KR101796973B1 - 자유 형상 광학 리다이렉트 장치 - Google Patents

Abstract

투사시스템(900)은 스캐너(802)와 광원(801)을 포함한다. 스캐너(802)는 화상(995)들을 형성하는 스캔 콘(994)을 생성하도록 구성되어 있다. 주요 빔(992)은 스캔 콘(994)의 이동방향을 정의한다. 편심된 자유형상 면들을 구비한 광학 장치(880)가 투사시스템(900)의 출력부에 배치되어 있어 스캔 콘(994)이 광학 장치(880)를 통과한다. 광학 장치(880)는 주요 빔(992)을 리다이렉트하고 따라서 스캔 콘(994)의 이동방향을 소정량 만큼 리다이렉트하여 화상에 처음부터 존재하는 아나모픽 왜곡과 수직 스마일 왜곡을 모두 보정하도록 구성되어 있다.

Description

자유 형상 광학 리다이렉트 장치{Free Form Optical Redirection Apparatus}

주사형 레이저 투사장치(scanned laser projection device)는 생생한 색채로 작성된 선명한 화상을 용이하게 만들어낸다. 마이크로비전사(Microvision, Inc.)가 제조하는 그와 같은 주사형 시스템은 초점심도(depth of focus)가 큰 밝고 선명한 화상을 만들 수 있다. 이 프로젝터는 단일 픽셀 또는 화소의 면적에 비해 무한 심도에 근사하는 넓은 범위의 거리에 프로젝터의 초점을 맞출 수 있기 때문에 자주 수십 미터의 초점심도를 "무한 초점(infinite focus)"이라고 한다. 이러한 주사형 레이저 투사시스템은 합리적인 비용으로 콤팩트한 폼팩터(compact form factors)로 설계할 수 있다. 이러한 시스템은 적은 양의 전력을 소모하면서도 생생하고 복잡한 화상을 연출한다.

이러한 시스템과 관련된 하나의 문제는 소형화이다. 휴대용 프리젠테이션 등의 소형 애플리케이션에서 투사시스템이 사용될 수 있도록, 시스템을 작게 만드는 것이 바람직할 수 있다. 그러나 광학 부품이 더 작아질수록 문제가 발생할 수 있다. 화상의 왜곡이 일어날 수 있다. 마찬가지로, 광학적 결함 (optical artifacts)이 문제가 될 수 있다.

투사된 화상을 왜곡하지 않는 콤팩트한 투사시스템이라면 유리할 것이다.

도 1은 사용자에게 정보를 제공하도록 구성된 무한 초점 투사시스템의 한 예를 보여준다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 주사 엔진의 일 실시예를 보여준다.
도 3은 수직 빔을 방출하도록 구성된 주사형 레이저 투사시스템을 보여준다.
도 4는 주사형 레이저 투사시스템의 폼팩터를 줄이기 위해 사용되는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 수평 빔을 방출하도록 구성된 주사형 레이저 투사시스템을 보여준다.
도 5는 수평 공급 주사형 레이저 투사시스템과 관련된 수직 스마일 왜곡(vertical smile distortion)을 보여준다.
도 6은 수평 공급 주사형 레이저 투사시스템과 관련된 아나모픽 왜곡(anamorphic distortion)을 보여준다.
도 7은 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따른 수평 공급 주사형 레이저 투사시스템에 수직 스마일 왜곡과 아나모픽 왜곡을 줄이거나 제거하도록 구성된 광학 장치의 실시예를 보여준다.
도 8은 왜곡을 보정하기 위해 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 광학 장치를 채용하는 콤팩트한 수평 공급 주사형 레이저 투사시스템을 보여준다.
도 9 내지 도 11은 왜곡을 보정하는 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 광학 장치를 보여준다.
당업자라면 도면의 구성요소들이 단순 명료를 위해 크기대로 그려지지 않은 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 도면의 요소 중 일부 치수는 본 발명의 실시예를 이해하는 데 도움이 되도록 다른 요소에 비해 상대적으로 과장될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하기 전에 실시예는 상기 광학 리다이렉트 장치와 관련 화상 시스템, 및 그 응용프로그램들의 조합에 관한 것이다. 따라서, 본 발명의 장치 구성요소들과 방법 공정들은 도면에 통상적인 기호들로 적절히 표현되어 있으며, 설명의 편의상 당업자에게 용이하게 이해될 수 있도록 세부적인 사항으로 설명을 모호하게 하지 않으면서도 본 발명의 실시예들을 이해하는데 관련된 특정한 세부사항만 보여줄 것이다.

본 발명의 실시예들은 아래 명시된 시스템과 응용프로그램의 기능 일부, 대부분 또는 전부를 특정 비프로세서 회로(certain non-processor circuits)와 함께 구현하는 하나 이상의 프로세서를 제어하는 독특한 저장 프로그램 명령으로 구성될 수 있을 것이다. 이 비프로세서 회로는 마이크로 프로세서, 스캐닝 미러, 화상 공간 변조 장치, 기억 장치, 클럭 회로, 전원 회로 등을 포함하지만 이에 국한되지 않는다. 따라서, 여기에 설명한 기능 및 작동 상태는 방법의 단계들로 해석될 수 있다. 이와 다르게 , 공간 광 변조기, 빔 트랜스레이터, 광 변환 요소를 포함하는 다양한 요소를 제어하는 하나 이상의 프로세서가 사용하는 기능들의 일부 또는 전부는, 저장된 프로그램 명령이 없는 상태 머신에 의해, 또는 하나 이상의 특정 용도 집적 회로에서 구현될 수 있으며, 여기서 각 기능 또는 특정 기능의 일부 조합은 사용자 지정 논리로 구현된다. 물론, 두 가지 방법의 조합을 사용할 수 있다. 예를 들어, 가용 시간, 현재의 기술, 경제적 고려사항을 이유로 많은 디자인 선택과 상당한 노력이 있음에도 불구하고 통상의 지식을 가진 자가 이 명세서의 개념과 원칙에 따른다면 최소한의 실험으로 이러한 프로그램과 회로들을 용이하게 생성할 수 있을 것으로 예상된다.

이하, 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 도면을 참조하면, 전 도면에 걸쳐 유사한 번호는 유사한 부품을 나타낸다. 상세한 설명과 청구범위에서 사용하는 요소는 문맥에 분명히 가리키는 것이 아니라면 복수의 의미로 사용한다. 또한, 첫 번째와 두 번째, 상하 등과 같은 관계형 용어는 반드시 같은 개체 또는 동작 사이의 실제 관계나 순서를 요구하거나 암시하지 않고 하나의 개체 또는 동작과 다른 개체 또는 동작을 구별할 목적으로 사용할 수 있다. 또한, 괄호안의 참조 부호는 논의중인 구성요소가 아니라 도면에 표시된 구성 요소를 나타낸다. 예를 들어, 도면 A를 논하면서 장치(10)에 대해 이야기하는 것은 도면 A가 아닌 도면에 표시된 요소 10을 가리킨다.

도 1은 무한 초점을 갖는 투사시스템(100)의 일 실시예를 보여준다. 본 명세서에서 사용된 "무한 초점"은 일반적으로 수십 미터 이상의 거리를 통해 화상을 집중할 수 있는 투사시스템을 의미한다. 예를 들어, 투사시스템(100)이 마이크로비전사가 제작한 PicoP(상표) 레이저 기반 시스템과 같은 미소전자기계시스템(MEMS)으로 구성되는 경우, 투사시스템(100)은 레이저 광원의 광을 미러로 스캔한다. 이러한 시스템은 넓은 범위의 거리에서 초점을 용이하게 유지하도록 표시되었다. 이 거리는 수십 미터에 달한다. 시스템이 집중할 수 있는 초점거리가 픽셀 또는 화소 또는 화상 자체보다 훨씬 크기 때문에 이러한 시스템들은 "무한 초점" 시스템이라고 한다. 따라서, 투사시스템(100)은 일반적으로 투사면(104)에 최소한 하나의 화상(108)을 집중하는데 자동이든 수동이든 어떤 초점 조절수단을 필요로 하지 않는다. 투사시스템(100)과 투사면(104) 사이의 거리에 무관하게 투사면(104)에 투사할 때 화상(108)은 본질적으로 초점이 맞추어져 있다. 또한, 하나의 실시예에서 투사시스템(100)은 빨리 또는 동시에 다양한 투사면들 중 하나를 투사할 정도로 모양과 강도를 변경할 수 있다.

도 1에 표시한 바와 같이, 투사시스템(100)은 레이저 투사 광원(101), 스캐너(102), 제어 회로(103)와 투사면(104)을 포함한다. 레이저 투사 광원(101)은 간단한 단색 레이저가 될 수 있지만, 택일적으로 복수 레이저 또는 통합된 다색 레이저 장치를 포함할 수 있다. 실시예에서, 레이저 투사 광원(101)에는 적색 레이저, 청색 레이저 및 녹색 레이저가 포함되어 있다. 이 레이저는 다양한 종류가 있다. 예를 들어, 콤팩트한 디자인을 위해, 반도체 기반의 레이저는 측면 발광 레이저 또는 수직 공동 표면 발광 레이저 등이 사용될 수 있다. 다른 응용 프로그램에서 더 크고 더 강력한 레이저가 단독으로 또는 조합하여 사용될 수 있다.

복수의 레이저들이 레이저 투사 광원(101)으로 사용되는 경우, 하나 이상의 광학 정렬장치(도 1에 표시되지 않음)는 복수의 광빔을 하나의 결합된 광빔으로 보내도록 사용할 수 있다. 이 정렬 장치는 또한 각 레이저의 출력을 혼합하여 간섭성 다색 광빔을 형성할 수 있다. 한 실시예에서, 이색성 미러들을 사용하여 광빔들을 상기 결합된 광빔으로 보낼 수 있다. 이색성 미러는 일부는 반사하면서 선택적으로 좁은 대역폭의 빛을 통과시키는 이색성 필터를 포함하는 부분반사 거울이다.

스캐너(102)는 스캔 광(107)을 투사면(104)에 투사 화상(108)으로 전달한다. 투사면(104)은 다양한 형태를 취할 수 있는데, 스캐너(102)에서 화상을 수신하도록 구성된 기존의 투사면, 마이크로 렌즈어레이, 개구수 확장기(numerical aperture expander) 또는 기타 표면 등이다. 마이크로 프로세서 또는 다른 프로그래밍 장치일 수 있는 제어 회로(103)는, 스캐너(102)와 선택적으로 레이저 투사 광원(101)을 제어하는 내장 명령어를 실행한다. 예를 들어, 하나의 실시예에서 제어 회로(103)는 투사된 화상(108)을 형성하기 위해 레이저 투사 광원(101)로부터 수신된 광(106)의 스캐닝을 제어하도록 프로그램되어 있다.

이제 도 2를 보면, 본 발명의 실시예에 사용하기에 적합한 주사형 레이저 투사 광원의 한 실시예에 사용된 일부 부품이 예시되어 있다. 도 2의 실시예에서 시스템은 MEMS 주사형 레이저 광원(200)을 사용한다. 이러한 본 발명의 실시예에 사용하기에 적합한 것과 같은 MEMS 주사형 광원은 미국특허출원 제2007/0159673호의 화질이 개선된 기판안내 디스플레이에 설명된 것을 본 명세서에 참조한다.

도 2에서, MEMS 주사형 레이저 광원(200)은 3개의 광원(201,202,203)을 채용한다. 이색성 미러를 채용하는 빔 결합기(204)는 광원(201,202,203)의 출력을 결합하여 합성된 변조 빔을 생산한다. 가변 시준, 즉 가변 집중 광학 소자(205)는 MEMS 스캐닝 미러(206)에 의해 스캔되어 가변형상의 광빔(207)과 같은 가변형상의 빔을 생성한다. 이러한 본 발명의 실시예에 사용하기에 적합한 것과 같은 MEMS 스캐닝 미러의 예는 동시계류중이고 본 출원인에게 양도된 2007.7.10.자 출원된 발명의 명칭 "주사형 빔 광원용 기판 안내 릴레이"의 미국특허출원 제11/775,511호에 설명되고 본 명세서에 참고로 병합된다. 스캔 광빔(207)은 개구수 확장기(도시안됨)로 전달될 수 있다.

도 3을 참조하면, 다른 MEMS 스캐닝 엔진(300)이 더 상세히 예시되어 있다. 제어 회로(303)는 MEMS 스캐너(302)와, 선택적으로 레이저 투사 광원(301)을 제어한다. 이 실시예에서, MEMS 스캐너(302)는 투사면(304)을 래스터 패턴으로 스위프하도록 구성되어 있다. 피드 빔(354)은 스캔 빔을 방해하지 않도록 다양한 구성 요소의 물리적 형상에 의해 정의된 입사각으로 MEMS 스캐너(302)의 표면에 전달된다. MEMS 스캐너(302)에 배치된 반사 표면의 스캔 작업은 투사면(304)에 화상(308)을 나타내는 스위프 패턴으로 빛을 리다이렉트한다.

도 3에 표시된 것과 같이 투사시스템에서, 레이저 투사 광원(301)과 스캐너(302) 사이에 정의된 입사각이 작은 만큼, 시스템이 잘 작동하고 왜곡없는 화상(308)을 제공한다. 그러나 어떤 경우에는, 입사각이 증가하면 주사 엔진의 전체 크기를 줄일 수 있다고 실험예가 보여준다. 실험 테스트는 입사각이 약 14도 또는 15도 정도인 설계 임계값을 넘어 증가하는 경우 눈에 띄게 왜곡이 생기는 것을 보여준다. 이 왜곡은 큰 입사각의 결과이다.

예를 들면, 도 3은 입사각이 설계 임계값 미만인 경우의 시스템을 보여준다. 이 실시예에서, 설계 임계값은 약 14도 또는 15도이다. 따라서, 입사각은 9, 10, 11도 일 수 있다. 반사 표면의 스위핑 작업은 스캔 콘(352)을 만든다. 스캔 콘(352)의 실질적 중심 빔은 "주빔(principal beam)"(353)이라 한다. 주빔(353)은 일반적으로 스캔 콘(352)의 방향을 정의하고, 스캔 미러가 중앙 정지 위치에 있을 때 스캐너(302)에서 반사된 피드 빔의 방향을 나타낸다. 주빔(353)은 스캔 콘(352)이 전파되는 방향을 나타내기도 한다. 입사각이 설계 임계값 미만이기 때문에, 화상(308)은 정상으로 나타나고 왜곡이 없다.

대조적으로, 도 4는 입사각이 설계 임계값 이상인 경우 주사 엔진(400)을 보여준다. 이 실시예에서, 입사각은 위에서 언급한 14~15도 정도의 임계값보다 훨씬 더 큰 27~28도 정도이다. 입사각이 이 정도로 커서 스캔 콘(452)에 비대칭이 생기면 키스톤 왜곡(keystone distortion)으로 알려진 투사 화상이 생긴다. 스캔 콘(452)이 주빔(453)에 대해 경사지기("tilted") 때문에 영상의 일변(481)이 타변(482)에 대해 핀치되는("pinched") 경우 이러한 키스톤 왜곡이 발생한다. 그 결과 아치의 키스톤을 닮은 뚜렷한 화상이 생긴다.

도 3에서와 같이, 도 4에서 MEMS 주사 엔진(400)은 제어 회로(403), 레이저 광원(401) 및 MEMS 스캐너(402)를 포함한다. 레이저 광원(401) 및 MEMS 스캐너(402)는 피드 빔(454)의 예시에서 설계 임계값 15도 이상의 입사각에서 MEMS 스캐너(402)에 전달되도록 정렬된다. 주빔(453)이 여전히 통상의 포인팅 방향을 정의하는 동안 주빔(453) 주위에 배치된 스캔 콘(452)은 왜곡된다. 왜냐하면 스캐너 빔 공급의 입사각이 높아 평면이 사실상 "경사" 면에 투사되기 때문이다. 이로써 주 빔(453)에 대해 기울어진 주사대상 평면(tilted scan object plane)이 생성되어 키스톤 왜곡으로 나타난다.

도 4의 주사 엔진(400)은 수평으로 배치되지만, 도 3의 주사 엔진(300)은 수직으로 배치된다는 것에 유의한다. MEMS 스캐너를 레이저 투사 광원에 대하여 수평으로 구성하면 주사 엔진이 보다 콤팩트한 폼팩터로 제조될 수 있다는 것을 실험이 보여주기 때문에, 도 4의 주사 엔진(400)은 수평 공급 시스템으로 표시된다. 많은 응용예에서 폼팩터가 콤팩트할수록 더 좋다. 그러나 수평 정렬의 경우에는 입사각이 설계 임계값 보다 실질적으로 더 커야한다. 그 이유는 일반적으로 투사된 화상의 가로 치수가 세로 치수보다 크기 때문이며, 스캔 영상을 방해하지 않을 만큼 공급 빔 입사각이 커야하기 때문에 공급 빔이 가로로 구성될 때 공급 빔의 입사각은 더 커야한다. 따라서, 수평 정렬 시스템에서는 키스톤 왜곡이 자주 생긴다. 그러나,입사각이 설계 임계값을 초과하는 경우 수직 정렬 시스템도 키스톤 왜곡이 생긴다는 것에 주의해야 한다. 본 발명의 실시예는 정렬에 관계없이 높은 입사각 시스템에서 생기는 키스톤 왜곡에 대한 해법을 제공한다.

투사면(404)에 대해 프로젝터 구성 요소를 이동시킬 수 있는 시스템에서는 키스톤 왜곡을 보정하기는 어렵지 않다. 예를 들어, 투사시스템 전체를 간단히 회전시키면 정보의 일변(481)은 확장하고 타변(482)은 수축된다. 도 5에 일반적으로 나타나듯이, MEMS 주사 엔진(400)은 투사면(404)에 대해 약간 회전된다. 실제로는 이러한 회전이 회전 투사시스템의 하우징 내에서 수행되므로, 사용자는 이 투사시스템을 대각선 구성(caddy-corner configuration)으로 하는 것이 아니라 주면(major face)을 투사면과 정렬할 수 있다. 키스톤 왜곡을 보정하면서, MEMS 스캐닝 시스템에서 12~15도 크기로 일정량 만큼 투사시스템을 회전시킨다는 것은 화상(508)이 더 이상 MEMS 스캐너(402)의 전방에 똑바로 있지 않음을 의미한다. 그 대신, 상기 회전량 만큼 축외로 정렬된다. 이것은 "축외(off-axis)" 투사로 알려져 있다.

키스톤 왜곡의 회전 보정에도 불구하고, 이러한 수평 공급 축외 투사시스템은 여전히 다른 특성의 왜곡이 존재한다. 첫 번째가 도 5에 도시한 "수직 스마일(vertical smile)" 왜곡으로 알려져 있고, 두 번째가 도 6에 도시한 "아나모픽(anamorphic)" 왜곡으로 알려져 있다.

다시 도 5를 보면, 화상(508)은 수직 스마일 왜곡을 받고 있다. 수직 스마일 왜곡이 스캐닝 시스템에 생기는 것은 미러 주사빔들이 투사면에 주사되기 때문이다. 수직 스마일 왜곡이 발생하면 윗변(550)의 중심 높이(552)가 외부 높이(553)와 같아야 하지만, 이보다 작기 때문에 화상(508)의 윗변(550)이 줄어든다. 수직 스마일 왜곡의 비율은 중심 높이(552)보다 큰 외부 높이(553)를 중심 높이(552)로 나눈 값으로 표시된다.

도 6을 참조하면, "아나모픽" 왜곡을 받은 화상(608)이 나타나 있다. 예시를 위해, 화상(608)은 투사면(604)에 표시되고 그 화상 데이터의 그래프(662)가 화상(608) 위에 표시되어 있다. 둘 다 참조한다. 화상(608) 부분들 중 수평 및 수직 방향 사이에 신장(660)과 수축(661)이 다른 경우에 아나모픽 왜곡이 발생한다. 위의 논의에서 키스톤 왜곡을 보정하기 위해 이 투사시스템을 회전시킬 수 있다고 한 설명을 상기한다. 이 작업이 완료되면, 화상(608) 안에 아나모픽 왜곡이 생길 수 있다.

예를 들어, 도 6의 실시예에서 픽셀 세트(664)가 늘어나는 동안 픽셀 세트 (663)가 압축된다. 왜곡 백분율은 다음 식 세트로 표시된다.

Wp = (길이 665 + 길이 666)/2 (식 1)

좌측 왜곡율 = ((길이 665 - Wp)/Wp) * 100 (식 2)

우측 왜곡율 = ((길이 666 - Wp)/Wp) * 100 (식 3)

본 발명의 실시예에 따라 구성된 투사시스템은 실질적으로 수직 스마일 왜곡 및 아나모픽 왜곡을 모두 보정하기 위해 구성된 광학 장치를 사용한다. 용어 "실질적으로"는 통상의 관찰자가 수직 스마일 왜곡과 아나모픽 왜곡을 눈치채지 못하게 렌더링하기에 충분한 보정을 의미한다. 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 광학 장치를 사용하여 화상(608)에 추가 키스톤 왜곡을 일으키지 않으면서 수직 스마일 왜곡과 아나모픽 왜곡을 보정할 수 있다.

도 7을 참조하면, 무한 초점 투사시스템에 사용하기에 적합한 광학 장치(700)의 일 실시예가 도시되어 있다. 실시예에서, 광학 장치(700)는 수직 스마일 왜곡 및 아나모픽 왜곡을 보정하기 위해 주면(701,702)에 해당하는 두 개의 서로 다른 편심 굴절성 "자유 형상(free-form)" 광학 표면을 사용한다. 도 7의 실시예에서, 제1 주면(701)은 볼록하고 제2 주면(702)은 오목하다. 또한, 이 실시예에서 주면(701,702)는 서로 편심되어(decentered) 있다.

"자유 형상"이란 용어는 두 개의 직교좌표 독립변수의 함수인 다항식에 의해 각각 정의되는 주면(701,702)을 설명하는 데 사용되는 용어이다. 다시 말하자면, 주면(701,702)의 윤곽을 정의하는 함수는 두 개의 직교좌표 변수의 함수로 표현하지만, 단일 방사 변수(single radial variable)의 함수로 표현될 수는 없다. 따라서, 자유 형상 표면은 회전대칭이나 방사대칭(rotational or radial symmetry)이 아니다. 반면에, 일반적인 렌즈는 구면 또는 비구면이며, 따라서 회전대칭이다. 본 발명의 실시예는 다항식의 두 직교 변수들에 의해 설명되는 자유형상 면을 사용한다. 다항식의 차수는 자유형상 면을 정의한다. 여기에 설명된 실시예들은 수직 스마일 왜곡과 아나모픽 왜곡을 실질적으로 보정하는 데 필요한 임의 차수의 다항식을 적용할 수 있다.

광학 장치(700)의 또 다른 특징은, 하나의 실시예에서, 광학 장치(700)를 통과하는 빔과 스캔 콘에 본질적인 제로 파워를 적용하는 것이다. "본질적인 제로 파워"란 광학 장치(700)에 의한 빔 확장(beam expansion)이 어떤 차원이든 픽셀 하나 미만임을 의미한다. 다시 말해서, 공차로 인해 발생하는 사소한 파워는 제외하고도, 광학 장치(700)를 통과하는 빔에는 배율이 적용되지 않는다는 것이다. 본질적인 제로 파워로 자유형상면 즉 주면(701,702)을 사용하고 나서, 그리고 적어도 하나의 치수(705)에 따라 두께(704)가 감소하여 이 자유형상 면들을 분리시키는 광학 소재의 몸체부분(703)에 의해 자유형상 면들을 서로에 대해 편심시킴으로써, 투사시스템의 해상도나 무한초점 특성에 큰 영향을 주지 않으면서 매우 높은 왜곡 보정 및 지향 보정이 얻어질 수 있다는 것을 예시적 실험을 통해 알 수 있었다. 또한, 스캔 콘이나 빔이 광학 장치(700)를 통과할 때, 색수차(color aberration)가 매우 적게 발생하는 것을 실험은 보여주었다. 또한, 광학 장치(700)는 본질적인 제로파워일 때, 상대적으로 여유로운 공차로 제작할 수 있다.

하나 이상의 실시예에서, 스캔 빔 화상 생성에 사용하기에 적합한 광학 장치(700)는 하나 이상의 다음과 같은 속성들을 포함한다. 본질적으로 제로 파워이며; 광학 장치(700)를 통과하는 광선은 자유형상 면들의 윤곽에 따라 리다이렉트되고 몸체부분(703)의 가변 두께(704)가 자유형상 면들 사이에 배치되고; 광학 장치(700)는 광투과성이고; 주면(701,702)은 서로 상이한 자유형상 함수들로 표현되고; 일부 실시예에서는 주면(701,702)은 비교적 좁은 범위에 있는 계수들을 사용하는 자유형상 함수들에 의해 표현된다. 축외 주사형 투사시스템과 함께 사용하면, 스캐너에서 반사되는 스캔 콘을 형성하는 광빔들은 광학 장치(700)의 몸체부분(703)을 통과하여 실질적으로 수직 스마일 왜곡 및 아나모픽 왜곡이 없는 화상을 형성한다. 동시에, 많은 주사형 화상 시스템에 내재하는 무한 초점 품질이 유지된다. 또한, 테스트에서 광학 장치(700)에 의한 빔 확장은 크기가 한 픽셀 미만인 것으로 나타났다.

도 7에 도시한 바와 같이, 주면(701,702)들 사이에 위치한 광학 소재의 몸체부분(703)의 두께(704)는 치수(705)에 걸쳐 약간 변화해서 작은 쐐기를 형성한다. 도 10에 도시한 대로, 축외 스캔 빔이 투사시스템을 빠져나가면서 돈다는 사실로 인해 광학 장치(700)의 두께(704)는 약간 변하도록 구성되어 있다. 가변 두께는 스캔 콘에 걸쳐 필드 의존성 쐐기(field dependent wedge)를 생성한다. 하나 이상의 실시예에서, 가변 두께(704)가 치수(705)를 따라서 서서히 변하므로 빔의 무한 초점 특성에 영향을 주지 않는다. 스캔 콘의 광선은 광 배율을 주지 않고서도, 약간 구부러지거나 리다이렉트된다. 그 결과 광학 장치(700)를 통과하는 광선의 초점에 변화가 없다.

광학 재료의 가변 두께(704)에 의해 생기는 빔의 비점수차(astigmatism; 比點收差) 왜곡을 자유형상 주면(701,702)이 보정한다는 사실 때문에 투사시스템의 무한 초점 기능이 유지된다. 이 가변 두께(704)가 빔을 돌리는데 필요하지만, 자유형상 표면들을 사용하여 전체 빔을 주어진 각도로 조종하면서 각도 단위로(on an angle-by-angle basis) 비점수차를 제거한다.

도 7의 실시예에서, 광학 장치(700)는 주면(701,702)들과 몸체부분(703)에 부가되는 요소들을 포함한다. 예를 들어, 설치용 요소(706,707,708)가 설계에 포함되어 광학 장치(700)가 투사시스템의 하우징에 부착될 수 있도록 하였다. 이 설치용 요소(706,707,708)들은 선택 사항이다. 또한, 이러한 설치용 요소(706,707,708)들 각각의 구성은 하우징의 디자인에 따라 변경될 수 있다는 본 발명의 이점은 당업자에게 명백할 것이다.

일부 실시예에서, 수직 스마일 왜곡을 보정할 때 수평 스마일 왜곡, 즉 화상의 측면에서 중앙 핀칭(central pinching)이 생길 수 있다. 그러나 도 7에 도시된 광학 장치(700)와 스캐닝 디스플레이를 사용하는 것과 관련된 하나의 장점은 스캐너 및 관련 전자 영상 처리를 사용하여 모든 수평 스마일 왜곡을 보정할 수 있다는 것이다. 따라서, 수평 스마일 왜곡이 생기더라도, 이 효과는 스캐너 및 비디오처리에 의해 상쇄되어 왜곡없는 화상을 얻을 수 있다. 또한, 화상을 형성하는 래스터 패턴을 스위핑하는 스캐너를 채용하는 하나 이상의 실시예에서, 스캐너를 작동하는 비디오 처리 전자장치 및 제어 회로는 복잡한 프레임 버퍼링이나 왜곡의 리매핑(remapping)을 하지 않고서 수평 스마일 왜곡을 보정할 수 있다.

도 8 및 도 9를 참조하면, 본 발명의 하나 이상의 실시예에 따라 구성된 광학 장치(880) 또는 소자를 사용하는 투사시스템(900)의 소자들이 나타나 있다. 도 8은 스캐너(802)와 레이저 광원(801)을 포함하는 레이저 주사 엔진(800)을 보여주고, 도 9는 하우징(990)에 배치되는 레이저 주사 엔진(800)을 보여준다. 이 실시예에서 스캐너(802)는 MEMS 스캐닝 장치이다. 스캐너(802) 및 레이저 광원(801)이 수평으로 배설함에 따라, 스캐너(802)는 도 9에 나타낸 대로 수평 레이저 광원(801)에 의해 수평으로 공급된다. 이 실시예에서, 수평으로 정렬하면, 레이저 광원(801)과 스캐너(802) 사이의 입사각이 설계 임계값보다 더 크게 된다. 이 실시예에서, 입사각은 18도 정도이다. 투사시스템(900)은 스캔 콘(994)에 하나 이상의 빔(991,992,993)들을 스캔하여 화상(995)을 생성하도록 구성된다. 스캔 콘(994)은 하우징(990)의 출력부에 배치되는 광학 장치(880)를 통과한다. MEMS 스캐닝 장치가 스캐너(802)로 사용되므로, 투사시스템(900)은 본질적으로 무한 심도의 초점을 갖는다.

이 실시예에서, 광학 장치(880)는 미러(881)와 통합되어 있다. 도 9에 도시한 바와 같이, 선택적 요소가 있어 광(954)이 미러(881)를 통해 스캐너(802)로 반사되게 한다. 미러(881)는 다양한 방식으로 광학 장치(880)에 통합될 수 있다는 본 발명의 이점이 당업자에게 명확할 것이다. 광학 장치(880)가 유리 또는 플라스틱과 같은 등방성 재료로 제조되는 실시예에서, 미러(881)는 광학 장치(880) 일측(882)의 확장부로 형성될 수 있다.

이상에서 설명한 바와 같이, 광학 장치(880)는 화상(995)에 존재하는 수직 스마일 왜곡 및 아나모픽 왜곡 모두를 실질적으로 보정하도록 구성되어 있다. 이를 위해 광학 장치(880)는 광학 장치(880)의 가변 두께(803)에 의해 결정된 소정의 양 만큼 주빔(992)뿐만 아니라 다른 빔(991,993))을 리다이렉트하고, 가변 두께(803)에 의해 스캔 콘(994)에 걸쳐 생긴 비점수차 왜곡을 각도 단위로 보정한다. 스캔 콘(994)의 무한 심도 초점을 유지하기 위해 비점수차 왜곡 보정 작업이 이루어진다. 예를 들어, 초점의 무한 심도가 10 미터 이상인 하나의 실시예에서, 초점의 심도가 20% 미만으로 변경된다. 점 크기, 즉, 픽셀 크기는 실질적으로 영향을 받지 않을 뿐만 아니라 주사형 레이저 투사시스템과 연관된 해상도는 보존될 수 있다.

광학 장치(880)는 실질적으로 수직 스마일 왜곡 및 아나모픽 왜곡을 보정한다. 따라서, 도 10에 나타낸 바와 같이, 투사시스템(900)에서 투사된 스캔 콘(994)은 광학 장치(880)를 나올 때 주빔(992) 주변에 실질적으로 재편성된다. 위에서 설명한 대로 주빔(992)은 스캔 콘(994)의 이동 방향을 정의한다.

도 8 내지 도 10의 광학 장치(880)를 사용한 결과가 도 11에 나타나 있으며, 수평 공급 MEMS 주사 엔진(1100)에서 전달되는 화상(1108)은 더 이상 키스톤 수직 스마일 왜곡 또는 아나모픽 왜곡을 겪지 않는다. 대신에, 화상(1108)은 명확하고 쉽게 읽을 수 있다. 투사된 스캔 콘(994)의 시야(1111)는 광학 장치(880)에 의해 크게 영향을 받지 않는다.

전술한 명세서에서, 본 발명의 특정 실시예들을 설명하였다. 그러나, 당업자는 다양한 수정 및 변경은 아래의 청구범위에 명시된 대로 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 할 수 있다고 평가한다. 따라서, 본 발명의 바람직한 실시예들이 예시되어 설명되고 있지만 본 발명은 그렇게 제한되지 않는 것이 분명하다. 다양한 수정, 변경, 변형, 대체, 및 균등물이 다음과 같은 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 당업자에게 가능할 것이다. 따라서, 규격 및 수치는 오히려 제한적인 의미보다는 예시로 간주하고, 이러한 모든 변경은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것임을 알 수 있다.

Claims (15)

1. 하우징과; 무한 초점을 가진 화상(995,1108)을 형성하는 스캔 콘(994)으로 하나 이상의 빔들을 주사하도록 구성된 프로젝터로서, 이 프로젝터는 하나 이상의 빔을 2차원으로 주사하는 주사 엔진(400,800,1100)을 구비하고, 상기 주사 엔진은 상기 하우징 내에 수평으로 배향되고, 키스톤 왜곡을 보정하도록 상기 하우징에 대해 상대적으로 회전가능하게 탑재되어 있고, 상기 주사엔진의 회전은 수직 스마일 왜곡 및 아나모픽 왜곡을 발생시키며, 상기 주사 엔진에 대한 투사광원으로부터 입력되는 피드 빔의 입사각이 14도 보다 큰 프로젝터와; 두 개의 직교 독립변수들의 함수인 다항식에 의해 각각 정의된 제1 주면(701)과 제2 주면(702)을 갖는 광학 장치(700,880):로 구성되고,
   상기 광학 장치(700,880)는 상기 제1 주면(701)과 제2 주면(702) 사이에서 상기 광학 장치의 치수(705)를 따라 연장되는 광학소재의 몸체부분(703)을 구비하고, 상기 몸체부분(703)은 상기 광학 장치의 상기 치수(705)를 따라 상기 몸체부분 전체에 걸쳐 감소하는 가변 두께(704,803)를 지니며, 상기 스캔 콘(994)이 상기 광학 장치의 치수(705)를 가로질러 상기 몸체부분(703)을 통과하고, 상기 광학 장치(700,880)는 상기 수직 스마일 왜곡과 아나모픽 왜곡을 모두 감소시키도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 주사형 레이저 투사시스템.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 광학 장치(700,880)의 몸체부분(703)은 상기 치수(705)를 따라 쐐기를 형성하는 것을 특징으로 하는 주사형 레이저 투사시스템.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 주면(701)과 제2 주면(702)은 서로 편심되어 있는 볼록면과 오목면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 주사형 레이저 투사시스템.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 광학 장치(700,880)는 제로 파워인 것을 특징으로 하는 주사형 레이저 투사시스템.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 주면(701)과 제2 주면(702) 각각은 비회전대칭인 것을 특징으로 하는 주사형 레이저 투사시스템.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제1 주면(701)과 제2 주면(702) 각각은 비방사대칭인 것을 특징으로 하는 주사형 레이저 투사시스템.
7. 삭제
8. 삭제
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10. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 주면(701)과 제2 주면(702)의 윤곽들이 상기 광학 장치의 가변 두께(704,803)에 의해 생기는 비점수차 왜곡을 줄이도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 주사형 레이저 투사시스템.
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