KR20150123064A - 조명장치 및 이를 구비한 투사형 영상표시장치 - Google Patents

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KR20150123064A
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Abstract

본 발명에 의한 조명장치는 레이저 다이오드를 사용하여 단색의 레이저 광을 방출하는 광원부; 상기 광원부에서 방출된 레이저 광을 분산시키는 디퓨저 판(diffuser plate); 상기 디퓨저 판에서 나오는 광을 균일한 광으로 만드는 플라이아이 렌즈(flyeye lens); 및 상기 플라이아이 렌즈를 통과한 광을 백색광으로 만들어 방출하는 형광부;를 포함한다.

Description

조명장치 및 이를 구비한 투사형 영상표시장치{Illumination apparatus and projection-type image display apparatus having the same}
본 발명은 투사형 영상표시장치의 조명장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 광원으로 레이저 다이오드를 사용하는 조명장치 및 이를 적용한 투사형 영상표시장치에 관한 것이다.
일반적으로 프로젝터와 같은 투사형 영상표시장치에 사용되는 조명장치의 광원으로서 발광 다이오드(LED, light emitting diode)가 널리 사용되고 있다. 그러나, 발광 다이오드에서 나오는 광선은 넓게 퍼지기 때문에, 퍼진 광선을 렌즈 같은 광학부품을 사용하여 모을 필요가 있으나, 광을 모으는 것이 매우 어렵다. 또한, 조명장치를 사용하는 영상표시장치는 화면 크기가 점점 커지면서 밝기가 높은 조명장치를 요구하고 있다. 그런데, 발광 다이오드를 광원으로 사용하는 조명장치는 밝기를 높이기 위해서는 발광 다이오드의 출력을 높일 필요가 있다. 이를 위해서는 출력이 높은 발광 다이오드를 새로 개발할 필요가 있다는 문제점이 있다.
조명장치의 밝기를 높이기 위한 방안으로, 광원으로서 레이저 다이오드(LD, laser diode)를 사용할 수 있다. 동일한 출력을 사용하는 경우에, 레이저 다이오드는 발광 다이오드보다 광의 직진성이 높으므로, 발광 다이오드를 사용하는 조명장치보다 레이저 다이오드를 사용하는 조명장치가 높은 밝기의 광을 방출할 수 있다.
그러나, 대형 화면의 영상표시장치에 사용하기 위해서는 레이저 다이오드 광원의 광량을 올릴 필요가 있다. 레이저 다이오드 광원의 광량을 올릴 수 있는 방법으로는 레이저 다이오드 자체의 출력을 높이는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 고출력의 레이저 다이오드를 사용하면 광량은 올라가지만 발열이 크기 때문에 냉각 문제를 고려해야한다. 냉각장치를 사용하는 경우에는 조명장치의 크기가 커지고 구조가 복잡하게 된다는 문제점이 있다.
다른 방안으로는 광원에 사용되는 레이저 다이오드의 개수를 늘이는 방법을 고려할 수 있다. 그러나, 레이저 다이오드의 개수가 많아지면, 많은 열이 발생하므로 냉각 문제가 수반된다. 따라서, 이 경우에도 조명장치의 크기가 커지고 구조가 복잡하게 된다는 문제점이 있다.
따라서, 레이저 다이오드의 개수를 늘리거나, 레이저 다이오드 자체의 출력을 높이지 않으면서도 레이저 다이오드를 광원으로 사용하는 조명장치의 광량을 높일 수 있는 방법이 요구되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 창안한 것으로서, 기존의 레이저 다이오드를 사용하고, 레이저 다이오드의 개수를 늘리지 않으면서도 기존의 조명장치보다 많은 광량을 제공할 수 있는 조명장치와 이를 사용하는 투사계 영상표시장치를 제공하는 것과 관련된다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 조명장치는 레이저 다이오드를 사용하여 단색의 레이저 광을 방출하는 광원부; 상기 광원부에서 방출된 레이저 광을 분산시키는 디퓨저 판(diffuser plate); 상기 디퓨저 판에서 나오는 광을 균일한 광으로 만드는 플라이아이 렌즈(flyeye lens); 및 상기 플라이아이 렌즈를 통과한 광을 백색광으로 만들어 방출하는 형광부;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 광원부는 복수 개의 레이저 다이오드(laser diode)를 포함하는 제1다이오드 어레이; 상기 제1다이오드 어레이에 수직하게 배치되며, 복수 개의 레이저 다이오드를 포함하는 제2다이오드 어레이; 상기 제1다이오드 어레이와 상기 제2다이오드 어레이 사이에 설치되며, 상기 제1다이오드 어레이에서 방출되는 레이저 광은 통과시키고, 상기 제2다이오드 어레이에서 방출되는 레이저 광은 반사하는 제1미러; 상기 제1미러를 통과하거나 반사된 복수 개의 광을 한 개의 광으로 형성하는 익스팬더 렌즈(expander lens); 및 상기 익스팬더 렌즈에 의해 형성된 상기 광을 상기 디퓨저 판으로 반사하는 제2미러;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 제1 및 제2다이오드 어레이를 구성하는 복수 개의 레이저 다이오드 각각의 앞에는 제1콜리메이터 렌즈(collimator lens)가 설치될 수 있다.
또한, 상기 복수 개의 레이저 다이오드는 청색 광을 방출하는 청색 레이저 다이오드인 것이 바람직하다.
또한, 상기 디퓨저 판은 글래스 디퓨저 판(glass diffuser plate)일 수 있다.
또한, 상기 형광부는 상기 플라이아이 렌즈를 통과한 광을 반사하는 다이크로익 미러(dichroic mirror); 상기 다이크로익 미러에서 반사된 광을 평행하게 만드는 제2콜리메이터 렌즈; 상기 제2콜리메이터 렌즈를 통과한 광이 지나는 경로에 회전 가능하게 설치되며, 상기 제2콜리메이터 렌즈를 통과한 상기 광을 통과시키거나 상기 제2콜리메이터 렌즈로 반사하는 형광 휠; 및 상기 형광 휠을 통과하는 광을 상기 다이크로익 미러로 안내하는 반사 광학 경로;를 포함할 수 있다.
또한, 상기 형광 휠은, 원판 형상의 회전 기판; 상기 회전 기판의 일면에 형성된 형광 반사층; 및 상기 회전 기판을 회전시키는 모터;를 포함하며, 상기 형광 반사층은 상기 회전 기판의 원주 방향으로 형성된 적색 형광 반사부, 녹색 형광 반사부, 및 투명부를 포함하며, 상기 적색 형광 반사부와 상기 녹색 형광 반사부에서 반사된 광은 상기 제2콜리메이터 렌즈를 통과한 후 상기 다이크로익 미러를 통과하여 외부로 방출되고, 상기 투명부를 통과한 광은 상기 반사 광학 경로를 통과하여 상기 다이크로익 미러에 의해 외부로 반사될 수 있다.
또한, 상기 형광 휠의 상기 형광 반사층 위에는 형광 디퓨저가 설치될 수 있다.
또한, 상기 반사 광학 경로는, 상기 형광 휠을 통과한 광을 평행하게 하는 제3콜리메이터 렌즈; 상기 제3콜리메이터 렌즈에서 나온 광을 반사하는 제1반사미러; 상기 제1반사미러에서 반사된 광을 모으는 콘덴서 렌즈(condensor lens); 상기 콘덴서 렌즈를 통과한 광을 반사하는 제2반사미러; 및 상기 제2반사미러에서 반사된 광을 상기 다이크로익 미러로 반사하는 제3반사미러를 포함할 수 있다.
또한, 조명장치는 상기 형광부에서 나온 광을 화상형성유닛으로 안내하는 프리즘부;를 더 포함할 수 있으며, 상기 프리즘부는, 상기 형광부에서 나온 광을 상기 영상형성유닛에 대응하는 형태로 형성하는 영상 플라이아이 렌즈; 상기 영상 플라이아이 렌즈에서 나온 광이 통과하는 제1릴레이 렌즈; 상기 제1릴레이 렌즈를 통과한 광을 반사하는 반사 미러; 상기 반사 미러에서 반사된 광이 통과하는 제2릴레이 렌즈; 및 상기 제2릴레이 렌즈를 통과한 광을 상기 영상형성유닛으로 전반사하는 전반사 프리즘;을 포함할 수 있으며, 상기 영상형성유닛에서 반사된 광은 상기 전반사 프리즘을 통과하여 외부로 방출될 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 의하면, 투사형 영상표시장치는 레이저 광을 방출하는 상술한 특징 중의 적어도 하나를 포함하는 조명장치; 상기 조명장치에서 방출된 레이저 광을 이용하여 영상 광을 방출하는 영상형성유닛; 및 상기 영상형성유닛에서 나온 영상 광을 스크린에 투사하는 투사부;를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 조명장치의 구조를 개념적으로 나타내는 도면;
도 2는 도 1의 조명장치의 형광부에서 청색 광이 발생하는 경우를 설명하기 위한 도면;
도 3은 도 1의 조명장치의 형광부에서 적색 광과 녹색 광이 발생하는 경우를 설명하기 위한 도면;
도 4는 도 1의 조명장치의 형광부에 사용되는 형광 휠의 단면도;
도 5는 도 1의 조명장치의 형광부에 사용되는 형광 휠의 정면도;
도 6은 도 1의 조명장치가 적용된 투사형 영상표시장치의 일 예를 나타내는 도면;
도 7a는 도 1의 조명장치에서 디퓨저 판이 없고 플라이아이 렌즈만이 설치된 경우에 형광부에 형성되는 광 스폿을 나타내는 도면이고,
도 7b는 도 1의 조명장치와 같이 디퓨저 판과 플라이아이 렌즈가 모두 설치되어 있는 경우의 광 스폿을 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 조명장치 및 이를 적용한 투사형 영상표시장치의 실시 예들에 대하여 상세하게 설명한다.
이하에서 설명되는 실시 예는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 예시적으로 나타낸 것이며, 본 발명은 여기서 설명되는 실시 예들과 다르게 다양하게 변형되어 실시될 수 있음이 이해되어야 할 것이다. 다만, 이하에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성요소에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명 및 구체적인 도시를 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 발명의 이해를 돕기 위하여 실제 축척대로 도시된 것이 아니라 일부 구성요소의 치수가 과장되게 도시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 조명장치의 구조를 개념적으로 나타내는 도면이다. 도 2는 도 1의 조명장치의 형광부에서 청색 광이 발생하는 경우를 설명하기 위한 도면이고, 도 3은 도 1의 조명장치의 형광부에서 적색 광과 녹색 광이 발생하는 경우를 설명하기 위한 도면이다. 도 4는 도 1의 조명장치의 형광부에 사용되는 형광 휠의 단면도이고, 도 5는 도 1의 조명장치의 형광부에 사용되는 형광 휠의 정면도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 조명장치(1)는 광원부(10), 형광부(30), 프리즘부(50)를 포함할 수 있다.
광원부(10)는 레이저 다이오드(LD, laser diode)(11a,12a)를 이용하여 단색의 레이저 광을 방출할 수 있도록 구성된다. 이를 위해 광원부(10)는 복수 개의 레이저 다이오드(11a, 12a), 제1미러(16), 익스팬더 렌즈(expander lens)(17), 제2미러(19)를 포함할 수 있다.
복수 개의 레이저 다이오드(11a,12a)는 서로 수직하게 배치되는 제1다이오드 어레이(11) 및 제2다이오드 어레이(12)로 구성될 수 있다. 제1 및 제2다이오드 어레이(11,12)는 M x N 행렬 형태로 배열될 수 있다. 도 1 내지 도 3에는 제1 및 제2다이오드 어레이(11,12) 각각에 4개의 레이저 다이오드(11a,12a)만 도시되어 있으나, 도면에 수직한 방향으로 N열의 레이저 다이오드(11a,12a)가 존재한다. 예를 들면, 제1다이오드 어레이(11)가 4x10의 레이저 다이오드(11a)로 구성될 수 있으며, 제2다이오드 어레이(12)도 4x10의 레이저 다이오드(12a)로 구성될 수 있다. 제1다이오드 어레이(11)와 제2다이오드 어레이(12)는 서로 수직하게 배치될 수 있다.
제1 및 제2다이오드 어레이(11,12)를 구성하는 복수 개의 레이저 다이오드(11a,12a) 각각의 앞에는 제1콜리메이터 렌즈(collimator lens)(14)가 설치될 수 있다. 제1콜리메이터 렌즈(14)는 레이저 다이오드(11a,12a)에서 방출되는 레이저 광을 모으고 평행하게 하는 기능을 한다. 레이저 다이오드(11a,12a)는 다양한 색상의 광을 방출하는 것을 사용할 수 있으나, 본 실시예에서는 청색 광을 방출하는 청색 레이저 다이오드를 사용한 경우를 예로 들어 설명한다.
제1미러(16)는 제1다이오드 어레이(11)와 제2다이오드 어레이(12) 사이에 설치된다. 구체적으로, 제1미러(16)는 제1다이오드 어레이(11)와 제2다이오드 어레이(12) 사이에 대해 대략 45도의 각도로 설치된다. 제1다이오드 어레이(11)를 구성하는 복수 개의 레이저 다이오드(11a)에서 방출되는 레이저 광은 통과시키고, 제2다이오드 어레이(12)를 구성하는 복수 개의 레이저 다이오드(12a)에서 방출되는 레이저 광은 반사하여 제1 및 제2다이오드 어레이(11,12)의 복수 개의 레이저 다이오드(11a,12a)에서 방출된 레이저 광이 익스팬더 렌즈로 향하게 한다. 따라서, 제1미러(16)에는 제1다이오드 어레이(11)의 복수 개의 레이저 다이오드(11a)에 대응하는 복수 개의 구멍(16a)이 형성된다.
익스팬더 렌즈(17)는 제1미러(16)를 통과하거나 반사된 복수 개의 레이저 광을 모아 한 개의 광으로 형성한다.
제2미러(19)는 익스팬더 렌즈(17)에 의해 형성된 상기 광을 형광부(30)를 향하여 반사한다.
광원부(10)와 형광부(30) 사이에는 광원부(10)에서 형광부(30)로 이동하는 광의 손실을 최소화하기 위해 디퓨저 판(diffuser plate)(20)과 플라이아이 렌즈(flyeye lens)(22)가 설치된다. 따라서, 광원부(10)의 제2미러(19)에서 반사된 광은 디퓨저 판(20)으로 입사된다. 디퓨저 판(20)은 광원부(10)의 복수 개의 레이저 다이오드(11a, 12a)에서 발광된 복수 개의 광이 모여 한 개의 광으로 형성된 광인 제2미러(19)에서 반사된 광(L1)을 분산시켜 1차로 광 균일성을 향상시키고, 이 분산된 광이 플라이아이 렌즈(22)를 통과하도록 하여 2차로 광 균일성이 향상되도록 한다. 디퓨저 판(20)은 글래스 디퓨저 판(glass diffuser plate)으로 형성될 수 있다. 광의 진행방향으로 디퓨저 판(20)의 상류에는 제2미러(19)에서 반사되어 디퓨저 판(20)으로 입사되는 광을 모으기 위해 제1콘덴서 렌즈(condensor lens)(24)가 설치될 수 있다.
플라이아이 렌즈(22)는 광의 진행방향으로 디퓨저 판(20)의 하류에 설치되며 디퓨저 판(20)을 통과하면서 분산된 광을 일정한 형태의 균일한 광, 예를 들면, 사각 형태의 광, 직사각 형태의 광 등으로 형성할 수 있다. 플라이아이 렌즈(22)를 통과한 광은 디퓨저 판(20)을 통과한 광보다 균일성이 더 향상된다. 플라이아이 렌즈(22)는 2개로 구성할 수 있다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 조명장치(1)에 사용되는 플라이아이 렌즈(22)는 서로 일정 거리 이격된 2개의 플라이아이 렌즈로 구성된다. 따라서, 플라이아이 렌즈(22)에서 방출되는 일정한 형태의 균일한 광은 형광부(30)의 다이크로익 미러(dichroic mirror)(31)를 향해 입사된다.
본 발명과 달리 광원부(10)와 형광부(30) 사이에 디퓨저 판(20)이 없고 플라이아이 렌즈(22)만 있는 경우에는 광원부(10)에서 발광되는 광이 산란되지 못하므로 플라이아이 렌즈(22)가 있더라도 광을 균일하게 만드는 것이 어려워 형광부(30), 구체적으로 후술하는 형광부(30)의 형광 휠(40)에 형성되는 광 스폿(200)이 도 7a에 도시된 바와 같이 치우치고 그 형태가 찌그러지게 되므로 에너지 손실이 발생한다. 도 7a에서 참조기호 201은 광 스폿(200)의 가장 밝은 부분을 나타내고, 참조기호 202는 참조기호 201 부분의 둘레의 밝은 부분을 나타내며, 참조기호 203은 참조기호 202 부분의 둘레의 가장 어두운 부분을 나타낸다. 따라서, 디퓨저 판(20)이 없는 경우에는 도 7a에 도시된 바와 같이 광 스폿(200)을 이루는 각 부분(201,202,203)이 일정하지 않은 불규칙한 형상을 형성하는 것을 알 수 있다. 그러나, 본 발명과 같이 광원부(10)와 형광부(30) 사이에 디퓨저 판(20)과 플라이아이 렌즈(22)를 순차로 설치하면, 디퓨저 판(20)이 광원을 산란시키고 이 산란된 광을 플라이아이 렌즈(22)가 형광부(30)의 형광 휠(40)에 도 7b와 같이 대략 직사각 형상의 균일한 광 스폿(200)을 형성하도록 만들어 준다. 따라서, 광원부(10)에 레이저 광원을 사용하는 경우에는 형광부(30)의 형광 휠(40)에 균일한 광 스폿을 형성하기 위해서는 디퓨저 판(20)과 플라이아이 렌즈(22)가 동시에 필요하다.
형광부(30)는 광원부(10)에서 방출된 단색의 레이저 광을 백색 광으로 만들기 위한 것이다. 예를 들어, 본 실시예의 경우에는 청색 레이저 다이오드에서 방출된 광을 청색 광, 적색 광, 녹색 광으로 만들어 방출함으로써, 형광부(30)에서 방출되는 광이 백색광이 되도록 한다. 이러한 형광부(30)는 다이크로익 미러(31), 형광 휠(40), 반사 광학 경로(35)를 포함할 수 있다.
다이크로익 미러(31)는 소정의 파장을 갖는 광은 반사하고, 다른 광은 투과시킬 수 있도록 구성된다. 본 실시예의 경우에는, 다이크로익 미러(31)는 청색 광은 반사하고, 적색 광과 녹색 광은 투과시키도록 구성된다. 따라서, 광원부(10)에서 방출되는 광은 청색 광이므로, 디퓨저 판(20)과 플라이아이 렌즈(22)를 통과한 광(L2)은 다이크로익 미러(31)에서 반사되어 형광 휠(40)을 향해 입사된다.
다이크로익 미러(31)와 형광 휠(40) 사이에는 제2콜리메이터 렌즈(32)가 설치된다. 제2콜리메이터 렌즈(32)는 다이크로익 미러(31)에서 반사된 광이 평행광이 되도록 한다. 본 실시예의 경우에는 다이크로익 미러(31)와 형광 휠(40) 사이에 2개의 제2콜리메이터 렌즈(32)가 설치되어 있다. 그러나, 제2콜리메이터 렌즈(32)의 개수는 이에 한정되지 않는다, 형광 휠(40)에 다이크로익 미러(31)에서 반사된 광이 평행하게 도달할 수 있도록 할 수 있으면, 한 개의 콜리메이터 렌즈 또는 3개 이상의 콜리메이터 렌즈가 사용될 수도 있다.
형광 휠(40)은 입사된 청색 광을 적색 광과 녹색 광으로 만드는 역할을 한다. 형광 휠(40)은 제2콜리메이터 렌즈(32)를 통과한 광이 지나는 경로에 회전 가능하게 설치되며, 입사된 광을 통과시키거나 반사한다.
도 4를 참고하면, 형광 휠(40)은 회전 기판(41), 상기 회전 기판(41)의 일면에 형성된 형광 반사층(42), 및 상기 회전 기판(40)을 회전시키는 모터(43)를 포함할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이, 회전 기판(41)은 원판 형상으로 형성되며, 모터(43)에 의해 일 방향으로 회전한다. 회전 기판(41)은 청색 광이 투과할 수 있는 투명 재료로 형성될 수 있다.
형광 반사층(42)은 회전 기판(41)의 일면, 즉 다이크로익 미러(31)를 마주하는 면에 원주 방향으로 일정 폭으로 형성된다. 즉, 형광 반사층(42)은 회전 기판(41)의 일면에 도넛 형상으로 형성된다. 형광 반사층(42)은 회전 기판(41)에 코팅하여 형성할 수 있다.
형광 반사층(42)은 순차적으로 형성된 적색 형광 반사부(42-1), 녹색 형광 반사부(42-2), 및 투명부(43-3)를 포함한다. 적색 형광 반사부(42-1)는 청색 레이저 광이 충돌하면 여기되어 적색 광을 방출할 수 있는 형광 재료를 회전 기판(41)에 코팅하여 형성한다. 녹색 형광 반사부(42-2)는 청색 레이저 광이 충돌하면 여기되어 녹색 광을 방출할 수 있는 형광 재료를 회전 기판(41)에 코팅하여 형성한다. 이상에서는 적색 형광 반사부(42-1)와 녹색 형광 반사부(42-2)는 형광 재료를 회전 기판(41)에 코팅하여 형성한다고 설명하였으나 이는 일 예일 뿐이며, 형광 재료는 도포, 증착 등과 같은 다양한 방법에 의해 회전 기판(41)에 부착될 수 있다. 투명부(42-3)에는 어떠한 재료도 코팅하지 않아 투명한 회전 기판(41)이 그대로 노출되도록 한다. 따라서, 회전 휠(40)로 입사된 광은 투명부(42-3)를 통과할 수 있다.
도 4에 도시된 바와 같이 형광 휠(40)의 형광 반사층(42) 위에는 형광 디퓨저(45)가 설치될 수 있다. 형광 디퓨저(45)는 형광 휠(40)의 형광 반사층(42)으로 입사되는 광을 분산시켜 레이저광에 의해 발생할 수 있는 스페클(speckle) 현상을 없애는 기능을 한다.
따라서, 형광 휠(40)의 모터(43)가 회전하면, 회전 기판(41)이 회전한다. 회전 기판(41)이 회전하면, 형광 반사층(42)을 구성하는 적색 형광 반사부(42-1), 녹색 형광 반사부(42-2), 및 투명부(42-3)가 회전하여 형광 휠(40)로 입사되는 광이 반사되거나 투과하게 된다.
형광 휠(40)의 적색 형광 반사부(42-1)와 녹색 형광 반사부(42-2)에서 반사된 광(L4)(도 3 참조)은 제2콜리메이터 렌즈(32)를 통과한 후 다이크로익 미러(31)를 통과하여 외부로 방출된다. 형광 휠(40)의 투명부(42-3)를 통과한 광(L3)(도 2 참조)은 반사 광학 경로(35)를 통과하여 다이크로익 미러(31)에 입사되어 다이크로익 미러(31)의 후면에 의해 반사되어 외부로 방출된다.
반사 광학 경로(35)는 형광 휠(40)을 통과한 광(L3)이 다이크로익 미러(31)로 입사되도록 안내하는 광 안내 경로이며, 반사 광학 경로(35)를 통해 다이크로익 미러(31)로 입사된 광은 다이크로익 미러(31)에 의해 외부로 방출된다.
반사 광학 경로(35)는 형광 휠(40)의 투명부(42-3)를 통과한 광(L3)을 다이크로익 미러(31)로 입사시킬 수 있으면 다양한 구조로 형성될 수 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 의한 조명장치(1)에 사용되는 반사 광학 경로(35)는 형광 휠(40)을 통과한 광(L3)을 평행하게 하는 제3콜리메이터 렌즈(35-1), 상기 콜리메이터 렌즈(35-1)에서 나온 광을 반사하는 제1반사미러(35-2), 상기 제1반사미러(35-2)에서 반사된 광을 모으는 콘덴서 렌즈(condensor lens)(35-3), 상기 제2콘덴서 렌즈(35-3)를 통과한 광을 반사하는 제2반사미러(35-4), 및 상기 제2반사미러(35-4)에서 반사된 광을 다이크로익 미러(31)로 반사하는 제3반사미러(35-5)를 포함한다. 따라서, 광원부(10)에서 발광된 청색 광은 형광 휠(40)의 투명부(42-3)를 통과하여 반사 광학 경로(35)를 통해 다이크로익 미러(31)로 입사되어 청색 광 그대로 외부로 반사된다.
프리즘부(50)는 형광부(30)에서 나온 광을 영상형성유닛(60)으로 안내하여 영상형성유닛(60)이 상기 광을 이용하여 영상을 형성하도록 한다. 이러한 프리즘부(50)는 영상 플라이아이 렌즈(51), 제1릴레이 렌즈(52), 반사 미러(53), 제2릴레이 렌즈(54), 전반사 프리즘(55)을 포함할 수 있다.
영상 플라이아이 렌즈(51)는 형광부(30)에서 방출된 광을 영상형성유닛(60)의 형태에 대응하는 형태로 형성한다. 영상 플라이 렌즈(51)는 한 쌍의 플라이 렌즈로 구성된다. 제1릴레이 렌즈(52)는 영상 플라이아이 렌즈(51)에서 나온 광이 반사 미러(53)에 도달하도록 하며, 반사 미러(53)는 제1릴레이 렌즈(51)로부터 입사된 광을 반사한다. 제2릴레이 렌즈(54)는 상기 반사 미러(53)에서 반사된 광을 전반사 프리즘(55)으로 입사시킨다. 제1 및 제2릴레이 렌즈(52,54)는 영상 플라이아이 렌즈(51)에서 나온 광을 영상형성유닛(60)에 대응하는 크기로 확대 또는 축소할 수 있도록 형성된다.
전반사 프리즘(55)은 상기 제2릴레이 렌즈(54)를 통해 입사된 광을 전반사면(55a)에서 영상형성유닛(60)으로 전반사하고, 영상형성유닛(60)에서 반사된 영상 광을 투과시킨다. 전반사 프리즘(55)을 통해 방출되는 영상 광은 투사부(70)(도 6 참조)를 통해 스크린(80)(도 6 참조)에 투사된다.
이하, 첨부된 도 1 내지 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 의한 조명장치(1)의 동작에 대해 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 광원부(10)에서 방출된 청색 레이저 광은 형광부(30)를 통과하면서 청색 광, 적색 광, 녹색 광을 포함하는 백색 광이 되어 프리즘부(50)로 입사된다. 프리즘부(50)로 입사된 광은 영상형성유닛(60)으로 안내되고, 영상형성유닛(60)은 입사된 광을 반사하여 영상 광을 방출한다.
구체적으로, 도 2 및 도 3을 참조하면, 광원부(10)의 제1다이오드 어레이(11)를 구성하는 복수 개의 레이저 다이오드(11a)에서 방출되는 청색 레이저 광은 제1미러(16)에 형성된 구멍(16a)들을 통과하여 익스팬더 렌즈(17)로 입사된다. 또한, 제2다이오드 어레이(12)를 구성하는 복수 개의 레이저 다이오드(12a)에서 방출되는 청색 레이저 광은 제1미러(16)에 반사되어 익스팬더 렌즈(17)로 입사된다. 이때, 제1 및 제2다이오드 어레이(11,12)의 복수 개의 레이저 다이오드(11a,12a) 각각의 앞에는 제1콜리메이터 렌즈(14)가 설치되어 있으므로 레이저 다이오드(11a,12a)에서 나오는 평행한 광이 더욱 평행하게 되어 제1미러(16)로 입사된다.
제1 및 제2다이오드 어레이(11,12)의 레이저 다이오드(11a,12a)에서 방출된 복수 개의 광은 익스팬더 렌즈(17)에 의해 한 개의 광(L1)으로 만들어진다. 익스팬더 렌즈(17)에서 방출되는 한 개의 광(L1)은 제2미러(19)에 반사되어 형광부(30)로 방출된다.
광원부(10)와 형광부(30)의 다이크로익 미러(31) 사이에는 디퓨저 판(20)과 플라이아이 렌즈(22)가 설치되어 있다. 따라서, 광원부(10)에서 방출된 광(L1)은 디퓨저 판(20)의 앞에 설치된 콘덴서 렌즈(24)에 의해 모아져서 디퓨저 판(20)으로 입사된다. 디퓨저 판(20)으로 입사된 광은 분산되어 균일화된다(1차 균일화). 즉, 복수 개의 레이저 다이오드(11a,12a)에서 방출된 복수 개의 광이 한 개의 광으로 되어 입사된 광(L1)이 디퓨저 판(20)에 의해 분산되므로, 디퓨저 판(20)을 통과한 광은 광원부(10)에서 방출된 때보다 광 강도가 균일화된다. 디퓨저 판(20)을 통과한 광은 다시 플라이아이 렌즈(22)를 통과하면서 일정한 형태로 형성되며 2차로 균일화된다. 따라서, 디퓨저 판(20)과 플라이아이 렌즈(22)를 거친 광은 광원부(10)에서 방출되는 광보다 균일성(uniformity)이 향상된다.
플라이아이 렌즈(22)를 통과한 광은 다이크로익 미러(31)로 입사된다. 다이크로익 미러(31)는 청색 광은 반사하고, 다른 색 광들은 투과하도록 형성되어 있다. 따라서, 광원부(10)에서 방출되어 플라이아이 렌즈(22)를 통해 입사되는 광은 청색 광이므로 다이크로익 미러(31)에 의해 반사된다.
다이크로익 미러(31)에서 반사된 광(L2)은 제2콜리메이터 렌즈(32)를 통과하면서 좀 더 평행한 광으로 형성되어 형광 휠(40)의 형광 반사층(42)으로 입사된다. 이때, 형광 휠(40)의 형광 반사층(42)에 입사되는 광은 도 5에 도시된 바와 같이 직사각 형태(L)를 이룬다. 형광 휠(40)은 모터(43)에 의해 일정한 속도로 회전하고 있다.
따라서, 형광 휠(40)의 형광 반사층(42)의 투명부(42-3)가 광 경로에 위치할 때, 다이크로익 미러(31)에서 반사되어 제2콜리메이터 렌즈(32)를 통과한 청색 광(L2)이 형광 휠(40)에 도달하면, 도 2에 도시된 바와 같이 청색 광은 형광 휠(40)을 통과한다.
형광 휠(40)을 통과한 청색 광(L3)은 제3콜리메이터 렌즈(35-1)를 통해 제1반사미러(35-2)로 입사된다. 제1반사미러(35-2)에서 반사된 청색 광은 제2콘덴서 렌즈(35-3)를 통과하여 제2반사미러(35-4)로 입사된다. 제2반사미러(35-4)에서 반사된 청색 광은 제3반사미러(35-5)로 입사된다. 제3반사미러(35-5)는 입사된 청색 광을 다이크로익 미러(31)로 반사한다. 제3반사미러(35-5)에서 반사된 청색 광은 다이크로익 미러(31)의 후면에 의해 반사되어 형광부(30) 외부로 배출된다.
또한, 형광 휠(40)의 형광 반사층(42)의 적색 형광 반사부(42-1)가 광 경로에 위치할 때, 다이크로익 미러(31)에서 반사되어 제2콜리메이터 렌즈(32)를 통과한 청색 광(L2)이 형광 휠(40)에 도달하면, 도 3에 도시된 바와 같이 청색 광은 형광 휠(40)의 적색 형광 반사부(42-1)에 충돌한다. 청색 광이 적색 형광 반사부(42-1)에 충돌하면, 적색 형광 반사부(42-1)의 적색 형광 물질이 여기되어 적색 광(L4)이 방출되어 제2콜리메이터 렌즈(32)로 진행한다. 제2콜리메이터 렌즈(32)를 통과한 적색 광(L4)은 다이크로익 미러(31)로 입사된다. 다이크로익 미러(31)는 청색 광 이외의 광은 통과시키므로 적색 광(L4)은 다이크로익 미러(31)를 통과하여 형광부(30) 외부로 방출된다.
또한, 형광 휠(40)의 형광 반사층(42)의 녹색 형광 반사부(42-2)가 광 경로에 위치할 때, 다이크로익 미러(31)에서 반사되어 제2콜리메이터 렌즈(32)를 통과한 청색 광(L2)이 형광 휠(40)에 도달하면, 도 3에 도시된 바와 같이 청색 광은 형광 휠(40)의 녹색 형광 반사부(42-2)에 충돌한다. 청색 광이 녹색 형광 반사부(42-2)에 충돌하면, 녹색 형광 반사부(42-2)의 녹색 형광 물질이 여기되어 녹색 광(L4)이 방출되어 제2콜리메이터 렌즈(32)로 진행한다. 제2콜리메이터 렌즈(32)를 통과한 녹색 광(L4)은 다이크로익 미러(31)로 입사된다. 다이크로익 미러(31)는 청색 광 이외의 광은 통과시키므로 녹색 광(L4)는 다이크로익 미러(31)를 통과하여 형광부(30) 외부로 방출된다.
이와 같이, 형광부(30)에서는 형광 휠(40)의 회전에 의해 적색 광, 녹색 광, 청색 광이 순차로 방출되어 혼합되므로 백색 광이 방출된다.
형광부(30)에서 방출된 광은 프리즘부(50)의 영상 플라이아이 렌즈(51)로 입사된다. 영상 플라이아이 렌즈(51)로 입사된 광은 영상형성유닛(60)의 형태에 대응하는 직사각형 형태의 균일한 광으로 형성되어 제1릴레이 렌즈(52)를 통해 반사미러(53)로 입사된다. 반사 미러(53)는 입사된 광을 제2릴레이 렌즈(54)를 통해 전반사 프리즘(55)으로 입사시킨다. 제1 및 제2릴레이 렌즈(52,54)에 의해 전반사 프리즘(55)으로 입사되는 광은 영상형성유닛(60)의 크기에 대응하는 형태로 형성된다.
전반사 프리즘(55)으로 입사된 광은 전반사 프리즘(55)의 전반사면(55a)에 의해 영상형성유닛(60)으로 입사된다. 영상형성유닛(60)은 입사된 광을 이용하여 영상 광을 방출한다.
조명장치(1)에서 광량을 늘이기 위해서는 형광부(30)의 형광 휠(40)에 입사되는 광의 균일성을 높일 필요가 있다. 형광 휠(40)에 입사되는 광의 균일성이 낮으면, 광 손실이 커져 광량이 줄어들게 된다. 본 발명에서는 광원부(10)에서 방출되는 광이 다이크로익 미러(31)의 앞에 설치된 디퓨저 판(20)과 플라이아이 렌즈(22)에 의해 2번 균일화된 상태로 다이크로익 미러(31)에 의해 반사되어 형광 휠(40)로 입사되므로 입사되는 광의 균일성이, 다이크로익 미러(31)의 앞에 디퓨저 판(20)과 플라이아이 렌즈(22)가 설치되지 않은 경우보다 높다.
이하, 상술한 본 발명의 일 실시예에 의한 조명장치(1)를 적용한 투사형 영상표시장치(100)에 대해 도 6을 참조하여 설명한다.
투사형 영상표시장치(100)는 조명장치(1), 영상형성유닛(60), 투사부(70)를 포함할 수 있다.
조명장치(1)는 복수 개의 레이저 다이오드(11a,12a)를 이용하여 청색 광을 방출하는 것으로서, 조명부(10), 형광부(30), 프리즘부(50)를 포함한다. 조명장치(1)의 구조 및 동작은 상술하였으므로 상세한 설명은 생략한다.
영상형성유닛(60)은 조명장치(1)에서 방출된 조명 광을 이용하여 영상 광을 출력하는 것으로서, 영상형성유닛(1)은 복수 개의 마이크로 미러(micromirror)들을 포함한 DMD 패널(digital micromirror device panel)로서 구현될 수 있다. 여기서, 각각의 마이크로 미러는 하나의 화소(pixel)에 대응한다. 각각의 마이크로 미러는 영상 신호에 따른 회동에 의해 온(On) 또는 오프(Off) 상태로 배치될 수 있다. 영상형성유닛(60)에서 형성되는 영상 광은 전사 프리즘(55)으로 방출된다.
투사부(70)는 프리즘부(50)의 전사 프리즘(55)을 통과한 영상 광을 스크린(80)에 확대 투사한다. 상세하게 도시하지는 않았으나, 투사부(70)는 영상 확대를 위해 광 진행 방향을 따라 배열된 다수의 렌즈들을 포함할 수 있다. 투사부(70)는 종래 기술에 의한 투사형 영상표시장치의 투사부를 사용할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명의 일 실시예에 의한 투사형 영상표시장치는 종래의 조명장치와 동일한 출력을 갖는 레이저 다이오드를 동일한 개수를 사용하여도, 형광 휠로 입사되는 광의 균일도가 높으므로 종래의 조명장치에 비해 광량이 증가하게 된다.
본 발명에 의한 조명장치에 의하면, 광원부에서 나온 광을 형광 휠에 잘 전달하기 위해 소형의 플라이 렌즈를 사용하므로, 고 굴절률의 글래스 렌즈를 사용하는 복잡한 구조를 구성할 필요가 없으므로 제작이 단순해진다는 이점이 있다.
상기에서 본 발명은 예시적인 방법으로 설명되었다. 여기서 사용된 용어들은 설명을 위한 것이며, 한정의 의미로 이해되어서는 안 될 것이다. 상기 내용에 따라 본 발명의 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서 따로 부가 언급하지 않는 한 본 발명은 청구범위의 범주 내에서 자유로이 실시될 수 있을 것이다.
1; 조명장치 10; 조명부
11,12; 다이오드 어레이 11a,12a; 레이저 다이오드
14; 제1콜리메이터 렌즈 16; 제1미러
17; 익스팬더 렌즈 19; 제2미러
20; 디퓨저 판 22; 플라이아이 렌즈
24; 제1콘덴서 렌즈 30; 형광부
31; 다이크로익 미러 32; 제2콜리메이터 렌즈
35; 반사 광학 경로 40; 형광 휠
41; 회전 기판 42; 형광 반사층
43; 모터 50; 프리즘부
51; 영상 플라이아이 렌즈 52,54; 릴레이 렌즈
53; 반사 미러 55; 전반사 프리즘
60; 영상형성유닛 70; 투사부
80; 스크린 100; 투사형 영상표시장치

Claims (11)

  1. 레이저 다이오드를 사용하여 단색의 레이저 광을 방출하는 광원부;
    상기 광원부에서 방출된 레이저 광을 분산시키는 디퓨저 판(diffuser plate);
    상기 디퓨저 판에서 나오는 광을 균일한 광으로 만드는 플라이아이 렌즈(flyeye lens); 및
    상기 플라이아이 렌즈를 통과한 광을 백색광으로 만들어 방출하는 형광부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원부는,
    복수 개의 레이저 다이오드(laser diode)를 포함하는 제1다이오드 어레이;
    상기 제1다이오드 어레이에 수직하게 배치되며, 복수 개의 레이저 다이오드를 포함하는 제2다이오드 어레이;
    상기 제1다이오드 어레이와 상기 제2다이오드 어레이 사이에 설치되며, 상기 제1다이오드 어레이에서 방출되는 레이저 광은 통과시키고, 상기 제2다이오드 어레이에서 방출되는 레이저 광은 반사하는 제1미러;
    상기 제1미러를 통과하거나 반사된 복수 개의 광을 한 개의 광으로 형성하는 익스팬더 렌즈(expander lens); 및
    상기 익스팬더 렌즈에 의해 형성된 상기 광을 상기 디퓨저 판으로 반사하는 제2미러;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2다이오드 어레이를 구성하는 복수 개의 레이저 다이오드 각각의 앞에는 제1콜리메이터 렌즈(collimator lens)가 설치된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 복수 개의 레이저 다이오드는 청색 광을 방출하는 청색 레이저 다이오드인 것을 특징으로 하는 조명장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 디퓨저 판은 글래스 디퓨저 판(glass diffuser plate)인 것을 특징으로 하는 조명장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광부는,
    상기 플라이아이 렌즈를 통과한 광을 반사하는 다이크로익 미러(dichroic mirror);
    상기 다이크로익 미러에서 반사된 광을 평행하게 만드는 제2콜리메이터 렌즈;
    상기 제2콜리메이터 렌즈를 통과한 광이 지나는 경로에 회전 가능하게 설치되며, 상기 제2콜리메이터 렌즈를 통과한 상기 광을 통과시키거나 상기 제2콜리메이터 렌즈로 반사하는 형광 휠; 및
    상기 형광 휠을 통과하는 광을 상기 다이크로익 미러로 안내하는 반사 광학 경로;를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 형광 휠은,
    원판 형상의 회전 기판;
    상기 회전 기판의 일면에 형성된 형광 반사층; 및
    상기 회전 기판을 회전시키는 모터;를 포함하며,
    상기 형광 반사층은 상기 회전 기판의 원주 방향으로 형성된 적색 형광 반사부, 녹색 형광 반사부, 및 투명부를 포함하며,
    상기 적색 형광 반사부와 상기 녹색 형광 반사부에서 반사된 광은 상기 제2콜리메이터 렌즈를 통과한 후 상기 다이크로익 미러를 통과하여 외부로 방출되고, 상기 투명부를 통과한 광은 상기 반사 광학 경로를 통과하여 상기 다이크로익 미러에 의해 외부로 반사되는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 형광 휠의 상기 형광 반사층 위에는 형광 디퓨저가 설치된 것을 특징으로 하는 조명장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 반사 광학 경로는,
    상기 형광 휠을 통과한 광을 평행하게 하는 제3콜리메이터 렌즈;
    상기 제3콜리메이터 렌즈에서 나온 광을 반사하는 제1반사미러;
    상기 제1반사미러에서 반사된 광을 모으는 콘덴서 렌즈(condensor lens);
    상기 콘덴서 렌즈를 통과한 광을 반사하는 제2반사미러; 및
    상기 제2반사미러에서 반사된 광을 상기 다이크로익 미러로 반사하는 제3반사미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 형광부에서 나온 광을 영상형성유닛으로 안내하는 프리즘부;를 더 포함하며, 상기 프리즘부는,
    상기 형광부에서 나온 광을 상기 영상형성유닛에 대응하는 형태로 형성하는 영상 플라이아이 렌즈;
    상기 영상 플라이아이 렌즈에서 나온 광이 통과하는 제1릴레이 렌즈;
    상기 제1릴레이 렌즈를 통과한 광을 반사하는 반사 미러;
    상기 반사 미러에서 반사된 광이 통과하는 제2릴레이 렌즈; 및
    상기 제2릴레이 렌즈를 통과한 광을 상기 영상형성유닛으로 전반사하는 전반사 프리즘;을 포함하며,
    상기 영상형성유닛에서 반사된 광은 상기 전반사 프리즘을 통과하여 외부로 방출되는 것을 특징으로 하는 조명장치.
  11. 레이저 광을 방출하는 청구항 10항에 따르는 조명장치;
    상기 조명장치에서 방출된 레이저 광을 이용하여 영상 광을 방출하는 영상형성유닛; 및
    상기 영상형성유닛에서 나온 영상 광을 스크린에 투사하는 투사부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사형 영상표시장치.

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