KR100421213B1 - 대화면레이저영상투사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화면에 영상 정보를 투사하는 레이저 영상 투사 장치에 관한 것으로서, 특히 주사부 구성요소중 릴레이 렌즈의 초점 거리를 달리하여 수평 주사각도를 확대시킴으로써 동일한 투사거리에서도 대화면의 화상구현이 가능하다.

종래의 대표적인 영상 표시 수단중 하나인 음극선관(Cathode-Ray Tube:CRT)이나 액정 표시 소자(Liquid Crystal Display:LCD)등의 경우, 대화면화 할수록 화질이 저하될 뿐만 아니라 광원에서 발생하는 열로 인하여 광원의 출력이 제한되므로 고해상도와 고휘도의 대화면을 구성하기 어려운 단점이 있었다.

본 발명에 따른 화상 표시 장치는 레이저를 이용한 광원;상기 광원을 영상 신호에 따라 변조시키는 광음향 변조기 (Acoustic-optic Modulator:AOM);상기 변조된 광을 화면에 주사하는 스캐너(scanner);상기 주사된 광이 화상을 맺도록 하는 스크린;을 구비하여 앞 단의 릴레이 렌즈가 뒷 단의 릴레이 렌즈에 비해 큰 초점거리를 갖음으로써 상기 초점거리 비율에 따라 수평주사 각도를 증가시켜 대화면 영상을 가능하게 하였다.

Description

대화면 레이저 영상 투사 장치{Laser Video Projection System for Large-Area Display}

본 발명은 대화면 영상 투사 장치에 관한 것으로 특히 고휘도,고화질의 대화면 영상을 표시하는 레이저 투사 장치의 수평 주사 각도를 확장시킴으로써, 짧은 거리에서도 대화면 구성이 가능한 대화면 영상 투사 장치에 관한 것이다.

종래의 일반적인 영상 표시 수단은 텔리비젼 수상기의 음극선관(CRT)나 액정 표시 소자(LCD)와 같은 평판소자들이었다.

그러나 상기 CRT 나 LCD와 같은 소자들은 대화면화할수록 제작이 어렵고 해상도가 떨어져 실용화하는데 한계가 있다.

종래의 대화면을 이루기 위한 방법으로는 영상을 렌즈로 확대하여 스크린에 투사함으로써 가능했다.

그러나 상기 방법은 스크린에 투영되는 화질이 선명하지 못할 뿐 아니라, 영상 표시 수단의 온도 특성상 광원의 출력이 제한되어 휘도가 낮은 단점이 있었다.

이에 대한 대안으로써 레이저를 이용한 영상 투사 장치가 개발되고 있다.

그러나 이전에 개발되어진 레이저 영상 투사 장치는 수평 주사 각도가 작아서 대화면을 이루기 위해서는 투사거리를 길게 확보해 주어야 하였다.

이는 화상의 크기가 수평 주사부인 다각형 미러(polygonal mirror)가 가지는 회전면 수에 의해 결정되는 구조로 되어 있기 때문이다.

그러므로 상기 구조에서 대화면을 이루기 위해서는 상당한 투사거리가 확보되지 않는 한 불가능하다.

이제 도 1을 통해 종래의 레이저 영상 표시 수단의 구조를 살펴 보겠다.

광원(10)은 백색광을 발생시키는 백색광 레이저이며 상기 광원의 광경로상에는 광원에서 발생되는 빔의 경로를 바꾸어주는 고반사 미러(21), 레이저 빔을 평행광으로 만들어주는 시준(collimating) 렌즈(22), 평행광의 크기를 줄여주기 위한 축소(telescoping) 렌즈계(23,24)로 구성된 광학계(20)가 배치된다.

상기 축소 렌즈계는 초점거리가 긴 축소 렌즈(23)와 짧은 축소 렌즈(24)로 구성되어 있다.

광분리부(25)는 광학계의 축소 렌즈계(23,24)로부터 입사된 백색광의 레이저빔을 적,녹,청색의 단색광으로 분리시킨다.

상기 광분리부는 두 개의 다이크로익 미러(67a,68a)와 하나의 고반사 미러(69a)를 구비한다.

상기 다이크로익 미러(67a,68a)는 백색광을 적,녹,청색광으로 분리시키며, 고반사 미러(69a)는 단색광의 광경로를 변경시켜 준다.

상기 적,녹,청색광으로 분리된 레이저 빔은 포커싱 렌즈(focusing lens)(64a,65a,66a)에 의해 광음향 변조기(61,62,63)로 집속되며, 영상신호에 의해 광변조된다.

상기 광음향변조기 뒷 단에는 시준 렌즈(64b,65b,66b)가 구비되어, 레이저 빔을 상기 포커싱 렌즈 입사전의 평행광 형태로 복구시킨다.

광 통합부(65)는 상기 광음향 변조기에 의해 변조되어진 단색광들을 하나의 광으로 모아주는 역할을 한다.

상기 광 통합부는 두 개의 다이크로익 미러(67b,68b)와 하나의 고반사 미러(69b)로 이루어지며 상기 고반사 미러는 단색광들중 하나의 광경로를 변경시켜 준다.

상기 다이크로익 미러(67b,68b)에 의해 통합된 광은 갈바노미터 (galvanometer)(70)에 의해 수직 주사되며 다각형 미러(80)에 의해 수평 주사되어 스크린(90)상에 화상을 만들게 된다.

상기 갈바노미터는 수직 동기 신호에 의해 동기된 속도로 상하 진동하며, 상기 다각형 미러는 수평 동기 신호에 의해 동기되어 고속으로 회전하게 된다.

상기 광통합부(65)를 거쳐서 변조되어진 광은 갈바노미터에 의해 주사 경로가 세로 방향으로 먼저 변화하게 되고 다각형 미러에 의해 가로 방향으로 변화하게 되어 상기 스크린 전면에 화상을 구성하게 된다.

상기 갈바노미터와 다각형 미러 사이에는 릴레이 렌즈계(31,32)가 구비되어서 갈바노미터에 의해 수직 주사되어진 광이 수평 주사면인 다각형 미러면의 유효 면적내로 입사되도록 광을 모아주는 역할을 한다.

상기 릴레이 렌즈계(31,32)는 동일한 초점거리를 가지는 두 개의 렌즈로 구성되며, 초점 거리의 합만큼의 간격을 두어 구성된다.

다각형 미러를 거친 빔은 fθ렌즈(34)를 통과하여 스크린에 표시된다.

상기와 같은 구조에서 스크린에 표시되는 화상의 크기는 수평 주사 각도에 의해 결정되며 또한 상기 수평 주사 각도는 다각형 미러의 회전 미러 면수에 의해 정해진다.

상기 수평 주사 각도(θ)는 다음의 식에 의해 구할 수 있다.

θ= 720°/ 다각형 미러 면 수

상기 식 1에 의해 24면체의 다각형 미러의 경우에는 수평 주사 각도는 30°로 고정된다.

반면에 갈바노미터는 단지 상하 진동만 하므로 수직 주사 각도를 임의로 조정이 가능하다. 따라서 상기의 구조에서는 4:3 화면비를 갖는 영상을 구현하기 위해서는 다각형 미러의 수평 주사 각도는 이미 고정된 값이고 단지 갈바노미터의 수직주사 각도를 조정함으로써 상기 화면비를 얻을 수밖에 없다.

NTSC (National Television System Committee) 영상 신호에 의하여 동영상을 구현하기 위해서는 525개의 수평주사선으로 매초 30장의 화면이 구성되어야 한다.

이는 초당 15,750 개의 주사선이 처리되는 것이고 주파수로는 15.75 kHz의 값을 가진다.

상기의 속도로 주사선을 처리하기 위해서 24면체 다각형 미러를 구비할 경우, 1 회전당 24개의 주사선을 주사하므로 초당 15750개의 주사선을 처리하기 위해서는 초당 656.25 회전을 해야하며 따라서 39,375 RPM(Revolution Per Minute)의 회전속도를 요구하게 된다.

상기 서술한 바와 같이 대화면을 이루기 위해서는 수평 주사 각도를 증가시켜야 하는데, 이를 위해서 회전미러 면수가 적은 다각형 미러를 사용하는 방법이 있으나, 상기의 NTSC 영상신호를 처리하기 위해서는 다각형 미러의 회전수를 증가시키지 않으면 안된다.

그러나 다각형 미러의 회전수 증가에는 한계가 있으므로 상기 회전 미러 면수를 감소시키는 방법은 적절하지 못하다.

그러므로 대화면을 이루기 위해서는 결국 투사 거리를 증가시키는 방법외에는 다른 방법이 존재하지 않는다.

상기 방법을 구현하기 위해 광경로 상에 확대경과 같은 확대 광학계를 설치하는 방법도 있으나, 대형 확대경이 요구되며 설계가 복잡해지고 한정된 공간내에 설치가 용이하지 않는 단점이 있다.

상기의 전술한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서는 주사부의 구조를 변경하여 영상 신호에 의해 광 변조된 후 통합된 레이저 빔을 다각형 미러를 통해 먼저 수평 주사 되도록 한다.

상기 수평 주사된 레이저 빔은 릴레이 렌즈계를 통과하면서 갈바노미터로 집속되어 레이저 빔을 수직 주사 시킴으로써 화면이 구성된다.

상기 수평 주사 각도는 다각형 미러의 회전 미러 면수에 의해 결정되기 때문에 이미 정해진 값을 가지며, 갈바노미터는 단지 상하 진동만 하므로 수직 주사 각도는 조절이 가능하다.

또한 본 발명에서는 릴레이 렌즈계를 이용하여 수평 주사 각도를 확장하는 구조를 가지며 상기 릴레이 렌즈는 수직 주사빔이 수평 주사부에 집속되도록 하거나, 수평 주사빔이 수직 주사부에 집속되도록 하는 역할을 한다.

상기 릴레이 렌즈는 일반적으로 두 개의 볼록 렌즈로 구성되며, 각각의 초점거리를 합한 수치만큼 간격을 두어 배치된다.

종래의 릴레이 렌즈계는 서로 동일한 초점거리를 가졌으나, 본 발명에서는 앞 단의 릴레이 렌즈(310)이 뒷 단의 릴레이 렌즈(320)보다 초점거리가 긴 것이 특징이며 , 이는 상기 초점거리의 비만큼 수평주사 각도가 확대됨으로써 대화면의 영상을 구성할 수 있다.

따라서 확대된 수평 주사 각도에 비례하여 원하는 화면비만큼 갈바노미터의수직 주사 각도를 증가시키면 훨씬 짧은 투사 거리에서도 대화면의 영상의 구현이 가능하다.

도 1은 종래의 영상 투사장치의 구조도

도 2는 본 발명에 의한 영상 투사 장치의 구조도

도 3은 본 발명에 의한 영상 투사 장치 중 주사부의 확대도

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10,100 : 광원

20 : 광학계

21,69a,69b,210,690a,690b,710,720 : 고반사 미러

22,64b,65b,66b,220,640b,650b,660b : 시준 렌즈

23,24 : 축소 렌즈

230,240 : 확장 렌즈

25,250 : 광 분리부

67a,68a,670a,680a : 단색광으로 분리시키는 다이크로익 미러

64a,65a,66a,640a,650a,660a : 포커싱 렌즈

61,62,63,610,620,630 : 광 음향 변조기

65,650 : 광 통합부

67b,68b,670b,680b : 백색광으로 통합시키는 다이크로익 미러

70,700 : 갈바노미터

80,800 : 다각형 미러

90,900 : 스크린

31,32,310,320 : 릴레이 렌즈계

34 : fθ 렌즈계

850 : 반사경

θ1 : 초기 수평 주사 각도

θ2 : 확대된 수평주사 각도

f1 : 릴레이 렌즈(310)의 초점거리

f2 : 릴레이 렌즈(320)의 초점거리

본 발명에 의한 레이저 영상 투사 장치의 도식적 구조도와 동작원리를 도 2를 통해 설명하고자 한다.

광원(100)은 백색광을 발생시키는 백색광 레이저이며, 상기 광원은 시준 렌즈(220)에 의해 평행광으로 바뀌게 된다.

상기 평행광은 고반사 미러(210)에 의해 광경로가 바뀌고, 두 개의 렌즈로 이루어진 확장 렌즈 (230,240)을 통과하면서 배율비만큼 확대된다.

상기 확장 렌즈계는 앞 단의 확장 렌즈(230)는 초점 거리가 짧은 것을, 뒷 단의 확장 렌즈(240)는 초점 거리가 긴 것을 사용하며, 상기 확장 렌즈계에서 빔의 크기를 확대시켜 주는 것은 광음향 변조기(610,620,630)의 신호 처리능력을 최대로 유지 시키기 위한 것이다.

상기 확장 렌즈계를 통과한 백색광의 레이저 빔은 광분리부(250)로 입사하게 되는데, 상기 광 분리부는 두 개의 다이크로익 미러(670a,680a)와 하나의 고반사 미러(690a)로 구성되어 있다.

상기 다이크로익 미러는 백색광을 적,녹,청색으로 분리시켜주며, 고반사 미러(690a)는 단색광의 광경로를 변경시켜주는 역할을 한다.

상기 분리되어진 레이저 빔은 포커싱 렌즈(640a,650a,660a)에 의해 광음향 변조기(610,620,630)로 집속되며, 영상 신호에 의해 광변조된다.

상기 광음향 변조기의 뒷 단에는 변조된 레이저 빔을 포커싱 렌즈 입사전의 평행광 형태로 복구시키기 위한 시준 렌즈(640b,650b,660b)가 구비된다.

상기 광 음향 변조기에서 영상신호에 따라 변조된 각각의 적,녹,청색광은 광통합부(650)에서 다시 하나의 통합광으로 합쳐지며 상기 광통합부는 두 개의 다이크로익 미러(670b,680b)와 한 개의 고반사미러(690b)로 구성된다.

통합된 광은 고반사 미러(710,720)를 이용하여 적절한 각도로 다각형 미러(800)로 입사되어 수평주사되며, 수평주사빔은 갈바노미터(700) 사이에 설치된 릴레이 렌즈계(310,320)를 통과하면서 갈바노미터의 미러면에 집속되어 수직주사된다.

상기 릴레이 렌즈계(310,320)는 두 개의 볼록 렌즈로 구성되며, 초점거리의 합만큼 간격을 두어 배치된다.

상기 초점거리는 종래에는 동일한 것을 이용한 것이 특징이었으나, 본 발명에서는 앞 단의 릴레이 렌즈(310)는 초점거리가 뒷 단의 릴레이 렌즈(320)보다 길고, 뒷 단의 릴레이 렌즈(320)는 상대적으로 짧은 것이 특징이며 상기 릴레이 렌즈계의 초점거리비만큼 수평 주사 각도를 확대할 수 있다.

상기 다각형 미러와 갈바노미터에 의해 주사되는 화상은 갈바노미터 상단에 설치된 반사경(850)에 의해 정면의 스크린(900)으로 투사된다.

본 발명에 의한 레이저 영상 투사 장치중 주사부만 확대해 도 3에 도시하였다.

상기 도 3을 통하여 동작원리를 설명하면, 통합빔이 다각형 미러(800)로 입사되고 다각형 미러가 반시계 방향으로 회전할 경우, 상기 통합빔은 ①,②,③ 과 같은 순차적으로 릴레이 렌즈(310)로 입사된다.

①과 같은 방향으로 입사된 빔은 ④와 같은 경로를 통해 릴레이 렌즈(320)로 입사해 ⑦과 같은 방향으로 꺽여, 갈바노미터(700)에 입사하게 되며,②와 같은 방향으로 입사한 빔은 ⑤,⑧과 같은 방향으로 갈바노미터에 입사된다.

③과 같은 방향으로 입사한 빔은 ⑥,⑨와 같은 경로를 통해 갈바노미터에 입사한다.

릴레이 렌즈계(310,320)는 릴레이 렌즈(310)의 초점거리 f1과 릴레이 렌즈(320)의 초점거리 f2에 의해서 구성되어진다.

상기 릴레이 렌즈(310)는 다각형 미러와는 초점거리 f1만큼 간격을 두며, 릴레이 렌즈(320)과는 초점거리 f1 과 f2의 합만큼 간격을 둔다.

상기 릴레이 렌즈(320)은 초점거리 f2만큼 갈바노미터와 간격을 두고 구성된다.

상기한 바와 같이 릴레이렌즈계가 구성된다면 도 3과 같은 광경로를 따라 레이저 빔의 이동이 가능하게 된다.

수평 주사 각도의 확대는 상기 두 릴레이 렌즈의 초점 거리비에 의해 정해지며, 초기 수평 주사 각도(θ1)과 확대된 주사 각도(θ2)는 다음과 같은 관계가 있다.

θ1/θ2 = f2/f1

상기 식 2에서 보면 상기 두 릴레이 렌즈계의 초점거리비에 따라서 수평주사 각도의 확대비가 결정되므로, 우변의 초점거리비를 작게한다면 좌면의 확대된 수평 주사 각도(θ2)는 커지게 된다.

따라서 확대된 수평 주사 각도에 비례하여 갈바노미터의 수직 주사 각도를 증가시켜 가로와 세로의 비 4:3으로 화면비를 맞출 수 있다.

상기 갈바노미터로 투사된 영상은 반사경(850)에 의해 스크린(900)으로 정면 투사된다.

본 발명은 상기와 같은 구성에 의해, 릴레이 렌즈계의 두 렌즈가 가지는 초점 거리를 달리 설정하고, 상기 두 초점거리를 기준으로 다각형 미러와 갈바노미터의 위치를 정함으로써, 수평 주사 각도를 증가시켜 짧은 투사 거리에도 불구하고 대화면 구성이 용이하도록 하였다.

Claims (7)

1. 다각형 미러와, 릴레이렌즈계와, 갈바노미터를 포함하는 레이저 영상 표시 장치에 있어서,

   상기 릴레이렌즈계는 초점거리가 긴 릴레이 렌즈(310)와 초점거리가 릴레이 렌즈(310) 보다 상대적으로 짧은 릴레이 렌즈(320)로 구성된 것을 특징으로 하는 대화면 레이저 영상 투사 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 릴레이 렌즈계는 앞 단의 릴레이 렌즈(310)가 다각형 미러와 상기 릴레이 렌즈의 초점거리(f1)만큼 간격을 두고 배치된 것을 특징으로하는 대화면 레이저 영상 투사 장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 릴레이 렌즈계는 앞단의 릴레이렌즈(310)와 뒷 단의 릴레이 렌즈(320)의 거리는 각각의 초점거리 f1과 초점거리 f2을 합한 거리만큼 떨어져 배치된 것을 특징으로 하는 대화면 레이저 영상 투사 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 릴레이 렌즈계는 뒷 단의 릴레이 렌즈(320)가 갈바노미터와 상기 릴레이 렌즈(320)의 초점거리(f2)만큼의 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 대화면 레이저 영상 투사 장치.
5. 제1항에 있어서,

   먼저 빔을 화면에 수평주사를 시키고, 릴레이 렌즈계를 통과시킨 후 수직주사시키는 것을 특징으로 하는 대화면 레이저 영상 투사 장치.
6. 제1항 내지 제3항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서,

   상기 릴레이 렌즈계는 두개의 볼록 렌즈로 구성되고, 앞단의 릴레이 렌즈(310)는 초점거리(f1)가 길고, 뒷 단의 릴레이 렌즈(320)는 초점거리(f2)가 상대적으로 짧은 것을 특징으로 하는 대화면 레이저 영상 투사 장치.
7. 제1항 내지 제3항, 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 릴레이 렌즈계의 두 초점거리(f1,f2) 비에 따라서 수평주사 각도의 확대비를 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 대화면 레이저 영상 투사 장치.

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