KR100722037B1 - 디엘피 조명 렌즈계 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따르면 양 면이 구면으로 형성된 제 1 렌즈; 상기 제 1 렌즈를 통과한 빛을 굴절시킴과 동시에 색수차를 보정할 수 있도록 양면이 회절 광학 소재면으로 형성된 제 2 렌즈; 및 상기 제 2 렌즈를 통과한 빛을 굴절시키기 위하여 양면이 구면으로 형성된 제 3 렌즈가 포함되는 디엘피 조명 렌즈계가 제공된다.
본 발명에 따른 디엘피 조명 렌즈계를 사용함으로써 종래의 광학 렌즈계보다 적은 수의 렌즈를 사용하면서도 종래와 동일한 성능이 제공된다. 또한 본 발명에 따른 디엘피 조명 렌즈계를 사용함으로써 짧은 광학적 길이를 갖는 광학 엔진을 생산할 수 있다.
디엘피 광학 엔진, 렌즈, 광학 회절 소자

Description

디엘피 조명 렌즈계{DLP illuminating lens}
도 1은 일반적인 디엘피 광학 엔진의 구성도이며,
도 2는 종래의 조명 렌즈계의 구성도이며,
도 3은 본 발명에 따른 디엘피 조명 렌즈계의 구성도이고,
도 4는 본 발명에 따른 조명렌즈계의 광학 회절 소자의 단면도이다.
본 발명은 디엘피 광학 엔진의 조명 렌즈계에 관한 것으로, 보다 상세하게는 종래의 디엘피 조명 렌즈계보다 컴팩트한 구성으로 이루어지며, 짧은 광학 거리를 갖는 디엘피 광학 엔진의 조명 렌즈계에 관한 것이다.
일반적으로 프로젝션 텔레비전은 40인치 이상의 영상화면을 얻기 위하여 영상 발생부에서 생성된 영상을 렌즈계 및 반사거울로 일정한 배율로 확대하여 스크린에 투사하는 장치이다. 프로젝션 텔레비젼에서 영상을 투사하는 기구를 광학 엔진이라 하는데, 이와같은 프로젝션 텔레비젼은 영상 발생부의 종류에 따라 CRT 프로젝션, LCD 프로젝션, 및 DPL 프로젝션 방식이 있다.
이 중 디엘피 프로젝션 방식은 엘씨디(LCD : Liquid Crystal Display) 프로 젝션 시스템에 대비되는 새로운 디스플레이 방식으로서, 빛은 반사하는 소자를 이용하여 고선명 화질을 실현하는 방법이다. 보다 상세히, 디엘피 방식의 프로젝션 텔레비전은 상을 만드는데 수많은 미세한 디엠디(DMD :Digital Micromirror Device)소자들의 표면에 반사된 빛을 회로판을 통해 빛의 차단 및 개방을 결정하는 디지털장치를 사용하며, 신호에 따라 반사각도를 조절하여 이미지를 구현한다.
이러한, 디엘피 프로젝션 텔레비전의 광학 엔진을 도 1에 의거하여 설명한다. 도 1은 디엘피 프로젝션 텔레비전에 사용되는 광학 엔진의 일반적인 구조를 나타낸 개념도이다.
도 1을 참조하면, 상기 디엘피 프로젝션 텔레비전의 광학 엔진은, 빛이 발생되는 램프(10)와, 상기 램프에서 발생된 빛 중에 자외선을 차단하는 자외선 차단필터(20)와, 상기 램프(10)에서 발생된 빛이 통과하는 인테그레이터(30)와, 상기 인테그레이터(30)를 통과한 백색광이 RGB로 색분할되는 컬러 휠(40)과, 상기 컬러 휠(40)을 지난 빛이 모아지는 컨덴싱 렌즈(50)와, 상기 컨덴싱 렌즈(50)를 거친 빛의 통과 경로를 변경시키기 위한 폴딩 미러(60)와 상기 폴딩 미러(60)를 지난 빛이 반사되는 TIR 프리즘(70)과, 상기 TIR 프리즘(70)에서 반사된 빛을 스크린에 비추는 디엠디(80)와, 상기 디엠디(80)에서 반사된 빛을 확대하는 프로젝션 렌즈(90)로 구성된다.
이 때, 상기 컨덴싱 렌즈는 인터그레이터를 통과한 빛이 모아지도록 하는 구성요소로서, 종래 기술에서의 컨덴싱 렌즈는 프리즘을 제외한 5매의 렌즈로 구성되어 있었다. 이와 같은 종래 기술에 따른 컨덴싱 렌즈의 구조가 도 2에 도시되어 있 다.
도 2에 나타난 조명 렌즈계의 컨덴싱 렌즈는 일반적으로 5매의 렌즈로 구성되어 있었다. 이와 같은 5매의 렌즈 각각은 양의 굴절능을 가지며, 전체적으로는 음의 굴절능을 갖는다. 또한 상기 광학 렌즈에서는 굴절 광학 소자로 이루어진 제 3 렌즈 및 상기 제 3 렌즈와 일면에서 접하고 굴절 광학 소자로 이루어진 제 4 렌즈를 사용하여 색수차를 보정한다.
그러나, 이와 같이 두개의 굴절 광학 소자를 사용하는 광학계에서는 색수차를 보정하기 위하여 아베수가 크고, 굴절율이 작은 크라운 계열의 렌즈와 아베수가 작고 굴절율이 큰 플린트 계열의 렌즈를 결합함으로써 색수차를 보정하였다. 그러나 이와 같은 렌즈를 결합함으로써 색수차를 보정하는 것은 광학계의 무게를 증가시킨다는 문제점이 있었다.
또한, 이와 같은 5매의 렌즈로 이루어진 조명 렌즈계는 전체적으로 광학적 길이가 200mm 이상을 차지하여, 광학 엔진에서 조명 렌즈계가 차지하는 체적이 크다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 디엘피 광학 엔진의 조명 렌즈계에 사용되는 렌즈의 수량을 줄임과 동시에 광학 렌즈계의 광학적 길이를 줄일 수 있는 조명 렌즈계를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 디엘피 조명 렌즈계는 양 면이 구면으로 형성된 제 1 렌즈; 상기 제 1 렌즈를 통과한 빛을 굴절시킴과 동시에 색수차를 보정할 수 있도록 양면이 회절 광학 소자면으로 형성된 제 2 렌즈; 및 상기 제 2 렌즈를 통과한 빛을 굴절시키기 위하여 양면이 구면으로 형성된 제 3 렌즈가 포함된다.
이 때, 상기 제 2 렌즈의 양 면이 비구면인 것이 바람직하다.
이상과 같은 본 발명에 따른 광학 렌즈계는 기존의 광학 렌즈계에서 굴절 소자가 2~3 매로 구성됨으로써 조명계의 성능을 구현하던 것을, 하나의 렌즈, 즉 1 매의 회절 광학 소자를 사용하면서도 동일한 성능을 구현할 수 있도록 한 것이다.
이와 같은 구조를 가짐으로써 본 발명에 따른 광학 엔진의 조명 렌즈계는 총 3매의 렌즈로 구성이 가능하다. 또한, 이와 같이 3개의 렌즈로 이루어진 광학 렌즈계는 종래의 광학 렌즈계 보다 짧은 광학적 길이를 가질 수 있다는 장점이 있다.
이하에서는 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한된다고 할 수 없으며, 또다른 구성요소의 추가, 변경, 삭제 등에 의해서, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명의 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 디엘피 조명 광학계에 사용되는 렌즈를 도시한 구성도이다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 조명 렌즈계는 양면이 구면으로 형성된 제 1 렌즈, 양 면이 회절 광학 소자면으로 형성된 제 2 렌즈 및 양 면이 구면으로 형성된 제 3 렌즈로 구성된다.
보다 상세히, 제 1 렌즈는 곡률 반경이 음이며 굴절면이 구면으로 이루어지는 두개의 굴절면으로 이루어진다. 이 때 상기 제 1 렌즈의 전방 렌즈면(S4) 및 후방 렌즈면(S5)이 형성하는 제 1 렌즈군의 파워(Power)는 양의 값을 갖는다. 이 때 렌즈군의 파워(Power)란 렌즈면의 초점거리의 역수로 정의되는 값으로 렌즈를 통과한 빛이 꺾어질 수 있는 정도를 의미한다.
한편, 제 2 렌즈는 전방렌즈면(S6) 및 후방 렌즈면(S7)이 모두 회절 광학 소자(DOE: Diffraction Optical Elements)면으로 구성된다.
또한 상기 제 2 렌즈의 후방에는 광학계의 광량을 조절하는 조리개가 위치된다. 상기 조리계는 스톱(Stop)면으로 표시된다.
마지막으로 제 3 렌즈는 일반적인 구면을 갖는 굴절 소자로 이루어진다. 이와 같은 제 3 렌즈의 파워는 제 1 렌즈 및 제 2 렌즈와 동일하게 양으로 설정된다.
본 발명에 따른 광학 렌즈계는 상기 조리개가 위치하는 스톱면을 기준으로 전 렌즈가 광학적으로 양의 파워(Power)를 갖도록 구성하였다.
한편, 본 발명에 따른 제 2 렌즈에서 전방 렌즈 및 후방 렌즈에 모두 회절 광학 소자를 사용하는 것은 종래 2~3개의 굴절 소자를 사용하여 달성하던 성능을 두 개의 회절 광학 소자면을 갖는 렌즈를 사용하여 달성하기 위함이다. 또한 상기 제 2 렌즈의 전방 렌즈면 및 후방 렌즈면은 색수차를 보정하는 역할을 한다.
회절 광학 소자의 성능과 관련한 회절 광학 소자의 색수차 보정에 대하여 도면을 달리하여 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 광학 렌즈계의 제 2 렌즈에 채택된 회절광학소자면을 확대하여 도시한 도면으로서, 일반적인 회절 광학 소자의 회절 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 제 2 렌즈에 채택된 회절광학 소자면은 단면이 미크론 단위의 미세한 톱니 구조로 이루어진다.
이와 같은 회절 광학면의 구조에 따라 광이 상기 광학면을 통과하면, 광학면을 통과한 광은 일반적인 굴절면에서 굴절을 일으키는 것과 달리 회절작용을 일으키게 된다. 이와 같은 회절은 회절 소자의 특성상 회절이 전혀 안된 0차 회절광(m=0), 1차 회절광(m=±1), 2차 회절광(m=±2) 및 3차 이상의 고차 회절광으로 분리된다.
이 때, 회절 광학 소자의 격자 간격, 구조, 깊이 등을 조절하면 원하는 차수의 회절광을 극대로 만들어 낼 수 있게 된다. 이러한 회절 광학 소자의 특성을 이용하면 굴절렌즈의 굴절력을 결정짓는 두께, 굴절률 및 곡률과 상관없이 격자의 형상만으로 충분히 큰 굴절률을 가지도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 광학 렌즈계에서는 이와 같은 특성을 갖는 회절 광학면을 하나의 렌즈 양면에 채용함으로써 광학 렌즈계가 형성되는 광학적 거리를 최소화하면서도 종래의 광학 렌즈계와 동일한 성능을 구현하도록 하였다.
또한 본 발명에 따른 제 2 렌즈에서는 회절 광학 소자가 형성되는 면이 비구면화된다. 이에 따라, 상기 제 2 렌즈는 거의 평면에 가까운 면으로 이루어지면서도, 종래의 구면을 형성하여 달성하였던 것과 동일한 성능을 갖도록 수차보정을 달성할 수 있다.
이와 같이 비구면화된 회절 광학면은 플라스틱 몰딩을 통해 금형으로 생산하는 것이 가능하므로 양산성이 향상된다는 장점이 있다.
이 때, 본 발명에 따른 실시예에 따른 제 2 렌즈의 비구면을 형성하기 위하여 적용된 식은 하기와 같다.
Figure 112005049359346-pat00001
(수학식 1)
이 때, 상기 수학식 1에서, Z는 비구면에 대한 세그(Sag)값이며, C는 렌즈의 곡률, p는 코닉(Conic) 상수, 그리고 A, B, C, D는 비구면 계수이며, Λ는 상수이다.
또한 본 광학계에 적용된 회절 광학 소자에 대한 위상항의 식은 다음과 같다.
Figure 112005049359346-pat00002
(수학식 2)
이 때, Φ는 광축으로부터 높이 h지점에서의 위상(phase)를 나타내며, a1, a2, a3, a4는 위상항의 계수를 나타낸다.
한편, 본 발명에 따른 비구면 및 회절 광학 소자는 모두 광축에 대하여 회전 대칭성을 가지고 있으므로, 구성 및 조정이 매우 용이하다는 장점이 있다.
상기와 같은 제 1 렌즈, 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈로 이루어지는 본 발명에 따른 렌즈의 일 실시예로서, 각각의 렌즈들의 곡률 반경, 면간 간격, 굴절면의 특징 및 각 렌즈의 파워를 하기 표에 나타내었다.
<표 2> 본 발명에 따른 조명 렌즈계의 구성
렌즈면 곡률반경(mm) 면간 간격(mm) 굴절면의 특징 각 렌즈 군의 파워
4 -30.433960 6.590967 구면 0.03110
5 -12.645470 26.264400
6 939.193220 11.627272 회절광학 소자면 0.02102
P:-143.709551
A:-.333148E-06 a1:-4.4241E-04
B:-.634356E-08 a2:-1.1938E-06
C:-.473364E-10 a3:-4.5617E-09
D:-.298801E-12 a4:-3.6748E-11
7 -43.308140 15.470335 회절광학 소자면
P:-0.848146
A:0.176631E-06 a1:-3.6812E-04
B:0.427968E-08 a2:-9.4641E-07
C:0.260715E-10 a3:-3.2850E-09
D:0.698898E-13 a4:-2.7265E-11
Stop infinity 9.0000 조리개 면
9 33.832470 13.425979 구면 0.01449
10 534.460440 11.137315
(전체 렌즈군의 파워 : 0.02231)
상기 표에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 조명 렌즈계에는 총 3개의 렌즈가 사용되었으며, 각각의 렌즈는 양의 파워를 가지며 전체 렌즈 군의 파워도 또한 양의 값을 갖는다.
상기와 같은 렌즈들을 사용한 광학 렌즈계를 사용한 광학 엔진을 실험한 결과 종래의 5매의 렌즈를 사용한 광학 렌즈계에서 얻을 수 있었던 광학 엔진의 성능과 동일한 성능의 결과를 얻을 수 있었다.
종래의 광학 렌즈계와 동일한 성능을 가짐에도 불구하고, 상기 표에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 3개의 조명 렌즈의 광학적 길이는 상기 표의 면간 간격의 총합으로부터 6.59mm + 26.26mm + 11.63mm + 15.47 + 9.00mm + 13.43mm + 11.14mm = 93.52mm 로서 100mm 이하의 광학적 길이를 가짐을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 광학 렌즈계는 종래의 광학 렌즈계의 광학적 길이보다 반 이상의 길이가 줄어들도록 구성될 수 있었다.
따라서, 이와 같은 광학 렌즈계를 사용함으로써 보다 콤팩트하고 작은 크기를 갖는 광학 엔진을 구성할 수 있다.
한편, 본 실시예에서는 광학 소자면이 제 2 렌즈의 양 면에 형성되도록 구성하였으나, 이와 같은 광학 소자면이 3개의 렌즈에 형성되는 6개의 면 중 어느 두 면에 형성됨으로써도 3개의 렌즈로 구성된 디엘피 광학 렌즈계를 구성할 수 있을 것이다.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 하나의 실시예를 설명하기 위한 것으로 본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것은 아니며 등록청구범위 내에서 적절하게 변형가능할 것이다. 예를 들어 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 디엘피 조명 렌즈계를 사용함으로써 종래의 광학 렌즈계보다 적은 수의 렌즈를 사용하면서도 종래와 동일한 성능이 제공되는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따라 짧은 광학적 길이를 갖는 디엘피 조명 렌즈계를 사용함으로써 보다 콤팩트한 광학 엔진을 생산할 수 있는 효과가 있다.

Claims (11)

  1. 양 면이 구면으로 형성된 제 1 렌즈;
    상기 제 1 렌즈를 통과한 빛을 굴절시킴과 동시에 색수차를 보정할 수 있도록 양면이 회절 광학 소자(DOE)면으로 형성된 제 2 렌즈; 및
    상기 제 2 렌즈를 통과한 빛을 굴절시키기 위하여 양면이 구면으로 형성된 제 3 렌즈가 포함되는 디엘피 조명 렌즈계.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈의 양 면이 비구면인, 디엘피 조명 렌즈계.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈 사이에 광학계의 광량을 조절하는 조리개가 형성되는, 디엘피 조명 렌즈계.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 렌즈, 제 2 렌즈 및 제 3 렌즈의 파워(Power)가 광학적으로 각각 양의 파워를 갖는, 디엘피 조명 렌즈계.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 디엘피 조명 렌즈계의 전체 굴절능이 양의 굴절능을 갖는, 디엘피 조명 광학계.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 조명 광학계의 전체 광학적 길이가 100mm이하인, 디엘피 조명 렌즈계.
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