KR100682903B1 - 레이저 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 ｔｖ - Google Patents

Abstract

레이저 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 TV가 개시되어 있다.

이 개시된 조명계는, 복수의 레이저 빔이 서로 다른 광축을 가지고 출사되는 레이저 광원 유닛; 상기 레이저 빔은 복수의 빔렛으로 구성되고, 상기 각각의 빔렛이 중첩적으로 집속되도록 하여 레이저 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 반점을 제거시키고, 레이저 빔의 단면을 정형해 주는 회절광학소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 구성에 의해 레이저 빔이 갖는 반점을 크게 감소시키거나 또는 제거할 수 있고, 이러한 조명계를 채용하여 화질이 개선된 프로젝션 TV를 제공할 수 있으며, 프로젝션 TV를 소형화 및 슬림화할 수 있다.

Description

레이저 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 ＴＶ{Illumination system eliminating laser speckle and projection TV employing the same}

도 1은 미국 특허 6,594,090 B2에 개시된 종래의 프로젝터를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 프로젝션 TV의 개략적인 구성도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 조명계를 나타낸 것이다.

도 4a는 본 발명에 따른 프로젝션 TV에 구비된 회절광학소자의 적색 세그먼트에 대한 프레그먼트를 나타낸 것이다.

도 4b는 도 4a에 도시된 적색 세그먼트에 대한 프레그먼트에 의해 변환된 빔 이미지와 광 강도 분포를 나타낸 것이다.

도 5a는 본 발명에 따른 프로젝션 TV에 구비된 회절광학소자의 녹색 세그먼트에 대한 프레그먼트를 나타낸 것이다.

도 5b는 도 5a에 도시된 녹색 세그먼트에 대한 프레그먼트에 의해 변환된 빔 이미지와 광 강도 분포를 나타낸 것이다.

도 6a는 본 발명에 따른 프로젝션 TV에 구비된 회절광학소자의 청색 세그먼트에 대한 프레그먼트를 나타낸 것이다.

도 6b는 도 6a에 도시된 청색 세그먼트에 대한 프레그먼트에 의해 변환된 빔 이미지와 광 강도 분포를 나타낸 것이다.

<도면 중 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100...레이저 광원 유닛, 105...회절광학소자

110...디스플레이 소자, 115...투사렌즈 유닛

120...스크린

본 발명은 레이저 광원의 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 TV에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 회절광학소자를 이용하여 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 효과적으로 레이저 반점을 감소 또는 제거한 조명계 및 프로젝션 TV에 관한 것이다.

레이저 광원을 구비한 프로젝션 TV는 넓은 칼라 게멋을 가지기 때문에 칼라 표현 범위가 넓고, 시준성(collimation)이 우수하여 광효율이 높을 뿐만 아니라 발산각이 적어 프로젝션 TV를 소형화하는데 크게 기여할 수 있다. 하지만, 이러한 이점이 있는 반면, 가간섭성으로 인해 반점(speckle)이 발생하는 단점이 있다. 반점은 가간섭성의 빔이 거친 표면에서 반사될 때 반사된 임의의 위상을 가지는 빔의 간섭에 의해 발생된다. 이러한 반점은 화상의 해상도 및 화질을 나쁘게 하는 주요 원인이 된다.

종래에 레이저 반점(speckle)을 제거하기 위한 프로젝터가 미국 특허 6,594,090 B2호에 개시되어 있다.

종래의 프로젝터는 도 1에 도시된 바와 같이 동축선 상에 배열된 레이저 광원(20)과, 빔 확장 광학계(24), 확산기(diffuser)(34), 빔 정형 광학계(38)를 포함한다. 상기 빔 확장 광학계(24)는 발산 렌즈(26), 콜리메이팅 렌즈(30)를 구비하고, 빔 정형 광학계(38)는 플라이아이 인티그레이터(40), 콘덴서 렌즈(44) 및 필드 렌즈(46)를 구비한다.

상기 광원(1)에서 나온 빔은 빔 확장 광학계(24)에 의해 빔 단면이 증대된 평행 확장 빔으로 되고, 이 확장 빔은 상기 빔 정형 광학계(38)에 의해 서로 중첩적으로 조사되고, 이것에 의해 가우시안 분포를 갖는 레이저 빔이 균일한 분포를 가지는 빔으로 되며, 액정 공간 광 변조기(52)의 형상에 맞게 조절된다. 상기 액정 공간 광 변조기(52)에서 반사된 화상은 편광 빔스프리터(50)에서 반사되어 프로젝션 렌즈(58)에 의해 확장되어 스크린(60)에 맺힌다.

종래의 구조에서는 상기 확산기(34)에 의해 확산된 빔이 빔 정형 광학계(38)에 의해 상기 공간 광 변조기(52)에 중첩적으로 조사됨으로써 레이저의 반점이 제거된다. 하지만, 상기와 같이 확산기(34)만을 이용하여 레이저 반점을 제거하는 경우 반점 제거 효율이 떨어져 화질이 저하되는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 레이저 광원 유닛을 구비하여 소형화를 달성하고, 회절광학소자를 이용하여 레이저 반점을 효과적으로 감소 또는 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 TV를 제공하는데 그 목적 이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 조명계는, 복수의 레이저 빔이 서로 다른 광축을 가지고 출사되는 레이저 광원 유닛; 상기 레이저 빔은 복수의 빔렛으로 구성되고, 상기 각각의 빔렛이 중첩적으로 집속되도록 하여 레이저 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 반점을 제거시키고, 레이저 빔의 단면을 정형해 주는 회절광학소자;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 레이저 빔이 평행하게 출사되어, 상기 회절광학소자의 서로 다른 영역에 집속되는 것을 특징으로 한다.

상기 회절 광학 소자는 입사빔이 파장에 따라 서로 다른 각도로 회절되는 비축 영상을 형성하는 것을 특징으로 한다.

상기 복수의 레이저 빔은 상기 회절 광학 소자의 서로 다른 세그먼트에 집속되고, 상기 회절 광학 소자는 각 세그먼트마다 다른 회절 패턴을 가지는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 프로젝션 TV는, 복수의 레이저 빔이 서로 다른 광축을 가지고 출사되는 레이저 광원 유닛; 상기 레이저 빔은 복수의 빔렛으로 구성되고, 상기 각각의 빔렛이 중첩적으로 집속되도록 하여 레이저 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 반점을 제거시키고, 레이저 빔의 단면을 정형해 주는 회절광학소자; 상기 회절광학소자를 통과한 빔을 이용하여 화상을 형성하는 디스플레이 소자; 상기 화상을 스크린에 확대 투사시키는 투사렌즈 유닛;을 포함하 는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반점을 제거한 조명계 및 이를 채용한 프로젝션 TV에 대해 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 반점을 제거한 프로젝션 TV가 도 2에 도시되어 있다.

본 발명에 따른 프로젝션 TV는, 복수의 레이저 빔을 출사시키는 레이저 광원 유닛(100)과, 레이저 광원 유닛(100)으로부터 출사된 레이저 빔의 반점을 제거하기 위한 회절광학소자(105)와, 빔을 공간변조하여 화상을 형성하기 위한 디스플레이 소자(110)를 포함한다. 또한, 상기 디스플레이 소자(110)로부터의 화상을 스크린(120)에 확대 투사시키는 투사렌즈유닛(115)이 구비된다. 또한, 상기 회절 광학 소자(105) 다음에 굴절 렌즈를 더 배치할 수 있다. 굴절 렌즈는 디스플레이 소자에 형성되는 빔렛의 크기를 조절하여 이미지의 질을 개선할 수 있다. 굴절 렌즈의 초점거리는 디스플레이 소자의 영상의 균일도가 우수하도록 설정된다.

상기 레이저 광원 유닛(100)은 파장이 다른 복수의 레이저 빔을 서로 다른 광축을 가지고 출사되도록 하여 파장에 따라 상기 회절광학소자(105)의 서로 다른 세그먼트에 집속시킨다. 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 레이저 광원 유닛(100)은 제1 레이저 빔(L1), 제2 레이저 빔(L2), 제 3레이저 빔(L3)을 평행하게 출사시켜 회절광학소자(105)의 제1세그먼트, 제2세그먼트 및 제3세그먼트에 집속되도록 한다. 예를 들어, 제1 레이저 빔(L1)은 적색빔, 제2 레이저 빔(L2)은 녹색빔, 제3 레이저 빔(L3)은 청색빔이 될 수 있다. 여기서, 제1, 제2 및 제3 세그먼트에 대해 제1, 제2 및 제3 레이저빔(L1)(L2)(L3)의 도면 부호를 공동으로 사용하기로 한다. 상기 복수의 레이저 빔은 상기 회절 광학 소자(105)의 서로 다른 세그먼트에 집속되고, 상기 회절 광학 소자는 각 세그먼트마다 다른 회절 패턴을 가진다. 상기 회절 패턴은 각 칼라빔에 대해 최적의 회절 효율을 가지도록 설계된다.

상기 회절광학소자(105)는 빔 단면이 디스플레이 소자(110)의 형태를 가지도록 빔을 정형(shaping)한다. 또한, 상기 회절광학소자(105)는 입사빔을 디스플레이 소자(110)에 중첩적으로 맺히게 함으로써 빔을 공간적으로 평균화하여 레이저 빔으로 인한 반점을 제거한다. 다시 말하면, 상기 회절광학소자(105)에 입사되는 빔은 복수의 빔렛(b)(beamlet)들로 구성되고, 이 빔렛(b)들은 상기 회절광학소자(105)에 의해 디스플레이 소자(110)의 형태로 정형되고, 디스플레이 소자(110)에 중첩적으로 맺힌다. 이와 같이 정형된 빔이 중첩적으로 디스플레이 소자(110)에 맺힘에 따라 빔이 공간적으로 평균화되어 결과적으로 레이저 빔으로 인한 반점이 현저하게 감소되거나 제거된다.

도 4a는 적색 세그먼트(L1)에 대응되는 회절광학소자 프레그먼트를 나타낸 것으로, 512*512 픽셀, 83*47 빔렛, RMS=3.1%, 90.0%의 회절효율을 가진다. 도 4b는 도 4a에 도시된 회절광학소자 프레그먼트에 의해 디스플레이 소자(110)에 집속된 영상과 이 영상의 광 강도 분포를 나타낸 것이다. 이때 광 강도 분포가 대체적으로 고르게 분포된 스퀘어 분포를 가진다.

도 5a는 녹색 세그먼트(L2)에 대응되는 회절광학소자 프레그먼트를 나타낸 것으로, 512*512 픽셀, 101*59 빔렛, RMS=3.0%, 90.0%의 회절효율을 가진다. 도 5b는 도 5a에 도시된 회절광학소자 프레그먼트에 의해 디스플레이 소자(110)에 집속 된 영상과 이 영상의 강도 분포를 나타낸 것이다. 이때 강도 분포가 대체적으로 고르게 분포된 스퀘어 분포를 가진다.

도 6a는 청색 세그먼트(L3)에 대응되는 회절광학소자 프레그먼트를 나타낸 것으로, 512*512 픽셀, 117*67 빔렛, RMS=3.2%, 90.0%의 회절효율을 가진다. 도 6b는 도 6a에 도시된 회절광학소자 프레그먼트에 의해 디스플레이 소자(110)에 집속된 영상과 이 영상의 강도 분포를 나타낸 것이다. 이때 강도 분포가 대체적으로 고르게 분포된 스퀘어 분포를 가진다.

상기 회절광학소자(105)의 프레그먼트는 입사빔의 파장에 따라 최적의 굴절각과 발산각을 가지도록 설계되어 레이저 빔이 디스플레이 소자(110)에 고효율로 집속되도록 한다. 즉, 회절광학소자는 입사빔을 파장에 따라 서로 다른 각도로 회절시키는 비축 영상(off-axis image) 기술을 이용하여 적색빔, 녹색빔 및 청색빔이 각각 디스플레이 소자에 정확하게 집속되도록 한다. 이와 같이 레이저 빔을 회절광학소자를 이용하여 공간적으로 평균화함으로써 레이저 빔의 반점을 효과적으로 제거할 수 있다.

한편, 레이저 반점의 콘트라스트는 다음 식과 같이 나타나며, 이 콘트라스트 값이 4% 이하이면 육안으로 감지할 수 없는 수준이 된다.

여기서, <Ii> 는 회절광학소자의 i 번째 픽셀을 통과한 빔의 강도 (intensity)의 평균값을 나타내고, σ는 표준 편차(standard deviation)를 나타내며, μ는 평균값(Mean value)을 나타낸다.

회절광학소자(105)를 통과한 빔은 균일한 세기 분포를 가지는 빔으로 변환된다. 레이저빔은 레이저 광원 유닛에서 출사시 가우시안 분포를 가지지만, 상기 회절광학소자(105)를 통해 디스플레이 소자(110)에 중첩적으로 맺힘으로써 균일한 세기 분포(스퀘어 분포)를 가지는 빔으로 변환되어 레이저 반점이 제거된 고화질의 영상을 얻을 수 있다.

또한, 상기 회절광학소자(105)는 빔 단면 형상을 디스플레이 소자(110)의 형상으로 만들어 준다. 디스플레이 소자로는 예를 들어, 투과형 LCD, LCoS, DMD(Digital Micromirror Device), 회절형 라이트 밸브(Grating Light Valve) 중 어느 하나가 사용될 수 있으며, 이들 디스플레이 소자는 4:3 또는 16:9의 종횡비를 가지는 사각형 형태를 가진다. 레이저 광원 유닛(100)에서 나온 빔은 그 단면이 원형을 가지고, 디스플레이 소자는 사각형의 형태를 가지므로 광효율을 위해 레이저 광원 유닛(100)에서 출사된 빔의 형상을 디스플레이 소자의 형상대로 만들어 줄 필요가 있다. 따라서, 레이저 빔을 상기 회절광학소자(105)에 의해 상기 디스플레이 소자(110)의 형상에 맞게 변환시킨다.

또한, 회절광학소자(105)의 패턴을 조절하여 빔의 발산각을 조절할 수 있다. 빔의 발산각을 조절하여 조명계의 F/No를 크게 함으로써 프로젝션 시스템의 구성을 소형화할 수 있다.

상기 회절광학소자(105)를 통해 정형된 빔이 디스플레이 소자(110)에 입사되 고, 디스플레이 소자(110)에 의해 형성된 화상이 투사렌즈 유닛(115)에 의해 스크린(120)에 확대 투사된다.

상기 레이저 광원 유닛(100)은 서로 다른 파장의 빔을 조사하는 복수개의 레이저를 구비하여 칼라별로 평행하게 출사시킨다. 예를 들어, 상기 레이저 광원 유닛(100)은 적색빔, 녹색빔, 청색빔을 조사하는 제1, 제2 및 제3 레이저를 구비하고, 회절광학소자를 이용하여 비축 영상을 형성하여 적색빔, 녹색빔, 청색빔을 동시에 디스플레이 소자(110)에 집속시키고, 3패널식 디스플레이 소자를 이용하여 각 칼라빔에 대한 화상을 형성하여 스크린(120)에 투사함으로써 칼라화상을 형성한다.

본 발명에서는 레이저 광원 유닛을 이용하는데 있어서, 레이저 빔이 갖는 반점을 크게 감소시키거나 또는 제거한 조명계를 제공하고, 이러한 조명계를 채용하여 화질이 개선된 프로젝션 TV를 제공한다. 본 발명에서는 하나의 회절광학소자를 이용하여 레이저 빔의 반점을 제거하기 때문에 광학 정렬의 어려움 없이 광학계 설계가 가능한 이점이 있다.

또한, 본 발명은 레이저 광원 유닛을 이용하여 빔 발산각을 최소화할 수 있으므로 프로젝션 TV를 컴팩트화 및 슬림화하는 데 유리하다.

Claims (9)

1. 복수의 레이저 빔이 서로 다른 광축을 가지고 출사되는 레이저 광원 유닛;

   상기 레이저 빔은 복수의 빔렛으로 구성되고, 상기 각각의 빔렛이 중첩적으로 집속되도록 하여 레이저 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 반점을 제거시키고, 레이저 빔의 단면을 정형해 주는 회절광학소자;를 포함하고,

   상기 복수의 레이저 빔이 평행하게 출사되어, 상기 회절광학소자의 서로 다른 영역에 집속되는 것을 특징으로 하는 조명계.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,

   상기 회절 광학 소자는 입사빔이 파장에 따라 서로 다른 각도로 회절되는 비축 영상을 형성하는 것을 특징으로 하는 조명계.
4. 제 1항 또는 제 3항에 있어서,

   상기 복수의 레이저 빔은 상기 회절 광학 소자의 서로 다른 세그먼트에 집속되고, 상기 회절 광학 소자는 각 세그먼트마다 다른 회절 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 조명계.
5. 복수의 레이저 빔이 서로 다른 광축을 가지고 출사되는 레이저 광원 유닛;

   상기 레이저 빔은 복수의 빔렛으로 구성되고, 상기 각각의 빔렛이 중첩적으로 집속되도록 하여 레이저 빔을 공간적으로 평균화시킴으로써 반점을 제거시키고, 레이저 빔의 단면을 정형해 주는 회절광학소자;

   상기 회절광학소자를 통과한 빔을 이용하여 화상을 형성하는 디스플레이 소자;

   상기 화상을 스크린에 확대 투사시키는 투사렌즈 유닛;을 포함하고,

   상기 복수의 레이저 빔이 평행하게 출사되어, 상기 회절광학소자의 서로 다른 영역에 집속되는 것을 특징으로 하는 프로젝션 TV.
6. 삭제
7. 제 5항에 있어서,

   상기 회절 광학 소자는 입사빔이 파장에 따라 서로 다른 각도로 회절되는 비축 영상을 형성하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 TV.
8. 제 5항 또는 제 7항에 있어서,

   상기 복수의 레이저 빔은 상기 회절 광학 소자의 서로 다른 세그먼트에 집속되고, 상기 회절 광학 소자는 각 세그먼트마다 다른 회절 패턴을 가지는 것을 특징으로 하는 프로젝션 TV.
9. 제 5항 또는 제 7항에 있어서,

   상기 디스플레이 소자는 투과형 LCD, LCoS, DMD(Digital Micromirror Device), 회절형 라이트 밸브 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 프로젝션 TV.

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