KR20080058001A

KR20080058001A - 빔 성형 장치

Info

Publication number: KR20080058001A
Application number: KR1020060132007A
Authority: KR
Inventors: 슈쉬킨 이하; 오관영
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2008-06-25

Abstract

본 발명은 빔 성형 장치에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 레이저 광원에서 출사되는 광빔을 수광하여 가우스(Gauss)형 휘도 형상을 일차원 방향에서 평탄화(flat-top)하고 평탄화된 광빔을 평행광으로 생성하여 출사하는 빔 성형 장치에 관한 것이다.

회절형, 광변조기, 가우스, 평탄화, flat-top

Description

빔 성형 장치{Beam shaper}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 빔 성형 장치의 단면도.

도 2는 도 1의 빔 성형 장치가 사용되는 회절형 광변조기를 이용한 디스플레이 시스템의 구성도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 :광원 11 : 제1 비구면 렌즈

12 : 제2 비구면 렌즈 102 : 디스플레이 광학계

104 : 디스플레이 전자계 106 : 광원계

108 : 조명계 110 : 회절형 광변조기

112 : 투사계 116 : 필터계

118 : 스크린

본 발명은 빔 성형 장치에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 레이저 광원에서 출사되는 광빔을 수광하여 가우스(Gauss)형 휘도 형상을 일차원 방향에서 평탄화(flat-top)하고 평탄화된 광빔을 평행광으로 생성하기 위한 빔 성형 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 광신호처리는 고속성과 병렬처리 능력, 대용량의 정보처리의 장점을 지니고 있으며, 공간 광변조이론을 이용하여 광변조기 등의 연구가 진행되고 있다. 여기에서, 광변조기는 광메모리, 광디스플레이, 프린터, 광인터커넥션, 그리고 홀로그램 등의 분야에 사용된다.

그리고, 종래 기술에 따른 회절형 광변조기를 이용한 디스플레이 장치는 광원계, 집광부, 조명계, 회절형 광변조기, 푸리에 필터계, 투사계, 스크린을 포함하고 있다.

여기에서, 광원계는 복수의 광원으로 이루어져 있으며, 하나의 응용에서 복수의 광원은 순차적으로 점등되도록 할 수 있다. 그리고, 집광부는 미러와 복수의 색선별 미러로 이루어져 있으며, 복수의 광원에서 출사되는 광을 합성하여 하나의 광경로를 가지도록 만든다.

조명계는 집광부를 통과한 광을 선형(line shape)의 평행광으로 변화시켜 회절형 광변조기로 입사시킨다. 그리고, 회절형 광변조기는 입사되는 선형의 평행광을 변조하여 다수의 회절 차수를 가지는 선형의 회절광을 생성하여 출사하게 되는데, 이때 다수의 회절 차수중에서 응용에 사용하기를 원하는 회절차수의 회절광은 스크린에 영상을 생성할 수 있도록 그 광세기가 선형의 각 지점에서 동일하지 않도록 할 수 있다. 즉, 회절형 광변조기에서 생성된 회절광은 선형이며 선형의 회절광은 각 지점에서 서로 다른 광세기를 가질 수 있기 때문에 스크린에 스캐닝될 때 2차원 영상을 생성할 수 있다.

그리고, 회절형 광변조기에서 생성된 회절광은 푸리에 필터계로 입사되는데, 푸리에 필터계는 푸리에 렌즈와 색선별 필터로 구성되어, 회절광을 차수별로 분리하고 분리된 차수의 회절광에서 원하는 차수의 회절광만을 통과시킨다.

투사계는 프로젝션 렌즈, 스캐너로 이루어져 있으며 프로젝션 렌즈는 입사된 회절광을 확대하고 스캐너는 입사된 회절광을 스크린에 투사하여 영상을 생성한다.

한편, 이러한 회절형 광변조기를 이용한 디스플레이 시스템은 레이저 광원을 사용하는데, 레이저 광원은 가우스형 휘도분포를 하고 있기 때문에 주사의 중심으로부터 에지를 향하여 광량의 저하가 생기고 이 저하를 보정할 필요가 있다.

이러한 저하는 일차원 방향, 즉 주사방향에서의 조사량의 저하이다. 이 저하에 대하여 빔의 휘도 형상을 평탄화, 또는 원만히 재형성하는 것에 의해 가우스 형의 휘도 분포 형상을 보정하고, 광량의 저하의 그 밖의 원인을 보정하는 것이 바람직하다. 광의 손실을 최소한으로 하는 일차원의 보정이 바람직하다.

본 발명은 상기와 같은 필요를 만족시키기 위하여 안출된 것으로서, 레이저 광원에서 출사되는 광빔을 수광하여 가우스(Gauss)형 휘도 형상을 일차원 방향에서 평탄화(flat-top)하고 평탄화된 광빔을 평행광으로 생성하기 위한 빔 성형 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 광원으로부터 출사되는 가우스형 광을 평탄화하여 평탄빔을 형성하는 제1 비구면 렌즈와, 제1 비구면 렌즈에서 평탄화된 빔을 평행빔으로 변환하여 출사하는 제2 비구면 렌즈를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본원발명은 바람직하게 제2 비구면 렌즈가 광경로의 편차를 보정하는 것을 특징으로 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 빔성형 장치의 단면도로서, 광원(10), 광원으로부터 출사되는 가우스형 광을 평탄화하여 평탄빔을 형성하는 제1 비구면 렌즈(11)와, 제1 비구면 렌즈에서 평탄화된 빔을 평행빔으로 변환하여 출사하는 제2 비구면 렌즈(12)를 포함하고 있다.

여기에서, 제1 비구면 렌즈(11)는 광원(10)측으로부터 반대면이 비구면을 형성하고 있으며, 제2 비구면 렌즈(12)는 제1 비구면 렌즈(11)에 대향하는 면이 비구면을 형성하고 있다.

제1 비구면 렌즈(11)는 광원(10)에서 출사되는 광의 광량을 평탄화시켜 평탄빔을 형성한다.

이렇게 하기 위하여 제1 비구면 렌즈(11)는 축 대칭형의 광량의 분포를 다른 축 대칭형의 광량으로 재분포하여 광량을 평탄화시켜 평탄빔을 형성한다.

이를 구체적으로 설명하면, 제1 비구면 렌즈(11)는 축 대칭형의 가우스형 분포를 갖는 광을 방사선 방향으로 재분포하여 광을 평탄화시켜 평탄화된 광을 출사한다.

그리고, 제2 비구면 렌즈(12)는 제1 비구면 렌즈(11)에서 평탄화된 광이 입사되면 입사된 광을 평행광으로 변환하여 출사한다. 이때, 제2 비구면 렌즈(12)는 제1 비구면 렌즈(11)에 의해 평탄화가 진행되는 동안에 파면의 경로상에서 발생된 편차를 보정하여 파면의 경로상에 차이가 없도록 한다.

한편, 제1 비구면 렌즈(11)와 제2 비구면 렌즈(12)의 비구면의 형상은 아래와 같이〔수학식 1〕에 나타내는 비구면식에 의해 나타내어 진다.

(수학식 1)

Z = CY²/ ( 1 ＋ ( 1－ ( K ＋ 1 ) C²Y²)^1/2) ＋ (R2)Y² ＋

(R4)Y⁴ ＋ (R6)Y⁶ ＋ (R8)Y⁸ ＋ (R10)Y¹⁰ +(R12)Y¹² +(R14)Y¹⁴+(R16)Y¹⁶

Z: 면정점에 대한 접평면으로부터의 깊이

CURV : 면의 근축적 곡률

Y: 광축으로터의 높이

K: 원추정수

R2: 2차 비구면계수

R4: 4차 비구면계수

R6: 6차 비구면계수

R8: 8차 비구면계수

R10: 10차 비구면계수

R12 : 12차 비구면계수

R14 : 14차 비구면계수

R16 : 16차 비구면 계수

제1 비구면 렌즈(11)는 가우시안 분포의 레이저 빔의 에너지 분포를 균일하게 재분포시키며 제2 비구면 렌즈(12)는 에너지가 재분포된 빔을 평행광으로 만들어 준다.

본 명세서 중의 각 표 1에서 표 2에 있어서, 비구면계수를 나타낸 수치는 지수 표시이며, 예를 들면 「E - 1」은 「10E - 1승」을 의미한다.

여기에서, 제1 비구면 렌즈(11)와 제2 비구면 렌즈(12)의 비구면 계수를 표로 나타내면 아래와 같다.

차수	제1 비구면 렌즈	제2 비구면 렌즈
R2	-1.800932E-02	-5.831138E-03
R4	4.1565302E-03	2.1486734E-05
R6	-6.199940E-04	-8.735557E-07
R8	4.1362072E-05	1.165876E-07

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 빔성형 장치가 사용되는 회절형 광변조기를 이용한 디스플레이 장치의 구성도이다.

도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 빔성형 장치가 사용되는 회절형 광변조기를 이용한 디스플레이 장치는, 디스플레이 광학계(102)와 디스플레이 전자계(104)를 포함한다.

디스플레이 광학계(102)는 광을 생성하여 출사하는 광원계(106)를 포함하며, 광원계(106)는 외부공동표면방출 레이저(VECSEL;Vertical External Cavity Surface Emitting Laser), 수직공진표면발광 레이저(VCSEL;Vertical Cavity Surface Emitting Laser), 발광 다이오드(Light emitting diode, LED), 레이저 다이오드(Laser diode, LD), 고발광 다이오드(SLED; Super Luminescent Diode) 등과 같은 반도체를 사용하여 제작한 광원이 사용 가능하다.

광원계(106)는 레이저 조명을 방출하는데, 레이저 조명의 단면은 원형이고, 그 광의 세기 프로파일은 가우시안(Gausian) 분포를 하고 있으며, 일예로 광원계(106)(실제로는 R광원의 레이저, G광원의 레이저, B광원의 레이저로 이루어져 있다)은 R광, G광, B광을 순차적으로 방출하도록 할 수 있다.

또한, 디스플레이 광학계(102)는 광원계(106)로부터 나오는 빛을 회절형 광변조기(110)에 선형(line shape)의 평행광으로 조사하기 위해 조명계(108)를 포함한다. 이러한, 조명계(108)에는 도 1에서 살펴본 본 발명의 일실시예에 따른 빔성형 장치가 구비되어 있어 광원계(106)에서 출사되는 가우스형 광을 평탄화하여 평탄빔을 형성한 후에 형성된 평탄빔을 평행광으로 형성한다. 이때, 빔성형 장치는 위에서 살펴본 바와 같이 평탄빔으로 형성된 광에서 광경로의 편차에 의한 차이를 보정하여 출사한다.

또한, 조명계(108)는 광원계(106)가 방출한 레이저 조명을 선형의 길이가 길고 폭이 좁은 광으로 만든 후에 평행광으로 변환하여 회절형 광변조기(110)상에 입사시킨다.

또한, 디스플레이 광학계(102)는 조명계(108)로부터 조사된 선형광을 회절시켜 회절광의 광세기가 조절된 복수의 회절차수의 회절광을 생성하는 회절형 광변조기(110)를 포함한다.

여기에서 회절형 광변조기(110)가 출사하는 회절광은 0차 회절광, ±1차 회절광, ±2차 회절광, ±3차 회절광 등등의 여러 회절차수의 회절광을 포함한다.

그리고, 회절형 광변조기(110)가 출사하는 회절광은 선형(line shape)의 길이가 길고 폭이 좁은 회절광이 된다(이하에서는 이를 라인 영상이라고 한다).

여기에서, 회절형 광변조기(110)는 일예로 상하 이동가능하며 어레이를 형성하고 있는 다수의 상부 반사부와, 상부 반사부의 사이에 위치하며 상부 반사부로부터 일정 거리가 이격되어 있는 다수의 하부 반사부를 포함하여 이루어져 있다. 그리고, 회절형 광변조기(110)는 상부 반사부를 구동하는 구동수단으로 정전기력, 정자기력을 사용할 수 있으며, 일면에 상부 전극층이 형성되어 있고 다른면에 하부 전극층이 형성되어 있어 있는 압전 재료층을 사용할 수 있다.

이러한, 회절형 광변조기(110)가 출사하는 회절광은 하나의 상부 반사부와 그에 대응되는 하부 반사부가 형성하는 회절광이 스크린(118)에 형성되는 영상의 하나의 픽셀에 대응하는 회절광을 생성하도록 할 수 있고, 2개 또는 그 이상의 상부 반사부와 그에 대응되는 하부 반사부가 형성하는 회절광이 스크린(118)에 형성되는 하나의 픽셀에 대응되는 회절광을 형성하도록 할 수 있다.

다음으로, 디스플레이 광학계(102)는 회절형 광변조기(110)에서 출사된 복수의 회절차수를 갖는 회절광을 스크린(118)을 향하도록 하여 스크린(118)에 스캐닝을 수행하는 투사계(112)를 포함하고 있다.

여기에서, 투사계(112)는 스크린(118)에 스캐닝을 수행하는데 있어 디스플레이 전자계(104)의 제어에 의해 스크린(118)에 디스플레이 되는 영상의 선속을 일정하게 유지하도록 한다.

이러한 투사계(112)는 투사 렌즈와 회절광을 스크린(118)을 향하도록 하는 스캐닝을 수행하는 스캐너로 이루어져 있다.

투사 렌즈는 복수의 볼록 렌즈와 복수의 오목렌즈의 조합으로 이루어져 있으며 회절광의 초점을 스크린(118)에 위치하도록 입사광을 집광하는 역할을 수행한다.

스캐너는 갈바노 스캐너(galvanometer scanner) 또는 폴리곤 미러 스캐너(polygon mirror scanner)일 수 있다. 갈바노 스캐너는 사각형 판자 형태를 가지고 있으며, 일면에 미러가 부착되어 있다. 축을 중심으로 소정 각도 범위 내에서 좌우로 회전을 한다. 폴리곤 미러 스캐너는 다각 기둥 형태를 가지고 있으며, 다각 기둥의 옆면에 미러가 부착되어 있다. 축을 중심으로 일방향으로 회전하며 각 옆면에 부착된 미러가 회전에 의해 입사되는 빛의 반사각을 변화시켜 스크린(118)에 영상을 투사한다.

한편, 디스플레이 광학계(102)는 투사계(112)와 스크린(118) 사이에 위치하여 투사계(112)에서 투사된 여러 차수의 회절광에서 사용하기를 원하는 차수의 회절광을 스크린(118)으로 통과시키는 필터 광학계(116)를 포함하여 이루어져 있다. 필터 광학계(116)의 일예는 슬릿이 사용될 수 있다.

한편, 디스플레이 전자계(104)는 광원계(106), 회절형 광변조기(110), 투사계(112)에 접속된다. 디스플레이 전자계(104)는 광원계(106)에 전원을 제공한다. 그리고, 디스플레이 전자계(104)는 회절형 광변조기(110)의 압전체의 상부 전극층과 하부 전극층에 구동 전압을 제공하여 상부 반사부를 구동시킨다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따르면, 광원에서 출사되는 광을 평탄화하여 출사하기 때문에 회절형 광변조기를 이용하여 영상을 변조하여 디스플레이하는 경우에 밝기 등에서 차이가 없는 높은 화질을 얻을 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 광원에서 출사되는 광원을 두개의 비구면 렌즈를 사용하여 평탄화하기 때문에 추가적인 렌즈 등이 불필요하여 저비용으로 원하는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명은 광원에서 출사되는 광원을 두개의 비구면 렌즈를 사용하여 평탄화하기 때문에 추가적인 렌즈 등이 불필요하여 소형화가 가능하도록 하는 효과가 있다.

Claims

광원으로부터 출사되는 가우스형 광을 평탄화하여 평탄빔을 형성하는 제1 비구면 렌즈와, 제1 비구면 렌즈에서 평탄화된 빔을 평행빔으로 변환하여 출사하는 제2 비구면 렌즈를 포함하여 이루어진 빔 성형 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제2 비구면 렌즈는 상기 제1 비구면 렌즈에서 출사된 평탄빔의 광경로의 편차를 보정하는 것을 특징으로 하는 빔 성형 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 제1 비구면 렌즈는, 다음 비구면 렌즈식 Z = CY²/ ( 1 ＋ ( 1－ ( K ＋ 1 ) C²Y²)^1/2) ＋ (R2)Y² ＋(R4)Y⁴ ＋ (R6)Y⁶ ＋ (R8)Y⁸ ＋ (R10)Y¹⁰ +(R12)Y¹² +(R14)Y¹⁴+(R16)Y¹⁶에서 R2는 -1.800932E-02이고, R4는 4.1565302E-03이며, R6는-6.199940E-04이고, R8는 4.1362072E-05인 것을 특징으로 하는 빔 성형 장치.
제 3 항에 있어서,

상기 제2 비구면 렌즈는, 다음 비구면 렌즈식 Z = CY²/ ( 1 ＋ ( 1－ ( K ＋ 1 ) C²Y²)^1/2) ＋ (R2)Y² ＋(R4)Y⁴ ＋ (R6)Y⁶ ＋ (R8)Y⁸ ＋ (R10)Y¹⁰ +(R12)Y¹² +(R14)Y¹⁴+(R16)Y¹⁶ 에서 R2는 -5.831138E-03이고, R4는 2.1486734E-05이며, R6는-8.735557E-07이고, R8는 1.165876E-07인 것을 특징으로 하는 빔 성형 장치.
광을 생성하여 출사하는 광원계;

상기 광원계에서 출사되는 가우스형 광을 평탄화하여 평탄빔을 형성하는 제1 비구면 렌즈와, 제1 비구면 렌즈에서 평탄화된 빔을 평행빔으로 변환하여 출사하는 제2 비구면 렌즈를 포함하여 상기 광원계에서 출사되는 평탄화된 평행광으로 변환하는 조명 광학계;

상기 조명 광학계에서 출사되는 광원을 변조하여 라인 영상 정보를 갖는 회절광을 생성하여 출사하는 회절형 광변조기; 및

상기 회절형 광변조기에서 출사된 회절광을 스크린에 투사하는 투사계를 포함하여 이루어진 회절형 광변조기를 이용한 디스플레이 장치.