KR100815342B1 - 후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한디스플레이 장치 - Google Patents

후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한디스플레이 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 광변조기를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 특히 광변조기에 의해 형성된 +차수와 -차수의 회절광을 집광하는데 있어 렌즈계의 개구수를 크게 줄인 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
광변조기, 회절형, 디스플레이, 개구수

Description

후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치{Optical modulator display apparatus improved numerical number of an after-edge lens system}
도 1 및 도 2는 광의 반사나 회절을 이용하여, 광스위치, 광변조소자에 적용되는 광학 MEMS 소자의 대표적인 구성을 나타낸다.
도 3a 및 3b는 SLM(실리콘 라이트 머신)사(社)가 레이저 디스플레이용 광강도변환소자, 즉, 광변조기로서 개발한 GLV(Grating Light Valve) 디바이스의 구성을 나타낸다.
도 4는 삼성전기가 개발한 압전 재료를 이용한 함몰형 회절형 광변조기의 단면도이다.
도 5는 MEMS 소자를 적용한 광변조 소자로서의 GLV 디바이스, 또는 삼성전기의 압전 회절형 광변조기를 이용한 광학장치의 일실시의 형태를 나타낸다.
도 6a는 종래 기술에 따른 회절각이 큰 광학계의 일예시도이고, 도 6b는 종래 기술에 따른 회절각이 큰 광학계의 다른 예시도이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치의 구성도이다.
도 8은 도 7의 조명 렌즈를 통과하는 광의 경로를 보여주는 도면이다.
도 9은 도 7의 회절형 광변조기의 일실시예를 보여주는 도면이다.
도 10a 및 도 10b는 회절형 광변조기에 의해 생성된 회절광의 회절각을 보여주는 도면이다.
도 11은 도 7의 개구수 개선 및 광경로 보상을 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 도 7의 투사렌즈를 통과하는 광의 경로를 보여주는 도면이다.
도 13은 도 7의 공간 필터의 정면도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
700 : 광원 710 : 조명 렌즈
720 : 회절형 광변조기 730 : 광경로 보상기
740 : 필터계 750 : 프로젝션 시스템
760 : 스크린
본 발명은 광변조기를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것으로서, 특히 광변조기에 의해 형성된 +차수와 -차수의 회절광을 집광하는데 있어 렌즈계의 개구수를 크게 줄인 후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치에 관한 것이다.
미세기술의 진전에 따라서, 소위 초소형 전기적·기계적 복합체(Micro Electro Mechanical Systems; 이하 "MEMS"라 함)소자 및 MEMS소자를 조립한 소형기기가 주목되고 있다.
MEMS소자는 실리콘기판, 유리 기판 등의 기판상에 미세구조체로서 형성되고, 기계적 구동력을 출력하는 구동체와, 구동체를 제어하는 반도체 집적회로 등을 전기적으로, 또한 기계적으로 결합시킨 소자이다. MEMS소자의 기본적인 특징은 기계적 구조로서 구성되어 있는 구동체가 소자의 일부에 조립되어 있는 것이며, 구동체의 구동은 전극간의 쿨롱의 힘 등을 응용하여 전기적으로 행해진다.
도 1 및 도 2는 광의 반사나 회절을 이용하여, 광스위치, 광변조소자에 적용되는 광학 MEMS 소자의 대표적인 구성을 나타낸다.
도 1에 나타내는 광학MEMS소자(1)는 기판(2)과, 기판(2)상에 형성한 기판측전극(3)과, 기판측전극(3)에 대향하여 평행으로 배치한 구동측 전극(4)을 갖는 빔들보)(6)과, 이 빔(6)의 일단을 지지하는 지지부(7)를 갖추어 이룬다. 빔(6)과 기판측 전극(3)과는 그 사이의 공극(8)에 의해 전기적으로 절연되어 있다.
기판(2)은 예를 들면 실리콘(Si)이나 갈륨비소(GaAs) 등의 반도체 기판상에 절연막을 형성한 기판, 유리 기판과 같은 절연성 기판 등의 소요기판이 이용된다. 기판측 전극(3)은 불순물을 도핑한 다결정 실리콘막, 금속막(예를 들면 Cr증착막)등으로 형성된다. 빔(6)은 예를 들면 실리콘질화막(SiN막)등의 절연막(5)과, 그 상면에 형성된 막두께 100nm 정도의 예를 들면 Al막으로 이루는 반사막을 겸하는 구동측 전극(4)으로 구성된다. 이 빔(6)은 지지부(7)에 그 일단을 지지한, 소위 한쪽 지지형식으로 형성된다.
이 광학 MEMS 소자(1)에서는 기판측 전극(3)과 구동측 전극(4)에 주어지는 전위에 따라서, 빔(6)이 기판측 전극(3)과의 사이의 정전인력 또는 정전반발에 의해 변위하고, 예를 들면 도 1의 실선과 파선으로 나타내는 것같이, 기판측 전극(3)에 대하여 평행상태와 경사상태로 변위한다.
도 2에 나타내는 광학 MEMS 소자(11)는 기판(12)과, 기판(12)상에 형성한 기판측 전극(13)과, 기판측 전극(13)을 브리지형상으로 걸쳐진 빔(14)을 갖추어 이룬다. 빔(14)과 기판측 전극(13)과는 그 사이의 공극(10)에 의해 전기적으로 절연되어 있다.
빔(14)은 기판측 전극(13)을 브리지형상으로 걸어서 기판(12)상에 입각하는 예를 들면 SiN막으로 이루는 브리지 부재(15)와, 기판측 기판(13)에 대향하여 상호 평행하게 브리지부재(15)상에 설치된, 예를 들면 막두께 100nm정도의 Al막으로이루는 반사막을 겸하는 구동측 전극(16)으로 구성된다. 기판(12), 기판측 전극(13), 빔(14) 등은 도 1에서 설명한 것과 동일의 구성, 재료를 채용할 수 있다. 빔(14)은 그 양단이 지지된 소위 브리지식으로 형성된다.
이 광학 MEMS 소자(11)에서는 기판측전극(13)과 구동측전극(16)에 주어지는 전위에 따라서, 빔(14)이 기판측전극(13)과의 사이의 정전인력 또는 정전반발에 의해 변위하고, 예를 들면 도 2의 실선과 파선으로 나타내는 것같이, 기판측전극(3) 에 대하여 평행상태와 오목상태로 변위한다.
광학MEMS소자(1, 11)는 광반사막을 겸하는 구동측전극(4, 16)의 표면에 광이 조사되고, 빔(6, 14)의 구동 위치에 따라서, 그 광의 반사방향이 다른 것을 이용하여, 한 방향의 반사광을 검출하여 스위치기능을 가지게 한 광스위치로서 적용할 수 있다.
또, 광학 MEMS 소자(1, 11)는 광강도를 변조시키는 광변조소자로서 적용할 수 있다. 광의 반사를 이용하는 때는, 빔(6, 14)을 진동시켜서 단위 시간당의 일방향의 반사광량으로 광강도를 변조한다. 이 광변조소자는 소위 시간변조이다.
광의 회절을 이용하는 때는 공통의 기판측 전극(3, 13)에 대하여 복수의 빔(6, 14)을 병렬 배치하여 광변조소자를 구성하고, 공통의 기판측 전극(3, 13)에 대한 예를 들면 1개 거른 빔(6, 14)의 근접, 이간의 동작에 의해, 광반사막을 겸하 는 구동측 전극의 높이를 변화시키고, 광의 회절에 의해 구동측 전극에서 반사하는 광의 강도를 변조한다. 이 광변조소자는 소위 공간변조이다.
도 3a 및 도3b는 SLM(실리콘 라이트 머신)사(社)가 레이저 디스플레이용 광강도변환소자, 즉, 광변조기로서 개발한 GLV(Grating Light Valve) 디바이스의 구성을 나타낸다.
GLV디바이스(21)는 도 3a 및 도 3b에 나타내는 것 같이, 유리 기판등의 절연기판(22)상에 텅스텐, 티탄 등의 고융점 금속 및 그들의 질화막, 또는 폴리실리콘 박막에 의한 공통의 기판측 전극(23)이 형성되고, 이 기판측 전극(23)에 교차하여 브리지형으로 거는 복수, 본 예에서는 6개의 빔(24)[24 1 , 24 2 , 24 3 , 24 4 , 24 5 , 24 6 ] 이 병렬배치되어 이룬다. 기판측 전극(23) 및 빔(24)의 구성은 전술의 도 2에서 설명한 것과 동일 구성이다. 즉, 도 3b에 나타내는 것 같이, 빔(24)에서는 예를 들면 SiN막에 의한 브리지부재(25)의 기판측 전극(23)과 평행하는 면상에 막두께 100nm정도의 Al막에 의한 반사막겸 구동측 전극(26)이 형성되어 이룬다.
브리지부재(25)와, 그 위에 설치된 반사막겸 구동측 전극(26)으로 이루는 빔(24)은 리본으로 통칭되고 있는 부위이다.
빔(24)의 반사막겸 구동측 전극(26)으로서 사용한 알루미늄막(Al막)은 (1) 비교적 용이하게 구성할 수 있는 금속일것, (2) 가시광영역에서의 반사율의 파장분산이 작을 것, (3) Al막 표면에 생성한 알루미늄 자연산화막이 보호막으로 되어 반사면을 보호하는 것등의 이유로부터, 광학부품재료로서 바람직한 금속이다.
또, 브리지부재(25)를 구성하는 SiN막(질화실리콘막)은 감압CVD법에 의해 성막된 SiN막이며, 그 강도, 탄성정수 등의 물리값이 브리지부재(25)의 기계적 구동에 대하여 적절한 것으로 선정되어 있다.
기판측 전극(23)과 반사막겸 구동측전극(26)과의 사이에 미소 전압을 인가하면, 전술한 정전현상에 의해 빔(24)이 기판측 전극(23)에 향하여 근접하고, 또, 전압의 인가를 정지하면 이간하여 원래의 상태로 되돌린다.
GLV 디바이스(21)는 기판측 전극(23)에 대한 복수의 빔(24)의 근접, 이간의 동작(즉, 1개 거른 빔의 근접, 이간의 동작)에 의해, 광반사막겸 구동측 전극(26)의 높이를 교대로 변화시키고, 광의 회절에 의해 (6개의 빔(24)전체에 대하여 1개의 광스포트가 조사된다), 구동측전극(26)에서 반사하는 광의 강도를 변조한다.
정전인력 및 정전반발력을 이용한 구동하는 빔의 역학적 특성은 CVD법등에서 성막되는 SiN막의 물성에 의해 거의 결정되고, Al막은 미러로서의 역할이 주이다.
도 4는 삼성전기가 개발한 압전 재료를 이용한 함몰형 회절형 광변조기의 단면도이다.
도면을 참조하면, 삼성전기가 개발한 함몰형 박막 압전 광변조기는 실리콘 기판(40)과, 복수의 회절부재(42a~42n)를 구비하고 있다.
여기에서, 복수의 회절부재(42a~42n)는 일정한 폭을 가지며 일정하게 정렬하여 함몰형 박막 압전 광변조기를 구성한다. 또한, 이러한 복수의 회절부재(42a~42n)는 서로 다른 폭을 가지며 교번하여 정렬하여 함몰형 박막 압전 광변조기를 구성한다. 또한, 이러한 회절부재(42a~42n)는 일정간격(거의 회절부재(42a~42n)의 폭과 같은 거리)을 두고 이격되어 위치할 수 있으며 이 경우에 실리콘 기판(40)의 상면의 전부에 형성된 마이크로 미러층이 입사된 빛을 반사하여 회절시킨다.
실리콘 기판(40)은 회절부재(42a~42n)에 이격 공간을 제공하기 위하여 함몰부를 구비하고 있으며, 절연층(41)이 상부 표면에 증착되어 있고, 함몰부의 양측에 회절부재(42a~42n)의 단부가 부착되어 있다.
각각의 회절부재(여기에서는 도면부호 42a에 대해서만 자세히 설명하지만 나머지 42b~42n도 동일하다)는 막대 형상을 하고 있으며 중앙부분이 실리콘 기판(40)의 함몰부에 이격되어 위치하도록 양끝단의 하면이 각각 실리콘 기판(40)의 함몰부를 벗어난 양측지역에 부착되어 있고, 실리콘 기판(40)의 함몰부에 위치한 부분이 상하로 이동가능한 하부지지대(43a)를 포함한다.
또한, 회절부재(42a)는 하부지지대(43a)의 좌측단에 적층되어 있으며, 압전 전압을 제공하기 위한 하부전극층(44a)과, 하부전극층(44a)에 적층되어 있으며 양면에 전압이 인가되면 수축 및 팽창하여 상하 구동력을 발생시키는 압전 재료층(45a)과, 압전 재료층(45a)에 적층되어 있으며 압전재료층(45a)에 압전 전압을 제공하는 상부 전극층(46a)을 포함하고 있다.
또한, 회절부재(42a)는 하부지지대(43a)의 우측단에 적층되어 있으며, 압전 전압을 제공하기 위한 하부전극층(44a')과, 하부전극층(44a')에 적층되어 있으며 양면에 전압이 인가되면 수축 및 팽창하여 상하 구동력을 발생시키는 압전 재료층(45a')과, 압전 재료층(45a')에 적층되어 있으며 압전재료층(45a')에 압전 전압을 제공하는 상부 전극층(46a')을 포함하고 있다.
그리고, 국내 특허출원번호 제2003-077389호에는 위에서 설명한 함몰형뿐만 아니라 돌출형에 대하여 상세하게 설명하고 있다.
도 5는 상술의 MEMS 소자를 적용한 광변조 소자로서의 GLV 디바이스, 또는 삼성전기의 압전 회절형 광변조기를 이용한 광학장치의 일실시의 형태를 나타낸다. 본 예에서는 레이저 디스플레이에 적용되는 경우를 설명한다.
본 실시의 형태에 관계하는 레이저 디스플레이(51)는 예를 들면 대형스크린용 프로젝터, 특히 디지털 화상의 프로젝터로서 혹은 컴퓨터의 화상투영장치로서 이용된다.
레이저 디스플레이(51)는 도 5에 나타내는 것같이, 레이저광원(52)과, 레이저광원에 대하여 설치된 미러(54), 조명광학계(렌즈군)(56) 및 광변조소자로서 기 능하는 GLV 디바이스 또는 압전 회절형 광변조기(58)를 갖추고 있다.
또한, 레이저 디스플레이(51)는 GLV 디바이스 또는 압전 회절형 광변조기(58)에 의해 광강도가 변조된 레이저 광을 반사하는 미러(60), 투사 렌즈(62), 필터(64), 확산기(Diffuser)(66), 미러(68), 갈바노 스캐너(70), 투영광학계(렌즈군)(72) 및 스크린(74)을 갖추고 있다.
종래 기술에 따른 레이저 디스플레이(51)에서는, 레이저광원(52)에서 출사된 레이저광이 미러(54)를 경유하여 조명광학계(56)에서 GLV 디바이스 또는 압전 회절형 광변조기(58)에 입사한다.
또한, 레이저광은 GLV 디바이스 또는 압전 회절형 광변조기(58)에 의해 회절됨으로써 공간변조되고, 미러(60)에 의해 반사된 후에 투사 렌즈(62)에서 회절차수별로 분리되고, 필터(64)에 의해 신호성분만이 취출된다.
다음에, 이 화상신호는 확산기(Diffuser)(66)에 의해 레이저 스펙트럼이 저감되고, 미러(68)를 통하여 화상신호와 동기하는 갈바노 스캐너(68)에 의해 공간에 전개되고, 투영광학계(70)에 의해 스크린(72)상에 투영된다.
상기와 같은 종래 기술에 따르면, 회절형 광변조기의 회절격자 간격이 좁아지면 회절 각이 증가하게 되는데 이로 인해 투사 렌즈 등의 후단에 위치하는 렌즈계의 NA(개구수; Numerical Aperture)가 증가하게 된다.
도 6a는 종래 기술에 따른 회절각이 큰 광학계의 일예시도로서, 회절각(θ)이 크면 투사 렌즈의 개구수가 증가하게 된다.
도 6b는 종래 기술에 따른 회절각이 큰 광학계의 다른 예시도로서 조명빔의 입사각이 다르나 회절각(θ)이 크면 투사 렌즈의 개구수가 증가하게 되는 것은 도 6a의 일실시예와 동일하다. 이처럼 투사 렌즈 등의 회절형 광변조기의 후단에 위치하는 렌즈계의 개구수가 증가하게 되면 레이저 디스플레이를 설계하는데 많은 제약조건을 발생시키며, 또한 개구수가 크면 F/#이 작기 때문에 렌즈 설계에 많은 어려움이 따른다.
또한, 투사 렌즈 등의 후단 렌즈계의 중심 쪽으로 진행하는 광은 근축 광학계를 이루어 렌즈 성능이 좋아지는데 도 6a 및 도 6b와 같은 구조에서는 후단 렌즈계의 중심부분을 사용하지 못하고 후단 렌즈계의 주면을 사용하기 때문에 좋은 성능을 기대하기가 어렵다는 문제점이 있다.
따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 광변조기에 의해 형성된 +차수와 -차수의 회절광을 집광하는데 있어 렌즈계의 개구수를 크게 줄인 광변조기를 이용한 디스플레이 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은, 광원으로부터 출사된 광을 선형의 평행광으로 변화시켜 출사하는 조명 렌즈; 상기 조명 렌즈로부터 선형의 평행광이 입사되면 외부 제어신호의 제어에 따라 입사광에 대하여 변조를 수행하여 복수의 회절차수를 갖는 회절광을 형성하는 회절형 광변조기; 상기 회절형 광변조기로부터 형성된 복수의 회절차수를 갖는 회절광에서 +의 회절광과 그에 대응하는 -의 회절광을 근접시키는 개구수 개선부; 상기 개구수 개선부로부터 복수의 회절차수를 갖는 회절광이 입사되면 소정 차수의 회절광을 통과시키는 필터계; 및 상기 필터계로부터 소정 차수의 회절광이 입사되면 대상 물체에 집광하여 스캐닝하는 프로젝션 시스템을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
이제, 도 7 이하의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치의 구성도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치는 광원(700), 조명렌즈(710), 회절형 광변조기(720), 광경로 보상기(730), 필터계(740), 프로젝션 시스템(750), 스크린(760)을 포함하고 있다.
광원(700)은 발광 다이오드(Light emitting diode, LED)와 레이저 다이오드(Laser diode, LD) 같은 반도체를 사용하여 제작한 광원이 사용가능하다.
이러한 광원(700)의 단면도의 일예가 도 8의 (A)에 도시되어 있는데 도 8의 (A)를 참조하면 광원(700)의 단면은 원형이고, 그 광의 세기 프로파일은 도 8의 (B)에 도시된 바와 같이 가우시안(Gausian) 분포를 하고 있다.
조명 렌즈(710)는 입사광을 타원형 단면을 갖는 선형의 평행광으로 변화시키게 되는데, 실린더 렌즈(711), 콜리메이터 렌즈(712)로 이루어져 있다.
즉, 조명 렌즈(710)는 광원(700)에서 출력된 빔을 광로 방향에 대하여 수평 방향의 선형광으로 변환시켜 후술하는 회절형 광변조기(720)에 집속시키는 것으로서, 실린더 렌즈(711)와 콜리메이터 렌즈(712)로 구성된다.
여기에서, 실린더 렌즈(711)는 광원(700)로부터 입사되는 각각의 평행광을 광로 방향에 수평으로 위치하는 대응하는 회절형 광변조기(720)에 수평으로 입사시키기 위하여, 도 8의 (C)에 도시된 바와 같이 평형광을 수평방향의 선형광으로 변환시켜 해당하는 콜리메이터 렌즈(712)를 통하여 해당 회절형 광변조기(720)로 입사시킨다.
여기서, 콜리메이터 렌즈(712)는 광원(700)으로부터 실린더 렌즈(711)를 통하여 입사되는 구면광을 평행광으로 변환한 후, 이를 해당하는 회절형 광변조기(720)로 입사시킨다.
콜리메이터 렌즈(712)는 도 8에 도시된 바와 같이 일예로 오목렌즈(712a)와 볼록 렌즈(712b)를 구비하고 있다.
오목 렌즈(712a)는 실린더 렌즈(711)로부터 입사되는 선형광을 도 8의 (D)에 도시된 바와 같이 위 아래로 확장하여 볼록 렌즈(712b)로 입사시킨다. 볼록렌즈(712b)는 오목렌즈(712a)로부터 입사되는 입사광을 도 8의 (E)에 도시된 바와 같이 평행광을 변화시켜 출사한다. 도 8에서 (가)는 광원과 실린더 렌즈, 콜리메이터 렌즈로 이루어진 광학계의 사시도이고, 도 8에서 (나)는 평면도이며, 도 8의 (다)는 측단면도이고, 도 8의 (라)는 절단면도이다.
다음으로, 회절형 광변조기(720)는 입사광을 회절시켜 다수 차수의 회절계수를 갖는 회절광을 출사하며, 필터계(740)는 다수 차수의 회절계수를 갖는 회절광에서 원하는 차수의 회절광을 프로젝션 시스템(750)으로 통과시킨다.
여기에 사용되는 회절형 광변조기(720)로서 일예로 오픈홀 회절형 광변조기가 사용될 수 있는데 그 일예가 도 9에 도시되어 있다.
도면을 참조하면, 일실시예에 따른 오픈홀 기반의 회절 광변조기는 실리콘 기판(901a)과, 절연층(902a), 하부 마이크로 미러(903a)와, 복수의 회절부재(910a~910n)로 구성되어 있다. 여기에서, 절연층과 하부 마이크로 미러를 별개의 층으로 구성하였지만 절연층에 광을 반사하는 성질이 있다면 절연층 자체가 하부 마이크로 미러로서 기능하도록 할 수 있다.
실리콘 기판(901a)은 회절부재(910a~910n)에 이격 공간을 제공하기 위하여 함몰부를 구비하고 있으며, 절연층(902a)이 적층되어 있으며, 하부 마이크로 미러(903a)가 상부에 증착되어 있고, 함몰부를 벗어난 양측에 회절부재(910a~910n)의 하면이 부착되어 있다. 실리콘 기판(901a)을 구성하는 물질로는 Si, Al2O3, ZrO2, 석영(Quartz), SiO2 등의 단일물질이 사용되며, 바닥면과 위층(도면에서 점선으로 표시됨)을 다른 이종의 물질을 사용하여 형성할 수도 있다.
하부 마이크로 미러(903a)는 실리콘 기판(901a)의 상부에 증착되어 있으며, 입사하는 빛을 반사하여 회절시킨다. 하부 마이크로 미러(903a)에 사용되는 물질로는 금속(Al, Pt, Cr, Ag 등)이 사용될 수 있다.
회절부재(대표적으로 도면부호 910a에 대해서만 설명하지만 나머지도 같다)는 리본 형상을 하고 있으며 중앙부분이 실리콘 기판(901a)의 함몰부에 이격되어 위치하도록 양끝단의 하면이 각각 실리콘 기판(901a)의 함몰부를 벗어난 양측지역에 부착되어 있는 하부 지지대(911a)를 구비하고 있다.
하부 지지대(911a)의 양측면에는 압전층(920a, 920a')이 구비되어 있으며, 구비된 압전층(920a, 920a')의 수축 팽창에 의해 회절부재(910a)의 구동력이 제공된다.
하부 지지대(911a)를 구성하는 물질로는 Si 산화물(일예로 SiO2 등), Si 질화물 계열(일예로 Si3N4 등), 세라믹 기판(Si, ZrO2, Al2O3 등), Si 카바이드 등이 될 수 있다. 이러한 하부 지지대(911a)는 필요에 따라 생략할 수 있다.
그리고, 좌우측의 압전층(920a, 920a')은 압전 전압을 제공하기 위한 하부전극층(921a, 921a')과, 하부전극층(921a, 921a')에 적층되어 있으며 양면에 전압이 인가되면 수축 및 팽창하여 상하 구동력을 발생시키는 압전 재료층(922a, 922a')과, 압전 재료층(922a, 922a')에 적층되어 있으며 압전재료층(922a, 922a')에 압전 전압을 제공하는 상부 전극층(923a, 923a')을 구비하고 있다. 상부 전극층(923a, 923a')과 하부 전극층(921a, 921a')에 전압이 인가되면 압전재료층(922a, 922a')은 수축 팽창을 하여 하부 지지대(911a)의 상하 운동을 발생시킨다.
전극(921a, 921a', 923a, 923a')의 전극재료로는 Pt, Ta/Pt, Ni, Au, Al, RuO2 등이 사용될 수 있으며, 0.01~3㎛ 범위에서 스퍼터(sputter) 또는 증착(evaporation) 등의 방법으로 증착한다.
한편, 하부 지지대(911a)의 중앙 부분에는 상부 마이크로 미러(930a)가 증착되어 있으며 복수의 오픈홀(931a1~931a3)을 구비하고 있다. 여기에서 오픈홀(931a1~931a3)의 모양은 직사각형이 바람직하지만 원형, 타원형 등 어떤 폐곡선의 형상도 가능하다. 그리고 여기에서 하부 지지대를 광반사성 물질로 형성한다면 별도로 상부 마이크로 미러를 증착할 필요가 없으며 하부 지지대가 상부 마이크로 미러로 기능하도록 할 수 있다.
이러한 오픈홀(931a1~931a3)은 회절부재(910a)에 입사되는 입사광이 관통하여 오픈홀(931a1~931a3)이 형성된 부분에 대응하는 하부 마이크로 미러(903a)에 입사광이 입사되도록 하며, 이렇게 하여 하부 마이크로 미러(903a)와 상부 마이크로 미러(930a)가 화소를 형성할 수 있도록 한다.
즉, 일예로 오픈홀(931a1~931a3)이 형성된 상부 마이크로 미러(930a)의 (가) 부분과 하부 마이크로 미러(903a)의 (나) 부분이 하나의 화소를 형성할 수 있다.
이때, 상부 마이크로 미러(930a)의 오픈홀(931a1~931a3)이 형성된 부분을 관통하여 입사되는 입사광은 하부 마이크로 미러(903a)의 해당 부분에 입사할 수 있으며 상부 마이크로 미러(930a)와 하부 마이크로 미러(903a)의 간격이 λ/4의 홀수배가 될 때 최대의 회절광을 발생시킨다. 이외에도 본 발명에 이용가능한 오픈홀 회절 광변조기는 국내출원번호 제P2004-030159호에 개시되어 있다.
한편, 회절형 광변조기(720)는 조명렌즈(710)로부터 입사된 선형광을 회절시켜 회절광을 형성한 후, 회절광을 필터계(740)로 입사시킨다.
이때, 조명렌즈(710)로부터 입사된 선형광이 회절형 광변조기(720)에 수직으로 입사할 때 형성되는 +1차 회절광과 -1차 회절광이 도 10a 및 도 10b에 도시되어 있다.
도 10a를 참조하면 입사광이 수직으로 입사하면 양쪽 방향으로 +1차 회절광 및 -1차 회절광이 형성됨을 보여주는데 입사광으로부터 벌어진 각도 θ는 파장에 비례한다. 즉 파장이 길수록 θ는 커진다.
도 10b는 선형의 평행광이 회절형 광변조기에 입사될 때 형성되는 +1차의 선형의 회절광과 -1차의 선형의 회절광을 입체적으로 보여준다.
한편, 필터계(740)는 한 쌍의 개구수 개선용 미러(741a, 741b), 투사 렌즈(742), 공간 필터(743)를 구비하고 있다.
여기에서 한 쌍의 개구수 개선용 미러(741a, 741b)는 독립적인 미러로 서로 다른 반사각을 가지며, 입사되는 해당 회절차수의 회절광을 반사한다. 즉, 도면부호 740a는 +1차 회절광을 반사하고, 도면부호 740b는 -1차 회절광을 반사한다. 이때, 개구수 개선용 미러(741a, 741b)가 서로 다른 반사각을 가지고 있기 때문에 도 11에 도시된 바와 같이 +1차 회절광과 -1차 회절광을 모아 줄수 있게 되면 투사 렌즈(742)의 개구수가 개선되어 개구수가 작은 렌즈를 사용해도 된다. 도 11을 참조하면 개구수 개선용 미러(741a, 741b)는 독립적이며, 서로 다른 반사각을 가지고 있음을 알 수 있으며, 도면부호 741a의 반사각이 도면부호 741b의 반사각보다 더 크다.
그리고, 도 11을 참조하면 회절형 광변조기(720)로부터 형성된 회절광이 개구수 개선용 미러(741a, 741b)에 입사되기까지의 광 경로(a, b)는 서로 동일함을 알 수 있다.
그러나, 도면부호 741a의 개구수 개선용 미러에서 반사된 +1차의 회절광과 도면부호 741b의 개구수 개선용 미러에서 반사된 -1차의 회절광은 광경로가 c만큼 차이가 남을 알 수 있다. 즉, 도면에서 S'-S''의 경로차 c가 발생함을 알 수 있다. 이러한 광경로차는 본 발명의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치의 응용에서 큰 영향을 미치지 않을 수도 있지만, 광경로 보상기(730)를 -1차 회절광의 광경로상에 위치시켜 해결할 수 있다.
여기에서 광경로 보상기(730)는 굴절율이 1이 아닌 물질이 사용 가능하며 광을 투과할 수 있는 유리질 물질 등이 사용될 수 있다.
광경로 보상기(730)로 보상 매질이 사용되는 경우에는 일반적으로 보상되는 광경로 길이는 보상 매질의 굴절률이 N이고, 두께가 t일 때 다음 (수학식 1)에 의해 알 수 있다.
[수학식 1]
Δ=(N-1)*t
다음으로, 투사 렌즈(742)는 입사되는 회절광을 차수별로 분리하여 집광하며, 공간 필터(743)는 공간적으로 분리된 슬릿을 가지고 있어 원하는 차수의 회절광만을 통과시킨다.
여기에서 투사 렌즈(742)는 도 12에 도시된 바와 같이 개구수 개선용 미러(741a, 741b)에 의해 출사된 출사광을 집광시키게 된다. +1차 회절광은 0차의 회절광이 집광되는 위치로부터 떨어진 위쪽에 그리고 -1차의 회절광은 0차의 회절광이 집광되는 위치로부터 떨어져 아래쪽에 집광된다. 이러한 집광점에 가까운 지점에 공간 필터(743)의 슬릿을 위치시키면 원하는 차수의 회절광만을 통과시킬 수 있다. 이때 사용되는 공간 필터(743)의 정면도 도 13으로 +1차 회절광의 집광점의 위치와 -1차 회절광의 집광점의 위치가 서로 다르기 때문에 공간 필터(743)를 사용하여 분리할 수 있다.
프로젝션 시스템(750)은 입사된 회절광을 스크린(760)에 투사한다. 즉, 프로젝션 시스템(750)은 공간 필터(743)를 통하여 입사되는 소정의 회절계수를 갖는 회절빔을 스크린(760)에 집속시켜 스팟을 형성시키는 역할을 수행하는 것으로서, 보다 구체적으로는 프로젝션 렌즈(751)과 갈바노 미러(752)를 포함한다.
프로젝션 렌즈(751)은 +1차 회절광과 -1차 회절광을 모아 집광하는 역할을 수행하며, 갈바노 미러(752)는 스크린(760)에 스캐닝을 수행한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면, 회절각이 증가해도 렌즈의 개구수의 증가를 요구하지 않기 때문에 광학계를 설계하기가 용이하다는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, +차수의 회절광과 -차수의 회절광을 모아줄수 있게 되어 근축 광학계의 설계가 가능하여 렌즈 성능이 향상되는 효과가 있다.
여기에서, 상술한 본 발명에서는 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (5)

  1. 광원으로부터 출사된 광을 선형의 평행광으로 변화시켜 출사하는 조명 렌즈;
    상기 조명 렌즈로부터 선형의 평행광이 입사되면 외부 제어신호의 제어에 따라 입사광에 대하여 변조를 수행하여 복수의 회절차수를 갖는 회절광을 형성하는 회절형 광변조기;
    상기 회절형 광변조기로부터 형성된 복수의 회절차수를 갖는 회절광에서 +의 회절광과 그에 대응하는 -의 회절광을 근접시키는 개구수 개선부;
    상기 개구수 개선부로부터 복수의 회절차수를 갖는 회절광이 입사되면 소정 차수의 회절광을 통과시키는 필터계; 및
    상기 필터계로부터 소정 차수의 회절광이 입사되면 대상 물체에 집광하여 스캐닝하는 프로젝션 시스템을 포함하여 이루어진 후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절형 광변조기에서 출사되는 회절광의 +차수 또는 -차수의 광경로를 보상하기 위하여 상기 회절형 광변조기와 상기 개구수 개선부 사이에 위치한 광경로 보상기를 더 포함하여 이루어진 후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이 용한 디스플레이 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 광경로 보상기는 보상 매질인 것을 특징으로 하는 후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개구수 개선부는,
    서로 독립적이고 서로 다른 반사각을 갖고 입사되는 +차수의 회절광 또는 -차수의 회절광을 근접시켜 상기 필터계로 입사시키는 한쌍의 개구수 개선용 미러를 포함하여 이루어진 후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 필터계는,
    상기 회절광에 대하여 차수별로 회절광이 구별되도록 분리하는 투사 렌즈; 및
    상기 투사 렌즈에 의해 분리된 복수 차수의 회절광에서 원하는 차수의 회절광을 통과시키는 공간 필터를 포함하여 이루어진 후단 렌즈계의 개구수가 개선된 광변조기를 이용한 디스플레이 장치.
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