KR20000044171A - 박막형 미러 어레이 패널을 포함하는 투사형 화상표시 장치 - Google Patents

Abstract

박막형 미러 어레이(TMA) 패널을 포함하는 투사형 화상표시 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 광선들을 방출하는 광원, 광원으로부터 방출된 광선들을 균일하게 만들기 위한 광학 인테그레이터, 광학 인테그레이터를 통과한 광선들의 플럭스를 집중시키기 위한 소오스 스톱, 소오스 스톱을 통과한 광선들을 반사시키기 위한 미러의 화소들로 구성되며, 각 미러가 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하는 변형 크기로 변형되는 TMA 패널, TMA 패널의 각 미러로부터 반사된 광선들의 플럭스를 집중시키기 위한 프로젝션 스톱, 그리고 프로젝션 스톱을 통과한 광선들을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈를 구비한다. 광학 인테그레이터에 의해 광원으로부터 방출되는 광선들의 균일성을 향상시킴으로써 화면 전체적으로 밝기를 균일하게 만들 수 있다.

Description

박막형 미러 어레이 패널을 포함하는 투사형 화상표시 장치

본 발명은 투사형 화상표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 박막형 미러 어레이(Thin-film Micromirror Array-actuated; 이하 TMA라 칭함) 패널을 포함하는 투사형 화상표시 장치에 있어서 광원으로부터 방출되는 광선들의 균일성을 향상시켜 화면의 밝기를 균일하게 만들 수 있는 투사형 화상표시 장치에 관한 것이다.

광학 에너지를 스크린 상에 투영하기 위한 광로조절 장치 또는 공간적 광변조기는 광통신, 화상처리 및 정보 디스플레이 장치와 같은 다양한 분야에 응용될 수 있다. 통상적으로 이러한 광변조기를 이용한 화상 처리 장치들은 광학 에너지를 스크린 상에 표시하는 방법에 따라 직시형 화상표시 장치와 투사형 화상표시 장치로 구분된다.

상기 직시형 화상표시 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 화상표시 장치로는 액정표시 장치(LCD), DMD(Deformable Mirror Device) 및 AMA(Actuated Mirror Array)를 들 수 있다. 이러한 투사형 화상표시 장치는 다시 그들의 광학적 특성에 따라 2개의 그룹으로 나뉠 수 있다. 즉, LCD와 같은 장치는 전송 광변조기로 분류될 수 있는데 반하여, DMD 및 AMA는 반사 광변조기로 분류될 수 있다.

LCD와 같은 전송 광변조기는 광학적 구조가 매우 간단하므로, 얇게 형성하여 중량을 가볍게 할 수 있으며 용적을 줄이는 것이 가능하다. 그러나, 빛의 극성으로 인하여 광효율이 낮으며, 액정재료에 고유하게 존재하는 문제, 예를 들면 응답 속도가 느리고 그 내부가 과열되기 쉬운 단점이 있다. 또한, 현존하는 전송 광변조기의 최대 광효율은 1∼2% 범위로 한정되며, 수용 가능한 디스플레이 품질을 제공하기 위해서 암실 조건을 필요로 한다. 따라서, 상술한 문제점들을 해결하기 위하여 DMD 및 AMA와 같은 광변조기가 개발되었다.

DMD는 5% 정도의 비교적 양호한 광효율을 나타내지만, DMD에 채용된 힌지 구조물에 의해서 심각한 피로 문제가 발생할 뿐만 아니라, 매우 복잡하고 값비싼 구동 회로가 요구된다는 단점이 있다.

AMA는 그 내부에 설치된 각각의 미러들이 광원으로부터 입사되는 빛을 소정의 각도로 반사하고, 상기 반사된 빛이 슬릿이나 핀홀과 같은 개구를 통과하여 스크린에 투영되어 화상을 맺도록 광을 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 콘트라스트가 향상되어 보다 밝고 선명한 화상을 얻을 수 있다.

AMA의 각 액츄에이터는 인가되는 전기적인 화상 신호 및 바이어스 전압에 의하여 발생되는 전기장에 따라 변형을 일으킨다. 액츄에이터가 변형을 일으킬 때 그 상부에 장착된 각각의 미러들이 경사지게 된다. 따라서, 경사진 미러들은 광원으로부터 입사된 빛을 소정의 각도로 반사시켜 스크린 상에 화상을 맺을 수 있도록 한다. 각각의 미러들을 구동하는 액츄에이터로서 PZT (Pb(Zr, Ti)O₃), 또는 PLZT ((Pb, La)(Zr, Ti)O₃) 등의 압전물질이 이용된다. 또한, PMN (Pb(Mg, Nb)O₃) 등의 전왜 물질로서 액츄에이터를 구성할 수도 있다.

이러한 AMA는 크게 벌크형과 박막형으로 구분된다. 벌크형 AMA는 Gregory Um 등에게 허여된 미합중국 특허 제5,085,497호에 개시되어 있다. 벌크형 AMA는 다층 세라믹을 얇게 절단하여 내부에 금속 전극이 형성된 세라믹 웨이퍼를 트랜지스터가 내장된 액티브매트릭스에 장착한 후, 쏘잉 방법으로 가공하고 그 상부에 미러를 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 미러 어레이(TMA)가 개발되었다. 예를 들면, 본 출원인이 대한민국 특허청에 특허출원한 특허출원 제95-13353호(발명의 명칭 : 광로 조절장치의 제조방법)에 이러한 TMA가 개시되어 있다.

TMA는 현미경적인 미러들과 관련하여 박막 압전 액츄에이터를 이용하는 반사형 광변조기로서, 단판식으로 이루어진 미러의 300,000 개 이상의 화소(Pixel)에 결쳐서 대규모 집적의 균등도를 갖도록 개발되어 왔다. 이러한 TMA는 각각 적색(R), 녹색(G) 및 청색(B)을 나타내는 약 640×480 화소의 패널들로 구성된다. 화소들은 광효율을 높이도록 미러의 표면적을 최대화하기 위해서 캔틸레버(cantilever) 구조물로 고안된다. 캔틸레버 구조물은 화상신호가 인가되는 액티브매트릭스 및 인가된 신호 전압에 의해 작동되는 미러를 포함한다.

단판식 TMA를 포함하는 종래의 투사형 화상표시 장치가 도 1에 도시되어 있다.

도 1을 참조하면, 종래의 투사형 화상표시 장치(10)는 광선들을 방출하기 위한 약 170W 내지 270W의 할로겐 금속 램프(11), 램프(11)로부터 광선들을 반사시키기 위한 반사경(19), 램프(11)로부터 방출된 광선들을 평행광으로 만들기 위한 소오스 렌즈(12), 광선들을 통과시키기 위한 개구를 갖고 화상을 형성하는 광선들의 양을 결정하는 소오스 스톱(13), 소오스 스톱(13)을 통과한 광선들을 반사시키기 위한 소오스 미러(14), 소오스 스톱(13)의 이미지를 프로젝션 스톱(20)에 1:1로 대응시키기 위한 필드 렌즈(16), 다수의 미러를 구비하며 필드 렌즈(16)로부터 조사되는 광선들의 세기를 변조시키기 위한 TMA 패널(18), 광선들을 통과시키기 위한 개구를 가지며 변조된 광선들의 플럭스를 집중시키기 위한 프로젝션 스톱(20), 그리고 프로젝션 스톱(20)을 통과한 광선들을 스크린(도시되지 않음) 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈(22)를 포함한다.

종래의 투사형 화상표시 장치(10)의 동작 원리를 간단히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 램프(11)로부터 방출된 광선들이 소오스 렌즈(12)에 의해 평행광으로 집광된 후, 소오스 스톱(13)의 개구를 통과하여 소오스 미러(14)에 조사된다. 소오스 미러(14)로부터 반사된 광선들은 그 경로가 1차적으로 변경된 후, 필드 렌즈(16)를 통해 평행광으로 TMA 패널(18) 상에 조사된다.

TMA 패널(18)의 각각의 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 화상 신호 전압에 따라서 진동하거나 기울어지거나 구부러진다. 이에 따라, 필드 렌즈(16)를 통과한 광선들은 TMA 패널(18)의 각 미러들로부터 반사된 후 프로젝션 스톱(20)의 개구를 통과하여 프로젝션 렌즈(22)를 통해 스크린 상에 투사됨으로써 화상을 형성한다. 이때, TMA 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 TMA 패널(18)의 미러의 방향에 의해서 제어된다.

상술한 종래의 투사형 화상표시 장치에 있어서, 광원으로부터 방출되는 광선들의 분포는 가간섭성(coherence)의 공간적 한계로 인하여 일정한 불균일성을 가지게 된다. 즉, 빛의 간섭성은 유한한 거리 이내에서만 유지되는데, 중심축에서 멀어질수록 간섭하는 다수의 빛들의 광로차가 증가하며 이 광로차가 증가할수록 다수의 빛들이 서로 간섭하는 가간섭성이 저하되기 때문에, 광원으로부터 방출되는 광선들의 세기가 불균일하게 된다. 이러한 불균일성은 화면 전체적으로 밝기가 불균일해지는 문제를 야기시킨다.

따라서, 본 발명의 목적은 TMA 패널을 포함하는 투사형 화상표시 장치에 있어서 광원으로부터 방출되는 광선들의 균일성을 향상시켜 화면의 밝기를 균일하게 만들 수 있는 투사형 화상 표시 장치를 제공하는 것이다.

도 1은 종래의 투사형 화상표시 장치를 나타내는 개략도이다.

도 2는 본 발명에 의한 투사형 화상표시 장치를 나타내는 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 투사형 화상표시 장치 101 : 반사경

102 : 광원 103 : 광학 인테그레이터

104 : 소오스 렌즈 106 : 소오스 스톱

108 : 소오스 미러 110 : 필드 렌즈

112 : TMA 패널 114 : 프로젝션 스톱

116 : 프로젝션 렌즈

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 광선들을 방출하기 위한 광원; 광원으로부터 방출된 광선들을 균일하게 만들기 위한 광학 인테그레이터(optical integrator), 광학 인테그레이터를 통과한 광선들의 플럭스를 집중시키기 위한 소오스 스톱, 소오스 스톱을 통과한 광선들을 반사시키기 위한 미러의 화소들로 구성되며, 각 미러가 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하는 변형 크기로 변형되는 TMA 패널, TMA 패널의 각 미러로부터 반사된 광선들의 플럭스를 집중시키기 위한 프로젝션 스톱, 그리고 프로젝션 스톱을 통과한 광선들을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈를 구비하는 투사형 화상표시 장치를 제공한다.

본 발명에 의하면, 광학 인테그레이터에 의해 광원으로부터 방출되는 광선들의 균일성을 향상시킴으로써 화면 전체적으로 밝기를 균일하게 만들 수 있다.

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

도 2는 본 발명에 의한 단판식 TMA를 포함하는 투사형 화상표시 장치를 나타내는 개략도로서, 단판식 단색 시스템을 예시한다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 투사형 화상표시 장치(100)는 반사경(101), 광원(102), 광학 인테그레이터(103), 소오스 렌즈(104), 소오스 스톱(106), 소오스 미러(108), 필드 렌즈(110), TMA 패널(112), 프로젝션 스톱(114), 그리고 프로젝션 렌즈(116)를 포함한다.

광선들을 방출하기 위한 광원(102)은 바람직하게는 kW급의 할로겐 금속 램프로서 스펙트럼에서 장파장의 적외선(LWIR) 내지 자외선(UV)을 방출한다. 화면의 밝기를 향상시키기 위하여는 많은 광량을 가진 광선들을 발생시켜 화소를 형성하여야 하므로 가능한 한 고출력의 램프를 사용한다. 반사경(101)은 소오스 렌즈(104)에 대해 반대 방향으로 광원(102)으로부터 방출되는 광선들을 반사시켜 다시 소오스 렌즈(104)로 향하게 하는 역할을 한다.

광학 인테그레이터(103)는 바람직하게는 광 파이프(light pipe)로서, 광원(102)으로부터 방출된 광선들을 혼합하여 적절히 섞은 후 소오스 렌즈(104)로 조사하는 역할을 한다. 광 파이프는 광 손실을 경감시키기 위해 비집속 전송이나 반사를 이용하는 광 전송 요소로서, 빛을 보다 균일하게 분배시키기 위해 사용된다. 구체적으로, 상기 광 파이프는 램프로부터 방출되는 원형 광선이 스톱이나 렌즈와 같은 광학 구성물을 통과할 때 그 일부분이 광학 구성물의 엣지부에서 손실되는 것을 방지하기 위하여 원형 광선의 손실 부위를 미리 컷팅하여 광 손실을 경감시키고, 전반사 면을 이용하여 빛의 각도 분배를 재분배하는 변환기(scrambler)의 역할을 하며, 또한 램프의 후면에 위치한 반사경에 의해 야기되는 색 이동(color shift)을 감소시키는 역할을 한다.

소오스 렌즈(104)는 광학 인테그레이터(103)를 통과한 광선들을 평행광으로 집광시키는 역할을 한다. 상기 소오스 스톱(106)은 광학적으로 불투명한 부재이며, 광선들을 통과시키도록 형성된 개구를 갖는다. 바람직하게는, 이 개구는 핀홀 또는 슬릿이다. 소오스 스톱(106)은 화상을 형성하는 광선들의 양을 결정한다. 소오스 미러(108)는 소오스 스톱(106)을 통과한 광선들을 반사시켜 그 경로가 TMA 패널(112)로 향하도록 변경시키는 역할을 한다.

필드 렌즈(110)는 소오스 스톱(106)의 이미지가 프로젝션 스톱(114)에 1:1로 대응되도록 하기 위하여, 소오스 스톱(106)을 통과한 각각의 광선들을 광 손실 없이 TMA 패널(112)로 조사하는 역할을 한다.

상기 TMA 패널(112)은 조사된 광선들을 반사시키기 위한 다수의 미러를 포함하며, 각 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가되는 전기 신호에 따라서 광선들의 세기를 변조한다. 즉, 각 미러는 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중에서 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하는 변형 크기로 변형된다.

프로젝션 스톱(114)은 광학적으로 불투명한 부재이며, 광학적으로 반사면인 전면 및 광선들을 통과시키도록 형성된 개구를 구비한다. 바람직하게는, 이 개구는 핀홀 또는 슬릿이다. 프로젝션 스톱(114)의 개구를 통과하는 광선의 플럭스는 TMA 패널(112)의 각 미러로부터 반사된 광선의 세기를 제어한다. 프로젝션 렌즈(116)는 프로젝션 스톱(114)의 개구를 통과한 광선들을 스크린(도시되지 않음) 상에 투사하여 그에 상응되는 화상을 표시하는 기능을 수행한다.

상술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 투사형 화상표시 장치(100)의 작동 원리를 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저, 할로겐 금속 램프와 같은 아크 램프로 이루어진 광원(102)으로부터 방출된 광선들이 광학 인테그레이터(103)를 통과하면서 적절히 혼합되어 그 세기가 균일하게 만들어진 후 소오스 렌즈(104)로 조사된다. 소오스 렌즈(104)에 의해 평행광으로 집광된 광선들은 소오스 스톱(106)을 통과하여 소오스 미러(108)에 조사된다. 소오스 미러(108)로부터 반사된 광선들은 그 경로가 1차적으로 변경된 후, 필드 렌즈(110)를 통해 평행광으로 TMA 패널(112)에 조사된다.

TMA 패널(112)의 각 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 신호에 따라서 광선들을 변조한다. 만일, 특정 액츄에이터에 오프(OFF) 전압, 즉 제로(0)의 전압이 인가되면, 그 액츄에이터에 대응되는 미러가 틸팅되지 않으며 이에 따라 그 미러에 조사된 광선들은 프로젝션 스톱(114)을 통과하지 못하게 된다.

그러나, 특정 액츄에이터에 온(ON) 전압이 인가되면, 그 액츄에이터에 대응되는 미러가 틸팅되고 이에 따라 그 미러에 조사된 광선들은 세기가 변조되어 필드 렌즈(110)를 거쳐 프로젝션 스톱(114)으로 향한다. 이때, 미러로부터 반사되는 광선의 경로는 프로젝션 스톱(114)의 개구를 통과하는 광선의 세기를 결정한다. 즉, 프로젝션 스톱(114)의 개구를 통과하는 광선의 플럭스는 프로젝션 스톱(114)에 대한 TMA 패널(112)의 미러의 방향에 의해서 제어된다.

이와 같이 프로젝션 스톱(114)의 개구를 통과한 광선들은 프로젝션 렌즈(116)에 의해 스크린 상에 투사되어 그에 대응되는 화상을 표시한다.

여기서, 도 2는 단판식 TMA를 사용한 단색 시스템을 예시하고 있으나, 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 의하면, 적색, 녹색 및 청색 투과 필터들의 일련의 색 단편들로 이루어진 컬러 휠을 사용하여 순차적으로 적색, 녹색 및 청색 광을 단판식 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 TMA를 사용하는 다판식 컬러 시스템에 본 발명을 적용할 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 투사형 화상표시 장치에 의하면, 광학 인테그레이터를 사용하여 광원으로부터 방출되는 광선들의 세기 및 분포의 균일성을 향상시킴으로써 화면 전체적으로 밝기를 균일하게 만들 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술 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 (3)

1. 광선들을 방출하기 위한 광원(102);

   상기 광원(102)으로부터 방출된 광선들을 균일하게 만들기 위한 광학 인테그레이터(103);

   상기 광학 인테그레이터(103)를 통과한 광선들의 플럭스를 집중시키기 위한 소오스 스톱(106);

   상기 소오스 스톱(106)을 통과한 광선들을 반사시키기 위한 미러의 화소들로 구성되며, 각 미러가 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하는 변형 크기로 변형되는 박막형 미러 어레이(TMA) 패널(112);

   상기 TMA 패널(112)의 각 미러로부터 반사된 광선들의 플럭스를 집중시키기 위한 프로젝션 스톱(114); 그리고

   상기 프로젝션 스톱(114)을 통과한 광선들을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈(116)를 구비하는 것을 특징으로 하는 투사형 화상표시 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 광학 인테그레이터(103)는 광 파이프인 것을 특징으로 하는 투사형 화상표시 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 광학 인테그레이터(103)와 상기 소오스 스톱(106) 사이에 배치된 소오스 렌즈(104)와, 상기 소오스 스톱(106)을 통과한 광선들을 상기 TMA 패널(112)에 평행광으로 조사하기 위한 필드 렌즈(110)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투사형 화상표시 장치.