KR100595194B1 - 광학계 조명 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인터그레이터 시스템(Integrator System)에서 빛의 각도를 완화시키기 위한 광학계 조명장치에 관한 것으로, 광원에서 발광되어 집속된 광이 입사되는 입사면 및 입사된 광이 전반사를 통해 진행되면 이를 출사하는 출사면으로 이루어진 광학 소자 및 광학 소자의 입사면 전면에 위치하여 광학 소자로 입사되는 빛의 각도를 완화하기 위한 각도 완화 렌즈를 포함하고, 각도 완화 렌즈는 오목 렌즈 형상이며 집속된 광의 초점 앞에 위치하거나 각도 완화 렌즈는 볼록 렌즈 형상이며 집속된 광의 초점 뒤에 위치하는 것을 특징으로 한다.

인터그레이터(Integrator)/라이트 터널/각도 완화

Description

광학계 조명 장치{Optical Device}

도 1은 일반적인 플라이-아이 렌즈의 일 예를 나타내는 도면

도 2a는 일반적인 라이트 로드의 일 예를 나타낸 도면

도 2b는 도 2a의 라이트 로드에서 빛이 균일해지는 원리를 나타내는 도면

도 3은 램프의 빛이 도 2a의 라이트 로드를 지난 후의 각도 분포를 나타내는 도면

도 4a는 본 발명에 따른 라이트 터널을 이용한 인터그레이터 시스템을 나타낸 도면

도 4b는 본 발명에 따른 라이트 터널을 이용한 인터그레이터 시스템의 다른 실시예를 나타낸 도면

도 5는 램프의 빛이 도 4a 및 도 4b의 라이트 터널을 지난 후의 각도 분포를 나타내는 도면

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10: 라이트 터널

20a, 20b: 각도 완화 렌즈

본 발명은 영상기기의 광학계 조명 장치에 관한 것으로, 특히 광원으로부터 출사되는 빛을 균일하게 만드는 인터그레이터(Integrator)에 관한 것이다.

최근, 티브이의 대형화에 따라 프로젝션 시스템(Projection System)이 많이 연구되고 있다. 프로젝션 시스템의 이미지 소자로는 폴리-실리콘(Poly-Silicon)과 실리콘 크리스탈(Silicon Crystal)에 액정을 올린 것과, 나노(Nano) 기술을 이용한 DMD(Digital Micro-mirror Device) 등이 있다.

이때, 광원인 램프에서 나온 빛은 패널에 최대한 작은 각도 분포를 가지고, 보다 균일(Uniform)하게, 그리고 패널 모양으로 입사되어야 한다. 이런 역할을 해주는 소자를 인터그레이터(Integrator)라 한다. 가장 많이 쓰이는 인터그레이터에는 플라이-아이 렌즈(Fly-Eye Lens)와 라이트 로드(Light Rod) 또는 라이트 터널(Light Tunnel)이 있다.

먼저, 플라이-아이 렌즈는 램프에서 나오는 비편광된 빛을 패널(Panel)이 원하는 모양과 균일성(Uniformity)을 만족시켜 주는 소자로서, 도 1에 도시한 바와 같이 램프에서 나온 빛을 릴레이 렌즈(Relay Lens)와 1/4 파장판(Wave Plate)을 통해 여러 면적으로 쪼갠 후 두 개의 플라이-아이 렌즈를 이용하여 각각을 패널 상으로 조명시켜서 균일(Uniform) 및 성형(Shaping)을 한다.

그리고, 라이트 로드 또는 라이트 터널은 광학계 시스템을 설계하는데 있어 상술한 플라이-아이 렌즈보다 간단한 이점이 있다.

또한, 라이트 로드는 육각 블록으로 내부 전반사를 이용하는 반면, 라이트 터널은 거울 4장을 붙여서 반사를 이용하여 인터그레이터 역할을 하는데, 라이트 로드와 라이트 터널의 기본 원리는 동일하다.

상기 라이트 로드의 기본 원리를 설명하면 다음과 같다.

상기 라이트 로드는 길다란 글래스 블록을 놓아 빛이 라이트 로드 안에서 전반사 후 진행되어 균일 및 성형을 한다.

이때, 상기 라이트 로드의 형상은 도 2a에 도시한 바와 같고, 상기 라이트 로드는 성형과 빛의 각도 분포를 줄이기 위해서 4면 중 2면에 대하여 각도를 주기도 한다. 라이트 로드 안으로 들어온 빛은 전반사를 하면서 진행하게 된다.

즉, 램프에서 발광된 빛이 라이트 로드에 입사하면 광은 내부에서 여러 번 반사를 일으키면서 라이트 로드를 통과하게 되는데, 이때 라이트 로드의 출사면에서는 면 전체에 빛이 골고루 퍼지면서 출사하게 된다. 다시 말해서, 광원으로부터 나온 빛이 라이트 로드의 출사면으로 진행되어 출사면이 마치 제 2의 균일한 휘도 분포를 갖는 면 광원이 된다. 그 다음은 소정의 렌즈들과 전반사 미러에 의해서 화상 표시 소자 면에 라이트 로드의 출사면을 적당한 크기로 결상시킨다.

여기서, 빛이 균일해지는 원리는 도 2b에 도시한 바와 같이, 빛이 라이트 로드 안에서 반사를 하면서 원래 중앙에 좁게 모여있던 빛은 넓게 퍼진다. 이 퍼진 빛은 마치 종이를 접는 것과 같이 펼쳐진 빛의 다발을 라이트 로드의 경계면을 기준으로 하여 접힌 결과가 라이트 로드 출사면에서 나가는 빛의 형상이 된다.

여기서, 라이트 로드의 길이가 길면 길수록 굴절되는 횟수가 많아지므로 출사면에서의 빛은 좀더 균일해진다.

또한, 출사면에서의 빛의 각도는 램프에서 라이트 로드로 들어오는 빛의 각도로서 결정되어지며, 라이트 로드 안에서 라이트 로드의 경계면이 광축에 평행하기 때문에 빛의 각도가 바뀌지 않는다. 도 2b에서 알 수 있듯이, 램프에서 나오는 빛은 라이트 로드의 입사면에 모여야 하므로 램프는 타원경을 이용하여 빛을 집속한다.

도 3은 램프에서 나오는 빛이 라이트 로드를 거친 후의 빛의 각도 분포를 보인 그래프이다. 도시한 바와 같이, 광축은 Z축 방향이며, A 방향은 X축, C 방향은 Y축 방향이다.

상술한 종래의 라이트 로드를 이용한 인터그레이터는 램프에 타원경을 썼기 때문에 라이트 로드의 출사면에서의 빛의 각도에는 0°가 거의 없고, ±11도 정도를 중심으로 각도가 분포되어 있다. 이는 빛의 각도를 최소로 만들고자 할 경우 장애가 되는 문제점이 되었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 인터그레이터 시스템(Integrator System)에서 빛의 각도를 완화시키기 위한 광학계 조명장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 일 측면에 따르면, 광원에서 발광되어 집속된 광이 입사되는 입사면 및 입사된 광이 전반사를 통해 진행되면 이를 출사하는 출사면으로 이루어진 광학 소자 및 상기 광학 소자의 입사면 전면에 위치하여 상기 광학 소자로 입사되는 빛의 각도를 완화하기 위한 각도 완화 렌즈를 포함하고, 상기 각도 완화 렌즈는 오목 렌즈 형상이며 상기 집속된 광의 초점 앞에 위치하거나 상기 각도 완화 렌즈는 볼록 렌즈 형상이며 상기 집속된 광의 초점 뒤에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학계 조명 장치를 제공할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 광학 소자는 라이트 로드(Light Rod) 또는 라이트 터널(Light Tunnel)인 것을 특징으로 한다.

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

본 발명에 따른 광학계 조명 장치의 바람직한 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 인터그레이터(Integrator) 중 라이트 로드 또는 라이트 터널에 관한 것으로서, 특히 라이트 터널을 실시예로 하여 빛의 각도를 줄이기 위한 광학계 조명 장치를 상세히 설명한다.

본 발명에 따른 광학계 조명 장치는 도 4a 및 도 4b에 도시한 바와 같이, 램프에서 발광되어 타원경을 통해 집속된 광이 입사되는 입사면과, 입사된 광이 전반사를 통해 진행되면 이를 출사하는 출사면으로 이루어진 라이트 터널(10)을 이용한 광학계 조명 장치에 있어서, 상기 라이트 터널(10)의 입사면 전면에 위치하여 상기 라이트 터널(10)로 입사되는 빛의 각도를 완화하기 위한 각도 완화 렌즈(20a, 20b)를 포함하여 구성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 광학계 조명장치는, 라이트 터널(10)을 이용하여 인터그레이터 시스템을 구성하는데, 이때 램프에서 나오는 비편광된 빛을 집속하기 위해 타원경을 이용해야 한다.

그리고, 램프에서 발광된 빛이 타원경을 통해 집속된 후 라이트 터널(10)의 입사면으로 입사된다.

본 발명에서, 상기 각도 완화 렌즈(20a, 20b)는 도시한 바와 같이 라이트 터널(10)의 입사면 앞에 위치한다.

이때, 상기 각도 완화 렌즈(20a, 20b)는 오목 렌즈 또는 볼록 렌즈 형상을 갖는다.

먼저, 오목 렌즈 형상의 각도 완화 렌즈(20a)를 이용할 경우, 도 4a에 도시한 바와 같이, 각도 완화 렌즈(20a)를 타원경의 초점 앞에 위치시킨다.

그리고, 볼록 렌즈 형상의 각도 완화 렌즈(20b)를 이용할 경우, 도 4b에 도시한 바와 같이, 각도 완화 렌즈(20b)를 타원경의 초점 뒤에 위치시킨다.

따라서, 상기 라이트 터널(10) 앞에 위치한 각도 완화 렌즈(20a, 20b)를 이용하여 라이트 터널(10)로 입사되는 빛의 각도를 완화시킨다.

즉, 각도 완화 렌즈(20a, 20b)를 라이트 터널(10) 앞에 위치시킨 본 발명을 종래와 비교할 때 빛의 위치 분포는 달라지지만 빛의 각도를 완화시킨다. 다시 말해, 빛의 위치 분포가 달라지고 라이트 터널(10)의 특성상 입사쪽 빛의 분포가 달라지더라도 출사면의 빛의 분포는 항상 균일(Uniform)하다.

또한, 각도 완화 렌즈(20a, 20b)를 라이트 터널(10) 앞에 위치시켜 이용할 경우 빛의 각도가 줄어들기 때문에 라이트 터널(10)의 출사면 즉, 패널에 입사되는 빛의 각도가 완화된다.

여기서, 상기 각도 완화 렌즈(20a)가 타원경의 초점 앞에 위치할 경우(도 4a) 음의 파워(Power)를 가지게 되고, 상기 각도 완화 렌즈(20b)가 타원경의 초점 뒤에 위치할 경우(도 4b) 양의 파워를 가지게 되므로 결과적으로 빛의 각도를 완화시켜줄 수 있다.

상술한 바와 같이, 각도 완화 렌즈(20a, 20b)를 이용하여 라이트 터널(10)로 입사되는 빛의 각도를 완화시켜줌으로써, 출사면의 빛의 각도 분포가 도 5에 도시한 바와 같이 크게 완화됨을 알 수 있다.

따라서, 본 발명은 인터그레이터 시스템의 빛의 각도 분포를 완화시키기 위해 라이트 로드 또는 라이트 터널 전면에 각도 완화 렌즈를 위치시켜 이용한다.

이상에서 설명한 바와 같은 본 발명에 따른 광학계 조명 장치는 인터그레이터(Integrator) 시스템에서 빛의 각도를 완화시킴으로써 광량은 감소하지 않고 빛의 각도만이 감소하기 때문에 영상 시스템의 밝기를 유지함과 동시에 컨트라스트(Contrast Ratio)를 향상시킬 수 있는 효과가 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 (4)

1. 광원에서 발광되어 집속된 광이 입사되는 입사면 및 입사된 광이 전반사를 통해 진행되면 이를 출사하는 출사면으로 이루어진 광학 소자; 및

   상기 광학 소자의 입사면 전면에 위치하여 상기 광학 소자로 입사되는 빛의 각도를 완화하기 위한 각도 완화 렌즈를 포함하고,

   상기 각도 완화 렌즈는 오목 렌즈 형상이며 상기 집속된 광의 초점 앞에 위치하거나 상기 각도 완화 렌즈는 볼록 렌즈 형상이며 상기 집속된 광의 초점 뒤에 위치하는 것을 특징으로 하는 광학계 조명 장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 광학 소자는

   라이트 로드(Light Rod) 또는 라이트 터널(Light Tunnel)인 것을 특징으로 하는 광학계 조명 장치.
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