KR100812207B1 - 광학 디바이스 및 이를 포함하는 프로젝션 시스템 - Google Patents

광학 디바이스 및 이를 포함하는 프로젝션 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광학 디바이스 및 이를 포함한 프로젝션 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 광학 디바이스는 광학 디바이스는, 복수의 광원을 포함하는 광원유닛과; 상기 광원유닛 상에 형성되며, 상기 각 광원으로부터 출사된 빛을 유도하는 광유도부 및 유도된 광을 혼합하는 광혼합부를 갖는 광혼합유닛과; 상기 광혼합유닛을 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 포함한다. 이에 의해 광효율이 향상된 초소형 광학 디바이스 및 이를 포함한 프로젝션 시스템이 제공된다.

Description

광학 디바이스 및 이를 포함하는 프로젝션 시스템{OPTICAL DEVICE AND PROJECTION SYSTEM COMPRISING THE SAME}
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 광학 디바이스의 개략도이고,
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 광학 디바이스의 개략도이고,
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 광학 디바이스의 개략도이고,
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 광학 디바이스의 개략도이고,
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 광학 디바이스의 개략도이고,
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 광학 디바이스를 포함하는 프로젝션 시스템의 개략도이고,
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 광학 디바이스를 포함하는 다른 프로젝션 시스템의 개략도이고,
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 광학 디바이스를 포함하는 또 다른 프로젝션 시스템의 개략도이고,
도 9는 본 발명의 제6실시예에 따른 광학 디바이스의 개략도이고,
도 10은 본 발명의 제6실시예에 따른 광학 디바이스를 포함하는 프로젝션 시스템의 개략도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100, 200, 300, 400, 500 : 광학 디바이스
10 : 광원유닛 20 : 광혼합유닛
30 : 지지부 600 : DMD 소자
610 : LCD 소자 620 : LCOS 소자
700 : 투영렌즈계 800 : 스크린
본 발명은 광학 디바이스 및 이를 포함하는 프로젝션 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 발광 다이오드를 이용하는 광학 디바이스 및 이를 포함하는 프로젝션 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 프로젝션 시스템은 디스플레이소자에 의해 구현된 영상을 스크린으로 확대 투사하여 대형 이미지를 제공하는 것이다. 이러한 프로젝션 시스템은 빛을 발광하는 광원과, 광원으로부터 발광된 빛을 집속하는 조명계와, 조명계로부터 제공된 빛으로 영상을 구현하는 디스플레이소자와, 디스플레이소자에서 구현된 빛을 스크린에 투사하는 투영렌즈계를 포함하는 광학계에 의하여 화상이 스크린에 구현된다.
조명계는 일반적으로 RGB 광원으로부터 제공된 각각의 빛을 콜리메이트 하는 콜리메이터, 각각의 빛을 필터링하여 합성하기 위한 복수의 필터 및 광터널기를 포함한다. 이처럼 조명계에 포함되어 있는 부품의 수가 많고, 부품 각각의 크기가 크 기 때문에 전체 조명계의 부피가 커진다. 이로 인하여 프로젝션 시스템 전체의 제조비용이 증가하고 조립공정에 많은 노력이 요구되며, 소형 프로젝션 시스템의 제작에 어려움이 있다.
또한, RGB 각 광원에 대응되는 각각의 필터, 각종 미러 및 렌즈를 조립하는 과정에서 조립오차가 발생할 가능성이 높고, 조명계의 교환이 용이하지 않은 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 광효율이 향상된 초소형 광학 디바이스 및 이를 포함한 프로젝션 시스템을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 목적은 제조비용이 절감되는 광학 디바이스 및 이를 포함한 프로젝션 시스템을 제공하는 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라 광학 디바이스에 있어서, 복수의 광원을 포함하는 광원유닛과; 상기 광원유닛 상에 형성되며, 상기 각 광원으로부터 출사된 빛을 유도하는 광유도부 및 유도된 광을 혼합하는 광혼합부를 갖는 광혼합유닛과; 상기 광혼합유닛을 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 포함하는 광학 디바이스에 의해 달성된다.
상기 광유도부 및 상기 광혼합부는 일체형으로 마련될 수 있다.
상기 광유도부는 상기 각 광원에 대응되는 복수의 입사면을 가질 수도 있으며, 상기 광유도부는 개구가 형성되어 있는 입사면을 가질 수도 있다. 즉, 각 광원 별로 빛이 유도되는 별도의 유도부를 가질 수도 있으며, 복수의 광원으로부터 입사된 광이 하나의 입사면을 통해 혼합되어 유도될 수 있다.
빛의 전반사율을 높이기 위하여 상기 광유도부는 테이퍼 형상인 것이 바람직하다.
상기 광유도부는 절두된(truncated) 원뿔 형상 및 절두된 다각뿔 형상일 수 있으며, 이 경우 상기 광유도부의 입사면에는 원뿔 형상 및 다각뿔 형상의 함몰부가 형성될 수 있다. 함몰부는 빛이 유도되는 과정에서 전반사될 수 있는 확률을 높이기 위한 것이다.
상기 광혼합부는 원기둥, 각기둥, 절두된 원뿔 형상 및 절두된 다각뿔 형상 중 어느 하나로 형성될 수 있다.
상기 광혼합부는 공기층을 포함할 수 있으며, 이 경우 공기층의 측면에는 광이 반사될 수 있는 미러를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 광혼합유닛은 폴리메타메틸아크릴레이트(PMMA) 및 폴리카보네이트(PC) 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
상기 광원은 원 및 다각형 중 어느 하나의 형상으로 배열될 수 있으며, 상기 광원유닛은 적색 광원, 청색 광원 및 녹색 광원을 포함할 수 있다.
상기 광원은 사각 형상으로 배열되어 있으며, 상기 녹색 광원은 상기 청색 광원 및 상기 적색 광원 개수의 두 배일 수 있다.
상기 광원은 LED(Light Emit Diode) 및 LD(Laser Diode) 중 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적은, 본 발명에 따라 광학 디바이스에 있어서, 복수의 광원을 포함하는 광원유닛과; 상기 광원유닛 상에 형성되며, 절두된(truncated) 원뿔 형상 및 절두된 다각뿔 형상의 광혼합부과; 상기 광혼합부를 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 포함하고, 상기 광혼합부의 입사면에는 원뿔 형상 및 다각뿔 형상의 함몰부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스에 의해서도 달성될 수 있다.
한편, 상기 목적은, 본 발명에 따라 입사면 및 출사면을 갖는 통 형상의 광터널부와; 상기 입사면에 맞닿아 형성되어 있는 복수의 광원을 포함하는 광원유닛을 포함하는 광학 디바이스에 의해서도 달성될 수 있다.
광의 전반사 및 혼합률을 향상시키기 위하여 상기 광터널부는 내벽면에 미러를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 광원은 원 및 다각형 형상으로 배열되어 있는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적은, 본 발명에 따라 광원을 포함하는 조명계와, 상기 조명계로부터 빛을 제공받아 영상을 구현하는 디스플레이소자와, 상기 디스플레이소자에 의해 구현된 영상을 확대 투사하는 투영렌즈계와, 투사된 영상이 표시되는 스크린을 갖는 프로젝션 시스템에 있어서, 상기 조명계는, 복수의 광원을 포함하는 광원유닛과, 상기 광원유닛 상에 형성되며, 상기 각 광원으로부터 출사된 빛을 유도하는 광유도부 및 유도된 광을 혼합하는 광혼합부를 갖는 광혼합유닛 및 상기 광혼합유닛을 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 갖는 광학 디바이스를 포함하는 프로젝션 시스템에 의해서 달성된다.
상기 디스플레이소자는 DMD 소자, LCOS 소자 및 LCD 소자 중 어느 하나를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 조명계로 출사된 빛을 상기 디스플레이소자로 유도하고 상기 디스플레이소자에 의해 구현된 영상을 상기 투영렌즈계로 전달하는 광방향제어부를 더 포함할 수 있으며, 상기 디스플레이소자가 DMD 소자인 경우, 상기 광방향제어부는 전반사 프리즘, 대물렌즈 및 미러 중 적어도 어느 하나가 마련될 수 있다.
또한, 상기 디스플레이소자가 LCD 소자 및 LCOS 소자 중 어느 하나인 경우, 상기 광방향제어부는 편광분할기가 마련될 수 있다.
광효율을 향상시키기 위하여 상기 광방향제어부는 상기 디스플레이소자의 전면에 마련되는 콜리메이터를 더 포함하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적은 본 발명의 다른 실시예에에 따른 광학 디바이스에 있어서, 복수의 광원을 포함하는 광원유닛과, 상기 광원유닛 상에 형성되며, 상기 각 광원으로부터 출사된 빛을 유도하는 광유도부 및 유도된 광을 혼합하는 광혼합부를 갖는 광혼합유닛과, 상기 광혼합유닛을 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 갖는 제1광학렌즈와; 상기 제1광학렌즈로부터 출사된 빛을 집광하며, 입사면에 복수의 콘벡스를 갖는 제2광학렌즈를 포함하는 광학 디바이스에 의해서도 달성된다.
상기 광혼합유닛의 출사면에는 복수의 콘벡스가 형성될 수 있다.
상기 콘벡스는 상기 광원유닛에 포함되어 있는 광원과 대응되도록 마련될 수 있다.
상기 광원유닛은 적색 광원, 청색 광원 및 녹색 광원을 포함하고, 상기 광원유닛은 3X3 행렬 형태로 배열되어 있으며, 상기 적색 광원, 상기 청색 광원 및 상기 녹색 광원은 동일한 개수가 마련되는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
상기 적색 광원, 상기 청색 광원 및 상기 녹색 광원 중 어느 하나는 상기 3X3 행렬의 대각선에 배열되고, 하나의 행 또는 하나의 열에는 서로 상이한 색상의 상기 광원이 배열될 수 있다.
또한, 상기 목적은, 광원을 포함하는 조명계와, 상기 조명계로부터 빛을 제공받아 영상을 구현하는 디스플레이소자와, 상기 디스플레이소자에 의해 구현된 영상을 확대 투사하는 투영렌즈계와, 투사된 영상이 표시되는 스크린을 갖는 프로젝션 시스템에 있어서, 상기 조명계는, 복수의 광원을 포함하는 광원유닛과, 상기 광원유닛 상에 형성되며, 상기 각 광원으로부터 출사된 빛을 유도하는 광유도부 및 유도된 광을 혼합하는 광혼합부를 갖는 광혼합유닛과, 상기 광혼합유닛을 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 갖는 제1광학렌즈와; 상기 제1광학렌즈로부터 출사된 빛을 집광하며, 입사면에 복수의 콘벡스를 갖는 제2광학렌즈를 포함하는 프로젝션 시스템에 의해서도 달성될 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대하여 설명한다.
여러 실시예에 있어서 동일한 구성요소에 대하여서는 동일한 참조번호를 부여 하였으며, 동일한 구성요소에 대하여는 제1실시예에서 대표적으로 설명하고 다른 실시예에서는 생략될 수 있다.
이하 도1a 내지 도1c를 참조하여 본 발명의 제1실시예에 따른 광학 디바이스를 설명한다. 도1a는 광원유닛(10)을, 도1b는 광혼합유닛(20)을 나타내고 있으며, 도3c는 광학 디바이스(100)의 단면도를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 광학 디바이스(100)는 광원유닛(10), 광혼합유닛(20) 및 이들을 지지하는 지지부(30)를 포함한다. 광학 디바이스(100)는 프로젝션 시스템에 사용되는 조명계와 같이 상이한 색상의 광을 혼합, 집속하는 역할을 하는 것으로 다양한 광학계에 사용될 수 있으므로 광학 디바이스(100)의 사용 용도는 상술한 것에 한정되지 않는다.
광원유닛(10)은 복수의 광원(1, 2, 3; 5) 및 광원(5)이 실장되어 있는 광원기판(7)을 포함하며, 후술할 광혼합유닛(20)에 상이한 색의 빛을 제공한다.
광원(5)은 청색을 발광하는 청색 광원(1), 녹색을 발광하는 녹색 광원(2) 및 적색을 발광하는 적색 광원(3)을 포함하며, 전체 광원(5)은 정사각형 형상으로 배열되어 있다. 본 실시예에 따른 광원유닛(10)은 청색 광원(1) 및 적색 광원(3) 보다 두 배 많은 녹색 광원(2)을 포함한다. 즉, 하나의 청색 광원(1) 및 적색 광원(3)에 대하여 두 개의 녹색 광원(2)을 포함하며, 이는 휘도가 낮은 녹색 광원(2)의 특징을 고려한 것이다. 광원(5)의 수 및 하나의 광원(1, 3)에 대한 다른 광원(2)의 비율은 다양하게 변형 가능하므로 반드시 본 실시예에 한정되는 것은 아니다. 광원(5)은 점광원인 LED(Light Emit Diode) 및 LD(Laser Diode) 중 어느 하나일 수 있다.
광원유닛(10)이 포함하는 광원(5)의 배열 형상 또한 요구되는 광량 및 광의 특성에 따라 가변적인 것으로 상술한 것에 한정되지 않는다. 예컨대, 광원(5)은 원형 또는 사각형상이 아닌 다른 다각형상으로 배열될 수 있다.
그리고, 광원(5)으로부터 발광되는 빛의 색상 역시 광학 디바이스(100)가 사용되는 광학계에 따라 변경될 수 있는 것으로 시안, 마젠타, 옐로우를 발광하는 광원 또는 백색 광원이 사용될 수도 있다.
광원기판(7)은 광원(5)에 소정의 전원을 공급하고, 광원(5)을 제어하기 위한 회로가 형성되어 있는 구동부를 포함한다.
도1b에 도시되어 있는 광혼합유닛(20)은 광원유닛(10)의 상부에 마련되며, 광원유닛(10)으로부터 제공된 빛을 집속 및 혼합한다. 광혼합유닛(20)은 개별적인 광원(1, 2, 3)에 대응되는 광유도부(21) 및 유도된 광을 혼합하는 광혼합부(23)를 포함한다. 광유도부(21) 및 광혼합부(23)는 일체형으로 이루어져 있으며, 폴리메타메틸아크릴레이트(PMMA) 또는 폴리카보네이트(PC) 등과 같은 물질을 포함하여 이루어진다.
광유도부(21)는 각 광원(1, 2, 3)에 대응되는 복수의 입사면(21a~21d)을 가지고 있다. 즉, 광유도부(21)는 상이한 색상의 광을 개별적으로 유도하기 위하여 복수개로 마련되며 개별적인 광유도부(21)는 광혼합부(23)에 이르러 하나로 통합된다. 광유도부(21)가 광원(1, 2, 3) 별로 분기되면, 각각의 광은 보다 넓은 표면적을 가진 광유도부(21)를 통과하게 되므로 광의 전반사가 발생할 확률이 증가하게 된다. 이로 인해 광효율이 증가하는 효과가 있다. 개별적인 광유도부(21) 및 전체 광유도부의 형상은 광의 진행방향으로 갈수록 가로 방향 단면이 넓어지는 테이퍼 형상을 갖는다. 이러한 데이퍼 형상은 절두된(truncated) 사각뿔 형상과 유사하다.
최대한 많은 광을 집속하기 위하여 입사면(21a~21d)은 광원(1, 2, 3)이 배열되어 있는 형상에 대응되는 단면의 가지는 것이 바람직하므로, 본 실시예에 따른 입사면(21a~21d)은 사각 형상의 광원(5)에 대응하여 사각형의 단면을 갖는다.
광혼합부(23)는 광유도부(21)와 일체형으로 이루어지며, 유도된 상이한 색의 광을 혼합하는 역할을 한다. 본 실시예에 따른 광혼합부(23)는 사각 기둥 형상이지만, 광혼합부(23)의 형상은 원 기둥을 비롯한 다양한 기둥 형상을 포함할 수 있다. 또한, 빛이 출사되는 방향으로 갈수록 가로 방향의 단면이 증가하는 테이퍼 형상으로 마련될 수도 있다. 요구되는 광의 혼합 정도 및 광량에 따라 광혼합부(23)의 길이는 가변적으로 조절될 수 있을 것이다.
도1c는 광학 디바이스(100)의 단면도를 도시한 것으로, 지지부(30)는 광원유닛(10) 및 광혼합유닛(20)을 지지한다. 도시되어 있듯이 광혼합부(23)의 측면(A)과 지지부(30)는 접촉되지 않으며, 광혼합유닛(20)은 광원유닛(10)으로부터 소정의 간격으로 이격되어 있다(B). 즉, 지지부(30)는 광혼합유닛(20)이 광원유닛(10)으로부터 소정 간격으로 이격되도록 지지하며, 광혼합유닛(20)과는 고정되는 부분을 제외하면 접촉되지 않는다. 광혼합유닛(20)은 지지부(30)에 형성되어 있는 가이드 또는 홈에 의하여지지 고정될 수 있다.
광혼합유닛(20)으로 입사된 빛은 광혼합유닛(20)의 측면에서 반사를 반복하며 상부로 출사된다. 이때 광혼합유닛(20)의 외부로 굴절되는 빛으로 인해 광효율이 저하된다. 따라서, 광혼합유닛(20)과 접촉하는 부분(A)을 광혼합유닛(20)보다 소한 매질로 이루진 공기층으로 형성하여 빛이 굴절되지 않고 전반사되도록 한다. 이를 위하여 지지부(30)는 광혼합유닛(20)의 고정을 위하여 광혼합유닛(20)의 상부 모서리 부분과는 접촉하며, 측면에서는 이격되어 있다.
또한, 광원(5)으로부터 발생한 열이 광혼합유닛(20)으로 전달되지 않도록 광원(5)과 광혼합유닛(20)은 접촉하지 않고 이격되어 있다. 만약, 두 유닛(10, 20)이 접촉되어 있다면 광원(5)의 열팽창율 및 광혼합유닛(20)의 열팽창율이 상이하여 양 유닛(10, 20) 사이에 버블이 발생하거나 광원(5)의 파손 위험성이 존재한다. 따라서, 지지부(30)는 광원(5)과 이격되도록 광혼합유닛(20)을 지지한다.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 광학 디바이스의 개략도이며, 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 광학 디바이스(200)는 광혼합부(24)를 제외하면 제1실시예에 따른 광학 디바이스(100)의 구성요소에 대응된다. 따라서, 중복된 구성요소에 대한 설명은 생략한다.
광혼합부(24)는 공기층(24a)을 포함하는 광터널로 형성되어 있으며 광터널의 측면은 미러(24b)가 형성되어 있다. 광유도부(21)에서 유도된 광은 공기층(24b)에서 혼합되며 측면으로 진행한 광은 미러(24b)에서 반사되어 상부로 유도된다. 즉, 본 실시예에 따른 광혼합부(24)는 미러(24b)에 의한 정반사를 이용하여 광을 균일하게 집광한다.
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 광학 디바이스의 개략도이며, 도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 광학 디바이스(300)는 절두된(truncated) 원뿔 형상의 광혼합유닛(40) 및 원주형으로 배열되어 있는 광원(55)을 포함한다.
광원유닛(50)은 적색 광원(51), 녹색 광원(52) 및 청색 광원(53)이 동일한 크기로 분포되어 있는 도넛츠 형상의 광원(55), 광원(55)이 실장되어 있는 광원기판(57)을 포함한다. 광원(55)이 배열된 모양은 다양하게 변형가능하다.
광혼합유닛(40)은 원뿔의 꼭지점 부분이 절두된 형상을 하고 있으며, 함몰부(41a)가 형성되어 있는 광유도부(41) 및 광유도부(41)와 일체형으로 이루어져 있으며 상부로 갈수록 가로방향 단면적이 넓어지는 테이퍼 형상의 광혼합부(43)로 구성된다. 광유도부(41)는 함몰부(41a)로 인하여 개구가 형성되어 있는 입사면을 가지며, 개구는 광원(55)이 형성되어 있지 않은 부분과 대응된다.
본 실시예의 광학 디바이스(300)와 제1실시예의 광학 디바이스(100)와의 차병점은 개별적인 광원마다 광유도부가 분기되어 있는지 여부이다. 즉, 본 실시예에 따른 광학 디바이스(300)는 함몰부(41a)로 인하여 광유도부(41)의 가운데 부분에서 색상별로 광이 유도되지만, 상호 인접한 광원(51과 52, 52와 53, 53과 51) 사이는 광유도부(41)가 분기되어 있지 않다.
광혼합부(43)의 단면은 원이지만, 사각형과 같은 다각형을 가질 수도 있으며, 제2실시예와 같이 공기층을 포함할 수도 있다.
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 광학 디바이스의 개략도이며, 도시되어 있는 바와 같이 광학 디바이스(400)는 육각형으로 배열되어 있는 광원(75)으로 이루어진 광원유닛(70) 및 육각기둥 형상의 광혼합유닛(60)을 포함한다.
광원(75)은 광원기판(77)에 육각형 형상으로 배열되어 있으며, 사다리꼴 모양을 가진 적색, 녹색 및 청색 광원이 순차적으로 인접해 있다. 육각형의 가운데 부분은 광원(75)이 배열되어 있지 않으며, 광유도부(61)의 입사면에 형성되어 있는 개구와 대응된다.
광유도부(61)는 절두된 육각뿔 형상을 가지며 제3실시예의 광유도부(41)와 같이 중심부에 함몰부(61a)가 형성되어 있다. 또한, 광유도부(61)는 각 광원(75)에 대하여 개별적으로 분지되어 있지 않다.
제1 내지 제4 실시예에서 살펴본 것과 같이 광유도부의 단면은 광원의 배열에 대응되어 이에 의존한다.
광혼합부(63)는 제2실시예의 광혼합부(24)와 같이 내부에 공기를 포함하고 있으며 내측면에는 빛의 반사를 위한 미러가 형성되어 있다.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 광학 디바이스의 개략도이며, 본 실시예에 따른 광학 디바이스(500)는 입사면(81) 및 출사면을 갖는 통 형상의 광터널부(80)와 입사면(81)에 맞닿아 형성되어 있는 복수의 광원유닛(70)을 포함한다.
광터널부(80)는 내부가 비어 있는 통형상이며, 내벽면(85)에는 미러가 형성되어 있어 광터널부(80)로 입사된 빛을 반사시켜 혼합시킨다. 광터널부(80)의 형상은 사각 기둥 뿐만 아니라 다양한 각 기둥 형상이 가능하며, 광원 또한 원, 육각형, 구각형 또는 사다리꼴, 직사각형 등 다양한 배열이 가능하다.
도 6은 본 발명의 제2실시예에 따른 광학 디바이스를 포함하는 프로젝션 시스템의 개략도이다. 도시된 바와 같이 프로젝션 시스템은 광학 디바이스(200), 디스플레이 소자인 DMD(DIGITAL MICROMIRROR DEVICE) 소자(600), 광방향제어부(900), 투영렌즈계(700), 및 스크린(800)을 포함한다.
광학 디바이스(200)는 제2실시예에 설명한 것으로 중복된 설명은 생략한다. 광학 디바이스(200)로부터 출사된 빛은 콜리메이터(910)에서 집속되어 광방향제어부(900)를 통해 DMD 소자(600)로 제공된다. 본 발명에 따른 광학 디바이스(200)는 통상적인 프로젝션 시스템에서 광원계 및 조명계를 간단한 디바이스로 결합시킨 것으로 광원으로부터 출사된 적색, 녹색 및 청색의 빛을 혼합하고 집속하는 역할을 한다.
이처럼 부피가 줄고, 간단한 광학 디바이스(200)에 의하여 프로젝션 시스템의 소형화가 가능해 졌으며, 조명계의 조립 및 교환이 용이해졌다. 또한, 본 발명에 따른 광학 디바이스(200)는 소형화에도 불구하고 광휴율을 높일 수 있도록 광혼합부를 구비하고 있다.
광방향제어부(900)는 광학 디바이스(200)로부터 출사된 빛을 DMD 소자(600)로 유도하고 DMD 소자(600)에 의해 구현된 영상을 투영렌즈계(700)로 전달한다. 광방향제어부(900)는 전반사 프리즘으로 구성되며, 전반사 프리즘의 입사면은 볼록한 구면을 갖는 것이 가능하다. 광방향제어부(900)는 전반사 프리즘에 한정되지 않으며 광의 경로를 변경하고 투영렌즈계(700)의 중심축과 교차하는 광학 디바이스(200)의 광축을 적정한 입사각으로 굴절 또는 반사시키기 위한 대물렌즈 및 미러 등을 포함할 수도 있다.
디스플레이소자로 사용되는 DMD 소자(600)는 이차원적으로 배열된 미세한 다수개의 미러들을 가지는 픽셀로 이루어진다. MEMS(MICRO ELECTRO MECHANICAL SYSTEM)기술을 이용하여 각 픽셀에 대응하여 배치된 메모리소자의 정전계 작용에 따라 미러들의 경사를 제1 및 제2각도로 구동시켜 반사광의 각도를 변화시킴에 따라 광의 온/오프(On/Off)를 제어하는 구동원리를 가진다. DMD 소자(600)를 이용할 경우, 다른 형태의 디스플레이소자에 비해 소자의 응답속도가 빨라 동화상을 더 부드럽고 유연하게 재생할 수 있는 장점이 있다.
투영렌즈계(700)는 DMD 소자(600)에 의해 구현된 영상을 스크린(800)으로 확대 투사하도록 복수의 렌즈 등으로 마련된다.
스크린(800)은 장방형의 사각형 형상을 가지며 실질적으로 영상을 표시한다.
도 7은 본 발명의 제2실시예에 따른 광학 디바이스를 포함하는 다른 프로젝션 시스템의 개략도이다. 본 실시예에 따른 프로젝션 시스템은 디스플레이 소자로 LCD(Liquid Crystal Display; 610)가 사용된다.
LCD(610)의 경우 액정패널의 배면에서 광이 제공되어야 하므로 광학 디바이스(200)는 LCD(610)의 배면에 위치하며, LCD(610) 및 광학 디바이스(200) 사이에는 광을 평행광으로 해 주기 위한 콜리메이터(920)가 마련된다.
도 8은 본 발명의 제2실시예에 따른 광학 디바이스를 포함하는 또 다른 프로젝션 시스템의 개략도이다. 본 실시예에 따른 디스플레이소자는 LCOS(LIQUID CRYSTAL ON SILICON) 소자(620)이며, 광방향제어부로서 편광분할기(930), 선편광기(931) 및 광의 위상을 λ/4 만큼 천이시키는 위상천이부(932)를 포함한다.
LCOS 소자(620)는 기존의 LCD 패널과 비교하여 실리콘 반사형 LCD 패널을 사용한 것을 특징으로 한다. 반사형은 투과형에 비하여 화면의 밝기가 우수한 장점이 있으며 실리콘에 액정을 구성하고 있어 기존의 반도체 제조공정을 이용하기 용이하 여 최근 많이 개발되고 있는 디스플레이소자이다.
편광분할기(930)는 투영렌즈계(700)의 중심축과 교차하는 광학 디바이스(200)의 광축을 적정한 입사각으로 유도한다. 편광분할기(930)를 포함한 광방향제어부를 통하여 P파와 S파 중 어느 하나로 편광된 빛이 투영렌즈계(700)로 제공된다. 편광분할기(930)로는 와이어 그리드 편광기(wire grid polarizer)가 사용될 수 있다. 이러한 편광계는 빛의 편광을 이용한 LCD 소자에도 구비될 수 있다.
상술한 프로젝션 시스템 모두 디스플레이 소자(600, 610, 620)를 이용한 공간적 광변조기(spatial light modulator)이며, 각 소자마다 광 효율의 향상을 위한 대물 렌즈, 접안 렌즈, 콘덴싱 렌즈 또는 복수의 콜리메이터를 포함하는 것이 가능하다.
이하 도9a 내지 도9c를 참조하여 본 발명의 제6실시예에 따른 광학 디바이스를 설명한다. 도9a는 광원유닛(11)을, 도9b는 광혼합유닛(20) 및 제2광학렌즈(40)를 나타내고 있으며, 도9c는 광학 디바이스(101)의 단면도를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이 본 실시예에 따른 광학 디바이스(101)는 광원유닛(10), 광혼합유닛(20) 및 이들을 지지하는 지지부(30)를 갖는 제1광학렌즈(35)와 복수의 콘벡스(41)를 갖는 제2광학렌즈(40)를 포함한다.
광원유닛(11)은 복수의 광원(1, 2, 3, 5) 및 광원(5)이 실장되어 있는 광원기판(7)을 포함하며, 후술할 광혼합유닛(20)에 상이한 색의 빛을 제공한다.
광원(5)은 청색을 발광하는 녹색 광원(1), 녹색을 발광하는 녹색 광원(2) 및 적색을 발광하는 적색 광원(3)을 포함하며, 전체 광원(5)은 3X3 행렬 형태로 배열 되어 있다. 상이한 색을 방출하는 각 광원(1, 2, 3)의 개수는 동일하게 마련된다. 녹색 광원(2)은 행렬의 대각선에 배열되고, 적색 광원(3) 및 청색 광원(1)은 각각 삼각형의 꼭지점을 이루는 형상으로 배열되어 있다. 즉, 발광되는 빛이 잘 혼합될 수 있도록 광원(5)은 다른 색을 발광하는 광원(5)과 인접하게 배열된다. 따라서, 하나의 행 또는 열에는 각각 서로 상이한 색상의 광원(5)이 배열되어 있다.
도9b에 도시되어 있는 광혼합유닛(20)은 제1실시예와 유사한 구성을 가지므로 중복된 설명은 생략한다.
본 실시예에 따른 광혼합부(23)의 출사면에는 복수의 콘벡스(23a)가 형성되어 있다. 이러한 콘벡스(23a)에 의하여 빛은 다른 방향으로 방사되지 않고 제2광학렌즈(40)의 원하는 위치로 입사된다.
제2광학렌즈(40)는 광혼합부(23)로부터 출사된 빛을 집광하는 역할을 하는 플라이-아이 렌즈(fly-eye lens)로서 입사면에는 광혼합부(23)의 콘벡스(23a)와 대응되도록 복수의 콘벡스(41)가 형성되어 있다. 이러한 복수의 콘벡스(23a, 41)는 광원(5)에 대응되도록 형성되어 있으며, 집광율을 높이기 위한 것이다. 본 발명에 따른 광학 디바이스(101)는 각 광원(5)으로부터 출사된 광을 광혼합부(23)의 콘벡스(23a) 및 제2광학렌즈(40)의 콘벡스(41)로 유도한 뒤 정확하게 원하는 외부의 광학 소자에 전달한다.
도9c는 광학 디바이스(101)의 단면도를 도시한 것으로, 지지부(30)는 광원유닛(11) 및 광혼합유닛(20)을 지지한다.
도 10은 본 발명의 제6실시예에 따른 광학 디바이스를 포함하는 프로젝션 시 스템의 개략도이다.
도시된 바와 같이 프로젝션 시스템은 광학 디바이스(101), 디스플레이 소자인 DMD(DIGITAL MICROMIRROR DEVICE) 소자(600), 광방향제어부(940), 투영렌즈계(700), 및 스크린(800)을 포함한다.
광학 디바이스(101)는 도9에 도시된 것으로 중복된 설명은 생략한다. 광학 디바이스(101)로부터 출사된 빛은 광방향제어부(940)를 통해 DMD 소자(600)로 제공된다.
광방향제어부(940)는 광학 디바이스(101)로부터 출사된 빛을 DMD 소자(600)로 유도하고 DMD 소자(600)에 의해 구현된 영상을 투영렌즈계(700)로 전달한다. 광방향제어부(940)는 전반사 프리즘으로 구성되며, 전반사 프리즘의 입사면(941)은 볼록한 구면을 갖는다. 투영렌즈계(700)의 BFL(Back Focus Length)로서 전반사 프리즘을 사용함으로써 전반사 프리즘의 두께(d)/전반사 프리즘이 굴절율(n)만큼 감소하게 된다. 즉, 광이 공기보다 밀한 매질을 통과하게 되므로 그만큼 빛의 경로가 감소하게 되고, 보다 소형의 프로젝션 시스템의 구현이 가능해 진다. 광방향제어부(940)는 전반사 프리즘에 한정되지 않으며 광의 경로를 변경하고 투영렌즈계(700)의 중심축과 교차하는 광학 디바이스(101)의 광축을 적정한 입사각으로 굴절 또는 반사시키기 위한 대물렌즈 및 미러 등을 포함할 수도 있다.
상술한 광학 디바이스(100~500) 및 프로젝션 시스템의 구성요소를 간단히 정리하면 다음과 같다. 광학 디바이스이 포함하고 있는 광원(5, 55, 75)은 2차원의 다양한 배열이 가능하고, 광원(5, 55, 75)의 배열에 대응되도록 광유도부(21, 41, 61)의 입사면이 형성된다. 광유도부(21, 41, 61)는 광원 별로 분지되어 있거나 그렇지 않을 수도 있으며, 광유도부(21, 41, 61)에서 유도된 광은 광혼합부(23, 24, 43, 63)에서 혼합된다. 광혼합부(23, 24, 43, 63)는 광유도부(21, 41, 61)와 일체형으로 마련될 수도 있으며 미러(24b)를 포함한 광터널로 구성될 수 있다. 광유도부(21, 41, 61) 및 광혼합부(23, 24, 43, 63)는 원기둥 또는 다각 기둥으로 마련될 수도 있으며, 테이퍼 형상을 갖는 절두된 원뿔 또는 다각뿔로 형성될 수도 있다. 광혼합유닛(20)의 측면은 지지부(30)와 이격되어 있으며, 광원유닛(10, 50, 70)과 광혼합유닛(20, 40, 60)은 소정의 간격을 두고 떨어져 있다. 또한, 광원유닛(70)과 맞닿아 있는 광터널부(80)를 포함할 수도 있다.
프로젝션 시스템은 광원계 및 조명계로서 상술한 광학 디바이스를 이용하며, 디스플레이소자로서 DMD 소자, LCOS 소자 및 LCD 소자 등이 사용될 수 있다.
비록 본 발명의 몇몇 실시예들이 도시되고 설명되었지만, 본 발명의 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 원칙이나 정신에서 벗어나지 않으면서 본 실시예를 변형할 수 있음을 알 수 있을 것이다. 발명의 범위는 첨부된 청구항과 그 균등물에 의해 정해질 것이다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 광효율이 향상된 초소형 광학 디바이스 및 이를 포함한 프로젝션 시스템이 제공된다.
또한, 본 발명에 따르면 제조 비용이 절감되는 광학 디바이스 및 이를 포함한 프로젝션 시스템이 제공된다.

Claims (33)

  1. 광학 디바이스에 있어서,
    복수의 광원을 포함하는 광원유닛과;
    상기 광원유닛 상에 형성되며, 상기 각 광원으로부터 출사된 빛을 유도하는 광유도부 및 유도된 광을 혼합하는 광혼합부를 갖는 광혼합유닛과;
    상기 광혼합유닛을 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광유도부 및 상기 광혼합부는 일체형인 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광유도부는 상기 각 광원에 대응되는 복수의 입사면을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 광유도부는 개구가 형성되어 있는 입사면을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광유도부는 테이퍼 형상인 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 광유도부는 절두된(truncated) 원뿔 형상 및 절두된 다각뿔 형상인 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 광유도부의 입사면에는 원뿔 형상 및 다각뿔 형상의 함몰부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광혼합부는 원기둥, 각기둥, 절두된 원뿔 형상 및 절두된 다각뿔 형상 중 어느 하나 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 광혼합부는 공기층을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 광혼합부는 광이 반사될 수 있는 미러를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광혼합유닛은 폴리메타메틸아크릴레이트(PMMA) 및 폴리카보네이트(PC) 중 적어도 어느 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 광원유닛은 적색 광원, 청색 광원 및 녹색 광원을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 원 및 다각형 중 어느 하나의 형상으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 광원은 사각 형상으로 배열되어 있으며, 상기 녹색 광원은 상기 청색 광원 및 상기 적색 광원 개수의 두 배인 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 광원은 LED(Light Emit Diode) 및 LD(Laser Diode) 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 광혼합유닛으로부터 출사된 빛을 집광하는 광학렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 상기 광혼합유닛의 출사면과 상기 광학렌즈의 입사면에는 복수의 콘벡스가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  18. 광학 디바이스에 있어서,
    복수의 광원을 포함하는 광원유닛과;
    상기 광원유닛 상에 형성되며, 절두된(truncated) 원뿔 형상 및 절두된 다각뿔 형상의 광혼합부과;
    상기 광혼합부를 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 포함하고,
    상기 광혼합부의 입사면에는 원뿔 형상 및 다각뿔 형상의 함몰부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  19. 광학 디바이스에 있어서,
    입사면 및 출사면을 갖는 통 형상의 광터널부와;
    상기 입사면에 맞닿아 형성되어 있는 복수의 광원을 포함하는 광원유닛을 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 광터널부는 내벽면에 미러를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  21. 제19항에 있어서,
    상기 광원은 원 및 다각형 형상으로 배열되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  22. 광원을 포함하는 조명계와, 상기 조명계로부터 빛을 제공받아 영상을 구현하는 디스플레이소자와, 상기 디스플레이소자에 의해 구현된 영상을 확대 투사하는 투영렌즈계와, 투사된 영상이 표시되는 스크린을 갖는 프로젝션 시스템에 있어서,
    상기 조명계는, 복수의 광원을 포함하는 광원유닛과, 상기 광원유닛 상에 형성되며, 상기 각 광원으로부터 출사된 빛을 유도하는 광유도부 및 유도된 광을 혼합하는 광혼합부를 갖는 광혼합유닛 및 상기 광혼합유닛을 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 갖는 광학 디바이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 디스플레이소자는 DMD 소자, LCOS 소자 및 LCD 소자 중 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
  24. 제22항에 있어서,
    상기 조명계로 출사된 빛을 상기 디스플레이소자로 유도하고 상기 디스플레이소자에 의해 구현된 영상을 상기 투영렌즈계로 전달하는 광방향제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 디스플레이소자가 DMD 소자인 경우, 상기 광방향제어부는 전반사 프리즘, 대물렌즈 및 미러 중 적어도 어느 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
  26. 제24항에 있어서,
    상기 디스플레이소자가 LCD 소자 및 LCOS 소자 중 어느 하나인 경우, 상기 광방향제어부는 편광분할기를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
  27. 제24항에 있어서,
    상기 광방향제어부는 상기 디스플레이소자의 전면에 마련되는 콜리메이터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
  28. 광학 디바이스에 있어서,
    복수의 광원을 포함하는 광원유닛과, 상기 광원유닛 상에 형성되며, 상기 각 광원으로부터 출사된 빛을 유도하는 광유도부 및 유도된 광을 혼합하는 광혼합부를 갖는 광혼합유닛과, 상기 광혼합유닛을 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 갖는 제1광학렌즈와;
    상기 제1광학렌즈로부터 출사된 빛을 집광하며, 입사면에 복수의 콘벡스를 갖는 제2광학렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  29. 제28항에 있어서,
    상기 광혼합유닛의 출사면에는 복수의 콘벡스가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  30. 제28항 또는 제29항에 있어서,
    상기 콘벡스는 상기 광원유닛에 포함되어 있는 광원과 대응되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  31. 제28항에 있어서,
    상기 광원유닛은 적색 광원, 청색 광원 및 녹색 광원을 포함하고,
    상기 광원유닛은 3X3 행렬 형태로 배열되어 있으며, 상기 적색 광원, 상기 청색 광원 및 상기 녹색 광원은 동일한 개수가 마련되는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  32. 제31항에 있어서,
    상기 적색 광원, 상기 청색 광원 및 상기 녹색 광원 중 어느 하나는 상기 3X3 행렬의 대각선에 배열되고, 하나의 행 또는 하나의 열에는 서로 상이한 색상의 상기 광원이 배열되는 것을 특징으로 하는 광학 디바이스.
  33. 광원을 포함하는 조명계와, 상기 조명계로부터 빛을 제공받아 영상을 구현하는 디스플레이소자와, 상기 디스플레이소자에 의해 구현된 영상을 확대 투사하는 투영렌즈계와, 투사된 영상이 표시되는 스크린을 갖는 프로젝션 시스템에 있어서,
    상기 조명계는,
    복수의 광원을 포함하는 광원유닛과, 상기 광원유닛 상에 형성되며, 상기 각 광원으로부터 출사된 빛을 유도하는 광유도부 및 유도된 광을 혼합하는 광혼합부를 갖는 광혼합유닛과, 상기 광혼합유닛을 상기 광원유닛과 이격되도록 지지하는 지지부를 갖는 제1광학렌즈와;
    상기 제1광학렌즈로부터 출사된 빛을 집광하며, 입사면에 복수의 콘벡스를 갖는 제2광학렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝션 시스템.
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