KR100392975B1

KR100392975B1 - 자유형반사기,필드렌즈,각도교정렌즈및투영시스템

Info

Publication number: KR100392975B1
Application number: KR1019960009426A
Authority: KR
Inventors: 마셀린-디본 에릭; 비트헤게 프리드헬름
Original assignee: 톰슨 멀티미디어 에스 에이
Priority date: 1995-04-13
Filing date: 1996-03-30
Publication date: 2003-10-10
Also published as: DE69622076D1; JPH095881A; FR2733062B1; BR9601333A; FR2733062A1; US5790305A; EP0737870B1; KR960038227A; DE69622076T2; MY113452A; CN1153918A; CN1086810C; EP0737870A1

Abstract

본 발명은 액정 스크린을 통한 조명과 시스템의 대물렌즈의 애퍼쳐를 통한 조명을 최적화하는 LCD 프로젝터 조명 시스템에 관한 것으로서, 상기 반사기의 형상(Zr, β)은 상기 표면의 중심과 가장자리 사이의 거리(r)와 수평 평면과 중간 평면 사이의 각도(β)에 의해 한정되는 조명될 중간 평면(r, β)에 대응되는 함수(Z(ρ))와 각각 관련되는 한 셋트의 요소 표면(ds)에 의해 기술되고, 각각의 요소 표면(ds)의 경사는 상기 함수(Z(ρ))를 함수(Z(x, y))로 보간하므로써 계산된다.

Description

자유형 반사기, 필드 렌즈, 각도 교정 렌즈 및 투영 시스템

발명의 배경

본 발명은 액정 스크린과 시스템의 대물 애퍼쳐를 통해 광을 최적화하는 액정 디스플레이(LCD) 프로젝터의 조명용 시스템에 관한 것이다.

종래기술

LCD 를 통한 투영 시스템은 일반적으로 콘덴서가 장착된 포물선형 또는 타원형 반사기의 촛점에 위치된 금속 할로겐 필라멘트형 또는 제논형 아크 램프를 포함한다. 램프에 의해 방출되고 반사기에 의해 반사된 백색광은 광학 밸브로서 작용하는 액정 스크린(또는 전기 광학 조절기)을 향해서 필드 렌즈를 통과한다. LCD를 통해 전달된 영상은 다음에는 대물렌즈에 의해 스크린상에 투영된다. 천연색 영상을 얻기 위해서 3 개의 액정 스크린이 조합되고, 청, 록, 적 광학 경로상에 위치되거나, 또는 칼라 필터를 가진 한 액정 스크린만이 사용된다. 그러한 시스템은 티.에스.맥케니지 등에게 허여된 미국 특허 제 5,084,807호에 상세히 기술되었다.

현재, 이러한 형태의 프로젝터는 통상적으로 겨우 1% 내지 2% 의 낮은 광학 수율을 갖는다. 이것은 주로 반사기의 손실, 광원이 분광되지 않았다는 사실(광학 플러스의 손실의 70% 이상에 달한다)과, 사각형 액정 스크린의 포맷(약 46% 손실), 램프의 백색 스펙트럼의 낮은 절단 효율에 기인한다.

제 1 도는 조절기 부위의 광의 분산의 문제를 도시한다. 포물선형 반사기(1)(도면에서 해치된 선)의 경우에, 아크 램프(3)(해치된 선)에 의해 방출된광선(20)은 스크린(4)의 외부 영역을 조명한다. 이러한 기하학적 손실은 시스템의 광도의 50% 이상을 나타낸다. 또한, 구형 필드 렌즈의 사용은 소스의 확대된 영상을 형성하고, 따라서 매우 개방된 투영 대물렌즈를 요구하는데, 왜냐하면 구형 필드 렌즈에 입사하는 광선은 전체 렌즈상에서 평행하지 않아서 소스의 영상은 크며 투영 대물렌즈의 큰 애퍼쳐를 뜻한다.

발명의 요약

본 발명은 이러한 공지의 해결 방법의 불편성이 제거되게 하고, 효율적인 형태의 반사기, 필드 렌즈 및 각도 교정 렌즈에 기인하는 스크린 조명의 효율을 증가시킨다. 이러한 렌즈는 램프와 스크린 사이의 빛의 손실을 최소화하므로써 최종 투영 스크린상의 조명의 품질을 현저히 개량되게 한다.

본 발명은 표면을 조명하는 반사기에 관한 것으로서, 액정 스크린을 통해 투영하는 시스템에 사용하기에 특히 적합하고, 램프와 램프로부터 액정 스크린과 같은 표면을 향해 빛을 반사하는 반사기를 포함하며, 그 형상(Zr, β)은 각각 함수(Z(ρ))와 연관되고 조명될 중간 평면(r, β)에 대응되며 상기 표면의 중심과 가장자리 사이의 거리(r)와 수평평면과 이 중간 평면 사이의 각도(β)에 의해 한정되는 한 셋트의 요소 표면(ds)에 의해 기술되는 것을 특징으로 한다. 각각의 요소 표면(ds)의 경사는 함수(Z(ρ))를 함수(Z(x, y))로 보간하므로써 계산된다.

이것은 본 발명에 따른 반사기로부터 실선에 의해 제 1 도에 표시된 것과 같은 투영 시스템의 액정 스크린의 표면을 완전히 덮을 수 있는 사각형 조명을 가능하게 한다.

양호하게, 상기 함수(Z(ρ))의 각각은 다항식에 더해진 원추형 방정식 또는 순수 다항식이다. 마찬가지로, 상기 보간 함수(Z(x, y))는 다항식, 다항식에 더해진 원추형 다항식, 또는 "스플라인" 함수일 수 있다.

거리(r)와 각도(β)는 스크린의 중심에 중심이 설정된 실질적 원형 면적 또는 스크린과 같은 사각형 표면을 한정할 수 있으며, 평균 직경을 사각형 스크린의 장변과 단변 사이에 있다.

반사기는 양호하게 광축에 대한 반경에 의해 각각 한정되는 여러 개의 섹션으로 분할된다. 반사기의 연속적인 형상은 상기 섹션중의 하나와 연관된 여리가지 함수(Z(ρ))의 함수(Z(x, y))로 보간하므로써 얻어진다.

본 발명의 두번째 응용예는 형상(Zβ , Po)이 각각 함수(Z(ρ))와 연관되고 각각 광축(OZ)으로부터 조명될 점(Po)에 대응되고 수평과 Po 에 의해 통과되는 중간 평면 사이의 각도(β)에 대응되는 한 셋트의 요소 표면(ds)에 의해 기술되는 것을 특징으로 하는 필드 렌즈에 관한 것이다. 이러한 요소 표면(ds)의 경사는 이러한 함수(Z(ρ))를 함수(Z(x, y))로 보간하므로써 얻어진다. 따라서, 이것은 평균 입사광이 대물렌즈의 중심에 집중되게 하고 따라서 동공(pupil)의 개방을 감소시키기 위해 대물렌즈의 애퍼쳐를 최적화한다.

본 발명의 제 3 실시예는 형상(Zβ, )이 각각 렌즈로부터의 거리(d)에 있는 렌즈의 표면을 기술하는 조명될 점(p)에 대응되는 함수(Z(ρ))와, 각각의 점(ρ)을 통과하는 수평 및 중간 평면 사이의 각도(β)와 연관되는 한 셋트의 요소 표면(ds)에 의해 기술되는 것은 특징으로 하는 각도 교정 렌즈에 관한 것으로서, 이러한 요소 표면(ds)의 경사는 이러한 함수(Z(ρ))를 함수(Z(x, y))로 보간하므로써 얻어진다.

본 발명의 제 4 실시예는 이 렌즈의 형상(Zr, β)이 각각 함수(Z(ρ))에 연관되고 스크린의 중심과 가장자리 사이의 거리(r)와 이 중간 평면과 수평 사이의 각도(β)에 의해 한정되는 조명될 중간 평면(r, β)에 대응되는 한 셋트의 요소 표면(ds)에 의해 기술되는 것을 특징으로 하는 어떠한 반사기에 의해서도 조명되는 "자유형" 렌즈에 관한 것으로서, 각각의 요소 표면(ds)의 경사는 이 함수(Z(ρ))를 함수(Z(x, y))로 보간하므로써 얻어진다.

본 발명은 또한 액정 스크린을 통해 빛을 집중시키는 장치에 관한 것으로서, 스크린의 픽셀(Pi)의 중심에 집중된 마이크로 렌즈(Li)의 수직 네트워크를 수평 빔에 의해 조명하는 본 발명에 따른 각도 교정 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이러한 광학 장치의 각각은 조명 효율을 개량한다. 본 특허출원 역시 이러한 여러가지 콤코넨트의 모든 형태의 조합을 사용하는 투영 시스템을 커버한다.

발명의 상세한 설명

본 발명에 따른 반사기(5)의 자유로운 형상은 제 2A 도에 도시된 시스템 파라메터를 한정하므로써 얻어진다. 반사기(5)의 각각의 요소 표면(ds)의 경사는 램프로부터의 극단적인 광선이 반경(r)의 다이어프램에 입사하도록 계산된다. 반사기(5)의 형상(Zr, β)은 조명될 중간 평면(r, β)에 의해 주어진 한 셋트의 함수(Z(ρ))에 의해 기술된다. 각각의 중간 평면은 밸브의 중심과 가장자리 사이의 거리(r)와 이 평면과 수평 사이의 각도(β)에 의해 한정되며, 이 평면의교차선(intersection)이 수직축(OZ)이다. 이러한 함수는 다항식에 더해진 원추형 섹션 또는 순수한 다항식의 것과 같은 복수의 형상을 가질 수 있다. 본 발명을 설명하는 예에서, 다음의 함수가 고려된다.

우변의 첫번째 항은 원추형 섹션의 변형을 나타내는 n 차 다항식이 부가되는 광축(OZ) 주위의 회전 원추형 섹션의 방정식이다. 반사기(5)의 각각의 요소 표면(ds)의 경사는 램프(3)로부터 오는 외부 광선(6)이 다이어프램에 입사하도록 계산된다.

이론적으로, 이러한 최적화를 다수의 평면(r, β)에 대해 수행하므로써, 자유형 반사기가 얻어진다. 실제로, 각각의 중간 평면은 각도(β)에 의해 특징지워지고, 반경(r)이 그것에 대응되는데, r 은 광학 밸브의 경계, 제 2b 도의 경우의 16/9 포맷 LCD 스크린을 기술한다.

선행 다항식의 각각은 다수의 중간 평면(r, β)의 방정식(1)으로 부터 계산될 수 있다.

본 발명에 따른 반사기의 최적화된 형상을 얻기 위해서, 예로서 (x, y)에 대한 다음의 다항식을 사용하여 모든 선행 다항식을 보간하는 것이 필요하다.

여기에서, c 는 외향 원추형 섹션의 곡률의 반경이며, ε 는 원추형 섹션의타원율이다.

예로서, n=4에 대해서 다음의 식을 얻는다.

따라서, n = 4 인 경우에 계산할 계수가 14 개 있다. 이것은 방정식(1)에 의해 발생된 데이타의 셋트로부더 2 차원 다항식 보간에 의해 또한 방정식(2)의 계수의 역수를 취하므로써 알려진 방법으로 수행된다. 이러한 방법으로, LCD 스크린(4)의 포맷을 닮은 조명 폼(8)을 공급하는 반사기(5)의 방정식이 얻어진다. 따라서, LCD 스크린(4)을 통한 조명은 적정화된다.

본 발명의 실시예는 다음의 파라메터를 사용하여 형성될 수 있다.

- 포물선 : 촛점 길이 : 11mm

반경 : 50mm

- 램프 : 아크 길이 : 5.0mm

아크 직경 : 1.5mm

16/9 포맷 LCD 크기 : 2.2"/48.7 × 27.4㎟

조명 평면 - 소스 거리 : 20mm

필드 렌즈 - LCD 스크린 거리 : 20mm

필드 렌즈 - 동공 입구 거리 : 150mm

LCD 스크린과 필드 렌즈 사이의 거리를 인해서, 조명 평면은 LCD 스크린 보다 커야만 하고 이 경우에는 56.2 × 36.6㎟ 이다.

상기와 같이 한정된 자유형 반사기는 필드 렌즈를 삼각형 형태로 조명한다. 입사 광선은 여러가지 각도로 렌즈에 충돌한다.

상기와 같이, 반사기의 형상을 한정하기 위해서 액정 스크린의 사각형 형상을 사용하는 대신에, 플럭스를 더욱 양호하게 분배하고 따라서 투영 시스템의 조명의 효율과 균일성을 개량하기 위해서 곡선이 사용될 수 있다. 이러한 곡선은 실질적으로 원형 형상을 가질 수 있고 거리(r)와 각도(β)에 의해 기술될 수 있다. 대신에, 액정 스크린의 작은 크기에서, 반사기에 의해 유발된 각도는 종종 지나치게 크고 불균일 조명을 발생시킨다. 따라서, 평균 플럭스를 개량하기 위해서 평균 직경이 양호하게 스크린의 주 치수와 부 치수 사이인 원형 표면으로부터 상기와 같이 반사기의 형상을 계산하는 것이 바람직할 수 있다.

조명을 개량하기 위한 다른 변화는 제 2C 도의 실시예에 도시된 바와같이 반사기를 여러개의 섹션(a, b, c, d, e, f, g)으로 분할하는 것과 함수(Z(ρ))를 그들중의 일부 또는 모두에 대해 다르게 하는 것이다.

상기 원리는 평균 입사 광선을 대물렌즈의 중심에 집중하도록 필드 렌즈(8)의 각각의 점의 곡률을 계산하므로써 자유형 렌즈에 적용될 수 있다. 앞에서 설명되고 제 3 도에 도시된 동일한 방법으로, 제 1 단계에서, 렌즈(8)의 요소 표면(ds)가 고려되고, 렌즈의 각각의 요소 표면(ds)의 경사는 평균 입사 광선이 투영 대물렌즈(10)의 입사 동공의 중심에 집중되도록 계산된다. 마찬가지로, 반사기의 형상의 계산을 위해서, 한 셋트의 함수(Z(ρ))가 고려되는데, 각각의 함수는 각각의 평면과 수평과의 사이의 각도(β)와 대물 동공의 중심(Po)에 의해 한정되는 중간 평면(β, Po)에 대해 주어진다. 각각의 다항식 a₂r²a₄r⁴+ a₆r⁶+ .... + a_nrⁿ은 예로서 β = 0°, 15°, 30°, 45°, 60° 및 90° 에 대한 각각의 중간 평면(β, Po)에 대해 계산될 수 있다. 다음에는, 제 2 단계에서, 모든 선행 다항식이 예로서 방정식(2)에 따른 (x, y)에 대한 다항식에 의해 보간된다.

최적화된 렌즈의 실시예는 다음의 파라메터를 사용하여 제조되었다.

포물선 : 촛점 길이 : 10mm

반경 : 75mm

- 램프 : 아크 길이 : 5.0mm

아크 직경 : 1.5mm

1l6/9 포맷 LCD 스크린 크기 :

2.2"/48.7 × 27.4㎟

소스 - 조명 평면 거리 : 320mm

필드 렌즈 - LCD 거리 : 5mm

필드 렌즈 - 입구 동공 거리 : 130mm

본 발명의 다른 응용은 예로서 제 5 도에 도시된 포물면과 같은 어떠한 형태의 포물면 반사기와도 결합된 본 발명의 원리에 따라 구성된 조명(또는 콘덴서) 렌즈를 사용하는 것이다. 광선(15)은 반사기(16)의 벽에 의해 반사된 후에 수명에 대해 각도(α)로 렌즈(17)로 배향된다. 광선(5)이 입사되는 렌즈의 요소 표면(ds)은 수직에 대해 각도(r)를 요소 표면(ds)과 각도(r)에 대응하는 평균 광선의 셋트가 광학 밸브(10)의 경계를 기술하도록 계산된다. 이 렌즈의 형상(Zr, β)은 각각 함수(z(ρ))와 연관되는 한 셋트의 요소 표면(ds)에 의해 기술되는데, 각각은 조명될 중간 평면(r, β)에 대응된다. 각각의 중간 평면은 수평 사이의 각도(β)에 의해 한정된다. 이러한 각각의 요소 표면의 경사는 함수(Z(x, y))로 이러한 함수(Z(ρ))를 보간하므로써 얻어진다. 입사 광선을 대물 동공의 중심에 집중시키는 원환체(toric) 필드 렌즈 역시 이 자유형 렌즈와 광학 밸브 사이에 첨가될 수 있다.

본 발명에 따른 원리는 또한 각도 교정 렌즈에 응용될 수 있다. 제 4 도는 그러한 렌즈(11)를 사용하는 투영 시스템의 예를 도시한다. 이러한 렌즈는 외향 비임(12)이 광축(O, Z)에 수평하도록 상기 원리에 따라 구성된 자유형을 가지며, 마이크로 렌즈(13)의 시스템과 커플링된다. 스크린(4)의 한 픽셀(Pi)은 시스템(13)의 한 마이크로렌즈(Li)에 대응된다. 이러한 방법으로, 각각의 광선(12)은 도면에 도시되었듯이 스크린(4)의 각각의 픽셀(Pi)의 중심에 집중될 수 있다. 투영 대물 동공(도시되지 않음)내에 집중시키는 필드 렌즈를 대치하므로써, 시스템의 조명이 개량된다.

본 발명은 렌즈를 사용하는 모든 형태의 광학 시스템에 적용될 수 있고, 특히, 비디오 영상을 스크린상에 투영하기 위해 사용되는 시스템에 적용될 수 있다.

제 1 도는 종래 기술의 반사기 및 본 발명에 따른 반사기에 의해 발생된 조명의 중첩을 도시한 설명도.

제 2A 도, 2B 도 및 2C 도는 본 발명을 자유형 반사기에 처음 적용한 것을 도시하는 설명도.

제 3 도는 본 발명을 자유형 렌즈에 두번째 적용한 것을 도시하는 설명도.

제 4 도는 본 발명을 마이크로렌즈 네트워크를 가진 각도 교정 렌즈에 세번째 적용한 것을 도시하는 설명도.

제 5 도는 본 발명을 어떤 형태의 반사기와 자유형 조명렌즈의 조합에 네번째 적용한 것을 도시하는 설명도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

1 : 반사기 3 : 램프

4 : 스크린 5 : 반사기

8 : 조명 폼 10 : 대물렌즈

11 : 렌즈 13 : 마이크로렌즈

16 : 반사기 17 : 렌즈

Claims

표면을 조명하기 위해 사용되는 반사기에 있어서,

상기 반사기의 형상은 한 셋트의 요소 곡선들에 의해 기술되고, 각각의 요소 곡선은 상기 반사기의 표면과 중간 평면(r, β)과의 교차선(intersection)에 대응하는 엔벨롭(envelope) 곡선 상에 위치되고, 상기 엔벨롭 곡선은 조명될 상기 표면의 중심과 가장자리 사이의 거리(r)와 수평 평면과 상기 특정 중간 평면(r, β) 사이의 각도(β)에 의해 한정되는 상기 특정 중간 평면(r, β)에 대응되는 함수(zrβ(ρ))에 의해 기술되며, 특정 중간 평면(r, β)에 대응되는 각각의 함수(Zrβ(ρ))는 램프로부터 나온 극단적 광선들이 반경 r의 다이어프램에 입사하도록 되고, r은 상기 특정 중간 평면에 의존하며, 상기 반사기의 형상은 곡선들을 기술하는 주어진 수의 함수(Zrβ(ρ))를 함수 Z(x, y)로 보간함으로써 얻어지고, 각각은 다른 중간평면에 대응되는, 표면을 조명하기 위해 사용되는 반사기.
제 1 항에 있어서,

상기 거리(r)와 각도(β)는 사각형 표면을 한정하는, 표면을 조명하기 위해 사용되는 반사기.
제 1 항에 있어서,

상기 거리(r)와 각도(β)는 직경이 상기 표면의 주 치수와 부 치수 사이에있는 실질적으로 둥근 표면을 한정하는, 표면을 조명하기 위해 사용되는 반사기.
필드 렌즈에 있어서,

상기 필드 렌즈의 형상은 한 셋트의 요소 곡선들에 의해 기술되고, 각각의 요소 곡선은 상기 필드 렌즈의 표면과 조명될 광축(oz)의 점(Po)를 통과하는 중간 평면과의 교차선에 대응하는 엔벨롭 곡선 상에 위치되고, 상기 엔벨롭 곡선은 상기 특정 중간 평면에 대응하는 함수(Zpoβ(ρ))와 상기 수평 평면과 Po를 통과하는 상기 중간 평면 사이의 각도(β)에 의해 기술되며, 각각의 함수(Zpoβ(ρ))는 램프로부터 나온 극단적 광선들이 Po를 통과하도록 되고, 상기 필드 렌즈의 형상은 곡선들을 기술하는 주어진 수의 함수(ZPoβ(ρ))를 함수 Z(x, y)로 보간함으로써 얻어지고, 각각은 다른 중간 평면에 대응되는, 필드 렌즈.
각도 교정 렌즈에 있어서,

상기 교정 렌즈의 형상은 한 셋트의 요소 곡선들에 의해 기술되고, 각각의 요소 곡선은 상기 각도 교정 렌즈의 표면과 조명될 점(P)을 통과하는 중간 평면과의 교차선에 대응하며 상기 렌즈로부터 거리(d)에 있는 상기 렌즈의 표면을 기술하는 엔벨롭 곡선 상에 위치되고, 상기 엔벨롭 곡선은 상기 특정 중간 평면에 대응되는 함수(Zpβ(ρ))와 상기 수평 평면과 P를 통과하는 상기 중간 평면 사이의 각도(β)에 의해 기술되고, 각각의 함수(Zpβ(ρ))는 램프로부터 나온 극단적 광선들이 P를 통과하도록 되며, 상기 필드 렌즈의 형상은 곡선들을 기술하는 주어진 수의 함수(Zpβ(ρ))를 함수 Z(x, y)로 보간함으로써 얻어지고, 각각은 다른 중간 평면에 대응되는, 각도 교정 렌즈.
임의 형태의 반사기에 의해 조명되는 각도 교정 렌즈에 있어서,

상기 각도 교정 렌즈의 형상은 한 셋트의 요소 곡선들에 의해 기술되고, 각각의 요소 곡선은 상기 각도 교정 렌즈의 표면과 입구 동공(entry pupil)의 중심과 스크린의 가장자리로부터의 거리와 상기 수평 평면과 중간 평면과의 사이의 각도에 의해 한정되는 상기 중간 평면(r, β)과의 교차선에 대응하는 엔벨롭 곡선 상에 위치되고, 특정 중간 평면(r, β)에 대응되는 각각의 함수(Zrβ(ρ))는 광선들이 상기 스크린에 입사하도록 되고, 상기 각도 교정 렌즈의 형상은 곡선들을 기술하는 주어진 수의 함수(Zrβ(ρ))를 함수 Z(x, y)로 보간함으로써 얻어지고, 각각은 다른 중간 렌즈에 대응되는, 임의 형태의 반사기에 의해 조명되는 각도 교정 렌즈.
제 1 항에 있어서,

상기 함수들(Z(ρ))의 각각은 다항식에 더해진 원추형 방정식 또는 순수 다항식인, 표면을 조명하기 위해 사용되는 반사기.
제 1 항에 있어서,

상기 보간 함수(Z(x, y))는 다항식인, 표면을 조명하기 위해 사용되는 반사기.
액정을 통한 투영 시스템에 있어서,

상기 시스템은 청구범위 제1항, 제2항, 제3항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 따른 반사기를 합체하는 것을 특징으로 하는 액정을 통한 투영 시스템.
액정을 통한 투영 시스템에 있어서,

상기 시스템은 청구범위 제4항에 따른 필드 렌즈를 합체하는 것을 특징으로 하는 액정을 통한 투영 시스템.
액정을 통한 투영 시스템에 있어서,

상기 시스템은 청구범위 제5항 또는 제6항에 따른 각도 교정 렌즈를 합체하는 것을 특징으로 하는 액정을 통한 투영 시스템.