KR100465099B1 - 초점길이 비율에 대한 큰 역초점길이를 갖는 투사렌즈 - Google Patents

초점길이 비율에 대한 큰 역초점길이를 갖는 투사렌즈 Download PDF

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Abstract

본 발명에는 LCD 또는 DMD에 사용하는 투사렌즈가 제공되었다. 상기 렌즈는 세개의 렌즈로 구성된다. 즉, 음의 배율 및 두개의 비구상 표면을 가지는 최소한 하나의 플라스틱 부품을 가지는 첫번째 렌즈 유니트, 음의 배율 또는 약한 양의 배율 및 최소한 하나의 컬러 보정 이중렌즈를 가지는 두번째 렌즈 유니트 및 양의 배율 및 유리 부품상 또는 약한 플라스틱 부품상에 하나의 비구상 표면을 가지는 세 번째 렌즈 유니트로 구성된다.
상기 투사렌즈는 최소한 3.0의 역초점길이 대 초점길이비를 가지며, 상기 비는 첫번째, 두번째 및 세번째 렌즈 유니트의 배열에 의해 달성된다. 즉:
D12/f0 > 1.0
D23/f0 > 0.7 , 및
1.5 < (D12 + D23 + BFL)/BFL < 4.0
상기에서, f0는 첫번째, 두번째 및 세번째 렌즈 유니트 조합의 유효 초점길이이고; BFL는 투사렌즈의 긴 콘쥬게이트 측면을 따라 무한대에 위치한 대상물에 대한 첫번째, 두번째 및 세번째 렌즈 유니트 조합의 역초점길이이며; D12는 첫번째 및 두번째 렌즈 유니트 사이의 거리이고; D23은 두번째 및 세 번째 렌즈 유니트 사이의 거리이다.

Description

초점길이 비율에 대한 큰 역초점길이를 갖는 투사렌즈
본 발명은 투사렌즈(project lens)에 관한 것으로 특히 액정 디스플레이(LCD) 또는 DMD와 같은 픽셀(pixel)로 구성된 대상물의 화상을 형성하도록 특히 사용될 수 있는 투사렌즈에 관한 것이다.
투사렌즈 시스템(project lens system, 이하 투사시스템이라 함)은 화면(viewing screen)상에 대상물의 화상을 형성하도록 하는데 사용된다. 이러한 시스템의 기본구조가 도 7에 도시되어 있으며, 여기서 10은 텅스텐-할로겐 램프와 같은 빛원이고, 12는 상기 빛원의 화상(이하 발광시스템(illumination system)의 출력(output)이라 함)을 형성하는 발광소자(illumination optics)이고, 14는 투사되는 대상물(즉, LCD패널의 온(on) 및 오프(off) 픽셀(pixel)의 매트릭스)이고, 13은 투사렌즈로서 다수의 렌즈 부품으로 구성되어 화면(16)에 대상물(14)의 확대된 화상을 형성한다. 도 7은 LCD의 경우에 대해 그린 도면이며, 발광시스템의 출력이 이 패널 후면을 친 후 투명한 픽셀을 통과한다. 이에 반하여, DMD에서는 반사후 발광시스템의 출력이 프리즘 또는 유사 장치에 의해 패널의 전면을 거치게 된다.
대상물이 픽셀화된 패널(pixelized panel)인 투사시스템은 데이타 디스플레이(data disply) 시스템을 포함하여 다양하게 응용된다. 이러한 투사시스템은 예를들면 레드, 그린 및 블루 픽셀을 가진 하나의 싱글 패널 또는 각 색상에 대해 한 색상씩 세개의 독립된 패널들의 화상을 형성하는 하나의 투사렌즈를 양호하기로는 사용한다. 몇몇 경우에는 두개의 패널이 사용되어지는데, 두개의 색상(즉, 적색과 그린)중 하나와 한개의 색상(즉, 블루)에 대해 다른 하나로 된 패널이 사용되어진다. 스핀 필터 휠(spinning filter wheel) 또는 이와 유사한 장치가 상기 두개의 색상의 경우 상기 패널과 결합되고, 상기 패널에는 교대로 상기 필터와 동위상(synchrony)으로 두개의 색상에 대한 정보가 입력된다.
최소한 동시에 다음과 같은 특성을 가지는 픽셀화된 패널을 사용하는 투사렌즈에 대한 요구가 있다: (1) 매우 긴 역초점길이(back focal length), 다시 말하면 렌즈의 초점길이보다 최소한 세배이상 큰 역초점길이; (2) 높은 수준의 컬러-보정력(color correction); (3) 낮은 뒤틀림(distortion); (4) 온도 변화에 대해 낮은 감도.
긴 역초점길이, 즉 마지막 렌즈 표면으로부터 상기 픽셀화된 패널까지의 거리는 렌즈시스템이 화면을 향해 조사하는 다른 색상의 광학 경로로부터 빛을 결합시키는데 사용되는 광학 부품들(예를들면, 필터(filter), 빔스프리터(beem splitter), 프리즘(prism)과 유사 부품들)을 수용하기 위해 다중 패널이 사용되어지는 곳에 특히 필요하다. 부가하여, 긴 역초점길이는 발광시스템의 출력이 상대적으로 큰 출력거리에 대해서 발광시스템을 투사렌즈 부근에 있도록 한다. 상대적으로 큰 출력거리는 픽셀화된 패널에서 빛에 대해 상대적으로 작은 입사각을 제공하므로 LCD패널의 경우에 특히 바람직하다.
높은수준의 컬러보정은 컬러수차(color aberration)가 픽셀화된 패널의 화상에서 픽셀의 얼룩 또는 극단적인 경우에는 화상으로부터 픽셀의 완전한 떨어짐(dropping)으로 용이하게 보여질수 있기 때문에 중요하다. 이러한 문제들은 통상 시역(field)의 모서리에서 매우 심하다. 일반적으로 이러한 문제들을 피하기 위해서는 픽셀화된 패널에서 측정되는 색상수차는 하나의 픽셀보다, 특히 바람직하기로는 반개의 픽셀보다 더 좋아야 한다.
상기 시스템의 모든 색수차(chromatic aberration)는 지선컬러(lateral color), 코마(coma)의 색변화 및 비점수차(astigmatism)의 색수차와 함께 역점되어야만 한다. 지선컬러, 즉 컬러에서의 배율 변화가 특히 문제가 되는데, 이는 특히 시역의 가장자리에서 콘트라스트(contrast)의 감소로 나타나기 때문이다. 극단적인 경우에는 전역의 범위에서 레인보우 효과(rainbow effect)가 보여질 수 있다.
음극선관(CTRs)을 사용하는 투사시스템에서 소량(잔류)의 지선컬러는 전기적으로 보상될 수 있다. 예를 들어, 블루 음극선(CTR) 상에서 만들어지는 화상에 대하여 레드 음극선(CTR)의 표면에서 만들어지는 화상의 크기를 축소시킴으로서 보상될 수 있다. 그러나 픽셀화된 패널에 있어서 상기 조작은 화상이 디지탈화되고 전 가시영역에 걸쳐 무리없는 크기의 조정이 불가능하기 때문에 수행되어질 수 없다. 그러므로 투사렌즈에 더 높은 수준의 지선컬러 보정이 요구되어진다.
데이타를 디스플레이하는 픽셀화된 패널을 사용함에 있어서 상의 뒤틀림의 보정에 관한 엄격한 요구사항이 필요하다. 이것은 데이타를 볼 때 렌즈의 화면 영역의 극한점에서도 양질의 화상이 요구되기 때문이다. 분명한 것은, 디스플레이된 수나 문자의 뒤틀림 없는 화상은 시역의 중심에 있을때는 물론 가장자리에 있을때에도 중요하다는 것이다. 더군다나, 투사렌즈는 종종 오프세트(offset)패널과 함께 사용되어지며, 예를들어 도 1의 렌즈는 그러한 용도로 고안된 것이다. 이 경우, 화면의 뒤틀림은 화면의 중심을 관통한 가로선에 대해 대칭적으로 변하지 않고, 예를 들면 화면의 바닥에서 위로 단조롭게 증가할 수 있다. 이러한 효과는 아주 소량의 뒤틀림조차도 상기 화상기에 용이하게 보여지도록 한다.
충분히 밝은 화상을 창출하기 위해서는 상당한 량의 빛이 투사렌즈를 통과해야 한다. 결과적으로, 통상 실내온도와 렌즈조작온도 사이에 상당한 온도차가 존재하게 된다. 또한, 렌즈는 다양한 환경 조건하에서 조작이 가능해야 한다. 예를들면, 투사렌즈 시스템은 종종 기온이 40˚C 이상인 지역의 건물 지붕을 형성하는 방의 천장에 장착되기도 한다. 이러한 효과를 극복하기 위해, 온도 변화에 비교적 덜민감한 광학성을 가진 투사렌즈가 필요하다.
온도 민감성 문제를 해결하기 위한 한가지 방법은 유리로 구성된 렌즈 부품을 사용하는 것이다. 유리 부품의 곡률반경과 굴절률은 통상 플라스틱 부품보다 적게 변화한다. 그러나 유리부품은 통상 플라스틱 부품보다 더 비싸며, 특히 수차조정에 비구형 표면이 필요할 때 더 비싸다. 후술하는 바와 같이, 플라스틱 부품의 배율 및 위치가 적절히 선택되어진다면 플라스틱 부품이 사용되어질 수 있고, 온도 둔감성도 달성될 수 있다.
후술하는 투사렌즈는 전술한 모든 요구사항을 만족시키며, 화면상에 픽셀화된 패널의 양질의 컬러 화상을 형성할 수 있는 저비용의 투사렌즈 시스템을 만들어내는데 성공적으로 사용되어질 수 있다.
픽셀화된 패널을 가진 투사렌즈는 미합중국 특허 제 4,189,211(테일러)호, 미합중국 특허 제 5,042,929(다나카외)호, 미합중국 특허 제 5,179,473(야노외)호, 미합중국 특허 제 5,200,861(모스코비치)호, 미합중국 특허 제 5,218,480(모스코비치)호, 미합중국 특허 제 5,278,698(이즈카외)호, 미합중국 특허 제 5,313,330(베텐스크)호, 미합중국 특허 제 5,331,462(야노)호를 포함한 다수의 특허에 기술되어 있다.
본 발명의 목적은 전술한 4개의 바람직한 특성을 각각 동시에 가지는 픽셀화된 패널을 사용하여 향상된 투사렌즈를 제공하는 데 있다. 상기 목적은 화상측(side)으로부터 대상측까지(즉, 긴 컨쥬게이트(conjugate)측에서 짧은 컨쥬게이트(conjugate)측까지) 순차적으로 다음과 같이 구성된 투사렌즈의 수단으로 달성된다.
(A) 음의 배율(negative power)을 가지며, 적어도 하나의 비구상 표면을 가진 플라스틱 렌즈 부품으로 구성된 첫번째 렌즈 유니트;
(B) 음의 배율 또는 약한 양의 배율(positive power)을 가지며, 컬러보정 이중렌즈(doublet)으로 구성된 두번째 렌즈 유니트;
(C) 양의 배율을 가지며, 유리 부품상 또는 약한 플라스틱 부품상에서 하나의 비구상 표면으로 구성된 세번째 렌즈 유니트;
여기서:
D12/f0 > 1.0 (1)
D23/f0 > 0.7 (2)
1.5 < (D12 + D23 + BFL)/BFL < 4.0, 및 (3)
BFL/f0 > 3.0 (4)
상기에서, f0는 첫번째, 두번째 및 세번째 렌즈 유니트의 조합의 유효 초점길이이고; BFL는 투사렌즈의 긴 콘쥬게이트 측면을 따라 무한대에 위치한 대상물에 대한 첫번째, 두번째 및 세번째 렌즈 유니트의 조합의 역초점길이이며; D12는 첫 번째 및 두번째 렌즈 유니트 사이의 거리이고; D23은 두번째 및 세번째 렌즈 유니트 사이의 거리이다.
한정 (1) 내지 (3)은 투사렌즈의 물리적 구조에 관련한 것이고, 이들이 만족되면 한정 (4)가 달성되어질 수 있으며 높은 수준의 컬러보정과 낮은 뒤틀림을 달성할 수 있다. 몇몇 실시예에서, BFL/f0비(한정(4))는 4.0보다 크며, 다른 실시예에서는 5.0보다도 더 크다.
한정(1) 내지(4)에 부가하여, 투사렌즈는 또한 다음 제한을 더 만족시키는 것이 바람직하다:
Figure pat00001
/f0 > 4.0, (5)
상기에서 EPD란 발광소자로부터 보여지는 것으로 픽셀화된 패널에서 투사렌즈의 입구동공(entrance pupil)까지의 거리이다. 커다란
Figure pat00002
/f0비는 (1)밝고 균일하게 발광된 화상을 얻기 위해서 발광시스템의 출구동공(exit pupil)의 위치 및 크기가 렌즈시스템의 입구동공과 잘 맞아야 하며, (2)발광소자는 통상 출구동공이 빛원으로부터 긴 거리에 위치할 때 최적으로 작동하기 때문에 바람직하다. 또한, 큰
Figure pat00003
/f0비는 발광소자의 빛이 픽셀화된 패널이 최적으로 작동하는 비교적 작은 각에서 픽셀화된 패널을 가로지르게하기 때문에 바람직하다. 몇몇 실시예에서,
Figure pat00004
/f0비는 100 또는 그이상 클 수도 있다.
몇몇 실시예에서, 본 발명의 투사렌즈는 투사렌즈의 반구경 조리개(pseudo-aperture stop)/입구동공으로서 발광시스템의 출력위치를 이용하여 고안되었다(미합중국 특허 제 5,313,330(베텐스키)를 참조요, 이를 본 발명에 참조하였다). 이러한 방법으로 발광시스템의 빛 출력과 투사렌즈 사이에 충분한 커플링(coupling)이 일어난다. 도 1 및 2의 투사렌즈는 이러한 방법으로 고안되었다.
상기 실시예에 따라, 본 발명은 다음의 (a), (b) 및 (c)로 구성되어 대상물의 화상을 형성하는 투사렌즈 시스템을 제공한다.
(a) 빛원 및 빛원의 화상을 형성하는 발광소자로 구성되고, 상기 화상은 발광시스템의 출력인 발광시스템;
(b) 대상물을 구성하는 픽셀화된 패널; 및
(c) 입구동공의 위치가 발광시스템의 출력 위치에 실질적으로 해당하는 입구동공을 가진 상기 투사렌즈로, 전술한 형태의 투사렌즈.
몇몇 실시예에서(예를들면, 도 1 및 2의 투사렌즈), 투사렌즈 시스템의 배율은 (a)두번째 및 세번째 렌즈의 거리 및 (b)첫번째 렌즈 및 픽셀화된 패널의 거리를 일정하게 유지시키면서, 픽셀화된 패널과 두번째 및 세번째 렌즈의 거리를 변화시킴으로써 변화한다.
또한 본 발명의 투사렌즈는 상당히 불투열적(athermal)으로 고안되었다. 후술된 바에 따라, 이는 (1) 축상 빔 높이(axial beam height)가 작은 시스템에서의 지점에서만, 즉 첫번째 렌즈 유니트에서만 상당한 배율을 가진 플라스틱 렌즈 부품을 사용하고; 및 (2) 시스템의 다른 지점에서,즉 세번째 렌즈 유니트에서 단지 약한 플라스틱 부품만을 사용하는 방법에 의해 시행된다. 이 방법에서 온도 변화는 시스템의 전체 광학적 성질에 상당한 영향을 미치지 아니하며, 특히 시스템의 역초점길이에도 상당한 영향을 미치지 않는다.
본 발명의 투사렌즈는 역초점(retrofocus) 형태로 구성되고, 도 1 내지 6 에서 도시된 바와같이 서로 공간지어져 있는 세개의 렌즈 유니트로 구성된다. 예를 들면, 상기 도에서 도시된 렌즈시스템에서, 한 유니트 내의 어느 두 렌즈 부품사이에 최대 공간은 두 유니트 사이의 최소 공간의 30%보다 적고, 여기서 유니트들 사이의 공간(즉, D12 및 D23)은 한 유니트의 최종 표면에서 다음 유니트의 첫번째 표면으로 측정된다. 이러한 약 30% 비율은 도 3의 렌즈시스템에서 일어난다. 다른 모든 렌즈시스템의 경우 상기 비는 10% 미만이다. 상기 렌즈시스템은 높은 수준의 수차-보정과 넓은 가시영역(field of view), 즉, 약 35˚보다 큰 반가시영역( half field of view)으로 특징지어진다.
첫번째 렌즈 유니트는 음의 배율을 가지며, 최소한 하나의 비구상 표면을 갖는 적어도 하나의 플라스틱 렌즈 부품을 가지고 있다. 바람직하기로는, 첫번째 렌즈 유니트는 하나의 플라스틱 렌즈 부품으로 구성되며, 좀더 바람직하게는, 이 싱글 렌즈 부품은 두개의 비구상 표면을 가진다. 하나의 싱글 부품은 첫번째 렌즈 유니트에 대해 더 바람직한데, 이는 첫번째 유니트의 부품이 일반적으로 시스템에서 가장 크므로, 이 부품의 크기를 축소하여 시스템의 전제 비용을 줄일 수 있기 때문이다. 예를 들면, 극도로 넓은 가시영역을 확보하기 위한 한 실시예에서, 첫번째 렌즈 유니트는 두개의 렌즈 부품을 포함할 수 있는데, 바람직하기로는 두 부품 모두 플라스틱으로 구성되며, 둘 다 두개의 비구상 표면을 가진다. 일반적으로 첫번째 렌즈 유니트 및, 특히 그 유니트의 비구상 표면은 상기 설명된 픽셀화된 패널을 사용한 렌즈시스템에서 상당히 잘 보정되어야 할 필요가 있는 시스템의 뒤틀림 보정에 기여한다. 이 뒤틀림 보정은 통상 화상에서 약 1% 보다 더욱 좋다.
두번째 렌즈 유니트 또한 음의 배율(도 1 내지 4 및 6)을 갖거나 또는 약한 양의 배율(도 5)을 갖는데, 여기서 약한 양의 배율이란 배율 P2를 의미하는 것으로서, 이는 첫번째, 두번쩨 및 세번째 렌즈 유니트(P0)의 조합 배율의 약 10% 보다 작으며, 바람직하게는 약 5%보다 더 작다. 두번째 렌즈 유니트는 적어도 하나의 컬러-보정 이중렌즈로 구성되어지며, 경우에 따라서 두개의 컬러-보정 이중렌즈(도 1 및 2)로 구성되어질 수도 있다. 발광시스템의 출력이 두번째 렌즈 유니트 부근에 있으므로, 이 유니트는 발광시스템의 출력 부근에서 발생하는 열을 견뎌낼수 있는 유리 부품만으로 구성되는 것이 바람직하다. 통상적으로 두번째 렌즈 유니트는 오프-축 컬러(off-axis color)의 보정에 기여한다.
세번째 렌즈 유니트는 양의 배율을 가지며, 유리 부품상(도 6)에 또는 약한 플리스틱 부품상(도 1 내지 5)의 비구상 표면으로 구성된다. 여기서, 약한 플라스틱 부품은 그 절대치가 첫번째, 두번쩨 및 세번째 렌즈 유니트(P0)의 조합 배율의 약 5%보다 작은 배율(Pelement)을 가지는 것이다. 약한 플라스틱 부품은, 그것이 사용되어질 때, 보정기 렌즈 부품으로 간주되어질 수 있는데, 이는 그 목적이 시스템에 광학 배율을 제공하는 것과는 대조적으로 렌즈 수차를 보정하는 것이기 때문이다. 세번째 렌즈 유니트는 컬러-보정 이중렌즈를 포함하는 것이 바람직한데, 여기서 전체 시스템은 통상 두개의 컬러-보정 이중렌즈(두번째 렌즈 유니트에 하나 및 세번째 렌즈 유니트에 하나)를 포함하며, 세 개의 컬러-보정 이중렌즈(두번째 렌즈 유니트에 하나 및 세번째 렌즈 유니트에 하나)를 포함할 수도 있다.
첫번째와 세번째 렌즈 유니트의 배율의 크기는 통상 유사하며, 각각은 두번째 렌즈 유니트의 배율 크기보다 상당히 더 크다.
전술한 바와 같이, 상기 발명의 투사렌즈는 불투열처리되어서, 특히 시스템의 역초점길이를 포함하는 시스템의 광학적 특성은 투사렌즈가 실내온도에서 작동온도까지 가열되었을때 크게 변하지 않는다. 더 상세하게 설명하자면, 역초점길이의 변화는 시스템의 변조 전환 기능(modulation transfer function; MTF)을 실질적으로 변화시키는 양보다 더 적은 것이 바람직하다. 예를들면, 변조 전환 기능(MTF)의 변화는 약 5% 보다 작아야 한다. 후술된 상세한 실시예에서, 이 변조 전환 기능(MTF)의 특징은 약 0.1밀리미터보다 작은 역초점길이의 변화와 일치한다. 렌즈 초점의 바람직한 열적 안정화는 플라스틱 렌즈 부품의 선택 및 배치를 통해 얻어진다.
통상적으로, 플라스틱 렌즈 부품의 사용은 플라스틱 광학 재료의 굴절률이 온도에 민감하게 변화하는 약점을 가진다. 또한 크기의 변화, 즉, 온도에 따라 플라스틱 광학 재료가 팽창 또는 수축한다. 일반적으로 이 후자의 영향이 굴절률에 있어서의 변화보다 덜 중요하다.
만일 렌즈에 낮은 배율의 플라스틱 부품만을 사용한다면, 플라스틱 광학성의 열적 변화와 플라스틱 또는 알루미늄으로 된 시스템의 기계 성분들(예를들면, 열적으로 발생한 초점 변화의 중요한 기계상의 원인이 되는 렌즈 배럴(barrel))에서의 열적 변화사이에서 균형을 얻을 수 있다. 하나의 고안에서 광학적 플라스틱의 비제한된 사용, 즉 적어도 몇몇은 비교적 높은 배율의 플라스틱 렌즈 부품을 사용함으로써 상기 플라스틱 렌즈 부품이 쉽게 주조될 수 있기 때문에, 비구상 표면이 특별한 렌즈 고안의 성능을 극대화하는데 사용되어질 수 있다는 점에서 잇점이 있다. 또한 비교적 높은 배율의 플라스틱 부품의 사용은 전체적으로 더 적은 비용을 갖는 렌즈를 생산하게 한다.
만일 최종적인 플라스틱 광학 배율이 상당하다면, 불투열화가 수행되어질 필요가 있거나 또는 실내온도에서 그 작동온도까지 렌즈의 온도가 변화함에 따라 렌즈의 초점도 상당히 변화할 것이다. 특히 화면까지 많은 양의 빛을 투과시켜야만 하며, 실내온도보다 상당히 높은 작동온도를 갖는 투광기(projector)에 있어서 그러하다.
상기 발명의 투사렌즈에 대하여, 불투열화는 플라스틱 렌즈 부품의 한계광선높이(marginal ray heights)뿐만 아니라, 위치와 배율을 고려함으로서 얻어진다
상기 부품이 견뎌낼 온도 변화량 및 부품의 굴절률에 발생하는 변화때문에 플라스틱 렌즈 부품의 위치가 중요하다. 통상적으로, 빛원 또는 빛원의 화상에 근접해 있는 부품들은 온도 변화에 더 크게 영향받는다. 사실상, 빛원 및 그에 관련된 발광 소자 작동으로 투사렌즈가 위치한 지역의 온도 분포를 측정하며, 상기 측정치는 투사렌즈의 고안에 사용된다.
주어진 열적 변화에 대해, 특별한 플라스틱 렌즈 부품에서 한계광선높이는 렌즈의 전체 열적 안정성에 대하여 부품의 굴절률의 변화가 상당할 것인지 아닌지를를 결정한다. 통상적으로, 한계광선높이가 작은 부품들은 한계광선높이가 큰 부품들에 비해 시스템의 전체 열적 안정성에 미치는 효과가 더 작다.
전술한 고려사항에 기초하여, 상기 발명의 투사렌즈의 불투열화는 (1)한계 광선높이가 큰 위치에서 낮은 배율의 플라스틱 렌즈 부품의 사용, (2)한계광선높이가 작은 위치에서 높은 배율의 플라스틱 렌즈 부품의 사용, 및 (3)발광시스템의 출력이 있는 두번째 렌즈 유니트로부터 플라스틱 부품을 분리함으로써 얻어진다.
얻어진 불투열화의 정도는 다음과 같은 전산화된 렌즈 고안 프로그램을 사용하여 바람직하게 활용된다. 첫째, 첫번째 온도 분포에서 광선 자취(ray trace)가 얻어지고, 역초점길이가 계산된다. 광선 자취는 한계광선에 대한 병렬의 광선 자취가 될 수 있다. 둘째, 두번째 온도 분포에서 같은 광선 자취가 얻어지고, 다시 역초점길이가 계산된다. 첫번째와 두번째 온도 분포는 전 렌즈에 걸쳐 일정할 필요는 없고, 통상 렌즈 부품마다 변할 수 있다. 렌즈 고안 프로그램을 사용하여 시스템의 고안이 활용되어질 때, 역초점길이는 계산된 일정한 값을 갖는다.
전술한 내용에서, 시스템의 온도가 변화할 때 투사렌즈 및 픽셀화된 패널에 대한 기계 접경판(mechanical mounts)이 마지막 렌즈 표면과 패널사이의 거리를 상당히 일정하게 유지시킴을 가정하고 있음을 인지해야 한다. 만일 그러한 가정이 정당화되지 않는다면, 불투열화(예를들면, 기계 접경판의 상대적 이동에 대한 측정치)를 수행하기 위해 만들어질 수 있는 다른 설비들은 그 과정이나 또는 기계상 고정되었다고 가정할 수 있는 교차거리(alternate distance)(예를 들면, 전면 렌즈 표면과 패널 사이의 거리)에 포함되어질 수 있다.
긴 역초점길이, 높은 컬러-보정 정도, 낮은 뒤틀림 및 낮은 온도 민감성에 덧붙여, 몇몇 적용에서는 짧은 초점길이를 갖는 투사렌즈를 얻고자 하며, 그래서 픽셀화된 패널의 배율은 적절한 수준으로 달성될 수 있다. 특히, 픽셀화된 패널이 DMD일 때 그러한 짧은 초점 길이를 갖는 렌즈가 요구되는데, 이 DMD는 통상 특징적인 용적(예를 들면,약 20밀리미터보다 작은 사선(Diagonal))을 갖는다. 도 3 내지 6의 투사렌즈는 20밀리미터보다 작은 초점길이를 가지므로, DMD에 사용하기에 적합하다. 반대로, 도 1 내지 2의 렌즈는 50밀리미터 이상의 초점길이를 가지므로, LCD에 사용하기에 더 적합하다. 도 1 내지 2의 컬러-보정은 도 3 내지 6의 컬러-보정보다 다소 좋은 경향이 있는데, 특히 픽셀 크기에 관련하여 더 좋으며, 이는 LCD(도 1 내지 2)의 픽셀 크기가 DMD(도 3 내지 6)의 픽셀 크기보다 통상 더 크기 때문이다.
도 1 내지 6은 본 발명에 따라 제조된 다양한 투사렌즈를 도시하고 있다. 해당되는 일반적 특성 및 광학 특성은 표1 내지 6에 있다. HOYA 또는 SCHOTT라는 명칭은 렌즈시스템에 사용된 유리를 위해 사용되었다. 다른 제조자에 의해 제조된 동등한 유리도 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있다. 산업적으로 적용가능한 재료가 플라스틱 부품을 위해 사용된다. 표에 설명된 비구상 계수(aspherical coefficient)는 하기 수학식 I에 사용된다.
[수학식 I]
Figure pat00005
상기 수학식에서 z는 시스템의 광학축(optical axis)으로부터 y의 거리에서의 표면 휨(sag)이고, c는 광학축에서 렌즈의 곡률(curvature)이고 k는 원추 상수(conic constant)이다.
표에 사용된 약어는 다음과 같다.
EFL: 유효초점길이(effective focal length)
FVD: 정면 정점 길이(front vertex distance)
f/: f-수(f-number)
ENP: 긴 콘쥬게이트로부터 보여지는 입구 동공(entrance pupil)
EXP: 긴 콘쥬게이트로부터 보여지는 출구 동공(exit pupil)
BRL: 배럴길이(barrel length)
OBJ HT: 대상물 높이(object height)
MAG: 배율(magnification)
STOP: 구경 조리개 위치(location of aperture stop)
IMD: 화상거리(image distance)
OBD: 대상물 거리(object distance)
OVL: 전체길이(overall length)
표에서 다양한 표면과 관련한 표시 "a"는 비구상 표면, 즉 상기 수학식에서 D, E, F, G, H 또는 J중 최소한 하나는 0이 아닌 표면을 의미한다. 표시 "c"는 상기 수학식에서 K값이 0이 아닌 원뿔 표면을 의미한다. 표에 있는 모든 수치는 밀리미터이다. 표는 도면에서 빛이 왼쪽에서 오른쪽으로 간다는 가정하에 기재되었다. 실질적으로, 화면은 왼쪽에 있을 것이고 빛은 오른쪽에서 왼쪽으로 갈 것이다. 픽셀화된 패널은 상기 도에서 "PP" 표시된다.
표 1 및 2에서, 첫번째 렌즈 유니트(U1)는 표면 1 내지 2로 구성되고 두번째 렌즈 유니트(U2)는 표면 3 내지 10으로 구성되며, 세번째 렌즈 유니트(U3)는 표면 11 내지 17로 구성된다. 표면 18 내지 19는 렌즈시스템의 후면 말단에서 유리판(예를 들면, 보호판)에서 나타난다. 그것은 렌즈시스템의 일부가 아니며, 그것이 표 1 및 2의 일차적 성질 계산에 포함될지라도 표 7 및 8에 설명된 렌즈 성질의 요약에 포함되지 않는다.
표 3에서, 첫번째 렌즈 유니트(U1)는 표면 1 내지 4로 구성되고 두번째 렌즈 유니트(U2)는 표면 5 내지 7으로 구성되며, 세번째 렌즈 유니트(U3)는 표면 9 내지 15로 구성된다. 표면 16 내지 18은 프리즘에 나타나고 렌즈시스템의 후면 말단에 위치하는 DMD 성분들과 관련이 있다. 이 성분들은 렌즈시스템의 일부가 아니며, 그것이 표 3의 일차적 성질 계산에 포함될지라도 표 7 및 8에 설명된 렌즈 성질의 요약에 포함되지 않는다.
표 4 내지 5에서, 첫번째 렌즈 유니트(U1)는 표면 1 내지 2로 구성되고 두 번째 렌즈 유니트(U2)는 표면 3 내지 5으로 구성되며, 세번째 렌즈 유니트(U3)는 표면 7 내지 13로 구성된다. 표 3에서와 같이, 표면 14 내지 16은 렌즈시스템의 뒤쪽 말단에 위치하는 DMD 성분들을 나타나며, 이것은 표 7 및 8에 설명된 렌즈 성질의 요약에 포함되지 않고 표 4 내지 5의 일차 성질 계산에 포함된다.
표 6에서, 첫번째 렌즈 유니트(U1)는 표면 1 내지 2로 구성되고 두번째 렌즈 유니트(U2)는 표면 3 내지 5으로 구성되며, 세번째 렌즈 유니트(U3)는 표면 7 내지 11로 구성된다. 표 3 내지 5에서와 같이, 표면 12 내지 14는 DMD 성분들이며, 이것은 표 7 및 8에 포함되지 않고 표 6의 일차 성질 계산에 포함된다.
상기 설명된 바와 같이, 도 1 및 2의 투사렌즈는 미합중국 특허 제 5,313,330(베텐스키)의 반구경 조리개(pseudo-aperture stop)/입구 동공(entrance pupil) 기술을 이용하여 고안되어졌다. 표 1 및 2의 표면 20은 반구경 조리개를 구성한다. 그 위치는 발광시스템의 출력 위치와 일치한다. "가변 공간(Variable Spaces)"로 명명된 보충표에서 볼수 있듯이, 반구경 조리개에서 픽셀화된 패널까지의 거리, 즉 "화상거리(Image Distance)"는 투사렌즈 시스템의 모든 초점위치(배율)에 대해 필수적으로 일정해야 한다.
또한 상기 설명된 바와 같이, 도 1 및 2의 투사렌즈는 픽셀화된 패널에 대하여 첫번째 렌즈 유니트가 고정되도록 지지하고 패널에 관계한 하나의 그룹으로서 두번째 및 세번째 유니트를 움직임으로써 초점을 맞출 수 있다. 전체 투사렌즈가 선택적으로 이동될 수 있으므로, 첫번째 렌즈 유니트가 그 일정한 자리에서 뒤로 옮겨졌다. 표 1 및 2에서 보여지는 바와 같이, 두번째 및 세번째 렌즈 유니트의 자리옮김은 5 내지 10밀리미터의 거리를 통하여 약 6배의 배율 변화를 야기시킨다. 도 3 내지 6의 투사렌즈는 픽셀화된 패널과 관련있는 전체 렌즈를 옮김으로써 초점을 맞출 수 있다.
표 7 및 8은 상기 발명의 투사시스템의 다양한 성질을 요약하고 있다. 상기 표에서 나열된 값들은 첫번째, 두번째 및 세번째 렌즈 유니트에 대한 것이고 표 1내지 6에서 보여지는 이들 유니트들 이후의 광학 부품들을 포함하지 않는다. BFL값은 시스템의 긴 콘쥬게이트사이의 무한대에서 대상물에 대해 계산된 것이다. 표 7의 EPD값은 이 EPD값이 "가변 공간" 보충표가 있는 표 1 및 2를 제외하고 그 이전 표의 EXP값과 일치한다는 것을 주의해야 한다.
표 8에서 보여지는 바와 같이, 렌즈시스템 1내지 6의 각각은 상기 설명된 한정(1)에서 (5)를 만족시킨다. 부가하여, 이 표는 D12 대 D23 의 비율이 본 발명의 렌즈시스템에서 다음과 같은 범위에 있음을 보여준다:
1.0 < D12/D23 < 2.5
본 발명의 실시예가 기술되고 예시되었으나 본 발명의 범주를 벋어나지 않고 전술한 것으로부터 본 발명에 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 다양하게 변형할 수 있을 것이다.
Figure pat00006
Figure pat00007
Figure pat00008
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
Figure pat00012
Figure pat00013
Figure pat00014
Figure pat00015
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
전술한 바와 같이, 본 발명의 투사렌즈는 액정 디스플레이(LCD) 또는 DMD와 같은 픽셀로 구성된 대상물의 화상을 형성하는데 우수한 특성을 갖는다.
도 1-6은 상기 발명에 따라 고안된 투사렌즈의 도식적인 측면도이다.
도 7은 본 발명의 투사렌즈가 사용되어질수 있는 전체 투사렌즈 시스템을 보여주는 도식도이다.

Claims (26)

  1. 대상물의 화상을 형성하기 위한 상기 투사렌즈로서, 화상의 말단에서 대상물의 말단까지 순차적으로 구성된
    (A) 적어도 하나의 비구상 표면을 가지는 플라스틱 렌즈 부품으로 구성되며, 음의 배율(negative power)을 가지는 첫번째 렌즈 유니트;
    (B) 컬러-보정 이중렌즈(color correcting doublet)로 구성되며, 음의 배율 또는 약한 양의 배율(positive power)을 가지는 두번째 렌즈 유니트; 및
    (C) 유리 부품이나 약한 플라스틱 부품상에 하나의 비구상 표면으로 구성되며, 양의 배율을 가지는 세번째 렌즈 유니트;를 포함하되,
    D12/f0 > 1.0 이고,
    D23/f0 > 0.7 이며,
    1.5 < (D12 + D23 + BFL)/BFL < 4.0 이고,
    BFL/f0 > 3.0 이며,
    여기서:
    (i) f0는 첫번째, 두 번째 및 세번째 렌즈 유니트 조합의 유효초점길이이고,
    (ii) BFL은 투사렌즈의 긴 콘쥬게이트 사이드를 따라 무한대에 위치한 대상물에 대한 첫번째, 두번째 및 세번째 렌즈 유니트 조합의 역초점길이이며,
    (iii) D12는 첫번째와 두번째 렌즈 유니트 사이의 거리이고,
    (iv) D23은 두번째와 세번째 렌즈 유니트 사이의 거리인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 BFL/f0 > 4.0인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 BFL/f0 > 5.0인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  4. 제 1항에 있어서, 상기
    Figure pat00020
    /f0 > 4.0 이며, EPD는 대상물에서 화상까지 관통하는 빛에 대한 대상몰에서 투사렌즈의 입구 동공까지의 거리인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  5. 제 4항에 있어서, 상기
    Figure pat00021
    /f0 > 100.0인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  6. 제 1항에서 있어서, 적어도 두개의 비구상 표면으로 구성된 첫번째 렌즈 유니트의 투사렌즈.
  7. 제 1항에서 있어서, 하나의 싱글 렌즈 부품으로 구성된 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  8. 제 1항에서 있어서, 상기 싱글 렌즈 부품은 두개의 비구상 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  9. 제 1항에서 있어서, 상기 첫번째 렌즈 유니트는 두 개의 렌즈 부품으로 구성된 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  10. 제 9항에서 있어서, 상기 두개의 렌즈 부품은 각각 두 개의 비구상 표면을 갖는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  11. 제1항에서 있어서, 상기 두 번째 렌즈 유니트는 두 개의 컬러-보정 이중렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  12. 제1항에서 있어서, 상기 두 번째 렌즈 유니트는 오직 유리 렌즈 부품으로만 구성된 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  13. 제1항에서 있어서, 상기 세번째 렌즈 유니트는 하나의 컬러-보정 이중 렌즈로 구성된 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  14. 제1항에서 있어서, 렌즈가 실내온도에서 작업온도까지 가열되었을때 BFL이 많이 변하지 않는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  15. 제1항에서 있어서, f0 가 20 밀리미터보다 작은 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  16. 제1항에 있어서, 1.0 < D12/D23 < 2.5인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  17. 제 1항에서 있어서, 화상에 있어서 약 1%보다 작은 뒤틀림을 가진 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  18. 제1항에서 있어서, 약 35˚보다 큰 화상의 방향에서 반가시영역을 가진 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  19. 제1항에서 있어서, 대상물이 픽셀화된 패널인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  20. 제19항에서 있어서, 대상물에서 대략 하나의 픽셀보다 적은 측면 색채-수차를 가진 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  21. 대상물의 화상을 형성하기 위한 투사렌즈 시스템으로서,
    (a) 빛원과, 당해 발광시스템의 출력인 빛원의 화상을 형성하는 발광 광학기를 포함하는 발광시스템;
    (b) 대상물을 구성하는 픽셀화된 패널; 및
    (c) 제 1항에 따른 투사렌즈;를 포함하되,
    상기 투사렌즈는 그 위치가 발광시스템의 출력 위치에 상당히 근접해 있는 입구동공을 가진 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  22. 대상물의 화상을 형성하는 다양한 배율의 투사렌즈 시스템으로서,
    (A) 빛원과, 당해 발광시스템의 출력인 상기 빛원의 화상을 형성하는 발광 광학기를 포함하는 발광 시스템;
    (B) 상기 대상물로 구성되는 픽셀화된 패널; 및
    (c) (i) 적어도 하나의 비구상 표면을 가지는 플라스틱 부품으로 구성되며 음의 배율을 가지는 첫번째 렌즈 유니트;
    (ii) 하나의 컬러-보정 이중렌즈로 구성되며 음의 배율 또는 약한 양의 배율을 가지는 두번째 렌즈 유니트; 및
    (iii) 유리 부품이나 약한 플라스틱 부품상에 하나의 비구상 표면으로 구성되며 양의 배율을 가지는 세번째 렌즈 유니트를 포함하는 투사렌즈;를 포함하고,
    상기 투사렌즈 시스템의 배율은 두번째와 세번째 렌즈 유니트사이의 거리 및 첫번재 렌즈 유니트와 픽셀화된 패널 사이에 일정한 거리를 유지시키면서 픽셀화된 패널과 두번째 및 세번째 렌즈 유니트사의 거리를 변화시킴으로써 변화되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  23. 대상물의 화상을 형성하기 위한 투사렌즈로서, 화상의 말단에서 대상물의 말단까지 순차적으로 구성된
    (A) 플라스틱만으로 구성된 첫번째 렌즈 유니트;
    (B) 상기 첫번째 렌즈 유니트로부터 공극으로 이격되며, 다수개의 유리 렌즈부품으로 구성된 두번째 렌즈 유니트; 및
    (C) 상기 두번째 렌즈 유니트로부터 공극으로 이격되며, 다수개의 유리 렌즈부품으로 구성된 세번째 렌즈 유니트;를 포함하되,
    D12/f0 > 1.0 이고,
    여기서,
    (i) f0는 첫번째, 두번째 및 세번째 렌즈 유니트 조합의 유효초점길이이고,
    (ii) D12는 첫번째와 두번째 렌즈 유니트 사이의 거리인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  24. 제23항에 있어서, 상기 첫번째 렌즈 유니트의 최대 투명구경은 두번째 및 세번째 렌즈 유니트의 최대 투명구경보다 큰 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  25. 대상물의 화상을 형성하기 위한 투사렌즈 시스템으로서,
    (a) 빛원과, 당해 발광시스템의 출력인 상기 빛원의 화상을 형성하는 발광 광학기를 포함하는 발광시스템;
    (b) 대상물을 구성하는 픽셀화된 패널; 및
    (c) 제23항에 따른 투사렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  26. 제23항에 있어서, 상기 첫번째 렌즈 유니트는 투사렌즈의 비틀림을 보정하는 적어도 하나의 비구면을 갖는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
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