KR100591782B1 - 투사렌즈 및 투사렌즈용 초점조정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 광각 시야, 짧은 투사거리 및 텔리센트리서티(telecentricity)를 가지고 높은 콘트라스트로 투사되고, 왜곡수차등의 각종 수차가 감소되고 광로가 변환되는 투사렌즈를 얻는 것이다.

부의 굴절력을 갖는 제 1렌즈군과, 정의 굴절력을 가지는 제 2 및 제 3렌즈군이 긴 공액측에서부터 배열된다. 투사거리 무한원점에서 백포커스(back focus)를 BF, 전체 시스템의 합성초점거리를 F, 상기 제 1렌즈군과 상기 제 2렌즈군 사이의 중심공기면간격을 GD1, 상기 제 1렌즈군의 합성초점거리를 F1, 상기 제 2렌즈군과 상기 제 3렌즈군의 합성초점거리를 F23 그리고 상기 제 2렌즈군과 상기 제 3렌즈군사이의 중심공기면간격을 GD2로 나타내면, 다음 식이 만족된다: [2.8 〈 BF/F] [3.0 〈 GD1/F 〈 4.50] [0.40 〈 -F1/F23 〈 0.48] [0.40 〈 GD2/F23 〈 0.8].

이때, 초점조정은 광축(OA)을 따라서 제 1렌즈군을 이동시킴으로써 실행된다.

Description

투사렌즈 및 투사렌즈용 초점조정방법{Projection lens and focus adjusting method for projection lens}

도 1a 및 도 1b는 본 발명의 실시예의 투사렌즈를 가지는 투사표시장치의 전체적인 구성을 나타내는 다이어그램이다.

도 2는 본 발명의 실시예의 투사렌즈를 가지는 투사장치의 구성(제 1예)을 나타내는 다이어그램이다.

도 3은 본 발명의 실시예의 투사렌즈를 가지는 투사장치의 구성(제 2예)을 나타내는 다이어그램이다.

도 4는 본 발명의 실시예의 투사렌즈를 가지는 투사장치의 구성(제 3예)을 나타내는 다이어그램이다.

도 5는 제 1 ~ 제 3실시예에 공통인 투사렌즈의 구성을 나타내는 렌즈단면도이다.

도 6은 제 1실시예의 투사렌즈의 구성을 나타내는 렌즈단면도이다.

도 7은 제 2실시예의 투사렌즈의 구성을 나타내는 렌즈단면도이다.

도 8은 제 3실시예의 투사렌즈의 구성을 나타내는 렌즈단면도이다.

도 9는 제 1실시예의 투사렌즈의 수치실시예를 나타내는 다이어그램이다.

도 10은 제 2실시예의 투사렌즈의 수치실시예를 나타내는 다이어그램이다.

도 11은 제 3실시예의 투사렌즈의 수치실시예를 나타내는 다이어그램이다.

도 12는 전체 확장시스템이 제 1실시예로서 사용되는 경우에 투사렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차를 나타내는 수차도이다.

도 13은 제 1렌즈군 확장시스템이 제 1실시예로서 사용되는 경우에 투사렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차를 나타내는 수차도이다.

도 14는 전체확장시스템이 제 2실시예로서 사용되는 경우에 투사렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차를 나타내는 수차도이다.

도 15는 제 1렌즈군 확장시스템이 제 2실시예로서 사용되는 경우에 투사렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차를 나타내는 수차도이다.

도 16은 전체확장시스템이 제 3실시예로서 사용되는 경우에 투사렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차를 나타내는 수차도이다.

도 17은 제 1렌즈군 확장시스템이 제 3실시예로서 사용되는 경우에 투사렌즈의 구면수차, 비점수차, 왜곡수차를 나타내는 수차도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호 설명

1. 램프 2. 반사기

3. IR-UV커트필터 4,5. 멀티렌즈어레이

6,6A,6B. 다이크로익미러 7,7A,7B. 미러

8,8A,8B. 콘덴서렌즈 9,9A,9B. 액정패널블록

10,10A,10B. 다이크로익미러 11,11A,11B. 콘덴서렌즈

12,12A,12B. 액정패널블록 13,13A,13B. 릴레이렌즈

14,14A,14B. 미러 15,15A,15B. 반전용 릴레이렌즈

16,16A,16B. 미러 17,17A,17B. 콘덴서렌즈

18,18A,18B. 액정패널블록 19,19A,19B. 광합성소자

19a,19A-a,19A-b,19B-a,19B-b. 반사막 20. 투사렌즈

21. 스크린 100. 제 1렌즈군

101. 메니스커스렌즈 102. 오목렌즈

200. 제 2렌즈군 201. 정렌즈

300. 제 3렌즈군 301. 라미네이티드렌즈

302. 더블오목렌즈 303. 정렌즈

304. 정렌즈 305. 메니스커스렌즈

500. 투사표시장치 501. 캐비넷

502. 투사장치 503. 캐비넷

504. 스크린 504. 절곡미러

600. 투사광 M. 절곡미러

본 발명은 투사렌즈에 관한 것으로, 투사표시장치 등의 투사장치에 설치된 투사렌즈에 적절하게 적용된다.

최근, 투사표시장치가 널리 보급되고 있다.

상기 기술한 투사표시장치로서 투과형 스크린에 그 배면측에서 화상광을 투사함으로써 표시동작을 행하는 소위 배면투사형 투사표시장치가 알려져 있다.

이러한 배면 투사형 투사표시장치에서, 백색광원의 광을 반사기 등에 의해 조준함으로서 얻어진 광속이 색분해미러(color-separating mirror)에 의해 적색, 녹색 및 청색의 광속으로 분리된다.

3색의 광속은 적색, 녹색, 청색(R,G,B)의 영상전기신호에 따라서 형성된 각 2차원 화상 표시소자(예를 들면, LCD: Liquid Crystal Display)에 입사된다. 적색, 녹색, 청색에 대응하는 각 2차원 화상표시소자에서 얻어진 화상광은 색 합성 광학계에서 백색으로 색합성되고 투사렌즈를 거쳐서 투과형 스크린에 투사되어 확대된다.

동일한 구성을 가지는 렌즈로서 싱글렌즈 리플렉스 카메라용 광각(wide- angle)형 사진렌즈 및 CRT에 의한 투사 텔레비젼용 광각 투사렌즈가 다수 제안되고 있다.

더욱이, 투사표시장치는 투사렌즈를 구성하는 렌즈계에 있어서 광로를 90° 변환하는 구조를 가지는 경우가 있다.

이 구조에 따라서, 투사표시장치에서 투사장치의 하우징의 배치방향과 투사장치내의 색분해에서 색합성까지의 각종 광학 소자의 설치 방향이 변경되고, 더욱이 각종 광학 소자가 소형화됨으로써, 투사표시장치의 소형화가 가능하게 된다.

상기 서술한 것같이 투사표시장치의 구성에서, 2차원 화상표시소자에서 투사 렌즈의 뒷단까지의 거리에 대응하는 소위 백포커스가 색 합성광학계로서 다이크로익(dichroic) 프림즘, 다이크로익 미러등의 광학소자를 배열하는 필요상의 규제에 의해 길게 설정되어야 한다.

더욱이, 확대된 화상이 투사표시장치로서 한개의 투사장치에 의해 전체 투과형에 형성되는 경우에, 투사표시장치자체를 축소하기 위해서 투사거리(예를 들면, 투사렌즈의 사출(emission) 단에서 미러를 통해서 투과형 스크린에 연장되는 중심광빔의 길이)를 단축할 필요가 있다. 이 요구를 만족시키기 위해서, 투사렌즈가 보다 넓은 각을 가지도록 만들어지고 사출된 광의 발산각이 증가됨으로서, 큰 크기의 프레임을 얻는 것이 필요하다.

더욱이, 광원에서 2차원 화상표시소자를 통해서 광을 투과하고 스크린에 2차원 화상표시소자의 화상을 높은 콘트라스트(contrast)로 표시하기 위해 화상이 확대되고, 수직에 가까운 각으로 2차원 화상표시소자에서 사출되는 광속이 사용되어야 한다.

더욱이, 화상광이 투사되는 스크린의 색의 불일치성을 줄이기 위해서, 다이크로익 프리즘 또는 다이크로익 미러의 도포면에 부딪히는 광빔의 각도 폭을 일정하게 하는 것이 더 좋다.

따라서 투사렌즈의 축 외의 주 광선이 2차원 화상 표시소자에 수직이 되도록투사렌즈는 텔리센트리서티를 가지는 것이 필요하다. 그러나 이 경우에 렌즈는 2차원 화상표시소자의 중심을 통과하는 광빔에 대하여 대칭이고, 2차원 화상표시소자 자체는 단지 한쪽 방향으로 높은 콘트라스트를 가지므로, 2차원 화상표시소자에 방사된 광속 자체는 각도를 가지도록 요구된다.

LCD등과 같은 표시장치는 일반적으로 2차원 화상표시소자로써 사용되고, CRT를 사용하는 경우와는 달리 LCD가 매트릭스 전극을 사용하는 것에 의해 구동되기 때문에 투사렌즈의 왜곡을 보정하기가 어렵다. 즉, CRT의 경우에는 핀큐션(pin-cushion) 왜곡보정등과 같은 레스터(raster) 형상의 보정기능을 사용함으로써 투사의 왜곡이 비교적 쉽게 보정될 수 있다. 한편, LCD와 같은 도트 매트릭스표시를 행하는 표시장치의 경우에, 이러한 레스터왜곡보정이 일반적으로 행해지지 않는다.

상기의 상황으로부터, 투사렌즈의 왜곡수차(收差)를 가능한한 많이 줄이는 것이 바람직하다. 그러나, 이것은 투사렌즈의 광각설계와 롱백(long back) 초점에 대하여 장해가 된다.

즉, 광각 설계 및 롱백 초점이 확보된 투사렌즈에 텔리센트리서티가 부여되면, 렌즈의 전체 길이와 렌즈지름이 증가하는 경향이 있다라는 것이 알려져 있다.

또, 싱글렌즈 반사카메라용 광각 사진렌즈와 CRT에 의한 투사텔레비젼용 투사렌즈에서 백포커스가 불충분하고 축외의 광속의 입사각과 사출각이 예각이기 때문에, 텔리센트리서티가 없고 광량이 작은 현상이 있다.

또한, 투사렌즈내에서 광로를 변환하는 구성을 이용하는 투사표시장치의 경우에, 초점조정시스템으로 전체 투사렌즈와 스크린사이의 상대적인 거리를 조정함으로써 초점위치를 얻는 소위 전체연장방식(overall extension system)이 사용되면, 스크린상의 화상중심이 편향되어 적당하지 않은 것이 알려져 있다. 따라서, 투사표시장치에서는 전체연장방식외의 적절한 초점조정수단을 사용하는 것이 필요 하다.

본 발명은 광각 시야, 짧은 투사거리 및 텔리센트리서티(telecentricity)에서 롱백초점와 큰 축외 광량 또한 작은 왜곡수차와 작은 다른 수차를 가지는 투사렌즈의 시스템에서 광로변환을 행하기 위한 투사렌즈를 제공하는 것이다. 또한, 본 발명은 광로변환이 투사렌즈의 시스템에서 행해지는 경우에 적합한 초점조정을 가능하게 한다.

본 발명은 굴절력과 비구면을 갖는 제 1렌즈군과, 전체 시스템중에서 최대 중심 공기면간격을 두기 위하여 하나의 정(positive)의 굴절력을 가지고, 적어도 1개의 정의 렌즈를 갖도록 형성된 제 2렌즈군과, 정의 굴절력과 비구면을 갖는 제 3렌즈군이 긴 공액측에서부터 짧은 공액측의 순서로 배열되는 배열에서, 상기 제 1렌즈군과 상기 제 2렌즈군 사이에 삽입되고 상기 제 1렌즈군으로부터 상기 제 2렌즈군에 연장되어야 하는 광속의 광로를 변환하는 광로변환수단이 설치되어 있는 투사렌즈를 형성한다.

투사거리 무한원점에서 백포커스(back focus)를 BF, 전체 시스템의 합성초점거리를 F, 상기 제 1렌즈군과 상기 제 2렌즈군 사이의 중심공기면간격을 GD1, 상기 제 1렌즈군의 합성초점거리를 F1, 상기 제 2렌즈군과 상기 제 3렌즈군의 합성초점거리를 F23 그리고 상기 제 2렌즈군과 상기 제 3렌즈군사이의 중심공기면간격을 GD2로 나타내면,

다음 식

2.8 〈 BF/F

3.0 〈 GD1/F 〈 4.50

0.40 〈 -F1/F23 〈 0.48

0.40 〈 GD2/F23 〈 0.8

이 만족된다.

따라서, 광로변환수단이 배치될 수 있는 공기간격이 제 1렌즈군과 제 2렌즈군 사이에서 유지되고, 역망원형 렌즈구성이 롱백초점을 가지는 광각렌즈로서 얻어질 수 있다. 또한, 축외 주요광빔이 제 3렌즈군의 높은 위치로 사출되도록 구성이 이루어짐으로써, 액정패널 등의 2차원 화상표시소자의 면에 입사되는 축외 주요광빔의 텔리센트리서티가 구해질 수 있다.

본 발명에 따르면, 광로변환수단을 가지는 투사렌즈로서, 예를 들면, 투사렌즈가 투사표시장치용으로 사용될때 필요한 롱백초점를 가지는 광각렌즈가 형성될 수 있고, 역망원형 렌즈구성이 구해질 수 있다. 즉, 큰 규모의 스크린이 짧은 투사로 구해질 수 있다.

더욱이, 본 발명에 따르면, 상기 구성에서, 상기 제 3렌즈군은 적어도 라미네이티드(貼合)렌즈 및 정렌즈를 갖고 최단의 공액측에 비구면렌즈를 갖고, 상기 제 3렌즈군의 합성초점거리를 F3, 상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈의 합성초점거리를 F31, 상기 제 3렌즈군의 상기 정렌즈의 합성초점거리를 FP32, 상기 제 3렌즈군의 상기 정렌즈와 상기 비구면렌즈의 합성초점거리를 F32, 상기 제 3렌즈군의 상기 비구면렌즈의 합성초점거리를 FP33으로 나타내면,

다음식

1.00 〈 -F31/F3 〈 2.50

0.9 〈 FP32/F3 〈 1.40

2.00 〈 FP33/F32

이 만족된다.

따라서, 제 3렌즈군에서 라미네이티드렌즈를 구성하는 정렌즈의 굴절력의 균형, 제 3렌즈군에서 정렌즈의 굴절력의 균형 및 제 3렌즈군에서 비구면렌즈의 굴절력의 균형이 정의되고, 여러가지 수차의 양호한 보정상태가 얻어질 수 있다.

동시에, 각 렌즈의 작업에서 용이함이 또한 확보되는 것이 채택될 수 있다.

상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈는 긴 공액측으로부터 짧은 공액측의 방향으로 부(negative)렌즈와 정(positive)렌즈로 구성되고, 상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈를 구성하는 부렌즈의 굴절률을 N3N, 상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈를 구성하는 정렌즈의 굴절률을 N3P, 상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈를 구성하는 정렌즈의 아베(Abbe)수를 V3P, 상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈를 구성하는 부렌즈의 아베수를 V3N으로 나타내면,

다음식

N3N - N3P 〉 0.15

V3P - V3N 〉27

이 만족됨으로써, 적절한 색보정을 가능하게 하기 위해 제 3렌즈군에서 라미네이티드렌즈의 적절한 값이 굴절률로서 얻어진다.

광로변환수단은 투사렌즈의 전체 시스템의 초점위치에 배치되도록 2차원 화상표시소자의 긴면을 따라서 광로가 구부러지도록 설치되거나, 투사렌즈의 전체 시스템의 초점위치에 배치되도록 2차원 화상표시소자의 짧은 면을 따라서 광로가 구부러지도록 설치됨으로써, 투사렌즈를 가지는 투사장치의 투사표시장치에서 배열방향의 설정이 변경될 수 있다.

그 결과, 본 발명의 투사렌즈가 갖추어진 투사표시장치의 하우징크기를 감소하기 위한 것이 가능하게 된다.

광로변환수단은 단지 P파 또는 S파를 전반사하는 미러 또는 프리즘으로 구성되어 있다. 그러므로, 상기 투사렌즈를 가지는 투사장치가 P파 또는 S파중 어느 하나를 가지는 편향면의 광속을 취급할 수 있도록 설계되는 경우를 저비용으로 대응될 수 있다.

즉, 본 발명에 따르면, 광각, 짧은 투사거리, 롱백 초점 및 텔리센트리서티를 가지는 액정패널을 사용하는 투사장치에서 높은 콘트라스트를 가지고 투사할 수 있고, 또한 왜곡수차 등의 여러 가지 수차가 감소되는 광변환을 행하는 투사렌즈가 설치된다.

예를 들면, 2차원 화상표시소자로서 액정패널을 사용하는 투사장치에 본 발명의 투사렌즈를 적용함으로써 투사표시장치가 구성될때, 깊이 등이 감소되는 박형(thin type)의 것이 구해지고, 또한 양호한 화질이 기대된다.

본 발명에 따르면, 굴절력과 비구면을 갖는 제 1렌즈군과, 전체 시스템중에 최대 중심 공기면간격을 두기 위하여 한개의 정(positive)의 굴절력을 갖고, 적어 도 한 개의 정렌즈를 갖도록 형성된 제 2렌즈군과, 정의 굴절력과 비구면을 갖는 제 3렌즈군이 긴 공액측에서 짧은 공액측으로 배열되는 배열에서, 상기 제 1렌즈군과 상기 제 2렌즈군 사이에 삽입되고 상기 제 1렌즈군으로부터 상기 제 2렌즈군에 연장되는 광속의 광로를 변환하는 광로변환수단이 설치되는 투사렌즈용 초점조정방법으로서, 투사거리 무한원점에서 백포커스(back focus)를 BF, 전체 시스템의 합성초점거리를 F, 상기 제 1렌즈군과 상기 제 2렌즈군사이의 중심공기면간격을 GD1, 상기 제 1렌즈군의 합성초점거리를 F1, 상기 제 2렌즈군 및 상기 제 3렌즈군의 합성초점거리를 F23 그리고 상기 제 2렌즈군 및 제 3렌즈군사이의 중심공기면간격을 GD2로 나타내면,

다음식

2.8 〈 BF/F

3.0 〈 GD1/F 〈 4.50

0.40 〈 -F1/F23 〈 0.48

0.40 〈 GD2/F23 〈 0.8

이 만족되고, 상기 제 1렌즈군을 광축을 따라서 이동시킴으로서 투사렌즈의 긴 공액측에서 초점위치가 조정된다.

즉, 스크린에 초점이 맞추어지고 예를 들면 긴공액측에 배열되는 광속의 초점조정이 광로가 광로변환수단에 의해 변환된 후에 광속이 진행하는 것을 통하여 렌즈군에 의해 실행된다.

예를 들면, 소위 전체 연장방식을 사용하는 경우에서와 같이, 초점조정작업 은 스크린상에 화상중심이 편향되는 형상을 발생하지 않고 쉽게 실행될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 투사렌즈를 이하 설명한다. 본 실시예의 투사렌즈는 2차원 화상표시소자로서 LCD를 사용하는 배면투사형 투사표시장치의 투사장치가 설치된다고 가정하여 설명한다.

1. 투사표시장치의 구성

1-1. 전체구성

먼저, 본 실시예의 투사렌즈를 가지는 투사렌즈가 갖추어지도록 설계되어 있는 투사표시장치의 전체구성을 설명한다.

도 1a 및 도 1b는 투사표시장치의 전체구성의 일예의 측면도 및 정면도이다.

이들 도면에서 나타낸 투사표시장치(500)는 그 캐비넷(501)의 배면에 벤딩미러(504)가 설치되어 있고, 투과형 스크린(21)은 캐비넷(501)의 정면에 설치되어 있다. 벤딩미러(504)는 다음에 설명하는 투사장치로부터 투사된 화상광이 스크린(504)에 반사되고 투사될 수 있는 각도를 가지도록 부착되어 있다.

투사장치(502)는 도면에 나타낸 것같이 캐비넷(501)의 하측에 배치되어 있다.

후술하는 광원, 다이크로익미러, 액정패널블록 및 다이크로익 프리즘(광합성소자)등의 광학부품이 투사장치(502)의 캐비넷(503)에 배치되어 있고, 광속은 상기 소장의 동작에 의해 영상광으로서 얻어진다. 이렇게 구해진 영상광으로서 광속은 투사렌즈(20)에 의해 투사되고, 투사광(600)으로서 사출된다.

이 실시예에서, 광로를 변환하가 위한 벤딩미러(M)는 투사렌즈(20)를 구성하는 렌즈시스템의 광로에 배치된다. 따라서, 이 실시예에서, 영상광으로서 광속은 투사렌즈(20)에서 절곡된다.

이렇게 구성된 투사표시장치(500)에서, 투사광(600)은 벤딩미러(504)로 조사되도록 투사렌즈(20)로부터 상향으로 사출된다. 투사렌즈(20)로부터 사출된 투사렌즈(600)의 광로는 벤딩미러(504)에 의해 절곡되고 스크린(21)에 조사된다.

스크린(21)에는 투사렌즈(20)로부터 투사된 투사광에 의해 얻어진 확대화상이 표시된다. 예를 들면, 감상자는 투사렌즈의 배치위치와 반대방향으로부터 스크린(21)을 보고 표시화상을 즐길수 있다.

도 1에 나타낸 것같이 투사렌즈(20)에서 광로를 변환하는 방법은 투사표시장치(500)의 캐비넷(501)을 소형화를 목적으로 주로 사용되었다.

즉, 도 1의 경우에, 투사장치(502)의 캐비넷(503)에서 얻어진 영상광으로서 광속의 광로는 투사렌즈(20)에서 90°만큼 상향으로 변환된다. 따라서, 투사장치(502)의 캐비넷(503) 자체는 거의 평평하게 (실제로, 도 1a의 도면으로부터 분명한 것같이, 투사광(600)이 벤딩미러(504)에 적절히 조사되도록 경사지게 놓여진다) 놓여지고, 캐비넷(503)의 정면(투사장치(502)가 설치되는 측에서 측면)/배면이 투사표시장치(500)의 캐비넷(501)의 측면에 대향하도록 배치될 수 있다.

따라서, 광로가 투사렌즈(20)에 의해 변환되지 않는 경우와 비교하여, 투사표시장치(500)의 캐비넷(501)의 깊이(D)가 감소될 수 있다. 더욱이, 투사표시장치(500)의 캐비넷(501)에서 스크린(21)의 하면의 부분의 공간이 감소될 수 있기때 문에, 캐비넷(501)의 높이(H)가 감소될 수 있다.

본 발명이 사용되는 투사표시장치는 도 1에 나타낸 구성에 한정되지 않고, 투사표시장치의 캐비넷에서 투사장치의 설치형태가 투사장치 등의 투사렌즈에서 광로변환방향에 따라서 적절히 변경될 수 있다.

1-2. 투사장치의 내부구성(제 1예)

이어서, 도 1에 나타낸 투사장치(502)의 내부구성을 도 2를 참조하여 설명한다.

도 2는 본 실시예의 투사렌즈가 설치될 수 있는 투사장치(502)로서 제 1예의 내부구성을 개념적으로 나타낸다. 이 경우에, 스크린(21) 이외의 부분은 투사장치(502)를 구성하고 있다.

이 실시예에서, 도 1에 나타낸 것같이, 벤딩미러(504)는 투사렌즈(20)와 스크린(21)사이에 투사표시장치의 구조로서 설치되고, 광로는 투사렌즈(20)에서 벤딩미러(M)에 의해 변환된다. 이 경우에, 투사장치(502)의 내부구성의 설명에 대하여 주목하였기 때문에, 도 2의 벤딩미러(504)와 광로변환에 대응하는 구조를 가지는 투사렌즈(20)는 도시가 생략되어 있다.

도 2에 나타낸 투사장치(502)로서, 금속 하라이드(halide) 램프 등을 구성하는 광원으로서의 램프(1)는 반사기(2)(방물면경(parabolic plane mirror))의 초점위치에 배치된다. 램프(1)에서 조사된 광은 반사기(2)로부터 반사되고 광축과 거의 평행하도록 조준(collimated)되고 그러면, 반사기(2)의 개구부로부터 사출된다.

반사기(2)의 개구부에서 사출된 광에서 적외선영역 및 자외선영역의 불필요한 광빔이 IR-UV컷필터(3)에 의해 차단되고, 표시에 유효한 광빔만이 후단에 배치된 각종 광학소자에 안내된다.

IR-UV 컷필터(3)의 후단에는, 멀티렌즈어레이(5)가 멀티렌즈어레이(4)에 이어서 배치되어 있다.

이 경우, 멀티렌즈어레이(4)는 후술하는 광변조수단으로서 각각의 액정패널의 유효개구와 동일 어스펙트비를 가지는 형상에 유사한 외양을 가지는 복수의 볼록렌즈가 그 위상이 1/2씩 편향되면서 지그재그형으로 배열된 평평한 형으로 설계되어 있다.

멀티렌즈어레이(5)는 복수의 볼록렌즈(5a)는 멀티렌즈어레이(4)의 볼록렌즈와 대향하는 그 측면에 형성되어 있도록 평평한 볼록형으로 설계되어 있다.

멀티렌즈어레이(4)와 멀티렌즈어레이(5)를 배열함으로써, IR-UV 컷필터(3)를 통과하는 광속은 후술하는 액정패털블록의 유효개구에 효과적으로 일정하게 조사될 수 있다.

램프(1)로부터의 광속을 적색, 녹색, 청색으로 분리하는 다이크로익미러(6, 10)는 멀티렌즈 어레이(5)와 액정패널블록의 유효개구의 사이에 배치된다.

도면에 나타낸 경우에서, 적색의 광속(R)은 다이크로익 미러(6)에 의해 먼저 반사되고, 거기를 통하여 녹색의 광속(G)과 청색의 광속(B)이 투과된다. 다이크로익 미러(6)에 의해 반사된 적색의 광속(R)의 진행방향은 미러(7)에 의해 90°절 곡되고, 적색용 액정패널블록(9) 전에 컨덴서렌즈(8)에 안내된다.

한편, 다이크로익 미러(6)를 통하여 투과된 녹색 및 청색 광속(G, B)은 다이크로익 미러(10)에 의해 분리된다. 즉, 녹색 광속(G)은 반사되어 그 진행방향을 90°만큼 절곡시키고 녹색액정패널(12) 전에 컨덴서렌즈(11)에 안내된다. 청색광속(B)은 다이크로익 미러(10)를 통하여 투과되고, 직진하여, 릴레이렌즈(13), 미러(14), 반전용 릴레이렌즈(15), 미러(16)를 통하여 청색 액정패널(18)전의 컨덴서렌즈(17)에 안내된다.

상기 서술한 것같이, 각각의 적색, 녹색, 청색 광속(R, G, B)은 각각의 컨덴서렌즈(8, 11, 17)를 통하여 투과되고 각각의 색에 대한 액정패널블록(9, 12, 18)에 입사된다.

각색의 액정패널블록(9, 12, 18)은 액정패널이 설치되고, 또한 액정패널의 전단에 입사한 광빔의 편광방향을 일정방향으로 정렬하는 입사측 편광판이 설치된다. 또한, 사출한 광의 소정의 편향면을 가지는 광만을 투과하는 소위 분석기가 액정패널의 다음단에 배치됨으로써, 광의 세기는 액정을 구동하는 회로의 전압에 의해 변조된다.

일반적으로, 다이크로익 미러(6, 10)의 특성을 유효하게 사용하기 위해, P편향면의 반사, 투과특성이 사용된다. 따라서, 도 1의 지면에 평행한 편광면이 투과하도록 각 액정패널블록(9, 12, 18)의 입사측편광판은 배치된다.

더욱이, 예를 들면, 액정패널블록(9, 12, 18)을 구성하는 각 액정패널로서 TNT형이 사용되고, 그 동작이 소위 노멀리 화이트형으로 설정된다. 도 1의 지면 에 수직의 편향광이 투과되도록 분석기가 배치된다.

액정패널블록(9, 12, 18)에 의해 광학적으로 변조된 각색의 광속은 광합성소자(크로스 다이크로익 프리즘)(19)에서 도면에 나타낸 각 면에 입사된다. 이 광합성소자는 소정의 형상을 가지는 프리즘과 반사막(19a, 19b)을 조합하여 형성된다.

광합성소자의 적색 광속(R)은 반사막(19a)으로부터 반사되고, 청색 광속(B)은 반사막(19b)로부터 반사되고, 그들은 투사렌즈(20)에 입사된다. 녹색 광속(G)은 광합성소자(19)내를 직진하면서 투과하고, 투사렌즈(20)에 입사됨으로써, 광속(R), 광속(G), 광속(B)은 한개의 광속에 합성되어 투사렌즈(20)에 입사된다.

투사렌즈(20)에서, 광합성소자(19)에서 입사된 광속은 투사광으로 변환되고, 예를 들면 투과형 스크린(21)에 투사된다.

이 실시예에서, 광로가 투사렌즈(20)에서 90°변환된후, 투사표시장치에 배치된 벤딩미러(504)에 의해 반사되고 광속은 스크린(21)에 투사된다.

1-3. 투사장치의 내부구성(제 2예)

도 3은 이 실시예의 투사렌즈가 설치될 수 있는 투사장치(502)의 제 2예로서 내부구성을 개념적으로 나타낸다. 도 3에서, 도 2와 동일 부분에는 동일 도면부호로 표시하고, 그 설명은 생략한다.

이 경우, 광속(B)은 멀티렌즈 어레이(5)이 다음 단에서 다이크로익 미러(6A) 에 의해 반사되고, 광속(R), 광속(G)는 통과하게 된다.

다이크로익 미러(6A)에서 반사된 광속(B)은 미러(7A)로부터 반사되어 컨덴서렌즈(8A)를 통과하고, 청색 액정패널블록(9A)을 통하여 광학적으로 변조되고, 그 다음 도 3에 나타낸 방향으로부터 광합성소자(19A)에 입사된다.

다이크로익 미러(6A)를 통과하는 광속(R), 광속(G)은 그 다음단에서 다이크로익미러(10A)에 입사된다. 이 경우, 광속(R)은 다이크로익 미러(10A)에서 반사되는 반면, 광속(G)은 통과된다.

다이크로익 미러(10A)에서 반사된 광속(R)은 컨덴서렌즈(11A)를 통과하고, 적색용 액정패널블록(12A)을 통하여 광학적으로 변조되고, 그 다음 도면에 나타낸 방향으로부터 광합성소자(19A)에 입사된다.

다이크로익 미러(10A)를 통과한 광속(G)은 릴레이 렌즈(13A), 미러(14A), 역릴레이렌즈(15A) 및 미러(16A)를 통하여 컨덴서렌즈(17A)에 도달한다. 그 다음, 컨덴서렌즈(17A)를 통과하여 녹색용 액정패널블록(18A)을 통하여 광학적으로 변조되고 도면에 나타낸 방향으로부터 광합성소자(19A)에 입사된다.

광합성소자(19A)는 또한 소정의 형상을 가지는 프리즘과 반사막(19A-a, 19A-b)를 결합하여 형성된다.

광합성소자(19A)에 입사되는 각 색의 광속중에서, 광속(B)는 반사막(19A-a)으로부터 반사되고 투사렌즈(20)에 입사된다. 광속(G)은 반사막(19A-a)으로부터 반사되고, 투사렌즈(20)에 입사된다. 광속(R)은 광합성소자(19A)를 통과하여 직진하고, 투사렌즈(20)에 입사된다. 그 결과, 각 광속(R, G, B)는 한개의 광속으 로 합성되고 투사렌즈(20)에 입사된다.

1-4. 투사장치의 내부구성(제 3예)

도 4는 이 실시예의 투사렌즈가 설치될 수 있는 투사표시장치의 제 3예로서 내부구성을 개념적으로 나타낸다. 도 4에서, 도 2와 도 3의 동일 부분에는 동일 도면부호로 표시하고, 그 설명은 생략한다.

이 경우, 광속(G)은 다이크로익 미러(6B)에 의해 반사되고, 광속(R), 광속(B)은 통과하게 된다.

다이크로익 미러(6B)에서 반사된 광속(G)은 미러(7B), 컨덴서렌즈(8B), 녹색용 액정패널블록(9B)을 통하여 도 4에 나타낸 방향으로부터 광합성소자(19B)에 입사된다.

다이크로익 미러(6B)를 통과한 광속(R), 광속(B)은 다이크로익 미러(10B)에 입사되고, 광속(R)은 거기에서 반사되면서 광속(B)은 거기를 통과한다.

다이크로익 미러(10B)에서 반사된 광속(R)은 컨덴서렌즈(11B), 적색용 액정패널블록(12B)을 통하여 도면에 나타낸 방향으로부터 광합성소자(19B)에 입사된다.

다이크로익 미러(10B)를 통과한 광속(B)은 릴레이 렌즈(13B), 미러(14B), 역릴레이렌즈(15B) 및 미러(16B), 컨덴서렌즈(17B) 및 청색용 액정패널블록(18B)을 차례대로 통하여 도면에 나타낸 방향으로부터 광합성소자(19B)에 입사된다.

광합성소자(19B)는 또한 소정의 형상을 가지는 프리즘과 반사막(19B-a, 19B-b)를 결합하여 형성된다. 이 경우에, 광합성소자(19B)에 입사되는 각 색의 광속 중에서, 광속(G)는 반사막(19B-a)으로부터 반사되고 광속(B)은 반사막(19B-a)에 의해 반사되고, 광속(R)은 광합성소자(19B)를 통과하여 직진하고, 그들은 한개의 광속으로 투사렌즈(20)에 입사된다.

이 실시예의 투사장치에 대하여 3가지 예를 제시함으로써 설명하였다. 그러나, 이것은 단지 일예일 뿐이고, 여러 가지 구성이 이들 실시예의 투사렌즈가 설치될 수 있는 투사표시장치의 내부구성으로서 고려될 수 있다.

2. 투사렌즈의 구성

2-1. 렌즈의 배열구성

다음, 실시예로서 투사렌즈를 설명한다. 이 경우에 제 1 ~ 제 3실시예는 본 발명의 실시예의 투사렌즈로서 이하 설명한다. 이들 제 1 ~ 제 3실시예의 투사렌즈는 도 1 ~ 도 3에 나타낸 투사표시장치에서 투사렌즈(20)로서 사용된다.

먼저, 제 1 ~ 제 3실시예의 투사렌즈(20)와 공통의 렌즈구조를 도 5를 참조하여 설명한다.

도 5는 제 1, 제 2, 제 3실시예로서 투사렌즈(20)의 렌즈배열구조를 개념적으로 나타내는 렌즈단면도이다. 이들 도면에서, 도 5의 왼쪽 상측(미케니컬(mechanical) 렌즈(101)의 상측)은 스크린(21)측(긴 공액측)으로서 설정되어 있고, 우측은 액정패널블록과 광합성소자측(짧은 공액측)으로서 설정되어 있다.

도 5에 나타낸 투사렌즈(20)로서, 제 1렌즈군(100), 제 2렌즈군(200) 및 제 3렌즈군(300)은 긴 공액측으로부터 짧은 공액측으로 연속적으로 배열되어 있다. 또한, 벤딩미러(M)는 제 1렌즈군(100)과 제 2렌즈군(200)사이에 설치되어 있다.

이 경우, 제 1렌즈군(100)은 긴 공액측에서 투사형상을 가지는 메니스커스렌즈(meniscus lens)(101)와 짧은 공액측에서 오목형상을 가지는 오목렌즈(102)로 이루어지고, 긴 공액측으로부터 짧은 공액측으로 배열됨으로써, 부의 굴절력이 주어진다. 또한, 메니스커스렌즈(101)의 양면은 후술하는 수치 실시예에서 비구면계수에 따른 비구면을 가진다.

제 2렌즈군(200)은 정의 굴절력이 주어지도록 한개의 정렌즈(201)로 이루어진다.

이 실시예에서, 예를 들면, 후술하는 소정의 조건식을 만족함으로써, 제 2렌즈군(200)과 제 1렌즈군 사이의 공기간격은 벤딩미러(M)가 배치될 수 있는 거리로 제공될 수 있고, 투사렌즈로서 소망의 성능이 얻어질 수 없다.

제 3렌즈군(300)은 긴 공액측으로부터 라미네이티드 렌즈(301)와 정렌즈(304) 및 짧은 공액측에서 볼록형 메니스커스렌즈(305)로 이루어지고, 도면에 나타내는 것같이 배치됨으로써, 정의 굴절력을 가진다.

여기서, 라미네이티드(laminated) 렌즈(301)는 긴 공액측으로부터 짧은 공액측에 더블(double) 오목렌즈(부렌즈)(302)와 정렌즈(303)를 배열하고 더블오목렌즈(302)와 정렌즈(303)의 볼록면을 서로 포갬으로써 형성된다.

더욱이, 메니스커스렌즈(305)는 그 양면에 후술하는 수치실시예에 의해 표시된 비구면을 가진다.

이 도면에서, 광합성소자와 액정패널블록은 제 3렌즈군의 짧은 공액면에 표 시되어 있지만, 광합성소자와 액정표시패널블록은 투사렌즈와의 위치관계로서 단지 광입사측에 위치하는 것을 개념적으로 나타내고 있다.

즉, 이 도면에서 도시하고 있는 광합성소자와 액정패널을 도 2에 대응시킴으로써, 광합성소자(19)와 액정패널블록(9, 12, 18)은 이 도면에 도시되어 있다. 동일하게, 도 3 및 도 4에 대응되면, 광합성소자(19A)와 액정패널블록(9A, 12A, 19A) 또는 광합성조자(19B)와 액정패널블록(9B, 12B, 19B)가 도시되어 있다.

벤딩미러(M)는 제 2렌즈군(200)으로부터 광속을 반사하고 광로를 변환하여, 제 1렌즈군(100)에 대하여 광속을 입사시키기 위해 설치됨으로써, 도 1을 참조하여 서술한 것같이 투사표시장치의 캐비넷의 축소설계를 증진한다.

제 2렌즈군(200)으로부터 광속의 광로를 90°변환하도록 벤딩미러(M)가 투사렌즈(20)에 배열되어 있고, 이 경우 제 2렌즈군(200)으로부터 광속의 광로를 90°변환함으로써 다음 2개의 방법이 고려될 수 있다.

예를 들면, 액정패널블록의 표시영역은 화상의 어스펙트비에 대응하여 한쌍의 긴면과 한쌍의 짧은 면을 가지도록 직사각형으로 설계되어 있다.

그러므로, 벤딩미러(M)에 의해 액정패널블록에 의거하여 광로변환이 실행될때, 액정패널블록의 긴면 방향을 따라서 광로를 90°변환하는 방법과 짧은 면방향을 따라서 광로를 90°변환하는 방법이 고려될 수 있다.

예를 들면, 이것은 도 5와 대응되어 있고, 도 5가 액정패널블록의 긴면 방향을 따라서 광로가 90°변환되도록 설계되어 있으면, 도면에 나타낸 액정패널블록의 측가장자리(단면부)가 긴면이 된다.

역으로, 도 5가 액정패널블록의 짧은면 방향을 따라서 광로가 90°변환되도록 설계되어 있으면, 도면에 나타낸 액정패널블록의 측가장자리(단면부)가 짧은면이 된다.

이 실시예에서, 광로가 액정패널블록의 긴면방향과 짧은면 방향의 어느 방향으로 변환될지라도, 투사표시장치의 캐비넷은 축소될 수 있고, 도 1에 나타낸 투사표시장치의 구성이 사용되면, 예를 들면 액정패널블록의 긴면방향으로 따라서 광로변환을 행하는 것이 더 낫다.

이 실시예의 경우에, 액정패널블록으로부터 투사렌즈(20)로 입사된 변조된 화상광의 광속이 광로를 변환하기 위해서 투사렌즈에서 벤딩미러(M)에 의해 먼저 반사되고, 광로를 변환하기 위해 투사표시장치의 캐비넷(501)에 설치된 벤딩미러(504)에 의해 더 반사되고 그 다음 스크린(21)에 입사된다.

상기 서술한 것같이, 액정패널블록에서 변조된 화상광은 도 1에 나타낸 위치관계를 가지는 2개의 미러를 통하여 스크린에 투사된다. 이 때, 화상은 액정패널블록에서 스크린(21)에 통과하는 과정을 통하여 90°회전한다.

따라서, 투사장치(502)의 캐비넷(503)에서, 그 긴면방향(화상의 수평방향)이 세로방향에 대응하도록 액정패널블록은 배열됨으로써, 화상의 긴면방향이 수평방향과 대응하는 적절한 상태에서 스크린(21)에 최종적으로 표시된다. 또한, 이 구성과 관련하여, 긴면방향이 세로방향에 대응하도록 다른 투사장치(502)를 구성하는 여러가지 광학소자가 배열된다.

그러므로, 이 실시예에서와 같이, 광속의 광로는 액정패널블록의 긴면방향과 다른 광학소자가 세로방향에 대응하도록 배열되는 캐비넷(503)의 긴면방향을 따라서 90°변환된다.

이 경우에, 따라서, 광로는 도 1에 나타낸 것같이 변환된다. 즉, 광로는 투사장치의 캐비넷(503)에 대하여 상측을 향하도록 변환된다.

여기서, 액정패널블록, 다른 광학소자 등을 구성하는 부품의 긴면방향이 세로방향과 대응하도록 투사장치(502)가 배열될때, 단면은 횡방향에 대응한다. 그러므로, 각종 부품의 단면 방향이 세로방향에 대응하도록 배치되는 경우와 비교하여, 투사장치(502)의 캐비넷(503)의 폭(W)은 더욱 쉽게 감소될 수 있다. 더욱이, 내부 각종 구성부품의 구성에 따라서, 각종 구성부품 자체는 소형화될 수 있다.

상기 서술한 것같이, 투사장치(502)의 캐비넷(503)의 소형화가 보다 효과적으로 실행됨으로써, 투사표시장치(500)의 소형화(특히, 깊이의 감소)를 증진시킨다.

투사렌즈(20)에서 광로를 변환하는 수단으로서 상기 벤딩미러(M)등과 같은 미러구조를 가지는 부재뿐아니라, 프리즘 등을 사용하는 부재가 고려될 수 있다.

더욱이, 액정패널블록이 본 실시예에서와 같이 투사장치로서 사용될때, S파, P파중 어느 한개의 편향방향만이 실제로 사용되는 광으로서 사용될 수 있다.

그러므로, 투사렌즈(20)에서 광로를 변환하는 벤딩미러(M) 또는 프리즘이 광반사효과를 얻기위해 코딩된다고 고려될때, 광합성소자(19, 19A, 19B)에서 최종적으로 사출되는 광속의 편광면에 대하여 S파 또는 P파 중의 어느 한개의 방향의 편 광방향으로만 높은 반사율이 제공되도록 코팅이 실행될 수 있다. 역으로 서술하면, 본 실시예의 광로변환수단은 S파 및 P파 모두를 전반사할 수 있는 구조를 반드시 필요로 하지 않고, 비용이 감소될 수 있다.

2-2. 조건식

다음 조건식(1) ~ (11)은 상기 구조를 가지는 제 1 ~ 제 3의 실시예의 투사렌즈(20)에 있어서 만족하고 있다.

무한점의 투사거리에서 백포커스를 BF, 모든 시스템의 합성초점거리를 F, 제 1렌즈군(100)과 제 2렌즈군(200)사이의 중앙공기간격을 GD1, 제 1렌즈군(100)의 합성초점거리를 F1, 제 2렌즈군(200)과 제 3렌즈군(300)의 합성초점거리를 F23, 제 2렌즈군(200)과 제 3렌즈군(300)사이의 중앙공기간격을 GD2로 표현하면,

2.8 < BF/F … (1)

3.0 < GD1/F < 4.50 … (2)

0.40 < -F1/F23 < 0.48 … (3)

0.40 < GD2/F23 < 0.8 … (4)

제 3렌즈군(300)의 합성초점거리를 F3, 제 3렌즈군(300)의 라미네이티드 렌즈(301)의 합성초점거리를 F31, 제 3렌즈군(300)의 정렌즈(304)의 합성초점거리를 FP32, 제 3렌즈군(300)의 정렌즈(304)와 비구면렌즈(메니스커스 렌즈(305))의 합성초점거리를 F32, 제 3렌즈군(300)의 비구면렌즈(메니스커스 렌즈(305))의 합성초점거리를 FP33으로 표현하면,

1.00 < -F31/F3 < 2.50 … (5)

0.9 < FP32/F3 < 1.40 … (6)

2.00 < FP33/F32 … (7)

제 3렌즈군(300)의 라미네이티드렌즈(301)를 구성하는 부렌즈(더블 오목렌즈(302))의 굴절률을 N3N, 제 3렌즈군(300)의 라미네이티드렌즈(301)를 구성하는 정렌즈(303)의 굴절률을 N3P, 제 3렌즈군(300)의 라미네이티드렌즈(301)를 구성하는 정렌즈(303)의 아베수를 V3P, 제 3렌즈군(300)의 라미네이티드렌즈를 구성하는 부렌즈(더블 오목렌즈(302))의 아베수를 V3N으로 표현하면,

N3N - N3P > 0.15 … (8)

V3P - V3N > 27 … (9)

이어서, 각 상기 조건식을 서술한다.

예를 들면, 도 2 ~ 도 4에 나타낸 구성으로부터 명백한 것같이, 색합성용 다이크로익 미러 또는 다이크로익 프리즘등의 광학 소자가 필요하기 때문에 롱백초점이 투사표시장치의 투사렌즈용으로 필요하다.

여기서, 투사표시장치의 크기 즉, 하우징 크기를 감소시키기 위해서, 짧은 투사거리에서 큰 프레임을 얻는 것이 필요하므로, 투사렌즈(20)의 화각이(the view angle) 넓게 되도록 설계된다.

그러므로, 본 실시예에서, 투사렌즈(20)의 화각이 크게 되도록 본 실시예에서 조건식(1)을 만족함으로써 설정될 수 있다. 여기서, 조건식(1)의 하한치가 초과되면, 색합성시스템의 공간이 상실된다.

조건식(2)는 광로변환수단으로서 벤딩미러(M)(또는 프리즘 등)가 제 1렌즈군(100)과 제 2렌즈군(200) 사이의 투사렌즈(20)에 배열되는 공간을 정의한다. 하한치가 초과되면, 미러 또는 프리즘이 놓여지는 공간이 상실된다. 상한치가 초과되면, 전체 렌즈길이는 증가되거나 제 1렌즈군의 지름은 증가되고, 그래서 불편하다.

조건식(3)은 제 1렌즈군(100)과 제 2렌즈군(200) 사이의 비와 제 2렌즈군(200)과 제 3렌즈군(300)의 합성초점거리를 정의한다. 이 조건은 전체 렌즈시스템의 크기, 백포커스, 광학성능을 양호한 상태로 유지하기 위해서 사용된다.

조건식(3)이 만족될때, 전체 투사렌즈시스템의 크기, 백포커스 및 광학 성능이 우수하게 유지된다. 역으로, 조건식(3)의 상한치가 초과되면, 역망원형의 구성이 약해진다. 그러므로, 백포커스를 유지하기가 어렵다. 길이가 매우 증가하면, 전체 렌즈길이가 증가하거나 제 1렌즈군(100)의 렌즈지름이 증가하여 불편하였다.

조건식(3)의 하한치가 초과되면, 제 1렌즈군(100)의 굴절력이 확대되고, 화상필드의 만곡과 왜곡수차가 발생하므로, 보정이 곤란하다.

조건식(4)은 제 2렌즈군(200)과 제 3렌즈군(300) 사이의 중심공기간격을 큰 값으로 설정하고 백포커스를 증가시키기 위하여 제 2렌즈군(200)에서 사출되는 근축광선의 높이를 유지하고, 축외 주요광빔을 제 3렌즈군(300)의 높은 위치에 사출함으로써 액정패널면에 입사되는 축외 주요광빔의 텔리센트리서티(telecentricity) 를 유지하기 위해 사용된다.

여기서, 조건식(4)의 상한치가 초돠되면, 구면수차 등의 각종 수차가 발생기 때문에 불편하므로 보정이 곤란하다. 또한, 조건식(5)의 하한치가 초과되면, 백포커스가 소망의 것보다 짧거나 텔리센트리서티가 유지될 수 없다.

조건식(5), (6), (7)은 제 2렌즈군(200)과 제 3렌즈군(300)에 대한 축외의 양호한 수차보정상태에 있는 렌즈의 배치와 초점거리의 밸런스를 나타낸다.

제 1렌즈군(100)에서, 각각의 축외 광빔은 렌즈의 다른 부분을 통과하고, 광빔의 굴절상태는 비구면렌즈로 인해 광빔마다 조금씩 변화하는 곡면에 의해 변화한다.

제 2렌즈군(200)의 액정패널블록측에 가장 가까운 렌즈부근에서 축상의 광속에서 축외의 광속까지의 광빔은 거의 동일한 렌즈면을 통과하여 제 3렌즈군(300)에 사출된다. 제 2렌즈군(200)의 렌즈(정렌즈(201))는 제 3렌즈군(300)의 라미네이티드된 렌즈(301)에 광빔을 안내하도록 설계된다.

여기서, 조건식(8)(9)를 만족하는 글래스 등의 물질이 렌즈로 사용됨으로써, 색수차가 보정된다.

조건식(6)은 제 3렌즈군(300)의 정렌즈(303)의 굴절력의 균형을 나타낸다.

조건식(6)의 상한치가 초과되면, 정렌즈(303)의 굴절력이 낮아지고, 이것을 보상하기 위해, 부하가 제 1 ~ 제 3렌즈군에서 다른 정렌즈상에 부가되므로, 광학 성능이 악화된다. 또한, 조건식(6)의 하한치가 초과되면, 굴절력이 과도하게 증가하기 때문에, 정렌즈(303)의 렌즈두께가 증가하거나 렌즈주변의 두께가 상실되는 경향이 있으므로, 렌즈의 처리가 어렵다.

조건식(7)은 제 3렌즈군(300)의 비구면렌즈(메니스커스 렌즈(305))의 굴절력의 균형을 나타낸다.

조건식(7)의 하한치가 초과되면, 비구면렌즈(메니스커스 렌즈(305))의 굴절력이 과도하게 확대되고, 커브방향이 이 렌즈의 렌즈중심과 주변사이에서 다르므로, 처리작업이 어렵게 된다.

조건식(5)은 제 3렌즈군(300)의 라미네이티드 렌즈(301)에서 정렌즈(303)의 굴절력을 나타내고, 적절한 색보정이 조건식(8), (9)를 만족하는 글래스를 사용함으로써 실행될 수 있다.

조건식(5)의 상한치가 초과되면, 라미네이티드 렌즈(301)에서 부렌즈(더블 오목렌즈(302))의 굴절력이 확대되어야 한다. 크게 확대되면, 색분산이 강해진다.

역으로, 조건식(5)의 하한치가 초과되면, 라미네이티드 렌즈(301)에서 부렌즈(더블 오목렌즈(302))의 굴절력이 약화되므로, 보정이 색수차에 불충분하다.

2-3. 초점조정

이어서, 본 실시예의 투사렌즈(20)의 초점조정을 설명한다.

예를 들면, 도 1에 나타낸 구조를 가지는 투사표시장치에서, 투사장치(502)의 투사렌즈(20)에서 사출된 투사광이 스크린(21)에 집중되도록 초점조정을 실행하는 것이 필요하다.

그러나, 종래의 기술에서 미리 기술한 것같이, 투사렌즈에서 광로를 변환하 는 구성을 가지는 투사표시장치의 경우에, 소위 전체연장방식이 초점조정시스템으로서 사용되면 스크린상의 화상중심이 엇갈리는 것을 알수 있다.

그러므로, 이 실시예에서, 초점조정은 광로가 변환된 후 광속이 얻어지는 렌즈방식에서 실행된다.

즉, 초점조정은 광축(OA)을 따라서 제 1렌즈군(100)만을 이동시킴으로써 실행된다(도 5참조). 즉, 초점조정은 적절한 값이 제 1렌즈군(100)에서 짧은 공액면에서 오목렌즈(102)의 단면과 도 5에 나타낸 것같이 벤딩미러(M)에 대하여 상면단부를 통과하는 광축(OA)에 수직인 면 사이의 거리(Lf)로부터 구해지는 조정작업으로서 정의될 수 있다.

상기 서술된 것같이 초점조정을 실행함으로써, 전체 연장방식이 채택될때 발생하기 쉬운 화면상에 화상중심의 엇갈림 등의 현상이 억제되어 양호한 초점상태를 얻을수 있다.

2-4. 수치실시예 등

여기서, 제 1 ~ 제 3실시예의 투사렌즈(20)에 주어진 수치실시예에 대응하는 각 렌즈구조가 도 6, 7, 8에 도시되어 있다.

이들 도면에서, 도 5와 동일한 부분은 동일한 도면부호로 표현되어 있다. 또한, 이들 도면에서, 수치실시예에 대응하는 렌즈구조만이 도시되어 있고, 제 1렌즈군(100)과 제 2렌즈군(200) 사이에 놓여진 벤딩미러(M)의 도시는 생략되어 있다. 또한, 편의상, 각 렌즈군을 통하여 통과되는 광속의 광로는 굴절되지 않는 것으로 도시되어 있다.

여기서, 각 실시예로서의 렌즈구조는 도 5를 참조하여 기술되어 있고, 그래서 그 기술은 각각의 도 6, 7, 8에 대하여 생략되어 있다.

제 1 ~ 제 3 실시예에 대응하는 수치실시예 즉, 도 6, 7, 8은 도 9, 10, 11에 도시되어 있다.

이 도면에서, m은 스크린(21)측(긴 공액측)에서 설치되어 있는 렌즈면에 대한 평면부재를 나타내고, ri는 화면측에서 계수된 곡면의 i번째 반경을 나타내고, di는 i번째 렌즈간격을 나타내고, ni는 i번째 굴절률을 나타내고, vi는 i번째 아베수를 나타낸다.

각 도9, 10, 11의 렌즈간격은 전체 연장방식이 초점조정방식으로 사용되고 상기 제 1렌즈군(100)만을 광축을 따라서 이동시키는 시스템(각 군에서 "제 1군 연장"이라고 서술된다)의 경우가 사용된다.

또한, 제 1면, 제 2면, 제 12면, 제 13면의 비구면으로서 면형상은 면의 중심이 원점으로 설정되어 있고, r은 중심곡률반경을 나타내고, k는 원추계수를 나타내고, A4, A6, A8, A10은 각각 4차, 6차, 8차, 10차 비구면계수를 나타내는 다음 식으로 표현된다.

각각의 도면 12, 13, 14, 15, 16, 17에 대하여, 제 1 ~ 제 3실시의 형태의 투사렌즈(20)에 대한 구면수차, 비점수차 및 왜곡수차는 전체 연장방식이 초점조정방식으로 사용되는 경우와 제 1렌즈군(100)만을 광축을 따라서 이동시키는 방식(제 1렌즈군 연장방식)이 사용되는 경우의 사이에서 비교된다.

각 도면에 나타낸 각종 수차도에 나타낸 결과를 얻는 과정에서, 수치실시예에 나타내지는 않았지만 광합성소자(19(19A, 19B))로서 35mm(굴절률 n=1.51633, 아베수 ν=64.0)의 중심간격을 가지는 평행평면판을 놓음으로써 계산이 실행된다.

제 1 ~ 제 3실시예로서 투사렌즈의 실제 구조는 도 6 ~ 도 8에 나타낸 것에 한정되는 것은 아니고, 상기 서술된 조건이 만족되는 한 각 렌즈군을 구성하는 렌즈수는 변경될 수 있다.

더욱이, 본 실시예에서, 본 발명의 투사렌즈는 배면투사형 투사표시장치에서 액정패널이 2차원 화상표시소자로서 사용되는 투사장치에 갖추어져 있지만, 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 본 발명은 단일렌즈 카메라용 광각 사진렌즈, CRT를 이용하는 투사텔레비젼용 투사렌즈 등에도 적용될 수 있다.

본 발명은 광각 시야, 짧은 투사거리 및 텔리센트리서티(telecentricity)에서 롱백초점와 큰 축외 광량 또한 작은 왜곡수차와 작은 다른 수차를 가지는 투사렌즈의 시스템에서 광로변환을 행하기 위한 투사렌즈를 제공함으로써, 광로변환이 투사렌즈의 시스템에서 행해지는 경우에 적합한 초점조정을 가능하게 한다.

Claims (10)

1. 굴절력과 비구면을 갖는 제 1렌즈군과,

   전체 시스템중에서 최대 중심 공기면간격을 두기 위하여 하나의 정(positive)의 굴절력을 가지고, 적어도 1개의 정의 렌즈를 갖도록 형성된 제 2렌즈군과,

   정의 굴절력과 비구면을 갖는 제 3렌즈군이

   긴 공액측에서부터 짧은 공액측의 순서로 배열되는 배열에서,

   상기 제 1렌즈군과 상기 제 2렌즈군 사이에 삽입되고 상기 제 1렌즈군으로부터 상기 제 2렌즈군에 연장되어야 하는 광속의 광로를 변환하는 광로변환수단이 설치되고,

   투사거리 무한원점에서 백포커스(back focus)를 BF, 전체 시스템의 합성초점거리를 F, 상기 제 1렌즈군과 상기 제 2렌즈군 사이의 중심공기면간격을 GD1, 상기 제 1렌즈군의 합성초점거리를 F1, 상기 제 2렌즈군과 상기 제 3렌즈군의 합성초점거리를 F23 그리고 상기 제 2렌즈군과 상기 제 3렌즈군사이의 중심공기면간격을 GD2로 나타내면,

   다음 식

   2.8 〈 BF/F

   3.0 〈 GD1/F 〈 4.50

   0.40 〈 -F1/F23 〈 0.48

   0.40 〈 GD2/F23 〈 0.8

   이 만족되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 3렌즈군은 적어도 라미네이티드(貼合)렌즈 및 정렌즈를 갖고 최단의 공액측에 비구면렌즈를 갖고, 상기 제 3렌즈군의 합성초점거리를 F3, 상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈의 합성초점거리를 F31, 상기 제 3렌즈군의 상기 정렌즈의 합성초점거리를 FP32, 상기 제 3렌즈군의 상기 정렌즈와 상기 비구면렌즈의 합성초점거리를 F32, 상기 제 3렌즈군의 상기 비구면렌즈의 합성초점거리를 FP33으로 나타내면,

   다음식

   1.00 〈 -F31/F3 〈 2.50

   0.9 〈 FP32/F3 〈 1.40

   2.00 〈 FP33/F32

   이 만족되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈는 긴 공액측으로부터 짧은 공액측의 방향으로 부(negative)렌즈와 정(positive)렌즈로 구성되고, 상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈를 구성하는 부렌즈의 굴절률을 N3N, 상기 제 3렌즈군의 상 기 라미네이티드렌즈를 구성하는 정렌즈의 굴절률을 N3P, 상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈를 구성하는 정렌즈의 아베(Abbe)수를 V3P, 상기 제 3렌즈군의 상기 라미네이티드렌즈를 구성하는 부렌즈의 아베수를 V3N으로 나타내면,

   다음식

   N3N - N3P 〉 0.15

   V3P - V3N 〉27

   이 만족되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
4. 제 1항에 있어서,

   광로가 상기 투사렌즈의 전체 시스템의 초점위치에 배치되는 2차원 화상표시소자의 긴면을 따라 절곡되도록 상기 광로변환수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
5. 제 4항에 있어서,

   광로는 상기 2차원 화상표시소자의 긴면을 따라 절곡되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
6. 제 1항에 있어서,

   광로가 상기 투사렌즈의 전체 시스템의 초점위치에 배치되는 2차원 화상표시소자의 짧은 면에 따라 절곡되도록 상기 광로변환수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
7. 제 6항에 있어서,

   광로는 상기 2차원 화상표시소자의 짧은 면에 따라 절곡되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 광로변환수단은 P파 또는 S파만을 전반사하는 미러(mirror)로 구성되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
9. 제 1항에 있어서,

   상기 광로변환수단은 P파 또는 S파를 전반사하는 프리즘(prism)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈.
10. 굴절력과 비구면을 갖는 제 1렌즈군과,

    전체 시스템중에 최대 중심 공기면간격을 두기 위하여 한개의 정(positive)의 굴절력을 갖고, 적어도 한 개의 정렌즈를 갖도록 형성된 제 2렌즈군과,

    정의 굴절력과 비구면을 갖는 제 3렌즈군이

    긴 공액측에서 짧은 공액측으로 배열되는 배열에서,

    상기 제 1렌즈군과 상기 제 2렌즈군 사이에 삽입되고 상기 제 1렌즈군으로부 터 상기 제 2렌즈군에 연장되는 광속의 광로를 변환하는 광로변환수단이 설치되고, 투사거리 무한원점에서 백포커스(back focus)를 BF, 전체 시스템의 합성초점거리를 F, 상기 제 1렌즈군과 상기 제 2렌즈군사이의 중심공기면간격을 GD1, 상기 제 1렌즈군의 합성초점거리를 F1, 상기 제 2렌즈군 및 상기 제 3렌즈군의 합성초점거리를 F23 그리고 상기 제 2렌즈군 및 제 3렌즈군사이의 중심공기면간격을 GD2로 나타내면,

    다음식

    2.8 〈 BF/F

    3.0 〈 GD1/F 〈 4.50

    0.40 〈 -F1/F23 〈 0.48

    0.40 〈 GD2/F23 〈 0.8

    이 만족되는 투사렌즈의 초점조정방법은

    상기 제 1렌즈군을 광축을 따라서 이동시킴으로서 상기 투사렌즈의 긴 공액측에서 초점위치가 조정되는 것을 특징으로 하는 투사렌즈의 초점조정방법.

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