을 투사 광학부를 향해 광 경로 변환하는 것을 특징으로 하는 피코 프로젝터용 광학 시스템.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 틸트 릴레이 렌즈는 조명 광학부로부터 입사된 광을 프리즘 구조물의 입사면으로 릴레이하도록 볼록 렌즈 또는 오목 렌즈로 형성되거나,
   틸트 릴레이 렌즈의 적어도 일표면이 조명 광학부로부터 입사된 광을 프리즘 구조물의 입사면으로 릴레이하도록 비구면 가공된 것을 특징으로 하는 피코 프로젝터용 광학 시스템.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 조명 광학부는,
   RGB LED 중 두개의 LED로 이루어진 제1 광원부와,
   제1 광원부에 포함되지 않은 하나의 LED로 이루어진 제2 광원부,
   상기 제1 광원부와 제2 광원부로부터 출사된 광을 혼합하기 위한 다이크로익 필터부,
   상기 다이크로익 필터부로부터 출사된 광을 균일화하기 위한 플라이아이 렌즈를 포함하고,
   상기 플라이 아이 렌즈로부터 출사된 광이 상기 틸트 릴레이 렌즈로 입사되는 것을 특징으로 하는 피코 프로젝터용 광학 시스템.
   

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