KR100861785B1 - 스페클 감소 압전 회절형 광 변조 시스템 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

스페클 감소 압전 회절형 광 변조 시스템 및 그 방법이 개시된다. 본 발명의 일 예에 따른 스페클 감소 압전 회절형 광 변조 시스템은 압전체의 수축 및 팽창에 따라 구동되는 리본의 상하 동작에 상응하여 전달된 영상을 변조하여 반사하는 압전 회절형 광 변조기; 상기 압전 회절형 광 변조기로부터 변조된 영상을 소정의 회절 영상으로 상기 스캐너에 전달하는 이미지 렌즈부; 및 상기 이미지 렌즈부로부터 전달된 회절 영상의 위상을 변조하는 위상 변조부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 압전 회절형 광 변조기를 이용하여 투사된 영상의 위상을 변화시켜 스페클(speckle)이 감소한 영상을 디스플레이할 수 있다.
멤스, 광 변조기, 인쇄회로기판, 캡, 드라이버 IC

Description

스페클 감소 압전 회절형 광 변조 시스템 및 그 방법{Spatial Optic Modulating System with speckle reduction and method thereof}
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기(SOM) 일부분의 사시도.
도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기(SOM) 일부분의 사시도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기(SOM)의 평면도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조 시스템의 개념도.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 0차 회절 영상의 반(Half)을 위상 변조하여 스펙클을 제거하는 압전 회절형 광 변조 시스템의 개념도.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 +1, -1차 회절 영상의 반(Half)을 위상 변조하여 스펙클을 제거하는 압전 회절형 광 변조 시스템의 개념도.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 스캐너에 위상 변조부를 연결하여 스펙클을 제거하는 압전 회절형 광 변조 시스템의 개념도.
도 8a은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 +1차 회절 영상 또는 -1차 회절 영상의 에너지 분포 그래프.
도 8b는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 +1 차 및 -1차 회절 영상의 중첩되는 경우 에너지 분포 그래프.
도 8c는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 +1차 또는 -1차 회절 영상의 위상 변조 후 중첩되는 경우 에너지 분포 그래프.
도 8d는 도 8c의 에너지 분포의 시간에 따른 평균 분포 그래프.
본 발명은 스펙클 감소 장치에 관한 것으로, 특히 스펙클 감소 압전 회절형 광 변조 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
종래의 광학 시스템은 크고 무거운 광학대 위에 미러, 렌즈 등을 조립기구를 이용하여 시스템을 구성한다. 결국, 이렇게 구성한 광학 시스템의 성능을 향상시키기 위해서는 정밀한 스케이지를 이용하여 광축 및 반사각, 반사면 등을 정밀하게 정렬해야 하는 문제점이 있었다.
이러한 문제를 개선하기 위해 소형화 기술에 의하여 광학 시스템을 구현하고자 하는 시도가 일어났다. 이러한 소형화 기술을 멤스((MEMS: Micro Electro Mechanical System)이라 하며 초소형 전기기계시스템 또는 소자라고 부를 수 있다. 특히, 멤스 기술 중 하나인 마이크로 머시닝 기술을 이용하면 1mm보다 작은 광학 부품뿐 아니라 초소형 광 시스템을 구현할 수 있다.
여기서, 초소형 광 시스템은 빠른 응답속도와 작은 손실, 집적화 및 디지털화 등의 장점으로 인하여 정보통신장치, 정보 디스플레이 및 기록장치에 채택되어 응용되고 있다. 예를 들면, 마이크로 미러, 마이크로 렌즈, 광섬유 고정대 등의 마이크로 광학 부품은 정보 저장 기록 장치, 대형 화상 표시장치, 광 통신소자, 적응 광학에 응용될 수 있다.
덧붙여, 종래의 대형 프로젝션 시스템과는 달리 소형이고 가격이 저렴한 광학시스템이 필요하게 되면서 종래 프로젝션 시스템을 개선하고 선명한 영상을 얻기 위해 마이크로 미러를 사용하여 대형 화상을 표시하는 장치가 제작 및 시판되게 되었다.
특히, 마이크로 미러를 포함하는 광 변조기는 광섬유를 또는 광주파수대(光周波數帶)의 자유공간을 전송매체로 하여 송신기에서 신호를 빛에 싣는 회로 또는 장치이다. 또한, 광 변조기는 광 메모리, 광 디스플레이, 프린터, 광 인터커넥션, 홀로그램 등의 분야에 사용되며, 현재 이를 이용한 표시장치의 개발 연구가 활발히 진행되고 있다.
하지만, 마이크로 미러를 이용하여 영상을 스크린에 투사하는 경우 투사된 광의 간섭에 의하여 밝고 어두움이 반복되는 스펙클(Speckle)이 발생하게 된다. 결국, 이러한 스펙클로 인하여 선명하지 못한 영상이 스크린에 맺히게 될 수 있다.
종래의 스펙클 감소 또는 제거 방법은 영상이 투사되는 스크린을 일정하게운동시켜 임의의 N개 다중 스펙클을 생성하고 이들의 무관계(uncorrelated)을 이용하 여 서로 상쇄하는 방법이었다.
또한, 스펙클을 감소시키기 위한 광학 소자를 영상 시스템에 추가하는 방법이 제시되었다. 즉, 위의 기능을 수행하는 광학 소자는 시스템의 투사 경로 중간에 위치하여 변조 또는 투사되는 영상의 위상을 변화시킴으로 스펙클을 제거 또는 감소시킬 수 있다.
또한, 종래에는 광 변조기와 스크린에 영상을 반사하는 프로젝션/스캐닝 장치 사이에 파면 변조기를 구비함으로써 스펙클을 제거하는 장치도 제안되었다. 하지만, 이들의 장치는 그 부피가 크고 복잡하다는 문제점이 있다. 즉, 영상을 투사하기 위하여 1차의 영상시스템 외에도 2차 영상시스템도 필요하기 때문이다. 이는, 휴대폰 등과 같이 이동성이 필수적인 소형 이동통신단말기 등에서는 이용될 수 없다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 바와 같이 압전 회절형 광 변조기에서 반사 또는 투사된 영상의 일부의 영상 위상을 변환함으로 스펙클을 감소시킨 압전 회절형 광 변조 시스템을 제공하는데 있다..
또한, 본 발명의 다른 목적은 상술한 2차 영상 시스템이 필요없어서 부피가 작고 더욱 간단한 스펙클 감소 압전 회절형 광 변조 시스템을 제공하는데 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 목적은 구조적 간편성으로 인한 비용을 줄인 스펙클 감소 압전 회절형 광 변조 시스템을 제공하는데 있다.
본 발명의 이외의 목적들은 하기의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하고 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에 일 실시예에 따른 스페클 제거 압전 회절형 광 변조 시스템은압전체의 수축 및 팽창에 따라 구동되는 리본의 상하 동작에 상응하여 전달된 영상을 변조하여 반사하는 압전 회절형 광 변조기; 상기 압전 회절형 광 변조기로부터 변조된 영상을 소정의 회절 영상으로 상기 스캐너에 전달하는 이미지 렌즈부; 및 상기 이미지 렌즈부로부터 전달된 회절 영상의 위상을 변조하는 위상 변조부를 포함할 수 있다.
덧붙여, 상기 압전 회절형 광 변조 시스템은 소정의 영상 신호에 상응하여 광원의 동작을 조절하기 위한 광원제어신호, 압전 회절형 광 변조기에 포함되어 상기 광원으로부터 출사된 광을 일정 픽셀에 상응하여 변조 반사하는 마이크로 미러의 동작을 조절하기 위한 영상제어신호 및 스크린에 영상을 반사하는 스캐너의 동작을 조절하기 위한 스캐너 제어신호를 생성하는 영상 제어부; 상기 광원으로부터 출사된 광을 일정한 각도로 굴절하고 집광하여 전달하는 조명 렌즈부; 상기 영상 제어부에서 전달된 상기 영상제어신호를 수신하고 상기 압전 회절형 광 변조기를 구동하기 위한 동작 신호를 생성하는 드라이버 IC; 및 상기 압전 회절형 광 변조기로부터 전달된 영상을 스크린에 반사하는 스캐너를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 위상 변조부는 푸리에 평면(Fourier Plane)에 위치할 수 있다. 특히, 푸리에 평면(Fourier Plane)은 상기 이미지 렌즈부로부터 일정한 거리에 형성되되, 상기 일정한 거리는 상기 이미지 렌즈부에 구비된 이미지 렌즈 반지름의 1/2일 수 있다.
상기 회절 영상은 0차 회절 영상이며 상기 위상 변조부는 상기 푸리에 평면을 통과하는 상기 0차 회절 영상의 단면에서 소정의 영역에 분포하는 광을 위상 변조할 수 있다.
여기서, 상술한 소정의 영역은 상기 단면의 1/3 ~ 2/3 일 수 있다. 또한, 상기 회절 영상은 +n(임의의 자연수)차 회절 영상 또는 -n차 회절 영상일수 도 있으며 상기 위상 변조부는 상기 +n차 회절 영상 또는 -n차 회절 영상의 위상을 변조할 수도 있다. 여기서, 상기 n 은 1 일 수 있다. 덧붙여, 상기 위상변조부는 상기 스캐너에 결합되어 본 발명의 일 구성으로 이룰 수도 있다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있다. 또한, 본 발명의 특정 실시예들은 발명을 구체화하고 발명의 기술적 사상을 더욱 명확하게 하기 위한 예일 뿐이며 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니다.
또한, 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 이하, 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호 를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
광 변조기는 크게 직접 광의 온/오프를 제어하는 직접 방식과 반사 및 회절을 이용한 간접 방식으로 나뉘며, 또한 간접 방식은 정전기 방식과 압전 방식으로 나뉠 수 있다.
특히, 미국특허번호 제5,311,360 호에 개시된 정전 구동 방식 격자 광 변조기는 반사 표면부를 가지며 기판 리본에 부유하는 다수의 변경 가능한 반사형 리본을 포함한다.
먼저, 절연층이 실리콘 기판상에 증착되고 이산화실리콘 막 및 질화실리콘 막의 증착한다. 여기서, 질화실리콘 막은 리본으로 패터닝되고 이산화 실리콘층의 일부가 에칭되어 리본이 질화물 프레임에 의해 산화물 스페이서 층상에 유지되도록 한다. 단일 파장 λ0를 가진 광을 변조시키기 위해, 변조기는 리본의 두께와 산화물 스페이서의 두께가 λ0/4가 되도록 설계된다.
리본상의 반사 표면과 기판의 반사 표면 사이의 수직 거리 d로 한정된 이러한 변조기의 격자 진폭은 리본(제1 전극으로서의 역할을 하는 리본의 반사 표면)과 기판(제2 전극으로서의 역할을 하는 기판 바닥의 전도막) 사이에 전압을 인가함으로써 제어된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기 일부분의 사시도이며 도 2는 본 발명의 바람직한 다른 실시에 따른 압전 회절형 광 변조기 일부분의 사시도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 기판(110, 210), 절연층(120, 220), 희생층(130, 230), 리본 구조물(140, 240)및 압전체(150, 250)를 포함하는 광 변조 소자가 도시되어 있다. 즉, 광 변조기는 m(m은 임의의 자연수)개의 광 변조 소자를 포함하여 구성될 수 있다.
기판은(110, 210)은 일반적으로 사용되는 반도체 기판이며, 절연층(120, 220)은 식각 정지층(etch stop layer)으로 증착되며, 희생층(130,230)으로 사용되는 물질을 식각하는 에천트(여기서 에천트는 식각 가스 또는 식각 용액임)에 대해서 선택비가 높은 물질로 형성된다.
여기서, 절연층(120, 220) 상에는 입사광을 반사하기 위해 반사층(120(a), 220(a))이 형성될 수 있다.
희생층(130, 230)은 리본 구조물(140, 240)이 절연층(120, 220)과 일정한 간격으로 이격되어 부유될 수 있도록 양 사이드에서 리본 구조물(140, 240)을 지지하고, 중심부에서 공간을 형성하는 역할을 한다.
리본 구조물(140, 240)은 절연층(120, 220)과의 거리를 변화되도록 상하동작을 함으로써 입사광의 회절 및 간섭을 일으켜서 신호를 광변조하는 역할을 한다. 즉, 압전체(150, 250)에 인가되는 정전기적 신호는 리본 구조물(140, 240)을 동작을 유도하게 되며 리본의 동작에 사응하여 입사광은 별개의 휘도를 발생한다. 여기 서, 리본 구조물(140, 240)의 형태는 상술한 바와 같이 정전기 방식에 따라 복수의 리본 형상으로 구성될 수도 있고, 압전 방식에 따라 리본의 중심부에 복수의 오픈 홀을 구비할 수도 있다.
또한, 압전체(150, 250)는 리본 및 바닥 전극간의 전압차에 의해 발생하는 상하 수축/팽창 동작 또는 좌우 수축/팽창 동작에 따라 리본 구조물(140, 240)을 움직이도록 제어한다.
반사층(120(a), 220(a))은 리본 구조물(140, 240)에 형성된 홀(140(b), 240(b))에 상응하도록 형성한다.
예를 들어, 빛의 파장이 λ인 경우 어떠한 전압도 인가되지 않거나 또는 소정의 전압이 인가된 상태에서 리본 구조물(140, 240)에 형성된 리본 반사층(140(a), 240(a)과 바닥 반사층(120(a), 220(a))이 형성된 절연층(120, 220)간의 간격은 nλ/2(n은 자연수)와 같다.
따라서 0차 회절광(반사광)의 경우 리본 구조물에 형성된 리본 반사층(140(a), 240(a))에서 반사된 광과 절연층(120, 220)으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 nλ와 같아서 보강 간섭을 하여 회절광은 최대 휘도를 가진다. 여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 광의 휘도는 상쇄 간섭에 의해 최소값을 가진다.
또한, 상기 인가된 전압과 다른 소정의 전압이 압전체(150, 250)에 인가될 때, 리본 구조물에 형성된 리본 반사층(140(a), 240(a))과 바닥 반사층(120(a), 220(a))이 형성된 절연층(120, 220)간의 간격은 (2n+1)λ/4(n은 자연수)와 같게 된다. 따라서, 0차 회절광(반사광)의 경우 리본 구조물에 형성된 리본 반사 층(140(a), 240(a))에서 반사된 광과 절연층(120, 220)의 바닥 반사층(120(a), 220(a))으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 (2n+1)λ/2와 같아서 상쇄 간섭을 하여 회절광은 최소 휘도를 가진다.
여기서, +1차 및 -1차 회절광의 경우 보강 간섭에 의해 광의 휘도는 최대값을 가진다. 이러한 간섭의 결과, 광 변조기는 반사 또는 회절광의 광량을 조절하여 신호를 빛에 싣고 전달할 수 있다.
이상에서는, 리본 구조물(140, 240)과 바닥 반사층(120(a), 220(a))이 형성된 절연층(120, 220) 간의 간격이 nλ/2 또는 (2n+1)λ/4인 경우를 설명하였으나, 입사광의 회절, 반사에 의해 간섭되는 세기를 조절할 수 있는 간격을 가지고 구동할 수 있는 다양한 실시예가 본 발명에 적용될 수 있음은 당연하다.
이하에서는, 상술한 도 1에 도시된 형태의 광 변조 소자를 중심으로 설명한다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조기(SOM)의 평면도이다.
압전 회절형 광 변조기(SOM)(SOM: Spatial Optic Modulator)는 압전체에 소정의 전압을 인가하여 기판과 리본(Ribbon)간의 거리를 변화시킴으로써 입사된 광량 및 휘도를 조절할 수 있는 광 변조기이다.
도 3을 참조하면, 광 변조기는 m(여기서, m은 임의의 자연수)개의 마이크로 미러들로 구성된다. 상세하게 설명하면, 광 변조기는 각각 제1 픽셀(pixel #1), 제2 픽셀(pixel #2),…, 제m 픽셀(pixel #m)을 담당하는 m개의 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m, 이하 100으로 통칭함)를 포함하여 구성된다. 본 발명에서는 하나의 광 변조 소자가 담당하는 역할이 광의 반사를 위한 마이크로 미러의 역할을 수행하므로 이하에서는 마이크로 미러로 통칭한다.
즉, 광 변조기는 수직 주사선 또는 수평 주사선(여기서, 수직 주사선 또는 수평 주사선은 m개의 픽셀로 구성되는 것을 가정함)의 1차원 영상에 대한 영상 정보를 담당하며, 각 마이크로 미러(100)는 1차원 영상(수직 주사선 또는 수평 주사선)을 구성하는 m개의 픽셀 중 어느 하나의 픽셀들을 담당한다.
따라서, 각 마이크로 미러(100)에서 반사 및 회절된 광은 광 스캔 장치에 의해 스크린에 2차원 영상으로 투사된다.
예를 들어, VGA 640X480 해상도를 가진 영상이 투사되는 경우, 480개의 수직 픽셀(pixels)로부터 반사된 480개의 픽셀은 광 스캔 장치를 통하여 스크린되며 이러한 동작이 광 스캔 장치의 한 면에 대하여 640번 순차적으로 일어남에 따라 640*480의 해상도를 가진 화면 1 프레임이 생성된다. 여기서, 광 스캔 장치는 폴리곤 미러(Polygon Mirror), 회전바(Rotating bar) 또는 갈바노 미러(Galvano Mirror) 등이 될 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따른 광 스캔 장치는 육각기둥의 형태를 가지며 회전하는 경우를 가정하고 설명한다.
이하, 광 변조 원리에 대해서는 제1 픽셀(pixel #1)을 담당하는 제1 마이크로 미러를 중심으로 설명하지만 다른 픽셀들에 대해서도 동일한 내용이 적용 가능함을 물론이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 리본 구조물(140)에는 2개의 홀(140(b)-1)로 이 형성되며 3개의 리본 반사층(140(a)-1)이 형성된다. 절연층(120)에는 2개의 홀(140(b)-1)에 상응하여 2개의 바닥 반사층(도면에서는 도시되지 않음)이 형성된다. 그리고 제1 픽셀(pixel #1)과 제2 픽셀(pixel #2)사이의 간격에 의한 부분에 상응하여 절연층(120)에는 또 하나의 바닥 반사층이 형성된다. 따라서, 각 픽셀당 리본 반사층(140(a)-1)과 바닥 반사층의 개수는 3개로 동일하게 된다. 즉, 도 1 및 도 2에 대한 설명에서 상술한 바와 같이 0차 회절광 또는 +1 및 -1 차 회절광을 이용하여 변조광을 휘도를 조절하는 것이 가능하다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조 시스템의 개념도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 압전 회절형 광 변조 시스템(440)은 광원(400), 다수의 조명 렌즈부(401, 402), 드라이버 IC(410), 압전 회절형 광 변조기(SOM)(420), 이미지 렌즈부(430), 스캐너(40), 영상 제어부(450)를 포함하여 구성된다.
여기서, 도 4는 소정의 개수의 1차원 형상으로 배열된 압전 회절형 광 변조기(SOM)(420)에 의하여 1차원 영상의 투사를 수행하는 광 변조 시스템을 도시하고 있다. 물론, 스캐너(440)의 회전 운동에 의하여 2차원 영상(예를 들어 640*480 의 해상도를 가지는 영상)의 투사를 수행할 수 있음은 도 3에 대한 설명에서 상술하였다.
광원(400)은 소정의 파장을 갖는 영상을 투사할 수 있으며 광원으로부터 출 사된 광은 조명 렌즈부(401, 402)를 통하여 일정한 각도로 굴절되고 집광되어 압전 회절형 광 변조기(420)에 전달된다..
조명 렌즈부(401, 402)는 광원으로부터 전달된 광의 이동 방향을 변환하여 압전 회절형 광 변조기에 집광하여 전달한다.
드라이버 IC(410)은 영상 제어부(450)에서 전달되는 영상 제어 신호를 수신하여 압전 회절형 광 변조기(420)를 구성하는 각각의 압전 회절형 광 변조 소자에 상응하는 영상 제어 신호를 전달하는 역할을 한다. 각 압전 회절형 광 변조 소자에 상응하여 전달되는 영상 제어신호는 별개의 정보를 가지게 된다. 즉, 드라이버 IC(410)는 영상 제어부(450)에서 전달된 영상제어신호를 수신하고 압전 회절형 광 변조기(420)를 구동하기 위한 구동 신호를 생성할 수 있다.
압전 회절형 광 변조기(420)는 전달된 단일 영상 형태의 선형광을 회절시켜 조성의 회절 계수를 갖는 회절 영상으로 형성한 후 스캐너(440)으로 주사시키는 것으로서, 소정의 형상의 박막 및 후막 구조를 갖는 다수의 압전 회절형 광 변조 소자를 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에 의하면, 압전 회절형 광 변조기(420)의 온도를 제어하기 위하여 온도 조절 장치가 구비될 수 있다.
즉, 압전 회절형 광 변조기(420)는 각각의 압전 회절형 광 변조 소자에 상응한 영상제어신호에 따라 광 변조 소자의 회절의 정도를 제어할 수 있다. 이를 통하여 광원으로부터 전달된 영상(예를 들어 640X480 픽셀 크기를 갖는 영상)을 스캐너에 투사할 수 있다.
물론, 압전 회절형 광 변조기는(420)는 도 3에서 설명된 형태와는 달리 다른 형태로 구성될 수 있음은 자명하다 할 것이다. 즉, 그 용도에 따라 별개로 구성될 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 예에 따르면, 입사광의 반사 효율을 극대화하기 위한 마이크로 미러(미도시)를 더 포함하여 구성할 수 있다.
이미지 렌즈부(430)는 압전 회절형 광 변조기(420)으로부터 입사되는 소정의 회절계수를 갖는 회절 영상을 스캐너(440) 등에 영상을 전달하는 역할을 수행하는 것으로서, 보다 구체적으로 프로젝션 렌즈이다. 예를 들면, 회절 영상의 소정의 회절계수가 +1, -1차인 경우 휘도를 증가시키기 위해서 두 회절 영상을 서로 집광하여 스캐너(440) 등에 영상을 전달할 수 있다.
상술한 바와 같이 이미지 렌즈부(430)을 통하여 프로젝션되는 회절 영상은 소정의 스펙클이 존재하는 영상일 수 있다. 이는 회절 영상의 간섭현상으로 인하여 발생하는 것임을 이미 상술한 바와 같다.
이에 따라, 본 발명의 일 실시예에 따른 스펙클 감소를 위한 위상 변조부를 이미지 렌즈부(430)와 스캐너(440)사이에 구비할 수 있다. 여기서, 위상 변조부는 상술한 회절계수가 +1 또는 -1인 회절 영상에 상응하는 위상을 일정하게 변조하고 투과함으로써 스캐너를 통하여 스크린에 맺히는 광의 스펙클을 제거할 수 있다. 다만, 위상 변조부에 대한 설명은 도 5에서부터 상세하게 기재할 것이다.
스캐너(440)는 상기 이미지 렌즈부(430)를 통과하여 전달된 영상을 스크린(460)에 반사하는 역할을 한다. 물론, 상술한 바와 같이 광 스캔 장치는 폴리곤 미러(Polygon Mirror), 회전바(Rotating bar) 또는 갈바노 미러(Galvano Mirror) 등이 될 수 있다. 또한, 640X480 해상도를 가지는 영상이 광원으로부터 전달되는 경우 480개의 압전 회절형 광 변조 소자를 포함하는 광 변조기는 한 번에 480개의 수직 픽셀을 스캐너에 투사하며 이러한 작업이 스캐너 한 면당 640번 일어나는 경우 화면 1 프레임이 생성될 수 있다. 이에 대해서는 도 3에서도 상술하였다.
영상 제어부(450)는 외부로부터 전달된 영상신호에 상응하여 우선 광원(400)을 제어하기 위한 광원제어신호, 상기 압전 회절형 광 변조기(SOM)(420)를 구성하는 압전 회절형 변조 소자(또는 마이크로 미러)의 각 동작을 제어하는 영상제어신호 및 스캐너(440)의 회전 및 동작은 제어하는 스캐너 제어신호로 변환하여 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광원제어신호는 광원(400)이 투사할 영상에 대한 정보를 포함하며 광원의 동작을 조절하는 제어신호이다. 즉, 광원(400)에서 투사할 영상의 각 픽셀에 상응하는 RGB 정보와 이에 상응하는 광원의 동작을 제어하는 신호이다.
또한, 영상제어신호는 압전 회절형 광 변조기(420)를 구성하는 마이크로 미러의 각 동작을 위하여 드라이버 IC를 통해 압전체에 인가되는 전압에 대한 정보가 포함되어 있다. 즉, 각 마이크로 미러의 동작을 광원으로부터 입사된 광에 대하여 별도의 동작을 수행하여야 하므로 동시에 전달될 영상제어신호는 각 마이크로 미러에 따라 다를 수 있다.
또한, 스캐너 제어신호는 스캐너(440)가 상술한 압전 회절형 광 변조기로부터 반사된 영상(또는 광)을 일정한 시간동안 하나의 화면으로 생성하기 위하여 스 캐너의 동작을 조절하는 신호이다. 본 발명의 일 실시예에 따르면, 스캐너는 육각기둥의 모양으로 일정한 주기로 회전할 수 있다. 즉, 육각기둥에서 일면에서 480픽셀이 640번 반사되어야 하므로 상기 광원제어신호 및 영상제어신호에 상응하여 스캐너(440)가 동작하도록 조절하는 신호이다.
물론, 영상 제어부(450)는 스캐너, 압전 회절형 광 변조기(450) 등에 대한 성능을 측정하여 이에 상응하는 제어동작을 유지하는 제어신호를 발생할 수도 있다. 이 경우, 각 동작에 상응하는 신호를 전달받아야 함은 자명하다 할 것이다.
도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 0차 회절 영상의 반(Half)을 위상 변조하여 스펙클을 제거하는 압전 회절형 광 변조 시스템의 개념도이다.
도 4에서 상술한 바와 같이 압전 회절형 광 변조기(SOM)(420) 및 이미지 렌즈부(430)와 스캐너(440)사이에 위상 변조부(510)가 위치할 수 있다. 더욱 상세히 설명하면, 위상 변조부는 푸리에 평면(fourier plane)에 위치할 수 있다.
여기서, 푸리에 평면(Fourier plane)은 압전 회절형 광 변조기(SOM)(420)으로터 전달된 영상이 이미지 렌즈부를 통과하여 일정한 거리에서 맺히는 소정의 공간 평면이다. 더욱 상세히 설명하면, 회절 영상은 이미지 렌즈부(430)를 통과하여 0차, +1차·-1차,…, +n차·-n차의 회절 영상으로 분산되나 소정의 영역에서 그 초점이 맺힐 수 있다. 이 때, 각 회절 영상의 촛점이 맺히는 공간상의 평면이 푸리에 평면(Fourier Plane)이다.
이 경우, 0차 회절 영상은 상기 이미지 렌즈부(430)의 중심을 기준으로 중앙선 상에 맺히며 +1차 및 -1 차 회절 영상은 0차 회절 영상을 기준으로 상(上)측에 는 +1차의 회절 영상이 하(下)측에는 -1차 회절 영상이 맺힐 수 있다. 이러한 순서로 +n(임의의 자연수)차 및 -n 차의 회절 영상도 푸리에 평면(Fourier Plane)상에 맺힐 수 있다.
즉, 각 회절 영상(예를 들어 0차 회절 영상)은 푸리에 평면(Fourier Plane)의 일정 영역(상술한 바와 같이 중앙선 부근의 영역)에서 맺힐 수 있으며 일정한 영역에는 수많은 동일 영상이 점의 형태로 분포될 수 있다. 즉, 압전 회절형 광 변조기(420)으로부터 한 번 전달되는 영상(예를 들어 상술한 바와 같이 480 픽셀의 영상)은 이미지 렌즈부를 통과하여 일정한 영역에 점의 형태로 일정 영역안에 수없이 많이 맺힐 수 있다. 이에 대하여 소정의 영역에 대하여 위상 변조를 수행함으로 스펙클의 현상을 감소 또는 제거할 수 있다.
+1 차 및 -1 차 또는 그 이상(예들 들어 +n 및 -n차)의 회절 영상은 중심축을 기준으로 상하로 분산되어 분포됨으로 그 중에 하나의 회절 영상에 상응한 위상 변조를 수행할 수 있다. 다만, 0차 회절 영상은 일정한 영역은 중심축상의 하나의 영역에 분포함으로 인하여 그 영역의 일부에 대해서만 위상 변조를 수행할 수 있다.
여기서, 푸리에 평면(Fourier plane)은 이미지 렌즈부(430)의 지름과 관계로부터 구해질 수 있다. 다시 설명하면, 이미지 렌즈부(430)의 반지름(R)에 대하여 이미지 렌즈부(430)으로부터 푸리에 평면(Fourier Plane)이 존재하는 위치(F)는 R/2의 값일 수 있다.
또한, 푸리에 평면(Fourier Plane)에는 압전 회절형 광 변조기(420)로부터 반사되어 전달된 영상이 한 영역으로 모일 수 있다. 단지, 0차 회절 영상, +1차 회절 영상, -1차 회절 영상이 모이는 푸리에 평면(Fourier Plane) 상의 영역은 모두 다르며 분리되어 위치할 수 있다.
상술한 바, 위상 변조부(510)는 압전 회절형 광 변조기(420)로부터 반사되어 이미지 렌즈부(430)를 통과한 회절 영상 중 0차 회절 영상에 대하여 위상 변조를 할 수 있다. 이 경우, 푸리에 평면(Fourier Plane) 상에 0차 회절 영상이 모이는 영역은 이미지 렌즈부(430)의 중심으로 1/2로 나뉘어 질 수 있으며 그 중에서 1/2에 해당하는 어느 한 영역(도 5에서는 아래 영역에 대하여 설명함)에 위상 변조부를 위치시킬 수 있다. 물론, 위상 변조는 1/2 만이 아닌 1/3 내지 2/3의 영역에서 대하여 수행할 수도 있다. 이 경우 스펙클에 감소의 정도는 작아질 수 있다.
이로부터, 0차 회절 영상의 위상 변조된 영상과 원래의 위상을 가지 영상으로 스크린에 투사되며 상술한 스펙클은 제거될 수 있다. 이는 위상이 서로 반대인 영상에서의 스펙클이 서로 상쇄되는 현상으로부터 기인한다.
도 6은 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따른 +1, -1차 회절 영상의 반(Half)을 위상 변조하여 스펙클을 제거하는 압전 회절형 광 변조 시스템의 개념도이다.
더욱 상세하게 설명하면, 본 발명의 실시예에 따라 압전 회절형 광 변조기(420)로부터 전달된 영상 이미지의 -1 차 회절 영상에 상응하여 위상 변조부(610)를 푸리에 평면(Fourier Plane)상에 위치시키고 위상 변조를 하여 스펙클을 제거하는 경우이다. 특히, 서로 공간적으로 분리되어 있는 +1차 회절 영상과 -1차 회절 영상은 위상 변조 전에는 동일한 위상(예들 들어 0°) 을 가지며 스펙클이 형성되었으나 -1차 회절 영상의 위상을 변조함으로 인하여 +1차 회절 영상과 -1차 회절 영상은 서로 반대의 위상(예들 들어 180°)을 가지며 스펙클은 제거될 수 있다. 이는 스크린(도 4의 460)에 반사되어 맺힌 영상이 서로 다른 위상을 가진 영상으로 투사됨으로 인하여 인간의 시력이 이를 스펙클을 인지하지 못함이다.
물론, 도 5 및 도 6에서는 0차 및 +1차/-1차 회절 영상에 대한 위상 변조에 대하여 도시하였으나 이를 확장하여 +n/-n(n은 임의의 자연수)차에도 적용할 수 있음 본 발명의 기술사상에 비추어보아 자명하다 할 것이다.
도 7은 본 발명의 바람직한 또 다른 실시예에 따른 스캐너에 위상 변조부를 연결하여 스펙클을 제거하는 압전 회절형 광 변조 시스템의 개념도이다.
도 7에서는 상술한 푸리에 평면(Fourier Plane)에 위치시켰던 위상 변조부(510, 610)과는 달리 위상 변조부(710)를 갈바노 미러(또는 스캐너)에 연결하는 경우이다. 이 경우 갈바노 미러는 푸리에 평면(Fourier Plane) 상에 위치할 수 있다.
즉, 도 5 및 도 6에서 설명한 위상 변조부는 압전 회절형 광 변조기(420)로부터 반사되어 이미지 렌즈부(430)를 투과한 광을 위상 변조하여 다시 칼바노 미러(또는 스캐너)에 전달하였다. 하지만, 도 7의 위상 변조부는 바로 갈바노 미러에 연결됨으로 인하여 상술한 위상 변조된 광의 전달 과정은 생략될 수 있다.
도 8a은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 +1차 회절 영상 또는 -1차 회절 영상의 에너지 분포 그래프이다.
본 발명의 실시예에 따른 +1차 또는 -1차 회절 영상이 일정한 영역에 분포하고 있는 광의 에너지 분포를 나타내고 있다. 즉, +1차 또는 -1차 회절 영상 중 어느 하나에 대한 에너지 분포를 나타내는 것으로 이에 따른 중첩의 값을 더욱 커질 수 있다.
도 8a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 +1 차 및 -1차 회절 영상의 중첩되는 경우 에너지 분포 그래프이다. 이 경우, +1차 회절 영상과 -1차 회절 영상의 위상은 동일(예를 들어 0°)하므로 중첩된 에너지 분포는 오히려 도 8a에서 설명한 에너지 분포의 2 배의 값을 갖게된다. 이로부터 시청자의 눈은 스펙클을 느끼게 되며 이를 줄이기 위하여 상술한 +1차 회절 영상 또는 -1차 회절 영상 중 어느 하나의 위상을 변조하여 중첩하고자 한다.
도 8a는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 +1차 또는 -1차 회절 영상의 위상 변조 후 중첩되는 경우 에너지 분포 그래프이다.
즉, 도5에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 -1차 회절 영상의 위상을 변조하는 경우는 -1차 회절 영상의 에너지 분포는 도 8a에 따른 분포와 반대의 형태로 나타나게 되고 +1차 회절 영상과의 중첩의 결과는 도 8c에서 도시된 그래프와 같이 분포가 줄어들게 된다. 즉, 시청자는 스펙클이 제거된 영상을 인지하게 된다.
도 8d는 도 8c의 에너지 분포의 시간에 따른 평균 분포 그래프이다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따른 압전 회절형 광 변조기로부터 투사된 광의 일부의 위상을 변조함으로써는 광의 스펙클을 감소할 수 있다.
또한, 압전 회절형 광 변조기의 특성상 2차 영상 시스템이 필요없음으로 인하여 부피가 작고 더욱 간단하게 스펙클을 감소할 수 있다.
또한, 구조적 간편성으로 인한 비용을 줄이는 효과도 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명 및 그 균등물의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

  1. 압전 회절형 광 변조 시스템에 있어서,
    압전체의 수축 및 팽창에 따라 구동되는 리본의 상하 동작에 상응하여 전달된 영상을 변조하여 반사하는 압전 회절형 광 변조기;
    상기 압전 회절형 광 변조기로부터 변조된 영상을 소정의 회절 영상으로 스캐너에 전달하는 이미지 렌즈부; 및
    상기 이미지 렌즈부로부터 전달된 회절 영상의 위상을 변조하는 위상 변조부를 포함하되,
    상기 위상 변조부는 푸리에 평면(Fourier Plane)에 위치하는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 스페클 제거 압전 회절형 광 변조 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 압전 회절형 광 변조 시스템은,
    소정의 영상 신호에 상응하여 광원의 동작을 조절하기 위한 광원제어신호, 압전 회절형 광 변조기에 포함되어 상기 광원으로부터 출사된 광을 일정 픽셀에 상응하여 변조 반사하는 마이크로 미러의 동작을 조절하기 위한 영상제어신호 및 스크린에 영상을 반사하는 스캐너의 동작을 조절하기 위한 스캐너 제어신호를 생성하는 영상 제어부;
    상기 광원으로부터 출사된 광을 일정한 각도로 굴절하고 집광하여 전달하는 조명 렌즈부; 및
    상기 영상 제어부에서 전달된 상기 영상제어신호를 수신하고 상기 압전 회절형 광 변조기를 구동하기 위한 동작 신호를 생성하는 드라이버 IC를 더 포함하되,
    상기 스캐너는 상기 압전 회절형 광 변조기로부터 전달된 영상을 스크린에 반사하는 것을 특징으로 하는 스페클 제거 압전 회절형 광 변조 시스템.
  3. 삭제
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 푸리에 평면(Fourier Plane)은 상기 이미지 렌즈부로부터 일정한 거리에 형성되되,
    상기 일정한 거리는 상기 이미지 렌즈부에 구비된 이미지 렌즈 반지름의 1/2인 것을 특징으로 하는 스펙클 제거 압전 회절형 광 변조 시스템.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회절 영상은 0차 회절 영상이며,
    상기 위상 변조부는 상기 푸리에 평면을 통과하는 상기 0차 회절 영상의 단면에서 소정의 영역에 분포하는 광을 위상 변조하는 것을 특징으로 하는 스펙클 제거 압전 회절형 광 변조 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 소정의 영역은,
    상기 단면의 1/3 ~ 2/3 인 것을 특징으로 하는 스펙클 제거 압전 회절형 광 변조 시스템.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 회절 영상은 +n(임의의 자연수)차 회절 영상 또는 -n차 회절 영상이며,
    상기 위상 변조부는 상기 +n차 회절 영상 또는 -n차 회절 영상의 위상을 변조하는 것을 특징으로 하는 스펙클 제거 압전 회절형 광 변조 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 n 은 1인 것을 특징으로 하는 스펙클 제거 압전 회절형 광 변조 시스 템.
  9. 압전 회절형 광 변조 시스템에 있어서,
    압전체의 수축 및 팽창에 따라 구동되는 리본의 상하 동작에 상응하여 전달된 영상을 변조하여 반사하는 압전 회절형 광 변조기;
    상기 압전 회절형 광 변조기로부터 변조된 영상을 소정의 회절 영상으로 스캐너에 전달하는 이미지 렌즈부; 및
    상기 이미지 렌즈부로부터 전달된 회절 영상의 위상을 변조하는 위상 변조부를 포함하되,
    상기 스캐너는 상기 압전 회절형 광 변조기로부터 전달된 영상을 스크린에 반사하고,
    상기 위상변조부는 상기 스캐너에 결합된 것을 특징으로 하는 스펙클 제거 압전 회절형 광 변조 시스템.
  10. 제 9항에 있어서,
    소정의 영상 신호에 상응하여 광원의 동작을 조절하기 위한 광원제어신호, 압전 회절형 광 변조기에 포함되어 상기 광원으로부터 출사된 광을 일정 픽셀에 상응하여 변조 반사하는 마이크로 미러의 동작을 조절하기 위한 영상제어신호 및 스크린에 영상을 반사하는 스캐너의 동작을 조절하기 위한 스캐너 제어신호를 생성하는 영상 제어부;
    상기 광원으로부터 출사된 광을 일정한 각도로 굴절하고 집광하여 전달하는 조명 렌즈부; 및
    상기 영상 제어부에서 전달된 상기 영상제어신호를 수신하고 상기 압전 회절형 광 변조기를 구동하기 위한 동작 신호를 생성하는 드라이버 IC를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스페클 제거 압전 회절형 광 변조 시스템.
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