KR20070058266A

KR20070058266A - 레이저 프로젝션 디스플레이 시스템

Info

Publication number: KR20070058266A
Application number: KR1020050117285A
Authority: KR
Inventors: 김동하
Original assignee: 왕종민; 김동하
Priority date: 2005-12-03
Filing date: 2005-12-03
Publication date: 2007-06-08
Also published as: WO2007065003A3; WO2007065003A2

Abstract

빔 형성 광학 소자와 그것을 포함하는 조명 광학계 및 레이저 프로젝션 시스템이 개시된다. 빔 형성 광학 소자는 DOE(DOE, DIFFRACTION OPTICAL ELEMENT) 렌즈 배열과 포커싱 렌즈로 구성되며, 이는 입사하는 RGB 레이저 빔을 입사 방향이나 입사 위치에 관계 없이, 직사각형 형상 및 균일한 세기 분포를 갖는 빔으로 바꾸어 준다. 이와 같은 광학 소자는 레이저 프로젝션 디스플레이 시스템의 고효율화, 초소형화, 저가격화를 가능하게 해준다.

프로젝터, 모바일, DOE, 빔 형성, 레이저

Description

레이저 프로젝션 디스플레이 시스템{Laser Projection Display System}

도 1은 레이저를 이용한 영상 투사 장치의 기본적인 구성을 도시한 도면

도 2는 빔 형성 소자의 동작 원리를 도시한 도면

도 3은 종래의 빔 형성 소자의 문제점을 도시한 도면

도 4는 본 발명에 따른 빔 형성 소자의 동작 원리를 도시한 도면

도 5는 본 발명에 따른 빔 형성 소자와 레이저 광원 배열 및 콜리메이션 광학계와의 결합을 도시한 도면

도 6은 본 발명에 따른 빔 형성 소자와 레이저 광원 배열 및 콜리메이션 광학계와의 결합을 도시한 도면

도 7은 본 발명에 따른 빔 형성 소자와 레이저 광원 배열 및 콜리메이션 광학계와의 결합을 도시한 도면

도 8은 본 발명에 따른 빔 형성 소자와 레이저 광원 배열 및 콜리메이션 광학계와의 결합을 도시한 도면

도 9는 본 발명에 따른 빔 형성 소자와 광 변조 패널 및 투사 광학계와의 결합을 도시한 도면

도 10은 본 발명에 따른 빔 형성 소자와 광 변조 패널 및 투사 광학계와의 결합을 도시한 도면

도 11은 본 발명에 따른 빔 형성 소자의 기본적인 구성 및 동작 원리를 도시한 도면

도 12는 본 발명에 따른 빔 형성 소자의 기본적인 구성 및 동작 원리를 도시한 도면

도 13은 본 발명에 따른 빔 형성 소자 구성 중 DOE 렌즈 배열의 자세한 구조를 도시한 도면

도 14은 본 발명에 따른 빔 형성 소자 구성 중 DOE 렌즈 배열의 자세한 구조를 도시한 도면

도 15은 본 발명에 따른 빔 형성 소자 구성 중 DOE 렌즈 배열의 자세한 구조를 도시한 도면

도 16은 본 발명에 따른 빔 형성 소자 구성 중 DOE 렌즈 배열의 자세한 구조를 도시한 도면

도 17은 본 발명에 따른 빔 형성 소자 구성 중 DOE 렌즈 배열 설계를 위한 위상 함수의 형태를 도시한 도면

도 18은 본 발명에 따른 빔 형성 소자 구성 중 DOE 단위 렌즈 설계를 위한 위상 함수를 실제 렌즈화 하는 방법을 도시한 도면

도 19는 본 발명에 따른 빔 형성 소자 구성 중 DOE 단위 렌즈 설계를 위한 위상 함수를 실제 렌즈화 하는 방법을 도시한 도면

도 20은 본 발명에 따른 빔 형성 소자 구성 중 DOE 단위 렌즈 설계의 실시 예를 도시한 도면

도 21은 본 발명에 따른 빔 형성 소자의 빔 진행 시뮬레이션 실시 예를 도시한 도면

도 22는 본 발명에 따른 빔 형성 소자의 빔 형성 시뮬레이션 실시 예를 도시한 도면

도 23은 본 발명에 따른 빔 형성 소자의 빔 분포 시뮬레이션 실시 예를 도시한 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

5: 빔 형성 광학 소자

55: 1차 DOE 렌즈 배열

56: 2차 DOE 렌즈 배열

57: 포커싱 렌즈

71: DOE 단위 렌즈

현재, 카메라, 동영상, TV 수신 등 통화 수단 외, 휴대폰 기능의 비약적인 발전으로, 휴대 가능한 소형 디스플레이에 대한 관심이 크게 증가하고 있다. 하지만, 현재 휴대폰에 내장되어 있는 TFT-LCD 디스플레이는 화면 크기에 제한이 있으며, 더 큰 화면을 얻고자 할 때는 휴대가 어려워지는 문제가 있다.

이에 휴대 가능한 대화면 소형 디스플레이로서, 마이크로 디스플레이 패널 (DLP, LCOS, HTPS, GLV 등)을 사용하는 프로젝션 시스템이 주목 받고 있다. 프로젝션 시스템은 이미지가 광학 구조에 의해 확대되므로, 작은 시스템으로 큰 화면을 구현할 수 있는 장점이 있다.

하지만, 광 효율을 생각했을 때, 일반 CCFL 램프는 물론, 차세대 광원인 LED 광원으로도 아직까지는 광 효율이 부족하여, 큰 사이즈와 많은 소비전력을 요구하므로, 휴대용 디스플레이에 적용에는 어려움이 있다.

이에 레이저 광원을 사용하는 소형 프로젝션 디스플레이 시스템이 현재 대안으로 떠오르고 있다. 레이저 광원을 사용하는 경우에는, LED나 CCFL 광원의 경우 빛이 사방을 퍼지는데 비해, 직진 성이 탁월하므로, 프로젝션 시스템에 적용 시, 광 효율을 크게 높일 수 있는 장점이 있다. 또한, LCOS나 HTPS와 같은 액정에 의한 광 변조 패널에 적용 시, 레이저 광의 편광 특성으로 인해, 광 효율을 일반 광원(CCFL, LED)에 비해 이론적으로 2배 가까이 올릴 수 있는 장점이 있다.

하지만, 레이저 광원의 타원 형상과 가우시안 세기(Gaussian Intensity) 분포의 특성이, 레이저 광원의 디스플레이 시스템에의 적용을 어렵게 만들고 있다. 즉, 레이저 광원으로부터 나온 빛이 조명 광학계를 거쳐 광 변조 패널로 입사할 때는, 빔(beam)의 경계 형상이 패널의 경계 형상과 동일해야 될뿐더러, 내부에서 빔의 세기 분포도 균일해야 한다. 이러한 빔 형성(Beam Shaping)이 잘 이루어지지 않으면, 광 손실이 급격히 증가하고, 화면의 균일도가 급격히 떨어지는 치명적인 문제가 발생한다.

레이저 광원의 타원 형상과 가우시안 세기 분포를, 직사각형 모양(예를 들어 패널의 경계 형상이 직사각형 일 때)의 균일한 세기 분포로 만드는, 빔 형성 방법은 지금까지 크게 두가지로 분류될 수 있다.

첫째는 기존의 굴절 광학 (Refractive Optics)를 사용하는 렌즈 설계이다. 하지만, 휴대 가능한 디스플레이를 만들기 위해서는, 0.1∼0.2mm 크기의 빔 폭을 갖는 레이저 빔을 조절할 목적으로 1∼2mm 정도의 초소형 굴절 렌즈를 사용하여 하는데, 현재로는 성능을 보장하는 초소형 사이즈의 렌즈 가공은 불가능하다. 물론, 시스템의 사이즈가 상대적으로 커도 되는 TV용 광학계로 사용되는 데는 무리가 없다.

둘째는 작은 사이즈로 굴절 광학 렌즈와 같은 광학 기능을 할 수 있는 회절 광학 소자(Diffractive Optical Element, DOE)를 사용하는 설계이다. DOE(DOE) 소자는 빛의 파동 성을 이용하여, 굴절 광학 소자에 비해 매우 작은 사이즈로도 굴절 렌즈와 같은 혹은 더 많은 광학 기능을 할 수 있는 장점이 있다. 하지만, 현재 제안 되고 있는 빔 형성 DOE 소자는 제품에 적용되기에는 굴절 렌즈에 비해서 광 효율이 떨어진다는 문제 외에도, 매우 큰 문제점을 가지고 있다. 즉, 현재 제시되고 있는 빔 형성 DOE 소자는 입사하는 레이저 빔의 정확한 위치와 그 때의 정확한 광 분포를 토대로 설계되기 때문에, 들어오는 빛의 입사각이나 입사 위치가 바뀌게 되면, 전혀 다른 출력(output) 빔 결과를 얻게 된다. 다시 말해서, 입사 빔에 대한 광학적 공차 한계(Optical Tolerance)가 거의 없기 때문에, 실제 제품에 적용 시 제품의 기구적인 공차만큼 출력 빔의 효율이나 균일도가 급격히 떨어지게 된다. 제품 양산 시 발생하는 기구적인 공차는 랜덤(Random)한 분포를 가지고 발생하므로, 이를 조절(Control)하기는 불가능하고, 이는 곧 불량률의 증가와 가격의 증가로 이어진다.

요약하면, 초소형 레이저 프로젝션 디스플레이가 갖추어야 하는 조건으로 다음의 4가지를 들 수 있다. (a) 소형 사이즈, (b) 저 소비전력 (= 높은 광 효율), (c) 저 가격, (d) 높은 제품 신뢰성. 특히, 레이저 프로젝션 디스플레이 내부의 구성 요소 중 레이저 빔 형성 소자가 위의 4가지 조건을 만족시키는 것이 가장 중요하다. 일반 굴절 렌즈를 사용하여 레이저 빔 S 형성을 하는 경우에는 (a) 소형 사이즈, (c) 저 가격을 만족시킬 수가 없으며, 최근 제안되고 있는 DOE 소자를 사용하여 빔 형성을 하는 경우에는 비록 사이즈는 작아지고 가격적인 장점이 분명히 있으나 (b) 높은 광 효율, 특히 (d) 제품 신뢰성을 만족시키지 못한다.

본 고안은 위의 4가지 조건을 모두 만족시키는 빔 형성광학 소자에 대한 것이며, 또 그러한 빔 형성 광학 소자를 사용하는 조명 광학계 구조에 대한 것이며, 또한 그와 같은 조명 광학계를 사용하는 초소형 레이저 프로젝션 디스플레이 시스템 구조에 관한 것이다.

일반적으로 레이저 프로젝션 시스템은 다음과 같이 구성된다 (도 1). 우선 표시하고자 하는 화면의 영상신호0 가 들어오게 되고, 받은 영상 신호를 시스템 구동 방식에 알맞게 영상 보드 (IMAGE BOARD) 1 에서 신호 처리를 하여 레이저 광원3 와 광 변조 패널6 에 부착된 구동기 (DRIVER) 2-1 2-2로 신호를 보내주게 된다. 구 동기 2-1에 의해서 구동된 레이저 광원3은 알맞은 빔 세기와 주파수의 레이저 빔을 콜리메이션 광학계(COLLIMATION OPTICS)4로 보낸다. 콜리메이션 광학계(COLLIMATION OPTICS)4는 받은 레이저 빔을 평행 광으로 만들어서 빔 형성 광학계5에 보내준다. 빔 형성 광학계 5는 콜리메이션 광학계4로부터 받은 평행한 타원 형태의 가우시안 세기 분포를 갖는 빔을 패널6과 동일한 형상의 균일한 세기 분포를 갖는 빔을 변형하여, 광 변조 패널6로 보내주게 된다. 광 변조 패널6은 구동기2-2에 의해서 구동되며, 광 변조 패널6을 통해서 변조된 빔은 투사 광학계7을 거쳐 확대된 후, 스크린8로 투사 되어, 화면을 완성하게 된다. 특히, 투사 광학계7에 대비하여, 콜리메이션 광학계4와 빔 형성 광학계5를 합친 것을 조명 광학계라 부른다.

회절 광학 소자(DOE)를 이용한 빔 형성 광학계5의 작동 원리(도 2)는 다음과 같다. 레이저에서 나온 빔은 타원 형상10으로 내부의 세기 분포는 가우시안 분포11를 따른다. 다시 콜리메이션 광학계4를 거쳐 나온 평행한12 타원 형 빔이 직사각형 형태의 광 변조 패널6에 들어가게 되면, 상당한 량의 광 손실이 생기고, 균일도도 급격히 저하되어, 화면이 어둡고 얼룩덜룩하게 된다. 따라서 직사각형 혹은 띠 모양의 광 변조 패널 형상으로 빔 형상을 바꾸어 주고, 그 내부에서 빔 세기의 분포가 균일하도록 하여야 한다. 이 역할을 빔 형성 광학계5가 해주게 된다. 빔 형성 광학계5로 입사된 평행한 빔12는 빔 형성 광학계5를 거쳐서, 빔13으로 바뀌게 되며, 이 때의 빔13의 형상14은 광 변조 패널6의 형상과 동일하며, 그 때의 내부 빔 세기 분포15는 균일하게 된다.

하지만, 종래에 제시된 빔 형성 소자17 (도 3)는 입사하는 빔이 수직에서 각 16을 갖게 되거나, 입사하는 빔의 위치가 이동18하게 되면, 출력 빔19의 형상20이 원하는 형상(예를 들어 직사각형)에서 크게 변형 되고, 내부의 빔 세기 분포21도 크게 변하게 된다. 이는 빔 형성 소자의 각 화소(PIXEL)들이 입사하는 빔의 분포에 맞게 회절을 일으키도록 화소마다 각각 다르게 정교하게 설계되어 있기 때문에, 입사 빔의 입사 각이나 입사 위치가 변하게 되면, 본래 의도했던 빔 형성 형상14이나 분포 15 과는 전혀 다른 형상20 분포21의 결과를 가져오는 것이다.

그러한, 본 고안의 빔 형성 광학 소자5 (도 4)는 입사하는 빔이 수직에서 임의의 각16을 갖던, 입사하는 빔의 위치가 이동18을 하던, 관계없이 출력 빔13에 대해서 원하는 형상l4과 세기 분포15를 얻게 된다. 이는 본 고안의 DOE 소자가 같은 구조를 갖는 단위 셀(unit cell)들의 반복적인 배열로 이루어져 있으며, 각 단위 셀들은 광학적으로 같은 기능을 담당하기 때문에 가능하다. 하지만, 기존의 빔 형성 DOE 소자는 이러한 단위 셀의 반복 없이, 각각의 화소들이 서로 다른 광학적 기능을 하기 때문에, 입사 빔의 입사 각이나 입사 위치의 변화에 따라, 서로 다른 형태의 출력 빔 형상과 세기 분포를 갖게 되므로, 매우 안 좋은 광학 공차 한계(OPTICAL TOLERANCE)를 갖는 것이다. 본 고안의 DOE 소자5에 대한 자세한 구조와 작동 원리는 다음 장(CHAPTER)에서 보다 자세하게 소개한다.

본 고안의 빔 형성 조명 광학계5는 다양한 레이저 광원3의 배열과 다양한 콜리메이션 광학계4와 합쳐져서 사용될 수 있다(도 5,6,7,8). 첫 번째 사용 예 (도 5)를 보면, 적색(RED), 녹색(GREEN), 파란색(BLUE)31 32 33 세 가지 칼라의 레이저 광원에서, 가우시안 빔 분포22 23 24와 타원 형태의 빔 형상25 26 27를 갖는 레이 저 빔이 광 축에 평행28 29 30한 방향으로 광학계에 입사한다. 어떠한 각을 가지고 발산하는 각각의 레이저 빔은 각각 콜리메이션 렌즈 배열34 35 36에 의해서 평행한 광으로 바뀌고, 빔의 진행 방향을 바꾸어주는 광 경로변환 광학소자37 38 39에 의해서, 각각 광축에 어떤 각을 가지고40 41 42, 본 고안의 빔 형성 광학계5에 입사하게 된다. 빔 방향을 바꾸어주는 소자로는 그레이팅(GRATING)과 같은 회절 소자 또한 굴절 렌즈가 사용 가능하다. 여기서 중요한 점은 비록 3개의 광이 광축에 대해서 어떠한 임의의 각을 가지고 입사하지만, 본 고안의 빔 형성 광학계5를 사용하면, 모두 광축에 평행한 방향43으로 진행 경로가 바뀌게 되고, 그 때 출력 빔은 왜곡 없이 균일한 세기 분포45에 패널 형상44을 갖게 된다. 3개 이상의 광원에 대해서도 마찬가지로 동일한 방법으로 균일한 출력 빔을 만들어 낼 수 있다. 두 번째 사용 예 (도 6)는 적색, 녹색, 파란색 레이저 광원에 일정한 각을 주어31 32 33, 전의 예(도 5)와 다르게, 특별히 빔 방향을 바꾸어주는 광경로변환 광학소자37 38 39를 사용할 필요가 없는 예이다. 물론 본 고안의 빔 형성 광학계5는 입사 빔의 각에 대한 허용 한계(OPTICAL TOLERANCE)가 무척 크기 때문에, 입사 빔의 정밀한 입사 각 제어가 필요하지 않으므로, 두 번째 사용 예와 같은 시스템 구성이 가능한 것이다. 세 번째 사용 예 (도 7)는 적색, 녹색, 파란색 각 빔의 합성을 위해 이색 거울(DICHROIC MIRROR)46 47 48를 사용하는 방식의 예이다. 물론, 본 고안인 빔 형성 광학 소자5 사용 시, 특별한 이색 거울(DICHROIC MIRROR)의 사용 없이, 빔 형성과 동시에 색 합성이 가능하지만, 레이저 광원의 형태(FORM FACTOR)와 시스템의 기구적인 제한이 있을 때, 세 번째 사용 예를 사용하는 것이 시스템 사이즈를 최적화 시키는데 도움이 될 수 있다. 네 번째 사용 예 (도 8)는 색 합성을 위해서 X-CUBE50를 사용하는 경우이다. 물론, 이 경우에도 본 고안의 빔 형성 조명 광학계5 사용 시, 색 합성과 빔 형성이 동시에 가능하지만, 이 역시 레이저 광원의 형태 및 시스템의 용도에 맞는 기구적인 제한이 발생 시, 전체 시스템의 구성을 최적화하는데 유리할 수도 있다. 어느 경우에나 본 고안의 조명 광학계5는 시스템의 기구적인 공차에 의해 영향 받지 않는 고 양산성의 빔 형성 기능44 45을 수행한다.

지금까지 본 고안인 빔 형성 조명 광학계5와 함께 사용되는 것이 선호되는 레이저 광원 배열3과 콜리메이션 광학 시스템4에 대해 논의한 반면, 다음의 그림 (도 9,10)는 본 고안인 빔 형성 광학계5 뒷부분에 놓이는 것으로, 본 고안인 빔 형성 광학계와 함께 사용되는 것이 선호되는 광 변조 패널6과 투사 광학계7의 다양한 형태를 보여주고 있다. 첫 번째 사용 예(도 9)는 반사 형 액정 광 변조 패널52를 사용하는 경우이다. 빔 형성 조명 소자5로부터 나온 패널 모양의 균일한 빔은 PBS51(POLARIZATION BEAM SPLITTER)를 통과하여, 반사형 액정 광 변조 패널52로 들어가게 된다. PBS51은 원하는 편광만 통과시키거나 반사시키는 역할을 하는 광학 소자로서, 레이저 빔을 광원으로 사용 시, 레이저 빔의 편광 특성으로 인하여 빛이 다 통과되도록 할 수 있어, 기존의 광원(CCFL, LED, UHP LAMP)에 비해서 더 높은 광 효율을 얻을 수 있다. 첫 번째 예에서 반사 형 광 변조 액정 패널52은 반사 형 MEMS 광 변조 소자로 대치되어 그에 적합한 반사 형 광학계와 함께 사용될 수도 있다. 두 번째 사용 예(도 10)는 투과 형 액정 광 변조 패널54을 사용하는 경우이다. 가장 간단한 광학 구조를 갖는 것으로, 본 고안인 빔 형성 광학 소자5를 통과한 빛 은 빛의 진행 방향 변경 없이 광 축을 따라서 투과 형 액정 광 변조 패널54에 입사하여, 원하는 영상으로 광 변조된 후에, 투사 광학계53를 거쳐서 스크린에 확대 투사된다. 두 번째 예에서 투과 형 광 변조 액정 패널52는 투과 형 DMD 광 변조 패널로 대치되어 사용될 수 있다.

이와 같이 본 고안인 빔 형성 조명 광학 소자5는 본 고안에서 선호되는 레이저 광원 배열3과 콜리메이션 광학계4(도 5,6,7,8), 광 변조 소자6와 투사 광학계7(도 9,10)와 함께 사용되며, 적색, 녹색, 파란색 레이저가 시간에 따라 순차적으로 구동되는 FSC(FIELD SEQUEMTIAL COLOR) 구동에 적용은 물론, 적색, 녹색, 파란색 각각을 따로 구동하는 3패널 방식에 적용되어 각각의 빔을 각각 빔 형성 하는데 사용될 수 있다.

이제 본 고안인 빔 형성 소자5의 자세한 구조 및 원리에 대해서 살펴보도록 하겠다 (도 11,12). BEAM SHAPING 조명 광학계5는 크게 1^ST DOE 렌즈 배열 (LENS ARRAY) 55, 2^ND DOE 렌즈 배열 (LENS ARRAY) 56, 포커싱 렌즈 (FOCUSING LENS) 57로 이루어진다. 1^ST DOE 렌즈 배열55은 콜리메이션 광학계4를 통해서 평행하게 되어 들어온 레이저 빔을 내부의 DOE 단위 셀에 의한 면적 부분58 59 60 61 62으로 나누어 각 면적 부분에 들어오는 입사 빔을 2^ND DOE 렌즈 배열56에 초점을 맺게 하는 역할을 한다. 도 11에서는 입사 레이저 빔을 5개의 면적 부분58 59 60 61 62으로 나누어 2^nd DOE 렌즈 배열56에 초점을 맺게 하는 예를 보여주고 있다. 5개의 면적 부분 으로 들어오는 각 빔의 광량(FLUX)은 레이저 빔의 가우시안 분포 특성 때문에 서로 다르다. 즉, 가운데 부분60이 가장 크고 양 끝58 62부분으로 갈수록 광량은 작아지게 된다. 1^ST DOE 렌즈 배열55에 의해서 서로 다른 광량을 갖는 부분58 59 60 61 62들로 나누어져, 2^ND DOE 렌즈 배열56에 초점을 맺은 빔들은63 64 65 66 67 2^nd DOE 렌즈 배열56을 통과하면서, 초기 입사각과 초점을 맺는 위치에 무관하게 같은 방향 분포를 가지면서 발산하게 되고, 이 각 부분의 빔들은 다시 포커싱 렌즈57를 거치면서 같은 위치68 69 70에 상을 맺게 된다. 이러한 원리로 초기에 서로 다른 광량을 가진 5개의 빔58 59 60 61 62이 같은 위치68 69 70에 상을 맺게 되면서, 각 빔의 광 분포가 세기 합이 되어 섞이게 되므로, 최종적으로 얻어진 출력 빔은 균일한 빔 세기 분포15를 갖게 된다. 도 11은 세로 방향으로 하나의 DOE 단위 셀, 즉 DOE 단위 렌즈가 4번 반복되는 구조를 보여 주고 있다. 즉, 5개의 DOE 단위 셀이 세로 방향의 DOE 렌즈 배열을 구성하고 있다. 물론 입사 빔 사이즈 내에 반복되는 DOE 단위 셀 개수가 늘어날수록, 한 면적 내에서 입사 빔의 광 분포 변화가 작아지기 때문에, 출력 빔의 INTENSITY 분포의 균일도는 더욱 좋아지게 된다. 최적화된 DOE 렌즈 배열55 56 내에 DOE 단위 셀의 개수는 입사하는 레이저 빔의 세기(INTENSITY) 분포와 출력 빔의 균일 도 목표에 따라 달라 질 수 있다. 즉, 입사하는 레이저 빔의 세기(INTENSITY) 분포 함수의 경사가 심하다면 같은 균일 도를 얻기 위해서 더 많은 DOE 단위 셀이 필요하다.

본 고안인 빔 형성 광학 계5는 앞서 언급되었듯이, 다른 발명의 빔 형성 DOE 소자와는 다르게, 경사진 입사각을 갖는 레이저 빔에 대해서도, 같은 성능을 가지면서 문제없이 동작한다 (도 12). 경사진 입사 빔 또한 1^ST DOE 렌즈 배열55를 거치면서 5개의 부분58 59 60 61 62으로 나누어지고 각각은 2^ND DOE 렌즈 배열56에 초점을 맺게 된다. 물론 경사진 빔의 경우, 광 축에 평행한 빔의 경우(도 11)와는 다른 부분63 64 65 66 67에 초점을 맺는다. 하지만, 2^ND DOE 렌즈 배열56을 거치면서 동일한 방향 분포를 가지며 발산하는 빔으로 변하게 되고, 포커싱 렌즈57을 거치면서, 광축에 평행한 빔의 경우와 같은 부분68 69 70에 상을 맺게 된다. 역시 서로 다른 광량을 갖는 5개의 빔이 같은 부분68 69 70에서 세기 합이 되어, 균일한 세기 분포의 출력 빔15을 얻게 된다. 이는 본 고안이 서로 다른 각을 가지고 입사하는 빔에 대해서도 균일한 세기 분포를 갖는 출력 빔15을 얻게 되는 원리이다.

지금까지의 논의는 일 차원에서만 (즉, y축을 따라서) 이루어졌지만, 같은 원리가 x축에도 적용되므로, 이 차원에서도 같은 원리로 작동하게 된다. 따라서, 위에 언급된 작동 원리로 균일한 세기 분포를 갖는 출력 빔을 얻게 됨은 물론, 이를 이 차원으로 확장시켰을 때, 원하는 패널 모양의 형상을 갖는 출력 빔을 얻을 수 있다.

1^ST DOE 렌즈 배열55의 단순화된 구조(도 13,14)를 볼 수 있다. 예시된 그림에서는 5 x 5의 DOE 렌즈 배열55 형태를 보여주고 있으며, 따라서 DOE 렌즈 배열은 25개의 DOE 단위 셀71(도 15,16)들로 이루어진다. 2^ND DOE 렌즈 배열56과 2^nd DOE 렌 즈 배열을 이루는 DOE 단위 셀은, 1^ST DOE 렌즈 배열56과 1^ST DOE 렌즈 배열을 이루는 DOE 단위 셀71과 기본적으로 같은 구조가 선호되지만, 화면의 질을 높이기 위해서, 다른 위상 함수(도 17)를 사용한 설계가 가능하다.

회절 광학 소자 설계는 크게 회절 소자의 대표 크기인 d, h의 크기에 따라 서로 다른 방법으로 설계된다. d는 회절 소자의 x축을 따르는 그레이팅(GRATING) 간격과 관련된 값이고, h는 회절 소자의 z축을 따르는 두께와 관련된 값이다. 입사 빔의 파장을 λ라 했을 때, d, h〈 0.5λ 인 경우에는 DOE 소자를 z축에 따라 굴절률이 연속적으로 변하는 연속체 근사(COTINUOUS MEDIUM APPROXIMATION)를 사용하여 설계가 가능하다. 즉, DOE 소자의 대표 크기들에 비해서, 파장이 충분히 크기 때문에, 빛의 입장에서 보면 DOE 소자를 단지 z축 방향으로 연속적으로 변하는 물질로 인식하게 된다. d, h 〉3∼4λ 인 경우에는 DOE 소자를 두께를 갖지 않고, 단순히 x or y축을 따라서 위상이 변하는 위상 판(phase plate)으로 근사하여 설계가 가능한데, 이를 복소수 크기(COMPLEX-AMPLITUDE) 근사 방법이라 부른다. 즉, 빛의 파장이 DOE 소자 사이즈에 비해서 충분히 크기 때문에, 빛의 입장에서 보면 DOE 소자의 자세한 굴곡을 느끼지 못하고, 단순히 두께가 없는 위상 판으로만 느끼게 된다. 0.5λ〈 d, h〈 3∼4λ 의 중간(INTERMEDIATE) 구간에서는 특별한 근사 방법이 존재하지 않으므로, 계면(INTERFACE)에서 맥스웰(MAXWELL) 방정식을 직접 푸는 방법인 엄밀한 회절 이론(RIGOROUS DIFFRACTION THEORY)를 사용해야 한다. 물론, 엄밀한 회절 이론(RIGOROUS DIFFRACTION THEORY)은 빛이 DOE소자의 굴곡 즉 계면 (INTERFACE)에서 조차 정확하게 멕스웰 방정식을 만족시키므로, d, h와 파장과의 크기 관계에 무관하게, 전영역에서 사용될 수 있다. 본 고안의 DOE 소자는 d, h 〉3∼4λ 조건을 만족시키므로, 복소수 크기(COMPLEX-AMPLITUDE) 근사 방법을 사용하여 DOE 소자를 설계 하였다. 복소수 크기(COMPLEX-AMPLITUDE) 근사 방식을 사용하는 경우, (즉, DOE 소자를 굴곡 없는 단순한 위상 판으로 보는 경우. 물론 모델링은 그렇게 하지만 실제 제작된 DOE소자는 굴곡이나 계단 형상을 갖는다) DOE 설계 방법은 크게 2가지로 나뉜다.

첫 번째 방법은 CGH(COMPUTER GENERATED HOLOGRAM) 방법이라 불리는 것으로 (NUMERICAL TYPE DOE라 불리기도 함) 빛의 웨이브프런트(WAVE FRONT) 개념을 기본으로, 원하는 형상, 세기 분포를 갖는 출력 빔의 웨이브프런트를 결정하고, 입사하는 빔의 웨이브프런트를 정확하게 예측해서, 원하는 출력 빔을 만들어주는 웨이브프런트 변형 위상 판을 설계하는 것이다. CGH에는 또한 크게 직접(DIRECT) 설계 방식과 역(INVERSE) 설계 방식이 있다. 직접 설계 방식은 DOE 소자의 파라미터 들이 (즉, 각 화소들의 위상지연(PHASE DELAY), 복소수크기 투과성(COMPLEX-AMPLITURE TRASMITTANCE) 같은 것들) 메리트(MERIT) 함수가 만족될 때까지 직접 최적화 해나가는 방식으로, 여기에는 직접 검색기술(DIRECT SEARCH TECHNIQUE), 시뮬레이티드 어닐링(SIMULATED ANNEALING), 제네틱 알고리즘(GENETIC ALGORITHM) 같은 것들이 있다. 역 설계 방식은 거꾸로 출력 빔의 조건들을 최적화해서, 그 때의 DOE 파라미터를 역으로 찾는 방식으로, 유명한 IFTA(ITERATIVE FOURIER ALGORITHM)이 그 한 예이다.

두 번째 방법은 KINOFORM이라 불리는 위상 함수(PHASE FUNCTION)을 기초로 하는 설계 방식으로 (ANALYTIC TYPE DOE라 불리기도 함) 굴절 광학을 바탕으로 어떠한 광학적 기능을 하도록 얻어진 위상 함수(도 17)을 얇은 위상 판 역할을 하는 DOE 소자로 바꾸어주는 방식이다. 첫 번째 방법인 CGH 방식은 웨이브프런트를 원하는 모양으로 변형하는 방법으로, 원 거리(FAR FIELD)에서 원하는 패턴을 얻기 위한 DOE 설계에는 좋다. 예를 들어 단일(SINGLE) 레이저 빔을 여러 개의 빔을 나누어 원하는 곳에 위치시키는 빔스플리터(BEAM SPLITTER)나, 원형의 레이저 빔을 원하는 형상으로 변형시키는 빔 형성, 기업 LO로고라던지 복잡한 형상을 얻어야 되는 HOE(HOLOGRAPHIC OPTICAL ELEMENT)에 적합하다. 하지만, 실제로 원거리가 아닌 프레넬 영역(FRESNEL REGION)에서는 설계 정확도가 떨어지고, 입력 빔의 형상 변화에 출력 빔의 형상이 쉽게 변형되므로, 짧은 거리에서의 초점 광학계(FOCUSING OPTICS)로는 적용되기에는 어려운 점이 있다. 따라서, 본 고안에서는 복소수 크기 근사 방법 (COMPLEX-AMPLITUDE)을 사용하여, 위상 판을 설계하되, KINOFORM이라 불리는 위상 함수(PHASE FUNCTION) 사용하는 방법으로 설계를 진행하였다.

우리는 DOE 렌즈 배열55 56 내의 하나의 DOE 단위 셀71을 설계하기 위해서 가장 기본적인 식(0)인 위상 함수를 사용하였다. 이 위상 함수는 초점을 맺는 렌즈의 가장 기본적인 형태이고, 색 수차, 구면 수차들을 보정하기 위해서, 다소 변형된 위상 함수를 사용하여도 무방하다.

Where Φ는 위상 지연(phase delay), k는 방향 벡터, ρ는 root(x²+y²), f는 초점 거리로 본 고안에서는 1^st DOE 렌즈 배열55와 2^nd DOE 렌즈 배열56 사이의 거리를 의미한다.

얻어진 위상 함수를 실제 DOE 단위 셀로 바꾸는 방법은 FIG. 11에 잘 나타나있다. 즉, 위상 함수를 z축을 따라서 위상 차 n

간격으로 잘라서, 그대로 실제 렌즈 평면에 투영(projection) 시키는 것이다. 물론, 위상 함수의 모양이 렌즈 평면에 그대로 투영되는 것은 아니다. 즉, n=2 인 경우에 (위상 함수를 2

간격으로 자르는 경우에) 렌즈의 굴곡 h(r)는 위상함수 Φ(r)에 대해서 식(1)과 같이 결정된다.

따라서, 최대 h 값인 h(max)= λ / (n(λ) - 1) 가 된다. 이러한 방법으로 구현된 DOE 단위 셀(도 18)은 일반적으로 KINOFORM이라 불린다. DOE 단위 셀의 제작은 다이아몬드 터닝(DIAMOND TURNING) 방법을 사용하여, h(r)의 굴곡을 그대로 재현하는 방법이 가능하다. 물론 이 경우에 효율은 이론적으로는 100%가 되지만, d 간격이 좁은 경우에는 가공이 어려우므로, 도 19 과 같이 연속적인 굴곡을 여러 개의 계단으로 근사하여, 반도체의 리소그라피(LITHOGRAPHY) 방법을 사용하여 가공하기도 한다. 이 경우에는 계단 수에 따라 DOE LENS의 효율이 결정되며, 위상 함수의 형태에 따라 다르기는 하지만, 일반적으로 6-8 LEVEL 가공을 하게 되면, 80% 이상 의 고효율을 얻을 수 있다.

위상 함수를 실제 DOE 렌즈화 하는 방법으로, 위에 예시된 방법 외에, 위상 함수를 그레이팅 간격 dg가 연속적으로 변화하는 dg(x)로 근사 하는 기하학적 방법이 있다. 즉, 매우 촘촘한 간격의 그레이팅(GRATING)을 생각하면, 다음의 근사 식(2)가 성립될 수 있다.

즉, 위상 함수의 어느 위치 x에서의 기울기 변화가 작다면, 그레이팅 간격 dg 만큼 움직인 후에 위상 변화는 2

가 될 것이다. 따라서, 식(2)로부터 변화하는 그레이팅 간격은 다음 식(3)으로 표현될 수 있다.

이 모델은 특별한 h(r)과 같은 굴곡 만들거나 다층(multi-level) 근사하여 계단 구조를 만들 필요 없이, 단순히 간격을 변화시켜 가면서 그레이팅 선들만 그으면 되기 때문에, 상대적으로 가공이 편리하다는 장점이 있다. 하지만, 이 모델이 성립하기 위해서는 위상 함수의 x축을 따르는 변화가 매우 작아야 하므로, 가능한 정확한 근사를 위해서 dg값이 무척 작아야 한다. 예를 들어 일반적인 반지름 대칭(radial symmetry)을 갖는 DOE 단위 셀의 위상 함수(4)를 고려했을 때,

식 (3)에 의해서 계산되는 dg(x)는 다음 식(5)와 같이 표현될 수 있다.

식 (5)에 볼 수 있듯이, dg ∼ λ 의 크기 order가 되므로, d 〉3∼4 λ 에서 성립 가능한 복소수 크기 근사가 맞지 않게 되고, 위상 함수를 통한 계산은 자체적인 모순을 갖게 되므로, 정확한 모델링에는 어려움이 있다. 따라서, 본 고안에서는 정해진 위상 함수를 DOE 소자화할 때, grating으로 근사 하는 방법 대신에, 실제 렌즈 평면에 그대로 투영시키는 전자의 방법을 사용하여, 설계의 정밀도를 높였다.

DOE 단위 셀 하나의 크기를 3.2mm x 2.4mm로 하고, 5 x 5 배열을 갖는 DOE 렌즈 배열을 설계하여, 본 고안에서 제시된 방법으로 실제 시뮬레이션을 해보았다. 도 20은 실제 DOE 단위 셀의 설계에 사용된 위상 함수73과 렌즈 평면에 투영된 실제 렌즈 형상74을 보여주고 있다. 도 21은 이렇게 설계된 DOE 단위 셀을 사용하여 2차원 시뮬레이션 한 결과로, 5개의 DOE 단위 렌즈로 나뉘어져 들어간 레이저 빔 각각이 정확하게 패널6 상의 같은 위치에 상을 맺는 것을 볼 수 있다. 도 22는 3차원 시뮬레이션 결과로 타원 모양의 레이저 빔이 본 고안인 빔 형성 소자를 통과한 후에 정확히 패널 모양의 직사각형을 변형되는 것을 볼 수 있다. 도 23은 본 고안인 빔 형성 소자를 통과한 후에 패널 면에 입사하는 빔의 광 분포를 보여준다. 형상은 정확히 직사각형이며, 빔의 세기 분포가 균일도 90%으로 무척 좋음을 볼 수 있다.

본 발명에 따른 빔 형성 소자와 그것을 포함하는 조명 광학계와 또 그것을 포함하는 레이저 프로젝션 디스플레이 시스템에 의하면, 레이저 프로젝션 디스플레 이 시스템의 초소형화, 고효율화, 저가격화가 가능하다.

빔 합성 구조의 단순화 및 DOE 렌즈의 사용으로 종래에 불가능 했던 초소형화가 가능하며, 광 변조 패널 모양과 일치하는 빔 형성에 의해서 고효율화가 가능하며, 입사 빔의 위치나 각도에 관계없이 기능을 하는 광학 구조에 의해서 제품의 불량률이 떨어져 저가격화가 가능하다.

특히, 액정 광 변조 패널과 함께 사용 시, 레이저 광원의 편광 특성으로 인하여, 빛의 효율을 종래의 프로젝션 시스템에 비해서 더욱 높일 수 있으나, DMD, GLV와 같은 다른 종류의 광 변조 패널과 함께 사용되어도 발명의 효과는 그대로 유지된다.

이상에서 대표적인 실시 예를 통하여 본 발명에 대하여 상세하게 설명하였으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 상술한 실시 예에 대하여 본 발명의 범주에서 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 변형이 가능함을 이해할 것이다. 그러므로 본 발명의 권리 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구범위 뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

제1 DOE렌즈 배열, 포커싱 렌즈 순으로 광축에 따라 배열되어 있으며,

상기 제1 DOE렌즈 배열 내부의 DOE 단위 셀의 초점거리가 상기 제1 DOE렌즈 배열 위치의 이상과 상기 포커싱 렌즈 위치의 이하에 있도록 제1 DOE렌즈 배열와 포커싱 렌즈간의 거리가 형성된 것을 특징으로 하는 빔 형성 광학 소자
제1 DOE렌즈 배열, 제2 DOE렌즈 배열, 포커싱 렌즈순으로 평행하게 배열되어 있으며,

상기 제1 DOE렌즈 배열 내부의 DOE 단위 셀의 초점거리가 상기 제1 DOE렌즈 배열 위치의 이상과 상기 포커싱 렌즈 위치의 이하에 있도록 배열된 것을 특징으로 하는 빔 형성 광학소자
적색, 녹색, 파란색 각각의 광을 생성하는 레이저 광원들;

상기 각각의 레이저 광원으로부터 빛을 받아 상기 제1 또는 2항의 빔 형성 광학소자 크기 이하의 크기를 갖는 빔 단면을 형성 시켜주는 콜리메이션 렌즈들;

상기 각각의 콜리메이션 렌즈들로부터 나온 빛들을 받아 제1 또는 2항의 빔 형성 광학소자의 광축에 평행한 광을 형성하는 상기 제1 또는 제2항의 빔 형성 광학소자; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명광학장치
제 3항에 있어서,

상기 각 콜리메이션 렌즈와 상기 제1 또는 2항의 빔 형성 광학소자 사이에 위치하여 빛의 진행 방향을 바꾸어주는 광경로변환 광학소자들; 을 더 구비한 것을 특징으로 하는 조명광학장치
제 4항에 있어서,

상기 각각의 광경로변환 광학소자들은 회절소자 또는 굴절 렌즈로 이루어진 것을 특징으로 하는 조명광학장치
제 4항에 있어서,

상기 각각의 광경로변환 광학소자들은 각각으로부터 출사된 빛이 상기 제1 또는 2항의 빔 형성 광학소자상의 동일한 면에 입사하도록 빛의 방향을 조정하는 것을 특징으로 하는 조명광학장치
제 3항에 있어서,

상기 각 레이저 광원은 그에 대응하는 상기 각 콜리메이션 렌즈와 상기 각 콜리메이션 렌즈의 초점거리만큼 떨어진 것을 특징으로 하는 조명광학장치