KR20080077629A - 레이저 피코-빔머에 대한 최적 칼라 - Google Patents

Abstract

레이저 빔 프로젝터는 복수의 적외선 레이저 빔을 방출하는 반도체 레이저 플랫폼(20)과 상기 복수의 레이저 빔의 주파수 변환으로서 복수의 원색 레이저 빔을 방출하는 주파수 변환기(30)를 포함하는 광 엔진을 채용하는데, 각각의 원색 레이저 빔은 인간의 눈이 갖는 최대 민감도에 대응하는 원색 파장을 갖는다. 상기 레이저 빔 프로젝터는 복수의 원색 레이저 빔의 혼합물로서 프로젝션 레이저 빔을 방출하도록 동작할 수 있는 레이저 빔 혼합기를 더 채용한다.

Description

레이저 피코-빔머에 대한 최적 칼라{OPTIMAL COLORS FOR A LASER PICO-BEAMER}

본 발명은 일반적으로, 방사선 안전 법률 및 규제를 준수하도록 설계된 휴대 가능한 소형 레이저-프로젝터(즉, 피코빔머)에 관한 것이다. 본 발명은 상세하게는, 휴대 가능한 소형 레이저-프로젝터의 각각의 원색에 있어서 최적의 칼라를 획득하도록 설계된 반도체 레이저 플랫폼{예컨대, 수직 공동 표면 발광 레이저(VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser) 플랫폼}의 주파수 변환에 관한 것이다.

휴대 가능한 소형 레이저 프로젝터는 적색, 녹색 및 청색를 포함하는 한 세트의 삼원색을 사용한다. 이러한 원색은 밝은 이미지를 위해 인간의 눈에서 충분한 색 감각을 동시에 생성하는 것을 고려하여 넓은 색역(large color gamut)을 포함할 필요가 있다. 이러한 이유로, 상기 원색의 칼라 파장은 도 1에서 도시된 바와 같이 인간의 눈의 최대 민감도에 대응해야 한다. 더욱이, 칼라 공간의 광범위한 영역은 가령, 도 2에서 도시된 바와 같이 스캐닝되어야만 한다.

현재, 반도체 타입 레이저, 광 스토리지를 위한 레이저 및 고출력 레이저의 형태인 콤팩트 레이저는 아주 비싸고 복잡하며, 디스플레이 어플리케이션에 적절한 칼라 파장을 가지고 있지 않다. 본 발명은 휴대 가능한 소형 레이저 프로젝터의 각각의 원색에 있어서 최적의 칼라를 획득하도록 설계된 반도체 레이저 플랫폼(예컨대, 수직 공동 표면 발광 레이저 플랫폼)의 주파수 변환을 제공함으로써 이러한 단점을 극복한다.

본 발명의 제1 형태에 있어서, 광 엔진은 반도체 레이저 플랫폼과 주파수 변환기를 포함한다. 동작 시, 반도체 레이저 플랫폼은 적외선 레이저 빔을 방출하고, 주파수 변환기는 적외선 레이저 빔의 주파수 변환으로서 원색 레이저 빔을 방출하는데, 상기 원색 레이저 빔은 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 원색 파장을 갖는다.

본 발명의 제2 형태에 있어서, 레이저 빔 프로젝터는 반도체 레이저 플랫폼 및 주파수 변환기를 포함하는 광 엔진과 광 빔 혼합기를 포함한다. 동작 시, 상기 반도체 레이저 플랫폼은 복수의 적외선 레이저 빔을 방출한다. 이 주파수 변환기는 복수의 적외선 레이저 빔의 주파수 변환으로서 복수의 원색 레이저 빔을 방출하는데, 각각의 원색 레이저 빔은 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 원색 파장을 갖는다. 상기 레이저 빔 혼합기는 복수의 원색 레이저 빔의 혼합물로서 프로젝션 레이저 빔을 방출한다.

본 발명의 다양한 특징 및 이점뿐만 아니라 본 발명의 전술한 형태와 다른 형태는 동반하는 도면과 연계하여 읽혀지는 본 발명의 다양한 실시예의 다음의 상세한 설명으로부터 더 분명해질 것이다. 이러한 상세한 설명과 도면은 제한하기 보다는 오히려 본 발명을 단지 예시하고, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위와 이의 동등물에 의해 한정된다.

도 1은 종래 기술에서 알려진 바와 같이, 적색, 녹색 및 청색의 원색에 대한 인간의 눈의 최대 민감도를 예시한 도면.

도 2는 칼라 삼각형이 본 발명에 따른 레이저 빔 프로젝터에 의해 완수됨을 암시하는 것으로서 종래 기술에서 알려진 바와 같이 예시적인 CIE 색도표를 도시한 도면.

도 3은 본 발명에 따른 레이저 빔 프로젝터의 일실시예에 대한 블록도를 예시한 도면.

도 4는 본 발명에 따른 도 3에 예시된 레이저 프로젝터의 예시적인 실시예에 대한 블록도를 도시한 도면.

도 3에서 도시된 바와 같은 본 발명의 레이저 빔 프로젝터는 반도체 레이저 플랫폼(20) 및 주파수 변환기(30)를 포함하는 광 엔진과, 레이저 빔 혼합기(40)를 채용한다. 동작 시, 반도체 레이저 플랫폼(20)은 적외선 레이저 빔(IRR)을 방출하고, 이에 의해 주파수 변환기(30)는 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 적색 파장(예컨대, 약 630 나노미터)을 갖는 적색 제이저 빔(RLB)으로의 적외선 레이저 빔(IRR)의 주파수 변환으로서 적색 레이저 빔(RLB)을 방출한다. 일실시예에서, 반도체 레이저 플랫폼(20)은 적색 레이저 빔(RLB)의 절반의 주파수로 적외선 레이저 빔(IRR)을 방출하고, 이에 의해 주파수 변환기(30)는 적외선 레이저 빔(IRR)의 주파수를 2배 증가시켜서, 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 적색 파장을 갖는 적색 레이저 빔(RLB)을 방출한다.

반도체 레이저 플랫폼(20)은 적외선 레이저 빔(IRG)을 더 방출하고, 이에 의해 주파수 변환기(30)는 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 녹색 파장(예컨대, 약 530 나노미터)을 갖는 녹색 레이저 빔(GLB)으로의 적외선 레이저 빔(IRG)의 주파수 변환으로서 녹색 레이저 빔(GLB)을 방출한다. 일실시예에서, 반도체 레이저 플랫폼(20)은 녹색 레이저 빔(GLB)의 절반의 주파수로 적외선 레이저 빔(IRG)을 방출하고, 이에 의해 주파수 변환기(30)는 적외선 레이저 빔(IRG)의 주파수를 2배 증가시켜서, 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 녹색 파장을 갖는 녹색 레이저 빔(GLB)을 방출한다.

반도체 레이저 플랫폼(20)은 적외선 레이저 빔(IRB)을 더 방출하고, 이에 의해 주파수 변환기(30)는 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 청색 파장(예컨대, 약 440 나노미터)을 갖는 청색 레이저 빔(BLB)으로의 적외선 레이저 빔(IRB)의 주파수 변환으로서 청색 레이저 빔(BLB)을 방출한다. 일실시예에서, 반도체 레이저 플랫폼(20)은 청색 레이저 빔(BLB)의 절반의 주파수로 적외선 레이저 빔(IRB)을 방출하고, 이에 의해 주파수 변환기(30)는 적외선 레이저 빔(IRG)의 주파수를 2배 증가시켜서, 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 청색 파장을 갖는 청색 레이저 빔(BLB)을 방출한다.

레이저 빔 혼합기(30)는 적색 레이저 빔(RLB), 녹색 레이저 빔(GLB) 및 청색 레이저 빔(BLM)의 혼합물로서 프로젝션 레이저 빔(PLB)(예컨대, 화이트 레이저 빔)을 방출한다.

도 4는 3개의 적외선 VCSEL(21)을 포함하는 반도체 레이저 플랫폼(20)(도 3)의 일실시예, 3개의 미러(31)와 3개의 광 도파관(32){예컨대, 주기적 극성의 리튬 니오베이트 주파수 더블러 결정(a periodically poled lithium niobate frequency doubler crystals)}를 포함하는 주파수 변환기(30)(도 3)의 일실시예와, 미러(41){예컨대, 볼륨 브레그 격자(volume bragg grating)}, 3개의 프리즘(42)과 실딩 유리(43)를 포함하는 레이저 빔 혼합기(40)의 일실시예를 예시한다.

동작 시, 적외선 VCSEL(21)(R)은, 주파수가 2배 증가된 파장이 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 적색 파장(예컨대, 약 630 나노미터)을 갖는 적외선 레이저 빔(IRR)을 방출한다. 이를 위해, 적외선 레이저 빔(IRR)은 미러(31)(R)에 의해 임의적으로 편향되고 난 뒤, 광 도파관(32)(R)에 의해 주파수가 2배 증가되어 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 적색 파장을 갖는 적색 레이저 빔(RLB)을 생성한다.

적외선 VCSEL(21)(G)은, 주파수가 2배 증가된 파장이 인간의 눈의 최대 민감 도에 대응하는 녹색 파장(예컨대, 약 530 나노미터)을 갖는 적외선 레이저 빔(IRG)을 방출한다. 이를 위해, 적외선 레이저 빔(IRG)은 미러(31)(G)에 의해 임의적으로 편향되고 난 뒤, 광 도파관(32)(G)에 의해 주파수가 2배 증가되어, 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 녹색 파장을 갖는 녹색 레이저 빔(GLB)을 생성한다.

적외선 VCSEL(21)(B)은 주파수가 2배 증가된 파장이 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 청색 파장(예컨대, 약 440 나노미터)을 갖는 적외선 레이저 빔(IRB)을 방출한다. 이를 위해, 적외선 레이저 빔(IRB)은 미러(31)(B)에 의해 임의적으로 편향되고 난 뒤, 광 도파관(32)(B)에 의해 주파수가 2배 증가되어 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 청색 파장을 갖는 청색 레이저 빔(BLB)을 생성한다.

프리즘(42)(R)은 프리즘(42)(G) 방향으로 상기 적색 레이저 빔(RLB)을 구부리는데, 이는 적색 레이저 빔(RLB)을 수용하여 상기 녹색 레이저 빔(GLB)을 구부려서, 프리즘(42)(B) 방향으로 옐로 레이저 빔(YLB)을 산출한다. 이 옐로 레이저 빔(YLB)은 프리즘(32)(B)에 의해 수용되는데, 이는 상기 청색 레이저 빔(BLB)을 구부려서, 화이트 레이저 빔(WLB)의 형태로 프로젝션 빔을 산출한다.

일실시예에서, 도 4에서 도시된 바와 같은 레이저 빔 프로젝터는 예컨대, 종래 기술에서 알려져 있는 바와 같은 시스템-인-패키지(system-in-package) 기술과 같은 현재의 패키징 기술에 따라 패키징될 수 있다.

다음의 표 1은 여러 청색 파장에 있어서 40 루멘의 균형 잡힌 화이트 광(D65)에 그리고 10%의 월-플러그(wall-plug) 효율에 요구되는 VCSEL 레이저 전력의 예시적인 계산 결과를 목록으로 만든 것이다:

표 1로부터, 전기 와트 당 약 27 루멘의 이론상의 시스템 효율이 달성될 수 있다(광 손실을 무시하고). 이것은 실제로, 전형적으로 2 와트의 총 전기 전력(예컨대, 배터리)이 40 루멘 화이트 출력에 요구될 것을 의미한다.

다음의 표 2는 여러 청색 파장에 있어서 40 루멘의 균형 잡힌 화이트 광(D65)에 그리고 20%의 월-플러그 효율에 요구되는 VCSEL 레이저 전력의 예시적인 계산 결과를 목록으로 만든 것이다:

표 2로부터, 전기 와트 당 약 54 루멘의 이론상의 시스템 효율이 달성될 수 있다(광 손실을 무시하고). 이것은 실제로, 전형적으로 1 와트의 총 전기 전력(예컨대, 배터리)이 40 루멘 화이트 출력에 요구될 것을 의미한다.

다음의 표 3은 여러 청색 파장에 있어서 40 루멘의 균형 잡힌 화이트 광(D65)에 그리고 20%의 월-플러그(wall-plug) 효율에 요구되는 VCSEL 레이저 전력의 예시적인 계산 결과를 목록으로 만든 것이다:

표 3으로부터, 전기 와트 당 약 80 루멘의 이론상의 시스템 효율이 달성될 수 있다(광 손실을 무시하고). 이것은 실제로, 전형적으로 146 미리와트의 총 전기 전력(예컨대, 배터리)이 40 루멘 화이트 출력에 요구될 것을 의미한다.

칼라 당 30%의 예상되는 WPE에 대해, 본 발명의 주파수가 2배 증가된 VCSEL 기술은 와트 당 거의 88 루멘을 달성하고, 이는 배터리로 동작되는 디바이스에 있어서 흥미로운 수치이다. 광 시스템 효율이 80%(MEMS 스캐너를 이용하는 소형-빔머에 부정적인 측정치인)일 경우, 스크린 상의 80 루멘에 대한 광 출력 전력은 약 340 미리와트가 되고, 이는 이러한 "최적의 칼라"를 이용하지 않는 현존하는 레이저 기술보다 훨씬 낮다. 배터리로부터의 전력 소모는 전형적으로 1.5 와트이고, 전력 소실(dissipation)이 너무 낮아서 상기 레이저의 능동적인 냉각이 필요 없을 것 이다.

도 3 및 도 4를 참고하면, 당업자는 원색 불친화성에 대한 해결책을 제공하는 기술을 포함하지만 이에 제한되지 않는 본 발명의 다양한 이점을 이해할 것인데, 이 원색은 전력 소모와 광 안전의 관점에서 최적 광 엔진을 만들기 위해 인간의 눈의 민감도와 칼라 공간을 수반하는 다른 마이크로-레이저 기술을 통해 생성될 수 있다. 특히, 본 발명은 피코빔머의 각각의 원색에 대한 "최적의 칼라"를 획득하기 위해 VCSEL 레이저의 단일의 레이저 기술 플랫폼을 이용하는데, 이는 청색에 대해서는 약 440 nm, 녹색에 대해서는 540 nm이고 적색에 대해서는 630 nm이며, 각각은 칼라 삼각형, 인간의 눈의 높은 칼라 민감도 및 최소한의 광 방사선 조사량과의 양호한 매치에 대응한다. 이러한 원색으로 생성될 수 있는 칼라 공간은 더없이 많은 칼라에 대응하고, 앞서 본 휴대 가능한 피코-빔머 어플리케이션에 더 어울리므로, 최소한의 방사성 로드(load)를 갖는 양호한 칼라 재생이 될 것이다. 또한, VCSEL 기반 구조의 월-플러그 효율은 이러한 20% 내지 30%에 이를 것으로 예상되고, 이는 칼라에 따른 5% 내지 15% WPE 범위에 존재하는 종래의 레이저(레이저 다이오드 또는 임의의 다른 소형 마이크로레이저)보다 훨씬 양호하다. 이것은, 본 발명의 VCSEL 기반 RGB 광 소스에 대한 전력 소모가 종래의 레이저 소스를 이용하는 것보다 2 또는 3배 낮음을 의미한다.

본 명세서에서 개시된 본 발명의 실시예가 현재로서 바람직한 것으로 간주되더라도, 다양한 변경과 수정이 본 발명의 정신과 범위에서 벗어나지 않고 실행될 수 있다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 나타나 있고, 동등물의 의미와 범위 내에 존재하는 모든 변경은 본 명세서에서 수용되는 것으로 의도된다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 일반적으로, 방사선 안전 법률 및 규제를 준수하도록 설계된 휴대할 수 있는 소형 레이저-프로젝터(즉, 피코빔머)에 이용가능 하며, 본 발명은 상세하게는, 휴대 가능한 소형 레이저-프로젝터의 각각의 원색에 있어서 최적의 칼라를 획득하도록 설계된 반도체 레이저 플랫폼(예컨대, 수직 공동 표면 발광 레이저 플랫폼)의 주파수 변환에 이용가능 하다.

Claims (21)

1. 레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진으로서,

   - 적외선 레이저 빔을 방출하도록 동작할 수 있는 반도체 레이저 플랫폼(20)과,

   - 반도체 레이저 플랫폼(20)과 광학적으로 연결되어 상기 적외선 레이저 빔의 주파수 변환으로서 원색 레이저 빔을 방출하도록 동작할 수 있는 주파수 변환기(30)를 포함하고, 상기 원색 레이저 빔은 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 원색 파장을 갖는,

   레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 원색 레이저 빔은 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 적색 파장을 갖는 적색 레이저 빔인, 레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 적색 파장은 약 620 나노미터인, 레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 원색 레이저 빔은 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 녹색 파장을 갖 는 녹색 레이저 빔인, 레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 녹색 파장은 약 530 나노미터인, 레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진.
6. 제 1항에 있어서,

   상기 원색 레이저 빔은 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 청색 파장을 갖는 청색 레이저 빔인, 레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 청색 파장은 약 440 나노미터인, 레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 반도체 레이저 플랫폼(20)은 적외선 레이저 빔을 방출하도록 동작할 수 있는 수직 공동 표면 발광 레이저(21)를 포함하는, 레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 주파수 변환기(21)는 반도체 레이저 플랫폼(20)과 광학적으로 연결되어 적외선 레이저 빔의 주파수를 2배 증가시키도록 동작할 수 있는 광 도파관(32)을 포함하는, 레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 반도체 레이저 플랫폼(20)은 적외선 레이저 빔을 방출하도록 동작할 수 있는 수직 공동 표면 발광 레이저(21)를 포함하고,

    상기 주파수 변환기(21)는 상기 수직 공동 표면 발광 레이저(21)와 광학적으로 연결되어 적외선 레이저 빔의 주파수를 2배 증가시키도록 동작할 수 있는 광 도파관(32)을 포함하는, 레이저 빔 프로젝터를 위한 광 엔진.
11. 레이저 빔 프로젝터로서,

    - 복수의 적외선 레이저 빔을 방출하도록 동작할 수 있는 반도체 레이저 플랫폼(20)과, 반도체 레이저 빔(20)과 광학적으로 연결되어 복수의 적외선 레이저 빔의 주파수 변환으로서 복수의 원색 레이저 빔을 방출하도록 동작할 수 있는 주파수 변환기(30)를 포함하고, 상기 원색 레이저 빔은 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 원색 파장을 갖는, 광 엔진과,

    - 주파수 변환기(30)와 광학적으로 연결되어 복수의 원색 레이저 빔의 혼합물로서 프로젝션 레이저 빔을 방출하도록 동작할 수 있는 레이저 빔 혼합기(40)를

    포함하는, 레이저 빔 프로젝터.
12. 제 11항에 있어서,

    상기 원색 칼라 레이저 빔 중 적어도 하나는 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 적색 파장을 갖는 적색 레이저 빔인, 레이저 빔 프로젝터.
13. 제 12항에 있어서,

    상기 적색 파장은 약 620 나노미터인, 레이저 빔 프로젝터.
14. 제 11항에 있어서,

    상기 원색 칼라 레이저 빔 중 적어도 하나는 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 녹색 파장을 갖는 녹색 레이저 빔인, 레이저 빔 프로젝터.
15. 제 14항에 있어서,

    상기 녹색 파장은 약 530 나노미터인, 레이저 빔 프로젝터.
16. 제 11항에 있어서,

    상기 원색 칼라 레이저 빔 중 적어도 하나는 인간의 눈의 최대 민감도에 대응하는 청색 파장을 갖는 청색 레이저 빔인, 레이저 빔 프로젝터.
17. 제 16항에 있어서,

    상기 청색 파장은 약 440 나노미터인, 레이저 빔 프로젝터.
18. 제 11항에 있어서,

    상기 반도체 레이저 플랫폼(20)은 제1 적외선 레이저 빔을 방출하도록 동작할 수 있는 수직 공동 표면 발광 레이저(21)를 포함하는, 레이저 빔 프로젝터.
19. 제 11항에 있어서,

    상기 주파수 변환기(21)는 반도체 레이저 플랫폼(20)과 광학적으로 연결되어 제1 적외선 레이저 빔의 주파수를 2배 증가시키도록 동작할 수 있는 광 도파관(32)을 포함하는, 레이저 빔 프로젝터.
20. 제 11항에 있어서,

    상기 반도체 레이저 플랫폼(20)은 제1 적외선 레이저 빔을 방출하도록 동작할 수 있는 수직 공동 표면 발광 레이저(21)를 포함하고,

    상기 주파수 변환기(21)는 상기 수직 공동 표면 발광 레이저(21)와 광학적으로 연결되어 제1 적외선 레이저 빔의 주파수를 2배 증가시키도록 동작할 수 있는 광 도파관(32)을 포함하는, 레이저 빔 프로젝터.
21. 제 11항에 있어서,

    상기 원색 레이저 빔 혼합기(40)는 원색 칼라 레이저 빔을 혼합하기 위해 임의적으로 정렬된 복수의 프리즘(42)을 포함하는, 레이저 빔 프로젝터.

Images