KR19990022269A - 회절 격자 광 배가 수집 장치 - Google Patents

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Abstract

반사/회절 광밸브 장치는 단일 광소스 주위의 다중 차원으로부터 광을 수집한다. 이들 다중 수집 차원으로부터, 광은 다중 방향으로부터 밸브 상에서 부딪치도록 안내된다. 밸브가 반사적으로 되도록 구성될 때에는, 광은 소스로 복귀한다. 한편, 밸브가 회절적으로 되도록 구성될 때에는, 제 1 및 제 3 차수 회절로부터의 광은 장치의 효율을 크게 향상시키는 각각의 수집 차원에 대해 밸브로부터 전달된다.

Description

회절 격자 광 배가 수집 장치
광밸브 장치에서, 장치의 효율을 최대화하고 비용 면에서 효과적인 설계를 유지하기 위해, 소스로부터 유용한 광의 수집을 최대화하는 것이 특히 중요하다. 디스플레이 장치에서와 같은 정밀한 광 소스들의 비용은 루멘 세기에 따라 급진적으로 증가한다. 광밸브 장치는 전달 및 반사 장치로 분류될 수 있다.
전형적인 전달 장치에서, 수집미러는 광을 수집하기 위해 사용되고 밸브를 통해 광을 전달한다. 수집 반사기만을 가지고, 광은 소스의 한쪽으로부터만 수집된다. 수집 반사기로부터 수집되는 광은 낮은 수준의 시준성(collimation)을 가지고 있다. 그럼에도 불구하고, 전형적인 전달 광밸브 장치는 수집 반사기와 함께 광을 수집한다. 전달 장치는 소스로부터 방사되는 광의 55 % 이상을 수집할 수 있다.
반사 광밸브 장치에서 대해서는, 광 시준을 위한 요구 조건은 더욱 엄격하고, 전형적인 장치는 더욱 좋은 시준성을 제공하는 광을 수집하도록 집광렌즈를 사용한다. 전형적인 반사 광밸브 장치는 구형 미러와 집광 렌즈 또는 렌즈 장치를 사용함으로써, 광은 소스의 양쪽으로부터 수집된다. 그러나, 그런 장치의 효율은 낮다. 예를 들어, 후면 반사경을 갖는 F/.72 집광 장치는 방사된 광중 불과 18 %만을 수집한다.
도 1은 소스가 회전 미러 상에 맺히는 전형적인 회절 광밸브 구조를 보여주고 있다. 광은 벌브와 같은 광 소스(100)로부터 모든 방향으로 방사된다. 구형 미러(102)를 조명하는 광은 수집되어 소스(100)로 복귀하면서 통과하게 된다. 이와 유사하게, 소스(100)를 떠나서 집광 장치(104)를 조명하는 광은 또한 수집되어 초점이 형성된다. 도 1에 도시된 실시예에서, 집광기(104)는 복합 렌즈 장치이다. 다른 형태의 렌즈 장치가 집광 기능을 수행하기 위해 사용될 수 있다는 것은 통상의 지식을 갖는 당업자에게는 자명할 것이다. 미러(102)에 의해 수집되는 광은 또한 소스(100)를 통과한 후에 집광기(104)로 들어가게 된다. 미러(102)와 집광기(104) 중 어느 것도 조명하지 않은 광은 손실된다. 이런 낭비되는 조명은 장치의 손실 효율을 나타낸다.
집광기(104)는 소스(100)로부터의 광을 스펙트럼 회전 미러(106) 상에 맺히게 한다. 회전 미러(106)는 광을 반사 광밸브(108) 상으로 반사한다. 도 1의 도시된 실시예에서는, 쉬리렌 렌즈(110)가 회전 미러(106)와 밸브(108) 사이에 배치된다.
이 실시예에서의 밸브(108)는 회절격자 광밸브이다. 밸브는 반사되거나 회절되도록 선택적으로 구성될 수 있다. 그런 장치의 예제는, 블름 등에 의해 1994년 5월 10일자로 출원 허여된 미국특허 제5,311,360호 및 이와 함께 출원되어 공동계류중에 있는 평형 회절격자 광밸브라는 타이틀을 가지고 일련번호 08/482,188인 미국특허출원, 그리고 평형 회절격자 광밸브의 제조방법 및 장치라는 타이틀을 가지고 함께 출원되어 공동 계류중에 있는 일련번호 08/480,459인 미국특허출원에서 발견될 수 있다. 밸브(108)를 조명하는 광은, 반사되도록 구성될 때, 렌즈(110)를 통해 회전 미러(106)로 스펙트럼적으로 다시 반사되어, 그곳에서부터 집광기(104)를 통해 소스로 반사된다.
밸브가 회절될 때, 회절각도는 알려지고, 회절격자의 주기 함수로서 계산될 수 있다. 회절되도록 구성될 때, 장치는 편향된 광이 회전 미러를 통과하여 투영 광학부(112)로 들어간다. 광이 제 1 차수 각도 Θ 및 Θ의 배수를 통해 회절된다는 것은 주지되어 있다. 제 2 및 제 3 차수 회절각도에서 밸브를 떠나는 광은 동공 마스크(114)에 의해 차단된다. 이런 방식으로, 요구되는 제 1 광은 투영 광학부(112)로 제공된다.
광밸브의 편향각도는 편향된 모든 광을 수집하기 위하여 회전 미러 상의 소스 이미지에 의해 유지되는 각도보다 더 크게 되는 것이 요구된다. 그러나 이것은 큰 소스에 대해, 명도를 손상시키지 않고서 항상 가능한 것은 아니다. 이것은 회전 미러 상의 소스의 최대 확대를 억제하고, 명도를 최대화하기 위한 다른 기술을 요구하게 된다. 이들 문제점은 작은 각도를 통해 광을 편향시키는 광밸브에 대해 서 명백하다.
아이대포르(Eidaphor)는 가장 오래된 고명도 반사 광밸브 투광기이다. 아이대포르는 전자빔이 전달되는 구형 미러 위에 변형가능한 오일 박막을 사용한다. 박막의 국부적으로 평평한 표면은, 전달될 때, 40 μm의 주기를 가진 사인곡선형으로 된다. 회전 미러 상에 입사되는 소스의 사이즈는 작아야만 한다. 명도를 최대화하면서, 소형 회전 미러 치수를 얻기 위해, 다중 회전 미러들이 사용된다. 광은 다중 회전 미러를 전달하기 위하여 단일 차원 및 방향으로 수집된다. 소스로부터의 광은 집광렌즈 장치에 의하여 단일 차원에 수집된다. 단일 방향으로 렌즈 장치를 떠나는 광은 다중 회전 미러 상에 부딪치게 된다. 다중 회전 미러들을 사용함으로써, 소스에서 보았을 때 하나로 합쳐진 것으로 생각되는 회전 미러들의 유효 사이즈가 증가하게 된다. 따라서, 더 작은 회전 미러들은 회절된 광의 더 높은 차수의 모드가 미러들을 통과하게 한다. 회전 미러들에 의해 반사되는 광은 스프리터를 통과하여 색상 변형가능한 오일 박막/반사기 상에 부딪치게 된다. 세 개의 오일 박막/반사기들이 사용되어 빨강, 녹색 및 파란 색상을 전개하기 위하여 이용된다. 렌즈 장치는 스프리터와 오일 박막/반사기 사이에서 사용된다. 만약 광이 반사되면, 광은 소스로 복귀한다. 광이 회절하면, 광은 회전 미러를 통과하여 투영 광학부로 나아가게 된다. 도 1의 실시예에서와 같이, 소스에 의해 생성되는 광의 중요 부분은 낭비되어 장치로 들어가지 않거나 밸브 상에 부딪치게 된다.
작은 양의 바람직하지 않은 광을 제 2 차수로 회절시키는 회절 광밸브에 대해서는, 상기 장치는 제 2차수 광이 어두운 상태로 회절되는 단점을 가지고 있다. 이는 아이대포르에 대해서는 이점이 되는데, 어두운 상태는 더 높은 차수로 광을 회전시키지 않기 때문이다.
본 발명은 광학 장치 분야에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 반사 광밸브 장치로부터 수집되는 유용한 광량을 증가시키는 장치에 관한 것이다. 이 광은 회전 미러의 각도 분할을 광밸브의 반사 각도와 매칭시키는 회전 미러 장치의 도움을 받는 다중 구형 미러 및 집광렌즈 장치를 통해 수집된다.
도 1은 종래의 회전 광밸브 장치용 제 1 광학 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반사 광밸브 장치용 광학 장치의 구성도이다.
도 3은 밸브가 반사적으로 되도록 구성될 때, 본 발명의 광학 장치 일부분을 도시하는 구성도이다.
도 4는 밸브가 회절적으로 되도록 구성될 때, 본 발명의 광학 장치 일부분을 도시하는 구성도이다.
반사/회절 광밸브 장치는 단일의 광 소스 주위에서 다중 차원으로부터 광을 수집한다. 이들 다중 수집 차원으로부터, 광이 안내되어 다중 방향으로부터 밸브 상에 부딪치게 된다. 밸브가 반사적으로 되도록 구성될 때, 광은 소스로 복귀한다. 반면에, 밸브가 회절적으로 되도록 구성될 때에는, 홀수 회절 차수로부터의 광은 장치의 효율을 크게 향상시키는 각각의 수집 차원에 대해 밸브로부터 전달된다.
본 발명의 바람직한 실시예는 회절기본형 광 변조기를 사용하는 디스플레이 장치 내에 있다. 이 장치에서, 광밸브는 기판 위에 달려있는 어드레스가능 반사 리본 구조체 어래이를 포함하고 있다. 상기 어래이 부재들의 어드레스 작용은 리본이 기판 쪽으로 선택적으로 이동되도록 한다. 이동 크기는 입사광의 스펙트럼의 1/4 중심 파장이다. 리본이 활성화될 때에는, 그것들은 회절격자를 형성하여 종래의 방식으로 작동하게 된다. 리본이 활성화되지 않을 때에는, 그것들은 연속적인 반사기의 평면에 있게 되고 부드러운 스펙트럼 미러같이 작동하게 된다.
도 2는 본 발명의 광학 장치의 계략도를 보여주고 있다. 단일 광 소스(300)는 모든 차원으로 분산되는 광을 생성한다. 광은 벌브와 같은 광 소스(300)로부터 모든 방향으로 방사된다. 제 1구형 미러(302)를 조명하는 광은 수집되고 소스(300)로 복귀하여 통과하게 된다. 이와 유사하게, 소스(300)를 떠나서 제 1 집광기 장치(304)를 조명하는 광도 또한 수집되고, 시준되어 회전 미러 상에 이미지가 형성되게 된다. 도 2에 도시된 실시예에서는, 집광기(304)는 광을 시준하는 제 1렌즈(306), 광을 안내하는 회전 미러(308) 및 다음 회전 미러(312) 상으로 소스(300)를 이미지화하는 제 2렌즈(310)를 포함하고 있다. 렌즈 장치의 다른 형태가 집광 기능을 수행하기 위해 사용될 수 있다는 것을 당업자에게는 분명할 것이다. 미러(302)에 의해 수집되는 광도 또한 소스(300)를 통과한 후에 집광기(304)로 들어가게 된다.
집광기(304)는 소스(300)로부터의 광 부분을 스펙트럼 회전 미러(312) 상으로 이미지 형성하게 된다. 회전 미러(312)는 광을 반사 광밸브(314) 상으로 반사한다. 도 2의 바람직한 실시예에서는, 쉬리렌 렌즈(316)가 회전 미러(312) 및 밸브(314) 사이에 위치하게 된다.
도 1에서, 미러 및 집광기 중 어느 것도 조명하지 않는 광은 소실된다. 이 낭비된 조명은 장치의 상실되는 효율을 나타낸다. 본 발명에 따른 장치는 두 개 이상의 수집장치를 제공하여 장치의 효율을 개선시킨다. 이들 추가의 수집장치들은 낭비될 수 있는 광을 수집한다. 도 2의 설명에서, 제 2수집 경로가 제 1 수집경로의 미러 이미지가 되는 것이 쉽게 할 수 있다. 이들 각각의 두 개의 수집경로들은 각각의 두 개의 차원으로 광을 수집한다.
제 2수집 경로에서, 제 2 구형 미러(322)가 수집되고, 소스(300)로 복귀하여 통과하게 된다. 이와 유사하게, 소스(300)를 떠나서 제 1 집광기 장치(324)를 조명하는 광도 또한 수집되고 시준되어 회전 미러 상으로 이미지 형성된다. 집광기(324)는 광을 시준하는 제 1렌즈(326), 광을 다시 안내하는 회전 미러(328) 및 소스(300)를 다음 회전 미러(332) 상으로 이미지 형성하는 제 2렌즈(330)를 포함하는 복합 렌즈 장치이다. 미러(322)에 의해 수집되는 광도 또한 소스(300)를 통과한 후에 집광기(324)로 들어가게 된다. 집광기(324)는 소스(300)로부터의 광 부분을 스펙트럼 회전 미러(332) 상으로 이미지 형성시킨다. 회전 미러(332)는 쉬리렌 렌즈(316)를 통과한 후에, 광을 반사 광밸브(314) 상으로 반사시킨다. 동공 마스크(334)는 원치 않은 다중 차수 광을 차단하기 위해 포함된다.
도 3은 도 2의 회전 미러(312, 335), 밸브(314) 및 동공 마스크(334)를 도시하는 구성도이다. 쉬리렌 렌즈(316)는 본 발명의 구체적인 설명이 모호하게 되는 것을 방지하기 위하여 도면에서 삭제되었다. 도 3에서는, 밸브는 반사되도록 조절된다. 실시예에 따르면, 제 1 수집 경로로부터 제 1회전 미러(312) 상으로 충돌하는 광은 반사되어 밸브(314)를 조명하게 된다. 반사 상태에서, 밸브(314)는 스펙트럼 미러로서 작동한다. 따라서, 광은 도달하여 제 2회전 미러를 조명하는 것과 같은 각도로 밸브(314)를 떠나 제 2수집 경로를 통해 소스로 복귀하게 된다. 두 개의 수집 경로들은 동일하기 때문에, 제 2 수집경로로부터 제 2 회전 미러(332) 상에 부딪치게 되는 광도 또한 밸브(314) 상에서 제 1회전 미러(312)로 반사되어 소스로 다시 돌아가게 된다. 광은 장치를 벗어나지는 않는다.
도 4는 밸브가 광을 회절시키도록 구성되는 것을 제외하고는 도 3과 같은 부재로 이루어지는 것을 도시하고 있다. 주지된 바와 같이, 밸브(314)는 Θ의 각도를 통해 광을 회절시킬 것이다. +/- Θ의 제 1차수 각도를 통해 회절되는 제 1차수 광은 도시된 바와 같이 회전 미러(312)의 한쪽면 상에서 통과하게 될 것이다. 이 광은 투영 광학부(336)(도2)에 의해 수집될 것이다.
+2Θ각도를 통해 회절되는 원치 않은 제 2 차수 광은 제 2 회전 미러를 조명하고 소스로 복귀할 것이다. -2Θ각도의 제 2 차수 광은 도시된 바와 같이 동공 마스크(334)를 조명할 것이다. 제 3차수 광의 반은 장치 밖으로 나갈 것이고, 나머지 반은 동공 마스크에 의해 차단될 것이다. ±4Θ, ±5Θ …의 원치 않은 제 4 및 더 높은 배수 차수 광 역시 동공 마스크(334)를 조명할 것이다. 이들 광 경로의 미러 이미지는 광을 제 2 수집 경로로부터 투영 광학부로 제공한다. 제 2경로에서, 제 1차수 광만이 수집될 것이다.
상기 회전 미러를 두 개 이상의 서브-미러들로 분할하는 것이 가능하다. 이들 회전 서브-미러들은 단일 연속 반사 표면으로서 제 1 및 제 2 집광기로부터 나오는 광을 나타나도록 배치될 수 있다. 이들 서브-미러들은 또한 다른 축을 따라서 소정 간격으로 배열되서 밸브(314)로부터의 회절광에 관련하여 차단된 구조체로 나타나게 된다. 실제로, 서브 미러들은 회절광의 제 1, 제 3, 제 5 및 다른 홀수 차수를 허용하도록 배치될 수 있고, 이와 동시에 제 2, 제 4, 제 6 및 다른 짝수 차수를 차단하도록 배치될 수 있다.
상기 장치의 설계는 다음과 같다. 광밸브의 회절각도는 다음 식으로 주어진다.
sin(Θd)=λ/Λ
여기서, Θd는 회절광의 각도이고, λ는 광의 파장이며, Λ는 광밸브의 격자 주기이다. 회전 미러들은 쉬리렌 렌즈로부터 수평거리 f와 광밸브와 수직인 라인에서 위아래로 수직거리 h=f sin(Θd)에 놓여지게 된다. 대칭에 의하여, 각각의 회전 미러는 다른 회전 미러로부터의 스펙트럼적으로 반사되는 광에 대한 멈춤부로서의 역할을 한다. 밸브가 on 상태에 있을 때에는, 광은 0 차수로부터 더 높은 차수 모드로 회절되고, 제 1 및 제 3 차수 광은 회전 미러들 사이 및 그 주변에서 회절되나, 제 2 차수 광은 회전 미러에 의해 차단되거나 투영 렌즈들에 못 미치게 된다. 대비율은 회전 미러들을 더 작게 만들고 그들 주위의 광을 멈춤으로써 향상된다. 색상 동작에 대해서는, 3개의 광밸브들이 빨강, 녹색 및 푸른색 광을 회절시키기 위해 사용될 수 있다. 최대 명도를 얻기 위해, 각 광밸브들은 각 색상에 동조될 수 있다. 만약 3개의 광밸브가 하나의 색상으로만 회전한다면, 회전 미러 후방의 멈춤부의 사이즈는 제 2차수 광을 차단하기 위해 증가되어야만 한다.
본 발명은 바람직한 실시예와 관련하여 기술되었다. 이런 개시된 설명들을 읽은 후에 당업자에게 자명하게 되는 개선사항 또는 수정사항들은 본 출원의 범주 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (8)

  1. a. 광을 생성하는 광소스;
    b. 상기 광소스로부터 광을 수신하고, 반사모드와 회절모드 중 어느 한 모드에서 작동하도록 선택적으로 구성되는 광밸브;
    c. 제 1 수집경로 내에서 상기 광의 제 1부분을 수집하기 위한 수단;
    d. 상기 제 1수집경로를 통해 상기 광밸브로 상기 광의 제 1부분을 안내하는 수단;
    e. 제 2 수집경로 내에서 상기 광의 제 2부분을 수집하는 수단; 및
    f. 상기 제 2 수집경로를 통해 상기 광밸브로 상기 광의 제 2부분을 안내하는 수단을 포함하며,
    상기 광밸브가 상기 반사모드로 구성될 때 상기 광의 제 1부분은 상기 제 2경로를 통해 상기 광소스로 복귀하고 상기 광의 제 2부분은 상기 제 1경로를 통해 상기 광소스로 복귀하며, 상기 광밸브가 상기 회절모드로 구성될 때, 제 1차수 회절된 광의 상기 제 1 및 제 2 부분은 장치 밖으로 나가는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 광밸브는 회절 광밸브인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 광밸브는 격자 광밸브인 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  4. 제 2항에 있어서, 입사각도는 제 1 차수 회절각도와 동일한 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 광의 상기 제 1부분을 안내하는 수단 및 상기 광의 상기 제 2부분을 안내하는 수단은 회전 미러들을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  6. 제 5항에 있어서, 제 2 차수 회절은 상기 회전 미러들 중 하나에 의해 차단되는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 회전 미러들은 상기 광밸브가 상기 반사모드로 구성될 때 소스로부터 광밸브로 진행하는 광으로 단일 반사표면을 나타내고 광밸브로부터 진행하는 광으로 단일 반사 표면을 나타내는 다수의 서브 미러들을 포함하고, 홀수 차수 회절된 상기 광의 상기 제 1부분 및 제 2부분은 상기 광밸브가 상기 회절모드로 구성될 때 장치로부터 외부로 나가는 것을 특징으로 하는 광학 장치.
  8. 제 7항에 있어서, 짝수 차수 회절은 상기 회전 미러들 중 미리 선택된 것에 의해 차단되는 것을 특징을 하는 광학 장치.
KR1019970708748A 1995-06-07 1996-06-05 회절격자광배가수집장치 KR100285510B1 (ko)

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