KR100881909B1

KR100881909B1 - 라인 빔 조명 광학계

Info

Publication number: KR100881909B1
Application number: KR1020070061826A
Authority: KR
Inventors: 양행석
Original assignee: 삼성전기주식회사
Priority date: 2007-06-22
Filing date: 2007-06-22
Publication date: 2009-02-06
Anticipated expiration: 2027-06-22
Also published as: KR20080112856A; US20090002837A1; US7869130B2

Abstract

라인 빔 조명 광학계가 제시된다. 본 발명의 일측에 따르면, 라인 빔 발생 광학계에 있어서, 광원으로부터 입사한 광을 제1 방향으로 발산시키는 제1 렌즈; 상기 제1 방향으로 발산된 광을 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 수렴시키는 제2 렌즈; 및 상기 제2 방향으로 수렴된 광을 상기 제1 방향으로 시준(collimate)하여 상기 제1 방향으로 평행한 라인 빔을 형성하는 제3 렌즈를 포함하는 라인 빔 조명 광학계를 제공할 수 있다. 본 발명에 따른 라인 빔 조명 광학계는 전체 광학계의 길이를 작게 할 수 있는 효과가 있다.

라인 빔, 조명 광학계, 발산, 수렴.

Description

라인 빔 조명 광학계{Line beam illumination optical system}

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라인 빔 발생 장치가 이용된 디스플레이 장치의 구성도.

도 2a는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전체를 이용한 일 형태의 회절형 광 변조기 모듈의 사시도.

도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전체를 이용한 다른 형태의 회절형 광 변조기 모듈의 사시도.

도 2c는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 회절형 광 변조기 어레이의 평면도.

도 2d는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 회절형 광 변조기 어레이에 의해 스크린에 이미지가 생성되는 모식도.

도 3은 종래 기술에 따른 라인 빔 조명 광학계의 라인 조명 방식을 도시한 도면.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 조명 광학계의 라인 조명 방식을 도시한 도면.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 라인 빔 조명 광학계의 라인 조명 방 식을 도시한 도면.

본 발명은 라인 빔 발생 장치에 관한 것으로, 특히 라인 빔 조명 광학계에 관한 것이다.

종래 기술에 따라 라인 빔(Line Beam)을 만들기 위한 방식에는 다양한 방법이 있다. 그 중에 대표적이라 할 수 있는 몇 가지 예를 들면, 빔을 확대하여 소정의 균일도 이상 되는 빔만을 잘라서 라인 빔으로 사용하는 트런케이션(Truncation)방식, 파웰 렌즈(Powell Lens)와 같은 비구면 렌즈나 HOE 또는 DOE소자를 이용하여 빔을 균일하게 하는 플랫 탑(Flat-Top) 방식, 광 섬유(Optical Fiber)를 사용하여 빔을 여러 개로 나누어 광파이버를 적당히 배열하는 방식, 광원을 1차원으로 배열하는 방식, FEL과 같은 렌즈 어레이 같은 방식 등 다양한 방식이 있다.

그러나, 트런케이션(Truncation) 방식은 균일도를 높이기 위해서는 효율이 떨어지고 효율을 올리려면 균일도가 떨어지는 트레이드 오프(Trade-off) 관계에 있기에 두 가지를 동시에 올릴 수가 없는 단점이 있다. 또한, Powell 렌즈와 같은 비구면 렌즈를 이용한 플랫 탑(Flat-Top) 방식은 렌즈 제작이 쉽지 않고, 렌즈간 거리가 일정거리 이상 확보 되어야 하며, 입사 빔의 폭이나 콜리메이션 정도에 민감하게 반응하므로 조정이 쉽지 않다.

또한, HOE 또는 DOE소자는 제작 성능과 효율이 떨어지고, 출사된 빔들의 출사각이 서로 평행하지 않아, 설계된 거리를 벗어나면 균일도가 떨어진다. 광 섬유(Optical Fiber)를 이용한 방식은 광섬유(Optical Fiber)를 경유한 다음에 에텐듀(Etendue)가 증가되어 에텐듀가 작은 라인 조명에는 적합하지 않다. 여기서, 에텐듀는 기하학적인 광학에서 중요한 획득 크기로서, 광선 두께를 지칭한다. 광선 두께는 광원의 평면 면적과 광원이 방사하는 공간각에 의해 결정된다. 또한, 광원을 1차원으로 배열하는 방식이나 FEL과 같은 방식은 광학계가 복잡하고 광 경로가 길어지는 문제점이 있다.

또한, 광원으로부터 입사된 광을 별도로 마련한 광학계에서 라인 빔으로 만드는 기술은 종래에 따르면, 광학계의 길이가 커지는 문제점이 있다.

본 발명은 전체 광학계의 길이를 작게 할 수 있는 라인 빔 조명 광학계를 제공한다.

또한, 본 발명은 디스플레이 시스템의 부품 배치에 따라서 렌즈 배치를 적절히 조절함으로써 라인 빔 발생 광학계를 최적화시킬 수 있는 라인 빔 조명 광학계를 제공한다.

본 발명이 제시하는 이외의 기술적 과제들은 하기의 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 일측에 따르면, 라인 빔 발생 광학계에 있어서, 광원으로부터 입사한 광을 제1 방향으로 발산시키는 제1 렌즈; 상기 제1 방향으로 발산된 광을 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 수렴시키는 제2 렌즈; 및 상기 제2 방향으로 수렴된 광을 상기 제1 방향으로 시준(collimation)하여 상기 제1 방향으로 평행한 라인 빔을 형성하는 제3 렌즈를 포함하는 라인 빔 조명 광학계를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 라인 빔 발생 광학계에 있어서, 광원으로부터 입사한 광을 제2 방향으로 수렴시키는 제2 렌즈; 상기 제2 방향으로 수렴된 광을 상기 제2 방향과 수직인 제1 방향으로 발산시키는 제1 렌즈; 및 상기 제1 방향으로 발산된 광을 상기 제1 방향으로 시준(collimation)하여 상기 제1 방향으로 평행한 라인 빔을 형성하는 제3 렌즈를 포함하는 라인 빔 조명 광학계를 제공할 수 있다.

여기서, 상기 제2 렌즈의 조명 수렴각은 하기 식에 의해 정해질 수 있다.

여기서,

는 조명 수렴 각, D는 상기 광원으로부터 입사한 광의 제2 방향의 폭,

는 상기 제2 렌즈와 상기 제2 방향의 수렴 지점간의 거리이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

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. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지 다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

또한, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 도면 부호에 관계없이 동일한 구성 요소는 동일한 참조부호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 본 발명의 실시예는 일반적으로 외부로 신호를 전송하거나 외부로부터 신호를 수신하기 위한 멤스 패키지에 결합하여 적용될 수 있으며, 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하기에 앞서 본 발명에 적용되는 멤스 패키지 중 광 변조기 및 이를 이용한 디스플레이 시스템에 대해서 먼저 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 라인 빔 발생 장치가 이용된 디스 플레이 장치의 구성도이다. 디스플레이(display) 장치는 광원(110), 라인 빔 조명 광학계(120), 광 변조기(130), 릴레이 광학계(140), 스캐닝 미러(scanning mirror)(150), 투사 광학계(160), 촬상면(170) 및 영상 제어부(180)를 포함한다.

광원(110)은 광을 발생하는 장치로서, 광원(110)에는 발광 다이오드(LED), 레이저 다이오드(LD) 또는 레이저 등이 사용될 수 있다. 이하에서는 설명의 편의상 레이저 다이오드가 광원의 역할을 하는 경우를 예로 들어 설명한다.

광원(110)에서 조사된 광은 라인 빔 조명 광학계(120)에서 소정 각도로 반사 또는 분포가 변형되어 광 변조기(130)에 조사된다. 본 발명의 실시예에 따르면, 부피가 소형인 라인 빔을 발생할 수 있는 라인 빔 조명 광학계(120)가 제공된다.

광 변조기(130)는 영상 제어부(180)로부터 수신한 영상제어신호에 따라 입사광을 변조하여 회절광을 생성한다. 이후 생성된 회절광은 릴레이 광학계(140)를 거쳐 스캐닝 미러(150)로 전달된다. 스캐닝 미러(150)는 영상 제어부(180)로부터 수신한 미러제어신호에 따라 소정 각도로 회전하며 상기 회절광을 투사 광학계(160)를 이용하여 촬상면(170) 상에 투사한다.

여기서 투사 광학계(160)는 생성된 상기 회절광을 확대 투사시켜 촬상면(170) 상에 디스플레이하기 위한 광학계이다.

또한, 여기서 라인 빔 조명 광학계(120)는 콜리메이터 렌즈와 실린더 렌즈를 포함할 수 있다. 콜리메이터 렌즈와 실린더 렌즈는 입사광을 선형의 평행광으로 변화시킨다. 즉, 콜리메이터 렌즈는 집광된 다중빔을 광로 방향에 대하여 수평 방향의 선형광으로 변환시켜 편광 빔스플릿터와 λ/4 파장판 그리고 X-프리즘을 통하여 광 변조기(130)에 입사시킨다. 콜리메이터 렌즈는 오목렌즈 및 볼록 렌즈를 구비할 수 있다. 오목 렌즈는 실린더 렌즈로부터 입사되는 선형광을 확장하여 볼록 렌즈로 입사시킨다. 볼록렌즈는 오목렌즈로부터 입사되는 입사광을 평행광으로 변화시켜 출사한다. 여기에서, 실린더 렌즈는 집광부로부터 입사되는 광을 광로 방향에 수평으로 위치하는 대응하는 광 변조기(130)에 수평으로 입사시키기 위하여, 평행광을 수평방향의 선형광으로 변환시켜 해당하는 콜리메이터 렌즈를 통하여 해당 광 변조기(130)로 입사시킨다. 본 발명의 실시예에 따르면, 광을 발산, 수렴하는 순서를 조절함으로써, 라인 빔 조명 광학계(120)의 크기를 조절할 수 있다.

여기서, 광 변조기는 크게 직접 광의 온/오프를 제어하는 직접 방식과 반사 및 회절을 이용하는 간접 방식으로 나뉘며, 또한 간접 방식은 정전기 방식과 압전 방식으로 나뉠 수 있다. 여기서, 광 변조기는 구동되는 방식에 상관없이 본 발명에 적용이 가능하다.

종래의 정전 구동 방식 격자 광 변조기는 반사 표면부를 가지며 기판 상부에 부유(suspended)하는 다수의 일정하게 이격하는 변형 가능 반사형 리본을 포함한다.

먼저, 절연층이 실리콘 기판상에 증착되고, 이후, 희생 이산화실리콘 막 및 질화실리콘 막의 증착 공정이 후속한다. 질화실리콘 막은 리본으로 패터닝되고 이산화실리콘층의 일부가 에칭되어 리본이 질화물 프레임에 의해 산화물 스페이서층상에 유지되도록 한다. 단일 파장 λ0를 가진 광을 변조시키기 위해, 변조기는 리 본의 두께와 산화물 스페이서의 두께가 λ0/4가 되도록 설계된다.

리본상의 반사 표면과 기판의 반사 표면 사이의 수직 거리 d로 한정된 이러한 변조기의 격자 진폭은 리본 (제 1 전극으로서의 역할을 하는 리본의 반사 표면)과 기판(제 2 전극으로서의 역할을 하는 기판 하부의 전도막) 사이에 전압을 인가함으로써 제어된다.

도 2a는 본 발명에 적용 가능한 간접 광 변조기 중 압전체를 이용한 일 형태의 회절형 광 변조기 모듈의 사시도이며, 도 2b는 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 압전체를 이용한 다른 형태의 회절형 광 변조기 모듈의 사시도이다. 도 2a 및 도 2b를 참조하면, 기판(210), 절연층(220), 희생층(230), 리본 구조물(240) 및 압전체(250)를 포함하는 광 변조기가 도시되어 있다.

기판(210)은 일반적으로 사용되는 반도체 기판이며, 절연층(220)은 식각 정지층(etch stop layer)으로서 증착되며, 희생층으로 사용되는 물질을 식각하는 에천트(여기서 에천트는 식각 가스 또는 식각 용액임)에 대해서 선택비가 높은 물질로 형성된다. 여기서 절연층(220) 상에는 입사광을 반사하기 위해 반사층(220(a), 220(b))이 형성될 수 있다.

희생층(230)은 리본 구조물이 절연층(220)과 일정한 간격으로 이격될 수 있도록 양 사이드에서 리본 구조물(240)을 지지하고, 중심부에서 공간을 형성하는 역할을 한다.

리본 구조물(240)은 상술한 바와 같이 입사광의 회절 및 간섭을 일으켜서 신호를 광변조하는 역할을 한다. 리본 구조물(240)의 형태는 상술한 바와 같이 정전 기 방식에 따라 복수의 리본 형상으로 구성될 수도 있고, 압전 방식에 따라 리본의 중심부에 복수의 오픈홀을 구비할 수도 있다. 또한, 압전체(250)는 상부 및 하부 전극간의 전압차에 의해 발생하는 상하 또는 좌우의 수축 또는 팽창 정도에 따라 리본 구조물(240)을 상하로 움직이도록 제어한다. 여기서, 반사층(220(a), 220(b))은 리본 구조물(240)에 형성된 홀(240(b), 240(d))에 대응하여 형성된다.

예를 들면, 빛의 파장이 λ인 경우 어떠한 전압도 인가되지 않거나 또는 소정의 전압이 인가된 상태에서 리본 구조물에 형성된 상부 반사층(240(a), 240(c))과 하부 반사층(220(a), 220(b))이 형성된 절연층(220) 간의 간격은 nλ/2(n은 자연수)와 같다. 따라서 0차 회절광(반사광)의 경우 리본 구조물에 형성된 상부 반사층(240(a), 240(c))에서 반사된 광과 절연층(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 적정 전압이 압전체(250)에 인가될 때, 리본 구조물에 형성된 상부 반사층(240(a), 240(c))과 하부 반사층(220(a), 220(b))이 형성된 절연층(220) 간의 간격은 (2n+1)λ/4(n은 자연수)와 같게 된다. 따라서 0차 회절광(반사광)의 경우 리본 구조물에 형성된 상부 반사층(240(a), 240(c))과 절연층(220)으로부터 반사된 광 사이의 전체 경로차는 (2n+1)λ/2 와 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 실을 수 있다.

이상에서는, 리본 구조물(240)과 하부 반사층(220(a), 220(b))이 형성된 절연층(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 2a에 도시된 형태의 광 변조기를 중심으로 설명한다.

도 2c를 참조하면, 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)로 구성된다. 광 변조기는 수직 주사선 또는 수평 주사선(여기서, 수직 주사선 또는 수평 주사선은 m개의 픽셀로 구성되는 것으로 가정함)의 1차원 영상에 대한 영상 정보를 담당하며, 각 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m)는 수직 주사선 또는 수평 주사선을 구성하는 m개의 픽셀 중 어느 하나의 픽셀들을 담당한다. 따라서, 각각의 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m)에서 반사 및 회절된 광은 이후 광 스캔 장치에 의해 스크린에 2차원 영상으로 투사된다. 예를 들면, VGA 640*480 해상도의 경우 480개의 수직 픽셀에 대해 광 스캔 장치(미도시)의 한 면에서 640번 모듈레이션을 하여 광 스캔 장치의 한 면당 화면 1 프레임이 생성된다. 여기서, 광 스캔 장치는 폴리곤 미러(Polygon Mirror), 회전바(Rotating bar) 또는 갈바노 미러(Galvano Mirror) 등이 될 수 있다.

이하 제1 픽셀(pixel #1)을 중심으로 광변조의 원리에 대하여 설명하지만, 다른 픽셀들에 대해서도 동일한 내용이 적용가능함은 물론이다.

본 실시예에서 리본 구조물(240)에 형성된 홀(240(b)-1)은 2개인 것으로 가정한다. 2개의 홀(240(b)-1)로 인하여 리본 구조물(240) 상부에는 3개의 상부 반사층(240(a)-1)이 형성된다. 절연층(220)에는 2개의 홀(240(b)-1)에 상응하여 2개의 하부 반사층이 형성된다. 그리고 제1 픽셀(pixel #1)과 제2 픽셀(pixel #2) 사이의 간격에 의한 부분에 상응하여 절연층(220)에는 또 하나의 하부 반사층이 형성된다. 따라서, 각 픽셀당 압전체(250-1)에 의해 구동되는 상부 반사층(240(a)-1)과 하부 반사층의 개수는 동일하게 되며, 도 2a를 참조하여 전술한 바와 같이 0차 회절광 또는 ±1차 회절광을 이용하여 변조광의 휘도를 조절하는 것이 가능하다.

도 2d를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시예에 적용 가능한 회절형 광 변조기 어레이에 의해 스크린에 이미지가 생성되는 모식도가 도시된다.

수직으로 배열된 m개의 마이크로 미러(100-1, 100-2, …, 100-m)에 의해 반사 및 회절된 광이 광 스캔 장치에서 반사되어 스크린(270)에 수평으로 스캔되어 생성된 화면(280-1, 280-2, 280-3, 280-4, …, 280-(k-3), 280-(k-2), 280-(k-1), 280-k)이 도시된다. 광 스캔 장치에서 한번 회전하는 경우 하나의 영상 프레임이 투사될 수 있다. 여기서, 스캔 방향은 왼쪽에서 오른쪽 방향(화살표 방향)으로 도시되어 있으나, 다른 방향(예를 들면, 그 역 방향)으로도 영상이 스캔될 수 있음은 자명하다.

이상에서 본 발명이 적용되는 디스플레이 장치에 대해 설명하였으며, 이하에 서는 첨부 도면을 참조하여, 본 발명에 따른 라인 빔 조명 광학계를 구체적인 실시예를 기준으로 설명하기로 한다. 본 발명에 따른 실시예는 크게 2가지로 구분되는데, 본 발명이 이러한 실시예에 한정되지 않음은 당연하다. 이하에서는 비교 설명의 편의를 위해 종래 기술에 따른 라인 빔 조명 광학계를 먼저 설명한 후 본 발명의 실시예에 따른 라인 빔 조명 광학계를 설명한다.

도 3은 종래 기술에 따른 라인 빔 조명 광학계의 라인 조명 방식을 도시한 도면이다. 도 3을 참조하면, 광원으로부터의 입사광(301), 확산광(303), 평행광(305), 수렴광(307), 제1 오목 렌즈(310), 제1 실린더 렌즈(320), 제2 실린더 렌즈(330) 및 수렴 지점(340)이 도시된다.

광원으로부터의 입사광(301)이 제1 오목 렌즈(310)를 투과한 후 제1 방향(예를 들면, y 방향)으로 확산된 후 제1 실린더 렌즈(320)에 입사된다. 이후 제1 방향으로 평행한 평행광(305)이 출사되어 제2 실린더 렌즈(330)를 투과한 후 제1 방향과 수직인 제2 방향(예를 들면, x 방향)으로 수렴되어 수렴 지점(340)에 도달한다.

여기서, 조명계 전체 길이(L)는 제1 오목 렌즈(310)와 제1 실린더 렌즈(320) 간의 거리에 제2 실린더 렌즈(330)와 수렴 지점(340)간의 거리를 더한 값과 같거나 그 이상(제1 실린더 렌즈(320)와 제2 실린더 렌즈(330)가 이격된 경우)이 된다.

이와 같이 종래 기술에 따르면, 제1 방향에 대한 평행광(305)을 형성한 후 제2 방향에 대한 수렴을 수행하는 방식으로 라인 빔을 발생시키기 때문에 조명계 전체 길이(L)를 줄이는데 한계가 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 라인 빔 조명 광학계의 라인 조명 방식을 도시한 도면이다. 도 4을 참조하면, 광원으로부터의 입사광(401), 확산광(403), 수렴광(405), 평행광(407), 제1 렌즈(410), 제2 렌즈(420), 제3 렌즈(430) 및 수렴 지점(440)이 도시된다.

광원으로부터의 입사광(401)이 제1 렌즈(410)(예를 들면, 오목 렌즈)를 투과한 후 제1 방향(예를 들면, y 방향)으로 확산된 후 제2 렌즈(420)(예를 들면, 실린더 렌즈)에 입사된다.

제2 렌즈(420)에 입사된 광은 상기 제1 방향과 수직인 제2 방향(예를 들면, x 방향)으로 수렴하는 수렴광(405)을 출사한다. 여기서 수직의 의미는 정확히 90도뿐만 아니라 대체적으로 90도 정도의 각을 포함할 수 있다. 즉, 최종적으로 라인 빔을 형성하기 위해서라면, 제1 방향과 제2 방향은 임의로 선택될 수 있다.

수렴광(405)은 제3 렌즈(430)(예를 들면, 실린더 렌즈)에 입사된 후 제1 방향으로 시준(collimation)되어 결과적으로 제1 방향에 대해서 평행한 평행광(407)이 출사된다. 여기서, 평행광(407)이 제1 방향에 대해서 평행하다는 의미는 제1 방향에 대해서 광의 간격이 대략적으로 일정함을 의미한다. 따라서, 평행광(407)은 제1 방향에 대해서 평행하며, 제2 방향에 대해서 수렴하여 수렴 지점(340)에 도달하는 경우 라인 빔을 형성한다. 수렴 지점(340)에는 상술한 광 변조기가 있을 수 있다.

여기서, 제2 렌즈(420)와 수렴 지점(440)간의 거리를

라고 하고, 제1 렌즈(410)와 제3 렌즈(430)간의 거리를 K라고 하면, 조명계 전체 길이(L)는 다음과 같다.

(1)

따라서, 상술한 종래 기술에 비해서 본 발명의 실시예에 따르면, 조명계 전체 길이(L)가 짧아지게 된다.

또한, 광원으로부터의 입사광(401)의 폭을 D라고 하면, 제2 렌즈(420)의 조명 수렴각(

)는 다음과 같이 표현될 수 있다.

(2)

수학식 (2)를 참조하면, 광원으로부터의 입사광(401)의 폭(D), 조명 수렴각(

) 및 제2 렌즈(420)와 수렴 지점(440)간의 거리(

)를 서로 조절하면서 라인 빔 조명 광학계의 크기 및 제2 렌즈(420)의 조명 수렴각(

)을 정할 수 있다. 예를 들면, 광원으로부터의 입사광(401)의 폭(D)이 결정되어 있는 경우 원하는 거리(

)를 구현하기 위해서 제2 렌즈(420)의 조명 수렴각(

)을 결정할 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 라인 빔 조명 광학계의 라인 조명 방식을 도시한 도면이다. 도 5를 참조하면, 광원으로부터의 입사광(501), 수렴 광(503), 확산광(505), 평행광(507), 제2 렌즈(510), 제1 렌즈(520), 제3 렌즈(530) 및 수렴 지점(540)이 도시된다. 상술한 도 4와의 차이점을 위주로 설명한다.

도 5에 도시된 라인 빔 조명 광학계가 가지는 상술한 도 4와의 차이점은 제2 렌즈(510) 및 제1 렌즈(520)의 위치가 서로 바뀐 점이다. 즉, 제2 방향으로 수렴하는 수렴광(503)이 먼저 출사되고, 이후 수렴광(503)은 제1 렌즈(520)를 경유하여 확산광(505)이 되고, 제3 렌즈(530)를 경유하여 평행광(507)이 된다.

여기서, 조명계 전체 길이(L)는 다음과 같다.

(3)

여기서, 거리(

)는 제2 렌즈(510)와 수렴 지점(540)간의 거리이다. 따라서, 도 5에 도시된 실시예에 따르면, 도 4에 비해서 조명계 전체 길이(L)가 더 짧아지게 된다.

본 발명은 상기 실시예에 한정되지 않으며, 많은 변형이 본 발명의 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 가능함은 물론이다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 라인 빔 조명 광학계는 전체 광학계의 길이를 작게 할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 따른 라인 빔 조명 광학계는 디스플레이 시스템의 부품 배치에 따라서 렌즈 배치를 적절히 조절함으로써 라인 빔 발생 광학계를 최적화시킬 수 있는 효과가 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 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims

라인 빔 발생 광학계에 있어서,

광원으로부터 입사한 광을 제1 방향으로 발산시키는 제1 렌즈;

상기 제1 방향으로 발산된 광을 상기 제1 방향과 수직한 제2 방향으로 수렴시키는 제2 렌즈; 및

상기 제2 방향으로 수렴된 광을 상기 제1 방향으로 시준(collimate)하여 상기 제1 방향으로 평행한 라인 빔을 형성하는 제3 렌즈를 포함하되,

상기 제1 방향으로 평행한 것은, 상기 제1 방향에 대해서 제3렌즈에서 출사된 빔의 간격이 일정함을 의미하는 것을 특징으로 하는 라인 빔 조명 광학계.
제1항에 있어서,

상기 제2 렌즈의 조명 수렴각은 하기 식에 의해 정해지며,

상기 I 또는 상기 D를 변경하여, 상기 제2 렌즈의 조명 수렴각을 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 라인 빔 조명 광학계.

여기서,
는 조명 수렴 각, D는 상기 광원으로부터 입사한 광의 제2 방향의 폭, I는 상기 제2 렌즈와 상기 제2 방향의 수렴 지점간의 거리임.
라인 빔 발생 광학계에 있어서,

광원으로부터 입사한 광을 제2 방향으로 수렴시키는 제2 렌즈;

상기 제2 방향으로 수렴된 광을 상기 제2 방향과 수직인 제1 방향으로 발산시키는 제1 렌즈; 및

상기 제1 방향으로 발산된 광을 상기 제1 방향으로 시준(collimate)하여 상기 제1 방향으로 평행한 라인 빔을 형성하는 제3 렌즈를 포함하되,

상기 제1 방향으로 평행한 것은, 상기 제1 방향에 대해서 제3렌즈에서 출사된 빔의 간격이 일정함을 의미하는 것을 특징으로 하는 라인 빔 조명 광학계.
제3항에 있어서,

상기 제2 렌즈의 조명 수렴각은 하기 식에 의해 정해지며,

상기 I 또는 상기 D를 변경하여, 상기 제2 렌즈의 조명 수렴각을 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 라인 빔 조명 광학계.

여기서,
는 조명 수렴 각, D는 상기 광원으로부터 입사한 광의 제2 방향의 폭, I는 상기 제2 렌즈와 상기 제2 방향의 수렴 지점간의 거리임.