KR100400548B1 - 반사형 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반사형 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치에 관한 것으로, 종래 1차원 광 모듈레이터는 전압의 인가에 따른 기계적인 구동에 의해 조사되는 광을 변조시킴으로써, 동작의 신뢰성이 저하되는 문제점이 있었다. 이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 일정한 폭을 가지며, 인접한 영역과는 분극의 방향이 180도 차이가 나는 복수의 분극영역으로 분할되는 비선형 물질 기판과; 상기 복수의 분극영역의 상하측에 대향하도록 접하여, 그 하부의 분극영역에 전기장을 인가할 수 있는 복수의 픽셀전극과; 상기 픽셀전극과 평행한 방향으로 광이 입사되며, 그 입사되는 영역으로 다시 출사될 수 있도록, 그 맞은편의 비선형 물질 기판의 측면에 접하는 반사판으로 반사형 1차원 광 모듈레이터를 구현하고, 광원과; 상기 광원의 상부측으로 소정거리 이격된 위치에 위치하여 광원의 광을 반사형 1차원 광 모듈레이터에 입사될 수 있도록 반사함과 아울러 1차원 광 모듈레이터에서 회절되지 않고 출사되는 광을 차단하는 반사 및 차단판과; 상기 1차원 광 모듈레이터에서 회절되어 출사되는 광을 집속하는 결상렌즈로 투사장치를 구성하여 모듈레이터의 동작에서 기계적인 요소를 배제함으로써, 동작의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있으며, 광원의 위치를 모듈레이터와 결상렌즈의 사이의 연장선에 평행한 위치에 배치할 수 있게 되어 시스템을 소형화 할 수 있는 효과가 있다.

Description

반사형 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치{REFLECTION TYPE ONE DIMENSION LIGHT LAY MODULATOR AND DISPLAY USING THEREOF}

본 발명은 반사형 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치에 관한 것으로, 특히 고효율의 광 모듈레이터를 반사형으로 제작 사용하여 시스템의 크기를 줄이며, 효율을 향상시키는데 적당하도록 한 반사형 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치에 관한 것이다.

종래 디스플레이에 사용되는 1차원 광 모듈레이터는 입사광을 회절시켜 변조시키는 것으로, 대표적인 것이 미국의 SLM(SILICON LIGHT MACHINE) 사의 GLV(FRATING LIGHT VALVE)이다. 이 GLV는 반사형으로서 그 속도 및 콘트라스트 특성이 우수하여 차기 디스플레이용 모듈레이터로 대두되고 있으나 아직 상용제품에 적용되지는 못하고 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 상시 GLV의 구조 및 동작 특성을 상세히 설명한다.

도1은 상기 GLV의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이 기판(1)에 광을 반사할 수 있는 복수의 리본(2)이 위치한다. 상기 각 리본(2)은 양측이 기판(1)에 고정되어 있으며, 중앙부는 상기 기판(1)과는 소정거리 이격되도록 위치한다.

또한, 상기 복수의 리본(2)에는 교번하여 전압을 인가하는 수단이 연결되어 있어, 전압의 인가에 따라 상기 복수의 리본(2) 중 교번하는 위치의 리본(2)을 기판(1)측으로 휘어지게 만들어 주변의 전압이 인가되지 않는 리본(2)과는 기판(1)으로 부터의 이격거리를 더 좁게 만들수 있다.

이와 같이 리본(2)의 일부의 상부면을 다른 리본(2)의 상부면에 대하여 동일평면 상에 있지 않도록 함으로써, 외부에서 입사되는 광에 대한 격자를 형성하게 되며, 그 격자에 의한 회절을 이용하여 광을 변조(MODULATION)할 수 있게 된다.

즉, 상기 복수의 리본(2) 중 전압을 인가할 수 있는 리본(2)에 전압을 인가하지 않으면 모든 리본(2)의 상부면은 모두 동일 평면상에 위치하게 되며, 이는 거울면과 동일한 효과를 나타내어 그 리본(2)의 상부면에 수직으로 입사되는 광을 그대로 반사하게 된다.

또한, 상기 복수의 리본(2) 중 전압을 인가할 수 있도록 구성된 리본(2)에 전압을 인가하면, 상기 설명한 바와 같이 그 전압이 인가된 리본(2)은 기판(1) 측으로 휘어지게 되어 리본(2)의 상부면은 격자형 구조를 나타내게 되어, 수직으로 조사되는 광을 회절시키게 된다.

도2a는 상기 모든 리본(2)에 전압이 인가되지 않은 경우 입사된 광이 그대로 반사되는 것의 모식도이고, 도2b는 일부의 리본(2)에 전압이 인가되어 격자형 표면을 형성하여, 광이 회절되도록 하는 과정의 모식도로서, 이에 도시한 바와 같이 전압의 인가여부에 따른 반사면의 변화를 이용하여 광을 변조할 수 있게 된다.

상기 GLV의 동작에서 전압이 인가된 리본(2)이 기판(1)측으로 내려가는 거리는 조사되는 광의 파장의 1/4이 되어야 최적의 회절효율을 얻을 수 있게 되나, 상기 GLV의 동작은 기계적인 동작으로 조사되는 광의 파장의 1/4을 정확히 맞출수 있도록 제어하기가 매우 어렵고, 구동중에 기판(1)측으로 휘어지는 리본(2)이기판(1)과 닿을 경우 전압의 인가가 중단되어도 원상으로 회복되지 않아 사용할 수 없게 되는 문제가 있어 아직 상용제품에 적용하지 못하고 있는 실정이다.

상기한 바와 같이 종래 1차원 광 모듈레이터인 GLV는 전압의 인가에 따른 기계적인 구동에 의해 조사되는 광을 변조시킴으로써, 그 광의 파장에 따른 GLV의 리본의 휘어짐 거리를 정확하게 제어하기가 용이하지 않은 문제점과 아울러 리본이 기판과 접하게 되면, 다시 원상으로 회복되지 않아 사용할 수 없게 되는 문제점이 있었다.

이와 같은 문제점을 감안한 본 발명은 기계적인 구동에 의존하지 않으면서 광을 회절시키는 반사형 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치를 제공함에 그 목적이 있다.

도1은 종래 1차원 광 모듈레이터의 사시도.

도2a 및 도2b는 각각 종래 1차원 광 모듈레이터에 전압이 인가되지 않는 경우의 모식도와 전압이 인가된 경우의 모식도.

도3은 본 발명 1차원 광 모듈레이터의 사시도.

도4a 및 도4b는 각각 도3에 전압이 인가되지 않은 경우와 전압이 인가된 경우의 굴절율 변화 그래프도.

도5a 및 도5b는 각각 도3에 전압이 인가되지 않은 경우와 전압인 인가된 경우 입사광과 출사광의 형상을 가시화한 모식도.

도6은 본 발명 반사형 1차원 광 모듈레이터의 구성도.

도7은 본 발명 반사형 1차원 광 모듈레이터와 투과형 1차원 광 모듈레이터의 비교 구성도.

도8a 및 도8b는 투과형 1차원 광 모듈레이터를 이용한 투사장치의 평면도 및 측면도.

도9a 및 도9b는 반사형 1차원 광 모듈레이터를 이용한 투사장치의 평면도 및 측면도.

도10은 3판식 반사형 1차원 광 모듈레이터의 구성도.

도11a 및 도11b는 반사형 1차원 광 모듈레이터를 이용한 투사장치의 상세 평면도 및 측면도.

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10:비선형 물질 20:전극

30:x-cobe prism의 반사면

상기와 같은 목적은 일정한 폭을 가지며, 인접한 영역과는 분극의 방향이 180도 차이가 나는 복수의 분극영역으로 분할되는 비선형 물질 기판과; 상기 복수의 분극영역의 상하측에 대향하도록 접하여, 그 하부의 분극영역에 전기장을 인가할 수 있는 복수의 픽셀전극과; 상기 픽셀전극과 평행한 방향으로 광이 입사되며, 그 입사되는 영역으로 다시 출사될 수 있도록, 그 맞은편의 비선형 물질 기판의 측면에 접하는 반사판으로 구성함으로써 달성되는 것으로, 이와 같은 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도3은 본 발명 1차원 광 모듈레이터의 사시도로서, 이에 도시한 바와 같이LiNbO₃와 같은 비선형 물질(10)에 주기적으로 분극의 방향이 반전된 영역을 형성해 두고, 그 비선형 물질(10)의 상하측에 전압을 인가할 수 있는 전극(20)을 배치하여 구성한다.

이와 같은 구성에서 상기 전극(20)에 전압이 인가되지 않는 경우에는 상기 전극(20)과 평행한 방향으로 비선형 물질(10)에 광을 조사하면 전체적인 비선형 물질(10)의 굴절율이 모두 동일하여 조사되는 광은 그대로 투과된다.

이는 도4a에 도시한 그래프에 나타낸 바와 같이 전극(20)에 전압이 인가되지 않는 경우에는 시간(T)에 따른 굴절율(n0)의 변화가 없어 조사된 광이 그 굴절율에 따라 굴절되어 투과된다.

이때 굴절율(n0)을 1이라할때 조사된 광은 그대로 투과된다.

도4b는 상기 전극(20)에 전압이 인가된 경우의 출사광의 굴절율 변화를 보인 그래프로서, 이에 도시한 바와 같이 시간(T)의 변화에 따라 굴절율이 주기적으로 변화하게 된다.

이와 같이 굴절율이 주기적으로 변화됨에 따라 입사된 광은 도5b에 도시한 바와 같이 특정한 방향으로 회절되어 출사된다. 도5a는 전극(20)에 인가되는 전압이 없는 경우에 광이 입사되어 굴절되지 않고 그대로 투과됨을 보여준다.

상기 굴절율(n1)은 기본 굴절율(n0)에 비하여 큰 값이며, 굴절율(n2)은 기본 굴절율(n0)보다 작은 값이다. 이와 같이 굴절율의 변화를 주면 상기 비선형 물질(10)을 통해 출사되는 위치에서 광의 위상차가 발생하게 되며, 회절이 나타난다.

또한, 상기 분극에 의한 굴절율의 차(n1-n2)는 그 크기에 한계가 있기 때문에 광의 파장에 따른 원하는 만큼(λ/2)의 위상차를 나타내기 위해서는 상기 광이 투과되는 영역의 길이가 길어야 한다.

상기의 구성은 단위 셀을 나타낸 것이며, 그 비선형 물질(10)에 광을 인가하는 영역을 정의하는 전극(20)을 복수개로 설치하여 1차원 광 모듈레이터를 구성할 수 있다.

도6은 본 발명 1차원 광 모듈레이터의 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 하나의 라인에 픽셀의 수에 따라 전극(20)을 다수로 배치하여 각 픽셀마다 출사되는 광의 상태를 결정하는 1차원 광 모듈레이터를 구성할 수 있다. 이는 어레이 형태로 광 모듈레이터를 구성할수 있게 되는 장점이 있다.

또한, 도7은 투사형 광 모듈레이터와 반사형 광 모듈레이터를 비교도시한 구성도로서, 이에 도시한 바와 같이 상기 주기적으로 분극이 반전된 영역을 가지는 투사형의 비선형물질(10)의 광이 투과되는 영역의 길이를 D라고 할때, 일면에 반사판(30)을 가지는 반사형의 비선형 물질(10)의 길이는 그 절반인 D/2가 필요하게 되며, 이에 따라 1차원 광 모듈레이터의 크기를 줄일 수 있게 된다.

상기 반사형 1차원 광 모듈레이터는 비선형 물질(10)의 상부와 하부측에 소형의 전극을 그 전극간의 이격거리가 전극의 크기와 동일하도록 다수로 배치하고, 그 전극에 전원을 인가하여 분극을 반전시켜 주기적으로 반전된 분극을 가지는 복수의 영역을 형성한 후, 상기 전극을 모두 제거하고, 상기 분극영역을 복수개씩 쌍으로 묶어 픽셀을 구성하기 위해 그 픽셀영역의 상하측에 상호 분리되는 복수의 전극을 형성하여 픽셀별로 구동이 가능하도록 하며, 광을 반사할 수 있는 물질을 광이 입사되는 영역의 반대편에 코팅하여 제조한다.

도8a는 상기 투과방식의 1차원 광 모듈레이터를 이용한 투사장치의 평면도이고, 도8b는 상기 도8a의 측면도로서, 이에 도시한 바와 같이 광원(81)으로 부터 소정거리 이격되어 인가되는 전압에 따라 각 픽셀별로 광을 회절시켜 출력하는 1차원광 모듈레이터(82)와; 상기 1차원 광 모듈레이터(82)에서 회절되지 않고 직접 투과되는 광을 차단하는 차단판(83)과; 상기 차단판(83)에 의해 차단되지 않는 상기 1차원 광 모듈레이터(82)에서 회절된 광을 집속하여 상을 형성하는 결상렌즈(84)로 구성된다.

상기 투과방식의 1차원 광 모듈레이터를 사용한 투사장치는 결상렌즈(84)와 1차원 광 모듈레이터(82), 광원(81)이 일직선상에 배치되어야 하며, 광원(81)으로 부터 결상렌즈(84) 까지의 길이를 L1이라 할때 그 L1은 상대적으로 길게 되어 투사장치의 두께가 두꺼워 져야 한다.

또한, 이전에 설명한 바와 같이 1차원 광 모듈레이터(82)의 크기도 반사형에 비하여 그 크기가 두배이므로 투사장치의 크기는 커질수 밖에 없다.

그러나, 도9a는 반사형의 1차원 광 모듈레이터를 이용한 투사장치의 평면도이고, 도9b는 상기 도9a의 측면도로서, 이에 도시한 바와 같이 광원(91)과; 상기 광원(91)의 상부측에 위치하여 광원(91)의 광을 1차원 광 모듈레이터(92)로 반사함과 아울러 1차원 광 모듈레이터(92)에서 회절되지 않은 광을 차단하는 반사 및 차단판(93)과; 상기 1차원 광 모듈레이터(92)에서 회절된 광을 집속하는결상렌즈(94)로 구성된다.

이때의 투사장치의 구성은 광원(91)이 1차원 광 모듈레이터(92)와 결상렌즈(94)의 연장선상에 위치하지 않고, 그 1차원 광 모듈레이터(92)와 결상렌즈(94)의 연장선과는 평행한 위치에 위치하게 되어 투사장치의 두께를 줄일 수 있게 된다. 즉, 도8a 또는 도8b에서 보여지는 투사장치의 길이(L1)에 비하여 도9a 또는 도9b에 보여지는 투사장치의 길이(L2)는 상당히 짧아지게 되며, 1차원 광 모듈레이터(92)의 크기도 투과형에 비하여 절반의 공간을 차지하게 됨으로써, 투사장치의 크기를 줄일 수 있게 된다.

상기와 같은 1차원 광 모듈레이터(92)는 하나의 모듈레이터를 사용하여 구성할 수도 있고, 도10에 도시한 바와 같이 3개의 모듈레이터와 x-cobe prism(100)을 가지는 형태의 3판식 1차원 광 모듈레이터(92)를 구성할 수 있도록 한다.

이와 같이 3판식의 1차원 광 모듈레이터(92)를 사용하면, 색상을 구현하기가 용이해지며, 각 x-cube prism의 반사면(100)에서 특정한 파장의 광을 선택적인 각도로 반사시켜 3개의 광 모듈레이터 각각에 적색, 녹색, 청색의 광을 입사시키고, 반사 및 회절된 광을 다시 x-cube prism의 반사면(100)에 의해 집속하여 표시하게 된다.

도11a는 본 발명 1차원 광 모듈레이터를 이용한 투사장치의 상세 평면도이고, 도11b는 도11a의 측면도로서, 이에 도시한 바와 같이 광원(91)과; 상기 광원(91)의 상부측에 위치하여 광원(91)의 광을 1차원 광 모듈레이터(92)로 반사함과 아울러 1차원 광 모듈레이터(92)에서 회절되지 않은 광을 차단하는 반사 및 차단판(93)과; 상기 1차원 광 모듈레이터(92)에서 회절된 광을 집속하는 결상렌즈(94)와; 상기 광을 집속하는 렌즈(95)와; 상기 렌즈(95)를 통해 조사되는 광을 반사시켜 이미지판(97, IMAGE PLANE)에 조사하는 갈보노메터(96)로 구성된다.

이와 같이 투사장치에 반사형의 1차원 광 모듈레이터를 적용하는 경우 그 투사장치의 크기를 줄일 수 있으며, 종래와 같이 기계적인 구동없이 광을 변조하게 되어 사용의 신뢰성을 확보할 수 있게 된다.

상기한 바와 같이 본 발명 1차원 광 모듈레이터 및 이를 이용한 투사장치는 1차원 광 모듈레이터를 분극방향이 주기적으로 반전된 비선형 물질에 전기장을 인가하여 투과되는 광의 위상차를 발생시켜 회절시키고, 그 광이 조사되고 출사되는 방향이 동일하도록 그 대향면에 반사면을 형성해 둠으로써, 그 1차원 광 모듈레이터의 크기를 줄임과 아울러 그 모듈레이터의 동작에서 기계적인 요소를 배제함으로써, 동작의 신뢰성을 향상시키는 효과가 있다.

또한, 상기 반사형의 1차원 광 모듈레이터를 사용하여 투사장치를 구성하는 경우, 광원의 위치를 모듈레이터와 결상렌즈의 사이의 연장선에 평행한 위치에 배치할 수 있게 되어, 투과형에서와 같이 모듈레이터와 결상렌즈의 연장선에서 더 연장되는 위치에 광원이 위치하는 경우에 비하여 그 투사장치의 크기를 줄일 수 있게 되어, 시스템을 소형화 할 수 있는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 일정한 폭을 가지며, 인접한 영역과는 분극의 방향이 180도 차이가 나는 복수의 분극영역으로 분할되는 비선형 물질 기판과; 상기 복수의 분극영역의 상하측에 대향하도록 접하여, 그 하부의 분극영역에 전기장을 인가할 수 있는 복수의 픽셀전극과; 상기 픽셀전극과 평행한 방향으로 광이 입사되며, 그 입사되는 영역으로 다시 출사될 수 있도록, 그 맞은편의 비선형 물질 기판의 측면에 접하는 반사판으로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 반사형 1차원 광 모듈레이터.
2. 제 1항에 있어서, 상기 비선형 물질 기판은 LiNbO₃인 것을 특징으로 하는 반사형 1차원 광 모듈레이터.
3. 광원과; 상기 광원의 상부측으로 소정거리 이격된 위치에 위치하여 광원의 광을 반사형 1차원 광 모듈레이터에 입사될 수 있도록 반사함과 아울러 1차원 광 모듈레이터에서 회절되지 않고 출사되는 광을 차단하는 반사 및 차단판과; 상기 1차원 광 모듈레이터에서 회절되어 출사되는 광을 집속하는 결상렌즈로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 투사장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 결상렌즈의 광을 두 초점으로 집속하는 집속렌즈와; 상기 집속렌즈의 광을 반사하여 이미지판에 표시되도록 하는갈바노메터(galvanometer)를 더 포함하여 된 것을 특징으로 하는 투사장치.
5. 제 3항에 있어서, 반사형 1차원 광 모듈레이터는 상기 반사 및 차단판을 통해 조사되는 광을 그 파장에 따라 3면으로 각기 반사하며, 3면에서 입사되는 광을 반사하여 상기 반사 및 차단판측으로 출사하는 반사부와; 전압의 인가에 따라 상기 반사부의 광을 인가받아 반사 및 회절시켜 출사시키는 3개의 광 모듈레이터로 구성하여 된 것을 특징으로 하는 투사장치.