KR20160144735A - 광학엔진장치 및 합성/균일화 프리즘 - Google Patents

광학엔진장치 및 합성/균일화 프리즘 Download PDF

Info

Publication number
KR20160144735A
KR20160144735A KR1020150081250A KR20150081250A KR20160144735A KR 20160144735 A KR20160144735 A KR 20160144735A KR 1020150081250 A KR1020150081250 A KR 1020150081250A KR 20150081250 A KR20150081250 A KR 20150081250A KR 20160144735 A KR20160144735 A KR 20160144735A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
prism
combining
equalizing
incident
laser
Prior art date
Application number
KR1020150081250A
Other languages
English (en)
Other versions
KR102223620B1 (ko
Inventor
배용우
유재황
정구익
이학순
Original Assignee
에스케이텔레콤 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 에스케이텔레콤 주식회사 filed Critical 에스케이텔레콤 주식회사
Priority to KR1020150081250A priority Critical patent/KR102223620B1/ko
Publication of KR20160144735A publication Critical patent/KR20160144735A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR102223620B1 publication Critical patent/KR102223620B1/ko

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0916—Adapting the beam shape of a semiconductor light source such as a laser diode or an LED, e.g. for efficiently coupling into optical fibers
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/09—Beam shaping, e.g. changing the cross-sectional area, not otherwise provided for
    • G02B27/0938—Using specific optical elements
    • G02B27/095—Refractive optical elements
    • G02B27/0972—Prisms

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Projection Apparatus (AREA)
  • Optical Elements Other Than Lenses (AREA)

Abstract

본 발명은, 프로젝션 디스플레이장치에서 다수의 레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 하나의 경로로 합성된 레이저빔을 균일하게 확산시키는 균일화기능(Homogenizing)을 동시에 할 수 있는 광학부품을 채용함으로써, 광학엔진의 사이즈 소형화 및 광학효율의 개선을 모두 달성할 수 있는 기술을 개시한다.

Description

광학엔진장치 및 합성/균일화 프리즘{OPTICAL ENGINE APPRATUS AND COMPOSE/HOMOGENIZING PRISM}
본 발명은 레이저광원을 사용하는 프로젝션(Projection) 디스플레이 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 프로젝션 디스플레이장치에서 다수의 레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 하나의 경로로 합성된 레이저빔을 균일하게 확산시키는 균일화기능(Homogenizing)을 동시에 할 수 있는 광학부품을 채용함으로써, 광학엔진의 사이즈 소형화 및 광학효율의 개선을 모두 달성할 수 있는 기술에 관한 것이다.
고화질 대화면의 디스플레이 수요가 증대되면서 고화질 또는 대화면 구현을 위한 프로젝터(Projector), 프로젝션 티브이(Projection TV)와 같은 프로젝션 디스플레이장치가 개발되고 있으며, 최근 프로젝션 디스플레이장치를 초소형으로 개발하고자 노력하고 있다.
이러한 초소형 프로젝션 디스플레이장치를 개발하기 위해서는, 최대한 작은 사이즈로 개선된 광학효율의 광학엔진을 개발하는 이 가장 중요한 과제일 것이다.
특히, 출력과 면적이 비례하는 LED광원과 달리 레이저광원은 동일한 면적에서 출력 향상이 가능하기 때문에, 초소형 프로젝션 디스플레이장치 개발을 위해서는 광학엔진에서 레이저광원 사용이 필요한 사항이다.
이처럼, 초소형 프로젝션 디스플레이장치를 위한 광학엔진에서 R,G,B레이저광원을 사용하는 경우, R,G,B레이저광원 각각에서 방사되는 R,G,B레이저빔을 하나의 경로로 합성하기 위해 R,G,B레이저광원 각각에서 색선별(Dichroic) 필터가 사용된다.
헌데, R,G,B레이저광원 각각의 색선별필터는, 고정을 위해 Bonding되는 접합면에서 빛(레이저빔)을 투과할 수 없기 때문에, 광학효율 저하를 감수하고 색선별필터에 입사되는 레이저빔의 유효면적을 줄이거나, 또는 광학엔진의 소형화엔 제약이 될 수 있음을 감수하고 색선별필터의 사이즈를 크게 제작해야 하는 단점이 있다.
한편, 광학엔진에서는, 각 광원에서 방사되는 빛(빔)을 디스플레이패널에 균일하게 조명하기 위해 마이크로렌즈어레이(MLA 또는 FEL)나 라이트터널(Light Tunnel) 같은 인테그레이터(integrator)가 필수적인데, 소형화를 위해 레이저광원을 사용하는 경우 가우시안으로 방사되는 레이저빔을 인테그레이터에 균일하게 입사시키기 위한 빔 호모지나이저(Homogenizer)가 추가로 요구된다. 이러한 빔 호모지나이저는, 마이크로렌즈어레이 또는 확산판을 통해 구현될 수 있다.
헌데, 빔 호모지나이저를 추가로 사용하는 경우, 인테그레이터에 입사되는 레이저빔이 충분한 유효경을 갖도록 빔 호모지나이저와 인테그레이터 사이의 거리가 충분히 확보되어야 하기 때문에, 광학엔진의 소형화에 제약이 되는 단점이 있다.
또한, 빔 호모지나이저를 추가로 사용하는 경우, 빔 호모지나이저를 구현하는 광학부품(예 : 마이크로렌즈어레이 또는 확산판)으로 인해 의도하지 않은 산란, 편광손실 등이 발생하여 광학효율 저하의 원인이 될 수 있다.
이에, 본 발명에서는, R,G,B레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 색선별필터의 합성기능 및 빔 호모지나이저의 균일화기능을 동시에 할 수 있는 광학부품을 채용함으로써, 광학엔진의 사이즈 소형화 및 광학효율의 개선을 모두 달성할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
본 발명은 상기한 사정을 감안하여 창출된 것으로서, 본 발명에서 도달하고자 하는 목적은, 레이저광원을 사용하는 프로젝션 디스플레이장치에서, 색선별필터의 합성기능 및 빔 호모지나이저의 균일화기능을 동시에 할 수 있는 광학부품을 채용함으로써, 사이즈 소형화 및 광학효율의 개선을 모두 달성할 수 있는 광학엔진장치를 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 관점에 따른 광학엔진장치는, 파장이 서로 다른 다수의 레이저광원; 상기 다수의 레이저광원으로부터 방사되는 다수의 레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 상기 하나의 경로로 합성된 레이저빔을 균일하게 확산시키는 1차 균일화기능을 일체형으로 구현하는 합성/균일화 프리즘; 및 상기 합성/균일화 프리즘에서 출사되는 레이저빔을 2차로 균일하게 확산시켜 디스플레이패널에 전달하는 인테그레이터(Integrator)를 포함한다.
바람직하게는, 상기 합성/균일화 프리즘으로 입사되는 상기 다수의 레이저빔 중 적어도 하나를 색에 따라 반사 또는 투과시켜 상기 합성/균일화 프리즘의 출사면으로 전달하는 색선별성분 코팅면이 적어도 하나 이상이 형성되며, 상기 합성기능은, 상기 합성/균일화 프리즘에 형성된 상기 적어도 하나 이상의 색선별성분 코팅면에 의해 구현될 수 있다.
바람직하게는, 상기 합성/균일화 프리즘은, 상기 다수의 레이저빔 각각이 상기 합성/균일화 프리즘으로 입사되는 입사각 및 상기 합성/균일화 프리즘의 내부 굴절률에 근거하여, 상기 다수의 레이저빔이 상기 합성/균일화 프리즘 내부에서 전반사되도록 하는 특정 구조를 가지며, 상기 1차 균일화기능은, 상기 합성/균일화 프리즘이 갖는 상기 특정 구조에 의해 구현될 수 있다.
바람직하게는, 레이저광원으로부터 방사되는 레이저빔은, 수직방향 및 수평방향의 방사각이 상이하며, 상기 광학엔진장치는, 상기 다수의 레이저광원 및 상기 합성/균일화 프리즘 사이에서, 상기 다수의 레이저광원 별로 방사되는 레이저빔의 수직방향 및 수평방향 방사각이 동일해지도록 조정하는 렌즈를 더 포함할 수 있다.
바람직하게는, 상기 렌즈는, 상기 다수의 레이저광원 별로, 레이저빔의 수직방향 및 수평방향 중에서 방사각이 더 큰 방향에만 곡률을 갖는 형상일 수 있다.
바람직하게는, 상기 다수의 레이저빔 각각이 상기 합성/균일화 프리즘으로 입사되는 각 입사면에는, 레이저빔을 확산시키는 확산판이 더 포함될 수 있다.
바람직하게는, 상기 합성/균일화 프리즘의 출사면에는, 상기 합성/균일화 프리즘을 통과하여 상기 출사면으로 출사되는 레이저빔을 상기 인테그레이터의 수용 가능한 입사각에 따라 평행화시키는 콜리메이터(Collimator)가 더 포함될 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 관점에 따른 합성/균일화 프리즘은, 파장이 서로 다른 다수의 레이저빔이 입사되는 입사면; 입사된 상기 다수의 레이저빔 중 적어도 하나를 색에 따라 반사 또는 투과시켜, 상기 다수의 레이저빔을 하나의 출사면으로 전달하는 적어도 하나 이상의 색선별성분 코팅면; 및 상기 다수의 레이저빔이 입사되는 입사각 및 내부 굴절률에 근거하여, 입사면으로 입사되어 출사면으로 전달되는 상기 다수의 레이저빔을 내부 전반사시키는 내부전반사성분을 포함한다.
이에, 본 발명에 따른 광학엔진장치에 의하면, 다수의 레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 하나의 경로로 합성된 레이저빔을 균일하게 확산시키는 균일화기능을 동시에 할 수 있는 광학부품을 채용함으로써, 사이즈의 소형화 및 광학효율의 개선을 모두 달성하는 효과를 도출한다.
도 1은 기존의 프로젝션 디스플레이장치(광학엔진)의 개략적인 구성을 보여주는 구성도이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학엔진장치의 개략적인 구성을 보여주는 구성도이다.
도 3은 본 발명에서 채용하는 합성/균일화 프리즘에서 합성기능의 원리를 보여주는 예시도이다.
도 4는 본 발명에서 채용하는 합성/균일화 프리즘에서 내부 전반사가 일어나는 상황을 보여주는 예시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 대하여 설명한다.
먼저, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기에 앞서, 도 1을 참조하여 기존의 프로젝션 디스플레이장치의 개략적인 구성을 설명하겠다.
본 발명은 레이저광원을 사용하는 프로젝션 디스플레이장치에 관한 것이며, 따라서 기존의 프로젝션 디스플레이장치를 설명하는데 있어서도 레이저광원을 사용하는 것으로 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 기존의 프로젝션 디스플레이장치 보다 구체적으로 기존의 광학엔진은, 파장이 서로 다른 다수의 레이저광원 즉 R레이저광원(R), G레이저광원(G), B레이저광원(B)을 사용한다.
그리고, 기존의 광학엔진은, R,G,B레이저광원(R,G,B) 각각에서 방사되는 R,G,B레이저빔을 하나의 경로로 합성하기 위해, R,G,B레이저광원(R,G,B) 별로 색선별(Dichroic) 필터(4,5,6)을 사용한다.
이에, R레이저광원(R)에서 방사되는 R레이저빔은 콜리메이터(Collimator)(1)를 거쳐 색선별필터(4)로 입사되고, G레이저광원(G)에서 방사되는 G레이저빔은 콜리메이터(2)를 거쳐 색선별필터(5)로 입사되고, B레이저광원(B)에서 방사되는 B레이저빔은 콜리메이터(3)를 거쳐 색선별필터(6)로 입사된다.
이때, 기존의 광학엔진에서 콜리메이터(1,2,3)는, 구면 형상의 콜리메이터렌즈인 것이 일반적이다.
색선별필터(4,5,6)는, 빛(레이저빔)의 색(파장)에 따라 레이저빔을 선택적으로 반사 또는 투과시킨다.
이에, 색선별필터(6)는 B레이저빔을 반사시켜 색선별필터(5)로 입사시키고, 색선별필터(5)는 G레이저빔을 반사시키고 B레이저빔을 투과시켜 색선별필터(4)로 입사시키고, 색선별필터(4)는 G,B레이저빔을 반사시키고 R레이저빔을 투과시킴으로써 R,G,B레이저빔을 하나의 경로로 합성하여 빔 호모지나이저(Homogenizer, 7)로 입사시킨다.
광학엔진에서는, 각 광원에서 방사되는 빛(빔)을 디스플레이패널에 균일하게 조명하기 위해 마이크로렌즈어레이(MLA 또는 FEL)나 라이트터널(Light Tunnel) 같은 인테그레이터(integrator)가 필수적이다. 이러한 인테그레이터는, 도 1에 도시된 기존의 광학엔진에서 인테그레이터(9)로 도시되어 있다.
한편, 광학엔진에서 소형화를 위해 레이저광원(예 : R,G,B)을 사용하는 경우, 가우시안으로 방사되는 레이저빔을 인테그레이터(9)에 균일하게 입사시키기 위한 빔 호모지나이저(7)가 추가로 요구된다. 이러한 빔 호모지나이저(7)는, 마이크로렌즈어레이 또는 확산판을 통해 구현될 수 있다.
이에, 색선별필터(4,5,6)에 의해 하나로 합성된 RGB레이저빔은 빔 호모지나이저(7)를 거치면서 균일하게 확산된 후, 미러(8)에 의해 반사되어 인테그레이터(9)로 입사된다.
그리고, 인테그레이터(9)로 입사된 RGB레이저빔은 필드렌즈(10)를 거쳐 편광빔스플리터(20)로 입사된다.
한편, 도 1에는 도시되지 않았지만, 인테그레이터(9)의 앞단에는 콜리메이터가 추가로 구성될 수 있고, 인테그레이터(9)의 후단의 필드렌즈(10)는 여러 개로 구성될 수도 있다.
편광빔스플리터(20)는 입사되는 RGB레이저빔의 방향을 전환하여 디스플레이패널(22)로 전달하고, 디스플레이패널(22)은 전달된 RGB레이저빔을 기반으로 영상을 생성하여 투사광학계(30)로 전달한다.
한편, 도 1에는 도시되지 않았지만, 디스플레이패널(22)의 앞단에는, 위상판(Retarder)을 추가로 구성될 수도 있다.
디스플레이패널(22)은, 반사형 패널인 LCoS(Liquid crystal on silicon)패널인 것이 바람직하며, 이외에도 투과형 패널인 LCD(Liquid Crystal Display)패널 또는 반사형 패널인 DMD(Digital Micromirror Device)패널 일 수도 있으며 이 경우 도 1과는 디스플레이패널(22) 앞단 및/또는 후단의 광학부품이 달라질 수 있다.
투사광학계(30)는, 복수개의 렌즈(미도시)로 이루어져 디스플레이패널(22)로부터 전달되는 영상을 확대하여 투사하는 구성으로서, 투사광학계(30)에서 투사된 영상은 스크린(미도시) 상에 표현되어 사람이 육안으로 인지하게 된다.
도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 레이저광원을 사용하는 기존의 광학엔진에서는, R,G,B레이저광원(R,G,B)의 방사각이 작기 때문에, RGB레이저빔을 디스플레이패널(22)에 균일하게 조명하기 위해 인테그레이터(9)와 빔 호모지나이저(7)를 조합하여 사용하고 있다.
따라서, 기존의 광학엔진에서는, R,G,B레이저광원(R,G,B)에서 방사되어 하나로 합성된 RGB레이저빔은, 빔 호모지나이저(7)에서 1차로 균일화 및 확산되고 인테그레이터(9)에서 2차로 균일화 및 확산된 후 디스플레이패널(22)에 전달되는 것이다.
헌데, 기존의 광학엔진에서는, 인테그레이터(9)에 입사되는 RGB레이저빔이 충분한 유효경을 갖도록 빔 호모지나이저(7)와 인테그레이터(9) 사이의 거리가 충분히 확보되어야 하기 때문에, 광학엔진의 소형화에 제약이 되는 단점이 있다.
또한, 기존의 광학엔진에서는, 빔 호모지나이저(7)를 구현하는 광학부품(예 : 마이크로렌즈어레이 또는 확산판)으로 인해 의도하지 않은 산란, 편광손실 등이 발생하여 광학효율 저하의 원인이 될 수 있다.
한편, 색선별필터(4,5,6)는, 고정을 위해 Bonding되는 접합면에서 빛(레이저빔)을 투과할 수 없기 때문에, 광학효율 저하를 감수하고 색선별필터에 입사되는 레이저빔의 유효면적을 줄이거나, 또는 광학엔진의 소형화엔 제약이 될 수 있음을 감수하고 색선별필터의 사이즈를 크게 제작해야 하는 단점이 있다.
이에, 본 발명에서는, 색선별필터(4,5,6)의 합성기능 및 빔 호모지나이저(7)의 균일화기능을 동시에 할 수 있는 광학부품을 채용함으로써, 광학엔진의 사이즈 소형화 및 광학효율의 개선을 모두 달성할 수 있는 방안을 제안하고자 한다.
이하에서는, 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 광학엔진장치를 구체적으로 설명하겠다.
도 2에서는, 설명의 편의를 위해 기존의 광학엔진과 동일한 광학부품에 대해서는 동일한 참조번호를 언급하여 설명하겠다.
본 발명에 따른 광학엔진장치는, 파장이 서로 다른 다수의 레이저광원과, 상기 다수의 레이저광원으로부터 방사되는 다수의 레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 상기 하나의 경로로 합성된 레이저빔을 균일하게 확산시키는 1차 균일화기능을 일체형으로 구현하는 합성/균일화 프리즘(50)과, 합성/균일화 프리즘(50)에서 출사되는 레이저빔을 2차로 균일하게 확산시켜 디스플레이패널(22)에 전달하는 인테그레이터(9)를 포함한다.
본 발명의 광학엔진장치에서는, 다수의 레이저광원, 예컨대 도 2에 도시된 바와 같이 R레이저광원(R), G레이저광원(G), B레이저광원(B)을 사용할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위해, 다수의 레이저광원으로서 R,G,B레이저광원(R,G,B)을 언급하여 설명하겠다.
그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 다수의 레이저광원 중 R레이저광원(R)은 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면과 대향된 대향면에 위치하고, G레이저광원(G) 및 B레이저광원(B)은 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면과 접해있는 측면 중 하나에 위치할 수 있다.
물론, 도 2에 도시된 R,G,B레이저광원(R,G,B)의 위치는 일 실시예일 뿐이며, 도 2에 도시된 위치로 한정할 필요는 없다.
합성/균일화 프리즘(50)은, R,G,B레이저광원(R,G,B)으로부터 방사되는 R,G,B레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 하나의 경로로 합성된 레이저빔 즉 RGB레이저빔을 균일하게 확산시키는 1차 균일화기능을 일체형으로 구현한다.
즉, 합성/균일화 프리즘(50)은, 기존의 광학엔진에서 색선별필터(4,5,6)의 합성기능 및 빔 호모지나이저(7)의 (1차) 균일화기능을 동시에 할 수 있도록, 본 발명에서 제안하는 광학부품에 해당하는 것이다.
이하에서는, 합성/균일화 프리즘(50)에 대해 보다 구체적으로 설명하겠다.
합성/균일화 프리즘(50)은, 합성/균일화 프리즘(50)으로 입사되는 R,G,B레이저빔 각각을 색에 따라 반사 또는 투과시켜 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면으로 전달하는 색선별성분 코팅면이 적어도 하나 이상이 형성된다.
도 2에 경우, 합성/균일화 프리즘(50)에는, 2개의 색선별성분 코팅면(52,54)이 형성되어 있음을 알 수 있다.
이에, 합성/균일화 프리즘(50)의 합성기능은, 합성/균일화 프리즘(5)에 형성된 상기 적어도 하나 이상의 색선별성분 코팅면 즉 2개의 색선별성분 코팅면(52,54)에 의해 구현될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 색선별성분 코팅면(52,54)은 빛(레이저빔)의 색(파장)에 따라 레이저빔을 선택적으로 반사 또는 투과시킨다.
도 3을 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, R레이저빔의 색(파장)을 WL1, G레이저빔의 색(파장)을 WL2, B레이저빔의 색(파장)을 WL3으로 정의한다면, 색선별성분 코팅면(52)은 WL1을 투과시키고 WL2을 반사시키는 특성, 색선별성분 코팅면(54)은 WL1,2를 투과시키고 WL3를 반사시키는 특성을 갖도록 형성된다.
이에, 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면과 대향된 대향면으로 R레이저빔이 입사되면, R레이저빔은 색선별성분 코팅면(52) 및 색선별성분 코팅면(54)를 모두 투과하여 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면으로 출사될 것이다. 이때, R레이저빔의 관점에서 볼 때, 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면과 대향된 대향면은 곧 입사면일 것이다.
그리고, 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면과 접해있는 측면으로 G레이저빔이 입사되면, G레이저빔은 색선별성분 코팅면(52)에서 반사되어 색선별성분 코팅면(54)으로 입사된 후 색선별성분 코팅면(54)를 투과하여 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면으로 출사될 것이다. 이때, G레이저빔의 관점에서 볼 때, 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면과 접해있는 측면은 곧 입사면일 것이다.
그리고, 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면과 접해있는 측면으로 B레이저빔이 입사되면, B레이저빔은 색선별성분 코팅면(54)에서 반사되어 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면으로 출사될 것이다. 이때, B레이저빔의 관점에서 볼 때, 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면과 접해있는 측면은 곧 입사면일 것이다.
이처럼, 합성/균일화 프리즘(50)은, 합성/균일화 프리즘(50)에 형성된 색선별성분 코팅면(52,54)에 의해, R,G,B레이저광원(R,G,B)으로부터 방사되는 R,G,B레이저빔을 하나의 경로로 합성함으로써 합성기능을 구현하게 되며, 합성기능에 의해 하나로 합성된 RGB레이저빔을 출사할 수 있다.
한편, 도 2 및 도 3에서는, 합성/균일화 프리즘(50)에 2개의 색선별성분 코팅면(52,54)이 형성되어 있는 것으로 설명하고 있으나 이는 일 실시예일 뿐이다. 즉, 본 발명에서는, R,G,B레이저광원(R,G,B) 각각이 합성/균일화 프리즘(50)의 어느 면에 위치하여 레이저빔을 방사하는지에 따른 구조에 대응하여 R,G,B레이저빔을 하나의 경로로 합성할 수 있도록, 하나 또는 3개 이상의 색선별성분 코팅면을 형성하는 다양한 실시예가 가능할 것이다.
또한, 합성/균일화 프리즘(50)은, 다수의 레이저빔 즉 R,G,B레이저빔 각각이 합성/균일화 프리즘(50)으로 입사되는 입사각 및 합성/균일화 프리즘(50)의 내부 굴절률에 근거하여, 각각의 입사면으로 입사되어 출사면으로 전달되는 R,G,B레이저빔을 내부 전반사시키는 내부전반사성분 즉 특정 구조를 갖는다.
이때, R,G,B레이저빔이 합성/균일화 프리즘(50) 내부에서 전반사되도록 하는 내부전반사성분 즉 특정 구조라 함은, 직육면체 형상의 합성/균일화 프리즘(50)에서 넓이(폭)와 높이(길이), 내부 굴절률을 의미한다.
도 4를 참조하여 설명하면, 전반사의 조건은, 빛(레이저빔)이 진행 중인 매질이 입사하게 될 매질 보다 밀해야 하며, 빛(레이저빔)의 입사각(θi)가 임계각(θn) 보다 크거나 같아야 한다(θi≥ θn).
여기서, 합성/균일화 프리즘(50)의 매질이 공기(Air)의 매질 보다 밀하고, 합성/균일화 프리즘(50)에 입사하는 R,G,B레이저빔 각각의 입사각(θi)이 R,G,B레이저광원(R,G,B) 각각의 방사각 및 R,G,B레이저광원(R,G,B)과 합성/균일화 프리즘(50) 간의 거리에 따라 구조적으로 고정된다고 볼 때, R,G,B레이저빔 각각의 입사각(θi)은 다음의 조건을 만족해야만 R,G,B레이저빔이 합성/균일화 프리즘(50) 내부에서 전반사될 수 있다.
θi ≤ π/2-sin-1(1/n)
이때, 공기의 굴절률을 1로 볼 때, n은 합성/균일화 프리즘(50)의 내부 굴절률을 의미한다.
그리고, 상기의 조건은, 전반사 조건(θi≥ θn), 임계각(θn)을 역사인함수로 정의하는 조건(θn=sin-1(1/n)) 및 임계각(θn)의 범위에 기인하여 도출되는 조건으로서, 전반사 원리에서는 일반적인 조건으로 볼 수 있다.
따라서, R,G,B레이저빔 각각의 입사각(θi)이 구조적으로 고정된다고 고정된다고 볼 때, R,G,B레이저빔이 합성/균일화 프리즘(50) 내부에서 전반사되는지 여부는, 역사인함수로 정의된 임계각(θn)을 좌우하는 합성/균일화 프리즘(50)의 넓이(폭) 및 높이(길이)와, 내부 굴절률(n)이라 할 수 있다.
따라서, 합성/균일화 프리즘(50)은, 합성/균일화 프리즘(50)으로 입사되는 R,G,B레이저빔 각각이 색선별성분 코팅면(52) 및 색선별성분 코팅면(54) 중 적어도 하나에 의해 투과 및/또는 반사되어 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면으로 출사되는 진행 중에, R,G,B레이저빔이 합성/균일화 프리즘(50)에서 굴절되어 밖으로 나오는 일 없이 합성/균일화 프리즘(50) 내부에서 전반사되도록 하는, 특정 구조 즉 넓이(폭)와 높이(길이), 내부 굴절률(n)을 갖도록 설계된다.
이에, 합성/균일화 프리즘(50)의 1차 균일화기능은, 합성/균일화 프리즘(50)이 갖는 전술의 특정 구조 즉 넓이(폭)와 높이(길이), 내부 굴절률(n)에 의해 구현될 수 있다.
이처럼, 합성/균일화 프리즘(50)은, 합성/균일화 프리즘(50)이 갖는 전술의 특정 구조에 의해, 하나의 경로로 합성된 RGB레이저빔을 균일하게 확산시키는 1차 균일화기능을 구현하게 되며, 1차 균일화기능에 의해 충분히 확산된 형태로 RGB레이저빔을 출사할 수 있다.
이에, 합성/균일화 프리즘(50)에서 출사되는 RGB레이저빔은, 미러(8)에 의해 반사되어 인테그레이터(9)로 입사될 것이다.
그리고, 인테그레이터(9)로 입사된 RGB레이저빔은 필드렌즈(10)를 거쳐 편광빔스플리터(20)로 입사되고, 편광빔스플리터(20)는 입사되는 RGB레이저빔의 방향을 전환하여 디스플레이패널(22)로 전달하고, 디스플레이패널(22)은 전달된 RGB레이저빔을 기반으로 영상을 생성하여 투사광학계(30)로 전달한다.
이에, 투사광학계(30)는 디스플레이패널(22)로부터 전달되는 영상을 확대하여 투사하고, 투사광학계(30)에서 투사된 영상은 스크린(미도시) 상에 표현되어 사람이 육안으로 인지하게 된다.
따라서, 본 발명의 광학엔진장치에서는, R,G,B레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 하나의 경로로 합성된 RGB레이저빔을 균일하게 확산시키는 1차 균일화기능을 일체형으로 구현한 광학부품 즉 합성/균일화 프리즘(50)을 채용함으로써, R,B,G레이저광원(R,G,B)으로부터 방사되는 R,G,B레이저빔을 하나로 합성함과 동시에 충분히 균일하게 확산시켜 인테그레이터(9)로 전달할 수 있다.
한편, 도 2에는 도시되지 않았지만, 인테그레이터(9)의 앞단에는 콜리메이터가 추가로 구성될 수 있고, 인테그레이터(9)의 후단의 필드렌즈(10)는 여러 개로 구성될 수도 있고, 디스플레이패널(22)의 앞단에는 위상판(Retarder)을 추가로 구성될 수도 있다.
이에, 본 발명의 광학엔진장치에서는, 합성/균일화 프리즘(50)에서 출사되는 RGB레이저빔의 유효경이 충분히 크기 때문에, 빔 호모지나이저(7)와 인테그레이터(9) 사이의 거리를 충분하게 확보해야 했던 기존 대비, 합성/균일화 프리즘(50) 및 인테그레이터(9) 사이의 거리를 가깝게 할 수 있어 광학엔진장치의 사이즈를 소형화하는데 있어 기존의 제약을 개선할 수 있다.
또한, 본 발명의 광학엔진장치에서는, 마이크로렌즈어레이 또는 확산판으로 구현된 기존의 빔 호모지나이저(7)를 채용할 필요가 없기 때문에, 빔 호모지나이저(7)로 인해 의도하지 않은 산란, 편광손실 등이 발생하여 광학효율 저하시키던 기존의 단점 역시 자연스럽게 해결(개선)된다.
한편, 본 발명의 광학엔진장치에서는, 합성/균일화 프리즘(50)에 형성된 색선별성분 코팅면 전체에서 빛(레이저빔)을 투과할 수 있기 때문에, 기존의 색선별필터(4,5,6)에서 유효면적을 줄이거나 또는 색선별필터의 사이즈를 크게 제작해야 하는 단점 역시 자연스럽게 해결(개선)된다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 광학엔진장치에 따르면, R,G,B레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 하나의 경로로 합성된 RGB레이저빔을 균일하게 확산시키는 균일화기능을 동시에 할 수 있는 광학부품을 채용함으로써, 사이즈의 소형화 및 광학효율의 개선을 모두 달성하는 효과를 도출할 수 있다.
더 나아가, 본 발명의 광학엔진장치는, 다수의 레이저광원 즉 R,G,B레이저광원(R,G,B) 및 합성/균일화 프리즘(50) 사이에서, R,G,B레이저광원(R,G,B) 별로 방사되는 레이저빔의 수직방향 및 수평방향 방사각이 동일해지도록 조정하는 렌즈(41,42,43)를 더 포함할 수 있다.
이때, 렌즈(41,42,43)는, 다수의 레이저광원 즉 R,G,B레이저광원(R,G,B)별로, 레이저빔의 수직방향 및 수평방향 중에서 방사각이 더 큰 방향에만 곡률을 갖는 형상일 수 있다.
LED광원과 달리 레이저광원으로부터 방사되는 레이저빔은, 수직방향 및 수평방향의 방사각이 상이하다.
그런데, 도 1에 도시한 기존과 같이, 본 발명에서도 구면 형상의 콜리메이터렌즈(1,2,3)을 그대로 채용한다면, R,G,B레이저빔 각각은 입사각이 수직방향 및 수평방향 별로 상이할 것이고, 이는 전술한 본 발명의 효과를 저하시키거나 색선별성분 코팅면의 형성 및/또는 내부 전반사를 위한 특정 구조를 복잡하게 하는 요인이 될 수 있다.
이에, 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 광학엔진장치는, 기존과 달리, R,G,B레이저광원(R,G,B) 및 합성/균일화 프리즘(50) 사이에서, 레이저빔의 수직방향 및 수평방향 중에서 방사각이 더 큰 방향에만 곡률을 갖는 형상의 렌즈(41,42,43) 즉 구면 형상의 콜리메이터렌즈(41,42,43)를 채용함으로써, R,G,B레이저빔 각각의 수직방향 및 수평방향 방사각이 동일해지도록 조정할 수 있다.
더 나아가, 본 발명에서는, 다수의 레이저빔 즉 R,G,B레이저빔 각각이 합성/균일화 프리즘(50)으로 입사되는 각 입사면에, 레이저빔을 확산시키는 확산판(41a, 42a,43a)이 더 포함될 수 있다.
이처럼, R,G,B레이저빔 각각이 합성/균일화 프리즘(50)으로 입사되는 각 입사면에 확산판(41a, 42a,43a)을 포함하게 되면, 레이저광원의 특성 상 작을 수 밖에 없는 R,G,B레이저광원(R,G,B)의 방사각을 보다 확대시킬 수 있다.
그리고, 본 발명에서는, 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면에는, 합성/균일화 프리즘(50)을 통과하여 출사면으로 출사되는 RGB레이저빔을 인테그레이터(9)의 수용 가능한 입사각에 따라 평행화시키는 콜리메이터(56)가 더 포함될 수 있다.
이처럼, 합성/균일화 프리즘(50)의 출사면에 콜리메이터(56)를 포함하게 되면, 합성/균일화 프리즘(50)에서 1차 균일화기능에 의해 확산된 RBG레이저빔이 혹시 인테그레이터(9)의 수용 가능한 입사각 보다 커질 수 있는 상황을 미연에 방지할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 광학엔진장치에 의하면, 다수의 레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 하나의 경로로 합성된 레이저빔을 균일하게 확산시키는 균일화기능을 동시에 할 수 있는 광학부품을 채용함으로써, 사이즈의 소형화 및 광학효율의 개선을 모두 달성할 수 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
본 발명의 광학엔진장치에 따르면, 레이저광원을 사용하는 프로젝션 디스플레이장치에서, 다수의 레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 하나의 경로로 합성된 레이저빔을 균일하게 확산시키는 균일화기능을 동시에 할 수 있는 광학부품을 채용함으로써, 사이즈의 소형화 및 광학효율의 개선을 모두 달성한다는 점에서, 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.
9 : 인테그레이터
R,G,B : R,G,B레이저광원
50 : 합성/균일화 프리즘
52,54 : 색선별성분 코팅면

Claims (8)

  1. 파장이 서로 다른 다수의 레이저광원으로부터 방사되는 다수의 레이저빔을 하나의 경로로 합성하는 합성기능 및 상기 하나의 경로로 합성된 레이저빔을 균일하게 확산시키는 1차 균일화기능을 일체형으로 구현하는 합성/균일화 프리즘; 및
    상기 합성/균일화 프리즘에서 출사되는 레이저빔을 2차로 균일하게 확산시켜 디스플레이패널에 전달하는 인테그레이터(Integrator)를 포함하는 것을 특징으로 하는 광학엔진장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 합성/균일화 프리즘에는,
    상기 합성/균일화 프리즘으로 입사되는 상기 다수의 레이저빔 중 적어도 하나를 색에 따라 반사 또는 투과시켜 상기 합성/균일화 프리즘의 출사면으로 전달하는 색선별성분 코팅면이 적어도 하나 이상이 형성되며,
    상기 합성기능은,
    상기 합성/균일화 프리즘에 형성된 상기 적어도 하나 이상의 색선별성분 코팅면에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 광학엔진장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 합성/균일화 프리즘은,
    상기 다수의 레이저빔 각각이 상기 합성/균일화 프리즘으로 입사되는 입사각 및 상기 합성/균일화 프리즘의 내부 굴절률에 근거하여, 상기 다수의 레이저빔이 상기 합성/균일화 프리즘 내부에서 전반사되도록 하는 특정 구조를 가지며,
    상기 1차 균일화기능은,
    상기 합성/균일화 프리즘이 갖는 상기 특정 구조에 의해 구현되는 것을 특징으로 하는 광학엔진장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    레이저광원으로부터 방사되는 레이저빔은, 수직방향 및 수평방향의 방사각이 상이하며,
    상기 광학엔진장치는,
    상기 다수의 레이저광원 및 상기 합성/균일화 프리즘 사이에서, 상기 다수의 레이저광원 별로 방사되는 레이저빔의 수직방향 및 수평방향 방사각이 동일해지도록 조정하는 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 광학엔진장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 렌즈는,
    상기 다수의 레이저광원 별로, 레이저빔의 수직방향 및 수평방향 중에서 방사각이 더 큰 방향에만 곡률을 갖는 형상인 것을 특징으로 하는 광학엔진장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 다수의 레이저빔 각각이 상기 합성/균일화 프리즘으로 입사되는 각 입사면에는, 레이저빔을 확산시키는 확산판이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 광학엔진장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 합성/균일화 프리즘의 출사면에는, 상기 합성/균일화 프리즘을 통과하여 상기 출사면으로 출사되는 레이저빔을 상기 인테그레이터의 수용 가능한 입사각에 따라 평행화시키는 콜리메이터(Collimator)가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 광학엔진장치.
  8. 파장이 서로 다른 다수의 레이저빔이 입사되는 입사면;
    입사된 상기 다수의 레이저빔 중 적어도 하나를 색에 따라 반사 또는 투과시켜, 상기 다수의 레이저빔을 하나의 출사면으로 전달하는 적어도 하나 이상의 색선별성분 코팅면; 및
    상기 다수의 레이저빔이 입사되는 입사각 및 내부 굴절률에 근거하여, 입사면으로 입사되어 출사면으로 전달되는 상기 다수의 레이저빔을 내부 전반사시키는 내부전반사성분을 포함하는 것을 특징으로 하는 합성/균일화 프리즘.
KR1020150081250A 2015-06-09 2015-06-09 광학엔진장치 및 합성 및 균일화 프리즘 KR102223620B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150081250A KR102223620B1 (ko) 2015-06-09 2015-06-09 광학엔진장치 및 합성 및 균일화 프리즘

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020150081250A KR102223620B1 (ko) 2015-06-09 2015-06-09 광학엔진장치 및 합성 및 균일화 프리즘

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20160144735A true KR20160144735A (ko) 2016-12-19
KR102223620B1 KR102223620B1 (ko) 2021-03-05

Family

ID=57735348

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020150081250A KR102223620B1 (ko) 2015-06-09 2015-06-09 광학엔진장치 및 합성 및 균일화 프리즘

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR102223620B1 (ko)

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100771636B1 (ko) * 2006-07-04 2007-10-31 엘지전자 주식회사 프로젝션 시스템
KR20090102091A (ko) * 2008-03-25 2009-09-30 엘지전자 주식회사 레이저 프로젝터
JP2010145584A (ja) * 2008-12-17 2010-07-01 Mitsubishi Electric Corp 映像表示装置の光源切り替え装置
JP2010286521A (ja) * 2009-06-09 2010-12-24 Mitsubishi Electric Corp 映像表示装置
KR20110050857A (ko) * 2009-11-09 2011-05-17 (주)프로옵틱스 디엠디 프로젝터용 광학엔진
JP2013083988A (ja) * 2010-10-04 2013-05-09 Sony Corp 照明装置および表示装置
JP2013228607A (ja) * 2012-04-26 2013-11-07 Sony Corp 表示装置および照明装置

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100771636B1 (ko) * 2006-07-04 2007-10-31 엘지전자 주식회사 프로젝션 시스템
KR20090102091A (ko) * 2008-03-25 2009-09-30 엘지전자 주식회사 레이저 프로젝터
JP2010145584A (ja) * 2008-12-17 2010-07-01 Mitsubishi Electric Corp 映像表示装置の光源切り替え装置
JP2010286521A (ja) * 2009-06-09 2010-12-24 Mitsubishi Electric Corp 映像表示装置
KR20110050857A (ko) * 2009-11-09 2011-05-17 (주)프로옵틱스 디엠디 프로젝터용 광학엔진
JP2013083988A (ja) * 2010-10-04 2013-05-09 Sony Corp 照明装置および表示装置
JP2013228607A (ja) * 2012-04-26 2013-11-07 Sony Corp 表示装置および照明装置

Also Published As

Publication number Publication date
KR102223620B1 (ko) 2021-03-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
TWI770234B (zh) 通過光導光學元件的矽基液晶照明器
CN109557752B (zh) 光源***及投影装置
US10203592B2 (en) Image projection apparatus
CN110431482B (zh) 光源装置、投影仪和散斑减少方法
US10474022B2 (en) Illuminator and projector
WO2020057299A1 (zh) 光源***及投影设备
JP2001013584A (ja) 反射形プロジェクト装置
JP4909141B2 (ja) 投写型表示装置
JP4353287B2 (ja) プロジェクタ
US8998423B2 (en) Image Projection apparatus
US20220382137A1 (en) Light-source optical system, light-source device, and image display apparatus
CN212207949U (zh) 照明***与投影装置
US11789282B2 (en) Projection apparatus
KR101352036B1 (ko) 피코 프로젝터의 광학 시스템
KR101351351B1 (ko) 피코 프로젝터의 광학 시스템
CN210199482U (zh) 透镜模块及投影装置
JP2017053876A (ja) 投写型画像表示装置
WO2014050736A1 (ja) コヒーレント光源装置およびプロジェクタ
US10652509B2 (en) Illuminator and projector
JP2015102866A (ja) 光源装置および投射装置
CN116391154A (zh) 投影光学***
KR20160144735A (ko) 광학엔진장치 및 합성/균일화 프리즘
CN113960862A (zh) 投影设备
CN112445051A (zh) 透镜模块及投影装置
CN112738484B (zh) 激光投影设备

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal
E701 Decision to grant or registration of patent right