KR20010100724A - 마이크로 머신기술로 제작된 멀티미러 어레이의 평가계측장비 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로젝션 텔레비전의 핵심부품인 마이크로 멀티미러 어레이(Micro multi-mirror array)를 평가하는 기기에 관한 것으로, 특히 마이크로 멀티미러 어레이의 각 미러소자가 정확히 작동하는지를 검사하기 위해 여러 각도에서 레이저를 입사시킨 후, 각 미러소자가 반사하는 빛을 CCD 카메라로 획득하여 그 결과를 분석함으로써, 각 미러소자가 정상적으로 작동하는지 여부를 판단하고, 결과로서 멀티미러의 사용여부를 결정하는 멀티미러 어레이 계측장치에 관한 것이다. 마이크로 멀티미러 어레이는 프로젝션 텔레비전에 있어서, 광량의 손실이 많은 투과형의 단점을 개선하기 위해 반사형의 형태로 개발된 것으로 밝고 선명한 화질을 기대할 수 있다. 영상정보를 포함하는 빛을 멀티미러에 입사시키고 각 멀티미러의 소자로부터 반사되는 빛을 이용하여 영상을 만들면, 빛의 손실이 거의 없기 때문에 밝고 선명한 화질을 기대할 수 있다. 이때 각 멀티미러의 소자는 하나의 화소에 대응되고 각 화소의 밝기는 각 멀티미러 소자의 반사각도 혹은, 일정시간당 반사횟수를 제어하여 결정되는데, 만약 하나의 미러소자라도 제어가 불가능하면 그에 대응하는 화소는 정확한 영상을 구현할 수 없어 사용할 수 없게 된다. 따라서 각 미러소자가 정확히 작동하는지 여부를 확인하는 작업은 필수적이다.

Description

마이크로 머신 기술로 제작된 멀티미러 어레이의 평가 계측장비{.}

본 발명은 프로젝션 텔레비전의 핵심부품인 마이크로 멀티미러 어레이(Micro multi-mirror array)를 평가하는 기기에 관한 것으로, 특히 마이크로 멀티미러 어레이의 각 미러소자가 정확히 작동하는지를 검사하기 위해 여러 각도에서 레이저를 입사시킨 후, 각 미러소자가 반사하는 빛을 CCD 카메라로 획득하여 그 결과를 분석함으로써, 각 미러소자가 정상적으로 작동하는지 여부를 판단하고, 결과로서 멀티미러의 사용여부를 결정하는 멀티미러 어레이 계측장치에 관한 것이다.

텔레비전에 있어서 종래기술로는 전자 디스플레이(electronic display)의 원조격인 음극선관(CRT, cathode ray tube)을 들 수 있다. 이는 지금으로부터 약 100여년 전에 발명된 것으로, 음극선관을 채용하여 1897년에 RCA(Radio Corporation of America)에 의해서 처음으로 시연되었으며, 1929년에는 보다 실용적인 형태로 발전되었다.

그 후 제2차 세계 대전 후 1940년대 말에 영화업계와 그 당시 얼마되지 않은 텔레비전 산업계가 제휴하여 텔레비전 프로그램을 생방송으로 극장에서 상영해보려는 노력이 있었는데, 그 일환으로 큰 크기의 전자 투사 디스플레이 기술이 등장하게 되었다. 그러나 그 당시에 음극선관이 필요한 만큼의 밝기를 내지는 못하였다.

그래서 소위 광 밸브(light valve)라고 불리는 공간 빛 모듈레이터(SLM : spatial light modulator)뿐만 아니라 최신의 레이저 디스플레이(modern laser display)가 상업적인으로 출현하게 되었다.

그러나 그 당시의 광 밸브(light valve)기술은 값이 너무 비싸고 크고 무거웠으며, 디지털 혁명이 제공한 경제성과 안정성을 제대로 활용되지 못했기 때문에 특별한 목적을 제외하고는 여전히 음극선관이 널리 사용되었지만, 그 이후에도 음극선관의 본질적인 문제인 밝기 문제는 해결하지 못했다. 디스플레이 산업은 극장뿐만 아니라 강의실, 회의실, 무역박람회, 가정의 거실 등에서도 사용할 수 있는 대형스크린도 추구해왔다. 상기와 같은 요구에 따라 더 밝고 더 큰 화면을 구현하면서도 이전보다 더 가볍고 보다 값싼 디스플레이를 개발하기 위해, 독창적인 기술들이 제안되어 왔다. 이 중 음극선관의 대형 스크린의 문제점을 해결하기 위해서 액정( LCD : liquid crystal display) 기술이 대두되었다 그런데 이러한 액정 기술은 낮은 광효율과 저휘도 뿐만 아니라 열 발생이라는 치명적인 결점도 함께 가지고 있었다. 최근에는 이러한 광효율과 밝기문제를 해결하려는 노력으로 마이크로렌즈와 PBS(polarizing beam splitter)를 이용해서 밝기에 있어서는 이전보다 크게 개선되기도 하였지만, 현대와 같은 디지털 시대에 대형 스크린과 고휘도, 고해상도, 고화질에 대한 요구를 만족시킬 수 있는 디스플레이는 얼마 전까지만 해도 없었던 새로운 기술이었다.

마이크로 멀티미러 어레이는 상기에서 기술했던 종래의 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 마이크로 머신 시스템(MEMS, micro electro mechanical system) 기술이 급속도로 발전하면서 실현 가능하게 되었다. 상기 멀티어레이는 반사형으로 구현되는 것이 특징으로 디스플레이 되는 각 화소에 1:1 대응하여 작동을 한다. 이때 각 화소에 밝기는 해당 화소에 대응하는 각 미러소자의 기울기 혹은 일정시간 동안의 켜짐과 꺼짐의 횟수에 비례하게 된다. 상기의 멀티미러 어레이는액정처럼 투과형이 아니기 때문에 빛의 손실이 거의 없어, 밝기에 있어서 액정에 비해 현저한 장점을 가지고 있고, 각 미러당 빛을 이용할 수 있는 유효면적이 넓기 때문에 스크린에서 화소 사이의 이음새가 잘 드러나지 않는다. 이러한 마이크로 멀티 미러 어레이는 밝기나, 각 화소간의 간격 최소화, 대형스크린의 적합성등에 뛰어난 장점을 가지고 있는 반면 디스플레이 되는 각 화소와 미러는 1:1로 대응해야 하기 때문에 하나의 멀티미러 어레이의 갯수는, 600 x 480에서 1280x1024 까지 수백만개로 상당히 많은 갯수이다. 다행히도 상기 멀티미러 어레이는 반도체 공정과 거의 유사한 마이크로 머신 제조기법을 통해 만들기 때문에 미러소자의 개수가 아무리 많아도 별 어려움 없이 제작할 수 있으나, 제작 후 수백만개의 미러 어레이 모두가 정확히 구동하는지 검사해야 한다. 즉 디스플레이의 특성상 수백만개의 회소중 몇 개의 화소가 정확히 작동하지 않는다면, 그 디스플레이로 나타나는 영상은 사람의 눈에 부자연스럽게 보일 것이고, 결국 상기 디스플레이는 불량으로 판정나게 된다. 상기의 불량품이 완성품 단계에서 불량품으로 판정날 경우 완제품 제작에 소요되는 중간비용과 각종검사비용, 조립비용등의 손실이 발생한다. 따라서 조립하기 전에 멀티미러 어레이를 검사하여 불량 및 양품을 판별해야 한다. 그러나 멀티미러 어레이의 숫자가 수백만개 이상이고 각소자의 크기가 10 마이크론 정도로 매우작기 때문에 정확한 검사와 평가를 한다는 것은 매우 어려운 실정이다.

본 발명은 상기에서 기술한 바와 같이 멀티미러 어레이의 정확한 검사와 평가를 할 수 있는 계측기기를 제안한다. 멀티미러 어레이의 각소자는 디스플레이 되는 각 화소에 1:1 대응하여 작동을 하는데, 이때 디스플레이 각 화소에 밝기는 해당 화소에 대응하는 각 미러소자의 각도기울기 혹은 일정 각도기울기에 대해 일정시간 동안의 작동 횟수에 비례하게 된다. 도1은 멀티미러 어레이의 각 소자가 배열된 상태의 그림이며, 도2는 각 소자가 일정각도 기울어진 상태를 나타낸 것이다. 본 발명은 멀티미러 어레이의 각 소자가 각도조절을 통해 화소의 밝기를 조절한다는 것에 착안하여, 특정각도에서 멀티미러 어레이에 빛을 입사시킨 후 반사되는 빛을 판단하여 각 소자가 정확히 작동하는지를 판단한다. 따라서 본 발명은 빛의 입사각도를 바꾸기 위해 1개이상의 조명과 각도를 변화시킬 수 있는 반사거울을 채용한다. 또한 본 발명은 측정분해능을 높이기 위해 멀티미러 전체를 바둑판 모양으로 나누고, 나누어진 각 부분을 각각 측정함으로써 길이방향에 대한 측정분해능을 높인다. 따라서 상기의 측정영역의 위치를 바꾸기 위해 XY 테이블과 상기 XY 테이블을 제어하기 위한 제어부를 도입한다. 또한 본 발명은 상기 불량화소의 위치와 갯수가 결정되면, 상기 값들을 저장하고, 상기 값들을 통해 멀티미러의 불량, 양품 여부를 결정하며, 사용자가 필요에 따라 상기 값들을 통해 멀티미러 각 소자의 상태를 재확인할 수 있는 기능을 부여한다.

도 1 - 멀티미러 어레이의 각 소자가 배열된 상태를 나타낸 도면

도 2 - 각 소자가 일정각도 기울어진 상태를 나타낸 도면

도 3 - 전압을 인가하지 않은 상태(미러 수평상태)의 도면

도 4 - 회전수단(1)에 전원을 인가한 상태의 도면

도 5 - 회전수단(2)에 전원을 인가한 상태의 도면

도 6 - 계측장비의 전체 구성을 나타낸 도면

도 7 - 멀티미러의 불량 여부를 검사하는 개략도

도 8 - 계측방식의 진행을 정리한 플로우 차트를 나타낸 도면

각 계측기기의 구성과 결합관계를 기술하기 전에 멀티미러 어레이의 정상적인 작동에 대해 설명한다. 도3는 멀티미러의 단면형태로서 별도의 전압을 인가하지 않은 상태에서 미러가 수평상태를 유지하고 있는 것을 보여주고 있다. 상기 도면은 미러(4)를 좌우 일정각도로 회전시키기 위한 각도 회전수단(1)(2)이 포함되며, 상기 미러(4)은 하단 모체(5)와 힌지(3) 연결되어 있다. 상기 미러 하나는 모니터 각화소에 1:1 대응된다.

이하 미러의 정상적인 구동에 대해 설명하고, 상기의 구동이 적절하게 이루어지는지를 계측하는 계측시스템에 대해 기술한다.

미러의 기본적인 동작은 회전수단(1)에 전압을 인가하면 도4와 같이 미러는 회전수단(1)의 방향으로 일정각도 θ만큼 회전한다. 다시 회전수단(2)에 전압을 인가하면, 도5과 같이 미러는 회전수단(2)의 방향으로 일정각도 θ만큼 회전한다. 상기 동작은 1초에 수백번의 각도변화가 이루어질 수 있도록 빠르게 작동하며, 일정시간 동안 각도변화가 많을수록, 상기 미러에 1:1 대응하는 화소 빛이 밝게된다. 이외에도 각도의 양을 바꿈으로써 빛을 밝기를 조절하는 미러도 사용되고 있으나, 구성이나 사용방법은 모두 대동소이하며, 상기 2가지 멀티미러 모두 본 발명에서 제시하는 계측기기를 통해 양품 불량의 판별이 가능하다. 따라서 멀티미러의 각도변화에 대응하기 위해 반사미러의 각도도 필요에 따라 바꿀 수 있도록 구성하는 것이 바람직하며 각도변화를 위한 구체적인 내용은 생략한다. 본 발명에서는 상기 미러의 구동관계에 대해서는 본 발명의 범위에 포함하지 않으므로 상세한 설명은 생략한다.

이하 본 발명의 계측기기의 구성과 측정방법에 대해 설명한다. 도6은 본 계측기의 전체 구성을 나타낸 것으로, 멀티미러를 측정하고자 하는 영역으로 위치를 이동시키는 XY 테이블(101)과, 상기 멀티미러의 작동각도에 따라 빛의 입사각도를 조절하기 위한 장치로써, 레이저 다이오드(11)(13)와 반사미러(12)(14)로 구성되는조명수단(104)과, 상기 조명수단에 의해 멀티머러에 빛이 입사된 후, 반사되는 빛을 원하는 형태로 변환시키는 광학수단(15)과, 상기 광학수단으로부터 올라오는 영상을 획득하는 영상획득장치(16)와 영상획득보드(17)로 이루어지는 영상획득부(102)와, 상기 획득된 영상신호로부터 각 미러의 양품 불량을 결정하는 컴퓨터(18), 모터구동장치(19), 조명제어장치(20), 미러구동장치(21)로 이루어지는 제어부(103)로 구성된다.

이하 계측방법을 설명한다. 먼저 도7와 같이 회전수단(2)에 전압을 인가하면 정상적으로 작동하는 미러는 도7의 a자세를 취하게 된다. 이때 레이저 다이오드(13)을 "온"으로 하면, 레이저 빛은 반사미러(14)를 거쳐 멀티미러에 입사되고 상기 입사된 빛은 반사법칙에 따라 x 방향으로 반사되어 광학수단(15)를 거처 영상획득장치(16)에 전달된다. 이때 만약 멀티미러가 제대로 작동하지 않아 b 자세를 취하고 있다면 멀티미러로부터 반사된 빛은 y 방향으로 반사되어 광학수단에 입사하지 못할 것이며, 영상획득부는 반사되는 빛을 획득할 수 없게되고, 상기 멀티미러는 회전수단(2)에 의해 작동하지 않는 것으로 불량으로 판정된다. 마찬가지로 회전수단(1)에 전압을 인가하면 정상적으로 작동하는 미러는 도7의 b자세를 취하게 된다. 이때 레이저 다이오드(11)를 "온"으로 하면, 레이저 빛은 반사미러(12)를 거쳐 멀티미러에 입사되고 상기 입사된 빛은 반사법칙에 x 방향으로 반사되어 광학수단(15)를 거처 영상획득장치(16)에 전달된다. 이때도 역시 멀티미러가 제대로 작동하지 않아 a 자세를 취하고 있다면 멀티미러를 거쳐 반사되는 빛은 z 방향으로 반사됨으로써 광학수단(15)에 입사할 수 없으며, 영상획득장치(16)에 전달되지 않게되어, 결론적으로 상기 멀티미러는 회전수단(2)에 의해 작동하지 않기 때문에 불량으로 판정된다. 상기 멀티미러 어레이가 정상적으로 작동하면 레이저 다이오드에서 발생한 빛은 광학수단을 거쳐 영상획득 장치의 촬상소자에 맺히게 되고, 이 결과는 컴퓨터에 입력되어 어느 좌표의 미러에서 빛이 입사되었는지 확인하는 절차를 거치게 된다.

상기의 계측방식은 멀티미러 어레이에서 하나의 미러소자에 대해 제대로 작동하는지를 판단하는 방식으로, 상기 계측방식을 멀티미러 어레이의 모든 미러소자에 적용하여 각 소자의 불량여부를 확인할 수 있으며, 전체 미러소자중 몇 개의 미러소자가 불량이 되는지 파악하여 멀티미러 자체의 사용여부를 결정한다. 상기 멀티미러를 계측할 때는 측정분해능을 높이기 위해 멀티미러를 바둑판 모양의 측정영역을 나누고 각 해당영역을 1회에 측정하는데, 각 측정영역으로 멀티미러를 이동시키기 위해, 본 발명에서는 모터로 구동되는 XY 테이블을 도입한다. 도8는 상기 계측방식의 진행을 정리한 플로우 차트이다. 상기 플로우 차트에서 설명한 바와 같이 측정이 시작되면 처음 측정하고자 하는 위치로 이동하고, 도7와 같은 방식으로 각 미러소자의 정상 작동여부를 판단한 다음, XY 테이블을 구동시켜 다음 측정영영으로 이동한다. 상기 방식은 바둑판 형태로 나누어진 측정영역을 모두 측정할 때까지 지속되며 최종 측정영역이 끝나게 되면 검사를 완료한다. 멀티미러 어레이의 각 미러소자와 영상획득장치의 촬상소자의 위치 상관관계를 결정하기 위해서는 측정 시작전에 멀티미러의 특정위치를 인식시킨다, 상기 특정위치는 멀티미러 어레이의 기준이 될 만한 위치, 혹은 제작시에 별도로 기준위치를 만들어 특정위치로 사용할수 있다, 상기 인식된 특정위치로부터 각 미러소자와 영상획득장치의 촬상소자와의 위치 상관관계를 계산하여, 촬상소자에 획득되는 영상을 통해 멀티미러 어레이 각 미러소자의 불량 여부를 결정하는데 사용한다. 본 발명은 컴퓨터 프로그램에 의해 제어되기 때문에 시작버튼만 누르면 처음부터 끝까지 자동적으로 계측이 실행된다.

상기의 계측장비를 도입하여 멀티미러 어레이를 자동적을 평가하고 양품, 불량을 구분함으로써, 측정효율과 완성품에 대한 신뢰도를 높일 수 있다.

Claims (4)

1. 멀티미러 어레이의 각 미러소자에 대한 불량 양품을 판단하는 계측장치에 있어서, 계측장비는 빛을 발생하는 조명수단, 상기 빛 발생장치에서 발생한 빛을 멀티미러 어레이의 각 미러소자에 기울기에 따라 입사각도를 변화시키기 위해 상기 빛의 진행경로를 변화시키는 반사미러와, 상기 반사미러를 통해 멀티미러 어레이 각 미러소자에 입사된 빛이 입사후 반사된 빛을 모으는 광학수단과, 상기 광학수단을 통해 모아진 반사된 빛을 영상으로 획득하는 영상획득 수단과, 상기 획득된 영상을 분석하여 멀티미러 어레이 각 미러소자를 평가하는 것을 특징으로 하는 멀티미러 어레이 계측장비
2. 제 1항에 있어서, 상기 조명수단은 레이저 다이오드를 사용하고, 상기 레이저 다이오드에서 발생한 빛의 진행경로는 반사미러에 의해 변화되며, 상기 레이저 다이오드와 반사미러는 하나이상으로 구성되면서, 멀티미러 어레이의 각 미러소자의 기울기가 변함에 따라, 멀티미러 어레이 각 미러소자에 입사한 후 반사된 빛이 영상획득수단에 전달되도록 레이저 디이오드에서 발생한 빛의 진행경로를 바꿀 수 있도록 반사미러도 변하는 구조로 이루어진, 멀티미러 어레이 각 미러소자를 평가하는 것을 특징으로 하는 멀티미러 어레이 계측장비
3. 제1항 및 제2항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 멀티미러 어레이의 측정영역을 나누어, 한번에 측정할 수 있는 영역으로 나누어 측정하고, 상기 측정영역으로 이동하기 위한 XY 테이블을 구비하는 구조로 이루어진, 멀티미러 어레이 각 미러소자를 평가하는 것을 특징으로 하는 멀티미러 어레이 계측장비
4. 제3항에 있어서, 상기 영상획득장치의 촬상면에 결상된 영상은 영상획득보드를 통하여 컴퓨터에 전달되고, 멀티미러 어레이의 각 미러소자의 영상좌표와 XY 테이블의 좌표값으로부터 상기 미러소자의 위치를 검출하고, 한 측정영역의 측정이 완료되면 상기 XY테이블을 이용하여 다음 측정영역으로 이송하여 다음 측정영역을 검사하고, 상기 일련의 과정을 멀티미러 어레이 전체 영역이 완료될 때까지 수행하는 구조로 이루어진 멀티미러 어레이 각 미러소자를 평가하는 것을 특징으로 하는 멀티미러 어레이 계측장비