KR20070039788A - 영상 스캔 장치 - Google Patents

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KR20070039788A
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Abstract

본 발명에 따른 영상 화면을 구현하기 위한 영상 스캔 장치는 서로 다른 파장의 광을 각각의 모드로 회절 시키는 공간 광 변조기와, 상기 공간 광 변조 모듈에서 회절된 각 모드 중에서 0차 모드 이외의 다른 모드의 광을 제한하기 위한 조리개를 포함한다.
공간 광 변조, 회절, 영상

Description

영상 스캔 장치{APPARATUS FOR IMAGE SCAN}
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 영상 스캔 장치의 구성을 나타내는 도면,
도 2는 도 1에 도시된 일부 구성을 도시한 사시도,
도 3a와 도 3b는 적색 광의 스폿 크기를 나타내는 그래프,
도 4a와 도 4b는 청색 광의 스폿 크기를 나타내는 그래프,
도 5a와 도 5b는 녹색 광의 스팟 크기를 나타내는 그래프,
도 6은 상관 비구면을 설명하기 도면,
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 영상 스캔 장치의 구성을 나타내는 도면,
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 영상 스캔 장치의 구성을 나타내는 도면.
본 발명은 영상 스캔 장치에 관한 것으로서, 특히 공간 변조 모듈을 포함하는 휴대가 가능한 영상 스캔 장치에 관한 발명이다.
근래에는 반도체 레이저 등의 레이저 광원을 이용한 영상 스캔 장치가 제안되고 있다. 상술한 레이저 광원을 구비한 영상 스캔 장치는 프로젝터, 프로젝터 텔레비젼, 칼라 스캐너, 칼라 프린터 등에 이용될 수 있다. 다만, 레이저 광원을 구비한 영상 스캔 장치가 프로젝터 또는 프로젝터 텔레비젼 등에 이용될 경우에는 스크린 또는 화면에 영상을 구현하는 반면에, 칼라 프런터 또는 스캐너 등에 사용될 경우는 드럼 상에 영상을 재생하게 된다.
영상 스캔 장치는 서로 다른 가시 파장의 광을 생성하기 위한 반도체 레이저(laser) 등의 레이저 광원들과, 상기 광을 각 화소에 필요에 따라서 조사시키기 위한 공간 광 변조기(Spatial light modulator)를 포함해서 구성되며, 상기 공간 광 변조기는 다양한 형태가 이용되고 있다.
상기 공간 광 변조기는 일반적으로 입사된 광의 특성 변조가 가능한 회절 격자가 사용되며, 그 중에는 데이비드(David M. Bloom) 등에 의해서 1995년 10월 17일 미국 특허 등록된 공간 광 변조기로서 평면 격자 광 밸브(Grating light-valve; GLV)에 관한 미국 특허 등록 번호 US 5,459,610과, 2002년 6월 25일 코와즈(Kowarz) 등에 의해 미국 특허 등록된 격자 전기기계 시스템(Grating Electromechanical System; GEMS)에 관한 미국 특허 등록 번호 US 6,476,848 등을 예로 들 수 있다.
또한, 폴(Paul K. Manhart) 등에 의해서 2000년 7월 11일 미국 특허 등록된 US 6,088,102는 GLV를 이용한 영상 스캔 장치에 관해서 개시하고 있으며, 코와즈(Kowarz) 등에 의해 2004년 4월 20일 미국 특허 등록된 US 6,724,515는 GEMS를 이용한 영상 스캔 장치에 관해서 각각 개시하고 있다.
상술한 회절 격자 형태의 공간 광 변조기를 포함하는 영상 스캔 장치는 입사된 광을 0차 모드를 중심으로 음의 차수와 양의 모드로 분리하며, 0차 모드를 제외한 나머지 모드를 영상 재생에 이용한다. 즉, 회절 격자 형태의 공간 광 변조기를 사용함으로써 선명한 영상의 구현이 가능하다.
그러나, 스캔 장치들은 부피가 크고 전력 소모가 커서 휴대가 불가능한 문제가 있다. 특히, 0차 모드를 제한하기 위해서는 US 6,724,515 등에 기재된 바와 같이 별도의 구성을 더 포함해야 하므로 시스템 구성이 복잡해지고, 부피가 커지는 문제가 있다.
본 발명은 부피가 작고 전력 소모가 적어서 휴대 가능한 영상 스캔 장치를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명에 따른 영상 스캔 장치는,
서로 다른 파장의 광을 각각의 모드로 회절 시키기 위한 공간 광 변조 모듈과;
상기 공간 광 변조 모듈에서 회절된 각 모드 중에서 0차 모드 이외의 다른 모드의 광을 제한하기 위한 조리개를 포함한다.
이하에서는 첨부도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능, 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 모호하지 않게 하기 위하여 생략한다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 예에 따른 영상 스캔 장치의 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 도 1에 도시된 일부 구성을 도시한 사시도이다. 도 1을 참조하면, 본 실시 예에 따른 영상 스캔 장치(100)는 서로 다른 가시 파장 대역의 광들을 생성할 수 있는 복수의 제1 내지 제3 광원들(111, 115, 118)과, 상기 각 광을 시준화시키기 위한 시준화 광학계와, 시준화된 상기 광을 그 진행 방향에 수직한 띠 형태의 라인 스캔을 형성하기 위한 라인 스캔 광학계와, 공간 광 변조기(124), 결상 광학계(130)와, 조리계(136), 스캔 미러(135), 스크린(screen) 등을 포함한다. 상기 광원들(111, 115, 118)은 녹색, 청색, 적색의 삼원색을 생성할 수 있는 반도체 레이저 또는 2차 조화파 생성기(second harmonic generator; SHG) 등이 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 영상 스캔 장치(100)는 휴대가 가능한 소형의 프로젝터 등으로 사용 가능하며, x, y, z의 삼축을 기준으로 하는 좌표계를 이용해서 설명될 수 있다. z축은 광의 진행 방향과 일치하는 광축으로 정의될 수 있고, y 축은 상기 z축에 수직 한 임의의 축으로 정의될 수 예다. 또한, x축은 y 및 z 축에 수직한 축으로 정의될 수 있다. 상술한 라인 스캔은 상기 광을 y축에 대해서는 시준화 시키고, x축에 대해서는 수렴시켜서 그 장축이 y축을 따라서 진행하는 띠 형태를 의미 하며, 상기 광을 라인 스캔 상태로 만들어서 상기 광이 상기 공간 광 변조기에 입사가 용이하도록 만든다.
상기 제1 광원(111)은 2차 조화파 생성기를 사용할 수 있으며, 상기 제2 및 제3 광원(115, 118)은 반도체 레이저를 포함할 수 있다. 상기 제2 및 제3 광원(115, 118)로 사용된 각 반도체 레이저들은 타원형의 스팟(spot)을 갖는 적색 및 청색 광을 생성할 수 있다.
도 3a는 적색 광의 단축 선 폭을 나타내고, 도 3b는 적색 광의 장축 선 폭을 나타낸다. 즉, 도 3a의 그래프에 도시된 단축은 x축 상에 위치되고, 도 3b의 그래프에 도시된 장축은 y축 상에 위치된다. 도 4a는 청색 광의 단축 선 폭을 나타내고, 도 4b는 청색 광의 장축 선 폭을 나타낸다. 도 3a, 도 3b, 도 4a, 도 4b를 참조하면 청색 및 적색 광을 생성하는 제2 및 제3 광원들(115, 118)은 타원형 스팟을 갖는 각 광의 장축이 y축에 평행하게 출력할 수 있도록 정렬됨을 알 수 있다. 즉, 생성된 청색 및 적색 광은 장축이 상기 y축과 평행하게 진행하고, 단축은 x축을 따라서 진행한다.
다만, 녹색 광은 반도체 레이저 등으로 직접 생성이 용이하지 않으므로 2차 조화파 생성기를 이용해서 생성할 수 있다. 도 5a는 녹색 광의 x축 상에서의 선폭을 나타내고, 도 5b는 녹색 광의 y축 상에서의 선폭을 나타내는 그래프이다. 도 5a 및 도 5b에 도시된 바와 같이 녹색 광은 x축 및 y축 상에서의 선폭의 거의 동일한 원형 스팟을 형성함을 알 수 있다.
상기 시준화 광학계는 상기 각 광원에서 생성된 삼 원색을 시준화 시키기 위 한 광학계로서, 상기 광원들(111, 115, 116) 각각에 대응되는 시준화를 위한 제1 내지 제3 렌즈(114, 116, 119)와, 반사 미러(113), 제1 및 제2 파장 선택 필터들(117, 120)을 포함한다. 상기 광원들(111, 115, 116)은 녹색, 적색, 청색 순으로 정렬되거나, 적색, 녹색, 청색 순으로 정렬되거나, 적색, 청색, 녹색 순으로 정렬되거나, 녹색, 청색, 적색 순으로 정렬되거나, 청색, 적색, 녹색 순으로 정렬되거나, 또는 청색, 녹색, 적색 순으로 정렬될 수 있다.
상기 제1 렌즈(114)는 상기 반사 미러(113)와 상기 제1 파장 선택 필터(117)의 사이에 위치되며, 상기 반사 미러(113)에서 반사된 녹색 광을 시준화시켜서 상기 제1 파장 선택 필터(117)로 출력한다.
상기 반사 미러(113)는 상기 제1 광원(111)에서 생성된 녹색 광을 반사시켜서 진행 경로를 수직 방향으로 변환시키는 역할을 제공한다. 상기 반사 미러(113)는 유전체 증착 또는 금속 증착된 박막 필터를 사용할 수 있다.
상기 제1 파장 선택필터(117)는 z 축 상의 상기 제1 렌즈(114)와 상기 제2 파장 선택필터(120)의 사이에 위치되며, 상기 제2 렌즈(116)로부터 입사된 적색 광과, 상기 반사 미러(113)에서 반사된 녹색 광을 상기 라인 스캔 광학계(121~123) 측으로 출력한다. 상기 제2 파장 선택필터(120)는 z 축 상에 상기 라인 스캔 광학계(121~123)와 상기 제1 파장 선택 필터(117)의 사이에 위치되며, 상기 제3 렌즈(119)로부터 입력된 상기 청색 광을 상기 라인 스캔 광학계(121~123) 측으로 반사시키고 상기 녹색 및 적색 광을 상기 라인 스캔 광학계(121~123) 측으로 투과시킨다.
상기 라인 스캔 광학계(121~123)는 제1 확산 렌즈(121), y축 시준화 렌즈(122), x축 수렴 렌즈(123)를 포함하며, 상기 제2 파장 선택필터(120)로부터 입력된 상기 녹색, 적색, 청색 광을 라인 스캔 형태로 변환시켜서 상기 공간 광 변조기(124)로 출력한다.
상기 공간 광 변조기(124)는 SOM, GLV, GEMS 등과 같은 회절 격자 형태의 소자들이 사용될 수 있으며, 입사된 라인 스캔 형태의 광들을 상기 결상 광학계(130) 측으로 0차, 1차 내지 다수의 차수를 갖는 모드들(modes)로 회절 시킨다.
상기 결상 광학계(130)는 하나 이상 복수의 렌즈들(131~134)을 포함할 수 있으며, 상기 공간 광 변조기(124)에서 회절된 모드들을 좌표계 상의 y-z 평면에서 볼 때는 상기 스캔 미러(135)로 수렴시키고, x-z 평면에서 볼 때는 시준화된 상태로 상기 스캔 미러(135)로 출력한다.
상기 조리개(136)는 상기 스캔 미러(135)에서 반사되는 광 중에서 0차 모드 이외의 회절 차수를 갖는 모드들을 제한하며, 상기 스캔 미러(135)는 입사된 모드들 중 상기 조리개(136)를 통과한 0차 모드를 스크린(screen) 상의 특정 화소 상에 수렴시킨다. 상기 녹색, 적색, 청색 광은 각각 순차적으로 번갈아가면 조사되며, 라인 스캔되면서 특정 화소에 중첩됨으로써 전체 영상을 형성할 수 있다.
상기 영상 스캔 장치(100)는 상기 제1 광원(111)과 상기 반사 미러(113) 사이에 위치된 제2 확산 렌즈(112)를 더 포함할 수 있다.
도 6은 상관 비구면을 설명하기 위한 도면이다. 도 6을 참조하면, 아래의 수식들이 도출될 수 있다. 하기의 <수학식 1>은 입력 광의 스폿 면적과, 출력 광의 스폿 면적과의 관계를 나타내고, <수학식 2>와 <수학식 3>은 <수학식 1>의 등치 관계로부터 스폿의 크기 및 세기로 변환한 수식이다.
Figure 112005057202904-PAT00001
Figure 112005057202904-PAT00002
Figure 112005057202904-PAT00003
상기 <수학식 2>와 <수학식 3>에서, Iin은 입력 스폿의 세기를 나타내고, Iout은 출력 스폿의 세기를 나타낸다. 또한, <수학식 2>의 dAreain은 입력 스폿의 크기를 나타내고, dAreaout은 출력 스폿의 크기를 나타낸다. <수학식 3>의 2πrdr은 입력 스폿의 반지름에 따른 크기를 나타내고, 2πsds는 출력 스폿의 반지름에 따른 크기를 나타낸다.
위의 <수학식 3>은 하기의 <수학식 4>와 같은 지수 함수 형태로 변환시킬 수 있으며, 변환된 <수학식 4>로부터 출력 스폿의 반지름 s에 대한 함수를 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112005057202904-PAT00004
Figure 112005057202904-PAT00005
상기 <수학식 5>는 스폿의 장축 방향의 광 분포 균일를 향상시키기 위한 상관 비구면 특성을 정의할 수 있다. 즉, 본 실시 예에 따른 라인 스캔 광학계(121~123)의 각 면에 적용시킴으로써 상기 공간 광 변조기(124)로 출력되는 광의 y축에 대한 광 분포의 균일도를 향상시킬 수 있다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 예에 따른 영상 스캔 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면, 본 실시 예에 따른 영상 스캔 장치는(200)는 서로 다른 가시 파장 대역의 광들을 생성할 수 있는 제1 내지 제3 광원들(211, 215, 218)과, 상기 각 광을 시준화시키기 위한 시준화 광학계(214, 216, 219)와, 시준화된 상기 광을 그 진행 방향에 수직한 띠 형태의 라인 스캔을 형성하기 위한 라인 스캔 광학계(221, 222, 223)와, 공간 광 변조기(224), 결상 광학계(230)와, 조리계(236), 스캔 미러(235), 스크린(screen)과, 상기 광의 경로를 수직하게 변환시키기 위한 제1 및 제2 반사 미러(213)와, 제2 확산 렌즈(212)를 포함한다.
상기 라인 스캔 광학계는 제1 확산 렌즈(221)와, 시준화 렌즈(222)와, 수렴 렌즈(233)을 포함한다.
상기 공간 광 변조기(224)는 입사된 광의 경로에 대해서 비스듬하게 꺽어서 반사시키며, 상기 결상 광학계(230)는 복수의 렌즈들(231, 232, 233, 234)로 구성되며 상기 공간 광 변조기(224)에서 반사된 모드들의 경로 상에 배열된다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 예에 따른 영상 스캔 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시 예에 따른 영상 스캔 장치는 (300)는 서로 다른 가시 파장 대역의 광들을 생성할 수 있는 제1 내지 제3 광원들(311, 315, 318) 과, 상기 각 광을 시준화시키기 위한 시준화 광학계(314, 316, 319)와, 시준화된 상기 광을 그 진행 방향에 수직한 띠 형태의 라인 스캔을 형성하기 위한 라인 스캔 광학계(321, 322, 323)와, 공간 광 변조기(324), 결상 광학계(330)와, 조리계(336), 스캔 미러(335), 스크린(screen)과, 상기 광의 경로를 수직하게 변환시키기 위한 제1 및 제2 반사 미러들(313, 320)과, 제2 확산 렌즈(322)를 포함한다.
상기 라인 스캔 광학계는 제1 확산 렌즈(321)와, 시준화 렌즈(322)와, 수렴 렌즈(333)을 포함한다.
본 발명은 공간 변조 모듈에서 회절된 모드들 중에서 0차 모드만을 이용해서 영상을 구현함으로써, 0차 모드만을 사용하기 위한 조리개의 구성이 단순해지고 전체 시스템의 소형화가 가능한 이점이 있다.

Claims (13)

  1. 서로 다른 가시 파장의 광들을 이용해서 스크린 상에 영상 화면을 구현하기 위한 영상 스캔 장치에 있어서,
    상기 각 광들을 서로 다른 복수의 모드들로 회절시키고, 회절된 모드들 중 0차 모드를 이용해서 영상 화면을 구현함을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
  2. 영상 화면을 구현하기 위한 영상 스캔 장치에 있어서,
    서로 다른 파장의 광을 각각의 모드로 회절 시키는 공간 광 변조기와;
    상기 공간 광 변조 모듈에서 회절된 각 모드 중에서 0차 모드 이외의 다른 모드의 광을 제한하기 위한 조리개를 포함함을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 영상 스캔 장치는,
    영상을 구현하기 위해서 서로 다른 가시 파장의 광을 생성하기 위한 제1 내지 제3 광원들과;
    상기 녹색 광을 시준화시키기 위한 제1 렌즈와;
    상기 제2 및 제3 광원에서 생성된 적색과 청색 광을 시준화시키기 위한 제2 및 제3 렌즈와;
    상기 제1 렌즈로부터 입력된 녹색 광을 투과시키고, 상기 제2 렌즈로부터 입력된 적색 광을 입사된 방향에서 수직한 방향으로 반사시키는 제1 파장 선택 필터와;
    상기 제1 파장 선택필터로부터 입력된 녹색 및 적색 광을 투과시키고, 상기 제3 렌즈로부터 입력된 청색 광을 입사 방향에서 수직한 방향으로 반사시키는 제2 파장 선택 필터와;
    상기 제2 파장 선택필터로부터 입력된 녹색, 적색, 청색 광을 확산시키기 위한 제1 확산 렌즈와;
    상기 제1 확산 렌즈와 상기 공간 광 변조기의 사이에 위치되며 상기 제1 확산 렌즈로부터 입력된 상기 적색, 청색, 녹색 광을 진행 방향에 수직한 방향으로 띠 형태로 형성해서 상기 공간 광 변조기로 출력하는 시준화 및 수렴 렌즈와;
    상기 공간 광 변조기로부터 입력된 광을 상기 조리개 측으로 반사시키기 위한 스캔 미러를 더 포함함을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 영상 스캔 장치는,
    상기 스캔 미러와 상기 공간 광 변조기의 사이에 위치되며 상기 모드들을 상기 스캔 미러 측으로 투영시키기 위한 투영 렌즈계를 더 포함함을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 제1 광원은,
    녹색 광을 생성하기 위한 2차 조화파 생성기를 포함함을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
  6. 제3 항에 있어서, 상기 제2 광원은,
    타원 형태의 스폿을 갖는 적색 광을 생성하는 반도체 레이저를 포함하며, 상기 적색 광 스폿의 장축은 상기 시준화 및 수렴 렌즈에 의해 형성된 띠 형태의 광의 장축과 일치함을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
  7. 제3 항에 있어서, 상기 제3 광원은,
    타원 형태의 스폿을 갖는 청색 광을 생성하는 반도체 레이저를 포함하며, 상기 적색 광 스폿의 장축은 상기 시준화 및 수렴 렌즈에 의해 형성된 띠 형태의 광의 장축과 일치함을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
  8. 3 항에 있어서,
    상기 결상 광학계는 하나 이상의 렌즈들을 포함함을 특징으로 하는 영상 스 캔 장치.
  9. 제3 항에 있어서,
    제2 확산 렌즈와, 시준화 렌즈와, 수렴 렌즈의 각 면은 하기의 <수학식 6>에 따른 상과 비구면이 적용됨을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
    Figure 112005057202904-PAT00006
    s는 출력 면의 반지름을 나타내고, I0는 출사되는 광의 세기를 나타낸다. r은 광이 입사되는 면의 반지름을 의미한다.
  10. 제3 항에 있어서, 상기 영상 스캔 장치는,
    상기 제1 파장 선택 필터에서 반사된 일부 녹색 광으로부터 녹색 광의 세기를 감시하기 위한 광 검출기를 더 포함함을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
  11. 제3 항에 있어서, 상기 영상 스캔 장치는,
    상기 제1 광원과 상기 반사 미러의 사이에 위치된 제2 확산 렌즈를 더 포함함을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
  12. 제3 항에 있어서, 상기 영상 스캔 장치는,
    상기 제2 파장 선택 필터와 상기 확산 렌즈의 사이에 위치되며 상기 제2 파장 선택필터들로부터 입력된 광들의 경로를 진행 방향에 대해서 수직하게 반사시켜서 상기 확산 렌즈로 입력시키기 위한 반사 미러를 더 포함함을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
  13. 제2 항에 있어서, 상기 광원들은,
    녹색, 적색, 청색 순으로 정렬되거나, 적색, 녹색, 청색 순으로 정렬되거나, 적색, 청색, 녹색 순으로 정렬되거나, 녹색, 청색, 적색 순으로 정렬되거나, 청색, 적색, 녹색 순으로 정렬되거나, 또는 청색, 녹색, 적색 순으로 정렬됨을 특징으로 하는 영상 스캔 장치.
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