KR101447330B1 - 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치 및 이를 이용한 광분포 조정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 디스플레이용 패널에 광이 조사되도록 하는 광원; 및 상기 광원과 상기 패널 사이에 설치되어 상기 광을 투과시키는 FEL(fly's eye lens)을 포함하고, 상기 FEL은 중심이 광축에서 직교하는 방향으로 옵셋(offset)되도록 설치되는 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치와, 이를 이용한 광분포 조정 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 레이저와 같이 발산각이 작은 광을 조사하는 광원을 프로젝터용 광원으로 사용할 경우, 최소 방사각을 보다 더 확보할 수 있고, 이에 따른 광원의 스펙을 넓혀서 제조 단가를 절감하도록 하며, 주변부 밝기를 더 밝게 하여 밝기 분포를 고르게 할 수 있다.

Description

디스플레이 조명의 광분포 조정 장치 및 이를 이용한 광분포 조정 방법{APPARATUS FOR ADJUSTING LIGHT DISTRIBUTION OF DISPLAY LIGHTING AND METHOD THEREOF}

본 발명은 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치 및 이를 이용한 광분포 조정 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 디스플레이 조명에 사용하는 조명 광학계에서 광을 균일하도록 하는 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치 및 이를 이용한 광분포 조정 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 프로젝터(projector)는 영사장치의 한 종류로서, 화면에 영상을 투영하여 보여주는 장치이다. 종래의 프로젝터를 첨부된 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 종래의 기술에 따른 프로젝터를 개략적으로 도시한 구성도이다.

도 1을 참조하면, 종래의 기술에 따른 프로젝터(10)는 램프, LED(light emitting diode) 또는 LD(laser diode)와 같은 광원(11)과, 광원(11)의 광을 조사하는 조명계(12)와, 조명계(12)에 의해 광원(11)의 광이 조사되는 LCD(liquid crystal display), DMD(digital mirroring device) 또는 LCOS(liquid crystal on silicon)와 같은 디스플레이용 패널(13)과, 패널(13)에 의해 투과 및 반사된 빛을 화면에 투사하는 투사계(14)를 포함한다.

최근에는 광원(11)으로서 램프를 대신하여 LED나 LD와 같은 광원을 사용하는 초소형 프로젝터가 널리 개발되고 있다. 이러한 초소형 프로젝터에서는 좁은 면적에 많은 열이 발생하기 때문에 광학계 효율을 높이는 것이 필수적이다.

LD는 LED와 같은 면발광 소자가 아니라, 점광원의 특징을 가지고 있기 때문에 LED보다 고효율의 광학계를 구성하는 것이 가능하다. 또한 패널(13)에 광분포를 고르게 만드는 방식으로는 인터그레이팅 로드(integrating rod)와 FEL(fly's eye lens; 12a)을 사용하는 경우가 있으며, 소형화를 위해서는 FEL(12a)을 사용하는 경우가 많다.

초소형 프로젝터의 광원으로 LED나 LD를 사용할 경우, 각도에 따른 광분포를 패널(13)에 균일하게 하는 방법 중에서 FEL(12a)을 이용하는 방법이 선호된다. LD는 LED와 같이 면발광하는 경우와는 달리 거의 점광원이라고 볼 수 있을 만큼 발광면적이 좁고, 이로 인해 도 2에 도시된 바와 같이, 발광하는 빛이 좁은 각도로 제한된다. 이러한 특징은 광효율 측면에서 매우 유리하지만, 패널(13)상에 광을 고르게 분포시키기가 어려운 난점이 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 빔 익스팬더(beam expander)와 같은 추가적인 광부품을 사용하는 경우가 많다. 이러한 경우에는 광의 효율이 저하되고, 특히 에텐듀(etendue)를 유지하기 위해 광수차를 제어하려면, 보다 복잡하고, 조립에 매우 예민한 부품, 예를 들면 토릭 렌즈(toric lens)을 사용해야 하는 단점이 있다.

또한 다른 방법으로는 작은 각분포에 대응하기 위해 FEL의 피치(pitch)를 작게 가져가는 방법도 있으나, 이는 FEL의 제작이 매우 곤란하여 그 크기에 한계가 있다. LD의 경우 결합 효율(coupling efficiency)을 높이기 위해서 콜리메이터 렌즈(collimator lens)의 NA(numerical aperture)를 0.4 이상으로 할 경우, 방사각이 작은 경우는 FEL의 셀(cell) 하나에서도 중심부와 주변부의 광량 차이가 심하게 된다. FWHM(Full width at half maximum) 1°의 가우시안 광분포를 갖는 레이저를 NA 0.5, EPD 2.4인 콜리메이터 렌즈를 이용해서 조명했을 때, 패널에서의 광분포는 도 5에서와 같다.

이와 같이, LD를 디스플레이 조명의 광원으로 사용시, 패널에서의 광분포를 고르게 할 수 있는 장치나 방법의 개발이 필요하게 되었다.

상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 레이저와 같이 발산각이 작은 광을 조사하는 광원을 프로젝터용 광원으로 사용할 경우, 작은 방사각에도 광분포를 고르게 할 수 있도록 하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일측면에 따르면, 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치로서, 디스플레이용 패널에 광이 조사되도록 하는 광원; 및 상기 광원과 상기 패널 사이에 설치되어 상기 광을 투과시키는 FEL(fly's eye lens)을 포함하고, 상기 FEL은 중심이 광축에서 직교하는 방향으로 옵셋(offset)되도록 설치되는 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치가 제공된다.

상기 광원은 레이저를 조사하는 LD(laser diode)이고, 레이저의 광분포에서 발산각이 큰 방향이 상기 패널의 폭이 긴 방향과 일치하도록 설치될 수 있다.

상기 FEL은 중심이 광학 레이아웃(layout)상에서 광분포가 좁아지는 쪽으로 광축에서 ½피치 이동하도록 설치될 수 있다.

상기 FEL은 중심이 광축에서 X축 방향과 Y축 방향으로 각각 ½피치 이동하도록 설치될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 디스플레이 조명의 광분포 조정 방법으로서, 광원을 광분포에서 발산각이 큰 방향이 디스플레이용 패널의 폭이 긴 방향과 일치하도록 설치하는 단계; 및 상기 광원과 상기 패널 사이에 설치되어 광을 투과시키는 FEL을 중심이 광축에서 직교하는 방향으로 옵셋되도록 설치하는 단계를 포함하는 디스플레이 조명의 광분포 조정 방법이 제공된다.

상기 광원은 레이저를 조사하는 LD로 이루어질 수 있다.

상기 FEL을 옵셋시키는 단계는 상기 FEL을 중심이 광학 레이아웃(layout)상에서 광분포가 좁아지는 쪽으로 광축에서 ½피치 이동하도록 설치할 수 있다.

상기 FEL을 옵셋시키는 단계는 상기 FEL을 중심이 광축에서 X축 방향과 Y축 방향으로 각각 ½피치 이동하도록 설치할 수 있다.

본 발명에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치 및 이를 이용한 광분포 조정 방법에 의하면, 레이저와 같이 발산각이 작은 광을 조사하는 광원을 프로젝터용 광원으로 사용할 경우, 최소 방사각을 보다 더 확보할 수 있고, 이에 따른 광원의 스펙을 넓혀서 제조 단가를 절감하도록 하며, 주변부 밝기를 더 밝게 하여 밝기 분포를 고르게 할 수 있다.

도 1은 종래의 기술에 따른 프로젝터를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 2는 LD의 파 필드 패턴(far field pattern)을 도시한 그래프이다.
도 3은 LD의 콜리메이션(collimation)을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 3에서 양면 오목렌즈를 이용한 광분포 확산을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 디스플레이 패널에서의 광분포를 나타낸 이미지이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치를 도시한 구성도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 방법을 도시한 흐름도이다.
도 8은 피치가 dx 및 dy인 FEL과 패널의 광분포를 나타낸 도면이다.
도 9는 이미지와 필드 앵글을 나타낸 도면이다.
도 10은 필드 앵글에 따른 상대 밝기를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 방법의 FEL 옵셋을 설명하기 위한 도면이다.
도 12 및 도 13은 본 발명에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 방법을 설명하기 위한 FEL 옵셋 후 패널의 광분포를 나타낸 이미지이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치를 도시한 구성도이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치(100)는 광원과 FEL(fly's eye lens; 120)를 포함할 수 있다.

광원은 단일 또는 다수로 이루어질 수 있고, 다수로 이루어질 경우 각각으로부터 발산되는 광이 반사미러 등의 광학 구조에 의해 단일의 FEL(120)로 조사되도록 구성될 수 있으며, 일례로, 레이저를 조사하는 LD(laser diode; 110)가 사용될 수 있고, 이외에도 레이저와 같이 발산각이 작은 광을 조사하는 광원이 해당될 수 있으며, 이하에서는 광원으로서 LD(110)를 예로 들어 설명하기로 한다.

LD(110)는 디스플레이용 패널(200)에 레이저가 조사되도록 하고, 디스플레이 조명의 광원으로서 역할을 한다. 한편, 패널(200)은 LCD(liquid crystal display), DMD(digital mirroring device), LCOS(liquid crystal on silicon)를 비롯하여 다양한 디스플레이 패널이 적용될 수 있다. 또한 LD(110)는 레이저의 광분포에서 발산각이 큰 방향이 패널(200)의 폭이 긴 방향과 일치하도록 설치될 수 있다.

한편 본 실시예에서, 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치(100)는 LD(110)와 FEL(120)사이에 콜리메이터(collimator lens; 130)가 설치될 수 있고, FEL(120)과 패널(200)사이에 필드 렌즈(field lens; 140)가 설치될 수 있다.

FEL(120)은 LD(110)와 패널(200) 사이에 설치되어 LD(110)로부터 조사되는 레이저를 투과시키도록 하고, 마이크로렌즈로 이루어지는 다수의 셀(cell; 121)이 세로방향과 가로방향으로 배열될 수 있다. 즉 FEL(120)은 패널(200)에 광을 고르게 조명하기 위해, 곡률을 가지는 마이크로 렌즈가 하나의 셀(121)을 이루고, 이러한 셀(121)이 여러 개 모여서, 각각의 셀(121)에 입사되는 광의 분포를 패널(200)에 전사하는 역할을 한다.

FEL(120)은 본 발명에서처럼, 그 중심(O')이 레이저의 광축(O)에서 직교하는 방향으로 옵셋(offset)되도록 설치될 수 있으며, 이로 인해 그 중심(O')이 레이저로부터 일정 거리(d)만큼 이격될 수 있다. 따라서 패널(200)의 중심부보다 주변부의 광량을 향상시켜서 투사계에서 발생하는 주변부 광량 저하를 완화시키도록 한다.

FEL(120)은 그 중심(O')이 일예로 광학 레이아웃(layout)상에서 광분포가 좁아지는 쪽으로 레이저의 광축(O)에서 ½피치 이동하도록 시스템의 하우징이나 케이스 내측에 설치 내지 조립될 수 있고, 다른 예로서, 그 중심(O')이 레이저의 광축(O)에서 X축 방향과 Y축 방향으로 각각 ½피치 이동하도록 시스템의 하우징이나 케이스 내측에 설치 내지 조립될 수 있다. 따라서 패널(200)에 대한 광분포의 개선과 더블어 LD(110)의 미니멈(minimum) 방사각을 확대할 수 있다. 여기서 FEL(120)의 중심(O')은 일례로 FEL(120)의 중심에 위치하는 셀(121)의 중심, 예컨대 FEL(120)의 중심에 위치하는 셀(121)을 이루는 마이크로 렌즈의 중심이 될 수 있고, 이에 반드시 한하는 것은 아니며, 셀(121)의 중심과 무관하게 전체 면적에 대한 중심이 될 수 있다. 또한 FEL(120)의 피치는 셀(121)의 폭이 될 수 있다. 또한 X축 방향과 Y축 방향은 일례로 FEL(120)의 장변 방향과 단변 방향일 수 있고, 서로 달리할 수 있다.

한편 FEL(120)은 패널(200)의 사이즈와 엔진의 사이즈를 고려하여, 셀(121)인 마이크로 렌즈의 초점거리, 피치 그리고 필드 렌즈(140)의 초점거리를 정할 수 있는데, 이때 회절 효과가 적어지도록 정해질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치(100)의 작용을 본 발명의 디스플레이 조명의 광분포 조정 방법과 함께 보다 구체적으로 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 방법을 도시한 흐름도이다.

도 7을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 방법은 광원, 일례로 레이저를 조사하는 LD(110)를 레이저의 광분포에서 발산각이 큰 방향이 디스플레이용 패널(200)의 폭이 긴 방향과 일치하도록 설치하는 단계(S11)와, 광원인 LD(110)와 패널(200) 사이에 설치되어 레이저를 투과시키는 FEL(120)을 중심(O')이 레이저의 광축(O)에서 직교하는 방향으로 옵셋되도록 설치하는 단계(S12)를 포함할 수 있다. 이때, FEL(120)을 옵셋시키는 단계(S12)는 일례로, FEL(120)을 중심(O')이 광학 레이아웃(layout)상에서 광분포가 좁아지는 쪽으로 레이저의 광축(O)에서 ½피치 이동하도록 설치할 수 있다. 또한, FEL(120)을 옵셋시키는 단계(S12)는 다른 예로서, FEL(120)을 중심(O')이 레이저의 광축(O)에서 X축 방향과 Y축 방향으로 각각 ½피치 이동하도록 설치할 수 있다. 한편, LD(110)를 대신하여, 레이저와 같이 발산각이 작은 광을 조사하는 광원이 사용될 수 있다.

LD(110)에서 방사되는 광이 콜리메이터 렌즈(collimator lens; 130)를 통과하여 평행광이 되고, 그 광이 FEL(120)과 필드 렌즈(140)를 거쳐 디스플레이용 패널(200)에 조명된다. 이때, FEL(120)의 각 셀(121)에 입사되는 광의 분포는 차이가 적고, 중심부를 제외하고는 각 셀(121)의 광분포와 반대의 경향을 갖는 광분포가 중첩되기 때문에 패널(200)에서 고르게 분포하게 된다.

LD(110)의 광이 FEL(120)에 조사될 경우, 도 8에서와 같이, FEL(120)의 강도(intensity)는 LD(110)와 같이 가우시안(guassian) 분포를 갖게 되고, 패널(200)은 그것들의 합이 되는데, 이는 수학식 1 및 수학식 2와 같다.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, a와 b는 상수이고, m과 n은 FEL의 세로와 가로의 픽셀 수를 나타낸다.

가우시안 광분포를 갖는 LD(110)를 사용할 경우, 높은 광효율을 위해서는 NA를 크게 가지고 가는 것이 좋으나, 발산각이 작은 경우에는 광분포가 중심부쪽으로 쏠리는 경향을 갖는다.

LD(110)가 디스플레이 조명용인 경우, 평행측, 즉 레이저 칩(laser chip)의 레이어(layer)와 동일한 방향으로의 각도가 매우 작게 나오는 경향을 가지며, 스펙(spec.)상 1°를 최소로 하는 경우도 있으며, 이 경우에는 종래의 패널 광분포를 나타낸 도 5에서 나타낸 바와 같이, 패널(200)의 중심으로 광분포가 쏠리게 된다. 따라서, NA가 0.4~0.5인 경우, 최소 발산각은 3~4°이상이어야 한다.

프로젝터나 카메라와 같은 시스템에서는 도 9 및 도 10에 나타낸 바와 같이, 필드 앵글(field angle)에 따라 밝기가 감소되는 코사인 4승의 법칙이 있다(Modern optical engineering, Warren J. Smith, 2nd edition, page 211). 초소형 프로젝터의 경우, 필드 앵글은 30° 근처가 된다. 이를 도 10에서 확인하면, 주변부 광량이 56%정도 떨어진다. 이러한 법칙은 렌즈 설계에 따라 달라지며, 일반적으로는 70%정도 수준인 경우가 많다.

본 발명의 경우, 이러한 프로젝터의 특성상 주변부 광량이 떨어지는 점을 적극적으로 활용하여, LD의 방사각 최소값을 확대하여 밝기 분포 성능뿐만 아니라 가격 경쟁력도 확보하도록 한다.

또한 패널(200)은 통상 4:3이나 16:9등의 직사각형 형태를 가질 수 있다. 길이가 긴 방향을 x축이라고 정의하면, LD(110)의 발산각이 큰 방향(vertical)을 x축 방향으로 하는 것이 유리하다. 이렇게 하면, 발산각이 작은 방향(parrallel)이 투사되는 영역이 작아짐으로써 경계면(boundary)에서의 상대광분포가 반대 방향인 경우보다 작게 된다. 이것에 의한 효과와 LD(110)를 회전함으로써 발생하는 편광 관리에 따른 성능 및 가격 등을 고려하여 도 10을 참조하여 LD의 발산각 배치를 정할 수 있다.

FEL(120)의 중심은 셀(121)의 렌즈 중심과 일치할 수 있다. 이러한 셀(121)에 떨어진 광분포가 패널(200)에 전사되므로, 가우시안 분포를 갖는 광원의 분포는 종래에서 설명한 바와 같이, 도 5와 같이 패널(200)에서도 중심으로 치우친 분포를 이루게 된다.

그러나, 도 11에 도시된 바와 같이, FEL(120)을 중심, 즉 셀(121)의 중심을 가로인 X축 방향과 세로인 Y축 방향으로 각각 ½ 피치(pitch)씩 이동한다면, 도 12에 나타낸 바와 같이, NA 0.5, FWHM((full width at half maximum)∥1°, FWHM⊥25°의 경우, 광의 강도(intensity) 중심을 양끝으로 이동시킬 수 있다. 도 13에서와 같이, 프로젝션의 주변부 밝기가 70% 정도로 떨어지는 점을 반영하면, 위와 같은 조건(NA0.5, EPD 는 2~3mm, pitch는 100㎛, FWHM⊥25°수준일 때)에서 FWHM∥가 2.5°만 되어도 사용이 가능하다. 따라서, 도 11에 도시된 바와 같이, FEL(120)을 광학 레이아웃(layout)상 광분포(L1)가 좁아지는 쪽으로 광축에서 ½ pitch 이동(이 때의 광분포는 L2)해서 조립하거나, x축 방향 및 y축 방향 모두 ½ pitch 이동(이 때의 광분포는 L3)해서 조립하는 것에 의해 광분포의 개선과 더불어 LD(110)의 미니멈(minimum) 방사각을 확대할 수 있다. 여기서, 도 12 및 도 13는 LD(110)의 방삭각이 넓은 방향(vertical 방향)을 패널의 길이방향(x)과 일치시킨 것이다.

이와 같은 본 발명에 따른 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치 및 이를 이용한 광분포 조정 방법에 따르면, 레이저와 같이 발산각이 작은 광을 조사하는 광원을 프로젝터용 광원으로 사용할 경우, 작은 방사각에도 광분포를 고르게 할 수 있다.

이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 한정되어서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

110 : LD 120 : FEL
121 : 셀 130 : 콜리메이터 렌즈
140 : 필드 렌즈

Claims (8)

1. 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치로서,
   디스플레이용 패널에 광이 조사되도록 하는 광원; 및
   상기 광원과 상기 패널 사이에 설치되어 상기 광을 투과시키는 FEL(fly's eye lens)을 포함하고,
   상기 FEL은,
   중심이 광축에서 직교하는 방향으로 옵셋(offset)되도록 설치되고,
   상기 광원은,
   레이저를 조사하는 LD(laser diode)이고, 레이저의 광분포에서 발산각이 큰 방향이 상기 패널의 폭이 긴 방향과 일치하도록 설치되는, 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서, 상기 FEL은,
   중심이 광학 레이아웃(layout)상에서 광분포가 좁아지는 쪽으로 광축에서 ½피치 이동하도록 설치되는, 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 상기 FEL은,
   중심이 광축에서 X축 방향과 Y축 방향으로 각각 ½피치 이동하도록 설치되는, 디스플레이 조명의 광분포 조정 장치.
5. 디스플레이 조명의 광분포 조정 방법으로서,
   광원을 광분포에서 발산각이 큰 방향이 디스플레이용 패널의 폭이 긴 방향과 일치하도록 설치하는 단계; 및
   상기 광원과 상기 패널 사이에 설치되어 광을 투과시키는 FEL을 중심이 광축에서 직교하는 방향으로 옵셋되도록 설치하는 단계를 포함하고,
   상기 광원은,
   레이저를 조사하는 LD로 이루어지고,
   상기 FEL을 옵셋시키는 단계는,
   상기 FEL을 중심이 광축에서 X축 방향과 Y축 방향으로 각각 ½피치 이동하도록 설치하는, 디스플레이 조명의 광분포 조정 방법.
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제

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