KR101419966B1 - 하나의 개구 변조 단계를 포함하여, 2개의 변조 단계를 갖는 투사 영상 디스플레이 장치 - Google Patents

하나의 개구 변조 단계를 포함하여, 2개의 변조 단계를 갖는 투사 영상 디스플레이 장치 Download PDF

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톰슨 라이센싱
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Abstract

소스 빔을 사용하여 오브젝트의 표면을 조명하는 방법으로서, 소스 빔은 조명될 표면 엘리먼트들만큼 많은 조명 서브 빔들로 분할되고, 그 개구는 표면 엘리먼트에 할당될 소정의 광도에 따라 변조되고; 각각의 표면 엘리먼트는 조명 서브 빔들 중 하나에 의해 조명된다. 투사 장치의 이미저를 조명하는데 사용되는 이 방법은 제2 변조 단계가 부가될 수 있게 하고, 이에 따라 영상의 디스플레이 콘트라스트가 향상된다.
광 조명 장치, 투사 스크린, 공간 변조, 이미저, 조명 서브 빔

Description

하나의 개구 변조 단계를 포함하여, 2개의 변조 단계를 갖는 투사 영상 디스플레이 장치{PROJECTION IMAGE DISPLAY DEVICE HAVING TWO MODULATION STAGES, INCLUDING ONE APERTURE MODULATION STAGE}
본 발명은, 특히, 영상을 디스플레이하기 위한 투사 장치에서 사용될 수 있는, 변조가능 광 조명 장치(modulable optical illumination device)에 관한 것이다.
투사 장치는 일반적으로, 조명 장치, 이 조명 장치에 의해 조명되도록 적응되고, 투사될 영상을 생성하도록 적응된 적어도 하나의 이미저(imager), 및 이미저에 의해 생성된 영상을 스크린에 투사하도록 적응된 투사 대물 렌즈(objective)를 포함하고, US5083854 문서에 따르면, 이미저의 표면을 조명하기 위한 장치는 방사 소스(도 1의 참조 번호 20) 및 이 이미저의 변조가능 조명을 위한 광학 장치를 포함한다. 여기에서, 변조가능 광 조명 장치는 마이크로렌즈의 제1 및 제2 어레이(도 1의 참조 번호 40, 42; 도 2의 참조 번호 52, 56), 및 마이크로렌즈의 2개의 어레이들 간에 삽입된 기초 광 변조기의 어레이(도 1의 참조 번호 38; 도 2의 참조 번호 54)를 포함하고, 소스에 의해 방출된 방사를 사용함으로써, 이 변조가능 광 조명 장치는 복수의 조명 서브 빔(sub-beam)을 형성하도록 적응되고, 각각의 조명 서브 빔은 이미저의 상이한 표면 엘리먼트를 조명하도록 적응된다. 다음으로, 투사 스크린으로 투사된 각각의 영상은, 이미저 자체에 의해 제공되는 공간 변조에 의해서 생성될 뿐만 아니라, 광 조명 장치의 기초 광 변조기에 의한 서브 빔 자체의 조명 변조에 의해 업스트림(upstream)으로 생성된다. 다음으로, 공간 변조의 2개의 레벨이 단계적으로 이용가능하기 때문에, 영상의 디스플레이 콘트라스트(contrast)는 상당히 향상될 수 있다(HDR 또는 "고 명암비(high dynamic range"). US6947025 문서는, 마이크로렌즈의 2개의 어레이들 간에 역시 삽입되는 제1 변조 단계가 마이크로셔터의 어레이에 의해 형성되는, 영상을 디스플레이하기 위한 아날로그 투사 장치를 제공한다.
따라서, 상술한 문서들은 이미저 및 이 이미저를 투사 스크린에 이미징(imaging)하기 위한 수단을 사용하여 영상을 디스플레이하는 방법을 기술하고, 이미저의 표면은 복수의 표면 엘리먼트들로 분할되고, 각각의 영상은, 소정의 광도(luminous intensity)로 이미저의 각각의 표면 엘리먼트를 조명하고, 이 이미저를 사용하여 각각의 표면 엘리먼트의 조명을 공간적으로 변조함으로써 생성된다.
본 발명의 목적은, 영상의 디스플레이 콘트라스트를 향상시키기 위한 다른 솔루션을 제공하는 것이다.
이를 위해, 본 발명은 소스 빔을 사용하여 오브젝트(object)의 표면을 조명하는 방법에 관한 것으로, 표면은 소정의 광도로 조명될 복수의 표면 엘리먼트들로 분할되고,
- 상기 소스 빔은 조명될 표면 엘리먼트들만큼 많은 조명 서브 빔들로 분할되고,
- 각각의 표면 엘리먼트는 상기 조명 서브 빔들 중 하나를 사용하여 조명되고,
표면 엘리먼트의 각각의 조명 서브 빔의 개구는 그 표면 엘리먼트의 소정의 광도의 함수로서 변조된다.
본 발명은 또한, 적어도 하나의 이미저, 및 상기 적어도 하나의 이미저를 투사 스크린에 이미징하기 위한 수단을 사용하여 영상을 디스플레이하는 방법에 관한 것으로, 적어도 하나의 이미저의 표면은 복수의 표면 엘리먼트들로 분할되고, 각각의 영상은, 소정의 강도로 적어도 하나의 이미저의 각각의 표면 엘리먼트를 조명하고, 적어도 하나의 이미저를 사용하여 각각의 표면 엘리먼트의 조명을 공간적으로 변조함으로써 생성되고, 적어도 하나의 이미저의 각각의 표면 엘리먼트는, 본 발명의 조명 방법에 따라서 상기 이미저의 표면을 조명함으로써 조명되고, 이에 따라 조명될 오브젝트는 이미저가 된다.
본 발명은 또한, 본 발명에 따른 변조가능 조명 방법을 수행하고 오브젝트의 표면을 조명하는 장치에 관한 것으로, 이 장치는, 소스 빔을 방출하도록 적응된 소스, 상기 소스 빔을 인터셉트(intercept)하고, 상기 소스 빔을 복수의 조명 서브 빔들로 분할하도록 적응된 마이크로렌즈의 제1 어레이, 및 마이크로렌즈의 제2 및 제3 어레이를 포함하고,
- 상기 마이크로렌즈의 제2 어레이는, 그 마이크로렌즈의 각각이 제1 어레이의 마이크로렌즈를 제3 어레이의 마이크로렌즈로 이미징하도록 적응되고, 이에 따라 이들 3개의 마이크로렌즈는 결합되고,
- 상기 마이크로렌즈의 제1 어레이와 상기 마이크로렌즈의 제2 어레이 간의 거리는 상기 마이크로렌즈의 제1 어레이의 마이크로렌즈의 초점 거리와 동일하고,
- 상기 마이크로렌즈의 제2 어레이와 상기 마이크로렌즈의 제3 어레이 간의 거리는 상기 마이크로렌즈의 제3 어레이의 마이크로렌즈의 초점 거리와 동일하며,
상기 장치는, 또한
변조가능 개구를 갖는 마이크로다이어프램의 어레이 - 이 어레이의 각각의 마이크로다이어프램은 3개의 결합된 마이크로렌즈의 그룹의 광축에 중심이 있고, 이 그룹의 제2 어레이의 마이크로렌즈에 근접하게 배치됨 -, 및
마이크로렌즈의 제3 어레이와 조명될 오브젝트 사이에 배치되고, 제3 어레이의 마이크로렌즈의 각각을 상기 오브젝트의 상이한 표면 엘리먼트들로 이미징하도록 적응되는 광 중계 시스템을 포함한다.
일반적으로, 제1 어레이의 모든 마이크로렌즈는 동일한 초점 거리를 갖고, 제2 어레이의 모든 마이크로렌즈는 동일한 초점 거리를 갖고, 제3 어레이의 모든 마이크로렌즈는 동일한 초점 거리를 갖는다.
바람직하게, 제1 어레이의 마이크로렌즈의 초점 거리는 제3 어레이의 마이크로렌즈의 초점 거리와 동일하고; f가 제1 어레이 및 제3 어레이의 마이크로렌즈에 대해 공통인 초점 거리이면, 제2 어레이의 마이크로렌즈의 초점 거리는 f/2가 될 것이다. 그리고, 모든 마이크로렌즈는 수렴형(converging type)이다.
마이크로렌즈의 어레이들은, 조명 서브 빔들의 수를 복수로 고려하여, 공지된 방법대로 생성되고, 예를 들어, 성형된 또는 열성형된 단일 부분(piece)은, US5098184 문서에 기술된 바와 같이, 2개의 연속적 어레이(각 말단에서 일 어레이)를 결합시킬 수 있다.
따라서, 소스 빔을 인터셉트하는 제1 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 조명 서브 빔을 한정하고; 이에 따라 마이크로렌즈의 제1 어레이는 소스 빔을 샘플링하는데 사용된다. 따라서, 본 발명에 따른 광 조명 장치는 소스 빔을 샘플링하도록 적응된다.
제2 어레이의 각 마이크로렌즈는, 적어도 개구가 소스 빔의 마이크로렌즈에 의해 한정되지 않는다면, 이 마이크로렌즈와 결합된 마이크로렌즈의 그룹에 대해, 이 그룹의 동공(pupil)을 형성하고, 이 그룹과 결합된 조명 서브 빔의 최대 개구를 한정한다. 본 발명에 따르면, 마이크로다이어프램은 이 그룹의 광축에 중심이 있고, 이 그룹의 제2 어레이의 마이크로렌즈에 근접하게 배치된다. 따라서, 각각의 마이크로다이어프램은, 이 그룹과 결합된 조명 서브 빔에 대한 이들 3개의 마이크로렌즈에 의해 형성된 그룹의 입사동(entry pupil)에 근접하게 배치된다. 또한 이 마이크로다이어프램의 개구가 변조가능하기 때문에, 이 그룹과 결합된 조명 서브 빔의 개구는 변할 수 있다.
제3 어레이의 마이크로렌즈의 기능은 3개의 결합된 마이크로렌즈의 각 그룹의 텔레센트리시티(telecentricity)를 보장하는 것이다. 따라서, 조명될 오브젝트가 이미저인 경우, 그 이미저에 대한 "주 광선(chief ray)"의 입사가 일정하기 때문에, 이 이미저의 각 표면 엘리먼트에 대해, 이미저에 의해 보장되는 공간 변조는 이미저의 전체 표면에 대해 균일하게 제공된다. 이미저의 각 표면 엘리먼트의 조명이 텔레센트릭(telecentric)이 아니면, 예를 들어, 이미저가, 그 조명의 입사각에 광범위하게 의존하는 변조 특성을 갖는 것으로 공지된 액정 광 밸브(liquid-crystal optical valve)(LCD)의 형태이면, 간섭하는 공간 변조 변동이 나타날 것이다. 따라서, 본 발명에 따른 마이크로렌즈의 3개의 어레이의 구성에 의해, 제1 어레이의 마이크로렌즈에 의해 인터셉트되고, 그와 결합된 제3 어레이의 마이크로렌즈로부터 나오는 소스 빔의 부분에 의해 한정되는 임의의 조명 서브 빔에 대해, 이 조명 서브 빔은 제1 어레이의 이 마이크로렌즈에 의해 굴절될 것이고, 이에 따라 그 주축(principal axis)은 제1 어레이의 이 마이크로렌즈와 결합된 제2 어레이의 마이크로렌즈의 중심을 통과하게 된다.
변조가능 개구를 갖는 복수의 마이크로다이어프램을 포함하는 어레이는 액정 광 밸브의 그룹의 어레이에 의해 형성될 수 있고, 각 그룹은 변조가능 개구를 갖는 일 마이크로다이어프램에 대응하고; 각각의 마이크로다이어프램내에서, 광 밸브는 중심 광 밸브 주변의 복수의 동심 링(concentric ring)(이 링은 예를 들어, 사각형)에 배치되고; 중심 밸브만 열리고, 모든 다른 밸브가 닫힌 경우에는 최소 개구가 얻어지고; 모든 밸브가 열린 경우에는 최대 개구가 얻어지며; 더 작은 링의 밸브가 열리지만 더 큰 링의 밸브가 닫힌 경우에는, 중간 개구가 얻어진다.
이미 상술한 바와 같이, 각각의 조명 서브 빔의 최대 접근가능 개구는, 소스 빔의 개구에 의해, 및/또는 이 서브 빔이 통과하는 제2 어레이의 마이크로렌즈의 사이즈에 의해 고정된다. 변조가능 개구를 갖는 마이크로다이어프램의 어레이에 의해서, 각각의 조명 서브 빔의 개구는 개별적으로 변조될 수 있고; 따라서, 오브젝트의 표면을 조명하는데 사용되는 경우에, 광 조명 장치는 이 오브젝트의 각각의 표면 엘리먼트를 개별적으로 조명하는 것을 가능하게 한다. 오브젝트의 표면은 표면 엘리먼트들로 분할된다. 각각의 조명 서브 빔은 이들 표면 엘리먼트들 중 하나를 조명하고; 바람직하게, 표면 엘리먼트는 둘 이상의 서브 빔에 의해 동시에 조명되지 않는다. 바람직하게, 조명될 오브젝트의 일 표면 엘리먼트는 각각의 조명 서브 빔에 대응한다.
따라서, 광 중계 시스템은 제3 어레이의 마이크로렌즈의 각각을 조명될 오브젝트의 상이한 표면 엘리먼트에 이미징한다. 제1 어레이의 각각의 마이크로렌즈가 또한 제2 어레이의 마이크로렌즈에 의해 제3 어레이의 마이크로렌즈로 이미징되기 때문에, 이에 따라 제1 어레이의 각각의 마이크로렌즈는 조명될 오브젝트의 상이한 표면 엘리먼트에 이미징된다. 광 중계 시스템은 렌즈 및/또는 미러에 의해 형성될 수 있고; 이러한 시스템은 공지된 바와 같으므로, 본 명세서에서는 상세하게 기술되지 않을 것이다.
종래 기술의 광 조명 장치에서, US5098184 문서("파리 눈(fly eye)"형의 집적기(integrator))에 기술된 바와 같이, 소스 표면의 상이한 엘리먼트들의 영상은 조명될 오브젝트의 표면에 겹쳐지지만, 본 발명에 따른 광 조명 장치에서, 이 영상은 개별적으로 유지되고, 일반적으로 병치(juxtapose)된다.
본 발명의 일 특징은 다이어프램의 어레이에 따른 것이다: 다이어프램의 개구가 변조가능하기 때문에, 각각의 마이크로다이어프램은 오브젝트의 표면 엘리먼트의 조명 서브 빔의 개구를 변조하도록 적응되고, 이는, 전체적으로 오브젝트의 표면의 조명을 공간적으로 변조하는 것을 가능하게 한다. 이는, 예를 들어, 서브 빔의 초점에 위치한 변조기(도 2의 참조 번호 54)가 이 서브 빔에 의해 전송되는 광도를 변조하도록 적응된 US5083854 문서 또는 US6947025 문서("쉐이딩 플레이트(shading plate)" 참조)에서 기술된 바와 같은 이들 서브 빔의 휘도의 변조와 반대로, 조명 서브 빔의 개구 변조와 관련된다. 액정 광 밸브가 마이크로다이어프램의 어레이에 대해 사용되면, 조명 서브 빔의 휘도 및 개구를 둘 다 변조하는 것이 또한 가능하고, 이는, 이후에 보다 상세하게 설명되는 바와 같이, 2개의 변조 단계만으로 영상의 디스플레이 콘트라스트가 더 향상될 수 있도록 한다.
바람직하게, AS가 소스 빔의 각(angular) 개구이고, L이 상기 제2 어레이의 마이크로렌즈의 높이이고, f가 제1 어레이의 마이크로렌즈의 초점 거리이면, 관계식 L/(2.f)=tan(AS/2)가 충족된다. 소스 빔의 개구와 제2 어레이의 마이크로렌즈의 사이즈 간에 유익한 매치가 얻어지고, 이는, 최대 개구로 최대 광속(light flux)을 수집함으로써 조명 서브 빔의 개구가 최대 크기로 변조될 수 있게 한다. 바람직하게, 소스는, 상기 소스 빔이 통과하는, 대략적으로 균일한 이미턴스(emittance)를 갖는 소스 표면을 제공하도록 더 적응되고, 마이크로렌즈의 제1 어레이는 상기 소스 표면에 근접하게 배치된다. 바람직하게, 소스 표면은 마이크로렌즈 자체의 제1 어레이에 의해 또는 이 어레이에 매우 근접한 업스트림에 놓인 표면에 의해 형성된다. 이 소스 표면은 광 방출 다이오드의 패널에 의해 형성될 수 있다. 따라서, 광 중계 시스템이 소스 표면과 결합되면, 마이크로렌즈의 각 그룹은 이 소스 표면의 엘리먼트를 조명될 오브젝트의 표면 엘리먼트에 이미징한다. 바람직하게, 소스는, 램프, 입사부 및 출사부가 제공되는 집적기, 및 램프를 집적기의 입사부로 이미징하도록 적응된 광 시스템을 포함한다.
광 중계 시스템은, 마이크로렌즈의 3개의 어레이를 통해, 제1 어레이의 마이크로렌즈와 대향하는 집적기의 출사부의 각각의 표면 엘리먼트를 이미저의 상이한 표면 엘리먼트에 이미징한다. 램프는, 예를 들어, 백색의 다색(polychromatic) 방출을 갖는 아크(arc) 램프이다. 이와 달리, 소스의 다수의 영상들을 겹치게 할 수 있는, 출구에서 필드 렌즈가 제공되는 "파리 눈"형 집적기를 사용하는 것도 가능하고, 이 경우에, 소스 표면은 이 집적기의 영상면에 놓인다.
소스는 일반적으로 집적기에 램프의 광속의 일부를 반사시킬 수 있는 미러를 포함하고, 이는 예를 들어, 구형, 접시형, 또는 타원형의 미러일 수 있고, 마찬가지로, 소스는 소스로부터 나온 방사를 집적기의 입력으로 초점을 맞추거나(막대형 집적기의 경우) 시준하도록(소위 "파리 눈" 집적기의 경우) 적응된 집광 렌즈를 포함할 수도 있다.
본 발명은 또한, 영상을 디스플레이하기 위한 투사 장치에 관한 것으로, 이 장치는, 그 표면의 조명을 사용하여 투사될 영상을 생성하도록 적응된 적어도 하나의 이미저, 적어도 하나의 이미저에 의해 생성된 상기 영상을 투사 스크린에 투사하도록 적응된 투사 대물 렌즈, 및 상기 이미저의 표면을 조명하도록 적응된 본 발명에 따른 변조가능 조명 장치를 포함한다.
다음으로, 변조가능 조명 장치에 의해 조명되는 오브젝트는 이미저 자체가 된다. 이 이미저는, 투사될 영상을 형성하기 위해서, 다양한 조명 서브 빔에 의해 자신의 표면에 공급되는 광을 공간적으로 변조하도록 적응되고, 일반적으로 광 변조기의 2차원 어레이를 포함한다. 투사 장치는 또한, 마이크로다이어프램의 어레이 중 마이크로다이어프램 각각의 개구를 제어하기 위한 수단, 및 각각의 영상 변조기를 제어하기 위한 수단을 포함한다. 일반적으로, 디스플레이될 영상의 일 화소 또는 일 서브 화소는 이미저의 각각의 광 변조기에 대응한다. 이미저의 변조기는, 예를 들어, 액정 셀이고, 이는 편광될 이미저의 조명 서브 빔에 대해 적절하게 되고, 편광은, 예를 들어, 집적기의 출구에 바로 인접하게 정렬된 편광자에 의해 조명 장치에서, 또는 집적기 자체에서 이루어질 수 있으며, 자신의 입력에 근접하여, 예를 들어, 집적기 자체에 배치될 수 있는 1/4파 플레이트 및 미러를 통해, 편광자에 의해 반사된 방사의 편광을 재활용하는 것이 유익하고; 편광을 재활용하기 위한 다른 시스템이 본 발명에서 벗어나지 않으면서 고려될 수 있다.
이미저의 변조기는 또한 마이크로미러("DMD";digital micromirror device)일 수 있으며, 이는 일반적으로 경사진 입사에서의 이미저의 조명을 요구하고; 변조가능 광 조명 장치가 텔레센트릭이기 때문에, 유익하게 조명 서브 빔이 동일한 입사에서 모든 마이크로미러 또는 액정 셀에 부딪치고, 이는 투사될 영상의 디스플레이 품질을 향상시킨다.
따라서, 2개의 변조 단계를 갖는 투사 장치가 얻어지고, 이는, 영상의 디스플레이 콘트라스트를 향상시킬 수 있게 하고; 제1 단계는, 이 이미저의 각각의 표면 엘리먼트의 조명 서브 빔의 개구를 적응시킴으로써 이미저의 표면의 조명을 변조하고, 이미저에 의해 형성된 제2 단계는, 이 이미저의 각각의 표면 엘리먼트의 조명을 공간적으로 변조한다. 각각의 조명 서브 빔은 이미저의 밸브들의 그룹을 조명하고; 밸브들의 그룹은 2개 이상의 조명 서브 빔에 의해 동시에 조명되지 않는다. 따라서, 조명 서브 빔들과 밸브들의 그룹 간의 일대일 관계가 존재한다.
바람직하게, 투사 장치는, 상기 조명 장치의 출사동(exit pupil)을 상기 투사 대물 렌즈의 입사동(entry pupil)으로 이미징하도록 적응된 렌즈를 포함하고, 이는 적어도 하나의 이미저에 의해 전달되는 모든 광속으로 이루어지는 전체 사용을 가능하게 한다. 투사 대물 렌즈는 공지된 형태이므로, 상세하게 기술하지는 않을 것이다.
바람직하게, 영상이 컬러로 디스플레이되게 하기 위해서, 투사 장치는 컬러 시퀀싱 수단을 포함한다. 예를 들어, 디스플레이를 위해 요구되는 상이한 주 컬러들, 일반적으로 적색, 녹색, 및 청색을 전송하는 필터에 의해 세그먼트들이 형성되는 컬러 바퀴(colored wheel)가 사용되고; 이 바퀴는, 예를 들어, 조명 장치의 집적기의 입력에서, 자신의 세그먼트들 중 하나가 소스 빔을 인터셉트하도록 배치되고; 이 바퀴의 회전은 상이한 주 컬러들로 영상의 연속적 디스플레이를 가능하게 하고, 이는 눈에서의 컬러의 융합에 의해, 영상을 컬러로 디스플레이하는 것을 가능하게 한다. 다른 컬러 시퀀싱 수단들이 본 발명에서 벗어나지 않으면서 사용될 수 있다. 컬러 시퀀싱 수단의 이용 대신에, 컬러로 영상을 디스플레이하는데 요구되는 주 컬러들만큼 많은 영상들을 사용할 수도 있고; 투사 장치는, 조명 서브 빔을 상이한 주 컬러의 서브 빔들로 나누고 이들을 다양한 이미저들로 보내도록 적응된 컬러를 나누는 수단, 및 이 이미저들에 의해 공간적으로 변조된 서브 빔들을 재결합하고 이들을 투사 장치의 입력으로 다시 보내도록 적응된 수단을 포함한다. 종래 기술에서 공지된 이러한 수단들은 일반적으로 색 선별 미러(dichroic mirror)를 포함한다.
본 발명은 본 발명에 따른 투사 장치를 사용하여 영상을 디스플레이하는 방법에 관한 것으로, 이 방법에서,
- 상기 이미저의 상이한 표면 엘리먼트들을 조명하도록 적응된 복수의 서브 빔은 상기 광 조명 장치를 사용하여 형성되고,
- 투사될 각각의 영상은 각각의 조명 서브 빔의 개구를 변조함으로써, 또한, 이 이미저 자체를 사용하여, 개구가 변조된 각각의 조명 서브 빔을 공간적으로 변조함으로써 생성되고,
- 상기 생성된 영상은 상기 투사 대물 렌즈를 사용하여 투사된다.
본 발명에 대해서는 비제한적 예로서 제공되는 다음의 설명 및 첨부 도면을 참조하면 보다 명료하게 이해할 수 있을 것이다.
도 1 내지 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 이미저의 광 조명 장치를 도시한다: 도 1은 마이크로렌즈의 3개의 어레이 및 마이크로다이어프램의 어레이의 전체도이고, 도 2는 조명 서브 빔의 개구 변조를 도시하고, 도 3은 전체 조명 장치 의 전체적 사시도를 제공한다.
도 4는 도 1 내지 3의 실시예의 조명 장치에서 사용되는 마이크로다이어프램들의 어레이의 일 마이크로다이어프램을 도시한다.
투사에 의해 영상을 디스플레이하기 위한 장치에 적용되는 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 디스플레이 장치는, 서로 독립적으로 오브젝트의 상이한 표면 엘리먼트를 조명하도록 적응되고 오브젝트의 표면을 조명하기 위한 장치, 조명 장치에 의해 조명되고 투사될 영상을 생성하도록 적응된 이미저(7), 이미저에 의해 생성된 영상을 스크린에 투사하도록 적응된 투사 대물 렌즈 및 투사 스크린을 포함한다.
도 1 내지 3을 참조하면, 조명 장치는 소스 빔을 형성하도록 적응된 소스를 포함한다. 이 소스는 소스 빔을 형성하도록 적응된다. 이 소스는 바람직하게 적어도 하나의 램프(미도시됨), 컬러 바퀴 및 "막대(bar)"형의 집적기(1)를 포함한다. 램프는 예를 들어 백색의 다색 방출을 갖는 아크 램프이다. 컬러 바퀴에는 상이한 주 컬러들, 적색, 녹색 및 청색을 전송하는 필터들에 의해 형성되는 세그먼트들이 제공된다. 이 바퀴는, 자신의 세그먼트들 중 하나가 집적기(1)의 입력에서 소스 빔을 인터셉트하도록 배치되고; 이 바퀴의 회전은 빔의 컬러가 변경될 수 있게 한다. 램프에 의해 방출되는 방사를 사용함으로써, "막대"형의 집적기는, 이 집적기의 출사부(11)에 대응해서, 거의 균일한 이미턴스의 소스 표면을 제공하도록 적응된다. 집적기의 출사부는 조명될 이미저의 표면의 디멘젼(dimension)과 동조 적인(homothetic) 디멘젼을 갖는다. 아래에서 특정되는 바와 같이, 조명 장치는, 소스에 의해 제공되는 소스 빔을 사용하여, 이미저(7)를 조명하기 위한 복수의 서브 빔을 형성하도록 적응되고, 각각의 조명 서브 빔은 이미저(7)의 상이한 표면 엘리먼트를 조명하도록 적응된다. 또한, 소스는 일반적으로, 램프와 집적기 간에 배치된 미러 및 집광 렌즈(이들은 미도시됨)를 일반적으로 포함하고 집적기의 입력으로 램프의 아크를 이미징하도록 적응된 광학 시스템을 포함한다.
본 발명에 따르면, 이미저의 변조가능 조명을 위한 광학 장치는 마이크로렌즈의 제1, 제2 및 제3 어레이(2, 3, 4), 변조가능 개구를 갖는 마이크로다이어프램의 어레이(5), 및 마이크로렌즈의 3개의 어레이들과 이미저(7) 사이에 배치된 광 중계 시스템(6)을 포함하고; 각각의 마이크로다이어프램은 3개의 결합된 마이크로렌즈의 세트의 광축에 중심에 있고, 이들 각각은 마이크로렌즈의 상이한 어레이에 속하고, 각각의 마이크로다이어프램은, 이들 3개의 마이크로렌즈에 의해 형성된 시스템의 입사동의 위치에서 대략 이 축 상에 배치된다.
마이크로렌즈의 3개의 어레이는,
- 제2 어레이의 각각의 마이크로렌즈(31)는 제1 어레이의 마이크로렌즈(21)를 제3 어레이의 마이크로렌즈(41)로 이미징하고;
- 마이크로렌즈의 제1 어레이(2)와 마이크로렌즈의 제2 어레이(3) 간의 거리는 마이크로렌즈의 제1 어레이(2)의 마이크로렌즈의 초점 거리와 동일하고;
- 마이크로렌즈의 제2 어레이(3)와 마이크로렌즈의 제3 어레이(4) 간의 거리는 마이크로렌즈의 제3 어레이(4)의 마이크로렌즈(41)의 초점 거리와 동일하도록 적응된다.
이 때문에, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1 어레이의 마이크로렌즈(21)에 의해 인터셉트되고, 집적기의 표면 엘리먼트를 조명하기 위해 서브 빔의 형태로 변조가능 광 조명 장치로부터 나오는, 집적기(1)로부터 나오는 소스 빔의 부분에 의해 한정되는 임의의 소스 서브 빔에 대해, 이 소스 서브 빔은 마이크로렌즈(21)에 의해 굴절되어, 그 주축이 제1 어레이의 이 마이크로렌즈와 결합된 제2 어레이의 마이크로렌즈(31)의 중심을 통과하게 되고; 이에 따라, 제2 어레이의 각각의 마이크로렌즈는, 제2 어레이의 이 마이크로렌즈가 속하는 3개의 결합된 마이크로렌즈들의 그룹의 서브 동공의 위치에 근접하게 위치한다.
광 중계 시스템(6)은, 제1 어레이의 마이크로렌즈(21)와 대향하는 집적기(1)의 출사부의 각각의 표면 엘리먼트를 마이크로렌즈의 3개의 어레이를 통해 이미저(7)의 상이한 표면 엘리먼트에 이미징하도록 적응된다. 도 3을 참조하면, 이 광 중계 시스템(6)은 조명 장치의 주 광축에 중심이 있는 2개의 렌즈(61, 62)를 포함한다. 예를 들어, 마이크로렌즈의 어레이의 마이크로렌즈는 F#=2.4가 되는 소스 서브 빔을 얻도록 구성된다. 집적기의 출사부의 다양한 표면 엘리먼트들의 연합은 집적기(1)의 출사부의 전체 표면 영역에 대응한다. 이에 따라 이미저(7)로 이미징되는 다양한 표면 엘리먼트들의 연합은 여기에서 이 이미저(7)에 조명될 전체 표면 영역에 대응한다.
변조가능 개구를 갖는 마이크로다이어프램의 어레이(5)에서, 각각의 마이크로다이어프램(51)은 액정 광 밸브의 그룹으로 형성되고; 도 4를 참조해서, 각각의 마이크로다이어프램(51)내에서, 이들 광 밸브는 중심 광 밸브 주변의 복수의 사각형의 동심 링에 배치되고; 각각의 마이크로다이어프램은 예를 들어, 23×23 밸브에 의해 형성되고(표현을 간결하게 하기 위해, 도 4에서는 9×9로 한정됨), 이는, F#=2.4에 대해, 8개의 개구 레벨, 즉, 0.74, 2.22, 3.70, 5.17, 6.64, 8.09, 9.54, 및 10.97의 레벨을 갖는 개구 변조를 가능하게 하고; 따라서 850×480 밸브를 갖는 종래의 LCD 패널은 720개의 마이크로다이어프램의 어레이를 형성할 수 있도록 하고; 이 어레이에는, 서로 독립적으로 마이크로다이어프램의 개구를 변조하기에 적합한 방식으로 밸브의 개폐를 제어하도록 적응된 제어 수단이 제공된다.
이미저(7)는 마이크로미러("DMD")의 어레이 및 이들 마이크로미러 각각의 배향을 제어하기 위한 수단을 포함하고; 디스플레이될 영상의 화소만큼 많은 마이크로미러가 존재하고; 그 배향에 따라서, 마이크로미러는 "온(on)" 또는 "오프(off)"로 지칭되고; "온" 마이크로미러는 발화(lit) 화소에 대응하고; "오프" 마이크로미러는 진화(extinguished) 화소에 대응하고; 변조가능 광 조명 시스템으로부터 나온 각각의 조명 서브 빔은 이 이미저(7)의 상이한 표면 엘리먼트를 조명한다. 따라서, 이미저의 각 표면 엘리먼트는 이미저의 마이크로미러의 그룹에 대응하고, 그 자체는 디스플레이될 영상의 화소의 그룹에 대응하고; 합쳐서 생각하면, 서브 빔은 이미저의 마이크로미러들의 전체 표면을 조명하고; 이 표면은 예를 들어, 16/9 포맷 및 2.1cm의 대각선을 갖는 사각형이고; 마이크로미러의 세트의 배향을 제어하는 것은 변조된 전체 빔을 대물 렌즈로 보내는 것을 가능하게 하고; 이에 따라 투사될 영상이 생성되고; 변조가능 광 조명 장치가 영상측에 텔레센트릭이기 때문에, 유익 하게 모든 조명 빔이 동일한 입사에서 마이크로미러에 부딪친다.
투사 대물 렌즈는 공지된 형태이며, 본 명세서에서는 상세하게 기술되지 않을 것이다. 투사 대물 렌즈는 이미저의 조명된 표면을 투사 스크린에 이미징하도록 적응된다. 서브 빔 각각이 마이크로미러의 제어 함수로서 이미저에 의해 공간적으로 변조되는, 이미저(7)에 의해 반사된 서브 빔의 세트는 투사 대물 렌즈의 입력으로 보내져서, 변조가능 광 조명 장치의 출사동을 투사 대물 렌즈의 입사동으로 이미징하고; 이에 따라 변조된 서브 빔들의 개구와 대물 렌즈의 입력 특성 간의 우수한 각 양립성(angular compatibility)이 보장된다.
상술된 투사 장치를 사용하여 영상을 디스플레이하기 위한 방법의 실시예가 이제 기술될 것이다. 디스플레이될 각각의 영상은 예를 들어, NTSC 또는 EBU와 같은 표준화된 비디오 신호의 형태로 이용가능하고, 각각의 컬러, 적색, 녹색 및 청색에 대한 하나의 주 영상을 포함하고; 이들 비디오 신호는 투사 장치의 특정 특성의 함수로서, 특히, 컬러 바퀴의 세그먼트 및 소스의 스펙트럴 특성의 함수로서 공지된 방법대로 변환되어, 이미저의 각각의 마이크로미러에 대한 제어 데이터가 각각의 주 영상의 각각의 화소에 대해 이용가능하게 되고; 적색 영상에 대해 DR, 녹색 영상에 대해 DG, 청색 영상에 대해 DB가 이용가능하다. 각각의 제어 데이터는 일반적으로 마이크로미러의 활성화 시간 길이에 대응하고, 이에 따라 이미저의 공간 변조는 "펄스 폭 변조(PWM;pulse width modulation)"형이 된다.
한편, 조명 장치에 의해, 이미저(7)는 복수의 서브 빔으로 조명되고, 서브 빔 각각은 이 이미저의 상이한 표면 엘리먼트를 조명하고; 컬러 바퀴의 위치에 따라서, 이들 서브 빔은 적색, 녹색 또는 청색의 컬러가 된다. 이미저의 각각의 표면 엘리먼트는 마이크로미러의 그룹에 대응하고, 조명 컬러의 주 영상의 화소들의 대응 그룹에 대응한다.
영상 디스플레이 방법의 제1 단계는 적색 조명 컬러를 얻도록 컬러 바퀴를 배치하는 단계를 포함한다.
이 방법의 제2 단계는, 이 서브 빔이 통과하는 마이크로다이어프램(51)의 개구 설정점 MR을 그로부터 추론하고, 이미저의 각각의 마이크로미러의 제어 데이터 D'R을 재계산하기 위해서, 동일한 서브 빔에 의해 조명되는 마이크로미러의 그룹에 대응하는 화소들의 각각의 그룹에 대해, 모든 이들 화소들의 최대 휘도를 평가하는 단계를 포함하고; 재계산 기준은, 한편으로, 이 마이크로다이어프램(51)의 최대 개구 설정점이 얻어지는 화소의 디스플레이와 이 화소에 대응하는 마이크로미러의 제어 데이터 DR 간의 등가성(equivalence)에 기초하고, 다른 한편으로, 동일한 마이크로다이어프램(51)의 개구 설정점 MR이 얻어지는 화소의 디스플레이와 동일 마이크로미러의 제어 데이터 D'R 간의 등가성에 기초한다.
이 방법의 제3 단계는, 이미저에서, 투사될 영상을 생성하는 단계를 포함한다. 이를 위해서,
- 마이크로다이어프램의 어레이의 각각의 마이크로다이어프램의 개구는, 이 마이크로다이어프램을 통과하는 동일한 서브 빔에 의해 조명되는 마이크로미러 및 화소들의 그룹에 속하는 개구 설정점 MR의 함수로서 제어되고;
- 각각의 마이크로미러는 그 재계산된 제어 데이터 D'R로 어드레싱되어, 모든 마이크로미러의 배향을 제어하고, 변조된 전체 빔을 대물 렌즈로 보내고, 투사될 적색 주 영상을 생성한다. 투사 대물 렌즈를 통해서, 적색 주 영상이 이어서 투사 스크린에 디스플레이된다.
따라서, 투사될 각각의 영상이 각각의 조명 서브 빔의 개구를 변조함으로써 그리고, 이미저 자체를 사용하여, 이미저의 조명을 공간적으로 변조함으로써 생성된다는 것을 알 수 있을 것이다.
이 방법의 다양한 단계들은 주 컬러 녹색에 대해 후속해서 반복된 다음, 주 컬러 청색에 대해 반복된다.
투사 스크린의 적색, 녹색 및 청색 주 영상의 순차적 디스플레이는 컬러의 융합에 의해 영상의 전체적 최종 디스플레이를 달성한다. 이 과정은 디스플레이될 각각의 영상에 대해 수행된다. 따라서, 변조를 2개의 레벨, 즉, 이미저(7)의 레벨 및 마이크로다이어프램의 어레이(5)의 레벨로 분배함으로써, 영상의 디스플레이 콘트라스트는 실질적으로 매우 향상한다. 유익하게, 개구 변조뿐만 아니라 휘도 변조도 수행될 수 있으며; 이 서브 빔의 마이크로다이어프램의 밸브를 완전히 열거나 또는 완전히 닫음으로써 각각의 서브 빔의 개구 변조만을 수행하거나, 또는 마이크로다이어프램의 동일한 밸브를 사용하여 감쇠에 의해 이 서브 빔의 휘도 변조만을 수행할 수도 있고; 액정 밸브로, 완전 폐쇄에서 완전 개방까지 점진적으로 변할 수 있게 하는 255개의 감쇠 레벨들이 일반적으로 이용가능하고; 서브 빔의 개구는 마이크로다이어프램의 주변 밸브를 닫음으로써 변조될 수 있고, 이 마이크로다이어프램의 전송은 그 중심 밸브를 사용하여 변조될 수 있고; 이에 따라 장치에 어떤 다른 구성 요소를 추가하지 않으면서 영상의 디스플레이 콘트라스트는 더 향상된다.
본 발명의 변형에 따라서, 소스, 미러 및 집적기는 균일한 이미턴스의 소스 표면을 얻기 위한 다른 수단으로 대체되고, 예를 들어, 전기발광 판의 사용이 고려될 수 있다.
본 발명의 변형에 따라서, 마이크로다이어프램 어레이를 형성하는 LCD 패널이 또한 소스 서브 빔의 광도를 변조하는데 사용된다.
본 발명은 마이크로다이어프램의 어레이를 형성하기 위한 LCD 패널에 관하여 기술되었으며; 마이크로다이어프램의 다른 어레이들도 본 발명에서 벗어나지 않으면서 사용될 수 있다.
본 발명은 순차적 컬러 디스플레이 방법에 관하여 기술되었으나, 당업자들이라면 본 발명이 첨부된 청구범위의 범주를 벗어나지 않고서 다른 디스플레이 방법에도 적용될 수 있다는 점을 알 것이다.

Claims (9)

  1. 오브젝트의 표면을 조명하는 장치로서,
    소스 빔을 방출하도록 구성된 소스,
    상기 소스 빔을 교차하거나 상기 소스 빔의 경로에 위치하고, 상기 소스 빔을 복수의 조명 서브 빔들로 분할하도록 구성된 마이크로렌즈들의 제1 어레이(2), 및
    마이크로렌즈들의 제2 어레이 및 제3 어레이(3, 4)
    를 포함하고,
    상기 마이크로렌즈들의 제2 어레이(3)는, 마이크로렌즈들의 각각(31)이 상기 제1 어레이의 마이크로렌즈(21)의 영상을 상기 제3 어레이의 마이크로렌즈(41) 상에 형성하는 것이고, 상기 영상의 형성에 따라 3개의 마이크로렌즈들(21, 31, 41)은 연관되고,
    상기 마이크로렌즈들의 제1 어레이(2)와 상기 마이크로렌즈들의 제2 어레이(3) 간의 거리는 상기 마이크로렌즈들의 제1 어레이(2)의 마이크로렌즈들의 초점 거리와 동일하고,
    상기 마이크로렌즈들의 제2 어레이(3)와 상기 마이크로렌즈들의 제3 어레이(4) 간의 거리는 상기 마이크로렌즈들의 제3 어레이(4)의 마이크로렌즈들의 초점 거리와 동일하며,
    상기 장치는, 또한
    변조가능 개구(5)를 갖는 마이크로다이어프램(microdiaphragm)들의 어레이 - 상기 마이크로다이어프램들의 어레이의 각각의 마이크로다이어프램(51)은 3개의 연관된 마이크로렌즈들(21, 31, 41)의 그룹의 광축에 중심이 있고, 이 그룹의 제2 어레이의 마이크로렌즈(31)에 근접하게 배치됨 -, 및
    상기 마이크로렌즈들의 제3 어레이(4)와 조명될 오브젝트 사이에 배치되고, 상기 제3 어레이(4)의 마이크로렌즈들의 각각의 영상을 상기 오브젝트의 상이한 표면 엘리먼트들 상에 형성하도록 구성된 광 중계 시스템(6)을 포함하는 조명 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소스는 또한 상기 소스 빔이 통과하고 균일한 이미턴스(emittance)의 소스 표면(11)을 제공하도록 구성되고,
    상기 마이크로렌즈들의 제1 어레이(2)는 상기 소스 표면(11)에 근접하게 배치되는 조명 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 소스는 램프, 입사부 및 출사부(11)가 제공되는 집적기(integrator)(1), 및 상기 램프의 영상을 상기 집적기의 입사부 상에 형성하도록 구성된 광 시스템을 포함하는 조명 장치.
  4. 영상을 디스플레이하기 위한 투사 장치로서,
    표면의 조명을 사용하여 투사될 영상들을 생성하도록 구성된 적어도 하나의 이미저(7), 상기 적어도 하나의 이미저(7)에 의해 생성된 상기 영상들을 투사 스크린에 투사하도록 구성된 투사 대물 렌즈(objective), 및 상기 이미저의 표면을 조명하기 위한 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 조명 장치를 포함하는 투사 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 조명 장치의 출사동(exit pupil)의 영상을 상기 투사 대물 렌즈의 입사동(entry pupil) 상에 형성하도록 구성된 렌즈를 포함하는 투사 장치.
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