KR100319542B1 - 조명시스템용집광장치 - Google Patents

Abstract

투사 시스템용의 집광 렌즈(2)는 애퍼쳐(3)를 향해 지향된 전체적인 밝기의 양 및 애퍼쳐(3)에서의 조명의 균일성을 최적화시킨다. 집광 렌즈는 투사 시스템에 배치되었을 시에 광원의 중앙에서 출발하여 집광 렌즈의 에지를 통과하고 조명될 재물대 영역의 에지에서 또는 그에 근접하여 재물대 영역을 교차하는 한계 광선을 갖는다. 집광 렌즈는 광원에서 애퍼쳐까지의 거리에 의거하여 선택되는 상대 윤대광선 높이를 추가로 갖는다. 집광 렌즈 시스템은 오버헤드 투사기의 구성에 특히 유용하다.

Description

조명 시스템용 집광 렌즈

광학 조명 시스템용 집광 렌즈는 흔히 광원으로부터의 광을 모아 이 광이 조사되어질 영역 또는 애퍼쳐로 지향시키기 위해 사용된다. 이러한 집광 렌즈는 양볼록 형상, 평볼록 형상 및 메니스커스 형상으로 설계된 단일 또는 복수의 구성요소를 포함할 것이다. 이러한 집광 렌즈 시스템은 흔히 오버헤드 투사기(OHP)에 사용된다.

종래의 OHP 는 일반적으로 광원을 갖는 받침대, 재물대(stage) 영역 및 재물대 위에 위치되는 투사 헤드를 포함한다. 광원은 종종 반사형 램프 또는 반사경과 집광 렌즈가 결합되어 반사경이 없는 램프중의 하나로 구성된다. 재물대에서의 프레즈널(Fresnel) 렌즈는 광을 모아 이 광을 재물대상에 위치된 임의의 투명한 이미지를 투사하는 투사 헤드의 투사 렌즈로 향하게 한다.

광 환경에서 시청할 수 있도록 이미지를 가능한 한 밝게 할 필요가 있다. 통상 LCD 패널의 투과율이 매우 낮기 때문에 OHP를 LCD(액정 디스플레이) 패널과 함께 사용하는 경우가 증가되어 이와 같은 광도 문제는 중요한 요소가 되었다.

조명의 균일성 또한 중요한 요소이다. 인간의 눈이 조도(illuminance)의 점차적인 변화에 매우 민감하지는 않더라도, 화면 중앙부에서 외곽 모서리부까지의 조도 변화가 약 1/4 이상이면 식별 가능하다. 조명의 균일성을 중앙부에 대한 모서리부의 비율(coner-to-center ratio)로 정의하는 ANSl/ISO 9767-1990에 따라 조명의 균일성이 측정된다. 중앙부에 대한 모서리부의 비율의 ANSI 규격과 거의 동일한 일본 표준 JIS B 7160에 따라 OHP에 대해 40% 이상의 중앙부에 대한 모서리부의 비율이 매우 우수한 것으로 평가된다.

재물대 조명을 높이기 위해 수반되는 3 가지의 중요한 요소로는 "램프 구조", "램프로부터의 광의 수집" 및 "수집된 광의 이용" 이 있다. "램프 구조"를 제외한 나머지 2가지 요소가 집광 렌즈(들)의 성능에 좌우됨에 비해 첫번째 요소는 램프 자체에 수반되는 요소이다. 램프 구조는 조명을 증가시키기 위해 여러 방법으로 변화될 수 있다. 통상적인 OHP 램프로는 백열 램프 또는 아크 방전 램프중의 하나가 사용된다. 아크 방전 램프가 더 높은 조명을 제공할 수 있음에도 불구하고 일반적으로 백열 램프가 아크방전 램프보다 비용면에서 저렴하여 OHP 투사기에 널리 사용된다. 백열 램프를 사용하는 경우에 조명을 증가시킬 수 있는 유일한 방법은 더 높은 와트수를 갖는 램프를 사용하는 방법뿐이다. 그러나, 투사기의 다른 구성요소가 과열될 수 있으므로 와트수는 제한된다. 예를들어, 프레즈널 렌즈/재물대가 지나치게 과열되면, 이미지가 입혀져 있는 필림을 변형시킬 것이다.

그러나, 나머지 조명 요소인 광의 수집 및 수집된 광의 활용은 적절한 집광렌즈 시스템을 이용하여 최상으로 달성될 수 있다. 집광 렌즈는 램프로부터 가능한 한 많은 광을 수집하고 이 광을 재물대로 지향시키도록 구성될 수 있다. 집광렌즈에 의해 수집되는 광량은 수집 시스템의 상부 에지를 통과하는 광선과 하부 에지를 통과하는 광선간의 각도로서 정의되는 집광 렌즈의 집광각(collection angle)에 의해 좌우된다. 이 집광각은 광원의 필라멘트로부터 집광 렌즈의 최인접면까지의 거리에 의해 영향을 받는다. 집광 렌즈는 일반적으로 가능한 램프에 근접하게 배치되는데, 이는 집광 렌즈의 직경에 의해서만 좌우된다. 집광 렌즈의 직경을 증가시킴으로써 집광각이 자동적으로 증가되지만, 제조시에 집광 렌즈의 두께를 증가시켜 비용 및 열적 스트레스에 대한 민감도를 증가시키기 때문에 이것 역시 한계가 있다. 따라서, 높은 수집 효율을 제공하기 위해 집광 렌즈의 직경과 두께간의 균형이 필요하다. 집광 시스템에 의해 수집되는 광량에 관해 설명하고 있는 다수의 특허가 공지되어 있다.

집광 렌즈의 주기능은 광원으로부터 광을 수집하고 이 광을 피조사 영역 또는 애퍼쳐로 향하게 하는 것이다. 종래에는, 집광 시스템에 의해 수집된 광의 양은 관련 애퍼쳐(미국 특허 제934,579호), 수치상의 애퍼쳐(미국 특허 제2,637,242호) 및 집광각(미국 특허 제1,615,674호, 제1,946,088호 및 제2,587,956호)에 의해 설명되어 졌다. 집광각은 수집 시스템의 상부 에지를 통과하는 광선과 하부 에지를 통과하는 광선간의 각으로서 정의된다.

집광 렌즈의 설계에 있어 한 가지 공통적인 특징은 그 시스템이 애플러내틱형(aplanatic), 즉 구면 수차(spherical aberration) 및 코마(coma)가 보정된 것(미국 특허 제934,579호 및 제1,507,212호)이라는 점이다. 애플러내티즘(aplanatism )은 현미경 조명 장치와 같은 고해상도 광학 시스템용 조명 시스템에 특히 바람직하다. 코마 보정에 대한 필요성은 저해상도 시스템에 대해서는 감소되며, 미국 특허 제2,637,242호에서와 같이 의도적으로 이용되지 않을 수도 있다. 다른 공통적인 특징은 모든 집광 시스템이 어느 정도의 조명의 균일성을 달성하도록 도모된다는 점이다(미국 특허 제2,637,242호 및 제5,010,465호). 실제로, 설계자는 집광 렌즈에 의해 발생되는 균일성을 특정할 수 있어야만 한다. 따라서, 집광 렌즈의 크기 및 두께를 증가시키지 않고서도 투사된 광의 고균일성을 유지한 채로 조명 시스템에서의 조도를 증가시킬 수 있는 단일 소자의 집광 렌즈가 요구된다.

본 발명은 일반적으로 집광 렌즈가 사용되는 광학 조명 시스템에 관한 것으로, 특히 소정의 광학적 형상을 위해 임의의 요구된 영역 또는 애피쳐에 대한 조명의 양을 최대화시키도록 구성된 오버헤드 투사기용 조명 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 더 잘 이해된다.

도 1은 본 발명에 따라 구성된 일반화된 광학 조명 시스템의 측입면도이다.

도 2A∼2C는 퓨필 왜곡을 나타내고 있는 본 발명에 따른 집광 렌즈의 배면도 이다.

도 3은 집광 렌즈의 상대 윤대광선 높이(relative zonal ray height)와 조명시스템의 광경로 길이간의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 4는 오버헤드 투사기에 사용되었을 시의 집광 렌즈의 외형도이다.

본 발명은 양볼록 렌즈, 평볼록 렌즈 또는 메니스커스 렌즈를 포함하는 집광렌즈 시스템을 제공하며, 여기서 렌즈는 소정 조명 시스템에 사용될 때, 소정의 램프에 대해 바람직한 영역 또는 애퍼쳐에 대한 조명의 양을 최대화시킬 수 있도록 설계된다. 또한, 조명의 균일성이 매우 높아지게 된다. 특히, 이러한 렌즈는 광원(필라멘트)에서 소정 조명 시스템의 투사 애퍼쳐까지의 거리에 비례하는 퓨필 왜곡(pupil distortion; 핀쿠션 또는 배럴)을 처리하도록 구성된다. 이러한 설계시에, 집광 렌즈의 에지를 통과하는 광선은 피조사 영역의 경계를 다소 지나친 지점에 조사된다.

본 발명은 OHP에 있어서 고균일성, 즉 중앙부에 대한 모서리부의 비율을 높게 유지하면서 전체 재물대 영역에 대해 최적의 조명량을 제공하는데 특히 유용하다. 본 발명의 집광 렌즈는 구면 수차 또는 코마에 대한 보정없이 사용될 수 있다. 이러한 구면 수차는 보정이 요구될시에 조명 시스템의 추가의 구성요소에 의해 보정될 수 있다.

본 발명에 따라 구성된 일반화된 광학 조명 시스템이 도면, 특히 도 1을 참조하여 설명된다. 조명 시스템은 일반적으로 광원 즉, 필라멘트(1), 집광 렌즈(2)및 피조사 애퍼쳐 또는 영역(3)으로 구성된다. 이하 설명되는 바와 같이, 본 발명은 오버헤드 투사기(OHP)의 설계시에 특히 유용하지만 이러한 OHP용 렌즈에 한정되지 않으며 밀착 인화(contact printing)와 같은 다른 광학 조명 시스템에서도 유용하다.

본 발명의 집광 렌즈는 소정의 램프 및 광학 지오메트리에 대한 소정 영역 또는 애퍼쳐에 대해 조명의 양을 최대화시키도록 구성된다. 이것은 집광을 위해 실질적으로 집광 렌즈 표면 전체를 사용함으로써, 즉 램프로부터 피조사 영역의 범위에서 입체각(solid angle)을 최대화함으로써 달성된다. 집광 렌즈의 설계를 결정하는 2가지 중요한 요소가 있다. 이러한 설계 요소는 비대칭 광학 시스템에도 적용할 수 있지만 축 대칭형 광학 시스템과 관련하여 설명된다.

제1 설계 요소는 집광 렌즈의 입사 퓨필(entrance pupil)과 관련하여 설명된다. 입사 퓨필은 필라멘트측에서 본 집광 렌즈의 한계 애퍼쳐의 이미지로서 정의된다. 광원의 중앙에서 시작하여 입사 퓨필와 에지를 통과하는 광선 A는 그 극단(즉, 다면체 애퍼쳐의 모서리부)에서 또는 극단에 인접하여 피조사 영역을 교차하며, 이로써 광원을 확장시키고 제조 공차를 허용한다. 이러한 광선은 주연(周緣) 광선(marginal ray)으로 알려져 있다. 애퍼쳐의 중앙에서부터 주연 광선이 이 애퍼쳐를 교차하는 지점까지의 거리는 원추 반경이라고 하기로 한다. 제1 설계 요소는 집광 렌즈에서 발산되는 원추형의 광이 필요 이상으로 넓은 영역을 조명하지 못하도록 하는 것이다.

제2 설계 요소는 피조사 영역 상에서 원추 반경의 0.7071배의 위치와 교차하는 광선의 입사 퓨필 높이가 최대가 되도록 하는 것이다. 이 광선은 "윤대 광선(zonal ray)"으로 알려져 있다. OHP의 재물대와 같은 직사각 애퍼쳐를 조명할 시에, 이 제2 설계 요소는 재물대 영역의 전체 조도에 영향을 주기 때문에 중요한 요소가 된다. 이 제2 설계 요소는 균일성에도 영향을 주지만 그 영향은 적다.

집광 렌즈에 대한 퓨필 왜곡은 윤대 광선과 주연 광선로 정의된다. 정방형 재물대의 이미지가 집광 렌즈의 퓨필에서 정방형으로서 나타나는 경우는 왜곡이 없는 것이다. 2개의 광선을 이용하여 설명하면, 이것은 축으로부터 주연 광선과의 교차지점까지의 거리의 70.71%의 위치에 재물대와 교차하는 광선은 주연 광선 높이의 70.71%의 높이에서 퓨필과 교차한다는 것을 의미한다. 이것은 0.7071의 퓨필에서의 상대 윤대광선 높이와 일치한다. 왜곡은 다음과 같이 정의된다:

왜곡 = 100 × (A - 0.7071) / 0.7071

여기서, "A" 는 윤대 광선의 상대 퓨필 높이이고, 왜곡은 백분율로 변환된다. 이 퓨필 왜곡은 오직 이미지 평면에서만 측정될 수 있는 이미지 왜곡과 혼동되서는 안된다.

상기 2가지 설계 요소는 도 2A∼2C를 참고하여 더 명화하게 이해될 수 있을 것이다. 인간의 눈이 제1 설계 요소만을 충족시키는 집광 렌즈를 통하여 조명되는 정방형 영역의 경계상에 초점을 맞출수가 있다면, 그것은 도 2A에서와 같이 나타날 것이다. 정방형 경계선은 집광 렌즈의 굴절력에 의해 "핀쿠션" 형태로 왜곡된다. 이것은 광선 트래이싱(tracing)에 의해 증명되며, 핀쿠션 왜곡에 대한 상대 윤대광선 높이가 0.7071 이하가 될 것이다. 일반적으로, 렌즈의 집광력이 강하면 강할 수록 핀쿠션 왜곡도 커진다. 본 발명에 따라 구성된 렌즈는 광경로 길이가 비교적 작다면 이러한 핀쿠션 왜곡을 가질 것이지만, 핀쿠션 왜곡은 종래 기술의 조명 시스템에서 나타나는 것보다 작을 것이며, 이에 대해서는 도 3과 관련하여 이하 설명된다. 광경로 길이가 다소 긴 경우, 렌즈(2)는 도 2B에 도시된 바와 같이 어떠한 왜곡도 없이(즉, 제로 왜곡) 구성될 것이다. 최종적으로, 광경로가 상당히 긴 경우에는, 렌즈는 도 2C 에 도시된 바와 같이 "배럴(barrel)" 왜곡을 갖는다. 이 경우에,상대 윤대광선 높이는 0.7071 이상이 된다. 본 발명은 직선 광경로 및 굴절된 광경로 모두를 고려하며, 이로써 굴절된 광경로의 시스템에서의 광경로 길이는 굴절된 경로를 따른 길이를 말하는 것이다.

필라멘트 위치에서 본 바와 같은 경계부의 이미지의 중요성은 이것에 의해 피조사 영역에 대한(subtend) 입체각을 형성한다는 것이다. 입체각은 영역 또는 애퍼쳐상에 도달하는 광속(luminous flux)의 총량을 계산하는데 사용된다. 영역에 입사되는 광속의 총량은 광원의 면적, 광원의 휘도(luminance) 및 광원에서 본 영역에 대한 입체각의 곱이다. 즉, 집광 시스템의 물리적인 크기 및 지리적인 집광각은 피조사 영역상에 도달하는 광속을 예측하기에 불충분하며, 집광 렌즈에 유입되는 원추형 광의 굴절이 중요하다. 필라멘트측에서 본 경우에 피조사 영역의 이미지의 입체각을 증가시킴으로써 영역에 입사되는 광속을 증가시킨다.

이러한 점에서, 제1 설계 요소는 집광 렌즈를 통하여 본 경우에 경계선의 모서리부가 입사 퓨필의 에지 가까이에 있도록 한다. 제2 요소는 실질적으로 외견상의 경계선의 에지가 입사 퓨필의 에지에 인접한 것이 되도록 한다. 외견상 경계선 내의 영역이 집광 렌즈의 영역을 초과하지 않기 때문에 외견상 경계선내의 영역을 집광 렌즈의 영역에 근접시키기 위해 이러한 2 가지 설계 요소를 사용함으로써 집광렌즈의 집광 효율을 최대화시킨다.

도 3 은 광학 경로 길이에 대한 상대 윤대 광선 높이의 종속 관계를 나타내는 그래프이다. 작은 정사각형은 종래 기술의 조명 시스템에 의거한 윤대광선 상대 높이값을 나타내고 마름모꼴의 사각형은 본 발명에 따라 선택된 윤대광선 상대 높이값을 나타낸다. 이 그래프로부터 종래 기술에서는 조명 시스템에서의 조명의 균일성에 대한 조도를 최적화하는 데에 윤대 광선 높이의 중요성을 인식하지 못하고 있다는 것을 알 수 있다. 동일 광경로 길이에 대해서는, 본 발명은 종래 기술에 비해 상대 윤대광선 높이를 크게 할 필요가 있다. 더 구체적으로는, 본 발명에 의해 요구된 최소 상대 윤대광선 높이 Z 는 다음 식으로 정의된다:

Z ≥ (0.00122 × L) + 0.301

여기서 L은 mm 단위의 광경로 길이(광원에서 애퍼쳐까지의 거리)이다. 이 식은 도 3의 직선 a로 나타난다. 별법으로, 상대 윤대광선 높이는 (0.00115 × L) + 0.333(도 3에서의 라인 b)와 동일하거나 그 이상이 되고, 혹은 (0.00109 × L) + 0.364(도 3에서의 라인 c)와 동일하거나 그 이상이 될 수 있다.

2 개의 설계 요소가 집광 렌즈의 집광 효율을 최대화시킨다 하더라도, 피조사 영역내에서의 조명의 균일성을 고려하는 것에 의해 집광 렌즈의 설계가 더 영향을 받는다. 미국 특허 제2,637,242호에는 구면수차에 대한 보정과 전술된 균일성을 갖는 집광 렌즈를 설계하여 요구된 조명 프로파일을 갖는 렌즈를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 구체적으로, 애플러내틱(aplanatic) 집광 렌즈의 경우, 조명은 필라멘트에서 집광 렌즈까지의 임의의 광선과 광축이 이루는 각의 코사인의 4승만큼로 저하된다고 기술하고 있다. 이 방법은 사용 가능하긴 하지만, 상당히 복잡한 것이다.

집광 렌즈의 정점 곡률반경(vertex curvature)을 조정하는 것과 같은 정밀도는 떨어지지만 더 간단한 조명 프로파일의 조절 방법을 사용할 수도 있다. 곡률 반경을 감소시킴으로써(즉, 반경을 증가시킴으로써) 조명 프로파일이 더욱 균일해지는 반면, 곡률을 증가시킴으로써 조명 프로파일이 중앙부에서 보다 현저해진다. 이 방법이 정확도가 낮은 것이기는 하지만, 인간의 눈 역시 정확도가 낮다. 인간의 눈은 중앙부에 대한 모서리부의 비율이 25%를 초과하여도 알아차리지 못한다. 집광 렌즈의 곡률을 조정함으로써 이 목표의 10% 이내로 조도의 저하를 제어하기에 충분하다. 미국 특허 제2,637,242호의 명세서의 기재에 따라 필요한 경우 균일성을 정확히 제어하는 방법도 사용된다.

ANSI 및 JIS 기준에서 규정된 중앙부에 대한 모서리부의 비율뿐만 아니라, 재물대의 가장 먼 위치에 대해 충분한 조도를 제공할 필요가 있다(ANSI 및 JIS 기준에 따라 중앙부에 대한 모서리부의 비율은 가장 먼 위치까지의 2/3 지점에서만 측정된다). 가장 먼 위치에서의 조도가 중앙부의 조도의 20%∼30% 이상이어야만 하며, 그렇지 않은 경우는 어둡게 감지될 것이라는 것이 실험에 의해 입증되었다. 이러한 요건을 충족시키기 위해 집광 렌즈의 형상을 조정할 필요가 있다.

2 가지의 설계 요소를 충족시키도록 설계된 집광 렌즈는 적어도 2가지 타입의 조명 시스템에 적용 가능하다. 제1 유형의 조명 시스템에서는 광원의 이미지가불필요 하기 때문에 집광 렌즈에 의해 발생되는 수차를 보정할 필요가 없다. 이러한 유형의 응용 장치의 대표적인 예로 밀착 인화 및 검사용 조명이 있으며 이에 한정되지 않는다. 제2 유형의 조명 시스템에서는 추가의 광학 소자에 의해 구면수차가 보정된다. 제2 유형의 예로는 임계 조명과 같이 피조사 물체에 인접하여 또는 쾰러(kohler) 조명과 같이 투사 렌즈의 입사 퓨필에서, 광원의 이미지를 필요로 하는 조명 시스템이 있으며, 이에 한정되지 않는다. 쾰러 조명 시스템에서, 수차를 보정하기 위해 조명된 물체에 인접한 필드 렌즈가 사용될 수 있으며, 반면에 임계(critical) 조명 시스템의 경우 수차에 대한 보정은 최적화를 위해 최대 조명과 균형을 이를 필요가 있다. 복수의 비구면(multiple aspheric surface 및/또는 복수의 구성요소가 필요하게 된다.

본 발명의 집광 렌즈의 응용 장치중 하나는 도 4에 도시된 바와 같은 오버헤드 투사기이다. 램프(10)로부터의 광은 모든 방향으로 방사된다. 광의 일부는 반사경(11)에 의해 반사되어 필라멘트를 향하고, 그에 따라 집광 렌즈(12)를 향하게 된다. 최초에 집광 렌즈 방향으로 방사된 광과 동일하게, 이 반사광도 집광 렌즈에 의해 수집되며 프레즈널 렌즈(13)를 향해 굴절된다. 프레즈널 렌즈는 가능한한 절삭된 모서리부를 갖는 정방형이며, 집광 렌즈로부터의 원추형의 광은 거의 원형이다. 원추형의 광이 프레즈널 렌즈를 교차할 때의 원추의 단면의 직경은 프레즈널 렌즈의 대각선과 동일하거나 또는 그 이상이 되도록 설계되는 일이 많다. 이로써, 광선이 프레즈널 렌즈에 의해 절삭되어 모든 광이 통과되지는 않을 것이다. 본 발명의 효과는 소정 크기의 프레즈널 렌즈에 대해 이 프레즈널 렌즈를 통과하는 광량을 최대로 할 수 있다는 점이다.

프레즈널 렌즈는 광선을 굴절시켜 광선이 재물대 유리(14), 투사되는 투명물체(필름)(15) 및 투사 렌즈(16)를 통과시킨다. 투사 렌즈에 의해 굴절된 후, 광선은 헤드 미러(17)에 의해 반사되고 투사 스크린(도시생략)상에 투영된다. 이 경우에, 시스템의 "애퍼쳐" 는 프레즈널 렌즈/재물대 이다. 적합하게 설계된 OHP 시스템에서는 프레즈널 렌즈를 통과하는 광량을 최대로 하면 스크린상의 이미지의 밝기도 최대가 됨을 알 수 있다.

이러한 유형의 집광 렌즈의 설계는 피조사 영역의 사양 및 램프에서 이 피조사 영역까지의 거리를 제일 먼저 고려하여야 한다. 그 다음에 램프에서 집광 렌즈까지의 거리 및 집광 렌즈의 직경을 선택하여야 한다. 그리고, 집광 렌즈의 형태를 양볼록, 평볼록 또는 메니스커스중 어느 하나로 할 것인지를 결정한다. 집광 렌즈의 램프에 가장 인접한 측의 반경은 거의 임의적으로 선택할 수 있지만, 표면이 램프를 향해 오목하면 조명 균일성을 증가시키고 경계선 이미지가 정방형에 가깝다. 집광 렌즈의 측면상의 반경에 대한 다른 제약이 존재하는데, 그것은 집광 렌즈의 표면이 지나치게 오목하고 집광 렌즈의 요구된 굴절력이 큰 경우에 램프에서 더 멀리 떨어진 표면으로부터 충분한 굴절력을 얻기가 불가능할 것이라는 점이다. 램프에서 멀리 떨어진 표면의 곡률은 요구된 균일성에 따라 특정된다. 고려할만한 다른 사항이 없다면, 이 표면 설계의 개시점은 필라멘트에서 표면까지의 거리와 동일한 정점 반경을 갖는 타원형이 된다. 최종적으로, 상업적으로 이용가능한 렌즈설계 프로그램(예를들어, 캘리포니아주의 플레즌턴에 위치한 Focusoft, Inc. 의 ZEMAX 광학 설계 프로그램)을 이용하여 2가지의 설계 법칙에 따라 집광 렌즈의 비구면 계수를 최적화할 수 있다. 적절한 상대 윤대 광선 높이는 도 3으로부터 결정될 것이다. 모서리부의 선단까지 충분히 조명될 수 있도록 하기 위해 여러가지의 상이한 설계를 시도해볼 필요가 있다. 디자인을 구면 메니스커스로 할 수 있는 경우에는, 바람직한 상대 윤대 광선 높이로부터 오차를 요구한다 하더라도 요구된 형태를 달성하기 위해 여러가지의 상이한 노력을 시도해볼 필요가 있다. 비구면 집광 렌즈의 경우, 바람직한 상대 윤대 광선 높이는 유지될 수 있지만, 상이한 비구면 계수를 갖는 여러 가지의 집광 렌즈를 사용하여 상이한 조명 프로파일을 제공할 수 있다. 일반적으로 2가지 요소중 한 요소에 의해 가장 높은 순서의 비구면 계수를 변화시킴으로써 기울기를 식별할 수 있는 충분히 상이한 조명 프로파일을 제공한다. 이 경사는 최적 프로파일을 추정(보간법 또는 외삽법)할 수 있다.

오버헤드 투사기용 집광 렌즈의 예가 제공된다. 투사기는 18 mm 의 외경을 갖는 램프를 사용하여 필라멘트에서 집광 렌즈까지의 거리는 공차 및 장착 브패킷을 허용하기 위해 11mm 로 설정된다. 이로써 집광각은 140° 가 된다. 이용가능한 집광각은 일반적으로 110° 이상이다. 필라멘트에서 프레즈널 렌즈까지의 거리는 184mm 이다. 60mm 의 직경을 갖는 평볼록 비구면 집광 렌즈가 사용되며, 에지 두께는 3mm로 설정된다. 렌즈 직경은 25∼100 mm 범위내로 할 수 있다. 정점 곡률은 0.0167 이고, 원추 정수(conic constant)는 1.121 이며, 6차의 비구면 계수(sixth order aspheric coefficient)는 -0.29 × 10^-10이며, 8차의 비구면 계수는 -8.88 × 10^-13이다.

본 발명은 특정 실시예를 참조하여 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시예로 국한되는 것은 아니다. 전술된 실시예의 각종 변형 및 본 발명의 다른 실시예가 본 발명의 설명을 참고하여 당업자에 의해 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의범위에 정의된 바와 같은 본 발명의 기술적 사상에서 벗어나지 않은 각종 변형 실시예가 가능하다.

Claims (10)

1. 광원(1;10)과, 집광 렌즈(2;12)와, 상기 집광 렌즈(2;12)를 통해 상기 광원(1;10)에 의해 조명되어 지고 상기 광원(1:10)으로부터 거리 L에 배치되는 애퍼쳐(3;14)를 포함하는 광학 조명 시스템에 있어서,

   주연 광선 높이의 70.71%의 높이에서 상기 애퍼쳐(3;14)를 교차하는 광선의 최소 상대 입사 퓨필 높이는 0.00122 × L/mm+0.301(L은 mm로 주어지며, 대략 180∼340 mm이다)보다 크거나 동일한 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 집광 렌즈(2;12)는 25 mm의 최소 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 집광 렌즈(2;12)가 상기 애퍼쳐(2;14)와 상기 광원(1;10) 사이에 위치되어 상기 광원(1;10)으로부터의 주연 광선(A)이 상기 집광 렌즈(2;12)의 에지를 통과하고 상기 애퍼쳐(3;14)를 그 선단에 인접하여 교차하는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 애퍼쳐(3;14)는 직사각형 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 집광 렌즈(2;12)는 평볼록 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 집광 렌즈(2;12)는 메니스커스 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 집광 렌즈(2;12)는 비구면 렌즈인 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
8. 제4항에 있어서, 상기 직사각형 애퍼처(3;14)의 모서리부에서의 조도는 상기 직사각형 애퍼처(3;14)의 중앙부에서의 조도의 적어도 20%인 것을 특징으로 하는 광학 조명 시스템.
9. 받침대와, 상기 받침대에 위치된 광원(10)과, 상기 받침대에 위치된 집광 렌즈(12)와, 상기 받침대 상에 위치되고 상기 집광 렌즈(12)를 통해 상기 광원(10)으로부터 조명되어 지는 직사각형의 제물대 영역(14)과, 상기 재물대 영역(14)에 인접하여 상기 받침대에 부착되며, 상기 재물대 영역(14)으로부터의 광을 투사하는 투사 수단을 포함하며, 상기 광원(10)으로부터 거리 L에 애퍼쳐가 배치된 오버헤드 투사기에 있어서,

   주연 광선 높이의 70.71%의 높이에서 상기 재물대 영역(14)를 교차하는 광선의 최소 상대 입사 퓨필 높이는 0.00115 × L/mm+0.333(L은 mm로 주어지며, 대략 180∼340 mm이다)보다 크거나 동일한 것을 특징으로 하는 오버헤드 투사기.
10. 제9항에 있어서, 상기 집광 렌즈(12)가 상기 재물대 영역(14)과 상기 광원(10) 사이에 배치되어 상기 광원(10)으로부터의 주연 광선이 상기 집광 렌즈(12)의 에지를 통과하고 상기 재물대 영역(14)을 그 모서리부에 인접하여 교차하는 것을 특징으로 하는 오버헤드 투사기.