KR20000031113A - 3판식 디지털 마이크로 미러 프로젝터 광학계 - Google Patents

3판식 디지털 마이크로 미러 프로젝터 광학계 Download PDF

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Abstract

본 발명은 디지털 마이크로 미러 소자를 이용한 프로젝터에 있어서 색신호를 분리·합성하기 위한 광학계에 관한 것이다.
본 발명의 3판식 DMD 프로젝터 광학계는 백색광을 발생하는 광원부와, 복수 개의 직각 프리즘으로 구성되어 백색광을 적·녹·청색광으로 분리 및 합성하기 위한 색 분리/합성부와, 분리된 적·녹·청색광을 각각 변조하여 색 분리/합성부 쪽으로 반사시키기 위한 복수 개의 광량 변조 미러를 구비한다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 3판식 DMD 프로젝터 광학계는 프리즘 가공이 용이하고 조립이 단순하게 되어 프리즘 조립 상의 오차 발생요소가 줄어들게 되고 제조비용이 줄어들게 된다.

Description

3판식 디지털 마이크로 미러 프로젝터 광학계(Optical System Of Three Panel Type Digital Micro-mirror Device)
본 발명은 투사형 표시장치에 관한 것으로, 특히 디지털 마이크로 미러 소자(Digital Micro-mirror Device : 이하 "DMD"라 함)를 이용한 프로젝터에 있어서 색신호를 분리·합성하기 위한 광학계에 관한 것이다.
프로젝터(Projector)는 광원을 포함한 조명계와 광학계로 구성되어 필름, 화상 등을 확대하여 스크린에 투사하게 된다. 프로젝터는 음극선관(CRT)을 채용한 프로젝터가 일반화되어 있으며, 최근에는 액정을 장착한 프로젝터들이 보급되고 있다. 그러나 음극선관 프로젝터는 디지털 영상 신호원을 표시하는데 있어서 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하기 위한 신호처리과정이 필요한 단점이 있고 음극선관 자체의 부피로 인하여 소형화되기 어려운 문제점이 있다. 액정 프로젝터는 스위칭 소자로 사용되는 박막트렌지스터(Thin Film Transistor : TFT)와 화소셀을 구분하기 위한 격벽 및 라인들이 액정 패널에 실장되어야 하기 때문에 제조공정이 복잡하고 아울러, 개구율이 대략 60% 수준이므로 밝기가 낮은 단점이 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 최근에는 멤스(Micro Electro Mechanical System : MEMS)를 이용하여 미세한 미러편들이 부분셀로 이루어지는 DMD 소자를 이용한 프로젝터가 개발되어 관심이 집중되고 있다. DMD 프로젝터는 개구율이 대략 90% 이상으로서 밝기가 기존의 음극선관 프로젝터나 액정 프로젝터에 비하여 월등하고 DMD 소자가 1 inch 이하로 제작되기 때문에 프로젝터 자체의 부피를 크게 줄일 수 있는 장점이 있다. DMD 프로젝터는 도 1과 같이 광을 발생하는 램프 및 반사경(2)과, 램프 및 반사경(2)으로부터 발생되는 광의 광경로 상에 나란하게 설치되는 콘덴서 렌즈(Condenser lens)(4) 및 반사경(6)과, 2 장의 프리즘(8a,8b)으로 구성되어 반사경(6)으로부터 광이 입사되는 광 입사/출사용 프리즘(8)과, 3 장의 프리즘(10a,10b,10c)으로 구성되어 광 입사/출사용 프리즘(8)으로부터 광이 입사되는 색 분리/합성용 프리즘(10)과, 색 분리/합성용 프리즘(10)으로부터 광이 입사되는 3 장의 DMD 모듈(121,122,123)과, 광 입사/출사용 렌즈(8)의 광출사면에 대향되게 설치되는 프로젝션 렌즈(14)를 구비한다. 램프 및 반사경(2)으로부터 조사된 광은 콘덴서 렌즈(4)를 투과하여 반사경(6)에 집광된 다음, 반사경(6)에서 광 입사/출사용 프리즘(8) 쪽으로 반사된다. 광 입사/출사용 프리즘(8)으로 입사된 준 평행광인 백색 조명광은 입사용 프리즘(8a)에 의해 색 분리/합성용 프리즘(10) 쪽으로 굴절된다. 색 분리/합성용 프리즘(10)은 각각 서로 다른 파장 대역의 광성분에 대하여 반사율과 투과율이 다르게 설계된 적색(Red : R) 분리용 프리즘(10c), 녹색(Green : G) 분리용 프리즘(10b) 및 청색(Blue : B) 분리용 프리즘(10a)으로 구성되어 입사용 프리즘(8a)으로부터 입사된 광을 적·녹·청(RGB)으로 분리하여 각 색신호별로 제1 내지 제3 DMD 모듈들(121,122,123)에 공급하게 된다. 제1 내지 제3 DMD 모듈들(121,122,123)은 각각 자신에게 입사된 적·녹·청색의 광을 디지털 형태로 광변조하여 각각 청색 분리용 프리즘(10a), 녹색 분리용 프리즘(10b) 및 적색 분리용 프리즘(10c)으로 반사시키게 된다. 각각의 DMD 모듈들(121,122,123)로부터 반사된 색신호별 광은 색 분리/합성용 프리즘(10)에 입사되어 합성된 다음, 광 입사/출사용 프리즘(8)으로 입사된다. 색 분리/합성용 프리즘(10)으로부터 입사된 합성광은 입사용 프리즘(8a), 출사용 프리즘(8b) 및 프로젝션 렌즈(14)를 순차적으로 투과하여 도시하지 않은 스크린에 표시된다.
이와 같은 DMD 프로젝터는 표시되는 화상의 밝기가 우수하고 기기의 소형화를 구현할 수 있는 장점에도 불구하고 도면에서 알 수 있는 바와 같이 광 입사/출사용 프리즘(8)을 구성하는 두 장의 프리즘들(8a,8b)과 색 분리/합성용 프리즘들(10)을 구성하는 세 장의 프리즘이 서로 다른 형태로 제작되어 조합되어야 하고 색 분리/합성용 프리즘(10)을 구성하는 프리즘들(10a,10b,10c)의 각도가 모두 다르기 때문에 가공 공수가 많고 조립이 어려운 문제점들이 있다. 이러한 문제점들은 DMD 프로젝터의 가격 경쟁력이 떨어질 수밖에 없는 주요 원인으로 지적되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 프리즘들의 가공 및 조립이 단순하게 되도록 한 3판식 DMD 프로젝터 광학계를 제공함에 있다.
도 1은 종래의 디지털 마이크로 미러 프로젝터의 광학계를 개략적으로 나타내는 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 3판식 디지털 마이크로 미러 프로젝터의 광학계를 나타내는 도면.
도 3은 도 2에 도시된 광학계의 광경로를 나타내는 도면.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
2,22 : 램프 및 반사경 4 : 콘덴서 렌즈
6 : 반사경 8,28 : 광 입사/출사용 프리즘
8a : 입사용 프리즘 8b : 출사용 프리즘
10,30 : 색 분리/합성용 프리즘 10a : 청색 분리용 프리즘
10b : 녹색 분리용 프리즘 10c : 적색 분리용 프리즘
30a 내지 30d : 직각 프리즘 14,34 : 프로젝션 렌즈
121,122,123,321,322,323: 디지털 마이크로 미러 모듈
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 3판식 DMD 프로젝터 광학계는 백색광을 발생하는 광원부와, 복수 개의 직각 프리즘으로 구성되어 백색광을 적·녹·청색광으로 분리 및 합성하기 위한 색 분리/합성부와, 분리된 적·녹·청색광을 각각 변조하여 색 분리/합성부 쪽으로 반사시키기 위한 복수 개의 광량 변조 미러를 구비한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 5를 참조하면, 광을 발생하는 램프 및 반사경(22)과, 4 장의 직각 프리즘으로 구성되어 램프 및 반사경(22)으로부터 조사되는 백색광을 적·녹·청(RGB) 색으로 분리하기 위한 색 분리/합성용 프리즘(30)과, 직각 삼각형 형태로 이루어져 백색광을 색 분리/합성용 프리즘(30) 쪽으로 투과시킴과 아울러 색 분리 합성용 프리즘(30)으로부터 조사되는 합성광을 투과시키는 광 입사/출사용 프리즘(28)과, 색 분리/합성용 프리즘(10)으로부터 분리된 적·녹·청(RGB) 색신호를 각각 변조하여 반사시키기 위한 3 장의 DMD 모듈들(321,322,323)과, 광 입사/출사용 렌즈(28)로부터 조사되는 광을 스크린 쪽으로 투과시키는 프로젝션 렌즈(14)를 구비하는 본 발명의 3판식 DMD 프로젝터 광학계가 도시되어 있다. 램프 및 반사경(2)으로부터 발생된 광은 광 입사/출사용 프리즘(28)으로 입사된다. 광 입사/출사용 프리즘(28)으로 입사된 준 평행광인 백색 조명광은 색 분리/합성용 프리즘(30) 쪽으로 굴절되어 입사된다. 색 분리/합성용 프리즘(30)은 제1 내지 제4 직각 프리즘들(30a 내지 30d)이 정방형으로 접합되어 광 입사/출사용 프리즘(28)으로부터 입사되는 백색광을 적·녹·청색(RGB)광으로 분리함과 아울러 DMD 모듈들(321,322,323)로부터 입사되는 변조된 색분리신호를 합성하게 된다. 제4 직각 프리즘(30d)은 광 입사/출사용 프리즘(28)으로부터 입사되는 백색광에서 청색(B)광을 반사시켜 제3 직각 프리즘(30c)에 입사시킴과 아울러 적색(R)광과 녹색(R)광을 제1 직각 프리즘(30a) 쪽으로 투과시키게 된다. 그리고 제4 직각 프리즘(30d)은 제1 내지 제3 직각 프리즘(30a,30b,30c)으로부터 입사되는 광을 합성하여 광 입사/출사용 프리즘(28) 쪽으로 출사시키게 된다. 제1 직각 프리즘(30a)은 제4 직각 프리즘(30d)으로부터 입사되는 적색(R)광과 녹색(R)광 중에서 적색(R)광을 제1 DMD 모듈(321) 쪽으로 반사시키고 녹색(R)광을 제2 직각 프리즘(30b) 쪽으로 투과시키게 된다. 그리고 제1 직각 프리즘(30a)은 제1 DMD 모듈(321)로부터 변조되어 입사되는 적색(R)광을 제4 직각 프리즘(30d) 쪽으로 투과시킨다. 제2 직각 프리즘(30b)은 제1 직각 프리즘(30a)으로부터 입사되는 녹색(R)광을 제2 DMD 모듈(322) 쪽으로 투과시키고 제2 DMD 모듈(322)로부터 변조되어 입사되는 녹색(R)광을 제3 직각 프리즘(30c) 쪽으로 투과시키게 된다. 제3 직각 프리즘(30c)은 제4 직각 프리즘(30d)으로부터 입사되는 청색(B)광을 제3 DMD 모듈(323) 쪽으로 투과시키고 제2 직각 프리즘(30b)으로부터 입사되는 녹색(R)광을 제4 직각 프리즘(30d) 쪽으로 투과시킨다. 그리고 제3 직각 프리즘(30c)은 제3 DMD 모듈(323)로부터 변조되어 입사되는 청색광을 제4 직각 프리즘(30d) 쪽으로 투과시키게 된다. 이를 위하여, 색 분리/합성용 프리즘(30)에 형성된 청색 반사면과 적색 반사면에는 특정 광파장 대역의 광을 반사 또는 투과시키기 위한 유전체물질이 다층(Multi-layer) 형태로 도포됨으로써 각각 청색광과 적색광을 반사시키게 된다.
제1 내지 제3 DMD 모듈들(321,322,323)은 각각 자신에게 입사되는 적·녹·청(RGB) 색신호를 디지털 형태로 변조시켜 각각 제1 내지 제3 직각 프리즘(30a,30b,30c) 쪽으로 반사시키는 역할을 하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 3판식 DMD 프로젝터 광학계의 광경로를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 의한 광의 이동 경로는 수학식 1과 같은 "Snell의 법칙"에 의해 설명될 수 있다.
sinθ=nsin2φ(n : 프리즘의 굴절률)
본 발명에서 광 입사/출사용 프리즘(28)의 각도 φ와 조명광 입사각 θ는 수학식 1에 의해 결정된다. 광 입사/출사용 프리즘(28)의 각도 φ와 조명광 입사각 θ이 수학식 1을 만족하면, θ의 각으로 광 입사/출사용 프리즘(28)으로 입사된 조명광은 광 입사/출사용 프리즘(28)의 기준면에 대하여 φ의 각도로 색 분리/합성용 프리즘(30)으로 입사되고 이 광은 DMD 모듈에 의해 그 광량이 변조된 다음, 프리즘 기준면에 대하여 φ의 각도로 반사되어 색 분리/합성용 프리즘(30)으로 입사된다. DMD 모듈에 의해 반사된 후, 색 분리/합성용 프리즘(30)을 투과한 광은 프리즘 기준면에 대하여 φ만큼 기울어진 광 입사/출사용 프리즘(30)의 출사면에 수직으로 입사되어 투과된 다음, 프로젝션 렌즈(34)를 경유하여 도시하지 않은 스크린에 투사된다.
한편, 본 발명에서 제안된 광학계에서 DMD는 입사광을 아날로그 형태로 반사시키는 액츄에이티드 미러 어레이(Actuated Mirror Array : AMA) 또는 반사형 LCD로 대신될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 3판식 DMD 프로젝터 광학계는 4 장의 동일한 형태를 가지는 직각 프리즘들이 정방형 형태로 접합되는 색 분리/합성용 프리즘과 1 장의 직각 삼각형 형태의 프리즘으로 이루어지는 광 입사/출사용 프리즘으로 구성되는 광학계를 구성함으로써 프리즘 가공이 용이하고 조립이 단순하게 되어 프리즘 조립 상의 오차 발생요소가 줄어들게 되고 제조비용이 줄어들게 된다. 또한, 본 발명에 의한 광학계의 구성은 3판식 DMD 프로젝터뿐 아니라 3판식 AMA(Actuated Mirror Array) 프로젝터, 3판식 반사형 액정 프로젝터에 사용되는 광학계에도 적용될 수 있으므로 광학계가 공용화될 수 있는 장점이 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (5)

  1. 백색광을 발생하는 광원부와,
    복수 개의 직각 프리즘으로 구성되어 상기 백색광을 적·녹·청색광으로 분리 및 합성하기 위한 색 분리/합성부와,
    상기 분리된 적·녹·청색광을 각각 변조하여 상기 색 분리/합성부 쪽으로 반사시키기 위한 복수 개의 광량 변조 미러를 구비하는 것을 특징으로 하는 3판식 디지털 마이크로 미러 프로젝터 광학계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 색 분리/합성부에 의해 합성된 광을 표시면에 투사하기 위한 투사렌즈와,
    상기 광원부, 투사렌즈 및 색 분리/합성부 사이에 설치되어 상기 백색광을 상기 색 분리/합성부 쪽으로 안내함과 아울러 상기 합성된 광을 상기 투사렌즈 쪽으로 안내하기 위한 광 입사/출사부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 3판식 디지털 마이크로 미러 프로젝터 광학계.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광 입사/출사부는 적어도 하나 이상의 직각 삼각형 프리즘을 구비하는 것을 특징으로 하는 3판식 디지털 마이크로 미러 프로젝터 광학계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 색 분리/합성부는 4 개의 직각 프리즘이 정방형 형태로 접합되어 구성되는 것을 특징으로 하는 3판식 디지털 마이크로 미러 프로젝터 광학계.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 색 분리/합성부에는 특정 광파장 대역에 대하여 서로 다른 반사율과 투과율을 갖도록 다층 형태로 유전체 물질이 코팅되어진 것을 특징으로 하는 3판식 디지털 마이크로 미러 프로젝터 광학계.
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