KR20140073942A - 빔 프로젝터용 조명 광학계 - Google Patents

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KR20140073942A
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박성하
계용찬
이중기
박중완
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Abstract

본 발명은, 레이저 광을 발생하는 광원; 상기 광원으로부터 출사된 광의 파장을 변환하여 출사하는 적어도 하나의 형광물질층을 포함하는 색상 변환부; 및 상기 광원으로부터 출사된 광을 상기 색상 변환부로 입사시키는 이색성 반사경(dichroic mirror)을 구비하고, 상기 색상 변환부에 의해 출사된 서로 다른 파장의 광이 동일한 경로를 진행하여 디스플레이 패널로 제공되는 빔 프로젝터용 조명 광학계를 개시한다. 상기와 같이 구성된 조명 광학계는 하나의 광원으로부터 출사된 광을 가공하여 적색, 녹색, 청색의 광을 각각 생성하되 동일한 광 경로를 통해 디스플레이 패널로 입사시킬 수 있으므로, 광 경로 상에 배치되는 렌즈와 반사경과 같은 광부품의 수를 줄여 소형화가 용이한 장점이 있다.

Description

빔 프로젝터용 조명 광학계 {ILLUMINATION SYSTEM FOR BEAM PROJECTOR}
본 발명은 광학 기기에 관한 것으로서, 특히, 디스플레이 패널에 출력되는 화면을 확대하여 스크린에 투사하는 빔 프로젝터용 광학계에 관한 것이다.
빔 프로젝터는 디스플레이 장치의 하나로서, 광학계와 디스플레이 패널을 이용하여 대형 화면을 구현하기 용이한 광학 기기이다. 빔 프로젝터와 스크린까지의 거리에 따라 화면의 크기를 조절할 수 있는데, 스크린까지의 거리를 충분히 확보할 수 있다면 기기 자체의 크기와 상관없이 고화질의 대형 화면을 구현하기 용이하다.
빔 프로젝터의 구성에서 광학계는 조명 광학계와 투사 광학계로 구분할 수 있다. 조명 광학계는 광원으로부터 디스플레이 패널에 이르기까지 배치되는 광부품(optical component)들로 이루어지는 광학계를 의미하고, 투사 광학계는 디스플레이 패널로부터 빔 프로젝터의 외부로 영상을 투사하는 투사 렌즈(projection lens)까지 배치되는 광부품들로 이루어지는 광학계를 의미한다. 광원에서 생성된 광(light)은 조명 광학계를 진행하여 디스플레이 패널로 입사하고, 디스플레이 패널에 구현되는 화면은 투사 광학계를 진행하여 최종적으로 투사 렌즈를 거처 빔 프로젝터의 외부로 투사된다.
대체로, 투사 광학계는 디스플레이 패널에 구현된 화면을 확대하여 스크린에 투사하되, 초점 조절을 통해 화면의 선명도를 조절하게 된다. 조명 광학계는 적색(red), 녹색(green), 청색(blue)의 광을 각각 디스플레이 패널로 입사하게 된다. 조명 광학계를 구성함에 있어, 최근에는 발광 다이오드 등을 이용하여 광원을 제공함으로써 빔 프로젝터의 색 재현력이 현저하게 개선되고 있으며, 레이저 다이오드를 광원으로 이용한 제품이 제안되기에 이르렀다. 미국 등록특허 제8,167,440호(2012. 05. 01. 등록)에는 조명 광학계의 광원으로 발광 다이오드와 레이저 다이오드를 조합한 구성이 개시되어 있다. 상기한 미국 등록특허에 개시된 조명 광학계는 청색 레이저 광을 출사하는 레이저 다이오드와 적색 광을 출사하는 발광 다이오드를 조합하여 광원으로 활용하며, 적색, 녹색, 청색 광 각각은 서로 다른 경로를 진행하여 디스플레이 패널에 이르게 된다.
최근에는 이러한 빔 프로젝터를 소형화하여 이동통신 단말기, 휴대용 컴퓨터, 멀티미디어 재생기, 소형 디지털 카메라 등의 휴대용 단말기에 탑재하기 위한 기술개발이 이루어지고 있다. 이를 통해, 다른 영상 기기와 연결하지 않더라도 빔 프로젝터가 탑재된 휴대용 단말기 자체로 저장된 자료나 동영상을 투사할 수 있게 되었다.
소형화된 빔 프로젝터를 구성함에 있어, 디스플레이 패널과 광학계의 소형화는 필수적으로 요구된다. 디스플레이 패널은 DMD(digital micro-mirror device)나 LCoS(liquid crystal on silicon)과 같은 소형 평판형 소자가 개발되어 빔 프로젝터에 적용되고 있다. 하지만, 조명 광학계의 경우, 앞서 살펴본 바와 같이, 발광 다이오드나 레이저 다이오드를 이용하여 색 재현력을 개선하고 있지만, 조명 광학계에서 광의 색상에 따라 서로 다른 경로를 진행하여 디스플레이 패널로 입사하게 된다. 따라서 각기 다른 광 경로에 렌즈와 반사경 등 다수의 광부품(optical component)이 배치되어 소형화에 장애가 되고 있다.
따라서 본 발명은 서로 다른 색상을 가지더라도 광 경로를 일치시킬 수 있는 빔 프로젝터용 조명 광학계를 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 광 경로들을 일치시켜 광부품을 공유함으로써, 소형화가 용이한 빔 프로젝터용 조명 광학계를 제공하고자 한다.
이에, 본 발명은, 레이저 광을 발생하는 광원; 상기 광원으로부터 출사된 광을 반사하거나 상기 광원으로부터 출사된 광의 파장을 변환하여 출사하는 적어도 하나의 형광물질층을 포함하는 색상 변환부; 및 상기 광원으로부터 출사된 광을 상기 색상 변환부로 입사시키는 이색성 반사경(dichroic mirror)을 구비하고, 상기 색상 변환부에 의해 반사되거나 출사된 서로 다른 파장의 광이 동일한 경로를 진행하여 디스플레이 패널로 제공되는 빔 프로젝터용 조명 광학계를 개시한다.
상기 광원은 청색(blue)의 레이저 광 또는 자외선 레이저 광을 발생하는 레이저 다이오드임이 바람직하다.
상기 색상 변환부는, 상기 색상 변환부로부터 출사되는 광의 광축 방향에 평행한 회전축을 중심으로 회전하는 반사판; 및 상기 광원으로부터 출사된 청색의 레이저 광을 반사하는 반사층(reflective diffuser)을 포함하고, 상기 형광물질층은 상기 광원으로부터 출사된 광에 의해 여기되어(excited) 녹색(green)의 광을 출사하는 녹색 형광물질층과, 적색(red)의 광을 출사하는 적색 형광물질층이 상기 반사판에 각각 형성되어 이루어짐이 바람직하다.
또한, 상기 형광물질층은 상기 광원으로부터 출사된 광에 의해 여기되어(excited) 황색(yellow)의 광을 출사하는 황색 형광물질층을 더 포함하여 이루어지고, 상기 반사층, 녹색 형광물질층, 적색 형광물질층, 황색 형광물질층은 상기 반사판의 일면에서 원주 방향을 따라 적어도 일부 구간에서 순차적으로 번갈아가며 형성될 수 있다.
상기 이색성 반사경은, 상기 이색성 반사경의 일면에 형성되어 청색의 레이저 광을 반사하는 제1 반사 영역; 상기 이색성 반사경의 일면에서 상기 제1 반사 영역의 둘레에 형성되어 청색의 레이저 광을 반사하는 제2 반사 영역; 및 상기 제1 반사 영역과 제2 반사 영역 사이에 형성되는 투과 영역을 포함하고, 상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 제1 또는 제2 반사 영역에서 반사되어 상기 색상 변환부로 입사하고, 상기 형광물질층에 의해 출사되는 녹색 및 적색의 광은 상기 제1, 제2 반사 영역 및 투과 영역을 투과하며, 상기 색상 변환부의 반사층에 의해 반사된 청색의 광은 상기 투과 영역을 투과하게 된다.
이때, 상기 투과 영역은 원형 또는 타원형의 띠(band) 형상임이 바람직하다.
상기 색상 변환부에 의해 반사 또는 출사되는 광은 상기 이색성 반사경으로부터 상기 색상 변환부로 입사되는 광의 진행 방향에 나란하면서 역방향으로 진행함이 바람직하다.
상기 조명 광학계는 상기 색상 변환부와 이색성 반사경 사이에 제공되는 집광 렌즈를 더 구비하고, 상기 집광 렌즈는 상기 이색성 반사경에 의해 반사된 광을 상기 색상 변환부로 입사시키고, 상기 색상 변환부에 의해 반사 또는 출사되는 광의 진행 방향을 상기 집광 렌즈의 광축 방향에 나란하게 정렬하여 상기 이색성 반사경으로 입사시킬 수 있다.
상기 반사층은 원뿔 또는 다각형 뿔 형상의 반사 돌기들의 배열로 이루어짐이 바람직하다.
또한, 본 발명은, 청색의 레이저 광을 발생하는 광원; 및 상기 광원으로부터 출사된 광의 파장을 변환하여 출사하는 적어도 하나의 형광물질층을 포함하는 색상 변환부를 구비하고,
상기 색상 변환부는, 상기 색상 변환부로부터 출사되는 광의 광축 방향에 평행한 회전축을 중심으로 회전하는 반사판; 및 상기 광원으로부터 출사된 청색의 레이저 광을 반사하는 반사층(reflective diffuser)을 포함하고, 상기 형광물질층은 상기 광원으로부터 출사된 광에 의해 여기되어(excited) 녹색(green)의 광을 출사하는 녹색 형광물질층과, 적색(red)의 광을 출사하는 적색 형광물질층이 상기 반사판에 각각 형성되어 이루어지는 빔 프로젝터용 조명 광학계를 개시한다.
상기 반사층에 의해 반사된 광과 상기 형광물질층에 의해 출사된 광은 동일한 경로를 진행하여 디스플레이 패널로 제공된다.
상기 조명 광학계는 상기 광원으로부터 출사된 광을 상기 색상 변환부로 입사시키는 반사경; 및 상기 반사경과 색상 변환부 사이에 배치되어 상기 색상 변환부로 입사하는 광을 집광하는 집광 렌즈를 더 구비하고, 상기 반사경에 의해 상기 집광 렌즈로 입사되는 광은 상기 집광 렌즈의 광축에 평행하게 진행함이 바람직하다.
이때, 상기 반사층에 의해 반사된 광과 상기 형광물질층에 의해 출사된 광은 상기 집광 렌즈를 투과하여 대체로 상기 집광 렌즈의 광축에 평행하게 진행하게 된다.
상기 반사층은 원뿔 또는 다각형 뿔 형상의 반사 돌기들의 배열로 이루어짐이 바람직하다.
또한, 상기 형광물질층은 상기 광원으로부터 출사된 광에 의해 여기되어(excited) 황색(yellow)의 광을 출사하는 황색 형광물질층을 더 포함하여 이루어지고, 상기 반사층, 녹색 형광물질층, 적색 형광물질층 및 황색 형광물질층은 상기 반사판의 일면에서 원주 방향을 따라 순차적으로 번갈아가며 형성됨이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 조명 광학계는 하나의 광원으로부터 출사된 광을 가공하여 적색, 녹색, 청색의 광을 각각 생성하되 동일한 광 경로를 통해 디스플레이 패널로 입사시킬 수 있으므로, 광 경로 상에 배치되는 렌즈와 반사경과 같은 광부품의 수를 줄일 수 있는 장점이 있다. 또한, 광부품의 수가 줄어드는 만큼 소형화가 용이하기 때문에, 빔 프로젝터의 소형화에 기여할 수 있으며, 나아가서는 휴대용 단말기 등에 빔 프로젝터를 탑재하기 용이한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 빔 프로젝터용 조명 광학계를 나타내는 구성도,
도 2는 도 1에 도시된 조명 광학계의 이색성 반사경을 나타내는 평면도,
도 3과 도 4는 도 2에 도시된 이색성 반사경의 반사 특성을 설명하기 위한 도면,
도 5는 도 1에 도시된 조명 광학계의 색상 변환부를 나타내는 평면도,
도 6은 도 5에 도시된 색상 변환부의 반사층의 반사 특성을 설명하기 위한 그래프,
도 7은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 빔 프로젝터용 조명 광학계를 나타내는 구성도,
도 8은 도 7에 도시된 조명 광학계의 작동을 설명하기 위한 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 빔 프로젝터용 조명 광학계(100)를 나타내는 구성도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 빔 프로젝터용 조명 광학계(100)는, 광원(101), 색상 변환부(103), 이색성 반사경(dichroic mirror)(102)을 구비하며, 상기 광원(101)으로부터 출사된 광은 상기 이색성 반사경(102)에 의해 상기 색상 변환부(103)로 입사하며, 상기 색상 변환부(103)에 의해 출사된 서로 다른 파장의 광이 동일한 경로로, 구체적으로는 상기 이색성 반사경(102)을 투과하여 디스플레이 패널(109)로 입사된다. 이때, 광의 파장에 따라 광의 색상이 결정되며, 따라서 상기에서 언급하는 "서로 다른 파장의 광"은 서로 다른 색상의 광을 의미한다.
상기 광원(101)으로는 레이저 다이오드, 구체적으로, 청색 레이저 광을 출사하는 레이저 다이오드를 사용함이 바람직하다. 실시 예에 따라서는 자외선 레이저 광을 출사하는 레이저 다이오드를 상기 광원(101)으로 사용할 수도 있다. 레이저 광은 파장이 일정하여 한가지 색상을 가지며, 진행 경로 상에서 지름의 변화가 적고 직진성이 우수하다. 따라서 레이저 다이오드를 광원으로 사용하여 빔 프로젝터용 조명 광학계를 구성함에 있어, 상기 광원(101)으로부터 출사된 레이저 광으로 하여금 확산판(113)을 투과하게 함으로써, 좁은 영역에 집중된 광출력을 분산하는 것이 바람직하다. 상기 색상 변환부(103)에는 형광물질층(135)이 형성되며, 상기 광원(101)으로부터 출사된 광에 의해 형광물질이 여기되어(excited) 광의 파장을 변환하여, 다시 말해서, 다른 색상의 광을 생성하여 출사하게 된다. 이때, 상기 광원(101)으로부터 출사된 빛이 상기 색상 변환부(103)로 입사함에 있어, 좁은 영역에 집중될 경우, 형광물질이 손상될 수 있으므로, 상기 확산판(113)을 이용하여 상기 광원(101)의 광출력을 더 넓은 면적에 분산시키는 것이다. 아울러, 상기 광원(101)으로부터 출사되는 레이저 광의 경로 조정 또는 빔 형상(beam shape) 조정을 위한 렌즈(111) 등이 레이저 광의 진행 경로(A1) 상에 배치될 수 있다.
상기 색상 변환부(103)는 형광물질층(135)을 포함함으로써, 상기 광원(101)으로부터 출사된 레이저 광을 가공하여 적색, 녹색, 청색의 광을 출사하게 된다. 여기서, 상기 광원(101)이 청색의 레이저 광을 출사한다면, 상기 색상 변환부(103)는 청색의 광을 반사하는 반사층을 구비할 수도 있다. 아울러, 상기 광원(101)이 자외선 레이저 광을 출사한다면, 자외선 레이저 광에 의해 여기되어 청색의 광을 출사하는 형광물질층이 상기 색상 변환부(103)에 포함되어야 할 것이다.
도 5를 참조하면, 상기 색상 변환부(103)는 레이저 광에 의해 여기되어 적색, 녹색, 청색의 광을 각각 출사하는 형광물질층(135)을 포함할 수 있다. 상기 형광물질층(135)은 적색 형광물질층(R)과 녹색 형광물질층(G), 청색 형광물질층(B)으로 구분될 수 있으며, 상기 적색, 녹색, 청색 형광물질층(R, G, B)은 상기 색상 변환부(103) 상에서 원주 방향을 따라 배열되는데, 적어도 일부 구간에서는 순차적으로 번갈아가며 배열된다. 이때, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 광원(101)이 청색의 레이저 광을 출사하는 레이저 다이오드라면, 상기 청색 형광물질층(B)은 반사층으로 대체될 수 있다. 상기 반사층은, 상기 청색 형광물질층(B)을 일부 확대하여 도시한 바와 같이, 원뿔 또는 다각형 뿔 형상의 반사 돌기(139)들의 배열로 이루어짐이 바람직하다. 이때, 상기 반사 돌기(139)들은 원뿔 또는 다각형 뿔 형상 외에도, 일정 곡률을 가지는 곡면 형상, 더 나아가서는 반구(semi-sphere) 형상을 가질 수도 있다.
한편, 상기 색상 변환부(103)에는 황색(yellow) 형광물질층(Y)이 더 제공될 수 있다. 상기 황색 형광물질층(Y)은 상기 색상 변환부(103)으로 입사되는 광에 의해 여기되어 황색의 광을 출사한다. 상기 황색 형광물질층(Y)이 더 제공된 색상 변환부는, 그렇지 않은 색상 변환부와 비교할 때 디스플레이 패널(109)에 더 밝은 조명을 제공하게 된다. 대체로, 청색, 적색, 녹색의 조명을 제공하여 시각으으로 인지할 수 있는 거의 모든 색상을 구현할 수 있으며 또한, 상기 황색 형광물질층(Y)은 조명의 밝기를 향상시키기 위한 것이다. 따라서 상기 황색 형광물질층(Y)이 반드시 형성될 필요는 없다.
상기와 같은 형광물질층(135)은 원형의 반사판(133) 상에 형성되며, 상기 반사판(133)은 상기 색상 변환부(103)로부터 출사되는 광의 광축 방향, 더 구체적으로는 하기에서 설명될 집광 렌즈(131)의 광축 방향(O)에 평행한 회전축(R)을 중심으로 회전하게 된다. 상기 색상 변환부(103) 상에서 상기 광원(101)으로부터 출사된 광은 고정된 위치로 입사하며, 상기 반사판(133)이 회전함에 따라, 일정한 시구간(time interval) 동안 어느 하나의 색상을 생성하는 형광물질층이 여기된다. 따라서 상기 광원(101)이 레이저 광을 출사하는 상태에서 상기 반사판(133)이 회전하면, 상기 색상 변환부(103)는 적색, 녹색, 청색의 광을 번갈아가며 출사하게 된다.
이때, 상기 광원(101)이 청색의 레이저 광을 출사하고, 상기 청색의 형광물질층(B)이 반사층으로 대체된 경우, 상기 색상 변환부(103)는 실질적으로 청색의 광을 출사하는 것이 아니라, 청색의 레이저 광을 반사하게 될 것이다. 앞서 언급한 바와 같이, 상기 반사층은 원뿔, 다각형 뿔 또는 곡면 형상을 가진 반사 돌기(139)들의 배열로 이루어지므로, 상기 반사층에 의해 반사된 광은, 최초 상기 광원(101)으로부터 출사된 레이저 광과 다르게 일정 영역으로 확산된다.
도 6은 상기 반사층이 반사 돌기(139)들이 원뿔 형태인 경우, 상기 반사층에 의해 반사된 광의 광출력을 측정한 그래프이다. 도 6에 도시된 그래프에서, 0도 각도는 실질적으로 상기 반사층으로 입사되는 청색 레이저 광의 광축을 의미하며, 상기 반사층으로 입사되는 레이저 광의 광축을 중심으로 하여 180도 각도 범위에서 광출력의 상대적인 값을 측정하였다. 상기 반사층의 구조에 의해 반사된 청색의 광출력은, 입사광의 광축에 대하여 20도 각도 지점과 50도 각도 지점 사이, 더 구체적으로는 30도 각도 지점과 40도 각도 지점 사이에 집중되는 것을 알 수 있다. 따라서 상기 반사층으로부터 일정 거리에서 입사광의 광축에 수직인 평면에서, 상기 반사층에 의해 반사된 청색의 광은 원형의 띠 형태를 가지게 될 것이다. 이러한 청색의 광은 디스플레이 패널까지 진행하는 동안 또 다른 광부품, 예를 들면, 집광 렌즈, 빔 형상(beam shape) 조정을 위한 렌즈 등을 통과하는 과정에서 디스플레이 패널에 적합한 형태로 가공된다.
상기 이색성 반사경(102)은 상기 광원(101)으로부터 출사된 레이저 광의 경로(A1)를 전환하여 상기 색상 변환부(103)로 입사시키게 된다. 상기 이색성 반사경(102)의 일면에는 청색의 레이저 광 또는 자외선 레이저 광을 반사하는 반사 영역(121, 123)이 형성된다. 또한, 상기 이색성 반사경(102)이 상기 색상 변환부(103)로부터 출사된 광이 진행하는 경로(A2) 상에 위치된다면, 상기 색상 변환부(103)로부터 출사된 청색의 광이 투과할 수 있는 투과 영역(125)을 구비함이 바람직하다.
도 2를 참조하면, 상기 이색성 반사경(102)의 반사 영역은, 상기 이색성 반사경(102)의 일면에 형성된 제1의 반사 영역(121)과, 상기 제1 반사 영역(121)의 둘레에 형성되는 제2의 반사 영역(123)을 구비하며, 상기 제1, 제2 반사 영역(121, 123) 사이에 상기 투과 영역(125)이 형성된다. 상기 투과 영역(125)은 대체로 원형의 띠 형상이 바람직하다. 다만, 상기 이색성 반사경(102)은, 상기 광원(101)의 광축과, 상기 색상 변환부(103)로부터 출사된 광의 광축에 대하여 경사지게 위치하므로, 상기 투과 영역(125)은 타원 형상일 수 있다.
상기 이색성 반사경(102)은 상기 광원(101)으로부터 출사된 청색의 레이저 광은 반사하면서, 상기 색상 변환부(103)에 의해 반사된 청색의 광은 투과시켜야 한다. 상기 광원(101)이 청색의 레이저 광을 출사하고, 상기 색상 변환부(103)에는 청색의 레이저 광을 반사하는 반사층이 형성된 경우, 상기 반사층으로부터 일정 거리에서 입사광의 광축에 수직인 평면에서, 상기 반사층에 의해 반사된 청색의 광은 원형의 띠 형태를 가지게 됨을 앞서 언급한 바 있다. 따라서 도 2에 도시된 바와 같은 형태의 반사 영역들(121, 123)과 투과 영역(125)을 가지는 이색성 반사경(102)은, 상기 광원(101)이 청색의 레이저 광을 출사하고, 상기 색상 변환부(103)에는 청색의 레이저 광을 반사하는 반사층이 형성된 경우에 특히 적합한 구조이다.
한편, 상기 형광물질층(135)이 여기되어 적색과 녹색의 광을 출사하는 과정에서, 일부 청색의 광이 상기 색상 변환부(103)에 의해 반사되어 적색과 녹색의 색 재현력이 저하될 수 있다. 하지만, 상기 제1, 제2 반사 영역(121, 123)은 이러한 청색의 광을 반사하고, 적색과 녹색의 광만 투과시키므로 적색과 녹색에 대한 색 재현력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
도 3과 도 4는 도 2에 도시된 이색성 반사경(102)의 반사 특성을 설명하기 위한 도면으로서, 특히, 도 3은 상기 제1, 제2 반사 영역(121, 123)이 청색의 광(Blue)에 대한 반사율이 100%에 근접하며, 적색, 녹색의 광(Red, Green)에 대해서는 100%에 근접하는 투과율을 가짐을 알 수 있다. 아울러, 상기 광원(101)이 자외선 레이저 광을 출력하는 경우, 상기 이색성 반사경(102)의 일면 전체를 자외선 반사 영역으로 형성함이 바람직하다. 이 경우, 상기 이색성 반사경(102)의 반사 영역은 도 4에 도시된 바와 같이, 자외선(UV)에 대해서는 100%에 근접하는 반사율 특성을 가지면서, 적색, 녹색, 청색(Red, Green, Blue)의 광에 대해서는 100%에 근접하는 투과율 특성을 가져야 함은 자명하다.
상기 광원(101)이 청색의 레이저 광을 출사한다면, 청색의 레이저 광은 상기 제1 또는 제2 반사 영역(121, 123)에 의해 반사되어 상기 색상 변환부(103)로 입사된다. 또한, 상기 색상 변환부(103)로부터 출사 또는 반사된 빛은 실질적으로 상기 이색성 반사경(102)을 투과하여 디스플레이 패널(109)로 입사하게 될 것이다. 이때, 상기 색상 변환부(103)로부터 출사된 적색이나 녹색의 광은 상기 투과 영역(125)뿐만 아니라 상기 제1, 제2 반사 영역(121, 123)을 투과하여 진행한다. 상기 색상 변환부(103)로부터 출사 또는 반사된 청색의 광은 상기 투과 영역(125)을 투과하여 진행하게 된다. 상기 광원(101)이 자외선 레이저 광을 출사한다면, 상기 색상 변환부(103)에서 생성, 출사되는 적색, 녹색, 청색의 광은 상기 이색성 반사경(102)의 반사 영역을 투과하여 진행하게 된다.
한편, 상기 이색성 반사경(102)과 색상 변환부(103) 사이에는 집광 렌즈(131) 등 광부품들을 배치하여, 상기 색상 변환부(103)로 입사하거나 상기 색상 변환부(103)로부터 출사되는 광의 경로와 빔 형상을 조절할 수 있다. 여기서, 상기 집광 렌즈(131)는, 상기 이색성 반사경(102)에 의해 반사되어 상기 색상 변환부(103)로 입사하는 광을 일정 위치로 집광하게 되며, 상기 색상 변환부(103)로부터 출사되는 광의 진행 경로(A2)를 대체로 상기 광축(O)에 평행하게 조절하게 된다. 즉, 상기 색상 변환부(103)로부터 출사된 광은 실질적으로 상기 집광 렌즈(131)의 광축(O)에 평행한 방향으로 진행하여 디스플레이 패널(109)로 입사하게 된다.
상기와 같이, 색상 변환부(102)를 통해 적색, 녹색, 청색의 광을 각각 생성, 출사하되, 서로 다른 색상의 광들이 동일한 경로를 통해 디스플레이 패널(109)로 입사함으로써, 광원(101)과 디스플레이 패널(109) 사이에 배치되는 광부품들의 수를 줄일 수 있게 된다. 따라서 빔 프로젝터의 광학계, 특히, 조명 광학계의 구조가 단순화되면서, 빔 프로젝터를 소형화할 수 있으며, 나아가서는 이동통신 단말기 등, 휴대용 단말기에 빔 프로젝터를 탑재하기 용이해지는 것이다.
도 7과 도 8은 본 발명의 바람직한 다른 실시 예에 따른 빔 프로젝터용 조명 광학계(200)를 도시하고 있다. 본 실시 예에 따른 조명 광학계(200)는 전반사 특성을 가지는 반사경(202)으로 선행 실시 예의 이색성 반사경을 대체한 점에서 선행 실시 예와 차이가 있다. 따라서 본 실시 예를 구체적으로 설명함에 있어, 선행 실시 예를 통해 용이하게 이해할 수 있는 구성에 대해서는, 도면의 참조번호를 동일하게 부여하거나 생략하고, 그 상세한 설명 또한 생략될 수 있음에 유의한다.
상기 조명 광학계(200)는 복수의 광원(101)이 배치된 구성을 예시하고 있다. 상기 광원(101)의 수는 빔 프로젝터에서 요구되는 사양과 광원 자체의 출력 등을 고려하여 다양하게 설정할 수 있으며, 빔 프로젝터에서 요구되는 사양을 만족할 수 있다면 하나의 광원만 사용할 수도 있음은 자명하다.
상기 광원(101)은 청색의 레이저 광을 출사하는 레이저 다이오드 또는 자외선 레이저 광을 출사하는 레이저 다이오드로 구성할 수 있다. 청색의 레이저 광을 출사하는 레이저 다이오드가 상기 광원(101)으로 활용되는 경우, 상기 색상 변환부(103)의 형광물질층(135)은 청색의 레이저 광에 의해 여기되어 적색, 녹색, 청색의 광을 각각 출사하는 3종의 층을 원주 방향을 따라 배열하여 형성할 수 있다. 이때, 선행 실시 예와 마찬가지로, 청색의 광을 출사하는 형광물질층(B)은 원뿔, 다각형 뿔 또는 곡면 형상의 반사 돌기(139)들로 이루어지는 반사층으로 대체될 수 있다. 자외선 레이저 광을 출사하는 레이저 다이오드가 상기 광원(101)으로 활용되는 경우, 상기 색상 변환부(103)의 형광물질층(135)은 자외선 레이저 광에 의해 여기되어 적색, 녹색, 청색의 광을 각각 출사하는 3종의 층을 원주 방향을 따라 배열하여 형성한다.
상기 광원(101)으로부터 출사되는 광(LO), 특히, 레이저 광인 경우, 상기 광원(101)과 반사경(202) 사이에는 확산판(113)과 빔 형상(beam shape) 조정을 위한 렌즈(213)가 배치됨이 바람직하다. 상기 확산판(113)은, 앞서 언급한 바와 같이, 상기 광원(101)의 광출력을 더 넓은 범위로 확산시켜, 상기 색상 변환부(103)의 형광물질층(135) 등이 손상되는 것을 방지하기 위함이다. 이때, 상기 확산판(113)에 의해 확산된 광은 상기 렌즈(213)를 투과한 후, 상기 반사경(202)에 의해 반사된다. 이때, 상기 반사경(202)은 상기 색상 변환부(103)로부터 출사된 광의 진행 경로에서 벗어나게 설치됨이 바람직하다.
선행 실시 예에서는 이색성 반사경을 배치함으로써, 광원으로부터 출사된 레이저 광을 반사하여 집광 렌즈의 광축에 일치하는 경로를 따라 색상 변환부로 입사하게 구성하는 것이 가능하다. 즉, 선행 실시 예에서, 색상 변환부로 입사되는 광은 색상 변환부로부터 출사되어 상기 집광 렌즈를 투과한 광과 동일한 경로로 진행하지만 그 방향은 색상 변환부로부터 출사되어 상기 집광 렌즈를 투과한 광의 역방향으로 진행하는 것이다. 반면에, 본 실시 예에서와 같이 전반사 특성을 가지는 반사경(202)을 사용하는 경우, 상기 색상 변환부(103)로부터 출사되는 광 또한 상기 반사경(202)에 의해 반사될 것이다. 따라서 본 실시 예에 따른 조명 광학계(200)는, 상기 반사경(202)에 의해 반사되어 상기 집광 렌즈(131)로 입사하는 광이 집광 렌즈(131)의 광축(O)에서 벗어나, 상기 집광 렌즈(131)의 광축(O)과 평행한 방향을 따라 진행하는 것이다. 즉, 상기 반사경(202)은 상기 색상 변환부(103)로부터 출사되는 광(PI)의 진행 경로에서 벗어난 위치에 배치되는 것이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 본 실시 예에 따른 조명 광학계(200)는, 상기 광원(101)들로부터 각각 출사된 광(LO)은 대체로 서로 평행한 상태로 진행하여 상기 반사경(202)에 의해 반사된다. 상기 반사경(202)에 의해 반사된 광은 상기 집광 렌즈(131)의 광축(O)에 평행하게 진행하여 상기 집광 렌즈(131)로 입사되며, 상기 집광 렌즈(131)는 입사된 광의 경로를 전환하여 상기 색상 변환부(103) 상의 특정 위치로 집광하게 된다. 상기 색상 변환부(131)의 형광물질층(135)은 입사된 광에 의해 여기되어 시구간에 따라 적색, 녹색, 청색의 빛을 생성, 출사하게 된다. 상기 집광 렌즈(131)는 상기 색상 변환부(103)로부터 출사된 광의 경로를 전환하여 대체로 상기 광축(O)에 평행한 방향으로 진행시키게 된다. 상기 색상 변환부(103)로부터 출사된 광, 또는 상기 색상 변환부(103)의 반사층에 의해 반사된 광은 상기 집광 렌즈(131)에 의해 진행 경로가 전환되어 디스플레이 패널(109)로 입사하게 된다.
앞서 언급한 바와 같이, 상기 색상 변환부(103)의 반사판(133)이 회전하므로, 광이 입사되는 지점을 적색의 형광물질층(R)이 통과하는 시구간동안, 상기 색상 변환부(103)는 적색의 광을 출사하게 된다. 즉, 광이 입사되는 지점을 통과하는 형광물질층의 특성에 따라 일정 시구간동안 해당 형광물질층에 의해 출사되는 색상의 광이 디스플레이 패널(109)로 제공되는 것이다.
선행 실시 예와 마찬가지로, 본 실시 예에 따른 조명 광학계(200)는 색상 변환부(103)에 의해 출사되는 적색, 녹색, 청색의 광이 동일한 경로를 통해 디스플레이 패널(109)로 입사되므로, 종래의 조명 광학계와 비교할 때 광부품의 수를 줄일 수 있으므로, 소형화가 용이하다.
이상, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해서 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 자명하다 할 것이다.
100, 200: 조명 광학계 101: 광원
102: 이색성 반사경 103: 색상 변환부
109: 디스플레이 패널

Claims (15)

  1. 빔 프로젝터용 조명 광학계에 있어서,
    레이저 광을 발생하는 광원;
    상기 광원으로부터 출사된 광을 반사하거나 상기 광원으로부터 출사된 광의 파장을 변환하여 출사하는 적어도 하나의 형광물질층을 포함하는 색상 변환부; 및
    상기 광원으로부터 출사된 광을 상기 색상 변환부로 입사시키는 이색성 반사경(dichroic mirror)을 구비하고,
    상기 색상 변환부에 의해 반사되거나 출사된 서로 다른 파장의 광이 동일한 경로를 진행하여 디스플레이 패널로 입사함을 특징으로 하는 조명 광학계.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 광원은 청색(blue)의 레이저 광 또는 자외선 레이저 광을 발생하는 레이저 다이오드임을 특징으로 하는 조명 광학계.
  3. 제2 항에 있어서, 상기 색상 변환부는,
    상기 색상 변환부로부터 출사되는 광의 광축 방향에 평행한 회전축을 중심으로 회전하는 반사판; 및
    상기 광원으로부터 출사된 청색의 레이저 광을 반사하는 반사층(reflective diffuser)을 포함하고,
    상기 형광물질층은 상기 광원으로부터 출사된 광에 의해 여기되어(excited) 녹색(green)의 광을 출사하는 녹색 형광물질층과, 적색(red)의 광을 출사하는 적색 형광물질층이 상기 반사판에 각각 형성되어 이루어짐을 특징으로 하는 조명 광학계.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 형광물질층은 상기 광원으로부터 출사된 광에 의해 여기되어(excited) 황색(yellow)의 광을 출사하는 황색 형광물질층을 더 포함하여 이루어지고,
    상기 반사층, 녹색 형광물질층, 적색 형광물질층 및 황색 형광물질층은 상기 반사판의 일면에서 원주 방향을 따라 적어도 일부 구간에서 순차적으로 번갈아가며 형성됨을 특징으로 하는 조명 광학계.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 이색성 반사경은,
    상기 이색성 반사경의 일면에 형성되어 청색의 레이저 광을 반사하는 제1 반사 영역;
    상기 이색성 반사경의 일면에서 상기 제1 반사 영역의 둘레에 형성되어 청색의 레이저 광을 반사하는 제2 반사 영역; 및
    상기 제1 반사 영역과 제2 반사 영역 사이에 형성되는 투과 영역을 포함하고,
    상기 광원으로부터 출사된 광이 상기 제1 또는 제2 반사 영역에서 반사되어 상기 색상 변환부로 입사하고,
    상기 형광물질층에 의해 출사되는 녹색 및 적색의 광은 상기 제1, 제2 반사 영역 및 투과 영역을 투과하고, 상기 색상 변환부의 반사층에 의해 반사된 청색의 광은 상기 투과 영역을 투과함을 특징으로 하는 조명 광학계.
  6. 제5 항에 있어서, 상기 투과 영역은 원형 또는 타원형의 띠(band) 형상임을 특징으로 하는 조명 광학계.
  7. 제3 항에 있어서, 상기 색상 변환부에 의해 반사 또는 출사되는 광은 상기 이색성 반사경으로부터 상기 색상 변환부로 입사되는 광의 진행 방향에 나란하면서 역방향으로 진행함을 특징으로 하는 조명 광학계.
  8. 제3 항에 있어서,
    상기 색상 변환부와 이색성 반사경 사이에 제공되는 집광 렌즈를 더 구비하고,
    상기 집광 렌즈는 상기 이색성 반사경에 의해 반사된 광을 상기 색상 변환부로 입사시키고, 상기 색상 변환부에 의해 반사 또는 출사되는 광의 진행 방향을 상기 집광 렌즈의 광축 방향에 나란하게 정렬하여 상기 이색성 반사경으로 입사시킴을 특징으로 하는 조명 광학계.
  9. 제3 항에 있어서, 상기 반사층은 원뿔 또는 다각형 뿔 형상의 반사 돌기들의 배열로 이루어짐을 특징으로 하는 조명 광학계.
  10. 빔 프로젝터용 조명 광학계에 있어서,
    청색의 레이저 광을 발생하는 광원; 및
    상기 광원으로부터 출사된 광의 파장을 변환하여 출사하는 적어도 하나의 형광물질층을 포함하는 색상 변환부를 구비하고,
    상기 색상 변환부는,
    상기 색상 변환부로부터 출사되는 광의 광축 방향에 평행한 회전축을 중심으로 회전하는 반사판; 및
    상기 광원으로부터 출사된 청색의 레이저 광을 반사하는 반사층(reflective diffuser)을 포함하고,
    상기 형광물질층은 상기 광원으로부터 출사된 광에 의해 여기되어(excited) 녹색(green)의 광을 출사하는 녹색 형광물질층과, 적색(red)의 광을 출사하는 적색 형광물질층이 상기 반사판에 각각 형성되어 이루어짐을 특징으로 하는 조명 광학계.
  11. 제10 항에 있어서, 상기 반사층에 의해 반사된 광과 상기 형광물질층에 의해 출사된 광은 동일한 경로를 진행하여 디스플레이 패널로 입사함을 특징으로 하는 조명 광학계.
  12. 제11 항에 있어서,
    상기 광원으로부터 출사된 광을 상기 색상 변환부로 입사시키는 반사경; 및
    상기 반사경과 색상 변환부 사이에 배치되어 상기 색상 변환부로 입사하는 광을 집광하는 집광 렌즈를 더 구비하고,
    상기 반사경에 의해 상기 집광 렌즈로 입사되는 광은 상기 집광 렌즈의 광축에 평행하게 진행함을 특징으로 하는 조명 광학계;
  13. 제12 항에 있어서, 상기 반사층에 의해 반사된 광과 상기 형광물질층에 의해 출사된 광은 상기 집광 렌즈를 투과하여 상기 집광 렌즈의 광축에 평행하게 진행함을 특징으로 하는 조명 광학계.
  14. 제10 항에 있어서, 상기 반사층은 원뿔 또는 다각형 뿔 형상의 반사 돌기들의 배열로 이루어짐을 특징으로 하는 조명 광학계.
  15. 제10 항에 있어서, 상기 형광물질층은 상기 광원으로부터 출사된 광에 의해 여기되어(excited) 황색(yellow)의 광을 출사하는 황색 형광물질층을 더 포함하여 이루어지고,
    상기 반사층, 녹색 형광물질층, 적색 형광물질층 및 황색 형광물질층은 상기 반사판의 일면에서 원주 방향을 따라 순차적으로 번갈아가며 형성됨을 특징으로 하는 조명 광학계.
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