KR20000044178A

KR20000044178A - 투사형 화상표시 장치

Info

Publication number: KR20000044178A
Application number: KR1019980060669A
Authority: KR
Inventors: 김진태
Original assignee: 전주범; 대우전자 주식회사
Priority date: 1998-12-30
Filing date: 1998-12-30
Publication date: 2000-07-15

Abstract

고효율의 광학계를 구현할 수 있는 투사형 화상표시 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 광선을 방출하는 광원, 광원으로부터 방출된 광선을 균일하게 만들기 위한 광파이프 및 광파이프에 일체된 프리즘으로 구성된 하이브리드 프리즘 시스템, 프리즘에 부착되고 광선을 제1 색광선과 제2 색광선으로 분리하기 위한 제1 및 제2 다이크로익 필터, 광파이프에 부착되고 광선을 제3 색광선으로 분리하기 위한 제3 다이크로익 필터, 프리즘에 부착되고 제1 색광선과 제2 색광선을 각각 화상으로 광 변조하기 위한 제1 및 제2 반사형 광변조기, 광파이프에 부착되고 제3 색광선을 화상으로 광 변조하기 위한 제3 반사형 광변조기, 그리고 하이브리드 프리즘 시스템을 통과한 제1, 제2 및 제3 색광선을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈를 구비한다. 하이브리드 프리즘 시스템에 의해 고효율의 광학계를 구현하고 조명 균일성을 향상시킬 수 있다.

Description

투사형 화상표시 장치

본 발명은 투사형 화상표시 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 조명 균일성을 향상시키고 시머링(shimmering) 현상을 효과적으로 제거하며 고효율의 광학계를 구현할 수 있는 투사형 화상표시 장치에 관한 것이다.

광학 에너지를 스크린 상에 투영하기 위한 광로조절 장치 또는 공간적 광변조기는 광통신, 화상 처리 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.

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 광 변조기로 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 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 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 AMA(Thin-film Micromirror Array-actuated; 이하 TMA라 한다)가 개발되었다. 예를 들면, 본 출원인이 대한민국 특허청에 특허출원한 특허출원 제95-13353호(발명의 명칭 : 광로조절 장치의 제조방법)에 이러한 TMA가 개시되어 있다.

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

도 1은 3판식(three panel) TMA를 이용하여 컬러 화상을 표시할 수 있는 투사형 화상표시 장치를 도시한다.

도 1을 참조하면, 종래의 투사형 화상표시 장치(10)는 광선을 방출하기 위한 170W 내지 250W의 할로겐 금속 램프(11), 램프(11)로부터 방출된 광선을 평행광으로 만들기 위한 소오스 렌즈(12), 광선을 통과시키기 위한 개구를 갖고 화상을 형성하는 광선의 양을 결정하는 소오스 스톱(13), 소오스 스톱(13)을 통과한 광선의 경로를 1차적으로 변경시키기 위한 소오스 미러(14), 빛을 파장에 의해서 선택적으로 통과시키기 위한 두 개의 다이크로익 필터(dichroic filter)(17, 18), 소오스 스톱(13)의 상을 프로젝션 스톱(15)에 1:1로 대응시키기 위한 세 개의 필드렌즈(30, 32, 34), 미러 화소들의 어레이로 구성되며 필드렌즈(30, 32, 34)로부터 조사되는 광선의 세기를 변조시키기 위한 세 개의 TMA 패널(20, 22, 24), 광선을 통과시키기 위한 개구를 가지며 변조된 광선의 플럭스를 집중시키기 위한 프로젝션 스톱(15) 그리고 프로젝션 스톱(15)을 통과한 광선을 스크린(도시하지 않음) 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈(16)를 포함한다.

상술한 구조를 갖는 종래의 투사형 화상표시 장치(10)의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.

램프(11)로부터 발생된 광선이 소오스 렌즈(12)에 평행광으로 만들어진 후, 소오스 스톱(13)의 개구를 통과하여 소오스 미러(14) 상에 조사된다. 소오스 미러(14) 상에 조사된 광선은 전량이 반사되어 제1 다이크로익 필터(17) 상에 조사된다.

제1 다이크로익 필터(17)는 녹색광과 청색광을 투과시키고 적색광을 반사시키므로, 반사된 적색광은 R-필드렌즈(30)를 통해 R-TMA(20)에 조사된다. R-TMA(20)의 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 신호에 따라서 광선을 변조한다. 그 결과, R-TMA(20)에 의해 변조된 적색광은 다시 R-필드렌즈(30)를 통해 제1 다이크로익 필터(17)로 조사된 후, 그것에 의해 반사되어 프로젝션 스톱(15)을 향한다. 프로젝션 스톱(15)의 개구를 통과한 적색광은 프로젝션 렌즈(16)로 입사된다.

한편, 제1 다이크로익 필터(17)를 투과한 녹색광 및 청색광은, 제2 다이크로익 필터(18)에 의해 청색광이 반사되고 녹색광이 투과된다. 제2 다이크로익 필터(18)에 의해 반사된 청색광은 B-필드렌즈(32)를 통해 B-TMA(22)에 조사된다. B-TMA(22)의 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 신호에 따라서 광선을 변조한다. 그 결과, B-TMA(22)에 의해 변조된 청색광은 다시 B-필드렌즈(32)를 통해 제2 다이크로익 필터(18)로 조사되고, 그것에 의해 반사되어 제1 다이크로익 필터(17)로 조사된다. 제1 다이크로익 필터(17)는 청색광을 그대로 투과시키므로, 투과된 청색광은 프로젝션 스톱(15)의 개구를 통과한 후 프로젝션 렌즈(16)로 입사된다.

제2 다이크로익 필터(18)를 투과한 녹색광은 G-필드렌즈(34)를 통해 G-TMA(24)에 조사된다. G-TMA(24)의 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 신호에 따라서 광선을 변조한다. 그 결과, G-TMA(24)에 의해 변조된 녹색광은 다시 G-필드렌즈(34)를 통해 제2 다이크로익 필터(18)로 조사되고, 제2 다이크로익 필터(18)를 투과하여 제1 다이크로익 필터(17)로 조사된다. 제1 다이크로익 필터(17)는 녹색광을 그대로 투과시키므로, 투과된 녹색광은 프로젝션 스톱(15)의 개구를 통과한 후 프로젝션 렌즈(16)로 입사된다.

이러한 방식으로, 프로젝션 렌즈(16)는 적색, 녹색 및 청색의 세 개의 광선을 포함하는 색광선을 스크린 상에 투사하여 그에 대응되는 컬러 화상을 표시한다.

상술한 종래의 투사형 화상표시 장치에 의하면, 광학계를 콤팩트하게 구성하기가 어려우며 광 경로가 길어 광학계의 효율이 떨어지는 단점이 있다. 또한, 화면의 밝기를 향상시키기 위해서 고출력의 램프를 사용할 경우, 조명의 균일성이 저하될 뿐만 아니라 화면에 아지랑이와 같은 흔들리는 상이 나타나는 소위, 시머링 현상이 발생하는 문제가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 고 효율의 광학계를 구현하고 조명 균일성을 향상시키며 시머링 현상을 효과적으로 제거할 수 있는 투사형 화상표시 장치를 제공하는 것이 있다.

도 1은 종래의 투사형 화상표시 장치를 나타내는 개략도이다.

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

도 3은 도 2의 장치에서 적색광 변조 영역의 확대도이다.

도 4는 도 2의 장치에서 청색광 변조 영역의 확대도이다.

도 5는 도 2의 장치에서 녹색광 변조 영역의 확대도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100 : 투사형 화상표시 장치 102 : 광원

104 : 콘덴서 렌즈 106 : 하이브리드 프리즘 시스템

107 : 프리즘 108 : 광파이프

112, 116, 124 : 다이크로익 필터

112, 118, 122 : 반사형 광변조기

124 : 프로젝션 렌즈

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 광선을 방출하기 위한 광원, 광원으로부터 방출된 광선을 균일하게 만들기 위한 광파이프(light pipe), 광파이프에 일체된 프리즘으로 구성된 하이브리드 프리즘 시스템(hybrid prism system), 프리즘에 부착되고 광선을 제1 색광선과 제2 색광선으로 분리하기 위한 제1 및 제2 다이크로익 필터, 광파이프에 부착되고 광선을 제3 색광선으로 분리하기 위한 제3 다이크로익 필터, 프리즘에 부착되고 제1 색광선과 제2 색광선을 각각 화상으로 광 변조하기 위한 제1 및 제2 반사형 광변조기, 광파이프에 부착되고 제3 색광선을 화상으로 광 변조하기 위한 제3 반사형 광변조기, 그리고 하이브리드 프리즘 시스템을 통과한 제1, 제2 및 제3 색광선을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈를 구비하는 것을 특징으로 하는 투사형 화상표시 장치를 제공한다.

본 발명은 프리즘과 광파이프의 일체형으로 구성된 하이브리드 프리즘 시스템에 의해 색 분리 및 합성을 수행함으로써 광학계를 콤팩트하게 구성할 수 있다. 또한, 하이브리드 프리즘 시스템에서 프리즘의 한 면에 두 개의 다이크로익 필터와 두 개의 반사형 광변조기를 부착하고 광파이프에 하나의 다이크로익 필터와 하나의 반사형 광변조기를 부착함으로써, 광 경로를 단축하여 고 효율의 광학계를 구현할 수 있다. 또한, 광파이프를 사용함으로써 조명의 균일성을 향상시키고 시머링 현상을 효과적으로 제거할 수 있다.

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

도 2를 참조하면, 본 발명의 투사형 화상표시 장치(100)는 광원(102), 콘덴서 렌즈(104), 하이브리드 프리즘 시스템(106) 그리고 프로젝션 렌즈(130)를 포함한다.

광선을 방출하기 위한 광원(102)은 바람직하게는 kW급의 할로겐 금속 램프로서, 화면의 밝기를 향상시키기 위해서는 많은 광량을 가진 광선들을 발생시켜 화소를 형성하여야 하므로 가능한 한 고출력의 램프를 사용한다.

콘덴서 렌즈(106)는 램프(102)로부터 방출된 광선을 평행광으로 만드는 역할을 한다.

하이브리드 프리즘 시스템(106)은 프리즘(107)과 광파이프(108)의 일체형으로 구성되며 색 분리 및 합성을 수행한다.

광파이프(108)는 광 손실을 경감시키기 위해 비집속 전송이나 반사를 이용하는 광 전송 요소로서, 빛을 보다 균일하게 분배시키기 위해 사용된다. 구체적으로, 광파이프(108)는 ① 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, ② 전반사 면을 이용하여 빛의 각도 분배를 재분배하는 변환기(scrambler)의 역할을 하며, ③ 램프의 후면에 위치한 반사경에 의해 야기되는 색 이동(color shift)을 감소시키는 역할을 한다. 또한, 본 발명의 바람직한 실시예에 의하면, 광파이프(108)의 입사면(126)과 출사면(128)을 무반사 코팅함으로써 광효율을 더욱 증가시킨다.

바람직하게는, 프리즘(107)에 램프(102)로부터 방출된 광선을 적색, 청색 또는 녹색 광선으로 분리하기 위한 두 개의 다이크로익 필터(112, 116)와 적색, 청색 또는 녹색 광선을 화상으로 광 변조하기 위한 두 개의 반사형 광변조기(114, 118)를 부착하고, 나머지 하나의 다이크로익 필터(122)와 반사형 광변조기(124)는 광파이프(108)에 부착한다. 이렇게 하면 하이브리드 프리즘 시스템(106) 내에서의 광 경로를 단축시킬 수 있어 고효율의 광학계를 구현할 수 있다.

세 개의 반사형 광변조기(114, 118, 124)는 바람직하게는, 광선을 반사시키기 위한 미러들의 어레이로 구성된 TMA 패널이다. TMA 패널(114, 118, 124)의 각각의 미러는 그 하부에 형성된 액츄에이터에 인가되는 신호에 따라 광선의 세기를 변조한다. 즉, 각각의 미러는 스크린 상에 표시되는 다수의 화소들 중에서 대응되는 하나의 화소의 세기에 상응하는 변형 크기로 변형된다.

이하. 상술한 구조를 갖는 본 발명에 따른 투사형 화상표시 장치(100)의 작동 원리를 도 2 내지 도 5를 참조하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 투사형 화상표시 장치(100)에 있어서 적색광 변조 영역(110)의 확대도이고, 도 4는 청색광 변조 영역(115)의 확대도이며, 도 5는 녹색광 변조 영역(120)의 확대도이다.

먼저, 램프(102)로부터 방출된 백색광은 콘덴서 렌즈(106)에 의해 평행광으로 만들어진 후, 하이브리드 프리즘 시스템(106)을 구성하는 광파이프(108)의 입사면(126)으로 들어간다.

광파이프(108)로 들어온 백색광(W)은 그 안에서 반사된 후 프리즘(107)에 부착된 제1 다이크로익 필터(112)에 조사된다. 제1 다이크로익 필터(112)는 녹색광(G) 및 청색광(B)을 반사시키고 적색광(R)을 투과시키는 필터이므로, 제1 다이크로익 필터(112)를 투과한 적색광(R)은 R-TMA 패널(114)에 조사된다. R-TMA 패널(114)의 각 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 적색 화상 신호에 따라서 적색광(R)을 변조한다. R-TMA 패널(114)의 각 미러로부터 반사된 적색광(R)은 광파이프(108)에 부착된 제2 다이크로익 필터(116)에 조사된다. 제2 다이크로익 필터(116)는 청색광(B)을 투과시키고 녹색광(G) 및 적색광(R)을 반사시키므로, 제2 다이크로익 필터(116)로부터 반사된 적색광(R)은 프리즘(107)에 부착된 제3 다이크로익 필터(122)에 조사된다. 제3 다이크로익 필터(122)는 적색광(R) 및 청색광(B)을 반사시키고 녹색광(G)을 투과시키므로, 이로부터 반사된 적색광(R)은 광파이프(108)의 출사면(128)을 통해 프로젝션 렌즈(130)에 입사된다.

제1 다이크로익 필터(112)로부터 반사된 녹색광(G) 및 청색광(B)은 광파이프(108) 안에서 여러 번 반사된 후 광 파이프(108)에 부착된 제2 다이크로익 필터(116)에 조사된다. 제2 다이크로익 필터(116)는 청색광(B)을 투과시키고 녹색광(G) 및 적색광(R)을 반사시키므로, 제2 다이크로익 필터(116)를 투과한 청색광(B)은 B-TMA 패널(118)에 조사된다. B-TMA 패널(118)의 각 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 청색 화상 신호에 따라서 청색광(B)을 변조한다. B-TMA 패널(118)의 각 미러로부터 반사된 청색광(B)은 프리즘(107))에 부착된 제3 다이크로익 필터(122)에 조사된다. 제3 다이크로익 필터(122)는 적색광(R) 및 청색광(B)을 반사시키고 녹색광(G)을 투과시키므로, 이로부터 반사된 청색광(B)은 광파이프(108)의 출사면(128)을 통해 프로젝션 렌즈(130)에 입사된다.

제2 다이크로익 필터(116)로부터 반사된 녹색광(G)은 프리즘(107)에 부착된 제3 다이크로익 필터(122)에 조사된다. 제3 다이크로익 필터(122)는 적색광(R) 및 청색광(B)을 반사시키고 녹색광(G)을 투과시키므로, 제3 다이크로익 필터(122)를 투과한 녹색광(G)은 G-TMA 패널(124)에 조사된다. G-TMA 패널(124)의 각 미러는 그 아래에 구비된 액츄에이터에 인가된 녹색 화상 신호에 따라서 녹색광(G)을 변조한다. G-TMA 패널(124)의 각 미러로부터 반사된 녹색광(G)은 광파이프(108)의 출사면(128)을 통해 프로젝션 렌즈(130)에 입사된다.

이러한 방식으로 프로젝션 렌즈(130)는 적색, 녹색 및 청색의 세 개의 광선을 포함하는 색광선을 스크린 상에 투사하여 그에 대응되는 컬러 화상을 표시한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 투사형 화상표시 장치에 의하면, 프리즘과 광파이프의 일체형으로 구성된 하이브리드 프리즘 시스템에 의해 색 분리 및 합성을 수행함으로써 광학계를 콤팩트하게 구성할 수 있다. 또한, 하이브리드 프리즘 시스템에서 프리즘의 한 면에 두 개의 다이크로익 필터와 두 개의 반사형 광변조기를 부착하고 광파이프에 하나의 다이크로익 필터와 하나의 반사형 광변조기를 부착함으로써, 광 경로를 단축하여 고 효율의 광학계를 구현할 수 있다. 또한, 광파이프를 사용함으로써 조명의 균일성을 향상시키고 시머링 현상을 효과적으로 제거할 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

광선을 방출하기 위한 광원(102);

상기 광원(102)으로부터 방출된 광선을 균일하게 만들기 위한 광파이프(108)와, 상기 광파이프(108)에 일체화된 프리즘(107)으로 구성된 하이브리드 프리즘 시스템(106);

상기 프리즘(107)에 부착되고 광선을 제1 색광선과 제2 색광선으로 분리하기 위한 제1 및 제2 다이크로익 필터(112, 116) 그리고 상기 광파이프(108)에 부착되고 광선을 제3 색광선으로 분리하기 위한 제3 다이크로익 필터(122);

상기 프리즘(107)에 부착되고 상기 제1 색광선과 제2 색광선을 각각 화상으로 광 변조하기 위한 제1 및 제2 반사형 광변조기(114, 118) 그리고 상기 광파이프(108)에 부착되고 상기 제3 색광선을 화상으로 광 변조하기 위한 제3 반사형 광변조기(124); 그리고

상기 하이브리드 프리즘 시스템(106)을 통과한 제1, 제2 및 제3 색광선을 스크린 상에 투사하기 위한 프로젝션 렌즈(130)를 구비하는 것을 특징으로 하는 투사형 화상표시 장치.
제1항에 있어서, 상기 세 개의 반사형 광변조기(114, 118, 124)는 박막형 미러 어레이(TMA) 패널인 것을 특징으로 하는 투사형 화상표시 장치.
제1항에 있어서, 상기 광파이프(108)의 입사면(126)과 출사면(128)은 무반사 코팅된 것을 특징으로 하는 투사형 화상표시 장치.