KR20050010545A - 프로젝션 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로젝션 시스템에 관한 것으로, 특히 레이저 프로젝션 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 적,녹,청색의 광을 생성하는 각각의 레이저 광원과, 상기 적,녹,청색의 광을 이용하여 해당 색의 영상을 표시하는 영상표시소자와, 상기 각 색의 영상을 확대 투사하는 제 1 투사렌즈계와, 상기 투사된 각 색의 영상을 합성하는 프리즘과, 상기 합성된 영상을 확대 투사하는 제 2 투사렌즈계와, 상기 확대 투사된 영상을 결상시키는 스크린으로 구성되어, 이러한 구성에 따른 프로젝션 시스템은 투사 거리가 짧아 시스템을 컴팩트하게 구성하게 되고, 광원으로 레이저를 사용함으로써 색순도를 높여 자연색을 구현하는 효과가 있다.

Description

프로젝션 시스템{Projection system}

본 발명은 프로젝션 시스템에 관한 것으로, 특히 프로젝션 시스템의 크기를 줄이고, 밝고 선명한 자연색을 표시하게 하는 레이저 프로젝션 시스템에 관한 것이다.

프로젝션 시스템은 작은 화면을 확대 투사하여 대형 화면을 표시하는 것으로 투사 표시 장치 시스템(Projection Display System)이라고도 한다.

상기 투사 표시 장치의 대표적인 것이 램프와 LCD를 사용하는 LCD 프로젝션 시스템이다.

도 1은 상기 LCD 프로젝션 시스템의 기본적인 구성을 나타낸 도면이다.

도 1과 같이, 일반적인 LCD 프로젝션 시스템은 램프(101)에서 발생된 빛이 반사경(미도시)에 의해 한쪽 방향으로 모아져 진행하게 되고, Red 필터(filter)(102)에 의해 적색 광은 투과하고, 녹색, 청색 광은 반사하게 된다. 상기 적색 광은 Red 미러(mirror)(103)에 의해 반사되어 Red LCD(107)에 조사된다. 상기 Red 필터(102)에서 반사된 녹색, 청색 광은 Blue 필터(104)에 의해 녹색 광은 반사하여 Green LCD(108)에 조사되고 청색 광은 투과된다. 상기 투과된 청색 광은 제 1 Blue 미러(105)와 제 2 Blue 미러(106)에 의해 반사되어 Blue LCD(109)에 조사된다.

상기 각각의 R,G,B LCD(107,108,109)는 전기적 신호에 의해 각각의 컬러에대한 영상을 표시하고 각 컬러의 영상은 프리즘(110)에 의해 합성되어 진행한다. 상기 합성된 컬러 영상은 투사광학계(111)에 의해 확대되어 스크린(112)에 투사되고, 투사된 영상을 사용자가 감상하게 된다.

이러한 방식은 램프로부터 나오는 광을 다수개의 컬러 필터를 써서 색을 분리한 후 다시 합성해야 하므로 컬러 영상을 구성하는 적,녹,청 각 색의 광량 비율을 램프에 따라 조절해야 하는 문제가 있다.

이를 LCD 프로젝션 시스템에 사용하는 램프의 스펙트럼을 나타낸 도 2를 통해 설명하면 다음과 같다.

도 2와 같이, 램프의 스펙트럼 중 적,녹,청색에 해당하는 일부 영역의 광을 사용하게 된다. 상기 적,녹,청색을 구현하는 광의 파장 영역이 전체 스펙트럼 영역 중에서 차지하는 비중이 넓은 편이고, 이 중 녹색 영역의 광량이 상대적으로 많으며 청색과 적색 영역의 광량이 작다.

특히, 시감도가 가장 작은 청색 영역이 작아서 가장 어두운 색영역이 생긴다. 때문에, 입력 영상 신호에 해당하는 컬러 영상을 구현하기 위해서는 가장 작은 광량을 가진 청색 광량에 맞춰서 녹색, 적색 광량을 줄여 화이트 밸런스(White balance)를 맞추게 된다.

이러한 방법은 램프의 광 중 일부분만을 사용하고, 화이트 밸런스를 맞추기 위해 특정색의 광량을 줄여야 하므로 광 이용 효율이 낮은 문제점이 있다.

또한, 색을 표현하는 파장 영역이 넓어 자연색에 가까운 순색을 표현하기 어려운 문제도 있다.

한편, 표시소자로서 상기 LCD 대신 반사형 표시 소자인 DMD(Digital Micromirror Device)를 사용하는 경우가 있다.

상기 DMD는 LCD보다 응답속도가 빠르고 높은 컨트라스트(contrast)를 구현하며 반사율이 높아 밝고 자연스러운 영상을 구현할 수 있어 최근 각광받고 있는 소자이다.

이러한 DMD는 반도체 공정을 통해 수십만에서 수백만개의 마이크로 미러를 어레이로 형성한 장치로서, 각 미러에 인가되는 전압으로 미러의 각도를 제어하여 각 픽셀의 영상정보를 제어하게 된다.

도 3은 상기 DMD를 이용한 프로젝션 시스템의 구성을 나타낸 도면이다.

도 3과 같이, DMD를 이용한 프로젝션 시스템은, 램프(301)에서 발광된 광은 반사경(미도시)에 의해 한쪽 방향으로 모아져 진행하게 되고, 내부 전반사(TIR : Total Internal Reflection) 프리즘(302)을 통해 전반사되어 경로가 꺽어져 진행한다. 진행하는 광은 Blue 프리즘(303)을 지나면서 청색 광은 전반사되어 진행하고, 적색과 녹색 광은 투과된다. 상기 전반사된 청색 광은 Blue DMD(306)에 조사된다.

상기 Blue 프리즘(303)을 투과한 적색과 녹색 광은 Red 프리즘(304)에서 적색 광은 전반사되고 녹색 광은 투과된다. 상기 전반사된 적색 광은 Red DMD(307)에 조사되고, 투과된 녹색 광은 Green 프리즘(305)을 통해 Green DMD(308)에 조사된다.

각각의 R,G,B DMD(306,307,308)에서는 해당하는 색의 영상 신호에 의해 영상을 표시하고 조명광을 미세 조절된 반사각에 의해 정해진 방향으로 반사시킨다.

상기 각각의 DMD(306,307,308)에서 구현된 영상은 각각의 프리즘(303,304,305)을 진행하면서 합성되고, 내부 전반사 프리즘(302)을 투과하여 진행한다.

상기 내부 전반사 프리즘(302)을 투과한 합성된 컬러 영상은 투사렌즈(309)에 의해 확대 투사되어 스크린(310)에 결상된다.

이와 같은 시스템은 표시소자인 DMD와 투사렌즈 사이에 많은 프리즘이 배치되어 광학적 거리가 매우 길어지게 되고, 결국 투사렌즈의 전체 길이가 길어지게 된다. 이는, 시스템의 크기를 크게 하고, 투사렌즈의 성능이 저하되는 문제점으로 나타난다.

따라서, 본 발명의 목적은 앞서 설명한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 프로젝션 시스템의 투사 거리를 짧게 하여 시스템의 크기를 줄이고, 광원으로 레이저를 사용하여 색순도를 높여 자연색을 구현하는 프로젝션 시스템을 구성하는 방법을 제공하는데 있다.

도 1은 종래 기술에 따른 LCD 프로젝션 시스템을 나타낸 구성도

도 2는 종래 LCD 프로젝션 시스템의 광원 램프 스펙트럼을 나타낸 도면

도 3은 종래 기술에 따른 DMD 프로젝션 시스템을 나타낸 구성도

도 4는 본 발명에 따른 레이저 프로젝션 시스템을 나타낸 구성도

도 5는 본 발명에 따른 레이저 프로젝션 시스템의 X-cube 프리즘에 의한 색 합성 방식을 나타낸 도면

도 6은 본 발명에 따른 투사렌즈의 구성 및 후초점 거리 관계를 나타낸 도면

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

401 : R 레이저 402 : G 레이저

403 : B 레이저 404 : R 전반사 프리즘

405 : G 전반사 프리즘 406 : B 전반사프리즘

407 : R DMD 408 : G DMD

409 : B DMD 410 : 제 1 투사렌즈계

411 : 제 2 투사렌즈계 412 : 제 3 투사렌즈계

413 : 제 4 투사렌즈계 414 : X-cube 프리즘

415 : 스크린

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 프로젝션 시스템은 적,녹,청색의 광을 생성하는 각각의 레이저 광원과, 상기 적,녹,청색의 광을 이용하여 해당 색의 영상을 표시하는 영상표시소자와, 상기 각 색의 영상을 확대 투사하는 제 1 투사렌즈계와, 상기 투사된 각 색의 영상을 합성하는 프리즘과, 상기 합성된 영상을 확대 투사하는 제 2 투사렌즈계와, 상기 확대 투사된 영상을 결상시키는 스크린으로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 제 1 투사렌즈계는 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성됨을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.

이하 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 4는 본 발명에 따른 레이저 프로젝션 시스템을 나타낸 도면이다.

도 4와 같이, 레이저 프로젝션 시스템은 R,G,B 레이저 광원(401,402,403)과, 상기 레이저 광원(401,402,403)에서 발생한 레이저 광을 전반사 시키는 R,G,B 전반사 프리즘(404,405,406)과, 상기 전반사된 R,G,B 조명광을 해당 색의 영상 신호에 의해 광량을 조절하여 특정 각도로 반사시켜 영상을 표시하는 R,G,B DMD(407,408,409)와, 상기 각 R,G,B DMD(407,408,409) 전면에 위치한 제 1,2,3 투사렌즈계(410,411,412)와, 상기 각 R,G,B DMD(407,408,409)에서 구현된 영상을 합성하는 X-cube 프리즘(414)과, 영상을 확대 투사하는 제 4 투사렌즈계(413)와, 투사된 영상을 결상하는 스크린(415)으로 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 레이저 프로젝션 시스템의 동작 원리는 다음과 같다.

상기 광원인 R,G,B 레이저(401,402,403)에서 각각 적색, 녹색, 청색의 레이저 광이 출사된다. 상기 출사된 R,G,B 레이저 광은 각각 R,G,B 전반사 프리즘(404,405,406)에 입사된다. 상기 입사된 레이저 광은 상기 R,G,B 전반사 프리즘(404,405,406)의 특정 각도로 이루어진 반사면을 통해 전반사를 일으켜 각R,G,B DMD(407,408,409)에 조사된다.

상기 R,G,B DMD(407,408,409)에 조사된 광은 해당 색의 영상 신호에 의해 픽셀별로 광량이 조절되어 영상을 구현하고 특정한 각도로 광을 반사시킨다. 상기 반사된 영상은 전반사 프리즘(404,405,406)을 투과하여 진행하고, 상기 투과하여 진행된 영상은 각각 제 1,2,3 투사렌즈계(410,411,412)를 투과하여 X-cube 프리즘(414)에 수직하게 입사하여 합성된다.

이러한 합성 과정을 좀 더 자세히 알아보기 위해 첨부한 도 5를 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 5와 같이, X-cube 프리즘(414)에 입사된 적색 광(501)은 내부의 R 반사면(504)에서 반사되어 진행한다. 또한, 청색 광(502)은 상기 X-cube 프리즘(414) 내부의 B 반사면(505)에서 반사되어 진행한다. 한편, 녹색 광(503)은 상기 X-cube 프리즘(414) 내부의 반사면에 반사되지 않고 그대로 투과하여 진행한다.

이처럼 상기 X-cube 프리즘(414)을 출사한 적,녹,청색의 광은 합성되어 백색 광(506)이 되어 진행한다.

다시 도 4의 구성으로 돌아와서, 상기 X-cube 프리즘(414)에서 합성된 컬러 영상은 제 4 투사렌즈계(413)에 의해 확대 투사되어 스크린(415)에 결상된다.

상기 제 1,2,3 투사렌즈계(410,411,412)는 1개의 렌즈 또는 1개 이상의 렌즈들로 구성되고, 제 4 투사렌즈계(413)와의 광학 파워 분배에 의해 결정된다.

이와 같이, 프로젝션 시스템의 광원으로 레이저 광을 사용하면 자연색에 가까운 순색을 표시하게 되고, 특정 색의 광량에 따라 적,녹,청색의 광량을 조절해야할 필요가 없어 광 이용 효율이 높아진다. 또한, 백색 광을 적,녹,청색의 광으로 분리할 필요가 없으므로 광 분리 수단이 필요 없게 되고, 고압의 내부 구성과 고전압 구동으로 폭발의 위험 및 수명이 짧았던 램프의 문제점을 해결하게 된다.

또한, 제 1,2,3 투사렌즈계(410,411,412)를 사용함으로써, 투사 거리를 짧게 하고, 프로젝션 시스템을 컴팩트(compact)하게 구성하게 하며, 영상의 화질을 향상시키게 된다.

상기 제 1,2,3 투사렌즈계를 사용하여 프로젝션의 성능이 좋아지는 것을 도 6을 통해 자세히 설명하면 다음과 같다.

도 6은 본 발명에 따른 투사렌즈의 구성 및 후초점 거리 관계를 나타낸 도면이다. 이 중, 도 6의 (a)는 프리즘이 포함되지 않은 투사렌즈계를 나타내었고, 이와 비교를 위해 프리즘이 포함된 투사렌즈계를 도 6의 (b)에 도시하였다.(설명의 편의를 위해 프로젝션 시스템의 일부분인 녹색 광 경로를 예로 들었다)

도 6의 (a)와 같이, DMD(601)와 투사렌즈계(604) 사이에 전반사 프리즘(602)과 X-cube 프리즘(603)이 배치하게 되어 후조점 거리 BFL1(Back Focal Length)이 매우 길게 된다. 그에 대응하여 투사거리 TCL1(Total Conjugation Length)은 투사렌즈의 배율에 비례하여 길어지게 된다.

이를 자세히 설명하면 다음과 같다.

상기 투사렌즈계(604)는 DMD(601)의 영상을 스크린(605)에 확대 투사시키는 역할을 한다. 상기 DMD(601)의 크기와 스크린(605)의 크기가 정해지면 투사렌즈의배율이 정해지게 되는데, 이 때 상기 투사렌즈계(604)의 배율이 일정하게 고정되면, DMD(601)에서 투사렌즈(604)계까지의 거리가 길어질수록 투사거리는 길어지게 된다.

즉, DMD(601)에서 투사렌즈계(604)의 첫 렌즈면까지의 거리인 후초점 거리 BFL1가 커지면 투사거리 TCL1이 배율에 비례하여 커지게 되는 것이다.

이 때문에, 투사거리가 매우 길어 전체 프로젝션 시스템의 크기가 매우 커지게 된다. 또한 투사렌즈계(604)의 초점거리에 대한 후초점 거리(BFL1)의 비인 리트로 비(retro ratio)가 매우 크게되어, 상기 투사렌즈(604)계의 성능이 저하되고 결국 스크린(605)에 결상된 영상의 화질 저하를 가져오게 되는 것이다.

따라서, 도 6의 (b)와 같이, 전반사 프리즘(602)과 X-cube 프리즘(603) 사이에 제 2 투사렌즈계(606)를 배치시켜 프로젝션 시스템의 투사가 제 2 투사렌즈계(606)부터 시작하도록 함으로써, 후초점 거리 BFL2를 매우 줄이게 된다.

또한, 제 4 투사렌즈계(607)에서 스크린(605)까지의 거리인 투사거리 TCL2는 투사렌즈의 배율에 비례하여 짧아지게 된다.

결국, 투사거리를 짧게 하여 전체 프로젝션 시스템을 컴팩트하게 구성하게 되고, 투사렌즈의 리트로 비를 줄여 투사렌즈의 성능을 개선함으로써 스크린에 결상된 영상의 화질을 향상시키는 것이다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 프로젝션 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 광원으로 레이저를 사용하여 색순도를 높이고, 자연색의 선명한 컬러 영상을 구현하는 효과가 있다.

둘째, 투사렌즈의 후초점 거리를 줄여 투사거리를 짧게 함으로써 프로젝션 시스템의 크기를 컴팩트하게 구성하는 효과가 있다.

셋째, 광원의 광 이용 효율을 증가시키고, 밝고 선명한 고화질의 영상을 구현하는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (2)

1. 적,녹,청색의 광을 생성하는 각각의 레이저 광원과,

   상기 적,녹,청색의 광을 이용하여 해당 색의 영상을 표시하는 영상표시소자와,

   상기 각 색의 영상을 확대 투사하는 제 1 투사렌즈계와,

   상기 투사된 각 색의 영상을 합성하는 프리즘과,

   상기 합성된 영상을 확대 투사하는 제 2 투사렌즈계와,

   상기 확대 투사된 영상을 결상시키는 스크린으로 구성됨을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 제 1 투사렌즈계는 적어도 하나 이상의 렌즈로 구성됨을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.