KR20090128099A - 스캐닝 디스플레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스캐닝 디스플레이에 관한 것으로 특히, 디스플레이의 화질을 향상시킬 수 있는 스캐닝 디스플레이에 관한 것이다. 이러한 본 발명은, 광원을 이용하여 화상을 합성하는 광학계와; 상기 광학계에서 입사되는 입사광을 반사시켜 주사함으로써, 투사영역에 화상을 투사시키는 스캐너와; 상기 광학계의 출력광을 상기 스캐너를 향하여 반사시키는 것으로서, 상기 출력광을 서로 다른 편광모드로 분할하여 합성하는 반사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

스캐너, 디스플레이, 스페클, 편광, 광학계.

Description

스캐닝 디스플레이 {Scanning display}

본 발명은 스캐닝 디스플레이에 관한 것으로 특히, 디스플레이의 화질을 향상시킬 수 있는 스캐닝 디스플레이에 관한 것이다.

스캐닝 디스플레이(laser scanning display)는 미러를 이용하여 광원을 화면에 주사하여 디스플레이하는 장치로서, 광을 수평 및 수직 방향으로 또는 수직 및 수평 방향으로 각각 주사한다.

최근 시스템의 소형화, 고해상도, 신뢰성 향상 및 재료비를 고려하여 멤스(MEMS) 미러(mirror)를 이용하고 있다.

현재 개발중인 마이크로 스캐닝 미러는 수평 방향 주사시, 힌지(hinge)의 스프링-댐퍼(spring-damper) 특성에 의거한 공진 주파수(resonance frequency)에 맞추어 작동한다.

마이크로 스캐닝 미러를 공진 주파수로 구동시킴으로써 보다 적은 에너지로 많은 주사 각도를 구현할 수 있다. 이때, 공진 주파수는 주사되는 화면의 수평 동기 주파수와 일치하도록 설계된다. 또한, 수직 방향으로도 마이크로 스캐닝 미러를 작동하여 화면을 주사할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 작은 부피를 가지고 단순한 구성을 가지는 구성에 의하여 레이저 광원의 스페클 패턴을 효과적으로 제거할 수 있어 우수한 화질을 제공할 수 있는 스캐닝 디스플레이를 제공하는 데 있다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제1관점으로서, 본 발명은, 광원을 이용하여 화상을 합성하는 광학계와; 상기 광학계에서 입사되는 입사광을 반사시켜 주사함으로써, 투사영역에 화상을 투사시키는 스캐너와; 상기 광학계의 출력광을 상기 스캐너를 향하여 반사시키는 것으로서, 상기 출력광을 서로 다른 편광모드로 분할하여 합성하는 반사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

상기 기술적 과제를 이루기 위한 제2관점으로서, 본 발명은, 적색, 녹색, 및 청색의 광을 출사하는 광원을 이용하여 화상을 합성하는 것으로서, 상기 적색, 녹색, 및 청색 광원에서 출사된 광을 서로 다른 편광모드로 분할시켜 합성하여 화상을 이루는 광을 출력하는 광학계와; 상기 광학계에서 입사되는 입사광을 반사시켜 주사함으로써, 투사영역에 화상을 투사시키는 스캐너를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 미러 및 위상지연판이 결합된 반사부의 작용에 의하여 스캐닝 디스플레이와 같은 레이저를 이용하는 광학계에서 복잡한 구성 없이 스페클 패턴을 억제할 수 있으며, 이러한 반사부는 또한, 적은 부피를 가지므로 광학계 또는 광 경로의 어느 부분에든지 용이하게 이용할 수 있는 효과가 있는 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 의한 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명이 여러 가지 수정 및 변형을 허용하면서도, 그 특정 실시예들이 도면들로 예시되어 나타내어지며, 이하에서 상세히 설명될 것이다. 그러나 본 발명을 개시된 특별한 형태로 한정하려는 의도는 아니며, 오히려 본 발명은 청구항들에 의해 정의된 본 발명의 사상과 합치되는 모든 수정, 균등 및 대용을 포함한다.

제1, 제2 등의 용어가 여러 가지 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들을 설명하기 위해 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 성분들, 영역들, 층들 및/또는 지역들은 이러한 용어에 의해 한정되어서는 안 된다는 것을 이해할 것이다.

도 1에서 도시하는 바와 같이, MEMS 스캐너를 이용하는 디스플레이 장치(100)는 레이저 광을 이용하여 생성하는 이미지를 스캐너를 이용하여 스크린(200)에 수평 라인마다 왕복하여 주사하여 한 화면을 구성하고, 일정한 라인만큼(즉, 한 화면)의 주사가 완료되면 다시 처음 라인의 위치로 돌아가 다음 화면을 디스플레이하는 스캐닝(Scanning) 방식을 이용한다.

이러한 디스플레이 장치(100)는, 도 2에서와 같이, 레이저 광을 이용하여 이미지를 생성하여 출사하는 광학계(10)와, 이 광학계(10)에서 출사된 이미지를 스캐너(30)로 반사시키는 미러(20)와, 이 미러(20)를 통해 반사된 이미지를 수평/수직 으로 반사하여 스크린(200)에 영상을 투사하는 스캐너(30)를 포함하여 구성된다.

광학계(10)의 구성은 도 3에서 도시하는 바와 같이, 광원(11)과, 평행광 변환부(12) 및 색합성부(13)를 포함하여 구성된다.

광원(11)은 적색, 녹색, 및 청색의 광원(11a, 11b, 11c)으로 이루어질 수 있으며, 이러한 광원은 레이저 다이오드(LD)가 이용될 수 있으며, 그 외에 발광 다이오드(LED)가 이용될 수도 있다.

평행광 변환부(12)는 광원(11)으로부터 출사된 광을 평행광으로 변환하고, 적색, 녹색, 및 청색 광을 평행광으로 변조하기 위하여 제1 내지 제3콜리메이팅 렌즈(12a, 12b, 12c)를 구비할 수 있다.

이와 같이 평행광으로 변환된 적색, 녹색, 및 청색 광은 색합성부(13)에서 서로 합성되어 화상을 구현하기 위한 색상으로 합성된다.

스캐너(30)의 구체적인 일례는 도 4에서 도시되는 바와 같다. 즉, 스캐너(30)에는 상술한 레이저 광을 이용하여 생성된 이미지를 반사시키는 반사면이 형성된 미러 판(31)이 내측에 위치하고, 이 미러 판(31)의 외측에는 이 미러 판(31)을 지지하는 외부 프레임(32)이 위치한다.

이러한 미러 판(31)은 회전축 방향(제1방향; X - X')에 대하여 외부 프레임(32)과 제1연결부(33)에 의하여 연결되고, 이 제1연결부(33)에 대하여 수직인 방향에는 제2연결부(34)에 의하여 외부 프레임(32)과 연결된다.

또한, 이러한 외부 프레임(32)의 외곽에는 미러 판(31)의 회전축 방향(X - X')에 대하여 수직방향(제2방향; Y - Y')으로 회전가능한 짐벌(gimbal; 35)이 위치 하고, 이 짐벌(35)과 외부 프레임(32)은 미러 판(31)의 회전축 방향(제1방향)에 미러 판(31)을 기준으로 대칭적으로 위치하는 한 쌍의 내부 탄성 굴신 구조물(36)에 의하여 서로 연결된다.

한편, 짐벌(35)은 지지부(37)에 짐벌(35)을 기준으로 대칭적으로 위치하는 한 쌍의 외부 탄성 굴신 구조물(38)에 의하여 서로 연결된다.

따라서, 이러한 미러 판(31)은 제1방향으로 회전이 가능하고, 또한 미러 판(31)이 설치된 짐벌(35)은 제2방향으로 회전이 가능하여, 결국 미러 판(31)은 수직인 두 방향에 대하여 회전이 가능한 구조이다.

이때, 내부 탄성 굴신 구조물(36)과 외부 탄성 굴신 구조물(38)은 스캐너(30)의 구동시 복원력 토크(torque)를 제공하며, 회전축으로서 작용한다.

즉, 외부 프레임(32)은 내부 탄성 굴신 구조물(36)을 축으로 하여 회전하며, 짐벌(35)은 외부 탄성 굴신 구조물(38)을 축으로 하여 회전한다.

각 축 방향의 운동은 짐벌(35) 구조에 의해 서로 영향을 주지 않게 되어 독립적인 제어가 가능하므로 2차원 평면 내에서 임의의 각도를 갖는 스캐너(30)를 구현할 수 있게 된다.

이와 같은 스캐너(30)를 이용하면 미러 판(31)의 미소 회동에 의하여 주사되므로, 매우 빠른 속도로 스위핑(sweeping) 하는 것이 가능하다.

상술한 바와 같이, 스캐너(30)의 미러 판(31)은 수직인 두 방향에 대하여 회전이 가능한 구조이며, 이는 각각 수평 주사 및 수직 주사에 대응하여 스캐너(30)를 구동할 수 있게 된다.

즉, 광학계(20)에서 합성된 이미지를 이용하여 스캐너(30)는 X - X' 방향의 제1방향의 축에 대하여 좌우 방향으로 주사하고, 이어 Y - Y' 방향의 제2방향의 축에 대하여 수직 방향으로 이동시킴으로써 화상을 이루게 된다.

상술한 바와 같이, 광원(11)은 적색, 녹색, 및 청색의 광원(11a, 11b, 11c)으로서 레이저 다이오드(LD)가 이용될 수 있는데, 이러한 레이저 다이오드의 광은 우수한 간섭성(coherence)을 가지므로 영상 투사장치에서 우수한 성능을 보일 수 있다.

그런데 이러한 레이저광의 간섭성은 레이저광이 조사된 스크린과 같은 표면의 거칠기로 인한 산란과 간섭을 유발할 수 있으며, 이는 반점과 같은 스페클 패턴(speckle pattern)을 형성하는 요인이 될 수 있다.

이러한 스페클 패턴을 제거하는 방법은 다양한 방법이 이용될 수 있다. 이는 임의의 패턴이 형성된 유리를 통과시켜 인위적인 산란을 유도하는 방법이 이용될 수 있고, 또한 광학계 중 하나 또는 일부의 부품에 인위적인 진동을 가함으로써 스페클 패턴을 제거할 수 있다.

본 실시예에서 이용할 수 있는 또 하나의 방법은 광학계에서 출력되는 화상을 포함하는 출력광을 상호직교하는 편광 모드로 분할함으로써 감소시킬 수 있다.

이러한 작용은 도 5와 같은 구조의 반사부를 이용함으로써 실현될 수 있다. 이러한 반사부(300)는 광학계의 출력광을 일부는 반사시키고 일부는 투과시키는 제1미러(310)와, 전체를 반사시키는 제2미러(320), 및 이러한 제1미러(310)와 제2미러(320) 사이에 위치하는 위상지연판(330)을 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 제1미러(310)는 입사되는 광의 반을 투과시키고 반을 반사시키는 하프미러가 이용될 수 있고, 위상지연판(330)은 1/4파장(1/4λ) 지연판이 이용될 수 있다.

이러한 구성에서 광학계에서 출사된 출력광은 p파 또는 s파로 이루어지는 단일 편광상태를 가지게 되는데, 일례로 출력광이 p파 편광상태를 가진다고 하면 제1미러(310)에서 반사된 광은 그대로 p파의 상태가 된다. 그런데 제1미러(310)를 투과한 광은 위상지연판(330)을 거치면서 위상이 변화하게 된다.

이때, 위상지연판(330)이 1/4파장 지연판이라 한다면, 처음 위상지연판(330)을 투과하면서 파장이 1/4파장 만큼 지연되고, 이후 제2미러(320)에서 반사된 광이 다시 위상지연판(330)을 투과하면서 1/4파장 만큼 지연되어 1/2파장 만큼의 위상변화가 발생하게 되어, 최초의 p파의 편광상태는 s파 편광상태로 변화하게 된다.

이후, 이러한 광은 다시 제1미러(310)를 투과하면서 최초에 제1미러(310)를 그대로 투과한 광과 합쳐지게 된다.

따라서, 최초에 제1미러(310)를 그대로 투과한 p파 편광상태의 광은 제1미러(310), 위상지연판(330), 및 제2미러(320)를 거치면서 s파의 편광상태의 광과 1:1로 혼합되게 된다.

이와 같이, 서로 다른 편광상태로 변화된 편광 모드를 갖는 광의 결합은 광의 간섭성 특성을 저하시키게 되어 스페클 감소 효과를 얻을 수 있다.

이러한 반사부(200)는 도 6에서 도시하는 바와 같이, 광학계(10)에서 출사된 이미지를 스캐너(30)로 반사시키는 미러의 위치에 이용될 수 있다.

또한, 광학계(10)의 내부에 위치하여 스페클 감소 효과를 얻을 수도 있다. 즉, 상술한 바와 같이, 도 3과 같이 구성된 광학계(10)에서 광원(11)은 적색, 녹색, 및 청색의 광원(11a, 11b, 11c)으로 이루어질 수 있으며, 이 광원(11)의 출사광은 평행광 변환부(12)에서 평행광으로 변환되고, 이와 같이 평행광으로 변환된 적색, 녹색, 및 청색 광은 색합성부(13)에서 서로 합성되어 화상을 구현하기 위한 색상으로 합성된다.

이때, 색합성부(13)는 일부는 반사하고 일부는 투과함으로써 적색, 녹색, 및 청색광을 서로 혼합하는 다이크로익 미러 또는 미러를 이용하게 되는데, 이 색합성부(13)의 위치에 도 7에서와 같이, 상술한 반사부(300)를 구성할 수 있다.

도 7에서는 적색 광원(11a)의 위치에 제1미러(310), 위상지연판(330), 및 제2미러(320)로 이루어지는 반사부(300)를 구성한 예를 도시하고 있으나, 녹색 광원(11b) 또는 청색 광원(11c)의 위치에 상술한 반사부(300)를 구성할 수도 있으며, 경우에 따라 두 개의 광원 이상의 위치에 반사부(300)를 구성할 수 있음은 물론이다.

상술한 바와 같이, 이러한 반사부(300)에 의하여 서로 다른 편광상태로 변화된 편광 모드를 갖는 광의 결합은 광의 간섭성 특성을 저하시키게 된다.

즉, 서로 다른 편광 모드의 결합에 의하여 위상 변조가 발생하게 되고, 이와 같은 위상 변조에 의하여 분리된 편광모드들 사이의 미세한 파장 차이가 발생할 수 있다. 이와 같이 서로 다른 위상으로 변조된 편광모드들 간의 결합은 광의 간섭성 특성을 저하시켜서 결국 스페클 감소 효과를 얻을 수 있다.

따라서, 이와 같은 반사부(300)의 적용에 의하여 복잡한 구성 없이 스페클 패턴을 억제할 수 있으며, 이러한 반사부(300)는 또한, 적은 부피를 가지므로 광학계 또는 광 경로의 어느 부분에든지 용이하게 이용할 수 있는 장점을 가진다.

상술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하기 위한 일례로서, 본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 다양한 형태의 변형이 가능하고, 이러한 기술적 사상의 여러 실시 형태는 모두 본 발명의 보호범위에 속함은 당연하다.

도 1은 스캐닝 디스플레이를 나타내는 개략도이다.

도 2는 스캐닝 디스플레이의 세부를 나타내는 개략도이다.

도 3은 광학계의 구성을 나타내는 개략도이다.

도 4는 스캐너의 일례를 나타내는 개략도이다.

도 5는 반사부의 실시예를 나타내는 개략도이다.

도 6은 반사부를 적용한 스캐닝 디스플레이의 세부를 나타내는 개략도이다.

도 7은 반사부를 적용한 광학계의 구성을 나타내는 개략도이다.

Claims (8)

1. 광원을 이용하여 화상을 합성하는 광학계와;

   상기 광학계에서 입사되는 입사광을 반사시켜 주사함으로써, 투사영역에 화상을 투사시키는 스캐너와;

   상기 광학계의 출력광을 상기 스캐너를 향하여 반사시키는 것으로서, 상기 출력광을 서로 다른 편광모드로 분할하여 합성하는 반사부를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이.
2. 제 1항에 있어서, 상기 반사부는,

   상기 광학계의 출력광을 일부는 반사하고 일부는 투과하는 제1미러와;

   상기 제1미러를 투과한 광이 입사되는 제2미러와;

   상기 제1미러와 제2미러 사이에 위치하는 위상지연판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이.
3. 제 2항에 있어서, 상기 위상지연판은, 1/4파장 지연판인 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이.
4. 제 2항에 있어서, 상기 제1미러는 하프미러인 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이.
5. 제 1항에 있어서, 상기 반사부는, 상기 출력광을 서로 직교하는 편광모드로 분할하여 합성하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이.
6. 적색, 녹색, 및 청색의 광을 출사하는 광원을 이용하여 화상을 합성하는 것으로서, 상기 적색, 녹색, 및 청색 광원에서 출사된 광을 서로 다른 편광모드로 분할시켜 합성하여 화상을 이루는 광을 출력하는 광학계와;

   상기 광학계에서 입사되는 입사광을 반사시켜 주사함으로써, 투사영역에 화상을 투사시키는 스캐너를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이.
7. 제 6항에 있어서, 상기 광학계는,

   적색, 녹색, 및 청색의 광을 출사하는 광원과;

   상기 광원에서 출사된 광을 합성하는 것으로서, 상기 적색, 녹색, 및 청색 광원에 대응하는 제1합성부, 제2합성부, 및 제3합성부를 포함하는 색합성부를 포함하며, 상기 제1합성부, 제2합성부, 및 제3합성부 중 적어도 어느 하나는 상기 광원에서 출사된 광을 서로 다른 편광모드로 분할하는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이.
8. 제 7항에 있어서, 상기 색합성부 중 적어도 어느 하나는,

   상기 광원에서 출사된 광을 일부는 반사하고 일부는 투과하는 제1미러와;

   상기 제1미러를 투과한 광이 입사되는 제2미러와;

   상기 제1미러와 제2미러 사이에 위치하는 위상지연판을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 스캐닝 디스플레이.

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