KR0141203B1

KR0141203B1 - 투영광학계

Info

Publication number: KR0141203B1
Application number: KR1019940006231A
Authority: KR
Inventors: 김후식
Original assignee: 이대원; 삼성항공산업주식회사
Priority date: 1994-03-28
Filing date: 1994-03-28
Publication date: 1998-08-17
Also published as: GB9424428D0; US5539580A; GB2288034B; KR950027428A; JPH07270682A; DE4443936A1; CA2137198A1; JP3500210B2; CN1057161C; GB2288034A; CN1122457A

Abstract

다수의 렌즈로 이루어지고 액정표시소자로부터의 영상을 투영하는 투영광학계가 개시되어 있다.

이 개시된 투영광학계는 표시소자에서 먼 쪽부터 메니스커스 렌즈, 제1오목렌즈, 볼록렌즈 및 제2오목렌즈가 차례대로 조합된 전군렌즈부; 및 상면을 향한 면의 곡률반경은 무한대이며 상면에 반대되는 면은 볼록하게 형성된 2매의 평볼록렌즈들로 이루어진 후군렌즈부를 구비한다. 이 투영광학계는 작은 부피를 가지고 전군렌즈부와 후군렌즈부 사이의 간격을 조절하면서 액정표시소자의 화상을 조출할 수 있다.

Description

투영광학계

제1도는 종래의 적, 녹, 청의 액정칼라필터를 구비한 프로젝션 디스플레이장치의 광학적 배치를 보인 도면.

제2도는 종래의 투영광학계의 광학적 배치를 보인 도면.

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 투영광학계를 채용한 프로젝션 디스플레이장치의 광학적 배치를 보인 도면.

제4도는 본 발명의 실시예에 따른 투영광학계의 광학적 배치를 보인 도면.

제5도는 본 발명의 일실시예에 따른 투영광학계의 수차특성도.

제6도는 본 발명의 다른 실시예에 따른 투영광학계의 수차특성도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10,110:상면 20,120:조리개

30,130:투영광학계 31,131:전군렌즈부

32,132:후군렌즈부

본 발명은 액정표시소자에 의한 화상의 확대투사를 위한 투영광학계에 관한 것으로서, 상세하게는 렌즈의 구경 및 두께가 획기적으로 줄어든 구조의 투영광학계에 관한 것이다.

근래 반도체 집적기술의 발달에 따라 액정패널의 고밀도화가 비약적으로 이루어져, 이를 이용한 대화면 디스플레이장치가 대두되고 있다. 종래의 대화면 디스플레이장치는 트위스티드 네마틱(twisted nematic; TN)형 액정 패널을 채용하고 각 액정을 박막트랜지스터(thin film transistor; TFT)를 이용하여 구동하였다. 이에 따라, 액정 자체로 대화면 패널을 구성하므로 그 구성이 매우 어렵고, 액정 구동시 고비용이 든다는 단점이 있다.

따라서, 소화면 고밀도의 액정패널을 이용하여 생성된 영상을 투영광학계를 사용하여 스크린에 투영하여 대화면화를 달성할 수 있도록 된 프로젝션 디스플레이장치가 등장하게 되었다.

제1도는 일반적인 프로젝션 디스플레이장치의 광학적 배치를 나타낸 것이다.

도시된 바와 같이, 프로젝션 디스플레이장치는 광원(41)과, 다수의 반사미러들(42a,42b,42c)과, 다수의 파장필터들(44a,44b,44c), 다수의 액정패널들(48a,48b,48c), 이색프리즘(46) 및 투영광학계(30)로 구성된다. 상기 광원(41)은 광을 생성 조사하는 램프(41a)와, 이 램프(41a)에서 조사된 광이 일방향으로 진행하도록 안내하는 반사경(41b)을 구비한다. 다수의 반사미러들(42a,42b,42c)은 광경로상에 배치되며, 입사광을 반사시켜 그 진행경로를 변환시킨다. 다수의 파장필터들(44a,44b,44c)은 입사광 중 적외선 파장의 광은 차단하고, 각 파장에 따라 선택적으로 투과 또는 반사시켜 입사광을 적, 녹, 청색 각 칼라별로 분리시킨다. 상기 액정패널들(48a,48b,48c) 각각은 서로 다른 광경로로 진행하는 적, 녹, 청 각각을 선택적으로 투과/반사시켜 칼라화상을 구현한다. 그리고, 상기 이색프리즘(46)은 서로 다른 광경로를 통해 입사된 각 칼라에 대응되는 화상을 투과/반사시킴에 의해 합성하여 상기 투영광학계(30)쪽으로 향하도록 한다. 이 이색프리즘(36)을 통해 합성된 칼라 화상을 상기 투영광학계(30)를 통해 확대 투영되어 스크린(미도시) 상에 투사된다.

여기서, 광원의 특성상 높은 주변 광량비의 확보가 필요하고, 투영광학계가 텔레센트릭(telecentric) 광학계(대상물체측 또는 상측 초점에 유효조리개가 설치된 광학계)일 것이 요구된다.

제2도는 제1도에 도시된 프로젝션 디스플레이장치에 채용된 투영광학계의 광학적 배치를 보인 도면이다. 이 투영광학계(30)는 이색프리즘(46)의 광로장(光路長)을 확보하기 위하여 제6번 렌즈의 R₁₃면에서상면(10)까지의 뒷초점거리(back focal length)가 긴 역망원렌즈(retrofocus) 광학계로 구성되어 있다.

이 투영광학계(30)는 2매의 전군렌즈부(31)와, 4매의 후군렌즈부(32) 및 전군렌즈부(31)와 후군렌즈부(32) 사이에 위치된 조리개(20)로 구성되어 있다.

전군렌즈부(31)는 곡률반경 R₁및 R₂를 갖는 평볼록렌즈인 제1번렌즈와, 곡률반경 R₃및 R₄를 갖는 메니스커스 렌즈인 제2번 렌즈로 구성된다. 그리고, 후군렌즈부(32)는 곡률반경 R₆및 R₇을 갖는 오목렌즈인 제3번 렌즈와, 곡률반경 R₈및 R₉를 갖는 볼록렌즈인 제4번 렌즈와, 곡률반경 R₁₀및 R₁₁을 갖는 볼록렌즈인 제5번 렌즈 및, 곡률반경 R₁₂및 R₁₃을 가지며 강한 양의 파워를 갖는 볼록렌즈인 제6번 렌즈로 구성된다.

미설명된 참조번호 40은 상기 이색프리즘(46)의 광로장에 해당하는 것이다.

R₁내지 R₁₁의 곡면을 갖는 제1번렌즈 내지 제5번렌즈 각각은 대칭형 가우스형식의 형상을 하고 있고, 조리개(20)의 위치는 전체 광학계가 텔레센트릭 구성인 것을 고려하여 후군렌즈부(32)의 좌측초점에 위치한다.

역망원렌즈 형태에 충족되도록 뒷초점거리를 크게 하기 위해 상기 제6번렌즈가 추가되었다.

이때 발생하는 페쯔발 합(Petzval's sum)의 불균형을 R₄, R₆면에서 보정하기 위하여 R₄아 R₆의 곡률은 전형적인 가우스형의 렌즈형태와는 다소 차이가 나게 된다.

이와 같이 구성된 종래의 투영광학계는 텔레센트릭이고, 역망원렌즈 형태의 광학계가 요구되므로, 이를 실현하기 위해서는 후군렌즈부(32)의 렌즈의 직경이 커지는 문제점이 있었으며, 또한 긴 뒷초점거리를 갖게 됨으로써 광학계(30)의 길이가 길어지고 설계비용이 증가되는 단점이 있다.

또한, R₄와 R₆의 거리, 즉 전군렌즈부(31)와 후군렌즈부(32)사이의 거리가 멀어져서 광학계의 길이가 길며, 따라서 경통부의 길이도 길어진다. 이때, 스크린과의 거리에 따라 D₁₃의 길이를 조절하여 초점을 맞추어야 하는데, 전체 광학계가 한 개의 경통에 들어가게 되면 대형경통의 가공과 경통의 이동이 어려워지는 문제점이 발생된다.

따라서, 본 발명은 상기한 문제점을 극복하기 위하여 안출된 것으로서 보다 작은 부피를 갖고 우수한 조출능력을 갖는 투영광학계를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 투영광학계는, 상면에서 먼 쪽부터 메니스커스렌즈, 제1오목렌즈, 볼록렌즈 및 제2오목렌즈가 차례대로 조합된 전군렌즈부; 및 상기 상면을 향한 면의 곡률반경은 무한대이며 상기 상면에 반대되는 면은 볼록하게 형성된 2매의 평볼록렌즈들로 이루어진 후군렌즈부를 포함하며, 상기 전군렌즈부와 상기 후군렌즈부 사이의 간격을 조절함에 의하여 조출되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, f가 상기 투영광학계 전체의 초점거리이며, f_back가 상기 후군렌즈부의 뒷초점거리이고, f₄가 상기 제2오목렌즈의 초점거리이며, n₆은 상기 볼록렌즈의 굴절률이고, n₁₀및 n₁₂각각은 후군렌즈부 각각의 굴절률이고, ν₁₀및 ν₁₂각각은 상기 후군렌즈부 각각의 아베수이고, R₁는 상기 메니스커스렌즈의 상기 상면 반대편 구면의 곡률반경이고, R₅는 상기 제1오목렌즈의 상기 상면쪽 구면의 곡률반경일때, 아래의 조건식을 만족한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 투영광학계를 상세히 설명한다.

제3도는 본 발명의 실시예에 따른 투영광학계가 채용된 프로젝션 디스플레이장치의 일예를 보인 도면이다. 제1도에 도시된 바와는 달리 하나의 LCD 패널(148)을 이용하여 칼라화상을 구현할 수 있다. 즉, 하나의 LCD 패널(148) 위에 적, 녹, 청의 삼원색 컬러필터들이 각 적, 녹, 청의 화소들에 한번에 입혀져 있다. 따라서, 다수의 반사미러들(제1도의 42a,42b,42c)과, 다수의 파장필터들(제1도의 44b,44c) 및 이색프리즘(제1도의 46)이 불필요하다. 한편, 참조번호 144는 제2도의 참조번호 44a가 지시하는 파장필터와 마찬가지로 적외선 성분을 걸러내는 적외선차단 필터이다.

제3도의 프로젝션 디스플레이장치는 제1도의 프로젝션 디스플레이장치에 비해 전체적으로 구조가 간단하여 소형화가 가능하고, LCD 패널(148)과 광원(141) 사이의 거리가 단축되어 광학계에 있어서의 광축방향의 길이 단축이 가능하다.

제4도는 본 발명의 실시예들에 따른 투영광학계(130)의 광학적 배치를 보인 도면이다.

이 투영광학계는 4매의 렌즈로 이루어진 전군렌즈부(131)와 2매의 후군렌즈부(132)를 포함하여 구성된다.

상기 전군렌즈부(131)는 곡률반경 R₁및 R₂를 갖는 메니스커스 렌즈인 제1번렌즈와, 곡률반경 R₄및 R₅를 갖는 오목렌즈인 제2번렌즈와, 곡률반경 R₆및 R₇을 갖는 볼록렌즈인 제3번렌즈와, 곡률반경 R₈및 R₉을 갖는 오목렌즈인 제4번렌즈로 구성된다. 그리고, 상기 후군렌즈부(132)는 곡률반경 R₁₀및 R₁₁을 갖는 평볼록렌즈인 제5번렌즈와, 곡률반경 R₁₂및 R₁₃을 갖는 평볼록렌즈인 제6번렌즈로 구성된다. 여기서, 텔레센트릭 성을 유지하도록 상기 제1번렌즈와 제2번렌즈 사이에 조리개(120)가 더 구비된다.

여기서, 투영광학계(130)의 전체적인 텔레센트릭 성을 유지하면서 광학계의 길이를 단축하려면 R₁₃면과 상면까지의 뒷초점거리가 짧아야 하며 동시에 조리개(120)와 R₁₃면까지의 간격이 단축되어야 한다. 광학계의 길이를 단축하기 위해 전군렌즈부(131)에 대해 텔레타입의 광학계를 채택하였다. 또한, R₉면 이후의 발산각이 커지는 것을 보상하여 상면(110)에 수직하게 유도하고자, 후군렌즈부(132)까지 강한 양의 파워를 갖는 볼록렌즈를 사용하였다.

상기와 같은 렌즈구성요소들을 갖는 투영광학계의 설계에 의해 수차보정효과를 얻을 수 있다.

우선, 제1번렌즈와 제3번렌즈에는 고굴절, 저분산 소재를 사용하여 페쯔발 합의 불균형과 색수차발생을 근본적으로 억제할 수 있다.

다음으로, 제3번렌즈 및 제4번렌즈 간의 간격은 길수록 페쯔발 합 및 비점수차(astigmatism)의 보정에 유리하나 경통이 길어지고 렌즈의 직경이 커지는 관계로 적정한 값으로 제한하였다.

마지막으로 제3번렌즈와 제5번렌즈, 제6번렌즈에 의해 발생된 큰 페쯔발 합은 R₅, R₈면에서 상쇄시킨다.

또한, 각 렌즈성분들이 모두 이동가능하면 초점을 맞추는데 어려움이 있으므로, 조출(focusing)의 편이성을 위하여 전군렌즈부(131)와 후군렌즈부(132)의 수차를 각각 분리보정하여 제4번렌즈 및 제5번렌즈 간의 거리의 변화에 의해서만 조출이 이루어지도록 하는 것이 유리하다. 이에 의해 투사거리 변화에 따른 조출을 간편히 하고 경통의 가공 및 제작에 있어서 비용감소효과를 얻을 수 있다.

본 실시예들에서는 제5번, 제6번렌즈의 직경이 크므로 고정의 편의를 위해 R₁₁, R₁₃면을 평면으로 처리한 평볼록렌즈를 사용하였다.

이와 같이 렌즈의 한 면을 평면처리하는 것은 전군렌즈부(131) 부분과의 분리에 따른 후군렌즈부(132)의 수차를 완화시키고자 하는 목적도 있다.

다음 표 1은 본 발명에 의한 투영광학계의 바람직한 일실시예에 따른 렌즈의 규격을 나타낸 자료이다. 여기서, n₁∼n₁₂각각은 각 소재의 굴절률로서 e-line의 굴절률이며, v₁∼v₁₂는 아베수(Abbe's number)이다.

이때, 전체광학계(130)의 유효초점길이를 1로 하였을 때 R에서 상면(110)까지의 거리는 1.249이다.

한편, 다음 표 2는 본 발명에 의한 투영광학계의 바람직한 다른 실시예에 따른 렌즈의 규격을 나타낸 자료이다.

상기 일실시예 및 다른 실시예에 따른 투영광학계의 수차특성은 물체거리(물체와 R면과의 거리)가 19.6인 경우에 대하여 제5도 및 제6도에 각각 도시되어 있다.

본 발명에 따른 투영광학계에 있어서 유효초점길이(effective focal length; EFL)는 1로서, 전체광학계의 정규화된 파워(굴절력)가 1일 때 제1번렌즈 내지 제4번렌즈의 전군렌즈부(131)의 파워는 0.7 내외이며 제5번렌즈 및 제6번렌즈의 후군렌즈부(132)의 파워는 0.97정도로서 후군렌즈부(132)에 파워가 집중된다. 한편, 전군렌즈부(131)의 길이를 단축하기 위하여 제4번렌즈의 파워를 -1.76으로 강하게 유지시켜서 전군렌즈부(131)만을 강한 텔레형태로 구성하였다.

후군렌즈부(132)의 배율을 상기한 표 1 및 표 2에 제시된 실시예보다 작게 유지하여도 해상력의 성능에는 별 문제가 없다. 표 1 및 표 2의 조건은 본 투영광학계가 제1도 및 제3도에 도시된 바와 같은 액정 패널을 이용한 프로젝션 디스플레이장치에 적용된 경우를 고려한 것으로서, 텔레센트릭 및 길이에 관한 조건이다.

텔레센트릭을 유지하기 위하여 상기한 조리개(120)의 우측에 위치한 제2번렌즈 내지 제6번렌즈의 초점위치에 상기 조리개(120)가 위치되어야 한다. 즉, 전체 렌즈의 파워는 후군렌즈부(132)가 대부분 담당하게 되므로, 상기 조리개(120)는 사실상 후군렌즈부(132)의 뒷초점거리인 제1번렌즈와 제2번렌즈 사이에 위치된다. 따라서, 후군렌즈부(13)의 파워가 커지게 되며, d이 짧아져야 텔레센트릭이 유지된다. 그러므로 d의 길이 변화를 통하여 전체 광학계의 길이를 결저하는 요인이 된다.

한편, 본 투영광학계(130)는 소형화에 역점을 둔 것으로 유효초점거리를 만족하면서 전체 광학계의 길이를 줄이고자 하는데 역점이 있다. 프로젝션 디스플레이장치는 액정패널의 크기와 넓은 화각을 추구하는 사용상의 조건에 따라 채용된 투영광학계(130)의 초점거리는 100mm 내외로 정해지는 것이 바람직하다. 따라서 본 실시예에 따르면 초점거리의 최소값으로서 유효 초점거리의 0.9배를 달성할 수 있다. 이때 후군렌즈부(132)의 뒷초점거리는 유효 초점거리의 0.8배에 해당되었다. 물론 이 거리보다 단축도 이론적으로 가능하지만, 그 파워 증가로 인한 페쯔발 합 및 색수차 증가로 인하여 실제적인 가치가 없다. 반대로, 유효초점거리의 1.3배 이상이 되면 단축효과가 작아져 실용상 그 가치가 없다.

이와 같은 점을 조합하여 볼 때, 투영광학계 전체의 유효초점거리 f에 대한 뒷초점거리 f는 아래의 조건식을 만족한다.

제4번렌즈는 양의 굴절력을 갖는 후군렌즈부(132)의 페쯔발 합과 색수차를 반대방향으로 발생시켜서 전체적으로 보정하기 위하여 그에 대응하는 음의 굴절력을 가진다. 후군렌즈부(132)의 뒷초점거리가 유효 초점거리의 0.8에 해당될 때는 유효 초점거리의 -1.4배보다 큰 값에 의한 보정이 필요하며, 후군렌즈부(132)의 초점거리가 유효초점거리의 1.3배 미만이 되면 유효초점거리 -2.0보다 작은 값에 의해서 보정이 가능하다. 이 범위를 벗어나면 계속 존재하는 수차를 제1번, 제2번 및 제3번렌즈가 보정해야 되는데, 이 경우 구면수차, 코마수차 발생량이 커져서 해상도 성능이 저하된다.

상기한 바와 같은 점을 조합해보면, 투영광학계 전체의 유효초점거리 f에 대한 제4번렌즈의 초점거리 f₄는 아래의 조건식을 만족한다.

제3번렌즈는 양의 굴절력을 가지며 전체 광학계의 파워를 담당한다. 이 3번렌즈는 강한 양의 굴절력으로 인해서 양의 구면수차, 페쯔발 합, 색수차를 발생시킨다. 이 3번렌즈에 의한 수차는 제2번렌즈에 의해서 보정된다. 이때 제2번렌즈의 수차보정 부담을 최소화하기 위해서 상기 제4번렌즈의 수차 발생을 억제하는 것이 필수적이다. 이를 위해서, 제3번렌즈는 그 굴절률이 대략 1.75 이상인 고굴절 저분산렌즈인 것이 바람직하다. 여기서, 1.75이상인 고굴절 저분산렌즈로서는 널리 알려진 티타늄 플린트 계열 또는 노비움 프린트 계열 유리가 있다.

후군렌즈부(132)는 양의 굴절력 및 양의 파워를 가진다. 여기서, 양의 굴절력으로 인해서 양의 구면수차, 페쯔발 합, 색수차가 발생되는데 이는 제4번렌즈에 의해서 보정된다. 이때 제4번렌즈의 수차 보정을 최소화하기 위하여 후군렌즈부(132)의 수차발생을 억제하는 것이 필수적이다. 이를 위하여 렌즈의 형상보다도 적절한 재질 선택을 통하여 구면수차, 페쯔발 합, 색수차가 최소화되도록 고려되어야 한다. 여기서, 이러한 조건을 만족하는 렌즈로서, 고굴절 저분산 렌즈가 바람직하나, 가격면을 고려하여 제5번 및 제6번렌즈 각각은 굴절률 1.55이하이며, 아베수 60 이상인 저굴절 저분산 유리로 널리 알려진 크라운 유리(BK-7)를 채용하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 다른 특징은 전군렌즈부(131)에서 코마수차의 보정이 이루어지도록 설계된 점에 있다. 즉, 제1번렌즈가 메니스커스렌즈로서 코마수차의 발생을 억제하고 제2번렌즈가 반대방향의 코마수차를 발생시켜서 이를 보정하게 된다. 여기서 제2번렌즈는 음의 굴절력으로서 페쯔발 합을 유지하면서도 코마수차를 보정하여야 하기 때문에 그 우측면 곡률 R₅이 큰 오목렌즈이다. 즉, 제2번렌즈의 우측면 곡률 R₅은 곡률 R₁의 형상과 관계를 갖게 된다. 따라서, 그 관계에 따른 수차보정을 조사한 결과 아래의 조건식을 만족하는 것이 바람직하다.

여기서, 조건식이 0.8미만이 되면, 보정 과다가 일어나고, 1.2이상이 되면 보정 부족이 된다.

상기한 바와 같이, 구성된 투영광학계는 실험에 의하면, 주변광량비를 48% 이상으로 유지했음에도 불구하고 제1번 내지 제4번렌즈의 반경(유효반경)을 50% 이하로 절감할 수 있어, 렌즈의 재료비 및 가공비의 절감을 이룩할 수 있다.

또한, 투영광학계 전체렌즈의 전장이 유효초점길이의 125% 이하인 매우 작은 크기의 광학계이다.

또한, 바람직하게는 후군 렌즈부의 볼록렌즈들에 저굴절, 저분산의 저가재질(예컨대, BK-7)을 사용하여 가격을 절감하는 것도 가능하다.

또한, 종래의 기술에 비하여 훨씬 큰 화각(80°∼100°)의 까다로운 환경에서도 우수한 결상 특성을 보인다.

Claims

상면에서 먼 쪽부터 메니스커스렌즈, 제1오목렌즈, 볼록렌즈 및 제2오목렌즈가 차례대로 조합된 전군렌즈부; 및 상기 상면을 향한 면의 곡률반경은 무한대이며 상기 상면에 반대되는 면은 볼록하게 형성된 2매의 평볼록렌즈들로 이루어진 후군렌즈부를 포함하며, 상기 전군렌즈부와 상기 후군렌즈부 사이의 간격을 조절함에 의하여 조출되는 것을 특징으로 하는 투영광학계.
제1항에 있어서, 상기 전군렌즈부의 상기 메니스커스렌즈 및 상기 제1오목렌즈의 사이의 광경로 상에 상기 제1오목렌즈에 인접되게 설치된 조리개를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 투영광학계.
제1항에 있어서, 상기 렌즈들이 아래의 조건식을 만족하는 것을 특징으로 하는 투영광학계.

여기서, f는 상기 투영광학계 전체의 초점거리이며, f_back는 상기 후군렌즈부의 뒷초점거리이고, f₄는 상기 제2오목렌즈의 초점거리이며, n₆은 상기 볼록렌즈의 굴절률이고, n₁₀및 n₁₂각각은 후군렌즈부 각각의 굴절률이고, ν₁₀및 ν₁₂각각은 상기 후군렌즈부 각각의 아베수이고, R₁는 상기 메니스커스렌즈의 상기 상면 반대편 구면의 곡률반경이고, R₅는 상기 제1오목렌즈의 상기 상면쪽 구면의 곡률반경이다.
제1항에 있어서, 상기 후군렌즈부의 파워가 전체 광학계의 파워의 0.8배 이상인 것을 특징으로 하는 투영광학계.
제4항에 있어서, 상기 투영광학계 전체의 길이와 상기 투영광학계 및 상면간의 거리의 합이 상기 투영광학계의 유효초점거리의 1.3배 미만이고, 주광선과 상기 상면이 이루는 각도가 80°∼100°사이인 것을 특징으로 하는 투영광학계.