KR100750818B1 - 이중 램프 조명 시스템 및 이중 램프 조명 시스템 내장형투사 시스템 - Google Patents

Abstract

이중 램프 조명 시스템이 기술되며, 시준(collimating) 반사기를 갖춘 두 개의 램프들의 출력 빔들이 혼합된 빔을 생성하기 위해 서로 상대편을 향하고, 서로 90°로 설정된 평면 미러가 혼합된 빔 쪽으로 반쯤 삽입되고, 혼합된 빔의 절반이 원래의 혼합된 빔과 같은 에텐듀(etendue)를 실질적으로 갖는 새로운 혼합 빔을 형성하도록 혼합된 빔 경로의 바깥쪽으로 향하며, 반면에 원래 혼합된 빔의 반사되지 않은 빔의 절반의 광선들은 그들이 평면들 중 한 면과 충돌할 때까지 재활용되고, 그 후 새로 혼합된 빔 쪽으로 반사된다.

이중 램프, 시준 반사기, 투사 시스템

Description

이중 램프 조명 시스템 및 이중 램프 조명 시스템 내장형 투사 시스템{Dual lamp illumination system and projection system incorporating same}

본 발명은 조명 시스템에 관한 것으로, 특히 하나 이상의 전기광학 광 변조기들을 이용하는 색 투사 디스플레이 시스템들에 사용하기에 적합한 시준 광 조명 시스템(collimated-light illumination system)에 관한 것이다.

하나 이상의 전기광학 광 변조기들을 이용하는 대부분의 색 투사 디스플레이 시스템들은 또한 단일 램프 백색광 조명 소스, 소스로부터 백색광을 삼원색(적색, 청색, 및 녹색) 성분들로 분리하기 위해 배치된 다이크로익 필터(dichroic filter)들의 제 1 세트, 및 변조 후에 상기 성분들을 재조합하기 위한 다이크로익 필터들의 제 2 세트를 이용한다.

광 변조기들은 보통 전달 또는 반사형의 액티브 매트릭스 액정 디스플레이 패널들이고, 광원은 아크(arc)의 길이가 작은 고 밀도 방전 램프이다. 이 아크의 길이가 작으므로 낮은 에텐듀(etendue)를 갖는 비교적 콤팩트한 조명 빔을 야기한다. 에텐듀는 면적과 각의 크기를 말하는 용어로서, 조명 빔의 기하학적 제한들을 규정하는 광학에서 사용하는 용어이다. 조명 빔의 낮은 에텐듀는 디스플레이 패널이 비교적 작은 패널 크기(근사적으로 1.3 인치 또는 그 이하)임에도 불구하고 빔의 커다란 부분을 이용할 수 있게 한다.

상당한 효과는 이러한 혼합 디스플레이 패널들의 크기와 단가를 더 줄일 수 있게 된다는 것이다. 이러한 패널들이 크기가 작아짐에 따라, 조명 빔의 에텐듀을 줄이기 위해, 램프의 아크 길이 또한 감소되어야 하며, 이로 인해 투사 시스템의 적당한 루멘(lumen) 출력이 유지된다.

불행히도, 아크의 길이가 크기에 있어 작아짐에 따라, 램프 전극들의 전류밀도는 실질적인 제한에 도달할 때까지 증가한다. 불행히도, 램프 기술 분야의 현 상태에서, 이 실질적인 제한은 한계 광도의 투사된 영상들을 야기하는 아크 길이들을 말한다.

일본 특허 출원 평 5-29320의 공개된 요약서 평 6-24397호는, 두 개의 광원들(27, 21)을 갖는 투사 디스플레이 장치가 도시되어 있고, 두 광원들 각각의 조명 빔들은 집광 반사기들(31, 32)에 의해 대향하는 반사면들(27, 28) 상에서 집광된다. 빔들은 집광 렌즈 시스템(33)의 면들(27, 28)에 의해 반사된다.

서로 인접하는 반사면들과 집광 렌즈 시스템(33)의 목표 지점으로 인해, 반사 조명 빔들이 겹쳐진 상태로 렌즈 시스템(33) 상에 입사된다고 말한다. 하지만, 반사면들로부터 두 빔들의 반사 지점들이 서로 분리되어 있다는 사실로 인해, 겹쳐진 상태는 완전한 것이 아니며, 겹쳐진 빔들의 에텐듀는 증가된다.

더욱이, 집광 렌즈의 목표 지점 가까이에 반사면들을 위치시켜야하는 필요성으로 인해 이러한 시스템 배치의 자유가 엄밀히 제한된다.

따라서, 본 발명의 목적은 조명 빔의 에텐듀를 증가시키지 않는 이중 램프 조명 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 따라, 시준 반사기들을 갖는 두 개의 램프들은 그들의 빔들이 적어도 광학 경로 부분을 따라 제 1 혼합 빔을 형성하기 위해 겹치도록 배치되는 이중 조명 시스템이 제공된다. 평면 미러들(mirrors)의 쌍은 혼합 빔 부분(예를 들어, ½)을 빔 경로 외부로 반사시키기 위해 혼합 빔의 경로 쪽으로 이동된다. 미러면들은 새로운 혼합 시준 빔이 형성되도록 각도가 맞추어진다.

새로운 혼합 빔의 경로 쪽으로 반사되지 않는 혼합 빔 부분의 광선들은 광선이 평면 미러면들의 경로 상의 혼합 빔 부분을 통과할 때까지 램프 반사기들 사이에서 순환하고, 광선들은 새로운 혼합 빔 쪽으로 반사되어 나간다.

이러한 이중 램프 조명 시스템은, 원래 혼합된 빔들의 시준이 충분히 유지되는 동안, 광 출력이 거의 두 배가 된다는 이점을 갖는다. 그래서, 이러한 조명 시스템을 이용하는 투사 디스플레이 시스템의 루멘 출력은 값비싼 시준 렌즈들에 대한 필요성이 없이, 단일 램프를 갖는 렌즈 상에서 충분히 증가될 수 있다.

제 1 혼합 빔의 절반이 반사되는 경우에, 새로운 혼합 빔의 단면적은 실질적으로 증가하지 않거나 아주 조금 증가한다. 시준이 또한 충분히 유지되기 때문에, 빔의 에텐듀 또한 실질적으로 증가하지 않거나 아주 조금 증가한다.

본 발명의 양호한 실시예에 따라, 제 1 혼합 빔의 절반 보다 조금 더 반사하도록 미러를 이동시킴으로써 루멘 출력의 증가는 더 얻어질 수 있다. 예를 들어, 광원 직경의 4배(1/2 내지 2배) 만큼 빔 쪽으로 더 미러들을 이동하면 20내지 30 퍼센트 더 많은 루멘 출력의 증가를 가져온다. 하지만, 빔의 단면적은 증가하고, 그래서 에텐듀를 감소시킨다. 상기 영역 내에서 미러들의 위치를 조정하면 특정 투사 시스템에 대해 증가된 루멘 출력과 감소된 에텐듀 간의 최적 교환(trade-off)을 실현할 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따라, 평면 미러면들은 평면 미러면들의 근사적인 에지들(또는 공통 에지)에 대응하는 축에 대해서 회전할 수 있고, 발산함이 없이 단지 단면적의 적당한 증가를 갖는 채로, 회전각 내에서 임의의 요구된 방향으로 새로운 혼합 빔의 방향을 지시하거나 "조정(steering)"할 수 있으며, 따라서 에텐듀는 적당히 증가한다.

시스템의 증가된 루멘 출력을 얻기 위해 거의 풀 파워(full power)에 가까운 또는 풀 파워에서 본 발명의 조명 시스템의 램프들을 동작시키는 대안으로서, 램프들의 동작 수명을 증가시키기 위해 감소된 파워에서 램프들이 동작될 수 있다. 이러한 감소된 파워 동작은 풀 파워에서 남아있는 램프를 간단히 동작시킴으로써 또한 램프들 중 하나가 기능장애인 경우에 계속된 동작을 하게 한다. 필요하다면, 평면 미러면들은 동작 램프들로부터 전체 빔을 반사하도록 빔 경로 쪽으로 더 움직여 질 수 있다.

바람직하게는, 램프들은 실질적으로 동일한 타입 및 크기이고, 서로 대면하도록 배치된다. 대안적으로, 램프들의 광학 경로들은 하나 이상의 미러들을 사용하여 겹쳐질 수 있다. 바람직하게는, 램프들의 혼합 빔을 반사하기 위해 사용된 평면 미러면들은 입방체 또는 반 입방체의 두 개의 인접한 면들 상에서 형성된다.

본 발명의 넓은 양태에 따라, 이중 램프 조명 시스템은, 시준 조명 빔을 형성하기 위한 시준 반사기와 광원을 각각 포함하고, 빔들이 제 1 혼합 빔을 형성하기 위해 적어도 부분적으로 겹쳐지는 식으로 제 1 램프의 빔이 제 2 램프의 반사기 쪽으로 향하고 제 2 램프의 빔이 제 1 램프의 반사기 쪽으로 향하도록 위치되는 제 1 램프 및 제 2 램프; 각각이 제 2 혼합 빔을 형성하기 위해 서로 인접하게 배향된 제 1 및 제 2 평면 미러들로서, 각각이 공통 축을 따라 다르지만 공통 방향으로 제 1 혼합 빔의 일부를 반사시키도록 하기 위해 배치된, 상기 제 1 및 제 2 평면 미러면들을 포함한다.

본 발명의 다른 양태에 따라, 적어도 하나의 광 변조 디스플레이 패널, 디스플레이 패널을 조명하기 위한 조명 시스템, 및 디스플레이 표면 상에 변조된 광을 투사하기 위한 투사 렌즈를 포함하는 투사 디스플레이 시스템이 제공되며, 조명 시스템은 본 발명의 이중 램프 조명 시스템을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 더욱이 이러한 이중 램프 시스템을 내장한 투사 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 도면을 참조로 제한된 수의 실시예에 의해서 설명된다.

도 1a는 본 발명에 따른 이중 램프 조명 시스템에 대한 일 실시예의 개략적인 배치도.

도 1b는 도 1a의 배치도의 혼합 출력 빔에 대한 개략적인 단면도.

도 2는 출력 빔의 직진성의 특성을 도시하는 도 1a의 것과 유사한 개략적인 배치도.

도 3a는 본 발명의 조명 시스템의 또 다른 실시예에 대한 도 1a의 것과 유사 한 개략적인 배치도.

도 3b는 도 3a의 배치도의 혼합 출력 빔의 개략적인 단면도.

도 4는 본 발명의 조명 시스템의 또 다른 실시예에 대한 도 1a의 것과 유사한 개략적인 배치도.

도 5는 본 발명의 이중 램프 조명 시스템을 이용한 투사 디스플레이 시스템의 개략적인 배치도.

본 발명의 이중 램프 조명 시스템(10)의 일 실시예의 개략적 설계도인 도 1a에서, 램프들(12, 14)은 동일 타입과 크기이고, 각각은 광원(121, 141), 내부 반사면을 갖는 하우징(housing; 122, 142), 및 커버 플레이트(124, 144)를 갖는다. 램프들은 그들의 조명 빔들이 램프 간에서 앞뒤로 순환하여 혼합 빔(B)을 발생하도록 빔 경로(A)의 축과 대응하는 대칭 축(Z)을 갖고 서로 마주보게 배치된다. 하우징들(122, 142)의 반사면들(123, 143)이 시준 출력 빔을 발생시키기 위한 모양(예를 들어, 포물선)을 갖기 때문에 이 순환(cycling)이 일어난다. 그래서, 이들 반사기들은 시준 경로를 따라 입사 광선들을 되돌린다.

램프들은 일반적으로는 조명 또는 특히 아크 램프와 같은 투사 시스템용으로 유용하다고 알려진 다양한 종류 중 어느 것일 수 있고, 이러한 아크 램프는 금속-할로겐화물 및 크세논 램프들(xenon lamps)뿐만 아니라 텅스텐-할로겐 램프들을 포함하는 고 강도 방전(HID) 램프로 알려져 있다. 도시된 램프들은, 동일한 크기와 타입의 HID 금속-할로겐화물 램프들이지만, 램프들은, 혼합된 빔(B)의 에텐듀가 가장 큰 각각의 빔의 에텐듀보다 더 크지 않으면, 동일한 크기나 동일한 타입일 필요는 없다.

출력 빔(C)은 부분적으로 광학 요소(16)를 혼합된 빔(B)의 경로쪽으로 삽입함으로써 얻어진다. 이 광학 요소(16)는 평면 미러면들(161,162) 및 공통 에지 또는 꼭지점(163)을 갖는 반 입방체이다. 꼭지점(163)은 혼합된 빔 경로 또는 축(A)의 중앙에 위치된다. 반사면들은 서로에 대해 90°의 각도로, 광선들의 경로에 대해 45°의 각도로 배향되고, 광선들은 시준 반사면들(123, 143)로 인해 서로에 대하여 평행이다. 이러한 배치로 인한 결과는 혼합된 빔(B)의 절반의 광선들(Br로 지정)이 반사 평면 표면들(161, 162)을 때리고 축(D)에 대해 평행하게 동일 방향으로 반사되어 새로 혼합된 빔(C)을 형성하는 것이다. 이해되는 바와 같이, 혼합된 빔(C)의 단면적(Ca; 도 1b에 도시)은 혼합된 빔(B)의 단면적 보다 크지 않다.

상기 배치로 인한 다른 결과는 혼합된 빔(B)의 다른 절반의 광선들(Bf로 지정)이 제 1 면(Br) 상에서 램프들 중 하나 또는 나머지로부터 빠져나올 때까지 반사면들(123, 143) 사이에서 앞뒤로 순환하는 것이다. 그러므로, 필연적으로 두 개의 램프들로부터의 모든 광은 결국 혼합된 빔(C)으로 들어간다.

도 2는 도 1a의 배치의 변형(20)을 도시하며, 여기서 광학 요소(16)는 화살표(R)에 의해 지시된 바와 같이 꼭지점(163)에 대응하는 축에 대해서 회전할 수 있다. 이 수단으로 인해, 출력 빔(C)은 큰 각을 따라 방향지어지고 조정될 수 있으며, 그 각의 범위는 반사 평면 표면들에 대한 램프들의 인접도에 의해 부분적으로 나타내진다. 이 조정은 단면적의 적절한 증가에 의해서 달성되므로, 에텐듀의 적절한 증가에 의해 달성된다.

도 3a는 도 1a의 배치의 또 다른 변형(30)을 도시하며, 여기서 광학 요소(16)는 축(A)에 직각인 축(D)를 따라 움직일 수 있고, 위치(16i)에서 새로운 위치(16f)까지 빔(B)쪽으로 더 이동된다. 예를 들어, 광원들(121, 141)의 직경에 대응하는 양만큼 상기 요소를 움직이면(UHP 램프의 경우에 있어 약 3/8 내지 1/2 인치), 루멘 출력의 20 내지 30 퍼센트의 증가가 얻어질 수 있다. 요소(16)가 빔(B) 쪽으로 더 나아감에 따라, 빔(C)의 단면(Cb)은 증가하면서 넓어진다. 이 넓어진 단면은 빔의 에텐듀를 증가시키는 반면, 요소(16)의 위치는 특정한 투사 시스템에 대한 증가된 루멘 출력과 감소된 에텐듀 간의 최적 교환이 일어나도록 조정될 수 있다. 예를 들어, 단면(Cb)의 넓어지는 정도는 넓은 종횡비(aspect ratio)를 갖는 광학적인 어퍼처(aperture)를 채우도록 설정될 수 있다.

도 4는 도 1a의 배치의 또 다른 변형(40)을 도시하며, 여기서 광학 요소(16)는 A 와 D 축들 모두를 따라 이동할 수 있고, 램프(12)의 전체 빔이 출력 빔(E)을 형성하기 위해 축(D)을 따라 반사되는 위치로 이들 축을 따라 이동될 수 있다. 이러한 배치는 램프(14)가 기능장애인 경우에도 그리고 이용가능한 대체물이 없어도 조명 시스템의 계속적인 동작을 가능하게 한다. 예를 들어, 램프의 동작 수명을 늘리기 위해 램프들이 충분한 전력 보다 낮은 상태에서 동작할 때, 남아있는 램프는 장애를 일으킨 램프가 교체될 때까지 충분한 전력 상태에서 동작될 수 있다.

도 5는, 신호 입력 소스(60)에 의해 제공된 디스플레이 정보에 따라, 인터그레이터(54)에 의해 집적되고, 미러(56)에 의해 반사되고, 광-변조 디스플레이 패널(58)에 의해 변조되는 출력 빔(C)을 갖는 도 1a와 유사한 이중 램프 조명 시스템(52)을 포함하는 투사 디스플레이 시스템(50)의 개략적인 설계도이다. 변조된 빔(M)은 투사 렌즈(28)에 의해 디스플레이 표면(도시되지 않음) 상에 투사된다. 인터그레이터(54)는 조명 시스템의 램프들 중 하나가 기능장애를 일으킨 후 출력 빔의 광선들을 재분배하는데 특히 유용하며, 출력 빔의 경로쪽으로 남아있는 램프의 전체 빔을 반사하기 위해 도 4에 도시된 방식으로 평면 미러면들을 이동시킬 필요가 없다.

본 발명이 제한된 수의 실시예들에 대해 설명되었지만, 다른 실시예들과 변형들이 여기에서 제공된 명세서 및 도면으로부터 명백해지며, 이러한 다른 실시예들 및 변형들이 첨부된 청구범위의 영역 내에 포함되도록 의도한다는 것을 이해할 것이다.

그러므로, 본 발명의 조명 시스템이 투사 디스플레이 시스템에서 도시되었지만, 조명 시스템에 대한 다른 많은 유용성들은, 예를 들어 출력 빔의 에텐듀가 중요한 다이렉트 뷰 디스플레이 시스템(direct view display system) 및 다이렉트 조명 시스템 기술 분야의 당업자에게는 명백할 것이다.

또한, 많은 다른 투사 시스템들은 본 발명의 조명 시스템이 유용하다는 점에 있어 공지되었다. 예를 들어, 출력 빔은 삼원색 성분들로 나눠질 수 있고, 각각의 성분은 개별적으로 변조된 성분들이 디스플레이 패널 상에 투사되기 전에 충분한 컬러 이미지를 형성하도록 재혼합된 후, 컬러 비디오 신호의 삼원색 성분들과 같은 개별적인 정보 디스플레이 신호들에 따라 변조된다. 개별적인 변조는, 기술분야에서 공지된 것과 같은, 프레임 연속 방식(frame-sequential manner)으로 또는 스크롤링 컬러 밴드들(scrolling color bands)의 수단에 의해 세 개의 개별적인 광 변조 디스플레이 패널들 상에서 또는 단일 패널 상에서 일어날 수 있다. 적절한 스크롤링 컬러 투사기들이 예를 들어 참조번호로서 포함된 미국특허 제5,532,763호 및 제5,548,347호에 도시되어 있다.

Claims (16)

1. 이중 램프 조명 시스템에 있어서,

   제 1 램프(12)와 제 2 램프(14)로서, 각 램프는 광원(121, 141)과, 시준된 조명 빔을 형성하기 위한 시준 반사기(123, 143)를 포함하고, 상기 램프들(12, 14)은 빔들이 제 1 혼합 빔(B)을 형성하기 위해 적어도 부분적으로 겹치도록 하는 방식으로, 상기 제 1 램프(12)의 빔이 상기 제 2 램프(14)의 반사기 쪽으로 향하게 되고, 상기 제 2 램프(14)의 빔이 상기 제 1 램프(12)의 반사기 쪽으로 향하게 되도록 서로에 대해 배치되는, 상기 제 1 램프(12)와 제 2 램프(14);

   서로 인접하게 배향되고, 각각이 공통 축에 평행한 공통 방향으로 상기 제 1 혼합 빔(B)의 일부를 반사시켜 제 2 혼합 빔(C)을 형성하도록 배치되는 제 1 및 제 2 평면 미러면들(161, 162)을 포함하는, 이중 램프 조명 시스템.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 제 1 램프(12) 및 제 2 램프(14)의 빔들은 근사적으로 동일한 단면적을 갖는, 이중 램프 조명 시스템.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 램프들(12, 14)은 상기 혼합 빔(B)의 영역에서의 제 1 및 제 2 빔들이 공통 축(A)을 갖도록 배치되는, 이중 램프 조명 시스템.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 램프들(12, 14)은 공통 축(Z)을 따라 서로 마주하도록 배치되는, 이중 램프 조명 시스템.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 평면 미러면들(161, 162)은 서로 수직이고, 상기 평면 미러면들(161, 162)에 대응하는 기하학적 평면들의 교차선에 대응하는 공통 에지를 따라 만나는, 이중 램프 조명 시스템.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 평면 미러면(161, 162)들은 서로 수직이고, 상기 평면 미러면들(161, 162)에 대응하는 기하학적 평면들의 교차선에 대응하는 공통 에지(163)를 따라 만나는, 이중 램프 조명 시스템.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 평면 미러면들(161, 162)은 상기 공통 에지(163)가 상기 빔들의 상기 공통 축에 수직이 되도록 배치되는, 이중 램프 조명 시스템.
8. 제 1항에 있어서,

   상기 평면 미러면들은 상기 공통 에지(163)에 대응하는 회전축에 대하여 회전가능한, 이중 램프 조명 시스템.
9. 제 5항에 있어서,

   상기 평면 미러면들(161, 162)은 입방체(16)의 적어도 일부의 두개의 인접한 쪽들의 반사 면들을 포함하는, 이중 램프 조명 시스템.
10. 제 1항에 있어서,

    상기 평면 미러면들(161, 162)은 상기 제 1 혼합 빔의 축(A)에 직각인 축을 따라 이동가능한, 이중 램프 조명 시스템.
11. 제 10항에 있어서,

    상기 평면 미러면들(161, 162)은 상기 제 1 혼합 빔(B)의 상기 축(A)을 따라 이동가능한, 이중 램프 조명 시스템.
12. 제 7항에 있어서,

    상기 공통 에지(163)는 상기 혼합 빔들(B)의 상기 중심에 근접하여 또는 상기 중심에 위치되는, 이중 램프 조명 시스템.
13. 제 7항에 있어서,

    상기 공통 에지(163)는 제 1 광원 직경의 4배까지의 양만큼 새로운 혼합 빔(C)의 방향으로 상기 제 1 혼합 빔(B)의 상기 공통 축(A)을 넘어서 위치되는, 이중 램프 조명 시스템.
14. 제 13항에 있어서,

    상기 공통 에지는 상기 제 1 광원(121) 직경의 1/2내지 2배의 양만큼 상기 새로운 혼합 빔의 방향으로 상기 제 1 혼합 빔의 상기 공통 축을 넘어서 위치되는, 이중 램프 조명 시스템.
15. 적어도 하나의 광 변조 디스플레이 패널(58), 상기 디스플레이 패널을 조명하기 위한 조명 시스템(52), 및 디스플레이 표면상에 변조된 광을 투사하기 위한 투사 렌즈(62)를 포함하는, 투사 디스플레이 시스템(50)에 있어서,

    상기 조명 시스템(52)은 청구항 1항의 이중 램프 조명 시스템을 포함하는, 투사 디스플레이 시스템.
16. 제 15항에 있어서,

    광학 인터그레이터(optical integrator;54)가 상기 조명 시스템(52)으로부터의 방출 빔(C)의 경로에 위치되는, 투사 디스플레이 시스템.

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