KR100531010B1 - 광각 투사 렌즈 - Google Patents

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KR100531010B1
KR100531010B1 KR10-2003-0085491A KR20030085491A KR100531010B1 KR 100531010 B1 KR100531010 B1 KR 100531010B1 KR 20030085491 A KR20030085491 A KR 20030085491A KR 100531010 B1 KR100531010 B1 KR 100531010B1
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Abstract

본 발명은 광각 투사 렌즈를 개시한다.
본 발명은 물체측으로부터 순서대로, 부의 굴절력을 가지며, 4매의 렌즈로 이루어지는 제1 렌즈군; 및 정의 굴절력을 가지며, 적어도 1매의 접합 렌즈를 포함하는 제2 렌즈군을 포함하고, 상기 제1 렌즈군에 적어도 1매 이상의 비구면 렌즈와 적어도 1매 이상의 정의 굴절력을 가지는 구면 렌즈가 포함된다. 상기 제2 렌즈군의 물체측으로부터의 첫번째 렌즈 다음에 조리개가 위치되어 있으며, , , (f: 투사 렌즈의 초점 거리, fb: 투사 렌즈의 후초점 거리, f1 : 제1 렌즈군의 초점거리, f2: 제2 렌즈군의 초점거리, Lf: 제1 렌즈군의 두께, Lr: 제2 렌즈군의 두께, D12 : 제1 렌즈군과 제2 렌즈군 사이의 거리)의 조건을 만족한다.
이러한 본 발명에 따르면, 긴 후초점 거리와 넓은 화각을 확보하면서 광학 성능이 뛰어난 광각 투사 렌즈를 제공할 수 있다.

Description

광각 투사 렌즈{WIDE-ANGLE PROJECTION LENS}
본 발명은 투사 렌즈에 관한 것으로, 더욱 상세하게 말하자면, 프로젝션 디스플레이용 광각 투사 렌즈에 관한 것이다.
최근에는 제품이 대형화와 함께 단위 부품의 초소형화 및 고정밀화되고 있는 추세이며, 이에 따라 디스플레이에 대해서도 고화질 대화면으로의 진보가 꾸준히 진행되고 있다. 특히, 프로젝션 디스플레이는 평판 디스플레이에 비하여 상대저으로 세트(set)의 두께가 크고, 화질 등이 떨어지기 때문에 이를 보완하기 위하여 보다 높은 기술적 수준이 요구되고 있다. 이러한 요구에 따라 프로젝션 디스플레이에 사용되는 투사 렌즈를 프로젝션 TV나 모니터의 두께를 최소화하기 위하여 짧은 투사 거리에 따른 광각화가 가능하도록 하는 것이 필수적 요건이 되고 있다.
프로젝션 디스플레이는 조명 광학계를 통해 형성된 일정한 광분포의 에너지를 표시 패널에 조사시키고, 투사 렌즈를 통하여 표시 패널의 상을 확대하는 시스템이므로, 투사 렌즈의 밝기나 중심 및 주변의 조도비가 TV나 모니터의 밝기와 조도에 직접적인 영향을 준다. 따라서, 투사 렌즈에 대해서는 낮은 F 넘버와 높은 수준의 주변 광량비가 요구된다.
이러한 요건을 만족시키기 위하여 개발된 종래의 투사 렌즈로는 다음과 같은 것들이 있다.
1) 일본 특허 공개 공보 1993-203871
2) 일본 특허 공개 공보 1995-311338
3) 일본 특허 공개 공보 2003-15033
4) 일본 특허 공개 공보 2003-35870
5) 일본 특허 공개 공보 2003-156683
6) 미국 특허 번호 5973848
7) 미국 특허 번호 5644435
위에 기술된 종래 기술 중 1)에 개시된 투사 렌즈는 단지 구조의 간단화만을 개시하였으며, 2)에 개시된 투사 렌즈는 다소 구조가 복잡하지만 보다 향상된 광학 성능을 제공하였다. 그러나 2)의 투사 렌즈는 최근에 요구되는 고분해능이나 TV 등의 두께를 감소시키기 위한 어떠한 수단도 개시하지 않고 있다.
또한, 3) 및 4)에 개시된 투사 렌즈는 광학계의 회전 대칭성을 깨뜨리면서 TV나 모니터의 두께를 감소시킬 수 있는 구조를 제시하고 있으나, 감소되는 두께에 비하여 광학계의 구조가 너무 복잡할 뿐만 아니라, 조립 민감도의 급격한 증가, 설계 성능의 저하, 비용 부담 증가 등의 단점이 있다. 특히, 이러한 단점에 따라 제품화될 경우 그 효용성이 매우 낮은 것으로 평가되고 있다.
이러한 종래 기술들에 비하여, 5)에 개시된 투사 렌즈는 광학화가 가능한 구조를 제시하고 있다. 그러나, 프로젝션 디스플레이에서 요구되는 색수차 보정이 적절하게 이루어지지 않아서, 색번짐 등이 발생하는 단점이 있다.
6)에 개시된 투사 렌즈는 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군과 정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군 및 제3 렌즈군으로 이루어지며, 제1 렌즈군과 제3 렌즈군에 비구면 렌즈가 포함되어 있다. 7)에 개시된 투사 렌즈는 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군과 부의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군으로 이루어진다. 그러나, 6) 및 7)에 개시된 투사 렌즈도 여전히 색수차 보정이 적절하게 이루어지지 않는다.
한편, 투사 렌즈는 확대해야 할 상의 크기(패널의 크기), 렌즈의 밝기, 및 확대 배율 등에 따라 그 크기와 성능에 큰 차이가 발생한다. 일반적으로 0.5"∼1" 사이의 패널 크기를 고려할 때, 화면 방향쪽의 렌즈의 크기는 50㎜∼100㎜ 정도가 되어 가격이 상승된다. 또한, 긴 후초점 거리를 확보하면서 투사 렌즈의 소형화를구현하기 위하여 투사 렌즈를 리트로포커스(retrofocus) 형태의 광학계로 구성한다. 리트로포커스 광학계는 일반적으로 부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군과 정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군으로 구성되며, 특히, 광각과 긴 후초점 거리가 요구되는 경우에는 제1 렌즈군의 부의 굴절력이 매우 강하게 설정된다. 그러나 부의 굴절력 강하에 따라 왜곡과 배율 색수차가 증가되며, 이러한 수차를 보정하는 것은 용이하지가 않다. 종래에는 이와 같이 발생되는 수차를 보정하기 위하여, 제1 렌즈군의 렌즈 매수를 증가시키면서 제1 렌즈군에 정의 굴절력을 가지는 볼록 렌즈를 배치시켜, 제1 렌즈군 자체에서 왜곡과 배율 색수차를 어느 정도 보정하도록 하는 방법을 사용하였다. 이외에도, 제1 렌즈군에 비구면 렌즈를 사용하여 렌즈 매수의 증가를 최소화시키면서 왜곡 수차를 보정하는 방법을 사용하였다.
그러나, 이러한 방법들은 긴 후초점 거리와 넓은 화각을 확보하기 위하여 렌즈 매수 증가 및 렌즈의 비구면화가 발생되기 때문에, 광학계의 크기가 커지게 되고, 중량 또한 증가하게 되며, 중량 및 구경의 증가에 따라 제조 코스트 또한 증가하게 된다.
또한, 렌즈의 매수를 증가시키는데에는 한계가 있기 때문에 수차가 적절하게 보정되지 않는 경우가 발생하며, 비구면 렌즈를 사용하는 경우에는 왜곡 수차의 보정이 용이하게 이루어지지만 색수차의 보정은 여전히 어려운 문제점이 있다.
한편, 프로젝션 TV의 경우 고스트(ghost)나 내면 반사에 의하여 화질 저하가 발생되고, 컨트라스트(contrast) 저하에 큰 영향을 주기 때문에, 표시 패널별 특성을 고려한 광학계 설계가 이루어져야 한다. 특히, DMD(digital micromirror display)와 같은 반사형 패널에서는 조명계에서 패널로 입사된 광이 패널에서 반사되어 투사 렌즈로 입사될 때, 투사 렌즈 표면에서 다시 반사되는 반사광이 패널로 재입사하여 화면의 특정 부위나 또는 화면 전체의 하질을 저하시킬 수 있다. 따라서, 투사 렌즈 설계시에 이러한 재반사 광이 최소화될 수 있도록 하는 것이 요구되고 있다.
그러므로, 본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 긴 후초점 거리와 넓은 화각을 확보하면서 수차 보정이 용이하고, 저코스트 및 소형화가 용이한 광각 투사 렌즈를 제공하는데 있다.
또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 렌즈의 형상이나 굴절력 배치가 적절하게 이루어져 조명계에서 입사되는 광을 가능한 반사시키지 않는 투사 렌즈를 제공하는데 있다.
이러한 발명의 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 특징에 따른 광각 투사 렌즈는, 물체측으로부터 순서대로, 부의 굴절력을 가지며, 4매의 렌즈로 이루어지는 제1 렌즈군; 및 정의 굴절력을 가지며, 적어도 1매의 접합 렌즈를 포함하는 제2 렌즈군을 포함한다. 상기 제1 렌즈군에 적어도 1매 이상의 비구면 렌즈와 1매 이상의 정의 굴절력을 가지는 구면 렌즈가 포함되고, 상기 제2 렌즈군의 물체측으로부터의 첫번째 렌즈 다음에 조리개가 위치되어 있으며, , , (f: 투사 렌즈의 초점 거리, fb: 투사 렌즈의 후초점 거리, f1 : 제1 렌즈군의 초점 거리, f2: 제2 렌즈군의 초점 거리, Lf: 제1 렌즈군의 두께, Lr: 제2 렌즈군의 두께, D12 : 제1 렌즈군과 제2 렌즈군 사이의 거리)를 만족한다.
이러한 특징을 가지는 광각 투사 렌즈는 (AV_Ndf: 제1 렌즈군의 렌즈 중 부의 굴절력을 가지는 렌즈들의 굴절률 평균). 또는 의 조건을 더 만족할 수 있다.
본 발명의 다른 특징에 따른 광각 투사 렌즈는, 물체측으로부터 순서대로, 부의 굴절력을 가지며, 4매의 렌즈로 이루어지는 제1 렌즈군; 및 정의 굴절력을 가지며, 적어도 1매의 접합 렌즈를 포함하는 제2 렌즈군을 포함한다. 상기 제1 렌즈군에 적어도 1매 이상의 비구면 렌즈와 1매 이상의 정의 굴절력을 가지는 구면 렌즈가 포함되고, 상기 제2 렌즈군의 물체측으로부터의 첫번째 렌즈 다음에 조리개가 위치되어 있으며, , G8: 상측에 세번째로 가까운 렌즈, G9: 상측에 두번째로 가까운 렌즈, G10 : 상측에 첫번째로 가까운 렌즈, R1 : 각 렌즈의 물체측면 곡률 반경, R2 : 각 렌즈의 상측면의 곡률 반경)의 조건을 만족한다.
이러한 특징을 가지는 광각 투사 렌즈는, ( L8은 : 상측에 세번째로 가까운 렌즈의 상측면에서부터 상면까지의 거리), 또는 , 또는 (Vd9: 상측에 두번째로 가까운 렌즈의 분산값, Vd10 : 상면측에 가장 가까운 렌즈의 분산)의 조건을 더 만족할 수 있다.
이러한 특징을 가지는 광각 투사 렌즈들에서, 상기 제1 렌즈군과 상기 제2 렌즈군 사이에 미러가 위치되어, 상기 제1 렌즈군을 통하여 출사되어 진행하는 광의 경로가 변환되도록 할 수 있다.
본 발명의 또 다른 특징에 따른 광각 투사 렌즈는 물체측으로부터 순서대로,부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군; 및 정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군을 포함하고, 상기 제1 렌즈군은 물체측으로부터 각각 부, 부, 부, 정의 굴절력을 가지는 4매의 렌즈로 이루어지고, 상기 렌즈 중 적어도 1매의 렌즈가 비구면 렌즈이며, 상기 제2 렌즈군은 적어도 1매의 접합 렌즈를 포함하고, 상기 제2 렌즈군의 물체측으로부터의 첫번째 렌즈와 두번째 렌즈 사이에 조리개가 위치되어 있다.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있는 가장 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조로 하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 3에 본 발명의 각 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 구조가 줌위치별로 도시되어 있다.
첨부한 도 1 및 도 3에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 광각 투사 렌즈는, 물체측으로부터 순서대로 위치되는 부(negative)의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군(Ⅰ), 및 정(positive)의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군(Ⅱ)으로 이루어진다. 제1 렌즈군(Ⅰ)과 제2 렌즈군(Ⅱ) 사이에 광로를 변환하는 기능을 수행하는 미러(도시하지 않음)가 위치될 수 있다.
제1 렌즈군(Ⅰ)은 적어도 1매 이상의 비구면 렌즈와 구면 렌즈를 포함한다. 그리고, 제2 렌즈군(Ⅱ)의 첫번째 렌즈 다음에 조리개(A)가 위치되어 있다.
각 렌즈군을 구성하는 렌즈의 매수 및 그 형상은 실시예별로 다르며, 구체적인 렌즈군의 구성에 대한 설명은 이하에서 실시예별로 기술한다. 한편, 본 발명에서 물체측이라는 것은 투사 렌즈를 통하여 투사될 화상이 표시되는 화면측을 나타낸다.
다음에는 이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 작용에 대하여 설명한다.
본 발명의 실시 예에 따른 투사 렌즈는 광원과, 조명 광학계, 반사형 패널을 포함하는 프로젝션 디스플레이에 사용되는 렌즈로서, 다수의 반사형 미러로 구성된 패널에 형성된 상을 확대 투사하여 대화면 고화질의 화상을 표현하는 배면 투사형렌즈이다.
본 발명의 실시 예에서는 물체측으로부터 정의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군(Ⅰ)을 배치하고 이어서 정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군(Ⅱ)을 배치하였으며, 특히, 제1 렌즈군(Ⅰ)에 적어도 1매 이상의 비구면 렌즈를 배치하여 제1 렌즈군(Ⅰ)의 렌즈들의 크기가 적정 크기가 되도록 하였다.
보다 구체적으로 설명하면, 프로젝션 TV나 모니터에서는 색번짐 이외에 왜곡 수차의 제어가 광학계 설계의 중요한 인자이다. 4:3 또는 16:9 등의 사각 프레임을 통하여 보여지는 화상에서 발생되는 화면의 왜곡 현상은 디스플레이 제품의 품질을 급격하게 떨어뜨리는 요인이 된다. 그러므로, 화면의 왜곡 현상이 통상 1% 정도가 되도록 제어하지만, 본 발명의 실시 예에서는 0.2% 정도 이내의 화면 왜곡 현상만이 발생하도록 하여, 70" 이상의 대형 화면에서도 상의 왜곡 현상이 거의 없는 광학계 구성이 이루어지도록 하였다. 이를 위하여, 제1 렌즈군(Ⅰ)에 비구면 렌즈를 사용하였으며, 특히, 비구면 렌즈를 적절한 위치에 배치하고, 비구면 렌즈의 형상이 적절한 형상이 되도록 설계하였다. 즉, 제1 렌즈군(Ⅰ)의 렌즈 중에서 물체측에 가장 가까우면서 가장 큰 크기를 가지는 첫번째 렌즈에 비구면을 배치하였다. 전체적으로 약한 굴절력을 가지면서 대구경인 첫번째 렌즈가 비구면으로 구성됨에 따라, 필드(field)별 광속 분리가 이루어져 비구면의 효과를 최대로 활용할 수 있다. 이에 따라 왜곡 수차의 보정이 용이하게 이루어진다.
또한, 본 발명의 실시 예에서는 제1 렌즈군(Ⅰ)에 정의 굴절력을 가지는 렌즈를 1매 배치하여, 넓은 파장 영역에서의 배율 색수차가 최소화되어 정지 화면 상에서의 색번짐이 최소화되면서 코스트 상승이 억제되도록 하였다. 또한, 제2 렌즈군(Ⅱ)에 접합 렌즈(이접합 또는 삼접합)를 배치하여 상광선에서 발생하는 배율 색수차가 최소화되도록 하였다.
본 발명의 실시 예와 같은 레트로포커스 타입의 광학계에서 고해상도의 화상을 얻기 위해서는 후군 즉, 제2 렌즈군(Ⅱ)의 조립 성능이 안정적이어야 한다. 특히, 제2 렌즈군(Ⅱ)의 각 렌즈들의 광축을 유지시켜 줄 수 있는 구성이 되면 투사 렌즈 전체의 성능 안전성과 대량 생산에 따른 제조 수율이 향상된다. 이를 위해, 렌즈의 에지(edge)를 컨택(contact) 시켜주거나, 접합 구성을 통하여 조립 광축의 안정성을 유지시켜 줄 수 있도록 하는 것이 요구된다. 따라서, 본 발명의 실시 예에서는 제2 렌즈군(Ⅱ)에 이접합 또는 삼접합의 접합 렌즈를 배치하여 성능 안정성이 확보되도록 하였다.
한편, 프로젝션 디스플레이에서 패널로 입사된 조명광의 광로를 투사 렌즈로 변경시켜주는 광학 부품이 요구되고, 이러한 광학 부품은 투사 렌즈와 조명 광학계 사이에 위치되기 때문에, 투사 렌즈가 충분하게 긴 후초점 거리를 가져야 한다. 이에 따라 본 발명의 실시 예에서는 투사렌즈의 초점 거리의 3배이상이 되는 후 초점 거리를 확보하도록 하였다.
또한, 프로젝션 디스플레이용 투사 렌즈에서 안정된 성능을 얻기 위해서는 전군 즉, 제1 렌즈군이 5매 이상의 렌즈로 이루어져야 한다. 그러나 이 경우에는 렌즈경이 큰 렌즈가 다수개 사용되므로 코스트가 급격하게 상승하게 된다. 이와는 달리 제1 렌즈군이 3매 이하의 렌즈로 이루어지는 경우에는 배율 색수차가 커지게 되어 화면 상의 색번짐 현상이 발생하게 된다. HD급 고해상도와 높은 투사 배율을 가지는 투사 렌즈에서 적절한 제조 가격과 안정된 성능을 맞추기는 어렵다. 이에 따라 본 발명의 실시 예에서는 제1 렌즈군(Ⅰ)에 4매 이하의 렌즈를 배치하고 상기 렌즈로서 굴절률이 낮은 소재를 사용하여, 낮은 제조 원가가 가능하면서도 HD급 고해상도의 성능이 구현될 수 있도록 한다.
이러한 특징을 가지는 본 발명의 실시예에 따른 투사 렌즈는 다음의 조건을 만족한다.
(조건식1)
(조건식2)
(조건식3)
여기서, f는 투사 렌즈의 초점 거리, fb는 투사 렌즈의 후초점 거리, f1은 제1 렌즈군(Ⅰ)의 초점 거리, f2는 제2 렌즈군(Ⅱ)의 초점 거리, Lf는 제1 렌즈군(Ⅰ)의 두께, Lr은 제2 렌즈군(Ⅱ)의 두께, D12는 제1 렌즈군(Ⅰ)과 제2 렌즈군(Ⅱ) 사이의 거리를 각각 나타낸다.
위의 조건식1은 긴 후초점거리를 확보하기 위한 조건으로, 조건식1을 만족하지 않는 경우에는 투사 렌즈와 조명 광학계를 연결하는 광학부품들을 삽입할 공간이 작아지거나 없어진다.
조건식2는 제1 렌즈군(Ⅰ)과 제2 렌즈군(Ⅱ) 사이에 적절한 간격을 확보하기 위한 것이다. 프로젝션 디스플레이에서는 그 크기를 최소화하기 위하여 광로 변환을 위한 미러를 제1렌즈군(Ⅰ)과 제2 렌즈군(Ⅱ) 사이에 위치시켜야 한다. 이를 위해서는 제1 렌즈군(Ⅰ)과 제2 렌즈군(Ⅱ)에 적절한 파워를 배치하고 기구적인 구성이 가능하도록 제1 렌즈군(Ⅰ)과 제2 렌즈군(Ⅱ)의 간격이 적절하게 유지되어야 한다.
조건식2의 상한값을 초과하는 경우에는, 광로 변환을 위하여 제1 렌즈군(Ⅰ)과 제2 렌즈군(Ⅱ) 사이에 미러를 배치할 수 있는 공간이 없어지게 되며, 또한, 제1 렌즈군(Ⅰ)의 파워가 약해질 경우에 조건식1의 만족하는 구성을 구현하기가 어려워진다. 이와는 달리, 조건식2의 하한값을 초과하는 경우에는 제1 렌즈군(Ⅰ)의 파워가 비정상적으로 강해지게 되어 배율 색수차의 증가된다.
조건식3은 광학계의 크기를 소형화시키기 위한 것으로, 조건식 3의 상한값을 초과하는 경우에는 색수차와 상면만곡이 커지게 되고, 이와는 달리, 조건식3의 하한값을 초과하는 경우에는 제1 렌즈군(Ⅰ)의 두께가 커지게 된다. 그 결과, 제1 렌즈군(Ⅰ)을 구성하는 렌즈들의 크기도 커지게 되어 제조 원가가 증가하고, 전체 광학계의 크기도 커지게 되어 소형화가 어려워진다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 투사 렌즈는 다음의 조건을 만족한다.
(조건식4)
여기서, AV_Ndf는 제1 렌즈군(Ⅰ)의 렌즈 중 부의 굴절력을 가지는 렌즈들의 굴절률 평균을 나타낸다.
조건식4는 저렴한 제조 원가로도 요구되는 광학 성능을 만족하기 위하여 제1 렌즈군(Ⅰ)에 사용되는 부의 굴절력을 가지는 렌즈들의 소재를 적절하게 규정한 것이다.
조건식4의 하한값을 초과하는 경우에는 수차 특성이 떨어져서 전체 광학 성능이 저하된다. 이와는 달리, 상한값을 초과하는 경우에는 렌즈 소재 비용이 증가하게 되어 제품의 가격 상승을 유발시킨다.
또한, 본 발명의 실시 예에 따른 투사 렌즈는 다음의 조건을 만족한다.
(조건식5)
조건식 5는 전체 투사 렌즈의 초점 거리에 대한 제1 렌즈군(Ⅰ)의 초점 거리 비를 규정한 것이다.
조건식5의 상한값을 초과하는 경우에는 제1 렌즈군(Ⅰ)의 굴절력이 비정상적으로 커지게 되어 배율 색수차가 증가된다. 이와는 달리, 조건식5의 하한값을 초과하는 경우에는 조건식1을 만족하기 위한 구성 구현이 어려워지고, 광각을 구현하기 어려워진다.
이러한 조건들에 의하여, 본 발명의 실시 예에 따른 투사 렌즈는 440㎚에서 640㎚의 광역 파장 범위에서 패널의 단위 화소 크기의 0.7배 이하의 배율 색수차를 만족하고, 전 화면 영역에서 0.2% 이하의 왜곡 수차만이 발생되도록 하여, 85% 이상의 주변 광량비를 만족하는 고해상도의 투사 렌즈를 구현할 수 있다.
한편, 프로젝션 디스플레이의 반사형 패널에서, 패널을 구성하는 각 화소의 틸트(tilt)를 통한 빛의 반사 각도가 화상을 형성하는 DMD 패널과 같은 경우에는, 패널의 반사상(reflected image)으로 구성된 이미지가 투사렌즈를 통하여 100% 투과되지 못하고, 렌즈면의 반사를 통해 패널로 재입사되어, 화면에 고스트나 플레어 이미지(flare image)로 형성되는 경우가 발생한다. 이러한 현상은 화질을 현저하게 떨어뜨리고 화상의 컨트라스트를 급격히 저하시키므로, 투사 렌즈 설계시에 이를 고려하여 고스트나 내면 반사를 방지하기 위한 회피 설계가 반드시 이루어져야 한다.
이를 위하여, 본 발명의 실시 예에 따른 투사 렌즈는 위에 기술된 바와 같이 제1 및 제2 렌즈군(Ⅰ,Ⅱ)을 구성하고, 다음의 조건을 만족한다.
(조건식6)
(조건식7)
(조건식8)
여기서, G8은 물체측으로부터 여덟번째에 위치되는 렌즈(이하, 여덟번째 렌즈)이고, G9는 아홉번째 위치되는 렌즈(이하, 아홉번째 렌즈)이며, G10은 열번째에 위치되는 렌즈(이하, 열번째 렌즈)이다. 그리고, R1은 각 렌즈의 물체측면 곡률 반경이고, R2는 각 렌즈의 상측면의 곡률 반경이다. 또한, L8은 여덟번째 렌즈의 상측면에서부터 상면까지의 거리를 나타낸다.
조건식 6, 7, 및 8을 만족하지 않는 경우에는, DMD 패널과 같은 화소의 기하학적인 틸트에 의하여 화상을 형성하는 경우, 고스트가 발생하게 되어 화질이 현저하게 떨어진다.
한편, 위에 기술된 바와 같이 프로젝션 디스플레이에서 발생되는 고스트 화상은 특히, 패널에서 가까운 후군 즉, 제2 렌즈군(Ⅱ)의 굴절력과 렌즈 형상에 따라 영향을 받는다. 제2 렌즈군에서 출사된 광은 패널로 거의 텔레센트릭(telecentric)하게 입사되어야 하기 때문에, 제2 렌즈군(Ⅱ)의 렌즈경이 패널의 유효 크기에 비하여 크지 않고, 광속의 굴절 각도도 제1 렌즈군(Ⅰ)에 비하여 크지 않아야 한다. 이러한 이유로, 제2 렌즈군(Ⅱ)의 표면에서 반사된 반사상은 제2 렌즈군(Ⅱ)의 렌즈 형상과 굴절력에 따라 고스트 화상에 대하여 강한 의존성을 갖게 된다. 특히, 패널에서부터 가까운 제2 렌즈군(Ⅱ)의 2∼3매의 렌즈의 형상과 굴절력은 화면 전체의 고스트에 직접적으로 영향을 주게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에서는 고스트가 없는(ghost free) 화상 또는 고스트가 최소가 될 수 있는 화상을 얻기 위해 위의 조건식 6내지 7을 통하여 렌즈의 형상을 직접적으로 제어하였다. 제2 렌즈군(Ⅱ)에서 패널에 가장 가까운 렌즈(예를 들어, 열번째 렌즈)의 패널측면(상측면)이 볼록한 형상으로 이루어지며, 이 오목한 렌즈면의 파워(곡률 반경)가 위의 조건식(6,7)을 만족하지 않는 경우에는, 패널에서부터 가까운 제2 렌즈군(Ⅱ)의 2∼3매의 렌즈(예를 들어, 여덟번째 렌즈, 아홉번째 렌즈, 열번째 렌즈)의 각 렌즈면에서 반사된 반사상이 패널상의 화면에 재결상되어 이중상이나 고스트를 형성하게 된다.
그러므로, 본 발명의 실시 예에서는 이러한 것을 고려하여 다음의 조건을 만족한다.
(조건식9)
조건식9의 상한값을 초과하는 경우에는 제1 렌즈군(Ⅰ)의 파워로 인하여 위의 조건식 1을 만족하는 구성과 광각을 가지는 투사 렌즈를 구현하는 것이 어려워진다. 이와는 달리, 조건식9의 하한값을 초과하는 경우에는 상면 만곡과 비점 수차가 증가된다.
한편, 위에 기술된 바와 같은 특징을 가지는 본 발명의 실시 예에 따른 투사 렌즈에서, 상면측에 가장 가까운 2개의 렌즈(예를 들어, 열번째 렌즈 및 아홉번째 렌즈)의 분산값의 차이가 g-line이나 F-line 영역의 배율 색수차에 큰 영향을 준다. 단순하게 상면측에 가장 가까운 렌즈(열번째 렌즈)가 텔레센트릭성을 가지도록 하면, 제2 렌즈군(Ⅱ)의 약한 부의 굴절력으로 인하여 상광선 영역에서 배율 색수차를 원하는 만큼 제어할 수 없게 된다.
이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따른 투사 렌즈는 다음의 조건을 만족한다.
(조건식10)
여기서, Vd9는 상면측에 두번째로 가까운 렌즈(아홉번째 렌즈)의 분산값이고, Vd10는 상면측에 가장 가까운 렌즈(열번째 렌즈)의 분산값이다.
조건식10은 상면측에 가장 가까운 2개의 렌즈들의 분산값을 적절하게 제어하여 화면 전체 영역에서의 배율 색수차(특히, 단파장 영역의 배율 색수차)를 최소화하기 위한 것이다.
조건식10의 하한값을 초과하는 경우에는 단파장 영역의 배율 색수차가 증가하고, 이와는 달리, 조건식10의 상한값을 초과하는 경우에는 일반적으로 광학 유리의 사용으로는 배율 색수차를 보정하는 것이 어렵게 된다.
이러한 다수의 조건들(조건식1∼조건식10)을 만족하는 본 발명의 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 실시예값은 다음과 같다.
다음의 f는 초점 거리를 나타내며, ri(i=1∼24 또는 25)는 굴절면의 곡률 반경, di(i=1∼24 또는 25)는 렌즈의 두께 또는 렌즈간의 거리를 나타내며, nd는 굴절률, vd는 분산치를 나타낸다. 길이를 나타내는 값의 단위는 mm이다.
도 1에 본 발명의 제1 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 구조가 도시되어 있다.
첨부한 도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 제1 실시예에 따른 광각 투사 렌즈에서, 제1 렌즈군(I)은 각각 부의 굴절력을 가지며 물체측면이 볼록한 매니스커스 렌즈인 제1 렌즈(1) 및 제2 렌즈(2), 부의 굴절력을 가지며 양면이 오목한 제3 렌즈, 및 정의 굴절력을 가지며 상측면이 볼록한 제4 렌즈(4)로 이루어진다. 그리고 제2 렌즈군(Ⅱ)은 정의 굴절력을 가지며 물체측면이 볼록한 제5 렌즈(5), 정의 굴절력을 가지며 양면이 볼록한 제6 렌즈(6), 부의 굴절력을 가지며 양면이 오목한 제7 렌즈(7), 정의 굴절력을 가지며 물체측면이 볼록한 매니스커스 렌즈인 제8 렌즈(8), 정의 굴절력을 가지며 양면 볼록한 제9 렌즈(9) 및 제10 렌즈(10)로 이루어진다. 여기서, 제6 렌즈(6), 제7 렌즈(7) 및 제8 렌즈(8)는 서로 접합되어 하나의 접합 렌즈(삼접합 렌즈)를 형성한다. 그리고, 제1 렌즈(1)의 양면이 비구면으로 이루어진다.
이러한 렌즈 이외에도, 광학 부품(11,12)를 더 포함한다. 여기서는 광학 부품(11, 12)이 제2 렌즈군(Ⅱ)에 포함되거나 포함되지 않을 수 있다. 본 실시예에서 광학 부품들은 전반사 프리즘, 미러, 커버 글래스(cover glass) 등이 선택적으로 포함되며, 반드시 이러한 것에 한정되지는 않는다.
표 1에 이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광각 투사 렌즈를 구성하는 각 렌즈의 실시예값이 기재되어 있다.
면번호 곡률반경(r) 두께,거리(d) nd Vd
* 1 159.84227 6.411697 1.492000 57.1000
* 2 46.15723 5.850637
3 66.50050 3.000000 1.516798 64.1983
4 28.28363 18.648015
5 -49.98493 3.000000 1.658436 50.8546
6 44.53424 20.088719
7 626.80628 9.510000 1.698945 30.0506
8 -62.13745 79.178183
9 40.67924 5.761268 1.670028 47.1965
10 851.23843 18.507094
11 ∞ 6.133679
12 61.40440 4.646882 1.487489 70.4412
13 -24.04973 1.400000 1.755199 27.5302
14 23.53249 4.183435 1.516798 64.1983
15 120.48193 3.740417
16 120.01395 5.100000 1.487489 70.4412
17 -61.01918 10.009065
18 44.56973 5.541293 1.805181 25.4564
19 -158.56254 0.100000
20 ∞ 25.000000
21 ∞ 5.300000
22 ∞ 2.743200
23 ∞ 0.725241
24 상면 -0.025317
*는 비구면을 나타내며, 비구면 계수를 위한 식은 다음과 같다.
x : 렌즈의 정점으로부터 광축 방향으로의 거리
y : 광축에 수직 방향으로의 거리
c : 렌즈의 정점에서의 곡률 반경의 역수(1/R)
K : 코닉(Conic) 상수
A, B, C, D : 비구면 계수
이러한 수학식1에 따라 산출되는 본 발명의 제1 실시예에 따른 비구면의 계수는 다음 표 2와 같다. 제1 실시 예에서는 제1 렌즈(1)의 양면이 비구면이다.
제1면의 비구면계수 제2면의 비구면 계수
K 0.758245 0.000000
A 0.454812E-05 0.115816E-05
B -0.152314E-08 0.105075E-08
C 0.477074E-12 -0.486415E-11
D -0.320690E-16 0.142269E-14
도 2에 이러한 실시예값으로 이루어지는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 구면, 비점 및 왜곡 수차 특성이 도시되어 있다.
도 3에 본 발명의 제2 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 구조가 도시되어 잇으며, 첨부한 도 3에 도시되어 있듯이, 제2 실시예에 따른 광각 투사 렌즈는 위의 제1 실시 예와 동일한 구성으로 이루어진다.
표 3에 이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광각 투사 렌즈를 구성하는 각 렌즈의 실시예값이 기재되어 있다.
면번호 곡률반경(r) 두께,거리(d) nd Vd
* 1 162.37222 5.500000 1.492000 57.1000
* 2 43.74539 4.463945
3 57.22918 3.000000 1.589000 61.3000
4 26.92336 19.648463
5 -54.06331 3.000000 1.658000 50.5000
6 40.79007 25.327153
7 771.33870 9.510000 1.658000 50.5000
8 -59.13882 68.000000
9 37.67740 4.735950 1.684712 30.7818
10 128.84415 14.599395
11 ∞ 14.633418
12 56.11290 4.569562 1.497000 81.6000
13 -21.62917 1.400000 1.801169 26.0079
14 26.33350 3.376373 1.523091 66.4687
15 120.48193 1.300000
16 67.77429 5.100000 1.487000 70.4000
17 -50.13039 4.024609
18 52.63158 4.569076 1.805000 25.5000
19 -95.64806 3.000000
20 ∞ 25.000000
21 ∞ 5.300000
22 ∞ 2.743200
23 ∞ 0.732921
24 상면 -0.033000
*는 비구면을 나타내며, 각 비구면의 계수는 다음 표 4와 같다. 제2 실시 예에서도 제1 렌즈(1)의 양면이 비구면이다.
제1면의 비구면계수 제2면의 비구면 계수
K 11.535662 0.000000
A 0.488572E-05 0.753179E-06
B -0.202333E-08 0.157433E-08
C 0.775047E-12 -0.483920E-11
D -0.951297E-16 0.117385E-14
도 4에 이러한 실시예값으로 이루어지는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 구면, 비점 및 왜곡 수차 특성이 도시되어 있다.
도 5에 본 발명의 제3 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 구조가 도시되어 있다. 첨부한 도 5에 도시되어 있듯이, 본 발명의 제3 실시예에 따른 광각 투사 렌즈는 제1 실시예와 동일하게 이루어지며, 단지, 제7 렌즈(7) 및 제8 렌즈(8)만 서로 접합되어 하나의 접합 렌즈(이접합 렌즈)를 형성한다.
표 5에 이러한 구조로 이루어지는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광각 투사 렌즈를 구성하는 각 렌즈의 실시예값이 기재되어 있다.
면번호 곡률반경(r) 두께,거리(d) nd Vd
* 1 179.31157 5.500000 1.492000 57.1000
* 2 47.98421 6.243240
3 65.06308 3.000000 1.516798 64.1983
4 28.86925 18.377506
5 -52.75706 3.000000 1.658436 50.8546
6 43.24918 21.723358
7 389.88262 9.510000 1.698945 30.0506
8 -68.39730 78.000000
9 44.56920 5.331807 1.670028 47.1965
10 388.76642 19.852939
11 ∞ 9.388635
12 59.40819 4.758666 1.487489 70.4412
13 -24.08164 0.200000
14 -23.92828 1.400000 1.755199 27.5302
15 25.06260 5.100000 1.516798 64.1983
16 120.48193 1.000000
17 109.82801 5.100000 1.487489 70.4412
18 -59.87139 9.507658
19 52.08301 5.474905 1.805181 25.4564
20 -97.60022 3.000000
21 ∞ 25.000000
22 ∞ 5.300000
23 ∞ 2.743200
24 ∞ 0.725046
25 상면 -0.025037
*는 비구면을 나타내며, 각 비구면의 계수는 다음 표 6과 같다. 제3 실시 예에서도 제1 렌즈(1)의 양면이 비구면이다.
제1면의 비구면계수 제2면의 비구면 계수
K 3.440341 0.000000
A 0.472230E-05 0.120326E-05
B -0.154368E-08 0.148442E-08
C 0.428624E-12 -0.462754E-11
D -0.578073E-17 0.128341E-14
도 6에 이러한 실시예값으로 이루어지는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 구면, 비점 및 왜곡 수차 특성이 도시되어 있다.
위에 기술된 실시예값으로 구성되는 본 발명의 다수 실시예에 따른 광각 투사 렌즈들 위에 기술된 조건(조건식1∼조건식10)을 만족하며, 각 조건식의 실시예값은 다음 표 7과 같다.
식(1) 식(2) 식(3) 식(4) 식(5)
실시예1 3.110 -1.739 0.978 1.556 -4.184
실시예2 3.824 -1.427 0.828 1.580 -4.960
실시예3 3.384 -1.678 0.996 1.556 -4.281
식(6) 식(7) 식(8) 식(9) 식(10)
실시예1 0.326 -0.561 0.483 -1.186 44.985
실시예2 0.150 -0.290 0.429 -1.005 44.900
실시예3 0.294 -0.304 0.480 -1.162 44.985
본 발명은 위에 기술된 실시예에 한정되지 않고 다음에 기술되는 청구 범위 내에서 다양한 변경 및 변화가 가능하다. 예를 들어, 위의 실시 예들에서는 제1 렌즈의 양면이 각각 비구면인 경우의 렌즈 값들을 개시하였지만, 당업자라면 위의 실시예들을 토대로 본 발명의 청구 범위 내에서 제1 렌즈군에 두개 이상의 렌즈면이 비구면인 경우의 렌즈값들도 고안할 수 있다.
이상에서와 같이 본 발명의 실시예에 따라, 프로젝션 디스플레이 사용되고, 간단한 구성으로도 긴 후초점 거리와 넓은 화각을 확보하면서 수차 보정이 용이하고, 저코스트 및 소형화가 용이한 광각 투사 렌즈를 제공할 수 있다.
또한, 제1 렌즈군에 적절하게 비구면을 사용하여 대형 렌즈의 매수를 줄여서 코스트를 감소시킬 수 있다.
또한, 제2 렌즈군에 적절하게 접합 렌즈를 배치하여 80°이상의 화각을 확보하여 프로젝션 TV 또는 모니터 등의 두께를 줄일 수 있다.
또한, 대화면이 가능한 텔레센트릭성을 가지며, 조도비가 향상된다.
또한, 반사형 패널에 대응하여 렌즈가 코팅된 경우에도 렌즈면에서 반사되는 빛이 입사되는 빛의 0.5% 정도밖에 되지 않기 때문에, 반사된 빛이 패널로 재입사되어 발생되는 고스트를 제거할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 구조를 나타낸 도이다.
도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 수차도이다.
도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 구조를 나타낸 도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 수차도이다.
도 5는 본 발명의 제3 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 구조를 나타낸 도이다.
도 6은 본 발명의 제3 실시예에 따른 광각 투사 렌즈의 수차도이다.

Claims (9)

  1. 물체측으로부터 순서대로,
    부의 굴절력을 가지며, 4매의 렌즈로 이루어지는 제1 렌즈군; 및
    정의 굴절력을 가지며, 적어도 1매의 접합 렌즈를 포함하는 제2 렌즈군을 포함하고,
    상기 제1 렌즈군에 적어도 1매 이상의 비구면 렌즈와 1매 이상의 정의 굴절력을 가지는 구면 렌즈가 포함되고, 상기 제2 렌즈군의 물체측으로부터의 첫번째 렌즈 다음에 조리개가 위치되어 있으며, 다음의 조건을 만족하는 광각 투사 렌즈.
    f: 투사 렌즈의 초점 거리, fb: 투사 렌즈의 후초점 거리
    f1 : 제1 렌즈군의 초점 거리, f2: 제2 렌즈군의 초점 거리
    Lf: 제1 렌즈군의 두께, Lr: 제2 렌즈군의 두께
    D12 : 제1 렌즈군과 제2 렌즈군 사이의 거리
  2. 제1항에 있어서, 다음의 조건을 더 만족하는 광각 투사 렌즈.
    AV_Ndf: 제1 렌즈군의 렌즈 중 부의 굴절력을 가지는 렌즈들의 굴절률 평균
  3. 제1항에 있어서, 다음의 조건을 더 만족하는 광각 투사 렌즈.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 렌즈군과 상기 제2 렌즈군 사이에 미러가 위치되어, 상기 제1 렌즈군을 통하여 출사되어 진행하는 광의 경로가 변환되도록 하는 광각 투사 렌즈.
  5. 물체측으로부터 순서대로,
    부의 굴절력을 가지며, 4매의 렌즈로 이루어지는 제1 렌즈군; 및
    정의 굴절력을 가지며, 적어도 1매의 접합 렌즈를 포함하는 제2 렌즈군을 포함하고,
    상기 제1 렌즈군에 적어도 1매 이상의 비구면 렌즈와 1매 이상의 정의 굴절력을 가지는 구면 렌즈가 포함되고, 상기 제2 렌즈군의 물체측으로부터의 첫번째 렌즈 다음에 조리개가 위치되어 있으며, 다음의 조건을 만족하는 광각 투사 렌즈.
    G8: 상측에 세번째로 가까운 렌즈
    G9: 상측에 두번째로 가까운 렌즈
    G10: 상측에 첫번째로 가까운 렌즈
    R1 : 각 렌즈의 물체측면 곡률 반경
    R2 : 각 렌즈의 상측면의 곡률 반경
  6. 제5항에 있어서, 다음의 조건을 더 만족하는 광각 투사 렌즈.
    L8 : 상측에 세번째로 가까운 렌즈의 상측면에서부터 상면까지의 거리
  7. 제5항에 있어서, 다음의 조건을 더 만족하는 광각 투사 렌즈.
  8. 제5항에 있어서, 다음의 조건을 더 만족하는 광각 투사 렌즈.
    Vd9: 상측에 두번째로 가까운 렌즈의 분산값
    Vd10 : 상면측에 가장 가까운 렌즈의 분산값
  9. 물체측으로부터 순서대로,
    부의 굴절력을 가지는 제1 렌즈군; 및
    정의 굴절력을 가지는 제2 렌즈군을 포함하고,
    상기 제1 렌즈군은 물체측으로부터 각각 부, 부, 부, 정의 굴절력을 가지는 4매의 렌즈로 이루어지고, 상기 렌즈 중 적어도 1매의 렌즈가 비구면 렌즈이며, 상기 제2 렌즈군은 적어도 1매의 접합 렌즈를 포함하고, 상기 제2 렌즈군의 물체측으로부터의 첫번째 렌즈와 두번째 렌즈 사이에 조리개가 위치되어 있는 광각 투사 렌즈.
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