KR20210158091A - 레이저다이오드 광학엔진 및 이를 구비하는 액정 프로젝터 - Google Patents

Abstract

본 발명은 레이저다이오드를 광원으로 사용하고, 액정소자를 광모듈레이터로 사용하는 레이저다이오드 액정 프로젝터에 관한 것이다.
본 발명의 액정 프로젝터는 편광빔스플리터, 광모듈레이터 및 투사렌즈를 포함하고, 레이저 광원에서 출사되는 빛을 확대 및 균질화하며 동시에 스펙클 노이즈를 감소시키기 위한 진동하는 제1렌즈구조체와, 고정된 제2렌즈구조체, 제3렌즈구조체와 디퓨저를 구비하는 구성이 제시된다.
본 발명에 따른 레이저다이오드 액정 프로젝터는 5° 이하의 디퓨징 각을 갖는 고정형 디퓨저를 사용하여 광효율을 적정 범위로 유지하면서 스펙클 노이즈를 저감시키는 특성을 향상시킬 수 있게 되었다.

Description

레이저다이오드 광학엔진 및 이를 구비하는 액정 프로젝터{OPTICAL ENGINE USIGN LASER DIODE AND LIQUID CRYSTAL PROJECTOR WITH THE SAME}

본 발명은 레이저다이오드 광학엔진 및 이를 구비하는 액정 프로젝터에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 광원쪽에 가까운 위치에 가변소자를 갖는 레이저다이오드 광학엔진 및 이를 구비하는 액정 프로젝터에 관한 것이다.

손바닥 크기보다 작은 휴대용 소형 프로젝터를 개발하거나 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.

LED 광원과 레이저 광원은 적은 전력에 높은 휘도의 광을 방출하는 효율적인 광원으로 알려져 있다. 하지만 두 개의 광원은 각각 단점을 가지고 있다. LED 광원은 높은 에땅듀의 광원으로서 레이저보다 광효율이 떨어지는 단점이 있다. 이에 비해 레이저 광원은 LED보다 높은 광효율을 보이지만 스펙클이라는 레이저 특유의 간섭 패턴이 나타나는 단점을 지니고 있다. 스펙클 현상을 감소시킬 수 있다면 레이저 광원은 마이크로 프로젝터에 가장 적합한 소형 광원이 될 수 있다.

도 1은 레이저 광원을 사용하며 반사형 광모듈레이터로 구현된 종래 프로젝터용 광학엔진의 구조도이다. 종래 레이저 광원을 이용하는 프로젝터용 광학엔진은 R광원(10R), G광원(10G), 및 B광원(10B)으로 구성되는 레이저 광원(10)과, 50R, 50G, 및 50B로 구성되는 다이크로익 미러(50), 반사경(51, 53), 디퓨저(20), 제1빔쉐이퍼(30), 제2빔쉐이퍼(31), 제1필드렌즈(40), 제2필드렌즈(41), 광모듈레이터(60), 투사렌즈(70) 및 편광빔스프리터(80)로 구성된다.

레이저 광원(10R, 10G, 10B)으로부터 출사된 레이저 광은 다이크로익 미러(50G, 50G, 50B)와 반사경(51)에 의해 반사된 후 제1빔쉐이퍼(30)를 거친 후 다시 반사경(53)에 반사된 후 제2빔쉐이퍼(31)에 입사된다. 제2빔쉐이퍼(31)는 광축과 수직하게 진동하고 있어서 제2빔쉐이퍼를 통과한 광의 임의성(Randomness)이 증가된다. 제1필드렌즈(40) 및 제2필드렌즈(41)는 제2빔쉐이퍼(31)에 의해 성형된 광을 광모듈레이터(60)로 집속시킨다. 광모듈레이터(60)는 입사된 광을 선택적으로 투과 및 차단하여 영상 이미지를 형성한다. 제1필드렌즈(40)와 광모듈레이터(60) 사이에는 편광빔스플리터(80)가 구비된다. 편광빔스플리터(80, PBS, Polarized Beam Splitter)는 제2필드렌즈(41)에서 입사되는 광을 광모듈레이터(60)로 입사시키고, 광모듈레이터(60)에서 생성된 이미지를 투사렌즈(70)로 출사시킨다. 투사렌즈(70)는 미 도시된 스크린에 영상을 확대 투사한다.

그런데 도 1의 종래 프로젝터용 광학엔진은 광 효율이 좋지 않다. 제2빔쉐이퍼(31)는 입사되는 광의 형상을 광모듈레이터(60) 입사면 형상으로 성형시켜 출력함과 동시에 입사광을 광축과 수직한 방향으로 진동시켜 스펙클을 감소시키는 기능을 제공한다. 예를 들어 광모듈레이터(60)가 16:9의 화면비를 가질 경우 제2빔쉐이퍼(31)는 16:9 화면 형상으로 광을 출력하게 된다.

광모듈레이터(60)에서 영상을 만들어내는 영역을 액티브(Active) 영역이라 하고 액티브 영역으로 입사되는 광만이 영상을 형성하는데 이용되고 액티브 영역 외부로 입사되는 광은 영상 형성에 기여하지 못하게 된다. 액티브 영역을 벗어난 영역으로 입사되는 광이 많아질수록 광효율은 감소하게 되며 나아가 이러한 광은 열로 변환되므로 방열 문제도 야기하게 된다.

광학계는 모든 광경로상에서 최대한 액티브 영역으로 진행되도록 설계되어야 하지만, 실제 설계 시에는 제2빔쉐이퍼(31)의 진동까지 고려하기는 어렵다. 제2빔쉐이퍼(31)의 진동 범위까지 고려하는 상용화된 설계 소프트웨어가 없고 물리적으로 계산하기에는 어려움이 있어 시뮬레이션하기도 어렵기 때문이다. 이러한 이유로 도 1에 제시된 프로젝터는 광학 설계시 제2빔쉐이퍼(31)가 고정된 것으로 가정하고 진행하게 된다. 그런데 실질적인 작동 상에서는 제2빔쉐이퍼(31)의 진동에 따라 광모듈레이터로 입사되는 빔이 광축상에서 좌우로 진동하여 결과적으로 광모듈레이터의 액티브 영역 외부에 입사되는 광이 증가되므로 광효율이 감소하고 별도의 방열판을 구비해야 하는 등 방열 상 문제점을 야기하게 되었다.

대한민국등록특허 제10-1587788호 (2016.01.18. 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 광효율을 향상시키면서 스펙클을 발생시키지 않는 레이저다이오드 광학엔진 및 이를 구비하는 액정 프로젝터를 제시하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 상기 목적은 레이저다이오드를 광원으로 사용하고, 액정소자를 광모듈레이터로 사용하는 레이저다이오드 광학엔진에 있어서, 광원으로부터 조사되는 광을 중첩시켜 임의성을 증가시키면서 확대 성형하며, 광축상 수직한 방향으로 진동하는 가변소자와, 가변소자로부터 출사되는 광을 상기 광모듈레이터의 유효면의 형상으로 균일하게 성형하며, 광의 임의성을 증가시키는 제2광경로 임의변경소자와, 제2광경로 임의변경소자에 의해 성형된 광을 집광시키는 필드렌즈와, 필드렌즈로부터 입사되는 광으로 영상이미지를 형성하는 광모듈레이터와, 제2광경로 임의변경소자와 상기 광모듈레이터 사이의 광축상에 위치되며, 광을 혼합하면서 소정의 발산각으로 진행하게 하는 제3광경로 임의변경소자 및 영상 이미지를 확대 투사하는 투사렌즈를 포함하는 레이저다이오드 광학엔진에 의해서 달성 가능하다.

본 발명에 따른 레이저다이오드 광학 엔진은 비교적 빔 크기가 작은 빔이 입사되는 제1광경로 임의변경소자를 가변소자로 형성하여 광의 경로를 실시간으로 변하게 하고 추가적으로 디퓨저에 의해 광경로 변화량을 증가시켜서 스펙클 감소 효과를 효율적으로 증가시킬 수 있게 되었다.

특히, 본 발명에 따른 레이저다이오드 광학엔진은 LCoS의 액티브 화면비에 일치시키는 역할을 하는 제2광경로 임의변경소자를 진동시키는 대신 광축상에서 앞에 위치하는 제1광경로 임의변경소자에 진동을 줌으로서 광효율을 증대시켰다. 여기서, 광축상에서 제1광경로 임의변경소자보다 앞쪽에 추가적으로 제4광경로 임의변경소자를 배치함으로써 제1광경로 임의변경소자L로 입사하는 광빔의 크기를 증가시키는 방법으로 스펙클 감소효과를 최대화 할 수 있게 되었다.

도 1은 레이저 광원을 사용하며 반사형 광모듈레이터로 구현된 종래 프로젝터용 광학엔진의 구조도.
도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 가변소자 구성도.
도 3은 빔쉐이퍼로 사용되는 FEL의 일 실시예.
도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 레이저다이오드 액정 프로젝터용 광학엔진 구성도.
도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 레이저다이오드 액정 프로젝터용 광학엔진의 구성도.

본 발명에서 사용하는 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 명세서에서, "~ 상에 또는 ~ 상부에" 라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다. 또한, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "상에 또는 상부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 상에 또는 상부에" 접촉하여 있거나 간격을 두고 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

또한, 본 명세서에서, 일 구성요소가 다른 구성요소와 "연결된다" 거나 "접속된다" 등으로 언급된 때에는, 상기 일 구성요소가 상기 다른 구성요소와 직접 연결되거나 또는 직접 접속될 수도 있지만, 특별히 반대되는 기재가 존재하지 않는 이상, 중간에 또 다른 구성요소를 매개하여 연결되거나 또는 접속될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

또한, 본 명세서에서, 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.

먼저 본 발명에서 사용하는 용어에 대해 정의하기로 한다.

본 발명에서 '광경로 임의변경소자'라는 용어는 입사되는 광의 임의성(randomness)을 증가시키는 광학 소자를 지칭하는데 사용하였다. 도 1에 제시된 액정 프로젝터에서 다이크로익 미러 및 반사경은 입사되는 광을 일정한 각도로 변경하는 소자이므로 광경로 임의변경소자라 할 수 없다. 또한, 필드렌즈는 입사되는 광을 집속하거나 확장시키는 것이므로 랜덤한 방향으로 출사시키는 소자가 아니므로 광경로 임의변경소자에 해당되지 않는다. 이에 비해 빔쉐이퍼는 입사광을 굴절 및 중첩시켜 광을 혼합하면서 소정의 발사각으로 진행시켜 임의성을 증가시키므로 광경로 임의변경소자라 할 수 있다. 빔쉐이퍼는 통상적으로 FEL(Fly Eye Lens)로 형성한다. FEL은 투명한 기판 표면(입사면 및/또는 출사면)에 복수 개 미소렌즈가 매트릭스 형태로 구비되는 렌즈이다. FEL을 통과하는 광은 이러한 미소렌즈 군에 의해서 굴절되어 중첩상(랜덤한 방향이 모여 중첩상을 형성함)을 형성하게 됨으로써 임의성을 증가시키는 소자이다. 또한, 디퓨저는 통과하는 광을 혼합하면서 동시에 소정의 발산각으로 진행하게 하는 소자로서 광경로 임의변경소자라 할 수 있다. 통상 디퓨저는 투명한 기판 내에 소정의 패턴을 형성하여 제작되며 패턴에 의한 회절 현상으로 인해서 통과하는 광이 랜덤한 방향으로 확산되어 진행되도록 하며 확산되는 광이 평균적으로 소정의 발산각을 이루도록 한다.

본 발명에서 '가변소자'는 '움직임이 부여된 광경로 임의변경소자'를 의미하는 용어로 사용하였다. 예를 들어, 초당 110Hz로 진동하는 진동자를 광경로 임의변경소자에 부가하면 가변소자로 형성된다.

레이저 광은 높은 효율의 광원이지만 스펙클 노이즈라는 단점을 지니고 있다. 스펙클은 가간섭성(coherence)이 높은 광에 의해 만들어지는 간섭패턴 형태의 노이즈이다. 이러한 가간섭성은 광이 지나가는 광축면상에 가변소자를 두면 감소시킬 수 있다. 가간섭성을 줄이기 위해서는 광의 경로, 위상 혹은 편광을 변경시키면 된다. 즉, 가변소자를 이용하여 광의 경로, 위상 혹은 편광 중 하나를 변경시키면 스펙클이 감소하는데 실험에 의하면 변화의 시점에서 가장 효과가 크고 변화가 고착화하게 되면 감소 효과가 없어지는 것으로 파악되었다. 그렇기에 주기적으로 변화를 유발하기 위해 연속적으로 움직임을 제공하는 진동자를 이용하여 가변소자를 구현할 필요가 있다.

본원 발명자의 실험에 의하면 가변소자를 중첩해서 추가로 배치한다고 해서 스펙클의 감소가 지속적으로 증가하지 않는 것으로 파악되었다. 스펙클 노이즈는 기본적으로 간섭패턴이기 때문에 확률 이론으로 설명할 수 있으며 가변소자 추가에 의한 스펙클 감소 효과는 동전 던지기의 앞면이 나올 확률에 비유할 수 있다. 동전을 다섯 번 던졌더니 ‘앞, 앞, 뒤, 뒤, 뒤' 가 나왔다면 앞면이 나온 결과는 40%이다. 그런데 만약 동전을 열 번 던지거나 혹은 백 번 나아가 더 많은 횟수로 던지면 50%의 확률로 수렴하게 된다. 가변소자를 추가하는 경우도 동전던지기와 유사한 결과로 도출된다. 즉 가변소자의 개수를 늘리게 되더라도 가변소자 한 개의 최대 스펙클 감소량으로 수렴하는 것을 통계상 및 실험상 확인하였다. 결과적으로 스펙클을 크게 감소시키려면 가변소자의 개수를 증가시키는 대신 스펙클 감소량이 큰 가변소자를 하나만 사용하는 방식으로 광학 설계가 이루어져야 한다.

이러한 스펙클 감소 원리를 충실히 적용하여 설계된 광학엔진의 예가 도 1에 제시된 종래 레이저 광원을 이용하는 프로젝터용 광학엔진의 구조이다. 그런데 '본 발명의 배경이 되는 기술'에서 설명한 바와 같이 도 1과 같은 광학엔진을 이용하여 제작된 액정 프로젝터는 광효율이 저하되고 발열량이 증가하는 문제점을 드러내었다.

이하에서, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예, 장점 및 특징에 대하여 상세히 설명하도록 한다.

도 2는 본 발명에 따른 일 실시예의 가변소자 구성도이다. 가변소자(38)는 광경로 임의변경소자(35)를 겸자(57)를 이용하여 거치하고, 겸자(57)의 타 단측을 진동자(55)와 결합하여 형성할 수 있다. 진동자(55)에 의해서 광경로 임의변경소자(35)는 a ↔ b 방향으로 진동하게 된다.

이러한 디퓨저 혹은 FEL과 같은 광경로 임의변경소자가 진동하게 되면 광경로가 변하는 현상이 일어남으로써 스펙클 노이즈가 감소하게 된다. 스펙클 노이즈 감소 효과가 가장 큰 경우는 상기의 광경로 임의변경소자가 움직임을 시작할 때와 움직임의 방향이 바뀔 때이다. 즉 변화가 일어나는 순간이 가장 큰 효과를 보인다. 그렇기에 진동자(55)는 스펙클 감소에 아주 적합한 무빙 소자이다. 그런데 이러한 무빙은 진동이 너무 빠르면 한 번 움직임의 변위량이 너무 적게 되고 또 너무 느리면 변화되는 현상을 눈으로 감지할 수 있게 된다. 이를 고려하여 진동자(55)는 60Hz ~ 300Hz의 진동 주파수 범위에서 진동시킨다. 300Hz를 넘는 주파수로 광경로 변경 소자(35)를 진동시키면서 동일한 변위량을 유지하려면 진동자의 구조가 복잡해지면서 제조 단가가 올라가서 실질적으로 적용하기 어려워진다. 간단한 구조의 진동자의 경우는 300Hz을 넘는 주파수로 진동시키면 변위량이 작아지는 문제가 발생하게 된다. 60Hz 미만으로 광경로를 변경시키면 사람의 눈은 진동을 점차 인지하여서 마치 깜박이는 것 같은 플리커(flicker) 현상을 느끼게 된다. 결과적으로 본원 발명자는 진동자를 이용하는 가변소자의 변화량은 한계가 있기 때문에 진동자 자체의 개선으로 달성할 수 있는 스펙클 감소 효과를 증가시키는 데는 어려움이 있음을 알게 되었다.

본원 발명자 중 일부 발명자는 레이저 다이오드를 이용한 액정 프로젝터용 광학엔진을 수 년간 설계하였으며 실제 상업화하여 판매한 경험이 있다. 지금까지 개발한 액정 프로젝터는 도 1에 제시된 바와 같이 두 개의 빔쉐이퍼를 사용하는 광학엔진을 사용하였다. 지금까지 제시된 레이저 광원을 사용하는 종래 액정 프로젝터용 광학엔진은 상대적으로 광원에 가깝게 배치되는 제1빔쉐이퍼(30) 및 광모듈레이터(60)에 가깝게 배치하는 제2빔쉐이퍼(31)를 사용하고, 제2빔쉐이퍼(31)를 진동자로 진동시키는 방식을 적용하였다. 상식적으로 생각할 때, 제2빔쉐이퍼(31)를 진동자로 진동시킬 경우 스펙클 감소 효과가 훨씬 크기 때문이다. 이는 제2빔쉐이퍼(31)로 입사되는 광의 입사 면적이 대략 제1빔쉐이퍼(30)로 입사되는 광의 입사 면적보다 대략 10배 정도 크기 때문이다. 즉, 10배 정도 큰 입사면적을 갖는 제2빔쉐이퍼를 진동시키는 것이 당연히 스펙클 감소에 더 효율적이므로 제2빔쉐이퍼(31)를 진동자로 진동시키는 방식으로 설계가 이루어졌다.

도 3은 빔쉐이퍼로 사용되는 FEL의 일 실시예이다. 도 3(a)는 FEL의 측면도이며, (b)는 배면도이다. FEL은 투명기재(61a)의 정면 및/또는 배면에 복수 개 미소렌즈(61b)가 형성되는 구조를 갖는다. 도 3에 제시된 FEL에서는 양면에 복수 개 미소렌즈(61b)를 형성시킨 예이다. 도 3에 도시된 바와 같이 FEL의 정면 또는 배면 단면적은 입사되는 광의 직경에 적합한 크기로 형성된다. 또한 정면 또는 배면 단면적이 넓을수록 더 많은 미소렌즈(61b)를 형성할 수 있음을 알 수 있다.

도 3에서는 다수의 미소렌즈가 렌즈 구조체가 정면 및 배면에 동일 개수로 양각 형태로 형성하였다. 정면 및 배면에 형성되는 미소렌즈들은 광축상 동일 위상에 마주보도록 형성하였다.

도 1에 도시된 광학엔진에서는 광모듈레이터에 가깝게 위치하는 제2빔쉐이퍼에 입사되는 광의 크기가 제1빔쉐이퍼에 입사되는 광 크기보다 10배 정도 크기 때문에 제2빔쉐이퍼를 진동시켜 스펙클 감소효과를 크게 하려는 방향으로 엔진 설계가 이루어졌으며, 이러한 설계 방향이 상식적이라 여겨졌다. 또한, 도 1에 제시된 종래 광학엔진에서는 제1빔쉐이퍼(30)에 형성된 미소렌즈의 수가 제2빔쉐이퍼(31)에 형성된 미소렌즈의 수보다 더 적었다.

본 발명에서는 지금까지 상식으로까지 여겨졌던 도 1과 같은 방식에서 벗어나서 광모듈레이터보다 광원에 더 가깝게 위치하며 광원에서 출사한 광을 원형광 형태로 변경하는 광경로 임의변경소자를 진동시켜 가변소자로 형성하더라도 스펙클 현상을 없앨 수 있는 레이저다이오드 액정 프로젝터를 제시하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 광경로 임의변경소자를 진동시켜 스펙클을 효율적으로 감소시키기 위해서는 다음 두 가지 요건을 한꺼번에 고려하면서 광학엔진을 설계하여야 함을 알게 되었다.

제1요건은 전술한 바와 같이 스펙클 감소 효율이 뛰어난 가변소자를 적용해야 한다는 것이다. 가변소자를 FEL로 형성할 경우에는 입사되는 광이 되도록 많은 미소렌즈를 통과하도록 구성하고, 디퓨저로 형성할 경우에는 표면에 형성된 패턴에 의해서 되도록 많은 입사광이 통과하도록 구성하는 것이다.

제2요건은 가변소자에 의해 변경된 광 경로를 증대시키는 것이다. 제2요건을 실제 설계 시 반영하기 위해서는 가변소자 이후의 광경로 상에 광경로 임의변경소자를 가능한 가변소자와 멀리 복수 개 배치하는 방식으로 이루어져야 한다. 가변소자를 여러 개 배치하더라도 상술한 바와 같은 한계점이 있어 스펙클 감소 효과가 증가하지 않는 반면 가변소자 이후의 광 경로 상에 광경로 임의변경소자를 멀리 복수 개 배치할 경우 동일한 주파수에서도 광경로 변위량이 증가되어 스펙클을 감소시킬 수 있기 때문이다. 이러한 변위량 증가는 가변소자와 추가되는 광경로 임의변경소자 사이의 이격 거리를 길게 하고 가능한 다수 개 배치시키면 증가된다.

정리하면, 본원 발명자는 가변소자를 구성하는 진동자의 주파수를 더 빠르게 변경하거나 진동폭을 크게 변경하더라도 스펙클을 효율적으로 감소시키지 못하는 것을 파악하였다. 스펙클을 효율적으로 줄이기 위해서는 광 경로를 많이 변경시키는 한 개의 가변소자를 사용하고, 가변소자를 통과한 이후의 경로상에 광경로 임의변경소자를 가변소자로부터 가능한 멀리 이격된 위치에 복수 개 설치하는 것이 스펙클 감소에 더 효율적임을 파악하게 된 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 일 실시예의 레이저다이오드 액정 프로젝터용 광학엔진 구성도이다. 본 발명에 따른 레이저 광원을 이용하는 프로젝터용 광학엔진은 R광원(10R), G광원(10G), 및 B광원(10B)으로 구성되는 와트 클래스 멀티모드 진성 레이저다이오드, 50R, 50G, 및 50B로 구성되는 다이크로익 미러, 반사경(51, 53), 가변소자(38), 제2광경 임의변경소자(63), 제1필드렌즈(40), 제3광경로 임의변경소자(65), 제2필드렌즈(41), 광모듈레이터(60), 투사렌즈(70) 및 편광빔스프리터(80)로 구성된다.

와트 클래스 멀티모드 진성 레이저다이오드는 R/G/B 광을 순차적으로 조사하는 것이 바람직하다. 레이저다이오드 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. 실질적으로 각 광원은 T/3보다 짧은 시간 동안 조사된다.

세 광원으로부터 발광되는 광은 각각의 다이크로익 미러 50R, 50G, 50B에 의해 반사 또는 투과되어 가변소자(38)에 입사된다. 가변소자(38)는 스크린에 조사되는 광을 가능한 원형광에 가깝도록 빔 형상을 성형함과 동시에 통과하는 광의 경로를 랜덤하게 변경시켜 임의성을 증가시키게 된다. 가변소자(38)는 제1광경로 임의변경소자(61)에 진동자(55)를 설치하여 구성하였다. 제1광경로 임의변경소자(61)는 제1FEL로 구성하는 것이 바람직하다. 이때 제1FEL에 구비되는 미소렌즈는 사각 또는 육각 형상으로 형성하는 것이 바람직하다. 미소렌즈를 사각 또는 육각 형상으로 형성하면 입사되는 모든 광이 미소렌즈를 통과하도록 구현할 수 있고 원형광에 가깝게 성형할 수 있기 때문이다. 미소렌즈를 원형으로 가공하면 렌즈셀 사이에 낭비되는 공간이 발생하므로 이러한 공간을 없애기 위해 사각 또는 육각으로 구현하였다. 이때, 사각 또는 육각 형상의 각 변의 길이는 100~400㎛ 사이를 갖도록 구현하였다.

본 발명에 따른 가변소자(38)는 스펙클을 없애기 위하여 광축상 수직한 방향으로 진동되도록 설계하였다. 가변소자(38)는 제1광경로 임의변경소자(61)에 겸자를 설치하고, 겸자의 타 측에 진동자(55)를 설치하여 구성하였다. 제1광경로 임의변경소자(61)에 진동을 인가하는 신호로는 R 레이저다이오드(10R)의 온(On) 제어 신호를 이용할 수 있다. 도면에 도시되지 않았으나 외부로부터 전송되는 타이밍 제어신호에 R 레이저다이오드(10R)를 온/오프 제어하는 신호가 포함되므로 이를 이용하여 제1광경로 임의변경소자(61)를 진동시키는 제어 신호로 이용할 수 있다. 물론 다른 색상의 레이저다이오드 온 제어신호를 이용하여도 무방하다. 실험에 의하면, 제1광경로 임의변경소자(61)를 진동시키는 주파수로는 60Hz ~ 300Hz 범위가 적당하다.

가변소자(38)에서 성형되고 광 경로가 변경된 광은 반사경(53)에 의해 굴절된 후 제2광경로 임의변경소자(63)로 입사된다. 제2광경로 임의변경소자(63)는 입사된 광의 경로를 랜덤하게 변경하면서 광모듈레이터(60)의 입사면과 동일한 형상으로 출사되도록 광 형상을 변경하는 소자이다. 따라서 제2광경로 임의변경소자(63)는 제2FEL로 구성하는 것이 바람직하다. 제2FEL을 구성하는 미소렌즈는 광모듈레이터(60)의 형상(보다 정확한 표현으로는 광모듈레이터의 입사측 유효 화면 형상)과 동일한 형상으로 구비되도록 하였다. 예를 들어 광모듈레이터의 유효 화면 형상이 16:9 종횡비 사각 형상일 경우 제2FEL에 포함되는 미소렌즈 형상도 16:9 종횡비를 갖는 사각 형상으로 구비되도록 함으로써 광 손실을 최소화할 수 있다.

필드렌즈는 제2광경로 임의변경소자(63)에 의해 성형된 광을 편광빔스프리터(80)로 집속시키는 렌즈이다. 통상 1~3매로 구성하는데 도 4에서는 제1필드렌즈(40)와 제2필드렌즈(41) 2매로 구성하는 경우를 도시하였다. 이들 필드렌즈와 제2광경로 임의변경소자(38) 사이의 거리를 조절함으로써 광을 효율적으로 집속시킬 수 있다.

제2광경로 임의변경소자(63)와 광모듈레이터(60) 사이에는 제3광경로 임의변경소자(65)를 추가하여 가변소자(38)에 의해 광경로를 더욱 크게 변경할 수 있도록 구현하였다. 제3광경로 임의변경소자(65)는 가변소자(38)에 의해 광경로를 더 많이 변경시키는 소자이다. 제3광경로 임의변경소자(65)는 디퓨저로 형성하는 것이 바람직하다. 디퓨저는 투명한 기판 내에 소정의 패턴을 형성하여 제작되며 패턴에 의한 회절 현상으로 인해서 통과하는 광이 랜덤한 방향으로 확산 진행되도록 하며 확산되는 광이 평균적으로 소정의 발산각을 이루도록 한다.

제3광경로 임의변경소자(65)를 디퓨저로 형성할 경우 최대 허여 디퓨징 각은 5°이하인 것을 사용하는 것이 바람직하다. 투사렌즈는 확대 투영하는 렌즈계로서 f/# (F number)을 갖는다. f/#는 수학식 1과 같이 정의된다.

여기서, 'f'는 렌즈의 초점거리, 'D'는 입사동의 직경을 나타낸다.

투사렌즈의 초점거리를 유지하면서 F number를 크게 하면 D가 감소한다. 디퓨징이 일어날 수록 투사렌즈를 통과하는 광이 줄어들어서 디퓨징 각이 5를 초과하도록 증가하면 광량의 감소가 심해져서 광효율이 감소하게 된다

광모듈레이터(60)는 입력되는 비디오 신호에 따라 입사된 광을 선택적으로 투과 및 차단하여 영상 이미지를 형성하는 소자이다. 광모듈레이터(60)의 대표적인 예로는 DMD(Digital Micromirror Device), 액정디스플레이소자(LCD), LCoS 등이 있다. 본 발명에서는 액정디스플레이소자(LCD) 및 LCoS와 같이 액정소자를 이용하는 액정 광모듈레이터에 국한되는 것이다. 액정 디스플레이 소자를 이용하는 프로젝터로는 직시형과 투사형 및 반사형이 있으며, 도 4에서는 반사형으로 구현한 예이다.

도 4에 제시된 가변소자(38)에 의한 스펙클의 감소량은 도 1에 제시된 제2빔쉐이퍼(31)를 진동시킴으로써 나타나는 스펙클의 감소량보다는 작다. 도 4에 제시된 광학엔진에서는 이러한 스펙클 감소량을 보충하기 위하여 가변소자(38) 이후의 광 경로상에 제2광경로 임의변경소자(63) 및 제3광경로 임의변경소자(65)를 설치하였다. 또한, 도 1에 제시된 광학엔진과 대비할 때 가변소자(38)로부터 제3광경로 임의변경소자(65)를 더 이격된 위치에 배치함으로써 스크린에 투사된 영상에서 스펙클 현상이 나타나지 않도록 구현할 수 있었다.

도 4에 제시된 광학엔진에서 가변소자(38) 및 제2광경로 임의변경소자(63)를 FEL로 형성할 경우, 가변소자(38)를 구성하는 FEL에 형성되는 미소렌즈의 수를 제2광경로 임의변경소자(63)를 구성하는 FEL에 형성되는 미소렌즈의 수와 같거나 더 많게 형성하면 반대의 경우보다 스펙클을 더 많이 감소시킬 수 있다.

도 5는 본 발명에 따른 일 실시예의 레이저다이오드 액정 프로젝터용 광학엔진의 구성도이다. 도 4에 제시된 광학엔진과의 차이점은 가변소자(38)와 다이크로익 미러(50) 사이의 광경로 상에 제4광경로 임의변경소자(67)를 부가한 것이다. 다이크로익 미러(50)로부터 출사되는 광은 길쭉한 타원 형상을 갖는다. 제4광경로 임의변경소자(67)는 길쭉한 타원 형상의 광을 중심으로부터 동일한 반경에 놓여지는 원형에 가까운 형상으로 변경하고, 가변소자(38)로 입사되는 광원의 크기를 확대시키는 소자이다. 제4광경로 임의변경소자(67)를 추가 구비함으로써 가변소자(38)로 입사되는 광의 직경(광의 크기)을 크게 할 수 있으므로 스펙클 감소 효과를 더 좋게 할 수 있게 된다. 제4광경로 임의변경소자(67)로는 FEL 또는 디퓨저를 사용하여 구현할 수 있다.

제4광경로 임의변경소자(67)를 FEL로 형성하는 경우, 미소렌즈의 형상은 정육각형으로 형성하는 것이 좋다. 정육각 형상을 가질 경우 입력되는 모든 광이 미소렌즈를 통과할 수 있도록 설계할 수 있고 빔의 형상을 원형으로 확대 성형하는 것은 육각이 더 유리하기 때문이다. 이때 육각형의 내경은 100~400㎛ 사이인 것이 바람직하다. 육각형의 내경은 정육각형의 모서리들을 모두 통과하는 원을 그렸을 때 해당 원의 내경을 의미한다.

렌즈 내경은 금형 가공의 엔지니어링 한계 때문에 100um 보다 작게 형성하는 것은 어렵다. 에칭공정을 통해서는 수십um 크기의 렌즈셀도 정확히 가공하지만, 양산 단가는 매우 높아지게 된다. 금형으로 렌즈를 사출해야 렌즈 단가가 작아져서 양산성이 보장된다. 100um 미만의 렌즈셀을 금형으로 가공하게 되면 가공 정확도가 나오지 않게 된다. 제4 광경로 임의변경소자는 작은 빔사이즈의 입사빔을 확대하는 기능입니다. 작은 크기의 입사빔이 최대한 많은 렌즈셀을 통과하기 위해서는 렌즈셀이 작아야 합니다. 렌즈 내경이 400um를 초과할 경우 입사빔이 통과하는 렌즈셀의 개수가 너무 작아진다. 대략 빔의 장변 3mm, 단변 1mm 정도 크기인데, 이를 기준으로 계산하면 통과하는 렌즈셀의 개수는 약 18개 정도가 된다. 적어도 20개 이상의 셀을 통과하는 것이 좋다.

지금까지 설명한 광학엔진에 투사렌즈의 투사 거리를 조절할 수 있는 투사렌즈 위치조절부, 외부에서 비디오 신호를 입력받는 비디오 입력단자 및 비디오 입력단자로부터 입력되는 비디오 신호에 따라 광모듈레이터를 구동시키는 광모듈레이터 구동부 등을 구비하여 액정 프로젝터로 구현할 수 있음은 물론이다.

지금까지는 반사형 액정소자로 형성되는 액정 광모듈레이터를 사용하는 실시예에 대해 설명하였으나, 본 발명은 투과형 액정소자를 이용하는 액정 광모듈레이터에서도 실시 가능하다. 투과형 액정 광모듈레이터를 사용할 경우에는 빔스프리터 대신에 X-Cube라는 광학소자를 사용하면 광학계를 보다 간단하게 구성할 수 있다.

상기에서 본 발명의 바람직한 실시예가 특정 용어들을 사용하여 설명 및 도시되었지만 그러한 용어는 오로지 본 발명을 명확히 설명하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 실시예 및 기술된 용어는 다음의 청구범위의 기술적 사상 및 범위로부터 이탈되지 않고서 여러가지 변경 및 변화가 가해질 수 있는 것은 자명한 일이다. 이와 같이 변형된 실시예들은 본 발명의 사상 및 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 본 발명의 청구범위 안에 속한다고 해야 할 것이다.

10: 레이저 광원 10R: R광원
10G: G광원 10B: B광원
20: 디퓨저
30: 제1빔쉐이퍼 31: 제2빔쉐이퍼
35: 광경로 임의변경소자 40: 제1필드렌즈
41: 제2필드렌즈 50, 50R, 50G, 50B: 다이크로익 미러
51, 53: 반사경 55: 진동자
57: 겸자 60: 광모듈레이터
61: 제1광경로 임의변경소자 63: 제2광경로 임의변경소자
65: 제3광경로 임의변경소자 70: 투사렌즈
80: 편광빔스플리터

Claims (8)

1. 레이저다이오드를 광원으로 사용하고, 액정소자를 광모듈레이터로 사용하는 레이저다이오드 광학엔진에 있어서,
   상기 광원으로부터 조사되는 광을 중첩시켜 임의성을 증가시키면서 확대 성형하며, 광축상 수직한 방향으로 진동하는 가변소자와,
   상기 가변소자로부터 출사되는 광을 상기 광모듈레이터의 유효면의 형상으로 균일하게 성형하며, 광의 임의성을 증가시키는 제2광경로 임의변경소자와,
   상기 제2광경로 임의변경소자에 의해 성형된 광을 집광시키는 필드렌즈와,
   상기 필드렌즈로부터 입사되는 광으로 영상이미지를 형성하는 광모듈레이터와,
   상기 제2광경로 임의변경소자와 상기 광모듈레이터 사이의 광축상에 위치되며, 광을 혼합하면서 소정의 발산각으로 진행하게 하는 제3광경로 임의변경소자 및
   상기 영상 이미지를 확대 투사하는 투사렌즈를 포함하는 레이저다이오드 광학엔진.
   
2. 레이저다이오드를 광원으로 사용하고, 액정소자를 광모듈레이터로 사용하는 레이저다이오드 광학엔진에 있어서,
   상기 광원으로부터 조사되는 광을 중첩시켜 임의성을 증가시키면서 확대 성형하는 제4광경로 임의변경소자와,
   상기 제4광경로 임의변경소자로부터 출사되는 광을 중첩시켜 균일도를 개선하며, 광축상 수직한 방향으로 진동하는 가변소자와,
   상기 가변소자로부터 출사되는 광을 상기 광모듈레이터의 유효면의 형상으로 균일하게 성형하며, 광을 중첩시켜 광의 임의성을 증가시키는 제2광경로 임의변경소자와,
   상기 제2광경로 임의변경소자에 의해 성형된 광을 집광시키는 필드렌즈와,
   상기 필드렌즈로부터 입사되는 광으로 영상이미지를 형성하는 광모듈레이터와,
   상기 제2광경로 임의변경소자와 상기 광모듈레이터 사이의 광축상에 위치되며, 광을 혼합하면서 소정의 발산각으로 진행하게 하는 제3광경로 임의변경소자 및
   상기 영상 이미지를 확대 투사하는 투사렌즈를 포함하는 레이저다이오드 광학엔진.
   
3. 제1항 또는 2항에 있어서,
   상기 제1광경로 임의변경소자와 제2광경로 임의변경소자 및 제4광경로 임의변경소자는 다수의 미소렌즈가 렌즈 구조체의 양 표면에 동일 개수로 양각되어 있으며, 상기 양 표면의 미소렌즈들은 광축상 동일 위상에 마주보는 형상인 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 광학엔진.
   
4. 제1항 또는 2항에 있어서,
   상기 제3광경로 임의변경소자는 최대 허여 디퓨징 각은 5°이하인 디퓨저로 형성하는 것을 특징으로 상기 제1광경로 임의변경소자의 미소렌즈의 형상은 사각 또는 육각 형상이며, 미소렌즈의 어느 한 변의 길이는 100~400㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 광학엔진.
   
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 제3광경로 임의변경소자는 상기 제2광경로 임의변경소자보다 상기 광모듈레이터에 더 가까운 광축상에 구비되는 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 광학엔진.
   
6. 제3항에 있어서,
   상기 제4광경로 임의변경소자는 미소렌즈의 형상은 정육각형 형상이며, 육각형의 내경은 100~400㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 광학엔진.
   
7. 제3항에 있어서,
   상기 제1광경로 임의변경소자의 미소렌즈의 형상은 사각 또는 육각 형상이며, 미소렌즈의 어느 한 변의 길이는 100~400㎛ 사이인 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 광학엔진.
   
8. 제1항 내지 제7항 중에서 선택된 어느 한 항의 광학엔진과,
   외부에서 비디오 신호를 입력받는 비디오 입력단자 및 비디오 입력단자로부터 입력되는 비디오 신호에 따라 상기 광모듈레이터를 구동시키는 광모듈레이터 구동부를 포함하는 것을 특징으로 하는 레이저다이오드 액정 프로젝터.
   

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