KR100385885B1 - 프로젝터용 투사광학계 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 콤팩트하면서도 색수차 보정이 가능하여 고성능, 고휘도를 구현할 수 있는 프로젝터용 투사렌즈계에 관한 것이다.
본 발명에 따른 프로젝터용 투사광학계는 음의 굴절력을 가지는 제 1 렌즈군과, 회절광학소자를 포함하여 양의 굴절력을 가지는 제 2 렌즈군을 구비한다. 상기 회절광학소자는 비구면 표면에 회절광학소자면이 형성되고 적색광에 대한 초점거리가 청색광에 대한 초점거리보다 짧은 것을 특징으로 한다.
이러한 구성에 의하여, 본 발명에 따른 프로젝터용 투사광학계는 회절광학소자를 사용하여 고해상도 및 고휘도를 구현할 수 있다.

Description

프로젝터용 투사광학계{Projecting Optical System for Projector}
본 발명은 투사장치의 투사렌즈계에 관한 것으로, 특히 콤팩트하면서도 색수차 보정이 가능하여 고성능, 고휘도를 구현할 수 있는 프로젝터용 투사렌즈계에 관한 것이다.
최근 들어, 디스플레이 장치로서 대화면 및 고화질 영상의 요구가 증대됨에 따라 소형의 영상을 투사렌즈를 이용하여 확대투사하는 투사형 장치의 보급이 급속히 확산되고 있다. 투사장치는 스크린에 화상이 투사되는 방향에 따라 전면투사 방식과 후면투사 방식으로 대별된다. 이중에서 후면투사장치는 주변환경이 밝은 곳에서도 비교적 밝은 화상을 표시할 수 있는 장점으로 인하여 더욱 각광받고 있다. 후면투사장치로는 프로젝션 텔레비젼(Projection Television)가 대표적이다. 프로젝션 TV는 소화상을 구현하기 위한 광원으로서 음극선관(Cathode Ray Tube:이하, CRT라 한다)이나 액정표시장치(Liquid Crystal Display) 등이 주로 이용되고 있다. 액정패널에 재현된 소화상은 투사렌즈에 의해 확대된 후 스크린의 후면에 투사되어 대화면으로 표시되게 된다.
도 1은 종래의 프로젝터용 투사렌즈계를 도시한 도면이다.
액정표시장치용 투사렌즈계는 광원(도시하지 않음)과, 프리즘(30)과, 액정표시장치(40)와, 음의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군(10)과, 접합렌즈(25)를 포함한 양의 굴절력을 담당하는 제2 렌즈군(20)을 구비한다.
양의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군(20)은 프리즘(30)을 투과한 광을 색수차 보정을 위해 양의 굴절율을 가지는 렌즈와 음의 굴절율을 가지는 두 재질의 렌즈로 구성되는 접합렌즈(25)를 포함한다. 제1 렌즈군(10)은 제2 렌즈군(20)으로부터의 광을 음의 굴절력을 가지는 렌즈의 조합에 의해 색수차를 보정하게 된다. 제1 렌즈군(10) 및 제2 렌즈군(20)을 구성하는 렌즈의 재료는 대부분 유리이다. 따라서, 음의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군(10)과 양의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군(20)의 조합에 의해 색수차를 보정하게 된다.
이러한 투사렌즈계는 고성능을 구현하기 위해 투사렌즈계의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차 뿐만 아니라, 색수차 보정을 통하여 주사선을 분해할 수 있는 성능의 투사렌즈계가 필요하다. 이러한 투사렌즈계는 고성능의 투사렌즈계를 실현하기 위해 색수차 보정 및 여러가지 광학수차들을 보정하여 접합렌즈와 여러매수의 렌즈를 구성하고 있다. 이렇게 투사렌즈계는 여러매수의 렌즈를 구비함으로써 소형화에 어려움이 있을 뿐만 아니라 비용상승을 초래하고 있다. 이에 따라, 렌즈의 매수를 줄이면서도 고해상도 및 고휘도 구현이 가능한 투사렌즈계가 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 회절광학소자렌즈를 이용하여 색수차를 보정하고, 고해상도 및 고휘도를 구현하도록 구성된 프로젝터용 투사광학계를 제공하는 데 있다.
도 1은 종래의 프로젝터용 투사렌즈계를 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 프로젝터용 투사광학계를 상세하게 도시한 도면.
도 3a 및 도 3b는 굴절렌즈와 회절광학소자의 광빔에 대한 분산 특성을 각각 도시한 도면.
도 4a 및 4b는 투사렌즈계의 색수차 보정 특성을 도시한 그래프.
도 5은 도 3에 도시된 회절광학소자의 회절면에 대한 위상량을 도시한 그래프.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10,100 : 제1 렌즈군 40,400 : 표시패널
20,200 : 제2 렌즈군 25 : 접합렌즈
30,300 : 프리즘 250 : 회절광학소자렌즈
5,50 : 스크린
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 액정프로젝터용 투사광학계는 음의 굴절력을 가지는 제 1 렌즈군과, 회절광학소자를 포함하여 양의 굴절력을 가지는 제 2 렌즈군을 구비한다.상기 회절광학소자는 비구면 표면에 회절광학소자면이 형성되고 적색광에 대한 초점거리가 청색광에 대한 초점거리보다 짧은 것을 특징으로 한다.
상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부한 도면들을 참조한 실시예에 대한 설명을 통하여 명백하게 드러나게 될 것이다.
이하, 도 2 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하기로 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 실시 예에 따른 액정프로젝터용 투사렌즈계는 광원(도시하지 않음)과, 프리즘(300)과, 표시패널(400)과, 음의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군(100)과, 회절광학소자(250)를 포함한 양의 굴절력을 담당하는 제2 렌즈군(200)을 구비한다.
프리즘(300)은 광원으로부터의 광을 편광성분에 따라 P파는 투과시키고, S파는 반사시켜 표시패널(400)로 향하게 한다. 제1 렌즈군(100)은 4 ~ 5 개의 양의 굴절력을 가지는 렌즈와 음의 굴절력을 가지는 렌즈의 조합에 의해 전체적으로 음의 굴절력을 가지게 된다. 제1 렌즈군(100)은 투과된 광의 왜곡수차(Distortion), 비점수차(Astigmatism) 및 상면만곡수차(field curvature)를 보정하는 역할을 한다. 제2 렌즈군(200)은 4 ~ 5 개의 양의 굴절력을 가지는 렌즈와 음의 굴절력을 가지는 렌즈의 조합에 의해 전체적으로 양의 굴절력을 가지게 된다. 제2 렌즈군(200)은 플라스틱 비구면 렌즈를 사용하여 수차(Spherical Aberration) 및 코마(Coma) 수차를 보정하는 역할을 가진다. 또한, 제2 렌즈군(200)은 회절광학소자(Diffractive Optical Element : 이하 "DOE"라 함) 렌즈(250)가 포함되어 있다. 이러한 DOE 렌즈(250)는 비구면 렌즈 표면에 광의 회절특성을 갖도록 DOE면이 형성되며, 회절렌즈의 분산 특성을 이용하여 색수차를 보정하게 된다.
도 3을 참조하여 이를 상세히 하면, 도 3a에 도시된 바와 같이 통상의 굴절렌즈는 색신호를 가지는 광빔 중에서 청색(B) 광빔의 초점거리가 적색(R) 광빔의 초점거리보가 짧게 형성되게 한다. 반면에, 도 4b에 도시된 바와 같이 회절광학소자는 색신호를 가지는 광빔 중에서 적색(R)의 초점거리가 청색(B)의 초점거리보다 짧게 형성되게 한다.
더 구체적으로 설명하면, 굴절렌즈의 분산을 나타내는 Abbe number()는 다음 수학식 1과 같다.
여기서, N은 각 첨자의 스펙트럼 파장에서의 굴절률이다. 또한, 화절광학소자의 Abbe number()는 동일하게 각 첨자의 스펙트럼선의 파장을라고 하면 다음 수학식 2와 같다.
상기 수학시 1 및 2에서 알 수 있듯이 굴절렌즈 Abbe number() 수가 양의 값으로 약 25~65 범위의 값을 가지는 반면에 회절광학소자의 abbe number()는 음의 값을 가지며 약 -3.45의 값을 갖는다. 다시 말하여, 굴절렌즈와 회절광학소자의 색신호 분산특성은 서로 반대가 된다. 이에 따라, 전체적으로 양의 굴절력을 가지는 DOE렌즈를 포함한 제2 렌즈군은 색신호 분산특성을 이용하여 색수차를 보정하게 된다.
도 4a 및 도 4b는 투사렌즈계의 색수차 보정 특성을 도시한 그래프이다.
도 4a에 도시된 Y축 상에서 광축으로부터의 높이(y) 변화에 따른 색수차 그래프와 도 4b에 도시된 X축 상에서 광축으로부터의 높이(y) 변화에 따른 색수차 그래프를 살펴보면, DOE렌즈에 의해 적색(R), 녹색(G), 청색(B) 광에 대한 색수차가 감소되어 색수차 보정 특성이 양호함으로 알 수 있다.
다음 표 1은 투사렌즈계의 설계시 적용될 수 있는 도 3에 도시된 각 렌즈면의 곡률반경(r), 렌즈면들간의 간격(d), 각 렌즈의 굴절율(Nd)에 대한 데이터를 나타낸 것이다.
렌즈면 r d Nd
s0 무한대 803.500
s1 70.3012 5.000 1.622607
s2 37.3377 19.600
s3 199.5633 2.500 1.488970
s4 35.8008 5.530
s5 78.9358 5.500 1.493574
s6 29.2398 10.066
s7 60.8752 10.000 1.760776
s8 -1624.7935 60.000
s9 무한대 0.100
s10 42.0934 3.400 1.775821
s11 70.3809 6.695
s12 -224.4877 10.000 1.493574
s13 -87.1828 0.100
s14 -125.0900 8.920 1.699486
s15 -32.5369 3.900
s16 무한대 45.300 1.518520
s17 무한대 7.800
s18 무한대 0.000
표 1에 나타낸 비구면렌즈의 렌즈면들(S0,S2,S18)에 대한 형상을 결정짖는 비구면 계수들은 다음 수학식 3과 같은 비구면식에 의해 정의된다.
여기서, X(r)는 광축으로부터 높이 r지점에서의 비구면에 대한 세그(Sag) 값, c는 광축에서의 렌즈면의 곡률이며, K는 코닉(Conic) 상수, a1, a2, a3는 비구면 계수를 나타낸다.
또한, 비구면 형상 및 회절광학소자 면의 형상에 대한 계수 값들은 표2와 같다.
렌즈면 s5 s6 s12 s13 s12(DOE)
K -1.5626E+00 -2.9543E-02 2.6867E+02 -4.0551E+00
a1/(c1) 1.6247E-05 1.0671E-05 -1.0146E-05 2.9754E-06 -1.1022E-03
a2/(c2) -2.0832E-08 -2.9522E-08 1.2460E-09 -3.6922E-09
a3/(c3) 2.0401E-11 2.2087E-11 -7.4720E-11 -1.6547E-11
a4/(c4) -7.6193E-15 -1.5305E-14 7.0325E-13 8.2236E-14
a5/(c5) 5.1316E-19 4.7280E-18 0.0000E+00 2.2932E-16
a6/(c6) 1.4072E-23 2.4242E-21 0.0000E+00 -2.4410E-19
a7/(c7) -2.6751E-25 -5.4623E-24 0.0000E+00 -4.6490E-21
a8/(c8) 1.8084E-28 -1.0242E-26 0.0000E+00 -1.4885E-23
a9/(c9) 1.1996E-30 9.2318E-30 0.0000E+00 6.5920E-26
그리고, 물체광(Object Source)의 참조광(Reference Source)의 간섭에 의해 생성된 회절광학소자의 비구면 위상량을 표현하는 방정식은 다음과 같다.
상기 식에서는 광축으로부터의 높이 r 지점에서의 위상을 나타내며, c1, c2, c3는 비구면 효과를 같는 위상항의 계수이다. 이 때의 DOE면의 위상량에 대한 특성도는 도 5에 도시되어 있다. 위상량의 특성 그래프는 회절광학 면의 윤대수와 관련되어 있으며, 위상량의 최적 설계가 필요하다. 따라서, 플라스틱 비구면 렌즈에 회절광학소자 면을 조합시켜 색수차, 구면수차 및 왜곡수차 들을 보정할 수 있음은 물론, 고성능을 구현할 수 있게 된다. 또한, 색수차 보정을 위해 별도의 음의 굴절력을 갖고 분산이 큰 고가의 재질의 렌즈를 사용하지 않아도 됨으로 비용이 절감되고 소형화에 유리하게 된다. 그리고, DOE 렌즈에 의해 프로젝션 렌즈계의 밝기를 향상시킬 수 있다. 이는 DOE 렌즈를 사용하여 굴절력을 DOE 면에 분담시킴으로써 프로젝션 렌즈의 초점거리를 줄일 수 있으며, 이 경우 프로젝션 렌즈의 밝기는 다음의 수학식에 의해 F/#의 제곱에 반비례하게 된다.
F/# = f/D
여기에서, D는 렌즈의 구경을 의미하며, f는 프로젝션 렌즈의 초점거리이다. 따라서, 프로젝션 렌즈의 밝기는 투사광학계의 초점거리가 작아질수록 F/#이 작아지게 된다. 이에 따라, 본 발명의 투사광학계는 고휘도를 구현할 수 있게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 프로젝터용 투사광학계는 DOE렌즈를 이용함으로써 색수차 및 구면수차 등을 보정할 수 있음은 물론, 고해상도를 구현할 수 있다. 또한, DOE 렌즈로 굴절력을 분담시킴으로써 투사광학계의 성능확보가 유리하며, 전체적으로 초점거리를 줄일 수 있으므로 투사장치의 소형화 및 고휘도화를 구현할 수 있다. 그리고, 본 발명에 따른 프로젝터용 투사광학계는 렌즈 매수의 증가없이 색수차 보정이 가능함으로 고해상도 투사광학계에 적용이 가능하며, 제조 비용을 줄일 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.

Claims (5)

  1. 음의 굴절력을 가지는 제 1 렌즈군과,
    회절광학소자를 포함하여 양의 굴절력을 가지는 제 2 렌즈군을 구비하고,
    상기 회절광학소자는 비구면 표면에 회절광학소자면이 형성되고 적색광에 대한 초점거리가 청색광에 대한 초점거리보다 짧은 것을 특징으로 하는 프로젝터용 투사렌즈계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 렌즈군 각각은 4∼5 개의 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 프로젝터용 투사렌즈계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 회절광학소자의 재료는 플라스틱인 것을 특징으로 하는 프로젝터용 투사렌즈계.
  4. 삭제
  5. 삭제
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