KR19990035324A - 고스트 제거 액츄에이티드 미러 어레이 광학계 - Google Patents

Abstract

고스트를 제거할 수 있는 AMA 광학계가 개시되어 있다. 상기 광학계는 광선을 발생하기 위한 광원, 그 위에 상기 광선이 조명되는 다수의 미러를 포함하고, 각각의 미러는 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하도록 변형되는 AMA 패널, 상기 AMA 패널의 각 미러로부터 반사된 광선을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈, 상기 광원으로부터 AMA 패널로 입사되는 광선은 그 하단부를 통과하고 상기 AMA 패널로부터 프로젝션 렌즈로 입사되는 광선은 그 상단부를 통과하도록 배치된 릴레이 렌즈, 그리고 상기 릴레이 렌즈의 하단부를 통과한 광선을 상기 AMA 패널에 평행광으로 조사하기 위한 필드 렌즈를 구비한다. 광원의 광축과 프로젝션 렌즈의 광축이 동일축 상에 있지 않으므로, 필드 렌즈의 각 면으로부터 반사된 광선이 프로젝션 렌즈에 들어가지 않아 고스트 이미지를 형성하지 않는다.

Description

고스트 제거 액츄에이티드 미러 어레이 광학계

본 발명은 광학계에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 화상을 스크린 상에 투영하는데 사용되는 액츄에이티드 미러 어레이(Actuated Mirror Array : AMA) 패널을 광 변조기로 이용하는 광학계에 있어서, 필드 렌즈의 표면 반사에 의해 야기되는 고스트(ghost)를 제거할 수 있는 광학계에 관한 것이다.

일반적으로, 광학 에너지(optical energy)를 스크린 상에 투영하기 위한 장치인 공간적인 광 변조기(spatial light modulator)는 광통신, 화상 처리, 및 정보 디스플레이 장치와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다.

통상적으로 이러한 장치들은 광학 에너지를 스크린 상에 표시하는 방법에 따라 직시형 화상 표시 장치(direct-view image display device)와 투사형 화상 표시 장치(projection-type image display device)로 구분된다.

직시형 화상 표시 장치의 예로서는 CRT(Cathode Ray Tube)를 들 수 있는데, 이러한 CRT 장치는 소위 브라운관으로 불리는 것으로서 화질은 우수하나 화면의 대형화에 따라 그 중량과 용적이 증가하여 제조 비용이 상승하게 되는 문제가 있다.

투사형 화상 표시 장치로는 액정 표시 장치(Liquid Crystal Display : LCD), 디포머블 미러 다바이스(Deformable Mirror Device : DMD), 그리고 액츄에이티드 미러 어레이(Actuated Mirror Array : AMA)를 들 수 있다.

이러한 투사형 화상 표시 장치는 다시 그들의 광학적 특성에 따라 2개의 그룹으로 나뉠 수 있다. 즉, LCD와 같은 장치는 전송 광 변조기(transmissive spatial light modulators)로 분류될 수 있는데 반하여, DMD 및 AMA는 반사 광 변조기(reflective spatial light modulators)로 분류될 수 있다.

LCD와 같은 전송 광 변조기는 광학적 구조가 매우 간단하므로, 얇게 형성하여 중량을 가볍게 할 수 있으며 용적을 줄이는 것이 가능하다. 그러나, 빛의 극성으로 인하여 광효율이 낮으며, 액정 재료에 고유하게 존재하는 문제, 예를 들면, 응답 속도가 느리고 그 내부가 과열되기 쉬운 단점이 있다. 또한, 현존하는 전송 광 변조기의 최대 광효율은 1 내지 2 % 범위로 한정되며, 수용 가능한 디스플레이 품질을 제공하기 위해서 암실 조건을 필요로 한다.

DMD 및 AMA와 같은 광 변조기는 전술한 LCD 타입의 광 변조기가 갖고 있는 문제점들을 해결하기 위하여 개발되었다. DMD는 5％ 정도의 비교적 양호한 광효율을 나타내지만, DMD에 채용된 힌지 구조물에 의해서 심각한 피로 문제가 발생한다. 또한, 매우 복잡하고 값비싼 구동 회로가 요구된다는 단점이 있다.

AMA는 그 내부에 설치된 각각의 거울들이 광원으로부터 입사되는 빛을 소정의 각도로 반사하고, 상기 반사된 빛이 슬릿(slit)이나 핀홀(pinhole)과 같은 개구(aperture)를 통과하여 스크린에 투영되어 화상을 맺도록 광속을 조절할 수 있는 장치이다. 따라서, 그 구조와 동작 원리가 간단하며, LCD나 DMD에 비해 높은 광효율 (10% 이상의 광효율)을 얻을 수 있다. 또한, 스크린에 투영되는 화상의 콘트라스트(contrast)가 향상되어 밝고 보다 선명한 화상을 얻을 수 있다.

AMA의 각 액츄에이터는 인가되는 전기적인 화상 신호 및 바이어스 신호에 의하여 발생되는 전기장에 따라 변형을 일으킨다. 상기 액츄에이터가 변형을 일으킬 때 그 상부에 장착된 각각의 거울들이 경사지게 된다. 따라서, 상기 경사진 거울들은 광원으로부터 입사된 빛을 소정의 각도로 반사시켜 스크린 상에 화상을 맺을 수 있도록 한다.

상기 각각의 거울들을 구동하는 액츄에이터로서 PZT(Pb(Zr, Ti)O₃) 또는 PLZT((Pb, La)(Zr, Ti)O₃) 등의 압전 물질이 이용된다. 또한, PMN(Pb(Mg, Nb)O₃) 등의 전왜 물질로서 상기 액츄에이터를 구성할 수도 있다.

이러한 AMA는 크게 벌크형(bulk type)과 박막형(thin film type)으로 구분된다. 상기 벌크형 AMA는 Gregory Um 등에게 허여된 미합중국 특허 제 5,085,497호에 개시되어 있다.

상기 벌크형 AMA는 다층 세라믹을 얇게 절단하여 내부에 금속 전극이 형성된 세라믹 웨이퍼를 트랜지스터가 내장된 액티브 매트릭스(active matrix)에 장착한 후, 쏘잉 방법으로 가공하고 그 상부에 거울을 설치함으로써 이루어진다. 그러나, 벌크형 AMA는 설계 및 제조에 있어서 매우 높은 정밀도가 요구되며, 변형층의 응답이 느리다는 단점이 있다.

이에 따라, 최근에는 반도체 제조 공정을 이용하여 제조할 수 있는 박막형 AMA가 개발되었다. 예를 들면, 본 출원인이 대한민국 특허청에 특허 출원한 특허출원 제95-13353호(발명의 명칭 : 광로 조절 장치의 제조 방법)에 이러한 박막형 AMA가 개시되어 있다.

상기 박막형 AMA는 현미경적인 미러들과 관련하여 박막 압전 액츄에이터(thin film piezo-electric actuator)를 이용하는 반사형 광 변조기로서, 단판식으로 이루어진 미러의 300,000 개 이상의 화소(pixel)에 결쳐서 대규모 집적의 균등도를 갖도록 개발되어 왔다.

이러한 박막형 AMA는 각각 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)을 나타내는 640×480 화소의 판(panel)들로 구성된다. 상기 화소들은 광효율을 높이도록 미러 표면적을 최대화하기 위해서 캔틸레버(cantilever) 구조물로 고안된다. 캔틸레버 구조물은 화상 신호가 인가되는 액티브 매트릭스 및 인가된 신호에 의해 작동되는 미러를 포함한다.

단판식(Single panel) 박막형 AMA를 광 변조기로 이용하는 종래의 광학계가 도 1에 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 AMA 광학계(10)는 광선을 방출하기 위한 170W 내지 250W의 할로겐 금속 램프(metal halide lamp)(11), 상기 램프(11)로부터 광선을 반사시키기 위한 반사경(reflector)(15), 상기 램프(11)로부터 방출된 광선을 평행광으로 집광시키기 위한 소오스 렌즈(12), 광선을 통과시키기 위한 개구(aperture)를 갖고 화상을 형성하는 광선의 양을 결정하는 소오스 스톱(13), 상기 소오스 스톱(13)의 이미지를 프로젝션 스톱(20)에 1：1로 대응시키기 위한 필드 렌즈(16), 다수의 미러를 구비하며 상기 필드 렌즈(16)로부터 조사되는 광선의 세기를 변조시키기 위한 AMA 패널(18), 광선을 통과시키기 위한 개구를 가지며 상기 변조된 광선의 플럭스를 집중시키기 위한 프로젝션 스톱(20), 그리고 상기 프로젝션 스톱(20)을 통과한 광선을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈(22)를 포함한다.

종래의 AMA 광학계(10)의 동작 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다.

먼저, AMA 광학계(10)를 구동시키면, 할로겐 금속 램프(11)로부터 방출되는 광선이 소오스 렌즈(12)에 의해 평행광으로 집광된 후, 소오스 스톱(13)의 개구를 통과하여 필드 렌즈(16)에 입사된다. 이어서, 상기 광선은 필드 렌즈(16)를 통해 평행광으로 AMA 패널(18) 상에 조사된다.

AMA 패널(18)의 각각의 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 화상 신호 전압에 따라서 진동하거나 기울어지거나 또는 구부러진다.

이에 따라, 필드 렌즈(16)를 통과한 광선은 상기 미러들로부터 반사된 후 프로젝션 스톱(20)의 개구를 통과하여 프로젝션 렌즈(22)를 통해 스크린 상에 투사됨으로써 화상을 형성한다.

이때, 상기 AMA 패널(18)의 미러로부터 반사되는 광선의 경로는 프로젝션 스톱(20)의 개구를 통과하는 광선의 세기를 결정한다. 즉, 프로젝션 스톱(20)의 개구를 통과하는 광선의 플럭스는 프로젝션 스톱(20)에 대한 AMA 패널(18)의 미러의 방향에 의해서 제어된다.

도 1에서, 참조 부호 P1은 AMA 패널(18)로 조사되는 광선을 나타내고, P2는 틸팅되지 않은 광선을 나타내며, P3는 틸팅된 광선을 나타낸다.

상술한 종래의 AMA 광학계(10)에 의하면, 램프(11)로부터 방출된 광선이 필드 렌즈(16)를 통하여 AMA 패널(14) 상에 조사되는 과정에서, 그 일부가 필드 렌즈(16)의 각 면으로부터 반사된다.

즉, 필드 렌즈(16)는 제1 면(16a), 제2 면(16b) 및 제3 면(16c)으로 이루어지는 데, 광축 윗 부분에 있는 각 면으로부터 반사되는 광선은 프로젝션 스톱(20)을 통과하지 못하지만, 광축 아랫 부분에 있는 각 면으로부터 반사되는 광선은 프로젝션 스톱(20)을 통과하여 도 2에 도시된 바와 같이 스크린에서 중심의 좌우에 대칭적으로 집중된 고스트 이미지(24)를 형성한다.

통상적으로, 스크린 상에서 배경(background)과 고스트 패턴의 조도 차는 6∼7 : 1 인 데, 배경의 밝기가 낮을수록 고스트의 영상이 뚜렷하게 감지된다. 특히, AMA 패널에 제로의 전압이 인가되어 스크린이 다크(dark) 상태가 되는 경우에 있어서 이러한 고스트의 영상이 뚜렷하게 나타난다.

고스트는 항상 노이즈(noise)로 작용하여 화질을 열화시키기 때문에, 신뢰성 있는 광학계를 구현하기 위해서는 이러한 고스트를 제거하여야만 한다.

따라서, 본 발명의 목적은, AMA 패널을 광 변조기로 이용하는 광학계에 있어서, 필드 렌즈의 표면 반사에 의해 야기되는 고스트를 제거할 수 있는 광학계를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 액츄에이티드 미러 어레이 광학계를 나타내는 개략도이다.

도 2는 도 1의 광학계에 의하여 스크린 상에 나타나는 고스트 이미지를 도시한 평면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 액츄에이티드 미러 어레이 광학계를 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 : AMA 광학계 111 : 램프

112 : 소오스 렌즈 113 : 소오스 스톱

115 : 반사경 116 : 필드 렌즈

118 : AMA 패널 120 : 프로젝션 스톱

122 : 프로젝션 렌즈 124 : 릴레이 렌즈

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 광선을 발생하기 위한 광원; 그 위에 상기 광선이 조명되는 다수의 미러를 포함하고, 각각의 미러는 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하도록 변형되는 AMA 패널; 상기 AMA 패널의 각 미러로부터 반사된 광선을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈; 상기 광원으로부터 AMA 패널로 입사되는 광선은 그 하단부를 통과하고 상기 AMA 패널로부터 프로젝션 렌즈로 입사되는 광선은 그 상단부를 통과하도록 배치된 릴레이 렌즈(relay lens); 그리고 상기 릴레이 렌즈의 하단부를 통과한 광선을 상기 AMA 패널에 평행광으로 조사하기 위한 필드 렌즈를 구비하는 광학계를 제공한다.

상술한 바와 같이 본 발명은, 광원과 AMA 패널, 그리고 상기 AMA 패널과 프로젝션 렌즈 사이에 릴레이 렌즈를 배치한다. 즉, 상기 릴레이 렌즈는 광원으로부터 AMA 패널로 입사되는 광선은 그 하단부를 통과하고 상기 AMA 패널로부터 프로젝션 렌즈로 입사되는 광선은 그 상단부를 통과하도록 배치된다.

따라서, 상기 릴레이 렌즈에 의해 광원의 광축과 프로젝션 렌즈의 광축이 동일 축 상에 존재하지 않으므로, 필드 렌즈의 각 면으로부터 반사된 광선이 프로젝션 렌즈에 입사되지 않아 스크린 상에 고스트 이미지를 형성하지 않는다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 단판식 박막형 AMA 패널을 광 변조기로 이용하는 광학계를 나타내는 개략도로서, 단판식 단색(monochrome) 시스템을 예시한다.

도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 AMA 광학계(100)는 광선을 방출하기 위한 램프(111), 소오스 렌즈(112), 소오스 스톱(113), 반사경(115), 필드 렌즈(116), AMA 패널(118), 프로젝션 스톱(120), 프로젝션 렌즈(122), 그리고 릴레이 렌즈(124)를 포함한다.

상기 광선을 방출하기 위한 램프(111)는, 바람직하게는, 170W 내지 250W의 할로겐 금속 램프로서 스펙트럼에서 장파장의 적외선(LWIR) 내지 자외선(UV)을 방출한다.

상기 반사경(115)은 소오스 렌즈(112)에 대해 반대 방향으로 램프(111)로부터 방출되는 광선을 반사시켜 다시 소오스 렌즈(112)로 향하게 하는 역할을 한다.

상기 소오스 렌즈(112)는 상기 램프(111)로부터 방출되는 광선을 평행광으로 집광시키는 역할을 한다.

소오스 스톱(113)은 광학적으로 불투명한 부재이며, 광선을 통과시키도록 형성된 개구를 갖는다. 상기 소오스 스톱(113)은 화상을 형성하는 광선의 양을 결정한다.

상기 릴레이 렌즈(124)는 상기 소오스 스톱(113)을 통과하여 AMA 패널(118)로 입사되는 광선은 그 하단부를 통과하고 상기 AMA 패널(118)로부터 프로젝션 렌즈(122)로 입사되는 광선은 그 상단부를 통과하도록 배치된다.

필드 렌즈(116)는 상기 소오스 스톱(113)의 이미지가 프로젝션 스톱(120)에 1：1로 대응되도록 하기 위하여, 상기 소오스 스톱(113)을 통과한 각각의 광선을 광 손실 없이 AMA 패널(118)로 조사하는 역할을 한다.

상기 AMA 패널(118)은 조사된 광선을 반사시키기 위한 다수의 미러를 포함하며, 상기 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가되는 화상 신호에 따라서 광선의 세기를 변조한다. 즉, 각각의 미러는 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중에서 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하는 변형 크기로 변형된다.

프로젝션 스톱(120)은 광학적으로 불투명한 부재이며, 광학적으로 반사면인 전면 및 광선을 통과시키도록 형성된 개구를 구비한다. 바람직하게는, 상기 개구는 핀홀 또는 슬릿이다. 상기 프로젝션 스톱(120)의 개구를 통과하는 광선의 플럭스는 AMA 광 변조기(118)의 각 미러로부터 반사된 광선의 세기를 제어한다.

상기 프로젝션 렌즈(122)는 프로젝션 스톱(120)의 개구를 통과한 광선을 스크린(도시되지 않음) 상에 투사하여 그에 상응되는 화상을 표시하는 기능을 수행한다. 본 발명에서는, 상기 램프(111)의 광축과 프로젝션 렌즈(122)의 광축이 동일축 상에 존재하지 않으므로, 상기 필드 렌즈(116)의 각 면으로부터 반사되는 광선이 프로젝션 렌즈(122)에 들어가지 못한다.

상술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 AMA 광학계(100)의 작동 원리를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, AMA 광학계(100)를 구동시키면, 할로겐 금속 램프(111)로부터 방출된 광선이 소오스 렌즈(112)를 통해 평행광으로 집광된 후, 소오스 스톱(113)을 통과하여 릴레이 렌즈(124)의 하단부에 조사된다. 상기 릴레이 렌즈(124)의 하단부를 통과한 광선은 필드 렌즈(116)에 의해 평행광으로 AMA 패널(118)에 조사된다.

만일, 상기 AMA 패널(118)에 화상 신호를 인가하지 않으면(즉, 전압 OFF시), AMA 패널의 각 미러들이 진동하거나 기울어지거나 또는 구부러지지 않는다. 그 결과, 광선은 상기 프로젝션 스톱(120)에서 벗어나서 상을 맺게 되므로 스크린(도시되지 않음) 상에 도달되지 못한다.

만일, 상기 AMA 패널(118)에 최대 전압 미만의 소정 전압이 인가되면, AMA 패널(118)의 각 미러들이 어느 정도 기울어지게 되어 AMA 패널(118) 상에 조사되는 광선 중의 일부가 릴레이 렌즈(124)의 상단부를 지나 프로젝션 스톱(120)의 개구를 통과함으로써 스크린 상에 투사된다.

즉, 조사되는 광선 중의 일부는 프로젝션 스톱(120)의 전면에 의해 반사되고, 그 나머지의 광선이 프로젝션 스톱(120)의 개구를 통과한다.

만일, 상기 AMA 패널(118)에 최대 신호 전압을 인가하면, AMA 패널(118)의 각 미러들이 완전히 기울어져서 AMA 패널(118) 상에 조사된 모든 광선이 프로젝션 스톱(120)의 개구를 통과하도록 조준된다.

그 결과, AMA 패널(118)의 미러에 의해 반사된 광선은 릴레이 렌즈(124)의 상단부를 지나 프로젝션 스톱(120)의 개구를 통과한 후 프로젝션 렌즈(122)에 의해 스크린 상에 투사됨으로써 그에 대응되는 화상을 표시한다.

이 때, 각각의 미러들로부터 반사되는 광선의 경로는 프로젝션 스톱(120)의 개구를 통과하는 광선의 세기를 결정한다. 즉, 프로젝션 스톱(120)의 개구를 통과하는 광선의 플럭스는 프로젝션 스톱(120)에 대한 AMA 패널(118)의 미러의 방향에 의해서 제어된다.

여기서, 도 3은 단판식 AMA를 사용한 단색 시스템을 예시하고 있으나, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의하면, 적색, 녹색 및 청색 투과 필터들(transmission filters)의 일련의 색 단편들로 이루어진 컬러 휠(colour wheel)을 사용하여 순차적으로 적색, 녹색 및 청색 광을 단판식(single panel) AMA에 조사함으로써 적색, 녹색 및 청색 화상들을 표시할 수 있는 단판식 컬러 시스템에 본 발명을 적용할 수 있다.

또한, 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 의하면, 3판식(three panel) AMA를 사용하는 다판식 컬러 시스템에 본 발명을 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 광학계에 의하면, 광원과 AMA 패널, 그리고 상기 AMA 패널과 프로젝션 렌즈 사이에 릴레이 렌즈를 배치한다. 즉, 상기 릴레이 렌즈는 광원으로부터 AMA 패널로 입사되는 광선은 그 하단부를 통과하고 상기 AMA 패널로부터 프로젝션 렌즈로 입사되는 광선은 그 상단부를 통과하도록 배치된다.

따라서, 상기 릴레이 렌즈에 의해 광원의 광축과 프로젝션 렌즈의 광축이 동일 축 상에 존재하지 않으므로, 필드 렌즈의 각 면으로부터 반사된 광선이 프로젝션 렌즈에 입사되지 않아 스크린 상에 고스트 이미지를 형성하지 않는다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (2)

1. 광선을 발생하기 위한 광원(111);

   그 위에 상기 광선이 조명되는 다수의 미러를 포함하고, 각각의 미러는 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하도록 변형되는 액츄에이티드 미러 어레이(AMA) 패널(118);

   상기 AMA 패널(118)의 각 미러로부터 반사된 광선을 스크린 상에 투사하며, 그 광축이 상기 광원(111)의 광축과 일치하지 않는 프로젝션 렌즈(122);

   상기 광원(111)으로부터 AMA 패널로 입사되는 광선은 그 하단부를 통과하고 상기 AMA 패널(118)로부터 상기 프로젝션 렌즈(122)로 입사되는 광선은 그 상단부를 통과하도록 배치된 릴레이 렌즈(124); 및

   상기 릴레이 렌즈(124)의 하단부를 통과한 광선을 상기 AMA 패널(118)에 평행광으로 조사하기 위한 필드 렌즈(116)를 구비하는 것을 특징으로 하는 광학계.
2. 제1항에 있어서, 상기 광원(111)으로부터 발생된 광선을 평행광으로 집광시키기 위한 소오스 렌즈(112), 개구를 가지며 상기 소오스 렌즈(112)에 의해 집광된 광선의 플럭스를 집중시켜 상기 소오스 미러로 조사하기 위한 소오스 스톱(113), 및 개구를 가지며 상기 개구를 통과하는 광선의 플럭스가 상기 액츄에이티드 미러 어레이 패널(118)의 각 미러로부터 반사되는 광선의 세기를 제어하는 프로젝션 스톱(120)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학계.