KR20190136875A - 광원장치 및 이를 포함하는 영상투사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 광원장치 및 이를 포함하는 영상투사장치에 관한 것이다. 상기 영상투사장치는 3색 광원 중 녹색 광원을 여기시키기 위한 여기광원을 채택하여 광량 증가를 도모하면서도 상기 여기광원의 위치와 이를 전제로 하여 3색 광원의 위치를 제한함으로써 광원장치 및 영상투사장치 전체의 제품 소형화가 가능하고, 또한 영상투사장치의 조명계를 구성하는 디스플레이 패널과 녹색 광원 사이의 에텐듀 물리량에 주목하여 이를 기준으로 여기광원에 의해 형성되는 녹색 광원에 대한 결상 크기를 제어함으로써 최소한의 여기광원 광량으로도 충분한 광량 증가를 도모할 수 있어 광효율이 극대화될 수 있다.

Description

광원장치 및 이를 포함하는 영상투사장치{OPTICAL SYSTEM AND IMAGE PROJECTION DEVICE INCLUDING THE SAME}

본 발명은 광원장치 및 이를 포함하는 영상투사장치에 관한 것이다.

정보화시대가 급속히 발전함에 따라 대화면을 구현하는 디스플레이 기기의 중요성이 강조되고 있으며, 대화면을 구현하는 기기의 일 예로서 영상을 확대하여 투사하는 기능을 갖춘 프로젝터(projector)가 있다. 이러한 프로젝터는 점점 소형화, 경량화되고 있는 추세로서, 현재는 미니 프로젝터(mini projector)나 피코 프로젝터(pico projector)와 같은 초소형 영상투사장치가 연구 개발되고 있다.

이와 같은 추세에서, 마이크로 디스플레이(350, MD; Micro Display)를 조명계(300)로 사용하는 영상투사장치(10')의 광원장치에서 발광다이오드(LED)를 광원으로 사용하는 경우에 도 1에 도시된 바와 같이 적색, 녹색, 청색 LED(111, 112, 113)를 각각 하나만 포함하여 구성하는 것이 일반적이다. 한편 전통적인 적색, 녹색, 청색 LED(111, 112, 113)을 하나씩 사용하는 경우보다 많은 광량을 얻기 위해, 상기 광원장치에 최근에 사용되는 녹색 LED(112)는 녹색 형광체에 청색 LED와 같은 여기광원으로부터 빛을 입사시켜 녹색 형광체에서 녹색 빛으로 전환시키는 구조를 갖는 추세이며, 적색, 녹색, 청색 LED의 기본 광원에 여기광원을 포함한 광원장치 및 영상투사장치의 일예가 대한민국특허 제10-1798158호에 개시되어 있다.

도 2은 대한민국특허 제10-1798158호와 같이 여기광원(114)을 수반하는 영상투사장치(10")의 광원장치 일예에 대한 구성도를 나타낸다. 그러나 상기 대한민국특허 제10-1798158호와 같이 여기광원(114)을 수반한 녹색 LED(112)를 채택하여 광원장치를 구성하는 경우 광량 증가는 기대할 수 있지만, 도 2에 도시된 바와 같이 투사렌즈부(400, Projection Lens)와 여기광원(114)용 청색 LED 사이에 사용하지 못하는 공간(S)이 존재하기 때문에, 광원장치의 부피가 커짐으로써 영상투사장치(10")의 소형화에 한계가 있다. 또한 조명계(300)를 구성하는 디스플레이 패널(350)과 녹색 광원(112) 간 결상 크기를 고려하지 않고 여기광원(114)을 조사하는 경우, 여기광원(114)의 광량이 활용성이 떨어짐으로써 광투사장치(10")의 광효율이 전체적으로 저하되는 문제가 있다. 따라서 적색, 녹색, 청색의 3색 광원과, 녹색 광원을 여기시키기 위한 여기광원(114)을 포함하는 광원장치를 채택하는 광투사장치에서 제품 소형화 및 광효율 개선의 필요성은 상존하고 있는 실정이다.

대한민국특허 제10-1798158호

본 발명 목적은, 여기광원을 포함하여 광원장치를 구성함으로써 광량 증가를 도모하면서도, 제품 소형화에 유리하고 광효율의 우수한 광원장치 및 이를 포함하는 영상투사장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 전술한 과제를 해결하기 위하여 예의 검토한 결과 이루어진 것으로, 3색 광원 중 녹색 광원을 여기시키기 위한 여기광원을 채택하여 광량 증가를 도모하면서도 상기 여기광원의 위치와 이를 전제로 하여 3색 광원의 위치를 제한함으로써 광원장치 및 영상투사장치 전체의 제품 소형화가 가능함을 지견하는 한편, 영상투사장치의 조명계를 구성하는 디스플레이 패널과 녹색 광원 사이의 에텐듀(Etendue) 물리량에 주목하여 이를 기준으로 여기광원에 의해 형성되는 녹색 광원에 대한 결상 크기를 제어하는 경우 최소한의 여기광원 광량으로도 충분한 광량 증가를 도모할 수 있어 광효율이 향상될 수 있음을 지견하고, 관련 광원장치 및 이를 포함하는 광투사장치에 대한 광학적인 설계를 보다 구체화함으로써 본 발명에 도달하게 되었다. 상기한 지견 및 착안과, 본 발명의 해결과제의 인식에 기초한 본 발명의 요지는 청구범위 기재와 동일한 아래의 내용이다.

(1) 적색, 녹색, 청색의 3색 광원과, 녹색 광원을 여기시키기 위한 여기광원을 포함하는 광원장치; 복수의 이색성 미러를 포함하는 색상조합부; 디스플레이 패널을 포함하는 조명계; 및 투사렌즈부;를 포함하는 광투사장치에 있어서, 상기 3색 광원을 제1 광원 모듈, 제2 광원 모듈 및 제3 광원 모듈의 조합으로 구성할 때, 상기 제2 광원 모듈 및 제3 광원 모듈 쌍은 상기 색상조합부를 사이에 두고 상기 조명계의 반대측에 병렬 배치되고; 상기 제1 광원 모듈 및 여기광원은 상기 색상조합부를 사이에 두고 서로 대향되게 배치되되, 상기 제2 광원 모듈 및 제3 광원 모듈에 의한 광 조사 방향에 수직하게 배치되고; 상기 제3 광원 모듈은 상기 제1 광원 모듈 및 제2 광원 모듈보다 상기 여기광원에 인접하여 배치되며, 상기 색상조합부는, 상기 여기광원으로부터 조사된 광을 상기 조명계로 입사되지 않은 상태에서, 상기 제1 광원 모듈, 제2 광원 모듈 또는 제3 광원 모듈 중 녹색 광원을 구성하는 광원 모듈을 선택적으로 여기시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광투사장치.

(2) 상기 제3 광원 모듈은 녹색 광원인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 광투사장치.

(3) 제1 광원 모듈 또는 제2 광원 모듈 중 어느 하나가 녹색 광원이고, 상기 제3 광원 모듈은 청색 광원인 것을 특징으로 하는 상기 (1)의 광투사장치.

(4) 상기 녹색 광원이 갖는 가상의 크기로서 상기 디스플레이 패널과의 관계에서 에텐듀 매칭이 일어나는 크기를 제1 사이즈로 하고, 상기 여기광원으로부터 광조사시 상기 녹색 광원에 형성되는 결상 크기를 제2 사이즈로 할 때; 상기 녹색 광원과 상기 여기광원 사이의 광경로에 제공되어, 상기 제2 사이즈를 상기 제1 사이즈에 일치시키기 위한 광보정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (1) 내지 (3) 중 어느 하나의 광투사장치.

(5) 상기 제1 사이즈가 녹색 광원의 실제 크기와 동일한 경우, 상기 광보정수단은 배율 렌즈인 것을 특징으로 하는 (4)의 광투사장치.

(6) 상기 녹색 광원과 여기광원의 형태 및 크기가 동일한 경우, 상기 광보정수단은 1:1: 결상 렌즈인 것을 특징으로 하는 상기 (5)의 광투사장치.

(7) 상기 제1 사이즈가 녹색 광원의 실제 크기와 다른 경우, 상기 광보정수단은 비대칭 렌즈, 플라이아이렌즈(FEL; Fly Eye Lens), 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(rod lens) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 (4)의 광투사장치.

본 발명에 따르면, 여기광원을 사용하여 광량을 증가시키면서도 3색 광원 및 여기광원의 위치를 조절하여 광원장치 및 영상투사장치 제품의 크기를 현저히 줄일 수 있고, 또한 조명계를 구성하는 디스플레이 패널과 녹색 광원 간 결상 크기를 고려하여 비대칭 렌즈, 플라이아이렌즈(FEL; Fly Eye Lens), 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(rod lens) 등을 포함하는 광보정수단을 이용해 녹색 광원에 대한 여기광원의 광조사 프로파일을 제어함으로써 광원장치의 광효율을 극대화할 수 있다.

도 1은 종래 일반적인 영상투사장치의 광원장치의 구성도.
도 2은 종래 여기광원을 수반하는 영상투사장치의 광원장치 구성도.
도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 영상투사장치 광원장치에서, 여기 광원의 특정 과정을 설명하기 위한 모식도.
도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 여기광원과 녹색 광원이 대향된 배치 구조를 갖는 영상투사장치의 구성도.
도 9 및 도 10는 본 발명의 실시예에 따라 여기광원과 녹색 광원이 인접된 배치 구조를 갖는 영상투사장치의 구성도.
도 11 및 도 12은 본 발명의 실시예에 따라 여기광원과 녹색 광원이 도 7 내지 15 외의 배치 구조를 갖는 영상투사장치의 구성도.
따른 영상 투사장치에서 Green LED가 도 7 내지 도 10외의 구조를 갖는 3색 광원의 배치도.
도 13은 에텐듀 정의에 관한 모식도.
도 14는 에텐듀 물리량에 관한 도면.
도 15은 표시소자와 광원 사이의 에텐듀 매칭에 관한 예시도.
도 16은 녹색 광원의 실제 크기를 기준으로 디스플레이 패널과 에텐듀 매칭시, 결상 렌즈를 포함하는 결상 광학계에 관한 모식도.
도 17는 본 발명의 실시예 따른 도 12의 광투사장치를 대상으로 도 16의 결상 광학계를 적용한 예.
도 18은 녹색 광원의 실제 크기를 기준으로 디스플레이 패널과 에텐듀 매칭이 이루어지지 않는 경우의 예시도.
도 19는 디스플레이 패널과 녹색 광원 간 에텐듀 비매칭시, 비대칭 결상 렌즈를 포함한 결상 광학계에 관한 모식도.
도 20는 본 발명의 실시예 따른 도 9의 광투사장치를 대상으로 도 19의 결상 광학계를 적용한 예.
도 21는 디스플레이 패널과 녹색 광원 간 에텐듀 비매칭시, 플라이아이렌즈(FEL)를 포함한 결상 광학계에 관한 모식도.
도 22은 본 발명의 실시예에 따른 도 9의 광투사장치를 대상으로 도 21의 결상 광학계를 적용한 예.
도 23는 디스플레이 패널과 녹색 광원 간 에텐듀 비매칭시, 결상 광학계를 구성하는 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(rod lens) 사진.
도 24은 본 발명의 실시예에 따른 도 9의 광투사장치를 대상으로 도 23의 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(rod lens)을 포함한 결상 광학계를 적용한 예.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대하여 상세히 설명한다. 도면에서 동일 또는 균등물에 대해서는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하였다. 또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함' 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 어떤 구성요소가 '선택적으로' 제공, 구비 또는 포함된다고 할 때, 이는 본 발명의 해결과제를 위한 필수적으로 채택되는 구성요소는 아니나 그러한 해결과제와 견련성을 가지고 임의적으로 채택될 수 있음을 의미한다.

[ 영상투사장치(10)의 기본 구성 ]

본 발명에 따른 영상투사장치(10)는 광원장치, 색상조합부(200), 조명계(300) 및 투사렌즈부(400)를 기본 구성으로 한다. 이하, 각 구성요소들에 대해 설명한다.

상기 광원장치는 칼라 구현을 위한 적색, 녹색, 청색의 3색 광원(111, 112, 113)을 기본 광원으로 포함하며, 바람직하게는 발광다이오드(LED)일 수 있다. 이러한 3색 광원(111, 112, 113) 각각은 그 배치되는 위치 측면에서 제1 광원 모듈(121), 제2 광원 모듈(122) 및 제3 광원 모듈(123)에 할당되는 조합으로 구성된다. 한편, 녹색 광원(112)은 녹색 형광체가 외부 여기광원(114)에 의해 여기됨으로써 녹색 광을 출사시키는 방식으로 동작하는 구조를 갖는다. 여기광원(114)은 청색 LED일 수 있으며, 녹색 광원(112)의 형광체 기판의 배면에 일체로 제공되거나 또는 별도 모듈, 즉 여기광원(114)으로 제작되어 외부에서 형광체 기판에 여기광을 조사하는 형태일 수 있다. 후술하는 바와 같이, 본 발명의 특징 중 하나는 별도의 여기광원(114)을 광원장치의 일부로 구성하는 경우에 있어서, 광원장치 및 이를 포함하는 영상투사장치(10) 전체의 사이즈를 줄이는 것에 관련된다. 한편 본 명세서에서 녹색 광원(112)은 경우에 따라 녹색 형광체 또는 그 기판을 지칭하는 것으로 기술되었다.

상기 색상조합부(200)는 적어도 둘 이상의 색상을 조합하기 위한 수단이며, 디스플레이 패널(350)과 같은 이미지 변환장치를 포함하는 조명계(300)와 상기 광원장치 사이에 배치되어 광원장치로부터 출사되는 빛을 조합하여 조명계(300)의 이미지 변화장치(250)로 전달하는 역할을 한다. 색상조합부(200)를 통해 조명계(300)로 출사되는 빛은 서로 다른 둘 이상의 색이 조합된 유색광 또는 백색광일 수 있고, 상기 복수의 광원 모듈(121, 122, 123)에 할당되어 조합 배치된 3색 광원(111, 112, 113)으로부터 조사된 광이 시간에 따라 교차 출력된 광일 수 있다. 이러한 색상조합부(200)는 적어도 둘 이상의 이색성 미러(210, 220)를 포함할 수 있으며, 이색성 미러(210, 220)는 기본적으로 상기 제1 광원 모듈(121), 제2 광원 모듈(122) 및 제3 광원 모듈(123)에 할당되는 적색 광원(111), 녹색 광원(112) 및 청색 광원(113)의 종류에 따라 일부 색은 반사하고 일부 색은 선택적으로 투과시키는 방식으로 동작하되, 상기한 외부 여기광원(114)으로부터 출사되는 빛이 녹색 광원(112)으로 유도될 수 있도록 그 반사 또는 투과 여부도 고려되어야 한다.

상기 조명계(300)는 이미지 변환 장치(350)를 포함할 수 있고, 상기 광원장치로부터 입사되는 광을 이용하여 이미지를 형성할 수 있도록 이루어질 수 있다. 이 때, 이미지 변환 장치(350)는, 예를 들어 광원 장치로부터 입사되는 광을 색변화 또는 색분리하고, 디스플레이 소자를 이용하여 이미지로 변환할 수 있다. 이미지 변환 장치(350)는 광에 이미지를 부여하기 위해 다양한 방법을 사용할 수 있고, 예컨대 반사형 디스플레이 패널(350)(LCOS 등), ?과형 디스플레이 패널(350)(HTPS-LCD 등), 디엘피(DLP: Digital Light Process) 디스플레이 패널 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 한편, 본 발명의 실시예에서는 색상조합부(200)를 경유하여 동일한 방향으로 조사되는 적색 광원, 녹색 및 청색에 대한 시간 비율을 통해 광을 시간적으로 합성하는 단관식 디스플레이 패널(350)이 사용된 예를 나타내었다.

한편, 조명계(300)에는 색상조합부(200)로부터 출사된 광에 대한 조도 및 색삭 균질성을 개선하기 위한 플라이 아이 어레이(FEA: Fly's Eye Array)를 포함할 수 있고, 또한 이미지 변환 장치에 반사형 디스플레이 패널(350)이 이용되는 경우 광 손실을 줄이기 위해 편광 빔 스플리터 어레이와 같은 편광 변환 장치가 구비할 수 있다. 이에 따라, 조명계(300)는 상기 편광 빔 스플리터 어레이로부터 출사된 빛을 반사형 디스플레이 패널(350)로 투과하고, 반사형 디스플레이 패널(350)에 의해 형성된 이미지를 갖는 빛을 입사시켜 투사렌즈부(400)로 반사시키기 위한 편광 빔 스플리터 큐브를 더 포함할 수 있다. 한편, 반사형 디스플레이 패널(350) 중 디엠디(DMD)의 경우에는 편광을 사용하지 않으므로 편광 빔 스플리터 어레이는 사용되지 않으며, 플라이 아이 어레이만을 포함할 수 있다. 빔 스플리터 큐브는 빔의 경로를 각도에 따라 분리해 주는 내부 전반사 프리즘(Total Internal Reflection Prism)으로 대체될 수 있다.

상기 투사렌즈부(400)는 상기 조명계(300) 구체적으로, 편광 빔 스플리터 또는 내부 전반사 프리즘으로부터 입사된 이미지를 외부 스크린 등에 확대 투사하는 역할을 한다.

[ 3색 광원(111, 112, 113) 및 여기광원(114)의 배치 위치 특정; 광량 증가 & 제품 최소화 ]

본 발명은 광량 증가의 목적으로 3색 광원(111, 112, 113) 중 녹색 광원(112)에 대한 외부 여기광원(114)을 채택하는 경우에 있어서, 광원장치를 구성하는 3색 광원(111, 112, 113)과 여기광원(114)의 배치 위치가 광원장치 및 영상투사장치(10) 전체의 제품 소형화를 위해 특정 위치로 할당하는 것을 특징 중 하나로 한다. 즉, 3색 광원(111, 112, 113)과 여기광원(114)의 위치는 도 2에 도시된 투사렌즈부(400)와 여기광원(114) 사이에 사용하지 못하는 공간(S)을 해소 내지 활용하여 제품 소형화를 도모하는 측면에서 색상조합부(200)와, 디스플레이 패널(350)을 포함하는 조명계(300)와의 배치 관계에서 상대적으로 결정되어 기술될 수 있다.

구체적으로, 제1 광원 모듈(121), 제2 광원 모듈(122) 및 제3 광원 모듈(123)을 색상조합부(200) 및 조명계(300) 주변의 위치로 볼 때, 3색 광원(111, 112, 113) 각각은 기본적으로 상술한 바와 같이 제1 광원 모듈(121), 제2 광원 모듈(122) 및 제3 광원 모듈(123) 위치에 할당되는 형태로 조합될 수 있다. 이 경우, 상기 제2 광원 모듈(122) 및 제3 광원 모듈(123) 쌍은 상기 색상조합부(200)를 사이에 두고 상기 조명계(300)의 반대측에 병렬 배치되는 요소이다. 상기 제1 광원 모듈(121) 및 여기광원(114)은 상기 색상조합부(200)를 사이에 두고 서로 대향되게 배치되되, 제1 광원 모듈(121) 및 여기광원(114)에 의한 광 조사 방향이 상기 제2 광원 모듈(122) 및 제3 광원 모듈(123)에 의한 광 조사 방향에 수직하도록 배치된다. 실시예에 관한 도면들에서, 여기광원(114)은 색상조합부(200)의 하단에 배치되고, 이에 따라 상기 제3 광원 모듈(123)은 상기 제1 광원 모듈(121) 및 제2 광원 모듈(122)보다 상기 여기광원(114)에 인접하여 배치된다.

한편 상기 색상조합부(200)는, 상기 여기광원(114)으로부터 조사된 광을 상기 조명계(300)로 입사되지 않은 상태에서, 상기 제1 광원 모듈(121), 제2 광원 모듈(122) 또는 제3 광원 모듈(123) 중 녹색 광원(112)을 구성하는 광원 모듈을 선택적으로 여기시키도록 제어하며, 이러한 제어 과정은 색상조합부(200)에 구비되는 복수의 이색성 미러(210, 220)에 의해 달성될 수 있다. 이하 관련 도면에 기초해 보다 상세하게 설명한다.

여기광원(114)의 배치 위치

도 3 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 영상투사장치(10) 광원장치에서, 여기광원(114)의 배치 위치를 특정하는 과정을 설명하기 위한 모식도이다.

도 3을 참조할 때, 도 2에 도시된 것과 동일한 3색 광원(111, 112, 113)의 배치 위치를 갖는 광투사장치(10")에 있어서, 3색 광원(111, 112, 113)장치 크기를 줄이기 위하여 색상조합부(200)를 구성하는 적색 반사 이색성 미러(220')를 중심으로 '영역 A'의 광학소자를 90도 회전시킨다. 이와 같이 광원장치의 크기를 줄이기 위해 적색 반사 이색성 미러(220')를 중심으로 '영역 A'의 광학소자를 90도 회전시킬 경우, 도 4에 도시된 바와 같이 투사렌즈부(400)와 여기광원(114)인 청색 LED 부분이 공간적인 간섭이 발생하는 문제가 발생한다. 따라서 도 5을 참조할 때, 3색 광원(111, 112, 113) 및 여기광원(114)을 포함하여 광원장치를 구성하면서 공간적인 간섭을 피하고 광학계의 전체 사이즈를 감소시킬 수 있는 공간으로서 도 5에 도시된 바와 같이 '영역 B'를 확인하고 이를 여기광원(114)을 배치하는 공간으로 활용하는 것을 고려할 수 있다.

한편, 여기광원(114)에서 출사한 청색 광은 광학계에서 녹색 광량을 증가시키기 위하여 녹색 형광체에 입력되는 여기광 에너지를 증가시키는 목적으로 추가 사용된 것이므로 녹색 광원(112)의 형광체로만 빛이 입사되어야 하고, 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)에는 입사되지 않아야 한다. 이러한 조건은 색상조합부(200)에 구비되는 제1 이색성 미러(210) 및 제2 이색성 미러(220)에 의해 제어될 수 있다. 구체적으로 도 5의 '영역 B'에 배치된 여기광원(114)으로부터 출사된 청색 광은 제1 이색성 미러(210) 및 제2 이색성 미러(220)에 의해 도 6에 도시된 바와 같이 3색 광원(111, 112, 113)이 배치되는 제1 광원 모듈(121), 제2 광원 모듈(122) 또는 제3 광원 모듈(123) 방향으로의 3가지 광경로 중 어느 하나로 제어될 수 있으며, 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)로는 여기광원(114)의 출사광이 조사되지 않게 된다. 여기광원(114)으로부터 출사되는 광의 실제 제어 경로는 상기 제1 광원 모듈(121), 제2 광원 모듈(122) 또는 제3 광원 모듈(123) 중 녹색 광원(112)이 배치될 광원 모듈이 된다.

결과적으로, 여기광원(114)의 배치 위치를 도 5의 '영역 B'로 선택하는 경우 광원장치의 공간 활용성을 극대화할 수 있고, 이 경우 색상조합부(200)의 제1 이색성 미러(210) 및 제2 이색성 미러(220)에 의해 여기광원(114)의 광경로를 제어함으로써 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)로는 광조사가 이루어지지 않은 상태에서 녹색 광원(112)의 배치 위치로 할당되는 제1 광원 모듈(121), 제2 광원 모듈(122) 및 제3 광원 모듈(123) 중 어느 하나로 선택적으로 광조사할 수 있다.

3색 광원(111, 112, 113)의 배치 위치

다음으로, 상술한 바와 같이 여기광원(114)의 배치 추치를 특정한 상태에서 3색 광원(111, 112, 113)을 제1 광원 모듈(121), 제2 광원 모듈(122) 및 제3 광원 모듈(123)에 배치하는 경우에 대해 구체적으로 살펴본다.

① 녹색 광원(112)이 제1 광원 모듈(121)에 할당(여기광원(114)에 대향)된 경우

도 7 및 도 8은 본 발명의 실시예에 따라 여기광원(114)과 녹색 광원(112)이 대향된 배치 구조를 갖는 영상투사장치(10)의 구성도를 나타낸다. 즉, 녹색 광원(112)은 제1 광원 모듈(121)에 할당되며, 여기광원(114)은 청색 LED로 예시하였다

도 7에 도시된 바와 같이, 녹색 광원(112)과 여기광원(114)이 대향되고 적색 광원(111)이 제3 광원 모듈(123)에 할당되어 여기광원(114)에 인접하게 되면, 색상조절부의 제2 이색성 미러(220)는 제2 광원 모듈(122)에 할당된 청색 광원(113)의 광을 반사하여 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)로 향하도록 선택되어야 한다. 이 경우 동일 파장 범위를 갖은 여기광원(114)용 청색 광도 제2 이색성 미러(220)에 의해 반사되기 때문에 제1 광원 모듈(121)에 할당된 녹색 광원(112)에 대한 여기 효과와 이에 따른 광량 증가 효과는 기대할 수 없다.

한편 도 8에 도시된 바와 같이, 녹색 광원(112)과 여기광원(114)이 대향되고 청색 광원(113)이 제3광원 모듈에 할당되어 여기광원(114)에 인접하게 되면, 제1 이색성 미러(210)를 적색 반사하고 청색 및 녹색 투과하도록 선택하는 한편 제2 이색성 미러(220)를 적색 및 녹색 반사하고 청색 투과하도록 선택함으로써, 3색 광원(111, 112, 113)으로부터 조사된 광을 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)로 유도함과 동시에 녹색 광원(112)에 대한 여기광원(114)의 광량 증가 효과를 도모할 수 있다.

결과적으로, 녹색 광원(112)이 제1 광원 모듈(121)에 할당된 경우에, 여기광원(114)에 인접한 제3 광원 모듈(123)은 청색 광원(113)으로 할당되어야 여기광원(114)에 의한 광량 증가 효과를 가질 수 있다.

② 녹색 광원(112)이 제3 광원 모듈(123)에 할당(여기광원(114)에 인접)된 경우

도 9 및 도 10는 본 발명의 실시예에 따라 여기광원(114)과 녹색 광원(112)이 인접된 배치 구조를 갖는 영상투사장치(10)의 구성도를 나타낸다. 즉, 녹색 광원(112)은 제3 광원 모듈(123)에 할당되며, 여기광원(114)은 청색 LED로 예시하였다.

도 9에 도시된 바와 같이, 녹색 광원(112)과 여기광원(114)이 인접하고 적색 광원(111)은 제1 광원 모듈(121)에 청색 광원(113)은 제2 광원 모듈(122)에 각각 할당되면, 제1 이색성 미러(210)를 청색 반사하고 적색 투과하도록 선택하는 한편 제2 이색성 미러(220)를 청색 및 적색 반사하고 녹색 투과하도록 선택함으로써, 3색 광원(111, 112, 113)으로부터 조사된 광을 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)로 유도함과 동시에 녹색 광원(112)에 대한 여기광원(114)의 광량 증가 효과를 도모할 수 있다.

또한 도 10에 도시된 바와 같이, 녹색 광원(112)과 여기광원(114)이 인접하고 적색 광원(111)은 제2 광원 모듈(122)에 청색 광원(113)은 제1 광원 모듈(121)에 각각 할당되면, 제1 이색성 미러(210)를 적색 반사하고 청색 투과하도록 선택하는 한편 제2 이색성 미러(220)를 청색 및 적색 반사하고 녹색 투과하도록 선택함으로써, 3색 광원(111, 112, 113)으로부터 조사된 광을 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)로 유도함과 동시에 녹색 광원(112)에 대한 여기광원(114)의 광량 증가 효과를 도모할 수 있다.

결과적으로, 녹색 광원(112) 모듈이 제3 광원 모듈(123)에 할당된 경우, 나머지 적색 광원(111)과 청색 광원(113)이 제1 광원 모듈(121) 또는 제2 광원 모듈(122) 중 어느 곳에 배치되는 지 상관없이 여기광원(114)에 의한 광량 증가 효과를 가질 수 있다.

③ 녹색 광원(112)이 제2 광원 모듈(122)에 할당(여기광원(114)에 대향되거나 인접하지 않음)된 경우

도 11 및 도 12은 본 발명의 실시예에 따라 여기광원(114)과 녹색 광원(112)이 도 7 내지 15 외의 배치 구조를 갖는 영상투사장치(10)의 구성도를 나타낸다. 즉, 녹색 광원(112)은 제2 광원 모듈(122)에 할당되며, 여기광원(114)은 청색 LED로 예시하였다.

도 11에 도시된 바와 같이, 녹색 광원(112)이 여기광원(114)에 대향되거나 인접하지 않고 적색 광원(111)이 제3 광원 모듈(123)에 할당되어 여기광원(114)에 인접하게 되면, 색상조절부의 제2 이색성 미러(220)는 제1 광원 모듈(121)에 할당된 청색 광원(113)의 광을 반사하여 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)로 향하도록 선택되어야 한다. 이 경우 동일 파장 범위를 갖는 여기광원(114)용 청색 광도 제2 이색성 미러(220)에 의해 반사되기 때문에 제2 광원 모듈(122)에 할당된 녹색 광원(112)에 대한 여기 효과와 이에 따른 광량 증가 효과는 기대할 수 없다.

한편 도 12에 도시된 바와 같이, 녹색 광원(112)이 여기광원(114)에 대향되거나 인접하지 않고 청색 광원(113)이 제3 광원 모듈(123)에 할당되어 여기광원(114)에 인접하게 되면, 제1 이색성 미러(210)를 녹색 및 청색 반사하고 적색 투과하도록 선택하는 한편 제2 이색성 미러(220)를 적색 및 녹색 반사하고 청색 투과하도록 선택함으로써, 3색 광원(111, 112, 113)으로부터 조사된 광을 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)로 유도함과 동시에 녹색 광원(112)에 대한 여기광원(114)의 광량 증가 효과를 도모할 수 있다.

결과적으로, 녹색 광원(112)이 제2 광원 모듈(122)에 할당된 경우에, 앞서 ①의 경우와 유사하게 여기광원(114)에 인접한 제3 광원 모듈(123)은 청색 광원(113)으로 할당되어야 여기광원(114)에 의한 광량 증가 효과를 가질 수 있다.

이상의 ① ~ ③에 따른 3색 광원(111, 112, 113)의 배치 위치와 관련된 사항을 요약하면, 여기광원(114)의 배치위치가 색상조절부의 하단으로 특정하여 광원장치의 크기를 최소화한 상태에서 광량 증가 효과를 도모하기 위해서는, 녹색 광원(112)이 제3 광원 모듈(123)에 할당되어 여기광원(114)에 인접하여 배치된 경우에는 청색 광원(113) 및 녹색 광원(112)의 제1 광원 모듈(121) 또는 제2 광원 모듈(122) 중 어느 곳에 배치되어도 상관 없지만, 녹색 광원(112)이 제1 광원 모듈(121) 또는 제2 광원 모듈(122)에 할당된 경우에는 청색 광원(113)이 제3 광원 모듈(123)에 할당되어 여기광원(114)에 인접하여 배치되어야 하는 구조적 특징을 갖는다.

[ 여기광원(114)의 광조사 프로파일의 조절; 광효율 증대 ]

본 발명은, 상기한 광원장치의 배치구조에 의한 제품 최소화에 더하여 여기광원(114)의 녹색 광원(112)에 대한 광조사 프로파일을 조절함으로써 광효율을 증대시키는 것을 또 다른 특징으로 한다. 이러한 광조사 프로파일의 제어는, 조명계(300)를 구성하는 디스플레이 패널(350)과 녹색 광원(112) 사이의 에텐듀 물리량에 주목하여 이를 기준으로 여기광원(114)에 의해 형성되는 녹색 광원(112)에 대한 결상 크기를 광보정수단을 이용해 제어하는 방식으로 수행된다.

구체적으로, 녹색 광원(112)이 갖는 가상의 크기로서 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)과의 관계에서 에텐듀 매칭이 일어나는 크기를 제1 사이즈로 하여 기준을 설정한다. 다음으로 여기광원(114)으로부터 광조사시 상기 녹색 광원(112)에 형성되는 결상 크기를 제2 사이즈로 할 때, 광보정수단을 이용해 제2 사이즈를 제1 사이즈에 일치시킨다. 이 경우, 상기 광보정수단은 녹색 광원(112)과 여기광원(114) 사이에 제공된다.

이하 관련 도면에 기초해 보다 상세하게 설명한다.

에텐듀(Etendue)의 정의 및 계산

에텐듀는 발광부 및 수광부를 갖는 광학 시스템에서 수광부의 수용광량에 대한 물리적 특성을 나타내는 척도이다. 예컨대, 도 13에 도시된 바와 같이 모든 방향으로 동일한 방사 휘도를 갖는 램버시안(Lambertian) 광원의 경우 그 방사 특성은 발광면에서 균일하게 발광하고, 또한 광전달 효율이 100%인 이상적인 광학 시스템을 전제로 광량 손실 없이 수광부의 광량은 광원 광량과 동일하다. 이러한 에텐듀는 도 14에 따라 표현될 수 있는 순수한 기하학적인 물리량으로서, 표시소자(Display Device)의 에네뉴를 알면 광원(Light Source)의 에텐듀를 알 수 있다. 즉, 표시소자의 에텐듀 계산을 통해 이에 가장 적당한 광원의 크기를 계산할 수 있다. 도 15은 표시소자와 광원 사이의 에텐듀 매칭을 나타내며, 양자 간 도 15의 식을 만족하는 관계를 가지고 있다면 에텐듀 매칭되었다고 할 수 있다. 이 경우, 도 15의 식은 표시소자 패널이 기울지 않고 LED 광원에서 발산한 모든 광을 수광할 수 있는 경우를 계산한 것이다.

녹색 광원(112)의 실제 크기를 기준으로 디스플레이 패널(350)과 에텐듀 매칭이 이루어진 경우

도 16은 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)과 녹색 광원(112) 간 에텐듀 매칭시, 녹색 광원(112)과 여기광원(114) 사이에 제공되는 결상 광학계(500)에 관한 모식도를 나타낸다. 즉 도 16에서는 녹색 광원(112)의 실제 크기를 기준으로 조명계(300)의 디스플레이 패널(350)과의 관계에서 에텐듀 매칭이 일어나는 경우를 전제로, 녹색 광원(112)과 여기광원(114) 사이에 제공되는 결상 렌즈 형태의 광보정수단을 포함하는 결상 광학계(500)를 나타낸다.

한편, 일반적으로 녹색 광원(112)과 여기광원(114)용 청색 LED의 칩 사이즈가 동일하게 제공되는데, 이 경우 도 16에 예시된 결상 광학계(500)는 1:1 결상 렌즈(510)(Collimation Lens)를 광보정수단으로 채택하고 있는 결상 광학계(500)일 수 있다. 이에 따라 여기광원(114)에서 조사된 광의 결상 크기는 녹색 광원(112)의 실제 크기와 동일하다. 반면에, 녹색광원(112)과 여기광원(114)용 청색 LED의 칩의 형태는 동일하나 칩 사이즈가 다른 경우, 상기 결상 광학계(500)에 채택되는 광보정수단으로서 결상 렌즈는 배율 렌즈일 수 있다.

도 17는 디스플레이 패널(350)과 녹색 광원(112) 간 에텐듀 매칭시, 본 발명에 따른 도 12의 광투사장치를 대상으로 상기 도 15의 결상 광학계(500)를 적용한 구체적인 예를 나타내며, 도 17에서 녹색 광원(112)과 여기광원(114) 사이에 제공되는 광보정수단으로서 1:1 결상 렌즈(510)를 포함하는 결상 광학계(500)는 '영역 C'로 표시되어 있다. 도 17의 1:1 결상 렌즈(510)를 포함하는 결상 광학계(500)는 앞서 설명한 도 8 내지 도 10의 광투사장치에 대해서도 동일한 원리로 적용될 수 있다.

녹색 광원(112)의 실제 크기를 기준으로 디스플레이 패널(350)과 에텐듀 매칭이 이루어지지 않은 경우

도 18은 녹색 광원(112)의 실제 크기를 기준으로 디스플레이 패널(350)과 에텐듀 매칭이 이루어지지 않은 경우의 예시도를 나타낸다. 도면에서 '영역 D'는 디스플레이 패널(350)과 에텐듀 매칭이 이루어지는 가상의 크기를 나타낸다. 따라서 녹색 광원(112)의 실제 크기 전체에서 광조사가 이루어지더라도 '영역 D' 밖의 영역에서 조사되는 광은 디스플레이 패널(350)에서 활용되지 못하기 때문에 이러한 손실을 방지하여 광효율을 높히기 위해서는 녹색 광원(112)에서의 발광 면적은 '영역 D'로 제한될 필요가 있다. 즉, 녹색 광원(112)에 대한 여기광원(114)의 결상 크기를 양자 사이에 제공되는 별도의 광보정수단에 의해 '영역 D'로 제한하는 것이 광효율 측면에서 유리하다.

이 경우, 여기광원(114)의 녹색 광원(112)에 대한 광조사 프로파일을 조절하기 위한 광보정수단은 예컨대 (i) 수평방향과 수직방향의 파워(power)가 상이한 비대칭 렌즈(520)를 사용하여 그 배율을 달리하는 방식이거나, 또는 (ii) 플라이아이렌즈(530)(FEL; Fly Eye Lens), 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(540)(rod lens)와 같은 인터그레이터(Intergrator)를 사용하여 결상되는 모양을 변경하는 방법이 채택될 수 있다.

구체적으로, 도 19는 에텐듀 비매칭시 비대칭 렌즈(520)를 포함한 결상 광학계(500)에 관한 모식도를 나타내며, 녹색 광원(112)의 실제 크기와 디스플레이 패널(350) 간 에텐듀 매칭이 완전하지 않은 경우 수평방향과 수직방향의 파워를 달리하여 녹색 광원(112)에 대한 결상 크기를 최적화한다. 도 20는 디스플레이 패널(350)과 녹색 광원(112) 간 에텐듀 비매칭시, 본 발명에 따른 도 9의 광투사장치를 대상으로 도 19의 결상 광학계(500)를 적용한 구체적인 예를 나타내며, 도 20에서 녹색 광원(112)과 여기광원(114) 사이에 제공되는 광보정수단으로서 비대칭 결상 렌즈를 포함하는 결상 광학계(500)는 '영역 E'로 표시되어 있다.

도 21는 디스플레이 패널(350)과 녹색 광원(112) 간 에텐듀 비매칭시, 플라이아이렌즈(530)(FEL)에 의한 광프로파일 제어에 관한 모식도를 나타낸다. 녹색 광원(112)의 실제 크기와 디스플레이 패널(350) 간 에텐듀 매칭이 완전하지 않은 경우, 여기광원(114)에서 출사된 광이 FEL을 통과하면서 녹색 광원(112)에 결상되는 모양을 변경하게 된다. 이는 플라이아이렌즈(530)(FEL)의 한 개의 셀(Cell)의 길이가 수평방향 및 수직방향으로 다르게 되면 녹색 광원(112)에 결상되는 모양도 동일하게 되는 것을 이용하는 것이다. 도 22은 디스플레이 패널(350)과 녹색 광원(112) 간 에텐듀 비매칭시, 본 발명에 따른 도 9의 광투사장치를 대상으로 도 21의 결상 광학계(500)를 적용한 구체적인 예를 나타내며, 도 22에서 녹색 광원(112)과 여기광원(114) 사이에 제공되는 광보정수단으로서 플라이아이렌즈(530)(FEL)를 포함하는 결상 광학계(500)는 '영역 F'로 표시되어 있다.

도 23는 디스플레이 패널(350)과 녹색 광원(112) 간 에텐듀 비매칭시, 결상 광학계(500)를 구성하는 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(540)(rod lens) 사진을 나타낸다. 녹색 광원(112)의 실제 크기와 디스플레이 패널(350) 간 에텐듀 매칭이 완전하지 않는 경우, 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(540)(rod lens)를 여기광원(114)의 출구단에 제공하여 녹색 광원(112)에 결상하는 방식으로 동작한다. 이 경우, 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(540)(rod lens) 출구단의 모양을 수평방향과 수직방향의 길이가 다르게 하면 녹색 광원(112)에서의 결상 모양도 동일하게 되는 것이 이용한다. 도 24은 본 발명의 실시예에 따른 도 9의 광투사장치를 대상으로 도 23의 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(540)(rod lens)을 포함한 결상 광학계(500)를 적용한 예를 나타내며, 도 24에서 녹색 광원(112)과 여기광원(114) 사이에 제공되는 광보정수단으로서 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(540)(rod lens)를 포함하는 결상 광학계(500)는 '영역 G'로 표시되어 있다.

한편, 도 20의 비대칭 결상 렌즈를 포함하는 결상 광학계(500), 도 22의 플라이아이렌즈(530)(FEL)를 포함하는 결상 광학계(500), 및 도 24의 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(540)(rod lens)를 포함하는 결상 광학계(500)는 본 발명의 실시예에 딸른 도 9에 따른 영상투사장치(10)에 대해 예시하였으나, 본 발명의 다른 실시예인 도 8, 도 10 및 도 12의 광투사장치에 대해서도 동일한 원리로 적용될 수 있다.

이상과 같이 본 발명에 따르면, 여기광원(114)을 사용하여 광량을 증가시키면서도 3색 광원(111, 112, 113) 및 여기광원(114)의 위치를 조절하여 광원장치 및 영상투사장치(10) 제품의 크기를 현저히 줄일 수 있고, 또한 조명계(300)를 구성하는 디스플레이 패널(350)과 녹색 광원(112) 간 결상 크기를 고려하여 비대칭 렌즈(520), 플라이아이렌즈(530)(FEL; Fly Eye Lens), 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(540)(rod lens) 등을 포함하는 광보정수단을 이용해 녹색 광원(112)에 대한 여기광원(114)의 광조사 프로파일을 제어함으로써 광원장치의 광효율을 극대화할 수 있다.

이상의 설명은, 본 발명의 구체적인 실시예에 관한 것이나 본 발명에 따른 상기 실시예는 설명의 목적으로 개시된 사항이고 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 이해되지는 않으며, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질을 벗어나지 아니하고 개시된 실시예에 대해 다양한 변경 및 수정이 가능한 것으로 이해되어야 한다. 따라서, 이러한 모든 수정과 변경은 특허청구범위에 개시된 발명의 범위 또는 이들의 균등물에 해당하는 것으로 이해될 수 있다.

10: 영상투사장치
111: 적색 광원
112: 녹색 광원
113: 청색 광원
114: 여기광원
121: 제1 광원 모듈
122: 제2 광원 모듈
123: 제3 광원 모듈
200: 색상조합부
210: 제1 이색성 미러
220: 제2 이색성 미러
300: 조명계
350: 이미지 변환 장치, 디스플레이 패널
400: 투사렌즈부
500: 결상 광학계
510: 1대1 결상 렌즈
520: 비대칭 렌즈
530: 플라이아이렌즈
540: 라이트 터널 or 로드 렌즈

Claims (7)

1. 적색, 녹색, 청색의 3색 광원과, 녹색 광원을 여기시키기 위한 여기광원을 포함하는 광원장치; 복수의 이색성 미러를 포함하는 색상조합부; 디스플레이 패널을 포함하는 조명계; 및 투사렌즈부;를 포함하는 광투사장치에 있어서, 상기 3색 광원을 제1 광원 모듈, 제2 광원 모듈 및 제3 광원 모듈의 조합으로 구성할 때,
   상기 제2 광원 모듈 및 제3 광원 모듈 쌍은 상기 색상조합부를 사이에 두고 상기 조명계의 반대측에 병렬 배치되고; 상기 제1 광원 모듈 및 여기광원은 상기 색상조합부를 사이에 두고 서로 대향되게 배치되되, 상기 제2 광원 모듈 및 제3 광원 모듈에 의한 광 조사 방향에 수직하게 배치되고; 상기 제3 광원 모듈은 상기 제1 광원 모듈 및 제2 광원 모듈보다 상기 여기광원에 인접하여 배치되며,
   상기 색상조합부는, 상기 여기광원으로부터 조사된 광을 상기 조명계로 입사되지 않은 상태에서, 상기 제1 광원 모듈, 제2 광원 모듈 또는 제3 광원 모듈 중 녹색 광원을 구성하는 광원 모듈을 선택적으로 여기시키도록 제어하는 것을 특징으로 하는 광투사장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제3 광원 모듈은 녹색 광원인 것을 특징으로 하는, 광투사장치.
3. 제1항에 있어서, 제1 광원 모듈 또는 제2 광원 모듈 중 어느 하나가 녹색 광원이고, 상기 제3 광원 모듈은 청색 광원인 것을 특징으로 하는 광투사장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 녹색 광원이 갖는 가상의 크기로서 상기 디스플레이 패널과의 관계에서 에텐듀 매칭이 일어나는 크기를 제1 사이즈로 하고, 상기 여기광원으로부터 광조사시 상기 녹색 광원에 형성되는 결상 크기를 제2 사이즈로 할 때; 상기 녹색 광원과 상기 여기광원 사이의 광경로에 제공되어, 상기 제2 사이즈를 상기 제1 사이즈에 일치시키기 위한 광보정수단을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광투사장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 제1 사이즈가 녹색 광원의 실제 크기와 동일한 경우, 상기 광보정수단은 배율 렌즈인 것을 특징으로 하는 광투사장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 녹색 광원과 여기광원의 형태 및 크기가 동일한 경우, 상기 광보정수단은 1:1: 결상 렌즈인 것을 특징으로 하는 광투사장치.
7. 제4항에 있어서, 상기 제1 사이즈가 녹색 광원의 실제 크기와 다른 경우, 상기 광보정수단은 비대칭 렌즈, 플라이아이렌즈(FEL; Fly Eye Lens), 라이트 터널(light tunnel) 또는 로드 렌즈(rod lens) 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광투사장치.

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