WO2014112753A1 - 레이저 프로젝터 - Google Patents

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WO2014112753A1
WO2014112753A1 PCT/KR2014/000309 KR2014000309W WO2014112753A1 WO 2014112753 A1 WO2014112753 A1 WO 2014112753A1 KR 2014000309 W KR2014000309 W KR 2014000309W WO 2014112753 A1 WO2014112753 A1 WO 2014112753A1
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laser beam
speckle
laser
suppressor
degrees
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PCT/KR2014/000309
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English (en)
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Inventor
김선덕
한영근
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한양대학교 산학협력단
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    • G02B2207/117—Adjustment of the optical path length

Definitions

  • a laser projector is disclosed. More specifically, the speckle can be suppressed by modulating the phase of the laser beam introduced into the speckle suppressor by a rotational operation of the speckle suppressor to a phase that cannot be recognized by the human eye, thereby realizing a high resolution screen.
  • a laser projector is disclosed.
  • Projection display device has the advantage that can be implemented from ultra-large image to ultra-small image that is difficult to implement in a typical LCD, PDP, and the like.
  • the projection display device implements an image by scanning light modulated by the laser light source on a pixel basis, the image quality of the projection display device is lower than that of other display devices emitting light directly from the screen.
  • Speckle suppression techniques conventionally used include a method of suppressing speckles by shaking a diffuser. In this case, since light loss occurs, there is a limitation that is not suitable for an imaging device requiring high brightness.
  • the method of suppressing speckles by using a piezoelectric element such as PZT or a galvomirror to suppress speckles makes it difficult to make the traveling light into parallel light, so that image information made by a device such as an LCoS panel can be shaken on the screen. Difficult to implement
  • the speckle can be suppressed by modulating the phase of the laser beam introduced into the speckle suppressor by a rotational operation of the speckle suppressor to a phase that is unrecognizable to the human eye. It is to provide a laser projector that can implement the screen.
  • the speckle suppression portion is implemented as a cylindrical lens capable of phase modulation, laser light that can reduce the optical loss while simplifying the configuration of the optical system and at the same time slimming the device To provide a projector.
  • the beam diverging unit for emitting a laser beam;
  • a speckle suppression unit for modulating a speckle by phase-modulating the laser beam emitted from the beam diverging unit, wherein the speckle suppression unit is operated at a speed at which the human eye is not recognized by the rotation operation.
  • the speckle shape can be modulated by modulating the phase of the laser beam.
  • the speckle suppressor may be provided with a cylindrical lens having a plurality of steps to vary the transmission depth of the laser beam according to the rotation angle.
  • the speckle suppression unit is a plurality of steps, the first suppression member is formed to 90 degrees around the rotation reference and the transmission depth of the laser beam is the smallest; A second suppressing member extending in the circumferential direction from the first suppressing member and formed from 90 degrees to 180 degrees around the rotation reference and having a relatively greater depth of penetration than the first suppressing member; A third restraining member extending in the circumferential direction from the second restraining member and formed from 180 degrees to 270 degrees around the rotation reference and having a relatively greater depth of penetration than the second restraining member; And a fourth restraining member formed between the third restraining member and the first restraining member, the fourth restraining member being formed from 270 degrees to 360 degrees with respect to the rotational reference and having a relatively larger depth of penetration than the third restraining member. can do.
  • the speckle suppression unit may be provided with a cylindrical lens which one side is formed to be sloped so as to vary the transmission depth of the laser beam according to the rotation angle.
  • the speckle suppressor may modulate the phase of the laser beam 180 degrees by one side to which the laser beam enters has a non-deviating direction with respect to the vertical direction and the other side to which the laser beam exits has a vertical direction.
  • the speckle suppressor may be provided with any one of glass, a polymer material including PDMS, PDMA, PMMA, and a quartz material including quartz, sapphire as a cylindrical lens.
  • the speckle suppression portion may be anti-reflection (anti-reflection) coating treatment.
  • the speckle suppression unit may modulate the phase of the laser beam to 16.6ms or more, which is a speed of human recognition by the rotation operation.
  • the beam diverging unit a red laser diverging member for emitting a red laser beam; A green laser diverging member for emitting a green laser beam; A green laser diverging member for emitting a blue laser beam; And a beam coupling member coupling the laser beam from the red laser diverging member, the green laser beam from the green laser diverging member, and the blue laser beam from the blue laser diverging member.
  • it may further include a beam expanding unit for extending the laser beam passing through the speckle suppression unit to provide a screen.
  • the digital micro-mirror element interposed between the speckle suppressor and the beam expansion unit to improve the sharpness of the laser beam passing through the speckle suppressor by the light reflection principle; And a micro mirror device controller for controlling the digital micro mirror device.
  • the speckle can be suppressed by modulating the phase of the laser beam introduced into the speckle suppressor by a rotational operation of the speckle suppressor to a phase that is unrecognizable to human eyes. Can be implemented.
  • the speckle suppressor is implemented as a cylindrical lens capable of phase modulation, the optical loss can be reduced, and the configuration of the optical system can be simplified, and the device can be made slimmer.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a laser projector according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2A is a perspective view of the speckle suppressor shown in FIG. 1 viewed from one direction
  • FIG. 2B is a perspective view viewed from another direction.
  • FIG. 3 is a diagram schematically illustrating transmission of a laser beam according to rotation of the speckle suppressor of FIG. 2.
  • FIG. 4 is a graph illustrating phase modulation of a laser beam according to rotation of the speckle suppressor of FIG. 2.
  • 5A and 5B are views of a speckle suppressor of a laser projector according to another exemplary embodiment, viewed from different directions.
  • FIG. 6 is a view schematically illustrating transmission of a laser beam according to rotation of the speckle suppressor of FIG. 5.
  • FIG. 1 is a view schematically showing the configuration of a laser projector according to an embodiment of the present invention
  • Figure 2a is a perspective view of the speckle suppressor shown in Figure 1 from one direction
  • Figure 2b is a perspective view from another direction
  • 3 is a diagram schematically illustrating transmission of a laser beam according to rotation of the speckle suppressor of FIG. 2.
  • a laser projector 100 may include a beam diverging unit 101 that emits a laser beam 108, and a laser beam 108 diverging from the beam diverging unit 101. Phase modulated) and the speckle suppression unit 110 for suppressing the speckle, and the beam extension unit 113 for expanding the laser beam 108 passing through the speckle suppression unit 110 and providing the screen 114 to the screen 114. ) May be included.
  • the digital micro-mirror device interposed between the speckle suppressor 110 and the beam expander 113 to transmit the laser beam 108 passing through the speckle suppressor 110 to the beam expander 113 ( 111 and a micromirror element controller 112 for controlling the digital micromirror element 111.
  • the beam diverging unit 101 of the present embodiment includes a red laser diverging member 102a that emits a red laser beam 104, and a green laser beam ( Green laser diverging member 102b for emitting 105, blue laser diverging member 102c for emitting blue laser beam 106, and laser beams 104, 105 of these laser diverging members 102a, 102b, and 102c. And a beam coupling member 107 for coupling the 106.
  • the laser beams 104, 105, and 106 are provided in parallel from the red laser diverging member 102a, the green laser diverging member 102b, and the blue laser diverging member 102c, and the parallel laser beam ( 104, 105, 106 may be combined in the beam coupling member 107 to generate a single laser beam 108.
  • the laser beam 108 coupled by the beam coupling member 107 may be reflected by the reflection mirror 109 and provided in the direction of the speckle suppressor 110.
  • the beam expansion part 113 of this embodiment is a part which serves to expand the laser beam 108 whose speckle was suppressed by the speckle suppression part 110 to the large screen 114 of the front.
  • the digital micromirror element 111 may be interposed between the beam extension 113 and the speckle suppressor 110.
  • the digital micromirror element 111 may implement a high-definition image using the principle of reflecting light. As many as hundreds of thousands of reflective elements are integrated in the digital micro-mirror element 111.
  • the reflective elements can be selectively operated by the micro-mirror element control unit 112, and thus the high-definition image can be realized by the beam extension unit 113. It is possible to provide a laser beam 108 that can.
  • the speckle suppression unit 110 of the present embodiment is a portion for suppressing the speckle from the laser beam 108 provided from the beam diverging unit 101 through this, for example, a high-resolution screen on a large screen 114 Can be obtained.
  • the coherent light source the laser beam 108
  • the coherent light source the laser beam 108
  • the laser beam 108 is reflected or transmitted to the viewer when four quarters of the wavelength of the laser beam 108 is incident on the screen 114 having a roughness greater than one. Will arrive with different phases.
  • a quarter of the wavelength has a size of at least 100 nanometers or less, while the roughness of a typical screen 114 is approximately several micrometers.
  • the speckle is inevitably generated due to the difference in the wavelength of the laser beam 108 and the roughness of the screen 114.
  • the speckle modulates the phase of the laser beam 108, which will be described in detail later.
  • the speckle suppression unit 110 of the present embodiment is provided in a cylindrical lens type and modulates the speckle shape by modulating the phase of the laser beam 108 at a high speed that cannot be recognized by the human eye.
  • the speckle can be suppressed by acquiring accumulated speckle image information.
  • Equation 2 A is the amplitude of each electric field.
  • Equation 3 The second moment of the speckle can be expressed as Equation 3 using Equation 1.
  • Equation 4 the speckle contrast ratio (c) representing the speckle size through Equations 2 and 3 may be expressed by Equation 4 below.
  • the speckle contrast ratio decreases as the magnitude (v) of modulating the speckle shape increases through Equation 4. It can also be seen that the frequency is not affected by the modulation. Therefore, it is necessary to modulate the frequency at a speed faster than the response speed of the human eye while maximizing the size of modulation, which can be made by the speckle suppression unit 110 of the present embodiment.
  • Speckle suppression unit 110 of the present embodiment may be provided as a cylindrical lens having a plurality of steps to vary the transmission depth of the laser beam 108 in accordance with the rotation angle.
  • the speckle suppressor 110 may be provided with any one of glass, a polymer material including PDMS, PDMA, and PMMA, and a quartz material including quartz and sapphire.
  • the material of the speckle suppressor 110 is not limited thereto.
  • one side of the speckle suppressor 110 for example, a surface on which the laser beam 108 enters, may be subjected to anti reflection coating, thereby reducing light loss of the laser beam 108.
  • the speckle suppression unit 110 is formed up to 90 degrees around the (virtual) rotational reference and the transmission of the laser beam 108
  • the first restraining member 110a having the smallest depth and the first restraining member 110a extend from the first restraining member 110a in the circumferential direction and are formed from 90 degrees to 180 degrees around the rotational reference
  • the second suppressing member 110b having a relatively large penetration depth and the circumferential direction extending from the second suppressing member 110b are formed from 180 degrees to 270 degrees around the rotational reference and are compared with the second suppressing member 110b.
  • the third restraining member (110c) having a relatively large penetration depth
  • the third restraining member (110c) and the first restraining member (110a) is formed from 270 to 360 degrees around the rotation reference and the third
  • the fourth suppression member 110d having a larger penetration depth than the suppression member 110c is provided. It can hamhal.
  • This configuration changes the depth of penetration of the laser beam 108 at intervals of 90 degrees during the rotation of the speckle suppressor 110.
  • the first suppressor 110a and the second suppressor Since the transmission degree of the laser beam 108 passing through the 110b), the third suppressing member 110c and the fourth suppressing member 110d varies, it may have a different phase depending on the time of the incident laser beam 108. This may modulate the speckle shape that may occur in the screen 114.
  • the speckle suppressor 110 when the laser beam 108 is incident at a position approximately halfway between the circular center of the speckle suppressor 110 and the outer shell of the present embodiment, the speckle suppressor 110 is rotated.
  • the laser beams 108 to be guided have different phase shifts.
  • the speckle suppressor 110 may be rotated at a high speed so that the phase of the laser beam 108 is modulated faster than 16.6 ms, which is a time recognized by the human eye, and thereby the speckle may be suppressed.
  • FIG. 4 is a graph illustrating phase modulation of the laser beam 108 according to the rotation of the speckle suppressor 110 of FIG. 2.
  • phase modulation of the laser beam 108 occurs as the speckle suppressor 110 rotates.
  • Rotating the speckle suppressor 110 causes the laser beam 108 to guide the restraining members having different lengths at random times t1, t2, t3, and t4.
  • the phase of the laser beam 108 arriving at < RTI ID 0.0 >
  • the speckle suppression unit 110 provided as a cylindrical lens type having a plurality of steps, the speckle shape may be modulated by modulating the phase of the laser beam 108, thereby accumulating speckle of the human eye.
  • the shape can be obtained to suppress speckle.
  • the speckle suppression unit 110 is implemented as a cylindrical lens capable of phase modulation, the optical loss can be reduced and the configuration of the optical system can be simplified, and the device can be made slimmer. .
  • FIG. 5A and 5B are views of a speckle suppressor of a laser projector according to another embodiment of the present invention viewed from different directions, and FIG. 6 schematically illustrates transmission of a laser beam according to rotation of the speckle suppressor of FIG. 5.
  • the speckle suppressor 210 of the present exemplary embodiment may be provided as a cylindrical lens type in which one side 210a into which the laser beam 208 enters is sloped. More precisely, in the speckle suppression unit 210 of the present embodiment, the side 210a to which the laser beam 208 enters is inclined and the side 210b to which the laser beam 208 exits is formed in the vertical direction.
  • the speckle suppressor 210 of such a shape is rotated, the speckle shape is modulated by modulating the phase of the laser beam 208 at a high speed that cannot be recognized by the eye, and the accumulated speckle image information is thus obtained. Can be suppressed by speckle.
  • the speckle suppression unit 110 is provided as a cylindrical lens having a plurality of steps, and in another embodiment, the speckle suppression unit 210 is provided as a cylindrical lens having a non-degraded shape.
  • the speckle can be suppressed by modulating the phase of the laser beam, other shapes can be applied.

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 레이저 프로젝터는, 레이저 빔을 발산하는 빔 발산부; 및 빔 발산부로부터 발산되는 레이저 빔을 위상 변조하여 스펙클(speckle)을 억제시키는 스펙클 억제부;를 포함하며, 스펙클 억제부는 회전 동작에 의해 사람의 눈이 비인식하는 속도로 레이저 빔의 위상을 변조시켜 스펙클 형상을 변조시킬 수 있으며, 이를 통해 고해상도의 화면을 구현할 수 있다.

Description

레이저 프로젝터
레이저 프로젝터가 개시된다. 보다 상세하게는, 스펙클 억제부의 회전 동작에 의해 스펙클 억제부로 인입되는 레이저 빔의 위상을 사람 눈이 인식할 수 없는 위상으로 변조시킴으로써 스펙클을 억제할 수 있으며 이를 통해 고해상도의 화면을 구현할 수 있는 레이저 프로젝터가 개시된다.
최근 들어, 레이저를 광원으로 사용되는 프로젝션 디스플레이 장치가 많이 보급되고 있다. 프로젝션 디스플레이 장치는 일반적인 LCD, PDP 등의 디스플레이로는 구현하기가 어려운 초대형 영상으로부터 초소형 영상까지 구현할 수 있는 장점이 있다.
다만, 이러한 프로젝션 디스플레이 장치는, 레이저 광원을 픽셀 별로 변조한 광을 스크린에 주사하여 영상을 구현하고 있기 때문에 스크린에서 직접 발광하는 다른 디스플레이 장치에 비하여 영상의 질이 떨어지는 단점이 있다.
이는 레이저 프로젝션 디스플레이 장치 사용 시 영상에 스펙클 노이즈(speckle noise) 또는 스펙클 패턴(speckle pattern)이 생기기 때문이다. 이에, 스펙클을 억제하기 위한 여러 방식이 적용되고 있다.
종래에 사용되는 스펙클 억제 기술에는 디퓨져를 흔들어 스펙클을 억제하는 방식이 있는데, 이 방식의 경우 광손실이 발생하기 때문에 고휘도가 필요한 영상 장치에는 적합하지 않는 한계가 있다.
한편, PZT와 같은 압전소자 또는 galvomirror를 이용하여 빔을 흔들어 스펙클을 억제하는 방식은 진행하는 광을 평행광으로 만들기가 어려워 LCoS panel과 같은 장치에서 만들어진 영상 정보가 스크린에서 흔들릴 수 있으며 따라서 고해상도를 구현하기가 어렵다.
또한, 스크린을 흔들어 스펙클을 억제하는 방식이 있는데, 이 방식 역시 스크린을 기계적으로 흔들어야 하기 때문에 대형 디스플레이 장치에는 적용이 어려운 한계가 있다.
따라서, 대형 디스플레이 장치에도 용이하게 적용할 수 있으면서도 스펙클을 억제 또는 감소시킬 수 있는 새로운 구조의 레이저 프로젝터의 개발이 요구된다.
본 발명의 실시예에 따른 목적은, 스펙클 억제부의 회전 동작에 의해 스펙클 억제부로 인입되는 레이저 빔의 위상을 사람 눈이 인식할 수 없는 위상으로 변조시킴으로써 스펙클을 억제할 수 있으며 이를 통해 고해상도의 화면을 구현할 수 있는 레이저 프로젝터를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 다른 목적은, 스펙클 억제부가 위상 변조가 가능한 원통형 렌즈로 구현되기 때문에 광손실을 낯출 수 있으면서도 광학계의 구성을 간소화할 수 있고 아울러 장치의 슬림화를 구현할 수 있는 레이저 프로젝터를 제공하는 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 레이저 프로젝터는, 레이저 빔을 발산하는 빔 발산부; 및 상기 빔 발산부로부터 발산되는 레이저 빔을 위상 변조하여 스펙클(speckle)을 억제시키는 스펙클 억제부;를 포함하며, 상기 스펙클 억제부는 회전 동작에 의해 사람의 눈이 비인식하는 속도로 상기 레이저 빔의 위상을 변조시켜 스펙클 형상을 변조시킬 수 있다.
일측에 의하면, 상기 스펙클 억제부는 회전 각도에 따라 상기 레이저 빔의 투과 깊이를 달리 하도록 복수 개의 스텝을 갖는 원통형 렌즈로 마련될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 스펙클 억제부는 상기 복수 개의 스텝으로서, 회전 기준을 중심으로 90도까지 형성되며 상기 레이저 빔의 투과 깊이가 상대적으로 가장 작은 제1 억제부재; 상기 제1 억제부재로부터 원주 방향으로 연장되어 상기 회전 기준을 중심으로 90도에서 180도까지 형성되며 상기 제1 억제부재에 비해 상대적으로 투과 깊이가 큰 제2 억제부재; 상기 제2 억제부재로부터 원주 방향으로 연장되어 상기 회전 기준을 중심으로 180도에서 270도까지 형성되며 상기 제2 억제부재에 비해 상대적으로 투과 깊이가 큰 제3 억제부재; 및 상기 제3 억제부재 및 상기 제1 억제부재의 사이에 형성되어 상기 회전 기준을 중심으로 270도에서 360도까지 형성되며 상기 제3 억제부재에 비해 상대적으로 투과 깊이가 큰 제4 억제부재를 포함할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 스펙클 억제부는 회전 각도에 따라 상기 레이저 빔의 투과 깊이를 달리 하도록 일측이 비탈지게 형성되는 원통형 렌즈로 마련될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 스펙클 억제부는 상기 레이저 빔이 들어오는 일측은 수직 방향에 대해 비탈진 방향을 갖고 상기 레이저 빔이 나가는 타측은 수직 방향을 가짐으로써 상기 레이저 빔의 위상을 180도 변조시킬 수 있다.
일측에 의하면, 상기 스펙클 억제부는 원통형 렌즈로서 유리와, PDMS, PDMA, PMMA를 포함하는 폴리머 소재와, 석영, 사파이어를 포함하는 수정 소재 중 어느 하나로 마련될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 레이저 빔의 광손실을 줄이기 위해 상기 스펙클 억제부에는 안티-리플렉션(anti-reflection) 코팅 처리될 수 있다.
일측에 의하면, 상기 스펙클 억제부는 회전 동작에 의해서 상기 레이저 빔의 위상을 사람이 비인식하는 속도인 16.6ms 이상으로 변조시킬 수 있다.
일측에 의하면, 상기 빔 발산부는, 레드(red) 레이저 빔을 발산하는 레드 레이저 발산부재; 그린(green) 레이저 빔을 발산하는 그린 레이저 발산부재; 블루(blue) 레이저 빔을 발산하는 그린 레이저 발산부재; 및 상기 레드 레이저 발산부재로부터의 상기 레이저 빔, 상기 그린 레이저 발산부재로부터의 상기 그린 레이저 빔, 상기 블루 레이저 발산부재로부터의 상기 블루 레이저 빔을 결합하는 빔 결합부재를 포함할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 스펙클 억제부를 통과한 레이저 빔을 확장시킨 후 스크린으로 제공하는 빔 확장부를 더 포함할 수 있다.
일측에 의하면, 상기 스펙클 억제부 및 상기 빔 확장부 사이에 개재되어 빛 반사 원리에 의해 상기 스펙클 억제부를 통과한 레이저 빔의 선명도를 향상시키는 디지털 마이크로 미러 소자; 및 상기 디지털 마이크로 미러 소자를 제어하는 마이크로 미러 소자 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 스펙클 억제부의 회전 동작에 의해 스펙클 억제부로 인입되는 레이저 빔의 위상을 사람 눈이 인식할 수 없는 위상으로 변조시킴으로써 스펙클을 억제할 수 있으며 이를 통해 고해상도의 화면을 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 스펙클 억제부가 위상 변조가 가능한 원통형 렌즈로 구현되기 때문에 광손실을 낯출 수 있으면서도 광학계의 구성을 간소화할 수 있고 아울러 장치의 슬림화를 구현할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 프로젝터의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2a는 도 1에 도시된 스펙클 억제부를 일 방향에서 바라본 사시도이고, 도 2b는 다른 방향에서 바라본 사시도이다.
도 3은 도 2의 스펙클 억제부의 회전에 따른 레이저 빔의 투과를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 스펙클 억제부의 회전에 따른 레이저 빔의 위상 변조를 나타낸 그래프이다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 프로젝터의 스펙클 억제부를 다른 방향에서 바라본 도면들이다.
도 6은 도 5의 스펙클 억제부의 회전에 따른 레이저 빔의 투과를 개략적으로 도시한 도면이다.
이하, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 구성 및 적용에 관하여 상세히 설명한다. 이하의 설명은 특허 청구 가능한 본 발명의 여러 태양(aspects) 중 하나이며, 하기의 기술(description)은 본 발명에 대한 상세한 기술(detailed description)의 일부를 이룬다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 공지된 기능 혹은 구성에 관한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 프로젝터의 구성을 개략적으로 도시한 도면이고, 도 2a는 도 1에 도시된 스펙클 억제부를 일 방향에서 바라본 사시도이고, 도 2b는 다른 방향에서 바라본 사시도이고, 도 3은 도 2의 스펙클 억제부의 회전에 따른 레이저 빔의 투과를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 프로젝터(100)는, 레이저 빔(108)을 발산하는 빔 발산부(101)와, 빔 발산부(101)로부터 발산되는 레이저 빔(108)을 위상 변조하여 스펙클을 억제하는 스펙클 억제부(110)와, 스펙클 억제부(110)를 통과한 레이저 빔(108)을 확장시킨 후 스크린(114)으로 제공하는 빔 확장부(113)를 포함할 수 있다.
또한, 스펙클 억제부(110) 및 빔 확장부(113) 사이에 개재되어 스펙클 억제부(110)를 통과한 레이저 빔(108)을 빔 확장부(113)로 전달하는 디지털 마이크로 미러 소자(111)와, 디지털 마이크로 미러 소자(111)를 제어하는 마이크로 미러 소자 제어부(112)를 포함할 수 있다.
각 구성에 대해 설명하면, 먼저, 본 실시예의 빔 발산부(101)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 레드 레이저 빔(104)을 발산하는 레드 레이저 발산부재(102a)와, 그린 레이저 빔(105)을 발산하는 그린 레이저 발산부재(102b)와, 블루 레이저 빔(106)을 발산하는 블루 레이저 발산부재(102c)와, 이들 레이저 발산부재(102a, 102b, 102c)의 레이저 빔(104, 105, 106)들을 결합시키는 빔 결합부재(107)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 레드 레이저 발산부재(102a), 그린 레이저 발산부재(102b) 및 블루 레이저 발산부재(102c)로부터 레이저 빔(104, 105, 106)들이 평행하게 제공되고, 평행한 레이저 빔(104, 105, 106)들이 빔 결합부재(107)에서 결합되어 하나의 레이저 빔(108)이 발생될 수 있다.
빔 결합부재(107)에 의해 결합된 레이저 빔(108)은 반사 미러(109)에 의해 반사되어 스펙클 억제부(110) 방향으로 제공될 수 있다.
한편, 본 실시예의 빔 확장부(113)는, 스펙클 억제부(110)에 의해 스펙클이 억제된 레이저 빔(108)을 전방의 대형 스크린(114)으로 확장시키는 역할을 하는 부분이다.
이러한 빔 확장부(113)와 스펙클 억제부(110) 사이에는 디지털 마이크로 미러 소자(111)가 개재될 수 있다. 디지털 마이크로 미러 소자(111)는 빛을 반사하는 원리를 이용하여 고선명의 화상을 구현할 수 있도록 한다. 디지털 마이크로 미러 소자(111)에는 많게는 수십만 개의 반사형 소자들이 집적되는데, 마이크로 미러 소자 제어부(112)에 의해 반사형 소자들을 선택적으로 작동시킬 수 있으며 따라서 빔 확장부(113)로 고선명의 화상을 구현할 수 있는 레이저 빔(108)을 제공할 수 있도록 한다.
한편, 본 실시예의 스펙클 억제부(110)는 빔 발산부(101)로부터 제공되는 레이저 빔(108)으로부터 스펙클을 억제하는 부분으로서 이를 통해 예를 들면 대형의 스크린(114)에서 고해상도의 화면을 얻을 수 있다.
부연하면, 간섭(coherent) 광원인 레이저 빔(108)은 레이저 빔(108)의 파장의 4분이 1보다 큰 거칠기(roughness)를 갖는 스크린(114)에 입사되는 경우 반사 또는 투과되는 빛이 관찰자에게 서로 다른 위상을 갖고 도달하게 된다.
예를 들면, 가시광선의 레이저 빔(108)의 경우 파장의 4분의 1 크기가 최소 100나노미터 이하의 크기를 갖는 반면에 일반적인 스크린(114)의 거칠기는 대략 수 마이크로 미터의 크기를 갖는다.
이처럼, 레이저 빔(108)의 파장과 스크린(114)의 거칠기가 다름으로 인해서 스펙클이 발생될 수 밖에 없는데, 본 실시예의 경우, 자세히 후술하겠지만, 레이저 빔(108)의 위상을 변조하는 스펙클 억제부(110)를 구비함으로써 스펙클을 억제할 수 있다.
본 실시예의 스펙클 억제부(110)는, 원통형 렌즈(cylindrical lens) 타입으로 마련되며 사람 눈이 인식할 수 없는 빠른 속도로 레이저 빔(108)의 위상을 변조시켜 스펙클 형상을 변조시키고 이를 통해 누적된 스펙클 영상 정보를 획득하여 스펙클을 억제할 수 있다.
부연하면, 스펙클 형상을 변조시키기 위한 크기(v)와 스펙클 형상을 변조시키기 위한 주파수(f)가 있다. 사람 눈의 반응 속도보다 빠른 주파수로 스펙클 형상을 변조시킬 때 누적된 스펙클(I(x,y))은 다음의 식 1과 같다.
Figure PCTKR2014000309-appb-I000001
여기서,
Figure PCTKR2014000309-appb-I000002
는 초기 상태에서 전계들의 모드들이며, 총 M개의 모드가 있다. J는 베셀 함수(Bessel function)이며,
Figure PCTKR2014000309-appb-I000003
는 각 모드들의 초기 위상이다. 각 모드의 위상은 랜덤하며, 각각의 모드가 상호간에 영향을 주지 않는다는 가정 하에 스펙클 세기의 평균은 다음의 식 2와 같다.
Figure PCTKR2014000309-appb-I000004
식 2에서, A는 각 전계의 진폭이다. 스펙클의 이차 모멘트는 식 1을 이용하여 다음의 식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2014000309-appb-I000005
한편, 식 2 및 식 3을 통해 스펙클 크기를 나타내는 스펙클 명암비(c)는 다음의 식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2014000309-appb-I000006
상기 식 4를 통해 스펙클 형상을 변조시키는 크기(v)가 증가함에 따라 스펙클 명암비가 감소됨을 예측할 수 있다. 또한 변조시키는 주파수에는 영향을 받지 않음을 알 수 있다. 따라서 변조시키는 크기를 최대로 하는 동시에 사람 눈의 반응 속도보다 빠른 속도로 주파수를 변조시키면 되는데, 이는 본 실시예의 스펙클 억제부(110)에 의해 이루어질 수 있다.
본 실시예의 스펙클 억제부(110)는, 도 2a 및 도 2b에 도시된 것처럼, 회전 각도에 따라 레이저 빔(108)의 투과 깊이를 달리 하도록 복수 개의 스텝을 갖는 원통형 렌즈로 마련될 수 있다.
이러한 스펙클 억제부(110)는, 유리와, PDMS, PDMA, PMMA를 포함하는 폴리머 소재와, 석영, 사파이어를 포함하는 수정 소재 중 어느 하나로 마련될 수 있다. 다만, 스펙클 억제부(110)의 재질이 이에 한정되는 것은 아니다.
또한, 스펙클 억제부(110)의 일측, 예를 들면 레이저 빔(108)이 들어오는 일면은 안티 리플렉션(anti reflection) 코팅 처리될 수 있으며, 이를 통해 레이저 빔(108)의 광손실을 줄일 수 있다.
한편, 본 실시예의 스펙클 억제부(110)의 형상을 구체적으로 설명하면, 스펙클 억제부(110)는, (가상의) 회전 기준을 중심으로 90도까지 형성되며 레이저 빔(108)의 투과 깊이가 상대적으로 가장 작은 제1 억제부재(110a)와, 제1 억제부재(110a)로부터 원주 방향으로 연장되어 회전 기준을 중심으로 90도에서 180도까지 형성되며 제1 억제부재(110a)에 비해 상대적으로 투과 깊이가 큰 제2 억제부재(110b)와, 제2 억제부재(110b)로부터 원주 방향으로 연장되어 회전 기준을 중심으로 180도에서 270도까지 형성되며 제2 억제부재(110b)에 비해 상대적으로 투과 깊이가 큰 제3 억제부재(110c)와, 제3 억제부재(110c) 및 제1 억제부재(110a)의 사이에 형성되어 회전 기준을 중심으로 270도에서 360도까지 형성되며 제3 억제부재(110c)에 비해 상대적으로 투과 깊이가 큰 제4 억제부재(110d)를 포함할 수 있다.
이러한 구성에 의해서, 스펙클 억제부(110)의 회전 시, 90도 간격으로 레이저 빔(108)의 투과하는 깊이가 달라지기 때문에, 다시 말해, 제1 억제부재(110a), 제2 억제부재(110b), 제3 억제부재(110c) 및 제4 억제부재(110d)를 투과하는 레이저 빔(108)의 투과 정도가 달라지기 때문에, 입사되는 레이저 빔(108)의 시간에 따라 다른 위상을 가질 수 있으며 이를 통해 스크린(114)에서 발생 가능한 스펙클 형상을 변조시킬 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 실시예의 스펙클 억제부(110)의 원형의 중심과 외각의 중간 정도의 위치로 레이저 빔(108)을 입사하는 경우, 스펙클 억제부(110)를 회전시킴에 따라 도파되는 레이저 빔(108)이 상호 다른 위상차를 갖게 된다. 이 때, 사람 눈이 인식하는 시간인 16.6ms보다 빠르게 레이저 빔(108)의 위상이 변조되도록 스펙클 억제부(110)를 빠른 속도로 회전시킬 수 있으며, 이를 통해 스펙클을 억제할 수 있다.
한편, 도 4는 도 2의 스펙클 억제부(110)의 회전에 따른 레이저 빔(108)의 위상 변조를 나타낸 그래프이다.
이를 통해, 스펙클 억제부(110)가 회전함에 따라 레이저 빔(108)의 위상 변조가 발생됨을 알 수 있다. 스펙클 억제부(110)를 회전시키면 임의의 시간 t1, t2, t3 및 t4마다 레이저 빔(108)이 서로 다른 길이를 갖는 억제부재를 도파하게 되는데 이 때 스펙클 억제부(110)의 최종단에 도달하는 레이저 빔(108)의 위상은 다음의 식 5 내지 식 8과 같다.
Figure PCTKR2014000309-appb-I000007
이처럼 복수의 스텝을 갖는 원통형 렌즈 타입으로 마련되는 스펙클 억제부(110)에 의해서, 레이저 빔(108)의 위상을 변조시켜 스펙클 형상을 변조시킬 수 있으며 이를 통해 사람의 눈은 누적된 스펙클 형상을 획득할 수 있어 스펙클을 억제시킬 수 있다.
또한, 본 실시예의 경우, 스펙클 억제부(110)가 위상 변조가 가능한 원통형 렌즈로 구현되기 때문에 광손실을 낯출 수 있으면서도 광학계의 구성을 간소화할 수 있고 아울러 장치의 슬림화를 구현할 수 있는 장점도 있다.
한편, 이하에서는, 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 프로젝터에 대해 설명하되 전술한 일 실시예와 실질적으로 동일한 부분에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 레이저 프로젝터의 스펙클 억제부를 다른 방향에서 바라본 도면들이고, 도 6은 도 5의 스펙클 억제부의 회전에 따른 레이저 빔의 투과를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 본 실시예의 스펙클 억제부(210)는 레이저 빔(208)이 들어오는 일측(210a)이 비탈지게 형성된 원통형 렌즈 타입으로 마련될 수 있다. 보다 정확히는, 본 실시예의 스펙클 억제부(210)는, 레이저 빔(208)이 들어오는 측(210a)은 경사지게 형성되고 레이저 빔(208)이 나가는 측(210b)은 수직 방향으로 형성된다.
따라서, 이러한 형상의 스펙클 억제부(210)를 회전시키면, 눈이 인식할 수 없는 빠른 속도로 레이저 빔(208)의 위상을 변조시켜 스펙클 형상을 변조시키고 이를 통해 누적된 스펙클 영상 정보를 획득하여 스펙클을 억제할 수 있다.
전술한 일 실시예에서는 스펙클 억제부(110)가 복수 개의 스텝을 갖는 원통형 렌즈로 마련되고 다른 실시예에서는 스펙클 억제부(210)가 비탈진 형상을 갖는 원통형 렌즈로 마련된다고 상술하였으나, 회전 동작에 의해서 레이저 빔의 위상을 변조시킴으로써 스펙클을 억제할 수 있다면 다른 형상이 적용될 수 있음은 당연하다.
한편, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

Claims (11)

  1. 레이저 빔을 발산하는 빔 발산부; 및
    상기 빔 발산부로부터 발산되는 레이저 빔을 위상 변조하여 스펙클(speckle)을 억제시키는 스펙클 억제부;
    를 포함하며,
    상기 스펙클 억제부는 회전 동작에 의해 사람의 눈이 비인식하는 속도로 상기 레이저 빔의 위상을 변조시켜 스펙클 형상을 변조시키는 것을 특징으로 하는 레이저 프로젝터.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스펙클 억제부는 회전 각도에 따라 상기 레이저 빔의 투과 깊이를 달리 하도록 복수 개의 스텝을 갖는 원통형 렌즈로 마련되는 레이저 프로젝터.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스펙클 억제부는 상기 복수 개의 스텝으로서,
    회전 기준을 중심으로 90도까지 형성되며 상기 레이저 빔의 투과 깊이가 상대적으로 가장 작은 제1 억제부재;
    상기 제1 억제부재로부터 원주 방향으로 연장되어 상기 회전 기준을 중심으로 90도에서 180도까지 형성되며 상기 제1 억제부재에 비해 상대적으로 투과 깊이가 큰 제2 억제부재;
    상기 제2 억제부재로부터 원주 방향으로 연장되어 상기 회전 기준을 중심으로 180도에서 270도까지 형성되며 상기 제2 억제부재에 비해 상대적으로 투과 깊이가 큰 제3 억제부재; 및
    상기 제3 억제부재 및 상기 제1 억제부재의 사이에 형성되어 상기 회전 기준을 중심으로 270도에서 360도까지 형성되며 상기 제3 억제부재에 비해 상대적으로 투과 깊이가 큰 제4 억제부재를 포함하는 레이저 프로젝터.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 스펙클 억제부는 회전 각도에 따라 상기 레이저 빔의 투과 깊이를 달리 하도록 일측이 비탈지게 형성되는 원통형 렌즈로 마련되는 레이저 프로젝터.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 스펙클 억제부는 상기 레이저 빔이 들어오는 일측은 수직 방향에 대해 비탈진 방향을 갖고 상기 레이저 빔이 나가는 타측은 수직 방향을 가짐으로써 상기 레이저 빔의 위상을 180도 변조시키는 레이저 프로젝터.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스펙클 억제부는 원통형 렌즈로서 유리와, PDMS, PDMA, PMMA를 포함하는 폴리머 소재와, 석영, 사파이어를 포함하는 수정 소재 중 어느 하나로 마련되는 레이저 프로젝터.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 레이저 빔의 광손실을 줄이기 위해 상기 스펙클 억제부에는 안티-리플렉션(anti-reflection) 코팅 처리되는 레이저 프로젝터.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 스펙클 억제부는 회전 동작에 의해서 상기 레이저 빔의 위상을 사람이 비인식하는 속도인 16.6ms 이상으로 변조시키는 레이저 프로젝터.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 빔 발산부는,
    레드(red) 레이저 빔을 발산하는 레드 레이저 발산부재;
    그린(green) 레이저 빔을 발산하는 그린 레이저 발산부재;
    블루(blue) 레이저 빔을 발산하는 그린 레이저 발산부재; 및
    상기 레드 레이저 발산부재로부터의 상기 레이저 빔, 상기 그린 레이저 발산부재로부터의 상기 그린 레이저 빔, 상기 블루 레이저 발산부재로부터의 상기 블루 레이저 빔을 결합하는 빔 결합부재를 포함하는 레이저 프로젝터.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 스펙클 억제부를 통과한 레이저 빔을 확장시킨 후 스크린으로 제공하는 빔 확장부를 더 포함하는 레이저 프로젝터.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 스펙클 억제부 및 상기 빔 확장부 사이에 개재되어 빛 반사 원리에 의해 상기 스펙클 억제부를 통과한 레이저 빔의 선명도를 향상시키는 디지털 마이크로 미러 소자; 및
    상기 디지털 마이크로 미러 소자를 제어하는 마이크로 미러 소자 제어부를 더 포함하는 레이저 프로젝터.
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