KR101455998B1 - 레이저 프로젝션 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 프로젝션 장치에 관한 것이다.

본 발명은 레이저광을 투사하는 레이저 광원; 상기 투사된 레이저광을 복수 개의 편광 경로를 가지는 빛으로 분리하는 편광 분리 장치; 및 상기 복수 개의 편광 경로를 가지는 빛으로, 영상 신호를 조명하여 투사하는 마이크로 디스플레이 패널을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 프로젝션 장치를 제공한다.

따라서, 본 발명에 의하면 레이저광원에서 투사되는 빛을 공간적으로 분리하여, 서로 독립적인 두 레이저광 간에는 간섭 현상이 발생하지 않아서 스펙클을 제거할 수 있다.

레이저, 스펙클, 편광

Description

레이저 프로젝션 장치{Laser projection device}

본 발명은 레이저 프로젝션 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저의 간섭 무늬인 스펙클(speckle)을 제거하여 선명한 상(image)을 구현하는 레이저 표시 장치에 관한 것이다.

멀티 미디어 시대의 도래와 함께 더 세밀하고, 더 크고, 더욱 자연색에 가까운 색을 표현해줄 수 있는 디스플레이 장치의 등장이 요구되고 있다. 그런데, 40인치 이상의 큰 화면을 구성하기에는 현재의 CRT(Cathode Ray Tube)는 한계가 있어서, LCD(Liquid Crystal Display)나 PDP(Plasma Display Panel) 및 프로젝션 TV(Television) 등이 고화질 영상의 분야로 용도확대를 위해 급속도로 발전하고 있다.

프로젝션 장치(Projection device)는 작은 화면을 확대 투사하여 대형 화면을 표시하는 시스템으로, 종래에는 램프(Lamp)를 광원으로 이용하였다.

램프를 광원으로 이용한 프로젝션 장치의 일실시예를 설명하면 다음과 같다. 램프에서 방출된 백색광은 반사경에 의해 반사되고 집속 렌즈에 의해 집속된다. 집속된 광은 각 파장의 광을 통과시키는 필터의 조합으로 구성되며, 빠르게 회전하는 회전 색분리부를 통과한다. 이때, 회전 색분리부에 의해 백색광은 파장 영영에 따라 분리된다. 예를 들어, 적색(Red,R), 녹색(Green,G), 청색광(Blue,B)을 통과시키는 필터가 조합되어 상기 회전 색분리부를 구성하는 경우, 백색광은 시간에 따라 순차적으로 적색(R), 녹색(G), 청색(B)의 광으로 분리되어 진행하게 된다. 즉, 상기 램프에서 방출된 백색광이 집속되어 회전 색분리부의 적색(R) 영역에 조사되면, 적색(R)광만 투과한다. 그리고 회전 색분리부가 회전을 함에 따라 녹색(G) 영역에 조사되면, 상기와 같이 녹색(G)광만 투과한다.

상기 회전 색분리부를 통과하면서 순차적으로 분리된 광은 광 경로부로 입사된다. 이때, 상기 광 경로부는 분리된 광을 혼합하여, 영상표시부로 입사되는 광의 분포를 균일하게 한다. 그리고 상기 입사된 광에 의해 표시 소자에 영상이 구현되며, 상기 영상은 투사광학계에 의해 확대 투사되어 스크린에 결상된다. 그리고 스크린에 결상된 영상을 사용자가 감상하게 된다.

그러나, 광원으로 이용되는 램프는 수명이 짧고 열 발생이 많은 문제점이 있었다. 또한, 다른 광원과 비교할 때 구현되는 영상의 선명도가 낮으므로 영상을 확대 투사하는 투사 표시 장치 등에 있어서는 램프를 대체할 수 있는 새로운 광원의 개발을 위한 노력이 이루어지고 있다.

여기서, 레이저 광(Laser beam)의 경우 직진성이 우수하여 반사와 굴절에 의한 경로 예측이 용이하므로 대형화면을 위한 투사표시장치 등에 있어서 대체 광원으로 많이 이용되고 있다. 즉, 레이저를 이용하는 경우 화상의 색을 재현하는 범위가 넓고, 선명한 화상을 얻을 수 있는 장점이 있다.

그러나 레이저 광원을 이용하는 경우에는 다음과 같은 문제점이 있다. 즉, 레이저 광은 시간적, 공간적으로 같은 위상(phase)을 유지하는 성질이 있어서 간섭성(coherence)을 가진다. 그러므로 레이저를 이용한 표시장치에서는 스크린 상에 레이저 광의 간섭 무늬인 스펙클(Speckle)이 발생하고, 상기 스펙클은 화면상에서 작은 알갱이들이 반짝거리는 듯한 현상으로 나타나는 문제점이 있었다. 또한, 이를 통해 구현되는 영상 특히 확대 영상인 경우 화질이 저하되며, 콘트라스트와 해상도 역시 저하되는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 레이저의 간섭 무늬인 스펙클(speckle)을 제거하여 선명한 상을 구현하는 레이저 표시 장치를 제공하는 것이다.

상술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 레이저광을 투사하는 레이저 광원; 상기 투사된 레이저광을 복수 개의 편광 경로를 가지는 빛으로 분리하는 편광 분리 장치; 및 상기 복수 개의 편광 경로를 가지는 빛으로, 영상 신호를 조명하여 투사하는 마이크로 디스플레이 패널을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 프로젝션 장치를 제공한다.

본 발명의 다른 실시 형태에 따르면, 레이저 광원에서 투사된 빛을, 복수 개의 편광 상태를 가지는 빛으로 분리하는 단계; 상기 복수 개의 편광 상태를 가지는 빛으로, 영상 신호를 조명하여 표시하는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상 신호의 표시 방법을 제공한다.

상기에서 설명한 본 발명에 따른 레이저 프로젝션 장치의 효과를 설명하면 다음과 같다.

레이저광원에서 투사되는 빛을 쇠줄 격자 편광자, 1/4 파장판 및 복합 반투과 확산자로 이루어진 스펙클 저감 소자를 통하여 레이저광을 공간적으로 분리되므 로, 서로 독립적인 두 레이저광 간에는 간섭 현상이 발생하지 않아서 스펙클을 제거할 수 있다.

이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 종래와 동일한 구성 요소는 설명의 편의상 동일 명칭 및 동일 부호를 부여하며 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.

첨부된 도면에서는 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타냈으며, 도면에 나타난 각 층간의 두께 비가 실제 두께 비를 나타내는 것은 아니다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 프로젝션 장치의 일실시예를 간략히 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 1을 참조하여 본 발명에 따른 레이저 프로젝션 장치의 일실시예를 설명한다.

본 실시예에 따른 레이저 프로젝션 장치는, 레이저 조명계(10)와, 편광 분리 장치(20)와, 적분기(30)와, 조명 렌즈계(40)와 마이크로 디스플레이 패널(50)과 투사렌즈계(60)를 포함하여 이루어진다.

광원으로써 넓은 색재현성, 광원의 장기 수명, 시스템 사이즈의 감소 등의 장점을 가진 레이저 조명계(10)를 사용하는 것이 바람직하다. 그리고, 레이저 조명계(10)는 컬러 화상을 표시할 수 있도록, 각각 적색(R)과 녹색(G) 및 청색(B)의 레이저광을 출력하는 적색 레이저 광원과 녹색 레이저 광원 및 청색 레이저 광원을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 각각의 레이저 광원에서 투사된 빛을 결합하기 위하여 색광 결합기가 구비될 수 있다.

여기서, 레이저 광원으로는 적색과 녹색 및 청색 파장의 레이저광을 투사하는 반도체 레이저를 사용할 수 있고, 고체 레이저를 사용할 수도 있다

도 2는 도 1에 도시된 레이저 프로젝션 장치의 레이저 조명계의 일실시예를 도시한 도면이다.

도시된 바와 같이, 레이저 조명계(10)는 제 1 내지 제 3 이색미러(15,17,19)를 포함할 수 있다. 제 1 이색미러(15)는 적색 레이저 광원(11R)에서 출사된 적색 레이저빔(R)을 반사시킨다. 제 2 이색미러(17)는 녹색 레이저 광원(11G)에서 출사되는 녹색 레이저빔(G)을 반사시키고, 제 1 이색미러(15) 쪽에서 입사되는 적색 레이저빔(R)을 투과시켜, 적색 및 녹색레이저빔(R,G)의 광경로를 일치시킨다. 제 3 이색미러(19)는 청색 레이저 광원(11B)에서 출사되는 청색 레이저빔(B)을 반사시키고, 제 2 이색미러(17)쪽에서 입사되는 적색 및 녹색 레이저빔(R,G)은 투과시켜, 적색, 녹색 및 청색 레이저빔(R,G,B)의 광경로를 일치시킨다. 이러한 색광 결합기(14)에 의해 적색, 녹색 및 청색 레이저 광원(11R,11G,11B)에서 출사되는 적색, 녹색 및 청색 레이저빔(R,G,B)은 그 광경로가 합쳐져 진행하게 된다.

그리고, 편광 분리 장치(20)는 쇠줄 격자 편광자(wire grid polarizer, 22)와 1/4 파장판(quarter wave plate, 24) 및 복합 반투과 확산자(26)를 포함하여 이루어진다.

도 3은 도 1의 복합 반투과 확산자의 작용을 나타낸 도면이다. 이하에서, 도 3을 참조하여 상술한 편광 분리 장치(20)의 기능을 상세히 설명하면 다음과 같다.

상기 편광 분리 장치(20)는, 상기 레이저 조명계(10)에서 투사된 빛의 일부를 제 1 원편광시킨 후, 상기 제 1 원편광된 빛 중 일부를 제 2 원편광시키는 것을 특징으로 한다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 레이저 조명계(10)에서 선편광된 레이저광이 투사된다. 이 때, 레이저 광은 P방향으로 선편광된 것을 특징으로 한다. 그리고, 쇠줄 격자 편광자(22)를 통과한 후, 상기 P방향(P-pol)으로 편광된 레이저광은 1/4 파장판(24)로 진행한다. 이 때, 1/4 파장판(24)을 통과한 레이저광은 편광 상태가 우원편광(R-Cirsular-pol) 상태가 된다.

그리고, 상기 우원편광된 레이저광은 복합 반투과 확산자(26)으로 진행한다. 이 때, 상기 복합 반투과 확산자(26)는 광 투과부(26a)와 광 반사부(26b)를 포함하여 이루어진다. 여기서, 상기 우원편광된 레이저광 중 상기 광투과부(26a)로 진행한 빛은, 상기 광투과부(26a)를 통과하여 후술하는 바와 같이 조명 렌즈계(40)로 진행한다. 이 때, 상기 광투과부(26a)는 디퓨저(diffuser)로서 작용하여 상기 우원편광된 빛을 확산시킬 수 있다.

그리고, 상기 우원편광된 레이저 광 중에서 복합 반투과 확산자(26)의 광 반사부(26b)로 진행한 레이저 광은, 상기 복합 반투과 확산자(26)에서 반사되어 다시 1/4 파장판(24)으로 진행한다. 이 때, 상기 복합 반투과 확산자(26)에서 반사된 레이저광의 편광상태는, 우원편광에서 좌원편광(L-Circular-Pol)으로 변환된다.

그리고, 상기 복합 반투과 확산자(26)에서 반사되어 다시 1/4 파장판(24)으로 진행한 레이저 광은, 상기 1/4 파장판(24)을 통과하면서 편광 상태가 변경된다. 즉, 좌편광된 레이저광이 상기 1/4 파장판(24)를 통과한 후, S방향(S-Pol)으로 선형편광된 레이저광이 된다.

그리고, 상기 1/4 파장판(24)을 통과한 S방향(S-pol)으로 편광된 레이저광은 쇠줄 격자 편광판(22)로 진행한다. 이 때, 상기 쇠줄 격자 편광판(22)은 P방향(P-pol)으로 편광된 레이저광은 투과하고, S방향(S-pol)으로 편광된 레이저광은 반사하는 기능을 수행한다. 따라서, 상기 1/4 파장판(24)을 통과한 S방향(S-pol)으로 편광된 레이저광은 쇠줄 격자 편광판(22)에서 반사되어, 다시 1/4파장판으로 진행한다.

이 때, 상기 S방향(S-pol)으로 편광된 레이저광은 1/4 파장판(24) 통과한 레이저광은 편광 상태가 좌원편광(L-Cirsular-pol) 상태가 된다. 그리고, 상기 1/4 파장판(24) 통과하고 편광 상태가 좌원편광(L-Cirsular-pol) 상태인 레이저 광은, 상기 복합 반투과 확산자(26)의 광 투과부(26a)로 진행하게 설계되어 있다. 따라서, 좌원편광(L-Cirsular-pol) 상태의 레이저 광은 상기 광투과부(26a)를 통과하여 후술하는 바와 같이 조명 렌즈계(40)로 진행한다. 이 때, 상기 광투과부(26a)는 디퓨저(diffuser)로서 작용하여 상기 좌원편광된 빛을 확산시킬 수 있음은 상술한 바와 동일하다.

결과적으로, 상기 복합 반투과 확산자(26)의 광투과부(26a)를 통과한 빛은, 좌원편광(L-Cirsular-pol)상태의 레이저광과 우원편광(R-Cirsular-pol) 상태의 레이저광이 혼재하여 서로 다른 광 경로를 가진다. 그리고, 상기 좌원편광 상태의 레이저광과 우원편광 상태의 레이저광은, 서로 독립적이므로 상기 두 레이저광 간에 는 간섭 현상이 발생하지 않으므로 스펙클 저감에 효과가 있다.

여기서, 상기 복합 반투과 확산자(20)는 시간에 따라 회전하도록 구비될 수 있다. 따라서, 회전하는 복합 반투과 확산자(20)를 통과하기 때문에, 스펙클 패널의 중첩으로 인하여 스펙클이 저감될 수 있다.

그리고, 상술한 편광 분리 장치(20)를 통과하여 2개의 서로 다른 편광 상태를 가지는 빛으로, 영상 신호를 조명하여 표시한다. 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

그리고, 상기 편광 분리 장치(20)를 통과한 빛은 적분기(30)를 통과한다. 즉, 상술한 레이저 조명계(10)에서 출사되는 빛의 강도가 균일하지 않아 광 축 방향에서의 빛의 강도는 강하고 광축에서 멀어질수록 빛의 강도가 점점 약해지게 되므로, 균일한 빛을 출사하기 위해 적분기(110)를 구비할 수도 있다. 그리고, 적분기(30) 대신에 도파관을 사용할 수도 있다.

그리고, 상기 적분기(30)를 통과한 빛은 조명 렌즈계(40)를 통과하며 폭이 조절된 후, 패널(50)에 입사된다. 패널(50)은 DMD(digital micromirror device), LCoS(liquid crystal on silicon), 및 LCD(liquid crystal device) 중 어느 하나가 사용될 수 있다. 또한, 패널(50)은 액정 패널의 개수에 따라 단판식 패널, 2판식 패널 및 3판식 패널로, 광빔을 화상정보로 바꾸는 방법에 따라 투과형 패널과 반사형 패널로 나누어 질 수 있다. 도 1에서는 반사형 패널이 도시되어 있으나, 투과형 패널이 사용될 수 있음은 당연하다.

상기 패널(50)에서 영상 정보와 합쳐진 레이저광은, 투사 렌즈계(60)로 입사 된다. 그리고, 투사 렌즈계(60)에서는 상기 영상 정보를 크게 확대하여 스크린(도시되지 않음)에 결상하게 된다.

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 특허청구범위에 의하여 정해져야 한다.

상술한 본 발명에 따른 레이저 프로젝션 장치는, 레이저광의 간섭 무늬인 스펙클(speckle)을 제거하여 선명한 상을 구현한다.

도 1은 본 발명에 따른 레이저 프로젝션 장치의 일실시예를 간략히 나타낸 도면이고,

도 2는 도 1에 도시된 레이저 프로젝션 장치의 레이저 조명계의 일실시예를 도시한 도면이고,

도 3은 도 1의 복합 반투과 확산자의 작용을 나타낸 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 레이저 조명계 20 : 편광 분리 장치

22 : 쇠줄 격자 편광자 24 : 1/4 파장판

26 : 복합 반투과 확산자 26a : 광투과부

26b : 광반사부 30 : 적분기

40 : 조명 렌즈계 50 : 마이크로 디스플레이 패널

60 : 투사 렌즈계

Claims (8)

1. 레이저광을 투사하는 레이저 광원;

   상기 투사된 레이저광을 복수 개의 편광 경로를 가지는 빛으로 분리하는 편광 분리 장치; 및

   상기 복수 개의 편광 경로를 가지는 빛으로, 영상 신호를 조명하여 투사하는 마이크로 디스플레이 패널을 포함하고,

   상기 편광 분리 장치는,

   제 1 선편광된 빛은 투과시키고 제 2 선편광된 빛은 반사시키는 쇠줄 격자 편광자(wire grid polarizer);

   광 투과부와 광반사부가 구비된 복합 반투과 확산자;

   상기 쇠줄 격자 편광자와 확산자 사이에 배치되는 1/4 파장판(quarter wave plate)을 포함하며,

   상기 복합 반투과 확산자의 광반사부는,

   상기 레이저 광원으로부터 출사된 광이, 상기 쇠줄 격자 편광자과 상기 1/4 파장판을 투과한 제 1 원편광을 제 2 원편광으로 변환하여 반사하고,

   상기 복합 반투과 확산자의 광투과부는,

   상기 레이저 광원으로부터 출사된 광이, 상기 쇠줄 격자 편광자과 상기 1/4 파장판을 투과하는 제 1 광경로를 갖는 제 1 원편광을 투과하고,

   상기 복합 반투과 확산자의 광반사부로부터 반사된 제 2 원편광이, 상기 쇠줄 격자 편광자에 다시 반사되어, 상기 1/4 파장판을 투과하는 제 2 광경로를 갖는 제 2 원편광을 투과하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 레이저 프로젝션 장치.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 편광 분리 장치를 통과한 빛은 제 1 렌즈계를 통하여 상기 마이크로 디스플레이 패널로 진행하고, 상기 마이크로 디스플레이 패널을 통과한 빛은 제 2 렌즈계를 통하여 스크린으로 투사되는 것을 특징으로 하는 레이저 프로젝션 장치.
7. 제 1 선편광된 빛은 투과시키고 제 2 선편광된 빛은 반사시키는 쇠줄 격자 편광자, 광 투과부와 광반사부가 구비된 복합 반투과 확산자, 및 상기 쇠줄 격자 편광자와 확산자 사이에 배치되는 1/4 파장판을 포함하는 레이저 프로젝션 장치의 영상 신호 표시 방법에 있어서,

   레이저 광원에서 투사된 빛을, 복수 개의 편광 상태를 가지는 빛으로 분리하는 단계;

   상기 복수 개의 편광 상태를 가지는 빛으로, 영상 신호를 조명하여 표시하는 단계를 포함하고,

   상기 분리 단계는,

   상기 레이저 광원으로부터 출사된 광이, 상기 쇠줄 격자 편광자과 상기 1/4 파장판을 거쳐 제 1 원편광으로 변환되어, 상기 복합 반투과 확산자의 광투과부를 투과하는 제 1 광경로와,

   상기 복합 반투과 확산자의 광반사부로부터 반사된 제 2 원편광이, 상기 쇠줄 격자 편광자에 다시 반사되어, 상기 1/4 파장판 및 상기 복합 반투과 확산자의 광투과부를 투과하는 제 2 광경로를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 영상 신호의 표시 방법.
8. 삭제

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