KR0124831Y1 - 균일도가 높은 평행광 광원 장치 - Google Patents

Abstract

광량이 상대적으로 낮은 중심부의 광속을 차단하고 나머지 부분의 광속을 이용하여 광속의 광량 분포가 균일한 평행광을 만들어 내는 평행광 광원 장치가 개시되어 있다.

이 개시된 평행광 광원 장치는 타원형 반사경과 집속렌즈에 의해 형성되는 평행광의 중심부의 광속을 스톱 수단으로 차단하고 비교적 균일성이 높은 주변부의 광속을 볼록 원뿔 렌즈와 오목 원뿔 렌즈를 이용하여 평행 이동시켜 균일한 분포의 광속을 만들어 내었다.

균일한 광량 분포를 갖는 이러한 평행광 광원 장치는 PDLC 패널을 사용한 디스플레이 장치와 같은 영상 기기에 사용될 수 있다.

Description

균일도가 높은 평행광 광원 장치

제1도는 종래의 기술에 의해 평행도가 높은 평행광을 얻기 위한 구성을 보여주는 개략도.

제2도는 메탈 할라이드 램프 또는 크세논 램프와 같은 램프의 단면도.

제3도는 본 고안의 평행광 광원 장치의 광선 진행 경로를 보여주는 개략도.

제4도는 한 쌍의 원뿔 렌즈에 의해 평행 광속의 직경이 감소되는 현상을 도시하는 개략도, 그리고,

제5도는 본 고안의 다른 실시예를 보여주는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 램프 2 : 타원형 반사경

3 : 개구 스톱 4 : 집속렌즈

5 : 볼록 원뿔 렌즈 6 : 오목 원뿔 렌즈

7 : 스톱

본 고안은 광량이 균일한 평행광을 출사하는 평행광 광원 장치에 관한 것으로서, 특히 원뿔 렌즈를 사용하여 광선 사이의 평행도가 높고 광량이 균일한 평행광을 출사하는 평행광 광원 장치에 관한 것이다.

일반적으로 광량이 전반적으로 균일한 평행광은 디스플레이 장치 또는 투사장치와 같은 영상기기의 광원으로 사용된다. 영상기기의 광원은 광량이 전반적으로 균일해야 하는 것이 매우 중요한데, 그렇지 않은 경우 화면에 조도 차이에 의한 얼룩을 형성할 수 있기 때문이다.

종래의 기술에 의해 광선간의 평행도가 높은 평행광을 얻기 위한 구성은 제1도에 도시되어 있다. 타원형 반사경(2)의 제1초점 F₁에 위치한 램프(1)의 아크 갭에서 발광한 빛은 타원형 반사경(2)에서 반사된 후 타원형 반사경(2)의 제2초점 F₂에 집광한다. 일반적으로 아아크 갭의 길이는 4∼6mm이므로 타원형 반사경(2)의 제2초점 F₂에 집광된 빛의 초점의 크기는 4∼6mm보다 크게 형성된다. 타원형 반사경(2)의 제2초점 F₂에 위치한 개구 스톱(aperture stop)(3)은 기본적으로 집속광 이외의 광선이 집속렌즈(4)에 도달하는 것을 차단하는 역할을 한다. 이 개구 스톱(3)은 경우에 따라 초점의 크기를 줄이기 위해 사용될 수도 있는데, 이때에는 물론 그에 따라 전체적인 광량의 감소가 일어난다. 집속렌즈(4)는 그 초점 거리가 타원형 반사경(2)의 제2초점 F₂와 집속렌즈(4) 사이의 거리 d인 볼록 렌즈로서 타원형 반사경(2)의 초점을 통과한 빛을 광축과 평행한 평행 광선으로 만들어 주는 역할을 한다.

제2도는 메탈 할라이드 램프 또는 크세논 램프와 같은 램프의 단면도이다. 일반적으로 램프(1)의 발광 강도는 램프(1) 축과 수직인 A 방향이 가장 강하고, 램프(1) 축과 평행한 B 방향의 발광 광도는 거의 영에 가깝다. 또한 도시된 바와 같이, θ가 20°일 경우 C 방향의 발광 강도는 A 방향의 발광 강도의 약 30% 수준이며, θ가 30°일 경우 C 방향의 발광 강도는 A 방향의 발광 강도의 약 50% 이하의 수준이다. 그러므로, 제1도에서와 같이 램프(1)에 의해 발광된 광을 타원형 반사경(2)과 집속렌즈(4)에 의해 평행광으로 바꾸어줄 때 빗금친 부분 즉 평행광의 중심부의 광량은 주변부의 광량에 비해 매우 떨어지게 된다. 따라서, 종래의 방법에 의해 형성된 평행광은 그 평행도는 좋은 편이지만 평행 광선의 중심부와 주변부의 광량 차이가 많아 그 균일성이 매우 떨어진다. 특히 평행광선의 가장 중심부의 광량은 거의 영에 가까워 그 용도가 매우 제한적이다.

따라서, 본 고안은 상기한 바와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로서, 한 쌍의 오목 원뿔 렌즈와 볼록 원뿔 렌즈를 사용하여 광량이 낮은 중심부의 광을 사용하지 않으면서 균일도가 높은 평행광을 제공할 수 있는 평행광 광원장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 고안에 따른 평행광 광원 장치는, 램프와; 상기 램프의 위치를 제1초점으로 하여 상기 램프에서 조사된 광을 반사시켜 제2초점을 통과하도록 하는 타원반사경과; 상기 제2초점을 통과한 발산광을 집속시켜 평행광이 되도록 하는 타원반사경과; 상기 제2초점을 통과한 발산광을 집속시켜 평행광이 되도록 하는 집속렌즈와; 상기 집속렌즈의 램프쪽 전방부에 위치되어, 상기 램프의 설치위치에 따른 광차단에 의해 광량이 낮은 중심부의 광을 차단하는 스톱과; 상기 스톱에 의해 그 중심부가 차단되고 상기 집속렌즈에 의해 평행하게 된 광을 집속시켜 상기 중심부를 채워주는 볼록 원뿔 렌즈와; 상기 볼록 원뿔 렌즈에 의해 집속된 광을 발산시켜 평행광이 되도록 하는 오목 원뿔 렌즈;를 포함하여 된 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의해 광량이 매우 낮은 중심부의 광선을 사용하지 않으면서 균일도가 높은 평행광을 제공할 수 있게 된다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 고안의 바람직한 실시예를 상세히 설명한다.

제3도는 본 고안의 평행광 광원 장치의 광선 진행 경로를 보여주는 개략도이다. 메탈 할라이드 램프와 같은 램프(1)과 타원형 반사경(2)의 제1초점 F₁에 위치하며, 이로부터 출사된 광선은 타원형 반사경(2)에서 반사된 후 타원형 반사경(2)의 제2초점 F₂에 집속된다. 제2초점 F₂에는 초점의 크기를 조절하기 위한 개구 스톱(3)이 위치하며, 기구 스톱(3)을 통과한 광선을 집속하기 위한 집속렌즈(4)가 그 초점이 타원형 반사경(2)의 제2초점 F₂와 일치하도록 위치한다. 집속렌즈(4)의 개구 스톱(3)에 면한 표면 또는 그 전방에는 스톱(7)이 부착되거나 설치되어, 광선 중에서 램프(1) 축의 중심부를 통과하는 광량이 적은 광선들을 차단한다. 제2초점 F₂로부터 발산하며 진행하는 광선은 집속렌즈(4)를 통과한 후 중앙 부분이 광량이 영인 평행광으로 진행하며, 볼록 원뿔 렌즈(5)를 통과하면서 다시 집속되어 중심 부분이 광선으로 거의 채워지는 위치에서 오목 원뿔 렌즈(6)를 통과하여 평행광으로 진행하게 된다.

상기와 같이 위치하여 구성되는 각각의 요소를 더 상세히 살펴본다. 개구 스톱(3)의 기능은 타원형 반사경(2)의 제2초점 F₂에 집속되는 광선의 초점의 크기를 조절하고 비평행광을 형성할 수 있는 광선들을 차단하는 것이다. 일반적으로 아아크 갭의 크기로 인해 제2초점 F₂에 형성되는 초점의 크기는 아아크 갭의 크기보다 크기 때문에 이를 적당한 크기로 조절할 필요가 있다.

집속렌즈(4)의 램프(1)에 대면하는 면 또는 그 전방에 위치되는 스톱(7)은 집속렌즈(4)에 의해 형성되는 평행광 중에서 광량이 적은 광축의 중심부 쪽의 광선을 차단하는 역할을 한다. 이를 제거하는 이유는 광량이 적은 중심 부분에 대한 광량 보정은 용이하지도 않고 또한 그와 같은 보정이 정밀하게 이루어지기 어렵기 때문이다. 따라서 이 부분을 제거하고 나머지 주변부의 평행광을 중심으로 모아서 균일한 평행광을 형성하고자 하는 것이다.

두개의 원뿔 렌즈(4)(5)는 집속렌즈(4)를 통해 진행되는 광량이 영인 중앙 부분을 갖는 평행 광속을 정상적인, 즉, 중앙 부분이 채워진 평행 광속으로 변경시키는 작용을 한다. 이때 광속의 직경이 감소된다. 이를 더 상세히 설명하면, 먼저, 집속렌즈(4)를 통과한 상기의 평행 광속은 볼록 원뿔 렌즈(5)를 통과하면, 광속의 균일성은 영향을 받지 않으면서 직경만 감소하게 된다. 그 다음 상기의 소정 위치에 위치한 오목 원뿔 렌즈(6)를 통과하면, 역시 광속의 균일성은 영향을 받지 않으면서 광축과 평행인 광속으로 바뀌게 된다. 그러므로 한 쌍의 원뿔 렌즈를 사용하지 않는 방식에 비교하면, 타원형 반사경(2)과 집속렌즈(4)에 의해 형성되는 평행 광속 중심부의 광량 감소 부분이 제거된 전체적으로 광량이 균일성을 갖는 평행 광속의 형성이 가능하다.

여기서 한 상의 원뿔 렌즈(5)(6)는 각각 적어도 렌즈의 양면 중 한면이 볼록 원뿔면 또는 오목 원뿔면이다.

제4도는 한 쌍의 원뿔 렌즈에 의해 평행 광속의 직경이 감소되는 현상을 보여주는 개략도이다. 볼록 원뿔렌즈(5)로 평행하게 입사되는 광속은 볼록렌즈에 의해 각 θ만큼 광축 쪽으로 기울어진다. 광축과 각 θ를 이루는 광속은 오목 원뿔 렌즈(6)에 의해 다시 광축과 평행하게 진행하게 되고 이때 평행 빔의 직경은 2h 만큼 줄어들게 된다. 볼록 원뿔 렌즈(5)와 오목 원뿔 렌즈(6) 사이의 거리를 d라 하고, 볼록 원뿔 렌즈(5)에 의해 굴절된 광선이 광축과 이루는 각도를 θ라하고, 한쌍의 볼록 원뿔 렌즈(5)와 오목 원뿔 렌즈(6)에 의해 감소된 광속의 반경의 크기를 h라 하면, h는 다음 식에 의해 구할 수 있다.

(1) 식에 (2) 식을 대입하면,

여기서, n은 한쌍의 원뿔 렌즈의 굴절률이고 ρ는 원뿔 렌즈의 원뿔면의 기울어진 각도이다.

따라서, 한쌍의 원뿔 렌즈에 의해 감소되는 평행 광속의 직경은 n, d 및 ρ에 의해 계산될 수 있다.

제5도는 본 고안의 다른 실시예를 보여주는 도면이다. 볼록 원뿔 렌즈 L₁(5)의 타원형 반사경(2) 쪽 평면 S₁에서의 평행 광속의 반지름은 46.22823mm이고 한쌍의 원뿔 렌즈 L₁(5)과 L₂(6)에 의해 감소된 광속의 직경, 즉, 오목 원뿔 렌즈(6)의 S4 면에서의 평행 광속의 반지름은 40.0mm이다. 그러므로, 한쌍의 원뿔 렌즈는 평행 빔의 직경을 12.45646mm만큼 줄일 수 있고 이로 인해 램프(1)로부터 발광되는 광속 중 광축 부근, 즉, 중심부의 광량이 매우 낮은 평행 광속을 제거할 수 있다.

두 원뿔 렌즈 L₁(5)과 L₂(6) 사이의 거리 d = 50mm이고, 각각의 렌즈면 S1, S2, S3 및 S4는 다음의 식 (4)와 같은 원뿔면으로 표현이 가능하며, 표 (1)에 예시되어 있다.

ρ₂= x₂+ y₂

단, x, x z; 광학면의 좌표값

c; 정점 곡률(vertex curvature)

k; 원뿔 상수

본 고안의 구성에서, 한쌍의 원뿔 렌즈를 통과하기 전과 통과한 후의 광속의 광량을 비교하면 통과한 후에는 광량이 증가하게 된다. 그 증가율은 최종 형성된 평행광의 단면의 반경을 r이라고 하면 {(r+h) =h }/r 의 값을 갖는다. 물론, 단위 면적당 광량의 증가는 다양한 광학적 용도에서 바람직한 것으로 요구되는 사항이다.

상기한 바와 같은 본 고안의 평행광 광원 장치는 광량이 균일한 평행광을 제공할 수 있으므로, 각종 프로젝터의 광원으로 사용되어 균질한 화면을 제공할 수 있게 된다. 특히, 매우 균일한 평행광이 요구되는 PDLC패널 디스플레이 장치에 효과적으로 사용될 수 있다.

Claims (2)

1. 램프와; 상기 램프의 위치를 제1초점으로 하여 상기 램프에서 조사된 광을 반사시켜 제2초점을 통과하도록 하는 타원반사경과; 상기 제2초점을 통과한 발산광을 집속시켜 평행광이 되도록 하는 집속렌즈와; 상기 집속렌즈의 램프쪽 전방부에 위치되어, 상기 램프의 설치위치에 따른 광차단에 의해 광량이 낮은 중심부의 광을 차단하는 스톱과; 상기 스톱에 의해 그 중심부가 차단되고 상기 집속렌즈에 의해 평행하게 된 광을 집속시켜 상기 중심부를 채워주는 볼록 원뿔 렌즈와; 상기 볼록 원뿔 렌즈에 의해 집속된 광을 발산시켜 평행광이 되도록 하는 오목 원뿔 렌즈;를 포함하여 된 것을 특징으로 하는 평행광 광원장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 볼록 원뿔 렌즈는 그 볼록 원뿔면이 상기 오목 원뿔 렌즈 쪽에 위치되도록 배치되어, 입사된 평행광을 집속시키도록 되고, 상기 오목 원뿔 렌즈는 그 오목 원뿔면이 상기 볼록 원뿔면에 대향되게 배치되어, 입사된 집속광을 발산시켜 평행광이 되도록 하는 것을 특징으로 하는 평행광 광원장치.