KR100427134B1 - 영상프레임에 빛을 분산시키기 위한 장치 - Google Patents

Abstract

이 장치는, 중앙영역(12)과 주변영역(13)에 오목한 표면을 갖는 발산렌즈(7)를 사용하는데, 주변영역은 중앙영역보다 낮은 곡률로 되어 있다. 중앙영역을 가로지르는 광빔(16)은 영상 프레임(10)의 전체 표면에 퍼지고, 그에 따라 영상 프레임의 중앙부로 빛이 집중하는 것을 피할 수 있고, 더욱 균일한 조도를 보장한다. 본 장치는 크세논 아크등을 사용하는 대형의 슬라이드 투상기에 유용하다.

Description

영상 프레임에 빛을 분포시키기 위한 장치

대형 슬라이드 투사기에는 최소한 1600W의 전력을 갖는 크세논(Xenon) 아크램프가 사용된다. 이러한 투사기에서 크세논 아크램프는 의사 점광원으로 사용되는데, 다시 말해 그 크기가 수 밀리미터밖에 되지 않는 축소된 용적에서 방출된 빛이 다양한 광학 요소에 의해 모아지고 전달된다. 이 작은 용적의 내부에는 애노드와 캐소드 사이에 큰 휘도 계조도(gradient)가 존재한다. 캐소드 가까이의 매우 높은 휘도(핫 포인트)는 슬라이드의 중심에서 핫 포인트로 바뀌어진다. 슬라이드의 핫 포인트가 타는 것을 피하기 위해, 알려진 해결책은 빔을 퍼지게 하는 것으로 구성되는데, 이는 빛의 대량 손실을 초래한다. 게다가, 슬라이드 표면의 조도는 매우 불균일하게 되고, 가장자리에서의 조도는 중심에 비해 거의 두배로 약하게 된다.

본 발명의 목적은 전술한 문제점을 해결함과 동시에 슬라이드 또는 다른 영상 프레임에 집속되는 빛의 효율과, 영상 프레임 위에서의 그 분포의 균일성을 개선하는 것이다.

이러한 문제는 특히 정지 프레임 즉, 연속적이고 빠르게 돌아가는 영화 필름과 달리 긴 시간동안 움직이지 않거나 느린 속도로 움직이는 프레임의 경우에 발생한다.

본 발명은 의사(疑似) 점원으로부터 방출된 빛을 영상 프레임에 분포시키는 장치에 관한 것으로, 이 장치는 광원의 영상 포인트를 향하여 상기 빛을 투사하도록 초점을 맞추는 수단, 초점을 맞추는 수단으로부터 방출된 수렴광선을 발산광선으로 변환하는 데 적합한 발산 광학 요소, 및 상기 발산광선을 모아 영상 프레임을 향하여 집중시키는 집광렌즈를 구비한다. 본 발명은 특히 8cm를 넘는 크기를 갖는 영상 프레임의 경우에 적용된다.

도 1은 본 발명에 따른 슬라이드 투사기를 부분적 도식적으로 표현한 것이다.

도 2는 도 1의 본 장치의 변형예의 부분 확대도에 해당하는 것이다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 투사기에 의해 얻어진, 스크린 상에서의 빛의 분포를 보여주는 도면들이다.

도 5 및 도 6은 도 3 및 도 4와 유사한 도면들로서, 종래의 투사기에 관한 것이다.

본 발명은 특히 전술한 유형의 장치에 관한 것으로서, 빔의 축이 관통하는 중앙부 및 상기 중앙부를 둘러싸는 환상의 주변부를 구비하고, 상기 중앙부는 상기 주변부에 비해 더 높은 광출력을 가지는 발산 광학 요소를 제공함으로써, 이를 통과한 광선은, 발산 광학 요소를 통과한 광선들 전체와 같은 면적의 영상 프레임 상에 분포된다.

본 발명에 따른 장치는 보조적으로 또는 선택적으로, 다음과 같은 특징을 가질 수 있다.

발산 광학 요소는, 한 면이 오목하고 중앙영역을 둘러싸는 주변영역에서보다 중앙영역에서 더 작은 곡률반경을 갖는 적어도 하나의 렌즈를 구비하고, 상기 중앙영역 및 주변영역은 발산 요소의 중앙부 및 주변부를 형성한다.

발산 광학 요소는, 빔의 축을 따라 연이어서 배치되고 상기 축으로부터 서로 다른 거리만큼 방사상으로 연장되는 적어도 두 개의 발산렌즈를 구비하고, 더 적은 방사상 거리를 가지는 렌즈는 발산 광학 요소의 중앙부를 형성한다.

발산 광학 요소의 하나의 렌즈 또는 각 렌즈는 평면과 오목면을 갖는다.

상기 평면은 입사면이다.

광원은 크세논 아크램프이다.

상기 램프는 1600W보다 크거나 같은 전력을 갖는다.

초점을 맞추는 수단은 타원형의 오목거울을 구비한다.

본 발명의 장치는 영상 프레임의 뒤에 배치되고 상기 영상 프레임 상에 형성된 영상을 수 미터의 변을 갖는 스크린 상에 투사하기에 적합한 대물렌즈를 구비한다.

본 발명의 특징과 장점들은 첨부한 도면들을 참조하여 이하에서 더욱 상세히 설명된다.

도 1에 도시된 투사기는 크세논 아크램프(1)를 광원으로 사용한다. 이러한램프는 점 P에 필적하는 매우 축소된 용적으로부터 사실상 백색광을 방출한다. 하지만, 이 작은 용적의 내부에서 휘도는 넓게 변화한다. 예를 들어, 오스람(OSRAM)사에서 XBO라는 명칭으로 판매되는 2500W의 전력을 갖는 램프의 경우에, 휘도는 캐소드의 중심에 가장 가까이 근접한 곳에서의 최대 360000 cd/㎠에서 애노드 중심에서의 10000 cd/㎠까지 변화한다.

점 P는 수직축을 갖고 아래를 향해 오목한 타원형 오목거울(2)의 주초점에 위치한다. 오목거울(2)의 축(4)에 대해 45°로 기울어진 냉광 반사경(3)에서, 상기 오목거울에 의해 반사된 적외선은 통과되고 가시광선은 수평축(6)을 갖는 수렴빔 (5)으로 반사된다. 빔(5)은 발산렌즈(7)를 통과하는데, 이 발산렌즈는 빔을 발산빔 (8)으로 변환하고, 이 발산빔은 여기서는 두 개의 수렴렌즈의 형태로 표현된 집광렌즈(9)에 도달한다. 집광렌즈(9) 뒤로는 축(6)을 따라 슬라이드(10)가 바로 뒤따르는데, 이 슬라이드의 표면에는 램프(1)에서 방출되고 거울(2,3), 렌즈(7) 및 집광렌즈(9)에 의해 처리된 빛이 분포된다. 대물렌즈(11) 또한 축(6)의 중심에 위치하여, 슬라이드의 내용이 투사기로부터 조금 떨어져 위치한 수직 스크린(미도시) 상에 투사되도록 한다.

지금까지 기술한 투사기의 일반적 구조는 공지의 것이고, 도 5 및 도 6은 155mm의 변을 갖고 균일하게 백색인 정사각 슬라이드를 투사하는 동안, 1m의 변을 갖는 스크린 상에 렌즈(7)로 단순한 발산렌즈를 사용하여 얻어진 빛의 분포를 도시한 것이다. 도 5에서, 점 옆에 쓰여진 숫자들은 고려된 점들에서의 조도를 룩스 (lux)단위로 나타낸다. 도 6의 곡선은 스크린의 중심(C)을 지나고 상기 중심의 서로 반대되는 측면상의 위치(A, B)를 지나는 직선을 따라서 조도의 변화를 나타낸다. 점 C와 점 A 및 점 B 각각의 사이에서 조도는 2 대 1의 비율 내에서 크거나 작게 변화하는 것을 볼 수 있다. 중심(C)과 모서리 지역 사이에서 이 비율은 더욱 크다(도5). 게다가, 도 6은 상당한 양의 빛이 점 A 및 점 B를 넘어서, 다시 말해, 정사각 스크린의 바깥 쪽으로 투사됨을 보여주는데, 이는 결과적으로 손실이다.

본 발명에 따르면, 렌즈(7)의 오목한 출사면은 구(球)면 컵 모양의 중앙영역 (12)을 갖는데, 이 중앙영역은 구면 링 모양의 주변영역(13)과 연결된다. 이 양영역(12,13)은 축(6)에 대하여 원을 그린다. 영역(13)은 영역(12)보다 더 큰 곡률반경을 갖고, 이로써 영역(12)에 의해 형성된 중앙부(15)보다 더 낮은 광출력을 갖는 렌즈의 환상부(14)를 형성한다. 영역 12 및 13의 곡률반경은, 빔(8)중 렌즈의 중앙부(15)를 통과한 부분(16)이 빔(8)의 전체에 해당되는, 집광렌즈(9)의 유용한 표면전체에 걸쳐 거의 같은 정도로 분포되도록 선택된다. 이는 램프(1)의 가장 뜨거운 영역에서 방출된 빛이 더 넓게 분포되도록 하고, 광원으로부터 오는 빛을 전체적으로 더 이상 퍼지지 않게 함으로써 궁극적으로 스크린의 내부에 투사되도록 한다.

도 3 및 도 4는 전술한 렌즈(7)를 이용하여 만들어진 투사로부터 도 5 및 도 6과 같은 방식으로 얻어진 것으로서, 사실상 빛의 거의 전체가 스크린에서 집속되고 상기 스크린의 표면 상에 거의 균일하게 분포되는 것을 보여준다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 기술한다. 전력이 2000W인 오스람 XBO 램프가 사용된다. 이 램프는 타원형 거울(2)의 밑면에 형성된 지름 55mm의 중앙 개구를 관통하는데, 타원형 거울은 지름 203mm의 개구를 갖고, 거울의 정점(O)으로부터 각각 30㎜ 및 420㎜에 두 개의 초점이 형성된다. 거울(2)의 반사계수는 0.80이다. 렌즈(7)의 입사면은 거울(3)의 반사를 감안하면 정점 O로부터 320㎜에 위치한다. 출사면의 영역(12) 및 (13)의 곡률반경은 각각 32㎜ 및 43㎜이고, 이 영역들의 외부 지름은 각각 36㎜ 및 72㎜이다. 슬라이드(10)는 각 변이 155㎜인 정사각형으로, 정점 O로부터 887㎜의 거리에 위치한다. 집광렌즈(9)의 두 렌즈는 230㎜의 지름을 갖는다. 제1렌즈의 평평한 입사면은 정점 O로부터 769mm에 위치하고, 출사면은 반지름 233mm인 볼록한 구면 컵 모양을 갖는다. 정점 O로부터 829mm에 위치한 제2렌즈의 입사면은 곡률반경이 175mm인 볼록한 모양이고, 출사면은 평평하다. 렌즈(7)의 굴절률은 1.48이고, 렌즈들(9)의 그것은 1.52이다. 위의 모든 수치를 감안하면, 슬라이드를 향하는 빛은, 지름 1.3mm, 길이 3mm의 실린더 형상을 한 램프영역에서 방출되는데, 실린더의 한 면은 그 중심에 캐소드의 중심을 갖는다. 슬라이드가 수광한 광속(光束)은 방사된 전체 광속의 대략 43%를 나타내고, 최소 조도와 최대 조도간의 비율은 대략 70%이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 렌즈(7)는 서로 다른 지름을 갖고 광경로에서 하나가 다른 하나의 뒤에 배열된 두 개의 발산렌즈로 대치될 수 있다. 도시된 예에서, 이 두 렌즈의 각각은 평평한 입사면과 오목한 구면 컵 모양의 출사면을 갖고, 제2렌즈(21)는 제1렌즈(20)보다 더 작다. 따라서 제1렌즈(20)에는 슬라이드를 향하는 빔 전체가 통과하는 반면, 제2렌즈(21)에는 이 빔의 중앙부분(16)만이 통과한다. 따라서 렌즈(21)는 2-렌즈 조립체에 의해 형성된 발산 요소의, 더 높은 광출력을 갖는 중앙부를 형성한다. 하나의 렌즈(21) 대신에 나란히 위치하는 여러 개의작은 발산렌즈들로 구성된 장치를 사용할 수도 있다.

나아가, 발산 광학요소의 주변부를 광출력을 달리 하는 동심의 환상부로 세분하는 것도 가능하다.

발산 광학요소의 형태가 선택되면, 그 수치적 특성들은 모두 현행의 광학적 계산방법을 이용하여, 장치의 파라미터들의 함수로서 정의될 수 있다.

Claims (9)

1. 의사 점원에 의해 방출된 빛을 영상 프레임의 표면에 분포시키기 위한 장치에 있어서,

   광원의 영상 포인트를 향하여 상기 빛을 투사하는 초점을 맞추는 수단, 상기 초점을 맞추는 수단으로부터 방출된 수렴광선을 발산광선으로 변환하는 데 적합한 발산 광학요소, 및 상기 발산광선을 집속하여 영상 프레임을 향하여 집중시키는 집광렌즈를 구비하고,

   상기 발산 광학요소는 빔의 축이 관통하는 중앙부 및 중앙부를 둘러싸는 환상의 주변부를 구비하고, 상기 중앙부는 주변부에 비해 더 높은 광출력을 가짐으로써, 이를 통과한 광선은, 상기 발산 광학요소를 통과한 광선들 전체와 같은 면적의 영상 프레임 상에 분포되는 것을 특징으로 하는 광분포 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 발산 광학요소는, 한 면이 오목하고 중앙영역을 둘러싸는 주변영역에서보다 중앙영역에서 더 작은 곡률반경을 갖는 적어도 하나의 렌즈를 구비하고, 상기 중앙영역 및 주변영역은 발산요소의 중앙부 및 주변부를 형성하는 것을 특징으로 하는 광분포 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 발산 광학요소는, 빔의 축을 따라 연이어서 배치되고 상기 축으로부터 서로 다른 거리만큼 방사상으로 연장되는 적어도 두 개의 발산렌즈를 구비하고, 더 작은 방사상 거리를 가지는 렌즈는 상기 발산 광학 요소의 중앙부를 형성하는 것을 특징으로 하는 광분포 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 발산 광학요소의 하나의 렌즈 또는 각 렌즈는 평면과 오목면을 갖는 것을 특징으로 하는 광분포 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 평면은 입사면인 것을 특징으로 하는 광분포 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 광원은 크세논 아크램프인 것을 특징으로 하는 광분포 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 램프는 1600W보다 크거나 같은 전력을 갖는 것을 특징으로 하는 광분포 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 초점을 맞추는 수단은 타원형의 오목거울을 구비하는 것을 특징으로 하는 광분포 장치.
9. 제1항에 있어서, 영상 프레임의 뒤에 배치되고 상기 영상 프레임 상에 형성된 영상을 수 미터의 변을 갖는 스크린 상에 투사하는 데 적합한 대물렌즈를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 광분포 장치.