KR20150062355A - 레이저 광원을 이용하는 프로젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저 광원을 이용하는 프로젝터에 관한 것으로서, 본 발명에서는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터에 있어서, R, G, B 광원 중 적어도 하나는 레이저로 구성되는 광원과, 광원으로부터의 출광되는 광을 이용하여 영상 이미지를 생성하는 광모듈레이터와, 광원과 상기 광모듈레이터 사이의 광 경로 상에 위치되며, 상기 광원으로부터 순차적으로 입사되는 광의 이동 경로를 변경시키면서 임의의 출사각으로 순차적으로 굴절시키는 광경로변경장치와, 광원과 광경로변경장치 사이에 광원에서 출사되는 광빔을 확대하는 광빔확대장치 및 광모듈레이터로부터 생성된 영상 이미지를 확대 투사하는 투사렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하며, 광경로변경장치는 일정한 주파수에 따라 상하로 이동하는 반사판으로 형성되며, 반사판에는 0.2° 내지 5°를 갖는 복수 개 미세한 경사면이 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터에 의해서 달성 가능하다.

Description

레이저 광원을 이용하는 프로젝터{PROJECTOR WITH LASER LIGHTING SOURCE}

본 발명은 레이저 광원을 이용하는 프로젝터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레이저 광원으로 만들어지는 영상 이미지에 나타나는 스펙클 특성을 감소시키기 위하여 광경로차확대장치, 광경로변경장치 및/또는 디스펙클러를 구비하는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터에 관한 것이다.

손바닥 크기보다 작은 휴대용 소형 프로젝터를 개발하거나 또는 노트북 등에 임베디드로 들어갈 정도 크기의 프로젝터를 상용화하기 위해서는 크기가 작고, 저 소비 전력의 프로젝터를 개발하여야 한다. 크기도 작고 저전력의 프로젝터를 달성하기 위해서는 소비 전력 대비 우수하며 작은 크기의 광원을 사용하여야 한다. 이러한 저전력프로젝터에 가장 적합한 광원으로는 레이저 광원 또는 전계발광소자(LED)를 들 수 있다.

레이저 광원과 LED는 적은 전력에 높은 휘도의 광을 방출하는 효율적인 광원으로 알려져 있다. 하지만 양 소자는 각각 단점을 가지고 있다. LED는 높은 에땅듀의 광원으로서 레이저 보다 광효율이 못하다는 단점이 있다. 레이저 광원은 LED보다 높은 광효율을 보이지만 스펙클이라는 레이저 특유의 간섭 패턴이 나타나는 단점을 지니고 있다. 따라서 레이저광의 스펙클 현상을 감소시킬 수 있다면 레이저 광원만큼 마이크로 프로젝터에 적합한 소형 광원이 없다.

도 1은 레이저 광원을 사용하며 반사형 광모듈레이터로 구현된 종래 레이저 광원을 이용하는 프로젝터의 구조를 보여주고 있다. 종래 레이저 광원을 이용하는 프로젝터는 R광원 (10R), G광원(10G), 및 B광원(10B)으로 구성되는 레이저 광원과, 50R, 50G, 및 50B로 구성되는 다이크로익 미러, 반사경(51, 53), 디퓨저(20), 빔쉐이퍼(30), 필드렌즈(40), 광모듈레이터(60), 투사렌즈(70), 및 편광빔스플리터(80)로 구성된다.

레이저 광원은 R/G/B 광을 순차적으로 조사하는 것이 바람직하다. 레이저 R/G/B 광원(10R, 10G, 10B)을 순차적으로 조사한다는 것은 하나의 프레임을 조사할 전체 시간을 T라 할 때, T/3 시간 동안에는 R 광원을 조사하고, 연이은 T/3 시간 동안에는 G 광원을 조사하고, G 광원 조사 시간에 연이은 T/3 시간 동안에는 B 광원을 조사하는 것을 의미하는 것이다.

마이크로 프로젝터용 광원은 크기도 작으면서도 광출력이 높은 광원이어야 하기 때문에 레이저 광원이나 전계발광소자(LED) 광원이 적당하다. 세 개의 광원 (10R, 10G, 10B) 중에 적어도 하나의 레이저 광원이 포함되어야 하며, 바람직하게는 세 개 모두 레이저 광원을 사용하거나 또는 필요에 따라서 레이저와 LED를 혼합한 하이브리드 타입으로 구성한다. 상기의 세 광원으로부터 발광되는 광은 각각의 다이크로익 미러 50R, 50G, 50B에 의해 반사 또는 투과되어 디퓨저(20)에 입사된다. 다이크로익 미러 50G는 G광원(10G에서 조사되는 녹색 레이저 광)은 반사시키고 나머지 광은 투과시키는 기능을 하며, 다이크로익 미러 50G는 가시광선 영역을 모두 반사하는 일반 미러를 사용하여도 무방하다. 다이크로익 미러 50R은 R광원(10R에서 조사되는 붉은 색 레이저 광)은 반사사키고, 나머지 파장 영역의 광은 투과시키는 기능을 하며, 다이크로익 미러 50B는 B광원(10B에서 조사되는 청색 레이저 광)은 반사시키고 나머지 파장영역의 광은 투과시키는 기능을 하는 미러이다.

레이저 광원(10R, 10G, 10B)으로부터 출사된 레이저 광은 반사경(51, 53)에 의해 반사된 후 디퓨저(20)에 입사된다. 디퓨저는 광축에 수직하게 진동하고 있어서 디퓨저를 통과하면서 광의 임의성(Randomness)이 증가된다. 이러한 디퓨저(Diffuser)는 레이저광 특유의 스펙클(Speckle)을 제거하기 위한 장치로서 레이저광의 코히어런스(Coherence) 특성을 감소시켜서 스펙클을 감소시킨다.

디퓨저(20)를 통과한 광은 빔 쉐이퍼(Beam Shaper, 30)에 의해 빔 형상이 변형된다. 빔 형상을 변형시키는 이유는 광모듈레이터(60)의 입사면 형상에 적합하게끔 입사되는 빔 모양을 성형하여 광 효율을 좋게 하기 위함이다.

빔쉐이퍼(30)의 대표적인 예로는 플라이아이 렌즈를 들 수 있다. 플라이아이 렌즈는 다수 개의 소형 렌즈체로 구현된다. 플라이아이 렌즈에 구현되는 소형 렌즈체는 여러 가지 형상을 가질 수 있다. 예를 들어 사각볼록렌즈 형상 육각볼록렌즈 형상 및 원형 등으로 구현이 가능하나, 바람직하게는 광모듈레이터의 형상(보다 정확한 표현으로는 광모듈레이터의 유효 화면 형상)과 동일한 형상으로 구비되도록 하는 것이 바람직하다. 예를 들어 광모듈레이터의 유효 화면 형상이 사각 형상일 경우 소형 렌즈체의 형상도 사각 형상으로 구비되도록 함으로써 광 손실을 최소화할 수 있다.

도 1의 실시예 에서는 빔쉐이퍼(30)로 양 면에 소형 렌즈체가 구성되어 있는 양면형 플라이아이렌즈를 사용하였으나 단면형 플라이아이 렌즈 두 매를 사용하여도 무방하며, 이러한 양면 혹은 두 매에 각각 형성된 다수의 소렌즈체들은 서로 1대 1로 대응되도록 형성한다.

필드렌즈(40)는 빔쉐이퍼(30)에 의해 성형된 광을 광모듈레이터(60)로 집속시키는 렌즈로서, 통상 1~3매로 구성하고 이들 렌즈와 빔쉐이퍼(30)와의 거리를 조절함으로써 집속을 정확하게 달성할 수 있다.

광모듈레이터(60)는 입사된 광을 선택적으로 투과, 차단하거나 또는 광경로를 변경시켜 영상 이미지를 형성하는 소자를 의미한다. 광모듈레이터(60)의 대표적인 예로는 DMD (Digital Micromirror Device), 액정디스플레이소자(LCD), LCOS 등이 있다. DMD는 필드 시퀀셜을 이용한 구동 방법으로 화소의 수만 큼 매트릭스 형태로 배열된 디지털 거울(DIGITAL MIRROR)를 이용하여 DLP프로젝터에 사용되는 소자이다. DLP는 광원으로부터 조사된 광을 디지털 거울에 의한 광 경로를 조절하여 스크린으로 반사시킴으로써 계조 및 이미지를 구현하는 프로젝터이다. 액정디스플레이소자(LCD)는 액정을 선택적으로 온/오프하여 이미지를 형성하는 소자이다. 액정 디스플레이 소자를 이용하는 프로젝터로는 직시형과 투사형 및 반사형이 있다. 직시형 프로젝터는 액정디스플레이 소자 뒤의 백라이트로 부터의 광이 액정 패널을 통과하면서 생성된 이미지를 직접적으로 관찰하는 방식이며, 투사형 프로젝터는 액정디스플레이 소자를 통과하면서 생성된 이미지를 투사렌즈를 이용하여 확대한 뒤 스크린에 투사하여 스크린에서 반사되는 이미지를 관찰하는 방식이다. 반사형은 투사형과 거의 같은 구조이지만 하부 기판 상에 반사막을 형성하여서 반사되는 광을 스크린에 확대 투사하는 방식이다. LCoS(Liquid Crystal on Sylicon)는 반사형 액정 디스플레이의 일종으로 종래 액정 디스플리이 소자의 양면 기판 중에서 하부 기판을 투명한 유리 대신에 실리콘 기판을 사용하여 반사형으로 동작시키는 광학소자이다.

도 1의 실시예는 반사형 광학계로서 편광빔스플리터(80)는 광모듈레이터(60)에서 생성된 이미지를 투사렌즈(70)로 전달하는 역할을 한다. 편광빔스플리터(80)는 유리 재질의 육면체 안에 편광분리 막이 대각선으로 형성되어 있는 것으로서 반사형 광학엔진에는 필수적인 광학소자이다.

편광빔스플리터(80)는 입사되는 광을 편광분리막을 이용하여 S편광은 통과시키고 P편광은 투사렌즈 반대 방향으로 반사시키는 광학 소자이다. 또한 편광빔스플리터는 필요에 따라 P편광은 통과시키고 S편광은 반시시키도록 구성될 수 있다. 그러나 본원 발명에서는 편의상 S편광은 통과시키고 P편광은 반사시키는 구조로 설명을 진행한다. 따라서 레이저 광원(10)에서 출사된 광은 광로상의 어느 한 지점에서 선평광 상태로 전환(Conversion) 해주어야 광효율을 유지할 수 있다.

이렇게 평광빔스플리터(80)의 편광분리막을 통과한 S편광은 반사형 광모듈레이터(60)를 통하여 이미지가 형성되는 과정에서 P편광으로 전환되고, P편광으로 전환된 이미지 광은 다시 한번 편광빔스플리터(80) 안으로 입사되고, 편광분리막과 만나게 된다. 이번에는 이미지 광이 모두 P편광이므로 편광분리막에 모두 반사되어서 투사렌즈(70)로 입사하게 된다. 투사렌즈(70)는 다수 개의 렌즈를 이용하여 형성되는 것으로서, 광모듈레이터(60)에 의해 형성된 이미지를 스크린(미도시)에 확대 투사한다. 도 1에 도시된 종래 레이저 광원을 이용하는 프로젝터는 광효율이 좋고 색 영역이 넓은 장점이 있으나 확대된 투사 영상에 스펙클이라는 간섭 무늬가 발생되는 단점을 갖고 있어 고품질의 프로젝터에는 사용할 수 없는 실상이었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 목적은 스펙클을 없앤 영상 이미지를 투사할 수 있는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 목적은 스펙클을 없앨 경우 발생될 수 있는 격자 무늬 패턴을 제거할 수 있는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터를 제공하는 것이다.

본 발명의 상기 목적은 레이저 광원을 이용하는 프로젝터에 있어서, 레이저 광원을 이용하는 프로젝터에 있어서, R, G, B 광원 중 적어도 하나는 레이저로 구성되는 광원과, 광원으로부터의 출광되는 광을 이용하여 영상 이미지를 생성하는 광모듈레이터와, 광원과 광모듈레이터 사이의 광 경로 상에 위치되며, 광원으로부터 순차적으로 입사되는 광의 이동 경로를 변경시키면서 임의의 출사각으로 순차적으로 굴절시키는 광경로변경장치와, 광원과 광경로변경장치 사이에 광원에서 출사되는 광빔을 확대하는 광빔확대장치 및 광모듈레이터로부터 생성된 영상 이미지를 확대 투사하는 투사렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하며, 광경로변경장치는 일정한 주파수에 따라 상하로 이동하는 반사판으로 형성되며, 반사판에는 0.2° 내지 5°를 갖는 복수 개 미세한 경사면이 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터에 의해서 달성 가능하다.

본 발명에 따른 레이저 광원을 이용하는 프로젝터는 광경로변경장치를 이용하여 시간적 간섭을 없애고, 광경로차 확대장치를 이용하여 공간적 간섭을 제거함으로써 스펙클이 없는 깨끗한 영상 이미지를 제공할 수 있게 되었다.

또한, 본 발명에 따른 레이저 광원을 이용하는 프로젝터는 광경로변경장치를 이용하여 시간적 간섭을 없앨 경우 발생할 수 있는 격자 무늬 패턴을 플라이아이 렌즈를 추가하여 제거함으로써 스펙클과 격자 무늬 패턴이 제거된 깨끗한 영상 이미지를 제공할 수 있게 되었다.

도 1은 레이저 광원을 사용하며 반사형 광모듈레이터로 구현된 종래 레이저 광원을 이용하는 프로젝터의 구조.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 광경로변경장치.
도 3은 도 2의 광경로변경장치를 채용한 본 발명에 따른 일 실시예의 레이저 광원을 이용하는 프로젝터 장치 구성도.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 도 3의 실시예에서 광경로변경장치와 광원 사이에 플라이아이렌즈를 추가로 배치한 프로젝터 구성도.
도 5은 본 발명에 따른 일 실시예인 디스펙클러의 다양한 구현예.
도 6은 도 5에 제시된 디스펙클러를 채용한 프로젝터의 구성도.
도 7은 반사판(127)에 두 개의 미세한 경사면이 형성된 경우를 설명하는 설명도.
도 8은 반사판에 형성되는 미세한 경사면이 이루는 최대 각도를 설명하기 위한 설명도.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 특징 및 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명하기로 한다.

레이저 광은 동일 파장, 동일 진폭, 동일 위상의 광들의 집합체로서 강한 코히어런스 특성을 갖고 있는 광이기 때문에 빔쉐이퍼에 의해 면광원으로 성형하고 확대한다 할지라도 임의의 간섭 이미지 패턴이 만들어지며 투사된 영상에서는 그 형상이 반점 이미지로 보여지고 이를 스펙클이라 한다. 즉, 스펙클은 간섭 패턴의 일종으로서 밝기의 높낮이가 반복적으로 나타나는 현상이다.

입사되는 레이저 광의 코히어런스 특성을 감소시키기 위한 방법으로는 레이저 광의 임의성을 증가시키는 것이고, 임의성을 증가시키는 방법으로는 수학식 1에 따라 세 가지 방법이 제안되고 있다.

파장이나 위상을 가변시킬 경우 시스템이 더욱 복잡해지는 문제점이 나타나기 때문에 일반적으로 입사각을 가변시키는 방법을 사용하였다. 레이저 광원을 이용하는 종래 프로젝터에서는 광모듈레이터(60)에 입사되는 입사각을 가변시키기 위해서 도 1에서와 같이 디퓨저(20)를 사용하였다. 디퓨저(20)란 소정의 확산 능력을 갖고 있는 확산시트를 광축에 수직한 방향으로 진동 혹은 회전운동을 주는 것으로서 통과하는 광에 임의적인 확산각을 더하여 줌으로써 통과하는 광의 입사각을 변경시켜 임의성을 증가시키는 것이다.

그러나 상기의 디퓨저(20)를 구성하는 확산시트는 자체의 광흡수율을 갖고 있어서 상당량의 광을 흡수하는 단점이 있다. 일반적으로 디퓨저를 구성하는 확산시트는 80% 정도의 투과율을 보이고 있다. 게다가 확산시트는 제조 공정 시 시트를 일정 방향으로 팽창시켜서 만들기 때문에 일정 방향으로의 방향성을 지니고 있어 부분적으로 편광 방향에 영향을 미친다. 이것은 액정디스플레이를 광모듈레이터로 사용할 경우 광효율에 대단히 좋지 않은 영향을 미치게 된다.

본 발명에서는 광의 진행 경로에 임의의 가변을 주면서도 광효율을 감소시키지 않는 스펙클 제거 방법 및 이러한 광학 엔진을 갖는 프로젝터를 제시하고자 한다. 스펙클은 간섭 패턴이고, 간섭은 진행하는 빛의 코히어런스 길이(Coherence Length)와 깊은 관련이 있다. 진행하는 광들의 경로차(Optical path length difference)가 해당 광의 코히어런스 길이(Coherence length)보다 짧게 되면 간섭이 일어난다. 이것은 여러 간섭계(Interferometer) 테스트에서 검증되고 있는데 다수 광원에 대한 코히어런스 길이(Coherence length)는 표 1과 같다.

광원	파장	코히어런스 길이
HeNe single mode	633 ㎚	100 m
HeNe	multimode	30 ㎝
Argon ion	488/515 ㎚	20 ㎜
Dye, not tuned	multimode	0.2 ㎜
Dye, tuned using a wedge	multimode	1.4 ㎜
GaAlAs, single mode	670~905 ㎚	3 m
Laser diode	multimode	0.8 ㎜
Sodium lamp	2 lines @ 589 ㎚	0.6 ㎜
Sun light	500 ㎚	1 ㎛

일반적으로 레이저 광은 코히어런스 길이(Coherence length)가 매우 긴 코히어런트 광으로써 길이가 100m 가 넘는다. 그러나 반도체 레이저 다이오드의 경우에 있어서는 코히어런스 길이가 매우 짧은 경우가 있는데 바로 멀티모드 레이저다이오드의 경우이다.

레이저 공진기는 무수히 많은 공명 주파수를 가지고 있다. 일반적인 이득(Gain) 매질에서는 이득 폭 내에 포함되는 모든 모드가 발진할 수 있다. 이득문턱을 넘는 여러 모드들이 모두 발진할 수 있으므로 다중모드(Multimode) 발진이 이루어진다. 이러한 다중모드 발진 상황에서 각 모드들은 서로 독립적으로 발진하므로 위상이 제각기 다르기 때문에 멀티모드로 발진하는 레이저의 경우 코히어런스 길이는 급격히 짧아지게 된다. 본 발명에서는 이러한 멀티모드 레이저 광원을 사용하여 스펙클 감소를 구현하였다.

본원 발명자의 연구에 의하면 간섭을 없애기 위한 광경로차 발생은 복잡한 양상을 보이는 것으로 파악되었다. 이를 보다 자세히 분석하면 레이저 광원에 의한 간섭은 시간적 간섭(Temporal Interference)과 공간적 간섭(Spatial Interference)으로 세분할 수 있다. 보다 상세히 설명하면, 시간적 간섭이란 동일 광경로를 지나온 레이저 광이 동일 지점에 인간이 동일한 영상으로 인지하는 시간 간격 안에서 연속적으로(Sequential) 도착하게 될 경우 이러한 레이저 광들 사이에서 발생하는 간섭을 말하는 것으로서 다른 용어로 종축 간섭(Longitudinal Interference)이라고도 부를 수 있다. 이에 비하여 공간적 간섭은 동일 지점에 동일 시간에 도착하는 광들사이에서 발생하는 간섭으로서 트랜스벌스 간섭(Transverse Interference)으로도 부를 수 있을 것이다.

본 발명에서는 광경로변경장치를 이용하여 시간적 간섭을 해결하고, 광경로차확대장치를 이용하여 공간적 간섭을 최소화하여 스펙클을 감소시킬 수 있는 광학 엔진 및 이를 사용하는 프로젝터가 제공된다.

우선 레이저 광원에 의해 발생하는 시간적 간섭을 최소화하기 위한 광경로변경장치에 대해 설명하기로 한다. 본 발명에서는 레이저 광원(10R, 10G, 10B)으로부터 방사된 광원이 광모듈레이터(60)에 도달하기 전 단계에서 광경로변경장치를 구비하도록 하였다. 예를 들어 도 1의 종래 레이저 광을 이용하는 프로젝터에서 반사경(51, 53) 중의 적어도 어느 하나를 수직 기준선을 기준으로 상하로 움직이는 반사경으로 형성하였다.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 광경로변경장치이며, 도 3은 도 2의 광경로변경장치를 채용한 본 발명에 따른 일 실시예의 레이저 광원을 이용하는 프로젝터 장치 구성도이다. 도 2에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 광경로변경장치(90)는 전면에 반사면을 구비하고 반사면의 수선(92)을 기준으로 일정 주파수에 따라 상하 방향으로 움직이도록 구성되는 광학 장치이다. 광경로변경장치(90)를 기능적으로 설명하면 방사되는 레이저 광원으로부터 순차적으로 입사되는 광의 이동 경로를 변경시키면서 동일한 출사각으로 순차적으로 굴절시키는 광학소자라 할 수 있다. 도 2는 도 1의 종래 레이저 광원을 이용하는 프로젝터의 구성에서 반사경(53)을 본 발명에 따른 광경로변경장치(90)로 대체한 상태를 도시한 부분도이다. 도 2에서 실선으로 도시된 광경로변경장치(90)는 최상의 위치에 놓여진 상태를 도시한 것이고, 파선으로 도시된 광경로변경장치(90)는 가장 낮은 위치에 놓여진 상태를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 광경로변경장치(90)가 최상의 위치에 놓여진 경우에는 레이저 광원으로부터 출사된 광은 광경로변경장치(90)에 의해 반사된 후 실선의 광원(b)과 같은 경로를 따라 진행하고, 광경로변경장치(90)가 최하의 위치에 놓여진 경우에는 레이저 광원으로부터 출사된 광은 광경로변경장치(90)에 의해 반사된 후 파선의 광원(a)과 같은 경로를 따라 진행하게 된다. 따라서 양 광원(a, b)의 이동 경로는 광경로변경장치(90)에 의해 약 'd' 만큼 차이가 발생되게 된다. 즉, 광경로변경장치(90)에 의해 진행하는 광들의 경로차(optical path length difference)가 길어지도록 하는 것이다. 보다 구체적으로는 광경로변경장치(90)는 연속적으로 도착되는 레이저 광이 서로 다른 경로를 이용하여 스크린에 도달되도록 함으로써 레이저 광에 의한 시간적 간섭을 감소시키게 되는 것이다.

광경로변경장치(90)의 진동판이 빠르게 진동함에 따라 반사되는 빔 경로는 연속적으로 변하게 되어 스크린에 순차적으로 도달하는 광들의 경로에 차이가 발생해서 시간적 간섭이 줄고 스펙클이 감소하게 된다.

광경로변경장치(90)는 초소형 모터를 이용해서 구현할 수 있다. 초소형 모터로 구현하는 손쉬운 구현 예로는 스피커를 개조하는 것이다. 스피커는 고정된 영구 자석과, 인가되는 전류 주파수에 따라 움직이는 코일과, 움직이는 코일에 진동판을 부착하는 구조로 구성되는데, 진동판 대신에 반사판을 부착하면 손쉽게 구현할 수 있다. 진동판 대신에 반사판이 부착된 스피커에 교류 전원을 인가하면, 인가된 전원 주파수에 따라 주기적으로 코일이 진동하고 이에 따라 부착된 반사판이 수직축을 기준으로 상하 진동하게 된다.

이때 진동 주파수는 60Hz 이상이 되는 것이 좋지만 무한정 커지는 것은 모터의 기계적 한계가 있어 불가능하다. 2,000Hz 이상은 소형 모터의 기계적 한계로 인해서 부착된 미러의 안정성에 문제가 발생하였다. 광경로변경장치(90)를 구성하는 반사판은 대각선의 길이를 10mm 이하로 형성하였다. 반사판은 일반적인 유리 계열의 전반사 거울을 사용해도 무방하나 60Hz 이상의 주파수로 지속적으로 진동하기 때문에 기계적 안정성을 위해 얇은 필름 상에 금속층을 증착하는 반사 필름으로 형성하는 것이 바람직하다. 이때 반사 필름의 반사율은 95%이상인 것을 사용하는 것이 좋다. 반사판의 대각선 크기가 10mm 이하이기 때문에 충분히 작은 소형 모터를 이용하여 구동할 수 있으며 상하 진동폭은 기계적인 안정도를 위해 1mm 이하로 수직축을 기준으로 상하 진동하도록 하였다.

그런데, 광경로변경장치(90)의 반사판이 빠르게 진동함에 따라 반사되는 빔 경로는 연속적으로 변하게 되어 스크린에 순차적으로 도달하는 광들의 경로에 차이가 발생하고, 상기 광로차가 코히어런스 길이에 근접해 감에 따라 입사광들의 간섭현상이 줄고 스펙클이 감소하게 된다.

그러나 이러한 레이저 광원을 이용하는 프로젝터는 광효율이 좋고, 레이저 광원임에도 불구하고 스펙클이 감소된 이미지를 구현할 수 있지만, 확대된 투사영상에 격자 패턴이 발생하는 단점을 갖고 있다.

이러한 격자패턴은 레이저 고유의 특성과 플라이아이렌즈(빔쉐이퍼)와의 상호 관계로 나타나는 현상이다. 플라이아이렌즈의 빔쉐이핑 원리는 다음과 같다.

광이 플라이아이렌즈를 통과할 때 광은 플라이아이렌즈를 구성하는 다수의 미소렌즈를 통과하게 되고, 이때 각 미소렌즈로부터 형성되는 사각형의 광면을 필드렌즈를 이용해서 같은 위치로 중첩시키면 점 또는 원형의 광이 우리가 원하는 사각형의 면광원으로 변형되게 되는 것이다. 이러한 중첩과정은 다수의 사각 유리를 대충 쌓아놓은 것처럼 미소렌즈 외곽부의 패턴이 다중 겹쳐서, 마치 모눈종이 같은 격자 패턴이 형성된다. 일반적인 광을 사용하는 경우, 에땅듀(ETANDUE)가 높기 때문에 광의 중첩과정 중에 광빔들은 서로 많이 섞여서 격자패턴이 흐려져서 눈에 인지되지 않게 되지만, 낮은 에땅듀의 성질을 갖고 있는 레이저 광을 사용하는 경우에는 격자패턴이 눈에 인지되는 정도로 나타나는 현상이 자주 발생하게 된다.

본원 발명자는 이러한 격자 패턴은 광원과 광경로변경장치 사이에 광빔을 확대하는 광학소자를 추가하는 방법에 의해 제거할 수 있음을 알게 되었다.

격자패턴이 발생되지 않도록 하는 방법은 광원과 광경로변경장치 사이에 광빔을 확대하는 광학소자인 광빔확대장치를 추가하는 방법이다.

레이저의 점광원을 광빔확대장치를 이용하여 더 넓은 원형광으로 변조하여서 광경로변경장치에 입사시키면, 광경로변경장치를 통과한 넓은 면적의 광빔은 플라이아이렌즈에서 많은 미소렌즈를 관통하게 된다. 광빔의 면적이 포함하게 되는 미소렌즈의 양이 많을수록 더욱 많은 사각 면광원이 중첩하게 되고 상기의 격자 패턴의 농도가 흐려져서 인지 되지 않는 수준으로 내려가게 된다.

광원에서 광경로변경장치까지의 거리는 마이크로 프로젝터용 광학 시스템인 만큼 그 거리가 대단히 짧다(수 cm 미만에 불과함). 이렇게 짧은 거리에서 충분히 광빔의 면적을 확대하기 위해서는 오목렌즈가 좋으며, 바이콘케이브(bi-concave) 혹은 콘케이브(concave) 렌즈 타입이 바람직하다.

그러나 이러한 렌즈들의 경우 적색(Red), 청색(Blue), 녹색(Green)의 3색 광원이 모두 렌즈의 중심부위(광축)에 들어가도록 얼라인(alignment)해야 하며 그 톨러런스(Tolerance) 또한 대단히 민감하여서 생산성 저하라는 문제점을 발생시킨다.

이를 해결하기 위해서 본 발명에서는 광빔확대장치의 일 례로서 플라이아이렌즈를 사용하였다. 플라이아이렌즈의 미소렌즈는 콘벡스(convex) 혹은 바이콘벡스(bi-convex) 렌즈로서 통과하는 광빔은 전체적으로 커지게 되어 광빔확대장치로 사용할 수 있으며, 다중 미소렌즈의 중첩효과는 2번 반복되게 됨으로써 상기의 격자 패턴은 감소하여 사람 눈에 인지되기 어렵게 된다. 플라이아이렌즈는 다중의 미소렌즈로 구성된만큼 그 톨러런스도(tolerance) 아주 좋다.

도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 도 3의 실시예에서 광경로변경장치(90)와 광원(10R, 10G, 10B) 사이, 보다 정확하게는 광경로변경장치(90)와 반사경(51) 사이, 에 광빔확대장치(31)의 하나인 플라이아이렌즈를 추가로 배치한 프로젝터 구성도이다. 추가로 배치되는 플라이아이렌즈(31)는 종래의 플라이아이렌즈(30)과 똑같은 구조의 렌즈일 필요는 없다. 플라이아이렌즈(30)의 곡률은 필드렌즈(40)과 함께 패널 입사면에 형성하는 조명 면적을 결정하도록 선택되어진다. 그러나 추가로 배치되는 플라이아이렌즈(31)는 광경로변경장치(90)에 입사되는 광에 영향을 미칠뿐이다. 물론 추가 플라이아이렌즈(31)의 곡률이 높을 경우 광경로변경장치(90)에 입사되는 광 빔의 면적이 증가하며, 너무 크게 되면 최종적으로 투사렌즈를 통과하는 광량이 감소하게 된다. 플라이아이렌즈(31)의 곡률과 크기는 광학시스템의 크기 즉 광축상의 길이에 따라 변화 조정 제작되어야 한다.

이하에서는 격자 패턴을 발생시킴이 없이 스펙클을 감소시킬 수 있는 보다 간단한 구조의 레이저 광원을 이용하는 프로젝터에 대해 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명에서 제안하는 디스펙클러를 도시한 것이며, 도 6은 본 발명에 따른 디스펙클러를 채용한 프로젝터의 구성도이다. 디스펙클러(123)는 레이저 광원에 의한 시간적 간섭과 공간적 간섭으로 발생할 수 있는 스펙클과 격자 패턴을 하나로 해결하는 장치이다.

디스펙클러(123)는 도 5(a)에 도시된 바와 같이 회전 장치(미 도시)에 의해 회전되는 회전축(121)에 반사판(127)을 갖는 회전 부재(125)가 삽입되는 구성을 갖는다. 반사판(127)은 회전축(121)에 증착 등을 이용하여 얇은 막으로 구비되도록 하였다. 도 5(a)에 도시한 바와 같이 반사판(127)은 회전축(121)에 대해 90°가 아닌 일정한 θ각으로 기울어져 설치됨을 알 수 있다. 미 도시된 회전 장치는 회전축(121)을 회전시키기 위한 장치로서, 모터, 에어 실린더 또는 유압 실린더 등의 동력 장치와 기어, 폴리 등의 구동 전달 장치를 회전축과 연결하여 다양한 방식으로 구현될 수 있음은 물론이다.

디스펙클러(123)는 동일한 경로를 통해 입사되는 레이저광을 기울어진 반사판에 의해 다른 경로 및 다른 출사각을 갖도록 출사시킴으로써 레이저광의 간섭에 의한 스페클과 격자 패턴을 동시에 방지할 수 있는 효과가 있다. 즉, 도 5(b)와 도 5(c)에 도시한 바와 같이 레이저광 a 및 b가 동일한 경로 및 동일한 각도를 가지고 입사되더라도 회전하는 반사판에 의해 반사되는 각도가 달라지기 때문에 도 5(d)에 도시한 바와 같이 서로 다른 경로 및 출사각을 갖는 레이저광으로 출사되는 것이다. 도 5(d)는 도 5(b) 및 도 5(c)에서 출사되는 레이저광을 비교하기 위해 레이저광 a 및 b 만을 별도로 도시한 것이다.

디스펙클러(123)에 구비되는 반사판(127)은 반드시 평평한 평면으로 형성될 필요는 없으며, 도 5(e) 및 도 5(f)에 도시된 바와 같이 곡면 형상을 갖도록 구비되어도 좋다. 반사판(127)을 곡면 형상으로 구비하더라도 회전축(121)에 삽입되는 반사판은 90°가 아닌 일정한 θ각으로 기울어져 설치됨을 알 수 있으며, 이때 반사판의 기울어진 정도는 반사판(127)의 처음과 끝 부분을 서로 연결한 가상의 직선(129)과 회전축(121)이 이루는 90°보다 작은 예각 부분을 이루는 각도로 정의하는 것으로 하였다.

반사판(127)과 회전축(121)이 이루는 경사각(θ)은 87°내지 89.5°사이로 유지하는 것이 바람직하다. 반사판(127)과 회전축(121)이 이루는 경사각(θ)이 89.5°보다 크고 90°이하인 각을 갖게 되면 광경로차가 감소하게 되어 스펙클의 저감 효과가 미미해지며, 경사각이 87°보다 작게 되면 출사광이 광축상에서 너무 벗어나게 되므로 광효율이 감소하게 된다. 즉 다시 말하면 경사각이 너무 클 경우에는 투사렌즈를 통과해서 스크린에 도달하는 광량이 현저하게 줄어들게 된다.

그런데 도 5(a) 내지 도 5(f)에 제시된 바와 같이 반사판(127)을 일정한 각도를 갖는 매끈한 경사면이나 일정한 R을 갖는 곡면으로 형성할 경우에도 규칙적인 패턴이 발생되어 스펙클이 발생되는 것을 알 수 있었다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 도 5(g)에 도시한 바와 같이 반사면(127)에 0.2° 내지 5°를 갖는 복수 개 미세한 경사면을 갖도록 형성하였다. 즉, 반사면(127)을 N 개의 경사면을 갖도록 형성하면 N 개의 광경로(DIVERSITY)를 형성할 수 있으므로 스펙클을 줄일 수 있게 된다. 이러한 복수 개 미세한 경사면은 회전 부재(127)에서 경사면이 형성되는 면을 에칭, 연삭 또는 몰딩 등의 방식으로 형성한 후, 해당 면을 알루미늄 코팅 등의 코팅면을 형성하여 반사면(127)을 형성함으로써 가능하다. 이러한 복수 개 미세 경사면은 도 5(a) 내지 도 5(f)에 제시된 디스펙클러(123)의 경사면에도 적용될 수 있음은 물론이다.

디스펙클러(123)는 단순 회전 운동을 시키면 되므로 초소형 모터를 이용해서 구현할 수 있다. 또한 반사판의 회전 속도는 인간의 눈이 연속상으로 인식하는 60Hz 이상이 바람직하므로 3,500RPM 이상의 회전속도가 좋으며, 회전 속도가 너무 증가하면 기계적 한계로 인해서 회전속도가 일정하지 못하게 되므로 대략 12,000RPM 이하가 바람직하다.

도 7은 반사판(127)에 두 개의 미세한 경사면이 형성된 경우를 설명하는 설명도이다. 미세한 경사면이 경사면을 기준으로 소정을 각도를 가지게 되면 도 7에 도시된 바와 같이 일정의 디퓨져 현상이 벌어진다. 여러 개의 미세한 경사면에 의해서 전체적으로 광빔은 혼합되면서 광빔의 면적이 증가하는 현상이 발생하여 스펙클이 감소하게 된다.

도 8은 반사판에 형성되는 미세한 경사면이 이루는 최대 각도를 설명하기 위한 설명도이다. PBS에 도달하는 광빔의 지름(실질적으로는 사각형이지만 조명마진을 고래해서 원으로 표현함)이 약 5mm이므로 결국 미세한 경사면의 최대 각도는 5°미만으로 설정되어야 한다. 즉, 미세한 경사면을 설치할 수 있는 최대 각도는 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 기술되어 왔지만, 그러한 기술은 오로지 설명을 하기 위한 것이며, 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것으로 이해되어져야 한다.

10: 레이저 광원 10R: R광원
10G: G광원 10B: B광원
20: 디퓨저 30: 빔쉐이퍼
31: 광빔확대장치 40: 필드렌즈
50: 다이크로익 미러 51: 반사경
60: 광모듈레이터 70: 투사렌즈
80: 편광빔스필리터 90: 광경로변경장치
91, 93: 빔 형상 100: 라이트 파이프
101: 라이트 가이드 경계면
103: 입사면 105: 출사면
121: 회전축 123: 디스펙클러
125: 회전 부재 127: 반사판
129: 가상의 직선

Claims (5)

1. 레이저 광원을 이용하는 프로젝터에 있어서,
   R, G, B 광원 중 적어도 하나는 레이저로 구성되는 광원;
   상기 광원으로부터의 출광되는 광을 이용하여 영상 이미지를 생성하는 광모듈레이터;
   상기 광원과 상기 광모듈레이터 사이의 광 경로 상에 위치되며, 상기 광원으로부터 순차적으로 입사되는 광의 이동 경로를 변경시키면서 임의의 출사각으로 순차적으로 굴절시키는 광경로변경장치;
   상기 광원과 광경로변경장치 사이에 상기 광원에서 출사되는 광빔을 확대하는 광빔확대장치; 및
   상기 광모듈레이터로부터 생성된 영상 이미지를 확대 투사하는 투사렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하며,
   상기 광경로변경장치는 일정한 주파수에 따라 상하로 이동하는 반사판으로 형성되며, 상기 반사판에는 0.2° 내지 5°를 갖는 복수 개 미세한 경사면이 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 광경로변경장치의 상기 반사판 진동 주파수는 60Hz 내지 2,000Hz 인 것을 특징으로 하는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 광원에는 멀티 모드 레이저로 동작되는 레이저 광원이 포함되는 것을 특징으로 하는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 광경로변경장치는 영구 자석과 인가되는 주파수에 따라 움직이는 코일 및 상기 코일에 부차된 반사판으로 구성되는 것을 특징으로 하는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 광빔확대장치는 플라이아이렌즈인 것을 특징으로 하는 레이저 광원을 이용하는 프로젝터.

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