KR20090002360A - 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치 - Google Patents

다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치 Download PDF

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KR20090002360A
KR20090002360A KR1020070064081A KR20070064081A KR20090002360A KR 20090002360 A KR20090002360 A KR 20090002360A KR 1020070064081 A KR1020070064081 A KR 1020070064081A KR 20070064081 A KR20070064081 A KR 20070064081A KR 20090002360 A KR20090002360 A KR 20090002360A
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Abstract

다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치가 제시된다. 본 발명의 일 측면에 따르면, 라인 빔 발생 장치에 있어서, 광원 및 전반사 미러로부터 입사되는 광의 일부를 반사하고 일부는 투과시키며, 상기 투과된 광이 라인 빔을 형성하도록 하는 반투과 미러; 및 상기 반투과 미러로부터 반사된 광을 상기 반투과 미러를 향하여 반사하는 전반사 미러를 포함하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치를 제시할 수 있다. 본 발명에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치는 광학계가 단순하고 민감하지 않아서 조정이 쉽고 균일도 확보가 용이한 효과가 있다.
다중 반사, 라인 빔, 전반사 미러, 반투과 미러.

Description

다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치{Uniform Line Beam Generator with multi-Reflection}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라인 빔 발생 장치가 이용된 디스플레이 장치의 구성도.
도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전체를 이용한 일 형태의 회절형 광 변조기 모듈의 사시도.
도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전체를 이용한 다른 형태의 회절형 광 변조기 모듈의 사시도.
도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 회절형 광 변조기 어레이의 평면도.
도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 회절형 광 변조기 어레이에 의해 스크린에 이미지가 생성되는 모식도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치의 구성도.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치의 구성도.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치에 의해 생성된 라인 빔의 균일도 프로파일.
도 6는 본 발명의 실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치의 반투과 미러의 연속적인 투과율을 도시한 도면.
도 7는 본 발명의 실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치의 반투과 미러의 불연속적인 투과율을 도시한 도면.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치의 반사율 및 투과율에 따른 빔 세기를 도시한 도면.
본 발명은 라인 빔 발생 장치에 관한 것으로, 특히 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치에 관한 것이다.
종래 기술에 따라 라인 빔(Line Beam)을 만들기 위한 방식에는 다양한 방법이 있다. 그 중에 대표적이라 할 수 있는 몇 가지 예를 들면, 빔을 확대하여 소정의 균일도 이상 되는 빔만을 잘라서 라인 빔으로 사용하는 트런케이션(Truncation)방식, 파웰 렌즈(Powell Lens)와 같은 비구면 렌즈나 HOE 또는 DOE소자를 이용하여 빔을 균일하게 하는 플랫 탑(Flat-Top) 방식, 광 섬유(Optical Fiber)를 사용하여 빔을 여러 개로 나누어 광파이버를 적당히 배열하는 방식, 광원을 1차원으로 배열 하는 방식, FEL과 같은 렌즈 어레이 같은 방식 등 다양한 방식이 있다.
그러나, 트런케이션(Truncation) 방식은 균일도를 높이기 위해서는 효율이 떨어지고 효율을 올리려면 균일도가 떨어지는 트레이드 오프(Trade-off) 관계에 있기에 두 가지를 동시에 올릴 수가 없는 단점이 있다. 또한, Powell 렌즈와 같은 비구면 렌즈를 이용한 플랫 탑(Flat-Top) 방식은 렌즈 제작이 쉽지 않고, 렌즈간 거리가 일정거리 이상 확보 되어야 하며, 입사 빔의 폭이나 콜리메이션 정도에 민감하게 반응하므로 조정이 쉽지 않다.
또한, HOE 또는 DOE소자는 제작 성능과 효율이 떨어지고, 출사된 빔들의 출사각이 서로 평행하지 않아, 설계된 거리를 벗어나면 균일도가 떨어진다. 광 섬유(Optical Fiber)를 이용한 방식은 광 섬유(Optical Fiber)를 경유한 다음에 에텐듀(Etendue)가 증가되어 에텐듀가 작은 라인 조명에는 적합하지 않다. 여기서, 에텐듀는 기하학적인 광학에서 중요한 획득 크기로서, 광선 두께를 지칭한다. 광선 두께는 광원의 평면 면적과 광원이 방사하는 공간각에 의해 결정된다. 또한, 광원을 1차원으로 배열하는 방식이나 FEL과 같은 방식은 광학계가 복잡하고 광 경로가 길어지는 문제점이 있다.
본 발명은 광학계가 단순하고 민감하지 않아서 조정이 쉽고 균일도 확보가 용이한 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 광학계 길이를 기존 방식에 비해 짧게 할 수 있으며, 반사 광간의 거리차를 광원의 가간섭 거리보다 길게 함으로서 간섭성이 없는 광을 여러 개 합한 결과로 스페클을 줄일 수 있는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치를 제공한다.
본 발명이 제시하는 이외의 기술적 과제들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 라인 빔 발생 장치에 있어서, 광원 및 전반사 미러로부터 입사되는 광의 일부를 반사하고 일부는 투과시키며, 상기 투과된 광이 라인 빔을 형성하도록 하는 반투과 미러; 및 상기 반투과 미러로부터 반사된 광을 상기 반투과 미러를 향하여 반사하는 전반사 미러를 포함하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치를 제시할 수 있다.
여기서, 상기 광원으로부터 입사되는 광은 상기 반투과 미러에 예각으로 입사할 수 있다.
여기서, 상기 반투과 미러와 상기 전반사 미러는 평행할 수 있다.
여기서, 상기 반투과 미러는 연속적인 투과율을 가지며, 상기 반투과 미러를 투과하여 형성된 라인 빔은 위치에 따라 동일한 세기를 가질 수 있다.
여기서, 상기 연속적인 투과율은 상기 광원으로부터 최초로 입사된 광이 입사되는 부분과 멀어질수록 커질 수 있다.
여기서, 상기 반투과 미러는 불연속적인 투과율을 가지며, 상기 반투과 미러 를 투과하여 형성된 라인 빔은 위치에 따라 동일한 세기를 가질 수 있다.
여기서, 상기 불연속적인 투과율은 상기 광원으로부터 최초로 입사된 광이 입사되는 부분과 멀어질수록 커질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 라인 빔 발생 장치에 있어서, 광원 및 전반사 미러로부터 입사되는 광의 일부를 반사하고 일부는 투과시키며, 상기 투과된 광이 라인 빔을 형성하도록 하는 반투과 미러; 상기 반투과 미러로부터 반사된 광을 상기 반투과 미러를 향하여 반사하는 전반사 미러; 및 일면에 상기 전반사 미러가 위치하며, 타면에 상기 반투과 미러가 위치하고, 상기 광원으로부터 투사된 광 및 상기 반사된 광이 진행하는 매질부를 포함하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치를 제공할 수 있다.
여기서, 상기 광원으로부터 입사되는 광을 투과하며, 상기 전반사 미러가 위치한 상기 매질부의 일면에 위치한 투과부를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 광원으로부터 입사되는 광은 상기 반투과 미러에 예각으로 입사할 수 있다.
여기서, 상기 반투과 미러와 상기 전반사 미러는 평행할 수 있다.
여기서, 상기 반투과 미러는 연속적인 투과율을 가지며, 상기 반투과 미러를 투과하여 형성된 라인 빔은 위치에 따라 동일한 세기를 가질 수 있다.
여기서, 상기 연속적인 투과율은 상기 광원으로부터 최초로 입사된 광이 입사되는 부분과 멀어질수록 커질 수 있다.
여기서, 상기 반투과 미러는 불연속적인 투과율을 가지며, 상기 반투과 미러 를 투과하여 형성된 라인 빔은 위치에 따라 동일한 세기를 가질 수 있다.
여기서, 상기 불연속적인 투과율은 상기 광원으로부터 최초로 입사된 광이 입사되는 부분과 멀어질수록 커질 수 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접 속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 발명의 실시예는 일반적으로 외부로 신호를 전송하거나 외부로부터 신호를 수신하기 위한 멤스 패키지에 결합하여 적용될 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기에 앞서 본 발명에 적용되는 멤스 패키지 중 광 변조기 및 이를 이용한 디스플레이 시스템에 대해서 먼저 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라인 빔 발생 장치가 이용된 디스플레이 장치의 구성도이다. 디스플레이(display) 장치는 광원인 라인 빔 발생 장치(110), 조명 광학계(120), 광 변조기(130), 릴레이 광학계(140), 스캐닝 미러(scanning mirror)(150), 투사 광학계(160), 촬상면(170) 및 영상 제어부(180)를 포함한다.
라인 빔 발생 장치(110)는 광을 발생하는 장치로서, 라인 빔 발생 장치에는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 또는 레이저 등이 사용될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 레이저 다이오드가 사용된 라인 빔 발생 장치가 광원의 역할을 하는 경우를 예로 들어 설명한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 디스플레이 장치에 라인 빔을 제공할 수 있는 라인 빔 발생 장치(110)를 제공할 수 있다.
라인 빔 발생 장치(110)에서 조사된 라인 빔은 조명 광학계(120)에서 소정 각도로 반사 또는 분포가 변형되어 광 변조기(130)에 조사된다. 광 변조기(130)는 영상 제어부(180)로부터 수신한 영상제어신호에 따라 입사광을 변조하여 회절광을 생성한다. 이후 생성된 회절광은 릴레이 광학계(140)를 거쳐 스캐닝 미러(150)로 전달된다. 스캐닝 미러(150)는 영상 제어부(180)로부터 수신한 미러제어신호에 따라 소정 각도로 회전하며 상기 회절광을 투사 광학계(160)를 이용하여 촬상면(170) 상에 투사한다.
여기서 투사 광학계(160)는 생성된 상기 회절광을 확대 투사시켜 촬상면(170) 상에 디스플레이하기 위한 광학계이다.
또한 여기서 조명 광학계(120)는 콜리메이터 렌즈와 실린더 렌즈를 포함할 수 있다. 콜리메이터 렌즈와 실린더 렌즈는 입사광을 선형의 평행광으로 변화시킨다. 즉, 콜리메이터 렌즈는 집광된 다중빔을 광로 방향에 대하여 수평 방향의 선형광으로 변환시켜 편광 빔스플릿터와 λ/4 파장판 그리고 X-프리즘을 통하여 광 변조기(130)에 입사시킨다. 콜리메이터 렌즈는 오목렌즈 및 볼록 렌즈를 구비할 수 있다. 오목 렌즈는 실린더 렌즈로부터 입사되는 선형광을 확장하여 볼록 렌즈로 입사시킨다. 볼록렌즈는 오목렌즈로부터 입사되는 입사광을 평행광으로 변화시켜 출사한다. 여기에서, 실린더 렌즈는 집광부로부터 입사되는 광을 광로 방향에 수평으로 위치하는 대응하는 광 변조기(130)에 수평으로 입사시키기 위하여, 평행광을 수평방향의 선형광으로 변환시켜 해당하는 콜리메이터 렌즈를 통하여 해당 광 변조기(130)로 입사시킨다.
여기서, 광 변조기는 크게 직접 광의 온/오프를 제어하는 직접 방식과 반사 및 회절을 이용하는 간접 방식으로 나뉘며, 또한 간접 방식은 정전기 방식과 압전 방식으로 나뉠 수 있다. 여기서, 광 변조기는 구동되는 방식에 상관없이 본 발명에 적용이 가능하다.
종래의 정전 구동 방식 격자 광 변조기는 반사 표면부를 가지며 기판 상부에 부유(suspended)하는 다수의 일정하게 이격하는 변형 가능 반사형 리본을 포함한다.
먼저, 절연층이 실리콘 기판상에 증착되고, 이후, 희생 이산화실리콘 막 및 질화실리콘 막의 증착 공정이 후속한다. 질화실리콘 막은 리본으로 패터닝되고 이산화실리콘층의 일부가 에칭되어 리본이 질화물 프레임에 의해 산화물 스페이서층상에 유지되도록 한다. 단일 파장 λ0를 가진 광을 변조시키기 위해, 변조기는 리본의 두께와 산화물 스페이서의 두께가 λ0/4가 되도록 설계된다.
리본상의 반사 표면과 기판의 반사 표면 사이의 수직 거리 d로 한정된 이러한 변조기의 격자 진폭은 리본 (제 1 전극으로서의 역할을 하는 리본의 반사 표면)과 기판(제 2 전극으로서의 역할을 하는 기판 하부의 전도막) 사이에 전압을 인가함으로써 제어된다.
도 2a는 본 발명에 적용 가능한 간접 광 변조기 중 압전체를 이용한 일 형태의 회절형 광 변조기 모듈의 사시도이며, 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전체를 이용한 다른 형태의 회절형 광 변조기 모듈의 사시도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 기판(210), 절연층(220), 희생층(230), 리본 구조물(240) 및 압전체(250)를 포함하는 광 변조기가 도시되어 있다.
기판(210)은 일반적으로 사용되는 반도체 기판이며, 절연층(220)은 식각 정지층(etch stop layer)으로서 증착되며, 희생층으로 사용되는 물질을 식각하는 에천트(여기서 에천트는 식각 가스 또는 식각 용액임)에 대해서 선택비가 높은 물질로 형성된다. 여기서 절연층(220) 상에는 입사광을 반사하기 위해 반사층(220(a), 220(b))이 형성될 수 있다.
희생층(230)은 리본 구조물이 절연층(220)과 일정한 간격으로 이격될 수 있도록 양 사이드에서 리본 구조물(240)을 지지하고, 중심부에서 공간을 형성하는 역할을 한다.
리본 구조물(240)은 상술한 바와 같이 입사광의 회절 및 간섭을 일으켜서 신호를 광변조하는 역할을 한다. 리본 구조물(240)의 형태는 상술한 바와 같이 정전기 방식에 따라 복수의 리본 형상으로 구성될 수도 있고, 압전 방식에 따라 리본의 중심부에 복수의 오픈홀을 구비할 수도 있다. 또한, 압전체(250)는 상부 및 하부 전극간의 전압차에 의해 발생하는 상하 또는 좌우의 수축 또는 팽창 정도에 따라 리본 구조물(240)을 상하로 움직이도록 제어한다. 여기서, 반사층(220(a), 220(b))은 리본 구조물(240)에 형성된 홀(240(b), 240(d))에 대응하여 형성된다.
예를 들면, 빛의 파장이 λ인 경우 어떠한 전압도 인가되지 않거나 또는 소정의 전압이 인가된 상태에서 리본 구조물에 형성된 상부 반사층(240(a), 240(c))과 하부 반사층(220(a), 220(b))이 형성된 절연층(220) 간의 간격은 nλ/2(n은 자연수)와 같다. 따라서 0차 회절광(반사광)의 경우 리본 구조물에 형성된 상부 반사층(240(a), 240(c))에서 반사된 광과 절연층(220)으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 nλ와 같아서 보강 간섭을 하여 회절광은 최대 휘도를 가진다. 여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 광의 휘도는 상쇄 간섭에 의해 최소값을 가진다.
또한, 상기 인가된 전압과 다른 적정 전압이 압전체(250)에 인가될 때, 리본 구조물에 형성된 상부 반사층(240(a), 240(c))과 하부 반사층(220(a), 220(b))이 형성된 절연층(220) 간의 간격은 (2n+1)λ/4(n은 자연수)와 같게 된다. 따라서 0차 회절광(반사광)의 경우 리본 구조물에 형성된 상부 반사층(240(a), 240(c))과 절연층(220)으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 (2n+1)λ/2 와 같아서 상쇄 간섭을 하여 회절광은 최소 휘도를 가진다. 여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 보강 간섭에 의해 광의 휘도는 최대값을 가진다. 이러한 간섭의 결과, 광 변조기는 반사 또는 회절광의 광량을 조절하여 신호를 빛에 실을 수 있다.
이상에서는, 리본 구조물(240)과 하부 반사층(220(a), 220(b))이 형성된 절연층(220) 간의 간격이 nλ/2 또는 (2n+1)λ/4인 경우를 설명하였으나, 입사광의 회절, 반사에 의해 간섭되는 세기를 조절할 수 있는 간격을 가지고 구동할 수 있는 다양한 실시예가 본 발명에 적용될 수 있음은 당연하다.
이하에서는, 상술한 도 2a에 도시된 형태의 광 변조기를 중심으로 설명한다.
도 2c를 참조하면, 광 변조기는 각각 제1 픽셀(pixel #1), 제2 픽셀(pixel #2), …, 제m 픽셀(pixel #m)을 담당하는 m개의 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m)로 구성된다. 광 변조기는 수직 주사선 또는 수평 주사선(여기서, 수직 주사선 또는 수평 주사선은 m개의 픽셀로 구성되는 것으로 가정함)의 1차원 영상에 대한 영상 정보를 담당하며, 각 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m)는 수직 주사선 또는 수평 주사선을 구성하는 m개의 픽셀 중 어느 하나의 픽셀들을 담당한다. 따라서, 각각의 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m)에서 반사 및 회절된 광은 이후 광 스캔 장치에 의해 스크린에 2차원 영상으로 투사된다. 예를 들면, VGA 640*480 해상도의 경우 480개의 수직 픽셀에 대해 광 스캔 장치(미도시)의 한 면에서 640번 모듈레이션을 하여 광 스캔 장치의 한 면당 화면 1 프레임이 생성된다. 여기서, 광 스캔 장치는 폴리곤 미러(Polygon Mirror), 회전바(Rotating bar) 또는 갈바노 미러(Galvano Mirror) 등이 될 수 있다.
이하 제1 픽셀(pixel #1)을 중심으로 광변조의 원리에 대하여 설명하지만, 다른 픽셀들에 대해서도 동일한 내용이 적용가능함은 물론이다.
본 실시예에서 리본 구조물(240)에 형성된 홀(240(b)-1)은 2개인 것으로 가정한다. 2개의 홀(240(b)-1)로 인하여 리본 구조물(240) 상부에는 3개의 상부 반사층(240(a)-1)이 형성된다. 절연층(220)에는 2개의 홀(240(b)-1)에 상응하여 2개의 하부 반사층이 형성된다. 그리고 제1 픽셀(pixel #1)과 제2 픽셀(pixel #2) 사이의 간격에 의한 부분에 상응하여 절연층(220)에는 또 하나의 하부 반사층이 형성된다. 따라서, 각 픽셀당 압전체(250-1)에 의해 구동되는 상부 반사층(240(a)-1)과 하부 반사층의 개수는 동일하게 되며, 도 2a를 참조하여 전술한 바와 같이 0차 회절광 또는 ±1차 회절광을 이용하여 변조광의 휘도를 조절하는 것이 가능하다.
도 2d를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 회절형 광 변조기 어레이에 의해 스크린에 이미지가 생성되는 모식도가 도시된다.
수직으로 배열된 m개의 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m)에 의해 반사 및 회절된 광이 광 스캔 장치에서 반사되어 스크린(270)에 수평으로 스캔되어 생성된 화면(280-1, 280-2, 280-3, 280-4, …, 280-(k-3), 280-(k-2), 280-(k-1), 280-k)이 도시된다. 광 스캔 장치에서 한번 회전하는 경우 하나의 영상 프레임이 투사될 수 있다. 여기서, 스캔 방향은 왼쪽에서 오른쪽 방향(화살표 방향)으로 도시되어 있으나, 다른 방향(예를 들면, 그 역 방향)으로도 영상이 스캔될 수 있음은 자명하다.
이상에서 본 발명이 적용되는 디스플레이 장치에 대해 설명하였으며, 이하에서는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치를 구체적인 실시예를 기준으로 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 실시예는 크게 2가지로 구분되는데, 이하에서 차례대로 설명하며, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되지 않음은 당연하다.
본 발명은 하나의 펌핑 광원을 다중 반사 미러를 통해 여러 개의 빔으로 구성된 라인 빔을 만들어 라인형태의 펌핑광에 의해라인 형태의 녹색광원을 발생시키고자 하는데 목적이 있다. 디스플레이에서 나타나는 스페클을 줄이는 방법 중 하나는 여러 광원을 사용하여 가간섭성을 떨어뜨리는 것이 있는데, 그 일환으로 비록 하나의 광원에서 나온 빔이지만 다중반사 미러를 통해 형성된 여러 빔들간 가간섭성을 떨어뜨리면 스페클을 줄일 수 있다. 따라서 가간섭성을 떨어뜨린다는 것은 나누어진 여러 빔들을 서로 다른 광원으로 만든다는 것인데 그렇게 하기 위해서는 빔들간에 빔 경로 차이를 가간섭성 거리보다 길게 두면 된다. 여기서 가간섭성 거리(lc)라 함은 펌핑 광원의 파장과 선폭으로 표현되는데 다음과 같다.
Figure 112007047137418-PAT00001
다중반사 미러에서 빔 경로차(반사광간 의 거리차)가 상기 가간섭성거리보다 길게 하면 다중반사 미러에 의해 형성된 여러 펌핑 광원의 가간섭성이 사라져 SHG 방식에 의해 발생된 레이저 광원의 서로간의 가간섭성도 사라지게 되어 스페클을 줄일 수 있다
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치의 구성도이다. 도 3을 참조하면, 광원으로부터 입사된 광(310), 라인 빔(320), 전반사 미러(330), 반투과 미러(340)이 도시된다.
광원으로부터 입사된 광(310)은 그 진행방향과 예각을 형성하여 위치한 반투과 미러(340)에서 일부가 반사되고 나머지 일부가 투과된다. 반투과 미러(340)가 형성하는 평면의 법선은 광원으로부터 입사된 광(310)의 진행방향과 평행하지 않으므로, 일부는 투과되어 라인 빔(320)의 일부를 형성하고, 그 나머지는 반사되어 전반사 미러(330)를 향한다. 즉, 반투과 미러(340)를 투과한 개별 투과광이 라인 빔(320)을 형성한다.
전반사 미러(330)에서 반사된 광은 광원으로부터 입사된 광(310)과 마찬가지로 반투과 미러(340)에서 일부가 반사되고 나머지 일부(T1)가 투과된다. 이러한 과정이 반복되면서 투과광(T1, T2, …, TN)이 라인빔을 형성한다. 광의 반사 및 투과 수는 미리 설정된 라인 빔(320)의 길이 및 세기에 따라 조절될 수 있다.
여기서, 전반사 미러(330)와 반투과 미러(340)는 서로 평행할 수 있으며, 이외에도 투과광(T1, T2, …, TN)을 형성할 수 있는 결합 구조도 본 발명에 적용될 수 있다. 또한, 전반사 미러(330)와 반투과 미러(340)는 상술한 바와 같은 기능을 수행한다면, 그 결합관계 또는 구조에 한정되지 않고 구현될 수 있다. 예를 들면, 전반사 미러(330)와 반투과 미러(340)는 서로의 가장자리(edge)에서 결합하여 소정의 거리를 두고 이격되어 고정될 수 있다.
또한, 광이 전반사 미러(330)와 반투과 미러(340) 사이에서 여러 번 반사되는 경우 투과되는 광량 및 흡수에 의해 손실되는 량이 있기 때문에 광의 세기가 줄어들 수 있다. 이 경우 라인 빔(320)이 그 위치에 따라서 세기가 달라질 수 있다. 따라서, 반투과 미러(340)는 연속적인 투과율을 가지며, 반투과 미러(340)를 투과하여 형성된 라인 빔은 위치에 따라 동일한 세기를 가지도록 할 수 있다. 예를 들면, 반투과 미러(340)의 투과율은 광원으로부터 최초로 입사된 광이 입사되는 반투과 미러(340)의 부분과 멀어질수록 커질 수 있다. 이러한 투과율의 변화는 연속적으로(continuously) 설정될 수도 있고, 불연속적으로(discontinuously) 설정될 수도 있다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치의 구성도이다. 도 4를 참조하면, 광원으로부터 입사된 광(410), 라인 빔(420), 투과부(425), 매질부(427), 전반사 미러(430), 반투과 미러(440)이 도시 된다. 이하에서는 도 4에서 상술한 바와의 차이점을 위주로 설명한다.
투과부(425), 매질부(427), 전반사 미러(430), 반투과 미러(440)는 하나의 평판을 형성한다. 즉, 매질부(427)를 중심으로 그 일면에 상기 투과부(425)와 전반사 미러(430)가 위치하며, 타면에 반투과 미러(440)가 위치한다. 광원으로부터 입사된 광(410)은 투과부(425)에 입사한 후 매질부(427)를 경유하여 반투과 미러(340)에서 일부가 반사되고 나머지 일부가 투과된다. 투과부(425), 매질부(427), 전반사 미러(430), 반투과 미러(440)는 하나의 평판을 형성하기 때문에 일체로 관리하기 용이하고 제품화하기 편리한 장점이 있다.
여기서, 상술한 평판은 별도의 투과부(425)가 생략될 수 있다. 즉, 광원으로부터 입사된 광(410)은 투과부(425)를 경유하지 않고 매질부(427)로 직접 입사될 수 있다. 즉, 투과부(425)는 필요에 따라 부착이 가능하다. 예를 들면, 매질부(427)를 보호하기 위해서 투과부(425)는 전반사 미러(430)에 인접하여 마련할 수 있다.
여기서, 라인 빔(420)의 길이는 L, 전반사 미러(430)에서 반사광이 반사되는 인접 지점간의 거리는 p, 전반사 미러(430)와 반투과 미러(440)간의 거리는 d이다. 또한, 매질부(427)의 굴절률에 따라서 광원으로부터 입사된 광(410)의 입사각(Θi)에 상응하는 굴절각(Θm)이 결정되고, 이에 따라서 매질부(427)에서의 광 경로를 변경시킬 수도 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치의 동작 원리를 살펴보면 다음과 같다. 다음과 같은 조건을 만족하도록 d, Θi를 설정한다.
2 * d * sec(Θm) > λ2/Δλ (1)
n * sin(Θm) = sin(Θi) (2)
p = 2 * d * tan(Θm) (3)
L = (N-1)* α (4)
α = p*cos(Θi) (5)
여기서, λ는 매질부(427)에서의 광의 파장이며, Δλ는 선 폭이다. 또한, n은 매질부(427)의 굴절률이고, N은 개별 투과광의 수이며, L은 라인 빔의 길이이다.
전반사 미러(430)의 반사율을 r1이라고 하고, 반투과 미러(440)의 반사율을 rAR 이라 한다. 또한, 반투과 미러(440)의 위치에 따른 투과율을 t1,t2,t3,…tN 이라 하고, 전반사 미러(430)와 반투과 미러(440) 사이에서 광이 진행할 때 발생하는 광 손실을 a라고 한다.
빔 세기가 1인 광원에서 입사된 광이 전반사 미러 면에서 투과율(tAR)이 높은 투과부(425)를 통해 투과하여 투과율이 t1 인 반투과 미러(440)를 통해 투과한 빔 세기 P1 이라 하면 다음과 같은 식이 성립한다.
P1= tAR* t1 (6)
반투과 미러(440) 면에서 반사된 빔이 반사율 r1인 전반사 미러(430) 면에 빔 세기 1-P1-a로 도달하고, 빔 세기가 r1* (1- P1-a)를 갖고 반사되어, 투과율 t2를 갖는 반투과 미러(440) 면 두 번째 위치에서의 투과한 빔의 세기를 P2라 하면 다음과 같은 식이 성립한다.
P2 = t2* r1* (1- tAR*t1-a) (7)
반투과 미러(440) 면에서 r1* (1- tAR* t1 -a) * (1-t2-a) 의 빔 세기를 갖고 반사하여 전반사 미러(430) 면에서 두 번째 반사(r1) 하고 투과율이 t3를 갖는 반투과 미러(440) 세 번째 투과 위치에서의 투과한 빔의 세기를 P3라 하면 다음과 같은 식이 성립한다.
P3 = r1 2 * (1- tAR* t1 -a) * (1-t2-a) *t3 (8)
마찬가지로 N 번째 빔 다발의 투과율을 PN 이라 하면 다음과 같은 식이 성립한다.
PN = r1 * PN -1 * (1-tN -1-a) *tN / tN -1 (9)
P1= P2=P3=…. PN 가 되도록 반투과 미러(440)의 각 위치에서 반사율조건은 다음과 같다.
tN = 1/r1 * tN -1 / (1-tN -1- a) (10)
t2 = tAR* t1/{ r1* (1- tAR* t1 -a) } (11)
N = 23 인 투과율 함수를 나타낸 예에 대해서는 도 8에서 설명한다.
또한, 반투과 미러(440)를 통과한 개별 투과광간의 주기 α [=p * cos(Θi)]는 콜리메이션된 빔의 빔경이 r 인 위치에서 빔의 빔세기(I(r))가 중심(r=0)세기에 비해 1/e2 인 빔폭(Φ)과 요구되는 길이 방향 빔 균일도(U) 에 의해 결정된다. 입사광 빔 분포 함수I(r) 와 투과광 빔세기 분포함수 (Itr(y))는 다음과 같다
Figure 112007047137418-PAT00002
,
Figure 112007047137418-PAT00003
(12)
일례로, 빔 폭 Φ가 1.6 (σ =0.4) 이고, 개별 투과광간의 주기 α가 1.6 *σ 이면 빔 균일도는 99%가 된다. 이처럼 빔 균일도를 요구되는 정도에 맞게 빔 폭 Φ과 투과 빔 다발간 주기 α 를 조정하고, 요구된 빔 길이 l 에 맞도록 l= (N-1)* α 에 의해 빔다발 수 N을 결정한다.
전반사 미러(430), 반투과 미러(440) 간 거리d 는 상술한 수학식(1), (2)에서 사용하는 광원의 λ, Δλ 및 입사각 (Θi)에 의해 결정한다.
반투과 미러(440)를 투과한 개별 투과광간의 주기 α는 다음 두식에 의해 입사각 Θi 와 반사미러간 거리 d에 의해 결정된다.
Figure 112007047137418-PAT00004
=
Figure 112007047137418-PAT00005
=
Figure 112007047137418-PAT00006
(13)
위와 같은 방식에 의해 y축 방향으로 균일성을 유지하도록 출사된 빔을 곡률이 y축을 중심으로 갖는 y-실린더렌즈로 빔을 x축 방향으로 수렴시켜 빔을 좁고 긴 라인 빔을 만들 수 있다.
따라서, 반사광간의 거리차를 광원의 가간섭 거리보다 길게 함으로서 간섭성이 없는 광을 여러 개 합한 결과로 스페클을 줄일 수 있다.
도 5은 본 발명의 실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치에 의해 생성된 라인 빔의 균일도 프로파일이다.
도 5를 참조하면, 상술한 반투과 미러를 통과한 개별 투과광(510, 520)이 서로 중첩되어 형성하는 라인 빔의 프로파일이 도시된다. 개별 투과광(510, 520)의 최대 세기를 100%로 나타내면, 서로 중첩되어 형성된 중간 영역의 최대 세기는 U%로 나타난다. 또한, 개별 투과광(510)의 최대 세기에서 형성되는 다른 개별 투과 광(520)의 세기는 13.5%로 나타난다. 개별 투과광(510, 520)의 최대 세기를 나타내는 부분간의 거리는 α이고, 개별 투과광(510)의 유효 폭(φ)은 4σ로 나타난다.
상술한 반투과 미러와 전반사 미러의 거리를 조절함으로써, α를 제어할 수 있고, 따라서, 라인 빔의 균일도를 제어할 수 있다.
도 6과 도 7은 각각 본 발명의 실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치의 반투과 미러의 연속적인 투과율과 불연속적인 투과율을 도시한 도면이다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 가로축은 상기 개별 투과광의 번호이며, 세로축은 투과율을 나타낸다.
광원으로부터 입사된 광이 상술한 반투과 미러와 전반사 미러 간에 여러 번 반사되는 경우 반투과 미러에서의 투과와 광 진행시 흡수에 의해 손실광이 생길 수 있으므로, 라인 빔의 세기를 균일하게 보장할 필요가 있다. 따라서, 반투과 미러의 투과율은 그 위치에 따라서 변화될 수 있다.
여기서, 반투과 미러의 투과율은 광원으로부터 최초로 입사된 광이 입사되는 부분과 멀어질수록 커질 수 있다.
반투과 미러의 투과율이 연속적인 경우 반투과 미러의 투과율은 라인 빔의 세기가 전반적인 부분에 대해서 일정하게 형성될 수 있도록 설정할 수 있다.
또한, 반투과 미러의 투과율이 불연속적인 경우 반투과 미러와 전반사 미러 간에 광이 반사되어 반투과 미러에 입사되는 지점을 미리 설정하여 투과율을 조절할 수 있다. 예를 들면, 9개의 개별 투과광이 발생하는 경우 각각의 개별 투과광이 입사되는 반투과 미러 부분의 투과율을 도 7과 같이 설정할 수 있다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치의 반사율 및 투과율에 따른 빔 세기를 도시한 도면이다.
첫번째 면은 상술한 전반사 미러이며, 두번째 면은 상술한 반투과 미러이다.
여기서, 빔다발수 1, 2, 3, 23에 표시된 화살표는 다중 반사가 수행됨을 의미한다. Loss는 매질(Media)내에서 갖는 파워에서 반사면의 반사율을 뺀 나머지 손실률을 곱한 값으로 Loss1은 매질내에서 진행하면서 흡수되고 전반사 미러 면에 도달한 빔이 전반사면의 스캐터링이나 흡수에 의한 손실을 계산한 값이다. Loss2도 전반사 면에서 반사되어 나온 빔이 매질을 통과하면서 손실된 흡수율과 부분반사 미러 면의 흡수와 스캐터링되는 빔의 손실률을 고려한 값이다. 즉, 매질 내에서 빔이 진행하면서 빔이 흡수되는 것을 고려한 값이다. Power in the media는 두 미러사이에 남아있는 광세기를 의미한다.
두번째 면의 투과율(즉, 반사율)을 개별 투과광(빔 다발수로 표현됨)에 따라서 달리함으로서, 라인 빔의 전체 아웃풋 및 균일도(uniformity)가 일정하게 정해질 수 있다.
본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치는 광학계가 단순하고 민감하지 않아서 조정이 쉽고 균일도 확보가 용이한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치는 광학계 길이를 기존 방식에 비해 짧게 할 수 있으며, 반사광간의 거리차를 광원의 가간섭 거리보다 길게 함으로서 간섭성이 없는 광을 여러 개 합한 결과로 스페클을 줄일 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명 및 그 균등물의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (15)

  1. 라인 빔 발생 장치에 있어서,
    광원 및 전반사 미러로부터 입사되는 광의 일부를 반사하고 일부는 투과시키며, 상기 투과된 광이 라인 빔을 형성하도록 하는 반투과 미러; 및
    상기 반투과 미러로부터 반사된 광을 상기 반투과 미러를 향하여 반사하는 상기 전반사 미러를 포함하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광원으로부터 입사되는 광은 상기 반투과 미러에 예각으로 입사하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반투과 미러와 상기 전반사 미러는 평행한 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반투과 미러는 연속적인 투과율을 가지며, 상기 반투과 미러를 투과하여 형성된 라인 빔은 위치에 따라 동일한 세기를 가지는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 연속적인 투과율은 상기 광원으로부터 최초로 입사된 광이 입사되는 부분과 멀어질수록 커지는 것을 특징으로 하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 반투과 미러는 불연속적인 투과율을 가지며, 상기 반투과 미러를 투과하여 형성된 라인 빔은 위치에 따라 동일한 세기를 가지는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 불연속적인 투과율은 상기 광원으로부터 최초로 입사된 광이 입사되는 부분과 멀어질수록 커지는 것을 특징으로 하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  8. 라인 빔 발생 장치에 있어서,
    광원 및 전반사 미러로부터 입사되는 광의 일부를 반사하고 일부는 투과시키며, 상기 투과된 광이 라인 빔을 형성하도록 하는 반투과 미러;
    상기 반투과 미러로부터 반사된 광을 상기 반투과 미러를 향하여 반사하는 상기 전반사 미러; 및
    일면에 상기 전반사 미러가 위치하며, 타면에 상기 반투과 미러가 위치하고, 상기 광원으로부터 투사된 광 및 상기 반사된 광이 진행하는 매질부를 포함하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 광원으로부터 입사되는 광을 투과하며, 상기 전반사 미러가 위치한 상기 매질부의 일면에 위치한 투과부를 더 포함하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 광원으로부터 입사되는 광은 상기 반투과 미러에 예각으로 입사하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 반투과 미러와 상기 전반사 미러는 평행한 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 반투과 미러는 연속적인 투과율을 가지며, 상기 반투과 미러를 투과하여 형성된 라인 빔은 위치에 따라 동일한 세기를 가지는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 연속적인 투과율은 상기 광원으로부터 최초로 입사된 광이 입사되는 부분과 멀어질수록 커지는 것을 특징으로 하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 반투과 미러는 불연속적인 투과율을 가지며, 상기 반투과 미러를 투과하여 형성된 라인 빔은 위치에 따라 동일한 세기를 가지는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 불연속적인 투과율은 상기 광원으로부터 최초로 입사된 광이 입사되는 부분과 멀어질수록 커지는 것을 특징으로 하는 다중 반사 미러 방식을 이용한 라인 빔 발생 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016224378A (ja) * 2015-06-03 2016-12-28 日本電信電話株式会社 回折光学素子

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