KR101816203B1 - 스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터 - Google Patents

스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터 Download PDF

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Abstract

본 발명의 목적은 레이저 피코 프로젝터를 구성하는 부품을 증가시키지 않으면서 피코 프로젝터 내 필요 광학계에 위상변이패턴을 넣음으로써, 피코 프로젝터의 불필요한 부피 및 중량의 증가를 방지하면서도 효과적으로 스페클을 저감할 수 있도록 하는, 스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터를 제공함에 있다.

Description

스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터 {Laser pico projector having phase shifter for reducing speckle}
본 발명은 스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터에 관한 것으로, 보다 상세하게는 레이저를 광원으로 하는 프로젝터에서 발생되는 스페클을 위상변이패턴을 이용하여 저감함으로써 영상 품질을 향상함과 동시에 장치를 더욱 경량화 및 소형화할 수 있도록 하는 레이저 피코 프로젝터에 관한 것이다.
프로젝터란 빛을 이용하여 슬라이드나 동영상 이미지 등을 스크린에 비추는 장치를 말하는 것으로, 교육, 회의 등과 같은 현장에서 다수 인원에게 편리하게 자료를 보여주는 데에 사용되거나 일반 가정 등에서 오락 시청용으로 사용되는 등 매우 광범위한 목적으로 널리 사용되고 있다. 특히 최근 스마트폰이나 태블릿 PC, 노트북 등과 같은 모바일 기기의 발달로 인하여 대다수의 일반인들이 이러한 모바일 기기로 이미지, 동영상 등을 시청하고 있는데, 이러한 모바일 기기와 연결하여 보고자 하는 콘텐츠를 화면으로 영사하고자 하는 요구가 급격하게 증가하고 있는 바, 이러한 목적에 맞춘 형태의 프로젝터도 상용화되어 있다.
프로젝터의 구성은 빛을 조사하는 광원 및 동영상, 이미지 등을 투사할 수 있도록 해 주는 구조물을 포함하면 되는 것으로, 투사하고자 하는 매체의 형태에 따라 프로젝터 자체의 구성도 다양하게 달라진다. 과거에는 투사하고자 하는 매체가 슬라이드 형태로 이루어졌으며, 따라서 프로젝터는 광원 및 (빛의 투과가 가능한 이미지가 인쇄된) 슬라이드가 광경로 상에 배치되도록 하는 구조물을 포함하여 이루어지면 되었다. 한편 상술한 바와 같이 모바일 기기를 통한 콘텐츠를 영사하고자 하는 요구가 많은 최근에는, 레이저 광원을 사용하여 소형화 및 경량화를 추구하는 프로젝터 구성이 많이 사용되고 있다. 이처럼 소형화, 경량화를 통해 휴대성을 높인 프로젝터를 일반적으로 가리키는 말로서 나노 프로젝터, 또는 그보다 더 작다는 의미로서 피코 프로젝터 등이 있다.
상술한 바와 같이, 레이저 피코 프로젝터는 레이저 광원을 사용함으로써 충분한 광량을 확보하면서 또한 모바일 기기와의 연결이 용이하며, 또한 모바일 기기에 맞게 장치의 소형화 및 경량화 구성으로서 휴대성이 높다는 장점이 있다. 뿐만 아니라 모바일 기기의 사용 확대로 인하여 피코 프로젝터의 수요 역시 꾸준히 늘고 있어, 보다 개선된 피코 프로젝터를 개발하고자 하는 연구 노력이 활발하게 이루어지고 있다.
레이저 피코 프로젝터에 있어서 해결되어야 할 문제들이 있는데, 그 중 가장 중요한 것은 스페클(speckle) 문제이다. 스페클 현상이란, 미소한 요철이 있는 표면에 레이저광과 같은 코히어런트한 빛을 댈 경우 산란된 빛이 간섭하여 산재된 점들의 모양이 나타나는 현상을 말하는 것이다. 레이저 피코 프로젝터에서는 바로 이러한 스페클로 인하여 화질이 저하되는 단점을 해소하는 것이 가장 큰 해결 과제이다.
일반적으로 스페클을 감소시키기 위해서는 디퓨져(diffuser)라고 불리는 광학 요소가 사용되기도 하며, 미국특허등록 제6,747,781호("METHOD, APPARATUS, AND DIFFUSER FOR REDUCING LASER SPECKLE", 2004.06.08)에는 레이저 광원에서 발사된 레이저의 광경로 상에 디퓨져를 배치하여 스페클을 감소시키는 기술이 개시되어 있다. 그런데 이처럼 디퓨져를 사용하는 방식의 경우 상당히 많은 공간을 차지할 뿐만 아니라 추가적인 구동 장치를 필요로 하기 때문에, 소형화 및 경량화를 추구하는 피코 프로젝터에 적용되기에는 적합하지 않다.
일본특허공개 제2012-155048호("프로젝터", 2012.08.16)에는 레이저 광경로 상에 별도의 구동 장치에 의하여 상시 회전하며 파도형의 반사면을 가진 미러를 더 구비함으로써, 인간의 눈에 인지되는 속도보다 빠른 속도로 스페클 패턴을 변화시킴으로써 결과적으로 인간의 눈으로 인지되는 스페클 노이즈가 감소되게 하는 기술이 개시되어 있다. 그런데 상기 기술 역시 별도의 구동 장치 및 미러를 추가 구비함으로써 발생되는 부피 및 중량 증가의 문제를 피할 수 없다.
한국특허공개 제2013-0120027호("피코 프로젝터 및 이에 적용되는 광학 렌즈", 2015.04.16)에는 피코 프로젝터에 특정 형상의 광학 렌즈를 구비하여 영상의 투영각을 확장하는 기술이 개시되며, 이 때 광학 렌즈의 출사면에 마이크로 렌즈 어레이를 형성함으로써 레이저 광의 산란을 통해 스페클을 감소시키도록 하는 기술이 개시된다. 상기 기술의 경우 앞서의 디퓨저 또는 회전 미러를 사용하는 기술에 비해서는 부피 및 중량 증가가 훨씬 줄어든다는 장점이 있으나, 역시 별도의 부품을 더 필요로 한다는 점에서 소형화 및 경량화에 한계가 있다는 문제점이 일부 남는다.
1. 미국특허등록 제6,747,781호("METHOD, APPARATUS, AND DIFFUSER FOR REDUCING LASER SPECKLE", 2004.06.08) 2. 일본특허공개 제2012-155048호("프로젝터", 2012.08.16) 3. 한국특허공개 제2013-0120027호("피코 프로젝터 및 이에 적용되는 광학 렌즈", 2015.04.16)
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 레이저 피코 프로젝터를 구성하는 부품을 증가시키지 않으면서 피코 프로젝터 내 필요 광학계에 위상변이패턴을 넣음으로써, 피코 프로젝터의 불필요한 부피 및 중량의 증가를 방지하면서도 효과적으로 스페클을 저감할 수 있도록 하는, 스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터를 제공함에 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터는, 레이저 다이오드 형태로 형성되어 레이저 방식의 광을 제공하는 광원(110), MEMS 미러 형태로 형성되어 상기 광원(110)에서 출력되는 광을 다른 각도로 반사하는 스캐너(120)를 포함하는 레이저 피코 프로젝터(100)에 있어서, 상기 레이저 피코 프로젝터(100) 내 광경로 상에 포함되는 광 반사면 중 선택되는 적어도 어느 하나에 형성되며 요철 형태로 이루어진 위상변이패턴(P)을 포함하는 위상변이장치(500)를 구비하도록 이루어질 수 있다.
이 때 상기 위상변이패턴(P)은, 적어도 두 단계의 서로 다른 깊이를 가지는 복수 개의 단위면(p)들이 행과 열로 나열되어 이루어지는 매트릭스 형태로 형성되어, 광이 각각의 상기 단위면(p)들에 반사됨으로써 발생되는 위상 차이에 의하여 스페클 현상을 저감시키도록 이루어질 수 있다.
또한 상기 위상변이패턴(P)은, 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성될 수 있으며, 이 때 상기 위상변이장치(500)는, 상기 광원(110) 및 상기 스캐너(120) 사이의 광경로 상에 구비되어, 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성된 상기 위상변이패턴(P)으로 광을 집속하는 집속렌즈(focusing lens, 511), 상기 스캐너(120)에 반사되어 진행되는 광경로 상에 구비되어, 상기 위상변이패턴(P)에서 반사된 광의 진행 방향을 보정하는 보상렌즈(compensation lens, 512)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 이 때 상기 보상렌즈(512)는, 미소패턴이 임프린트된 투명필름이 미리 결정된 곡률로 휘어진 형태로 형성되거나, 프레넬 렌즈(Fresnel lens) 형태로 형성될 수 있다.
또는 상기 위상변이패턴(P)은, 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성될 수 있으며, 이 때 상기 위상변이장치(500)는, 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성된 상기 위상변이패턴(P) 상에 형성되며, 상기 위상변이패턴(P)의 중심점을 초점으로 가지는 표면렌즈(520)를 포함하여 이루어질 수 있다. 또한 이 때 상기 표면렌즈(520)는, 외면이 구형이거나 또는 타원형으로 형성될 수 있다.
또한 상기 레이저 피코 프로젝터(100)는, 상기 광원(110) 및 상기 스캐너(120) 사이의 광경로 상에 구비되어 상기 광원(110)에서 조사되는 광이 상기 스캐너(120)를 향하도록 반사시키는 미러(130)를 더 포함하여 이루어지며, 상기 위상변이패턴(P)은 상기 미러(130)의 광 반사면 상에 형성될 수 있다. 이 때 상기 위상변이장치(500)는, 상기 광원(110) 및 상기 미러(130) 사이의 광경로 상에 구비되어, 상기 미러(130)의 광 반사면 상에 형성된 상기 위상변이패턴(P)으로 광을 집속하는 집속렌즈(focusing lens, 531), 상기 미러(130) 및 상기 스캐너(120) 사이의 광경로 상에 구비되어, 상기 위상변이패턴(P)에서 반사된 광을 시준하는 시준렌즈(collimating lens, 532)를 포함하여 이루어질 수 있다.
또한 상기 레이저 피코 프로젝터(100)는, 상기 스캐너(120)에 의한 광 스캐닝에 의한 영상 왜곡을 보정하는 왜곡보상렌즈(140)를 더 포함하여 이루어질 수 있다.
본 발명에 의하면, 레이저 피코 프로젝터 내의 필요 광학계에 위상변이패턴을 넣음으로써 레이저 빔의 특성을 다양화하여 효과적으로 스페클을 저감할 수 있도록 하는 큰 효과가 있다. 또한 본 발명에 의하면, 상술한 바와 같이 레이저 피코 프로젝터를 구성하는 원래의 부품들에 불필요하게 추가 부품을 넣지 않고도 스페클 저감 효과를 얻을 수 있기 때문에, 기존에 디퓨져나 회전 미러 등을 추가 구비하여 스페클을 저감하던 종래기술에 비하여 불필요한 중량 및 부피의 증가 문제가 원천적으로 제거된다는 효과 또한 있다. 즉 궁극적으로는 본 발명에 의하면, 스페클을 효과적으로 저감함과 동시에 레이저 피코 프로젝터를 소형화 및 경량화 한계를 더욱 낮춤으로써, 영상의 화질 향상 및 휴대성, 사용자 편의성 향상을 동시에 달성할 수 있다는 큰 효과가 있는 것이다.
도 1은 레이저 피코 프로젝터의 기본 구성의 예시.
도 2는 위상변이패턴의 여러 실시예.
도 3은 본 발명의 레이저 피코 프로젝터의 제1실시예.
도 4는 집속렌즈의 원리.
도 5는 보상렌즈의 원리.
도 6은 보상렌즈의 여러 형상 실시예.
도 7은 본 발명의 레이저 피코 프로젝터의 제2실시예.
도 8은 표면렌즈의 원리.
도 9는 본 발명의 레이저 피코 프로젝터의 제3실시예.
이하, 상기한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명에 의한 스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
먼저 레이저 피코 프로젝터의 구성을 설명하면 다음과 같다. 도 1은 레이저 피코 프로젝터의 기본 구성의 예시를 도시하고 있는 것으로, 도 1(A)는 가장 기본적인 구성을, 도 1(B)는 일반적으로 상용화된 피코 프로젝터에서 기본적으로 갖추어지는 구성을 도시한 것이다.
도 1(A)에 도시된 바와 같이, 레이저 피코 프로젝터(100)는 가장 기본적으로는 광원(110) 및 스캐너(120)만 구비하면 된다. 간략히 설명하자면, 상기 광원(110)은 레이저 다이오드 형태로 형성되어 레이저 방식의 광을 제공하는 역할을 하며, 상기 스캐너(120)는 MEMS 미러 형태로 형성되어 상기 광원(110)에서 출력되는 광을 다른 각도로 반사하는 역할을 한다.
이상적으로는 상기 광원(110) 및 상기 스캐너(120)만으로도 레이저 피코 프로젝터(100)를 구성할 수 있으나, 상용화 제품의 경우 광원 및 스캐너의 배치 위치 최적화 등의 문제가 있어, 통상적으로 도 1(A)와 같이 구성하지는 않는다. 즉 대부분의 경우에 레이저 피코 프로젝터(100)는, 도 1(B)에 도시된 바와 같이, 상기 광원(110) 및 상기 스캐너(120) 사이의 광경로 상에 구비되어 상기 광원(110)에서 조사되는 광이 상기 스캐너(120)를 향하도록 반사시키는 미러(130)를 더 포함하여 이루어짐으로써, 광원 및 스캐너의 배치 위치를 최적화하도록 이루어진다. 도 1(B)에서는 상기 미러(130)가 단일 개 도시되어 있으나, 실제로는 광경로를 원하는 대로 설계하기 위해 복수 개의 미러가 사용되거나 렌즈 등과 같은 광학 부품들을 더 포함하는 광학계가 구비되기도 한다.
더불어, 역시 통상적으로 레이저 피코 프로젝터(100)는, 도 1(B)에 도시된 바와 같은 상기 스캐너(120)에 의한 광 스캐닝에 의한 영상 왜곡을 보정하는 왜곡보상렌즈(140)를 더 포함하여 이루어진다. 상기 왜곡보상렌즈(140)는 대부분의 상용화된 레이저 피코 프로젝터에 구비되는 것이므로, 그 형상이나 특성 등은 일반적으로 알려져 있는바 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.
앞서 설명한 바와 같이, 레이저 광을 이용하여 영상을 프로젝팅할 때 레이저 광이 갖는 높은 간섭성(coherence) 때문에 스페클 현상이 일어나는 문제가 있었다. 또한 이러한 문제를 해소하기 위해 종래에 디퓨저나 회전 미러 등을 더 구비시키는 등의 시도가 있었으나, 이는 레이저 피코 프로젝터의 중량 및 부피를 증가시켜 레이저 피코 프로젝터의 휴대성을 저하시키고, 또한 별도의 구동 장치 및 동력을 필요로 함으로써 전력 사용량이 늘어나는 등과 같은 여러 문제가 있었다.
본 발명에서는 상술한 바와 같은 레이저 피코 프로젝터(100)를 구성하는 구성 부품들 중 선택되는 어느 부품에 위상변이패턴(P)이 형성되도록 함으로써 효과적으로 스페클을 저감한다. 이 때 상기 위상변이패턴(P)을 형성함에 따라 광학 부품이 좀더 포함될 수 있으며, 상기 위상변이패턴(P) 및 추가 구비되는 광학 부품들에 의해 본 발명의 위상변이장치(500)가 구성된다. 그런데 이러한 광학 부품들은 광원 - 스캐너 광경로 설계를 위해 구비되는 광학 부품들 수준의 부품들일 뿐으로, 레이저 피코 프로젝터(100)의 중량이나 부피를 거의 증가시키지 않으며, 특히 동력 장치는 전혀 불필요하다.
즉 본 발명에서는 상술한 바와 같이 별도의 동력 장치 등을 더 구비시키지 않아도 되기 때문에, 종래 스페클 저감을 위한 기술들에서 중량, 부피, 전력 등이 증가하는 문제를 원천적으로 제거할 수 있다. 따라서 결과적으로 본 발명에서는, 스페클 저감을 통해 레이저 피코 프로젝터의 화질을 향상하면서도 동시에 소형화 및 경량화를 달성할 수 있는 큰 장점이 있는 것이다.
본 발명에서 스페클 저감을 위해 사용되는 위상변이패턴(P)에 대하여 보다 구체적으로 설명하면 다음과 같다. 상기 위상변이패턴(P)은 요철 형태로 이루어지며, 상기 레이저 피코 프로젝터(100) 내 광경로 상에 포함되는 광 반사면 중 선택되는 적어도 어느 하나에 형성되는데, 구체적으로는, 도 1(B)를 참고하면 상기 스캐너(120)의 광 반사면 또는 상기 미러(130)의 광 반사면에 형성될 수 있다.
도 2는 상기 위상변이패턴(P)의 구체적인 여러 실시예들을 도시하고 있다. 도시된 바와 같이 상기 위상변이패턴(P)은, 적어도 두 단계의 서로 다른 깊이를 가지는 복수 개의 단위면(p)들이 행과 열로 나열되어 이루어지는 매트릭스 형태로 형성될 수 있다. 이와 같이 형성된 상기 위상변이패턴(P)에 광이 입사되면, 광이 각각의 상기 단위면(p)들에 반사됨으로써 서로 깊이가 다른 상기 단위면(p)들에 반사된 광들 간에 광경로 차이, 즉 위상 차이가 발생한다. 잘 알려진 바와 같이 스페클 현상은 서로 인접해 있으며 또한 위상이 동일한 광들 간에 간섭이 발생하는 것이 원인인 바, 이처럼 상기 위상변이패턴(P)을 이용하여 인접해 있는 광들 간에 위상 차이를 발생시키면 앞서 설명한 바와 같은 간섭 현상이 훨씬 줄어들게 되며, 궁극적으로 스페클 현상을 매우 효과적으로 저감시킬 수 있게 된다.
도 2에서는 상기 단위면(p)들이 두 단계의 서로 다른 깊이를 가지는 예시가 도시되었으나 이로써 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 예를 들어 R, G, B 각 파장별로 각각 서로 다른 두 단계씩의 깊이를 가지도록 하는 등과 같이, 상기 위상변이패턴(P)을 구성하는 복수 개의 상기 단위면(p)들은 더 많은 단계의 서로 다른 깊이를 가지도록 구성될 수도 있다.
이하에서는, 상기 위상변이패턴(P)의 형성 위치 등에 따른 상기 위상변이장치(500)의 여러 실시예들을 보다 구체적으로 설명한다. 도 3은 본 발명의 레이저 피코 프로젝터의 제1실시예의 구성을, 도 7은 본 발명의 레이저 피코 프로젝터의 제2실시예의 구성을, 도 9는 본 발명의 레이저 피코 프로젝터의 제3실시예의 구성을 각각 도시하고 있다.
[제1실시예]
도 3은 본 발명의 레이저 피코 프로젝터의 제1실시예를 도시한 것으로, 제1실시예에서는, 상기 위상변이패턴(P)이 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성된다. 도 3에는 미러(130) 및 왜곡보상렌즈(140)가 도시되어 있으나, 이들 부품은 앞서 도 1의 설명에서 언급한 바와 같이 대부분의 레이저 피코 프로젝터(100)에 통상적으로 구비되는 부품이기 때문에 도시되어 있는 것일 뿐이다. 즉 이들 부품은 스페클 저감에 있어서 상기 미러(130)나 상기 왜곡보상렌즈(140)는 특정한 역할을 하지 않으므로, 제1실시예 자체에는 이들 부품이 포함되지 않아도 무방하다.
제1실시예에 의한 위상변이장치(500)는, 상술한 바와 같이 상기 위상변이패턴(P)이 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성되게 하되, 여기에 집속렌즈(focusing lens, 511) 및 보상렌즈(compensation lens, 512)를 더 포함하여 이루어진다.
상기 집속렌즈(511)는, 상기 광원(110) 및 상기 스캐너(120) 사이의 광경로 상에 구비되어, 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성된 상기 위상변이패턴(P)으로 광을 집속하는 역할을 한다. 도 3에서는 이해를 용이하게 하기 위해 개념적으로 도시하였으므로 광이 단일 개의 선으로 도시되나, 실제로는 상기 광원(110)에서 조사되는 광은 어느 정도의 직경을 가지는 형태로 형성된다(일반적인 레이저 피코 프로젝터에서 광 직경은 0.5~1mm 정도이다). 그런데 이처럼 광 직경이 클 경우 회절이 발생하는 경향이 강해지며, 이는 역시 영상의 화질을 떨어뜨리는 원인이 될 수 있다. 상기 집속렌즈(511)는 바로 이러한 문제를 해소하기 위한 것으로, 도 4에 도시된 바와 같이 광이 상기 집속렌즈(511)를 지나면서 집속됨으로써 빔 스팟 크기를 줄일 수 있으며, 따라서 회절에 의한 악영향을 훨씬 저감할 수 있다.
한편 이와 같이 상기 집속렌즈(511)로 광을 집속해 줌으로써 빔 스팟이 도 4에 도시된 바와 같이 국소 영역에 형성되는 바, 상기 위상변이패턴(P)은 상기 스캐너(120)의 광 반사면 전체에 형성되게 하지 않아도 된다. 즉 상기 위상변이패턴(P)은 빔 스팟이 형성되는 국소 영역에만 형성되게 하면 되며, 이에 따라 상기 위상변이패턴(P)을 포함하는 상기 스캐너(120)의 제작이 보다 용이해지고 제작 비용 또한 저감할 수 있다. 구체적으로는, 이러한 경우 도 2에 도시된 바와 같은 상기 위상변이패턴(P)의 상기 단위면(p) 하나의 크기가 수 μm 정도가 되게 형성할 수 있다.
상기 보상렌즈(512)는, 상기 스캐너(120)에 반사되어 진행되는 광경로 상에 구비되어, 상기 위상변이패턴(P)에서 반사된 광의 진행 방향을 보정하는 역할을 한다. 상술한 바와 같이 상기 집속렌즈(511)로 집속된 광이 상기 위상변이패턴(P)에서 반사되면, 이 반사광은 앞서 설명한 바와 같이 스페클 저감 효과가 적용된 광이 된다. 이 때 상기 스캐너(120)가 움직이지 않고 고정된 부품이라면 상기 집속렌즈(511)와 동일한 초점 거리 위치에 동일한 사양의 렌즈를 배치시킴으로써 광을 시준(collimate)할 수 있을 것이다. 그러나 상기 스캐너(120)는 도 5에 도시된 바와 같이 영상 프로젝팅을 위해 계속 회전 운동을 하도록 되어 있기 때문에, 상기 집속렌즈(511)와 동일한 초점 거리 위치에 동일한 사양의 렌즈를 배치할 경우 올바르게 시준이 이루어지지 않는다.
따라서 본 발명에서는, 광의 시준을 위해 상기 집속렌즈(511)와 동일한 초점 거리 위치에 상기 보상렌즈(512)를 배치하되, 광이 올바로 보상될 수 있도록 상기 집속렌즈(511)와는 그 형상이 달리 형성되게 한다. 도 6은 이러한 보상렌즈의 여러 형상 실시예이다. 도 6(A)의 실시예에서는, 상기 보상렌즈(512)는 미소패턴이 임프린트된 투명필름이 미리 결정된 곡률로 휘어진 형태로 형성된다. 이 때 상기 미소패턴은 도시된 바와 같이 각각 수 μm의 직경을 가지는 다수 개의 작은 렌즈 형상으로 될 수 있으며, 각각의 렌즈는 이미지 픽셀 하나씩을 커버하도록 이루어질 수 있다. 또한 상기 곡률은 광의 진행 방향으로 광을 시준하기 위해 필요한 정도로 적절히 결정될 수 있다. 도 6(B)의 실시예에서는, 상기 보상렌즈(512)는 프레넬 렌즈(Fresnel lens) 형태로 형성된다. 프레넬 렌즈란 렌즈의 두께를 줄이기 위하여 렌즈를 여러 개의 원환상의 띠로 나누어 겹쳐져 형성되게 한 렌즈로서, 이 경우 각각의 원환상의 띠가 그에 상응하는 위치의 이미지 픽셀을 커버하도록 이루어질 수 있다. 또는, 상기 보상렌즈(512)는 도 6과 같은 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 상술한 바와 같은 역할을 할 수 있도록 설계된 자유 곡면을 가지는 단일 개의 렌즈 형태로 형성될 수도 있다.
[제2실시예]
도 7은 본 발명의 레이저 피코 프로젝터의 제2실시예를 도시한 것으로, 제2실시예에서도 제1실시예에서와 마찬가지로, 상기 위상변이패턴(P)이 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성된다. 또한 상기 미러(130) 및 상기 왜곡보상렌즈(140)의 포함 여부는 제1실시예에서의 설명과 동일하다. 제2실시예에 의한 위상변이장치(500)는, 상술한 바와 같이 상기 위상변이패턴(P)이 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성되게 하되, 여기에 표면렌즈(520)를 더 포함하여 이루어진다.
상기 표면렌즈(520)는, 상기 위상변이패턴(P)의 중심점을 초점으로 가지는 렌즈로서, 도시된 바와 같이 외면이 구형이거나 또는 타원형으로 형성될 수 있다. 앞서 제1실시예에서는, 광이 상기 스캐너(120)로 입사되는 광경로 상에 집속렌즈가 배치되게 하여 광을 집속하고, 또한 광이 상기 스캐너(120)에서 반사되어 진행되는 광경로 상에 보상렌즈가 배치되게 하여 광을 시준하도록 이루어졌다. 그러나 제2실시예에서는, 상기 표면렌즈(520) 하나만을 사용하여 광의 집속 및 시준이 이루어질 수 있게 한다.
도 8은 표면렌즈의 원리를 도시한 것이다. 상기 스캐너(120)로 입사되는 광은 상기 표면렌즈(520)의 외면에서 굴절되는데, 이 때 상기 표면렌즈(520)의 초점이 상기 위상변이패턴(P)의 중심점과 겹치기 때문에, 상기 표면렌즈(520)의 외면에서 굴절된 광은 결국 상기 위상변이패턴(P)의 중심점 위치로 집속되게 된다. 상기 위상변이패턴(P)으로부터 반사된 광은 상기 표면렌즈(520) 외면에서 또다시 굴절되는데, 이 때 상기 스캐너(120)가 회전하더라도 상기 위상변이패턴(P)의 중심점은 (상기 스캐너(120)의 회전중심과 겹치므로) 회전하지 않으며, 따라서 제1실시예의 보상렌즈 원리에서 설명한 것과 같은 광경로의 보상이 필요하지 않다. 앞서도 설명하였던 바와 같이, 움직이지 않는 고정 미러에 광을 집속하여 반사시킬 경우, 반사광의 광경로 상에서 집속렌즈의 초점 거리와 동일 초점 거리 위치에 동일 사양의 렌즈를 배치함으로써 원활하게 광을 시준할 수 있다. 이 때 상기 표면렌즈(520)가 구형 또는 타원형과 같이 초점을 중심으로 방사상으로 대칭되는 외면 형상을 가지도록 하면, 상기 표면렌즈(520)로 입사되는 광은 그 외면에서 굴절됨으로써 초점으로 집속되고, 초점에서 반사된 광은 그 외면에서 다시 굴절됨으로써 자연히 시준이 이루어지게 되는 것이다.
즉 제2실시예에서는, 상기 표면렌즈(520) 하나만을 사용하여 이러한 광의 집속 및 시준을 실현할 수 있다. 제1실시예와 비교하였을 때 부품 수도 보다 저감할 수 있고, 또한 상기 표면렌즈(520)가 상기 스캐너(120) 표면에 부착 형성되기 때문에 (상기 표면렌즈(520) 구비를 위한) 추가 공간도 거의 필요로 하지 않는 등 많은 장점이 있다. 한편으로는 상기 스캐너(120)에 상기 표면렌즈(520)가 더 부착 구비됨으로써 상기 스캐너(120)를 회전시키는 구동 장치에 약간의 부하가 더 발생될 수 있으며, 이는 전력 사용량의 증가와 상기 스캐너(120)의 동적 특성 등의 변화를 야기할 수 있다. 요약하자면, 제1실시예와 제2실시예를 비교할 때 제1실시예의 경우 전력 사용량 및 스캐너 동적 특성 면에서 보다 유리하며, 제2실시예의 경우 설계 용이성 및 프로젝터 중량, 부피 저감 면에서 보다 유리하므로, 사용자의 목적에 따라 더 중요하게 고려하여야 하는 요소를 선택하여 제1, 2실시예 중 적절한 것을 선택적으로 채용할 수 있다.
[제3실시예]
도 9는 본 발명의 레이저 피코 프로젝터의 제3실시예를 도시한 것으로, 제1실시예 및 제2실시예와는 달리 제3실시예에서는 상기 위상변이패턴(P)이 상기 미러(130)의 광 반사면 상에 형성된다. 즉 제3실시예의 경우 상기 레이저 피코 프로젝터(100)에 상기 미러(130)가 반드시 포함되어야 한다는 점에서 제1, 2실시예와는 일부 상이한 점이 있다. 그러나 반복적으로 설명한 바와 같이 대부분의 상용화된 레이저 피코 프로젝터에는 상기 미러(130) 또는 상기 미러(130)에 상응하는 광학계가 포함되는 것이 통상적이므로, 레이저 피코 프로젝터 전체 시스템의 관점으로 볼 때 실질적으로 부품의 추가가 크게 이루어지는 것은 아니다. 한편 상기 왜곡보상렌즈(140)의 포함 여부는 제1실시예에서의 설명과 동일하다.
제3실시예에 의한 위상변이장치(500)는, 상술한 바와 같이 상기 위상변이패턴(P)이 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성되게 하되, 여기에 집속렌즈(focusing lens, 531) 및 시준렌즈(collimating lens, 532)를 더 포함하여 이루어진다.
상기 집속렌즈(531)는, 상기 광원(110) 및 상기 미러(130) 사이의 광경로 상에 구비되어, 상기 미러(130)의 광 반사면 상에 형성된 상기 위상변이패턴(P)으로 광을 집속하는 역할을 한다. 제3실시예의 집속렌즈(531)와 제1실시예의 집속렌즈(511)는 배치 위치만이 다를 뿐 배치시키는 목적이나 역할이 동일하다.
상기 시준렌즈(532)는, 상기 미러(130) 및 상기 스캐너(120) 사이의 광경로 상에 구비되어, 상기 위상변이패턴(P)에서 반사된 광을 시준하는 역할을 한다. 앞서 설명한 바와 같이, 제1실시예에서는 광이 집속된 후 반사되는 대상이 회전 운동을 하는 스캐너였기 때문에, 광의 올바른 시준을 위해 집속렌즈와는 다른 형상으로 설계된 보상렌즈를 필요로 하였다. 그러나 제3실시예에서는, 광이 집속된 후 반사되는 대상이 상기 미러(130), 즉 고정되어 움직이지 않는 부품이기 때문에, 상기 시준렌즈(532)는 제1실시예에서의 보상렌즈(512)처럼 복잡하게 설계될 필요가 없다. 즉 앞서도 설명했던 바와 같이, 상기 시준렌즈(532)는 상기 집속렌즈(531)와 동일한 사양으로 형성되면 되며, 또한 상기 집속렌즈(531)의 초점 거리와 동일한 거리에 배치되면 된다.
더불어 제3실시예에서, 도 9에 도시된 바와 같이 상기 미러(130)가 진동하게 형성할 수도 있다. 상기 미러(130)가 진동하면 광이 상기 위상변이패턴(P)에 닿는 부분이 시간에 따라 달라지는데, 이에 따라 인접한 광들 간의 위상 차이를 더욱 효과적으로 발생시킬 수 있어, 스페클 저감 효과를 더욱 향상된다.
제3실시예의 경우 상술한 바와 같이 광의 집속 및 반사가 이루어지는 대상이 고정된 부품(상기 미러(130))이기 때문에, 제1실시예에 비해 설계 용이성이 크게 향상된다는 장점이 있다. 한편 제2실시예에 비교하면, 제1실시예가 제2실시예에 비해 가지는 장점과 같은 장점(전력 사용량 및 스캐너 동적 특성 면에서 유리한 장점)을 갖는다. 다만 앞서 설명한 바와 같이, 제1, 2실시예의 경우 상기 레이저 피코 프로젝터(100)가 상기 미러(130)를 반드시 포함하지 않아도 되는 반면, 제3실시예의 경우 상기 레이저 피코 프로젝터(100)가 상기 미러(130)를 반드시 포함하여야 한다는 점에서, 약간의 부품 증가 요인이 될 수 있다.
본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 적용범위가 다양함은 물론이고, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이다.
100: 레이저 피코 프로젝터
110: 광원 120: 스캐너
130: 미러 140: 왜곡보상렌즈
P: 위상변이패턴 p: 단위면
500: 위상변이장치
511: 집속렌즈 512: 보상렌즈
520: 표면렌즈
531: 집속렌즈 532: 시준렌즈

Claims (10)

  1. 레이저 다이오드 형태로 형성되어 레이저 방식의 광을 제공하는 광원(110), MEMS 미러 형태로 형성되어 상기 광원(110)에서 출력되는 광을 다른 각도로 반사하는 스캐너(120)를 포함하는 레이저 피코 프로젝터(100)에 있어서,
    상기 레이저 피코 프로젝터(100) 내 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성되며 요철 형태로 이루어진 위상변이패턴(P)을 포함하는 위상변이장치(500)를 구비하되,
    상기 위상변이장치(500)는, 상기 스캐너(120)의 광 반사면 상에 형성된 상기 위상변이패턴(P)의 표면 상에 부착 형성되며, 외면이 상기 위상변이패턴(P)의 중심점을 초점으로 가지는 구형이거나 또는 타원형으로 형성되어, 입사광을 초점에 집속하고 반사광을 시준하도록 이루어지는 표면렌즈(520)를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 위상변이패턴(P)은
    적어도 두 단계의 서로 다른 깊이를 가지는 복수 개의 단위면(p)들이 행과 열로 나열되어 이루어지는 매트릭스 형태로 형성되어,
    광이 각각의 상기 단위면(p)들에 반사됨으로써 발생되는 위상 차이에 의하여 스페클 현상을 저감시키는 것을 특징으로 하는 스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터.
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  10. 제 1항에 있어서, 상기 레이저 피코 프로젝터(100)는
    상기 스캐너(120)에 의한 광 스캐닝에 의한 영상 왜곡을 보정하는 왜곡보상렌즈(140)를 더 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 스페클 저감을 위한 위상변이장치를 구비하는 레이저 피코 프로젝터.
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