KR20080023177A - 1차원 조명 장치 및 영상 발생 장치 - Google Patents

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신이찌로오 다지리
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

1차원 조명 장치는 1차원으로 배열된 복수의 레이저 장치를 포함하는 광원과, 광원으로부터 방출된 광의 파면을 분할하고 분할된 파면을 중첩시키기 위한 하나 이상의 원통형 렌즈 어레이를 포함하는 파면 분할 유닛과, 광을 파면 분할 유닛으로부터 대상으로 도입하고 분할된 파면을 중첩시키기 위한 파면 중첩 유닛과, 파면 분할 유닛에 의해 분할된 한 쌍의 인접한 레이저 비임 중 하나의 레이저 비임의 편광 평면을 회전시키기 위한 편광 변환 유닛을 포함한다. 편광 변환 유닛은 광원으로부터의 레이저 광이 파면 분할 유닛 내에서 마지막으로 통과하는 광학 소자 직전 또는 직후에 위치된다.
1차원 조명 장치, 레이저, 파면 분할 유닛, 파면 중첩 유닛, 편광 변환 유닛

Description

1차원 조명 장치 및 영상 발생 장치 {One-Dimensional Illumination Apparatus and Image Generating Apparatus}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 발명은 2006년 9월 8일자로 일본 특허청에 출원된 일본 특허 출원 제2006-244614호에 관련된 보호 대상을 포함하고, 이는 본원에서 전체적으로 참조되었다.
본 발명은 1차원 레이저 광을 방출하기 위해 광원으로서 어레이 레이저를 사용하는 1차원 조명 장치에 관한 것이다.
막대 렌즈를 사용하는 방법, 면 절삭 공정에 의해 처리된 거울을 사용하는 방법, 렌즈 어레이를 사용하는 방법 등이 1차원 레이저 비임, 즉 균일한 광 강도 분포를 갖는 선형 레이저 비임이 얻어지는 방법으로서 공지되어 있다. 그러한 방법에서, 레이저 광원이 사용되고, 파면이 분할되고, 분할된 파면들이 중첩되어 선형 레이저 비임을 발생시킨다. 그러나, 임의의 이러한 방법에서, 미세 간섭 프린지가 레이저 광의 고유한 공간적 코히런스로 인해 집속 부분에서 관찰된다. 파면이 레이저 광의 공간적 코히런스 거리보다 더 짧은 거리만큼 분할되면, 분할된 파 면들은 서로에 대한 간섭을 갖고, 간섭 프린지가 분할된 파면들이 중첩될 때 발생된다.
그러나, 파면이 실제 레이저 광의 공간적 코히런스 거리보다 더 긴 거리만큼 분할되면, 코히런스 거리가 레이저 광의 비임 스폿의 직경과 비교하여 작지 않으므로, 충분한 수의 파면을 얻기가 어렵다. 따라서, 분할된 파면들이 중첩될 때, 광 강도의 충분한 균일성이 얻어지지 않을 수 있다. 또한, 파면이 공간적 코히런스 거리보다 더 긴 거리만큼 분할될 때에도, 공간적 코히런스는 완전히 제거되지 않을 수 있고, 간섭이 여전히 남는다.
일본 특허 출원 공개 제2006-49656호 및 일본 특허 출원 공개 제2004-12757호는 분할된 파면들 (또는 분할될 파면들)을 시간적 코히런스 거리보다 더 긴 광학 경로차와 조합함으로써 간섭 프린지를 감소시키는 방법을 제안한다.
첨부된 도면의 도1 및 도2는 관련 기술에 따른 전술한 방법의 광학 시스템의 개략도를 도시한다. 도1에 도시된 바와 같이, (도시되지 않은) 광원으로부터 방출된 레이저 광(Lo)은 광학 경로차를 발생시키는 광학 경로차 발생 부재(59)를 통과한다. 이후에, 그의 파면은 파면을 분할하고 분할된 파면들을 중첩시키는 기능을 각각 갖는 한 쌍의 원통형 렌즈 어레이(52a, 52b)에 의해 분할된다. 그 후에, 대상(54)이 집속 렌즈(53)를 통과한 레이저 광으로 조명된다. 도2에 도시된 바와 같이, 광학 경로차 발생 부재(59)는 원통형 렌즈 어레이(52a, 52b)들 사이에 위치될 수 있다.
그러나, 실제 레이저가 수 센티미터 이상의 시간적 코히런스 거리를 갖는 것이 보편적이다. 따라서, 도1 및 도2에 도시된 광학 경로차 발생 부재(59)의 광 경로를 따른 방향으로 연장되는 길이(dp)를 얻기 위해, 광학 경로차 발생 부재(59)를 위한 공간이 요구될 수 있고, 이는 장치의 크기를 감소시키는데 불리하다. 또한, 레이저 비임이 도1에 도시된 바와 같이 완전히 시준되지 않는 경우에, 광학 경로차 발생 부재(59)의 측면 표면 상에서 반사되는 레이저 광(Ls)은 미광이 될 수 있다. 더욱이, 도2에서 점선(E)에 의해 도시된 바와 같은 광학 경로차 발생 부재(59)가 있는 광 경로와 광학 경로차 발생 부재가 없는 광 경로는 상이한 광학 거리를 갖고, 그러므로 레이저 비임이 중첩되는 효율은 높지 않고, 결과적으로 광을 사용하는 효율이 저하될 수 있다.
광원으로서 1차원으로 배열된 레이저 장치들을 포함하는 1차원 조명 장치가 제공된다. 특히, 이러한 1차원 조명 장치는 스크린과 같은 적합한 디스플레이 장치 상으로 영상을 주사 및 투사하는 영상 발생 장치에 인가되는 1차원 영상 광을 발생시키기 위해 원하는 광 강도 분포로 1차원 광 변조 장치를 조명하도록 사용된다. 그러한 경우에, 영상이 전술한 미광 및 광 사용에서의 저하된 효율로 인해 만족스럽게 표시되지 않을 위험이 있다.
상기 관점에서, 광을 사용하는 효율을 저하시키지 않고서, 파면을 분할하고 분할된 파면들을 중첩시킴으로써 간섭 프린지를 감소시킬 수 있는 1차원 조명 장치 를 제공하는 것이 바람직하다. 더욱이, 1차원 조명 장치를 사용하며, 간섭 프린지가 억제되는 조명 광을 사용함으로써 영상을 발생시킬 수 있는 영상 발생 장치를 제공하는 것이 바람직하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원과, 파면 분할 유닛과, 파면 중첩 유닛과, 편광 변환 유닛을 포함하는 1차원 조명 장치가 제공된다. 광원은 1차원으로 배열된 복수의 레이저 장치를 포함한다. 파면 분할 유닛은 광원으로부터 방출된 광의 파면을 분할하고 분할된 파면들을 중첩시키기 위한 하나 이상의 원통형 렌즈 어레이를 포함한다. 파면 중첩 유닛은 광을 파면 분할 유닛으로부터 대상으로 도입하고 분할된 파면들을 중첩시킨다. 편광 변환 유닛은 파면 분할 유닛에 의해 분할된 한 쌍의 인접한 레이저 비임 중 하나의 레이저 비임의 편광 평면을 회전시킨다. 또한, 편광 변환 유닛은 광원으로부터의 레이저 광이 파면 분할 유닛 내에서 마지막으로 통과하는 광학 소자의 직전 또는 직후에 위치된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 분할된 파면에 대한 2개의 인접한 광 경로들은 하나의 세트를 구성하고, 하나의 광 경로 상의 레이저 비임의 편광 평면은 편광 변환 유닛에 의해 예를 들어 90° 회전되어, 다른 광 경로 상의 레이저 비임과의 간섭을 감소시킨다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 편광 변환 유닛이 위치되는 위치는 다음과 같이 결정된다. 따라서, 광원으로부터의 광이 파면 분할 유닛 내에서 마지막으로 통과하는 광학 소자가 예를 들어 2개의 원통형 렌즈 어레이를 포함하는 경 우에, 편광 변환 유닛은 제2 원통형 렌즈 어레이 직전 또는 직후에 위치된다. 그러므로, 분할된 레이저 광이 편광 변환 유닛의 코너 등에서 반사될 위험이 작아서, 미광의 발생을 제어하고, 광을 사용하는 효율이 저하되는 것을 방지한다. 편광 변환 유닛과 원통형 렌즈 어레이와 같은 광학 소자 사이의 공간은 분할된 레이저 광이 편광 변환 유닛 등의 코너 부분에서 반사되는 것이 방지될 수 있는 범위 내의 거리일 수 있다.
특히, 편광 변환 유닛이 광학 소자 직후에 위치되는 경우에, 편광 평면이 편광 변환 유닛에 의해 회전된 광과 편광 평면이 회전되지 않은 광의 광학 경로 길이의 차이가 감소될 수 있다. 따라서, 조명되는 목표 상에서의 배율 차이 및 위치 변위가 억제될 수 있어서, 광을 사용하는 효율을 열화시키지 않고서 간섭 프린지를 신뢰할 수 있게 감소시킨다.
더욱이, 양호하게는, 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치는 다음의 방정식을 만족시키도록 제공된다.
cos{(ψ+θ)/2} ≤ NA
여기서, θ는 광원의 각각의 레이저 장치로부터 방출된 각각의 레이저 광이 집속 또는 발산되는 각도이고, ψ는 광원의 모든 레이저 장치로부터 방출된 레이저 비임이 집속 또는 발산되는 각도이고, NA는 파면 분할 유닛에 제공된 광 입사 측면 상의 원통형 렌즈 어레이의 개구수이다.
전술한 배열에 따르면, 복수의 레이저 장치로부터 방출된 모든 레이저 광은 파면 분할 유닛의 원통형 렌즈 어레이 상에 효율적으로 입사할 수 있다.
더욱이, 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치에서, 광원의 하나의 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광이 원통형 렌즈 어레이의 2개 이상 4개 미만의 렌즈 셀 위로 입사하는 것이 바람직하다.
전술한 배열의 경우에, 하나의 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광은 광선들로 분할되고, 인접한 화소 내로 진입하는 광선들은 분할된 후에 중첩되더라도, 편광 변환 유닛의 작용에 의해 서로 간섭하는 것이 방지될 수 있고, 따라서 간섭 프린지가 신뢰할 수 있게 감소될 수 있다. 하나의 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광이 3개의 렌즈 셀 위로 입사하는 경우에, 양 측면 상의 렌즈 셀 상에 입사하는 레이저 광의 강도가 중심 렌즈 셀 상에 입사하는 레이저 광의 강도보다 더 작으므로, 간섭 프린지의 영향은 무시할만 하다.
다른 한편으로, 레이저 광이 4개 이상의 렌즈 셀 위로 입사하면, 교대하는 렌즈 셀 상에 입사하는 레이저 광의 강도가 낮지 않을 수 있으므로, 간섭 프린지가 충분히 감소되지 않을 수 있는 위험이 있다. 하나의 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광이 2개 미만의 렌즈 셀 상에 입사하면, 레이저 광의 강도는 파면을 분할하고 분할된 파면들을 중첩시킨 후에 충분히 균일하지 않고, 간섭 프린지를 감소시키는 효과가 충분히 얻어지지 않을 수 있다.
따라서, 광원의 하나의 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광이 원통형 렌즈 어레이의 2개 이상 4개 미만의 렌즈 셀 상에 입사하도록, 1차원 조명 장치가 구성되면, 간섭 프린지를 가장 효율적으로 억제하는 것이 가능하다.
더욱이, 본 발명의 다른 실시예에 따르면, 광원과, 1차원 조명 장치와, 1차 원 광 변조 장치와, 투사 광학 유닛과, 주사 광학 유닛을 포함하며, 본 발명의 일 실시예에 따른 배열을 갖는 1차원 조명 장치를 사용하는 영상 발생 장치가 제공된다.
본 발명의 영상 발생 장치의 일 실시예에 따르면, 1차원 조명 장치 내에서 광을 사용하는 효율을 열화시키지 않고서 간섭이 감소된 조명 광을 사용하여 영상을 발생시키는 것이 가능하다.
본 발명의 1차원 조명 장치의 일 실시예에 따르면, 광을 사용하는 효율을 열화시키지 않고서 파면을 분할하고 분할된 파면들을 중첩시킴으로써 간섭 프린지를 감소시키는 것이 가능하다.
본 발명의 영상 발생 장치의 일 실시예에 따르면, 간섭 프린지가 감소된 조명 광을 사용하여 영상을 발생시키는 것이 가능하다.
본 발명에 따르면, 간섭 프린지를 감소시킬 수 있는 1차원 조명 장치가 제공되며, 그러한 1차원 조명 장치를 사용하여 광을 사용하는 효율을 열화시키지 않고서 간섭이 감소된 조명 광으로 영상을 발생시키는 것이 가능하다.
본 발명의 실시예가 후술될 것이지만, 본 발명은 후술되는 실시예로 제한되지 않는다는 것이 이해되어야 한다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 설명 전에, 파면을 분할하고 분할된 파면들을 중첩시키는 기본적인 배열을 갖는 1차원 조명 장치가 도3, 도4, 및 도5의 개략도를 참조하여 설명될 것이다.
그러한 예에서, 광(Lo)이 광원으로부터 방출된다. 도면에서, 화살표(x)는 광의 종방향을 표시하는 x-축을 도시하고, 광은 종방향에 대해 직교하는 화살표(y)에 의해 도시된 y-축 방향으로 단일 횡단 모드로 방출되어, 1차원 (선형) 레이저 비임으로서 화살표(z)에 의해 도시된 z-축 방향으로 진출한다. 광(Lo)은 x-축 방향, 즉 1차원 방향을 따라 파면이 분할되고, 각각의 분할된 파면들은 중첩되어, 대상, 예를 들어 1차원 광 변조 장치를 조명한다. 도3 및 도4는 파면이 분할되는 방향 및 파면이 전진하는 방향(광학 축)을 따른 단면을 도시한다.
도3 및 도4에 도시된 예에서, 파면 분할 유닛(57)은 한 쌍의 원통형 렌즈 어레이(52a, 52b)를 포함하고, 이러한 원통형 렌즈 어레이(52a, 52b)들은 서로의 초점에 위치된다. 또한, 파면 중첩 유닛(58)은 도3에 도시된 바와 같이 볼록 렌즈와 같은 단일 집속 렌즈(53)로 형성된 기본적인 배열을 갖는다. 대안적으로, 파면 중첩 유닛(58)은 평면-볼록 렌즈와 같은 2개의 광학 렌즈(55, 56)의 조합으로 형성된 기본적인 배열을 갖는다. 또한, 다양한 다른 배열을 갖는 광학 시스템도 사용될 수 있다. 파면 중첩 유닛(58)은 조명되는 대상(54) 상의 원하는 위치에서 분할된 파면들을 중첩시키는 기능을 갖는다.
도5에 도시된 바와 같이, 파면이 분할되고, 그 후에 분할된 파면들이 중첩되면, 간섭 프린지는 인접한 레이저 비임들이 간섭을 가지므로, 분할된 파면들이 중첩될 때 발생될 수 있다. 도5에서, 도3 및 도4에 대응하는 소자 및 부품은 동일한 도면 부호에 의해 표시되고, 반복적으로 설명되지 않는다.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례를 도시하는 개략도이다. 또한, 이러한 경우에, 화살표(x)는 광의 종방향을 표시하는 x-축을 도시하고, 광(Lo)은 종방향에 대해 직교하는 화살표(y)에 의해 도시된 y-축 방향으로 단일 횡단 모드로 방출되어, 1차원 (선형) 레이저 비임으로서 화살표(z)에 의해 도시된 z-축 방향으로 진출한다. 더욱이, 도6에 도시된 1차원 조명 장치(10)는 파면 분할 유닛(21)으로서 한 쌍의 원통형 렌즈(4a, 4b)와, 파면 중첩 유닛(22)으로서 평면-볼록 렌즈와 같은 적합한 렌즈로 형성된 집속 렌즈(6)를 포함한다. 인접한 레이저 비임의 편광 평면을 대략 90° 회전시키기 위한 편광 변환 유닛(5)이 광이 통과하는 최종 광학 소자인, 원통형 렌즈(4a, 4b)들 중 원통형 렌즈 어레이(4b)의 직전 또는 직후에, 이러한 경우에는 직후에 위치된다. 편광 변환 유닛(5)으로서, 파장 필름, 박막 파장판, 결정 파장판, 프레넬 마름모 등을 사용하는 것이 가능하다. 대안적으로, 파장 필름과 같은 편광 변환 장치는 편광 변환 기능을 갖지 않는 광 투과 기판의 일 부분에 제공될 수 있다. 전술한 배열을 갖는 편광 변환 유닛(5)이 원통형 렌즈 어레이(4b) 직후에 위치되므로, 인접한 레이저 비임(LA, LB)들의 파면들이 대상(11) 상에서 중첩될 때에도 간섭을 감소시키는 것이 가능하다. 임의의 편광 변환 유닛이 편광 평면을 대략 90° 회전시키는 기능을 갖는 한, 편광 변환 유닛(5)으로서 사용될 수 있다는 것을 알아야 한다. 따라서, 편광 변환 유닛은 편광 변환 유닛(5)의 전술한 예로 제한되지 않는다. 또한, 편광 평면이 90° 회전되는 것이 가장 바람직하다. 그러나, 편광 평면이 정확히 90° 회전되지 않을 때에도, 간섭을 감소시키는 효과가 얻어질 수 있다.
도7은 1차원 조명 장치의 주요 부분을 확대하여 도시하는 개략도이다. 이러한 경우에, 레이저 비임(LA, LB)이 삽입된 편광 변환 유닛(5)의 점선(A, B)에 의해 도시된 바와 같은 코너 부분(모서리) 이외의 부분을 통과하는 경향이 있으므로, 레이저 비임(LA, LB)은 산란되지 않도록 제어될 수 있고, 따라서 미광의 발생이 억제될 수 있다. 편광 변환 유닛(5)과 원통형 렌즈 어레이(4b) 사이의 공간은 레이저 비임(LA, LB)이 편광 변환 유닛(5)의 코너 부분에 인가되는 것이 방지될 수 있는 범위 내에서 선택될 수 있다. 특히, 편광 변환 유닛(5)이 원통형 렌즈 어레이(4b)의 직전에 위치되지 않지만 이러한 예에서 도시된 바와 같이 원통형 렌즈 어레이(4b) 직후에 위치되는 경우에, 광학 경로 길이는 파면 분할 유닛(21) 내에서 변화되지 않는다. 따라서, 배율 차이 및 위치 변위가 초점 위치에서 거의 발생되지 않고, 전술한 배열은 가장 양호한 배열이다. 도7에서, 도6에 대응하는 소자 및 부품은 동일한 도면 부호에 의해 표시되고, 반복적으로 설명되지 않는다.
또한, 도8은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 주요 부분의 일례를 도시한다. 도8에 도시된 바와 같이, dsc가 사용되는 레이저 광의 공간적 코히런스 거리인 경우에, 원통형 렌즈 어레이(4a, 4b)의 렌즈 셀의 피치(PL)가 공간적 코히런스 거리(dsc)의 대략 1/2인 것이 바람직하다. 이러한 배열에 따르면, 간섭 프린지의 발생은 인접한 레이저 비임(LA, LB) 중 하나의 편광 평면을 약 90° 회전시킴으로써 가장 효율적으로 억제될 수 있다. 실제 실시에서, 레이저 광의 간섭이 공간적 코히런스 거리보다 더 큰 피치에서 완전히 제거되지 않으므로, 렌즈 셀의 피치가 공간적 코히런스 거리의 1/2보다 더 작으면, 간섭은 어느 정도 억제될 수 있다. 그러나, 간섭을 높은 신뢰성으로 억제하기 위해, PL ≒ dsc/2가 만족되는 것이 바람직하다.
또한, 도9는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 주요 부분의 개략도이다. 도9에 도시된 바와 같이, 광원(1)을 형성하도록 1차원으로 배열된 각각의 레이저 장치의 발산각(θ)은 파면이 분할되는 방향에 대해 평행하지 않을 수 있다. 각도(θ)는 파면 분할 유닛을 형성하는 원통형 렌즈 어레이(4a)의 결합각(φ)보다 약간 더 작게 확장될 수 있고, 레이저 광은 그러한 각도로 원통형 렌즈 어레이(4a) 상에 입사할 수 있다. 이에 대해, θ ≤ φ가 만족되어야 하고, 여기서 θ는 레이저 장치의 발산각이다. 도9에서, 도6에 대응하는 소자 및 부품은 동일한 도면 부호에 의해 표시되고, 반복적으로 설명되지 않는다. 레이저 장치의 발산각(θ)과 원통형 렌즈 어레이(4a, 4b)의 결합각(φ) 사이의 차이가 작아질수록, 간섭 프린지를 감소시키기 위한 유효성이 더 많이 얻어진다. 레이저 장치의 발산각(θ)이 θ > φ를 만족시키도록 원통형 렌즈 어레이(4a)의 결합각(φ)보다 더 크게 선택되면, 광의 일부가 미광이 되어, 광학 시스템 내에서 효율 손실을 일으킨다. 미광의 발생을 신뢰할 수 있게 억제하기 위해, 레이저 장치의 발산각(θ)은 더욱 바람직하게는 θ < φ을 만족시키도록 선택되어야 한다는 것을 알아야 한다.
광이 평행 광선의 형태로 광원으로부터 원통형 렌즈 어레이(4a) 상에 입사하는 경우에, 간섭 프린지가 전술한 배열에 의해 감소되더라도, 간섭 프린지는 약간 의 잔류 간섭에 의해 발생될 수 있다.
다른 한편으로, 광원으로부터 방출된 광이 집속 또는 발산각(θ)을 가지면, 잔류 간섭 프린지의 간섭 강도를 감소시키는 것이 가능하다. 또한, 2차 효과로서, 원통형 렌즈 어레이의 표면 조도에 의해 영향을 받지 않는 광의 효과가 얻어질 수 있다. 이러한 2차 효과는 도10a, 도10b, 도11a, 및 도11b를 참조하여 설명될 것이다.
도10a는 평행 광(Ld1)이 원통형 렌즈 어레이 상에 입사하는 경우를 도시한다. 원통형 렌즈 어레이(4a)의 하나의 렌즈 셀(4a1)에 의해 분할된 레이저 비임은 다른 원통형 렌즈 어레이(4b)의 하나의 렌즈 셀(4b1)의 표면 상에서 그의 비교적 작은 영역에 집속된다. 그러므로, 비임은 원통형 렌즈 어레이의 표면 조도와, 표면 상의 먼지 및 얼룩에 의해 쉽게 영향을 받는다. 따라서, 도10a의 점선(C)에 의해 도시된 영역의 광 강도 분포는 도10b에 도시된 바와 같이 높은 피크를 갖는 광 강도 분포를 가져서, 간섭의 강도가 증가한다.
다른 한편으로, 집속 또는 발산광, 이러한 도시된 예에서 발산광(Ld2)이 도11a에 도시된 바와 같이 원통형 렌즈 상에 입사하는 경우에, 이는 원통형 렌즈 어레이(4b)의 하나의 렌즈 셀(4b1)의 표면 상에서 그의 비교적 넓은 영역에 집속된다. 그러므로, 비임은 원통형 렌즈 어레이의 표면 조도와, 표면 상의 먼지 및 얼룩에 의해 쉽게 영향을 받지 않는다. 더욱이, 도11a의 점선(D)에 의해 도시된 영역의 광 강도 분포는 비교적 낮은 피크를 갖는 넓은 광 강도 분포를 가져서, 간섭의 강도가 억제될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 광원은 1차원으로 배열된 복수의 레이저 장치를 포함한다. 모든 레이저 장치로부터 방출된 레이저 비임들은 서로에 대해 평행하지 않을 수 있지만, 레이저 비임 전체는 집속 또는 발산각(ψ)을 가질 수 있다. 도12는 이러한 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 주요 부분을 도시하는 개략도이다. 이에 대해, 양호하게는, cos{(ψ+θ)/2} ≤ NA의 방정식이 만족되어야 하고, 여기서 ψ는 복수의 레이저 장치로부터 방출된 각각의 레이저 광(Lb1, Lb2, Lb3)들에 의해 형성되는 집속 또는 발산각이고, θ는 각각의 레이저 장치로부터의 레이저 광의 집속 또는 발산각이고, NA는 파면 분할 유닛에 제공된 광 입사 측면 상의 원통형 렌즈 어레이(4a)의 개구수이다.
전술한 배열에 따르면, 복수의 레이저 장치로부터 방출된 모든 레이저 광은 파면 분할 유닛의 원통형 렌즈 어레이 상에 효율적으로 입사할 수 있다.
또한, 레이저 광은 각각의 레이저 장치의 레이저 광의 발산각(ψ)과 집속 또는 발산각(θ)의 합이 파면 분할 유닛에 제공된 원통형 렌즈 어레이(4a)의 결합각(ψ) 내에 있을 수 있는 각도로 원통형 렌즈 어레이 상에 입사하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 각도(ψ)는 다음에 의해 표현되는 관계를 만족시키도록 선택된다.
ψ + θ ≤ φ
임의의 이러한 각도(ψ, θ, φ)는 원통형 렌즈의 광학 축 방향에 대해 평행한 방향과 형성된 각도라는 것을 알아야 한다.
광원으로부터의 레이저 광은 프리즘 및 거울과 같은 광학 소자를 통해 또는 레이저 장치들을 그들 사이에 각도를 가지고 배열함으로써, 집속 또는 발산각(ψ)을 가질 수 있다. 전술한 배열에 따르면, 전술한 것과 유사한 효과가 얻어질 수 있다.
도13은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 주요 부분을 도시하는 개략도이다. 이러한 실시예에서, 레이저 장치가 광원과 통합되어 있는 반도체 레이저 바아와 같은 레이저 광원이 도13에 도시된 바와 같이 광원으로서 사용되고, 시준기 렌즈(13)가 각각의 레이저 장치(12)의 광 진출단의 전방에 배열된다. 각각의 레이저 장치(12)로부터 방출된 레이저 광은 레이저 장치(12)의 크기 및 시준기 렌즈(13)의 초점 길이에 의해 결정된 발산각(θE)을 갖는다. 특히, 높은 출력을 갖는 레이저 광이 비교적 큰 크기의 레이저 장치(12)로부터 발생되므로, 그의 발산각(θE)은 비교적 클 수 있다.
도14는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치를 도시하는 개략도이다. 이러한 경우에, 도14에 도시된 바와 같이, 미광이 레이저 장치(12)의 크기 및 시준기 렌즈(13)의 초점 길이에 의해 결정된 발산각(θE)에 대해, θE ≤ φ, 더욱 바람직하게는 θE < φ를 만족시키는 결합각(φ)을 갖는 원통형 렌즈 어레이(4a)로 형성된 파면 분할 유닛에 의해 억제될 수 있다.
또한, 이 때, 레이저 장치(12)의 발산각(θE) 및 레이저 장치(12)와 원통형 렌즈 어레이(4a) 사이의 거리(dLS)는 하나의 레이저 장치(12)로부터 방출된 레이저 비임(LE)이 원통형 렌즈 어레이(4a)의 2개 이상 4개 미만의 렌즈 셀, 즉 렌즈 셀(4a1, 4a2) 또는 렌즈 셀(4a1, 4a2, 4a3) 상으로 입사할 수 있도록 설정되는 것이 바람직하다.
1차원 조명 장치가 레이저 광이 원통형 렌즈 어레이의 2개의 이상의 렌즈 셀 상에 입사할 수 있도록 구성되면, 전술한 바와 같이, 파면이 분할되고 분할된 파면들이 중첩될 때 얻어지는 효과에 의해 더욱 균일한 광 강도 분포를 갖는 1차원 조명 광을 얻는 것이 가능하다. 또한, 간섭 프린지를 감소시키는 효과가 충분히 얻어질 수 있다.
구체적으로, 하나의 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광은 인접한 2개의 렌즈 셀(4a1, 4a2) 상에 입사한다. 렌즈 셀(4a1) 상에 입사한 광은 편광 변환 유닛(5)의 작용을 통해 렌즈 셀(4a2) 상에 입사한 광과 간섭하는 것이 방지되어, 간섭 프린지를 신뢰할 수 있게 감소시킨다. 하나의 레이저 장치로부터 방출된 광이 3개의 렌즈 셀(4a1, 4a2, 4a3) 상에 입사하는 경우에, 양 측면 상에서 렌즈 셀(4a1) 상에 입사한 광 및 4a3 상에 입사한 광이 중심 렌즈 셀(4a2) 상에 입사한 광과 비교하여 강도가 비교적 낮으므로, 간섭 프린지에 기인하는 영향이 작다.
다른 한편으로, 광이 4개 이상의 렌즈 셀 위로 입사하는 경우에, 교대하는 렌즈 셀 위로 입사한 광의 강도가 충분히 작지 않을 수 있으므로, 간섭 프린지가 적절하게 감소되지 않을 위험이 있다. 더욱이, 하나의 레이저 장치로부터 방출된 광이 2개 미만의 렌즈 셀 상에 입사하는 경우에, 강도는 파면을 분할하고 분할된 파면들을 중첩시킨 후에 충분히 균일하지 않을 수 있고, 그러므로 간섭 프린지를 감소시키는 효과가 충분히 얻어지지 않을 수 있다.
따라서, 간섭 프린지는 하나의 레이저 장치로부터 방출된 광이 전술한 바와 같이 2개 이상 4개 미만의 렌즈 셀 상에 입사하는 배열에서 가장 효율적으로 억제될 수 있다.
구체적으로, 다음에 의해 표현되는 배열,
2 x PL ≤ dLS x tanθE < 4 x PL
및
θE ≤ φ
양호하게는,
θE < φ가 얻어져야 하고, 여기서 dLS는 레이저 장치(12)와 원통형 렌즈 어레이(4a) 사이의 거리이고, PL은 원통형 렌즈 어레이(4a)의 렌즈 셀의 피치이고, θE는 레이저 장치(12)의 발산각이다.
그러한 배열에 따르면, 간섭 프린지의 발생이 신뢰할 수 있게 억제될 수 있고, 미광의 발생이 억제될 수 있고, 광을 사용하는 효율이 저하 또는 억제되는 것 이 방지될 수 있다.
그러나, 파면 분할 유닛의 원통형 렌즈 어레이 상에 입사한 레이저 광이 전술한 바와 같은 집속 또는 발산각(θ)을 가지면, 광원과 원통형 렌즈 어레이 사이의 거리가 비교적 긴 경우에, 다음의 문제점이 발생할 수 있다. 예를 들어, 도15에 도시된 바와 같이, d14가 광원과 원통형 렌즈 어레이(4a) 사이의 거리일 때, 원통형 렌즈 어레이(4a) 상에 입사하는 레이저 비임(Ld)의 폭은 d14 x tanθ(θ는 발산각)로서 표현된다. 이 때, 실제 장치에서의 설계 제한으로 인해, 레이저 비임의 폭과 원통형 렌즈 어레이의 렌즈 셀의 피치가 설계 값과 정합되지 않을 수 있는 경우가 있을 수 있다. 도15에서, 도6에 대응하는 소자 및 부품은 동일한 도면 부호에 의해 표시되고, 반복적으로 설명되지 않는다.
더욱이, 광학 시스템을 접기 위한 거울이 장치 크기를 감소시키기 위해 광원과 원통형 렌즈 어레이 사이에 제공되는 경우에, 예를 들어, 레이저 광이 전술한 발산각을 가지면, 거울이 크기가 커지는 단점이 야기될 수 있다.
도16에 도시된 바와 같이, 광학 지연 루프가 스페클을 감소시키기 위해 광학 시스템 내로 삽입된 경우에 단점이 야기될 수도 있다. 도16에 도시된 바와 같이, 광원(1)으로부터 방출된 광(L)은 파장판(23)을 통과하고, 편광 비임 분할기(24)에 의해 분리된다. 이후에, 광은 거울(25 내지 28)에 의해 반사되고, 화살표(L24 내지 L28)에 의해 도시된 바와 같이 지연 루프를 통과하고, 다시 편광 비임 분할기(24)에 의해 반사되어, 스페클이 억제된 광(L29)으로서 방출된다. 그러한 광학 지연 루프를 제공하는 경우에, 광원으로부터의 광이 전술한 바와 같이 발산각을 가지면, 각각의 광학 소자는 크기가 커져야 한다. 또한, 레이저 비임의 일부가 광학 지연 루프의 길이로 인해 상이한 거리(d14)를 가지므로, 원통형 렌즈 어레이 상에서의 비임 폭이 상이하게 되는 문제점이 있을 수 있다.
전술한 문제점을 회피하기 위해, 후술하는 바와 같은 기능을 갖는 광학 소자를 제공하는 것이 바람직하다. 구체적으로, 레이저 광의 발산각(θ)을 증가시키는 기능을 갖는 볼록 또는 오목 렌즈 및 프리즘과 같은 소자는 광원으로부터 방출된 레이저 비임들이 평행하거나 실질적으로 평행할 수 있으며 파면 분할 유닛의 원통형 렌즈 어레이 부근에서 소정의 발산각을 가질 수 있도록, 위치되어야 한다. 도17 및 도18은 오목 렌즈(2) 및 볼록 렌즈(3)가 각각 광학 소자로서 제공되는 예를 도시하는 개략도이다. 도17 및 도18에서, 도6에 대응하는 소자 및 부품은 동일한 도면 부호에 의해 표시되고, 반복적으로 설명되지 않는다.
평행 광이 광원(1)으로부터 방출되고 전술한 광학 소자들이 배치되므로, 광원(1)과 이러한 광학 소자(오목 렌즈(2) 및 볼록 렌즈(3)) 사이의 각각의 거리(d12, d13)가 충분히 유지될 수 있다. 또한, 거울 또는 다른 소자가 광원과 파면 분할 유닛 사이에 삽입되는 경우에, 거울 등은 필요 이상으로 크기가 커질 필요가 없다. 또한, 상이한 광학 경로 길이를 갖는 레이저 비임들이 광학 시스템 내로 광학 지연 루프 등을 삽입한 경우에, 원통형 렌즈 어레이 상에 입사하면, 레이저 비임들의 직 경은 실질적으로 동일하게 될 수 있고, 따라서 간섭 프린지가 효율적으로 감소될 수 있다.
도19는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 주요 부분을 도시하는 개략도이다. 도19에 도시된 바와 같이, 파면 분할 유닛으로서 원통형 렌즈 어레이를 사용하는 경우에, 광학 소자(14)가 레이저 비임의 발산각을 소정의 각도로 확장시키는 기능을 갖기 위해 제1 원통형 렌즈 어레이(4a)의 광 입사 표면과 일체로 형성될 수 있다. 광학 소자(14)는 볼록 또는 오목 렌즈의 형상을 가질 수 있다. 광을 집속시키거나 광을 발산시키는 기능을 갖는 광학 조립체가 사용되면, 광학 소자들의 평면의 개수를 감소시킴으로써 조정 효율을 개선하는 것이 가능하다. 또한, 각각의 광학 소자의 설계의 자유를 개선하는 가능하다.
전술한 배열에서, 레이저 비임들이 파면 중첩 유닛에서 중첩되면, 최소의 간섭 프린지로 효율적이며 균일한 1차원 조명을 실행하는 것이 가능하다.
전술한 바와 같이 위치된 광원(1) 및 파면 분할 유닛(4a, 4b: 원통형 렌즈 어레이)을 제공하고, 도6에 도시된 편광 변환 유닛(5)으로서 원통형 렌즈 어레이(4b) 직후에 위치된, 편광 평면을 대략 90° 회전시키는 편광 변환 기기를 제공하여, 간섭 프린지는 상당히 억제될 수 있다. 도20 및 도21은 그러한 상태를 도시한다. 도20은 편광 변환 유닛이 없는 관련 기술의 1차원 조명 장치의 광 강도 분포를 도시하고, 도21은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 광 강도 분포를 도시한다. 간섭 프린지는 도20에 도시된 비교예와 비교하여, 도21에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따라 상당히 감소된다는 것이 이해된다.
전술한 바와 같이, 본 발명의 1차원 조명 장치의 실시예에 따르면, 다음의 효과가 얻어질 수 있다.
(1) 편광 평면을 대략 90° 회전시키기 위한 편광 변환 유닛이 사용되고, 특히 편광 변환 유닛은 파면 분할 유닛으로부터의 광이 마지막으로 통과하는 광학 소자 직전 또는 직후에 위치된다. 따라서, 간섭 프린지의 발생이 신뢰할 수 있게 억제될 수 있고, 미광의 발생이 억제될 수 있다. 특히, 최종 광학 소자 직후에 위치된 편광 변환 유닛에서, 광학 경로 길이는 파면 분할 유닛 내에서 변화되지 않는다. 그러므로, 초점 위치 상에서의 배율 차이 및 위치 변위가 거의 발생하지 않고, 간섭 프린지가 광을 사용하는 효율을 열화시키지 않고서 감소될 수 있다.
(2) 1차원 조명 장치는 다음의 방정식을 만족시키도록 구성될 수 있다.
cos{(ψ+θ)/2} ≤ NA
여기서, θ는 광원의 각각의 레이저 장치로부터 방출된 각각의 레이저 광이 집속 또는 발산되는 각도이고, ψ는 광원의 모든 레이저 장치로부터 방출된 레이저 비임이 집속 또는 발산되는 각도이고, NA는 파면 분할 유닛에 제공된 광 입사 측면 상의 원통형 렌즈 어레이의 개구수이다. 전술한 배열에서, 복수의 레이저 장치로부터 방출된 모든 레이저 광은 파면 분할 유닛의 원통형 렌즈 어레이 상에 효율적으로 입사할 수 있다.
(3) 광원의 하나의 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광은 원통형 렌즈 어레이의 2개 이상 4개 미만의 렌즈 셀 위로 입사한다. 따라서, 간섭 프린지가 가장 효율적으로 억제될 수 있다.
(4) 다음의 방정식이 만족되고,
ψ + θ ≤ φ
여기서, θ는 광원의 각각의 레이저 장치로부터 방출된 각각의 레이저 광이 집속 또는 발산되는 각도이고, ψ는 광원의 모든 레이저 장치로부터 방출된 레이저 비임이 집속 또는 발산되는 각도이고, φ는 원통형 렌즈 어레이의 결합각이다. 따라서, 미광의 발생이 억제될 수 있고, 간섭 프린지가 효율적으로 감소될 수 있다.
(5) 간섭 프린지 내의 간섭 강도는 파면 분할 유닛 상에 입사하는 레이저 비임을 발산 또는 집속시킴으로써 저하될 수 있다. 더욱이, 원통형 렌즈 어레이를 통과하는 레이저 비임의 면적이 확장되므로, 원통형 렌즈 어레이의 표면 조도, 표면 정확도, 및 그 위의 먼지 및 얼룩에 기인하는 영향을 경감시키는 것이 가능하다.
(6) 레이저 광의 발산각을 원하는 각도로 설정할 수 있는 광학 소자가 원통형 렌즈 어레이 부근에 위치된다. 따라서, 간섭 프린지는 배치에 의해 제한되지 않고서 효율적으로 감소될 수 있다.
(7) 전술한 효과 (6)을 얻기 위해, 레이저 광을 집속시키거나 레이저 광을 발산시키는 기능을 갖는 광학 소자가 원통형 렌즈 어레이와 일체로 형성된다. 따라서, 광이 통과하는 평면의 개수가 감소될 수 있어서, 조정 공정의 수가 감소될 수 있으므로, 조립 작업의 효율을 개선한다. 더욱이, 각각의 광학 부품이 배열되는 공간이 감소될 수 있고, 이는 1차원 조명 장치의 중량 및 크기의 감소에 기여할 수 있다.
다음으로, 영상 신호를 얻기 위해 전술한 1차원 조명 장치를 사용하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 영상 발생 장치가 도22 내지 도25를 참조하여 설명될 것이다.
도22에 도시된 바와 같이, 영상 발생 장치(50)는 1차원 조명 장치(10), 광 변조 유닛(55), 및 주사 광학 유닛(56)을 포함한다. 1차원 조명 장치(10)는 광원(1)과, 전술한 파면 분할 유닛 및 파면 중첩 유닛을 포함하는 조명 광학 시스템(20)을 포함한다. 광 변조 유닛(55)은 예를 들어 회절 격자 1차원 광 변조 장치(51)와, 광 선택 유닛(52)을 포함한다. 주사 광학 유닛(56)은 투사 광학 유닛(53)과, 주사 장치(54)를 포함한다. 광원(1)으로서, 복수의 반도체 레이저 장치가 1차원으로 배열된 어레이 레이저 또는 각각의 레이저 장치들이 일체로 형성된 반도체 레이저 바아가 사용될 수 있다. 1차원으로 배열된 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광은 일 실시예에 따른 배열을 갖는 1차원 조명 장치(10)의 조명 광학 시스템(20)을 통해 비선형 광학 장치 및 레이저 매체와 같은 파장 변환 기기를 갖는 공진기 상에 입사할 수 있어서, 높은 고조파를 방출한다는 것을 알아야 한다.
광원(1)으로부터 방출된 광(Lo)은 1차원 조명 장치(10)를 통과하고, 회절 격자형 배열의 1차원 광 변조 장치는 예를 들어 1차원 (선형) 광선으로 조명된다.
회절 격자 광 변조 장치(51)는 (도시되지 않은) 구동 회로로부터 공급되는 신호(Sp)에 응답하여 외부 계산 유닛(150)에서 발생되는 영상 신호에 기초하여 작동된다. 회절 격자 광 변조 장치(51)의 경우에, 회절광은 광 선택 유닛(53) 상에 입사한다. 3원 색의 광을 사용하는 경우에, 예를 들어, 각각의 색깔의 광원으로부 터의 광은 1차원 조명 장치 및 각각의 색깔에 대한 광 변조 장치를 통과하고, 그 다음 광선은 L-형 프리즘과 같은 색 중첩 유닛에 의해 중첩되어, 광 선택 유닛으로 방출된다는 것을 알아야 한다.
광 선택 유닛(52)은 오프너(Offner) 지연 광학 시스템 등으로 형성되고, 슐리렌(Schlieren) 필터와 같은 (도시되지 않은) 공간 필터를 포함한다. 광 선택 유닛(52)은 예를 들어 1차원 영상 광(Lm)으로서 방출되도록 +1차 광을 선택한다. 더욱이, 1차원 영상 광(Lm)은 투사 광학 유닛(53)에 의해 확대되고, 주사 장치(54)가 도22의 화살표(r)에 의해 도시된 방향으로 회전될 때, L1, L2, ..., Ln -1, Ln으로 도시된 바와 같이 주사 광학 유닛(56) 내의 주사 장치(54)에 의해 주사된다. 따라서, 2차원 영상(57)이 스크린과 같은 영상 발생 표면(100) 상에서 발생된다. 주사는 도22의 화살표(s)에 의해 도시된 바와 같이 영상 발생 표면(100) 상에서 수행된다. 갈바노 거울, 다각형 거울 등이 주사 장치(54)로서 사용될 수 있다. 더욱이, 주사를 수행하기 위해 전자석 등으로 공진되는 공진 주사 장치도 사용될 수 있다.
그러한 영상 발생 장치 내에서 사용하기 위한 1차원 광 변조 장치의 일례가 도23 내지 도25를 참조하여 설명될 것이다. 도23은 본 발명의 일 실시예에 따른 광 변조 장치를 형성하는 광 변조 기기의 배열을 도시하는 개략적인 사시도이다. 도23에 도시된 바와 같이, 광 변조 기기(60)는 실리콘과 같은 재료로 만들어진 기판을 포함한다. 폴리실리콘 박막과 같은 재료로 형성된 공통 전극(63)이 광 변조 기기(60)의 기판 상에 형성된다. 표면 상에 형성된 반사 필름을 갖는 스트립형 제 1 전극(61a, 61b, 61c) 및 제2 전극(62a, 62b, 62c)이 그와 공통 전극(63) 사이에 소정의 공간을 두고 교대로 형성된다. 제1 전극(61a, 61b, 61c)은 예를 들어, 고정 전위를 가지며 접지된다. 제2 전극(62a, 62b, 62c)은 가동 전극, 즉 가동 부분으로서 형성되고, 구동 전압 전원(65)에 연결된다.
전술한 배열을 갖는 광 변조 기기(60)의 경우에, 제1 전극(61a, 61b, 61c)은 예를 들어 반사 표면의 높이가 불변하도록 고정된다. 제2 전극(62a, 62b, 62c)은 제2 전극(62a, 62b, 62c)의 반사 표면의 높이(예를 들어, 그와 기판 사이의 공간)가 변화될 수 있도록, 구동 전압에 대응하는 정전기력에 기인하는 인력 또는 척력으로 인해 공통 전극(63)을 향해 이동되거나 구부러질 수 있다. 광 변조 기기(60)는 일정한 피치를 가지며 제2 전극(62a, 62b, 62c)을 이동시키거나 구부림으로써 변경될 수 있는 깊이를 갖는 회절 격자로서 기능할 수 있다.
광 변조 기기(60) 내에서, 제2 전극(62a, 62b, 62c)은 하나의 화소에 대한 화소 신호에 응답하여, 광 변조 장치 내의 하나의 화소에 대해 변조된다는 것을 알아야 한다. 광 변조 기기(60)에 제공된 제1 전극 및 제2 전극의 개수는 도23에 도시된 예의 6개로 제한되지 않고, 이는 2개, 4개 등과 같은 적합한 개수로 변화될 수 있다. 따라서, 제1 전극(61a, 61b, 61c) 및 제2 전극(62a, 62b, 62c)의 개수는 임의로 선택될 수 있다. 더욱이, 화소의 개수에 대응하는 광 변조 기기(60)들이 각각의 전극의 종방향에 대해 직교하는 방향으로 배열될 수 있어서, 원하는 개수의 화소에 대응하는 광 변조 장치를 형성한다. 구체적으로, 광 변조 장치 내에 제공된 전극의 총 개수는 화소당 전극의 개수 및 표시되는 목표 영상의 화소의 개수에 응답하여 임의로 선택된다.
광 변조 기기(60)의 전형적인 치수의 예가 설명될 것이다. 예를 들어, 제1 전극(61a, 61b, 61c) 및 제2 전극(62a, 62b, 62c)의 폭은 3 내지 4 ㎛의 범위 내에서 선택되고, 인접한 전극들 사이의 갭은 약 0.6 ㎛로 선택되고, 전극의 길이는 대략 200 내지 400 ㎛의 범위 내에서 선택된다. 이러한 경우에, 6개의 전극이 하나의 화소에 대응한다고 가정하면, 하나의 화소에 대한 광 변조 기기는 대략 25 ㎛의 폭을 가질 수 있다.
1080개의 화소를 표시할 수 있으며 현재 실제로 사용되고 있는 1차원 광 변조 장치에서, 1080개의 화소에 대응하는 다수의 전극이 도23에 도시된 제1 전극(61a, 61b, 61c) 및 제2 전극(62a, 62b, 62c)의 폭 방향을 따라 배열될 수 있다.
두 종류의 구성이 전술한 회절 격자 광 변조 장치에 대해 제안된다는 것을 알아야 한다. 하나의 장치는 각각의 전극의 표면들이 이동되거나 구부러지지 않았을 때 서로 실질적으로 동일 높이인, 전형적인 배열을 갖는 광 변조 장치이다. 다른 것은 각각의 전극들이 기준 평면(예를 들어, 광 변조 장치의 기판 표면)으로부터 소정의 각도로 기울어져서 위치된, 경사면 격자를 갖는 광 변조 장치이다. 도24 및 도25는 그러한 광 변조 장치의 예의 배열을 도시하는 개략적인 단면도이다. 도24 및 도25에서, 도23에 대응하는 소자 및 부품은 동일한 도면 부호에 의해 표시되고, 반복적으로 설명되지 않는다. 하나의 화소에 대응하는 제1 및 제2 전극의 개수가 각각 3개이지만, 바꾸어 말하면, 총 6개의 전극이 도24 및 도25에 도시된 예에서 제공되지만, 개수는 그로 제한되지 않는다.
도24는 전형적인 배열을 갖는 광 변조 장치의 일례를 도시하는 개략적인 단면도이다. 도24에 도시된 바와 같이, 제2 전극(62a 내지 62c)의 이동량(Z1)이 λ/4(λ는 입사광의 파장)가 되도록 선택되면, (도시되지 않은) 0차 회절광이 광 입사 방향과 대향한 방향으로 반사되고, ±1차 회절광(Lr(+1), Lr(-1))이 회절광으로서 반사된다. 예를 들어, 파장(λ)이 532 nm일 때 (λ = 532 nm), 제2 전극(62a, 62b, 62c)의 최대 이동량은 λ/4 = 133 nm에 의해 얻어진다. +1차 회절광만이 사용되는 경우에, 회절 광선만이 (도시되지 않은) 공간 필터를 통해 스크린 상에 포커싱되고, 이는 영상을 표시하기 위해 사용될 수 있다. 광 변조 장치가 작동되지 않을 때 (구동 전압이 0으로 설정될 때), +1차 회절광이 발생되지 않아서, 그러한 OFF 상태는 스크린의 암흑 상태에 대응하여, 디스플레이 스크린을 검게 만든다. 구체적으로, 제2 전극(62a, 62b, 62c)의 이동량(Z1)은 외부로부터 공급되는 영상 정보에 응답하여 제2 전극(62a, 62b, 62c)에 인가되는 구동 전압을 조정함으로써 제어되어, 화소가 켜지고/꺼지는 것과, 표시되는 화소의 ON과 OFF 사이의 그라데이션을 가능케 한다.
다른 한편으로, 경사면 격자를 갖는 광 변조 장치에서, 도25에 도시된 바와 같이, 각각의 전극(61a 내지 61c, 62a 내지 62c)은 기준 평면(A), 즉 광 변조 장치의 (도시되지 않은) 기판의 표면에 대해 평행한 평면으로부터 소정 각도(θ)의 기울기로 배치된다. 여기서, 각도(θ)는 양호하게는 인접한 전극들의 높이차가 하나의 전극에 대응하는 주기에 대해 λ/4(λ는 사용 중인 광의 파장)가 되는 각도가 되도록 선택된다. 그 다음, 광 변조 장치가 작동될 때, 제2 전극(62a, 62b, 62c) 은 제1 및 제2 전극의 인접한 쌍(61a, 62a; 61b, 62b; 61c, 62c)의 각각의 표면들이 서로 동일 높이가 될 수 있도록 이동된다. 이 때, 광 변조 장치가 제2 전극(62a, 62b, 62c)의 이동량(Z2)이 입사광의 파장(λ)에 대해 λ/4이 될 수 있도록 작동될 때 (즉, 2개의 전극의 사이클에서 λ/2의 수준차), +1차 회절광만이 방출된다. 따라서, 회절 광선만이 그러한 +1차 회절광을 사용하여 (도시되지 않은) 공간 필터를 통해 스크린 상에 포커싱될 수 있다. 구체적으로, 경사면 격자 광 변조 장치가 사용되는 경우에, 회절 광선이 사용되는 구성에 대해, 광을 사용하는 효율이 개선될 수 있다.
영상 발생 장치가 전술한 1차원 광 변조 장치 및 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치를 사용하여 구성되므로, 1차원 광 변조 장치는 광을 분할 및 중첩시킴으로써 균일하게 조명될 수 있고, 간섭 프린지의 발생이 억제될 수 있다. 따라서, 광은 만족스럽게 변조될 수 있고, 광을 사용하는 효율을 열화시키지 않고서 우수한 영상을 발생시키는 것이 가능해진다.
본 발명의 일 실시예에 따른 영상 발생 장치는 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치가 포함되는 한, 전술한 예로 제한되지 않고, 광 변조 유닛, 투사 광학 유닛, 및 주사 광학 유닛이 변형 및 변화될 수 있다는 것을 알아야 한다. 또한, 본 발명의 일 실시예는 투사형 디스플레이 장치로 제한되지 않고, 드로잉에 의해 문자 정보 및 영상을 발생시킬 수 있는 레이저 프린터에 적용될 수도 있다.
또한, 본 발명은 전술한 실시예에서 설명된 배열로 제한되지 않고, 예를 들어 1차원 조명 장치 내의 파면 중첩 유닛 등의 광학 소자의 조립체의 개수, 재료, 및 배열은 본 발명의 배열로부터 벗어나지 않고서 다양하게 변형 및 변화될 수 있다.
다양한 변형, 조합, 하위 조합, 및 변경이 첨부된 청구범위 및 그의 등가물의 범주 내에 있는 한, 설계 요건 및 다른 인자에 따라 발생할 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해되어야 한다.
도1은 간섭 프린지가 관련 기술에 따라 파면을 분할하고 분할된 파면들을 중첩시킴으로써 감소될 수 있는, 조명 장치의 일례의 광학 시스템을 도시하는 개략도.
도2는 간섭 프린지가 관련 기술에 따라 파면을 분할하고 분할된 파면들을 중첩시킴으로써 감소될 수 있는, 조명 장치의 다른 예의 광학 시스템을 도시하는 개략도.
도3은 1차원 조명 장치의 기본적인 배열의 일례의 광학 시스템을 도시하는 개략도.
도4는 1차원 조명 장치의 기본적인 배열의 다른 예의 광학 시스템을 도시하는 개략도.
도5는 간섭이 1차원 조명 장치의 일례의 광학 시스템 내에서 발생한 상태를 도시하는 개략도.
도6은 본 발명의 일 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례를 도시하는 개략도.
도7은 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도8은 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도9는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시 하는 개략도.
도10a는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도10b는 도10a의 점선 C에 의해 도시된 영역 내의 광 강도 분포를 도시하는 도면.
도11a는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도11b는 도11a의 점선 D에 의해 도시된 영역 내의 광 강도 분포를 도시하는 도면.
도12는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도13은 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도14는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도15는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도16은 광학 지연 루프의 일례를 도시하는 개략도.
도17은 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도18은 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도19는 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략도.
도20은 관련 기술에 따른 조명 장치 내의 광 강도 분포를 도시하는 도면.
도21은 본 발명의 실시예에 따른 1차원 조명 장치 내의 광 강도 분포를 도시하는 도면.
도22는 본 발명의 실시예에 따른 영상 발생 장치의 일례의 배열을 도시하는 개략적인 사시도.
도23은 1차원 광 변조 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략적인 사시도.
도24는 1차원 광 변조 장치의 일례의 주요 부분을 도시하는 개략적인 단면도.
도25는 1차원 광 변조 장치의 다른 예의 주요 부분을 도시하는 개략적인 단면도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
1 : 광원
4a, 4b : 원통형 렌즈 어레이
5 : 편광 변환 유닛
10 : 1차원 조명 장치
12 : 레이저 장치
21 : 파면 분할 유닛
22 : 파면 중첩 유닛

Claims (8)

1차원 조명 장치이며,
1차원으로 배열된 복수의 레이저 장치를 포함하는 광원과,
광원으로부터 방출된 광의 파면을 분할하고 분할된 파면을 중첩시키기 위한 하나 이상의 원통형 렌즈 어레이를 포함하는 파면 분할 유닛과,
광을 파면 분할 유닛으로부터 대상으로 도입하고 분할된 파면을 중첩시키기 위한 파면 중첩 유닛과,
파면 분할 유닛에 의해 분할된 한 쌍의 인접한 레이저 비임 중 하나의 레이저 비임의 편광 평면을 회전시키기 위한 편광 변환 유닛을 포함하고,
편광 변환 유닛은 광원으로부터의 레이저 광이 파면 분할 유닛 내에서 마지막으로 통과하는 광학 소자 직전 또는 직후에 위치되는 1차원 조명 장치.
제1항에 있어서,
cos{(ψ+θ)/2} ≤ NA의 방정식이 만족되고,
여기서, θ는 광원의 각각의 레이저 장치로부터 방출된 각각의 레이저 광이 집속 또는 발산되는 각도이고, ψ는 광원의 모든 레이저 장치로부터 방출된 레이저 비임이 집속 또는 발산되는 각도이고, NA는 파면 분할 유닛에 제공된 광 입사 측면 상의 원통형 렌즈 어레이의 개구수인 1차원 조명 장치.
제1항에 있어서,
광원의 하나의 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광은 원통형 렌즈 어레이의 2개 이상 4개 미만의 렌즈 셀 위로 입사하는 1차원 조명 장치.
제1항에 있어서,
ψ + θ ≤ φ의 방정식이 만족되고,
여기서, φ는 원통형 렌즈 어레이의 결합각이고, θ는 광원의 각각의 레이저 장치로부터 방출된 각각의 레이저 광이 집속 또는 발산되는 각도이고, ψ는 광원의 모든 레이저 장치로부터 방출된 레이저 비임이 집속 또는 발산되는 각도인 1차원 조명 장치.
제1항에 있어서,
원통형 렌즈 어레이의 렌즈 셀의 피치(PL)는 대략 dsc/2이고,
여기서, dsc는 광원의 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광의 공간적 코히런스 거리인 1차원 조명 장치.
제1항에 있어서,
파면 분할 유닛 주위에 위치되어, 광원의 각각의 레이저 장치로부터 방출된 레이저 광이 발산되는 각도(θ)를 증가시키는 기능을 갖는 광학 소자를 더 포함하 는 1차원 조명 장치.
제6항에 있어서,
광원으로부터의 레이저 광이 하나 이상의 원통형 렌즈 어레이 내에서 처음으로 통과하는 원통형 렌즈 어레이가 광학 소자의 기능을 갖는 1차원 조명 장치.
영상 발생 장치이며,
광원과,
1차원 조명 장치와,
1차원 광 변조 장치와,
투사 광학 유닛과,
주사 광학 유닛을 포함하고,
1차원 조명 장치는,
1차원으로 배열된 복수의 레이저 장치를 포함하는 광원과,
광원으로부터 방출된 광의 파면을 분할하고 분할된 파면을 중첩시키기 위한 하나 이상의 원통형 렌즈 어레이를 포함하는 파면 분할 유닛과,
광을 파면 분할 유닛으로부터 대상으로 도입하고 분할된 파면을 중첩시키기 위한 파면 중첩 유닛과,
파면 분할 유닛에 의해 분할된 한 쌍의 인접한 레이저 비임 중 하나의 레이저 비임의 편광 평면을 회전시키기 위한 편광 변환 유닛을 포함하고,
편광 변환 유닛은 광원으로부터의 레이저 광이 파면 분할 유닛 내에서 마지막으로 통과하는 광학 소자 직전 또는 직후에 위치되는 영상 발생 장치.
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