KR20050038348A

KR20050038348A - Small projector using point light source

Info

Publication number: KR20050038348A
Application number: KR1020030073629A
Authority: KR
Inventors: 박순영; 정병주
Original assignee: 박순영; 정병주
Priority date: 2003-10-22
Filing date: 2003-10-22
Publication date: 2005-04-27

Abstract

본 발명은 점광원을 이용한 소형 프로젝션 디스플레이 장치에 관한 것이다. 특히 상하 좌우 스캔용 장치에 고속 동작이 가능한 바이모프 구동형 회전 미러와 바이모프 사이에 설치된 광섬유의 조합으로 소형이면서 해상도가 높은 디스플레이를 구현하도록하는 장치에 관한 것이다. 여기에 광섬유의 광결합기를 이용하여 RGB 광신호를 하나의 광섬유에 결합함으로써 스캐닝의 동작을 단순화시켜 보다 더 소형화를 쉽게 달성하게 한다. 또한 본 발명은 반사라인을 회전의 중심에 구성함으로써 반사각의 비선형성을 최소화하고, 고속 주사부의 펄스폭 제어에 의해서 화면의 왜곡을 보정하는 방법을 제공한다. The present invention relates to a small projection display device using a point light source. In particular, the present invention relates to a device for realizing a small size and high resolution display by using a combination of a bimorph driven rotary mirror capable of high speed operation in a vertical scanning device and a biaxial fiber. In addition, the optical coupler of the optical fiber combines the RGB optical signal into one optical fiber, simplifying the operation of scanning, making it easier to achieve further miniaturization. The present invention also provides a method of minimizing nonlinearity of the reflection angle by configuring the reflection line at the center of rotation, and correcting the distortion of the screen by controlling the pulse width of the high-speed scan unit.

Description

Small projector using point light source}

본 발명은 점광원을 이용한 프로젝션 디스플레이 장치에 관한 것이다. 특히 고속 진동이 가능한 압전 바이모프를 이용하여 고밀도 고해상도의 화상을 실현할 수 있는 점광원을 이용한 소형 디스플레이 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a projection display apparatus using a point light source. In particular, the present invention relates to a small display device using a point light source capable of realizing a high-density, high-resolution image using a piezoelectric bimorph capable of high-speed vibration.

현재 많은 종류의 디스플레이 장치가 개발되어지고 있다. 그 중에 스캐닝 리니어 어레이 형태의 표시장치(선형표시장치)는 사용자의 시야 환경을 효과적으로 제어할 수 있어서 많은 연구가 이루어지고 있다. 종래의 선형 표시장치는 발광다이오드 어레이, 혹은 라인 광섬유 어레이로 구성되는 라인이미지 발생부와 라인이미지를 집속하는 렌즈와 집속된 라인 이미지를 스캐닝하여 2차원 화상을 만들었다.Many kinds of display devices are currently being developed. Among them, a display device (linear display device) in the form of a scanning linear array can effectively control the viewing environment of a user, and much research has been made. In the conventional linear display device, a two-dimensional image is formed by scanning a line image generating unit consisting of a light emitting diode array or a line optical fiber array, a lens that focuses a line image, and a focused line image.

상기의 라인이미지 발생부는 높은 해상도를 달성하기 위해서 많은 수의 다이오드가 필요하게 되고, 이것은 가격의 상승과 전원의 불필요한 낭비의 요인이 되고, 부대장비의 추가로 인해 소형화에 걸림돌로 작용을 하게 된다. The line image generator needs a large number of diodes in order to achieve high resolution, which is a factor of an increase in price and unnecessary waste of power, and an obstacle to miniaturization due to the addition of additional equipment.

이와같은 문제점을 해결하기 위해서 점광원을 이용한 디스플레이 장치가 등장하게 되었다. 바이모프를 이용한 2차원 영상을 생성하는 기술로는 미국특허 5,295,014 "PVDF 바이모프를 이용한 2차원 레이저 스캐너"에서 제시한 것이 도1에 묘사되어 있다. 바이모프에 의한 좌우 진동과 상하 진동의 조합으로 점광원을 2차원으로 만들어 준다. 그러나 고속진동부는 초당 15KHz이상의 진동수가 필요하게 되고 거울을 진동시킬 경우 기계적인 공진 현상의 발생 등으로 정밀한 제어에 문제점이 있게 된다. 또한 반사라인의 이동으로 상의 왜곡이 발생할 수 있는 문제점을 갖고 있다. In order to solve this problem, a display device using a point light source has emerged. A technique for generating a two-dimensional image using bimorphs is described in US Patent 5,295,014 "A Two-Dimensional Laser Scanner Using PVDF Bimorphs". The combination of the left and right vibrations by the bimorph and the up and down vibrations makes the point light source two-dimensional. However, the high-speed vibrator requires a frequency of more than 15KHz per second and there is a problem in precise control due to the occurrence of mechanical resonance phenomenon when vibrating the mirror. In addition, there is a problem that image distortion may occur due to the movement of the reflection line.

광섬유 광학을 이용한 2차원 영상을 생성하는 기술로는 미국특허 5,727,098 "Oscillating Fibr Optic Display and Imager"에서 제시한 것이 도2에 묘사되어 있다. 광섬유의 끝부분에 바이모프를 붙여서 상하 좌우로 진동을 시켜준다. 다른형태로는 전기적인 모터(갈바노모터)를 사용하여 상하 좌우로 고속 진동을 시켜주는 방법이 제시되어 있다. 이와같은 경우 바이모프를 광섬유에 부착한 경우에 한축의 진동을 다른 하나의 축이 방해를 하게 되고 원활한 진동이 일어나지 못하는 문제점이 있다. 또한 고속진동을 방해하게 된다. 또한 제어 전압에 비례한 선형 변형이 되지못해서 제어에 문제점이 생긴다.As a technique for generating a two-dimensional image using optical fiber optics, the technology presented in US Patent 5,727,098 "Oscillating Fibr Optic Display and Imager" is depicted in FIG. Bimorph is attached to the end of the optical fiber to vibrate up and down and left and right. In another form, a method of causing high-speed vibration in up, down, left, and right using an electric motor (galvano motor) is proposed. In this case, when the bimorph is attached to the optical fiber, there is a problem that one axis interferes with another axis and smooth vibration does not occur. It also interferes with high speed vibration. Also, the linear deformation in proportion to the control voltage is not available, which causes problems in control.

2축성 진동 거울을 사용한 방법으로는 대한민국특허 등록번호 10-0258673 "점광원을 이용한 소형 디스플레이 장치"가 제안되어져 있다. 그러나 거울 구동장치로 제안된 부분이 기계적인 복잡성을 갖고 있어서 고속의 기계적 진동에 문제점을 노출하고 있다.As a method using a biaxial vibrating mirror, Korean Patent Registration No. 10-0258673 has been proposed, "Small display device using a point light source." However, the part proposed as the mirror driving device has mechanical complexity, which exposes a problem to high speed mechanical vibration.

LED 어레이를 이용하고 로테이팅 미러 스캐닝을 이용한 2차원 디스플레이에서의 비선형성 문제를 해결하기 위해 대한민국 실용신안 출원번호 10-2001-0003243 "마이크로 디스플레이용 로테이팅 미러 스캐닝 구동 장치"에서 가변 클럭신호에 의해 LED 어레이의 발광 시간을 조정해 주는 방법을 제시하였다. 그러나 고정된 LED 어레이를 사용한 방법의 한계성때문에 많은 제한이 따른다.In order to solve the problem of nonlinearity in a two-dimensional display using an LED array and rotating mirror scanning, Korean Utility Model Application No. 10-2001-0003243 uses a variable clock signal in a "rotating mirror scanning driving apparatus for a micro display". A method of adjusting the light emitting time of an LED array has been presented. However, there are many limitations due to the limitations of the method with fixed LED arrays.

본 발명의 목적은 점광원을 이용하여 2차원 영상을 구현하게 하기 위한 장치를 만드는데 있다. 이와같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 고속 진동이 가능한 압전 바이모프를 쌍으로 사용하여 고속정밀 진동 제어가 가능한 구조를 제시한다. 또한 광섬유 광학과 반사 광학을 결합하여 왜곡이 최소화된 소형의 디스플레이를 만든다.An object of the present invention is to make an apparatus for realizing a two-dimensional image using a point light source. In order to achieve the above object, the present invention proposes a structure capable of controlling high-speed precision vibration by using a pair of piezoelectric bimorphs capable of high-speed vibration. It also combines fiber optic and reflective optics to create a compact display with minimal distortion.

본 발명은 점광원을 이용하여 소형 프로젝션 디스플레이를 구성하기 위한 것으로써 본 발명의 내용을 도면을 참조하면서 상세히 설명한다.The present invention is to configure a small projection display using a point light source, the contents of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도3은 미국 MSI사의 피에조 필름으로 구성한 바이모프에 대한 설명도로써 DC전압을 가했을때의 변위와 구동력을 표시한 것이다. 수식은 다음과 같다.Figure 3 is an explanatory diagram of a bimorph composed of a piezo film of MSI of the United States showing the displacement and driving force when applying a DC voltage. The formula is as follows.

△x = 3/4d₃₁₍l²/t²)V Meter△ x = 3 / 4d _{31 (} l ² / t ² ) V Meter

F = 3/2Ywd₃₁(t/l)V NewtonF = 3 / 2Ywd ₃₁ (t / l) V Newton

△x 는 DC전원에서의 변위, F 는 발생되는 힘, Δx is the displacement in DC power supply, F is the generated force,

d₃₁은 l방향의 Piezoelectric coefficientd ₃₁ is Piezoelectric coefficient in l direction

l,t,w는 피에조필름의 길이와 두께와 폭이고, V는 필름에 가해지는 전위, l, t, w are the length, thickness and width of the piezo film, V is the potential applied to the film,

Y는 피에조필름의 Young's Modulus로 2 X 10⁹N/m² 이다.Y is Young's Modulus of piezofilm and is 2 X 10 ⁹ N / m ² .

DC전압의 경우 변위는 바이어스된 전위에 비례한다. 그러나 실제의 사용의 경우에는 고속의 AC전압을 이용한다. 이 경우 제어의 불확실한 요소가 발생하게 되어 정상적인 제어가 어려워진다. 이와같은 문제를 발생하지 않게 하기 위하여 바이모프(10)를 2조를 준비하여 그 사이에 구동시킬 축요소를 넣어서 각각을 대향시켜서 구동전압에 대한 즉응성을 높여주는 방법을 사용한다.In the case of DC voltage, the displacement is proportional to the biased potential. In actual use, however, high-speed AC voltages are used. In this case, uncertainty of control occurs, which makes normal control difficult. In order to prevent such a problem from occurring, two pairs of bimorphs (10) are prepared and a shaft element to be driven therebetween is used to face each other so as to increase the instantaneous response to the driving voltage.

도4는 본 발명의 일실시예에 대한 사시도이다. 변조된 각 화소 신호가 광섬유(120)에 순서대로 도입이 된다. 광섬유(121)는 위쪽의 바이모프(110)과 아랫쪽의 바이모프(111)사이에 마찰계수가 거의 없는 상태로 배치되어져 있다. 이 바이모프(110, 111)에 구동전원이 공급이 되어지면 극성에 맞춰서 상하 진동이 일어나게 된다. 표준 디스플레이 신호가 적용될 경우 여기에서 공급되는 구동 전원은 수직동기 신호에 타이밍이 맞춰져 있어서 30Hz의 주기로 진동을 한다. 디스플레이에서 수평 라인부의 생성에는 30Khz 정도의 고속 진동이 필요하다. 피에조 필름으로 구성된 바이모프는 이와같은 고속진동이 가능하다. 본 발명에서는 불필요한 기계적인 진동 요인을 최소화시키기 위해서 소형 원통을 반으로 잘라서 구성된 거울(140)을 회전부의 중심에 위치하게 하고 날개부(150)에 고정한다. 우측의 바이모프(130)이 날개부(150)을 밀게 되면 거울(140)은 시계 방향으로 회전하게 되고, 좌측의 바이모프(131)이 날개부(150)를 밀게 되면 거울(140)은 시계 반대방향으로 회전을 하게된다. 두개의 바이모프(130,131)에 동시에 구동전원을 가하여 구동시킴으로써 여진을 방지하고, 히스테리시스를 최소화할 수가 있다. 이와같이 거울은 고속 진동을 하면서 수평 이미지 라인을 형성하고, 광섬유는 수직으로 진동하면서 2차원 화면을 형성함으로써 고해상도의 2차원 영상을 만들 수가 있다.Figure 4 is a perspective view of one embodiment of the present invention. Each modulated pixel signal is introduced into the optical fiber 120 in order. The optical fiber 121 is disposed between the upper bimorph 110 and the lower bimorph 111 with almost no coefficient of friction. When the driving power is supplied to the bimorphs 110 and 111, vertical vibration occurs according to the polarity. When a standard display signal is applied, the driving power supplied here oscillates at a frequency of 30 Hz because the timing is synchronized with the vertical synchronization signal. The generation of horizontal lines in the display requires high-speed vibration of about 30 kHz. Bimorphs composed of piezo films are capable of such high-speed vibrations. In the present invention, in order to minimize unnecessary mechanical vibration factors, the mirror 140 formed by cutting a small cylinder in half is positioned at the center of the rotating part and fixed to the wing part 150. When the bimorph 130 on the right pushes the wing 150, the mirror 140 rotates clockwise. When the bimorph 131 on the left pushes the wing 150, the mirror 140 watches. Rotate in the opposite direction. By applying driving power to two bimorphs 130 and 131 at the same time, excitation can be prevented and hysteresis can be minimized. In this way, the mirror forms a horizontal image line while vibrating at high speed, and the optical fiber vibrates vertically to form a two-dimensional screen, thereby making a high resolution two-dimensional image.

도5는 본 발명의 또다른 실시예에 대한 사시도로써 바이모프(210) 사이에 광섬유(220)을 끼우고 30KHz 정도의 고속진동을 하게 하여 수평 이미지라인을 형성한다. 광섬유 자체의 기계적인 특성을 없애고 제어를 하기 위해서는 본 발명에서 제시하는 샌드위치형이 가장 적합하다. 수직 이미지 라인을 형성하기 위해서 광섬유(221)과 바이모프(210)이 고정되는 지지대(240)을 준비하고 이 지지대(240)는 베이스(200)에 대하여 회전 진동이 가능하게 한다. 좌측의 바이모프(231)에 구동전원이 가해지면 지지대(240)은 시계 방향으로 회전하면서 수직으로 이미지를 형성해 나간다. 우측의 바이모프(230)는 반시계방향으로 회전시키면서 수직이미지를 형성해 나간다. 구동전원을 상보적으로 조합함으로써 기계적인 히스테리시스가 최소화된 구동부가 형성된다.Figure 5 is a perspective view of another embodiment of the present invention sandwiching the optical fiber 220 between the bimorph (210) and the high-speed vibration of about 30KHz to form a horizontal image line. In order to eliminate the mechanical properties of the optical fiber itself and to control the sandwich type proposed in the present invention is most suitable. In order to form a vertical image line, a support 240 on which the optical fiber 221 and the bimorph 210 are fixed is prepared, and the support 240 enables rotational vibration with respect to the base 200. When the driving power is applied to the bimorph 231 on the left side, the support 240 rotates clockwise to form an image vertically. The bimorph 230 on the right side forms a vertical image while rotating counterclockwise. Complementary combinations of drive power supplies a drive with minimal mechanical hysteresis.

도6은 도4의 구성에 광섬유 대신에 직접 소형 점광원 생성부를 넣어서 구성된 소형 프로젝터의 일실시예이다. 수평이미지라인은 바이모프(330,331)에 의해 고속 구동하는 거울(350)으로 형성하고, 점광원 발생기(320)을 수직 구동부에 삽입하여 수직이미지를 만든다. 기계적 진동을 제어할 수 있는 초소형 점광원발생기의 경우에는 바이모프(310,311)에 의하여 구동을 하고, 기계적진동을 제어하기 어려운 경우에는 DC모터나 갈바노모터, 마그네틱 진동자를 사용할 수 있다.FIG. 6 is an embodiment of a compact projector configured by directly inserting a small point light source generating unit instead of an optical fiber in the configuration of FIG. The horizontal image line is formed as a mirror 350 which is driven at a high speed by the bimorphs 330 and 331, and the point light source generator 320 is inserted into the vertical drive unit to form a vertical image. The micro point light source generator capable of controlling mechanical vibration is driven by bimorphs 310 and 311, and when it is difficult to control mechanical vibration, a DC motor, a galvano motor, or a magnetic vibrator may be used.

도7은 점광원 발생기(410)를 베이스(400)에 배치하고, 공간에 바로 방사시키는 경우에 대한 일실시예를 보인 사시도이다. 수평이미지라인을 생성하는 거울(470)과 그 거울을 고정하고 균형잡힌 회전진동이 가능하게 구성된 날개(460)과 그날개를 구동하는 바이모프(450,451)이 일체로 베이스에 설치되고, 수직이미지라인을 생성하는 거울(440)과 그 거울을 고정하고 균형잡힌 회전진동이 가능하게 구성된 날개(430)과 그 날개를 구동하는 바이모프(421,420)가 일체로 베이스(400)에 설치되어 있다. 점광원 발생기(410)에서 나온 점광선은 수직라인용 거울(440)에서 반사되어 수평라인용 거울(470)을 거쳐서 2차원 이미지를 형성하게 된다. 여기에서 점광원 발생기는 베이스(400)에 설치되지 않을 수도 있다. 형성되는 광로는 회전부의 중심라인에 구성됨으로서 수직 라인 거울(440)에서는 1점반사가 이루어지고, 수평라인 거울(470)에서는 중심선에 형성된 1라인 반사가 이루어진다. 이와같은 광로의 구성으로 화상의 반사부를 같게함으로써 상의 왜곡이 최소화된다. FIG. 7 is a perspective view illustrating an embodiment of a case in which the point light source generator 410 is disposed on the base 400 and is directly radiated to a space. A mirror 470 that generates a horizontal image line, a wing 460 configured to fix the mirror and allow balanced rotational vibration, and bimorphs 450 and 451 driving the wings are integrally installed on the base, and the vertical image line The mirror 440 and the wings 430 and the bimorphs 421 and 420 for driving the wings are fixed to the base 400 to fix the mirror and to enable balanced rotational vibration. The point light rays emitted from the point light source generator 410 are reflected by the vertical line mirror 440 to form a two-dimensional image through the horizontal line mirror 470. Here, the point light source generator may not be installed in the base 400. The light path is formed in the center line of the rotating unit, the one-point reflection is made in the vertical line mirror 440, and the one-line reflection formed in the center line is made in the horizontal line mirror 470. The distortion of the image is minimized by making the reflecting portion of the image the same with the configuration of the optical path.

도8은 회전 진동부의 구동을 보인 사시도이다. 반사용거울(470)이 날개(460) 위에 반사각에 맞춰서 고정이 되고 바이모프(450, 451)이 고정대(452)에 대해서 진동을 하게 된다. 구동 방향이 A와 B로 표시되어 있다. 8 is a perspective view showing the driving of the rotary vibration unit. The reflection mirror 470 is fixed to the angle of reflection on the wing 460 and the bimorphs 450 and 451 vibrate with respect to the holder 452. The drive direction is indicated by A and B.

점광원을 사용하여 2차원 화면을 구성하는 경우 해상도의 조절이 자유로운 장점이 있다. 또한 제어부의 구성에 의하여 형성되는 상의 조절을 가능하게한다. 또한 수평과 수직의 구동신호의 조절에 의하여 사다리꼴로 형성되는 비정상적인 상에 대한 키스톤 보정이 가능하게 된다.When configuring a two-dimensional screen using a point light source has the advantage that the resolution can be freely adjusted. It also enables the adjustment of the phase formed by the configuration of the control unit. In addition, by adjusting the horizontal and vertical driving signals, keystone correction is possible for abnormal images formed in a trapezoid.

본 발명을 활용하여 저소비전력, 소형, 저가의 디스플레이 장치를 구성함으로써 그 동안 취약했던 디스플레이 분야의 급성장이 기대된다. 자동차의 HUD, 가상키보드, HMD, 가상 마우스, 가상 리모콘 등의 많은 부분에의 활용이 기대된다.By using the present invention to configure a low power consumption, small size, low cost display device is expected to grow rapidly in the field of displays that have been vulnerable. It is expected to be used for many parts such as HUD, virtual keyboard, HMD, virtual mouse, and virtual remote controller of automobile.

특히 레이저를 이용한 광고의 분야에의 활용 영역의 확대를를 기대할 수 있다.In particular, it can be expected to expand the application area in the field of advertising using laser.

도1은 바이모프로 거울을 구동한 종래의 발명 구성도1 is a configuration diagram of a conventional invention driving a mirror with a bimorph

도2는 바이모프로 광섬유를 구동한 종래의 발명 구성도Figure 2 is a schematic diagram of a conventional invention for driving an optical fiber with a bimorph

도3은 미국 MSI사의 피에조 필름으로 구성한 바이모프에 대한 설명도 3 is an explanatory diagram of a bimorph composed of a piezo film of MSI of USA

도4는 본 발명의 일실시예에 대한 사시도Figure 4 is a perspective view of one embodiment of the present invention

도5는 본 발명의 또다른 실시예에 대한 사시도Figure 5 is a perspective view of another embodiment of the present invention

도6은 도4의 구성에 광섬유 대신에 직접 소형 점광원 생성부를 넣어서 구성된 소형 프로젝터의 일실시예에 대한 사시도FIG. 6 is a perspective view of an embodiment of a compact projector configured by directly inserting a small point light source generating unit instead of an optical fiber in the configuration of FIG.

도7은 점광선을 사용하고 2개의 직교 반사 거울을 사용한 일실시예에 대한 사시도Figure 7 is a perspective view of one embodiment using point light and using two orthogonal reflecting mirrors.

도8은 회전 진동부의 구동을 보인 사시도이다.8 is a perspective view showing the driving of the rotary vibration unit.

Claims

In the device for making a two-dimensional image using a point light source,

The first axis is an optical fiber inserted between the two bimorphs and configured to vibrate;

The second axis comprises a mirror configured to enable rotational vibration using two bimorphs in pairs and the reflection line is arranged to coincide with the rotation center axis;

A driving circuit unit generating a driving signal synchronized with the first axis and the second axis;

Projector using a point light source including an interface for introducing a display signal into an optical fiber

The projector using a point light source of claim 1, wherein the second axis is configured to enable rotational vibration by using two bimorphs in pairs.

In the device for making a two-dimensional image using a point light source,

The first axis includes a semiconductor laser inserted between the two bimorphs and configured to vibrate;

The second axis comprises a mirror configured to enable high-speed rotational vibration using two bimorphs in pairs and the reflection line is arranged to coincide with the rotational center axis;

Projector using a point light source comprising a drive circuit unit for generating a drive signal synchronized with the first and second axes

In the device for making a two-dimensional image using a point light source,

A first axis and a second axis in which two bimorphs are used in pairs to allow rotational vibration and the mirrors arranged so that the reflection lines coincide with the rotation center axis are perpendicular to each other;

Projector using a point light source configured to include a point light source generator

The point light source according to claim 1, 2, 3, or 4, comprising a driving circuit portion which makes the distribution of light quantity constant by controlling the drive speed and the displacement width of the shaft and generates a drive signal capable of keystone correction. Projector

Projector using point light source according to claim 1, 2, 3, 4, where bimorph is composed of PVDF piezo film