KR100437767B1 - 로드 렌즈 - Google Patents

Abstract

광의 손실을 줄이는 광학계에 관한 것으로서, 특히 전반사 조건에 따라 입사되는 광의 경로를 변경시키는 경로 변경면을 갖는 로드 렌즈에 있어서, 상기 경로 변경면에 반사 수단으로서 반사 거울 코팅을 하고, 상기 경로 변경면으로 입사되는 광은 코팅된 반사 거울에 의해 출사면으로 전반사되도록 하거나, 또는 상기 경로 변경면에 반사 수단으로서 일정한 공기 간격을 두고 반사 거울을 설치하고, 상기 경로 변경면에서 전반사 조건에 의해 투과되는 광은 상기 반사 거울에 의해 반사되어 상기 경로 변경면으로 재입사되도록 함으로써, 상기 경로 변경면에서 전반사 조건에 의해 투과되는 광을 막을 수 있으므로 광의 손실을 줄여 광의 이용 효율을 증가시키고, 보다 밝은 광학계를 구성할 수 있다.

Description

로드 렌즈{Rod lens}

본 발명은 광의 손실을 줄이는 광학계에 관한 것으로서, 특히 입사면에 밝기 균질도를 갖지 못한 광이 입사되어도 출사면에서는 밝기 균질도를 갖는 광을 출사시키는 로드 렌즈에 관한 것이다.

최근 소형 프로젝터의 보급에 따라서 여러 가지 제품이 개발 시판되고 있다. 통상, 프로젝터는 소형화를 위해서 소형의 디스플레이 패널을 이용하고 있는데, 액정의 특성을 이용한 투과형 액정 패널과, 반사형 액정 패널을 사용한다. 최근에는 디지털 미세 거울 소자(Digital Micromirror Device ; DMD)라는 소형의 마이크로 디스플레이 패널을 이용한 프로젝터의 보급이 늘어나고 있다. 이러한 소형의 프로젝터에는 밝기 균질도를 향상시키기 위해서 배열렌즈(Fly-Eye Lens ; FEL)를 사용하거나 로드 렌즈(rod lens)등을 사용하고 있다.

일 예로, 투과형이나 반사형 액정을 이용한 프로젝터들은 대부분 상기 배열 렌즈를 주로 이용하고 있으며, 미세 거울 장치를 이용한 프로젝터들은 로드 렌즈를 이용하여 밝기 균질도를 높이고 있다.

상기 로드 렌즈를 배치하는 방법에는 여러 가지가 있는데 그 중에서 램프로부터 나온 중심 광 축과 로드 렌즈의 입사면과 출사면이 직선상에 배치되는 방법과특정한 각을 가지면서 배치되는 방법이 있다.

도 1은 전자의 방법으로 로드 렌즈가 배치되는 예를 보여주고 있다. 즉, 도 1a를 보면, 램프(101)에서 나온 광이 광 축상에 존재하는 로드 렌즈(103)의 입사면에 입사한 후에 역시 축의 변경이 없이 직선의 광 축상에 존재하는 출사면을 통해 광이 출사된다.

도 1b는 도 1a와 같이 배치되는 로드 렌즈가 적용되는 투사형 표시 장치의 일 예로서, 먼저 타원형 반사경이 부착되어 있는 램프(Lamp)(101)를 사용하여 로드 렌즈(rod lens)(103)의 입사면에 광을 집속시킨다. 이때, 상기 램프(101)와 로드 렌즈(103) 사이에는 적,녹,청색을 순차적으로 분리하기 위하여 칼라휠(colorwheel)(102)을 배치하는데, 상기 칼라휠(102)이 회전함에 따라서 순차적으로 색이 필터링되어 나간다. 즉, 이렇게 필터링시키는 부분의 면적이 최소가 되는 부분이 바로 램프(101)에서 나온 광이 로드 렌즈(103)의 입사면으로 집광되는 부분이기 때문에 로드 렌즈(103)의 입사면 전에 칼라휠(102)을 배치한다.

그리고, 이렇게 특정한 색으로 필터링된 광이 로드 렌즈(103)에 입사하면 광은 내부에서 여러번 반사를 일으키면서 로드 렌즈(103)를 통과하게 되는데, 이때 로드 렌즈(103)의 출사면에서는 면 전체에 광이 골고루 퍼지면서 출사하게 된다. 다시 말해서, 광원으로부터 나온 광이 로드 렌즈(103)의 출사면으로 진행되어 출사면이 마치 제 2의 균질한 휘도 분포를 갖는 면 광원이 된다. 그 다음은 소정의 렌즈들(104)과 전반사 미러(105) 인해서 화상 표시 소자 면에 로드 렌즈(103)의 출사면을 적당한 크기로 결상시키도록 구성함으로써, 화상 표시 소자의 표시면에 균질한 빛 분포를 제공하게 된다. 여기서, 전반사 프리즘(Total internal Reflection prism ; TIR 프리즘)(107)은 2개의 프리즘이 미세한 공기 간극을 두고 접합되어져 있어 입사되는 빛이 첫 번째 프리즘의 경계면에서 내부 전반사되어 DMD(106)로 입사하게 된다. 그러면, DMD(106)는 화이트 신호시 화소 미러들의 틸트에 의하여 입사된 빛과 다른 각도로 빛이 출력되도록 함으로써, TIR 프리즘(107)에서 내부 전반사를 일으키지 않고 투과되는 동작을 하게 된다. 이렇게 출력된 빛은 투사 렌즈(108)를 투과하여 스크린에 확대 결상되게 된다.

도 2는 후자의 방법 즉, 특정한 각을 가지면서 로드 렌즈가 배치되는 예를 보이고 있다. 도 2를 보면, 램프(201)에서 나온 광이 광 축상에 존재하는 로드 렌즈(203)의 입사면에 입사한 후에 광 축이 변경되어 램프(201)에서 나온 광 축과 일치하지 않는 곳에 존재하는 로드 렌즈(203)의 출사면을 통해서 광이 출사된다.

도 2b는 도 2a와 같이 배치되는 로드 렌즈가 적용되는 투사형 표시 장치의 일 예로서, 먼저 램프(201)와 로드 렌즈(203) 사이에 칼라 드럼(202)이 배치된다. 즉, 램프(201)에서 발생된 광빔은 칼라 드럼(202)으로 진행하게 된다. 이때, 상기 칼라 드럼(202)에서는 백색광빔을 순차적으로 색분리하게 된다. 상기 칼라 드럼(202)에 의해 색분리된 광빔은 로드렌즈(203)로 진행하게 된다. 상기 로드렌즈(203)는 색분리된 광빔이 화면상에 균일하게 분포되도록 한다. 그 다음은 소정의 렌즈들(204)과 전반사 미러(205) 인해서 화상 표시 소자(206) 면에 로드 렌즈(203)의 출사면을 적당한 크기로 결상시키도록 구성함으로써, 화상 표시 소자(206)의 표시면에 균질한 빛 분포를 제공하게 된다.

상기 화상 표시 소자(206)의 표시면에 화상을 표시한 광빔은 TIR 프리즘(207)에 반사되어 투사렌즈(208)로 진행하게 된다. 상기 투사렌즈(208)에 의해 화상은 스크린(도시되지 않음) 상에 확대되어 표시되게 된다.

도 3은 도 2와 같이 특정한 각을 가지면서 배치되는 로드 렌즈의 동작 원리를 보여주고 있다. 도 3을 보면, 로드 렌즈는 램프의 중심에서 나오는 광의 광 축과 출사면의 중심을 통해서 나오는 광 축과 직선상에 존재하지 않는 예로서 축의 변경을 전반사를 이용하여 변경한다.

이 경우에 광이 경로 변경면 S에 닿는 순간 다음의 수학식 1과 같은 전반사 조건에 의하여 반사되거나 굴절되어 투과된다.

전반사 입사각 Θ> sin-1

이때, n은 도 4와 같이 로드 렌즈 매질의 굴절률이다.

즉, 램프(201)에서 나온 광은 광 축과 평행한 광 뿐만이 아니라 광 축과 특정한 각을 가지고 입사하기도 하기 때문에 경로 변경면 S에서는 전반사 조건을 만족하는 각을 가진 광과 그렇지 못한 광이 로드 렌즈의 매질에 따라서 생기기도 한다. 예를 들어, 매질의 굴절률이 n=1.5인 경우에 램프(201)에서 로드 렌즈(203)의 입사면에 입사하는 광의 각도가 ±30도라면 도 2a에서와 같이 로드 렌즈의 입사면에 광이 입사하게 되면 스넬의 법칙에 의해 입사각은 다음의 수학식 2에 의해 변하게 된다.

굴절각 β= sin-1

그러므로, 굴절각 β는 약 ±19.5도가 되며, 이 광이 경로 변경면 S의 법선에 대해서 25.5도와 64.5도 사이의 각을 가지고 입사하게 된다.

이때, 경로 변경면 S에서 전반사가 일어날 수 있는 각을 계산해보면 Θ는 41.8도가 되기 때문에 41.8도 이상 64.5도에 해당하는 광만은 도 3에서 보는 것과 같이 반사하게 되고 25.5도 이상 41.8도 미만의 광은 경로 변경면 S에서 굴절되어 투과하므로 출사면을 통해서 출사되지 못한다. 따라서, 그 만큼의 광 손실이 발생하게 된다.

이를 방지하기 위해서 굴절률이 큰 로드 렌즈를 사용할 수 있지만 그러한 경우 광 손실은 줄일 수 있는 반면에, 동일 길이를 갖는 굴절률이 낮은 로드 렌즈에 비해 광의 균질도 특성이 떨어지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 입사된 광이 손실없이 모두 출사면을 통해 출사되도록 형성되는 로드 렌즈를 제공함에 있다.

도 1a는 램프로부터 나온 중심 광 축과 로드 렌즈의 입사면과 출사면이 직선상에 배치되는 예를 보인 일반적인 도면

도 1b는 도 1a의 로드 렌즈가 적용되는 투사형 표시 장치의 광학계의 일 예를 보인 구성도

도 2a는 로드 렌즈가 특정한 각을 가지면서 배치되는 예를 보인 일반적인 도면

도 2b는 도 2a의 로드 렌즈가 적용되는 투사형 표시 장치의 광학계의 일 예를 보인 구성도

도 3은 도 2의 로드 렌즈의 동작을 설명하기 위한 구성도

도 4는 일반적인 전반사 조건을 설명하기 위한 그래프

도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 로드 렌즈의 사시도

도 6은 도 5의 로드 렌즈의 동작을 설명하기 위한 구성도

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 로드 렌즈의 사시도

도 8은 도 7의 로드 렌즈의 동작을 설명하기 위한 구성도

도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

501,701 : 로드 렌즈 502,702 : 입사면

503,703 : 출사면 504,704 : 경로 변경면

705 : 반사 거울

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 로드 렌즈는, 입사면을 통해 입사되는 광을 전반사조건에 관계없이 모두 출사면으로 전반사시키는 반사 수단을 상기 경로 변경면에 설치하는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 경로 변경면에 반사 수단으로서 반사 거울 코팅을 하고, 상기 경로 변경면으로 입사되는 광은 코팅된 반사 거울에 의해 출사면으로 전반사되는 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 경로 변경면에 반사 수단으로서 일정한 공기 간격을 두고 반사 거울을 설치하고, 상기 경로 변경면에서 전반사 조건에 의해 투과되는 광은 상기 반사 거울에 의해 반사되어 상기 경로 변경면으로 재입사되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은 특정한 각을 갖고 배치되는 로드 렌즈에 적용되는 경우로서, 입사된 광이 전반사 조건에 관계없이 경로 변경면에서 모두 반사되어 출사면을 통해 출사되도록 광 경로 변경면에 반사 수단을 설치하는데 있다.

제 1 실시예

도 5는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 로드 렌즈의 단면도이고, 도 6은 도 5의 로드 렌즈의 동작 원리를 보인 도면이다.

도 5를 보면, 로드 렌즈(501)의 경로 변경면(504)에 반사 수단인 반사 거울을 코팅하여 로드 렌즈를 형성한다. 종래에는 광 축이 변경되는 경로 변경면에서 전반사 조건에 의해 일부 광이 투과되어 광의 손실이 발생하였으나, 본 발명에서는상기 경로 변경면에 반사 거울 코팅을 함으로써, 전반사 조건에 의해 투과되는 광을 막고 이를 모두 출사면으로 전반사시킨다.

즉, 특정을 각을 갖고 로드 렌즈(501)의 입사면(502)으로 입사된 광은 경로 변경면(504)에서 반사되어 출사면으로 진행하는데, 이때 전반사 조건에 의해서 반사되지 않고 코팅된 반사 거울에 의해 전반사된다. 따라서, 도 6에서 보는 바와 같이 입사된 광의 전부가 경로 변경면의 반사 거울에서 모두 반사되어 출사면(504)으로 진행하므로, 광의 손실을 줄일 수 있다.

제 2 실시예

도 7은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 로드 렌즈의 단면도이고, 도 8은 도 7의 로드 렌즈의 동작 원리를 보인 도면이다.

본 발명에 따른 제 2 실시예에서, 광 축이 변경되는 로드 렌즈(701)의 경로 변경면(704)의 바로 뒤에 반사 수단으로서, 일정한 공기 간격을 두고 반사 거울(705)을 배치한다. 상기 반사 거울(705)은 상기 경로 변경면(704)에서 전반사 조건에 의해 전반사가 일어나지 않고 투과되어 나오는 광을 다시 경로 변경면(704)으로 재반사시킨다.

즉, 도 8에서 보는 바와 같이 경로 변경면(704)에서 전반사가 일어나지 못하여 투과하는 광을 반사 거울(705)에 의해 로드 렌즈 안으로 재입사시켜 출사면(703)을 향하도록 함으로써, 광의 손실을 줄일 수 있다.

이상에서와 같이 본 발명에 따른 로드 렌즈에 의하면, 광 축이 변경되는 로드 렌즈의 경로 변경면에 반사 수단을 코팅하거나, 일정한 공기 간격을 두고 반사 수단을 설치함으로써, 상기 경로 변경면에서 전반사 조건에 의해 투과되는 광을 막을 수 있다. 이로 인해, 광의 손실을 줄여 광의 이용 효율을 증가시키고, 보다 밝은 광학계를 구성할 수 있다. 특히 로드 렌즈의 입사면에 밝기 균질도를 갖지 못한 광이 입사되어도 내부 전반사 로드 렌즈의 내부면의 전반사를 이용하여 출사면에서는 밝기 균질도를 갖고 광을 출사시킬 수 있다.

이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다.

따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.

Claims (3)

1. 전반사 조건에 따라 입사되는 광의 경로를 변경시키는 경로 변경면을 갖는 로드 렌즈에 있어서,

   상기 경로 변경면에 일정한 공기 간격을 두고 반사 거울을 설치하고,

   입사면을 통해 상기 경로 변경면으로 입사되는 광이 전반사 조건을 만족하지 않아 상기 경로 변경면에서 반사되지 않고 투과하는 경우 상기 반사 거울에 의해 반사되어 상기 경로 변경면으로 재입사된 후 출사면으로 출사되는 것을 특징으로 하는 로드 렌즈.
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