KR100531153B1 - 대형픽셀화판넬과함께사용되는투사렌즈 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 LCD판넬과 함께 사용되는 투사렌즈를 제공하는 것이다. 이 투사렌즈는 양의 배율을 갖는 제 1 렌즈유니트 및 음의 배율을 갖는 제 2 렌즈유니트를 갖는다. 제 1 렌즈 유니트는 적어도 4개의 렌즈부품-즉, 고분산 물질로 구성되는 양의 첫 번째 렌즈부품, 음의 두 번째 렌즈부품, 약한 광배율의 세 번째 렌즈부품, 및 강한 광배율의 네 번째 렌즈부품-을 포함한다. 상기 투사렌즈는 200마이크론(micron)과 거의 비슷한 픽셀들을 갖는 대형 LCD 판넬을 위한 약 1/4의 픽셀과 거의 비슷한 색수차(chromatic aberration)의 보정(correction)을 달성한다.

Description

대형 픽셀화 판넬과 함께 사용되는 투사렌즈
본 발명은 투사렌즈(projection lens)에 관한 것으로, 특히 액정 디스플레이(LCD)와 같이 픽셀들(pixels)로 구성된 대상물의 화상을 형성하는데 사용되는 투사렌즈에 관한 것이다.
투사렌즈 시스템(projection lens system, 이하 투사시스템이라 함)은 화면(viewing screen) 상에 대상물의 화상을 형성하는데 사용된다. 이러한 시스템의 기본 구조가 도 4에 도시되어 있는데, 여기서 10은 광원(즉, 텅스텐-할로겐 램프), 12는 상기 광원의 화상을 형성하는 발광소자(illumination optics)(이하 발광시스템의 출력이라 함), 14는 투사되는 대상물(즉, 온(on) 및 오프(off) 픽셀의 LCD 매트릭스), 및 13은 투사렌즈로서 다중 렌즈 부품들로 구성되어 화면(16)상에 대상물(14)의 확대상을 형성한다. 이러한 시스템은 또한 발광시스템의 사출동공(exit pupil)을 적당하게 위치시키기 위해 픽셀화 판넬 부근에서 시야렌즈(field lens), 즉 프레넬 렌즈(fresnel lens)를 포함한다.
상기 대상물이 픽셀화 판넬인 투사렌즈 시스템은 데이터 디스플레이 시스템을 포함하는 다양한 응용 등에 사용된다. 이러한 투사렌즈 시스템은 바람직하게 예를 들어 적색, 녹색, 청색 픽셀을 갖는 하나의 단일판넬(single panel)의 화상을 형성하는 단일 투사렌즈를 사용한다.
픽셀화 판넬, 특히 LCD 판넬들은 이 판넬들이 사용되는 투사시스템의 타입에 의존하여 다양한 크기가 공급된다. 약 10.6in(약 270mm)의 대각선을 갖는 대형 LCD 판넬은 신뢰성 있는 제품을 위해 충분히 큰 픽셀크기를 여전히 유지하면서 높은 픽셀수를 갖기 때문에, 이 판넬들은 고해상도의 칼라화상(color image)을 제조하는데 효과적으로 사용된다. 이런 점에서, 단일 LCD판넬에서 모든 칼라화상을 위해 요구되는 픽셀의 수가 단색 화상에 요구되는 픽셀수의 3배이므로, 대형 LCD 판넬을 사용하지 않으면 픽셀크기를 작게 하는 사실에 주의해야 한다.
(1) 긴 초점길이, (2) 발광시스템의 출력 및 고수준의 수차보정으로 효과적인 커플링(coupling)을 유지하면서 여러 가지 배율로 작동할 수 있는 능력, (3) 상대적으로 적은 수의 렌즈부품을 포함하는 상대적으로 작은 크기, 상대적으로 작은 배럴(barrel)길이, 및 상대적으로 작은 최대 렌즈직경, (4) 고수준의 색채보정, (5) 적은 왜곡(distortion), 및 (6) 온도 변화에 낮은 민감성-과 같은 상기 성질들을 적어도 동시에 갖는 대형 픽셀화 판넬과 함께 사용하는 투사렌즈를 위한 기술에 있어서 그 필요성이 존재한다.
대형 픽셀화 판넬의 경우 긴 초점길이를 사용함으로써 투사렌즈의 가시영역(field of view)이 수차조정을 조장하는 범위, 즉 렌즈 반가시영역이 약 25°인 범위로 유지되게 한다.
여러 배율로 효과적인 작동이 가능한 상기 투사렌즈는 시스템의 어떤 성분의 변화도 필요로 하지 않고 상기 투사시스템이 다른 크기의 화면 및 다른 규모의 장소(hall)에서 사용될 수 있도록 하기 때문에 바람직하다. 단지 대상물 및 화상공액(image conjugate)은 변화될 필요가 있는데, 이는 픽셀화 판넬과 관계있는 렌즈를 이동시킴으로써 용이하게 달성될 수 있다. 물론, 이러한 시도는 배율의 작동 범위의 전체에 걸쳐 발광시스템의 출력 및 고수준의 수차보정에 효과적인 상호관계를 제공한다.
상대적으로 작은 투사렌즈는 비용, 무게, 시점(view of point)의 크기의 면에서 바람직하다. 다수의 렌즈부품 및 큰 직경을 갖는 부품들은 많은 원재료와 큰 무게가 소비되기 때문에, 제조하고 설치하는데 더 많은 비용이 소비된다. 통상적으로 긴 배럴길이는 투사시스템의 전체 크기를 증가시키기 때문에, 상기 투사시스템은 비용과 무게의 증가를 재차 초래하게 된다. 따라서, 다른 부품들과 상대적으로 밀접하게 위치하는 적은 수의 상대적으로 작은 렌즈부품들을 갖는 렌즈가 바람직하다.
색채 수차(color aberration)는 픽셀의 오염 또는 극단적으로 픽셀이 상으로부터 완전한 분리되었을 때 픽셀화 판넬의 상에서 쉽게 나타날 수 있기 때문에, 고수준의 색채 보정(color correction)은 중요하다. 상기 이런 문제들은 통상적으로 시야(field)의 가장자리에서 극심하다. 일반적인 조건으로, 픽셀화 판넬에서 측정되는 색채보정은 상기 문제점들을 해결하기 위해서 약 하나의 픽셀보다 우수해야 하고, 바람직하게는 약 절반의 픽셀보다 우수해야 한다.
시스템에서 통상적으로 제기되는 횡색채수차(lateral color), 코마수차(coma), 및 비점수차(astigmatism)의 색수차 등의 모든 색수차는 주목될 필요가 있다. 색채에 따른 배율의 변형인 횡색채수차는 특히 문제가 되는데, 이는 특히 시야의 가장자리에서 대비(contrast)가 감소됨으로써 나타나기 때문이다. 극단적인 경우에 있어서는 전 시야의 영역에서 무지개 효과(rainbow effect)가 나타날 수 있다.
음극선관(CRTs)을 사용하는 투사시스템에서 작은 양의 (잔류) 횡색채수차는 예를 들어, 청색 CRT에서 생성된 화상의 크기와 관계하는 적색 CRT의 화면에서 생성된 화상의 크기를 감소시킴으로써 전기적으로 보충될 수 있다. 그러나, 픽셀화 판넬과 함께 이러한 적용은 상이 디지털화되어 화면의 전 시야에 걸쳐서 부드러운 조정이 불가능하므로 수행될 수 없다. 따라서 좀더 높은 수준의 횡색수차보정은 투사렌즈에서 필요하다.
투사렌즈의 초점길이가 길어짐에 따라 색채수차의 보정이 어려워지는 것을 주의해야 한다. 그러므로, 상기 (1) 및 (4)의 성질 즉, 긴 초점길이와 고수준의 색채보정에 관한 성질은 서로 상반되며 적절한 렌즈의 설계가 되도록 실행한다.
데이터를 디스플레이 하기 위해 사용되는 픽셀화 판넬은 왜곡(distortion) 보정에 관하여 엄격한 요구사항을 요한다. 이것은 또한 데이터가 화면에 나타날 때, 렌즈의 가시영역의 극점(extreme point)에서도 좋은 화상의 질이 요구되기 때문이다. 디스플레이된 숫자나 문자의 비왜곡상(undistortion image)이 중앙에서 중요한 바와 같이, 화면의 모서리에서 또한 중요하다. 더욱이, 투사렌즈는 오프셋트(offset) 판넬과 함께 종종 사용되는데, 상기 렌즈는 도 1-3의 렌즈이다. 이런 경우에, 화면에서의 왜곡은 화면의 중심부를 지나는 가로선에 대해 대칭적으로 변하지 않을 뿐만 아니라, 예를 들어 화면의 밑에서 위쪽까지 단조롭게 증가할 수 있다. 이 결과는 소량의 왜곡도 쉽게 응시자에게 보이도록 한다.
상의 충분한 밝기를 만들기 위해서는, 실질적인 양의 빛이 투사렌즈를 통과해야한다. 이 결과로서, 실내온도 및 렌즈의 작동온도사이에 상당한 온도차가 통상적으로 존재한다. 또한, 렌즈는 다양한 환경조건하에서 작동할 필요가 있다. 예를 들어, 투사렌즈 시스템은 실질적으로 대기 온도가 40℃이상일 수 있는 건물의 지붕을 구성하는 방의 천장에 종종 설치된다. 이런 결과에 역점을 두어, 온도 변화에 상대적으로 둔감한 광학성의 투사렌즈가 필요하다.
온도 민감성 문제에 대해 역점을 두는 한가지 방법은 유리로 구성된 렌즈 부품을 사용하는 것이다. 플라스틱과 비교해서, 유리 부품의 곡률반경 및 굴절률은 통상적으로 플라스틱 부품의 곡률반경 및 굴절률보다 적게 변화한다. 그러나, 특히 수차조절을 위해 비구상 표면(aspherical surface)이 필요로 할 때는 유리 부품은 통상적으로 플라스틱부품보다 비싸다. 후술하는 바와 같이, 플라스틱 부품을 사용하여 플라스틱 부품의 배율과 위치를 적절하게 선택하면 온도둔감성은 성공적으로 달성된다.
후술한 투사렌즈는 상술한 모든 요구사항을 달성하여 화면상에 픽셀화 판넬의 양호한 색채 화상을 형성할 수 있는 비교적 적은 비용의 투사렌즈 시스템을 제조하는데 성공적으로 사용될 수 있다.
픽셀화 판넬과 함께 사용되는 투사렌즈는 미합중국 특허 제 4,189,211호(테일러), 미합중국 특허 제 5,042,929호(다나카외), 미합중국 특허 제 5,179,473호(야노외), 미합중국 특허 제 5,200,861호(모스코비치), 미합중국 특허 제 5,218,480호(모스코비치), 미합중국 특허 제 5,278,698호(이즈카외), 미합중국 특허 제 5,313,330호(베텐스키), 미합중국 특허 제 5,331,462호(야노)를 포함한 다수의 특허에 기술되어 있다. LCD 시스템에 관해서는 미합중국 특허 제 4,425,028호(가그논외), 미합중국 특허 제 4,461,542호(가그논), 미합중국 특허 제 4,826,311호(레데부르), 유럽 특허공보 제 311,116호에 개시되어 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 목적은 상기 설명한 6가지 각각의 성질을 동시에 갖는 픽셀화 판넬과 함께 사용된 향상된 투사렌즈를 제공하는데 있다. 상기 목적은 화상측으로부터 대상측으로, 즉 긴 공액면으로부터 짧은 공액면으로 순차적으로 다음의 (A) 및 (B)를 포함하는 투사렌즈에 의해서 달성된다.
(A) 양의 배율을 갖고, 화상측에서 대상물측으로 순차적으로 하기 (ⅰ), (ⅱ), (ⅲ), 및 (ⅳ)를 포함하는 제 1 렌즈유니트,
(ⅰ) 양의 렌즈부품,
(ⅱ) 음의 렌즈부품,
(ⅲ) 투사렌즈 전체 배율의 약 50% 미만인 약한 배율의 렌즈부품, 및
(ⅳ) 투사렌즈 전체 배율의 최소 약 150% 인 강한 배율의 양의 렌즈부품.
(B) 음의 배율을 갖는 제 2 렌즈유니트.
어떤 실시예에서는, 제 2 렌즈 유니트는 한 개(도 1 및 도 2 참조)이고, 다른 실시예에서는 두 개의 렌즈 부품-양의 배율을 갖는 렌즈 부품 및 음의 배율을 갖는 렌즈 부품-을 포함한다(도 3 참조).
본 발명의 투사렌즈는 투사렌즈의 반구경 조리개(pseudo-aperture stop)/입사동공(entrance pupil)으로 발광시스템의 출력의 위치를 사용하여 바람직하게 설계되었다(미합중국 특허 제 5,313,330호(베텐스키)). 이러한 방법으로 발광시스템의 빛출력과 투사렌즈사이에서 효과적인 상호관계가 달성되었다.
상기 실시예들을 따라, 본 발명은 하기 (a),(b) 및(c)를 포함하고, 대상물의 화상을 형성하는 투사렌즈 시스템을 제공한다.
(a) 광원 및 광원의 발광시스템의 출력인 화상을 형성하는 발광소자로 구성된 발광시스템;
(b) 대상물을 구성된 픽셀화 판넬; 및
(c) 상기 발광시스템의 출력의 위치에 실질적으로 대응하는 입사동공의 위치를 갖는 전술한 형태의 투사렌즈.
본 발명의 실시예에서, 투사렌즈 시스템의 줌조절(zooming)은 하기 (a) 및 (b)를 변화시켜 달성된다.
(a) 투사렌즈 및 픽셀화 판넬 사이의 거리, 및
(b) 제 1 렌즈 유니트 및 제 2 렌즈 유니트 사이의 거리.
이러한 방식으로 5%정도의 줌조절이 수행된다. 상기 렌즈 시스템은 도 3에 도시된 타입의 렌즈 시스템이다.
본 발명의 다른 실시예에서, 투사렌즈의 시스템의 초점맞추기(focusing)는 하기 (a) 및 (b)를 변화시켜 달성된다.
(a) 투사렌즈 및 픽셀화 판넬 사이의 거리, 및
(b) 제 1 렌즈 유니트의 첫 번째 및 두 번째 렌즈 부품 사이의 거리.
상기 렌즈 시스템은 도 1 및 도 2에 도시된 타입의 렌즈시스템이다.
본 발명의 투사렌즈는 또한 실질적으로 불투열적(athermal)으로 설계된다. 후술한 바와 같이, 이것은 실질적으로 광배율(optical power)을 갖는 플라스틱 렌즈 부품의 배율의 균형화에 의해 수행된다. 이러한 방식에서, 온도 변화에 의해 유발된 양의 렌즈 부품의 배율의 변화는, 음의 렌즈부품의 배율 변화로 인해 보충되어, 상기 투사렌즈의 온도가 변함에 따라 투사렌즈를 위한 실질적으로 일정한 전체 광학 특성을 제공한다.
본 발명의 투사렌즈는 양의 제 1 렌즈 유니트 및 음의 제 2 렌즈 유니트의 일반적인 형태를 갖는다. 각각의 두 유니트는 구상수차, 비점수차, 코마수차, 및 왜곡의 보정을 포함한 수차보정에 사용하기 위한 적어도 하나의 비구상 표면을 포함한다. 상술한 바와 같이, 상기 시스템의 왜곡은 픽셀화 판넬과 함께 사용하는 렌즈 시스템을 위해 고수준으로 보정될 필요가 있다. 이 왜곡 보정은 일반적으로 화상에서 약 1%보다 우수하고, 바람직하게 약 0.5%보다 우수하다.
색채 보정의 목적으로, 제 1 렌즈 유니트는 고분산 물질로 구성되는 음의 렌즈 부품 및 저분산 물질로 구성되는 적어도 하나의 양의 렌즈 부품을 포함한다. 상기 고분산 및 저분산 물질은 유리 또는 플라스틱일 수 있다.
일반적인 용어로서, 고분산물질은 플린트(flint) 유리같은 분산도를 갖는 물질이고, 저분산물질은 크라운(crown) 유리와 같은 분산도를 갖는 물질이다. 상세히 설명하면, 고분산물질은 1.85 내지 1.5의 범위의 굴절값에서 20 내지 50의 범위인 V-값을 갖는 물질이고, 상대적으로 저분산물질은 상기와 같은 굴절률 범위에서 35 내지 75의 범위인 V-값을 갖는다.
플라스틱 렌즈부품에 있어서, 고분산 및 저분산물질은 각각 스틸렌(styrene) 및 아크릴(acrylic)을 선택한다. 물론 원한다면 다른 플라스틱도 사용할 수 있다. 예를 들어, 스틸렌대신에 폴리카보네이트(polycarbonate) 및 플린트(flint) 유리의 분산도와 같은 폴리스틸렌(polystyrene)과 아크릴의 공중합체 (즉, NAS)도 사용할 수 있다. 오하이오주(Ohio), 신시내티(Cincinnati)의 미국프리시젼렌즈사 (U. S. Precision Lens, Inc.)의 1983년 플라스틱 광학의 핸드북(The Handbook of Plastic Optics)의 17-29 페이지에서 볼 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 투사렌즈는 불투열처리되어서 특히 시스템의 광학적인 성능은 투사렌즈가 실내온도에서 투사렌즈의 작동온도까지 가열되어도 실질적으로 변하지 않는다. 더 상세히 설명하면, 예를 들어 5cycles/mm에서의 시스템의 MTF(modulation transfer function)에서 열적-유도 변화는 바람직하게 약 10%미만이다. 바람직한 열안정화는 플라스틱 렌즈 부품의 렌즈의 선택 및 배치를 통해 달성된다.
통상적으로, 사용되는 플라스틱 렌즈 부품은 플라스틱 광학 물질의 굴절률이 온도에 민감하게 변화하는 결점을 갖는다. 또 다른 결점은 형태상의 변형, 즉 온도에 따라 플라스틱 광학 물질이 팽창 또는 수축하는 것이다. 상기 형태상의 결점은 굴절률의 변화보다는 통상적으로 비중도가 낮다. 저배율 플라스틱 렌즈 부품들이 상기 렌즈로 사용되면, 플라스틱 광학 소자의 열변화 및 통상적으로 열로 인한 초점의 변화의 주요 기계적인 요소인 렌즈 배럴인 시스템의 플라스틱 또는 알루미늄 기계 성분들의 열변화 사이의 균형을 달성할 수 있다. 즉, 상대적으로 높은 배율의 플라스틱 렌즈 부품을 사용하는 능력인 설계에서 광학 플라스틱의 비제한적인 사용은 그 플라스틱 렌즈 부품이 쉽게 주조될 수 있기 때문에, 비구상 광학 표면이 특별한 렌즈 설계의 가능성을 극대화하는데 사용될 수 있다는 이점이 있다. 또한, 사용된 상대적으로 높은 배율의 플라스틱 부품은 전체적으로 적은 비용을 갖는 렌즈를 생산한다.
만일 설계에서 네트(net) 플라스틱 광배율이 중요하다면, 불투열화가 수행될 필요가 있고, 또는 렌즈의 초점은 실내온도에서 작동온도까지 렌즈의 온도를 변화시킴에 따라 상당히 변할 것이다. 이것은 특히 화면까지 상당한 양의 빛을 투과시켜야 하는 투광기(projector)이기 때문에, 상기의 실온보다 상당히 높은 작동온도를 갖는다.
본 발명의 투사렌즈를 위해 불투열화가 플라스틱 렌즈 부품의 위치 및 이러한 부품들의 한계광선높이(marginal ray height)를 고려하는 동안, 불투열화는 양과 음의 플라스틱 광배율을 균형시켜 달성된다.
상기 부품이 견뎌낼 온도 변화량 및 부품의 굴절률을 발생하는 변화량에 의해 플라스틱 렌즈부품의 위치가 중요하다. 일반적으로, 광원 또는 광원의 화상에 근접해 있는 부품들은 온도 변화에 더 큰 영향을 받는다. 실제로, 투사렌즈가 위치한 영역에서의 온도분포는 광원과 광원에 관련된 발광소자의 작동으로 측정되고 이러한 측정치는 투사렌즈의 설계에 사용된다.
주어진 열변화에 있어서, 특별한 플라스틱 렌즈 부품에서 한계광선높이는 부품의 굴절률 변화가 렌즈의 전체적인 열안정성에 대해 중요할 것인지를 결정한다. 한계광선높이가 작은 부품, 즉 시스템의 초점 근처의 부품들은 일반적으로 한계광선높이가 큰 부품들에 비해 시스템의 전체적인 열안정성에 미치는 효과가 적다.
전술한 바에 기초하여, 불투열화는 상기 부품이 견뎌야 하는 온도 변화와 그 부품에서 한계광선높이를 기초로 조정되는 상세한 부품의 기여를 갖는 플라스틱 렌즈 부품에서 양의 배율 및 음의 배율의 양을 균형시켜 달성된다. 실제로, 이러한 불투열화는 하기와 같은 전산화된 렌즈 설계 프로그램으로 실행된다. 첫째, 광선 추적(ray trace)이 첫 번째 온도 분포에서 수행되고, 후면초점길이가 계산된다. 상기 광선 추적은 한계광선에 대해 병렬의 광선 추적일 수 있다. 둘째, 같은 광선 추적이 두 번째 온도분포에서 수행되고, 후면초점길이가 다시 계산된다. 첫 번째와 두 번째의 온도 분포는 전체 렌즈에 걸쳐 일정할 필요는 없고, 통상적인 경우에 있어서 렌즈 부품에서 렌즈 부품으로 변할 수 있다. 그리하여, 시스템의 설계가 렌즈 설계 프로그램을 사용하여 최적화될 때, 계산된 후면초점길이는 일정한 값으로 억제된다.
전술된 내용은 시스템의 온도가 변함에 따라, 상기 투사렌즈 및 픽셀화 판넬에서의 기계 마운트(mechanical mounts)가 마지막 상기 렌즈면과 판넬 사이의 거리를 실질적으로 일정하게 유지시킴을 가정하는 것을 주의해야 한다. 만약 이러한 가정이 정당화되지 않는다면, 불투열화를 수행하기 위해 다른 가정들이 제공되어야 하는데, 예를 들면 기계 마운트의 상대적인 이동에 대한 측정치가 공정내에서 포함되거나 또는 앞쪽의 상기 렌즈면 및 상기 판넬 사이의 거리가 기계적으로 고정된다는 것이다.
도 1 내지 3은 본 발명에 따라 제조된 다양한 투사렌즈를 도시하고 있다. 대응 규정 및 광학 특성은 표 1 내지 3에 각각 나타나 있다. 호야(HOYA) 또는 스코트(SCHOTT)라는 명칭은 상기 렌즈 시스템에서 사용되는 유리들을 위해 사용되었다. 다른 제조자들에 의해 제조된 동일한 유리도 본 발명을 실시하는데 사용할 수 있다. 산업적으로 적용 가능한 제품은 플라스틱 부품이 사용된다.
표에서 설명된 비구상계수는 하기 수학식 1로 계산된다.
Figure pat00001
여기서, z는 시스템의 광학축(optical axis)으로부터 거리(y)에서 표면새그(surface sag)이고, c는 광학축에서 상기 렌즈의 곡률(curvature)이고, k는 원추상수(conic constant)이며, 상기 원추상수는 표 1 ∼3의 규정에서 도시된 것을 제외하고 0이다.
표에서 사용된 약어는 다음과 같다.
EFL: 유효초점거리(effective focal length)
FVD: 전정점거리(front vertex distance)
f/: f-수(f-number)
ENP: 긴 공액으로부터 보여지는 입사동공(entrance pupil)
BRL: 배럴길이(barrel length)
OBJ HT: 대상물높이(object height)
MAG: 배율(magnification)
STOP: 구경조리개(aperture stop)의 위치 및 크기
IMD: 화상거리(image distance)
OBD: 대상물거리(object distance)
OVL: 전체길이(overall length)
표 1∼3에서 사용된 상기 이러한 파라미터의 값들은 상기 시스템의 부품인 프레넬 렌즈에서 계산된다. 표에서 다양한 표면들에 관련된 명칭"a"는 비구상 표면 즉 상기 수학식 1에서 D, E, F, G, H, 또는 I 의 적어도 하나가 0이 아닌 한 표면을 나타낸다. 표 1에서의 모든 단위는 mm이다. 상기 도면들에서 빛이 왼쪽에서 오른쪽으로 이동한다는 가정하에 표들은 작성되었다. 실질적으로는, 화면은 왼쪽에 있을 것이고, 픽셀화 판넬은 오른쪽에 있을 것이며, 빛은 오른쪽에서 왼쪽으로 이동할 것이다. 도 1b, 도 2b, 및 도 3b에서 픽셀화 판넬은 "PP"로 표시되고, 픽셀화 판넬과 연결된 프레넬 렌즈는 "FL"로 표시된다.
표 1 및 표 2에서, 제 1 렌즈 유니트(U1)는 표면 (1∼8)을 포함하고, 제 2 렌즈 유니트(U2)는 표면 (9∼10)을 포함한다. 표 3에서, 제 1 렌즈 유니트(U1)는 표면 (2∼9)을 포함하고, 제 2 렌즈 유니트(U2)는 표면 (10∼13)을 포함한다. 표 3에서 표면(1)은 선택적 비노팅 표면(vignetting surface)이다.
전술한 바와 같이, 도 1∼3의 투사렌즈는 미합중국 특허 제 5,313,330 호(베텐스키)의 반구경조리개(pseudo-aperture stop)/입사동공(entrance pupil) 기술을 이용하여 설계되었다. 이러한 시도에 따라, 상기 발광시스템은 상기 투사렌즈의 입사동공을 한정하도록 사용되는데, 상기 입사동공은 모든 렌즈 초점 길이 및 공액을 위한 픽셀화 판넬에 관계하여 일정한 위치에 위치된다. 상기 입사동공의 위치는 상기 투사렌즈의 판넬측에서 고정된 위치에 위치된 발광시스템 및 프레넬 렌즈로부터 픽셀화 판넬을 통과하는 평행광(parallel light, 실질적으로 텔리신트릭 광(telecentric light))에 의해 실질적으로 결정된다.
표 1 및 표 2의 표면(11) 및 표 3에서 표면(14)은 상기 베텐스키 특허의 반구경 조리개를 구성한다. 반구경조리개의 위치는 발광시스템의 출력의 위치와 일치한다. 표의 하단의 "가상공간(variable space)"에서 볼 수 있듯이, 반구경조리개로부터 픽셀화 판넬까지의 거리는 본질적으로 도 1∼3("화상거리(image distance)"의 기재란 참조)의 투사렌즈 시스템의 모든 초점 위치/줌 위치(배율)에 대해 일정하다. 대조적으로 "공간 2"는 다른 배율에 대해 변한다. 도시된 초점 위치에서, 상기 공간은 렌즈의 전면 및 후면 렌즈면에 의해 한정되는 공간들내에 위치된 발광 출력과 음으로 일치한다.
전술한 바와 같이, 도 1∼2의 투사렌즈는 픽셀화 판넬과 관계된 전체 렌즈의 이동과 연결된 제 1 렌즈 유니트의 첫 번째 및 두 번째 렌즈 부품 사이의 거리를 변화시켜 큰 공액 범위상에서 초점을 맞출 수 있다. 표 1∼2에서 보여지는 바와 같이, 상기 렌즈 부품들 사이의 이동량은 약 1mm 미만정도로 작다.
도 3의 렌즈 시스템에서, 줌조절은 다시 모든 렌즈의 운동과 연결되어 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈 유니트들사이의 거리를 변화시켜 얻어진다. 표 3에서 보여지는 바와 같이, 제 2 렌즈 유니트에 관계한 제 1 렌즈 유니트의 이동은 픽셀화 판넬에 관계된 렌즈 시스템의 전체 이동과 비교하여 작다.
표 4는 본 발명의 렌즈 시스템의 다양한 특성을 요약한다. 여기서, P0 는 프레넬 렌즈를 배제하는 렌즈 시스템의 전체 배율이고, PU1 은 제 1 렌즈 유니트의 배율이고, 어떤 경우에서도 양의 값이다. PU2 는 제 2 렌즈 유니트의 배율로 항상 음의 값이고, PE3 는 세 번째 렌즈 부품의 배율로, 모든 경우에서 P0 의 약 50% 미만이다. PE4 는 네 번째 렌즈 부품의 배율로, 모든 경우에 있어서 P0 의 약 150% 이상이다. 비 PU1/P0 의 바람직한 값은 약 1.3이상이고, 비 |PU2|/P0 의 바람직한 값은 약 0.6 이상이다. 표 4에서 보여지는 바와 같이, 도 1∼3의 상기 렌즈 시스템은 이러한 바람직한 비율로 달성된다.
도 1∼3의 상기 렌즈들은 약 10.6in(약 270mm)의 대각선을 갖는 LCD판넬을 사용하기 위해 설계된다. 상기 LCD 판넬은 상기 렌즈 시스템의 광학축으로부터 상기 판넬의 오프셋(offset)이 포함될 때, 대략 12.2in(대략 310mm)의 유효 대각선과 대응된다. 상기 판넬은 가로 해상도의 1,000 TV 라인이상과 대응하는 200마이크론의 픽셀 크기를 갖는다. 본 발명의 렌즈에 의해 제조되는 상기 판넬들의 화상은 통상적으로 약 60in(약 1,525mm)로부터 약 250in(약 6,350mm)의 범위를 갖는다. 특히, 상기 렌즈들은 1/4 픽셀(50마이크론) 또는 그 미만에 비슷하게 상당히 좋은 색보정을 달성한다. 이것은 고품질 데이터 및 비디오 투사를 위한 중요한 특성이다.
이하 실시예를 통하여 본 발명을 좀 더 구체적으로 설명하지만, 하기 예에서 본 발명의 범주가 한정되는 것은 아니다.
Figure pat00002
Figure pat00003
Figure pat00004
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Figure pat00007
Figure pat00008
본 발명은 긴 초점길이, 발광시스템의 출력 및 고수준의 수차보정으로 효과적인 커플링(coupling)을 유지하면서 여러 가지 배율로 작동할 수 있는 능력, 상대적으로 적은 수의 렌즈부품을 포함하는 상대적으로 작은 크기, 상대적으로 작은 배럴(barrel)길이, 및 상대적으로 작은 최대 렌즈직경, 고수준의 색채보정, 적은 변형(distortion), 및 온도 변화에 낮은 민감성-과 같은 상기 성질들을 적어도 동시에 갖는 대형 픽셀화 판넬과 함께 사용하는 투사렌즈를 제공하는 것이다.
도 1a, 2a, 및 3a는 본 발명에 따라 제조된 투사렌즈의 개략적인 측면도,
도 1b, 2b, 및 3b는 픽셀화 판넬(PP) 및 프레넬 렌즈(FL)가 조합된 각각의 도 1a, 2a, 3a의 투사렌즈를 도시하는 개략도,
도 4는 투사렌즈 시스템의 기본구조 개략도.

Claims (20)

  1. 대상물의 화상을 형성하는 투사렌즈로서,
    렌즈의 화상 말단에서 렌즈의 대상물 말단측으로,
    (A) 양의 배율을 갖고, 화상측에서 대상물측으로(ⅰ) 양의 렌즈 부품, (ⅱ) 음의 렌즈 부품, (ⅲ) 약한 광배율의 렌즈 부품, 및 (ⅳ) 강한 광배율의 양의 렌즈 부품을 순차적으로 포함하는 제 1 렌즈 유니트; 및
    (B) 음의 배율을 가진 제 2 렌즈 유니트;를 순차적으로 포함하되,
    (a) 상기 제 1 렌즈 유닛과 제 2 렌즈 유닛은 합성된 광배율(P0)을 갖고,
    (b) 상기 강한 광배율의 양의 렌즈 부품은 배율(PE4)을 가지며,
    (c) 상기 PE4＞ 1.5P0인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  2. 대상물의 화상을 형성하는 투사렌즈 시스템으로서,
    (a) 광원 및 상기 광원의 화상을 출력으로 형성하는 발광소자를 포함하는 발광 시스템;
    (b) 상기 대상물을 포함하는 픽셀화 판넬; 및
    (c) 상기 대상물의 화상을 형성하는 투사렌즈로서, 렌즈의 화상 말단에서 렌즈의 대상물 말단측으로,
    (A) 양의 배율을 갖고, 화상측에서 대상물측으로 (ⅰ) 양의 렌즈 부품, (ⅱ) 음의 렌즈 부품, (ⅲ) 약한 광배율의 렌즈 부품, 및 (ⅳ) 강한 광배율의 양의 렌즈 부품을 순차적으로 포함하는 제 1 렌즈 유니트, 및
    (B) 음의 배율을 가진 제 2 렌즈 유니트를 순차적으로 포함하는 투사렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 투사렌즈는 발광 시스템의 출력의 위치와 실질적으로 대응하는 위치의 입사동공을 갖는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 픽셀화 판넬과 투사렌즈 사이에 시야렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  5. 대상물의 화상을 형성하는 투사렌즈로서,
    렌즈의 화상 말단에서 렌즈의 대상물 말단측으로,
    (A) 양의 배율을 갖고, 화상측에서 대상물측으로 (ⅰ) 양의 렌즈 부품, (ⅱ) 음의 렌즈 부품, (ⅲ) 약한 광배율의 렌즈 부품, 및 (ⅳ) 강한 광배율의 양의 렌즈 부품을 순차적으로 포함하는 제 1 렌즈 유니트; 및
    (B) 음의 배율을 가진 제 2 렌즈 유니트;를 순차적으로 포함하되,
    상기 투사렌즈는 화상에서 약 1% 미만인 왜곡을 갖는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  6. 대상물의 화상을 형성하는 투사렌즈로서,
    렌즈의 화상 말단에서 렌즈의 대상물 말단측으로,
    (A) 양의 배율을 갖고, 화상측에서 대상물측으로 (ⅰ) 양의 렌즈 부품, (ⅱ) 음의 렌즈 부품, (ⅲ) 약한 광배율의 렌즈 부품, 및 (ⅳ) 강한 광배율의 양의 렌즈 부품을 순차적으로 포함하는 제 1 렌즈 유니트; 및
    (B) 음의 배율을 가진 제 2 렌즈 유니트;를 순차적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  7. 제 1 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 유니트의 음의 렌즈 부품이 고분산 물질로 구성된 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  8. 제 1 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 렌즈 유니트가 단일 부품인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  9. 제 1 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 2 렌즈 유니트가 2개의 부품, 즉 하나는 양의 배율을 갖는 부품과 다른 하나는 음의 배율을 갖는 부품으로 구성된 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  10. 제 1 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1 렌즈 유니트와 제 2 렌즈 유니트는 각각 적어도 하나의 비구상 표면을 포함하는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  11. 제 1 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 투사렌즈의 광학성능은 상기 투사렌즈가 실내온도에서 작동온도로 가열될 때 실질적으로 변하지 않는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  12. 제 1 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 투사렌즈는 화상에서 약 1%미만인 왜곡을 갖는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  13. 제 1 항, 제 5 항 또는 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 대상물이 픽셀화 판넬인 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 투사렌즈가 대상물에서 약 한 개의 픽셀 미만인 횡색수차를 갖는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
  15. 대상물의 화상을 형성하는 투사렌즈 시스템으로서,
    (a) 광원 및 상기 광원의 화상을 출력으로 형성하는 발광소자를 포함하는 발광 시스템;
    (b) 상기 대상물을 포함하는 픽셀화 판넬; 및
    (c) 제 1 항, 제 5 항 또는 제 6 항의 투사렌즈;를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 투사렌즈는 발광 시스템의 출력의 위치와 실질적으로 대응하는 위치의 입사동공을 갖는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 픽셀화 판넬과 투사렌즈 사이에 시야렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  18. 대상물의 화상을 형성하는 투사렌즈 시스템으로서,
    (a) 광원 및 상기 광원의 화상을 출력으로 형성하는 발광소자를 포함하는 발광 시스템;
    (b) 상기 대상물을 포함하는 픽셀환 판넬; 및
    (c) 상기 대상물의 화상을 형성하는 투사렌즈로서, 렌즈의 화상 말단에서 렌즈의 대상물 말단측으로,
    (A) 양의 배율을 갖고, 화상측에서 대상물측으로 (ⅰ) 양의 렌즈부품, (ⅱ) 음의 렌즈부품, (ⅲ) 약한 광배율의 렌즈부품, 및 (ⅳ) 강한 광배율의 양의 렌즈 부품을 순차적으로 포함하는 제 1 렌즈 유니트, 및
    (B) 음의 배율을 가진 제 2 렌즈 유니트를 순차적으로 포함하는 투사렌즈; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 픽셀화 판넬과 투사렌즈 사이에 시야렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서, 상기 투사렌즈는 발광 시스템의 출력의 위치와 실질적으로 대응하는 위치의 입사동공을 갖는 것을 특징으로 하는 투사렌즈 시스템.
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