KR100205702B1 - 오버헤드 프로젝터용 집광 렌즈 시스템 - Google Patents

오버헤드 프로젝터용 집광 렌즈 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 물체 투과면에서 균일한 조명을 제공하고 프로젝션 렌즈의 입사동에서 양호한 램프 영상을 형성하는 오버헤드 프로젝터용 광각, 다요소 콘덴서 시스템으로 구성된다. 이는 유리 구면 메니스커스 렌즈, 유리 일면-볼록식구면 렌즈 및 플래스틱 비구면 프레스넬 렌즈 시스템을 연합적으로 사용하여 성취된다.

Description

[발명의 명칭]
오버헤드 프로젝터용 집광 렌즈 시스템
[발명의 상세한 설명]
[기술분야]
본 발명은 오버헤드 프로젝터(overhead projector), 특히 투과형 오버헤드 프로젝터에 관한 것이다.
[종래 기술의 설명]
빛의 집광 및 조명 시스템에서 다요소 렌즈를 사용하는 것은 영화 및 슬라이드 프로젝터와 같은 소형 영사 장치에서 많이 사용되고 있다. 이러한 경우, 렌즈를 통과한 조명은 수렴되어 필름 또는 슬라이드 게이트를 통과하도록 제어된다. 이러한 필름 게이트를 통과하는 조명의 균일성을 향상시키고, 영사 렌즈의 입사동(入射瞳; entrance pupil)에서 광원 영상의 구면 수차(spherical aberration)를 최소화 시키기 위한 시도가 많이 있었다. 특히, 고배율의 구경 집광 시스템은, 조명에 대한 공지된 COS4법칙에 의하면, 균일한 조명을 얻기가 어렵다.
조명의 균일성, 구면 수차 및 조명의 COS4법칙 관계는 Journal of the SMPLE지의 1962년 10월판 769~771쪽에 왈린(Wallin)이 서술한 "구면 프로젝터 조명 시스템의 설계" 및 Information Display지의 1962년 9월/10월 판 8~15쪽에 웨이스(weiss)가 서술한 "광각(廣角) 슬라이드 영사법"에 기재되어 있다.
소형 집광 시스템에서 수렴광의 조명 균일성을 향상시키는 몇가지 방법이 제안되었다.
란츠(Rantsch)에게 허여된 미합중국 특허 제2,186,123호는 필름 평면에서 빛의 균일성을 증가시키기 위한 한 쌍의 유리 구면 유리 집광 렌즈 사이에 한 쌍의 다렌즈를 배치시킨다. 밀저에게 허여된 미합중국 특허 제3,051,043호는 필름 게이트에서 빛의 균일성을 향상시키기 위해 광원 및 집광 렌즈상을 광학 축선에 대해 경사지게 하거나 탈중심시킨다. 오스터버그 등에게 허여된 미합중국 특허 제2,637,242호는 필름 게이트에서 조명의 균일성을 향상시키고, 초점의 정확성을 유지시키기 위해 한 쌍의 구면 유리 렌즈를 사용한다. 헌드에게 허여된 독일 연방공화국 특허 제3,505,771호 또는 조명의 수렴도를 높이고, 필름 게이트에서 조명의 균일성을 개선하기 위해 구면 유리 렌즈를 사용한다.
오버헤드 프로젝터는 상기 시스템에서 고려된 것보다 큰 스테이지(stage) 또는 플름 게이트를 갖는다. 따라서, 집광 렌즈를 실제로 결합하면, 스테이지 구역을 채우기 위한 조명 빛은 통상 발산하게 된다. 빛을 영사 렌즈에 수렴시키는 것은, 스테이지판에 인접하여 위치하거나, 스테이지판을 형성하는 광역 프레넬 렌즈(large-area Fresnel lens)를 사용함으로써 이루어진다. 집광의 목적은 스테이지 구역을 비추는 것이며, 이는 단일의 유리 렌즈에 의해 이루어진다. 이는 정 메니서ㅡ커스 렌즈(positive meniscus lens) 또는 구면 또는 비구면 평철(非球面 平凸) 렌즈이다. 하나의 예외는 미합중국 특허 제3,4686,817호로 허브너에게 허여된 2-요소 유리 시스템인데, 여기서 수렴 조명은 접거울(folding mirror)의 위치에서 집광 기구에 가까운 광원의 2차 영상을 형성한다.
본 발명의 의도한 바는 오버헤드 프로젝터용과 같이, 대형 필름 게이트에서 고도의 균일한 빛을 분배하는 것이다. 이러한 균일성은 오버헤드 프로젝터의 스테이지 상에 배치되는 LCD(액정 표시) 프로젝터 판넬을 사용할 때 특히 중요하다. 많은 고강도 오버헤드 프로젝터에 의해 스테이지에서 발생되는 조명의 불균일성은 스테이지판 전체에 걸쳐 액정 소재를 불균일하게 가열시킨다. 이는 투영된 영상의 불균일한 대조의 원인이 된다.
또한 본 발명의 목적은 광각(廣角) 광원으로부터 조사선을 수렴시키는 빛 집광 시스템을 제공하는 것이다. 이는 고강도 플라즈마 방전 램프와 같은 등방성 조사 광원용의 경우에 특히 중요하다.
[발명의 요약]
상기 목적은 오버헤드 프로젝터용 다요소 광각 빛 집광 시스템을 제공함으로써 성취된다. 상기 시스템은 이중 구면 유리 집광 렌즈와 이중 요소 플라스틱 구면 프레넬 렌즈를 결합시킴으로써 오버헤드 프로젝터의 스테이지에서 고도로 균일한 조명을 제공하게 된다. 그 시스템에 의해 성취되는 고집광 효율은 투영되는 영상에서의 광선 수준을 높이게 된다. 조명이 균일하면, 시스템은 특히 오버헤드 프로젝터와 결합하여 사용되는 LCD 프로젝터 판넬용으로서 유용하게 된다.
[도면의 간단한 설명]
본 발명은 첨부 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명될 것이다. 도면들에서 동일 번호는 동일 부품을 언급하는 것이다;
제1도는 본 발명에 따른 오버헤드 프로젝터의 사시도.
제2도는 제1도의 프로젝터에 사용되는 렌즈 시스템의 개략적인 예시도.
[바람직한 실시예의 상세한 설명]
제1도는 본 발명의 렌즈 시스템을 양호하게 사용할 수 있는 대표적인 오버 헤드 프로젝터(10)를 도시한다. 프로젝터(10)는 영사 대상의 제2원지(transparency) 또는 다른 물체가 배치될 수 있는 스테이지(12), 이 스테이지(12)의 위에 지지되는 영사 렌즈(14) 및 제2원지의 영상을 이격한 거의 수직인 표면 상으로 향하도록 하기 위한 평면 거울(16)을 구비한다. 영상을 형성하기 위해 요구되는 광선은 스테이지의 아래에 있는 프로젝터의 본체 내에 위치한 광원 및 렌즈 시스템에 의해 제공된다.
종래 프로젝터에 있어서, 단일 유리 메니스커스 렌즈가 광원과 스테이지 사이에서 빛 집광 기구로서 사용되었다.
중심으로부터 모서리까지 상기 렌즈를 통과하는 발산 광선의 각도 분리가 증가하면, 오버헤드 프로젝터의 제2원지 평면에서의 입사 조명은 감소된다. 예를 들면, 입사 광선의 분리는 광학 축선으로부터 거리가 멀어지면서 증가하게 된다. 또한 람베르트 광원(Lambertian Source)에 대한 COS4법칙으로 인해, 조명의 감소는 광학 축선으로부터의 각도가 증가함에 따라 더욱 악화된다. 상기 두가지의 효과들은 오버헤드 프로젝터와 같은 고배율의 구경 시스템에 특히 유해하다.
제2도는 본 발명의 조명 시스템을 도시한다. 제2도는 프레넬 렌즈 및 제2도의 상부에 도시된 스테이지가 도면의 하부에 도시된 집광 렌즈의 4배 정도의 칫수를 갖는 다는 점에서 정확한 척도에 기초한 도면은 아니다. 상기 조명 시스템은 광원(18), 거울(20), 유리 정 평철 렌즈(24)에 밀접하게 이격된 유리 정 메니스커스 렌즈(22) 및 프레넬 렌즈 시스템(26,28)으로 구성된다. 두 개의 프레넬 렌즈(26,28)은 제조의 효율성과 경제성을 위해 이중 렌즈로 제공되는 것이 양호하지만 프레넬렌즈(26,28)가 이중 렌즈로 될 필요는 없다.
광원(18)은 등방성 플라즈마 방전 램프로 되는 것이 양호하지만, 백열 람베르트 광원일 수도 있다. 유리 렌즈(22,24)의 만곡면(22,24)은 구면이며, 프레넬 렌즈(26,28)의 오목면의 형상은 비구면이다. 상기 렌즈들(22~28)은 영사 렌즈(14)의 입사동(入射瞳)에서 광원(18)의 영상을 형성한다. 본 발명의 유리 집광 기구(22,24)는 조사선(照射線)이 거의 일정한 또는 감소된 각도 분리를 형성하도록 한다. 상기 조사 방식은 오버헤드 프로젝터의 스테이지(12)에서 보다 균일한 조명을 제공하며 보다 균일한 투영상(投映像)을 제공한다. 상기 조명은 유리 집광 렌즈(22,24)를 빠져 나오는 발산 과선 내로 상당한 구면 수차를 유도함으로써 분배된다. 프레넬 렌즈(26,28)의 비구면 형상은 영사 렌즈(14)의 입사동에서 양호한 광원의 영상이 형성되도록 유리 렌즈(22,24)의 구면 수차를 교정한다.
등방성 광원(18)으로부터의 광선은 동일한 입체각(solid angle)의 증분을 갖는 제1유리 렌즈(22)로 유입된다. 광선이 제2유리 렌즈(24)를 통과할 때 광원(18)의 실제 위치로부터 광원(18)의 영상거리가 증가되도록 광선의 각도 분리가 감소되게 된다. 구면 수차는 프레넬 렌즈(26) 상의 극반경 위치에서 인접 광선이 교차되도록 만든다. 프레넬 렌즈 시스템(26,28)은 이러한 양방향성 광선으로부터 발생되는 구면 수차를 교정할 수 없으며, 모든 광선이 영사 렌즈(14)의 공유점에 집중될 수 없게 된다. 이러한 효과는 두가지 방식으로 최소화할 수 있다. 첫째, 평철 렌즈(24)의 구경 및 파워(power)는 평철 렌즈(24)의 외측 모서리로부터의 광선이 그 렌즈의 중심으로부터 잘 분리되는 프레넬 렌즈(26) 상의 지점들에서만 교차되도록 선택한다. 둘째, 정지부로서 작용하는 이러한 교차점은 스테이지(12)의 코너 바로 외측에 대각으로 존재하도록 제어된다. 구역내에 잔여하는 모든 광선들은 구면 프레넬 렌즈(26,28)에 의해 공유 초점으로 이동될 수 있다.
이러한 집광 시스템의 또다른 특징은 고집광 효율이다. 전체적인 전력이 매니스커스 렌즈와 평철 렌즈 사이에 동일하게 배분될 수 있다면, 메니스커스 렌즈는 평철 렌즈와 결합하여 수렴 집광 기구로서 이용될 수 있다. 본 발명의 시스템은 상기와 같은 규제가 없다. 오히려, 메니스커스 렌즈(22)의 오목면의 반경은 렌즈(22)가 광원(18)에 최대한 근접하게 위치되도록 선택되며 교체를 위해 광원(18)이 분리될 수 있도록 한다. 이러한 이유로 인해, 렌즈(22)는 PYREX와 같은 내열성 저팽창 붕규산(硼硅酸) 유리로 제조된다. 평철 렌즈(24)는 B270과 같은 형태의 광학 크라운 유리로 제조된다. 프레넬 렌즈(26,28)는 내열성이 훨씬 불량한 아크릴 수지로 제조된다.
본 발명의 시스템은 이하의 시스템 조건이 만족될 때 오버헤드 영사용으로 사용된다.
1.91 f12f123.5 f12
1.06 f12f22.09 f12
0.44 f12f32.64 f12
0.82 f12d235.49 f12
여기서, f1=유리 메니스커스 렌즈(22)의 초점 거리
f2=유리 평철 렌즈의 초점 거리
f3=플라스틱 구면 프레넬 렌즈 시스템(26,28)의 초점 거리
d23=유리 평철 렌즈(24)와 프레넬 렌즈 시스템(26,28) 사이의 거리
f12=메니스커스 렌즈(22)와 평철 렌즈(24)의 결합 초점 거리
[실시예]
본 발명의 요구 조건을 실행하는 집광 시스템을 위한 특별 설계는 f12=100.17mm, f1=3.49 f12, f2=1.35 f12, f3=1.82 f12, 및 d23=2.81 f12를 갖는다.
이는 90mm의 직경 및 46.1mm의 곡률 반지름을 갖는 구면 후방 반사기(20)를 포함한다. 구면 반사기는 넓은 집광 각도에 걸쳐 광원(18)으로부터의 조사선을 집광해서 반대로 향하게 하고, 교체를 위해 광원(18)을 쉽게 분리할 능력을 갖도록 설계된다. 내열성 붕규산 메니스커스 렌즈(22)는 초점 거리가 350mm, 직경이 92mm, 광원에 더 가까운 표면의 곡률 반지름이 151.69mm, 그리고 광원으로부터 더 먼 표면의 곡률 반즈름이 80.93mm이다. 광학 크라운 평철 렌즈(24)는 초점거리가 135mm, 직경이 113mm, 그리고 광원으로부터 더 먼 표면의 곡률 반지름이 70.59mm이다. 프리넬 렌즈 시스템(26,28)은 182.5mm의 결합 초점 거리를 가지며 오버헤드 프로젝터(10)는 10.5인치(측면에서 측면까지)의 스테이지(12)를 갖는다. 영사 렌즈(14)는 317mm의 쿠크(cooke)형 삼중선(tripret)을 갖는다. 95 볼트에서 작동하는 금속 할로겐화물 방식의 575 와트의 플르즈마 방전 램프(18)를 이용하여, 총 투사된 빛의 균일성이(중심에 대한 모서리의 비율) 75%를 초과하는 6000 스크린 루우멘(screen lumen)을 얻을 수 있다.

Claims (11)

  1. 영사 대상 물체를 지지하기 위한 스테이지(12), 이 스테이지(12)에 의해 형성되는 평면에 대해 수직인 광학 축선을 따라 배치되는 광원(18), 이 광원에 대해 상기 스테이지에 대향하는 광학 축선을 따라 배치되는 영사 렌즈(14), 그리고 상기 광원의 후방에서 조사하는 빛을 반사하기 위해 상기 광학 축선 상에 형성된 반사기(20)를 포함한 오버헤드 프로젝터에 사용하는 렌즈 시스템으로서, 상기 광학 축선 상에 배치되는 축선이 있고, 상기 광원(18)에 인접하게 배치되는 구면 메니스커스 렌즈(22); 및 상기 스테이지(12)에 근처에, 그리고 상기 구면 메니스커스 렌즈(22)와 스테이지(12)와의 사이에 배치되는 비구면 프레넬 렌즈 시스템(26,28); 을 구비하는 렌즈 시스템에 있어서, 상기 광학 축선 상에 배치되는 축선이 있는 평철 구면(平凸 球面) 렌즈(24)는 상기 메니스커스 렌즈(22)와 스테이지(12)와의 사이에 배치되며; 상기 메니스커스 렌즈(22)의 오목면쪽 및 평철 구면 렌즈(24)의 평면쪽은 모두 광원(18)을 마주보며; 그 메니스커스 렌즈(22)는 정 렌즈로서의 역할을 하도록 구성되며; 상기 메니스커스 렌즈(22)와 평철 렌즈(24)는 스테이지(12)에 고강도의 균일한 수렴 조명을 형성하기 위해 공동 작용하며, 상기 평철 렌즈(24)를 빠져나오는 발산 광선 내로 구면 수차를 유도하며; 상기 비구면 프레넬 렌즈 시스템은 광선을 영사 렌즈(14)에 있는 공유 초점에 수렴시킴으로써 상기 구면 수차를 교정하며; 상기 반사기(20)는 전면 반사기로서 형성되는 것을 특징으로 하는 오버헤드 프로젝터용 렌즈 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 렌즈 시스템용으로, 다음의 필요 조건이 만족되는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
    1.91 f12f123.5 f12
    1.06 f12f22.09 f12
    0.44 f12f32.64 f12
    0.82 f12d235.49 f12
    f1=상기 메니스커스 렌즈(22)의 초점 거리
    f2= 상기 평철 렌즈(24)의 초점 거리
    f3=상기 비구면 프레넬 렌즈 시스템(26,28)의 초점 거리
    d23=상기 평철 렌즈와 프레넬 렌즈 시스템 사이의 거리
    f12=상기 메니스커스 렌즈와 상기 평철 렌즈의 결합 초점 거리
  3. 제1항에 있어서, 상기 메니스커스 렌즈(22)는 350mm의 초점 거리를 갖는 내열성 유리 렌즈로 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 메니스커스 렌즈(22)는 92mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 메니스커스 렌즈(22)는 상기 광원에 더 가까운 표면의 곡률 반지름이 151.69mm이고, 상기 광원(18)으로부터 더 먼 표면의 곡률 반지름이 80.93mm인 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 평철 렌즈(24)는 135mm의 초점 거리를 갖는 유리 렌즈로 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  7. 제6항에 있어서, 상기 평철 렌즈(24)는 113mm의 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  8. 제7항에 있어서, 상기 평철 렌즈(24)는 상기 광원(18)으로부터 더 먼 표면의 곡률 반지름이 70.59mm인 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈 시스템은 이중 프레렌 렌즈(26,28)로 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  10. 제1항에 있어서, 상기 프레넬 시스템(26,28)은 182.5mm의 결합 초점 거리를 갖는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 프레넬 렌즈 시스템은 이중 프레넬 렌즈(26,28)로 형성되는 것을 특징으로 하는 렌즈 시스템.
KR1019930703480A 1991-06-07 1992-04-28 오버헤드 프로젝터용 집광 렌즈 시스템 KR100205702B1 (ko)

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