DLP, Lcos, LBS 차이점 소개

다음은 중국 매체의 기사를 번역/ 요약한 것입니다.

원문: https://mp.weixin.qq.com/s/w4-NP1fgHiV0vp48z5i4XA

光波导光机：LCoS光机、DLP光机和LBS光机的详细介绍

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LCOS 광학 기계

 

LCOS 광학 기계의 핵심은 실리콘 웨이퍼를 기반으로 하고 반사 필름으로 덮인 작은 액정 디스플레이입니다.

기존의 투과형 액정 디스플레이 기술과 달리 LCOS 기술은 광원에서 방출된 빛을 사용하여

액정 층에 의해 변조된 다음 반사를 통해 이미지를 투사합니다.

 

반영 과정:

1. 광원 조명: LED나 레이저와 같은 강력한 광원이 광학 시스템을 통해 LCOS 패널에 조명되는 빛을 생성합니다.

 

2. 액정 변조: 액정 분자는 실리콘 기판 위에 작은 픽셀 배열로 배열됩니다.

                    이 분자들은 전압이 가해지면 정렬이 바뀌어 반사된 빛의 위상과 강도가 변조됩니다.

                    서로 다른 픽셀의 액정 변조 상태는 이미지의 서로 다른 회색조 및 색상 정보에 해당합니다.

 

3. 반사 투영: 변조된 빛은 광학 투영 시스템으로 반사된 다음 이미지가 광학 도파관으로 투영되거나

                      복잡한 광학 요소(예: 렌즈 및 프리즘)를 통해 사용자의 시야에 직접 투영됩니다.

 

 이점:

1. 고해상도: LCOS 패널의 픽셀 크기가 매우 작기 때문에 LCOS 광학 기기는 매우 높은 해상도를 제공할 수 있으며

                     이는 고화질 이미지를 표시할 때 특히 중요합니다.

 

2. 고대비: LCOS 기술의 반사 구조를 통해 특히 어두운 장면에서 고대비 디스플레이 효과를 얻을 수 있습니다.

 

3. 낮은 전력 소비: 기존 디스플레이 기술과 비교하여 LCOS 광학 기계는 AR 안경과 같은 휴대용 장치에

                             중요한 고휘도 이미지를 제공하면서 낮은 전력 소비를 유지할 수 있습니다.

 

결점:

광학 시스템의 통합 복잡성, 특히 소형화하면서 광학 성능을 유지하는 방법이다보니 비용 문제가 있습니다.

LCOS 패널은 제조 공정이 복잡하기 때문에 양산 시 공정상의 어려움을 극복하고 원가를 절감할 필요가 있습니다.

또한 열 관리도 LCOS 광학기기가 해결해야 할 문제로

장시간 사용 시 광원과 회로에서 발생하는 열이 액정의 안정성에 영향을 미치기 때문입니다.

 

DLP 광학 기계

DLP 광학 기계의 기술 원리:

 

DLP 광학 기계는 디지털 마이크로 미러 장치 DMD를 사용하여 광 변조를 달성합니다.

DMD는 수백만 개의 작은 거울로 구성되어 있으며 각 거울은 들어오는 빛의 반사 방향을 제어하기 위해

독립적으로 기울일 수 있습니다.

이러한 마이크로미러를 정밀하게 제어함으로써 DLP 광학 기계는 빔을 여러 픽셀로 분리하여

고해상도 이미지를 형성할 수 있습니다. 

광 도파관 디스플레이 시스템에서 DLP 광학 기계의 광선은 먼저 입사 커플러를 통해 도파관으로 들어갑니다.

도파관의 내면은 내부 전반사를 통해 빛을 사용자의 눈으로 유도하고

사용자는 광도파관을 통해 합성된 허상을 보게 됩니다.

DLP 광학 엔진은 각 픽셀의 밝기와 색상을 정밀하게 제어하여 고화질 및 고대비 이미지 디스플레이를 구현할 수 있습니다.

 

작업 과정:

 

1. 광원 생성: DLP 광학 기계는 일반적으로 효율적인 LED 또는 레이저를 광원으로 사용합니다.

                     이러한 광원은 다양한 주변 조명 조건에서도 선명한 이미지를 보장할 만큼 충분한 밝기를 제공합니다.

 

2. 광 변조: 광원에서 방출된 빛은 DMD 칩으로 유도되어 입력된 디지털 신호에 따라

                  DMD의 마이크로 거울이 빠르게 기울어져 빛의 방향을 변조합니다.

                 각 마이크로미러는 픽셀에 해당합니다.

                  마이크로미러가 빛이 통과하는 방향으로 기울어지면 픽셀이 켜지고 그렇지 않으면 켜지지 않습니다.

 

3. 색상 합성: DLP 조명 엔진은 시간 순서 방식을 통해 RGB 3원색 광원을 신속하게 전환하여

                     풀 컬러 이미지를 합성합니다.

                    DMD 칩의 매우 빠른 응답 속도로 인해 인간의 눈은 RGB 광원의 전환 과정을 인지하지 않고도

                    완전한 컬러 이미지를 인식할 수 있습니다.

 

4. 광 도파관 전송: 변조된 광선은 커플러를 통해 광 도파관으로 들어갑니다.

                             광 도파관은 정밀하게 설계된 굴절 구조와 반사 코팅을 통해

                             다중 내부 전반사를 통해 빛을 사용자의 눈에 전달합니다.

                            사용자는 렌즈 시스템을 통해 또는 직접 도파관의 빛을 보고 궁극적으로 가상 이미지를 형성합니다.

 

 

이점:

 

1. 고해상도 및 고대비: DLP 광학 기계는 매우 높은 해상도와 대비를 제공할 수 있으며

                                     이는 정확한 이미지 표시가 필요한 AR 애플리케이션에 매우 중요합니다.

 

2. 높은 재생률: DMD 칩의 매우 빠른 응답 속도로 인해 DLP 광학 엔진은 매우 높은 재생률로 이미지를 표시하고

                        모션 블러를 줄일 수 있습니다.

 

3. 정확한 색상 : DLP 기술은 정확한 색상 성능으로 시계열을 통해 풀 컬러 이미지를 합성하며

                          높은 색상 재현이 필요한 애플리케이션 시나리오에 적합합니다.

 

4. 높은 밝기: DLP 조명 엔진에는 일반적으로 효율적인 광원이 장착되어 있어 강한 조명 환경에서도

                     선명한 이미지 디스플레이를 제공할 수 있습니다.

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결점:

 

1. 높은 전력 소비:

   DLP 광학 기기의 DMD 칩은 지속적으로 빠르게 회전하려면 많은 수의 마이크로미러가 필요하므로

  전력 소비가 더 높아집니다.

  AR 글래스와 같은 휴대용 기기의 경우, 과도한 전력 소비는 기기의 배터리 수명을 단축시키는 중요한 문제입니다.

 

2. 더 큰 크기:

   DLP 광학 엔진의 크기가 크게 줄어들었음에도 불구하고 LCoS와 같은 다른 디스플레이 기술에 비해

   DLP 광학 엔진의 전체 크기와 무게는 여전히 상대적으로 큽니다.

   이는 AR 안경의 가벼움과 편안함에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

3. 열 방출 문제:

   DLP 광학 엔진의 고휘도 광원과 빠르게 작동하는 DMD 칩으로 인해 장비 내부에서 더 많은 열이 발생합니다.

   방열 문제는 광학 기기의 안정성과 수명에 영향을 미칠 수 있으며

   특히 방열 설계가 더 어려운 소형 AR 안경의 경우 더욱 그렇습니다.

 

4. 디스플레이 효과는 주변 조명에 의해 영향을 받을 수 있습니다 .

   DLP 조명 엔진은 고휘도 디스플레이 효과를 제공할 수 있지만

   강한 주변 조명에서는 이미지 가시성이 여전히 영향을 받을 수 있습니다.

   실외에서 사용되는 AR 장치의 경우 주변광의 간섭으로 인해 이미지의 선명도와 가독성이 떨어질 수 있습니다.

 

5. 무지개 빛깔의 효과:

   DLP 광학 기기에서 사용되는 시계열 색 합성 방법은 경우에 따라 무지개빛 효과를 유발할 수 있습니다.

  이는 빨간색, 녹색, 파란색의 세 가지 기본 색상이 빠르게 전환되기 때문에 발생합니다.

  인간의 눈은 특정 각도에서 또는 움직일 때 짧은 색상 분리를 볼 수 있으며

  이는 일부 사용자에게 시각적 불편함을 줄 수 있습니다.

 

6. 높은 비용:

   DMD 칩의 복잡성과 제조 비용으로 인해 DLP 광학 기계의 비용은 일반적으로 더 높습니다.

  이로 인해 DLP 광학기기를 사용하는 AR 장비의 가격이 높아져 대규모 대중화에 영향을 미칠 수 있습니다.

 

 

LBS광학기계

 

LBS 광학 엔진은 레이저 빔을 마이크로미러를 통해 스캔하고 도파관에 투사하여 이미지를 형성하는 광학 엔진입니다.

 

LBS 광학 기계의 기술 원리:

 

LBS 광학 기계는 고속으로 움직이는 마이크로 렌즈를 사용하여 미리 결정된 경로를 따라

3원색 레이저를 스캔하여 풀 컬러 이미지를 형성합니다.

각 레이저 빔은 이미지 픽셀을 나타냅니다.

레이저 빔의 강도와 마이크로미러의 스윙 속도를 제어함으로써

LBS 광학 기계는 매우 짧은 시간에 완전한 이미지를 생성할 수 있습니다. 

LBS 광학기기의 핵심은 레이저 소스와 MEMS 마이크로미러를 조합하여 사용한다는 점입니다.

레이저 소스는 매우 높은 밝기와 색상 순도를 제공할 수 있으며

MEMS 마이크로미러는 매우 빠른 속도와 정밀도로 레이저 빔의 방향을 제어할 수 있습니다.

이러한 조합을 통해 LBS 광학 기계는 작은 부피로 고해상도 이미지 디스플레이를 달성할 수 있으며

이는 경량 AR 안경과 같은 장치에 매우 적합합니다.

 

작업 과정:

 

1. 레이저 광원 생성: LBS 광학 기계는 적색, 녹색 및 청색 레이저 다이오드를 광원으로 사용합니다.

                                LBS 광학기는 레이저 다이오드의 출력 전력을 조정하여 다양한 밝기의 빔을 생성하여

                               이미지의 밝기를 제어할 수 있습니다.

 

2. 빔 변조: 빔 확장 후에 다양한 색상의 레이저 빔이 MEMS 마이크로미러 어셈블리에 들어갑니다.

                 MEMS 마이크로미러는 매우 높은 주파수(보통 수만 헤르츠에서 수십만 헤르츠 사이)에서

                 2차원으로 진동하여 레이저 빔이 미리 결정된 경로를 따라 스캔하게 합니다.

 

3. 이미지 생성: 스캐닝 프로세스는 TV 화면의 래스터 스캐닝 방법과 유사하게 시간 순서 제어를 통해

                       완전한 이미지를 형성합니다.

                      레이저 빔의 빠른 응답 속도로 인해 LBS 광학 기계는 1초 내에 여러 번 반복적으로 스캔하여

                      높은 프레임 속도의 이미지 디스플레이를 형성할 수 있습니다.

 

4. 도파관 전송: 생성된 이미지 빔은 입사 커플러를 통해 광 도파관으로 들어갑니다.

                        광 도파관 내부는 내부 전반사를 통해 광선을 사용자의 눈으로 유도하여 이미지의 중첩 표시를 구현합니다.

 

이점:

 

1. 컴팩트하고 가벼운 LBS 광학기기는 구조가 간단하고 렌즈나 프리즘과 같은 복잡한 광학 부품에

    의존하지 않기 때문에 매우 컴팩트하고 가볍게 설계할 수 있습니다 . 

    이로 인해 경량화가 요구되는 AR 장치에 사용하기에 매우 적합합니다.

 

2. 높은 밝기 및 색상 순도: 레이저 소스는 높은 밝기와 채도를 가지며 다양한 주변 조명 조건에서

                                          선명하고 생생한 이미지를 제공할 수 있습니다.

                                          이는 실외 AR 애플리케이션에 특히 중요합니다.

 

3. 초점 거리 제한 없음: LBS 광학 기계는 레이저 빔을 통해 직접 이미지를 그리기 때문에

                                     초점 렌즈가 필요하지 않으며 가까운 거리에서 먼 거리까지 모든 범위에서

                                     이미지가 선명하게 유지됩니다.

                                     이는 동적 초점이 필요한 장면에서 장점이 있습니다.

 

4. 효율성: LBS 광학 기기는 효율적인 빔 스캐닝을 통해 기존 디스플레이 기술의 에너지 손실을 방지하고

                광원 에너지를 보다 효율적으로 사용할 수 있어 전력 소비를 줄일 수 있습니다.

 

5. 무한 초점 달성 가능: LBS 광학 기계는 소위 "가상 초점"을 달성할 수 있습니다.

                                   사용자는 물리적 초점 없이 다양한 거리 범위에서 선명한 이미지를 볼 수 있습니다.

                                   이는 AR 안경에 특히 유용하며 사용자 경험을 향상시킬 수 있습니다.

 

결점:

 

1. 스펙클 효과: 레이저는 응집성 광원이므로 스펙클 효과를 생성하기 쉽습니다.

                        즉 미세한 입자나 반점이 이미지 표면에 나타나 이미지의 시각적 품질에 영향을 미칠 수 있습니다.

                        이 효과를 완화할 수 있는 기술적 수단이 있지만 현재로서는 이를 완전히 제거하는 것이 어렵습니다.

 

2. 높은 전력 소비: LBS 광학 기계는 효율성 측면에서 최적화되어 있지만 특히 고휘도 출력이 필요한 경우

                             레이저 소스 자체의 전력 소비가 높습니다.

                             이로 인해 장치의 배터리 수명에 특정 문제가 발생합니다.

 

3. 낮은 해상도: LBS 광학 기계는 마이크로미러의 스윙 속도에 의존하기 때문에

                       실제 생성된 이미지 해상도가 제한될 수 있습니다.

                       현재 LBS 기술의 해상도는 마이크로 LED와 같은 다른 디스플레이 기술의 해상도와 비교할 수 없습니다 .

 

4. 짧은 수명: MEMS 마이크로미러는 장기간의 고주파 진동으로 인해 마모되거나 피로해질 수 있으며

                      이는 장비 수명에 영향을 미칩니다. 이는 장기간 사용해야 하는 장비에 대해서는 고려해야 할 문제입니다.

 

5. 낮은 레이저 안전성: LBS 광학 기계는 고휘도 레이저를 사용하므로 부상을 방지하기 위해

                                   레이저 빔이 사람의 눈에 직접 들어 가지 않도록 해야 합니다.

                                   따라서 AR 장치는 설계 시 추가적인 보안 보호 조치를 추가해야 하므로 설계 복잡성이 증가합니다.