KR0125901Y1 - 릴레이렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터 - Google Patents

Abstract

본 고안은 3패널형 프로젝터에 관한 것으로, 특히 하나의 프로젝션렌즈를 사용하는 프로젝트의 프로젝션렌즈 전방에 릴레이렌즈를 형성하여서 된 릴레이렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터에 관한 것이다.

본 고안의 프로젝터는 3개의 소스(source)화상을 하나의 프로젝션렌즈를 이용하여 스크린상에 확대된 상을 맺히게 함에 있어서 프로젝션렌즈의 전방에 릴레이렌즈와 필드렌즈를 형성하여 릴레이렌즈로 3개의 화상을 필드렌즈에 결상하고, 필드렌즈에 결상된 화상를 오브젝트로 하여 프로젝션렌즈로 스크린상에 확대된 상이 맺히도록 한 것이다.

본 고안의 프로젝터는 투사거리가 단축됨과 아울러 고배율의 화상을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

릴레이렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터

제1도는 종래 3패널형 LCD프로젝터의 광학계.

제2도는 3개의 프로젝션렌즈를 이용한 종래의 3패널형 프로젝터에 관한 것으로,

(a)는 광학계를 도시한 것이고,

(b)는 스크린상에 나타나는 화상의 상태를 보인 것이다.

제3도는 본 고안의 일실시예인 3패널형 LCD프로젝터의 광학계.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

22 : 프로젝션렌즈 23 : 릴레이렌즈

24 : 필드렌즈 25 : 스크린

본 고안은 3패널형 프로젝터에 관한 것으로, 특히 단일 프로젝션렌즈를 사용하는 경우에 릴레이렌즈를 이용하여 투사거리를 단축시킴과 아울러 고배율의 화면을 얻을 수 있도록 한 릴레이렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터에 관한 것이다.

3패널형 LCD프로젝터의 기본적인 원리는 각 패널(pannel)이 R,G,B 각각의 화상 정보를 구현하고, 이들 각 화상정보를 하나의 화면으로 합성시킴으로써 색을 재현하는 것으로서, 대표적인 형태로서는 제1도에 도시된 바의 단일 프로젝션렌즈를 사용한 3패널형과 제2도에 도시된 바의 3개의 프로젝션렌즈를 사용한 3패널형을 들 수 있는 바, 이들 종래의 3패널형 LCD프로젝터에 대하여 설명하면 다음과 같다.

먼저, 전자의 제1도에 도시된 단일 프로젝션렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터 시스템의 구조는, 도시된 바와같이 백색광을 방출하는 램프(1) 전방의 광 경로상에 설치되어 적외선과 자외선을 차단하는 적외선/자외선차단필터(2), 적외선차단필터(3), R,G,B의 색분리를 행하는 색분리필터(dichroic mirror)(4a,4b,4c), 프로젝션렌즈의 구경축소를 위한 집광(5a,5b,5c), R,G,B화상을 각각 구현하는 3매의 LCD(6a,6b,6c)각각의 R,G,B화상을 합성하는 색합성부로서의 칼라필터(7a,7b,7c) 및 합성된 R,G,B화상을 투사시키는 프로젝션렌즈(8)의 조합으로 이루어져 있다.

이와같은 광학시스템으로 이루어진 3패널형 LCD프로젝터의 동작과정은 다음과 같다.

램프(1)로부터 방출된 백색광은 광경로상에 형성된 색분리필터(4a,4b,4c)에 의해 R,G,B의 3색으로 분리된 후 각각의 그 칼라에 해당되는 전기적 영상신호로 디스플레이하는 LCD(6a,6b,6c)로 입사되며 LCD(6a,6b,6c)를 통과하여 나온 3개의 빛은 색합성부인 칼라필터(7a,7b,7c)에 의해서 다시 합성된 후 하나의 프로젝션렌즈(8)에 입사하게 되며, 이 프로젝션렌즈(8)는 LCD(7a,7b,6c)에 디스플레이된 영상을 프로젝션하여 스크린상에 그 이미지(image)를 투사하게 된다.

이와같이 종래의 단일프로젝션렌즈에 의한 3패널형 LCD프로젝터는 3매의 LCD와 프로젝션렌즈 사이에 R,G,B의 3색으로 분리된 화상의 합성을 수행하는 부분을 필요로 하게 되며, 이에 따라 색의 합성을 위해 광학계 내의 일정공간을 차지하는 칼라필터의 사용이 불가피하여 오브젝트(즉, LCD)와 프로젝션렌즈 사이의 거리를 좁히는 데에는 한계가 따르게 되고, 렌즈의 구체적 형태로는 백포커스(back focus)라 할 수 있다.

한편, 후자의 제2도에 도시된 3개의 프로젝션렌즈를 사용하는 종래 3패널형 LCD프로젝터는 (a)도의 광학계와 같이 광원부(11)와 이색성렌즈(Dichroic Lens)로 이루어진 색분리부(12), 집광부(13), 3매의 LCD와 각 LCD(14)의 전방에 형성된 세 개의 프로젝션렌즈부(15)로 구성되는 바, 이같은 광학시스템은 주로 리어(rear)투사방식에 사용되고 있다.

이와같은 구조의 3패널형 LCD프로젝터의 기본적인 동작과정은 상기 제1도에 도시된 3패널형 LCD프로젝터와 같이 3개의 LCD(14)를 이용하여 R,G,B의 분리된 화상을 구현하고 스크린(16)상에서는 합성된 화상을 얻는다는 점에서는 서로 동일한 동작특성을 나타내고 있으나, 제1도의 프로젝터와 차이점은 LCD(14)에서의 각 화상을 각각의 프로젝션렌즈(15)를 통하여 스크린(16)상에 투영시켜 스크린(16)상에서 합성시킨다는 점을 들 수 있다.

이에 따라, 3개의 프로젝션렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터의 경우에는 LCD(14)와 프로젝션렌즈(15) 사이에 칼라필터와 같은 별도의 색합성부를 구성할 필요가 없어 오브젝트(LCD)로부터 프로젝션렌즈 사이의 거리를 줄일 수 있다는 장점이 있긴하나, 3개의 투사렌즈를 필요로 함과 아울러 제2도의 (b)에 나타나 있는 바와 같이 화면의 중심을 일치시키기 위해서는 프로젝션렌즈의 광축이 스크린상에서 서로 일치하도록 하여야 한다.

이와같이, 각각의 화상을 각프로젝션렌즈를 통하여 스크린의 화면중심에 일치시키기 위해서는 제2도의 (a)와 같이 LCD와 스크린의 면이 서로 평행하지 않은 구성을 취하게 되고, 이같이 R과 B의 LCD패널과 프로젝션렌즈가 스크린에 대해 소정의 기울기를 유지하여 일단 기울기와 프로젝션렌즈의 초점이 정해지게 되면 화면크기가 일정크기로 제한되며, 또한 프로젝션렌즈의 스크린에 대해 소정의 기울기만큼 경사지게 형성됨에 따라 스크린상에서의 화면형상은 제2도의 (b)에서와 같이 사다리꼴 형태로 되어 키스톤(keystone)현상을 초래하여 R,G,B 3개의 화면을 일치시킬 수 없다는 문제점이 있다.

이상에서는 종래의 3패널형 LCD프로젝터에 대하여 살펴보았던 바, 프로젝터는 그 사용환경에 따라 짧은 투사거리에서 큰 화면을 얻고자 하는 투사거리의 단축을 필요로 하게 되는데, 이같은 투사거리의 단축은 프로젝션렌즈의 초점거리(focal length)를 짧게 유지함으로써 달성될 수 있으나 이는 프로젝션렌즈의 성능(혹은 설계)을 유지, 구현시키는데 어려움을 초래하게 된다.

다시 말하면, F/No가 적을수록, 필드앵글(field angle)이 클수록, 백포커스(back focus)대 초점거리(focal length)의 비가 클수록 어려워지게 된다.

여기서, 필드앵글은 유한물체 크기에 대하여 초점거리가 작아질수록 커지게 되며, 백포커스는 물체로부터 렌즈가 떨어져야 하는 최소의 거리라 할 수 있는데, 백포커스대 초점거리의 비가 1의 값보다 커지게 될 때 레트로형(Retro type)이 되며, 이는 렌즈에 있어서 대칭성을 심하게 벗어나게 되므로 일반적인 경우에 비하여 성능 구현에 어려움이 증대된다.

즉, 백포커스가 커질수록 짧은 초점거리의 구현이 어려워진다고 할 수 있다.

상기 제1도에 도시된 단일 프로젝션렌즈를 이용한 프로젝터의 경우에 있어서는 백포커스가 기구적인 제약에 의해 유한크기 이상으로 될 수 없어서 프로젝션렌즈의 초점거리를 단축시키는 데에는 한계가 따르고 있다.

그리고, 제2도의 3개의 프로젝션렌즈를 이용하는 프로젝터의 경우에는 백포커스는 줄일 수 있으나, 세 개의 프로젝션렌즈 사용에 따른 광학시스템의 복잡화와 투사배율의 일정크기로의 고정 및 각각의 화상을 동일한 형태로 스크린상에서 구현하기가 곤란하다는 단점을 지니고 있다.

물론, 이와같은 단점을 해결하기 위한 방편으로 LCD의 화면구성을 회로적으로 보정시키는 방법(즉, LCD화상을 역사다리꼴로 구성)도 고려될 수 있으나, 이 또한 용이하지만은 않다는 문제점이 지적되고 있다.

ㄸ라서, 본 고안은 종래의 3패널형 LCD프로젝터에서 문제점으로 지적되고 있는 투사거리 및 화면크기에 문제점을 해소하기 위한 방편으로, 단일 프로젝션렌즈를 사용하는 3패널형 프로젝터에서 프로젝션렌즈의 입사측에 별도의 릴레이렌즈를 배치하여 투사거리의 축소 및 화면크기의 확대를 도모한 릴레이렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터를 제공하는 데 고안의 목적을 두고 있다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은, 화상을 각각 제공하는 3개의 화상소스와 그 각각 제공되는 소스화상을 합성하는 색합성부와, 이 색합성부에서 합성되는 화상을 스크린에 확대투사하는 프로젝션렌즈를 가지는 3패널형 프로젝터에 있어서, 상기한 색합성부와 프로젝션렌즈 사이에 배치되어, 색합성부의 합성된 화상을 오브젝트로 하여 1차 결상하는 릴레이렌즈와, 이 릴레이렌즈에 의하여 1차결상되는 상을 프로젝션렌즈로 입사시키는 필드렌즈를 포함하여 구성하는 것이다.

이같은 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 릴레이렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터를 그 광학계의 주요부만을 도시한 제3도에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

도시된 바와 같이 본 고안의 바람직한 실시예에 따른 릴레이렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터는, 도시생략된 발광램프로부터 LCD 등 화상소스의 화상을 합성하는 색합성부(21)에 이르기까지 앞서 설명한 바의 제1도에 도시된 단일 프로젝션렌즈를 사용한 종래의 3패널형 프로젝터와 실질적으로 동일한 형태의 광학계를 배치하고, 색합성부(21)와 프로젝션렌즈(22)의 사이에 릴레이렌즈(Relay Lens)(23) 및 필드렌즈(Field Lens)(24)를 추가적으로 배치하여 된다.

상기한 릴레이렌즈(23)는 색합성부(21)에서 합성된 화상을 오브젝트로 하여 그 화상을 상면(23a)에 결상하도록 사용된 것이다. 이러한 릴레이렌즈(23)를 구현하는데는 예컨대 배율이 1인 경우에 일반의 결상용 렌즈를 사용할 수 있으며, 또한 배율과 초점거리 등 세트에서 요구하는 광학적 성능에 따라 수매의 렌즈를 조합한 복합렌즈를 사용하거나 또는 특수 제작된 비구면렌즈를 사용할 수 있는 것이다.

한편, 필드렌즈(24)를 릴레이렌즈(23)에 의하여 결상된 상을 프로젝션렌즈(22)로 입사시키도록 구비되는데, 바람직하게는 릴레이렌즈(23)의 상면(23a)에 위치됨으로써 광학적으로 빛의 경로만을 변화시킬 뿐, 배율 등 광학계의 성능에는 거의 영향을 미치지 아니하게 된 것이다.

즉, 본 고안은 색합성부(21)에서 합성된 화상을 별도의 릴레이렌즈(23)로 1차 결상한 후, 그 결상된 릴레이렌즈(23)의 상이 필드렌즈(24)를 통해 프로젝션렌즈(22)에 입사되게 하여, 프로젝션렌즈(22)로 하여금 그 릴레이렌즈(23)에 의하여 1차 결상된 상을 새로운 오브젝트로 하여 스크린(25)에 고배율로 확대투사케 하는 것이다.

이와같은 본 고안의 프로젝터에 있어서, 바람직하게는 상기한 릴레이렌즈(23)의 배율을 1로 한다. 배율이 1일때의 화상소스로부터 릴레이렌즈(23)까지의 오브젝트거리와 릴레이렌즈(23)에서 상면(23a)까지의 이미지(image)거리는 각각 초점거리(focal length)의 2배가 된다.

이하, 렌즈와 관련한 일반적인 기능을 살펴, 본 고안 프로젝터의 원리와 특성을 설명하면 다음과 같다.

(ℓ : 오브젝트거리, ℓ' : 이미지거리, f : 초점거리)

(m : 황배율)

백포커스(back focus) : 무한배율을 가질 때의 오브젝트로부터 오브젝트 사이드의 렌즈 끝단까지의 거리로서, 이는 광학시스템의 기구적인 구조에 의해 제한을 받는다.

상기 (1),(2)식에서 배율이 커지기 위해서는 ℓ이 적어야 하고, 극단적인 무한배율일 때 ℓ'가 무한대(∞)이고, ℓ=f가 된다. ℓ이 f이하일 때에는 허상이 생긴다.

(1)식과 (2)식을 조합해 보면, (m+1)/m =ℓ/m이고, 배율 m이 커지게 되면 f임을 알 수 있고, 투사거리는 ℓ(m+1)의 오더(order)를 나타내므로 f가 적어야 투사거리가 작음을 알 수 있다.

즉, 적은 투사거리에 큰 배율을 얻으려는 요구(f의 단거리화)와 기구적으로 제한받는 백포커스와의 관계가 발생하게 된다.

앞서 설명한 바의 제1도의 종래 프로젝터의 경우 대체로 백포커스가 길기 때문에 f가 적어지는데는 한계가 존재하게 된다.

한편, 배율 m이 1인 경우 ℓ=2f이며, 이는 렌즈의 백포커스를 짧게 유지하더라도 오브젝트거리 ℓ이 2f이르로 기구적이 충돌을 피할 수 있는 여유를 부여하게 된다.

본 고안은 이와같은 렌즈에 관한 일반적 원리를 바탕으로 하여 3패널형 LCD프로젝터에서 단일 프로젝션렌즈를 사용하는 경우에 있어서 일차적으로 릴레이렌즈(23)를 사용하여 필드렌즈(24)상에 작은 배율의 일차적인 상을 맺고, 이 상을 다시 프로젝션렌즈(22)로 프로젝션하여 큰 배율의 상을 맺고자 함에 기술적 특징이 있다.

이때 프로젝션렌즈(22)와 일차적인 상 사이에는 기구적인 제약이 없음에 따라 초점거리와 백포커스의 단축이 가능하게 되어(이때 초점거리와 백포커스간의 관계는 설계가능한 필드앵글하에서 결정된다.), 결과적으로 투사거리를 줄이면서 큰 배율의 화상을 얻을 수 있게 된다.

실제로 릴레이렌즈(23)가 삽입됨으로써 늘어나는 투사거리의 요소는 릴레이렌즈(23)와 필드렌즈(24)의 일차상면 사이에 미러(mirror)를 사용하여 경로를 바꿀 수 있으므로 기기(set)의 내부로 흡수시킬 수 있는 수단을 통하여 어느 정도의 보상이 가능해진다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 고안의 단일 프로젝션렌즈를 사용하는 3패널형 LCD프로젝터는 LCD와 프로젝션렌즈 사이에 기구적인 거리의 제한이 큰 경우에 투사거리를 단축시킴과 동시에 큰 화면을 얻을 수 있는 효과가 있다.

그리고, 본 고안의 프로젝터를 배면투사형에 적용하는 경우에는 상기효과에 의해 큰 배율의 화면을 구현함과 아울러 기기 자체의 두께(set depth)를 축소시킬 수 있는 효과도 아울러 지니고 있다.

Claims (3)

1. 화상을 각각 제공하는 3개의 화상소스와 그 각각 제공되는 소스화상을 합성하는 색합성부와, 이 색합성부에서 합성되는 화상을 스크린에 확대투사하는 프로젝션렌즈를 가지는 3패널형 프로젝터에 있어서, 상기한 색합성부와 프로젝션렌즈 사이에 배치되어, 색합성부의 합성된 화상을 오브젝트로 하여 1차 결상하는 릴레이렌즈와, 이 릴레이렌즈에 의하여 1차 결상된 상을 프로젝션렌즈를 입사시키는 필드렌즈가 포함된 것을 특징으로 하는 릴레이렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터.
2. 제1항에 있어서, 상기한 필드렌즈가 상기한 릴레이렌즈이 상면에 위치된 것을 특징으로 하는 릴레이렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터.
3. 제1항에 있어서, 상기한 화상소스가 LCD인 것을 특징으로 하는 릴레이렌즈를 이용한 3패널형 프로젝터.