KR100362435B1 - 프로젝션 장치의 투영 광학계 - Google Patents

Abstract

레트로포커스(retrofocus) 타입 광학계에서 광 경로를 굴절시키기 위해 제공되는 펜타 프리즘을 렌즈화하여 펜타 프리즘 자체가 수차 보정 기능을 행하면서 프로젝션 장치의 전장을 줄일 수 있는 투영 광학계에 관한 것으로서,

투영 광학계는 스크린과 마주하며 네가티브 굴절 배율을 갖는 전군 렌즈부와, 전군 렌즈부와 동일 광 경로상에 위치하며 포지티브 굴절 배율을 갖는 후군 렌즈부와, 전군 렌즈부와 후군 렌즈부 사이에 위치하는 조리개와, 후군 렌즈부 및 후군 렌즈부와 수직한 광 경로상에 위치하는 색 합성 큐브 사이에 배치되어 색 합성 큐브에서 제공된 빛의 경로를 수직하게 굴절시키면서, 색 합성 큐브에 대향하는 제 1면 및 제 1면에 대향하는 제 2면이 렌즈면으로 이루어져 수차 보정 기능을 행하는 펜타 프리즘을 포함한다.

Description

프로젝션 장치의 투영 광학계 {Projection optical system for projection display device}

본 발명은 프로젝션 장치의 투영 광학계에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 레트로포커스(retrofocus) 타입 광학계에서 광 경로를 굴절시키기 위해 제공되는 펜타 프리즘을 렌즈화하여 펜타 프리즘 자체가 수차 보정 기능을 행하면서 프로젝션 장치의 전장을 줄일 수 있는 투영 광학계에 관한 것이다.

일반적으로 프로젝션 장치는 디스플레이 장치에서 구현된 영상을 광학계를 통해 스크린에 투사하여 대형 화상을 구현하는 장치이며, 투사 방식에 따라 스크린의 정면에서 영상을 투사하는 프런트(front) 타입과, 스크린의 후면에서 영상을 투사하는 리어(rear) 타입으로 분류된다.

도 5는 종래 기술에 의한 리어 타입 프로젝션 장치의 개략도로서, 프로젝션 장치는 광원(1)과, 광 변환기(3)와, 2개의 다이크로익 미러(dichroic mirror)(5a, 5b)와, 3개의 편광 빔 스플리터(PBS ; polarizing beam splitter)(7)와, 3개의 디스플레이 장치(9)(주로 반사형 액정표시장치로 이루어짐)와, 색 합성 큐브(11) 및 투영 광학계(13)를 포함한다.

상기 광원(1)에서 백색광을 방출하면, 광 변환기(3)는 광원(1)에서 방출된 백색광의 P파를 반사 효율이 좋은 S파로 변조시키며, 변조된 S파 성분의 백색광은 첫번째 다이크로익 미러(5a)를 통과하면서 G 파장의 빛은 반사시키고, R 및 B 파장의 빛은 투과시킨다.

첫번째 다이크로익 미러(5a)에서 반사된 G 파장의 빛은 반사 미러(15)를 통해 첫번째 PBS(7a)에 입사하고, 상기 R 및 B 파장의 빛은 두번째 다이크로익 미러(5b)에서 다시 R 파장의 빛과 B 파장의 빛으로 분리되어 각각 두번째 PBS(7b)와 세번째 PBS(7c)에 입사한다.

그리고 각 PBS에 입사된 R, G, B 광은 각각의 디스플레이 장치(9)에 제공되어 영상으로 구현되고, 3개의 디스플레이 장치(9)에서 구현된 영상은 색 합성 큐브(11)에서 하나의 영상으로 합성된 다음, 투영 광학계(13)를 통하여 스크린(17)으로 확대 투영된다.

이와 같은 구성의 프로젝션 장치는, 투영 광학계(13)와 디스플레이 장치(9) 사이에 PBS(7) 및 색 합성 큐브(11) 등이 위치하여야 하므로, 뒷초점 거리(BFL ;back focal length. 스크린에서 가장 멀리 떨어진 마지막 렌즈와 디스플레이 장치 사이의 거리)가 긴 레트로포커스 타입을 주로 사용하고 있으며, 상기 레트로포커스 타입 광학계는 화각(filed angle)을 크게 구현할 수 있으므로 프로젝션 장치의 전장을 줄일 수 있는 장점을 갖는다.

그러나 레트로포커스 타입을 포함하는 대부분의 투영 광학계는 다수개의 렌즈들을 일직선상으로 배열하고 있으므로, 광학계 자체의 전장 축소에는 일정한 한계가 있다. 따라서 긴 뒷초점 거리를 필요로 하는 레트로포커스 타입 광학계에 펜타 프리즘을 적용하여 광 경로를 굴절시키는 구성이 고안되었다.

상기 펜타 프리즘을 마지막 렌즈의 후면에 배치하면 광 경로의 굴절에 따라 펜타 프리즘을 통과하는 거리만큼 광 경로를 연장시킴으로써 뒷초점 거리를 연장할 수 있는 장점을 갖는다.

그러나 펜타 프리즘을 적용한 레트로포커스 타입 광학계에 있어서도 왜곡 및 해상력에 관계된 수차를 보정하기 위하여 투영 광학계 내부에 다수개의 수차 보정 렌즈를 구비해야 하므로, 추가로 구성되는 다수개의 수차 보정 렌즈에 의해 투영 광학계의 전장 확대가 불가피한 실정이다.

따라서 본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 고안된 것으로서, 본 발명의 목적은 레트로포커스 타입 광학계에서 광 경로를 굴절시키기 위해 제공되는 펜타 프리즘을 렌즈화하여 펜타 프리즘에서 수차 보정 기능을 행할 수 있는 프로젝션 장치의 투영 광학계를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 펜타 프리즘을 렌즈화하여 수차 보정 렌즈를 구비한 광학계에 비해 보다 축소된 전장을 갖는 프로젝션 장치의 투영 광학계를 제공하는데 있다.

도 1은 본 발명에 의한 투영 광학계를 포함하는 프로젝션 장치의 개략도.

도 2는 본 발명에 의한 투영 광학계의 평면도.

도 3은 펜타 프리즘의 다른 실시예를 나타낸 개략도.

도 4는 펜타 프리즘의 또다른 실시예를 나타낸 개략도.

도 5는 종래 기술에 의한 리어 타입 프로젝션 장치의 개략도.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,

스크린과 마주하며 네가티브 굴절 배율을 갖는 전군 렌즈부와,

상기 전군 렌즈부와 동일 광 경로상에 위치하며 포지티브 굴절 배율을 갖는 후군 렌즈부와,

상기 전군 렌즈부와 후군 렌즈부 사이에 위치하는 조리개와,

상기 후군 렌즈부 및 후군 렌즈부와 수직한 광 경로상에 위치하는 색 합성 큐브 사이에 배치되어 색 합성 큐브에서 제공된 빛의 경로를 수직하게 굴절시키며, 색 합성 큐브에 대향하는 제 1면 및 제 1면에 대향하는 제 2면이 렌즈면으로 이루어지는 펜타 프리즘을 포함하는 프로젝션 장치의 투영 광학계를 제공한다.

상기 펜타 프리즘의 렌즈면은 포지티브 굴절 배율을 갖는 볼록면 또는 네가티브 굴절 배율을 갖는 오목면으로 이루어진다. 이로서 펜타 프리즘은 광 경로 굴절로 뒷초점 거리를 연장시키는 동시에, 상기 렌즈면에 의해 수차 보정 기능을 겸하게 된다.

따라서 본 발명은 전군 렌즈부와 후군 렌즈부에 별도의 수차 보정 렌즈를 구비하지 않아도 되므로 투영 광학계의 보다 컴팩트한 설계가 가능해진다.

이하, 첨부한 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 실시예에 의한 투영 광학계를 포함하는 프로젝션 장치의 개략도이며, 도 2는 본 실시예에 의한 투영 광학계의 평면도이다.

도시한 바와 같이, 본 실시예는 스크린(2)과 마주하는 전군 렌즈부(4)와, 전군 렌즈부(4)와 동일 광 경로상에서 전군 렌즈부(4)의 후방에 위치하는 후군 렌즈부(6)와, 전군 렌즈부(4)와 후군 렌즈부(6) 사이에 위치하는 조리개(8)와, 후군 렌즈부(6)와 색 합성 큐브(10) 사이에 배치되는 펜타 프리즘(12)을 포함한다.

상기 색 합성 큐브(10)와 후군 렌즈부(6)가 서로 수직한 광 경로상에 위치하여 이들 사이에 배치된 펜타 프리즘(12)이 색 합성 큐브(10)에서 방출된 빛의 경로를 후군 렌즈부(6)를 향하여 수직하게 굴절시키면서, 자체에 렌즈면을 구비하여 수차 보정 기능을 행하게 된다.

보다 상세하게, 상기 전군 렌즈부(4)는 전체가 네가티브 굴절 배율을 가지며, 일례로 R1 및 R2의 곡률 반경을 갖는 평볼록 렌즈인 제 1번 렌즈(14)와, R3 및 R4의 곡률 반경을 갖는 오목 렌즈인 제 2번 렌즈(16)와, R5 및 R6의 곡률 반경을 갖는 오목 렌즈인 제 3번 렌즈(18)로 이루어진다.

그리고 후군 렌즈부(6)는 전체가 포지티브 굴절 배율을 가지며, 일례로 R7 및 R8의 곡률 반경을 갖는 볼록 렌즈인 제 4번 렌즈(20)와, R9 및 R10의 곡률 반경을 갖는 오목 렌즈인 제 5번 렌즈(22)와, R11 및 R12의 곡률 반경을 갖는 오목 렌즈인 제 6번 렌즈(24)와, R13 및 R14의 곡률 반경을 갖는 볼록 렌즈인 제 7번렌즈(26)와, R15 및 R16의 곡률 반경을 갖는 볼록 렌즈인 제 8번 렌즈(28)와, R17 및 R18의 곡률 반경을 갖는 볼록 렌즈인 제 9번 렌즈(30)로 이루어진다.

상기와 같은 구성의 투영 광학계를 구비하는 프로젝션 장치의 작동을 개략적으로 살펴보면 다음과 같다.

먼저 광원(32)에서 백색광을 방출하면, 백색광의 P파는 광 변환기(34)를 거치면서 반사 효율이 우수한 S파로 변조되며, 변조된 S파 성분의 백색광은 첫번째 다이크로익 미러(36a)와 두번째 다이크로익 미러(36b)를 통과하면서 R, G, B 파장의 빛으로 분리된다.

분리된 R, G, B 파장의 빛은 각각의 편광 빔 스플리터(PBS)(38)를 통하여 디스플레이 장치(40)에 제공되어 R, G, B 영상으로 구현되고, 3개의 디스플레이 장치(40)에서 구현된 각각의 R, G, B 영상은 색 합성 큐브(10)에서 하나의 영상으로 합성된다.

그리고 상기 색 합성 큐브(10)에서 합성된 영상은 펜타 프리즘(12)에 입사하여 점선으로 도시한 바와 같이 펜타 프리즘(12) 내부의 광 경로를 통하여 수직하게 굴절된 다음, 후군 렌즈부(6)와 전군 렌즈부(4)에 제공되며, 후군 렌즈부(6)와 전군 렌즈부(4)는 제공된 영상을 적절한 배율로 확대하여 스크린(2)에 영상을 투사하게 된다.

이와 같이 프로젝션 장치의 투영 광학계에 펜타 프리즘(12)을 제공하면, 색 합성 큐브(10)에서 입사된 빛을 수직하게 굴절시킴으로써 긴 뒷초점 거리를 확보하는 동시에 프로젝션 장치의 전장을 줄일 수 있는 장점을 갖는다.

이 때 상기 펜타 프리즘(12)은 도시한 바와 같이, 수차 보정을 위하여 색 합성 큐브(10)와 마주하는 제 1면(12a) 및 제 1면(12a)과 마주하는 제 2면(12b)이 렌즈면으로 형성되는데, 보다 상세하게 상기 제 1 및 제 2면(12a, 12b)은 포지티브 굴절 배율을 갖는 볼록면으로 이루어진다.

상기 펜타 프리즘(12)의 제 1 및 제 2면(12a, 12b)이 볼록한 렌즈면으로 구성됨에 따라, 색 합성 큐브(10)에서 방출된 영상이 펜타 프리즘(12)의 제 1면(12a)에 입사할 때 볼록 렌즈 효과를 나타내며, 상기 영상이 제 1면(12a)을 통과하여 제 2면(12b)에서 제 3면(12c)을 향하여 반사될 때 오목 렌즈 효과를 나타낸다. 이로서 펜타 프리즘(12)에 입사된 영상은 제 1면(12a)과 제 2면(12b)의 렌즈면에 의해 배율이 변화되어 왜곡 수차 및 해상력에 관계된 수차를 보정할 수 있다.

즉, 펜타 프리즘(12)의 제 1 및 제 2면(12a, 12b)이 기존의 전군 렌즈부(4) 또는 후군 렌즈부(6)에 구비되는 수차 보정 렌즈의 역할을 대신하게 되는 것이다.

도 3은 펜타 프리즘의 다른 실시예를 도시한 것으로서, 펜타 프리즘(12)의 제 1면과 제 2면(12a, 12b)이 네가티브 굴절 배율을 갖는 오목면으로 형성된다.

상기 구성에 따라 색 합성 큐브(10)에서 방출된 영상이 펜타 프리즘(12)의 제 1면(12a)에 입사할 때 오목 렌즈 효과를 나타내고, 상기 영상이 제 1면(12a)을 통과하여 제 2면(12b)에서 제 3면(12c)을 향하여 반사될 때 볼록 렌즈 효과를 나타낸다. 이로서 펜타 프리즘(12)에 제공되는 영상은 펜타 프리즘(12)의 제 1면(12a)과 제 2면(12b)의 렌즈 효과에 의해 배율이 변화되어 수차 보정을 행할 수 있다.

도 4는 펜타 프리즘의 또다른 실시예를 도시한 것으로서, 펜타 프리즘(12)의 제 1면(12a)과 제 2면(12b)이 각각 포지티브 굴절 배율을 갖는 볼록면과 네가티브 굴절 배율을 갖는 오목면으로 이루어진다.

상기 구성에 따라 색 합성 큐브(10)에서 방출된 영상이 펜타 프리즘(12)의 제 1면(12a)에 입사할 때와 제 1면(12a)을 통과한 영상이 제 2면(12b)에서 반사될 때 모두 볼록 렌즈 효과를 나타낸다. 이로서 펜타 프리즘(12)에 제공되는 영상은 펜타 프리즘(12)의 제 1면(12a)과 제 2면(12b)의 렌즈 효과에 의해 배율이 변화되어 수차 보정을 행할 수 있다.

여기서 상기 펜타 프리즘(12)은 위에서 언급한 실시예 이외에 수차 보정 렌즈의 기능을 대신하여, 제 1면(12a) 및 제 2면(12b)을 제외한 다른 면들이 포지티브 굴절 배율을 갖는 볼록면 또는 네가티브 굴절 배율을 갖는 오목면으로 이루어질 수 있으며, 이러한 볼록면 또는 오목면의 위치 및 렌즈면의 곡률 반경을 구현하고자 하는 수차 보정 기능에 따라 자유로이 설계가 가능하다.

이와 같이 본 실시예는 펜타 프리즘 자체가 수차 보정 렌즈의 역할을 수행함으로써 전군 렌즈부 또는 후군 렌즈부에 수차 보정 렌즈를 구비하지 않아도 되므로 투영 광학계의 전장을 최소화하며, 프로젝션 장치의 컴팩트한 설계를 가능하게 하는 장점을 갖는다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

이와 같이 본 발명은 펜타 프리즘의 제 1면과 제 2면을 렌즈화하여 펜타 프리즘 자체가 수차 보정 렌즈의 기능을 겸하게 한다. 이로서 색 합성 큐브에서 방출된 빛의 경로를 수직하게 굴절시켜 긴 뒷초점 거리를 용이하게 확보 하면서, 펜타 프리즘 자체의 수차 보정 기능으로 전군 렌즈부나 후군 렌즈부에 수차 보정 렌즈를 구비할 필요가 없으므로 수차 보정 렌즈의 추가 구성에 의한 투영 광학계의 전장 확대를 방지하고, 프로젝션 장치의 컴팩트한 설계가 가능하다.

Claims (4)

1. (정정) 스크린과 마주하며 네가티브 굴절 배율을 갖는 전군 렌즈부와;

   상기 전군 렌즈부와 동일 광 경로상에 위치하며 포지티브 굴절 배율을 갖는 후군 렌즈부와;

   상기 전군 렌즈부와 후군 렌즈부 사이에 위치하는 조리개와;

   상기 후군 렌즈부 및 후군 렌즈부와 수직한 광 경로상에 위치하는 색 합성 큐브 사이에 배치되어 색 합성 큐브에서 제공된 빛의 경로를 수직하게 굴절시키며, 색 합성 큐브에 대향하는 제 1면 및 제 1면에 대향하는 제 2면이 렌즈면으로 이루어지는 펜타 프리즘을 포함하는 프로젝션 장치의 투영 광학계.
2. (정정) 제 1항에 있어서,

   상기 펜타 프리즘의 제 1면과 제 2면이 포지티브 굴절 배율을 갖는 볼록면으로 이루어지는 프로젝션 장치의 투영 광학계.
3. (정정) 제 1항에 있어서,

   상기 펜타 프리즘의 제 1면과 제 2면이 네가티브 굴절 배율을 갖는 오목면으로 이루어지는 프로젝션 장치의 투영 광학계.
4. (정정) 색광을 방출하는 광원과;

   상기 광원에서 방출된 백색광을 R, G, B 파장대별로 분리시키는 다수개의 다이크로익 미러와;

   R, G, B 파장대별로 구비되어 영상을 구현하는 3개조의 편광 빔 스플리터 및 디스플레이 장치와;

   3개조의 디스플레이 장치에서 구현된 R, G, B 영상을 하나의 영상으로 합성하는 색 합성 큐브와;

   상기 색 합성 큐브에서 제공된 빛의 경로를 수직하게 굴절시키며, 색 합성 큐브에 대향하는 제 1면과 제 1면에 대향하는 제 2면이 렌즈면으로 이루어지는 펜타 프리즘과;

   상기 펜타 프리즘에서 제공된 영상을 스크린으로 확대 투영시키는 전군 렌즈부 및 후군 렌즈부를 포함하는 프로젝션 장치.