KR100702736B1 - 투사 디스플레이용 광학 시스템 - Google Patents

투사 디스플레이용 광학 시스템 Download PDF

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Abstract

디지탈 광패널(35)을 채용한 투사 시스템에서 사용하기 위한 프리즘(13)이 개시되어 있다. 상기 프리즘은 공간적으로 이격된 제 1 표면(19) 및 제 2 표면(21)을 포함하되, 상기 표면들은, (a) 광원(33)으로부터 나온 빛이 공간적으로 이격된 표면을 통과하여 디지탈 광패널에 도달하고; (b) "온"화소로부터 나온 빛이 제 2 표면(21)에서 총내부반사를 경험하고 투사렌즈(39)의 수용각으로 향하며; (c) "오프"화소로부터 나온 빛이 제 2 표면으로부터 반사되어 상기 렌즈의 수용각으로부터 멀어지도록, 정위된다.
광학 시스템, 투사렌즈, 디지탈 광패널, 광원, 프리즘.

Description

투사 디스플레이용 광학 시스템{OPTICAL SYSTEMS FOR PROJECTION DISPLAYS}
본 발명은 투사 디스플레이용 광학 시스템에 관한 것으로, 특히 미국특허 제5,552,922호에 개시된 형태의 광학 시스템에 관한 것이다.
상기 미국특허 제5,552,922호는 광원으로부터 디지탈 광패널(DLP)로 조명광을 전송한 후, 상기 DLP의 "온(on)"화소로부터 투사렌즈로 전송하기 위한 시스템을 개시하고 있다. 상기 미국특허 제5,552,922호가 성공적으로 작용하지만, 상기 시스템은 제조의 용이성과 비용절감면에서 개선될 수 있을 것으로 인정된다.
첫째, 상기 미국특허 제5,552,922호의 표면(18)(20) 사이의 경사진 공간에 관한 것이다. "온"화소로부터 나온 빛이 이 공간을 통과하기 때문에, 상기 공간의 폭과 웨지(wedge)가 정밀하게 조절되지 않는다면, 상기 공간은 투사된 DLP의 이미지에 비점수차 및 코마를 유발할 수 있다. 이와 같이 공간의 폭과 웨지를 정밀하게 조절하여야 하기 때문에, 시스템의 제조가 더 어려워진다.
둘째, 상기 미국특허 제5,552,922호의 시스템에서, "온"화소로부터 나온 빛이 상기 미국특허 제5,552,922호의 표면(14)(16)(18)에 의해 한정된 광소자와, 상기 미국특허 제5,552,922호의 표면(12)(20)에 의해 한정된 광소자 모두를 통과한다는 사실에 관한 것이다. 이는 이들 양 광소자가 고품질의 글라스로 제조되어야 하 고, 엄격한 표면 평활도 공차, 표면 위치결정, 복굴절성 등을 만족시켜야 한다는 것을 의미한다. 이러한 필요 조건은 시스템의 전체 비용을 증가시키고, 따라서 바람직하지 않다.
전술한 점을 감안하여, 본 발명의 목적은 광원으로부터 DLP로 조명광을 전송한 후, 상기 DLP의 "온"화소로부터 투사렌즈로 전송하기 위한 개선된 광학 시스템을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 제조가 용이하고 비용이 저렴한 상기 미국특허 제5,552,922호에 개시된 일반적 형태의 시스템을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 광원, DLP, 투사렌즈, 및 공간적으로 이격된 제 1 및 제 2 표면을 가진 프리즘을 포함하는 광학 시스템을 제공하되, 상기 공간적으로 이격된 제 1 및 제 2 표면, 광원, DLP 및 투사렌즈는, 광원으로부터 나온 빛이 제 1 및 제 2 표면을 통과하여 DLP에 도달하고, 상기 DLP의 "온" 또는 "제 1 위치"화소로부터 반사된 빛이 제 2 표면에서 투사렌즈를 향하여 상기 빛이 투사렌즈의 수용각 이내에 존재하도록 하는 각도로 내부적으로 반사되며, 상기 DLP의 "오프" 또는 "제 2 위치"화소로부터 반사된 빛이 제 2 표면에서 투사렌즈를 향하여 상기 빛이 투사렌즈의 수용각 이내에 존재하지 않도록 하는 각도로 내부적으로 반사되거나, 그렇지 않으면, 상기 빛이 수용각의 외측(예를 들어, 도 3에서 빛(41)의 최상측 다발)에 존재하도록 상기 프리즘을 통과하도록 서로에 대해 배치된다.
도 1은 본 발명에 따라 광원으로부터 DLP까지 빛의 경로를 도시한 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따라 DLP의 "온"화소로부터 투사렌즈까지 빛의 경로를 도시한 개략도이며,
도 3은 본 발명에 따라 DLP의 "오프"화소로부터 나온 빛의 경로를 도시한 개략도이다.
본 명세서를 구성하는 상기 도면들은 본 발명의 바람직한 실시예를 도시한 것으로, 상세한 설명과 함께 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다. 물론, 상기 도면들과 상세한 설명은 단지 예시를 위한 것일 뿐 본 발명을 한정하지는 않는다.
도면에 사용된 참조번호는 다음의 구성요소를 나타낸다.
13: 프리즘
15: 프리즘 소자
17: 프리즘 소자
19: 공간적으로 이격된 제 1 표면
21: 공간적으로 이격된 제 2 표면
23: 대각선
25: 프리즘 입사면
27: 프리즘 출사/입사면
29: 프리즘 출사면
31: 조명광
33: 조명 시스템
35: DLP
37: "온"화소로부터 반사된 빛
39; 투사렌즈
41: "오프"화소로부터 반사된 빛
43: "오프"화사로부터 나온 광선
45: DLP 덮개판
도시된 바와 같이, 프리즘(13)은 프리즘 대각선(23)에서 얇은 공기층으로 분리된 2개의 부품 또는 소자(15)(17)를 포함한다. 소자(15)의 표면(19)과 소자(17)의 표면(21)은 상기 대각선을 따라 대면하며, 전술한 바와 같이 공간적으로 이격된 제 1 및 제 2 표면을 각각 형성한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 조명 시스템(33)으로부터 나온 빛(31)은 표면(25)을 통해 프리즘(13)으로 입사된다. 프리즘 대각선(23)에 대한 빛의 입사각은 임계각보다 작기 때문에, 이 빛은 대각선(23)을 통과하여 DLP(35)를 조명하게 된다.
도 2에 도시된 바와 같이, "온"위치의 화소는 도 1의 입사 조명광(37)을 DLP의 활성영역에 수직한 방향으로 반사시킨다. 이 빛(37)은 대각선(23)에서 임계각보다 더 큰 입사각을 갖기 때문에, 빛의 100퍼센트가 대각선으로부터 반사된다. 특히, 상기 DLP로부터 반사된 빛(37)은 공기의 굴절률에 대한 소자(17)의 굴절률에 의해 결정된 임계각 보다 더 큰 각도로 소자(17)의 표면에 충돌하게 된다.
빛(37)은 상기 표면(27)의 거울상인 표면(29)을 통해 프리즘(13)으로부터 출사된다. 상기 표면(27)과 표면(29)의 관계는, "온"화소로부터 반사된 광빔(37)을 따라, 프리즘 소자(17)가 실질적으로 평탄한 평행판임을 의미한다. 즉, 이는 상경로에 있는 유일한 소자인 프리즘 소자(17)가 코마 또는 비점수차를 생성하지 않는다는 것을 의미한다.
상기 표면(29) 뒤에는 투사렌즈(29)가 설치되며, 이는 "온"화소로부터 나온 빛을 포획하여 원하는 상을 스크린(미도시)에 생성하게 된다.
도 3에 도시된 바와 같이, "오프"위치의 화소는 빛이 투사렌즈(39)의 입사동공으로 효과적으로 들어가지 못하도록 하는 방향으로 도 1의 조명광(31)을 반사시킨다(예를 들어, 도 3의 광선(43)). 즉, "오프"화소로부터 나온 빛(41)은 투사렌즈의 수용각 내에 존재하지 않게 된다.
실질적으로, 프리즘(13)의 표면(25)(27)(29)은 프레넬 반사를 최소화하기 위한 통상의 반사방지막을 갖는다. 또한, 공간적으로 이격된 표면(19)(21)은 조명광(31)의 프레넬 손실을 최소화하기 위하여 임계각과 비슷한 입사각에 대해 최적화된 반사방지막을 갖는다.
공기층으로 분리하는 대신, 상기 표면(19)(21)은 저굴절률 피막으로 분리될수 있다. 표면(21)에서 큰 임계각을 유지하기 위하여, 소자(17)는 고굴절률 글라스로 제조되어야 한다. 소자(15)는 조명광(31)에 색수차 및 기타 다른 수차를 유발하지 않도록 위와 유사한 글라스로 제조되어야 한다. 이러한 피막의 장점은 프리즘 소자의 조립이 용이하고, 공간적으로 이격된 표면이 먼지 및/또는 물로 오염됨으로 써 발생하는 문제점을 극복할 수 있다는 점이다. 이러한 오염은 투사렌즈로 빛을 안내하는 표면(21)에서의 총내부반사의 기능을 파괴할 수 있으며, 고도의 광손실을 유발할 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 일반적으로, 상기 LDP는 덮개판(45)으로 보호된다. 필요하다면, 상기 덮개판은 표면(27)에 접합될 수 있으며, 이에 따라 글라스/공기로 이루어진 2개의 계면을 시스템으로부터 제거하여 프레넬 손실을 저감시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 투사 시스템의 구성은 다음과 같은 장점이 있다.
(1) 대각선(23)을 따라 형성된 공간의 폭과 웨지는 "온"화소로부터 투사렌즈까지의 광경로에 영향을 주지 않는다. 따라서, 경사진 공간과 관련된 비점수차 및 코마는 배제된다.
(2) 단지 하나의 프리즘 소자(17)만이 이미지 광경로에서 작용한다. 따라서, 프리즘 소자(15)는 엄격한 표면 평활도 공차, 표면 위치결정, 복굴절성 등 없이 저품질의 글라스로 제조될 수 있다. 따라서, 장치의 전체비용이 저감된다.
본 발명의 바람직한 실시예를 개시하였으나, 하기된 청구범위에서 한정한 본 발명의 범위를 벗어나지 않는 다양한 실시예를 당업자는 알 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. (a) 조명광을 제공하는 광원;
    (b) 공통면에 배열된 선택적으로 조절가능하며, 적어도 제1 위치 및 제2 위치 사이에서 조절가능한 복수의 반사 엘리먼트들;
    (c) 상기 공통면에 평행한 주면을 갖는 렌즈; 및
    (d) 상기 렌즈 및 상기 복수의 반사 엘리먼트들 사이에 배치된 프리즘을 포함하는 이미지 투사 시스템으로서,
    (A) 상기 렌즈는 수용각을 갖고;
    (B) 상기 프리즘은 광원, 복수의 반사 엘리먼트 및 렌즈에 대해,
    (i) 상기 광원으로부터 나온 광이 공간적으로 이격된 제1 및 제2 표면을 통과하여 상기 복수의 반사 엘리먼트에 도달하고,
    (ii) 상기 제1 위치에서 반사 엘리먼트로부터 반사된 광이,
    (a) 상기 프리즘의 표면(27)을 통해 통과하고,
    (b) 상기 렌즈의 수용각 내의 방향에서 공간적으로 이격된 상기 제2 표면에 반사되고,
    (c) 상기 프리즘의 표면(29)을 통과하도록 하고;
    (C) 상기 시스템은,
    (i) 공통면에 수직이고,
    (ii) 공간적으로 이격된 상기 제2 표면에서 방향변화가 이루어져 이미지 측면 광학축을 갖고;
    (D) 상기 주면은 이미지 측면 광학축을 따라 이동되고 공간적으로 이격된 제2 표면에서 반사된 상기 공통면에 수평이고; 및
    (E) 상기 프리즘의 상기 제1 및 제2 반사된 광을 투과면은 급격한 교차내부각을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 투사 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    (i) 상기 제2 위치에서 택일의 반사 엘리먼트로부터 반사된 광은 상기 렌즈의 수용각 내에 없는 방향에서 공간적으로 이격된 상기 제2 표면에 반사되고;
    (ii) 상기 제2 위치에서 다른 반사 엘리먼트로부터 반사된 광은 공간적으로 이격된 제2 표면을 통해 통과하는 것을 특징으로 하는 이미지 투사 시스템.
  3. (a) 조명광을 제공하는 광원;
    (b) 공통면에 배치된 선택적으로 조절가능하고, 적어도 제1 위치와 제2 위치 사이에서 조절가능한 복수의 반사 엘리먼트;
    (c) 상기 공통면에 평행한 주면을 가진 렌즈; 및
    (d) 상기 렌즈와 복수의 반사 엘리먼트 사이에 위치된 프리즘을 포함하는 이미지 투사 시스템으로서,
    (A) 상기 렌즈는 수용각을 갖고;
    (B) 상기 프리즘은 상기 광원, 상기 복수의 반사 엘리먼트 및 상기 렌즈에 대해;
    (i) 광원으로부터의 광은 상기 복수의 반사 엘리먼트에서 공간적으로 이격된 제1 및 제2 표면을 통해 통과하고, 및
    (ii) 상기 제1 위치에서 반사 엘리먼트로부터 반사된 광은 상기 렌즈의 수용각 내로 공간적으로 이격된 상기 제2 표면에 반사되며,
    (C) 상기 시스템은,
    상기 공통면에 수직이고; 및
    공간적으로 이격된 상기 제2 표면에서 방향변화가 이루어져 수용각을 갖고,
    (D) 상기 주면은 이미지 면 광학축을 따라 이동되고 공간적으로 이격된 제2 표면으로부터 반사될 때, 상기 공통면에 평행하고;
    (E) 공간적으로 이격된 상기 제1 표면은 상기 광원으로부터의 광은 통과시키고, 제1 위치에서 반사 엘리먼트로부터 반사된 광은 통과시키지 않는 상기 프리즘의 제1 소자의 한 부분이고,
    (F) 공간적으로 이격된 상기 제2 표면은 상기 광원으로부터의 광 및 상기 제1 위치에서 상기 반사 엘리먼트로부터 반사된 광을 통과시키는 상기 프리즘의 제2 소자의 한 부분이고; 및
    (G) 상기 제1 소자는 상기 제2 소자보다 표면 평활도 공차, 표면 위치결정, 복굴절성을 포함하는 광학성질이 낮은 것을 특징으로 하는 이미지 투사 시스템.
  4. (a) 조명광을 제공하는 광원;
    (b) 적어도 제1 위치와 제2 위치 사이에서 조절가능하고, 공통면에 배치된 선택적으로 조절가능한 복수의 반사 엘리먼트;
    (c) 상기 공통면에 평행한 주면을 가진 렌즈; 및
    (d) 상기 렌즈와 복수의 반사 엘리먼트 사이에 위치된 프리즘을 포함하는 이미지 투사 시스템으로서,
    (A) 상기 렌즈는 수용각을 갖고;
    (B) 상기 프리즘은 상기 광원, 상기 복수의 반사 엘리먼트 및 상기 렌즈에 대해;
    (i) 광원으로부터의 광은 상기 복수의 반사 엘리먼트에서 공간적으로 이격된 제1 및 제2 표면을 통해 통과하고, 및
    (ii) 상기 제1 위치에서 반사 엘리먼트로부터 반사된 광은 상기 렌즈의 수용각 내로 공간적으로 이격된 상기 제2 표면에 반사되며,
    (C) 상기 시스템은,
    (i) 상기 공통면에 수직이고; 및
    (ii) 공간적으로 이격된 상기 제2 표면에서의 방향 변화를 겪는 이미지 면 광축을 갖고,
    (D) 상기 주면은 이미지 측면 광학축을 따라 이동되고 공간적으로 이격된 제2 표면으로부터 반사될 때, 상기 공통면에 평행하고;
    (E) 상기 제2 위치에서 택일의 반사 엘리먼트에서 반사된 광은 상기 렌즈의 수용각 내에 존재하지 않는 공간적으로 이격된 상기 제2 표면에서 반사되고;
    (F) 상기 제2 위치에서 다른 반사 엘리먼트에서 반사된 광은 공간적으로 이격된 상기 제2 표면을 통해 통과하고;
    (G) 공간적으로 이격된 상기 제1 표면은 상기 광원으로부터의 광은 통과시키고, 제1 위치에서 반사 엘리먼트로부터 반사된 광은 통과시키지 않는 상기 프리즘의 제1 소자의 한 부분이고,
    (H) 공간적으로 이격된 상기 제2 표면은 상기 광원으로부터의 광 및 상기 제1 위치에서 상기 반사 엘리먼트로부터 반사된 광을 통과시키는 상기 프리즘의 제2 소자의 한 부분이며; 및
    (I) 상기 제1 소자는 상기 제2 소자보다 표면 평활도 공차, 표면 위치결정, 복굴절성을 포함하는 광학성질이 낮은 것을 특징으로 하는 이미지 투사 시스템.
  5. 적어도 제1 및 제2 프리즘을 포함하고, 상기 제1 프리즘은 적어도 제1 및 제2 광표면을 갖으며, 상기 제2 프리즘은 제3, 제4, 및 제5 광표면을 갖고, 상기 제1 및 제2 프리즘의 상기 제2 및 제 3 광표면은 실질적으로 평행하고 갭(gap)에 의해 분리되는 것을 포함하는 프리즘; 및
    복수의 반사 엘리먼트를 포함하는 이미지 장치로서, 상기 각각의 엘리먼트는 제1 위치 및 제2 위치 사이에서 회전할 수 있도록 위치가능하며, 조명광이 이미지 장치에 입사할 때, 상기 제1 위치 및 제2 위치에서 상기 엘리먼트로부터 반사된 광은 각각의 방향을 따라 진행하고, 상기 제1 위치의 엘리먼트로부터 반사된 이미지 광은 이미지 축을 중심으로 한 방향을 따라 진행하고, 상기 이미지 장치로부터의 이미지 광은 상기 제4 광표면을 통해 상기 제2 프리즘으로 진행하여 상기 제3 광표면에서 내부적으로 완전 반사되고, 상기 제4 및 제3 광표면 사이의 이미지 축은 상기 제3 표면의 수직 방향에 상대적으로 45°이상의 각을 형성하고, 상기 이미지 축은 상기 제3 광표면에서 접히며, 상기 이미지 축은 상기 제4 광표면을 수직으로 관통하고, 상기 제5 광표면을 수직으로 관통하는 이미지 장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투사 유닛.
  6. 제5항에 있어서, 상기 이미지 장치는 상기 이미지 축에 수직인 활성 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 이미지 투사 유닛.
  7. 적어도 제1 프리즘 및 제2 프리즘을 포함하는 프리즘 어셈블리로서, 상기 제1 프리즘은 제1 광표면을 갖고 상기 제2 프리즘은 적어도 제2, 제3 및 제4 광표면을 가지며, 상기 제1 프리즘의 광표면 및 상기 제2 프리즘의 제2 광표면은 실질적으로 평행하고 갭에 의해 분리되는 프리즘 어셈블리; 및
    복수의 반사 엘리먼트를 포함하는 이미지 장치로서, 상기 각각의 엘리먼트는 제1 위치 및 제2 위치 사이에서 회전할 수 있도록 위치가능하며, 조명광이 이미지 장치에 입사할 때, 상기 제1 위치 및 제2 위치에서 상기 엘리먼트로부터 반사된 광은 각각의 방향을 따라 진행하고, 상기 제1 위치의 반사 엘리먼트에서 반사된 이미지광은 상기 제2 프리즘의 제3 광표면을 통해 전송되고 상기 제4 광표면을 통해 상기 제2 프리즘으로부터 전송되고, 상기 제3 및 제4 광표면 사이에 형성된 내부각은 예각인 이미지 장치;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이미지 투사 유닛.
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