KR20060097717A - 진동하는 반사판을 구비한 광학 기기 - Google Patents

진동하는 반사판을 구비한 광학 기기 Download PDF

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오스카 에이치. 윌렘센
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Abstract

광학 시스템은 진동하는 반사판 위에 입사하는 광을 출력하는 광원을 포함한다. 광학 시스템은 적어도 하나의 렌즈 요소를 구비하고, 이 렌즈 요소는 진동하는 반사판의 방향에 상관없이, 진동하는 반사판 위에 시준화된 빔으로 광을 출력한다. 광학 시스템은 일반적으로 레이저 디스플레이에 사용될 수 있고, 작은 특색의 레이저 디스플레이에도 사용될 수 있다.

Description

진동하는 반사판을 구비한 광학 기기{AN OPTICAL ARRANGEMENT WITH OSCILLATING REFLECTOR}
광학 빔의 스캐닝은 다양한 응용을 갖는다. 예를 들어, 바코드 리더(bar code reader)들은 바코드를 스캔하기 위해 레이저의 출력 광이나 발광 다이오드를 종종 사용한다. 이런 장치들은 미러(mirror)와 같은 반사 요소를 또한 포함하고, 반사 요소는 광원으로부터의 입사광을 반사하고 스캔된 영상을 영사한다. 게다가, 미러는 진동하고, 진동 중의 미러의 방향에 따라, 미러는 광을 다른 방향들로 반사할 것이다. 잘 알려진 것처럼, 이런 장치들은 레이저 디스플레이들에 사용되기도 하고, 레이저 디스플레이들은 영상을 생성하기 위해 스캐닝 미러/회전하는 폴리곤(polygon) 상에 변조된 레이저 빔을 사용한다. 이런 장치들은 가전기기들에 사용될 수 있고, 영상은 상대적으로 작은 포맷(format)으로 영사된다. 종종 모바일 스캐닝 장치와 같은 작은 패키지로, 광원으로부터 빛을 반사하는, 진동하는 미러를 포함하는 프로젝터를 제공하는 것은 바람직하다. 이런 기기들에서, 원하는 상대적으로 빠른 스캔률(scan rate)을 제공하는, 상대적으로 높은 주파수로 진동하는 반사 요소를 갖는 것은 유리하다.
불행하게도, 종래의 장치들은 상대적으로 크고, 미러의 균형 맞추기는 매우 조심히 행해져야 해서, 장치를 매우 비싸게 만든다. 추가로, 빠르게 회전하는 장치는 그것의 방향을 바꾸는 것이 매우 어렵기 때문에 모바일 기기들과 결합하는 것은 매우 어렵다. 끝으로, 이 장치는 본래 시끄러워서 가정용으로는 부적합하다.
추가적으로, 종래의 광학 스캐닝 장치들을 사용하면, 스캐닝 각도가 흐트러져서, 레이저로부터 투영된 빛의 일그러짐을 야기한다. 이 때문에, 종래의 장치는 레이저가 발산한 빔이 매우 작은 스캐닝 미러(예를 들어 외팔보) 위에 입사하도록 위치된 레이저를 포함한다. 반사된 발산 빔의 초점을 맞추기 위해, 미러와 투영 면 사이에 정(positive) 렌즈가 배치된다. 이 구성의 단점은 정 렌즈가 빔의 스캐닝 각도를 줄여서 주어진 투영 거리에 더 작은 상을 생성한다는 것이다. 게다가, 스캐닝 미러의 상대적으로 작은 직경 때문에, 빔 직경은 더 작아야 한다. 이런 작은 빔 직경은 자동적으로 회절 효과를 일으키고, 회절 효과는 발산 빔으로 분명해 진다. 이는 궁극적으로 투영면에 왜곡된 영상을 야기한다. 게다가. 빔의 직경이 미러의 폭에 근접할 때, 회절 효과는 더 커질 것이다. 회절의 두 소스들은 감소된 효율과 레이저로부터 투영된 이미지의 왜곡을 야기한다.
따라서, 필요한 것은 적어도 위에 언급된 구조의 결점을 해소하는 광학 시스템이다.
따라서, 일 실시예에 따라 광학 시스템은 진동하는 반사판에 입사하는 빛을 출력하는 광원을 포함한다. 광학 시스템은 진동하는 반사판의 방향에 상관없이 진동하는 반사판 상에 시준화된 빔으로 빛을 출력하는 적어도 한 개의 렌즈 요소를 포함한다.
본 발명은 수반하는 도면들과 함께 읽을 때, 다음의 자세한 설명으로부터 가장 잘 이해된다. 많은 특징들은 반드시 비례적으로 도시되지 않았음이 강조된다. 사실, 크기는 토의의 명확함을 위하여 임의로 커지거나 작아질 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 광학 시스템의 사시도.
도 2는 실시예에 따른 광학 시스템의 사시도.
도 3은 실시예에 따른 상대 강도 대 레이저의 원시야(far field) 각도를 도시하는 그래프.
도 4는 실시예에 따른 광학 시스템의 사시도.
도 5는 실시예에 따른 광학 시스템의 사시도.
도 6은 실시예에 따른 광학 시스템의 사시도.
다음의 상세한 설명에서, 제한이 아니라 설명의 목적으로, 특정한 세부사항을 설명하는 실시예가 본 발명의 면밀한 이해를 제공하기 위해 제시된다. 그러나, 본 발명이 여기서 설명된 특정한 세부사항에 벗어난 다른 실시예로 구현될 수도 있다는 것은 본 명세서의 혜택을 아는 당업자에게는 자명할 것이다. 게다가, 종래 디바이스, 방법, 그리고 재료들의 설명은 본 발명의 설명을 모호하게 하지 않도록 생략될 수 있다.
일 실시예에 따라, 광학 시스템은 광원을 제공하고, 그 광원은 외팔보 스캐 너 상에 스팟(spot)을 형성하고, 광학 시스템은 그 스팟을 무한대에 초점을 맞춘다. 실례가 되는 광학 시스템(100)이 도 1에 도시된다. 광학 시스템(100)은 광원(101)을 구비하는데, 이 광원(100)은 실례로 레이저 다이오드와 같은 반도체 레이저이다. 광원(101)으로부터 방사되는 광(102)은 광원(101)으로부터 알려진 확산 각으로 방사되어 제 1 렌즈 요소(103)에 입사된다. 제 1 렌즈 요소(103)는 정 렌즈 요소이고, 이 정 렌즈 요소(103)는 광(104)을 특정한 유한한 상점(image point)에 초점을 맞춘다. 제 1 렌즈 요소(103)는 당업자의 이해범위에 있는, 일례적으로 종래의 정 배율 렌즈 요소이다. 예를 들어, 제 1 렌즈 요소(103)는 기하 렌즈, 홀로그래픽 광학 요소 혹은 GRIN(graded refractive index) 렌즈일 수 있다.
제 1 렌즈 요소(103)뒤에, 그러나 제 1 렌즈 요소(103)의 상점 앞에, 제 2 렌즈 요소(105)가 위치된다. 제 2 렌즈 요소(105)는 부(negative) 렌즈이고, 제 1 렌즈의 상점에 그 초점이 있게 위치되어, 광을 무한대에 초점을 맞춘다. 따라서, 광(106)은 제 2 렌즈 요소(105)부터 평행 광으로 나와서, 반사 요소(107)에 입사된다.
반사 요소(107)는 일례적으로 광학 등급 미러(optical grade mirror)이지만, 광학 기술의 당업자들의 이해범위에 있는 반사 요소의 다른 종류일 수 있다. 반사 요소(107)는 회전하는 방식으로 축(108)에 대하여 미리 정해진 호의 길이에 걸쳐 진동한다. 일례적인 회전은 109에 도시되어 있다. 반사 요소는 광학 시스템(100)의 스캐닝 능력을 제공하고, 광(102)의 스캔된 광학 이미지를 제공하는데 쓰일 수 있고, 스캔된 광학 이미지는 광학 시스템(100)에서 반사된 광(110)으로 나온다. 예시 적으로, 이런 디바이스들은 높은 반복률로 빔을 스캔한다.
위에 언급한 것처럼, 스캐닝 디바이스는 바코드 리더, 조명 시스템, 그리고 레이저 프린터들과 같은 다양한 응용기기들에 사용될 수 있다. 비록 이런 응용기기들이 약 1kHz 내지 약 10kHz 범위에서 작동되는 스캐너와 사용될지라도, 더 빠른 응용기기들에 대한 지속적인 수요의 증가를 종래의 스캐너는 따라가지 못하고 있다. 예를 들어, 특별히 VGA 포맷(format)을 초과하는 해상도에서 작동되는, 레이저 디스플레이는 약 16kHz 이상에서 작동될 수 있는 스캐너를 요구한다.
광학 시스템(100)은 종래의 광학 스캐닝 기기와 비교하여 일정한 이익을 제공한다. 첫째, 광(106)은 시준화되기 때문에, 광(106)은 실제적으로 시준화되는 방식으로 반사된다. 반면에, 종래의 광학 시스템은 진동하는 미러로부터 반사된 빛이 본질적으로 발산하는 것을 야기한다. 불행하게도, 이런 분괴한 빔은 해상도의 감소를 야기한다. 따라서, 광학 시스템(100)의 한 명확한 이익은 개선된 빔 해상도이다.
도 1의 실시예는 정 렌즈와 부 렌즈를 구비하는 것에 주의한다. 이런 배열은 단지 실례적이고, 설명된 실시예에 제한되지 않고, 다른 일례적인 실시예와 연관하여 설명된 실시예를 포함하는, 다른 광학 시스템은 진동하는 반사판에 입사하고 반사되는 시준화된 광을 형성하는데 사용될 수 있다. 예를 들어, 2개의 정 렌즈들이 광원(101)과 진동하는 반사판(107) 사이에 위치할 수 있다. 이 경우에 제 1 정 렌즈{광원(101)에 가장 가까운}의 상점과 제 2 정 렌즈{반사판(107)에 가장 가까운}의 후방 초점은 일치한다. 이것은 광의 시준화를 야기하고, 시준화된 광이 반사판 에 입사해서, 원하는 것처럼 시준화된 광으로 반사된다.
실시예와 관련한 광학 시스템(200)은 도 2에 도시된다. 광학 시스템(200)은 도 1의 광학 시스템(100)과 기능에서 실제적으로 동일하다. 그렇지만, 매우 자명하게, 광학 시스템(200)은 광원(202)과 진동하는 반사판(203) 사이에 단지 한 개의 광학 요소(201)를 구비한다. 광학 요소(201)는 본질적으로 광원(202)으로부터 발산하는 광(204)이 진동 반사판(203)에 입사하는 시준화된 빔(205)을 출력하도록 정 렌즈와 부 렌즈를 통합하는 렌즈 요소이다. 위에 설명한 것처럼, 반사판으로부터 출력은 또한 시준화되고, 이는 분명히 영상 표면에 유리하다.
실시예와 관련하여, 광학 시스템(200)과 같은 광학 시스템은 약 0.4의 개구수를 갖는다. 이런 시스템에서, 23.5도의 개방 각 안에 있는, 광학 시스템의 광원{예를 들어, 발산하는 빔(204)}으로부터의 광은 광학 시스템에서 캡쳐(capture)된다. 레이저 다이오드 광원의 광 출력의 예는 도 3에 도시된다. 레이저 다이오드의 원시야패턴(far field pattern)은 수직 좌표를 따라 상대 강도와 수평 좌표를 따라 각도를 구비하는 그래프 식으로 보인다. 쉽게 알 수 있듯이, 광 출력의 대부분은 언급된 개구 각 안에 있다.
도 4에 도시된 다른 실시예와 관련하여, 광학 시스템은 발산하는 빔(402)을 출력하는 광원(401)을 구비한다. 이 빔은 패키지로 된 광원의 창(405)에 입사하고, 렌즈 요소(403)에 입사한다. 렌즈 요소(403)의 광 출력(404)은 평행한 빔이다(시준화된). 실시예에서, 소스로부터의 광은 660㎛의 파장을 갖고 시스템의 총 길이는 3.12mm이다. 스캐닝 시스템의 진동하는 외팔보 반사판(미 도시)에 조준되는, 광 출 력(404)은 100㎛의 직경을 갖는다. 이 실시예는 이렇게 설명한 실시예와 같은 식으로 기능한다.
도 5에 도시된 다른 실시예와 관련하여, 광학 시스템(500)은 2개의 렌즈 요소들을 구비한다. 이 시스템은 4.43mm의 총 길이를 갖는다. 렌즈 표면의 곡률이 작기 때문에, 반-굴절 코팅의 설계는 덜 어렵다. 도 5의 시스템은 도 4의 시스템의 기능과 요소와 많은 비슷한 기능과 요소들을 포함하는 것에 주의한다. 공통되는 것은 명확함을 위해 생략된다.
도 6은 다른 실시예와 관련한 광학 시스템(600)을 도시한다. 이 실시예에서, 광학 시스템(600)의 개구수는 도 6에 도시된 슈바르츠실트(Schwartzschild) 미러를 사용하여 개선될 수 있다. 광학 시스템(600)은 실례적으로 레이저 다이오드인, 광원(603)으로부터 발산하는 출력 광(604)의 초점을 맞추기 위해 제 1 미러(601)와 제 2 미러(602)를 구비한다. 시스템(600)의 개구수는 제 1 미러(601)의 크기에 의해 주로 결정된다. 본 실시예의 광학 시스템은 단지 적은 량의 빛이 제 2 미러(602)에 의해 차단되기 때문에, 상대적으로 작은 직경에 광 출력(604)의 초점 맞추는 것을 허용하기 때문에 유리하다. 이 때문에, 회절 효과를 줄일 뿐만 아니라 실제로 반사되는 광의 양을 최적화하기 위하여, 광의 스팟 크기가 반사판(605)의 면적/크기보다 실제적으로 더 작도록, 진동 반사판(605)에 입사하는 광의 스팟 크기를 줄이는 것은 유리하다. 예를 들어, 도 3의 검토로부터, 가우스(Gaussian) 빔의 끝부분(tails)은 미러의 캡쳐 각도 밖에 있을 수 있으므로, 강도의 감소를 야기한다. 이것은, 반사판(605)에서 회절로 인한 손실과 더불어, 수용할 수 없는 레벨로, 영상 면(plane)/스크린(screen)에서 출력 광의 강도를 감소시킬 수 있다.
회절 효과의 설명을 위한 목적으로, 강도를 반지름, r의 함수로 고려한다:
I=I0exp(-2r2/w0 2)
w0는 빔 직경이다.
잘 알려진 것처럼, 특히 실례적인 광학 시스템의 진동하는 반사판에서 반사의 회절 효과에 기인하여, 빔은 회절 효과에 기인하여 확산할 것이다. 게다가, 상대적으로 작은 외팔보로 된 진동 반사판을 구비하는 것이 바람직하기 때문에, 반사판에 입사하는 빔의 스팟 사이즈는 거의 반사판의 사이즈와 같을 가능성이 있다. 이는 가우스 광의 꼬리 부분 분포가 반사판의 폭 외부에 있도록 야기하고, 반사된 빔의 강도의 손실을 야기한다. 이럴 때, 반사판(605)에 입사하는 빔의 스팟 사이즈를 반사판(605)의 크기와 비교하여 상대적으로 줄이는 것은 유리하고, 회절 효과를 줄이는 것은 유리하다.
설명의 목적으로, 파장(λ) 빔 직경(w0)은 100㎛이고 파장(λ)이 0.6㎛인 광에 있어서, 각 퍼짐은 약 4mrad이다. 이럴 때, 만일 영상 플레인/스크린이 0.5m 거리에 있다면, 회절 효과로 스팟의 크기는 2mm로 증가된다. 이 빔 직경을 200㎛로 증가시키면, 스팟의 크기를 약 1mm로 증가시키고, 이는 모바일 광학 스캐너에게는 상당히 수용할 만 하다. 유리하게, 이 실시예는 빔 발산을 회절로부터 예상될 수 있는 값으로 제한한다.
위에 설명한 실시예와 관련하여, 스캐너가 진동하는 외팔보에 기초하는 레이 저 프로젝터에 사용하기 위해 적용된 광학 시스템이 설명된다. 광학 시스템은 고주파와 넓은 스캐닝 각도를 달성할 수 있는 스캐너를 포함할 수 있다. 그렇지만, 반사하는 면은 매우 작고, 전형적으로 100㎛×100㎛ 이다. 광학 시스템은 광원으로부터 광 출력을 무한대에 초점을 맞추고, 즉, 평행 빔이다. 이는 빔의 초점을 맞추기 위해 위에서 설명한 것들 외에는 추가적인 요소들이 필요하지 않다는 것을 의미한다. 일례적인 광학 시스템은 진동하는 외팔보 반사판 뒤에 렌즈 작용을 요구하지 않으면서, 진동하는 외팔보 반사판 위에 약 100㎛의 단면을 갖는 평행 광 빔을 생성할 수 있다. 결과적으로, 실시예들의 광학 시스템은 스캐닝 각도를 흐트러지게 하지 않는다. 실제로 100㎛ 직경의 미러는 회절 때문에 넓은 각 퍼짐을 갖는 빔을 야기할 것이다. 따라서, 약 200㎛ 직경의 미러보다 유용하다.
본 실시예들은 실시예들의 토의를 통해 자세하게 설명되었고, 본 발명의 수정들은 본 명세서의 수혜를 아는 당업자에게는 자명할 것이다. 이런 수정들과 변형들은 첨부된 청구 범위의 영역에 포함된다.
본 발명을 참조로 하여 다양한 산업용 기기와 가정용 기기의 응용이 가능하며, 예를 들어 다양한 형태의, 특히 크기가 작은 모바일용 바코드 리더와 프로젝션 TV 및 프로젝션 시스템 등에 활용될 수 있다.

Claims (14)

  1. 광학 시스템으로서,
    진동하는 반사판 위에 입사하는 광을 출력하는 광원을 포함하고, 여기서 광학 시스템은 적어도 하나의 렌즈 요소를 구비하고, 이 렌즈 요소는 진동하는 반사판의 방향에 상관없이, 진동하는 반사판 위에 시준된 빔으로 광을 출력하는, 광학 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 광원은 레이저인, 광학 시스템.
  3. 제 1항에 있어서, 정(positive) 렌즈 요소와 부(negative) 렌즈 요소를 포함하는, 광학 시스템.
  4. 제 1항에 있어서, 진동하는 반사판은 외팔보로 된 미러인, 광학 시스템.
  5. 제 1항에 있어서, 진동하는 반사판은 적어도 16kHz의 진동수로 진동하는, 광학 시스템.
  6. 제 1항에 있어서, 적어도 한 렌즈 요소는 통합된 렌즈요소이고, 통합된 렌즈 요소는 정 렌즈와 부 렌즈를 포함하는, 광학 시스템.
  7. 제 1항에 있어서, 광학 시스템은 2개의 정 렌즈들을 포함하고, 제 1 렌즈의 상점(image point)은 제 2 렌즈의 초점에 있는, 광학 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 광학 시스템은 레이저 디스플레이 디바이스에 포함된, 광학 시스템.
  9. 광학 시스템으로서,
    진동하는 반사판 위에 입사하는 광을 출력하는 광원을 포함하고, 여기서 광학 시스템은 제 1 미러와 제 2 미러를 포함하고, 이 결합된 제 1 미러와 제 2 미러는 진동하는 반사판의 방향에 상관없이, 진동하는 반사판 위에 시준된 빔으로 광을 출력하는, 광학 시스템.
  10. 제 9항에 있어서, 광원은 레이저인, 광학 시스템.
  11. 제 9항에 있어서, 광학 시스템은 레이저 디스플레이 디바이스에 포함된, 광학 시스템.
  12. 제 9항에 있어서, 진동하는 반사판은 외팔보로 된 미러인, 광학 시스템.
  13. 제 9항에 있어서, 진동하는 반사판은 적어도 16kHz의 진동수로 진동하는, 광학 시스템.
  14. 제 9항에 있어서, 제 1 미러와 제 2 미러는 슈바르츠실트(Schwartzschild) 미러를 포함하는, 광학 시스템.
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