KR20160097238A - 컬러-조합 요소를 구비한 광 다중화기 - Google Patents

Abstract

광 다중화 시스템은 컬러-조합 요소 및 2개 또는 그 이상의 제1, 제2, 및 제3컬러 채널을 포함한다. 각각의 컬러 채널은 컬러-조합 요소 쪽으로 각각 대응하는 제1, 제2, 또는 제3파장 대역의 광을 지향시키는 광 소스를 포함한다. 그러한 컬러-조합 요소는 집합적으로 3개의 코팅된 표면을 포함하고 고체 투명 재료로 이루어진 제1 및 제2윈도우를 포함한다. 제1코팅 표면은 제1, 제2 및 제3파장 대역을 수신하고, 제1파장 대역을 반사하고, 제2 및 제3파장 대역을 투과시킨다. 제2코팅 표면은 제2 및 제3파장 대역을 수신하고, 제2파장 대역을 반사하고, 제3파장 대역을 투과시킨다. 제3코팅 표면은 제3파장 대역을 수신 및 반사한다. 그러한 반사된 제1, 제2, 및 제3파장 대역은 동축의 빔으로서 컬러-조합 요소의 제1표면을 빠져나간다.

Description

컬러-조합 요소를 구비한 광 다중화기{LIGHT MULTIPLEXER WITH COLOR-COMBINING ELEMENT}

본 출원은 35 U.S.C.§119 하에 2013년 12월 12일 출원된 미국 가출원 제61/915,126호를 우선권 주장하고 있으며, 상기 특허 문헌의 내용은 참조를 위해 본 발명에 모두 포함된다.

본 개시는 컬러 이미징, 프로젝션 시스템 및 다른 애플리케이션들을 위한 광 다중화기에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 프로젝션 또는 이미징을 위해 구성된 광학 시스템으로 전달하기 위한 동축의 다중컬러 빔을 형성하기 위해 각기 다른 파장의 2개 또는 그 이상의 고체 상태 광 소스로부터의 광을 조합하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

전자 이미징 및 프로젝션 시스템들은 통상 다수의 컬러 채널을 포함하는데, 그러한 컬러 채널 각각은 각기 다른 스펙트럼 대역(예컨대, 적, 녹, 및 청)의 광을 제공한다. 각각의 스펙트럼 대역으로부터의 광은 의도된 이미지의 컬러 성분을 구성한다. 그러한 성분의 컬러 이미지들은 복합 다중 컬러 이미지를 형성하기 위해 혼합(조합)된다. 그러한 성분의 컬러 이미지들을 혼합하기 위한 다른 기술들이 이용될 수 있다. 대규모 시스템들에 있어서, 각각의 변조 및 프로젝션 옵틱(optic)들은 통상 각각의 성분의 컬러 이미지에 사용되며, 그러한 성분의 컬러 이미지들은 포커싱 옵틱들에 의해 스크린 또는 다른 디스플레이 표면 상에 그 성분의 컬러 이미지들의 컨버전스(convergence)를 통해 혼합된다. 그러나, 콤팩트하면서 휴대할 수 있는 시스템들의 경우에는 종종 동축 혼합을 통해 성분의 컬러 이미지들을 조합하는 것이 바람직하다. 동축 혼합에 있어서, 각각의 컬러 채널로부터 기원하는 그러한 성분의 컬러 이미지들은 스크린 또는 디스플레이 표면으로 전달하기 전에 공통의 광학 축 상에서 조합 및 융합된다. 성분의 컬러 이미지들의 동축 혼합은 각기 다른 컬러 채널들에 대해 한 세트의 프로젝션 옵틱을 이용함으로써 그리고 그 각기 다른 컬러 채널들에 의한 변조 및 광학 요소들의 분담을 통해 공간 및 비용을 절약한다.

초기 전자 이미징 시스템들은 각각의 컬러 채널의 컬러화 광을 제공하기 위해 램프 및 다색 광 소스들을 채용했다. 몇몇 다른 광-혼합 시스템들은 초기의 시스템(예컨대, 컬러 텔레비전 카메라 옵틱들로부터 채용된 복합 프리즘 배열)에서 성분의 컬러 이미지들을 조합하기 위해 개발되었다. 좀더 파워풀하면서 거의 단색의 광 소스(예컨대, 발광다이오드(LED) 및 레이저)의 출현으로, 컬러 전영역의 광 효율, 및 이미징 시스템의 전체 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 컬러 혼합 요소들의 크기 및 비용을 감소시킬 수 있게 되었다. 컬러 혼합에 있어서, 다이크로익 코팅(dichroic coating) 및 복합 프리즘의 다양한 배열은 프로젝터 및 유사한 이미징 시스템들에 사용을 위해 개발되었다. 초기 전자 이미징 시스템에 사용된 좀더 친숙한 해결책들은 X-큐브 또는 X-프리즘(도 1a에 나타낸), 및 관련된 다이크로익 광학 요소들과, 필립스(Philips) 프리즘(도 1B에 나타낸)이다. 비-프리즘 해결책들은 "Projection Apparatus Using Spatial Light Modulator with Relay Lens and Dichroic Combiner."로 명칭된 미국 특허 제6,676,260호(Cobb et al.)에 제안된 것들과 같은 각진 다이크로익 플레이트 세트를 포함한다.

도 1a에 따르면, X-큐브(10)는 단일의 컬러 조합기 요소를 형성하기 위해 코팅된 후 함께 접착된 인세트(inset) E1로 나타낸 바와 같은 4개의 분리된 프리즘 요소(10a, 10b, 10c, 및 10d)들로 형성된 복합 프리즘이다. 그러한 X-큐브는 각각 적색, 녹색, 및 청색 광을 발광하는 레이저 다이오드들과 같은 3개의 고체 상태 광 소스(14r, 14g, 및 14b)들로부터의 광을 조합한다. 조립된 것과 같이, X-큐브(10)는 각기 다른 파장을 선택적으로 반사 및 전달하도록 처리된 2개의 내부 횡단 다이크로익 인터페이스(12a 및 12b)들을 갖춘다. 다이크로익 인터페이스(12a)는 청색 파장을 반사하고 녹색 및 적색 파장은 전달한다. 2개의 인터페이스가 X-큐브의 중심에 걸친 라인을 따라 교차하도록 다이크로익 인터페이스 12a와 접촉하는 다이크로익 인터페이스 12b는 적색 파장을 반사하고 녹색 및 청색 파장을 투과시킨다. X-큐브(10)가 도 1a에 나타난 바와 같이 그러한 다이크로익 표면들의 교차 라인은 평면에 수직이다. 그러한 컬러들은 도 1a에 명확성을 위해 분리된 컬러 경로들로 나타낸, 그러나 실제로는 동축인 광학 축(OA) 상에서 조합된다.

도 1b에 나타낸 필립스 프리즘(70)은 컬러들을 조합하는데 사용된 좀더 복잡합 복합 프리즘이다. 필립스 프리즘(70)은 3개의 분리된 프리즘, 즉 프리즘 요소(70a, 70b, 및 70c)들로 형성되고, 에어 갭(72; air gap)을 포함한다. 경사각의 다이크로익 표면들의 배열은 고체 상태 광 소스(14r, 14g, 및 14b)로부터의 광을 광학 축(OA) 상으로 지향시킨다.

다이크로익 표면들은 다양한 유전체의 초박형 코팅의 적층된 층들로 형성되고 다양한 파장의 선택적 반사 및 투과를 제공하도록 구성될 수 있다. X-큐브 및 필립스 프리즘 장치들, 및 다른 관련된 스펙트럼 조합기 또는 분리기들에 있어서, 다양한 타입의 다이크로익 코팅은 고제어의 방식으로 광이 스펙트럼적으로 재조합 또는 분리되게 하는 컬러-선택 메카니즘을 제공한다.

작은 휴대용 프로젝터 및 다양한 타입의 내장 또는 부속의 프로젝터들은 통상 단일의 광학 축 상에서 적색, 녹색, 및 청색 레이저 광을 혼합하기 위한 다이크로익 표면들의 배열을 이용한다. 다음에 이들 장치는 결과의 광을 디스플레이 표면 상에 신속하게 스캔한다. 배터리 사용 및 열 생성을 최소화하기 위해, 이들 장치는 각각의 레이저들을 직접적으로 변조함으로써 각각의 픽셀을 형성하고, 이에 의해 이미지 자체를 형성하는데 사용된 광만을 생성한다. 이들 프로젝터는 이후 디스플레이 표면으로 유도된 픽셀들의 연속 스캔 라인들을 생성함으로써 이미지를 형성한다.

휴대용 프로젝션 장치들이 기존의 컬러 조합 기술들을 이용하여 양호한 결과를 달성하지만, 여전히 많은 문제들이 있다. 다이크로익 표면들을 이용하는 기존의 컬러 조합이 갖는 한가지 문제는 입사각과 관련된다. 다이크로익 코팅은 입사각 및 파장의 함수로서 광을 반사 및 투과시킨다. 입사각이 변함에 따라, 투과 또는 반사되는 광의 파장 또한 변한다. 낮은 각도(직각에 가까운 각도)로 입사하는 광의 경우, 작은 범위의 입사각 또는 파장에 따른 변화는 매우 낮거나 무시될 수 있다. 보다 큰 각도의 광 입사의 경우, 각도의 범위에 따른 변화는 다이크로익 코팅 성능을 손상시킬 수 있다. 이들 코팅은 법선에 대한 작은 입사각에서 최상으로 작용하고, 큰 각도에서 또는 넓은 범위의 각도에 걸쳐 입사광의 균일한 결과를 주는 다이크로익 코팅을 디자인 및 제조하는데 비용이 많이 들게 하고 어렵게 할 수 있다. 다이크로익 코팅이 큰 범위의 각도에 걸쳐 광을 받아들여야 하는 곳에서는 상당한 컬러 불균일성이 쉽게 일어날 수 있다.

기존의 컬러 조합기들의 다른 단점은 광이 표면으로부터 반사되든 또는 그 표면을 투과하든 그 광이 입사되는 표면의 수와 관련이 있다. 각각의 입사 표면은 효율 손실을 나타내고 밝기의 감소를 야기한다. 게다가, 각각의 다이크로익 표면으로부터 광의 반사 또는 그 표면을 통한 광의 투과는 불완전한 다이크로익 성능으로 인해 어느 정도의 손실을 야기한다. 또한 광이 누설로 인해 표면과 마주치면(코팅이 되어 있든 되어 있지 않든) 콘트라스트(contrast)가 손상된다. 도 1a의 X-큐브(10)에서 각각의 광 빔은 적어도 3개의 표면 상으로 입사하고, 필립스 프리즘(70)에서 각각의 광 빔은 적어도 4개의 표면 상으로 입사한다. 높은 수의 표면들은 컬러 혼합을 위한 X-큐브 및 필립스 프리즘 장치의 성능을 손상시킨다.

다이크로익 코팅에 대한 또 다른 고려사항은 편광된 광의 반사 및 투과와 관련된다. 다이크로익 표면 상에 광의 입사각이 커짐에 따라, 각기 다른 편광 상태에 대한 반사 효율의 차이는 점점 증가하는 것을 나타낸다. 더욱이, 입사의 편광된 광이 다수의 레이저 다이오드 소스로부터 기원할 경우, 각기 다른 레이저 다이오들의 유일한 편광 특성이 고려되어야 한다. 하나 또는 그 이상의 위상 리타더(phase retarder)가 각기 다른 컬러 채널에 추가될 수 있으나, 비용이 추가되고 복잡성을 초래한다. 다이크로익 코팅을 디자인하고 제조하는 작업은 각기 다른 파장의 레이저 광의 조합을 허용하나 동일한 편광은 상당한 문제를 초래한다.

레이저 소스들에 의해 제공된 컬러의 혼합에 있어서의 다른 문제는 레이저 빔의 차원적 특성에 관한 것이다. 많은 고체 상태 레이저 빔의 단면 형태는 일그러져 보이는 상(즉, 왜상(anamorphic))이고, 그러한 빔 단면은 원형이 아닌 좀더 타원형이고, 그러한 정도의 타원형 왜곡은 통상 어느 한 컬러를 다른 컬러로 변화시킨다. 이는 3개의 성분 컬러로부터 균일한 크기의 픽셀들을 형성하는 것을 어렵게 하여 컬러 품질의 저하를 야기한다.

비용은 기존의 컬리 혼합기가 갖는 또 다른 문제이다. 도 1a 및 1b가 나타내고 있는 바와 같이, 컬러 혼합을 위한 기존의 장치들은 다이크로익 표면 및 프리즘 요소들의 복잡한 배열을 포함한다. 그것들의 실시를 위해 다수의 제조 및 정확한 조립 동작들이 요구된다. 기존의 제조에 있어서, 2개 또는 그 이상의 분리된 프리즘 요소들이 형성되고 다이크로익 코팅이 프리즘 요소들의 하나 또는 그 이상의 외면에 적용된 후 2개 또는 그 이상의 프리즘 요소들이 함께 접착되거나, 아니면 정확한 형태 배열로 결합된다. 통상의 프리즘 어셈블리에 있어서, 하나 또는 그 이상의 다이크로익 코팅은 각기 다른 프리즘 요소들을 형성하는 유리 또는 다른 투명 재료에 의해 둘러싸여진 컬러 조합기의 내부에 위치한다. 컬러 혼합 성능은 코팅 내성, 프리즘 위치맞춤의 오정렬, 에어 갭, 표면 불완전성, 및 다른 요인들에 의해 손상될 수 있다.

따라서, 비용을 최소화하고, 각기 다른 컬러 채널들로부터의 광이 입사하는 표면의 수를 최소화하고, 입사각을 감소시키고, 편광 응답을 향상시키는 고체 상태 광 소스를 위한 컬러 혼합 해결책이 필요하다.

본 발명은 스펙트럼 파장 대역들(컬러들)을 혼합하기 위한 광 다중화 시스템을 제공한다. 상기 광 다중화 시스템은 컬러-조합 요소 및 2개 또는 그 이상의 컬러 채널을 포함한다. 상기 컬러 채널들은 특정 스펙트럼 파장 대역(컬러)을 포함하는 광 빔을 생성하는 광 소스를 포함한다. 각각의 컬러 채널은 각기 다른 스펙트럼 파장 대역을 포함하는 광 빔을 생성하고, 그 광 빔을 컬러-조합 요소로 지향시킨다. 상기 컬러-조합 요소는 2개 또는 그 이상의 컬러 채널로부터의 광 빔들을 수신하고, 출력 빔을 형성하기 위해 상기 광 빔들을 조합한다. 일 실시예에 있어서, 상기 2개 또는 그 이상의 컬러 채널로부터 기원하는 컬러들은 동축의 출력 빔을 생성하기 위해 컬러-조합 요소에 의해 혼합된다. 상기 동축의 출력 빔은 2개 또는 그 이상의 컬러, 또는 3개 또는 그 이상의 컬러, 또는 4개 또는 그 이상의 컬러를 포함한다.

상기 컬러-조합 요소는 고체 재료의 2개의 단편을 포함한다. 각각의 고체 재료는 컬러 채널의 적어도 하나와 연관된 스펙트럼 파장 대역에 걸쳐 투명하다. 그러한 고체 투명 재료는 유리 또는 플라스틱이 될 것이다. 그러한 2개의 고체 투명 재료는 동일하거나 또는 다른 조성, 동일하거나 다른 크기, 또는 동일하거나 또는 다른 형태가 될 것이다. 고체 투명 재료의 각각의 단편은 하나 또는 그 이상의 코팅된 표면을 포함하고, 고체 투명 재료의 단편들의 적어도 하나는 2개 또는 그 이상의 코팅된 표면을 포함한다. 그러한 표면에 배치된 코팅들은 다이크로익 재료를 포함한다. 각각의 코팅은 각기 다른 컬러 채널로부터 기원하는 파장 대역을 선택적으로 반사하도록 선택된다. 각기 다른 파장 대역은 각각의 코팅된 표면들로부터 반사되고 그 반사된 빔들은 출력 빔을 형성하기 위해 혼합된다. 상기 코팅들은 금속 코팅을 포함할 것이다.

상기 광 다중화 시스템은 출력 빔으로부터 이미지를 프로젝트하거나 형성하기 위한 옵틱을 옵션으로 포함할 것이다.

일 실시예에 있어서, 본 발명은 다음과 같이 확장한다:

광 다중화 시스템은:

제1표면 및 제2표면을 갖는 고체 투명 재료의 제1단편,

제3표면 및 제4표면을 갖는 고체 투명 재료의 제2단편,

상기 제1표면 상에 배치된 제1코팅,

상기 제2표면 또는 상기 제3표면 상에 배치된 제2코팅, 및

상기 제4표면 상에 배치된 제3코팅을 포함하는 컬러-조합 요소와;

제1파장 대역을 포함하는 제1광 빔을 상기 제1코팅 상으로 지향시키는 제1광 소스를 갖춘 제1컬러 채널;

제2파장 대역을 포함하고 상기 제1광 빔에 평행한 제2광 빔을 상기 제1코팅 상으로 지향시키는 제2광 소스를 갖춘 제2컬러 채널; 및

제3파장 대역을 포함하고 상기 제2광 빔에 평행한 제3광 빔을 상기 제1코팅 상으로 지향시키는 제3광 소스를 갖춘 제3컬러 채널; 을 포함하며,

상기 제1코팅은 상기 제1파장 대역을 반사하고 상기 제2파장 대역 및 상기 제3파장 대역을 투과시키고,

상기 제2코팅은 상기 제2파장 대역을 반사하고 상기 제3파장 대역을 투과시키며,

상기 제3코팅은 상기 제3파장 대역을 반사한다.

본 발명의 광 다중화 시스템의 특징은 광 혼합 또는 컬러 조합을 수행하기 위해, 하나 또는 그 이상의 외표면 상에 적절한 코팅을 갖춘 하나 또는 그 이상의 투과성 광학 재료의 적어도 2개의 단편을 포함하는 컬러-조합 요소를 채용하는 것에 있다. 바람직하게 광은 컬러-조합 요소의 표면 상에 배치된 다이크로익 코팅을 갖춘 컬러-조합 요소의 표면 상에만 입사한다.

본 발명의 장점은 다이크로익 표면에 대해 낮은 입사각을 갖는 3개 또는 그 이상의 컬러 소스들로부터 단일의 광학 축 상에서 컬러 조합을 허용하는 것에 있다.

본 발명의 다른 장점은 동일한 방위의 편광 투과 축을 갖는 3개 또는 그 이상의 컬러의 조합을 허용하는 것에 있다.

본 발명의 이들 및 다른 형태, 목적, 특징 및 장점들은 이하의 바람직한 실시예들의 상세한 설명 및 부가의 청구항들의 검토로부터, 그리고 수반되는 도면들을 참조함으로써 좀더 명확히 이해되고 평가될 것이다.

추가의 특징 및 장점들이 이하의 상세한 설명에 기술되고, 부분적으로는 통상의 기술자가 그 상세한 설명으로부터 용이하게 알 수 있거나 또는 그 상세한 설명 및 그 청구항 뿐만 아니라 부가된 도면들에 기술된 바와 같은 실시예들을 실시함으로써 명확히 인식할 수 있을 것이다.

수반되는 도면들은 좀더 잘 이해할 수 있게 하기 위해 제공되고, 본 명세서에 포함되어 그 일부를 구성한다. 그 도면들은 본 개시의 선택된 형태들을 기술하며, 상세한 설명과 함께 본 개시에 의해 포함된 원리 및 방법의 동작, 제품, 및 구성들을 설명하기 위해 제공된다.

본 명세서가 본 발명의 대상을 특정하여 지적하고 개별적으로 청구하는 청구항들로 종결되지만, 본 발명은 수반되는 도면들과 연계하면 이하의 설명들을 더 잘 이해할 수 있다는 것을 확신한다.
도 1a는 컬러 조합기로서 사용된 X-프리즘 내의 다이크로익 인터페이스의 동작을 나타내는 개략도이고;
도 1b는 컬러 조합기로서 사용된 필립스 프리즘 내의 다이크로익 인터페이스의 동작을 나타내는 개략도이고;
도 2는 기존의 피코-프로젝터(pico-projector) 장치를 위한 컬러 조합기의 동작을 나타내는 개략도이고;
도 3은 컬러 조합 요소 및 3개의 컬러 채널을 갖춘 광 다중화 시스템을 나타내는 개략도이고;
도 4a는 본 발명의 실시예에 따른 평행한 코팅된 표면들을 갖는 컬러 조합기 요소를 나타내는 투시도이고;
도 4b는 본 발명의 실시예에 따른 비스듬한 코팅된 표면들을 갖는 컬러 조합기 요소를 나타내는 투시도이고;
도 5는 각진 전면의 수신 표면을 갖는 컬러-조합 요소의 실시예에 대한 적색 컬러 채널의 광 경로를 나타내는 개략도이고;
도 6은 각진 전면의 수신 표면을 갖는 컬러-조합 요소의 실시예에 대한 청색 컬러 채널의 광 경로를 나타내는 개략도이고;
도 7은 각진 전면의 수신 표면을 갖는 컬러-조합 요소의 실시예에 대한 녹색 컬러 채널의 광 경로를 나타내는 개략도이며;
도 8은 빔 아나모르피즘(anamorphism)을 보상하기 위한 컬러-조합 요소의 단편에 대한 레이저 빔의 방위를 나타내는 개략도이다.

명확히 나타내거나 기술하지 않은 요소들은 통상의 기술자들에게는 잘 알려진 다양한 형태를 취할 수 있다는 것을 알아야 한다. 예컨대, 기존의 프리즘 요소 및 다른 광학 요소들은 적절한 유리 기판의 블록, 투명 플라스틱, 또는 애플리케이션에 필요한 원하는 굴절률 및 다른 광학 특성들을 갖는 다른 일반적인 투명 고체 재료로부터 형성된다. 다이크로익 코팅 구성과 그것들의 디자인 및 주문 제작은 코팅 기술분야의 기술자들에게 잘 알려져 있다. 반사성의 금속 코팅 또한 코팅 기술분야의 기술자들에게 잘 알려져 있다.

본원에 나타내고 도시된 도면들은 본 발명에 따른 그들 각각의 광 경로에 따른 요소의 관계 및 동작의 핵심 원리를 기술하기 위해 제공되며, 실제 크기 또는 척도를 나타내는 것으로 도시되지는 않는다. 기본적인 구조의 관계, 기능, 또는 동작의 원리를 강조하기 위해 약간의 과장이 필요할 수 있다. 예컨대 다양한 타입의 광학 마운트들과 같이 기술된 실시예들의 실시를 위해 필요로 하는 몇몇 기존의 요소들은 발명 자체의 설명을 간단히 하기 위해 도면에 나타내진 않았다. 이하의 텍스트 및 도면들에 있어서, 유사한 요소들은 유사한 참조부호로 나타내고, 이미 기술한 요소들 및 그 요소들의 배열 또는 상호작용을 언급하는 유사한 설명은 생략한다.

용어 "제1", "제2" 등이 사용되는 곳에서는 소정의 순서 또는 우선권의 관계를 반드시 나타내진 않지만, 단순히 요소를 서로 좀더 명확히 구별하는데 사용될 수 있다. 용어 "접촉(contiguous)"은 하나 또는 그 이상의 경계를 접촉하거나 공유하는 것과 같은 기존의 의미를 갖는다. 2개의 표면은 이들이 서로 직접 접촉하지 않는 비접촉 표면이다.

광은 광이 표면으로부터 반사될 때 또는 표면을 횡단하거나 또는 통과할 때 표면 상으로 입사되어야 한다.

용어 "비스듬한"은 90°의 정수배와 다른 평행하거나 수직이 아닌 각도 관계를 나타낸다. 실제로, 2개의 광학 표면은 이들 표면이 적어도 약 ±2°또는 그 이상으로 수직 또는 평행으로부터 벗어나면 서로에 대해 비스듬한 것으로 고려한다. 유사하게, 선과 평면은 이들이 적어도 약 ±2°또는 그 이상으로 수직 또는 평행으로부터 벗어나면 서로에 대해 비스듬한 것으로 고려한다. 거의 평행한 평면들은 ±2°내로 평행하다. 마찬가지로, 평행한 빔들은 ±2°내로 평행하다.

용어 "컬러" 및 "파장 대역"은 통상 본 개시의 문맥에 사용된 바와 같이 같은 의미의 동의어이다. 광 소스는 그 피크 출력 파장(635 nm와 같은) 또는 그 파장 대역(630-640 nm)과 관련된 것이 아니라 일반적인 컬러(적색과 같은)와 관련된다. 본 개시의 문맥에서, 각기 다른 컬러 또는 파장 대역들은 본질적으로 겹치지 않는 별개의 것으로 고려한다.

용어 "직접 레이저 변조"는, 이미지-형성 레이저들이 빠르게 스위치 온 및 오프되고 이미지의 각 개별 픽셀에 대한 그들의 상대적인 출력 파워가 제어되도록, 레이저 광 신호들의 조합으로서 이미지의 각 픽셀을 형성하는 프로젝션 또는 이미징 시스템들의 실시예에 적용된다. 이러한 형태의 광 변조는 예컨대 기존의 휴대용 프로젝터에 사용되고, 소정의 특정 픽셀에 필요한 광만이 생성되므로 저전력 소비의 장점을 제공한다. 이미지 형성을 위한 대안의 방법들은 디지털 마이크로미러 어레이, 액정소자(LCD; 실리콘 액정(LCoS) 소자와 같은), 또는 스캐너로 사용된 전자기계식 격자 소자와 같은 공간 광 변조기로 광을 지향시키는 방법들을 포함한다. 본 개시의 광 다중화 시스템의 실시예들은 직접 레이저 변조 타입의 이미지 형성 방법들을 서포트하는데 사용될 수 있으며, 이들에서 스캐너는 광 변조기 요소로 제공하도록 동작되거나, 또는 이들은 적색, 녹색, 및 청색과 같은 순차 컬러의 광을 이용하여 복합 컬러 이미지를 형성하도록 동작되는 공간 광 변조기를 이용한다.

용어 "프리즘" 또는 "프리즘 요소"가 본원에 사용되며, 이들은 광이 입사하는 평평한 표면들을 갖는 통상 n-측면 다면체 형태이고 광을 반사하는 투명한 고체 재료로 형성된 투명한 광학 요소와 관련된 옵틱으로 이해한다. 형태 및 표면 윤곽의 관점에서, 무엇이 프리즘을 구성하는지에 대한 광학적 이해는 프리즘 외형의 형태적 정의보다 덜 제한적이라는 것을 알아야 한다. 앞서 기술한 X-프리즘 및 필립스 프리즘과 같은 복합 프리즘은 2개 또는 그 이상의 프리즘 요소로부터 형성된 조립된 프리즘이고, 그러한 각각의 프리즘 요소는 분리적으로 제조 및 코팅된 후, 함께 접착되거나 또는 아니면 컬러 조합 기능을 제공하기 위해 배열되고, 결합되거나 또는 탑재된다.

본 발명의 컬러 조합 배열이 어떻게 동작하는지를 더 잘 이해하기 위해, 우선 Watson 등에 의한 "Apparatus and Method for Combining Multiple Electromagnetic Beams Into a Composite Beam"로 명칭된 미국특허 제7,167,315호에 개시된 바와 같은 그리고 도 2의 개략도에 나타낸 바와 같은 직접 레이저 변조를 이용하는 휴대용 프로젝터에 대한 기존의 컬러 조합 동작을 검토하는 것이 효율적이다. 컬러-조합 요소(20)는 분리적으로 제조 및 처리한 후, 광학 접착제를 이용하여 함께 접합한 프리즘 요소(20a, 20b, 및 20c)들로 형성된 복합 프리즘이다. 컬러-조합 요소(20)는 평행한 평면 상의 2개의 내부 평면 다이크로익 인터페이스(22a 및 22b)들을 갖춘다. 다이크로익 인터페이스(22a)는 청색 파장을 반사하고 녹색 파장을 투과시킨다. 다이크로익 인터페이스(22b)는 적색 파장은 반사하고 녹색 및 청색 파장은 투과시킨다. 시준 렌즈(64; collimating lens)는 통상 각각의 컬러 채널에 제공된다. 그러한 컬러들은 도 2에 명확성을 위해 분리된 컬러 경로로 나타냈으나 실제로는 동축인 광학 축(OA) 상에서 조합된다.

도 2에 나타낸 기존 방식의 문제들 중에는 고체 상태 광 소스(14r, 14g, 및 14b)들로부터의 광에 대한 입사각이 비교적 크다는 문제가 있다. 광 소스(14r)로부터의 광은 45°로 하나의 다이크로익 인터페이스(22b) 상으로 입사한다. 광 소스(14b)로부터의 광은 45°로 다이크로익 인터페이스(22a) 상으로 입사한 후 45°로 다이크로익 인터페이스(22b) 상으로 입사한다. 또한 광 소스(14g)로부터의 광은 45°로 다이크로익 인터페이스 22a 및 22b 모두로 입사한다. 이들 각도 범위의 입사 광의 경우는 각 인터페이스에서 약간의 효율 손실이 있다. 게다가, 입사 광을 수신하는 비코팅 표면들 상에 반사-방지(AR) 코팅이 제공되어야 하는데, 이는 컬러-조합 요소(20)의 제조에 추가 비용이 들고 제조가 복잡해진다.

도 2의 컬러-조합 요소(20)의 사용에 따른 또 다른 문제는 반사되고 투과되는 광이 입사하는 표면들의 수와 관련된다. 광 소스(14r)로부터의 광은 3개의 표면 상으로 입사한다. 광 소스(14b 및 14g)들로부터의 광 빔은 4개의 표면 상으로 입사한다. 앞서 나타낸 바와 같이, 거기에는 그러한 표면이 코팅되든 코팅되지 않든 각각의 입사 표면에는 어느 정도의 손실이 있다. 이러한 기존 방식에 따른 다른 성능 문제는 이후 기술하는 바와 같이 레이저 소스들에 의해 제공된 통상의 왜상(즉, 일그러저 보이는 상) 빔 형태 및 편광과 관련된다.

컬러-조합 요소(20)에 대한 기존의 해결책에 따른 또 다른 문제는 제조와 관련된다. 이러한 장치의 제조는 다이크로익 코팅 처리와 복잡한 조립 및 정렬 과정 모두를 필요로 한다. 인세트 E2는 복합 프리즘 구조 내에 내장된 다이크로익 인터페이스(22a 및 22b)들을 제공하기 위해 함께 접착되는 프리즘 요소(20a, 20b, 및 20c)들로부터 컬러-조합 요소(20)가 어떻게 제조되는지를 나타낸다.

본 발명은 각기 다른 광 채널들로부터 기원하는 광 빔들을 혼합하기 위한 광 다중화 시스템을 제공한다. 각각의 광 빔은 스펙트럼 파장 대역을 포함한다. 그러한 광 빔 또는 스펙트럼 파장 대역은 본원에서 컬러와도 관련되며, 상기 광 다중화 시스템은 컬러들을 혼합하거나 또는 조합할 것이다. 광 빔들을 제공하는 광 채널들은 본원에서 컬러 채널들과 관련된다. 상기 광 다중화 시스템은 컬러-조합 요소 및 2개 또는 그 이상의 컬러 채널을 포함한다. 그러한 컬러 채널들은 광 빔을 생성하는 광 소스를 포함한다. 광 빔은 스펙트럼 파장 대역(컬러)을 포함한다. 각각의 컬러 채널은 각기 다른 스펙트럼 파장 대역을 포함하는 광 빔을 생성하고 그 광 빔을 컬러-조합 요소로 지향시킨다. 상기 컬러-조합 요소는 각기 다른 컬러 채널들로부터의 2개 또는 그 이상의 광 빔들을 수신하여 복합 출력 빔을 형성하기 위해 그 광 빔들을 조합한다. 각각의 2개 또는 그 이상의 광 빔들은 컬러-조합 요소와 다르게 상호작용하고 그 컬러-조합 요소로부터 또는 그를 통해 각기 다른 경로를 통과한다. 복합 출력 빔을 형성하기 위한 2개 또는 그 이상 컬러의 조합은 본원에서 컬러 혼합, 컬러들의 혼합, 컬러 다중화, 다중화 등과 관련된다.

상기 컬러-조합 요소는 고체 재료의 2개의 단편을 포함한다. 고체 재료의 각각의 단편은 컬러 채널들의 적어도 하나와 연관된 스펙트럼 대역에 걸쳐 투명하다. 그러한 고체 투명 재료의 단편들은 무기 또는 유기 재료가 될 것이다. 그러한 고체 투명 재료의 단편들은 예컨대 유리 또는 플라스틱이 될 것이다. 그러한 고체 투명 재료의 단편들은 동일하거나 다른 구성, 동일하거나 다른 크기, 또는 동일하거나 다른 형태가 될 것이다. 고체 투명 재료의 각각의 단편은 하나 또는 그 이상의 코팅된 표면들을 포함하고, 그러한 고체 투명 재료의 단편들의 적어도 하나는 2개 또는 그 이상의 코팅된 표면들을 포함한다. 그러한 코팅은 다이크로익 재료를 포함한다. 각각의 코팅은 특정 스펙트럼 파장 대역(컬러)을 선택적으로 반사하도록 선택된다. 각각의 코팅은 또한 특정 스펙트럼 파장 대역을 선택적으로 투과시키도록 선택될 것이다. 그러한 코팅들은 단독으로 또는 다이크로익 재료와의 조합으로 하나 또는 그 이상의 금속 반사층을 포함할 것이다. 일 실시예에 있어서, 상기 컬러-조합 요소의 전면의 표면, 하나 또는 그 이상의 내부 표면, 및 후면의 표면은 다이크로익 재료로 코팅된다. 다른 실시예에 있어서, 그러한 컬러-조합 요소의 전면의 표면 및 하나 또는 그 이상의 내부 표면들은 다이크로익 재료로 코팅되고, 컬러-조합 요소의 후면의 표면은 반사성의 금속 재료로 코팅된다. 본원에 사용된 바와 같이, 전면의 표면은 컬러-조합 요소의 초기의 입사 표면과 관련되고, 후면의 표면은 광 다중화 시스템의 광 소스들로부터 기원하는 광 빔들이 상호작용하는(반사 또는 투과를 통해) 일련의 표면들의 마지막 표면과 관련된다. 광 다중화 시스템의 컬러-조합 요소는 하나의 전면의 표면, 하나의 후면의 표면, 및 광 빔들이 마주치는 2개 또는 그 이상의 내부 표면들을 갖춘다. 이하 본원에서 좀더 충분히 기술하는 바와 같이, 컬러-조합 요소 상으로 입사하는 모든 광 빔이 모든 코팅된 표면들을 마주치지는 않을 것이다.

상기 광 다중화 시스템은 컬러 채널들로부터의 광 소스들로부터 기원하는 광 빔들이 컬러-조합 요소의 제1표면 쪽으로 지향되어 초기에 입사하도록 구성된다. 제1표면은 이 표면 상에 배치된 코팅을 갖춘다. 각기 다른 컬러 채널로부터의 광 빔들은 제1표면으로 입사할 때 평행할 것이다. 그러한 컬러 채널들의 광 소스들은 평행하고 직접 또는 사이에 개재되는 옵틱들을 통해 제1표면으로 평행한 광 빔들을 전달한다. 컬러 채널들의 광 소스들은 평행하지 않을 수 있고 제1표면에 배치된 코팅에 도달하기 전에 평행한 전파의 방향을 달성하기 위해 미러 또는 다른 옵틱들에 의해 조정되는 광 빔들을 생성할 것이다.

제1표면 상에 배치된 코팅은 하나의 컬러 채널로부터의 광 빔을 반사하고 하나 또는 그 이상의 다른 컬러 채널들로부터의 하나 또는 그 이상의 광 빔들을 투과시킨다. 그러한 투과된 하나 또는 그 이상의 광 빔들은 컬러-조합 요소의 고체 투명 재료의 제1단편의 내부로 들어가, 그를 통해 그 제2표면으로 전파된다. 그러한 고체 투명 재료의 제1단편의 제2표면은 상기 고체 투명재료의 제1단편의 제1표면에 평행할 것이다. 상기 고체 투명 재료의 제1단편의 제2표면은 코팅되지 않거나 그 제2표면 상에 배치된 코팅을 가질 수 있다. 가능하다면, 상기 제2표면 상에 배치된 코팅은 상기 제1표면 상에 배치된 코팅에 의해 투과된 광 빔들의 하나를 반사하고 제2표면을 통해 제1표면 상에 배치된 코팅에 의해 투과된 다른 광 빔들을 투과시키는 재료로 형성된다. 코팅되지 않을 경우, 상기 제2표면은 제1표면 상에 배치된 코팅에 의해 투과된 광 빔들을 투과시킨다.

상기 제2표면을 통해 투과된 하나 또는 그 이상의 광 빔들은 컬러-조합 요소의 고체 투명 재료의 제1단편을 빠져나가고 고체 투명 재료의 제2단편 쪽으로 전파된다. 고체 투명 재료의 제2단편은 제2표면에 의해 투과된 하나 또는 그 이상의 빔들을 제3표면에서 수신한다. 그러한 고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면은 고체 투명 재료의 제1단편의 제2표면에 평행할 것이다. 상기 제3표면은 코팅되지 않거나 또는 그 제3표면 상에 배치된 코팅을 가질 것이다. 가능하다면, 상기 고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면 상에 배치된 코팅은 제2표면에 의해 투과된 광 빔들의 하나를 반사하고 그 제2표면에 의해 투과된 다른 광 빔들을 투과시키는 재료로 형성된다. 상기 제2표면 및 제3표면의 적어도 하나는 코팅된다.

상기 고체 투명 재료의 제1단편은 상기 고체 투명 재료의 제2단편과 직접 접촉하거나 접촉하지 않을 수 있다. 제1실시예에 있어서, 상기 고체 투명 재료의 제1단편의 제2표면은 이 제2표면 상에 배치된 코팅을 갖고, 상기 고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면은 코팅되지 않으며, 상기 고체 투명 재료의 제1 및 제2단편은 상기 제2표면 상에 배치된 코팅이 비코팅의 제3표면과 직접 접촉하도록 배열된다. 제2실시예에 있어서, 고체 투명 재료의 제1단편의 제2표면은 이 제2표면 상에 배치된 코팅을 갖고, 상기 고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면은 코팅되지 않으며, 상기 고체 투명 재료의 제1 및 제2단편은 상기 제2표면 상에 배치된 코팅이 비코팅의 제3표면과 직접 접촉하지 않도록 배열된다. 갭 또는 필러(filler) 재료는, 예컨대 제2표면 상에 배치된 코팅과 비코팅의 제3표면간 제공될 것이다. 그러한 필러 재료는 광학 시멘트(optical cement)와 같은 광학적으로 투명한 재료가 될 것이다.

제3실시예에 있어서, 고체 투명 재료의 제1단편의 제2표면은 코팅되지 않고, 고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면은 이 제3표면 상에 배치된 코팅을 가지며, 상기 고체 투명 재료의 제1 및 제2단편은 상기 제3표면 상에 배치된 코팅이 비코팅의 제2표면과 직접 접촉하도록 배열된다. 제4실시예에 있어서, 상기 고체 투명 재료의 제1단편의 제2표면은 코팅되지 않고, 상기 고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면은 이 제3표면 상에 배치된 코팅을 가지며, 상기 고체 투명 재료의 제1 및 제2단편은 상기 제3표면 상에 배치된 코팅이 비코팅의 제2표면과 직접 접촉하지 않도록 배열된다. 갭 또는 필러 재료는, 예컨대 제3표면 상에 배치된 코팅과 비코팅의 제2표면간 제공될 것이다. 그러한 필러 재료는 광학 시멘트와 같은 광학적으로 투명한 재료가 될 것이다.

제5실시예에 있어서, 고체 투명 재료의 제1단편의 제2표면은 이 제2표면 상에 배치된 코팅을 갖고, 고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면은 이 제3표면 상에 배치된 코팅을 가지며, 고체 투명 재료의 제1 및 제2단편은 상기 제2표면 상에 배치된 코팅이 상기 제3표면 상에 배치된 코팅과 직접 접촉하도록 배열된다. 제6실시예에 있어서, 상기 고체 투명 재료의 제1단편의 제2표면은 이 제2표면 상에 배치된 코팅을 갖고, 상기 고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면은 상기 제2표면 상에 배치된 코팅이 상기 제3표면 상에 배치된 코팅과 직접 접촉하지 않도록 배열된다. 갭 또는 필러 재료는, 예컨대 제2표면 상에 배치된 코팅과 제3표면 상에 배치된 코팅간 제공될 것이다. 그러한 필러 재료는 광학 시멘트와 같은 광학적으로 투명한 재료가 될 것이다.

고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면 상에 배치된 코팅에 의해 반사되지 않는 고체 투명 재료의 제1단편을 빠져나가는 광 빔들은 제3표면을 통해 투과하고, 고체 투명 재료의 제2단편으로 들어가, 그를 통해 제4표면으로 전파된다. 상기 고체 투명 재료의 제2단편의 제4표면은 상기 고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면에 평행할 것이다. 상기 제4표면은 이 제4표면 상에 배치된 코팅을 갖는다. 그러한 제4표면 상에 배치된 코팅은 다이크로익 재료 또는 반사성의 금속 재료가 될 것이고, 상기 제3표면을 통해 투과된 광 빔을 반사한다.

상기 고체 투명 재료의 제1단편의 제1표면 상에 배치된 코팅, 고체 투명 재료의 제2단편의 제4표면 상에 배치된 코팅, 및 고체 투명 재료의 제1단편의 제2표면 또는 고체 투명 재료의 제2단편의 제3표면의 어느 하나 또는 그 모두에 배치된 코팅(들)으로부터 반사된 광 빔들은 평행하거나 또는 공통의 광학 축을 따라 지향될 것이다. 공통의 광학 축을 따라 전파되는 빔들은 본원에서 동축의 빔들과 관련된다.

바람직하게 컬러 채널들의 광 소스들은 고체 상태 광 소스들이다. 그러한 고체 상태 광 소스들은 고체 상태 레이저 및 고체 상태 LED를 포함한다. 고체 상태 광 소스들의 활성(광-생성) 재료는 하나 또는 그 이상의 반도체 재료 및/또는 그 반도체 재료들간 정션(junction)을 포함할 것이다. 상기 고체 상태 레이저는 다이오드 레이저를 포함할 것이다. 고체 상태 광 소스들에 의해 제공된 스펙트럼 파장 대역들은 적외선, 가시광선, 또는 자외선에 속할 것이다. 고체 상태 소스들에 의해 제공된 스펙트럼 대역들은 파장이 오버래핑(overlapping)되지 않을 것이다. 일 실시예에 있어서, 광 다중화 시스템은 가시광선의 비-오버래핑 스펙트럼 파장 대역들을 갖는 광 빔들을 제공하는 광 소스들을 구비한 컬러 채널들을 포함한다. 그러한 시스템은 예컨대 스펙트럼의 적색, 녹색 및 청색 부분의 광 빔들을 제공하는 3개의 광 소스를 포함한다. 광 소스들 외에, 컬러 채널들은 광 소스들에 의해 생성된 광 빔들을 포커싱하고, 시준하고, 필터링하고, 성형하고, 또 반사하기 위한 옵틱들을 포함할 것이다.

본 개시에 따른 예시의 광 다중화 시스템이 도 3에 나타나 있다. 광 다중화 시스템(100)은 컬러-조합 요소(160) 및 3개의 컬러 채널을 포함한다. 컬러-조합 요소(160)는 고체 투명 재료의 단편 165 및 170을 포함한다. 컬러-조합 요소(160)는 전면의 표면(162), 후면의 표면(168), 및 중간 표면(164 및 166)들을 포함한다. 표면(162 및 164)들은 고체 투명 재료의 단편(165)과 연관되고, 표면(166 및 168)들은 고체 투명 재료의 단편(170)과 연관된다. 전면의 표면(162)은 중간 표면(164)에 평행하다. 중간 표면(166)은 후면의 표면(168)과 평행하다. 도 3의 실시예에 있어서, 고체 투명 재료의 단편(165 및 170)들은 전면의 표면(162)이 후면의 표면(168)에 평행하도록 구성된다. 도 3의 실시예에 있어서, 전면의 표면(162), 중간 표면(164), 중간 표면(166), 및 후면의 표면(168)은 하나 또는 그 이상의 광 빔들이 입사하는 컬러-조합 요소(160)의 표면들이다. 전면의 표면(162), 중간 표면(164), 중간 표면(166), 및 후면의 표면(168)은 본원에서 수신 표면들과 관련된다. 전면의 표면(162) 및 중간 표면(164)은 고체 투명 재료의 단편(165)의 비접촉 표면들이다. 중간 표면(166) 및 후면의 표면(168)은 고체 투명 재료의 단편(170)의 비접촉 표면들이다.

3개의 컬러 채널은 각각 고체 상태 레이저 105, 125, 및 145를 포함한다. 제1컬러 채널은 시준 렌즈(115)를 통과하는 광 빔(110)을 제공한다. 제2컬러 채널은 시준 렌즈(135)를 통과하는 광 빔(130)을 제공한다. 제3컬러 채널은 시준 렌즈(155)를 통과하는 광 빔(150)을 제공한다. 이러한 나타낸 예에 있어서, 고체 상태 레이저 105, 125, 및 145는 각각 적색, 청색, 및 녹색 출력 빔을 제공한다. 적색 빔(110), 청색 빔(130), 및 녹색 빔(150)에 포함된 파장의 범위는 각각 고체 상태 레이저 105, 125, 및 145의 성능에 의해 결정된다. 통상의 고체 상태 레이저들의 경우, 출력 빔의 선 폭은 좁으며, 스펙트럼 강도(spectral intensity)는 좁은 파장 대역에 걸쳐 분포된다. 도 3의 실시예에 있어서, 고체 상태 레이저(105, 125, 및 145)들에 의해 생성된 스펙트럼 파장 대역들은 오버래핑되지 않는다.

전면의 표면(162) 및 후면의 표면(168)은 이들 표면 상에 배치된 다이크로익 코팅들을 갖는다. 대안으로 후면의 표면(168)은 이 표면 상에 배치된 금속 코팅을 갖는다. 도 3의 실시예에 있어서, 제3코팅은 중간 표면(164 및 166)들간 배치되고 그들과 접촉한다. 고체 투명 재료의 단편(165 및 170)들은 사이에 개재되는 제3코팅을 통해 서로 접촉한다. 그러한 제3코팅은 컬러-조합 요소(160)를 형성하기 위해 단편(165 및 170)들을 조립하기 전에 표면 164 또는 표면 166 상에 초기에 배치될 것이다.

컬러 채널들은 전면의 표면(162)으로 적색 빔(110), 청색 빔(130), 및 녹색 빔(150)을 지향시킨다. 적색 빔(110), 청색 빔(130), 및 녹색 빔(150)은 전면의 표면(162) 상에 입사할 때 평행하다. 전면의 표면(162) 상에 배치된 코팅은 적색 빔(110)을 반사하고, 청색 빔(130)을 투과시키고, 녹색 빔(150)을 투과시킨다. 반사된 적색 빔(112)은 출력 빔(180)의 성분이 된다. 투과된 청색 빔(132) 및 투과된 녹색 빔(152)은 고체 투명 재료의 단편(165)으로 들어가고 중간 표면 164와 166간 배치된 코팅으로 전파된다. 그러한 중간 표면(164 및 166)들간 배치된 코팅은 청색 빔(132)을 반사하고 녹색 빔(152)을 투과시킨다. 반사된 청색 빔(134)은 고체 투명 재료의 단편(165)을 통해 리턴되어, 전면의 표면(162) 상에 배치된 코팅을 통과하고, 반사된 적색 빔(112)과 조합됨으로써, 출력 빔(180)의 제2성분이 된다. 투과된 녹색 빔(152)은 고체 투명 재료의 단편(170)으로 들어가 후면의 표면(168) 상에 배치된 코팅으로 전파된다. 후면의 표면(168) 상에 배치된 코팅은 녹색 빔(152)을 반사한다. 그 반사된 녹색 빔(154)은 고체 투명 재료의 단편(170)을 통해 리턴되고, 중간 표면(164 및 166)들간 배치된 코팅을 통해 전파되어, 고체 투명 재료의 단편(165)으로 들어가고, 전면의 표면(162) 상에 배치된 코팅을 통과하여, 반사된 청색 빔(134) 및 반사된 적색 빔(112)과 조합됨으로써, 출력 빔(180)의 제3성분이 된다. 반사된 녹색 빔(154), 반사된 청색 빔(134), 및 반사된 적색 빔(112) 각각은 출력 빔(180)을 형성하기 위해 동축으로 조합된다.

도 3의 실시예는 각각의 3개의 컬러를 포함하는 동축의 출력 빔을 제공하기 위해 3개의 컬러 채널에 의해 제공된 3개의 컬러의 혼합을 기술한다. 도 3의 실시예를 위해 나타낸 일반적인 원리들은 2개 또는 그 이상의 비-오버래핑 스펙트럼 파장 대역을 전달하는 2개 또는 그 이상의 컬러 채널을 갖춘 광 다중화 시스템으로 확장한다. n개의 컬러를 혼합하는데 필요한 고체 투명 재료의 단편의 수는 n-1개이고, n개의 컬러를 혼합하는데 필요한 코팅된 표면의 수는 n개가 될 것이다. 예컨대, 4개 컬러의 혼합은 4개의 비접촉의 코팅된 표면들을 포함하는 고체 투명 재료의 3개의 단편을 포함하는 컬러-조합 요소에 의해 달성될 것이다. 컬러-조합 요소를 형성하는데 사용된 고체 투명 재료의 단편들을 위한 재료 및 코팅들을 형성하는데 사용된 다이크로익 재료들은 스펙트럼의 적외선, 가시광선, 및 자외선 부분의 파장 대역들을 선택적으로 반사하고 투과시키도록 선택될 수 있다.

상기 본원에 나타낸 바와 같이, 컬러-조합 요소를 형성하는 고체 투명 재료의 단편들의 어느 하나 또는 그 모두의 비접촉 수신 표면들은 평행하거나 또는 평행하지 않을 수 있다. 도 4a는 평행한 수신 표면 232 및 234를 갖는 고체 투명 재료(230)의 단편을 나타낸다. 도 4b는 쐐기각(β; wedge angle)으로 서로에 대해 평행하지 않게 비스듬하게 배치된 수신 표면 242 및 244를 갖는 고체 투명 재료(240)의 단편을 나타낸다. 그러한 컬러-조합 요소는 도 4a에 나타낸 타입의 고체 투명 재료의 2개의 단편, 또는 도 4b에 나타낸 타입의 고체 투명 재료의 2개의 단편, 또는 도 4a에 나타낸 타입의 고체 투명 재료의 하나의 단편 및 도 4b에 나타낸 타입의 고체 투명 재료의 하나의 단편을 포함할 것이다. 광학 축에 수직으로 취해진 고체 투명 재료의 단편들의 단면 형태(수신 표면에 평행하게 취해진 단면)는 직사각형, 원통형, 육각형, 또는 다른 적절한 형태가 될 것이다.

도 5는 도 4a에 나타낸 고체 투명 재료의 단편(230) 및 도 4b에 나타낸 고체 투명 재료의 단편(240)을 포함하는 컬러-조합 요소를 나타내며, 여기서 표면 232 및 244는 직접 접촉한다. 표면 242, 표면 232 및 244 중 하나, 그리고 표면 234는 다이크로익 재료로 코팅된다. 컬러-조합 요소는 도 4b에 나타낸 쐐기각(β)으로 나타낸 바와 같이 경사진 표면(242)이 그 전면의 수신 표면이도록 구성된다. 도 5는 고체 투명 재료의 단편(240)의 수신 표면(242) 상으로 도 3의 실시예의 적색 컬러 채널로부터의 적색 빔(110)의 입사 및 광학 축(OA) 상으로 그 반사된 적색 빔(112)의 반사를 나타낸다. 도 6은 고체 투명 재료의 단편(240)의 수신 표면(242) 상으로 도 3의 실시예의 청색 컬러 채널로부터의 청색 빔(130)의 입사를 나타낸다. 수신 표면(242) 상에 배치된 코팅은 적색 광을 반사하고 청색 광 및 녹색 광을 투과시키도록 선택된다. 투과된 청색 빔(132)은 고체 투명 재료의 단편(240)을 통과하고 표면 232 또는 244 상에 배치된 코팅에 의해 반사된다. 반사된 청색 빔(134)은 광학 축(OA)을 따라 지향된다. 도 7은 고체 투명 재료의 단편(240)의 수신 표면(242) 상으로 도 3의 실시예의 녹색 컬러 채널로부터의 녹색 빔(150)의 입사를 나타낸다. 수신 표면(242) 상에 배치된 코팅은 적색 광을 반사하고 청색 광 및 녹색 광을 투과시키도록 선택된다. 표면 232 또는 244의 어느 하나에 배치된 코팅은 청색 광을 반사하고 녹색 광을 투과시키도록 선택된다. 투과된 녹색 빔(152)은 고체 투명 재료의 단편(230)을 통과하고 표면 234 상에 배치된 코팅에 의해 반사된다. 반사된 녹색 빔(134)은 광학 축(OA)을 따라 지향된다.

본 발명의 컬러-조합 요소는 각각의 광 소스들로부터의 광 빔들의 입사각이 낮아지도록 광 소스들의 위치맞춤을 허용한다. 본원에 사용된 바와 같이, 그러한 입사각은 광 빔의 입사의 방향과 그 광 빔이 입사되는 표면에 대한 법선간 각도와 관련된다. 그러한 낮은 입사각은 반사된 광의 편광 상태의 다이크로익 코팅의 효과 뿐만 아니라 다이크로익 코팅으로부터 투과 또는 반사된 광에 따라 파장을 감소시키기 때문에 유효하다. 통상, 다이크로익 코팅은 입사 평면에 평행한 전송 축을 갖는 p-편광의 광을 투과시키고, 직교 편광된 s-편광의 광을 반사하도록 디자인된다. 이러한 특성은 몇몇 컬러가 그러한 다이크로익 표면들로부터 반사되거나 또는 다른 것들이 투과되는 컬러-조합 요소가 갖는 문제를 제공한다. 직교 편광 축은 예컨대 개별 픽셀들의 편광 상태를 선택적으로 변경함으로써 광을 변조하는 LCoS 소자에 조명이 제공될 때의 문제이다. 기존의 이미징 장치에 있어서, 웨이브 플레이트가 이러한 조건을 수정하기 위해 사용되어야 한다. 인스턴트(the instant) 컬러-조합 요소의 실시예에 있어서, 다이크로익 표면으로의 그러한 낮은 입사각은 편광으로 인해 다이크로익 응답(dichroic response )의 차이를 감소시킨다. 그러한 입사각은 20°보다 작거나, 10°보다 작거나, 또는 5°보다 작을 수 있다. 각진 수신 표면들의 경우, 그 입사각 또한 쐐기각(β)보다 작을 것이다.

고체 상태 레이저의 발산은 보통 왜상이고, 수직 축이 아닌 어느 한 축을 따라 더 길다. 도 8은 예컨대 도 3의 실시예의 청색 채널의 시준 렌즈(135) 및 청색 레이저 광 소스(125)로부터 나옴에 따른 타원형 빔 프로파일(CS1)의 단면도를 나타낸다. 그러한 빔 프로파일(CS1)은 y방향(본 예에서는 수직)의 낮은-발산각 및 x방향의 높은-발산각을 갖는다. 바람직하게, 이러한 레이저 빔은, 그 낮은 발산각(y방향)이 사실상 나타낸 예에서 수직인 도 5-7에 나타낸 컬러-조합 요소의 고체 투명 재료의 단편(240)의 쐐기각(β)의 평면에 있도록 지향된다. 컬러-조합 요소의 고체 투명 재료의 단편(240)의 측부 및 상부 단면도가 나타나 있으며, 그 광 빔은 높이 및 폭 치수가 과장되게 나타나 있다. 그러한 광 빔의 수직 또는 y 성분은 수직 방향으로 빔을 대응적으로 확산시키는 웨지형(wedge-shaped) 굴절 구조를 "참조"한다. 상기 광 빔의 직교 수평 또는 x 성분은, 상부 단면에 나타낸 바와 같이, 이러한 방향으로 크나큰 굴절 없이 컬러-조합 요소의 고체 투명 재료의 단편(240)을 통과한다. 그 결과의 빔 프로파일(CS2)은 결과와 같이 좀더 대칭적이거나 원형이다.

혼합된 컬러의 동축의 빔은 광학 축(OA)을 따라 지향되고 출력 빔을 제공하기 위해 옵틱, 변조기, 또는 다른 빔 성형 또는 빔 조작 요소들로 더 지향될 것이다. 그 출력 빔은 디스플레이로 지향될 것이다. 일 실시예에 있어서, 동축의 빔은 빔 강도를 변조하는 스캐너와 같은 광 변조기로 지향된다. 그러한 스캐너는 연속 라인의 픽셀들을 형성하고 디스플레이 표면 쪽으로 광을 지향시키기 위해 작동될 수 있다. 각각의 픽셀은 개별적으로 새겨 넣어지고 1차 성분의 적색, 녹색, 및 청색 컬러 광의 조합으로 형성될 것이다. 고속의 픽셀 생성을 제공하기 위해, 각 컬러 채널의 각각의 고체 상태 광 소스(예컨대, 105, 125, 및 145)는 스캐너와 동기적으로 작동하는 대응하는 레이저 구동기를 가질 것이다. 예시의 고속 픽셀 생성 및 스캐닝 타이밍 패턴은 예컨대 미국, 워싱턴, 레드먼드의 Microvision Inc.로부터의 피코 프로젝터 디스플레이에 사용된다.

동축의 출력 빔은 프로젝션을 위한 이미지들을 형성하기 위해 공간 광 변조기로 지향될 것이다. 공간 광 변조기들의 예로는, 다양한 타입의 전자기계식 격자 광 변조기를 포함하여, 작동시 반사 또는 회절을 이용하여 광을 변조하는 디지털 마이크로미러 어레이 또는 다른 마이크로-전자기계식 이미징 어레이 소자나, 또는 액정소자와 같은 편광 변조 소자를 포함한다. 광 집속기 요소(예컨대, 플라이즈-아이 집속기(fly's-eye integrator), 집속 바(integrator bar), 또는 다른 적절한 타입의 광 균일화기)는 변조를 위한 균일한 광 빔을 제공하기 위해 사용될 것이다. 컬러-순차 배열로 이미지를 형성하기 위해 광학 축을 따라 한 번에 하나의 컬러로부터 광 집속기 요소로 광을 지향시키는데 사용될 것이다. 여기서, 그러한 컬러-조합 요소의 기능은 한 번에 하나씩 각각의 고체 상태 광 소스를 광 집속기 요소를 통해 공간 광 변조기로 지향시키는 것이다. 프로젝션 렌즈는 디스플레이 표면 쪽으로 광을 지향시키는데 사용된다.

상기 광 다중화 시스템은 광 소스들의 출력 파워를 측정하기 위한 센서들을 더 포함한다. 그러한 센서들은 광 소스들의 출력 파워를 안정하게 하기 위해 전자 제어장치와 통합된다. 센서들은 입사, 투과 또는 반사된 광 빔들의 광 경로에 지장을 주지 않는 위치에서 고체 투명 재료의 단편들의 어느 하나 또는 모두에 부착될 것이다. 센서들은 예컨대 인스턴트 컬러 조합 장치의 고체 투명 재료의 단편들의 어느 하나 또는 모두의 비-코팅 표면들에 부착될 것이다. 센서들은 산란되거나 또는 불완전하게 반사된 광을 검출하여 파워를 측정할 것이다. 광 다중화 시스템에 포함된 각각의 광 소스에 대한 파워가 측정될 것이다.

본 컬러-조합 요소에 사용된 고체 투명 재료의 단편들은 비용, 굴절률, 및 코팅의 적합성을 포함하는 다양한 요소들에 기초하여 선택된다. 그러한 재료의 굴절률은 레이저 소스들로부터의 광의 입사각과 관련하여 중요하다. 예컨대, 그러한 재료의 굴절률은 고체 상태 광 소스들의 각도 위치맞춤의 요소이다.

다이크로익 재료들이 코팅된 고체 투명 재료의 단편들의 표면들은 평평하다. 그러한 광 소스들로부터의 광이 컬러-조합 요소의 다른 비코팅의 표면들로 입사하지 않기 때문에, 평평함 외에, 예컨대 패키징 또는 마운팅에 유용한 어느 정도의 굴곡 또는 다른 형태를 갖는 것과 같이 이러한 요소의 다른 표면들이 있을 수 있다. 몇몇 실시예들에 있어서, 그라운드(Ground) 유리 표면이 수용될 수 있다.

본 발명은 특히 소정의 바람직한 실시예들을 참조하여 상세히 기술되나, 발명의 범주를 벗어나지 않고 통상의 기술자에 의해 상기 기술한 바와 같이, 그리고 부가의 청구항들에 나타낸 바와 같이 발명의 범주 내에서 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것을 알아야 할 것이다. 예컨대, 상기 본원의 설명이 주로 레이저 다이오드와 관련되었으나, 본 발명의 컬러-조합 요소로는 광 조합을 필요로 하는 이미징 또는 다른 기능을 위한 적절한 파장 대역의 광을 방출하도록 동작가능한 고체 상태 광 소스 및 다른 레이저 타입을 포함하는 다른 컬러 광 소스들이 사용될 수 있다. 다수 발광소자의 어레이들이 사용될 수 있다. 일반적으로, 이러한 방식은 좁은 빔 폭의 잘-시준된 광을 제공하는 소스에 의해 가장 잘 실행될 것이다. 본 컬러-조합 요소가 그러한 컬러 조합기의 전면의 수신 표면에 입사하기 전에 공간 광 변조기에 의해 변조되지 않는 조명을 혼합하는 것으로 기술했지만, 이러한 방식은 대안으로 분리의 변조기 어레이를 이용하여 각각의 컬러 채널에서 이미 변조된 광을 조합하는데 사용될 수 있다. 그러나, 각각의 컬러 채널 내에서의 왜곡이 상당히 다르기 때문에, 앞서 기술한 바와 같이 직접 레이저 변조를 이용하여 변조된 광과 달리, 변조된 광을 조합하기 위한 몇가지 실제 제약이 있을 수 있다. 또한 나타낸 예시의 실시예들이 적색, 녹색, 및 청색 컬러 채널을 기술하고 특정 컬러를 투과 또는 반사하도록 제조되는 다이크로익 표면들의 특정 배열을 나타낸다는 것을 알아야 할 것이다. 그러나, 이들 예는 특정 실시예들을 기술하기 위한 것일 뿐 한정하진 않는다. 예컨대, 여러 도면에서 컬러 지정을 상호 변경하고, 반사 또는 투과된 컬러, 또는 기존의 적색, 녹색, 및 청색 파장 대역 외의 다른 파장 대역들의 다른 배열들을 허용하는 다이크로익 표면 작용을 위한 다른 컬러 조합들이 사용될 수 있다.

따라서, 이미징 장치에서 제1, 제2, 및 제3파장 대역의 광을 조합하기 위한 장치 및 방법이 제공된다.

달리 명확히 언급하지 않는 한, 본원에 기술된 소정의 방법은 특정 순서로 그 단계들이 실행될 것을 요구하는 것처럼 해석되어서는 안된다. 따라서, 방법 청구항이 사실상 그 단계들이 이어지는 순서를 열거하지 않거나 또는 그 단계들이 특정 순서로 제한되는 청구항 및 상세한 설명에서 달리 명확히 기술하지 않는 경우, 이는 소정의 특정 순서를 암시하기 위한 것은 아니다.

통상의 기술자라면 발명의 사상 또는 범주를 벗어나지 않고 다양한 변형 및 변경이 이루어질 수 있다는 것을 명확히 알 수 있을 것이다. 발명의 사상 및 요지를 포함하는 개시된 실시예들의 변형 조합, 서브-조합 및 변경들이 통상의 기술자에 의해 이루질 수 있기 때문에, 그러한 발명은 부가된 청구항 및 그 등가물의 범주 내에 모든 것을 포함하도록 해석되어야 한다.

Claims (20)

1. 제1표면 및 제2표면을 갖는 고체 투명 재료의 제1단편,
   제3표면 및 제4표면을 갖는 고체 투명 재료의 제2단편,
   상기 제1표면 상에 배치된 제1코팅,
   상기 제2표면 또는 상기 제3표면 상에 배치된 제2코팅, 및
   상기 제4표면 상에 배치된 제3코팅을 포함하는, 컬러-조합 요소와;
   제1파장 대역을 포함하는 제1광 빔을 상기 제1코팅 상으로 지향시키는 제1광 소스를 갖춘 제1컬러 채널;
   제2파장 대역을 포함하고 상기 제1광 빔에 평행한 제2광 빔을 상기 제1코팅 상으로 지향시키는 제2광 소스를 갖춘 제2컬러 채널; 및
   제3파장 대역을 포함하고 상기 제2광 빔에 평행한 제3광 빔을 상기 제1코팅 상으로 지향시키는 제3광 소스를 갖춘 제3컬러 채널; 을 포함하며,
   상기 제1코팅은 상기 제1파장 대역을 반사하고 상기 제2파장 대역 및 상기 제3파장 대역을 투과시키고,
   상기 제2코팅은 상기 제2파장 대역을 반사하고 상기 제3파장 대역을 투과시키며,
   상기 제3코팅은 상기 제3파장 대역을 반사하는, 광 다중화 시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 제2코팅은 상기 제2표면 및 제3표면과 직접 접촉하는, 광 다중화 시스템.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   투명 재료의 상기 제1단편 및 투명 재료의 상기 제2단편은 유리 또는 플라스틱을 포함하는, 광 다중화 시스템.
4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
   제1의 제1광 빔, 제2광 빔 및 제3광 빔은 적색 광을 포함하고;
   제2의 제1광 빔, 제2광 빔 및 제3광 빔은 청색 광을 포함하며;
   제3의 제1광 빔, 제2광 빔 및 제3광 빔은 녹색 파장을 포함하는, 광 다중화 시스템.
5. 청구항 4에 있어서,
   제1광 빔은 적색 광을 포함하고, 제2광 빔은 청색 광을 포함하며, 제3광 빔은 녹색 광을 포함하는, 광 다중화 시스템.
6. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
   제1파장 대역, 제2파장 대역, 및 제4파장 대역의 파장 범위는 겹치지 않는, 광 다중화 시스템.
7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
   제1광 소스, 제2광 소스 및 제3광 소스는 평행한, 광 다중화 시스템.
8. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
   제1광 소스, 제2광 소스, 및 제3광 소스는 고체 상태 광 소스인, 광 다중화 시스템.
9. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
   반사된 제1파장 대역, 반사된 제2파장 대역, 및 반사된 제3파장 대역은 동축인, 광 다중화 시스템.
10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제3코팅은 상기 제2표면 상에 배치된, 광 다중화 시스템.
11. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    제1표면 및 제2표면은 평행한, 광 다중화 시스템.
12. 청구항 11에 있어서,
    제3표면 및 제4표면은 평행한, 광 다중화 시스템.
13. 청구항 12에 있어서,
    제1표면 및 제4표면은 평행한, 광 다중화 시스템.
14. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    반사된 제1파장 대역, 반사된 제2파장 대역, 및 반사된 제3파장 대역을 수신하도록 배치된 광 집속기를 더 포함하는, 광 다중화 시스템.
15. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    반사된 제1파장 대역, 반사된 제2파장 대역, 및 반사된 제3파장 대역을 디스플레이 표면으로 직접 지향시키도록 배치된 프로젝션 옵틱을 더 포함하는, 광 다중화 시스템.
16. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    반사된 제1파장 대역, 반사된 제2파장 대역, 및 반사된 제3파장 대역을 수신하도록 배치된 광 변조기를 더 포함하는, 광 다중화 시스템.
17. 청구항 16에 있어서,
    상기 광 변조기는 디지털 마이크로미러 어레이, 액정소자, 및 스캐너를 포함하는 그룹으로부터 선택되는, 광 다중화 시스템.
18. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    고체 투명 재료의 제1단편 및 고체 투명 재료의 제2단편은 갭에 의해 분리되는, 광 다중화 시스템.
19. 청구항 18에 있어서,
    상기 갭은 광학 투명 재료로 채워지는, 광 다중화 시스템.
20. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    제3코팅은 반사성 금속 재료를 포함하는, 광 다중화 시스템.

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