KR20110091526A - 분절 거울을 이용한 높은 강도의 이미지 프로젝터 - Google Patents

Abstract

증가된 광 강도를 갖는 이미지 프로젝터 및 더 밝은 이미지를 제공하기 위한 방법이 제공된다. 여기에서 제공되는 이미지 프로젝터는 높은 휘도를 제공함과 함께 작은 크기, 낮은 전력 소비, 및 긴 수명 중의 일부 또는 전부를 제공할 수 있다. 휘도를 증가시키도록, 두 개의 광 공급원들로부터의 빛을 이미징 장치의 단일의 동공부(예를 들어, 통공) 안으로 각각 압축시키기 위하여, 분절 거울들이 사용된다. 그 압축은, 동공부에 대하여 상이한 각도들을 갖는 거울의 영역들(예를 들어, 섹션들)에 의하여 수행될 수 있다. 압축에 있어서는 상대적으로 적은 빛이 손실될 수 있는데, 왜냐하면 광 공급원으로부터의 광 강도 패턴에 있어서의 최소값들이 빛을 반사시키는 영역들의 사이에 있을 수 있기 때문이다.

Description

분절 거울을 이용한 높은 강도의 이미지 프로젝터{High intensity image projector using sectional mirror}

[관련 출원에 대한 상호 참조]

본 출원은 오드 래그나르 앤더슨(Odd Ragnar Andersen) 등에 의한 미국 특허 제7,033,056호(발명의 명칭: 광학 시스템을 위한 다중-램프 장치(MULTI-LAMP ARRANGEMENT FOR OPTICAL SYSTEMS)"(변리사 문서 번호: 027467-000200US)(2003년 5월 2일 출원)에 관련된 것으로서, 그 기재내용 전체는 참조로서 여기에 포함된다.

[기술분야]

본 발명은 이미지 프로젝터에 관한 것이고, 보다 구체적으로는 높은 강도(휘도(brightness)) 및/또는 광도(luminosity)(빛의 총량)을 갖는 이미지 프로젝터에 관한 것이다.

오늘날의 대부분의 프로젝션 시스템은 초고압(ultra high pressure; UHP)의 램프(예를 들어, 수은 아크 램프(Mercury arc lamp))를 이용하는바, 이것은 120W-350W의 와트수(wattage)를 가지며 통상적으로는 1500-400O 시간의 수명을 갖는다. 이 프로젝터는 소형이고 휴대가능하며, 통상적으로 1000-5000 루멘(lumen)의 휘도 레벨을 갖는다. 이와 같은 프로젝터들의 대부분은 단일 램프 형태를 갖는다. 이와 같은 아크 램프 프로젝터는 공간이 상대적으로 적은 가정 또는 사무용의 용도를 갖는 것이 일반적이다.

디지털 극장, 대형 장소, 및 고정 설치용으로 사용되는 프로젝터들은 통상적으로 10,000-30,000 lm 의 휘도를 갖는다. 이와 같은 프로젝터들은 2-6 KW 의 와트수 범위를 갖는 제논 램프를 사용하는 것이 통상적이다. 그러나, 제논 램프의 통상적인 수명은 500-1500 시간 정도이다. 따라서, 제논 램프가 높은 휘도(광도)와 짧은 수명을 갖는다는 점에서 절충해야 한다.

따라서, 긴 수명을 얻기 위하여 아크 램프를 이용하면서도 제논 램프의 휘도를 제공하는 프로젝터가 바람직하다. 또한, 보다 큰 휘도를 갖는 제논 프로젝터가 바람직할 것이다.

전술된 바와 같이, 대부분의 이미지 프로젝터는 하나의 램프를 이용한다. 보다 큰 휘도를 제공하기 위하여, 이미지 프로젝터는 복수의 램프를 이용한다. 그러나, 이 램프는 복수의 램프들로부터의 빛을 비효율적인 방식으로 조합시킨다. 통상적으로, 집광(light collection)은 단일 램프 방안의 2 내지 2.5 배일 뿐이다.

그러므로, 보다 큰 효율과 휘도를 제공하는 다중 램프 시스템을 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 복수의 광 공급원들을 사용하여 종래 기술에 비하여 증가된 광 강도(회도)를 갖는 이미지 프로젝터를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 실시예들은 복수의 광 공급원들을 사용하는 공지된 모델들에 비하여 증가된 광 강도(회도)를 갖는 이미지 프로젝터를 제공한다. 예를 들어, 어떤 실시예들은 높은 휘도에 대한 요구를 충족시킬 뿐만 아니라, 소형의 크기, 낮은 소비 전력, 및 긴 수명 중의 일부 또는 전부를 제공한다. 증가된 휘도에 관련하여, 본 발명의 실시예들은, 유리하게도, 다른 공지된 시스템보다 우수하거나 또는 1.5 배인 플럭스 레벨(flux level)을 발생시킬 수 있다. 이와 같은 증가는 전력 소비, 재료 비용, 및 작동 비용을 감소시킬 수 있다.

휘도를 증가시키기 위하여, 실시예들은 두 개의 광 공급원들로부터의 빛을 이미징 장치의 단일의 동공부(예를 들어, 통공) 안으로 각각 압축시키는 거울들을 이용한다. 일 형태에서, 일 공급원으로부터의 빛은 동공부의 대략적인 절반부 안으로 압축된다. 그 압축은 동공부에 대해 상이한 각도들을 갖는 거울의 영역들(예를 들어, 섹션들)에 의하여 수행된다. 일 실시예에서는, 압축에 있어서 상대적으로 적은 빛이 손실되는데, 이것은 광 공급원으로부터의 광 패턴이 최소의 노드인 곳에 상기 영역들 사이에 있는 계단부들 형성되기 때문이다.

예시적인 일 실시예에 따라서 이미지 프로젝션 시스템이 제공된다. 두 개의 공급원들 각각은 대향된(반대의) 방향들로 전자기 방사선을 제공한다. 제1 반사 표면은 제1 공급원으로부터의 전자기 방사선을 반사시킨다. 제2 반사 표면은 제2 공급원으로부터의 전자기 방사선을 반사시킨다. 이미저는 그 반사된 전자기 방사선을 받아들이는 동공부를 갖는다. 이미저는 그 받아들여진 전자기 방사선을 이용하여 이미지를 생성한다.

동공부의 제1 절반부는 제1 공급원으로부터의 전자기 방사선을 받아들이고, 동공부의 제2 절반부는 제2 공급원으로부터의 전자기 방사선을 받아들인다. 각 반사 표면은 적어도 일 방향에서 편평한 복수의 영역들을 포함한다. 각 반사 표면의 제1 영역은 동공에 대해 직각인 선에 대해 (제1 영역보다 동공부로부터 멀리 있는) 제2 영역의 경우보다 더 작은 각도를 가진다.

예시적인 일 실시예에 따라서 이미지를 생성하는 방법이 제공된다. 두 개(둘 이상일 수도 있음)의 공급원들이 대향된 방향으로 전자기 방사선을 제공한다. 제1 반사 표면은 제1 공급원으로부터의 전자기 방사선을 이미저의 동공부의 제1 절반부로 반사한다. 제2 반사 표면은 제2 공급원으로부터의 전자기 방사선을 동공부의 제2 절반부로 반사한다. 이미저는 그 받아들여진 전자기 방사선을 이용함으로써 이미지를 생성시킨다.

각 반사 표면은 적어도 일 방향, 예를 들어 동공부를 향한 방향에서 편평한 복수의 영역들을 포함한다. 각 반사 표면의 제1 영역은, 각 반사 표면의 제2 영역의 경우보다, 동공부에 직각인 선에 대해 더 작은 각도를 갖는데, 각각의 제1 영역은 각각의 제2 영역보다 동공부에 대해 더 가깝다.

하기의 상세한 설명 및 첨부 도면들을 참조하면 본 발명의 특징 및 장점에 관하여 더 잘 이해하게 될 수 있을 것이다.

본 발명에 의하여, 복수의 광 공급원들을 사용하여 종래 기술에 비하여 증가된 광 강도(회도)를 갖는 이미지 프로젝터가 제공된다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 프로젝터(100)의 개략도이다.
도 2 에는 광 공급원(light source)으로서 사용될 수 있는 램프(200)와, 본 발명의 실시예에 따라 귀결되는 광 강도 패턴(light intensity pattern)이 도시되어 있다.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 프로젝터(300)의 개략도이다.
도 4 는 계단식 거울(stepped mirror; 400)에 촛점이 맞춰진 광 강도 노드 패턴(light intensity node pattern; 410)의 시뮬레이션 도면인데, 여기에서 거울 계단부(mirror step)들은 본 발명의 실시예에 따라 생성된 광 강도 노드 패턴과 매칭(matching)된다.
도 5 에는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 프로젝터의 일부분의 개략도가 도시되어 있다.
도 6a 및 도 6b 는 본 발명의 실시예에 따른 광 공급원 램프를 위한 대안적인 구성형태가 도시되어 있다.
도 7 에는 본 발명의 실시예에 따른 광 집속기(light integrator)와 램프 사이에 배치된 색상 변조기(color modulator)가 도시되어 있다.
도 8a 에는 본 발명의 실시예에 따른 4 색상 분할 구성형태(four color segment configuration)(적색, 녹색, 청색, 및 백색)를 갖는 컬러 휠(color wheel)이 도시되어 있다.
도 8b 에는 본 발명의 실시예에 따른 1차 색상들(적색, 녹색, 청색) 및 2차 색상들(시안(Cyan), 마그네타(Magenta), 및 황색)을 갖는 컬러 휠이 도시되어 있다.

본 발명의 실시예는 다중의 광 공급원들을 이용하는 공지된 모델들에 비하여 증가된 광 강도(휘도)를 갖는 이미지 프로젝터를 제공한다. 휘도를 증가시키기 위하여, 실시예에서는 두 개의 광 공급원들로부터의 빛을 이미징 장치(imaging device)의 단일의 동공부(pupil)(예를 들어, 통공(aperture)) 안으로 각각 압축시키는 거울들을 이용한다.

일 실시예에서, 각 광 공급원으로부터의 빛은 노드 강도 광 패턴(node intensity light pattern)을 생성시키는데, 이것은 각 계단식 거울에 집중된다. 일 형태에서, 계단식 거울에서 받아들여진 빛은 이미저(imager)의 입구 동공부(entrance pupil)와 동일한 f-수(f-number)를 갖는다. 각 계단식 거울은 그 받아들여진 빛을 입구 동공부의 50% 로 압축시킬 수 있다. 계단식 거울로부터 반사된 빛은 광학 시스템 안으로 통과하여 이미저에 집중될 것이다.

도 1 은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 프로젝터(100)의 개략도이다. 이미지를 생성시키기 위하여 공급원(110)들로부터의 빛이 사용되는데, 그 이미지는 투사된 이미지(projected image; 190)로서 디스플레이된다. 여기에서, 빛은 임의의 전자기방사선(electromagnetic(EM) radiation)을 의미하고, 반드시 가시광선에 국한되지는 않는다. 여기에서는, 빛과 전자기방사선이라는 두 가지 용어가 상호교환가능하게 사용된다.

일 실시예에서, 광 공급원은 단일의 램프를 포함하거나, 또는 (도시된 것을 포함하는) 임의의 배치를 갖는 복수의 램프들을 포함할 수 있는데, 그 램프들은 알려진 또는 개발될 임의의 적합한 방식으로 전기로부터 빛을 발생시킨다. 광 공급원에 관하여는 UHP 유형의 램프를 사용하는 것이 일반적이지만, 실시예에는 발광 다이오드(LED) 및 레이저를 포함하여 임의의 유형의 광 공급원이 사용될 수 있다. 다른 실시예에서는, 광 공급원(110)이 다른 전자기방사선 또는 전자기장과 같이 전기로부터, 또는 열 에너지로부터 빛을 발생시키지 않는 광 방출원이다.

도시된 바와 같이, 광 공급원(110)은 전자기방사선을 대향된 방향으로 제공한다. 여기에서 "대향"이라 함은, 각 공급원(110)으로부터의 광선의 일부 성분이 반대의 방향으로 제공된다는 것을 의미한다. 여기에서는, 두 개의 대향된 방향들이 위와 아래에 해당된다.

일 실시예에서, 빛은 공급원(110)의 배출부로부터 분산된다. 그 후 그 분산된 빛은 릴레이 렌즈들(relay lenses; 120) 안으로 수집된다. 일 형태에서, 릴레이 렌즈들(120)은 램프(110)들로부터의 빛 에너지의 거의 모두(예를 들어 90% 이상, 바람직하게는 95% 이상)를 수집하기에 충분하도록 큰 직경을 가지며, 빛을 각각의 반사 표면(reflective surface; 130)으로 집중시킨다.

각 반사 표면(130)은 분절 표면(sectional surface), 예를 들어 계단식 거울 표면을 갖는다. 표면(130)은, 그 표면의 적어도 일부가 반사성을 갖는다는 점에서, 반사성을 갖는다. 그러나, 그 표면의 모든 부분이 반드시 반사성을 갖는 것은 아니다. 반사성을 갖는 부분들은 빛의 거의 모두(예를 들어 입사광의 90% 이상, 바람직하게는 그 빛의 95% 이상)를 반사시킨다.

표면(130)들로부터의 반사광은 동공부(145)를 거쳐서 이미저(140)에 의하여 받아들여진다. 일 실시예에서, 그 동공부는 단순한 개구(opening)이다. 다른 실시예에서는, 그 동공부가 빛의 관통을 허용하는 투과성 물체인데, 그 투과성 물체는 빛을 굴절시킬 수 있다.

반사 표면(130)은 적어도 일 방향으로 편평한 영역(flat region; 132)(편평한 섹션(flat section))들을 포함하는데, 그 영역(132)들 사이에는 계단부(136)들이 구비된다. 이 영역들은 공급원(110)으로부터의 빛을 동공부(145)로 반사시킨다. 도시된 바와 같이, 영역(132)들은 우측으로부터 좌측의 방향으로 편평하다. 다시 말하면, 동공부에 대해 직각인 평면에서 표면(130)의 단면은 편평한 영역을 갖는다. 여기에서 사용되는 "편평"이라는 용어는, 그 영역에서의 표면을 따라 특정의 방향으로 이동함에 따라서 그 이동의 방향이 거시적인 스케일(macroscopic scale)로(즉, 그 표면 상의 작은 칩(minor chip)들보다 크게) 변화하지 않음(예를 들어, 위 또는 아래로 휘지 않음)을 의미한다.

일 실시예에서, 그 영역들은 도시된 단면에 대해 직각인 방향, 즉 종이 밖으로의 방향으로 곡선을 이룬다. 다른 실시예에서는, 그 영역(132)들이 그 단면에 대해 직각인 방향으로 편평하다. 일 형태에서는, 그 영역들이 단면에 대해 직각인 방향으로 계단부를 가질 수 있다.

그 영역(132)들은 선(142)에 대해 상이한 각도를 갖는 것이 유리하다. 예를 들어, 동공부(145)로부터 더 먼 영역은 동공부(145)에 대해 더 가까운 영역에서의 각도보다 더 큰 각도를 갖는다. 이와 같은 방식으로, 동공부(145)로부터 더 먼 영역(132a)은 동공부(145)의 상부 가장자리보다 더 높이 위치되면서도, 빛을 동공부(145) 안으로 반사시킬 수 있다. 또한, 동공부(145)에 더 가까운 영역은, 동공부(145)의 하측 절반부로 빛을 반사시키지 않으면서, 영역(132)이 빛을 반사시키는 위치와 상이한 동공부(145) 내의 위치로 빛을 반사시킬 수 있다.

일 실시예에서, 각 영역에서의 각도는 동공부에 대한 거리가 짧아짐에 따라서 증가한다. 예를 들어, 동공부에 가장 가까운 영역은 선(142)에 대해 45°의 각도를 가질 수 있다. 그러면 그 영역은 선(142)에 대해 수평하게 빛을 반사시킬 것이다. 가장 먼 각 영역에서의 각도는 최대의 각도를 가질 수 있고, 빛을 동공부의 최하측 또는 최상측 지점으로 반사시킬 수 있다. 45°보다 큰 각도는 그 영역이 동공부(145)의 최하측 지점 아래에 위치되면서도 동공부(145) 안으로 빛을 반사시키는 것을 가능하게 한다. 일 형태에서, 반사된 빛의 거의 모두는 동공부(145)에 의하여 받아들여질 수 있으며, 여전히 상대적으로 균일한 빛 분포를 가질 수 있다.

그러한 실시예는 다른 구성 또는 구조에 비하여 장점을 갖는다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 동공부(145)의 높이는 두 개의 표면(130)들이 합쳐진 총 높이보다 작다. 표면(130)이 한 가지의 각도(예를 들어, 45도)를 갖는 단일의 편평한 영역을 가진다면, 표면(130)의 먼 가장자리에 입사하는 빛은 동공부(145) 안으로 반사되지 않을 것이다. 이와 같이 열등한 구조에서 단일의 표면의 외측 가장자리로부터 빛을 반사시키기 위하여 45°가 아닌 각도를 이용할 수도 있겠지만, 이미지의 불균일한 휘도가 초래될 것이다.

빛이 동공부(145)에 의하여 받아들여진 후에는, 이미저(140)가 이미지를 생성시키기 위하여 그 빛을 사용하는데, 이것은 예를 들어 이미지의 상이한 픽셀들에 대응되는 상이한 부분들을 (잠재적으로는 상이한 색상들 또는 파장의 면에서) 변조시킴으로써 이루어진다. 변조된 빛(즉, 이미지)는 투사 렌즈(projection lens; 150)으로 보내지는데, 투사 렌즈는 외부 표면 상에 이미지를 투사시켜서 투사된 이미지(190)를 생성시키도록 구성된다.

어떤 실시예에서는 둘 이상의 광 공급원들이 사용될 수 있다. 예를 들어, 두 개의 다른 광 공급원들이 도시된 광 공급원들에 대해 직각인 방향으로 빛을 제공할 수 있다. 이 광 공급원들은 반사 표면(130)의 바로 위와 아래에 있을 수 있다. 이 실시예에서는, 두 개의 다른 반사 표면들도 사용될 수 있다.

도 2 에는 광 공급원으로서 사용될 수 있는 램프(200)와 본 발명의 실시예에 따른 결과적인 광 강도 패턴(250)이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 램프(200)는 아크 램프(arc lamp)이지만, 본 발명의 다른 실시예에서는 다른 램프가 이용될 수 있다. 아크 램프의 유형에는 초고성능 또는 초고압(UHP) 램프(예를 들어 수은을 포함하는 램프)가 포함될 뿐만 아니라, 짧은 아크 갭(arc gap)을 갖는 다른 램프도 포함된다. 예시적인 아크 갭은 120-500W 의 와트수에서 0.7mm-1.5 mm 이다.

전극(210)들은 방전(아크)(220)을 발생시킨다. 이 아크(220)는 광선(240)을 방출시킨다. 통상적으로는, 이 광선(240)이 전체적으로 모든 방향으로 방출된다. 보다 집중된 빛의 빔(beam)을 제공하도록 광선(240)을 집중시키기 위하여 반사기(230)가 이용된다. 아크(220)가 빛의 완벽한 점을 이루지 않는다면, 반사기(240)로부터 반사된 광선(240)은 다양한 거리를 경유할 것이고, 회절 (강도) 노드 패턴(250)을 낳을 것이다. 따라서 다양한 지점들이 다양한 강도를 가질 것이다.

어떤 실시예에서는, 다른 메카니즘을 통하여 다른 노드 패턴이 생성될 수 있다. 예를 들어, 이미 압축된 균일한 패턴으로부터 노드 패턴이 생성될 수 있다. 이 새로운 노드 패턴은 동공부(145)에서의 빛을 생성하기 위하여 다시 압축될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 다중-레벨의 압축 메카니즘이 이루어질 수 있다. 일 실시예에서, 각 광 공급원은 제1 레벨의 압축, 또는 이전 레벨이나 후속 레벨의 압축을 위한 압축을 수행하는 반사광 표면(230)들을 포함할 수 있다.

실시예들에 의하여, 더 큰 효율을 얻는 결과를 낳는 강도 노드 패턴이 설명된다. 일 실시예에서는, 빛의 최적량이 동공부(145) 안으로 반사되도록, 편평한 영역(132)들이 고강도 노드와 정렬된다.

도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 이미지 프로젝터(300)의 개략도이다. 이 실시예에서, 도 1 에 관하여 설명된 각 광 공급원은 두 개의 램프(305)들로 이루어진다. 따라서, 전체적으로는 이미지 프로젝터(300)를 위한 조명은 네 개의 램프를 포함한다. 그러나, 각 광 공급원은 임의의 갯수의 램프들로 이루어질 수 있다.

각 램프(305)는 개별적 광 안내부(respective light guide; 308)(집속기로도 호칭됨) 안으로 빛을 전달하도록 배치되고, 그 개별적 광 안내부들은 집합적 광 안내부(collective light guide; 312)에 각각 광학적으로 연결된다. 그 광학적 연결은 많은 방식에 의하여 이루어질 수 있는바, 예를 들어 전술된 앤더슨 특허에 설명된 방식을 통하여 이루어질 수 있다.

도시된 바와 같이, 각 광 공급원의 두 개의 램프(305)들은 평행한 구성형태를 이루는데, 이것은 그 램프들이 그 각각의 축 주위로 회전되는 것을 허용한다. 다른 실시예에서는, 그 램프들이 다른 구성형태를 가질 수 있다. 일 실시예에서, 램프(305)들은, 수직 달굼(vertical burning)이 예를 들어 전극들의 역 달굼(burn back)으로 인하여 램프 수명을 현저히 감소시키기 때문에, 수평 방향에서 법선(normal)으로부터 대략 +/-20도 내에서 달구어지고 빛을 방출할 필요가 있다.

램프(305)들은 광 안내부(308)들에 가까운 곳에 촛점을 갖는다. 일 실시예에서, 광 안내부는 중실(solid; 속이 차있음)이고, 빛의 집속기로서 작용한다. 일 형태에서, 촛점이 배치되는 광 안내부(308)의 표면은 반사방지 코팅(anti-reflection (AR) coating)되어서, 그 표면(예를 들어, 광 안내부의 유리)과 공기 사이의 천이에 있어서 되돌림 반사의 수준을 저감시킨다.

집속기(308) 안에서의 빛은 광 집속기에 직접 코팅된 각도(예를 들어 45°)를 가진 거울 표면에 의하여 반사된다. 그 후 그 빛은 중실 광 집속기 안에서, 중실 광 집속기의 다른 단부에서의 각도(예를 들어 45°)를 가진 거울이 코팅된 표면에서 다시 반사된다. 광 집속기(308)의 배출 측은 반사방지 코팅이 되어서, 유리와 공기 간의 천이에 있어서의 최대 광 전달도(maximum light transmission)를 달성한다.

빛은 중실 광 집속기(308)로부터 수집 광 집속기(312)로 이동한다. 일 실시예에서, 수집 광 집속기는 중공(hollow)의 유형인바, 예를 들어 네 조각의 표면 유리들이 함께 접합되어서 중공의 광 터널을 형성한다. 일 형태에서, 수집 광 집속기(312)의 단면은 최종 이미지와 유사한 포맷(format)을 갖는다. 여기에서 사용되는 "포맷"이라는 용어는 이미지의 측부들의 종횡비(예를 들어, 16:9, 4:3 등)를 지칭찬다. 다른 형태에서는, 집속기(312)의 입구 단면이 중실 광 집속기(308)의 출구 단면의 길이의 두 배이다.

일 실시예에서, 수집 광 집속기(312)는, 빛이 수집 광 집속기 거울 표면들로부터의 복수의 반사들에 의하여 균일하게 집속되도록 하는 길이를 갖는다. 이상적으로는, 수집 광 집속기(312)의 출구 단면에는 거울 표면으로부터의 칩들이나 이미저(340) 안으로 집중될 가장자리로부터의 먼지가 없어야 한다. 이 단면에서의 어떠한 먼지 또는 칩들은 프로젝터(300)로부터의 촛점이 맞춰진 이미지에서 보일 수 있게 될 것이다.

그 다음, 빛은 릴레이 렌즈들(320)로 수집되는데, 그 릴레이 렌즈들은 램프(305)들로부터의 빛 에너지의 모두 (또는 거의 모두)를 수집하기에 충분히 큰 직경을 가지며, 광 집속기로부터의 광 강도 노드 패턴을 반사 표면(330)(예를 들어 계단식 거울 표면) 상으로 집중시킨다. 표면(330)들 상의 광 강도 노드 패턴은 광 집속기(308) 입구로부터의 광 스폿(light spot)들의 버츄얼 맵핑(virtual mapping)이다. 일 실시예에서, 도시된 평행한 위치의 램프를 위한 중실 광 집속기(308)들은, 동일한 단면을 가지며, 잘 정의된 최대값 및 최소값을 갖는 노드 패턴을 생성시키기에 유리한 길이를 갖는다. 일 형태에서, 집속기가 동일한 단면을 갖지 않는다면 노드 패턴은 파괴될 수 있다.

도 4 는 계단식 거울(400)에 촛점이 맞춰진 광 강도 노드 패턴(410)의 시뮬레이션 플롯(simulation plot)인데, 여기에서 거울 계단부들은 본 발명의 실시예에 따라 생성된 광 강도 노드 패턴과 매칭된다. 도시된 바와 같이, 노드 패턴은 좌측으로부터 우측으로 가면서 고점들을 보여준다. 도시된 가장 높은 고점은 거울의 중앙에 대략적으로 대응된다. 또한, 거울의 중간으로부터 위와 아래로 감에 따라서 고점들이 보이고 있다.

일 형태에서, 편평한 영역(432)들은 고점들 또는 고점들 가까이에 배치되고, 계단부(436)들은 노드 패턴의 최소값에 또는 그 가까이에 배치된다. 이와 같은 구성형태는 빛의 거의 모두를 반사시킬 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서는 대략 90%-95% 이다. 일 실시예에서, 계단부들은 반사성을 갖지 않을 수 있는데, 계단부들에 의하여는 매우 적은 빛이 받아들여지기 때문이다.

그러므로, 다시 도 3 을 참조하면, 각 계단식 거울 표면(330)은 입구 동공부의 조명을 각 계단식 거울 유닛으로부터의 대략 50%로 압축시킨다. 따라서, 각 거울 표면이 광 강도 노드 패턴을 동공부(345) 안으로 반사시키도록 매칭된 각도와 치수를 갖는 계단식 거울(330)을 설계함에 의하여, 광 공급원으로부터의 빛 에너지의 모두(또는 거의 모두)가 동공부(345)의 대략 50% 를 비추게 된다.

도시된 바와 같이, 동공부(345)는 내부 전반사(total internal reflection; TIR) 프리즘(348)에 부착된 렌즈인데, 여기에서 그 렌즈의 표면은 AR 코팅되고 그 렌즈는 TIR 프리즘(348)에 대해 x-y-z 좌표에서 접착, 정렬, 및 고정된다. 일 실시예에서, TIR 프리즘(348)은 두 개의 유리 블록으로 이루어진 부품인데, 여기에서 그 유리 기판들 사이의 공기 간극은 통상적으로 5-25 미크론 미터(micron meter)이다. 빛은, TIR 표면에서 반사되고, 미국의 텍사스 인스트루먼트사의 디지털 마이크로미러 디바이스(digital micromirror device; DMD; 342) 또는 다른 이미징 장치에 조명을 제공한다.

DMD 는 온/오프 상태를 이루기 위하여 예를 들어 +/- 12 도로 기울어지는 거울의 픽셀 매트릭스(pixel matrix)로 이루어진 거울 장치이다. DMD 가 온 위치(ON position)에 있는 때에 DMD 는 빛을 투사 렌즈 안으로 반사시킨다. 일 실시예에서는, 투사 렌즈 안으로의 임의적인 반사를 방지하기 위하여, DMD가 오프 위치(Off position)에 있는 때에 빛을 광학 엔진의 광 폐기 영역(dump light area)으로 반사한다. 그러한 반사는 투사된 이미지의 콘트라스트(contrast)를 저감시킬 수 있다.

이하에서는 광 공급원으로부터의 빛의 계단식 거울에 의한 압축에 관하여 상세히 설명하는바, 특히 계단부들의 배치에 관하여 설명한다.

도 5 에는 본 발명의 실시예에 따른 이미지 프로젝터의 일부분의 개략도가 도시되어 있다. 하나의 조명 축에 두 개의 램프(505)들이 도시되어 있다. 계단식 거울(530)은 램프(505)들로부터의 조명이 이미저의 입구 동공부(545)의 50%만을 비추도록 압축시킨다. 일 형태에서, 그러한 압축은 동공부(545)의 영역을 위한 광 강도를 유효하게 2배로 만들 수 있다.

도시된 바와 같이 실선으로 표시된 광선(solid ray; 517)이 집합적 광 안내부(512)로부터 제공된 광 강도 노드 패턴에서의 최고점(peak)에 대응된다. 실선으로 표시된 광선(517)(즉, 최고점 광선)이 동공부(545)로 반사되도록, 거울(532)들이 배치된다. 점선으로 표시된 광선(519)은 노드 패턴에서의 최소점들에 있는 임의의 광선들을 표시한다. 광선(519)들은 계단식 거울에서의 계단부(536)들에 입사하는바, 동공부(545)로 반사되지 않는다. 거러나, 광선(519)들은 적게 존재하므로, 계단식 거울(530)은 조명의 대부분을 동공부(545)의 절반부(도시된 절반부(A))로 압축시키는 것을 수행할 수 있다.

계단부(519)들은, 상이한 거울 영역(532)들이 조명을 동공부(545)의 절반부(A)로 압축시키기 위하여 선(542)에 대해 적절한 값으로 조정된 각도를 가질 수 있도록, 형성된다. 이상적으로는, 하나의 거울로부터 다른 거울까지의 변화는 가능한 짧게 된다. 따라서, 일 실시예에서, 계단부는 받아들여진 전자기 방사선에 대해 직각인 각도로부터 전자기 방사선에 대해 평행한 90도의 범위 내에 있는 방위를 갖는 표면을 가지는바, 그 표면은 동공부(545)로부터 멀리 향한다. 다시 말하면, 계단부(536)는 수평이거나, (좌측을 향하여) 수직이거나, 또는 그 사이의 각도를 갖는다.

또한, 일 실시예에서는, 거울(532)들이 도시된 단면에 대해 직각인 방향으로(즉, 횡방향으로 - 종이 밖으로) 곡선을 이룰 수 있다. 다른 실시예에서는, 횡방향으로 상이한 거울 섹션들이 있다. 이 실시예들은 더 우수한 조명을 제공할 수 있다.

도시된 바와 같이, 중앙 광선(517a)은 동공부(545)에 의하여 받아들여지는 광선(521a)으로 변환된다. 광선(517a)은 릴레이 렌즈(520)의 최고 높이에서 (즉, 릴레이 렌즈(520)의 상부로부터 하부까지의 높이에서) 발생된다. 그러나, 광선(521a)은 동공부 렌즈(545)의 좁은 단부(549)와 중간부(547) 사이의 지점에서 발생된다. 따라서, 이 지점에서의 높이는 릴레이 렌즈(520) 중간부의 높이보다 작을 수 있다. 따라서, 실시예에서는 광선(517a)이 수직 방향으로 (즉, 종이 안밖으로의 방향으로) 압축된다.

이 방향으로 조명을 압축하기 위하여, (전술된 바와 같은) 다른 방향으로의 압축으로서 유사한 메카니즘이 사용될 수 있다. 예를 들어, 도시된 단면에 대해 직각인 평면으로부터의 큰 각도가, 릴레이 렌즈(520)의 상부와 하부에 대응되는 거울의 영역들을 위하여 사용될 수 있다. 다른 실시예에서는, 동공부에 대해 직각인 중앙 평면 위에 있는 거울 영역들이, 각 영역과 중앙 평면 사이의 각도가 90도 미만이 되도록 기울어진다. 중앙 평면은 동공부를 절반으로 구획한다. 중앙 평면은 수평 평면, 즉 도시된 단면에서와 동일한 평면일 것이다. 이와 같은 기울어진 거울 영역은 하향 방향의 성분을 가지고 빛을 반사시켜서, 그 빛이 압축되게 한다. 유사하게, 중앙 평면 아래의 거울 영역은 빛을 상향으로 반사시킬 것이다.

전술된 바와 같이, 다양한 램프 구성형태가 광 공급원으로서 사용될 수 있다. 다른 구성형태의 예로서는 다음과 같은 것들이 있다.

도 6a 및 도 6b 에는 본 발명의 실시예에 따른 광 공급원들의 램프들을 위한 대안적인 구성형태가 도시되어 있다. 도 6a 에서는, 램프(605)들이 대향된 방향에서 광 안내부(608)들로 빛을 제공하는데, 그 광 안내부들도 대향된 방향으로 배치되어 있다. 그 다음 이 광 안내부들은 그 빛을 집합적 광 안내부(612)로 전달한다. 도 6b 에서는, 램프들이 직각인 방향으로 광 안내부(608)들에 빛을 제공하는데, 그 광 안내부(608)들도 서로에 대해 직각이다. 또한, 이 광 안내부들은 빛을 집합적 광 안내부(612)로 전달한다. 다른 실시예에서는, 둘 이상의 램프들을 구비한 광 공급원들을 제공하도록 상이한 구성형태가 조합될 수 있는데, 예를 들어 3개의 램프들이 이용되도록 상기 두 가지의 구성형태가 조합될 수 있다.

실시예들은 광 공급원들의 상이한 색상들의 변조를 제공하기도 한다.

도 7 에는 본 발명의 실시예에 따라 광 집속기(708)와 램프(705) 사이에 배치된 색상 변조기(725)가 도시되어 있다. 일 형태에서, 색상 변조기(725)는 램프의 반사기의 촛점에 있거나 그에 가까이 있다. 색상 변조기(725)는 광 공급원의 어떤 파장(또는 색상)을 필터링하도록 작동된다. 그러한 작동은 전술된 앤더슨 특허에 잘 기술되어 있다. 일 실시예에서, 각 램프(705)는 자기만을 위한 색상 변조기를 구비하는데, 그것들은 작동 중에 서로에 대해 동기화된다.

도 8a 에는 본 발명의 실시예에 따른 4분할부를 갖는 컬러 휠이 도시되어 있는데, 여기에서는 적색(R), 녹색(G), 청색(B), 및 백색(W)으로 예시되어 있다. 그 색상들의 순서는 다르게 될 수 있고, 반드시 적,녹,청;백 또는 적,녹,청의 조합 또는 순서에 국한되는 것이 아니다.

도 8b 에는 본 발명의 실시예에 따른 1차 색상들(R,G,B) 및 2차 색상들(시안(C), 마그네타(M), 및 황색(Y))을 갖는 컬러 휠이 도시되어 있다. 색상의 순서는 임의적이며, 특정의 2차 색상들로서 시안, 마그네타, 및 황색의 사용에만 국한되는 것이 아니다.

상기 설명은 단일 디스플레이 시스템에 촛점이 맞춰져 있지만, 실시예는 복수의 디스플레이 시스템 또는 디스플레이가 아닌 대상에 대하여도 사용될 수 있다.

본 발명의 예시적인 실시예들에 관한 상기의 설명은 예시 및 설명을 위한 목적으로 제시된 것이다. 본 발명은 여기에서 설명된 것과 반드시 일치하는 것에만 국한되도록 의도된 것이 아니며, 본 발명의 취지 내에서 많은 변형 및 변경이 가능하다. 상기 실시예들은, 본 발명의 원리와 그것의 실제적인 적용예들을 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 가장 잘 설명하여 그로 하여금 본 발명을 다양한 실시형태로 잘 활용할 수 있게끔 하기 위하여 선택 및 설명되었고, 특정의 용도에 잘 맞는 다양한 변형예들도 함께 고찰되었다.

110: 광 공급원 120: 릴레이 렌즈
130: 반사 표면 132: 편평한 영역
136: 계단부 140: 이미저
145: 동공부

Claims (22)

1. 각각 전자기 방사선을 제공하되 대향된 방향으로 제공하는 두 개의 광 공급원들;
   제1 공급원으로부터의 전자기 방사선을 반사시키는 제1 반사 표면;
   제2 공급원으로부터의 전자기 방사선을 반사시키는 제2 반사 표면; 및
   반사된 전자기 방사선을 받아들이기 위한 동공부(pupil)를 구비하고 그 받아들여진 전자기 방사선을 이용하여 이미지를 생성시키는 이미저(imager)로서, 제1 공급원으로부터의 반사된 전자기 방사선을 받아들이는 제1 절반부 및 제2 공급원으로부터의 반사된 전자기 방사선을 받아들이는 제2 절반부를 구비하는, 이미저;를 포함하는 이미지 프로젝션 시스템(image projection system)으로서,
   각 반사 표면은 적어도 일 방향으로 편평한 복수의 영역들을 포함하고, 각 반사 표면의 제1 영역은 각 반사 표면의 제2 영역보다 동공부에 대해 직각인 선에 대해 더 작은 각도를 가지며, 각 제1 영역은 각 제2 영역보다 동공부에 대해 더 가까운, 이미지 프로젝션 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 영역들은 동공부에 대해 직각인 평면 내의 방향으로 편평한, 이미지 프로젝션 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,
   각 공급원은:
   집합적 안내부(collective guide) 안으로 전자기 방사선을 전달하는 두 개의 램프들; 및
   전자기 방사선을 평행한 광선들로 집중시키는 하나 이상의 릴레이 렌즈(relay lens)들;을 포함하는, 이미지 프로젝션 시스템.
4. 제 3 항에 있어서,
   각각의 공급원에 있어서:
   제1 램프는 전자기 방사선을 제1 안내부로 전달하고;
   제2 램프는 전자기 방사선을 제2 안내부로 전달하며;
   제1 안내부 및 제2 안내부로부터의 전자기 방사선은 집합적 안내부 안으로 전달되는, 이미지 프로젝션 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   각각의 반사 표면에 있어서:
   동공부에 대해 직각인 선과 각 영역들 사이의 각도는, 동공부와 영역 사이의 거리가 감소함에 따라서 연속적으로 감소하는, 이미지 프로젝션 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   각 반사 표면에 있어서:
   동공부에 가장 가까운 영역은 동공부에 대해 직각인 선에 대한 각도를 가지며, 그 각도는 45도의 값을 갖는, 이미지 프로젝션 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,
   각 반사 표면에 있어서:
   동공부에 대해 직각인 중앙 평면 위에 있는 영역들은 각 영역과 중앙 평면 사이의 각도가 90도 미만이 되도록 기울어져서, 중앙 평면 위에 있는 각 영역은 하향 방향의 성분을 가지고 전자기 방사선을 반사시키는, 이미지 프로젝션 시스템.
8. 제 1 항에 있어서,
   각 반사 표면은:
   복수의 계단부들로서, 각 계단부가 동공부를 향하는 방향을 따라서 연속적인 편평한 영역들 사이에 있는, 복수의 계단부들;을 더 포함하는, 이미지 프로젝션 시스템.
9. 제 8 항에 있어서,
   계단부는, 받아들여지는 전자기 방사선에 대해 직각인 각도로부터 전자기 방사선에 대해 평행한 각도까지의 90도 범위 내의 방위를 갖는 표면을 가지되, 그 표면은 동공부로부터 멀리 향하는, 이미지 프로젝션 시스템.
10. 제 8 항에 있어서,
    계단부들은 반사성을 갖지 않는, 이미지 프로젝션 시스템.
11. 제 8 항에 있어서,
    계단부들은 적어도 일 방향을 따라서 전자기 방사선의 최소 강도 위치에 배치되는, 이미지 프로젝션 시스템.
12. 제 1 항에 있어서,
    동공부는 받아들여지는 전자기 방사선을 이미지 공급원(image source)으로 맵핑(mapping)시키는 렌즈인, 이미지 프로젝션 시스템.
13. 제 1 항에 있어서,
    이미지 프로젝션 시스템은:
    이미지를 받아들이고 그 이미지를 외부 표면 상에 투사하는 투사 렌즈;를 더 포함하는, 이미지 프로젝션 시스템.
14. 전자기 방사선을 대향된 방향으로 제공하는 두 개의 공급원들로 전자기 방사선을 제공하는 단계;
    제1 반사 표면으로 제1 공급원으로부터의 전자기 방사선을 반사시키는 단계;
    제2 반사 표면으로 제2 공급원으로부터의 전자기 방사선을 반사시키는 단계;
    이미저의 동공부의 제1 절반부에서, 제1 반사 표면으로부터 반사된 전자기 방사선을 받아들이는 단계;
    이미저의 동공부의 제2 절반부에서, 제2 반사 표면으로부터 반사된 전자기 방사선을 받아들이는 단계; 및
    받아들여진 전자기 방사선을 이용함으로써 이미저에 의하여 이미지를 생성시키는 단계;를 포함하는 이미지 생성 방법으로서,
    각 반사 표면은 적어도 일 방향으로 편평한 복수의 영역들을 포함하고,
    공급원들로부터 전자기 방사선을 반사시키는 단계는:
    각 반사 표면의 제1 영역으로부터의 전자기 방사선을 동공부에 대해 직각인 선에 대한 제1 각도를 가지고 반사시키는 단계; 및
    각 반사 표면의 제2 영역으로부터의 전자기 방사선을 동공부에 대해 직각인 선에 대한 제2 각도를 가지고 반사시키는 단계;를 포함하며,
    각각의 제1 영역은 각각의 제2 영역보다 동공부에 대해 가까우며, 제1 각도는 제2 각도보다 작은, 이미지 생성 방법.
15. 제 14 항에 있어서,
    각 공급원으로부터 전자기 방사선을 제공하는 단계는:
    두 개의 램프들로부터의 전자기 방사선을 집합적 안내부 안으로 전달하는 단계; 및
    하나 이상의 릴레이 렌즈를 이용하여 그 전자기 방사선을 평행한 광선들로 집중시키는 단계;를 포함하는, 이미지 생성 방법.
16. 제 15 항에 있어서,
    두 개의 램프들로부터의 전자기 방사선을 집합적 안내부 안으로 전달하는 단계는:
    제1 램프로부터의 전자기 방사선을 제1 안내부로 전달하는 단계; 및
    제2 램프로부터의 전자기 방사선을 제2 안내부로 전달하는 단계;를 포함하고,
    제1 안내부 및 제2 안내부로부터의 전자기 방사선들은 집합적 안내부 안으로 전달되는, 이미지 생성 방법.
17. 제 14 항에 있어서,
    각 공급원으로부터의 전자기 방사선을 반사시키는 단계는:
    동공부에 연속적으로 가까운 영역들로부터의 빛을 동공부에 대해 직각인 선에 대해 연속적으로 더 작은 각도로 반사시키는 단계;를 포함하는, 이미지 생성 방법.
18. 제 14 항에 있어서,
    각 공급원으로부터의 전자기 방사선을 반사시키는 단계는:
    동공부에 가장 가까운 영역으로부터의 전자기 방사선을 동공부에 대해 직각인 선에 대해 45도의 각도로 반사시키는 단계;를 포함하는, 이미지 생성 방법.
19. 제 14 항에 있어서,
    각 공급원으로부터 전자기 방사선을 반사시키는 단계는:
    동공부에 대해 직각인 중앙 평면 위에 있는 각 영역들로부터, 전자기 방사선을 중앙 평면에 대한 90도 미만의 각각의 각도로 하향으로 반사시키는 단계;를 포함하는, 이미지 생성 방법.
20. 제 19 항에 있어서,
    중앙 평면에 대한 각각의 각도들은 영역이 중앙 평면으로부터 멀리 있을 수록 감소하는, 이미지 생성 방법.
21. 제 1 항에 있어서,
    제공된 전자기 방사선은 최고값들 및 최소값들을 갖는 노드 패턴을 가지며, 적어도 일 방향을 따른 최소값들은 연속적인 편평한 영역들 사이의 각 계단부들에 위치되는, 이미지 생성 방법.
22. 제 1 항에 있어서,
    이미지를 투사 렌즈로 전달하는 단계; 및
    투사 렌즈로부터의 이미지를 외부 표면 상으로 투사하는 단계;를 더 포함하는, 이미지 생성 방법.

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