KR20080059620A - 발광 스크린에 기초한 레이저 투사 시스템 - Google Patents

발광 스크린에 기초한 레이저 투사 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 적어도 하나의 제1 레이저 광원(1), 투사 스크린(7) 및 상기 레이저 광원(1)의 레이저빔을 투사하여 상기 투사 스크린(7) 상에 이미지를 형성하기 위한 공간 광변조기(6)를 포함하는 레이저 투사 시스템에 관한 것이다. 투사 스크린(7)은 상기 레이저빔에 의한 여기시 청색광을 발광하는 발광층(9)을 포함한다. 이를 위하여, 발광층(9)은 발광재료로서
Figure 112008031407513-PCT00016
(여기서
Figure 112008031407513-PCT00017
Figure 112008031407513-PCT00018
임)를 포함한다. 이 재료로, 405nm의 파장 영역에서 발광하는 레이저 다이오드의 레이저광은 450nm의 청색광으로 높은 효율에서 변환될 수 있다. 따라서, 제안된 투사 시스템은, 레이저 광원으로서 레이저 다이오드들을 이용하는 RGB 투사에 적합하다.
레이저 광원, 투사 스크린, 공간 광변조기, 투사 시스템, 발광층, 레이저광

Description

발광 스크린에 기초한 레이저 투사 시스템{A LASER PROJECTION SYSTEM BASED ON A LUMINESCENT SCREEN}
본 발명은 적어도 하나의 제1 레이저 광원, 투사 스크린 및 상기 레이저 광원의 레이저빔을 투사하여 상기 투사 스크린 상에 이미지를 형성하기 위한 공간 광변조기를 포함하는 레이저 투사 시스템에 관한 것으로서, 상기 투사 스크린은 상기 레이저빔에 의한 여기시 청색광을 발광하는 발광층을 포함한다.
투사(Projection)는 광학적 너비(optical Etendue)와 관련하여 요구조건이 매우 많은 응용이다. 가급적 포인트형인 광원을 제공하기 위하여 오늘날에는 UHP 램프 또는 크세논 램프와 같은 쇼트-아크(short-arc) 램프들이 이용된다. 통상의 투사 시스템들에서 광원의 광은 원하는 이미지를 형성하기 위하여 강도가 변조되면서 광학적 광변조기를 경유하여 투사 스크린 상에 투사된다.
집속도(focusability)에 관하여는, 레이저들은 훨씬 더 작은 디스플레이 크기를 허용하므로 많은 비용 절감 잠재성을 보유하는 큰 장점을 제공한다. 레이저들의 몇 가지 다른 장점들로 인해 그들은 매우 바람직한 투사용 광원이 된다.
가시 파장 범위 내의 적절한 파장에서의 적절한 레이저 광원들, 특히 다이오드 레이저들이 부족한 것은 지금까지도 레이저 기초 투사 시스템들에 대한 주요 장 애물이다. 630nm로부터 적외선 영역으로의 파장 범위에서 적색 레이저 다이오드들이 널리 이용 가능하지만, 지금까지는, 유효한 청색 다이오드들은 인간의 눈에 적합하지 않은 자외선 및 자색 파장 범위들에서만 이용 가능하다. RGB 디스플레이들(R: 적색, G: 녹색, B: 청색)에 필요한 450-465 nm의 청색 파장들의 경우, 충분한 출력 전력 및 효율을 갖는 레이저 다이오드들을 찾을 수 없다. 따라서, 이용 가능한 현대의 레이저 투사 시스템은 차라리 부피가 크고 값이 비싼 관련 레이저원들에 의존한다. 이러한 이유로, 레이저 투사 시스템들 또는 레이저 디스플레이들은 고성능 응용들에서만 사용되며 소비자 시장으로의 적용은 아직까지는 찾지 못했다.
JP 2003-287802는 본원의 청구항 1의 전제부에 따른 레이저 투사 시스템을 개시한다. 이 투사 시스템에는 세 개의 레이저 광원들이 제공되는데, 그들의 빔들은 공간 광변조기에 의해 투사되어 투사 스크린 상에 이미지를 형성한다. 레이저 광원들 중 두 개는 RGB 투사를 위하여 필요한 세 개의 컬러들 중 두 개의 광을 발광한다. 나머지 컬러는, 여기 광원(excitation light source)으로 호칭되는 제3 레이저 광원의 레이저빔에 의해 여기되는 투사 스크린 상의 발광층에 의해 발광된다. 이 문서에 개시된 실시예들 중 하나에서 여기 광원은 자외선광을 발광하는 반도체 레이저이며, 발광층은 이 자외선광을 청색광으로 변환한다. 이 발광층의 기초 재료로서는
Figure 112008031407513-PCT00001
가 제안된다. 그러나, 이 재료는 발광 스크린 장치에서 사용하기에 이상적인 것은 아니다. 이러한 장치에서 여기 광원은 바람직하게는 405nm 레이저 다이오드인데, 그 이유는 이 다이오드들은 쉽게 이용 가능하기 때문이다. 405nm의 파장에서, 상기 문서의 발광 재료는 흡수작용(absorption)이 매우 적어서 변환 효율이 불량하게 된다.
본 발명의 목적은 적어도 405nm의 파장 영역에서의 레이저광을 청색광으로 효율적으로 변환시킬 수 있는 발광 스크린에 기초한 레이저 투사 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은 본원의 청구항 1의 레이저 투사 시스템으로 달성된다. 상기 시스템의 바람직한 실시예들은 하위 청구항들의 주제이며 또한 이하의 상세한 설명 및 본 발명을 수행하기 위한 예에서 더욱 상세히 설명된다.
제안된 레이저 투사 시스템은 적어도 하나의 제1 레이저 광원, 투사 스크린 및 투사 스크린 상에 이미지를 형성하기 위하여 상기 제1 레이저 광원의 레이저빔을 투사하기 위한 공간 광변조기를 포함한다. 공간 광변조기는, 예를 들면 다른 투사 시스템들로부터 공지된, 임의의 광변조기일 수 있다. 투사 스크린은 상기 레이저빔에 의한 여기시 청색광을 발광하는 발광층을 포함한다. 상기 발광층은 발광재료로서
Figure 112008031407513-PCT00002
또는
Figure 112008031407513-PCT00003
중 적어도 하나(여기서,
Figure 112008031407513-PCT00004
Figure 112008031407513-PCT00005
임)를 포함한다.
상기 재료를 포함하는 발광층으로, 405nm의 영역에서 발광하는 제1 레이저 광원의 레이저광은 450-460nm의 영역에서의 발광성 또는 인광성 광으로 효율적으로 변환된다. 본원의 투사 시스템의 발명자들은 이 재료가 JP 2003-287802의 공지의 재료보다 405nm의 여기 파장에 대하여 크게 향상된 변환 효율을 갖는다는 것을 발견하였다. 본원의 투사 시스템은 투사 스크린 상에 청색광을 생성하기 위하여 상용 405nm 레이저 다이오드들을 사용하는 것을 허용한다. 투사 스크린에 발광층을 적용하는 것은 당업자에게 공지된 여러 방식들, 예를 들면 코팅 기술에 의해 수행될 수 있다. 바람직하게는 제안된 투사 시스템은 상이한 파장들에서 발광하는 적어도 세 개의 상이한 레이저 광원들, 즉 제1 레이저 광원, 제2 레이저 광원 및 제3 레이저 광원을 포함한다. 제2 및 제3 레이저 광원들의 파장을 적절히 선택하는, RGB 레이저 투사 시스템이 구현될 수 있다.
이러한 RGB 투사 시스템 내의 투사 스크린 상에서 청색 이미지에 오버레이되어야 하는 적색 이미지를 위하여, 예를 들면, GaAs 재료 시스템에 기초하는 적색 레이저 다이오드가 사용될 수 있다. 투사 스크린 상에서 청색 및 적색 이미지에 오버레이되어야 하는 녹색 이미지를 위하여, 예를 들면 주파수 배가된(frequency doubled) Nd:YAG 레이저 또는 업컨버전 레이저가 사용될 수 있다.
청색광과 동일한 방식으로, 즉 다운 컨버전에 의하여 투사 스크린 상의 발광층에 의해 녹색 또는 적색광을 생성하는 것도 가능하다. 이를 위하여, 제2 또는 제3 레이저 광원의 광을 적색 또는 녹색광으로 변환하는 추가적인 재료를 포함해야 한다. 바람직하게는, 이러한 실시예에서의 제2 또는 제3 레이저 광원은 자외선 또는 자색광을 발광한다. 이 광은, 자연적으로, 제1 레이저 광원의 광과는 다른 파장을 가져야 한다. 또한, 두 개의 발광 재료들, 즉 청색광을 생성하기 위한 재료 및 적색 또는 녹색광을 생성하기 위한 재료는, 대응하는 레이저 광원의 광에 의해서만 여기되도록 하기 위하여, 상이한 흡수 대역들(absorption bands)을 가져야만 한다. 한 재료는 바람직하게는 제2 또는 제3 레이저 광원의 파장 영역에서는 흡수하지 않고 제1 레이저 광원으로부터의 방사(radiation)는 흡수해야 한다. 다른 재료는 바람직하게는 제1 레이저 광원의 파장 영역에서는 흡수하지 않고 제2 또는 제3 레이저 광원으로부터의 방사는 흡수해야 한다.
적색 또는 녹색광을 생성하기 위한 자외선 또는 자색광으로부터의 다운 컨버전 대신에, 녹색 또는 적색광으로의 업컨버전을 허용하는 재료가 발광층에 사용될 수 있다. 예를 들어 970nm의 파장에서 발광하는 레이저 다이오드를 이용하여, 발광층 내의 Er3 +도핑된 물질이 550nm에서 매우 효율적으로 두 개의 적외선 광자들을 흡수하고 하나의 적색 광자를 방출한다. 이러한 유형의 수 개의 매우 효율적인 인광물질들(phosphors)이 이용 가능한데, 예를 들면,
Figure 112008031407513-PCT00006
Figure 112008031407513-PCT00007
또는 Er3 + 도핑된 ZBLAN 글래스(
Figure 112008031407513-PCT00008
Figure 112008031407513-PCT00009
)이다.
바람직하게는, 본원의 투사 시스템에서는, 업컨버전 및/또는 다운컨버전을 위해, 360nm와 440nm 사이의 파장 범위 및/또는 780nm와 1200nm 사이의 파장 범위에서 발광하는 레이저 다이오드들이 레이저원들로서 이용된다. 특히, 제1 레이저 광원은 바람직하게는 405nm의 파장 영역에서 발광하는 GaN 레이저 다이오드이다. 그럼에도 불구하고 자색 또는 자외선 범위, 예를 들면 385nm에서 발광하는 다른 레이저 다이오드들도 사용될 수 있다. 적색광 및 녹색광(업컨버전에 의한 녹색광)을 생성하기 위하여, GaAs 재료 시스템에 기초하고 630nm로부터 최대 적외선 범위까지의 파장 범위에서 발광하는 레이저 다이오드들이 바람직하다. 대안적으로, 다운 컨버전 발광 재료와 연계하여 녹색광을 생성하기 위하여 상기 자외선 또는 자색 레이저 다이오드들이 사용된다.
본 발명의 상세한 설명 및 청구항들에서 "포함하는"은 다른 구성요소들이나 단계들을 배제하는 것이 아니며 "하나" 또는 "일"(a or an)은 복수를 배제하는 것이 아니다. 또한 청구항들에서의 임의의 참조부호들은 이 청구항들의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.
이하의 예시적인 실시예는 본 발명의 범위를 제한하지 않고 첨부도면들을 참조하여 본원의 레이저 투사 시스템의 일 예를 도시한다.
도 1은 제안된 레이저 투사 시스템의 일 예의 개략적인 구성.
첨부된 도 1은 본 발명의 일 예에 따른 레이저 투사 시스템의 개략적인 구성을 도시한다. 이 레이저 투사 시스템은 세 개의 레이저 다이오드들, 즉, 405nm의 파장에서 발광하는 제1 GaN 레이저 다이오드(1), 630nm의 파장에서 발광하는 제2 GaAs 레이저 다이오드(2) 및 970nm의 파장에서 발광하는 제3 GaAs 레이저 다이오드를 갖는 레이저원 유닛을 포함한다. 세 개의 레이저 다이오드들의 레이저빔들은 강도 변조기들(intensity modulator, 4)을 통과한 후 적절한 빔 결합기(5)에서 결합되어 하나의 결합된 레이저광 빔으로 된다. 이 레이저광 빔은 투사 스크린(7) 상의 공간 광변조기(spatial light modulator, 6), 예를 들면 2축 편향 스캐너를 통하여 투사된다. 강도 변조기들(4) 및 공간 광변조기(6)는 업계에 공지되어 있는 바와 같이 투사 스크린(7) 상에서 원하는 픽쳐들을 생성하기 위하여 비디오 제어 유닛(8)에 의해 제어된다.
본원의 예에서 투사 스크린(7)은 도면의 확대된 부분에서 볼 수 있는 바와 같이, 발광층(9)으로 커버된다. 발광층(9)은 전체 투사 스크린을 커버한다. 이 발광층(9)은, 적절한 매트릭스 재료에 매립될 수 있는, 주 성분들로서
Figure 112008031407513-PCT00010
과
Figure 112008031407513-PCT00011
의 혼합물을 포함한다.
이 발광층(9)으로 인해 제1 레이저 다이오드(1)로부터의 레이저광은 투사 스크린 상에서 450-460nm의 청색광으로 변환된다(다운컨버전). 한편, 제3 레이저 다이오드(3)로부터 발광된 레이저광은 550nm의 파장의 녹색광으로 변환된다(업컨버전). 따라서, 세 개의 레이저 다이오드들에 의해 투사 스크린 상에 생성된 컬러들은 630nm(R), 550nm(G) 및 450-460nm(B)의 파장들을 갖는다. 이것은 뷰어에게 현실적인 컬러들의 픽쳐들을 제공하는 RGB 투사를 가능하게 한다.
이러한 투사 시스템은 램프 기초 투사기들에 대한 훌륭한 대안이다. 광원들로서 레이저 다이오드를 사용할 수 있게 되면, 결과적으로 매우 컴팩트한 구성을 저비용으로 구현할 수 있다. 청색 변환을 위하여 제안된 재료의 변환 효율 및 적색(및 또한 녹색) 파장들에 대한 이 재료의 높은 반사성으로 인하여, 매우 밝은 픽쳐가 투사될 수 있다.
참조부호의 리스트
1: 제1 레이저 다이오드
2: 제2 레이저 다이오드
3: 제3 레이저 다이오드
4: 강도 변조기들
5: 빔결합기
6: 공간 광변조기
7: 투사 스크린
8: 비디오 제어 유닛
9: 발광층

Claims (10)

  1. 적어도 하나의 제1 레이저 광원(1), 투사 스크린(7) 및 상기 제1 레이저 광원(1)의 레이저빔을 투사하여 상기 투사 스크린(7) 상에 이미지를 형성하기 위한 공간 광변조기(6)를 포함하는 레이저 투사 시스템으로서,
    상기 투사 스크린(7)은 상기 레이저빔에 의한 여기시 청색광을 발광하는 발광층(9)을 포함하고,
    상기 발광층(9)은 발광재료로서
    Figure 112008031407513-PCT00012
    또는
    Figure 112008031407513-PCT00013
    중 적어도 하나(
    Figure 112008031407513-PCT00014
    Figure 112008031407513-PCT00015
    임)를 포함하는 레이저 투사 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1 레이저 광원(1)은 자색 또는 자외선 파장 영역에서 발광하는 레이저 다이오드인 레이저 투사 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 레이저 투사 시스템은 적어도 하나의 제2 레이저 광원(2) 및 하나의 제3 레이저 광원(3)을 포함하며, 상기 제1 레이저 광원(1), 제2 레이저 광원(2) 및 제3 레이저 광원(3)은 상이한 파장들에서 발광하는 레이저 투사 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 제2 레이저 광원(2)은 적색 파장 범위에서 발광하는 레이저 투사 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 제3 레이저 광원(3)은 녹색 파장 영역에서 발광하는 레이저 투사 시스템.
  6. 제4항에 있어서, 상기 발광층(9)은 적외선 파장 범위 내의 광을 녹색광으로 업컨버전하기에 적합한 추가적인 발광재료를 포함하며, 상기 제3 레이저 광원(3), 특히 레이저 다이오드는 적외선 파장 범위에서 발광하는 레이저 투사 시스템.
  7. 제4항에 있어서, 상기 발광층(9)은 자색 또는 자외선 파장 범위 내의 광을 녹색광으로 다운컨버전하기에 적합한 추가적인 발광재료를 포함하며, 상기 제3 레이저 광원(3), 특히 레이저 다이오드는 자색 또는 자외선 파장 범위에서 발광하는 레이저 투사 시스템.
  8. 제3항에 있어서, 상기 제3 레이저 광원(3)은 녹색 파장 범위에서 발광하는 레이저 투사 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 상기 발광층(9)은 적외선 파장 범위 내의 광을 적색광으로 업컨버전하기에 적합한 추가적인 발광재료를 포함하며, 상기 제2 레이저 광원(2), 특히 레이저 다이오드는 적외선 파장 영역 내에서 발광하는 레이저 투사 시스템.
  10. 제4항에 있어서, 상기 제2 레이저 광원(2)은 레이저 다이오드인 레이저 투사 시스템.
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