KR100814643B1

KR100814643B1 - 이미지 프로젝션 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR100814643B1
Application number: KR1020060067371A
Authority: KR
Inventors: 권성훈
Original assignee: 주식회사 나노브릭
Priority date: 2006-07-19
Filing date: 2006-07-19
Publication date: 2008-03-18
Also published as: KR20080008015A; WO2008010651A1

Abstract

본 발명은 이미지 프로젝션 시스템 및 방법과 관련되어 있으며, 특히, 소형의 저가 휴대형 이미지 프로젝션 시스템 및 방법과 관련되어 있다.

본 발명은 조명 광을 제공하는 광원; 상기 조명 광을 수신하고 수신된 상기 조명 광에 포함된 적색, 녹색 및 청색의 3원색을 동시에 서로 다른 영역에 조명하는 조명 광학계; 상기 조명 광학계로부터 적색 광을 조명받는 영역, 녹색 광을 조명받는 영역 및 청색 광을 조명받은 영역의 3개의 영역으로 분할되고, 상기 3개의 영역 각각은 2행 이상의 변조 소자를 구비하고, 상기 2행 이상의 변조 소자 각각은 상기 조명 광학계로부터 조명된 광을 변조하여 한 번에 스크린의 한 픽셀에 기여하는 공간 광 변조기; 상기 공간 광 변조기로부터의 상기 변조된 광을 상기 스크린에 스캔함으로써 상기 스크린에 1 프레임에 해당하는 2차원의 이미지가 생성되도록 하는 프레임 스캐너; 및 상기 프레임 스캐너로부터 전달되는 상기 변조된 광을 투사하고, 상기 스크린에 포커싱하는 프로젝션 광학계를 포함하는 이미지 프로젝션 시스템을 제공한다.

Description

이미지 프로젝션 시스템 및 방법 {IMAGE PROJECTION SYSTEM AND METHOD}

도 1은 백색 광원(11), 칼라 휠(color wheel, 12), 조명 광학계(13), 2차원 SLM(14), 프로젝션 광학계(15) 및 스크린(16)을 사용한 종래의 이미지 프로젝션 시스템을 도시한 것이다.

도 2는 1차원 SLM(24)과 분리된 적색, 녹색 및 청색 광원(21)을 사용하는 종래기술에 의한 프로젝션 시스템을 도시한 것이다.

도 3은 도 2의 프로젝션 시스템에 있어서 시간 분할된 RGB 조명을 설명하기 위한 도면이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다.

도 5는 단일 색상에 대한 픽셀 휘도 변조의 3가지 예를 도시한 것이다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다.

*도면의 주요 부분에 부호의 설명*

11, 21, 31, 31', 31" : 광원 12 : 칼라 휠

13, 22, 32, 32' : 조명 광학계 14, 23, 33, 33' : 공간 광 변조기(SLM)

15, 25, 35 : 프로젝션 광학계 16, 26, 36 : 스크린

24, 34 : 프레임 스캐너 37 : 커플링 광학계

모바일 장치(랩탑 컴퓨터, 셀룰러 폰, PDA(Personal Digital Assistants), 디지탈 카메라, MP3 플레이어, PMP(Personal Media Player) 등)의 증가하는 인기와 처리 능력은 고속 광역 통신망(wide area networks)의 증가와 결합하여 저가의 소형 이미지 프로젝션 시스템을 위한 큰 시장을 형성하고 있다. 이미지 프로젝션 시스템은 독립적으로, 그리고 모바일 장치에 장착되어 사용될 수 있다. 모바일 장치와 마찬가지로, 이미지 프로젝션 시스템은 매우 작아야하고, 저가여야 하며, 배터리 전력 면에서 전력 효율이 높아야 한다.

오늘날 휴대형 이미지 프로젝션 시스템은 일반적으로 광원, 조명 광학 계(illumination optics), 공간 광 변조기(Spatial Light Modulator, 이하 간략히 SLM이라 함) 및 프로젝션 광학계를 사용한다. 광원 및 조명 광학계는 SLM을 균등하게 조명하고, SLM은 픽셀 단위로 빛의 세기를 변조하며, 프로젝션 광학계는 변조된 픽셀을 적절한 표면상에 투사하고 포커싱한다.

오늘날 프로젝션 시스템의 일반적 성능은 XGA 해상도(1024 x 768 픽셀), 60 Hz 프레임률(frame rate) 및 24 비트 칼라(3원색 당 8 비트 즉 256 세기 레벨(intensity level))이다. 대부분의 프로젝션 시스템은 백색 전구(white light bulb)를 사용하며, 백색광은 독립적 변조를 위해 3원색인 적색, 녹색, 청색 요소로 분리될 것이 요구된다.

프로젝션 시스템은 각 3원색 당 하나씩 총 3개의 SLM을 사용하거나 또는 도면과 같이 순차적으로 3개의 3원색으로 조명되는 단일 SLM을 사용한다. 단일 SLM 시스템이 한 번에 3원색 중 하나만이 투사되도록 하는 반면에, 3개의 SLM 시스템은 동시에 3개의 3원색이 모두 투사되도록 하며, 따라서, 더욱 밝다. SLM은 프로젝션 시스템에서 가장 비싼 부품이므로, 세개의 SLM 시스템은 단일 SLM 시스템보다 훨씬 더 비싸다. 또한, 각각의 적색, 녹색 및 청색 이미지를 정확하게 조합할 부가적인 광학계가 요구되므로, 복잡성과 비용을 더하게 된다.

최근에, 몇몇 프로젝션 시스템은 발광 다이오드(LED: Light Emitting Diode) 또는 레이저 다이오드(Laser Diode, 이하 간략히 LD라 함)와 같은 고체 상태 광원을 사용하기 시작했다. 고체 상태 광원은 본래 단색이며, 색 분리 광학계(color separation optics)가 필요하지 않다. 또한, 전기적 효율성, 높은 채도(color saturation) 및 넓은 색 범위(color gamut)를 제공한다.

가장 일반적인 형태의 SLM으로는 액정 디스플레이(liquid crystal display, 이하 간략히 LCD라 함), 실리콘 액정 표시 장치(Liquid Crystal on Silicon, 이하 간략히 LCOS라 함) 및 디지털 미러 장치(Digital Mirror Device, 이하 간략히 DMD라 함)가 있다. 이들은 모두 각 이미지 픽셀 당 단일 변조 소자를 가지는 2차원(2D) 장치이다. XGA 해상도의 경우에, 이들 장치는 768,432(1024 x 768)개의 개별 변조 소자를 가진다. 이러한 SLM은, 10 ㎛ 피치에서, 78.6 ㎟ 활성 이미지 영역을 갖는다.

대부분의 SLM은 반도체 또는 유리 웨이퍼 상에서 제조된다. 웨이퍼의 처리 비용(processing cost)은 그것이 포함하는 장치 즉 다이의 숫자와 독립적이다. 따라서, SLM의 표면 영역이 작을수록, 더 많은 SLM 다이가 웨이퍼 상에 제작될 수 있고, 따라서 더 많이 생산될 수 있으며, SLM의 단위 가격을 낮출 수 있다. 하지만, 절단, 핸들링, 팩키징과 관련한 실질적인 사정 때문에, 다이 크기에는 제한이 있다. 합리적으로 가장 작은 다이 치수는 약 1mm이고, 10 cm를 넘지 않는다. 이는 팩키징 및 신뢰도가 문제가 되었을 때, 종회비(aspect ratio)가 중요한 특징이 되기 때문이다. 작은 SLM의 추가적인 이점은 조명 광학계 및 프로젝션 광학계를 더 간단 하게, 더 작게, 더 싸게 이용할 수 있다는데 있다.

종래의 2D SLM은 저가의 소형 프로젝터를 위한 핵심 기술과 잘 맞지 않는다. 이 SLM의 소형화는 어려우며, 픽셀 크기의 감소는 제조 공정을 매우 복잡하고 고가로 만든다. 예를 들어, 텍사스 인스트루먼트 사(Texas Instrument)는 DMD 장치의 픽셀 크기를 감소시켰지만, 여태까지 16 ㎛ 내지 14 ㎛ 제곱일 뿐이다. LCOS 픽셀은 일반적으로 DMD 픽셀보다 작지만, 아직 8 ㎛ 이상이다. 이는 종래의 SLM을 저가이고 소형인 이미지 프로젝션 시스템에 통합하기에는 너무 크고 너무 고가이게 한다. 이미지 프로젝션에 대한 더욱 소형이고 잠재적으로 저가인 접근법은 일차원(1D) SLM을 사용하는 것이다. 단일 행의 변조 소자는 라인 이미지를 생성하고, 정규의 2차원 이미지를 생성하기 위해 빠르게 앞뒤로 스캐닝한다.

이러한 SLM은 표면 영역에서 상당히 작을 수 있으며, 생산하기에도 싸다. 따라서, 더 작고 더 싼 프로젝션 시스템의 실현을 가능하게 한다.

도 2는 1차원 SLM(24)과 분리된 적색, 녹색 및 청색 광원(21)을 사용하는 종래기술에 의한 프로젝션 시스템을 도시한 것이다. 도 2에 표현된 프로젝션 시스템은 RGB 광원(21), 조명 광학계(22), 1D SLM(23), 프레임 스캐너(24), 프로젝션 광학계(25) 및 스크린(26)을 구비한다. 도 3은 도 2의 프로젝션 시스템에 있어서 시간 분할된 RGB 조명을 나타내는 도면이다. 도 2의 SLM(23)은 1개의 열을 사용하여 프로젝션을 수행하므로, 도 3과 같이 서로 다른 시간에 RGB가 조명된다.

2D SLM에서 1D SLM으로의 전이는 변조 소자의 요구되는 속도를 크게 증가시 킨다. 예를 들어, XGA 해상도의 경우, 만약 1024 소자 1D SLM이 사용된다면, 요구되는 변조 속도는 768배 만큼 증가한다(각 변조 소자는 이제 순차적으로 768 픽셀을 변조해야 함). 이러한 변조 속도는 현재의 LCD, LCOS 또는 DMD 장치에 의해 지원될 수 없으며, 그 변조 기술을 1D SLM에 직접적으로 적용하는 것은 해상도 및/또는 프레임률 및/또는 색 범위의 관점에서 매우 중요한 절충을 요구할 것이다.

이미지 프로젝션에 대한 다른 접근법은, 음극선관(CRT: cathode ray tube)이 형광체 스크린을 가로질러 포커싱된 전자 빔을 스캐닝하듯이, 스크린을 가로질러 빛의 포커싱된 지점을 스캐닝하는 것이다. 이 접근법은 실제 스캐너가 매우 작을 수 있다는 이점을 제공한다. 하지만, 이 접근법은 단점도 갖고 있다. 이러한 프로젝션 시스템은 매우 밝은 광원이 필요하기 때문에 레이저를 사용해야 한다. 또한, 모든 픽셀이 순차적으로 투사되고, 스캐너로부터 분리되어 구현되어야 하므로, 변조 속도가 매우 높다. 소형의 적색 및 청색 레이저 다이오드가 가용하고 원칙적으로 직접 변조될 수 있는 반면에, 녹색 레이저 다이오드는 아직 존재하지 않는다. 현재 대부분의 소형 녹색 레이저는 808 nm 파장의 레이저 다이오드를 1064 nm 레이저의 펌프로서 사용하고, 그 후 1064 nm 레이저는 그 주파수가 비선형 크리스탈에 의하여 2배가 되어 532 nm 파장의 레이저가 된다. 이 녹색 레이저들은 적색 및 청색 레이저 다이오드보다 훨씬 크고, 고가이며, 전력 효율이 낮다. 또한, 50 kHz 이상의 속도에서 변조될 수 없고, 따라서, 외부 변조기(예를 들어, 음향 광학 변조기(acousto-optic modulator)가 필요하다. 이는 프로젝터의 복잡성, 크기, 전력 소비 및 비용을 증가시킨다.

여기에 설명된 본 발명은 1D SLM이 갖는 비용 및 소형화 장점, 3개의 SLM 시스템이 갖는 휘도(brightness) 장점 및 2D SLM의 감소된 변조 요구 조건을 결합한다. 이렇게 함에 있어서, 본 발명은 최소 다이 크기에 대한 현재의 제한 사항을 최적으로 이용한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 기술적 수단으로서, 본 발명의 제 1 측면은 조명 광을 제공하는 광원; 상기 조명 광을 수신하고 수신된 상기 조명 광에 포함된 적색, 녹색 및 청색의 3원색을 동시에 서로 다른 영역에 조명하는 조명 광학계; 상기 조명 광학계로부터 적색 광을 조명받는 영역, 녹색 광을 조명받는 영역 및 청색 광을 조명받은 영역의 3개의 영역으로 분할되고, 상기 3개의 영역 각각은 2행 이상의 변조 소자를 구비하고, 상기 2행 이상의 변조 소자 각각은 상기 조명 광학계로부터 조명된 광을 변조하여 한 번에 스크린의 한 픽셀에 기여하는 공간 광 변조기; 상기 공간 광 변조기로부터의 상기 변조된 광을 상기 스크린에 스캔함으로써 상기 스크린에 1 프레임에 해당하는 2차원의 이미지가 생성되도록 하는 프레임 스캐너; 및 상기 프레임 스캐너로부터 전달되는 상기 변조된 광을 투사하고, 상기 스크린에 포커싱하는 프로젝션 광학계를 포함하는 이미지 프로젝션 시스템을 제공한다.

본 발명의 제 2 측면은 조명 광을 제공하는 광원; 상기 조명 광을 수신하고 수신된 상기 조명 광에 포함된 적색, 녹색 및 청색의 3원색을 서로 다른 영역에 조 명하는 조명 광학계; 상기 조명 광학계로부터 적색 광을 조명받는 영역, 녹색 광을 조명받는 영역 및 청색 광을 조명받은 영역의 3개의 영역으로 분할되고, 상기 3개의 영역 각각은 2행 이상의 변조 소자를 구비하고, 상기 2행 이상의 변조 소자 각각은 상기 조명 광학계로부터 조명된 광을 변조하여 한 번에 스크린의 한 픽셀에 기여하는 공간 광 변조기; 및 상기 공간 광 변조기부터의 광을 투사하고, 상기 스크린에 포커싱하는 프로젝션 광학계를 포함하며, 상기 공간 광 변조기는 상기 변조된 광을 상기 스크린에 스캔함으로써 상기 스크린에 1 프레임에 해당하는 2차원의 이미지가 생성되도록 하는 이미지 프로젝션 시스템을 제공한다.

본 발명의 제 3 측면은 이미지 프로젝션 방법에 있어서, (a) 복수의 영역을 가지고 상기 복수의 영역 각각은 복수 행의 변조 소자를 가지는 공간 광 변조기에 복수의 색을 가지는 광을 조명하되, 상기 복수의 영역 각각은 1색을 가지는 광이 조명되는 단계; (b) 상기 변조 소자를 제어하여 상기 조명된 광을 변조하는 단계; 및 (c) 상기 변조된 광을 스크린에 스캔함으로써 상기 스크린에 1 프레임에 해당하는 2차원 이미지가 생성되도록 하는 단계를 포함하는 이미지 프로젝션 방법을 제공한다.

이하, 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 여러가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들로 인하여 한정되는 식으로 해석되어 져서는 안된다. 본 발명의 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가 진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.

도 4는 본 발명의 제1 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다. 도 4를 참조하면 프로젝션 시스템은 RGB 광원(31), 조명 광학계(32), SLM(33), 프레임 스캐너(34), 프로젝션 광학계(35) 및 스크린(36)을 포함한다. 프로젝션 시스템은 커플링 광학계(coupling optics, 37)를 더 포함할 수 있다.

RGB 광원(31)은 조명 광을 제공하는 기능을 수행한다. 도면에 표현된 광원은 단일 광원 일례로 3원색 각각에 대하여 하나의 LED를 사용한 광원이다. 도 2의 시간 다중화된 RGB 광원(21)과 달리 도 4의 RGB 광원(31)은 바람직하게 동시에 RGB를 조명한다.

조명 광학계(32)는 RGB 광원(31)으로부터의 조명 광을 수신하고 수신된 조명 광에 포함된 적색, 녹색 및 청색의 3원색을 동시에 SLM(33)의 서로 다른 영역에 조명하는 기능을 수행한다. 보다 구체적으로, 조명 광학계(32)는 적색 광을 SLM(33)의 적색 변조 소자로 조명하고, 녹색 광을 SLM(33)의 녹색 변조 소자로 조명하고, 청색 광을 SLM(33)의 청색 변조 소자로 조명한다.

SLM(33)은 조명 광학계(32)로부터 적색, 녹색 및 청색 광을 조명받은 3개의 영역으로 분할되고, 3개의 영역 각각은 2행 이상의 변조 소자를 구비하고, 변조 소자 각각은 조명 광학계(32)로부터 조명된 광을 변조한다. SLM(33)은 1개의 다이(die)로 제작되며, 복수 행의 적색 변조 소자, 복수 행의 녹색 변조 소자 및 복수 행의 청색 변조 소자를 포함한다. SLM(33)은 조명 광학계(32)로부터 조명되는 광을 변조하여 출력하는 기능을 수행한다. 도면에 표현된 SLM(33)은 48행으로 이루어지며, 각 행은 1024개의 변조 소자를 포함한다. 또한, 도면에 표현된 SLM(33)은 16행의 3개의 영역으로 그룹핑된다. 3개의 영역은 동시에 각각 하나의 3원색으로 조명된다. 바람직하게, 변조에 사용되는 데이터는 SLM(33)에 포함된 모든 변조 소자에 동시에 로딩된다.

프레임 스캐너(34)는 SLM(33)으로부터의 변조된 광을 프로젝션 광학계(35)를 통하여 스크린(36)에 스캔함으로써 스크린(36)에 1 프레임에 해당하는 2차원의 이미지가 생성되도록 한다. 바람직하게, 프레임 스캐너(34)는 스크린에 입사되는 광이 1행씩 쉬프트되도록 제어할 수 있다. 보다 구체적으로, 프레임 스캐너(34)가 SLM(33)에서 변조된 48 × 1024의 변조된 광을 스크린의 1 내지 48행에 조명하였다면, SLM(33)에서 그 다음으로 변조된 48 × 1024의 변조된 광을 스크린의 2 내지 49행에 조명하는 방식으로 동작할 수 있다. 또한, 프레임 스캐너(34)는 스크린에 입사되는 광이 복수 행씩 가령 2행씩 쉬프트되도록 제어할 수 있다. 1행씩 쉬프트하는 경우에 비하여, 2행씩 쉬프트하는 경우는 변조 소자의 동작 속도를 감소시킬 수 있다는 장점을 가지나, 동시에 표현할 수 있는 휘도 레벨은 감소한다는 단점을 가진다.

프로젝션 광학계(35)는 프레임 스캐너(34)에서 전달되는 변조된 광을 확대하고, 포커싱하여 스크린(36)에 투사한다. 이미지 프로젝션 시스템은 SLM(33)과 프레임 스캐너(34) 사이 위치한 커플링 광학계(37)를 더 구비할 수도 있다.

시간 상의 특정 포인트에서, SLM(33)은 48 × 1024의 픽셀의 휘도에 기여한 다. 프레임 스캐너(34)의 스캐닝을 통해, 스크린(36) 이미지의 각 프레임의 각 픽셀은 16개의 적색, 16개의 녹색, 16개의 청색 변조 소자들로부터 나온 빛으로 순차적으로 조명된다. 따라서, 각 픽셀의 최종 휘도는 순차적인 48 SLM 변조 소자의 휘도의 합이 된다. 예를 들어, 적색만 고려하면, 모든 적색 소자가 온(on)인 경우에, 픽셀은 밝은 적색일 것이다. 만약 모두 오프(off)라면, 픽셀은 검정색일 것이다. 만약 반이 온이라면, 픽셀은 중간 휘도의 적색일 것이다. 따라서, 16 적색 변조 소자는 그들을 단순히 온 또는 오프로 스위칭함으로써, 16 휘도 레벨의 제어를 가능하게 한다.

도 5는 단일 색상에 대한 픽셀 휘도 변조의 3가지 예를 도시한 것이다. 서브 픽셀은 스크린(36)의 이미지 픽셀의 휘도에 순차적으로 기여하는 SLM(33)의 개별 변조 소자를 지칭한다. 도 5의 (a)는 모든 서브 픽셀이 온 상태로써, 이미지 픽셀이 밝은 상태이다. 도 5의 (b)는 일부의 서브 픽셀이 온 상태로써, 이미지 픽셀이 중간 휘도를 가진다. 도 5의 (c)는 모든 서브 픽셀이 오프 상태로써, 이미지 픽셀이 어두운 상태이다.

추가적인 휘도 레벨은 펄스 폭 변조(PWM: Pulse Width Modulation)의 사용에 의해 생성될 수 있다. 단일 이미지 픽셀이 조명되는 동안에 변조 소자가 N번 온 또는 오프로 스위칭될 수 있다면, 가용한 휘도 레벨의 숫자는 N배 더 높아질 것이다. 예를 들어, 단일 이미지 픽셀이 조명되는 동안에 변조 소자가 4번 스위칭될 수 있다면, 밝기 레벨의 총 수는 색상당 64(=16 x 4)가 될 것이다.

소자의 원하는 변조가 광원의 변조와 결합될 수 있다. 예를 들어, 변조 소자의 임의의 설정 기간 동안, 광원은 턴-오프될 수 있다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다. 도 6을 참조하면 프로젝션 시스템은 RGB 광원(31`), 조명 광학계(32), SLM(33), 프레임 스캐너(34), 프로젝션 광학계(35) 및 스크린(36)을 포함한다. 프로젝션 시스템은 커플링 광학계(37)를 더 포함할 수 있다.

단일 광원인 도 4의 RGB 광원(31)과 달리, 도 6의 RGB 광원(31')은 1차원 어레이 광원 즉 3원색 각각이 대하여 복수의 부 광원(sub-light source)으로 나뉘는 광원이다. 복수의 부 광원은 일례로 복수의 LED일 수 있다. 복수의 부 광원은 동일한 휘도를 가질 수 있으나, 도면과 같이 서로 다른 휘도를 가질 수 있다. 복수의 부 광원이 서로 다른 휘도를 가지고, 복수의 부 광원에서 출력되는 광이 SLM(33)의 서로 다른 행에 조명되는 경우, 제어 가능한 휘도 레벨을 더욱 증가시킬 수 있다. 가령, RGB 광원(31')에 포함된 적색 광원이 4개의 적색 부 광원으로 구성되며, 그 중 제1 적색 부 광원(상대적으로 8에 해당하는 휘도를 가짐)에서 출력되는 광이 SLM(33)의 1 내지 4행(제1 그룹)에 조명되고, 제2 적색 부 광원(상대적으로 4에 해당하는 휘도를 가짐)에서 출력되는 광이 5 내지 8행(제2 그룹)에 조명되고, 제3 적색 부 광원(상대적으로 2에 해당하는 휘도를 가짐)에서 출력되는 광이 9 내지 12행(제3 그룹)에 조명되고, 제4 적색 부 광원(상대적으로 1에 해당하는 휘도를 가짐)에서 출력되는 광이 13 내지 16행(제4 그룹)에 조명되는 경우, 60 휘도 레벨의 제어를 가능하게 한다. 그룹은 하나 또는 복수의 행으로 구성될 수 있다.

도 6의 다른 구성요소들은 도 4와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다. 도 7을 참조하면 프로젝션 시스템은 RGB 광원(31"), 조명 광학계(32'), SLM(33), 프레임 스캐너(34), 프로젝션 광학계(35) 및 스크린(36)을 포함한다. 프로젝션 시스템은 커플링 광학계(37)를 더 포함할 수 있다.

단일 광원인 도 4의 RGB 광원(31)과 달리, 도 7의 RGB 광원(31")은 2차원 어레이 광원이다. 즉, RGB 광원(31")은 2차원 어레이 형태로 배열된 복수의 부 광원으로 구성된다. 각 부 광원의 휘도는 변조 가능하며, 각 부 광원에서 제공된 조명 광은 조명 광학계(32')에 의하여 SLM(33)의 각 변조 소자에 조명된다. 이 경우, RGB 광원(31")은 그 자체로서 변조 소자의 속도를 증가시킬 필요 없이 픽셀 세기를 더욱 잘 제어할 수 있도록 변조된다. 도 7의 조명 광학계(32')는 광 결합을 필요로 하지 아니한다.

도 7의 다른 구성요소들은 도 4와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다.

도 8은 본 발명의 제4 실시예에 의한 이미지 프로젝션 시스템을 나타내는 도면이다. 도 8을 참조하면 프로젝션 시스템은 RGB 광원(31), 조명 광학계(32), SLM(33'), 프로젝션 광학계(35) 및 스크린(36)을 포함한다.

도 4의 프로젝션 시스템과 달리, 도 8의 프로젝션 시스템은 프레임 스캐너(34)를 생략하고, 대신에 SLM(33') 자체를 진동시킨다. 즉, SLM(33')이 도 4의 프레임 스캐너(35)의 기능도 수행한다.

도 8의 다른 구성요소들은 도 4와 동일하므로, 이에 대한 상세한 설명은 설명의 편의상 생략한다. 도 8에 있어서, RGB 광원(31)으로 도면과 같이 단일 광원이 사용될 수도 있으며, 도면과 달리 1차원 어레이 광원 또는 2차원 어레이 광원이 사용될 수도 있다.

여기에 설명된 프로젝션 시스템의 최대 프레임률은 SLM 변조 소자의 변조 속도 또는 SLM에 데이터가 로딩될 수 있는 속도(rate)에 의해 제한될 것이다. 예를 들어, 60 Hz 프레임률의 XGA 해상도 프로젝션의 경우에, 각 SLM 소자는 초당 최소 768 x 60 회 업데이트될 필요가 있다. 펄스 폭 변조의 사용은 업데이트 속도 요구 조건을 더 증가시킬 것이다. 데이터가 통상적으로 행해지는 것처럼 소자들의 작은 블록에 순차적으로 로딩되는 대신에 모든 SLM 소자에 동시에 로딩될 수 있다면, 데이터 속도는 현격히 증가할 것이다.

설명된 실시예들은 본 발명의 응용에 있어서, 암시적인 제한으로 해석되어서는 안된다. 당업자는 본 발명의 개념이 임의의 이미지 해상도 표준(VGA, SVGA, XGA, SXGA 등), 임의의 형태의 SLM(LCD, LCOS, DMD, 회절 광 밸브(GLV: Grating Light Valve) 등), 임의의 형태의 광원(백색 전구(white light bulb), LED, LD, 수 직 공동 표면 방출 레이저(Vertical Cavity Surface Emitting Laser, 이하 간략히 VCSEL이라 함), EELED(Egde Emitting Light Emitting Diodes) 등), 임의의 형태의 프레임 스캐너(MEMS 미러 스캐너, 폴리곤 미러 스캐너, 갈바닉(galvanic) 미러 스캐너 등), 임의의 형태의 광학계(굴절, 반사, 회절, 렌즈, 미러, 프리즘, 이색성(dichroic) 미러, 편광자, 코팅, 집적 광학계(integrated optics), 마이크로 광학계(micro-optics), 원형(round), 원통(cylindrical) 등), 임의의 형태의 색상 범위(color gamut)(RGB, CMYK 등)에 적용될 수 있음을 이해할 것이다. 본 발명은 디스플레이 외에 광 통신, 바이오메디컬 이미징(biomedical imaging) 및 광 리소그래피(optical lithography)에도 응용될 수 있다.

유사하게, 당업자는 다음 사항을 이해할 것이다.

2행 이상의 변조 소자가 각 색상 영역(color zone)에 사용될 수 있다.

1열 이상의 변조 소자가 이미지 픽셀의 각 열에 사용될 수 있다.

긴 방향 또는 짧은 방향 중 하나로 이미지가 스캔될 수 있다.

변조 소자는 정사각형, 직사각형 또는 임의의 형태일 수 있다.

변조 소자의 열은 정사각형, 직사각형 또는 임의의 형태일 수 있다.

x와 y방향으로 임의의 프로젝션 확대 배율의 차이는 프로젝션 광학계 또는 커플링 광학계에서 구현될 수 있다.

스캐닝 방법은 순차 주사(progressive scan) 또는 비월 주사(interlaced scan)일 수 있다.

임의의 레이저 광원은 단일 모드 또는 멀티 모드일 수 있다.

본 발명에 의한 이미지 프로젝션 아키텍쳐는 종래의 2D 및 1D 아키텍쳐에 비해 중요한 장점을 제공한다.

1. 추가 제조 비용 없이, 변조 소자의 행을 최소 다이 폭까지 더한다. 보다 구체적으로, 1D 아키텍쳐의 SLM은 이론상으로는 1×1024의 변조 소자에 해당하는 다이를 사용하면 되나, 실제의 다이는 종횡비(aspect ratio)에 제한이 있으므로, 일례로 50×1024의 변조 소자에 해당하는 다이를 사용할 수밖에 없다. 물론 50×1024의 변조 소자에 해당하는 다이를 사용하는 경우에도, 1D 아키텍쳐의 SLM은 1×1024의 변조 소자만을 형성한다. 그러나, 본 발명에 의한 이미지 프로젝션 아키텍쳐는 1개의 다이에 50×1024의 변조 소자를 형성하여 다이를 효율적으로 사용할 수 있다.

2. 3원색으로 SLM을 동시 조명하여, 종래의 세개의 SLM 시스템에서만 가능했던 휘도 효율과 동등하게 한다.

3. 최소 다이 폭의 구속이 있는 경우에도, SLM의 표면 영역이 2D 등가물에서보다 약 10배 더 작게 한다.

4. 1D SLM과 비교하여, 각 이미지 픽셀에서 각 색상을 변조하기 위해 16 소자가 가용하고, 각 변조 소자는 16 배 낮은 속도로 동작할 수 있고, SLM이 현재의 2D SLM의 표준 변조 기술을 사용하게 한다.

5. 색상 당 16 개의 변조 소자가 기여하므로, 가간접성의(coherent) 레이저 조명과 함께 종종 보일 수 있는 소위 얼룩(speckle)을 감소시키는 평균화 동작이 행해진다. 보다 구체적으로, x번째 변조 소자의 얼룩은 x+1번째 변조 소자의 얼룩과 다를 것이며, 따라서 여러 변조 소자의 얼룩이 합해져서 평균화됨으로써, 얼룩이 감소된다.

6. 색상 당 16개의 변조 소자가 기여하므로, 동일한 순 이미지 픽셀 휘도(the same net image pixel brightness)가 16 소자의 다중 설정(multiple setting)에 의해 구현될 수 있다. 예를 들어, 2개의 변조 소자를 사용하는 경우에, 01(오프 온)은 10(온 오프)과 동일한 휘도를 제공하지만, 얼룩은 다르다. 16 변조 소자를 가로질러, 프레임 단위(frame to frame basis)로 휘도 분포를 변화시키는 것은 임의의 얼룩의 추가적인 평균화와 감소를 제공할 것이다.

본 발명에 의한 프로젝터는 매우 작을 수 있으며(50 ㎤ 이하), 저가일 수 있다. 상기한 특정 실시예는 현재 2D SLM 기술로부터 변조 속도를 증가시킬 필요 없이, 프레임률 30 Hz 이상 및 250,000 색상(3원색 당 6 비트 또는 64 세기 레벨)에서 완전한 XGA 해상도 이미지를 제공할 것이다. 이 이미지 품질은 현재 모바일 장치에서 가용한 품질과 비교될 수 있다.

Claims

조명 광을 제공하는 광원;

상기 조명 광을 수신하고 수신된 상기 조명 광에 포함된 적색, 녹색 및 청색의 3원색을 동시에 서로 다른 영역에 조명하는 조명 광학계;

상기 조명 광학계로부터 적색 광을 조명받는 영역, 녹색 광을 조명받는 영역 및 청색 광을 조명받은 영역의 3개의 영역으로 분할되고, 상기 3개의 영역 각각은 2행 이상의 변조 소자를 구비하고, 상기 2행 이상의 변조 소자 각각은 상기 조명 광학계로부터 조명된 광을 변조하여 한 번에 스크린의 한 픽셀에 기여하는 공간 광 변조기;

상기 공간 광 변조기로부터의 상기 변조된 광을 상기 스크린에 스캔함으로써 상기 스크린에 1 프레임에 해당하는 2차원의 이미지가 생성되도록 하는 프레임 스캐너; 및

상기 프레임 스캐너로부터 전달되는 상기 변조된 광을 투사하고, 상기 스크린에 포커싱하는 프로젝션 광학계를 포함하며,

상기 공간 광 변조기는 1개의 다이(die)에 형성된 이미지 프로젝션 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 프레임 스캐너는 상기 변조된 광을 1행 단위로 쉬프트하며 상기 스크린에 스캔하는 이미지 프로젝션 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 프레임 스캐너는 상기 변조된 광을 복수 행 단위로 쉬프트하며 상기 스크린에 스캔하는 이미지 프로젝션 시스템.
삭제
제1 항에 있어서,

상기 광원은 적색 광원, 녹색 광원 및 청색 광원의 3개의 광원으로 구분되는 이미지 프로젝션 시스템.
제5 항에 있어서,

상기 3개의 광원 각각은 복수의 부 광원(sub-light source)로 나뉘는 이미지 프로젝션 시스템.
제6 항에 있어서,

상기 복수의 부 광원은 서로 휘도를 달리하며,

상기 3개의 영역 각각은 복수의 그룹을 구비하고, 상기 복수의 그룹 각각은 하나 또는 복수의 행을 구비하며,

상기 복수의 부 광원 중 각 부 광원은 상기 조명 광학계를 통하여 상기 복수의 그룹 중에서 상기 각 부 광원에 대응하는 그룹에 조명하는 이미지 프로젝션 시스템.
제6 항에 있어서,

상기 복수의 부 광원은 2차원 어레이 형태로 배열되어 있으며,

상기 복수의 부 광원 각각의 휘도는 변조가능하며,

상기 복수의 부 광원 각각에서 제공된 조명 광은 상기 조명 광학계에 의하여 상기 2행 이상의 변조 소자 각각에 조명되는 이미지 프로젝션 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 광원은 백색 전구, 발광 다이오드 및 레이저 다이오드 중 적어도 어느 하나인 이미지 프로젝션 시스템
제1 항에 있어서,

상기 공간 광 변조기는 액정 디스플레이(LCD), 실리콘 액정 표시장치(LCOS), 디지털 미러 장치(DMD) 또는 회절 광 밸브(GLV)인 이미지 프로젝션 시스템.
제1 항에 있어서,

상기 프레임 스캐너는 폴리곤 미러 스캐너, MEMS 미러 스캐너 또는 갈바노(galvano) 미러 스캐너인 이미지 프로젝션 시스템.
삭제
조명 광을 제공하는 광원;

상기 조명 광을 수신하고 수신된 상기 조명 광에 포함된 적색, 녹색 및 청색의 3원색을 서로 다른 영역에 조명하는 조명 광학계;

상기 조명 광학계로부터 적색 광을 조명받는 영역, 녹색 광을 조명받는 영역 및 청색 광을 조명받은 영역의 3개의 영역으로 분할되고, 상기 3개의 영역 각각은 2행 이상의 변조 소자를 구비하고, 상기 2행 이상의 변조 소자 각각은 상기 조명 광학계로부터 조명된 광을 변조하여 한 번에 스크린의 한 픽셀에 기여하는 공간 광 변조기; 및

상기 공간 광 변조기부터의 광을 투사하고, 상기 스크린에 포커싱하는 프로젝션 광학계를 포함하며,

상기 공간 광 변조기는 상기 변조된 광을 상기 스크린에 스캔함으로써 상기 스크린에 1 프레임에 해당하는 2차원의 이미지가 생성되도록 하며,

상기 광원은 적색 광원, 녹색 광원 및 청색 광원의 3개의 광원으로 구분되며,

상기 3개의 광원 각각은 복수의 부 광원(sub-light source)로 나뉘는 이미지 프로젝션 시스템.
제13 항에 있어서,

상기 공간 광 변조기는 상기 변조된 광을 1행 단위로 쉬프트하며 상기 스크린에 스캔하는 이미지 프로젝션 시스템.
제13 항에 있어서,

상기 공간 광 변조기는 상기 변조된 광을 복수 행 단위로 쉬프트하며 상기 스크린에 스캔하는 이미지 프로젝션 시스템.
삭제
삭제
제13 항에 있어서,

상기 복수의 부 광원은 서로 휘도를 달리하며,

상기 3개의 영역 각각은 복수의 그룹을 구비하고, 상기 복수의 그룹 각각은 하나 또는 복수의 행을 구비하며,

상기 복수의 부 광원 중 각 부 광원은 상기 조명 광학계를 통하여 상기 복수의 그룹 중에서 상기 각 부 광원에 대응하는 그룹에 조명하는 이미지 프로젝션 시스템.
제13 항에 있어서,

상기 복수의 부 광원은 2차원 어레이 형태로 배열되어 있으며,

상기 복수의 부 광원 각각의 휘도는 변조가능하며,

상기 복수의 부 광원 각각에서 제공된 조명 광은 상기 조명 광학계에 의하여 상기 2행 이상의 변조 소자 각각에 조명되는 이미지 프로젝션 시스템.
삭제
삭제
이미지 프로젝션 방법에 있어서,

(a) 복수의 영역을 가지고 상기 복수의 영역 각각은 복수 행의 변조 소자를 가지는 공간 광 변조기에 복수의 색을 가지는 광을 조명하되, 상기 복수의 영역 각각은 1색을 가지는 광이 조명되는 단계;

(b) 상기 변조 소자를 제어하여 상기 조명된 광을 변조하는 단계; 및

(c) 상기 변조된 광을 스크린에 스캔함으로써 상기 스크린에 1 프레임에 해당하는 2차원 이미지가 생성되도록 하는 단계를 포함하며,

상기 (a) 단계를 수행함에 있어서 상기 복수의 색이 동시에 상기 복수의 영역에 조명되는 이미지 프로젝션 방법.
제22 항에 있어서,

상기 변조 소자 각각은 한 번에 상기 스크린의 한 픽셀에 기여하는 이미지 프로젝션 방법.
제22 항에 있어서,

상기 (c) 단계를 수행함에 있어서 상기 변조된 광을 1행 단위로 쉬프트하며 상기 스크린에 스캔하는 이미지 프로젝션 방법.
제22 항에 있어서,

상기 (c) 단계를 수행함에 있어서 상기 변조된 광을 복수 행 단위로 쉬프트하며 상기 스크린에 스캔하는 이미지 프로젝션 방법.
제22 항에 있어서,

상기 (c) 단계를 수행함에 있어서 상기 스크린의 각 행은 1 프레임에 상기 변조된 광을 수차례 받는 이미지 프로젝션 방법.
제22 항에 있어서,

상기 공간 광 변조기는 1개의 다이(die)에 형성된 이미지 프로젝션 방법.
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