KR102069066B1 - 프로젝션 장치 - Google Patents

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KR102069066B1 KR1020120149436A KR20120149436A KR102069066B1 KR 102069066 B1 KR102069066 B1 KR 102069066B1 KR 1020120149436 A KR1020120149436 A KR 1020120149436A KR 20120149436 A KR20120149436 A KR 20120149436A KR 102069066 B1 KR102069066 B1 KR 102069066B1
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Abstract

실시예는 적색광과 녹색광 및 청색광을 각각 방출하는 광원; 상기 광원으로부터 방출된 빛의 광단면을 비대칭으로 변환하는 왜상 시준기(anamorphic collimator); 상기 비대칭의 광단면을 갖는 적색광과 황색광 및 청색광을 백색광으로 모으는 이색성 필터(dicroic filter); 상기 이색성 필터로부터 모아진 백색광의 프로파일을 변경하는 플라이 아이 렌즈(Fly eye lens); 및 복수 개의 미러 셀(mirror)을 포함하고, 상기 플라이 아이 렌즈로부터 전달된 빛을 상기 각각의 미러 셀들에서 반사하는 디지털 마이크로 미러(Digital micro mirror)을 포함하는 프로젝션 장치를 제공한다.

Description

프로젝션 장치{Projection device}
실시예는 프로젝션 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 디지털 마이크로 미러(Digital micro mirror)를 사용하는 DLP(Digital light processing) 방식의 프로젝터에 관한 것이다.
화면크기에 제한이 있고 시스템의 크기가 큰 음극선관 디스플레이를 대체하여 두께가 얇으면서 대화면을 구현할 수 있는 평판 디스플레이로서 소화면 화상을 대형 스크린에 확대투사시키는 프로젝션 장치가 각광받고 있다.
소형 경량화 추세에 따라서 사용 용도에 따른 이동성 확보 측면과 디스플레이 소자의 제조 비용 감소 측면에서 종래의 디스플레이 장치보다 우수하다.
프로젝션 장치의 대표적인 예로 램프와 LCD(Liquid crystal deice) 표시소자를 사용하는 LCD 프로젝션 장치와, 표시소자로 LCD 대신에 반사형 표시소자인 디지털 마이크로 미러를 사용하는 경우가 있다.
디지털 마이크로 미터를 사용하는 DLP 방식의 프로젝션 장치는 미러의 축 방향에 따라 대각입사방식(diagonal illumination)과 측면입사방식(side illumination)으로 구분된다. 측면입사방식의 DLP 방식의 프로젝션 장치는 빛의 프로파일이 가로축과 세로축에서 각각 상이할 수 있다.
측면입사방식의 디지털 마이크로 미러 소자는 작은 F/#(F number)의 조명시스템을 구현하는 것이 가능하여, 광원에 비하여 에탕뉴(etendue)가 작아서 효율이 낮은 LED(light emitting diode) 프로젝션 장치에 유용하다.
이러한 측면입사방식의 디지털 마이크로 미러 소자를 사용하는 프로젝션 장치는 광 도파로(Light funnel)를 사용하여 비대칭 F/#를 갖는 광학계를 구현하는데, 광 도파로에서 출사되는 빛의 가로축과 세로축 방향의 F/#가 각각 상이하게 할 수 있다.
그러나, 현재의 프로젝션 장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
비대칭 F/#를 구성하는 방법으로 광 도파로를 사용하였는데, 광 도파로는 그 구성이 복잡하고 다수 개의 광학 렌즈가 필요하여 광효율이 저하되고 광학계의 사이즈가 증가될 수 있다.
실시예는 측면입사방식의 DLP 방식의 프로젝션 장치에서 광 도파로를 사용하지 않아서 구성이 간단하고 광효율이 향상되면서도 비대칭 F/#를 구현하고자 한다.
실시예는 적색광과 녹색광 및 청색광을 각각 방출하는 광원; 상기 광원으로부터 방출된 빛의 광단면을 비대칭으로 변환하는 왜상 시준기(anamorphic collimator); 상기 비대칭의 광단면을 갖는 적색광과 황색광 및 청색광을 백색광으로 모으는 이색성 필터(dicroic filter); 상기 이색성 필터로부터 모아진 백색광의 프로파일을 변경하는 플라이 아이 렌즈(Fly eye lens); 및 복수 개의 미러 셀(mirror)을 포함하고, 상기 플라이 아이 렌즈로부터 전달된 빛을 상기 각각의 미러 셀들에서 반사하는 디지털 마이크로 미러(Digital micro mirror)을 포함하는 프로젝션 장치를 제공한다.
프로젝션 장치는 디지털 마이크로 미러에서 반사된 빛을 스크린으로 확대하여 투사하는 투사 렌즈를 더 포함할 수 있다.
프로젝션 장치는 디지털 마이크로 미러에서 반사된 빛을 상기 투사 렌즈로 전달하는 프리즘을 더 포함할 수 있다.
프로젝션 장치는 플라이 아이 렌즈로부터 전달된 빛을 상기 디지털 마이크로 미러로 전달하는 조명 렌즈를 더 포함할 수 있다.
플라이 아이 렌즈는 가로 방향의 F/#가 세로 방향의 F/#보다 클 수 있다.
플라이 아이 렌즈는 가로 방향의 F/#가 2.4 이고 세로 방향의 F/#는 1.5일 수 있다.
플라이 아이 렌즈는 복수 개의 렌즈 셀들을 포함하고, 상기 각각의 렌즈 셀은 상기 디지털 마이크로 미러 내의 복수 개의 미러 셀과 각각 대응할 수 있다.
왜상 시준기는 상기 광원으로부터 방출된 빛의 광단면을 상하 방향에서 변환할 수 있다.
왜상 시준기에서 변환된 빛의 광단면은 타원형일 수 있다.
왜상 시준기는 수직 방향과 수평 방향의 곡률이 다른 렌즈를 적어도 하나 포함할 수 있다.
본 실시예에 따른 프로젝션 장치는 왜산 시준기와 플라이 아이 렌즈를 사용하여 비대칭 광학계를 구현하면서도 광학 부품의 개수를 줄이고 광손실이 없어서 광학 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1은 프로젝션 장치의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이고,
도 2a 및 도 2b는 도 1의 왜상 시준기의 구성을 나타낸 도면이고,
도 3은 도 1의 플라이 아이 렌즈의 일실시예를 나타낸 도면이고,
도 4a 및 도 4b는 도 1의 프로젝선 장치의 수평 방향과 수직 방향의 광학계를 나타낸 도면이고,
도 5a 내지 도 5c는 본 실시예에 따른 프로젝션 장치의 시준기에서 출사되는 광단면을 종래의 프로젝션 장치와 비교한 도면이다.
이하 상기의 목적을 구체적으로 실현할 수 있는 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 실시예의 설명에 있어서, 각 element의 " 상(위) 또는 하(아래)(on or under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, 상(위) 또는 하(아래)(on or under)는 두개의 element가 서로 직접(directly)접촉되거나 하나 이상의 다른 element가 상기 두 element사이에 배치되어(indirectly) 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 “상(위) 또는 하(아래)(on or under)”으로 표현되는 경우 하나의 element를 기준으로 위쪽 방향 뿐만 아니라 아래쪽 방향의 의미도 포함할 수 있다.
도 1은 프로젝션 장치의 일실시예의 구성을 나타낸 도면이다.
실시예에 따른 프로젝션 장치(projection device, 100)는 광원(110)과 왜상 시준기(anamorphic collimator, 120)와, 이색성 필터(dicroic filter, 130)와, 플라이 아이 렌즈(Fly eye lens, 150)와, 조명 렌즈(illumination, 160)와, 디지털 마이크로 미러(Digital micro mirror, 170)와, 프리즘(prism, 180) 및 투사 렌즈(projection lens, 190)를 포함하여 이루어질 수 있다.
광원(110)은 적색광을 방출하는 적색광원(112)과 녹색광을 방출하는 녹색광원(114)와 청색광을 방출하는 청색광원(116)을 포함하여 이루어질 수 있다. 백색광을 구현하기 위하여 적색, 녹색 및 청색의 광원을 각각 구비하는데, 상술한 3가지 광원 외에 다른 광원을 사용하여 백색광을 구현할 수도 있다. 본 실시예에서 적색광원(112)과 녹색광원(114) 및 청색광원(116)은 각각 해당 파장 영역의 빛을 방출하는 발광소자(Light emitting diode)와, 각각의 발광소자에서 방출된 빛의 지향각을 조절하는 렌즈를 포함하여 이루어질 수 있다.
각각의 광원에서 방출된 빛은 왜상 시준기(120)를 통하여 비대칭의 광단면을 갖는 빛으로 변환된다. 즉, 적색광원(112)과 녹색광원(114) 및 청색광원(116)에서 방출된 빛은 각각 제1 왜상 시준기(122)와 제2 왜상 시준기(124) 및 제3 왜상 시준기(126)를 통과하면서 각각 비대칭의 광단면을 갖게 된다.
왜상 시준기(120)를 통과하여 비대칭의 광단면을 갖게된 적색광과 녹색광 및 청색광은 이색성 필터(130)를 통과하며 합쳐져서 백색광을 이룰 수 있다. 여기서, 백색광을 이룬다 함은 적색광과 녹색광과 청색광이 함께 포함되어 있음을 의미한다.
도 2a 및 도 2b는 도 1의 왜상 시준기의 구성을 나타낸 도면이다. 왜상 시준기는 빛의 광단면을 대칭에서 비대칭의 형상으로 변경시킬 수 있다. 도 2a에서 제1 왜상 시준기(122)의 수평 방향의 작용이 도시되고 있는데 적색 광원(112)에서 방출된 빛이 제1 렌즈(112a)를 통과하여 제1 왜상 시준기(122)를 통과하고, 도 2b에서 제1 왜상 시준기(122)의 수직 방향의 작용이 도시되고 있는데 적색 광원(112)에서 방출된 빛이 제1 렌즈(112a)를 통과하여 제1 왜상 시준기(122)를 통과하고 있다.
도 2a와 도 2b에서 제1 왜상 시준기(122)를 통과한 빛이 진행하는 경로가 각각 다르므로, 광단면이 대칭이 아닌 비대칭의 형상으로 변환될 수 있다. 이러한 제1 왜상 시준기(122)의 작용은 내부의 복수 개의 렌즈의 곡률이 가로 방향과 세로 방향에서 서로 상이하여 이루어질 수 있으며, 수평 방향과 수직 방향의 빛의 진로는 서로 바뀔 수 있다.
통상의 시준기는 광원에서 지향성 없이 확산된 빛을 평행광으로 단순히 변경하는데, 렌즈가 2개 이상 배치되어 광원에서 전달된 빛을 일직선 방향으로 진행시킬 뿐이다.
그러나, 왜상 시준기(120)는 입사되는 빛 중 하나의 방향에서의 빛의 방향을 변환시킬 수 있는데, 본 실시예에서는 수직 방향 즉 상하 방향에서 빛이 더 퍼져서 진행하도록 하여 광단면을 변화시키고, 도 3에 도시된 바와 같이 통과한 빛이 상하 방향으로 반경이 큰 타원형의 광단면을 갖도록 할 수 있다.
즉, 통상의 시준기는 광원에서 지향성 없이 확산된 빛을 평행광으로 단순히 변경하는데, 렌즈가 2개 이상 배치되어 광원에서 전달된 빛을 일직선 방향으로 진행시킬 뿐이다.
도 1에서 제1 이색성 필터(132)는, 적색광원(112)과 제1 왜상 시준기(122)를 통과한 비대칭의 광단면을 갖는 적색광을 통과시키고, 녹색광원(114)과 제2 왜상 시준기(124)를 통과한 비대칭의 광단면을 갖는 녹색광을 반사시킨다. 제1 이색성 필터(132)와 제2 이색성 필터(134)의 사이에는 렌즈(140)가 구비되어, 비대칭의 광단면을 갖는 적색광 및 비대칭의 광단면을 갖는 녹색광이 제2 이색성 필터(134)로 진행하도록 광의 경로를 변경시킬 수 있다.
그리고, 제2 이색성 필터(134)는, 제1 이색성 필터(132)로부터 전달된 비대칭의 광단면을 갖는 적색광 및 비대칭의 광단면을 갖는 녹색광을 통과시키고, 청색광원(116)과 제3 왜상 시준기(126)을 통과한 비대칭의 광단면을 갖는 청색광을 반사시킨다. 따라서, 적색광과 녹색광 및 청색광이 모두 비대칭의 광단면을 갖고 플라이 아이 렌즈(150)으로 진행하게 된다.
도 3은 도 1의 플라이 아이 렌즈의 일실시예를 나타낸 도면이다.
도 3에서 백색광의 입사 모양이 타원형을 이루고 있는데, 원형이 아닌 다른 비대칭의 형상일 수도 있다. 플라이 아이 렌즈(150)는 도시된 바와 같이 복수 개의 렌즈 셀(cell)로 이루어지는데 하나의 렌즈 셀이 디지털 마이크로 미러(170) 내의 각각의 미러와 서로 1대 1로 대응될 수 있다. 즉, 플라이 아이 렌즈(150) 내의 하나의 렌즈 셀을 통과한 빛이 디지털 마이크로 미러 내의 하나의 미러로 진행한 후 반사되어, 화소를 구현하게 된다.
플라이 아이 렌즈(150)는 이색성 필터(130)로부터 입사된 백색광, 즉 각각 비대칭의 광단면을 갖는 적색광과 녹색광 및 청색광의 프로파일을 변경할 수 있다. 플라이 아이 렌즈(150)은 원형의 프로파일(profile)을 가진 입사되는 빛을 사각형의 프로파일을 가진 빛으로 변경하여, 디지털 마이크로 미러(170)내의 사각형의 광입사면을 갖는 각각의 미러에 사각형의 프로파일을 가진 빛이 전달될 수 있도록 할 수 있다.
도 3에서 플라이 아이 렌즈는 가로 방향의 F/#(F number)가 세로 방향의 F/#보다 클 수 있고, 가로 방향의 F/#가 2.4 이고 세로 방향의 F/#는 1.5인 플라이 아이 렌즈가 도시되어 있다. 빛이 투사되는 각도가 커지면 F/#는 작아지고 있다. F/#는 프로젝션 장치의 상대적인 밝기를 나타낼 수 있는데, F/#가 클수록 프로젝션 장치의 광량이 줄어들 수 있다.
플라이 아이 렌즈(150)를 통과한 빛은 조명 렌즈(160)를 통과하여 디지털 마이크로 미러(170)로 전달되는데, 조명 렌즈(160)는 본 실시예에서 제1 조명 렌즈(162)와 제2 조명 렌즈(164)로 이루어지는데 1개 또는 3개 이상의 조명 렌즈가 배치될 수도 있다. 조명 렌즈(160)는 플라이 아이 렌즈(15)를 통과하여 퍼질 수 ㅇ있는 빛을 디지털 마이크로 미러(170)에 수렴시킬 수 있다.
디지털 마이크로 미러(170)는 복수 개의 미러를 포함하는데, 각각의 미러를 미러 셀(mirror cell)이라 할 수 있으며, 각각의 미러 셀은 플라이 아이 렌즈(150) 내의 각각의 렌즈 셀로부터 전달된 빛을 반사시켜서 화소를 구현할 수 있다.
디지털 마이크로 미러(170)의 작용을 설명하면 다음과 같다. 디지털 마이크로 미러(170)에는 미러 셀들이 배치되고, 각각의 미러 셀은 전기적 신호 등에 의하여 틸트 모드(tilt mode)를 달리하여, 제1 틸트 모드(tilt mode)의 미러 셀에 입사된 빛은 프리즘(180) 내지 투사렌즈(190)로 향하며 이때를 온-모드(on-mode)라 할 수 있고 제2 틸트 모드의 미러 셀에 입사된 빛은 프리즘(180)내지 투사렌즈(190)로 향하지 못하여 오프-모드(off-mode)라 할 수 있다. 따라서, 각각의 미러 셀이 온-모드 또는 오프-모드를 이루어, 각각의 화소에서의 빛의 온/오프 등을 조절할 수 있다.
본 실시예에 따른 프로젝션 장치는 디지털 마이크로 미러를 사용하는 DLP 방식이며, 특히 측면 입사 방식의 디지털 마이크로 미러를 사용할 수 있다. 따라서, 수평 방향에 비하여 수직 방향의 F/#가 작은 비대칭 광학계를 구현하여 광효율을 향상시키고 있다. 측면 입사 방식의 디지털 마이크로 미러에서 상하 방향의 F/#를 변환시킬 수 있으므로, 상하 방향의 광단면이 긴 광학계를 구현할 수 있다.
디지털 마이크로 미러(170)에서 반사되어 전달된 빛은 프리즘(180)에 의해 합성되어, 적색광과 녹색광 및 청색광이 합성되어 영상을 구현할 수 있다.
그리고, 프리즘(180)에서 합성된 빛은 투사 렌즈(190)를 통과하며 스크린(미도시)으로 확대되며 투사되어 영상을 구현할 수 있다.
도 4a 및 도 4b는 도 1의 프로젝선 장치의 수평 방향과 수직 방향의 광학계를 나타낸 도면이다. 각각의 도면에서 빛의 진로가 점선으로 도시되고 있으며, 도 2a 및 도 2b에서 제1 왜상 시준기(122)를 통과한 빛이 수평 방향보다 수직 방향에서 빛의 더 넓은 경로로 진행되는 것이, 도 4b에 도시된 수직 방향에서 도 4a에 도시된 수평 방향보다 빛이 더 넓은 경로로 진행하고 있다.
도 5a 내지 도 5c는 본 실시예에 따른 프로젝션 장치의 시준기에서 출사되는 광단면을 종래의 프로젝션 장치와 비교한 도면이다.
도 5a는 본 실시예에 따른 프로젝션 장치의 왜상 시준기에서 출사되는 광 단면이다. 왜상 시준기를 통과한 빛이 수직 방향의 반경이 큰 타원을 이루고 있으며, 플라이 아이 렌즈를 통과하며 프로파일 변환을 거쳐서 비대칭 광학계를 구현하고 있는데, 광손실이 없고 플라이 아이 렌즈의 구조가 간단하여 프로젝션 장치 전체의 볼륨(volume)이 작다.
도 5b에 도시된 프로젝션 장치도 왜상 시준기를 사용하여 타원의 광단면을 이루는 빛을 광손실 없이 구현할 수 있으나, 플라이 아이 렌즈 대신 광 도파로(Light tunnel)을 사용하여 부품이 증가하고 프로젝션 장치의 볼륨이 증가한다. 즉, 광 도파로는 대칭적인 광단면을 갖는 빛이 입구단에서 진입되고, 내부에서 빛이 반사되어 빛의 프로파일이 사각형으로 변화되고, 출구단에서는 비대칭의 광단면을 갖는 빛이 방출되는데, 플라이 아이 렌즈에 비하여 부품의 개수가 너무 많다.
도 5c에 도시된 프로젝션 장치는 왜상 시준기 없이 플라이 아이 렌즈만을 사용하는데, 광 도파로를 사용하지 않아서 부품 구성의 증가나 프로젝션 장치의 볼륨 증가는 방지할 수 있다.
그러나, 왜상 기준기 없이 비대칭의 광학계를 구현하기 위하여 붉은 색으로 도시된 영역의 빛을 컷팅(cutting)하여야 하므로 해당하는 양의 빛의 손실이 발생할 수 있다.
실시시예에 따른 프로젝션 장치는 비대칭 광학계를 사용하여 프로젝션 장치의 밝기를 증가시키고자 하나, 광 도파로를 사용하지 않고 플라이 아이 렌즈를 사용할 때 광손실을 줄이기 위하여 왜상 시준기를 사용하고 있으며, 따라서 왜산 시준기와 플라이 아이 렌즈를 사용하여 비대칭 광학계를 구현하면서도 광학 부품의 개수를 줄이고 광손실이 없어서 광학 효율을 향상시킬 수 있다.
즉, 본 실시예에서는 플라이 아이 렌즈가 종래의 광 도파로를 대체하여 광의 프로파일을 사각으로 변환시키되 종래보다 간단한 구성이 가능하며, 종래의 원형의 광단면을 왜상 시준기를 사용하여 타원형의 광단면으로 변경할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 프로젝션 장치 110: 광원
112: 적색 광원 112a: 광원 렌즈
120: 왜상 시준기 130: 이색성 필터
140: 렌즈 150: 플라이 아이 렌즈
160: 조명 렌즈 170: 디지털 마이크로 미러
180: 프리즘 190: 프로젝션 렌즈

Claims (10)

  1. 적색광과 녹색광 및 청색광을 각각 방출하는 광원;
    상기 광원으로부터 방출된 빛의 광단면을 비대칭으로 변환하는 왜상 시준기(anamorphic collimator);
    상기 비대칭의 광단면을 갖는 적색광과 황색광 및 청색광을 백색광으로 모으는 이색성 필터(dicroic filter);
    상기 이색성 필터로부터 모아진 백색광의 프로파일을 변경하는 플라이 아이 렌즈(Fly eye lens); 및
    복수 개의 미러 셀(mirror)을 포함하고, 상기 플라이 아이 렌즈로부터 전달된 빛을 상기 각각의 미러 셀들에서 반사하는 디지털 마이크로 미러(Digital micro mirror)을 포함하되,
    상기 왜상 시준기는 상기 광원으로부터 방출된 빛의 광단면을 상하 방향에서 상기 빛이 더 퍼져서 진행하도록 변환하고,
    상기 변환된 빛의 광단면은 상하 방향으로 반경이 큰 타원형이고,
    상기 왜상 시준기는 수직 방향과 수평 방향의 곡률이 다른 렌즈를 적어도 두개를 포함하는,
    프로젝션 장치.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 디지털 마이크로 미러에서 반사된 빛을 스크린으로 확대하여 투사하는 투사 렌즈를 더 포함하는 프로젝션 장치.
  3. 제2 항에 있어서,
    상기 디지털 마이크로 미러에서 반사된 빛을 상기 투사 렌즈로 전달하는 프리즘을 더 포함하는 프로젝션 장치.
  4. 제1 항에 있어서,
    상기 플라이 아이 렌즈로부터 전달된 빛을 상기 디지털 마이크로 미러로 전달하는 조명(illumination) 렌즈를 더 포함하는 프로젝션 장치.
  5. 제1 항에 있어서,
    상기 플라이 아이 렌즈는 가로 방향의 F/#가 세로 방향의 F/#보다 큰 프로젝션 장치.
  6. 제1항 또는 제5 항에 있어서,
    상기 플라이 아이 렌즈는 가로 방향의 F/#가 2.4 이고 세로 방향의 F/#는 1.5인 프로젝션 장치.
  7. 제1 항에 있어서,
    상기 플라이 아이 렌즈는 복수 개의 렌즈 셀들을 포함하고, 상기 각각의 렌즈 셀은 상기 디지털 마이크로 미러 내의 복수 개의 미러 셀과 각각 대응하는 프로젝션 장치.
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