KR100556372B1 - Ｌｅｄ/ｌｄ를 이용한 프로젝터 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로젝터 시스템에 관한 것으로, 특히 LED/LD를 이용한 프로젝터 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따르면 시간 순차적으로 모듈레이션되는 적,녹,청 LED/LD가 각각 배열된 LED/LD 어레이와, 상기 각각의 LED/LD 어레이에서 발생된 광을 각각 집속하는 광집속부와, 상기 각각의 광집속부를 통해 집속된 광의 진행방향을 일치시키는 프리즘과, 상기 프리즘을 통해 출사된 광을 균일하게 하는 로드 렌즈와, 상기 로드 렌즈를 통해 출사된 광의 광경로를 변경하는 프리즘과, 상기 프리즘을 통해 입사된 광으로 상기 적,녹,청 각 색의 영상 정보를 표시하는 패널과, 상기 패널에서 출사된 각 색의 영상 정보를 확대 투사하여 스크린에 결상시키는 투사렌즈로 구성되어, 이러한 구성을 갖는 프로젝터 시스템은 소음 및 전력 낭비가 적고, 수명이 길며, 광 효율이 좋은 특징을 갖는다.

LED, LD, 파이버, 로드 렌즈, 마이크로 렌즈 어레이

Description

ＬＥＤ/ＬＤ를 이용한 프로젝터 시스템{Projector system using Light Emitting Diode or Laser Diode}

도 1은 종래 단판식 DLP 프로젝터 세트를 간략히 나타낸 구성 사시도

도 2는 종래 단판식 DLP 프로젝터 세트를 나타낸 구성도

도 3은 종래 컬러 휠을 사용한 색 분리 과정을 나타낸 도면

도 4는 종래 렘프광의 스펙트럼을 나타낸 도면

도 5는 종래 컬러 휠을 사용하여 시간 순차적으로 분리된 색을 나타낸 도면

도 6은 본 발명에 따른 LED/LD를 이용한 프로젝터 시스템을 나타낸 도면

도 7은 본 발명에 따른 광 집속 방법을 나타낸 도면

도 8은 일반적인 로드 렌즈 통해 광이 균일화 되는 모습을 나타낸 도면

- 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 -

601 : 적색 LED/LD 어레이 602 : 녹색 LED/LD 어레이

603 : 청색 LED/LD 어레이 604 : 광집속부

605 : 렌즈계 606 : X-큐브 프리즘

607 : 로드 렌즈 608 : 렌즈

609 : 내부전반사 프리즘 610 : 패널

611 : 투사렌즈 703 : 마이크로 렌즈 어레이

704 : 조명렌즈 705 : 파이버

본 발명은 프로젝터 시스템에 관한 것으로, 특히 광 모듈레이션이 가능한 LED/LD로 구성한 프로젝터 시스템에 관한 것이다.

최근 프로젝터라 불리우는 화상투사장치가 널리 보급됨에 따라서 다양한 종류의 제품이 개발, 시판되고 있다.

상기 화상투사장치의 광학계는 일반적으로, 광원으로서 램프가 마련되고, 상기 램프에서 나온 광을 화상표시소자에 조명해 주기 위한 조명부, 화상표시소자, 상기 화상표시소자에 표시된 화상을 스크린에 확대 투사하는 투사부로 구성된다.

상기 램프로서는 현재 고압 수은 램프가 많이 사용되며, 화상표시소자로서는 액정표시소자(LCD)와 디지털 미세 미러 소자(DMD : Digital Micromirror Device)등이 널리 사용되고 있다.

상기 1매의 화상표시소자로 DMD를 사용한 광학계를 DLP(Digital Light Processing)방식의 광학계라 한다. 상기 DLP 방식이란 Full digital 제어라는 특성을 활용하여 밝고 고품위의 영상을 제공할 수 있는 영상기술로 상기 DMD칩을 핵심부로 하는 광 처리 기술을 의미한다.

이러한 화상투사장치 광학계에서는 사용되는 화상표시소자의 수에 따라서 단판식, 2판식, 3판식의 광학계 구성을 갖게 되는데, 최근 소형화/경량화 및 저가격 화의 추세에 따라 1매의 화상표시소자를 사용하는 단판식 광학계를 많이 사용하고 있다.

도 1은 종래 단판식 DLP 프로젝터 세트를 간략히 나타낸 구성 사시도이다.

도 1과 같이, 단판식 DLP 프로젝터 세트는 대략적으로, 광을 생성하는 램프(1), 적색, 녹색, 청색의 광을 시간에 따라 순차적으로 분할하는 컬러 휠(2), 상기 각 색의 화면 정보를 순차적으로 표시하는 DMD 소자(3), 상기 DMD 소자(3)에서 나온 광을 스크린에 투사하기 위한 투사렌즈(4)로 구성된다.

이러한 구성을 갖는 단판식 DLP 프로젝터 세트의 동작 관계를 알아보기 위해 첨부한 도 2를 참고하여 설명하면 다음과 같다.

도 2와 같이, 램프(1)에서 생성된 백색 광은 렌즈계(5)를 통해 집속되어 컬러 휠(2)에 입사된다. 상기 컬러 휠(2)은 적색, 녹색, 청색으로 코팅되어, 특정 색의 파장 대역만 투과하고 나머지 파장은 투과되지 못하도록 되어 있다.

이러한 컬러 휠(2)의 적,녹,청색으로의 색분리 과정은 도 3에 도시하였다.

도 3과 같이, 램프(1)에서 생성된 백색 광은 컬러 휠(2)의 회전(7200rpm이상)에 따라 시간 순차적으로 적,녹,청색의 광으로 분리된다.

이와 같이 분리하는 이유는, 상기 램프(1)에서 나오는 광의 파장이 도 4와 같이 가시광선 영역 전체에 해당하므로, 디스플레이에 사용하기 위해서 백색 광을 컬러 휠(2)을 사용하여 적,녹,청색의 광으로 분리하는 것이다.

상기와 같이 분리된 적,녹,청색의 광은 도 5와 같이, 시간 순차적으로 분리되어 출사된다.

상기 컬러 휠(2)을 통해 시간 순차적으로 분리된 특정 색의 광은 로드 렌즈(6)를 통해 균질도가 좋은 광으로 변화되어, 렌즈(7)를 통해 내부 전반사 프리즘(TIR : Total Internal Reflection)(8)에 입사된다. 상기 내부 전반사 프리즘(8)에 입사된 광은 A면과 B면의 경계 부분에서 전반사가 일어나 DMD 소자(3)에 입사된다. 상기 DMD 소자(3)에 입사된 광은 특정 색의 정보를 갖고, 수직으로 반사되어 내부 전반사 프리즘(8)의 B면과 A면을 순차적으로 진행한 후 투사렌즈(4)를 통해 화면(미도시)에 투사되게 된다.

이와 같이 동작하는 단판식 프로젝터는 컬러 휠(2)을 통해 램프(1)에서 생성된 백색 광을 시간 순차적으로 분리하는 방식을 사용하므로, 실제로 사용하는 광은 전체 광량의 1/3이하에 해당된다. 때문에, 전력 손실이 많아지게 되는 문제점이 있다.

또한, 광원으로 주로 사용되는 고압 수은 램프는 수명이 1,000∼10,000시간정도로 그리 길지 않고, 7200rpm이상으로 회전하는 컬러 휠은 소음을 유발하며, 경계면에서 색번짐 현상이 일어나는 등 전체 프로젝터 시스템의 효율이 좋지 않은 문제가 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 모듈레이션이 가능한 단파장의 LED(또는 LD)칩을 프로젝터 시스템에 적용하여 전체 프로젝터 시스템의 전력 손실 최소화 및 성능 향상을 도모하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 LED/LD를 이용한 프로젝터 시스템은, 시간 순차적으로 모듈레이션되는 적,녹,청 LED/LD가 각각 배열된 LED/LD 어레이와, 상기 각각의 LED/LD 어레이에서 발생된 광을 각각 집속하는 광집속부와, 상기 각각의 광집속부를 통해 집속된 광의 진행방향을 일치시키는 프리즘과, 상기 프리즘을 통해 출사된 광을 균일하게 하는 제 1 로드 렌즈와, 상기 제 1 로드 렌즈를 통해 출사된 광의 광경로를 변경하는 프리즘과, 상기 프리즘을 통해 입사된 광으로 상기 적,녹,청 각 색의 영상 정보를 표시하는 패널과, 상기 패널에서 출사된 각 색의 영상 정보를 확대 투사하여 스크린에 결상시키는 투사렌즈로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 광집속부는, 상기 LED/LD에서 발생된 광을 균일하게 하고 방사각을 좁혀주는 제 2 로드 렌즈와, 상기 제 2 로드 렌즈에서 출사된 광을 더욱 균일하게 하는 다수개의 미세 렌즈로 구성된 마이크로 렌즈 어레이와, 상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 광을 모아주는 조명 렌즈와, 상기 조명 렌즈를 통해 모아진 광이 집속되는 파이버로 구성됨을 특징으로 한다.

상기 광집속부의 다른 실시예로써 광 집속부는 상기 LED/LD에서 발생된 광을 균일하게 하고, 방사각을 좁혀주는 제 2 로드 렌즈와, 상기 제 2 로드 렌즈에서 출사된 광을 더욱 균일하게 하는 다수개의 미세 렌즈로 구성된 마이크로 렌즈 어레이와, 상기 다수개의 미세 렌즈 각각에 연결된 다수개의 파이버와, 상기 다수개의 파이버가 모인 파이버 다발로 구성됨을 특징으로 한다.

이하 발명의 바람직한 실시예에 따른 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하여 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 LED/LD를 이용한 프로젝터 시스템을 나타낸 도면이다.

도 6과 같이, LED/LD를 이용한 프로젝터 시스템은 전압 전류 조정에 의해 시간에 따라 광 모듈레이션이 가능한 각각의 적,녹,청색 LED(또는 LD) 어레이(array)(601,602,603), 상기 각색의 LED(또는 LD) 어레이(601,602,603)에서 출사되는 광을 집속하는 광 집속부(604), 상기 광을 모아 X-큐브 프리즘(606)에 수직하게 입사시키는 각각의 렌즈계(605), 상기 수직하게 입사된 광의 진행 방향을 변화시키거나 투과시키는 X-큐브 프리즘(606), 상기 광을 균일하게 하는 제 1 로드(rod) 렌즈(607), 상기 제 1 로드 렌즈(607)를 통해 출사한 광을 패널(610)의 크기에 맞도록 조절하여 출사하는 렌즈(608), 상기 렌즈(608)를 통해 입사된 광을 내부 프리즘의 굴절율 차를 이용하여 전반사 및 투과하는 내부 전반사 프리즘(609), 각 색의 영상 신호를 통해 영상을 표시하는 패널(610), 상기 표시된 영상을 스크린(미도시)에 확대 투사하는 투사 렌즈(611)로 구성된다.

상기 광원으로 사용되는 LED(Light Emitting diode) 또는 LD(Laser Diode)는 레이저의 일종으로 단색 파장의 빛을 내게 된다. 따라서 기존의 넓은 파장 범위를 갖고 있는 램프와 달리 단파장의 LED/LD는 색순도가 높고, 색 재현 범위가 넓어 영상 구현에 뛰어난 장점을 갖는다. 또한 종래 램프광의 수명이 1,000∼10,000시간인데 비해 LED/LD의 수명은 20,000시간 이상으로 광원의 수명이 연장되는 장점을 갖 는다.

이러한 장점을 갖는 LED/LD를 사용하여 상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 프로젝터 시스템의 동작 원리를 설명하면 다음과 같다.

상기 각각의 적,녹,청 LED/LD 어레이(601,602,603)에서 발광된 광은 시간 순차적으로 광 모듈레이션된다. 즉, 패널(610)의 정보를 실은 청색광을 화면에 구현하고자 할 때는 청색 LED/LD 어레이(603)만 on 되고, 사용하지 않는 적색과 녹색 LED/LD 어레이(601,602)는 off된다. 마찬가지로 적색광을 화면에 구현하고자 하면 적색 LED/LD 어레이(601)만 on되고, 녹색과 청색 LED/LD 어레이(602,603)는 off되게 된다. 또한, 녹색광을 화면에 구현하고자 할때에도 마찬가지 방법을 사용한다. 이러한 과정을 통해 적,녹,청색의 광이 시간 순차적으로 발광된다.

상기 발광된 광은 각각의 광집속부(604)를 통해 집속된다.

상기 광 집속부를 통해 광이 집속되는 과정은 첨부한 도7에 자세히 나타내었다.

도 7의 (a)는 LED/LD 어레이에서 발광된 빛을 조명렌즈를 통해 파이버로 집속하는 것을 나타낸 도면이고, 도 7의 (b)는 위와 다른 실시예로써 LED/LD 어레이에서 발광된 빛을 파이버 다발을 이용하여 집속하는 것을 나타낸 도면이다.

도 7의 (a)와 같이, LED/LD 어레이(701)에서 발광된 빛은 제 2 로드 렌즈(702)를 통해 균일화되고 방사각이 좁혀져 마이크로 렌즈 어레이(703)로 입사된다. 상기 마이크로 렌즈 어레이(703)는 다수개의 미세 렌즈가 배열되어 있어, 상기 제 2 로드 렌즈(702)에서 나온 빛을 더욱 균일하게 만든다. 상기 마이크로 렌즈 어레이(703)를 통해 균일화되어 출사된 빛은 조명 렌즈(704)를 통해 빛이 모아져 파이버(fiber)(705)로 집속된다.

이러한 광 집속 방법의 다른 실시예로써 도 7의 (b)와 같이, LED/LD 어레이(701)에서 발광된 빛이 출사되는 마이크로 렌즈 어레이(703)의 미세 렌즈 각각에 파이버(705)를 연결함으로써 파이버 다발(706)을 통해 빛을 집속하기도 한다.

이처럼 상기 마이크로 렌즈 어레이(703)와 파이버(705)를 사용하여 광을 집속함으로써 고출력의 LED/LD 광을 만들어내게 된다.

이렇게 집속된 광은 렌즈계(605)를 통해 X-큐브 프리즘(606)에 수직하게 입사된다. 상기 입사된 광은 적색과 청색의 광은 상기 X-큐브 프리즘(606) 내부의 빗면에 반사되어 나가게 되고, 녹색 광은 그대로 투과하여 나가게 됨으로써 진행방향이 일치하게 된다.

상기 X-큐브 프리즘(606)에서 나온 광은 제 1 로드 렌즈(607)를 통과하면서 균일하게 변화한다. 이를 도 8에 나타내었다.

도 8과 같이, 제 1 로드 렌즈(607)로 입사된 광은 다수의 내부 전반사 과정을 거치면서 균일한 분포를 갖는 광으로 변화된다.

상기 제 1 로드 렌즈(607)를 통해 균일한 분포를 갖는 광은 렌즈(608)를 통해 내부 전반사 프리즘(609)에 입사된다. 상기 내부 전반사 프리즘(609)에 입사된 광은 프리즘 A,B의 경계면에서 전반사하여 영상 신호가 인가된 패널(610)에 수직으로 입사된 후 영상 정보를 싣고 받사되어 상기 내부 전반사 프리즘(609)을 투과해 나간다.

상기 투과된 광은 투사렌즈(611)를 통해 확대되어 스크린(미도시)에 결상된다.

이와 같이 적,녹,청색의 LED/LD 어레이가 차례로 on/off됨으로써 시간 분할 방법으로 디스플레이 영상을 구현하게 된다.

이상의 설명에서와 같이 본 발명에 따른 광모듈레이션이 가능한 LED/LD를 사용한 프로젝터 시스템은 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 각각의 적,녹,청색용 LED/LD칩에서 발광된 광을 마이크로 렌즈 어레이와 파이버를 이용하여 고출력의 LED/LD광을 만들어 냄으로써 프로젝터의 밝기가 증가하는 효과가 있다.

둘째, 종래 프로젝터 시스템에 이용된 컬러 휠을 사용하지 않으므로, 7200rpm이상으로 회전하는 컬러 휠에서 발생하는 소음을 없애는 효과가 있다.

셋째, 종래 램프광의 수명이 1,000∼10,000시간인데 비해 LED/LD의 수명은 20,000시간 이상으로 광원의 수명이 연장되는 효과가 있다.

넷째, 광원으로 사용되는 LED/LD는 레이저의 일종으로 단파장의 빛을 발하므로 색 순도가 높고, 색 재현 범위가 넓어져 영상 구현에 뛰어난 장점을 갖는다.

다섯째, 광원으로 사용되는 LED/LD는 전류 및 전압 조정에 의해 광 모듈레이션되므로, on/off에 따른 시간 분할 방식으로 빛을 조정하여 광 손실없이 색온도를 조정하며, 광 효율이 크게 증가되는 효과가 있다.

여섯째, 마이크로 렌즈 어레이 및 파이버를 통해 얻어진 고출력의 LED/LD광 은 컬러 휠을 사용하지 않고 신호에 따라 모듈레이션 하여 색합성을 하므로, 종래 램프광과 컬러 휠을 사용하는 시스템에 비해 전력 손실을 줄이는 효과가 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정하는 것이 아니라 특허 청구 범위에 의해서 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 시간 순차적으로 모듈레이션되는 적,녹,청 LED/LD가 각각 배열된 LED/LD 어레이와,

   상기 각각의 LED/LD 어레이에서 발생된 광을 각각 집속하는 광집속부와,

   상기 각각의 광집속부를 통해 집속된 광의 진행방향을 일치시키는 프리즘과,

   상기 프리즘을 통해 출사된 광을 균일하게 하는 제 1 로드 렌즈와,

   상기 제 1 로드 렌즈를 통해 출사된 광의 광경로를 변경하는 프리즘과,

   상기 프리즘을 통해 입사된 광으로 상기 적,녹,청 각 색의 영상 정보를 표시하는 패널과,

   상기 패널에서 출사된 각 색의 영상 정보를 확대 투사하여 스크린에 결상시키는 투사렌즈로 구성됨을 특징으로 하는 LED/LD를 이용한 프로젝터 시스템.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 광집속부는,

   상기 LED/LD에서 발생된 광을 균일하게 하고, 방사각을 좁혀주는 제 2 로드 렌즈와,

   상기 제 2 로드 렌즈에서 출사된 광을 더욱 균일하게 하는 다수개의 미세 렌즈로 구성된 마이크로 렌즈 어레이와,

   상기 마이크로 렌즈 어레이를 통과한 광을 모아주는 조명 렌즈와,

   상기 조명 렌즈를 통해 모아진 광이 집속되는 파이버로 구성됨을 특징으로 하는 LED/LD를 이용한 프로젝터 시스템.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 광집속부는,

   상기 LED/LD에서 발생된 광을 균일하게 하고, 방사각을 좁혀주는 제 2 로드 렌즈와,

   상기 제 2 로드 렌즈에서 출사된 광을 더욱 균일하게 하는 다수개의 미세 렌즈로 구성된 마이크로 렌즈 어레이와,

   상기 다수개의 미세 렌즈 각각에 연결된 다수개의 파이버와,

   상기 다수개의 파이버가 모인 파이버 다발로 구성됨을 특징으로 하는 LED/LD를 이용한 프로젝션 시스템.

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